KR20200054055A - 구조광 프로젝터 및 이를 포함하는 전자 장치 - Google Patents

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KR20200054055A
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박현수
한승훈
이민경
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Abstract

구조광 프로젝터는 광원; 상기 광원에서의 광으로부터 점 패턴(dot pattern)을 형성하는 것으로, 복수의 나노구조물을 포함하는 나노구조 어레이;를 포함한다. 나노구조 어레이의 복수의 나노구조물 배열은 나노구조물-서브셀-수퍼셀의 계층 구조를 가지며, 임의의 점 패턴을 가지는 구조광을 형성할 수 있다.

Description

구조광 프로젝터 및 이를 포함하는 전자 장치{Structured light projector and electronic apparatus including the same}
본 개시는 구조광 프로젝터 및 이를 포함하는 전자 장치에 대한 것이다.
최근, 인간이나 기타 사물 등의 객체 인식에 있어, 정밀한 3차원 형상 인식에 의해, 객체의 형상, 위치나 움직임등을 정확히 식별해야 할 필요성이 점차적으로 높아지고 있다. 이를 위한 방법 중 하나로, 구조광(structured light)을 이용하는 3차원 센싱 기술이 시도되고 있으며 이에 의해, 정밀한 모션 인식이 가능해지고 있다.
이러한 구조광 시스템은 요구되는 임의의 점 패턴(dot pattern)을 구현할 수 있어야 하며 또한, 다양한 전자 기기와의 결합을 위해 점차적으로 소형화, 고해상도화가 요구되고 있다. 구조광을 만들기 위해, 통상 회절형 광학 요소(diffractive optical element;DOE)와 같은 광학 부품이 사용되는데, 이러한 광학 부품이 차지하는 부피는 설계의 정밀도 및 제작 요건에 영향을 주는 요인이 된다.
구조광 프로젝터 및 이를 포함하는 전자 장치를 제공한다.
일 유형에 따르면, 광원; 상기 광원에서의 광으로부터 점 패턴(dot pattern)을 형성하는 것으로, 복수의 나노구조물을 포함하는 복수의 수퍼셀(super cell)을 포함하며, 상기 복수의 수퍼셀 각각은 제1 형상 분포를 가지는 복수의 제1 나노구조물을 포함하는 제1 서브셀과 제2 형상 분포를 가지는 복수의 제2 나노구조물을 포함하는 제2 서브셀을 포함하는 나노구조 어레이;를 포함하는 구조광 프로젝터가 제공된다.
상기 광원은 복수의 발광 요소를 포함할 수 있다.
상기 복수의 발광 요소와 상기 복수의 수퍼셀은 각각 2차원 주기 격자(periodic lattice) 형태로 배열될 수 있다.
상기 복수의 발광 요소 배열의 격자 상수와 상기 복수의 수퍼셀 배열의 격자 상수의 비율은 유리수일 수 있다.
상기 복수의 발광 요소와 상기 복수의 수퍼셀은 같은 형상과 같은 크기의 2차원 주기 격자 형태로 배열될 수 있다.
상기 복수의 발광 요소와 상기 복수의 수퍼 셀은 형상은 서로 같고 크기가 서로 다른 2차원 주기 격자 형태로 배열될 수 있다.
상기 광원과 상기 나노구조 어레이 간의 거리는 상기 수퍼셀의 격자 상수가 C이고, 상기 광원에서의 광의 중심 파장이 λ일 때, C2/(2λ)의 정수배일 수 있다.
상기 제1 형상 분포와 상기 제2 형상 분포는 서로 다를 수 있다.
상기 제1 서브셀과 상기 제2 서브셀은 같은 면적을 가질 수 있다.
상기 수퍼셀은 제k 형상 분포로 배열된 제k 나노구조물을 포함하는 제k 서브셀(k는 3에서 N 사이의 정수, N은 3보다 큰 정수)들을 더 포함할 수 있다.
상기 수퍼 셀에 포함되는 상기 제1 내지 제N 서브 셀들은 2차원 주기 격자 형태로 배열될 수 있다.
상기 수퍼 셀에 포함된 서브 셀들은 상기 수퍼 셀의 면적을 균분한 면적을 가질 수 있다.
상기 제1 내지 제N 서브 셀들에 각각 구비된 복수의 제1나노구조물 내지 복수의 제N 나노구조물의 제1 형상 분포 내지 제N 형상 분포는 모두 다를 수 있다.
상기 제1 내지 제N 서브 셀이 입사광의 위상을 변조하는 위상 프로파일(phase profile)은 소정의 규칙으로 서로 연관될 수 있다.
상기 제m 서브 셀(m은 1부터 N 사이의 정수, N은 3 이상의 정수)의 위상 프로파일은 상기 제1 내지 제N 서브 셀 간에 공통되는 로컬 위상 프로파일 성분과 상기 제m 서브 셀이 속한 상기 수퍼 셀의 상대적 위치와 연관되는 글로벌 위상 프로파일 성분으로 구성될 수 있다.
상기 제1 나노구조물, 제2 나노구조물은 상기 광원에서의 광의 파장보다 작은 형상 치수를 가질 수 있다.
상기 복수의 제1 나노구조물의 배열 간격(pitch), 상기 복수의 제2 나노구조물의 배열 간격은 상기 광원에서의 광의 파장의 1/2 이하일 수 있다.
상기 제1 나노구조물, 제2 나노구조물의 높이는 상기 광원에서의 광의 파장의 2/3 이하일 수 있다.
상기 제1 나노구조물, 제2 나노구조물은 주변 물질의 굴절률과의 차이가 0.5이상인 굴절률을 갖는 재질로 이루어질 수 있다.
상기 점 패턴은 복수의 점으로 이루어진 랜덤 패턴이 규칙적으로 배열된 패턴일 수 있다.
일 유형에 따르면, 피사체를 향해 광을 조사하는 전술한 어느 하나의 구조광 프로젝터; 상기 피사체에서 반사된 광을 수광하는 제1센서; 상기 제1센서에서 수광한 광을 분석하여 피사체의 깊이 위치에 대한 제1 정보를 연산하는 프로세서;를 포함하는, 전자 장치가 제공된다.
