KR20240079631A - 깊이 정보 검출 장치 - Google Patents

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오현지
박귀연
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엘지이노텍 주식회사
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Abstract

본 발명의 실시예에 따른 깊이 정보 검출 장치는 객체에 제1 광신호를 조사하는 발광부, 상기 객체로부터 반사된 제2 광신호를 수신하는 수광부, 그리고 상기 제2 광신호를 이용하여 상기 객체의 깊이 정보를 생성하는 깊이 정보 생성부를 포함하고, 상기 발광부는, 광원, 그리고 상기 광원 상에 배치되는 마이크로 렌즈 어레이를 포함하고, 상기 마이크로 렌즈 어레이는, 적어도 3*3 행렬로 배치되는 복수의 마이크로 렌즈를 포함하고, 상기 3*3 행렬로 배치되는 복수의 마이크로 렌즈는 서로 다른 FoI(Field of Illumination)를 갖는다.

Description

깊이 정보 검출 장치{APPARAUS OF DETECTING DEPTH INFORMATION}
본 발명은 깊이 정보 검출 장치에 관한 것이다.
3 차원 콘텐츠는 게임, 문화뿐만 아니라 교육, 제조, 자율주행 등 많은 분야에서 적용되고 있으며, 3차원 콘텐츠를 획득하기 위하여 깊이 정보(Depth Map)가 필요하다. 깊이 정보는 공간 상의 거리를 나타내는 정보이며, 2차원 영상의 한 지점에 대하여 다른 지점의 원근 정보를 나타낸다. 깊이 정보를 획득하는 방법으로, IR(Infrared) 구조광을 객체에 투사하는 방식, 스테레오 카메라를 이용하는 방식, TOF(Time of Flight) 방식 등이 이용되고 있다.
ToF 방식에 따르면, 비행 시간, 즉 빛을 쏘아서 반사되어 오는 시간을 측정함으로써 물체와의 거리를 계산한다. ToF 방식의 가장 큰 장점은 3차원 공간에 대한 거리 정보를 실시간으로 빠르게 제공한다는 점에 있다. 또한 사용자가 별도의 알고리즘 적용이나 하드웨어적 보정을 하지 않고도 정확한 거리 정보를 얻을 수 있다. 또한 매우 가까운 피사체를 측정하거나 움직이는 피사체를 측정하여도 정확한 깊이 정보를 획득할 수 있다.
한편, 깊이 정보를 획득하기 위하여, 깊이 정보 검출 장치의 발광부는 출력광 신호를 생성하여 객체에 조사하고, 깊이 정보 검출 장치의 수광부는 객체로부터 반사된 입력광 신호를 수신하며, 깊이 정보 검출 장치의 깊이 정보 생성부는 수광부가 수신한 입력광 신호를 이용하여 객체의 깊이 정보를 생성한다.
일반적으로, 깊이 정보를 획득하기 위하여, 깊이 정보 검출 장치의 발광부는 IR 레이저 빔(laser beam)을 소정의 FoI(Field of Illumination)를 가지는 면조명 패턴으로 변환하여 객체에 조사할 수 있다. IR 레이저 빔을 면조명 패턴으로 변환하기 위하여, 깊이 정보 검출 장치의 발광부는 확산 부재를 포함할 수 있으며, 확산 부재의 일 예는 마이크로 렌즈 어레이(micro lens array, MLA)이다.
마이크로 렌즈 어레이의 설계에 따라 면조명 패턴의 균질도가 달라질 수 있으며, 사용자의 눈에 대한 안전도가 달라질 수 있다. 이에 따라, 마이크로 렌즈 어레이의 설계가 중요하다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 높은 정밀도 및 해상도로 깊이 정보의 추출이 가능한 깊이 정보 검출 장치를 제공하는 것이다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 면조명 패턴의 균질도가 높으며, 사용자의 눈에 대한 안전성이 우수한 발광부를 포함하는 깊이 정보 검출 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 실시예에 따른 깊이 정보 검출 장치는 객체에 제1 광신호를 조사하는 발광부, 상기 객체로부터 반사된 제2 광신호를 수신하는 수광부, 그리고 상기 제2 광신호를 이용하여 상기 객체의 깊이 정보를 생성하는 깊이 정보 생성부를 포함하고, 상기 발광부는, 광원, 그리고 상기 광원 상에 배치되는 마이크로 렌즈 어레이를 포함하고, 상기 마이크로 렌즈 어레이는, 적어도 3*3 행렬로 배치되는 복수의 마이크로 렌즈를 포함하고, 상기 3*3 행렬로 배치되는 복수의 마이크로 렌즈는 서로 다른 FoI(Field of Illumination)를 갖는다.
상기 마이크로 렌즈 어레이의 50% 이상은 서로 다른 FoI를 갖는 마이크로 렌즈들일 수 있다.
상기 3*3 행렬로 배치되는 복수의 마이크로 렌즈는 비구면 형상, 곡률 반지름 및 코닉 상수 중 적어도 하나가 서로 다를 수 있다.
상기 3*3 행렬로 배치되는 복수의 마이크로 렌즈는 상기 마이크로 렌즈 어레이의 중심을 포함하는 제1 영역에 배치되고, 상기 마이크로 렌즈 어레이는 상기 제1 영역을 둘러싸는 제2 영역에 배치되는 복수의 마이크로 렌즈를 더 포함하며, 상기 제1 영역에 배치된 복수의 마이크로 렌즈는 비구면 형상, 곡률 반지름 및 코닉 상수 중 적어도 하나가 서로 다를 수 있다.
상기 제2 영역에 배치된 복수의 마이크로 렌즈는 비구면 형상, 곡률 반지름 및 코닉 상수 중 적어도 하나가 서로 다를 수 있다.
상기 제1 영역에 배치된 복수의 마이크로 렌즈는 제1 평균 직경을 갖고, 상기 제2 영역에 배치된 복수의 마이크로 렌즈는 상기 제1 평균 직경과 상이한 제2 평균 직경을 가지며, 상기 제1 영역에 배치된 복수의 마이크로 렌즈는 서로 상이한 직경을 갖고, 상기 제2 영역에 배치된 복수의 마이크로 렌즈는 서로 상이한 직경을 가질 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 깊이 정보 검출 장치는 객체에 제1 광신호를 조사하는 발광부, 상기 객체로부터 반사된 제2 광신호를 수신하는 수광부, 그리고 상기 제2 광신호를 이용하여 상기 객체의 깊이 정보를 생성하는 깊이 정보 생성부를 포함하고, 상기 발광부는, 광원, 그리고 상기 광원 상에 배치되는 마이크로 렌즈 어레이를 포함하고, 상기 마이크로 렌즈 어레이는, 제1 마이크로 렌즈, 그리고 상기 제1 마이크로 렌즈를 가장 인접하게 둘러싸는 복수의 제2 마이크로 렌즈를 포함하고, 상기 복수의 제2 마이크로 렌즈는 서로 다른 FoI를 갖고, 상기 제1 마이크로 렌즈와 상기 복수의 제2 마이크로 렌즈는 서로 다른 FoI를 갖는다.
상기 복수의 제2 마이크로 렌즈는 비구면 형상, 곡률 반지름 및 코닉 상수 중 적어도 하나가 서로 다를 수 있다.
상기 제1 마이크로 렌즈와 상기 복수의 제2 마이크로 렌즈는 비구면 형상, 곡률 반지름 및 코닉 상수 중 적어도 하나가 서로 다를 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따른 깊이 정보 검출 장치는 객체에 제1 광신호를 조사하는 발광부, 상기 객체로부터 반사된 제2 광신호를 수신하는 수광부, 그리고 상기 제2 광신호를 이용하여 상기 객체의 깊이 정보를 생성하는 깊이 정보 생성부를 포함하고, 상기 발광부는, 광원, 그리고 상기 광원 상에 배치되는 마이크로 렌즈 어레이를 포함하고, 상기 마이크로 렌즈 어레이는, 복수의 마이크로 렌즈를 포함하고, 상기 복수의 마이크로 렌즈의 50% 이상은 제1 방향으로 서로 다른 FoI를 갖거나, 상기 복수의 마이크로 렌즈의 50% 이상은 상기 제1 방향과 수직하는 제2 방향으로 서로 다른 FoI를 갖는다.
상기 복수의 마이크로 렌즈의 50% 이상은 비구면 형상, 곡률 반지름 및 코닉 상수 중 적어도 하나가 서로 다를 수 있다.
상기 마이크로 렌즈 어레이는, 제1 평균 직경을 갖는 복수의 제1 마이크로 렌즈를 포함하는 제1 영역, 그리고 상기 제1 영역을 둘러싸고 상기 제1 평균 직경과 상이한 제2 평균 직경을 갖는 복수의 제2 마이크로 렌즈를 포함하는 제2 영역을 포함하고, 상기 복수의 제1 마이크로 렌즈의 직경은 서로 상이하고, 상기 복수의 제2 마이크로 렌즈의 직경은 서로 상이하며, 상기 복수의 제1 마이크로 렌즈와 복수의 제2 마이크로 렌즈는 서로 다른 FoI를 가질 수 있다.
상기 복수의 마이크로 렌즈는, 상기 마이크로 렌즈 어레이의 중심을 포함하는 제1 영역에 배치되는 제1 마이크로 렌즈군, 그리고 상기 제1 영역의 둘레에 배치되고 엣지를 포함하는 제2 영역에 배치되는 제2 마이크로 렌즈군을 포함하고, 상기 제1 마이크로 렌즈군의 렌즈들은 비구면 형상, 곡률 반지름 및 코닉 상수 중 적어도 하나가 서로 다를 수 있다.
상기 제2 마이크로 렌즈군의 렌즈들은 비구면 형상, 곡률 반지름 및 코닉 상수 중 적어도 하나가 서로 다를 수 있다.
상기 제1 방향으로 동일한 곡률 반지름 및 코닉 상수를 가지는 복수의 마이크로 렌즈 중 적어도 일부는 상기 제2 방향으로 곡률 반지름 및 코닉 상수 중 적어도 하나가 다르거나, 상기 제2 방향으로 동일한 곡률 반지름 및 코닉 상수를 가지는 복수의 마이크로 렌즈 중 적어도 일부는 상기 제1 방향으로 곡률 반지름 및 코닉 상수 중 적어도 하나가 다를 수 있다.
본 발명의 한 실시예에 따른 광 출력 장치는 광원; 및 상기 광원 상에 배치되는 마이크로 렌즈 어레이를 포함하고, 상기 마이크로 렌즈 어레이는, 제1 마이크로 렌즈; 및 상기 제1 마이크로 렌즈를 가장 인접하게 둘러싸는 복수의 제2 마이크로 렌즈를 포함하고, 상기 제1 마이크로 렌즈 및 상기 복수의 제2 마이크로 렌즈의 FoI는 서로 다르고, 상기 복수의 제2 마이크로 렌즈 간의 FoI는 서로 다르다.
본 발명의 실시예에 따르면, 면조명 패턴의 균질도가 높으며, 사용자의 눈에 안전하고, 높은 정밀도 및 해상도로 깊이 정보의 추출이 가능한 깊이 정보 검출 장치를 얻을 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 깊이 정보 검출 장치의 블록도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 깊이 정보 검출 장치가 출력하는 출력광 신호를 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 발광부의 개략도이다.
도 4(a)는 균일한 직경을 가지는 마이크로 렌즈 어레이의 3D 도면의 평면도이고, 도 4(b)는 균일한 직경을 가지는 마이크로 렌즈 어레이의 3D 도면의 사시도이다.
도 5는 도 4(a) 및 도 4(b)의 마이크로 렌즈 어레이의 몬테카를로 레이 트레이싱(Monte Carlo Ray tracing) 시뮬레이션 결과이다.
도 6(a)는 도 4(a) 및 도 4(b)의 마이크로 렌즈 어레이의 FDTD 시뮬레이션 결과이며, 도 6(b)는 도 6(a)의 일부 영역의 확대도이다.
