KR20240043546A - 누설광으로 인한 광간섭을 최소화한 ToF 센서 - Google Patents

누설광으로 인한 광간섭을 최소화한 ToF 센서 Download PDF

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KR20240043546A
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한관영
이병철
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단국대학교 천안캠퍼스 산학협력단
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Abstract

본 발명은 누설광으로 인한 광간섭이 없는 ToF 센서에 관한 것으로, 발광부에서 출사된 직후 산란하여 수광부 측으로 입사되려는 누설광을 중간에서 효과적으로 차단하여 광간섭을 억제하고 측정 정확도를 향상시킬 수 있도록 한 것이다.
이러한 본 발명은, 대상물에 반사되는 빛을 발생시키는 발광부; 상기 발광부를 수용하며 상기 발광부에서 발생된 빛을 대상물이 위치한 외부로 출사시켜주는 출사구를 전면에 구비한 출사부; 상기 대상물로부터 반사되는 빛을 검출하는 수광부; 상기 수광부를 수용하며 상기 대상물로부터 반사되는 빛을 내부로 입사시켜주는 입사구를 전면에 구비한 입사부; 및 상기 출사구와 입사구 사이에 설치되어 출사구를 통해 출사된 빛이 대상물을 거치지 않고 곧바로 입사구를 통해 입사되지 않도록 중간에서 차단하는 누설광 차단부재;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

누설광으로 인한 광간섭을 최소화한 ToF 센서{ToF sensor minimizes optical interference due to leakage light}
본 발명은 ToF 센서에 관한 것으로, 특히 발광부에서 출사된 직후 산란하여 수광부 측으로 입사되려는 누설광을 중간에서 효과적으로 차단하여 광간섭을 억제하고 측정 정확도를 향상시킬 수 있도록 한 ToF 센서에 관한 것이다.
최근에 거리정보를 송수신하기 위하여 휴대전화, 통신기기를 비롯한 각종 전자기기에 ToF 센서를 설치하여 응용하는 연구가 활발히 진행되고 있다. ToF(Time of Flight) 센서는 3차원 센서로 적외선 파장을 통해 물체로 발사한 빛이 튕겨져 돌아오는 거리를 시간으로 계산하여 사물의 입체감과 공간 정보, 움직임을 인식하도록 한 센서를 의미한다.
ToF 센서의 기본적인 구성을 살펴보면 도 1에 도시된 것처럼 발광부(11)와 수광부(12) 및 출사구(13a)와 입사구(13b)를 갖는 하우징(13)으로 이루어지며, 하우징(13)의 내부 공간에서 발광부(11)로부터 발생된 광 중 일부가 수광부(12) 측으로 누설되면서 간섭 강도가 높게 나타나며, 이같은 광간섭에 의해 실제 거리측정 정확도를 감소시키는 결과를 초래하였다.
한국공개특허공보 제2022-0074519호(2022.06.03.)
이에 본 발명은 상기와 같은 종래의 제반 문제점을 해소하기 위해 제안된 것으로, 본 발명의 목적은 발광부에서 출사된 직후 산란하여 수광부 측으로 입사되려는 누설광을 중간에서 효과적으로 차단하여 광간섭을 억제하고 측정 정확도를 향상시킬 수 있도록 한 ToF 센서를 제공하는 데 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 기술적 사상에 의한 ToF 센서는, 빛이 대상물(object)에 반사되어 돌아오는 경과 시간을 계산하여 대상물과의 거리를 측정하는 ToF 센서에 있어서, 대상물에 반사되는 빛을 발생시키는 발광부; 상기 발광부를 수용하며 상기 발광부에서 발생된 빛을 대상물이 위치한 외부로 출사시켜주는 출사구를 전면에 구비한 출사부; 상기 대상물로부터 반사되는 빛을 검출하는 수광부; 상기 수광부를 수용하며 상기 대상물로부터 반사되는 빛을 내부로 입사시켜주는 입사구를 전면에 구비한 입사부; 및 상기 출사구와 입사구 사이에 설치되어 출사구를 통해 출사된 빛이 대상물을 거치지 않고 곧바로 입사구를 통해 입사되지 않도록 중간에서 차단하는 누설광 차단부재;를 포함하는 것을 그 기술적 구성상의 특징으로 한다.