상기 전자 장치는 상기 피사체에서 반사된 광을 수광하는 제2센서;를 더 포함할 수 있고, 상기 프로세서는 상기 제2센서에서 수광한 광을 분석하여 피사체의 깊이 위치에 대한 제2정보를 더 연산할 수 있다.
상기 프로세서는 상기 제1정보 및/또는 상기 제2정보로부터 피사체에 대한 깊이 정보를 연산할 수 있다.
상술한 구조광 프로젝터는 구조광이 요구되는 어플리케이션에 알맞은 임의의 점 패턴의 구조광을 제공할 수 있다.
상술한 구조광 프로젝터는 서브 파장의 나노구조물들의 어레이를 채용하여 장치 크기를 최소화하고 광학 효율을 향상시킬 수 있다.
상술한 구조광 프로젝터를 채용한 전자 장치는 피사체에 대해 정밀도가 향상된 깊이 정보를 획득할 수 있다.
도 1은 실시예에 따른 구조광 프로젝터의 개략적인 구성을 보이는 단면도이다.
도 2는 도 1의 구조광 프로젝터에 구비되는 나노구조 어레이의 패턴이 복수의 서브셀로 이루어진 수퍼셀들로 이루어짐을 보이는 평면도이다.
도 3은 도 2의 일부 영역을 확대하여 나노구조 어레이의 서브셀, 수퍼셀을 포함하는 패턴을 상세히 보인 평면도이다.
도 4는 도 1의 구조광 프로젝터에 구비되는 광원에 포함되는 복수의 발광 요소의 배치 형태를 보인 평면도이다.
도 5는 도 1의 구조광 프로젝터의 일부 영역을 확대한 평면도로서, 수퍼셀과 발광 요소의 대응 관계를 예시적으로 보인다.
도 6은 수퍼셀에 포함되는 서브셀들이 서로 다른 위상 프로파일을 형성함을 개념적으로 보인다.
도 7은 수퍼셀에 의해 형성되는 구조광의 랜덤 패턴을 예시적으로 보인다.
도 8은 도 1의 구조광 프로젝터가 형성한 유사-랜덤 점 패턴(quasi-random dot pattern)의 구조광을 예시적으로 보인다.
도 9는 도 1의 구조광 프로젝터의 나노구조 어레이에 구비되는 제1서브셀을 상세히 보인 단면도이다.
도 10은 도 1의 구조광 프로젝터의 나노구조 어레이에 구비되는 제2서브셀을 상세히 보인 단면도이다.
도 11a 내지 도 11e는 도 9 및 도 10에 도시된 나노구조물의 예시적인 형상들을 상세히 보인 사시도이다.
도 12는 다른 실시예에 따른 구조광 프로젝터에 구비될 수 있는 나노구조 어레이의 패턴을 보인 평면도이다.
도 13은 도 12의 나노구조 어레이를 구비하는 구조광 프로젝터에 채용될 수 있는 광원에 포함되는 복수의 발광 요소 배열을 보인 평면도이다.
도 14는 실시예에 따른 전자 장치의 개략적인 구성을 보이는 블록도이다.
도 15는 다른 실시예에 따른 전자 장치의 개략적인 구성을 보이는 블록도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들에 대해 상세히 설명하기로 한다. 이하의 도면들에서 동일한 참조부호는 동일한 구성요소를 지칭하며, 도면상에서 각 구성요소의 크기는 설명의 명료성과 편의상 과장되어 있을 수 있다. 한편, 이하에 설명되는 실시예는 단지 예시적인 것에 불과하며, 이러한 실시예들로부터 다양한 변형이 가능하다.
이하에서, "상부" 나 "상"이라고 기재된 것은 접촉하여 바로 위에 있는 것뿐만 아니라 비접촉으로 위에 있는 것도 포함할 수 있다.
단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 또한 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
또한, 명세서에 기재된 “...부”, “모듈” 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어 또는 소프트웨어로 구현되거나 하드웨어와 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.
도 1은 실시예에 따른 구조광 프로젝터의 개략적인 구성을 보이는 단면도이다. 도 2는 도 1의 구조광 프로젝터에 구비되는 나노구조 어레이의 패턴이 복수의 서브셀로 이루어진 수퍼셀들로 이루어짐을 보이는 평면도이며, 도 3은 도 2의 일부 영역을 확대하여 나노구조 어레이의 서브셀, 수퍼셀을 포함하는 패턴을 상세히 보인 평면도이다. 도 4는 도 1의 구조광 프로젝터에 구비되는 광원에 포함되는 복수의 발광 요소의 배치 형태를 보인 평면도이다.
구조광 프로젝터(100)는 광원(120)과, 광원(120)에서의 광으로부터 소정의 점 패턴(dot pattern)을 가지는 구조광을 형성하는 나노구조 어레이(140)를 포함한다.
나노구조 어레이(140)는 복수의 나노구조물(미도시)을 포함한다. 복수의 나노구조물의 배치 형태는 나노구조물-서브셀-수퍼셀의 계층(hierachy) 구조를 형성한다. 즉, 복수의 나노구조물을 포함하도록 서브셀이 구성되고, 이러한 서브셀 복수개가 수퍼셀을 구성하며, 다시, 이러한 수퍼셀(145)이 반복적으로 배열되는 형태이다.
도 3을 참조하면, 수퍼셀(145)은 제k서브셀(SB_k)(k는 1에서 9까지의 정수)들로 이루어질 수 있다. 다만, 서브셀의 개수, 9는 예시적인 것이며 이에 한정되지 않는다. 서브셀의 개수는 2이상의 임의의 정수가 될 수 있다. 제k서브셀(SB_k)(k는 1에서 9까지의 정수)은 도면에 ⓚ로 표시하고 있다. 제k서브셀(SB_k)(k는 1에서 9까지의 정수)들을 포함하는 수퍼셀(145)은 2차원 주기 격자 형태로 배열될 수 있다. 도시된 바와 같이, 주기 격자는 두 방향의 격자 상수가 C1으로 동일한 평행사변형 형태일 수 있다.