도 7(a)는 본 발명의 한 실시예에 따른 마이크로 렌즈 어레이의 3D 도면의 평면도이고, 도 7(b)는 본 발명의 한 실시예에 따른 마이크로 렌즈 어레이의 3D 도면의 사시도이다.
도 8(a)는 X 방향 평균 직경 300.2㎛이고, 표준 편차 10.94㎛로 설정한 가우스 함수 분포를 나타내고, 도 8(b)는 Y 방향 평균 직경 301.2㎛이고, 표준 편차 11.3㎛로 설정한 가우스 함수 분포를 나타낸다.
도 9(a)는 X 방향 평균 FoI 54.02도이고 표준 편차 0.9746도로 설정한 가우스 함수 분포를 나타내고, 도 9(b)는 Y 방향 평균 FoI 62.06도이고 표준 편차 0.9323도로 설정한 가우스 함수 분포를 나타낸다.
도 10은 본 발명의 실시예에 따른 기각 샘플링 절차의 일 예이다.
도 11은 본 발명의 실시예에 따라 설계된 마이크로 렌즈의 직경 및 FoI를 예시한다.
도 12는 도 11의 설계에 따른 마이크로 렌즈 어레이의 센터 위치를 예시한다.
도 13(a)는 도 11의 설계에 따른 X방향 FoI 그래프이고, 도 13(b)는 도 11의 설계에 따른 Y 방향 FoI 그래프이다.
도 14는 도 11의 설계에 따른 발광 이미지이다.
도 15는 본 발명의 다른 실시예에 따른 마이크로 렌즈 어레이의 평면도이다.
도 16은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 마이크로 렌즈 어레이의 평면도이다.
도 17은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 마이크로 렌즈 어레이의 평면도이다.
도 18은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 마이크로 렌즈 어레이를 이루는 마이크로 렌즈의 직경을 설명하기 위한 도면이다.
도 19는 도 17의 제1 영역(710R)의 예이다.
도 20은 본 발명의 실시예에 따른 카메라 장치의 분해도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다.
다만, 본 발명의 기술 사상은 설명되는 일부 실시 예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있고, 본 발명의 기술 사상 범위 내에서라면, 실시 예들간 그 구성 요소들 중 하나 이상을 선택적으로 결합, 치환하여 사용할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에서 사용되는 용어(기술 및 과학적 용어를 포함)는, 명백하게 특별히 정의되어 기술되지 않는 한, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 일반적으로 이해될 수 있는 의미로 해석될 수 있으며, 사전에 정의된 용어와 같이 일반적으로 사용되는 용어들은 관련 기술의 문맥상의 의미를 고려하여 그 의미를 해석할 수 있을 것이다.
또한, 본 발명의 실시예에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다.
본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함할 수 있고, "A 및(와) B, C 중 적어도 하나(또는 한 개 이상)"로 기재되는 경우 A, B, C로 조합할 수 있는 모든 조합 중 하나 이상을 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시 예의 구성 요소를 설명하는 데 있어서, 제1, 제2, A, B, (a), (b) 등의 용어를 사용할 수 있다.
이러한 용어는 그 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성 요소의 본질이나 차례 또는 순서 등으로 한정되지 않는다.
그리고, 어떤 구성 요소가 다른 구성요소에 '연결', '결합' 또는 '접속'된다고 기재된 경우, 그 구성 요소는 그 다른 구성 요소에 직접적으로 연결, 결합 또는 접속되는 경우뿐만 아니라, 그 구성 요소와 그 다른 구성 요소 사이에 있는 또 다른 구성 요소로 인해 '연결', '결합' 또는 '접속' 되는 경우도 포함할 수 있다.
또한, 각 구성 요소의 "상(위) 또는 하(아래)"에 형성 또는 배치되는 것으로 기재되는 경우, 상(위) 또는 하(아래)는 두 개의 구성 요소들이 서로 직접 접촉되는 경우뿐만 아니라 하나 이상의 또 다른 구성 요소가 두 개의 구성 요소들 사이에 형성 또는 배치되는 경우도 포함한다. 또한, "상(위) 또는 하(아래)"으로 표현되는 경우 하나의 구성 요소를 기준으로 위쪽 방향뿐만 아니라 아래쪽 방향의 의미도 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 깊이 정보 검출 장치는 ToF(Time of Flight) 기능을 이용하여 깊이 정보를 추출하는 카메라를 의미할 수 있다. 따라서, 깊이 정보 검출 장치는 카메라 장치, ToF 카메라 장치, ToF 카메라 모듈, ToF 카메라 등과 혼용될 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 깊이 정보 검출 장치의 블록도이고, 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 깊이 정보 검출 장치가 출력하는 출력광 신호를 설명하기 위한 도면이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 깊이 정보 검출 장치(1000)는 발광부(100), 수광부(200), 깊이 정보 생성부(300) 및 제어부(500)를 포함한다.
발광부(100)는 펄스파(pulse wave)의 형태나 지속파(continuous wave)의 형태로 출력광 신호를 생성하여 출력할 수 있다. 지속파는 사인파(sinusoid wave)나 사각파(squared wave)의 형태일 수 있다. 출력광 신호를 펄스파나 지속파 형태로 생성함으로써, 깊이 정보 검출 장치(1000)는 발광부(100)로부터 출력된 출력광 신호와 객체로부터 반사된 후 수광부(200)로 입력된 입력광 신호 사이의 시간 차 또는 위상 차를 검출할 수 있다. 본 명세서에서, 출력광은 발광부(100)로부터 출력되어 객체에 입사되는 광을 의미하고, 입력광은 발광부(100)로부터 출력되어 객체에 도달한 후 객체로부터 반사되어 수광부(200)로 입력되는 광을 의미할 수 있다. 객체의 입장에서 출력광은 입사광이 될 수 있고, 입력광은 반사광이 될 수 있다.
도 2(a)를 참조하면, 발광부(100)는 일정한 주기로 광 펄스(pulse)를 생성할 수 있다. 발광부(100)는 소정의 펄스 반복 주기(tmodulation)로 소정의 펄스 폭(tpulse)을 가지는 광 펄스를 생성할 수 있다.
도 2(b)를 참조하면, 발광부(100)가 생성하는 일정 개수의 광 펄스는 그룹핑(grouping)되어 하나의 위상 펄스(phase pulse)를 이룰 수 있다. 발광부(100)는 소정의 위상 펄스 주기(tphase)와 소정의 위상 펄스 폭(texposure)을 가지는 위상 펄스를 생성할 수 있다. 위상 펄스 폭은 tillumination 또는 tintegration이라 지칭될 수도 있다. 여기서, 하나의 위상 펄스 주기(tphase)는 하나의 서브 프레임에 대응할 수 있다. 서브 프레임(sub-frame)은 위상 프레임(phase frame)으로 불릴 수 있다. 위상 펄스 주기는 소정의 개수로 그룹핑 될 수 있다. 4개의 위상 펄스 주기(tphase)를 그룹핑하는 방식은 4-phase 방식으로 불릴 수 있다. 8개의 주기(tpphase)를 그룹핑하는 방식은 8-phase 방식으로 불릴 수 있다.
도 2(c)를 참조하면, 발광부(100)가 생성하는 일정 개수의 위상 펄스는 그룹핑되어 하나의 프레임 펄스를 이룰 수 있다. 발광부(100)는 소정의 프레임 펄스 주기(tframe)와 소정의 프레임 펄스 폭(tphase group(sub-frame group))을 가지는 프레임 펄스를 생성할 수 있다. 여기서, 하나의 프레임 펄스 주기(tframe)는 하나의 프레임에 대응할 수 있다. 따라서, 10 FPS로 객체를 촬영하는 경우, 1초에 10번의 프레임 펄스 주기(tframe)가 반복될 수 있다. 4-pahse 방식에서, 하나의 프레임에는 4개의 서브 프레임이 포함될 수 있다. 즉, 하나의 프레임은 4개의 서브 프레임을 통해 생성될 수 있다. 8-phase 방식에서, 하나의 프레임에는 8개의 서브 프레임이 포함될 수 있다. 즉, 하나의 프레임은 8개의 서브 프레임을 통해 생성될 수 있다.
상기에서 설명을 위해, 광 펄스, 위상 펄스 및 프레임 펄스의 용어를 이용하였으나, 이에 한정되지 않는다.
다시 도 1을 참조하면, 발광부(100)는 광원(110)과 확산부재(120)를 포함할 수 있다. 광원(110)은 빛을 생성하고, 출력한다. 광원(110)이 생성하는 빛은 파장이 770 내지 3000nm인 적외선 일 수 있다. 또는 광원(110)이 생성하는 빛은 파장이 380 내지 770 nm인 가시광선 일 수 있다. 광원(110)은 발광 다이오드(Light Emitting Diode, LED)를 이용할 수 있으며, 복수의 발광 다이오드가 일정한 패턴에 따라 배열된 형태를 가질 수 있다. 뿐만 아니라, 광원(110)은 유기 발광 다이오드(Organic light emitting diode, OLED)나 레이저 다이오드(Laser diode, LD)를 포함할 수도 있다. 또는, 광원(110)은 VCSEL(Vertical Cavity Surface Emitting Laser)일 수도 있다. VCSEL은 전기 신호를 광 신호로 바꾸어 주는 레이저 다이오드 중 하나이며, 약 800 내지 1000nm인 파장, 예를 들어 약 850nm 또는 약 940nm 파장을 출력할 수 있다. 광원(110)은 일정 시간 간격으로 점멸(on/off)을 반복하여 펄스파 형태나 지속파 형태의 출력광 신호를 생성한다. 일정 시간 간격은 출력광 신호의 주파수일 수 있다.
확산부재(120)는 광원(110)으로부터 출력된 빛을 수신한 후 수신한 빛을 회절시켜 출력할 수 있다. 확산부재(120)는 빛을 집광하고 평행광으로 변환할 수 있다. 확산부재(120)는 마이크로 렌즈 어레이(Micro Lens Array, MLA)일 수 있다.
도시되지 않았으나, 발광부(100)는 추가의 렌즈 어셈블리를 더 포함할 수도 있다. 렌즈 어셈블리(미도시)는 광원(110)으로부터 출력된 빛을 집광하고, 집광된 빛을 외부로 출력할 수 있다. 렌즈 어셈블리는 광원(110)의 상부에서 광원(110)과 이격되어 배치될 수 있다. 여기서, 광원(110)의 상부란 광원(110)으로부터 빛이 출력되는 측을 의미할 수 있다. 렌즈 어셈블리는 적어도 1매의 렌즈를 포함할 수 있다. 렌즈 어셈블리가 복수 매의 렌즈를 포함하는 경우, 각 렌즈들은 중심축을 기준으로 정렬하여 광학계를 형성할 수 있다. 여기서, 중심축은 광학계의 광축(Optical axis)과 동일할 수 있다.
수광부(200)는 객체로부터 반사된 빛을 수신할 수 있다. 수광부(200)는 객체로부터 반사된 광신호를 수신할 수 있다. 이때, 수신되는 광신호는 발광부(100)가 출력한 광신호가 객체로부터 반사된 것일 수 있다.
수광부(200)는 광신호를 수신하기 위하여 렌즈 어셈블리, 필터 및 센서를 포함할 수 있다. 객체로부터 반사된 광신호는 렌즈 어셈블리를 통과할 수 있다. 렌즈 어셈블리의 광축은 센서의 광축과 얼라인(align)될 수 있다. 필터는 렌즈 어셈블리와 센서 사이에 배치될 수 있다. 필터는 객체와 센서 사이의 광경로 상에 배치될 수 있다. 필터는 소정 파장 범위를 갖는 빛을 필터링할 수 있다. 필터는 빛의 특정 파장 대역을 투과시킬 수 있다. 필터는 특정 파장의 빛을 통과시킬 수 있다. 예를 들어, 필터는 적외선 대역의 빛을 통과시키고 적외선 대역 이외의 빛을 차단시킬 수 있다. 센서는 빛을 센싱할 수 있다. 센서는 광신호를 수신할 수 있다. 센서는 광신호를 센싱하는 이미지 센서일 수 있다. 센서는 광신호를 감지하여 전기적 신호로 출력할 수 있다. 센서는 발광 소자에서 출력하는 광의 파장에 대응하는 파장의 광을 감지할 수 있다. 예를 들어, 센서는 적외선 대역의 빛을 감지할 수 있다.
