KR100567997B1 - 광학 장치, 광전 스위치, 섬유형 광전 스위치 및 색 식별 센서 - Google Patents

광학 장치, 광전 스위치, 섬유형 광전 스위치 및 색 식별 센서 Download PDF

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Abstract

본 발명은 하우징(8)내의 홀더(9)내에 배치된 세개의 발광 소자(1a, 1b, 1c), 투사 렌즈(3) 및 두 개의 다이크로익 미러(5a, 5b)과 홀더(9) 아래에 배치된 수광 검출 소자(2a)를 갖는 광전 스위치에 관한 것이다. 발광 소자(1c)의 광축(Lc)이 투사 렌즈(3)의 광축(Lx)과 같아지고, 발광 소자(1b)의 광축(Lb)이 투사 렌즈(3)의 광축(Lx)과 직각으로 교차하고, 발광 소자(1a)의 광축(La)이 투사 렌즈(3)의 광축(Lx)와 예각의 경사를 가지면서 교차하도록, 발광 소자(1a, 1b, 1c) 및 투사 렌즈(3)가 배치된다. 광섬유(6a)는 투사 렌즈(3)를 통하여 집속되는 빛을 검출 위치로 전송하고, 광섬유(6b)는 검출 위치에서 빛을 수광 검출 소자(2a)로 전송한다.

Description

광학 장치, 광전 스위치, 섬유형 광전 스위치 및 색 식별 센서 {OPTICAL UNIT, PHOTOELECTRIC SWITCH, FIBER-TYPE PHOTOELECTRIC SWITCH, AND COLOR DISCRIMINATION SENSOR}
도 1은 본 발명의 제1실시예에 따른 섬유형 광전 스위치의 주요부의 단면도.
도 2는 도 1에 도시된 발광 소자들의 발광 능력을 도시한 그래프.
도 3은 도 1에 도시된 수광 소자들의 출력을 도시한 그래프.
도 4는 도 3에 도시된 발광 인자에 의한 휘도를 도시한 그래프.
도 5는 도 1에 도시된 광전 스위치의 제어 시스템을 도시한 블록도.
도 6은 본 발명의 제2 실시예에 따른 광전 스위치의 주요부의 단면도.
도 7은 본 발명의 제3 실시예에 따른 광학 장치의 주요부의 단면도.
도 8은 본 발명의 제3 실시예에 따른 광학 장치의 변형된 예의 주요부의 단면도.
도 9는 본 발명의 제4 실시예에 따른 광학 장치의 주요부의 단면도.
도 10a 및 도 10b는 본 발명의 제5 실시예에 따른 광학 장치의 정면도 및 평면도.
도 11은 종래의 광전 스위치의 주요부의 단면도.
도 12는 종래의 광학 장치의 단면도.
본 발명은 광학 장치, 광전 스위치, 각각이 복수 개의 광학 소자를 구비하는 광섬유 광전 스위치, 및 물체의 색을 검출하는 색 식별 센서에 관한 것이다.
현재까지, 물체로 빛을 방출하고 물체로부터 반사되는 빛 또는 물체를 통과하는 빛을 수신함으로써, 물체에 관한 정보를 검출하기 위하여 광전 스위치와 같은 광학 장치가 사용되었다. 광전 스위치를 사용하면, 빛은 물체의 전송경로로 방출되며, 반사되는 빛 또는 통과하는 빛의 수광량에 기초하여 그 물체의 존재 유무, 형태, 크기 및 색 등을 검출할 수 있다.
도 11은 종래의 광전 스위치의 실시예를 도시한 단면도이다. 도면을 참조하면, 발광 소자(31) 및 수광 소자(32)는 하우징(35)내에 배치되어 있다. 발광 소자(31)로부터 방출되는 빛은 투사 렌즈(33)를 통하여 검출 위치로 전송된다. 검출 위치로부터 나온 빛은 수광 렌즈(34)를 통과하여 수광 소자(32)에 집속된다. 만약 물체(37)가 검출 위치에 존재한다면, 물체(37)로부터 반사되는 빛은 수광렌즈(34)를 통하여 수광 소자(32)로 수신된다. 따라서, 물체(37)의 존재 유무는 수광 소자(32)의 수광량의 레벨에 의하여 결정될 수 있다.
광전 스위치의 일종인 색 식별 센서는, 적색, 녹색 및 청색에 해당하는 파장대역을 갖는 빛을 각각 생성하는 세 개의 발광 소자로 이루어지는 광원과 각각의 발광 소자로부터 나오는 빛을 물체로 전송하는 투사 렌즈를 포함하는 광 전송 영역 및 물체로부터 반사되는 빛을 수신하는 수광 검출 소자를 갖는 수광 영역을 구비한다.
각각의 세 개의 발광 소자로부터 나오는 빛은 순서대로 투사 렌즈를 통하여 물체에 전송되고, 반사되는 빛은 수광 검출 소자에서 수신되며, 그 후 물체의 색은 각각의 색의 수광량의 레벨에 기초하여, 예컨대 기준 색과 비교함으로써 결정될 수 있다.
도 12는 종래의 복수 개의 발광 소자를 갖는 광학 장치의 주요부의 단면도이다. 도면을 참조하면, 세 개의 발광 소자(41a, 41b, 41c), 투사 렌즈(42) 및 두 개의 다이크로익 미러(43a, 43b)가 홀더(40)내에 배치되어 있다. 발광 소자(41c)의 광축 LC가 투사 렌즈(42)의 광축 LX와 같아지도록 발광 소자(41a)가 배치되어 있다. 발광 소자(41b)의 광축 LB가 투사 렌즈(42)의 광축 LX와 직각으로 교차하도록 발광 소자(41b)가 배치되어 있다. 발광 소자(41a)의 광축 LA가 투사 렌즈(42)의 광축 LX와 직각으로 교차하도록 발광 소자(41a)가 배치되어 있다.
발광 소자(41a)가 턴온(turn-on)되면, 발광 소자(41a)로부터 나오는 빛은 다이크로익 미러(43a)에서 반사되고, 투사 렌즈(42)를 통하여 전송된다. 발광 소자(41b)가 턴온되면, 발광 소자(41b)로부터 나오는 빛은 다이크로익 미러(43b)에서 반사되고, 그 반사된 빛은 다이크로익 미러(43a)를 통과하여 투사 렌즈(42)를 통하여 전송된다. 발광 소자(41c)가 턴온되면, 발광 소자(41c)로부터 나오는 빛은 다이크로익 미러(43a, 43b)를 통과하고 투사 렌즈(42)를 통하여 전송된다.
그러나, 종래의 실시예에 있어서는, 발광 소자(41a, 41b, 41c)로부터 투사 렌즈(42)까지의 광학 경로 길이들이 상이하면, 투사 렌즈(42)의 초점 길이들이 다르게 된다. 그러므로, 발광 소자(41a)로부터 다이크로익 미러(43a)까지의 광학 경로 길이 및 다이크로익 미러(43a)로부터 투사 렌즈(42)까지의 광학 경로 길이의 총합, 발광 소자(41b)로부터 다이크로익 미러(43b)까지의 광학 경로 길이 및 다이크로익 미러(43b)로부터 투사 렌즈(42)까지의 광학 경로 길이의 총합 및 발광 소자(41c)로부터 투사 렌즈(42)까지의 광학 경로 길이는 빛의 파장을 고려하여 서로가 거의 동일하도록 설정된다.
따라서, 투사 렌즈(42)에 가까운 위치에 있는 발광 소자(41a)로부터 투사 렌즈(42)의 광축 Lx까지의 거리는, 투사 렌즈(42)로부터 먼 위치에 있는 발광 소자(41b)로부터 투사 렌즈(42)의 광축 Lx까지의 거리와 비교해 볼 때 길게 된다. 결과적으로, 광학 장치의 폭 LO는 증가되어, 광학 장치를 소형화하기 어려워진다.
본 발명의 목적은 소형화를 위하여 그 폭을 감소시킬 수 있는 광학 장치, 광전 스위치, 섬유형 광전 스위치 및 색 식별 센서를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은, 복수 개의 발광 소자를 포함하고 각 발광 소자에 대응하는 수광 검출 출력을 조절할 수 있는 광학 장치를 제공하는 것이다.
