KR20130070102A - 광센서용 광학 구조 - Google Patents

Abstract

본 발명은 광센서에 관한 것으로서, 좀더 상세하게는, 검지 대상 물체의 반사율에 따라 반응하는 민감도를 낮추고 물체 표면의 형태에 따라 반응하는 민감도를 높여 물체의 표면 상태를 정밀하게 검지할 수 있는 광센서의 광학적 구조에 관한 것이다.
상기 광센서는 발광부와 수광부를 포함하고, 상기 발광부는 발광소자 및 상기 발광소자 전방에 상기 발광소자의 광을 일정 영역으로 모아주기 위한 집광렌즈 및 발광부의 개구수를 제어하기 위한 구경조리개를 포함하고, 상기 수광부는 수광소자와 상기 수광소자 전방에 광학렌즈를 포함한다.

Description

광센서용 광학 구조{OPTICAL STRUCTURE FOR PHOTO SENSOR}

본 발명은 광센서에 관한 것으로서, 좀더 상세하게는, 검지 대상 물체의 반사율에 따라 반응하는 민감도를 낮추고 물체 표면의 형태에 따라 반응하는 민감도를 높여 물체의 표면 상태를 정밀하게 검지할 수 있는 광센서의 광학적 구조에 관한 것이다.

광센서는 사람의 눈에 해당하는 장비로서 인공적으로 광을 발하여 그 광이 물체에 부딪혀 반사되어 오는 것을 받아들여 그 물체의 정보를 얻어내는데 사용된다. 일반적으로 광센서는 적외선 발광 다이오드 같은 발광소자로 광을 방출하고 물체에 의해 반사된 광을 포토다이오드나 포토트랜지스터 같은 수광소자로 수신하여 수신된 신호로부터 물체의 거리, 유무 등을 확인하는 기능을 하고 있다.

난반사 물체에서 반사되어 광센서의 수광소자에 의해 수신되는 광은 그 세기가 매우 약하기 때문에, 광센서는 보통 증폭기를 사용하여 신호를 증폭한다. 그런데 증폭기의 구조는 전기적으로 매우 복잡하고 따라서 제품의 제조 가격을 상승시킨다. 더욱이, 종래의 광센서의 경우, 물체의 반사율에 반응하게 되는 구조를 가지고 있어 물체의 표면이 고르지 않은 경우 반응의 정도가 매우 낮기 때문에, 물체의 표면 상태를 정밀하게 검지하는데 어려움이 있다는 문제가 있다.

본 발명은 증폭기 같은 전기적 구조를 사용하지 않고 광학적 구조만으로 물체의 표면 상태를 매우 민감하게 검지할 수 있는 광센서를 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명의 또 다른 목적은 아주 작은 물체에 대해서도 표면 상태를 민감하게 검지할 수 있으며, 물체의 표면에서 정반사 성분과 난반사 성분을 정확하게 검지할 수 있는 광학적 구조를 설계하는 것이다.

본 발명은 물체의 표면 상태, 특히 물체의 표면에서 정반사 성분과 난반사 성분을 정밀하게 검지할 수 있는 광센서를 제공한다.

상기 광센서는 발광부와 수광부를 포함한다. 상기 발광부는 검지 대상 물체 쪽으로 광을 발하도록 의도된 구성이고, 상기 수광부는 상기 물체에 의해 반사된 광을 수신하여 전기 신호로 변환하는 구성이다.

본 발명에 있어서, 상기 발광부는 발광소자와 상기 발광소자 전방에 상기 발광소자의 광을 일정 영역으로 모아주기 위한 광학렌즈를 포함한다. 상기 수광부는 수광소자를 포함하고, 물체 표면에 의해 반사된 광을 수광소자 쪽으로 수렴시키기 위한 광학렌즈를 상기 수광소자 전방에 포함할 수 있다.

