WO2021194037A1 - 마이크로 광학소자 및 이를 포함하는 광전자 모듈 - Google Patents

마이크로 광학소자 및 이를 포함하는 광전자 모듈 Download PDF

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WO2021194037A1
WO2021194037A1 PCT/KR2020/015747 KR2020015747W WO2021194037A1 WO 2021194037 A1 WO2021194037 A1 WO 2021194037A1 KR 2020015747 W KR2020015747 W KR 2020015747W WO 2021194037 A1 WO2021194037 A1 WO 2021194037A1
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WO
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micro
wall
optical device
beveled
region
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Application number
PCT/KR2020/015747
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English (en)
French (fr)
Inventor
김용우
이준역
Original Assignee
주식회사 옵토전자
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Classifications

    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B3/00—Simple or compound lenses
    • G02B3/0006—Arrays
    • G02B3/0037—Arrays characterized by the distribution or form of lenses
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B3/00—Simple or compound lenses
    • G02B3/0006—Arrays
    • G02B3/0012—Arrays characterised by the manufacturing method

Definitions

  • the present invention relates to a micro-optical device and an optoelectronic module including the same, and more particularly, to a micro-optical device capable of enabling high light concentration, uniform brightness of emitted light, and controlling to emit light in a desired direction; It relates to an optoelectronic module including the same.
  • An optoelectronic module is an electronic device that emits and controls light. Optoelectronic modules are used in various fields such as smartphones, automobiles, medical devices, or optical communication.
  • the optoelectronic module includes a light source that emits light, and a micro-optical device that increases light collection efficiency and controls the light emitted from the light source in a desired direction.
  • Optoelectronic modules can be designed in various forms and can be used in various fields. According to the development of such a new light source, the development of a micro-optical device capable of higher light collection efficiency and precise light control is required.
  • An object of the present invention is to provide a micro-optical device capable of enabling high light concentration, uniform brightness of emitted light, and controllable to emit light in a desired direction, and an optoelectronic module including the same.
  • a micro-optical device includes a first lower portion, a first inclined lower surface, a first inner wall, a second inclined lower surface, a third inclined lower surface, a second inner wall, and a fourth inclined lower surface.
  • first inner wall extends from the first beveled lower surface to the second beveled lower surface
  • second inner wall extends from the fourth beveled lower surface to the third beveled lower surface.
  • the micro-optical device includes, with respect to the optical axis, the first upper portion, the second outer wall, the first inclined upper portion, and the second inclined upper portion, the second upper portion, the third outer wall, and the The fourth inclined upper portion and the third inclined upper portion are symmetrical to each other.
  • An optoelectronic module including a micro-optical device focuses on each of a light source emitting a plurality of lights, and each of the plurality of lights emitted from the light source, and emitting a plurality of focused lights. and a micro-optical device array including micro-optical devices.
  • Each of the plurality of micro-optical elements includes a first lower surface, a first beveled lower surface, a first inner wall, a second beveled lower surface, a third beveled lower surface, a second inner wall, and a fourth beveled lower surface.
  • second lower, first outer wall, first upper, second outer wall, first beveled upper, second beveled upper, third beveled upper, fourth beveled upper, third outer wall, and 2 includes the upper part.
  • the wall and the third inclined lower surface are symmetrical to each other.
  • the first lower portion and the second lower portion are flat, and the first beveled lower surface, the second beveled lower surface, the third beveled lower surface, and the fourth beveled lower surface are curved.
  • the first sloping lower surface extends from the first lower portion to the first inner wall at an inwardly downward angle
  • the fourth inclined lower surface extends from the second lower portion at an inwardly downward angle to the second inner wall.
  • the optoelectronic module including the micro-optical device may further include a mask array including a plurality of holes having different diameters.
  • An optoelectronic module includes a plurality of micro-optical elements each having a different inclination pattern, and the different inclination patterns include a plurality of light rays incident from a light source, respectively, of the plurality of micro-optical elements. It is implemented so that it increases by 1 degree from the center to the edge and is refracted.
  • the plurality of micro-optical elements includes a first micro-optical element, a second micro-optical element, and a third micro-optical element.
  • the first micro-optical device includes a flat first surface and a second surface including a first region, a second region, and a third region arranged with respect to the center.
  • Each of the first region, the second region, and the third region includes a first inclined pattern implemented such that each of the plurality of rays is refracted by gradually increasing from 1 degree to 15 degrees with respect to the center. .
  • the second micro-optical device is stacked on the first micro-optical device
  • the third micro-optical device is stacked on the second micro-optical device
  • the length of the first micro-optical device is that of the second micro-optical device. shorter than the length, and the length of the second micro-optical element is shorter than the length of the third micro-optical element.
  • the first region, the second region, and the third region include gaps between the first region and the second region and between the second region and the third region, wherein the second region and the third region A gap between the third regions is greater than a gap between the first region and the second region.
  • the second micro-optical device has a third surface including the first region, the second region, and a fourth region, a fifth region, and a sixth region facing each other, and the fourth region , a fourth surface including a seventh region, an eighth region, and a ninth region corresponding to the fifth region and the sixth region.
  • the fourth region is flat.
  • Each of the fifth region and the sixth region includes a second inclination pattern implemented such that a plurality of light rays refracted through the second region and the third region are refracted from 16 degrees to 30 degrees with respect to the center. .
  • the third micro-optical device has a fifth surface including a tenth region, an eleventh region, and a twelfth region facing the seventh region, the eighth region, and the ninth region, and the tenth region , a sixth surface including a thirteenth region, a fourteenth region, and a fifteenth region corresponding to the eleventh region and the twelfth region.
  • the seventh region is flat.
  • the twelfth region includes a third inclined pattern embodied such that a plurality of light rays refracted through the sixth region are refracted from 31 degrees to 45 degrees with respect to the center.
  • the center of the plurality of micro-optical elements does not include an inclined pattern so that a light incident from the center among the plurality of light rays is not refracted.
  • An optoelectronic module includes a plurality of micro-optical elements each having a different inclination pattern.
  • the plurality of micro-optical elements are divided into three zones.
  • the first of the three zones includes a first micro-optical element among the plurality of micro-optical elements including a first inclined pattern such that a plurality of light rays incident from the light source are refracted between 1 and 15 degrees with respect to the center.
  • a second zone of the three zones includes a second micro-optical element among the plurality of micro-optical elements including a second inclined pattern such that the incident light rays are refracted between 16 and 30 degrees with respect to the center.
  • a third of the three zones includes a third micro-optical element among the plurality of micro-optical elements including a third inclined pattern such that the incident light rays are refracted between 31 and 45 degrees with respect to the center.
  • the first inclined pattern and the second inclined pattern are embodied to face each other, and the third inclined pattern is embodied so as not to face the second inclined pattern but to correspond to each other.
  • the first inclined pattern includes a plurality of first inclined surfaces and a plurality of second inclined surfaces, and the inclination angles of the plurality of first inclined surfaces increase as the distance from the center increases.
  • the second inclined pattern includes a plurality of third inclined surfaces and a plurality of fourth inclined surfaces, and the inclination angles of the plurality of third inclined surfaces increase as the distance from the center increases.
  • the third inclined pattern includes a plurality of fifth inclined surfaces and a plurality of sixth inclined surfaces, and the inclination angles of the plurality of fifth inclined surfaces increase as the distance from the center increases.
  • An optoelectronic module comprises a first micro-optical device including a first surface and a second surface, a second micro-optical device including a third surface and a fourth surface, and a fifth surface and a sixth surface. It includes a third micro-optical device including a.
  • the first surface is flat.
  • the second surface includes a first region, a second region, and a third region that are arranged about a center.
  • Each of the first region, the second region, and the third region includes a first inclined pattern in which each of the plurality of rays incident from the light source is refracted from 1 degree to 15 degrees from the center to the edge. .
  • the third surface includes the first region, the second region, and the fourth region, the fifth region, and the sixth region facing each other.
  • the fourth region is flat, and each of the fifth region and the sixth region has a second inclined pattern implemented so that light refracted through each of the second region and the third region is refracted from 16 degrees to 30 degrees.
  • the micro-optical device has an effect of increasing the light condensing efficiency and controlling the direction of light by having a new shape.
  • the optoelectronic module including the micro-optical device according to an embodiment of the present invention has an effect of making the brightness of light uniform by providing a new type of mask.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view of an optoelectronic module according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a graph showing a correlation between an inclination angle and reflectance of a part of a pattern of a conventional Fresnel lens and a part of a pattern of a conventional Fresnel lens.
  • FIG. 3 shows a top view of the optoelectronic module shown in FIG. 1 .
  • FIG. 4 shows an enlarged view of a part of the optoelectronic module shown in FIG. 1 .
  • FIG. 5 is an enlarged view of a part of the first micro-optical device shown in FIG. 4 .
  • FIG. 6 is a schematic diagram for calculating an inclination angle of a first inclination pattern implemented in the first micro-optical device shown in FIG. 5 .
  • FIG. 7 is an enlarged view of a part of the first and second micro optical elements shown in FIG. 4 .
  • FIG. 8 is a schematic diagram for calculating an inclination angle of a second inclination pattern implemented in the second micro-optical device shown in FIG. 7 .
  • FIG. 9 is an enlarged view of a portion of the first, second, and third micro optical elements shown in FIG. 4 .
  • FIG. 10 shows a schematic diagram of an optoelectronic module according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 11 shows a schematic diagram of an optoelectronic module according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 12 shows a cross-sectional view of a conventional optoelectronic module.
  • FIG. 13 shows a block diagram of a conventional optoelectronic module.
  • FIG. 14 is a cross-sectional view of an optoelectronic module according to another embodiment of the present invention.
  • 15 is a block diagram of an optoelectronic module according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 16 shows another embodiment of the micro-optical device array shown in FIG. 14 .
  • first or second may be used to describe various elements, but the elements should not be limited by the terms. The above terms are used only for the purpose of distinguishing one element from another element, for example, without departing from the scope of the present invention, a first element may be called a second element, and similarly The second component may also be referred to as the first component.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view of an optoelectronic module according to an embodiment of the present invention.
  • the optoelectronic module 10 may be used as a sensor for scanning and detecting an object in various fields such as an autonomous driving vehicle, a medical device, an examination equipment, a smart phone, or an electronic device.
  • the optoelectronic module 10 may be referred to by various terms such as a sensor, a lidar sensor, a sensor assembly, a scanning device, a scanner, a 3D scanning device, a 3D scanner, an optical component, or an optical element, but is not necessarily limited thereto. no.
  • the optoelectronic module 10 is implemented above the light source 20 .
  • a plurality of light rays (11-1 to 11-n; n is a natural number) are emitted from the light source 20 .
  • the light source 20 may be implemented as a VCSEL (Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser) array.
  • VCSEL Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser
  • a micro-optical device refers to an optical system between several tens of micrometers and millimeters.
  • 2 is a graph showing a correlation between a portion of a pattern of a conventional Fresnel lens and an inclination angle and a reflectance of a portion of a pattern of a conventional Fresnel lens.
  • 2A shows a part of a pattern of a conventional Fresnel lens.
  • the refraction angle ⁇ of the pattern part 1 of the conventional Fresnel lens is calculated according to the following equation.
  • n the refractive index of the medium
  • ⁇ the inclination angle of the pattern part 1 of the conventional Fresnel lens.
  • FIG. 2B shows a graph of the correlation between the inclination angle and reflectance of a part of a pattern of a conventional Fresnel lens.
  • the X-axis of the graph represents the refraction angle ( ⁇ ) of a part of the pattern (1) of the conventional Fresnel lens
  • the Y-axis of the graph represents the reflectance
  • FIG. 2C shows reflected light when the inclination angle of a part of a pattern of a conventional Fresnel lens is 15 degrees or more.
