KR20160099188A - 고 분해능을 가진 레이저 변위 센서 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 일 측면에 따르면, 레이저 변위 센서와 신호처리장치를 포함하는 레이저 변위 센서 장치에 있어서, 상기 레이저 변위 센서는 반사면과 비반사면이 교대로 일정한 패턴을 갖는 코드로 형성되고 측정 대상의 변위 동작을 수행하는 코드 스케일: 및 레이저 빔을 발생하고 수신하는 옵티컬 헤드: 를 포함하며, 상기 옵티컬 헤드는 코드 스케일을 제외한 모듈 부분으로서, 레이저 광을 발생시키는 레이저 발생기; 상기 레이저 발생기의 상부 공간에 위치하며, 상기 발생된 레이저 빔을 평행광으로 편향시키는 콜리메이팅 렌즈; 상기 콜리메이팅 렌즈의 상부에 위치하며, 상기 콜리메이팅 렌즈에서 편향된 레이저 빔을 집광하여 상기 코드 스케일로 사영시키는 프로젝팅 렌즈; 및 상기 코드 스케일로부터 반사된 레이저 빔을 수신하는 광수신기를 포함하되, 상기 프로젝팅 렌즈는 출력측의 초점이 상기 프로젝팅 렌즈와 상기 코드 스케일 사이 공간에 위치되도록 형성되는 것을 특징으로 하는 레이저 변위 센서 장치가 제공된다.

Description

고 분해능을 가진 레이저 변위 센서 장치{micro pattern type laser displacement sensor device having high resolution}
본 발명은 마이크로급 변위를 측정할 수 있는 고 분해능을 가진 레이저 변위 센서 장치 기술에 관한 것이다.
디지털식 위치 센서 장치는 널리 자동 시스템, 전자 기기, 의료 기기, 프린터, 카메라, 모션 감지 시스템, 바이오 센서용 로봇 머니풀레이터를 포함한 다양한 애플리케이션을 위해 불가결 변위/위치 감지 수단으로 사용된다.
특정대상물의 변위를 측정하는 디지털 위치 측정 장치로는 레이저를 이용한 변위 측정 장치가 널리 연구되고 있다.
레이저 변위 레이저 변위 측정장치는 레이저 모듈에서 발사된 레이저가 대상물에 반사되어 수신센서에 입사되는 광의 입사 정보를 이용하여 대상물의 변위를 측정하게 된다.
도 15는 종래의 레이저 측정장치의 구조를 설명하기 위한 도면이다.
도 15를 참조하면, 레이저 광원(310)에서 발생된 레이저 광은 콜리메이트 렌즈(312)에 의해 평행광으로 편향되어 포커싱용 집광렌즈(314)를 거쳐서 대상물(320)에 조사된다.
포커싱용 집광렌즈(314)를 통과한 레이저광은 대상물(320)에 입사되어 반사된다. 그리고 상기 대상물(320)에서 반사된 레이저광은 레이저 광이 반사되는 경로에 장착된 수신센서(320)에 수신된다.
이렇게 하여 상기 수신센서(320)에 수신된 레이저는 수신된 광량과 기준 광량의 차이 정보를 이용하여 변위를 측정하게 된다.
이러한 레이저를 이용한 변위 측정 장치는 수 ㎛단위의 병진운동에 따른 변위와 수 θrad의 미세한 회전각도를 정밀하게 측정하기 위한 연구가 지속되고 있다.
이러한 종래의 변위 측정장치는 발광부에서 나온 광을 받아 수광점의 위치를 측정하는 광디텍터(PD)의 배열로 구성된 PSD(Position Sensitive Detector) 센서를 광 수신기로 이용하는 것으로서, 물체에 반사된 레이저 빔이 대상물에 반사된 후, 각 PD에 입사하는 광량에 따라 위치 정보를 측정한다.
이와 같은 종래의 변위 측정 장치는 PSD의 픽셀 사이즈와 수에 따라 측정할 수 있는 변위의 한계를 갖는다.
변위의 방향을 식별하면서 코드 스케일의 주기와 동등한 분해능을 갖도록 하기 위한 아주 작은 광수신기를 포함하는 구성 성분의 대부분이 초정밀 기기에 장착이 용이하도록 하기 위해서는 디멘션 관점에서 세밀하게 제어되어야 한다.
분해능을 향상시키기 위해서는 실제 분해능을 결정하는 코드 스케일의 주기를 감소시켜야 하고, 시준된 빔 광학계에 의해 필요로 하는 광수신기 자체도 그에 따라 감소하여야 하는 것을 제시한다.
종래에는 극소형의 코드 스케일의 격자를 구분하기 위한 특수한 광학계가 필요하고, 구조상의 광 정렬에 어려운 점이 있다. 또한, collimated beam 기반의 반사형 구조를 통해 높은 분해능을 구현하기 위해서는 코드 스케일 격자의 주기 감소와 극소형의 광수신기를 요구한다.
그러나 광디텍터(PD)의 크기를 마이크로급 스케일로 작게 하면서 고 분해능을 갖게 제작하는 데 따른 제조 공정 및 경제적인 부담이 크기 때문에 크기를 줄인 코드 스케일과 광수신기, 그리고 collimated beam을 이용한 광 변위센서는 소형 및 고분해능에 대한 구현이 곤란하였다.
이 분야의 배경 기술은 선행기술문헌인 대한민국 등록 공개특허공보 2007-0015267호 [변위 측정 장치]에 레이저 반사광을 이용한 변위측정장치가 게시되어 있다.
대한민국 등록 공개특허공보 2007-0015267호 [변위 측정 장치]
본 발명의 목적은 사영빔(projected beam)을 이용한 고 분해능을 가진 초소형 반사형 레이저 변위센서 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 10㎛ 급 변위를 측정할 수 있는 고 분해능을 가진 초소형 레이저 변위센서 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 10㎛ 급 변위를 측정할 수 있으며, 넓은 범위에서 구조적 내성을 가지는 초소형 레이저 변위센서 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 레이저 변위 센서와 신호처리장치를 포함하는 레이저 변위 센서 장치에 있어서, 상기 레이저 변위 센서는 반사면과 비반사면이 교대로 일정한 패턴을 갖는 코드로 형성되고 측정 대상의 변위 동작을 수행하는 코드 스케일: 및 레이저 빔을 발생하고 수신하는 옵티컬 헤드: 를 포함하며, 상기 옵티컬 헤드는 코드 스케일을 제외한 모듈 부분으로서, 레이저 광을 발생시키는 레이저 발생기; 상기 레이저 발생기의 상부 공간에 위치하며, 상기 발생된 레이저 빔을 평행광으로 편향시키는 콜리메이팅 렌즈; 상기 콜리메이팅 렌즈의 상부에 위치하며, 상기 콜리메이팅 렌즈에서 편향된 레이저 빔을 집광하여 상기 코드 스케일로 사영시키는 프로젝팅 렌즈; 및 상기 코드 스케일로부터 반사된 레이저 빔을 수신하는 광수신기를 포함하되, 상기 프로젝팅 렌즈는 출력측의 초점이 상기 프로젝팅 렌즈와 상기 코드 스케일 사이 공간에 위치되도록 형성되는 것을 특징으로 하는 레이저 변위 센서 장치가 제공된다.
