레이저센서란? 레이저로 위치·거리 측정 원리

레이저센서란 좁고 직진성이 높은 레이저광을 대상물에 조사하고 반사광의 위치나 왕복시간을 분석해 거리와 변위를 측정하는 센서입니다. 삼각측량·ToF 방식과 활용 원리를 알아봅니다.

레이저센서란 무엇이며 어떤 역할을 할까?

레이저센서(Laser Sensor)는 Laser Diode 등에서 발생시킨 좁고 직진성이 높은 광선을 대상물에 조사하고 반사되어 돌아오는 빛을 분석하여 물체의 존재, 위치, 거리 또는 변위를 비접촉으로 측정하는 광학센서입니다. 일반적인 Photoelectric Sensor가 물체의 유무를 ON·OFF 신호로 검출하는 데 많이 사용된다면 Laser Displacement Sensor나 Laser Distance Sensor는 대상물까지의 거리를 수치화하여 정밀한 위치정보를 얻는 데 활용됩니다. 레이저는 일반 LED 광원보다 Spot을 작게 만들기 쉬워 작은 부품이나 좁은 위치를 검출하는 데 유리합니다. 산업자동화에서는 제품의 높이와 두께, 부품 조립위치, 단차, Conveyor 위 제품의 위치 및 Robot 작업거리 등을 측정하는 데 사용됩니다. 다만 모든 레이저센서가 같은 방식으로 거리를 측정하는 것은 아닙니다. 짧은 거리에서 정밀한 변위를 측정하는 삼각측량 방식과 비교적 긴 거리를 측정하는 Time of Flight 방식 등 제품의 목적에 따라 서로 다른 광학원리가 적용됩니다.

삼각측량 방식은 어떻게 위치와 변위를 측정할까?

Laser Triangulation 방식에서는 센서의 Laser Emitter가 대상물 표면의 특정 지점에 빛을 조사하고 반사된 빛을 Lens를 통해 PSD(Position Sensitive Detector), CMOS 또는 다른 Position-sensitive Receiver에 전달합니다. 대상물이 센서에 가까워지거나 멀어지면 반사광이 Receiver에 도달하는 위치가 달라집니다. 센서 내부 Controller는 이 위치변화를 광학적인 삼각관계로 계산하여 대상물의 Distance 또는 Displacement로 변환합니다. 이 방식은 짧거나 중간 정도의 측정범위에서 미세한 높이와 변위를 정밀하게 측정하는 데 적합합니다. 예를 들어 생산라인에서 부품의 조립높이가 기준보다 높은지, 금속판 표면에 단차가 있는지, 제품의 두께가 허용범위 안에 있는지 등을 확인할 수 있습니다. 하지만 반사광의 위치를 이용하는 방식이므로 대상물의 표면반사율과 색상, 광택, 기울기가 측정안정성에 영향을 줄 수 있습니다. 고성능 센서에는 이러한 영향을 줄이기 위한 노출제어와 신호보정 기능 등이 적용되기도 합니다.

ToF 방식은 레이저로 거리를 어떻게 계산할까?

Time of Flight(ToF) 방식은 레이저광이 센서에서 대상물까지 이동한 뒤 반사되어 다시 돌아오는 데 필요한 시간을 이용하여 거리를 계산합니다. 기본개념은 d = c × t / 2로 표현할 수 있으며 d는 대상물까지의 거리, c는 빛의 속도, t는 빛의 왕복시간입니다. 빛은 약 3×10⁸m/s로 매우 빠르기 때문에 짧은 거리를 직접 시간으로 측정하려면 정밀한 Timing Circuit이 필요합니다. 제품에 따라 직접적인 Pulse ToF뿐 아니라 변조된 빛의 Phase Shift를 측정하는 방식도 사용됩니다. 이러한 광학적 거리측정은 초음파처럼 공기 중 음속을 이용하지 않기 때문에 음속의 온도변화에 따른 영향을 같은 방식으로 받지는 않습니다. 또한 비교적 좁은 Beam을 이용하여 원하는 지점을 측정할 수 있습니다. 다만 안개와 먼지, 수증기처럼 빛의 전달을 방해하는 환경이나 반사율이 매우 낮은 대상에서는 측정성능이 저하될 수 있으므로 실제 Sensing Range는 제품의 사양과 대상물 조건을 기준으로 판단해야 합니다.

레이저센서와 일반 광전센서는 무엇이 다를까?

레이저센서와 Photoelectric Sensor는 모두 빛을 이용하지만 광원의 특성과 측정목적에서 차이가 있습니다. 일반 광전센서는 LED나 적외선 광원을 사용하여 물체가 있는지 없는지를 빠르게 판단하는 용도로 널리 사용됩니다. 반면 레이저센서는 좁은 Spot과 높은 지향성을 활용해 작은 Target을 검출하거나 대상물의 위치와 거리를 정밀하게 측정하는 데 강점이 있습니다. 예를 들어 Conveyor 위 Box의 통과 여부만 확인한다면 일반 Photoelectric Sensor로 충분할 수 있지만 작은 부품의 높이차나 정밀한 Position을 측정해야 한다면 Laser Displacement Sensor가 더 적합할 수 있습니다. 그러나 Laser라고 해서 항상 더 높은 정확도를 제공하는 것은 아닙니다. 측정정확도는 센서의 Measurement Range, Resolution, Linearity, Repeatability와 대상물의 표면특성에 의해 결정됩니다. 또한 검출만 필요한 곳에 고정밀 Laser Sensor를 사용하면 비용과 설정복잡성이 불필요하게 증가할 수 있으므로 필요한 측정성능을 기준으로 적절한 센서를 선택해야 합니다.

레이저센서를 사용할 때 무엇을 확인해야 할까?

레이저센서를 선정할 때는 Measurement Range와 Reference Distance, Resolution, Repeatability, Linearity 및 Response Time을 확인해야 합니다. 대상물이 빠르게 이동한다면 Sampling Rate도 중요한 조건입니다. 검은색처럼 반사율이 낮은 표면이나 거울처럼 Specular Reflection이 강한 표면, 투명체에서는 반사광의 특성이 달라지므로 센서의 적용가능 여부를 확인해야 합니다. 센서와 Target의 설치각도가 달라져도 Receiver로 들어오는 반사광이 변할 수 있습니다. 출력방식은 Digital Output뿐 아니라 0-10V, 4-20mA 등의 Analog Output이나 산업용 통신을 지원하는 제품도 있으므로 PLC와 제어시스템에 맞춰 선택합니다. 또한 Laser 제품에는 파장과 출력에 따라 Laser Class가 지정되므로 해당 제품의 안전표시와 제조사의 사용지침을 따라야 하며 특히 광원을 직접 바라보는 행동은 피해야 합니다. 결국 레이저센서는 작은 광 Spot과 광학적인 거리측정 원리를 이용하여 제품의 위치와 변위를 정밀하게 측정하는 산업자동화의 핵심 비접촉 센서입니다.