KR20070076431A - 반사형 광학센서 및 측정면의 표면조도 검출방법 - Google Patents

반사형 광학센서 및 측정면의 표면조도 검출방법 Download PDF

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KR20070076431A
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Abstract

본 발명은 검출정밀도가 높고, 제조비용이 저렴한 표면조도 측정용 센서를 제공한다.
단일파장의 빛을 발광하는 발광소자(2)와, 발광소자(2)의 발광광에 수광감도를 가지는 두 개의 수광소자(3f, 3n)를 구비하며, 수광소자(3f, 3n)는 각각의 광축(Xdf, Xdn)이 대략 평행하게 설치되고, 발광소자(2)와 수광소자(3f)는 각각의 광축 Xe와 Xdf가 반사형 광학센서(1)로부터 소정의 거리(Fa)만큼 떨어진 위치(Pxf)에서, 발광소자(2)와 수광소자(3n)는 각각의 광축 Xe와 Xdn이 반사형 광학센서(1)로부터 소정의 거리(Ne)만큼 떨어진 위치(Pxn)에서, 각각 교차하도록 배치되어 있다. 측정포인트(S)에 발광소자(2)의 광축(Xe)과 수광소자(3f)의 광축(Xdf)이 교차하는 수발광광축 크로스포인트(Pxf)가 위치하며, 또한 측정포인트(S)에서의 법선(SN)에 대하여 발광소자(2)의 광축(Xe)과 수광소자(3f)의 광축(Xdf)이 동일각(θ)이 되도록 반사형 광학센서(1)를 설치하여 측정한다.
반사형 광학센서, 표면조도

Description

반사형 광학센서 및 측정면의 표면조도 검출방법{A reflection type optics sensor and a surface coarseness detection method of the measurement side}
도 1은 본 발명에 따른 반사형 광학센서의 실시예 1을 나타내는 것으로, (a)는 반사형 광학센서의 개념도, (b) 및 (c)는 측정시의 개념도이다.
도 2는 실시예 1의 측정 결과를 나타내는 그래프이다.
도 3은 본 발명에 따른 반사형 광학센서의 실시예 2를 나타내는 것으로, (a)는 반사형 광학센서의 개념도, (b)는 측정시의 개념도이다.
도 4는 본 발명에 따른 반사형 광학센서의 실시예 3을 나타내는 것으로, (a)는 반사형 광학센서의 개념도, (b)는 측정시의 측정 개념도이다.
도 5는 본 발명에 따른 반사형 광학센서의 실시예 4에서의 측정시의 측정 개념도이다.
도 6은 본 발명에 따른 반사형 광학센서의 실시예 5에서의 측정시의 개념도이다.
도 7은 비교예의 반사형 광학센서를 나타내는 개략도이다.
도 8은 본 발명 및 비교예에서의 측정에서 사용하는 피측정물의 사양을 나타내는 표이다.
도 9는 본 발명과 비교예의 판별특성을 나타내는 그래프이다.
도 10은 종래의 반사형 광학센서를 나타내는 개념도이다.
**부호의 설명**
1:반사형 광학센서 2:발광소자
3, 3f, 3n:수광소자 4:발광부
5:피측정물 6:표면
7f, 7n:라이트 가이드 8:빔 스플리터(beam splitter)
본 발명은 물체표면에 조사한 빛의 반사광을 검출함으로써 물체표면의 조도(粗度)를 광학적으로 검지하는 반사형 광학센서, 및 이것을 사용한 측정면의 표면조도 검출방법에 관한 것으로, 구체적으로는 컬러 복사, 컬러 프린터 등의 인쇄지(보통지, 광택지, 재생지, 코팅지, OHP 시트 등)를 판별하는 매체 센서, 도장면 등의 광택도를 측정하는 광택 센서, FA분야에서 사용되는 여러 가지 부재의 재질을 판별하는 재질판별 센서 등으로서의 기능을 가지는 반사형 광학센서, 및 이것을 사용한 측정면의 표면조도 검출방법에 관한 것이다.
종래, 이러한 종류의 반사형 광학센서에는 아래에 서술하는 바와 같은 것이 제안되고 있다. 예를 들어, 도 10에 나타내는 바와 같이, 발광 다이오드(LED)나 레이저 다이오드 등의 단일파장의 빛을 발광하는 발광소자를 발광원으로 하는 투광기(50)와, 포토 다이오드나 포토 트랜지스터 등의 수광소자를 수광원으로 하는 수 광기(51)를, 물체표면의 수직선에 대한 입사각(θ)과 반사각(θ)이 동일해지도록 대치시키고, 투광기(50)에는 편광판(52)이 설치되고, 수광기(51)에는 편광 빔 스플리터(53)가 설치되며, 편광 빔 스플리터(53)에서 분리된 반사광을 수광하도록 보정수광기(54)가 설치되어 있다.
이러한 구성의 반사형 광학센서(55)에서, 투광기(50)로부터 출사된 단일파장의 빛은 편광판(52)을 통과하여 어느 특정한 방향으로 진동면을 가지는 기울어진 빛인「편광」이 되어 물체표면(56)에 조사되며, 물체표면(56)에서 반사된 편광은 편광 빔 스플리터(53)에서 분리되고 수광기(51)와 보정수광기(54) 각각에서 검출되어 신호를 출력한다.
