KR20080010006A - 레이저 변위측정장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 레이저 변위측정장치에 관한 것이다. 본 발명은 점광 형태의 레이저를 선형화하는 발광모듈(44)과, 상기 발광모듈(44)에서 출사되어 대상물(26)에 반사된 레이저를 이미징하는 CMOS 센서(30)가 구비된 수광모듈(46)을 포함한다. 상기 레이저의 선형화는 발광모듈(44)에 구비된 실린더형 렌즈(24)에 의해 이루어진다. 상기 수광모듈(46)에는 상기 이미징된 레이저의 데이터를 측정하여 평균화하는 독립영상장치(52)가 헤더보드(50)를 통해 연결된다. 그리고, 상기 CMOS 센서(30)에는 특정 영역의 레이저만 수신하는 레이저수신부(32)가 구비된다. 이와 같은 구성을 가지는 본 발명에 의하면 서로 다른 반사율을 가진 매질로 형성된 대상물의 정확한 변위측정이 가능하고, 작고 저렴한 독립영상장치로 인해 부품비를 줄일 수 있는 이점이 있다.

레이저, CMOS 센서, 매질, 프로파일

Description

레이저 변위측정장치{Device for measuring displacement using laser}

도 1은 종래 기술에 의한 레이저 변위측정장치의 개략적 설명도.

도 2a 내지 도 2c는 종래의 레이저 변위측정장치의 레이저스팟(Laser spot)의 이동에 따른 프로파일을 보인 그래프.

도 3은 본 발명에 의한 레이저 변위측정장치의 개략적 설명도.

도 4는 본 발명에 의한 레이저 변위측정장치를 구성하는 센서모듈의 사시도.

도 5는 본 발명에 의한 레이저 변위측정장치를 구성하는 독립영상장치의 사시도.

도 6은 본 발명에 의한 독립영상장치의 변위측정 순서도.

도 7은 본 발명의 바람직한 실시예에 의한 독립영상장치를 통해 구현된 모니터화면의 예시도.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *

20 : 레이저광원 24 : 실린더형 렌즈

26 : 대상물 30 : CMOS 센서

32 : 레이저수신부 40 : 센서모듈

42 : 베이스플레이트 44 : 발광모듈

46 : 수광모듈 48 : CMOS 센서보드

50 : 헤더보드 52 : 독립영상장치

58 : 영상수신부 60 : 제어부

62 : 변위출력부 70 : 모니터화면

72 : 영상출력부 74 : 레이저영상

76 : 프로파일출력부 78 : 프로파일

본 발명은 레이저 변위측정장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 선형 레이저를 이용하여 상이한 반사율을 가진 대상물에 대한 변위를 더욱 정확하게 측정할 수 있는 레이저 변위측정장치에 관한 것이다.

레이저 변위장치는 특정 대상물까지의 거리 및 변위를 측정하는 것으로, 현재 널리 사용되고 있다. 이러한 레이저 변위측정장치는 레이저 모듈에서 발사된 레이저가 대상물에 반사되어 수신센서에 입사되는 광의 위치정보를 이용하여 피사체까지의 거리를 계산하게 된다.

도 1은 종래의 레이저 변위측정장치의 개략적 설명도이다.

이에 도시된 바에 따르면, 레이저출력회로(1)에서 출력된 전기적 신호는 레이저 다이오드(3)에 의해 레이저로 변환된다. 이러한 레이저는 집광렌즈(5,5')를 통과하게 된다. 상기 레이저 다이오드(3)를 통과한 레이저는 상기 집광렌즈(5)를 통과하면서 1차적으로 평행하게 맞춰진다. 그리고, 상기 집광렌즈(5')를 통과하면 서 2차적으로 레이저의 초점이 맞춰져 집광된다.

상기 집광렌즈(5,5')를 통과한 레이저는 대상물(7)에 입사되어 반사된다. 그리고, 상기 대상물(7)에서 반사된 레이저는 레이저 파장대의 광만을 통과시키는 레드패스필터(9)를 통과한다. 상기 레드패스필터(9)를 통과한 레이저는 상기 집광렌즈(11)에 의해 집광되어 수신센서(13)에 수신된다.

이렇게 하여 상기 수신센서(13)에 수신된 레이저는 기준거리(A)에 따라서 센서에 맺히는 위치가 상이하게 되고, 이러한 위치 정보 및 상의 형태를 이용하여 대상물까지의 거리 및 변위를 측정하게 된다.

