KR20230146492A - 기판의 하측으로 제어장치가 배치되는 광원 모듈 - Google Patents

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KR20230146492A
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강영규
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Abstract

일 실시예는, 광을 출력하는 VCSEL(Vertical Cavity Emitting Surface Laser); 상측면에 상기 VCSEL이 부착되고, 별도의 인쇄회로기판과 상하측으로 이격되어 위치하는 기판; 및 상기 VCSEL을 제어하고, 상기 기판과 상기 인쇄회로기판 사이의 이격 공간에서 상기 기판의 하측면에 부착되어 위치하는 제어장치를 포함하는, 광원 모듈을 제공할 수 있다.

Description

기판의 하측으로 제어장치가 배치되는 광원 모듈{LIGHT SOURCE MODULE WITH CONTROL DEVICE PLACED ON LOWER SIDE OF BOARD}
본 실시예는 광원부의 광원 소자의 출력을 조절하거나 광학장치의 움직임을 발생시켜 거리를 측정하는 거리측정장치에 관한 것이다.
3차원 정보를 파악하기 위한 방법으로 스테레오 비전(Stereo Vision) 방식, 구조광(Structured Light) 방식, 비행시간(Time of Flight) 방식이 대표적으로 활용되고 있다.
그 중 비행시간(TOF, Time of Flight) 방식은, 일정한 펄스를 가진 레이저를 반복적으로 발생시키고 물체에 반사되어 되돌아오는 펄스의 도착 시간을 계산하여 거리를 측정하는 방식이다. 구조광 방식과 마찬가지로 물체에 빔을 주사하기 위한 프로젝터가 요구된다. 송신부에서 송출된 펄스가 물체에서 반사되어 수신부까지 돌아오는 시간을 직접 계산하는 직접측정 방식과 수신된 펄스의 위상 차이를 계산하는 간접측정 방식이 있으나, 간접측정 방식이 널리 활용되고 있다.
앞서 언급한 3차원 정보를 파악하기 위한 방법들 중 구조광(Structured Light) 방식과 비행시간(Time of Flight) 방식은 스테레오 비전(Stereo Vision) 방식과 달리 송신부에서 나온 빔을 물체에 주사하는 과정이 추가적으로 수행되므로 광원이 구성에 포함된다. 또한 광원에서 나온 광을 물체에 적절하게 도달시키기 위해서는 일정한 각도로 빔을 방사시켜야 하는데, 광 다양한 광학장치가 제시되고 있다. 구체적으로, 광학장치로서 디퓨저(Diffuser) 또는 프리즘(Prism) 등이 널리 사용되고 있으나, 이를 포함하여 다양한 광학장치를 활용하여 빔의 각도를 적절하게 조절할 수 있다.
그런데, 종래의 광학장치는 일정한 형태의 디퓨저 또는 프리즘을 사용하는 것이 일반적이고, 제조 당시에 형성된 표면의 특성에 따라 방사각이 정해지게 된다. 이 경우 물체와 광원의 거리에 상관없이 초기에 설정된 방사각에 따라 빔이 물체에 전달되므로 검출 가능한 영역이 제한되고, 빔을 주사하는 과정에서 빔의 중앙부에서 멀어질수록 전달 효율성이 떨어지는 문제가 발생한다. 또한 종래의 광학장치에는 하나의 광학장치가 사용되고 있으므로 다양한 방사각을 가지도록 각도를 조절할 수 없다는 한계가 있다.
한편, 종래의 거리측정장치에서 광원은 레이저가 주로 사용되는데, 거리측정장치는 광을 출력하기 위한 레이저 소자를 동시에 제어하므로 각 레이저 소자의 영역별 출력을 개별적으로 제어할 수 없다. 특히, 광원의 중심부로부터 멀어질수록 물체에 도달하는 광이 적어지고, 결과적으로 거리측정장치의 전력 효율을 감소시키는 주요한 원인으로 지적되고 있다.
또한, 종래의 거리측정장치에서는 광학장치의 움직임을 개별적으로 제어할 수 없어, 거리별로 필요한 출력을 도달시킬 수 없게 되므로 전력의 낭비가 발생하게 된다. 또한 물체를 영역별로 나누지 않고 광을 조사하게 되면 각 영역에 도달하는 광의 세기가 줄어들어 노이즈 및 해상도 저하의 문제가 발생하게 된다.
또한, 종래의 거리측정장치는 단일한 광원 소자를 사용하여 원거리를 측정하기 위한 광원부의 출력이 부족해지는 문제점이 발생하였다. 일부 영역에 출력을 집중시키는 경우 광 출력을 높일 수 있지만, 측정할 수 있는 영역이 줄어들게 된다. 단일한 광원 소자를 사용하여 거리를 측정하는 경우, 광을 출사시키는 광량도 줄어들게 되므로 이미지 센서로 도달하는 적절한 광량을 얻을 수 없게 된다.
또한, 종래의 거리측정장치에서는 빔을 조사하는 방향을 자유롭게 조절할 수 없고, 대면적의 일정 구간에 공간적인 분할을 하여 빔을 피사체에 전달하는 데에 한계가 있다.
이러한 배경에서, 본 실시예의 목적은, 일 측면에서, 하나 이상의 광원 소자를 포함하는 광원 모듈을 제공하는 것이다. 본 실시예의 목적은, 다른 측면에서, 물체에 충분한 광량을 전달하도록 움직이는 광학장치를 포함하는 광원 모듈을 제공하는 것이다. 본 실시예의 목적은, 광학장치의 각도를 조절하여 피사체의 일정 구간에 공간적인 분할을 통한 빔 전달이 가능한 광원 모듈을 제공하는 것이다. 본 실시예의 목적은, 광원 모듈의 구동 방법을 제공하여 물체의 거리에 따른 정확한 거리 측정 방법을 제공하는 것이다.
전술한 목적을 달성하기 위하여, 제1 실시예는, 광을 출력하는 광원; 상기 광원과 전기적으로 연결된 기판; 상기 광원에서 출사된 광의 세기를 감소시키는 제1 광학장치; 상기 제1 광학장치에서 통과된 광의 세기를 감소시키는 제2 광학장치; 및 상기 기판, 상기 제1 광학장치 및 상기 제2 광학장치의 공간상 움직임을 발생시키는 하나 이상의 포고 핀 텐션을 포함하는 액추에이터를 포함하고, 상기 포고 핀 텐션은 내부에 포함된 자석과 코일의 전자기적 상호작용에 의해 움직임이 제어되는, 광원 모듈을 제공할 수 있다.
광원 모듈에서 상기 제1 광학장치는 콜리메이터 렌즈(Collimator Lens)이고, 상기 제2 광학장치는 회절광학소자(Diffractive Optical Element)일 수 있다.
광원 모듈에서 상기 상기 기판, 상기 제1 광학장치 및 상기 제2 광학장치는 프레임에 의해 지지되고, 상기 프레임은 플랫 스프링과 연결되어 사전에 설정된 위치로 복귀할 수 있다.
광원 모듈에서 상기 액추에이터는 코일과 전자석을 더 포함하고, 상기 코일 및 상기 전자석의 전자기적 상호작용에 의해 상기 제1 광학장치 및 상기 제2 광학장치의 움직임을 발생시킬 수 있다.
광원 모듈에서 상기 포고 핀 텐션은 인쇄회로기판과 전기적으로 연결되어 전류를 공급받고, 전류의 크기 또는 방향에 따라 포고 핀 텐션의 수직 방향 움직임이 제어될 수 잇다.
광원 모듈에서 상기 기판과 연결된 제1 프로세서를 더 포함하고, 상기 제1 프로세서는 상기 제1 광학장치 또는 상기 제2 광학장치의 이탈 여부를 판단할 수 있다.
광원 모듈에서 상기 인쇄회로기판과 연결된 제2 프로세서를 더 포함하고, 상기 제2 프로세서는 상기 포고 핀 텐션에 형성되는 전자기력의 방향 또는 세기를 판단할 수 있다.
광원 모듈에서 상기 제1 광학장치 또는 상기 제2 광학장치를 통과하는 광의 세기를 측정하는 감광장치; 및 상기 감광장치에서 측정되는 광의 세기에 따라 광원 모듈의 정상 작동 여부를 판단하는 프로세서를 더 포함할 수 있다.
광원 모듈에서 상기 하나 이상의 포고 핀 텐션은 인쇄회로기판에 연결되어 있고, 전류의 세기에 따라 내부 스프링의 텐션을 조정하고, 상기 포고 핀 텐션의 움직임으로 빔의 전달 방향을 조절할 수 있다.
전술한 목적을 달성하기 위하여, 제2 실시예는, 광을 출력하는 광원; 상기 광원에서 출사되는 광을 통과시켜 광의 세기를 감소시키는 광학장치; 상기 광학장치와 연결되어 지지력을 제공하는 프레임; 및 상기 프레임과 연결되어 상기 프레임의 움직임을 발생시키는 복수의 포고 핀 텐션을 포함하고, 상기 복수의 포고 핀 텐션은 내부에 포함된 자석과 코일의 상호작용에 의해 움직임이 발생하는, 광원 모듈을 제공할 수 있다.
광원 모듈에서 상기 복수의 포고 핀 텐션은 개별적으로 제어되어 상기 광학장치의 빔 방사각을 조절할 수 있다.
광원 모듈에서 상기 포고 핀 텐션의 움직임을 검출하는 프로세서를 더 포함할 수 있다,
광원 모듈에서 상기 광학장치를 통과하는 광의 세기를 측정하거나 상기 광학장치에서 반사된 광의 세기를 측정하는 감광장치를 더 포함할 수 있다.
광원 모듈에서 상기 감광장치에서 측정되는 광의 세기에 따라 광원 모듈의 정상 작동 여부를 판단하는 프로세서를 더 포함할 수 있다.
광원 모듈에서 상기 프레임은 플랫 스프링과 연결되어 초기 위치로 복귀하여 유지될 수 있다.
광원 모듈에서 상기 포고 핀 텐션의 위치 또는 속도 정보를 출력하는 엔코더를 더 포함할 수 있다.
광원 모듈에서 상기 포고 핀 텐션에 형성되는 전기장을 측정하는 홀센서를 더 포함할 수 있다.
