KR20240062329A - 동일한 광 축에 광원과 광 검출기가 위치하는 광학계 및 이를 포함하는 컬러 센서 - Google Patents

Abstract

본 발명의 일 실시예에 의하면, 색깔에 따른 렌즈의 색수차를 배제하면서 검지 대상 물체의 위치 변화에도 불구하여 정확한 검지 및 판정이 가능하고 이를 통해 색깔 검지의 정확도를 향상시킨 컬러 센서를 제공할 수 있는 효과가 있다. 이를 위해 특히, 본 발명의 일 실시예는, 광원 및 광 검출기를 가지는 광학계에 있어서, 광원이 배치되는 제1 초점을 가지고, 검지 대상 물체가 배치되고 광원의 입사광이 입사되는 제2 초점을 가지는 제1 타원 반사체; 및 제1 타원 반사체와 광축을 공유하고, 광 검출기가 배치되는 제1 초점과, 검지 대상 물체의 반사광이 반사되는 제2 초점을 가지는 제2 타원 반사체를 포함하되, 제1 타원 반사체와 제2 타원 반사체는 제2 초점을 공유하는 것을 특징으로 하는 광원과 광 검출기가 동일한 광축에 위치하는 광학계를 포함한다.

Description

동일한 광 축에 광원과 광 검출기가 위치하는 광학계 및 이를 포함하는 컬러 센서{optical system in which light source and photo-detector are positioned on the same optical axis and color sensor including the same}

본 발명은 광원과 광 검출기를 가지는 광학계 및 이를 포함하는 컬러 센서에 관한 것이다.

제조 산업 분야의 자동화 시스템에는 많은 센서가 적용되는데 이러한 센서로는 자동화된 생산 라인에서 제품의 존재 유/무, 위치, 속도, 색깔 등을 검지, 판정 또는 측정하는 센서가 있다. 일반적으로 이러한 센서는 광원에서 방출된 광이 물체에 반사되어 광 검출기에 도달하는 광의 세기를 측정하는 방식이다. 특히 색깔을 판정하는 컬러 센서는 빨강(Red), 초록(Green), 파랑(Blue)의 파장대의 광을 포함한 소위, 백색광을 물체에 조사하고 물체에서 반사되는 광에서 빨강, 초록, 파랑의 광의 세기를 측정하여 색깔을 판정한다.

색깔은 일반적으로 빨강(RED), 초록(GREEN), 파랑(BLUE)의 소위 3원색의 조합으로 나타낼 수 있는데 물체의 색깔은 백색광이 물체에 반사되어 빨강, 초록 파랑의 광 검출기에 도달하는 비율로 정할 수 있다. 컬러 센서는 백색 광을 방출하는 광원과 빨간 색, 초록 색, 파란 색을 검지하는 광 검출기로 구성된다. 광원에서 방출된 광이 물체에 반사되어 각각 빨간 색 광 검출기, 초록 색 광 검출기, 파란 색 광 검출기에 도달하여 출력되는 전기 신호의 비율을 일정한 판정 기준을 거쳐 색깔을 판정한다.

컬러 센서의 광학계(Optical System)는 기본적으로 백색 광원과 빨강, 초록, 파랑 색을 검지하는 광 검출기를 구비하고 광의 효율을 높이기 위해 렌즈 등을 적용한다. 도 1은 이러한 광학계의 기본 구조를 나타낸 것이다.

도 1에서 컬러를 검지하는 방식은 광원에서 방출된 백색 광은 제 1 렌즈를 거쳐 집광되어 물체의 반사면에서 반사되어 제 2 렌즈를 거쳐 광 검출기에 도달한다. 광 검출기는 일반적으로 빨강, 초록, 파랑을 독립적으로 검출할 수 있으며 광 검출기에 도달한 광은 물체의 반사면 색깔에 따라 빨강, 초록 파랑의 비율이 달라진다. 이렇게 달라진 각 색의 비율을 이용하여 물체의 색깔을 판정한다.