이 때, 피측정물의 물체표면(56)에서 반사된 편광 중, 투광기(50)로부터 출사되어 편광판(52)을 통과한 편광과 동일방향의 진동면을 가지는 편광은, 편광 빔 스플리터(53)를 통하여 수광기(51)에서 검출되며, 서로 다른 진동면을 가지는 편광은, 마찬가지로 편광 빔 스플리터(53)를 통하여 보정수광기(54)에서 검출된다.
그 결과, 각각 수광된 편광에 근거하는 수광기(51)의 출력과 보정수광기(54)의 출력의 비율을 산출함으로써, 피측정물의 표면조도를 검지할 수 있다(예를 들어, 일본공개특허 평10-281991호 공보 참조).
상기 구성의 반사형 광학센서는, 보통지, 광택지, 재생지, 코팅지, OHP 시트 등의 인쇄지의 인쇄 매체 판별이 가능한 것 이상으로, 예를 들어, 하나의 인쇄 매체인 광택지를 광택도에 근거하여 더욱 상세하게 판별할 수 있을 정도의 정밀도를 가지고 있으며, 검출분해능도 높다.
그렇지만, 상기 구성의 반사형 광학센서는, 구성부품에 편광광학소자(편광판 및 편광 빔 스플리터)가 필요하기 때문에, 제조비용이 비싸진다는 문제점도 동시에 가지고 있었다.
그래서, 본 발명은 상기 문제에 감안하여 이루어진 것으로, 그 목적은 검출정밀도가 높고, 제조비용이 저렴한 표면조도 측정용 센서를 제공하는 것이다.
상기 과제를 해결하기 위하여, 본 발명의 청구항 1에 기재된 발명은, 발광부 및 상기 발광부로부터의 발광광을 수광하는 수광부를 구비하며, 상기 발광부와 수광부의 광축이 상기 발광부의 발광방향 및 상기 수광부의 수광방향에서 소정의 각도로 교차하도록 설치된 수발광부; 및
상기 수발광부를 가동가능하게 지지하는 수발광부 가동 지지부를 포함하는 것을 특징으로 하는 것이다.
또한, 본 발명의 청구항 2에 기재된 발명은, 청구항 1에 있어서,
상기 광축의 교차각의 이등분선이 피측정물의 측정면에 수직이며, 상기 광축의 교차점이 상기 피측정물의 측정면 상에 위치될 때, 상기 발광부로부터 출사되고, 상기 피측정물의 측정면에서 반사되어 상기 수광부에서 검출되는 광량과,
상기 교차각의 이등분선을 따라 상기 수발광부를 가동시켜 상기 수발광부와 상기 피측정물의 측정면 사이의 거리를 변화시킨 상태에서, 상기 발광부로부터 출사되고, 상기 피측정물의 측정면에서 반사되어 상기 수광부에서 검출되는 광량을 연산처리함으로써, 상기 피측정물의 표면조도를 검출하는 것을 특징으로 하는 것이다.
또한, 본 발명의 청구항 3에 기재된 발명은, 발광부 및 상기 발광부로부터의 발광광을 수광하는 수광부를 구비하며, 상기 발광부와 수광부의 광축이 상기 발광부의 발광방향 및 상기 수광부의 수광방향에서 소정의 각도로 교차하도록 설치된 수발광부; 및
피측정물의 측정면을 측정면에 수직인 방향으로 가동가능하게 지지하는 피측정물 가동 지지부를 포함하는 것을 특징으로 하는 것이다.
또한, 본 발명의 청구항 4에 기재된 발명은, 청구항 3에 있어서,
상기 광축의 교차각의 이등분선이 피측정물의 측정면에 수직이며, 상기 광축의 교차점이 상기 피측정물의 측정면 상에 위치될 때, 상기 발광부로부터 출사되고 상기 피측정물의 측정면에서 반사되어 상기 수광부에서 검출되는 광량과,
상기 교차각의 이등분선을 따라 상기 피측정물의 측정면을 가동시켜 상기 수발광부와 상기 피측정물의 측정면 사이의 거리를 변화시킨 상태에서, 상기 발광부로부터 출사되고 상기 피측정물의 측정면에서 반사되어 상기 수광부에서 검출되는 광량을 연산처리함으로써, 상기 피측정물의 표면조도를 검출하는 것을 특징으로 하는 것이다.
또한, 본 발명의 청구항 5에 기재된 발명은, 발광부; 및
상기 발광부의 발광광을 수광하도록 구성된 제1 및 제2 수광부를 포함하고,
상기 제1 및 제2 수광부는, 상기 발광부와 각 수광부의 광축이 상기 발광부 의 발광방향 및 상기 각 수광부의 수광방향에서 소정의 동일각도로 교차하도록, 서로 평행하게 설치된 것을 특징으로 하는 것이다.
또한, 본 발명의 청구항 6에 기재된 발명은, 청구항 5에 있어서,
상기 발광부와 각 수광부의 교차각들의 이등분선이 피측정물의 측정면에 수직이고, 상기 발광부와 상기 제1 수광부의 교차점이 피측정물의 측정면 상에 위치하며, 상기 발광부와 상기 제2 수광부의 교차점이 상기 발광부와 상기 피측정물의 측정면 사이에 위치한 상태에서,
상기 발광부로부터 출사되고 상기 피측정물의 측정면에서 반사되어 상기 제1 수광부에서 검출되는 광량과, 상기 발광부로부터 출사되고 상기 피측정물의 측정면에서 반사되어 상기 제2 수광부에서 검출되는 광량을 연산처리함으로써, 상기 피측정물의 표면조도를 검출하는 것을 특징으로 하는 것이다.