상기 발광부는 발광부 광학계의 개구수를 제어하기 위해, 바람직하게는 상기 발광소자 전방에, 좀더 바람직하게는 상기 발광소자와 상기 광학렌즈 사이에, 구경조리개를 포함한다.

상기 발광부와 수광부의 광학렌즈는 집광렌즈인 것이 바람직하다.

본 발명에 있어서, 기본적으로 발광부 광학계의 개구수는 상대적으로 크게 설정되고 수광부 광학계의 개구수는 상대적으로 작게 설정된다. 다만, 발광부 광학계는 상기 구경조리개에 의해 개구수가 수광부 광학계의 수준까지 제어될 수 있다.

상기 발광소자는 적외선 발광다이오드인 것이 바람직하고, 상기 수광소자는 포토다이오드나 포토트랜지스터인 것이 바람직하다. 이러한 광-전기 에너지 변환을 위한 반도체 광학소자는 본 발명이 속하는 기술분야에서 잘 알려진 것이므로 이에 대한 자세한 설명은 생략한다.

통상의 기술자에게 이해되는 바와 같이, 광센서에 의해 물체의 정반사 성분과 난반사 성분의 분리를 위해서는 상기 발광소자와 상기 수광소자의 광 축이 서로 평행하지 않고 어느 정도 각을 이루고 배치되는 것이 바람직하다. 그러나 발광소자와 수광소자가 이루는 각이 커질수록 정반사 성분과 난반사 성분을 분리하는데 유리하지만 광센서 패키지의 크기가 조밀하지 않고 커지게 된다는 문제가 있다. 따라서 본 발명은 광센서의 크기를 줄이면서도 굴절각을 크게 하기 위해, 상기 발광부는 상기 광학렌즈의 전방에 프리즘 광학계를 포함한다. 이러한 프리즘 광학계는 상기 광학렌즈와 일체형으로 형성될 수 있다. 추가적으로 또는 선택적으로, 상기 수광부는, 상기 발광부와 유사하게, 상기 광학렌즈 전방에 프리즘 광학계를, 바람직하게는 상기 광학렌즈와 일체형으로 포함하고, 발광부와 수광부가 모두 프리즘 광학계를 포함할 경우 광센서 패키지의 크기를 더욱 줄일 수 있다.

상기 광센서는 상기 수광부에 의해 수신되어 전기 신호로 출력되는 반사광에 의한 신호를 분석하기 위한 신호처리부를 더 포함한다. 신호처리부에 의한 수광부로부터의 전기 신호의 분석을 통해 물체 표면의 정반사 성분과 난반사 성분을 확인할 수 있다. 상기 신호처리부는 광센서와 별개로 제공되어 광센서와 통신하도록 구성될 수 있다.

본 발명의 일 측면에 있어서, 발광부와 수광부를 포함하는 광학 구조가 제공된다. 상기 광학 구조에서, 발광부 광학계의 개구수와 수광부 광학계의 개구수가 비대칭이고, 상기 발광부는 조리개 구조를 포함한다. 상기 발광부와 수광부는 각각 광학렌즈를 포함하고, 상기 광학렌즈 전방에 프리즘을 각각 포함할 수 있다. 상기 광학 구조의 추가적인 구성과 이점은 전술한 광센서에 대한 설명으로 갈음한다.

종래의 광센서의 경우 단순히 발광소자와 수광소자만을 이용하여 물체의 유/무만을 검지하는 역할을 하였으나, 본 발명의 광센서는 종래의 광센서의 기능에 덧붙여 물체의 표면 상태까지 확인할 수 있다.

더욱이, 본 발명의 광센서는 회로적인 도움이 아닌 순수한 광학적 구조로 광 신호를 증폭할 수 있으므로, 외란광 같은 외부 광에 대한 영향이 작고 단순한 구조로 인하여 비용적으로도 유리하다.

