KR20120104268A - 거리, 위치, 및/또는 프로필을 광학적으로 측정하는 센서 및 방법 - Google Patents

거리, 위치, 및/또는 프로필을 광학적으로 측정하는 센서 및 방법 Download PDF

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Abstract

측정 대상 물체의 거리, 위치, 및/또는 프로필을 광학적으로 측정하는 센서에 관한 발명. 상기 측정 대상 물체는 그 온도로 인해서 전자기 복사파를 방출하고, 본 발명의 센서는, 측정 대상 물체의 표면에 광을 조사하는 광원과, 측정 물체에서 반사되는 광을 검출하는 검출기를 가지며, 상기 전자기 복사파를 방출하는 물체에 대한 측정 능력에 있어서는, 광원에서 발생된 광의 파장이 상기 측정 대상 물체의 플랑크 복사 스펙트럼의 최고치보다 낮은 값에 해당하는 파장인 것을 특징으로 한다. 본 발명은 또한, 이에 상응하는 방법에 관한 것이다.

Description

거리, 위치, 및/또는 프로필을 광학적으로 측정하는 센서 및 방법 {SENSOR AND METHOD FOR OPTICALLY MEASURING A DISTANCE, A POSITION, AND/OR A PROFILE}
본 발명은 온도로 인해서 전자기 복사파가 방출되는 측정 대상 물체의 거리, 위치, 및/또는 프로필을 광학적으로 측정하는 센서에 관한 것으로서, 본 발명의 센서는 측정 대상 물체의 표면에 광을 조사하는 광원, 및 측정 대상 물체에서 반사되는 광을 검출하는 검출기를 갖는다. 본 발명은 또한, 이 센서를 이용한 측정 방법에 관한 것이다.
측정 대상 물체의 거리, 위치, 및/또는 프로필을 측정하는 광학 센서가 현장에서 오랫동안 알려져 있다. 광선(보통, 레이저빔)을 조명광처럼 측정 대상 물체에 조사하면 물체 표면에서 반사된다. 반사되어 센서로 돌아온 일부 광을 검출기로 측정함으로써 센서에 대한 측정 대상 물체의 위치 및/또는 거리를 알 수 있다. 또한 측정 대상 물체에 점 형상의 광을 조사할 경우에는, 센서를 움직이거나 광선을 조사하거나 대상 물체를 움직임으로써(또는 센서, 광선, 대상 물체를 모두 움직임으로써) 측정 대상 물체의 프로필을 알 수 있고, 점 형상이 아닌 광(예컨대, 선형 또는 격자형 광)을 조사할 경우에는, 센서나 대상 물체를 움직이지 않고도 프로필을 알 수 있다. 또한 거리 측정을 하지 않고도 일부 광학 센서를 이용하면 간단한 프로필 측정을 할 수 있다.
널리 쓰이고 있는 광학적 거리 센서는 삼각측량 센서이다(광원과, 측정 대상 물체에 조사되는 점과, 검출기가 삼각형을 이룸). 이 센서에서 얻어지는 물체의 거리는 이 삼각측량 센서의 기하학적 구조 및 검출기 상의 광점의 위치를 통해 구할 수 있다.
광학적 측정에 필요한 조건은, 센서에서 방출되는 광이 물체에서 반사되어 검출기로 돌아가기에 충분한 강도(intensity)를 가져야 하고, 이 반사광이 검출기 상에 충분한 밝기의 측정용 점, 띠, 문양(패턴) 등을 형성해야 하는 것이다.
