KR101692653B1

KR101692653B1 - 재료의 표면을 조명하기 위한 장치

Info

Publication number: KR101692653B1
Application number: KR1020157011964A
Authority: KR
Inventors: 프레드 그루너트; 프레드릭 해일러; 토마스 님즈
Original assignee: 피닉스 컨택트 게엠베하 ＆ 컴퍼니 카게
Priority date: 2012-10-31
Filing date: 2013-10-23
Publication date: 2017-01-03
Also published as: JP6033968B2; EP2914955A1; US20150285681A1; WO2014067819A1; CN104769421B; RU2015110477A; DE102012110429B4; DE102012110429A1; JP2015536455A; KR20150074026A; CN104769421A; US10473523B2

Abstract

본 발명은 재료의 표면을 조명하기 위한 장치에 관한 것으로, 보정 광(105)을 이용하여 재료의 표면(103)을 조명하는 조명장치(101), 상기 보정 광(105)에 대응하여 재료의 표면(103)에서 방출된 측정 광(109)을 기록하는 기록장치(107), 및 상기 재료의 표면(103)의 분산된 스펙트럼 반사율(diffuse spectral reflectance)을 특징짓는, 측정 광(109)의 스펙트럼 특성을 기록하는 처리장치(111)를 포함하며, 상기 조명장치(101)는, 측정 광(109)의 스펙트럼 특성에 부합하는 스펙트럼 특성을 가지는, 재료의 표면(103)을 조명하기 위한 조명 광(113)을 생성하도록 구성된다.

Description

재료의 표면을 조명하기 위한 장치{APPARATUS FOR ILLUMINATING THE SURFACE OF A MATERIAL}

본 발명은, 객체 검출에 대한 광 검출을 위해, 예로써 워크피스와 같은 객체를 조명하는 분야에 관한 것이다.

현대의 제조 설비에 있어서, 예로써, 워크피스(workpieces), 제품(products) 등과 같은 객체의 광 기록이나 검출에 대한 필요성이 흔히 존재한다. 이를 위해, 보통 백색 광을 이용하여 객체의 표면이 조명되며, 객체의 표면에서 반사되는 광은 객체의 이미지를 얻기 위해 광학적으로 기록되고, 추가 선택적으로 조정된다.

그러나, 그 객체의 광학적으로 기록된 이미지에 대한 광 기록 및 분석은, 간섭 광 예로써, 홀 조명과 같은 주변 광이나 산란 광에 의해서, 방해받을 수 있다.

이러한 이유로, 특히 제조 설비(manufacturing installations)에 있어서, 객체의 광 기록에서의 간섭 광의 영향을 줄일 필요가 있다.

이를 위해, 객체 조명의 세기를 확실히 증가시킬 수 있다. 그러나, 이것은, 예를 들면, 다음의 광 기록 동작들을 방해할 수 있는 추가적인 간섭 광의 발생을 일으킬 수 있다. 간섭 광의 영향을 줄이기 위한 또 다른 방법은, 객체에 대한 균일한(homogeneous) 조명을 얻기 위해서, 간섭 광을 광학적으로 기록하고, 그 간섭 광의 스펙트럼 레인지에서 객체 조명의 세기를 줄이는 데 있다. 그러나, 이것은, 인공 조명을 이용하거나, 또는 같은 날의 다른 시간들일 때와 같이, 간섭 광의 스펙트럼 세기 패턴이 시간적 변동을 받는 경우 특히 문제가 된다.

따라서, 본 발명의 과제는, 간섭 광의 영향을 줄일 수 있는, 재료의 표면의 조명을 위한 효율적인 개념을 만들기 위한 것이다.

이러한 과제는, 독립 청구항들의 특징에 의해 해결될 수 있으며, 상세 설명의 주제, 도면뿐만 아니라 종속 청구항들에 바람직한 변경 사항들이 존재한다.

본 발명은, 예로써, 워크피스의 표면과 같은 재료의 표면을 조명하는데 이용되는 조명 광의 적용에 의해, 상기 과제가 해결될 수 있다는 발견에 기초한 것이다.