그러나 상기한 바와 같은 종래 기술에서는 다음과 같은 문제점이 있다.

도 2a 내지 도 2c를 참조하면, 상기 레이저 다이오드(3)를 통과한 레이저는 점광의 형태이다. 따라서, 레이저가 입사된 상기 대상물(7)에는 점 형태의 레이저스팟(Laser spot)이 생기게 된다. 레이저스팟은 상기 대상물(7)의 이동에 의해 대상물(7)에서 상대적으로 움직이게 되는데, 도 2a 내지 도 2c는 레이저스팟이 이동함에 따라 상기 수신센서(13)를 통해 구현되는 프로파일(15)을 나타낸 것이다.

만약에 상기 대상물(7)이 하나의 매질로 형성되어 있다면, 동위면에서 상기 프로파일(15)이 일정한 형태로 나타날 것이다. 하지만, 상기 대상물(7)이, 유리와 금속의 전극이 같이 존재하는 면을 가진 액정디스플레이패널과 같은 반사율이 다른 매질로 형성되는 경우에는 상기 프로파일(15)이 본 도면에서처럼 각각 다른 형상을 띠게 된다.

일반적으로 상기 대상물(7)에서 레이저의 반사가 잘 되면 상기 프로파일(15) 이 두껍고 높게 형성되고, 레이저의 반사가 잘 되지 않으면 프로파일(15)이 얇고 낮게 형성된다. 따라서, 레이저의 반사는 도 2a의 경우에 잘 되었고, 상대적으로 도 2c에서는 레이저의 반사가 잘 되지 않았다고 볼 수 있다.

이와 같이 상기 대상물(7)이 서로 다른 매질로 이루어져 매질의 특성이 상이한 복합적인 재질로 형성된 경우에는 레이저의 변위측정의 신뢰도에 문제가 생길 수 있다.

따라서, 본 발명의 목적은 상기한 바와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 대상물이 반사율이 상이한 서로 다른 매질로 이루어지는 경우에도 변위측정의 신뢰도를 높일 수 있고, 간단한 장치를 통해 변위측정이 가능한 레이저 변위측정장치를 제공하는 것이다.

상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 특징에 따르면, 본 발명은 점광 형태의 레이저를 선형화하는 발광모듈과; 상기 발광모듈에서 출사되어 대상물에 반사된 레이저를 이미징하는 CMOS 센서가 구비된 수광모듈을 포함하여 구성된다.

상기 수광모듈에는 상기 이미징된 레이저의 데이터를 측정하여 평균화하는 독립영상장치가 헤더보드를 통해 연결된다.

상기 발광모듈은, 레이저를 발생시키는 레이저광원과; 상기 레이저광원에서 출사된 레이저를 집광하는 볼록렌즈; 상기 볼록렌즈를 통과한 레이저를 선형화하는 실린더형렌즈를 포함하여 구성된다.

상기 수광모듈은, 상기 발광모듈과 비스듬하게 설치되고, 상기 대상물에서 반사된 레이저를 결상시키는 결상렌즈와; 상기 결상렌즈의 일단에 연결되고, 상기 CMOS 센서가 구비되는 CMOS 센서보드를 포함하여 구성된다.

상기 독립영상장치는, 상기 헤더보드로부터 이미징된 레이저를 전송받는 영상수신부와; 상기 이미징된 레이저에서 측정된 데이터를 평균화하고, 평균화된 데이터를 광삼각법을 통해 상기 대상물까지의 변위를 측정하는 제어부; 상기 제어부에서 측정된 변위를 표시하는 변위출력부를 포함하여 구성된다.

상기 CMOS 센서에는 특정 영역의 레이저만 수신하는 레이저수신부가 구비된다.

상기 대상물은, 유리와 금속의 전극이 같이 형성되는 면을 가진 액정디스플레이패널이다.

이와 같은 본 발명에 의하면, 선형 레이저와 독립영상장치에 의해 반사율이 상이한 매질로 이루어진 대상물의 동위면에서 정확한 변위측정이 가능하게 되는 이점이 있다. 또한 작고 저렴한 독립영상장치를 통한 측정이 이루어지므로 부품비가 절감되는 효과가 있다.

이하 본 발명에 의한 레이저 변위측정장치의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참고하여 상세하게 설명한다.

도 3은 본 발명에 의한 레이저 변위측정장치의 개략적 설명도이다.