광학적 측정 기술에서는, 특히, 자체 발광하는 물체를 측정시에 문제가 된다. 자체 발광 물체의 측정시 가장 중요한 경우 중 하나는 고온의 물체의 경우이다. 700℃ 이상의 물체에서는 상당한 양의 적외선이 방출된다. 온도가 올라갈수록 가시광 영역에서의 전자기 복사파의 비율이 높아진다. 자체 발광 물체에 대해 측정을 해야 한다면, 종래에 공지된 광학 센서(optical sensor) 어레이에서 조사되는 광의 강도를 높여야 한다. 그렇지 않으면, 다른 센서 기술, 가령, 용량형 센서(capacitive sensor) 또는 유도형 센서(inductive sensor)에 의지해야 할 것이다. 그러나 사람들이 항상 이를 원하는 것은 아니며, 광학 센서의 장점을 항상 희생할 수도 없다. 예를 들어, 무접촉 감지 센서와 비교하여 광학 센서는 그 측정 범위가 상대적으로 넓음과 동시에 그 해상도도 양호하며, 도전성이든 비도전성이든 다양한 재질에 대해서 안정적으로 측정을 할 수 있기 때문이다. 그러나 조사 광의 강도를 증가시키게 되면, 한편으로는 센서의 에너지 소비가 커지며, 다른 한편으로는, 레이저를 광원으로서 사용할 경우에는 법정 한도 전력을 준수해야 하기 때문에 광 출력을 임의적으로 증가시킬 수 없다.
따라서 본 발명의 목적은 전자기 복사파를 방출하는 측정 대상 물체에 대해서 거리, 위치, 및/또는 프로필을 광학적으로 측정할 수 있도록 앞에서 언급한 형식에 따른 장치 및 방법을 구성하고 추가적으로 개발하기 위한 것이다.
본 발명은, 앞서 언급한 기술적 목적을 청구범위 제1항에 기재된 특징을 통해 달성한다. 제1항에 따르면, 본 발명의 센서는 광원에서 출력되는 광의 파장이 측정 대상 물체의 플랑크 복사 스펙트럼의 최고치(peak)보다 낮은 값에 해당되는 파장인 것을 특징으로 한다.
방법적 측면에서 보면, 앞서 언급한 기술적 목적은 청구범위 제10항에 기재된 특징을 통해 달성된다. 제10항에 따르면, 측정을 수행하기 위해 측정 대상 물체에 짧은 파장의 광선을 조사하되, 상기 파장은 상기 측정 대상물체의 플랑크 복사 스펙트럼의 최고치보다 낮은 값에 해당되는 파장으로 선택되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 전자기 복사파를 방출하는 측정 대상 물체에 대해서 거리, 위치, 및/또는 프로필을 광학적으로 측정할 수 있는 장치 및 방법이 제공된다.
설명을 시작하기에 앞서, 측정 대상 물체의 온도로 인해서 전자기 복사파가 방출되는 물체를 측정 시에, 광학적 측정법의 이익을 희생할 필요가 없는 독창적인 방법을 알게 되었다. 오히려 이러한 측정 상황(측정 대상 물체의 온도로 인해서 전자기 복사파가 방출되는 물체를 측정 시)에서도 센서의 광원에서 방출되는 광선의 파장을 적절히 선택함으로써 광학적으로 측정하는 것이 가능해진다. 모든 고온의 물체에서는 그 온도로 인해 전자기 복사파가 방출된다. 이 전자기 복사파의 스펙트럼은 플랑크 복사 스펙트럼을 통해 설명할 수 있다. 플랑크 복사 스펙트럼은 방출되는 전자기 복사파의 파장에 대한 비 복사(specific irradiation)에 대해 설명해준다. 플랑크 복사 스펙트럼은 물체의 온도에 의존하는 일군의 곡선으로 표현되며, 각 복사 스펙트럼 곡선의 최고치는 온도가 증가할수록 더 짧은 파장 쪽으로 이동한다.