여기서, 상기 누설광 차단부재는 빛을 흡수하는 광흡수층을 구비하여 출사구에서 출사된 직후 입사구를 향하는 빛을 중간에서 흡수할 수 있도록 한 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 누설광 차단부재는 상기 광흡수층에 더하여 상기 광흡수층에 의해 흡수된 빛을 직선편광으로 변환하는 편광자층, 상기 편광자층에 의해 변환된 직선편광을 반사하는 금속박막층을 순차적으로 적층시킨 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 편광자층과 금속박막층 사이에는 상기 편광자층에 의해 변환된 직선편광을 원편광으로 변환하여 상기 금속박막층으로 투과시켜주는 λ/4 파장판층을 더 적층시켜 상기 금속박막층이 상기 λ/4 파장판층에 의해 변환된 원편광을 반사하도록 한 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 누설광 차단부재는, S파에 비해 P파를 더 흡수하는 제1광흡수층과 P파에 비해 S파를 더 흡수하는 제2광흡수층이 전후로 적층된 상태에서 전방에 배치된 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 누설광 차단부재는, S파에 비해 P파를 더 흡수하는 제3광흡수층과 P파에 비해 S파를 더 흡수하는 제4광흡수층이 전후로 적층된 상태로 후방에 추가 배치되며, 상기 제2광흡수층과 제3광흡수층 사이에 광투과성 지지층이 개재된 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 출사부와 입사부는 서로 이격을 두고 설치되고 그 이격된 사이 전단부에 상기 누설광 차단부재가 개재되되 상기 누설광 차단부재의 광흡수층이 상기 출사부와 입사부의 전면과 동일 평면상에 위치하도록 한 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 출사부와 입사부는 서로 이격을 두고 설치되며, 상기 누설광 차단부재는 상기 출사부와 입사부 사이를 가로지른 상태로 상기 출사부 전면과 입사부 전면에 걸쳐져서 전방 돌출된 형태로 설치되어 상기 출사구를 통해 출사된 빛이 상기 입사구를 향하지 않도록 측면으로 추가 차단하는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 누설광 차단부재는 상기 출사부와 입사부를 외측에서 이격되게 감싸고 있는 외부 글라스에 접하는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 출사부에서 상기 입사부를 대면하는 일측면이 개방되고, 상기 출사부와 입사부 사이 후단부에는 상기 발광부로부터 상기 출사부의 개방된 일측면을 통해 방출되는 빛을 감지하여 상기 발광부에서 빛이 발생된 시간을 확인할 수 있도록 하는 레퍼런스 패드가 더 설치된 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 레퍼런스 패드는 수광부와 동일한 수광센서로 구비된 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 레퍼런스 패드는 단일 광자 애벌란치 다이오드(single photon avalanche diode)로 구비된 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 발광부는 수직 캐비티 표면 광방출 레이저(vertical-cavity surface-emitting laser)로 구비되고, 상기 수광부는 단일 광자 애벌란치 다이오드(single photon avalanche diode)로 구비된 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 출사구에는 빛을 확산시켜 출사할 수 있도록 광확산부재가 설치되고, 상기 입사구에는 입사되는 빛을 모아서 수광부로 안내하는 집광부재가 더 설치된 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 광확산부재는 회절광학소자(Diffractive Optical Element)로 구비되고, 상기 집광부재는 프레넬 렌즈(fresnel lens)로 구비되는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 광확산부재는 META 확산판으로 구비되고, 상기 집광부재는 META 렌즈로 구비되는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 상기 광확산부재는 표면에 빛을 확산시키기 위한 요철부를 갖는 확산판으로 구비되고, 상기 집광부재는 프레넬 렌즈(fresnel lens)로 구비되는 것을 특징으로 할 수 있다.
