KR101806753B1

KR101806753B1 - 스캐닝 엔진에 대한 모듈식 광학계

Info

Publication number: KR101806753B1
Application number: KR1020167000889A
Authority: KR
Inventors: 알렉산더 쉬펀트; 벤자민 코헨
Original assignee: 애플 인크.
Priority date: 2013-06-17
Filing date: 2014-06-15
Publication date: 2017-12-07
Also published as: WO2014203139A4; KR20160019112A; WO2014203139A1; CN105324688B; CN105324688A

Abstract

광전자 모듈(130, 148)은 적어도 하나의 광 빔을 빔 축을 따라 방출하는 빔 송광기(104), 및 모듈 내에서의 빔 축에 평행한 수광기의 집광 축을 따라 모듈에 의해 수광되는 광을 감지하는 수광기(114)를 포함한다. 빔 결합 광학계(142, 150, 170)는 빔 축이 모듈 밖에서 집광 축과 정렬되도록 빔 및 수광된 광을 지향시킨다. 빔 결합 광학계는 적어도 내부 반사를 위해 구성된 제1 면(144, 160, 172)과 빔 축 및 집광 축 둘 다와 교차하는 빔 분할기(158)를 포함하는 제2 면(146, 151)을 비롯한 다수의 면들을 포함한다.

Description

스캐닝 엔진에 대한 모듈식 광학계{MODULAR OPTICS FOR SCANNING ENGINE}

본 발명은 일반적으로 광학 방사의 투사 및 포착을 위한 방법 및 디바이스에 관한 것으로서, 상세하게는 광학 스캐닝 디바이스에 관한 것이다.

광학 3D 매핑(optical 3D mapping)을 위한, 즉 대상물의 광학 영상을 처리함으로써 대상물의 표면의 3D 프로파일을 생성하기 위한 다양한 방법들이 기술 분야에서 공지되어 있다. 이러한 종류의 3D 프로파일은 3D 맵, 깊이 맵 또는 깊이 영상(depth image)이라고도 하며, 3D 매핑은 깊이 매핑이라고도 한다. 본 특허 출원과 관련하여 그리고 청구범위에서 사용되는 "광학" 및 "광"이라는 용어들은 가시광, 적외선 및 자외선 파장 범위들의 일부 또는 전부에서의 전자기 방사를 지칭한다.

미국 특허 출원 공개 제2011/0279648호는 피사체의 2D 영상을 카메라로 포착하는 단계를 포함하는, 피사체의 3D 표현을 구성하기 위한 방법을 기술하고 있다. 이 방법은 피사체의 복수의 목표 영역들을 한 번에 하나씩 조사하도록 피사체에 걸쳐 변조된 조사 빔(illumination beam)을 스캔하는 단계, 및 목표 영역들 각각으로부터 반사된 조사 빔으로부터 광의 변조 애스펙트(modulation aspect)를 측정하는 단계를 추가로 포함한다. 가동 미러 빔 스캐너(moving-mirror beam scanner)는 조사 빔을 스캔하는 데 사용되고, 광 검출기는 변조 애스펙트를 측정하는 데 사용된다. 이 방법은 목표 영역들 각각에 대해 측정된 변조 애스펙트에 기초하여 깊이 애스펙트(depth aspect)를 계산하는 단계, 및 깊이 애스펙트를 2D 영상의 대응하는 픽셀과 연관시키는 단계를 추가로 포함한다.

미국 특허 제8,018,579호는 사용자 입력이 진폭 변조된 스캐닝 빔의 경로 길이를 그의 위상 천이(phase shift)의 함수로서 측정하는 것에 의해 영상화 볼륨(imaging volume) 내에서 광학적으로 검출되는 3차원 영상화 및 디스플레이 시스템을 기술하고 있다. 검출된 사용자 입력에 관한 시각적 영상 사용자 피드백이 제시된다.

미국 특허 제7,952,781호 - 그의 개시 내용이 참고로 본 명세서에 포함됨 - 는 광 빔을 스캔하는 방법 및 스캐닝 디바이스에 포함될 수 있는 MEMS(microelectromechanical system)를 제조하는 방법을 기술하고 있다.

미국 특허 출원 공개 제2012/0236379호는 MEMS 스캐닝를 사용하는 LADAR 시스템을 기술하고 있다. 스캐닝 미러(scanning mirror)는 미러 영역을 포함하도록 패터닝되는 기재(substrate), 미러 영역 주위의 프레임, 및 프레임 주위의 기부(base)를 포함한다. 한 세트의 액추에이터들은 미러 영역을 제1 축을 중심으로 프레임에 상대적으로 회전시키는 동작을 하고, 제2 세트의 액추에이터들은 프레임을 제2 축을 중심으로 기부에 상대적으로 회전시킨다. 스캐닝 미러는 반도체 처리 기법들을 사용하여 제조될 수 있다. 스캐닝 미러에 대한 구동기들은 삼각 움직임(triangular motion)을 위해 미러를 작동시키는 피드백 루프들을 이용할 수 있다. 스캐닝 미러의 일부 실시 형태들은 컴퓨팅 시스템의 내추럴 사용자 인터페이스(Natural User Interface)를 위해 LADAR 시스템에서 사용될 수 있다.

