KR20130080269A - 변위측정장치 및 이를 이용한 변위계측방법 - Google Patents

Abstract

레이저 발광소자를 포함하는 발광모듈; 상기 레이저 발광소자로부터 출사된 광을 균일하게 분산시켜 피사체에 입사되는 입사광의 광각을 확장하는 광확산모듈; 및 상기 피사체에 의해 반사된 광을 수신하여 광의 세기를 검출하는 수광센서를 포함하는 수광모듈;을 포함하는 변위측정장치를 개시한다

Description

변위측정장치 및 이를 이용한 변위계측방법{DISPLACEMENT MEASURING APPARATUS, AND DISPLACEMENT MEASURING METHOD USING THE SAME}

본 발명은 레이저를 이용한 변위측정 기술에 관한 것으로서, 더 자세하게는 반사도가 낮은 물체에 대한 정확한 변위 측정이 가능한 변위측정장치 및 이를 이용한 변위계측방법에 대한 것이다.

일반적으로 변위측정장치는 특정 대상물까지의 거리 및 변위를 측정하는 장치로서, 현재 레이저를 이용한 변위측정장치가 널리 이용되고 있다. 레이저 변위측정장치는 레이저 발광 모듈에서 발광된 레이저가 대상물에 반사된 후 수광센서로 들어오는 광의 세기를 측정하여, 광삼각법에 의해 대상물까지의 거리 및 변위를 계측한다.

예컨대, 도 1에서 보듯이, 종래의 레이저 변위측정장치(100)에서는, 레이저 발광소자(10)에서 출력된 레이저는 집광렌즈(12)를 통과하면서 평행하게 초점이 맞춰지며, 변위측정장치의 투광창(14)을 통과하여 피사체(S)에 점광 형태의 광(I)으로 입사된다. 그리고, 피사체(S)에 의해 반사된 광(R)은 수광창(24)을 통해 수광렌즈(22)로 입사되며, 수광센서(20)는 수신한 반사광(R)의 세기를 검출하여 피크 위치를 찾아 광삼각법에 의해 피사체의 위치(즉, 변위측정장치의 기준위치와 피사체의 표면까지의 거리; "D")를 계측하게 된다.

한편, 종래의 레이저 변위측정장치를 이용하여 유리와 같이 투과도가 높고 반사도가 낮은 물체에 대해 변위를 측정하는 경우, 피사체에 의한 반사광의 광량이 충분하지 않기 때문에 피사체의 변위를 측정하기 곤란하였다. 특히, 피사체에 입사된 레이저가 대부분 피사체를 투과하는 경우, 수광센서로 들어오는 광량이 작아 검출 자체가 수행되지 않는다.

이러한 문제를 해결하기 위해서는, 레이저 발광소자로부터 출사되는 광의 출력을 높이거나 피사체에 대한 레이저의 입사각(α)을 크게 해야 한다. 그러나, 레이저의 출력을 크게 하면 할수록 장치 자체의 가격이 고사양으로 인해 증가되며, 또한 피사체에 대한 레이저의 입사각을 증가시키면 레이저 발광소자와 수광센서 사이의 거리가 멀어져야 하므로 그에 따라 장치의 크기 및 가격이 증가할 수밖에 없다는 문제가 야기된다.

본 발명은 상술한 종래기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 저가인 점광 형태의 레이저를 이용하면서도 반사도가 낮은 피사체에 대하여 변위 측정을 수행할 수 있고 동시에 장치를 소형화하는데 유리한 변위측정장치 및 이를 이용한 변위계측방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명에 따른 변위측정장치는, 레이저 발광소자를 포함하는 발광모듈; 상기 레이저 발광소자로부터 출사된 광을 균일하게 분산시켜 피사체에 입사되는 입사광의 광각을 확장하는 광확산모듈; 및 상기 피사체에 의해 반사된 광을 수신하여 광의 세기를 검출하는 수광센서를 포함하는 수광모듈;을 포함하여 구성될 수 있다.