한편, 본 발명의 스마트폰은 전술된 ToF 센서를 포함하는 것을 그 기술적 구성상의 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 거리측정기는 전술된 ToF 센서를 포함하는 것을 그 기술적 구성상의 특징으로 한다.
본 발명에 의한 ToF 센서는 발광부에서 출사된 직후 산란하여 수광부 측으로 입사되려는 누설광을 중간에서 효과적으로 차단하여 광간섭을 억제하고 측정 정확도를 향상시킬 수 있다.
도 1은 종래기술에 의한 ToF 센서를 설명하기 위한 단면도
도 2는 본 발명의 제1실시예에 의한 ToF 센서를 설명하기 위한 단면도
도 3은 본 발명의 제1실시예에 의한 ToF 센서의 내부모듈 사시도
도 4는 본 발명의 제1실시예에 의한 ToF 센서에서 누설광 차단부재의 부분 단면도
도 5는 본 발명의 제1실시예에 의한 ToF 센서에서 누설광 차단부재의 작용을 설명하기 위한 참조단면도
도 6은 본 발명의 제1실시예에 의한 ToF 센서에서 변형된 누설광 차단부재의 부분 단면도
도 7은 본 발명의 제2실시예에 의한 ToF 센서를 설명하기 위한 단면도
도 8은 본 발명의 제3실시예에 의한 ToF 센서를 설명하기 위한 단면도
도 9는 본 발명의 실시예에 따른 누설광 차단부재를 구비한 경우와 그렇지 않은 경우를 비교하여 누설광의 세기를 비교한 그래프
도 10은 본 발명의 실시예에 따른 실험결과와 이론적인 계산결과를 비교한 그래프
첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들에 의한 ToF 센서에 대하여 상세히 설명한다. 본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다. 첨부된 도면에 있어서, 구조물들의 치수는 본 발명의 명확성을 기하기 위하여 실제보다 확대하거나, 개략적인 구성을 이해하기 위하여 실제보다 축소하여 도시한 것이다.
또한, 제1 및 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다. 한편, 다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 지니고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의된 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 지니는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
<실시예>
도 2는 본 발명의 제1실시예에 의한 ToF 센서를 설명하기 위한 단면도이고, 도 3은 본 발명의 제1실시예에 의한 ToF 센서의 내부모듈 사시도이며, 도 4는 본 발명의 제1실시예에 의한 ToF 센서에서 누설광 차단부재의 부분 단면도이며, 도 5는 본 발명의 제1실시예에 의한 ToF 센서에서 누설광 차단부재의 작용을 설명하기 위한 참조단면도이며, 도 6은 본 발명의 제1실시예에 의한 ToF 센서에서 변형된 누설광 차단부재의 부분 단면도이다.
도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 의한 ToF 센서는 발광부(110), 수광부(120), 출사부(130), 입사부(140), 광확산부재(150), 집광부재(160), 누설광 차단부재(170), 레퍼런스 패드(180) 및 외부 글라스(190)를 주요 구성요소로 포함한다.
본 발명의 실시예에 의한 ToF 센서는 이들 구성요소들에 의해 발광부(110)에서 출사된 직후 산란하여 수광부(120) 측으로 입사되려는 누설광을 중간에서 효과적으로 차단함으로써 광간섭을 최소화하고 측정 정확도를 향상시킬 수 있도록 구성된다.
이하, 상기 각 구성요소들을 중심으로 본 발명의 실시예에 의한 ToF 센서에 대해 상세히 설명한다.
상기 발광부(110)는 대상물에 반사되는 빛을 발생시키는 것으로 발광부(110) 내부에 설치된다. 상기 발광부(110)는 레이저를 방출하는 반도체 레이저 다이오드의 일종인 수직 캐비티 표면 광방출 레이저(vertical-cavity surface-emitting laser)로 구비되는 것이 바람직하다.
