KR20000065493A - optical fiber laser triangulation device for measurement of 3 degrees-of-freedom displacements - Google Patents

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KR20000065493A
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Abstract

PURPOSE: A super-fine displacement sensor of a multiple degree of freedom is provided to perform a fine measuring process by using optical method, finely measures 3 freedom-degree displacement of a spatial rigid substance by using a non-contact and an optical method. CONSTITUTION: An optical signal generator outputs an optical signal through an optical fiber according to an input control signal. A first measurement part illuminates the optical signal on a surface of a measured object, and measures a light quantity of a reflective light. Second measurement parts are symmetrically positioned to each other centering around an output terminal of the first measurement part, measures a focus distance change of the reflective light from the object's surface and a light quantity variation of the reflective light, and outputs them to the outside. A signal processor(1104) measures a displacement of the object's surface by using a measured focus distance variation, and measures a main angle and of the object's surface(1109) and a pitch angle of the object's surface by using a measured light quantity variation measured by the first and second measurement parts.

Description

광파이버를 이용한 다 자유도 초정밀 변위 센서{optical fiber laser triangulation device for measurement of 3 degrees-of-freedom displacements}Optical fiber laser triangulation device for measurement of 3 degrees-of-freedom displacements

본 발명은 변위 센서에 관한 것이며, 특히 공간상 강체의 3 자유도 변위를 비접촉, 광학적 방법으로 정밀 측정할 수 있는, 광파이버를 이용한 다자유도 초정밀 변위 센서에 관한 것이다.The present invention relates to a displacement sensor, and more particularly, to a multi-degree of freedom ultra-precision displacement sensor using an optical fiber capable of precisely measuring three-degrees-of-freedom displacement of a rigid body in space by a non-contact and optical method.

각종 반도체 장비, 초미세 운동 기기의 액추에이터, 기전복합 시스템, 정밀 가공 시스템 등의 성능이 향상됨에 따라 그 운동을 측정할 수 있는 측정 장비에 대한 관심이 증대되고 있다.As the performance of various semiconductor equipment, actuators of ultra-fine exercise equipment, electromechanical complex systems, precision processing systems, and the like have been improved, interest in measuring equipment capable of measuring the movement thereof has increased.

여러 측정 장비 중 광학적 원리를 응용하는 기기들은 기존의 접촉식 측정 장비에 비해 무엇보다 비 접촉식이며, 빛의 파장 단위의 분해능이 가능하다는 장점으로 인해 각종 산업 기기에 응용되고 있다.Among the various measuring equipments, the devices that apply the optical principle are non-contact, and the resolution of the wavelength unit of light is compared to the conventional touch measuring equipments, and is being applied to various industrial devices.

일반적으로, 산업 현장에서 널리 쓰이고 있는 광학적 원리를 응용한 변위 측정 장치로는 간섭계, 광삼각법 센서, 광파이버 센서를 들 수 있다.In general, examples of displacement measuring devices using optical principles widely used in industrial fields include interferometers, optical triangular sensors, and optical fiber sensors.

도면에서, 도 1은 종래 기술에 의한 광삼각법 센서의 구성도이고, 도 2는 종래 기술에 의한 광삼각법 센서를 이용하여 물체의 변위를 측정하는 원리를 설명하기 위한 예시도이다.In the drawings, Figure 1 is a block diagram of a conventional optical triangular sensor, Figure 2 is an exemplary view for explaining the principle of measuring the displacement of the object using the conventional optical triangular sensor.

도 1과 도 2를 참조하여, 광삼각법 측정의 기본 원리를 설명하면 다음과 같다.Referring to Figures 1 and 2, the basic principle of the optical triangulation method is described as follows.

레이저에서 나오는 빛은 렌즈 1을 통과하여 측정 대상 표면의 초점 1이라고 표시된 곳에 모이게 된다.Light from the laser passes through lens 1 and collects at the point labeled focus 1 on the surface to be measured.

측정 대상 표면은 난반사 특성(모든 방향으로 빛을 반사하는 특성, 대표적인 예는 흰종이)을 가지고 있어서 모든 방향으로 빛을 반사하게 된다.The surface to be measured has diffuse reflection characteristics (reflection of light in all directions, such as white paper), and reflect light in all directions.

그 중 렌즈 2를 통과한 빛만 위치 정보 산출에 쓰여진다. 렌즈 2를 통과한 빛은 렌즈 2의 초점 거리에 위치한 위치 감응 소자 상에 모아진다.Among them, only the light passing through the lens 2 is used to calculate the position information. Light passing through the lens 2 is collected on the position sensitive element located at the focal length of the lens 2.

만약 측정 대상 표면이 도 2에서와 같이 변위를 가지고 아래위로 운동하면 위치 감응 소자 상의 초점 2의 위치가 변하게 된다.If the surface to be measured moves up and down with displacement as shown in FIG. 2, the position of the focus 2 on the position sensitive element is changed.

이를 이용하여 변위를 측정하는 것이 광삼각법 센서의 측정 원리이다.Measuring the displacement using this is the measuring principle of the phototriangular sensor.

즉, 도 2와 같이 측정 대상 표면이 1번 위치일 때 위치 감응 소자 상에 집광된 빛의 위치는 1번이 되며, 표면이 2번 위치일 때 위치 감응 소자 상의 빛의 위치는 2번이 된다,That is, as shown in FIG. 2, when the surface to be measured is located at position 1, the light collected on the position-sensitive device becomes 1, and when the surface is position 2, the position of light on the position-sensitive device is 2. ,

위치 감응 소자는 빛의 위치를 검출 해 낼 수 있는 소자이다.Position-sensitive devices are devices that can detect the position of light.

이와 같은 센서는 종래에 널리 쓰이고 있으며, 그 응용 분야를 살펴보면 다음과 같다.Such a sensor is widely used in the related art, and its application field is as follows.

1)비접촉 변위 측정 장치1) Non-contact displacement measuring device

2)3차원 측정기에서의 프로브(probe)2) Probe in 3D Measuring Machine

3)비접촉 표면 형상 측정 장치3) Non-contact surface shape measuring device

4)기계 비젼(machine vision) 시스템4) machine vision system

하지만, 광삼각법을 이용한 센서는 근본적으로 여러가지 문제를 가지고 있으며, 그 중에 하나는 광삼각법 센서는 1 자유도 병진 운동만 측정할 수 있는 센서라는 것이다.However, optical triangular sensors have fundamental problems, and one of them is that optical triangular sensors can measure only one degree of freedom translational motion.

즉, 한 방향으로의 병진 운동만 측정할 수 있다는 한계를 가지고 있다.That is, there is a limitation that only translational motion in one direction can be measured.

이 문제를 달리 표현하면 측정 대상 표면이 입사광축에 대해 기울어져 있을 경우에 측정의 신뢰도가 떨어진다는 점이다.In other words, the reliability of the measurement is lowered when the surface to be measured is inclined with respect to the incident optical axis.

이를 도 3을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다.This will be described in detail with reference to FIG. 3 as follows.

