진동측정장치, 진동측정방법, 및 진동측정장치의 광학계

진동측정장치, 진동측정방법, 및 진동측정장치의 광학계{vibration measurement apparatus, vibration measurement method, optical system for the vibration measurement apparatus}

본 발명은 진동측정장치, 진동측정방법, 및 진동측정장치의 광학계에 관한 것이다. 더욱 상세하게는 물체의 형상정보와 진동정보를 동시에 취득할 수 있는 진동측정장치, 진동측정방법, 및 진동측정장치의 광학계에 관한 것이다.

레이저 스캐닝 진동측정기(LSV:Laser Scanning Vibrometer)는 레이저 빔을 측정대상에 입사시킬 때 측정대상의 진동에 의해 발생하는 도플러 신호를 광간섭계에 의해 측정하고 신호처리부를 이용하여 속도신호로 변환하여 진동을 측정하는 기기이다.

상기 레이저 스캐닝 진동측정기는, 여러 진동 측정점들을 자동으로 측정할 수 있다. 따라서 토목, 건축, 기계, 항공, 전기 시스템의 산업 구조물 등의 진동주파수, 진동모드, 운전 중 모드(ODS)에 대하여, 안전하고 빠른 실험적 측정이 가능하여, 진동으로 인해 발생할 수 있는 다양한 소음, 결함, 및 파괴를 미리 예측할 수 있다.

또한, 상기 레이저 스캐닝 진동측정기는 비접촉식 측정 방식으로 동작한다. 따라서, 기존의 가속도계와 같은 접촉식 진동측정기를 사용하여 발생하는 하중영향, 회전체 측정불가, 긴 측정 시간 등의 단점을 극복할 수 있다. 이러한 이유로 상기 레이저 스캐닝 진동측정기는 회전체, 경량의 기구, 장거리 물체 측정에서 그 활용성이 더욱 높아지고 있다.

상기 레이저 스캐닝 진동측정기는 그 기기의 특성상 하나의 레이저 스캐닝 진동측정기로는 1차원 진동만 측정할 수 있다. 따라서, 삼차원 진동을 측정하기 위해서는 3대의 레이저 스캐닝 진동측정기를 사용하여 3차원 진동을 측정하는 것이 일반적이다. 그러나, 기존의 3차원 진동 측정 시스템을 이용할 경우에는, 고가의 레이저 스캐닝 진동측정기가 3대나 필요하기 때문에 진동 측정에 많은 비용이 소요되는 단점이 있다.

이러한 문제점을 감안하여 본 발명의 발명자는 대한민국 특허등록번호 10-1293040의 특허를 제안하여, 하나의 레이저 스캐닝 진동측정기를 이용하여 삼차원 진동을 측정할 수 있는 시스템을 제안한 바가 있다. 상기 인용특허에서는 세 지점을 이동하면서 형상정보와 진동정보를 획득함으로써 3대의 레이저 스캐닝 진동측정기가 사용되는 경우에 비하여 측정시간이 그만큼 더 소요되는 문제점이 있으나, 가격상의 장점으로 인하여 그 사용상의 효용성이 기대되는 효과를 얻을 수 있다.

상기되는 장점에도 불구하고, 인용문헌에 따르면 각 측정지점에서 형상정보와 진동정보를 순차적으로 측정하기 때문에, 각 측정지점 마다의 측정에 많은 시간이 소요되는 문제점이 있다. 구체적으로는 상기 인용문헌의 도 3을 참조하면, 형상정보를 획득하기 위한 레이저 거리측정기(310, 311미러참조)와 진동정보를 획득하기 위한 레이저 진동측정기(320, 323미러참조)가 스캐너(321 및 322의 스캐너참조)를 사이에 두고 위치하고 있다. 따라서, 스캐너의 회전각을 90도이상 회전시켜서, 레이저 거리측정기로부터의 레이저를 활용하는 때와, 레이저 진동측정기로부터의 레이저를 활용하는 때를 서로 분리하였다. 예를 들어, 스캐너를 중심으로 하여 어느 일측에 놓이는 레이저 거리측정기를 사용하고 난 다음에는, 스캐너를 90도이상 회전시켜서 다른 일측에 놓이는 레이저 진동측정기로부터의 레이저를 사용하도록 하였다.

그러나, 이와 같은 방식에 따르면, 스캐너를 90도이상 각도절환시켜야 하는 시간과, 상기 레이저 진동측정기와 상기 레이저 거리측정기를 개별적으로 동작하여야 하는 시간이 소요된다. 따라서, 한 대의 레이저 스캐닝 진동측정기에서 애초에 단점으로 지적되어 온 긴 측정시간의 문제가 더 악화되는 결과를 초래한다.

또한, 각각의 측정기가 개별적인 광경로를 거치기 때문에, 레이저를 이용하는 장치에 있어서 오차가 발생하기 쉽고, 스캐너의 각도제어가 어렵고, 제품의 제작시에 어려운 문제를 일으킨다.

