WO2023249437A1 - 카메라 장치 - Google Patents

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WO2023249437A1
WO2023249437A1 PCT/KR2023/008695 KR2023008695W WO2023249437A1 WO 2023249437 A1 WO2023249437 A1 WO 2023249437A1 KR 2023008695 W KR2023008695 W KR 2023008695W WO 2023249437 A1 WO2023249437 A1 WO 2023249437A1
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WO
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micro lenses
micro
diameter
area
light
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Application number
PCT/KR2023/008695
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English (en)
French (fr)
Inventor
박귀연
오현지
Original Assignee
엘지이노텍 주식회사
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    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B3/00—Simple or compound lenses
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B3/00—Simple or compound lenses
    • G02B3/02—Simple or compound lenses with non-spherical faces
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
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    • 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
    • H04N13/207—Image signal generators using stereoscopic image cameras using a single 2D image sensor
    • H04N13/229—Image signal generators using stereoscopic image cameras using a single 2D image sensor using lenticular lenses, e.g. arrangements of cylindrical lenses
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    • 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
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    • 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
    • H04N13/271—Image signal generators wherein the generated image signals comprise depth maps or disparity maps

Definitions

  • the present invention relates to a camera device.
  • 3D content is applied in many fields such as education, manufacturing, and autonomous driving as well as games and culture, and depth information (Depth Map) is required to obtain 3D content.
  • Depth information is information representing distance in space, and represents perspective information of another point with respect to one point in a two-dimensional image.
  • Methods for acquiring depth information include projecting IR (Infrared) structured light onto an object, using a stereo camera, and TOF (Time of Flight) methods.
  • the distance to an object is calculated by measuring the time of flight, that is, the time it takes for light to be emitted and reflected.
  • the biggest advantage of the ToF method is that it provides distance information in 3D space quickly and in real time. Additionally, users can obtain accurate distance information without applying a separate algorithm or hardware correction. In addition, accurate depth information can be obtained even when measuring a very close subject or a moving subject.
  • the light emitting unit of the camera device generates an output light signal and irradiates it to the object
  • the light receiving unit of the camera device receives the input light signal reflected from the object
  • the depth information generating unit of the camera device receives the light receiving unit. Depth information of the object is generated using the received input light signal.
  • the uniformity of the surface lighting pattern may vary and the safety for the user's eyes may vary. Accordingly, the design of the micro lens array is important.
  • the technical problem to be achieved by the present invention is to provide a camera device capable of extracting depth information with high precision and resolution.
  • the technical problem to be achieved by the present invention is to provide a camera device including a light emitting unit that has a high level of homogeneity in the surface illumination pattern and is excellent in safety for the user's eyes.
  • the first area includes x1 first micro lenses arranged along the first direction
  • the second area includes x2 second micro lenses arranged along the first direction
  • the third area includes It includes x3 third micro lenses arranged along the first direction, wherein the product of the first diameter and the x1 is equal to the product of the second diameter and a number 1 smaller than the x1, and the second diameter and the The product of x2 may be equal to the product of the third diameter and a number that is 1 less than x2.
  • x1 first micro lenses are arranged in the first area along a second direction perpendicular to the first direction
  • x2 second micro lenses are arranged along the second direction in the second area
  • x3 third micro lenses may be arranged along the second direction in 3 areas.
  • the plurality of first micro lenses, the plurality of second micro lenses, and the plurality of third micro lenses protrude in a direction toward the light source, and the protrusion height of the first plurality of micro lenses and the plurality of second micro lenses are
  • the protrusion height of the lens and the protrusion height of the third micro lens may be different from each other.
  • Each of the first plurality of micro lenses, the plurality of second micro lenses, and the plurality of third micro lenses may have an aspherical shape.
  • each of the plurality of first micro lenses, the plurality of second micro lenses, and the plurality of third micro lenses may be defined by an image height, a radius of curvature, and a Conic constant.
  • x is the X-axis image height
  • y is the Y-axis image height
  • R x is the X-axis radius of curvature
  • R y is the Y-axis radius of curvature
  • K It is Koenig's constant.
  • the diameter of the plurality of first micro lenses is within the range of 0.95 to 1.05 times the first average diameter
  • the diameter of the plurality of second micro lenses is within the range of 0.95 to 1.05 times the second average diameter. You can.
  • the second average diameter may be larger than the first average diameter.
  • the diameters of the plurality of first micro lenses and the diameters of the plurality of second micro lenses may each be designed by random number generation.
  • the diameters of the plurality of first micro lenses are designed by random number generation using a Gaussian function distribution according to the first average diameter and the first standard deviation, and the diameters of the plurality of second micro lenses are the second average diameter and the first standard deviation. It can be designed by generating random numbers using a Gaussian function distribution according to a second standard deviation that is different from the first standard deviation.
  • the first area includes x1 first micro lenses arranged along the first direction
  • the second area includes x2 second micro lenses arranged along the first direction
  • the third area includes It includes x3 third micro lenses arranged along the first direction, wherein the product of the first average diameter and x1 is equal to the product of the second average diameter and a number 1 smaller than x1, and the second average
  • the product of the diameter and the x2 may be equal to the product of the third average diameter and a number that is 1 less than the x2.
  • x1 first micro lenses are arranged in the first area along a second direction perpendicular to the first direction
  • x2 second micro lenses are arranged along the second direction in the second area
  • x3 third micro lenses may be arranged along the second direction in 3 areas.
  • the first average diameter and the second average diameter may each be a first direction perpendicular to the optical axis direction, a second direction perpendicular to the optical axis direction and the first direction, or an average diameter along the optical axis direction.
  • a camera device includes a light emitting unit that radiates a first optical signal to an object, a light receiving unit that receives a second optical signal reflected from the object, and a light receiving unit that receives a second optical signal reflected from the object, and uses the second optical signal to detect the object.
  • a depth information generator that generates depth information, wherein the light emitting unit includes a light source and a micro lens array disposed on the light source, wherein the micro lens array includes a plurality of micro lenses arranged in at least a 3*3 matrix. It includes, and the plurality of micro lenses arranged in the 3*3 matrix have different Field of Illumination (FoI).
  • a plurality of micro lenses arranged in the 3*3 matrix are arranged in a first area including the center of the micro lens array, and the micro lens array is arranged in a second area surrounding the first area. It may further include a lens, and the plurality of micro lenses disposed in the first area may differ from each other in at least one of an aspherical shape, a radius of curvature, and a Conic constant.
  • the plurality of second micro lenses may differ from each other in at least one of an aspherical shape, radius of curvature, and Conic constant.
  • a camera device includes a light emitting unit that radiates a first optical signal to an object, a light receiving unit that receives a second optical signal reflected from the object, and a light receiving unit that receives a second optical signal reflected from the object, and uses the second optical signal to detect the object. and a depth information generator that generates depth information, wherein the light emitting unit includes a light source and a micro lens array disposed on the light source, wherein the micro lens array includes a plurality of micro lenses, and the plurality of micro lenses. More than 50% of the lenses have different FoIs in a first direction, or more than 50% of the plurality of micro lenses have different FoIs in a second direction perpendicular to the first direction.
  • the plurality of micro lenses includes a first micro lens group disposed in a first area including the center of the micro lens array, and a second micro lens group disposed in a second area disposed around the first area and including an edge. It includes a micro lens group, and the lenses of the first micro lens group may differ from each other in at least one of an aspherical shape, radius of curvature, and Conic constant.
  • At least some of the plurality of microlenses having the same radius of curvature and Conic's constant in the first direction have at least one different radius of curvature and Conic's constant in the second direction, or have the same radius of curvature and Conic's constant in the second direction. At least some of the plurality of micro lenses may have at least one difference in the radius of curvature and the Conic constant in the first direction.
  • a light output device includes a light source; and a micro lens array disposed on the light source, wherein the micro lens array includes: a first micro lens; and a plurality of second micro lenses most adjacently surrounding the first micro lens, wherein the FoI of the first micro lens and the plurality of second micro lenses are different from each other, and the FoI between the plurality of second micro lenses is different from each other. are different from each other.
  • a camera device that has a high degree of uniformity in the surface illumination pattern, is safe for the user's eyes, and is capable of extracting depth information with high precision and resolution.
  • FIG. 1 is a block diagram of a camera device according to an embodiment of the present invention.
  • Figure 2 is a diagram for explaining an output light signal output from a camera device according to an embodiment of the present invention.
  • Figure 3 is a schematic diagram of a light emitting unit according to an embodiment of the present invention.
  • Figure 4 is a plan view of a diffusion member according to an embodiment of the present invention.
  • Figure 7 is a cross-sectional view of a diffusion member and a light source according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 8(a) is a plan view of a 3D drawing of a micro lens array according to a comparative example
  • FIG. 8(b) is a perspective view of a 3D drawing of a micro lens array according to a comparative example.
  • Figure 9 is a Monte Carlo Ray tracing simulation result of a micro lens array according to a comparative example.
  • FIG. 10(a) is an FDTD simulation result of a micro lens array according to a comparative example
  • FIG. 10(b) is an enlarged view of a partial area of FIG. 10(a).
  • FIG. 11(a) is a plan view of a 3D view of a micro lens array according to an embodiment
  • FIG. 11(b) is a perspective view of a 3D view of a micro lens array according to an embodiment.
  • Figure 12 is a Monte Carlo Ray tracing simulation result of a micro lens array according to an embodiment.
  • FIG. 13(a) is an FDTD simulation result of a micro lens array according to an embodiment
  • FIG. 13(b) is an enlarged view of a partial area of FIG. 13(a).
  • Figure 14 is a plan view of a diffusion member according to another embodiment of the present invention.
  • 15 and 16 are diagrams for explaining the diameter of a micro lens forming a diffusion member according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 17 is an enlarged view of the first area 710R of FIG. 15.
  • Figure 18 is a cross-sectional view of a diffusion member and a light source according to another embodiment of the present invention.
  • Figure 19 shows a Gaussian function distribution with an average diameter of 300 ⁇ m and a standard deviation of 2 ⁇ m.
  • Figure 20 is an example of a rejection sampling procedure according to an embodiment of the present invention.
  • Figure 21 shows the diffraction angle for each diameter and diffraction order of a micro lens designed according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 23(a) is a plan view of a 3D view of a micro lens array according to another embodiment of the present invention
  • FIG. 23(b) is a perspective view of a 3D view of a micro lens array according to another embodiment of the present invention.
  • Figure 24(a) shows a Gaussian function distribution with an average diameter in the It represents distribution.
  • Figure 26 illustrates the diameter and FoI of a micro lens designed according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 27 illustrates the center position of the micro lens array according to the design of FIG. 26.
  • FIG. 28(a) is an X-direction FoI graph according to the design of FIG. 26, and FIG. 28(b) is a Y-direction FoI graph according to the design of FIG. 26.
  • Figure 31 is a plan view of a micro lens array according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 34 is an example of the first area 1710R of FIG. 32.
  • Figure 35 is an exploded view of a camera module according to an embodiment of the present invention.
  • the technical idea of the present invention is not limited to some of the described embodiments, but may be implemented in various different forms, and as long as it is within the scope of the technical idea of the present invention, one or more of the components may be optionally used between the embodiments. It can be used by combining and replacing.
  • “above” or “below” refers not only to cases where two components are in direct contact with each other, but also to one This also includes cases where another component described above is formed or placed between two components.
  • “top (above) or bottom (bottom)” it may include not only the upward direction but also the downward direction based on one component.
  • a camera device may refer to a camera that extracts depth information using a Time of Flight (ToF) function. Therefore, the camera device can be used interchangeably with a ToF camera device, a ToF camera module, and a ToF camera.
  • ToF Time of Flight
  • FIG. 1 is a block diagram of a camera device according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 2 is a diagram for explaining an output light signal output from a camera device according to an embodiment of the present invention.
  • a camera device 1000 includes a light emitting unit 100, a light receiving unit 200, a depth information generating unit 300, and a control unit 500.
  • the light emitting unit 100 may generate light pulses at a constant cycle.
  • the light emitting unit 100 may generate an optical pulse having a predetermined pulse width (t pulse ) at a predetermined pulse repetition period (t modulation ).
