KR101591904B1 - 광 변위 센서 - Google Patents

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이상신
이학순
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광운대학교 산학협력단
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Abstract

본 발명의 일 측면에 따르면, 광 변위 센서가 제공된다. 본 발명의 일 실시예에 따른 광 변위 센서는 빔(beam)을 방출하는 광원, 반사된 광을 수신하고, 광의 광 특성을 감지하는 광 감지기 및 광원으로부터 방출된 광을 집속하고 집속된 광을 스케일에 조준하여, 스케일로부터 반사된 광의 경로를 광 감지기로 유도하는 빔 형성기를 포함할 수 있다. 본 발명은 출력 신호의 모듈레이션 깊이와, 선형 및 각 허용오차 측면에서 우수한 효과가 있다.

Description

광 변위 센서{PHOTONIC DISPLACEMENT SENSOR}
본 발명은 광 변위 센서에 관한 것으로서, 더욱 구체적으로는 빔 형성기를 포함하는 반사형 광 변위 센서에 관한 것이다.
인코더(encoder)로 널리 알려진 변위 센서는 물체의 위치 또는 각 운동량을 감지하거나 추적하는데 사용되는 필수적인 수단이다. 또한, 변위 센서는 프린팅, 기계 제어, 공장 자동화, 로봇 제어, 우주 산업, 바이오 센싱 등과 같은 넓은 범위의 분야에 적용되어 왔다. 변위 센서는 전기적인 분야에서 특히 증가된 민감도, 큰 생동폭(dynamic range), 광 무게(weight) 및 전자파 방해에 영향을 받지 않는다는 측면에서 장점이 많다.
센서의 종류로 반사형과 투과형이 있으며, 이는 광원, 규모, 광 감지기(PD; Photodetector) 기반 광 감지기의 구성에 따라 달라진다. 반사형 센서 장치는 슬림(slim)한 컴팩트(compact) 구조로 인하여 부피가 큰 투과형 센서 장치보다 현저히 선호된다. 반사형 센서 장치는 광의 성질에 관하여 조준 빔(collimated beam)에 기반한 경우, 특별히 고안된 광 감지기의 배열이 요구되나, 집속 빔(focused beam)에 대해서는 그러지 아니하다.
본 발명의 배경기술은 대한민국 공개특허공보 제10-2002-0040115호(2002. 05. 30 공개, 회절격자를 이용한 광 삼각법 변위 센서)에 개시되어 있다.
본 발명은 정렬 가이드를 이용하여 손쉽게 제작할 수 있고, 비용 효율적인 광 센싱 헤드를 포함하는 광 변위 센서를 제공한다.
또한, 본 발명은 출력 신호의 모듈레이션 깊이와, 선형 및 각 허용오차 측면에서 우수한 광 변위 센서를 제공한다.
본 발명의 이외의 목적들은 하기의 설명을 통해 쉽게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 광 변위 센서가 제공된다.
본 발명의 일 실시예에 따른 광 변위 센서는 빔(beam)을 방출하는 광원, 반사된 광을 수신하고, 광의 광 특성을 감지하는 광 감지기 및 광원으로부터 방출된 광을 집속하고 집속된 광을 스케일에 조준하여, 스케일로부터 반사된 광의 경로를 광 감지기로 유도하는 빔 형성기를 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 광 변위 센서는 정렬 가이드를 이용하여 손쉽게 제작할 수 있고, 비용 효율적인 효과가 있다.
또한, 본 발명은 출력 신호의 모듈레이션 깊이와, 선형 및 각 허용오차 측면에서 우수한 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 광 변위 센서의 개략적인 구조도.
도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 광 변위 센서의 동작을 설명하기 위한 도면.
도 3은 본 발명의 제1 실시예에 따른 집속 광 스팟의 사이즈에 따른 광 감지기 출력을 설명하기 위한 도면.
도 4는 본 발명의 제1 실시예에 따른 광 변위 센서의 주요 구성요소의 구조적 파라미터들을 설명하기 위한 도면.
도 5는 본 발명의 제1 실시예에 따른 다른 집속 광의 변위 기능으로 센서의 광응답을 설명하기 위한 도면.
도 6은 본 발명의 제1 실시예에 따른 단수모드 및 복수모드 광원들의 집속 빔 직경에 따른 모듈레이션 깊이를 설명하기 위한 도면.
도 7은 본 발명의 제1 실시예에 따른 단수모드 광원의 정렬 허용오차를 설명하기 위한 도면.
도 8은 본 발명의 제1 실시예에 따른 코드 스케일의 정렬 허용오차를 설명하기 위한 도면.
도 9는 본 발명의 제1 실시예에 따른 광 변위 센서의 디자인 결과를 설명하기 위한 도면.
도 10 내지 도 13은 본 발명의 제1 실시예에 따라서 실제로 구현된 광 변위 센서를 설명하기 위한 도면들.
도 14 및 도 15는 본 발명의 제1 실시예에 따른 집속 광을 설명하기 위한 도면들.
도 16은 본 발명의 제1 실시예에 따른 광 변위 센서의 전환 특성을 설명하기 위한 도면.
도 17은 본 발명의 제2 실시예에 따른 광 변위 센서의 개략적인 구조도.
도 18은 본 발명의 제2 실시예에 따른 광 변위 센서의 구성을 설명하기 위한 도면.
도 19는 본 발명의 제2 실시예에 따른 출력 신호를 설명하기 위한 도면.
도 20은 본 발명의 제2 실시예에 따른 설계를 위한 구조적 파라미터들을 설명하기 위한 도면.
도 21은 본 발명의 제2 실시예에 따른 격자 패턴들 사이에 중첩을 설명하기 위한 도면.
도 22는 본 발명의 제2 실시예에 따른 출력 전력과 코드 스케일 변위의 관계를 설명하기 위한 도면들.
도 23은 본 발명의 제2 실시예에 따른 광 변위 센서의 정력을 설명하기 위한 도면.
도 24는 본 발명의 제2 실시예에 따라서 실제로 구현된 광 변위 센서를 설명하기 위한 도면들.