광원(120)은 복수의 발광 요소(122)들의 어레이로 이루어질 수 있다. 다만, 이에 한정되는 것은 아니며, 단일 광원으로 이루어질 수도 있다.
광원(120)이 복수의 발광 요소(122)들의 어레이로 이루어지는 경우, 발광 요소(122)들의 배치는 수퍼셀(145)의 배열 형태와 동일 또는 유사할 수 있다. 복수의 수퍼셀(145)이 2차원 주기 격자(periodic lattice) 형태로 배열된 경우, 복수의 발광 요소(122)도 2차원 주기 격자(periodic lattice) 형태로 배열될 수 있다. 복수의 수퍼셀(145)과 복수의 발광 요소(122)은 같거나 유사한 형상의 2차원 주기 격자(periodic lattice) 형태로 배열될 수 있다. 복수의 발광 요소(122)와 복수의 수퍼셀(145)은 같은 형상과 같은 크기의 2차원 주기 격자 형태로 배열될 수도 있다. 복수의 발광 요소(122)와 복수의 수퍼셀(145)은 형상은 서로 같고 크기는 서로 다른 2차원 주기 격자 형태로 배열될 수도 있다. 다만, 이에 한정되지는 않는다. 발광 요소(122)들의 배열 간격에 연계하여 나노구조 어레이(140)와 광원(120)간의 최적의 광학적 거리가 정해질 수 있다. 복수의 발광 요소(122)와 복수의 수퍼셀(145)은 다른 형상과 다른 크기의 2차원 주기 격자 형태로 배열될 수도 있다.
발광 요소(122)는 LED 또는 레이저 다이오드일 수 있다. 발광 요소(122)는 수직 공진형 표면 발광 레이저(Vertical Cavity Surface Emitting Laser; VCSEL)일 수 있다. 발광 요소(122)는 예를 들어, Ⅲ-Ⅴ족 반도체 물질 또는 Ⅱ-Ⅵ족 반도체 물질로 이루어지고 다중 양자 우물 구조(multi-quantum well structure)를 가지는 활성층을 포함할 수 있으며, 다만 이에 한정되는 것은 아니다. 발광 요소(122)는 대략 850 nm 또는 940nm의 레이저 광을 출사할 수 있고, 또는, 근적외선 혹은 가시광 파장대역의 광을 출사할 수 있다. 발광 요소(122)에서 출사하는 광의 파장은 특별히 한정되지 않으며, 원하는 파장 대역의 광을 출사하는 발광 요소(122)가 사용될 수 있다.
발광 요소(122)들은 개별적으로 제어될 수 있다. 발광 요소(122)들의 광 특성(파장, 파면의 각도 스펙트럼 등)은 모두 동일할 수 있다. 다만, 이에 한정되는 것은 아니며 광 특성이 다른 종류의 발광 요소(122)들이 함께 채용될 수도 있다.
도 4에 도시한 바와 같이, 복수의 발광 요소(122)는 두 방향의 격자 상수(lattice constant)가 C2인 평행사변형 형태로 배열될 수 있다. 복수의 수퍼셀(145) 배치와 복수의 발광 요소(122) 배치의 주기 격자의 크기, 즉, 각각의 두 방향의 격자 상수가 서로 동일해야 하는 것은 아니다. 복수의 수퍼셀(145) 배치의 격자 상수 C1과 복수의 발광 요소(122) 배치의 격자 상수 C2의 비는 유리수일 수 있다. 즉, C1/C2는 정수로 한정되지 않으며 임의의 유리수 값을 가질 수 있다. 복수의 발광 요소(122)의 배열은 하나의 수퍼셀(145)에 하나 이상의 발광 요소(122)가 대응되는 관계를 가지는 배열일 수 있다. 다만, 이에 한정되지 않으며, 발광 요소(122)의 개수가 수퍼셀(145)의 개수보다 작을 수도 있다.
복수의 서브셀(SB_k)(k는 1에서 9까지의 정수)들은 모두 같은 면적을 가질 수 있다. 서브셀(SB_k)(k는 1에서 9까지의 정수) 각각은 수퍼셀(145)의 면적을 균분한 면적을 가질 수 있다. 수퍼셀(145)과 서브셀(SB_k)(k는 1에서 9까지의 정수)은 같은 형상을 가질 수 있다. 도 3에서는 서브셀(SB_k)(k는 1에서 9까지의 정수)은 정육각형, 수퍼셀(145)은 평행사변형으로 도시되었으나, 이는 예시적인 것이며, 서브셀(SB_k)(k는 1에서 9까지의 정수)도 평행사변형 형상을 가질 수 있다. 서브셀(SB_k)(k는 1에서 9까지의 정수)들의 면적을 균등하게 하여 구조광을 이루는 점 패턴(dot pattern)의 도트 간 세기(intensity) 균일성(uniformity)을 극대화할 수 있다. 다만, 이에 한정되지 않으며, 수퍼셀(145) 내의 서브셀(SB_k)(k는 1에서 9까지의 정수) 간 면적 분배가 균등하지 않을 수도 있다. 복수의 서브셀(SB_k)(k는 1에서 9까지의 정수)들은 서로 다른 면적을 가질 수도 있다. 복수의 서브셀(SB_k)(k는 1에서 9까지의 정수)들은 서로 다른 형상을 가질 수도 있다. 또한, 수퍼셀(145)과 서브셀(SB_k)(k는 1에서 9까지의 정수)은 서로 다른 형상을 가질 수도 있다. 이는 구조광 프로젝터(100)가 적용될 어플리케이션에 따라 요구되는 구조광 패턴을 고려하여 정할 수 있다.
광원(120)과 나노구조 어레이(140) 간의 광학적 거리(OPD)는 광원(120)에서의 광이 나노구조 어레이(140)를 지나며 점 패턴을 형성할 때, 각 점들이 선명하게 형성되는 적정 거리로 정해질 수 있다. 예를 들어, 셀프 이미징(self imaging), 탤벗 효과(Talbot effect)에 의해 선명한 점(dot)이 형성되는 거리로 설정될 수 있다.
