KR102585118B1

KR102585118B1 - 목표 지향적 발광 장치 및 광학 모듈

Info

Publication number: KR102585118B1
Application number: KR1020160010614A
Authority: KR
Inventors: 주양현; 이창혁
Original assignee: 엘지이노텍 주식회사
Priority date: 2016-01-28
Filing date: 2016-01-28
Publication date: 2023-10-05
Also published as: WO2017131405A1; US10690323B2; KR20170090123A; US20190032900A1

Abstract

실시 예는 목표 지향적 발광 장치에 관한 것으로서, 광을 방출하는 발광부; 상기 발광부에서 방출된 광을 포커싱(focusing)하는 집광부; 상기 집광부에서 집광된 광이 입사되고 상기 광의 지향방향을 조정하여 출사시키는 제1 광 조정부; 및 상기 집광부와 상기 제1 광 조정부 사이에 배치되어, 제1 광 조정부로 입사되는 광의 초점위치를 조절하는 제2 광 조정부를 포함한다.

Description

목표 지향적 발광 장치 및 광학 모듈{OBJECT DIRECTED EMITTING DEVICE AND OPTICAL MODULE}

실시 예는 목표 지향적 발광 장치 및 광학 모듈에 관한 것이다.

라이더(LIDAR, light detection and ranging)는 빛을 이용한 원격분석 기술로, 일반적으로 잘 알려진 레이더(RADAR, radio detection and ranging)와 작동원리가 유사하다.

레이더(RADAR)는 마이크로파 정도의 전자기파를 물체에 반사시켜 상기 물체에서 반사되는 전자기파를 수신하여 물체와의 거리, 방향, 고도 등을 알아내는 반면, 라이더(LIDAR)는 가시광선이나 적외선 영역 등의 빛을 이용하여 측정 대상물질의 거리 정보 및 물성 정보를 획득하기 때문에 보다 정밀한 거리 관측에 이용되고 있다.

최근에는 차량의 자율주행이나 무인 발렛을 위해 차량 주변의 사물을 3D로 스캔하여 감지하는데 라이더가 적용되고 있고, 특히 장거리에 있는 작은 사물들까지도 정확히 감지하도록 하기 위해서는 원하는 각도로 광을 조사하는 것이 필요하다.

실시 예는 사물에 조사되는 광의 발산각을 제어할 수 있는 목표 지향적 발광 장치 및 광학 모듈을 제공하고자 한다.

실시 예는 광을 방출하는 발광부; 상기 발광부에서 방출된 광을 포커싱(focusing)하는 집광부; 상기 집광부에서 집광된 광이 입사되고 상기 광의 지향방향을 조정하여 출사시키는 제1 광 조정부; 및 상기 집광부와 상기 제1 광 조정부 사이에 배치되어, 제1 광 조정부로 입사되는 광의 초점위치를 조절하는 제2 광 조정부를 포함하는 목표 지향적 발광 장치를 제공한다.

예를 들어, 상기 제1 광 조정부와 상기 제2 광 조정부가 상호 연동하여, 상기 제1 광 조정부로부터 출사되는 광의 발산각이 결정될 수 있다.

예를 들어, 상기 제2 광 조정부는 액체 렌즈, 액정 렌즈, 또는 폴리머 렌즈 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.

예를 들어, 상기 제2 광 조정부의 제1 면은 상기 집광부를 향하여 볼록한 형상을 가지고, 상기 제1 광 조정부를 향하여 오목한 형상을 가질 수 있다.

예를 들어, 상기 제1 광 조정부를 이동시키는 구동부를 더 포함할 수 있다.

예를 들어, 상기 제1 광 조정부는 2개 이상의 렌즈군을 포함할 수 있다.

예를 들어, 상기 제1 광 조정부로부터 출사되는 광을 입사하는 확대 렌즈를 더 포함할 수 있다.

다른 실시 예는 상술한 발광 장치를 포함하고, 광축 상에 순서대로 상기 발광부, 상기 집광부, 상기 제2 광 조정부 및 상기 제1 광 조정부가 배치되며, 상기 집광부는 상기 발광부로부터 출사된 광을 투과시키는 적어도 하나의 렌즈를 포함하는 광학모듈을 제공한다.

실시 예에 따른 목표 지향적 발광 장치 및 광학 모듈은 간단한 구조로 사물에 조사되는 광의 발산각을 제어하기 용이하게 해주고, 제작 비용을 절감시켜 줄 수 있다.

