KR20160126153A

KR20160126153A - 레이저 레이더 또는 다른 장치를 위한 광 스캐너

Info

Publication number: KR20160126153A
Application number: KR1020150056651A
Authority: KR
Inventors: 송정호; 민봉기
Original assignee: 한국전자통신연구원
Priority date: 2015-04-22
Filing date: 2015-04-22
Publication date: 2016-11-02
Also published as: US20160313553A1

Abstract

본 발명은 적어도 하나의 광원, 상기 적어도 하나의 광원에서 도달한 빔을 스캔 대상을 향해 반사시키는 반사체, 상기 적어도 하나의 광원과 상기 반사체 사이에서 상기 빔의 경로를 따라 차례로 배치되는 하나 또는 복수의 렌즈로 구성되는 광학 렌즈계 및 상기 적어도 하나의 광원의 움직임 및 상기 반사체의 움직임 중 적어도 하나를 제어하는 컨트롤러를 포함하고, 상기 광학 렌즈계는 초점면이 상기 적어도 하나의 광원 쪽에 위치하고 어퍼쳐가 상기 반사체 쪽에 위치하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 스캐너를 구현하여 소형으로 빠른 스캔속도를 얻을 수 있다.

Description

레이저 레이더 또는 다른 장치를 위한 광 스캐너 {OPTICAL BEAM SCANNER FOR LASER RADAR OR OTHER DEVICES}

본 발명은 광 스캐너에 관한 것이다.

레이저 등의 광원에서 나오는 빔을 특정 공간에 패턴 형태로 주사하는 장치는 다양한 응용 분야에서 사용된다. 일 예로, 광원 빔을 사용하여 글자를 마킹하는 장치나 레이저를 광원으로 사용한 레이더 등이 있다.

레이저 레이더는 레이저 등의 펄스 빔을 물체에 조사하고 돌아오는 펄스의 시간 지연(TOF: time of flight)을 측정하여 물체의 거리정보를 결정하고, 물체의 공간적 정보들은 펄스 빔의 스캔 각도를 기초로 결정하여 이차원 또는 삼차원 영상을 획득하는 장치이다.

이러한 레이저 레이더는 빔 스캔을 위해 갈바노(galvano) 스캐너를 포함할 수 있다. 도 1을 참조하면, 통상적인 갈바노 스캐너는 레이저(50), 상기 레이저의 빔을 반사시키는 제1 반사경(60), 상기 제1 반사경보다 크고 상기 제1 반사경에서 반사된 빔을 특정 공간으로 반사시키는 제2 반사경(70)를 포함한다. 도 1 및 도 2를 참조하면, 제1 반사경(60)은 z축을 회전축으로 속도 A로 회전되면서 레이저 빔을 상기 제2 반사경(70)으로 반사시킨다. 레이저에서 출력된 빔은 발산하므로 평행한 빔의 생성을 위해 상기 레이저(50)와 상기 제1 반사경 사이에 콜리메이터 렌즈가 배치되기도 한다.

도 1 및 도 2에서는 레이저 빔이 상기 제1 반사경에 의해 상기 제2 반사경의 회전축이 놓이는 부분으로 반사되는 모습을 도시하였다. 상기 제1 반사경(60)은 화살표방향으로 회전되면서 차례로 61번, 62번, 63번의 상태로 빔의 반사각도가 변경되며, 이에 따라 레이저 빔은 회전되는 제1 반사경에 의해 1번, 2번 및 3번 빔과 같이 반사된다.

제2 반사경(70)은 A보다 느린 속도인 속도 B로 회전되면서 1번, 2번 및 3번 빔을 스캔하고자 하는 특정 공간으로 반사시킨다. 도 1 및 도 2를 참조하면, 제2 반사경(70)은 x축을 회전축으로 화살표방향으로 회전되면서 차례로 71번, 72번, 73번의 상태로 빔의 반사각도가 변경된다. 제2 반사경이 71번 상태인 경우 1번 빔은 11번과 같이 반사되고 2번 빔은 21번과 같이 반사되고 3번 빔은 31번과 같이 반사된다. 상기 제2 반사경이 72번 상태인 경우, 1번 빔은 12번 빔과 같이 반사되고, 2번 빔은 22번 빔과 같이 반사되고, 3번 빔은 32번 빔과 같이 반사된다. 상기 제2 반사경이 73번 상태인 경우, 1번 빔은 13번 빔과 같이 반사되고, 2번 빔은 23번 빔과 같이 반사되고, 3번 빔은 33번 빔과 같이 반사된다. 다만, 도 1 및 도 2에서는 설명의 편의를 위해 빔이 단속적으로 도시되었으나, 빔은 필요에 따라 단속적 또는 연속적으로 조사될 수 있는 것으로 이해되어야 할 것이다.

도 1의 갈바노 스캐너가 특정 공간에 빔 패턴을 생성할 때 그 일부분인 x-y 평면의 특정영역(80)에 조사된 빔의 패턴(81)은 도 3과 같다. 상기 제1 반사경(60)을 기결정된 각도의 범위에서 속도 A로 주기적으로 회전시키면서 상기 제2 반사경(70)을 기결정된 각도의 범위에서 속도 B로 회전시키면 도 3과 같은 패턴(81)이 얻어진다.