  • the optoelectronic module 10 includes a plurality of micro-optical elements 100 , 200 , and 300 .
  • a plurality of micro-optical elements 100 , 200 , and 300 each having a different inclination pattern, it is possible to scan and detect an object within a certain range even without rotating the optoelectronic module 10 .
  • FIG. 3 shows a top view of the optoelectronic module shown in FIG. 1 . 3 , a portion indicated by a solid line is a visible portion, and a portion indicated by a dotted line indicates an invisible portion.
  • the plurality of micro-optical elements 100 , 200 , and 300 are quadrangular. According to an embodiment, the plurality of micro-optical elements 100 , 200 , and 300 may be implemented in a circular shape.
  • the second micro-optical device 200 is stacked on the first micro-optical device 100 .
  • the third micro-optical device 300 is stacked on the second micro-optical device 200 .
  • the length L1 of the first micro-optical device 100 is shorter than the length L2 of the second micro-optical device 200 .
  • the length L2 of the second micro-optical device 200 is shorter than the length L3 of the third micro-optical device 300 .
  • a plurality of light rays 11-41 to 11-55 incident from the light source 20 are formed at 1 degree with respect to the center C. It includes a first micro-optical device 100 including a first inclined pattern to be refracted between 15 degrees.
  • a plurality of incident light rays 11-41 to 11-55 are refracted between 1 degree and 15 degrees. For example, the first ray 11-41 is refracted by 1 degree, and the fifteenth ray 11-55 is refracted by 15 degrees.
  • the third zone Z3 among the three zones Z1, Z2, and Z3 is such that the plurality of incident rays 11-71 to 11-n are refracted between 31 and 45 degrees with respect to the center C.
  • a third micro-optical device 300 including a third inclined pattern is included.
  • a plurality of incident light rays 11-71 to 11-n are refracted between 31 degrees and 45 degrees.
  • the 31st ray 11-71 is refracted at 31 degrees
  • the 45th ray 11-n is refracted at 45 degrees.
  • each of the three zones Z1, Z2, and Z3 By refracting each of the three zones Z1, Z2, and Z3 at different angles, it is possible to scan and detect an object within a certain range (0 to 90 degrees) without rotating the optoelectronic module 10 . Since the plurality of rays 11-40 to 11-n are refracted between 0 and 45 degrees in one direction (a) from the center (C), the plurality of rays in both directions (a, b) from the center (C) Fields 11-1 to 11-n are refracted between 0 and 90 degrees.
  • FIG. 4 shows an enlarged view of a part PR of the optoelectronic module shown in FIG. 1 .
  • the different inclination patterns 160 , 170 , 180 , 230 , 240 , and 340 are the plurality of light rays 11-1 to 11-n incident from the light source 20 , respectively, to the plurality of micro-optical elements 100 . , 200, and 300 are implemented to be refracted by increasing by 1 degree from the center (C) to the edge. It is not refracted at the center (C). Therefore, each of the plurality of light rays 11-1 to 11-n is refracted by gradually increasing by 1 degree from 0 degrees to 45 degrees with respect to the center C.
  • the first micro-optical device 100 includes a flat first surface 110 , and a first region 160 , a second region 170 , and a third region 180 arranged with respect to a center C . and a second surface 150 that
  • Each of the first region 160 , the second region 170 , and the third region 180 has a plurality of light rays 11-41 to 11-n from 1 degree to 15 degrees with respect to the center C, respectively. and a first inclined pattern P1 implemented to be gradually increased to refract.
  • the first inclined patterns P1 are identical to each other.
  • the first region 160 , the second region 170 , and the third region 180 have a first gap G1 and a second region 170 between the first region 160 and the second region 170 . ) and a second gap G2 between the third region 180 .
  • the gap G2 between the second region 170 and the third region 180 is larger than the gap G1 between the first region 160 and the second region 170 .
  • the second micro-optical device 200 includes a third surface 210 and a fourth surface 250 .
  • the third surface 210 has a fourth region 220 , a fifth region 230 , and a sixth region facing the first region 160 , the second region 170 , and the third region 180 . (240).
  • the fourth surface 250 has a seventh region 260 , an eighth region 270 , and a ninth region ( ) corresponding to the fourth region 220 , the fifth region 230 , and the sixth region 240 . 280).
  • the fourth region 220 is flat.
  • the plurality of light rays 11-55 to 11-n refracted through the second region 170 and the third region 180 have a center (C). and a second inclined pattern P2 implemented to be refracted from 16 degrees to 30 degrees based on .
  • the first inclined pattern P1 and the second inclined pattern P2 are implemented to face each other.
  • Each of the eighth region 270 and the ninth region 280 has an inclined pattern.
  • the inclined pattern is an inclined pattern different from the first inclined pattern P1 , the second inclined pattern P2 , and the third inclined pattern P3 .
  • the third micro-optical device 300 includes a fifth surface 310 and a sixth surface 350 .
  • the fifth surface 310 has the seventh region 260 , the eighth region 270 , and the ninth region 280 and the tenth region 320 , the eleventh region 330 , and the twelfth region facing each other. (340).
  • the sixth surface 350 has a thirteenth region 360 , a fourteenth region 370 , and a fifteenth region ( ) corresponding to the tenth region 320 , the eleventh region 330 , and the twelfth region 340 . 380).
  • the twelfth region 340 is a third region in which the plurality of rays 11-71 to 11-n refracted through the sixth region 240 are refracted from 31 degrees to 45 degrees with respect to the center C. and the inclined pattern P3.
  • the center (C) of the plurality of micro-optical elements (100, 200, and 300) is a plurality of light rays (11-1 ⁇ 11-n) of the light beam (11-40) incident from the center (C) is not refracted Do not include bevel patterns so as not to.
  • the third inclined pattern P3 does not face the second inclined pattern P2 but is implemented to correspond to each other.
  • the thirteenth region 360 and the fourteenth region 370 are flat.
  • the fifteenth region 380 includes an inclined pattern.
  • the inclined pattern is an inclined pattern different from the first inclined pattern P1 , the second inclined pattern P2 , and the third inclined pattern P3 .
  • FIG. 5 is an enlarged view of a part of the first micro-optical device shown in FIG. 4 .
  • the first inclined pattern P1 includes a plurality of first inclined surfaces SF1 to SF15 and a plurality of second inclined surfaces DF1 to DF15, and the inclination angles of the plurality of first inclined surfaces SF1 to SF15 ( ANG1 ⁇ ANG15) increases as the distance from the center (C) increases.
  • the fifteenth inclination angle ANG15 is greater than the first inclination angle ANG1.
  • each of the plurality of first inclined surfaces SF1 to SF15 may be referred to as a slope facet
  • each of the plurality of second inclined surfaces DF1 to DF15 may be referred to as a draft facet.
  • FIG. 6 is a schematic diagram for calculating an inclination angle of a first inclination pattern implemented in the first micro-optical device shown in FIG. 5 .
  • the inclination angle ⁇ of the first inclined pattern P1 may be calculated according to the following equation.
  • the first inclined surface SF15 and the second inclined surface DF15 are illustrated.
  • the inclination angle ⁇ may be the inclination angle ANG15.
  • n 1 sin ⁇ n 2 sin( ⁇ + ⁇ )
  • n 1 , n 2 represents the refractive index of the medium, ⁇ represents the inclination angle, and ⁇ represents the refraction angle.
  • Equation 2 The relationship between the angle of refraction ( ⁇ ) and the angle of inclination ( ⁇ ) calculated according to Equation 2 is shown in the table below.
  • FIG. 5 the inclination angle ANG15 is greater than the inclination angle ANG1.
  • Each of the inclination angles ANG1 to ANG15 shown in FIG. 5 corresponds to the inclination angle ⁇ shown in FIG. 6 .
  • the slopes of the plurality of first inclined surfaces SF1 to SF15 increase.
  • the inclination angles of the plurality of second inclined surfaces DF1 to DF15 are all 0 degrees.
  • FIG. 7 is an enlarged view of the first and second micro optical devices shown in FIG. 4 .
  • the second inclined pattern P2 includes a plurality of third inclined surfaces SF16 to SF30 and a plurality of fourth inclined surfaces DF16 to DF30, and the inclination angles of the plurality of third inclined surfaces SF16 to SF30 ( ANG16 ⁇ ANG30) increases as the distance from the center (C) increases.
  • the inclination angle ANG30 is greater than the inclination angle ANG16.
  • each of the plurality of third inclined surfaces SF16 to SF30 may be referred to as a slope facet, and each of the plurality of fourth inclined surfaces DF16 to DF30 may be referred to as a draft facet.
  • FIG. 8 is a schematic diagram for calculating an inclination angle of a second inclination pattern implemented in the second micro-optical device shown in FIG. 7 .
  • the inclination angle ⁇ 1 of the second inclination pattern P2 may be calculated according to the following equation.
  • the third inclined surface SF30 and the fourth inclined surface DF30 are illustrated.
  • the inclination angle ⁇ 1 may be the inclination angle ANG30.
  • n 1 , n 2 represents the refractive index of the medium, ⁇ 1 represents the inclination angle, and ⁇ 1 represents the refraction angle.
  • Equation 3 The relationship between the angle of refraction ( ⁇ 1 ) and the angle of inclination ( ⁇ 1 ) calculated according to Equation 3 is shown in the table below.
  • the refractive indices of the medium are 1.5 and 1, respectively.
  • the inclination angle ⁇ 1 of the second inclined pattern P2 increases.
  • the slopes of the plurality of third inclined surfaces SF16 to SF30 increase.
  • the inclination angle ANG30 is greater than the inclination angle ANG16.
  • Each of the inclination angles ANG16 to ANG30 shown in FIG. 7 corresponds to the inclination angle ⁇ 1 shown in FIG.
  • FIG. 9 is an enlarged view of the first, second, and third micro optical elements shown in FIG. 4 .
  • the third inclined pattern P3 includes a plurality of fifth inclined surfaces SF31 to SF45 and a plurality of sixth inclined surfaces DF31 to DF45, and the inclination angles of the plurality of fifth inclined surfaces SF31 to SF45 ( ANG31 ⁇ ANG45) increases as the distance from the center (C) increases.
  • the inclination angle ANG45 is greater than the inclination angle ANG31.
  • each of the plurality of fifth inclined surfaces SF31 to SF45 may be referred to as a slope facet, and each of the plurality of sixth inclined surfaces DF31 to DF45 may be referred to as a draft facet.
  • the inclination angles ANG31 to ANG45 of the third inclination pattern P3 may be calculated according to Equation 3 above. That is, the inclination angles ANG31 to ANG45 of the third inclination pattern P3 are calculated in the same way as the inclination angles of the second inclination pattern P2. This is because the second inclined pattern P2 and the third inclined pattern P3 have similar structures.
  • FIG. 10 shows a schematic diagram of an optoelectronic module according to an embodiment of the present invention.
  • the plurality of micro-optical elements 100 , 200 , and 300 have different inclination patterns, respectively.
  • Each of the plurality of light rays 11-1 to 11-n incident from the light source 20 moves from the center C of the plurality of micro-optical elements 100, 200, and 300 to the edge of the different inclined patterns. It is implemented to be refracted by increasing by 1 degree as it goes on.
  • the second angle of refraction Z2 is greater than the first angle of refraction Z1
  • the third angle of refraction Z3 is greater than the second angle of refraction Z2 .
  • micro-optical elements 100 , 200 , and 300 each having a different inclination pattern, it is possible to scan and detect an object within a certain range even without rotating the optoelectronic module 10 .
  • FIG. 11 shows a schematic diagram of an optoelectronic module according to another embodiment of the present invention.