또한, 본 발명의 청구항 7에 기재된 발명은, 청구항 1 내지 청구항 6 중 어느 한 항에 있어서,
상기 발광부는 발광 다이오드 또는 레이저 다이오드를 포함하며, 상기 수광부는 포토 다이오드 또는 포토 트랜지스터를 포함하는 것을 특징으로 하는 것이다.
또한, 본 발명의 청구항 8에 기재된 발명은,
발광소자로부터 측정대상으로 빛을 조사하고, 상기 측정대상으로부터의 반사광을 수광소자로 수광하는 제1 단계;
상기 수광소자로부터의 출력을 제1 기억영역에 저장하는 제2 단계;
상기 발광소자와 측정대상 사이의 거리를 변화시키는 제3 단계;
상기 발광소자로부터 측정대상으로 빛을 조사하고, 상기 측정대상으로부터의 반사광을 수광소자로 수광하는 제4 단계;
상기 수광소자로부터의 출력을 제2 기억영역에 저장하는 제5 단계;
상기 제1 기억영역 및 상기 제2 기억영역 각각에 저장된 출력을 이용하여 연산하는 제6 단계; 및
상기 연산 결과를 출력하는 제7 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 것이다.
검출정밀도가 높고, 제조비용이 저렴한 표면조도 측정용 센서를 제공한다는 목적을, 발광소자로부터 출사된 단일파장의 빛을 피측정물의 표면에 조사하고, 조사면의 서로 다른 위치에서 반사된 2개의 정반사광을, 상기 발광소자의 발광광에 수광감도를 가지는 2개의 수광소자 또는 2개의 수광부를 하나의 패키지 내에 실장한 수광소자 중 어느 하나로 검출하여, 그 검출광량을 연산처리함으로써 피측정물의 표면조도를 검지할 수 있는 간단한 구성의 반사형 광학센서로 함으로써 실현하였다.
이하, 본 발명의 적절한 실시예를 도 1 내지 도 9를 참조하면서 상세히 설명한다(동일 부분에 대해서는 같은 부호를 사용한다). 또한, 아래에 서술하는 실시예는 본 발명의 적절한 구체예이기 때문에, 여러 가지 기술적으로 바람직하게 한정되어 있으나, 본 발명의 범위는, 아래의 설명에서 특별히 본 발명을 한정한다는 기재가 없는 한, 이 실시예들에 의해 한정되지 않는다.
(실시예 1)
도 1은 본 발명의 반사형 광학센서에 따른 실시예 1을 나타내는 개념도이다. 본 실시예에서의 반사형 광학센서(1)는 도 1의 (a)와 같이, 광학 다이오드(LED)나 레이저 다이오드 등의 단일파장의 빛을 발광하는 발광체(베어칩;Bare Chip)가 1개 실장된(도시하지 않음) 발광소자(2)와, 포토 다이오드나 포토 트랜지스터 등의 빛을 검출하는 수광체(베어칩)가 1개 실장된(도시하지 않음) 수광소자(3)에 의해 구성된 수발광부(4)를 구비하고 있다. 수발광부(4)를 구성하는 발광소자(2)와 수광소자(3)는, 각각의 광축 Xe와 Xd가 수발광부(4)로부터 소정의 거리(Fa)만큼 떨어진 위치(Px)에서 교차하도록 설치되어 있다.
그래서, 피측정물의 표면조도를 측정하는 경우에는, 먼저 도 1의 (b)와 같이, 표면조도를 측정하는 피측정물(5) 표면(6)의 측정포인트(S)에 수발광 광축 크로스포인트(Px)가 위치하고, 또한 피측정물(5) 표면(6)의 측정포인트(S)에서의 법선(SN)에 대하여, 발광소자(2)의 광축(Xe)과 수광소자(3)의 광축(Xd)이 동일각(θ)이 되도록 반사형 광학센서(1)를 설치한다.
그리고, 발광소자(2)에 전압을 공급하여 점등시키면, 발광소자(2)로부터 출사된 빛은 수발광 광축 크로스포인트(Px)이기도 한 피측정물(5) 표면(6)의 측정포인트(S)에 이르고, 측정포인트(S)에서 반사된 정반사광이 수광소자(3)에서 검출된다. 이 때, 수광소자(3)로부터는 수광광량에 대응한 출력신호(Vof)가 송출된다.
다음으로, 도 1의 (c)와 같이 피측정물(5) 표면(6)이 수발광 광축 크로스포 인트(Px)보다도 반사형 광학센서(1)쪽이며, 또한 수발광부(4)로부터의 거리가 소정의 거리가 되는 위치로 수발광부(4)를 가동시킨다. 그리고 다시, 발광소자(2)에 전압을 공급하여 점등시키고, 발광소자(2)로부터 출사되어 피측정물(5) 표면(6)에서 반사된 정반사광을 수광소자(3)에서 검출한다. 이 때, 수광소자(3)로부터는 수광광량에 대응한 출력신호(Von)가 송출된다.
상기 조작에 의해 얻어진 수광소자(3)의 출력신호 Vof와 Von의 비 또는 차이를 산출하고, 그 결과를 미리 작성해 둔 표와 대조하여 피검출물 표면의 상태를 추정함으로써, 매체 판별, 종이류 판별, 재질 판별 등이 가능해진다.
도 2는, 반사형 광학센서(1)의 수발광부(4)와 피측정물(5) 표면(6)의 거리와, 수광소자(3)로부터 송출되는 출력신호와의 관계(「거리-출력특성」. 이하, 거리특성이라고 한다)를, 보통지, 광택지 및 OHP 시트의 세 가지 매체에 대하여 나타낸 그래프이다.