본 발명은 상기되는 문제점을 개선하기 위하여 제안되는 것으로서, 측정시간을 단축시키고, 광학계의 구성을 단순화시키고 광학경로를 일치시켜서 측정오차의 문제를 개선할 수 있고, 각도제어가 쉽고, 제작상의 어려움을 해소할 수 있는 진동측정장치 및 진동측정방법을 제안한다.

본 발명에 따른 진동측정장치에는, 측정대상물체의 진동 측정점에 관한 형상정보를 획득하는 레이저 거리측정기; 및 상기 측정대상물체의 진동을 측정할 진동 측정점에 레이저 빔을 조사하여, 상기 진동 측정점에 대한 진동성분을 측정하는 레이저 스캐닝 진동측정기가 포함되고, 상기 레이저 거리측정기에서 조사되는 제 1 레이저와 상기 레이저 스캐닝 진동측정기에서 조사되는 제 2 레이저 중에서, 어느 하나는 반사하고 어느 하나는 투과하여, 상기 레이저 거리측정기와 상기 레이저 스캐닝 진동측정기가 동시에 동작할 수 있도록 하는 광학필터를 포함된다. 본 발명에 따르면, 측정시간을 단축시키고, 광학계의 구성을 단순화시키고 광학경로를 일치시켜서 측정오차의 문제를 개선할 수 있고, 각도제어가 쉽고, 제작상의 어려움을 해소할 수 있다.

상기 진동측정장치에 있어서, 상기 광학필터는, 레이저의 파장에 따라서 투과특성이 달라지는 것으로서, 노치필터, 밴드패스필터, 롱패스필터, 및 숏패스필터 중의 어느 하나를 사용할 수 있는데, 이에 따르면 다양한 필터를 다양한 방식으로 여러 산업계의 요청에 따라서 가변적용할 수 있다. 상기 레이저 스캐닝 진동측정기는, 적어도 세 지점의 측정 위치에서 상기 진동성분을 측정할 수 있는데, 이에 따르면 고가의 장비가 많이 필요하지 않아서 비용이 저렴하게 되는 장점을 얻을 수 있다. 상기 한 대의 레이저 거리측정기와 한 대의 레이저 스캐닝 진동측정기로 구성됨으로써 더욱 저렴하게 시스템을 구성할 수 있다. 상기 광학필터는, 상기 제 1 레이저는 투과시키고, 상기 제 2 레이저는 반사시킬 수 있다. 이로써 광학계를 일치시킴으로써 레이저의 동시조사가 가능할 수 있다. 상기 레이저 거리측정기로는 LIDAR가 사용될 수 있다.

본 발명의 다른 측면에 따른 진동측정장치의 광학계에는, 제 1 광원에서 조사되는 레이저가 통과하는 광경로를 제공하는 진동측정광학계; 제 2 광원에서 조사되는 레이저가 통과하는 광경로를 제공하는 형상측정광학계; 및 상기 진동측정광학계에서 출사된 레이저와 상기 형상측정광학계에서 출사된 레이저가 조사되는 광경로를 제공하는 공통광학계가 포함되고, 상기 공통광학계의 적어도 어느 일부에서는, 상기 진동측정광학계에서 출사된 레이저와 상기 형상측정광학계에서 출사된 레이저가 동시에 조사되는 것을 특징으로 한다. 이에 따른 동시에 두 개의 레이저를 사용할 수 있어서 계측장비의 단순화, 오류의 저감, 제작의 어려움이 저감되는 장점을 얻을 수 있다.

상기 광학계에 있어서, 상기 공통광학계에는 광학필터와 스캐닝부가 포함되어 두 레이저가 공통으로 동일한 광로를 거칠 수 있기 때문에, 정렬의 어려움이 없어지는 장점이 있다. 여기서, 상기 진동측정광학계 및 상기 형상측정광학계는 모두, 상기 스캐닝부의 어느 일측에 놓이게 되므로, 구성이 더욱 컴팩트하게 되는 장점이 있다. 상기 광학필터는, 레이저의 파장에 따라서 투과특성 및 반사특성이 달라지는, 노치필터, 밴드패스필터, 롱패스필터, 및 숏패스필터 중의 어느 하나를 사용함으로써, 업계마다 필요로 하는 환경에 다양한 방식으로 적용할 수 있다.

본 발명의 또 다른 측면에 따른 진동측정장치의 광학계는, 제 1 광원에서 조사되는 레이저가 통과하는 광경로를 제공하는 진동측정광학계; 제 2 광원에서 조사되는 레이저가 통과하는 광경로를 제공하는 형상측정광학계; 및 상기 진동측정광학계에서 출사된 레이저와 상기 형상측정광학계에서 출사된 레이저가 조사되는 공통으로 지나는 광경로를 제공하는 공통광학계가 포함되고, 상기 공통광학계가 고정되는 제 1 고정면은, 상기 진동측정광학계가 고정되는 제 2 고정면에 비하여 낮게 위치하고, 상기 형상측정광학계가 제공되는 제 3 고정면은 상기 제 1 고정면 및 제 2 고정면과 직교하게 배치되는 것을 특징으로 한다. 이에 따르면, 동시에 두 개의 레이저를 사용할 수 있어서 계측장비의 단순화, 오류의 저감, 제작의 어려움이 저감될 뿐만 아니라, 시스템이 컴팩트하게 구성되고, 그에 따른 이동편의성, 가격절감 등의 효과를 더 얻을 수 있다.