도면에서, 도 3은 종래 기술에 의한 광삼각법 센서를 이용하여 물체의 회전을 측정할 경우 발생하는 오차의 원리를 설명하기 위한 예시도이다.In the drawings, Figure 3 is an exemplary view for explaining the principle of the error that occurs when measuring the rotation of the object using a phototriangular sensor according to the prior art.

도면에 도시된 바와 같이, 측정 대상 표면의 변위는 고정된 채, 초점 1이라는 점을 중심으로 측정 대상 표면이 회전할 경우 위치 감응 소자 상의 빛의 위치는 전혀 변함이 없어야 한다.As shown in the figure, the displacement of the measurement target surface is fixed and the position of the light on the position sensitive element should not change at all when the measurement target surface is rotated around the point of focus 1.

즉, 측정 대상 표면의 회전에 대해서는 센서가 아무런 반응을 하지 않아야 한다.That is, the sensor should not react to the rotation of the surface to be measured.

그러나, 실제에 있어서는 그렇지 못하다,But in reality this is not the case,

즉, 도면 3에 도시된 상황에서, 측정 대상 표면의 회전에 대해서는 아무런 반응을 하지 않아야 되는데, 실제 광삼각법 센서를 만들어서 동작시켜 보면, 측정 대상 표면이 회전할 경우 센서 출력에 변화가 생기게 된다.That is, in the situation shown in FIG. 3, no response should be made to the rotation of the surface to be measured, but if the actual triangulation sensor is made and operated, the sensor output will change when the surface to be measured rotates.

이는 이론적으로 설명하기 매우 어려운 상황으로서, 변위 측정의 신뢰도를 떨어뜨림과 동시에, 회전 측정도 불가능하게 되는 상황을 발생시킨다.This is a situation that is very difficult to explain theoretically, which leads to a decrease in the reliability of displacement measurement and a situation in which rotation measurement is also impossible.

또한, 이론적으로 고찰하여 볼 때 1 자유도의 운동만 측정하기 때문에(이 경우 회전에 대해서는 센서 출력이 변하지 않는다고 하는 아주 이상적인 경우를 상정한다) 여러 자유도의 운동을 동시에 측정하고자 하는 경우 문제가 발생할 수 있다.Also, theoretically, only one degree of freedom of motion is measured (assuming the ideal case that the sensor output does not change for rotation). This can cause problems if you want to measure motion of several degrees of freedom at the same time. .

모든 운동은 순수하게 한 방향으로만 일어난다고 가정하지만, 실제로는 그렇지 않다.It is assumed that all movements occur purely in one direction, but in reality they are not.

산업 현장에서 널리 쓰이는 스테이지를 예로 들어 보자면, 사용자는 스테이지가 한 방향으로만 운동한다고 가정하지만, 그 안의 여러 가지 오차 요인으로 인하여 실제로 운동하는 것은 한 방향만의 운동뿐만 아니라 여러 방향의 운동이 동시에 일어나는 것이다.In the example of a stage widely used in an industrial field, a user assumes that the stage moves in only one direction, but due to various error factors there is not only movement in one direction but also movement in multiple directions simultaneously. will be.

이런 여러 방향의 운동에 의한 오차값을 보정하고 바로 잡아 주려면 여러 방향의 운동을 측정할 수 있는 센서가 필수적이다.In order to correct and correct the error caused by these various directions of motion, a sensor capable of measuring the motions in various directions is essential.

그러나 산업 현장에서 널리 쓰이고 있는 광삼각법 센서로 이를 측정하려면, 여러 점을 측정하여야 하는 번거로움이 생긴다.However, to measure it with the phototriangular sensor which is widely used in the industrial field, it becomes troublesome to measure several points.

그리고, 이러한 다 자유도 운동을 측정하기 위해 널리 쓰이는 방법이 3개 이상의 광삼각법 센서를 이용하는 방법이 있다.In addition, a widely used method for measuring such multi-degree of freedom motion is a method using three or more phototriangular sensors.

그러나 이러한 방법의 문제점을 간단히 요약하면, 다음과 같다.However, to summarize the problems of this method is as follows.

1) 비용의 문제1) The problem of cost

2) 공간배치의 문제2) The problem of space layout

3) 신호처리의 문제3) Signal Processing Problem

상기 비용의 문제라 함은 센서를 여러 개 이용하여야 하기 때문에 발생하는 것이며, 공간 배치의 문제는 센서 3개를 측정 대상 표면 상에 위치 시켜야 하는 문제를 말한다.The problem of cost is caused by having to use several sensors, and the problem of space arrangement refers to a problem of placing three sensors on the surface to be measured.

측정 대상 표면의 크기가 크면 아무런 문제가 없으나 현재 산업 발달의 추세로 볼 때 초정밀, 초소형을 그 경향으로 하고 있는바, 측정 대상 표면이 크다고 무작정 가정하기는 힘들기 때문이다.If the size of the surface to be measured is large, there is no problem, but the current trend of industrial development tends to be ultra-precision and ultra-small, because it is difficult to assume that the surface to be measured is large.

신호 처리의 문제는 3개의 센서에서 나오는 신호를 실시간으로 처리해야 하기 때문에 그 기법이 복잡해지고 필연적으로 비용의 상승 효과를 가져 온다는 것이다.The problem with signal processing is that because the signals from the three sensors must be processed in real time, the technique is complicated and inevitably increases the cost.

이와 같은 문제를 해결하기 위한 방법으로 다음을 고려할 수 있다.As a way to solve this problem, the following can be considered.

1) 다 자유도를 하나의 장치로 간단히 측정할 수 있는 센서의 설계1) Design of sensor that can measure multiple degrees of freedom with one device

2) 초소형 1 자유도 센서를 개발하여 공간 배치 문제 해결2) Solve the space layout problem by developing a compact 1 degree of freedom sensor

3) 새로운 신호 처리 기법의 개발3) Development of new signal processing techniques

상기 고려 사항 중에서 다 자유도를 측정할 수 있는 센서의 설계로서, 광삼각법 측정 원리를 발전시킨 다 자유도 센서에 관한 아이디어가 많이 제출되었다.Among the above considerations, as a design of a sensor capable of measuring multiple degrees of freedom, many ideas about multi-degree-of-freedom sensors have been developed.

도면에서, 도 4는 종래 기술에 의한 다 자유도 광삼각법 센서의 구성도이다.In the figure, Figure 4 is a block diagram of a multi-degree of freedom phototriangular sensor according to the prior art.

도면에 도시된 바와 같이, 종래 기술에 의한 다 자유도 광삼각법 센서의 구성은 위치 감응 소자 2개를 좌우 대칭으로 설치한다.As shown in the figure, the configuration of the multi-degree-of-freedom phototriangular sensor according to the prior art installs two position sensitive elements symmetrically.

위와 같은 상황에서 위치 감응 소자 1과 위치 감응 소자 2에서 읽혀지는 거리 정보는 모두 동일하다.In the above situation, the distance information read from the position sensitive element 1 and the position sensitive element 2 is the same.

하지만, 위치 감응 소자 1과 위치 감응 소자 2에서 읽혀지는 빛의 세기(광량)는 다르다.However, the intensity (light quantity) of the light read by the position sensitive element 1 and the position sensitive element 2 is different.

