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KR102623745B1 - 커버 요소로 커버된 스캐닝 미러를 갖고 있는 lidar 스캐너용 송신 장치 - Google Patents

커버 요소로 커버된 스캐닝 미러를 갖고 있는 lidar 스캐너용 송신 장치 Download PDF

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KR102623745B1
KR102623745B1 KR1020207007783A KR20207007783A KR102623745B1 KR 102623745 B1 KR102623745 B1 KR 102623745B1 KR 1020207007783 A KR1020207007783 A KR 1020207007783A KR 20207007783 A KR20207007783 A KR 20207007783A KR 102623745 B1 KR102623745 B1 KR 102623745B1
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KR
South Korea
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center
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laser beam
emitting device
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우베 샬러
크리스티안 라베
Original Assignee
예놉틱 옵틱컬 시스템즈 게엠베하
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Publication date
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Abstract

전송장치에 관한 것으로, 상기 송신 장치는 방출 장치(1) 및 스캐닝 미러(2)를 포함하고, 상기 스캐닝 미러(2)는 그 중심(MP)에서 반사될 수 있고, 투명한 커버 요소(4)를 갖는 하우징(3)내에 배치되고, 상기 커버 요소(4)는, 적어도 커플링-아웃 영역(4.2)내에 곡률(4) 중심을 갖는 단일 중심 반구 쉘(HK)의 섹션에 의해서 형성되고, 상기 반구 쉘(HK)의 곡률(K) 중심과 상기 스캐닝 미러(2)의 중심(MP)이 일치하도록, 상기 스캐닝 미러(2)를 커버하도록 배치되는 송신 장치에 관한 것이다.

Description

커버 요소로 커버된 스캐닝 미러를 갖고 있는 LIDAR 스캐너용 송신 장치
본 발명은 LIDAR 스캐너용 송신 장치에 관한 것으로, 특히 적어도 하나의 스캔 각도 범위를 스캔하기 위하여 시준된(collimated) 레이저 방사를 사용하는 LIDAR 스캐너용 송신 장치에 관한 것이다.
거리 측정에서, 개별 스캔 포인트가 거의 무한대까지 이미징되고, 개별 스캔 각도 범위는 2 차원 스캔 필드를 스캐닝함으로써 3 차원 범위로 연장되거나 1 차원 스캔 라인을 스캐닝함으로써 2 차원 범위로 연장된다.
스캔 필드 또는 스캔 라인의 연장은 스캔 미러의 최대 편향(deflection) 각도에 의해 제한되지만, 그 깊이는 이동한 거리에 따라 방사선의 세기가 기하급수적으로 감소하는 Beer-Lambert의 법칙에 의해 한편으론 결정되고, 또 다른 한편으론 방사선 소스의 출력을 제한하게 되는 요구되는 레이저 등급에 따라 결정된다.
넓은 스캔 각도 범위는 예를 들어 넓은 공간 영역을 간섭없이 모니터링해야하는 분야가 관심의 대상이다. 이러한 응용 분야는 예를 들어 항공, 해운, 군사 기술 또는 도로 차량의 자율 주행이다.
넓은 스캔 각도가 커버될 수 있는 스캐닝 미러로써 회전 미러를 사용하는 경우, 이러한 미러 축을 마운트하려면 예를들어 홀더(브라킷)같은 추가적인 개별 부품이 필요하게 된다. 회전으로 발생되는 마찰로 인해 마모가 생기고 결과적으로 미끄러짐(슬립)이 발생된다. 또한, 개별 부품들로 이루어진 조립품은 제조하기에 오늘날 일반적으로 더 복잡하고, 그에 따라 일체화되어(모놀리식) 조립품보다는 더 비싸고, 또한 소형화가 쉽지 않고 더 무겁게 되는 경향이 있다.
유연 힌지(flexure hinge)를 통해 프레임에 모놀리식으로(일체화되어) 연결된 MEMS(micro-electro-mechanical system) 미러는 180 °서로에 대하여 오프셋되어 기계적으로 보여지는 회전 축을 형성하고 MEMS 미러의 중심에 배치된 2개의 조인트 힌지를 사용하여 완전히 마모없이 작동한다. 상업적으로 이용 가능한 MEMS 미러는 단순히 한개의 회전 축에 대하여, 서로 직교하는 2 개의 회전축에 대하여, 또는 개별 서스펜션을 형성하는 3 개 이상의 조인트에 대하여 편향될 수 있다.　프레임에 대한 MEMS 미러의 편향 각도는 조인트 힌지 연결로 인해 편향되지 않은 영점 위치에 대해 각각 약 +/- 10 °로 제한된다. 마찰없는 동작, 달성 가능한 높은 동작 주파수 및 상대적으로 저렴한 가격으로 MEMS 미러는 특히 역동적이고, 콤팩트하고, 견고한 디바이스용으로 매우 매력적이다.
