KR20160019112A - Modular optics for scanning engine - Google Patents
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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.The optoelectronic modules 130 and 148 include a beam radiator 104 that emits at least one light beam along a beam axis, and a photodiode that senses light received by the module along the light collecting axis of the photodetector parallel to the beam axis within the module (Not shown). The beam combining optical system 142, 150, 170 directs the beam and received light such that the beam axis is aligned with the light-collecting axis outside the module. The beam combining optical system includes a first surface 144, 160, 172 configured for at least internal reflection and a second surface 146, 151 including a beam splitter 158 intersecting both the beam axis and the condensing axis ≪ / RTI >
Description
본 발명은 일반적으로 광학 방사의 투사 및 포착을 위한 방법 및 디바이스에 관한 것으로서, 상세하게는 광학 스캐닝 디바이스에 관한 것이다.The present invention relates generally to methods and devices for the projection and capture of optical radiation, and more particularly to optical scanning devices.
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.Various methods are known in the art for creating a 3D profile of an object's surface by processing optical images of the object, i.e., for optical 3D mapping. This kind of 3D profile is also called 3D map, depth map or depth image, and 3D mapping is also called depth mapping. The terms "optical" and "light" in connection with the present patent application and in the claims refer to electromagnetic radiation in some or all of the visible, infrared and ultraviolet wavelength ranges.
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.U.S. Patent Application Publication No. 2011/0279648 describes a method for constructing a 3D representation of a subject, including capturing a 2D image of the subject with a camera. The method includes scanning a modulated illumination beam across an object to illuminate a plurality of target areas of the object one at a time, and modulating the modulation aspect of light from the reflected illumination beam from each of the target areas, The method comprising the steps of: A moving-mirror beam scanner is used to scan the illumination beam, and a photodetector is used to measure the modulation aspect. The method further comprises calculating a depth aspect based on the modulation aspect measured for each of the target areas, and associating the depth aspect with a corresponding pixel of the 2D image.
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.U.S. Patent No. 8,018,579 discloses a three-dimensional imaging and display system in which a user input is optically detected in an imaging volume by measuring the path length of the amplitude-modulated scanned beam as a function of its phase shift, . Visual visual user feedback on the detected user input is presented.
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.U.S. Patent No. 7,952,781 - the disclosure of which is incorporated herein by reference - describes a method of scanning a light beam and a method of manufacturing a microelectromechanical system (MEMS) that may be included in a scanning device.
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.United States Patent Application Publication No. 2012/0236379 describes a LADAR system using MEMS scanning. A scanning mirror includes a substrate that is patterned to include a mirror region, a frame around the mirror region, and a base around the frame. A set of actuators is operative to rotate the mirror area relative to the frame about a first axis and a second set of actuators rotates the frame relative to the base about a second axis. Scanning mirrors can be fabricated using semiconductor processing techniques. Actuators for the scanning mirror may utilize feedback loops that operate the mirrors for triangular motion. Some embodiments of the scanning mirror may be used in a LADAR system for the Natural User Interface of a computing system.
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.The "MiniFaros" consortium, led by SICK AG (Hamburg, Germany), is supporting research on new laser scanners for automotive applications. Additional details are available on the minifaros.eu website.
이하에 기술되는 본 발명의 실시 형태들은 광학 빔 송광 및 수광을 위한 개선된 장치들 및 방법들을 제공한다.Embodiments of the present invention described below provide improved apparatus and methods for optical beam transmission and reception.
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.Thus, in accordance with one embodiment of the present invention, there is provided an optoelectronic module, wherein the optoelectronic module comprises a beam transmitter configured to emit at least one light beam along a beam axis, And a light receiver configured to sense light received by the module along the axis of convergence of the receiver parallel to the axis. Beam-combining optics configured to direct the beam and the received light such that the beam axis is aligned with the light-collecting axis outside the module includes at least a first face configured for internal reflection, And a second surface including a beam splitter intersecting the first and second surfaces.
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.In some embodiments, the beam combining optical system includes a prism having a plurality of surfaces, wherein the beam axis is at an entrance angle and an exit angle near a minimum deviation angle, And escape from him. In the disclosed embodiment, the first and second surfaces are parallel to each other, and both the beam axis and the condensing axis pass through the second surface at different respective positions.
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.In the disclosed embodiment, the module comprises a micro-optical substrate, and the beam emitter comprises a laser die, while the receiver includes a detector die, And is mounted on the micro-optical substrate.
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.In some embodiments, the module includes a filter formed on one of the faces to block received light outside the emission band of the beam radiator. Additionally or alternatively, the beam splitter comprises a polarizing beam splitter coating on the second side. The beam combining optical system may include at least one lens configured to collimate at least one laser beam and to focus the received light onto a detector die.
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.In one embodiment, the plurality of planes include a third side, and the beam axis and the focusing axis exit the module through the third side at a location on the third side common to both the beam axis and the converging axis.
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.In the disclosed embodiment, the optical scanning head includes a scanning mirror configured to scan both the beam axis and the condenser axis at one time over the scan area and the module described above.
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.Further, according to an embodiment of the present invention, there is provided an optical method, wherein the optical method includes the step of emitting at least one light beam from the beam radiator in the optoelectronic module toward the scanner along the beam axis. The light is received from the scanner along a condensing axis parallel to the beam axis in the optoelectronic module. Using a beam combining optical system including a first surface configured for at least internal reflection and a second surface including a beam splitter intersecting both the beam axis and the condenser axis, And the beam and the received light are directed to and from the scanner.
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.In the disclosed embodiment, a method includes scanning a beam axis and a condensing axis both at once through a scan area using a scanner, wherein emitting at least one beam comprises emitting light pulses, Wherein the step of receiving light comprises measuring the time of flight of each of the pulses coming and going to objects in the scan region.