도 1a 내지 도 1c는 목표 지향적 발광 장치에서 광 조정부가 x축, y축, 또는 z축 방향으로 이동했을 때 발산각(divergence angle)의 크기를 나타낸 도면이다.
도 2와 도 3은 실시 예에 따른 목표 지향적 발광 장치를 나타내는 도면이다.

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 발명에 따른 실시 예의 설명에 있어서, 각 element의 " 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 element가 서로 직접(directly) 접촉되거나 하나 이상의 다른 element가 상기 두 element 사이에 배치되어(indirectly) 형성되는 것을 모두 포함한다. 또한 “상(위)" 또는 "하(아래)(on or under)”로 표현되는 경우 하나의 element를 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 1a 내지 도 1c는 목표 지향적 발광 장치에서 광 조정부가 x축, y축, 또는 z축 방향으로 이동했을 때 발산각(divergence angle)의 크기를 나타낸 도면이다.

목표 지향적 발광 장치는 발광부(10), 집광부(30), 광 조정부(40)를 포함할 수 있다. 상기 목표 지향적 발광장치는 콜리메이터(20) 및/또는 확대 렌즈(50)를 더 포함할 수 있다.

도 1a은 광 조정부(40)가 기준위치(예를 들어, 광축)상에 상기 광 조정부의 중심이 배치된 경우에 확대 렌즈(50)로부터 방출되는 광의 발산각이 0.5°인 실시 예를 나타낸 도면이다. 도 1b에 도시된 바와 같이, 도 1a의 위치에서 광 조정부(40)를 y축 방향으로 -1㎜ 이동시키면 발산각은 3.54°이 되어 발산각이 증가한다. 이 경우 도 1c에 도시된 바와 같이 광 조정부(40)를 z축 방향으로 -0.03㎜ 이동시키면 발산각은 다시 0.5°로 감소될 수 있다.

사물에 조사되는 광의 발산각을 조정하기 위해 광 조정부(40)를 3축(x축, y축, z축) 방향으로 구동하는 액츄에이터를 이용하여 사물에 조사하는 광의 지향 방향과 발산각(divergence angle)을 제어할 수 있다.

도 2와 도 3은 실시 예에 따른 목표 지향적 발광 장치를 나타내는 도면이다.

도 2와 도 3을 참조하면, 실시 예에 따른 목표 지향적 발광 장치는 발광부(100), 집광부(200), 제1 광 조정부(300) 및 제2 광 조정부(400)를 포함하며 확대렌즈(500)를 더 포함할 수 있다.

광을 방출하는 발광부(100)는 레이저 광을 방출할 수 있고, 적어도 하나의 광원을 포함할 수 있다.

적어도 하나의 광원(100)은 광을 방출하는 역할을 한다. 만일, 적어도 하나의 광원(100)으로부터 방출되는 광의 중심 파장이 2 ㎛보다 클 경우, 이는 원적외선 광이므로 광파 탐지 및 거리 측정에 적합하지 않을 수 있다. 또한, 적어도 하나의 광원(100)으로부터 방출되는 광의 파장이 0.2 ㎛보다 작을 경우, 광 전송부로부터 방출된 빔이 인체에 해로울 수 있을 뿐만 아니라 대상(object)(또는, 물체 또는 물질)을 향해 진행하는 동안 공기 중에서 이물질에 흡수되어 원거리에 위치한 대상까지 도달하기 어려울 수도 있다. 따라서, 적어도 하나의 광원(100)으로부터 방출되는 광의 중심 파장은 0.2 ㎛ 내지 2 ㎛일 수 있으나, 실시 예는 이에 국한되지 않는다.

여기서, 대상은 공중에 떠 있거나 지상에 놓여진 물체가 될 수도 있고, 공중에 부유하는 입자가 될 수도 있다. 실시 예는 특정한 대상의 종류에 국한되지 않는다.

또한, 적어도 하나의 광원(100)의 파장 분포는 1 ㎛ 이하일 수 있다.

또한, 적어도 하나의 광원(100)은 일정한 듀티 비율(duty rate)을 갖는 펄스 형태의 광원 소자일 수도 있다. 또한, 펄스의 온 타임(on time)은 1 ㎚ 이상일 수 있다. 또한, 펄스의 형태는 사각파, 삼각파, 톱니파, 사인파, 델타 함수, 사인 함수(sinc function)일 수 있다. 게다가, 펄스의 주기는 일정하거나 가변 가능하여 일정하지 않을 수 있다.