위와 같이 측정 대상 표면이 오른쪽으로 기울어져 있을 경우, 위치 감응 소자 2에 도달하는 빛의 양은 위치 감응 소자 1에 도달하는 빛의 양보다 많다.When the surface to be measured is inclined to the right as described above, the amount of light reaching the position sensitive element 2 is greater than the amount of light reaching the position sensitive element 1.

즉, 위치 감응 소자를 그 개발 목적인 위치 감응에 쓰는 것과 동시에, 적절한 조작을 통해 빛의 광량까지 읽어 내게 되면, 기울어진 측정 대상 표면이 어느 정도 기울어져 있는 지를 알아낼 수 있고, 이를 통해 거리 뿐만이 아니라 기울어짐 까지도 측정할 수 가 있다.In other words, if the position-sensitive device is used for position-sensitivity, which is the purpose of its development, and read out the amount of light through proper operation, it is possible to find out how inclined the surface to be measured is inclined, and not only the distance but also the tilt. Even luggage can be measured.

다시 한번 요약하자면, 위치 검출은 전통적인 광삼각법 원리에 기초하지만, 기울어진 정보를 읽어 내는 것은 위치 감응 소자에 도달하는 광량을 비교하는 수단을 쓴다는 것이다.To recap, position detection is based on traditional phototriangular principles, but reading out tilted information uses a means of comparing the amount of light reaching the position sensitive element.

실제 측정 대상 표면은 도 4와 같이 평면상에서 좌우로 기울어지는 것 뿐만 아니라 공간상에서 자유로운 자세로 기울어진다.The actual measurement target surface is not only tilted left and right in a plane as shown in FIG. 4 but also tilted in a free position in space.

그러므로 기울어진 정보를 종합적으로 읽어 내기 위해 다음 도 5와 같이 위치 감응 소자를 4개 배치하는 방법을 사용한다.Therefore, in order to comprehensively read the inclined information, a method of arranging four position sensitive elements as shown in FIG. 5 is used.

도면에서, 도 5는 4개의 위치 감응 소자를 이용한 다 자유도 광삼각법 센서의 구성도이다.5 is a block diagram of a multi-degree of freedom phototriangular sensor using four position-sensitive elements.

도면에 도시된 바와 같이, 레이저 주위에 원형으로 4개의 위치 감응 소자를 배치하여 측정 대상 표면이 어느 방향으로 기울어져 있든지 이에 관한 정보를 읽어 내도록 했다.As shown in the figure, four position-sensitive elements were arranged in a circle around the laser to read information about which direction the surface to be measured was inclined.

그러나, 상기 종래 기술은 모듈(module)내에 위치 감응 소자 4개를 배치하여야만 완변한 측정 대상 표면의 자세 측정이 가능하고, 이는 센서 헤드라는 모듈의 크기를 크게 할 수 밖에 없다는 문제점을 야기시킨다.However, the prior art can measure the attitude of the measurement target surface only by arranging four position-sensitive elements in the module, which causes a problem that the size of the module called the sensor head must be increased.

궁극적으로 공간 배치의 문제, 신호 처리의 문제, 경제적 문제의 해결에 있어서, 그 한계점을 있다는 문제점을 가지고 있다.Ultimately, there is a problem in that there is a limit in solving the problem of spatial arrangement, signal processing, and economic problem.

한편, 또다른 위치 측정 장비인 광파이버 센서를 설명하면 다음과 같다.Meanwhile, another optical fiber sensor, which is another position measuring device, will be described below.

도면에서, 도 6는 종래 기술에 의한 광파이버 변위 센서의 원리를 설명하기 위한 예시도이다.6 is an exemplary view for explaining the principle of the optical fiber displacement sensor according to the prior art.

광파이버는 빛을 통과시키는 파이버(섬유)로서 도면 6과 같이 광파이버 끝단에서 나오는 빛은 근본적으로 퍼지게 되어 있다.The optical fiber is a fiber (fiber) for passing light, and the light emitted from the optical fiber end is essentially spread as shown in FIG. 6.

광파이버 끝단의 빛이 퍼지는 각도는 대략 20도가 넘기 때문에 광파이버 끝단에서 나오는 빛은 1mm도 채 가지 못해서 퍼져 버린다.Since the light spreads at the end of the optical fiber more than 20 degrees, the light from the end of the optical fiber is less than 1mm and spreads.

산업계에서 요구하는 센서는 그 작동범위가 켜야 하기 때문에 광파이버 시준기(collimator)라는 것을 광파이버 끝단에 부착한다.The sensors required by the industry attach an optical fiber collimator to the end of the optical fiber because its operating range must be turned on.

광파이버 시준기는 광파이버에서 나오는 빛을 평행하게 만들어 주어 멀리까지 가게 하는 장치이다.An optical fiber collimator is a device that directs light from an optical fiber to a far distance.

그 크기는 광파이버 직경보다 조금 큰 정도이므로, 0.2mm와 0.5mm사이의 크기를 가지는 매우 작은 장치이다.Since the size is a little larger than the optical fiber diameter, it is a very small device having a size between 0.2 mm and 0.5 mm.

이제, 광파이버 센서를 이해하는데 필수적인 장치인 광파이버 방향성 결합기에 대하여 도 7을 참조하여 설명하면 다음과 같다.Now, an optical fiber directional coupler, which is an essential device for understanding an optical fiber sensor, will be described with reference to FIG. 7.

도면에서, 도 7은 종래 기술에 이용되는 광파이버 방향성 결합기의 구성도이다.7 is a block diagram of an optical fiber directional coupler used in the prior art.

광파이버 방향성 결합기는 그냥 단순히 빛을 갈라주는, 분할(divide)하는 장치이다.Fiber-optic directional couplers are simply dividers, simply splitting light.

광파이버 방향성 결합기의 포트 1, 2, 3, 4는 모두 광파이버로 이루어져 있다.Ports 1, 2, 3 and 4 of the optical fiber directional coupler are all composed of optical fibers.

"방향성"이라는 단어가 붙은 이유는 다음과 같다, 포트 1로 들어온 빛은 포트 2로는 절대 나가지 않고 포트 3과 포트 4로 나뉘어져 나간다.The word "directionality" is given for the following reasons: Light entering port 1 never splits into port 2 but splits into port 3 and port 4.

또한, 포트 2에서 들어온 빛은 포트 3과 포트 4로 나가게 되며, 반대로 포트 3에서 들어온 빛은 포트 1과 포트 2로 나누어져 가게 되고, 포트 4로 들어온 빛의 경우도 마찬가지이다.In addition, the light coming from port 2 goes out to port 3 and port 4, on the contrary, the light from port 3 is divided into port 1 and port 2, and the same is true of light entering port 4.

즉, 하나의 포트에서 들어온 빛은 반대편의 2개의 포트로 나누어서 보내는 역할을 하는 것이 방향성 광결합기이다.That is, the directional optical coupler serves to divide the light from one port into two ports on the opposite side.

다음으로 광파이버 결합기(optical fiber connector)는 간단히 2개의 광파이버를 연결하는 소자이다.Next, an optical fiber connector is simply a device for connecting two optical fibers.