레이저 레이더는 초당 획득하는 영상의 프레임 수가 많을수록 상세한 영상을 얻을 수 있으므로 특정 영역을 빠르게 스캔하는 것이 중요하다. 상기 제1 반사경은 상기 제2 반사경보다 상대적으로 크기가 작으므로 빠른 속도로 회전될 수 있으나, 상기 제2 반사경은 상기 제1 반사경에 의해 반사된 빔이 모두 입사할 수 있을 정도로 커야하므로 무게가 무거워지고 회전속도가 느려지게 된다.

따라서, 짧은 시간에 보다 넓은 공간을 스캔하기 위해서 도 1의 갈바노 스캐너에 광원을 추가하기도 한다. 도 4를 참조하면, 두 개의 레이저(51, 52)는 서로 다른 각도로 빔을 상기 제1 반사경(60)의 회전축 부분으로 조사하도록 각도(θ₁)을 가지고 배치된다. 각 레이저(51, 52)와 상기 제1 반사경(60) 사이에는 각각 콜리메이터 렌즈(91, 92)가 구비된다. 이렇게 스캔속도의 향상을 위해서 도 1의 갈바노 스캐너에 레이저를 추가하는 경우 두 개의 콜리메이터 렌즈(91, 92)가 서로 간섭되지 않도록 이격시켜 배치해야 하므로 스캐너의 크기가 커지는 문제점이 있었다.

빠른 속도로 빔을 조사하기 위한 다른 시도도 있었다. B. Stann 등은 "Brassboard development of a MEMS-Scanned ladar sensor for small ground robots", Proc. Of SPIE vol.8037, pp.80371G-1~13, 2011 논문에서 하나의 MEMS 거울을 사용하여 빠른 속도로 스캔하는 레이더에 대해 발표하였다. B. Stann 등은MEMS 거울이 회전할 수 있는 각도가 작아 광학계를 이용하여 회전각도를 더 크게 하였다.

S. Chinn 등은 미국공개특허 2014/02311647A1, "Compact fiber-based scanning laser detection and ranging system"에서 fiber cantilever를 진동시켜 빠른 스캔 속도와 작은 크기를 갖는 레이더를 구성하였다.

D. Hall은 미국등록특허 8,767,190B2, "High Definition lidar system"에서 다수의 레이저와 detector를 배치하여 수직방향으로 스캔이 필요하지 않고 수평방향으로만 회전하면서 스캔하는 레이더를 구성하였다.

본 발명의 일 실시예는, 넓은 공간을 빠르게 스캔하는 스캐너를 제공하는 것을 목적으로 한다.

또한 본 발명의 일 실시예는, 콤팩트한 스캐너를 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명의 일 실시예로서, 적어도 하나의 광원; 상기 적어도 하나의 광원에서 도달한 빔을 스캔 대상을 향해 반사시키는 반사체; 상기 적어도 하나의 광원과 상기 반사체 사이에서 상기 빔의 경로를 따라 차례로 배치되는 하나 또는 복수의 렌즈를 포함한 광학 렌즈계; 및 상기 적어도 하나의 광원의 움직임 및 상기 반사체의 움직임 중 적어도 하나를 제어하는 컨트롤러;를 포함하고, 상기 광학 렌즈계는, 초점면이 상기 적어도 하나의 광원 쪽에 위치하고 어퍼쳐가 상기 반사체 쪽에 위치하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 스캐너가 제공될 수 있다.

상기 초점면과 상기 어퍼처는, 통상적으로 상기 빔의 경로를 역행하는 방향으로 상기 광학 렌즈계에 빔이 입사되는 경우 정의되는 용어일 수 있다.

상기 광학 렌즈계는 일 실시예로서 상기 빔의 경로를 역행하는 방향으로 빔이 입사되는 경우 상기 초점면에 맺히는 초점과 상기 광학 렌즈계의 광축 사이의 거리가 초점거리에 비례할 수 있다.

상기 광학 렌즈계는 일 실시예로서 상기 빔의 경로의 최상류에 위치하는 제1 렌즈; 및 상기 빔의 경로의 최하류에 위치하는 제2 렌즈;를 포함할 수 있다.

상기 광학 렌즈계는 일 실시예로서 상기 적어도 하나의 광원에서 상기 제1 렌즈로 입사하는 빔의 위치와 상기 광학 렌즈계의 광축 사이의 거리가 클수록 상기 빔이 편향되는 각도가 크고, 상기 빔이 편향되는 각도는 상기 제2 렌즈와 상기 반사체 사이에서 상기 빔이 상기 광학 렌즈계의 광축과 이루는 각도로 정의될 수 있다.

상기 적어도 하나의 광원은 일 실시예로서, 상기 광원에서 발산되는 상기 빔의 발산각의 중심축이 상기 초점면에 수직하도록 배치될 수 있다.

일 실시예로서, 상기 적어도 하나의 광원을 선형의 이송축을 따라 이송시키되, 상기 이송축이 상기 광학 렌즈계의 광축에 수직하도록 이송시키는 리니어 엑추에이터;를 더 포함할 수도 있다. 그리고 상기 컨트롤러는 일 실시예로서, 상기 리니어 엑추에이터를 제어하여 상기 적어도 하나의 광원의 움직임을 제어할 수 있다.