  • a plurality of optoelectronic modules 10-1 and 10-2 may be combined with each other to be implemented as a sensor, a lidar sensor, a sensor assembly, a scanning device, a scanner, a 3D scanning device, or a 3D scanner.
  • Each of the optoelectronic modules 10-1 and 10-2 shown in FIG. 11 represents the optoelectronic module 10 shown in FIG.
  • the sensor 1100 may be implemented by coupling the two optoelectronic modules 10 - 1 and 10 - 2 to each other by the support 10 - 3 .
  • the plurality of optoelectronic modules 10 - 1 and 10 - 2 are coupled to each other to scan and detect an object in a 190 degree direction.
  • the plurality of optoelectronic modules may be combined in various ways.
  • the optoelectronic module according to an embodiment of the present invention includes a plurality of micro-optical elements each having a different inclination pattern, it is possible to scan and detect an object within a certain range even without rotating the optoelectronic module.
  • FIG. 12 shows a cross-sectional view of a conventional optoelectronic module.
  • the conventional optoelectronic module 1000 includes a micro-optical device array 3000 and a light source 7000 .
  • the light source 7000 emits light.
  • the micro optical element array 3000 serves to collect the light emitted from the light source 7000 .
  • the micro-optical device array 3000 includes a plurality of micro-optical devices 5000 .
  • the plurality of conventional micro-optical elements 5000 has a flat surface and a convex portion 6000 on the other side, so that not only the reflection of light but also the diffusion of light in the convex portion 6000 (uncertainty of measurement) increases In FIG.
  • FIG. 13 shows another block diagram of a conventional optoelectronic module.
  • the conventional optoelectronic module 1000 includes a micro-optical device array 3000 - 1 and a light source 700 - 1 .
  • the light source 7000-1 includes components that emit a plurality of lights 2000-1. Referring to the left graph shown in FIG. 13 , as the component moves away from the center of the light source 700 - 1 , the light 2000 - 1 having a smaller luminous intensity is emitted. Conversely, as the component is closer to the center of the light source 700 - 1 , the light 2000 - 1 having a greater luminous intensity is emitted. Among the components, the luminous intensity of the light 2000 - 1 emitted from the most central component of the light source 700 - 1 is the largest.
  • the micro-optical device array 3000 - 1 includes a plurality of micro-optical devices.
  • Each of the plurality of micro-optical elements collects a plurality of lights 2000 - 1 emitted from the light source 700 - 1 and emits focused lights 4000 - 1 .
  • the light 4000-1 having a smaller luminous intensity is emitted.
  • the micro-optical element is closer to the center of the micro-optical element array 3000-1, the light 4000-1 having a greater luminous intensity is emitted.
  • the luminous intensity of the light 4000 - 1 emitted from the micro-optical element located at the most center of the micro-optical element array 3000 - 1 is the largest. Since the luminous intensity of the plurality of lights 2000 - 1 emitted from the light source 700 - 1 is different from each other, the luminous intensity of the plurality of lights 4000 - 1 emitted from the micro-optical device array 3000 - 1 is also different from each other. That is, the conventional optoelectronic module 1000 has a problem in that the brightness of the plurality of lights 4000 - 1 is non-uniform.
  • FIG. 14 is a cross-sectional view of an optoelectronic module according to an embodiment of the present invention.
  • the optoelectronic module 10000 includes a micro-optical device array 11000 and a light source 60000 .
  • the optoelectronic module 10000 may be utilized in various fields, such as a smart phone, automobile, medical device, or optical communication.
  • the micro-optical device array 11000 includes a plurality of micro-optical devices. Each of the plurality of micro-optical elements condenses light.
  • the micro-optical device 20000 includes a first lower portion 21000 , a first beveled lower surface 23000 , a first inner wall 25000 , a second beveled lower surface 27000 , and a third beveled lower surface 29000 .
  • second inner wall 31000, fourth beveled lower surface 33000, second lower 35000, first outer wall 37000, first upper 39000, second outer wall 41000, first beveled top 43000, second beveled top 45000, third beveled top 47000, fourth beveled top 49000, third outer wall 51000, and second top 53000 ) is included.
  • a first lower portion 21000 , a first inclined lower surface 23000 , a first inner wall 25000 , and a second inclined lower surface 27000 , a second lower portion 35000 , a second The four inclined lower surface 33000 , the second inner wall 31000 , and the third inclined lower surface 29000 are symmetrical to each other.
  • the first lower portion 21000 and the second lower portion 35000 are flat.
  • the first inclined lower surface 23000 , the second inclined lower surface 27000 , the third inclined lower surface 29000 , and the fourth inclined lower surface 33000 are curved.
  • a first beveled lower surface 23000 extends from the first lower portion 21000 inwardly at a downward angle to the first inner wall 25000 .
  • a fourth beveled lower surface 33000 extends from the second lower portion 35000 inwardly at a downward angle to the second inner wall 31000 .
  • a first inner wall 25000 extends from a first inclined lower surface 23000 to a second inclined lower surface 27000 .
  • the second inner wall 31000 extends from the fourth beveled lower surface 33000 to the third beveled lower surface 29000 .
  • the second inclined lower surface 27000 and the third inclined lower surface 29000 meet each other about the optical axis.
  • the length of the first inclined lower surface 23000 is greater than the length of the second inclined lower surface 27000 .
  • the length of the fourth beveled lower surface 33000 is greater than the length of the third beveled lower surface 29000 .
  • the outer wall 51000 , the fourth beveled top 49000 , and the third beveled top 47000 are symmetrical to each other.
  • the first upper part 39000 and the second upper part 53000 are flat.
  • the first inclined upper portion 43000 and the fourth inclined upper portion 49000 are straight lines.
  • the second inclined upper portion 45000 and the third inclined upper portion 47000 are curved.
  • the second outer wall 41000 extends from the first upper portion 39000 inward to the first slanted upper portion 43000 at an upward angle.
  • a third outer wall 51000 extends from the second upper portion 53000 inward to a fourth inclined upper portion 49000 at an upward angle.
  • a first beveled upper portion 43000 extends from the second outer wall 41000 inwardly downward to a second inclined upper portion 45000 .
  • a fourth beveled upper portion 49000 extends from the third outer wall 51000 inwardly downward to a third inclined upper portion 47000 .
  • the second inclined upper part 45000 and the third inclined upper part 47000 meet each other based on the optical axis.
  • the inclination inclination of the second inclined upper part 45000 and the third inclined upper part 47000 is steeper than the inclination inclination of the first inclined upper part 43000 and the fourth inclined upper part 49000 .
  • the micro-optical device array 11000 including the micro-optical device 20000 has the same structure as in FIG. 14 , thereby reducing the uncertainty of light diffusion described in FIG. 12 , thereby improving the conventional problem of low light collection efficiency. .
  • the light source 60000 emits a plurality of lights.
  • the light source 60000 may be implemented as a vertical cavity surface emitting laser (VCSEL).
  • VCSEL vertical cavity surface emitting laser
  • 15 is a block diagram of an optoelectronic module according to another embodiment of the present invention.
  • the optoelectronic module 10000-1 includes a light source 60000-1, a micro-optical device array 1100-1, and a mask array 70000.
  • the light source 60000 - 1 and the micro-optical device array 1100-1 shown in FIG. 15 may be the same as the light source 60000 and the micro-optical device array 11000 shown in FIG. 14 .
  • the light source 6000 - 1 includes an array (not shown) in which laser units (not shown) each emit a laser 61000 - 1 .
  • the array is a two-dimensional array. Referring to FIG. 15 , the more the laser unit emitting a laser 61000 - 1 is located in the center of the array of light sources 6000 - 1, the greater the luminous intensity.
  • the luminous intensity decreases. That is, as the laser unit emitting the laser 61000 - 1 approaches the edge of the array of light sources 6000 - 1 , the luminous intensity decreases.
  • the micro-optical device array 1100-1 focuses the laser 61000-1 output from the array of the light sources 60000-1 to output the focused light 63000-1.
  • the focused light 63000-1 is output from the micro-optical device close to the center of the micro-optical device array 1100-1 as in the graph on the right shown in FIG. 13, the luminous intensity is high.
  • the focused light 63000-1 is output from the micro-optical device close to the edge of the micro-optical device array 1100-1, the luminous intensity is small. That is, the brightness of the lights 63000-1 output from the micro-optical device array 1100-1 is non-uniform.
  • the mask array 70000 serves to uniform the brightness of the non-uniform lights 63000 - 1 .
  • the mask array 70000 includes a plurality of holes 71000-1 to 71000-N; N is a natural number.
  • the number of the plurality of holes is equal to the number of micro-optical elements included in the micro-optical element array 1100-1.
  • the diameters of the remaining holes 71000 - 1 , 71000 - 2 , ... and 71000 -N are the same except for one hole 71000 -P (P is a natural number greater than 1 and less than N).
  • a diameter of one hole 71000 -P is smaller than a diameter of each of the other holes 71000 - 1 , 71000 - 2 , ... and 71000 -N.
  • One hole 71000 -P is located in the center of the mask array 70000, and the luminous intensity among the lights 63000 - 1 emitted from the micro optical element array 11000 - 1 in one hole 71000 -P is The largest light (63000-1) passes through.
  • the diameter of one hole 71000-P is smaller than the diameters of the other holes 71000-1, 71000-2, ... and 71000-N, so that the lights 63000- Among 1), the light (63000-1) with the largest luminous intensity does not pass all but only a part.
  • All of the light 63000 - 1 having the greatest luminous intensity does not pass through, but only a portion of the light 63000 - 1 passes through one hole 71000 -P, so that the intensity of the light 63000 - 1 is reduced.
  • the intensity of the reduced light 63000 - 1 is equal to the intensity of the light 63000 - 1 passing through the remaining holes 71000 - 1 , 71000 - 2 , ... and 71000 -N. That is, by providing the mask array 70000 including a plurality of holes 71000 - 1 to 71000 -N having different diameters, the brightness of light may be uniform.
  • FIG. 16 shows another embodiment of the micro-optical device array shown in FIG. 14 .
  • the micro-optical device array 11000-2 includes a plurality of micro-optical devices 20000-1, 20000-2, and 20000-3.
  • Each of the plurality of micro-optical elements 20000-1, 20000-2, and 20000-3 includes an upper region and a lower region.
  • a lower portion of each of the plurality of micro-optical elements 20000-1, 20000-2, and 20000-3 is the same, and an upper portion is not the same.
  • an upper portion of the first micro-optical device 20000-1 has a fine sawtooth shape
  • an upper portion of the third micro-optical device 20000-3 has a rough sawtooth shape.
  • the upper portion of the second micro-optical device 20000-2 has a sawtooth shape, and the sawtooth roughness is the same as the sawtooth roughness of the upper portion of the first micro-optical device 20000-1 and the third micro-optical device 20000- 3) between the serrated roughness of the upper part.
  • the finer the roughness of the sawtooth shape of the upper part of the micro-optical device the greater the refractive index of light emitted from the micro-optical device.
  • the rougher the roughness of the sawtooth shape of the upper part of the micro-optical device the smaller the refractive index of light emitted from the micro-optical device.
  • the direction of light can be controlled by adjusting the roughness of the sawtooth shape of the upper part of the micro-optical device.
  • a lower portion of each of the plurality of micro-optical elements 20000-1, 20000-2, and 20000-3 has a Fresnel shape.