도면에서, 도 8은 종래 기술에 의한 광파이버 센서의 구성도이다.8 is a configuration diagram of an optical fiber sensor according to the prior art.

광파이버 변위 센서는 먼저, 반도체 레이저로부터 나온 빛은 1번 광파이버로 들어가게 된다.In the optical fiber displacement sensor, the light from the semiconductor laser enters the optical fiber first.

1번 광파이버 방향성 결합기를 거쳐 3번, 4번 광파이버로 들어가게 된다.Through optical fiber directional coupler 1, optical fibers 3 and 4 enter.

4번 광파이버로 간 빛은 2번 포토 다이오드로 나가게 된다.Light that went to optical fiber 4 goes out to photodiode 2.

포토 다이오드는 들어오는 빛의 양을 측정하는 장치이다.Photodiodes are devices that measure the amount of incoming light.

2번 포토 다이오드에서 나오는 신호를 측정하면, 반도체 레이저에서 나오는 빛의 양을 측정할 수 있게 된다.By measuring the signal from photodiode # 2, you can measure the amount of light from the semiconductor laser.

광파이버 방향성 결합기는 1:1로 신호를 나누어 준다.The fiber optic directional coupler splits the signal by 1: 1.

즉, 반도체 레이저에서 100이라는 양의 빛이 나온다면 3번 광파이버로는 50의 빛이 가게 되고, 4번 광파이버로도 50의 빛이 가게 되어 2번 포토 다이오드에서 검출되는 빛의 양은 50이 된다.That is, if the amount of light from the semiconductor laser is 100, 50 light goes to the optical fiber No. 3, 50 light goes to the optical fiber No. 4, and the amount of light detected by the second photodiode is 50.

3번 광파이버로 간 빛은 광파이버 시준기에 의해 평행광으로 모아진다.Light that went to optical fiber 3 is collected in parallel light by the optical fiber collimator.

광파이버 시준기로부터 나온 빛은 측정 대상 표면에 쏘여지고, 측정 대상 표면에서 반사가 일어난다.Light from the optical fiber collimator is projected onto the surface to be measured and reflects off the surface to be measured.

측정 대상 표면에서 반사된 빛은 다시 3번 광파이버로 입사하게 된다.The light reflected from the surface to be measured again enters the optical fiber three times.

앞서 설명한 레이저에서 100이라는 양의 빛은 다시 3번 광파이버로는 50의 빛이 가게 되고, 광파이버 시준기를 거쳐서 나온 50이라는 빛의 양은 측정 대상 표면에서 반사되어 다시 3번 광파이버로 들어온다.In the laser described above, the amount of light of 100 is 50 light to the third optical fiber, and the amount of light 50 from the optical fiber collimator is reflected from the surface to be measured and enters the optical fiber again.

50이라는 빛의 양이 측정 대상 표면에 쏘여 질 때 반사되어 돌아오는 빛의 양은 약 1~2정도 밖에 되지 않는다.When the amount of light 50 is shot on the surface to be measured, the amount of reflected light is only about 1-2.

그리고, 3번 광파이버로 들어온 빛은 이제 다시 광파이버 방향성 결합기에 의해 1번 광파이버와 2번 광파이로 다시 나누어진다.Then, the light entering the optical fiber 3 is again divided into the optical fiber 1 and the optical fiber 2 by the optical fiber directional coupler.

편의상 반사되어 들어오는 빛의 양이 1이라고 할 경우 3번 광파이버를 거쳐 2번 광파이버로 가는 빛의 양은 0.5가 될 것이고, 1번 포토 다이오드에서 감지되는 빛의 양은 0.5가 될 것이다.For convenience, if the amount of reflected light is 1, the amount of light going through optical fiber 3 to optical fiber 2 will be 0.5, and the amount of light detected by photodiode 1 will be 0.5.

여기서 중요한 점은 반사되어 돌아오는 빛의 양은 광파이버 시준기와 측정 대상 표면 사이의 거리에 의해 변한다는 것이다.The important point here is that the amount of light reflected back varies by the distance between the optical fiber collimator and the surface being measured.

그 관계를 그래프로 나타내면 도 9와 같다.The relationship is shown graphically in FIG.

도면에서, 도 9는 종래 기술에 의한 광파이버 센서에 이용되는 거리와 광량과의 관계를 나타내는 그래프이다.In the figure, FIG. 9 is a graph showing the relationship between the distance and the amount of light used in the conventional optical fiber sensor.

상기 도 9의 그래프를 통하면 2번 광파이버를 거쳐 1번 포토 다이오드로 들어온 빛의 양을 알면 광파이버 시준기와 측정 대상 표면 사이의 거리를 알 수 있다.The graph of FIG. 9 shows the distance between the optical fiber collimator and the surface to be measured by knowing the amount of light entering the photodiode 1 through the optical fiber no. 2.

그리고, 상기 종래 기술에서 2번 포토 다이오드가 필요한 이유는 일반적으로 레이저에서 나오는 빛의 양은 일정하다 할 지라도 광파이버를 거치는 동안 그 빛의 양은 어느 정도 변하기 때문이다.The reason why the second photodiode is required in the related art is that although the amount of light emitted from the laser is generally constant, the amount of light changes to some extent during the optical fiber.

그러므로 1번 포토 다이오트에서 나오는 빛의 양이 과연 거리 변화 때문에 변화하는지, 아니면 광파이버를 통과하는 동안 광파이버 도파 특성 때문에 변화할 것인지를 명확히 알아야 정확한 거리 정보를 알 수 있다.Therefore, it is necessary to know clearly whether the amount of light emitted from the photodiode No. 1 changes due to a change in distance or because of optical fiber waveguide characteristics while passing through the optical fiber.

그러므로 2번 포토 다이오드에서 나오는 신호를 1번 포토 다이오드에서 나온 신호로 나누어 주어야(정규화 시켜야) 정확한 거리 정보를 얻을 수 있기 때문에 2번 포토 다이오드가 필요하다.Therefore, photodiode No. 2 is needed because the signal from Photodiode No. 2 is divided by the signal from Photodiode No. 1 (normalized) to obtain accurate distance information.

그러나, 상기 종래 기술에 의한 광파이버 변위 센서는 측정 대상 표면과 광파이버 시준기 사이의 거리에 의해서 1번 포토 다이오드로 들어오는 빛의 양이 변하기는 하지만, 측정 대상 표면이 기울어져도 1번 포토 다이오드로 들어오는 빛의 양이 변하며, 그 결과 1번 포토 다이오드에서 나오는 신호가 기울어짐에 의한 신호인지, 거리 변화에 의한 신호인지 판별하기가 어렵다는 문제점이 있었다.However, in the conventional optical fiber displacement sensor, the amount of light entering the photodiode No. 1 is changed by the distance between the surface to be measured and the optical fiber collimator. As a result, there was a problem that it is difficult to determine whether the signal from the first photodiode is a signal due to tilting or a signal due to a distance change.

도면에서, 도 10은 종래 기술에 의한 개선된 광파이버 센서의 구성도이다.10 is a block diagram of an improved optical fiber sensor according to the prior art.