일 실시예로서, 상기 반사체를 회전시키되, 상기 반사체의 회전축이 상기 광학 렌즈계의 광축에 수직한 방향으로 놓이도록 회전시키는 회전 엑추에이터를 더 포함할 수도 있다.

일 실시예로서, 상기 이송축과 상기 회전축은 서로 나란할 수 있다.

상기 적어도 하나의 광원은 일 실시예로서, 기결정된 거리로 이격된 제1 및 제2 광원을 포함할 수 있다.

상기 리니어 엑추에이터는 일 실시예로서, 상기 제1 광원 및 상기 제2 광원을 동시에 이송시킬 수 있다.

상기 제1 광원과 상기 제2 광원은 병렬로 배치되되, 일 실시예로서 상기 회전축과 나란한 방향으로 이격되거나, 다른 실시예로서 상기 회전축에 수직한 방향으로 이격될 수 있다.

상기 컨트롤러는 일 실시예로서, 상기 회전 엑추에이터의 구동을 제어하여 상기 반사체의 움직임을 제어할 수 있다.

상기 적어도 하나의 광원은 일 실시예로서, 적어도 하나의 레이저 다이오드를 포함할 수 있다.

상기 적어도 하나의 광원은 일 실시예로서, 레이저 및 상기 레이저의 출력단에 연결되어 상기 레이저에서 나오는 빔을 상기 광학 렌즈계 쪽으로 유도하는 광섬유;를 포함할 수 있다.

상기 리니어 엑추에이터는 일 실시예로서 상기 광섬유를 이송시킬 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 스캔 속도가 향상되므로 보다 상세한 스캔 영상을 얻을 수 있다.

또한 본 발명의 일 실시예에 따르면, 소형의 스캐너로 넓은 공간을 스캔할 수 있다.

도 1은 일반적인 갈바노 스캐너의 개략적인 모습을 도시한 사시도,
도 2는 도 1의 갈바노 스캐너의 정면도,
도 3은 도 1의 갈바노 스캐너에 의한 스캔 패턴의 일 형태를 도시한 개념도,
도 4는 도 1의 갈바노 스캐너에 광원이 하나 더 구비된 경우의 사시도,
도 5는 본 발명의 일 실시예의 광학계를 도시한 사시도,
도 6은 도 5의 실시예의 광학 렌즈계의 측단면도,
도 7은 도 6의 C번 빔이 광학 렌즈계를 통과하는 모습을 상세하게 도시한 측단면도,
도 8은 도 5의 실시예의 제어계를 도시한 블록도,
도 9는 도 5의 실시예에 의해 생성된 스캔 패턴의 일 예를 도시한 개념도,
도 10은 본 발명의 다른 실시예의 광학계를 도시한 사시도,
도 11은 도 10의 실시예의 제어계를 도시한 블록도,
도 12는 도 10의 실시예에 의해 생성된 스캔 패턴의 일 예를 도시한 개념도,
도 13은 본 발명의 또 다른 실시예에 의해 생성된 스캔 패턴의 일 예를 도시한 개념도이다.

본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 이하의 설명에서 어떤 부분이 다른 부분과 연결되어 있다고 할 때 이는 직접적으로 연결되어 있는 경우뿐 아니라 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 전기적으로 연결되어 있는 경우도 포함한다. 또한 도면에서 본 발명과 관계없는 부분은 본 발명의 설명을 명확하게 하기 위하여 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 동일한 도면부호를 붙였다.

이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 쉽게 실시할 수 있도록 실시예들을 상세하게 설명한다.

본 발명의 일 실시예에 따른 스캐너는, 광원(110), 상기 광원에서 도달한 빔을 반사시키는 반사체(300), 상기 광원과 상기 반사체 사이에 배치되는 광학 렌즈계(200), 상기 광원을 선형으로 이송시키는 리니어 엑추에이터(510), 상기 반사체를 회전시키는 회전 엑추에이터(530), 컨트롤러(400)를 포함한다.

도 5는 본 발명의 일 실시예의 구성 중 광학계를 도시한 사시도이고, 도 8은 본 발명의 일 실시예의 제어계를 도시한 사시도이다. 도 5에서 광원(110)은 직육각형의 물체로 도시되어 있으나 이는 개략적으로 도시한 것일 뿐 이에 한정되는 것은 아니다.

상기 광원(110)은 레이저를 포함한다. 상기 레이저는 공지의 어떠한 레이저 라도 좋다. 예를 들어, 상기 레이저는 레이저 다이오드가 내장되고 소형의 캔 형태로 패키징된 모듈로 구성될 수 있다. 레이저 다이오드를 내장하는 모듈의 경우 무게가 비교적 가벼우므로 상기 리니어 엑추에이터(510)는 상기 레이저 다이오드를 내장한 모듈을 빠르게 이송시킬 수 있다.

