WO2016093425A1 - 광학식 센서를 위한 광학계 및 이를 포함하는 포토 센서 - Google Patents

Abstract

본 발명의 일 실시예에 의하면, 기존 렌즈에서 발생하는 색수차, 광 경로 왜곡 문제를 해결할 수 있고, 기존 렌즈를 이용한 것보다 광 효율이 높일 수 있음과 동시에 광학계 및 이를 포함하는 포토 센서를 소형화할 수 있는 효과가 있다. 이를 위해 특히, 본 발명의 일 실시예는 광원에 대응하는 제1 초점에서 소정 조사각으로 광을 조사하는 광원부와 조사된 광을 반사시켜 제1 초점을 포함하는 광축에 나란한 평행광을 형성하는 비구면의 제1 반사체를 포함하는 발광부; 및 형성된 평행광과 광학적 상호작용으로 경로가 변경된 평행광의 일부를 반사시켜 제2 초점에 수렴시키는 비구면의 제2 반사체와 제2 초점에 위치하여 제2 초점에 수렴된 광을 검출하는 광검출기를 포함하는 수광부;를 포함하는 광학계를 포함한다.

Description

광학식 센서를 위한 광학계 및 이를 포함하는 포토 센서

본 발명은 광학식 센서를 위한 광학계 및 이를 포함하는 포토 센서에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 포물 반사체를 이용한 물체 및 물질 검지를 위한 광학계 및 이를 포함하는 포토 센서에 관한 것이다.

일반적으로 포토 센서(photo sensor)는 광원에서 방출된 광이 광 검출기에 도달하는 경로 상에 물체 내지 물질이 위치하게 되면 이를 검지하는 센서로써 예를 들어 엘리베이터 자동 문에 설치되어 문이 자동으로 닫히는 순간 사람이 급히 엘리베이터에 탑승하는 경우 이를 검지하여 문을 다시 열도록 하는 센서(도 1), 공장 자동화 시스템에서 조립되고 있는 제품이 컨베이어 벨트를 타고 이동하면서 작업자 앞에 자동으로 정지하도록 하는 센서(도 2) 등 매우 다양한 분야에 적용되고 있다.

일반적인 포토 센서는 광원과 광 검출기와 렌즈(lens)를 이용하여 그 기능을 하도록 구성된다. 도 3은 종래 볼록렌즈(convex lens)를 구성으로 하는 포토 센서의 일례에 대한 개략도이다.

볼록렌즈는 광 효율을 높이기 위함인데, 정도의 차이는 있겠으나 광 검출기는 일정한 광량(amount of light) 이상이 광 검출기에 도달하여야 전기 신호를 출력한다. 또한 전자회로에서의 노이즈(noise), 외부 잡광의 간섭에 의한 전기 신호보다 검지 물체에서 반사되어 광 검출기에 도달하는 광량이 더 커야 하며 그 크기가 클수록 성능이 우수한 포토 센서를 제작할 수 있다.

볼록렌즈1은 광원에서 방출된 광이 가능한 많은 양이 검지 물체에 도달하도록 하며 볼록렌즈2는 검지물체에서 반사된 광이 가능한 많은 양이 광 검출기에 모이도록 하여 광 효율을 높여 결과적으로 우수한 성능의 포토 센서를 제작할 수 있도록 한다.

렌즈는 광의 굴절(refraction) 특성을 이용한 것이며 굴절률(index of refraction)이 같은 매질(media)라도 광의 파장(wavelength)에 따라 다르다. 그러므로 렌즈를 이용하는 경우 색수차(chromatic aberration)에 기인하여 파장에 따라 한 점(초점)에 수렴하지 않아 광 효율을 떨어뜨리는 문제가 있다.

또한 구면 렌즈(spherical lens)를 적용하는 경우 렌즈의 초점 거리가 짧을수록, 직경이 클수록 광 경로의 왜곡(distortion)이 발생하여 광을 초점에 수렴하지 않아 광 효율을 낮추는 문제가 있다.

이러한 문제를 해결하는 방법으로 볼록렌즈와 굴절률이 다른 오목렌즈(concave lens)를 조합하여 색수차 문제를 해결해야 하나 추가 렌즈에 의해 비용이 상승되는 문제가 있었다. 또한 왜곡 문제를 해결하기 위해 비구면 렌즈를 제작할 수 있으나 이 또한 렌즈 제작이 난해해져 제작 과정에서 많은 비용이 소요되는 문제점이 있었다.

본 발명은 상기와 같은 문제를 해결하기 위해 안출된 것으로서, 본 발명의 제1 목적은 광원에서 조사된 광의 광학적 상호작용 결과 경로가 변경된 광을 효율적으로 검출 또는 검지할 수 있는 광학계를 제공하는 데 있다.

