KR20180078099A - 레이저 거리측정센서 및 그의 설계방법 - Google Patents

Abstract

레이저 거리측정센서 및 그의 설계방법에 관한 것으로, 레이저빔을 조사하는 발광부 및 상기 발광부에서 조사된 레이저빔이 피사체에서 반사되는 레이저빔을 수광하는 수광부를 포함하고, 상기 수광부에 마련되는 촬상소자는 전체 촬상소자면이 측정범위에 포함되는 레이저 선 상의 모든 점에 대해 초점이 맞도록 설계된 설치각도로 설치되는 구성을 마련하여, 촬상소자면이 전체 측정거리에 대해 초점이 맞도록 촬상소자의 각도를 설정해서 측정거리와 무관하게 정밀도를 유지할 수 있다는 효과가 얻어진다.

Description

레이저 거리측정센서 및 그의 설계방법{LASER DISPLACEMENT SENSOR AND DESIGN METHOD THEREOF}

본 발명은 레이저 거리측정센서 및 그의 설계방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 촬상소자면이 전체 측정거리에 대해 초점이 맞도록 촬상소자의 각도를 설계한 레이저 거리측정센서 및 그의 설계방법에 관한 것이다.

거리측정은 측정 대상 물체의 길이, 폭, 두께, 면적 등의 치수를 계량화하기 위한 기본적인 방법으로, 일상생활에는 물론 산업 전반에 걸쳐 광범위하게 사용되고 있다.

산업 현장에서 거리측정은 예를 들면 유리기판의 두께측정, 웨이퍼의 위치결정, 브레이크 디스크의 두께측정, IC 핀 체크, 금속샤프트의 기울기 측정, 수지코팅의 유무 확인, 알루미늄 휠의 홀 검출, 및 금속드럼 이음새 검출 등 다양한 분야에 사용되고 있다.

거리측정에서 측정의 정밀도와 측정속도가 향상됨에 따라 생산 제품이 소형화 및 정밀화되고 제품의 생산속도가 급속하게 증가하고 있다.

거리측정방식은 접촉식과 비접촉식으로 크게 구분할 수 있으며, 측정의 정밀도와 측정속도의 측면에서 비접촉식 중에서도 레이저 거리측정 센서(레이저 변위 센서)가 최적의 방법으로 각광받고 있다.

레이저 거리측정센서는 빛을 매체로 함에 따라 매우 빠른 측정이 가능하며, 비접촉식으로 거리를 측정함에 따라 생산라인에서 이동하는 물체, 고온의 물체 등 측정 대상체와 환경의 영향을 받지 않는 장점이 있다.

특히, 레이저 빔은 단색성, 직진성, 집속 특성이 우수함에 따라, 정밀한 측정을 담보할 수 있다.

이로 인해, 대부분의 분야에서 레이저 거리측정센서가 활용되고 있다.

이러한 레이저 거리측정센서에서 주요 요소기술로는 광원, 수광소자(렌즈, 센서), 레이저 컨트롤 기술, DAQ(DataAcQuisition) 기술 등이 있다.

예를 들어, 하기의 특허문헌 1 및 특허문헌 2 등에는 레이저 거리측정센서 기술을 개시되어 있다.

특허문헌 1에는 측정대상물체의 고유한 특성에 따라 컨트롤러가 레이저 광의 출력과 투광시간을 조절하여 센서로 입력되는 레이저 광의 분포를 줄임으로써 측정의 정밀도를 향상시키고, 센서로부터 전송된 데이터를 처리하여 시작좌표값, 끝좌표값, 중심인덱스를 연산하여 모니터링부로 전송함으로써 빛을 매체로 하는 레이저 변위센서의 장점을 극대화하여 신속 정확한 측정값을 산출하는 레이저 변위센서 시스템 구성이 기재되어 있다.

특허문헌 2에는 레이저 거리측정센서와 심추적 카메라를 이용해서 자동으로 SAW(Submerged Arc Welding) 주판용접의 용접심을 추종하며, 용접토치의 높이를 조절하는 자동 심추적장치 구성이 기재되어 있다.

도 1은 종래기술에 따른 레이저 거리측정센서의 구성도이다.

도 1에 도시된 바와 같이, 종래기술에 따른 레이저 거리측정센서는 레이저빔을 조사하는 레이저 다이오드(1) 및 레이저 다이오드(1)에서 조사된 레이저빔이 피사체(3)에서 반사되는 레이저빔을 수광하는 촬상소자(2)를 포함한다.

대한민국 특허 등록번호 제10-1400635호(2014년 5월 29일 공고) 대한민국 특허 등록번호 제10-0827645호(2008년 5월 7일 공고)

그러나 종래기술에 따른 레이저 거리측정센서에서 촬상소자(2)는 초점거리에 위치한 피사체(3)에서 반사되는 레이저빔과 직교하도록 설계된다.