이러한 목적을 위하여, 본 발명의 제1 특징에 따르면, 빛을 방출하거나 수신하는 복수 개의 광학 소자, 빛을 전송하거나 수신하기 위한 렌즈 및 광학 소자들로부터 렌즈로 빛을 인도하거나 렌즈로부터 광학 소자로 빛을 인도하는 광학 시스템을 구비하는, 빛을 방출하거나 수신하는 광학 장치가 제공되어지는데, 여기서 광학 소자들 중 적어도 하나의 광학 소자의 광축이 렌즈의 광축과 기울기를 가지면서 교차하도록 광학 소자 및 렌즈를 배치하는 것을 특징으로 한다.
상기 광학 장치의 구성에 따르면, 광학 시스템은 광학 소자로부터 렌즈로 방출되는 빛을 인도하거나, 렌즈로부터 나오는 빛을 광학 소자로 인도한다. 이 경우, 광학 소자들 중 적어도 하나의 광학 소자의 광축이 렌즈의 광축과 기울기를 가지면서 교차하도록 광학 소자들과 렌즈를 배치함으로써, 광학 소자와 렌즈의 광축 사이의 거리가 감소된다. 따라서, 광학 소자들로부터 렌즈까지의 광학 경로길이를 서로 동일하게 유지하는 한편, 광학 장치가 소형화할 수 있다.
본 발명의 제1 특징에 있어서, 광학 소자들의 광축들은 3차원으로 배치하는 것이 좋다.
이러한 구성에 따르면, 광학 장치는 폭 및 두께 방향에서 소형화할 수 있다.
본 발명의 제1 특징에 있어서, 광학 소자 중에서 렌즈에 가장 인접하게 위치한 광학 소자는 녹색 대역광을 방출하는 발광 소자이다.
이러한 구성에 따르면, 청색 또는 적색 대역광을 방출하는 발광 소자와 비교해 볼때 가장 작은 수광 검출 출력을 갖는 녹색 대역광을 방출하는 발광 소자에서의 광학 시스템의 감쇠 효과는 감소될 수 있다.
본 발명의 제2 특징에 따르면, 검출 위치로 빛을 전송하고 검출 위치로부터 반사된 빛 또는 검출 위치를 통과하는 빛을 수신하는 광전 스위치가 제공되는데, 이 광전 스위치는 빛을 방출하는 복수 개의 발광 소자, 발광 소자로부터 검출 위치로 순서대로 빛을 전송하는 투사 렌즈, 발광 소자로부터 나오는 빛을 투사 렌즈로 인도하는 광학 시스템 및 검출 위치로부터 반사된 빛 또는 검출 위치를 통과하는 빛을 수신하는 수광 소자를 구비하는 것으로서, 여기서 발광 소자들 중 적어도 하나의 발광 소자의 광축은 투사 렌즈의 광축과 기울기를 가지면서 교차하도록 발광 소자들과 투사 렌즈가 배치되는 것을 특징으로 한다.
광전 스위치의 구성에 따르면, 발광 소자들 중 적어도 하나의 발광 소자의 광축은 투사 렌즈의 광축과 기울기를 가지면서 교차하도록 발광 소자와 투사 렌즈가 배치됨으로써, 발광 소자로부터 투사 렌즈의 광축까지의 거리는 감소되며, 광전 스위치는 소형화될 수 있다.
본 발명의 제2 특징에 있어서, 광학 소자들로부터 투사 렌즈로 방출되는 빛에 대응하는 수광 소자 출력값들의 오름차순으로 발광 소자들은 배치되는 것이 바람직하다.
이러한 구성에 따르면, 보다 작은 수광 검출 출력을 제공하는 광학 소자가 광학 시스템의 감쇠효과들을 더욱 크게 감소시킬 수 있다.
본 발명의 제3 특징에 따르면, 검출 위치에 빛을 전송하고 검출 위치로부터 반사되는 빛 또는 검출 위치를 통과하는 빛을 수신하는 섬유형 광전 스위치가 제공되며, 상기 섬유형 광전 스위치는 빛을 방출하는 복수 개의 발광 소자, 발광 소자로부터 나오는 빛을 전송하는 투사 렌즈, 발광 소자로부터 방출되어 투사 렌즈를 통과하는 빛을 검출 위치로 인도하는 제1 광섬유, 수광 검출 소자, 검출 위치로부터 반사된 빛 또는 검출 위치를 통과하는 빛을 수광 검출 소자로 인도하는 제2 광섬유를 구비하는데, 여기서 발광 소자들 중 적어도 하나의 발광 소자의 광축은 투사 렌즈의 광축과 기울기를 가지면서 교차하도록 발광 소자들과 투사 렌즈를 배치하는 것을 특징으로 한다.
이러한 섬유형 광전 스위치의 구성에 따르면, 발광 소자들 중 적어도 하나의 발광 소자의 광축은 투사 렌즈의 광축과 기울기를 가지면서 교차하도록 발광 소자들과 투사 렌즈를 배치함으로써, 발광 소자와 투사 렌즈의 광축과의 거리가 감소되어 섬유형 광전 스위치가 소형화될 수 있다.
본 발명의 제3 특징에 있어서, 광학 소자들로부터 투사 렌즈로 방출되는 빛에 대응하는 수광 소자 출력값들의 오름차순으로 광학 소자들이 배치되는 것이 바람직하다.
이러한 구성에 따르면, 더욱 작은 수광 검출 출력을 제공하는 광학 소자는 광학 시스템의 감쇠 효과를 더욱 크게 감소시킬 수 있다.
본 발명의 제4 특징에 따르면, 물체로 빛을 전송하고 물체로부터 반사되는 빛에 기초하여 물체의 색(즉, 파장 대역)을 검출하는 색 식별 센서가 제공되는데, 상기 색 식별 센서는 다른 파장 대역들의 빛을 방출하는 제1 발광 소자, 제2 발광 소자 및 제3 발광 소자, 제1, 제2, 제3 발광 소자들로부터 나오는 빛을 물체로 전송하는 투사 렌즈, 제1, 제2 및 제3 발광 소자들로부터 나오는 빛을 투사 렌즈로 인도하는 광학 시스템 및 물체로부터 반사되는 빛을 수신하는 수광 검출 소자를 구비하는 것으로서, 여기서 제1 발광 소자는 제1 발광 소자의 광축이 투사 렌즈의 광축과 일치하도록 투사 렌즈의 광축 상에 배치되고, 제2 발광 소자는 제2 발광 소자의 광축이 투사 렌즈의 광축과 직각으로 교차하도록 제1 발광 소자로부터 투사 렌즈 측으로 투사 렌즈의 광축으로부터 떨어진 위치에 배치되고, 제3 발광 소자는 제3 발광 소자의 광축이 투사 렌즈의 광축과 예각의 기울기를 가지면서 교차하도록 제2 발광 소자로부터 투사 렌즈 측으로 투사 렌즈의 광축으로부터 떨어진 위치에 배치되는 것을 특징으로 한다.
이러한 색 식별 센서의 구성에 따르면, 제3 발광 소자와 투사 렌즈의 광축 사이의 거리가 감소될 수 있으며 색 식별 센서가 소형화될 수 있다.
본 발명의 제4 특징에 있어서, 발광 소자들로부터 투사 렌즈로 방출되는 빛에 대응하는 수광 소자 출력값들의 오름차순으로 발광 소자들을 제3 발광 소자, 제2 발광 소자 및 제1 발광 소자로서 배치하는 것이 바람직하다.
이러한 구성에 따르면, 보다 적은 수광 검출 출력을 제공하는 광학 소자는 광학 시스템의 감쇠효과를 더욱 크게 감소시킬 수 있다.
본 발명의 제5 특징에 따르면, 빛을 방출하거나 수신하는 제1 광학 소자, 제2 광학 소자 및 제3 광학 소자, 빛을 전송하거나 수신하는 렌즈 및 광학 소자들로부터 나오는 빛을 렌즈로 인도하거나 렌즈로부터 광학 소자들로 빛을 인도하는 광학 시스템을 구비하는 광학 장치가 제공되는데, 여기서 상기 제1 광학 소자는 제1 광학 소자의 광축이 렌즈의 광축과 일치하도록 렌즈의 광축상에 배치되고, 상기 제2 광학 소자는 제2 광학 소자의 광축이 렌즈의 광축과 직각으로 교차하도록 제1 광학 소자로부터 렌즈 측으로 렌즈의 광축으로부터 떨어진 위치에 배치되며, 상기 제3 광학 소자는 제3 광학 소자의 광축이 렌즈의 광축과 예각의 기울기를 가지면서 교차하도록 제2 광학 소자로부터 렌즈 측으로 렌즈의 광축으로부터 떨어진 위치에 배치되는 것을 특징으로 한다.