또한, 상기 광수신기는 4개의 광디텍터를 포함하며, 상기 코드 스케일로부터 반사되는 레이저 빔은 상기 코드 스케일에서 상기 광수신기까지 진행되는 동안 주기가 증가하는 패턴으로 형성되며, 상기 광디텍터의 폭 크기는 상기 코드 스케일의 코드 주기 간격보다 큰 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 4개의 광디텍터에 입사되는 레이저 빔 신호는 4개가 각각 유사 정현파 신호 패턴을 가지며, 상기 4개의 유사 정현파 신호를 각각 상기 신호처리장치에서 각 2개씩의 신호를 비교기 합성 처리를 거쳐서, 2개의 제1, 2 구형파 신호로 출력되며, 상기 제1, 2 구형파 신호 중 어느 하나의 펄스 개수를 이용하여 상기 코드 스케일의 변위를 측정하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 제1 구형파 신호와 제2 구형파 신호의 진행에 대한 패턴 중 리드 신호를 분석하여 상기 변위의 방향을 측정하는 하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 콜리메이팅 렌즈는 직육각면체 형상의 상부 중앙에 레이저 빔의 시준을 위한 제1 비구면렌즈가 돌출 형성되는 요홈으로 형성된 제1공간을 가지며, 상기 프로젝팅 렌즈는 직육각면체 형상의 하부 중앙에 레이저 빔의 집광 및 사영을 위한 제2 비구면렌즈가 돌출 형성되는 요홈으로 형성된 제2공간을 가지고, 상기 제1 공간과 제2 공간이 대면하는 형태로 조립되어 전체적으로 직육각면체 형상의 렌즈 어셈블리 형상으로 형성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 코드 스케일의 주기 간격은 10㎛이며, 상기 광디텍터(PD)의 하나의 폭은 40㎛인 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 옵티컬 헤드는 10.3(W) x 8.33(L) x 6.55(H) mm3의 크기로 형성되며, 상기 렌즈 어셈블리는 높이 5.4mm이며 가로 폭 8.0mm로 형성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 레이저 변위 센서 장치는 10㎛의 위치 분해능 0.04°의 각도 분해능을 가지는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 레이저 변위 센서 장치는 상기 제1 구형파 신호와 제2 구형파 신호의 위상을 90°로 유지할 때, 2.5㎛의 위치 분해능, 0.01°의 각도 분해능을 가지는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 주기 간격은 18 ㎛/mm의 비율로 전파 방향을 따라 산형적으로 증가하는 것을 특징으로 한다.
또한, 레이저 변위 센서 장치는 상기 광수신기에 입사되는 레이저 빔의 주기 간격이 105~320㎛ 범위에서 측정 허용 범위를 가지는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 레이저 변위 센서 장치는, 10㎛의 위치 분해능을 가지면서, 상기 코드 스케일, 레이저 발생기, 콜리메이팅 렌즈, 프로젝팅 렌즈; 및 광디텍터의 위치 정렬에 대하여 ±100㎛의 허용 가능한 구조적 내성을 가지는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 레이저 변위센서 장치는 10㎛의 위치 분해능, 0.04°의 각도 분해능을 가지며, 변위의 회전 방향을 감지할 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 레이저 변위 센서 장치는 레이저 광이 사영되어 반사되는 빔의 패턴 주기가 광수신기의 크기에 따라 적응적으로 조절될 수 있기 때문에 광수신기의 크기에 유연하도록 설계가 가능하다는 관점에서 매우 넓게 활용될 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따라 제작된 레이저 변위 센서의 옵티컬 헤드는 10.3 (W) x 8.33 (L) x 6.55 (H) mm3의 극소형의 크기로 제작될 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따르면, 4 channel PD의 Outputs Sig-A와 Sig-B의 위상 차를 90°로 유지할 경우, quadrature decoder IC를 이용하여 2.5mm의 위치 분해능 또는 0.01°의 각도의 고 분해능으로 향상시킬 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시 예에 따른 레이저 변위 센서 장치는 구성 요소의 사출 및 조립 과정에서 발생될 수 있는 position error에 대하여 전체적으로 +/-100㎛의 충분히 큰 구조적 내성을 가지는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 레이저 변위센서 장치의 구조를 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 신호처리장치에서 광수신기에 입력된 레이저 빔 신호로부터 출력신호를 변환하는 과정을 도시한 것이다.
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따라 제작된 레이저 변위 센서의 제원 및 동작 원리를 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 반사 레이저 빔의 진행 거리에 대한 패턴 빔 프로파일을 도시한 것이다.
도 5는 빔의 전파 거리에 따른 빔 패턴 주기의 변화를 도시한 것이다.
도 6은 본 발명의 일 실시 예에 따라 옵티컬 헤드의 조립 과정에 대한 예를 도시한 것이다.
도 7은 본 발명의 일 실시 예에 따라 제작된 레이저 변위 센서(100)의 이미지를 도시한 것이다.
도 8, 9는 본 발명의 일 실시 예에 따른 레이저 변위 센서 장치에서 변위동작을 측정한 출력 신호를 도시한 것이다.
도 10은 코드 스케일의 수직 방향에 대한 정렬 오차에 따른 레이저 빔의 궤적 및 입사 주기의 변화를 도시한 것이다.
도 11은 본 발명의 일 실시 예에 따른 레이저 변위 센서 장치(1)에서 광수신기에 입사되는 반사 레이저 빔의 입사 주기(ΛB)와 두 출력 신호의 위상의 관계를 도시한 것이다.
도 12는 본 발명의 일 실시 예에 따른 레이저발생기 및 콜리메이팅 렌즈의 수평 정렬 오차와 패턴 주기와의 관계를 도시한 것이다.
도 13은 본 발명의 일 실시 예에 따른 프로젝팅 렌즈와 코드 스케일의 수평 오정렬과 입사 주기와의 관계를 도시한 것이다.
도 14 서로 다른 패턴 입사 주기들의 출력 파형을 도시한 것이다.
도 15는 종래의 레이저 측정장치의 구조를 설명하기 위한 도면이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시 예를 가질 수 있는바, 특정 실시 예들을 도면에 예시하고 이를 상세한 설명을 통해 상세히 설명하고자 한다.
또한, 이하 사용되는 제1, 제2 등과 같은 용어는 동일 또는 상응하는 구성 요소들을 구별하기 위한 식별 기호에 불과하며, 동일 또는 상응하는 구성 요소들이 제1, 제2 등의 용어에 의하여 한정되는 것은 아니다.
그리고 특정 실시 예들은 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호가 사용된다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 광 변위센서 장치의 구조를 설명하기 위한 도면이다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 레이저 변위 센서 장치(1)는 레이저 변위 센서(10)와 신호처리장치(20)를 포함한다.
도 1을 참조하면, 레이저 변위 센서(10)는 레이저 광을 발생시키는 레이저 발생기(11)와 레이저 발생기(11)에 발생된 레이저 빔을 평행광으로 편향시켜서 프로젝팅 렌즈(13)에 입사시키는 콜리메이팅 렌즈(12) 및 상기 콜리메이팅 렌즈(12)에서 편향된 레이저 빔을 집광하여 측정 대상으로 투사시키는 프로젝팅 렌즈(13) 및 측정 대상으로부터 반사된 레이저 빔을 수신하는 광수신기(14)가 포함된 옵티컬 헤드(5)와 스케일 패턴이 형성되어 측정 대상의 변위 동작을 수행하는 코드 스케일(17, code scale)을 포함한다.
