[go: up one dir, main page]

KR102532603B1 - 광센싱 시스템 및 이를 포함하는 광학 장치 - Google Patents

광센싱 시스템 및 이를 포함하는 광학 장치 Download PDF

Info

Publication number
KR102532603B1
KR102532603B1 KR1020170123650A KR20170123650A KR102532603B1 KR 102532603 B1 KR102532603 B1 KR 102532603B1 KR 1020170123650 A KR1020170123650 A KR 1020170123650A KR 20170123650 A KR20170123650 A KR 20170123650A KR 102532603 B1 KR102532603 B1 KR 102532603B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
refractive index
electrode
sensing system
active optical
light
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
KR1020170123650A
Other languages
English (en)
Other versions
KR20190034980A (ko
Inventor
김선일
최병룡
신창균
Original Assignee
삼성전자주식회사
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 삼성전자주식회사 filed Critical 삼성전자주식회사
Priority to KR1020170123650A priority Critical patent/KR102532603B1/ko
Priority to EP18192816.9A priority patent/EP3460566B1/en
Priority to US16/135,874 priority patent/US11372104B2/en
Publication of KR20190034980A publication Critical patent/KR20190034980A/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR102532603B1 publication Critical patent/KR102532603B1/ko
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J1/00—Photometry, e.g. photographic exposure meter
    • G01J1/02—Details
    • G01J1/0242—Control or determination of height or angle information of sensors or receivers; Goniophotometry
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S17/00—Systems using the reflection or reradiation of electromagnetic waves other than radio waves, e.g. lidar systems
    • G01S17/02—Systems using the reflection of electromagnetic waves other than radio waves
    • G01S17/04—Systems determining the presence of a target
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J1/00—Photometry, e.g. photographic exposure meter
    • G01J1/42—Photometry, e.g. photographic exposure meter using electric radiation detectors
    • G01J1/4257—Photometry, e.g. photographic exposure meter using electric radiation detectors applied to monitoring the characteristics of a beam, e.g. laser beam, headlamp beam
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S17/00—Systems using the reflection or reradiation of electromagnetic waves other than radio waves, e.g. lidar systems
    • G01S17/02—Systems using the reflection of electromagnetic waves other than radio waves
    • G01S17/06—Systems determining position data of a target
    • G01S17/42—Simultaneous measurement of distance and other co-ordinates
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S17/00—Systems using the reflection or reradiation of electromagnetic waves other than radio waves, e.g. lidar systems
    • G01S17/88—Lidar systems specially adapted for specific applications
    • G01S17/89—Lidar systems specially adapted for specific applications for mapping or imaging
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S17/00—Systems using the reflection or reradiation of electromagnetic waves other than radio waves, e.g. lidar systems
    • G01S17/88—Lidar systems specially adapted for specific applications
    • G01S17/93—Lidar systems specially adapted for specific applications for anti-collision purposes
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S7/00—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00
    • G01S7/48—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00 of systems according to group G01S17/00
    • G01S7/481—Constructional features, e.g. arrangements of optical elements
    • G01S7/4814—Constructional features, e.g. arrangements of optical elements of transmitters alone
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S7/00—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00
    • G01S7/48—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00 of systems according to group G01S17/00
    • G01S7/481—Constructional features, e.g. arrangements of optical elements
    • G01S7/4816—Constructional features, e.g. arrangements of optical elements of receivers alone
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01V—GEOPHYSICS; GRAVITATIONAL MEASUREMENTS; DETECTING MASSES OR OBJECTS; TAGS
    • G01V8/00—Prospecting or detecting by optical means
    • G01V8/10—Detecting, e.g. by using light barriers
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B27/00—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00
    • G02B27/0087—Phased arrays
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B27/00—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00
    • G02B27/09—Beam shaping, e.g. changing the cross-sectional area, not otherwise provided for
    • G02B27/0938—Using specific optical elements
    • G02B27/095—Refractive optical elements
    • G02B27/0955—Lenses
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B3/00—Simple or compound lenses
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02F—OPTICAL DEVICES OR ARRANGEMENTS FOR THE CONTROL OF LIGHT BY MODIFICATION OF THE OPTICAL PROPERTIES OF THE MEDIA OF THE ELEMENTS INVOLVED THEREIN; NON-LINEAR OPTICS; FREQUENCY-CHANGING OF LIGHT; OPTICAL LOGIC ELEMENTS; OPTICAL ANALOGUE/DIGITAL CONVERTERS
    • G02F1/00—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics
    • G02F1/01—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour 
    • G02F1/13—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour  based on liquid crystals, e.g. single liquid crystal display cells
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02F—OPTICAL DEVICES OR ARRANGEMENTS FOR THE CONTROL OF LIGHT BY MODIFICATION OF THE OPTICAL PROPERTIES OF THE MEDIA OF THE ELEMENTS INVOLVED THEREIN; NON-LINEAR OPTICS; FREQUENCY-CHANGING OF LIGHT; OPTICAL LOGIC ELEMENTS; OPTICAL ANALOGUE/DIGITAL CONVERTERS
    • G02F1/00—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics
    • G02F1/29—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the position or the direction of light beams, i.e. deflection
    • G02F1/292—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the position or the direction of light beams, i.e. deflection by controlled diffraction or phased-array beam steering
    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06T—IMAGE DATA PROCESSING OR GENERATION, IN GENERAL
    • G06T7/00—Image analysis
    • G06T7/50—Depth or shape recovery
    • G06T7/521—Depth or shape recovery from laser ranging, e.g. using interferometry; from the projection of structured light

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Computer Networks & Wireless Communication (AREA)
  • Radar, Positioning & Navigation (AREA)
  • Remote Sensing (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • Nonlinear Science (AREA)
  • Spectroscopy & Molecular Physics (AREA)
  • General Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Theoretical Computer Science (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Computer Vision & Pattern Recognition (AREA)
  • Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
  • Geophysics (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Optical Radar Systems And Details Thereof (AREA)
  • Investigating Or Analysing Materials By Optical Means (AREA)

Abstract

광센싱 시스템 및 이를 포함하는 광학 장치에 관해 개시되어 있다. 개시된 광센싱 시스템은 대상체에 레이저를 조사하도록 구성된 출광부 및 상기 출광부에서 조사되어 상기 대상체에서 반사된 레이저를 센싱하기 위한 센싱부를 포함할 수 있다. 상기 센싱부는 광검출기 및 상기 광검출기와 상기 대상체 사이에 위치한 액티브 광학소자를 포함할 수 있다. 상기 액티브 광학소자는 이를 통과하는 레이저의 방향을 능동적으로 제어하도록 구성될 수 있다. 상기 액티브 광학소자는 전기적 신호에 의해 굴절률이 변화되는 물질층을 포함할 수 있다.