상기 광학계에 있어서, 상기 형상측정광학계는 분리가능하게 제공됨으로써, 제품의 효용가치를 더욱 높일 수 있다. 상기 공통광학계에는 광학필터가 제공되고, 상기 광학필터는 제 1 광원의 레이저와 제 2 광원의 레이저 중에서 어느 하나는 투과시키고 다른 하나는 반사시킬 수 있는데, 이에 따르면 컴팩트한 구성의 효과를 더욱 증대시킬 수 있다.

본 발명의 더 다른 측면에 따른 진동측정방법에는, 측정대상물체의 거리를 측정하는 레이저와 상기 측정대상물체의 진동을 측정하는 레이저를 함께 조사하여, 상기 측정대상물체의 형상정보와 진동을 측정하는 진동 측정점에 대한 진동성분을 측정하는 것; 상기 형상정보를 이용하여, 측정하는 위치에 관한 제 1 내지 제 3 좌표계 및 상기 진동측정점에 관한 로컬좌표계 사이의 변환행렬을 구하는 것; 상기 진동성분의 측정시에 상기 로컬좌표계의 각 축의 단위벡터와, 상기 제 1 내지 제 3 좌표계를 기준으로 발신되는 상기 레이저 빔의 방향벡터가 이루는 각도를 측정하는 것; 및 상기 진동성분 및 상기 각도를 이용하여 상기 측정대상물체의 3차원 진동정보를 획득하는 것이 포함된다. 이에 따르면 측정시간을 단축시키고, 측정오차의 문제를 개선할 수 있고, 각도제어가 용이한 장점이 있다.

본 발명에 따르면, 공통되는 광경로를 이용하므로 경로일치가 용이해져서 제작이 손쉽게 되고 측정오차의 우려가 없어지는 장점이 있다. 또한, 형상측정과 진동측정이 한꺼번에 수행될 수 있으므로 제품의 동작시간이 줄어드는 장점을 얻을 수 있다.

도 1은 실시예에 따른 진동측정장치의 작동 개념을 설명하는 도면.
도 2는 실시예에 따른 진동측정방법을 설명하는 흐름도.
도 3은 실시예에 따른 진동측정장치를 설명하기 위해 도시한 블록도.
도 4는 실시예에 따른 진동측정장치의 광학계를 보이는 도면.
도 5는 도 4의 진동측정장치의 광학계를 블록도로 나타내는 도면.
도 6은 스캐닝부를 나타내는 도면.

이하에서는 도면을 참조하여 본 발명의 구체적인 실시예를 상세하게 설명한다. 다만, 본 발명의 사상은 이하의 실시예에 제한되지 아니하고, 본 발명의 사상을 이해하는 당업자는 동일한 사상의 범위 내에 포함되는 다른 실시예를 구성요소의 부가, 변경, 삭제, 및 추가 등에 의해서 용이하게 제안할 수 있을 것이나, 이 또한 본 발명 사상의 범위 내에 포함된다고 볼 것이다.

한편, 이하의 설명에 있어서 좌표계의 수학적 모델링 및 그 해석에 대한 설명은 본 발명의 이해에 필요한 범위 내에서 수행하도록 하고, 상세한 사항 등에 대해서는 대한민국 특허등록번호 10-1293040의 모델링 및 그 모델링의 해석을 일 예로서 참조할 수 있고, 본 문헌의 설명에 포함되는 것으로 한다.

도 1은 실시예에 따른 진동측정장치의 작동 개념을 설명하는 도면이다.

도 1을 참조하면, 한 대의 레이저 거리측정기(110)와 한 대의 레이저 스캐닝 진동측정기(120)가 분리가 가능한 상태에서 단일의 물품으로 구성될 수 있다. 상기 단일한 물품의 물리적인 구성은 도 4 및 도 5를 통하여 후술하도록 한다. 상기 레이저 거리측정기는 LiDAR를 사용할 수 있고, 상기 레이저 스캐닝 진동측정기는 LSV를 사용할 수 있다.

상기 레이저 거리측정기(110)와 상기 레이저 스캐닝 진동측정기(120)를 이용하여 측정 대상 물체(101)에 대한 3차원 진동을 측정하기 전에, 촬상 소자, 예를 들어 CCD(Charge Coupled Device)(130)를 이용하여 상기 측정 대상 물체(101)의 진동 측정점(102)을 정확하게 스캔(Scan)할 수 있다.