본 발명의 일 실시 예에 따르면, 상기 광수신기(14)는 일렬로 배치된 4개의 광디텍터(PD1, PD2, PD3, PD4)로 이루어진다.
본 발명의 일 실시 예에서는 레이저 발생기(11)는 고수율을 가진 빅셀 레이저 (VCSEL: vertical cavity surface emitting laser)가 채택될 수 있다.
또한, 코드 스케일(17)은 측정하고자 하는 측정 대상에 장착되며 회전식 코드 스케일이 채택될 수 있다.
코드 스케일(17)에는 격자 형태의 반사면과 비반사면이 교대로 일정하게 배치되도록 주기(ΛC)가 형성된다.
도 1을 참조하면, 레이저발생기(11)로부터 발생된 레이저 빔은 콜리메이팅 렌즈(12)에 의해 시준되고, 이어서 프로젝팅 렌즈에 의해 코드 스케일(17)을 향해 사영(protecting)된다.
콜리메이팅 렌즈(12, collimating lens)는 레이저 빔을 프로젝팅 렌즈(13)에 시준시키는 기능을 수행하며, 레이저 발생기(11)로부터 발생된 레이저 빔을 일정한 각도를 가지는 평행빔으로 변환시켜서 프로젝팅 렌즈(13)로 전달한다.
프로젝팅 렌즈(13 projection lens)는 사영(projections) 기능을 가지는 것으로서, 콜리메이팅 렌즈(12)를 통과한 레이저 빔을 집광하고 굴절시켜서 코드 스케일(17)을 향해 사영시키는 기능을 수행한다.
본 발명의 일 실시 예에 따르면, 도 1에 도시된 바와 같이 프로젝팅 렌즈(13)는 출력측 비구면 렌즈의 초점이 프로젝팅 렌즈와 코드 스케일(17) 사이에 위치되도록 형성되는 것을 특징으로 한다.
프로젝팅 렌즈(13, projection lens)에 의해 사영된 사영 레이저 빔(E)은 선택적으로 코드 스케일(17)의 주기(ΛC)로 형성된 격자에 의해 반사되며, 반사되어 진행되는 반사 레이저 빔(O) 패턴의 주기(Λo)는 일정하게 증가하고 공간적으로 변조되어 광수신기(14)에 입사된다.
광수신기에 입사되는 빔의 입사 주기(ΛB)는 코드 스케일(11)로부터 반사되어 광수신기(14)에 입사된 레이저 빔 패턴의 주기로서 반사 레이저 빔은 코드 스케일(17)에 사영된 사영빔(E)이 반사되는 반사면의 폭에 의한 입사각의 차이에 의하여 입사각이 일측 부분은 작은 반사각으로 반사되고, 입사각이 큰 타측 부분은 일측 부분보다 큰 반사각으로 반사된다.
결과적으로 반사 레이저 빔(6)은 반사된 레이저 빔의 패턴 주기 양측 폭의 각도에 의하여 반사되는 거리에 비례하여 점진적으로 증가되는 패턴의 형태로 전파된다.
반사된 레이저 빔은 궁극적으로 일렬로 배치된 4개의 광디텍터(PD1 ~ PD4)로 이루어진 광수신기(14)를 이용하여 수집 및 분석된다.
도 1을 참조하면, 반사 레이저 빔(O)은 처음에는 코드 스케일의 주기(ΛC)와 동일한 주기(ΛC = Λo)를 갖는 패턴으로 시작된다. 이후 패턴의 주기는 반사된 빔의 전파 거리와 선형으로 증가되며, 빔의 전파 방향인 z'축을 따라 확장하게 된다.
즉, 코드 스케일에 도달한 사영 레이저 빔(projected beam)은 반사와 비 반사 부분이 반복된 주기적 패턴으로 형성된 코드 스케일(17) 표면의 주기적인 격자에 의해서 코드 스케일의 패턴과 동일한 패턴을 갖는 빔이 형성되고, projected beam의 투사 각도 특성 및 반사면의 폭에 따라 주기가 일정한 비율로 증가한다.
도 1을 참조하면, 광수신기(14) 위치에서의 입사되는 반사 레이저 빔(O)의 주기를 입사 주기(ΛB)라 하고, 코드 스케일(17)과 광수신기(14) 사이에서 일정하게 증가하는 반사 레이저 빔 패턴의 주기를 사이 주기(Λo)라 할 때, 진행 거리에 따라 반사된 빔의 패턴 주기는 ΛC < Λo< ΛB의 형태로 형성된다.
본 발명의 일 실시 예에 따르면, 광수신기(14)는 4개의 광디텍터(PD)를 포함하며, 4개의 광디텍터(PD)의 각각의 폭이 확장되어 입사된 반사 레이저 빔(O)의 입사 주기(ΛB)의 1/4을 담당하도록 설계된다.
본 발명의 일 실시 예에 따라 제안된 레이저 변위 센서 장치(1)는 레이저 빔이 사영되어 반사되는 빔의 입사 주기(ΛB)가 광수신기의 크기에 따라 적응적으로 조절될 수 있기 때문에 광수신기의 크기에 덜 민감하도록 설계할 수 있어 매우 넓게 활용될 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 신호처리장치에서 광수신기에 입력된 레이저 빔 신호로부터 출력신호를 변환하는 과정을 도시한 것이다.
코드 스케일(14)로부터 반사된 반사 레이저 빔은 일정한 패턴을 지님과 동시에 패턴의 주기가 4채널 광디텍터(PD)로 이루어지는 광수신기(14)의 광디텍터(PD) 크기에 맞추어 입사되며, 신호처리회로(20)를 통하여, 레이저 변위 센서 장치(1)의 최종 출력신호 Sig-A와 Sig-B가 출력된다.
도 2로부터, 연관되어 변화된 센서 신호를 참조하여, 레이저 변위 센서 장치의 동작이 설명될 수 있다.
광수신기(14)에 포함된 각 광디텍터(PD)에 입력된 광 전력은 주기적인 신호를 갖는 PS1~PS4로서 대응되는 광디텍터(PD) 신호들은 코드 스케일(17)의 변위에 따라, 최대 및 최소 레벨 간의 진동신호를 발생하게 된다.
두 개의 인접한 광디텍터(PD)에 따른 유사 정현파 형상의 신호는 90°의 위상 차이를 가진다.
도 2를 참조하면, 신호처리회로(20)는 제1 비교기 회로(21)와 제2 비교기 회로(22)를 포함한다.
PD1에서 발생되는 PS1신호와 PD3에서 발생되는 PS3신호를 제1 비교기 회로(21)를 거쳐서 구형파 출력 신호 Sig-A를 발생시킨다.
또한, 신호처리회로(20)는 PD2에서 발생되는 PS2신호와 PD4에서 발생되는 PS4 신호를 제2비교기 회로를 거쳐서 구형파 출력 신호 Sig-B를 발생시킨다.