Description

광센싱 시스템 및 이를 포함하는 광학 장치{Optical sensing system and optical apparatus including the same}
개시된 실시예들은 광학적 시스템 및 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 광센싱 시스템 및 이를 포함하는 광학 장치에 관한 것이다.
빛(빔:beam)을 이용해서 사물까지의 거리나 방향을 측정하거나 물체나 지형 등을 식별하거나 속도와 온도 및 물질 분포 등을 감지할 수 있는 기술에 대한 관심이 높아지고 있다. 이와 관련해서, 광원으로부터 발생된 빛(빔)의 방향을 조향, 즉, 스티어링(steering)하는 방식에 대한 연구가 이루어지고 있다.
레이저를 이용한 센싱(sensing) 시스템이 코엑시얼(co-axial) 구조를 갖는 경우, 센싱 거리가 길고 구성이 용이한 장점이 있지만, 레이저를 스티어링(steering) 하기 위해서는 모터와 같은 기계적 부품이 요구되어 진동에 취약하고 가격이 높은 단점이 있다. 센싱 시스템이 바이엑시얼(bi-axial) 구조를 갖는 경우, 모터와 같은 기계적 스티어링 부품이 필요하지 않고, 전체 시스템 단가가 낮은 장점이 있다. 하지만, 시야각(field of view)(FOV) 확보 및 센싱 효율, 광효율, 측정 정확성/정밀성 등의 측면에서 단점이 있다.
시야각(FOV) 확보 및 광효율 개선에 유리한 광센싱 시스템을 제공한다.
측정 정확성 및 정밀성을 개선하는데 유리한 광센싱 시스템을 제공한다.
센싱부에 액티브 광학소자를 포함하는 광센싱 시스템을 제공한다.
상기 광센싱 시스템을 포함하는 광학 장치를 제공한다.
일 측면(aspect)에 따르면, 대상체에 레이저를 조사하도록 구성된 출광부; 및 상기 출광부에서 조사되어 상기 대상체에서 반사된 레이저를 센싱하기 위한 센싱부;를 포함하고, 상기 센싱부는 광검출기; 및 상기 광검출기와 상기 대상체 사이에 위치한 액티브 광학소자;를 포함하고, 상기 액티브 광학소자는 이를 통과하는 레이저의 방향을 능동적으로 제어하도록 구성된 광센싱 시스템이 제공된다.
상기 액티브 광학소자는 전기적 신호에 의해 굴절률이 변화되는 굴절률 변화층; 및 상기 굴절률 변화층에 전기적으로 접촉된 전극 부재;를 포함할 수 있다.
상기 굴절률 변화층은 전기광학(electro-optic) 물질을 포함할 수 있다.
상기 굴절률 변화층은, 예를 들어, 액정(liquid crystal), KTN(potassium tantalate niobate), PZT(lead zirconate titanate), LiNbO3, LiTaO3 및 NbOx 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
상기 전극 부재는 상기 굴절률 변화층을 사이에 두고 상호 이격하여 배치된 제1 및 제2 전극을 포함할 수 있다.
상기 제1 및 제2 전극은 상기 굴절률 변화층의 입사면에 평행한 방향으로 상기 굴절률 변화층의 양단에 접하도록 구비될 수 있다.
상기 제1 및 제2 전극은 상기 굴절률 변화층의 입사면에 수직한 방향으로 상기 굴절률 변화층의 양면에 접하도록 구비될 수 있다.
상기 제1 및 제2 전극 중 하나는 상기 굴절률 변화층의 입사면 측에 구비될 수 있고, 상기 제1 및 제2 전극 중 다른 하나는 상기 굴절률 변화층의 출사면 측에 구비될 수 있다.
상기 제1 및 제2 전극 중 적어도 하나는 복수의 전극 요소의 어레이를 포함할 수 있다.
상기 굴절률 변화층은 복수의 단위 영역으로 구획될 수 있고, 상기 전극 부재는 상기 복수의 단위 영역에 대응하는 복수의 전극 요소를 포함할 수 있다.
상기 액티브 광학소자는 복수의 단위 영역으로 구획될 수 있고, 상기 복수의 단위 영역의 광학적 특성을 독립적으로 제어하도록 구성될 수 있다.
상기 액티브 광학소자는 상기 광검출기보다 큰 사이즈를 가질 수 있다.
상기 액티브 광학소자는 상기 광검출기의 약 1.5배 이상의 사이즈를 가질 수 있다.
상기 액티브 광학소자와 상기 대상체 사이에 정(+)의 굴절력을 갖는 렌즈계가 더 구비될 수 있다.
상기 출광부는 레이저 빔을 조향하는 빔 스티어링 소자(beam steering device)를 포함할 수 있다.
상기 출광부는 복수의 레이저 빔을 동시에 조사하도록 구성될 수 있다.
상기 광센싱 시스템은 복수의 상기 액티브 광학소자를 포함할 수 있다.
상기 복수의 액티브 광학소자는 상기 광검출기와 상기 대상체 사이에 순차로 배치될 수 있다.
상기 복수의 액티브 광학소자는 상호 접촉하거나 상호 이격될 수 있다.
상기 복수의 액티브 광학소자는 제1 액티브 광학소자 및 제2 액티브 광학소자를 포함할 수 있고, 상기 제1 액티브 광학소자는 제1 액티브층을 포함할 수 있고, 상기 제2 액티브 광학소자는 제2 액티브층을 포함할 수 있으며, 상기 제1 액티브층과 제2 액티브층은 동일한 물질을 포함하거나 서로 다른 물질을 포함할 수 있다.
상기 광센싱 시스템은 바이-엑시얼(bi-axial) 구조를 가질 수 있다.
다른 측면에 따르면, 전술한 광센싱 시스템을 포함하는 광학 장치가 제공된다. 상기한 광학 장치는, 예컨대, 라이다(LiDAR) 장치, 3차원 이미지 획득 장치, 3차원 센서 및 깊이 센서(depth sensor) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
시야각(FOV)을 확보하고 광효율을 개선하는데 유리한 광센싱 시스템을 구현할 수 있다. 측정의 정확성 및 정밀성을 개선하는데 유리한 광센싱 시스템을 구현할 수 있다. 시스템을 단순화하고 소형화하는데 유리한 광센싱 시스템을 제공한다. 이러한 광센싱 시스템을 적용하여 우수한 성능을 갖는 다양한 광학 장치를 제조할 수 있다.
도 1은 일 실시예에 따른 광센싱 시스템을 개략적으로 보여주는 개념도이다.
도 2는 일 실시예에 따른 광센싱 시스템의 액티브 광학소자를 보여주는 단면도이다.
도 3은 다른 실시예에 따른 광센싱 시스템의 액티브 광학소자를 보여주는 단면도이다.
도 4는 일 실시예에 따른 광센싱 시스템에서의 광센싱 과정/원리를 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 다른 실시예에 따른 광센싱 시스템의 액티브 광학소자를 보여주는 단면도이다.
도 6은 도 5의 복수의 전극 요소의 평면적 어레이를 보여주는 평면도이다.
도 7은 다른 실시예에 따른 광센싱 시스템의 액티브 광학소자를 보여주는 단면도이다.
도 8은 다른 실시예에 따른 광센싱 시스템의 액티브 광학소자를 보여주는 단면도이다.
도 9는 다른 실시예에 따른 광센싱 시스템의 액티브 광학소자를 보여주는 단면도이다.
도 10은 다른 실시예에 따른 광센싱 시스템의 액티브 광학소자를 보여주는 단면도이다.
도 11은 다른 실시예에 따른 광센싱 시스템의 액티브 광학소자를 보여주는 단면도이다.
도 12는 다른 실시예에 따른 광센싱 시스템의 액티브 광학소자를 보여주는 단면도이다.
도 13은 다른 실시예에 따른 광센싱 시스템의 액티브 광학소자를 보여주는 단면도이다.
도 14는 다른 실시예에 따른 광센싱 시스템의 액티브 광학소자를 보여주는 단면도이다.
도 15는 일 실시예에 따른 광센싱 시스템에 적용될 수 있는 출광부를 설명하기 위한 개념도이다.
도 16은 다른 실시예에 따른 광센싱 시스템에 적용될 수 있는 출광부를 설명하기 위한 개념도이다.
도 17은 일 실시예에 따른 광센싱 시스템을 포함하는 광학 장치(A1)의 전체적인 구성을 설명하기 위한 블럭도이다.
도 18 및 도 19는 일 실시예에 따른 광센싱 시스템을 포함하는 라이다(LiDAR) 장치를 차량에 적용한 경우를 보여주는 개념도이다.