도면에서 색깔있는 부분은 빛을 내는 광파이버이고, 색깔이 없는 것은 빛을 받아들이는 광파이버이다.The colored part in the drawing is an optical fiber that emits light, and the colored part is an optical fiber that receives light.

해결 방안 1의 경우 가운데 있는 광파이버에서 빛을 내면 양쪽에 있는 광파이버에서 빛을 받아 들인다.In solution 1, if light is emitted from the optical fiber in the middle, light is received from the optical fiber on both sides.

측정 대상 표면이 기울어져 있다면 양쪽에 있는 광파이버로 들어오는 빛의 양이 다를 것이고, 이를 이용하여 기울어짐도 측정해 낼 수 있을 것이다.If the surface to be measured is tilted, the amount of light entering the optical fibers on both sides will be different, and the tilt can be measured using this.

단, 공간적인 기울어짐을 잴 수 없고 2차원적 기울어짐만 잴 수 있다는 것이 문제점이다.However, the problem is that the spatial inclination cannot be measured and only the two-dimensional inclination can be measured.

이를 해결하기 위한 방안이 해결 방안 2이다.The solution to this problem is solution 2.

가운데 있는 광파이버에서 빛을 내고 주위의 6개 광파이버에서 빛을 받아들임으로써, 공간적인 기울어짐도 감지해 낼 수 있다.By emitting light from the optical fiber in the middle and light from the six optical fibers around it, spatial tilt can be detected.

여기서 주목할 만한 점은 앞서 광삼각법을 이용한 센서에서, 기울어짐에 관한 정보를 읽어 내기 위해 위치 감응 소자를 여러개 배치하여 받아 들여지는 빛의 양을 이용한다고 하였는데, 기울어짐에 관한 정보를 읽어 내는 방식이 광파이버 센서나, 광삼각법 센서나 동일하다는 것이다.It is remarkable that the sensor using the optical triangulation method uses the amount of light received by arranging several position-sensitive elements in order to read the information about the tilt, and the method of reading the information about the tilt The same is true for optical fiber sensors and optical triangular sensors.

그리고, 광파이버 센서의 가장 큰 장점은 다음과 같다.The biggest advantage of the optical fiber sensor is as follows.

1) 머리카락 굵기의 광파이버를 이용하므로 크기가 다른 센서에 비해 굉장히 작다.1) Since it uses optical fiber of hair thickness, it is very small compared to other size sensors.

2) 광파이버를 이용한 통신(광통신)의 비약적인 발전으로 인하여 각종 광파이버 소자의 가격이 매우 저렴하다.2) Due to the rapid development of communication (optical communication) using optical fibers, the price of various optical fiber elements is very low.

상기의 측정 장비들은 ㎛ 혹은 그 이하의 정밀도를 가지며, 측정 대상 물체의 물리량의 변화없이 거리나 방위의 변화량을 측정할 수 있기 때문에 기존의 접촉식 변위 측정 장비들을 빠른 속도로 대체하고 있다.Since the measuring devices have a precision of μm or less and can measure the change in distance or orientation without changing the physical quantity of the object to be measured, existing contact displacement measuring devices are being replaced at a high speed.

그리고, 광학적 원리를 이용한 측정 장비들의 측정 원리는 측정 대상 물체에 빛을 투사하고 이 때 반사되는 빛의 위상, 광량, 위치를 변위로 환산하는 것을 기본으로 하고 있다.In addition, the measurement principle of the measurement equipment using the optical principle is based on the projection of light on the object to be measured and converting the phase, amount of light, and position of the reflected light into displacement.

그러나, 상기 종래 기술에 의한 측정 장비들은 공간적 측면에서 비효율적이며, 다수의 고가의 측정 장비가 필요하며, 추가적으로 자세 변환 회로가 필요하며, 실시간 측정이 어렵다는 단점으로 인해 많은 제약을 안고 있다.However, the measurement apparatuses according to the related art are inefficient in terms of space, require a large number of expensive measurement instruments, additionally require a posture converting circuit, and have many limitations due to difficulty in real time measurement.

이에 오차가 적으면서, 비교적 저렴한 비용으로 1개의 측정장비를 이용하여 공간상의 3자유도 운동을 실시간으로 측정할 수 있는 장비의 개발이 필수적이다.In this regard, it is essential to develop a device capable of measuring in real time three degrees of freedom motion in space using a single measuring device at a relatively low cost.

본 발명은 앞서 설명한 바와 같은 요구에 부응하기 위하여 안출된 것으로서, 레이저 다이오드로부터 나오는 빛을 광파이버로 유도하여 측정 대상물에 투사되도록하여 센서 헤드의 크기를 줄이고, 광파이버 자체를 변위 측정 센서로 활용할 수 있도록 함으로써, 종래의 광삼각법을 활용하여 거리 정보를 얻어냄과 동시에, 위치 감응 소자로부터 나오는 신호를 처리하여 방위에 과한 정보를 얻어 낼 수 있도록 하는 광파이버를 이용한 다 자유도 변위 센서를 제공하는데 그 목적이 있다.The present invention has been made to meet the requirements as described above, by guiding the light from the laser diode to the optical fiber to be projected on the measurement object to reduce the size of the sensor head, by utilizing the optical fiber itself as a displacement measuring sensor It is an object of the present invention to provide a multi-degree-of-freedom displacement sensor using an optical fiber that obtains distance information by using a conventional optical triangulation method and at the same time processes a signal from a position-sensitive device to obtain an excessive information on azimuth. .

도 1은 종래 기술에 의한 광삼각법 센서의 구성도이고,1 is a block diagram of a phototriangular sensor according to the prior art,

도 2는 종래 기술에 의한 광삼각법 센서를 이용하여 물체의 변위를 측정하는 원리를 설명하기 위한 예시도이고,2 is an exemplary view for explaining the principle of measuring the displacement of an object using a phototriangular sensor according to the prior art,

도 3은 종래 기술에 의한 광삼각법 센서를 이용할 경우 물체의 회전 측정에서 발생하는 오차의 원리를 설명하기 위한 예시도이고,3 is an exemplary view for explaining the principle of the error occurred in the measurement of the rotation of the object when using a conventional triangular sensor,

도 4는 종래 기술에 의한 다 자유도 광삼각법 센서의 구성도이고,4 is a block diagram of a multi-degree of freedom optical triangular sensor according to the prior art,

도 5는 4개의 위치 감응 소자를 이용한 다 자유도 광삼각법 센서의 구성도이고,5 is a configuration diagram of a multi-degree-of-freedom phototriangular sensor using four position-sensitive elements,

도 6은 광파이버의 끝단에서 퍼지는 빛의 모양을 설명하기 위한 예시도이고,6 is an exemplary view for explaining the shape of light spreading from the end of the optical fiber,

도 7은 종래 기술에 이용되는 광파이버 방향성 결합기의 구성도이고,7 is a configuration diagram of an optical fiber directional coupler used in the prior art,

도 8은 종래 기술에 의한 광파이버 변위 센서의 구성도이고,8 is a configuration diagram of an optical fiber displacement sensor according to the prior art,

