KR20200083101A - 단일 광섬유 기반 초소형 패턴 프로젝터 - Google Patents

단일 광섬유 기반 초소형 패턴 프로젝터 Download PDF

Info

Publication number
KR20200083101A
KR20200083101A KR1020190021880A KR20190021880A KR20200083101A KR 20200083101 A KR20200083101 A KR 20200083101A KR 1020190021880 A KR1020190021880 A KR 1020190021880A KR 20190021880 A KR20190021880 A KR 20190021880A KR 20200083101 A KR20200083101 A KR 20200083101A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
optical fiber
light
pattern
pattern layer
laser light
Prior art date
Application number
KR1020190021880A
Other languages
English (en)
Inventor
정기훈
김재범
서영현
양성표
Original Assignee
한국과학기술원
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 한국과학기술원 filed Critical 한국과학기술원
Priority to KR1020190021880A priority Critical patent/KR20200083101A/ko
Publication of KR20200083101A publication Critical patent/KR20200083101A/ko

Links

Images

Classifications

    • 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
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B26/00—Optical devices or arrangements for the control of light using movable or deformable optical elements
    • G02B26/08—Optical devices or arrangements for the control of light using movable or deformable optical elements for controlling the direction of light
    • G02B26/10—Scanning systems
    • G02B26/101—Scanning systems with both horizontal and vertical deflecting means, e.g. raster or XY scanners
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B26/00—Optical devices or arrangements for the control of light using movable or deformable optical elements
    • G02B26/08—Optical devices or arrangements for the control of light using movable or deformable optical elements for controlling the direction of light
    • G02B26/10—Scanning systems
    • G02B26/103—Scanning systems having movable or deformable optical fibres, light guides or waveguides as scanning elements
    • 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
    • G02B27/10—Beam splitting or combining systems
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B30/00—Optical systems or apparatus for producing three-dimensional [3D] effects, e.g. stereoscopic images
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S3/00—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
    • H01S3/005—Optical devices external to the laser cavity, specially adapted for lasers, e.g. for homogenisation of the beam or for manipulating laser pulses, e.g. pulse shaping
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04N—PICTORIAL COMMUNICATION, e.g. TELEVISION
    • H04N13/00—Stereoscopic video systems; Multi-view video systems; Details thereof
    • H04N13/20—Image signal generators
    • H04N13/204—Image signal generators using stereoscopic image cameras
    • H04N13/254—Image signal generators using stereoscopic image cameras in combination with electromagnetic radiation sources for illuminating objects

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Multimedia (AREA)
  • Signal Processing (AREA)
  • Plasma & Fusion (AREA)

Abstract

본 발명은 3차원 이미징 방법 및 시스템에 사용되는 단일 광섬유를 이용하여 구조광을 형성하는 초소형 패턴 프로젝터에 관한 것이다. 입력단에서 레이저 광과 결합하고, 출력단에서 레이저 광을 출력하는 제1 광섬유; 상기 제1 광섬유와 일체로 구비되고, 상기 제1 광섬유에서 출력된 레이저 광을 콜리메이트된 광으로 형성시키는 제2 광섬유; 및 상기 제2 광섬유의 출력단의 단면에 형성되고, 상기 제2 광섬유에서 출력된 레이저 광을 일정한 패턴을 갖는 구조광으로 변화시키는 미세 패턴층;을 포함한다. 본 발명의 패턴 프로젝터는, 광섬유의 출력단의 단면에 미세 패턴층을 형성하고, 입사광을 전달하는 광섬유의 출력부에 일체로 구비되어 상기 입사광을 콜리메이트한 광으로 변화시키는 콜리메이터를 광섬유로 형성함으로써 최소 125㎛ 외경을 가지게 되어 초소형으로 제작 가능하다.

