KR101185076B1 - 반사체용 반사형 광센서 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 반사특성을 갖는 검사대상물의 결점을 검출하는 광센서에 관한 것이다.
상기 광센서는 검사 대상물로 점 크기(spot size)의 광학빔을 주사하는 투광부; 다수 개의 수광 소자로 이루어지며, 상기 투광부로부터 주사된 광학빔이 검사대상물에 의해 반사되어 진행되는 위치에 배치되는 수광부; 상기 수광부의 수광면으로부터 일정 거리 이격되어 배치되고, 상기 외부로부터 입사된 빛을 투과 및 산란시키는 광확산부; 및 상기 광확산부를 투과하여 산란된 빛을 수광부가 있는 방향으로 집광시켜 주는 광집적 소자;를 구비한다.
본 발명에 따른 반사체용 반사형 광센서는 점 크기(spot size)의 조명을 제공하는 레이저빔을 이용하여 반사 특성을 갖는 검사대상물의 결점을 검출할 수 있으며, 검사 대상물과 수광 소자의 사이에 광확산부를 도입함으로써, 진동이나 변위와 같은 주변 환경의 변화가 발생하더라도 안정적인 검출을 할 수 있게 된다.

Description

반사체용 반사형 광센서{Reflective type optical sensor for reflector}
본 발명은 광센서에 관한 것으로서, 더욱 구체적으로는 점크기(spot) 조명을 제공하는 레이저빔을 이용하여 반사 특성을 갖는 검사대상물의 결점을 정확하게 검출할 수 있는 광센서에 관한 것이다.
현재 유리 관련 산업은 LCD와 같은 디스플레이(display) 산업의 발전과 함께 지속적인 성장을 하고 있다. 또한, 디스플레이(display)가 대형화됨에 따라 유리 기판도 대형화되고 있으며, 원가절감 및 기술 향상을 위해 유리의 두께도 얇아지는 추세에 있다. 이에 따라, 유리 제조 공정 및 대형의 유리기판을 이용한 디스플레이(display)의 제조 공정 등에서 유리 기판의 손상이 발생하게 된 경우, 이를 검출하지 못하고 디스플레이 제조의 최종 공정까지 진행되면 생산수율이 떨어지게 되고 그 결과 전체 제조 비용이 증가하게 되는 문제점이 있다. 또한, 유리 기판의 손상으로 인하여 유리 파편등이 발생하는 경우 작업장에 배치된 제조 공정 장비들을 오염시키는 문제도 발생하게 된다.
한편, 표면이 반사특성을 갖지 않는 일반적인 물체의 파손여부를 판별하기 위하여, 레이저와 같은 작은 광학빔을 물체의 표면으로 주사시키고, 주사된 광학빔이 물체로부터 확산되어 나오는 빛을 수광 소가자 감지함으로써, 물체의 파손 여부를 판별한다. 그러나, 유리 등과 같이 표면이 반사 특성을 갖는 반사체인 경우, 표면으로 빛이 입사되면 빛의 반사의 법칙에 따라 입사각에 대한 반사각의 방향으로만 빛이 반사하게 되며, 확산되지 못한다. 따라서, 점크기(spot) 조명인 레이저 광학빔을 이용하여 물체의 결함 등을 검출하는 전술한 방법을 유리 기판 등과 같은 반사체에 적용하는 경우, 주변 환경의 변화에 의해 유리 기판이 진동하거나 변위가 발생하게 되면, 광학빔이 유리기판으로 입사되는 위치가 변하게 된다. 그 결과, 유리기판으로 입사되는 위치가 변하게 됨에 따라, 유리기판으로부터 반사되는 방향도 변하게 되어 수광 소자가 유리기판으로부터 반사된 광학빔을 집적하기 어려워지게 된다. 특히, 최근 유리 기판이 대형화되고 두께가 얇아짐에 따라, 주변 환경에 작은 변화가 발생하는 경우에도 유리 기판은 크게 진동하게 된다. 따라서, 반사체인 유리 기판 등에 전술한 방법을 적용하는 경우 유리 기판으로부터 반사된 광학빔을 집적시키기 어려우며, 주변 환경과 무관하게 안정적인 센싱을 못하게 되는 문제점이 발생한다.