이를 위해, 재료의 표면은 적어도 두 번 조명되며, 첫 번째 조명 처리에서, 재료의 표면의 스펙트럼 전송 작용이 기록된다. 재료의 표면으로부터 오는 측정 광에 의해 특징지어지는, 재료의 표면의 스펙트럼 전송 작용(spectral remission behavior)은, 측정 광에 대해 조명 광이나 그 스펙트럼 특성, 특히, 색 온도를 적용하기 위해 이용된다.

이러한 방식에 있어서, 재료의 표면을 조명하기 위해 이용되는 조명 광의 스펙트럼이나 색채 구성은, 재료의 표면의 광학적 특성에 적용된다. 만일, 재료의 표면이, 예를 들면, 제2 스펙트럼 레인지에서 보다 제1 스펙트럼 레인지에서 더 강한 세기의 반사 광으로 특징 지어지는 경우, 그때는, 제1 스펙트럼 레인지에서 조명 광의 세기가 제2 스펙트럼 레인지에서 조명 광의 세기보다 더 높게 될 수 있다. 이런 식으로, 재료의 표면은, 더 강한 응답 세기가 예상되는 장소에서, 더 큰 세기를 가지고 스펙트럼으로 조명된다. 한편, 재료의 표면이 특정 파장의 광을 흡수하는 경우, 그때는, 예로써, 이 파장에서의 재료의 표면의 조명을 생략하는 것이 가능하다. 이것은 재료의 표면에 대한 보다 에너지 효율적인 조명을 이끈다.

제1 형태에 따르면, 본 발명은 재료의 표면을 조명하기 위한 장치에 관한 것으로, 보정 광에 의해서 재료의 표면을 조명하는 조명장치, 상기 보정 광에 대응하여 재료의 표면에서 방출된 측정 광을 기록하는 기록장치, 및 상기 재료의 표면의 스펙트럼 전송 작용을 특징짓는, 측정 광의 스펙트럼 특성을 기록하는 처리장치를 포함하며; 상기 조명장치는, 측정 광의 스펙트럼 특성에 부합하는 스펙트럼 특성을 가지고, 재료의 표면을 조명하기 위한 조명 광을 생성하도록 구성된다.

일 실시 형태로서, 상기 측정 광은, 상기 보정 광에 대응하여 재료의 표면에 반사된 광이거나, 상기 보정 광에 대응하여 재료의 표면에서 재방출된 광이거나, 상기 보정 광에 대응하여 재료의 표면에서 방출된 광이다.

일 실시 형태로서, 상기 측정 광의 스펙트럼 특성은, 색 공간에 따른 측정 광의 색 스펙트럼(color spectrum), 측정 광의 파장 스펙트럼(wavelength spectrum), 또는 측정 광의 주파수 스펙트럼(frequency spectrum)이다.

일 실시 형태로서, 상기 조명장치는, 허용오차 범위(예로써, 1%, 5% 또는 10%) 이내에서 측정 광의 스펙트럼 특성에, 특히 동일하게 부합하는, 스펙트럼 특성을 가지는 조명 광을 생성하도록 구성된다.

일 실시 형태로서, 상기 처리장치는, 측정 광의 스펙트럼 특성에 대한 지시를 조명장치로 전송하도록 구성된다. 그 결과, 조명장치는, 예를 들면, 원하는 조명 광을 생성하도록, 제어될 수 있다.

일 실시 형태로서, 상기 처리장치는, 스펙트럼 특성에 의존해서, 특히, 측정 광의 스펙트럼 특성에 따라서 조명 광의 스펙트럼 특성을 조절하기 위해, 조명장치를 제어하도록 구성된다.

일 실시 형태로서, 상기 조명장치는, 다양한 파장이나 다양한 색의 광을 방출하기 위해서, 복수의 광소자를 포함한다.

일 실시 형태로서, 상기 조명장치는, 조명 광의 스펙트럼 특성을 조절하기 위해서, 미리 설정된 세기의 광을 방출하는 복수의 광소자 중 적어도 하나의 광소자 특히 복수의 광소자의 각 광소자를 제어하도록 구성된다.

일 실시 형태로서, 상기 처리장치는, 측정 광에 근거하여 재료의 표면의 특성을 기록하도록 구성된다.

