KR101710534B1 - 광학식 센서를 위한 광학계 및 이를 포함하는 센서 - Google Patents

Abstract

본 발명의 일 실시예에 의하면, 렌즈에서와 같은 색수차, 광 경로 왜곡 문제 및 광효율 문제를 해결할 수 있고, 광학계의 소형화를 구현할 수 있다. 이를 위해 특히, 본 발명의 일 실시예는 광원에 대응하는 제1 초점에서 소정 조사각으로 광을 조사하는 광원부와 조사된 광을 반사시켜 제2 초점에 수렴시키는 비구면의 제1 반사체를 포함하는 발광부; 및 제2 초점에 수렴되어 광학적 상호작용으로 경로가 변경된 광의 일부를 반사시켜 제3 초점에 수렴시키는 비구면의 제2 반사체와, 제3 초점에 위치하여 제2 반사체에 의해 반사되고 제3 초점에 수렴되는 광을 검출하는 광검출기를 포함하는 수광부;를 포함하는 광학계를 포함한다.

Description

광학식 센서를 위한 광학계 및 이를 포함하는 센서{OPTICAL SYSTEM FOR SENSORS WITH OPTICAL METHOD AND SENSORS INCLUDING THE SAME OPTICAL SYSTEM}

본 발명은 반사체를 이용한 물체 및 물질 검지를 위한 광학계에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 하나의 초점을 공유하는 2 개의 타원 반사체를 이용하여 광을 효율적으로 가이드할 수 있는 광학계에 관한 것이다.

종래 먼지 센서, 컬러 센서 등은 복수의 렌즈를 구비한 광학계를 이용하여 왔는데, 이를 통해 센싱 또는 검출되는 물체의 크기가 매우 작은 경우에 먼지 센서로, 이동하는 물체라면 포토센서로, 물체의 색깔에 대해 적(red), 녹(green), 청(blue)을 각각 독립적으로 검출하는 광검출기를 적용하면 칼라 센서로 제작될 수 있다. 이러한 센서들의 제작에 있어서, 광학적으로 가장 중요한 관건은 입사광에 대해 반사광의 효율을 높여야 한다는 것이다. 다시 말해 광원에서 방출된 광 중에 광검출기에 도달하는 광의 세기(irradiance)가 클수록 물체 또는 물질의 유무나 색깔을 보다 정확하게 검출할 수 있다. 그러므로 광 효율이 높은 센서를 제작하기 위해 기존 기술은 일반적으로 볼록 렌즈(convex lens)를 적용하였다.

도 1은 종래 광학계 중 렌즈를 이용한 일예를 나타낸 개략도이다. 도 1에 도시된 바와 같이, 발광부의 볼록 렌즈는 광원에서 방출된 광을 집광하여 반사 지점인 M에 집중시키고 반사된 광은 다시 수광부의 볼록 렌즈에 도달하여 광검출기에 집광시킨다. 결과적으로 광원에서 방출된 광의 효율이 렌즈를 통해 높아지는 것이다. 광원의 형태가 점 광원(point light source)에 가까우며 일반적으로 광의 효율은 초점 거리(f)가 짧을수록, 렌즈의 직경(D)이 클수록 우수하다. 그러나 렌즈를 적용하여 광 효율을 높이는 경우 렌즈가 구면 렌즈(spherical lens)인 경우 광원에서 방출된 광이 렌즈의 표면에 도달하여 입사하는 입사각에 따른 광 경로(optical path)의 왜곡(distortion)에 의해 광이 하나의 초점에 수렴하지 않는 문제가 발생한다. 또한 광원에서 방출되는 광의 다 파장(wavelength) 광인 경우 파장에 따라 굴절률이 다르기 때문에 발생하는 색수차(chromatic aberration)에 의해 광의 파장에 따라 하나의 초점에 광이 수렴하지 않아 결과적으로 광 효율을 낮추는 문제가 있다. 왜곡의 문제를 해결하기 위해서는 구면 렌즈인 경우 초점 거리를 충분히 크게 하고 구면의 곡률이 큰 렌즈를 제작해야 하나 이 경우 센서 제품의 크기가 상당히 커지게 되며, 이에 대한 해결책으로 비구면 렌즈를 제작하는 경우 렌즈의 초점을 짧게 하여 광 효율을 높이고자 하는 경우 렌즈 제작이 상당히 난해해져 제품의 생산 단가가 상승하는 문제가 있다. 색수차 문제를 해결하는 방법으로는 굴절률이 큰 물질을 이용하여 제작된 별도의 오목렌즈를 추가하여야 하며 이 또한 제품의 크기를 크게 하고 생산 단가가 상승되는 문제가 발생한다.

