KR20240052606A - 2축 레이저빔 스캐닝 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 2축 레이저빔 스캐닝 장치에 관한 것으로, 고정부와 회전부를 갖고 연속적으로 회전운동을 하는 제1 스캐너와, 상기 제1 스캐너의 회전부에 스캐너 홀더부가 축지지되게 연결되고 상기 스캐너 홀더부에 구비된 스캐너 미러를 통해 레이저빔을 반사시키는 제2 스캐너 및, 상기 제1 스캐너의 고정부와 회전부에 각각 결합된 무선전력 송수신용 제1,2 코일부를 포함하고, 상기 제1,2 코일은 이격 상태로 자계 또는 전계 유도방식을 통해 상기 제1 스캐너의 구동에 필요한 전력 또는 구동 신호를 전송함으로써 기계적 안정성과 내구성을 확보할 수 있다.

Description

2축 레이저빔 스캐닝 장치{2-axis laser beam scanning devise}

본 발명은 2축 레이저빔 스캐닝 장치에 관한 것으로, 특히 고속의 스캐너와 저속의 스캐너를 일체화하여 저속의 스캐너에서 획득되는 스캔각을 최대화할 수 있도록 한 2축 레이저빔 스캐닝 장치에 관한 것이다.

일반적으로, 레이저 스캐너는 주변 지형, 물체, 장애물과 같은 객체를 측정하는데 사용되는 라이다, 레이저를 이용한 프로젝션 디스플레이 등에 사용되는 레이저 빔 조향장치이다.

초기 스캐너는 레이더(Radio Detection And Ranging; RADAR) 장비가 사용되었다. 레이더는 마이크로파(극초단파, 10cm 내지 100cm 파장) 정도의 전자기파를 물체에 발사시켜 그 물체에서 반사되는 전자기파를 수신하여 물체와의 거리, 방향, 고도를 알아내어 물체의 위치를 파악하는 무선감시장치로 이용되고 있다.

최근 자율주행 자동차, 로봇 비전, 무인 항공기(UAV) 등 다양한 분야에서 활용되고 있는 라이다(Light Detection And Ranging; LiDAR)를 이용한 스캐너가 많이 개발되고 있다. 라이다(LiDAR)는 펄스 레이저(Pulse Laser)가 객체(target)에 반사되어 검출기(detector)에 돌아오는데 걸리는 시간을 거리로 환산하여 측정하는 장치이다.

이러한 라이다(LiDAR)는 스캐닝 라이다(Scaning Lidar)와 플래시 라이다(Flash Lidar)로 구분된다. 여기서, 스캐닝 라이다(Scaning Lidar)는 센서가 360°회전하거나 또는 소정각을 왕복회전하면서 관심있는 곳을 파악하여 이미지화하는 장치인 반면, 플래시 라이다(Flash Lidar)는 고정된 상태로 움직이지 않고 120°정도의 반경을 파악하면서 앞쪽을 이미지화하는 장치이다. 스캐닝 라이다(Scaning Lidar)를 통해서 획득하는 객체에 대한 정보는 객체의 존재여부, 객체의 종류, 객체까지의 거리에 대한 정보를 포함할 수 있다.

한편, 레이저 스캐너에서 사용하는 레이저가 점 광원일 경우, 스캐너는 2축 움직임을 통하여 일정 면적을 스캔하는 기능을 필요로 한다. 주로 사용되는 래스터 스캔(raster scan) 방식에서, 일축은 고속의 스캐닝을, 다른 축은 저속 스캐닝을 각각 필요로 하게 된다. 또한, 최소 일축에 대하여 광각의 스캔을 필요로 하는 경우에는 고속 스캔을 위하여 멤스 스캐너가 사용되고, 저속 스캔을 위하여 회전형 폴리곤 미러(polygon mirror) 또는 왕복 운동형 갈바노 미러(galvano mirror)가 사용되고 있다.

한국 등록특허 10-1947404(이하, 특허문헌1 이라함)는 레이저를 이용하여 주변의 거리정보를 획득하는 라이다 장치에 관한 것으로, 회전형 폴리곤 미러를 제1 미러로 사용하여 1차 스캔을 하고, 멤스 스캐너를 제2 미러로 사용하여 2차 스캔을 수행하는 2축 스캐닝 장치를 이용하고 있다.

그리고, 한국 등록특허 10-2429877(이하, 특허문헌2 이라함)는 하이브리드 2D 스캐너 시스템과 그 동작방법에 관한 것으로, 고속으로 동작가능한 메타 표면기반 일차원 스캐너와 상대적으로 저속으로 동작가능한 기계식 스캐너를 결합하는 스캐너 시스템을 채택하고 있다.

또한, Micromachines 2017, 8, 120; doi:10.3390/mi8040120(이하, 비특허문헌1 이라함)에서는 티타늄 합금 기반의 마이크로 미러 1개를 회전체 상에 배치하여 2축 스캐닝을 구현하는 방식이 제시되어 있다.

상기 특허문헌1에서는 고속의 1축 스캐너와 저속의 1축 스캐너를 조합함으로써 스캐닝 장치가 커지고 무거워지기 때문에 휴대성이 떨어지고 기계적 진동에 취약한 문제가 있다. 상기 비특허문헌1은 특허문헌1의 문제점을 개선하여 스캐닝 장치의 크기를 소형화하고 단순화할 수 있지만, 티타늄 합금기반의 마이크로 스캐닝 미러가 지닌 재료의 내구성, 가공의 정밀성, 구동 안전성 등에 한계가 있다.