SICK AG(독일 함부르크 소재)가 주관하는 "MiniFaros" 컨소시엄은 자동차 응용 분야들을 위한 새로운 레이저 스캐너에 관한 연구를 지원하고 있다. 추가의 세부 사항들은 minifaros.eu 웹 사이트에서 이용 가능하다.

이하에 기술되는 본 발명의 실시 형태들은 광학 빔 송광 및 수광을 위한 개선된 장치들 및 방법들을 제공한다.

따라서, 본 발명의 일 실시 형태에 따르면, 광전자 모듈(optoelectronic module)이 제공되고, 광전자 모듈은 적어도 하나의 광 빔을 빔 축을 따라 방출하도록 구성된 빔 송광기(beam transmitter), 및 모듈 내에서의 빔 축에 평행한 수광기(receiver)의 집광 축을 따라 모듈에 의해 수광되는 광을 감지하도록 구성된 수광기를 포함한다. 빔 축이 모듈 밖의 집광 축과 정렬되도록 빔 및 수광된 광을 지향시키도록 구성된 빔 결합 광학계(beam-combining optics)는 적어도 내부 반사를 위해 구성된 제1 면(face)과 빔 축 및 집광 축 둘 다와 교차하는 빔 분할기를 포함하는 제2 면을 비롯한 다수의 면들을 포함한다.

일부 실시 형태들에서, 빔 결합 광학계는 다수의 면들을 가지는 프리즘을 포함하고, 여기서 빔 축은 최소 편이각(minimum deviation angle) 근방에서 입구각(entrance angle) 및 출구각(exit angle)으로 프리즘의 면들에 들어가고 그로부터 빠져나간다. 개시된 실시 형태에서, 제1 면과 제2 면은 서로 평행하고, 빔 축 및 집광 축 둘 다는 상이한 각자의 위치들에서 제2 면을 통과한다.

개시된 실시 형태에서, 모듈은 마이크로 광학 기재(micro-optical substrate)를 포함하고, 빔 송광기는 레이저 다이(laser die)를 포함하는 반면, 수광기는 검출기 다이(detector die)를 포함하고, 그 둘 다가 마이크로 광학 기재 상에 탑재되어 있다.

일부 실시 형태들에서, 모듈은 빔 송광기의 방출 대역 밖에 있는 수광된 광을 차단하기 위해 면들 중 하나의 면 상에 형성된 필터를 포함한다. 그에 부가하여 또는 대안적으로, 빔 분할기는 제2 면 상의 편광 빔 분할기 코팅을 포함한다. 빔 결합 광학계는 적어도 하나의 레이저 빔을 평행화(collimate)하도록 그리고 수광된 광을 검출기 다이 상으로 집속시키도록 구성되어 있는 적어도 하나의 렌즈를 포함할 수 있다.

하나의 실시 형태에서, 다수의 면들은 제3 면을 포함하고, 빔 축 및 집광 축은 빔 축 및 집광 축 둘 다에 공통인 제3 면 상의 위치에서 제3 면을 통해 모듈을 빠져나간다.

개시된 실시 형태에서, 광학 스캐닝 헤드는 앞서 기술된 모듈과 스캔 영역에 걸쳐 빔 축 및 집광 축 둘 다를 한꺼번에 스캔하도록 구성되어 있는 스캐닝 미러를 포함한다.

또한, 본 발명의 일 실시 형태에 따르면, 광학 방법이 제공되고, 광학 방법은 광전자 모듈 내의 빔 송광기로부터 빔 축을 따라 스캐너 쪽으로 적어도 하나의 광 빔을 방출하는 단계를 포함한다. 광은 스캐너로부터 광전자 모듈 내에서의 빔 축에 평행한 집광 축을 따라 수광된다. 적어도 내부 반사를 위해 구성된 제1 면과 빔 축 및 집광 축 둘 다와 교차하는 빔 분할기를 포함하는 제2 면을 비롯한 다수의 면들을 포함하는 빔 결합 광학계를 사용하여, 빔 축이 스캐너에서 집광 축과 정렬되도록 빔 및 수광된 광이 스캐너로 그리고 그로부터 지향된다.

개시된 실시 형태에서, 방법은 스캐너를 사용하여 스캔 영역에 걸쳐 빔 축 및 집광 축 둘 다를 한꺼번에 스캔하는 단계를 포함하고, 여기서 적어도 하나의 빔을 방출하는 단계는 광 펄스들을 방출하는 단계를 포함하며, 여기서 광을 수광하는 단계는 스캔 영역에 있는 대상물들까지 갔다오는 펄스들의 각자의 비행 시간(time of flight)들을 측정하는 단계를 포함한다.