전술한 목적을 달성하기 위하여, 제3 실시예는, 광을 출력하는 VCSEL(Vertical Cavity Emitting Surface Laser); 상측면에 상기 VCSEL이 부착되고, 별도의 인쇄회로기판과 상하측으로 이격되어 위치하는 기판; 및 상기 VCSEL을 제어하고, 상기 기판과 상기 인쇄회로기판 사이의 이격 공간에서 상기 기판의 하측면에 부착되어 위치하는 제어장치를 포함하는, 광원 모듈을 제공할 수 있다.
광원 모듈에서, 상기 인쇄회로기판과 상기 기판 사이에는 서로를 이격시키는 이격구조물이 배치될 수 있다.
광원 모듈에서, 상기 이격구조물은 상기 인쇄회로기판 및 상기 기판을 전기적으로 연결시킬 수 있다.
광원 모듈은, 상기 VCSEL의 상측으로 출사되는 광의 경로에 배치되는 제1광학장치; 및 상기 제1광학장치 상에 배치되는 제2광학장치를 더 포함할 수 있다.
광원 모듈에서, 상기 이격구조물은 포고 핀 텐션(Pogo Pin Tension)일 수 있다.
광원 모듈에서, 상기 제어장치는 아이 세이프티(Eye Safety) 기능을 수행할 수 있다.
광원 모듈에서, 상기 제2광학장치는 회절광학소자를 포함할 수 있다.
광원 모듈에서, 상기 기판에는 상기 VCSEL과 상기 제어장치를 연결시키는 배선이 형성될 수 있다.
이상에서 설명한 바와 같이 본 실시예에 의하면, 광원 모듈에 의해 소비전력을 효율적으로 사용할 수 있고 정확한 거리 계산이 가능할 수 있게 된다.
도 1은 일 실시예에 따른 광원 모듈을 나타낸 제1 예시 도면이다.
도 2는 일 실시예에 따른 광원 모듈을 나타낸 제2 예시 도면이다.
도 3은 일 실시예에 따른 광원 모듈을 나타낸 제3 예시 도면이다.
도 4는 일 실시예에 따른 수신부를 포함하는 광원 모듈을 나타낸 도면이다.
도 5는 일 실시예에 따른 수신부를 포함하는 광원 모듈의 영역을 구분하여 나타낸 도면이다.
도 6은 광원 소자의 영역을 구분하여 나타낸 도면이다.
도 7은 수직 공동 표면 발광 레이저(VCESL, Vertical Cavity Emitting Surface Laser)의 단면을 나타낸 도면이다.
도 8은 광학 장치의 영역을 구분하여 나타낸 도면이다.
도 9는 광학 장치의 영역별 움직임을 예시한 제1 예시 도면이다.
도 10은 광학 장치의 영역별 움직임을 예시한 제2 예시 도면이다.
도 11은 광학 장치의 영역별 움직임을 예시한 제3 예시 도면이다.
도 12는 광학 장치의 영역별 움직임을 예시한 제4 예시 도면이다.
도 13은 광학 장치의 영역별 움직임을 예시한 제5 예시 도면이다.
도 14는 광학 장치의 영역별 움직임을 예시한 제6 예시 도면이다.
도 15는 수신부의 영역별 광 도달 순서를 예시한 제1 예시 도면이다.
도 16은 수신부의 영역별 광 도달 순서를 예시한 제2 예시 도면이다.
도 17은 일 실시예에 따른 복수의 광원 소자를 포함하는 광원 모듈을 예시한 제1 예시 도면이다.
도 18은 일 실시예에 따른 복수의 광원 소자를 포함하는 광원 모듈을 예시한 제2 예시 도면이다.
도 19는 일 실시예에 따른 복수의 광원 소자를 포함하는 광원 모듈을 예시한 제3 예시 도면이다.
도 20은 일 실시예에 따른 복수의 광원 소자를 포함하는 광원 모듈을 예시한 제4 예시 도면이다.
도 21은 일 실시예에 따라 빔 스티어링이 가능한 광원 모듈을 예시한 제1 예시 도면이다.
도 22는 일 실시예에 따라 빔 스티어링이 가능한 광원 모듈을 예시한 제2 예시 도면이다.
도 23은 일 실시예에 따라 빔 스티어링이 가능한 광원 모듈의 상면도이다.
도 24는 일 실시예에 따른 광원 모듈이 피사체에 전달하는 빔을 제어하는 과정을 설명하는 도면이다.
도 25는 일 실시예에 따라 빔 스티어링이 가능한 광원 모듈을 예시한 제3 예시 도면이다.
이하, 본 발명의 일부 실시예들을 예시적인 도면을 통해 상세하게 설명한다. 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의하여야 한다. 또한 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 그 상세한 설명을 생략한다.
또한, 본 발명의 구성요소를 설명하는데 있어서, 제1, 제2, a, b 등의 용어를 사용할 수 있다. 이러한 용어는 그 구성요소를 다른 구성요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성요소의 본질이나 차례 또는 순서 등이 한정되지 않는다. 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결", "결합" 또는 "접속"된다고 기재된 경우, 그 구성요소는 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되거나 또는 접속될 수 있지만, 각 구성요소 사이에 또 다른 구성요소가 "연결", "결합" 또는 "접속"될 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.
본 발명의 구성요소 중 "광", "빛" 또는 "빔"은 발명의 본질을 해하지 않는 범위 내에서 동일한 의미로 해석될 수 있다.
또한 본 발명의 구성요소 중 "광원", "광원 소자", "광원 칩" 또는 "광원부"는 발명의 본질을 해하지 않는 범위 내에서 동일한 의미로 해석될 수 있다.
또한 본 발명의 구성요소 중 "광학 장치", "광 확산장치" 또는 "확산부"는 발명의 본질을 해하지 않는 범위 내에서 동일한 의미로 해석될 수 있다.
종래의 광원 모듈은 하나의 광원, 프레임에 고정된 광학 장치를 통과한 광이 물체에 도달하므로 물체의 거리에 따라 물체에 도달하는 광량이 부족하여 정확한 거리 측정이 불가능하고, 방사각을 제어할 수 없게 된다.
본 실시예에 따른 광원 모듈은 하나 이상의 광원 소자를 포함하는 광원 모듈을 제공하고, 물체에 충분한 광량을 전달하도록 움직이는 광학장치를 포함하는 광원 모듈을 제공하여 보다 정확한 광학 데이터를 획득할 수 있다. 또한 본 실시예에 따른 광원 모듈의 구동 방법을 제공하여 물체의 거리에 따른 정확한 거리 측정 방법을 제공할 수 있게 된다.
도 1은 일 실시예에 따른 광원 모듈을 나타낸 제1 예시 도면이다.
도 2는 일 실시예에 따른 광원 모듈을 나타낸 제2 예시 도면이다.
도 3은 일 실시예에 따른 광원 모듈을 나타낸 제3 예시 도면이다.
도 4는 일 실시예에 따른 수신부를 포함하는 광원 모듈을 나타낸 도면이다.
도 5는 일 실시예에 따른 수신부를 포함하는 광원 모듈의 영역을 구분하여 나타낸 도면이다.
도 6은 광원 소자의 영역을 구분하여 나타낸 도면이다.
도 7은 수직 공동 표면 발광 레이저(VCESL, Vertical Cavity Emitting Surface Laser)의 단면을 나타낸 도면이다.
도 8은 광학 장치의 영역을 구분하여 나타낸 도면이다.
도 9는 광학 장치의 영역별 움직임을 예시한 제1 예시 도면이다.
도 10은 광학 장치의 영역별 움직임을 예시한 제2 예시 도면이다.
도 11은 광학 장치의 영역별 움직임을 예시한 제3 예시 도면이다.
도 12는 광학 장치의 영역별 움직임을 예시한 제4 예시 도면이다.
도 13은 광학 장치의 영역별 움직임을 예시한 제5 예시 도면이다.
도 14는 광학 장치의 영역별 움직임을 예시한 제6 예시 도면이다.
도 15는 수신부의 영역별 광 도달 순서를 예시한 제1 예시 도면이다.
도 16은 수신부의 영역별 광 도달 순서를 예시한 제2 예시 도면이다.
도 17은 일 실시예에 따른 복수의 광원 소자를 포함하는 광원 모듈을 예시한 제1 예시 도면이다.
도 18은 일 실시예에 따른 복수의 광원 소자를 포함하는 광원 모듈을 예시한 제2 예시 도면이다.
도 19는 일 실시예에 따른 복수의 광원 소자를 포함하는 광원 모듈을 예시한 제3 예시 도면이다.
도 20은 일 실시예에 따른 복수의 광원 소자를 포함하는 광원 모듈을 예시한 제4 예시 도면이다.
도 21은 일 실시예에 따라 빔 스티어링이 가능한 광원 모듈을 예시한 도면이다.
도 21은 일 실시예에 따라 빔 스티어링이 가능한 광원 모듈을 예시한 제1 예시 도면이다.
도 22는 일 실시예에 따라 빔 스티어링이 가능한 광원 모듈을 예시한 제2 예시 도면이다.
도 23은 일 실시예에 따라 빔 스티어링이 가능한 광원 모듈의 상면도이다.
도 24는 일 실시예에 따른 광원 모듈이 피사체에 전달하는 빔을 제어하는 과정을 설명하는 도면이다.
도 25는 일 실시예에 따라 빔 스티어링이 가능한 광원 모듈을 예시한 제3 예시 도면이다.
1. 광원 모듈
1.1 광원 모듈 - 기본 모델
도 1을 참조하면, 일 실시예에 따른 광원 모듈(100)은 하나 이상의 광원(110), 하나 이상의 광학 장치(120), 액추에이터(130), 프레임(140), 제어장치(150)을 포함할 수 있다.
광원 모듈(100)의 광원(110)에서 전달되는 광은 광 확산장치(120)를 통해 목표에 도달할 수 있고, 피사체에서 반사된 광은 수신부의 이미지 센서(미도시)에 도달하여 광원과 피사체 사이의 거리를 측정할 수 있다. 물체의 거리는 광원(110)으로부터 이미지 센서(미도시)까지 광의 이동거리의 절반으로 정의될 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.