Description

단일 광섬유 기반 초소형 패턴 프로젝터{Pattern projector based only optical fiber}
본 발명은 3차원 이미징 방법 및 시스템에 사용되는 패턴 프로젝터에 관한 것으로, 단일 광섬유를 이용하여 구조광을 형성하는 초소형 패턴 프로젝터에 관한 것이다.
최근 3차원 입체 영상 서비스에 대한 관심이 점점 증대되면서 입체 영상을 제공하는 장치들이 계속 개발되고 있다. 이러한 입체영상을 구현하는 방식 중에 스테레오 스코픽(stereoscopic) 방식, 시간 측정(TOF: time of flight) 방식, 구조광(structured-light) 방식 등이 있다.
스테레오 스코픽 방식의 기본 원리는, 사람의 좌안과 우안에 서로 직교하도록 배열된 영상을 분리하여 입력하고, 사람의 두뇌에서 좌안과 우안에 각각 입력된 영상이 결합되어 입체 영상이 생성되는 방식이다. 이때, 서로 직교하도록 배열된 영상이 각각 좌안 영상(reft view image) 및 우안 영상(right view image)이 된다. 최근의 3D 카메라는 하나의 장치에서 좌안 영상과 우안 영상을 함께 촬영하도록 구성되고 있다. 예를 들어, 2개의 동일한 카메라를 사용하는 스트레오 방식이 많이 이용된다. 스트레오 방식의 경우에는, 두 카메라를 일정간격(baseline)으로 배치하여 좌우 영상을 별도의 2개의 완전히 독립된 카메라(2개의 렌즈, 2개의 센서, 2개의 ISP)를 사용하여 획득한다.
그러나, 스트레오 방식의 3D 카메라에는 2개의 카메라간의 조립오차에 따른 품질문제가 3D 품질을 저하시켜 고정밀 조립 공정 및 수율저하라는 문제점이 있었다. 또한, 3D depth 측정 범위가 고정된 2개의 카메라간의 간격인 baseline에 의하여 결정되는 문제점이 있었다. 또한 3D 줌렌즈의 경우 초기에 2개의 카메라간의 얼라인(align)이 잘 되어 있어도 줌잉을 하면서 2개의 카메라 간의 오차가 발생하면서 영상이 저하되어 시청자 피로감을 유발시키는 문제점 있었다.
또한, 시간측정(TOF: time of flight) 방식은 물체에 직접적으로 빛을 조사하고, 반사되어 되돌아오는 반사광의 시간을 계산함으로써 물체의 깊이 정보를 획득한다. 이 방식은 TOF 전용 센서의 크기와 높은 파워 소비로 제한적으로 사용되는 문제가 있다.
또한, 구조광(structured light) 방식은 특정 패턴이 코딩된 레이저광을 물체에 조사하고, 반사광의 패턴 이동량을 계산함으로써 물체의 깊이 정보를 획득한다. 이 방식은 일반적으로 고정초점 렌즈와 광회절 소자를 사용한다.
따라서 기존의 구조광 방식의 3차원 입체 영상 제공 시스템에서 사용되는 패턴 프로젝터는 렌즈 또는 광회절 소자를 사용하기 때문에 이들의 물리적인 크기로 인하여 소형화에 제약이 따르고 모바일이나 내시경 등의 의료 기기의 다양한 분야에 적용하기 어려운 문제점이 있다.
본 발명은 대상 물체에 대한 3차원 영상 정보를 획득하기 위하여 입사광을 일정한 패턴을 가지는 구조광으로 변조시켜 대상 물체에 상기 구조광을 조사하는 패턴 프로젝터를 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 3차원 이미징 시스템이 내시경 등의 의료 기기 또는 모바일 기기에 적용 가능하기 위하여 단일 광섬유의 출력단의 단면에 미세 패턴층을 일체로 형성하여 구조광을 조사할 수 있는 초소형의 패턴 프로젝터를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 패턴 프로젝터는 입력단에서 레이저 광과 결합하고, 출력단에서 레이저 광을 출력하는 제1 광섬유; 상기 제1 광섬유와 일체로 구비되고, 상기 제1 광섬유에서 출력된 레이저 광을 콜리메이트된 광(collimated light)으로 형성시키는 제2 광섬유; 및 상기 제2 광섬유의 출력단의 단면에 형성되고, 상기 제2 광섬유에서 출력된 레이저 광을 일정한 패턴을 갖는 구조광으로 변화시키는 미세 패턴층;을 포함한다.