일 실시 형태로서, 상기 기록장치는, 측정 광을 기록하기 위한 광센서를 포함한다.

일 실시 형태로서, 상기 조명장치는, 실제 조명 광을 기록하기 위한 광센서를 포함하며, 상기 처리장치는, 실제 조명 광의 스펙트럼 특성과 원하는 조명 광의 스펙트럼 특성 사이의 차이를 기록하고, 그 차이에 의존해서 조명장치를 제어하도록 구성된다. 그 결과, 조명 광은 자동 제어로 조절될 수 있다.

일 실시 형태로서, 상기 기록장치는, 조명 광에 대응하여 재료의 표면에서 방출된 이미지 광을 기록하도록 구성된다.

일 실시 형태로서, 상기 처리장치는, 이미지 광을 테스트 이미지, 특히 디지털 테스트 이미지로 변환하도록 구성된다.

제2 형태에 따르면, 본 발명은 재료의 표면을 조명하기 위한 방법에 관한 것으로, 보정 광을 이용하여 재료의 표면을 조명하는 단계, 상기 보정 광에 대응하여 재료의 표면에서 방출되며, 상기 재료의 표면의 스펙트럼 전송 작용을 특징짓는, 측정 광을 기록하는 단계, 상기 측정 광의 스펙트럼 특성을 기록하는 단계, 및 상기 측정 광의 스펙트럼 특성에 부합하는 스펙트럼 특성을 가지는 조명 광을 이용하여 재료의 표면을 조명하는 단계를 구비한다.

추가적인 실시 형태는 도 1을 참조하여 설명될 것이며, 도 1은 재료의 표면을 조명하기 위한 장치의 블록 선도를 나타낸다.

도 1은 재료의 표면(103)을 조명하기 위한 장치의 블록 선도를 나타내는 것으로, 보정 광(calibrating light: 105)에 의해서 재료의 표면(103)을 조명하기 위한 조명장치(illuminating device: 101)와, 보정 광(105)에 대응하여 재료의 표면(103)에서 방출된 측정 광(109)을 기록하기 위한 기록장치(recording device: 107)를 포함한다. 측정 광은, 예로써, 재료의 표면(103)에 반사된 광, 또는 재료의 표면(103)에 의해 방출되거나 재방출된 광일 수 있다.

게다가, 측정 광(109)의 스펙트럼 특성(spectral characteristic), 예로써 색채 구성이나 파장 패턴을 기록하도록 구성되는, 처리장치(processor device: 111)가 설치된다. 측정 광(109)의 스펙트럼 특성은, 특히 재료의 표면의 스펙트럼 전송 작용(spectral remission behavior)을 특징짓는다. 그 측정 광은, 예로써, 반사 광(reflected light), 재방출 광(reemitted light) 또는 방출 광(emitted light)일 수 있다.

조명장치(101)는, 측정 광의 스펙트럼 특성에 부합하는 스펙트럼 특성을 가지며, 재료의 표면을 조명하기 위한 조명 광(113)을 생성하도록 구성된다.

그래서, 조명 처리는 2단계 처리이다. 제1 단계로서, 조명장치(101)는 측정 광(105)을 생성한다. 그 측정 광(105)의 스펙트럼 특성을 기록한 후, 조명 광(113)을 이용하여 재료의 표면(103)이 조명되며, 그 조명 광의 스펙트럼은 예로써 5% 또는 10%의 허용오차 내에서 측정 광의 스펙트럼에 부합한다. 그러므로, 측정 광(105)이 먼저 생성되며, 조명 광(113)은 시간적으로 측정 광(105)의 생성 후에 생성된다.

조명장치(101)는, 보정 광 및/또는 조명 광을 방출하기 위해 설치되는, 복수의 광소자(115)를 포함한다. 광소자(115)는 예로써 발광 다이오드(LED)일 수 있으며, 각각의 광소자는 예로서 빨강, 초록 또는 노랑의 다양한 색의 광이나, 또 다른 파장의 광을 방출한다. 개개의 광소자(115)를 활성화함으로써, 미리 설정된 색채 구성이나 스펙트럼 특성의 조명 광이 생성될 수 있다.