그러나, LIDAR 스캐너의 송신 장치를 위한 스캐닝 미러로서 MEMS 미러를 사용하는 경우, 제한된 작은 편향 각은 불리하다.　MEMS 미러를 통해 반사된 레이저 빔의 최대 스캔 각도 범위는 최대 편향 각도의 4 배이므로 최대 약 40 °이다.　개별 MEMS 미러의 스캔 각도 범위에서 더 큰 스캔 각도 범위를 얻거나 서로 이격 된 여러 스캔 각도 범위를 제공하기 위해 여러 MEMS 미러를 사용하려는 것은 자명할 것이다. 그러나 이것은 한편으로는 장치의 컴팩트화하는데 절충할 수 밖에 없을 것이고, 다른 한편으로는 MEMS 미러들의 움직임을 동기화시키기 위한 기술적 조치가 취해져야한다. 그 대신에, 큰 스캔 각도 범위를 형성하기 위해 함께 결합되는 복수의 인접한 개별 스캔 각도 범위를 스캔하기 위해, 복수의 레이저 빔을 상이한 입사각으로 MEMS 미러 상으로 지향시키는 것은, MEMS 미러의 전면 위에 있는 커버 요소가, 종래 기술에 따르면 커버 요소는 평면판의 형태로만 알려져 있으므로, 복수의 개별 레이저 빔들에게 다르게 영향을 주게되므로, 그러한 단점을 갖게 될 것이다.
스캐닝 미러가 MEMS 미러인지에 상관없이, 스캐닝 미러가 하우징에 수용되고 커버로 덮여서 보호되는 이유가 있을 수 있다.　알려진 바와 같이, 커버 요소는 편향되지 않은 미러에 평행하게 또는 경사지게 배열된 항상 투명한 평면판이다.
커버 요소에 부딪히는 레이저 빔은, 상기 스캐닝 미러로 향하는 또한 복수의 레이저 빔에 영향을 줄 수 있고, 스캐닝 미러상에서 반사된 복수의 레이저 빔 각각은 결과적으로 상기 평면판상의 입사 각도에 따라 프레넬(Fresnel) 손실이 다소 발생하고, 그 위치에 따라 상기 레이저 빔의 세기를 다소 감소시키게 된다. 또한, 커버 요소상에서 바람직하지 않은 반사가 일어날 수 있다.
DE 10 2012 025 281 A1은 레이저 빔을 방출하기위한 송신 유니트를 갖는 광학 물체 검출 유닛을 개시하고, 상기 송신 유니트는 레이저 빔을 방출하기 위한 송신기, 하나 또는 두 개의 피봇 방향으로 중심에서 피봇될 수 있는 마이크로미러, 상기 전송 빔 경로(패쓰)에서 상기 마이크로미러 이후에(지나서) 배치되는, 마이크로미러를 덮고 있는 트랜스미터 렌즈를 포함하고 있다. 메니스커스(meniscus) 렌즈로 설계된 상기 트랜스미터 렌즈는 여기서 송신 유닛의 하우징을 위한 커버로서 기능할 수도 있다. 여기서의 단점은 레이저 빔이 트랜스미터 렌즈를 통해(지나서) 마이크로 미러로 향하여 가이드될 수 없기 때문에 마이크로미러가 자체적으로 하우징될 수 없다는 것이다.
DE 10 2011 006 159 A1은 적어도 2 개의 스위칭 위치로 스위블될 수 있고, 그래디언트(gradient) 인덱스 렌즈로 덮인 MEMS 미러를 포함하는 프로젝션 장치를 개시하고 있다. 상기 그래디언트 인덱스 렌즈는 각각 매우 양의 굴절 평면-볼록(vely positively refractive plano-convex) 렌즈 또는 매우 양의 굴절 메니스커스이며, 상기 렌즈의 평면(planar) 또는 오목(concave) 표면은 각각 MEMS 미러를 마주보도록 배치된다. 상기 그래디언트 인덱스 렌즈를 통해 입사되는 아마도 평행한 레이저 빔은 MEMS 미러에 초점을 맞추고, 반사 후 그래디언트 인덱스 렌즈를 다시 통과할 때 필요한 경우 다시 시준(collimated)된다. 하나의 단점은 상기 MEMS 미러는 그라디언트 인덱스 렌즈의 평면 표면에 의해 제한되어, 매우 작은 스위블 범위를 가지며, 또 다른 단점은 다른 입사각으로 들어올 수 있는 레이저 빔은, 상기 그래디언트 인덱스 렌즈의 평면 또는 오목 표면에서의 각각의 굴절때문에, MEMS 미러상의 동일한 지점에 부딪히지 않는다는 것이다.
본 발명의 목적은 커버 요소에 의해 보호되는 스캐닝 미러를 포함하는 LIDAR 스캐너를 위한 송신 장치를 제공하는 것이며, 특히, 낮은 프레넬 손실(있는 경우) 만 있고, 바람직하지 않은 반사는 커버 요소에서 발생하지 않는 LIDAR 스캐너용 송신 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 목적은 청구항 1에 기재된 기술적 특징에 의해 달성된다. 유리한 실시예는 청구항 1을 인용하는 종속항에 기재되어 있다.