즉, 도 2를 참조하면, 기준시점(변위=0) 상태에서 지정된 위치의 각 광디텍터(PD1 ~ PD4)에 입사 주기(ΛB)의 각 1/4에 대한 신호가 각각 수신되며, 신호처리회로(20)에서 90° 위상 차를 갖는 구형파 형태의 출력 신호 Sig-A 및 Sig-B의 두 신호가 출력된다. 즉, 도 2에 도시된 바와 같이, Sig-A 및 Sig-B는 90 °의 위상 관계와 한 쌍의 직교 신호를 형성한다.
본 발명의 일 실시 예에 따르면, 적절한 신호 처리를 통해 축적된 데이터를 가지는 기준시점(변위=0) 상태의 PD1, PD3신호로부터 측정 시점의 PD1, PD3에 의해 입력된 PS1과 PS3에 대하여 하나의 센서 출력으로부터 변위를 산출할 수 있다.
입사되는 반사 레이저 빔에 대하여 광수신기의 크기를 결정하는 것은 각도Φ, 코드 스케일의 주기 및 변위 방향에 관련된다.
결과적으로, 본 발명의 일 실시 예에서는 4개의 광디텍터(PD1~PD4)로부터의 입력된 광 전력 파형을 신호처리회로(20)를 통하여 변환된 각 구형파 출력신호(Sig-A 또는 Sig-B) 중 어느 하나를 분석함으로써, 간단하게 코드 스케일의 주기(ΛC)의 변위에 따른 변위의 크기를 측정할 수 있다.
또한, Sig-A 및 Sig-B 모두 동시에 분석하면 변위의 방향을 용이하게 측정할 수 있다.
즉, Sig-A 또는 Sig-B 하나의 출력신호를 사용하여 기준 시점과의 변위에 의한 출력 신호의 펄스로부터 변위를 감지할 수 있고, Sig-A 및 Sig-B 두 출력신호의 위상 차를 이용하여 물체의 움직임 방향을 측정할 수 있어서 방향제어가 가능하다.
본 발명의 일 실시 예에 따르면, 4개의 펙터(factor)에 의하여 10㎛ 급의 고 분해능을 가질 수 있으며, Sig-A와 Sig-B의 신호 간의 90° 위상 차로부터 코드 스케일의 격자 주기의 4배의 분해능으로 향상시킬 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시 예에 따른 광 변위센서 장치(1)는 코드 스케일로부터 반사된 반사 레이저 빔의 사이 주기(Λo)가 빔이 진행한 거리에 따라 선형적으로 증가하는 특성을 가지며, 이를 통해 제안된 센서의 구조는 빔 패턴 주기를 제어할 수 있다.
따라서, 이는 광디텍터(PD)의 크기가 10 마이크로급 코드 스케일의 주기에 비하여 더 크게 형성되면서도 10 마이크로급 변위를 정밀하게 측정할 수 있다.
따라서 광디텍터의 크기는 코드 스케일과 코드 스케일에 비하여 민감하지 않게 된다.
또한, 출력 신호 Sig-A, B를 이용하여 변위 및 물체의 움직임 방향을 정밀하게 감지할 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따라 제작된 레이저 변위 센서의 제원 및 동작 원리를 설명하기 위한 도면이다.
도 3을 참조하면, 레이저발생기(111)는 λ.=850nm, 발산각 30° 특성을 가지는 single mode VCSEL을 모델링하였다.
또한, 광수신기(114)는 4 개의 광디텍터(PD)로 형성되며, 각 PD는 폭 크기가 40㎛이고 4개가 일렬로 형성된 광수신기의 총 폭 크기는 약 160㎛로 형성된다.
콜리메이팅 렌즈 및 프로젝팅 렌즈(112, 113)는 polycarbonate (n=1.5680 @850nm) 물질로 제조된다.
콜리메이팅 렌즈(112)의 설계 수치는, 직경 2.60mm, 반경 1.48mm, 코닉상수(conic constant) -2.66x10-1, 4th, 6th , and 8th 의 비구면 계수는 각각-8.28x10-3, -2.57x10-3 및 -1.05x10-3이다.
프로젝팅 렌즈(113)는 직경이 3.40mm이고 다른 제원은 콜리메이팅 렌즈(112)와 같은 파라미터를 가진다.
코드 스케일(170)은 격자 주기가 10㎛이고, 반지름이 13.5mm의 원형인 회전형으로 모델링하였다.
콜리메이팅 렌즈(112)의 하부에 형성되는 레이저발생기(111)의 중심 위치는 콜리메이팅 렌즈(112)의 중심으로부터 x축 방향으로 좌측 0.55mm, y축으로 0.63mm에 위치된다.
다음으로, 콜리메이팅 렌즈(112)와 프로젝팅 렌즈(113)의 z축에 대한 간격을 고려하여 빔의 초점 위치를 결정한다.
프로젝팅 렌즈의 제1비구면렌즈와 콜리메이팅 렌즈의 제2비구면렌즈 사이의 공간 간격은 z축으로 0.4mm가 형성된다.
본 발명의 일 실시 예에 따르면, 프로젝팅 렌즈(113)는 출력되는 사영 레이저빔의 초점이 프로젝팅 렌즈로부터 z축의 양의 방향으로 1.05mm 떨어져 위치되는 구조로 형성된다.
그리고 예상되는 광디텍터(PD)의 z축 위치로부터 4채널 광디텍터의 총 크기인 160㎛만큼의 입사 주기(ΛB)를 형성하기 위하여 코드 스케일(170)과 프로젝팅 렌즈(113) 사이의 거리(확장된 반사레이저 빔을 형성시키기 위한 거리)는 1.77mm로 설정된다.
그리고 코드 스케일로부터 반사된 반사 레이저 빔을 감지하기 위해 4채널 광디텍터로 이루어진 광수신기를 VCSEL로부터 x축으로 4.67mm 떨어진 사이 거리에 형성한다.
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 반사 레이저 빔의 진행거리에 대한 패턴 프로파일을 도시한 것이며, 도 5는 전파 거리에 따른 반사 레이저 빔 패턴의 주기의 변화를 도시한 것이다.
도 4, 5는 코드 스케일(170)에서 반사된 반사 레이저 빔의 사영 특성을 확인하기 위해 코드 스케일(170)로부터 반사 레이저 빔 진행 방향으로 광수신기의 중심을 지나는 임의의 z`축을 설정하여 거리에 따른 주기 패턴을 나타낸 것이다.
도 4, 5를 참조하면, 코드 스케일의 위치에서의 z`=0mm이고, PD의 위치까지의 반사 레이저 빔의 총 진행 거리는 8.16mm이다.
도 4는, z`축 위의 코드 스케일과 간격이 일정한 임의의 두 지점, 그리고 PD의 위치에서의 빔 프로파일 시뮬레이션을 통해 빔 패턴 주기를 나타낸다.
도 4를 참조하면, 코드 스케일의 위치에서 빔 패턴 주기는 10㎛이고, 임의의 두 지점은 코드 스케일로부터 z`축으로 2.72mm, 5.44mm로 일정한 간격에 위치하며, 이때의 빔 패턴 주기는 빔의 진행 거리에 따라 차례로 증가하여 60㎛, 110㎛ 그리고 PD 위치에서는 입사 주기는 160㎛를 나타낸다.
도 5를 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 레이저 변위 센서(100)에 있어서, 반사 레이저 빔의 주기는 선형적으로 증가하며, 약 18 ㎛/mm의 비율로 전파 방향을 따라 증가하는 것을 알 수 있다.