이하, 실시예들에 따른 광센싱 시스템 및 이를 포함하는 광학 장치를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다. 첨부된 도면에 도시된 층이나 영역들의 폭 및 두께는 명세서의 명확성 및 설명의 편의성을 위해 다소 과장되어 있을 수 있다. 상세한 설명 전체에 걸쳐 동일한 참조번호는 동일한 구성요소를 나타낸다.
도 1은 일 실시예에 따른 광센싱 시스템을 개략적으로 보여주는 개념도이다.
도 1을 참조하면, 실시예에 따른 광센싱 시스템은 소정의 대상체(OBJ)에 레이저(L10)를 조사하도록 구성된 출광부(100)와 출광부(100)로부터 조사되어 대상체(OBJ)에서 반사된 레이저(L20)를 센싱하기 위한 센싱부(200)를 포함할 수 있다.
센싱부(200)는 광검출기(10) 및 액티브 광학소자(20)를 포함할 수 있다. 액티브 광학소자(20)는 광검출기(10)와 대상체(OBJ) 사이에 위치할 수 있다. 액티브 광학소자(20)는 이를 통과하는 레이저의 방향을 능동적으로 제어하도록 구성될 수 있다. 예컨대, 액티브 광학소자(20)는 전기적 신호를 이용해서 레이저의 방향을 제어하도록 구성될 수 있다. 반사된 레이저(L20)는 액티브 광학소자(20)에 의해 그 방향이 제어되어 광검출기(10)로 입사될 수 있다.
액티브 광학소자(20)와 대상체(OBJ) 사이에는 정(+)의 굴절력을 갖는 렌즈계(30)가 더 구비될 수 있다. 여기서는, 렌즈계(30)를 하나의 볼록 렌즈로 도시하였지만, 이는 예시적인 것이고, 렌즈계(30)의 구성은 달라질 수 있다. 렌즈계(30)는 일반적인 광학 렌즈를 포함할 수 있고, 상기 광학 렌즈는 집광 렌즈(수렴 렌즈)일 수 있다. 렌즈계(30)는 센싱부(200)에 포함된 것으로 여길 수도 있다.
본 실시예의 광센싱 시스템은 출광부(100)에서 조사된 레이저(L10)와 대상체(OBJ)에 의해 반사된 레이저(L20)가 서로 다른 광축 상에 존재하는 바이-엑시얼(bi-axial) 구조를 가질 수 있다. 이 경우, 출광부(100)는 비기계식 빔 스티어링 소자일 수 있다. 다시 말해, 출광부(100)는 빔(beam)을 스티어링(steering) 하기 위해 모터와 같은 기계적 스티어링 부품을 사용하지 않고, 비기계적인 방식으로 빔을 스티어링하도록 구성될 수 있다. 비기계적인 방식을 사용하면, 진동이나 소음 문제가 없고, 시스템의 크기(부피)나 측정의 정확성 등의 측면에서 장점이 있다. 또한, 바이-엑시얼(bi-axial) 구조는 하나의 센싱부(200)로 여러 위치를 센싱할 수 있기 때문에, 출광부(100)를 여러 개 구비시키더라도 하나의 센싱부(200)를 사용할 수 있고, 이와 관련하여, 전체 시스템 단가가 낮은 장점이 있다.
상기한 바이-엑시얼(bi-axial) 구조와 달리 코-엑시얼(co-axial) 구조의 경우, 빔을 스티어링(steering) 하기 위해서는 모터와 같은 기계적 부품이 요구되어 진동에 취약하고 가격이 높은 단점이 있다. 또한, 출광부와 센싱부가 동일한 경로에 있어야 하므로, 출광부의 개수가 증가하면 센싱부의 개수가 따라서 늘어나야 한다. 기계적 회전이 어려운 방향에 대해서는 센싱하고자 하는 여러 위치마다 각 위치에 맞는 출광부와 센싱부가 여러 개 필요하기 때문에, 전체 시스템의 단가가 매우 높아질 수 있다. 본원의 실시예에서와 같이 바이-엑시얼(bi-axial) 구조를 이용하면, 코-엑시얼(co-axial) 구조의 단점들을 극복할 수 있다. 그러나, 실시예들에 따른 광센싱 시스템은 바이-엑시얼(bi-axial) 구조로 한정되지 않고, 다양한 변형 구조를 가질 수 있다.
도 2는 일 실시예에 따른 광센싱 시스템의 액티브 광학소자(20A)를 보여주는 단면도이다.
도 2를 참조하면, 액티브 광학소자(20A)는 전기적 신호에 의해 굴절률 등의 광학적 특성이 변화되는 액티브층(이하, 굴절률 변화층)(A10) 및 굴절률 변화층(A10)에 전기적으로 접촉된 전극 부재를 포함할 수 있다. 상기 전극 부재는 굴절률 변화층(A10)에 전기적 신호를 인가하기 위한 것으로, 굴절률 변화층(A10)을 사이에 두고 상호 이격된 제1 전극(E10) 및 제2 전극(E20)을 포함할 수 있다.
굴절률 변화층(A10)은 전기광학(electro-optic)(EO) 물질을 포함할 수 있다. 예컨대, 굴절률 변화층(A10)의 전기광학 물질은 액정(liquid crystal), KTN(potassium tantalate niobate), PZT(lead zirconate titanate), LiNbO3, LiTaO3 및 NbOx 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 굴절률 변화층(A10)은 전기광학 특성을 갖는 다양한 폴리머(polymer)를 포함할 수도 있다. 그러나 굴절률 변화층(A10)의 물질은 전술한 바에 한정되지 않는다. 굴절률 변화층(A10)은 전기적 조건에 따라서 물성이 변화되는 투명 전도성 산화물(transparent conductive oxide)이나 전이금속 질화물(transition metal nitride)을 포함할 수도 있다.
본 실시예의 액티브 광학소자(20A)에서 제1 및 제2 전극(E10, E20)은 굴절률 변화층(A10)의 입사면(S1)에 평행한 방향으로 굴절률 변화층(A10)의 양단에 접하도록 구비될 수 있다. 참조번호 S2는 굴절률 변화층(A10)의 출사면을 나타낸다.
제1 전극(E10) 및 제2 전극(E20)에 연결된 구동부(driver)(15)가 더 구비될 수 있다. 구동부(15)로부터 두 전극(E10, E20)을 통해 굴절률 변화층(A10)에 전기적 신호가 인가될 수 있고, 그에 따라, 굴절률 변화층(A10)의 물성(굴절률)이 변화될 수 있다. 굴절률 변화층(A10)의 물성 변화에 따라, 액티브 광학소자(20A)를 통해 출사되는 출사광의 방향이 달라질 수 있다.
도 3은 다른 실시예에 따른 광센싱 시스템의 액티브 광학소자(20B)를 보여주는 단면도이다.
도 3을 참조하면, 액티브 광학소자(20B)는 굴절률 변화층(액티브층)(A11) 및 굴절률 변화층(A11)에 전기적으로 접촉된 제1 및 제2 전극(E11, E21)을 포함할 수 있다. 본 실시예에서 제1 및 제2 전극(E11, E21)은 굴절률 변화층(A11)의 입사면(S1)에 수직한 방향으로 굴절률 변화층(A11)의 양면에 접하도록 구비될 수 있다. 다시 말해, 제1 및 제2 전극(E11, E21) 중 하나(예컨대, E11)는 굴절률 변화층(A11)의 입사면(S1) 측에 구비될 수 있고, 제1 및 제2 전극(E11, E21) 중 다른 하나(예컨대, E21)는 굴절률 변화층(A11)의 출사면(S2) 측에 구비될 수 있다. 이때, 제1 및 제2 전극(E11, E21)은 투명한 도전성 물질로 형성될 수 있다. 제1 및 제2 전극(E11, E21)에 연결된 구동부(15)가 구비될 수 있고, 구동부(15)로부터 두 전극(E11, E21)을 통해 굴절률 변화층(A11)에 전기적 신호가 인가될 수 있다.
도 2 및 도 3의 액티브 광학소자(20A, 20B)는 센싱부에서 전기적 신호를 이용해서 빔(레이저)을 스티어링(steering) 할 수 있는 소자라고 할 수 있다. 액티브 광학소자(20A, 20B)는 일종의 "액티브 렌즈(active lens)"라고 할 수 있다.
도 4는 일 실시예에 따른 광센싱 시스템에서의 광센싱 과정/원리를 설명하기 위한 도면이다. 도 4는 센싱부에서의 광경로 및 검출 과정을 보여주는 것이고, 이는 도 1과 같은 광센싱 시스템 전체 구성을 고려하여 이해될 수 있다. 따라서, 아래의 도 4의 설명에서 도 1의 시스템 구성을 참조한다.