여기서, 상기 광확산모듈로는 합성수지 재질로 이루어진 광확산판을 이용할 수 있다.

또한, 본 발명에 따른 변위계측방법은, 본 발명에 따른 변위측정장치를 이용하여 반사도가 낮은 피사체에 대한 변위계측방법으로서, 상기 변위측정장치를 동작시켜 레이저 발광소자로부터 출사된 광을 광확산모듈에 의해 광각을 확장하여 상기 피사체에 입사하는 단계와, 상기 피사체로부터 반사된 광의 세기를 수광센서로 측정하는 단계와, 상기 수광센서에 의한 측정값을 기초로 광삼각법에 의해 상기 피사체의 1차 변위값을 산출하는 단계와, 상기 피사체의 1차 변위값을 미리 설정된 보정계수로 보정하여 최종 변위값을 산출하는 단계를 포함하여 구현될 수 있다.

본 발명에 따른 변위측정장치를 이용하면, 레이저의 출력을 높이거나 장치를 대형화하지 않고도, 비교적 저가의 레이저 발광소자를 이용하면서 반사도가 낮은 유리와 같은 투명한 피사체에 대한 변위 측정이 가능하다. 더구나, 본 발명에 따른 변위측정장치는 종래의 변위측정장치에 대하여 레이저가 출사되는 부분에 광확산모듈을 추가 장착함으로써 간단히 구성될 수 있다.

도 1은 종래의 레이저 변위측정장치를 이용하여 피사체의 변위를 측정하는 과정을 개략적으로 설명하는 개요도이다.
도 2는 본 발명에 따른 변위측정장치를 이용하여 투명한 피사체의 변위를 측정하는 과정을 개략적으로 설명하는 개요도이다.
도 3은 본 발명에 따른 변위측정장치를 이용하는 경우 광삼각법에 의해 산출된 변위값과 실제 변위값과의 차이가 선형성을 가짐을 보여주는 그래프이다.

이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명에 따른 레이저를 이용한 변위측정장치 및 이를 이용한 변위계측방법에 대해 자세히 설명한다.

먼저, 도 2에서 보듯이, 본 발명에 따른 레이저를 이용한 변위측정장치는, 레이저 발광소자(10)를 포함하는 발광모듈과, 레이저 발광소자(10)로부터 출사된 광을 균일하게 분산시켜 피사체(S)에 입사되는 입사광(Ib)의 광각을 확장하는 광확산모듈(30)과, 피사체(S)에 의해 반사된 광(Rb)을 수신하여 광의 세기를 검출하는 수광센서(20)를 포함하는 수광모듈로 구성될 수 있다.

여기서, 레이저 발광소자(10)로는 예컨대 655nm(가시광)의 파장을 가진 적색 반도체 레이저를 이용할 수 있다. 또한, 레이저 발광소자는 점광 형태의 광을 출사하며, 예컨대 약 200×750㎛의 스폿 직경을 가질 수 있다. 그리고, 발광모듈에는 레이저 발광소자(10)로부터 출사되는 광을 평행하게 맞춰주는 집광렌즈(12)를 더 포함할 수 있다.

한편, 이렇게 집광렌즈(12)에 의해 평행한 광으로 맞춰진 후에는, 광확산모듈(30)에 의해 광각이 균일하게 분산된다. 즉, 도 2에서 보듯이, 레이저 발광소자(10)으로부터 출사된 광이 광확산모듈(30)을 통과하면서 균일하게 분산되며, 따라서 입사광(Ib)은 피사체(S)에 다양한 각도로 입사된다. 여기서, 광확산모듈(30)은 일련의 렌즈로 구성되어 광을 분산시킬 수도 있으며, 더 바람직하게는 수지 재질로 이루어진 광확산판으로 광을 분산시킬 수도 있다. 여기서, 광확산판은 점이나 선 광원에서 나오는 빛을 면을 따라 확산시켜 전체적으로 밝기가 균일하게 보이도록 해주는 반투명 부품을 의미한다. 광확산판은 필름 형태나 고순도 아크릴 수지를 이용하여 제작될 수 있으며, 레이저 발광소자(10)으로부터 출사된 광이 고르게 확산되도록 한다.