도 6은 본 발명의 일 실시 예에 따라 옵티컬 헤드의 조립 과정을 도시한 것이다.
도 6을 참조하면, 옵티컬 헤드(150)는 픽 앤 플레이스 방식을 통해 제조될 수 있다.
옵티컬 헤드(150)는 베이스(120)에 조립되는 정렬 가이드(121) 위에 렌즈 어셈블리(115)와 레이저발생기(114) 광수신기(114)를 장착하는 것으로 조립이 완료된다.
상기 베이스(120)는 PCB기판으로 형성될 수 있다.
베이스(120)에 정해진 치수에 따라 정렬 가이드 장착홀(71, 72), 레이저 발생기 장착부(73) 및 정렬된 VCSEL의 위치에서 수직선상에 4채널 광디텍터(PD)로 이루어진 광수신기 장착부(74)가 형성된다.
상기 정렬 가이드 장착홀(71, 72)에는 정렬 가이드(121)가 장착되고, 레이저 발생기 장착부(73)에는 VCSEL(111)이 장착되며, 광수신기 장착부(74)에는 4채널 광디텍터가 장착된다.
상기 정렬 가이드(121)의 하부에는 상기 정렬 가이드 장착홀(71, 72)에 장착이 용이하도록 제1 장착레그(85, 86)가 형성된다.
상기 정렬 가이드(121)의 상부에는 상기 렌즈 어셈블리(115)의 장착이 용이하도록 양측 가이드에 제2렌즈 장착홀(81, 82)이 형성되며, 상기 렌즈 어셈블리(115) 하부에 형성된 제2렌즈 장착레그(95, 96)가 상기 렌즈 장착홀(81, 82)에 장착된다.
본 발명의 일 실시 예에 따르면, 렌즈 어셈블리(115)는 극소형으로의 정밀 조립이 용이하도록 전체적으로 직육각면체 형상을 가지며 콜리메이팅 렌즈(112)와 프로젝팅 렌즈(113)의 조립체로 형성된다.
콜리메이팅 렌즈(112)는 직육각면체 형상의 상부 중앙에 레이저 빔의 시준을 위한 제1비구면렌즈가 돌출 형성되는 요홈으로 형성된 제1공간을 가진다.
프로젝팅 렌즈(113)는 직육각면체 형상의 하부 중앙에 레이저 빔의 집광 및 사영을 위한 제2비구면렌즈가 돌출 형성되는 요홈으로 형성된 제2공간을 가진다.
렌즈 어셈블리(115)는 콜리메이팅 렌즈(112)에 형성된 상기 제1 공간(162)과 프로젝팅 렌즈(113)에 형성된 제2 공간(163)이 대면하는 형태로 조립되어 전체적으로 직육각면체 형상으로 형성된다.
도 7은 본 발명의 일 실시 예에 따라 제작된 레이저 변위 센서(100)의 이미지를 도시한 것이다.
도 7을 참조하면, 옵티컬 헤드(150) 위에 정해진 치수에 따라 코드 스케일을 배치하여 레이저 변위 센서(100)가 완성된다.
본 발명의 일 실시 예에 따라 제작된 레이저 변위 센서(100)의 옵티컬 헤드는 10.3(W) x 8.33(L) x 6.55(H) mm3의 크기로 형성된다.
또한, 렌즈 어셈블리(115)는 높이 5.4mm이며 가로 폭 8.0mm로 형성된다.
본 발명의 일 실시 예에 따르면, 콜리메이팅 렌즈(112) 및 프로젝팅 렌즈(113)는 polycarbonate로 제조되며, 정렬 가이드(121)는 polyimide로 제조된다.
코드 스케일(170)은 반지름 ~13.5mm의 원형호를 기준으로 반사면과 비반사면이 교대로 형성된 코드가 10㎛ 주기로 이루어진 격자 패턴이 표면에 형성된다.
본 발명의 일 실시 예에 따르면, 코드 스케일(170)의 표면에서 반사면의 반사율은 95% 이상이고, 비 반사면은 입사되는 광이 산란되도록 처리되어 반사율이 5% 이하가 되도록 형성된다.
도 8, 9는 본 발명의 일 실시 예에 따른 레이저 변위 센서 장치에서 변위동작을 측정한 출력 신호를 도시한 것이다.
도 8은 정밀 스테이지 위에 센서 모듈을 고정시켜 코드 스케일(170)이 모터를 통해 시계 방향으로 회전할 때 출력되는 Output Sig-A와 Sig-B의 오실로스코프 화면을 나타낸 것이다.
도 9는 정밀 스테이지 위에 레이저 변위 센서를 고정시키고, 코드 스케일(170)이 모터를 통해 반 시계 방향으로 회전할 때 신호처리장치에서 출력되는 신호 Sig-A와 Sig-B의 오실로스코프 화면을 나타낸 것이다.
이때, 측정된 레이저 변위 센서(100)의 출력 신호의 기준 frequency는 ~130 kHz이며, 신호의 주기는 ~8 μs이다.
도 8을 참조하면, 코드 스케일이 시계 방향으로 회전할 때는 Sig-A가 Sig-B를 앞서고 있으며, 두 신호 간의 위상 차는 약 90°이다.
또한, 도 9를 참조하면, 도 8과는 반대로 반 시계방향의 회전에서는 Sig-B가 Sig-A를 앞서며, 마찬가지로 위상 차는 약 90°가 발생됨을 알 수 있다.
도 8, 9를 참조하면, Sig-A 또는 Sig-B의 구형파의 펄스 개수를 산출하여 변위 거리를 구할 수 있다.
도 8, 9를 참조하면, 출력된 신호의 펄스의 한 주기는 10㎛를 나타내고, 출력신호 Sig-A와 Sig-B의 신호를 리드 방향을 비교하여, 코드 스케일의 회전 방향을 구분할 수 있다.
이러한 결과를 통해서 제안된 광 변위센서는 ~10㎛의 위치 분해능, ~0.04°의 각도 분해능을 구현하였고, 코드 스케일의 회전 방향을 구분할 수 있어 센서를 장착한 장치의 방향 제어를 할 수 있는 효과를 가진다.
또한, 광수신기의 출력신호 Sig-A와 Sig-B의 위상 차 90°를 만족하는 경우에 quadrature decoder IC를 이용하여 2.5㎛의 위치 분해능 또는 0.01°의 각도의 고 분해능으로 향상시킬 수 있다.
도 10은 코드 스케일의 수직 방향 정렬 오차에 따른 사영된 레이저 빔의 Ray의 기하학적 분석 및 입사 주기(ΛB) 변화를 도시한 것이다.
도 10을 참조하면, 코드 스케일(170)은 발생될 수 있는 정렬 오차에 의해서 설정된 기준 포인트(170-1)를 지나서 제3포인트(170-3)에 정렬되거나 설정된 기준 포인트(170-1)에 못 미쳐서 제2포인트(170-2)에 정렬될 수 있다.
코드 스케일의 정렬 오차에 의한 3가지 경우에 대해서 각각 기준 포인트(170-1)에 형성된 제1 Ray bundle(RBC), 제2포인트(170-2)에 형성된 제2 Ray bundle(RBR) 제3포인트(170-3)에 형성된 제3 Ray bundle(RBR)로 중심 Ray가 선택되어 광수신기의 중심으로 향하는 궤적을 형성하게 된다.