또는, 상기 광원(110)은 다른 실시예로서, 상기 레이저의 출력단에 연결되어 빔을 유도하는 광섬유를 더 포함할 수도 있다. 상기 레이저가 비교적 무게가 있는 고체 레이저나 광섬유 레이저인 경우, 상기 리니어 엑추에이터(510)는 상기 레이저의 출력단에 결합된 광섬유의 끝을 이송시켜 이송 속도를 빠르게 할 수 있다. 상기 광섬유는 공지의 어떠한 광섬유여도 좋다. 상기 레이저 및 상기 광섬유의 상세한 구성은 공지된 것이므로 설명을 생략한다.

상기 광원(110)은 리니어 엑추에이터(510)에 의해 선형의 이송축을 따라 이송된다. 상기 리니어 엑추에이터(510)는 상기 광원(110)을 상기 이송축을 따라 양방향으로 이송하며, 상기 컨트롤러(400)는 상기 리니어 엑추에이터(510)를 제어하여 상기 광원의 움직임을 제어한다. 상기 광원의 움직임은, 상기 광원의 이송속도, 이송거리, 이송방향, 이송주기 등을 포함한다.

상기 리니어 엑추에이터(510)는 상기 광원(110)을 상기 광학 렌즈계(200)의 광축(205)에 수직한 방향으로 이송한다. 즉, 상기 광원(110)의 이송축은 상기 광학 렌즈계의 광축(205)에 수직하다. 상기 리니어 엑추에이터(510)는 물체를 선형으로 움직이는 공지의 어떠한 엑추에이터여도 좋다.

도 5를 참조하면, 상기 광학 렌즈계(200)는 상기 광원(110)의 출력단과 상기 반사체(300) 사이에 배치된다. 상기 광학 렌즈계(200)는 상기 광원(110)에서 출력된 빔이 상기 반사체(300)에 도달하는 경로인 광로를 따라 복수의 렌즈가 차례로 배열된다. 이하에서는 설명의 편의상 상기 광원(110)에서 출력된 빔이 상기 반사체(300)에 도달하는 경로를 제1 광로라고 지칭하기로 한다.

상기 광학 렌즈계(200)는 텔레센트릭 에프 세타(telecentric f-theta) 렌즈이다. 에프 세타 렌즈란, 포커스된 빔의 위치가 초점거리(f)와 입사각(theta)의 곱에 비례하는 렌즈를 말한다. 다만, 상기 입사각(theta)은 상기 제1 광로에 역행하는 방향으로 상기 광학 렌즈계(200)에 빔이 입사될 때 정의되는 용어이며, 본발명의 광학 렌즈계(200)는 텔레센트릭 에프 세타 렌즈의 초점면이 상기 광원(110) 쪽에 위치하고 어퍼쳐가 상기 반사체(300) 쪽에 위치하도록 배열된 것이다.

어퍼쳐에서 각도 쎄타(theta)로 입사된 빔이 상기 에프 세타 렌즈를 통과하여 초점이 맺힐 때 초점면 상에서의 초점의 위치와 렌즈의 광축 사이의 거리는 입사각(theta)에 비례한다. 텔레센트릭 에프 세타 렌즈는 상기 초점면에서 초점이 맺히는 빔이 상기 초점면에 수직하게 들어오도록 설계된 렌즈이다.

도 6 및 도 7을 참조하여 상기 광학 렌즈계(200)를 상세하게 설명한다. 상기 광학 렌즈계(200)는 상술한 텔레센트릭 에프 세타 렌즈의 특성을 가지며, 초점면(201)으로 상기 광원(110)의 빔이 수직하게 입사된다. 상기 광원(110)이 레이저를 포함하는 경우 레이저 빔의 발산각의 중심축이 상기 초점면(201)에 수직하게 입사된다. 다시 말해, 상기 광원(110)은 레이저 빔의 발산각의 중심축이 상기 초점면에 수직하게 입사되도록 배치된다. 여기서 레이저 빔의 발산각이란 레이저 빔이 퍼지는 정도를 나타내는 것으로, 레이저 빔이 기결정된 각도로 발산하면서 출력되는 것을 말한다.

상기 광학 렌즈계의 초점면(201)에 수직하게 입사된 빔은 상기 광학 렌즈계를 통과하면서 편향되는데, 상기 광학 렌즈계(200)의 광축(205)과 상기 초점면 상의 빔 위치간의 거리에 비례하여 편향된다. 즉, 상기 빔이 편향되어 상기 광학 렌즈계의 어퍼처(202)에 도달할 때 상기 광학 렌즈계의 광축(205)과 이루는 각도(이하, 편향각으로 지칭)는, 상기 초점면 상의 빔 위치가 상기 광학 렌즈계의 광축(205)과 멀수록 커지게 된다.

도 6의 A 내지 D는 레이저 빔을 도시한 것이다. A 내지 D의 레이저 빔은 레이저에서 빔이 발산하면서 출력되는 경우에 그 중심축에 위치하는 빔만 도시한 것이다.

예를 들어, 상기 초점면(201)에 수직으로 입사된 빔이 A인 경우, A는 상기 광축(205)과의 거리가 0이므로 상기 어퍼처(202)에서의 상기 편향각도 0이 된다. 상기 초점면(201)에 수직으로 입사된 빔이 B인 경우, B는 상기 A 빔보다 광축(205)과 이격되어 있으므로 상기 어퍼처(202)에서 편향된다. 이런 식으로 C 빔의 경우 B 빔보다 어퍼처(202)에서의 편향각이 더 크며, D 빔의 경우 C 빔보다 어퍼처(202)에서의 편향각이 더 크다.