도 4를 참조하면, 출광부(도 1의 100)에서 출사된 레이저는 대상체(도 1의 OBJ)에서 반사되어 센싱부(도 1의 200)로 입사된다. 이때, 출광부는 센싱하고자 하는 영역, 즉, FOV(field of view) 내에 레이저를 스티어링(steering) 하여 출광시키거나, FOV 영역 내에 플래쉬(flash) 형태로 광(beam)을 조사할 수도 있다.
대상체에서 반사되어 센싱부로 입사되는 레이저는 FOV 영역 내 위치에 따라 센싱부의 서로 다른 위치에 도달하게 된다. 예컨대, ①번 위치 및 방향에서 입사된 레이저는 렌즈계(30)를 거쳐 액티브 광학소자(20A)의 제1 영역에 도달할 수 있고, ②번 위치 및 방향에서 입사된 레이저는 렌즈계(30)를 거쳐 액티브 광학소자(20A)의 제2 영역에 도달할 수 있고, ③번 위치 및 방향에서 입사된 레이저는 렌즈계(30)를 거쳐 액티브 광학소자(20A)의 제3 영역에 도달할 수 있다. 상기 제1 영역은 "위치1"에 대응할 수 있고, 상기 제2 영역은 "위치2"에 대응할 수 있으며, 상기 제3 영역은 "위치3"에 대응할 수 있다. 서로 다른 위치에 도달한 레이저를 액티브 광학소자(20A)를 이용해서 광검출기(10)가 있는 위치로 조향할 수 있다.
이와 같이, FOV 영역 내 서로 다른 위치의 레이저가 센싱부의 서로 다른 위치에 도달해도 액티브 광학소자(20A)를 이용하여 특정(소정) 영역으로 레이저를 모아줄 수 있다. 따라서, 광검출기(10)의 사이즈를 크게 줄일 수 있고, FOV 영역 내 모든 위치에서 레이저를 동일한 광효율로 센싱할 수 있다. 이와 관련해서, 광센싱 시스템의 단가를 낮출 수 있고, 센싱 효율 및 센싱 거리를 증가시킬 수 있으며, 측정의 정확성 및 정밀성을 개선하여 측정 오차(거리 오차 등)를 줄일 수 있다. 또한, 액티브 광학소자(20A)는 전기에 의해 구동될 수 있어 속도가 빠르고, 투과율이 높아 광손실이 적을 수 있다.
광검출기(10)는 실리콘(Si)이나 Ⅲ-Ⅴ족 계열의 반도체와 같은 센싱 물질을 포함할 수 있고, 단일 셀 구조를 갖거나 복수의 단위 센서(센서 어레이)를 포함하는 구성을 가질 수 있다. 광검출기(10)는 소형의 컴팩트한 사이즈를 가질 수 있다. 본 실시예에서 광검출기(10)는 액티브 광학소자(20A)보다 작은 사이즈(폭)를 가질 수 있다. 예컨대, 액티브 광학소자(20A)는 광검출기(10)의 약 1.5배 이상 또는 약 2배 이상의 사이즈(폭)를 가질 수 있다. 광검출기(10)의 사이즈를 줄일 수 있기 때문에, 비용 및 제조 부담 측면에서 상당히 유리할 수 있다.
이상의 실시예들에서 액티브 광학소자(20, 20A, 20B)는 복수의 단위 영역으로 구획될 수 있고, 상기 복수의 단위 영역의 광학적 특성이 독립적으로 제어될 수 있다. 다시 말해, 굴절률 변화층(A10, A11)이 복수의 단위 영역으로 구획될 수 있고, 상기 복수의 단위 영역의 굴절률이 독립적으로 제어될 수 있다. 이를 위해, 제1 전극(E10, E11) 및 제2 전극(E20, E1) 중 적어도 하나는 복수의 전극 요소를 포함할 수 있고, 상기 복수의 전극 요소는 상기 복수의 단위 영역에 대응하여 구비될 수 있다. 이하에서는 도 5 내지 도 8을 참조하여, 액티브 광학소자가 상기 복수의 단위 영역으로 구획된 경우에 대해 설명한다.
도 5는 다른 실시예에 따른 광센싱 시스템의 액티브 광학소자를 보여주는 단면도이다.
도 5를 참조하면, 굴절률 변화층(A11)의 일면에 제1 전극(E11)이 구비되고, 타면에 제2 전극(E22)이 구비된다. 제2 전극(E22)은 복수의 전극 요소(EE2)를 포함할 수 있다. 제1 전극(E11)은 공통 전극일 수 있고, 제2 전극(E22)의 전극 요소들(EE2)은 개별적으로 제어되는 픽셀 전극일 수 있다. 복수의 전극 요소(EE2)에 인가되는 전기적 신호(전압)에 따라 복수의 전극 요소(EE2)에 대응하는 굴절률 변화층(A11) 영역들의 특성이 제어될 수 있다.
도 6은 도 5의 복수의 전극 요소(EE2)의 평면적 어레이 구조를 보여주는 평면도이다. 도 6에 도시된 바와 같이, 굴절률 변화층(A11)의 일면 상에 복수의 전극 요소(EE2)가 어레이를 이루도록 배치될 수 있다. 도 5 및 도 6에서 전극 요소들(EE2)의 개수 및 배열 방식은 예시적인 것에 불과하고 다양하게 변화될 수 있다.
도 7은 다른 실시예에 따른 광센싱 시스템의 액티브 광학소자를 보여주는 단면도이다.
도 7을 참조하면, 제2 전극(E22)의 일측에 접합된 TFT(thin film transistor) 어레이 기판(T10)이 더 구비될 수 있다. TFT 어레이 기판(T10)은 복수의 TFT(미도시)를 포함할 수 있고, 복수의 TFT 각각은 복수의 전극 요소(EE2)에 전기적으로 연결될 수 있다. 복수의 TFT에 의해 복수의 전극 요소(EE2)에 전기적 신호가 인가될 수 있다. 이 경우, 구동부(미도시)는 제1 전극(E11)과 TFT 어레이 기판(T10) 사이에 연결될 수 있다.
도 5 내지 도 7에서는 제2 전극(E22)이 복수의 전극 요소(EE2)를 포함하는 경우를 도시하고 설명하였지만, 제2 전극(E22) 대신 제1 전극(E11)이 복수의 전극 요소를 포함할 수도 있다. 또한, 제1 전극(E11)과 제2 전극(E22)이 모두 복수의 전극 요소로 분할될 수 있다. 그 예가 도 8에 도시되어 있다.
도 8은 다른 실시예에 따른 광센싱 시스템의 액티브 광학소자를 보여주는 단면도이다.
도 8을 참조하면, 굴절률 변화층(A11)의 일면에 복수의 제1 전극 요소(EE1)를 포함하는 제1 전극(E12)이 구비될 수 있고, 굴절률 변화층(A11)의 타면에 복수의 제2 전극 요소(EE2)를 포함하는 제2 전극(E22)이 구비될 수 있다. 복수의 제1 전극 요소(EE1)와 복수의 제2 전극 요소(EE2)는 상호 일대일(1:1)로 대응하도록 구비될 수 있다.
도시하지는 않았지만, 제1 전극(E12)의 일측에 제1 TFT 어레이 소자가 더 구비될 수 있고, 제2 전극(E22)의 일측에 제2 TFT 어레이 소자가 더 구비될 수 있다. 상기 제1 및 제2 TFT 어레이 소자 각각은 복수의 TFT를 포함할 수 있다. 이때, 구동부는 상기 제1 TFT 어레이 소자와 상기 제2 TFT 어레이 소자 사이에 연결될 수 있다.
또한, 도 2와 같은 액티브 광학소자(20A)에서도 굴절률 변화층(A10)을 복수의 단위 영역을 분할하고, 제1 전극(E10)과 제2 전극(E20) 중 적어도 하나를 복수의 전극 요소로 분할하며, 상기 복수의 단위 영역에 상기 복수의 전극 요소를 전기적으로 연결함으로써, 상기 복수의 단위 영역을 독립적으로 제어할 수 있다.
다른 실시예에 따르면, 광센싱 시스템의 센싱부는 복수의 액티브 광학소자를 포함할 수 있다. 이 경우, 상기 복수의 액티브 광학소자는 광검출기와 대상체 사이에 상기 광검출기 측으로부터 순차로 배치될 수 있다. 그리고 복수의 액티브 광학소자는 상호 접촉하거나 상호 이격하여 배치될 수 있다. 복수의 액티브 광학소자를 사용하는 경우, 그 구성은 도 9 내지 도 14에 도시된 바와 같을 수 있다.
도 9를 참조하면, 제1 굴절률 변화층(제1 액티브층)(A15)이 구비될 수 있고, 이와 이격된 제2 굴절률 변화층(제2 액티브층)(A25)이 구비될 수 있다. 제1 굴절률 변화층(A15)은 제1 전극(E15)과 제2 전극(E25) 사이에 배치될 수 있고, 제2 굴절률 변화층(A25)은 제2 전극(E25)과 제3 전극(E35) 사이에 배치될 수 있다. 제2 전극(E25)은 공유 전극일 수 있다. 제1 전극(E15)과 제2 전극(E25) 및 이들 사이의 제1 굴절률 변화층(A15)은 제1 액티브 광학소자를 구성한다고 할 수 있고, 제2 전극(E25)과 제3 전극(E35) 및 이들 사이의 제2 굴절률 변화층(A25)은 제2 액티브 광학소자를 구성한다고 할 수 있다. 이 경우, 상기 제1 및 제2 액티브 광학소자는 서로 접합되었다고 할 수 있다.