광원 모듈(100)을 통해서 물체의 거리를 측정할 수 있지만, 획득된 거리데이터를 2차원 이미지와 결합하여 3차원 데이터를 생성할 수 있다. 필요에 따라, 광원 모듈(100)은 3D 카메라의 전부 또는 일부의 구성으로 정의될 수 있다. 또한, 광원 모듈(100)은 필요에 따라 송신부 모듈뿐만 아니라 수신부 모듈까지 포함한 것으로 정의될 수 있다.
광원 모듈(100)의 각 구성의 배치, 형태는 필요에 따라 다양하게 정의될 수 있고 프레임(140), 제어장치(150)의 형태와 위치는 보다 효율적인 광 전달을 위해 다르게 설계될 수 있다.
제어장치(150)는 제어신호를 통해 광원(110), 액추에이터(130), 이미지 센서(미도시)를 제어할 수 있다. 제어장치(150)은 광원 모듈의 전압 또는 전류를 제어할 수 있고, 송신부와 수신부의 데이터를 처리 및 연산하여 광원 모듈의 각 구성에 제어 신호를 제공할 수 있다.
1.2 광원 모듈 - 변형 모델
광원 모듈은 다양한 형태로 정의될 수 있고, 필요에 따라 일부 구성이 생략된 형태의 도면으로 나타낼 수 있다. 도 2를 참조하면, 일 실시예에 따라 광원 모듈(200)은 하나의 단일한 광학 장치(220)를 포함할 수 있다. 도 3을 참조하면, 다른 실시예에 따라 광원 모듈(300)은 복수의 광학 장치를 포함할 수 있고, 예시적으로 제1 광학 장치(320-1) 및 제2 광학 장치(320-2)를 포함할 수 있다. 도 17을 참조하면, 또 다른 실시예에 따라 광원 모듈(400)은 복수의 광원(410)을 포함할 수 있다. 도 21을 참조하면, 광원 모듈(500)은 포고 핀 텐션(580)을 포함하여 빔의 출사 방향을 조절하거나 빔 스티어링을 발생시킬 수 있다. 또 다른 실시예에 따르면, 광원 모듈은 감광장치(Photo Detector)를 포함할 수 있다.
2. 송신부 모듈 Transmitting(Tx) Module
2.1 광원(Light Source)
[광원의 구조]
광원은 광을 생성하여 물체에 광을 송출하기 위한 장치로서 수직 공동 표면 발광 레이저(VCESL, Vertical Cavity Emitting Surface Laser), 발광 다이오드(LED, Light Emitting Diode) 등의 다양한 소자가 포함될 수 있다. 설명의 편의를 위해 예시적으로 수직 공동 표면 발광 레이저를 사용하여 설명할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 광원은 필요에 따라 복수 개의 광원 소자를 포함할 수 있으며, 제어장치의 제어 신호를 전달받아 각 소자의 출력 또는 단일 소자 내부의 각 영역의 출력을 개별적으로 조절할 수 있다.
광원 소자는 도 1의 광원(110), 도 2의 광원(210), 도 3의 광원(310), 도 17의 광원(410), 도 21의 광원(510) 등과 같은 형태로 배치될 수 있으나 이에 제한되지 않는다.
[VCSEL(Vertical Cavity Emitting Surface Laser)의 구조]
도 7을 참조하면, 일 실시예에 따른 광원(310)은 본체부(311), 어퍼처(312), 렌즈(미도시)를 포함할 수 있다. 예시적으로 광원(310)은 수직 공동 표면 발광 레이저(VCSEL)일 수 있고, 도 7은 발명을 설명하는데 필요한 정도로 실제 구조의 일부를 생략하고 간략하게 도시된 것이다.
수직 공동 표면 발광 레이저(VCESL, Vertical Cavity Emitting Surface Laser)은 복수의 어퍼처를 포함할 수 있다. 어퍼처는 광원 소자에서 일정한 공정을 통해 형성되는 구멍을 의미하며, 공진(resonance) 과정을 통해 광의 집적도를 증가시켜 최종적으로 출사되는 광이 나오는 구멍으로 정의될 수 있다.
일 실시예에 따르면, 어퍼처에서 나오는 광은 일정한 영역을 형성할 수 있다. 예시적으로 광원 소자의 어퍼처에서 나오는 광의 방사각은 약 20도 내외일 수 있으나, 제품의 설계 조건에 따라 달리 정의될 수 있다.
본체부는 광원 소자에서 어퍼처을 제외한 나머지 구성을 의미하는 것으로 정의될 수 있고, 그 형태 및 종류는 제한되지 않는다.
수직 공동 표면 발광 레이저(VCSEL)에서 최초로 생성된 광의 화각(FOV, Field Of View)의 화각은 제한적이므로, 1차적으로 수직 공동 표면 발광 레이저(VCSEL) 내부 어퍼처(312)의 내경 및 설계치에 의해 화각이 조절될 수 있다. 렌즈는 소형의 렌즈로서, 광원 소자에서 조사되는 광을 확산 및 굴절시키는 기능을 가진다.
[광원의 영역별 출력 개별 제어]
광원은 하나 이상의 광원 소자를 포함할 수 있고, 단일한 광원 소자는 복수의 영역으로 구분되어 각 영역의 광 출력은 개별적으로 제어될 수 있다.
도 6을 참조하면, 필요에 따라 광원 소자(310)의 영역은 제1 영역(312a) 및 제2 영역(312b)으로 설정되어 구분되어 있을 수 있고, 제어장치에 의해 상기 제1 영역의 출력과 제2 영역의 출력은 개별적으로 조절될 수 있다. 각 영역은 연속적인 형태로 정의될 수 있으나, 필요에 따라 불연속적인 형태로 정의될 수 있다.
광원의 설정된 영역 중 제2 영역의 출력은 상기 제1 영역의 출력보다 낮도록 조절될 수 있다. 각 영역의 출력 세기는 광원 모듈의 최대출력의 범위 내에서 적절하게 분배되어 최적의 전력 사용을 도모할 수 있다.
광원 소자의 출력은 각 영역별로 순차적으로 제어될 수 있고, 그 순서는 필요에 따라 달리 정의될 수 있다. 광원의 복수 개의 영역은 제어 장치(미도시)에 의해 개별적으로 출력이 제어될 수 있고, 순차적으로 ON/OFF 모드로 전환될 수 있다.
일 실시예에 따라 각 광원 소자를 개별적으로 제어함에 따라 구동 모드에 따른 효율적 전력 사용을 도모할 수 있다.
일 실시예에 따라, 광 출력장치(100)이 원거리 모드 또는 근거리 모드로 구동되는 경우, 원거리 모드에서는 광 출력을 높게 설정할 필요가 있고, 근거리 모드에서는 광 출력을 상대적으로 원거리 모드보다 낮게 제어할 필요가 있다. 광원의 광원 소자는 복수의 영역으로 구분될 수 있고, 기 설정된 기준에 따라 복수의 영역 중 일부의 영역만 개별적으로 제어되어 효율적인 전력 사용을 도모할 수 있다.
예시적으로, 원거리 모드에서는 광원의 모든 영역의 소자가 사용되어 최대 출력을 발생시킬 수 있도록 제어될 수 있다. 필요에 따라 원거리 모드에서도 피사체의 위치에 따라 출력의 세기를 조절할 필요가 있다.
다른 예시적으로, 근거리 모드에서는 광원의 일부 영역의 소자가 사용되어 최소 출력을 발생시킬 수 있도록 제어될 수 있다. 필요에 따라 근거리 모드에서도 피사체의 위치에 따라 출력의 세기를 조절할 필요가 있다.
광원의 영역을 구분하고, 개별 소자 또는 어퍼처의 전류를 각각 제어하는 경우에 모든 소자 또는 어퍼처를 동시에 제어하는 방법보다 효율적이고 정밀한 거리 측정이 가능할 수 있다.
예시적으로, 수직 공동 표면 발광 레이저(VCSEL, Vertical Cavity Surface Emitting Lasor)이 5 x 5 형태의 배치를 가지는 25개의 어퍼처를 포함하여 개구별로 각 소자의 출력을 제어하는 경우 보다 효율적이고 정밀한 거리 측정이 가능할 수 있다.
광원의 구분된 영역 내의 소자의 출력을 개별적으로 제어할 수 있고, 광원 소자의 전류가 0인 경우에 꺼짐 상태(OFF)로 정의할 수 있으며, 전류가 0이 아닌 상태를 켜짐 상태(ON)으로 정의할 수 있다.
도 6을 참조하면, 일 실시예에 따른 근거리 모드에서는 광원부 어퍼처(312a)가 꺼짐 상태(OFF)일 수 있고, 광원부 어퍼처(312b)만이 켜짐 상태(ON)에 있을 수 있다. 출력되는 광원부 소자의 수를 제어하면서 전력 사용량을 줄일 수 있다.
다른 실시예에 따른 근거리 모드에서는 켜짐 상태(ON)의 개별 소자의 출력 세기를 정밀하게 제어할 수 있다. 제1 거리에 존재하는 피사체, 제2 거리에 존재하는 피사체의 각각의 거리에 따라 광원부 어퍼처(312)의 출력 세기를 기 설정된 기준에 따라 정밀 조정할 수 있다. 예시적으로 제1 거리가 제2 거리보다 먼 경우에는, 제1 거리에서 출력되는 광의 세기를 제2 거리에서 출력되는 광의 세기보다 더 크게 제어할 수 있다.
일 실시예에 따른 원거리 모드에서는 광원부 어퍼처(312) 모두가 켜짐 상태(ON)에 있을 수 있다. 원거리 피사체의 거리 정보를 획득하기 위해서는 더 많은 광량이 요구되는 것이 일반적이다.
다른 실시예에 따른 원거리 모드에서는 켜짐 상태(ON)의 개별 소자의 출력 세기를 정밀하게 제어할 수 있다. 제3 거리에 존재하는 피사체, 제4 거리에 존재하는 피사체의 각각의 거리에 따라 광원부 어퍼처(312)의 출력 세기를 기 설정된 기준에 따라 정밀 조정할 수 있다. 예시적으로 제3 거리가 제4 거리보다 먼 경우에는, 제3 거리에서 출력되는 광의 세기를 제4 거리에서 출력되는 광의 세기보다 더 크게 제어할 수 있다.