본 발명은 상기와 같은 문제를 해결하기 위해 안출된 것으로서, 본 발명의 제1 목적은 광학계의 소형화를 구현하고 소정 물체 또는 물질과 상호작용하여 경로가 변경된 광의 검출 효율을 높일 수 있는 광학계 및 방법을 제공하는 데 있다.

본 발명의 제2 목적은 광원에서 조사된 광 중 한 점에서 소정 물질과 상호작용하는 광을 최대화하여 집광 효율을 높이고, 소정 물질과 상호작용하여 경로가 변경된 광을 최대화하여 수광 효율을 높일 수 있는 광학계 및 이를 이용한 광 가이드 방법을 제공하는 데 있다.

상기와 같은 본 발명의 목적은, 광원에 대응하는 제1 초점에서 소정 조사각으로 광을 조사하는 광원부와 조사된 광을 반사시켜 제2 초점에 수렴시키는 비구면의 제1 반사체를 포함하는 발광부; 및 제2 초점에 수렴되어 광학적 상호작용으로 경로가 변경된 광의 일부를 반사시켜 제3 초점에 수렴시키는 비구면의 제2 반사체와, 제3 초점에 위치하여 제2 반사체에 의해 반사되고 제3 초점에 수렴되는 광을 검출하는 광검출기를 포함하는 수광부;를 포함하는 광학계를 제공함으로써 달성될 수 있다.

광학계의 제1 반사체는 제1 초점 및 제2 초점을 가지는 타원 반사체로 형성된 것이고, 광학계의 제2 반사체는 제2 초점 및 제3 초점을 가지는 타원 반사체로 형성된 것이며, 제1, 2 반사체는 제2 초점을 공유하는 것이 바람직하다.

또한, 수광부는 복수로 구비되고, 복수의 수광부 각각에 구비되는 광검출기 각각은 상호 다른 파장대역 광을 검출할 수 있다.

그리고, 상호 다른 파장대역 광은 적색광, 녹색광 및 청색광 각각에 대응하는 파장대역 광들일 수 있다.

한편, 상호 다른 파장대역 광은 자외선 파장대역 광 또는 적외선 영역 파장대역 광을 포함할 수 있다.

그리고, 광원부와 광검출기는, 동일 평면을 갖는 1 개의 서킷보드에 장착되거나 동일 평면을 갖는 2 개의 서킷보드 또는 상호 다른 평면을 갖는 2 개의 서킷보드에 각 장착될 수 있다.

본 발명의 목적은 또한, 전술한 광학계를 포함하는 먼지 센서, 컬러 센서 및 이와 유사한 광학적 구성을 갖는 센서의 제작 방법을 제공함으로써 달성될 수 있다.

상기와 같은 본 발명의 일 실시예에 의하면, 렌즈에서와 같은 색수차, 광 경로 왜곡 문제 및 광효율 문제를 해결할 수 있고, 광학계의 소형화를 구현할 수 있다.

또한, 광원에서 조사된 광 중 한 점에서 소정 물질 및 물체와 상호작용하는 광을 최대화하여 집광 효율을 높이고, 소정 물질과 상호작용하여 경로가 변경된 광을 최대화하여 수광 효율을 높일 수 있는 효과가 있다.