도 25는 본 발명의 제2 실시예에 따른 반사 빔 패턴들을 설명하기 위한 도면.
도 26은 본 발명의 제2 실시예에 따른 출력 신호들을 설명하기 위한 도면.
아래에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예를 상세히 설명하도록 한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 또한, 어떤 부분이 어떤 구성 요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성 요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
이하, 첨부된 도면을 참고하여, 본 발명의 실시를 위한 구체적인 내용을 설명하도록 한다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 광 변위 센서의 개략적인 구조도이다.
도 1을 참조하면, 광 변위 센서(100)는 광 센싱 헤드(120) 및 실제적인 변위를 일으키는 스케일(190)을 포함한다.
광 센싱 헤드(120)는 광을 방출하는 광원(130), 반사된 광을 수신하는 광 감지기(140) 및 광원으로부터 방출된 광을 집속하고 스케일에 조준하고, 스케일로부터 반사된 광의 경로를 광 감지기로 유도하는 빔 형성기(150)를 포함한다.
광원(130)은 광을 방출한다. 광원(130)은 집적에 편리하고, 저 비용, 작은 발산 빔 및 작은 개구를 가지는 것이 바람직하다. 광원(130)은 단수 모드(SM; Single mode) 또는 복수 모드(MM; Multi mode)일 수 있다. 광원(130)은 상술한 특징에 적합한 예를 들면, 면 발광 레이저(VCSEL; Vertical-cavity surface-emitting laser)일 수 있으나, 이에 한정되지 않으며, 산업용 및 소비재용으로 사용될 수 있는 다른 광원이라도 상관없다.
광 감지기(140)는 반사된 광을 수신하고, 광의 특성을 감지한다. 여기서의 광의 특성은 예를 들면, 광량, 광의 세기 및 광의 파장 중 적어도 하나일 수 있으며, 이에 한정되지 않는다. 이후 광 감지기(140)는 광 분석기(미도시)로 수신된 광의 특성을 전달한다. 광 분석기는 수신된 광의 특성을 분석하여 측정 대상 물체의 위치의 이동 정도 또는 각도의 이동 정도를 산출할 수 있다.
빔 형성기(150)는 기판, 기판의 일면에 위치하는 비구면의 집속 렌즈(160) 및 기판의 타면에 위치하는 비구면의 조준 렌즈(170)를 포함한다. 빔 형성기(150)는 광원(130)으로부터 나타낸 입사광의 프로파일을 변화시키고 광의 이동 경로를 바꿀 수 있다. 빔 형성기(150)는 플라스틱 인젝션 몰딩 기술에 의해 효율적으로 제조될 수 있다.
기판은 광원(130)으로부터 방출되어 집속 렌즈(160)를 통과하여 집속된 광을 조준 렌즈(170)로 전달하고, 스케일(190)에 반사되어 조준 렌즈(170)를 통과한 광을 광 감지기로 통과한다. 기판은 예를 들면, 플라스틱, 실리카 재질일 수 있으며, 광을 통과하는 어떠한 재질도 가능하다.
집속 렌즈(160)는 광원(130)으로부터 방출된 광을 집속한다. 여기서, 기판의 일면은 광원(130)의 위치한 방향을 대하는 측면이다.
조준 렌즈(170)는 집속 렌즈(160)에서 집속된 광을 스케일(190)의 일부분으로 조준하고, 이후 스케일(190)에서 반사된 광을 통과시켜 광 감지기(140)로 유도하며, 기판의 타면에 위치한다. 여기서, 기판의 타면은 스케일(190)이 위치한 방향을 대하는 측면이다.
스케일(190)은 코드 휠(code wheel)과 비슷하며, 피치 ∧(192)의 주기에 따라 반사되는 부분(194)과 반사되지 않는 부분(196)이 번갈가며 새겨져 있다. 스케일(190)은 모터 구동에 의해 회전을 일으키는 회전식 스케일일 수 있으나, 이에 한정되지는 않는다.
본 발명에 따른 광 변위 센서(100)는 광선 추적법 기반의 시뮬레이션에 의해 고안되고 분석되었다. 아래에서는 본 발명에 따른 광 변위 센서(100)의 빔 패턴에 대한 성능의 의존도를 빔 형성기에 대한 검사와 함께 스케일의 측면에서 면밀히 검사하였다. 또한, 본 발명에 따른 광 변위 센서(100)는 획득한 출력 신호의 모듈레이션 깊이 및 궁극적으로 선형(Linear) 및 각(angular) 분해능(resolution) 측면에서 특성이 있다.
도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 광 변위 센서의 동작을 설명하기 위한 도면이다.
도 2를 참조하면, 광 변위 센서(100)의 운영은 광선의 전달에 의해 설명될 수 있다. 광원(130)로부터 이용 가능한 출력 신호들의 처리를 촉진하기 위하여 모듈레이션 깊이가 증가될 수 있다. 본 발명의 일 실시 예에서, 모듈레이션 깊이는 신호의 최소 및 최대 수준의 비율로 정의된다. 즉, 모듈레이션 깊이는 스케일에서 반사되는 광출력 신호의 최소값과 최대값의 차이에 대한 비율로 나타낼 수 있다. 집속 빔에 기반한 센서에 대하여 스케일에서 반사되는 출력광의 모듈레이션 깊이는 광 스팟(210)의 직경이 감소(diminishing)하는 경우, 증가될 수 있다. 이에 대해서는 후술하는 도 3에서 자세하게 설명된다. 빔 형성기(150)와 관련된 2개의 비구면 렌즈(160, 170)들에 의해 형성된 조준 광학은 광원(130)으로부터 발생되는 광의 초점을 맞춘다. 광원(130)에서 방출된 광은 처음, 빔 형성기(150) 하부에 위치한 작은 비구면 집속 렌즈(160)에 의해 광이 집속되고, 상부의 조준 렌즈(170)의 일부분에 의해 스케일(190)의 일부로 초점을 맞춘다. 이후, 스케일(190)의 격자 패턴들의 맨 윗부분에 최소 스팟(210)을 형성한다. 스케일(190)의 반사 패턴으로부터 반사된 광은 조준 렌즈(170)의 다른 일부분에 의해 받아지며 결국 광 감지기(140)에 도달한다. 그러므로 컴팩트형 광 변위 센서(100)는 같은 플랫폼 위에 위치한 광원(130) 및 광 감지기(140)가 위치한 곳에서 효율적으로 운영될 수 있다.
