KR102676175B1

KR102676175B1 - 갈바노 스캐너를 포함하는 레이저 장치 및 갈바노 스캐너의 제어 명령 결정 방법

Info

Publication number: KR102676175B1
Application number: KR1020220143109A
Authority: KR
Inventors: 정두희
Original assignee: 한국공학대학교산학협력단
Priority date: 2022-10-31
Filing date: 2022-10-31
Publication date: 2024-06-17
Also published as: KR20240061445A

Abstract

본 발명은 등간격의 격자에 대해 미리 정의된 기준 명령을 이용하여 갈바노 스캐너의 제어 명령을 결정하는 방법과 갈바노 스캐너를 포함하는 다양한 레이저 장치에 관한 것이다. 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 장치는 레이저 발진기, 상기 레이저 발진기에서 출력되는 레이저를 반사하는 갈바노 스캐너, 상기 갈바노 스캐너에 의해 반사된 레이저를 대상체에 집광하는 f-세타 렌즈 및 상기 레이저가 타겟 좌표에 집광되도록 상기 갈바노 스캐너의 자세를 제어하는 제어 명령을 생성하는 프로세서를 포함하되, 상기 프로세서는 등간격의 격자들에 대해 미리 정의된 기준 명령에 상기 타겟 좌표에 대응하는 보정치를 적용하여 상기 제어 명령을 결정하는 것을 특징으로 한다.

Description

갈바노 스캐너를 포함하는 레이저 장치 및 갈바노 스캐너의 제어 명령 결정 방법{LASER APPARATUS COMPRISING GALVANO SCANNER AND METHOD OF DETERMINING CONTROL COMMAND OF GALVANO SCAANER}

본 발명은 등간격의 격자에 대해 미리 정의된 기준 명령을 이용하여 갈바노 스캐너의 제어 명령을 결정하는 방법과 갈바노 스캐너를 포함하는 다양한 레이저 장치에 관한 것이다.

레이저 장치는 원하는 방향으로 레이저를 정밀 조사하여 다양한 가공 동작을 수행하는 장치를 말한다. 이 중, 갈바노 스캐너(galvano scanner)를 포함하는 레이저 장치는, x축 및 y축 방향으로 레이저를 반사하는 두 미러를 미세하고 빠르게 구동함으로써 레이저를 원하는 방향으로 정밀 조사한다.

도 1 및 도 2를 참조하면, 일반적으로 사용되는 갈바노 스캐너(1)는 레이저(L)를 각각 x, y축 방향으로 반사하는 x축 및 y축 미러(11, 21)와, 외부에서 제공되는 제어 명령에 따라 x축 및 y축 미러의 각도를 조절하는 미러 구동부(12, 22)와, 방향 제어된 레이저를 집광하는 f-세타 렌즈(30)를 포함한다.

갈바노 스캐너(1)는 두 미러(11, 21)와 렌즈(30)를 사용하는 구조적 특징으로 인해, 미러(11, 21) 제어를 위한 제어 명령을 수학적으로 정교하게 생성하더라도 레이저 조사 방향, 즉 필드(field)에 왜곡(distortion)이 발생하게 된다.

도 3을 참조하여 구체적으로 설명하면, x축 및 y축 미러(11, 21)의 배치에 따른 광 경로 차로 인해 베개 모양(pillow-shaped)의 왜곡이 발생하게 되고, f-세타 렌즈(30)에 의한 광 굴절로 인해 술통 모양(barrel-shaped)의 왜곡이 발생하게 되어, 결과적으로 필드에는 레이저의 목표 조사 방향과는 다른 왜곡이 발생하게 된다.

이에 따라, 갈바노 스캐너를 포함하는 레이저 장치에는 전술한 왜곡을 보정할 수 있는 기능이 포함되어야 하며, 레이저 장치의 높은 응답성을 위해서는 보정 동작이 매우 빠르게 이루어져야 할 필요가 있다.

본 발명은 갈바노 스캐너의 구조적 특징에 기인하는 왜곡을 보정할 수 있는 제어 명령을 간단한 방법으로 생성하는 것을 목적으로 한다.

본 발명의 목적들은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 본 발명의 다른 목적 및 장점들은 하기의 설명에 의해서 이해될 수 있고, 본 발명의 실시예에 의해 보다 분명하게 이해될 것이다. 또한, 본 발명의 목적 및 장점들은 특허 청구 범위에 나타낸 수단 및 그 조합에 의해 실현될 수 있음을 쉽게 알 수 있을 것이다.

전술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 장치는 레이저 발진기, 상기 레이저 발진기에서 출력되는 레이저를 반사하는 갈바노 스캐너, 상기 갈바노 스캐너에 의해 반사된 레이저를 대상체에 집광하는 f-세타 렌즈 및 상기 레이저가 타겟 좌표에 집광되도록 상기 갈바노 스캐너의 자세를 제어하는 제어 명령을 생성하는 프로세서를 포함하되, 상기 프로세서는 등간격의 격자들에 대해 미리 정의된 기준 명령에 상기 타겟 좌표에 대응하는 보정치를 적용하여 상기 제어 명령을 결정하는 것을 특징으로 한다.