  • a certain number of light pulses generated by the light emitting unit 100 may be grouped to form one phase pulse.
  • the light emitting unit 100 may generate a phase pulse having a predetermined phase pulse period (t phase ) and a predetermined phase pulse width (t exposure ).
  • Phase pulse width is called t illumination or t integration . It may also be referred to.
  • one phase pulse period (t phase ) may correspond to one subframe.
  • a sub-frame may be called a phase frame.
  • Phase pulse periods can be grouped into a predetermined number.
  • a method of grouping four phase pulse periods (t phase ) may be called a 4-phase method.
  • the method of grouping 8 periods (t pphase ) can be called the 8-phase method.
  • a certain number of phase pulses generated by the light emitting unit 100 may be grouped to form one frame pulse.
  • the light emitting unit 100 may generate a frame pulse having a predetermined frame pulse period (t frame ) and a predetermined frame pulse width (t phase group (sub-frame group) ).
  • one frame pulse period (t frame ) may correspond to one frame. Therefore, when photographing an object at 10 FPS, the frame pulse period (t frame ) may be repeated 10 times per second.
  • one frame may include four subframes. That is, one frame can be created through four subframes.
  • the 8-phase method one frame may include 8 subframes. That is, one frame can be created through 8 subframes.
  • the diffusion member 120 may receive light output from the light source 110 and then diffract the received light to output the light.
  • the diffusion member 120 can converge light and convert it into parallel light.
  • the diffusion member 120 may be a micro lens array (Micro Lens Array, MLA).
  • the light receiving unit 200 may receive light reflected from an object.
  • the light receiving unit 200 may receive an optical signal reflected from an object.
  • the received optical signal may be an optical signal output from the light emitting unit 100 reflected from the object.
  • the light receiving unit 200 may include a lens assembly, a filter, and a sensor to receive an optical signal.
  • the optical signal reflected from the object may pass through the lens assembly.
  • the optical axis of the lens assembly may be aligned with the optical axis of the sensor.
  • a filter may be placed between the lens assembly and the sensor.
  • a filter may be placed on the optical path between the object and the sensor.
  • the filter can filter light having a certain wavelength range.
  • a filter can transmit a specific wavelength band of light. Filters allow light of specific wavelengths to pass through. For example, a filter can pass light in the infrared band and block light outside the infrared band.
  • the sensor can sense light.
  • the sensor can receive optical signals.
  • the sensor may be an image sensor that senses an optical signal.
  • the sensor can detect optical signals and output them as electrical signals.
  • the sensor can detect light with a wavelength corresponding to the wavelength of light output from the light emitting device. For example, the sensor can detect light in the in
  • the sensor may receive an input light signal in synchronization with the blinking cycle of the light source 110.
  • the sensor may receive the output light signal output from the light source 110 and light in phase and out of phase, respectively. That is, the sensor may repeatedly perform the steps of receiving an input light signal when the light source is turned on and receiving the input light signal when the light source is turned off.
  • a sensor may use a plurality of reference signals having different phase differences to generate electrical signals corresponding to each reference signal.
  • the frequency of the reference signal may be set to be the same as the frequency of the output optical signal output from the light source 110. Accordingly, when the light source 110 generates output optical signals at a plurality of frequencies, the sensor generates an electrical signal using a plurality of reference signals corresponding to each frequency.
  • the electrical signal may include information about the amount of charge or voltage corresponding to each reference signal.
  • Each reference signal (C 1 to C 4 ) may have the same frequency as the output optical signal, but may have a 90-degree phase difference from each other.
  • One of the four reference signals (C 1 ) may have the same phase as the output optical signal.
  • the phase of the input light signal is delayed by the distance that the output light signal is reflected from after being incident on the object.
  • the sensor mixes the input light signal and each reference signal. Then, the sensor can generate an electrical signal for each reference signal.
  • the sensor may be configured with a structure in which a plurality of pixels are arranged in a grid.
  • the sensor may be a Complementary Metal Oxide Semiconductor (CMOS) image sensor or a Charge Coupled Device (CCD) image sensor.
  • CMOS Complementary Metal Oxide Semiconductor
  • CCD Charge Coupled Device
  • the sensor may include a ToF sensor that receives IR light reflected from an object and measures distance using time or phase difference.
  • each pixel may include an in-phase reception unit that receives an input light signal in the same phase as the waveform of the output light, and an out-phase reception unit that receives the input light signal in a phase opposite to the waveform of the output light.
  • a difference occurs in the amount of light received by the in phase receiving unit and the out phase receiving unit depending on the distance to the object, and this is used to determine the distance to the object. can be calculated.
  • the light receiving unit 200 and the light emitting unit 100 may be arranged side by side.
  • the light receiving unit 200 may be placed next to the light emitting unit 100.
  • the light receiving unit 200 may be arranged in the same direction as the light emitting unit 100.
  • the depth information generator 300 may generate depth information of an object using an input light signal input to the light receiver 200. For example, the depth information generator 300 may calculate the depth information of an object using the flight time it takes for the output light signal output from the light emitter 100 to be input to the light receiver 200 after being reflected from the object. there is. For example, the depth information generator 300 calculates the phase difference between the output light signal and the input light signal using the electrical signal received from the sensor, and uses the calculated phase difference to determine the phase difference between the object and the camera device 1000. Calculate the distance.
  • the depth information generator 300 may calculate the phase difference between the output light signal and the input light signal using charge amount information of the electric signal.
  • the control unit 500 controls the operation of the light emitting unit 100, the light receiving unit 200, and the depth information generating unit 300.
  • the depth information generator 300 and the control unit 500 may be implemented in the form of a printed circuit board (PCB). Additionally, the depth information generator 300 and the control unit 500 may be implemented in different configurations.
  • the control unit 500 may be included in a terminal on which the camera device 1000 according to an embodiment of the present invention is deployed.
  • the control unit 500 may be implemented in the form of an application processor (AP) of a smartphone equipped with the camera device 1000 according to an embodiment of the present invention.
  • AP application processor
  • the light source 110 may include a plurality of light emitting devices 112.
  • the light source 110 may be implemented in the form of an array in which a plurality of light emitting devices 112 are arranged according to a predetermined rule on the substrate 111.
  • the substrate 111 includes a first surface and a second surface, and a plurality of light outlets (apertures) may be formed on the first surface of the substrate 111, and the diffusion member 120 corresponds to the plurality of light outlets. Thus, it can be placed on the substrate 111.
  • the light source 110 outputs light through a light outlet, and the light may be output at a predetermined divergence angle.
  • the plurality of light-emitting devices 112 may be vertical-cavity surface-emitting lasers (VCSEL).
  • the plurality of micro lenses 122 may have a predetermined diameter.
  • the diameters of the plurality of micro lenses 122 may be set so that the maximum value of the concentration of light beams of the plurality of micro lenses does not exceed a predetermined value.
  • the concentration of light beam may mean the ratio of the light beam incident on one micro lens to the total energy output by the light source 110. According to this, the safety of the user's eyes can be improved by dispersing the energy concentrated in one micro lens.
  • the user may be an object of the camera device 1000 or a person located around the camera device 1000.
  • the diffusion member 120 converts the laser beam output by the light emitting element 112 into a surface illumination pattern.
  • the surface lighting pattern is a form in which light spreads uniformly within a predetermined area, and can be used interchangeably with a flood lighting pattern, a surface light source pattern, etc.
  • uniform may mean that light spreads continuously in space.
  • the light spreads uniformly (continuously) in space, so when the light of the surface lighting pattern is irradiated to an object, there is an advantage of being able to obtain high-resolution depth information.
  • I is the intensity of electric field light
  • d is the grating period
  • N is the number of grating periods within 1 mm (d/1 mm)
  • ⁇ is the diffraction angle
  • ⁇ means the wavelength
  • an attempt is made to reduce the deviation of the light intensity I and increase the homogeneity of the surface lighting pattern according to Equation 4 through the design of the micro lens forming the diffusion member.
  • Figure 4 is a plan view of a diffusion member according to an embodiment of the present invention
  • Figures 5 and 6 are diagrams for explaining the diameter of the micro lens forming the diffusion member according to an embodiment of the present invention
  • Figure 7 is a diagram showing the diameter of the micro lens forming the diffusion member according to an embodiment of the present invention. This is a cross-sectional view of a diffusion member and a light source according to one embodiment.
  • the first area 410R includes a plurality of first micro lenses 410 arranged along the first direction
  • the second area 420R includes a plurality of first micro lenses 410 arranged along the first direction.
  • the third area 430R includes a plurality of third micro lenses 430 arranged along the first direction.
  • the first direction may correspond to a direction intersecting the optical axis direction.
  • a plurality of first micro lenses 410 are arranged along a second direction perpendicular to the first direction in the first area 410R, and a plurality of second micro lenses 410 are arranged along the second direction in the second area 420R.
  • the first micro lens 410 is disposed on one side of each second micro lens 420 in a direction perpendicular to the direction in which the plurality of second micro lenses 420 are disposed, and the third micro lens 410 is disposed on the other side.
  • Lens 430 may be disposed. That is, the second micro lenses 420 may not be disposed on both sides of each second micro lens 420 in a direction perpendicular to the direction in which the plurality of second micro lenses 420 are disposed.
  • the third micro lenses 430 may not be disposed on both sides of each third micro lens 430 in a direction perpendicular to the direction in which the plurality of third micro lenses 430 are disposed.
  • the distance from the diffusion member 400 that is, the center of the micro lens array to the second micro lens 420, is greater than the distance from the center of the micro lens array to the first micro lens, and the third micro lens ( The distance to 430) may be greater than the distance from the center of the micro lens array to the second micro lens 420.
  • An embodiment of the present invention includes a fourth region surrounding the third region 430R and including a plurality of fourth micro lenses having a fourth diameter, and a plurality of fifth micro lenses surrounding the fourth region and having a fifth diameter. It may be expanded to a fifth area including a micro lens, etc.
  • the first diameter (P1), the second diameter (P2), and the third diameter (P3) may be used interchangeably with the first pitch (P1), the second pitch (P2), and the third pitch (P3), respectively.
  • the diameter may mean the length of the micro lens along the first or second direction.
  • the diameter may mean the length of the micro lens along a direction other than the first and second directions.
  • the first area 410R, the second area 420R, and the third area 430R are disposed within area a defined by Equation 5.
  • a is the width of the area where the light intensity reaches 1/e 2 times the maximum light intensity
  • D means the distance from the light source 110 to the diffusion member 400
  • ⁇ is the maximum light intensity of the light source 110. It can be defined as the angle at which 1/e 2 times the light intensity is output.
  • the light source 110 and the diffusion member 400 are arranged to be spaced apart by a predetermined distance D.
  • the light emitting device 112 outputs light at a predetermined angle ( ⁇ ). If a virtual normal line perpendicular to the substrate 111 is drawn from the center of the light emitting device 112, the angle ( ⁇ /2) formed between the virtual normal line and the light is the divergence angle ( ⁇ ) of the light output from the light emitting device 112. ) is half of
  • the plurality of light-emitting devices 112 may all have the same standard, and the divergence angle ⁇ at which the plurality of light-emitting devices 112 output light may be the same.
  • the light emitting device 112 may emit a certain amount of energy from -20 degrees to 20 degrees relative to the optical axis.
  • the amount of energy is almost 0 at angles of -15 degrees, +15 degrees, or less than -15 degrees or more than 15 degrees. That is, most of the energy exists within a predetermined angle based on the optical axis of the light emitting device. Therefore, it is inefficient to set all angles where the amount of energy is not 0 as the divergence angle of the light-emitting device, and it is efficient to set the angle at which a certain amount of energy or more is emitted as the divergence angle of the light-emitting device.
  • the divergence angle of the light source 110 can be set to an angle at which 1/e 2 times the light intensity of the maximum light intensity of the light source 110 is output, and the area a defined by Equation 5 is called the effective light area. It can be referred to.
  • the first diameter (P1), the second diameter (P2), and the third diameter (P3) may be different from each other.
  • the energy of the output light is dispersed to ensure safety for the user's eyes. can be increased, and the decrease in homogeneity due to interference can also be prevented.
