KR20090039208A - 거리 측정 센서 모듈 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 거리 측정 센서 모듈에 관한 것으로, 거리 측정을 위하여 대상물체로 적외선을 방출하는 적외선 LED와 방출되는 적외선을 평행광으로 형성하는 발광부 렌즈로 구성되는 발광부와, 대상물체로부터 반사된 적외선을 집광시키는 수광부 렌즈와 집광된 적외선을 통해 대상물체까지의 거리를 측정하는 PSD 센서로 구성되는 수광부를 포함하고, 발광부에서 방출되는 적외선의 광축과 수광부로 집광되는 적외선의 광축이 일정 각도를 유지하도록 발광부와 수광부가 배치된다. 본 발명에 따르면, 발광부 렌즈 또는 수광부 렌즈를 화각만큼 경사지도록 배치하거나, 발광부 렌즈와 수광부 렌즈가 배치된 경사의 합이 화각이 되도록 함으로써, 종래의 거리 측정 센서 모듈에 사용되는 발광부 또는 수광부 렌즈의 화각의 절반 정도의 화각을 통해 정밀도가 향상될 수 있는 거리 측정 센서 모듈을 제공할 수 있다.
발광부, 수광부, 화각, 적외선, PSD 센서

Description

거리 측정 센서 모듈{SENSOR MODULE FOR MEASURING DISTANCE}
본 발명은 거리 측정 센서 모듈에 관한 것으로, 특히 발광부 또는 수광부를 경사지게 배치하여 화각을 줄임으로써, 정밀도를 향상시킬 수 있는 거리 측정 센서 모듈에 관한 것이다.
센서는 인간의 감각 기관 구실을 하는 장치를 의미하는데, 그 중에서 시각에 해당하는 것이 광 센서이다. 이러한 이유로 광 센서를 시각 센서라고도 한다. 광 센서는 빛의 양, 대상물체의 모양이나 상태, 움직임 등을 감각하는데, 눈의 구실을 하는 것이 렌즈이다. 종래에는 자연의 빛을 감각하는 것이 주였으나, 현재는 인공적으로 큰 빛을 발하여, 그 빛이 대상물체에 부딪혀 반사되어 오는 것을 받아들여 대상물체까지의 거리나, 대상물체의 움직임, 빠르기 따위를 알아낼 수 있다.
광 센서는 투영된 빛의 강도에 따라 전기적 저항이 변화함으로써 반응한다. 만약 빛의 강도가 0이 된다면, 저항은 최대가 되고, 강도가 높을수록 저항은 낮아지고 결과적으로 전류가 높아지므로, 스위치를 지나는 전압은 떨어진다.
광 센서는 가시광선 범위에서 민감하고, 적외선 센서는 적외선 범위에서 민감하다. 적외선은 인간의 시각에서는 볼 수 없으므로 조사되는 빛에 의해서 인간에 게 해를 끼치지 않는다. 예를 들어, 항해의 목적으로 먼 거리를 측정하는 장치가 필요하면, 적외선 센서를 이용하여, 인간을 방해하거나 주위를 끌지 않고도 사용이 가능하다.
현재 이러한 광 센서가 적용되는 범위가 점점 확대되고 있다. 예를 들어, 카메라를 구비한 휴대 단말기에서는 광 센서 등을 구비하여 카메라 촬영 시, 대상물체까지의 거리를 측정함으로써, 초점 등을 자동으로 조절(AF; Auto Focusing)할 수 있다. 따라서, 이러한 광 센서의 사용에 있어서, 다양한 적용이 필요한 실정에 있고, 이러한 광 센서의 정밀도가 요구되고 있다.