예를 들면, 광학 유닛(optics unit : 117)(예로써, 렌즈)은, 방출된 광의 초점을 맞추기 위해서, 광소자(115)의 다운스트림에 선택적으로 연결될 수 있다.

광소자(115)를 구동하기 위해, 광소자(115)의 업스트림에 연결되는, 드라이버(119)(예로써, LED 드라이버)가 설치된다.

일 실시 형태로서, 드라이버(119)는 조명장치(101)의 구성요소일 수 있다. 또 다른 실시 형태로서, 드라이버(119)는 처리장치(111)의 구성 요소일 수 있다.

조명장치(101)는 센서(121)를 포함하되, 그 센서는 실제 광, 특히 실제 조명 광으로서, 광학 유닛(117) 뒤에서 선택적으로 광소자(115)에 의해 생성된 광을 기록하고, 조명장치(101)의 제어시스템의 자동 제어를 위해 처리장치(111)로 해당하는 측정 신호를 인가하기 위해 설치된다.

조명장치(101)는, 재료의 표면에 대한 시스템의 보정(calibration)을 위한 보정 광(105)과, 재료의 표면의 스펙트럼 광 작용(spectral light behavior)을 특징짓는, 재료의 표면(103)의 방향에서의 조명 광(113)을, 광소자(115)를 이용하여 방출하기 위해 설치된다.

보정 광 또는 조명 광에 대응하여 재료의 표면(103)에서 반사되거나 방출된 광은, 기록장치(107)에 의해 기록된다. 이를 위해, 기록장치(107)는, 재료의 표면(103)에서 방출된 광(109)을 광학적으로 기록하는, 광센서(optical sensor: 123)를 포함한다. 광센서(123)의 출력 신호는 제어장치(control unit: 125)에 인가된다.

일 실시 형태로서, 제어장치(125)는 기록장치(107)의 구성 요소일 수 있고, 또 다른 실시 형태로서, 제어장치(125)는 처리장치(111)의 구성 요소일 수 있다.

제어장치(125)는 인터페이스(interface: 127)를 포함하며, 그 인터페이스는 디지털 방식일 수 있고, 예로써, I2C, SPI, USB 또는 유사한 인터페이스로서 구성될 수 있다.

인터페이스(127)는, 예를 들면, 아날로그-디지털 변환기(A/D 컨버터)를 포함할 수 있다. 이는 광센서(123)가 기록된 광을 아날로그 측정 신호로 변환하는 경우에 알맞다. 광센서(123)가 기록된 광을 디지털 신호로 변환하도록 설치되는 경우, 그때는, 예를 들면, 인터페이스(127)가 I2C, SP 또는 USB 인터페이스일 수 있다.

인터페이스(127)의 다운스트림 구성은 신호조정장치(signal conditioning device: 129)이다. 신호조정장치(129)는, 예로써, 인터페이스(127)의 출력 신호의 필터링(filtering)을 수행한다. 그 필터링은, 예로써, 신호 평활화(signal smoothing)를 야기할 수 있다. 신호 평활화는, 기록된 혹은 측정된 광의 주파수나 파장에 의존할 수 있다.

게다가, 제어장치(125)는 선택적 보정장치(calibration device: 130)를 포함할 수 있고, 그 보정장치는 신호조정장치(129)로부터 조정된 신호 데이터를 수신하고, 그 데이터를 보정하기 위해서 설치된다. 여기서, 조정된 신호 데이터는, 예를 들면, 색 공간(color space)에 따른 색 값(color value)에 관하여 보정될 수 있다.

보정장치(130)의 출력 데이터는, 일 실시 형태로서, 처리장치(111) 특히, 처리장치(111)의 자동제어장치(automatic control device: 131)로 인가될 수 있다.

또한, 일 실시 형태로서, 보정장치(130)의 출력 데이터는, 선택적 판단장치(decision device: 133)로 인가될 수 있다.

일 실시 형태로서, 판단장치(133)는, 예를 들면, 재료 표면을 가지고 조명된 객체의 윤곽(contour)을 검출하기 위해, 디지털 이미지에서 예로써 에지 검출(edge detection)을 수행할 수 있다.