본 발명은 예시적인 실시예들 및 도면들을 참조하여 아래에서 더 상세히 설명될 것이다.
도 1은 사전-시준된(pre-collimated) 레이저 빔을 방출하는 방출 장치(emitting device) 포함하는 송신 장치의 제1 실시예를 도시하고 있다.
도 2는 서로 각도를 이루고 둘러싸는 2 개의 사전-시준된 레이저 빔을 방출하는 방출 장치를 포함하는 송신 장치의 제2 실시예를 도시한다.
도 3는 도 1 또는 도 2에 따른 송신 장치에서 레이저 빔의 빔 경로에 대한 단순화된 광학 다이어그램을 도시한다.
도 4a는 2 개의 사전-시준된 평행 레이저 빔을 방출하는 방출 장치를 포함하는 송신 장치의 제3 실시예를 도시한다.
도 4b는 도 4a에 따른 송신 장치의 부분 확대도를 도시한다.
도 5는 3 개의 사전-시준된 일렬로 서로 평행한 레이저 빔을 방출하는 방출 장치를 포함하는 송신 장치의 제4 실시예의 부분 확대도이다.
도 6은 3 개의 사전-시준된 일렬로 서로 평행한 레이저 빔을 방출하는 방출 장치를 포함하는 송신 장치의 제5 실시예의 부분 확대도이다.
도 7은 3 개의 사전-시준된 일렬로 서로 평행한 레이저 빔을 방출하는 방출 장치를 포함하는 송신 장치의 제6 실시예의 부분 확대도이다.
도 8은 3 개의 사전-시준된 일렬로 서로 평행한 레이저 빔을 방출하는 방출 장치를 포함하는 송신 장치의 제7 실시예의 부분 확대도를 도시한다.
도 9는 도 4a 내지 도 8에 따른 송신 장치에서 레이저 빔의 빔 경로에 대한 단순화된 광학 다이어그램을 도시한다.
본원 발명에 따르는 송신 장치는 기본적으로 방출 장치(1) 및 스캐닝 미러(2)를 포함하고, 상기 방출 장치(1)는, 도 1, 도 2 또는 도 4a에 도시된 것과 같이, 빔 축 A1, ..., An을 갖는 적어도 하나의 레이저 빔 S1, ... Sn을 방출하고, 상기 스캐닝 미러(2)는 상기 스캐닝 미러(2)의 중심(MP)에서 편향각(β)으로 편향되게 할 수 있다. 상기 스캐닝 미러(2)는 투명한 커버 요소(4)를 갖는 하우징(3)내에 배치된다. 상기 적어도 하나의 레이저 빔 S1, ... Sn의 상기 빔 축 A1, ..., An은, 상기 적어도 하나의 레이저 빔 S1, ... Sn이 커플링-인(coupling-in) 영역(4.1)내의 상기 커버 요소(4)를 통과하여 상기 스캐닝 미러(2)의 상기 중심(MP)상에 부딪히도록, 상기 커버 요소(4)로 향해져 있다. 상기 적어도 하나의 레이저 빔 S1, ... Sn이 상기 스캐닝 미러(2)에서 반사된 후에 커플링-아웃(coupling-out) 영역(4.2)내의 상기 커버 요소(4)를 다시 통과하게 된다.
본 발명에서는, 필수적으로, 상기 커버 요소(4)가 상기 커플링-아웃 영역(4.2)내에서 적어도 단일 중심 반구 쉘(monocentric hemisphere shell)(HK)(이하에서는 단순히 반구 쉘(HK)이라고 칭한다)의 섹선으로 형성되고, 상기 반구 쉘(HK)의 곡률(K) 중심과 상기 스캐닝 미러(2)의 상기 중심(MP)이 일치하도록, 상기 스캐닝 미러(2)를 보호하도록 배치된다. 단일 중심(Monocentric)은 상기 반구 쉘(HK)의 두개의 표면의 곡률 중심을 뜻한다.
상기 커버 요소(4)는 바람직하지 않은 광학 효과를 피하면서 상기 스캐닝 미러(2)를 보호하는 기능을 갖는다. 상기 커버 요소(4)는 적어도 방사 영역에서 단일 중심 반구 쉘(HK)의 섹션으로 설계되고, 상기 스캐닝 미러(2)의 중심(MP)으로부터 상기 방사 영역으로 반사되는 각 레이저 빔 S1, ..., Sn에 동일한 효과를 갖는다. 상기 스캐닝 미러(2)의 중심(MP)상으로 향하는 각 레이저 빔(S1, ..., Sn)의 주요 광선(principal ray)는 상기 반구 쉘(HK)의 상기 두개의 표면상에 수직으로 반사되어 상기 커버 요소(4)을 통과하여 굴절되지 못한다. 상기 반구 쉘(HK)는 필연적으로 소정의 두께를 갖기 때문에, 상기 레이저 빔(S1, ..., Sn)(올바르게 표현하면 레이저 빔 번들)의 모든 다른 광선은, 발산 렌즈로 작동하는 상기 반구 쉘(HK)과 함께, 필연적으로 상기 경계 표면에서 굴절된다. 상기 반구 쉘(HK)의 피할 수 없는 광학 효과는 미리 사전-시준된(pre-collimated) 상기 레이저 빔(S1, ..., Sn)를 상기 커버 요소(4)상으로 향하는 상기 방출 장치(1)에 의해서 보상되어 진다. 여기서, 사전-시준된 것이란 상기 레이저 빔(S1, ..., Sn)이 한점으로 수렴이 거의 되지 않는 다는 것을 뜻한다. 상기 반구 쉘(HK)의 발산 효과로 인하여, 상기 레이저 빔(S1, ..., Sn)은 완전히 시준된다.
