KR20070015267A - 변위 측정 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 광 삼각법을 이용하여 스캐너 장치의 병진운동과 회전운동시 발생하는 변위를 정밀하게 측정할 수 있는 변위 측정 장치에 관한 것으로서, 레이저 가공을 위한 고속, 초정밀 스캐너 장치의 병진 운동과 회전 운동을 실시간을 측정하는 것이며, 하나의 분할 광 검출기를 이용하며, 이에 따라 별도의 보정과정이 필요하지 않고, 측정 한계가 발생하지 않을 뿐만 아니라, 스캐너 장치의 내부에 장착할 수 있는 변위 측정 장치를 제공하는 것이다. 이와 같은 목적을 실시하기 위한 본 발명에 따른 변위 측정 장치는 대상물에 광을 조사하는 광원과, 상기 광의 진행경로상에 배치되어 상기 광을 직선광으로 편향시키는 편향부와, 상기 편향부와 대상물 사이에 배치되어 직선광의 초점을 조절하는 포커싱부와, 상기 대상물에 반사된 광의 광량을 측정하되, 적어도 2개의 분할면으로 분할되어 각각의 분할면에 입사된 광량을 측정하는 분할 광 검출기와, 상기 분할 광 검출기에 의하여 측정되는 광량의 변화량을 계산하여 대상물의 변위를 측정하는 제어부를 포함한다.
광원, 콜리메이트, 볼록 렌즈, 대상물, 검출, 변위, 반사

Description

변위 측정 장치 {LIGHT DISPLACEMENT MEASURING APPARATUS}
도 1은 본 발명에 따른 변위 측정 장치의 구성도이다.
도 2는 본 발명에 따른 변위 측정 장치를 사용하여 병진운동하는 대상물의 변위를 측정하는 상태도.
도 3의 (a)와 (b)는 본 발명에 따른 변위 측정 장치에 투사되는 광의 형상을 도시한 예시도.
도 4는 광의 이동변위를 도식적으로 나타낸 간략도.
도 5는 광의 이동변위와 광조사면적을 나타낸 그래프.
도 6은 본 발명에 따른 변위 측정 장치를 사용하여 회전운동하는 대상물의 변위를 측정하는 상태도.
도 7은 광의 회전변위를 도식적으로 나타낸 간략도.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
10 : 광원 12 : 콜리메이트 렌즈
14 : 볼록 렌즈 20 : 대상물
30 : 분할 광 검출기 32, 34 : 분할면
본 발명은 대상물의 이동 변위를 측정하는 변위 측정 장치에 관한 것으로서, 광 삼각법을 이용하여 스캐너 장치의 병진운동과 회전운동시 발생하는 변위를 정밀하게 측정할 수 있는 변위 측정 장치에 관한 것이다.
일반적인 레이저 가공 장치는 전자파의 유도 방출을 이용하여 빛을 증폭하여 고에너지를 갖는 레이저 빔을 발산하는 장치로서, 레이저 빔의 에너지를 조절하여 모재의 표면을 검사하거나, 절단, 또는 모재의 표면에 묻은 이물질을 세정하는 용도 등 여러 분야에 사용되고 있다. 이와 같이 레이저 빔을 이용한 레이저 가공 장치는 여러 분야에 다양한 방법으로 사용되고 있으며, 그 이용분야가 본 발명의 명세서에 의해 한정되지 않음은 당연하다.
전술된 레이저 가공 장치는 고에너지를 갖는 레이저 빔을 일방향으로 조사하여 대상물의 가공, 측정 등의 작업을 수행하는 장치이다. 이러한 레이저 가공 장치에서 발사된 레이저 빔은 이를 반사하는 스캐너 장치로 입사된 후, 상기 스캐너 장치의 병진운동 또는 회전운동에 의해 원하는 방향으로 편향되어 반사된다.
이러한 스캐너 장치는 수 nm 단위의 병진운동에 따른 변위와 수θrad의 미세한 회전각도에 의해서도 정밀도에 영향을 끼치므로, 보다 정확하게 스캐너 장치의 이동 변위를 측정하기 위한 장치가 개발되었다.
전술된 종래의 변위 측정장치는 발광부에서 나온 광을 받아 수광점의 위치를 측정하는 PSD(Position Sensitive Detector) 센서를 이용하는 것으로서, 물체에 반사된 레이저나 LED 소스의 빔이 대상물에 반사된 후, PSD에 입사하는 광을 측정한 다. 이때, PSD에 입사는 빔의 위치를 측정하면 대상물의 이동에 따라 변화되는 변위를 측정할 수 있다.
