KR102340777B1

KR102340777B1 - 광학 센서

Info

Publication number: KR102340777B1
Application number: KR1020150016454A
Authority: KR
Inventors: 강이임; 이창혁
Original assignee: 엘지이노텍 주식회사
Priority date: 2015-02-03
Filing date: 2015-02-03
Publication date: 2021-12-20
Also published as: KR20160095323A

Abstract

실시 예에 의한 물체를 센싱하는 광학 센서는, 광을 방출하는 발광부와, 물체에서 반사된 광을 검출하는 수광부와, 발광부와 수광부 각각의 위에 배치된 보호 덮개 및 보호 덮개와 발광부 사이 또는 보호 덮개와 수광부 사이 중 적어도 한 곳에서 발광부 또는 수광부와 이격되어 배치된 편광부를 포함한다.

Description

광학 센서{Optical sensor}

실시 예는 광학 센서에 관한 것이다.

광학 센서는 그 근처 물체의 존재를 물리적으로 접촉하지 않고 검사할 수 있는 센서이다. 이러한 광학 센서는 발광 소자를 이용하여 광을 방출하고 되돌아오는 광자를 포토 다이오드를 이용하여 검출한다. 대개, 발광 소자와 포토 다이오드는 서로 인접하여 위치하며, 광은 보통 유리 커버를 통과해야 한다. 이로 인해, 광이 유리 커버에서 반사되어, 광학적인 크로스토크(crosstalk)가 야기될 수 있다. 이러한 크로스토크는 소프트웨어적으로 제거할 수 있지만, 이는 90% 정도의 낮은 수율을 갖는다.

실시 예는 크로스토크를 감소시키거나 제거할 수 있는 광학 센서를 제공한다.

실시 예에 의하면, 물체를 센싱하는 광학 센서는 광을 방출하는 발광부; 상기 물체에서 반사된 광을 검출하는 수광부; 상기 발광부와 상기 수광부 각각의 위에 배치된 보호 덮개; 및 상기 보호 덮개와 상기 발광부 사이 또는 상기 보호 덮개와 상기 수광부 사이 중 적어도 한 곳에서 상기 발광부 또는 상기 수광부와 이격되어 배치된 편광부를 포함할 수 있다.

예를 들어, 상기 발광부는 적어도 하나의 레이져 다이오드를 포함하거나, 적어도 하나의 발광 다이오드를 포함할 수 있다. 이때, 상기 적어도 하나의 발광 다이오드는 복수의 발광 다이오드를 포함하고, 상기 복수의 발광 다이오드는 적색, 녹색, 청색 또는 적외선 광 중 적어도 2개의 광을 방출할 수 있다.

예를 들어, 상기 수광부는 포토 다이오드를 포함할 수 있다.

예를 들어, 상기 광학 센서는 상기 발광부 및 상기 수광부가 실장된 기판; 상기 발광부와 상기 수광부가 각각 배치되는 발광 영역과 수광 영역을 정의하는 몸체를 더 포함하고, 상기 몸체는 상기 발광 영역과 상기 수광 영역 사이에 배치되어 상기 발광 영역과 상기 수광 영역 간의 광의 간섭을 차단하는 격벽을 포함할 수 있다. 상기 광학 센서는 상기 기판 위에 배치되어, 상기 발광부 및 상기 수광부를 감싸는 몰딩부를 더 포함할 수 있다.

예를 들어, 상기 몸체는 상기 발광 영역에서 상기 광이 출사되는 출구를 갖는 발광 상판; 및 상기 수광 영역에서 상기 물체에서 반사된 광이 입사되는 입구를 갖는 수광 상판을 포함하고, 상기 편광부는 상기 보호 덮개와 상기 발광 상판 또는 상기 보호 덮개와 상기 수광 상판 사이 중 적어도 한 곳에 배치될 수 있다. 상기 몸체는 상기 격벽과 함께 상기 발광 영역을 정의하는 제1 측벽; 및 상기 격벽과 함께 상기 수광 영역을 정의하는 제2 측벽을 더 포함하고, 상기 편광부는 상기 격벽과, 상기 제1 및 제2 측벽과 접하여 배치되고, 상기 몰딩부는 상기 격벽과 상기 제1 및 제2 측벽에 의해 정의되는 공간에 매립되어 배치될 수 있다.

예를 들어, 상기 보호 덮개는 투광성 재질을 포함할 수 있다. 이 경우, 상기 보호 덮개는 투명 유리판을 포함할 수 있다. 또는, 상기 보호 덮개는 입사되는 광의 파장을 변환시키는 파장판을 포함할 수 있다. 상기 파장판은 4분 파장판 또는 2분 파장판 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.

예를 들어, 상기 편광부는 상기 발광부와 상기 보호 덮개 사이에 배치된 제1 편광기; 및 상기 수광부와 상기 보호 덮개 사이에 배치된 제2 편광기를 포함할 수 있다.