한편, 상기 특허문헌2에서는 고속으로 동작가능한 메타 표면기반 일차원 스캐너와 저속의 기계식 스캐너를 조합한 후 도선방식으로 전력을 공급하는 방식을 채택하고 있기 때문에 도선의 꼬임으로 인한 저속 스캐너의 스캔각의 제한과 구동의 안정성 확보에 한계가 있다.

특허문헌1 : 한국 등록특허 10-1947404(2019.02.07) 특허문헌2 : 한국 등록특허 10-2429877(2022.08.02)

비특허문헌1 : Micromachines 2017, 8, 120; doi:10.3390/mi8040120

본 발명의 제1 과제는 고속의 1축 스캐너와 저속의 1축 스캐너를 일체화 하여 소형화 및 단순화할 수 있고, 안정적인 성능과 내구성을 확보할 수 있도록 한 2축 레이저빔 스캐닝 장치를 제공하는데 있다.

본 발명의 제2 과제는 저속의 1축 스캐너에 의해 획득될 수 있는 스캔각을 최대 360° 까지 확보할 수 있도록 한 2축 레이저빔 스캐닝 장치를 제공하는데 있다.

본 발명의 제3 과제는 무선 전력전송을 적용하여 저속의 1축 스캐너를 큰 회전각으로 구동할 수 있고, 1축 스캐너의 회전부와 고정부 접촉을 최소화하여 구동 안정성을 확보할 수 있도록 한 2축 레이저빔 스캐닝 장치를 제공하는데 있다.

본 발명의 제4 과제는 무선 전력전송을 적용하여 저속의 1축 스캐너가 360° 회전 또는 소정의 회전각을 왕복하는 경우라도 안정성을 확보할 있도록 한 2축 레이저빔 스캐닝 장치를 제공하는데 있다.

본 발명에 따른 2축 레이저빔 스캐닝 장치는 고정부와 회전부를 갖고 연속적으로 회전운동을 하는 제1 스캐너와, 상기 제1 스캐너의 회전부에 스캐너 홀더부가 축지지되게 연결되고, 상기 스캐너 홀더부에 구비되어 레이저빔을 반사시키는 제2 스캐너 및, 상기 제1 스캐너의 고정부와 회전부에 각각 결합된 무선전력 송수신용 제1,2 코일유니트를 포함한다.

그리고, 본 발명에 따른 2축 레이저빔 스캐닝 장치는, 고정부와 회전부를 갖고 연속적으로 회전운동을 하는 제1 스캐너와, 상기 제1 스캐너의 회전부와 스캐너 홀더부를 통해 연결되고 상기 스캐너 홀더부에 상기 회전부와 평행하게 배치되어 레이저빔을 반사시키는 제2 스캐너 및, 상기 제1 스캐너의 고정부와 회전부에 각각 결합된 제1,2 코일유니트를 포함한다.

여기서, 상기 제1,2 코일유니트는 이격 상태로 자계 또는 전계 유도방식을 통해 상기 제1 스캐너의 구동에 필요한 전력 또는 구동 신호를 전송하도록 구성할 수 있다.

상기 제1 스캐너는 연속적인 360° 회전운동 또는 소정 각도의 왕복운동을 이루어질 수 있게 구성할 수 있다.

상기 제2 스캐너는 레이저빔을 빠르게 스캔하는 멤스 스캐너로 구성할 수 있다.

상기 스캐닝 장치는 상기 레이저빔이 상기 제1 스캐너의 회전축과 일치되어 상기 제2 스캐너를 통해 1회 반사시 2축 동시 스캔이 이루어지도록 구성할 수 있다.

상기 스캐너 홀더부는 축편심조절수단을 통해 무게중심 위치를 조정가능하게 구성할 수 있다.

상기 축편심조절수단은 상기 스캐너 홀더를 둘러싸는 가로/세로 가이드부재와, 상기 가로/세로 가이드부재에 설치되어 상기 스캐너 홀더에 대한 가로/세로 무게중심 위치를 조정하는 가로/세로 축심조절부재를 포함할 수 있다.

상기 스캐너 홀더부의 내부에 상기 제2 스캐너 앞쪽으로 편광빔 스플리터가 배치되어 상기 레이저빔이 수직방향으로 입사하여 상기 편광빔 스플리터와 제2 스캐너를 순차적으로 거치면서 수평방향으로 반사되도록 구성할 수 있다.

상기 편광빔 스플리터는 상면과 측면에 각각 선형 편광판과 쿼터 파장판이 구비되어 상기 제2 스캐너에서 반사되는 상기 레이저빔이 그대로 투과되도록 구성할 수 있다.

상기 제1 코일유니트는 상기 고정부의 상면에 대하여 수평방향으로 배치되고, 상기 제2 코일유니트는 상기 제1 코일유니트와 대향하게 일정간격을 두고 상기 회전부의 하면에 수평방향으로 배치되도록 구성할 수 있다.

상기 제1 코일유니트는 상기 고정부의 상면에 대하여 수직방향으로 배치되고, 상기 제2 코일유니트는 상기 제1 코일유니트와 외측으로 대향하게 일정간격을 두고 상기 회전부의 하면에 수직방향으로 배치되도록 구성할 수 있다.

상기 제1 스캐너의 회전부 반대방향으로 설치된 광수신수단을 더 포함하고, 상기 광수신부는 연장 회전축에 설치되어 수신용 레이저빔을 전달받는 수신 미러와, 상기 수신 미러에 반사되는 광을 집광하는 집광 렌즈 및, 상기 집광 렌즈에 집광되는 광을 검출하는 광검출기로 구성할 수 있다.