일 실시 형태로서, 판단장치(133)는, 보정 광 또는 조명 광에 대응하여 재료의 표면(103)에서 방출되고 기록된 광의 스펙트럼 특성을 실제의 색 값과 관련시킬 수 있다. 그 색 값은, 측정 광의 스펙트럼 특성뿐만 아니라 이용될 조명 광의 스펙트럼 특성을 규정할 수 있다. 이런 식으로, 조명장치(101)는, 희망하는 조명 광을 생성하기 위해 자동적으로 제어될 수 있다.

또한, 이를 위해, 처리장치(111)는 제어장치(control unit: 137)(예로써, LED 제어장치)를 포함하며, 그 제어장치는, 조명 신호를 생성하기 위해, 소망한 조명 광의 소망한 색 값에 따라서 드라이버(119)를 제어한다. 또한, 이를 위해, 제어장치(137)는, 소망한 색 값 또는 측정 광의 스펙트럼 특성에 따라서 조명 광의 스펙트럼 특성을 얻기 위해, 예를 들면, 각각의 색과 관련된 광소자(1115)를 개별적으로 제어하도록 구성될 수 있다.

선택적으로, 소망한 조명 신호와 실제 조명 신호 사이의 편차에 관하여 광소자(1115)를 조절하기 위해, 자동제어장치(automatic control device: 131)가 설치될 수 있어, 예를 들면, 소망한 조명 신호와 실제 조명 신호 사이의 차이, 특히, 스펙트럼 차(spectral difference)가 감소될 수 있다.

이를 위해, 실제 조명 신호를 나타내는, 센서(121)로부터 측정 신호를 얻기 위해, 처리장치(111)가 구성될 수 있다. 그 센서(121)는, 가시 광을 아날로그 또는 디지털 측정 신호로 변환하는 광센서일 수 있다. 처리장치(111)는 센서(121)로부터 측정 신호를 수신하기 위해 인터페이스(139)를 포함할 수 있고, 인터페이스는 예를 들면 디지털 방식일 수 있으며, I2C, SPI, USB 또는 유사한 인터페이스로서 구성될 수 있다.

인터페이스(139)는, 예로써, A/D 컨버터를 포함할 수 있고, 또한, I2C, SBI 혹은 USB 인터페이스일 수 있다. 인터페이스(139)의 다운스트림 연결구성은 선택적 신호조정장치(141)이고, 신호조정장치는 제어장치(125)의 신호조정장치(129)의 기능을 가질 수 있다. 신호조정장치(129)는, 예를 들면, 측정된 광의 주파수에 의존해서, 예로써 신호 평활화(signal smoothing)를 수행할 수 있다.

색 값에 관하여 조정된 신호 데이터의 보정(correction)을 수행하는, 선택적 보정장치(calibration device: 143)가 신호조정장치(141)의 다운스트림에 연결된다. 보정장치(143)는 상기 보정장치(130)의 기능을 가질 수 있다. 보정장치(143)는, 특히, 실제 조명 신호의 스펙트럼 특성을 특징짓는 실제 색 값을 자동제어장치(131)에 적용하기 위해, 설치된다. 자동제어장치(131)는, 예를 들면, 실제 색 값과 소망한 색 값 사이의 편차(deviation)를 결정하고, 이것에 기초하여, 광소자(115)를 구동하는 드라이버(119)를 제어하기 위해 제어장치(137)에 대해 가변적인 작동(actuating)을 발행하도록 구성된다.

일 실시 형태로서, 제어장치(137), 인터페이스(139), 신호조정장치(141), 보정장치(143) 뿐만 아니라 자동제어장치(131)는, 마이크로컨트롤러에 의해서 실행될 수 있다.