광원(310) 내의 개별 소자의 제어 또는 복수의 어퍼처(312) 제어를 위한 회로적 설계는 공지의 기술에 따라 인쇄 회로 기판(PCB, Printed Circuit Board)가 설계될 수 있고, 와이어 본딩(Wire bonding) 또는 플립칩(Flip Chip) 방식의 설계도 포함될 수 있다.
[복수 광원 소자의 출력 개별 제어]
도 17 내지 도 20을 참조하면, 일 실시예에 따라 광원 모듈(400)의 광원(410) 복수 개의 광원 소자를 포함할 수 있다. 복수 개의 광원 소자를 사용하면 보다 증가된 광량을 피사체에 전달할 수 있다. 개별 광원 소자는 단일한 광원 소자의 영역과는 구별되는 독립한 물리적 실체를 가질 수 있고, 독립된 영역을 가지고 배치되어 있을 수 있다.
예시적으로, 도 19의 광원(410)은 제1 광원 소자(410-1) 내지 제9 광원 소자(410-9)가 정의되어 배치될 수 있다.
단일한 광원 소자를 사용하는 경우 수신부의 이미지 센서가 인식하는 해상도가 제한된다. 또한 단일한 광원 소자가 사용할 수 있는 전력의 양도 한정되므로, 물체에 도달하는 광량도 제한적이게 된다.
따라서 일 실시예에 따른 복수 개의 광원 소자를 사용하는 광원 모듈(400)은 높은 해상도를 획득할 수 있다. 또한 복수 개의 광원 소자를 사용하는 경우 풍부한 광량을 물체 및 수신부에 전달할 수 있으므로, 위와 같은 광량의 부족 문제를 해결할 수 있게 된다.
광원(410)의 독립된 영역에서 전달되는 광은 광학 장치를 통과하며 개별적인 화각(FOV, Field Of View)를 가질 수 있다. 광원 모듈에서 개별적인 화각을 가지게 되는 이유는, 물체에 균일하고 넓게 광을 조사하여야 정확한 거리측정을 할 수 있고, 높은 해상도의 영상을 획득할 수 있기 때문이다. 각 광원 소자에서 전달되는 광의 세기는 각 소자에 개별적으로 전달되는 전류에 의해 세기가 조절되는 것일 수 있다.
광원 모듈(400)의 액추에이터는 복수 개의 광원 소자의 출력에 대응하여 광학 장치의 움직임을 발생시킬 수 있다.
광원 모듈(400)에서 광원(410)에 포함된 모든 광원 소자를 동시에 작동시키면 충분한 광량을 물체에 전달할 수 있지만, 전력의 소모가 급증하게 된다. 따라서 최적의 전력 소모를 위해 복수 개의 광원 소자 중 일부 소자의 출력을 개별적으로 제어하고 광학 장치의 움직임을 통해 보다 효율적인 거리측정이 가능할 수 있다.
일 실시예에 따라 단일한 광원 소자 내의 어퍼처의 개별적 전류 제어 방식과 유사하게 복수의 광원 소자 각각의 제어를 통해 보다 정확한 거리 측정을 가능하게 할 수 있다.
단일한 소자 내부의 어퍼처의 개별 제어와 복수의 광원 소자에서 각각의 광원 소자를 제어하는 구체적인 방법은 상이하지만, 원거리 피사체 또는 근거리 피사체의 측정을 위한 광 출력 제어의 원리는 동일하게 적용될 수 있다.
광원 소자가 복수 개이므로, 광학장치가 움직이는 거리는 광원이 단일한 경우보다 줄어들게 되므로 동작 시간이 줄어드는 장점이 있다.
도 20을 참조하면, 일 실시예에 따른 광원(410)의 복수 개의 광원 소자는 플립칩 방식을 활용하여 다른 광원 소자에 영향을 최소화할 수 있다. 플립 칩(Flip Chip)은 반도체 칩을 회로 기판에 부착시키는 경우, 와이어와 같은 중간 연결 매체를 사용하지 않고 칩 아래의 전극 패턴을 이용해 그대로 배치하는 방법이다. 복수 개의 광원 소자를 연결하는 경우 배선이 복합해질 수 있고, 광원 모듈은 광원 소자에서 광을 조사시키게 되는데, 이러한 광을 중간 연결 매체가 방해할 가능성을 막을 수 있다는 장점이 있다.
예시적으로, 광원 소자가 수직 공동 표면 발광 레이저(VCESL, Vertical Cavity Emitting Surface Laser)인 경우 음극과 양극 사이의 공진을 활용하여 광을 출사시킬 수 있고, 플립칩 방식을 사용하여 기판에 광원 소자를 설치하는 경우 다른 광원부에 영향을 미치지 않고 배선할 수 있다.
복수 개의 광원 소자 개별적인 회로 배선에 의해, 각각에 공급되는 전류가 개별적으로 조절될 수 있다. 예시적으로, 근거리 모드의 거리를 측정하기 위해서는 전력을 절약할 필요가 있고, 중앙부의 광원 소자만을 활용하여 거리를 측정할 수 있다.
2.2 광학 장치 (Optical Element)
[광학 장치의 구성]
일 실시예에 따른 광학 장치는 광원에서 전달되는 광을 다양한 방향으로 확산시키거나 굴절시킬 수 있다. 광학 장치의 표면에 형성된 요철은 다양한 형상, 재질로 구성될 수 있고, 광을 확산시키는 각도는 이러한 형상, 재질 등에 의해 다양하게 설정될 수 있다. 광학 장치를 통해 광원에서 출사되는 광을 목표하는 방사각으로 광을 확산시키거나 굴절하여 물체에 광을 전달할 수 있다.
[광학 장치의 유형]
일 실시예에 따른 광학 장치는 광원 모듈의 물리적 구성, 작동 기능, 설계 조건에 따라 다양한 광학적 소재나 특성을 가질 수 있다.
예시적으로, 광학 장치는 프레넬(Fresnel) 렌즈를 필요에 따라 가공하여 사용할 수 있고, 하나 이상의 프리즘(Prism), 디퓨저(Diffusor), 스플리터(Splitter), 회절광학소자(DOE, Diffractive Optical Element), 콜리메이터 렌즈(Collimator Lens) 등을 선택하거나 조합하여 활용할 수도 있다.
일 실시예에 따른 광학 장치는 마이크로 렌즈 어레이(MLA, Micro Lens Array)에 의해 형성될 수 있고, 광학 장치의 표면은 사용되는 물질의 특성 및 형상에 따라 다양하게 가공될 수 있다.
[복수 개의 광학 장치]
도 1 및 도 2를 참조하면, 일 실시예에 따른 광원 모듈(100, 200)은 하나 이상의 광학 장치를 포함할 수 있다. 도 3을 참조하면, 일 실시예에 따른 광원 모듈(300)은 두 개의 광학장치를 포함할 수 있고, 각가의 광학 장치는 제1 광학장치(320-1), 제2 광학장치(320-2)로 정의될 수 있다.
광원에서 나오는 광은 제1 광학장치(320-1)를 통과하고 제2 광학장치(320-2)로 전달될 수 있다. 이 경우 액추에이터(330)의 움직임에 따라 광원에서 전달된 광의 방사각은 제1 광학장치를 통과하며 증가하거나 감소할 수 있다.
이 경우 제1 광학장치와 제2 광학장치 사이의 상대적 거리에 따라 광원 모듈의 작동 모드가 정의될 수 있다. 예시적으로 광원 모듈의 작동 모드는 원거리 모드 또는 근거리 모드일 수 있고, 작동 모드의 개수와 종류는 필요에 따라 다양하게 정의될 수 있다.
[광학 장치의 영역]
도 8 내지 도 14를 참조하면, 일 실시예에 따른 광학 장치(320)의 영역은 하나 이상의 영역으로 구분될 수 있다. 각 영역의 위치, 방향, 배열은 필요에 따라 달리 정의될 수 있다. 복수 개의 영역으로 구분된 광학 장치는 물체의 각 영역으로 광이 전달될 수 있도록 표면을 다르게 형성시킬 수 있다.
도 8을 참조하면, 일 실시예에 따른 광학 장치(320A)의 제1 영역(321A)과 제2 영역(322A)는 다른 물리적 특성을 가지도록 정의될 수 있고, 각각의 영역을 통과한 광은 다른 방사각을 가질 수 있다. 다른 실시예에 따른 광학 장치(320B)는 광을 그대로 통과시키는 제1 영역(321B)과 광을 확산시키는 제2 영역(322B)로 정의될 수 있고, 제1 영역은 개방되어 있거나 광의 확산정도가 적은 물질이 사용되어 영역을 형성할 수 있다. 또 다른 실시예에 따른 광학 장치(320C)는 복수의 영역(325)으로 구분되어 각각의 영역이 다른 물리적 특성을 가지도록 정의될 수 있다. 각각의 영역의 물리적 특성은 방사각에 따라 정의될 수 있으나, 필요에 따라 굴절률 등과 같은 특성으로 정의될 수 있다. 예시적으로 광학장치는 9개의 영역으로 구분된 것일 수 있다.
도 3 내지 5를 참조하면, 일 실시예에 따른 두 개의 광학장치는 제1 광학장치(320-1), 제2 광학장치(320-2)로 정의될 수 있다. 이 경우 제1 광학장치와 제2 광학장치 사이의 상대적 거리에 따라 광원 모듈의 작동 모드가 정의될 수 있다. 예시적으로 광원 모듈의 작동 모드는 원거리 모드 또는 근거리 모드일 수 있다.
도 8을 참조할 때, 광학 장치의 하나 이상의 영역은 두 개의 광학장치 사이의 상대적 거리 또는 광원 모듈의 모드에 따라 정의될 수 있다. 광학 장치의 어느 하나의 영역의 표면은 원거리 모드에서 방사각을 줄어들게 하기 위하여 다른 영역의 표면과 형태 및 재질을 다르게 제작될 수 있다. 예시적으로 광학 장치(320A)의 제2 영역(322A)은 두 개의 광학장치 사이의 상대적 거리가 줄어든 원거리 모드에서 사용되는 영역일 수 있다.