상기 커버 요소(4)는, 도 1와 같이, 완전한 반구 쉘(HK)일 수 있고, 상기 커버 요소(4)는, 상기 반구 쉘(HK)이 상기 커플링-아웃 영역(4.2)을 포괄하는 섹션으로 되고 상기 커플링-인 영역에서 반사가 일어나지 않는 스캐닝 미러에 대해서 평행하거나 경사지게 배치되는 평면 판으로 이루어지는 정도까지, 도 4a와 같이, 편향 요소(5)가 통합되어 있거나 상기 커플링-인 영역에 형성되어 있는 반구 쉘(HK)일 수 있다. 원칙적으로 상기 커버 요소(4)는, 2개의 반구 쉘의 반경은 다르고, 2개의 반구 쉘의 곡률 중심은 상기 스캐닝 미러의 중심(MP)과 일치하는 2개의 반구 쉘의 섹션들에 의해서, 상기 커플링-인 영역(4.1) 및 상기 커를링-아웃 영역(4.2)에 또한 형성될 수 있다. 본 발명의 이후 설명에서는 간략화 위하여 상기 커플링-인 영역(4.1) 및 커플링-아웃 영역(4.2) 모두가 하나의 반구 쉘의 섹션에 의해서 형성되는 경우에는 상기 커버 요소 그 자체는 완전한 반구 쉘이라고 간주될 것이다. 상기 반구 쉘(HK)은 음의 굴절력을 갖는다. 상기 반구 쉘은 반구형 쉘의 베이스(base)의 둘레에 의해 설명되는 기하학적 베이스 써클에 의해 정의되고 영역 중심을 갖는다. 상기 영역 중심은 상기 반구 쉘(HK)의 곡률(K)의 중심 및 상기 반구 쉘(HK)의 모든 섹션들의 중심을 동시에 나타낸다. 이러한 의미는 상기 반구 쉘(HK)이 한 섹션으로 되게 되면, 곡률(K)의 상기 동일한 중심은 가상적으로 할당된 완전한 반구 쉘(HK)에 대하여 이 섹션에 할당될 수 있다.
상기 커플링-인 영역(4.1)의 다른 실시예들의 다른 효과들은 구체적인 실시예들을 참고하면서 뒤에서 설명될 것이다.
상기 커버 요소(4)는, 스캐닝 미러(2) 상의 기하학적 베이스 써클(G)의 중심이 스캐닝 미러(2)의 중심(MP)에 놓이도록, 스캐닝 미러(2)를 커버하기 위하여 전적으로 틀림없이 배치되어야만 한다. 생산 및 조립상의 허용 오차, 빔의 질 (quality)의 예상되는 저하를 감안한 허용 편차뿐만 아니라 장기간의 드리프트가 또한 포함되어 있다.
또한, 본 발명은, 필수적으로, 적어도 하나의 빔(S1, ..., Sn)은 커플링-인 영역(4.1) 내의 커버 요소(4)를 통과하기 전에 수렴적으로 사전-시준되어 있고, 상기 커버 요소(4)를 다시 통과한 후에는 커플링-아웃 영역(4.2)내에서 충분히 시준된다.
예를들어 레이저 다이오드인 레이저 소스의 방사 특성을 알고 있는 전문가들은, 방출 장치(emitting device)에서 방출되는 레이저 빔(S1, ..., Sn)이 완전히 시준되도록 커버 요소(4)의 광학 파라미터를 매칭하여, 레이저 소소와 함께 레이저 빔을 위한 방출 장치를 형성하는 콜리메이터(collimator, 시준 장치)를 설계할 수 있다. 방출 장치(1)는 다수의 레이저 소소(1.1) 및 방출 장치가 방출하는 레이저 빔(S1, ..., Sn)의 개수에 따라 정해지는 다수의 콜리메이터(1.2)를 갖는다. 상기 레이저 소스(1.1)는, 레이저 빔(S1, ..., Sn)이 방출 장치(1)에서 방출될 때, 아직 완전히 시준되지 않도록, 관련 콜리메이터(1,2)의 대상측 초첨(F1.2)에 완전히 일치하여 위치하지 않고, 근방 가까이 위치한다.