도 3은 본 발명의 제1 실시예에 따른 집속 광 스팟의 사이즈에 따른 광 감지기 출력을 설명하기 위한 도면이다.
도 3을 참조하면, 광은 일정하게 조사 분포되는 것으로 가정한다. 스케일에서 반사되는 광출력의 모듈레이션 깊이는 이상적으로 집속 빔(310)의 직경 D가 Λ/2와 같은 경우에 100%로 정의된다. 예를 들면, 모듈레이션 깊이는 집속 빔(310)의 광 스팟의 직경(D)이 Λ/2인 이상적인 경우에, 피치(192)의 반사되는 부분(194)에서는 입사광이 스케일에서 전부 반사되고, 피치(192)의 반사되는 않는 부분(196)에서는 전부 흡수된다. 따라서 도 3에 도시된 바와 같이 스케일이 회전됨에 따라 반사되는 부분(194)에서 반사되는 광출력은 1이 출력되고, 반사되는 않는 부분(196)에서 반사되는 광출력은 0이 출력되어 광출력은 0과 1 사이를 교번하는 패턴으로 나타나게 된다. 본 발명의 일 실시 예에서는 이 경우 모듈레이션 깊이를 100%로 나타낸다. 집속빔의 광 스팟의 직경이 3∧/2로 넓어진 경우(320)에는 스케일에서 반사되는 광출력의 모듈레이션 깊이는 33%까지 줄어든다. 예를 들면, 광 스팟의 직경(D)이 Λ/2보다 확대되어 3Λ/2인 경우(320)는, 광 스팟의 직경(D)이 피치(192)의 반사되는 부분(194) 보다 크기 때문에 피치(192)의 반사되는 부분(194)과 반사되는 않는 부분(196)이 일부 겹치게 되므로, 입사광이 스케일에서 전부 반사되지 못한다. 광 스팟의 직경(D)이 3Λ/2인 경우(320), 스케일에서 반사되는 광출력이 최대로 나타나는 때는 반사되는 부분(194)이 최대한 많이 포함될 때이며, 이때 광 스팟의 최대 광출력은 반사되는 않는 부분(196)이 일부 포함되기 때문에 입사광의 2/3가 출력된다. 또한, 광 스팟의 직경(D)이 3Λ/2인 경우(320), 스케일에서 반사되는 광출력이 최소로 되는 때는 반사되는 않는 부분(196)이 최대한 많이 포함될 때이며, 이때도 1/3 부분은 반사되는 부분(194)을 포함하게 되므로 광 스팟의 최소 광출력은 1/3이 출력하게 된다. 따라서 도 3에 도시된 바와 같이 광 스팟의 직경(D)이 3∧/2 경우(320)에는 스케일 반사되는 광출력은 2/3와 1/3 사이를 교번하는 패턴으로 나타난다. 그러므로 집속빔의 광 스팟의 직경이 Λ/2에서 3Λ/2로 넓어진 경우(320)에 스케일에서 반사되는 광출력의 모듈레이선 깊이는 33%로 줄게 된다. 이와 반대로 광 스팟의 직경(D)이 3∧/2에서 Λ/2로 줄어드는 경우에는 스케일에서 반사되는 광출력의 모듈레이선 깊이는 증가될 수 있음을 알 수 있다. 또한, 도 3을 통하여 스케일에서 반사되는 광출력의 모듈레이션 깊이는 집속 광 스팟의 직경에 역으로 비례함을 알 수 있다. 본 발명에 따른 빔 형성기(150)를 구성하는 집속 렌즈(160) 및 조준 렌즈(170)는 광원(130), 광 감지기(140) 및 스케일(190)의 차원과 위치를 고려하는 광선 추적법 기반의 툴, 코드 V에 의해 설계되었다.
도 4는 본 발명의 제1 실시예에 따른 광 변위 센서의 주요 구성요소의 구조적 파라미터들을 설명하기 위한 도면이다.
도 4를 참조하면, 본 발명에 따른 광 변위 센서(100)를 제작하고 운영하는 데 필요한 주요 구조적 파라미터들이 표시되었다.
광원(130)은 전체 각도에서 30 °의 광 분산을 주는 것으로 고려될 수 있다. 광원(130)은 조준 렌즈(160)까지 0.7 ㎜의 거리일 수 있다.
집속 렌즈(160) 및 조준 렌즈(170)는 폴리카보네이트로 만들어질 수 있으며, λ=850 nm 일 때, n= 1.586일 수 있다. 집속 렌즈(160)는 다음 비구면 렌즈의 구조적 파라미터들의 특징을 가질 수 있다: 높이 300 ㎛, 반경 0.40 ㎚, 원뿔 상수 -2.47, 제4, 제6 및 제8 계수는 각각 0.19×10-5, -0.15×10-4 및 0.60×10-4. 또한, 조준 렌즈(170)는 높이 570 ㎛, 반경 0.85㎚, 원뿔 상수 -2.47, 제4, 제6 및 제8 계수는 각각 -0.74×10-8, 0.62×10-8 및 -0.21×10-8와 같은 비구면 렌즈의 파라미터들을 가질 수 있다.
또한, 실용적인 탑재의 측면에서, 광원(130) 및 광 감지기(140) 사이의 거리는 1.4 ㎜가 바람직하다. 조준 렌즈(170)와 스케일(190) 사이의 분리는 1.5 ㎜로 고정될 수 있으며, 광은 최적으로 빔 형성기(150)의 상부 렌즈(170)의 중심축을 따라서 스케일(190)의 맨 윗부분에 비춰질 수 있다.