본 발명에 따르면 플랑크 복사 스펙트럼의 최고치를 이용하여 센서의 광원이 방출하는 광선의 파장을 선정한다. 대부분의 측정 상황에서, 계산해야 할 측정 물체의 온도는 알고 있다. 예를 들어, 주물공장에서 주물의 측정을 위해 센서를 사용하는 경우에는 대개, 매측정시에 측정 대상 물체의 온도를 알고 있다. 따라서, 예측 가능한 플랑크 복사 스펙트럼의 최고치에 해당되는 파장을 초기 단계에서 선정할 수 있다. 또한 알고 있는 최고치를 이용하여, 광원에서 방출되는 광의 파장을, 측정 대상 물체에 대한 플랑크 복사 스펙트럼의 최고치보다 낮은 값에 해당되는 파장값으로 결정할 수 있고, 이 점이 본 발명의 독창적인 점이다. 이러한 방법으로, 고온의 측정 대상 물체 측정용 광학 센서의 사용을 보장하는 적절한 수단에 대한 조건을 만족하게 된다.
상기 파장과, 플랑크 복사 스펙트럼의 최고치 사이의 거리는 가능한 한 크게 선택하는 것이 바람직하다. 이 거리는, 측정 물체의 온도에 따라서 수십 nm에서 수백 nm 까지가 가능하다. 1,000K를 초과하는 고온의 물체의 경우에, 플랑크 복사 스펙트럼은 최고치 아래에서는 파장이 짧은 쪽으로 매우 가파르게 감소한다. 이 경우에는 플랑크 복사 스펙트럼의 최고치와 파장 사이의 거리를 수십 nm (예컨대, 50nm)로 선정할 수 있다. 낮은 온도, 예를 들어, 700K에서 플랑크 복사 스펙트럼은 상대적으로 평평하고, 최고치 아래에서는 작은 파장 쪽으로 상대적으로 완만하게 감소한다. 이러한 경우에는 방출되는 광의 파장과 플랑크 복사 스펙트럼의 최고치 사이의 거리를 수백 nm 이하로 선택할 것을 권장한다.
센서에서 방출되는 광의 파장과 플랑크 복사 스펙트럼의 최고치 사이의 거리를 결정할 때에는, 조사된 광선에서 반사되는 광을 검출하는 능력을 고려하는 것이 바람직하다. 첫 번째 단계로서, 광원으로부터의 광의 최대 출력을 정의할 수 있다. 이 최대 복사 출력은 일반적으로, 사용 가능한 에너지, 잠재적인 폐열, 실제 상황에서의 복사 제한치, 각 광원의 비용, 및/또는 기타 제약 조건에 반영가능하다. 방출되는 광의 파장과 플랑크 복사 스펙트럼의 최고치 사이의 거리는, 조사 광선 중에서 센서의 검출기로 반사되어 돌아오는 광을 검출하기에 충분하도록 선정하는 것이 바람직하다. 따라서, 일반적으로, 측정 대상 물체에서 반사된 광선이 검출기에 충분한 강도로 광점(light spot)을 형성해야 할 필요가 있다. 이 때에 광점이 너무 커서는 안되며, 검출기 상의 광 강도의 분포도가 검출기 상에 광점을 적정한 정확도로 위치시킬 수 있도록 구성해야 한다. 이에 상응하는 파장간 거리 결정 방식이 오랫동안 당업자에게 알려져왔다. 그러나 현재는, 검출 성능을 향상시키기 위해 조사 출력을 높이지 않고도 조사 광선의 파장에 영향을 주는 것이 가능하다.
센서의 광원에서 방출되는 광선의 파장은 450nm보다 작게 선택하는 것이 바람직하다. 특히 바람직한 실시예에서는, 이 파장을 432nm 이하로 선택한다. 여기서 이 파장은, 광원에 의해 생성된 복사 강도의 본질적인 부분만으로써 정의됨을 지적하고자 한다. 광원은 또한, 광원의 종류에 따라, 더 긴 파장을 갖는 다른 스펙트럼 부분도 방출한다. 그럼에도 불구하고, 복사 강도의 최고치가 더 짧은 파장(바람직하게는 450nm 미만, 보다 더 바람직하게는 432nm 이하)에 있도록 해야 한다. 특히 바람직한 파장의 예를 들자면, 405nm와 370nm이다.