  • the number of micro lenses included in at least one of the first to third regions 410R, 420R, and 430R is included in at least one of the first to third regions 410R, 420R, and 430R.
  • the diameter of the micro lens and the diameter of the micro lens included in another area surrounding at least one of the first to third areas 410R, 420R, and 430R.
  • the number and diameter of micro lenses included in at least one of the first to third regions 410R, 420R, and 430R are at least one of the first to third regions 410R, 420R, and 430R. It is correlated with the diameter of the microlenses contained in other areas surrounding one.
  • the number of microlenses for each region can be expressed as Equation 6.
  • the number of micro lenses included in the n-th region may have a correlation with the diameter of the micro lenses included in the n-th region and the diameter of the micro lenses included in the n+1-th region surrounding the n-th region.
  • the number and diameter of micro lenses included in the n-th region may have a correlation with the diameter of the micro lenses included in the n+1-th region surrounding the n-th region.
  • the number and second diameter P2 of the second micro lenses 420 included in the second area 420R are the third diameter P3 of the third micro lens 430 included in the third area 430R. There can be a correlation.
  • n diameter Count diffraction angle 1st order 2nd order 3rd order 4th order 5th order One 300um 4 0.00313 0.00627 0.00940 0.01253 0.01567 2 400um 5 0.00235 0.00470 0.00705 0.00940 0.01175 3 500um 6 0.00188 0.00376 0.00564 0.00752 0.00940 4 600um 7 0.00157 0.00313 0.00470 0.00627 0.00783 5 700um 8 0.00134 0.00269 0.00403 0.00537 0.00671 6 800um 9 0.00118 0.00235 0.00353 0.00470 0.00588
  • n is the order of the regions
  • diameter is the diameter of the microlens for each region
  • number is the number of microlenses repeatedly arranged along the first direction or the number of microlenses repeatedly arranged along the second direction.
  • microlenses with a diameter of 300 ⁇ m are arranged in a row along the first direction
  • five microlenses with a diameter of 400 ⁇ m are arranged in a row along the first direction
  • six microlenses with a diameter of 500 ⁇ m are arranged in a row along the first direction
  • seven microlenses with a diameter of 600 ⁇ m are arranged in a row along the first direction
  • Eight micro lenses with a diameter of 700 ⁇ m may be arranged in a line along the first direction
  • 9 micro lenses with a diameter of 800 ⁇ m in the sixth area may be arranged in a line along the first direction.
  • n is the order of the regions
  • diameter is the diameter of the microlens for each region
  • number is the number of microlenses repeatedly arranged along the first direction or the number of microlenses repeatedly arranged along the second direction.
  • Table 2 also shows that it is designed to satisfy Equation 6.
  • the first surface of the diffusion member 400 has a plurality of micro lenses 410, 420, 430)
  • the separation distance between the diffusion member 400 and the light source 110 may be the vertical distance between the first surface of the light source 110 and a point through which the optical axis of the microlens 410, 420, and 430 passes.
  • a plurality of first micro lenses 410 included in the first area 410R, a plurality of second micro lenses 420 included in the second area 420R, and a third micro lens 410 are included in the first area 410R.
  • the plurality of third micro lenses 430 included in the region 430R may protrude in a direction toward the light source 110.
  • the direction from the diffusion member 400 toward the light source 110 may be referred to as a third direction perpendicular to the first direction and the second direction, which is the plane direction of the diffusion member 400.
  • the third direction may be the same as the optical axis direction of the first to third micro lenses 410, 420, and 430.
  • the protrusion height (h1) of the plurality of first micro lenses 410, the protrusion height (h2) of the plurality of second micro lenses 420, and the protrusion height (h3) of the plurality of third micro lenses 430 are may be different from each other. According to this, since the boundaries of the first region 410R, the second region 420R, and the third region 430R are determined by the protrusion height of each micro lens, the periodicity of the grating is broken, and the diffraction order for each region is broken. Constructive interference and destructive interference due to overlapping diffraction angles can be minimized.
  • Each of the third micro lenses 430 may have an aspherical shape.
  • the aspherical shapes of the first micro-lens 410, the second micro-lens 420, and the third micro-lens 430 may be defined by the image height, radius of curvature, and Conic's constant.
  • the aspherical shapes of the first micro lens 410, the second micro lens 420, and the third micro lens 430 may be defined by Equation 7.
  • Z is the aspherical shape of the lens
  • h is the image height
  • R is the radius of curvature
  • K is the Conic constant.
  • the aspherical shapes of the first micro lens 410, the second micro lens 420, and the third micro lens 430 can be defined by Equation 8.
  • x is the X-axis image height
  • y is the Y-axis image height
  • Rx is the X-axis radius of curvature
  • Ry is the Y-axis radius of curvature
  • Kx is the
  • FIG. 8(a) is a plan view of a 3D drawing of a micro lens array according to a comparative example
  • FIG. 8(b) is a perspective view of a 3D drawing of a micro lens array according to a comparative example
  • FIG. 9 is a micro lens array according to a comparative example.
  • Figure 10(a) is an FDTD simulation result of a micro lens array according to a comparative example
  • Figure 10(b) is an enlarged view of a partial area of Figure 10(a). am.
  • FIG. 11(a) is a plan view of a 3D view of a micro lens array according to an embodiment
  • FIG. 11(b) is a perspective view of a 3D view of a micro lens array according to an embodiment
  • FIG. 12 is a micro lens array according to an embodiment. is a Monte Carlo Ray tracing simulation result
  • FIG. 13(a) is an FDTD simulation result of a micro lens array according to an embodiment
  • FIG. 13(b) is an enlarged view of a partial area of FIG. 13(a). am.
  • a plurality of micro lenses are arranged in an array shape, and the plurality of micro lenses are all designed to have the same diameter.
  • FIGS. 8(a), 8(b), 9, 10(a), and 10(b) as a result of Monte Carlo ray tracing simulation of the micro lens array according to the comparative example, the edge angle of the peripheral portion (edge angle) is formed sharply, and as a result of FDTD simulation of the micro lens array according to the comparative example, it can be seen that constructive interference due to diffraction occurs strongly.
  • FIGS. 11(a), 11(b), 12, 13(a), and 13(b) as a result of Monte Carlo ray tracing simulation of the micro lens array according to the embodiment, the edge of the peripheral portion It can be seen that the edge angle is blunted compared to the comparative example, and as a result of FDTD simulation of the micro lens array according to the example, it can be seen that constructive interference due to diffraction is significantly weakened compared to the comparative example.
  • the diffusion member 700 has a first region 710R including a plurality of first micro lenses 710 having a first average diameter AP1. , a second region 720R surrounding the first region 710R and including a plurality of second micro lenses 720 having a second average diameter AP2, and a third region 720R surrounding the second region 720R. It includes a third area 730R including a plurality of third micro lenses 730 having an average diameter AP3.
  • duplicate descriptions of content that are the same as the description of the diffusion member 120 described with reference to FIGS. 1 to 3 will be omitted.
  • the first area 710R may be an area including the center of the diffusion member 700.
  • the center of the diffusion member 700 may mean the center of the micro lens array of the diffusion member 700.
  • the first area 710R includes a plurality of first micro lenses 710 arranged along the first direction
  • the second area 720R includes a plurality of first micro lenses 710 arranged along the first direction.
  • the third area 730R includes a plurality of third micro lenses 730 arranged along the first direction.
  • the first direction may correspond to a direction intersecting the optical axis direction.
  • a plurality of first micro lenses 710 are arranged in the first area 710R along a second direction perpendicular to the first direction and intersecting the optical axis direction, and in the second area 720R in the second direction.
  • a plurality of second micro lenses 720 are arranged along the second direction, and a plurality of third micro lenses 730 are arranged along the second direction in the third area 730R.
  • the plurality of first micro lenses 710 disposed in the outermost row and the outermost row of the first region 710R are adjacent to the plurality of second micro lenses 720 disposed in the second region 720R.
  • the plurality of second micro lenses 720 disposed in the second area 720R may be arranged adjacent to the plurality of third micro lenses 730 disposed in the third area 730R.
  • the plurality of second micro lenses 720 will be arranged in a line to surround the outermost portion of the first area 710R, and the plurality of third micro lenses 730 will be arranged in a line to surround the second area 720R.
  • the first micro lens 710 is disposed on one side of each second micro lens 720 in a direction perpendicular to the direction in which the plurality of second micro lenses 720 are disposed, and the third micro lens 710 is disposed on the other side.
  • Lens 730 may be disposed. That is, the second micro lenses 720 may not be disposed on both sides of each second micro lens 720 in a direction perpendicular to the direction in which the plurality of second micro lenses 720 are disposed.
  • the first average diameter (AP1), the second average diameter (AP2), and the third average diameter (AP3) are the first average pitch (AP1), the second average pitch (AP2), and the third average pitch (AP3), respectively.
  • the diameter may mean the length of the micro lens along the first or second direction.
  • the diameter may mean the length of the micro lens along a direction other than the first and second directions.
  • the diameter may mean the length of the micro lens along the first direction, the second direction, or the third direction, which is the optical axis direction.
  • a is the width of the area where the light intensity reaches 1/e 2 times the maximum light intensity
  • D means the distance from the light source 110 to the diffusion member 700
  • ⁇ is the maximum light intensity of the light source 110. It can be defined as the angle at which 1/e 2 times the light intensity is output.
  • the light source 110 and the diffusion member 700 are arranged to be spaced apart by a predetermined distance D. And, the light emitting device 112 outputs light at a predetermined angle ( ⁇ ). If a virtual normal line perpendicular to the substrate 111 is drawn from the center of the light emitting device 112, the angle ( ⁇ /2) formed between the virtual normal line and the light is the divergence angle ( ⁇ ) of the light output from the light emitting device 112. ) is half of The plurality of light-emitting devices 112 may all have the same standard, and the divergence angle ⁇ at which the plurality of light-emitting devices 112 output light may be the same.
  • the light emitting device 112 may emit a certain amount of energy from -20 degrees to 20 degrees relative to the optical axis.
  • the amount of energy is almost 0 at angles of -15 degrees, +15 degrees, or less than -15 degrees or more than 15 degrees. That is, most of the energy exists within a predetermined angle based on the optical axis of the light emitting device. Therefore, it is inefficient to set all angles where the amount of energy is not 0 as the divergence angle of the light-emitting device, and it is efficient to set the angle at which a certain amount of energy or more is emitted as the divergence angle of the light-emitting device.
  • the divergence angle of the light source 110 can be set to an angle at which 1/e 2 times the light intensity of the maximum light intensity of the light source 110 is output, and the area a defined by Equation 9 is called the effective light area. It can be referred to.
  • the first average diameter (AP1), the second average diameter (AP2), and the third average diameter (AP3) may be different from each other.
  • the second average diameter AP2 may be larger than the first average diameter AP1
  • the third average diameter AP3 may be larger than the second average diameter AP2.
  • the second average diameter (AP2) may be 1.1 times or more than the first average diameter (AP1)
  • the third average diameter (AP3) may be 1.1 times or more than the second average diameter (AP2).
  • the ratio of the second average diameter AP2 to the first average diameter AP1 may be greater than the ratio of the third average diameter AP3 to the second average diameter AP2. According to this, the energy of the output light is dispersed, thereby increasing safety for the user's eyes and preventing a decrease in homogeneity due to interference.
  • a plurality of first micro lenses 710 having a first average diameter AP1 in the first area 710R may have different diameters.
  • the diameter may be a diameter along the first direction, a diameter along a second direction perpendicular to the first direction, or a diameter along a third direction that is the optical axis direction, and the first and second directions are perpendicular to the third direction. This may be the direction.
  • the plurality of first micro lenses 710 have a diameter within the range of 0.95 to 1.05 times, preferably 0.97 to 1.03 times, and more preferably 0.98 to 1.02 times the first average diameter (AP1). can have different diameters. Accordingly, constructive interference and destructive interference due to overlapping diffraction angles according to the diffraction orders of the plurality of first micro lenses 710 in the first region 710R can be minimized.
  • the plurality of second micro lenses 720 having the second average diameter AP2 in the second area 720R may have different diameters.