상기 수광부(120)는 대상물로부터 반사되는 빛을 검출하는 역할을 한다. 상기 수광부(120)에서 반사된 빛을 검출할 수 있게 되면 발광부(110)에서 빛을 발생시킨 시간과 수광부(120)에서 반사된 빛을 검출한 시간을 근거로 대상물과의 거리를 산출하는 것이 가능하게 된다. 상기 수광부(120) 단일 광자 애벌란치 다이오드(single photon avalanche diode)로 구비되는 것이 바람직하다.
상기 출사부(130)는 내부공간을 갖는 박스형태로 설치되며 내부공간에 발광부(110)를 수용하며 상기 발광부(110)에서 발생된 빛을 대상물이 위치한 외부로 출사시켜주는 출사구(131)를 전면에 구비한다. 상기 출사부(130)의 출사구(131)에는 빛을 확산시켜 출사할 수 있도록 광확산부재(150)가 설치되며, 상기 광확산부재(150)로는 회절광학소자(Diffractive Optical Element)로 구비되는 것이 바람직하다.
상기 입사부(140)는 상기 출사부(130)와 서로 이격을 두고 설치되어 그 사이에 누설광을 차단하기 위한 누설광 차단부재(170)를 설치할 수 있도록 한다. 상기 입사부(140)는 출사부(130)와 마찬가지로 내부공간을 갖는 박스형태로 설치되어 상기 입사부(140)의 내부공간에 수광부(120)를 수용한다. 상기 입사부(140)의 전면에는 대상물로부터 반사되는 빛을 내부로 입사시켜주는 입사구(141)를 구비한다. 상기 입사부(140)의 입사구(141)에는 빛을 모아서 수광부(120)로 안내하는 집광부재(160)가 더 설치되며, 상기 집광부재(160)는 프레넬 렌즈(fresnel lens)로 구비되는 것이 바람직하다. 이처럼 집광부재(160)로서 프레넬 렌즈를 사용하게 되면 집광부재(160)로서의 기능을 수행하면서도 ToF 센서의 전후 폭을 um 단위로 매우 얇게 유지하는 것이 가능해진다.
상기 누설광 차단부재(170)는 본 발명에서 출사구(131)와 입사구(141) 사이에 설치되어 출사구(131)를 통해 출사된 후 산란된 빛이 대상물을 거치지 않고 곧바로 입사구(141)를 통해 입사되지 않도록 중간에서 차단하는 역할을 한다. 이같은 누설광 차단부재(170)는 본 발명에서 핵심적인 구성요소로 광간섭을 최소화하여 측정 정확도를 향상시키는 중대한 역할을 수행하게 된다. 이를 위해 상기 누설광 차단부재(170)는 빛을 흡수하는 광흡수층(171)과, 상기 광흡수층(171)에 의해 흡수된 빛을 직선편광으로 변환하는 편광자층(172)과, 상기 편광자층(172)에 의해 변환된 직선편광을 원편광으로 변환하여 상기 금속박막층(174)으로 투과시켜주는 λ/4 파장판층(173)과, 상기 λ/4 파장판층(173)에 의해 변환된 원편광을 반사하는 금속박막층(174)을 순차적으로 전방에서 후방으로 순차 적층시켜 이루어진다. 상기 금속박막층(174)의 경우 표면반사가 원활하게 이루어질 수 있도록 알루미늄, 금, 은 등을 소재로 구비되는 것이 바람직하다.
이같은 누설광 차단부재(170)의 구성에 따르면 도 5의 화살표로 표시된 것처럼 출사구(131)h아 입사구(141) 사이 통로에서 외부 글라스(190)에 의해 굴절되거나 반사된 빛이 광흡수층(171)에 흡수된 후 편광자층(172)에 입사하여 직선편광이 되고 그 광이 λ/4 파장판층(173)을 통과하면서 원편광이 된 후에 금속박막층(174)에 의해 반사되어 나오게 된다. 이렇게 원편광의 형태로 금속박막층(174)에 의해 반대방향으로 반사되는 누설광은 편광자층(172)의 투과축과 90도 차이가 나므로 외부로 다시 나가지 못하고 거의 소멸된다.