이와 같이, 종래기술에 따른 레이저 거리측정센서는 단초점 방식의 광학계를 사용하기 때문에, 측정 거리에 따라 초점이 맞는 정도가 달라지며 초점이 맞지 않을 경우 정밀도가 저하되는 문제점이 있었다.

그리고 종래기술에 따른 레이저 거리측정센서는 초점영역을 넓히기 위해 조리개 수치를 높이고 높은 출력의 레이저를 사용하는 경우, 고출력 레이저의 사고 발생으로 인해 사용자의 안전을 위협하는 문제점이 있었다.

본 발명의 목적은 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 촬상소자면이 전체 측정거리에 대해 초점이 맞도록 촬상소자의 각도를 설정해서 측정거리와 무관하게 정밀도를 유지할 수 있는 레이저 거리측정센서를 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 낮은 조리개 수치의 렌즈와 낮은 출력의 레이저를 사용해서 안전성을 향상시킬 수 있는 레이저 거리측정센서를 제공하는 것이다.

상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 레이저 거리측정센서는 레이저빔을 조사하는 발광부 및 상기 발광부에서 조사된 레이저빔이 피사체에서 반사되는 레이저빔을 수광하는 수광부를 포함하고, 상기 수광부에 마련되는 촬상소자는 전체 촬상소자면이 측정범위에 포함되는 레이저 선 상의 모든 점에 대해 초점이 맞도록 설계된 설치각도로 설치되는 것을 특징으로 한다.

상기 촬상소자는 상기 레이저 선 상에 있는 세 점(p₁ 내지 p₃)에 배치된 물체들이 상기 렌즈에 의한 상이 위치하는 세 점(q₁ 내지 q₃)이 이루는 하나의 직선에 전체 촬상소자면이 위치하도록 배치되고, 상기 점 p₁은 상기 레이저 선과 상기 렌즈의 광학축 상의 점인 것을 특징으로 한다.

상기 촬상소자의 설치각도(ψ_ccd)는 수학식 1에 의해 산출되는 것을 특징으로 한다.

.....[수학식 1]

여기서, q₁x는 q₁ 점의 x 좌표, q₃x는 q₃ 점의 x 좌표, q₃y는 q₃ 점의 y 좌표.

또한, 상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 레이저 거리측정센서의 설계방법은 피사체에서 반사되는 레이저빔을 수광하는 수광부에 마련되는 촬상소자가 전체 촬상소자면이 측정범위에 포함되는 레이저 선 상의 모든 점에 대해 초점이 맞도록 설치각도로 설계되는 것을 특징으로 한다.

상기 촬상소자는 상기 레이저 선 상에 있는 세 점(p₁ 내지 p₃)에 배치된 물체들이 상기 렌즈에 의한 상이 위치하는 세 점(q₁ 내지 q₃)이 이루는 하나의 직선에 전체 촬상소자면이 위치하도록 배치되고, 상기 점 p₁은 상기 레이저 선과 상기 렌즈의 광학축 상의 점인 것을 특징으로 한다.

상기 촬상소자의 설치각도(ψ_ccd)는 수학식 1에 의해 산출되는 것을 특징으로 한다.

.....[수학식 1]

여기서, q₁x는 q₁ 점의 x 좌표, q₃x는 q₃ 점의 x 좌표, q₃y는 q₃ 점의 y 좌표.

상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 레이저 거리측정센서 및 그의 설계방법에 의하면, 촬상소자면이 전체 측정거리에 대해 초점이 맞도록 촬상소자의 각도를 설정해서 측정거리와 무관하게 정밀도를 유지할 수 있다는 효과가 얻어진다.

이에 따라, 본 발명에 의하면, 촬상소자의 설치각도를 설계해서 고정밀도의 레이저 거리측정센서를 구현할 수 있다는 효과가 얻어진다.

이에 따라, 본 발명에 의하면, 낮은 조리개 수치의 렌즈를 사용하므로, 낮은 출력의 레이저를 사용해서 고출력 레이저 사용시 발생하는 사고를 미연에 예방하고, 레이저 거리측정센서의 안전성을 향상시킬 수 있다는 효과가 얻어진다.

도 1은 종래기술에 따른 레이저 거리측정센서의 구성도이다.
도 2는 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 레이저 거리측정센서의 구성도,
도 3은 도 2에 도시된 촬상소자의 각도를 설계하는 방법을 설명하는 예시도,

이하 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 레이저 거리측정센서 및 그의 설계방법을 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.

도 2는 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 레이저 거리측정센서의 구성도이다.