101 조명장치
103 재료의 표면
105 보정 광
107 기록장치
109 측정 광
111 처리장치
113 조명 광
115 광소자
117 광학요소
119 드라이버
121 광센서
123 광센서
125 제어장치
127 인터페이스
129 신호조정장치
130 보정장치
131 자동제어장치
133 판단장치
135 디스플레이
137 제어장치
139 인터페이스
1115 광소자
141 신호조정장치
143 보정장치

Claims

재료의 표면을 조명하기 위한 장치로서,
보정 광(105)을 이용하여 재료의 표면(103)을 조명하는 조명장치(101);
상기 보정 광(105)에 대응하여 재료의 표면(103)에서 방출된 측정 광(109)을 기록하는 기록장치(107); 및
상기 재료의 표면(103)의 스펙트럼 전송 작용(spectral remission behavior)을 특징짓는 측정 광(109)의 스펙트럼 특성을 기록하는 처리장치(111);
를 구비하며,
상기 조명장치(101)는, 측정 광(109)의 스펙트럼 특성에 부합하는 스펙트럼 특성을 가지고, 재료의 표면(103)을 조명하는 조명 광(113)을 생성하도록 구성되는, 장치.
제1항에 있어서,
상기 측정 광(109)은,
상기 보정 광(105)에 대응하여 재료의 표면(103)에 반사된 광이거나,
상기 보정 광(105)에 대응하여 재료의 표면(103)에서 재방출된 광이거나,
상기 보정 광(105)에 대응하여 재료의 표면(103)에서 방출된 광인, 장치.
제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 측정 광(109)의 스펙트럼 특성은,
색 공간에 따른 측정 광(109)의 색 스펙트럼,
측정 광(109)의 파장 스펙트럼, 또는
측정 광(109)의 주파수 스펙트럼인, 장치.
제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 조명장치(101)는, 허용오차 범위(tolerance range) 이내에서 측정 광(109)의 스펙트럼 특성에 부합하는, 스펙트럼 특성을 가지는 조명 광(113)을 생성하도록 구성되는, 장치.
제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 처리장치(111)는, 상기 측정 광(109)의 스펙트럼 특성에 대한 지시를 조명장치(101)로 전송하도록 구성되는, 장치.
제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 처리장치(111)는, 측정 광(109)의 스펙트럼 특성에 따라서 조명 광(113)의 스펙트럼 특성을 조절하기 위해 조명장치(101)를 제어하도록 구성되는, 장치.
제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 조명장치(101)는, 다양한 파장의 광을 방출하기 위해서 복수의 광소자(115)를 포함하는, 장치.
제7항에 있어서,
상기 광소자(115)는 발광 다이오드인, 장치.
제8항에 있어서,
상기 조명장치(101)는, 상기 조명 광의 스펙트럼 특성을 조절하기 위해서, 미리 설정된 세기의 광을 방출하는 복수의 광소자 중 적어도 하나의 광소자(115)를 제어하도록 구성되는, 장치.
제9항에 있어서,
상기 처리장치(111)는, 측정 광(109)에 근거하여 재료의 표면(103)의 특성을 기록하도록 구성되는, 장치.
제10항에 있어서,
상기 기록장치(107)는, 측정 광(109)을 기록하기 위한 광센서(123)를 포함하는, 장치.
제11항에 있어서,
상기 조명장치(101)는, 실제 조명 광을 기록하기 위한 광센서(121)를 포함하며,
상기 처리장치(111)는, 실제 조명 광의 스펙트럼 특성과 원하는 조명 광의 스펙트럼 특성 사이의 차이를 기록하고, 그 차이에 의존해서 조명장치(101)를 제어하도록 구성되는, 장치.
제12항에 있어서,
상기 기록장치(107)는, 조명 광에 대응하여 재료의 표면(103)에서 방출된 이미지 광을 기록하도록 구성되는, 장치.
제13항에 있어서,
상기 처리장치(111)는, 이미지 광을 테스트 이미지로 변환하도록 구성되는, 장치.
재료의 표면(103)을 조명하기 위한 방법으로서,
보정 광(105)을 이용하여 재료의 표면(103)을 조명하는 단계;
상기 보정 광(105)에 대응하여 재료의 표면(103)에서 방출되며, 상기 재료의 표면(103)의 스펙트럼 전송 작용을 특징짓는, 측정 광(109)을 기록하는 단계;
상기 측정 광(109)의 스펙트럼 특성을 기록하는 단계; 및
상기 측정 광(109)의 스펙트럼 특성에 부합하는 스펙트럼 특성을 가지는 조명 광(113)을 이용하여 재료의 표면(103)을 조명하는 단계
를 구비하는, 방법.