이러한 광학 장치의 구성에 따르면, 제3 광학 소자의 광축이 렌즈의 광축과 예각의 기울기를 가지면서 교차하도록 제3 광학 소자를 배치함으로써, 제3 발광 소자와 렌즈의 광축 사이의 거리가 감소되며, 광학 장치가 소형화될 수 있다.
본 발명의 제5 특징에 따르면, 제3 광학 소자는 녹색 대역광을 방출하는 발광 소자인 것이 바람직하다.
이러한 구성에 따르면, 청색 또는 적색 대역광을 방출하는 발광 소자와 비교할 때 가장 작은 수광 검출 출력을 갖는 녹색 대역광을 방출하는 발광 소자에서 광학 시스템의 감쇠 효과가 감소될 수 있다.
본 발명의 제6 특징에 따르면, 빛을 방출하거나 수신하는 제1 광학 소자, 제2 광학 소자 및 제3 광학 소자, 빛을 전송하거나 수신하는 렌즈 및 광학 소자로부터 렌즈로 빛을 인도하거나 렌즈로부터 광학 소자로 빛을 인도하는 광학 시스템을 구비하는 광학 장치가 제공되어지는데, 상기 제1 광학 소자는 제1 광학 소자의 광축이 렌즈의 광축과 일치하도록 렌즈의 광축상에 배치되고, 상기 제2 광학 소자는 제2 광학 소자의 광축이 렌즈의 광축과 예각의 기울기를 가지면서 교차하도록 제1 광학 소자로부터 렌즈 측으로 렌즈의 광축으로부터 떨어진 위치에 배치되고, 상기 제3 광학 소자는 제3 광학 소자의 광축이 렌즈의 광축과 예각의 기울기를 가지면서 교차하도록 제2 광학 소자와 상이한 평면 상에 렌즈의 광축으로부터 떨어진 위치에 배치되는 것을 특징으로 한다.
이러한 광학 장치의 구성에 따르면, 교차각이 3차원적으로 또한 예각으로 조정되고, 렌즈의 광축으로부터 제2 및 제3 광학 소자까지의 거리가 감소하도록 광학 소자들이 배치됨으로써, 그 결과 광학 장치가 소형화될 수 있다.
본 발명의 제6 실시예에 따르면, 제3 광학 소자는 녹색 대역광을 방출하는 발광 소자인 것이 바람직하다.
이러한 구성에 따르면, 청색 또는 적색 대역광을 방출하는 발광 소자와 비교할 때 가장 적은 수광 검출 출력을 방출하는 발광 소자에 있어서 광학 시스템의 감쇠 효과는 감소될 수 있다.
본 발명의 제7 특징에 따르면, 빛을 방출하는 광학 장치가 제공되는데, 상기 광학 장치는 청색 발광 소자, 녹색 발광 소자, 적색 발광 소자, 발광 소자들로부터 나오는 빛을 전송하는 투사 렌즈, 녹색 발광 소자의 발광 파장의 빛을 반사하고 청색 및 적색 발광 소자들의 발광 파장의 빛은 통과시킬 수 있는 제1 다이크로익 미러 및 청색 및 적색 발광 소자들 중 하나의 발광 파장의 빛은 반사하고 다른 하나의 발광 파장의 빛은 통과시킬 수 있는 제2 다이크로익 미러를 구비하는 것으로서, 발광 소자들로부터 투사 렌즈까지의 광경로 길이들이 동일하고, 녹색 발광 소자는 발광 소자들 중에서 투사 렌즈에 가장 가깝게 배치되는 것을 특징으로 한다.
이러한 구성에 따르면, 각 색의 수광 검출 출력은 변화들을 억제하기 위하여 조절된다. 광학 소자들 중에서 가장 낮은 수광 검출 출력을 갖는 광학 소자는 다른 것들과 비교할 때 최소한의 감쇠 효과를 갖는 광학적 위치, 즉 투사 렌즈에 인접한 위치에 배치됨으로써, 전체 광학 장치의 능력을 향상시킬 수 있게 된다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시예들을 설명한다.
이하에서는 본 발명의 제1 실시예를 설명하도록 하겠다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 섬유형 광전 스위치의 주요부의 단면도이다.
도 1에 도시된 광전 스위치는 색 식별 센서로서 또한 사용될 수 있다. 그것은 하우징(8), 하우징내에 위치한 홀더(9), 세 개의 발광 소자(1a, 1b, 1c), 투사 렌즈(3), 홀더(9)에 배치된 2개의 다이크로익 미러(5a, 5b), 홀더(9) 아래의 수광 검출 소자(2a) 및 하우징(8)의 정면에 부착된 한 쌍의 광학 섬유(6a, 6b)를 구비한다.
발광 소자(1a, 1b, 1c)는, 예컨대 발광 다이오드이며, 상이한 파장 대역들의 빛을 방출한다. 예컨대 발광 소자(1a)는 녹색광(즉, 녹색에 해당하는 파장의 범위를 갖는 빛)을 방출하고, 발광 소자(1b)는 청색광(즉, 청색에 해당하는 파장의 범위를 갖는 빛)을 방출하고, 발광 소자(1c)는 적색광(즉, 적색에 해당하는 파장의 범위를 갖는 빛)을 방출한다. 발광 소자(1c)의 광축 LC가 투사 렌즈(3)의 광축 LX와 일치하도록 발광 소자(1c)가 배치된다. 발광 소자(1b)의 광축 Lb가 투사 렌즈(3)의 광축 LX와 직각으로 교차하도록 발광 소자(1b)가 배치된다. 발광 소자(1a)의 광축 La가 투사 렌즈(3)의 광축 LX와 0도보다 크고 90도보다 작은 각으로 교차되도록 발광 소자(1a)가 배치된다.
각각의 다이크로익 미러(5a, 5b)는 특정 파장대역의 빛은 반사하고, 기타 다른 파장의 빛은 통과시킨다. 본 실시예에 있어서, 다이크로익 미러(5a)은 발광 소자(1a)의 발광 파장의 빛은 반사하고 다른 파장의 빛은 통과시킨다. 다이크로익 미러(5b)는 발광 소자(1b)의 발광 파장의 빛은 반사하고 다른 파장의 빛은 통과시킨다.
발광 소자(1c)로부터 나오는 빛을 통과시켜 그 빛을 투사 렌즈(3)로 인도하고, 발광 소자(1b)로부터 나오는 빛을 반사하여 그 빛을 투사 렌즈(3)로 인도하도록 다이크로익 미러(5b)를 배치한다. 발광 소자(1c)로부터 나와 다이크로익 미러(5b)를 투과하는 빛 및 발광 소자(5b)로부터 나와 다이크로익 미러(5b)상에서 반사되는 빛을 통과시키고 그 빛을 투사 렌즈(3)로 인도하며, 발광 소자(1a)로부터 방출되는 빛을 반사시키고 그 빛을 투사 렌즈(3)로 인도하도록 다이크로익 미러(5a)을 배치한다.
발광 소자(1a)로부터 다이크로익 미러(5a)까지의 광학 경로 길이 및 다이크로익 미러(5a)로부터 투사 렌즈(3)까지의 광학 경로 길이의 총합, 발광 소자(1b)로부터 다이크로익 미러(5b)까지의 광학 경로길이 및 다이크로익 미러(5b)로부터 투사 렌즈(3)까지의 광학 경로 길이의 총합 및 발광 소자(1c)로부터 투사 렌즈(3)까지의 광학 경로 길이가 실질적으로 같아지도록, 발광 소자(1a, 1b, 1c), 투사 렌즈(3) 및 다이크로익 미러(5a, 5b)가 배치된다.
도 1에 도시된 바와 같이, 발광 소자(1a, 1b, 1c)로부터 나오는 빛이 광섬유(6a)의 한쪽 끝부분에 집속되도록 투사 렌즈(3)가 배치된다.
수광 검출 소자(2a)는, 예컨대 광다이오드로 이루어진다. 이는 광섬유(6b)의 한쪽 끝부분과 마주보도록 배치된다.
발광 소자(1a, 1b, 1c)의 배치 순서는 매개변수들로서, 발광 소자들의 발광 능력 및 수광 소자(2a)로서 사용되는 광다이오드의 스펙트럼 감도에 의해 결정된다. 이하에서는 배치 순서의 결정방법을 설명할 것이다.