도 1는 송신 장치의 구체적인 제1 실시예를 도시한다. 여기서 방출 장치(1)은 정확히 하나의 레이저 빔(S1)를 방출한다. 도 2는 제2 실시예를 도시하고 있고, 방출 장치(1)는 2개의 레이저 빔(S1, S2)를 방출한다. 방출 장치(1)는 2개의 레이저 빔보다 많은 빔(S1, ..., Sn)을 방출할 수 있고, 그 광 축(A1, ..., An)은 커플링-인 영역(4.1)에서 표면에 수직 방향을 향하고, 각각은 소정의 각도를 이루고 있다.
커버 요소(4)의 설계는, 상기 커버 요소(4)의 커플링-인 영역(4.1) 및 커플링-아웃 영역(4.2) 각각이 단일 중심 반구 쉘(HK)의 섹션을 포함하도록, 일 실시예들 모두에 대하여 동일하고 완전한 반구 쉘(HK)를 나타낸다. 이렇게 하면, 상기 커버 요소(4)는 비교적 제조하기 쉽다. 그러나, 커플링-인 영역(4.1) 및 커플링-아웃 영역(4.2)의 바깥에서는, 상기 커버 요소(4)는 기본적으로 어느 기하학적 형태를 갖을 수 있다.
입사각(α1, ..., αn)에 완전히 독립적이고, 그러한 입사각에서 적어도 하나의 레이저 빔(S1, ..., Sn)은 편향되지 않은 스캐닝 미러(2)의 수직선(L)에 대하여 스캐닝 미러(2)상에 부딪히고(impinge), 상기 빔 축(A1, ..., An)은, 상기 스캐닝 미러(2)상의 반사 후, 반사하는 동안에 그 위치에 상관없이, 상기 커버 요소(4)가 반구 쉘(HK)로써 제공되거나 적어도 커플링-인 영역 및 커플링-아웃 영역(4.1, 4.2)에서 반구 쉘(HK)의 섹션에 해당하는 경우에, 항상 커버 요소(4)상에 수직적으로 부딪힌다. 따라서, 상기 통과하는 레이저 빔(S1, ..., Sn)의 전송된 파트는 가능한 크게될 뿐만 아니라, 또한, 상기 스캐닝 미러(2)가 편향될 때에도 변동(fluctuations)을 겪게 되지 않는다.
유리하게, 상기 반구 쉘(4.2)은, 사출 성형 방법으로, 튼튼한 벽 두께를 갖도록 제조된다. 그러한 벽 두께때문에, 반구 쉘은 또한 상당한 빔-형상 효과를 갖는다.
도 3는 송신 장치의 제1,2 실시예에 대한 레이저 빔(S3)으로, 상기 레이저 빔(S1, ..., Sn)의 빔 패쓰에 대하여 간략화된 펼쳐진 광학 도식도이다. 여기서 펼쳐진이라는 것은 스캐닝 미러(2)에서 반사에 따른 빔 편향은 무시된 것이다. 방출 장치에서 나오는 사전-시준된 레이저 빔(S3)은, 음의 굴절력(FHK, F'HK)을 갖는 상기 반구 쉘(HK)을 통하여 2번 통과함으로써 완전히 시준(collimated)된다. 레이저 빔(S3)에 대한 완전한 시준는, 레이저 빔 소스(1.1)가 상기 콜리메이터(1.2)를 지나 상기 반구 쉘(HK)의 대상측 초첨(FHK)의 위치를 지나는 이미지 평면(BE)으로 이미지되도록, 상기 콜리메이터(1,2)를 설계함으로써 얻어진다.
도 4a는 송신 장치의 제3의 실시예를 나타내는 개략도를 도시한다. 도 4b는 편향 요소(5)의 확대 단면도이다. 도 5 내지 도 8는 또 다른 실시예에 대하여 각각 다르게 설계된 편향 요소(5)를 도시한다. 여기서 상기 실시예들은, 상기 방출 소자(1)가 서로 서로 평행하고 빔 축(A1, ..., An)을 갖는 적어도 2개의 레이저 빔(S1, ..., Sn)을 방출하는 점에서, 그리고 상기 커버 요소(4)는 상기 커플링-인 영역(4.1)에서 편향 요소(5)를 포함하거나 또는 적어도 2개의 레이저 빔(S1, ..., Sn)이 편향 요소를 통하여 상기 중심(MP)으로 향하도록 편향 요소가 설계되어 있는 점에서, 제1,2의 실시예들과 다르다.
도 4a 및 도 4b의 제3 실시예, 및 도 5의 제4 실시예에 의하면, 상기 편향 요소(5)는 평면의 입구 표면(5.13)을 갖고, 상기 평면의 입구 표면은 반구 쉘(HK)의 가상적인 접선 평면(T)에 배치되거나 또는 가상적인 접선 평면(T)에 평행한 평면의 입구 표면(5.13)을 갖고, 입구 표면(5.13)에 수직으로 배열되는 상기 레이저 빔(S1, ..., Sn)의 하나를 제외한 적어도 2개의 평행한 레이저 빔(S1, ..., Sn), 각각이 상기 출구 표면(5.21, ..., 5.2n)에서 굴절을 통하여 상기 중심(MP)으로 향하도록, 상기 방출 장치(1)가 레이저 빔(S1, ..., Sn)을 방출하는 것과 같은 동일한 개수의 평면, 상호적으로 경사진 출구 표면(5.21, ..., 5.2n)을 갖는다.