또한, 상기 제2 광섬유는 그레이디드형 광섬유(Graded Index Fiber)인 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 제1 광섬유는 단일 모드 광섬유 또는 다중 모드 광섬유인 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 미세 패턴층은 다만 격자(Dammann grating)인 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 미세 패턴층에 형성되는 다만 격자의 주기 및 수를 변화시킴으로써 상기 미세 패턴층에서 출력되는 구조광의 점 패턴의 수, 간격 및 시야가 변화되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 미세 패턴층에서 출력되는 구조광을 반사시키는 미러 스캐너를 더 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 패턴 프로젝터는 제1항에 따른 패턴 프로젝터들이 복수로 묶인 광섬유 다발로 이루어진다.
본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 이미징 시스템은 제1항 내지 제7항 중에서 선택되어지는 어느 한 항에 따른 패턴 프로젝터; 상기 패턴 프로젝터에서 출력되는 구조광이 조사된 피사체의 영상을 촬영하는 카메라 모듈; 및 상기 카메라 모듈이 촬영한 영상을 처리하여 상기 피사체의 3차원 형상을 복원하는 영상 처리 모듈을 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 구조광 조사 방법은 광섬유에 레이저 광이 결합되는 단계; 상기 광섬유의 출력단의 단면에 일체로 형성된 미세 패턴층이 상기 광섬유에서 출력된 레이저 광을 일정한 패턴을 갖는 구조광으로 변화시키는 단계; 및 상기 구조광이 피사체에 조사되는 단계;를 포함한다.
또한, 상기 광섬유는 제1 광섬유 및 제2 광섬유를 포함하고, 상기 제2 광섬유는 상기 제1 광섬유와 일체로 구비되고, 상기 제1 광섬유에서 출력된 레이저 광을 콜리메이트된 레이저 광(collimated laser light)으로 형성시키는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 미세 패턴층은 다만 격자(Dammann grating)로 형성되어 매트릭스로 배열되는 점 패턴을 갖는 구조광을 형성시키는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 미세 패턴층에 형성되는 다만 격자의 주기 및 수를 변화시킴으로써 상기 미세 패턴층에서 출력되는 구조광의 점 패턴의 수, 간격 및 시야가 변화되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 패턴 프로젝터는 광섬유의 출력단의 단면에 미세 패턴층을 형성하여 입사광을 일정한 패턴을 가지는 구조광으로 변화시켜 구조광을 피사체에 조사할 수 있다.
또한, 미러 스캐너 등을 더 포함하여 높은 밀도와 다양한 시야(FOV:field of view)를 가지는 구조광을 조사함으로써 대상 물체의 3차원 이미지의 해상도를 증가시키고 3차원 형상 깊이에 대한 정량적인 정보를 얻을 수 있다.
또한, 본 발명의 패턴 프로젝터는, 광섬유의 출력단의 단면에 미세 패턴층을 형성하고, 입사광을 전달하는 광섬유의 출력부에 일체로 구비되어 상기 입사광을 콜리메이트한 광으로 변화시키는 콜리메이터를 광섬유로 형성함으로써 최소 125㎛ 외경을 가지게 되어 초소형으로 제작 가능하다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 단일 광섬유 기반 초소형 패턴 프로젝터의 사시도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 단일 광섬유 기반 초소형 패턴 프로젝터의 단면도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 단일 광섬유 기반 초소형 패턴 프로젝터의 정면도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 단일 광섬유 기반 초소형 패턴 프로젝터에서 출력된 구조광을 나타내는 예시적인 도면이다.
도 5는 본 발명에 따른 광섬유 기반 초소형 패턴 프로젝터의 적용 예를 나타내는 도면이다.
도 6은 본 발명에 따른 단일 광섬유 기반 초소형 패턴 프로젝터를 이용하는 3차원 이미징 시스템의 블록도이다.
도 7은 본 발명에 따른 단일 광섬유 기반 초소형 패턴 프로젝터를 이용하여 구조광을 조사하는 방법의 순서도이다.