상기 수신 미러는 상기 연장 회전축의 선단에 일정 각도로 기울어지게 배치되게 구성할 수 있다.

그리고, 본 발명에 따른 2축 레이저빔 스캐닝 장치는, 고정부와 회전부를 갖고 연속적으로 회전운동을 하는 제1 스캐너와, 상기 제1 스캐너의 회전부에 스캐너 홀더부가 축지지되게 연결되고, 상기 스캐너 홀더부에 구비되어 레이저빔을 반사시키는 제2 스캐너와, 상기 제1 스캐너의 고정부와 회전부에 각각 결합된 제1,2 코일유니트 및, 상기 제1 스캐너의 회전부 방향으로 설치된 광수신부를 포함한다. 여기서, 상기 제1,2 코일유니트는 이격 상태로 자계 또는 전계 유도방식을 통해 상기 제1 스캐너의 구동에 필요한 전력 또는 구동 신호를 전송하도록 구성할 수 있다.

상기 제2 스캐너와 상기 레이저빔을 송신용으로 상기 제2 스캐너로 반사시키는 송신 미러를 광송신부로 구성할 수 있다.

상기 광수신부는 상기 스캐너 홀더부의 전면에 설치되어 수신용 레이저빔을 전달받는 수신 미러와, 상기 수신 미러에 반사되는 광을 집광하는 집광 렌즈 및, 상기 집광 렌즈에 집광되는 광을 검출하는 광검출기로 구성할 수 있다.

상기 수신 미러는 중심에 상기 제2 스캐너에서 반사되는 상기 레이저빔이 통과하는 관통공간부가 형성되도록 구성할 수 있다.

본 발명의 제1,2 실시예에 따른 2축 레이저빔 스캐닝 장치에 따르면, 저속의 1축 스캐너(제1 스캐너)와 고속의 1축 스캐너를 일체화함으로써 2개의 미러를 사용하는 것에 비하여 소형화 및 단순화할 수 있고, 고속의 1축 스캐너를 멤스 스캐너로 적용함으로써 기계적 안정성과 내구성을 확보할 수 있다. 또한, 저속의 스캐너(제1 스캐너)는 연속적인 360° 회전운동 또는 소정 각도의 왕복운동을 통해 큰 스캔각을 확보할 수 있다. 더욱이, 고속의 스캐너(멤스 스캐너)를 구동하기 위해 무선 전력 전송 장치를 적용하고, 회전부와 고정부 사이의 접촉을 제거함으로써 스캐너의 안정적인 구동과 기계적 마모에 따른 수명 단축을 방지할 수 있다.

본 발명의 제3,4 실시예에 따른 2축 레이저빔 스캐닝 장치에 따르면, 저속의 제1 스캐너에, 고속의 스캐너(멤스 스캐너)를 통한 송신용 레이저빔을 송신하는 광송신부와 수신용 레이저빔을 모으는 광수신부를 추가함으써 스캐닝 장치에 그 기능을 확장하여 구현할 수 있다.

도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 스캐닝 장치를 도시한 구성도,
도 2a 및 도 2b는 제1 실시예에 따른 스캐닝 장치의 제1 스캐너의 내부 구성도,
도 3a 및 도 3b는 제1 실시예에 따른 스캐닝 장치의 스캐너 홀더 측면 및 평면 구성도,
도 4a 및 도 4b는 스캐닝 장치의 자기유도방식 무선 전력전송부 개념도,
도 5는 본 발명의 제2 실시예에 따른 스캐닝 장치를 도시한 구성도,
도 6는 제2 실시예에 따른 스캐닝 장치에서 레이저빔이 전달되는 과정을 도시한 상태도,
도 7은 본 발명의 제3 실시예에 따른 스캐닝 장치를 도시한 구성도,
도 8은 본 발명의 제4 실시예에 따른 스캐닝 장치를 도시한 구성도이다.

이하, 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다. 다만, 이는 예시로서 제시되는 것으로, 이에 의해 본 발명이 제한되지는 않으며, 본 발명은 후술할 청구범위의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 후술하는 실시예는 본 발명의 개념과 범위를 벗어나지 않는 한도 내에서 다양한 형태로 변형될 수 있다. 가능한 한 동일하거나 유사한 부분은 도면에서 동일한 도면부호를 사용하여 나타낸다.

이하에서 사용되는 전문용어는 단지 특정 실시예를 언급하기 위한 것이며, 본 발명을 한정하는 것을 의도하지 않는다. 여기서 사용되는 단수 형태들은 문구들이 이와 명백히 반대의 의미를 나타내지 않는 한 복수 형태들도 포함한다. 명세서에서 사용되는 ‘포함하는’의 의미는 특정 특성, 영역, 정수, 단계, 동작, 요소 및/또는 성분을 구체화하며, 다른 특정 특성, 영역, 정수, 단계, 동작, 요소, 성분 및/또는 군의 존재나 부가를 제외시키는 것은 아니다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예 및 비교예를 기재한다. 그러나 하기 실시예는 본 발명의 바람직한 일 실시예일 뿐 본 발명이 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다.

도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 스캐닝 장치를 도시한 구성도이고, 도 2a 및 도 2b는 제1 실시예에 따른 스캐닝 장치의 제1 스캐너의 내부 구성도이며, 도 3a 및 도 3b는 제1 실시예에 따른 스캐닝 장치의 스캐너 홀더 측면 및 평면 구성도이다.