Landscapes

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Abstract

마이크로 광학소자가 개시된다. 상기 마이크로 광학소자는 제1하부, 제1경사진 하부 표면, 제1내부 벽, 제2경사진 하부 표면, 제3경사진 하부 표면, 제2내부 벽, 제4경사진 하부 표면, 제2하부, 제1외부 벽, 제1상부, 제2외부 벽, 제1경사진 상부, 제2경사진 상부, 제3경사진 상부, 제4경사진 상부, 제3외부 벽, 및 제2상부를 포함하며, 광학 축을 기준으로 상기 제1하부, 상기 제1경사진 하부 표면, 상기 제1내부 벽, 및 상기 제2경사진 하부 표면과, 상기 제2하부, 상기 제4경사진 하부 표면, 상기 제2내부 벽, 및 상기 제3경사진 하부 표면은 서로 대칭이며, 상기 제1하부와 상기 제2하부는 평평하며, 상기 제1경사진 하부 표면, 상기 제2경사진 하부 표면, 상기 제3경사진 하부 표면, 및 상기 제4경사진 하부 표면은 곡선이며, 상기 제1경사진 하부 표면은 상기 제1하부에서 안쪽으로 하향 각도로 상기 제1내부 벽까지 연장되며, 상기 제4경사진 하부 표면은 상기 제2하부에서 안쪽으로 하향 각도로 상기 제2내부 벽까지 연장된다.

Description

마이크로 광학소자 및 이를 포함하는 광전자 모듈
본 발명은 마이크로 광학소자 및 이를 포함하는 광전자 모듈에 관한 것으로, 상세하게는 높은 집광을 가능하게 하고, 발산되는 광의 밝기를 균일하게 하며, 광을 원하는 방향으로 발산하도록 제어할 수 있는 마이크로 광학소자 및 이를 포함하는 광전자 모듈에 관한 것이다.
광전자 모듈은 빛을 발산하고 제어하는 전자 장치이다. 광전자 모듈은 스마트폰, 자동차, 의료기기, 또는 광통신 등 다양한 분야에서 활용된다. 광전자 모듈은 빛을 발산하는 광원과, 집광 효율을 높이고 광원에서 발산되는 빛을 원하는 방향으로 제어하는 마이크로 광학소자를 포함한다.
새로운 광원이 개발됨에 따라 광전자 모듈의 설계 유연성은 향상하였다. 다양한 형태로 광전자 모듈의 설계가 가능해 졌으며, 다양한 분야에서 활용될 수 있게 되었다. 이러한 새로운 광원에 개발에 따라 더 높은 집광 효율 및 정밀한 빛의 제어가 가능한 마이크로 광학소자의 개발이 요구된다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적인 과제는 높은 집광을 가능하게 하며, 발산되는 광의 밝기를 균일하게 하며, 광을 원하는 방향으로 발산하도록 제어할 수 있는 마이크로 광학소자 및 이를 포함하는 광전자 모듈을 제공하는 것이다.
본 발명의 실시 예에 따른 마이크로 광학소자는 제1하부, 제1경사진 하부 표면, 제1내부 벽, 제2경사진 하부 표면, 제3경사진 하부 표면, 제2내부 벽, 제4경사진 하부 표면, 제2하부, 제1외부 벽, 제1상부, 제2외부 벽, 제1경사진 상부, 제2경사진 상부, 제3경사진 상부, 제4경사진 상부, 제3외부 벽, 및 제2상부를 포함하며, 광학 축을 기준으로 상기 제1하부, 상기 제1경사진 하부 표면, 상기 제1내부 벽, 및 상기 제2경사진 하부 표면과, 상기 제2하부, 상기 제4경사진 하부 표면, 상기 제2내부 벽, 및 상기 제3경사진 하부 표면은 서로 대칭이며, 상기 제1하부와 상기 제2하부는 평평하며, 상기 제1경사진 하부 표면, 상기 제2경사진 하부 표면, 상기 제3경사진 하부 표면, 및 상기 제4경사진 하부 표면은 곡선이며, 상기 제1경사진 하부 표면은 상기 제1하부에서 안쪽으로 하향 각도로 상기 제1내부 벽까지 연장되며, 상기 제4경사진 하부 표면은 상기 제2하부에서 안쪽으로 하향 각도로 상기 제2내부 벽까지 연장된다.
상기 마이크로 광학소자는 상기 제1내부 벽은 상기 제1경사진 하부 표면에서 상기 제2경사진 하부 표면까지 연장되며, 상기 제2내부 벽은 상기 제4경사진 하부 표면에서 상기 제3경사진 하부 표면까지 연장되며, 상기 제2경사진 하부 표면과 상기 제3경사진 하부 표면은 상기 광학 축을 기준으로 서로 만나며, 상기 제1경사진 하부 표면의 길이는 상기 제2경사진 하부 표면의 길이보다 길며, 상기 제4경사진 하부 표면의 길이는 상기 제3경사진 하부 표면의 길이보다 길다.
상기 마이크로 광학소자는 상기 광학 축을 기준으로, 상기 제1상부, 상기 제2외부 벽, 상기 제1경사진 상부, 및 상기 제2경사진 상부와, 상기 제2상부, 상기 제3외부 벽, 상기 제4경사진 상부, 및 상기 제3경사진 상부는 서로 대칭이다.
본 발명의 실시 예에 따른 마이크로 광학소자를 포함하는 광전자 모듈은 복수의 빛들을 발산하는 광원, 및 각각이 상기 광원으로부터 발산되는 상기 복수의 빛들 각각을 포커싱하며, 포커싱된 빛들 각각을 발산하는 복수의 마이크로 광학소자들을 포함하는 마이크로 광학소자 어레이을 포함한다.
상기 복수의 마이크로 광학소자들 각각은 제1하부, 제1경사진 하부 표면, 제1내부 벽, 제2경사진 하부 표면, 제3경사진 하부 표면, 제2내부 벽, 제4경사진 하부 표면, 제2하부, 제1외부 벽, 제1상부, 제2외부 벽, 제1경사진 상부, 제2경사진 상부, 제3경사진 상부, 제4경사진 상부, 제3외부 벽, 및 제2상부를 포함한다.
광학 축을 기준으로 상기 제1하부, 상기 제1경사진 하부 표면, 상기 제1내부 벽, 및 상기 제2경사진 하부 표면과, 상기 제2하부, 상기 제4경사진 하부 표면, 상기 제2내부 벽, 및 상기 제3경사진 하부 표면은 서로 대칭이다.
상기 제1하부와 상기 제2하부는 평평하며, 상기 제1경사진 하부 표면, 상기 제2경사진 하부 표면, 상기 제3경사진 하부 표면, 및 상기 제4경사진 하부 표면은 곡선이다.
상기 제1경사진 하부 표면은 상기 제1하부에서 안쪽으로 하향 각도로 상기 제1내부 벽까지 연장되며, 상기 제4경사진 하부 표면은 상기 제2하부에서 안쪽으로 하향 각도로 상기 제2내부 벽까지 연장된다.
실시 예에 따라 상기 마이크로 광학소자를 포함하는 상기 광전자 모듈은 서로 다른 직경을 가지는 복수의 홀들을 포함하는 마스크 어레이를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 실시 예에 따른 광전자 모듈은 각각이 서로 다른 경사 패턴을 가지는 복수의 마이크로 광학소자들을 포함하며, 상기 서로 다른 경사 패턴들은 광원으로부터 입사되는 복수의 광선들 각각이 상기 복수의 마이크로 광학소자들의 중심에서 가장자리로 갈수록 1도씩 증가하여 굴절되도록 구현된다.
상기 복수의 마이크로 광학소자들은 제1마이크로 광학소자, 제2마이크로 광학소자, 및 제3마이크로 광학소자를 포함한다.
상기 제1마이크로 광학소자는 평평한 제1표면, 및 상기 중심을 기준으로 배열되는 제1영역, 제2영역, 및 제3영역을 포함하는 제2표면을 포함한다.
상기 제1영역, 상기 제2영역, 및 상기 제3영역 각각은 상기 복수의 광선들 각각이 상기 중심을 기준으로 1도부터 15도까지 점차적으로 증가하여 굴절되도록 구현된 제1경사 패턴을 포함한다.
상기 제2마이크로 광학소자는 상기 제1마이크로 광학소자 위에 적층되며, 상기 제3마이크로 광학소자는 상기 제2마이크로 광학소자 위에 적층되며, 상기 제1마이크로 광학소자의 길이는 상기 제2마이크로 광학소자의 길이보다 짧으며, 상기 제2마이크로 광학소자의 길이는 상기 제3마이크로 광학소자의 길이보다 짧다.
상기 제1영역, 상기 제2영역, 및 상기 제3영역은 상기 제1영역과 상기 제2영역 사이, 및 상기 제2영역과 상기 제3영역 사이에 갭들을 포함하며, 상기 제2영역과 상기 제3영역 사이의 갭은 상기 제1영역과 상기 제2영역 사이의 갭보다 크다.
상기 제2마이크로 광학소자는 상기 제1영역, 상기 제2영역, 및 상기 제3영역과 서로 마주보는 제4영역, 제5영역, 및 제6영역을 포함하는 제3표면, 및 상기 제4영역, 상기 제5영역, 및 상기 제6영역과 대응되는 제7영역, 제8영역, 및 제9영역을 포함하는 제4표면을 포함한다.
상기 제4영역은 평평하다.
상기 제5영역과 상기 제6영역 각각은 상기 제2영역과 상기 제3영역을 통해 굴절된 복수의 광선들이 상기 중심을 기준으로 16도에서 30도까지 굴절되도록 구현된 제2경사 패턴을 포함한다.
상기 제3마이크로 광학소자는 상기 제7영역, 상기 제8영역, 및 상기 제9영역과 서로 마주보는 제10영역, 제11영역, 및 제12영역을 포함하는 제5표면, 및 상기 제10영역, 상기 제11영역, 및 상기 제12영역과 대응되는 제13영역, 제14영역, 및 제15영역을 포함하는 제6표면을 포함한다.
상기 제7영역은 평평하다.
상기 제12영역은 상기 제6영역을 통해 굴절된 복수의 광선들이 상기 중심을 기준으로 31도에서 45도까지 굴절되도록 구현된 제3경사 패턴을 포함한다.
상기 복수의 마이크로 광학소자들의 중심은 상기 복수의 광선들 중 상기 중심에서 입사되는 광선이 굴절되지 않도록 경사 패턴을 포함하지 않는다.
본 발명의 다른 실시 예에 따른 광전자 모듈은 각각이 서로 다른 경사 패턴을 가지는 복수의 마이크로 광학소자들을 포함한다. 상기 복수의 마이크로 광학소자들은 3개의 존(zone)들로 분할된다.
상기 3개의 존들 중 제1존은 광원으로부터 입사되는 복수의 광선들이 중심을 기준으로 1도에서 15도 사이로 굴절되도록 제1경사 패턴을 포함하는 상기 복수의 마이크로 광학소자들 중 제1마이크로 광학소자를 포함한다.
상기 3개의 존들 중 제2존은 상기 입사되는 복수의 광선들이 상기 중심을 기준으로 16도에서 30도 사이로 굴절되도록 제2경사 패턴을 포함하는 상기 복수의 마이크로 광학소자들 중 제2마이크로 광학소자를 포함한다.
상기 3개의 존들 중 제3존은 상기 입사되는 복수의 광선들이 상기 중심을 기준으로 31도에서 45도 사이로 굴절되도록 제3경사 패턴을 포함하는 상기 복수의 마이크로 광학소자들 중 제3마이크로 광학소자를 포함한다.
상기 제1경사 패턴과 상기 제2경사 패턴은 마주보도록 구현되며, 상기 제3경사 패턴은 상기 제2경사 패턴과 마주보지 않으나 서로 대응되도록 구현된다.
상기 제1경사 패턴은 복수의 제1경사면들과 복수의 제2경사면들을 포함하며, 상기 복수의 제1경사면들의 경사 각도는 상기 중심에서 멀어질수록 커진다.
