KR20180036936A - 거리 측정 센서 조립체 - Google Patents

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이승수
최용선
이민종
임원규
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크루셜텍 (주)
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Abstract

본 발명의 일실시예는 발광부와 수광부가 제1길이만큼 이웃하여 배치된 TOF(Time Of Flight) 측정 방식의 센서 모듈과, 상기 발광부와 얼라인을 이루도록 발광부 상부에 배치되는 제1 렌즈와, 상기 제1길이보다 더 긴 제2길이만큼 상기 센서 모듈의 수광부와 이격된 위치에 반사광을 수신하는 수신부를 포함하는 하우징과, 상기 수신부 하부에 형성되며 광을 집속시키지 않도록 형성된 제2 렌즈가 결합된 광도파로부를 포함하고, 상기 광도파로부는, 상기 제2 렌즈로부터 전달된 광을 상기 센서 모듈의 수광부 방향으로 수평 전달하는 제1 반사부와, 상기 제1 반사부로부터 전달된 광을 상기 센서 모듈의 수광부 방향으로 수직 전달하는 제2 반사부를 포함하고, 상기 제1 반사부는 상기 제2 렌즈로부터 전달된 광을 상기 제2 반사부에 집속시킬 수 있도록 곡면으로 형성된 것인 거리 측정센서 조립체를 제공한다.

Description

거리 측정 센서 조립체{DISTANCE MEASURING SENSOR ASSEMBLY}
본 발명은 거리 측정 센서 조립체에 관한 것으로, 보다 상세하게는 거리 측정의 정확성을 높인 TOF 측정법이 이용된 거리 측정 센서 조립체에 관한 것이다.
거리 측정 센서는 2지점 간의 거리를 측정하는 기기이다.
이러한 거리 측정 센서는 초음파를 이용하여 거리를 측정하는 초음파식 거리 측정 센서와 광원을 이용하여 거리를 측정하는 광학식 거리 측정 센서가 있다.
먼저, 초음파식 거리 측정 센서는 대상물을 향해 초음파를 송신한 후, 대상물로부터 반사되는 반사파의 수신을 통해 대상물의 거리를 측정하게 된다. 그러나 이러한 초음파식 거리 측정 센서는 대상물이 스펀지나 스치로폼 같은 흡음재로 이루어진 경우, 대상물에 대한 거리 측정이 이루어지지 못하는 문제가 있다.
다음으로 광학식 거리 측정 센서는 적외선 또는 자연광 등의 다양한 광원을 이용하여 2지점 간의 거리를 측정하게 된다.
이러한 광학식 거리 측정 센서는 측정 방법에 따라 크게 2가지로 나뉠 수 있다. 구체적으로, 대상물의 거리 변화에 따른 초점거리의 이동을 계산하여 거리를 측정하는 삼각 측정법과 대상물을 향해 광을 조사한 후 반사되어 돌아오는 시간을 계산하여 거리를 측정하는 TOF(Time Of Flight) 측정법이 있다.
도 1은 종래의 삼각 측정법이 이용된 광학식 거리 측정 센서를 보여주는 예시도이다.
도 1을 참고하면, 삼각 측정법이 이용된 광학식 거리 측정 센서(10)는 발광부(11), 제1 렌즈(12), 제2 렌즈(13) 및 수광부(14)를 포함한다.
발광부(11)는 대상물(T)을 향해 광을 조사하도록 이루어진다. 이러한 발광부(11)로부터 조사되는 광은 제1 렌즈(12)를 투과한 후, 대상물(T)로 조사된다.
수광부(14)는 대상물(T)로부터 반사되어 되돌아오는 광을 받아들이도록 이루어진다. 이때, 제2 렌즈(13)는 대상물(T)로부터 반사되는 광을 수광부(14)로 안내하게 된다.
여기서 발광부(11)와 대상물(T) 간에 거리 변동이 이루어지면, 제2 렌즈(13)로 안내되는 광의 경로는 달라지게 되고, 그에 따른 초점거리가 이동하게 된다. 이와 같이, 광학식 거리 측정 센서(10)는 초점거리의 이동을 계산하여 대상물(T)의 거리를 측정한다.
그러나 이러한 삼각 측정법이 이용된 광학식 거리 측정 센서(10)는 광학 시스템의 구조가 복잡하고, 외란광에 취약한 문제가 있다.
도 2는 종래의 TOF 측정법이 이용된 광학식 거리 측정 센서를 보여주는 예시도이다.
도 2를 참고하면, TOF 측정법이 이용된 광학식 거리 측정 센서(20)는 발광부(21)와 수광부(22)를 포함한다. 이러한 광학식 거리 측정 센서(20)는 발광부(21)로부터 조사된 광이 대상물(T)로부터 반사되어 수광부(22)로 안내되는 시간을 계산하여 대상물(T)의 거리를 측정하게 된다.
이와 같은, TOF 측정법이 이용된 광학식 거리 측정 센서(20)는 소형화가 가능하여 로봇 청소기, 냉장고 등의 다양한 전자기기에 적용 가능하다.
그러나 TOF 측정법이 이용된 광학식 거리 측정 센서(20)는 발광부(21)와 수광부(22)가 이웃하게 배치된 구조로, 거리 측정시 오류가 자주 발생되는 문제가 있다.