  • the plurality of second micro lenses 720 are within the range of 0.95 to 1.05 times, preferably 0.97 to 1.03 times, and more preferably 0.98 to 1.02 times the second average diameter (AP2). can have different diameters. Accordingly, constructive interference and destructive interference due to overlapping diffraction angles according to the diffraction orders of the plurality of second micro lenses 720 in the second region 720R can be minimized.
  • the diameters of the plurality of first micro lenses 710, the diameters of the plurality of second micro lenses 720, and the diameters of the plurality of third micro lenses 730 may each be designed by random number generation. If the diameters of the plurality of first micro lenses 710 are designed by random number generation, the plurality of first micro lenses 710 disposed in the first region 710R may have different diameters. If the diameters of the plurality of second micro lenses 720 are designed by random number generation, the plurality of second micro lenses 720 disposed in the second region 720R may have different diameters. If the diameters of the plurality of third micro lenses 730 are generated by random number generation, the plurality of third micro lenses 730 disposed in the third region 730R may have different diameters. When a plurality of micro lenses included in each area have different diameters, constructive interference and destructive interference due to overlapping diffraction angles according to diffraction orders can be minimized.
  • random number generation for the diameter of a micro lens can be designed using a Gaussian function distribution according to a preset average diameter and standard deviation.
  • the diameters of the plurality of micro lenses included in each region may be extracted by sampling the number of micro lenses included in each region.
  • Equation 10 represents a Gaussian function.
  • x is the variable
  • ⁇ is the mean
  • ⁇ is the standard deviation
  • Figure 19 shows a Gaussian function distribution with an average diameter of 300 ⁇ m and a standard deviation of 2 ⁇ m.
  • random numbers for the diameters of a plurality of micro lenses for each region can be extracted using rejection sampling.
  • Equation 10 an envelope function for the Gaussian function in Equation 10.
  • the cover function has a form similar to the Gaussian function in Equation 10, but has a larger value than the Gaussian function in Equation 10 for all values that can have variables.
  • Equation 11 is a cover function for the Gaussian function in Equation 10.
  • x is the variable
  • ⁇ is the mean
  • ⁇ is the standard deviation
  • Figure 20 is an example of a rejection sampling procedure according to an embodiment of the present invention.
  • the Gaussian function of Equation 10 and the cover function of Equation 11 are compared in the random number extracted from Equation 12, and it can be determined whether to accept or reject the random number depending on the comparison result.
  • the Gaussian function in Equation 10 and the cover function in Equation 11 the further away from the average value the larger the difference, and the closer to the average value the smaller the difference. Accordingly, it is advantageous to accept random numbers close to the average value.
  • Figure 21 shows the diffraction angle for each diameter and diffraction order of a micro lens designed according to an embodiment of the present invention.
  • the third average diameter of the plurality of third micro lenses 730 is set to 500 ⁇ m, the third standard deviation is set to 4.37, and the number of samples is set to 20, and the random number generation method according to an embodiment of the present invention This is the result of design according to . From this, it can be seen that the diameters of the plurality of third micro lenses 730 are all different from each other, and there is no overlap in the diffraction angles for each diffraction order.
  • AP n is the average diameter of the microlens disposed in the nth region
  • AP n+1 is the average diameter of the microlens disposed in the n+1th region
  • x n is the average diameter of the microlens disposed in the nth region along the first direction. It is the number of micro lenses arranged or the number of micro lenses arranged along the second direction.
  • x n does not mean the number of all microlenses included in the nth area.
  • x 1 may be 4 micro lenses arranged along the first or second direction in the first area
  • x 2 may be 5 micro lenses arranged along the first or second direction in the second area.
  • Equation 13 may be a lens, and x 3 may be six micro lenses arranged along the first or second direction in the third area.
  • both sides of Equation 13 may have a predetermined error range. For example, if the calculated values of the right and left sides of Equation 13 have an error range of ⁇ 3% or less, the equation of Equation 13 can be interpreted as being established.
  • microlenses with an average diameter of 300 ⁇ m are arranged in a row along the first direction
  • five microlenses with an average diameter of 400 ⁇ m are arranged in a row along the first direction
  • six microlenses with an average diameter of 500 ⁇ m are arranged in a row along the first direction
  • seven microlenses with an average diameter of 600 ⁇ m are arranged in a row along the first direction
  • eight micro lenses with an average diameter of 700 ⁇ m may be arranged in a line along the first direction
  • nine micro lenses with an average diameter of 800 ⁇ m may be arranged in a line along the first direction.
  • the average diameter is 800 ⁇ m
  • Table 5 shows an example of a micro lens array according to an embodiment of the present invention under the condition that D, which is the distance from the light source 110 to the diffusion member 700, is > 1.2 mm.
  • N average diameter Count One 50 ⁇ m 6 2 60 ⁇ m 7 3 70 ⁇ m 8 4 80 ⁇ m 9 5 90 ⁇ m 10 6 100 ⁇ m 11 7 110 ⁇ m 12 8 120 ⁇ m 13
  • n is the order of the region
  • the average diameter is the average diameter of the microlens for each region
  • the number is the number of microlenses repeatedly arranged along the first direction or the number of microlenses repeatedly arranged along the second direction.
  • Table 5 also shows that it is designed to satisfy Equation 12.
  • Table 6 shows an example of a micro lens array according to an embodiment of the present invention under the condition that D, which is the distance from the light source 110 to the diffusion member 700, is > 0.35mm.
  • n is the order of the region
  • the average diameter is the average diameter of the microlens for each region
  • the number is the number of microlenses repeatedly arranged along the first direction or the number of microlenses repeatedly arranged along the second direction.
  • Table 6 also shows that it is designed to satisfy Equation 12.
  • the first surface of the diffusion member 700 has a plurality of micro lenses 710, 720, 730) In each case, it can refer to one side connecting the points through which the optical axis passes. Accordingly, the separation distance between the diffusion member 700 and the light source 110 may be the vertical distance between the first surface of the light source 110 and a point through which the optical axis of the microlens 710, 720, and 730 passes.
  • the average diameter of the microlens is hundreds of ⁇ m, for example, 300 ⁇ m or more, for example, 300 ⁇ m to 800 ⁇ m, as shown in Table 5.
  • the average diameter of the microlens is tens of ⁇ m to hundreds of ⁇ m, for example 50 ⁇ m or more, for example 50 ⁇ m to 120 ⁇ m, and as illustrated in Table 6,
  • D When >0.35mm, it can be seen that the average diameter of the microlens is several tens of ⁇ m, for example, 20 ⁇ m or more, for example, 20 ⁇ m to 70 ⁇ m. In this way, when the average diameter of the micro lens varies depending on the distance D between the light source 110 and the diffusion member 700, the concentration of light beam for a specific micro lens can be lowered, making it safe for the user's eyes.
  • a plurality of first micro lenses 710 included in the first area 710R, a plurality of second micro lenses 720 included in the second area 720R, and a third micro lens 710 are included in the first area 710R.
  • the plurality of third micro lenses 730 included in the region 730R may protrude in a direction toward the light source 110.
  • the direction from the diffusion member 700 toward the light source 110 may be referred to as a third direction perpendicular to the first direction and the second direction, which is the plane direction of the diffusion member 700.
  • the third direction may be the same as the optical axis direction of the first to third micro lenses 710, 720, and 730.
  • the first average protrusion height (h1) of the plurality of first micro lenses 710, the second average protrusion height (h2) of the plurality of second micro lenses 720, and the plurality of third micro lenses 730 may be different from each other.
  • the first average protrusion height (h1), the second average protrusion height (h2), and the third average protrusion height (h3) are the first average diameter (AP1) and the second average diameter along the third direction, which is the optical axis direction, respectively. (AP2) and the third average diameter (AP3).
  • the boundaries of the first region 710R, the second region 720R, and the third region 730R are determined by the protrusion height of each micro lens, the periodicity of the grating is broken, and the diffraction order for each region is broken. Constructive interference and destructive interference due to overlapping diffraction angles can be minimized.
  • the plurality of first micro lenses 710 all have different protrusion heights
  • the plurality of second micro lenses 720 all have different protrusion heights
  • the plurality of third micro lenses 710 all have different protrusion heights.
  • 730 may all have different protrusion heights.
  • Each of the third micro lenses 730 may have an aspherical shape.
  • the aspherical shapes of the first micro-lens 710, the second micro-lens 720, and the third micro-lens 730 may be defined by the image height, radius of curvature, and Conic's constant.
  • the aspherical shapes of the first micro lens 710, the second micro lens 720, and the third micro lens 730 may be defined by Equation 14.
  • the aspherical shapes of the first micro lens 710, the second micro lens 720, and the third micro lens 730 can be defined by Equation 15.
  • x is the X-axis image height
  • y is the Y-axis image height
  • Rx is the X-axis radius of curvature
  • Ry is the Y-axis radius of curvature
  • Kx is the
  • the FoI of the laser beam that passed through the micro lens array can be defined, and the concentration of the light flux of a specific micro lens can be set so that it does not exceed a predetermined value.
  • the diffusion member includes a plurality of micro lenses having different diameters and different FoI.
  • the diffusion member includes a plurality of micro lenses having different diameters and different FoI.
  • FIG. 23(a) is a plan view of a 3D view of a micro lens array according to another embodiment of the present invention
  • FIG. 23(b) is a perspective view of a 3D view of a micro lens array according to another embodiment of the present invention.
  • a micro lens array 1700 according to another embodiment of the present invention includes a plurality of micro lenses 1701.
  • a plurality of micro lenses having different diameters and/or different FoI are disposed in area a defined by Equation 16.
  • a is the width of the area where the light intensity reaches 1/e 2 times the maximum light intensity
  • D means the distance from the light source 110 to the diffusion member 1700
  • ⁇ is the maximum light intensity of the light source 110. It can be defined as the angle at which 1/e 2 times the light intensity is output.
  • the light emitting device 112 may emit a certain amount of energy from -20 degrees to 20 degrees relative to the optical axis.
  • the amount of energy is almost 0 at angles of -15 degrees, +15 degrees, or less than -15 degrees or more than 15 degrees. That is, most of the energy exists within a predetermined angle based on the optical axis of the light emitting device. Therefore, it is inefficient to set all angles where the amount of energy is not 0 as the divergence angle of the light-emitting device, and it is efficient to set the angle at which a certain amount of energy or more is emitted as the divergence angle of the light-emitting device.
  • Equation 17 represents the Gaussian function.
  • Figure 24(a) shows a Gaussian function distribution with an average diameter in the The distribution is shown
  • Figure 25(a) shows the Gaussian function distribution with an average FoI in the It represents distribution.
  • x is the variable
  • ⁇ is the mean
  • ⁇ is the standard deviation
  • Equation 18 is a cover function.
  • Equation 19 is a function that generates random numbers using continuous uniform distribution from Equation 18, the cover function.
  • the rejection sampling procedure may refer to FIG. 20.
  • the Gaussian function of Equation 17 and the cover function of Equation 18 are compared in the random number extracted from Equation 19, and it can be determined whether to accept or reject the random number according to the comparison result. Comparing the Gaussian function in Equation 17 and the cover function in Equation 18, the further away from the average value the larger the difference, and the closer to the average value the smaller the difference. Accordingly, it is advantageous to accept random numbers close to the average value.
  • the micro lens array includes a plurality of micro lenses arranged in an N*M matrix.
  • N and M are each integers of 3 or more and may be the same as or different from each other.
  • a plurality of micro lenses arranged in at least a 3*3 matrix have different FoIs.
  • FoI is defined by the aspherical shape, radius of curvature, and Conic's constant
  • a plurality of micro lenses arranged in a 3*3 matrix may differ from each other in at least one of the aspherical shape, radius of curvature, and Conic's constant.
  • Figure 30 is a plan view of a micro lens array according to another embodiment of the present invention. For convenience of explanation, duplicate descriptions of content that is the same as that described with reference to FIGS. 1 to 29 will be omitted.
  • the plurality of micro lenses included in the first region 1700R1 have at least one of different aspherical shapes, radii of curvature, and conic constants in the first direction, or different aspherical shapes, radii of curvature, and conic constants in the second direction. It can have at least one of the constants.