이에 도시된 바에 따르면, 레이저 출력회로와 레이저 다이오드를 포함하는 레이저광원(20)에서는 레이저가 출사된다. 상기 레이저 다이오드(20)에서 출사된 레이저는 볼록렌즈(22)를 통하여 집광된다. 그리고, 상기 볼록렌즈(22)를 통과한 레이저는 실린더형 렌즈(24)를 통과하게 된다. 상기 실린더형 렌즈(24)는 점광 형태의 레이저를 선형으로 변환시키는 부분이다.

만약에, 상기 실린더형 렌즈(24)가 없다면 레이저는 점광의 형태로 진행하게 된다. 이럴 경우에는 아래에서 설명될 독립영상장치(40)에서 레이저를 영상화할 수 없게 되므로 상기 실린더형 렌즈(24)에서의 레이저의 선형화는 본 발명에서 필수적이다.

상기 실린더형 렌즈(24)를 통과한 레이저는 반사율이 서로 다른 매질로 구성된 대상물(26)에 의하여 반사된다. 상기 대상물(26)은 액정디스플레이패널과 같이 유리와 금속의 전극이 같은 면에 존재하도록 형성될 수 있다. 따라서, 상기 대상물(26)에 레이저가 입사되면 유리와 금속의 상이한 반사율에 의하여 대상물(26)에 대한 위치정보가 동위면상에서 달라지게 되는 것이다. 즉, 상기 대상물(26)의 매질에 따라서 반사되는 레이저의 위상 및 강도가 상이하게 되는 것을 의미한다.

상기 대상물(26)에 반사된 레이저는 상을 맺게 해주는 결상렌즈(28)를 통과하여 CMOS 센서(30)에 상이 맺히게 된다. 그리고, 상기 CMOS 센서(30)에 의해 레이저는 이미징된다. 상기 CMOS 센서(30)는 로보트, 위성 관련 장치, 자동차, 항해 등의 넓고 다양한 분야에서 이용되는 이미지 센서의 일종이다. 상기 CMOS 센서(30)는 구동 방식이 간편하고 신호 처리 회로를 단일칩에 집적할 수 있어 제품의 소형화가 가능하며, CMOS 공정 기술을 호환하여 사용할 수 있어 제조 단가가 낮은 센서이다.

본 발명에서 상기 CMOS 센서(30)는 특정 영역의 레이저를 수신하는 레이저수신부(32)에서만 선형 레이저를 수신한다. 왜냐하면, 상기 CMOS 센서(30)로 수신되는 레이저를 모두 영상화하게 되면 처리해야 할 영상의 크기가 커지고, 그 결과 처리해야 할 데이터 양이 많아짐으로 많은 처리 시간이 소요되기 때문이다.

또한, 레이저를 선형화하면 할수록 변위측정에 대한 정확도는 높아지고 오차가 줄어들지만, 상대적으로 처리해야 할 데이터는 많아지므로 상기 레이저수신부(32)에서만 선형 레이저를 수신하는 것이다.

한편, 도 4 및 도 5에는 본 발명에 의한 레이저 변위측정장치를 구성하는 센서모듈과 독립영상장치가 도시되어 있다.

이들 도면에 도시된 바에 따르면, 레이저를 출사하고 상기 대상물(26)에서 반사된 레이저를 측정하는 센서모듈(40)에는, 상기 센서모듈(40)의 장착시에 기준면 역할을 하는 베이스플레이트(42)가 구비된다. 상기 베이스플레이트(42)는 본 도면에 도시된 것에 한정되지 않고, 변위를 측정하려는 대상물(26)에 따라 변경될 수 있다.

상기 베이스플레이트(42)의 일측에는 레이저를 출사하는 발광모듈(44)이 설치된다. 상기 발광모듈(44)은 상술한 레이저광원(20), 볼록렌즈(22), 실린더형 렌즈(24)를 모두 구비하는 부품이다. 따라서, 상기 발광모듈(44)은 실린더형 렌즈(24)를 통해 레이저를 선형화하여 상기 대상물(26)에 출사하게 된다.

상기 베이스플레이트(42)의 일측에는 수광모듈(46)이 상기 발광모듈(44)과 일정 각도를 형성하도록 설치된다. 상기 수광모듈(46)에는 상기 대상물(26)에 반사 된 레이저를 결상하는 결상렌즈(28)가 구비된 결상렌즈장치(47)와, 상기 결상렌즈장치(47)를 통과한 레이저를 이미징하는 CMOS 센서(30)가 구비된 CMOS 센서보드(48)가 구비된다. 상기 CMOS 센서보드(48)는 특정 영역에서의 레이저만 수신하여 이를 이미징하게 된다.