본 발명의 제1 실시예에 따른 스캐닝 장치(100)는 도 1 내지 도 3b에 도시된 바와 같이, 제1 스캐너(110), 제2 스캐너(140), 스캐너 홀더(150), 제1,2 코일유니트(160, 170)를 포함한다. 그리고, 스캐닝 장치(100)는 레이저빔(B)이 제1 스캐너(110)의 회전축(132)과 일치되어 제2 스캐너(140)를 통해 1회 반사시 2축 동시 스캔이 이루어지도록 구성되어 있다.

상기 제1 스캐너(110)는 고정부(120)와 회전부(130)를 갖고 연속적으로 회전운동을 하는 기계식 액츄에이터로 구성될 수 있다. 여기서, 기계식 액츄에이터는 스텝 모터(Step Motor), 스핀들 모터(Spindle Motor), 브리시리스 모터(Brushless Direct Current Motor), 피에조 모터(Piezo Motor) 등으로 적용할 수 있다. 그리고, 제1 스캐너(110)는 레이저빔(B)을 수평방향으로 천천히 스캔하고, 연속적인 회전운동과 소정 각도의 왕복운동이 가능하여 최대 360°의 스캔각을 구현할 수 있다.

상기 제1 스캐너(110)의 고정부(120)는 도 2a 및 도 2b에 도시된 바와 같이, 모터 하우징에 연장되는 연장부재(122)와 상기 연장부재(122)의 상부를 덮고 중심에 관통홀(124a)이 형성된 커버부재(124)를 포함한다. 여기서, 상기 연장부재(122)는 일정 반경을 갖는 관형 구조로 모터 하우징에 연장되도록 되어 있다. 상기 커버부재(124)는 원판형 구조로 연장부재(122)의 상면을 덮도록 되어 있다. 그리고, 연장부재(122)와 커버부재(124)는 후술하는 상기 회전부(130)의 회전축(132)이 중심으로 관통하도록 되어 있고, 상기 커버부재(124)에는 상기 제1 코일유니트(160)가 수평 또는 수직방향으로 설치될 수 있다.

상기 제1 스캐너(110)의 회전부(130)는 도 2a 및 도 2b에 도시된 바와 같이, 모터축(S)에 연장되어 상기 스캐너 홀더(150)와 결합되는 회전축(132)과, 상기 커버부재(124)에 대향하게 상기 회전축(132)과 결합되어 회전하는 회전부재(134)를 포함한다. 상기 회전부재(134)는 보스부(134a)가 형성된 원판형 구조로 되어 있고, 중심을 관통하는 회전축(132)에 결합되어 그 회전축(132)과 함께 일체로 회전하도록 되어 있다.

상기 제2 스캐너(140)는 도 1에 도시된 바와 같이, 스캐너 홀더부(150)를 매개로 상기 제1 스캐너(110)의 회전축(132)에 연결되고, 상기 스캐너 홀더부(150)에 왕복운동 가능하게 지지되어 수직방향의 레이저빔(B)을 수평방향으로 반사시키도록 되어 있다. 그리고, 제2 스캐너(140)는 왕복운동을 통하여 레이저빔(B)을 수직방향으로 빠르게 스캔하는 멤스 스캐너(MEMS Scaner)로 구성할 수 있다. 또한 제2 스캐너(140)는 정전기 구동, 전자기 구동, 압전 구동방식을 채택할 수 있다.

상기 스캐너 홀더(150)는 상기 제1 스캐너(110)의 회전축(132)에 연결되고 상기 제2 스캐너(140)를 왕복운동 가능하게 지지하는 구조물이다. 그리고, 스캐너 홀더(150)는 도 3a 및 도 3b에 도시된 바와 같이, 축편심조절수단을 통해 상기 스캐너 홀더(150)의 무게중심 위치를 조정할 수 있도록 되어 있다.

상기 축편심조절수단은 스캐너 홀더(150)를 둘러싸는 가로/세로 가이드부재(152,154)와, 상기 가로/세로 가이드부재(152,154)에 설치되어 상기 스캐너 홀더(150)의 무게중심 위치를 조정하는 가로/세로 축심조절부재(156,158)를 포함한다. 여기서, 축편심조절수단은 제1 스캐너(110)의 회전부(130)가 회전에 따른 진동을 최소화하도록 무게중심을 맞추기 위한 것이다. 상기 가로/세로 축심조절부재(156,158)는 가로/세로 가이드부재(152,154)에 나사결합되는 구조로 되어 그 위치를 가로 또는 세로 방향으로 변경할 수 있다. 여기서, 가로/세로 축심조절부재(156,158)는 각각 가로/세로 가이드부재(152,154)에 모두 설치되어 스캐너 홀더(150)의 무게중심 위치를 조정하는 것이 바람직하다.

상기 제1 코일유니트(160)는 도 2a 및 도 2b에 도시된 바와 같이, 고정부(120)의 커버부재(124)에 수평방향 또는 수직방향으로 배치될 수 있다. 그리고, 제1 코일유니트(160)는 커버부재(124)의 상면에 지지부재(162)를 매개로 고정 설치되도록 되어 있다. 여기서, 제1 코일유니트(160)는 원주형 구조로 되어 있고 원주면을 따라 일정간격을 두고 코일(160a)이 구비되어 있다.