예를 들어, 상기 제1 및 제2 편광기는 일체형이거나 분리형일 수 있다. 상기 제1 및 제2 편광기 각각은 제1 편광빔을 투과하고 제2 편광빔을 차단할 수 있다. 또는, 상기 제1 및 제2 편광기 중 어느 하나는 제1 편광빔을 투과하고 제2 편광빔을 차단하며, 제1 및 제2 편광기 중 다른 하나는 상기 제2 편광빔을 투과하고 상기 제1 편광빔을 차단할 수 있다. 상기 제1 편괌빔은 P-편광빔에 해당하고, 상기 제2 편광빔은 S-편광빔에 해당할 수 있다.

예를 들어, 상기 제1 또는 제2 편광기 중 적어도 하나는 선형 편광기를 포함하거나, 편광 빔 스플리터를 포함할 수 있다.

다른 실시 예에 의하면, 물체를 센싱하는 광학 센서는, 무편광 광을 방출하는 발광부; 상기 물체에서 반사된 광을 검출하는 수광부; 상기 발광부와 상기 수광부 각각의 위에 배치되며, 입사되는 광의 파장을 변환시키는 파장판; 및 상기 파장판과 상기 발광부 사이 또는 상기 파장판과 상기 수광부 사이 중 적어도 한 곳에 배치된 편광부를 포함할 수 있다.

실시 예에 따른 광학 센서는 편광부와 파장판을 이용하여 구조적으로 노이즈인 광학적 크로스토크를 제거하여 불량률이 낮고, 편광부로서 편광 빔 스플리터를 사용하여 감도가 낮은 포토 다이오드를 수광부로 사용할 수 있으며, 노이즈를 소프트웨어적으로 제거할 때보다 개선된 수율을 가질 수 있다.

도 1은 일 실시 예에 의한 광학 센서의 단면도를 나타낸다.
도 2는 다른 실시 예에 의한 광학 센서의 단면도를 나타낸다.,
도 3은 일반적인 선형 편광기의 사시도를 나타내고,
도 4는 일반적인 편광 빔 스플리터의 사시도를 나타낸다.
도 5는 또 다른 실시 예에 의한 광학 센서의 단면도를 나타낸다.
도 6은 비교 례에 의한 광학 센서의 단면도를 나타낸다.
도 7은 P-편광빔 및 S-편광빔 각각의 반사율을 나타내는 그래프이다.
도 8a 및 도 8b는 도 1에 도시된 광학 센서의 동작을 설명하기 위한 단면도를 나타낸다.
도 9는 도 1에 도시된 광학 센서의 동작을 설명하기 위한 단면도를 나타낸다.

이하, 본 발명을 구체적으로 설명하기 위해 실시 예를 들어 설명하고, 발명에 대한 이해를 돕기 위해 첨부도면을 참조하여 상세하게 설명하기로 한다. 그러나, 본 발명에 따른 실시 예들은 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래에서 상술하는 실시 예들에 한정되는 것으로 해석되지 않아야 한다. 본 발명의 실시 예들은 당 업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다.

본 실시 예의 설명에 있어서, 각 구성요소(element)의 "상(위) 또는 하(아래)(on or under)"에 형성되는 것으로 기재되는 경우에 있어, 상(위) 또는 하(아래)(on or under)는 두 개의 구성요소(element)가 서로 직접(directly)접촉되거나 하나 이상의 다른 구성요소(element)가 상기 두 구성요소(element) 사이에 배치되어(indirectly) 형성되는 것을 모두 포함한다.

또한 "상(위)" 또는 "하(아래)(on or under)"로 표현되는 경우 하나의 구성요소(element)를 기준으로 위쪽 방향뿐만 아니라 아래쪽 방향의 의미도 포함할 수 있다.

또한, 이하에서 이용되는 "제1" 및 "제2," "상/상부/위" 및 "하/하부/아래" 등과 같은 관계적 용어들은, 그런 실체 또는 요소들 간의 어떠한 물리적 또는 논리적 관계 또는 순서를 반드시 요구하거나 내포하지는 않으면서, 어느 한 실체 또는 요소를 다른 실체 또는 요소와 구별하기 위해서만 이용될 수도 있다.

도 1은 일 실시 예에 의한 광학 센서(100A)의 단면도를 나타낸다.

도 1에 예시된 광학 센서(100A)는 발광부(110), 수광부(120), 보호 덮개(130) 및 편광부(140A)를 포함할 수 있다.

발광부(110)는 편광이 없는 광(이하, '무편광 광'이라 함)을 방출할 수 있다.

예를 들어, 발광부(110)는 적어도 하나의 레이져 다이오드를 포함할 수 있다. 만일, 발광부(110)가 레이져 다이오드로 구현될 경우, 편광부(140A)에 의한 빛 손실이 보상될 수 있으나, 실시 예는 이에 국한되지 않는다.

다른 실시 예에 의하면, 발광부(110)는 적어도 하나의 발광 다이오드(또는, 발광 다이오드 칩(LED chip))을 포함할 수 있다. 만일, 발광부(110)가 복수의 발광 다이오드를 포함할 경우, 복수의 발광 다이오드는 적색, 녹색, 청색 또는 적외선 광 중 적어도 2개의 광을 방출할 수 있다. 이와 같이, 실시 예는 발광부(110)에서 방출되는 무편광 광의 파장 대역에 국한되지 않는다.

