거리센서란? ToF·삼각측량 방식 차이

거리센서란 물체와 센서 사이의 거리를 비접촉으로 측정하는 장치입니다. ToF는 빛의 이동시간을, 삼각측량은 반사광의 위치변화를 이용하며 두 방식의 원리와 차이를 알아봅니다.

거리센서란 무엇이며 어디에 사용할까?

거리센서(Distance Sensor)는 센서와 대상물 사이의 Distance 또는 물체의 위치변화를 측정하여 수치화하는 Sensor입니다. 단순한 Proximity Sensor가 설정된 위치에 물체가 있는지를 ON·OFF로 판단하는 데 중점을 둔다면 거리센서는 대상물이 센서에서 얼마나 떨어져 있는지를 연속적인 값으로 측정할 수 있다는 차이가 있습니다. 산업자동화에서는 제품의 높이와 두께 측정, 부품 위치확인, Robot과 대상물 사이의 거리측정, Conveyor 위 제품의 위치검사, Tank Level 측정 등에 활용됩니다. 거리측정에는 Laser, LED, Ultrasonic 등 다양한 물리적 방식이 사용되며 광학식 센서에서는 ToF(Time of Flight)와 Triangulation이 대표적인 원리입니다. 두 방식 모두 대상물에서 돌아오는 신호를 이용하지만 실제로 거리를 계산하는 방법은 다릅니다. ToF는 빛이 왕복하는 시간이나 위상정보를 이용하는 반면 삼각측량은 대상물의 거리에 따라 Receiver에 맺히는 반사광의 위치가 변하는 현상을 이용합니다.

ToF 방식은 빛의 이동시간을 어떻게 측정할까?

ToF 방식은 센서가 빛을 대상물 방향으로 방출한 뒤 반사되어 돌아오는 데 필요한 정보를 이용하여 거리를 계산합니다. 직접적인 Pulse ToF의 기본개념은 d = c × t / 2로 나타낼 수 있습니다. 여기서 d는 대상물까지의 거리, c는 빛의 속도, t는 빛이 대상물까지 갔다가 다시 돌아오는 왕복시간입니다. 왕복거리이기 때문에 계산할 때 2로 나눕니다. 빛의 속도는 매우 빠르므로 짧은 거리의 비행시간을 측정하려면 정밀한 Timing Circuit과 Signal Processing이 필요합니다. 실제 광학식 거리센서에는 짧은 Pulse의 비행시간을 직접 측정하는 방식뿐 아니라 변조된 광신호의 Phase Shift를 분석하는 방식 등이 적용될 수 있습니다. ToF는 비교적 긴 Measurement Range를 확보하는 데 유리하며 물류설비의 위치측정, Robot 거리감지, AGV·AMR 주변환경 인식 등 다양한 분야에 활용됩니다. 다만 최대 검출거리는 대상물의 Reflectivity와 크기, 주변광 및 대기환경 등에 따라 달라질 수 있습니다.

삼각측량 방식은 반사광의 위치로 거리를 어떻게 알까?

Triangulation 방식은 빛의 왕복시간보다 반사광이 Receiver의 어느 위치에 도달하는지를 이용하여 거리를 계산합니다. Laser Emitter가 일정한 각도로 대상물에 빛을 조사하면 표면에서 반사된 빛이 Lens를 통과하여 PSD, CMOS 등의 Position-sensitive Detector에 도달합니다. 대상물이 가까워지거나 멀어지면 반사광의 입사각도가 달라지고 그 결과 Receiver에 형성되는 광점의 위치도 이동합니다. 센서 내부 Processor는 Emitter와 Receiver 사이의 기하학적인 Baseline과 광학구조, 검출된 광점위치를 이용하여 대상물까지의 거리 또는 Displacement를 계산합니다. 이 방식은 비교적 짧은 범위에서 미세한 변위와 높이차를 정밀하게 측정하는 데 적합합니다. 따라서 전자부품의 높이검사, 금속판 단차측정, 제품 두께검사 및 정밀 Positioning 등에 많이 활용됩니다. 반면 Target의 색상과 반사율, 표면광택 및 기울기가 반사광의 형태와 위치에 영향을 줄 수 있어 실제 측정조건을 고려한 Sensor Selection이 필요합니다.

ToF와 삼각측량 방식은 어떤 차이가 있을까?

두 방식의 가장 큰 차이는 Distance를 얻는 기준에 있습니다. ToF는 빛이 이동하는 시간 또는 이에 대응하는 위상정보를 측정하는 방식이고 Triangulation은 반사광이 Detector에 맺히는 위치를 광학적인 삼각관계로 계산합니다. 일반적으로 ToF는 비교적 긴 거리를 측정하는 응용에 유리하고 삼각측량은 짧은 범위에서 높은 분해능으로 변위를 측정하는 응용에 강점을 가집니다. 그러나 이를 단순히 ToF는 장거리, 삼각측량은 단거리라고만 구분해서는 안 됩니다. 실제 Measurement Range와 Accuracy, Resolution은 제품의 광원출력과 Receiver, 광학계 및 신호처리기술에 따라 크게 달라집니다. 또한 ToF도 Target Reflectivity의 영향을 받을 수 있고 삼각측량 역시 센서의 보정기능을 통해 색상에 따른 오차를 줄인 제품이 있습니다. 따라서 센서 선택에서는 측정원리만 보는 것보다 필요한 거리범위와 정밀도, 대상물 크기, 표면특성, 응답속도를 종합적으로 비교해야 합니다.

거리센서를 선정할 때 어떤 사양을 확인해야 할까?

거리센서를 선택할 때는 가장 먼저 Measurement Range와 필요한 Accuracy를 확인해야 합니다. Resolution은 센서가 구분할 수 있는 최소 거리변화를 의미하고 Repeatability는 같은 조건에서 반복 측정했을 때 값이 얼마나 일정하게 나오는지를 나타냅니다. Linearity는 측정범위 전체에서 출력값이 이상적인 직선관계와 얼마나 가까운지를 판단하는 중요한 사양입니다. 빠르게 이동하는 제품을 측정한다면 Sampling Rate와 Response Time도 확인해야 합니다. 검은색이나 반짝이는 금속, 투명한 물체처럼 광학특성이 다른 Target에서는 실제 검출성능이 달라질 수 있으므로 제조사의 대상물 조건을 확인하고 실제 샘플로 시험하는 것이 좋습니다. PLC와 연결할 경우에는 4-20mA, 0-10V 등의 Analog Output과 Digital Output, 산업용 Communication Interface 지원 여부도 고려합니다. 결국 거리센서는 단순히 물체의 존재를 검출하는 장치를 넘어 실제 위치를 수치로 측정하는 센서이며 ToF와 삼각측량의 특성을 이해하면 자동화설비에 적합한 측정방식을 선택하는 데 도움이 됩니다.