도 9는 종래 기술에 의한 광파이버 변위 센서에 이용되는 거리와 광량과의 기본 관계를 나타내는 그래프이고,9 is a graph showing the basic relationship between the distance and the amount of light used in the optical fiber displacement sensor according to the prior art,

도 10은 종래 기술에 의한 개선된 광파이버 다자유도 센서의 구성도이고,10 is a block diagram of an improved optical fiber multi-degree of freedom sensor according to the prior art,

도 11은 본 발명의 일실시예에 따른 광파이버를 이용한 다 자유도 초정밀 변위 센서의 구성도이고,11 is a block diagram of a multi-degree of freedom ultra-precision displacement sensor using an optical fiber according to an embodiment of the present invention,

도 12는 표면 법선 벡터와 요각 및 피치각 사이의 관련성을 설명하기 위한 예시도이고,12 is an exemplary diagram for explaining a relation between a surface normal vector and a yaw angle and a pitch angle,

도 13은 도 11의 위치 감응 소자를 이용한 거리 및 광량 측정을 설명하기 위한 예시도이고,FIG. 13 is an exemplary diagram for describing a distance and light quantity measurement using the position sensitive device of FIG. 11;

도 14는 본 발명에 이용되는 레이저 다이오드 구동기의 발생 신호에 대한 예시 파형도.14 is an exemplary waveform diagram of a generated signal of a laser diode driver used in the present invention.

♠도면의 주요부분에 대한 부호의 설명♠♠ Explanation of symbols on the main parts of the drawings.

1101, 1113 : 원형 구경 1102, 1114 : 렌즈1101, 1113: round aperture 1102, 1114: lens

1103, 1115 : 위치 감응 소자 1104 : 신호 처리기1103, 1115: position sensitive element 1104: signal processor

1105 : 레이저 다이오드 구동기 1106 : 레이저1105: laser diode driver 1106: laser

1107, 1108 : 포토 다이오드 1109 : 측정 대상 표면1107, 1108: photodiode 1109: surface to be measured

1110 : 방향성 결합기 1111 : 광파이버 시준기1110: directional coupler 1111: optical fiber collimator

1112 : 광파이버1112: optical fiber

앞서 설명한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따르면, 입력된 제어 신호에 따라 광신호를 생성하여 광파이버를 통하여 출력하기 위한 광 신호 발생 수단; 상기 광 신호 발생 수단에서 입력된 광신호를 측정 대상 표면에 투과한 후에, 반사광의 광량을 측정하여 출력하기 위한 제1 측정 수단; 상기 제1 측정 수단의 출력 단자를 중심으로 대칭적으로 위치하여 상기 제1 측정 수단에서 출력된 광신호의 상기 측정 대상 표면으로부터의 반사광의 초점 거리 변화와 광량 변화를 측정하여 출력하기 위한 한 쌍의 제2 측정 수단; 및 상기 한 쌍의 제2 측정 수단에서 측정된 초점 거리 변화를 이용하여 상기 측정 대상 표면의 변위를 측정하고, 상기 제1 및 제2 측정 수단에서 측정된 광량 변화를 이용하여 상기 측정 대상 표면의 요각 및 피치각의 변화를 측정하기 위한 신호 처리 수단을 포함하여 이루어진 광파이버를 이용한 다 자유도 초정밀 변위 센서가 제공된다.According to the present invention for achieving the object as described above, the optical signal generating means for generating an optical signal according to the input control signal to output through the optical fiber; First measuring means for measuring and outputting the amount of reflected light after transmitting the optical signal input from the optical signal generating means to the measurement target surface; A pair of symmetrically positioned around the output terminal of the first measuring means for measuring and outputting a focal length change and light quantity change of the reflected light from the measurement target surface of the optical signal output from the first measuring means Second measuring means; And measuring the displacement of the surface to be measured using the focal length change measured by the pair of second measuring means, and using the change in the amount of light measured by the first and second measuring means And a signal processing means for measuring a change in pitch angle, there is provided a multi-degree of freedom ultra-precision displacement sensor using an optical fiber.

이제, 본 발명의 광파이버를 이용한 다 자유도 변위 센서의 바람직한 일실시예를 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다.Now, a preferred embodiment of the multi-degree of freedom displacement sensor using the optical fiber of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.

도면에서, 도 11은 본 발명의 일실시예에 따른 다 자유도 변위 센서의 구성도이다.11 is a block diagram of a multi-degree of freedom displacement sensor according to an embodiment of the present invention.

도면에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일실시예에 따른 다 자유도 변위 센서는, 제1 및 제2 원형 구경(1101, 1113), 제1 및 제2 렌즈(1102, 1114), 제1 및 제2 위치 감응 소자(1103, 1115), 신호 처리기(1104), 레이저 다이오드 구동기(1105), 레이저(1106), 제1 포토 다이오드(1107), 제2 포토 다이오드(1108), 방향성 결합기(1110), 광파이버 시준기(1111) 및 레이저(1106)와 방향성 결합기(1110)를 연결하고, 방향성 결합기(1110)와 광파이버 시준기(1111)를 연결하는 광파이버(1112)를 구비하고 있다.As shown in the figure, the multi-degree of freedom displacement sensor according to an embodiment of the present invention, the first and second circular aperture (1101, 1113), the first and second lenses (1102, 1114), the first and Second position sensitive elements 1103, 1115, signal processor 1104, laser diode driver 1105, laser 1106, first photodiode 1107, second photodiode 1108, directional coupler 1110 And an optical fiber 1112 for connecting the optical fiber collimator 1111 and the laser 1106 and the directional coupler 1110 and for connecting the directional coupler 1110 and the optical fiber collimator 1111.

이제, 본 발명의 일실시예에 따른 다 자유도 변위 센서의 동작을 상세히 설명하면 다음과 같다.Now, the operation of the multi-degree of freedom displacement sensor according to an embodiment of the present invention will be described in detail.

먼저, 레이저 다이오드 구동기(1105)는 신호 처리기(1104)로부터 입력된 제어 신호에 따라 레이저(1106)를 구동할 수 있도록 하는 구동 신호를 생성하여 레이저(1106)로 출력한다.First, the laser diode driver 1105 generates a driving signal for driving the laser 1106 according to a control signal input from the signal processor 1104 and outputs the driving signal to the laser 1106.

레이저(1106)는 레이저 다이오드 구동기(1105)로부터 입력된 구동 신호에 따라 발진하여 광신호를 생성하여 출력한다.The laser 1106 oscillates according to the driving signal input from the laser diode driver 1105 to generate and output an optical signal.

방향성 결합기(1110)는 레이저(1106)로부터 입력된 광신호를 광파이버 시준기(1111)와 제2 포토 다이오드(1108)로 분할하여 출력한다.The directional coupler 1110 divides and outputs an optical signal input from the laser 1106 into an optical fiber collimator 1111 and a second photodiode 1108.

그리고, 제2 포토 다이오드(1108)는 방향성 결합기(1110)로부터 입력된 광신호의 광세기를 측정하여 출력한다.The second photodiode 1108 measures and outputs light intensity of the optical signal input from the directional coupler 1110.