따라서, 상기 광원(110)이 상기 광학 렌즈계의 광축과 점점 가까워지는 방향으로 이송되면 상기 편향각은 점점 작아지고 상기 광원(110)이 상기 광학 렌즈계의 광축과 점점 멀어지는 방향으로 이송되면 상기 편향각은 점점 커지게 된다.

도 7은 상기 C 빔을 상세하게 도시한 것으로, 상기 C 빔이 레이저에서 발산하면서 출력되어 상기 광학 렌즈계(200)를 통과하는 모습을 도시한 것이다. 상기 C 빔이 발산되는 형태인 경우에도 상기 C 빔을 구성하는 빔 다발이 상기 광학 렌즈계(200)를 통과하면서 서로 평행하게 진행하는 평행 빔이 되어 어퍼쳐(202)에 도달한다.

상술한 구성의 측면은, 광학 렌즈계(200)의 초점면에 광원(110)을 위치시키고 광원(110)의 상기 광학 렌즈계의 광축에 대한 거리를 조절하여 광원의 빔이 편향되는 정도를 조절하므로 스캐너의 소형화가 가능하다. 또한, 상기 광학 렌즈계를 통과한 레이저 빔은 평행 빔이 되므로 광학 렌즈계가 콜리메이터 렌즈의 기능도 하여 발산하는 레이저 빔을 평행하게 만들기 위한 별도의 콜리메이터 렌즈가 필요하지 않다.

이러한 상기 광학 렌즈계(200)의 일 실시예로서, 복수의 렌즈는 제1 렌즈(210), 제2 렌즈(220) 및 제3 렌즈(230)를 포함할 수 있다. 1 렌즈(210)는 상기 광원(110)으로부터 빔이 가장 먼저 입사되는 렌즈로, 상기 제1 광로의 최상류에 위치한다. 상기 제2 렌즈(220)는 상기 광원(110)으로부터 빔이 가장 마지막에 입사되는 렌즈로, 상기 제1 광로의 최하류에 위치한다. 그리고 상기 제3 렌즈(230)는 상기 제1 렌즈와 상기 제2 렌즈 사이에 배치된다.

상기 제1 내지 제3 렌즈는 상기 광학 렌즈계가 텔레센트릭 에프 세타 렌즈의 특성을 갖되 상기 제1 렌즈 쪽에 상기 초점면이 형성되고 상기 제2 렌즈 쪽에 상기 어퍼쳐가 위치하도록 설계된 것이다. 본 실시예에서는 상기 광학 렌즈계(200)가 세 개의 렌즈로 구성되는 경우를 도시하였으나 이에 한정되는 것은 아니고 텔레센트릭 에프 세타 렌즈의 특성을 갖는 어떠한 구성이어도 좋다.

기결정된 상기 광원(110)의 이송속도에 대해서 스캔 속도를 더 빠르게 향상시키기 위해서는 상기 광원(110)의 이송거리가 짧으면 된다. 텔레센트릭 에프 세타 렌즈에서 쎄타(theta)만큼 편향시키기 위한 광원의 이송거리는 초점거리(f)와 쎄타의 곱(아래의 수학식 1)과 같다. 따라서, 텔레센트릭 에프 세타 렌즈의 초점거리(f)가 짧을수록, 목적하는 쎄타로 빔을 편향시키기 위해 필요한 광원의 이송거리가 짧아진다.

목적하는 쎄타만큼 빔을 편향시키고자 하는 경우, 초점거리(f)가 상대적으로 짧은 텔레센트릭 쎄타 렌즈를 상기 광학 렌즈계로 사용하면 상기 광원(110)의 이송거리가 짧아지게 된다. 그러므로 상기 광원(110)이 이송되는 속도가 동일한 경우 텔레센트릭 쎄타 렌즈의 초점거리가 짧을수록 스캔 속도가 빨라진다. 이렇게 상기 광학 렌즈계에 사용되는 텔레센트릭 세타 렌즈의 특성에 따라서 스캔 속도가 결정된다.

상기 반사체(300)는 상기 복수의 어레이(200)를 통과하면서 편향된 빔을 스캔 대상을 향해 반사시킨다. 상기 반사체(300)에 도달하는 빔은 상기 어퍼처에서 상기 복수의 어레이의 광축(205)에 대해서 편향각 쎄타로 변향된 빔이다. 상기 반사체(300)는 원형의 평면 거울일 수 있다.

상기 반사체(300)는 기결정된 각도의 범위 내에서 주기적으로 회전되며, 상기 광학 렌즈계(200)의 광축(205)에 수직한 회전축(301)을 갖는다. 또한 상기 반사체의 회전축(301)은 상기 광원(110)의 이송방향과 나란할 수 있다. 상기 기결정된 각도는 스캔 대상의 크기에 따라 결정된다. 도 5를 참조하면, 상기 광원(110)은 화살표와 같이 y축을 이송축으로 하여 양방향으로 이송될 수 있으며, 상기 반사체(300)의 회전축(310)도 y축과 평행하다. 상기 반사체(300)는 회전축이 상기 어퍼처(202)의 위치에 놓이도록 배치될 수 있다.