예를 들어, 로봇 청소기에 광학식 거리 측정 센서(20)가 장착된 경우, 발광부(21)로부터 조사된 광은 광학식 거리 측정 센서(20)를 외부로부터 보호하는 투시창(미도시)을 투과한 후 대상물(T)로 조사된다. 그러나 발광부(21)와 이웃하게 배치된 수광부(22)는 대상물(T)로부터 반사된 광이 아닌 투시창으로부터 반사되는 광을 받아들이게 되어 대상물의 거리 측정시 오류가 발생되는 문제가 있다. 따라서, 대상물(T)에 대한 정확한 거리 측정이 이루어지지 못하는 문제가 있다.
상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 기술적 과제는, 거리 측정의 정확성을 높인 TOF 측정법이 이용된 거리 측정 센서 조립체를 제공하는 것이다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명의 일실시예는 발광부와 수광부가 제1길이만큼 이웃하여 배치된 TOF(Time Of Flight) 측정 방식의 센서 모듈과, 상기 발광부와 얼라인을 이루도록 발광부 상부에 배치되는 제1 렌즈와, 상기 제1길이보다 더 긴 제2길이만큼 상기 센서 모듈의 수광부와 이격된 위치에 반사광을 수신하는 수신부를 포함하는 하우징과, 상기 수신부 하부에 형성되며 광을 집속시키지 않도록 형성된 제2 렌즈가 결합된 광도파로부를 포함하고, 상기 광도파로부는, 상기 제2 렌즈로부터 전달된 광을 상기 센서 모듈의 수광부 방향으로 수평 전달하는 제1 반사부와, 상기 제1 반사부로부터 전달된 광을 상기 센서 모듈의 수광부 방향으로 수직 전달하는 제2 반사부를 포함하고, 상기 제1 반사부는 상기 제2 렌즈로부터 전달된 광을 상기 제2 반사부에 집속시킬 수 있도록 곡면으로 형성된 것인 거리 측정센서 조립체를 제공한다.
본 발명의 일실시예에 있어서, 상기 제1 반사부는 상기 제2 렌즈의 하측에 형성되고, 상기 제2 반사부는 상기 제1 반사부와 마주보도록 이루어지며, 상기 수광부는 상기 제2 반사부의 하측에 구비될 수 있다.
본 발명의 일실시예에 있어서, 상기 제2 반사부는 상기 제1 반사부로부터 전달된 광을 상기 수광부에 집속시킬 수 있도록 곡면으로 형성될 수 있다.
본 발명의 일실시예에 있어서, 상기 발광부가 대상물을 향해 광을 조사한 시간과 상기 수광부가 상기 대상물로부터 반사되는 광을 수광한 시간 정보를 통해 상기 센서 모듈로부터 상기 대상물까지의 거리를 측정할 수 있다.
본 발명의 일실시예에 있어서, 상기 제2 렌즈의 상면은 상기 제1 렌즈 방향으로 갈수록 상방으로 경사를 이룰 수 있다.
본 발명의 일실시예에 있어서, 상기 제1 렌즈 및 제2 렌즈 중 적어도 하나 이상은 특정 파장의 광만을 투과시키도록 이루어질 수 있다.
본 발명의 일실시예에 있어서, 상기 제1 반사부로부터 상기 제2 반사부까지의 거리와 상기 제2 반사부로부터 상기 수광부까지의 거리는 하기의 식(1) 및 식(2)의 관계에 있을 수 있다. 0.8×f1 ≤ d1+d2 ≤ 1.2×f1 … 식(1), 0.8×f2 ≤ d2 ≤ 1.2×f2 … 식(2) [ 제1 반사부의 초점거리는 f1, 제 2 반사부의 초점거리는 f2, 제1 반사부로부터 제2 반사부까지의 거리는 d1, 제2 반사부로부터 수광부까지의 거리는 d2 ]
본 발명의 일실시예에 있어서, 상기 광도파로부는 상기 제1 반사부로부터 상기 제2 반사부로 갈수록 폭이 좁아질 수 있다.
본 발명의 일실시예는 거리 측정 센서 조립체; 및 상기 거리 측정 센서 조립체를 외부로부터 보호하기 위한 투시창을 포함하며, 상기 투시창으로부터 반사되는 광은 상기 수신부로 안내되지 않고 상기 하우징에 도달하는 것인 전자기기를 제공한다.
상기에서 설명한 본 발명에 따른 거리 측정 센서 조립체의 효과를 설명하면 다음과 같다.
본 발명에 따르면, 수신부는 제1 렌즈로부터 미리 정해진 거리로 이격되어, 제1 렌즈로부터 미리 정해진 거리 범위 내에 존재하는 물체로부터 반사되는 광이 수신부로 안내되는 것을 방지하게 된다.
예로, 거리 측정 센서 조립체가 로봇 청소기에 장착된 경우, 거리 측정 센서 조립체는 수신부와 제1 렌즈가 미리 정해진 간격으로 이격 배치됨에 따라 투시창으로부터 반사되는 광이 수신부로 안내되는 것을 방지하게 된다. 따라서, 거리 측정 센서 조립체는 대상물에 대한 정확한 거리 측정이 이루어질 수 있다.