프로젝팅 렌즈를 지나 코드 스케일로 투사된 레이저 빔은 코드 스케일로의 입사각에 의해서 반사 레이저 빔의 패턴 주기가 결정되며, 제1 Ray bundle(RBC)을 기준으로 법선 벡터로부터 코드 스케일로의 입사 각도의 관점에서 비교하면 제2 Ray bundle(RBR)인 경우 입사각이 제1 Ray bundle에 비해 상대적으로 크므로, 패턴 주기가 크고, 제3 Ray bundle(RBL)의 경우 입사각이 제 1 Ray bundle에 비해 상대적으로 작으므로, 패턴 주기가 작게 형성된다.
여기서 제1 Ray bundle(RBC)은 기준 설계와 동일한 궤적으로 광수신기(114)의 중심까지 이동되도록 한 기준 포인트(170-1)에 의한 궤적을 의미한다.
도 10을 참조하면, 코드 스케일(170)의 위치가 +△Z 만큼 상향으로 오류 정렬되어 제3포인트(170-3)에 위치될 때, 반사 레이저 빔은 제1 Ray bundle(RBC) 대신 자동으로 제3 Ray bundle(RBL)이 선택되어 변위 정보를 제공한다.
또한, 코드 스케일(170)의 위치가 -△Z 만큼 하향으로 오류 정렬되어 제2 포인트(170-2)에 위치될 때, 반사 레이저 빔은 제1 Ray bundle(RBC) 대신 제2 Ray bundle(RBR)이 선택되어 변위 정보를 제공한다.
상기 제1~3 Ray bundle은 코드 스케일로의 서로 다른 입사각을 갖는 전파 특성을 가지므로, 광수신기(114)측에서 측정한 반사된 레이저 빔의 입사 주기는 코드 스케일(170)의 정렬 위치에 따라 다르게 나타난다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 설계 기준 값에 따라 제1 Ray bundle(RBC)로부터 광수신기(114)에 4개의 광디덱터(PD1 ~ PD4)에 입사된 설계 입사 주기(ΛB0)는 160㎛이다.
도 10을 참조하면, 코드 스케일(170)의 정렬 위치가 기준 포인트(170-1)에 미치지 못하고, 이에 입사각이 커짐에 따라 형성된 제2 Ray bundle(RBR)의 주기 ΛB2는 기준 주기 ΛB0보다 크게 형성되고, 코드 스케일(170)의 정렬위치가 기준 포인트(170-1)를 지나서 형성된 제3 Ray bundle(RBL)의 주기 ΛB2는 기준 주기 ΛB0보다 작게 형성된다.
다른 하드웨어적인 구성들의 정렬 오차 역시 광수신기에 입사되는 레이저 빔의 주기가 유사한 방식으로 배향에 의해 영향을 받게 된다.
구체적으로는, 광수신기에 입사되는 반사 레이저 빔의 입사 주기(ΛB)는, VCSSEL 및 콜리메이팅 렌즈가 수평 +x 및 -x축으로 설계 기준점을 벗어날 때, 증가되며, 프로젝팅 렌즈가 +z 방향으로 이동될 때 증가되는 것으로 나타난다.
레이저 빔의 구성요소들의 오정렬에 따라 코드 스케일에 의해 매개되기 때문에 입사되는 반사 레이저 빔의 입사 주기는 반대 방향으로 발생하는 오정렬에 따라 줄어든다.
구성 성분의 기하학적 위치들에 따르면, 제안 본 본 발명의 일 실시 예에 따른 레이저 변위 센서 장치(1)의 성능은 결과적으로 Sig-A, Sig-B와 그것의 직교 신호 사이의 위상 관계의 측면에서 영향을 받는다.
본 발명의 일 실시 예에 따르면, 레이저 변위 센서 장치(1)가 변위 방향을 식별함과 동시에, 코드 스케일의 주기를 인식할 수 있는 분해능을 제공할 수 있다. 적절한 구형파 신호 쌍을 생성할 수 있는 조건에 기초하여 사영된 레이저 빔 패턴의 주기 범위를 정할 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 10㎛의 분해능과 두 출력 신호 간의 위상 차를 가진 본 발명의 일 실시 예에 따른 레이저 변위센서 장치(1)는 사영 빔 특성을 이용하여 반사 레이저 빔의 패턴이 광수신기의 각 광디텍터(PD)에 적절하게 입사되도록 설계되었고, 레이저 변위 센서의 하나의 출력으로 10㎛의 변위를 감지할 수 있으며, 두 개의 출력으로는 두 출력 신호의 위상 차를 이용하여 물체의 움직이는 방향을 알 수 있다.
종래의 반사형 레이저 변위 센서의 경우, 레이저발생기, 시준렌즈, 사영렌즈 및 측정대상의 스케일 패턴을 포함한 수평/수직 방향의 주요 구성 요소의 정렬이 어긋나게 되면 빔 주기 변화에 의해 오류가 발생될 수 있다.
초소형 센서가 안정적으로 구동되기 위해서 구조의 구성 요소 공정 및 조립 과정 중에 발생할 수 있는 정렬 오차에 대한 내성을 확보하는 것이 바람직하다.
본 발명의 일 실시 예에서는 10㎛ 급의 정밀한 측정과 이러한 마이크로급 측정기기의 측정 신뢰도를 높이기 위해서는 일정 범위의 정렬 오류에 대하여 정확한 측정치를 제공할 수 있는 구조적 내성을 가지고 있도록 설계되었다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 실험 예에서는, 제작된 레이저 변위 센서 장치(1)가 사출 및 조립 과정에서 위치 오차가 발생하더라도 안정된 사영 빔을 형성하면서 10㎛의 변위를 감지함과 동시에 시계 방향 또는 반 시계 방향을 구별할 수 있는 입사 주기(ΛB)의 범위를 결정할 수 있는 정렬 오차에 대한 내성이 제공된다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 레이저 변위 센서 장치(1)에서 코드 스케일로부터 반사되어 광디텍터(PD)에서의 기준 빔 패턴 주기는 4채널 광디텍터의 크기인 160㎛이며, 출력 신호 Sig-A, B의 기준 위상 차는 90°이다.
광수신기의 광디텍터(PD) 위치에서 두 출력 신호 Sig-A 및 B에 대한 위상 차 Φ의 오차에 대한 내성을 고려하는 것은 코드 스케일의 회전 방향, 즉 물체의 움직임을 감지하기 위한 허용 범위이다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 레이저 변위 센서 장치(1)에서 변위의 방향에 대한 식별을 정확하게 인식하기 위한 관점에서 Φ=45°에서 135° 범위에서 있으면 가능하다. 즉, 기준 Φ= 90° 대비 +/-45°가 정확한 측정을 할 수 있는 허용 가능범위로 결정할 수 있다.
이 범위는 경우에 따라 다르게 결정될 수 있다.
도 11은 본 발명의 일 실시 예에 따른 레이저 변위 센서 장치(1)에서 광수신기에 입사되는 반사 레이저 빔의 입사 주기(ΛB)와 두 출력 신호의 위상의 관계를 도시한 것이다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 레이저 변위 센서 장치(1)에서 설계 기준과 동일하게 제작된 경우 ΛB = ΛB0 = 160㎛이며, 4채널 광디텍터(PD)의 각각은 입사 빔 주기의 1/4을 담당한다. 그러므로 단일 광디텍터에 의한 위상은 주기 내의 증가 및 감소와 함께, 하락과 상승하는 경향이 있다.