발광 소자(1)의 발광 능력은 일반적으로 파장 및 발광 능력사이의 관계를 도시하는 도 2에 도시된 것과 같이 파장에 따른 분포특성을 가지며, 발광 색은 발광능력의 파장 분포로부터 시각적으로 인식될 수 있다. 예컨대 도 2에 있어서 (피크 470nm를 가지며 400nm에서 550nm의 범위에 분포되는 발광 능력을 갖는) 청색 발광 소자로부터 방출되는 빛은 청색으로 인식될 수 있으며, (피크 525nm를 가지며 450nm에서 600nm의 범위에 분포되는 발광능력을 갖는) 녹색 발광 소자로부터 방출되는 빛은 녹색으로 인식될 수 있다. 적색 발광 소자의 발광능력이 도시되지 않았지만, 700nm 근처의 지점에서 피크값을 갖는다.
광식별 센서 등의 광원으로서 이러한 발광 소자(1)를 사용하기 위하여, 광다이오드 또는 광트랜지스터가 수광 소자(2a)로서 사용되는데, 이것은 입사광의 파장에 의존하여 감도가 변화한다. 일반적으로, 실리콘계 광다이오드 또는 광트랜지스터는 적외선 영역, 즉 비가시파장 대역에서 800nm에서 1000nm까지의 범위에서 가장 높은 감도를 갖는데, 감도는 다른 파장 범위에서는 감소한다. 도 3은 왼쪽으로부터 오른쪽으로 800nm로 증가하는 수광 소자의 스펙트럼 감도의 예를 나타낸다.
발광 소자(1) 및 수광 소자(2a)를 사용하여 색 식별 센서 등을 실제로 형성하기 위하여, 수광 소자의 출력으로서 얻을 수 있는 검출 신호의 레벨은 발광 소자(1)의 발광 능력의 파장 분포 및 수광 소자(2a)의 파장에 의존하는 스펙트럼 감도 차이 사이의 관계에 의해 결정된다. 다시 말하면, 발광 파장이 다른 발광 소자(1a, 1b, 1c)를 사용하기 위하여, 각 파장에 대한 발광능력 및 수광 소자(2a)의 감도차이 사이의 관계로부터, 단일색 발광 소자에 해당하는 수광 소자 출력은 그 외의 것에 해당하는 수광 소자 출력과는 다르며, 수광 소자 출력의 신호 레벨을 최소값에 도달하게 하는 발광 소자가 있다.
특히, 신호 레벨들이, 예컨대 다음과 같이 비교될 수 있다.
발광 소자(1a, 1b, 1c)의 각 파장들에 의존하는 발광 능력은 파장함수 In(λ) (n=1, 2, 3)로서 표시된다.
1a = I1( λ)
1b = I2( λ)
1c = I3( λ)
여기서, λ: 발광 파장임.
수광 소자(2a)의 각 파장에 대한 스펙트럼 감도는 p( λ)로서 표시된다.
파장대역의 각 발광 소자에 대응하는 수광 출력, 즉 수광 소자의 출력 신호 레벨, Ln ( n=1, 2, 3)은 다음과 같이 얻어진다.
L1 = ∫I1( λ) × p( λ) dλ
L2 = ∫I2( λ) × p( λ) dλ
L3 = ∫I3( λ) × p( λ) dλ
여기서, L1 : 발광 소자(1a)의 수광 출력,
L2 : 발광 소자(1b)의 수광 출력,
L3 : 발광 소자(1c)의 수광 출력이다.
수광 출력은 발광 소자의 발광 능력과 수광 소자의 스펙트럼 감도의 곱을 파장( λ)에 관하여 적분함으로써 얻을 수 있다. 즉, 이는 수광 소자에 관하여 도 4에 도시된 수광량을 적분함으로써 얻어진다.
그 결과 얻어진 L1, L2 및 L3를 비교함으로써, 발광 소자들 중 어떤 것이 수광 소자 출력으로서 가장 낮은 신호 레벨을 가지는지를 확인할 수 있다.
다음으로, 특별한 예가 설명되는데, 여기서 녹색 대역광을 방출하는 발광 소자(이하, 녹색 LED라 함) 및 청색 대역광을 방출하는 발광 소자(이하, 청색 LED라 함) 중 어떤 것이 수광 소자 출력으로서 더 낮은 신호 레벨을 갖는 것을 나타내기 위하여 앞서 설명한 비교 방법이 사용된다.
그 결과 얻어지는 녹색 및 청색 LED들의 수치들의 예들을 표로서 아래에 설명한다.
파 장 스펙트럼감도 수광 출력 발광 요소 휘 도
B G PD B ×PD G ×PD b g
400 0.041 0.002 0.118 0.005 0.000 0.000 0.000 0.000
405 0.058 0.002 0.125 0.007 0.000 0.001 0.000 0.000
410 0.083 0.003 0.133 0.011 0.000 0.001 0.000 0.000
415 0.119 0.004 0.140 0.017 0.000 0.003 0.000 0.000
420 0.169 0.005 0.148 0.025 0.001 0.004 0.001 0.000
425 0.242 0.006 0.155 0.038 0.001 0.008 0.002 0.000
430 0.346 0.008 0.163 0.058 0.001 0.012 0.004 0.000
435 0.494 0.011 0.170 0.084 0.002 0.017 0.009 0.000
440 0.706 0.015 0.178 0.125 0.003 0.023 0.016 0.000
445 1.008 0.020 0.185 0.187 0.004 0.031 0.031 0.001
450 1.441 0.027 0.193 0.277 0.005 0.038 0.055 0.001
455 2.058 0.036 0.200 0.412 0.007 0.049 0.101 0.002
460 2.940 0.048 0.208 0.610 0.010 0.060 0.176 0.003
465 4.200 0.063 0.215 0.903 0.014 0.076 0.317 0.005
470 6.000 0.084 0.223 1.335 0.019 0.091 0.546 0.008
475 4.200 0.113 0.230 0.966 0.026 0.115 0.483 0.013
480 2.940 0.150 0.238 0.698 0.036 0.139 0.409 0.021
485 2.058 0.200 0.245 0.504 0.049 0.174 0.357 0.035
490 1.441 0.267 0.253 0.364 0.067 0.208 0.300 0.056
495 1.008 0.356 0.260 0.262 0.093 0.266 0.268 0.095
500 0.706 0.475 0.268 0.189 0.127 0.323 0.228 0.153
파 장 스펙트럼 감도 수광 출력 발광 요소 휘 도
B G PD B ×PD G ×PD b g
505 0.494 0.633 0.275 0.136 0.174 0.413 0.204 0.261
510 0.346 0.844 0.283 0.098 0.238 0.503 0.174 0.424
515 0.242 1.125 0.290 0.070 0.326 0.607 0.147 0.682
520 0.169 1.500 0.298 0.050 0.446 0.710 0.120 1.065
525 0.119 2.000 0.305 0.036 0.610 0.786 0.093 1.572
530 0.083 1.500 0.313 0.026 0.469 0.862 0.072 1.293
535 0.058 1.125 0.320 0.019 0.360 0.908 0.053 1.022
540 0.041 0.844 0.328 0.013 0.276 0.954 0.039 0.805
545 0.028 0.633 0.335 0.010 0.212 0.975 0.028 0.617
550 0.020 0.475 0.343 0.007 0.163 0.995 0.020 0.472
555 0.014 0.356 0.350 0.005 0.125 0.995 0.014 0.354
560 0.010 0.267 0.358 0.003 0.095 0.995 0.010 0.266
565 0.007 0.200 0.365 0.002 0.073 0.974 0.007 0.195
570 0.005 0.150 0.373 0.002 0.056 0.952 0.005 0.143
575 0.003 0.113 0.380 0.001 0.043 0.911 0.003 0.103
580 0.002 0.084 0.388 0.001 0.033 0.870 0.002 0.073
585 0.002 0.063 0.395 0.001 0.025 0.814 0.001 0.052
590 0.001 0.048 0.403 0.000 0.019 0.757 0.001 0.036
595 0.001 0.036 0.410 0.000 0.015 0.694 0.001 0.025
600 0.001 0.027 0.418 0.000 0.011 0.631 0.000 0.017
605 0.000 0.020 0.425 0.000 0.009 0.567 0.000 0.011
610 0.000 0.015 0.433 0.000 0.007 0.503 0.000 0.008
615 0.000 0.011 0.440 0.000 0.005 0.442 0.000 0.005
620 0.000 0.008 0.448 0.000 0.004 0.381 0.000 0.003
625 0.000 0.006 0.455 0.000 0.003 0.323 0.000 0.002
630 0.000 0.005 0.463 0.000 0.002 0.265 0.000 0.001
635 0.000 0.004 0.470 0.000 0.002 0.220 0.000 0.001
640 0.000 0.003 0.478 0.000 0.001 0.175 0.000 0.000
645 0.000 0.002 0.485 0.000 0.001 0.141 0.000 0.000
650 0.000 0.002 0.493 0.000 0.001 0.107 0.000 0.000
상기 표1 및 표2의 제1열은 400nm부터 650nm까지 5nm 단위로 빛의 파장을 나타낸다. 제2열은 청색 LED의 발광 능력 B를 나타내고, 제3열은 녹색 LED의 발광 능력 G를 나타내고, 제4열은 수광 소자의 스펙트럼 감도 PD를 나타내고, 제5열은 청색 LED가 빛 B ×PD(청색 LED의 발광 능력 B와 스펙트럼 감도 PD의 곱)을 방출할 때의 수광 소자 출력을 나타내며, 제6열은 녹색 LED가 빛 G ×PD(녹색 LED의 발광 능력 G와 스펙트럼 감도 PD의 곱)을 발광할 때의 수광 소자 출력을 나타낸다.