따라서, 본 발명의 목적은 광 센서를 이용하여 거리 측정 정밀도가 향상될 수 있는 거리 측정 센서 모듈을 제공하는 데 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은 거리 측정 센서 모듈로서, 거리 측정을 위하여 대상물체로 적외선을 방출하는 적외선 LED와 상기 방출되는 적외선을 평행광으로 형성하는 발광부 렌즈로 구성되는 발광부와, 상기 대상물체로부터 반사된 적외선을 집광시키는 수광부 렌즈와 상기 집광된 적외선을 통해 상기 대상물체까지의 거리를 측정하는 PSD(Position Sensing Device) 센서로 구성되는 수광부를 포함하고, 상기 발광부에서 방출되는 적외선의 발광부 광축과 상기 수광부로 집광되는 적외선의 수광부 광축이 일정 각도를 유지하도록 상기 발광부와 수광부가 배치된다.
본 발명에 따르면, 발광부 렌즈 또는 수광부 렌즈를 화각만큼 경사지도록 배치하거나, 발광부 렌즈와 수광부 렌즈가 배치된 경사의 합이 화각이 되도록 함으로써, 종래의 거리 측정 센서 모듈에 사용되는 발광부 또는 수광부 렌즈의 화각의 절반 정도의 화각을 통해 정밀도가 향상될 수 있는 거리 측정 센서 모듈을 제공할 수 있다.
이하, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명하면 다음과 같다.
실시예를 설명함에 있어서 본 발명이 속하는 기술 분야에 익히 알려져 있고 본 발명과 직접적으로 관련이 없는 기술 내용에 대해서는 설명을 생략한다. 이는 불필요한 설명을 생략함으로써 본 발명의 요지를 흐리지 않고 더욱 명확히 전달하기 위함이다.
마찬가지 이유로 첨부 도면에 있어서 일부 구성요소는 과장되거나 생략되거나 개략적으로 도시되었다. 또한, 각 구성요소의 크기는 실제 크기를 전적으로 반영하는 것이 아니다.
도 1a는 일반적인 거리 측정 센서 모듈을 이용한 거리 측정 방법을 개략적으로 나타낸 도면이고, 도 1b는 도 1a의 거리 측정 센서 모듈을 확대하여 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 1a와 도 1b를 참조하면, 대상물체(170)까지의 거리 측정을 위한 일반적인 거리 측정 센서 모듈(100)은 발광부(110)와 수광부(150)로 구성된다. 발광부(110)는 발광부 렌즈(111)와 적외선 LED(115; LuminEscent Diode, Light Emitting Diode, 발광 다이오드)로 구성된다. 수광부(150)는 수광부 렌즈(151)와 PSD(Position Sensitive Device) 센서(155)로 구성된다.
일반적인 거리 측정 센서 모듈(100)은 발광부 렌즈(111)의 광축(113)과 수광 부 렌즈(151)의 광축(153)이 평행하도록 배치되는 발광부 렌즈(111)와 수광부 렌즈(151)로 구성된다. 이러한 구조로 인하여, 도 1b에 도시된 바와 같이, 수광부 렌즈(151)로 입사되는 적외선은 광축(153)의 왼쪽 주변부에 정렬된다. 즉, 수광부 렌즈(151)의 광축(153)은 입사되는 광의 중심부가 된다.
거리 측정 센서 모듈(100)은 적외선 LED(115)로부터 방출되는 적외선을 발광부 렌즈(111)를 통해 평행광으로 형성하여 대상물체(170)로 방출한다. 거리 측정 센서 모듈(100)은 대상물체(170)로부터 반사되어 오는 적외선을 수광부 렌즈(151)를 통해 PSD 센서(155)에 집광시키고, PSD 센서(155)를 통해 거리 측정 센서 모듈(100)과 대상물체(170) 사이의 거리를 측정한다.
화각은 렌즈를 통해 한 번에 볼 수 있는 각도로서, 화각이 클수록 광축을 중심으로 주변에 입사되는 주변부가 많아지고, 이로 인하여 광 성능이 떨어지며, 회절 한계가 저하되는 문제점이 있다. 여기서, 도 1a와 도 1b의 구조에 의한 수광부 렌즈(151)의 화각은 하기되는 수학식 1로 정의되는 값이다.