이에 따라, 유리 기판과 같은 반사체의 결함을 검출하기 위하여 종래에는 초음파 센서를 사용하거나, LED를 이용한 확산 반사형 광센서를 사용하거나, 카메라 촬상에 의한 이미지 패턴 분석 등이 사용되고 있다.
먼저, 초음파 센서는 검출 영역이 넓으므로, 초음파 센서를 사용하는 방법은 유리 기판의 유무를 정확하게 판별할 수 있으나, 유리 기판의 부분 파손을 판별할 수 없는 문제점이 있다. 또한, 카메라 촬상에 의한 이미지 패턴 분석 방법은 제조 비용, 설치 환경, 처리 시간 등에서 많은 약점을 가지고 있다.
상기 LED를 이용한 확산 반사형 광센서를 사용하는 방법은, LED를 이용하여 상당히 넓은 범위에 빛을 주사시킨 후 반사되는 빛을 검지하는 방식이다. 이와 관련하여, 한국공개특허 제 10-2006-53847호의 "유리판의 결점 검사 방법 및 그 장치"는 적색, 청색, 녹색 LED를 광원으로 사용하여 유리판의 결점을 검사하는 방법을 개시하고 있다. 하지만, LED 광원은 광원으로부터 멀어지면 주사되는 면적이 넓어지게 됨에 따라, 검사 대상물에 대한 정확한 결점 감지를 위하여 광원과 검사 대상물간의 거리를 최소화시켜야 되는 문제점이 있다.
전술한 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은, 레이저 광학빔과 같은 점 크기(spot size)의 조명을 제공하는 광원을 이용하여 반사 특성을 갖는 검사 대상물의 결점을 정확하게 검출할 수 있는 반사체용 반사형 광센서를 제공하고자 하는 것이다.
전술한 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 특징은, 반사 특성을 검사대상물의 표면 결함을 검사하기 위한 광센서에 관한 것으로서, 상기 광센서는 검사 대상물로 광학빔을 주사하는 투광부; 다수 개의 수광 소자로 이루어지며, 상기 투광부로부터 주사된 광학빔이 검사대상물에 의해 반사되어 진행되는 위치에 배치되는 수광부; 상기 수광부의 수광면으로부터 일정 거리 이격되어 배치되고, 상기 외부로부터 입사된 빛을 투과 및 산란시키는 광확산부; 및 상기 광확산부를 투과하여 산란된 빛을 수광부가 있는 방향으로 집광시켜 주는 광집적 소자;를 구비한다.
전술한 특징에 따른 반사체용 반사형 광센서에 있어서, 투광부는 레이저 빔을 발생시키는 발진기로 구성되는 것이 바람직하다.
전술한 특징에 따른 반사체용 반사형 광센서에 있어서, 광확산부는 외부로부터 입사된 빛을 투과 및 산란시키는 확산필름인 것이 바람직하다.
전술한 특징에 따른 반사체용 반사형 광센서에 있어서, 광집적 소자는 렌즈, 프리즘 및 프리즘 시트 중 어느 하나로 구성되는 것이 바람직하다.