도 5는 본 발명의 제1 실시예에 따른 2 종류의 광원에서 방출된 광의 전파를 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 거리 z = 0, 0.5, 1.0 및 1.5 ㎜에서 보여진 2 종류의 광원에서 발생한 광의 전파에 대해 나타낸 것이다. 도 5는 오클라로(Oclaro)사의 단수 모드(SM; Single mode) 및 복수 모드(MM;Multi mode)에 대해 광원들의 개구(aperture) 사이즈와 발산(divergence) 특징을 나타낸다.
단수 모드 광원(132)은 7 ㎛의 직경의 개구와 20°의 전체분산(full divergence)의 특징을 제공하는 반면, 복수 모드 광원(134)은 15 ㎛의 직경의 개구와 30°의 전체분산(full divergence)의 특징을 제공한다.
도 6은 본 발명의 제1 실시예에 따른 다른 집속 빔들을 위한 변위의 함수로 센서의 광 응답을 설명하기 위한 도면이다.
도 6을 참조하면, 10에서 70 ㎛의 다양한 범위의 집속 스팟들이 스케일 변위의 함수로 센서에서 출력되는 광출력(optical output power)이 달라지는 것을 알 수 있다. 집속 광 스팟의 직경이 증가할수록 센서에서 출력되는 광출력(optical output power)은 감소한다.
도 7은 본 발명의 제1 실시예에 따른 단수모드 및 복수모드 광원들의 집속 빔 직경에 따른 모듈레이션 깊이를 설명하기 위한 도면이다.
도 7에 도시된 바와 같이, 모듈레이션 깊이는 스팟의 직경이 10에서 70 ㎛로 확대됨에 따라 ∼32%로부터 3%로 현격하게 감소된다. 모듈레이션 깊이는 단수 모드의 광원 및 복수 모드의 광원에서는 29 및 63 ㎛ 만큼 각각 작아진다. 결과적으로 모듈레이션 깊이는 단수 모드 및 복수 모드 광원의 경우에 각각 ∼9% 및 4%로 평가되었다.
도 8 및 도 9는 본 발명의 제1 실시예에 따른 단수 모드 광원의 정렬 허용오차 및 스케일의 정렬 허용오차를 설명하기 위한 도면이다.
도 8 및 도 9을 참조하면, 집속 광의 직경은 x, y 및 z 방향으로 광원의 변위와 z 방향으로의 스케일 변위와 함께 나타낸다. 정렬 허용오차는 앞서 언급한 광의 기준 70 ㎛에 대하여 결정될 수 있다. 증가될 모듈레이션 깊이를 유도하는 단수 모드 광원의 경우, 스케일 허용오차가 z 방향으로 30 ㎛가 넘을 때, 광원의 허용오차가 모든 방향에서 30 ㎛가 넘는 것으로 나타난다. 결과적으로, 센서는 예상했던 바와 같이 실용적으로 수동적인 조립이 가능한 높은 정렬 허용오차를 가지고 있음이 증명되었다.
도 10은 본 발명의 제1 실시예에 따른 광 변위 센서의 설계 결과를 설명하기 위한 도면이다.
변위 센서는 집기 놓기 계획(pick and place scheme)에 의해 정렬 가이드(1010)를 이용하여 비용 효율적으로 구체화될 수 있다. 도 10에 도시된 바와 같이, 정렬 가이드(1010)는 처음 PCB(printed circuit board)에 의해 미리 정해진 구멍들을 통하여 설치될 수 있다. 광원(130) 및 광 감지기(140) 들은 정렬 가이드(1010)에서 삽입되는 2개의 홀을 연결하는 라인을 참조하여 PCB에 탑재될 수 있다.
도 11 내지 도 13은 본 발명의 제1 실시예에 따라서 실제로 구현된 광 변위 센서를 설명하기 위한 도면들이다.
도 11을 참조하면, 제조된 광 변위 센서(100)에 대하여 광 센싱 헤드(120)는 8×7.4×2.1 ㎣ 차원으로 적용될 수 있다. 빔 형성기(150) 및 정렬 가이드(1010)는 인젝션 몰딩 기술에 의하여 폴리카보네이트와 폴리이미드를 이용하여 각각 제조될 수 있다. 오클라로 사의 단수 모드 광원(132) 및 복수 모드 광원(134)이 이용되며, 광 감지기(140)로 0.54×0.54 ㎟ 의 실리콘 PIN PD가 이용될 수 있다. 광원(130) 및 광 감지기(140)는 10 ㎛의 허용오차 내에서 PCB 위에 탑재될 수 있다.
도 12를 참조하면, 빔 형성기(150)는 8×3.4×0.5 ㎣ 규모의 마이크로 빔 형성기(150)를 적용할 수 있다. 제조된 집속 렌즈(160) 및 조준 렌즈(170)는 최초의 설계대로 제조되었음을 확인할 수 있다. 집속 렌즈(160) 및 광원(130) 사이의 거리는 0.72 ㎜이고 최초 설계와 비교하여 볼 때, 20 ㎛의 작은 편차를 보여준다.
도 13은 변위 센서를 평가하기 위하여 코드 휠과 유사한 모터(192) 구동의 회전 스케일(190)과 함께 광 센싱 헤드(120)가 정확하게 정렬되었다. 광 센싱 헤드(120)는 스케일(190)이 홀더(194)와 변화하는 속도로 회전되며 연결되는 동안 매우 주의 깊게 탑재되어야 한다. 스케일(190)은 피치 10 ㎛의 격자로 새겨져 있고, ∼ 95%가 넘고 5%가 넘지 않는 선택적 반사를 일으킬 수 있다. 또한, 스케일(190)은 격자 패턴의 중심이 반경 ∼ 13.5 ㎜의 원에 위치하며, 이것은 10 ㎛ 피치에 상응하는 선형의 변위가 각 변위 0.04°와 거의 등가인 것을 나타낸다. 조준 렌즈(170) 및 스케일(190) 사이의 거리는 1.5 ㎜로 조정되며, 광원(130)로부터 출력 신호는 회전되는 모터(192)와 함께 모니터될 수 있다.