상기 반사체(300)의 구경은 상기 스캔 대상의 크기에 상관없이 직경이 결정될 수 있다. 상기 반사체(300)의 구경이 작더라도 상기 광학 렌즈계(200)의 특성 및 상기 광원(110)의 특성에 따라 넓은 범위의 스캔이 가능하기 때문이다. 즉, 본원발명의 일 실시예에 따른 스캐너는 스캔할 수 있는 대상의 크기가 상기 반사체(300)의 구경 크기에 독립적이다.

예를 들어, 상기 반사체(300)의 구경이 작더라도 상기 광학 렌즈계(200)의 직경이 커지면 더 넓은 범위를 스캔할 수 있다. 즉 상기 제1 렌즈(210)의 직경이 커지면 상기 광원(110)과 상기 광학 렌즈계(200)의 광축(205) 사이의 거리가 더 멀어질 수 있으므로 상기 어퍼처(202)에서 편향되는 각도 쎄타의 값도 더 커질 수 있다. 따라서 상기 광학 렌즈계(200)의 적어도 일부 렌즈의 구경을 크게 하여 스캔 영역의 크기를 넓힐 수 있다.

상기 반사체(300)는 상기 회전 엑추에이터(530)에 의해 상기 회전축(301)을 중심으로 회전한다. 상기 컨트롤러(400)는 상기 회전 엑추에이터(530)를 제어하여, 상기 반사체의 움직임을 제어한다. 상기 반사체(300)의 움직임은, 상기 반사체가 주기적으로 회전하는 범위인 회전각도, 상기 회전각도만큼 회전할 때의 속도 및 방향, 회전주기를 포함한다. 상기 반사체는 회전축(301)을 중심으로 화살표 방향 및 화살표 방향의 반대방향으로 주기적으로 회전하면서 스캔 대상으로 빔을 반사한다. 상기 회전 엑추에이터(530)는 물체를 회전시키는 공지의 어떠한 엑추에이터여도 좋다.

상기 컨트롤러(400)는 상기 리니어 엑추에이터(510) 및 상기 회전 엑추에이터(530)를 각각 제어하는 외에 상기 광원(110)의 구동을 제어한다. 다만, 이에 한정되는 것은 아니고, 상기 광원(110)은 별도의 컨트롤러에 의해 제어될 수도 있다.

미도시되었으나, 상기 컨트롤러(400)의 제어조건 등이 저장된 메모리를 더 포함할 수도 있다.

도 9는 상술한 실시예에 의해 스캔 대상의 일 영역(601)에 생성된 스캔 패턴의 일 예를 도시한 것이다. 도 5를 참조하면, 상기 광원(110)은 y축과 평행한 상기 이송축을 따라서 양방향으로 움직일 수 있는데, 일 예로서 상기 광원이 제1 위치(111)에서 제2 위치(112)를 지나 제3 위치(113)로 이송될 수 있다.

상기 광원(110)이 제1 위치(111)에 있을 때 상기 반사체(300)에 도달한 빔은 106번 빔과 같이 스캔 대상으로 반사된다. 상기 광원(110)이 제2 위치(112)에 있을 때 상기 반사체(300)에 도달한 빔은 107번 빔과 같이 스캔 대상으로 반사된다. 상기 광원(110)이 제3 위치(113)에 있을 때 상기 반사체(300)에 도달한 빔은 108번 빔과 같이 스캔 대상으로 반사된다. 이러한 방식으로 상기 광원(110)이 y축에 평행한 이송축을 따라 움직이면 상기 반사체(300)에서 빔이 반사되어 y-z 평면에서 y축 방향으로 스캔된다.

상기 광원(110)이 위에서 아래로 이송되는 동안 상기 반사체(300)는 y축에 평행한 상기 회전축(301)을 중심으로 기결정된 주기로 복수 회 회전될 수 있다. 상기 반사체(300)는 기결정된 각도의 범위를 왕복하면서 복수 회 회전된다. 여기서 상기 반사체(300)가 1회 회전한다는 것은 상기 기결정된 각도의 범위에서 상기 반사체가 화살표방향으로 회전했다가 다시 화살표의 반대방향으로 회전하여 초기의 위치로 되돌아온 것을 말한다.

상기 광원(110)의 위치가 고정된 상태에서 상기 반사체(300)가 y축에 평행한 회전축(301)을 중심으로 회전하면 상기 반사체(300)에서 빔이 반사되면서 x-z 평면에서 x축 방향으로 스캔될 것이다. 따라서 상기 광원(110)이 y축을 따라 이송되는 동안 상기 반사체(300)가 기결정된 각도의 범위 내에서 반복적으로 회전하면, 도 9와 같이 x-y 평면상에 지그재그의 스캔 패턴(105)이 생성된다.