광파이버 시준기(1111)는 방향성 결합기(1110)로부터 출력된 광신호의 퍼짐을 방지하도록 하여 측정 대상 표면에 투사한다.The optical fiber collimator 1111 prevents the spread of the optical signal output from the directional coupler 1110 and projects it onto the measurement target surface.

그리고, 동시에 광파이버 시준기(1111)는 투사된 광신호의 측정 대상 표면으로부터 반사광을 입력받아 제1 포토 다이오드(1107)로 출력한다.At the same time, the optical fiber collimator 1111 receives the reflected light from the measurement target surface of the projected optical signal and outputs it to the first photodiode 1107.

그러면 제1 포토 다이오드(1107)는 입력된 반사광 신호의 광세기를 측정하여 신호 처리기(1104)로 출력한다.Then, the first photodiode 1107 measures the light intensity of the input reflected light signal and outputs it to the signal processor 1104.

제1 및 제2 원형 구경(1101, 1113)은 광파이버 시준기(1111)로부터 출력된 광신호의 반사광을 통과시키며, 제1 및 제2 렌즈(1102, 1114)는 제1 및 제2 원형 구경(1101, 1114)을 통과한 광신호를 집광시켜 출력한다.The first and second circular apertures 1101 and 1113 pass reflected light of the optical signal output from the optical fiber collimator 1111, and the first and second lenses 1102 and 1114 pass through the first and second circular apertures 1101. And condenses and outputs the optical signal passing through 1114.

제1 및 제2 위치 감응 소자(1103, 1115)은 제 1 및 제2 렌즈(1102, 1114)로부터 통과한 광신호의 초점 변화량과 광량의 변화량을 측정하여 신호 처리기(1104)로 출력한다.The first and second position-sensitive devices 1103 and 1115 measure the change amount of focus and the amount of light of the optical signals passed from the first and second lenses 1102 and 1114 and output the measured amount of change to the signal processor 1104.

그러면, 신호 처리기(1104)는 제1 포토 다이오드(1107)로부터 입력받은 광량의 정보와 제2 포토 다이오드(1108)로부터 입력받은 광량의 정보와, 제1 및 제2 위치 감응 소자(1103, 1115)로부터 입력된 광량 변화량의 정보를 이용하여 요각 및 피치각을 측정하여 출력하고, 제1 및 제2 위치 감응 소자(1103, 1115)로부터 입력된 초점 거리의 변화량을 이용하여 측정 대상 표면의 거리 변화를 측정하여 출력한다.Then, the signal processor 1104 may include information about the amount of light received from the first photodiode 1107, information about the amount of light received from the second photodiode 1108, and the first and second position sensitive devices 1103 and 1115. The yaw angle and the pitch angle are measured and output using the information of the amount of change of the light quantity inputted from Measure and output.

도면에서, 도 2는 표면 법선 벡터와 요각 및 피치각 사이의 관련성을 설명하기 위한 예시도이다.In the drawings, FIG. 2 is an exemplary view for explaining the relationship between the surface normal vector and the yaw angle and pitch angle.

도면에 도시된 바와 같이, 표면 법선 벡터는 원통 좌표계 상에서 동경 α, 위도 β로 정의된다.As shown in the figure, the surface normal vector is defined as the longitude α, latitude β on the cylindrical coordinate system.

그리고, 동경 α는 요각(yaw angle)을 나타내며, 위도 β는 피치각(pitch angle)을 나타낸다.The longitude α represents a yaw angle, and the latitude β represents a pitch angle.

따라서, 요각과 피치각은 측정 대상 표면의 표면 법선 벡터를 구하는 데 사용될 수 있다.Thus, the yaw angle and pitch angle can be used to find the surface normal vector of the surface to be measured.

도면에서, 도 13은 도 11의 위치 감응 소자를 이용한 거리 및 광량 측정을 설명하기 위한 예시도이다.In the drawings, FIG. 13 is an exemplary view for explaining distance and light quantity measurement using the position sensitive device of FIG. 11.

측정 대상 표면이 공간상에서 운동하여 임의의 자세를 가질 경우에,광파이버 시준기를 통해 나온 빛이 난반사 특징을 지니는 측정 대상 표면으로부터 대물렌즈(1102, 1114)를 통과하여 위치 감응 소자(1103, 1115)에 초점(50)을 맺을 경우, z축상의 거리 d의 변화에 따라 위치 감응 소자(1103, 1115)의 초점(50)이 이동한다.When the surface to be measured moves in space and has an arbitrary posture, light emitted from the optical fiber collimator passes through the objective lenses 1102 and 1114 to the position sensitive elements 1103 and 1115 from the surface to be measured, which is characterized by diffuse reflection. When the focal point 50 is formed, the focal point 50 of the position sensitive elements 1103 and 1115 moves in accordance with the change of the distance d on the z-axis.

위치 감응 소자(1103, 1115)의 출력 전류는 도면에 도시된 바와 같이, 위치 초점(50)의 위치에 따라 얻어지는 전류 신호 I1, I2의 크기가 달라진다.As shown in the figure, the output currents of the position sensitive elements 1103 and 1115 vary in magnitude of the current signals I 1 and I 2 obtained depending on the position of the position focal point 50.

이를 이용하면 거리 d를 환산할 수 있다. 또한, 도 12의 θ의 변화에 따라 원형 구경(14, 15)를 통과하는 빛의 양은 달라지게 되므로, I0신호를 이용하면 θ의 변화량에 관한 정보도 얻을 수 있다.Using this, the distance d can be converted. Further, in accordance with the change degree of the 12 θ so it varies the amount of light passing through the circular aperture (14, 15), by using the signal I 0 can be obtained information about the amount of change of θ.

도면에서, 도 14는 본 발명에 이용되는 레이저 다이오드 구동기의 발생 신호에 대한 예시 파형도이다.In the drawings, FIG. 14 is an exemplary waveform diagram of a generated signal of a laser diode driver used in the present invention.

도면에 도시된 바와 같이, 본 발명에 이용되는 레이저 다이오드 구동기의 발생 신호는, 전체 시스템의 열화 방지와 잡음을 줄이기 위해 듀티(duty)를 가지는 펄스 신호이다.As shown in the figure, the generated signal of the laser diode driver used in the present invention is a pulse signal having a duty to prevent degradation of the entire system and to reduce noise.

앞서 설명한 바와 같이 본 발명의 광파이버를 이용한 다 자유도 변위 센서는 공간상의 3 자유도 운동을 1개의 측정 장비로 실시간으로 측정할 수 있어 제한된 공간 영역, 제한된 예산 내에서 초정밀 다자유도 변위 측정이 필요한 각종 진동 측정 분야, 초소형 광기전 복합 시스템, 각종 반도체 장비 등에 효과적으로 응용될 수 있도록 하는 효과가 있다.As described above, the multi-degree-of-freedom displacement sensor using the optical fiber of the present invention can measure three-degrees-of-freedom motion in real time with one measuring device, which requires ultra-precision multi-degree of freedom displacement measurement within a limited space area and a limited budget. There is an effect that can be effectively applied to various vibration measuring fields, micro photovoltaic complex system, various semiconductor equipment.