본 발명은, 도면들과 함께 살펴볼 때, 그의 실시 형태들의 이하의 상세한 설명으로부터 보다 완전히 이해될 것이다.

도 1은 본 발명의 일 실시 형태에 따른, 광학 스캐닝 헤드의 개략 모식도.
도 2a 및 도 2b는 본 발명의 또 다른 실시 형태에 따른, 광전자 모듈의 개략 측면도.
도 3a는 본 발명의 일 실시 형태에 따른, 광전자 모듈의 개략 측면도.
도 3b는 도 3a의 모듈의 개략 등각도.
도 4는 본 발명의 일 실시 형태에 따른, 프리즘의 개략 측면도.
도 5는 본 발명의 다른 실시 형태에 따른, 프리즘의 개략 측면도.

미국 특허 출원 제13/766,811호(2013년 8월 15일자로 US 2013/0206967로서 공개됨)는 스캐닝 빔의 비행 시간을 측정함으로써 3D 매핑 데이터를 발생시키는 깊이 엔진(depth engine)들을 기술하고 있다. 레이저와 같은 광 송광기는 관심 장면에 걸쳐 광 빔을 스캔하는 스캐닝 미러 쪽으로 짧은 광 펄스들을 지향시킨다. 민감한 고속 광 다이오드(sensitive, high-speed photodiode)(예를 들어, 애벌랜치 광 다이오드(avalanche photodiode))와 같은 수광기가 동일한 스캐닝 미러를 거쳐 장면으로부터 복귀된 광을 수광한다. 처리 회로는 스캔에서의 각각의 지점에서 송광된 광 펄스와 수광된 광 펄스 사이의 시간 지연을 측정한다. 이 지연은 광 빔이 진행한 거리, 따라서 그 지점에서의 대상물의 깊이를 나타낸다. 처리 회로는 이와 같이 추출된 깊이 데이터를 장면의 3D 맵을 생성하는 데 사용한다.

깊이 엔진 광학계의 각종의 가능한 구성들이 미국 특허 출원 제13/766,811호에 기술되어 있다. 다수의 개시된 실시 형태들은 송광기에 의해 출력된 빔을 송광하기 위해 그리고 (전형적으로 반사에 의해) 복귀된 광을 수광기 쪽으로 지향시키기 위해 단일의 스캐닝 미러를 사용한다. 따라서, 깊이 엔진 광학계는, 출력 빔의 빔 축이 수광된 빔의 집광 축과 정렬되도록, 출력 빔 및 수광된 광을 지향시키는 빔 결합 광학계를 포함한다. 빔 결합 광학계는 전형적으로, 예를 들어, 빔 분할, 빔 방향 전환(beam turning), 및 파장 필터링의 기능들을 갖는 다수의 표면들을 포함한다. 일반적으로, 깊이 엔진의 적절한 동작을 보장하기 위해 광학 표면들을 송광기, 수광기 및 스캐닝 미러 자체와 주의하여 정렬시키는 것이 필요하고; 깊이 엔진의 동작 동안의 정렬의 벗어남은 심각한 성능 손실을 가져올 수 있다.

이하에 기술되는 본 발명의 실시 형태들은 미국 특허 출원 제13/766,811호에 기술되어 있는 광전자 모듈들 및 빔 결합 광학계를 기반으로 하고, 이러한 모듈들의 정렬 용이성 및 강건성을 향상시키는 특징들을 추가한다. 이 실시 형태들에서, 광전자 모듈은 빔 축을 따라 적어도 하나의 레이저 빔을 방출하는 빔 송광기, 및 집광 축을 따라 모듈에 의해 수광되는 광을 감지하는 수광기를 포함한다. 빔 축 및 집광 축은 별개의 것이고 모듈 내에서 평행하다. 빔 결합 광학계는, 모듈 밖에서, 빔 축이 모듈 밖의 집광 축과 정렬되도록(그리고 따라서 동일한 스캐닝 미러가 주어진 스캔 영역에 걸쳐 빔 축 및 집광 축 둘 다를 한꺼번에 스캔하는 데 사용될 수 있도록), 빔 및 수광된 광 둘 다를 지향시킨다.

개시된 실시 형태들에서, 빔 결합 광학계는 다수의 면들을 갖는 요소(프리즘 등)를 포함한다. 하나의 면은, 도면들에 도시된 바와 같이, 빔 축 및 집광 축이 요소 내에서의 축들 중 하나의 축의 반사에 의해 정렬될 수 있도록, 내부 반사를 위해 구성되어 있다. 요소의 제2 면은 빔 축 및 집광 축 둘 다와 교차하는 빔 분할기를 포함한다. 빔 결합 프리즘은 빔 축이 최소 편이각(이하에서 정의됨) 근방에서 입구각 및 출구각으로 프리즘의 면들에 들어가고 그로부터 빠져나가도록 설계되고 배치될 수 있다. 프리즘의 이러한 특징은 빔들의 정렬을 용이하게 하고, 사용 동안 있을 수 있는 정렬의 벗어남에 대한 모듈의 강건성을 향상시킨다.