도 14 및 도 15는 본 발명의 제1 실시예에 따른 집속 광을 설명하기 위한 도면들이다.
변위 센서의 성능을 평가하기 위하여, 전파되는 빔들에 대한 빔 형성기(150)의 영향과, 스케일(190)의 변위의 함수로서, 광 감지기(140)의 출력을 조사하였다. 센서 성능에 대한 집속 광의 영향을 면밀히 조사하기 위하여 도 14에 도시된 바와 같이 첫째로 집속 렌즈가 z 방향을 따라서 0.5 ㎜간격으로 광을 특성화하였다. 조준 광의 중심이 렌즈의 표면과 부딪힌 점을 (0, 0, 0) 좌표로 설정하였다. 집속 광의 실제적인 전파를 나타내는 z' 방향은 실제 z 방향에서 22°의 각도차가 보여진다. 광의 프로파일을 z' 방향을 따라 줌 렌즈와 연결된 CCD 카메라를 이용하여 확인하였다. 단수 모드의 광원(132) 및 복수 모드의 광원(134)의 경우에 집속 광은 z'=1.7 ㎜인 거리에서 획득되었고, 이것은 광원(130)에서 집속 렌즈(160) 사이의 거리가 20 ㎛의 편차로 기인하여 예상된 1.85 ㎜와 상이하였다. 광의 타원형의 패턴은 처음에는 y축을 따라 렌즈 표면 위로 확대되었다. 그러나, 초점을 넘어서 패턴은 회전되었고 늘어난 최대 축은 x 축과 평행하였다. 도 15에 도시된 바와 같이, 집속 광의 1/e2 스팟 사이즈 D는 단수 모드 광원(132) 및 복수 모드 광원(134) 각각에 대하여 ∼ 30 및 70 ㎛로 보여졌다.
도 16은 본 발명의 제1 실시예에 따른 광 변위 센서의 전환 특성을 설명하기 위한 도면이다.
마지막으로, 변위 센서의 전환특성을 검사하였다. 단수 모드 광원(132) 및 복수 모드 광원(134) 중 어느 하나로부터 발생한 집속광이 이동 중인 회전 스케일(190)에 의해 주기적으로 반사될 때, 광 감지기(140)로부터 출력 신호를 수집하였다.
도 16에 도시된 바와 같이, 스케일(190)의 격자 패턴의 변위에 따라서 출력 파형은 연속적으로 변화한다. 획득한 출력 신호는 격자 피치에 따라서 10 ㎛의 주기를 가진다. 모듈레이션 깊이는 단수 모드 광원(132) 및 복수 모드 광원(134) 각각에 대해 약 7% 및 3%였다. 이는 이론적인 결과와 실험적인 결과가 매우 좋은 연관성을 나타낸 것이다. 변위 센서는 2개의 연속적인 피크 수준들 사이의 거리에 대해서 간단하게 10 ㎛로 평가되는 선형 분해능을 가진다. 획득된 신호의 반주기를 구별함에 의해 분해능은 5 ㎛보다 크게 확장되고, 이는 각 분해능 ∼0.02°에 해당한다. 본 발명에 따른 변위 센서의 성능 지수는 분해능 및 비용의 결과로 정의 되며, 상업적인 제품의 적어도 2 배 이상인 것으로 보여 진다. 본 발명에 따른 광 변위 센서는 비용 효율적이고, 정렬 가이드에 의해 간편하게 조립할 수 있다. 또한, 스케일 피치 및 집속 빔 사이즈가 줄어듦에 따라 잠재적으로 분해능이 실질적으로 증가하였다.
도 17은 본 발명의 제2 실시예에 따른 광 변위 센서의 개략적인 구조도이다.
도 17을 참조하면, 광 변위 센서는 광 센싱 헤드(1700) 및 실제적인 변위를 일으키는 스케일(1790)을 포함한다.
광 센싱 헤드(1700)는 광을 방출하는 광원(1730), 반사된 광을 수신하는 광 감지기(1740) 및 광원으로부터 방출된 광을 집속하고, 스케일에 조준하며, 스케일로부터 반사된 광의 경로를 광 감지기로 유도하는 빔 형성기(1750)를 포함한다.
광원(1730)은 광을 방출하며, 집적이 편리하고, 저 비용, 작은 발산 빔 및 작은 개구를 가지는 것이 바람직하다. 광원(1730)은 단수 모드(SM; Single mode) 또는 복수 모드(MM; Multi mode)일 수 있다. 광원(1730)은 상술한 특징에 적합한 예를 들면, 면 발광 레이저(VCSEL; Vertical-cavity surface-emitting laser)일 수 있으나, 이에 한정되지 않으며, 산업용 및 소비재용으로 사용될 수 있는 다른 광원이라도 상관없다.
광 감지기(1740)는 반사된 광을 수신하고, 광의 특성을 감지한다. 여기서의 광의 특성은 예를 들면, 광량, 광의 세기 및 광의 파장 중 적어도 하나일 수 있으며, 이에 한정되지 않는다. 이후 광 감지기(1740)는 광 분석기(미도시)로 수신된 광의 특성을 전달한다. 광 분석기는 수신된 광의 특성을 분석하여 측정 대상 물체의 위치의 이동 정도 또는 각도의 이동 정도를 산출할 수 있다.
광 감지기(1740)는 제1 인덱스 격자(1782) 및 제2 인덱스 격자(1784)인 2개의 금속 격자를 통과한 광을 수신하는 제1 광 감지기(1742) 및 제2 광 감지기(1744) 등의 2개의 반도체로 구성될 수 있다.
빔 형성기(1750)는 프리즘(1770), 프리즘의 일면에 위치하는 비구면의 집속 렌즈(1760) 및 프리즘(1770)의 일 측면에 위치하는 인덱스 격자 기판(1780)를 포함한다. 빔 형성기(1750)는 광원(1730)으로부터 나타낸 입사 광 광의 프로파일을 변화하고 광의 이동 경로를 바꿀 수 있다.