일 실시예에서, 상기 갈바노 스캐너는, 상기 레이저를 x축 방향으로 반사하는 x축 미러, 상기 레이저를 y축 방향으로 반사하는 y축 미러, 상기 프로세서로부터 x축 제어 명령을 제공받아 상기 x축 미러의 위치를 제어하는 x축 미러 구동부 및 상기 프로세서로부터 y축 제어 명령을 제공받아 상기 y축 미러의 위치를 제어하는 y축 미러 구동부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

일 실시예에서, 상기 대상체에 의해 반사된 레이저를 수광하여 이미지를 생성하는 광센서를 더 포함하고, 상기 프로세서는 상기 이미지에 기초하여 상기 등간격의 격자들에 대한 왜곡을 식별하고, 상기 왜곡을 보정하기 위한 기준 명령을 각 격자별로 정의하는 것을 특징으로 한다.

일 실시예에서, 상기 프로세서는 상기 대상체 상에서 상기 레이저가 집광될 수 있는 한계 영역을 등간격의 격자들로 분할하고, 각 격자의 꼭짓점에 대한 기준 명령을 순람표(lookup table)의 형태로 정의하는 것을 특징으로 한다.

일 실시예에서, 상기 프로세서는 상기 타겟 좌표를 내포하는 격자에 대한 기준 명령에 상기 타겟 좌표의 위치에 대응하는 보정치를 적용하여 상기 제어 명령을 결정하는 것을 특징으로 한다.

일 실시예에서, 상기 프로세서는 상기 타겟 좌표를 내포하는 격자의 꼭짓점에 대한 기준 명령에 쌍선형 보간법(Bilinear interpolation)을 적용하여 타겟 좌표의 위치에 대응하는 상기 보정치를 결정하는 것을 특징으로 한다.

일 실시예에서, 상기 프로세서는 상기 타겟 좌표의 x, y 좌표를 상기 등간격으로 나누어 결정되는 정수부 및 소수부 중 상기 정수부에 기초하여 상기 타겟 좌표를 내포하는 타겟 격자를 식별하고, 상기 타겟 격자에 대한 기준 명령에 상기 소수부에 대응하는 보정치를 적용하여 상기 제어 명령을 결정하는 것을 특징으로 한다.

일 실시예에서, 상기 프로세서는 상기 타겟 좌표의 x, y 좌표를 상기 등간격으로 나누어 결정되는 정수부가 각각 n, m이고, 소수부가 각각 d₁, d₂일 때, 상기 타겟 격자에 대한 쌍선형 보간법에 의해 정의되는 상기 제어 명령의 보정치를 하기 [수학식]에 따라 결정하는 것을 특징으로 한다.

[수학식]

(여기서, 는 상기 타겟 좌표에 대한 제어 명령, 는 상기 타겟 격자에 대해 미리 정의된 기준 명령, 는 상기 보정치)

또한, 전술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 갈바노 스캐너의 제어 명령 결정 방법은, 레이저 발진기에서 출력되는 레이저를 대상체로 반사하는 갈바노 스캐너의 자세 제어를 위한 제어 명령을 결정하는 방법에 있어서, 프로세서가, 상기 대상체에서 반사된 레이저에 의해 생성된 이미지에 기초하여 등간격의 격자들에 대한 왜곡을 식별하고, 상기 왜곡을 보정하기 위한 기준 명령을 각 격자별로 정의하는 단계 및 상기 프로세서가, 타겟 좌표를 내포하는 타겟 격자를 식별하고, 상기 타겟 격자에 대한 기준 명령에 상기 타겟 좌표에 대응하는 보정치를 적용하여 상기 제어 명령을 결정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

일 실시예에서, 상기 기준 명령을 정의하는 단계는, 상기 대상체 상에서 레이저가 집광될 수 있는 한계 영역을 등간격의 격자들로 분할하고, 각 격자의 꼭짓점에 대한 기준 명령을 순람표의 형태로 정의하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

일 실시예에서, 상기 제어 명령을 결정하는 단계는, 상기 타겟 격자의 꼭짓점에 대한 기준 명령에 쌍선형 보간법을 적용하여 상기 보정치를 결정하고, 상기 보정치를 적용하여 상기 제어 명령을 결정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

일 실시예에서, 상기 제어 명령을 결정하는 단계는, 상기 타겟 좌표의 x, y 좌표를 상기 등간격으로 나누어 결정되는 정수부 및 소수부 중 상기 정수부에 기초하여 상기 타겟 격자를 식별하고, 상기 타겟 격자에 대한 기준 명령에 상기 소수부에 대응하는 보정치를 적용하여 상기 제어 명령을 결정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

일 실시예에서, 상기 제어 명령을 결정하는 단계는, 상기 타겟 좌표의 x, y 좌표를 상기 등간격으로 나누어 결정되는 정수부가 각각 n, m이고, 소수부가 각각 d₁, d₂일 때, 상기 타겟 격자에 대한 쌍선형 보간법에 의해 정의되는 상기 제어 명령의 보정치를 하기 [수학식]에 따라 결정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

[수학식]

본 발명은 등간격의 격자들에 대한 보정된 명령을 미리 정의해두고, 타겟 좌표가 입력되면 이를 등간격으로 나누어 얻어지는 실수에 기초하여 매우 간단한 방식으로 제어 명령을 생성함으로써, 왜곡 보정을 위한 연산 속도가 매우 빠르면서도 타겟 좌표의 위치에 관계없이 동일한 연산 속도를 가지므로 레이저 장치가 일정한 응답성을 가진다는 장점이 있다.

상술한 효과와 더불어 본 발명의 구체적인 효과는 이하 발명을 실시하기 위한 구체적인 사항을 설명하면서 함께 기술한다.