상기 제2경사 패턴은 복수의 제3경사면들과 복수의 제4경사면들을 포함하며, 상기 복수의 제3경사면들의 경사 각도는 상기 중심에서 멀어질수록 커진다.
상기 제3경사 패턴은 복수의 제5경사면들과 복수의 제6경사면들을 포함하며, 상기 복수의 제5경사면들의 경사 각도는 상기 중심에서 멀어질수록 커진다.
상기 중심에서 입사되는 광선은 굴절되지 않는다.
본 발명의 실시 예에 따른 광전자 모듈은 제1표면과 제2표면을 포함하는 제1마이크로 광학소자, 제3표면과 제4표면을 포함하는 제2마이크로 광학소자, 제5표면과 제6표면을 포함하는 제3마이크로 광학소자를 포함한다.
상기 제1표면은 평평하다. 상기 제2표면은 중심을 기준으로 배열되는 제1영역, 제2영역, 및 제3영역을 포함한다. 상기 제1영역, 상기 제2영역, 및 상기 제3영역 각각은 광원으로부터 입사되는 복수의 광선들 각각이 상기 중심에서 가장자리로 갈수록 1도에서 15도까지 굴절되도록 구현된 제1경사 패턴을 포함한다.
상기 중심에서 입사되는 빛은 굴절되지 않는다.
상기 제3표면은 상기 제1영역, 상기 제2영역, 및 상기 제3영역과 서로 마주보는 제4영역, 제5영역, 및 제6영역을 포함한다.
상기 제4영역은 평평하며, 상기 제5영역과 상기 제6영역 각각은 상기 제2영역과 상기 제3영역 각각을 통해 굴절된 빛이 16도에서 30도까지 굴절되도록 구현된 제2경사 패턴을 포함한다.
상기 제5표면은 상기 제4영역, 상기 제5영역, 및 상기 제6영역과 서로 대응되는 제7영역, 제8영역, 및 제9영역을 포함한다. 상기 제7영역, 상기 제8영역은 평평하며, 상기 제9영역은 상기 제6영역을 통해 굴절된 빛이 31도에서 45도까지 굴절되도록 구현된 제3경사 패턴을 포함한다.
본 발명의 실시 예에 따른 마이크로 광학소자는 새로운 형상을 가짐으로써 광의 집광 효율을 높일 수 있고, 광의 방향을 제어할 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명의 실시 예에 따른 마이크로 광학소자를 포함하는 광전자 모듈은 새로운 형태의 마스크를 제공함으로써 광의 밝기를 균일하게 할 수 있는 효과가 있다.
본 발명의 상세한 설명에서 인용되는 도면을 보다 충분히 이해하기 위하여 각 도면의 상세한 설명이 제공된다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 광전자 모듈의 단면도를 나타낸다.
도 2는 종래의 프레넬 렌즈의 패턴 일부와, 종래의 프레넬 렌즈의 패턴 일부의 경사 각도와 반사율의 상관 관계의 그래프를 나타낸다.
도 3은 도 1에 도시된 광전자 모듈의 상면도를 나타낸다.
도 4는 도 1에 도시된 광전자 모듈의 일부의 확대도를 나타낸다.
도 5는 도 4에 도시된 제1마이크로 광학소자의 일부의 확대도를 나타낸다.
도 6은 도 5에 도시된 제1마이크로 광학소자에 구현된 제1경사 패턴의 경사 각도를 계산하기 위한 개략도를 나타낸다.
도 7은 도 4에 도시된 제1, 2마이크로 광학소자의 일부의 확대도를 나타낸다.
도 8은 도 7에 도시된 제2마이크로 광학소자에 구현된 제2경사 패턴의 경사 각도를 계산하기 위한 개략도를 나타낸다.
도 9는 도 4에 도시된 제1, 2, 3마이크로 광학소자의 일부의 확대도를 나타낸다.
도 10은 본 발명의 일 실시 예에 따른 광전자 모듈의 개략도를 나타낸다.
도 11은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 광전자 모듈의 개략도를 나타낸다.
도 12는 종래의 광전자 모듈의 단면도를 나타낸다.
도 13은 종래의 광전자 모듈의 블록도를 나타낸다.
도 14는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 광전자 모듈의 단면도를 나타낸다.
도 15는 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 광전자 모듈의 블록도를 나타낸다.
도 16은 도 14에 도시된 마이크로 광학소자 어레이의 다른 실시 예를 나타낸다.
본 명세서에 개시되어 있는 본 발명의 개념에 따른 실시 예들에 대해서 특정한 구조적 또는 기능적 설명들은 단지 본 발명의 개념에 따른 실시 예들을 설명하기 위한 목적으로 예시된 것으로서, 본 발명의 개념에 따른 실시 예들은 다양한 형태들로 실시될 수 있으며 본 명세서에 설명된 실시 예들에 한정되지 않는다.
본 발명의 개념에 따른 실시 예들은 다양한 변경들을 가할 수 있고 여러 가지 형태들을 가질 수 있으므로 실시 예들을 도면에 예시하고 본 명세서에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명의 개념에 따른 실시 예들을 특정한 개시 형태들에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물, 또는 대체물을 포함한다.
제1 또는 제2 등의 용어는 다양한 구성 요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성 요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성 요소를 다른 구성 요소로부터 구별하는 목적으로만, 예컨대 본 발명의 개념에 따른 권리 범위로부터 이탈되지 않은 채, 제1구성요소는 제2구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2구성요소는 제1구성요소로도 명명될 수 있다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다. 구성요소들 간의 관계를 설명하는 다른 표현들, 즉 "~사이에"와 "바로 ~사이에" 또는 "~에 이웃하는"과 "~에 직접 이웃하는" 등도 마찬가지로 해석되어야 한다.
본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 설시된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 나타낸다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 갖는 것으로 해석되어야 하며, 본 명세서에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 설명함으로써, 본 발명을 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 광전자 모듈의 단면도를 나타낸다.
도 1을 참고하면, 광전자 모듈(10)은 자율 주행 차량, 의료용 기기, 검사 장비, 스마트폰, 또는 전자 장치 등 다양한 분야에서 객체를 스캔하고 검출하기 위한 센서로 이용될 수 있다. 실시 예에 따라 광전자 모듈(10)은 센서, 라이더 센서, 센서 어셈블리, 스캐닝 장치, 스캐너, 3D 스캐닝 장치, 3D 스캐너, 광학 부품, 또는 광학 소자 등 다양한 용어로 호칭될 수 있으며, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다. 광전자 모듈(10)은 광원(20) 위에 구현된다. 광원(20)에서 복수의 광선들(light rays; 11-1~11-n; n은 자연수)이 발산된다. 광원(20)은 VCSEL(Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser) 어레이로 구현될 수 있다. 마이크로 광학소자는 수십 마이크로미터와 밀리미터 사이의 광학 시스템을 의미한다.
도 2는 종래의 프레넬 렌즈의 패턴 일부와, 종래의 프레넬 렌즈의 패턴 일부의 경사 각도와 반사율의 상관관계의 그래프를 나타낸다. 도 2의 (a)는 종래의 프레넬 렌즈의 패턴 일부를 나타낸다.
도 2의 (a)를 참고하면, 종래의 프레넬 렌즈의 패턴 일부(1)의 굴절 각도 (φ)는 다음과 같은 수학식에 따라 계산된다.
[수학식 1]
φ=arcsin(n*sinθ)-θ
n은 매질의 굴절률을 나타내며, θ은 종래의 프레넬 렌즈의 패턴 일부(1)의 경사 각도를 나타낸다.
도 2의 (b)는 종래의 프레넬 렌즈의 패턴 일부의 경사 각도와 반사율의 상관관계의 그래프를 나타낸다. 그래프의 X축은 종래의 프레넬 렌즈의 패턴 일부(1)의 굴절 각도(φ)를 나타내며, 그래프의 Y축은 반사율을 나타낸다,
도 2의 (b)를 참고하면, 종래의 프레넬 렌즈의 패턴 일부(1)의 굴절 각도(φ)가 0도에서 15도까지 증가할 때, 반사율은 약 5% 정도로 일정하다. 하지만, 종래의 프레넬 렌즈의 패턴 일부(1)의 굴절 각도(φ)가 15도 이상으로 증가할 때, 반사율은 급격하게 증가한다.
도 2의 (c)는 종래의 프레넬 렌즈의 패턴 일부의 경사 각도가 15도 이상일 때, 반사되는 빛을 나타낸다.
도 2의 (b)와 도 2의 (c)를 참고할 때, 종래의 프레넬 렌즈의 패턴 일부(1)의 경사 각도(θ)가 15도 이상일 때, 반사율이 급격하게 증가하기 때문에 광선은 굴절되지 못하고 반사된다.
즉, 종래의 프레넬 렌즈가 이용될 때, 복수의 광선들은 15도 이상 굴절되기 어렵다. 본 발명에서는 모터를 이용하여 회전하지 않고도 넓은 범위로 객체를 스캔할 수 있는 새로운 구조가 제안된다.
도 1을 참고하면, 광전자 모듈(10)은 복수의 마이크로 광학소자들(100, 200, 및 300)을 포함한다. 각각이 서로 다른 경사 패턴을 가지는 복수의 마이크로 광학소자들(100, 200, 및 300)을 포함함으로써 광전자 모듈(10)을 회전시키지 않더라도 일정 범위 내에서 객체를 스캔하고 검출할 수 있다.
도 3은 도 1에 도시된 광전자 모듈의 상면도를 나타낸다. 도 3에서 실선으로 표시된 부분은 눈에 보이는 부분이며, 점선으로 표시한 부분은 눈에 보이지 않는 부분을 나타낸다.
도 1과 도 3을 참고하면, 복수의 마이크로 광학소자들(100, 200, 및 300)은 사각형이다. 실시 예에 따라 복수의 마이크로 광학소자들(100, 200, 및 300)은 원형으로 구현될 수 있다.
제2마이크로 광학소자(200)는 제1마이크로 광학소자(100) 위에 적층된다. 제3마이크로 광학소자(300)는 제2마이크로 광학소자(200) 위에 적층된다.
제1마이크로 광학소자(100)의 길이(L1)는 제2마이크로 광학소자(200)의 길이(L2)보다 짧다. 제2마이크로 광학소자(200)의 길이(L2)는 제3마이크로 광학소자(300)의 길이(L3)보다 짧다.
복수의 마이크로 광학소자들(100, 200, 및 300)은 3개의 존(zone; Z1, Z2, 및 Z3)들로 분할된다. 제1존(Z1)은 중심(C)에서 가장 가까운 존이며, 제2존(Z2)은 그 다음으로 가까운 존이며, 제3존(Z3)은 중심(C)에서 가까운 멀리 떨어진 존이다.
3개의 존들(Z1, Z2, 및 Z3) 중 제1존(Z1)은 광원(20)으로부터 입사되는 복수의 광선들(11-41~11-55)이 중심(C)을 기준으로 1도에서 15도 사이로 굴절되도록 제1경사 패턴을 포함하는 제1마이크로 광학소자(100)를 포함한다. 제1존(Z1)에는 입사되는 복수의 광선들(11-41~11-55)이 1도에서 15도 사이로 굴절된다. 예컨대, 제1광선(11-41)은 1도로 굴절되며, 제15광선(11-55)은 15도로 굴절된다.
3개의 존들(Z1, Z2, 및 Z3) 중 제2존(Z2)은 입사되는 복수의 광선들(11-56~11-70)이 중심(C)을 기준으로 16도에서 30도 사이로 굴절되도록 제2경사 패턴을 포함하는 제2마이크로 광학소자(200)를 포함한다. 제2존(Z2)에는 입사되는 복수의 광선들(11-56~11-70)이 16도에서 30도 사이로 굴절된다. 예컨대, 제16광선(11-56)은 16도로 굴절되며, 제30광선(11-70)은 30도로 굴절된다.