한편, 상기 누설광 차단부재(170)는 도 6에 도시된 것처럼 변형된 형태의 것으로 구비되는 것도 가능하다. 변형된 누설광 차단부재(170)는 S파에 비해 P파를 더 흡수하는 제1광흡수층(171a)과 P파에 비해 S파를 더 흡수하는 제2광흡수층(171b)이 전후로 적층된 상태에서 전방에 배치되고, S파에 비해 P파를 더 흡수하는 제3광흡수층(171c)과 P파에 비해 S파를 더 흡수하는 제4광흡수층(171d)이 전후로 적층된 상태로 후방에 배치된다. 그리고 상기 제2광흡수층(171b)과 제3광흡수층(171c) 사이에 광투과성 지지층(175)이 개재되어 이루어진다.
이같이 변형된 형태의 누설광 차단부재(170)의 경우 편광자를 사용한 편광자층(172)이나 λ/4 파장판층(173)을 사용한 λ/4 파장판층(173) 없어도 누설광을 없앨 수 있도록 출사부(130)와 입사부(140)에 의해 지지를 받는 지지층(175)의 전측과 후측에 각각 광흡수층을 구비토록 한 이중의 구조를 채택한 것이다. 이렇게 함으로써 출사부(130)에서 발생한 누설광이 두 개의 광흡수층에서 보다 안정적으로 흡수되어 사멸되며 측정오차를 최소화할 수 있게 된다.
상기 레퍼런스 패드(180)는 출사부(130)와 입사부(140) 사이 후단부에 설치되어 출사부(130)에서 누설되는 빛을 감지하는 역할을 한다. 여기서 도 2에 도시된 것처럼 출사부(130)에서 입사부(140)를 대면하는 일측면이 개방된 상태가 되면 발광부(110)로부터 출사부(130)의 개방된 일측면을 통해 방출되는 빛을 직접적으로 감지할 수 있게 되어 상기 발광부(110) 빛이 발생된 시간을 정확하게 확인하는 것이 가능해진다. 아울러 상기 발광부(110)의 동작 여부를 파악할 수 있다. 여기서 상기 레퍼런스 패드(180)는 수광부(120)와 감지 성능에 차이가 없는 동일한 종류의 수광센서로 구비되는 것이 바람직하다. 이로써 발광부(110)가 빛을 발생시킨 시간과 대상물로부터 빛이 반사되어 수광부(120)로 되돌아온 시간의 차를 보다 정확하게 산출할 수 있게 된다. 여기서, 상기 레퍼런스 패드(180)는 상기 수광부(120)와 동일하게 단일 광자 애벌란치 다이오드(single photon avalanche diode)로 구비된다.
상기 외부 글라스(190)는 출사부(130)와 입사부(140)를 외측에서 이격되게 감싸도록 설치되어 외부 이물질이 투사구와 입사구(141)로 침입하지 않도록 보호한다.
도 7은 본 발명의 제2실시예에 의한 ToF 센서를 설명하기 위한 단면도이다.
도시된 바와 같이, 본 발명의 제2실시예에 의한 ToF 센서는 누설광 차단부재(170)가 출사부(130)와 입사부(140)의 전면과 동일 평면상에 설치되었던 제1실시예와 비교하여 출사부(130)와 입사부(140) 사이를 가로지른 상태로 출사부(130) 전면과 입사부(140) 전면에 걸쳐져서 전방 돌출된 형태로 설치되는 것을 특징으로 한다. 이같은 제2실시예의 구성에 따르면 누설광 차단부재(170)는 출사구(131)를 통해 출사된 빛이 입사구(141)를 향하지 않도록 측면으로 추가 차단할 수 있게 된다.