청색 및 녹색 LED들의 파장들 및 발광 능력 사이의 관계를 나타내기 위하여, 상기 표1 및 표2의 제2 및 제3열에 따른 수치들을 도 2에 도시하였다.
다음으로, 파장들에 관한 수광 소자의 스펙트럼 감도, 및 청색과 녹색 LED들의 발광출력들에 관한 파장들과 수광 소자의 수광 출력사이의 관계들을 나타내기 위하여, 상기 표1 및 표2의 제4열의 수광 소자의 스펙트럼 감도의 수치들, 제5열에 도시된 수광 소자의 출력의 수치들(청색 LED의 발광 능력 및 수광 소자의 스펙트럼 감도의 곱) 및 제6열에 나타낸 수광 소자의 출력의 수치들(녹색 LED의 발광 능력 및 수광 소자의 스펙트럼 감도의 곱)을 도3에 도시하였다.
삭제
상기 수치표를 참조하면, 녹색 LED의 수광 소자 출력의 적분값 ( L1 = ∫I1( λ) ×p( λ) d λ)은, 400nm부터 650nm까지의 파장범위에서 5nm의 단위로 청색 LED의 수광 소자 출력의 적분값 ( L2 = ∫I2( λ) × p( λ) d λ)과 비교된다. 상기 표에서, 녹색 LED의 수광 소자 출력의 총 합계(가능한, 적분값으로 나타내는)는 청색 LED의 그것보다 더 적다. 따라서, 청색 LED에 대응하는 수광 소자 출력의 적분값은 녹색 LED에 대응하는 그것보다 더 크며, 청색 LED에 대응하는 수광 소자 출력의 레벨은 더 높아짐을 알 수 있다.
적색 LED에 대응하는 수광 소자 출력의 레벨과의 비교가 유사한 방법에 의해 또한 이루어질 수 있다. 그런데, 적색 LED에 대응하는 수광 소자 출력의 레벨은 상세하게 설명하지 않겠는데, 이는 일반적으로 실리콘계 광다이오드, 광트랜지스터 등의 수광 소자는 800nm 이상의 영역에서 최고값을 가지면서 왼쪽으로부터 오른쪽으로 증가하는 스펙트럼 감도를 가지며 적색 LED는 700nm부근에서 발광 출력 최고값을 가지므로, 적색 LED에 대응하는 수광 소자 출력의 레벨이 청색 또는 녹색 LED에 대응하는 그것보다 더 크다는 것이 명백하기 때문이다.
또한, 파장에 관한 인간과 관련된 발광 요소, 청색 LED의 발광 출력의 가시 휘도(visual brightness) 및 녹색 LED의 발광 출력의 가시 휘도를 나타내기 위하여, 표의 제7열 내지 제9열들에 리스트된 수치들을 제4도에 도시하였다.
도 4 및 표1 및 표2를 참조하면, 사람의 시각에 의해 관찰되는 발광요소에 따른 각 색의 발광 소자의 휘도는 각 LED의 발광능력 및 발광 요소의 곱에 의해 얻을 수 있다. 표1 및 표2에 있어서, 400nm부터 650nm의 파장범위에서 5nm의 단위로 나타낸 녹색 LED의 휘도의 총합은 청색 LED의 휘도의 그것보다 더 크다. 따라서, 청색 LED의 발광 출력의 가시 휘도는 녹색 LED의 그것보다 상당히 적게 된다.
적색 LED의 발광 출력의 가시 휘도와의 비교는 유사한 방법에 의해 또한 이루어질 수 있다.
지금까지의 설명으로부터, 녹색 LED의 발광 출력의 가시 휘도는 청색 LED의 그것보다 높은 레벨이 되지만, 녹색 LED에 대응하는 수광 소자의 실제 수광 출력은 청색 LED에 대응하는 그것보다 적게 된다는 것을 알 수 있다.
발명자는 지식에 근거하여 전체 광학 소자의 발광 소자들의 배치 순서를 고려한다. 즉, 파장들의 광원들에 대응하는 수광 출력, 환언하면 수광 소자의 출력 신호 레벨과 비교할 때 가장 낮은 레벨이 되는 발광 소자에 대하여 최우선 순위를 부여함에 의해 광학 시스템이 설계된다. 다시 말하면, 빛은 같은 조건하에서 각 광원으로부터 나오고 수광 소자에서 들어가며, 가장 작은 출력 신호 레벨을 갖는 광원이 광학 시스템을 설계함에 있어서 최우선적으로 할당된다.
특히, 도 1에 도시된 바와 같이, 수광 소자 출력 레벨이 가장 낮은 녹색 LED(1a)는 광학적으로 및 물리적으로 투사 렌즈(3)에 가장 가깝게 배치되고, 수광 소자 출력 레벨이 두 번째로 작은 청색 LED(1b)는 녹색 LED(1a)의 옆에 배치되고, 수광 소자 출력 레벨이 가장 높은 적색 LED(1c)는 투사 렌즈(3)로부터 가장 멀리 배치된다. 전술한 바와 같이 LED들이 이렇게 배치되는 이유는, 적색 LED(1c)로부터 나오는 빛이 투사 렌즈(3)에 도달하는 동안에, 그것은 다이크로익 미러(5b) 및 다이크로익 미러(5a)를 통과할 때 두 번 약화되고, 또한 청색 LED(1b)로부터 나온 빛이 투사 렌즈(3)에 도달하는 동안, 그것은 다이크로익 미러(5b)에서 반사되고 다이크로익 미러(5a)를 통과할 때 두 번 약화되지만, 녹색 LED(1a)로부터 나온 빛이 투사 렌즈(3)에 도달하는 동안, 그것은 단지 다이크로익 미러(5a)상에서 반사될 때 단 한번 약화되기 때문이다.
이렇게 함으로써, 발광 다이오드들의 배치가 도 3 및 표에서의 수광 소자 출력을 참조함에 의해 결정될 수 있지만, 계산값 데이터는 구성요소들(elements) 및 구동 조건들에 따라 변하며, 상수가 아니다. 적색, 녹색 및 청색의 순서는 각 구성요소들의 특성에 따라 변화한다. 청색 B 및 녹색 G에 대해서 살펴보았지만, 적색 R도 또한 마찬가지일 수 있다.
이러한 배치에 따라, 수광 소자에서의 출력을 최소 레벨이 되게 하는 발광 소자로부터 나오는 빛은 출력의 감쇠 정도를 줄이기 위하여 다이크로익 미러(5a, 5b)의 통과를 방지하도록 구성함으로써, 대응하는 색 수광 소자 출력의 레벨을 조정하기 위하여 수광 소자상에서 입사광량을 상대적으로 증가할 수 있게 된다.
광섬유(6a)는 투사 렌즈(3)를 통하여 한쪽 끝에 모이는 빛을 다른 쪽 끝으로 전송하고 그 빛을 투사 렌즈로 인도하며, 광섬유(6b)는 검출 위치(7)로부터 반사되고 한쪽끝으로 입사되는 빛을 다른 끝으로 전송하고 그 빛을 수광 검출 소자(2a)로 인도함으로써, 만약 광전스위치로부터 검출 위치(7)까지의 거리가 LED들을 사용하는 구성에서 검출될 수 있는 허용 한계치보다 더 길다면, 광섬유(6a, 6b)는 광전송 및 검출을 가능하게 한다.