이와 같은 종래의 변위 측정 장치는 PSD의 픽셀 사이즈와 수에 따라 측정할 수 있는 변위의 한계를 갖는다. 또한 종래의 변위 측정 장치는 크기가 커서 스캐너 장치의 내부에 장착할 수 없다.
한편, 보다 정밀한 변위 이동을 측정하기 위해서는 정전용량형 센서를 이용하는데, 상기 정전용량형 센서는 병진운동에 따른 변위만을 측정할 수 있고 미세 회전 각도인 경우 두 개의 정전용량형 센서를 이용하여 두 측정 값을 이용하여 다시 각도를 계산해야 하는 불편함이 있다. 또한 회전에 따른 측정 단면적에 대한 보정을 해줘야 하는 제약이 있다.
본 발명의 목적은 이와 같은 종래의 문제를 해소하기 위한 것으로, 레이저 가공을 위한 고속, 초정밀 스캐너 장치의 병진 운동과 회전 운동을 실시간을 측정하는 것이며, 하나의 분할 광 검출기를 이용하며, 이에 따라 별도의 보정과정이 필요하지 않고, 측정 한계가 발생하지 않을 뿐만 아니라, 스캐너 장치의 내부에 장착할 수 있는 변위 측정 장치를 제공하는 것이다.
이와 같은 목적을 실시하기 위한 본 발명에 따른 변위 측정 장치는 대상물에 광을 조사하는 광원과, 상기 광의 진행경로상에 배치되어 상기 광을 직선광으로 편향시키는 편향부와, 상기 편향부와 대상물 사이에 배치되어 직선광의 초점을 조절 하는 포커싱부와, 상기 대상물에 반사된 광의 광량을 측정하되, 적어도 2개의 분할면으로 분할되어 각각의 분할면에 입사된 광량을 측정하는 분할 광 검출기와, 상기 분할 광 검출기에 의하여 측정되는 광량의 변화량을 계산하여 대상물의 변위를 측정하는 제어부를 포함한다.
여기서, 상기 광원은 적외선 발광 다이오드일 수 있다. 또한, 상기 편향부는 콜리메이트 렌즈 또는 콜레메이트 반사경 중 어느 하나를 포함하는 광학계일 수 있다. 더불어, 상기 포커싱부는 소정의 초점거리를 갖는 볼록 렌즈 또는 오목 반사경 중 어느 하나를 포함할 수 있다.
또한, 상기 분할 광 검출기는 광량의 변화량을 전압차로 변화시키는 오실로스코프를 더 포함할 수 있다.
이와 같은 본 발명의 특징적인 구성 및 이에 따른 작용효과는 첨부된 도면을 참조한 실시예의 상세한 설명을 통해 더욱 명확해 질 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 변위 측정 장치의 구성도이다.
본 발명에 따른 변위 측정 장치는, 도 1에 도시된 바와 같이, 대상물(20)의 상부 측면에 광원(10)이 배치되며, 상기 광원(10)은 상기 대상물(20)에 광을 조사한다.
상기 광원(10)은 적외선 발광 다이오드(IR LED)로 이루어질 수 있고, 레이저 또는 고출력의 할로겐 램프 등이 사용되는 것도 가능하다.
또한, 상기 광원(10)의 전방부인 광의 진행경로상에는 상기 광원(10)에서 방사방향으로 조사된 광을 직선광으로 편향시키는 편향부가 설치된다.
상기 편향부는 콜리메이트 렌즈(12)로 이루어지며, 상기 콜리메이트 렌즈(12)의 전방 또는 후방에는 상기 광원(10)에서 조사된 광의 경로를 유도하기 위한 복수의 반사경이 더 설치되는 것도 가능하다. 본 발명의 실시예에 있어서, 상기 편향부는 콜리메이트 렌즈(12)로 이루어져 있으나, 콜리메이트 반사경을 포함하는 광학계로 이루어지는 것도 물론 가능하며, 더불어, 상기 광원(10)에서 조사되는 광을 상기 콜리메이트 반사경으로 유도하기 위한 복수의 반사경을 더 포함할 수도 있다.
또한, 상기 편향부와 상기 대상물(20) 사이에는 상기 편향부의 콜리메이트 렌즈(12)에 의해 직선광으로 편향된 광의 초점을 조절하는 포커싱부가 설치된다.