복수의 발광 요소(122)와 복수의 수퍼셀(145)이 같은 형상, 크기의 2차원 주기 격자 형태로 배열되는 경우, 수퍼셀(145)의 격자 상수가 C이고 광원(120)에서의 광의 중심 파장이 λ이고, 광원(120)과 나노구조 어레이(140) 간의 매질의 굴절률이 1일 때, C2/(2λ)의 정수배일 수 있다.
도 5는 도 1의 구조광 프로젝터(100)의 일부 영역을 확대한 평면도로서, 수퍼셀(145)과 발광 요소(122)의 대응 관계를 예시적으로 보인다.
도시된 바와 같이, 하나의 수퍼셀(145)에 하나의 발광 요소(122)가 대응할 수 있다. 하나의 수퍼셀(145)에 하나의 발광 요소(122)가 대응하는 위치는 도시된 ① 위치에 한정되는 것은 아니다. 발광 요소(122)들의 배열이 수퍼셀(145)들 배열과 같은 형상의 주기 격자 배열을 가지는 한, 수퍼셀(145) 내의 다른 임의의 위치에서 발광 요소(122)와 수퍼셀(145)이 대응할 수 있다.
도 6은 수퍼셀에 포함되는 서브셀이 서로 다른 위상 프로파일을 형성함을 개념적으로 보이며, 도 7은 수퍼셀에 의해 형성되는 구조광의 랜덤 패턴을 예시적으로 보인다.
수퍼셀(145)에 포함되는 제k서브셀(SB_k)(k는 1에서 9까지 정수)들은 입사광의 위상을 변조하는 위상 프로파일(phase profile)이 서로 같거나, 또는 다를 수 있다. 서로 다른 위상 프로파일은 서브셀(SB_k) 내의 서로 다른 사선(PL) 표시로 예시하고 있다. 제k서브셀(SB_k)(k는 1에서 9까지 정수)들의 위상 프로파일은 형성하고자 하는 점 패턴에 따라 소정의 규칙으로 서로 연관될 수 있다. 예를 들어, 제k서브셀(SB_k)(k는 1에서 9까지 정수)들이 모두 같은 렌즈 위상 프로파일(lens phase profile)을 공유하면 주기적인 점 패턴의 구조광이 형성될 수 있다.
제k서브셀(SB_k)(k는 1에서 9까지 정수)들의 위상 프로파일은 제k서브셀(SB_k)(k는 1에서 9까지 정수)들 간에 공통되는 로컬 위상 프로파일 성분과 제k서브셀(SB_k)(k는 1에서 9까지 정수)이 속한 수퍼셀(145)의 상대적 위치와 연관되는 글로벌 위상 프로파일 성분을 포함할 수 있다. 로컬 위상 프로파일은 각 서브셀 제k서브셀(SB_k)(k는 1에서 9까지 정수)의 중심을 기준으로 하는 위상 프로파일이다. 제k서브셀(SB_k)(k는 1에서 9까지 정수)이 속한 수퍼 셀(145)의 상대적 위치와 연관되는 글로벌 위상 프로파일은 제k서브셀(SB_k)(k는 1에서 9까지 정수)이 속한 수퍼셀(145)의 2차원 좌표공간 위치에 연관된다. 예를 들어 사선(PL)의 간격을 글로벌 선형 위상 프로파일의 주기라고 할 때, 그에 대응하는 파수 벡터(wavevector)(kx,ky)와 나노구조 어레이를 이루는 나노구조물들이 배치된 2차원 공간의 위치 좌표(x,y)로 글로벌 위상 프로파일이 결정된다. 이 때 각기 다른 수퍼셀의 제k서브셀 간 위상차는 수퍼셀의 상대적 위치와 제k서브셀(SB_k)에 대응하는 파수 벡터로 결정된다. 서로 다른 서브셀들은 각기 다른 파수 벡터를 가질 수 있다.
로컬 위상 프로파일은 점 패턴의 세기 분포 빛 퍼짐 정도 등을 결정한다. 글로벌 위상 프로파일은 로컬 위상 프로파일에 의해 형성될 점 패턴의 위치를 쉬프트(shift)한다. 쉬프트하는 양과 방향은 글로벌 선형 위상 프로파일(global linear phase profile)의 파수 벡터(wavevector)의 크기와 방향에 대응한다.
도 7을 참조하면, 구조광(SL)은 반복되는 복수의 랜덤 패턴(RP)을 포함할 수 있다. 도시된 랜덤 패턴(RP)는 하나의 수퍼셀(145)에 의해 형성된 점 패턴을 예시적으로 보이고 있다. 구조광(SL)을 형성하는 점들의 위치가 겹치지 않도록 서브셀(SB_k)(k는 1에서 9까지의 정수)을 구성하는 고유 파수 벡터 세트를 설정할 수 있다. 점의 위치나 세기 분포, 크기 등을 서브셀(SB_k)(k는 1에서 9까지의 정수)들의 위상 프로파일을 설계하여 원하는 형태로 변경할 수 있다.
도 8은 도 1의 구조광 프로젝터가 형성한 유사-랜덤 점 패턴(quasi-random dot pattern)의 구조광을 예시적으로 보인다.
여기서, 유사-랜덤 점 패턴(quasi-random dot pattern)은 복수의 점으로 이루어진 랜덤 패턴이 클러스터를 이루고 이러한 클러스터가 소정의 규칙으로 배열된 패턴을 지칭하고 있다.
도 9는 도 1의 구조광 프로젝터의 나노구조 어레이에 구비되는 제1서브셀을 상세히 보인 단면도이고, 도 10은 도 1의 구조광 프로젝터의 나노구조 어레이에 구비되는 제2서브셀을 상세히 보인 단면도이다. 도 11a 내지 도 11e는 도 9 및 도 10에 도시된 나노구조물의 예시적인 형상들을 상세히 보인 사시도이다.