발광 다이오드 칩은 청색 LED 칩 또는 자외선 LED 칩으로 구성되거나 또는 적색 LED 칩, 녹색 LED 칩, 청색 LED 칩, 엘로우 그린(Yellow green) LED 칩, 백색 LED 칩 중에서 적어도 하나 또는 그 이상을 조합한 패키지 형태로 구성될 수도 있다.

그리고, 백색 LED는 청색 LED 상에 옐로우 인광(Yellow phosphor)을 결합하거나, 청색 LED 상에 적색 인광(Red phosphor)과 녹색 인광(Green phosphor)을 동시에 사용하여 구현할 수 있고, 청색 LED 상에 옐로우 인광(Yellow phosphor), 적색 인광(Red phosphor) 및 녹색 인광(Green phosphor)을 동시에 사용하여 구현할 수도 있다.

한편, 수광부(120)는 물체(O)에서 반사된 광을 검출할 수 있다. 이를 위해, 수광부(120)는 포토 다이오드(PD:Photo Diode)를 포함할 수 있으나, 실시 예는 수광부(120)의 형태에 국한되지 않는다.

또한, 보호 덮개(130)는 발광부(110)와 수광부(120) 각각의 위에 배치되어, 광학 센서(100A)를 보호하는 역할을 할 수 있다.

일 실시 예에 의하면, 보호 덮개(130)는 투광성 재질을 포함할 수 있다. 이 경우, 보호 덮개(130)는 투명 유리판 또는 투명 플라스틱을 포함할 수 있다.

다른 실시 예에 의하면, 보호 덮개(130)는 입사되는 광의 파장을 변환시키는 파장판을 포함할 수 있다. 여기서, 파장판은 4분 파장판 또는 2분 파장판 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 즉, 파장판은 하면(132) 또는 상면(134)으로부터 입사되는 광의 파장을 변환하고, 변환된 파장을 갖는 광을 출사시킬 수 있다. 만일, 보호 덮개(130)가 4분 파장판으로 구현될 경우, 하면(132) 또는 상면(134)으로 입사되는 광의 위상은 90°만큼 쉬프트될 수 있다. 또한, 보호 덮개(130)가 2분 파장판으로 구현될 경우, 하면(132) 또는 상면(1334)으로 입사되는 광의 위상은 180°만큼 쉬프트될 수 있다.

예를 들어, 보호 덮개(130)가 2분 파장판으로 구현될 경우, 45°로 편광된 광이 하면(132) 또는 상면(134)으로 입사되어 -45°로 편광되어 출사될 수 있다.

한편, 편광부(140A)는 보호 덮개(130)와 발광부(110) 사이 또는 보호 덮개(130)와 수광부(120) 사이 중 적어도 한 곳에서 배치될 수 있다. 도 1의 경우, 편광부(140A)는 보호 덮개(130)와 발광부(110) 사이에 배치될 뿐만 아니라 보호 덮개(130)와 수광부(120) 사이에도 연장되어 배치되지만, 실시 예는 이에 국한되지 않는다.

다른 실시 예에 의하면, 도 1에 예시된 바와 달리, 편광부(140A)는 보호 덮개(130)와 발광부(110) 사이에만 배치되고, 보호 덮개(130)와 수광부(120) 사이에 배치되지 않을 수도 있다.

또 다른 실시 예에 의하면, 도 1에 예시된 바와 달리, 편광부(140A)는 보호 덮개(130)와 수광부(120) 사이에만 배치되고, 보호 덮개(130)와 발광부(110) 사이에 배치되지 않을 수도 있다.

발광부(110) 또는 수광부(120) 중 적어도 하나의 상부에 배치되는 편광부(140A)는 발광부(110)와 이격되어 배치되고, 수광부(120)와 이격되어 배치될 수 있다.

도 2는 다른 실시 예에 의한 광학 센서(100B)의 단면도를 나타낸다.

도 2에 도시된 광학 센서(100B)는 발광부(110), 수광부(120), 보호 덮개(130) 및 편광부(140B)를 포함할 수 있다. 여기서, 발광부(110), 수광부(120) 및 보호 덮개(130)는 도 1에 도시된 발광부(110), 수광부(120) 및 보호 덮개(130)에 각각 해당하므로 동일한 참조부호를 사용하였으며, 중복되는 설명을 생략한다.

도 2를 참조하면, 편광부(140B)는 제1 및 제2 편광기(140-1, 140-2)를 포함할 수 있다. 제1 편광기(140-1)는 발광부(110)와 보호 덮개(130) 사이에 배치되고, 제2 편광기(140-2)는 수광부(120)와 보호 덮개(130) 사이에 배치될 수 있다.

도 1에 도시된 편광부(140A)는 도 2에 도시된 제1 및 제2 편광기(140-1, 140-2)가 일체형인 경우에 해당한다. 이와 같이, 제1 및 제2 편광기(140-1, 140-2)는 도 1에 도시된 바와 같이 일체형일 수도 있고, 도 2에 도시된 바와 같이 분리형일 수도 있다.

편광부(140B)의 구조가 도 1에 도시된 편광부(140A)와 달리 분리되어 있음을 제외하면, 도 2에 도시된 광학 센서(100B)는 도 1에 도시된 광학 센서(100A)와 동일하므로, 동일한 부분에 대해서는 도 1에 도시된 광학 센서(100A)의 설명으로 대체한다.