도 1 및 도 2는 갈바노 스캐너의 구조를 도시한 도면.
도 3은 갈바노 스캐너에서 발생하는 필드 왜곡을 도시한 도면.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 장치의 제어 흐름을 도시한 도면.
도 5는 등간격의 격자들에 대한 왜곡을 도시한 도면.
도 6은 격자의 꼭짓점에 대한 기준 명령이 순람표 형태로 정의된 모습을 도시한 도면.
도 7은 타겟 격자에 내포된 타겟 좌표를 도시한 도면.
도 8을 타겟 좌표의 위치에 따라 제어 명령을 결정하는 과정을 설명하기 위한 도면.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 갈바노 스캐너의 제어 명령 결정 방법을 도시한 순서도.

전술한 목적, 특징 및 장점은 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 후술되며, 이에 따라 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 것이다. 본 발명을 설명함에 있어서 본 발명과 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 상세한 설명을 생략한다. 이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 도면에서 동일한 참조부호는 동일 또는 유사한 구성요소를 가리키는 것으로 사용된다.

본 명세서에서 제1, 제2 등이 다양한 구성요소들을 서술하기 위해서 사용되나, 이들 구성요소들은 이들 용어에 의해 제한되지 않음은 물론이다. 이들 용어들은 단지 하나의 구성요소를 다른 구성요소와 구별하기 위하여 사용하는 것으로, 특별히 반대되는 기재가 없는 한, 제1 구성요소는 제2 구성요소일 수도 있음은 물론이다.

또한, 본 명세서에서 "상부 (또는 하부)" 또는 구성요소의 "상 (또는 하)"에 임의의 구성이 배치된다는 것은, 임의의 구성이 상기 구성요소의 상면 (또는 하면)에 접하여 배치되는 것뿐만 아니라, 상기 구성요소와 상기 구성요소 상에 (또는 하에) 배치된 임의의 구성 사이에 다른 구성이 개재될 수 있음을 의미할 수 있다.

또한, 본 명세서에서 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결", "결합" 또는 "접속"된다고 기재된 경우, 상기 구성요소들은 서로 직접적으로 연결되거나 또는 접속될 수 있지만, 각 구성요소 사이에 다른 구성요소가 "개재"되거나, 각 구성요소가 다른 구성요소를 통해 "연결", "결합" 또는 "접속"될 수도 있는 것으로 이해되어야 할 것이다.

또한, 본 명세서에서 사용되는 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "구성된다" 또는 "포함한다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 여러 구성 요소들, 또는 여러 단계들을 반드시 모두 포함하는 것으로 해석되지 않아야 하며, 그 중 일부 구성 요소들 또는 일부 단계들은 포함되지 않을 수도 있고, 또는 추가적인 구성 요소 또는 단계들을 더 포함할 수 있는 것으로 해석되어야 한다.

또한, 본 명세서에서, "A 및/또는 B" 라고 할 때, 이는 특별한 반대되는 기재가 없는 한, A, B 또는 A 및 B를 의미하며, "C 내지 D" 라고 할 때, 이는 특별한 반대되는 기재가 없는 한, C 이상이고 D 이하인 것을 의미한다

본 발명은 등간격의 격자에 대해 미리 정의된 기준 명령을 이용하여 갈바노 스캐너의 제어 명령을 결정하는 방법과 갈바노 스캐너를 포함하는 다양한 레이저 장치에 관한 것이다. 이하, 도 1 내지 도 8을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 장치를 구체적으로 설명하도록 한다.

도 1, 도 2 및 도 4를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 장치는 레이저 발진기(미도시), 갈바노 스캐너(1), f-세타 렌즈(30), 프로세서(40) 및 광센서(50)를 포함할 수 있다. 다만, 도면에 도시된 레이저 장치는 일 실시예에 따른 것이고, 발명의 구성요소들이 도면에 도시된 실시예에 한정되는 것은 아니며, 필요에 따라 일부 구성요소가 부가, 변경 또는 삭제될 수 있다.

레이저 발진기는 레이저를 출력할 수 있고, 갈바노 스캐너(1)는 레이저 발진기에서 출력된 레이저를 대상체(110) 방향으로 반사할 수 있다. 이 때, 갈바노 스캐너(1)에서 반사된 레이저는 f-세타 렌즈(30)에 의해 대상체(110)에 집광될 수 있다.

레이저의 방향은 갈바노 스캐너(1)에 의해 결정될 수 있다. 프로세서(40)는 레이저가 대상체(110) 상의 타겟 좌표에 집광될 수 있도록 갈바노 스캐너(1)의 자세를 제어할 수 있고, 이를 위해 제어 명령을 생성하여 갈바노 스캐너(1)에 제공할 수 있다.

구체적으로, 갈바노 스캐너(1)는 레이저를 x축 방향으로 반사하는 x축 미러(11), 레이저를 y축 방향으로 반사하는 y축 미러(21), 프로세서(40)로부터 x축 제어 명령을 제공받아 x축 미러(11)의 위치를 제어하는 x축 미러 구동부(12) 및 프로세서(40)로부터 y축 제어 명령을 제공받아 y축 미러(21)의 위치를 제어하는 y축 미러 구동부(22)를 포함할 수 있다.