제1서브셀(SB_1)은 기판(SU)과, 기판(SU) 상에 형성된 복수의 제1 나노구조물(NS1)을 포함한다. 제1 나노구조물(NS1)은 단면 폭이 D1, 높이가 H1인 기둥 형상을 가질 수 있다. 제1 나노구조물(NS1)은 서브 파장의 형상 치수, 즉, 광원(120)에서 나오는 광의 파장의 중심 파장(λ)보다 작은 형상치수를 가질 수 있다. 제1 나노구조물(NS1)의 높이, H1은 상기 파장의 2/3 이하일 수 있다. 복수의 제1 나노구조물(NS1)의 배열 피치(pitch)는 상기 파장의 1/2 이하일 수 있다.
제2서브셀(SB_2)은 기판(SU), 기판(SU) 상에 형성된 복수의 제2 나노구조물(NS2)을 포함한다. 제2 나노구조물(NS2)은 단면 폭이 D2, 높이가 H2인 기둥 형상을 가질 수 있다. 제2 나노구조물(NS2)의 높이, H2은 상기 파장의 2/3 이하일 수 있다. 복수의 제2 나노구조물(NS2)의 배열 피치(pitch)는 상기 파장의 1/2 이하일 수 있다.
복수의 제1 나노구조물(NS1)의 형상 분포, 복수의 제2 나노구조물(NS2)의 형상 분포는 서로 다를 수 있다. 여기서, '형상 분포'는 제1 나노구조물(NS1), 제2 나노구조물(NS2) 각각의 형상, 크기, 배치 간격, 위치별 형상의 분포, 위치별 크기의 분포 및 위치별 배치 간격의 분포 중 어느 하나 이상을 의미하는 용어로 사용되고 있다. 복수의 제1 나노구조물(NS1)의 형상 분포, 복수의 제2 나노구조물(NS2)의 형상 분포는 제1서브셀(SB_1), 제2서브셀(SB_2)을 포함하는 수퍼셀이 형성할 점 패턴에 정해질 수 있다.
도 9 및 도 10은 제1서브셀(SB_1), 제2서브셀(SB_2) 두 개를 예시하여 설명하고 있지만, 수퍼셀이 N개의 서브셀로 이루어지는 경우, 제1 내지 제N 서브 셀들에 각각 구비된 복수의 제1나노구조물 내지 복수의 제N 나노구조물의 제1 형상 분포 내지 제N 형상 분포는 모두 다를 수 있다. 또는, 적어도 2이상의 서브셀의 나노구조물 형상 분포가 서로 다를 수 있다.
전술한 바와 같이, 수퍼셀을 형성하는 복수의 서브셀들은 수퍼셀이 형성할 점 패턴에 따라 소정 규칙으로 서로 연관되는 위상 프로파일을 가질 수 있다. 이러한 위상 프로파일이 구현되도록, 각 서브셀의 나노구조물 형상 분포가 정해진다. 복수의 제1 나노구조물(NS1), 복수의 제2 나노구조물(NS2)은 각각 같은 형상, 크기, 간격으로 도시되었으나 이는 편의상의 도시일 뿐이다. N개의 서브셀로 수퍼셀이 구성되는 경우, 소정의 원하는 위상 프로파일이 구현되도록 제k서브셀(SB_k)(k는 1에서 N까지의 정수)의 제k 나노구조물 형상 분포가 정해질 수 있다.
제1 나노구조물(NS1), 제2 나노구조물(NS2)은 주변 물질의 굴절률과의 차이가 0.5이상인 굴절률을 갖는 재질로 이루어질 수 있다. 예를 들어, 제1 나노구조물(NS1), 제2 나노구조물(NS2)을 지지하는 기판(SU)은 제1 나노구조물(NS1), 제2 나노구조물(NS2)과 다른 굴절률의 재질로 이루어질 수 있다. 기판(SU)과 제1 나노구조물(NS1)의 굴절률 차이, 기판(SU)과 제2 나노구조물(NS1)의 굴절률 차이는 0. 5이상일 수 있다. 제1 나노구조물(NS1), 제2 나노구조물(NS2)의 굴절률이 기판(SU)의 굴절률 보다 높을 수 있고, 다만, 이에 한정되지 않으며, 제1 나노구조물(NS1), 제2 나노구조물(NS2)의 굴절률이 기판(SU)보다 낮을 수도 있다.
기판(SU)은 글래스(fused silica, BK7, 등), Quartz, polymer(PMMA, SU-8 등) 및 플라스틱 중의 재질 중 어느 하나로 이루어질 수 있고, 반도체 기판일수도 있다. 제1 나노구조물(NS1), 제2 나노구조물(NS2)은 c-Si, p-Si, a-Si 및 III-V 화합물 반도체(GaP, GaN, GaAs 등), SiC, TiO2, SiN 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
제1 나노구조물(NS1), 제2 나노구조물(NS2)은 도 11a에 도시된 바와 같이 직경이 D, 높이가 H인 원기둥 형상을 가질 수 있고, 또는 도 11b에 도시된 바와 같이, 한 변의 길이가 D이고 높이가 H인 정사각기둥 형상을 가질 수 있다. 제1 나노구조물(NS1), 제2 나노구조물(NS2)은 비대칭 형상의 단면을 가지는 기둥 형상을 가질 수 있다. 제1 나노구조물(NS1), 제2 나노구조물(NS2)은 도 11c에 도시된 바와 같이, 장축(Dx), 단축(Dy)의 길이가 서로 다르고 높이가 H인 타원 기둥 형상일 수 있고, 도 11d에 도시된 바와 같이, 가로(Dx), 세로(Dy)의 길이가 서로 다르고 높이가 H인 직사각기둥 형상일 수 있고, 도 11e에 도시된 바와 같이, 가로(Dx), 세로(Dy)의 길이가 다른 십자(cross) 형상의 단면을 가지며 높이가 H인 각기둥 형상일 수도 있다.
도 12는 다른 실시예에 따른 구조광 프로젝터에 구비될 수 있는 나노구조 어레이의 패턴을 보인 평면도이다.