도 1은 앞서 언급된 미국 특허 출원 제13/766,811호에 기술된 시스템에서 사용되는 광학 스캐닝 헤드(40)의 요소들을 개략적으로 예시한 것이다. 광학 스캐닝 헤드(40)는 본 발명의 실시 형태들이 적용될 수 있는 특정의 스캐너의 원리들의 예시로서 여기에 도시되고 기술되어 있다. 이 광학 스캐닝 헤드는 일반적으로 적절한 동작을 위해 주의하여 정렬되어야 하는 수많은 광학 구성요소들을 포함하고; 이 구성요소들은 바람직하게는 도 3 내지 도 5에 도시되고 이하에 기술되는 종류의 요소들로 대체될 수 있다.

그렇지만, 본 발명의 원리들이 이 유형의 스캐너들로 제한되지 않는다. 오히려, 이 원리들에 기초한 광전자 모듈들 및 빔 결합 광학계가 조준된(boresighted)(또는 다른 방식으로 평행한) 송광축 및 수광축을 가지는 다른 종류들의 광학 송광기/수광기 디바이스들에서 적용될 수 있다.

헤드(40) 내의 송광기(44)는 광 펄스들을 편광 빔 분할기(60) 쪽으로 방출한다. 전형적으로, 송광기(44)의 광 경로에 바로 있는 빔 분할기의 작은 영역만이 반사를 위해 코팅되는 한편, 빔 분할기의 나머지는 복귀된 광이 통과하여 수광기(48)로 갈 수 있도록 투과 파장 범위에서 완전히 투명하다(또는 심지어 이 범위에 대해 반사 방지 코팅되어 있음). 송광기(44)로부터의 광은 빔 분할기(60) 그리고 이어서 폴딩 미러(folding mirror)(62)로부터 반사되어 스캐닝 마이크로미러(scanning micromirror)(46) 쪽으로 간다. MEMS 스캐너(64)는 원하는 스캔 주파수 및 진폭으로 마이크로미러를 X-방향 및 Y-방향으로 스캔한다. 마이크로미러 및 스캐너의 상세 사항들은 미국 특허 출원 제13/766,811호에 기술되어 있고, 본 특허 출원의 범주를 벗어난다.

장면으로부터 복귀된 광 펄스들이 마이크로미러(46)와 충돌하고, 마이크로미러(46)는 광을 폴딩 미러(62)를 거쳐 빔 분할기(60)를 통해 반사시킨다. 수광기(48)는 복귀된 광 펄스들을 감지하고 대응하는 전기 펄스들을 발생시킨다. 검출의 감도를 향상시키기 위하여, 빔 분할기(60)의 전체 영역 및 수광기(48)의 개구(aperture)는 송광기(44)에 의해 출력되는 빔 의 영역보다 상당히 더 클 수 있다. 수광기(48)에 도달하는 원하지 않는 주변 광의 양을 제한하기 위하여, 대역 통과 필터(동 도면에 도시되지 않음)가 수광기 경로 내에, 어쩌면 빔 분할기(60)와 동일한 기재 상에 포함될 수 있다.

도 2a 및 도 2b는 앞서 언급된 미국 특허 출원 제13/766,811호에 기술된 다른 실시 형태에 따른, 광전자 모듈(130)의 개략 측면도이다. 모듈(130)은 광학 스캐닝 헤드(40)(도 1)에서의 송광기(44), 수광기(48), 빔 분할기(60) 및 미러(62)를 대신할 수 있다. 도 2b에 도시된 도면은 도 2a에서의 도면에 대해 90°만큼 회전되어 있으며, 따라서 도 2a의 도면의 전방에 보이는 물품들이 도 2b의 좌측에 있다.

모듈(130)에서, 송광된 빔은 레이저 다이(104)에 의해 발생되는 반면, 수광된 빔은 APD(avalanche photodiode)(114)에 의해 감지되고, 레이저 다이(104) 및 APD(114) 둘 다는 공통의 마이크로 광학 기재(전형적으로, SiOB(silicon optical bench)(102)) 상에 탑재되어 있다. 대안적으로, 레이저 다이는 SiOB 상에 송광기 모듈로서 통합될 수 있는 반면, APD는 송광기 모듈과 함께 인쇄 회로 기판 상에 탑재되어 있다. 레이저 다이(104)가 도면들에서 에지 방출 디바이스(edge-emitting device)로서 도시되어 있지만, 대안의 실시 형태들(도면들에 도시되지 않음)에서, 송광기는 VCSEL(vertical-cavity surface-emitting laser)과 같은 하나 이상의 표면 방출 디바이스(surface-emitting device)들을 포함할 수 있다. 그렇지만, 모듈(130)의 구성의 이 양태들은, 단지 예로서, 여기에 도시되고 기술되어 있으며, 본 발명의 원리들이, 이하에서 설명되는 바와 같이, 광범위한 상이한 송광기/수광기 설계들에 마찬가지로 적용 가능하다.