본 발명에 따르면, 제2 렌즈와 광도파로부는 수신부로 유입된 광을 집속하여 수광부로 전달하도록 이루어진다. 즉, 제2 렌즈와 광도파로부는 수신부로 유입된 광의 초점이 수광부에 형성되도록 수신부로 유입된 광을 집속하게 된다. 따라서, 거리 측정 센서 조립체는 대상물에 대한 정확한 거리 측정이 이루어질 수 있다. 여기서 광도파로부에는 제1 반사부와 제2 반사부가 구비되어 수신부로 유입된 광은 수광부에 효과적으로 집속될 수 있다.
또한, 제1 반사부와 제2 반사부가 구비된 광도파로부는 전반사가 가능하도록 이루어져, 수신부로 유입된 광은 광 손실이 최소화된 상태로 수광부로 전달될 수 있다. 그리고 광도파로부는 제1 반사부를 기준으로 제2 반사부로 갈수록 폭이 좁아지도록 이루어져 수광부로 전달되는 광의 집속 효율을 높일 수 있다. 따라서, 거리 측정 센서 조립체는 대상물에 대한 정확한 거리 측정이 이루어질 수 있다.
본 발명의 효과는 상기한 효과로 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 상세한 설명 또는 특허청구범위에 기재된 발명의 구성으로부터 추론가능한 모든 효과를 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
도 1은 종래의 삼각 측정법이 이용된 광학식 거리 측정 센서를 보여주는 예시도이다.
도 2는 종래의 TOF 측정법이 이용된 광학식 거리 측정 센서를 보여주는 예시도이다.
도 3은 본 발명의 제1 실시예에 따른 거리 측정 센서 조립체의 사시도이다.
도 4는 본 발명의 제1 실시예에 따른 거리 측정 센서 조립체의 개략적인 예시도이다.
도 5는 본 발명의 제1 실시예에 따른 광도파로부를 상부에서 바라본 예시도이다.
도 6은 본 발명의 제1 실시예에 따른 거리 측정 센서 조립체의 작동 상태도이다.
도 7은 본 발명의 제2 실시예에 따른 거리 측정 센서 조립체의 작동 상태도이다.
도 8은 본 발명의 제3 실시예에 따른 거리 측정 센서 조립체의 작동 상태도이다.
도 9는 본 발명의 제4 실시예에 따른 거리 측정 센서 조립체의 작동 상태도이다.
도 10은 본 발명의 제4 실시예에 따른 광축 방향을 따라 안내되는 각 지점에서의 광의 횡단면을 개략적으로 보여주는 예시도이다.
이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명을 설명하기로 한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며, 따라서 여기에서 설명하는 실시예로 한정되는 것은 아니다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 부재를 사이에 두고 "간접적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다. 또한 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 구비할 수 있다는 것을 의미한다.
이하 첨부된 도면을 참고하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
도 3은 본 발명의 제1 실시예에 따른 거리 측정 센서 조립체의 사시도이고, 도 4는 본 발명의 제1 실시예에 따른 거리 측정 센서 조립체의 개략적인 예시도이며, 도 5는 본 발명의 제1 실시예에 따른 광도파로부를 상부에서 바라본 예시도이고, 도 6은 본 발명의 제1 실시예에 따른 거리 측정 센서 조립체의 작동 상태도이다.
도 3 내지 도 6에서 보는 바와 같이, 거리 측정 센서 조립체(1000)는 하우징(100), 제1 렌즈(200), 센서 모듈(300), 수신부(400), 제2 렌즈(500) 및 광도파로부(600)를 포함한다.
하우징(100)은 거리 측정 센서 조립체(1000)의 외형을 이룬다. 이러한 하우징(100)의 내부에는 센서 모듈(300), 제2 렌즈(500) 및 광도파로부(600)가 구비되며, 하우징(100)은 내부에 구비된 다양한 구성들을 외부로부터 보호하게 된다.
이러한 하우징(100)의 양측에는 결합부(110)가 구비되며, 결합부(110)에는 결합홀(111)이 형성된다. 따라서, 작업자는 볼트 등의 결합부재를 이용하여 거리 측정 센서 조립체(1000)를 다양한 전자기기에 결합할 수 있다. 이와 같은, 하우징(100)은 금속 또는 합성수지 등 다양한 소재로 이루어질 수 있다.
이러한 하우징(100)의 상면에는 제1 안착부(120)가 형성된다.
제1 안착부(120)에는 제1 렌즈(200)가 안착되며, 제1 렌즈(200)는 발광부(310)와 얼라인(align)을 이루게 된다. 여기서, 제1 렌즈(200)와 발광부(310)의 얼라인 구성은, 제1 광축(A1)을 기준으로 얼라인되거나 제1 렌즈(200)와 발광부(310)의 기구적인 얼라인이 될 수 있다.
그리고 제1 안착부(120)의 하부에는 광안내홀(130)이 형성되어 발광부(310)로부터 조사된 광은 광안내홀(130)을 통해 제1 렌즈(200)로 안내될 수 있다. 이때, 광안내홀(130)은 발광부(310)로부터 조사된 광이 수광부(320)로 직접 전달되는 것을 차단하도록 이루어진다.
한편, 제1 렌즈(200)는 발광부(310)로부터 방사형으로 조사되는 광을 투과함과 동시에 발광부(310)로부터 조사되는 광의 지향각을 선택적으로 조절하도록 이루어진다. 이러한 제1 렌즈(200)는 구면 렌즈 또는 비구면 렌즈로 이루어질 수 있다.
