WO2021149915A1

WO2021149915A1 - 멀티라인 생성 레이저 장치

Info

Publication number: WO2021149915A1
Application number: PCT/KR2020/017992
Authority: WO
Inventors: 김영훈; 김은규
Original assignee: 유사이언스
Priority date: 2020-01-20
Filing date: 2020-12-10
Publication date: 2021-07-29
Also published as: KR102478482B1; KR20210093674A

Abstract

본 발명은 멀티라인 생성 레이저 장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 점 광원으로 생성되는 레이저 빔을 조사하는 광원소스, 상기 광원소스의 일정 거리 선단에서 상기 점 광원을 라인 광으로 변화시켜 생성하는 라인제너레이터, 상기 라인제너레이터의 선단에 배치되어 상기 라인 광을 소정 각도로 회절 시켜 투과시키는 제1 격자체와 상기 제1 격자체의 선단에서 결합되어 상기 제1 격자체을 투과한 레이저 빔을 소정 각도로 재회절 시켜 투과시키는 제2 격자체를 포함하여 구성되어, 상기 라인제너레이터와 제1, 제2 격자체를 투과한 레이저 빔의 선폭이 50 내지 100㎛의 미세 멀티라인을 형성하게 하는 멀티라인 생성 레이저 장치에 관한 것이다.

Description

멀티라인 생성 레이저 장치

본 발명은 멀티라인 생성 레이저 장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 레이저 광원에서의 나오는 점 광을 일정 패턴을 갖는 회절 광학계에 투과시켜 멀티 라인 빔으로 형성하게 하는 멀티라인 생성 레이저 장치에 관한 것이다.

종래의 라인 레이저를 이용한 검사장치는 기계적인 스캔을 통해 정보를 획득해야 하며, 이를 위한 부가적인 장치와 기술이 요구됨으로써 광원 자체로서의 정보입수에 한계를 드러내고 있다.

또한, 종래 기술로는 백색이나 단색 광원의 패턴 광을 여러 형태로 방사함으로써 반사광의 정보변화를 인식하여 정보를 수집하는 방식의 기술이 있다.

그러나 이와 같은 종래 기술은 넓은 범위를 검색할 수 있고 별도의 기계적인 스캔이 없이 정보를 받을 수 있으나, 주변 조도환경에 영향을 받고 먼 거리의 정보를 수급하기에는 어려운 기술로서, 정밀한 사물인식이 어려운 단점이 있었다.

상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 종래의 기술로서, 대한민국 특허공개공보 제10-2017-0122577호(2017.11.06.)에서 2D 패턴 레이저 모듈을 개시하고 있다.

이 종래 기술은 2D 패턴 레이저 모듈에 관한 것으로, 레이저 빔을 조사하는 레이저 소스, 삼각라인 격자구조를 포함하며 레이저 소스에서 상에 배치되어 조사된 레이저 빔이 투과하는 제1 투명 격자체, 및 삼각라인 격자 구조를 포함하며 제1 투명 격자체 상에 배치되어 제1 투명 격자체를 투과한 레이저 빔이 투과하는 제2 투명 격자체를 포함하여 2차원의 일정한 패턴광을 형성한다.

그러나 상기의 종래 기술은 제1 격자체을 투과한 레이저 빔을 소정 각도로 재회절 시켜 투과시키는 제2 격자체를 포함하여 구성되고는 있으나, 본 발명에서와 같이 레이저 빔이 집광된 점 광원으로부터 일정 라인광으로 1차 변환하고, 이를 다시 하나의 쌍으로 달라붙어 결합되어 있는 회절 광학계를 이용하여 라인의 균일도가 일정한 초미세 선폭의 멀티라인 광을 형성하게 하는 것과는 구조적 차이가 있다. 이와 같이 본 발명은 종래 기술에 대한 구조를 개선하여 만들어진 새로운 멀티라인 생성 레이저 장치를 제공하고자 하는 것이다.

본 발명은 전술한 종래기술의 문제점을 해결하기 위해 도출된 것으로, 본 발명의 목적은, 광원소스로부터의 점 광을 라인 광으로 변환하고, 다시 일정 패턴을 갖는 격자 회절 광학계에 투과시켜 라인의 균일도가 일정한 초미세 선폭의 멀티라인 광을 형성하게 하는 멀티라인 생성 레이저 장치를 제공하고자 하는 것이다.