예를 들어, 센서는 광원(110)의 점멸 주기와 동기화되어 입력광 신호를 수신할 수 있다. 구체적으로, 센서는 광원(110)으로부터 출력된 출력광 신호와 동상(in phase) 및 이상(out phase)에서 각각 빛을 수신할 수 있다. 즉, 센서는 광원이 켜져 있는 시간에 입력광 신호를 수신하는 단계와 광원이 꺼져 있는 시간에 입력광 신호를 수신하는 단계를 반복 수행할 수 있다. 센서는 서로 다른 위상차를 가지는 복수의 참조 신호(reference signal)를 이용하여 각 참조 신호에 대응하는 전기 신호를 생성할 수 있다. 참조 신호의 주파수는 광원(110)으로부터 출력된 출력광 신호의 주파수와 동일하게 설정될 수 있다. 따라서, 광원(110)이 복수의 주파수로 출력광 신호를 생성하는 경우, 센서는 각 주파수에 대응하는 복수의 참조 신호를 이용하여 전기 신호를 생성한다. 전기 신호는 각 참조 신호에 대응하는 전하량이나 전압에 관한 정보를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 참조 신호는 4개(C1 내지 C4,미도시)일 수 있다. 각 참조 신호(C1 내지 C4)는 출력광 신호와 동일한 주파수를 가지되, 서로 90도 위상차를 가질 수 있다. 4개의 참조 신호 중 하나(C1)는 출력광 신호와 동일한 위상을 가질 수 있다. 입력광 신호는 출력광 신호가 객체에 입사된 후 반사되어 돌아오는 거리만큼 위상이 지연된다. 센서는 입력광 신호와 각 참조 신호를 각각 믹싱(mixing)한다. 그러면, 센서는 전기 신호를 각 참조 신호별로 생성할 수 있다.
센서는 복수의 픽셀이 그리드 형태로 배열된 구조로 구성될 수 있다. 센서는 CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor) 이미지 센서일 수 있으며, CCD(Charge Coupled Device) 이미지 센서일 수도 있다. 또한, 센서는 객체로부터 반사된 IR 광을 받아들여 시간 또는 위상 차를 이용해 거리를 측정하는 ToF 센서를 포함할 수 있다. 예를 들어, 각 픽셀은 출력광의 파형과 동일 위상에서 입력광 신호를 수신하는 In phase 수신 유닛 및 출력광의 파형과 반대 위상에서 입력광 신호를 수신하는 Out phase 수신 유닛을 포함할 수 있다. In phase 수신 유닛 및 Out phase 수신 유닛이 시간 차를 두고 활성화되면, 객체와의 거리에 따라 In phase 수신 유닛과 Out phase 수신 유닛이 수신하는 빛의 양에 차이가 발생하며, 이를 이용하여 객체의 거리가 연산될 수 있다.
수광부(200)와 발광부(100)는 나란히 배치될 수 있다. 수광부(200)는 발광부(100) 옆에 배치될 수 있다. 수광부(200)는 발광부(100)와 같은 방향으로 배치될 수 있다.
깊이 정보 생성부(300)는 수광부(200)에 입력된 입력광 신호를 이용하여 객체의 깊이 정보를 생성할 수 있다. 예를 들어, 깊이 정보 생성부(300)는 발광부(100)로부터 출력된 출력광 신호가 객체로부터 반사된 후 수광부(200)에 입력되기까지 걸리는 비행시간을 이용하여 객체의 깊이 정보를 계산할 수 있다. 예를 들어, 깊이 정보 생성부(300)는 센서로부터 수신한 전기신호를 이용하여 출력광 신호와 입력광 신호 사이의 위상차를 계산하고, 계산된 위상차를 이용하여 객체와 카메라 장치(1000) 사이의 거리를 계산한다.
구체적으로, 깊이 정보 생성부(300)는 전기신호의 전하량 정보를 이용하여 출력광 신호와 입력광 신호 사이의 위상차를 계산할 수 있다.
상기에서 살펴본 바와 같이, 출력광 신호의 주파수마다 4개의 전기신호가 생성될 수 있다. 따라서, 깊이 정보 생성부(300)는 아래의 수학식 1을 이용하여 출력광 신호와 입력광 신호 사이의 위상차(td)를 계산할 수 있다.
여기서, Q1 내지 Q4는 4개의 전기 신호 각각의 전하 충전량이다. Q1은 출력광 신호와 동일한 위상의 기준신호에 대응하는 전기신호의 전하량이다. Q2는 출력광 신호보다 위상이 180도 느린 기준신호에 대응하는 전기신호의 전하량이다. Q3는 출력광 신호보다 위상이 90도 느린 기준신호에 대응하는 전기신호의 전하량이다. Q4는 출력광 신호보다 위상이 270도 느린 기준신호에 대응하는 전기신호의 전하량이다.
그러면, 깊이 정보 생성부(300)는 출력광 신호와 입력광 신호의 위상차를 이용하여 객체와 카메라 장치(1000) 사이의 거리를 계산할 수 있다. 이때, 깊이 정보 생성부(300)는 아래의 수학식 2를 이용하여 객체와 카메라 장치(1000) 사이의 거리(d)를 계산할 수 있다.
여기서, c는 빛의 속도이고, f는 출력광의 주파수이다.
제어부(500)는 발광부(100), 수광부(200) 및 깊이 정보 생성부(300)의 구동을 제어한다. 깊이 정보 생성부(300) 및 제어부(500)는 PCB(printed circuit board)의 형태로 구현될 수 있다. 또한, 깊이 정보 생성부(300) 및 제어부(500)는 다른 구성의 형태로 구현될 수도 있다. 또는, 제어부(500)는 본 발명의 실시예에 따른 카메라 장치(1000)가 배치된 단말에 포함될 수도 있다. 예를 들어, 제어부(500)는 본 발명의 실시예에 따른 카메라 장치(1000)가 탑재된 스마트폰의 어플리케이션 프로세서(Application Processor, AP)의 형태로 구현될 수 있다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 발광부의 개략도이다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 발광부(100)는 광원(110) 및 확산부재(120)를 포함한다.
본 발명의 실시예에 따르면, 광원(110)은 복수의 발광소자(112)를 포함할 수 있다. 구체적으로, 광원(110)은 기판(111) 상에 복수의 발광소자(112)가 소정의 규칙에 따라 배열되는 어레이 형태로 구현될 수 있다. 기판(111)은 제1면과 제2면을 포함하며, 기판(111)의 제1면에는 복수의 광출구(aperture)가 형성될 수 있고, 복수의 발광소자(112)는 복수의 광출구에 대응하여 기판(111)상에 배치될 수 있다. 광원(110)은 광출구를 통해 빛을 출력하며, 빛은 소정의 발산각으로 출력될 수 있다. 복수의 발광소자(112)는 수직 캐비티 표면 광방출 레이저 (vertical-cavity surface-emitting laser, VCSEL)일 수 있다.
확산부재(120)는 몸체부(121) 부분과 복수의 마이크로 렌즈(122) 부분으로 구분될 수 있다. 구체적으로, 확산부재(120)는 몸체부(121) 상에 복수의 마이크로 렌즈(122)가 소정의 규칙에 따라 배치된 형상일 수 있다. 확산부재(120)는 몸체부(121)와 복수의 마이크로 렌즈(122)가 일체로 형성될 수 있다. 이때, 몸체부(121)와 마이크로 렌즈(122)는 서로 동일한 소재로 형성될 수 있다. 몸체부(121)는 플레이트(plate) 형상일 수 있다. 이에 따라, 확산부재(120)는 마이크로 렌즈 어레이(micro lens array, MLA)일 수 있다.
확산부재(120)는 광원(110)으로부터 빛을 입력받는 제1면과 빛을 출력하는 제2면으로 구분될 수 있다. 확산부재(120)의 제2면은 수평면 또는 곡면을 포함할 수 있으며, 확산부재(120)의 제1면에는 복수의 마이크로 렌즈(122)가 배치될 수 있다.
복수의 마이크로 렌즈(122)는 소정의 직경을 가질 수 있다. 복수의 마이크로 렌즈(122)는 복수의 마이크로 렌즈의 광선속 집중도 중 최대값이 소정의 값을 넘지 않도록 직경이 설정될 수 있다. 여기서, 광선속 집중도는 광원(110)이 출력하는 전체 에너지 대비 하나의 마이크로 렌즈에 입사되는 광선속의 비율을 의미할 수 있다. 이에 따르면, 하나의 마이크로 렌즈에 집중되는 에너지를 분산시켜 사용자의 눈에 대한 안전성을 높일 수 있다. 여기서, 사용자는 깊이 정보 검출 장치(1000)의 객체 또는 깊이 정보 검출 장치(1000) 주변에 위치하는 사람 등일 수 있다.
확산부재(120)는 발광소자(112)에 의해 출력된 레이저 빔을 면조명 패턴으로 변환한다. 여기서, 면조명 패턴은 소정 영역 내에 빛이 균일하게 퍼진 형태로, 플루드(flood) 조명 패턴, 면 광원 패턴 등과 혼용될 수 있다. 여기서 균일하다고 함은 빛이 공간상에 연속적으로 퍼져 있음을 의미할 수 있다. 면조명 패턴의 경우에는 빛이 공간상에 균일하게(연속적으로) 퍼지므로, 면조명 패턴의 빛을 객체에 조사할 경우, 높은 해상도의 깊이 정보를 획득할 수 있는 장점이 있다.
이때, 확산부재(120), 즉 마이크로 렌즈 어레이를 이루는 복수의 마이크로 렌즈의 크기가 균일한 경우, 레이저 빔의 코히런트(coherent) 특성에 의해 보강 간섭 또는 상쇄 간섭이 일어나, 면조명 패턴의 균질도가 떨어질 수 있다.
더욱 구체적으로 설명하면, 코히런트 특성을 가지는 레이저 빔이 일정한 격자 주기를 가지는 슬릿을 통과할 때, 수학식 3에 의해 회절이 발생할 수 있다. 즉, 특정 파장의 빛의 위상이 격자주기를 만나 보강 간섭과 상쇄 간섭을 일으키며 회절이 발생하게 되고, 보강 간섭에 의해 특정 각도에서 밝아지거나, 어두워지는 현상이 발생할 수 있으며, 이는 회절차수로 정의될 수 있다.
여기서, d는 격자주기(grating period)이고, θ는 회절각도(diffraction angle)이며, m은 회절차수(diffraction order)이고, λ는 파장을 의미한다.
또한, 슬릿의 격자주기의 개수가 많아질수록 보강 간섭 및 상쇄 간섭이 더욱 강화되기 때문에, 회절각도 θ에서 빛의 세기는 수학식 4와 같다.
여기서, I는 전기장의 빛의 세기이고, d는 격자주기이며, N은 1mm 내에 있는 격자주기의 개수(d/1mm)이고, θ는 회절각도(diffraction angle)이며, λ는 파장을 의미한다.
도 4(a)는 균일한 직경을 가지는 마이크로 렌즈 어레이의 3D 도면의 평면도이고, 도 4(b)는 균일한 직경을 가지는 마이크로 렌즈 어레이의 3D 도면의 사시도이며, 도 5는 도 4(a) 및 도 4(b)의 마이크로 렌즈 어레이의 몬테카를로 레이 트레이싱(Monte Carlo Ray tracing) 시뮬레이션 결과이며, 도 6(a)는 도 4(a) 및 도 4(b)의 마이크로 렌즈 어레이의 FDTD 시뮬레이션 결과이며, 도 6(b)는 도 6(a)의 일부 영역의 확대도이다.