송광된 빔과 수광된 빔이 모듈(130) 내에서 별개의 것이고, 모듈의 기재 상에 탑재된 빔 결합기(142)에 의해 모듈로부터의 출구에서 정렬된다. 도 3 내지 도 5에 도시된 실시 형태들은 유사한 종류들의 송광기들 및 수광기들을 사용할 수 있지만, 개선된 빔 결합기들을 제공할 수 있다. 대안적으로, 도 3 내지 도 5에 도시된 빔 결합기들은 다른 종류들의 광학 송광기들 및 수광기들과 함께 사용될 수 있다.

레이저 다이(104)에 의해 방출되는 조사 빔은 SiOB(102)에 형성된 홈(135)에 위치되는 볼 렌즈(ball lens)(134)에 의해 평행화된다. 홈(135)은 습식 에칭과 같은, 당업계에 알려진 기법들에 의해 리소그래픽 정밀도로 규소(그리고 다른 반도체 물질들)에 생성될 수 있다. 대안적으로 또는 그에 부가하여, 볼 렌즈는, 홈(135) 없이도, 정확한 픽 앤 플레이스(pick-and-place) 기계에 의해 SiOB에 직접 부착될 수 있다. 방향 전환 미러(136)는 평행화된 빔을 SiOB(102)로부터 멀어지는 쪽으로 그리고 모듈(130) 내의 광전자 구성요소들을 보호하는 커버 유리(137)를 통해 반사시킨다. 레이저 구동기(106) 및 APD(114)에 결합된 증폭기(116)와 같은 관련 전자 구성요소들이 또한 SiOB(102) 상에 탑재될 수 있다.

볼 렌즈(134)가 전형적으로 부분 평행화만을 달성하기 때문에, 레이저 빔을 전형적으로 3배 내지 10배만큼 확장시키고 따라서 그의 평행화를 향상시키기 위해 빔 확장기(138)가 사용될 수 있다. 빔 확장기(138)가 여기에서 단일 요소 광학 구성요소로서 도시되어 있지만, 대안적으로 다중 요소 빔 확장기들이 사용될 수 있다.

빔 확장기(138)에 의해 출력되는 평행화된 빔은 빔 결합기(142) 내의 반사기(144)에 의해 방향 전환되고, 이어서 빔 분할기(146)에 의해 스캐닝 미러를 향해 다시 바깥쪽으로 방향 전환된다. 레이저 다이(104)가 편광된 빔을 출력하는 것으로 가정하면, 빔 분할기(146)는 유리하게는 편광 의존적일 수 있고, 송광된 빔 및 수광된 빔에 대해 정반대의 편광들을 갖는다. 스캐닝 미러로부터 복귀되는 집광된 빔은 빔 분할기(146)를 통과한 다음에, 집광 렌즈(140)에 의해 APD(114) 상으로 집속된다. 집광 렌즈는, 모듈(130)의 기하학적 제약조건들 내에서 집광 효율을 최대화하기 위해, 선택적으로, 도 2a 및 도 2b에 도시된 바와 같이, 비대칭적이고 긴 형상을 가질 수 있다. (이 경우에, 집광 렌즈(140)의 개구는, 어떤 허용오차로, 마이크로미러(46)에 의해 반사되는 장면으로부터의 모든 광선들을 받아들이도록 선택되고, 렌즈의 긴 형상은 미러의 긴 형상과 일치한다.)

도 3a 및 도 3b는 본 발명의 일 실시 형태에 따른, 광전자 모듈(148)을 개략적으로 예시한 것이다. 도 3a는 측면도를 나타낸 것인 반면, 도 3b는 동일한 요소들의 등각도를 나타낸 것이다. 모듈(148)은 다른 유형들의 광학 장치들에서뿐만 아니라 광학 스캐닝 헤드(40)에서의 모듈(130) 대신에 사용될 수 있다. 앞서 기술한 바와 같이, 광학 스캐닝 헤드(40) 및 모듈(130)의 구성요소들과 기능이 유사한 모듈(148)의 요소들은 이상에서와 같이 동일한 번호들에 의해 식별되고, 필요한 변경을 가하여, 유사한 방식으로 구현될 수 있다. 그렇지만, 모듈(130)과 달리, 모듈(148)에서의 빔 결합 광학계는 배면(151)(송광기 및 수광기 쪽으로 향해 있음) 및 전면(153)(마이크로미러(46) 쪽으로 향해 있음)을 포함하는 새로운 종류의 프리즘(150)을 포함한다. 송광된 빔은 면(151)을 통해 프리즘에 들어가고 면(153)을 통해 마이크로미러(46) 쪽으로 빠져나가는 반면, 마이크로미러로부터 반사되는 수광된 빔은 (도 4에 나타낸 바와 같이) 면(153)을 통해 프리즘에 들어가고 면(151)을 통해 빠져나간다. 마이크로미러(46)는 힌지들(47)을 중심으로 기부(49)에 상대적으로 회전하도록 탑재되어 있고, 따라서 스캔 영역에 걸쳐 송광된 빔 및 수광된 빔 둘 다를 동시에 스캔한다.