가로축은 수발광부와 피측정물 표면의 거리, 세로축은 수광소자의 상대출력을 나타내고 있다. 이 그래프로부터, OHP 시트와 같이 피측정물의 표면상태가 경면(鏡面)에 가까운 경우에는, 거리특성의 최고치가 수발광부와 피측정물 표면의 거리가 짧은 쪽에 존재하고, 보통지와 같이 피측정물의 표면상태가 확산면에 가까워져 빛의 확산정도가 커짐에 따라, 거리특성의 최고치가 수발광 광축 크로스포인트에 가까워지는 것을 알 수 있다.
또한, 매체의 경우, Vof/Von>1의 관계가 성립될 때는 보통지, Vof/Von≒1의 관 계가 성립될 때는 광택지, Vof/Von<1의 관계가 성립될 때는 OHP 시트인 것을 특정할 수 있다. 따라서, Vof와 Von의 관계를 구함으로써 매체 판별이 가능하다는 것도 알 수 있다.
또한, 본 실시예에서는 피측정물을 고정하고 반사형 광학센서의 수발광부를 가동시킴으로써, 수발광부와 피측정물 표면의 거리를 조정하는 구성으로 하였으나, 수발광부를 고정하고 피측정물을 가동시키는 구성으로 해도 되고, 수발광부와 피측정물 모두를 가동시키는 구성으로 해도 된다. 즉, 수발광부와 피측정물의 거리를 상대적으로 조정할 수 있는 구성이라면, 어떤 구성이어도 상관없다.
(실시예 2)
도 3은 본 발명의 반사형 광학센서에 따른 실시예 2를 나타내는 개념도이다. 본 실시예는 상술한 실시예 1과 같은 검출원리에 근거하는 것이지만, 실시예 1에서는 한 쌍의 수발광소자로 구성된 수발광부를 피측정물 표면에 대하여 가동시키는 구조로 한 것에 대하여, 본 실시예에서는 도 3의 (a)와 같이, 반사형 광학센서(1)는 1개의 발광소자와 2개의 수광소자(3f, 3n)로 구성되어 있고, 발광소자(2) 및 수광소자(3f, 3n)는 반사형 광학센서(1) 내에 고정되어 있다.
2개의 수광소자(3f, 3n)는 각각의 광축(Xdf, Xdn)이 대략 평행하도록 설치되어 있으며, 발광소자(2)와 수광소자(3f)는 각각의 광축 Xe와 Xdf가 반사형 광학센서(1)로부터 소정 거리(Fa)만큼 떨어진 위치(Pxf)에서 교차하도록 배치되어 있다.
또한, 발광소자(2)와 수광소자(3n)는, 각각의 광축 Xe와 Xdn이 반사형 광학센서(1)로부터 소정의 거리(Ne)만큼 떨어진 위치(Pxn)에서 교차하도록 배치되어 있다. 발광소자(2)의 광축(Xe)과 2개의 수광소자(3f, 3n) 각각의 광축(Xdf, Xdn)이 교차하는 수발광 광축 크로스포인트(Pxf, Pxn)는, 반사형 광학센서(1)에 가까운 쪽에서부터 Pxn, Pxf의 순서로 위치되어 있다.
이러한 구성의 반사형 광학센서(1)에 의해 피측정물의 표면조도를 측정하는 경우에는, 도 3의 (b)와 같이, 표면조도를 측정하는 피측정물(5) 표면(6)의 측정포인트(S)에, 발광소자(2)의 광축(Xe)과 수광소자(3f)의 광축(Xdf)이 교차하는 수발광 광축 크로스포인트(Pxf)가 위치하며, 또한 피측정물(5) 표면(6)의 측정포인트(S)에서의 법선(SN)에 대하여 발광소자(2)의 광축(Xe)과 수광소자(3f)의 광축(Xdf)이 동일각(θ)이 되도록 반사형 광학센서(1)를 설치한다. 이 때문에, 발광소자(2)의 광축(Xe)과 수광소자(3n)의 광축(Xdn)이 교차하는 수발광 광축 크로스포인트(Pxn)는, 피측정물(5)의 표면(6)과 반사형 광학센서(1)의 사이에 위치하게 된다.
그리고, 발광소자(2)에 전압을 공급하여 점등시키면, 발광소자(2)로부터 출사된 빛은 수발광 광축 크로스포인트(Pxf)이기도 한 피측정물(5) 표면(6)의 측정포인트(S)에 이르고, 측정포인트(S)에서 반사된 정반사광이 수광소자(3f)에서 검출된다. 이 때, 수광소자(3f)로부터는 수광광량에 대응한 출력신호(Vof)가 송출된다.
또한 동시에, 발광소자(2)로부터 출사되어 수발광광축 크로스포인트(Pxf)이기도 한 피측정물(5) 표면(6)의 측정포인트(S)에 이르고, 측정포인트(S)에서 반사된 정반사광 중 일부는 수광소자(3n)에서 검출된다. 이 때, 수광소자(3n)로부터는 수광광량에 대응한 출력신호(Von)가 송출된다.
이 때, 미리 규정된 표면조도를 가지는 피측정물을 측정하여 그 때의 수광소자(3f, 3n) 각각의 출력신호(Vof, Von)가 동일 레벨이 되도록 조정해 두고, 상기 실측시에 얻어진 수광소자(3f, 3n) 각각의 출력신호(Vof, Von)의 비 또는 차이를 산출하거나, 혹은 피측정물을 측정했을 때의 수광소자(3f, 3n) 각각의 출력신호(Vof, Von)를 기억해 두며, 그 출력신호(Vof, Von)의 비 또는 차이를 산출하여 얻어진 결과를 미리 작성해 둔 표와 대조하여 피검출물 표면의 상태를 추정함으로써, 매체 판별, 종이류 판별, 재질 판별 등이 가능해진다.