이하, 상기한 바와 같은 구성을 가지는 본 발명의 실시예들을 첨부된 도면을 참고하여 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 단일 광섬유 기반 초소형 패턴 프로젝터의 사시도를 나타낸다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 단일 광섬유 기반 초소형 패턴 프로젝터(100)는 제1 광섬유(110), 제2 광섬유(120) 및 미세 패턴층(130)을 포함하며, 광원으로부터 입사되는 입사광과 결합하여 입사광을 전달하고 상기 입사광을 일정한 패턴을 가지는 구조광으로 변화시켜 3차원 형상 정보를 얻고자하는 대상 물체에 상기 구조광을 조사한다.
제1 광섬유(110)는 중심에 굴절률이 큰 코어(core)와 굴절률이 작은 클래딩(cladding)이 코어를 감싸고 있으며, 두 개의 단부를 가진다. 일단부는 광이 입사하는 입력단이고 타단부는 광을 출력하는 출력단이다. 제1 광섬유는 상기 입력단에서 광원(미도시)으로부터 입사하는 입사광과 결합하고 코어를 통해 입사광을 전달하여 출력단에서 입사광을 출력한다. 제1 광섬유(110)는 입사되는 광에 따라 단일 모드 광섬유(single-mode fiber) 또는 다중 모드 광섬유(multi-mode fiber) 또는 photonic crystal fiber일 수 있으며, 도 1에 도시된 제1 광섬유(110)는 단일 모드 광섬유이다.
제2 광섬유(120)는 제1 광섬유의 출력단에 용융 접합 등의 방법에 의해 일체로 구비되고, 입력단에서 제1 광섬유(110)에서 출력되는 광과 결합하여 출력단에서 미세 패턴층(130)으로 광을 전달하게 된다. 제1 광섬유에 입력되는 광이 레이저 광인 경우에도 광섬유의 특성상 제1 광섬유에서 출력되는 광은 콜리메이트된 광(collimated light: 분산이나 집중이 매우 적은 평행 광선)이 아닌 출력단에서 퍼져버리는(분산, dispersion) 특성을 갖게 된다. 따라서 제2 광섬유(120)는 제1 광섬유(110)에서 출력된 광을 콜리메이트된 광으로 형성시켜 미세 패턴층(130)에 전달한다.
제2 광섬유(120)는 제1 광섬유(110)에서 출력된 광을 콜리메이트된 광으로 형성시키기 위하여 코어에서 클래딩으로 접근함에 따라 굴절률이 연속적으로 작아지는 그레이디드형 광섬유(GIF : Graded Index Fiber)로 형성된다. 제2 광섬유에서 광은 중심에서는 직진하는데 중심으로부터 벗어난 광은 렌즈 모양으로 굴절되어 중심으로 되돌아오므로 광은 정현파의 경로로 구불구불하게 사행(蛇行)하면서 진행한다. 이때 상기 정현파의 한 주기가 1 피치(pitch)가 되며, 광섬유의 출력단에서 출력되는 광이 콜리메이트된 광이기 위해서는 광섬유의 길이가 4분의 1 피치가 되어야 한다. 따라서 제2 광섬유(120)의 길이방향의 길이는 그레이디드형 광섬유의 피치의 4분의 1 길이로 형성된다.
미세 패턴층(130)은 제2 광섬유의 출력단의 단면에 일체로 형성되고, 광섬유에서 출력된 광을 일정한 패턴을 갖는 구조광으로 변화시킨다. 광섬유의 단면에 미세 패턴층은 e-beam 리소그래피, 집속형 이온 리소그래피, DMD 기반 무마스크 리소그래피, 3D 프린팅, 이광자 리소그래피 등 다양한 방법으로 형성될 수 있다. 미세 패턴층(130)의 패턴 형태에 따라 다양한 패턴을 가지는 구조광의 형성이 가능하며, 예를 들면 미세 패턴층의 패턴이 줄무늬인 경우 구조광은 줄무늬 패턴으로 형성되고, 미세 패턴층의 패턴이 동심원인 경우 구조광은 동심원 패턴으로 형성된다. 본 발명의 일 실시예에 따른 패턴 프로젝터는 미세 패턴층(130)을 다만 격자(Dammann grating)로 형성하여 매트릭스 형태로 배열되는 점(dot) 패턴을 갖는 구조광을 형성한다. 본 발명의 미세 패턴층의 형태는 이에 한정되지 않고 다양한 구조광을 형성하기 위해 다양한 패턴 형태의 변형이 가능하다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 단일 광섬유 기반 초소형 패턴 프로젝터의 단면도를 나타낸다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 단일 광섬유 기반 초소형 패턴 프로젝터(100)는 단일 모드 광섬유로 이루어진 제1 광섬유(110), 그레이디드형 광섬유로 이루어진 제2 광섬유(120), 및 다만 격자로 형성된 미세 패턴층(130)을 포함하며, 각각은 일체로 형성되어 있다. 제1 광섬유(110)는 입력단에서 레이저 광과 결합하고 코어를 통해 이를 전달하고 제1 광섬유의 출력단에서 레이저 광을 출력한다. 제2 광섬유(120)는 제1 광섬유에서 출력되는 분산된 레이저 광을 단면이 확대되고 콜리메이트된 광으로 형성시켜 미세 패턴층(130)에 단면이 확대되고 콜리메이트된 광을 전달한다. 미세 패턴층(130)은 제2 광섬유에서 출력된 레이저 광을 다만 격자를 통해 회절시켜 매트릭스 형태로 배열되는 점 패턴을 갖는 구조광으로 변화시킨다.