3개의 존들(Z1, Z2, 및 Z3) 중 제3존(Z3)은 입사되는 복수의 광선들(11-71~11-n)이 중심(C)을 기준으로 31도에서 45도 사이로 굴절되도록 제3경사 패턴을 포함하는 제3마이크로 광학소자(300)를 포함한다. 제3존(Z3)에는 입사되는 복수의 광선들(11-71~11-n)이 31도에서 45도 사이로 굴절된다. 예컨대, 제31광선(11-71)은 31도로 굴절되며, 제45광선(11-n)은 45도로 굴절된다.
3개의 존들(Z1, Z2, 및 Z3)에서 각각 서로 다른 각도로 굴절되도록 함으로써 광전자 모듈(10)을 회전시키지 않더라도 일정 범위(0도에서 90도) 내에서 객체를 스캔하고 검출할 수 있다. 중심(C)에서 한쪽 방향(a)으로 복수의 광선들(11-40~11-n)이 0도에서 45도 사이로 굴절되므로, 중심(C)에서 양쪽 방향(a, b)으로 복수의 광선들(11-1~11-n)이 0도에서 90도 사이로 굴절된다.
도 4는 도 1에 도시된 광전자 모듈의 일부(PR)의 확대도를 나타낸다.
도 1과 도 4를 참고하면, 광전자 모듈(10)은 각각이 서로 다른 경사 패턴(160, 170, 180, 230, 240, 및 340)을 가지는 복수의 마이크로 광학소자들(100, 200, 및 300)을 포함한다.
서로 다른 경사 패턴들(160, 170, 180, 230, 240, 및 340)은 광원(20)으로부터 입사되는 복수의 광선들(11-1~11-n) 각각이 복수의 마이크로 광학소자들(100, 200, 및 300)의 중심(C)에서 가장자리로 갈수록 1도씩 증가하여 굴절되도록 구현된다. 중심(C)에서는 굴절되지 않는다. 따라서 복수의 광선들(11-1~11-n) 각각은 중심(C)을 기준으로 0도에서 45도까지 점차적으로 1도씩 증가하여 굴절된다.
제1마이크로 광학소자(100)는 평평한 제1표면(110), 및 중심(C)을 기준으로 배열되는 제1영역(160), 제2영역(170), 및 제3영역(180)을 포함하는 제2표면(150)을 포함한다.
제1영역(160), 제2영역(170), 및 제3영역(180) 각각은 복수의 광선들(11-41~11-n) 각각이 중심(C)을 기준으로 1도부터 15도까지 점차적으로 증가하여 굴절되도록 구현된 제1경사 패턴(P1)을 포함한다. 제1경사 패턴(P1)은 서로 같다.
제1영역(160), 제2영역(170), 및 제3영역(180)은 제1영역(160)과 제2영역(170) 사이에 제1갭(G1), 및 제2영역(170)과 제3영역(180) 사이에 제2갭(G2)을 포함한다. 제2영역(170)과 제3영역(180) 사이의 갭(G2)은 제1영역(160)과 제2영역(170) 사이의 갭(G1)보다 크다.
제2마이크로 광학소자(200)는 제3표면(210)과 제4표면(250)을 포함한다.
제3표면(210)은 제1영역(160), 제2영역(170), 및 제3영역(180)과 서로 마주보는 제4영역(220), 제5영역(230), 및 제6영역(240)을 포함한다.
제4표면(250)은 제4영역(220), 제5영역(230), 및 제6영역(240)과 대응되는 제7영역(260), 제8영역(270), 및 제9영역(280)을 포함한다.
제4영역(220)은 평평하다.
제5영역(230)과 제6영역(240) 각각은 제2영역(170)과 제3영역(180)을 통해 굴절된 복수의 광선들(11-55~11-n)이 중심(C)을 기준으로 16도에서 30도까지 굴절되도록 구현된 제2경사 패턴(P2)을 포함한다.
제1경사 패턴(P1)과 제2경사 패턴(P2)은 마주보도록 구현된다.
제7영역(260)은 평평하다.
제8영역(270)과 제9영역(280) 각각은 경사 패턴을 가진다. 상기 경사 패턴은 제1경사 패턴(P1), 제2경사 패턴(P2), 및 제3경사 패턴(P3)과는 다른 경사 패턴이다.
제3마이크로 광학소자(300)는 제5표면(310)과 제6표면(350)을 포함한다.
제5표면(310)은 제7영역(260), 제8영역(270), 및 제9영역(280)과 서로 마주보는 제10영역(320), 제11영역(330), 및 제12영역(340)을 포함한다.
제6표면(350)은 제10영역(320), 제11영역(330), 및 제12영역(340)과 대응되는 제13영역(360), 제14영역(370), 및 제15영역(380)을 포함한다.
제10영역(320)과 제11영역(330)은 평평하다.
제12영역(340)은 제6영역(240)을 통해 굴절된 복수의 광선들(11-71~11-n)이 중심(C)을 기준으로 31도에서 45도까지 굴절되도록 구현된 제3경사 패턴(P3)을 포함한다.
복수의 마이크로 광학소자들(100, 200, 및 300)의 중심(C)은 복수의 광선들(11-1~11-n) 중 중심(C)에서 입사되는 광선(11-40)이 굴절되지 않도록 경사 패턴을 포함하지 않는다.
제3경사 패턴(P3)은 제2경사 패턴(P2)과 마주보지 않으나 서로 대응되도록 구현된다.
제13영역(360)과 제14영역(370)은 평평하다.
제15영역(380)은 경사 패턴을 포함한다. 상기 경사 패턴은 제1경사 패턴(P1), 제2경사 패턴(P2), 및 제3경사 패턴(P3)과는 다른 경사 패턴이다.
도 5는 도 4에 도시된 제1마이크로 광학소자의 일부의 확대도를 나타낸다.
도 5를 참고하면, 제1경사 패턴(P1)이 상세하게 도시된다. 제1경사 패턴(P1)은 복수의 제1경사면들(SF1~SF15)과 복수의 제2경사면들(DF1~DF15)을 포함하며, 복수의 제1경사면들(SF1~SF15)의 경사 각도(ANG1~ANG15)는 중심(C)에서 멀어질수록 커진다. 예컨대, 제15경사 각도(ANG15)는 제1경사 각도(ANG1)보다 크다. 실시 예에 따라 복수의 제1경사면들(SF1~SF15) 각각은 경사면(slope facet), 복수의 제2경사면들(DF1~DF15) 각각은 드래프트 면(draft facet)으로 호칭될 수 있다.
도 6은 도 5에 도시된 제1마이크로 광학소자에 구현된 제1경사 패턴의 경사 각도를 계산하기 위한 개략도를 나타낸다.
도 1, 및 도 4 내지 도 6을 참고하면, 제1경사 패턴(P1)의 경사 각도(α)는 아래의 수학식에 따라 계산될 수 있다. 도 6에서는 예로 제1경사면(SF15)과 제2경사면(DF15)이 도시되었다. 경사 각도(α)는 경사 각도(ANG15)일 수 있다.
(수학식2)
n 1sinαθ =n 2sin(θ+α)
n 1, n 2는 매질의 굴절율을 나타내며, α는 경사 각도를, θ는 굴절 각도를 나타낸다.
상기 수학식 2에 따라 계산된 굴절 각도(θ)와 경사 각도(α)의 관계는 아래 표와 같다.
굴절 각도(θ) 경사 각도(α)
15 25.8533
14 24.5467
13 23.1692
12 21.7229
11 20.2083
10 18.6265
9 16.9799
8 15.2714
7 13.5043
6 11.6386
5 9.8146
4 7.9041
3 5.9593
2 3.9878
1 1.9985
이때, 매질의 굴절율(n 1, n 2)은 각각 1.5, 1이라 가정한다. 도 2에서 설명한 바와 같이 반사율 때문에 굴절 각도(θ)를 15도 이상 증가시키기는 어렵다. 표 1을 참고할 때, 중심(C)에서 멀어질수록 제1경사 패턴(P1)의 경사 각도(α)는 커진다. 예컨대, 도 5를 참고하면, 경사 각도(ANG15)는 경사 각도(ANG1)보다 크다. 도 5에 도시된 경사 각도(ANG1~ANG15) 각각은 도 6에 도시된 경사 각도(α)와 대응된다. 중심(C)에서 멀어질수록 복수의 제1경사면들(SF1~SF15)의 기울기는 증가한다. 복수의 제2경사면들(DF1~DF15)의 경사 각도는 모두 0도이다. 도 7은 도 4에 도시된 제1, 2마이크로 광학소자의 확대도를 나타낸다.
도 1, 도 4, 및 도 7을 참고하면, 제2경사 패턴(P2)이 상세하게 도시된다. 제2경사 패턴(P2)은 복수의 제3경사면들(SF16~SF30)과 복수의 제4경사면들(DF16~DF30)을 포함하며, 복수의 제3경사면들(SF16~SF30)의 경사 각도(ANG16~ANG30)는 중심(C)에서 멀어질수록 커진다. 예컨대, 경사 각도(ANG30)는 경사 각도(ANG16)보다 크다.
실시 예에 따라 복수의 제3경사면들(SF16~SF30) 각각은 경사면(slope facet), 복수의 제4경사면들(DF16~DF30) 각각은 드래프트 면(draft facet)으로 호칭될 수 있다.
도 8은 도 7에 도시된 제2마이크로 광학소자에 구현된 제2경사 패턴의 경사 각도를 계산하기 위한 개략도를 나타낸다.
도 1, 도 4, 도 7, 및 도 8을 참고하면, 제2경사 패턴(P2)의 경사 각도(α 1)는 아래의 수학식에 따라 계산될 수 있다. 도 8에서는 예로 제3경사면(SF30)과 제4경사면(DF30)이 도시되었다. 경사 각도(α 1)는 경사 각도(ANG30)일 수 있다.
(수학식3)
n 2sin(α 1-θ 2) =n 1sin(α 1)
n 1, n 2는 매질의 굴절율을 나타내며, α 1는 경사 각도를, θ 1는 굴절 각도를 나타낸다.
상기 수학식 3에 따라 계산된 굴절 각도(θ 1)와 경사 각도(α 1)의 관계는 아래 표와 같다.
굴절 각도(θ 1) 경사 각도(α 1)
15 28.4598
14 26.7308
13 24.9715
12 23.1818
11 21.3630
10 19.5166
9 17.6444
8 15.7482
7 13.8301
6 11.8924
5 9.9373
4 7.6798
3 5.9863
2 3.9959
1 1.994
이때, 매질의 굴절율(n 1, n 2)은 각각 1.5, 1이라 가정한다. 도 2에서 설명한 바와 같이 반사율 때문에 굴절 각도(θ 1)를 15도 이상 증가시키기는 어렵다. 표 1을 참고할 때, 중심(C)에서 멀어질수록 제2경사 패턴(P2)의 경사 각도(α 1)는 커진다. 중심(C)에서 멀어질수록 복수의 제3경사면들(SF16~SF30)의 기울기는 증가한다. 예컨대, 도 7을 참고하면, 경사 각도(ANG30)는 경사 각도(ANG16)보다 크다. 도 7에 도시된 경사 각도(ANG16~ANG30) 각각은 도 8에 도시된 경사 각도(α 1)와 대응된다. 중심(C)에서 멀어질수록 복수의 제3경사면들(SF16~SF30)의 기울기는 증가한다. 복수의 제2경사면들(DF16~DF30)의 경사 각도(ω)는 중심(C)에서 멀어질수록 증가한다.
도 9는 도 4에 도시된 제1, 2, 3마이크로 광학소자의 확대도를 나타낸다.