컬러 센서를 제작하기 위해 렌즈가 적용된 도 1에 도시된 광학계에는 광원과 광 검출기에 대한 광축(Optic Axis)가 일치하지 않는 문제와 색깔(파장)이 다른 광에 대한 렌즈의 색수차(Chromatic Aberration) 문제로 외부 진동 등의 요인으로 물체의 반사면의 위치가 정위치에 존재하지 않아 색깔 판정의 오류가 발생하는 문제가 있었다.

본 발명은 상기와 같은 문제를 해결하기 위해 도출된 것으로서, 본 발명의 목적은, 색깔에 따른 렌즈의 색수차를 배제하면서 검지 대상 물체의 위치 변화에도 불구하여 정확한 검지 및 판정이 가능한 동일한 광 축에 광원과 광 검출기가 위치하는 광학계 및 이를 포함하는 컬러 센서를 제공하는 데 있다.

상기와 같은 본 발명의 목적은 광원 및 광 검출기를 가지는 광학계에 있어서, 광원이 배치되는 제1 초점을 가지고, 검지 대상 물체가 배치되고 광원의 입사광이 입사되는 제2 초점을 가지는 제1 타원 반사체; 및 제1 타원 반사체와 광축을 공유하고, 광 검출기가 배치되는 제1 초점과, 검지 대상 물체의 반사광이 반사되는 제2 초점을 가지는 제2 타원 반사체를 포함하되, 제1 타원 반사체와 제2 타원 반사체는 제2 초점을 공유하는 것을 특징으로 하는 광원과 광 검출기가 동일한 광축에 위치하는 광학계를 제공함으로써 달성될 수 있다.

여기서 광원은 백색 광원이고, 광 검출기는 빨강, 초록, 파랑의 색을 검지하는 광 검출기인 것이 바람직하다.

검지 대상 물체는, 표면인 반사면의 색깔을 검지 대상으로 하는 물체인 것이 바람직하다.

한편 본 발명의 목적은, 광원과 광 검출기가 동일한 광축에 위치하는 광학계를 포함하는 컬러 센서를 제공함으로써 달성될 수 있다. 여기서 컬러 센서는 검지 대상 물체에 입사광을 입사시켜 반사된 반사광을 검출 및 분석하여 검지 대상 물체의 색깔을 판정하는 광 센서를 의미한다.

상기와 같은 본 발명의 일 실시예에 의하면, 색깔에 따른 렌즈의 색수차를 배제하면서 검지 대상 물체의 위치 변화에도 불구하여 정확한 검지 및 판정이 가능하다. 이를 통해 색깔 검지의 정확도를 향상시킨 컬러 센서를 제공할 수 있는 효과가 있다.

도 1은 종래 컬러 센서의 광학계(Optical System)는 기본 구조를 나타낸 도면이고,
도 2는 종래 컬러 센서의 판정 오류 발생 문제를 광 시뮬레이션으로 확인하기 위해 구성한 광학계의 일 예를 나타낸 도면이고,
도 3은 종래 컬러 센서의 광학계를 이용한 광 시뮬레이션 결과로서, 반사면의 위치에 따른 광 검출기에서 검출된 광의 세기 분포를 위치 변화에 따른 그래프로 나타낸 도면이고,
도 4은 종래 컬러 센서의 광학계(Optical System)의 색수차에 의한 판정 오류를 설명하기 위한 도면이고,
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 광학계를 설명하기 위해 타원 반사체의 특성을 개략적으로 나타낸 도면이고,
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 광학계를 나타낸 도면이고,
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 광학계를 이용한 광 시뮬레이션 결과로서, 반사면의 위치에 따른 광 검출기에서 검출된 광의 세기 분포를 위치 변화에 따른 그래프로 나타낸 도면이다.

이하 첨부 도면들 및 첨부 도면들에 기재된 내용들을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세하게 설명하지만, 본 발명이 실시예에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다.

아래 설명하는 실시예들에는 다양한 변경이 가해질 수 있다. 아래 설명하는 실시예들은 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 이들에 대한 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

한편, 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는, 그 상세한 설명을 생략할 것이다. 그리고, 본 명세서에서 사용되는 용어(terminology)들은 본 발명의 실시예를 적절히 표현하기 위해 사용된 용어들로서, 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 본 발명이 속하는 분야의 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 따라서, 본 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.