[수학식 1]
θ = tan-1 (D1 / D2)
여기서, D1은 도 1a에 도시된 바와 같이, 발광부의 광축(113)과 수광부의 광축(153) 간의 거리이고, D2는 발광부 렌즈(111) 또는 수광부 렌즈(151)로부터 상기 대상물까지의 최소 거리이다.
이하, 일반적인 거리 측정 센서 모듈의 광 특성에 대하여 설명한다. 도 2는 일반적인 거리 측정 센서 모듈의 MTF 곡선이다.
도 2는 화각이 θ인 수광부 렌즈(151)의 광 특성을 나타내는 MTF(Modulation Transfer Function) 곡선이다. MTF는 밀리미터당 사이클( CYCLES/MM)의 공간 주파수(SPATIAL FREQUENCY)에 의존하고, 광의 최대 강도(Max)와 최소 강도(Min) 사이에 하기되는 수학식 2로 정의되는 값이다.
[수학식 2]
MTF = (Max - Min) / (Max + Min)
즉, MTF가 1인 경우 가장 이상적이고, MTF 값이 감소할수록 해상도가 떨어진다.
도 2를 참조하면, 수광부 렌즈(151)의 광축(153) 부분에 대한 광 특성을 나타내는 0.0 필드(field)는 광 특성이 우수하지만, 광축(153)으로부터 최외각에 위치한 주변부인 1.0 필드는 광 특성이 떨어지는 것을 알 수 있다.
이하, 본 발명에 따른 거리 측정 센서 모듈에 대하여 설명한다. 본 실시예에 따른 거리 측정 센서 모듈에서 전술한 일반적인 거리 측정 센서 모듈과 동일한 또는 대응하는 구성요소에 대하여는 그 설명을 생략한다.
도 3a는 본 발명에 따른 거리 측정 센서 모듈을 이용한 거리 측정 방법을 개략적으로 나타낸 도면이고, 도 3b는 도 3a의 거리 측정 센서 모듈을 확대하여 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 3a와 도 3b를 참조하면, 본 실시예에 따른 거리 측정 센서 모듈(200)은 발광부(210)와 수광부(250)로 구성된다. 발광부(210)는 발광부 렌즈(211)와 적외선 LED(215)로 구성된다. 수광부(250)는 수광부 렌즈(251)와 PSD 센서(255)로 구성된다.
발광부(210)는 적외선 LED(215)로부터 방출되는 적외선을 발광부 렌즈(211)를 통해 평행광으로 만들어 대상물체(270)로 방출한다. 수광부(250)는 발광부(210)로부터 방출되어 대상물체(270)로부터 반사된 적외선을 수광부 렌즈(251)를 통해 PSD 센서(255)로 집광시키고, PSD 센서(255)는 거리 측정 센서 모듈(200)로부터 대상물체(270)까지의 거리를 측정한다.
적외선 LED(215)는 광원으로서, PSD 센서(255)가 좋은 감도를 가지고 정확한 위치를 검출할 수 있도록 하기 위해서 PSD 센서(255)의 중심 감지 파장과 적외선 LED(215)의 중심 발광 파장을 일치시키도록 광학 파라미터를 선정하는 것이 중요하다. 한편, 적외선 LED(215)의 파장은 밤과 낮의 광량의 변화 등 주위 환경의 변화에 둔감하고, 인간에게 해로운 영향을 주지 않도록 800㎚ 이상의 적외선 영역의 파장대를 사용하는 것이 바람직하다.
PSD 센서(255)는 P 층, N 층 및 I 층으로 구성되고, P 층의 양단에는 출력단이 구비된 구조를 가지며, P 층과 N 층은 균일한 저항층으로 형성된다. 광이 PSD 센서(255)의 단면의 한 부분에 입사하면, 균일한 저항층을 거친 후, 양 전극단자에서 각각 전류를 생성하게 된다. 이러한 방식으로 생성된 전류를 이용하여 광의 적절한 위치를 파악할 수 있다. 즉, PSD 센서(255)는 측정되는 위치 값이 상대적인 전류의 차이로 나타나기 때문에, 간단한 하드웨어적인 변환으로 위치 데이터의 획득이 가능하다.