이렇게 광확산모듈(30)을 통해 출사된 광(Ib)은 최초 레이저 발광소자(10) 와 피사체(S)의 표면에 수직한 법선이 이루는 입사각보다 더 큰 각도로 피사체(S)에 입사될 수 있다. 특히, 광확산모듈(30)에 의해 분산되는 광각의 범위를 피사체의 재질에 따른 전반사 임계각도 이상으로 조절하는 것도 가능하다. 이렇게 다양한 입사각으로 피사체(S)에 입사된 광(Ib)은 피사체(S)의 표면에서 반사되기 쉬우며, 따라서 피사체(S)에 의한 반사광(Rb)의 광량이 증가한다. 반사광(Rb)은 수광모듈로 집광되는데, 수광모듈은 반사광(Rb)을 집광하는 집광렌즈(22) 및 광의 세기를 검출하는 수광센서(20)를 포함할 수 있다. 여기서, 수광센서는 광의 파장에 따른 세기를 검출하며, 예컨대 CCD(Charged Coupled Device) 센서, CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor) 센서 등이 이용될 수 있다.

상술한 변위측정장치를 이용하면, 반사도가 극히 낮은 재질 예컨대 투명한 유리에 대하여도 변위측정이 가능하다. 즉, 종래의 레이저를 이용한 변위측정장치로 투명한 유리에 대해 변위를 측정하는 경우, 레이저가 유리에 의해 반사되는 광량이 극히 적어 측정이 불가능하였다. 그러나, 본 발명에 따른 변위측정장치를 이용하면 광확산모듈에 의해 입사광을 확산시킴으로써 반사광의 광량을 쉽게 증가시킬 수 있다. 이 경우, 종래의 광삼각법에 의한 변위계측방법과 달리 측정된 변위값에 대한 보정이 필요한데, 이하에서는 본 발명에 따른 변위측정장치를 이용하는 경우 변위계측방법에 대해 자세히 설명한다.

도 3은 본 발명에 따른 변위측정장치를 이용하여 투명한 유리를 피사체로 하여 변위를 측정한 그래프이다. 여기서, 변위측정장치의 기준거리는 65mm이며, 측정거리는 55mm ~ 105mm이었다. 도 3에서, Y축에는 본 발명에 따른 변위측정장치로 측정한 결과를 기초로 광삼각법에 의해 산출한 변위를 나타내었고, X축에는 실제 거리를 나타내었다. 도 3에서 보듯이, 광삼각법에 의해 계측된 변위값(M)은 실제 변위값(R)과 비교할 때 기준거리(즉 65mm, 그래프에서 "0"으로 표시)에서 벗어남에 따라 선형적으로 변화한다. 광삼각법에 의해 계측된 변위값이 실제 거리와 차이가 나는 이유는, 광삼각법에서 산출 기준이 된 입사각은 실제로 광확산모듈에 의해 확산된 후 피사체에 의해 반사된 반사광의 입사각과 다르기 때문이다. 그러나 광확산모듈에 의한 반사광으로 산출된 변위값은 일정한 선형성을 가지며, 이를 기초로 광삼각법에 의해 산출된 변위값을 보정하여 정확한 변위값의 계측할 수 있다.