방출 장치(1)는, 유리하게, 도 5의 제4 실시예에서 도신된 바와 같이, 홀수 개수의 레이저 빔(S1, ..., Sn)을 방출한다. 상기 출구 표면(5.21, ..., 5.2n)은 일렬로 배치되고, 상기 출구 표면(5.21, ..., 5.2n)의 가운데 것은 하나의 입구 표면(5.13)에 평행하고, 상기 출구 표면(5.21, ..., 5.2n)의 또 다른 것들은 출구 표면(5.21, ..., 5.2n)의 가운데 것에 대칭적으로 배치되고, 즉, 상기 출구 표면(5.21, ..., 5.2n)의 또 다른 것들의 2개는 각각 대칭적으로 마주보면서(opposite), 상기 출구 표면(5.21, ..., 5.2n)과 동일한 각도를 이루도록, 출구 표면((5.21, ..., 5.2n)의 가운데 것에 대칭적으로 배치된다.
도 6에 도시된 제5 실시예는, 하나의 평면의 입구 표면(5.13)이 반구 쉘(HK)의 가상적인 접선 평면(T)에 수직으로 배치되고, 뒤쪽 표면(5.3)을 갖고, 상기 뒤쪽 표면은 상기 입구 표면(5.1)에 45°경사져 있고, 즉, 상기 뒤쪽 표면은 적어도 2개의 레이저 빔(S1, ..., Sn)이 상기 빔 축(A1, ..., An)은 상기 입구 표면(5.13)에 수직으로 배열되고 각각이 상기 출구 표면(5.21, ..., 5.2n)에서 굴절을 통하여 중심(MP)로 향하도록 상기 뒤쪽 표면(5.3)에 의해서 반사되로록, 상기 입구 표면(5.1)에 45°경사져 있다.
도 7에 도시된 제6 실시예는, 방출 장치(1)가 레이저 빔(S1, ..., Sn)을 방출하는 것과 같은 동일한 개수의 입구 표면(5.11, ..., 51n)을 갖는다는 점에서, 제3 내지 제5의 실시예와 다르다.
제8에 도신된 제7 실시예는, 편향 요소(5)가 단지 하나의 출구 표면(5.23)를 갖는다는 점에서, 제6 실시예와 다르다.
편향 요소(5)에 대한 마지막 2개의 실시예는, 레이저 빔(S1, ..., Sn)에 대한 굴절이 2개의 표면에 나누어져 있기 때문에, 특히 유리하다.
편향 요소(5)의 위 모든 실시예들은, 각각 할당된 입구 표면(5.11, ..., 51n)과 각각 할당된 출구 표면(5.21, ..., 5.2n)이 각각에 대하여 경사져 있다는 점에서 개별적인 레이저 빔(S1, ..., Sn)의 각각에 대하여 쐐기 형태를 형성하고 있다. 레이저 빔(S3) 하나에 대해서는 상기 편향 요소는 출구 표면(5.23)에 평행한 입구 표면(5.13)을 갖는 평면판(planar plate)일 수 있다.
도 9는 제3 내지 제7 실시예에 대한 레이저 빔(S3)으로, 상기 레이저 빔(S1, ..., Sn)의 빔 패쓰에 대하여 간략화된 펼쳐진 광학 도식도이다. 여기서 펼쳐진이라는 것은 스캐닝 미러(2)에서 반사 및 굴절에 의한 빔 편향, 또는 상기 편향 요소(5)에서의 굴절 및 반사에 의한 빔 편향은 무시된 것이다. 방출 장치에서 나오는 사전-시준된 레이저 빔(S1, ..., Sn)은, 평향 요소(5)를 통하여 통과하는 동안에 그 빔 축(A1, ..., an)의 경사에 따라 다르게 굴절되고 편향된다. 도 9는, 예(example)로써, 편향요소(5)가 단지 평면판처럼 작동되는 레이저 빔(S3)의 빔 패쓰를 도시하고 있다. 상기 편향 요소(5)는, 사전-시준된 레이저 빔의 완전한 시준가 반구 쉘(HK)을 통과하는 단순한 이미징에 의해서 달성되도록, 이미징 효과는 없다.
레이저 빔(S3)에 대한 완전한 시준는, 레이저 빔 소스(1.1)가 콜리메이터(1.2) 및 편향 요소(5)를 통하여 반구 쉘(HK)의 대상측 초점(FHK)의 위치를 통과하여 이미지 평면(BE)으로 이미지되도록, 콜리메이터(1,2)를 설계함으로써 달성된다.
편향 요소(5)는 커버 요소(4)에 개별 제조된 부품으로서 삽입될 수 있고, 커버 요소(4)에 유리하게 일체화되어(monolithically) 형성될 수 있다.