적외선 LED(215)의 전방부인 광의 진행경로 상에는 발광부 렌즈(211)가 설치된다. 발광부 렌즈(211)는 비구면 플라스틱 렌즈로서, 대상물체(270) 쪽으로 볼록하고, 반대쪽은 오목한 형태를 갖는다. 발광부 렌즈(211)는 적외선 LED(215)로부터 방출되는 적외선을 평행광으로 형성한다.
PSD 센서(255)의 전방부인 광의 진행경로 상에는 수광부 렌즈(251)가 설치된다. 수광부 렌즈(251)는 비구면 플라스틱 렌즈로서, 대상물체(270) 쪽으로 볼록하고, 반대쪽은 오목한 형태를 갖는다. 수광부 렌즈(251)는 대상물체(270)로부터 반사되는 적외선을 집광시킨다.
본 실시예에 따른 거리 측정 센서 모듈(200)은 발광부 렌즈(211)의 광축(213)과 수광부 렌즈(251)의 광축(253)이 일정 각도를 유지하도록 발광부 렌즈(211)와 수광부 렌즈(251)가 배치된다. 전술한 일반적인 거리 측정 센서 모듈(100)에서는 발광부 렌즈(111)의 광축(113)과 수광부 렌즈(151)의 광축(153)이 평행하였던 것과는 달리, 본 실시예에 따른 거리 측정 센서 모듈(200)에서는 발광부 렌즈(211)의 광축(213)과 수광부 렌즈(251)의 광축(253)이 일정 각도, 즉 θ/2를 유지하게 된다. 이를 위하여, 발광부 렌즈(211)의 광축(213)과 수광부 렌즈(251)의 광축(253) 사이의 각도만큼 발광부 렌즈(211) 또는 수광부 렌즈(251)가 기울어져서 배치된다.
예를 들어, 도 3b에 도시된 바와 같이, 발광부 렌즈(211)는 적외선 LED(215)와 수평을 이루도록 배치되고, 수광부 렌즈(251)는 PSD 센서(255)와 θ/2의 각도를 이루도록 배치될 수 있다. 또는, 발광부 렌즈(211)는 적외선 LED(215)와 θ/2의 각 도를 이루도록 배치되고, 수광부 렌즈(251)는 PSD 센서(255)와 수평을 이루도록 배치될 수 있다. 또는, 발광부 렌즈(211)와 적외선 LED(215)가 이루는 각도 및 수광부 렌즈(251)와 PSD 센서(255)가 이루는 각도의 합이 θ/2가 되도록 배치될 수 있다. 즉, 발광부 렌즈(211)가 적외선 LED(215)와 θ/4의 각도를 이루도록 배치되고, 수광부 렌즈(251)는 PSD 센서(255)와 θ/4의 각도를 이루도록 배치될 수도 있다. 이하에서는 수광부 렌즈(251)가 경사지게 배치된 것을 예로 들어 설명한다.
본 실시예에 따른 거리 측정 센서 모듈(200)은 도 3b에 도시된 바와 같이, 적외선 LED(215)와 발광부의 광축(213)이 수직을 이루도록 배치되는 발광부 렌즈(211)와 PSD 센서(255)와의 각도가 θ/2를 이루도록 배치되는 수광부 렌즈(250)로 구성된다. 그리고 발광부(210)는 왼쪽에 배치되고, 수광부(250)는 오른쪽에 배치되는 구성이다. 이러한 구조로 인하여, 수광부 렌즈(251)로 입사되는 적외선은 수광부의 광축(253)의 왼쪽과 오른쪽에 정렬된다. 즉, 전술한 일반적인 거리 측정 센서 모듈(100)의 경우, 수광부 렌즈(151)로 입사되는 적외선이 수광부의 광축(153)의 왼쪽 주변부에 정렬되었던 것과는 달리, 본 실시예에 따른 거리 측정 센서 모듈(200)은 수광부 렌즈(251)의 광축(253)의 좌우측에 골고루 정렬된다. 이러한 경우, 전술한 수학식 1을 통해 수광부 렌즈(251)의 화각은 ±θ/2가 된다.