필요에 따라 광학 장치의 각 영역은 단일한 재질로 구성될 수 있으며, 기 설정된 광원 모듈의 모드에 따라 중심과 외각의 방사각도를 조절하기 위하여 패턴을 달리 할 수 있다.
[광학장치의 형태]
도 9를 참조하면, 일 실시예에 따른 광학장치(320)는 마이크로 렌즈 어레이(MLA, Licro Lens Array)에 의해 제작될 수 있다. 복수의 광원 소자의 개별 광의 화각(FOV, Field Of View)는 각기 다른 것 일 수 있고, 이를 위해 마이크로 렌즈 어레이는 비대칭으로 형성된 마이크로 렌즈를 포함할 수 있다. 다른 실시예에 따르면, 하나 이상의 마이크로 렌즈 어레이는 대칭으로 형성된 마이크로 렌즈 또는 렌즈군을 포함할 수 있다. 광학장치의 중앙에 위치되는 마이크로 렌즈 어레이는 대칭으로 형성될 필요가 있고, 예시적으로, 근거리 모드에서 광학장치(320)의 움직임을 발생시키지 않고 고정된 상태에서 중앙부 렌즈만을 사용할 수 있다.
또한, 하나 이상의 마이크로 렌즈 어레이는 영역별로 굴절률 차이를 가지도록 형성될 수 있다. 광학장치에서 물체에 광이 도달되게 하기 위하여, 액추에이터(330)에 의해 광의 전달 방향을 조절할 필요가 있고, 영역별로 굴절률 차이를 가지게 하여 광의 전달 방향을 조절할 수 있다. 또한, 하나 이상의 마이크로 렌즈 어레이는 상기 광학장치(320)의 순차적임 움직임에 맞추어 광을 전달시키도록 배열되어 있을 수 있다. 일 실시예에 따르면, 배치된 광원 소자의 전부 또는 일부만이 사용될 수 있으며, 광원 소자의 개수에 따라 광 확산장치의 활용되는 영역은 전체 또는 일부일 수 있다. 예시적으로, 광학장치의 움직임으로 광을 순차적으로 전달할 수 있다.
도 9를 참조하면, 일 실시예에 따르면, 광학장치(320)의 영역은 9개의 개별 영역(355)으로 나누어 질 수 있다. 예시적으로, 광학장치의 제1 영역은 좌상단 방향 비대칭으로 형성될 수 있고, 광학장치의 제2 영역은 수직 방향 비대칭으로 형성될 수 있다. 광학장치의 제3 영역은 우상단 방향 비대칭으로 형성될 수 있고, 광학장치의 제4 영역은 수평 방향 비대칭으로 형성될 수 있다. 광학장치의 제5 영역은 모든 방향에 대해 대칭으로 형성될 수 있다. 광학장치의 제6 영역은 수평 방향 비대칭으로 형성될 수 있고, 광학장치의 제7 영역은 좌하단 방향 비대칭으로 형성될 수 있다. 광학장치의 제8 영역은 수직 방향 비대칭으로 형성될 수 있고, 광학장치의 제9 영역은 우하단 방향 비대칭으로 형성될 수 있다.
도 14를 참조하면, 다른 실시예에 따라 광학장치의 제10 영역은 좌측 대각선 방향 비대칭일 수 있고, 광학장치의 제11 영역은 우측 대각선 방향 비대칭일 수 있다. 광학장치의 제12 영역은 수평 방향 비대칭일 수 있고, 광학장치의 제13 영역은 수평 방향 비대칭일 수 있다. 광학장치의 제14 영역 및 제15 영역은 모든 방향에 대해 대칭일 수 있고, 그 영역의 크기는 달리할 수 있다.
예시적으로, 도 9의 광학장치(320)의 제1 내지 제9 영역은 원거리 모드의 거리를 측정하기 위해 사용될 수 있다. 예시적으로, 도 14의 광학장치(320)의 제10 내지 제14 영역은 원거리 모드의 거리를 측정하기 위해 사용될 수 있다. 예시적으로, 도 14의 광학장치(320)의 제15 영역은 근거리 모드의 거리를 측정하기 위해 사용될 수 있다.
2.3 액추에이터
[액추에이터의 구성]
도 1, 도 2, 도 3, 도 4, 도 21을 참조할 때, 일 실시예에 따른 액추에이터는 광학 장치의 공간상의 움직임을 발생시킬 수 있는 것이면 다양한 형태의 장치가 사용될 수 있고, 광학 장치의 상대적 움직임을 통해 광원 모듈의 광 전달 방향 또는 방사각을 조절할 수 있다.
도 1을 참조하면, 광축을 기준 제1 방향(z축)을 정의하는 경우, 광학장치는 제1 방향(z축), 제2 방향(x축) 또는 제3 방향(y축)으로 움직일 수 있다. 일 실시예에 따라 액추에이터는 광학장치를 공간상의 제1 방향 내지 제3 방향의 제어장치의 제어 신호에 따라 제1 방향 내지 제3 방향의 조합에 따른 공간상의 움직임을 발생시킬 수 있다.
도 3을 참조하면, 일 실시예에 따라 광원 모듈이 두 개의 광학 장치를 포함하는 경우 제1 광학 장치와 제2 광학 장치 사이의 거리를 조절하기 위해 전류가 흐르는 코일(Coil)과 자기장이 발생하는 자석(Magnet) 사이에 발생하는 전자기력을 이용할 수 있다. 액추에이터의 종류는 기계적 방식 또는 회로적 방식 등 확산부의 움직임을 발생시키고 제어할 수 있는 것이면 제한되지 않는다.
자석에 의해 자기장이 형성된 곳에 위치하는 코일에서 전류가 흐르는 경우에 전자기력이 발생할 수 있고 제2 확산부를 광 경로방향을 기준으로 위 방향 또는 아래 방향으로 밀어낼 수 있다. 전류의 방향을 제어하여 광학장치의 움직임의 방향을 제어할 수 있고, 기 설정된 기준에 따라 제어될 수 있다.
다른 실시예에 따라, 광원 모듈은 압전소자(미도시) 또는 회전장치(미도시)를 사용하여 제1 광학 장치와 제2 광학 장치 사이의 거리 또는 방향을 조절할 수 있다.
또 다른 실시예에 따라, 광원 모듈은 광학 장치가 광 경로와 수평 또는 수직한 방향의 움직일 수 있도록 하는 구동장치(미도시)를 더 포함할 수 있다.
일 실시예에 따라 광원 모듈은 VCM(Voice Coil Motor)을 포함할 수 있고, 페로 마그넷(Ferro Magnet)과 페로 마그넷 바(Ferro Magnet Bar)를 사용하여 광학 장치의 움직임을 발생시킬 수 있다.
[VCM(Voice Coil Motor) 기능]
도 1을 참조하면, 일 실시예에 따라 액추에이터(130)는 광학 장치의 움직임을 발생시키기 위해 보이스 코일 모터(VCM, Voice Coil Motor)을 사용할 수 있다.
일 실시예에 따라 액추에이터(130)는 코일(131)과 전자석(133) 또는 압전소자(미도시)와 금속물질(미도시)의 상호작용을 이용하여 확산장치의 광경로 방향 움직임을 발생시킬 수 있다. 확산장치의 광경로 방향 움직임은 수직 방향 움직임 기능으로 정의될 수 있다.
액추에이터(130)에 사용되는 보이스 코일 모터는 코일과 자석의 상호작용에 의해 발생하는 전자기력에 의해 물체의 움직임을 발생시킨다.
도 3을 참조하면, 광원 모듈(300)이 두 개의 광학 장치를 포함하는 경우 하나의 광학 장치(320-1)는 고정되고, 다른 하나의 광학 장치(320-2)에 코일 또는 전자석이 포함될 수 있다. 이 경우 전류가 흐르는 코일(331)에 의해 전자기력이 발생하고 광학 장치에 포함된 자석(333)과 코일의 전자기적 상호작용에 의해 두 개의 광학 장치 사이의 거리가 조절될 수 있다. 코일에 흐르는 전류의 세기, 방향에 따라 두 개의 광학 장치 사이의 정확한 거리, 상대적 거리의 증감, 광학 장치의 움직임 방향이 정해진다.
다른 실시예에 따라, 코일에 의한 전자기장의 증폭은 압전 효과(피에조 효과)에 따라 정해질 수 있고, 상기 전자기력에 의해 두 개의 광학 장치 사이의 거리를 조절할 수 있다.
일 실시예에 따른 두 개의 광학장치는 제1 광학장치(320-1), 제2 광학장치(320-2)로 정의될 수 있다. 이 경우 제1 광학장치와 제2 광학장치 사이의 상대적 거리에 따라 광원 모듈의 작동 모드가 정의될 수 있다. 예시적으로 광원 모듈의 작동 모드는 원거리 모드 또는 근거리 모드일 수 있다.
[OIS(Optical Image Stabilization) 기능]
도 1을 참조하면, 일 실시예에 따라 액추에이터(130)는 코일(131)과 전자석(133) 또는 압전소자(미도시)와 금속물질(미도시)의 상호작용을 이용하여 확산장치의 광경로와 수직한 방향 움직임을 발생시킬 수도 있다. 광축을 기준 제1 방향(z축)을 두면, 제1 확산장치(1330)는 제2 방향(x축) 또는 제3 방향(y축)으로 움직일 수 있다.
이러한 전자기적 상호작용 통해 광의 방사각 또는 방향을 원하는 정도로 조절할 수 있다. 이 경우 액추에이터 움직임은 OIS(Optical Image Stabilization) 기능 또는 수평 방향 움직임으로 정의될 수 있다.
일반적인 카메라의 OIS 기능은 일반적인 손떨림 방지 기능과 같이 영상의 흔들림을 방지하기 위해, 광학 장치를 움직여 흔들림을 보정하거나 이미지 센서의 신호를 조절하여 흔들림을 방지하는 것이다
하지만, 본 실시예에 따르면, 기존의 OIS와 반대로 광학 장치의 움직임을 발생시켜 물체에 전달하는 광의 방사각 또는 방향을 조절하는 것으로 그 적용 대상을 달리한다. 또한, 본 실시예에 따른 광학 장치의 움직임으로 인해 정확한 거리 측정을 위한 것이라는 점에서 적용 목적에서도 차이가 있다.