도 4(a) 및 도 4(b)에 따른 마이크로 렌즈 어레이는 복수의 마이크로 렌즈가 어레이 형상으로 배열되며, 복수의 마이크로 렌즈는 모두 동일한 직경을 가지도록 설계되었다.
도 4(a), 도 4(b), 도 5, 도 6(a) 및 도 6(b)를 참조하면, 균일한 직경을 가지는 마이크로 렌즈 어레이의 몬테카를로 레이 트레이싱 시뮬레이션 결과, 주변부의 가장자리 각(edge angle)이 예리하게 형성되며, 균일한 직경을 가지는 마이크로 렌즈 어레이의 FDTD 시뮬레이션 결과 회절로 인한 보강 간섭이 강하게 발생함을 알 수 있다.
본 발명의 실시예에서는, 확산부재를 이루는 마이크로 렌즈의 설계를 통하여 빛의 세기의 편차를 줄이고, 면조명 패턴의 균질도를 증가시키고자 한다.
본 발명의 실시예에 따르면, 확산부재는 서로 다른 직경을 가지고, 서로 다른 FoI를 갖는 복수의 마이크로 렌즈를 포함한다.
도 7(a)는 본 발명의 한 실시예에 따른 마이크로 렌즈 어레이의 3D 도면의 평면도이고, 도 7(b)는 본 발명의 한 실시예에 따른 마이크로 렌즈 어레이의 3D 도면의 사시도이다.
도 7(a) 및 도 7(b)를 참조하면, 본 발명의 한 실시예에 따른 마이크로 렌즈 어레이(700)는 복수의 마이크로 렌즈(701)를 포함한다.
본 발명의 실시예에 따르면, 복수의 마이크로 렌즈(701)의 50% 이상, 바람직하게는 60% 이상, 더욱 바람직하게는 70% 이상은 서로 다른 직경을 가진다. 여기서, 복수의 마이크로 렌즈(701)는 제1 방향 및 제1 방향에 수직하는 제2 방향을 따라 2차원으로 배치된다. 여기서, 제1 방향은 X 방향이라 지칭되고, 제2 방향은 Y 방향이라 지칭될 수 있다. 이에 따라, 복수의 마이크로 렌즈(701)의 50% 이상, 바람직하게는 60% 이상, 더욱 바람직하게는 70% 이상은 제1 방향으로 서로 다른 직경을 가질 수 있다. 또는, 복수의 마이크로 렌즈(701)의 50% 이상, 바람직하게는 60% 이상, 더욱 바람직하게는 70% 이상은 제2 방향으로 서로 다른 직경을 가질 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 복수의 마이크로 렌즈(701)의 50% 이상, 바람직하게는 60% 이상, 더욱 바람직하게는 70% 이상은 서로 다른 FoI(Field of Illumination)을 가진다. 여기서, FoI는 각 마이크로 렌즈의 비구면 형상, 곡률 반지름 및 코닉 상수에 의해 정의된다. 이에 따라, 복수의 마이크로 렌즈(701)의 50% 이상, 바람직하게는 60% 이상, 더욱 바람직하게는 70% 이상은 비구면 형상, 곡률 반지름 및 코닉 상수가 서로 다를 수 있다. 여기서, 복수의 마이크로 렌즈는 제1 방향 및 제2 방향을 따라 2차원으로 배치된다. 이에 따라, 복수의 마이크로 렌즈의 50% 이상, 바람직하게는 60% 이상, 더욱 바람직하게는 70% 이상은 제1 방향으로 서로 다른 FoI를 가질 수 있다. 또는, 복수의 마이크로 렌즈의 50% 이상, 바람직하게는 60% 이상, 더욱 바람직하게는 70% 이상은 제2 방향으로 서로 다른 FoI를 가질 수 있다. 즉, 복수의 마이크로 렌즈의 50% 이상, 바람직하게는 60% 이상, 더욱 바람직하게는 70% 이상은 제1 방향으로 서로 다른 비구면 형상, 곡률 반지름 및 코닉 상수 중 적어도 하나를 가질 수 있다. 또는, 복수의 마이크로 렌즈의 50% 이상, 바람직하게는 60% 이상, 더욱 바람직하게는 70% 이상은 제2 방향으로 서로 다른 비구면 형상, 곡률 반지름 및 코닉 상수 중 적어도 하나를 가질 수 있다.
이와 같이, 복수의 마이크로 렌즈의 50% 이상, 바람직하게는 60% 이상, 더욱 바람직하게는 70% 이상이 서로 다른 직경 및/또는 서로 다른 FoI를 가지는 경우, 간섭에 의한 회절 현상이 최소화되고, 면조명 패턴의 균질도가 증가하며, 사용자의 눈에 더욱 안전하다.
본 발명의 실시예에 따르면, 서로 다른 직경 및/또는 서로 다른 FoI를 갖는 복수의 마이크로 렌즈는 수학식 5에 의해 정의되는 영역 a 내에 배치된다.
여기서, a는 최대 광강도의 1/e2배 광강도가 도달하는 영역의 너비이고, D는 광원(110)으로부터 확산부재(700)까지의 거리를 의미하며, θ는 광원(110)의 최대 광강도의 1/e2배 광강도가 출력되는 각도로 정의될 수 있다.
이와 관련하여 도 3을 참조하면, 광원(110)과 마이크로 렌즈 어레이(700)는 소정의 거리(D)만큼 이격되어 배치된다. 그리고, 발광소자(112)는 소정의 각도(θ)로 빛을 출력한다. 발광소자(112)의 중심으로부터 기판(111)에 수직한 가상의 법선을 이으면, 가상의 법선과 빛이 이루는 각도(θ/2)는 발광소자(112)가 출력하는 빛의 발산 각도(θ)의 절반이 된다. 복수의 발광소자(112)는 모두 동일한 규격일 수 있으며, 복수의 발광소자(112)가 빛을 출력하는 발산 각도(θ)는 서로 동일할 수 있다.
예를 들어, 발광소자(112)는 광축을 기준으로 -20도에서 20도까지 소정의 에너지를 방출할 수 있다. 하지만 -15도나 +15도 혹은 -15도 이하나 15도 이상의 각도에서는 에너지량이 거의 0에 가까운 것을 알 수 있다. 즉, 대부분의 에너지는 발광소자의 광축을 기준으로 소정의 각도 내에서 존재한다. 따라서, 에너지량이 0이 아닌 모든 각도를 발광소자의 발산 각도로 설정하는 것은 비효율적이며, 일정량 이상의 에너지를 발산하는 각도를 발광소자의 발산 각도로 설정하는 것이 효율적이다. 이에 따라, 광원(110)의 발산 각도를 광원(110)의 최대 광강도의 1/e2배 광강도가 출력되는 각도로 설정할 수 있으며, 수학식 5에 의해 정의되는 영역 a를 유효 광 영역이라 지칭할 수 있다.
여기서, 복수의 마이크로 렌즈의 서로 다른 직경은 난수 생성에 의하여 설계될 수 있다. 본 발명의 실시예에 따르면, 마이크로 렌즈의 직경을 위한 난수 생성은 미리 설정된 평균 직경 및 표준 편차에 따른 가우스 함수 분포를 이용하여 설계될 수 있다. 본 발명의 실시예에 따르면, 마이크로 렌즈의 직경은 마이크로 렌즈의 개수만큼의 기각 샘플링에 의해 추출될 수 있다.
이와 마찬가지로, 복수의 마이크로 렌즈의 서로 다른 FoI는 난수 생성에 의하여 설계될 수 있다. 본 발명의 실시예에 따르면, 마이크로 렌즈의 FoI를 위한 난수 생성은 미리 설정된 평균 FoI 및 표준 편차에 따른 가우스 함수 분포를 이용하여 설계될 수 있다. 본 발명의 실시예에 따르면, 마이크로 렌즈의 FoI는 마이크로 렌즈의 개수만큼의 기각 샘플링에 의해 추출될 수 있다.
수학식 6은 가우스 함수를 나타낸다.
여기서, x는 변수이고, μ는 평균이며, σ는 표준 편차이다.
도 8(a)는 X 방향 평균 직경 300.2㎛이고, 표준 편차 10.94㎛로 설정한 가우스 함수 분포를 나타내고, 도 8(b)는 Y 방향 평균 직경 301.2㎛이고, 표준 편차 11.3㎛로 설정한 가우스 함수 분포를 나타내고, 도 9(a)는 X 방향 평균 FoI 54.02도이고 표준 편차 0.9746도로 설정한 가우스 함수 분포를 나타내고, 도 9(b)는 Y 방향 평균 FoI 62.06도이고 표준 편차 0.9323도로 설정한 가우스 함수 분포를 나타낸다.
한편, 도 8(a) 내지 도 9(b)와 같은 정규 분포로부터 난수를 직접 추출하는 데에는 어려움이 있을 수 있다. 이에, 본 발명의 실시예에서는 기각 샘플링을 이용하여 복수의 마이크로 렌즈의 직경 및/또는 FoI에 대한 난수를 추출할 수 있다.
이를 위하여, 수학식 6의 가우스 함수에 대한 덮개 함수(envelope function)를 정의한다. 덮개 함수는 수학식 6의 가우스 함수와 유사한 형태를 가지되, 변수를 가질 수 있는 모든 값에 대해서 수학식 6의 가우스 함수보다 큰 값을 가진다. 수학식 7은 수학식 6의 가우스 함수에 대한 덮개 함수이다.
여기서, x는 변수이고, μ는 평균이며, σ는 표준 편차이다.
본 발명의 실시예에 따르면, 덮개 함수인 수학식 7로부터 난수를 추출한다. 수학식 8은 덮개 함수인 수학식 7로부터 연속균등분포를 이용하여 난수를 발생시키는 함수이다.
도 10은 본 발명의 실시예에 따른 기각 샘플링 절차의 일 예이다. 본 발명의 실시예에 따르면, 수학식 8로부터 추출한 난수에서 수학식 6의 가우스 함수와 수학식 7의 덮개 함수를 비교하며, 비교 결과에 따라 난수를 받아 들일지 기각할지 결정될 수 있다. 수학식 6의 가우스 함수와 수학식 7의 덮개 함수를 비교하면, 평균값에서 멀리 떨어질수록 차이가 크고, 평균값과 가까울수록 차이가 적다. 이에 따라, 평균값에 가까운 난수를 받아들이는 것이 유리하다.
한편, 복수의 마이크로 렌즈에 포함되는 각 마이크로 렌즈는 비구면 형상을 가질 수 있다. 각 마이크로 렌즈의 비구면 형상은 이미지 높이, 곡률 반지름 및 코닉 상수에 의해 정의될 수 있다. 예를 들어, 각 마이크로 렌즈의 비구면 형상은 수학식 9에 의해 정의될 수 있다.
여기서, Z는 렌즈의 비구면 형상이고, h는 이미지 높이이며, R은 곡률 반지름이고, K는 코닉 상수이다.
마이크로 렌즈 어레이는 2차원으로 배열되기 때문에, 각 마이크로 렌즈의 비구면 형상은 수학식 10에 의해 정의될 수 있다.
여기서, x는 X축 이미지 높이이고, y는 Y축 이미지 높이이며, Rx는 X축 곡률 반지름이고, Ry는 Y축 곡률 반지름이며, Kx는 x축 코닉상수이고, Ky는 Y축 코닉 상수이다.