다시 도 4를 참조하면, 프로세서(40)는 사용자로부터 타겟 좌표((x, y)), 즉 레이저의 목표 조사 위치를 획득하고, 레이저가 타겟 좌표에 조사될 수 있도록 x축 및 y축 미러 구동부(12, 22)에 각각 x축 및 y축 제어 명령(p_x, p_y)을 제공할 수 있다. 각 미러 구동부(12, 22)는 제어 명령(p_x, p_y)에 따라 x축 및 y축 미러(11, 21)의 각도를 조절할 수 있고, 이에 따라 레이저의 조사 방향이 타겟 좌표로 제어될 수 있다.

다만, 앞서 도 1 내지 도 3을 참조하여 설명한 것과 같이 두 미러(11, 21)와 렌즈(30)를 포함하는 갈바노 스캐너(1)의 구조적 특징으로 인해, 레이저가 조사되는 필드에는 왜곡이 발생할 수 있다. 이에 따라, 도 4에 도시된 바와 같이 실제 레이저가 조사되는 위치(q_x,y)는 타겟 좌표((x, y))와 다를 수 있고, 레이저가 타겟 좌표에 정확히 조사되기 위해서는 필드 왜곡을 고려하여 제어 명령이 보정될 필요가 있다.

이를 위해, 본 발명의 프로세서(40)는 등간격의 격자들에 대해 미리 정의된 기준 명령에 타겟 좌표에 대응하는 보정치를 적용하여 제어 명령을 결정할 수 있다. 여기서 기준 명령은 전술한 왜곡을 고려하여 보정된 제어 명령을 의미할 수 있다. 기준 명령은 종래 알려진 다양한 방법에 의해 결정되어 미리 정의 및 저장될 수 있고, 프로세서(40)가 직접 정의할 수도 있다.

이하, 본 발명의 프로세서(40)가 등간격에 격자들에 대해 기준 명령을 정의하는 방법을 설명하도록 한다.

도 5를 참조하면, 대상체(110)에는 등간격의 격자(111)들이 배치될 수 있다. 이러한 격자(111)들은 물리적으로 형성되거나 대상체(110)에 부착되는 실물 형상일 수도 있다.

이와 달리, 등간격의 격자(111)들은 가상으로 생성된 격자(111)들일 수도 있고, 이 경우, 프로세서(40)는 대상체(110) 상에서 레이저가 집광될 수 있는 한계 영역, 즉 갈바노 스캐너(1) 제어를 통해 대상체(110) 상에 레이저가 집광될 수 있는 영역을 등간격의 격자(111)들로 가상 분할할 수 있다.

이어서, 프로세서(40)는 등간격의 격자(111), 구체적으로는 각 격자(111)의 꼭짓점에 레이저를 조사하기 위한 제어 명령을 생성하여 갈바노 스캐너(1)에 제공할 수 있고, 레이저는 대상체(110)에 집광될 수 있다.

다시 도 4를 참조하면, 광센서(50)는 대상체(110)에 의해 반사되어 빔 스플리터(Beam Splitter; BS)에 의해 분기된 레이저 광을 수광하여 이미지를 생성하고 이를 프로세서(40)에 제공할 수 있다. 프로세서(40)는 광센서(50)에서 제공된 이미지에 기초하여 등간격의 격자(111)들에 대한 왜곡(112)을 식별하고, 이를 보정하기 위한 기준 명령을 각 격자(111)별로 정의할 수 있다.

한편, 전술한 광센서(50)를 통한 이미지 생성 방법 대신, 각 격자(111)의 꼭짓점에 대한 제어 명령에 따라 대상체(110)에 레이저를 마킹하고, 마킹된 대상체(110)를 카메라로 촬영하여 이미지를 생성할 수도 있다.

다시 도 5를 참조하면, 전술한 왜곡(112)에 의해 목표 위치였던 일 격자(111)의 꼭짓점(v)과 실제 레이저가 조사된 위치(v')에는 차이(D)가 발생할 수 있다. 프로세서(40)는 해당 차이(D)의 크기와 방향을 식별할 수 있고, 제어 명령을 보정하여 기준 명령을 생성 및 정의할 수 있다. 기준 명령 생성에는 당해 기술분야에서 알려진 다양한 방법이 적용될 수 있다.

프로세서(40)는 전술한 기준 명령 정의 동작을 등간격의 각 격자(111)의 꼭짓점에 대해 모두 수행할 수 있고, 이를 순람표(lookup table)의 형태로 정의할 수 있다.

도 6을 참조하여 구체적으로 설명하면, 등간격의 격자(111)가 (n,m), (n, m+1), (n+1, m), (n+1, m+1)의 네 좌표에 의해 정의될 때, 프로세서(40)는 각 격자(111)에 대한 기준 명령을 정의할 수 있다. 예를 들어, (n, m) 좌표에 레이저를 조사하기 위한 제어 명령이 p_n,m이라 할 때, 실제 해당 제어 명령(p_n,m)에 의해 레이저가 조사된 위치는 q_n,m일 수 있다. 프로세서(40)는 q_n,m이 (n, m) 좌표와 동일해지도록 제어 명령(p_n,m)을 보정할 수 있고, 보정된 제어 명령(p^* _n,m)이 기준 명령(p^* _n,m)으로 정의될 수 있다.

이러한 동작은 (n, m+1), (n+1, m), (n+1, m+1) 좌표에 대해서도 수행될 수 있고, 각 좌표에 대응하는 기준 명령들(p^* _n,m, p^* _n,m+1, p^* _n+1,m, p^* _n+1,m+1)이 순람표의 형태로 정의될 수 있다.