일 실시예에 따라 광학 장치의 움직임을 통해 물체에 점처럼 도달되는 광을 면처럼 도달될 수 있도록 할 수 있다. 예시적으로, 점광원 영역은 물체에 도달하는 일정한 세기 이상의 영역으로 정의될 수 있다. 다른 예시적으로, 광원 모듈은 면광원 영역을 생성하여 보다 높은 해상도와 정확한 거리 계산이 가능할 수 있다.
또한 단일한 광원 소자를 사용하는 경우 사용할 수 있는 전력이 제한되므로, OIS 기능을 통해 동일한 물체을 광학 장치의 영역 수만큼 나누어 인식할 수 있도록 할 수 있다. 이는 광원 모듈의 OIS 시스템의 제1 특징으로 정의될 수 있다. 도 12의 제한된 영역에서의 광학 장치의 움직임을 통해 위 기능을 구현할 수 있다.
일 실시예에 따른 OIS 기능은 면광원을 생성하기 위하여 일정한 범위 내에서 광학 장치의 움직임을 발생한 것임에 반해, 다른 실시예에서는 물체의 영역을 구분하여 순차적으로 광을 전달하여 물체에 도달하는 광량을 증대시킬 수 있다. 또한 복수의 광원 소자를 사용하는 경우, 각각의 영역에 대응되는 방사각을 형성시켜 이미지의 해상도를 향상시킬수 있다. 이는 광원 모듈의 OIS 시스템의 제2 특징으로 정의될 수 있다. 도 9 내지 도 11, 도 13 내지 14와 같은 광학 장치의 움직임을 통해 위 기능을 구현할 수 있다.
[OIS 기능의 제1 특징에 따른 면광원 생성]
일 실시예에 따른 복수 개의 광원 소자의 개수와 광학장치의 영역의 개수가 동일하거나 대응 관계를 가지는 경우, 광학장치의 움직임으로 거리측정의 정확성을 높일 수 있다. 예시적으로, 광학장치가 움직이지 않는 경우에는 물체에 도달하는 광이 점(dot) 또는 작은 영역으로 형성됨에 반해, 광학장치를 움직이는 경우 광을 면(area) 또는 넓은 영역으로 형성시킬 수 있다는 장점이 있다.
예시적으로, 물체에 도달하는 광은 점(dot) 또는 작은 영역을 형성할 수 있다. 물체에 광이 도달하지 않는 영역은 거리를 측정할 수 없다. 따라서 광원 모듈에서 광의 도달 면적을 넓히거나, 광이 도달하지 않는 영역을 줄이는 방향으로 물체의 이미지 해상도를 높일 수 있거나 거리를 정확하게 측정할 수 있게 된다.
일 실시예에 따르면, 광학장치의 움직임으로 물체에 도달하는 광은 점(dot)이 아닌 면(area)를 형성할 수 있게 된다. 광학장치의 움직임으로 인해 발생하는 면적을 면광원으로 정의할 수 있다. 광원 모듈에서 공간이 한정되고, 움직임의 방향이 제한되므로 생성할 수 있는 면광원의 면적은 제한된다. 기존의 거리측정장치의 경우 광학장치의 움직임을 통해 해상도를 높이는 시도가 없었으므로, 이러한 배치의 문제를 고려하지 않았다.
일 실시예에 따르면, 면광원의 면적의 효율을 높이고, 광 미도달 영역을 줄이기 위해 광원 소자 또는 어퍼처를 지그재그로 형성할 수 있다. 이 경우 물체에는 더욱 촘촘해진 간격을 가진 광이 도달될 수 있다. 예시적으로, 광원부의 상기 복수 개의 광원 소자에는 어퍼처가 형성되어 있고, 상기 어퍼처는 물체에 도달하는 광의 위치를 조절하기 위해 설정된 규칙에 따라 배열될 수 있다. 설정된 규칙은 광 도달 영역의 밀집도를 올리기 위한 규칙이면 제한되지 않는다.
[OIS 기능의 제2 특징에 따른 영역별 센싱]
도 5 및 도9와 같이, 일 실시예에 따라 피사체에 도달하는 광의 영역에 따라 광학 장치의 구분된 복수의 영역이 정의될 수 있고, 하나의 광원 소자를 사용하여 광학 장치의 구분된 복수의 영역별로 광을 통과시킬 수 있다.
다른 실시예에 따라, 복수의 광원 소자를 사용하여 광학 장치의 구분된 복수의 영역별로 광을 통과시킬 수 있다.
후술되는 바와 같이 도 5에서 설명되는 광학 장치의 움직임에 따라 광학 장치의 구분된 복수의 영역별로 물체에 광을 전달할 수 있고, 물체의 영역별로 분할하여 최종적인 이미지 데이터 또는 거리 데이터를 획득할 수 있다.
이러한 영역별 센싱은 하나의 광원 소자를 포함하는 광원 모듈에 의해 구현될 수 있고, 필요에 따라 복수의 광원 소자를 포함하는 광원 모듈에 의해 구현될 수 있다.
예시적으로, 9개의 영역으로 분할된 광학 장치에 대해 1개의 광원을 사용하여 광을 조사하는 시간보다 3개의 광원을 사용하여 3개의 채널에 대해 라인 스캐닝 방식을 사용하면 동작 시간이 1/3로 줄어드는 효과를 발생시킬 수 있다. 이러한 광원 소자의 개수는 경제성, 광원 모듈의 크기, 액추에이터 시스템의 제한 조건을 고려하여 조절되거나 설계될 수 있다.
또 다른 예시적으로, 광학 장치의 복수 개의 영역의 개수와 동일한 복수 개의 광원을 가질 수 있다. 이러한 복수 개의 광원을 활용하면 광학 장치의 움직임의 거리가 줄어들게 되므로, 동작 시간이 줄어들게 되는 장점을 가질 수 있다. 예시적으로, 9개의 영역으로 구분된 광학 장치의 복수 개의 영역에 대응되는 9개의 광원을 가질 수 있다. 9개의 광원을 가지는 광학 장치의 이동시간은 1개의 광원에 의해 동작되는 작동 시간과 비교할 때 1/9 또는 그 이하의 시간일 수 있다.
[빔 스티어링(Beam Steering) 기능에 따른 영역별 센싱]
도 21 내지 도 23를 참조하면, 일 실시예에 따른 광원 모듈(500)은 빔 스티어링(Beam Steering)을 통해 물체에 광을 도달시킬 수 있다. 광의 출사각을 기준으로 대면적의 피사체의 일정 구간에 광원 모듈 또는 광학 장치의 각도를 조절하여, 광원에서 전달되는 빔을 공간적으로 분할하여 피사체에 전달할 수 있다.
일 실시예에 따른 광원 모듈(500)은 광원(510), 하나 이상의 광학 장치(520), 액추에이터(530), 프레임(미도시), 하나 이상의 제어 장치(550), 하나 이상의 포고 핀 텐션(580)을 포함할 수 있다.
광원(510)의 종류는 광을 출사할 수 있는 것이면 전술한 것들 중 하나를 채택할 수 있고, 그 종류는 제한되지 않으나, 예시적으로 수직 공동 표면 발광 레이저(VCESL, Vertical Cavity Emitting Surface Laser)일 수 있다.
광학 장치(520)은 하나 이상의 광학 장치를 포함하는 것일 수 있고, 필요에 따라 복수의 광학 장치를 포함할 수 있다. 일 실시예에 따라 제1 광학 장치(520-1)은 콜리메이터 렌즈일 수 있고, 제2 광학 장치(520-2)는 회절광학소자 스플리터(Diffractive Optical Element Splitter)일 수 있다.
액추에이터(530)은 코일(531), 전자석(533), 요크(535)를 포함할 수 있다. 코일(531) 및 전자석(533)은 코일에 전류가 흐르는 경우 전자기적 상호작용에 의해 광학 장치(520)의 움직임을 발생시킬 수 있다. 요크(Yoke, 535)는 자속 밀도를 증가시키기 위해 금속(metal) 소재로 구성될 수 있다.
액추에이터(530)는 하나 이상의 포고 핀 텐션(Pogo Pin Tension)을 포함할 수 있고, 포고 핀 텐션(580)은 필요에 따라 액추에이터와 분리된 별개의 장치로 정의될 수 있다.
터미널(532)은 코일(531)과 인쇄 회로 기판(PCB, Printed Circuit Board)의 연결용 단자일 수 있다. 포고 핀 텐션이 설치된 기판을 인쇄 회로 기판(PCB)으로 정의할 수 있고, 광원 소자가 설치된 기판을 기판 패드(Substrate Pad)로 정의할 수 있다.
프레임(미도시)는 광원 모듈(500)의 각 구성을 지지하거나 보호하기 위한 것이면 도 21 및 도 22의 전부 또는 일부의 형태일 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.
광원 모듈(500)은 플랫 스프링(541)을 포함할 수 있고, 프레임(미도시)와 연결되어 복원력과 유지력을 전달할 수 있다. 플랫 스프링(541)은 액추에이터(530) 또는 광학 장치(520)이 초기위치로 복귀하여 유지할 수 있도록 회복력을 제공할 수 있다. 플랫 스프링(Flat Spring)은 서브 광원 모듈(미도시)로 정의되는 광 출사장치의 일 부분과 프레임(미도시)의 일 부분이 연결된 구성을 가질 수 있다.
제어 장치(550)는 프로세서(Processor) 또는 컨트롤러(Controller)를 포함할 수 있고, 필요에 따라 복수의 프로세서를 포함할 수 있다.
제1 제어장치(550-1)은 코일 및 전자석 사이의 자기력이 유효한지 검출하는 제1 프로세서일 수 있고, 제2 제어장치(550-2)는 아이 세이프티(Eye Safety) 확인을 위한 제2 프로세서일 수 있다. 제2 제어장치(550-2)는 광학 장치의 이탈 여부를 감광장치(Photo Detector)를 통해 검출할 수 있다. 예시적으로, 제2 광학 장치로서 회절광학소자(Diffractive Optical Element)의 이탈 여부를 감광장치를 통해 확인할 수 있다.