도 10은 본 발명의 다른 실시예의 광학계를 도시한 사시도이고, 도 11은 도 10의 실시예의 제어계를 도시한 사시도이다. 본 발명의 다른 실시예에 따른 스캐너는, 복수의 광원(120, 130, 140), 상기 광원에서 도달한 빔을 반사시키는 반사체(300), 상기 복수의 광원과 상기 반사체 사이에 배치되는 광학 렌즈계(200), 상기 복수의 광원을 선형으로 이송시키는 리니어 엑추에이터(520), 상기 반사체를 회전시키는 회전 엑추에이터(530), 컨트롤러(410)를 포함한다.

상기 반사체(300), 상기 광학 렌즈계(200), 상기 회전 엑추에이터(530)는 도 5 내지 도 8을 참조하여 설명한 것과 동일하므로 상세한 설명을 생략하며 도면에는 동일한 번호를 부여하였다.

상기 복수의 광원은 제1 내지 제3 광원(120, 130, 140)을 포함한다. 상기 제1 내지 제3 광원은 상기 광학 렌즈계(200)의 광축(205)에 수직한 방향을 따라 병렬로 나열된다. 또한 상기 제1 내지 제3 광원은 상기 반사체(300)의 회전축(301)에 나란한 방향으로 이격되어 배열된다. 제1 내지 제3 광원(120, 130, 140)은, 상기 리니어 엑추에이터(520)에 의해 화살표 방향으로 선형으로 이송된다.

상기 제1 광원(120)에서 출력된 121번 빔은 상기 광학 렌즈계(200)를 통과하면서 상기 제1 광원과 상기 광학 렌즈계의 광축(205) 간의 거리에 비례하여 편향되고, 상기 반사체(300)에 의해 123번 빔과 같이 반사된다. 마찬가지로 상기 제2 광원(130)에서 출력된 131번 빔은 133번 빔과 같이 반사되고, 상기 제3 광원(140)에서 출력된 141번 빔은 143번 빔과 같이 반사된다.

상기 리니어 엑추에이터(520)는 상기 제1 내지 제3 광원(120, 130, 140)을 동시에 이송시키며, 상기 컨트롤러(410)는 상기 리니어 엑추에이터(520)를 제어하여 상기 제1 내지 제3 광원의 움직임을 제어한다. 그러나 이에 한정되는 것은 아니고 상기 제1 내지 제3 광원 각각마다 리니어 엑추에이터가 구비되고, 상기 컨트롤러(410)가 각 리니어 엑추에이터를 제어할 수도 있다.

상기 컨트롤러(410)는 상기 리니어 엑추에이터(520) 및 상기 회전 엑추에이터(530)를 제어하며, 상기 제1 내지 제3 광원(120, 130, 140)의 작동을 각각 제어할 수 있다. 그리고 상기 제1 내지 제3 광원 각각은 도 5의 실시예의 광원(110)처럼 레이저를 포함하거나 레이저 및 광섬유를 포함할 수 있다.

도 12는 도 10의 실시예에 의해 스캔 대상의 일 영역(602)에 생성된 스캔 패턴의 일 예를 도시한 것이다. 상기 제1 내지 제3 광원이 이송축을 따라 일방향으로 이송되면서 반사체(300)가 복수 회 왕복 회전하는 경우, 상기 제1 광원(120)에서 출력된 빔은 127번 스캔 패턴이 되고 상기 제2 광원(130)에서 출력된 빔은 137번 스캔 패턴이 되고 상기 제3 광원(140)에서 출력된 빔은 147번 스캔 패턴이 된다.

상술한 구성의 측면은, 광원이 세 개 구비되므로 도 5의 실시예와 동일한 조건에서 제어될 때 도 5의 실시예보다 스캔 속도가 3 배 빨라지는 효과가 있다.

도 10의 실시예는 광원이 세 개 구비되는 경우이나 이에 한정되는 것은 아니고, 광원은 필요에 따라 두 개 구비될 수도 있고, 네 개 이상 구비될 수도 있다. 또한 도 10의 실시예는 복수의 광원이 반사체의 회전축과 나란한 방향인 y축 방향으로 병렬로 배열된 경우이나 복수의 광원의 배치는 이에 한정되지 않는다.

복수의 광원은 병렬로 배치되되 상기 반사체의 회전축(301)과 수직하게 일렬로 배치될 수도 있다. 도 13은 제1 내지 제3 광원이 상기 광학 렌즈계의 광축과 수직하고 상기 반사체의 회전축(301)과 수직한 방향으로 일렬로 배열된 실시예에서 생성된 스캔 패턴을 도시한 것이다. 즉 제1 내지 제3 광원은 z축을 따라 서로 이격되어 일렬로 배치될 수 있다.

제1 내지 제3 광원이 z축을 따라 차례로 배치되고 y축을 따라 이송될 때, 상기 반사체(300)가 기결정된 각도의 범위에서 기결정된 주기로 복수 회 반복 회전하면 스캔 대상의 일 영역(603)에는 129번, 139번, 149번과 같은 스캔 패턴이 생성된다.

그 외에도 4 개의 광원을 2 x 2 로 배열하는 등 복수의 광원의 개수 및 그 배치는 목적하는 스캔 속도와 스캔 대상의 크기, 광학 렌즈계의 직경 등에 따라 다양하게 변형 가능하다.