프리즘(150)은 송광된 빔의 빔 축이 모듈(148) 밖에서의 수광된 빔의 집광 축과 정렬되는 반면, 빔 축 및 집광 축 둘 다가 프리즘의 최소 편이각의 대략 1/2로 프리즘의 면들에 들어가고 그로부터 빠져나가도록 구성되고 정렬되어 있다. 최소 편이각이란, 당업계에 공지된 바와 같이, 관계식:

을 충족시키는 각도 D를 말하고, 여기서 A는 프리즘의 각도(이 경우에, 도 3a에서의 프리즘의 상부 정점의 각도)이고, n은 프리즘의 굴절률이며, D는 입사 빔에 상대적인, 프리즘을 통해 송광된 빔의 편이각이다.

그렇지만, 콤팩트성 및 제조성과 같은 다양한 설계 이유들로, 프리즘(150)이 의도적으로 정밀한 최소 편이각으로부터 벗어날 수 있다. 이 종류의 최소 편이 설계의 유익한 효과들은 최소 편이점으로부터 약 ±15°까지의 편이들에 대해서도 여전히 인식될 수 있다. 이 ±15° 각도 범위 내의 빔 각도들은 본 명세서에서 최소 편이각 근방에 있는 것으로 정의되고, 본 발명의 일부 실시 형태들에 따른 송광기/수광기 모듈 설계들은, 빔 축이 최소 편이 기준의 이러한 근방에서 입구각 및 출구각으로 프리즘의 면들에 들어가고 그로부터 빠져나가는 한, 프리즘 내에서의 굴절 및 내부 반사를 이용할 수 있다.

도 4는 본 발명의 일 실시 형태에 따른, 프리즘(150)의 개략 측면도이다. 송광된 빔(152)은 각각의 면에 대해 각도 α로 배면(151)에 들어가고 전면(153)으로부터 빠져나가며, 여기서 편이각 D = 180-2α-A이다. 수광된 빔(154)도 마찬가지로 동일한 각도 α로 면(153)에 들어가고 배면(151)으로부터 빠져나간다. 송광된 빔(152)의 빔 축 및 수광된 빔(154)의 집광 축은, 양 빔에 공통인, 동일한 위치에 있는 전면(153)을 통과하는 반면, 집광 축은 배면을 통한 송광된 빔(152)의 빔 축의 진입 지점과 상이한 위치에서 배면(151)을 통과한다. (모듈의 빔 축 및 집광 축은, 각각, 빔(152) 및 빔(154)에 평행하다.) 수광된 빔은 면(151)에 평행한 빔 방향 전환 면(160)으로부터 내부 반사된다.

프리즘(150)이 제대로 기능하도록 하기 위해, 적당한 코팅들이 전형적으로 프리즘의 면들에 도포되어 있다. 면(151)은 빔(152)이 프리즘(150)에 들어가는 영역에 빔 분할기 코팅(158)(전형적으로 편광 빔 분할기 코팅)을 가지는 반면, 면(153)은 전형적으로 빔(152)이 프리즘으로부터 빠져나가고 빔(154)이 들어가는 영역에 반사 방지 코팅(162)을 가진다. 빔 방향 전환 면(160)은 프리즘(150) 내에서 수광된 빔(154)을 반사시키기 위한 반사 코팅(금속 또는 유전체일 수 있음)을 가진다. 면(151)은 수광된 빔이 수광기 쪽으로 프리즘(150)을 빠져나가는 영역에 협대역 필터 코팅(156)(미국 특허 출원 제13/766,811호에 설명된 바와 같이, 송광기의 방출 대역과 일치하는 통과 대역을 가짐)을 가질 수 있다. 프리즘(150)의 면들의 나머지 영역들은 수광기에 도달하는 미광(stray light)의 양을 감소시키기 위해 광 흡수 코팅으로 코팅될 수 있다.