상기 측정 대상 물체(101)의 진동 측정점(102)에 대한 스캔이 완료되면, 세 지점의 측정 위치(1st position, 2nd position, 3rd position)를 이동하면서, 각 측정 위치에서 상기 측정 대상 물체(101)의 진동 측정점(102)에 대한 형상 정보 및 진동 성분을 획득 및 측정할 수 있다. 이로써, 상기 측정 대상 물체(101)의 3차원 진동을 측정할 수 있게 된다. 여기서, 상기 형상 정보는 상기 레이저 거리측정기(110)에 의해 획득되고, 상기 진동 성분은 상기 레이저 스캐닝 진동측정기(120)에 의해서 측정될 수 있다. 이때 상기 상기 레이저 거리측정기(110)와 상기 레이저 스캐닝 진동측정기(120)는 동시에 동작하여 형상정보 및 진동성분을 획득할 수 있다.

도 2는 실시예에 따른 진동측정방법을 설명하는 흐름도이다.

도 1 및 도 2를 참조하면, 상기 레이저 거리측정기(110) 및 상기 레이저 스캐닝 진동측정기(120)는 각각 상기 측정 대상 물체(101)의 형상 정보 및 진동 성분을 동시에 측정한다(S1).

구체적으로, 상기 레이저 거리측정기(110)는 레이저 빔을 발신하여 상기 측정 대상 물체(101)의 거리를 측정하고, 상기 측정된 거리를 이용하여 상기 측정 대상 물체(101)의 형상 정보를 획득할 수 있다. 이를 위해, 상기 레이저 거리측정기(110)는 상기 형상 정보를 획득하기에 앞서, 상기 CCD(130) 및 2개의 스캐닝 모터(도 4의 321, 322참조)를 이용하여 상기 측정대상물체(101)의 진동 측정점(102)을 정확하게 스캔할 수 있으며, 이를 통해 상기 형상 정보의 획득을 위한 환경을 미리 마련할 수 있다.

상기 레이저 스캐닝 진동측정기(120)는 세 지점의 측정 위치별로 상기 측정 대상 물체(101)의 진동 측정점(102)에 레이저 빔을 발신하여 상기 진동 측정점(102)에 대한 진동 성분을 측정한다. 이를 위해, 상기 레이저 스캐닝 진동측정기(120)를 이용하여 상기 세 지점의 측정 위치별로 상기 레이저 빔을 순차적으로 조사함으로써 상기 진동 측정점(102)에 대한 진동 성분을 측정할 수 있다. 여기서, 상기 세 지점의 측정 위치는 상기 측정 대상 물체(101)에 대한 3차원 진동 측정의 정확성을 높이기 위해, 삼각형의 배치 형태로 이루어지는 것이 바람직하다.

상기 형상정보 및 상기 진동성분 획득단계에서, 상기 레이저 거리측정기(110)와, 상기 레이저 스캐닝 진동측정기(120)는 동시에 레이저를 조사하여, 상기 각 정보를 획득할 수 있다. 따라서, 정보를 획득하는 시간이 단축되는 이점이 있고, 공통광로를 이용하기 때문에 미스메칭으로 인한 측정오차가 발생하지 않는 장점을 얻을 수 있다.

상기 레이저 거리측정기(110)에서 얻은 상기 측정 대상 물체(101)의 진동 측정점(102)에 대한 형상 정보를 이용하여, 상기 측정 대상 물체(101)의 진동을 측정할 세 지점의 측정 위치(1st position, 2nd position, 3rd position)에 관한 제 1 좌표계(X ₁ Y ₁ Z ₁ )와 제 2 좌표계(X ₂ Y ₂ Z ₂ ), 제 3 좌표계(X ₃ Y ₃ Z ₃ ), 및 상기 측정 대상 물체(101)의 진동 측정점(102)에 관한 로컬 좌표계(X _L Y _L Z _L ) 사이의 변환행렬을 구한다(S2). 상기 변환행렬은 수학적 연산에 의해서 획득될 수 있다.

상세하게, 상기 레이저 거리측정기(110)를 이용하여 얻은 형상정보는 상기 세 지점의 측정 위치에 따라 상기 제 1 내지 제 3 좌표계에 관한 정보를 포함하고 있다. 따라서, 상기 진동 측정점(102)의 법선벡터를 구함으로써 상기 로컬 좌표계에 관한 정보를 얻을 수 있다. 결국, 상기 제1 내지 제3 좌표계와 상기 로컬 좌표계 사이의 관계를 이용하면 상기 제1 좌표계와 상기 제2 좌표계와 내지 제3 좌표계 및 상기 로컬 좌표계 사이의 변환행렬을 구할 수 있다.

이후에, 상기 레이저 스캐닝 진동측정기(120)는 상기 진동성분의 측정 시, 상기 로컬 좌표계를 기준으로 하는 상기 로컬 좌표계의 각 축의 단위벡터와, 상기 제1 내지 제3 좌표계를 기준으로 발신되는 상기 제1 내지 제3 레이저 빔의 방향벡터가 이루는 각도를 측정한다(S3).