  • the second area 1700R2 includes a plurality of micro lenses, and the plurality of micro lenses included in the second area 1700R2 may have the same FoI.
  • the light source 110 may be a VCSEL, and the VCSEL may be dividedly driven.
  • the light source 110 may be divided into a first VCSEL region and a second VCSEL region, the first VCSEL region may be driven during the first time region, and the second VCSEL region may be driven during the second time region.
  • the average FoI of the plurality of micro lenses included in the first area 1700RA of the micro lens array 1700 is the same as the average FoI of the plurality of micro lenses included in the second area 1700RB, and the micro lens array 1700
  • the first area 1700RA may be disposed at a position corresponding to the first VCSEL area
  • the second area 1700RB of the micro lens array 1700 may be disposed at a position corresponding to the second VCSEL area. According to this, the diffraction phenomenon due to interference can be reduced over the entire time domain, and a homogeneous surface pattern can be implemented.
  • the micro lens array is divided into a plurality of regions and may include micro lenses having different average diameters for each region.
  • An embodiment of the present invention may be a micro lens array including only the first area 1710R and the second area 1720R, and may include a plurality of fourth micro lenses surrounding the third area 1730R and having a fourth average diameter. It may be expanded to a fourth area including a lens, a fifth area surrounding the fourth area and including a plurality of fifth micro lenses having a fifth average diameter, etc.
  • a plurality of first micro lenses 1710 are arranged in the first area 1710R along a second direction perpendicular to the first direction and intersecting the optical axis direction, and in the second area 1720R in the second direction.
  • a plurality of second micro lenses 1720 are arranged along the second direction, and a plurality of third micro lenses 1730 are arranged along the second direction in the third area 1730R.
  • the first micro lens 1710 is disposed on one side of each second micro lens 1720 in a direction perpendicular to the direction in which the plurality of second micro lenses 1720 are disposed, and the third micro lens 1710 is disposed on the other side.
  • Lens 1730 may be disposed. That is, the second micro lenses 1720 may not be disposed on both sides of each second micro lens 1720 in a direction perpendicular to the direction in which the plurality of second micro lenses 1720 are disposed.
  • the third micro lenses 1730 may not be disposed on both sides of each third micro lens 1730 in a direction perpendicular to the direction in which the plurality of third micro lenses 1730 are disposed.
  • the distance from the diffusion member 1700, that is, the center of the micro lens array, to the second micro lens 1720 is greater than the distance from the center of the micro lens array to the first micro lens 1710, and the distance from the center of the micro lens array to the third micro lens 1720 is greater than the distance from the center of the micro lens array to the first micro lens 1710.
  • the distance to the micro lens 1730 may be greater than the distance from the center of the micro lens array to the second micro lens 1720.
  • the first average diameter (AP1), the second average diameter (AP2), and the third average diameter (AP3) are the first average pitch (AP1), the second average pitch (AP2), and the third average pitch (AP3), respectively.
  • the diameter may mean the length of the micro lens along the first or second direction.
  • the diameter may mean the length of the micro lens along a direction other than the first and second directions.
  • the diameter may mean the length of the micro lens along the first direction, the second direction, or the third direction, which is the optical axis direction.
  • the first average diameter (AP1), the second average diameter (AP2), and the third average diameter (AP3) may be different from each other.
  • the second average diameter AP2 may be larger than the first average diameter AP1
  • the third average diameter AP3 may be larger than the second average diameter AP2.
  • the second average diameter (AP2) may be 1.1 times or more than the first average diameter (AP1)
  • the third average diameter (AP3) may be 1.1 times or more than the second average diameter (AP2).
  • the ratio of the second average diameter AP2 to the first average diameter AP1 may be greater than the ratio of the third average diameter AP3 to the second average diameter AP2. According to this, the energy of the output light is dispersed, thereby increasing safety for the user's eyes and preventing a decrease in homogeneity due to interference.
  • a plurality of first micro lenses 1710 in the first area 1710R may have different FoIs
  • a plurality of second micro lenses 1720 in the second area 1720R may have different FoIs. They may have different FoIs
  • the plurality of third micro lenses 1730 in the third region 1730R may have different FoIs.
  • the plurality of first micro lenses 1710 in the first area 1710R may have at least one of different aspherical shapes, radii of curvature, and Conic constants
  • the plurality of second micro lenses 1710 in the second area 1720R 1720 may have at least one of different aspherical shapes, radii of curvature, and Conic constants
  • the plurality of third micro lenses 1730 in the third region 1730R may have different aspherical shapes, radii of curvature, and Conic constants. You can have at least one.
  • the plurality of first micro lenses 1710 in the first area 1710R may have different FoIs in the first direction
  • the plurality of second micro lenses 1720 in the second area 1720R may have different FoIs in the first direction. They may have different FoIs in each direction
  • the plurality of third micro lenses 1730 in the third region 1730R may have different FoIs in the first direction.
  • the plurality of first micro lenses 1710 in the first area 1710R may have different FoIs in the second direction
  • the plurality of second micro lenses 1720 in the second area 1720R may have different FoIs in the second direction.
  • the plurality of third micro lenses 1730 in the third region 1730R may have different FoIs in the second direction. That is, the plurality of first microlenses 1710 in the first region 1710R may have at least one of different aspherical shapes, radii of curvature, and conic constants in the first direction, and the plurality of first microlenses 1710 in the second region 1720R may have different aspherical shapes, radii of curvature, and conic constants.
  • the second micro-lens 1720 may have at least one of a different aspherical shape, radius of curvature, and Conic constant in the first direction
  • the plurality of third micro-lenses 1730 in the third region 1730R may have a different aspherical shape in the first direction. It may have at least one of different aspherical shapes, radii of curvature, and Conic constants.
  • the plurality of first micro lenses 1710 in the first area 1710R may have at least one of different aspherical shapes, radii of curvature, and conic constants in the second direction
  • the plurality of first micro lenses 1710 in the second area 1720R may have different aspherical shapes, radii of curvature, and conic constants.
  • the second micro-lens 1720 may have at least one of a different aspherical shape, radius of curvature, and Conic constant in the second direction
  • the plurality of third micro-lenses 1730 in the third region 1730R may have a different aspherical shape in the second direction. It may have at least one of different aspherical shapes, radii of curvature, and Conic constants.
  • the average FoI of the first area 1710R, the average FoI of the second area 1720R, and the average FoI of the third area 1730R may be the same.
  • the same average FoI may include an error range of ⁇ 5%. According to this, even though each micro lens included in the micro lens array 1700 has a different FoI, the surface illumination pattern output by the micro lens array 1700 converges to the average FoI, thereby providing homogeneous surface illumination. You can get a pattern.
  • the plurality of first micro lenses 1710 having a first average diameter AP1 in the first area 1710R may have different diameters.
  • the plurality of second micro lenses 1720 having the second average diameter AP2 in the second area 1720R may have different diameters.
  • the plurality of third micro lenses 1730 having the third average diameter AP3 in the third area 1730R may have different diameters.
  • the diameters of the plurality of first micro lenses 1710, the diameters of the plurality of second micro lenses 1720, and the diameters of the plurality of third micro lenses 1730 may each be designed by random number generation.
  • a plurality of micro lenses included in each area have different diameters, constructive interference and destructive interference due to overlapping diffraction angles according to diffraction orders can be minimized.
  • For generating random numbers for the diameter of the micro lens refer to Equations 17 to 19 and FIG. 20.
  • the number and average diameter of micro lenses included in at least one of the first to third regions 1710R, 1720R, and 1730R are the same as those of the first to third regions 1710R, 1720R, and 1730R.
  • the number of microlenses for each region according to an embodiment of the present invention can be referred to Equation 13.
  • the average diameter of the micro lenses may vary depending on the distance D between the light source 110 and the micro lens array 1700. For example, as the distance D between the light source 110 and the micro lens array 1700 increases, the average diameter of the micro lenses may increase. According to this, the concentration of light beam for a specific micro lens can be lowered, making it safe for the user's eyes.
  • Figure 35 is an exploded view of a camera module according to an embodiment of the present invention.
  • the camera module may include a light emitting unit and a light receiving unit.
  • the substrate 10, the holder 30, and the shield can 50 are formed as one piece and are used in common with the light emitting unit and the light receiving unit, it may be difficult to distinguish them into the light emitting unit and the light receiving unit.
  • each of the above components can be understood as a component of each light emitting unit and light receiving unit.
  • common components such as the substrate 10, the holder 30, and the shield can 50 may be provided separately to the light emitting unit and the light receiving unit.
  • the light emitting unit may include a substrate 10, a light source 20, a holder 30, a diffusion member 41, a diffuser ring 42, and a shield can 50.
  • the light receiving unit may include a substrate 10, a sensor 60, a filter 80, a holder 30, a lens 70, a barrel 71, and a shield can 50.
  • the substrate 10 may include a printed circuit board (PCB).
  • the board 10 may be connected to the connector through the FPCB 91.
  • the substrate 10 and the FPCB 91 may be formed of RFPCB (Rigid Flexible PCB).
  • a light source 20 and a sensor 60 may be disposed on the substrate 10.
  • the substrate 10 may be placed under the holder 30.
  • the substrate 10 may include terminals.
  • the terminal of the substrate 10 may be coupled to the coupling portion of the shield can 50.
  • Terminals of the board 10 may include a plurality of terminals.
  • the terminal of the board 10 may include two terminals.
  • the light source 20 may be disposed on the substrate 10 .
  • the light source 20 may be disposed in contact with the substrate 10 .
  • the light source 20 may be disposed on the substrate 10 .
  • the light source 20 may be disposed on the substrate 10 .
  • the light source 20 may correspond to the light source 110 described above.
  • Holder 30 may be placed on substrate 10 .
  • the holder 30 may be placed in contact with the substrate 10 .
  • the holder 30 may be placed on the substrate 10 .
  • the holder 30 may be placed on the substrate 10 .
  • the holder 30 may be fixed to the substrate 10 with an adhesive.
  • the holder 30 can accommodate a light source 20, a diffuser module 40, a sensor 60, and a filter 80 therein.
  • the holder 30 may be an injection-molded plastic product.
  • the holder 30 may be formed by injection molding.
  • the diffuser module 40 may include a diffusion member 41 and a diffuser ring 42.
  • the diffuser module 40 may be formed integrally as in the modified example, but in this embodiment, it may be manufactured separately into the diffusion member 41 and the diffuser ring 42 to increase moldability during injection molding.
  • the diffusion member 41 and the diffuser ring 42 may be separated from each other.
  • the diffusion member 41 may be a diffuser lens.
  • the diffusion member 41 may correspond to the diffusion member 120 and the diffusion member 400 described above.
  • the diffusion member 41 may be disposed within the holder 30.
  • the diffusion member 41 may be coupled to the holder 30.
  • the diffusion member 41 may be fixed to the holder 30.
  • the diffusion member 41 may be disposed on the optical path of light emitted from the light source 20.
  • the diffusion member 41 may be disposed on the light source 20.
  • the diffusion member 41 may be disposed on the light source 20.
  • the diffusion member 41 may be an injection-molded plastic product.
  • the diffusion member 41 may be formed by plastic injection.
  • the height of the top of the diffusion member 41 may correspond to the height of the top of the lens 70.
  • the diffusion member 41 may be inserted upward in the vertical direction and coupled to the holder 30. At this time, the upward direction may be from the lower part of the holder 30 to the upper part of the holder 30. A portion of the diffusion member 41 may overlap the holder 30 in
  • Diffuser ring 42 may be placed within holder 30.
  • the diffuser ring 42 may be fixed to the holder 30.
  • the diffuser ring 42 may be coupled to the holder 30.
  • the diffuser ring 42 may be disposed below the diffusion member 41.
  • the diffuser ring 42 may support the diffusion member 41.
  • the diffuser ring 42 may be in contact with the diffusion member 41.
  • the diffuser ring 42 may be an injection molded plastic product.
  • the diffuser ring 42 may be formed by plastic injection.
  • Lens 70 may be fixed within barrel 71.
  • the lens 70 may be an injection molded plastic product.