또한, 적어도 하나의 광원(100)은 1개 이상의 공간 모드를 갖는 광원 소자일 수도 있다. 이때, 공간 모드는 가우시안(Gaussian) 또는 램버시안(Lambertian) 공간 모드의 n차로 표현될 수 있으며, 여기서, n은 1 이상일 수 있다.

또한, 적어도 하나의 광원(100)은 선형 편광 혹은 원형 편광의 합으로 표현할 수 있는 광원 소자일 수도 있다. 이때, 편광 성분의 비는 하나의 편광 성분을 기준으로 1:A로 나타낼 수 있으며 A는 1 이하일 수 있다.

발광부는 하나의 광원(100)이 배치될 수 있지만 실시 예는 이에 국한되지 않는다. 다른 실시 예에 의하면, 광원(100)의 개수는 복수 개일 수 있다. 또한, 적어도 하나의 광원(100)이 복수 개의 광원을 포함할 경우 복수 개의 광원의 종류는 모두 동일할 수도 있고 서로 다를 수도 있다.

집광부(200)는 발광부(100)에서 방출된 광을 포커싱(focusing)해 줄 수 있다. 집광부(200)는 하나 또는 둘 이상의 광학부재 또는 렌즈로 구성될 수 있다. 1매의 단일렌즈로 구성되어 집광부를 이루는 경우 +power의 렌즈가 집광부가 될 수 있다. 복수 개의 광학부재 또는 렌즈가 집광부를 구성할 경우 평행광을 형성하는 콜리메이터(collimator) 파트와 포커싱 파트로 나누어 구성될 수 있다. 콜리메이터 파트에서 평행광을 만들어 준 뒤 포커싱 파트에서 집광을 수행할 수 있다.

집광부(200)에 배치되는 광학부재 또는 렌즈는 투과율이 높은 광 투광성 수지 재질로 이루어질 수 있고, 광원으로부터 입사된 광의 손실을 줄일 수 있는 재질로 형성될 수 있다. 예를 들어, 폴리카보네이트(polycarbonate), 아크릴(acryl) 또는 폴리메틸메타크릴레이트(polymethylmethacrylate, PMMA) 중 적어도 하나를 포함할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.

그리고, 집광부(200)에서 방출된 광을 굴절시켜 집광한 뒤 제1 광 조절부 또는 제2 광 조정부로 광을 전달할 수 있다. 앞서 설명하였듯이 제2 광 조절부가 없이 제1 광 조절부의 3축(예를 들어 x축, y축, z축)구동으로 광의 지향방향과 발산각을 조절하는 경우 집광부에서 제2 광 조절부를 거치지 않고 제1 광 조절부로 광이 전달될 수 있다.

제1 광 조정부(300)는 제1 방향 및/또는 제2 방향으로 구동할 수 있다. 일례로 x축과 y축 구동을 할 수 있으며 따라서 x축과 y축이 이루는 평면상의 좌표상에서 구동할 수 있다. 2축구동을 함으로 인해 광의 지향방향을 조절할 수 있다. 또한, 상기 제1 광 조정부(300)는 3축구동(예를 들어 x축, y축, z축)을 할 수 있으며 3축구동은 앞서 설명한 2축구동 평면에 수직한 방향의 움직임을 추가로 구동하는 것이다. 이를 통해, 3차원 공간의 구동을 할 수 있으며 2축구동을 통해 지향방향을 조절하고 추가로 별도의 축 구동을 통해 발산각을 조절할 수가 있다.

또한, 제1 광 조정부(300)는 액체렌즈, tunable lens 등으로 구성될 수 있다. 상기 제1 광 조절부가 일반 플라스틱 렌즈 또는 글래스 렌즈로 구성되는 경우에는 상기한 축구동으로 초점 거리(focal length)를 조절할 수 있지만, 상기 제 1광 조정부가 상기 액체렌즈 또는 tunable lens 등으로 구성되는 경우에는 축 구동을 하지 않고 초점 거리(focal length) 조절이 가능하므로 축 구동이 필요없다.

제1 광 조정부(300)의 3축구동으로 광의 지향방향과 광의 발산각을 조절할 수 있지만 액츄에이터 구성 및 구동의 복잡해지는 등의 어려움이 있다. 따라서, 2축 구동하는 제1 광 조정부(300)와 별도로 광의 발산각을 조절할 수 있는 제2 광조정부를 배치하여 효율적으로 발산각을 조절할 수 있다.

실시 예에 따른 목표 지향적 발광 장치는 제1 광 조정부(300)를 제1 및 제2 방향으로 이동시키는 구동부(미도시)를 더 포함할 수 있다.