상기 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명의 멀티라인 생성 레이저 장치는 점 광원으로 생성되는 레이저 빔을 조사하는 광원소스, 상기 광원소스의 일정 거리 선단에서 상기 점 광원을 라인 광으로 변화시켜 생성하는 라인제너레이터, 상기 라인제너레이터의 선단에 배치되어 상기 라인 광을 소정 각도로 회절 시켜 투과시키는 제1 격자체와 상기 제1 격자체의 선단에서 결합되어 상기 제1 격자체을 투과한 레이저 빔을 소정 각도로 재회절 시켜 투과시키는 제2 격자체를 포함하여 구성되어, 상기 라인제너레이터와 제1, 제2 격자체를 투과한 레이저 빔의 선폭이 50 내지 100㎛의 미세 멀티라인으로 형성되게 하는 것을 특징으로 할 수 있다.

또한, 본 발명의 상기 라인제너레이터는 초점거리가 5 내지 21㎜를 갖는 글라스형 실린더 렌즈인 것을 특징이 있다.

또한, 본 발명의 상기 라인제너레이터는 일정 피치와 일정 경사각을 갖는 삼각라인 패턴이 격자 구조로 이루어진 투명 격자 구조체인 것을 특징으로 할 수 있다.

또한, 본 발명의 상기 제1 격자체 및 제2 격자체는 10㎛ 내지 0.2 ㎜의 피치 간격으로, 10 내지 40도의 경사각을 갖는 삼각라인 구조의 패턴이 구비되어 이루어진 투명 격자 구조체인 특징이 있다.

또한, 본 발명의 상기 제1 격자체와 제2 격자체는 하나의 쌍으로 달라붙어 결합되어 삼각라인 격자 패턴의 라인 방향이 상호 직교하여 이루어진 것을 특징으로 할 수 있다.

또한, 본 발명의 상기 광원소스는 레이저 다이오드(laser diode, LD)를 포함하고, 상기 레이저 다이오드는 전면에 초접점 집광렌즈를 구비하여, 상기 레이저 다이오드에서 생성된 레이저 빔이 집광된 점 광원으로 조사되는 것을 특징이 있다.

전술한 본 발명의 멀티라인 생성 레이저 장치에 의하면, 멀티라인 광원에 의한 2차원 레이저 방사가 가능하고, 3D 정보를 다른 스캔 없이 한 번에 확인이 가능하며, 이에 따른 3D 정보 센싱의 속도를 향상시킬 수 있는 효과가 있다.

또한, 본 발명에 의한 멀티라인 생성 레이저 장치는 한번에 2차원 영역의 여러 곳의 스캔에 따른 측정이 가능한 효과가 있다.

또한, 본 발명에 의한 멀티라인 생성 레이저 장치는 격자 회절 광학계를 이용함으로써 광학계가 간단하고 기존의 굴절 광학계에서 어려운 균일한 멀치라인 광분포를 구현할 수 있어, 넓은 평면에서 편차가 적은 균일한 검사의 수행이 가능하며, 심도(측정 깊이)가 깊은 영역의 검사가 가능한 장점이 있다.

도 1은 본 발명에 따른 멀티라인 생성 레이저 장치의 구성을 보여주는 예시도이다.

도 2a는 본 발명의 제1 실시예에 따른 실린더 렌즈와 회절 광학계를 투과하여 형성되는 멀티라인 생성 광 경로를 표현하는 예시도이고,

도 2b는 본 발명의 제2 실시예에 따른 격자 구조체와 회절 광학계를 투과하여 형성되는 멀티라인 생성 광 경로를 표현하는 예시도이다.

도 3a는 본 발명에 따른 제1 격자체와 제2 격자체를 보여주는 예시도이고,

도 3b는 도 3a에 따른 제1 격자체와 제2 격자체의 단면도와 삼각라인 격자 패턴의 세부 사항을 도시한 예시도이다.

도 4는 본 발명의 실시예에 따라 생성되는 멀티라인 광에 대한 예시도이다.

도 5는 본 발명에 따른 회절 광학계를 사용한 레이저 광의 특성과 일반 광학계를 사용한 레이저 광의 특성 차이를 보여주는 참조도이다.

본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.

따라서 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.

이하 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하면 아래와 같다.

도 1은 본 발명에 따른 멀티라인 생성 레이저 장치의 구성을 보여주는 예시도이고, 도 2a는 본 발명의 제1 실시예에 따른 실린더 렌즈와 회절 광학계를 투과하여 형성되는 멀티라인 생성 광 경로를 표현하는 예시도이며, 도 2b는 본 발명의 제2 실시예에 따른 격자 구조체와 회절 광학계를 투과하여 형성되는 멀티라인 생성 광 경로를 표현하는 예시도이다.

도 1, 도 2a 및 도 2b에서와 같이 본 발명의 멀티라인 생성 레이저 장치는 광원소스(100), 라인제너레이터(200) 및 회절 광학계(제1 격자체와 제2 격자체)(300)를 포함하여 구성되어, 상기 광원소스(100)에서 조사된 점 광이 투과되어 일정 미세 선폭의 멀티라인 레이저 빔이 형성되게 하는 것이다.