한편, 본 광학계를 광학식 먼지 센서에 적용 시 먼지에 렌즈를 적용한 경우보다 많은 광량을 조사할 수 있으며 또한 먼지로부터 산란된 광을 렌즈를 적용한 경우보다 많이 포집할 수 있어 보다 우수한 먼지 센서를 제작할 수 있다.

본 광학계의 우수한 광학적 특성으로부터 먼지 센서, 칼라 센서 등에 적용 시 렌즈를 적용한 경우보다 우수한 광학적 분해능(resolution)을 가지며 이로부터 회로를 구성 시 낮은 노이즈 및 저가의 전자 부품으로부터 회로 단가가 낮아지는 효과가 있다.

도 1은 종래 광학계 중 렌즈를 이용한 일예를 나타낸 개략도이고,
도 2 내지 도 4는 본 발명인 광학계의 구성 중 비구면의 반사체로 이용되는 타원체의 이해를 돕기 위해 나타낸 도면이고,
도 5는 본 발명의 일 실시예인 광학계과 광 경로를 개략적으로 나타낸 도면이고,
도 6은 본 발명의 일 실시예인 광학계과 광 경로를 입체적으로 나타낸 도면이고,
도 7 a) 내지 도 7 c)는 도 6의 정면도, 평면도 및 측면도를 각각의 광 경로와 함께 나타낸 도면이고,
도 8은 본 발명의 일 실시예인 광학계의 구성 중 비구면의 반사체로 이용되는 타원체의 도형 배치를 나타낸 것으로서, a)는 정면도, b)는 평면도 및 c)는 측면도이고,
도 9는 본 발명의 일 실시예인 광학계의 타원 반사체가 가지는 광 단면적과(도 9 a)) 종래 광학계의 렌즈가 가지는 광 단면적(도 9 b))을 비교한 도면이다.

<광학계>

본 발명인 광학계의 각 실시예에 대응하는 도면들은 발명의 이해를 돕기 위해 각 구성의 크기, 축적, 형상 등에 있어서 일부 과장되거나 생략되어 표현될 수 있고 동일한 구성에 대한 도면부호는 동일하게 사용되었음을 밝혀둔다.

도 2 내지 도 4는 본 발명인 광학계의 구성 중 비구면의 반사체로 이용되는 타원체의 이해를 돕기 위해 나타낸 도면이다. 도 2에 도시된 바와 같이, 타원(ellipse)은 기하학적으로 2개의 초점을 가지며 장축과 단축이 대칭선(symmetric line)이 된다. 타원 반사체(elliptic reflector)는 광(light)의 반사면이 타원의 형태를 갖는 것으로 타원의 장축 상에 2개의 초점이 존재하며 이는 원점(0,0)에 대해 대칭이다. 다시 말해 1개의 초점에서 방출된 광은 타원 반사체에 반사되어 다른 초점에 수렴하게 된다. 본 실시예에서는 이러한 타원 반사체의 광학적 기본 특성을 이용하는데 초점은 도 3으로부터 다음과 같이 도출할 수 있다.

도 3에서 광축을 x 축으로 하며 광축 상에 위치한 점 P(-p,0), Q(q,0)을 초점으로 한다. 점 P에 광원이 위치하여 광원에서 방출된 광이 타원 반사체 위의 점 M(-α, β)에서 반사되어 점 Q에 도달한다. 점 P와 Q가 타원의 초점이 되기 위해서는 P에서 방출된 광이 타원 반사체 위의 점 M의 위치와 관계없이 Q에 수렴해야 한다. 이러한 조건을 다음과 같이 도출한다.