예를 들어, 규정된 표면조도를 가지는 피측정물을 광택지로 하고, 미리 광택지를 측정하여 그 때의 수광소자(3f, 3n) 각각의 출력신호(Vof, Von)가 동일 레벨이 되도록 조정해 두며, 매체 판별하고 싶은 피측정물의 측정에서 얻어진 수광소자(3f, 3n) 각각의 출력신호를 Vof, Von라고 하면, Vof/Von>1의 관계가 성립될 때는 보통지, Vof/Von≒1의 관계가 성립될 때는 광택지, Vof/Von<1의 관계가 성립될 때는 OHP 시트인 것을 특정할 수 있다. 따라서, Vof와 Von의 관계를 구함으로써 매체 판별 이 가능하다는 것도 알 수 있다.
본 실시예의 반사형 광학센서에서는 가동부가 필요없기 때문에, 구조가 간단하고 제조비용이 저렴하다.
(실시예 3)
도 4는 본 발명의 반사형 광학센서에 따른 실시예 3을 나타내는 개념도이다. 본 실시예는 상술한 실시예 2와 마찬가지로, 반사형 광학센서(1)는 1개의 발광소자(2)와 2개의 수광소자(3f, 3n)로 구성되어 있고, 발광소자(2) 및 수광소자(3f, 3n)는 반사형 광학센서(1) 내에 고정되어 있다. 또한, 2개의 수광소자(3f, 3n)는 각각의 광축(Xdf, Xdn)이 대략 평행하도록 설치되어 있다.
본 실시예가 상기 실시예 2와 다른 점은, 본 실시예에서는 도 4의 (a)와 같이, 수광소자(3f, 3n)에는 각각 투광성 재료로 이루어지는 라이트 가이드(7f, 7n)가 설치되어 있으며, 발광소자(2)와 라이트 가이드(7f)는 발광소자(2)의 광축(Xe)과 라이트 가이드(7f)의 광축(Xgf)이 반사형 광학센서(1)로부터 소정의 거리(Fa)만큼 떨어진 위치(Pxf)에서 교차하도록 배치되어 있다.
또한, 발광소자(2)와 라이트 가이드(7n)는, 발광소자(2)의 광축(Xe)과 라이트 가이드(7n)의 광축(Xgn)이 반사형 광학센서(1)로부터 소정 거리(Ne)만큼 떨어진 위치(Pxn)에서 교차하도록 배치되어 있다. 발광소자(2)의 광축(Xe)과 2개의 라이트 가이드(7f, 7n) 각각의 광축(Xgf, Xgn)이 교차하는 수발광 광축 크로스포인트(Pxf, Pxn)는, 반사형 광학센서(1)에 가까운 쪽에서부터 Pxn, Pxf의 순서로 위치되어 있다.
또한, 수광소자(3f)의 광축(Xdf)과 수광소자(3f)에 설치된 라이트 가이드(7f)의 광축(Xgf)은 동일선상에 있지 않고, 마찬가지로 수광소자(3n)의 광축(Xdn)과 수광소자(3n)에 설치된 라이트 가이드(7n)의 광축(Xgn)도 동일선상에 있지 않다. 따라서, 라이트 가이드(7f)의 광축(Xgf)과 라이트 가이드(7n)의 광축(Xgn)의 간격을, 수광소자(3f)의 광축(Xdf)과 수광소자(3n)의 광축(Xdn)의 간격보다 접근시킬 수 있게 되어, 반사형 광학센서의 소형화에 기여하는 구성으로 이루어져 있다.
이러한 구성의 반사형 광학센서(1)에 의해 피측정물의 표면조도를 측정하는 경우에는, 도 4의 (b)와 같이, 표면조도를 측정하는 피측정물(5) 표면(6)의 측정포인트(S)에, 발광소자(2)의 광축(Xe)과 수광소자(3f)에 설치된 라이트 가이드(7f)의 광축(Xgf)이 교차하는 수발광 광축 크로스포인트(Pxf)가 위치하며, 또한 피측정물(5) 표면(6)의 측정포인트(S)에서의 법선(SN)에 대하여 발광소자(2)의 광축(Xe)과 수광소자(3f)에 설치된 라이트 가이드(7f)의 광축(Xgf)이 동일각(θ)이 되도록 반사형 광학센서(1)를 설치한다. 이 때문에, 발광소자(2)의 광축(Xe)과 수광소자(3n)에 설치된 라이트 가이드(7n)의 광축(Xgn)이 교차하는 수발광 광축 크로스포인트(Pxn)는, 피측정물(5) 표면(6)과 반사형 광학센서(1)의 사이에 위치하게 된다.
그리고, 발광소자(2)에 전압을 공급하여 점등시키면, 발광소자(2)로부터 출사된 빛은 수발광 광축 크로스포인트(Pxf)이기도 한 피측정물(5) 표면(6)의 측정포인트(S)에 이르고, 측정포인트(S)에서 반사된 정반사광이 라이트 가이드(7f) 안을 도광(導光)하여 수광소자(3f)에서 검출된다. 이 때, 수광소자(3f)로부터는 수광광량에 대응한 출력신호(Vof)가 송출된다.