프리즘(1770)은 광원(1730)으로부터 방출되어 집속 렌즈(1760)를 통과한 광을 스케일(1790)에 조준한다. 프리즘(1770)은 예를 들면, 플라스틱, 실리카 재질일 수 있으며, 광을 통과하는 어떠한 재질도 가능하다.
집속 렌즈(1760)는 광원(1730)으로부터 방출된 광을 집속하여 스케일의 일부분으로 조준되도록 프리즘(1770)으로 전달한다. 여기서, 프리즘(1770)의 일면은 광원(1730)의 위치한 방향을 대하는 측면이다.
인덱스 격자 기판(1780)는 프리즘(1770)를 통과한 광을 스케일(1790)의 일부분으로 조준하고, 이후 스케일(1790)에서 반사된 광을 통과시켜 광 감지기(1740)로 유도한다.
인덱스 격자 기판(1780)은 내부에 광을 통과시키는 제1 인덱스 격자(1782) 및 제2 인덱스 격자(1784)를 포함할 수 있다.
스케일(1790)은 코드 휠(code wheel)과 비슷하며, 피치 ∧(1792)의 주기에 따라 반사되는 부분(1794)과 반사되지 않는 부분(1796)이 번갈아가며 새겨져 있다. 스케일(1790)은 모터 구동에 의해 회전을 일으키는 회전식 스케일일 수 있으나, 이에 한정되지는 않는다.
본 발명에 따른 광 변위 센서(1700)는 광선 추적법 기반의 시뮬레이션에 의해 고안되고 분석되었다. 아래에서는 본 발명에 따른 광 변위 센서(1700)의 빔 패턴에 대한 성능의 의존도를 빔 형성기에 대한 검사와 함께 스케일의 측면에서 면밀히 검사하였다. 또한, 본 발명에 따른 광 변위 센서(1700)는 획득한 출력 신호의 모듈레이션 깊이 및 궁극적으로 선형(Linear) 및 각(angular) 분해능(resolution) 측면에서 특성이 있다.
도 18은 본 발명의 제2 실시예에 따른 광 변위 센서의 동작을 설명하기 위한 도면이다.
도 18을 참조하면, 광 변위 센서(1700)의 운영은 광선의 전달에 의해 설명될 수 있다. 광원(1730)로부터 이용 가능한 출력 신호들의 처리를 촉진하기 위하여 모듈레이션 깊이가 증가될 수 있다. 여기서, 모듈레이션 깊이는 신호의 최소 및 최대 수준의 비율로 정의된다. 집속 빔에 기반한 센서를 위하여 모듈레이션 깊이는 광 스팟이 감소(diminishing)하는 경우, 증가할 수 있다.
빔 형성기(1750)와 관련된 비구면 렌즈(1760)에 의해 형성된 집속 광학은 광원(1730)으로부터 발생되는 광을 집속한다. 광원(1730)에서 방출된 광은 처음, 빔 형성기(1750) 하부에 위치한 작은 비구면 집속 렌즈(1760)에 의해 집속되고, 상부의 프리즘(1770)에 의해 스케일(1790)에 광을 조준한다. 이후, 스케일(1790)의 격자 패턴들의 맨 윗부분에 최소 스팟을 형성한다. 스케일(1790)의 반사 패턴으로부터 반사된 광은 인덱스 격자 기판(1780)의 제1 격자(1782) 및 제2 격자(1784)에 의해 받아지며 결국 광 감지기(1740)에 도달한다. 여기서, 제1 인덱스 격자(1782) 및 제2 인덱스 격자(1784)는 후술할 스케일(1790)의 피치 와 동일한 피치를 가질 수 있다. 그러므로 소형 광 변위 센서(1700)는 같은 플랫폼 위에 위치한 광원(1730) 및 광 감지기(1740)가 위치한 곳에서 효율적으로 운영될 수 있다.
도 19는 본 발명의 제2 실시예에 따른 출력 신호를 설명하기 위한 도면이다.
도 19를 참조하면, 본 발명의 제2 실시예에 따른 출력신호는 스케일(1790)에 포함된 회전 격자에 의해 반사된 광은 같은 거리 ∧를 가지고 공간적으로 조절된다. 이후, 공간적으로 조절된 광은 같은 피치 ∧를 가지는 인덱스 격자(1782, 1784)를 만나고 각자 (m+1/4)∧(m = 0 또는 양수)에 의해 분리된다. 제1 인덱스 격자(1782) 및 제2 인덱스 격자(1784)에서 나온 광은 최종적으로 광 감지기(1740)에 제1 광 감지기(1742) 및 제2 광 감지기(1744)로 도달한다. 제1 광 감지기(1742) 및 제2 광 감지기(1744)의 출력신호는 90°의 상 차이가 있으며, 이는 도 19에 도시된 바와 같다.
고정된 인덱스 격자(1782, 1784)에 상대적인 반사광의 대표적인 4가지 경우가 도 19에 나타난다. 첫 번째 경우는 회전 스케일(1790)의 이동으로 인하여 공간적으로 조절된 빔 패턴은 제1 인덱스 격자 패턴으로부터 1/2∧가 벗어나고, 이로 인해 제1 광 감지기(1742)에 최대치의 광출력(optical power)이 전달된다. 그러는 동안, 입사광이 3∧/4만큼 제2 인덱스 격자(1784)로부터 오프셋 되었다. 두 번째 경우는 입사광이 성공적으로 ∧/4만큼 이동한 경우, 제1 광 감지기(1742) 및 제2 광 감지기(1744)에 전달되는 광출력(optical power)은 각각 감소되고, 중간 값으로 증가되어 피크 수준이 된다. 세 번째 경우는 광이 추가적으로 ∧/4 이동한 경우, 제1 광 감지기(1742) 및 제2 광 감지기(1744)의 광출력(optical power)은 최소 수준 및 중간 수준으로 각각 변화한다. 마지막으로 네 번째 경우는 광의 ∧/4 이동의 결과로써 광출력(optical power)은 제1 광 감지기(1742) 및 제2 광 감지기(1744)에서 중간 수준 및 최소 수준으로 변화한다. 결국에는 제1 광 감지기(1742) 및 제2 광 감지기(1744)에 의해 생산된 출력 신호는 주기 ∧의 2개의 사인곡선형태와 유사하고 90°의 상 차이를 보인다. 인덱스 격자(1782, 1784)의 사용은 아주 작은 광 감지기 셀들의 아주 복잡한 배열을 이끌어낼 필요가 없다.