이 때, 미세 패턴층에서 회절되는 광은 다음의 수학식을 만족하는 특성을 가진다.
Figure pat00001
여기서,
Figure pat00002
=0, 1, 2 ...의 값을 가지는 차수,
Figure pat00003
은 0차광과
Figure pat00004
차광이 이루는 회절 각도,
Figure pat00005
는 광의 파장,
Figure pat00006
는 격자의 주기를 의미한다.
따라서, 미세 패턴층에 형성되는 다만 격자의 주기(d) 및 수에 따라 구조광의 점 패턴의 수, 간격, 시야 및 광회절 효율이 조절된다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 단일 광섬유 기반 초소형 패턴 프로젝터의 정면도이고, 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 단일 광섬유 기반 초소형 패턴 프로젝터에서 출력된 구조광을 나타내는 예시적인 도면이다.
도 3 및 도 4를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 단일 광섬유 기반 초소형 패턴 프로젝터는 단일 광섬유를 사용하며, 단면의 직경이 약 125㎛이다. 최소 외경 125㎛의 단일 광섬유를 사용하여 초소형의 패턴 프로젝터를 구현함으로써 종래의 패턴 프로젝터들이 가진 렌즈 또는 광회절 소자를 사용함으로 인해 소형화가 어려운 한계점을 극복하고 3차원 형상 깊이 정보가 필요한 모바일 제품이나 내시경 기반의 의료 기기에 본 발명이 적용될 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 단일 광섬유 기반 초소형 패턴 프로젝터는 도 3에 도시된 바와 같이 광섬유의 출력단에 복수의 다만 격자가 매트릭스 형태의 2차원으로 배열되는 미세 패턴층(130)을 가지며, 다만 격자를 통과한 단일 파장의 레이저 광은 도 4에 도시된 바와 같이 7×7 매트릭스 형태로 배열된 점 패턴을 가지는 구조광으로 변화하게 된다. 미세 패턴층에 패터닝 되는 다만 격자의 주기(d) 및 수 등의 패턴 설계를 변경하는 경우 7×7 이상의 점 패턴을 가지는 구조광을 생성할 수 있으며 구조광의 시야 또한 변경할 수 있다.
도 5는 본 발명에 따른 단일 광섬유 기반 초소형 패턴 프로젝터의 적용 예를 나타낸다. 도 5에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 단일 광섬유 기반 초소형 패턴 프로젝터(100)에서 출력된 구조광이 미러 스캐너(150)의 반사면에 조사되는 경우 반사면에서 반사된 광은 패턴 수가 증가되고 시야가 넓어진 구조광이 된다. 이러한 적용이 가능하기 위해서는 패턴 프로젝터(100)에 결합하는 입사광을 변조시키는 것이 필요, 특히 입사광의 진폭에 듀티사이클을 설정하는 것이 필요하며, 상기 미러 스캐너는 멤스 미러 또는 갈바노 미러 스캐너일 수 있으며, 이에 한정되지 않는다. 이 경우 패턴 프로젝터(100)은 광 분파기로서의 역할하고 3차원 이미징 시스템에 적용되는 경우 구조광의 패턴 밀도가 증가되어 3차원 이미지의 해상도를 향상시킬 수 있다.
또한, 본 발명의 단일 광섬유 기반의 초소형 패턴 프로젝터는 광회절 소자를 더 포함할 수 있으며,패턴 프로젝터에서 출력되는 구조광을 광회절 소자를 통해 회절시킴으로써 구조광은 패턴 수가 증가하고 시야가 더 넓어지게 된다. 상기 미러 스캐너를 사용한 경우와 마찬가지로 패턴 프로젝터는 광 분파기의 역할을 하고 3차원 이미징 시스템에 적용되는 경우 구조광의 패턴 밀도가 증가되어 3차원 이미지의 해상도를 향상시킬 수 있다.
또한, 본 발명의 단일 광섬유 기반의 초소형 패턴 프로젝터가 액츄에이터와 같은 구동 수단과 연결되는 경우 내시경과 같이 협소한 공간에 있는 영역을 스캐닝해야 할 때 본 발명은 효율적으로 적용 가능하다. 즉 본 발명의 단일 광섬유 기반의 초소형 패턴 프로젝터는 내시경 등의 의료기기에 내장되는 3D 스캐너의 광원으로 사용될 수 있다.