일 실시 예에 의하면, 제1 및 제2 편광기(140-1, 140-2) 각각은 제1 편광빔을 투과하고 제2 편광빔을 차단할 수 있다. 만일, 제1 및 제2 편광기(140-1, 140-2)가 도 1에 예시된 바와 같이 일체형일 경우, 편광부(140A)는 제1 편광빔을 투과하고 제2 편광빔을 차단할 수 있다. 여기서, 제2 편광빔의 차단은 제2 편광빔의 흡수 및/또는 반사를 의미할 수 있다.

다른 실시 예에 의하면, 제1 및 제2 편광기(140-1, 140-2) 중 어느 하나는 제1 편광빔을 투과하고 제2 편광빔을 차단하며, 제1 및 제2 편광기(140-1, 140-2) 중 다른 하나는 제2 편광빔을 투과하고 제1 편광빔을 차단할 수 있다.

예를 들어, 제1 편광기(140-1)는 제1 편광빔을 투과하고 제2 편광빔을 차단하며, 제2 편광기(140-2)는 제2 편광빔을 투과하고 제1 편광빔을 차단할 수 있다. 또는, 제1 편광기(140-1)는 제2 편광빔을 투과하고 제1 편광빔을 차단하며, 제2 편광기(140-2)는 제1 편광빔을 투과하고 제2 편광빔을 차단할 수 있다.

제1 또는 제2 편광빔의 차단이란, 제1 또는 제2 편광빔의 흡수 또는 반사 또는 제거일 수 있다.

예를 들어, 제1 편광빔은 P-편광빔에 해당하고, 제2 편광빔은 S-편광빔에 해당할 수도 있고, 제1 편괌빔은 S-편광빔에 해당하고, 제2 편광빔은 P-편광빔에 해당할 수도 있다. 또한, 제1 평광빔은 광의 입사면에 수직인 편광빔일 수 있고, 제2 편광빔은 광의 입사면에서의 편광(polarization in the incident plane)빔일 수도 있다.

도 3은 일반적인 선형 편광기(linear polarizer)(144)의 사시도를 나타내고, 도 4는 일반적인 편광 빔 스플리터(PBS:Polarization Beam Splitter)(146)의 사시도를 나타낸다.

도 1에 도시된 편광부(140A)는 도 3에 도시된 선형 편광기(144) 또는 도 4에 도시된 편광 빔 스플리터(146)로 구현될 수 있다. 또한, 제1 또는 제2 편광기(140-1, 140-2) 각각은 선형 편광기(144) 또는 편광 빔 스플리터(146)로 구현될 수 있다.

도 3을 참조하면, 선형 편광기(144)는 입사된 광(LA)을 특정한 방향(142)으로 선형 편광하고, 선형으로 편광된 결과(LB)를 출사한다.

도 4를 참조하면, 편광 빔 스플리터(146)는 입사된 광(LA)에서 P-편광빔(LC)을 투과시키고 S-편광빔(LD)을 차단할 수 있다. 편광 빔 스플리터(146)의 뒷면(146A)은 코팅되어 있지 않으며 표면(146B)은 유전체 다층막으로 코팅될 수 있다.

한편, 도 1 및 도 2에 도시된 광학 센서(100A, 100B) 각각은 기판(150), 몸체(160) 및 몰딩부(170A)를 더 포함할 수 있다.

기판(150)은 발광부(110)와 수광부(120)가 실장되는 곳으로서, 전원을 공급하는 어댑터와 발광부(110) 및 수광부(120)를 연결하기 위한 전극 패턴이 형성될 수 있다.

예를 들어, 기판(150)의 상면에는 발광부(110) 및 수광부(120) 각각과 어댑터를 연결하기 위한 탄소나노튜브 전극 패턴이 형성될 수 있다.

이러한 기판(150)은 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET), 유리, 폴리카보네이트(PC), 실리콘(Si)으로부터 선택된 어느 한 물질로 이루어진 PCB(Printed Circuit Board) 기판일 수도 있고, 필름 형태로 형성될 수도 있다.

또한, 기판(150)은 단층 PCB, 다층 PCB, 세라믹 기판, 메탈 코아 PCB 등을 선택적으로 사용할 수 있다.

몸체(160)는 발광부(110)가 배치되는 발광 영역(LEA:Light Emitting Area)과 수광부(120)가 배치되는 수광 영역(LRA:Light Receiving Area)을 정의할 수 있다.

또한, 몸체(160)는 격벽(162)을 포함할 수 있다. 여기서, 격벽(162)은 발광 영역(LEA)과 수광 영역(LRA) 사이에 배치되어, 발광 영역(LEA)과 수광 영역(LRA) 간의 광의 간섭을 차단할 수 있다. 즉, 격벽(162)은 발광부(110)로부터 방출된 무편광 광이 수광 영역(LRA)로 직접 진행함을 차단할 수 있고, 물체(O)에서 반사된 후 수광부(120)로 진행하는 광이 발광 영역(LEA)으로 진행함을 차단할 수 있다.

또한, 몸체(160)는 격벽(162)뿐만 아니라 제1 측벽(164-1), 제2 측벽(164-2), 발광 상판(166), 수광 상판(168)을 더 포함할 수 있다.