포고 핀 텐션(Pogo Pin Tension, 580)은 인쇄 회로 기판(Printed Circuit Board) 및 기판(Substrate Pad)와 전기적으로 연결하여 빔 스티어링을 구현할 수 있다. 여기서, 인쇄 회로 기판(Printed Circuit Board)는 제1 프로세서(550-1)와 연결되고, 포고 핀 텐션(580)의 하측과 연결되는 기판을 정의하는 것일 수 있고, 기판(Substrate Pad)는 제2 프로세서(550-2)와 연결되고, 포고 핀 텐션(580)의 상측과 연결되는 기판을 정의하는 것일 수 있다. 인쇄 회로 기판(Printed Circuit Board)과 기판(Substrate Pad)는 전술한 배치의 차이점을 나타내기 위한 것으로, 물리적 특성의 차이점을 가져오는 것은 아닐 수 있다.
일 실시예에 따른 광원 모듈(500)은 복수 개의 포고 핀 텐션(580)을 포함할 수 있고, 전기적으로 연결된 인쇄 회로 기판(PCB)으로부터 전원을 공급받아 기판(Substrate Pad)의 기울임(Tilting)을 발생시켜 광의 출사각을 변화시킬 수 있다.
포고 핀 텐션(580)의 내부에는 전자기력을 발생시키는 자석과 코일이 포함될 수 있고, 복수의 포고 핀 텐션(580) 내부에 발생하는 전자기력의 크기 또는 방향에 따라 포고 핀 텐션(580)의 움직임이 제어될 수 있다. 적어도 4개의 포고 핀 텐션(580)을 포함하는 경우에 전류의 방향과 세기에 따라 각각의 포고 핀 텐션(580)의 높낮이를 안정적으로 조절할 수 있다.
포고 핀 텐션(580)의 높낮이를 개별적으로 조절하여 광원 모듈이 피사체로 전달하는 빔의 방향을 조절할 수 있고, 예시적으로 빔의 출사각을 제어하기 위하여 공간상에서 광원 모듈 또는 광학 장치의 기울기를 제1 변위(Theta 1)로 정의하여 제어할 수 있다. 필요에 따라 x축과 y축에 의해 형성되는 평면과 광원 모듈 또는 광학 장치 사이의 기울기를 세타(theta)로 정의할 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.
포코 핀 텐션(580)의 변위 제어는 전원 연결을 유지하는 범위 내에서 자율적으로 제어될 수 있다.
포고 핀 텐션(580)은 실린더 형태의 외형을 가지고, 내부에 스프링을 포함할 수 있지만, 외부의 기판과 전기적 연결을 유지할 수 있는 것이면 그 형태는 제한되지 않는다.
다른 예시적으로, 인쇄 회로 기판(Printed Circuit Board)의 수직방향을 z축 방향으로 정의할 때, 각각의 포고 핀 텐션(580) 수직방향 높이에 따라 광이 전달되는 x축, y축 방향의 제2 변위(Theta 2)가 정의될 수 있다.
포고 핀 텐션(580)의 상대적인 출사각 제어에 의해 공간적인 분할을 통한 광 출사가 가능할 수 있고, 이 경우 피사체를 분할하여 이미지 또는 거리를 측정할 수 있게 되므로 보다 고품질의 이미지 데이터 또는 거리 데이터를 획득할 수 있다.
필요에 따라 광원 모듈은 엔코더(미도시) 또는 홀센서(미도시)를 더 포함할 수 있다. 엔코더(Encoder)는 회전운동이나 직선운동을 하는 물체의 위치와 속도 정보를 전기적인 신호를 출력하는 센서일 수 있고, 포고 핀 텐션의 정밀한 위치 이동 및 센싱에 사용될 수 있다. 또한, 홀센서(Hall Sensor)는 전류가 흐르는 도체에 형성되는 전위차 또는 전기장을 측정하는 센서일 수 있고, 포고 핀 텐션의 정밀한 위치 이동 및 센싱에 사용될 수 있다. 엔코더(미도시) 또는 홀센서(미도시)에 의해 획득된 신호는 별도의 드라이버에 의해 포고 핀 텐션의 움직임에 대한 위치를 실시간으로 피드백받아 유효한 위치인지 확인할 수 있다.
일 실시예에 따른 빔 스티어링 기능을 가지는 광원 모듈(700)을 사용한 경우 도 24와 같은 피사체(799)에 광이 도달하는 영역(795)를 공간적으로 분할하여, 포고 핀 텐션의 움직임에 따라 피사체를 일정한 영역으로 구분하여 광을 전달할 수 있고, 본 명세서에 기재된 방법들이 사용될 수 있다.
예시적으로, 광원 모듈에 의해 피사체에 전달되는 광은 제1 영역(a2), 제2 영역(b2), 제3 영역(c2), 제4 영역(f2), 제5 영역(e2), 제6 영역(d2), 제7 영역(g2), 제8 영역(h2), 제9 영역(i2)의 순서로 전달될 수 있다. 대면적을 분할하여 시간에 따라 광을 순차적으로 전달하여, 영역별로 전달되는 광의 밀도를 증가시키고 고해상도의 거리 데이터, 이미지 데이터, 입체 데이터 등을 획득할 수 있다.
다른 실시예에 따른 광원 모듈(800)은 기판(810), 전도체 볼(820), 서브 광원 모듈(830)을 포함할 수 있다.
기판(810)은 전도체 볼(820)을 통해 서브 광원 모듈(830)에 전류 또는 전압을 제공할 수 있다.
전도체 볼(820)은 기판의 중앙부 영역에 설치되어 서브 광원 모듈(830)에 전기적 연결을 제공한다. 전도체 볼(820)은 서브 광원 모듈(830)이 빔 스티어링(Beam Steering)에 의해 움직임이 발생하더라도, 기판(810)과 서브 광원 모듈(830) 사이의 전기적 연결을 지속적으로 유지할 수 있다.
전도체 볼(820)의 배치 또는 크기는 광원 모듈(800)과 서브 광원 모듈(830)에 따라 다르게 설정될 수 있고, 구형의 전도체 볼(820)을 사용하는 경우 일부만을 절삭하거나 접착시키는 방법으로 안정성을 유지할 수도 있다.
서브 광원 모듈(830)은 전술한 광원 모듈 중에서 채택되거나 변형될 수 있고, 광원(미도시)과 광학 장치(미도시)에 의해 형성되는 별개의 광원 모듈일 수 있다.
[액추에이터의 제어]
도 9 내지 도 15를 참조하면, 일 실시예에 따른 액추에이터(330)는 제어장치(350)로부터 제어 신호를 전달받고, 광원(310)의 출력 변화 간격에 맞추어 광학 장치(320)의 움직임을 제어할 수 있다.
광학장치(320)의 움직임은 광이 물체의 대응 영역을 비추도록 제어될 수 있다. 필요에 따라 광학 장치(320)는 두 개의 광학 장치를 포함할 수 있고, 이는 도 5와 같은 제1 광학 장치(320-1), 제2 광학장치(320-2)로 정의될 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.
예시적으로, 도 5의 제2 광학장치(320-2)의 A 영역을 통해 광이 통과하도록 광학장치가 이동할 수 있고, 도 5의 제2 광학장치(320-2)의 A영역을 통과한 광은 광 도달 영역 내(395)의 대응되는 영역 A'로 전달될 수 있다.
또 다른 예시로, 도 5의 제2 광학장치(320-2)가 이동하여 광이 B 영역, C 영역의 순서대로 통과하는 경우 광 도달 영역 내의 대응되는 영역 B', C'의 순서대로 광이 전달될 수 있다.
도 15를 참조하면, 광학장치(320)을 통과하고 물체의 대응 영역에 도달하여 반사된 광은 수신부(350)에 전달될 수 있다. 또한 수신부에 전달된 반사광은 광학장치의 N개(N은 1 이상의 자연수임)의 영역에 대응되도록 구분된 영역(355)에 도달할 수 있다.
광학장치의 출력 변화는 광원의 출력 변화 간격에 맞추어 이동할 수 있고, 광학장치는 광이 수신부의 대응 영역을 비추도록 제어될 수 있다. 예시적으로, 도 5의 제2 광학장치(320-2)의 A 영역을 통해 광이 통과하도록 광학장치가 이동할 수 있고, 광학장치의 A 영역을 통과한 광은 수신부 내의 대응되는 영역 a로 전달될 수 있다.
또 다른 예시로, 도 5의 제2 광학장치(320-2)가 이동하여 광이 B 영역, C 영역의 순서대로 통과하는 경우 수신부 내의 대응되는 영역 b, c의 순서대로 광이 전달될 수 있다.
광원부의 출력의 제어 속도는 수신부와 연동되어 제어될 수 있다. 이러한 제어 속도는 TOF(Time Of Flight) 카메라의 프레임 속도(Frame rate)를 기준으로 제어될 수 있고, 센서의 감도에 따라 그 속도는 달라질 수 있다. 예시적으로 VGA, QVGA, QQVGA 등에 따라 제어 속도는 달리 정해질 수 있다.
도 9를 참조하면, 예를 들어, 광학장치의 영역에서 A, B, C, F, E, D, G, H, I 영역의 순서대로 광을 통과시킬 수 있다. 광학장치 영역에서 광을 통과시키는 순서에 따라 전력의 효율이 달라질 수 있고, 광을 통과시키는 순서는 전체 영역이 중복되지 않도록 하나의 사이클을 형성할 수 있다.
또 다른 예시는, 광학장치 영역에서 E, F, C, B, A, D, G, H, I 영역의 순서대로 광을 통과시킬 수 있다. 광학장치의 움직임의 순서 및 방향은 예시적인 것으로 이에 제한되지 않는다.
액추에이터(330)는 코일, 압전소자, 또는 회전장치를 포함할 수 있다. 코일 및 자석의 상호작용에 의해 광축에 나란한 방향의 움직임(광경로 방향)을 발생시킬 수 있다. 또한 압전소자의 사용으로 광축에 나란한 방향의 움직임을 발생시킬 수 있다. 회전장치(미도시)의 사용에 의해 광 확산장치는 회전할 수 있고, 이 경우 광학장치에서 가공되는 표면의 종류가 줄어들게 되는 장점이 있다.
