106 계장기술 기획특집 Laser 변위센서 기술과 검사 계측 System의 발전 지용우 / 한국오므론제어기기㈜ [email protected]Laser 변위센서는 FA산업에서 변위센서라는 센서가 적용된 이래로 비접촉방식으로는 가장 안정적인 측정이 가능한 Sensor라고 볼 수 있다. 지금까지 Laser 변위센 서는 FPD, 반도체, 자동차 업계를 포함해서 다양한 Application에서 적용되어 활용되고 있다. Laser 변위센서는수광소자, Laser Control 기술, 투 수광 Lens의 개선과 함께 발전을 해왔다. 거리측정용 변위센서 (1) 수광소자의 발전 수광소자의 경우 PSD(Position Sensitivity Device) 소자를 사용한 Analog Type에서 시작되었다. 그 후 CCD, CMOS와 같은 Digital 수광 소자를 사용하게 됨으 로써 현재에는 혼수품의 대명사가 된 LCD, PDP TV 공 정에서 없어서는 안 되는 Sensor로 자리잡았다. PSD 소 자의 경우 수광소자에 입광된 전체 빛의 중심 위치를 측 정하기 때문에 LCD, PDP에 사용되는 얇은 Glass의 표 면측정에 적용이어려웠다. 하지만, CCD나 CMOS와 같 변위센서의 광학계 구동 회로 A B 광원 투광렌즈 수광렌즈 PSD 투광축 수광축 PSD : Position Sensition Device 대상 물체 투광측 수광측 [성능차가 없는 상태] [성능오차가 발생하는 경우] PSD방식 레이저 투광 스폿의 조사 내 에서의 대상물 표면에 얼룩, 요철이 무시할 수 있을 정도 일 때 양쪽 방식에서의 정밀 도에 미치는 차이는 없다. 레이저 투광 스폿의 조사 내에 서 대상물 표면에 얼룩, 요철 이 무시할 수 없을 때 PSD 방 식에서 빛의 중심 위치가 실제 피크 위치와 어긋날 수 있다. 중심위치 수광소자 스폿결상 피크값 CCD방식 FAR NEAR •PSD 방식과 CCD(CMOS) 방식 - PSD 방식의 원리 특징 : 대상물 상의 스폿 빔을 수광 소자 상에 투영했을 때의 중심 위치를 거리 환산한다. - CCD(CMOS) 방식의 원리 특징 : 대상물 상의 스폿 빔을 수광 소자 상에 투영했을 때의 CCD(CMOS) 화소별 광량을 검출하여 거리 환산한다. 대상물 PSD방식 CCD방식 피크값 중심위치 실제 실제 피크값
레이저 투광 스폿의 조사 내에서의 대상물 표면에 얼룩,요철이 무시할 수 있을 정도일 때 양쪽 방식에서의 정밀도에 미치는 차이는 없다.
레이저 투광 스폿의 조사 내에서 대상물 표면에 얼룩, 요철이 무시할 수 없을 때 PSD 방식에서 빛의 중심 위치가 실제피크 위치와 어긋날 수 있다.
중심위치
수광소자
스폿결상
피크값
CCD방식FAR
NEAR
•PSD 방식과 CCD(CMOS) 방식- PSD 방식의 원리 특징 : 대상물 상의 스폿 빔을 수광 소자 상에투영했을 때의 중심 위치를 거리 환산한다.- CCD(CMOS) 방식의 원리 특징 : 대상물 상의 스폿 빔을수광 소자 상에 투영했을 때의 CCD(CMOS) 화소별 광량을검출하여 거리 환산한다.
대상물
PSD방식 CCD방식
피크값중심위치실제
실제 피크값
Laser 변위센서기술과검사계측System의발전
은 Digital 소자를사용할경우빛의세기가가장강한
Pixel의 주소를 읽음으로 해서 얇은 Glass라 하더라도
표면까지안정적으로측정이가능하도록개발이되었다.
(2) Laser Control 기술
수광소자와함께안정적측정을위해필요한것이광
원인Laser를Control 하는기술이다. Vision System에
서조명이중요하듯이 Laser 변위센서에서는측정원인
Laser가 필수 요소이다. 하지만, Laser를 Control하지
못할경우빛을이용한측정인만큼측정대상물의색이
나 표면상태에 따라서 달라지는 빛의 반사특성에 의한
측정오차가발생할수있다. 예를들어표면이반사가
잘이루어지는경면가공된SUS와검은대상물의대표격
인자동차타이어의재료인고무시트가같은높이에있
다고가정할경우. 같은세기의빛을반사시켰을때반사
된빛의양은당연히다를수밖에없다. 이경우서로다
른빛반사량의차이가곧거리측정값의오차로표현되
기 때문에 측정 대상물의 상태가 변화할 수 있는
Application에서는고정밀도의안정적인측정이불가능
했었다. 하지만, Sensor 스스로가수광소자에입광되는
빛의양을판단하여그양을기준으로투광되는Laser의
투광시간을조절하여항상같은양의빛이수광될수있
는Control 기술이개발되었고, 최초에는상·중·하와
같이크게3단계의조절만가능하던기술이현재에는32
단계조절단계를거쳐10000단계까지조절하여측정대
상물의 미세한 표면 상태 변화에도 안정적으로 측정이
가능한단계까지발전하였다.