컬러 센서를 제작하기 위해 렌즈가 적용된 도 1과 같은 광학계에는 광원과 광 검출기에 대한 광축(Optic Axis)가 일치하지 않는 문제와 색깔(파장)이 다른 광에 대한 렌즈의 색수차(Chromatic Aberration) 문제로 외부 진동 등의 요인으로 물체의 반사면의 위치가 정위치에 존재하지 않아 색깔 판정의 오류가 발생할 수 있다.

광 축의 불일치에 기인하여 물체의 위치 변동에 따른 판정 오류 문제

컬러 센서를 이용하여 물체의 컬러를 판정할 때 이상적인 경우는 물체가 항상 정 위치에 존재해야 한다. 그러나 일반적으로 컬러 센서가 사용되는 곳에는 진동 등의 요인으로 물체는 항상 정 위치에 존재한다고 볼 수 없다. 즉, 도 1에서와 같이 물체의 반사면은 제1 렌즈, 제2 렌즈의 공통 초점에 위치해야 정확한 판정이 가능하나 물체의 반사면이 제1 렌즈, 제2 렌즈의 공통 초점에서 어긋나게 되면 판정의 오류가 발생할 수 있다.

도 2는 이러한 판정 오류 발생 문제를 광 시뮬레이션으로 확인하기 위한 광학계의 구성이다. 도 1과 같은 광학계에서 해석을 위해 대칭이 되는 선을 광축(Optic Axis)로 정하였다. 2개의 렌즈는 광축 상에서 공통 초점을 가지며 그 지점을 X=0이라 하며 물체의 반사면은 광축을 따라 이동한다고 정하였다.

도 2에서와 같이, 물체의 반사면은 광축 상에 위치해 있으며 광축을 따라 +X, -X만큼 이동한다. 광원에서 방출된 광은 제1 렌즈에서 집광되어 반사면에서 반사되어 제2 렌즈를 거쳐 광 검출기에 도달한다. 광 검출기에 도달한 광의 세기는 반사면의 위치에 따라 달라지는데 그 시뮬레이션 경과는 도 3에 도시된 표와 같다.

도 3에 도시된 표에서 알 수 있듯이, 반사면이 공통 초점인 X=0에 위치했을 경우 광의 세기 분포는 대칭을 보여준다. 반사면이 초점을 중심으로 +X, -X로 이동하는 경우 광의 세기 분포는 비대칭성이 커짐을 알 수 있다. 결과적으로 반사면의 위치가 달라지면 컬러 센서를 구성하는 빨강, 초록, 파랑의 광 검출기의 위치에 따라 광의 세기가 달라지므로 각 색깔의 광의 세기의 비율을 이용하여 컬러를 판정할 때 오류가 발생하게 된다.

색수차에 의한 판정 오류 문제

색수차는 렌즈의 굴절률이 광의 색깔(파장)에 따라 달라지는 것이며 이로 인해 렌즈의 초점은 색깔에 따라 위치가 달라진다. 여기서 일반적으로 짧은 파장의 광에 대해 굴절률이 더 크다. 도 4는 렌즈의 색수차의 예시이다. 렌즈를 이용한 광학계에서 색수차 문제를 해결하기 위해 볼록 렌즈(Convex Lens)와 오목 렌즈(Concave Lens)의 조합으로 광학계를 구성한다. 그러나 이러한 방법으로 색수차 문제를 해결한다면 다수의 렌즈를 제작해야 하므로 광학계 제작에 비용이 상승하는 문제가 있다.

전술한 바와 같이 컬러 센서가 색을 판정하는데 빨강, 초록, 파랑 각 파장에 대한 색수차 문제는 물체의 반사면 위치가 변동되면 색깔 판정에 오류가 발생할 수 있음은 자명하다.

동일한 광 축에 광원과 광 검출기가 위치하는 광학계

이러한 문제를 해결하기 위해서 본 발명은 복수의 반사체를 동일한 광축에 배치하는 광학계를 이용한다. 여기서 반사체는 타원 반사체를 적용한다. 타원 반사체는 타원 반사면에 대해 2개의 초점을 가지며 이를 각 제1 초점, 제2 초점이라 하였을 경우 제1 초점에서 방출된 광은 반사면에서 반사되어 제2 초점으로 수렴하며 반대로 제2 초점에서 방출된 광은 제1 초점으로 수렴한다.