또한 동시에, 발광소자(2)로부터 출사되어 수발광 광축 크로스포인트(Pxf)이기도 한 피측정물(5) 표면(6)의 측정포인트(S)에 이르고, 측정포인트(S)에서 반사된 정반사광 중 일부는 라이트 가이드(7n) 안을 도광하여 수광소자(3n)에서 검출된다. 이 때, 수광소자(3n)로부터는 수광광량에 대응한 출력신호(Von)가 송출된다.
또한, 그 후의 출력신호처리는 상기 실시예 2와 마찬가지이므로 설명은 생략한다.
본 실시예의 경우, 수광소자(3f, 3n) 각각에 설치되는 라이트 가이드(7f, 7n)는, 개별적으로 형성된 수광소자와 라이트 가이드를 접속함으로써 일체화해도 되고, 수광소자의 제작시에 라이트 가이드를 일체형성해도 된다.
(실시예 4)
도 5는 본 발명의 반사형 광학센서에 따른 실시예 4를 나타내는 개념도이다. 본 실시예는 상술한 실시예 2 및 실시예 3과 마찬가지로, 반사형 광학센서(1)는 1개의 발광소자(2)와 2개의 수광소자(3f, 3n)로 구성되어 있으며, 발광소자(2) 및 수광소자(3f, 3n)는 반사형 광학센서(1) 내에 고정되어 있다.
본 실시예가 상기 실시예 2 및 실시예 3과 다른 점은, 2개의 수광소자(3f, 3n)의 사이에 빔 스플리터(8)가 설치되어 있다는 것이다. 본 실시예에서 피측정물의 표면조도를 측정하는 경우에는, 표면조도를 측정하는 피측정물(5) 표면(6)의 측정포인트(S)에, 발광소자(2)의 광축(Xe)과, 수광소자(3f) 광축(Xdf)의 연장선이 빔 스플리터(8)를 투과하여 피측정물(5) 표면(6)에 이르는 광축(Xdf)의 연장선이 교차하는 수발광 광축 크로스포인트(Pxf)가 위치하며, 또한 피측정물(5) 표면(6)의 측정포인트(S)에서의 법선(SN)에 대하여, 발광소자(2)의 광축(Xe)과 수광소자(3f) 광축(Xdf)의 연장선이 동일각(θ)이 되도록 반사형 광학센서(1)를 설치한다. 이 때문에, 발광소자(2)의 광축(Xe)과, 수광소자(3n) 광축(Xdn)의 연장선이 빔 스플리터(8)에서 반사된 광축(Xdn)의 연장선이 교차하는 수발광 광축 크로스포인트(Pxn)는, 피측정물(5) 표면(6)과 반사형 광학센서(1)의 사이에 위치하게 된다.
그리고, 발광소자(2)에 전압을 공급하여 점등시키면, 발광소자(2)로부터 출사된 빛은 수발광 광축 크로스포인트(Pxf)이기도 한 피측정물(5) 표면(6)의 측정포인트에 이르고, 측정포인트(S)에서 전반사된 정반사광이 빔 스플리터(8)를 투과하여 수광소자(3f)에서 검출된다. 이 때, 수광소자(3f)로부터는 수광광량에 대응한 출력신호(Vof)가 송출된다.
또한 동시에, 발광소자(2)로부터 출사되어 수발광 광축 크로스포인트(Pxf)이 기도 한 피측정물(5) 표면(6)의 측정포인트(S)에 이르고, 측정포인트(S)에서 반사된 정반사광 중 일부는 빔 스플리터(8)에서 반사되어 수광소자(3n)에서 검출된다. 이 때, 수광소자(3n)로부터는 수광광량에 대응한 출력신호(Von)가 송출된다.
또한, 그 후의 출력신호처리는 상기 실시예 2 및 실시예 3과 마찬가지이므로 설명은 생략한다.
본 실시예에서는 수광소자(3f)에서 검출되는 정반사광과 수광소자(3n)에서 검출되는 정반사광의 간격을 접근시킨 상태로 구성하는 것이 가능해져, 상기 실시예 3과 마찬가지로 반사형 광학센서의 소형화에 기여하는 구성으로 이루어져 있다.
(실시예 5)
도 6은 본 발명의 반사형 광학센서에 따른 실시예 5를 나타내는 개념도이다. 본 실시예에서는 반사형 광학센서(1)는, 1개의 발광소자(2)와 1개의 수광소자(3)로 구성되어 있으며, 발광소자(2) 및 수광소자(3)는 반사형 광학센서(1) 내에 고정되어 있다.
다만, 수광소자(3)는 독립된 2개의 수광부를 구비하고 있으며(도시하지 않음), 2개의 수광부가 하나의 패키지 내에 실장된 구성으로 되어 있다. 2개의 수광부의 구성은, 1개의 반도체 기판 내에 2군데의 독립된 수광영역을 설치한 모놀리식(monolithic)형, 또는 반도체 기판 내에 1개의 수광영역을 설치한 수광체를 2개 나란히 설치한 하이브리드(hybrid)형이 가능하다. 그리고, 모놀리식형인 경우에는, 2군데의 수광영역 사이에 차광부를 설치하여 각각의 수광영역에 입사된 빛을 차단 하고, 서로 수광영역 간의 간섭을 저지하여 S/N 비를 높이는 수단이 마련되어 있으며, 하이브리드형인 경우, 2군데의 수광체 사이에 차광부를 설치하여 각각의 수광체에 입사된 빛을 차단하고, 서로 수광체 간의 간섭을 저지하여 S/N 비를 높이는 수단이 마련되어 있다.