이를 위해, 상기 레이저 스캐닝 진동측정기(120)는, 상기 로컬 좌표계와 상기 제1 좌표계 사이의 변환행렬을 이용하여 변환된 상기 제1 좌표계를 기준으로 하는 상기 로컬 좌표계의 각 축의 단위벡터와, 상기 제1 좌표계를 기준으로 발신되는 제1 레이저 빔의 방향벡터가 이루는 각도(α1, β1, γ1)를 측정할 수 있다. 또한, 상기 레이저 스캐닝 진동측정기(120)는 상기 제1 좌표계를 기준으로 하는 상기 로컬 좌표계의 각 축의 단위벡터와 상기 제2 좌표계와 상기 제1 좌표계 사이의 변환행렬을 이용하여 변환된 제2 레이저 빔의 방향벡터가 이루는 각도(α2, β2, γ2)를 측정할 수 있다. 그리고, 상기 레이저 스캐닝 진동측정기(120)는 상기 제1 좌표계를 기준으로 하는 상기 로컬 좌표계의 각 축의 단위벡터와 상기 제3 좌표계와 상기 제1 좌표계 사이의 변환행렬을 이용하여 변환된 제3 레이저 빔의 방향벡터가 이루는 각도(α3, β3, γ3)를 측정할 수 있다.

보다 구체적으로 설명하면, 상기 레이저 스캐닝 진동측정기(120)는 상기 제1 좌표계(상기 세 지점의 측정위치 중 첫 번째 측정 위치에서의 좌표계)와 상기 측정 대상 물체(101)의 진동 측정점(102) 각각에서의 상기 로컬 좌표계 사이에서 도출되는 변환행렬을 이용하여, 상기 로컬 좌표계의 각 축의 단위벡터를 상기 제1 좌표계로 변환할 수 있다. 또한, 상기 레이저 스캐닝 진동측정기(120)는 상기 제1 좌표계(상기 세 지점의 측정 위치 중 첫 번째 측정 위치에서의 좌표계)와 상기 제2 내지 제3 좌표계(상기 세 지점의 측정 위치 중 두 번째 내지 세번째 측정 위치에서의 좌표계) 사이에서 도출되는 변환행렬을 이용하여, 상기 제1 내지 제3 레이저빔의 방향벡터를 상기 제1 좌표계로 변환할 수 있다. 그리고, 상기 레이저 스캐닝 진동측정기(120)는 상기 변환된 로컬좌표계의 각 축의 단위벡터를 상기 변환된 제1 내지 제3 방향벡터와 내적하여 상기 각도(α, β, γ)를 측정할 수 있다.

다음으로, 상기 레이저 스캐닝 진동측정기(120)는 상기 진동성분 및 상기 각도를 이용하여 상기 측정 대상 물체(101)의 3차원 진동을 측정한다(S4).

다시 말하면, 상기 레이저 스캐닝 진동측정기(120)는 상기 세 지점의 측정 위치별로 상기 진동 측정점(102)에 대해 측정한 진동 성분(V1, V2, V3) 및 상기 각도(α, β, γ)에 대한 코사인 값(cosα, cosβ, cosγ)을 이용하여, 상기 측정대상물체(101)의 진동 측정점(102)에서 측정면에 수직한 방향의 진동 성분, 및 수평한 방향의 진동 성분, 즉 3차원 진동을 측정할 수 있다.

도 3은 실시예에 따른 진동측정장치를 설명하기 위해 도시한 블록도이다.

도 3을 참조하면, 상기 진동측정장치(300)는 레이저 거리측정기(310) 및 레이저 스캐닝 진동측정기(320)를 포함하여 구성될 수 있다. 여기서, 상기 레이저 거리측정기(310)와 상기 레이저 스캐닝 진동측정기(320)는 분리가 가능한 개별적인 물품으로 구성될 수 있다. 이는 레이저 스캐닝 진동측정기(320)만이 포함되는 진동측정장치(300)에, 추가적으로 레이저 거리측정기(310)를 부가하여 진동측정장치(300)를 구성할 수 있도록 하여, 제품의 가치를 높이기 위한 목적을 가진다. 그 반대의 경우도 마찬가지이다. 상기 레이저 거리측정기(310)와 상기 레이저 스캐닝 진동측정기(320)가 함께 제공되지 않은 종래의 제품은, 두 측정기가 서로 분리되는 형태로 제공된 종래의 물품을 예로 들 수 있다.

상기 진동측정장치(300)는 상기 측정대상물체를 촬영하기 위한 CCD(301), 상기 CCD(301)와 함께 상기 측정대상물체의 진동 측정점을 정확하게 스캔하기 위한 모터(324, 325), 상기 모터(324, 325)의 구동을 컨트롤하기 위한 모터 컨트롤러(328), 고정되어 있는 미러(311, 323)와 상기 모터(324, 325)의 구동에 따라 소정 각도로 조정되는 스캐너(321, 322), 상기 측정 대상 물체로부터 반사되는 레이저 빔을 수신하여 간섭 신호를 출력하는 레이저 간섭계(326), 상기 간섭 신호를 신호처리하여 진동성분(속도)을 출력하는 디모듈레이터(327), 상기 CCD(301)로부터 영상 정보를 입력받는 그래버 보드(Gabber board)(331)와, 상기 레이저 거리측정기(110) 및 상기 디모듈레이터(327)로부터 각각 거리 측정값과 진동 성분을 입력받는 DAQ 보드(332)를 구비하는 PC(330)를 더 포함하여 구성될 수 있다.

