KR20110010497A - 광학식 평탄도 측정 장치 - Google Patents

광학식 평탄도 측정 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 광학식 평탄도 측정 장치에 관한 것으로 판재의 표면에서 반사된 빛을 두 방향으로 분산하고, 분산된 각각의 빛을 서로 반대 방향 즉, 역 방향으로 제 1 이미지 센서 및 제 2 이미지 센서로 유입시킴으로써, 제 1 이미지 센서와 제 2 이미지 센서에서 검출되는 결상점 이동량을 통해 진동에 의한 결상점 이동량의 변형량을 상쇄시켜 진동이 발생되는 경우 정적인 상태에서의 정확한 결상점 이동량을 측정할 수 있게 되는 것이다.
본 발명은 진동에 의한 결상점 이동량의 변형량을 상쇄시켜 판재 표면의 높이 차에 의해 발생하는 정확한 결상점 이동량을 측정함으로써 정확하고 신뢰도가 높은 평탄도 측정이 가능한 것이다.

Description

광학식 평탄도 측정 장치{OPTICAL APPARATUS FOR MEASURING FLATNESS}
본 발명은 광학식 평탄도 측정 장치에 관한 것으로 더 상세하게는 이동되는 판재의 표면 평탄도를 정확하게 측정할 수 있도록 발명된 것이다.
일반적으로 압연공정의 기본이 되는 열간압연공정은 연속 주조에 의하여 제조한 슬라브(Slab) 또는 블룸(Bloom), 빌렛(Billet) 등의 주편 즉, 압연재를 가열로에 장입하여 고온으로 재가열한 후 조압연, 중간압연, 사상압연 등의 과정을 거쳐 최종 압연 제품을 생산하는 것이다.
그리고 상기 압연 공정으로 제조된 판재는 평탄도를 측정하는 품질 검사를 거치게 된다.
판재의 평탄도는 기준면에 대한 표면 굴곡도를 의미하며, 굴곡도를 측정하기 위해 접촉식 또는 비접촉식 변위측정 센서를 사용한다.
압연 공정 후 판재는 고온의 상태이므로, 측정 신속성을 고려하여 광학식 측정방식이 주로 사용된다.
상기한 광학식 측정방식은 비접촉 연속발진 레이저를 강판에 조사하고 강판의 기울기에 따라 반사각도의 변화를 CCD 리니어 센서로 검출하고 측정신호를 처리 함으로써 평판도를 측정하는 원리이다.
그러나, 상기 광학식 측정 방식은 비접촉식 방식으로 진동에 따른 물체의 높이 변화로 인해 근원적으로 물체의 진동에 따른 오차가 발생하게 되는 문제점이 있는 것이다.
본 발명은 이동 중에도 판재의 평탄도를 정확히 측정할 수 있는 광학식 평탄도 측정 장치를 제공하는 데 있다.
이러한 본 발명의 목적은 빛을 판재의 표면에 조사하는 광 발생기와;
상기 광 발생기에서 판재의 표면에 조사된 후 반사된 빛을 결상하는 결상 렌즈와;
상기 결상 렌즈를 통과한 빛을 적어도 두 방향으로 분산하는 광 분할부와;
상기 광 분할부로 분산된 어느 한 빛을 받아 판재의 표면 높이 변화를 검출하는 제 1 이미지 센서와;
상기 광 분할부에서 분산된 다른 한 빛을 제 1 이미지 센서의 반대 방향에서 받아 판재의 표면 높이 변화를 검출하는 제 2 이미지 센서와;
상기 광 분할부에서 분산되어 제 2 이미지 센서로 유입되는 다른 한 빛을 제 1 이미지 센서로 유입되는 빛과 다른 방향으로 향하도록 반사시키는 반사부와;
상기 제 1 이미지 센서와 제 2 이미지 센서에 연결되어 평탄도를 검출하는 검출 연산부를 포함한 광학식 평탄도 측정 장치를 제공함으로써 해결되는 것이다.
본 발명은 판재의 이동 중 진동에 의한 오차를 효과적으로 제거하여 정확한 측정 값을 제공하여 제조된 판재의 품질 관리가 용이하고, 품질 관리를 통해 판재 품질을 향상시킬 수 있고, 생산성을 증대시킬 수 있도록 하는 효과가 있는 것이다.
본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부된 도면에 의하여 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 1a 내지 도 1b은 본 발명의 비교 예를 도시한 개략도로서, 하나의 이미지 센서로 판재의 평탄도를 검출하는 예를 나타내고 있다.
도 2는 본 발명의 구성을 도시한 개략도이고, 도 3은 본 발명의 일 실시 예를 도시한 예시도로서, 진동으로 인한 높이 차이가 발생될 때 제 1 이미지 센서와 제 2 이미지 센서에 각각 역상의 결상 위치 변화가 발생되는 예를 나타내고 있다.