상기 제2 코일유니트(170)는 도 2a 및 도 2b에 도시된 바와 같이, 회전부(130)의 회전부재(134)에 수평방향 또는 수직방향으로 배치될 수 있다. 그리고, 제2 코일유니트(170)는 회전부재(134)의 하면에 지지부재(172)를 매개로 고정 설치되도록 되어 있다. 여기서, 제2 코일유니트(170)는 원주형 구조로 되어 있고 원주면을 따라 일정간격을 두고 코일(170a)이 구비되어 있다.

상기 제1,2 코일유니트(160,170)는 커버부재(124)와 회전부재(134)에 각각 설치되어 이격 상태로 자계 또는 전계 유도방식을 통해 상기 제1 스캐너(110)의 구동에 필요한 전력 또는 구동 신호를 전송하는 역할을 한다.

도 2a에 도시된 제1,2 코일유니트(160,170)은 커버부재(124)와 회전부재(134)에 수평방향으로 설치됨으로써 중심부에 회전축(132)이 관통하는 관통홀이 형성되는 구조이다. 여기서, 관통홀을 갖는 제1,2 코일유니트(160,170)는 고정부(120)와 회전부(130)의 높이를 줄여 전체 스캐닝 장치를 컴팩트하게 구성할 수 있으나, 제1 스캐너(110)의 회전부(130)를 통해 열전달이 일어나 스캐닝 장치의 시스템이 불안정할 수 있다.

도 2b에 도시된 제1,2 코일유니트(160,170)은 커버부재(124)와 회전부재(134)에 수직방향으로 설치됨으로써 회전축(132)이 관통하는 관통홀이 불필요한 구조이다. 여기서, 제1,2 코일유니트(160,170)는 코일(160a,170a)이 회전축(132)에 대하여 수직방향으로 배열되어 제1 스캐너(110)의 회전부(130)에 따른 열전달이 최소화됨으로써 스캐닝 장치의 시스템이 안정화될 수 있다.

한편, 제1,2 코일유니트(160,170)는 제1 스캐너(110)의 고정부(120)와 회전부(130)에 이격되고 접촉되지 않은 상태로 배치되어 무선 자기유도 방식으로 DC를 통해 전송을 할 수 있다(도 4a 참조). 또한, 코일유니트(160,170)는 무선 자기유도 방식으로 AC를 통해 전송을 할 수도 있다(도 4a 참조). 여기서, 무선 자기유도 방식으로 DC 또는 AC 사용시 회전축을 코어로 사용하여 전송 효율을 높이거나 전송 효율은 낮지만 공기를 코어로 사용할 수 있다. 무선 자기유도 방식으로 AC 사용시 별도의 AC/DC 변환과정이 필요없기 때문에 회로를 단순화할 수 있다.

본 발명의 제1 실시예에 따른 2축 레이저빔 스캐닝 장치에 의하면, 제1 스캐너(110)의 회전축(132)에 일정각도로 경사지게 제2 스캐너(140)이 배치되고, 레이저빔(B)이 제1 스캐너(110)의 회전축(132)과 일치되어 제2 스캐너(140)를 통해 1회 반사시 2축 동시 스캔이 이루어지게 된다. 또한, 제1 스캐너(110)의 고정부(120)와 회전부(130)에 제1,2 코유니트(160,170)를 이격되고 접촉되지 않은 상태로 배치하여 자계 또는 전계유도 방식으로 고속의 제2 스캐너(140)를 안정적으로 구동함으로써 기계적 안정성과 내구성을 향상시킬 수 있게 된다.

도 5는 본 발명의 제2 실시예에 따른 스캐닝 장치를 도시한 구성도이고, 도 6는 제2 실시예에 따른 스캐닝 장치에서 레이저빔이 전달되는 과정을 도시한 상태도이다.

본 발명의 제2 실시예에 따른 스캐닝 장치(200)는 도 5에 도시된 바와 같이, 고정부(220)와 회전부(230)를 갖는 제1 스캐너(210), 제2 스캐너(240), 스캐너 홀더(250), 제1,2 코일유니트(260, 270)를 포함한다. 그리고, 스캐닝 장치(200)는 레이저빔(B)이 제1 스캐너(210)의 회전축(232)과 일치되어 제2 스캐너(240)를 통해 1회 반사시 2축 동시 스캔이 이루어지도록 구성되어 있다. 여기서, 제1 스캐너(210) 및 제1,2 코일유니트(260, 270)는 도면부호를 다르게 기재하고 있으나, 제1 실시예에서 제1 스캐너(110)와 제1,2 코일유니트(160, 170)와 실질적으로 동일하여 그 설명을 생략한다.

상기 제2 스캐너(240)는 상기 제1 스캐너(210)의 회전부(230)와 스캐너 홀더부(250)를 통해 연결되고, 상기 스캐너 홀더부(250)의 측면에 상기 회전부(230)의 회전축(232)과 평행하게 배치되어 있다.

상기 스캐너 홀더(250)는 상판(251), 하판(252), 측판(253)이 연결되어 ㄷ자 구조로 되어 있다. 스캐너 홀더(250)는 상기 상판(251)과 하판(252) 사이에 편광빔 스플리터(254)가 배치되어 있으며, 상기 측판(253)에 제2 스캐너(240)가 각도조절가능하게 설치되어 있다.

이에 따라, 수직방향으로 입사하는 레이저빔(B)은 상기 편광빔 스플리터(254)와 제2 스캐너(250)를 순차적으로 거치면서 수평방향으로 반사된다.