그리고, 제2 광 조정부(400)가 집광부(200)와 제1 광 조정부(300) 사이에 배치될 수 있다.

여기서, 제1, 제2 및 제3 방향은 서로 교차할 수 있다. 예를 들어, 제1 방향은 x축 방향일 수 있고, 제2 방향은 y축 방향일 수 있으며, 제3 방향은 z축 방향일 수 있다.

물체 등의 목표물에 광을 조사하여 목표물을 감지하기 위해, 목표물까지의 거리와 목표물의 크기를 고려하여 원하는 발산각의 크기를 결정할 수 있다.

목표물의 크기가 크고 목표물간의 거리가 멀 경우 발산각의 크기를 키울 수 있으며 반대로 목표물의 크기가 작고 목표물간의 거리가 가까울 경우 발산각의 크기를 줄일 필요가 있다.

실시 예에 따르면, 제1 광 조정부(300)와 제2 광 조정부(400)가 상호 연동하여, 제1 광 조정부(300) 또는 확산부(확산렌즈)로부터 출사되는 광의 발산각이 조절 또는 결정될 수 있다.

예를 들어, 실시 예에 따른 목표 지향적 발광 장치는 30m 거리에 있는 폭 또는 높이가 10㎝인 목표물을 감지하기 위해서 발산각이 0.5°이내로 유지될 필요가 있다.

제1 광 조정부(300)를 x축이나 y축 중 적어도 한 방향으로 구동부에 의해 이동시킬 수 있고, 제1 광 조정부(300)의 이동에 따라 제2 광 조정부(400)가 상호 연동하여 제2 광 조정부(400)의 초점거리가 변화되면서 제1 광 조정부(300)로부터 출사되는 광의 발산각의 크기가 제어될 수 있다. 즉, 제1 광 조정부가 구동됨으로 인해 광의 발산각의 변화가 발생하게 되는데 이러한 변화를 제2 광 조정부를 통해 보정/보완 할 수 있다.

구동부는 제2 광 조정부(400)의 초점길이가 10㎜보다 작아지도록 제1 및 제2 광 조정부(300, 400)를 상호 연동시켜 발산각을 감소시키고, 제2 광 조정부(400)의 초점길이가 11㎜보다 커지도록 제1 및 제2 광 조정부(300, 400)를 상호 연동시켜 발산각을 증가시킬 수 있다.

제1 광 조정부가(300)가 x축 방향이나 y축 방향 중 적어도 한 방향으로 이동되면 이와 상호 연동되어 제2 광 조정부(400)의 초점거리가 변화될 수 있고, 제1 광 조정부(300)로부터 출사되는 광의 발산각의 크기가 제어될 수 있다.

제2 광 조정부(400)는 플라스틱 렌즈, 글래스 렌즈, 액체 렌즈, 액정 렌즈, 또는 폴리머 렌즈 중 적어도 하나를 포함할 수 있으나, 외부 신호 변화에 의해 렌즈의 초점 거리(focal length)를 변화시킬 수 있는 렌즈라면 이에 한정하지 않는다.

실시 예에서, 제2 광 조정부(400)의 렌즈로 구비되는 액체 렌즈는 전압 변화를 통해 액체와 액체 사이의 곡률을 변형시키고 이에 따라, 제2 광 조정부를 통과한 광의 초점 길이를 제어할 수 있다. 예를 들어, 액체 렌즈는 실린더의 내부에 굴절율이 서로 다르고 섞이지 않는 액체 두 종류를 채우고, 실린더의 상/하부를 투명한 판으로 된 제1 플레이트/제2 플레이트로 밀봉하여 렌즈의 역할을 하도록 만들 수 있다.

상기 두 종류의 액체 중 한 종류는 절연성, 무극성을 나타내는 오일(Oil)류이고, 다른 한 종류는 전기가 통하는 전해질 물질이 용해된 수용액을 이용하며, 중력의 영향을 받지 않기 위해 밀도가 동일한 액체를 사용할 수 있다.

실린더는 전극으로 코팅되어 있으며, 전극의 외부에는 절연체가 코팅되어 있어서 실린더 내부에 저장된 액체에 전류가 흐르는 것을 방지할 수 있다.

실린더에 전극을 배선하고 전도성 수용액의 판 쪽에는 실린더에 배선된 전극과 반대 극성의 전극을 설치한 후, 실린더에 배선된 전극과 반대 극성의 전극 사이에 전압 인가 장치를 연결하면 전체적으로 하나의 축전기와 같은 구조가 된다.