제1 측벽(164-1)은 격벽(162) 및 발광 상판(166)과 함께 발광 영역(LEA)을 정의하고, 제2 측벽(164-2)은 격벽(162) 및 수광 상판(168)과 함께 수광 영역(LRA)을 정의할 수 있다.

발광 상판(166)은 발광 영역(LEA)에서 발광부(110)로부터 방출된 무편광 광이 출사되는 출구(OP1)를 갖는다. 수광 상판(168)은 수광 영역(LRA)에서 물체(O)에서 반사된 광이 입사되는 입구(OP2)를 갖는다.

이때, 도 1 및 도 2에 예시된 바와 같이 편광부(140A, 140B)는 보호 덮개(130)와 발광 상판(166)의 사이 및 보호 덮개(130)와 수광 상판(168) 사이에 모두 배치될 수 있다. 또는, 다른 실시 예에 의하면, 도 1 및 도 2에 예시된 바와 달리, 편광부(140A, 140B)는 보호 덮개(130)와 발광 상판(166)에만 배치되거나 보호 덮개(130)와 수광 상판(168) 사이에만 배치될 수도 있다.

또한, 광학 센서(100A, 100B)의 몰딩부(170A)는 기판(150) 위에 배치되어, 발광부(110) 및 수광부(120)를 감싸도록 배치될 수 있다. 여기서, 몰딩부(170A)는 발광부(110)와 수광부(120)를 보호하는 역할을 수행할 수도 있고, 일종의 렌즈의 역할을 수행할 수도 있다. 경우에 따라, 전술한 도 1 및 도 2에 도시된 기판(150), 몸체(160) 또는 몰딩부(170A) 중 적어도 하나는 생략될 수도 있다.

도 5는 또 다른 실시 예에 의한 광학 센서(100C)의 단면도를 나타낸다.

도 5에 도시된 광학 센서(100C)는 발광부(110), 수광부(120), 보호 덮개(130), 편광부(140A), 기판(150), 몸체(162, 164-1, 164-2) 및 몰딩부(170B)를 포함할 수 있다.

도 1 또는 도 2에 도시된 광학 센서(100A, 100B)에서 편광부(140A, 140B)는 몸체(160)와 이격되어 배치된 반면, 도 5에 도시된 광학 센서(100C)에서 편광부(140A)는 격벽(162) 및 제1 및 제2 측벽(164-1, 164-2)과 접하여 배치된다.

따라서, 도 1 및 도 2에 도시된 몸체(160)와 달리, 도 5에 도시된 몸체는 발광 상판(166)과 수광 상판(168)을 포함하지 않는다.

또한, 도 1 또는 도 2에 도시된 광학 센서(100A, 100B)에서 몰딩부(170A)는 발광 영역(LEA)과 수광 영역(LRA) 내의 공간의 일부에만 매립되어 배치된 반면, 도 5에 도시된 몰딩부(170B)는 발광 영역(LEA)과 수광 영역(LRA) 각각의 공간의 전체에 매립되어 배치된다. 즉, 몰딩부(170B)는 격벽(162)과 제1 측벽(164-1)과 편광부(140A)에 의해 정의되는 발광 영역(LEA) 전체에 매립되어 배치된다. 또한, 몰딩부(170B)는 격벽(162)과 제2 측벽(164-2)과 편광부(140A)에 의해 정의되는 수광 영역(LRA) 전체에 매립되어 배치될 수 있다.

또한, 도 1 또는 도 2에 도시된 광학 센서(100A, 100B)에서 발광부(110)가 하나의 발광 다이오드를 포함하는 반면, 도 5에 도시된 광학 센서(100C)에서 발광부(110)는 전술한 바와 같이 복수 개의 발광 다이오드(110-1, 110-2, 110-3)를 포함할 수 있다. 여기서, 발광부(110)는 3개의 발광 다이오드(110-1, 110-2, 110-3)를 포함하는 것으로 예시되어 있지만, 실시 예는 이에 국한되지 않는다. 즉, 발광부(110)는 2개의 발광 다이오드만을 포함할 수도 있고 4개 이상의 발광 다이오드를 포함할 수도 있다.

복수 개의 발광 다이오드(110-1, 110-2, 110-3)는 적색, 녹색 및 적외선 광을 각각 방출할 수 있다. 또한, 복수 개의 발광 다이오드(110-1, 110-2, 110-3) 각각은 광축(LX)에 수직한 방향으로 서로 중첩되어 배치될 수 있지만, 실시 예는 이에 국한되지 않는다.

이와 같이, 편광부(140A)와 몰딩부(170B)의 배치 구조, 몸체의 형태 및 발광부(110)의 구현 례를 제외하면, 도 5에 도시된 광학 센서(100C)는 도 1 또는 도 2에 도시된 광학 센서(100A, 100B)와 동일하므로 중복되는 설명을 생략한다.

전술한 실시 예에 의한 광학 센서(100A, 100B)는 다양한 분야에 이용될 수도 있다. 예를 들어, 광학 센서(100A, 100B)는 근접 센서 또는 심박 센서로서 이용될 있다.