도 6에 도시된 바와 같이, 상기 편광빔 스플리터(254)는 상면와 측면에 각각 선형 편광판(255)과 쿼터 파장판(256)을 포함할 수 있다. 즉 편광빔 스플리터(254)는 선형 편광판(255)와 쿼터 파장판(256)을 통해 수직방향의 레이저빔(B)을 수평방향으로 반사키도록 되어 있다. 그 과정을 살펴보면, 수직방향으로 입사하는 레이저빔(B)은 선형 편광판(255)을 통과하고 편광빔 스플리터(254)를 통해 우측 수평방향으로 1차 반사된 다음, 쿼터 파장판(256)을 통과하고 제2 스캐너(250)에 2차 반사된다. 그 이후 쿼터 파장판(256)을 다시 통과하면서 레이저빔(B)의 편광 상태가 90°로 바뀐 상태로 좌측 수평방향으로 편광빔 스플리터(254)를 투과하게 된다. 이에 따라, 레이저빔(B)은 쿼터 파장판(256)를 2번 통과함으로써 선형 편광 상태가 90°로 바뀔 수 있는 것이다.

본 발명의 제2 실시예에 따른 2축 레이저빔 스캐닝 장치에 의하면, 제1 스캐너(210)의 회전축(232)과 나란하게 제2 스캐너(140)이 배치되고, 수직방향의 레이저빔(B)이 편광빔 스플리터(254)와 제2 스캐너(240)를 순차적으로 거치면서 좌측 수평방향으로 반사되어 제2 스캐너(140)를 통해 1회 반사시 2축 동시 스캔이 이루어지게 된다.

도 7은 본 발명의 제3 실시예에 따른 스캐닝 장치를 도시한 구성도이다.

본 발명의 제3 실시예에 따른 스캐닝 장치(300)는 도 7에 도시된 바와 같이, 고정부(320)와 회전부(330)를 갖는 제1 스캐너(310), 제2 스캐너(340), 스캐너 홀더(350), 제1,2 코일유니트(360, 370)를 포함한다. 여기서, 제1 스캐너(310) 제2 스캐너(340), 스캐너 홀더(350), 및 제1,2 코일유니트(360, 370)는 도면부호를 다르게 기재하고 있으나, 제1 실시예에서 고정부(120)와 회전부(130)를 갖는 제1 스캐너(110), 제2 스캐너(140), 스캐너 홀더(150), 제1,2 코일유니트(160, 170)와 실질적으로 동일하여 그 설명을 생략한다.

본 발명의 제3 실시예에 따른 스캐닝 장치(300)는 제1 실시예의 스캐닝 장치(100)에서 광수신부(Rx)를 더 포함할 수 있다. 즉 스캐닝 장치(300)는 제1 스캐너(310), 제1 스캐너(310) 상부에 멤스 스캐너인 제2 스캐너(340)로 송신용 레이저빔(TB)을 보내는 광송신부(Tx) 및, 제1 스캐너(310) 하부에 수신용 레이저빔(RB)을 모으는 광수신부(Rx)을 포함하고 있다.

따라서, 스캐닝 장치(300)는 제1 실시예의 스캐닝 장치(100)에서 수신용 레이저빔(RB)을 모으는 광수신부(Rx)를 더 포함하여 구성한 것이다. 물론, 스캐닝 장치(300)는 제2 실시예의 스캐닝 장치(200)에서 수신용 레이저빔(RB)을 모으는 광수신부(Rx)를 더 포함하여 구성할 수도 있다.

도 7에 도시된 바와 같이, 광송신부(Tx)는 수직의 송신용 레이저빔(TB)을 수평방향으로 반사시키는 제2 스캐너(340)를 포함한다. 그리고, 광수신부(Rx)는 제1 스캐너(310)의 연장 회전축(333)에 설치되어 수신용 레이저빔(RB)을 전달받는 수신 미러(380)와, 상기 수신 미러(380)에 반사되는 광을 집광하는 집광 렌즈(382) 및, 상기 집광 렌즈(382)에 집광된 광을 검출하는 광검출기(384)를 포함한다.

상기 수신 미러(380)는 연장 회전축(333)에 일정 각도로 기울어지게 배치되어 수신용 레이저빔(RB)을 전달받도록 되어 있다. 여기서, 수신 미러(380)는 각도를 45°로 고정하여 구성할 수 있고, 연장 회전축(333)의 선단에 회동가능하게 연결하여 각도를 조정할 수도 있다.

상기 집광 렌즈(382)는 수신 미러(380)에 하부에 배치되어 미러에 반사되는 광을 집광하도록 되어 있다. 여기서, 수신광의 각도범위에 따라 광을 집광하는 범위(수신 면적)를 최대화할 수 있도록 렌즈의 크기를 설정하는 것이 바람직하다.

본 발명의 제3 실시예에 따른 2축 레이저빔 스캐닝 장치에 의하면, 제1 스캐너(310)의 상하부에 제2 스캐너(340)를 통한 송신용 레이저빔(TB)을 송신하는 광송신부(Tx)와 수신용 레이저빔(RB)을 모으는 광수신부(Rx)가 각각 형성됨으로써 스캐닝 장치에 그 기능을 확장하여 구현할 수 있다.

도 8은 본 발명의 제4 실시예에 따른 스캐닝 장치를 도시한 구성도이다.