본 발명의 광센서는 특히 레이저 프린터나 복사기 같은 인쇄기기에서 토너 카트리지의 롤러에 뿌려지는, 난반사를 일으키는 토너의 유무를 민감하게 감지하는데 적용될 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 광센서 패키지를 나타낸다.
도 2는 물체의 표면에서 일반적인 반사 형태를 보여준다.
도 3은 도 1의 광센서 패키지에서 광학 구조를 분리하고 광센서로부터 나온 광의 광학적 경로를 도시한 것이다.
도 4은 광학적으로 난반사와 정반사를 구분하기 어려운 일반적인 비대칭 광학계의 구성을 나타낸 개략도이다.
도 5는 광학렌즈의 개구수(NA)에 대한 도식이다.
도 6은 정반사와 난반사를 잘 구분할 수 있는 대칭 광학계의 구성을 나타낸 개략도이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 광학계의 구성을 나타낸 개략도이다.

본 발명의 부가적인 양태, 특징 및 이점은 대표적인 실시예의 하기 설명을 포함하고, 그 설명은 수반하는 도면들과 함께 이해되어야 한다. 본 발명의 명확한 이해를 돕기 위해, 각 도면에서 일부 구성요소는 과장되거나 생략되거나 개략적으로 도시될 수 있다. 또한, 본 발명의 이점을 설명하기 위하여 종래 기술에 관한 사항도 여기서 함께 기술된다.

도 1을 참조하면, 본 발명의 바람직한 실시예에 따라 구현된 광센서의 광학 구조가 도시된다. 광센서는 발광부(10)와 수광부(20)가 서로 소정 각도를 이루고 바람직하게는 하나의 케이스 내부에 배치된다. 발광부(10)는 바람직하게는 적외선 발광다이오드 발광소자(11)를 포함하고, 수광부(20)는 바람직하게는 포토다이오드 또는 포토트랜지스터인 수광소자(21)를 포함한다. 발광소자(11)는 검지 대상이 되는 물체를 향해 적외선 같은 광을 발하고, 수광소자(21)는 상기 물체에 의해 반사된 광을 수신하여 전기적 신호로 변환한다.

본 발명에 있어서, 발광부(10)는 발광소자(11)의 전방으로 발광소자(11)로부터의 광을 일정 영역 내로 모아주기 위한, 바람직하게는 집광렌즈인, 발광렌즈(12)를 포함한다. 발광부(10)는 발광소자(11)와 발광렌즈(12) 사이에 발광부의 개구수를 일정 영역으로 제어하기 위한 홀 또는 구경조리개(13)를 포함한다. 상기 발광부는 또한 발광렌즈(12)의 전방으로 발광렌즈(12)와 일체로 또는 별개로 형성된 프리즘 광학계(14)를 포함한다.

수광부(20)는 물체에 반사된 광을 수광소자(21) 쪽으로 모아주기 위한 바람직하게는 집광렌즈인 수광렌즈(22)를 포함한다. 수광렌즈(22)의 전방에는 수광렌즈(22)와 일체로 또는 별개로 형성된 프리즘 광학계(24)가 제공된다.

도 2는 본 발명의 이해를 돕기 위해 제공되는 것으로서, 일반적인 물체의 표면에서 반사 패턴을 나타내는 도면이다. 거울과 같이 정반사되는 표면의 경우 광의 입사각과 반사각의 크기가 동일하지만 (즉, 좌측 도면에서 θ_i = θ_r), 물체의 표면이 고르지 못한 부분에서 난반사가 일어나는 경우 광은 우측 도면과 같이 무작위적인 방향성을 가지고 다양한 방향으로 반사되어 나간다. 이상적인 난반사 표면의 경우 코사인 법칙에 따라 반사된다.