Laser 변위센서기술의집합체
2D Profile Laser 변위센서
앞에서살펴본변위센서의발전은이미과거의일이
되어버린지 수년이 되었다. 가장 최근에 많은 Applica
tion 검토가이루어지고있는변위센서는앞에서의발전
에 더하여 단순히 센서로부터 거리만 측정하는 것에서
측정대상물의단면형상을측정해내는수준에까지올
라왔으며, 이것을해내기위해서는앞에서소개된기능
의보완이필요하다.
1072010. 5
Mirror
LaserIntensity
LaserDuty
Min. 0.1% Max. 80%
현재변위센서 : 10000Step 이상 조절가능
과거 변위센서31 Step
과거 Model
현재 Model
BrightnessBlack
Rubber
Gradation
Gradation
Pixcel Number
Overlay received light profile(Different Brightness)
A little bitDifferent profile
Match perfectall profile
Pixcel Number
800-85
S-HLD85
108 계장기술
센서기술과 어플리케이션 위한 새로운 시도
(1) 2D Profile Laser 변위센서의개념
우리는이미다음과같은사실을알고있다. ‘점’이라
고부르는단위가같은방향으로순차적으로나열될경
우‘선’을표현할수있게되고, 이‘점’이모여만들어진
‘선’이 모이면‘면’을 표현할 수 있다. 최종적으로 이
‘면’이쌓이면우리가흔하게듣고있는3D, 즉‘입체’적
인표현이가능하다. 이를볼때위치가없는‘점’은차
원이없는단위가되지만, 한방향에대한
위치값을가지는‘점’들의모임은차원이
하나인1D에대한표현이가능한선의형태
를가질수있으며, ‘면’은두방향의위치
값을갖는점의집합이기때문에 2D가되
며, 입체, 즉 3D의경우는세방향의위치
값을갖는점의집합이라고볼수있다. 결
론적으로, 어떤수치화되어있는‘이미지’
를표현하기위해서는‘선’은한방향(X or
Y or Z)에대한위치값, ‘면’은두방향(X,
Y or X, Z or Y, Z), ‘입체’는세방향(X, Y, Z 모두)에대
한위치값을알아야만표현이가능하다는것을알수있
다. 물론, 이부분은겉으로보이는형상을표현하기위
한Data임으로실제구성되는‘밀도, 부피’의개념은무
시되었다고볼수있다.
원론적인내용에서다시변위센서에대해서생각해보
자. 우리가지금까지거리측정용으로사용해오던변위
센서는어디에해당한다고볼수 있을까? 일단, Laser
Beam의형태로볼때‘점’의형태로빛이나오기때문에
‘점’(Spot)이라고볼수있으나, 실제로그점에대해서
거리의값‘삼각측거’원리에의해 PSD 혹은‘CCD’,
‘CMOS’소자에서거리를측정하기때문에센서로부터
확인할수있는 Data는 1D 즉 1차원의 Data를측정할
수있다. 거리에대한Data임으로, 직교좌표에서X, Y,
Z로표현할때‘Z’을높이방향Data로써자주표현함으
로‘Z’방향에대한Data를구할수있다고볼수있다.
그럼제목에서볼수있듯이2D Laser Sensor에대해
서 설명하고자 한다. 그렇다면 지금까지‘Z’축에 대한
Data를측정할수있었던변위센서에서어떻게‘X’나
‘Y’Data를측정할수있도록할수있겠는가? 그전에
1092010. 5
과연‘Z’이외의다른Data를측정할수있도록Sensor
의개발이필요했는가를살펴볼필요가있을것같다. 필
요성을설명하기위해간단한예를하나들고자한다. 우
리가거리에서쉽게볼수있는자동차를보자. 만약, 자
동차를생산할때Door와차체를조립할때예상치못한
Gap이나 조립 단차가 발생하여 자동차 품질에 영향을
준 사례가 있어서 그 점을 미연에 방지하고자 자동차
Maker에서 이 두 가지를 동시에 해결할 수 있는
Solution의제공을요구한다고했을때어떤제안이가
능할지생각해보자. 일반적인Vision이일차적으로떠
올리는사람이많을것이다. 하지만User가요구하는측
정항목에단차라는부분을생각한다면일반적인Vision
으로접근하는것은쉽게포기할수있다. 그렇다면단차
라는부분, 즉‘Z’축에대한Data를얻는것이목적이라
면변위센서도떠올릴수가있다. 하지만, 일반적인변위
센서는센서에서대상물까지의거리만을측정하기에단
차라는항목을해결하기위해서는단차가발생되는두
점을가각측정하여연산할필요가있다. 따라서, 이를
해결하기위한과거의방법은Vision과변위센서를동시
에사용해야하는무거운 Solution이제안될수있다.