상기 디모듈레이터(327)와 상기 모터 컨트롤러(328)는 상기 레이저 스캐닝 진동측정기(120)에 내장 설치되거나 별도로 설치될 수 있다. 그리고, 상기 PC(330)는 상기 레이저 거리측정기(120) 및 상기 레이저 스캐닝 진동측정기(120)에 내장 설치되거나 별도로 설치될 수 있다.

상기 레이저 거리측정기(310)에는 제 2 광원(371)이 마련되어 미러(311)로 레이저빔을 제공하고, 상기 레이저 스캐닝 진동측정기(320)에는 제 1 광원(360)이 마련되어 미러(323)로 레이저 빔을 제공할 수 있다.

상기 도 3의 블록도에서 상기 레이저 거리측정기(310)과 상기 레이저 스캐닝 진동측정기(320)의 상세한 광학계의 상세한 구성은 도 4 및 도 5를 통하여 설명한다.

한편, 도 3을 통하여 알 수 있는 바와 같이, 스캐너(321, 322)를 기준으로 할 때, 레이저 거리측정기(310)과 레이저 스캐닝 진동측정기(320)는 어느 일측에 함께 놓여있다. 이러한 구성에 따르면 광학필터(도 4의 361참조)의 같은 면에 레이저 거리측정기(310)과 레이저 스캐닝 진동측정기(320)로부터의 레이저 빔이 입사할 수 있고, 이로써, 동시에 형상정보와 진동성분을 한꺼번에 획득할 수 있다.

도 4는 진동측정장치의 광학계를 보이는 도면이고, 도 5는 도 4의 진동측정장치의 광학계를 블록도로 나타내는 도면이다.

도 4 및 도 5를 참조하면, 스캐너(321, 322)가 적어도 포함되는 스캐닝부(362)와 광학필터(361)가 포함되는 공통광학계(370)와, 레이저 스캐닝 진동측정기(320)의 광학경로가 포함되는 진동측정광학계(400)와, 레이저 거리측정기(310)의 광학경로가 포함되는 형상측정광학계(500)가 도시된다. 상기 형상측정광학계(500) 및 상기 진동측정광학계(400)에서 각각 출사된 레이저 신호는, 광학필터(361)부터 상기 측정대상물체(101)의 사이에서는 동일한 경로를 거칠 수 있다. 따라서, 광경로의 일치를 위하여 많은 노력을 기울이지 않아도 된다.

상기 광학필터(361)는 일정한 파장의 레이저는 투과시키고, 일정한 파장의 레이저는 반사시키는 노치필터를 사용할 수 있다. 예시적으로 본 광학계에서는 상기 형상측정광학계(500)에서 조사되는 레이저는 IR레이저로서 광학필터(361)를 투과하고, 상기 진동측정광학계(400)에서 조사되는 레이저는 He-Ne레이저로서 광학필터(361)에서 반사될 수 있다.

각 광학계의 상세한 구성을 설명한다.

먼저, 상기 진동측정광학계(400)는, 제 1 광원(360)에서 조사된 레이저가 미러(323)에서 반사된 다음에 PBS(352)(Polarizing Beam Splitter, 편광 빛살 가르개)로 입사된다. 예시적으로 상기 제 1 광원(360)에서 조사되는 레이저는 He-Ne레이저로서 어느 한쪽으로도 편광이 되지 않은 무편광빔일 수 있고, 상기 PBS(352)는 무편광빔 중에서 S편광, 즉 수직편광은 반사시키고, P편광, 즉 수평편광은 통과시킬 수 있다.

상기 PBS(352)에서 나뉘어진 광은 하나는 기준광으로서 사용되고, 다른 하나는 공통광학계(370)를 경유하여 측정대상물체(101)에 이르고 반사되어 신호광으로서 사용된다. 상기 기준광 및 신호광은 광감지기(358)에 의해서 감지되고, 신호처리될 수 있다.

상기 진동측정광학계(400)에는 다수의 구성부품이 더 포함될 수 있다. 먼저, BS(357)(Beam Splitter, 빛살 가르개)는, 입사되는 빛의 편광 성질에 관계없이 빔을 두 방향으로 나눠주는 역할을 한다. AOM(354)(Acoustic Optic modulator, 음향 광학 변조기) : 입사되는 빔을 특정 주파수만큼 천이시키는 역할을 한다. 렌즈(L1, L2)는 He-Ne 레이저 소스로부터 생성되는 레이저를 원하는 거리에서 초점이 맺히도록 할 수 있다. QWP(359)(Quarter Wave Plate, 1/4파장판)는 입사되는 빛의 편광 상태를 90도 변화시키는 광학소자로, 선형 편광을 원형 편광으로 원형 편광을 선형 편광으로 바꿔주는 역할을 한다. HWP(356)(Half Wave Plate, 1/2파장판)은, 입사되는 빛의 편광 상태를 180도 변화시키는 광학소자로, 왼쪽 원형 편광을 오른쪽 원형 편광으로 바꿔주는 역할을 한다.