도 1, 도 4, 및 도 9를 참고하면, 제3경사 패턴(P3)이 상세하게 도시된다. 제3경사 패턴(P3)은 복수의 제5경사면들(SF31~SF45)과 복수의 제6경사면들(DF31~DF45)을 포함하며, 복수의 제5경사면들(SF31~SF45)의 경사 각도(ANG31~ANG45)는 중심(C)에서 멀어질수록 커진다. 예컨대, 경사 각도(ANG45)는 경사 각도(ANG31)보다 크다.
실시 예에 따라 복수의 제5경사면들(SF31~SF45) 각각은 경사면(slope facet), 복수의 제6경사면들(DF31~DF45) 각각은 드래프트 면(draft facet)으로 호칭될 수 있다.
제3경사 패턴(P3)의 경사 각도(ANG31~ANG45)는 위의 수학식 3에 따라 계산될 수 있다. 즉, 제3경사 패턴(P3)의 경사 각도(ANG31~ANG45)는 제2경사 패턴(P2)의 경사 각도와 같은 방법으로 계산된다. 제2경사 패턴(P2)과 제3경사 패턴(P3)은 유사한 구조이기 때문이다.
도 10은 본 발명의 일 실시 예에 따른 광전자 모듈의 개략도를 나타낸다.
도 1과 도 10을 참고하면, 복수의 마이크로 광학소자들(100, 200, 및 300)은 각각이 서로 다른 경사 패턴을 가진다.
상기 서로 다른 경사 패턴들은 광원(20)으로부터 입사되는 복수의 광선들(11-1~11-n) 각각이 복수의 마이크로 광학소자들(100, 200, 및 300)의 중심(C)에서 가장자리로 갈수록 1도씩 증가하여 굴절되도록 구현된다. 제2굴절 각도(Z2)는 제1굴절 각도(Z1)보다 크며, 제3굴절 각도(Z3)은 제2굴절 각도(Z2)보다 크다.
각각이 서로 다른 경사 패턴을 가지는 복수의 마이크로 광학소자들(100, 200, 및 300)을 포함으로써 광전자 모듈(10)을 회전시키지 않더라도 일정 범위 내에서 객체를 스캔하고 검출할 수 있다.
도 11은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 광전자 모듈의 개략도를 나타낸다.
도 11을 참고하면, 복수의 광전자 모듈들(10-1과 10-2)이 서로 결합하여 센서, 라이더 센서, 센서 어셈블리, 스캐닝 장치, 스캐너, 3D 스캐닝 장치, 또는 3D 스캐너 등으로 구현될 수 있다. 도 11에 도시된 광전자 모듈(10-1과 10-2) 각각은 도 1에 도시된 광전자 모듈(10)을 나타낸다. 2개의 광전자 모듈들(10-1과 10-2)이 지지대(10-3)에 의해 서로 결합됨으로써 센서(1100)가 구현될 수 있다. 도 11과 같이 복수의 광전자 모듈들(10-1과 10-2)이 서로 결합됨으로써 190도 방향으로 객체를 스캔하고 검출할 수 있다. 실시 예에 따라 복수의 광전자 모듈들은 다양하게 결합될 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따른 광전자 모듈은 각각이 서로 다른 경사 패턴을 가지는 복수의 마이크로 광학소자들을 포함함으로써 광전자 모듈을 회전시키지 않더라도 일정 범위 내에서 객체를 스캔하고 검출할 수 있는 효과가 있다.
도 12는 종래의 광전자 모듈의 단면도를 나타낸다.
도 12를 참고하면, 종래의 광전자 모듈(1000)은 마이크로 광학소자 어레이(3000)와 광원(7000)을 포함한다. 광원(7000)을 빛을 발산한다. 마이크로 광학소자 어레이(3000)는 광원(7000)에서 발산되는 빛을 모으는 역할을 한다. 마이크로 광학소자 어레이(3000)는 복수의 마이크로 광학소자들(5000)을 포함한다. 종래의 복수의 마이크로 광학소자들(5000)은 한 면은 평평하고, 다른 면은 볼록한 부분(6000)을 가짐으로써 볼록한 부분(6000)에서 빛의 반사뿐만 아니라 빛의 확산의 불확도(uncertainty of measurement)가 증가한다. 도 12에서 실선 화살표(8000)는 마이크로 광학소자(5000)의 볼록한 부분(6000)에서 반사되는 빛을 나타내며, 점선 화살표(9000)는 볼록한 부분(6000)에서 확산되는 빛을 나타낸다. 빛이 확산되는 경우, 집광 효율은 떨어진다. 종래의 복수의 마이크로 광학소자(5000)의 구조는 한 면은 평평하고, 다른 면은 블록한 부분(6000)을 가짐으로써 집광 효율이 떨어진다는 문제점이 있다.
도 13은 종래의 광전자 모듈의 다른 블록도를 나타낸다.
도 13을 참고하면, 종래의 광전자 모듈(1000)은 마이크로 광학소자 어레이(3000-1)와 광원(7000-1)을 포함한다. 광원(7000-1)은 복수의 빛들(2000-1)을 발산하는 구성요소들을 포함한다. 도 13에 도시된 왼쪽 그래프를 참고하면, 구성요소가 광원(7000-1)의 중심에서 멀어질수록 광도가 작은 빛(2000-1)을 발산한다. 반대로, 구성요소가 광원(7000-1)의 중심에 가까울수록 광도가 큰 빛(2000-1)을 발산한다. 상기 구성요소들 중 광원(7000-1)의 가장 중심에 있는 구성요소에서 발산되는 빛(2000-1)의 광도가 가장 크다.
마이크로 광학소자 어레이(3000-1)는 복수의 마이크로 광학소자들을 포함한다. 상기 복수의 마이크로 광학소자들 각각은 광원(7000-1)으로부터 발산되는 복수의 빛들(2000-1)을 모으고, 포커싱된 빛들(4000-1)을 발산한다. 도 13에 도시된 오른쪽 그래프를 참고하면, 마이크로 광학소자가 마이크로 광학소자 어레이(3000-1)의 중심에서 멀어질수록 광도가 작은 빛(4000-1)을 발산한다. 반대로, 마이크로 광학소자가 마이크로 광학소자 어레이(3000-1)의 중심에 가까울수록 광도가 큰 빛(4000-1)을 발산한다. 상기 마이크로 광학소자들 중 마이크로 광학소자 어레이(3000-1)의 가장 중심에 있는 마이크로 광학소자에서 발산되는 빛(4000-1)의 광도가 가장 크다. 광원(7000-1)에서 발산되는 복수의 빛들(2000-1)의 광도가 서로 다르기 때문에 마이크로 광학소자 어레이(3000-1)에서도 발산되는 복수의 빛들(4000-1)의 광도도 서로 다르다. 즉, 종래의 광전자 모듈(1000)은 복수의 빛들(4000-1)의 밝기가 불균일하다는 문제점이 있다.
도 14는 본 발명의 일 실시 예에 따른 광전자 모듈의 단면도를 나타낸다.
도 14를 참고하면, 광전자 모듈(10000)은 마이크로 광학소자 어레이(11000)와 광원(60000)을 포함한다. 광전자 모듈(10000)은 스마트폰, 자동차, 의료기기, 또는 광통신 등 다양한 분야에서 활용될 수 있다.
마이크로 광학소자 어레이(11000)는 복수의 마이크로 광학소자들을 포함한다. 상기 복수의 마이크로 광학소자들 각각은 빛을 집광시킨다.
도 14에서는 설명의 편의상 상기 복수의 마이크로 광학소자들 중 마이크로 광학소자(20000)의 구조에 대해 설명한다. 상기 복수의 마이크로 광학소자들 각각의 구조는 모두 동일하다. 마이크로 광학소자(20000)는 제1하부(21000), 제1경사진 하부 표면(23000), 제1내부 벽(25000), 제2경사진 하부 표면(27000), 제3경사진 하부 표면(29000), 제2내부 벽(31000), 제4경사진 하부 표면(33000), 제2하부(35000), 제1외부 벽(37000), 제1상부(39000), 제2외부 벽(41000), 제1경사진 상부(43000), 제2경사진 상부(45000), 제3경사진 상부(47000), 제4경사진 상부(49000), 제3외부 벽(51000), 및 제2상부(53000)를 포함한다.
광학 축을 기준으로, 제1하부(21000), 제1경사진 하부 표면(23000), 제1내부 벽(25000), 및 제2경사진 하부 표면(27000)과, 제2하부(35000), 제4경사진 하부 표면(33000), 제2내부 벽(31000), 및 제3경사진 하부 표면(29000)은 서로 대칭이다.
제1하부(21000)와 제2하부(35000)는 평평하다. 제1경사진 하부 표면(23000), 제2경사진 하부 표면(27000), 제3경사진 하부 표면(29000), 및 제4경사진 하부 표면(33000)은 곡선이다.
제1경사진 하부 표면(23000)은 제1하부(21000)에서 안쪽으로 하향 각도로 제1내부 벽(25000)까지 연장된다. 유사하게, 제4경사진 하부 표면(33000)은 제2하부(35000)에서 안쪽으로 하향 각도로 제2내부 벽(31000)까지 연장된다.
제1내부 벽(25000)은 제1경사진 하부 표면(23000)에서 제2경사진 하부 표면(27000)까지 연장된다. 제2내부 벽(31000)은 제4경사진 하부 표면(33000)에서 제3경사진 하부 표면(29000)까지 연장된다. 제2경사진 하부 표면(27000)과 제3경사진 하부 표면(29000)은 상기 광학 축을 기준으로 서로 만난다.
제1경사진 하부 표면(23000)의 길이는 제2경사진 하부 표면(27000)의 길이보다 길다. 제4경사진 하부 표면(33000)의 길이는 제3경사진 하부 표면(29000)의 길이보다 길다.
상기 광학 축을 기준으로, 제1상부(39000), 제2외부 벽(41000), 제1경사진 상부(43000), 및 제2경사진 상부(45000)와, 제2상부(53000), 제3외부 벽(51000), 제4경사진 상부(49000), 및 제3경사진 상부(47000)는 서로 대칭이다.
제1상부(39000)와 제2상부(53000)는 평평하다. 제1경사진 상부(43000)와 제4경사진 상부(49000)는 직선이다. 제2경사진 상부(45000)와 제3경사진 상부(47000)는 곡선이다.
제2외부 벽(41000)는 제1상부(39000)에서 안쪽으로 상향 각도로 제1경사진 상부(43000)까지 연장된다. 제3외부 벽(51000)은 제2상부(53000)에서 안쪽으로 상향 각도로 제4경사진 상부(49000)까지 연장된다.
제1경사진 상부(43000)는 제2외부 벽(41000)에서 안쪽으로 하향 각도로 제2경사진 상부(45000)까지 연장된다. 제4경사진 상부(49000)는 제3외부 벽(51000)에서 안쪽으로 하향 각도로 제3경사진 상부(47000)까지 연장된다.
제2경사진 상부(45000)와 제3경사진 상부(47000)는 상기 광학 축을 기준으로 서로 만난다. 제2경사진 상부(45000)와 제3경사진 상부(47000)의 경사 기울기는 제1경사진 상부(43000)와 제4경사진 상부(49000)의 경사 기울기보다 가파르다.
마이크로 광학소자(20000)를 포함하는 마이크로 광학소자 어레이(11000)는 도 14와 같은 구조를 가짐으로써 도 12에서 설명된 빛의 확산의 불확도를 감소시켜 집광 효율이 떨어지는 종래의 문제점이 개선될 수 있다.
광원(60000)은 복수의 빛을 발산한다. 광원(60000)은 VCSEL(Vertical Cavity Surface Emitting Laser)로 구현될 수 있다.