아울러, 본 발명의 제2 목적은 광원에서 방출된 광이 광 검출기로 진행하는 경로 상에 물체 등이 광의 진행을 차단하는 경우 이를 인지하는 투과형 포토 센서 또는 광원에서 방출된 광이 물체에 반사되어 돌아오는 광을 광 검출기에서 검출하는 반사형 포토 센서에 활용되어 광 효율을 높일 수 있는 광학계 및 이를 이용한 포토 센서를 제공하는 데 있다.

상기와 같은 본 발명의 목적은, 광원에 대응하는 제1 초점에서 소정 조사각으로 광을 조사하는 광원부와 조사된 광을 반사시켜 제1 초점을 포함하는 광축에 나란한 평행광을 형성하는 비구면의 제1 반사체를 포함하는 발광부; 및 형성된 평행광과 광학적 상호작용으로 경로가 변경된 평행광의 일부를 반사시켜 제2 초점에 수렴시키는 비구면의 제2 반사체와 제2 초점에 위치하여 제2 초점에 수렴된 광을 검출하는 광검출기를 포함하는 수광부;를 포함하는 광학계를 제공함으로써 달성될 수 있다.

제1 반사체는 제1 초점을 가지는 포물 반사체로 형성된 것이고, 제2 반사체는 제2 초점을 가지는 포물 반사체로 형성될 수 있다.

제1 반사체와 제2 반사체는, 각각의 광축이 상호 교차되거나 각각의 광축이 상호 공유되는 것일 수 있다.

제2 초점에 수렴된 광은, 가시광선, 적외선 및 자외선 중 적어도 하나에 대응하는 파장 대역을 가지는 것일 수 있다.

한편, 본 발명의 목적은 전술한 광학계를 포함하는 포토 센서를 제공함으로써 달성될 수 있다.

상기와 같은 본 발명의 일 실시예에 의하면, 기존 렌즈에서 발생하는 색수차, 광 경로 왜곡 문제를 해결할 수 있고, 기존 렌즈를 이용한 것보다 광 효율이 높일 수 있음과 동시에 광학계 및 이를 포함하는 포토 센서를 소형화할 수 있는 효과가 있다.

도 1은 종래 광학계의 일 예인 투과형 포토 센서의 사용예를 나타낸 도면,

도 2는 종래 광학계의 일 예인 반사형 포토 센서의 사용예를 나타낸 도면,

도 3은 종래 광학계의 일 예인 반사형 포토 센서가 볼록렌즈(convex lens)를 사용하여 물체를 검지하는 상태를 개략적으로 나타낸 도면,

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 광학계의 구성 중 포물 반사체를 설명하기 위해 나타낸 도면,

도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 광학계를 이용한 투과형 포토 센서를 나타낸 도면,

도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 투과형 포토 센서에 활용되는 회구 구성도를 나타낸 도면,

도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 광학계를 이용한 반사형 포토 센서를 나타낸 도면,

도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 반사형 포토 센서에 활용되는 회구 구성도를 나타낸 도면,

도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 광학계를 적용한 포토 센서의 광 시뮬레이션의 구성 개념을 나타낸 도면,

도 10은 도 9에 따른 광 시뮬레이션 결과를 표로 나타낸 도면,

도 11 및 도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 광학계와 기존 볼록 렌즈를 적용한 광학계의 입체각을 나타낸 도면이다.

본 발명인 광학계의 각 실시예에 대응하는 도면들은 발명의 이해를 돕기 위해 각 구성의 크기, 축적, 형상 등에 있어서 일부 과장되거나 생략되어 표현될 수 있고 동일한 구성에 대한 도면부호는 동일하게 사용되었음을 밝혀둔다.

<광학계에 사용되는 포물 반사체>

본 실시예인 광학계의 구성 중 포물 반사체에 대하여 설명한다. 도 4는 본 실시예인 광학계 구성 중 포물경의 형상을 이해하기 위한 포물 함수의 기본적인 형태에 관한 도면이다. 도 4에 도시된 바와 같이, 광원은 원점 O에 위치하며 원점을 포함한 x축을 광축으로 한다.

광원에서 방출된 광은 포물 반사체의 임의의 반사면 A(x,y)에 반사되어 광축인 x축과 평행하게 진행한다.

포물 반사체의 함수를

라 하고 광원에서 방출된 광의 진행하는 방향의 단위 벡터를

, 포물 반사체의 반사면의 법선 단위 벡터를

, 광축인 x 축과 평행한 벡터의 단위 벡터를

라 하면 각 벡터는 다음과 같이 구해진다.