그리고, 상기 CMOS 센서보드(48)는, 상기 베이스플레이트(42)의 일측에 설치되는 헤더보드(50)에 연결된다. 상기 헤더보드(50)는 상기 CMOS 센서보드(48)에서 이미징된 영상을 독립영상장치(52)에 전송하는 역할을 하는 부품이다.

상기 독립영상장치(52)는 퍼스널 컴퓨터보다 작고 저렴한 장치로서, 레이저의 위치를 실시간 영상처리를 통하여 검출하고 검출된 값을 상기 대상물(26)의 좌표값으로 변환시키는 장치이다. 상기 독립영상장치(52)의 측면에는 상기 헤더보드(50)와 연결되는 헤더보드플러그(54), 모니터와 연결되는 모니터플러그(56) 등이 구비된다.

상기 독립영상장치(52)의 변위측정 순서는 도 6에 잘 도시되어 있다. 이에 도시된 바에 따르면, 상기 독립영상장치(52)는 먼저 영상수신부(58)에서 상기 CMOS 센서(30)에서 변환된 레이저의 이미지를 수신하게 된다.

그리고, 상기 영상수신부(58)에 수신된 레이저의 이미지 정보는, 제어부(60)에 의해 아래에서 설명될 영상출력부(72)의 레이저영상(74)으로 구현된다. 상기 제어부(60)는 2차원으로 구현된 상기 레이저영상(74)을 평균화하여 1차원 영상 정보로 구현하게 된다.

그리고, 상기 제어부(60)는 평균화된 영상 정보를 가지고, 광삼각법을 이용 해 상기 대상물(26)까지의 변위를 측정하게 된다. 측정된 변위는 상기 독립영상장치(52)의 측면에 구비된 변위출력부(62)를 통해 표시된다. 광삼각법이란, 도 3을 참조하면, 상기 대상물(26)이 상하좌우로 움직이는 것에 따라 삼각형을 이루고 있는 상기 레이저광원(20), 대상물(26), CMOS 센서(30)의 거리를 통해 상기 대상물(26)의 변위를 측정하는 방법이다.

한편, 도 7에는 본 발명에 의한 레이저 변위측정장치의 독립영상장치의 영상화면이 도시되어 있다.

이에 도시된 바에 따르면, 상기 독립영상장치(52)의 모든 데이터는 상기 모니터플러그(56)에 모니터(도시되지 않음)를 연결하여 모니터화면(70)을 통해 나타나게 된다.

상기 모니터화면(70)의 상부에는 영상출력부(72)가 표시된다. 상기 영상출력부(72)의 가로축은 X축을 나타내고, 세로축은 Y축을 나타낸다. 상기 영상출력부(72)에는 상기 CMOS 센서(30)를 통해 수신된 레이저가 이미징된 레이저영상(74)이 구현된다. 상기 레이저영상(74)은 대략 불꽃 모양의 형상이다. 상기 레이저영상(74)은 밝은 부분이 다르게 나타나고 있다. 이는 상술한 바와 같이 상기 대상물(26)이 반사율이 상이한 매질로 이루어져 있기 때문이다.

상기 모니터화면(70)의 하부에는 프로파일출력부(76)가 표시된다. 상기 프로파일출력부(76)의 가로축은 픽셀넘버를 나타내고, 세로축은 레이저영상(74)을 평균화한 값을 나타낸다. 상기 프로파일출력부(76)에는 상기 레이저영상(74)에서 측정한 데이터의 평균값이 반영된 프로파일(78)이 표시된다. 상기 프로파일(78)은 서로 다른 매질을 가진 대상물(26)의 특성이 반영된 데이터라고 볼 수 있다. 그리고, 상기 모니터화면(70)의 하부에는 구체적으로 도시되지는 않았지만, 매개변수 정보, 알고리즘 정보, 필터 정보 등이 구현된다.

상기 프로파일출력부(76)의 하부에 수평방향으로 길게 형성된 노이즈라인(L)은 데이터를 검출할 때마다 바뀔 수 있는 부분으로서, 상기 노이즈라인(L)의 아래에 나타난 프로파일(78)은 노이즈가 심하게 나타난다. 따라서, 상기 노이즈라인(L)의 위에 나타난 프로파일(78)을 고려하여 레이저의 변위를 측정하게 된다.