이와 같은, 제1 렌즈(200)는 제1 광축(A1) 방향을 따라 이동되는 광의 X길이(x)와 Y길이(y)의 길이비를 선택적으로 조절하게 된다. 여기서 광의 X길이(x)와 Y길이(y)는 제1 광축(A1)의 임의의 지점에서의 광의 횡단면이다.
예를 들어, 발광부(310)로부터 제1 렌즈(200)로 안내되는 광은 제1 광축(A1)에 대한 횡단면이 원형(circle)을 이루게 된다. 그러나 제1 렌즈(200)를 투과한 후 대상물(T)로 조사되는 광은 제1 광축(A1)에 대한 횡단면이 타원형(ellipse)을 이룰 수 있다. 여기서, 제1 렌즈(200)를 투과한 광은 제1 광축(A1)에 대한 횡단면이 반드시 타원형으로 한정되지 않으며, 제1 렌즈(200)의 형상에 따라 다양하게 변화될 수 있음은 물론이다.
이러한 거리 측정 센서 조립체(1000)가 로봇 청소기에 장착될 경우, 제1 렌즈(200)는 로봇 청소기가 이동되는 바닥면을 향해 조사되는 광을 선택적으로 조절하게 된다. 따라서, 로봇 청소기가 이동되는 바닥면으로부터 반사되는 광이 수신부(400)로 유입되는 것이 방지될 수 있다. 이에, 로봇 청소기가 바닥면을 대상물로 인식하여 작동 오류가 발생되는 문제를 사전에 차단하게 된다.
이와 같이, 제1 렌즈(200)는 발광부(310)로부터 조사되는 광의 지향각을 선택적으로 조절하며 대상물(T)의 센싱 범위를 조절하게 된다.
여기서 거리 측정 센서 조립체(1000)는 로봇 청소기 이외에 다양한 전자기기에 장착될 수 있으며, 설명의 편의를 위해 후술될 전자기기는 로봇 청소기를 일예로 설명하기로 한다.
한편, 하우징(100)의 상면에는 제1 안착부(120)로부터 미리 정해진 길이로 이격된 제2 안착부(140)가 형성된다. 이러한 제2 안착부(140)에는 수신부(400)가 안착 결합되어, 대상물(T)로부터 반사된 광은 수신부(400)를 통해 광도파로부(600)로 전달될 수 있다.
여기서 수신부(400)는 제1 렌즈(200)로부터 미리 정해진 길이로 이격됨에 따라 제1 렌즈(200)로부터 일정 범위에 존재하는 물체로부터 반사되는 광이 수신부(400)로 유입되는 것이 방지될 수 있다. 예를 들면, 수신부(400)는 로봇 청소기에 구비된 투시창(W)으로부터 반사되는 광이 수신부(400)로 유입되지 않도록 하우징(100)에 배치된다.
제2 렌즈(500)는 수신부(400)의 하부에 구비된다.
그리고 제2 렌즈(500)의 상면은 제1 렌즈(200) 방향으로 갈수록 상방으로 경사를 이루게 된다. 따라서, 수신부(400)로부터 유입된 광은 제2 렌즈(500)로 투과되되, 제2 렌즈(500)의 하부에 구비된 광도파로부(600)로 굴절된다. 여기서 제2 렌즈(500)는 광의 굴절을 통해 방향만 전환시킬 뿐 광을 집속시키지는 않도록 이루어진다. 이러한 제2 렌즈(500)는 수신부(400)와 일체로 결합되도록 이루어질 수도 있음은 물론이다.
여기서 제2 렌즈(500)는 특정 파장의 광만을 선택적으로 투과시킬 수도 있다. 예로, 제2 렌즈(500)는 적외선(IR, Infra-Red)만을 선택적으로 투과시킬 수도 있다. 이 경우, 발광부(310)는 대상물(T)을 향해 적외선을 조사하고, 수광부(320)는 대상물(T)로부터 반사된 적외선만을 수광하여 대상물(T)의 거리를 측정하게 된다. 이러한 경우, 거리 측정 센서 조립체(1000)는 외란 광에 의한 영향이 최소화될 수 있다. 그리고 제1 렌즈(200)도 제2 렌즈(500)와 같이 특정 파장의 광만을 선택적으로 투과시키도록 이루어질 수도 있다.
한편, 광도파로부(600)의 일단부는 제2 렌즈(500)와 결합되며, 광도파로부(600)의 내측면은 전반사가 가능하도록 이루어진다. 여기서 전반사(total reflection)는 광이 굴절률이 큰 매질로부터 굴절률이 작은 매질로 진행할 때, 입사각이 임계각보다 클 경우, 경계면에서 100% 반사가 이루어지는 것을 의미하며, 이와 같이 광도파로부(600)는 수신부(400)를 통해 유입된 광에 대한 전반사가 가능하도록 이루어짐에 따라 수신부(400)로 유입된 광은 광의 손실이 최소화된 상태로 수광부(320)로 전달될 수 있다. 이때, 광도파로부(600)는 특정 파장의 광만을 선택적으로 반사시키도록 이루어질 수도 있음은 물론이다.
이러한 광도파로부(600)는 몸체부(610), 제1 반사부(620) 및 제2 반사부(630)를 포함한다. 몸체부(610)는 광도파로부(600)의 외형을 이루며, 내부에는 광이 이동되는 경로부(611)가 형성된다. 여기서 몸체부(610)의 내측면은 전반사가 가능하도록 이루어진다.