이러한Solution을좀더간단하게해결해야하는필요
성이2D Laser 변위센서의필요성이되고, 이러한Solu
tion을 해결하기 위해 고민해야 했던 부분이 일반적인
변위센서의Data에한차원추가된Data를계측가능하
도록Sensor 개발의기초가되었다고볼수있다. 위에
서단차를측정하기위해변위센서의위치를두개의측
정Point로이동을시키면서측정해야만하는부분을고
민해보면 1차적으로센서Head를복수로사용하는방
법이떠오를수있으며, 하나의센서에서 2개의 Laser
광이측정Point에투광이가능하다면복수의Sensor를
사용하지않아도되며, 여러Application에대응하기위
해서고정된두점이아니라User의활용도를넓히기위
해서는여러점의집합, 즉‘Line Beam’형태의Laser
Beam이 있다면, Laser Line이 투광되는 범위에서는
Line Beam을‘점’의형태로분리했을때Line을구성
하는‘점’Data로서의계측이가능할것이다. 이러한생
각에서부터일반변위센서에서사용되는Lens를원통형
으로바꿈으로써Line 형태의Laser 광원을만들수있
게 되었다. 그렇다면, Laser만을 Line형태로 바꾼다고
해서 Line을‘점’으로 나눈
Data의 계측이 가능할 수 있
을까? 그렇지않다선을다시
점의 Data로 나누기 위해선
Line을 나눌 수 있는 눈금이
있어야 하는데, 그 역할을 하
는 것이 2D CCD다. 즉, 2D
Profile 변위센서의 기본원리
를 정리하면, 각각의 거리를
측정하는‘점’이여러개가모
여하나의Line의형태의광원
으로되고, 그광원을다시여
러‘점’의거리Data로나누어
결합하여 연속적인 2차원의
형태의Profile을생성, 생성된
Laser 변위센서기술과검사계측System의발전
110 계장기술
센서기술과 어플리케이션 위한 새로운 시도
Profile을기준으로필요한연산이가능하도록하였다고
보면된다.
(2) 2D Profile Sensor의안정적계측을위한기술
위에서설명한Profile 센서의원리만있다면, User요
구했던계측이완벽하게이루어질수있을까? 계측은할
수있으나정밀한계측에는해결해야할문제점이많이
남아있다. 여러문제가있겠으나, 우선적으로해결해야
하는부분이 (모든빛을이용한측정이그렇듯이) 측정
대상물의상태변화에도안정적으로측정할수있도록
해야하는문제다. 앞서변위센서의발전에서설명했듯
이이문제를해결하기위해측정대상물의반사상태에
따라Laser 투광량을조절하여안정적측정이가능하게
되었다고하였다. 하지만, 2D Profile Laser 변위센서의
경우에는이방법만가지고안정적인측정이어렵다. 일
반적인변위센서의경우에는한측정점에대해서투광량
조절만으로안정적인한개의높이Data의계측이가능
하였으나, Profile 센서의경우에는이러한높
이 Data를 안정적으로약 630개를계측했을
때안정적인1개의Profile의생성이가능함으
로한개의높이Data를위한Laser 투광량조
절로는안정적인측정에무리가있다. 왜냐하
면, 투광되는Line Beam이위치한측정대상
면이Line 전체로보았을때균일한면일가능
성은거의없기때문이다. 예를들어70mm의
Laser Line Beam의센서로어떠한측정대상
면에 투광했을 경우, 정밀 가공된 Glass면을
제외하고는표면에굴곡도발생할수있으며,
여러 색깔이 있을 수도 있으며, 가공 상태도
전부다를수있다. 이럴경우한점에대한안
정적인측정이가능한Laser 투광을할때, 투
광된Laser 세기를반사시키더라도반사조건
이좋지않은지점에서는충분한Laser 반사량이없어서
Data가나오지않을수도있으며, 반사조건이더좋은,
즉 반사가잘되는부분에서는필요이상으로반사되는
빛의양이많아실제수광부에서Noise 형태처럼보일
수도있다. 극단적으로이러한세가지조건이하나의측
정면에서모두발생할경우결과로얻게되는Profile은
일부분은반사가되지않아끊기게되며, 일부분은반사
양이많아서Noise 형태의 Profile을만들게되면서결
과적으로실제형태와다른모양의Profile이생성되며,
이Profile을통해얻어지는계산값또한안정적인값을
계측할수없을것이다. 그렇다면어떻게해야이러한문
제점의 개선이 이루어질 수 있을까? 그 답이 Multi
Sensitivity 기술이다. 용어그대로다수의감도조절이라
고볼수있다. 한개의Profile을얻기위해서여러감도
로 Laser를 투광하는방법으로, 위에서예상된문제를
놓고보면, 세가지Laser 투광조절이필요하다. 세가지
중하나에맞추어설정된Laser 투광감도가100이라고
하면, 이 보다 많은 투광량이 필요한 부분에 대해서는
[Example]A workpiece with amountain-shaped referenceplane. Reflectivity variesfrom part to part
Light reflected fromthese parts do notdirectly enter the CCD