근접 센서는 도 1 또는 도 2에 예시된 바와 같은 광학 센서(100A, 100B)를 이용하여 광학 센서(100A)의 근처에 위치한 물체(O)의 존재 여부를 비접촉식으로 센싱할 수 있다. 이 경우, 발광부(110)는 적외선 광을 방출하는 하나의 발광 다이오드(또는, 발광 다이오드 칩)를 포함할 수 있다.

또한, 심박 센서는 도 5에 예시된 바와 같은 광학 센서(100C)를 이용하여 광학 센서(100C)의 근처에 위치한 물체(O)를 비접촉식으로 센싱할 수 있다. 이 경우, 제1, 제2 및 제3 발광 다이오드(110-1, 110-2, 110-3)는 적색, 녹색 및 적외선 광을 각각 방출할 수 있다.

이하, 비교 례 및 실시 예에 의한 광학 센서를 첨부된 도면을 참조하여 다음과 같이 비교 설명한다.

도 6은 비교 례에 의한 광학 센서의 단면도를 나타낸다.

도 6에 도시된 비교 례에 의한 광학 센서는 발광 다이오드(10), 포토 다이오드(20), 투명 유리판(30), 기판(50), 몸체(60) 및 몰딩부(70)로 구성된다. 도 6에 도시된 발광 다이오드(10), 포토 다이오드(20), 기판(50), 몸체(60) 및 몰딩부(70)는 도 1 또는 도 2에 도시된 발광부(110), 수광부(120), 기판(150), 몸체(160) 및 몰딩부(170A, 170B)에 각각 해당한다고 가정한다. 또한, 몸체(60)의 격벽(62), 제1 측벽(64-1), 제2 측벽(64-2), 발광 상판(66) 및 수광 상판(68)은 도 1 또는 도 2에 도시된 격벽(162), 제1 측벽(164-1), 제2 측벽(164-2), 발광 상판(166) 및 수광 상판(168)에 각각 해당한다고 가정한다. 따라서, 이들에 대한 설명을 생략한다. 도 6에 도시된 비교 례에 의한 광학 센서는 도 1 또는 도 2에 도시된 광학 센서(100A, 100B)와 달리 편광부(140A, 140B)를 포함하지 않는다.

도 6에 도시된 비교 례에 의한 광학 센서의 경우, 발광 다이오드(10)로부터 무편광 광이 방출되고, 방출된 무편광 광은 몰딩부(70)와 투명 유리판(30)을 거쳐 물체(O)로 조사된다. 이때, 물체(O)에서 반사된 광은 투명 유리판(30)과 몰딩부(70)를 거쳐 포토 다이오드(20)로 진행한다. 따라서, 도 6에 도시된 광학 센서는 물체(O)의 존재 여부 또는 물체(O)의 심박수를 측정할 수 있다.

이때, 발광 다이오드(10)로부터 방출된 광은 무편광 광으로서, 투명 유리판(30)에 의해 P-편광빔과 S-편광빔이 모두 화살표(A1) 방향으로 반사되어 노이즈인 광학적 크로스토크(crosstalk)를 발생시킨다. 투명 유리판(30)은 굴절률이 약 1.5 정도이다. 이는 전반사 각도가 약 42°로서 발광 다이오드(10)의 지향각이 120°임을 고려하면, 발광 다이오드(10)로부터 방출된 무편광 광의 많은 부분이 투명 유리판(30)에 의해 반사됨을 알 수 있다.

도 7은 P-편광빔 및 S-편광빔 각각의 반사율(Rp, Rs)을 나타내는 그래프로서, 횡축은 입사각을 나타내고 종축은 정규화된(normalized) 반사율을 나타낸다.

프레넬 방정식에 따라, P-편광빔과 S-편광빔 각각의 반사율을 구할 수 있다. 도 7을 참조하면, S-편광빔의 반사율(Rs)이 P-편광빔의 반사율(Rp)보다 큼을 알 수 있다.

이하, 도 1에 도시된 보호 덮개(130)가 투명 유리판(130A)일 경우, 광학 센서(100A)의 동작을 첨부된 도 8a 및 도 8b를 참조하여 다음과 같이 설명한다.

도 8a 및 도 8b는 도 1에 도시된 광학 센서(100A)의 동작을 설명하기 위한 단면도를 나타낸다.

도 8a 및 도 8b를 참조하면, 발광부(110)에서 방출된 무편광 광은 화살표 방향(A2, A3)으로 방출되어 출구(OP1)를 통해 몸체(160)로부터 빠져나와 편광부(140A)로 향한다. 이때, 편광부(140A)는 P-편광빔을 투과시키는 반면, S-편광빔을 도 8a에 예시된 바와 같이 흡수할 수도 있고 도 8b에 예시된 바와 같이 반사시킬 수도 있다. 즉, 편광부(140A)는 S-편광빔을 차단시킬 수 있다.

이때, 편광부(140A)로부터 투과된 P-편광빔은 투명 유리판(130A)을 통과하여 물체(O)에서 반사된다. P-편광빔이 물체(O)에 부딪힐 때 편광이 깨진 무편광 광으로 된다. 물체(O)에 의해 편광이 깨진 무편광 광은 다시 투명 유리판(130A)을 관통하여 편광부(140A)로 입사된다. 편광부(140A)는 투명 유리판(130A)을 관통한 무편광 광에서 P-편광빔을 투과시키고 S-편광빔을 흡수하거나 반사시켜 차단한다. 따라서, 편광부(140A)를 투과한 P-편광빔은 입구(OP2)를 통해 수광부(120)에서 수광될 수 있다.