그리고 몸체부(610)는 제1 반사부(620)로부터 제2 반사부(630)로 갈수록 폭이 좁아지도록 이루어진다. 따라서, 광도파로부(600)는 수광부(320)로 안내되는 광의 집속 효율을 높일 수 있다.
제1 반사부(620)는 몸체부(610)의 일측에 구비된다. 이러한 제1 반사부(620)는 제2 렌즈(500)로부터 전달된 광을 제2 반사부(630)로 안내하도록 이루어진다. 이때, 제1 반사부(620)는 제2 렌즈(500)의 하측에 구비되되, 하방으로 갈수록 센서 모듈(300)이 배치된 방향으로 경사를 이루게 된다. 따라서, 제2 렌즈(500)로부터 제1 반사부(500)로 전달된 광은 제2 반사부(630)로 반사될 수 있다.
제2 반사부(630)는 몸체부(610)의 타측에 구비되며, 제1 반사부(620)와 마주보도록 이루어진다. 이러한 제2 반사부(630)는 제1 반사부(620)로부터 전달된 광을 수광부(320)로 안내하게 된다.
여기서 제1 반사부(620)와 제2 반사부(630)는 제2 렌즈(500)로부터 전달된 광이 수광부(320)에서 초점(focus)을 형성하도록 다양한 형상으로 이루어질 수 있다. 예를 들어, 제1 반사부(620)의 반사면은 구면의 형상으로 이루어지고, 제2 반사부(630)의 반사면은 평면으로 이루어질 수도 있다. 이 경우, 구면의 형상으로 이루어진 제1 반사부(620)는 제2 렌즈(500)로부터 전달되는 광을 집속시키게 된다. 이후로, 설명의 편의를 위해 제2 렌즈(500), 제1 반사부(620) 및 제2 반사부(630)를 경유하는 광축을 제2 광축(A2)으로 설명하기로 한다.
이와 같이, 제1 반사부(620)는 제2 렌즈(500)로부터 전달되는 광이 수광부(320)에서 초점을 형성하도록 구면의 형상으로 이루어질 수 있다.
또는, 제1 반사부(620)와 제2 반사부(630)는 모두 구면의 형상으로 이루어질 수도 있다. 이 경우에는 제2 렌즈(500)로부터 전달되는 광은 제1 반사부(620)에서 1차 집속이 이루어지고, 제2 반사부(630)에서 2차 집속이 이루어져, 수광부(320)에서 광의 초점이 형성되도록 제1 반사부(620)와 제2 반사부(630)는 형상이 조절이 이루어질 수 있다.
이외에도 제1 반사부(620)와 제2 반사부(630)는 비구면의 형상으로 이루어져 제2 렌즈(500)로부터 전달되는 광이 수광부(320)에서 초점이 형성되도록 조정될 수도 있다. 여기서 비구면은 구면이 아닌 곡면을 총칭하는 것으로서, 포물면, 쌍곡면, 타원면 등의 차수가 2차 이상인 곡면이 될 수 있다.
이 밖에도 제1 반사부(620)와 제2 반사부(630)는 다양한 형상 조정을 통해 제2 렌즈(500)로부터 전달되는 광이 수광부(320)에서 초점이 형성되도록 이루어질 수 있음은 물론이다.
한편, 센서 모듈(300)은 발광부(310), 수광부(320) 및 베이스 기판(330)을 포함한다.
발광부(310)는 제1 렌즈(200)와 얼라인을 이루며 대상물(T)을 향해 광을 조사하도록 이루어진다.
수광부(320)는 발광부(310)와 이웃하게 배치되며, 발광부(310)로부터 대상물(T)로 조사된 반사광을 받아들여 대상물(T)의 거리를 측정하게 된다. 이러한 발광부(310)와 수광부(320)의 하부에는 베이스 기판(330)이 구비되고, 발광부(310)와 수광부(320)는 베이스 기판(330)과 전기적으로 연결된다.
이와 같은, 센서 모듈(300)은 TOF 방식으로 거리를 측정하는 센서 모듈일 수 있다. 즉, 센서 모듈(300)은 발광부(310)가 대상물(T)을 향해 광을 조사한 시간과 수광부(320)가 대상물(T)로부터 반사되는 광을 수광한 시간 정보를 통해 센서 모듈(300)로부터 대상물(T)까지의 거리를 측정하게 된다.
이러한 센서 모듈(300)에 구비된 발광부(310)와 수광부(320)는 베이스 기판(330) 상에 이웃하게 배치된다. 이는, 발광부(310)와 수광부(320)가 일정 거리 이상 떨어질 경우, 대상물(T)의 거리 측정 결과값이 실시간으로 제공되지 못하는 문제를 방지하기 위함이다.
이와 같이, 거리 측정 센서 조립체(1000)는 수신부(400)가 제1 렌즈(200)로부터 이격 형성됨에 따라 미리 정해진 거리 범위 내에 존재하는 물체로부터 반사되는 광이 수신부(400)로 안내되는 것을 방지하게 된다. 따라서, 거리 측정 센서 조립체(1000)는 대상물(T)에 대한 정확한 거리 측정이 이루어질 수 있다.