이하, 도 1a 내지 도 1b에서 도시한 바와 같이 일반적인 평탄도 측정을 위한 광학식 평탄도 측정 장치는 빛을 판재(1)의 표면에 조사하는 광 발생기(10)와, 상기 레이저 발생기(11)에서 반사된 빛이 통과되는 결상 렌즈(20)와, 상기 결상 렌즈(20)를 통과하여 결상된 이미지를 검출하는 이미지 센서(21)를 포함한다.
상기 광 발생기(10)는 레이저 발생기(11)를 사용하고, 상기 이미지 센서(21)는 리니어 이미지 센서(21)를 사용하는 것을 기본으로 한다.
상기 광학식 평탄도 측정 장치는 레이저 발생기(11)에서 발진된 레이저를 연속적으로 판재(1)에 조사하고, 판재(1)에 조사된 후 반사된 레이저가 결상 렌즈(20)를 통해 리니어 이미지 센서(21)로 결상됨으로써 결상점(M)의 위치 변화 즉, 결상점 이동량(h)을 검출하여 판재(1)의 높이 변화(H), 즉, 평탄도를 측정하게 되는 것이다.
즉, 상기 광학식 평탄도 측정 장치는 판재(1)의 표면을 따라 연속적으로 레이저를 조사하고, 조사된 판재(1) 표면의 높이 변화에 따라 레이저의 반사 각도가 변화되고, 레이저 반사 각도의 변화로 변화되는 결상점 이동량(h)을 측정함으로써 판재(1)의 높이 변화인 평탄도를 측정하는 원리인 것이다.
그러나 상기한 광학식 평탄도 측정 장치는 기본적으로 정적인 상태에서 평탄도를 측정하는 것으로 진동이 발생할 경우 결상점 이동량(h')은 하기의 수학식 1에서 보는 바와 같다.
Figure 112009045537940-PAT00001
h' : 진동이 발생된 상태에서 이미지 센서로 검출되는 결상점 이동량
h : 정적인 상태에서 이미지 센서로 검출되는 결상점 이동량
a : 진폭
ω : 각속도(=2πf)
상기 일반적인 광학식 평탄도 측정장치는 진동이 발생된 상태에서 이미지 센서(21)로 검출되는 결상점 이동량(h')이 상기한 바와 같이 진동에 의해 불규칙해져 정확하게 결상점 이동량(h)을 측정할 수 없고, 정확한 결상점 이동량(h)을 측정할 수가 없으므로 판재(1) 표면의 평탄도를 정확히 측정할 수 없었던 것이다.
한편, 본원 발명인 광학식 평탄도 측정 장치는 도 2에서 도시한 바와 같이 빛을 판재(1)의 표면에 조사하는 광 발생기(10)와;
상기 광 발생기(10)에서 판재(1)의 표면에 조사된 후 반사된 빛을 결상하는 결상 렌즈(20)와;
상기 결상 렌즈(20)를 통과한 빛을 적어도 두 방향으로 분산하는 광 분할부(30)와;
상기 광 분할부(30)로 분산된 어느 한 빛을 받아 판재(1)의 표면 높이 변화를 검출하는 제 1 이미지 센서(40)와;
상기 광 분할부(30)에서 분산된 다른 한 빛을 제 1 이미지 센서(40)의 반대 방향에서 받아 판재(1)의 표면 높이 변화를 검출하는 제 2 이미지 센서(50)와;
상기 광 분할부(30)에서 분산되어 제 2 이미지 센서(50)로 유입되는 다른 한 빛을 제 1 이미지 센서(40)로 유입되는 빛과 다른 방향으로 향하도록 반사시키는 반사부(60)와;
상기 제 1 이미지 센서(40)와 제 2 이미지 센서(50)에 연결되어 평탄도를 검출하는 검출 연산부(70)를 포함한 것이다.
그리고 상기 광 분할부(30)는 판재(1)의 표면에서 반사된 빛의 일부를 통과시키고, 빛의 일부를 반사하여 적어도 두개 이상의 빛으로 분할하는 것이다.
상기 광 분할부(30)는 판재(1)의 표면에서 반사된 빛의 일부를 진행 방향으로 통과시키고, 빛의 나머지 부분을 판재(1)의 표면에서 반사된 빛의 진행 방향에 대해 90°반사하여 두개의 빛으로 분할하는 것을 기본으로 한다.