  • the lens 70 may be formed by plastic injection.
  • Lens 70 may include a plurality of lenses.
  • Filter 80 may be disposed between lens 70 and sensor 60.
  • the filter 80 may be a band pass filter that passes light of a specific wavelength.
  • the filter 80 can pass infrared rays.
  • the filter 80 can pass light of a specific wavelength among infrared rays.
  • the filter 80 may pass light in the wavelength band of the light emitted by the light source 20.
  • the filter 80 can block visible light.
  • Filter 80 may be coupled to holder 30.
  • a groove of a size corresponding to that of the filter 80 is formed in the holder 30, and the filter 80 can be inserted into the groove and fixed with adhesive.
  • An adhesive injection groove for injecting adhesive between the filter 80 and the holder 30 may be formed in the groove of the holder 30.
  • the filter 80 may be placed at a lower position than the diffuser ring 42.
  • a camera device may refer to a camera device that extracts depth information using a structured light method. That is, the camera device according to an embodiment of the present invention may use structured light having a predetermined pattern as an output light signal and generate depth information using disparity of the structured light. Additionally, the camera device according to an embodiment of the present invention may refer to a camera device mounted on a car and measuring the distance between the car and an object. That is, the camera device according to an embodiment of the present invention may be a LIDAR (Light Detection and Ranging) camera.
  • LIDAR Light Detection and Ranging

Landscapes

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Abstract

본 발명의 실시예에 따른 카메라 장치는 광 신호를 객체에 조사하는 발광부, 이미지 센서를 포함하며, 상기 객체로부터 반사된 광 신호를 수신하는 수광부, 그리고 상기 수광부가 수신하는 상기 광 신호를 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 직경을 가지는 복수의 제1 마이크로 렌즈를 포함하는 제1 영역, 상기 제1 영역을 둘러싸고, 제2 직경을 가지는 복수의 제2 마이크로 렌즈를 포함하는 제2 영역, 그리고 상기 제2 영역을 둘러싸고, 제3 직경을 가지는 복수의 제3 마이크로 렌즈를 포함하는 제3 영역을 포함하며, 상기 제1 내지 제3 영역 중 적어도 하나에 포함된 마이크로 렌즈의 개수 및 직경은 상기 제1 내지 제3 영역 중 적어도 하나를 둘러싸는 다른 영역에 포함된 마이크로 렌즈의 직경과 상관관계를 가진다.

Description

카메라 장치
본 발명은 카메라 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, 카메라 장치의 발광부는 출력광 신호를 생성하여 객체에 조사하고, 카메라 장치의 수광부는 객체로부터 반사된 입력광 신호를 수신하며, 카메라 장치의 깊이 정보 생성부는 수광부가 수신한 입력광 신호를 이용하여 객체의 깊이 정보를 생성한다.
일반적으로, 깊이 정보를 획득하기 위하여, 카메라 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, 카메라 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 카메라 장치를 제공하는 것이다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 면조명 패턴의 균질도가 높으며, 사용자의 눈에 대한 안전성이 우수한 발광부를 포함하는 카메라 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 한 실시예에 따른 카메라 장치는 광 신호를 객체에 조사하는 발광부, 이미지 센서를 포함하며, 상기 객체로부터 반사된 광 신호를 수신하는 수광부, 그리고 상기 수광부가 수신하는 상기 광 신호를 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 직경을 가지는 복수의 제1 마이크로 렌즈를 포함하는 제1 영역, 상기 제1 영역을 둘러싸고, 제2 직경을 가지는 복수의 제2 마이크로 렌즈를 포함하는 제2 영역, 그리고 상기 제2 영역을 둘러싸고, 제3 직경을 가지는 복수의 제3 마이크로 렌즈를 포함하는 제3 영역을 포함하며, 상기 제1 내지 제3 영역 중 적어도 하나에 포함된 마이크로 렌즈의 개수 및 직경은 상기 제1 내지 제3 영역 중 적어도 하나를 둘러싸는 다른 영역에 포함된 마이크로 렌즈의 직경과 상관관계를 가진다.
상기 제1 직경, 상기 제2 직경 및 상기 제3 직경은 서로 상이할 수 있다.
상기 제1 영역은 제1 방향을 따라 배치된 x1개의 제1 마이크로 렌즈를 포함하고, 상기 제2 영역은 상기 제1 방향을 따라 배치된 x2개의 제2 마이크로 렌즈를 포함하며, 상기 제3 영역은 상기 제1 방향을 따라 배치된 x3개의 제3 마이크로 렌즈를 포함하며, 상기 제1 직경 및 상기 x1의 곱은 상기 제2 직경 및 상기 x1보다 1 작은 수의 곱과 동일하고, 상기 제2 직경 및 상기 x2의 곱은 상기 제3 직경 및 상기 x2보다 1 작은 수의 곱과 동일할 수 있다.
상기 제1 영역에서 상기 제1 방향과 수직하는 제2 방향을 따라 x1개의 제1 마이크로 렌즈가 배열되고, 상기 제2 영역에서 상기 제2 방향을 따라 x2개의 제2 마이크로 렌즈가 배열되며, 상기 제3 영역에서 상기 제2 방향을 따라 x3개의 제3 마이크로 렌즈가 배열될 수 있다.
상기 복수의 제1 마이크로 렌즈, 상기 복수의 제2 마이크로 렌즈 및 상기 복수의 제3 마이크로 렌즈는 상기 광원을 향하는 방향으로 돌출되고, 상기 복수의 제1 마이크로 렌즈의 돌출 높이, 상기 복수의 제2 마이크로 렌즈의 돌출 높이 및 상기 제3 마이크로 렌즈의 돌출 높이는 서로 상이할 수 있다.
상기 복수의 제1 마이크로 렌즈, 상기 복수의 제2 마이크로 렌즈 및 상기 복수의 제3 마이크로 렌즈 각각은 비구면 형상을 가질 수 있다.
상기 복수의 제1 마이크로 렌즈, 상기 복수의 제2 마이크로 렌즈 및 상기 복수의 제3 마이크로 렌즈 각각의 비구면 형상은 이미지 높이, 곡률 반지름 및 코닉 상수에 의해 정의될 수 있다.
상기 복수의 제1 마이크로 렌즈, 상기 복수의 제2 마이크로 렌즈 및 상기 복수의 제3 마이크로 렌즈 각각의 비구면 형상은 다음 수학식에 의해 정의될 수 있다:
Figure PCTKR2023008695-appb-img-000001
여기서, x는 X축 이미지 높이이고, y는 Y축 이미지 높이이며, Rx는 X축 곡률 반지름이고, Ry는 Y축 곡률 반지름이며, Kx는 x축 코닉상수이고, Ky는 Y축 코닉 상수이다.
상기 제1 영역에 포함된 상기 제1 마이크로 렌즈의 개수 및 직경은 상기 제2 영역에 포함된 상기 제2 마이크로 렌즈의 직경과 상관관계를 가질 수 있다.
상기 마이크로 렌즈 어레이의 중심으로부터 상기 제2 마이크로 렌즈까지의 거리는 상기 마이크로 렌즈 어레이의 중심으로부터 상기 제1 마이크로 렌즈까지의 거리보다 클 수 있다.
상기 제1 직경, 상기 제2 직경 및 상기 제3 직경은 상기 광원과 상기 마이크로 렌즈 어레이 간 거리에 따라 달라질 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 카메라 장치는 광 신호를 객체에 조사하는 발광부, 이미지 센서를 포함하며, 상기 객체로부터 반사된 광 신호를 수신하는 수광부, 그리고 상기 수광부가 수신하는 상기 광 신호를 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 평균 직경을 가지는 복수의 제1 마이크로 렌즈를 포함하는 제1 영역, 그리고 상기 제1 영역을 둘러싸고, 상기 제1 평균 직경과 상이한 제2 평균 직경을 가지는 복수의 제2 마이크로 렌즈를 포함하는 제2 영역을 포함하며, 상기 복수의 제1 마이크로 렌즈의 직경은 서로 상이하고, 상기 복수의 제2 마이크로 렌즈의 직경은 서로 상이하다.
상기 복수의 제1 마이크로 렌즈의 직경은 상기 제1 평균 직경의 0.95 내지 1.05배의 범위 내에 포함되고, 상기 복수의 제2 마이크로 렌즈의 직경은 상기 제2 평균 직경의 0.95 내지 1.05배의 범위 내에 포함될 수 있다.
상기 제2 평균 직경은 상기 제1 평균 직경보다 클 수 있다.
상기 제2 평균 직경은 상기 제1 평균 직경의 1.1배 이상일 수 있다.
상기 복수의 제1 마이크로 렌즈의 직경 및 상기 복수의 제2 마이크로 렌즈의 직경은 각각 난수 생성에 의해 설계될 수 있다.
상기 복수의 제1 마이크로 렌즈의 직경은 상기 제1 평균 직경 및 제1 표준 편차에 따른 가우스 함수 분포를 이용한 난수 생성에 의해 설계되고, 상기 복수의 제2 마이크로 렌즈의 직경은 상기 제2 평균 직경 및 상기 제1 표준 편차와 다른 제2 표준 편차에 따른 가우스 함수 분포를 이용한 난수 생성에 의해 설계될 수 있다.
상기 복수의 제1 마이크로 렌즈의 직경 및 상기 복수의 제2 마이크로 렌즈의 직경은 각각 상기 복수의 제1 마이크로 렌즈의 개수 및 상기 복수의 제2 마이크로 렌즈의 개수 각각 만큼의 기각 샘플링에 의해 추출될 수 있다.
상기 제2 영역을 둘러싸고, 상기 제1 평균 직경 및 상기 제2 평균 직경과 상이한 제3 평균 직경을 가지는 복수의 제3 마이크로 렌즈를 포함하는 제3 영역을 더 포함하며, 상기 제1 내지 제3 영역 중 적어도 하나에 포함된 마이크로 렌즈의 개수 및 평균 직경은 상기 제1 내지 제3 영역 중 적어도 하나를 둘러싸는 다른 영역에 포함된 마이크로 렌즈의 평균 직경과 상관관계를 가질 수 있다.
상기 제1 영역은 제1 방향을 따라 배치된 x1개의 제1 마이크로 렌즈를 포함하고, 상기 제2 영역은 상기 제1 방향을 따라 배치된 x2개의 제2 마이크로 렌즈를 포함하며, 상기 제3 영역은 상기 제1 방향을 따라 배치된 x3개의 제3 마이크로 렌즈를 포함하며, 상기 제1 평균 직경 및 상기 x1의 곱은 상기 제2 평균 직경 및 상기 x1보다 1 작은 수의 곱과 동일하고, 상기 제2 평균 직경 및 상기 x2의 곱은 상기 제3 평균 직경 및 상기 x2보다 1 작은 수의 곱과 동일할 수 있다.
상기 제1 영역에서 상기 제1 방향과 수직하는 제2 방향을 따라 x1개의 제1 마이크로 렌즈가 배열되고, 상기 제2 영역에서 상기 제2 방향을 따라 x2개의 제2 마이크로 렌즈가 배열되며, 상기 제3 영역에서 상기 제2 방향을 따라 x3개의 제3 마이크로 렌즈가 배열될 수 있다.
상기 제1 평균 직경 및 상기 제2 평균 직경은 각각 광축 방향에 수직하는 제1 방향, 상기 광축 방향 및 상기 제1 방향에 수직하는 제2 방향 또는 상기 광축 방향에 따른 평균 직경일 수 있다.
본 발명의 한 실시예에 따른 광 출력 장치는 광원, 그리고 상기 광원 상에 배치되는 마이크로 렌즈 어레이를 포함하고, 상기 마이크로 렌즈 어레이는, 제1 평균 직경을 가지는 복수의 제1 마이크로 렌즈를 포함하는 제1 영역, 그리고 상기 제1 영역을 둘러싸고, 상기 제1 평균 직경과 상이한 제2 평균 직경을 가지는 복수의 제2 마이크로 렌즈를 포함하는 제2 영역을 포함하며, 상기 복수의 제1 마이크로 렌즈의 직경은 서로 상이하고, 상기 복수의 제2 마이크로 렌즈의 직경은 서로 상이하다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따른 카메라 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 또 다른 실시예에 따른 카메라 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 카메라 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 다른 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 카메라 장치를 얻을 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 카메라 장치의 블록도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 카메라 장치가 출력하는 출력광 신호를 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 발광부의 개략도이다.