도 15는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 광전자 모듈의 블록도를 나타낸다.
도 15를 참고하면, 광전자 모듈(10000-1)은 광원(60000-1), 마이크로 광학소자 어레이(11000-1), 및 마스크 어레이(70000)를 포함한다. 도 15에 도시된 광원(60000-1)과 마이크로 광학소자 어레이(11000-1)는 도 14에 도시된 광원(60000)과 마이크로 광학소자 어레이(11000)와 같을 수 있다. 광원(60000-1)은 각각이 레이저(61000-1)를 발산하는 레이저 유닛들(미도시)이 배열된 어레이(미도시)를 포함한다. 상기 어레이는 2차원 어레이이다. 도 15를 참고하면, 레이저(61000-1)를 발산하는 레이저 유닛이 광원(60000-1)의 어레이의 중앙에 위치할수록 광도가 크다. 반대로 레이저(61000-1)를 발산하는 레이저 유닛이 광원(60000-1)의 어레이의 중앙에서 멀어질수록 광도가 작다. 즉, 레이저(61000-1)를 발산하는 레이저 유닛이 광원(60000-1)의 어레이의 가장자리로 가까워질수록 광도가 적다.
마이크로 광학소자 어레이(11000-1)는 광원(60000-1)의 어레이로부터 출력되는 레이저(61000-1)를 포커싱하여 포커싱된 빛(63000-1)을 출력한다. 포커싱된 빛(63000-1)이, 도 13에 도시된 오른쪽 그래프와 같이, 마이크로 광학소자 어레이(11000-1)의 중앙에 가까운 마이크로 광학소자로부터 출력될 때, 광도가 크다. 반대로, 포커싱된 빛(63000-1)이 마이크로 광학소자 어레이(11000-1)의 가장자리에 가까운 마이크로 광학소자로부터 출력될 때, 광도가 작다. 즉, 마이크로 광학소자 어레이(11000-1)로부터 출력되는 빛들(63000-1)의 밝기는 불균일하다. 마스크 어레이(70000)는 불균일한 빛들(63000-1)의 밝기를 균일하게 하는 역할을 한다. 마스크 어레이(70000)는 복수의 홀들(71000-1~71000-N;N은 자연수)을 포함한다. 복수의 홀들의 개수는 마이크로 광학소자 어레이(11000-1)에 포함된 마이크로 광학소자들의 수와 같다. 마스크 어레이(70000)에서 하나의 홀(71000-P; P는 1보다 크고 N보다 작은 자연수)을 제외한 나머지 홀들(71000-1, 71000-2, ...및 71000-N)의 직경은 모두 같다. 하나의 홀(71000-P)의 직경은 나머지 홀들(71000-1, 71000-2, ...및 71000-N) 각각의 직경보다 작다.
하나의 홀(71000-P)은 마스크 어레이(70000)의 중앙에 위치하며, 하나의 홀(71000-P)에서 마이크로 광학소자 어레이(11000-1)에서 발산되는 빛들(63000-1) 중 광도가 가장 큰 빛(63000-1)이 통과한다. 하나의 홀(71000-P)의 직경은 다른 홀들(71000-1, 71000-2, ...및 71000-N)의 직경보다 작아서 마이크로 광학소자 어레이(11000-1)에서 발산되는 빛들(63000-1) 중 광도가 가장 큰 빛(63000-1)이 모두 통과하지 못하고 일부만 통과된다. 광도가 가장 큰 빛(63000-1)이 모두 통과하지 못하고 일부만 하나의 홀(71000-P)을 통과하여 빛(63000-1)의 강도가 감소한다. 감소된 빛(63000-1)의 강도는 나머지 홀들(71000-1, 71000-2, ...및 71000-N)을 통과하는 빛(63000-1)의 강도와 같다. 즉, 직경이 서로 다른 복수의 홀들(71000-1~71000-N)을 포함하는 마스크 어레이(70000)를 제공함으로써 빛의 밝기를 균일하게 할 수 있다.
도 16는 도 14에 도시된 마이크로 광학소자 어레이의 다른 실시 예를 나타낸다.
도 14과 도 16를 참고하면, 마이크로 광학소자 어레이(11000-2)는 복수의 마이크로 광학소자들(20000-1, 20000-2, 및 20000-3)을 포함한다. 복수의 마이크로 광학소자들(20000-1, 20000-2, 및 20000-3) 각각은 상부 영역과 하부 영역을 포함한다. 복수의 마이크로 광학소자들(20000-1, 20000-2, 및 20000-3) 각각의 하부 부분은 모두 동일하며, 상부 부분은 같지 않다. 예컨대, 제1마이크로 광학소자(20000-1)의 상부 부분은 미세한 톱니 모양이며, 제3마이크로 광학소자(20000-3)의 상부 부분은 거친 톱니 모양이다. 제2마이크로 광학소자(20000-2)의 상부 부분은 톱니 모양이며, 톱니 모양의 거칠기는 제1마이크로 광학소자(20000-1)의 상부 부분의 톱니 모양의 거칠기와 제3마이크로 광학소자(20000-3)의 상부 부분의 톱니 모양의 거칠기 사이이다.
마이크로 광학소자의 상부 부분의 톱니 모양의 거칠기가 미세할수록 마이크로 광학소자에서 발산되는 빛의 굴절율은 크다. 마이크로 광학소자의 상부 부분의 톱니 모양의 거칠기가 거칠수록 마이크로 광학소자에서 발산되는 빛의 굴절율은 작다. 마이크로 광학소자의 상부 부분의 톱니 모양의 거칠기를 조절함으로써 빛의 방향을 제어할 수 있다.
복수의 마이크로 광학소자들(20000-1, 20000-2, 및 20000-3) 각각의 하부 부분은 프레넬 모양이다.
본 발명은 도면에 도시된 일 실시 예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시 예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 등록청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.

Claims (6)

  1. 제1하부;
    제1경사진 하부 표면;
    제1내부 벽;
    제2경사진 하부 표면;
    제3경사진 하부 표면;
    제2내부 벽;
    제4경사진 하부 표면;
    제2하부;
    제1외부 벽;
    제1상부;
    제2외부 벽;
    제1경사진 상부;
    제2경사진 상부;
    제3경사진 상부;
    제4경사진 상부;
    제3외부 벽; 및
    제2상부를 포함하며,
    광학 축을 기준으로 상기 제1하부, 상기 제1경사진 하부 표면, 상기 제1내부 벽, 및 상기 제2경사진 하부 표면과, 상기 제2하부, 상기 제4경사진 하부 표면, 상기 제2내부 벽, 및 상기 제3경사진 하부 표면은 서로 대칭이며,
    상기 제1하부와 상기 제2하부는 평평하며, 상기 제1경사진 하부 표면, 상기 제2경사진 하부 표면, 상기 제3경사진 하부 표면, 및 상기 제4경사진 하부 표면은 곡선이며,
    상기 제1경사진 하부 표면은 상기 제1하부에서 안쪽으로 하향 각도로 상기 제1내부 벽까지 연장되며, 상기 제4경사진 하부 표면은 상기 제2하부에서 안쪽으로 하향 각도로 상기 제2내부 벽까지 연장되는 마이크로 광학소자.
  2. 제1항에 있어서, 상기 마이크로 광학소자는,
    상기 제1내부 벽은 상기 제1경사진 하부 표면에서 상기 제2경사진 하부 표면까지 연장되며, 상기 제2내부 벽은 상기 제4경사진 하부 표면에서 상기 제3경사진 하부 표면까지 연장되며, 상기 제2경사진 하부 표면과 상기 제3경사진 하부 표면은 상기 광학 축을 기준으로 서로 만나며,
    상기 제1경사진 하부 표면의 길이는 상기 제2경사진 하부 표면의 길이보다 길며, 상기 제4경사진 하부 표면의 길이는 상기 제3경사진 하부 표면의 길이보다 긴 마이크로 광학소자.
  3. 제1항에 있어서, 상기 마이크로 광학소자는,
    상기 광학 축을 기준으로, 상기 제1상부, 상기 제2외부 벽, 상기 제1경사진 상부, 및 상기 제2경사진 상부와, 상기 제2상부, 상기 제3외부 벽, 상기 제4경사진 상부, 및 상기 제3경사진 상부는 서로 대칭인 마이크로 광학소자.
  4. 복수의 빛들을 발산하는 광원; 및
    각각이 상기 광원으로부터 발산되는 상기 복수의 빛들 각각을 포커싱하며, 포커싱된 빛들 각각을 발산하는 복수의 마이크로 광학소자들을 포함하는 마이크로 광학소자 어레이을 포함하며,
    상기 복수의 마이크로 광학소자들 각각은,
    제1하부, 제1경사진 하부 표면, 제1내부 벽, 제2경사진 하부 표면, 제3경사진 하부 표면, 제2내부 벽, 제4경사진 하부 표면, 제2하부, 제1외부 벽, 제1상부, 제2외부 벽, 제1경사진 상부, 제2경사진 상부, 제3경사진 상부, 제4경사진 상부, 제3외부 벽, 및 제2상부를 포함하며,
    광학 축을 기준으로 상기 제1하부, 상기 제1경사진 하부 표면, 상기 제1내부 벽, 및 상기 제2경사진 하부 표면과, 상기 제2하부, 상기 제4경사진 하부 표면, 상기 제2내부 벽, 및 상기 제3경사진 하부 표면은 서로 대칭이며,
    상기 제1하부와 상기 제2하부는 평평하며, 상기 제1경사진 하부 표면, 상기 제2경사진 하부 표면, 상기 제3경사진 하부 표면, 및 상기 제4경사진 하부 표면은 곡선이며,
    상기 제1경사진 하부 표면은 상기 제1하부에서 안쪽으로 하향 각도로 상기 제1내부 벽까지 연장되며, 상기 제4경사진 하부 표면은 상기 제2하부에서 안쪽으로 하향 각도로 상기 제2내부 벽까지 연장되는 마이크로 광학소자를 포함하는 광전자 모듈.
  5. 제4항에 있어서, 상기 마이크로 광학소자를 포함하는 상기 광전자 모듈은,
    서로 다른 직경을 가지는 복수의 홀들을 포함하는 마스크 어레이를 더 포함하는 마이크로 광학소자를 포함하는 광전자 모듈.
  6. 각각이 서로 다른 경사 패턴을 가지는 복수의 마이크로 광학소자들을 포함하며,
    상기 서로 다른 경사 패턴들은 광원으로부터 입사되는 복수의 광선들(light rays) 각각이 상기 복수의 마이크로 광학소자들의 중심에서 가장자리로 갈수록 1도씩 증가하여 굴절되도록 구현되며,
    상기 복수의 마이크로 광학소자들은,
    제1마이크로 광학소자, 제2마이크로 광학소자, 및 제3마이크로 광학소자를 포함하며,
    상기 제1마이크로 광학소자는,
    평평한 제1표면; 및
    상기 중심을 기준으로 배열되는 제1영역, 제2영역, 및 제3영역을 포함하는 제2표면을 포함하며,
    상기 제1영역, 상기 제2영역, 및 상기 제3영역 각각은,
    상기 복수의 광선들 각각이 상기 중심을 기준으로 1도부터 15도까지 점차적으로 증가하여 굴절되도록 구현된 제1경사 패턴을 포함하며,
    상기 제2마이크로 광학소자는,
    상기 제1마이크로 광학소자 위에 적층되며,
    상기 제3마이크로 광학소자는,
    상기 제2마이크로 광학소자 위에 적층되며,
    상기 제1마이크로 광학소자의 길이는 상기 제2마이크로 광학소자의 길이보다 짧으며, 상기 제2마이크로 광학소자의 길이는 상기 제3마이크로 광학소자의 길이보다 짧은 광전자 모듈.
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