제1 굴절률 변화층(제1 액티브층)(A15)과 제2 굴절률 변화층(제2 액티브층)(A25)은 동일한 물질을 포함하거나, 서로 다른 물질을 포함할 수 있다. 예컨대, 제1 및 제2 굴절률 변화층(A15, A25)은 동일한 전기광학 물질을 포함하거나 서로 다른 전기광학 물질을 포함할 수 있다. 전기광학 물질은, 예컨대, 액정(liquid crystal), KTN(potassium tantalate niobate), PZT(lead zirconate titanate), LiNbO3, LiTaO3, NbOx 등 일 수 있다.
도 10을 참조하면, 두 개의 액티브 광학소자가 상호 이격하여 배치될 수 있다. 제1 전극(E16)과 제2 전극(E26) 및 이들 사이의 제1 굴절률 변화층(A16)은 제1 액티브 광학소자를 구성할 수 있고, 제3 전극(E36)과 제4 전극(E46) 및 이들 사이의 제2 굴절률 변화층(A26)은 제2 액티브 광학소자를 구성할 수 있다. 제2 전극(E26)과 제3 전극(E36)은 상호 이격될 수 있다. 따라서, 상기 제1 및 제2 액티브 광학소자는 상호 이격되었다고 할 수 있다.
도 10의 실시예에서 제2 전극(E26)과 제3 전극(E36) 사이에 소정의 삽입층을 더 구비시킬 수 있다. 그 예가 도 11에 도시되어 있다. 도 11을 참조하면, 삽입층(N16)이 제2 전극(E26)과 제3 전극(E36) 사이에 구비될 수 있다. 삽입층(N16)은 투명 절연층일 수 있다.
도 12는 다른 실시예에 따른 광센싱 시스템의 액티브 광학소자를 보여주는 단면도이다.
도 12를 참조하면, 제1 굴절률 변화층(제1 액티브층)(A17)과 제2 굴절률 변화층(제2 액티브층)(A27)이 상호 접하도록 구비될 수 있다. 제1 굴절률 변화층(A17)의 입사면에 평행한 방향으로의 양측(양단)에 제1 전극(E17)과 제2 전극(E27)이 구비될 수 있다. 이와 유사하게, 제2 굴절률 변화층(A27)의 입사면에 평행한 방향으로의 양측(양단)에 제3 전극(E37)과 제4 전극(E47)이 구비될 수 있다. 제1 전극(E17)과 제3 전극(E37)은 상호 이격될 수 있고, 제2 전극(E27)과 제4 전극(E47)은 상호 이격될 수 있다.
도 13을 참조하면, 제1 굴절률 변화층(A18)과 제2 굴절률 변화층(A28)이 상호 이격하여 배치될 수 있다. 제1 굴절률 변화층(A18)의 양단에 제1 전극(E18)과 제2 전극(E28)이 구비될 수 있고, 제2 굴절률 변화층(A28)의 양단에 제3 전극(E38)과 제4 전극(E48)이 구비될 수 있다.
도 14를 참조하면, 도 13의 실시예와 유사하되, 제1 굴절률 변화층(A18)과 제2 굴절률 변화층(A28) 사이에 삽입층(N18)이 더 구비될 수 있다. 삽입층(N18)은 제1 전극(E18)과 제3 전극(E38) 사이 및 제2 전극(E28)과 제4 전극(E48) 사이로 연장되어 있을 수 있다. 삽입층(N18)은 투명 절연층일 수 있다.
도 15는 일 실시예에 따른 광센싱 시스템에 적용될 수 있는 출광부(100A)를 설명하기 위한 개념도이다.
도 15를 참조하면, 출광부(100A)는 레이저 빔을 조향하는 빔 스티어링 소자(beam steering device)를 포함할 수 있다. 출광부(100A)를 이용해서 레이저 빔을 1차원 또는 2차원적으로 조향할 수 있다. 여기서는, 소정의 피사체(대상체)(OBJ)를 향하여 빔을 제1 방향(D1)에 따라 조향하는 경우를 도시하였지만, 제1 방향(D1) 및/또는 이와 수직한 제2 방향(D2)으로 빔을 조향할 수 있다.
출광부(100A)의 빔 스티어링 소자(beam steering device)는 비기계적 방식으로 빔을 스티어링하도록 구성될 수 있다. 일례로, 빔 스티어링 소자는 광분할기(optical splitter), 광변조기(optical modulator) 및 출사부(emitter)를 포함할 수 있다. 상기 광분할기는 광원에서 발생된 광을 분할(split)하기 위한 것으로, 일종의 빔 스플리터(beam splitter)일 수 있다.
상기 광변조기는 상기 광분할기에 의해 분할된 광을 변조하는 역할을 할 수 있다. 광변조기는 다양한 방식으로 광을 변조할 수 있다. 예컨대, 광변조기는 상기 분할된 광의 위상을 변조하는 역할을 할 수 있다. 또는, 광변조기는 상기 분할된 광의 진폭을 변조하는 역할을 할 수 있다. 또는, 광변조기는 상기 분할된 광의 위상과 진폭을 동시에 변조하는 역할을 할 수 있다. 그 밖에도 광변조기의 광변조 기능은 다양하게 변화될 수 있다. 한편, 광변조기는 전기적인 방법으로 광변조를 수행하거나, 자기적인 방법, 열적인 방법 등 다양한 방법으로 광변조를 수행할 수 있다. 구체적인 예로, 상기 광변조기는 적어도 하나의 위상변환기(phase shifter or phase shifting element)를 포함할 수 있고, 상기 위상변환기는, 예컨대, 이득 요소(gain element), 전역통과 필터(all-pass filter), 브래그 격자(Bragg grating), 분산 물질 요소(dispersive material element), 파장 튜닝 요소(wavelength tuning element), 위상 튜닝 요소(phase tuning element) 등으로 구성된 그룹에서 선택된 적어도 하나 또는 복수의 요소를 포함할 수 있다. 또한, 상기 광변조기에 적용되는 액츄에이션 메커니즘(actuation mechanism)은, 예컨대, thermo-optic actuation, electro-optic actuation, electroabsorption actuation, free carrier absorption actuation, magneto-optic actuation, liquid crystal actuation, all-optical actuation 등으로 구성된 그룹에서 선택된 적어도 하나를 포함할 수 있다. 이러한 액츄에이션 메커니즘은 상기한 위상 튜닝(phase tuning)에 관련된 것일 수 있다. 그러나, 여기서 구체적으로 설명한 위상변환기의 구성 및 액츄에이션 메커니즘은 예시적인 것이고, 실시예들은 이에 한정되지 않는다. 부가해서, 상기 광변조기는 표면 플라즈몬 공진(surface plasmon resonance) 현상을 이용하여 광을 변조하도록 구성될 수 있다. 이 경우, 상기 광변조기는 플라즈모닉 나노안테나(plasmonic nano-antenna) 또는 그의 어레이(array)를 포함할 수 있다.
상기 출사부는 광변조기로부터 광을 수신하여 출사광을 출사하는 역할을 할 수 있다. 단일 출사광(레이저 빔)을 출사하면서, 그 방향을 소정 방향으로 스티어링할 수 있다. 상기 광변조기에서 광을 어떻게 변조하느냐에 따라, 출사광의 스티어링 방향이 제어될 수 있다. 단일 출사광을 출사하면서 그 방향을 스티어링하거나, 복수의 출사광을 동시에 출사하면서 그 방향을 스티어링할 수도 있다. 출사부는 일종의 출력 커플러(output coupler)라고 할 수 있다. 일례에 따르면, 출사부는 복수의 도파로(waveguide)를 포함할 수 있다. 또한, 출사부는 상기 복수의 도파로에 형성된 격자(grating) 구조를 더 포함할 수 있다. 상기 격자 구조는 특정 파장의 광을 특정 방향으로 출사하도록 디자인될 수 있다. 그러나 출사부의 구성은 전술한 바에 한정되지 않고 다양하게 변화될 수 있다.