도 3에서

벡터(vector)의 단위 벡터(unit vector)를

라 하고 점 M에서의 접선을 L이라 하고 이때 점 M에서의 법선에 대해 입사각은 θ₁이라 한다. 또한 접선 L에서 반사된 광이 점 Q에 도달하는데

벡터의 단위 벡터를

라 하고 점 M에서의 법선에 대한 반사각을 θ₂라 한다. 이때 반사 법칙에 의해 θ₁ = θ₂ 이 성립된다. 여기서 반사 지점인 M의 위치와 관계없이 P에서 방출된 광이 Q에 수렴하기 위한 조건을 도출한다.

타원 함수를 φ라 하고 다음과 같이 정의하면,

타원 위의 임의의 점 M(-α, β)에서의 단위 법선 벡터

은 다음과 같이 도출된다.

의 단위 벡터인

은 다음과 같이 도출된다.

의 단위 벡터인

는 다음과 같이 도출된다.

벡터의 내적은 다음과 같다.

반사 법칙에 의해 θ₁ = θ₂이므로

가 성립되므로 수학식 5와 수학식 6으로부터 다음과 같은 항등식이 성립된다. 여기서 항등식은 타원의 임의의 점 (α, β)와 관계없이 항상 성립함을 의미한다.

수학식 7은 수학식 1로부터

을 대입하면 α에 대한 단일항 항등식으로 정리가 되어 수학식 7의 항등식이 성립할 조건은 다음의 수학식 8과 수학식 9와 같다.

수학식 8과 수학식 9는 광축 상의 점 P(-f, 0)에서 방출된 모든 광은 타원 반사체에 반사되어 점 Q(f, 0)로 수렴함을 의미한다. 이러한 의미는 도 4 a)와 도 4 b)에 도시된 바와 같다. 여기서, 도 4 a)는 타원 반사체에서의 광 반사 단면을 나타낸 것이고, 도 4 b)는 도 4 a)를 입체적으로 나타낸 도면이다.

본 실시예인 광학계는 전술한 타원 반사체를 포함하는 광학 시스템이라 할 수 있다. 구체적으로는 1개의 초점을 공유하는 2개의 타원 반사체를 포함하는 광학계이다. 본 실시예는 구체적으로 도 5에 도시된 바와 같이, 제1 반사체로 이용되는 제1 타원 반사체의 제1 초점에 광원부를 위치시키고 광원부의 광원에서 광이 조사되면, 제1 타원 반사체에서 반사된 광이 제2 초점에 수렴하게 되고, 제2 초점에 수렴된 광이 광학적 상호작용으로 경로가 변경되어 제2 반사체로 이용되는 제2 타원 반사체에서 반사되어 제3 초점에 위치한 광검출기로 수렴되도록 구성함으로써 물질 및 물체 검지를 위한 광효율을 높일 수 있게 된다.

즉, 제1 타원 반사체의 제1 초점에 위치한 광원에서 방출된 광은 제1 타원 반사체의 반사면에 반사되어 제2 초점에 도달하는 데, 광원부의 광원에서 방출된 광 중에 제1 타원체의 반사면에 도달한 모든 광은 방출 방향에 상관없이 제2 초점에 수렴한다. 물체의 반사면이 제2 초점을 포함하고 있으면 제2 초점에 도달한, 광원에서 방출된 광은 제2 타원 반사체로 진행하며 제2 타원 반사체의 반사면에 도달한 모든 광은 제3 초점인 광검출기에 수렴한다.

여기서, 광원부는 광원으로 발광다이오드를 이용할 수 있고, 광원을 둘러싸는 갓 형태의 반사판을 포함할 수도 있다. 그리고 광검출기로는 포토다이오드 또는 포토 트랜지스터 등이 이용될 수 있다. 먼지 센서로 이용되는 경우 광검출기는 RGB 필터를 더 구비할 수 있다.