발광 소자(1a, 1b, 1c)는 시분할 방법으로 순차적으로 턴온된다. 발광 소자(1a)가 턴온되면, 발광 소자(1a)로부터 나오는 녹색광은 다이크로익 미러(5a)상에서 반사되고 투사 렌즈(3) 및 광섬유(6a)를 통하여 검출 위치로 나아가게 된다. 발광 소자(1b)가 턴온되면, 발광 소자(1b)로부터 방출되는 청색광은 다이크로익 미러(5b)상에서 반사되고 다이크로익 미러(5a)를 통과하여 투사 렌즈(3) 및 광섬유(6a)를 통하여 검출 위치로 나아가게 된다. 발광 소자(1c)가 턴온되면, 발광 소자(1c)로부터 방출되는 적색광은 다이크로익 미러(5a, 5b)를 통과하고 투사 렌즈(3) 및 광섬유(6a)를 통하여 검출 위치로 나아가게 된다. 물체(7)가 검출 위치에 존재한다면, 물체(7)로부터 반사되는 빛은 광섬유(6b)를 통하여 수광 검출 소자(2a)로 나아가게 된다. 반사된 빛 및 수광 검출 소자(2a)에 도달한 통과한 빛에 기초하여 물체(제조공정에 있는 물품, 7)의 형태 및 검출 위치 뿐만 아니라, 물체(7)의 색은 녹색, 청색 및 적색의 색 수광량과 R, G, 및 B 등의 색 수광량 비율에 기초한 색 검출에 의해 검출될 수 있다.
광섬유(2b)를 물체(7)의 반대편인 도 1의 수광측상에 배치함으로써 물체(제조공정에 있는 물품, 7)가 수광 검출 소자(2a)에 도달한 통과한 빛에 의해 검출될 수 있도록 하기 위하여 필요할 때마다 변화가 또한 가해질 수 있다.
도 5는 도 1에 도시된 광전 스위치의 제어시스템의 블록도이다.
도 5에 있어서, 제어부(20)는 구동부(21a, 21b, 21c) 각각에 대한 발광 소자(1a, 1b, 1c)의 발광 타이밍들을 제어하기 위한 발광 타이밍 제어 신호(Ta, Tb, Tc)를 제공한다. 구동부(21a, 21b, 21c)는 발광 타이밍 제어 신호(Ta, Tb, Tc)에 응답하여 발광 소자(1a, 1b, 1c)를 각각 구동한다.
검출 발광 소자(2a)의 출력 신호는 증폭기(22a)에 의해 증폭되고, 제어부(20)에 수광신호(RS)로서 제공된다. 제어부(20)는 수광신호(RS)의 레벨에 의존하는 검출 신호(DE)를 출력한다. 예컨대, 수광 신호(RS)의 레벨이 소정의 임계치보다 높다면, 제어부(20)는 검출신호(DE)를 높게 출력하며, 수광 신호(RS)의 레벨이 소정의 임계치보다 낮다면, 제어부(20)는 검출신호(DE)를 낮게 출력한다.
본 실시예의 광전 스위치에 있어서, 투사 렌즈(3)에 인접한 발광 소자(1a)의 광축(La)은 기울기를 가지면서 투사 렌즈(3)의 광축(Lx)과 교차하도록 발광 소자(1a) 및 투사 렌즈(3)를 배치함으로써, 발광 소자(1a, 1b, 1c)로부터 투사 렌즈(3)까지의 광경로 길이들을 서로 같도록 유지하면서 광전스위치의 홀더(9)의 폭(L)을 감소시킬 수 있다.
다음으로는, 본 발명의 제2 실시예를 도 6을 참조하여 설명할 것이다.
도 6은 본 발명의 제2 실시예에 따른 광전 스위치의 주요부의 단면도이다.
도 7에 도시된 광전 스위치는 광섬유들을 구비하고 있지 아니하며 수광 렌즈(4)가 제공된다는 점에서 도 1에 도시된 광전 스위치와는 다르다.
투사 렌즈(3)는 발광 소자(1a, 1b, 1c)로부터 검출 위치로 빛을 전송한다. 수광 렌즈(4)는 검출 위치로부터 나온 빛을 수광 검출 소자(2a)에 집속한다. 물체(7)가 검출 위치에 존재한다면, 물체(7)로부터 반사된 빛은 수광 렌즈(4)를 통하여 수광 검출 소자(2a)에 집속된다.
도 6에 도시된 광전 스위치의 제어 시스템의 구성은 도 5에 도시된 구성과 같을 것이다.
또한, 본 실시예의 광전 스위치에 있어서, 투사 렌즈(3)에 인접한 발광 소자(1a)의 광축(La)은 투사 렌즈(3)의 광축(Lx)과 기울기를 가지면서 교차하도록 발광 소자(1a) 및 투사 렌즈(3)가 배치함으로써, 발광 소자(1a, 1b, 1c)로부터 투사 렌즈(3)까지의 광경로 길이들을 서로 동일하게 유지하면서 광전스위치의 홀더(9)의 폭(L)을 감소할 수 있다.
다음으로는, 본 발명의 제3 실시예를 도 7을 참조하여 설명할 것이다.
도 7은 본 발명의 제3 실시예에 따른 광학 장치의 주요부의 단면도이다.
도 7에 도시된 바와 같이, 광전송 장치로서 사용되는 광학 장치에 있어서, 세개의 발광 소자(1a, 1b, 1c), 투사 렌즈(3) 및 두 개의 다이크로익 미러(5a, 5b)은 홀더(9) 내에 배치된다. 발광 소자(1a, 1b, 1c), 다이크로익 미러(5a, 5b) 및 투사 렌즈(3)는 도 1의 광전 스위치에서와 같이 배치된다.
본 실시예의 광학 장치에 있어서, 투사 렌즈(3)에 인접한 발광 소자(1a)의 광축(La)이 투사 렌즈(3)의 광축(Lx)과 기울기를 가지면서 교차하도록 발광 소자(1a) 및 투사 렌즈(3)를 배치함으로써, 발광 소자(1a, 1b, 1c)로부터 투사 렌즈(3)까지의 광경로 길이들을 서로 동일하게 유지하면서 광학 소자의 폭(L)을 감소시킬 수 있다.
도 7의 광학 장치는 광전송 장치로서 설명되고 있지만, 발광 소자(1a, 1b, 1c)는, 예컨대 수광소자를 형성하는 수광 소자들로 모두 대체될 수 있다. 도 8은 백색광(100) 예컨대, 할로겐 램프의 빛을 물체(7)로 전송하고 물체(7)상에서 반사되는 빛 또는 물체(7)를 통과하는 빛을 수신함으로써 물체(7)상의 정보를 검출하는 광학 장치의 변형된 실시예를 도시하고 있다. 렌즈(103)를 통하여 지나가는 녹색광(G)은 다이크로익 미러(105a)상에서 반사되고 녹색 수광 소자(102a)에서 집속된다. 렌즈(103)를 통하여 지나가는 청색광(B)은 다이크로익 미러(105a)를 통하여 지나가고, 다이크로익 미러(105b)상에서 반사되고, 청색 수광 소자(102b)에서 수신된다. 렌즈(103)을 통하여 지나가는 적색광(R)은 다이크로익 미러(105a, 105b)을 통하여 통과하고 적색 수광 소자(102c)에서 수신된다.
다음으로는, 본 발명의 제4 실시예를 도 9를 참조하여 설명할 것이다.
도 9는 본 발명의 제4 실시예에 따른 광학 장치의 주요부의 단면도이다.
본 실시예는 두 개의 광학 소자(발광 또는 수광 소자들)을 구비하는 구성예이다.
도 9에 도시된 바와 같이, 두 개의 발광 소자(1a, 1c) 및 다이크로익 미러(5a)는 홀더(9)내에 배치된다. 발광 소자(1c)의 광축(Lc)이 투사 렌즈(3)의 광축(Lx)과 같아지도록 발광 소자(1c)를 배치한다. 발광 소자(1a)의 광축(La)이 투사 렌즈(3)의 광축(Lx)과 0도보다 크고 90도보다 작은 각(예각)을 가지면서 교차하도록 발광 소자(1a)를 배치한다.
발광 소자(1a)로부터 다이크로익 미러(5a)까지의 광경로 길이 및 다이크로익 미러(5a)로부터 투사 렌즈(3)까지의 광경로 길이의 총합 및 발광 소자(1c)로부터 투사 렌즈(3)까지의 광경로 길이는 서로 동일하게 설정된다.
본 실시예에 의하여, 투사 렌즈(3)에 인접한 발광 소자(1a)의 광축(La)이 투사 렌즈(3)의 광축(Lx)과 기울기를 가지면서 교차하도록 발광 소자(1a) 및 투사 렌즈(3)를 배치함으로써, 발광 소자(1a, 1c)로부터 투사 렌즈(3)까지의 광경로 길이들을 서로 동일하게 유지하면서 광학 장치의 폭(L)을 감소할 수 있다.