상기 포커싱부는 볼록 렌즈(14)로 이루어질 수 있고, 상기 대상물(20)과의 사이에는 광의 경로를 유도하기 위한 반사경을 더 포함할 수 있다. 한편, 본 발명의 실시예에서 상기 포커싱부는 볼록 렌즈(14)로 한정되지 않으며, 오목 반사경으로 이루어지는 것도 가능하다.
한편, 상기 포커싱부에 의해 대상물(20)에 조사된 광은 반사가 이루어지고, 광이 반사되는 경로상에는 반사되는 광의 광량을 측정하기 위한 분할 광 검출기(Bi-cell Photo Detector)(30)가 설치된다.
상기 분할 광 검출기(30)는 적어도 2개의 분할면(32, 34)으로 분할되어 각각의 분할면(32, 34)에 입사된 광량을 측정한다. 즉, 상기 분할 광 검출기(30)는 각각의 분할면(32, 34) 중앙부에 입사되는 광을 측정하여, 각각의 분할면(32, 34)에 측정되는 광량의 차를 '0'으로 설정하고, 상기 대상물(20)의 병진운동에 의해 변위 가 변경될 경우 발생되는 광량의 차이를 측정한다.
이를 위해 상기 분할 광 검출기(30)에는 광량차를 전압차로 변화시키는 (도시되지 않은) 오실로스코프가 연결된다.
이와 같이, 분할 광 검출기(30)에 측정되는 광량의 변화량은 제어부에 의해 계산되며, 상기 제어부에 의해 계산값에 대한 대상물(20)의 이동 변위가 측정된다.
도 2는 본 발명에 따른 변위 측정 장치를 사용하여 병진운동하는 대상물의 변위를 측정하는 상태도이다.
먼저, 도 2에 도시된 바와 같이, 광원(10)에 전원을 공급하면 광이 발산되고, 이와 같이 발산되는 광은 콜리메이트 렌즈(12)에 의해 평행광으로 편향된다. 다음으로 상기 평행광은 볼록 렌즈(14)로 입사되며 소정의 초점 거리를 갖고 대상물(20)로 조사된다.
이와 같이, 상기 대상물(20)로 조사된 광은 입사각과 동일한 반사각으로 반사되어 분할 광 검출기(30)로 입사된다. 상기 분할 광 검출기(30)는 각각의 광 검출기로 입사되는 광량의 차이가 '0'이 되도록 설정한다.
한편, 상기 대상물(20)이 병진운동하게 되면 상기 분할 광 검출기(30)로 반사되는 광의 위치가 변하게 되며, 각각의 분할면(32, 34)에 측정되는 광량에 차이가 나게 된다. 이와 같은 광량은 오실로스코프에 의해 전압으로 측정된다.
또한, 상기 오실로스코프에 의해 측정된 전압은, 그 전압차이에 따른 대상물(20)의 이동 변위를 측정한다.
본 발명에 따른 변위 측정 장치에 투사되는 광의 형상을 도시한 예시도인 도 3의 (a)와 (b)를 참고하여 설명하면 다음과 같다.
먼저, 도 3의 (a)와 같이, 분할 광 검출기(30)의 각각의 분할면(32, 34)의 중심에 대상물(20)에 반사된 광의 중심을 일치시킨다. 이때, 각각의 분할면(32, 34)에 측정되는 광량에 따른 전압을 측정한다. 여기서, 각각의 분할면(32, 34)에 입사되는 광량은 동일하므로, 각각의 분할면(32, 34)에 측정되는 전압차는 '0'이다.
한편, 대상물(20)이 'θ'만큼 병진운동하여, 광의 형태가, 도 3의 (b)와 같이 이동하면 각각의 분할면(32, 34)에 측정되는 광량에 따른 전압이 변하며, 전압차가 발생한다.
이와 같이 분할 광 검출기(30)에 측정되는 전압차(A)는 광의 조사되는 면적차(M)와 비례하며, 면적차를 알면 [수학식 1]을 계산하여 분할 광 검출기(30)에 반사된 광의 이동변위 x1을 알 수 있다.
Figure 112005042243790-PAT00001
또한, 이동변위 'x1'을 알면, 도 4에 도시된 바와 같이, [수학식 2]를 계산하여 대상물(20)이 실제로 이동한 거리 'θ'를 계산 할 수 있다.
Figure 112005042243790-PAT00002
한편, 상기 광원(10)으로부터 조사되는 광의 형태가 원형일 경우, 변위에 따라 광의 조사면적은 도 5와 같은 형태로 변형되며, 전압차 또한 면적의 변화량에 따른 변화값을 갖는다. 여기서, 세로축은 반사된 광의 면적 M을 나타내고, 가로축은 반사된 광의 이동변위 x를 나타낸다.