도 7은 본 발명의 제2 실시예에 따른 거리 측정 센서 조립체의 작동 상태도로, 도 3 내지 도 6에 도시된 도면부호와 동일한 도면부호에 의해 지칭되는 구성들은 동일한 기능을 가지는 것으로서, 그들 각각에 대한 상세한 설명은 생략하기로 한다.
도 7에서 보는 바와 같이, 제2 실시예에 따른 거리 측정 센서 조립체(1100)는 제1 실시예에 따른 거리 측정 센서 조립체(1000)와 달리 제2 렌즈(500')가 구면 렌즈로 이루어진다. 따라서, 제2 렌즈(500')는 수신부(400)로부터 전달된 광을 집속하게 된다.
이때, 제1 반사부(620)와 제2 반사부(630)가 곡면이 아닌 평면으로 이루어진 경우, 제2 렌즈(500')로부터 집속된 광은 수광부(320)에서 초점이 형성되도록 이루어진다.
이와 달리, 제1 반사부(620)와 제2 반사부(630)는 구면 또는 비구면의 형상으로 이루어질 수도 있다. 이 경우, 제2 렌즈(500')는 수신부(400)로부터 전달되는 광에 대해 1차 집속이 이루어지고, 제1 반사부(620)는 제2 렌즈(500')로부터 전달되는 광에 대해 2차 집속이 이루어지며, 제2 반사부(630)는 제1 반사부(620)로부터 전달되는 광에 대해 3차 집속이 이루어지게 된다.
이때, 제2 렌즈(500'), 제1 반사부(620) 및 제2 반사부(630)는 수신부(400)로부터 전달된 광이 수광부(320)에서 초점이 형성되도록 이루어진다.
이러한 제1 반사부(620) 및 제2 반사부(630)는 구면 또는 비구면의 형상 이외에 다양한 형상을 이룰 수 있으며, 이 경우에도 수신부(400)로부터 전달된 광은 수광부(320)에서 초점이 형성되도록 이루어진다.
이와 같이, 제2 렌즈(500'), 제1 반사부(620) 및 제2 반사부(630)는 다양한 형상 조절을 통해 수신부(400)로부터 전달된 광이 수광부(320)에서 초점이 형성되도록 이루어진다.
또한, 거리 측정 센서 조립체(1100)는 제2 렌즈(500')가 비구면 렌즈로 이루어질 수도 있다. 이러한 경우, 비구면으로 이루어진 제2 렌즈는 구면으로 이루어진 제2 렌즈(500')와 비교할 때, 광의 집속이 달라질 수 있으나, 제1 반사부(620)와 제2 반사부(630)의 다양한 형상 조절을 통해 수신부(400)로부터 전달된 광이 수광부(320)에서 초점이 형성되도록 조정된다.
표 1은 본 발명에 따른 실시예와 비교예를 시뮬레이션한 결과표이다.
Figure pat00001
여기서 실시예와 비교예는 발광부(310)로부터 조사되는 광의 개수가 200 만개인 경우, 수광부(320)로 유입된 광의 개수를 측정한 실험 데이터이다.
이러한 표 1은 거리 측정 센서 조립체와 대상물(T)의 거리를 10cm, 20cm, 30cm 및 40cm로 조절한 상태에서 수광부(320)로 안내되는 광의 개수를 나타낸 것이다.
비교예는 광도파로부가 구비되지 않은 거리 측정 센서 조립체이고, 실시예 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 거리 측정 센서 조립체(1000)이며, 실시예 2는 본 발명의 제2 실시예에 따른 거리 측정 센서 조립체(1100)이다.
표 1에서 보는 바와 같이, 실시예 1과 실시예 2는 비교예에 비해 수광부(320)로 안내되는 광의 개수가 많은 것을 알 수 있다. 즉, 실시예 1과 실시예 2는 비교예에 비해 수광 성능이 우수한 것을 알 수 있다.
또한, 거리 측정 센서 조립체로부터 대상물(T)까지의 거리가 20cm를 초과하는 경우, 실시예 2는 비교예 및 실시예 1보다 수광 성능이 우수한 것을 알 수 있다.
도 8은 본 발명의 제3 실시예에 따른 거리 측정 센서 조립체의 작동 상태도로, 도 3 내지 도 6에 도시된 도면부호와 동일한 도면부호에 의해 지칭되는 구성들은 동일한 기능을 가지는 것으로서, 그들 각각에 대한 상세한 설명은 생략하기로 한다.
도 8에서 보는 바와 같이, 제3 실시예에 따른 거리 측정 센서 조립체(1200)는 제1 실시예에 따른 거리 측정 센서 조립체(1000)와 달리 제2 렌즈(500")가 원기둥 렌즈(cylindrical lens)로 이루어진다.
이러한 원기둥 렌즈는 원기둥의 축에 평행한 원기둥면을 굴절면으로 이용한 렌즈이다. 이와 같이, 제2 렌즈(500")는 원기둥면으로 입사된 광을 원기둥축에 평행한 직선상에 광을 모으게 된다. 즉, 제2 렌즈(500")는 초점선(focal line)을 형성하도록 이루어진다.
도 8의 (a)의 제2 렌즈(500")는 제2 렌즈(500")를 투과한 광에 대해 몸체부(610)의 폭 방향으로 초점선이 형성되도록 이루어진 형태이고, 도 8의 (b)의 제2 렌즈(500")는 제2 렌즈(500")를 투과한 광에 대해 몸체부(610)의 길이 방향으로 초점선이 형성되도록 이루어진 형태이다. 이와 같이, 제2 렌즈(500")의 배치에 따라 제2 렌즈(500")로부터 형성되는 초점선의 방향은 달라질 수 있다.