도 3는 도 1의 광센서 패키지에서 패키지의 소형화를 위한 광학 구조를 분리하여 도시하고, 발광소자(11)로부터 나온 광이 물체에 반사되어 수광소자(21)로 들어오는 광학적 경로를 화살표로 도시한다. 최근 광센서에 있어서, 그 크기의 최소화와 경량화가 중요시되고 있다. 광센서의 크기를 줄이기 위해서는 발광소자(11)와 수광소자(21)가 서로에 대하여 최소한의 각도로 경사지게 배열되는 것이 유리하지만, 이 경우 물체의 표면에 의한 정반사와 난반사를 광센서에 의해 구분하는 것이 어려워진다. 왜냐하면, 발광소자와 수광소자 간의 경사각이 작아질수록 정반사에 의한 반사광의 손실이 커지는 반면 난반사에 의한 반사광은 큰 변화가 없어, 정반사에 의한 반사광과 난반사에 의한 반사광 간의 격차가 줄어들기 때문이다. 따라서 본 발명의 광학 구조는 광센서의 소형화를 위해 발광소자(11)와 수광소자(21) 간의 각을 작게 하면서도, 정반사 성분과 난반사 성분이 분리될 수 있을 정도로 광을 굴절시키기 위해, 발광소자(11)와 수광소자(12)의 전방에 각각 프리즘(14, 24)을 도 2에 도시된 바와 동일 또는 유사한 구조 즉, 프리즘의 두꺼운 부분이 축(X)을 향하도록 배치되게 포함한다. 이로 인해, 발광소자(11)로부터의 광(L1)과 수광소자로의 광(L4) 사이의 각보다, 프리즘(14)을 통과하여 물체 쪽으로 향하는 광(L2)과 물체에 반사되어 프리즘(24) 쪽으로 향하는 광(L3) 사이의 각을 더 크게 할 수 있다.

도 4는 광학적으로 난반사 성분과 정반사 성분을 잘 구분할 수 없는 일반적인 광학계의 구성을 나타낸 것이다. 이것은 발광부 광학계와 수광부 광학계의 개구수(NA)가 서로 비대칭인 경우이고, 이러한 비대칭 광학계의 경우 정반사 표면에서도 난반사 표면에서도 모두 손실이 발생하므로 두 표면 간의 출력적인 편차를 구분하기 어려워져, 결국 물체 표면의 형태에 따른 구분이 어렵게 된다. 광학렌즈에서 개구수(NA)는 렌즈가 받아들일 수 있는 각도로 이해될 수 있다. 따라서 개구수가 클수록 광 손실이 줄어들고 개구수가 작을수록 광 손실이 커진다. 도 5은 이러한 개구수에 대한 도식이며, 수식은 다음과 같다.

개구수(NA) = n x sin(μ) : 여기서 n은 매질의 굴절률이고, μ는 광선과 광축이 이루는 각의 최대값이다.

도 6에 도시된 광학계의 구조는 정반사와 난반사를 잘 구분할 수 있는 것으로 광학 구조로 고려될 수 있다. 이러한 구조의 경우, 물체 표면에 광을 입사시키는 발광부 광학계의 개구수와 물체 표면에 의해 반사된 광을 수광하는 수광부 광학계의 개구수가 대칭이므로 물체 표면의 상태에 따른 정보를 신호로써 잘 구분할 수 있다. 단, 개구수가 작은 대칭 광학계의 경우 (좌측 도면), 광 손실이 크므로, 즉, 집광시키는 경우에 비해 단위면적당 광량이 줄어들어 출력이 작아지므로, 작은 표면에 대한 검지가 곤란하다. 또한 개구수가 큰 대칭 광학계의 경우 (우측 도면), 광 손실은 적으나 양측 광학계가 한 점을 향해 고정되어 있어 표면의 거리 및 각도에 따라서 편차가 크게 발생할 수밖에 없으므로, 물체의 움직임에 대해서 너무 민감하여 오차가 크게 발생할 수 있다.