도 4는 본 발명의 한 실시예에 따른 확산부재의 평면도이다.
도 5 내지 6은 본 발명의 한 실시예에 따른 확산부재를 이루는 마이크로 렌즈의 직경을 설명하기 위한 도면이다.
도 7은 본 발명의 한 실시예에 따른 확산부재 및 광원의 단면도이다.
도 8(a)는 비교예에 따른 마이크로 렌즈 어레이의 3D 도면의 평면도이고, 도 8(b)는 비교예에 따른 마이크로 렌즈 어레이의 3D 도면의 사시도이다.
도 9는 비교예에 따른 마이크로 렌즈 어레이의 몬테카를로 레이 트레이싱(Monte Carlo Ray tracing) 시뮬레이션 결과이다.
도 10(a)는 비교예에 따른 마이크로 렌즈 어레이의 FDTD 시뮬레이션 결과이며, 도 10(b)는 도 10(a)의 일부 영역의 확대도이다.
도 11(a)는 실시예에 따른 마이크로 렌즈 어레이의 3D 도면의 평면도이고, 도 11(b)는 실시예에 따른 마이크로 렌즈 어레이의 3D 도면의 사시도이다.
도 12는 실시예에 따른 마이크로 렌즈 어레이의 몬테카를로 레이 트레이싱(Monte Carlo Ray tracing) 시뮬레이션 결과이다.
도 13(a)는 실시예에 따른 마이크로 렌즈 어레이의 FDTD 시뮬레이션 결과이며, 도 13(b)는 도 13(a)의 일부 영역의 확대도이다.
도 14는 본 발명의 다른 실시예에 따른 확산부재의 평면도이다.
도 15 내지 16은 본 발명의 다른 실시예에 따른 확산부재를 이루는 마이크로 렌즈의 직경을 설명하기 위한 도면이다.
도 17은 도 15의 제1 영역(710R)의 확대도이다.
도 18은 본 발명의 다른 실시예에 따른 확산부재 및 광원의 단면도이다.
도 19는 평균 직경 300㎛이고, 표준 편차 2㎛로 설정한 가우스 함수 분포를 나타낸다.
도 20은 본 발명의 실시예에 따른 기각 샘플링 절차의 일 예이다.
도 21은 본 발명의 실시예에 따라 설계된 마이크로 렌즈의 직경 및 회절차수 별 회절각도를 나타낸다.
도 22(a)는 균일한 직경을 가지는 마이크로 렌즈 어레이의 3D 도면의 평면도이고, 도 22(b)는 균일한 직경을 가지는 마이크로 렌즈 어레이의 3D 도면의 사시도이다.
도 23(a)는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 마이크로 렌즈 어레이의 3D 도면의 평면도이고, 도 23(b)는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 마이크로 렌즈 어레이의 3D 도면의 사시도이다.
도 24(a)는 X 방향 평균 직경 300.2㎛이고, 표준 편차 10.94㎛로 설정한 가우스 함수 분포를 나타내고, 도 24(b)는 Y 방향 평균 직경 301.2㎛이고, 표준 편차 11.3㎛로 설정한 가우스 함수 분포를 나타낸다.
도 25(a)는 X 방향 평균 FoI 54.02도이고 표준 편차 0.9746도로 설정한 가우스 함수 분포를 나타내고, 도 25(b)는 Y 방향 평균 FoI 62.06도이고 표준 편차 0.9323도로 설정한 가우스 함수 분포를 나타낸다.
도 26은 본 발명의 실시예에 따라 설계된 마이크로 렌즈의 직경 및 FoI를 예시한다.
도 27은 도 26의 설계에 따른 마이크로 렌즈 어레이의 센터 위치를 예시한다.
도 28(a)는 도 26의 설계에 따른 X방향 FoI 그래프이고, 도 28(b)는 도 26의 설계에 따른 Y 방향 FoI 그래프이다.
도 29는 도 29의 설계에 따른 발광 이미지이다.
도 30은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 마이크로 렌즈 어레이의 평면도이다.
도 31은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 마이크로 렌즈 어레이의 평면도이다.
도 32는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 마이크로 렌즈 어레이의 평면도이다.
도 33은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 마이크로 렌즈 어레이를 이루는 마이크로 렌즈의 직경을 설명하기 위한 도면이다.
도 34는 도 32의 제1 영역(1710R)의 예이다.
도 35는 본 발명의 실시예에 따른 카메라 모듈의 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 카메라 장치는 ToF(Time of Flight) 기능을 이용하여 깊이 정보를 추출하는 카메라를 의미할 수 있다. 따라서, 카메라 장치는 ToF 카메라 장치, ToF 카메라 모듈, ToF 카메라 등과 혼용될 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 카메라 장치의 블록도이고, 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 카메라 장치가 출력하는 출력광 신호를 설명하기 위한 도면이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 카메라 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, 카메라 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.
Figure PCTKR2023008695-appb-img-000002
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(100) 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.
Figure PCTKR2023008695-appb-img-000003
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, 확산부재(120)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 카메라 장치(1000)의 객체 또는 카메라 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.
Figure PCTKR2023008695-appb-img-000004
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.
Figure PCTKR2023008695-appb-img-000005
여기서, I는 전기장의 빛의 세기이고, d는 격자주기이며, N은 1mm 내에 있는 격자주기의 개수(d/1mm)이고, θ는 회절각도(diffraction angle)이며,λ는 파장을 의미한다.
본 발명의 실시예에서는, 확산부재를 이루는 마이크로 렌즈의 설계를 통하여 수학식 4에 따라 빛의 세기 I의 편차를 줄이고, 면조명 패턴의 균질도를 증가시키고자 한다.
본 발명의 실시예에 따르면, 확산부재는 복수의 영역으로 구분될 수 있고, 영역 별로 서로 다른 직경을 가지는 마이크로 렌즈를 포함할 수 있다.
도 4는 본 발명의 한 실시예에 따른 확산부재의 평면도이고, 도 5 내지 6은 본 발명의 한 실시예에 따른 확산부재를 이루는 마이크로 렌즈의 직경을 설명하기 위한 도면이며, 도 7은 본 발명의 한 실시예에 따른 확산부재 및 광원의 단면도이다.
도 4 내지 도 7을 참조하면, 본 발명의 한 실시예에 따른 확산부재(400)는 제1 직경(P1)을 가지는 복수의 제1 마이크로 렌즈(410)를 포함하는 제1 영역(410R), 제1 영역(410R)을 둘러싸고, 제2 직경(P2)을 가지는 복수의 제2 마이크로 렌즈(420)를 포함하는 제2 영역(420R), 그리고 제2 영역(420R)을 둘러싸고, 제3 직경(P3)을 가지는 복수의 제3 마이크로 렌즈(430)를 포함하는 제3 영역(430R)을 포함한다. 여기서, 확산부재(400)에 관한 설명 중 도 1 내지 도 3을 참조하여 설명한 확산부재(120)에 관한 설명과 동일한 내용에 대해서는 중복된 설명을 생략한다.
여기서, 제1 영역(410R)은 확산부재(400)의 중심을 포함하는 영역일 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 제1 영역(410R)은 제1 방향을 따라 배치된 복수의 제1 마이크로 렌즈(410)를 포함하고, 제2 영역(420R)은 제1 방향을 따라 배치된 복수의 제2 마이크로 렌즈(420)를 포함하며, 제3 영역(430R)은 제1 방향을 따라 배치된 복수의 제3 마이크로 렌즈(430)를 포함한다. 여기서 제1 방향은 광축 방향과 교차하는 방향에 해당할 수 있다. 그리고, 제1 영역(410R)에서 제1 방향과 수직하는 제2 방향을 따라 복수의 제1 마이크로 렌즈(410)가 배열되고, 제2 영역(420R)에서 제2 방향을 따라 복수의 제2 마이크로 렌즈(420)가 배열되며, 제3 영역(430R)에서 제2 방향을 따라 복수의 제3 마이크로 렌즈(430)가 배열된다. 이때, 제1 영역(410R)의 최외측 열 및 최외측 행에 배치되는 복수의 제1 마이크로 렌즈(410)는 제2 영역(420R)에 배치되는 복수의 제2 마이크로 렌즈(420)와 인접하도록 배치되고, 제2 영역(420R)에 배치되는 복수의 제2 마이크로 렌즈(420)는 제3 영역(430R)에 배치되는 복수의 제3 마이크로 렌즈(430)와 인접하도록 배치될 수 있다. 복수의 제2 마이크로 렌즈(420)는 제1 영역(410R)의 최외곽을 둘러싸도록 일렬로 배치되고, 복수의 제3 마이크로 렌즈(430)는 제2 영역(420R)을 둘러싸도록 일렬로 배치될 수 있다. 이에 따라, 복수의 제2 마이크로 렌즈(420)가 배치되는 방향과 수직하는 방향으로 각 제2 마이크로 렌즈(420)의 한 측면에는 제1 마이크로 렌즈(410)가 배치되고, 다른 측면에는 제3 마이크로 렌즈(430)가 배치될 수 있다. 즉, 복수의 제2 마이크로 렌즈(420)가 배치되는 방향과 수직하는 방향으로 각 제2 마이크로 렌즈(420)의 양 측면에는 제2 마이크로 렌즈(420)가 배치되지 않을 수 있다. 이와 마찬가지로, 복수의 제3 마이크로 렌즈(430)가 배치되는 방향과 수직하는 방향으로 각 제3 마이크로 렌즈(430)의 양 측면에는 제3 마이크로 렌즈(430)가 배치되지 않을 수 있다. 확산부재(400), 즉 마이크로 렌즈 어레이의 중심으로부터 제2 마이크로 렌즈(420)까지의 거리는 마이크로 렌즈 어레이의 중심으로부터 제1 마이크로 렌즈까지의 거리보다 크고, 마이크로 렌즈 어레이의 중심으로부터 제3 마이크로 렌즈(430)까지의 거리는 마이크로 렌즈 어레이의 중심으로부터 제2 마이크로 렌즈(420)까지의 거리보다 클 수 있다.
본 명세서에서, 제1 내지 제3 직경의 제1 내지 제3 마이크로 렌즈를 포함하는 제1 내지 제3 영역(410R 내지 430R)을 중심으로 설명하고 있으나, 이는 설명의 편의를 위한 것으로, 이로 제한되는 것은 아니다. 본 발명의 실시예는 제3 영역(430R)을 둘러싸며, 제4 직경을 가지는 복수의 제4 마이크로 렌즈를 포함하는 제4 영역, 제4 영역을 둘러싸며, 제5 직경을 가지는 복수의 제5 마이크로 렌즈를 포함하는 제 5 영역 등으로 확장될 수 있다.
여기서, 제1 직경(P1), 제2 직경(P2) 및 제3 직경(P3)은 각각 제1 피치(P1), 제2 피치(P2) 및 제3 피치(P3)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.
본 발명의 실시예에 따르면, 제1 영역(410R), 제2 영역(420R) 및 제3 영역(430R)은 수학식 5에 의해 정의되는 영역 a 내에 배치된다.
Figure PCTKR2023008695-appb-img-000006
여기서, a는 최대 광강도의 1/e2배 광강도가 도달하는 영역의 너비이고, D는 광원(110)으로부터 확산부재(400)까지의 거리를 의미하며, θ는 광원(110)의 최대 광강도의 1/e2배 광강도가 출력되는 각도로 정의될 수 있다.
이와 관련하여 도 7을 참조하면, 광원(110)과 확산부재(400)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.