이러한 거리 측정 센서 조립체(1200)는 제2 렌즈(500")의 배치에 따라 제1 반사부(620)와 제2 반사부(630)의 다양한 형상 조절을 통해 수신부(400)로부터 전달된 광을 수광부(320)에서 초점이 형성되도록 한다. 이와 같은, 제2 렌즈(500"), 제1 반사부(620)와 제2 반사부(630)를 통해 수광부(320)에 초점을 형성하는 구체적인 내용은 상술된 바 생략하기로 한다.
도 9는 본 발명의 제4 실시예에 따른 거리 측정 센서 조립체의 작동 상태도이고, 도 10은 본 발명의 제4 실시예에 따른 광축 방향을 따라 안내되는 각 지점에서의 광의 횡단면을 개략적으로 보여주는 예시도로, 도 3 내지 도 6에 도시된 도면부호와 동일한 도면부호에 의해 지칭되는 구성들은 동일한 기능을 가지는 것으로서, 그들 각각에 대한 상세한 설명은 생략하기로 한다.
도 9와 도 10에서 보는 바와 같이, 제4 실시예에 따른 거리 측정 센서 조립체(1300)는 제1 반사부(620')와 제2 반사부(630')가 오목한 원기둥으로 형성된다.
여기서 제2 렌즈(500)는 제1 실시예와 같이 제2 렌즈(500)의 상면이 제1 렌즈(200) 방향으로 갈수록 상방으로 경사를 이루는 렌즈를 일예로 설명하기로 한다. 이러한 제2 렌즈(500)는 광을 굴절을 통해 방향만 전환시킬 뿐 광을 집속시키지는 않도록 이루어진다.
그리고 제1 반사부(620')와 제2 반사부(630')는 오목한 원기둥으로 이루어지나 크기에는 차이가 있다. 즉, 몸체부(610)는 제1 반사부(620')로부터 제2 반사부(630')로 갈수록 폭이 좁아지기에 제1 반사부(620')와 제2 반사부(630')의 크기는 다르다. 이때, 제1 반사부(620')와 제2 반사부(630')로부터 형성되는 각각의 초점선은 수광부(320)에서 형성되도록 이루어지되, 제1 반사부(620')와 제2 반사부(630')로부터 형성되는 각각의 초점선은 수광부(320)에서 서로 직교하도록 이루어진다. 따라서, 제1 반사부(620')와 제2 반사부(630')로부터 반사되는 광은 수광부(320)에서 초점이 형성될 수 있다.
다시 말해서, 제1 반사부(620')에 의해 수광부(320)에 형성되는 초점선의 길이는 제2 반사부(630')를 경유한 이후로 초점선의 길이가 점점 줄어들게 되어 수광부(320)에는 초점이 형성된다.
도 10을 참고하여 제2 광축(A2)을 따라 이동되는 광의 형태 변화를 개략적으로 살펴보기로 한다.
먼저, 제2 렌즈(500)와 제1 반사부(620') 사이에 위치되는 제2 광축(A2)의 제1 지점(P1)에서의 광의 횡단면은 제1 X길이(x1)와 제1 Y길이(y1)를 갖게 된다.
다음으로, 제1 반사부(620')와 제2 반사부(630') 사이에 위치되는 제2 지점(P2)에서의 광의 횡단면은 제2 X길이(x2)와 제2 Y길이(y2)를 갖게 된다. 이때, 제2 Y길이(y2)는 제1 Y길이(y1)에 비해 길이가 짧아지게 되고, 제1 X길이(x1)와 제2 X길이(x2)는 길이에 변화가 없다. 즉, 제1 반사부(620')로부터 반사되는 광은 Y길이에 대해서만 제2 광축(A2)을 따라 집속된다. 이러한 제1 반사부(620')로부터 반사되는 광은 수광부(320)로 안내되기까지 Y길이에 대해서만 집속된다.
다음으로, 제2 반사부(630')와 수광부(320) 사이에 위치되는 제3 지점(P3)에서의 광의 횡단면은 제3 X길이(x3)와 제3 Y길이(y3)를 갖게 된다. 이때, 제3 X길이(x3)는 제2 X길이(x2)에 비해 길이가 짧아지게 된다. 여기서 제2 반사부(630')로부터 반사되는 광은 X길이에 대해서만 제2 광축(A2)을 따라 집속된다.
그리고 제3 Y길이(y3)는 제2 Y길이(y2)에 비해 길이가 짧아지게 된다. 이렇게 제3 Y길이(y3)가 제2 Y길이(y2)보다 짧아진 것은 제1 반사부(620')에 의한 집속이 이루어지기 때문이다.
이와 같이, 제2 반사부(630')로부터 수광부(320)로 안내되는 광은 광의 X길이와 Y길이가 함께 줄어들며, 수광부(320)에서 초점을 형성하게 된다.
다시 도 9를 참고하면, 거리 측정 센서 조립체(1300)는 하기의 식(1) 및 식(2)으로 이루어진다.