제1 및 제2 실시예는 본 발명에 따른 송신 장치의 제1 타입에 관한 것이고, 제2 타입과 비교하여 단일의 커버 요소(4)가 레이지 빔의 개수 및 서로 서로에 대하여 이루어지는 각도에 상관없이 사용될 수 있다.
제3, 4, 5 실시예는 본 발명에 따른 송신 장치의 제2 타입에 관한 것이고, 제1 타입과 비교하여, 모든 레이저 다이오드가 동일 방향으로 방출되는, 상업적으로 이용가능한 레이저 다이오드 어레이가 방출 장치(1)로 사용될 수 있다.
참조 번호 리스트
1 방출 장치
1.1 레이저 빔 소스
1.2 콜리메이터(collimator)
2 스캐닝 미러
3 하우징
4 커버 요소
4.1 (커버 요소(4)의) 커플링-인 영역(coupling-in region)
4.2 (커버 요소(4)의) 커플링-아웃 영역(coupling-out region)
5 편향 요소
5.11, ..., 5.1n (편향 요소(5)의) 입구 표면
5.21, ..., 5.2n (편향 요소(5)의) 출구 표면
5.3 (편향 요소(5)의) 뒤쪽 표면
S1,..., Sn 레이저 빔
A1, ..., An (레이저 빔(S1, ..., Sn)의) 빔 축
MP (스캐닝 미러(2))의 중심
T 가상적인 접선 평면
L 수직인
HK 단일 중심의 반구 쉘(monocentric hemispherical shell)
K (단일 중심의 반구 쉘(HK)의) 곡률 중심(center of curvature)
α1, ..., αn 입사각
β (스캐닝 미러(2)의) 편향각
F1.2 콜리메이터의 대상측 초점(object-side focal point)
F'1.2 콜리메이터의 이미지측 초점(image-side focal point)
BE 이미지 평면
FHK 반구 쉘의 대상측 초점
F'Hk 반구 쉘의 이미지측 초점

Claims (10)

  1. 송신 장치로서,
    상기 송신 장치는 방출 장치(1) 및 스캐닝 미러(2)를 포함하고,
    상기 방출 장치(1)는 빔 축(A1, ..., An)을 갖는 적어도 하나의 레이저 빔(S1, ..., Sn)를 방출하고; 상기 스캐닝 미러(2)는 그 중심(MP)에서 편향될 수 있고, 투명한 커버 요소(4)를 갖는 하우징(3)내에 배치되고,
    상기 적어도 하나의 레이점 빔(S1, ..., Sn)의 상기 빔 축(A1, ..., An)은, 상기 적어도 하나의 레이저 빔(S1, ..., Sn)이 상기 커버 요소(4)를 통하여 통과 후에 상기 중심(MP)에 부딪히도록, 상기 커버 요소(4)로 향해 있고; 상기 적어도 하나의 레이저 빔(S1, ..., Sn)은 상기 스캐닝 미러(2)에서 반사된 후에 커플링-아웃 영역(4.2) 내의 상기 커버 요소(4)를 다시 통과하는 송신 장치로서,
    상기 커버 요소(4)는 적어도 상기 커플링-아웃 영역(4.2)에서, 곡률(K)의 중심을 갖는 단일 중심 반구 쉘(HK)의 섹션에 의해서 형성되고, 상기 커버 요소(4)는 상기 스캐닝 미러(2)의 상기 중심(MP)으로부터 상기 커플링-아웃 영역(4.2)으로 반사되는 각 레이저 빔(S1, ..., Sn)에 대하여 동일한 효과를 갖도록, 곡률(K)의 상기 중심과 상기 스캐닝 미러(2)의 상기 중심(MP)이 일치하도록 상기 스캐닝 미러를 커버하도록 배치되고,
    상기 적어도 하나의 레이저 빔(S1, ..., Sn)은 커플링-인 영역(4.1) 내에서 상기 커버 요소(4)를 통과하기 전에 수렴적으로 사전-시준되고, 상기 적어도 하나의 레이저 빔은 상기 반구 쉘의 대상측 초첨(FHK)를 지나는 이미지 평면(BE)으로 레이저 빔 소스(1.1)를 이미징함으로써, 상기 커버 요소(4)를 다시 통과한 후에 상기 커플링-아웃 영역(4.2) 내에서 충분히 시준되는 것을 특징으로 하는 송신 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 커버 요소(4)는 상기 단일 중심 반구 쉘(HK)의 제2 섹션 또는 추가된 단일 중심 반구 쉘의 섹션에 의해서 상기 커플링-인 영역(4.1)내에 형성되고, 상기 단일 중심 반구 쉘의 곡률(K)의 상기 중심은 상기 추가된 단일 중심 반구 쉘의 곡률의 상기 중심과 일치하는 것을 특징으로 하는 송신 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 커버 요소(4)는 완전한 단일 중심 반구 쉘(HK)인 것을 특징으로 하는 송신 장치.