나노구조 어레이(240)의 복수의 수퍼셀(245)들은 직사각형 형상의 주기 격자 형태로 배열될 수 있다. 가로(X) 방향의 격자 상수 C3, 세로(Y) 방향의 격자 상수 C4은 서로 같거나, 또는, 다를 수 있다. 수퍼셀(245)에 포함된 서브셀(SB_k)(k는 1에서 9까지의 정수)은 직사각형 형상의 주기 격자 형태로 배열될 수 있다. 수퍼셀(245)은 9개의 서브셀(SB_k)이 포함된 것으로 도시되었으나 이는 예시적인 것이며 2이상의 임의의 개수가 될 수 있다.
도 13은 도 12의 나노구조 어레이를 구비하는 구조광 프로젝터에 채용될 수 있는 광원의 복수의 발광 요소 배열을 보인 평면도이다.
도 12와 같은 형태의 나노구조 어레이(240)를 구비하는 구조광 프로젝터에서 광원(220)이 복수의 발광 요소(222)를 포함하는 경우, 복수의 발광 요소(222)는 나노구조 어레이(240)의 수퍼셀(245)과 같은 형태의 직사각형 형상의 주기 격자 형태로 배열된다. 복수의 발광 요소(222) 배열의 가로 방향(X) 격자 상수는 C5, 세로 방향(Y) 격자 상수는 C6일 수 있다.
나노구조 어레이(240)의 수퍼셀(245) 배열에서 C3와 C4가 같은 정사각형 격자인 경우, 복수의 발광 요소(122) 배열도 C5와 C6가 서로 같은 정사각형 격자 배열일 수 있다. C3/C4는 C5/C6와 서로 같을 수 있다. 하나의 수퍼셀(245)에는 하나 이상의 발광 요소(222)가 대응할 수 있으며, 즉, 복수의 발광 요소(222)의 개수는 수퍼셀(245) 개수와 같거나 이보다 많을 수 있다. 다만, 이에 한정되지 않으며, 복수의 발광 요소(222)의 개수가 수퍼셀(245)의 개수보다 작을 수도 있다.
도 14는 실시예에 따른 전자 장치의 개략적인 구성을 보이는 블록도이다.
전자 장치(500)는 피사체(OBJ)에 구조광(SL)을 조사하는 구조광 프로젝터(510), 피사체(OBJ)로부터 반사된 광을 수광하는 센서(530), 센서(530)에서 수광된 광(Lr)으로부터 피사체(OBJ)의 형상 정보 획득을 위한 연산을 수행하는 프로세서(550)를 포함한다.
구조광 프로젝터(510)로는 전술한 구조광 프로젝터(100)가 채용될 수 있다. 구조광 프로젝터(510)는 나노구조 어레이의 나노구조물-서브셀-수퍼셀로 형성되는 계층 구조의 형태 및 이에 대응하는 배치의 광원을 활용하여 원하는 임의의 점 패턴의 구조광을 형성할 수 있다. 이러한 계층 구조에서 수퍼셀에 포함되는 복수의 서브셀의 개수나 이들간의 위상 프로파일 관계는 피사체(OBJ)에 대한 정보가 활용되는 어플리케이션에 따라 정해질 수 있다.
센서(530)는 피사체(OBJ)에 의해 반사된 구조광(Lr)을 센싱한다. 센서(530)는 광 검출 요소들의 어레이를 포함할 수 있다. 센서(530)는 피사체(OBJ)로부터 반사된 광을 파장별로 분석하기 위한 분광 소자를 더 포함할 수도 있다.
프로세서(550)는 피사체(OBJ)에 조사한 구조광(SL)과 피사체(OBJ)로부터 반사된 광(Lr)을 비교하여 피사체(OBJ)에 대한 깊이 정보를 획득하고, 이로부터 피사체(OBJ)의 3차원 형상, 위치, 움직임 등을 분석할 수 있다. 구조광 프로젝터(510)에서 생성하는 구조광(SL)의 점 패턴은 빛살의 각도 및 방향, 그리고 소정 초점면에 도달하는 밝고 어두운 점의 위치 좌표를 고유하게 가지도록 수학적으로 코드화된(coded) 패턴일 수 있다. 이러한 패턴은 구조광 프로젝터(510)에 구비된 나노구조물들이 서브셀, 수퍼셀을 이루는 계층(hierarchy) 구조의 세부 형태에 의해 형성될 수 있다. 이러한 패턴의 광이 3차원 형상의 피사체(OBJ)에서 반사될 때, 반사된 광(Lr)의 패턴은 조사된 구조광(SL)의 패턴에서 변화된 형태를 갖는다. 이러한 패턴들을 비교하고 좌표별 패턴을 추적하여 피사체(OBJ)의 깊이 정보를 추출할 수 있고, 이로부터 피사체(OBJ)의 형상, 깊이, 움직임과 관련된 3차원 정보를 추출할 수 있다.
프로세서(510)는 이 외에도 전자 장치(500)의 동작을 전반적으로 제어할 수 있고, 예를 들어, 센서(530)의 동작이나, 구조광 프로젝터(510)에 구비된 광원의 구동을 제어할 수 있다.
전자 장치(500)는 메모리를 더 포함할 수 있다. 메모리에는 프로세서(510)가 상기와 같이 피사체(OBJ)에 대한 3차원 정보 추출을 위한 연산을 실행할 수 있도록 프로그램된 연산 모듈이 저장될 수 있고, 이들 연산에 필요한 기타의 데이터들이 저장될 수 있다.
구조광 프로젝터(510)와 피사체(OBJ) 사이에는 구조광 프로젝터(510)로부터의 구조광(SL)이 피사체(OBJ)를 향하도록 방향을 조절하거나, 또는 이에 대한 추가적인 변조를 하기 위한 광학 소자들이 더 배치될 수도 있다.