도 7은 본 발명에 따른 센서의 바람직한 광학적 구조를 나타낸다. 이 실시예에서 발광소자 광학계의 개구수는 발광 측의 손실을 줄이기 위해 크게 설계되고, 수광소자 광학계의 개구수는 물체의 움직임에 민감하지 않도록 하기 위해 작게 설계된다. 본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 발광소자 광학계의 개구수는 약 0.2 이하인 것이 바람직하고, 상기 수광소자 광학계의 개구수는 약 0.05 내지 약 0.0인 것이 바람직하다. 이러한 광학적 구조는 기본적으로 비대칭이기 때문에, 물체 표면에 대한 구분 능력이 도 4와 관련하여 설명한 바와 같이 떨어진다. 본 발명에 따라서, 이를 개선하기 위해, 발광 측에 구경조리개(13)를 설치하여, 바람직하게는 발광소자 광학계의 개구수를 약 0.1 내지 약 0.05의 범위로 제어함으로써, 수광소자에서 받아들일 수 없는 일부 광을 차단하여 물체의 표면에 대한 구분 능력을 향상시킬 수 있다. 즉, 발광 측에 집광할 수 있는 광학계를 설치하여 광량을 확보함과 아울러, 구경조리개를 설치하여 발광 측의 개구수를 줄임으로써 발광 측과 수광 측의 개구수 편차를 줄인 것이다. 이렇게 함으로써, 광량의 손실이 큰, 작은 개구수 대칭 광학계와 정반사와 난반사의 구분이 어려운 개구수 비대칭 광학계의 단점을 서로 보완할 수 있다. 본 발명에 따라 광 센서의 광학 구조를 설계할 경우 물체의 반응 영역을 매우 작게 할 수 있으므로, 약 1.2 mm 이하의 작은 물체 표면까지도 검지할 수 있다.

전술한 실시예는 당해 기술분야의 통상을 지식을 가진 자가 본 발명을 이해하고 용이하게 실시하기 위해 본 발명의 바람직한 실시 형태를 예시하기 위한 것이지, 본 발명을 제한하는 것으로서 해석되어서는 안 된다. 통상의 기술자는 본 발명의 사상과 목적 범위 내에서 다양한 변경과 수정이 가능함을 인식할 것이고, 본 발명은 특허청구범위에 기재된 청구항의 모든 범위에서 보호받을 권리가 있음이 이해되어야 할 것이다.

10: 발광부 11: 발광소자 12, 22: 광학렌즈 13: 구경조리개 14, 24: 프리즘 20: 수광부 21: 수광소자

Claims (8)

1. 물체의 표면 상태를 검지하기 위한 광센서에 있어서,
   상기 광센서는 발광부와 수광부를 포함하고,
   상기 발광부는 발광소자와, 상기 발광소자 전방에 상기 발광소자의 광을 일정 영역으로 모아주기 위한 광학렌즈 및 발광부의 개구수를 제어하기 위한 구경조리개를 포함하고,
   상기 수광부는 수광소자와 상기 수광소자 전방에 광학렌즈를 포함하는 것을 특징으로 하는 광센서.
2. 제1항에 있어서, 상기 발광부는 프리즘 광학계를 포함하는 것을 특징으로 하는 광센서.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 수광부는 프리즘 광학계를 포함하는 것을 특징을 하는 광센서.
4. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 광학렌즈는 집광렌즈인 것을 특징으로 하는 광센서.
5. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 발광부는 개구수가 0.05 내지 0.1이고 상기 수광부는 개구수가 0.05 이하인 것을 특징으로 하는 광센서.
6. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 수광부에 의해 수신된 신호를 분석하기 위한 신호처리부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 광센서.
7. 발광부와 수광부를 포함하는 광학 구조로서, 발광부 광학계의 개구수와 수광부 광학계의 개구수가 비대칭이고, 상기 발광부는 조리개 구조를 포함하는 것을 특징으로 하는 광학 구조.
8. 제7항에 있어서, 상기 발광부와 수광부는 광학렌즈 및 상기 광학렌즈 전방에 프리즘을 각각 포함하는 것을 특징으로 하는 광학 구조.

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