전술한 바와 같이, P-편광빔은 투과시키고 S-편광빔은 차단시키는 편광부(140A)를 이용할 경우, 반사율이 P-편광빔보다 큰 S-편광빔이 제거되어, 노이즈인 광학적 크로스토크가 제거되거나 감소할 수 있다.

또한, 도 2에 도시된 광학 센서(100B)의 동작을 첨부된 도 2를 참조하여 다음과 같이 설명한다. 여기서, 보호 덮개(130)는 투명 유리판일 수도 있고, 파장판일 수도 있다.

도 2를 참조하면, 발광부(110)에서 방출된 무편광 광은 화살표 방향(A4)으로 방출되어 출구(OP1)를 통해 몸체(160)로부터 빠져나와 제1 편광기(140-1)로 향한다. 이때, 제1 편광기(140-1)는 P-편광빔을 투과시키되, S-편광빔을 차단할 수 있다.

제1 편광기(140-1)로부터 투과된 P-편광빔은 물체(O)에서 반사된다. P-편광빔이 물체(O)에 부딪힐 때 편광이 깨져서 무편광 광으로 된다. 물체(O)에서 편광이 깨진 무편광 광은 보호 덮개(130)를 경유하여 제2 편광기(140-2)로 입사된다. 제2 편광기(140-2)는 보호 덮개(130)를 경유한 광에서 S-편광빔을 투과시키고 P-편광빔을 차단시킨다. 따라서, 제2 편광기(140-2)를 투과한 S-편광빔은 입구(OP2)를 통해 수광부(120)에서 수광될 수 있다.

전술한 바와 같이, 도 2에 도시된 광학 센서(100B)는 제1 편광기(140-1)를 이용하여 S-편광빔를 흡수하고 제2 편광기(140-2)를 이용하여 P-편광빔을 반사시키므로, S-편광빔과 P-편광빔의 반사를 모두 제거하여, 노이즈인 광학적 크로스토크를 제거하거나 감소시킬 수 있다.

또한, 도 1에 도시된 보호 덮개(130)가 파장판(130B)일 경우, 광학 센서(100A)의 동작을 첨부된 도 9를 참조하여 다음과 같이 설명한다.

도 9는 도 1에 도시된 광학 센서(100A)의 동작을 설명하기 위한 단면도를 나타낸다.

도 9를 참조하면, 발광부(110)에서 방출된 무편광 광은 화살표 방향(A5)으로 방출되어 출구(OP1)를 통해 몸체(160)로부터 탈출하여 편광부(140A)로 향한다. 이때, 편광부(140A)는 P-편광빔을 투과시키되, S-편광빔을 흡수할 수 있다.

편광부(140A)로부터 투과된 P-편광빔은 파장판(130B)에서 파장이 변환되어 출사된 후 물체(O)로 향한다. 예를 들어, 편광부(140A)로부터 투과된 P-편광빔은 파장판(130B)에서 편광 방향이 S-편광빔으로 바뀔 수 있다. 이 경우 편광 방향이 바뀐 S-편광빔이 파장판(130B)으로부터 다시 편광부(140A)로 입사되어도 편광부(140A)에 의해 차단될 수 있다. 이후, 파장판(130B)으로부터 출사되는 광이 물체(O)에 부딪힐 때 편광이 깨져서 무편광 광으로 된다. 물체(O)에 의해 편광이 깨진 무편광 광은 다시 파장판(130B)에서 편광 방향이 바뀌어 편광부(140A)로 입사된다. 편광부(140A)는 파장판(130B)에서 파장이 변환된 광에서 P-편광빔을 투과시키고 S-편광빔을 흡수한다. 따라서, 편광부(140A)를 투과한 P-편광빔은 입구(OP2)를 통해 수광부(120)에서 수광될 수 있다.

따라서, 편광부(140A)뿐만 아니라 보호 덮개(130)로서 파장판(130B)을 이용할 경우, S-편광빔의 반사와 파장판을 지나서 발생하는 P-편광빔의 반사가 제거되어, 노이즈인 광학적 크로스토크가 제거되거나 감소할 수 있다.

전술한 바와 같이, 실시 예에 의한 광학 센서(100A, 100B, 100C)의 경우, 편광부(140A, 140B)와 파장판(130B)을 이용함으로써 구조적으로 노이즈인 광학적 크로스토크를 제거하여 광학 센서(100A, 100B, 100C)의 불량률을 낮출 수 있다.

또한, 편광부(140A, 140B)로서 편광 빔 스플리터(PBS)를 사용할 경우, 감도가 낮은 포토 다이오드를 수광부(120)로 사용할 수 있다.

또한, 광학 센서에서 야기되는 노이즈를 소프트웨어적으로 제거할 때보다 수율이 개선될 수 있다.