실제로 ΛB의 1/4배가 한 주기에 대해서 90°이므로 한 주기 360°로부터 광디텍터간의 간격인 40㎛과 상응되는 Φ가 출력 신호 Sig-A 와 Sig-B의 위상 차이다. 따라서 ΛB가 커질수록 하나의 광 디텍터에 할당되는 패턴 주기에 따라 Φ가 작아지게 된다.
즉, 위상 관계는 주기가 간격 105~320㎛의 변화에 따라 Φ=135°에서 45°로 변화되는 것을 추정할 수 있다.
따라서, 본 발명의 일 실시 예에 따른 레이저 변위 센서 장치(1)는 105~320㎛ 범위에서 90° 기준 ±45°을 만족시키는 허용 범위를 가지게 된다.
그리고 ΛB 가 105㎛일 때, 두 채널의 광디텍터가 한 주기를 담당하여 출력 신호의 위상 차는 135°가 되고, ΛB 가 320㎛에서는 45°가 된다.
사영 빔, 특히 패턴 주기의 전파 특성은, 레이저 변위 센서를 구성하고 있는 구성 요소의 배향에 주로 영향을 받을 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에서는 레이저발생기(VCCSEL) 및 콜리메이팅 렌즈의 수평 오정렬과 패턴 주기(ΛB) 관계를 시뮬레이션하였다.
도 12는 본 발명의 일 실시 예에 따른 레이저발생기(VCCSEL) 및 콜리메이팅 렌즈의 수평 오정렬과 입사 주기(ΛB) 관계를 도시한 것이다.
레이저발생기(VCCSEL) 및 콜리메이팅 렌즈의 수평 오정렬은 코드 스케일을 기준으로 한 사영 지점에 주로 관련된다.
도 12를 참조하면, VCSEL이 -100 ~ +100㎛ 범위의 +x 방향을 따라 오정렬될 때, 광수신기에 입사되는 반사 레이저 빔 패턴의 입사 주기(ΛB)는 128㎛부터 208㎛로 변경된다(201).
또한, 콜리메이팅 렌즈가 -100~ +100㎛에서 x축 방향을 따라서 오정렬될 때 유사하게, 반사 레이저 빔 패턴의 입사 주기(ΛB)는 208㎛에서 124㎛로 변화한다.
위 결과로부터 레이저발생기(VCCSEL) 및 콜리메이팅 렌즈의 수평 오정렬 위치 -100 ~ +100㎛에 따른 반 레이저 빔 패턴의 입사 주기(ΛB) 변화는 124 ~ 208㎛로서 이는 앞에서 설명한 입사 주기(ΛB)의 최대 허용 범위(105 ~ 320㎛)에 포함된다.
즉, 본 발명의 일 실시 예에 따른 레이저 변위 센서 장치(1)의 구성요소인 레이저발생기(VCCSEL) 및 콜리메이팅 렌즈의 수평 위치에 대하여 ±100㎛의 범위를 허용할 수 있는 정렬 내성(alignment toleranc)을 가진다.
도 13은 본 발명의 일 실시 예에 따른 프로젝팅 렌즈와 코드 스케일의 수평 오정렬과 입사 주기(ΛB) 관계를 도시한 것이다.
도 13을 참조하면, 프로젝팅 렌즈를 -100 ~ +110㎛에 이르기까지의 거리에 의해 z축 방향을 따라 목표 위치로부터 오정렬 되었을 때, 광수신기에 입사되는 반사 레이저 빔 패턴의 입사 주기(ΛB)는 132㎛부터 196㎛로 변경된다(211).
유사하게 코드 스케일을 -100 ~ +100㎛에 이르기까지의 거리에 의해 z축 방향을 따라 목표 위치로부터 오정렬 되었을 때, 광수신기에 입사되는 반사 레이저 빔 패턴의 입사 주기(ΛB)는 196㎛부터 136㎛로 변경된다(212).
따라서, 프로젝팅 렌즈와 배율에 대한 코드 스케일의 최대 위치 허용 범위(Φ = 45°에서 135°)를 고려할 때, 상호 위상 관계의 변동을 초래하는 패턴 주기(ΛB)의 허용 범위는 수직 방향을 따라 ± 100㎛인 것으로 확인된다.
도 12를 참조하면, VCSEL과 콜리메이팅 렌즈의 x 축을 따라 수평 정렬 변화에 대한 광수신기에 입사되는 반사 레이저 빔 패턴의 입사 주기(ΛB)의 변화율은 거의 +0.4 ㎛/㎛ 및 -0.4 ㎛/㎛인 것으로 산출된다.
도 13을 참조하면, 프로젝팅 렌즈와 코드 스케일이 z 축을 따라 수직 정렬 변화에 대한 광수신기에 입사되는 반사 레이저 빔 패턴의 입사 주기(ΛB)의 변화율은 각각 약 0.3 ㎛/㎛와 -0.36㎛/㎛로 산출된다.
따라서 본 발명의 일 실시 예에 따른 레이저 변위 센서 장치(1)는 정렬 오차 범위가 100㎛에 이르기까지 구조적 내성을 가지며, 설계된 구형파 신호들의 쌍을 출력하여 정상적인 측정 기능을 수행할 수 있는 것을 알 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시 예에서는 레이저 변위 센서 장치(1)의 출력에 따른 반사 레이저 빔 패턴의 입사 주기(ΛB)의 영향을 평가하였다.
(이는 입사 주기(ΛB)가 구성 요소의 정렬에 민감하다는 점에 기초한 것이다.).
도 14 서로 다른 입사 주기(ΛB)들에 있어서, 코드 스케일의 변위에 대해 출력되는 레이저 변위 센서 장치(1)의 출력을 도시한 것이다.
도 8을 참조하면, 입사 주기(ΛB) 200, 160 및 120㎛에 대응하는 각도 Φ=72° 90° 및 120°를 구하는 변이에 대해 일정 방향으로 진행하는 구형파 출력 신호 쌍(Sig-A, Sig-B)을 나타낸다.
도 14를 참조하면, 입사 주기(ΛB)의 변동에 상관없이 본 발명의 일 실시 예에 따른 출력 신호는 스케일의 주기와 동등한 10㎛의 위치 분해능을 제공하는, 변위의 방향을 구별할 수 있음을 알 수 있다.
즉 구성요소들에 의한 위치 오차가 발생하여 반사 레이저 빔 패턴의 입사 주기(ΛB)가 바뀌더라도 10㎛ 분해능과 코드 스케일의 회전 방향을 감지할 수 있다.
따라서, 본 발명의 일 실시 예에 따른 레이저 변위 센서 장치(1)는 그 구성 요소의 위치 오정렬에 관점에서 높은 구조적 내성을 가진다.
본 발명의 일 실시 예에 따르면, 레이저 변위 센서 장치(1)는 비구면 렌즈 기반의 집적-수동정렬 방식의 광 변위센서 장치를 제공한다.
레이저 변위 센서 장치(1)는 코드 스케일 사이에 초점을 가지는 프로젝팅 렌즈의 도입으로 사영 빔을 형성하여 10㎛ 분해능을 가지면서 광디텍터(PD)의 크기에 민감하지 않은 특징을 지닌다.