또한, 본 발명의 광파이버를 이용한 다 자유도 변위 센서는 광파이버를 이용하여 광원을 구성하고, 또한, 광파이버 부분을 변위 센서로 활용하기 때문에 센서 헤드의 크기가 매우 작아 비교적 공간적 제약 없이 측정을 수행할 수 있도록 하는 효과가 있다.In addition, the multi-degree-of-freedom displacement sensor using the optical fiber of the present invention configures a light source using the optical fiber, and since the optical fiber portion is used as the displacement sensor, the size of the sensor head is very small, so that measurement can be performed without any spatial constraints. It is effective.

또한, 본 발명의 광파이버를 이용한 다 자유도 변위 센서는 위치 감응 소자를 초점의 위치 뿐만 아니라, 각 변화의 측정에도 응용하여 다자유도 측정에 필요한 소자의 수를 줄여 저가에 제작이 가능할 수 있도록 하는 효과가 있다.In addition, the multi-degree-of-freedom displacement sensor using the optical fiber of the present invention can be manufactured at low cost by reducing the number of elements required for multi-degree of freedom measurement by applying the position-sensitive element to the measurement of each change as well as the position of the focus It works.

이상에서 본 발명의 광파이버를 이용한 다 자유도 변위 센서에 대한 기술사상을 첨부도면과 함께 서술하였지만 이는 본 발명의 가장 양호한 실시예를 예시적으로 설명한 것이지 본 발명을 한정하는 것은 아니다. 또한, 이 기술분야의 통상의 지식을 가진 자이면 누구나 본 발명의 기술사상의 범주를 이탈하지 않는 범위 내에서 다양한 변형 및 모방이 가능함은 명백한 사실이다.The technical concept of the multi-degree of freedom displacement sensor using the optical fiber of the present invention has been described above with the accompanying drawings, but this is by way of example and not by way of limitation. In addition, it is obvious that any person skilled in the art can make various modifications and imitations without departing from the scope of the technical idea of the present invention.

Claims (4)

입력된 제어 신호에 따라 광신호를 생성하여 광파이버를 통하여 출력하기 위한 광 신호 발생 수단;Optical signal generating means for generating an optical signal according to the input control signal and outputting the optical signal through the optical fiber; 상기 광 신호 발생 수단에서 입력된 광신호를 측정 대상 표면에 투과한 후에, 반사광의 광량을 측정하여 출력하기 위한 제1 측정 수단;First measuring means for measuring and outputting the amount of reflected light after transmitting the optical signal input from the optical signal generating means to the measurement target surface; 상기 제1 측정 수단의 출력 단자를 중심으로 대칭적으로 위치하여 상기 제1 측정 수단에서 출력된 광신호의 상기 측정 대상 표면으로부터의 반사광의 초점 거리 변화와 광량 변화를 측정하여 출력하기 위한 한 쌍의 제2 측정 수단; 및A pair of symmetrically positioned around the output terminal of the first measuring means for measuring and outputting a focal length change and light quantity change of the reflected light from the measurement target surface of the optical signal output from the first measuring means Second measuring means; And 상기 한 쌍의 제2 측정 수단에서 측정된 초점 거리 변화를 이용하여 상기 측정 대상 표면의 변위를 측정하고, 상기 제1 및 제2 측정 수단에서 측정된 광량 변화를 이용하여 상기 측정 대상 표면의 요각 및 피치각의 변화를 측정하기 위한 신호 처리 수단을 포함하여 이루어진 광파이버를 이용한 다 자유도 초정밀 변위 센서.The displacement of the surface to be measured is measured by using a change in focal length measured by the pair of second measuring means, and the yaw angle and A multi-degree of freedom ultra-precision displacement sensor using an optical fiber, comprising signal processing means for measuring a change in pitch angle. 제 1 항에 있어서,The method of claim 1, 상기 한 쌍의 제2 측정 수단은,The pair of second measuring means, 상기 제1 측정 수단의 출력 단자를 중심으로 대칭적으로 위치하여 상기 제1 측정 수단의 출력 광신호의 상기 측정 대상 표면의 반사광을 입광시키기 위한 원형 구경;A circular aperture positioned symmetrically about an output terminal of the first measuring means to receive reflected light of the surface to be measured of the output optical signal of the first measuring means; 상기 원형 구경으로 입광된 광신호를 집광 시키기 위한 대물 렌즈; 및An objective lens for condensing the optical signal incident on the circular aperture; And 상기 대물 렌즈의 초점 거리에 위치하여 집광된 빛의 초점 거리 변화량과 광량 변화량을 측정하여 출력하기 위한 위치 감응 소자를 포함하여 이루어진 광파이버를 이용한 다 자유도 초정밀 변위 센서.And a position sensitive element for measuring and outputting a focal length change amount and a light amount change amount of the focused light located at a focal length of the objective lens. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,The method according to claim 1 or 2, 상기 제1 측정 수단은,The first measuring means, 상기 신호 발생 수단으로부터 들어오는 신호를 분할하여 출력하고, 상기 측정 대상 표면으로부터의 반사광을 분할하여 출력하기 위한 방향성 결합기;A directional coupler for dividing and outputting the signal coming from the signal generating means, and for dividing and outputting the reflected light from the measurement target surface; 상기 방향성 결합기로부터 입력되는 반사광의 광량을 측정하여 출력하기 위한 제1 포토 다이오드;A first photodiode for measuring and outputting an amount of reflected light input from the directional coupler; 상기 방향성 결합기로부터 입력되는 투과광의 광량의 세기를 측정하여 출력하기 위한 제2 포토 다이오드; 및A second photodiode for measuring and outputting an intensity of light amount of transmitted light input from the directional coupler; And 상기 방향성 결합기로부터 입력되는 투과광의 퍼짐을 방지하고, 상기 측정 대상 표면의 반사광을 입광시키기 위한 광파이버 시준기를 포함하여 이루어진 다 자유도 변위 센서.And an optical fiber collimator for preventing the spread of the transmitted light input from the directional coupler and for receiving the reflected light on the surface to be measured. 제 3 항에 있어서,The method of claim 3, wherein 상기 광신호 발생 수단은,The optical signal generating means, 상기 신호 처리 수단으로부터 입력되는 제어 신호에 따라 레이저 다이오드 구동 신호를 생성하여 출력하기 위한 레이저 다이오드 구동기; 및A laser diode driver for generating and outputting a laser diode driving signal in accordance with a control signal input from the signal processing means; And 상기 레이저 다이오드 구동기로부터 입력된 구동 신호에 따라 광신호를 발생하여 광파이버로 출력하기 위한 레이저를 포함하여 이루어진 광파이버를 이용한 다 자유도 초정밀 변위 센서.And a laser for generating an optical signal according to the driving signal input from the laser diode driver and outputting the optical signal to the optical fiber.
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KR101351168B1 (en) * 2009-01-07 2014-01-14 아이시키리 인터페이스 테크놀로지스 게엠베하 Detector surface
US9347772B2 (en) 2013-03-21 2016-05-24 Samsung Electronics Co., Ltd. Apparatus for measurement of three-dimensional shape

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