2 개의 타원 반사체의 구체적인 도형 배치는 도 8 a) 내지 8 b)에서 확인할 수 있다. 도 8에 도시된 바와 같이, 제2 광축과 제3 광축은 광 경로의 기준(reference) 선이 되며 제1 광축은 제2, 제3 광축의 광 경로를 방해하지 않는다. 그러므로 제1 초점에 광원을, 제3 초점에 광검출기를 위치시키고 제1 광축을 포함하는 평면으로 전자 회로 기판(PCB)을 구성하면 광원과 광검출기를 동일한 평면상에 위치시킬 수 있다.

한편, 광원부와 광검출기는, 동일 평면을 갖는 1 개의 전자 회로 기판에 장착될 수 있으나 동일 평면을 갖는 2 개의 전자 회로 기판 또는 상호 다른 평면을 갖는 2 개의 전자 회로 기판에 각 장착할 수도 있다.

전술한 수광부는 단수인 것을 전제로 설명되었지만, 이와 달리 본 광학계는 변형예로 복수의 수광부를 가질 수도 있다. 즉, 수광부는 복수로 구비되고, 복수의 수광부 각각에 구비되는 광검출기 각각은 상호 다른 파장대역 광을 검출할 수 있다. 이러한 파장대역 광들은 적색광(R), 녹색광(G) 및 청색광(B) 각각에 대응하는 파장대역 광들일 수 있으며, 이는 각각에 대응하는 필터를 구비하여 컬러 센서로 구현될 수 있다.

복수의 수광부 각각에 구비되는 광검출기는 적색광, 녹색광 및 청색광 중 적어도 하나의 광을 검출할 수 있도록 구성할 수 있는 데, 이 경우 각각의 광검출기에 대응되는 복수의 타원 반사체를 구비하고 발광부의 제2 초점을 모두 공유하도록 구성한다. 컬러 센서의 경우 적, 녹, 청 광의 세기에 따른 컬러 검지가 수행되므로 적, 녹, 청에 대응하는 광을 개별적으로 검출하여 컬러 센서의 광효율을 높일 수 있게 된다.

한편, 본 발명은 렌즈의 한계를 극복하여 다양한 광 검출이 가능한데, 예를 들어 상호 다른 파장대역 광들이 자외선 파장대역 광 또는 적외선 영역 파장대역 광을 포함할 수 있다.

타원 반사체를 이용한 광학계는 광 경로의 왜곡 문제와 색수차 문제가 발생하지 않으며 기존의 렌즈를 이용한 광학 시스템에 대해 동일한 광 단면적(cross section)에서 높은 광 효율을 갖는다. 이는 도 9에 도시된 바와 같이, θ₁과 θ₂를 비교하면 쉽게 알 수 있다. 즉, 도 9에서, L은 광 단면적에 대응되며 동일한 L에 대해 렌즈와 타원 반사체의 광량은 각각 θ₁과 θ₂에 비례한다. 도 9에서 확인할 수 있듯이, θ₁ < θ₂ 이다. 즉, 이는 광원에서 방출된 광을 포집하는데 있어서 렌즈에 비해 타원 반사체가 훨씬 유리하며 저비용으로 광학 시스템으로 구성하기가 용이함을 의미한다. 결론적으로 타원 반사체는 렌즈에 비해 광 효율이 우수하다고 할 수 있다.

본 발명은 광학계라 명명하였지만, 광원-반사-광 검출의 광학적 시스템의 기본적 구성을 제공하므로 먼지 센서, 칼라 센서 이외에도 광원-반사-광 검출의 광학적 시스템 모두에 적용될 수 있음은 당업자에게 자명할 것이다.

광 가이드 방법

광학계를 이용한 광 가이드 방법은 다음과 같다. 우선, 광원부가 광원에 대응하는 제1 초점에서 광원부의 광원이 소정 조사각으로 광을 조사하면(S100), 비구면의 제1 반사체가 광의 광축 상에 위치하여 조사된 광을 반사시켜 제2 초점에 수렴시킨다(S200).