수학식 1

수학식 2

수학식 3

수학식 4

[수학식1], [수학식2], [수학식3]에서 ∇은 미분연산자이며,

,

은 각각 x축, y축의 단위벡터이다. 반사 법칙(입사각 = 반사각)에 의해 도 4에서 각 벡터의 내적(inner product)은 다음과 같다.

수학식 5

수학식 6

수학식 7

수학식 8

도 4에서 보면 원점에서 방출된 광 중에 포물 반사체에 반사된 모든 광은 광축과 평행하게 진행된다. 역으로 광축과 평행하게 진행되어 포물 반사체에서 반사된 광은 원점에 수렴한다. 광학적인 관점에서 원점을 초점이라 할 수 있고 포물 반사체와 가장 가까운 거리는 초점거리이며 그 값은 -q/p이며 이 값을 f(초점거리)라 하면 수학식 8은 수학식 9와 같이 정리된다.

수학식 9

수학식 9의 의의는 포물 반사체를 설계할 때 기준이 되는 함수이며 초점 f가 가장 중요한 파라미터가 되는 것이다.

<포물 반사체를 이용한 광학계와 이를 적용한 포토 센서>

본 발명은 포토 센서에 적용하는 광학계와 이를 이용한 포토 센서에 관한 것이다. '포토 센서'는 일반적으로 광 경로 상에 물체가 위치하는 경우 물체에 의한 광 경로의 차단 내지 물체에 의한 광의 반사를 측정하여 물체의 존재 유무를 검지하는 센서로써 관련 분야에서 통상적으로 사용되는 이름이다. 본 발명에서의 '포토 센서'라는 단어 자체에 의해 발생할 수 있는 기능적인 혼선은 전술한 '포토 센서'의 기능적 정의로부터 본 발명의 취지에 영향을 줄 수 없음은 자명하다.

본 실시예인 광학계는 전술한 포물 반사체를 포함하는 광학 시스템이다. 보다 구체적으로 포물 반사체는 한 점에서 방출된 광이 포물 반사체의 반사면에서 반사되면 광 축과 평행광이 형성되는 광학계로써 이를 기존의 렌즈를 이용한 포토 센서의 광학계를 대체하여 결과적으로 높은 광 효율을 얻고자 하는 것이다. 또한 본 발명은 이러한 광학계를 이용하여 도 1에서 예시로 든 투과형 포토 센서, 도 2에서 예시로 든 반사형 포토 센서를 제작하는 것이다.

투과형 포토 센서

도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 광학계를 이용한 투과형 포토 센서를 나타낸 도면이다. 도 5에 도시된 바와 같이, 투과형 포토 센서는 마주 보는 2개의 제1 포물 반사체와 제2 포물 반사체를 기본 구성으로 포함한다. 제1포물 반사체의 초점에는 광원이 위치하며 제2포물 반사체의 초점에는 광 검출기가 위치한다. 광원에서 방출된 광은 제1 포물 반사체의 반사면에서 반사되어 평행한 광 경로을 형성하고 제2 포물 반사체의 반사면에 반사되어 광 검출기에 수렴한다. 광 경로 상에 불투명한 물체가 위치하여 광의 진행을 차단하게 되면 광 검출기에 도달하는 광량이 줄어들게 되고 줄어든 광량을 측정하여 광 경로 상에 물체의 유무를 판정한다. 이러한 검지 과정은 도 6에서와 같은 회로를 구성함으로써 실현될 수 있다. 이러한 회로 구성은 포토 센서의 성능 및 기능 개선, 다양한 패턴의 데이터 취득 등의 목적으로 회로는 수정, 보완될 수 있다.

반사형 포토 센서

도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 광학계를 이용한 반사형 포토 센서를 나타낸 도면이다. 도 7에 도시된 바와 같이, 반사형 포토 센서는 나란하거나 일정한 각도를 갖는 제1 포물 반사체와 제2 포물 반사체에 대하여 제1포물 반사체의 초점에는 광원이 위치하고 제2 포물 반사체의 초점에는 광 검출기가 위치하며 광원과 광 검출기의 위치는 상호 바뀌어도 무방하다. 광원에서 방출된 광은 제1 포물 반사체의 반사면에 반사되어 평행광을 형성하여 진행하다 검지 물체의 존재 시 검지 물체에 반사된 광 중에 평행하게 진행하고 제2포물 반사체의 반사면에 도달한 광은 광 검출기에 수렴한다. 이러한 과정을 통해 광 검출기에 광이 검출되면 물체가 존재함을 의미한다. 이러한 검지 과정은 도 8에서와 같은 회로를 구성함으로써 실현될 수 있다. 이러한 회로 구성은 포토 센서의 성능 및 기능 개선, 다양한 패턴의 데이터 취득 등의 목적으로 회로는 수정, 보완될 수 있다.