프리즘(150)의 설계는 모듈(148)을 정렬하기 간단하게 그리고 정렬에서의 편이들을 허용하도록 만든다. 프리즘이 몇 도 회전되더라도, 빔(152)과 빔(154)이 전면(153)에서 서로에 대해 그리고 마이크로미러(46)에 대해 그들의 정렬을 유지할 것이다. 구체적으로는, 최소 편이 기준으로 인해, 프리즘이 도 4의 지면을 통과하는 축을 중심으로 작은 각도 Δ만큼 회전되는 경우, 빔들(152 및 154)과 면(151) 사이의 각도는 α + Δ로 증가할 것인 반면, 빔들과 면(153) 사이의 각도는 α - Δ로 감소될 것이거나, 그 반대도 마찬가지일 것이고, 따라서 총 편이각은 동일한 채로 있다. 면(160)이 면(151)에 평행하기 때문에, 회전에도 불구하고 2 개의 빔들 사이의 정렬이 유지된다. 이와 같이, 모듈(148)을 포함하는 스캐너가 저렴한 비용으로 조립될 수 있고, 현장에서의 충격 및 변하는 열 조건들에 대해 강건할 것이다.

프리즘(150)은 적절한 두께(예를 들어, 응용 요구사항들에 따라, 2 내지 10 mm 두께)의 광학 유리 플레이트로부터 용이하게 대량 생산될 수 있다. 플레이트를 절단하기 전에, 면(151)이 될 플레이트의 측면 상의 적절한 위치들에 코팅들(156 및 158)이 도포되고, 면(160)이 될 반대쪽 측면에 반사 코팅이 도포된다. 플레이트가 이어서 면(153)을 규정하기 위해 적절한 각도로 절단되어 폴리싱되고, 이어서 그 면(153)에 코팅(162)이 도포된다. 코팅 공정들이 완료된 후에만 프리즘(150)을 싱귤레이트(singulate)하기 위해 다른 비기능 면들이 절단된다.

도 5는 본 발명의 대안의 실시 형태에 따른, 프리즘(170)의 개략 측면도이다. 이 실시 형태에서의 프리즘 면들의 코팅들은 도 4에서와 동일한 번호들을 사용하여 식별된다. 프리즘(150)에서와 같이, 송광된 빔은 최소 편이각 근방에서(이 경우에, 정확하게는 최소 편이각이 아님) 프리즘(170)을 통과한다. 그렇지만, 프리즘(170)에서의 수광된 빔은, 송광된 빔의 진입 표면과 상이한 표면을 통해 프리즘을 빠져나가기 전에, 빔 분할기 코팅(158)에 의해 그리고 이어서 프리즘(170)의 방향 전환 면(172)에서의 내부 전반사에 의해 방향 전환된다. 최소 편이 기준이 프리즘(170)의 설계에서 부분적으로 완화되기 때문에, 이 설계는 프리즘(150)보다 오정렬을 덜 허용하지만, 이러한 종류의 완화는 물리적 콤팩트성이 중요하거나 다른 설계 고려사항들이 관여되는 응용들에서 유리할 수 있다.

앞서 기재된 원리들의 대안의 구현들이 본 개시 내용을 읽어본 후에 통상의 기술자에게 명백할 것이고, 본 발명의 범주 내에 있는 것으로 간주된다. 따라서, 앞서 기술된 실시 형태들이 예로서 인용되어 있다는 것과, 본 발명이 앞서 상세히 도시되고 기술된 것으로 제한되지 않는다는 것을 잘 알 것이다. 오히려, 본 발명의 범주는 앞서 기술된 다양한 특징들의 컴비네이션들 및 서브컴비네이션들 둘 다는 물론, 상기 설명을 읽을 때 통상의 기술자에게 안출될, 종래 기술에서 개시되지 않은, 그의 변형들 및 변경들을 포함한다.