프로세서(510)에서의 연산 결과, 즉, 피사체(OBJ)의 형상, 위치에 대한 정보는 다른 유닛이나 다른 전자 장치로 전송될 수 있다. 예를 들어, 메모리에 저장된 다른 어플리케이션 모듈에서 이러한 정보가 사용될 수 있다. 결과가 전송되는 다른 전자 장치는 결과를 출력하는 디스플레이 장치나 프린터일 수도 있다. 이외에도, 무인자동차, 자율주행차, 로봇, 드론 등과 같은 자율 구동 기기, 스마트 폰(smart phone), 스마트 워치(smart watch), 휴대폰, PDA(personal digital assistant), 랩톱(laptop), PC, 다양한 웨어러블(wearable) 기기, 기타 모바일 또는 비모바일 컴퓨팅 장치 및 사물 인터넷 기기일 수 있으며, 이에 제한되지 않는다.
전자 장치(500)는 피사체(OBJ)의 깊이 영상을 획득하는 깊이 카메라(depth camera) 또는 구조광 카메라(structured light camera)일 수 있다. 전자 장치(500)는 이외에도, 피사체(OBJ)의 깊이 정보를 활용하는 무인자동차, 자율주행차, 로봇, 드론 등과 같은 자율 구동 기기일 수 있고, 휴대용 이동 통신 기기, 스마트 폰(smart phone), 스마트 워치(smart watch), PDA(personal digital assistant), 랩톱(laptop), PC, 다양한 웨어러블(wearable) 기기, 기타 모바일 또는 비모바일 컴퓨팅 장치 및 사물 인터넷 기기일 수 있으며, 이에 제한되지 않는다.
도 15는 다른 실시예에 따른 전자 장치의 개략적인 구성을 보이는 블록도이다.
전자 장치(600)는 피사체(OBJ)에 구조광(SL)을 조사하는 구조광 프로젝터(610), 피사체(OBJ)로부터의 광을 센싱하는 제1센서(630)와 제2센서(640) 및, 제1센서(630)와 제2센서(640) 중 적어도 하나에서 수광한 광을 분석하여 피사체(OBJ)의 형상 정보 획득을 위한 연산을 수행하는 프로세서(650)를 포함한다.
본 실시예의 전자 장치(600)는 피사체(OBJ)에서 반사된 광을 수광하기 위해 서로 다른 위치에 배치되는 제1센서(630), 제2센서(640)를 구비하는 점에서 도 14의 전자 장치(500)와 차이가 있다. 피사체(OBJ)에 대해 다른 위치에 배치된 제1센서(630), 제2센서(640)에 의해 깊이 위치와 관련된, 서로 다른 시점(view point)에서의 정보를 얻을 수 있다. 프로세서(610)는 복수 시점의 정보를 활용하여 깊이 정보를 연산할 수 있어 정확성이 향상될 수 있다.
전자 장치(600)는 또한 복수 시점의 정보를, 일반 조명이 아닌 구조광(structured light)을 사용하여 획득하는 점에서, Active Stereo Camera 로 불릴 수도 있다.
제1센서(630), 구조광 프로젝터(610), 제2센서(640)는 일렬로 배열될 수 있고, 적절한 거리로 이격되게 배치될 수 있다. 도면에서는 구조광 프로젝터(610)가 제1센서(630)와 제2센서(640) 사이에 배치된 것으로 도시되었으나 이는 예시적인 것이다. 제1센서(630)가 제2센서(640)와 구조광 프로젝터(610) 사이에 배치되거나, 다른 배열로 변경되는 것도 가능하다.
제1센서(630), 제2센서(640)는 각각 광 검출 요소들의 어레이를 포함할 수 있다. 제1센서(630), 제2센서(640)는 구조광 프로젝터(610)에 대해 상대적으로 다른 위치에 배치되어 피사체(OBJ)로부터 센싱한 반사광의 세부 정보에 차이가 있다. 제1센서(630)는 반사광(Lr1)을 수신하며, 제2센서(640)는 반사광(Lr2)를 수신할 수 있다.
프로세서(650)는 제1센서(630)에서 수신한 반사광(Lr1)을 분석하여 피사체(OBJ)의 깊이 위치에 대한 제1 정보를 연산할 수 있고, 또한, 제2센서(640)에서 수신한 반사광(Lr2)을 분석하여 피사체(OBJ)의 깊이 위치에 대한 제2정보를 연산할 수 있다. 프로세서(650)는 이들 정보 중 어느 하나 또는 모두를 활용하여 피사체(OBJ)에 대한 깊이 정보를 연산할 수 있다..
본 실시예의 전자 장치(600)는 따라서, 하나의 센서만을 구비하는 전술한 실시예에 비해 정확도를 높일 수 있다. 전자 장치(600)는 서로 다른 두 위치의 제1센서(630), 제2센서(640)에 의해 피사체(OBJ)에 대한 복수 시점(view point)의 영상 정보를 얻을 수 있으므로, 사용 환경에 따라 다양한 방식을 사용하여 피사체(OBJ)에 대한 깊이 정보를 획득할 수 있다. 전자 장치(600)는 예를 들어, 구조광 또는 주변광을 선택적으로 활용하여 피사체(OBJ)에 대한 깊이 정보를 획득할 수도 있다. 즉, 구조광 프로젝터(610)를 오프 상태로 하고 주변광을 활용하여 피사체(OBJ)에 대한 복수 시점의 영상 정보를 얻을 수도 있고, 또는 주변광을 활용한 영상 정보와 구조광을 활용한 영상 정보를 혼합하여 피사체(OBJ)에 대한 깊이 정보를 획득할 수도 있다.
본 실시예에서 설명하는 특정 실행들은 예시들로서, 어떠한 방법으로도 기술적 범위를 한정하는 것은 아니다. 명세서의 간결함을 위하여, 종래 전자적인 구성들, 제어 시스템들, 소프트웨어, 상기 시스템들의 다른 기능적인 측면들의 기재는 생략될 수 있다. 또한, 도면에 도시된 구성 요소들 간의 선들의 연결 또는 연결 부재들은 기능적인 연결 및/또는 물리적 또는 회로적 연결들을 예시적으로 나타낸 것으로서, 실제 장치에서는 대체 가능하거나 추가의 다양한 기능적인 연결, 물리적인 연결, 또는 회로 연결들로서 나타내어질 수 있다.