실린더 내부에 저장된 액체에 전압을 가하는 경우, 전도성 수용액의 표면 장력이 변화하여 두 액체 사이의 곡률이 변화하므로 빛을 굴절시켜 렌즈의 역할을 하게 된다.

제2 광 조정부(400)의 렌즈로 구비되는 액정 렌즈는 렌즈를 구성하는 물질과 공기와의 굴절률 차이를 이용하여 입사광의 경로를 위치별로 제어할 수 있다. 그리고, 액정층에 위치별로 서로 다른 전압을 인가하여 위치별로 서로 다른 전기장에 의하여 액정층이 구동되도록 하면, 액정층에 입사하는 입사광은 위치별로 서로 다른 위상 변화를 느끼게 되고, 그 결과 액정층은 실제 렌즈와 같이 입사광의 경로를 제어할 수 있게 된다.

제2 광 조정부(400)의 제1 면은 집광부(200)를 향하여 볼록한 형상을 가지고, 제1 광 조정부(300)를 향하여 오목한 형상을 가질 수 있다.

제1 광 조정부(300)는 2개 이상의 렌즈군을 포함할 수 있다.

렌즈군은 제1 렌즈(310), 제2 렌즈(320) 및 제3 렌즈(330)를 포함할 수 있다.

제1 광 조정부(300)로부터 출사되는 광이 입사되어 출사각을 확대시키는 확대 렌즈(500)를 더 포함할 수 있다.

확대 렌즈(500)는 확대 렌즈(500)로 입사된 광이 출사되는 화각을 결정해 줄 수 있다. 실시 예에서, 135°내지 145°의 화각을 구현할 수 있는 렌즈가 구비될 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.

100: 발광부 200: 집광부
300: 제1 광 조정부 400: 제2 광 조정부
500: 확대 렌즈

Claims

광을 방출하는 발광부;
상기 발광부에서 방출된 광을 포커싱(focusing)하는 집광부;
상기 집광부에서 집광된 광이 입사되고 상기 광의 지향방향을 조정하여 출사시키는 제1 광 조정부;
상기 집광부와 상기 제1 광 조정부 사이에 배치되어, 제1 광 조정부로 입사되는 광의 초점위치를 조절하는 제2 광 조정부; 및
상기 제1 광 조정부로부터 출사되는 광을 입사하는 확대 렌즈; 및
상기 제1 광 조정부를 x축과 y축 및 z축 방향으로 구동하는 액츄에이터를 포함하고,
상기 제1 광 조정부는 제1 렌즈 내지 제3 렌즈를 포함하고,
상기 제1 렌즈 내지 제3 렌즈와 상기 제2 광 조정부는 상기 집광부에서 포커싱된 광의 광축과 나란하게 배치되고,
상기 집광부는 평행광을 형성하는 콜리메이터(collimator) 파트와 포커싱 파트로 이루어지는 목표 지향적 발광 장치.
제1 항에 있어서,
상기 제1 광 조정부와 상기 제2 광 조정부가 상호 연동하여, 상기 제1 광 조정부로부터 출사되는 광의 발산각이 결정되는 목표 지향적 발광 장치.
제1 항에 있어서,
상기 제2 광 조정부는 액체 렌즈, 액정 렌즈, 또는 폴리머 렌즈 중 적어도 하나를 포함하는 목표 지향적 발광 장치.
제1 항에 있어서,
상기 제2 광 조정부의 제1 면은 상기 집광부를 향하여 볼록한 형상을 가지고, 상기 제1 광 조정부를 향하여 오목한 형상을 가지는 목표 지향적 발광 장치.
제1 항에 있어서,
상기 발광부는 적어도 하나의 광원을 포함하고, 상기 적어도 하나의 광원으로부터 방출되는 광의 중심 파장은 0.2 내지 2 마이크로 미터이고,
상기 제1 광 조정부를 이동시키는 구동부를 더 포함하는 목표 지향적 발광 장치.
삭제
삭제
제1 항 내지 제5 항 중 어느 한 항에 기재된 상기 발광 장치를 포함하고,
상기 발광 장치는 광축 상에 순서대로 상기 발광부, 상기 집광부, 상기 제2 광 조정부, 상기 제1 광 조정부 및 상기 확대 렌즈가 배치되며,
상기 집광부는 상기 발광부로부터 출사된 광을 투과시키는 적어도 하나의 렌즈를 포함하는 광학모듈.