0.8×f1 ≤ d1+d2 ≤ 1.2×f1 … 식(1)
0.8×f2 ≤ d2 ≤ 1.2×f2 … 식(2)
[ 제1 반사부의 초점거리는 f1, 제 2 반사부의 초점거리는 f2, 제1 반사부로부터 제2 반사부까지의 거리는 d1, 제2 반사부로부터 수광부까지의 거리는 d2 ]
이와 같이, 제1 반사부(620')와 제2 반사부(630')에 의해 반사된 광은 수광부(320)에서 초점이 형성되도록 집속이 이루어진다. 이에, 수광부(320)에 집속되는 광량 및 광밀도는 증가하게 되어, 거리 측정 센서 조립체(1300)의 정확도는 향상될 수 있다.
바람직하게는, 거리 측정 센서 조립체(1300)는 하기의 식(3) 및 식(4)으로 이루어진다.
0.9×f1 ≤ d1+d2 ≤ 1.1×f1 … 식(3)
0.9×f2 ≤ d2 ≤ 1.1×f2 … 식(4)
[ 제1 반사부의 초점거리는 f1, 제 2 반사부의 초점거리는 f2, 제1 반사부로부터 제2 반사부까지의 거리는 d1, 제2 반사부로부터 수광부까지의 거리는 d2 ]
나아가, 보다 바람직하게는, 거리 측정 센서 조립체(1300)는 하기의 식(5) 및 식(6)으로 이루어진다.
f1 = d1+d2 … 식(5)
f2 = d2 … 식(6)
[ 제1 반사부의 초점거리는 f1, 제 2 반사부의 초점거리는 f2, 제1 반사부로부터 제2 반사부까지의 거리는 d1, 제2 반사부로부터 수광부까지의 거리는 d2 ]
이와 같이, 제1 반사부(620')와 제2 반사부(630')에 의해 반사된 광은 수광부(320)를 초점으로 집속된다. 따라서, 제1 반사부(620')와 제2 반사부(630')를 포함하는 광도파로부(600)의 집광력은 최대화되어, 거리 측정 센서 조립체(1300)의 정확도는 향상될 수 있다.
표 2는 본 발명에 따른 제4 실시예와 비교예를 시뮬레이션한 결과표이다.
Figure pat00002
표 2는 발광부(310)로부터 조사된 광의 개수를 200 만개로 설정한 상태에서 수광부(320)로 유입된 광의 개수를 측정한 실험 데이터이다.
비교예는 광도파로부가 구비되지 않은 거리 측정 센서 조립체이고, 실시예는 본 발명의 제4 실시예에 따른 거리 측정 센서 조립체(1300)이다.
표 2에서 보는 바와 같이, 거리 측정 센서 조립체(1300)로부터 대상물(T)까지의 거리가 30cm인 경우, 제4 실시예에 따른 거리 측정 센서 조립체(1300)는 비교예에 비해 300%에 해당하는 개수의 광이 수광부(320)로 전달된 것을 알 수 있다.
그리고 거리 측정 센서 조립체(1300)로부터 대상물(T)까지의 거리가 40cm인 경우, 제4 실시예에 따른 거리 측정 센서 조립체(1300)는 비교예에 비해 266.7% 에 달하는 광이 수광부(320)로 전달된 것을 알 수 있다.
이와 같이, 제4 실시예에 따른 거리 측정 센서 조립체(1300)는 비교예에 비해 거리 측정 센서 조립체(1300)로부터 대상물(T)까지의 거리가 멀리 떨어져 있더라도 거리 측정의 정확도가 높은 것을 알 수 있다.
이러한 본 발명의 다양한 실시예에 따른 거리 측정 센서 조립체는 로봇 청소기, 냉장고, 드론 등의 다양한 전자기기에 적용될 수 있다.
이와 같이, 상술된 본 발명의 거리 측정 센서 조립체는 바람직한 일실시예에 불과할 뿐, 본 발명의 권리 범위가 이러한 실시예의 기재 범위에 의하여 제한되는 것은 아니다.
전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.
본 발명의 범위는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
100: 하우징 200: 제1 렌즈
300: 센서 모듈 310: 발광부
320: 수광부 400: 수신부
500, 500', 500": 제2 렌즈 600: 광도파로부
620, 620': 제1 반사부 630, 630': 제2 반사부
1000, 1100, 1200, 1300: 거리 측정 센서 조립체

Claims (1)

  1. 발광부와 수광부가 제1길이만큼 이웃하여 배치된 TOF(Time Of Flight) 측정 방식의 센서 모듈과,
    상기 발광부와 얼라인을 이루도록 발광부 상부에 배치되는 제1 렌즈와,
    상기 제1길이보다 더 긴 제2길이만큼 상기 센서 모듈의 수광부와 이격된 위치에 반사광을 수신하는 수신부를 포함하는 하우징과,
    상기 수신부 하부에 형성되며 광을 집속시키지 않도록 형성된 제2 렌즈가 결합된 광도파로부를 포함하고,
    상기 광도파로부는,
    상기 제2 렌즈로부터 전달된 광을 상기 센서 모듈의 수광부 방향으로 수평 전달하는 제1 반사부와,
    상기 제1 반사부로부터 전달된 광을 상기 센서 모듈의 수광부 방향으로 수직 전달하는 제2 반사부를 포함하고,
    상기 제1 반사부는 상기 제2 렌즈로부터 전달된 광을 상기 제2 반사부에 집속시킬 수 있도록 곡면으로 형성된 것인 거리 측정 센서 조립체.
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