마이크로 렌즈를 통과하는 레이저 빔의 FoI는 비구면 형상에 의해 정의될 수 있다. 이에 따라, 본 발명의 실시예에서는, 복수의 마이크로 렌즈가 서로 다른 FoI를 가지도록 설계하기 위하여, 마이크로 렌즈의 비구면 형상, 곡률 반지름 및 코닉 상수 중 적어도 하나를 난수 생성할 수도 있다. 예를 들어, 마이크로 렌즈의 비구면 형상, 곡률 반지름 및 코닉 상수 중 적어도 하나를 위한 난수는 미리 설정된 평균 값 및 표준 편차에 따른 가우스 함수 분포를 이용하여 생성될 수 있으며, 마이크로 렌즈의 개수만큼의 기각 샘플링에 의해 추출될 수 있다. 마이크로 렌즈의 비구면 형상, 곡률 반지름 및 코닉 상수 중 적어도 하나를 위한 난수는 수학식 6 내지 수학식 9 및 도 10을 참조하여 설명한 기각 샘플링에 의해 설계될 수 있다.
이에 따라, 본 발명의 실시예에 따른 마이크로 렌즈 어셈블리(700)에서 복수의 마이크로 렌즈의 50% 이상, 바람직하게는 60% 이상, 더욱 바람직하게는 70% 이상은 비구면 형상, 곡률 반지름 및 코닉 상수 중 적어도 하나가 서로 다를 수 있다. 마이크로 렌즈 어셈블리(700)는 2차원으로 배열되므로, 복수의 마이크로 렌즈의 50% 이상, 바람직하게는 60% 이상, 더욱 바람직하게는 70% 이상은 제1 방향으로 비구면 형상, 곡률 반지름 및 코닉 상수 중 적어도 하나가 서로 다르거나, 제2 방향으로 비구면 형상, 곡률 반지름 및 코닉 상수 중 적어도 하나가 서로 다를 수 있다. 이때, 제1 방향으로 동일한 곡률 반지름 및 코닉 상수를 가지는 복수의 마이크로 렌즈 중 적어도 일부는 제2 방향으로 곡률 반지름 및 코닉 상수 중 적어도 하나가 다르거나, 제2 방향으로 동일한 곡률 반지름 및 코닉 상수를 가지는 복수의 마이크로 렌즈 중 적어도 일부는 제1 방향으로 곡률 반지름 및 코닉 상수 중 적어도 하나가 다를 수 있다.
도 11은 본 발명의 실시예에 따라 설계된 마이크로 렌즈의 직경 및 FoI를 예시하며, 도 12는 도 11의 설계에 따른 마이크로 렌즈 어레이의 센터 위치를 예시하고, 도 13(a)는 도 11의 설계에 따른 X방향 FoI 그래프이고, 도 13(b)는 도 11의 설계에 따른 Y 방향 FoI 그래프이며, 도 14는 도 11의 설계에 따른 발광 이미지이다.
도 11을 참조하면, X pitch는 X 방향 직경, Y pitch는 Y 방향 직경, X_k는 X 방향 코닉 상수, X_R은 X 방향 곡률 반지름, Y_k는 Y 방향 코닉 상수, Y_R은 Y 방향 곡률 반지름, X FoI_simul.은 X 방향 FoI, Y FoI_simul.은 Y 방향 FoI를 나타낸다. 복수의 마이크로 렌즈의 X 방향 평균 직경 300.2㎛이고 표준 편차 10.94㎛이며, Y 방향 평균 직경 301.2㎛이고 표준 편차 11.3㎛이며, X 방향 평균 FoI 54.02도이고 표준 편차 0.9746도이며, Y 방향 평균 FoI 62.06도이고 표준 편차 0.9323도이며, 샘플 개수를 36으로 설정하여, 본 발명의 실시예에 따른 난수 생성 방법에 따라 설계한 결과이다. 이로부터, 36개의 마이크로 렌즈의 직경이 모두 서로 상이하며, FoI가 모두 서로 상이함을 알 수 있다.
도 12를 참조하면, 6*6 행렬의 격자 내에서 균일한 position은 각 격자의 센터 위치를 의미하고 Random한 position은 도 11의 설계에 따라 생성된 복수의 마이크로 렌즈의 센터 위치를 의미한다. 이에 따르면, 도 11의 설계에 따라 생성된 복수의 마이크로 렌즈의 센터 위치는 랜덤하게 배치됨을 알 수 있다.
도 13(a) 및 도 13(b)를 참조하면, MLA 7, MLA 9, MLA 29, MLA 31과 같이 각 마이크로 렌즈는 각 FoI를 가지지만, MLA1~MLA36의 전체 FoI인 Random MLA는 미리 설계된 평균 FoI에 수렴함을 알 수 있다.
도 14를 참조하면, 36개의 MLA 7로 이루어진 마이크로 렌즈 어레이, 36개의 MLA 9로 이루어진 마이크로 렌즈 어레이, 36개의 MLA 29로 이루어진 마이크로 렌즈 어레이 및 36개의 MLA 31로 이루어진 마이크로 렌즈 어레이보다 MLA 1 내지 MLA 36을 포함하는 마이크로 렌즈 어레이가 회절 현상 억제 및 면조명 패턴의 균질화에 효과적임을 알 수 있다.
다시 도 7을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 확산부재(700)는 마이크로 렌즈 어레이를 포함하고, 마이크로 렌즈 어레이는 복수의 마이크로 렌즈를 포함하며, 마이크로 렌즈 어레이의 50% 이상은 서로 다른 FoI를 갖는 마이크로 렌즈들이다.
이때, 마이크로 렌즈 어레이는 N*M 행렬로 배치되는 복수의 마이크로 렌즈를 포함한다. 여기서, N 및 M은 각각 3 이상의 정수이고, 서로 동일하거나, 상이할 수 있다. 본 발명의 실시예에 따르면, 적어도 3*3 행렬로 배치되는 복수의 마이크로 렌즈는 서로 다른 FoI를 가진다. 전술한 바와 같이, FoI는 비구면 형상, 곡률 반지름 및 코닉 상수에 의해 정의되므로, 3*3 행렬로 배치되는 복수의 마이크로 렌즈는 비구면 형상, 곡률 반지름 및 코닉 상수 중 적어도 하나가 서로 다를 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 서로 다른 직경 및/또는 서로 다른 FoI를 갖는 50% 이상, 바람직하게는 60% 이상, 더욱 바람직하게는 70% 이상의 복수의 마이크로 렌즈는 동일한 직경 및/또는 동일한 FoI를 갖는 다른 복수의 마이크로 렌즈 사이에 서로 분산되어 분포될 수 있다. 또는, 서로 다른 직경 및/또는 서로 다른 FoI를 갖는 50% 이상, 바람직하게는 60% 이상, 더욱 바람직하게는 70% 이상의 복수의 마이크로 렌즈는 동일한 직경 및/또는 동일한 FoI를 갖는 다른 복수의 마이크로 렌즈 사이에 서로 인접하여 배치될 수 있다.
도 15는 본 발명의 다른 실시예에 따른 마이크로 렌즈 어레이의 평면도이다. 설명의 편의를 위하여, 도 1 내지 도 14를 참고하여 설명한 내용과 동일한 내용에 대해서는 중복된 설명을 생략한다.
도 15를 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 마이크로 렌즈 어레이(700)는 마이크로 렌즈 어레이(700)의 중심을 포함하는 제1 영역(700R1) 및 제1 영역(700R1)을 둘러싸며, 마이크로 렌즈 어레이(700)의 가장자리를 포함하는 제2 영역(700R2)으로 구분될 수 있다.
제1 영역(700R1)은 적어도 3*3 행렬의 복수의 마이크로 렌즈를 포함하며, 제1 영역(700R1)에 포함된 복수의 마이크로 렌즈는 서로 다른 FoI를 가질 수 있다. 이때, 제1 영역(700R1)에 포함된 복수의 마이크로 렌즈의 서로 다른 FoI는 평균 FoI의 0.9 내지 1.1배일 수 있다. 이때, 서로 다른 FoI는 수학식 6 내지 8 및 도 10에 관한 설명을 참고하여 난수 생성에 의하여 설계될 수 있다. 제1 영역(700R1)에 포함된 복수의 마이크로 렌즈는 제1 방향으로 서로 다른 FoI를 가지거나, 제2 방향으로 서로 다른 FoI를 가질 수 있다. 즉, 제1 영역(700R1)에 포함된 복수의 마이크로 렌즈는 제1 방향으로 서로 다른 비구면 형상, 곡률 반지름 및 코닉 상수 중 적어도 하나를 가지거나, 제2 방향으로 서로 다른 비구면 형상, 곡률 반지름 및 코닉 상수 중 적어도 하나를 가질 수 있다.
이때, 제1 영역(700R1)의 면적은 마이크로 렌즈 어레이(700)의 전체 면적의 50% 내지 70%, 바람직하게는 55% 내지 65%일 수 있다. 제1 영역(700R1)은 수학식 5 및 도 3에 관한 설명을 참고하여 정의되는 영역 a 내에 배치된다.
그리고, 제2 영역(700R2)은 복수의 마이크로 렌즈를 포함하며, 제2 영역(700R2)에 포함된 복수의 마이크로 렌즈는 동일한 FoI를 가질 수 있다.
이에 따르면, 마이크로 렌즈 어레이(700)를 통과한 광 신호는 확산되어 객체를 포함하는 타겟 영역에 도달할 수 있다. 이에 따르면, 객체를 포함하는 타겟 영역의 주요 부분에는 간섭에 따른 회절 현상을 줄일 수 있고, 면패턴이 균질한 광 신호가 도달할 수 있으며, 마이크로 렌즈 어레이(700)의 설계의 복잡도를 줄일 수 있다.
여기서, 제1 영역(700R1)에 포함되는 복수의 마이크로 렌즈는 서로 다른 직경을 가질 수 있다. 이때, 제1 영역(700R1)에 포함되는 복수의 마이크로 렌즈의 서로 다른 직경은 수학식 6 내지 8 및 도 10에 관한 설명을 참고하여 난수 생성에 의하여 설계될 수 있다. 이에 따르면, 간섭에 따른 회절 현상을 줄일 수 있으며, 균질한 면패턴을 구현할 수 있다.
도 16은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 마이크로 렌즈 어레이의 평면도이다. 설명의 편의를 위하여, 도 1 내지 도 15를 참고하여 설명한 내용과 동일한 내용에 대해서는 중복된 설명을 생략한다.
도 16을 참조하면, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 마이크로 렌즈 어레이(700)는 제1 영역(700RA) 및 제1 영역(700RA)의 측면에 배치되는 제2 영역(700RB)을 포함한다.
제1 영역(700RA) 및 제2 영역(700RB)은 각각 복수의 마이크로 렌즈를 포함하며, 제1 영역(700RA)에 포함된 복수의 마이크로 렌즈는 서로 다른 FoI를 가지고, 제2 영역(700RB)에 포함된 복수의 마이크로 렌즈는 서로 다른 FoI를 가질 수 있다. 이때, 서로 다른 FoI는 수학식 6 내지 8 및 도 10에 관한 설명을 참고하여 난수 생성에 의하여 설계될 수 있다. 제1 영역(700RA)에 포함된 복수의 마이크로 렌즈는 제1 방향으로 서로 다른 FoI를 가지거나, 제2 방향으로 서로 다른 FoI를 가질 수 있다. 즉, 제1 영역(700RA)에 포함된 복수의 마이크로 렌즈는 제1 방향으로 서로 다른 비구면 형상, 곡률 반지름 및 코닉 상수 중 적어도 하나를 가지거나, 제2 방향으로 서로 다른 비구면 형상, 곡률 반지름 및 코닉 상수 중 적어도 하나를 가질 수 있다. 제2 영역(700RB)에 포함된 복수의 마이크로 렌즈는 제1 방향으로 서로 다른 FoI를 가지거나, 제2 방향으로 서로 다른 FoI를 가질 수 있다. 즉, 제1 영역(700RB)에 포함된 복수의 마이크로 렌즈는 제1 방향으로 서로 다른 비구면 형상, 곡률 반지름 및 코닉 상수 중 적어도 하나를 가지거나, 제2 방향으로 서로 다른 비구면 형상, 곡률 반지름 및 코닉 상수 중 적어도 하나를 가질 수 있다.