등간격의 격자(111)들에 대해 기준 명령이 정의되면, 프로세서(40)는 타겟 좌표를 내포하는 격자(111)에 대한 기준 명령에, 타겟 좌표의 위치에 대응하는 보정치를 적용하여 제어 명령을 결정할 수 있다.

도 7을 참조하면, 타겟 좌표(q^* _x,y)는 기준 명령들(p^* _n,m, p^* _n,m+1, p^* _n+1,m, p^* _n+1,m+1)에 따라 레이저가 조사되는 꼭짓점들(q^* _n,m, q^* _n,m+1, q^* _n+1,m, q^* _n+1,m+1)로 구획되는 격자(111)에 내포될 수 있다. 이 때, 타겟 좌표(q^* _x,y)는 각 꼭짓점들(q^* _n,m, q^* _n,m+1, q^* _n+1,m, q^* _n+1,m+1)의 위치를 선형 결합(linear combination)한 것으로 표현될 수 있다.

한편, 각 꼭짓점들(q^* _n,m, q^* _n,m+1, q^* _n+1,m, q^* _n+1,m+1)로 조사되는 레이저는 기준 명령들(p^* _n,m, p^* _n,m+1, p^* _n+1,m, p^* _n+1,m+1)에 의한 것이므로, 레이저를 실제 타겟 좌표(q^* _x,y)로 조사하기 위한 제어 명령(p) 역시 각 기준 명령들(p^* _n,m, p^* _n,m+1, p^* _n+1,m, p^* _n+1,m+1)을 선형 결합한 것으로 표현될 수 있고, 이 때 선형 결합되는 각 항(p^* _n,m, p^* _n,m+1, p^* _n+1,m, p^* _n+1,m+1)에 곱해지는 상수가 보정치가 될 수 있다.

일 예에서, 프로세서(40)는 타겟 좌표를 내포하는 격자(111)의 꼭짓점에 대한 기준 명령에 쌍선형 보간법(Bilinear interpolation)을 적용하여, 타겟 좌표를 정의할 수 있고, 타겟 좌표의 위치에 대응하는 보정치를 결정할 수 있다.

구체적으로, 도 7에서 프로세서(40)는 쌍선형 보간법 적용을 통해 타겟 좌표(q^*)를 아래 [수학식 1]과 같이 정의할 수 있다.

[수학식 1]

각 꼭짓점들에 조사되는 레이저는 기준 명령들에 의한 것이므로, 레이저를 실제 타겟 좌표로 조사하기 위한 제어 명령(p)은 아래 [수학식 2]와 같이 정의될 수 있다.

[수학식 2]

(여기서 는 보정치)

프로세서(40)는 타겟 좌표가, 해당 타겟 좌표를 포함하는 격자(111) 내 어느 곳에 위치하는지에 따라 보정치를 결정할 수 있다. 이하, 프로세서(40)의 보정치 결정 방법을 구체적으로 설명하도록 한다.

프로세서(40)는 타겟 좌표의 x, y 좌표를 등간격으로 나누어 결정되는 정수부 및 소수부 중 정수부에 기초하여 타겟 좌표를 내포하는 타겟 격자를 식별하고, 타겟 격자에 대한 기준 명령에 소수부에 대응하는 보정치를 적용하여 제어 명령을 결정할 수 있다.

타겟 좌표를 전술한 [수학식 1]과 같이 선형 결합 방정식으로 표현하는 경우, 방정식의 각 항을 특정하기 위해 타겟 좌표를 포함하는 격자(이하, 타겟 격자)의 네 꼭짓점이 무엇인지를 먼저 파악할 필요가 있다.

이를 위해, 프로세서(40)는 타겟 좌표의 x, y 좌표를 등간격으로 나눌 수 있고, 나눈 값의 정수부에 기초하여 타겟 격자를 식별할 수 있다. 구체적으로, 프로세서(40)는 타겟 좌표의 x, y 좌표를 등간격으로 나누어 결정되는 정수부가 각각 n, m일 때, 등간격의 격자(111)들 중 x축 방향으로 n+1번째 y축 방향으로 m+1번째 위치에 배치된 격자(111)를 타겟 격자로 식별할 수 있다.

도 8을 참조하면, (x, y)가 타겟 좌표로 설정되었을 때 프로세서(40)는 x, y를 등간격인 d₀로 각각 나눌 수 있다. 도면에 도시된 것과 같이 타겟 좌표의 x 좌표는 2d₀보다는 크고 3d₀보다는 작을 수 있다. 이에 따라, x를 d₀로 나눈 값의 정수부는 2일 수 있다. 한편, y좌표는 d₀보다는 크고 2d₀보다는 작을 수 있다. 이에 따라, y를 d₀로 나눈 값의 정수부는 1일 수 있다. 이에 따라, 프로세서(40)는 등간격의 격자(111)들 중 x축 방향으로 3번째 y축 방향으로 2번째 위치에 배치된 격자(111)를 타겟 격자로 식별할 수 있다.

이에 따라, 타겟 좌표는 아래 [수학식 3]과 같은 선형 결합 방정식으로 표현될 수 있고, 타겟 좌표에 대한 제어 명령은 아래 [수학식 4]와 같은 선형 결합 방정식으로 표현될 수 있다.