이하에서는 '좌측', '우측', '전방', '후방', '상방' 및 '하방'과 같은 방향을 지시하는 용어들은 각 도면에 도시된 상태를 기준으로 각각의 방향을 지시하는 것으로 정의한다.

본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 거리측정센서(10)는 도 2에 도시된 바와 같이, 레이저빔을 조사하는 발광부(20) 및 발광부(20)에서 조사된 레이저빔이 피사체에서 반사되는 레이저빔을 수광하는 수광부(30)를 포함한다.

발광부(20)는 레이저빔을 조사하는 레이저 다이오드(21)와 레이저 다이오드(21)에서 조사된 레이저빔을 평행하게 집중시키는 조준렌즈(collimating lens)(22)를 포함할 수 있다.

수광부(30)는 피사체에서 반사되는 레이저빔을 집광하는 렌즈(31)와 집광된 레이저빔을 수광해서 전기적인 신호로 변환하는 촬상소자(32)를 포함할 수 있다.

이와 함께, 수광부(30)는 피사체에서 반사되는 레이저빔의 파장 대역을 필터링하는 필터(도면 미도시)를 더 포함할 수 있다.

촬상소자(32)는 CMOS(Complementary Metal-Oxide Semiconductor) 또는 CCD(Charge Coupled Device) 라인 센서 등 다양한 센서로 마련될 수 있다.

즉, 촬상소자(32)는 PSD(Position Sensitivity Device) 소자를 사용한 아날로그 방식과, CCD, CMOS와 같은 소자를 사용한 디지털 방식을 모두 적용 가응하다.

다만, 상기 PSD 소자의 경우, 입광된 전체 빛의 중심위치를 측정하기 때문에 LCD, PDP 등에 사용되는 유리박막의 표면 측정에 적용이 어렵고, 실제 피크값을 고려하지 않고 단순히 빛의 중심위치만을 인식하므로 오차발생률이 높다.

반면, CCD 또는 CMOS 라인센서는 측정대상물체 상의 스팟 빔이 입사했을 때 화소별 광량을 검출하여 거리를 환산하므로, 실제 피크값이 고려되어 오차발생률이 상대적으로 낮은 특성이 있다.

즉, CCD 또는 CMOS 라인센서와 같은 디지털 소자는 빛의 세기가 가장 강한 픽셀의 주소(index)를 인식함에 따라, 표면까지의 안정적인 측정이 가능하다.

한편, 본 실시 예에서 촬상소자(32)는 전체 촬상소자면이 측정범위에 포함되는 레이저빔이 조사되는 선(이하 '레이저 선(LL)'이라 함) 상의 모든 점에 대해 초점이 맞도록 설치각도가 설계된다.

도 3을 참조하여 촬상소자의 각도를 설계하는 방법을 상세하게 설명한다.

도 3은 촬상소자의 설치각도를 설계하는 방법을 설명하는 예시도이다.

도 3에서 레이저 선(LL) 상의 모든 점이 전체 촬상소자면에서 초점이 맞기 위해서는 레이저 선(LL) 상의 각 점이 직선을 이루어야만 한다.

여기서, P1은 렌즈(31)의 광학축(OL) 상에 있는 레이저 선(LL) 상의 점으로, 렌즈(31)의 중심과의 거리는 l이다.

P2와 P3는 레이저 선(LL) 상의 점들이다.

렌즈에서 물체거리, 상거리, 초점거리 간의 관계를 나타내는 렌즈 방정식은 아래의 수학식 1로 나타낼 수 있다.

여기서, f는 초점거리, o는 물체거리, i는 상거리이다.

P1 내지 P3의 좌표값은 렌즈(31)의 중심과의 거리(l)를 이용해서 다음과 같이 표현될 수 있다.

P1=(l,0),

,

따라서 수학식 1은 수학식 2와 같이 나타낼 수 있다.

그래서

,

,

이고,

,

,

이다.

q₁, q₂, q₃가 하나의 직선 상에 존재하기 위해서는 세 점 중에서 q₁과 q₂를 지나는 직선과 q₁과 q₃를 지나는 직선의 방정식이 서로 동일해야 함에 따라,

가 된다.

이를 풀이하면,

이고, 다시

가 된다.

여기서, l*f + q₁x*f = q₁x*l이 되어 수학식 2를 성립함에 따라 q₁, q₂, q₃는 하나의 직선 위에 있다.

따라서 임의의 레이저 각도 θ_laser에 대해 전 영역에 초점이 맞기 위한 촬상소자의 각도 φ_ccd는 아래의 수학식 3을 이용해서 산출할 수 있다.

도 4는 종래기술과 본 발명에 따른 레이저 거리측정센서의 측정결과를 예시한 도면이다.