이때, 제1 영역(700RA)에 포함된 복수의 마이크로 렌즈의 평균 FoI와 제2 영역(700RB)에 포함된 복수의 마이크로 렌즈의 평균 FoI는 동일할 수 있다. 여기서, 평균 FoI가 동일하다는 것은 ±5% 이내의 오차 범위를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 광원(110)은 VCSEL일 수 있으며, VCSEL은 분할 구동될 수 있다. 예를 들어, 광원(110)이 제1 VCSEL 영역 및 제2 VCSEL 영역으로 구분되고, 제1 시간 영역 동안 제1 VCSEL 영역이 구동되고, 제2 시간 영역 동안 제2 VCSEL 영역이 구동될 수 있다. 마이크로 렌즈 어레이(700)의 제1 영역(700RA)에 포함된 복수의 마이크로 렌즈의 평균 FoI와 제2 영역(700RB)에 포함된 복수의 마이크로 렌즈의 평균 FoI가 동일하고, 마이크로 렌즈 어레이(700)의 제1 영역(700RA)이 제1 VCSEL 영역에 대응하는 위치에 배치되고, 마이크로 렌즈 어레이(700)의 제2 영역(700RB)이 제2 VCSEL 영역에 대응하는 위치에 배치될 수 있다. 이에 따르면, 전체 시간 영역 동안 간섭에 따른 회절 현상을 줄일 수 있으며, 균질한 면패턴을 구현할 수 있다.
여기서, 제1 영역(700RA)에 포함되는 복수의 마이크로 렌즈는 서로 다른 직경을 가질 수 있다. 이때, 제1 영역(700RA)에 포함되는 복수의 마이크로 렌즈의 서로 다른 직경은 수학식 6 내지 8 및 도 10에 관한 설명을 참고하여 난수 생성에 의하여 설계될 수 있다. 그리고, 제2 영역(700RB)에 포함되는 복수의 마이크로 렌즈는 서로 다른 직경을 가질 수 있다. 이때, 제2 영역(700RB)에 포함되는 복수의 마이크로 렌즈의 서로 다른 직경은 수학식 6 내지 8 및 도 10에 관한 설명을 참고하여 난수 생성에 의하여 설계될 수 있다. 이에 따르면, 간섭에 따른 회절 현상을 줄일 수 있으며, 균질한 면패턴을 구현할 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 마이크로 렌즈 어레이는 복수의 영역으로 구분되며, 영역 별로 서로 다른 평균 직경을 가지는 마이크로 렌즈를 포함할 수 있다.
도 17은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 마이크로 렌즈 어레이의 평면도이고, 도 18은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 마이크로 렌즈 어레이를 이루는 마이크로 렌즈의 직경을 설명하기 위한 도면이며, 도 19는 도 17의 제1 영역(710R)의 예이다.
도 17 내지 도 19를 참조하면, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 마이크로 렌즈 어레이(700)는 제1 평균 직경(AP1)을 가지는 복수의 제1 마이크로 렌즈(710)를 포함하는 제1 영역(710R), 제1 영역(710R)을 둘러싸고, 제2 평균 직경(AP2)을 가지는 복수의 제2 마이크로 렌즈(720)를 포함하는 제2 영역(720R), 그리고 제2 영역(720R)을 둘러싸고, 제3 평균 직경(AP3)을 가지는 복수의 제3 마이크로 렌즈(730)를 포함하는 제3 영역(730R)을 포함한다. 여기서, 마이크로 렌즈 어레이(700)에 관한 설명 중 도 1 내지 도 16을 참조하여 설명한 내용과 동일한 내용에 대해서는 중복된 설명을 생략한다. 여기서, 제1 내지 제3 평균 직경의 제1 내지 제3 마이크로 렌즈를 포함하는 제1 내지 제3 영역(710R 내지 730R)을 중심으로 설명하고 있으나, 이는 설명의 편의를 위한 것으로, 이로 제한되는 것은 아니다. 본 발명의 실시예는 제1 영역(710R) 및 제2 영역(720R)만을 포함하는 마이크로 렌즈 어레이일 수도 있고, 제3 영역(730R)을 둘러싸며, 제4 평균 직경을 가지는 복수의 제4 마이크로 렌즈를 포함하는 제4 영역, 제4 영역을 둘러싸며, 제5 평균 직경을 가지는 복수의 제5 마이크로 렌즈를 포함하는 제 5 영역 등으로 확장될 수도 있다.
여기서, 제1 영역(710R)은 마이크로 렌즈 어레이(700)의 중심을 포함하는 영역일 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 제1 영역(710R)은 제1 방향을 따라 배치된 복수의 제1 마이크로 렌즈(710)를 포함하고, 제2 영역(720R)은 제1 방향을 따라 배치된 복수의 제2 마이크로 렌즈(720)를 포함하며, 제3 영역(730R)은 제1 방향을 따라 배치된 복수의 제3 마이크로 렌즈(730)를 포함한다.
그리고, 제1 영역(710R)에서 제1 방향과 수직하며, 광축 방향과 교차하는 제2 방향을 따라 복수의 제1 마이크로 렌즈(710)가 배열되고, 제2 영역(720R)에서 제2 방향을 따라 복수의 제2 마이크로 렌즈(720)가 배열되며, 제3 영역(730R)에서 제2 방향을 따라 복수의 제3 마이크로 렌즈(730)가 배열된다.
이때, 제1 영역(710R)의 최외측 열 및 최외측 행에 배치되는 복수의 제1 마이크로 렌즈(710)는 제2 영역(720R)에 배치되는 복수의 제2 마이크로 렌즈(720)와 인접하도록 배치되고, 제2 영역(720R)에 배치되는 복수의 제2 마이크로 렌즈(720)는 제3 영역(730R)에 배치되는 복수의 제3 마이크로 렌즈(730)와 인접하도록 배치될 수 있다. 복수의 제2 마이크로 렌즈(720)는 제1 영역(710R)의 최외곽을 둘러싸도록 일렬로 배치되고, 복수의 제3 마이크로 렌즈(730)는 제2 영역(720R)을 둘러싸도록 일렬로 배치될 수 있다. 이에 따라, 복수의 제2 마이크로 렌즈(720)가 배치되는 방향과 수직하는 방향으로 각 제2 마이크로 렌즈(720)의 한 측면에는 제1 마이크로 렌즈(710)가 배치되고, 다른 측면에는 제3 마이크로 렌즈(730)가 배치될 수 있다. 즉, 복수의 제2 마이크로 렌즈(720)가 배치되는 방향과 수직하는 방향으로 각 제2 마이크로 렌즈(720)의 양 측면에는 제2 마이크로 렌즈(720)가 배치되지 않을 수 있다. 이와 마찬가지로, 복수의 제3 마이크로 렌즈(730)가 배치되는 방향과 수직하는 방향으로 각 제3 마이크로 렌즈(730)의 양 측면에는 제3 마이크로 렌즈(730)가 배치되지 않을 수 있다. 확산부재(700), 즉 마이크로 렌즈 어레이의 중심으로부터 제2 마이크로 렌즈(720)까지의 거리는 마이크로 렌즈 어레이의 중심으로부터 제1 마이크로 렌즈(710)까지의 거리보다 크고, 마이크로 렌즈 어레이의 중심으로부터 제3 마이크로 렌즈(730)까지의 거리는 마이크로 렌즈 어레이의 중심으로부터 제2 마이크로 렌즈(720)까지의 거리보다 클 수 있다.
여기서, 제1 평균 직경(AP1), 제2 평균 직경(AP2) 및 제3 평균 직경(AP3)은 각각 제1 평균 피치(AP1), 제2 평균 피치(AP2) 및 제3 평균 피치(AP3)와 혼용될 수 있다. 여기서, 직경은 제1 방향 또는 제2 방향에 따른 마이크로 렌즈의 길이를 의미할 수 있다. 하지만 직경은 제1 방향 및 제2 방향이 아닌 다른 방향에 따른 마이크로 렌즈의 길이를 의미할 수도 있다. 예를 들어, 직경은 제1 방향, 제2 방향 또는 광축 방향인 제3 방향에 따른 마이크로 렌즈의 길이를 의미할 수도 있다.
이때, 제1 평균 직경(AP1), 제2 평균 직경(AP2) 및 제3 평균 직경(AP3)은 서로 상이할 수 있다. 본 발명의 실시예에 따르면, 제2 평균 직경(AP2)은 제1 평균 직경(AP1)보다 클 수 있고, 제3 평균 직경(AP3)은 제2 평균 직경(AP2)보다 클 수 있다. 본 발명의 실시예에 따르면, 제2 평균 직경(AP2)은 제1 평균 직경(AP1)의 1.1배 이상일 수 있고, 제3 평균 직경(AP3)은 제2 평균 직경(AP2)의 1.1배 이상일 클 수 있다. 본 발명의 실시예에 따르면, 제1 평균 직경(AP1)에 대한 제2 평균 직경(AP2)의 비는 제2 평균 직경(AP2)에 대한 제3 평균 직경(AP3)의 비보다 클 수 있다. 이에 따르면, 출력광의 에너지가 분산되어 사용자의 눈에 대한 안전성을 높일 수 있으며, 간섭에 따른 균질도 저하도 방지할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 제1 영역(710R) 내 복수의 제1 마이크로 렌즈(710)는 서로 다른 FoI를 가질 수 있고, 제2 영역(720R) 내 복수의 제2 마이크로 렌즈(720)는 서로 다른 FoI를 가질 수 있으며, 제3 영역(730R) 내 복수의 제3 마이크로 렌즈(730)는 서로 다른 FoI를 가질 수 있다. 즉, 제1 영역(710R) 내 복수의 제1 마이크로 렌즈(710)는 서로 다른 비구면 형상, 곡률 반지름 및 코닉 상수 중 적어도 하나를 가질 수 있고, 제2 영역(720R) 내 복수의 제2 마이크로 렌즈(720)는 서로 다른 비구면 형상, 곡률 반지름 및 코닉 상수 중 적어도 하나를 가질 수 있으며, 제3 영역(730R) 내 복수의 제3 마이크로 렌즈(730)는 서로 다른 비구면 형상, 곡률 반지름 및 코닉 상수 중 적어도 하나를 가질 수 있다.
전술한 바와 같이, 영역 별 서로 다른 FoI는 수학식 6 내지 수학식 8 및 도 10을 참고하여 설명한 난수 생성에 의해 설계될 수 있다.
이때, 제1 영역(710R) 내 복수의 제1 마이크로 렌즈(710)는 제1 방향으로 서로 다른 FoI를 가질 수 있고, 제2 영역(720R) 내 복수의 제2 마이크로 렌즈(720)는 제1 방향으로 서로 다른 FoI를 가질 수 있으며, 제3 영역(730R) 내 복수의 제3 마이크로 렌즈(730)는 제1 방향으로 서로 다른 FoI를 가질 수 있다. 또는, 제1 영역(710R) 내 복수의 제1 마이크로 렌즈(710)는 제2 방향으로 서로 다른 FoI를 가질 수 있고, 제2 영역(720R) 내 복수의 제2 마이크로 렌즈(720)는 제2 방향으로 서로 다른 FoI를 가질 수 있으며, 제3 영역(730R) 내 복수의 제3 마이크로 렌즈(730)는 제2 방향으로 서로 다른 FoI를 가질 수 있다. 즉, 제1 영역(710R) 내 복수의 제1 마이크로 렌즈(710)는 제1 방향으로 서로 다른 비구면 형상, 곡률 반지름 및 코닉 상수 중 적어도 하나를 가질 수 있고, 제2 영역(720R) 내 복수의 제2 마이크로 렌즈(720)는 제1 방향으로 서로 다른 비구면 형상, 곡률 반지름 및 코닉 상수 중 적어도 하나를 가질 수 있으며, 제3 영역(730R) 내 복수의 제3 마이크로 렌즈(730)는 제1 방향으로 서로 다른 비구면 형상, 곡률 반지름 및 코닉 상수 중 적어도 하나를 가질 수 있다. 또는, 제1 영역(710R) 내 복수의 제1 마이크로 렌즈(710)는 제2 방향으로 서로 다른 비구면 형상, 곡률 반지름 및 코닉 상수 중 적어도 하나를 가질 수 있고, 제2 영역(720R) 내 복수의 제2 마이크로 렌즈(720)는 제2 방향으로 서로 다른 비구면 형상, 곡률 반지름 및 코닉 상수 중 적어도 하나를 가질 수 있으며, 제3 영역(730R) 내 복수의 제3 마이크로 렌즈(730)는 제2 방향으로 서로 다른 비구면 형상, 곡률 반지름 및 코닉 상수 중 적어도 하나를 가질 수 있다.