또한, 본 발명의 일 실시 예에 따른 레이저 변위 센서 장치(1)에서 스케일코드의 광수신기를 이용하여 효과적으로 한 쌍의 구형파 출력 신호로 변환되며, ~10㎛ 주기의 격자 구조를 갖는 코드 스케일을 이용하여 10㎛의 미세한 변위에 대해 두 출력 신호 Sig-A 및 Sig-B의 위상 차를 이용하여 회전 방향, 그리고 ~0.04°의 회전각도를 감지할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시 예에 따르면, 레이저 변위 센서 장치(1)의 위치 분해능은 10㎛이며, 두 출력신호 Sig-A와 B의 위상 차가 90°인 조건에서 2.5㎛의 위치 분해능으로 향상시킬 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시 예에 따른 레이저 변위 센서 장치(1)는 구성 요소의 사출 및 조립 또는 운영 과정에서 발생될 수 있는 위치 오차에 대하여 전체적으로 +/-100㎛의 충분히 큰 정렬 내성을 통해 센서의 광범위한 운영 및 대량 생산에 용이하다.
1: 레이저 변위 센서 장치
5, 150: 옵티컬 헤드
10, 100: 레이저 변위 센서
11, 111: 레이저발생기
12, 112: 콜리메이팅 렌즈
13, 113: 프로젝팅 렌즈
14, 114: 광수신기
17, 170: 코드 스케일
20: 신호처리장치
71, 72: 장착홀
73, 74: 장착부
81, 82; 렌즈 장착홀
95, 96; 장착 레그
115: 렌즈 어셈블리
120: PCB 베이스
121: 정렬 가이드

Claims (12)

  1. 레이저 변위 센서와 신호처리장치를 포함하는 레이저 변위 센서 장치에 있어서,
    상기 레이저 변위 센서는,
    반사면과 비반사면이 교대로 형성되는 코드 주기 패턴이 형성되고 측정 대상의 변위 동작을 수행하는 코드 스케일: 및 레이저 빔을 발생하고 수신하는 옵티컬 헤드: 를 포함하며,
    상기 옵티컬 헤드는,
    레이저 광을 발생시키는 레이저 발생기;
    상기 레이저 발생기의 상부 공간에 위치되며, 상기 발생된 레이저 빔을 평행광으로 편향시키는 콜리메이팅 렌즈;
    상기 콜리메이팅 렌즈의 상부에 위치하며, 상기 콜리메이팅 렌즈에서 편향된 레이저 빔을 집광하여 상기 코드 스케일로 사영시키는 프로젝팅 렌즈; 및
    상기 코드 스케일로부터 반사된 레이저 빔을 수신하는 광수신기를 포함하되,
    상기 프로젝팅 렌즈는 출력측의 초점이 상기 프로젝팅 렌즈와 상기 코드 스케일 사이 공간에 위치되도록 형성되는 것을 특징으로 하는 레이저 변위 센서 장치
  2. 제1항에 있어서,
    상기 광수신기는 4개의 광디텍터를 포함하며,
    상기 코드 스케일로부터 반사되는 레이저 빔은 상기 코드 스케일에서 상기 광수신기까지 진행되는 동안 주기가 증가하는 패턴으로 형성되며, 상기 광디텍터의 폭 크기는 상기 코드 스케일의 코드 주기 간격보다 큰 것을 특징으로 하는 레이저 변위 센서 장치
  3. 제2 항에 있어서
    상기 4개의 광디텍터에 입사되는 레이저 빔 신호는 4개가 각각 유사 정현파 신호 패턴을 가지며,
    상기 4개의 유사 정현파 신호를 각각 상기 신호처리장치에서 각 2개씩의 신호를 비교기 합성 처리를 거쳐서, 2개의 제1, 2 구형파 신호로 출력되며, 상기 제1, 2 구형파 신호 중 어느 하나의 펄스 개수를 이용하여 상기 코드 스케일의 변위를 측정하는 것을 특징으로 하는 레이저 변위 센서 장치
  4. 제3항에 있어서,
    상기 제1 구형파 신호와 제2 구형파 신호의 진행에 대한 패턴 중 리드 신호를 분석하여 상기 변위의 방향을 측정하는 하는 것을 특징으로 하는 레이저 변위 센서 장치
  5. 제2항에 있어서,
    상기 콜리메이팅 렌즈는 직육각면체 형상의 상부 중앙에 레이저 빔의 시준을 위한 제1 비구면렌즈가 돌출 형성되는 요홈으로 형성된 제1공간을 가지며, 상기 프로젝팅 렌즈는 직육각면체 형상의 하부 중앙에 레이저 빔의 집광 및 사영을 위한 제2 비구면렌즈가 돌출 형성되는 요홈으로 형성된 제2공간을 가지고, 상기 제1 공간과 제2 공간이 대면하는 형태로 조립되어 전체적으로 직육각면체 형상의 렌즈 어셈블리 형상으로 형성되는 것을 특징으로 하는 레이저 변위 센서 장치
  6. 제2항에 있어서,
    상기 코드 스케일의 주기 간격은 10㎛이며, 상기 광디텍터(PD)의 하나의 폭은 40㎛인 것을 특징으로 하는 레이저 변위 센서 장치
  7. 제5항에 있어서,
    상기 옵티컬 헤드는 10.3(W) x 8.33(L) x 6.55(H) mm3의 크기로 형성되며, 상기 렌즈 어셈블리는 높이 5.4mm이며 가로 폭 8.0mm로 형성되는 것을 특징으로 하는 레이저 변위 센서 장치
  8. 제4항에 있어서,
    상기 레이저 변위 센서 장치는 10㎛의 위치 분해능 0.04°의 각도 분해능을 가지는 것을 특징으로 하는 레이저 변위 센서 장치
  9. 제4항에 있어서,
    상기 레이저 변위 센서 장치는 상기 제1 구형파 신호와 제2 구형파 신호의 위상을 90°로 유지할 때, 2.5㎛의 위치 분해능, 0.01°의 각도 분해능을 가지는 것을 특징으로 하는 레이저 변위 센서 장치
  10. 제 2항에 있어서.
    상기 주기 간격은 18 ㎛/mm의 비율로 전파 방향을 따라 산형적으로 증가하는 것을 특징으로 하는 증가하는 레이저 변위 센서 장치
  11. 제6항에 있어서,
    상기 레이저 변위 센서 장치는 상기 광수신기에 입사되는 레이저 빔의 주기 간격이 105~320㎛ 범위에서 측정 허용 범위를 가지는 것을 특징으로 하는 레이저 변위 센서 장치
  12. 제6항에 있어서,
    상기 레이저 변위 센서 장치는, 10㎛의 위치 분해능을 가지면서, 상기 코드 스케일, 레이저 발생기, 콜리메이팅 렌즈, 프로젝팅 렌즈; 및 광디텍터의 위치 정렬에 대하여 ±100㎛의 허용 가능한 구조적 내성을 가지는 것을 특징으로 하는 레이저 변위 센서 장치
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Reflective-type photonic displacement sensor incorporating a micro-optic beam shaper, 'Hak-soon Lee and Sng-Shin Lee', 8 Jan 2014,OPTICS EXPRESS 868.* *

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