종래기술에 따른 레이저 거리측정센서를 이용하는 경우, 도 4의 (a)에 도시된 바와 같이 '0'점에 초점이 맞음에 따라, '0'점 부근의 일부 영역만이 선명하게 촬상된다.

반면, 본 발명에 따른 레이저 거리측정센서를 이용하는 경우, 도 4의 (b)에 도시된 바와 같이, '0'점에 초점을 맞추더라도, '-1'점에서 '+6'점까지의 전체 영역이 선명하게 촬상됨을 확인할 수 있다.

상기한 바와 같은 과정을 통하여, 본 발명은 촬상소자면이 레이저 선상의 모든 점의 초점이 맞도록 촬상소자의 각도를 설계할 수 있다.

이에 따라, 본 발명은 촬상소자면이 전체 측정거리에 대해 초점이 맞도록 촬상소자의 각도를 설정해서 측정거리와 무관하게 정밀도를 유지할 수 있다.

이에 따라, 본 발명은 낮은 조리개 수치의 렌즈를 사용하므로, 낮은 출력의 레이저를 사용해서 고출력 레이저 사용시 발생하는 사고를 미연에 예방하고, 레이저 거리측정센서의 안전성을 향상시킬 수 있다.

이상 본 발명자에 의해서 이루어진 발명을 상기 실시 예에 따라 구체적으로 설명하였지만, 본 발명은 상기 실시 예에 한정되는 것은 아니고, 그 요지를 이탈하지 않는 범위에서 여러 가지로 변경 가능한 것은 물론이다.

본 발명은 촬상소자면이 레이저 선상의 모든 점의 초점이 맞도록 촬상소자의 설치각도를 설계해서 측정거리와 무관하게 정밀도를 유지하는 레이저 거리측정센서 기술에 적용된다.

10: 레이저 거리측정센서
20: 발광부
21: 레이저 다이오드
22: 조준렌즈
30: 수광부
31: 렌즈
32: 촬상소자
LL: 레이저 선
OL: 광학축

Claims (6)

1. 레이저빔을 조사하는 발광부 및
   상기 발광부에서 조사된 레이저빔이 피사체에서 반사되는 레이저빔을 수광하는 수광부를 포함하고,
   상기 수광부에 마련되는 촬상소자는 전체 촬상소자면이 측정범위에 포함되는 레이저 선 상의 모든 점에 대해 초점이 맞도록 설계된 설치각도로 설치되는 것을 특징으로 하는 레이저 거리측정센서.
2. 제1항에 있어서,
   상기 촬상소자는 상기 레이저 선 상에 있는 세 점(p₁ 내지 p₃)에 배치된 물체들이 상기 렌즈에 의한 상이 위치하는 세 점(q₁ 내지 q₃)이 이루는 하나의 직선에 전체 촬상소자면이 위치하도록 배치되고,
   상기 점 p₁은 상기 레이저 선과 상기 렌즈의 광학축 상의 점인 것을 특징으로 하는 레이저 거리측정센서.
3. 제1항에 있어서,
   상기 촬상소자의 설치각도(ψ_ccd)는 수학식 1에 의해 산출되는 것을 특징으로 하는 레이저 거리측정센서.
   

   

   .....[수학식 1]
   여기서, q₁x는 q₁ 점의 x 좌표, q₃x는 q₃ 점의 x 좌표, q₃y는 q₃ 점의 y 좌표.
4. 발광부에서 조사된 레이저빔이 피사체에서 반사되는 레이저빔을 수광하는 수광부에 마련되는 촬상소자가 전체 촬상소자면이 측정범위에 포함되는 레이저 선 상의 모든 점에 대해 초점이 맞도록 설치각도로 설계되는 것을 특징으로 하는 레이저 거리측정센서의 설계방법.
5. 제4항에 있어서,
   상기 촬상소자는 상기 레이저 선 상에 있는 세 점(p₁ 내지 p₃)에 배치된 물체들이 상기 렌즈에 의한 상이 위치하는 세 점(q₁ 내지 q₃)이 이루는 하나의 직선에 전체 촬상소자면이 위치하도록 배치되고,
   상기 점 p₁은 상기 레이저 선과 상기 렌즈의 광학축 상의 점인 것을 특징으로 하는 레이저 거리측정센서의 설계방법.
6. 제4항에 있어서,
   상기 촬상소자의 설치각도(ψ_ccd)는 수학식 1에 의해 산출되는 것을 특징으로 하는 레이저 거리측정센서의 설계방법.
   

   

   .....[수학식 1]
   여기서, q₁x는 q₁ 점의 x 좌표, q₃x는 q₃ 점의 x 좌표, q₃y는 q₃ 점의 y 좌표.

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