이에 더해 상기 누설광 차단부재(170)는 출사부(130)와 입사부(140)를 이격되게 감싸고 있는 외부 글라스(190)에 접하도록 하여 외부 글라스(190)와 틈새를 제거하는 것이 바람직하다. 이로써 출사구(131)에서 입사구(141)를 향하던 빛이 누설광 차단부재(170)를 넘게 되면 곧바로 외부 글라스(190) 표면에 의해 반사되거나 외부 글라스(190)를 투과하여 외부로 향하게 되면서 입사구(141)를 통해 입사되는 것을 최소화할 수 있는 것이다.
본 발명의 제2실시에서 광확산부재(150)는 META 확산판으로 구비되고 집광부재(160)는 META 렌즈로 구비된다. 이처럼 광확산부재(150)를 META 확산판으로 사용하게 되면 빛이 출사되는 각도를 정확히 제어할 수 있는 장점이 있으며, 집광부재(160)를 META 렌즈로 사용하게 되면 두께가 1um이더라도 굴절율을 충분히 조정 가능하므로 사용에 편리한 장점을 가지면서도 ToF 센서의 두께를 증가시키지 않을 수 있어서 경박성이 좋은 ToF 센서를 설계하는데 매우 유리해진다는 장점을 갖는다.
본 발명의 제2실시예에서는 출사부(130)에서 입사부(140)를 대면하는 일측면이 개방되지 않고 폐쇄된 상태로 구성된다. 이로써 출사부(130)와 입사부(140) 사이 후단부에 설치된 레퍼런스 패드(180)가 빛을 감지하게 되면 감지된 광량으로 출사부(130)에서 누설된 누설광의 양을 파악할 수 있게 된다.
단, 본 발명의 제2실시예에서 설명되지 않은 나머지 구성은 제1실시예와 대동소이하므로 그에 대한 상세한 설명은 생략하기로 한다.
도 8은 본 발명의 제3실시예에 의한 ToF 센서를 설명하기 위한 단면도이다.
도시된 바와 같이, 본 발명의 제3실시예에 의한 ToF 센서는 제2실시예와 비교하여 광확산부재(150)가 요철부를 갖는 확산판으로 구비되고, 집광부재(160)는 프레넬 렌즈(fresnel lens)로 구비된 것을 특징으로 한다. 이같은 구성에 따르면 광확산부재(150)를 비교적 저렴한 부품으로 채택하는 대신 집광부재(160)는 프레넬 렌즈로 구비하여 입사되는 빛을 집광하여 수광부(120)로 안내하는 성능은 저하시키지 않도록 한 것이다.
이같은 구성은 비용을 절감하면서도 수광부(120)에서 빛을 검출하는 성능은 거의 그대로 유지할 수 있도록 하여 가성비를 높이는데 유리하다.
단, 본 발명의 제3실시예에서 설명되지 않은 나머지 구성은 제2실시예와 대동소이하므로 그에 대한 상세한 설명은 생략하기로 한다.
계속해서 아래에서는 본 발명의 실시예에 따른 실험예를 설명하고자 한다.
도 9는 본 발명의 실시예에 따른 누설광 차단부재를 구비한 경우와 그렇지 않은 경우를 비교하여 누설광의 세기를 비교한 그래프이며, 도 10은 본 발명의 실시예에 따른 실험결과와 이론적인 계산결과를 비교한 그래프이다.
도 9는 도 2에 도시된 것처럼 광흡수층(171)을 갖는 누설광 차단부재(170)를 구비한 본 발명의 제1실시예에 의한 ToF 센서와, 누설광 차단부재(170)를 구비하지 않은 ToF 센서에 대하여 누설광의 평균치를 측정한 결과를 그래프로 나타낸 것이다. 도 9의 그래프에서 알 수 있듯이 광흡수층(171)을 갖는 누설광 차단부재(170)가 있는 경우와 없는 경우의 절대치를 비교해 보면 누설광 차단부재(170)를 구비한 경우가 그렇지 않은 경우에 비해 누설광이 1/4 가량 줄어드는 특성을 보이는 것으로 확인하였다.