본 발명의 제4 실시예에 따른 스캐닝 장치(400)는 도 8에 도시된 바와 같이, 제1 스캐너(410), 제2 스캐너(440), 스캐너 홀더(450), 제1,2 코일유니트(460, 470)를 포함한다. 여기서, 제1 스캐너(410) 제2 스캐너(440), 스캐너 홀더(450), 제1,2 코일유니트(460, 470)는 도면부호를 다르게 기재하고 있으나, 제1 실시예에서 제1 스캐너(110), 제2 스캐너(140), 스캐너 홀더(150), 제1,2 코일유니트(160, 170)와 실질적으로 동일하여 그 설명을 생략한다.

본 발명의 제4 실시예에 따른 스캐닝 장치(400)는 제1 실시예의 스캐닝 장치(100)에서 광수신부(Rx)를 더 포함할 수 있다. 즉 스캐닝 장치(400)는 제1 스캐너(410), 제1 스캐너(410) 상부에 배치된 멤스 스캐너인 제2 스캐너(440)로 송신 미러(442)를 통해 송신용 레이저빔(TB)을 보내는 광송신부(Tx) 및, 제1 스캐너(410) 상부에 배치되어 수신용 레이저빔(RB)을 모으는 광수신부(Rx)을 포함하고 있다. 또한, 제3 실시예의 스캐닝 장치(300)와 비교할 때, 스캐닝 장치(400)는 제1 스캐너(410) 상부에 광송신부(Tx)와 광수신부(Rx)가 일체형 모듈로 형성될 수 있다.

도 8에 도시된 바와 같이, 광송신부(Tx)는 상기 제2 스캐너(440)와 송신용 레이저빔(TB)을 상기 제2 스캐너(440)로 반사시키는 송신 미러(442)를 포함한다. 그리고, 광수신부(Rx)는 상기 스캐너 홀더부(450)의 전면에 설치되어 수신용 레이저빔(RB)을 전달받는 수신 미러(480)와, 상기 수신 미러(480)에 반사되는 광을 집광하는 집광 렌즈(482) 및, 상기 집광 렌즈(482)에 집광되는 광을 검출하는 광검출기(484)를 포함한다.

상기 수신 미러(480)는 스캐너 홀더부(450)의 전면에 설치되어 스캐너 홀더부(450)가 기울어진 각도만큼 기울어지게 배치되어 있다. 그리고 수신 미러(480)는 중심에 관통공간부(480a)가 형성되어 있다. 여기서, 관통공간부(480a)는 상기 제2 스캐너(440)에서 반사되는 송신용 레이저빔(TB)이 통과하는 부분이다.

한편, 수신 미러(480)은 상기 제2 스캐너(440)에서 반사되는 송신용 레이저빔(TB)이 간섭없이 통과하도록 관통공간부(480a)의 크기와 수신용 레이저빔(RB)을 충분히 전달받을 수 있도록 미러 크기를 함께 고려하여 설정하는 것이 바람직하다.

상기 집광 렌즈(482)는 수신 미러(480)에 상부에 배치되어 미러에 반사되는 광을 집광하도록 되어 있다. 여기서, 집광 렌즈(482)는 수신 미러(480)에서 광을 집광하는 범위(수신 면적)를 최대화할 수 있도록 렌즈의 크기를 설정하는 것이 바람직하다.

본 발명의 제4 실시예에 따른 2축 레이저빔 스캐닝 장치에 의하면, 제1 스캐너(410)의 상부에 제2 스캐너(440)를 통한 송신용 레이저빔(TB)을 송신하는 광송신부(Tx)와 수신용 레이저빔(RB)을 모으는 광수신부(Rx)가 일체형 모듈로 형성됨으로써 기능이 확장된 스캐닝 장치를 컴팩트하게 구현할 수 있다.

이상 설명한 바와 같이 본 발명의 예시적인 실시예가 도시되어 설명되었지만, 다양한 변형과 다른 실시예가 본 분야의 숙련된 기술자들에 의해 행해질 수 있을 것이다. 이러한 변형과 다른 실시예들은 첨부된 청구범위에 모두 고려되고 포함되어 본 발명의 진정한 취지 및 범위를 벗어나지 않는다 할 것이다.

100, 200, 300, 400 : 스캐닝 장치 110, 210, 310, 410 : 제1 스캐너
120, 220, 320, 420 : 고정부 130, 230, 330, 430 : 회전부
150, 250, 350, 450 : 스캐너 홀더 160, 260, 360, 460 : 제1 코일유니트
170, 270, 370, 470 : 제2 코일유니트

Claims (17)