본 발명의 일 실시예는 도 5의 타원 반사체의 반사 특성으로부터 2개의 타원을 동일 광축 상에 위치하는 광학계를 구성할 수 있다. 여기서 광축은 도 6에 도시된 바와 같이, 타원의 초점 간 연결 선으로 정한다.

도 6에서 제1 타원의 제1 초점에는 광원이 위치하고 제2 타원은 제1 초점에는 광 검출기가 위치한다. 제1 타원과 제2 타원은 광축을 공유하는데 각 타원의 제2 초점 또한 공유한다. 물체의 반사면은 공통 초점인 제2 초점에 위치한다.

제1 타원의 제1 초점에 위치한 광원에서 방출된 광은 제1 타원의 반사면에서 반사되어 공통 초점인 제2 초점에 수렴하며 제2 초점에 위치한 반사면에서 반사된 광은 제2 타원의 반사면에 도달하여 반사되고 제2 타원의 제1 초점에 위치한 광 검출기에 수렴한다. 이러한 광학계에서 광 경로는 광축에 대해 대칭을 갖는다. 즉 광축을 중심으로 광학계가 회전하여도 동일한 결과를 보유준다. 이러한 실제 결과는 역시 광 시뮬레이션의 결과를 나타낸 도 7의 도면을 통해 확인할 수 있다.

도 7에 도시된 표에서 알 수 있듯이 물체의 반사면의 위치 변화에도 광 검출기에서의 광의 세기 분포는 동일한 형태를 갖는다. 다만, 물체의 반사면이 공통 초점인 제2 초점에 위치한 경우에 대해 광축 방향으로 이동하면 광 검출기에서의 광의 세기는 줄어 드는데 이는 눈금의 스케일로 확인할 수 있다. 이는 광의 세기만 변화되는 것이나 광의 분포는 동일한 형태로 유지되므로 컬러 센서의 빨강, 초록, 파랑의 광의 비율은 동일하게 유지됨을 의미한다.

결과적으로 본 발명에서 제시하는 도 6에 도시된 것과 같은 형태의 광학계를 적용하여 컬러 센서를 제작하면 색깔을 판정하는 물체가 정위치에 존재하지 않더라도 정확한 색깔의 판정이 가능하여 판정 오류가 발생하지 않아 기존 렌즈를 이용한 방식의 컬러 센서의 문제를 해결할 수 있다.

이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시 예를 설명하였지만, 상술한 본 발명의 기술적 구성은 본 발명이 속하는 기술 분야의 당 업자가 본 발명의 그 기술적 사상이나 필수적 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시 예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적인 것이 아닌 것으로서 이해되어야 한다. 아울러, 본 발명의 범위는 상기의 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어진다. 또한, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 등가 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

Claims (4)

1. 광원 및 광 검출기를 가지는 광학계에 있어서,
   광원이 배치되는 제1 초점을 가지고, 검지 대상 물체가 배치되고 상기 광원의 입사광이 입사되는 제2 초점을 가지는 제1 타원 반사체; 및
   상기 제1 타원 반사체와 광축을 공유하고, 광 검출기가 배치되는 제1 초점과, 상기 검지 대상 물체의 반사광이 반사되는 제2 초점을 가지는 제2 타원 반사체를 포함하되,
   상기 제1 타원 반사체와 상기 제2 타원 반사체는 제2 초점을 공유하는 것을 특징으로 하는 광원과 광 검출기가 동일한 광축에 위치하는 광학계.
   
2. 제1 항에 있어서,
   상기 광원은 백색 광원이고, 상기 광 검출기는 빨강, 초록, 파랑의 색을 검지하는 광 검출기인 것을 특징으로 하는 광원과 광 검출기가 동일한 광축에 위치하는 광학계.
   
3. 제1 항에 있어서,
   상기 검지 대상 물체는, 표면인 반사면의 색깔을 검지 대상으로 하는 물체인 것을 특징으로 하는 광원과 광 검출기가 동일한 광축에 위치하는 광학계.
   
4. 제1 항 내지 제3 항 중 어느 하나의 광학계를 포함하는 컬러 센서.