한편, 도 6은 본 발명에 따른 변위 측정 장치를 사용하여 회전운동하는 대상물(20)의 변위를 측정하는 상태도로서, 회전하는 대상물(20)의 변위를 측정하기 위해서는 병진운동 측정시와 같이, 변위 측정 장치의 초기치를 설정한다.
즉, 광원(10)에 전원을 공급하면 광이 발산되고, 이와 같이 발산되는 광은 콜리메이트 렌즈(12)에 의해 평행광으로 편향된다. 다음으로 상기 평행광은 볼록 렌즈(14)로 입사되며 소정의 초점 거리를 갖고 대상물(20)로 조사된다.
이와 같이, 상기 대상물(20)로 조사된 광은 입사각과 동일한 반사각으로 반사되어 분할 광 검출기(30)로 입사된다. 상기 분할 광 검출기(30)는 각각의 분할면(32, 34)으로 입사되는 광량의 차이가 '0'이 되도록 설정한다.
전술된 바와 같이, 변위 광 검출기(30)의 초기치가 설정된 상태에서, 상기 대상물(20)이 회전운동하게 되면 상기 분할 광 검출기(30)로 반사되는 광의 위치가 변하게 되며, 각각의 분할면(32, 34)에 측정되는 광량에 차이가 나게 된다. 이와 같은 광량은 오실로스코프에 의해 전압으로 측정된다.
이때, 측정되는 전압차이는 면적차과 같고, 전술된 [수학식 3]을 계산하여 분할 광 검출기(30)에 반사된 광의 이동변위'x2'를 알 수 있다.
Figure 112005042243790-PAT00003
이와 같이 측정된 이동변위 'x2'를 통해 도 7과 [수학식 4]를 계산하여 반사광이 회전한 각도인 '2θ'를 계산할 수 있다. 이때, 상기 대상물(20)과 상기 분할 광 검출기(30)의 이격된 거리는 'R'이다.
Figure 112005042243790-PAT00004
이때, 반사광이 회전한 각도가 '2θ'일 경우, 상기 대상물(20)이 회전한 실제의 각도인 'θ'를 측정할 수 있다.
이상과 같이 본 발명에 따른 변위 측정 장치를 예시된 도면을 참조하여 설명하였으나, 본 발명은 이상에서 설명된 실시예와 도면에 의해 한정되지 않으며, 특허청구범위 내에서 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자들에 의 해 다양한 수정 및 변형될 수 있음은 물론이다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 변위 측정 장치는 레이저 가공을 위한 고속, 초정밀 스캐너 장치의 병진 운동과 회전 운동을 실시간으로 측정할 수 있어, 스캐너 장치의 작동 상태를 정확하게 제어할 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 변위 측정 장치는 별도의 보정과정이 필요하지 않고, 측정 한계가 발생하지 않을 뿐만 아니라, 소형화가 가능하여 스캐너 장치의 내부에 장착할 수 있다.

Claims (5)

  1. 대상물에 광을 조사하는 광원과,
    상기 광의 진행경로상에 배치되어 상기 광을 직선광으로 편향시키는 편향부와,
    상기 편향부와 대상물 사이에 배치되어 직선광의 초점을 조절하는 포커싱부와,
    상기 대상물에 반사된 광의 광량을 측정하되, 적어도 2개의 분할면으로 분할되어 각각의 분할면에 입사된 광량을 측정하는 분할 광 검출기와,
    상기 분할 광 검출기에 의하여 측정되는 광량의 변화량을 계산하여 대상물의 변위를 검출하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 변위 검출 장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 광원은 적외선 발광 다이오드인 것을 특징으로 하는 변위 측정 장치.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 편향부는 콜리메이트 렌즈 또는 콜레메이트 반사경 중 어느 하나를 포함하는 광학계인 것을 특징으로 하는 변위 측정 장치.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 포커싱부는 소정의 초점거리를 갖는 볼록 렌즈 또는 오목 반사경 중 어느 하나를 포함하는 광학계인 것을 특징으로 하는 변위 측정 장치.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 분할 광 검출기는 광량의 변화량을 전압차로 변화시키는 오실로스코프를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 변위 측정 장치.
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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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KR20160099188A (ko) 2015-02-11 2016-08-22 광운대학교 산학협력단 고 분해능을 가진 레이저 변위 센서 장치
KR20230005566A (ko) * 2021-07-01 2023-01-10 주식회사 뉴퐁 광량 변화를 이용한 프로브 변위량 측정 장치

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