상기 광분할기, 광변조기 및 출사부 중 적어도 하나는 Ⅳ족 물질(ex, Si, Ge 등), Ⅳ족 물질을 포함하는 화합물(ex, SiGe 등), Ⅲ-Ⅴ족 화합물, 산화물(oxide), 질화물(nitride) 및 폴리머(polymer) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 경우에 따라, 상기 광분할기, 광변조기 및 출사부 중 중 적어도 두 개의 요소는 서로 다른 물질을 포함할 수도 있다. 상기 광분할기와 광변조기는 소정의 도파로(들)로 연결될 수 있고, 상기 광변조기와 출사부도 소정의 도파로(들)로 연결될 수 있다.
상기 빔 스티어링 소자는 소정의 광원을 포함하거나, 별도로 구비된 광원으로부터 발생한 광을 수신하기 위한 입력부(입력 커플러)를 더 포함할 수 있다. 따라서, 광원은 빔 스티어링 소자에 포함되거나 포함되지 않을 수 있다.
이상에서는 빔 스티어링 소자에 대하여 구체적으로 설명하였지만, 본원의 실시예는 이에 한정되지 않고 다양하게 변화될 수 있다. 또한, 경우에 따라서는, 기계적 방식으로 빔을 스티어링 하는 소자를 출광부(100A)에 적용할 수도 있다.
도 16은 다른 실시예에 따른 광센싱 시스템에 적용될 수 있는 출광부(100B)를 설명하기 위한 개념도이다.
도 16을 참조하면, 출광부(100B)는 피사체(대상체)(OBJ)를 향하여 복수의 레이저 빔을 동시에 조사하도록 구성될 수 있다. 다시 말해, 출광부(100B)는 플래쉬(flash) 또는 샷(shot) 형태로 복수의 빔을 조사하도록 구성될 수 있다. 이 경우, 복수의 레이저 빔이 동시에 출사된 후, 피사체(OBJ)에 의해 반사된 복수의 레이저 빔이 하나의 센싱부로 동시에 입사될 수 있다.
도 17은 일 실시예에 따른 광센싱 시스템을 포함하는 광학 장치(A1)의 전체적인 구성을 설명하기 위한 블럭도이다.
도 17을 참조하면, 광학 장치(A1)는 대상체에 레이저를 조사하는 출광부(1000) 및 반사된 레이저를 센싱하기 위한 센싱부(2000)를 포함할 수 있다. 출광부(1000)는, 예컨대, 빔 스티어링 소자를 포함할 수 있지만, 스티어링 기능이 없는 플래쉬 방식의 출광 소자를 포함할 수도 있다. 광학 장치(A1)는 출광부(1000) 내에 광원부를 포함하거나, 출광부(1000)와 별도로 구비된 광원부를 포함할 수 있다. 센싱부(2000)는 광검출기 및 액티브 광학소자를 포함할 수 있다. 상기 액티브 광학소자는 도 1 내지 도 14를 참조하여 설명한 바와 같을 수 있다. 센싱부(2000)는 광검출기 및 액티브 광학소자 이외에 다른 광학 부재를 더 포함할 수 있다. 광학 장치(A1)는 출광부(1000) 및 센싱부(2000) 중 적어도 하나에 연결된 회로부(3000)를 더 포함할 수 있다. 회로부(3000)는 데이터를 획득하여 연산하는 연산부를 포함할 수 있고, 구동부 및 제어부 등을 더 포함할 수 있다. 또한, 회로부(3000)는 전원부 및 메모리 등을 더 포함할 수 있다.
도 17에서는 광학 장치(A1)가 하나의 장치 내에 출광부(1000) 및 센싱부(2000)를 포함하는 경우를 도시하였지만, 출광부(1000) 및 센싱부(2000)는 하나의 장치로 구비되지 않고, 별도의 장치에 분리되어 구비될 수도 있다. 또한, 회로부(3000)는 출광부(1000)나 센싱부(2000)에 유선으로 연결되지 않고, 무선 통신으로 연결될 수 있다. 그 밖에도 도 17의 구성은 다양하게 변화될 수 있다.
이상에서 설명한 실시예에 따른 광센싱 시스템은 다양한 광학 장치에 유용하게 적용될 수 있다. 일례로, 상기 광센싱 시스템은 라이다(LiDAR)(Light Detection And Ranging) 장치에 적용될 수 있다. 상기 라이다(LiDAR) 장치는 phase-shift 방식 또는 TOF(time-of-flight) 방식의 장치일 수 있다. 이러한 라이다(LiDAR) 장치는 자율 주행 자동차, 드론(drone) 등의 비행 물체, 모바일(mobile) 기기, 소형 보행 수단(예컨대, 자전거, 오토바이, 유모차, 보드 등), 로봇류, 사람/동물의 보조 수단(예컨대, 지팡이, 헬멧, 장신구, 의류, 시계, 가방 등), IoT(Internet of Things) 장치/시스템, 보안 장치/시스템 등에 적용될 수 있다. 또한, 다양한 실시예에 따른 광센싱 시스템 및 이를 포함하는 광학 장치는 스캐닝을 통해 공간 및 피사체의 3차원적인 정보를 획득할 수 있기 때문에, 3차원 이미지 획득 장치나 3차원 카메라, 3차원 센서, 깊이 센서(depth sensor) 등에 적용될 수 있다. 그 밖에도 본원의 광센싱 시스템 및 이를 포함하는 광학 장치는 다양한 광학 및 전자기기 분야에 여러 가지 용도로 적용될 수 있다.
도 18 및 도 19는 일 실시예에 따른 광센싱 시스템을 포함하는 라이다(LiDAR) 장치를 차량에 적용한 경우를 보여주는 개념도이다. 도 18은 측방에서 바라본 도면이고, 도 19는 위에서 바라본 도면이다.
도 18을 참조하면, 차량(50)에 라이다(LiDAR) 장치(51)를 적용할 수 있고, 이를 이용해서 피사체(60)에 대한 정보를 획득할 수 있다. 차량(50)은 자율 주행 기능을 갖는 자동차일 수 있다. 라이다(LiDAR) 장치(51)를 이용해서, 차량(50)이 진행하는 방향에 있는 물체나 사람, 즉, 피사체(60)를 탐지할 수 있다. 또한, 송신 신호와 검출 신호 사이의 시간 차이 등의 정보를 이용해서, 피사체(60)까지의 거리를 측정할 수 있다. 또한, 도 19에 도시된 바와 같이, 스캔 범위 내에 있는 가까운 피사체(61)와 멀리 있는 피사체(62)에 대한 정보를 획득할 수 있다.
상기한 설명에서 많은 사항이 구체적으로 기재되어 있으나, 그들은 발명의 범위를 한정하는 것이라기보다, 구체적인 실시예의 예시로서 해석되어야 한다. 예들 들어, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면, 도 1 내지 도 14를 참조하여 설명한 액티브 광학소자 및 이를 포함한 광센싱 시스템의 구성 및 배열은 다양하게 변화될 수 있음을 알 수 있을 것이다. 구체적인 예로, 액티브 광학소자의 굴절률과 같은 광학적 물성을 전기적인 방식으로 변화시키는 것이 아니라 열적인 방법, 자기적인 방법 등 다양한 방법으로 변화시킬 수 있다. 또한, 액티브 광학소자의 굴절률뿐 아니라, 유전율(permittivity)이나 전하농도(전하밀도) 등을 단위 영역 별로 변화시킴으로써, 액티브 광학소자를 통과하는 레이저의 방향을 제어할 수 있다. 또한, 레이저(레이저 빔) 외에 다른 광에 대해서도 본원의 사상(idea) 및 실시예가 적용될 수 있다. 또한, 실시예들에 따른 광센싱 시스템은 다양한 분야의 광학 장치에 여러 가지 용도로 적용될 수 있음을 알 수 있을 것이다. 때문에 발명의 범위는 설명된 실시예에 의하여 정하여 질 것이 아니고 특허 청구범위에 기재된 기술적 사상에 의해 정하여져야 한다.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호설명 *
10 : 광검출기 15 : 구동부
20, 20A, 20B : 액티브 광학소자 30 : 렌즈계
100, 100A, 100B : 출광부 200 : 센싱부
1000 : 출광부 2000 : 센싱부
3000 : 회로부 A1 : 광학 장치
A10, A11 : 굴절률 변화층 E10, E11 : 제1 전극
E20, E21 : 제2 전극 EE1, EE2 : 전극 요소
L10 : 레이저 L20 : 반사된 레이저
OBJ : 대상체 T10 : TFT 어레이 기판