Claims

광전자 모듈(optoelectronic module)로서,
적어도 하나의 광 빔을 빔 축을 따라 방출하도록 구성된 빔 송광기(beam transmitter);
상기 모듈 내에서의 상기 빔 축에 평행한 수광기(receiver)의 집광 축을 따라 상기 모듈에 의해 수광되는 상기 광을 감지하도록 구성된 상기 수광기; 및
상기 빔 축이 상기 모듈 밖에서의 상기 집광 축과 정렬되도록 상기 빔 및 상기 수광된 광을 지향시키도록 구성되고, 적어도 내부 반사를 위해 구성된 제1 면(face)과 상기 빔 축 및 상기 집광 축 둘 다와 교차하는 빔 분할기를 포함하는 제2 면을 비롯한 다수의 면들을 가지는 프리즘을 포함하는 빔 결합 광학계(beam-combining optics)를 포함하고,
상기 빔 축은 최소 편이각(minimum deviation angle) 근방에서 입구각(entrance angle) 및 출구각(exit angle)으로 상기 프리즘의 상기 면들에 들어가고 그로부터 빠져나가고,
상기 빔 축 및 상기 집광 축 둘 다는 상이한 각자의 위치들에서 상기 제2 면을 통과하는, 광전자 모듈.
삭제
제1항에 있어서, 상기 제1 면과 상기 제2 면은 서로 평행한, 광전자 모듈.
삭제
제1항에 있어서, 마이크로 광학 기재(micro-optical substrate)를 포함하며, 상기 빔 송광기는 레이저 다이(laser die)를 포함하고, 상기 수광기는 검출기 다이(detector die)를 포함하며, 그 둘 다가 상기 마이크로 광학 기재 상에 탑재되어 있는, 광전자 모듈.
제1항, 제3항 및 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 빔 송광기의 방출 대역 밖에 있는 상기 수광된 광을 차단하기 위해 상기 면들 중 하나의 면 상에 형성된 필터를 포함하는, 광전자 모듈.
제1항, 제3항 및 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 빔 분할기는 상기 제2 면 상의 편광 빔 분할기 코팅을 포함하는, 광전자 모듈.
제1항, 제3항 및 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 다수의 면들은 제3 면을 포함하고, 상기 빔 축 및 상기 집광 축은 상기 빔 축 및 상기 집광 축 둘 다에 공통인 상기 제3 면 상의 위치에서 상기 제3 면을 통해 상기 모듈을 빠져나가는, 광전자 모듈.
제1항, 제3항 및 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 빔 결합 광학계는 적어도 하나의 레이저 빔을 평행화(collimate)하도록 그리고 상기 수광된 광을 상기 수광기 상으로 집속시키도록 구성되어 있는 적어도 하나의 렌즈를 포함하는, 광전자 모듈.
광학 스캐닝 헤드로서, 제1항, 제3항 및 제5항 중 어느 한 항에 따른 모듈과 스캔 영역에 걸쳐 상기 빔 축 및 상기 집광 축 둘 다를 한꺼번에 스캔하도록 구성되어 있는 스캐닝 미러를 포함하는, 광학 스캐닝 헤드.
광학 방법으로서,
광전자 모듈 내의 빔 송광기로부터 빔 축을 따라 스캐너 쪽으로 적어도 하나의 광 빔을 방출하는 단계;
상기 광을 상기 스캐너로부터 상기 광전자 모듈 내에서의 상기 빔 축에 평행한 집광 축을 따라 수광하는 단계; 및
적어도 내부 반사를 위해 구성된 제1 면과 상기 빔 축 및 상기 집광 축 둘 다와 교차하는 빔 분할기를 포함하는 제2 면을 비롯한 다수의 면들을 가지는 프리즘을 포함하는 빔 결합 광학계를 사용하여, 상기 빔 축이 상기 스캐너에서 상기 집광 축과 정렬되도록 상기 빔 및 상기 수광된 광을 상기 스캐너로 그리고 그로부터 지향시키는 단계를 포함하고,
상기 빔 축은 최소 편이각 근방에서 입구각 및 출구각으로 상기 프리즘의 상기 면들에 들어가고 그로부터 빠져나가고,
상기 빔 축 및 상기 집광 축 둘 다는 상이한 각자의 위치들에서 상기 제2 면을 통과하는, 광학 방법.
삭제
제11항에 있어서, 상기 제1 면과 상기 제2 면은 서로 평행한, 광학 방법.
삭제
제11항 또는 제13항에 있어서, 상기 빔 송광기의 방출 대역 밖에 있는 상기 수광된 광을 차단하기 위해 상기 면들 중 하나의 면 상에 필터를 형성하는 단계를 포함하는, 광학 방법.
제11항 또는 제13항에 있어서, 상기 빔 분할기는 상기 제2 면 상의 편광 빔 분할기 코팅을 포함하는, 광학 방법.
제11항 또는 제13항에 있어서, 상기 다수의 면들은 제3 면을 포함하고, 상기 빔 축 및 상기 집광 축은 상기 빔 축 및 상기 집광 축 둘 다에 공통인 상기 제3 면 상의 위치에서 상기 제3 면을 통해 상기 광전자 모듈을 빠져나가는, 광학 방법.
제11항 또는 제13항에 있어서, 상기 빔 및 상기 수광된 광을 지향시키는 단계는 적어도 하나의 레이저 빔을 평행화하기 위해 그리고 상기 스캐너로부터 수광된 상기 광을 집속시키기 위해 적어도 하나의 렌즈를 적용하는 단계를 포함하는, 광학 방법.
제11항 또는 제13항에 있어서, 상기 스캐너를 사용하여 스캔 영역에 걸쳐 상기 빔 축 및 상기 집광 축 둘 다를 한꺼번에 스캔하는 단계를 포함하는, 광학 방법.
제19항에 있어서, 상기 적어도 하나의 빔을 방출하는 단계는 광 펄스들을 방출하는 단계를 포함하고, 상기 광을 수광하는 단계는 상기 스캔 영역에 있는 대상물들까지 갔다오는 상기 펄스들의 각자의 비행 시간(time of flight)들을 측정하는 단계를 포함하는, 광학 방법.