1. 고정부와 회전부를 갖고 연속적으로 회전운동을 하는 제1 스캐너;
   상기 제1 스캐너의 회전부에 스캐너 홀더부가 축지지되게 연결되고, 상기 스캐너 홀더부에 구비되어 레이저빔을 반사시키는 제2 스캐너;
   상기 제1 스캐너의 고정부와 회전부에 각각 결합된 제1,2 코일유니트;를 포함하고,
   상기 제1,2 코일유니트는 이격 상태로 자계 또는 전계 유도방식을 통해 상기 제1 스캐너의 구동에 필요한 전력 또는 구동 신호를 전송하는 2축 레이저빔 스캐닝 장치.
2. 고정부와 회전부를 갖고, 연속적으로 회전운동을 하는 제1 스캐너;
   상기 제1 스캐너의 회전부와 스캐너 홀더부를 통해 연결되고, 상기 스캐너 홀더부에 상기 회전부와 평행하게 배치되어 레이저빔을 반사시키는 제2 스캐너;
   상기 제1 스캐너의 고정부와 회전부에 각각 결합된 제1,2 코일유니트; 를 포함하고,
   상기 제1,2 코일유니트는 이격 상태로 자계 또는 전계 유도방식을 통해 상기 제1 스캐너의 구동에 필요한 전력 또는 구동 신호를 전송하는 2축 레이저빔 스캐닝 장치.
3. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
   상기 제1 스캐너는 연속적인 360° 회전운동 또는 소정 각도의 왕복운동을 이루어지는 것을 특징으로 하는 2축 레이저빔 스캐닝 장치.
4. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
   상기 제2 스캐너는 레이저빔을 빠르게 스캔하는 멤스 스캐너인 것을 특징으로 하는 2축 레이저빔 스캐닝 장치.
5. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
   상기 스캐닝 장치는 상기 레이저빔이 상기 제1 스캐너의 회전축과 일치되어 상기 제2 스캐너를 통해 1회 반사시 2축 동시 스캔이 이루어지는 것을 특징으로 하는 2축 레이저빔 스캐닝 장치.
6. 청구항 1에 있어서,
   상기 스캐너 홀더부는 축편심조절수단을 통해 무게중심 위치를 조정가능한 것을 특징으로 하는 2축 레이저빔 스캐닝 장치.
7. 청구항 6에 있어서,
   상기 축편심조절수단은 상기 스캐너 홀더를 둘러싸는 가로/세로 가이드부재와, 상기 가로/세로 가이드부재에 설치되어 상기 스캐너 홀더에 대한 가로/세로 무게중심 위치를 조정하는 가로/세로 축심조절부재를 포함하는 것을 특징으로 하는 2축 레이저빔 스캐닝 장치.
8. 청구항 2에 있어서,
   상기 스캐너 홀더부의 내부에 상기 제2 스캐너 앞쪽으로 편광빔 스플리터가 배치되어 상기 레이저빔이 수직방향으로 입사하여 상기 편광빔 스플리터와 제2 스캐너를 순차적으로 거치면서 수평방향으로 반사되는 것을 특징으로 2축 레이저빔 스캐닝 장치.
9. 청구항 8에 있어서,
   상기 편광빔 스플리터는 상면과 측면에 각각 선형 편광판과 쿼터 파장판이 구비되어 상기 제2 스캐너에서 반사되는 상기 레이저빔이 그대로 투과되는 것을 특징으로 하는 2축 레이저빔 스캐닝 장치.
10. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    상기 제1 코일유니트는 상기 고정부의 상면에 대하여 수평방향으로 배치되고,
    상기 제2 코일유니트는 상기 제1 코일유니트와 대향하게 일정간격을 두고 상기 회전부의 하면에 수평방향으로 배치되는 것을 특징으로 하는 2축 레이저빔 스캐닝 장치.
11. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    상기 제1 코일유니트는 상기 고정부의 상면에 대하여 수직방향으로 배치되고,
    상기 제2 코일유니트는 상기 제1 코일유니트와 외측으로 대향하게 일정간격을 두고 상기 회전부의 하면에 수직방향으로 배치되는 것을 특징으로 하는 2축 레이저빔 스캐닝 장치.
12. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    상기 제1 스캐너의 회전부 반대방향으로 설치된 광수신부를 더 포함하고,
    상기 광수신부는 연장 회전축에 설치되어 수신용 레이저빔을 전달받는 수신 미러와, 상기 수신 미러에 반사되는 광을 집광하는 집광 렌즈 및, 상기 집광 렌즈에 집광되는 광을 검출하는 광검출기를 포함하는 것을 특징으로 하는 2축 레이저빔 스캐닝 장치.
13. 청구항 12에 있어서,
    상기 수신 미러는 상기 연장 회전축의 선단에 일정 각도로 기울어지게 배치되는 것을 특징으로 하는 2축 레이저빔 스캐닝 장치.
14. 고정부와 회전부를 갖고 연속적으로 회전운동을 하는 제1 스캐너;
    상기 제1 스캐너의 회전부에 스캐너 홀더부가 축지지되게 연결되고, 상기 스캐너 홀더부에 구비되어 레이저빔을 반사시키는 제2 스캐너;
    상기 제1 스캐너의 고정부와 회전부에 각각 결합된 제1,2 코일유니트;
    상기 제1 스캐너의 회전부 방향으로 설치된 광수신부;를 포함하고,
    상기 제1,2 코일유니트는 이격 상태로 자계 또는 전계 유도방식을 통해 상기 제1 스캐너의 구동에 필요한 전력 또는 구동 신호를 전송하는 2축 레이저빔 스캐닝 장치.
15. 청구항 14에 있어서,
    상기 제2 스캐너와 상기 레이저빔을 송신용으로 상기 제2 스캐너로 반사시키는 송신 미러를 광송신부로 구성하는 것을 특징으로 하는 2축 레이저빔 스캐닝 장치.
16. 청구항 14에 있어서,
    상기 광수신부는 상기 스캐너 홀더부의 전면에 설치되어 수신용 레이저빔을 전달받는 수신 미러와, 상기 수신 미러에 반사되는 광을 집광하는 집광 렌즈 및, 상기 집광 렌즈에 집광되는 광을 검출하는 광검출기를 포함하는 것을 특징으로 하는 2축 레이저빔 스캐닝 장치.
17. 청구항 16에 있어서,
    상기 수신 미러는 중심에 상기 제2 스캐너에서 반사되는 상기 레이저빔이 통과하는 관통공간부가 형성된 것을 특징으로 하는 2축 레이저빔 스캐닝 장치.