상기 제 1 이미지 센서(40)는 리니어 이미지 센서로 판재(1)의 표면에서 반사된 후 결상 렌즈(20)를 통해 광 분할부(30)를 진행 방향으로 통과하는 빛을 받아 판재(1)의 표면 높이 변화에 따른 결상점(M)의 위치 이동을 검출하는 것이다.
상기 제 2 이미지 센서(50)는 리니어 이미지 센서로 판재(1)의 표면에서 반사된 후 결상 렌즈(20)를 통해 광 분할부(30)에서 분할된 빛을 받아 판재(1)의 표면 높이 변화에 따른 결상점(M)의 위치 이동을 검출하는 것으로 상기 제 1 이미지 센서(40)와 반대 방향에서 결상점(M)의 위치 이동을 검출하는 것이다.
상기 제 1 이미지 센서(40)와 제 2 이미지 센서(50)는 서로 이격되어 평행하게 배치되며 빛이 유입되는 검출면이 서로 대향되게 위치되는 것이다.
그리고 상기 반사부(60)는 상기 광 분할부(30)에서 판재(1)의 표면에서 반사된 빛의 진행 방향에 대해 90°반사된 빛을 90°로 반사시켜 제 1 이미지 센서(40)에 유입되는 빛의 반대 방향(180°)으로 제 2 이미지 센서(50)로 빛을 유입시키는 것이다.
상기 제 1 이미지 센서(40)는 빛이 유입되는 검출면이 판재(1)의 표면과 마주보게 배치되는 것이고, 상기 제 2 이미지 센서(50)는 빛이 유입되는 검출면이 상기 제 1 이미지 센서(40)의 검출면과 마주보는 방향으로 제 1 이미지 센서(40)와 이격되게 배치되는 것이다.
또 상기 제 1 이미지 센서(40)와 제 2 이미지 센서(50)는 검출되는 빛의 초점의 거리가 같게 배치되는 것이 바람직하다.
상기 제 1 이미지 센서(40)와 상기 제 1 이미지 센서(40)로 검출되는 빛의 초점과의 거리(L1)과, 상기 제 2 이미지 센서(50)와 상기 제 2 이미지 센서(50)로 검출되는 빛의 초점과의 거리(L2)가 동일하므로써, 상기 제 1 이미지 센서(40)와 제 2 이미지 센서(50)는 상기 광 분할부(30)에서 분할된 빛이 분할되는 지점에서 빛의 진행 방향에 따른 직선 거리가 동일하게 되는 것이다.
즉, 상기 본 발명인 광학식 평탄도 측정 장치는 레이저 발생기(11)에서 발진된 레이저를 연속적으로 판재(1)에 조사하고, 판재(1)에 조사된 후 반사된 레이저가 결상 렌즈(20)를 통해 광 분할부(30)를 통과하면서 두 개의 빛으로 분할되어 제 1 이미지 센서(40) 및 제 2 이미지 센서(50)로 결상됨으로써 결상점(M)의 위치 변화를 검출하고, 제 1 이미지 센서(40) 및 제 2 이미지 센서(50)에서 검출되는 위치 변화 값을 통해 판재(1)의 높이 변화, 즉, 평탄도를 측정하게 되는 것이다.
상기 검출 연산부(70)는 제 1 이미지 센서(40) 및 제 2 이미지 센서(50)에서 실제 검출되는 결상점(M)의 위치 변화 값(h1, h2)을 통해 정적인 상태에서 판재(1)의 표면의 높이 변화에 따라 결상 렌즈(20)를 통과한 이상적인 결상점 이동량(h)을 계산함으로써 판재(1)의 높이 변화, 즉, 평탄도를 정확히 측정하는 것이다.
그리고, 정적인 상태에서 판재(1)의 표면의 높이 변화에 따라 결상 렌즈(20)를 통과한 결상점 이동량(h)은 하기의 수학식 2, 수학식 3, 수학식 4를 통해 계산되는 것이다.
Figure 112009045537940-PAT00002
h1 : 진동이 발생된 상태에서 제 1 이미지 센서로 검출되는 결상점 이동량
h : 정적인 상태에서 결상 렌즈를 통과한 결상점 이동량
a : 진폭
ω : 각속도(=2πf)
Figure 112009045537940-PAT00003
h2 : 진동이 발생된 상태에서 제 2 이미지 센서로 검출되는 결상점 이동량
h : 정적인 상태에서 결상 렌즈를 통과한 결상점 이동량
a : 진폭
ω : 각속도(=2πf)
Figure 112009045537940-PAT00004
즉, 상기 제 1 이미지 센서(40)로 유입되는 빛의 방향과 상기 제 2 이미지 센서(50)로 유입되는 빛의 방향이 반대 방향이므로, 진동이 발생되는 경우 진동에 의한 결상점 이동량(h)의 변형량이 서로 역방향으로 발생되는 것이다.