[수학식 3]

[수학식 4]

이어서, 프로세서(40)는 상기 타겟 좌표의 x, y 좌표를 등간격으로 나누어 결정되는 소수부에 기초하여 제어 명령의 보정치를 결정할 수 있다. 구체적으로, 타겟 좌표의 x, y 좌표를 상기 등간격으로 나누어 결정되는 소수부가 d₁, d₂일 때, 보정치를 하기 [수학식 5]에 따라 결정할 수 있다.

[수학식 5]

이하, 보정치가 [수학식 5]에 의해 결정될 수 있는 이유에 대해 설명하도록 한다.

어느 한 좌표((x, y))가 (u_n,v_m), (u_n, v_m+1), (u_n+1, v_m), (u_n+1, v_m+1)의 꼭짓점에 의해 구획되는 사각형 내에 위치하는 경우, 해당 좌표는 쌍선형 보간법에 따라 하기 [수학식 6]과 같이 표현될 수 있고, 이 때 보정치는 하기 [수학식 7]과 같이 결정될 수 있다.

[수학식 6]

[수학식 7]

상기 [수학식 7]을 도 8에 도시된 타겟 좌표와 타겟 격자 간의 간격(a, b, c, d)에 적용하면, [수학식 7]은 아래 [수학식 8]과 같이 변형될 수 있다.

[수학식 8]

본 발명에서의 격자(111)는 등간격(d₀)으로 배열되므로 [수학식 8]은 아래 [수학식 9]와 같이 변형될 수 있다.

[수학식 9]

여기서 a/d₀는 타겟 좌표의 x 좌표를 등간격인 d₀로 나누어 결정되는 소수부(d₁)이며, c/d₀는 타겟 좌표의 y 좌표를 등간격인 d₀로 나누어 결정되는 소수부(d₂)이므로, [수학식 9]는 최종적으로 [수학식 5]와 같이 표현될 수 있다.

정리하면, 본 발명의 프로세서(40)는 등간격의 격자(111)들에 대한 기준 명령을 미리 정의해둔 후, 타겟 좌표가 입력되면 타겟 좌표의 x, y 좌표를 등간격으로 나누어 얻어진 정수부에 기초하여 타겟 좌표에 적용할 기준 명령을 식별하고, 타겟 좌표의 x, y 좌표를 등간격으로 나누어 얻어진 소수부에 기초하여 기준 명령에 적용할 보정치를 결정할 수 있다.

이와 같이, 본 발명은 등간격의 격자(111)들에 대한 보정된 명령을 미리 정의해두고, 타겟 좌표가 입력되면 이를 등간격으로 나누어 얻어지는 실수에 기초하여 매우 간단한 방식으로 필드 왜곡을 고려한 제어 명령을 생성함으로써, 왜곡 보정을 위한 연산 속도가 매우 빠르면서도 타겟 좌표의 위치에 관계없이 동일한 연산 속도를 가지므로 레이저 장치가 일정한 응답성을 가진다는 장점이 있다.

전술한 본 발명의 레이저 장치는 정밀한 레이저 제어가 필요한 다양한 시스템의 구성요소로서 포함될 수 있다. 일 예에서, 레이저 장치는 대상체에 레이저를 마킹하거나, 레이저를 이용하여 대상체를 커팅하는 레이저 가공기에 포함될 수 있다. 다른 예에서, 레이저 장치는 대상체를 소결하거나 경화시키는 3D 프린터, 구체적으로는 광경화 적층 방식(Photo Curing Process), 레이저 소결 적층 방식(Laser Sintering Process)이 적용되는 3D 프린터에 포함될 수 있다. 또 다른 예에서, 레이저 장치는 레이저 이용하여 탐지하고자 하는 영역을 스캐닝하는 라이다 센서에 포함될 수도 있다.

다음으로, 도 9를 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 갈바노 스캐너(1)의 제어 명령 결정 방법(이하, 제어 명령 결정 방법)을 구체적으로 설명하도록 한다. 도 9에 도시된 각 단계들은 전술한 레이저 장치 내 프로세서(40)에 의해 수행될 수 있으며, 앞서 설명한 것과 동일한 동작에 대해서는 이하 설명을 생략하도록 한다.

도 9를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 제어 명령 결정 방법은 레이저 발진기에서 출력되는 레이저를 대상체(110)로 반사하는 갈바노 스캐너(1)의 자세 제어를 위한 제어 명령을 결정하는 방법에 관한 것으로, 레이저 이미지에 기초하여 등간격 격자(111)에 대한 왜곡을 식별하는 단계(S10), 왜곡 보정을 위한 격자(111)별 기준 명령을 정의하는 단계(S20), 타겟 좌표를 획득하는 단계(S30), 타겟 좌표를 내포하는 타겟 격자를 식별하는 단계(S40) 및 타겟 격자에 대한 기준 명령에 타겟 좌표의 위치에 대응하는 보정치를 적용하여 제어 명령을 결정하는 단계(S50)를 포함할 수 있다.

다만, 도 9에 도시된 제어 명령 결정 방법은 일 실시예에 따른 것이고, 발명을 이루는 각 단계들이 도 9에 도시된 실시예에 한정되는 것은 아니며, 필요에 따라 일부 단계들이 부가, 변경 또는 삭제될 수 있다.