도 10은 본 발명의 제1실시예에 의한 ToF 센서에 대하여 실제 거리측정이 가능한 정도를 실험한 결과와 이론적으로 계산한 결과를 비교한 데이터를 비교하여 표시한 것이다. 도 10의 그래프를 통해 알 수 있는 것처럼 실험결과와 이론적인 결과가 거의 일치함을 알 수 있다. 따라서 계산상으로 접근한 데이터는 현실성 있게 적용 가능함을 보여 준다고 할 수 있으며, 누설광이 없는 ToF 센서를 경박하게 제작하여 사용하는데 문제가 없음을 확신할 수 있는 것이다.
이처럼 본 발명의 실시예에 의한 ToF 센서는 휴대용 측정기 혹은 휴대용 스마트폰에 장착하여 기능을 발휘하게 하는 초소형 구조를 가능하게 하며, 거리측정 센서로서 충분히 활용 가능하다.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시예를 설명하였으나, 본 발명은 다양한 변화와 변경 및 균등물을 사용할 수 있다. 본 발명은 상기 실시예를 적절히 변형하여 동일하게 응용할 수 있음이 명확하다. 따라서 상기 기재 내용은 하기 특허청구범위의 한계에 의해 정해지는 본 발명의 범위를 한정하는 것이 아니다.
110: 발광부 120: 수광부
130: 토사부 140: 입사부
150: 광확산부재 160: 집광부재
170: 누설광 차단부재 180: 레퍼런스 패드
190: 외부 글라스

Claims (19)

  1. 빛이 대상물(object)에 반사되어 돌아오는 경과 시간을 계산하여 대상물과의 거리를 측정하는 ToF 센서에 있어서,
    대상물에 반사되는 빛을 발생시키는 발광부;
    상기 발광부를 수용하며 상기 발광부에서 발생된 빛을 대상물이 위치한 외부로 출사시켜주는 출사구를 전면에 구비한 출사부;
    상기 대상물로부터 반사되는 빛을 검출하는 수광부;
    상기 수광부를 수용하며 상기 대상물로부터 반사되는 빛을 내부로 입사시켜주는 입사구를 전면에 구비한 입사부; 및
    상기 출사구와 입사구 사이에 설치되어 출사구를 통해 출사된 빛이 대상물을 거치지 않고 곧바로 입사구를 통해 입사되지 않도록 중간에서 차단하는 누설광 차단부재;를 포함하는 것을 특징으로 하는 ToF 센서.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 누설광 차단부재는 빛을 흡수하는 광흡수층을 구비하여 출사구에서 출사된 직후 입사구를 향하는 빛을 중간에서 흡수할 수 있도록 한 것을 특징으로 하는 ToF 센서.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 누설광 차단부재는 상기 광흡수층에 더하여 상기 광흡수층에 의해 흡수된 빛을 직선편광으로 변환하는 편광자층, 상기 편광자층에 의해 변환된 직선편광을 반사하는 금속박막층을 순차적으로 적층시킨 것을 특징으로 하는 ToF 센서.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 편광자층과 금속박막층 사이에는 상기 편광자층에 의해 변환된 직선편광을 원편광으로 변환하여 상기 금속박막층으로 투과시켜주는 λ/4 파장판층을 더 적층시켜 상기 금속박막층이 상기 λ/4 파장판층에 의해 변환된 원편광을 반사하도록 한 것을 특징으로 하는 ToF 센서.