다음, 비구면의 제2 반사체가 제2 초점에서 물질 또는 물체와 광학적 상호작용으로 경로가 변경된 광을 제3 초점에 수렴시키고(S300), 이후 광검출기가 제3 초점에 위치하여 수렴된 광을 수광함으로써(S400) 광학계를 이용한 광 가이드 방법의 일 실시예가 수행될 수 있다. 여기서, 제1, 2 반사체는 각각 제1, 2 타원 반사체로 구성하는 것이 바람직하며, 제1 초점에는 광원이 위치하고 제3 초점에는 광검출기가 위치하며 제2 초점에는 검지 대상물인 물질 또는 물체가 위치할 수 있다. 아울러, 검지 또는 검출의 대상에 따라 먼지 센서, 칼라 센서 등의 광학적 시스템이 구성될 수 있다.

이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명하였지만, 상술한 본 발명의 기술적 구성은 본 발명이 속하는 기술 분야의 당업자가 본 발명의 그 기술적 사상이나 필수적 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적인 것이 아닌 것으로서 이해되어야 한다. 아울러, 본 발명의 범위는 상기의 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어진다. 또한, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 등가 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

110: 광원
120: 제1 타원 반사체
210: 광검출기
220: 제2 타원 반사체
310: 물체
f1: 제1 초점
f2: 제2 초점
f3: 제3 초점

Claims (7)

1. 광원에 대응하는 제1 초점에서 소정 조사각으로 광을 조사하는 광원부와 상기 조사된 광을 반사시켜 소정 물질 또는 물체가 위치하는 제2 초점에 수렴시키는 비구면의 제1 반사체를 포함하는 발광부; 및
   상기 제2 초점에 상기 물질 또는 물체가 위치하는 경우 상기 제2 초점에 수렴되어 광학적 상호작용으로 경로가 변경된 상기 광의 일부를 반사시켜 제3 초점에 수렴시키는 비구면의 제2 반사체와, 상기 제3 초점에 위치하여 상기 제2 반사체에 의해 반사되고 상기 제3 초점에 수렴되는 광을 검출하는 광검출기를 포함하는 수광부;를 포함하되,
   상기 제1 반사체는 상기 제1 초점 및 상기 제2 초점을 가지는 타원 반사체로 형성된 것이고, 상기 제2 반사체는 상기 제2 초점 및 상기 제3 초점을 가지는 타원 반사체로 형성된 것이며,
   상기 제1 반사체 및 상기 제2 반사체는 상기 제2 초점을 공유하되,
   상기 제1 반사체 및 상기 제2 반사체 각각은 상기 제1 반사체 및 상기 제2 반사체 각각의 외부에 위치하는 상기 제2 초점 방향으로 개방되어 형성되고, 그리고
   상기 제1 반사체 및 상기 제2 반사체는 제1 광축, 제2 광축 및 제3 광축이 상호 삼각 형상을 이루도록 위치되며 상기 제1 광축을 포함하는 하나의 평면 상에 상기 광원부와 상기 광검출기가 위치하는 광학계.
   
2. 삭제
3. 제1 항에 있어서,
   상기 수광부는 복수로 구비되고, 상기 복수의 수광부 각각에 구비되는 광검출기 각각은 상호 다른 파장대역 광을 검출하는 것을 특징으로 하는 광학계.
   
4. 제3 항에 있어서,
   상기 상호 다른 파장대역 광은 적색광, 녹색광 및 청색광 각각에 대응하는 파장대역 광들인 것을 특징으로 하는 광학계.
   
5. 제3 항에 있어서,
   상기 상호 다른 파장대역 광은 자외선 파장대역 광 또는 적외선 영역 파장대역 광을 포함하는 것을 특징으로 하는 광학계
   
6. 제1 항, 제3 항 내지 제5 항 중 어느 하나의 광학계를 포함하는 먼지 센서.
   
7. 제1 항, 제3 항 내지 제5 항 중 어느 하나의 광학계를 포함하는 컬러 센서.

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