본 발명은, 도면들과 함께 살펴볼 때, 그의 실시 형태들의 이하의 상세한 설명으로부터 보다 완전히 이해될 것이다.BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS The invention will be more fully understood from the following detailed description of embodiments thereof, taken in conjunction with the drawings, in which: FIG.
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.BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS Fig. 1 is a schematic diagram of an optical scanning head according to an embodiment of the present invention; Fig.
Figures 2a and 2b are schematic side views of an optoelectronic module, according to another embodiment of the present invention.
Figure 3a is a schematic side view of an optoelectronic module, in accordance with an embodiment of the present invention.
Figure 3b is a schematic isometric view of the module of Figure 3a;
4 is a schematic side view of a prism, in accordance with an embodiment of the present invention;
5 is a schematic side view of a prism, according to another embodiment of the invention;
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.U.S. Patent Application No. 13 / 766,811 (published as US 2013/0206967 on Aug. 15, 2013) describes depth engines that generate 3D mapping data by measuring the flight time of a scanning beam. A light transmitter such as a laser directs short optical pulses toward the scanning mirror that scans the light beam over the scene of interest. A receiver such as a sensitive high-speed photodiode (e.g., avalanche photodiode) receives light returned from the scene via the same scanning mirror. The processing circuit measures the time delay between the emitted light pulse and the received light pulse at each point in the scan. This delay represents the distance traveled by the light beam and therefore the depth of the object at that point. The processing circuitry uses the extracted depth data to generate a 3D map of the scene.
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.Various possible configurations of the deep engine optics are described in U.S. Patent Application No. 13 / 766,811. Many disclosed embodiments use a single scanning mirror to transmit the beam output by the light emitter and to direct the returned light (typically by reflection) towards the receiver. Thus, the depth engine optical system includes a beam combining optical system for directing the output beam and the received light so that the beam axis of the output beam is aligned with the light-collecting axis of the received beam. A beam combining optical system typically includes a plurality of surfaces having functions of beam splitting, beam turning, and wavelength filtering, for example. In general, it is necessary to carefully align the optical surfaces with the illuminator, the receiver and the scanning mirror itself to ensure proper operation of the depth engine; Deviation of alignment during deep engine operation can lead to severe performance loss.
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.Embodiments of the present invention described below are based on optoelectronic modules and beam combining optics described in U.S. Patent Application No. 13 / 766,811 and add features that improve the ease of alignment and robustness of such modules. In these embodiments, the optoelectronic module includes a beam radiator that emits at least one laser beam along a beam axis, and a photodetector that senses light received by the module along the axis of condensation. The beam axis and the condensing axis are separate and parallel within the module. The beam combining optical system is configured such that, outside the module, the beam axis is aligned with the light-collecting axis outside the module (and thus the same scanning mirror can be used to scan both the beam axis and the condensing axis at a time over a given scan area) It directs both lights.
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.In the disclosed embodiments, the beam combining optical system includes an element (such as a prism) having a plurality of surfaces. One plane is configured for internal reflection so that the beam axis and the light collecting axis can be aligned by reflection of one of the axes in the element, as shown in the figures. The second side of the element includes a beam splitter that intersects both the beam axis and the condenser axis. The beam combining prism can be designed and arranged such that the beam axis enters and leaves the prism faces at an entrance angle and an exit angle near the minimum shift angle (defined below). This feature of the prism facilitates the alignment of the beams and improves the module's robustness against misalignment that may be present during use.
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.1 schematically illustrates elements of an
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.However, the principles of the present invention are not limited to scanners of this type. Rather, optoelectronic modules based on these principles and beam combining optics can be applied in other types of optical transmitter / receiver devices having a boresighted (or otherwise parallel) transmission axis and a receiver axis .
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.A
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.The optical pulses returned from the scene collide with the
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.2A and 2B are schematic side views of an
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.In
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.The emitted beam and received beam are separate in
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.The irradiation beam emitted by the laser die 104 is collimated by a
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.Because the
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.)The collimated beam output by the
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.Figures 3A and 3B are schematic illustrations of an
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.The
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.However, for various design reasons, such as compactness and manufacturability, the
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.4 is a schematic side view of a
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.To allow the
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.The design of the
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.The
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.5 is a schematic side view of
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.Alternative implementations of the principles described above will be apparent to those of ordinary skill in the art after reading this disclosure and are considered to be within the scope of the present invention. It will thus be appreciated that the embodiments described above are cited as examples and that the present invention is not limited to what has been shown and described in detail above. Rather, the scope of the present invention includes both combinations and subcombinations of the various features described above, as well as variations and modifications thereof, which are not described in the prior art, which will occur to those skilled in the art upon reading the above description .
Claims (20)
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 포함하는, 광전자 모듈.As an optoelectronic module,
A beam transmitter configured to emit at least one light beam along a beam axis;
The receiver configured to sense the light received by the module along a condensing axis of a receiver parallel to the beam axis within the module; And
And a beam splitter configured to direct the beam and the received light so that the beam axis is aligned with the light-collecting axis outside the module, wherein at least a first face configured for internal reflection, And beam splitting optics comprising a prism having a plurality of surfaces including a second surface including a beam splitter intersecting the beam splitter optics.
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 포함하는, 광학 방법.As an optical method,
Emitting at least one light beam from the beam radiator in the optoelectronic module towards the scanner along the beam axis;
Receiving the light from the scanner along a light-collecting axis parallel to the beam axis in the optoelectronic module; And
Using a beam combining optical system including a prism having a first surface configured for at least internal reflection and a second surface including a beam splitter intersecting both the beam axis and the condenser axis, And directing the beam and the received light to and from the scanner such that an axis is aligned with the light-collecting axis in the scanner.
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