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 방출 장치(1)는 빔 축(A1, ..., An)을 갖는 적어도 2개의 레이저 빔(S1, ..., Sn)을 방출하고, 상기 빔 축은 서로간의 사이에 각을 이루도록 배열되어 있고, 상기 빔 축 각각은 상기 커플링-인 영역(4.1)에서 상기 커버 요소(4)의 표면에 수직하는 방향으로 향해져 있는 것을 특징으로 하는 송신 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    편향 요소(5)가 상기 커플링-인 영역(4.1)내 상기 커버 요소(4)에 배치되거나 형성되어 있고, 적어도 하나의 레이저 빔(S1, ..., Sn)이 상기 편향 요소를 경유하여 상기 중심(MP)으로 향해져 있는 것을 특징으로 하는 송신 장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 방출 장치(1)는 평행한 빔 축(A1, ..., An)을 갖는 적어도 2개의 레이저 빔(S1, ..., Sn)을 방출하고, 상기 편향 요소(5)는 평면의 입구 표면(5.13)을 갖고, 상기 평면의 입구 표면은 상기 단일 중심 반구 쉘(HK)의 가상의 접선 평면(T)에 배치되거나 또는 상기 단일 중심 반구 쉘(HK)의 가상적인 접선 평면(T)에 평행하게 배치되고; 상기 편향 요소(5)는 상기 방출 장치(1)가 레이저 빔(S1, ..., Sn)을 방출하는 것과 같은 동일한 개수의 평면, 상호적으로 경사진 출구 표면(5.21, ..., 5.2n)을 갖고, 적어도 2개의 레이저 빔(S1, ..., Sn)이 상기 입구 표면(5.1 3 )에 수직으로 배열될 때, 각각이 상기 출구 표면(5.21, ..., 5.2n)에서 굴절을 통하여 상기 중심(MP)으로 향하도록 하는 것을 특징으로 하는 송신 장치.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 방출 장치(1)는 평행한 빔 축(A1, ..., An)을 갖는 적어도 2개의 레이저 빔(S1, ..., Sn)을 방출하고, 상기 편향 요소(5)는 평면의 출구 표면(5.23)을 갖고, 상기 평면의 출구 표면은 상기 단일 중심 반구 쉘(HK)의 가상의 접선 평면(T)에 배치되거나 또는 상기 단일 중심 반구 쉘(HK)의 가상적인 접선 평면(T)에 평행하게 배치되고; 상기 편향 요소(5)는 상기 방출 장치(1)가 레이저 빔(S1, ..., Sn)을 방출하는 것과 같은 동일한 개수의 평면, 상호적으로 경사진 입구 표면(5.11, ..., 5.1n)을 갖고, 상기 적어도 2개의 레이저 빔(S1, ..., Sn)이 상기 출구 표면(5.23)에 수직으로 배열될 때, 각각이 상기 입구 표면(5.11, ..., 5 . 1n) 및 상기 출구 표면(5.23)에서 굴절을 통하여 상기 중심(MP)으로 향하도록 하는 것을 특징으로 하는 송신 장치.
  8. 제6항에 있어서,
    방출 장치(1)는 홀수 개수의 레이저 빔(S1, ..., Sn)을 방출하고, 상기 출구 표면(5.21, ..., 5.2n)은 일렬로 배치되고, 상기 출구 표면(5.21, ..., 5.2n)의 가운데 것은 상기 입구 표면(5.13)에 평행하고, 상기 출구 표면(5.21, ..., 5.2n)의 다른 것들은 출구 표면((5.21, ..., 5.2n)의 가운데 것에 대칭적으로 배치되고, 상기 출구 표면(5.21, ..., 5.2n)의 상기 다른 것들의 2개는 각각 대칭적으로 마주보고 배치되면서 상기 출구 표면(5.21, ..., 5.2n)의 가운데 것과 서로 간에 동일한 각도를 이루는 것을 특징으로 하는 송신 장치.
  9. 제6항에 있어서,
    상기 방출 장치(1)는 평행한 빔 축(A1, ..., An)을 갖는 적어도 2개의 레이저 빔(S1, ..., Sn)을 방출하고,
    상기 편향 요소(5)는 상기 단일 중심 반구 쉘(HK)의 가상의 접선 평면(T)에 수직으로 배치되는 평면의 입구 표면(5.13)을 갖고, 상기 편향 요소(5)는 뒤쪽 표면(5.3)을 갖고, 상기 편향 요소(5)는 적어도 2개의 레이저 빔(S1, ..., Sn)이 상기 입구 표면(5.13)에 수직으로 배열될 때, 각각이 상기 뒤쪽 표면(5.3)에 의해서 반사되고 상기 출구 표면(5.21, ..., 5.2n)에서 굴절을 통하여 상기 중심(MP)으로 향하도록, 상기 방출 장치(1)가 레이저 빔(S1, ..., Sn)을 방출하는 것과 같은 동일한 개수의 평면, 상호적으로 경사진 출구 표면(5.21, ..., 5.2n)을 갖는 것을 특징으로 하는 송신 장치.
  10. 제5항에 있어서,
    상기 편향 요소(5)는 상기 커버 요소(4)에 일체화되어(monolithically) 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 송신 장치.
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