도 20은 본 발명의 제2 실시예에 따른 설계를 위한 구조적 파라미터들을 설명하기 위한 도면이다.
도 20을 참조하면, 광원(1730)은 λ = 850 ㎚ , 발산(divergence) 각 30°에서 운영된다. 빔 형성기(1750)에 포함되는 프리즘은 폴리카보네이트(n=1.586, λ = 850 ㎚)로 제조될 수 있다. 회전 스케일(1790)은 피치 ∧=10, 14.5㎜ 반경의 얇은 금속 디스크에 새겨져 있다. 인덱스 격자(1782, 1784)는 0.5㎜ 두꺼운 실리카 기판에 200㎚ 두께의 알루미늄(Al) 격자 패턴 반사 격자가 형성됨에 의해 제조될 수 있다. 광원(1730) 및 집속 렌즈(1760)까지의 거리는 집속 광의 스팟 사이즈에 따라 달라질 수 있다. 광원(1730) 및 집속 렌즈까지의 거리는 0.8㎜ 이고, 프리즘(1770)의 각도는 20°일 수 있다. 광 감지기(1740)의 이력과 와이어 본딩을 위한 공간을 고려해볼 때, 광원(1730) 및 광 감지기(1740) 사이의 중심대중심 거리는 약 11 ㎜로 정해질 수 있다. 광원(1730)에 의해 방출된 광의 수신을 광 감지기(1740)에서 촉진하기 위하여, 회전 스케일(1790)로부터 프리즘(1770)의 거리는 약 2.1 ㎜ 일 수 있다. 그 다음에 인덱스 격자를 위한 설계 파라미터들에 관하여, 제1 인덱스 격자(1782) 및 제2 인덱스 격자(1784) 등 2개의 인덱스 격자의 거리는 32.5 ㎛ 였고, 그것에 의해 제1 광 감지기(1742) 및 제2 광 감지기(1744) 사이의 혼선을 억제할 수 있다. 입사되는 집속 광 스팟의 측면에서, 각 2개의 인덱스 격자는 600 ×300 ㎛2의 효율적인 규모로 제조될 수 있다. 일정한 프로파일을 가지 입사 광은 회전 스케일의 피치와 같은 공간적으로 조절된 패턴으로 전환된다. 출력 신호들은 회전 스케일에서 전환된 측면에서 평가된다.
도 21은 본 발명의 제2 실시예에 따른 격자 패턴들 사이에 중첩을 설명하기 위한 도면이다.
도 21을 참조하면, 인덱스 격자(index grating)에서 관찰된 직선의 격자 패턴은, 회전되는 코드 스케일 격자(rotary code scale grating) 내에 형성된 팬 형상의 격자(fan-shaped grating )위에 중첩되어 중앙에 약 450㎛의 직경을 갖는 유효 중첩 영역이 형성될 수 있다.
도 22는 본 발명의 제2 실시예에 따른 출력 전력과 코드 스케일 변위의 관계를 설명하기 위한 도면들이다.
도 22를 참조하면, 2개의 사인형 신호는 Λ=10㎛의 거리에 대해 각각 회전 스케일이 x축에 대하여 시계 방향으로 회전할 때, 2개의 채널에서 얻어진다. 제1 광 감지기(1742) 신호는 피치의 1/4과 동일한 상의 제2 광 감지기(1744)를 유도한다.
이와 대조적으로, 제2 광 감지기(1744) 신호는 회전 스케일이 시계 반대 방향으로 회전할 때, 같은 상을 가지는 제1 광 감지기(1742) 신호를 유도한다.
도 23 및 도 24는 본 발명의 제2 실시예에 따라서 실제로 구현된 광 변위 센서를 설명하기 위한 도면들이다.
제조된 변위 센서에 대하여 광 센싱 헤드(1720)는 8(W)×7.5(L)×1.2(H)㎣ 차원으로 도 23에 도시된다. 빔 형성기(1750) 및 정렬 가이드(1010)는 인젝션 몰딩 기술에 의하여 폴리카보네이트와 폴리이미드를 이용하여 각각 제조될 수 있다. 조준 렌즈(1760) 및 프리즘(1770)은 7.4(W)×2.8(L)×0.7(H) ㎣ 차원의 스마트 프레임에 포함되며, 줌 렌즈 기반의 카메라가 허용오차 10 ㎛ 안에서 제조될 수 있도록 조사되었다. 오클라로 사의 λ=850 ㎚의 VCSEL가 광원으로 작용하고, 직경 D= 500 ㎛을 가진 2개의 반도체 실리콘 핀-광 감지기들이 직경 450 ㎛의 입사 광 스팟을 수신하는 것에 사용된다. 광 감지기 디스크의 왼 측 및 오른 측에 출력 채널들 제1 광 감지기(1742), 제2 광 감지기(1744)의 위치가 예약된다. 2개의 제1 인덱스 격자(1782) 및 제2 인덱스 격자(1784)와 관련된 주기적인 패턴들은 실리카 기판위에 200nm 두께의 알루미늄(Al) 필름으로 형성된 절연막 제거(Lift-off) 프로세스를 통하여 10 ㎛의 피치를 가진 투과 격자를 형성함에 의해 만들어진다. 제1 인덱스 격자(1782) 및 제2 인덱스 격자(1784) 사이의 분리는 32.5 ㎛로 확인된다. 광원(1730) 및 광 감지기(1740)는 참조 홀에 대하여 10 ㎛ 이하의 정확도로 적합하게 탑재된다. 회전 스케일(1790)은 피치 10 ㎛ 의 격자로 새겨져 있고, ∼ 95%가 넘고 5%가 넘지 않는 선택적 반사를 일으킬 수 있다.