Claims (21)

  1. 대상체에 레이저를 조사하도록 구성된 출광부;
    상기 출광부에서 조사되어 상기 대상체에서 반사된 레이저를 센싱하기 위한 센싱부; 및
    상기 센싱부와 상기 대상체 사이에 정(+)의 굴절력을 갖는 렌즈계;를 포함하고,
    상기 센싱부는:
    광검출기; 및
    상기 광검출기와 상기 렌즈계 사이에 위치한 액티브 광학소자;를 포함하고,
    상기 액티브 광학소자는 이를 통과하는 레이저의 방향을 능동적으로 제어하도록 구성되고, 전기적 신호에 의해 굴절률이 변화되는 굴절률 변화층, 및 상기 굴절률 변화층에 전기적 신호를 인가하기 위하여 상기 굴절률 변화층에 전기적으로 접촉된 전극 부재를 포함하며,
    상기 굴절률 변화층은 상기 굴절률 변화층의 입사면에 평행한 방향을 따라 배열된 복수의 단위 영역으로 구획되고,
    상기 전극 부재는 상기 굴절률 변화층을 사이에 두고 서로 이격된 제1전극과 제2전극을 포함하며,
    상기 제1전극과 상기 제2전극 중 적어도 하나는 상기 복수의 단위 영역에 대응하는 복수의 전극 요소를 포함하여,
    상기 복수의 전극 요소에 인가되는 전기적 신호에 따라서 상기 복수의 전극 요소에 대응하는 상기 굴절률 변화층의 상기 복수의 단위 영역의 특성이 독립적으로 제어되는 광센싱 시스템.
  2. 삭제
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 굴절률 변화층은 전기광학(electro-optic) 물질을 포함하는 광센싱 시스템.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 굴절률 변화층은 액정(liquid crystal), KTN(potassium tantalate niobate), PZT(lead zirconate titanate), LiNbO3, LiTaO3 및 NbOx 중 적어도 하나를 포함하는 광센싱 시스템.
  5. 삭제
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 전극은 상기 굴절률 변화층의 입사면에 평행한 방향으로 상기 굴절률 변화층의 양단에 접하도록 구비된 광센싱 시스템.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 전극은 상기 굴절률 변화층의 입사면에 수직한 방향으로 상기 굴절률 변화층의 양면에 접하도록 구비된 광센싱 시스템.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 전극 중 하나는 상기 굴절률 변화층의 입사면 측에 구비되고, 상기 제1 및 제2 전극 중 다른 하나는 상기 굴절률 변화층의 출사면 측에 구비된 광센싱 시스템.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 전극 중 적어도 하나는 복수의 전극 요소의 어레이를 포함하는 광센싱 시스템.
  10. 삭제
  11. 삭제
  12. 제 1 항에 있어서,
    상기 액티브 광학소자는 상기 광검출기보다 큰 사이즈를 갖는 광센싱 시스템.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 액티브 광학소자는 상기 광검출기의 1.5배 이상의 사이즈를 갖는 광센싱 시스템.
  14. 삭제
  15. 제 1 항에 있어서,
    상기 출광부는 레이저 빔을 조향하는 빔 스티어링 소자(beam steering device)를 포함하는 광센싱 시스템.
  16. 제 1 항에 있어서,
    상기 출광부는 복수의 레이저 빔을 동시에 조사하도록 구성된 광센싱 시스템.
  17. 제 1 항에 있어서,
    복수의 상기 액티브 광학소자를 포함하고, 상기 복수의 액티브 광학소자는 상기 광검출기와 상기 대상체 사이에 순차로 배치되고, 상기 복수의 액티브 광학소자는 상호 접촉하거나 상호 이격된 광센싱 시스템.
  18. 제 17 항에 있어서,
    상기 복수의 액티브 광학소자는 제1 액티브 광학소자 및 제2 액티브 광학소자를 포함하고,
    상기 제1 액티브 광학소자는 제1 액티브층을 포함하고, 상기 제2 액티브 광학소자는 제2 액티브층을 포함하며,
    상기 제1 액티브층과 제2 액티브층은 동일한 물질을 포함하거나 서로 다른 물질을 포함하는 광센싱 시스템.
  19. 제 1 항에 있어서,
    상기 광센싱 시스템은 바이-엑시얼(bi-axial) 구조를 갖는 광센싱 시스템.
  20. 제1항, 제3항 내지 제4항, 제6항 내지 제9항, 제12항 내지 제13항, 또는 제15항 내지 제19항 중 어느 하나의 광센싱 시스템을 포함하는 광학 장치.
  21. 제 20 항에 있어서,
    상기 광학 장치는 라이다(LiDAR) 장치, 3차원 이미지 획득 장치, 3차원 센서 및 깊이 센서(depth sensor) 중 적어도 하나를 포함하는 광학 장치.
KR1020170123650A 2017-09-25 2017-09-25 광센싱 시스템 및 이를 포함하는 광학 장치 Active KR102532603B1 (ko)