상기 형상측정광학계(500)의 구성 및 작용을 설명한다. 먼저, 제 2 광원(371)에서 조사된 광원이 미러(311)에서 반사된 다음에 광학필터(361)를 투과한다. 이후에는 진동측정광학계(400)와 같은 경로를 거치고, 다시금 광학필터(361)를 투과하고 렌즈(373)를 경유하여 광감지기(374)에 의해서 감지된다. 상기 제 2 광원(371)에서 조사되는 레이저는 IR레이저가 사용될 수 있다.

상기 공통광학계(370)는 적어도 광학필터(361)와 스캐닝부(362)를 포함하고, 상기 형상측정광학계(500)와 상기 진동측정광학계(400)로부터의 레이저가 같은 광경로를 거치도록 한다. 따라서, 두 레이저 광의 광경로가 일치할 수 있으므로 광경로를 일치시키기 위한 노력이 저감되는 이점을 얻을 수 있다.

도 6은 스캐닝부를 나타내는 도면이다. 도 6을 참조하면, 상기 형상측정광학계(500)에서 조사된 레이저는 광학필터(361)를 통과하고 상기 진동측정광학계(400)에서 조사된 레이저는 광학필터(361)에서 반사되는 것을 볼 수 있다. 또한, 상기 광학필터(361)로부터는, 두 레이저는 공통경로를 거치게 된다. 구체적으로는 x축스캐너(322)와 y축스캐너(321)에서 함께 반사되어 측정대상물체(101)로 이르고, 측정대상물체에서 반사되어 되돌아오는 경로도 마찬가지로 공통경로를 따를 수 있다. 따라서, 두 레이저의 경로의 불일치로 인하여 진동측정장치의 정밀도가 저하되는 문제를 없앨 수 있다.

상기 스캐너(321, 322)는 모터에 의해서 회전될 수 있는 것은 물론이다. 다만, 레이저의 절환을 위한 90도에 이르는 큰 범위가 아닌 레이저의 반사각을 조절하기 위한 약간량의 각도조절로서 충분할 것이다.

상기 광학필터(361)는, 상기 형상측정광학계(500)에서 조사되는 레이저(예를 들어, IR 레이저)는 투과시키고, 상기 진동측정광학계(400)에서 조사되는 레이저(예를 들어, He-Ne 레이저)는 반사시키도록 동작할 수 있다. 따라서 상기 광학필터(361)는 진동측정광학계(400)로부터 조사되는 레이저만을 반사시키는 노치필터를 사용할 수 있다.

상기 광학필터(361)와 제 1 광원(360)과 제 2 광원(371)은 다양한 조합을 사용할 수 있다. 예를 들어, 상기 광학필터(361)로서 노치필터(Notch filter)가 사용되는 경우에는, 제 1 광원의 레이저만을 반사시키고 제 2 광원의 레이저는 투과시키도록 할 수 있도록 각각의 광원의 레이저를 선택할 수 있다. 상기 광학필터(361)가 밴드패스필터(Bandpass filter)인 경우에는 특정 파장영역의 빛만 투과시키고 나머지는 반사시키므로, 제 2 광원의 레이저가 밴드패스필터의 투과파장에 해당되는 것을 선정하면 된다. 상기 광학필터(361)가 롱패스필터(Longpass filter)인 경우에는 특정 파장보다 긴 파장의 빛만 투과시키고 나머지는 반사시키므로, 제 2 광원의 레이저가 롱패스필터의 특정파장보다 길고 제 1 광원의 레이저는 상기 특정파장보다 작게 선정하면 된다. 상기 광학필터(361)가 숏패스필터(Shortpass filter)인 경우에는 특정 파장보다 짧은 파장의 빛만 투과시키고 나머지는 반사시키므로, 상기 롱패스필터와 반대의 경우로 제 1 광원과 제 2 광원의 레이저를 선정할 수 있다.

한편, 상기 제 1 광원(360)과 제 2 광원(371)에서 사용되는 레이저의 파장은 50nm이상 차이가 나는 것을 바람직하다. 이로써, 광학필터의 원활한 선택투과성능을 이용할 수 있고, 측정대상물체(101)의 진동에 따라서 빛의 파장이 어느 변하더라도 필터에 의한 반사특성을 활용할 수 있다.