또한, 피측정물(5) 표면(6)의 조도를 측정하는 경우의 피측정물(5)에 대한 반사형 광학센서(1)의 위치관계, 측정방법, 측정신호처리 등은, 상기 실시예 2와 마찬가지이므로 설명은 생략한다.
본 실시예에서는 수광소자를, 독립된 2개의 수광부를 하나의 패키지 내에 실장한 구성으로 함으로써, 반사형 광학센서의 소형화가 가능해진다. 또한, 독립된 2개의 수광부의 위치정밀도가 높아지기 때문에, 검출정밀도 및 검출재현성을 향상시킬 수 있다.
그런데, 발광소자 및 수광소자는 각각 단독으로 설치되기도 하지만, 렌즈나 도 4에서 나타낸 바와 같은 라이트 가이드 등의 광학요소를 조합시켜 설치되기도 한다. 이 경우, 발광소자와 광학요소의 조합을 발광부, 수광소자와 광학요소의 조합을 수광부라고 부를 수 있다.
그리하여, 광학요소의 광축이 측정면에 대하여 소정 각도를 이루고 있으면, 그 광학요소와 조합된 발광소자 및 수광소자는 그 광축방향(바꿔 말하면, 발광소자에 실장된 베어칩 및 수광소자에 실장된 베어칩의 광축방향)이 반드시 측정면에 대하여 제약되지 않는다.
예를 들어, 도 4에서 나타내는 반사형 광학센서의 경우, 2개의 라이트 가이 드 각각의 광축이 측정면에 대하여 소정의 각도를 이루고 있으면, 2개의 수광소자(수광소자에 실장된 베어칩)의 광축이 반드시 서로 평행일 필요가 없다.
지금까지는 본 발명의 반사형 광학센서에 따른 실시예 1 내지 실시예 5에 대하여 설명했는데, 이어서, 이 실시예들의 반사형 광학센서를 사용한 측정면의 표면조도 검출방법에 대하여 설명한다.
그것은 개략 7단계의 순서를 거쳐 결과가 얻어지는 것으로,
발광소자로부터 측정대상으로 빛을 조사하고, 측정대상으로부터의 반사광을 수광소자로 수광하는 제1 단계와,
수광소자로부터의 출력을 제1 기억영역에 격납하는 제2 단계와,
상기 발광소자와 측정대상 사이의 거리를 변화시키는 제3 단계와,
발광소자로부터 측정대상으로 빛을 조사하고, 측정대상으로부터의 반사광을 수광소자로 수광하는 제4 단계와,
수광소자로부터의 출력을 제2 기억영역에 격납하는 제5 단계와,
제1 기억영역과 제2 기억영역에 각각 격납된 출력을 이용하여 연산하는 제6 단계와,
연산 결과를 출력하는 제7 단계로 이루어져 있다.
즉, 본 발명의 반사형 광학센서는, 발광소자로부터 출사되어 피측정물의 표면에서 반사된 반사광 중, 반사광과 그 밖의 반사광 각각을 수광한 수광소자 각각의 수광광량에 대응한 출력신호에 대하여 정규화하고, 정규화한 후의 출력신호의 비 또는 차이를 산출하여 얻어진 결과를, 미리 작성해 둔 표와 대조하여 피검출물 표면의 상태를 추정함으로써, 매체 판별, 종이류 판별, 재질 판별 등이 가능해지는 것이다.
이에 대하여, 도 7에 나타내는 바와 같이, 발광소자로부터 출사되어 피측정물의 표면에서 반사된 정반사광과 난반사된 난반사광의 광량비 또는 차이를 산출하여, 얻어진 결과에 따라 매체 판별, 종이류 판별, 재질 판별 등을 하는 방법도 실용화되고 있다.
그래서, 본 발명의 구성으로 이루어지는 반사형 광학센서와, 도 7에 나타내는 비교예의 구성으로 이루어지는 반사형 광학센서가 도 8에 나타내는 피측정물을 측정하여 얻은 판별특성을 도 9에 나타내고 있다. 도 9에서 가로축은 피측정지 No, 세로축 중 오른쪽 세로축은 본 발명의 반사형 광학센서로 얻어진 2개의 반사광량에서 정반사수광량과 그 밖의 반사수광량의 비, 왼쪽 세로축은 비교예의 반사형 광학센서로 얻어진 반사광량에서 정반사광량과 난반사광량의 비를 나타내고 있다.
도 9에 의해 명백한 바와 같이, 본 발명의 반사형 광학센서의 판별특성은, 비교예의 반사형 광학센서의 판별특성에 대하여 직선성(linearity)이 대폭 개선되어 있으며, 비교예에서는 어려웠던 광택지 그룹의 상세판별이 본 발명의 반사형 광학센서로는 가능하다는 것을 알 수 있다.
또한, 광택지와 보통지의 경계에서 본 발명의 반사형 광학센서로 얻어진 2개의 정반사광량의 비는, 비교예의 반사형 광학센서로 얻어진 정반사광량과 난반사광량의 비보다도 변화량이 큰 것을 알 수 있다. 이는, 본 발명의 반사형 광학센서가 비교예의 반사형 광학센서보다도 검출분해능이 높다는 것을 나타내고 있다.
이상, 상세히 설명한 바와 같이, 본 발명의 반사형 광학센서는 표면상태의 차이가, 정반사광을 검출매체로 하는 반사형 광학센서의 거리특성의 차이가 되는 성질을 이용하고 있어, 간단한 구성(1개의 발광소자와 2개의 수광부)으로 높은 분해능을 가지는 반사형 광학센서를 저가로 실현 가능하게 한 것이다.