또한, 본 발명의 단일 광섬유 기반의 초소형 패턴 프로젝터가 여러 개의 광섬유를 다발로 묶어 사용되는 경우 패턴 밀도가 높고 시야가 넓은 구조광을 출력할 수 있으며, 이 경우 복수 개의 광섬유가 하나의 페룰(ferrule) 내에 묶인 상태에서 각 광섬유의 단면에 미세 패턴층이 형성될 수 있다.
도 6은 본 발명에 따른 단일 광섬유 기반 초소형 패턴 프로젝터를 이용하는 3차원 이미징 시스템의 블록도를 나타낸다.
도 6을 참조하면, 본 발명에 따른 3차원 이미징 시스템은 단일 광섬유 기반 초소형 패턴 프로젝터를 이용하며, 패턴 프로젝터(100), 카메라 모듈(200), 영상 처리 모듈(300)을 포함한다. 상기 시스템에서, 패턴 프로젝터(100)는 구조광을 출력하여 피사체에 조사한다. 카메라 모듈(200)은 구조광이 조사된 피사체의 영상을 촬영하고, 영상 처리 모듈(300)은 카메라 모듈(200)이 촬영한 영상을 처리하고 피사체의 표면에 대한 깊이 영상을 생성하여 3차원 형상을 복원한다.
카메라 모듈(200)은 피사체에서 반사되는 광을 모으는 렌즈들과 광 신호를 전기 신호로 전환하는 이미지 센서를 포함하는 일반적인 카메라일 수 있고, 상기 피사체에 조사된 구조광의 패턴을 포함한 피사체의 영상을 캡쳐하여 영상 데이터를 영상 처리 모듈(300)로 전달한다.
영상 처리 모듈(300)은 상기 패턴 프로젝터에서 출력되는 구조광의 기준 패턴이 인코딩된 정보를 가지고 있으며, 상기 패턴 프로젝터의 구조광 출력과 상기 카메라의 촬영이 동기화되도록 제어하며, 상기 카메라 모듈(200)로부터 캡처된 영상을 수신하고, 상기 영상에 좌표를 생성하고, 각 좌표에서 기준 패턴에 대한 피사체(10)에 반사된 패턴의 시프트(shift)량을 삼각 측량법 등에 의해 계산함으로써 피사체의 표면에 대한 깊이 정보를 획득하고 피사체의 3차원 형상을 복원한다. 영상 처리 모듈(300)은 사용자 인터페이스(400)가 전송하는 명령에 의해 동작하며, 사용자 인터페이스(400)와 같은 장치 내에서 상술한 영상 처리 기능을 수행하도록 구성될 수 있다.
도 7은 본 발명에 따른 단일 광섬유 기반 초소형 패턴 프로젝터를 이용하여 구조광을 조사하는 방법의 순서도를 나타낸다.
도 7을 참조하면, 본 발명의 구조광을 조사하는 방법은 광섬유에 광이 결합되는 단계(S10), 광섬유의 출력단의 단면에 일체로 형성된 미세 패턴층이 상기 광섬유에서 출력된 광을 일정한 패턴을 갖는 구조광으로 변화시키는 단계(S20) 및 구조광이 대상 물체에 조사되는 단계(S30)를 포함한다.
상기 광섬유에 광이 결합되는 단계(S10)은 광섬유의 입력단에 광이 입사되어 광섬유의 코어에서 전송된다. 광섬유는 제1 광섬유 및 제2 광섬유를 포함하고, 제1 광섬유는 광과 결합하여 광을 전송하고 출력단에서 출력하며, 제2 광섬유는 제1 광섬유의 출력단에 일체로 구비되어 제1 광섬유에서 출력된 광을 콜리메이트된 광으로 형성시켜 출력단의 단면에 일체로 구비된 미세 패턴층에 콜리메이트된 광을 전달한다.
상기 구조광으로 변화시키는 단계(S20)는 광섬유에서 출력되는 광이 미세 패턴층을 통과하면서 회절되어 일정한 패턴을 갖는 구조광으로 변화하는 단계이다. 미세 패턴층의 패턴 모양에 따라 구조광의 패턴 형태가 달라질 수 있으며, 미세 패턴층이 다만 격자로 형성되어 있는 경우 구조광은 매트릭스로 배열되는 점 패턴을 가지게 된다. 또한, 미세 패턴층에 형성되는 다만 격자의 주기 및 수를 변화시킴으로써 구조광의 점 패턴의 수, 간격 및 시야를 변화시키는 것이 가능하다.
본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시예가 가능하다는 것을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 청구 범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.
1000 : 3차원 이미징 시스템
100 : 패턴 프로젝터
110 : 제1 광섬유 120 : 제2 광섬유
130 : 미세 패턴층 140 : 구조광
150 : 미러 스캐너
200 : 카메라 모듈
300 : 영상 처리 모듈
10 : 스크린