이때, 제1 영역(710R)의 평균 FoI, 제2 영역(720R)의 평균 FoI 및 제3 영역(730R)의 평균 FoI는 서로 동일할 수 있다. 여기서, 서로 동일한 평균 FoI는 ±5% 이내의 오차 범위를 포함할 수 있다. 이에 따르면, 마이크로 렌즈 어레이(700)에 포함된 각 마이크로 렌즈가 서로 다른 FoI를 가지더라도, 마이크로 렌즈 어레이(700)에 의해 출력된 면조명 패턴은 평균 FoI에 수렴하게 되며, 이에 따라 균질한 면조명 패턴을 얻을 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 제1 영역(710R) 내 제1 평균 직경(AP1)을 가지는 복수의 제1 마이크로 렌즈(710)는 서로 다른 직경을 가질 수 있다. 제2 영역(720R) 내 제2 평균 직경(AP2)을 가지는 복수의 제2 마이크로 렌즈(720)는 서로 다른 직경을 가질 수 있다. 제3 영역(730R) 내 제3 평균 직경(AP3)을 가지는 복수의 제3 마이크로 렌즈(730)는 서로 다른 직경을 가질 수 있다.
이를 위하여, 복수의 제1 마이크로 렌즈(710)의 직경, 복수의 제2 마이크로 렌즈(720)의 직경 및 복수의 제3 마이크로 렌즈(730)의 직경은 각각 난수 생성에 의하여 설계될 수 있다. 각 영역에 포함되는 복수의 마이크로 렌즈가 서로 다른 직경을 가지는 경우, 회절차수에 따른 회절각도의 겹침에 의한 보강 간섭 및 상쇄 간섭이 최소화될 수 있다. 마이크로 렌즈의 직경을 위한 난수 생성은 수학식 6 내지 수학식 8 및 도 10을 참조할 수 있다.
한편, 본 발명의 실시예에 따르면, 제1 내지 제3 영역(710R, 720R, 730R) 중 적어도 하나에 포함된 마이크로 렌즈의 개수 및 평균 직경은 상기 제1 내지 제3 영역(710R, 720R, 730R) 중 적어도 하나를 둘러싸는 다른 영역에 포함된 마이크로 렌즈의 평균 직경과 상관관계를 가진다. 본 발명의 실시예에 따른 영역 별 마이크로 렌즈의 개수는 수학식 11로 나타내어질 수 있다.
여기서, APn은 제n 영역에 배치되는 마이크로 렌즈의 평균 직경이고, APn+1은 제n+1 영역에 배치되는 마이크로 렌즈의 평균 직경이며, xn은 제n 영역에서 제1 방향을 따라 배치되는 마이크로 렌즈의 개수 또는 제2 방향을 따라 배치되는 마이크로 렌즈의 개수이다. xn은 제n 영역에 포함되는 모든 마이크로 렌즈의 개수를 의미하는 것은 아니다. 예를 들어 x1은 제1 영역에서 제1 방향 또는 제2 방향을 따라 배치되는 4개의 마이크로 렌즈일 수 있고, x2는 제2 영역에서 제1 방향 또는 제2 방향을 따라 배치되는 5개의 마이크로 렌즈일 수 있고, x3은 제3 영역에서 제1 방향 또는 제2 방향을 따라 배치되는 6개의 마이크로 렌즈일 수 있다. 여기서, 수학식 9의 양변은 소정의 오차 범위를 가질 수 있다. 예를 들어, 수학식 11의 우변 및 좌변의 계산값이 ±3% 이내의 오차 범위를 가지는 경우, 수학식 11의 등식은 성립하는 것으로 해석될 수 있다.
이에 따르면, 제n 영역에 포함되는 마이크로 렌즈의 개수는 제n 영역에 포함된 마이크로 렌즈의 평균 직경 및 제n 영역을 둘러싸는 제n+1 영역에 포함된 마이크로 렌즈의 평균 직경과 상관관계를 가질 수 있다. 제n 영역에 포함되는 마이크로 렌즈의 개수 및 평균 직경은 제n 영역을 둘러싸는 제n+1 영역에 포함된 마이크로 렌즈의 평균 직경과 상관관계를 가질 수 있다.
예를 들어, 제1 평균 직경(AP1) 및 제1 방향을 따라 배치된 제1 마이크로 렌즈(710)의 개수의 곱은 제2 평균 직경(AP2) 및 제1 방향을 따라 배치된 제1 마이크로 렌즈(710)의 개수보다 1 작은 수의 곱과 동일하고, 제2 평균 직경(AP2) 및 제1 방향을 따라 배치된 제2 마이크로 렌즈(720)의 개수의 곱은 제3 평균 직경(AP3) 및 제1 방향을 따라 배치된 제2 마이크로 렌즈(720)의 개수보다 1 작은 수의 곱과 동일할 수 있다. 이에 따르면, 영역 별 회절차수에 따른 회절각도의 겹침에 의한 보강 간섭 및 상쇄 간섭을 최소화할 수 있고, 마이크로 렌즈 어레이의 배열이 용이하다.
본 발명의 실시예에 따르면, 광원(110)과 마이크로 렌즈 어레이(700) 간의 거리 D에 따라 마이크로 렌즈의 평균 직경이 달라질 수 있다. 예를 들어, 광원(110)과 마이크로 렌즈 어레이(700) 간의 거리 D가 멀어짐에 따라, 마이크로 렌즈의 평균 직경이 커질 수 있다. 이에 따르면, 특정 마이크로 렌즈에 대한 광선속 집중도를 낮출 수 있으므로, 사용자의 눈에 안전할 수 있다.
도 20은 본 발명의 실시예에 따른 카메라 장치의 분해도이다.
카메라 장치는 발광부와 수광부를 포함할 수 있다. 다만, 기판(10), 홀더(30) 및 쉴드 캔(50) 등의 구성은 일체로 형성되어 발광부와 수광부에 공용으로 사용되므로 발광부와 수광부로 구분하기 어려울 수 있다. 이 경우 위 구성들 각각이 발광부와 수광부 각각의 구성요소로 이해될 수 있다. 다만, 변형례로 기판(10), 홀더(30) 및 쉴드 캔(50) 등의 공용 구성은 발광부와 수광부에 각각 별도로 제공될 수 있다.
발광부는 기판(10), 광원(20), 홀더(30), 확산부재(41), 디퓨져 링(42) 및 쉴드 캔(50)을 포함할 수 있다. 수광부는 기판(10), 센서(60), 필터(80), 홀더(30), 렌즈(70), 배럴(71) 및 쉴드 캔(50)을 포함할 수 있다.
기판(10)은 인쇄회로기판(PCB, Printed Circuit Board)을 포함할 수 있다. 기판(10)은 FPCB(91)를 통해 커넥터와 연결될 수 있다. 기판(10)과 FPCB(91)는 RFPCB(Rigid Flexible PCB)로 형성될 수 있다. 기판(10)에는 광원(20)과 센서(60)가 배치될 수 있다. 기판(10)은 홀더(30) 아래에 배치될 수 있다. 기판(10)은 단자를 포함할 수 있다. 기판(10)의 단자는 쉴드 캔(50)의 결합부와 결합될 수 있다. 기판(10)의 단자는 복수의 단자를 포함할 수 있다. 기판(10)의 단자는 2개의 단자를 포함할 수 있다.
광원(20)은 기판(10) 상에 배치될 수 있다. 광원(20)은 기판(10)에 접촉하여 배치될 수 있다. 광원(20)은 기판(10) 위에 배치될 수 있다. 광원(20)은 기판(10)에 배치될 수 있다. 광원(20)은 앞서 설명한 광원(110)에 대응할 수 있다.
홀더(30)는 기판(10) 상에 배치될 수 있다. 홀더(30)는 기판(10)에 접촉하여 배치될 수 있다. 홀더(30)는 기판(10) 위에 배치될 수 있다. 홀더(30)는 기판(10)에 배치될 수 있다. 홀더(30)는 접착제에 의해 기판(10)에 고정될 수 있다. 홀더(30)는 내부에 광원(20), 디퓨져 모듈(40), 센서(60) 및 필터(80)를 수용할 수 있다. 홀더(30)는 플라스틱 사출물일 수 있다. 홀더(30)는 사출에 의해 형성될 수 있다.
디퓨져 모듈(40)은 확산부재(41)와 디퓨져 링(42)을 포함할 수 있다. 디퓨져 모듈(40)은 변형례와 같이 일체로 형성될 수 있으나, 본 실시예에서는 사출 성형시 성형성을 증가시키기 위해 확산부재(41)와 디퓨져 링(42)으로 분리 제조할 수 있다. 확산부재(41)와 디퓨져 링(42)은 서로 분리될 수 있다.
확산부재(41)는 디퓨저 렌즈일 수 있다. 확산부재(41)는 앞서 설명한 확산부재(120), 확산부재(700)에 대응할 수 있다. 확산부재(41)는 홀더(30) 내에 배치될 수 있다. 확산부재(41)는 홀더(30)에 결합될 수 있다. 확산부재(41)는 홀더(30)에 고정될 수 있다. 확산부재(41)는 광원(20)으로부터 방출되는 빛의 광경로 상에 배치될 수 있다. 확산부재(41)는 광원(20) 상에 배치될 수 있다. 확산부재(41)는 광원(20) 위에 배치될 수 있다. 확산부재(41)는 플라스틱 사출물일 수 있다. 확산부재(41)는 플라스틱 사출에 의해 형성될 수 있다. 확산부재(41)의 상단의 높이는 렌즈(70)의 상단의 높이와 대응할 수 있다. 확산부재(41)는 수직방향 중 상방향으로 삽입되어 홀더(30)와 결합될 수 있다. 이때, 상방향은 홀더(30)의 하부에서 홀더(30)의 상부를 향하는 방향일 수 있다. 확산부재(41)의 일부는 상방향으로 홀더(30)와 오버랩될 수 있다.
디퓨져 링(42)은 홀더(30) 내에 배치될 수 있다. 디퓨져 링(42)은 홀더(30)에 고정될 수 있다. 디퓨져 링(42)은 홀더(30)에 결합될 수 있다. 디퓨져 링(42)은 확산부재(41) 아래에 배치될 수 있다. 디퓨져 링(42)은 확산부재(41)를 지지할 수 있다. 디퓨져 링(42)은 확산부재(41)와 접촉될 수 있다. 디퓨져 링(42)은 플라스틱 사출물일 수 있다. 디퓨져 링(42)은 플라스틱 사출에 의해 형성될 수 있다.
쉴드 캔(50)은 홀더(30)의 몸체부를 커버할 수 있다. 쉴드 캔(50)은 커버(cover)를 포함할 수 있다. 쉴드 캔(50)은 커버 캔(cover can)을 포함할 수 있다. 쉴드 캔(50)은 비자성체일 수 있다. 쉴드 캔(50)은 금속 재질로 형성될 수 있다. 쉴드 캔(50)은 금속의 판재로 형성될 수 있다. 쉴드 캔(50)은 기판(10)과 전기적으로 연결될 수 있다. 쉴드 캔(50)은 솔더볼을 통해 기판(10)과 연결될 수 있다. 이를 통해, 쉴드 캔(50)은 그라운드될 수 있다. 쉴드 캔(50)은 전자 방해 잡음(EMI, electro magnetic interference)을 차단할 수 있다. 이때, 쉴드 캔(50)은 'EMI 쉴드캔'으로 호칭될 수 있다. 본 실시예에서는 광학 장치의 내부에서 높은 전압이 이용됨에 따라 전자 방해 잡음이 커질 수 있는데 쉴드 캔(50)이 전자 방해 잡음을 차단할 수 있다.