상기 광원소스(100)는 광원이 되는 레이저 빔을 생성하는 것으로서, 발광 다이오드(LED) 또는 레이저 다이오드(laser diode, LD) 등을 포함하여 생성되는 집광 광원이면 어느 것이던 변경 적용이 가능하다.

이때 레이저 광의 집광을 위하여 광원소스(100) 전면에 초접점 집광렌즈가 구비될 수 있고, 이를 통하여 집광된 점 광원이 조사되게 되는 것이다.

상기 라인제너레이터(200)는 상기 집광된 점 광을 라인 광으로 변화시켜 생성시키는 역할을 하는 것으로서, 상기 광원소스(100)의 일정 거리 선단에서 출력되는 점 광원을 투과시켜 라인 광으로 변화시킨다.

본 발명에서는 상기 라인제너레이터(200)에 해당하는 것을 실린더 렌즈(Cylinder lens, CL)(210), 그레이팅 구조체(220) 또는 광 필터(미도시)등을 사용하여 이루어질 수 있다.

이에 도 2a는 실린더 렌즈와 회절 광학계를 투과하여 형성되는 멀티라인 생성 광 경로를 표현하는 예시도이다.

실린더 렌즈(CL)(210)란 일반적으로 입사광을 한 줄에 초점을 맞추거나 단일 축에서만 이미지 확대가 가능하여 이미지의 화면 비(aspect ratio)를 변경하는데 사용되는 렌즈이다. 즉 상기 실린더 렌즈는 하나의 원통형의 형상으로 입사광을 한 줄로 초점을 맞추고 길게 늘여 라인 생성에 적합한 렌즈라 할 수 있다.

본 발명의 상기 실린더 렌즈(210)는 초점거리가 5 내지 21㎜를 갖는 글라스형 렌즈인 것을 특징으로 한다.

이에 따라 상기 광원소스(100)로부터의 점 광을 실린더 렌즈(210)와 회절 광학계(제1 격자체와 제2 격자체)(300)를 투과하여 형성된 광 경로 상에 멀티라인이 형성되게 된다.

즉 상기 라인제너레이터(200)와 회절 광학계(제1 격자체, 제2 격자체)(300)를 투과한 레이저 빔은 선폭이 50 내지 100㎛의 미세 멀티라인이 형성되게 된다.

또한, 도 2b는 본 발명의 제2 실시예에 따른 격자 구조체와 회절 광학계를 투과하여 형성되는 멀티라인 생성 광 경로를 표현하는 예시도이다.

이때 상기 라인제너레이터(200)는 일정 피치와 일정 경사각을 갖는 삼각라인 패턴이 격자 구조로 이루어진 그레이팅(grating) 구조체(220)로서, 상기 격자 구조 패턴은 100㎛ 간격과 40도 이하의 경사각을 갖는 삼각라인으로 구성되는 격자 구조체이다.

이에 따라 상기 광원소스(100)로부터의 점 광을 그레이팅 구조체(220)와 회절 광학계(제1 격자체와 제2 격자체)(300)를 투과하여 형성된 광 경로 상에 멀티라인이 형성되게 된다.

본 발명의 상기 회절 광학계(300)는 상기 라인제너레이터(200)의 선단에 배치되는 제1 격자체(310)와 제2 격자체(320)가 하나의 쌍으로 달라붙어 결합되어 이루어진 투명 격자 구조체이다.

즉 상기 회절 광학계(300)는 상기 라인제너레이터(200)의 선단에 배치되어 상기 라인 광을 소정 각도로 회절 시켜 1차 패턴 빔을 생성하는 투명한 제1 격자체(310)와, 상기 제1 격자체(310)의 선단에서 달라붙어 결합되어 상기 제1 격자체(310)를 투과한 레이저 빔을 소정 각도로 재회절 시켜 투과시키는 투명한 제2 격자체(320)로 구성되어진다.

이에 도 3a는 본 발명에 따른 제1 격자체와 제2 격자체를 보여주는 예시도이고, 도 3b는 도 3a에 따른 제1 격자체와 제2 격자체의 단면도와 삼각라인 격자 패턴의 세부 사항을 도시한 예시도이다. 그리고 도 4는 본 발명의 실시예에 따라 생성되는 멀티라인 광(500)에 대한 예시도이다.

도시에서와 같이 본 발명의 제1 격자체(310)와 제2 격자체(320)는 일정 피치와 일정 경사각을 갖는 삼각라인 격자 패턴(311, 321)으로 형성될 수 있다.