그리고, 상기 제 1 이미지 센서(40)와 제 2 이미지 센서(50)는 상기 광 분할부(30)에서 분할된 빛의 초점에서 빛의 진행 방향에 따른 직선 거리가 동일하므로, 정적인 상태에서 결상점 이동량 값이 동일한 것이다.
따라서, 검출 연산부(70)는 진동이 발생된 상태에서 제 1 이미지 센서(40)로 실제 검출되는 결상점 이동량 및 진동이 발생된 상태에서 제 2 이미지 센서(50)로 실제 검출되는 결상점 이동량을 더하면 결상점 이동량(h)의 변형량은 상쇄되고, 정적인 상태에서의 결상점 이동량(h)을 정확히 측정할 수 있는 것이다.
본 발명은 상기한 실시 예에 한정되는 것이 아니라, 본 발명의 요지에 벗어나지 않는 범위에서 다양하게 변경하여 실시할 수 있으며 이는 본 발명의 구성에 포함됨을 밝혀둔다.
도 1a 내지 도 1b은 본 발명의 비교 예를 도시한 개략도
도 2는 본 발명의 구성을 도시한 개략도
도 3은 본 발명의 일 실시 예를 도시한 예시도
*도면 중 주요 부호에 대한 설명*
1 : 판재 10 : 광 발생기
20 : 결상 렌즈 30 : 광 분할부
40 : 제 1 이미지 센서 50 : 제 2 이미지 센서
60 : 반사부 70 : 검출 연산부

Claims (4)

  1. 빛을 판재의 표면에 조사하는 광 발생기와;
    상기 광 발생기에서 판재의 표면에 조사된 후 반사된 빛을 결상하는 결상 렌즈와;
    상기 결상 렌즈를 통과한 빛을 적어도 두 방향으로 분산하는 광 분할부와;
    상기 광 분할부로 분산된 어느 한 빛을 받아 판재의 표면 높이 변화를 검출하는 제 1 이미지 센서와;
    상기 광 분할부에서 분산된 다른 한 빛을 제 1 이미지 센서의 반대 방향에서 받아 판재의 표면 높이 변화를 검출하는 제 2 이미지 센서와;
    상기 광 분할부에서 분산되어 제 2 이미지 센서로 유입되는 다른 한 빛을 제 1 이미지 센서로 유입되는 빛과 다른 방향으로 향하도록 반사시키는 반사부와;
    상기 제 1 이미지 센서와 제 2 이미지 센서에 연결되어 평탄도를 검출하는 검출 연산부를 포함한 것을 특징으로 하는 광학식 평탄도 측정 장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 제 1 이미지 센서는 빛이 유입되는 검출면이 판재의 표면과 마주보게 배치되는 것이고, 상기 제 2 이미지 센서는 빛이 유입되는 검출면이 상기 제 1 이미지 센서의 검출면과 마주보는 방향으로 제 1 이미지 센서와 이격되게 배치되며,
    상기 제 1 이미지 센서와 상기 제 1 이미지 센서로 검출되는 빛의 초점과의 거리(L1)과, 상기 제 2 이미지 센서와 상기 제 2 이미지 센서로 검출되는 빛의 초점과의 거리(L2)가 동일하게 제 1 이미지 센서와 제 2 이미지 센서가 배치되는 것을 특징으로 하는 광학식 평탄도 측정 장치.
  3. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    상기 검출 연산부는 진동이 발생된 상태에서 상기 제 1 이미지 센서로 실제 검출되는 결상점 이동량 및 진동이 발생된 상태에서 상기 제 2 이미지 센서로 실제 검출되는 결상점 이동량을 더한 후 2로 나눠서 정적인 상태에서의 결상점 이동량(h)을 측정하는 것을 특징으로 하는 광학식 평탄도 측정 장치.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 제 1 이미지 센서로 실제 검출되는 결상점 이동량(h1)은
    Figure 112009045537940-PAT00005
    h1 : 진동이 발생된 상태에서 제 1 이미지 센서로 검출되는 결상점 이동량
    h : 정적인 상태에서 결상 렌즈를 통과한 결상점 이동량
    a : 진폭
    ω : 각속도(=2πf)
    로 계산되고,
    상기 제 2 이미지 센서로 실제 검출되는 결상점 이동량(h2)은
    Figure 112009045537940-PAT00006
    h2 : 진동이 발생된 상태에서 제 2 이미지 센서로 검출되는 결상점 이동량
    h : 정적인 상태에서 결상 렌즈를 통과한 결상점 이동량
    a : 진폭
    ω : 각속도(=2πf)
    로 계산되는 것을 특징으로 하는 광학식 평탄도 측정 장치.
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