프로세서(40)는 대상체(110)에서 반사된 레이저에 의해 생성된 이미지에 기초하여 등간격의 격자(111)들에 대한 왜곡을 식별할 수 있다(S10). 여기서 등간격의 격자(111)는 앞서 설명한 것과 같이 실물 형상일 수도 있고, 가상의 격자(111)일 수도 있는데, 가상의 격자(111)인 경우 프로세서(40)는 대상체(110) 상에서 레이저가 집광될 수 있는 한계 영역, 즉 갈바노 스캐너(1) 제어를 통해 대상체(110) 상에 레이저가 집광될 수 있는 영역을 등간격의 격자(111)들로 가상 분할할 수 있다.

도 4에서 설명한 것과 같이 대상체(110)로 조사된 레이저는 다시 대상체(110)에서 반사되어 광센서(50)로 수광될 수 있다. 광센서(50)는 수광된 레이저에 기초하여 이미지를 생성할 수 있고, 이를 프로세서(40)에 제공할 수 있다.

도 5에서 설명한 것과 같이, 프로세서(40)는 해당 이미지에 기초하여 등간격의 격자(111)들에 대한 왜곡(D)을 식별할 수 있고, 왜곡을 보정하기 위한 기준 명령을 각 격자(111)별로 정의할 수 있다(S20). 이 때, 기준 명령이 순람표의 형태로 정의될 수 있음은 전술한 바와 같다.

기준 명령들이 미리 정의되면, 프로세서(40)는 사용자로부터 타겟 좌표, 즉 레이저의 목표 조사 위치를 획득하고(S30), 타겟 좌표를 내포하는 타겟 격자를 식별할 수 있다(S40). 구체적으로, 프로세서(40)는 타겟 좌표의 x, y 좌표를 등간격으로 나누어 결정되는 정수부에 기초하여 타겟 격자를 식별할 수 있고, 타겟 격자에 대한 기준 명령을 식별할 수 있다.

이어서, 프로세서(40)는 타겟 격자에 대한 기준 명령에 타겟 좌표의 위치에 대응하는 보정치를 적용하여 제어 명령을 결정할 수 있다(S50). 이를 위해, 프로세서(40)는 제어 명령을 기준 명령에 대한 선형 결합 방정식으로 나타낼 수 있고, 구체적으로 기준 명령에 쌍선형 보간법을 적용하여 제어 명령을 결정할 수 있다.

이 때, 선형 결합 방정식의 각 항에 곱해지는, 즉 기준 명령에 곱해지는 상수가 보정치일 수 있으며, 프로세서(40)는 타겟 격자 내에서 타겟 좌표가 어디에 위치하는지에 따라 보정치를 결정할 수 있다.

구체적으로, 프로세서(40)는 타겟 좌표의 x, y 좌표를 등간격으로 나누어 결정되는 소수부에 기초하여 보정치를 결정할 수 있다. 예컨대, 타겟 좌표의 x, y 좌표를 등간격으로 나누어 결정되는 정수부가 각각 n, m이고, 소수부가 각각 d1, d2일 때, 프로세서(40)는 타겟 격자에 대한 쌍선형 보간법에 의해 정의되는 제어 명령의 보정치를 아래 [수학식 10]에 따라 결정할 수 있다.

[수학식 10]

(여기서, 는 타겟 좌표에 대한 제어 명령, 는 타겟 격자에 대해 미리 정의된 기준 명령, 는 보정치)

이상과 같이 본 발명에 대해서 예시한 도면을 참조로 하여 설명하였으나, 본 명세서에 개시된 실시 예와 도면에 의해 본 발명이 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기술사상의 범위 내에서 통상의 기술자에 의해 다양한 변형이 이루어질 수 있음은 자명하다. 아울러 앞서 본 발명의 실시 예를 설명하면서 본 발명의 구성에 따른 작용 효과를 명시적으로 기재하여 설명하지 않았을 지라도, 해당 구성에 의해 예측 가능한 효과 또한 인정되어야 함은 당연하다.