본 발명의 반사형 광학센서는, 발광소자로부터 출사된 단일파장의 빛을 피측정물의 표면에 조사하고, 조사면의 서로 다른 위치에서 반사된 2개의 정반사광을, 상기 발광소자의 발광광에 수광감도를 가지는 2개의 수광소자 또는 2개의 수광부를 하나의 패키지 내에 실장한 수광소자 중 어느 하나로 검출하여, 그 검출광량을 연산처리함으로써 피측정물의 표면조도를 검지할 수 있는 간단한 구성으로 되어 있다.
그 결과, 표면조도 측정용 센서를 검출정밀도가 높고, 제조비용이 저렴한 반사형 광학센서에 의해 제공할 수 있다.

Claims (8)

  1. 발광부 및 상기 발광부로부터의 발광광을 수광하는 수광부를 구비하며, 상기 발광부와 수광부의 광축이 상기 발광부의 발광방향 및 상기 수광부의 수광방향에서 소정의 각도로 교차하도록 설치된 수발광부; 및
    상기 수발광부를 가동가능하게 지지하는 수발광부 가동 지지부를 포함하는 반사형 광학센서.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 광축의 교차각의 이등분선이 피측정물의 측정면에 수직이며, 상기 광축의 교차점이 상기 피측정물의 측정면 상에 위치될 때, 상기 발광부로부터 출사되고, 상기 피측정물의 측정면에서 반사되어 상기 수광부에서 검출되는 광량과,
    상기 교차각의 이등분선을 따라 상기 수발광부를 가동시켜 상기 수발광부와 상기 피측정물의 측정면 사이의 거리를 변화시킨 상태에서, 상기 발광부로부터 출사되고, 상기 피측정물의 측정면에서 반사되어 상기 수광부에서 검출되는 광량을 연산처리함으로써, 상기 피측정물의 표면조도를 검출하는 것을 특징으로 하는 반사형 광학센서.
  3. 발광부 및 상기 발광부로부터의 발광광을 수광하는 수광부를 구비하며, 상기 발광부와 수광부의 광축이 상기 발광부의 발광방향 및 상기 수광부의 수광방향에서 소정의 각도로 교차하도록 설치된 수발광부; 및
    피측정물의 측정면을 측정면에 수직인 방향으로 가동가능하게 지지하는 피측정물 가동 지지부를 포함하는 반사형 광학센서.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 광축의 교차각의 이등분선이 피측정물의 측정면에 수직이며, 상기 광축의 교차점이 상기 피측정물의 측정면 상에 위치될 때, 상기 발광부로부터 출사되고 상기 피측정물의 측정면에서 반사되어 상기 수광부에서 검출되는 광량과,
    상기 교차각의 이등분선을 따라 상기 피측정물의 측정면을 가동시켜 상기 수발광부와 상기 피측정물의 측정면 사이의 거리를 변화시킨 상태에서, 상기 발광부로부터 출사되고 상기 피측정물의 측정면에서 반사되어 상기 수광부에서 검출되는 광량을 연산처리함으로써, 상기 피측정물의 표면조도를 검출하는 것을 특징으로 하는 반사형 광학센서.
  5. 발광부; 및
    상기 발광부의 발광광을 수광하도록 구성된 제1 및 제2 수광부를 포함하고,
    상기 제1 및 제2 수광부는, 상기 발광부와 각 수광부의 광축이 상기 발광부의 발광방향 및 상기 각 수광부의 수광방향에서 소정의 동일각도로 교차하도록, 서로 평행하게 설치된 것을 특징으로 하는 반사형 광학센서.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 발광부와 각 수광부의 교차각들의 이등분선이 피측정물의 측정면에 수직이고, 상기 발광부와 상기 제1 수광부의 교차점이 피측정물의 측정면 상에 위치하며, 상기 발광부와 상기 제2 수광부의 교차점이 상기 발광부와 상기 피측정물의 측정면 사이에 위치한 상태에서,
    상기 발광부로부터 출사되고 상기 피측정물의 측정면에서 반사되어 상기 제1 수광부에서 검출되는 광량과, 상기 발광부로부터 출사되고 상기 피측정물의 측정면에서 반사되어 상기 제2 수광부에서 검출되는 광량을 연산처리함으로써, 상기 피측정물의 표면조도를 검출하는 것을 특징으로 하는 반사형 광학센서.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 발광부는 발광 다이오드 또는 레이저 다이오드를 포함하며, 상기 수광부는 포토 다이오드 또는 포토 트랜지스터를 포함하는 것을 특징으로 하는 반사형 광학센서.
  8. 발광소자로부터 측정대상으로 빛을 조사하고, 상기 측정대상으로부터의 반사광을 수광소자로 수광하는 제1 단계;
    상기 수광소자로부터의 출력을 제1 기억영역에 저장하는 제2 단계;
    상기 발광소자와 측정대상 사이의 거리를 변화시키는 제3 단계;
    상기 발광소자로부터 측정대상으로 빛을 조사하고, 상기 측정대상으로부터의 반사광을 수광소자로 수광하는 제4 단계;
    상기 수광소자로부터의 출력을 제2 기억영역에 저장하는 제5 단계;
    상기 제1 기억영역 및 상기 제2 기억영역 각각에 저장된 출력을 이용하여 연산하는 제6 단계; 및
    상기 연산 결과를 출력하는 제7 단계를 포함하는 측정면의 표면조도 검출방법.
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