이때, 상기 삼각라인 격자 패턴(311, 321)의 피치는 10㎛ 내지 0.2㎜로 형성될 수 있으며, 상기 삼각라인 격자 패턴(311, 321)의 경사각은 40도(°) 이하로서, 10도 내지 40도로 형성될 수 있다.

이에 보다 바람직하게는, 상기 삼각라인 격자 패턴(311, 321)의 피치는 100㎛(0.1㎜)의 피치 간격으로 형성될 수 있으며, 상기 삼각라인 격자 패턴(311, 321)의 경사각은 35도 내지 37도로 형성될 수 있다.

한편, 상기 삼각라인 격자 패턴(311, 321)의 높이는 0.03㎜로 형성될 수 있으며, 상기 삼각라인 격자 패턴(311, 321)이 형성되는 제1, 제2 격자체의 두께는 0.20㎜로 형성될 수 있다.

이에 상기 제1 격자체(310)의 삼각라인 격자 패턴(311)과 상기 제2 격자체(320)의 삼각라인 격자 패턴(321)의 라인 방향이 상호 직교되도록 형성되어, 레이저 빔의 선폭이 50 내지 100㎛의 미세 복수 라인을 갖는 일정한 멀티라인 광(500)을 형성하여 스캔에 활용할 수 있게 되는 것이다.

도 5의 (a)는 일반 광학계를 사용한 레이저 광의 특성으로서, 일반 렌즈를 사용하게 되면. 렌즈의 굴절율에 따른 초점 거리(Focal Length)가 형성되게 되고, 이에 따라 측정 영역이 일정 부분으로 한정되는 단점을 가질 수 있다.

이에 도 5의 (b)는 본 발명에 따른 회절 광학계를 사용한 레이저 광의 특성을 보여주고 있다. 도시와 같이 제1, 제2 격자체로 이루어진 회절 광학계를 이용함으로서 일반 렌즈에서 생성되는 초점 거리가 없어지게 되고, 이에 따른 깊은 심도, 즉 광범위한 측정 영역을 얻을 수 있는 레이저 장치를 제공할 수 있다.

전술한 바와 같이 본 발명의 상세한 설명에서는 바람직한 실시예들에 관하여 설명하였지만, 본 발명의 기술분야에서 통상의 지식을 가진 사람이라면 하기의 청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음은 이해할 수 있을 것이다.

Claims

점 광원으로 생성되는 레이저 빔을 조사하는 광원소스,

상기 광원소스의 일정 거리 선단에서 상기 점 광원을 라인 광으로 변화시켜 생성하는 라인제너레이터,

상기 라인제너레이터의 선단에 배치되어 상기 라인 광을 소정 각도로 회절 시켜 투과시키는 제1 격자체와

상기 제1 격자체의 선단에서 결합되어 상기 제1 격자체을 투과한 레이저 빔을 소정 각도로 재회절 시켜 투과시키는 제2 격자체를 포함하여 구성되어,

상기 라인제너레이터와 제1, 제2 격자체를 투과한 레이저 빔의 선폭이 50 내지 100㎛의 미세 멀티라인으로 형성되게 하는 것을 특징으로 하는 멀티라인 생성 레이저 장치.
청구항 1에 있어서,

상기 라인제너레이터는 초점거리가 5 내지 21㎜를 갖는 글라스형 실린더 렌즈인 것을 특징으로 하는 멀티라인 생성 레이저 장치.
청구항 1에 있어서,

상기 라인제너레이터는 일정 피치와 일정 경사각을 갖는 삼각라인 패턴이 격자 구조로 이루어진 투명 격자 구조체인 것을 특징으로 하는 멀티라인 생성 레이저 장치.
청구항 1에 있어서,

상기 제1 격자체 및 제2 격자체는 10㎛ 내지 0.2㎜의 피치 간격으로, 10 내지 40도의 경사각을 갖는 삼각라인 구조의 패턴이 구비되어 이루어진 투명 격자 구조체인 것을 특징으로 하는 멀티라인 생성 레이저 장치.
청구항 4에 있어서,

상기 제1 격자체와 제2 격자체는 하나의 쌍으로 달라붙어 결합되어 삼각라인 격자 패턴의 라인 방향이 상호 직교하여 이루어진 것을 특징으로 하는 멀티라인 생성 레이저 장치.
청구항 1에 있어서,

상기 광원소스는 레이저 다이오드(laser diode, LD)를 포함하고, 상기 레이저 다이오드는 전면에 초접점 집광렌즈를 구비하여, 상기 레이저 다이오드에서 생성된 레이저 빔이 집광된 점 광원으로 조사되는 것을 특징으로 하는 멀티라인 생성 레이저 장치.