센서(60)는 기판(10)에 배치될 수 있다. 센서(60)는 기판(10)에 홀더(30)의 격벽의 타측에 배치될 수 있다. 즉, 센서(60)는 홀더(30)의 격벽을 기준으로 광원(20)의 반대편에 배치될 수 있다. 센서(60)는 적외선을 감지할 수 있다. 센서(60)는 적외선 중 특정 파장의 광을 감지할 수 있다. 센서(60)는 필터(80)를 통과한 광을 감지할 수 있다. 센서(60)는 광원(20)의 파장 대역의 빛을 감지할 수 있다. 이를 통해, 광원(20)으로부터 방출되어 피사체에 반사된 광을 센서(60)가 감지하여 피사체의 3D 이미지 정보를 센싱할 수 있다. 센서(60)의 유효센싱영역은 확산부재(41)와 대응하게 배치되지만 센서(60)는 전체적으로 격벽 쪽으로 치우쳐 배치될 수 있다. 센서(60) 중 격벽 쪽으로 치우친 부분에는 센서(60)의 회로 패턴 등이 배치될 수 있다.
렌즈(70)는 배럴(71) 내에 고정될 수 있다. 렌즈(70)는 플라스틱 사출물일 수 있다. 렌즈(70)는 플라스틱 사출에 의해 형성될 수 있다. 렌즈(70)는 복수의 렌즈를 포함할 수 있다.
필터(80)는 렌즈(70)와 센서(60) 사이에 배치될 수 있다. 필터(80)는 특정 파장 대의 광을 통과시키는 밴드 패스 필터(band pass filter)일 수 있다. 필터(80)는 적외선을 통과시킬 수 있다. 필터(80)는 적외선 중 특정 파장의 광을 통과시킬 수 있다. 필터(80)는 광원(20)이 방출하는 빛의 파장 대역의 빛을 통과시킬 수 있다. 필터(80)는 가시광선을 차단할 수 있다. 필터(80)는 홀더(30)에 결합될 수 있다. 홀더(30)에는 필터(80)와 대응하는 크기의 홈이 형성되고, 필터(80)는 홈에 삽입되어 접착제로 고정될 수 있다. 홀더(30)의 홈에는 필터(80)와 홀더(30) 사이에 접착제를 주입하기 위한 접착제 주입홈이 함께 형성될 수 있다. 필터(80)는 디퓨져 링(42)의 위치보다 낮은 위치에 배치될 수 있다.
이상에서, ToF 방식으로 깊이 정보를 추출하는 깊이 정보 검출 장치를 중심으로 설명하고 있으나, 본 발명의 실시예가 이로 제한되는 것은 아니다. 본 발명의 실시예에 따른 깊이 정보 검출 장치는 구조광 방식을 이용하여 깊이 정보를 추출하는 카메라 장치를 의미할 수도 있다. 즉, 본 발명의 실시예에 따른 깊이 정보 검출 장치는 소정 패턴을 가지는 구조광을 출력광 신호로 이용하고, 구조광의 디스패리티(disparity)를 이용하여 깊이 정보를 생성할 수도 있다. 또한, 본 발명의 실시예에 따른 깊이 정보 검출 장치는 자동차에 실장되어, 자동차와 물체 간의 거리를 측정하는 카메라 장치를 의미할 수도 있다. 즉, 본 발명의 실시예에 따른 깊이 정보 검출 장치는 LIDAR(Light Detection and Ranging) 카메라일 수 있다.
이상에서 실시예를 중심으로 설명하였으나 이는 단지 예시일 뿐 본 발명을 한정하는 것이 아니며, 본 발명이 속하는 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 본 실시예의 본질적인 특성을 벗어나지 않는 범위에서 이상에 예시되지 않은 여러 가지의 변형과 응용이 가능함을 알 수 있을 것이다. 예를 들어, 실시예에 구체적으로 나타난 각 구성 요소는 변형하여 실시할 수 있는 것이다. 그리고 이러한 변형과 응용에 관계된 차이점들은 첨부된 청구 범위에서 규정하는 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
1000 : 깊이 정보 검출 장치
100 : 발광부
110 : 광원
120 : 확산부재
200 : 수광부
700: 마이크로 렌즈 어레이

Claims (16)

  1. 객체에 제1 광신호를 조사하는 발광부,
    상기 객체로부터 반사된 제2 광신호를 수신하는 수광부, 그리고
    상기 제2 광신호를 이용하여 상기 객체의 깊이 정보를 생성하는 깊이 정보 생성부를 포함하고,
    상기 발광부는,
    광원, 그리고
    상기 광원 상에 배치되는 마이크로 렌즈 어레이를 포함하고,
    상기 마이크로 렌즈 어레이는,
    적어도 3*3 행렬로 배치되는 복수의 마이크로 렌즈를 포함하고,
    상기 3*3 행렬로 배치되는 복수의 마이크로 렌즈는 서로 다른 FoI(Field of Illumination)를 갖는 깊이 정보 검출 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 마이크로 렌즈 어레이의 50 내지 70%는 서로 다른 FoI를 갖는 마이크로 렌즈들인 깊이 정보 검출 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 3*3 행렬로 배치되는 복수의 마이크로 렌즈는 비구면 형상, 곡률 반지름 및 코닉 상수 중 적어도 하나가 서로 다른 깊이 정보 검출 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 3*3 행렬로 배치되는 복수의 마이크로 렌즈는 상기 마이크로 렌즈 어레이의 중심을 포함하는 제1 영역에 배치되고,
    상기 마이크로 렌즈 어레이는 상기 제1 영역을 둘러싸는 제2 영역에 배치되는 복수의 마이크로 렌즈를 더 포함하며,
    상기 제1 영역에 배치된 복수의 마이크로 렌즈는 비구면 형상, 곡률 반지름 및 코닉 상수 중 적어도 하나가 서로 다른 깊이 정보 검출 장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 제2 영역에 배치된 복수의 마이크로 렌즈는 비구면 형상, 곡률 반지름 및 코닉 상수 중 적어도 하나가 서로 다른 깊이 정보 검출 장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 제1 영역에 배치된 복수의 마이크로 렌즈는 제1 평균 직경을 갖고,
    상기 제2 영역에 배치된 복수의 마이크로 렌즈는 상기 제1 평균 직경과 상이한 제2 평균 직경을 가지며,
    상기 제1 영역에 배치된 복수의 마이크로 렌즈는 서로 상이한 직경을 갖고,
    상기 제2 영역에 배치된 복수의 마이크로 렌즈는 서로 상이한 직경을 갖는 깊이 정보 검출 장치.
  7. 객체에 제1 광신호를 조사하는 발광부,
    상기 객체로부터 반사된 제2 광신호를 수신하는 수광부, 그리고
    상기 제2 광신호를 이용하여 상기 객체의 깊이 정보를 생성하는 깊이 정보 생성부를 포함하고,
    상기 발광부는,
    광원, 그리고
    상기 광원 상에 배치되는 마이크로 렌즈 어레이를 포함하고,
    상기 마이크로 렌즈 어레이는,
    제1 마이크로 렌즈, 그리고
    상기 제1 마이크로 렌즈를 가장 인접하게 둘러싸는 복수의 제2 마이크로 렌즈를 포함하고,
    상기 복수의 제2 마이크로 렌즈는 서로 다른 FoI를 갖고,
    상기 제1 마이크로 렌즈와 상기 복수의 제2 마이크로 렌즈는 서로 다른 FoI를 갖는 깊이 정보 검출 장치.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 복수의 제2 마이크로 렌즈는 비구면 형상, 곡률 반지름 및 코닉 상수 중 적어도 하나가 서로 다른 깊이 정보 검출 장치.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 제1 마이크로 렌즈와 상기 복수의 제2 마이크로 렌즈는 비구면 형상, 곡률 반지름 및 코닉 상수 중 적어도 하나가 서로 다른 깊이 정보 검출 장치.
  10. 객체에 제1 광신호를 조사하는 발광부,
    상기 객체로부터 반사된 제2 광신호를 수신하는 수광부, 그리고
    상기 제2 광신호를 이용하여 상기 객체의 깊이 정보를 생성하는 깊이 정보 생성부를 포함하고,
    상기 발광부는,
    광원, 그리고
    상기 광원 상에 배치되는 마이크로 렌즈 어레이를 포함하고,
    상기 마이크로 렌즈 어레이는,
    복수의 마이크로 렌즈를 포함하고,
    상기 복수의 마이크로 렌즈의 50% 이상은 제1 방향으로 서로 다른 FoI를 갖거나,
    상기 복수의 마이크로 렌즈의 50% 이상은 상기 제1 방향과 수직하는 제2 방향으로 서로 다른 FoI를 갖는 깊이 정보 검출 장치.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 복수의 마이크로 렌즈의 50% 이상은 비구면 형상, 곡률 반지름 및 코닉 상수 중 적어도 하나가 서로 다른 깊이 정보 검출 장치.
  12. 제10항에 있어서,
    상기 마이크로 렌즈 어레이는,
    제1 평균 직경을 갖는 복수의 제1 마이크로 렌즈를 포함하는 제1 영역, 그리고
    상기 제1 영역을 둘러싸고 상기 제1 평균 직경과 상이한 제2 평균 직경을 갖는 복수의 제2 마이크로 렌즈를 포함하는 제2 영역을 포함하고,
    상기 복수의 제1 마이크로 렌즈의 직경은 서로 상이하고,
    상기 복수의 제2 마이크로 렌즈의 직경은 서로 상이하며,
    상기 복수의 제1 마이크로 렌즈와 복수의 제2 마이크로 렌즈는 서로 다른 FoI를 갖는 깊이 정보 검출 장치.
  13. 제10항에 있어서,
    상기 복수의 마이크로 렌즈는,
    상기 마이크로 렌즈 어레이의 중심을 포함하는 제1 영역에 배치되는 제1 마이크로 렌즈군, 그리고
    상기 제1 영역의 둘레에 배치되고 엣지를 포함하는 제2 영역에 배치되는 제2 마이크로 렌즈군을 포함하고,
    상기 제1 마이크로 렌즈군의 렌즈들은 비구면 형상, 곡률 반지름 및 코닉 상수 중 적어도 하나가 서로 다른 깊이 정보 검출 장치.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 제2 마이크로 렌즈군의 렌즈들은 비구면 형상, 곡률 반지름 및 코닉 상수 중 적어도 하나가 서로 다른 깊이 정보 검출 장치.
  15. 제10항에 있어서,
    상기 제1 방향으로 동일한 곡률 반지름 및 코닉 상수를 가지는 복수의 마이크로 렌즈 중 적어도 일부는 상기 제2 방향으로 곡률 반지름 및 코닉 상수 중 적어도 하나가 다르거나,
    상기 제2 방향으로 동일한 곡률 반지름 및 코닉 상수를 가지는 복수의 마이크로 렌즈 중 적어도 일부는 상기 제1 방향으로 곡률 반지름 및 코닉 상수 중 적어도 하나가 다른 깊이 정보 검출 장치.
  16. 광원; 및
    상기 광원 상에 배치되는 마이크로 렌즈 어레이를 포함하고,
    상기 마이크로 렌즈 어레이는,
    제1 마이크로 렌즈; 및
    상기 제1 마이크로 렌즈를 가장 인접하게 둘러싸는 복수의 제2 마이크로 렌즈를 포함하고,
    상기 제1 마이크로 렌즈 및 상기 복수의 제2 마이크로 렌즈의 FoI는 서로 다르고,
    상기 복수의 제2 마이크로 렌즈 간의 FoI는 서로 다른 광 출력 장치.
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