민감한 검출기를 보호하기 위해 검출기에 파장 선택 수단을 직렬로 연결한다. 이로써 측정 대상 물체의 전자기 복사파를 초기 단계에서 충분히 차단할 수 있다. 여기서, 파장 선택 수단은 본질적으로, 광원에서 방출된 광이 포함되는 스펙트럼 부분만을 통과시키는 역할을 한다. 동시에, 이 파장 선택 수단은 무엇보다도, 좁은 대역 특성을 갖도록 설계함으로써, 센서의 광원에서 방출되며 마찬가지로 매우 좁은 대역 특성을 갖도록 설계되는 광을 검출기가 매우 효과적으로 측정할 수 있다. 따라서 광원에서 온 것이 아닌 반사광의 다른 스펙트럼 부분에 의해서는, 검출기에 의해 측정되는 복사 강도의 전체적인 증가가 일어나지 않는다. 이러한 특징에 의해 검출기가 포화되는 위험이 줄어든다. 파장 선택 수단은 광학 필터, 분산기, 또는 기타, 당업계에서 주지된 요소로 구성할 수 있다.
여기서, 검출기는 선형 또는 매트릭스 형태로 구성할 수 있다. 검출기는 CMOS 또는 CCD(전하결합소자) 기술로 설계할 수 있으며, 또한 위치 의존형 광다이오드로 설계할 수도 있다.
본 발명의 특히 바람직한 실시예에서, 센서는 삼각측량법에 따라 동작한다. 여기서, 측정 대상 물체와 센서 사이의 거리는 센서 기하학을 이용하여 결정된다. 본 실시예예서는 광원, 측정 물체에 조사되는 측정점, 그리고 검출기에 조사되는 점이 삼각형을 이룬다는 것을 이용하고 있다. 이 삼각형에 의해서 측정 대상 물체 표면 상의 조사점과 센서 사이의 거리를 계산할 수 있다.
본 발명의 다른 바람직한 실시예에서, 센서는 빛의 전파 원리(light travel principle)에 따라 동작한다. 이 경우에, 광선이 센서에서부터 측정 물체까지 전파된 다음에 검출기로 되돌아오는 데 소요되는 시간을 측정한다. 이 시간을 측정하는 종래의 방법에서는 펄스 지속시간 원리(pulse runtime principle) 또는 위상 변위 방법(phase shift method)을 이용하고 있다. 후자의 방법에서는, 조사 광선을 변조한다. 광선의 전달시간(runtime)에 의해 조사 광선과 반사 광선 사이에 위상 변위가 일어난다. 이 위상 변위를 이용하여 전달시간 및 그에 따른 거리를 결정할 수 있다.
광원은 레이저를 이용하여 설계하는 것이 바람직하다. 레이저는 측정 물체에 점 또는 선 또는 교차선의 형태로 레이저광을 조사한다. 이와 다른 조사 패턴도 또한 가능하다. 따라서 다수의 평행선, 또는 다수의 교차선 형태로 조사할 수도 있다. 레이저는 레이저 다이오드, 반도체 레이저, 또는 가스 레이저로 구성할 수 있다.
다른 방식으로서, 광원을 LED(발광 다이오드)로 구성할 수도 있을 것이다. 짧은 파장의 광을 방출하는 다이오드가 점차 많이 출시되고 있기 때문에, 본 발명에서는 이들 LED도 센서에 사용할 수 있는 것이다. LED의 가용성은 각 응용 프로그램에 따라 달라진다.
요약으로서, 본 발명의 일부 특징들을 예를 통하여 다시 설명해본다. 본 발명은 700℃ 이상의 열을 방출하는 고온체의 파장 피크치(최고치)로부터 특정 거리 떨어진 짧은 파장(예: 405nm 또는 432nm)을 내는 레이저 다이오드를 사용하는 것에 관한 것이다.