종래의 LED를 이용한 광센서는 수mm~수십mm의 검출 거리를 갖는 반면에, 본 발명에 따른 반사체용 반사형 광센서는 점 크기(spot size)의 레이저 광학빔을 사용함으로써, 광원과 검사 대상물의 이격 거리인 검출 거리가 200~230mm 인 경우에도 정확하고 안정적인 검출을 할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 반사체용 반사형 광센서는 검사 대상물과 수광 소자의 사이에 광확산부를 도입함으로써, 진동이나 변위와 같은 주변 환경의 변화가 발생하더라도 안정적인 검출을 할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 반사체용 반사형 광센서는 광확산부과 수광 소자 사이에 광집적소자를 배치시킴으로써, 광확산부에 의하여 산란된 빛을 수광소자가 있는 방향으로 집적시킬 수 있게 된다. 광확산부에 의하여 산란된 빛은 넓은 영역으로 주사되기 때문에 단위면적당 빛의 세기는 작아져서 상기 검사대상물에서 반사되는 빛이 아닌 다른 외부의 빛이 수광 소자로 입사하는 경우가 발생하였을 때 정확한 검출이 어렵게 된다. 따라서, 상기 광집적소자를 사용하여 산란된 빛을 집적시켜 수광되는 빛의 세기를 크게 하면 상기 검사대상물의 손상을 보다 정확하게 검출할 수 있게 된다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 반사체용 반사형 광센서를 도시한 구조도이다.
도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 반사체용 반사형 광센서에 있어서, 기판의 흔들림에 따라 광센서의 광학빔이 유리 기판으로/으로부터 진행되는 경로를 설명하기 위하여 도시한 그림이다.
도 3은 본 발명의 제2 실시예에 따른 반사체용 반사형 광센서를 도시한 구조도이다.
도 4는 본 발명의 제2 실시예에 따른 반사체용 반사형 광센서에 있어서, 기판의 흔들림에 따라 광센서의 광학빔이 유리 기판으로/으로부터 진행되는 경로를 설명하기 위하여 도시한 그림이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 반사체용 반사형 광센서의 구조 및 동작 방법을 구체적으로 설명한다.
제1 실시예
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 반사체용 반사형 광센서를 개략적으로 도시한 구조도이다. 도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 반사체용 반사형 광센서(10)는 투광부(100), 수광부(110), 광확산부(120) 및 하우징 (도시되지 않음)을 구비한다. 하우징은 투광 소자, 수광 소자 및 광확산부가 고정되도록 배치하는 케이스의 역할을 한다.
상기 투광부(100)는 레이저와 같은 점 크기(spot size)의 광학빔을 주사하는 광소자로 구성되며, 상기 투광부는 레이저와 같은 점 크기(spot size)의 광학빔을 검사대상물로 주사한다.
상기 수광부(110)는 다수 개의 수광 소자들(111, 112, 113, 114, 115, 116)로 이루어지며, 투광부(100)와 인접된 위치에 배치된다. 상기 수광부(110)의 각 수광 소자(111, 112, 113, 114, 115, 116)는 상기 투광부(100)로부터 조사되어 상기 검사대상물로부터 반사되는 빛을 감지하기 위한 것으로서, 포토 디텍터 등으로 구성될 수 있다. 상기 수광부(110)의 각 수광 소자(111, 112, 113, 114, 115, 116)는 상기 투광부(100)로부터 조사된 빛이 상기 검사대상물에 의해 반사되어 진행하는 방향에 위치시키는 것이 바람직하다.
광확산부(120)는 빛을 투과하는 투과성 및 산란성을 갖는 확산 필름으로 구성될 수 있으며, 상기 수광 소자(111, 112, 113, 114, 115, 116)의 수광면으로부터 일정 거리 이격된 정면에 배치된다. 상기 광확산부(120)는 검사대상물로부터 반사된 빛을 확산시켜 수광부(110)로 제공하게 된다.