광 시뮬레이션 실험

도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 광학계를 적용한 포토 센서 광 시뮬레이션의 구성 개념을 나타낸 도면이고, 도 10은 도 9에 따른 광 시뮬레이션 결과를 표로 나타낸 도면이다. 기존 렌즈를 이용한 포토 센서의 광 시뮬레이션 구성의 개념은 도 3에 도시된 바와 같으며, 본 발명인 광학계의 일 실시예에 따른 포물 반사체를 이용한 광 시뮬레이션의 구성 개념은 도 9에 도시된 바와 같다. 아울러, 도 10에 도시된 표의 결과는 동일한 광 단면적(optical cross section)인 경우 반사형 포토 센서에서 기존 렌즈를 적용한 경우와 본 발명의 포물 반사체를 적용한 경우에 대한 광 시뮬레이션 (optical simulation)에 의한 광 효율을 보여준다.

여기서, 검지 물체는 시뮬레이션의 편의를 위해 100 % 반사체로 설정하였으며 검지 물체의 반사면은 100 mm X 100 mm의 정사각형이다. 광원의 광 방출 영역(emission area)는 0.5 mm X 0.5 mm이며 700 nm의 적색광을 이용하였다. 광 검출기의 광 검출 영역(detection area)는 1 mm X 1 mm이다. 반사체는 50 mm부터 1000 mm 까지 50 mm 간격으로 이동하여 광 효율을 시뮬레이션 하였다.

이러한 광 시뮬레이션 결과, 도 10의 표에서 같이 본 발명의 일 실시예에 따른 광학계는 광 효율은 동일한 조건에서 기존 볼록렌즈를 이용한 것보다 최소 약 2.72배, 최대 8.09배 높았다. 이는 본 발명의 일 실시예 따른 광학계의 포물 반사체가 광원에서 방출된 광의 반사 입체각(solid angle)을 기존 볼록 렌즈보다 더 크게 할 수 있기 때문이다(도 11 및 도 12 참조). 즉, 도 11 및 도 12에 도시된 바와 같이, 볼록 렌즈의 입체각은 ~ θ1 X φ1 인데 비하여 포물 반사체의 입체각은 ~ θ2 X φ2으로 크기 때문이다.

전술한 광 효율에 관한 시뮬레이션 결과는 본 실시예는 기존의 렌즈를 이용한 포토 센서에 비해 높은 광 효율을 가지며, 이는 같은 광 효율을 갖는 포토 센서의 경우 본 실시예에 따라 제작하면 그 크기를 작게 제작할 수 있음은 물론, 같은 성능과 가격이라면 보다 경쟁력이 있는 작은 크기로 포토 센서를 구현할 수 있다.

이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시 예를 설명하였지만, 상술한 본 발명의 기술적 구성은 본 발명이 속하는 기술 분야의 당 업자가 본 발명의 그 기술적 사상이나 필수적 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시 예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적인 것이 아닌 것으로서 이해되어야 한다. 아울러, 본 발명의 범위는 상기의 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어진다. 또한, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 등가 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

Claims (5)

1. 광원에 대응하는 제1 초점에서 소정 조사각으로 광을 조사하는 광원부와 상기 조사된 광을 반사시켜 상기 제1 초점을 포함하는 광축에 나란한 평행광을 형성하는 비구면의 제1 반사체를 포함하는 발광부; 및

   상기 형성된 평행광과 광학적 상호작용으로 경로가 변경된 상기 평행광의 일부를 반사시켜 제2 초점에 수렴시키는 비구면의 제2 반사체와 상기 제2 초점에 위치하여 상기 제2 초점에 수렴된 광을 검출하는 광검출기를 포함하는 수광부;를 포함하는 광학계.
2. 제1 항에 있어서,

   상기 제1 반사체는 상기 제1 초점을 가지는 제1 포물 반사체로 형성된 것이고,

   상기 제2 반사체는 상기 제2 초점을 가지는 제2 포물 반사체로 형성된 것을 특징으로 하는 광학계.
3. 제1 항에 있어서,

   상기 제1 반사체와 상기 제2 반사체는,

   각각의 광축이 상호 교차되거나 각각의 광축이 상호 공유되는 것을 특징으로 하는 광학계.
4. 제1 항에 있어서,

   상기 제2 초점에 수렴된 광은,

   가시광선, 적외선 및 자외선 중 적어도 하나에 대응하는 파장 대역을 가지는 것을 특징으로 하는 광학계.
5. 제1 항 내지 제4 항 중 어느 하나의 광학계를 포함하는 포토 센서.

Images