도 25는 본 발명의 제2 실시예에 따른 반사 빔 패턴들을 설명하기 위한 도면이다.
도 25를 참조하면, 광 변위 센서의 성능은 2개의 광 감지기(1742, 1744) 채널들로부터 출력 신호들에 의해 전체적으로 평가되었다. 반사된 광은 줌 렌즈가 포함된 CCD 카메라에 의해 직접적으로 촬상되어 주기적인 패턴 10 ㎛의 피치를 확인하였다. 회전 스케일은 모터에 의해 다른 속도로 시계방향 또는 반시계방향으로 구동되었을 때, 신호들은 제1 광 감지기(1742) 및 제2 광 감지기(1744)에서 모니터 될 수 있다.
도 26은 본 발명의 제2 실시예에 따른 출력 신호들을 설명하기 위한 도면들이다.
도 26을 참조하면, Ch 1과 Ch 2의 신호는 각각 250 kHz의 신호 주파수에 대해, 4㎲의 주기를 형성하며, 시계회전 방향 변위와 반시계회전 방향 변위에 대해, + 및 - 방향으로 90°의 위상차이를 가지는 한 쌍의 정현파 신호로 나타난다. 각각의 채널 출력들을 고려하면, ∼10㎛의 위치상의 분해능 및 ∼0.04°의 각 분해능을 달성할 수 있다. 더욱이 2개의 출력 채널들 사이의 90°상의 차이 관계를 이용하여 위치상 분해능 및 각 분해능이 잠재적으로 2.5 ㎛ 및 0.01°를 향상시킬 수 있다.
이제까지 본 발명에 대하여 그 실시예들을 중심으로 살펴보았다. 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 구현될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 개시된 실시예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.
120: 광 헤드 130: 광원
140: 광 감지기 150: 빔 형성기
160: 집속 렌즈 170: 조준 렌즈
190: 스케일
1010: 정렬 가이드 1170: 프리즘
1780: 인덱스 격자 1782: 제1 인덱스 격자
1784: 제2 인덱스 격자

Claims (16)

  1. 광 변위 센서에 있어서,
    빔(beam)을 방출하는 광원;
    반사된 광을 수신하고, 수신된 광의 광 특성을 감지하는 광 감지기; 및
    상기 광원으로부터 방출된 광을 집속하고, 스케일에 조준하여 상기 스케일로부터 반사된 광의 경로를 상기 광 감지기로 유도하는 빔 형성기를 포함하되,
    상기 빔 형성기는
    기판의 일면에 접합된 비구면의 집속 렌즈; 및
    상기 기판의 타면에 접합된 비구면의 조준 렌즈를 포함하며,
    상기 조준 렌즈는
    상기 집속 렌즈를 통하여 집속된 광을 상기 스케일의 일부분으로 조준하고, 상기 스케일로부터 반사된 광을 통과시켜 상기 광 감지기로 유도하는 것을 특징으로 하고,
    상기 스케일은 피치의 주기에 따라 상기 광이 반사되는 부분과 반사되지 않는 부분이 번갈아가며 새겨져 있는 것을 특징으로 하며,
    상기 스케일에 집속되는 광 스팟(spot)의 직경이 확대됨에 따라 상기 스케일에서 반사되는 출력광의 모듈레이션 깊이가 작아지는 것을 특징으로 하는 광 변위 센서.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 집속 렌즈는
    상기 광원으로부터 방출된 광을 집속하여 상기 조준 렌즈로 전달하는 광 변위 센서.
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 제1항에 있어서,
    상기 광원은 단수 모드(SM; Single mode) 및 복수 모드(MM;Multi mode) 중 적어도 하나의 면 발광 레이저(VCSEL; Vertical-cavity surface-emitting laser)인 광 변위 센서.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 광 감지기로부터 감지된 광 특성을 전달받아 분석하여 측정 대상 물체의 위치 이동 또는 각 이동을 산출하는 광 분석기를 더 포함하는 광 변위 센서.
  8. 삭제
  9. 광 변위 센서에 있어서,
    빔(beam)을 방출하는 광원;
    반사된 광을 수신하고, 수신된 광의 광 특성을 감지하는 광 감지기;
    상기 광원에서 방출된 광을 집속하는 비구면의 집속 렌즈;
    상기 집속 렌즈의 일면에 접합하여 상기 집속된 광을 스케일로 조준하는 프리즘; 및
    상기 스케일로부터 반사된 광을 상기 광 감지기로 유도하는 인덱스 격자를 포함하되,
    상기 인덱스 격자는 동일한 피치를 가지는 제1 인덱스 격자 및 제2 인덱스 격자를 포함하며,
    상기 광 감지기는 상기 제1 인덱스 격자 및 상기 제2 인덱스 격자에서 유도된 광을 각각 감지하는 제1 광 감지기 및 제2 광 감지기를 포함하고,
    상기 스케일은 피치의 주기에 따라 상기 광이 반사되는 부분과 반사되지 않는 부분이 번갈아가며 새겨져 있으며, .
    상기 스케일에 집속되는 광 스팟(spot)의 직경이 확대됨에 따라 상기 스케일에서 반사되는 출력광의 모듈레이션 깊이가 작아지는 것을 특징으로 하는 광 변위 센서.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 프리즘은
    상기 집속 렌즈로부터 집속된 광을 상기 스케일의 일부분으로 조준하는 광 변위 센서.
  11. 삭제
  12. 삭제
  13. 삭제
  14. 제9항에 있어서,
    상기 광원은 단수 모드(SM; Single mode) 및 복수 모드(MM;Multi mode) 중 적어도 하나의 면 발광 레이저(VCSEL; Vertical-cavity surface-emitting laser)인 광 변위 센서.
  15. 제9항에 있어서,
    상기 광 감지기로부터 감지된 광 특성을 전달받아 분석하여 측정 대상 물체의 위치 이동 또는 각 이동을 산출하는 광 분석기를 더 포함하는 광 변위 센서.



  16. 삭제
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