  5. 제2항에 있어서,
    상기 누설광 차단부재는, S파에 비해 P파를 더 흡수하는 제1광흡수층과 P파에 비해 S파를 더 흡수하는 제2광흡수층이 전후로 적층된 상태에서 전방에 배치된 것을 특징으로 하는 ToF 센서.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 누설광 차단부재는, S파에 비해 P파를 더 흡수하는 제3광흡수층과 P파에 비해 S파를 더 흡수하는 제4광흡수층이 전후로 적층된 상태로 후방에 추가 배치되며, 상기 제2광흡수층과 제3광흡수층 사이에 광투과성 지지층이 개재된 것을 특징으로 하는 ToF 센서.
  7. 제2항에 있어서,
    상기 출사부와 입사부는 서로 이격을 두고 설치되고 그 이격된 사이 전단부에 상기 누설광 차단부재가 개재되되 상기 누설광 차단부재의 광흡수층이 상기 출사부와 입사부의 전면과 동일 평면상에 위치하도록 한 것을 특징으로 하는 ToF 센서.
  8. 제2항에 있어서,
    상기 출사부와 입사부는 서로 이격을 두고 설치되며, 상기 누설광 차단부재는 상기 출사부와 입사부 사이를 가로지른 상태로 상기 출사부 전면과 입사부 전면에 걸쳐져서 전방 돌출된 형태로 설치되어 상기 출사구를 통해 출사된 빛이 상기 입사구를 향하지 않도록 측면으로 추가 차단하는 것을 특징으로 하는 ToF 센서.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 누설광 차단부재는 상기 출사부와 입사부를 외측에서 이격되게 감싸고 있는 외부 글라스에 접하는 것을 특징으로 하는 ToF 센서.
  10. 제7항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 출사부에서 상기 입사부를 대면하는 일측면이 개방되고, 상기 출사부와 입사부 사이 후단부에는 상기 발광부로부터 상기 출사부의 개방된 일측면을 통해 방출되는 빛을 감지하여 상기 발광부에서 빛이 발생된 시간을 확인할 수 있도록 하는 레퍼런스 패드가 더 설치된 것을 특징으로 하는 ToF 센서.
  11. 제10항에에 있어서,
    상기 레퍼런스 패드는 수광부와 동일한 수광센서로 구비된 것을 특징으로 하는 ToF 센서.
  12. 제10항에에 있어서,
    상기 레퍼런스 패드는 단일 광자 애벌란치 다이오드(single photon avalanche diode)로 구비된 것을 특징으로 하는 ToF 센서.
  13. 제2항에 있어서,
    상기 발광부는 수직 캐비티 표면 광방출 레이저(vertical-cavity surface-emitting laser)로 구비되고, 상기 수광부는 단일 광자 애벌란치 다이오드(single photon avalanche diode)로 구비된 것을 특징으로 하는 ToF 센서.
  14. 제2항에 있어서,
    상기 출사구에는 빛을 확산시켜 출사할 수 있도록 광확산부재가 설치되고,
    상기 입사구에는 입사되는 빛을 모아서 수광부로 안내하는 집광부재가 더 설치된 것을 특징으로 하는 ToF 센서.
  15. 제2항에 있어서,
    상기 광확산부재는 회절광학소자(Diffractive Optical Element)로 구비되고, 상기 집광부재는 프레넬 렌즈(fresnel lens)로 구비되는 것을 특징으로 하는 ToF 센서.
  16. 제2항에 있어서,
    상기 광확산부재는 META 확산판으로 구비되고, 상기 집광부재는 META 렌즈로 구비되는 것을 특징으로 하는 ToF 센서.
  17. 제2항에 있어서,
    상기 광확산부재는 표면에 빛을 확산시키기 위한 요철부를 갖는 확산판으로 구비되고, 상기 집광부재는 프레넬 렌즈(fresnel lens)로 구비되는 것을 특징으로 하는 ToF 센서.
  18. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항의 ToF 센서를 포함하는 것을 특징으로 하는 스마트폰.
  19. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항의 ToF 센서를 포함하는 것을 특징으로 하는 거리측정기.
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