이하 상기한 바와 같은 구성을 가지는 본 발명에 의한 레이저 변위측정장치의 작용을 상세하게 설명한다.

상기 발광모듈(44)에 구비된 실린더형 렌즈(24)를 통해 선형화된 레이저는 대상물(26)에 반사되어 결상렌즈장치(47)의 결상렌즈(28)에 의해 결상되고, 상기 CMOS 센서보드(48)의 CMOS 센서(30)에 의해 이미징된다. 이미징된 레이저는 상기 헤더보드(50)를 거쳐 독립영상장치(52)의 영상수신부(58)에 수신된다.

상기 영상수신부(58)에 수신된 레이저영상(74)은 제어부(60)에 의해 평균화하여 상기 프로파일(78)로 구현된다. 그리고, 상기 프로파일(78)로 구현된 평균값은 광삼각법에 의해 실제 변위 값으로 변환된다.

본 발명의 권리는 위에서 설명된 실시예에 한정되지 않고 청구범위에 기재된 바에 의해 정의되며, 본 발명의 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 청구범위에 기재된 권리범위 내에서 다양한 변형과 개작을 할 수 있다는 것은 자명하다.

위에서 상세히 설명한 바와 같은 본 발명에 의한 레이저 변위측정장치에서는 다음과 같은 효과를 기대할 수 있다.

본 발명에서는 발광모듈에서 쏘아진 레이저를 선형화하여 대상물에 입사하도록 하였다. 그리고, 반사율이 다른 매질로 이루어진 대상물을 통과한 레이저의 데이터 값을 평균화하여 값을 내도록 하였다. 따라서, 대상물의 동위면 상에서 서로 다르게 측정되는 데이터의 변위 측정 오차를 현저하게 줄일 수 있는 효과가 있다.

또한, 본 발명에서는 퍼스널 컴퓨터보다 상대적으로 작고 저렴한 독립영상장치를 통하여 CMOS 센서에 수신된 레이저를 데이터를 측정하기 때문에, 부품비가 절감되는 효과가 있다.

Claims (7)

1. 점광 형태의 레이저를 선형화하는 발광모듈과;

   상기 발광모듈에서 출사되어 대상물에 반사된 레이저를 이미징하는 CMOS 센서가 구비된 수광모듈을 포함하여 구성됨을 특징으로 하는 레이저 변위측정장치.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 수광모듈에는 상기 이미징된 레이저의 데이터를 측정하여 평균화하는 독립영상장치가 헤더보드를 통해 연결됨을 특징으로 하는 레이저 변위측정장치.
3. 제 2 항에 있어서, 상기 발광모듈은,

   레이저를 발생시키는 레이저광원과;

   상기 레이저광원에서 출사된 레이저를 집광하는 볼록렌즈; 그리고

   상기 볼록렌즈를 통과한 레이저를 선형화하는 실린더형렌즈를 포함하여 구성됨을 특징으로 하는 레이저 변위측정장치.
4. 제 2 항에 있어서, 상기 수광모듈은,

   상기 발광모듈과 비스듬하게 설치되고, 상기 대상물에서 반사된 레이저를 결상시키는 결상렌즈와;

   상기 결상렌즈의 일단에 연결되고, 상기 CMOS 센서가 구비되는 CMOS 센서보 드를 포함하여 구성됨을 특징으로 하는 레이저 변위측정장치.
5. 제 3 항 또는 제 4 항에 있어서, 상기 독립영상장치는,

   상기 헤더보드로부터 이미징된 레이저를 전송받는 영상수신부와;

   상기 이미징된 레이저에서 측정된 데이터를 평균화하고, 평균화된 데이터를 광삼각법을 통해 상기 대상물까지의 변위를 측정하는 제어부; 그리고

   상기 제어부에서 측정된 변위를 표시하는 변위출력부를 포함하여 구성됨을 특징으로 하는 레이저 변위측정장치.
6. 제 5 항에 있어서,

   상기 CMOS 센서에는 특정 영역의 레이저만 수신하는 레이저수신부가 구비됨을 특징으로 하는 레이저 변위측정장치.
7. 제 6 항에 있어서,

   상기 대상물은, 유리와 금속의 전극이 같이 형성되는 면을 가진 액정디스플레이패널임을 특징으로 하는 레이저 변위측정장치.

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