상기 광학필터(361)의 구성에 따르면, 상기 형상측정광학계(500)에서 조사된 빛은 광학필터를 투과하고, 상기 진동측정광학계(400)에서 조사된 빛은 광학필터에서 반사된다. 따라서, 양측 광학계(400)(500)가 함께 동작되더라도, 어느 일측의 광학계의 신호가 다른 광학계로 전달될 우려가 없다. 따라서, 실시예에 따른 진동측정장치의 광학계에 따르면 진동측정장치의 동작에 필요한 시간을 단축시킬 수 있는 효과를 얻을 수 있다. 이때 각각의 광학계(400, 500)는 광학필터(361)로 광이 모이도록 배치될 수 있다. 구체적으로는 광경로 상에서 상기 광학필터(361)의 뒷쪽에 놓이는 상기 스캐닝부(362)의 어느 일측에 함께 제공되도록 할 수 있다. 이로써, 레이저의 직진성을 활용하면서도 시스템의 구성을 집약적으로 구성할 수 있고, 광학계를 효율적으로 구성할 수 있다. 광학계의 집약도는 광경로 상의 틀어짐과 측정값의 정확도를 좌우하는 중요한 요소이다.

다시 도 4 및 도 5를 참조하면, 상기 공통광학계(370)는 제 1 고정면(341)에 제공되고, 상기 진동측정광학계(400)는 제 2 고정면(342)에 제공될 수 있다. 이때 상기 제 1 고정면(341)은 상기 제 2 고정면(342)에 비하여 높이가 낮고, 각 고정면은 한 몸으로 체결될 수 있다. 이로써, 상기 x축스캐너(322)와 y축스캐너(321)가 배치될 수 있는 상하의 간격을 제공할 수 있고, 광학필터(361)의 반사광이 개공(346)을 통하여 진동측정광학계(400)에 바로 투사될 수 있다. 따라서, 광경로를 단축시키고, 광학계의 집약도를 향상시킬 수 있고, 광경로의 틀어짐을 방지할 수 있다. 즉, 제 3 고정면(343)이 전체적으로 진동측정광학계(400)에 고정될 수 있으므로, 광 경로상의 틀어짐을 방지할 수 있는 것이다.

상기 형상측정광학계(500)는 각 구성부품이 제 3 고정면(343)에 안착된 상태로 별도의 모듈로 제공될 수 있다. 상기 제 3 고정면(343)은, 고정틀(344) 및 고정프레임(345) 중의 적어도 어느 하나에 분리가능하게 체결부재를 사용하여 체결될 수 있다. 예를 들어 나사로 체결될 수 있다. 이때, 상기 제 3 고정면(343)은 도면을 기준으로 수직방향으로 놓이고, 상기 제 1, 2 고정면(341, 342)은 수평방향으로 놓인다. 이로써, 광경로를 간단하게 할 수 있고, 각 부품의 집약도를 한층 더 높일 수 있다. 상기 고정프레임(345)은 상기 진동측정광학계(400)를 수용하는 케이스일 수 있다. 이 때에는 기존에 진동측정광학계(400)만 있는 물품에 상기 형상측정광학계(500)를 부설함으로써 진동측정의 정확도를 향상시킬 수 있다.

본 발명의 사상에 포함될 수 있는 다른 실시예를 설명한다. 상기 실시예에서는 형상측정광학계의 레이저는 통과하고 진동측정광학계의 레이저는 반사하는 구조의 광학계를 제시하고 있으나, 그러한 실시예에 제한되지 아니하고, 형상측정광학계의 레이저는 반사하고 진동측정광학계의 레이저는 통과하는 광학계의 경우에도 마찬가지의 효과를 얻을 수 있을 것이다.

또 다른 경우로서, 실시예의 광학계는 세 대의 레이저 스캐닝 진동측정기와 세 대의 레이저 거리측정기가 사용되는 제품의 경우에 적용되어, 더욱 신속하게 진동을 측정할 수 있을 것이다. 그러나, 주지하는 바와 같이, 시간 소모가 많은 한 대의 레이저 스캐닝 진동측정기와 세 대의 레이저 거리측정기가 사용되는 제품의 경우에, 더 바람직하게 적용될 수 있을 것이다.

본 발명에 따르면, 공통되는 광경로를 이용하므로 경로일치가 용이해져서 제작이 손쉽게 되고 측정오차의 우려가 없어지는 장점이 있다. 또한, 형상측정과 진동측정이 한꺼번에 수행될 수 있으므로 제품의 동작시간이 줄어드는 장점을 얻을 수 있다. 따라서 한 대의 레이저 스캐너 진동측정기를 사용하는 경우에 문제가 되는 동작시간이 증가문제를 해소할 수 있다. 또한, 광학계의 시스템이 집약적이고 광틀어짐을 해소할 수 있으므로, 광 정렬 불일치로 인한 문제점을 해소할 수 있다. 또한, 기존에 레이저 스캐닝 진동측정기만이 제공되었던 장치에 형상측정광학계를 간단히 부가함으로써, 진동측정장치의 동작성능을 향상시킬 수 있다.

상기되는 장점으로 인하여 산업적인 적용이 크게 기대된다.

370: 공통광학계
400: 진동측정광학계
500: 형상측정광학계