예컨대, 도 3에 도시한 계측 결과를 참고하면, 본 발명에 따른 변위측정장치에 의해 측정된 데이터를 기초로 광삼각법에 의해 산출된 변위값(M)은 실제 변위값(R)에 대하여 일정한 선형성을 가지며, 그 기울기는 1.73579로 나타났다. 따라서, 이를 보정 계수로 설정하면 실제 변위값을 산출할 수 있다. 다시 말해서, 본 발명에 따른 변위측정장치를 이용하여 반사도가 낮은 피사체에 대한 변위를 측정하고자 하는 경우, 먼저 변위측정장치를 동작시켜 레이저 발광소자로부터 출사된 광을 광확산모듈에 의해 광각을 확장하여 상기 피사체에 입사시키고, 다음으로 피사체로부터 반사된 광의 세기를 수광센서로 측정한 후, 수광센서에 의한 측정값을 기초로 광삼각법에 의해 피사체의 1차 변위값을 산출하고, 이렇게 산출된 1차 변위값을 미리 설정된 보정계수로 나누어 최종 변위값을 산출할 수 있다.

상술한 변위계측방법을 이용하여 0.7mm 두께의 투명한 유리(실시예 1)와, 0.4mm 두께의 투명한 유리(실시예 2)에 대하여 두께를 측정하였다. 실시예 1의 경우, 마이크로미터를 이용하여 측정한 유리패널의 두께는 0.68mm이었고, 변위측정장치를 이용하여 광삼각법으로 산출한 1차 계측두께는 1.204mm이었으며, 보상계수로 보정한 최종 계측두께는 0.694mm이었다. 또한 실시예 2의 경우, 마이크로미터를 이용하여 측정한 유리패널의 두께는 0.39mm이었고, 변위측정장치를 이용하여 광삼각법으로 산출한 1차 계측두께는 0.84mm이었으며, 보상계수로 보정한 최종 계측두께는 0.484mm이었다. 이러한 결과는, 마이크로미터를 이용하여 측정한 유리패널의 측정값 오차를 감안하면 실제 두께에 근사한 결과를 나타낸다.

이상에서 살펴보았듯이, 본 발명에 따른 변위측정장치를 이용하면, 레이저의 출력을 높이거나 장치를 대형화하지 않고도, 비교적 저가의 레이저 발광소자를 이용하면서 반사도가 낮은 유리와 같은 투명한 피사체에 대한 변위 측정이 가능하다. 더구나, 본 발명에 따른 변위측정장치는 종래의 변위측정장치에 대하여 레이저가 출사되는 부분에 광확산모듈을 추가 장착함으로써 간단히 구성될 수 있다.

지금까지 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 설명하였으나, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 본질적인 특성을 벗어나지 않는 범위 내에서 변형된 형태로 구현할 수 있을 것이다. 그러므로 여기서 설명한 본 발명의 실시예는 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 하고, 본 발명의 범위는 상술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

Claims (3)

1. 레이저 발광소자를 포함하는 발광모듈;
   상기 레이저 발광소자로부터 출사된 광을 균일하게 분산시켜 피사체에 입사되는 입사광의 광각을 확장하는 광확산모듈; 및
   상기 피사체에 의해 반사된 광을 수신하여 광의 세기를 검출하는 수광센서를 포함하는 수광모듈;을 포함하는 변위측정장치.
   
2. 제1항에 있어서,
   상기 광확산모듈은 합성수지 재질로 이루어진 광확산판으로 형성된 것을 특징으로 하는 변위측정장치.
   
3. 제1항 또는 제2항 중 어느 한 항에 따른 변위측정장치를 이용하여 반사도가 낮은 피사체에 대한 변위계측방법으로서,
   상기 변위측정장치를 동작시켜 레이저 발광소자로부터 출사된 광을 광확산모듈에 의해 광각을 확장하여 상기 피사체에 입사하는 단계와,
   상기 피사체로부터 반사된 광의 세기를 수광센서로 측정하는 단계와,
   상기 수광센서에 의한 측정값을 기초로 광삼각법에 의해 상기 피사체의 1차 변위값을 산출하는 단계와,
   상기 피사체의 1차 변위값을 미리 설정된 보정계수로 보정하여 최종 변위값을 산출하는 단계를 포함하는 변위계측방법.

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