도 9에 도시된 광학 장치에 있어서, 수광 소자 또는 수광 소자들은 발광 소자(1a, 1c) 중 하나 또는 둘을 대치할 수 있다. 특히, 수광 소자는 발광 소자(1a)를 대신하여 제공되고 하프 미러(half mirror)가 다이크로익 미러(5a)를 대신하여 사용함으로써, 발광 소자(1c) 및 수광 소자(1a)를 구비하는 작은 광전 스위치가 형성될 수 있다.
다음으로, 본 발명의 제5 실시예를 도 10을 참조하여 설명할 것이다.
본 실시예는 3차원으로 배치된 광학 소자들을 구비하는 구성예이다.
도 10a 및 10b는 본 발명의 제5 실시예에 의한 광학 장치의 주요부의 정면도 및 평면도이다. 도 10a 및 10b에 있어서, 발광 소자(1c)의 광축(Lc)이 투사 렌즈(3)의 광축(Lx)과 같아지도록 발광 소자(1c)를 배치한다. 발광 소자(1b)의 광축(Lb)은 투사 렌즈(3)의 광축(Lx)과 0도보다 크고 90도보다 작은 각(예각)을 가지면서 교차하도록 발광 소자(1b)를 배치한다. 발광 소자(1a)의 광축(La)이 투사 렌즈(3)의 광축(Lx)과 0도보다 크고 90도보다 작은 각(예각)을 가지면서 교차하도록 발광 소자(1a)를 배치한다. 또한, 발광 소자(1b)의 광축(Lb)은 수직면상에 있으며, 발광 소자(1a)의 광축(La)은 수평면상에 있다.
발광 소자(1a)로부터 다이크로익 미러(5a)까지의 광경로 길이 및 다이크로익 미러(5a)로부터 투사 렌즈(3)까지의 광경로 길이의 총합, 발광 소자(1b)로부터 다이크로익 미러(5b)까지의 광경로 길이 및 다이크로익 미러(5b)로부터 투사 렌즈(3)까지의 광경로 길이의 총합 및 발광 소자(1c)로부터 투사 렌즈(3)까지의 광경로 길이는 서로 동일하게 설정된다.
또한, 도 10에서의 광학 장치에 있어서, 수광 소자 또는 수광 소자들은 발광 소자(1a, 1b, 1c)의 하나 또는 모두를 대체할 수 있다.
본 실시예에 따르면, 발광 소자(1a)의 광축(La) 및 발광 소자(1b)의 광축(Lb)은 투사 렌즈(3)의 광축(Lx)과 기울기를 가지면서 교차하고, 서로 다른 평면상에 배치되는데, 이 경우에 있어서 광학 장치의 크기는 폭 및 두께의 두 방향에서 감소될 수 있다.
다이크로익 미러들이 광학 시스템의 광학 부재로서 사용되지만, 하프 미러들, 광학적 도파관(waveguide)등의 다른 소자들이 광학 부재로서 사용될 수 있다.
투사렌즈는 하나의 렌즈로 이루어지지만, 하나 이상의 렌즈로 이루어질 수도 있다.
본 발명에 따르면, 광학 장치의 구성에 있어서, 적어도 하나의 광학 소자의 광축이 렌즈의 광축과 기울기를 가지면서 교차하도록 광전스위치, 섬유형 광전 스위치 및 색 식별 센서, 광학 부재들을 배치함으로써, 광학 소자들로부터 렌즈까지의 광경로 길이들을 서로 동일하게 유지하면서 광학 장치를 소형화할 수 있게 된다.
본 발명에 따르면, 파장 대역이 서로 다른 광학 소자들 사이에서 가장 작은 수광 검출 출력을 갖는 광학 소자는 최소의 감쇠 효과를 갖는 위치, 즉 렌즈에 인접한 위치에 배치됨으로써, 각 색의 수광 검출 출력이 변화를 방지하도록 조정되고, 이에 따라 제품 수준이 향상된 광학 장치가 제공될 수 있다.
본 발명은 일본 특허 출원번호 평성 10-138941에 기초를 두고 있으며, 이는 본 발명의 일부를 이룬다.
본 발명을 바람직한 실시예와 관련하여 설명하였지만, 당업자는 본 발명으로부터 벗어남이 없이 다양한 변화 및 수정이 가할 수 있을 것이다. 따라서, 본 발명의 특허청구범위는 모든 그런 변화 및 수정들을 포함한다.
본 발명에 따르면, 광학 장치의 구성에 있어서, 적어도 하나의 광학 소자의 광축이 렌즈의 광축과 기울기를 가지면서 교차하도록 광전스위치, 섬유형 광전 스위치 및 색 식별 센서, 광학 부재들을 배치함으로써, 광학 소자들로부터 렌즈까지의 광경로 길이들을 서로 동일하게 유지하면서 광학 장치를 소형화할 수 있게 된다.
본 발명에 따르면, 파장 대역이 서로 다른 광학 소자들 사이에서 가장 작은 수광 검출 출력을 갖는 광학 소자는 최소의 감쇠 효과를 갖는 위치, 즉 렌즈에 인접한 위치에 배치됨으로써, 각 색의 수광 검출 출력이 변화를 방지하도록 조정되고, 이에 따라 제품 수준이 향상된 광학 장치가 제공될 수 있다.

Claims (16)

  1. 빛을 방출하거나 수신하는 복수 개의 광학 소자들,
    빛을 전송하거나 수신하는 렌즈, 및
    상기 광학 소자들로부터 상기 렌즈로 빛을 인도하거나 상기 렌즈로부터 상기 광학 소자들로 빛을 인도하는 광학 시스템을 포함하며,
    상기 광학 소자들 중 적어도 하나의 광학 소자의 광축은 상기 렌즈의 광축과 경사를 이루면서 교차하고, 상기 광학 소자들 중 다른 하나의 광학 소자의 광축은 상기 렌즈의 상기 광축과 실질적으로 정렬되도록 상기 복수 개의 광학 소자들 및 상기 렌즈를 배치하는 것인 광학 장치.
  2. 빛을 방출하거나 수신하는 복수 개의 광학 소자들,
    빛을 전송하거나 수신하는 렌즈, 및
    상기 광학 소자들로부터 상기 렌즈로 빛을 인도하거나 상기 렌즈로부터 상기 광학 소자들로 빛을 인도하는 광학 시스템을 포함하며,
    상기 광학 소자들 중 적어도 하나의 광학 소자의 광축은 상기 렌즈의 광축과 경사를 이루면서 교차하고, 상기 복수 개의 광학 소자들의 광축들은 3차원으로 배치되도록 상기 복수 개의 광학 소자들 및 상기 렌즈를 배치하는 것인 광학 장치.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 복수 개의 광학 소자들 중 상기 렌즈에 가장 가까이 위치한 광학 소자는 녹색 대역광을 방출하는 발광 소자인 것인 광학 장치.
  4. 검출 위치로 빛을 전송하고 상기 검출 위치로부터 반사된 빛 또는 상기 검출 위치를 통과하는 빛을 수신하는 광전 스위치에 있어서,
    빛을 방출하는 복수 개의 발광 소자들,
    상기 복수 개의 발광 소자들로부터 상기 검출 위치로 순서대로 빛을 전송하는 투사 렌즈,
    상기 복수 개의 발광 소자들로부터 방출된 빛을 상기 투사 렌즈로 인도하는 광학 시스템, 및
    상기 검출 위치로부터 반사된 빛 또는 상기 검출 위치를 통과하는 빛을 수신하는 수광 소자를 포함하며,
    상기 발광 소자들 중 적어도 하나의 발광 소자의 광축이 상기 투사 렌즈의 광축과 경사를 이루면서 교차하고, 상기 광학 소자들 중 다른 하나의 광학 소자의 광축이 상기 렌즈의 상기 광축과 실질적으로 정렬되도록 상기 복수 개의 발광 소자들 및 상기 투사 렌즈를 배치하는 것인 광전 스위치.