또한, 도 1, 도 2 및 도 5에 예시된 바와 같이, 편광부(140A, 140B)가 발광부(110)와 수광부(120) 각각과 이격되어 배치되기 때문에, 편광부(140A, 140B)가 발광부(110) 및 수광부(120) 각각과 접하여 배치된 경우보다 제조 공정이 훨씬 수월할 수 있다.

이상에서 실시 예를 중심으로 설명하였으나 이는 단지 예시일 뿐 본 발명을 한정하는 것이 아니며, 본 발명이 속하는 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 본 실시 예의 본질적인 특성을 벗어나지 않는 범위에서 이상에 예시되지 않은 여러 가지의 변형과 응용이 가능함을 알 수 있을 것이다. 예를 들어, 실시 예에 구체적으로 나타난 각 구성 요소는 변형하여 실시할 수 있는 것이다. 그리고 이러한 변형과 응용에 관계된 차이점들은 첨부된 청구 범위에서 규정하는 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

100A, 100B, 100C: 광학 센서 110: 발광부
120: 수광부 130: 보호 덮개
130A: 투명 유리판 130B: 파장판
140A, 140B: 편광부 140-1: 제1 편광기
140-2: 제2 편광기 144: 선형 편광기
146: 편광 빔 스플리터 150: 기판
160: 몸체 162: 격벽
164-1: 제1 측벽 164-2: 제2 측벽
166: 발광 상판 168: 수광 상판
170A, 170B: 몰딩부

Claims

물체를 센싱하는 광학 센서에 있어서,
광을 방출하는 발광부;
상기 물체에서 반사된 광을 검출하는 수광부;
상기 발광부와 상기 수광부 각각의 위에 배치된 보호 덮개; 및
상기 보호 덮개와 상기 발광부 사이 또는 상기 보호 덮개와 상기 수광부 사이 중 적어도 한 곳에서 상기 발광부 또는 상기 수광부와 이격되어 배치된 편광부를 포함하고,
상기 편광부는
상기 발광부와 상기 보호 덮개 사이에 배치된 제1 편광기; 및
상기 수광부와 상기 보호 덮개 사이에 배치된 제2 편광기를 포함하고,
상기 제1 편광기는 P-편광빔에 해당하는 제1 편광빔을 투과하고 S-편광빔에 해당하는 제2 편광빔을 차단하며,
상기 제2 편광기는 상기 제2 편광빔을 투과하고 상기 제1 편광빔을 차단하는 광학 센서.
제1 항에 있어서, 상기 발광부는 적어도 하나의 레이져 다이오드 또는 적어도 하나의 발광 다이오드를 포함하고,
상기 적어도 하나의 발광 다이오드는 복수의 발광 다이오드를 포함하고,
상기 복수의 발광 다이오드는 적색, 녹색, 청색 또는 적외선 광 중 적어도 2개의 광을 방출하는 광학 센서.
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제1 항에 있어서, 상기 광학 센서는
상기 발광부 및 상기 수광부가 실장된 기판;
상기 발광부와 상기 수광부가 각각 배치되는 발광 영역과 수광 영역을 정의하는 몸체; 및
상기 기판 위에 배치되어, 상기 발광부 및 상기 수광부를 감싸는 몰딩부를 포함하고,
상기 몸체는
상기 발광 영역과 상기 수광 영역 사이에 배치되어 상기 발광 영역과 상기 수광 영역 간의 광의 간섭을 차단하는 격벽;
상기 격벽과 함께 상기 발광 영역을 정의하는 제1 측벽; 및
상기 격벽과 함께 상기 수광 영역을 정의하는 제2 측벽을 포함하고,
상기 편광부는 상기 격벽과, 상기 제1 및 제2 측벽과 접하여 배치되고,
상기 몰딩부는 상기 격벽과 상기 제1 및 제2 측벽에 의해 정의되는 공간에 매립되어 배치된 광학 센서.
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제1 항에 있어서,
상기 광학 센서는
상기 발광부 및 상기 수광부가 실장된 기판; 및
상기 발광부와 상기 수광부가 각각 배치되는 발광 영역과 수광 영역을 정의하는 몸체를 포함하고,
상기 몸체는
상기 발광 영역과 상기 수광 영역 사이에 배치되어 상기 발광 영역과 상기 수광 영역 간의 광의 간섭을 차단하는 격벽;
상기 발광 영역에서 상기 광이 출사되는 출구를 갖는 발광 상판; 및
상기 수광 영역에서 상기 물체에서 반사된 광이 입사되는 입구를 갖는 수광 상판을 포함하고,
상기 편광부는 상기 보호 덮개와 상기 발광 상판 또는 상기 보호 덮개와 상기 수광 상판 사이 중 적어도 한 곳에 배치된 광학 센서.
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제1 항에 있어서, 상기 보호 덮개는 투광성 재질로서 투명 유리판을 포함하는 광학 센서.
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제1 항에 있어서, 상기 보호 덮개는 입사되는 광의 파장을 변환시키는 파장판을 포함하고,
상기 파장판은 4분 파장판 또는 2분 파장판 중 적어도 하나를 포함하는 광학 센서.
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제1 항에 있어서,
상기 제1 또는 제2 편광기 중 적어도 하나는 선형 편광기 또는 편광 빔 스플리터를 포함하는 광학 센서.
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