고온체의 비 복사 방출도(specific radiant emission)와 광원의 조사 강도(irradiation intensity) 사이의 관계가, 삼각측량법에 기반하여 작동하는 센서를 이용하여 온도 증가로 인한 자체 발광 표면으로부터의 거리를 측정하는 가능성에 대한 결정적 요인이 된다. 비 복사 방출도(specific radiant emission)는 방출되는 복사선속(radiant flux)을 면적으로 나눈 값[W/m2]이고, 조사 강도는 조사되는 복사선속을 면적으로 나눈 값[W/m2]이다.
플랑크 복사 스펙트럼에 따르면, 자체 발광 물체의 최고치 파장과 광원 파장 간의 거리가 멀수록, 조사 강도가 낮아질 수 있고 자체 발광 표면에서 조사되어 자체 발광 표면 상에 투영되는 광점을 식별하는 능력이 커지게 되고, 따라서 자체 발광 표면까지의 거리 및 스펙트럼 선택도(selectivity)에 따라 광을 모으는 광 방출 센서까지의 거리를 동시에 측정할 수 있게 된다. 광원은 되도록이면 432nm 미만의 파장 범위에서 발광하는 것이 바람직하다. 검출 장치(예를 들어, 간섭 필터)에 파장 선택 수단(예컨대, 협대역 광학 필터)을 사용함으로써, 복사 파장을 선택하는 것이 가능해진다. 즉, 나머지 복사 파장 부분을 광대역의 민감한 광전자 검출기로부터 멀리 떨어뜰릴 수 있다.
삼각측량법(점형 거리 측정 또는 광 분할 방식)에 따라 거리를 측정하기에 적합한 검출기는 보통, 선형 또는 매트릭스형의 CCD 혹은 CMOS 소자이다. 그러나 점형 거리 측정시에는 위치감응형 광다이오드(position-sensitive photodiode, PSD)도 또한 사용가능하다. 어떠한 경우에는, 검출기 대신에, 선형 또는 매트릭스형 카메라 완제품을 사용할 수도 있다.
광원으로는, 레이저 다이오드, 반도체 또는 가스 레이저를 사용할 수 있고, 일부 경우에는 발광 다이오드도 사용할 수 있다. 빔 형상은 임의적이지만, 점, 선, 또는 교차선의 형태인 것이 바람직하다.
본 측정 장치/센서를 거리 측정, 위치 측정, 프로필 측정에 사용할 수 있다. 높은 온도의 물체에 사용하는 것이 가능하다.
사용하는 파장으로 인해, 반투명 물체 속으로의 광 침투 깊이가 적기 때문에 측정 오차가 일어난다.
여기에서 설명한 측정 장치는 삼각측량법을 사용하며, 온도로 인해 복사선을 방출하는 물체까지의 거리를 재는 데 사용된다. 본 측정 장치는 플랑크 복사 스펙트럼에 따라 방출 파장이 최고치에 있지 않고 자체 발광 물체의 최고치로부터 가능한한 멀리 떨어진 광을 방출하는 광원(예컨대, 레이저 다이오드)을 사용하는 것을 특징으로 한다.
수광 경로에서 이러한 파장을 선택하는 것, 즉, 보다 구체적으로는 발산 파장을 억제하는 것은, 광학 필터(optical filter) 또는 분산 수단(dispersive element) 및 이에 상응하는 조리개(aperture)를 사용하여 행할 수 있다.
본 발명에 따른 장치의 그 밖의 유리한 실시예에 관해서는 반복 설명을 하지 않는바, 상세한 설명 및 청구범위의 전반적인 부분을 참고하기 바란다.
마지막으로, 본 발명에 따른 장치의 상술한 예시적 실시예는 청구된 사상을 설명하기 위한 것일 뿐 상기 실시예에 한정되는 것이 아님을, 분명히 지적하고자 한다.