전술한 구성을 갖는 본 발명의 제1 실시예에 따른 광센서는 검사 대상물이 진동하거나 변위가 발생하여 위치 및 방향이 변하더라도 반사광의 집적이 용이하게 된다. 도 2는 제1 실시예에 따른 반사체용 반사형 광센서에 있어서, 여러 환경에서 광학빔이 진행하는 경로를 표시한 그림이다. 도 2를 참조하면, 상기 광센서(10)의 투광부(100)는 반사 특성을 갖는 검사대상물인 유리 기판(a1)으로 특정한 입사각(θi)을 갖는 빛을 주사한다. 입사된 빛을 확산시키는 타검사대상물과는 달리 반사체의 특성을 갖는 검사대상물은 반사의 법칙에 따라 상기 검사대상물의 표면을 기준으로 특정한 입사각(θi)과 동일한 크기를 갖는 반사각(θr=θi)으로 빛을 반사한다. 상기의 반사된 빛은 광센서(10)의 광확산부(120)를 투과하여 산란된 형태를 지니게 되며, 기존의 점 크기(spot size)의 광학빔보다 넓은 영역으로 퍼져 수광부(110)에 조사된다.
한편, 진동이나 변위와 같은 환경 변화에 의해 검사 대상물(a2, a3)의 위치가 변하게 되는 경우, 상기 검사대상물로부터 반사되는 빛의 반사 방향이 변화게 된다. 이때, 반사빛의 진행 방향의 변화에 의해 수광부(110)의 감지 영역을 벗어나게 되는 경우 반사빛을 감지할 수 없었던 기존의 광센서와는 달리, 본 발명에 따른 광센서(10)는 광확산부(120)에 의해 산란된 빛이 다수 개의 수광 소자(111, 112, 113, 114, 115, 116)로 조사된다. 따라서, 본 발명에 따른 광센서(10)는 유리 기판의 흔들림 등과 같은 주변 환경의 변화가 발생하더라도 정확한 감지를 할 수 있게 된다.
상기 광센서(10)는 반사체의 특성을 갖는 검사대상물이 중심으로부터 상하 최대 3°까지 변화하여도 감지 가능하며, 상기 검사대상물의 절단면이 평행일 때를 기준으로 최대 70mm의 이격 상태에서도 감지가 가능하다.
제2 실시예
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 제2 실시예에 따른 반사체용 반사형 광센서의 구조 및 동작을 구체적으로 설명한다. 제2 실시예에 따른 반사체용 반사형 광센서는 제1 실시예에 따른 광센서와 유사한 구조를 가지며, 다만 광학산부와 수광부의 사이에 광집적소자를 더 구비하는 것을 특징으로 한다. 도 3를 참조하면, 본 발명의 제2 실시예에 따른 반사체용 반사형 광센서(30)는 투광부(300), 수광부(310), 광확산부(320), 광집적 소자(330) 및 하우징 (도시되지 않음)을 구비한다. 제2 실시예에 있어서, 광집적 소자(330)를 제외한 나머지의 구성 요소는 제1 실시예의 그것들과 동일하므로 중복되는 설명은 생략한다.
제2 실시예의 상기 광집적소자(330)는 렌즈, 프리즘 및 프리즘 시트 중 어느 하나로 구성되며, 상기 광확산부(320)와 상기 수광부(310) 사이에 배치된다. 상기 광집적 소자(330)는 광확산부(320)에서 산란된 빛을 굴절시켜 수광소자(311, 312, 313, 314, 315, 316)가 있는 방향으로 집광시키는 역할을 한다.
전술한 구성을 갖는 본 발명의 제2 실시예에 따른 광센서(30)는 검사대상물로부터 반사된 빛이 아닌 다른 외부의 빛과 같은 노이즈가 발생하더라도 정확한 검출을 할 수 있게 된다. 도 4는 제2 실시예에 따른 반사체용 반사형 광센서(30)에 있어서, 여러 환경에서 광학빔이 진행하는 경로를 표시한 그림이다. 제2 실시예에 있어서, 광확산부(320)까지의 광학빔의 진행 경로는 제1 실시예의 그것들과 동일하므로 중복되는 설명은 생략한다.