Claims (12)

  1. 입력단에서 레이저 광과 결합하고, 출력단에서 레이저 광을 출력하는 제1 광섬유;
    상기 제1 광섬유와 일체로 구비되고, 상기 제1 광섬유에서 출력된 레이저 광을 콜리메이트된 광(collimated light)으로 형성시키는 제2 광섬유; 및
    상기 제2 광섬유의 출력단의 단면에 형성되고, 상기 제2 광섬유에서 출력된 레이저 광을 일정한 패턴을 갖는 구조광으로 변화시키는 미세 패턴층;을 포함하는 패턴 프로젝터.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제2 광섬유는 그레이디드형 광섬유(Graded Index Fiber)인 것을 특징으로 하는 패턴 프로젝터.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제1 광섬유는 단일 모드 광섬유 또는 다중 모드 광섬유인 것을 특징으로 하는 패턴 프로젝터.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 미세 패턴층은 다만 격자(Dammann grating)인 것을 특징으로 하는 패턴 프로젝터.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 미세 패턴층에 형성되는 다만 격자의 주기 및 수를 변화시킴으로써 상기 미세 패턴층에서 출력되는 구조광의 점 패턴의 수, 간격 및 시야가 변화되는 것을 특징으로 하는 패턴 프로젝터.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 미세 패턴층에서 출력되는 구조광을 반사시키는 미러 스캐너를 더 포함하는 패턴 프로젝터.
  7. 제1항에 따른 패턴 프로젝터들이 복수로 묶인 광섬유 다발로 이루어지는 패턴 프로젝터.
  8. 제1항 내지 제7항 중에서 선택되어지는 어느 한 항에 따른 패턴 프로젝터;
    상기 패턴 프로젝터에서 출력되는 구조광이 조사된 피사체의 영상을 촬영하는 카메라 모듈; 및
    상기 카메라 모듈이 촬영한 영상을 처리하여 상기 피사체의 3차원 형상을 복원하는 영상 처리 모듈을 포함하는 3차원 이미징 시스템.
  9. 광섬유에 레이저 광이 결합되는 단계;
    상기 광섬유의 출력단의 단면에 일체로 형성된 미세 패턴층이 상기 광섬유에서 출력된 레이저 광을 일정한 패턴을 갖는 구조광으로 변화시키는 단계; 및
    상기 구조광이 피사체에 조사되는 단계;를 포함하는 구조광 조사 방법.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 광섬유는 제1 광섬유 및 제2 광섬유를 포함하고, 상기 제2 광섬유는 상기 제1 광섬유와 일체로 구비되고, 상기 제1 광섬유에서 출력된 레이저 광을 콜리메이트된 레이저 광(collimated laser light)으로 형성시키는 것을 특징으로 하는 구조광 조사 방법.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 미세 패턴층은 다만 격자(Dammann grating)로 형성되어 매트릭스로 배열되는 점 패턴을 갖는 구조광을 형성시키는 것을 특징으로 하는 구조광 조사 방법.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 미세 패턴층에 형성되는 다만 격자의 주기 및 수를 변화시킴으로써 상기 미세 패턴층에서 출력되는 구조광의 점 패턴의 수, 간격 및 시야가 변화되는 것을 특징으로 하는 구조광 조사 방법.
KR1020190021880A 2019-02-25 2019-02-25 단일 광섬유 기반 초소형 패턴 프로젝터 KR20200083101A (ko)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020190021880A KR20200083101A (ko) 2019-02-25 2019-02-25 단일 광섬유 기반 초소형 패턴 프로젝터