Claims (10)

  1. 온도에 의해서 전자기 복사파가 방출되는 측정 대상 물체의 표면에 광을 조사하는 광원과, 상기 측정 대상 물체에서 반사되는 광을 검출하는 검출기를 포함하는 센서로, 상기 광원에서 발생된 광의 파장은 상기 측정 대상물체의 플랑크 복사 스펙트럼의 최고치보다 낮은 값에 해당되는 파장인 것을 특징으로 하는, 측정 대상 물체의 거리, 위치, 및/또는 프로필을 광학적으로 측정하는 센서.
  2. 제1항에 있어서, 상기 파장은 플랑크 복사 스펙트럼의 최고치로부터 거리가 가능한한 먼 것, 바람직하게는 수십 nm인 것을 특징으로 하는, 측정 대상 물체의 거리, 위치, 및/또는 프로필을 광학적으로 측정하는 센서.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 광원에서 나오는 광선의 파장과 상기 측정 대상 물체의 파장 최고치 사이의 스펙트럼상 거리는, 상기 광원의 최대 광출력에서, 상기 검출기가 충분한 신호 강도를 검출할 수 있을 정도의 거리로 결정되는 것을 특징으로 하는, 측정 대상 물체의 거리, 위치, 및/또는 프로필을 광학적으로 측정하는 센서.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 광원에서 방출되는 광선의 파장은 450nm 미만인 것, 보다 바람직하게는 432nm 이하인 것을 특징으로 하는, 측정 대상 물체의 거리, 위치, 및/또는 프로필을 광학적으로 측정하는 센서.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 광원의 광을 포함하는 스펙트럼 부분만이 통과되도록 하는 파장 선택 수단이 상기 검출기에 직렬로 연결되는데, 상기 파장 선택 수단은, 바람직하게는 광학 필터로, 보다 구체적으로는 분산 수단으로 구성되는 것을 특징으로 하는, 측정 대상 물체의 거리, 위치, 및/또는 프로필을 광학적으로 측정하는 센서.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 검출기는 선형 또는 매트릭스 형태로 구성되며, 상기 검출기는 CCD나 CMOS 기술을 기반으로 설계되거나 위치 의존형 광다이오드로 설계되는 것을 특징으로 하는, 측정 대상 물체의 거리, 위치, 및/또는 프로필을 광학적으로 측정하는 센서.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 센서는 삼각측량 센서로 설계되는 것을 특징으로 하는, 측정 대상 물체의 거리, 위치, 및/또는 프로필을 광학적으로 측정하는 센서.
  8. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 센서는 광의 전파 원리(light travel principle)에 따라 동작하는 것을 특징으로 하는, 측정 대상 물체의 거리, 위치, 및/또는 프로필을 광학적으로 측정하는 센서.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 광원은, 상기 측정 대상 물체에 점, 선, 또는 교차선 형태로 광을 조사시킬 수 있는 레이저로 구성되며, 상기 레이저는 레이저 다이오드, 반도체 레이저, 또는 가스 레이저로 구성되는 것을 특징으로 하는, 측정 대상 물체의 거리, 위치, 및/또는 프로필을 광학적으로 측정하는 센서.
  10. 온도에 의해서 전자기 복사파가 방출되는 측정 대상 물체를 청구항 제1항 내지 제9항 중 어느 하나에 기재된 센서를 이용하여 측정하는 방법에 있어서,
    측정을 수행하기 위해 상기 측정 대상 물체에 짧은 파장의 광선을 조사하되, 상기 파장은 상기 측정 대상물체의 플랑크 복사 스펙트럼의 최고치보다 낮은 값에 해당되는 파장 중에서 선택되는 것을 특징으로 하는, 측정 대상 물체의 거리, 위치, 및/또는 프로필을 광학적으로 측정하는 방법.
KR1020127016795A 2009-12-22 2010-12-22 거리, 위치, 및/또는 프로필을 광학적으로 측정하는 센서 및 방법 KR101493310B1 (ko)

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