도 4를 참조하면, 광확산부(320)로부터 산란된 빛은 광집적 소자(330)를 투과하면서 굴절되어 수광 소자가 있는 방향으로 집광하게 된다. 일반적으로 산란된 빛은 넓은 영역으로 확산되는 대신, 단위면적당 빛의 세기가 작아지는 특성을 갖는다. 제1 실시예와 같이 광확산부(120)에 의해 산란된 빛을 수광부(110)에 직접 주사하는 경우 넓은 영역의 수광부(110)에서 빛을 감지할 수 있다는 장점이 있으나, 단위면적 당 빛의 세기가 약해지므로 검사대상물(a1, a2, a3)에서 반사된 빛이 아닌 다른 외부의 빛과 같은 노이즈가 발생하였을 경우, 정확한 검출이 어려운 단점이 발생할 수 있다. 따라서, 본 발명의 제2 실시예에 따른 광센서(30)는 산란된 빛을 집광시켜 수광 신호를 증폭시키게 되고, 외부 노이즈가 발생하는 경우에도 정확한 검지를 할 수 있게 된다.
이상에서 본 발명에 대하여 그 바람직한 실시예를 중심으로 설명하였으나, 이는 단지 예시일 뿐 본 발명을 한정하는 것이 아니며, 본 발명이 속하는 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성을 벗어나지 않는 범위에서 이상에 예시되지 않은 여러 가지의 변형과 응용이 가능함을 알 수 있을 것이다. 그리고, 이러한 변형과 응용에 관계된 차이점들은 첨부된 청구 범위에서 규정하는 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
본 발명에 따른 반사체용 반사형 광센서는 반사체의 특성을 갖는 검사대상물의 결점을 감지해야 되는 분야에 널리 사용될 수 있다. 유리와 갖은 반사체의 특성을 갖는 검사대상물은 충격이 가해졌을 때 깨어지는 성질, 즉 취성을 가지고 있어 절단하거나 가공하는 공정 중에 파손되는 경우가 있다. 파손된 검사대상물을 추출하지 못하고 전 공정을 진행할 경우 상기 검사대상물을 기초로 하는 생산물을 제조하는 분야에서는 원가 손실뿐만 아니라 상기 검사대상물의 파손 파편으로 인해 제조공정장비의 오염도 초래할 수 있다. 따라서, 반사체의 특성을 갖는 검사대상물의 파손 여부를 정확하게 검사해야하므로, 본 발명의 반사체용 반사형 광센서가 이용될 수 있다.
10, 30 : 반사체용 반사형 광센서
100, 300 : 투광부
110, 310 : 수광부
111~116, 311~316 : 수광 소자
120, 320 : 광확산부
330 : 광집적 소자

Claims (5)

  1. 반사 특성을 갖는 검사대상물의 표면의 결함을 검사하기 위한 광센서에 있어서,
    검사 대상물로 광학빔을 주사하는 투광부;
    다수 개의 수광 소자로 이루어지며, 상기 투광부로부터 주사된 광학빔이 검사대상물에 의해 반사되어 진행되는 위치에 배치되는 수광부; 및
    상기 수광부의 수광면으로부터 일정 거리 이격되어 배치되고, 외부로부터 입사된 빛을 투과 및 산란시켜 수광부로 제공하는 광확산부;
    를 구비하는 반사체용 반사형 광센서.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 투광부는 레이저 빔을 발생시키는 레이저 발진기를 사용하는 것을 특징으로 하는 반사체용 반사형 광센서.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 광확산부는 외부로부터 입사된 빛을 투과 및 산란시키는 확산필름인 것을 특징으로 하는 반사체용 반사형 광센서.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 반사체용 반사형 광센서는 광확산부와 수광부 사이에 배치된 광집적 소자를 더 구비하고, 상기 광집적 소자는 광확산부를 투과하여 산란된 빛을 수광부가 있는 방향으로 집광시켜 주는 것을 특징으로 하는 반사체용 반사형 광센서.
  5. 제 4항에 있어서,
    상기 광집적 소자는 렌즈, 프리즘 및 프리즘 시트 중 어느 하나로 구성되는 것을 특징으로 하는 반사체용 반사형 광센서.
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