Claims

레이저 발진기;
상기 레이저 발진기에서 출력되는 레이저를 반사하는 갈바노 스캐너;
상기 갈바노 스캐너에 의해 반사된 레이저를 대상체에 집광하는 f-세타 렌즈; 및
상기 레이저가 타겟 좌표에 집광되도록 상기 갈바노 스캐너의 자세를 제어하는 제어 명령을 생성하는 프로세서를 포함하고,
상기 프로세서는 등간격의 격자들에 대해 미리 정의된 기준 명령에 상기 타겟 좌표에 대응하는 보정치를 적용하여 상기 제어 명령을 결정하되,
상기 프로세서는 상기 타겟 좌표의 x, y 좌표를 상기 등간격으로 나누어 결정되는 정수부에 기초하여 상기 타겟 좌표를 내포하는 타겟 격자를 식별하고, 상기 타겟 격자 내 상기 타겟 좌표의 위치에 따라 상기 제어 명령을 결정하는
레이저 장치.
제1항에 있어서,
상기 갈바노 스캐너는
상기 레이저를 x축 방향으로 반사하는 x축 미러;
상기 레이저를 y축 방향으로 반사하는 y축 미러;
상기 프로세서로부터 x축 제어 명령을 제공받아 상기 x축 미러의 위치를 제어하는 x축 미러 구동부; 및
상기 프로세서로부터 y축 제어 명령을 제공받아 상기 y축 미러의 위치를 제어하는 y축 미러 구동부를 포함하는
레이저 장치.
제1항에 있어서,
상기 대상체에 의해 반사된 레이저를 수광하여 이미지를 생성하는 광센서를 더 포함하고,
상기 프로세서는 상기 이미지에 기초하여 상기 등간격의 격자들에 대한 왜곡을 식별하고, 상기 왜곡을 보정하기 위한 기준 명령을 각 격자별로 정의하는
레이저 장치.
제1항에 있어서,
상기 프로세서는 상기 대상체 상에서 상기 레이저가 집광될 수 있는 한계 영역을 등간격의 격자들로 분할하고, 각 격자의 꼭짓점에 대한 기준 명령을 순람표(lookup table)의 형태로 정의하는
레이저 장치.
제1항에 있어서,
상기 프로세서는 상기 타겟 좌표를 내포하는 격자에 대한 기준 명령에 상기 타겟 좌표의 위치에 대응하는 보정치를 적용하여 상기 제어 명령을 결정하는
레이저 장치.
제1항에 있어서,
상기 프로세서는 상기 타겟 좌표를 내포하는 격자의 꼭짓점에 대한 기준 명령에 쌍선형 보간법(Bilinear interpolation)을 적용하여 타겟 좌표의 위치에 대응하는 상기 보정치를 결정하는
레이저 장치.
제1항에 있어서,
상기 프로세서는 상기 타겟 좌표의 x, y 좌표를 상기 등간격으로 나누어 결정되는 소수부에 대응하는 보정치를 적용하여 상기 제어 명령을 결정하는
레이저 장치.
제7항에 있어서,
상기 프로세서는 상기 타겟 좌표의 x, y 좌표를 상기 등간격으로 나누어 결정되는 정수부가 각각 n, m이고, 소수부가 각각 d₁, d₂일 때, 상기 타겟 격자에 대한 쌍선형 보간법에 의해 정의되는 상기 제어 명령의 보정치를 하기 [수학식]에 따라 결정하는
[수학식]

(여기서, 는 상기 타겟 좌표에 대한 제어 명령, 는 상기 타겟 격자에 대해 미리 정의된 기준 명령, 는 상기 보정치)
레이저 장치.
제1항 내지 제8항 중 어느 한 항의 레이저 장치를 이용하여 대상체에 레이저를 마킹하거나 상기 대상체를 커팅하는 레이저 가공기.
제1항 내지 제8항 중 어느 한 항의 레이저 장치를 이용하여 대상체를 소결하거나 경화시키는 3D 프린터.
제1항 내지 제8항 중 어느 한 항의 레이저 장치를 이용하여 레이저를 스캐닝하는 라이다 센서.
레이저 발진기에서 출력되는 레이저를 대상체로 반사하는 갈바노 스캐너의 자세 제어를 위한 제어 명령을 결정하는 방법에 있어서,
프로세서가, 상기 대상체에서 반사된 레이저에 의해 생성된 이미지에 기초하여 등간격의 격자들에 대한 왜곡을 식별하고, 상기 왜곡을 보정하기 위한 기준 명령을 각 격자별로 정의하는 단계; 및
상기 프로세서가, 타겟 좌표를 내포하는 타겟 격자를 식별하고, 상기 타겟 격자에 대한 기준 명령에 상기 타겟 좌표에 대응하는 보정치를 적용하여 상기 제어 명령을 결정하는 단계를 포함하되,
상기 제어 명령을 결정하는 단계는
상기 타겟 좌표의 x, y 좌표를 상기 등간격으로 나누어 결정되는 정수부에 기초하여 상기 타겟 좌표를 내포하는 타겟 격자를 식별하고, 상기 타겟 격자 내 상기 타겟 좌표의 위치에 따라 상기 제어 명령을 결정하는 단계를 포함하는
갈바노 스캐너의 제어 명령 결정 방법.
제12항에 있어서,
상기 기준 명령을 정의하는 단계는
상기 대상체 상에서 레이저가 집광될 수 있는 한계 영역을 등간격의 격자들로 분할하고, 각 격자의 꼭짓점에 대한 기준 명령을 순람표의 형태로 정의하는 단계를 포함하는
갈바노 스캐너의 제어 명령 결정 방법.
제12항에 있어서,
상기 제어 명령을 결정하는 단계는
상기 타겟 격자의 꼭짓점에 대한 기준 명령에 쌍선형 보간법을 적용하여 상기 보정치를 결정하고, 상기 보정치를 적용하여 상기 제어 명령을 결정하는 단계를 포함하는
갈바노 스캐너의 제어 명령 결정 방법.
제12항에 있어서,
상기 제어 명령을 결정하는 단계는
상기 타겟 좌표의 x, y 좌표를 상기 등간격으로 나누어 결정되는 소수부에 대응하는 보정치를 적용하여 상기 제어 명령을 결정하는 단계를 포함하는
갈바노 스캐너의 제어 명령 결정 방법.
제15항에 있어서,
상기 제어 명령을 결정하는 단계는
상기 타겟 좌표의 x, y 좌표를 상기 등간격으로 나누어 결정되는 정수부가 각각 n, m이고, 소수부가 각각 d₁, d₂일 때, 상기 타겟 격자에 대한 쌍선형 보간법에 의해 정의되는 상기 제어 명령의 보정치를 하기 [수학식]에 따라 결정하는 단계를 포함하는
[수학식]

(여기서, 는 상기 타겟 좌표에 대한 제어 명령, 는 상기 타겟 격자에 대해 미리 정의된 기준 명령, 는 상기 보정치)
갈바노 스캐너의 제어 명령 결정 방법.