Priority Applications (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020170123650A KR102532603B1 (ko) 2017-09-25 2017-09-25 광센싱 시스템 및 이를 포함하는 광학 장치
EP18192816.9A EP3460566B1 (en) 2017-09-25 2018-09-05 Optical sensing system and optical apparatus including the same
US16/135,874 US11372104B2 (en) 2017-09-25 2018-09-19 Optical sensing system and optical apparatus including the same

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020170123650A KR102532603B1 (ko) 2017-09-25 2017-09-25 광센싱 시스템 및 이를 포함하는 광학 장치

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20190034980A KR20190034980A (ko) 2019-04-03
KR102532603B1 true KR102532603B1 (ko) 2023-05-15

Family

ID=63517811

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020170123650A Active KR102532603B1 (ko) 2017-09-25 2017-09-25 광센싱 시스템 및 이를 포함하는 광학 장치

Country Status (3)

Country Link
US (1) US11372104B2 (ko)
EP (1) EP3460566B1 (ko)
KR (1) KR102532603B1 (ko)

Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN110824490B (zh) * 2019-09-27 2023-01-03 深圳奥锐达科技有限公司 一种动态距离测量系统及方法
KR20220030007A (ko) 2020-09-02 2022-03-10 삼성전자주식회사 이미지 생성 장치 및 방법

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2010107212A (ja) * 2008-10-28 2010-05-13 Panasonic Electric Works Co Ltd 距離測定装置
US20170269215A1 (en) * 2016-03-19 2017-09-21 Velodyne Lidar, Inc. Integrated Illumination And Detection For LIDAR Based 3-D Imaging

Family Cites Families (14)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH11230915A (ja) * 1998-02-13 1999-08-27 Hitachi Ltd 異物検査装置
US7411724B2 (en) * 2004-12-06 2008-08-12 Northrop Grumman Corporation Electro-optic crystal, diffraction-based, beam-steering element
JP4211821B2 (ja) * 2006-08-21 2009-01-21 セイコーエプソン株式会社 走査型光学装置
JP4479713B2 (ja) * 2006-11-10 2010-06-09 セイコーエプソン株式会社 電気光学素子及び走査型光学装置
KR101603778B1 (ko) * 2009-01-19 2016-03-25 삼성전자주식회사 광 이미지 셔터
US9851443B2 (en) * 2012-03-16 2017-12-26 Alcatel Lucent Optical beam sweeper
KR101386736B1 (ko) * 2012-07-20 2014-04-17 장보영 물체감지 센서 시스템 및 그 구동방법
US10126411B2 (en) 2015-03-13 2018-11-13 Continental Advanced Lidar Solutions Us, Llc. Beam steering LADAR sensor
KR101785254B1 (ko) 2015-03-23 2017-10-16 주식회사 엠쏘텍 전방향 라이다 장치
US10175344B2 (en) 2015-12-08 2019-01-08 The Boeing Company Light detection and ranging (LIDAR) scanning systems and methods
KR102560705B1 (ko) 2015-12-11 2023-07-27 삼성전자주식회사 빔 조향 장치 및 빔 조향 장치를 구동하는 방법, 그리고 이를 이용한 공간 정보 획득 장치
US9823118B2 (en) * 2015-12-26 2017-11-21 Intel Corporation Low power, high resolution solid state LIDAR circuit
CN105404058B (zh) 2016-01-06 2019-01-22 京东方科技集团股份有限公司 液晶面板及其制作方法
US10382701B2 (en) * 2016-01-27 2019-08-13 Raytheon Company Active imaging systems and method

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2010107212A (ja) * 2008-10-28 2010-05-13 Panasonic Electric Works Co Ltd 距離測定装置
US20170269215A1 (en) * 2016-03-19 2017-09-21 Velodyne Lidar, Inc. Integrated Illumination And Detection For LIDAR Based 3-D Imaging

Also Published As

Publication number Publication date
KR20190034980A (ko) 2019-04-03
EP3460566A1 (en) 2019-03-27
US11372104B2 (en) 2022-06-28
EP3460566B1 (en) 2024-05-29
US20190094359A1 (en) 2019-03-28

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US11575199B2 (en) Optical phased array antenna and LiDAR including same
CN107765363B (zh) 光学相控阵列(OPA)及包括其的光集成电路和LiDAR系统
US10901149B2 (en) Beam steering device and system including the same
CN109307968B (zh) 光扫描设备、光接收设备及光检测系统
US10605901B2 (en) Beam steering device and optical apparatus including the same
US11131754B2 (en) Beam steering device including a waveguide, a cladding layer, and an electrode layer, and system including the same
KR102070349B1 (ko) 리튬나이오베이트-실리콘나이트라이드 기반의 광 위상변조기 및 이를 이용한 광위상 배열안테나
US20180059507A1 (en) Laser beam steering device and system including the same
KR102532603B1 (ko) 광센싱 시스템 및 이를 포함하는 광학 장치
CN110476097A (zh) 光设备及光检测系统
US11630273B2 (en) Light detecting device and optical system including the same
US11486985B2 (en) Lidar receiver with electro-optical filter
US6504965B2 (en) Method and apparatus for self-testing and maintaining alignment of an optical beam in an optical switch
JP5788642B2 (ja) 光シャッタ、光シャッタの動作方法、カメラ、及びディスプレイ装置
US11520212B2 (en) System and method for emitting light using a photonics waveguide with grating switches
US20190243210A1 (en) Optical device including a monolithic body of optical material and related methods
KR102682127B1 (ko) 광변조 소자와 그 동작방법 및 광변조 소자를 포함하는 장치
US11156816B2 (en) Reflective spatial light modulator having non-conducting adhesive material, optical observation device and optical irradiation device
JP2018197680A (ja) 距離測定装置及び走査方法
KR20240007659A (ko) Lidar-자이로스코프 칩 어셈블리
CN119376126A (zh) 一种基于薄膜铌酸锂的二维光束扫描装置
JP2020154017A (ja) 光学偏向素子、光学偏向装置及び移動体

Legal Events

Date Code Title Description
PA0109 Patent application

Patent event code: PA01091R01D

Comment text: Patent Application

Patent event date: 20170925

PG1501 Laying open of application
A201 Request for examination
PA0201 Request for examination

Patent event code: PA02012R01D

Patent event date: 20200908

Comment text: Request for Examination of Application

Patent event code: PA02011R01I

Patent event date: 20170925

Comment text: Patent Application

E902 Notification of reason for refusal
PE0902 Notice of grounds for rejection

Comment text: Notification of reason for refusal

Patent event date: 20211126

Patent event code: PE09021S01D

E902 Notification of reason for refusal
PE0902 Notice of grounds for rejection

Comment text: Notification of reason for refusal

Patent event date: 20220729

Patent event code: PE09021S01D

E701 Decision to grant or registration of patent right
PE0701 Decision of registration

Patent event code: PE07011S01D

Comment text: Decision to Grant Registration

Patent event date: 20230217

GRNT Written decision to grant
PR0701 Registration of establishment

Comment text: Registration of Establishment

Patent event date: 20230510

Patent event code: PR07011E01D

PR1002 Payment of registration fee

Payment date: 20230511

End annual number: 3

Start annual number: 1

PG1601 Publication of registration