지금까지, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 예시적인 실시예가 설명되고 첨부된 도면에 도시되었다. 그러나, 이러한 실시예는 단지 본 발명을 예시하기 위한 것이고 이를 제한하지 않는다는 점이 이해되어야 할 것이다. 그리고 본 발명은 도시되고 설명된 설명에 국한되지 않는다는 점이 이해되어야 할 것이다. 이는 다양한 다른 변형이 본 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 일어날 수 있기 때문이다.
100, 510, 610 - 구조광 프로젝터
120, 220 - 광원
122, 222 - 발광 요소
140, 240 - 나노구조 어레이
145, 245 - 수퍼셀
SB_k - 서브셀
NS, NS1 - 나노구조물
SU - 기판

Claims (23)

  1. 광원;
    상기 광원에서의 광으로부터 점 패턴(dot pattern)을 형성하는 것으로,
    복수의 나노구조물을 포함하는 복수의 수퍼 셀(super cell)을 포함하며,
    상기 복수의 수퍼 셀 각각은
    제1 형상 분포를 가지는 복수의 제1 나노구조물을 포함하는 제1 서브셀과
    제2 형상 분포를 가지는 복수의 제2 나노구조물을 포함하는 제2 서브셀을 포함하는 나노구조 어레이;를 포함하는 구조광 프로젝터.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 광원은 복수의 발광 요소를 포함하는, 구조광 프로젝터.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 복수의 발광 요소와 상기 복수의 수퍼 셀은 각각 2차원 주기 격자(periodc lattice) 형태로 배열되는, 구조광 프로젝터.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 복수의 발광 요소 배열의 격자 상수와 상기 복수의 수퍼 셀 배열의 격자 상수의 비율은 유리수인, 구조광 프로젝터.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 복수의 발광 요소와 상기 복수의 수퍼 셀은 같은 형상과 같은 크기의 2차원 주기 격자 형태로 배열되는, 구조광 프로젝터.
  6. 제3항에 있어서,
    상기 복수의 발광 요소와 상기 복수의 수퍼 셀은 형상은 서로 같고 크기가 서로 다른 2차원 주기 격자 형태로 배열되는, 구조광 프로젝터.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 광원과 상기 나노구조 어레이 간의 거리는
    상기 수퍼 셀의 격자 상수가 C이고, 상기 광원에서의 광의 중심 파장이 λ일 때, C2/(2λ)의 정수배인, 구조광 프로젝터.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 제1 형상 분포와 상기 제2 형상 분포는 서로 다른, 구조광 프로젝터.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 제1 서브셀과 상기 제2 서브셀은 같은 면적을 가지는, 구조광 프로젝터.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 수퍼 셀은 제k 형상 분포로 배열된 제k 나노구조물을 포함하는 제k 서브셀(k는 3에서 N 사이의 정수, N은 3보다 큰 정수)들을 더 포함하는, 구조광 프로젝터.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 수퍼 셀에 포함되는 상기 제1 내지 제N 서브 셀들은 2차원 주기 격자 형태로 배열되는, 구조광 프로젝터.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 수퍼 셀에 포함된 서브 셀들은 상기 수퍼 셀의 면적을 균분한 면적을 가지는, 구조광 프로젝터.
  13. 제10항에 있어서,
    상기 제1 내지 제N 서브 셀들에 각각 구비된 복수의 제1나노구조물 내지 복수의 제N 나노구조물의 제1 형상 분포 내지 제N 형상 분포는 모두 다른, 구조광 프로젝터.
  14. 제10항에 있어서,
    상기 제1 내지 제N 서브 셀이 입사광의 위상을 변조하는 위상 프로파일(phase profile)은 소정의 규칙으로 서로 연관되는, 구조광 프로젝터.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 제m 서브 셀(m은 1부터 N 사이의 정수, N은 3 이상의 정수)의 위상 프로파일은 상기 제1 내지 제N 서브 셀 간에 공통되는 로컬 위상 프로파일 성분과 상기 제m 서브 셀이 속한 상기 수퍼 셀의 상대적 위치와 연관되는 글로벌 위상 프로파일 성분으로 구성되는, 구조광 프로젝터.
  16. 제1항에 있어서,
    상기 제1 나노구조물, 제2 나노구조물은 상기 광원에서의 광의 파장보다 작은 형상 치수를 가지는, 구조광 프로젝터.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 복수의 제1 나노구조물의 배열 간격(pitch), 상기 복수의 제2 나노구조물의 배열 간격은 상기 광원에서의 광의 파장의 1/2 이하인, 구조광 프로젝터.
  18. 제16항에 있어서,
    상기 제1 나노구조물, 제2 나노구조물의 높이는 상기 광원에서의 광의 파장의 2/3 이하인, 구조광 프로젝터.
  19. 제1항에 있어서,
    상기 제1 나노구조물, 제2 나노구조물은 주변 물질의 굴절률과의 차이가 0.5이상인 굴절률을 갖는 재질로 이루어지는, 구조광 프로젝터.
  20. 제1항에 있어서,
    상기 점 패턴은
    복수의 점으로 이루어진 랜덤 패턴이 클러스터를 이루며, 상기 클러스터가 규칙적으로 배열된 패턴인, 구조광 프로젝터.
  21. 피사체를 향해 광을 조사하는 제1항의 구조광 프로젝터;
    상기 피사체에서 반사된 광을 수광하는 제1센서;
    상기 제1센서에서 수광한 광을 분석하여 피사체의 깊이 위치에 대한 제1 정보를 연산하는 프로세서;를 포함하는, 전자 장치.
  22. 제21항에 있어서,
    상기 피사체에서 반사된 광을 수광하는 제2센서;를 더 포함하며,
    상기 프로세서는
    상기 제2센서에서 수광한 광을 분석하여 피사체의 깊이 위치에 대한 제2정보를 더 연산하는, 전자 장치.
  23. 제22항에 있어서,
    상기 프로세서는
    상기 제1정보 및/또는 상기 제2정보로부터 피사체에 대한 깊이 정보를 연산하는, 전자 장치.
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