이와 같이, 발광부 렌즈(211)의 광축(213)과 수광부 렌즈(251)의 광축(253)이 θ/2가 되도록 수광부 렌즈(215)가 경사지게 배치되어, 수광부 렌즈(251)의 화각이 ±θ/2가 되므로, 거리 측정 센서 모듈(200)의 정밀도는 향상되게 된다.
이하, 본 실시예에 따른 거리 측정 센서 모듈이 구비된 단말에 대하여 설명 한다. 도 4는 본 발명에 따른 거리 측정 센서 모듈이 구비된 단말을 개략적으로 나타낸 블록도이다.
도 4를 참조하면, 단말은 오토 포커싱(Auto Foucing)부(401)를 포함하는 카메라(403), 영상 처리부(405) 및 제어부(407)로 구성된다. 도 4는 카메라(403)를 포함하는 단말을 예로 들어 설명하지만 이에 한정되는 것은 아니다. 즉, 오토 포커싱부(401), 영상 처리부(405), 제어부(407)를 포함하는 카메라에도 적용이 가능하다.
카메라(403)는 영상 신호를 촬영한다. 카메라(403)는 촬영된 광 신호를 전기적 신호로 변환하는 카메라 센서와 카메라 센서로부터 촬영되는 아날로그 영상 신호를 디지털 신호로 변환하는 신호 처리부를 구비한다. 카메라(403)는 본 실시예에 따라 오토 포커싱부(401)를 구비한다. 오토 포커싱부(401)는 카메라(403)가 자동으로 초점을 맞추는 것으로서, 대상물체가 멀리 떨어져 있는 경우 초음파를 발사해서 이것이 되돌아오는 시간을 계산해서 거리를 특정하는 방법, 비교적 거리가 멀지 아니한 경우 적외선을 발사해서 거리를 측정하는 방법, 대상물체의 휘도의 차이가 존재하는 부위에 그 휘도 차이를 극명하게 하여 거리를 측정하는 방법 등의 세 가지 방법이 있다.
본 실시예에 따른 오토 포커싱부(401)는 전술한 본 실시예에 따른 거리 측정 센서 모듈(200)이 구비된 것으로서, 적외선 LED(215)를 통해 방출된 적외선을 발광부 렌즈(211)를 통해 평행광으로 형성하여 대상물체(270)로 방출하고, 반사되어 있는 적외선을 수광부 렌즈(251)를 통해 PSD 센서(255)에 집광시켜, 거리 측정 센서 모듈(200)과 대상물체(270) 사이의 거리를 측정한다.
영상 처리부(405)는 카메라(403)에서 출력되는 영상 신호를 표시하기 위한 화면 데이터를 발생하는 기능을 수행한다. 영상 처리부(405)는 영상 코덱을 구비하고, 표시부에 표시되는 영상 데이터를 설정된 방식으로 압축하거나, 압축된 영상 데이터를 원래의 영상 데이터로 복원하는 기능을 수행한다.
제어부(407)는 단말의 각 구성 요소에 대한 전반적인 동작을 제어한다. 제어부(407)는 본 실시예에 따라 거리 측정 센서 모듈(200)을 구동시켜, 대상물체(270) 까지의 거리를 측정한다.
이하, 본 실시예에 따른 거리 측정 센서 모듈의 광 특성에 대하여 설명한다. 도 5는 본 실시예에 따른 거리 측정 센서 모듈의 MTF 곡선이다.
도 5는 화각이 θ/2인 수광부 렌즈(251)의 광 특성을 나타내는 MTF 곡선이다. 전술한 바와 같이, MTF가 1인 경우 가장 이상적이고, MTF 값이 감소할수록 해상도가 떨어진다. 따라서, 도 5에 도시된 바와 같이, 본 실시예에 따른 거리 측정 센서 모듈(200)의 수광부 렌즈(251)는 수광부의 광축(253) 부분뿐만이 아니라 주변부에서도 광 특성이 우수함을 알 수 있다.