110 : 광원 200 : 광학 렌즈계
300 : 반사체 400 : 컨트롤러
510 : 리니어 엑추에이터 530 : 회전 엑추에이터

Claims

적어도 하나의 광원;
상기 적어도 하나의 광원에서 도달한 빔을 스캔 대상을 향해 반사시키는 반사체;
상기 적어도 하나의 광원과 상기 반사체 사이에서 상기 빔의 경로를 따라 차례로 배치되는 하나 또는 복수의 렌즈를 포함하는 광학 렌즈계; 및
상기 적어도 하나의 광원의 움직임 및 상기 반사체의 움직임 중 적어도 하나를 제어하는 컨트롤러;를 포함하고,
상기 광학 렌즈계는, 초점면이 상기 적어도 하나의 광원 쪽에 위치하고 어퍼쳐가 상기 반사체 쪽에 위치하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 광 스캐너.
제1 항에 있어서,
상기 초점면과 상기 어퍼처는,
상기 빔의 경로를 역행하는 방향으로 상기 광학 렌즈계에 빔이 입사되는 경우 정의되는 용어인 것을 특징으로 하는 광 스캐너.
제1 항에 있어서,
상기 광학 렌즈계는,
상기 빔의 경로를 역행하는 방향으로 빔이 입사되는 경우, 상기 초점면에 맺히는 초점과 상기 광학 렌즈계의 광축 사이의 거리가 초점거리에 비례하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 광 스캐너.
제 3항에 있어서,
상기 광학 렌즈계는,
상기 빔의 경로의 최상류에 위치하는 제1 렌즈; 및
상기 빔의 경로의 최하류에 위치하는 제2 렌즈;를 포함하고,
상기 적어도 하나의 광원에서 상기 제1 렌즈로 입사하는 빔의 위치와 상기 광학 렌즈계의 광축 사이의 거리가 클수록 상기 빔이 편향되는 각도가 크고,
상기 빔이 편향되는 각도는 상기 제2 렌즈와 상기 반사체 사이에서 상기 빔이 상기 광학 렌즈계의 광축과 이루는 각도로 정의되는 것을 특징으로 하는 광 스캐너.
제 1항에 있어서,
상기 적어도 하나의 광원은, 상기 광원에서 발산되는 상기 빔의 발산각의 중심축이 상기 초점면에 수직하도록 배치되는 것을 특징으로 하는 광 스캐너.
제 1항에 있어서,
상기 적어도 하나의 광원을 선형의 이송축을 따라 이송시키되, 상기 이송축이 상기 광학 렌즈계의 광축에 수직하도록 이송시키는 리니어 엑추에이터;를 더 포함하고,
상기 컨트롤러는, 상기 리니어 엑추에이터를 제어하여 상기 적어도 하나의 광원의 움직임을 제어하는 것을 특징으로 하는 광 스캐너.
제 6항에 있어서,
상기 반사체를 회전시키되, 상기 반사체의 회전축이 상기 광학 렌즈계의 광축에 수직한 방향으로 놓이도록 회전시키는 회전 엑추에이터;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 광 스캐너.
제 7항에 있어서,
상기 이송축과 상기 회전축은 서로 나란한 것을 특징으로 하는 광 스캐너.
제 6항에 있어서,
상기 적어도 하나의 광원은,
기결정된 거리로 이격된 제1 및 제2 광원을 포함하는 것을 특징으로 하는 광 스캐너.
제 9항에 있어서,
상기 리니어 엑추에이터는, 상기 제1 광원 및 상기 제2 광원을 동시에 이송시키는 것을 특징으로 하는 광 스캐너.
제 9항에 있어서,
상기 반사체를 회전시키되, 상기 반사체의 회전축이 상기 광학 렌즈계의 광축에 수직한 방향으로 놓이도록 회전시키는 회전 엑추에이터;를 더 포함하고,
상기 제1 광원과 상기 제2 광원은 상기 회전축과 나란한 방향으로 이격되는 것을 특징으로 하는 광 스캐너.
제 9항에 있어서,
상기 반사체를 회전시키되, 상기 반사체의 회전축이 상기 광학 렌즈계의 광축에 수직한 방향으로 놓이도록 회전시키는 회전 엑추에이터;를 더 포함하고,
상기 제1 광원과 상기 제2 광원은 상기 회전축과 수직한 방향으로 이격되는 것을 특징으로 하는 광 스캐너.
제 7항, 제11항 또는 제12항에 있어서,
상기 컨트롤러는 상기 회전 엑추에이터의 구동을 제어하여 상기 반사체의 움직임을 제어하는 것을 특징으로 하는 광 스캐너.
제 6항에 있어서,
상기 적어도 하나의 광원은, 적어도 하나의 레이저 다이오드를 포함하는 것을 특징으로 하는 광 스캐너.
제 6항에 있어서,
상기 적어도 하나의 광원은,
레이저, 및
상기 레이저의 출력단에 연결되어 상기 레이저에서 나오는 빔을 상기 광학 렌즈계쪽으로 유도하는 광섬유;를 포함하고,
상기 리니어 엑추에이터는, 상기 광섬유를 이송시키는 것을 특징으로 하는 광 스캐너.