  5. 검출 위치로 빛을 전송하고 상기 검출 위치로부터 반사된 빛 또는 상기 검출 위치를 통과하는 빛을 수신하는 광전 스위치에 있어서,
    빛을 방출하는 복수 개의 발광 소자들,
    상기 복수 개의 발광 소자들로부터 상기 검출 위치로 순서대로 빛을 전송하는 투사 렌즈,
    상기 복수 개의 발광 소자들로부터 방출된 빛을 상기 투사 렌즈로 인도하는 광학 시스템, 및
    상기 검출 위치로부터 반사된 빛 또는 상기 검출 위치를 통과하는 빛을 수신하는 수광 소자를 포함하며,
    상기 복수 개의 발광 소자들 및 상기 투사 렌즈는 상기 발광 소자들 중 적어도 하나의 발광 소자의 광축이 상기 투사 렌즈의 광축과 경사를 이루면서 교차하도록 배치되고,
    상기 발광 소자들은 상기 발광 소자들로부터 상기 투사 렌즈로 방출되는 빛에 대응하는 수광 소자 출력값들의 오름차순으로 배치되는 것인 광전 스위치.
  6. 검출 위치로 빛을 전송하고 상기 검출 위치로부터 반사된 빛 또는 상기 검출 위치를 통과하는 빛을 수신하는 섬유형(fiber type) 광전 스위치에 있어서,
    빛을 방출하는 복수 개의 발광 소자들,
    상기 발광 소자들로부터 방출되는 빛을 전송하는 투사 렌즈,
    상기 발광 소자들로부터 방출되어 상기 투사 렌즈를 통과하는 빛을 상기 검출 위치로 인도하는 제1 광섬유,
    수광 검출 소자(detection light reception element), 및
    상기 검출 위치로부터 반사된 빛 또는 상기 검출 위치를 통과하는 빛을 상기 수광 검출 소자로 인도하는 제2 광섬유를 포함하며,
    상기 발광 소자들 중 적어도 하나의 발광 소자의 광축이 상기 투사 렌즈의 광축과 경사를 이루면서 교차하도록 상기 복수 개의 발광 소자들 및 상기 투사 렌즈를 배치하는 것인 섬유형 광전스위치.
  7. 제6항에 있어서, 상기 발광 소자들은 상기 발광 소자들로부터 상기 투사 렌즈로 방출되는 빛에 대응하는 수광 소자 출력값들의 오름차순으로 배치되는 것인 섬유형 광전 스위치.
  8. 물체로 빛을 전송하고, 상기 물체로부터 반사되는 빛에 기초하여 상기 물체의 색을 검출하는 색 식별 센서에 있어서,
    서로 다른 파장 대역의 빛을 방출하는 제1 발광 소자, 제2 발광 소자 및 제3 발광 소자,
    상기 제1 발광 소자, 제2 발광 소자 및 제3 발광 소자로부터 방출된 빛을 상기 물체로 전송하는 투사 렌즈,
    상기 제1 발광 소자, 제2 발광 소자 및 제3 발광 소자로부터 방출된 빛을 상기 투사 렌즈로 인도하는 광학 시스템, 및
    상기 물체로부터 반사된 빛을 수신하는 수광 검출 소자를 포함하며,
    상기 제1 발광 소자는 상기 제1 발광 소자의 광축이 상기 투사 렌즈의 광축과 일치하도록 상기 투사 렌즈의 광축상에 배치되고,
    상기 제2 발광 소자는 상기 제2 발광 소자의 광축이 상기 투사 렌즈의 광축과 직각으로 교차하도록 상기 제1 발광 소자로부터 상기 투사 렌즈 측으로 상기 투사 렌즈의 광축으로부터 떨어진 위치에 배치되고,
    상기 제3 발광 소자는 상기 제3 발광 소자의 광축이 상기 투사 렌즈의 광축과 예각의 경사를 이루면서 교차하도록 상기 제2 발광 소자로부터 상기 투사 렌즈 측으로 상기 투사렌즈의 광축으로부터 떨어진 위치에 배치되는 것인 색 식별 센서.
  9. 제8항에 있어서, 상기 발광 소자들은 상기 발광 소자들로부터 상기 투사 렌즈로 방출되는 빛에 대응하는 수광 소자 출력값들의 오름차순으로 상기 제3 발광 소자, 상기 제2 발광 소자 및 상기 제1 발광 소자로서 배치되는 것인 색 식별 센서.
  10. 빛을 방출하거나 수신하는 제1 광학 소자, 제2 광학 소자 및 제3 광학 소자,
    빛을 전송하거나 수신하는 렌즈, 및
    상기 광학 소자들로부터 상기 렌즈로 빛을 인도하거나 상기 렌즈로부터 상기 광학 소자들로 빛을 인도하는 광학 시스템을 포함하며,
    상기 제1 광학 소자는 상기 제1 광학 소자의 광축이 상기 렌즈의 광축과 일치하도록 상기 렌즈의 광축상에 배치되고,
    상기 제2 광학 소자는 상기 제2 광학 소자의 광축이 상기 렌즈의 광축과 직각으로 교차하도록 상기 제1 광학 소자로부터 상기 렌즈 측으로 상기 렌즈의 광축으로부터 떨어진 위치에 배치되고,
    상기 제3 광학 소자는 상기 제3 광학 소자의 광축이 상기 렌즈의 광축과 예각의 경사를 이루면서 교차하도록 상기 제2 광학 소자로부터 상기 렌즈 측으로 상기 렌즈의 광축으로부터 떨어진 위치에 배치되는 것인 광학 장치.
  11. 제10항에 있어서, 상기 제3 광학 소자는 녹색 대역광을 방출하는 발광 소자인 것인 광학 장치.
  12. 빛을 방출하거나 수신하는 제1 광학 소자, 제2 광학 소자 및 제3 광학 소자,
    빛을 전송하거나 수신하는 렌즈, 및
    상기 광학 소자들로부터 상기 렌즈로 빛을 인도하거나 상기 렌즈로부터 상기 광학 소자들로 빛을 인도하는 광학 시스템을 포함하며,
    상기 제1 광학 소자는 상기 제1 광학 소자의 광축이 상기 렌즈의 광축과 일치하도록 상기 렌즈의 광축 상에 배치되고,
    상기 제2 광학 소자는 상기 제2 광학 소자의 광축이 상기 렌즈의 광축과 예각의 경사를 이루면서 교차하도록 상기 제1 광학 소자로부터 상기 렌즈 측으로 상기 렌즈의 광축으로부터 떨어진 위치에 배치되고,
    상기 제3 광학 소자는 상기 제3 광학 소자의 광축이 상기 렌즈의 광축과 예각의 경사를 이루면서 교차하도록 상기 제2 광학 소자와 상이한 평면 상에서 상기 렌즈의 광축으로부터 떨어진 위치에 배치되는 것인 광학 장치.
  13. 제12항에 있어서, 상기 제3 광학 소자는 녹색 대역광을 방출하는 발광 소자인 것인 광학 장치.
  14. 청색 발광 소자,
    녹색 발광 소자,
    적색 발광 소자,
    상기 발광 소자들로부터 빛을 전송하는 투사 렌즈,
    상기 녹색 발광 소자의 발광 파장의 빛을 반사하고 상기 청색 발광 소자 및 적색 발광 소자의 발광 파장의 빛을 통과시킬 수 있는 제1 다이크로익 미러, 및
    상기 청색 발광 소자와 상기 적색 발광 소자 중 하나의 발광 파장의 빛을 반사하고 다른 하나의 발광 파장의 빛을 통과시킬 수 있는 제2 다이크로익 미러를 포함하며,
    상기 발광 소자들로부터 상기 투사 렌즈로의 광학 경로 길이들이 실질적으로 동일하고, 상기 녹색 발광 소자는 상기 발광 소자들 중에서 상기 투사 렌즈에 가장 가까이 배치되며, 상기 발광 소자들 중 적어도 하나의 광축은 상기 투사 렌즈의 광축과 경사져 있는 것인 빛을 방출하는 광학 장치.
  15. 제14항에 있어서, 상기 청색 발광 소자 및 상기 적색 발광 소자 중 하나의 광축은 상기 투사 렌즈의 상기 광축과 실질적으로 일치되는 것인, 광학 장치.
  16. 빛을 방출하거나 수신하기 위한 광학 장치에 있어서,
    빛을 방출 또는 수신하기 위한 복수의 광학 소자들과,
    빛을 전송 또는 수신하기 위한 렌즈와,
    상기 광학 소자들로부터 상기 렌즈로 빛을 인도하거나 상기 렌즈로부터 상기 광학 소자들로 빛을 인도하는 광학 시스템을 포함하며,
    상기 복수의 광학 소자들 및 상기 렌즈는 상기 광학 소자들 중 적어도 하나의 광학 소자의 광축이 상기 렌즈의 광축과 경사를 이루면서 교차하도록 배치되며,
    상기 복수의 광학 소자들 중에서 상기 렌즈에 가장 근접하게 위치된 광학 소자는 녹색 대역광을 방출하기 위한 발광 소자인 것인, 광학 장치.
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