광학장치의 움직임은 각 영역을 순차적으로 또는 일부에 대해 광이 통과하도록 조절될 수 있다. 일 실시예에 따르면, 단일한 광원 소자를 사용하는 경우 광학장치의 움직임을 순차적으로 발생시켜 물체의 거리를 측정할 수 있다. 다른 실시예에 따르면, 복수 개의 광원 소자를 사용한 경우에도 일부만의 광원 소자를 사용할 수 있고, 이 경우 필요에 따라 단일한 광원 소자만을 사용하여 광 확산장치의 움직임을 순차적으로 발생시켜 물체의 거리를 측정할 수 있다.
도 10 및 도 11을 참조하면, 복수 개의 광원 소자를 사용한 경우 광학장치의 움직임을 줄이면서, 동일한 효율 또는 그 이상의 효율을 발생시킬 수 있다. 예시적으로, 광원 소자가 3개이고 광학장치의 영역이 9개로 나누어진 경우, 일렬로 배열된 광원 소자를 활용하여 광학장치의 움직임을 위아래 또는 좌우로 정할 수 있다. 이 경우 단일한 광원 소자를 사용한 경우와 비교할 때 작동 시간 및 이미지의 해상도 측면에서 장점을 가질 수 있다.
도 13을 참조하면, 일 실시예에 따르면, 광학장치를 광축을 기준으로 회전 운동을 시킬 수 있다. 이 경우 광학장치의 모든 영역을 개별적으로 표면을 정할 필요 없이, 대칭적인 영역을 활용할 수 있다. 또한 이 경우 일부 영역만을 반복적으로 사용하여 광원 모듈의 공간 효율성을 높일 수 있고, 기기의 소형화를 도모할 수 있게 된다. 예시적으로, 광학장치의 영역은 광학장치가 회전함에 따라 일치하는 대칭 구조를 가질 수 있고, 광학장치가 회전함에 따라 일치하는 대칭 구조를 가질 수 있다.
2.4 프레임
일 실시예에 따른 광원 모듈의 프레임은 도 1 내지 3, 도 17, 도 21과 같이 광원, 광학장치, 액추에이터를 지지하기 위한 것이면 그 형태나 크기는 제한되지 않는다.
일 실시예에 따른 광원 모듈 및 광원 모듈의 프레임은 한국 특허공개공보, 한국 특허등록공부 KR 10-2020-0117187 A, KR 10-2020-0107749 A, KR 10-2020-0046267 A, KR 10-2020-0033168 A, KR 10-2020-0032429 A, KR 10-2090826 B1, KR 10-2090827 B1, KR 10-2087519 B1, KR 10-2020-0014201 A, KR 10-2020-0004757 A, KR 10-2053935 B1, KR 10-1877039 B1, KR 10-1853268 B1, KR 10-1750751 B1, KR 10-2017-0065951 A, KR 10-1742500 B1, KR 10-1742501 B1, KR 10-1538395 B1 등과 같은 구조와 동일하거나 변형된 실시 형태를 포함할 수 있다.
2.5 제어장치
일 실시예에 따른 제어 장치는 프로세서로서 획득되는 이미지 데이터 또는 거리 데이터를 연산할 수 있다. 또는 액추에이터 내부의 전류를 제어하거나, 광학 소자의 출력을 제어하기 위해 전류 또는 전압의 아날로그 신호들을 제어할 수도 있다. 제어장치는 필요에 따라 구동 장치로 불릴 수 있다.
일 실시예에 따른 광원 모듈은 엔코더(미도시) 또는 홀센서(미도시)를 더 포함할 수 있다. 엔코더(Encoder)는 회전운동이나 직선운동을 하는 물체의 위치와 속도 정보를 전기적인 신호를 출력하는 센서일 수 있고, 포고 핀 텐션의 정밀한 위치 이동 및 센싱에 사용될 수 있다. 또한, 홀센서(미도시)는 전류가 흐르는 도체에 형성되는 전위차 또는 전기장을 측정하는 센서일 수 있고, 포고 핀 텐션의 정밀한 위치 이동 및 센싱에 사용될 수 있다.
엔코더(미도시) 또는 홀센서(미도시)에 의해 획득된 신호는 별도의 드라이버에 의해 포고 핀 텐션의 움직임에 대한 위치를 실시간으로 피드백받아 유효한 위치인지 확인할 수 있다.
제어 장치는 컴퓨터, 마이크로프로세서, 마이크로컨트롤러, 주문형 집적 회로(ASIC) 및 디지털 신호 프로세서 등과 같은 임의의 적절한 하드웨어 인코더, 인코더를 읽기 위한 회로, 메모리 장치, 및/또는 임의의 다른 적절한 하드웨어 요소를 포함할 수 있다. 일부 실시형태에서, 광원 모듈 내의 개별 구성요소는, 개별 구성요소를 제어하고 다른 구성요소와 통신하기 위해 자체 소프트웨어, 펌웨어 및/또는 하드웨어를 포함할 수 있다.
2.6 감광장치(Photo Detector)
일 실시예에 따라 액추에이터의 움직임에 따른 광학 장치의 움직임 또는 위치를 검출하기 위하여 광원 모듈은 감광장치(Photo Detector)를 포함할 수 있다.
감광장치는 광원에서 출력된 광이 직접 수신되도록 배치될 수 있고, 광원에서 출력된 광의 세기(광도)를 측정할 수 있다. 그리고, 감광장치는 광원에서 출력된 광의 세기를 측정할 수 있는 장치면 이를 제한하지 않으나, 구체적으로 광 다이오드, 또는 패턴으로 형성된 광전 장치일 수 있다.
감광 장치는 반사된 광의 광도를 측정하여 광도 값을 프로세서로 송신하고, 프로세서는 측정된 광도가 미리 정해진 기준 범위를 벗어나는지 여부를 판단하여, 눈보호모드(eye-safety mode)를 작동하여 광원의 출력을 제한할 수 있다.
광원 소자에서 출사하는 광의 세기를 감광장치에서 수광하여 전류값의 변화를 센싱할 수 있다. 감광장치는 전류값의 변화에 기초하여 광원 모듈의 움직임 또는 위치를 검출할 수 있다.
감광장치는 제어장치 또는 프로세서에 의해 전류값 변화에 따라 액추에이터의 움직임을 제어할 수 있다.
일 실시예에 따른 감광장치의 측정 데이터를 기초로 광원 모듈의 성능을 최적화할 수 있는 액추에이터 또는 광학장치의 움직임 또는 위치을 계산할 수 있다.
3. 수신부 모듈 [Receiving(Rx) Module]
3.1 수신부의 구성
일 실시예에 따른 수신부는 이미지 센서, 적외선(IR, Infra Red) 필터, 렌즈를 포함할 수 있다. 적외선 필터는 적외선의 투과를 제한할 수 있고, 렌즈는 광을 굴절시키거나 집중시킬 수 있다. 렌즈의 종류에 따라 광을 모으거나 퍼트리는 역할을 할 수 있으나, 렌즈의 종류는 제한되지 않는다.
수신부는 전하결합소자(CCD, Charge-Coupled Device), 상보형 금속 산화 반도체(CMOS, Complementary Metal Oxide Semiconductor) 등의 이미지 센서를 포함할 수 있다.
3.2 수신부의 영역
일 실시예에 따른 수신부는 하나 이상의 영역으로 구분되어 물체의 대응 영역에 도달하여 반사된 광을 인식할 수 있다. 또한 수신부에 전달된 반사광은 광학장치의 복수의 영역에 대응될 수 있도록 수신부의 영역이 정의될 수 있다.
도 15 및 도 16을 참조하면, 수신부(350)에서 구분된 영역별(355)로 물체의 부분을 인식할 수 있다. 예를 들어, a 영역의 경우 물체의 좌상단의 일부를 인식할 수 있다.
도 4 및 도 5를 참조하면, 일 실시예에 따른 수신부 영역의 인식 순서는 광학장치의 움직임에 대응할 수 있다. 예를 들어, 도 9의 광학장치(320)의 영역에서 A, B, C, F, E, D, G, H, I 영역의 순서대로 광을 통과시키는 경우 도 15의 수신부(350) 영역에서 a, b, c, f, e, d, g, h, i 영역의 순서대로 광을 인식할 수 있다.
100: 광원 모듈
110: 광원
120: 광학 장치
130: 액추에이터
140: 프레임
150: 제어장치
300: 광원 모듈
320-1: 제1 광학 장치
320-2: 제2 광학 장치
325: 광학장치의 영역
350: 수신부
355: 수신부의 영역
360: 적외선 필터
370: 렌즈
395: 광 도달 영역
399: 물체

Claims (8)

  1. 광을 출력하는 VCSEL(Vertical Cavity Emitting Surface Laser);
    상측면에 상기 VCSEL이 부착되고, 별도의 인쇄회로기판과 상하측으로 이격되어 위치하는 기판; 및
    상기 VCSEL을 제어하고, 상기 기판과 상기 인쇄회로기판 사이의 이격 공간에서 상기 기판의 하측면에 부착되어 위치하는 제어장치
    를 포함하는, 광원 모듈.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 인쇄회로기판과 상기 기판 사이에는 서로를 이격시키는 이격구조물이 배치되는, 광원 모듈.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 이격구조물은 상기 인쇄회로기판 및 상기 기판을 전기적으로 연결시키는, 광원 모듈.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 VCSEL의 상측으로 출사되는 광의 경로에 배치되는 제1광학장치; 및
    상기 제1광학장치 상에 배치되는 제2광학장치를 더 포함하는, 광원 모듈.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 이격구조물은 포고 핀 텐션(Pogo Pin Tension)인, 광원 모듈.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 제어장치는 아이 세이프티(Eye Safety) 기능을 수행하는, 광원 모듈.
  7. 제4항에 있어서,
    상기 제2광학장치는 회절광학소자를 포함하는, 광원 모듈.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 기판에는 상기 VCSEL과 상기 제어장치를 연결시키는 배선이 형성되는, 광원 모듈.
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