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020190021880A KR20200083101A (ko) 2019-02-25 2019-02-25 단일 광섬유 기반 초소형 패턴 프로젝터

Publications (1)

Publication Number Publication Date
KR20200083101A true KR20200083101A (ko) 2020-07-08

Family

ID=71600871

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020190021880A KR20200083101A (ko) 2019-02-25 2019-02-25 단일 광섬유 기반 초소형 패턴 프로젝터

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR20200083101A (ko)

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN108779905B (zh) 多模式照明模块和相关方法
CN113777789B (zh) 虚拟/增强现实***中的光束角度传感器
US10182890B2 (en) Camera for recording surface structures, such as for dental purposes
US9273846B1 (en) Apparatus for producing patterned illumination including at least one array of light sources and at least one array of microlenses
JP6238974B2 (ja) 導波路リフレクタアレイプロジェクタを用いる複数の深度平面３次元ディスプレイ
US7413311B2 (en) Speckle reduction in laser illuminated projection displays having a one-dimensional spatial light modulator
EP2700352B1 (en) Tomographic image generation apparatus having modulation and correction device and method of operating the same
CN112578574B (zh) 基于光栅的光波导光场显示***
AU2008209810B2 (en) Refractive production of a concentrically fanned structured bundle of light beams, optical measuring device with refractive deflection element
US5288987A (en) Autofocusing arrangement for a stereomicroscope which permits automatic focusing on objects on which reflections occur
KR101974578B1 (ko) 3차원 영상 획득 장치용 결상 광학계 및 이를 포함하는 3차원 영상 획득 장치
JP2009300268A (ja) ３次元情報検出装置
US9013554B2 (en) Systems and methods for comprehensive focal tomography
CN113302541A (zh) 用于捕获任意平面之间的全光图像的过程和装置
CN105352923A (zh) 一种快速宽视场体全息荧光显微成像***
CN211878344U (zh) 一种激光发射模组和3d成像装置
KR101404183B1 (ko) 홀로그램 생성 장치 및 방법
KR20200083101A (ko) 단일 광섬유 기반 초소형 패턴 프로젝터
CN112859484A (zh) 结构光成像装置的红外激光元件及结构光成像装置
KR102233295B1 (ko) 스트라이프 패턴을 가지는 가변 구조광 생성 장치 및 방법
CN117369197B (zh) 3d结构光模组、成像***及获得目标物体深度图的方法
KR101759253B1 (ko) 3차원 디스플레이장치 및 방법
CN218646268U (zh) 一种基于多点光谱探测的彩色共焦测量装置及其***
CN114578580B (zh) 一种准直背光源、多向背光源及三维显示装置
JP2939944B2 (ja) ３次元物体形状計測装置

Legal Events

Date Code Title Description
E601 Decision to refuse application
G15R Request for early opening