한편, 본 발명에 따른 거리 측정 센서 모듈은 전술한 실시예에 한정되지 않고 본 발명의 기술적 중심 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양하게 변형 실시될 수 있다. 이는 본원발명이 속하는 기술 분야에 종사하는 자라면 쉽게 알 수 있을 것이다.
도 1a는 일반적인 거리 측정 센서 모듈을 이용한 거리 측정 방법을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 1b는 도 1a의 거리 측정 센서 모듈을 확대하여 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 2는 일반적인 거리 측정 센서 모듈의 MTF 곡선이다.
도 3a는 본 발명에 따른 거리 측정 센서 모듈을 이용한 거리 측정 방법을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 3b는 도 3a의 거리 측정 센서 모듈을 확대하여 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명에 따른 거리 측정 센서 모듈이 구비된 단말을 개략적으로 나타낸 블록도이다.
도 5는 본 발명에 따른 거리 측정 센서 모듈의 MTF 곡선이다.

Claims (7)

  1. 거리 측정을 위하여 대상물체로 적외선을 방출하는 적외선 LED와 상기 방출되는 적외선을 평행광으로 형성하는 발광부 렌즈로 구성되는 발광부와,
    상기 대상물체로부터 반사된 적외선을 집광시키는 수광부 렌즈와 상기 집광된 적외선을 통해 상기 대상물체까지의 거리를 측정하는 PSD(Position Sensing Device) 센서로 구성되는 수광부를 포함하고,
    상기 발광부에서 방출되는 적외선의 광축과 상기 수광부로 집광되는 적외선의 광축이 일정 각도를 유지하도록 상기 발광부와 수광부가 배치되는 것을 특징으로 하는 거리 측정 센서 모듈.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 발광부의 광축과 수광부의 광축이 이루는 각도인 화각은 ±θ/2이며,
    상기 θ는 tan-1(D1/D2)라는 식으로 정의되고,
    상기 D1은 상기 발광부의 광축과 수광부의 광축 간의 거리이고,
    상기 D2는 상기 발광부 렌즈 또는 수광부 렌즈로부터 상기 대상물체까지의 최소 거리인 것을 특징으로 하는 거리 측정 센서 모듈.
  3. 제2 항에 있어서,
    상기 화각만큼 상기 발광부 렌즈 또는 수광부 렌즈가 기울어진 것을 특징으로 하는 거리 측정 센서 모듈.
  4. 제3 항에 있어서,
    상기 발광부 렌즈는 상기 적외선 LED와 수평을 이루도록 배치되고,
    상기 수광부 렌즈는 상기 PSD 센서와 θ/2의 각도를 이루도록 배치되는 것을 특징으로 하는 거리 측정 센서 모듈.
  5. 제3 항에 있어서,
    상기 발광부 렌즈는 상기 적외선 LED와 θ/2의 각도를 이루도록 배치되고,
    상기 수광부 렌즈는 상기 PSD 센서와 수평을 이루도록 배치되는 것을 특징으로 하는 거리 측정 센서 모듈.
  6. 제3 항에 있어서,
    상기 발광부 렌즈와 상기 적외선 LED가 이루는 각도 및 상기 수광부 렌즈와 상기 PSD 센서가 이루는 각도의 합이 θ/2인 것을 특징으로 하는 거리 측정 센서 모듈.
  7. 제1 항에 있어서,
    상기 발광부 렌즈와 수광부 렌즈는 비구면 플라스틱 렌즈인 것을 특징으로 하는 거리 측정 센서 모듈.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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KR20140045631A (ko) * 2012-10-09 2014-04-17 주식회사 히타치엘지 데이터 스토리지 코리아 레이저 거리 측정기
KR101450156B1 (ko) * 2013-04-10 2014-10-13 주식회사 루멘스 동작 감지 센서의 광량 보정 장치 및 방법
KR20220036928A (ko) * 2015-10-06 2022-03-23 엘지이노텍 주식회사 연성기판

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