이때, 제1 직경(P1), 제2 직경(P2) 및 제3 직경(P3)은 서로 상이할 수 있다. 이와 같이, 유효 광 영역 내에 마이크로 렌즈의 직경이 서로 상이한 제1 영역(410R), 제2 영역(420R) 및 제3 영역(430R)이 배치되면, 출력광의 에너지가 분산되어 사용자의 눈에 대한 안전성을 높일 수 있으며, 간섭에 따른 균질도 저하도 방지할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 제1 내지 제3 영역(410R, 420R, 430R) 중 적어도 하나에 포함된 마이크로 렌즈의 개수는 제1 내지 제3 영역(410R, 420R, 430R) 중 적어도 하나에 포함된 마이크로 렌즈의 직경 및 상기 제1 내지 제3 영역(410R, 420R, 430R) 중 적어도 하나를 둘러싸는 다른 영역에 포함된 마이크로 렌즈의 직경과 상관관계를 가진다. 본 발명의 실시예에 따르면, 제1 내지 제3 영역(410R, 420R, 430R) 중 적어도 하나에 포함된 마이크로 렌즈의 개수 및 직경은 상기 제1 내지 제3 영역(410R, 420R, 430R) 중 적어도 하나를 둘러싸는 다른 영역에 포함된 마이크로 렌즈의 직경과 상관관계를 가진다. 본 발명의 실시예에 따른 영역 별 마이크로 렌즈의 개수는 수학식 6으로 나타내어질 수 있다.
Figure PCTKR2023008695-appb-img-000007
여기서, Pn은 제n 영역에 배치되는 마이크로 렌즈의 직경이고, Pn+1은 제n+1 영역에 배치되는 마이크로 렌즈의 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.
이에 따르면, 제n 영역에 포함되는 마이크로 렌즈의 개수는 제n 영역에 포함된 마이크로 렌즈의 직경 및 제n 영역을 둘러싸는 제n+1 영역에 포함된 마이크로 렌즈의 직경과 상관관계를 가질 수 있다. 제n 영역에 포함되는 마이크로 렌즈의 개수 및 직경은 제n 영역을 둘러싸는 제n+1 영역에 포함된 마이크로 렌즈의 직경과 상관관계를 가질 수 있다.
예를 들어, 제1 영역(410R)에 포함된 제1 마이크로 렌즈(410)의 개수는 제1 영역(410R)에 포함된 제1 마이크로 렌즈(410)의 제1 직경(P1) 및 제2 영역(420R)에 포함된 제2 마이크로 렌즈(420)의 제2 직경(P2)과 상관관계를 가질 수 있다. 제1 영역(410R)에 포함된 제1 마이크로 렌즈(410)의 개수 및 제1 직경(P1)은 제2 영역(420R)에 포함된 제2 마이크로 렌즈(420)의 제2 직경(P2)과 상관관계를 가질 수 있다. 또한, 제2 영역(420R)에 포함된 제2 마이크로 렌즈(420)의 개수는 제2 영역(420R)에 포함된 제2 마이크로 렌즈(420)의 제2 직경(P2) 및 제3 영역(430R)에 포함된 제3 마이크로 렌즈(430)의 제3 직경(P3)과 상관관계를 가질 수 있다. 제2 영역(420R)에 포함된 제2 마이크로 렌즈(420)의 개수 및 제2 직경(P2)은 제3 영역(430R)에 포함된 제3 마이크로 렌즈(430)의 제3 직경(P3)과 상관관계를 가질 수 있다.
예를 들어, 제1 직경(P1) 및 제1 방향을 따라 배치된 제1 마이크로 렌즈(410)의 개수의 곱은 제2 직경(P2) 및 제1 방향을 따라 배치된 제1 마이크로 렌즈(410)의 개수보다 1 작은 수의 곱과 동일하고, 제2 직경(P2) 및 제1 방향을 따라 배치된 제2 마이크로 렌즈(420)의 개수의 곱은 제3 직경(P3) 및 제1 방향을 따라 배치된 제2 마이크로 렌즈(420)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.
표 1은 광원(110)으로부터 확산부재(400)까지의 거리인 D>5.7mm인 조건에서 본 발명의 실시예에 따른 마이크로 렌즈 어레이의 한 예이다.
n 직경 개수 회절각도
1st order 2nd order 3rd order 4th order 5th order
1 300um 4 0.00313 0.00627 0.00940 0.01253 0.01567
2 400um 5 0.00235 0.00470 0.00705 0.00940 0.01175
3 500um 6 0.00188 0.00376 0.00564 0.00752 0.00940
4 600um 7 0.00157 0.00313 0.00470 0.00627 0.00783
5 700um 8 0.00134 0.00269 0.00403 0.00537 0.00671
6 800um 9 0.00118 0.00235 0.00353 0.00470 0.00588
여기서, n은 영역의 순서이고, 직경은 영역 별 마이크로 렌즈의 직경이며, 개수는 제1 방향을 따라 반복하여 배치되는 마이크로 렌즈의 개수 또는 제2 방향을 따라 반복하여 배치되는 마이크로 렌즈의 개수이다.
예를 들어, 제1 영역에서 직경 300㎛인 4개의 마이크로 렌즈가 제1 방향을 따라 일렬로 배치되고, 제2 영역에서 직경 400㎛인 5개의 마이크로 렌즈가 제1 방향을 따라 일렬로 배치되며, 제3 영역에서 직경 500㎛인 6개의 마이크로 렌즈가 제1 방향을 따라 일렬로 배치되고, 제4 영역에서 직경 600㎛인 7개의 마이크로 렌즈가 제1 방향을 따라 일렬로 배치되며, 제5 영역에서 직경 700㎛인 8개의 마이크로 렌즈가 제1 방향을 따라 일렬로 배치되고, 제6 영역에서 직경 800㎛인 9개의 마이크로 렌즈가 제1 방향을 따라 일렬로 배치될 수 있다.
수학식 6을 참조하면, n=1일 때 직경이 300㎛이고, n=2일 때 직경이 400㎛인 경우, n=1에서 제1 방향을 따라 일렬로 배치되는 마이크로 렌즈의 개수는 4가 될 수 있다. 이와 마찬가지로, n=2일 때 직경이 400㎛이고, n=3일 때 직경이 500㎛인 경우, n=2에서 제1 방향을 따라 일렬로 배치되는 마이크로 렌즈의 개수는 5가 될 수 있다.
또한, n=6일 때 직경이 800㎛이고, n=7일 때 직경이 900㎛인 경우, n=6에서 제1 방향을 따라 일렬로 배치되는 마이크로 렌즈의 개수는 9가 될 수 있다.
이러한 조건에 따라 마이크로 렌즈 어레이를 배열할 때, 영역 별 회절차수에 따른 회절각도의 겹침에 의한 보강 간섭 및 상쇄 간섭을 최소화할 수 있으며, 유효 광 영역 내에 직경이 상이한 3종류 이상의 마이크로 렌즈가 배치되므로, 사용자의 눈에 보다 안전할 수 있다.
표 2는 광원(110)으로부터 확산부재(400)까지의 거리인 D>1.2mm인 조건에서 본 발명의 실시예에 따른 마이크로 렌즈 어레이의 한 예이다.
N 직경 개수 회절각도
1st order 2nd order 3rd order 4th order 5th order
1 50um 6 0.01880 0.03760 0.05640 0.07520 0.09400
2 60um 7 0.01567 0.03133 0.04700 0.06267 0.07833
3 70um 8 0.01343 0.02686 0.04029 0.05371 0.06714
4 80um 9 0.01175 0.02350 0.03525 0.04700 0.05875
5 90um 10 0.01044 0.02089 0.03133 0.04178 0.05222
6 100um 11 0.00940 0.01880 0.02820 0.03760 0.04700
7 110um 12 0.00855 0.01709 0.02564 0.03418 0.04273
8 120um 13 0.00783 0.01567 0.02350 0.03133 0.03917
여기서, n은 영역의 순서이고, 직경은 영역 별 마이크로 렌즈의 직경이며, 개수는 제1 방향을 따라 반복하여 배치되는 마이크로 렌즈의 개수 또는 제2 방향을 따라 반복하여 배치되는 마이크로 렌즈의 개수이다.표 2에서도 수학식 6을 만족하도록 설계되었음을 알 수 있다. 이러한 조건에 따라 마이크로 렌즈 어레이를 배열할 때, 영역 별 회절차수에 따른 회절각도의 겹침에 의한 보강 간섭 및 상쇄 간섭을 최소화할 수 있으며, 유효 광 영역 내에 직경이 상이한 3종류 이상의 마이크로 렌즈가 배치되므로, 사용자의 눈에 보다 안전할 수 있다.
표 3은 광원(110)으로부터 확산부재(400)까지의 거리인 D>0.35mm인 조건에서 본 발명의 실시예에 따른 마이크로 렌즈 어레이의 한 예이다.
N 직경 개수 회절각도
1st order 2nd order 3rd order 4th order 5th order
1 20um 3 0.04700 0.09400 0.14100 0.18800 0.23500
2 30um 4 0.03133 0.06267 0.09400 0.12533 0.15667
3 40um 5 0.02350 0.04700 0.07050 0.09400 0.11750
4 50um 6 0.01880 0.03760 0.05640 0.07520 0.09400
5 60um 7 0.01567 0.03133 0.04700 0.06267 0.07833
6 70um 8 0.01343 0.02686 0.04029 0.05371 0.06714
여기서, n은 영역의 순서이고, 직경은 영역 별 마이크로 렌즈의 직경이며, 개수는 제1 방향을 따라 반복하여 배치되는 마이크로 렌즈의 개수 또는 제2 방향을 따라 반복하여 배치되는 마이크로 렌즈의 개수이다.표 3에서도 수학식 6을 만족하도록 설계되었음을 알 수 있다. 이러한 조건에 따라 마이크로 렌즈 어레이를 배열할 때, 영역 별 회절차수에 따른 회절각도의 겹침에 의한 보강 간섭 및 상쇄 간섭을 최소화할 수 있으며, 유효 광 영역 내에 직경이 상이한 3종류 이상의 마이크로 렌즈가 배치되므로, 사용자의 눈에 보다 안전할 수 있다.
표 1 내지 표 3을 참조하면, 광원(110)과 확산부재(400) 간의 거리 D에 따라 마이크로 렌즈의 직경이 달라짐을 알 수 있다. 여기서, 광원(110)과 확산부재(400) 간의 거리 D는 광원(110)의 제1 면과 확산부재(400)의 제1 면 사이의 수직 거리일 수 있다. 광원(110)의 제1면은 광출구가 배치된 일면을 의미한다. 확산부재(400)의 제1면은 복수의 마이크로 렌즈(410, 420, 430) 각각에서 광원(110)으로부터 빛을 입력받는 일면을 의미한다. 구체적으로 확산부재(400)의 제1면에는 엠보싱 형태로서 복수의 마이크로 렌즈(410, 420, 430)가 배치되어 있으므로, 확산부재(400)의 제1면은 복수의 마이크로 렌즈(410, 420, 430) 각각에서 광축이 통과하는 점들을 연결한 일면을 의미할 수 있다. 따라서, 확산부재(400)와 광원(110) 사이의 이격 거리는 마이크로 렌즈(410, 420, 430)의 광축이 통과하는 일점으로부터 광원(110)의 제1면 사이의 수직거리일 수 있다.
표 1에서 예시한 바와 같이, D>5.7mm인 경우, 마이크로 렌즈의 직경은 수백㎛, 예를 들어 300㎛ 이상, 예를 들어 300㎛ 내지 800㎛임을 알 수 있고, 표 2에서 예시한 바와 같이, D>1.2mm인 경우, 마이크로 렌즈의 직경은 수십㎛ 내지 수백㎛, 예를 들어 50㎛ 이상, 예를 들어 50㎛ 내지 120㎛임을 알 수 있으며, 표 3에서 예시한 바와 같이, D>0.35mm인 경우, 마이크로 렌즈의 직경은 수십㎛, 예를 들어 20㎛ 이상, 예를 들어 20㎛ 내지 70㎛임을 알 수 있다. 이와 같이, 광원(110)과 확산부재(400) 간의 거리 D에 따라 마이크로 렌즈의 직경이 달라지는 경우, 특정 마이크로 렌즈에 대한 광선속 집중도를 낮출 수 있으므로, 사용자의 눈에 안전할 수 있다.
한편, 본 발명의 실시예에 따르면, 제1 영역(410R)에 포함된 복수의 제1 마이크로 렌즈(410), 제2 영역(420R)에 포함된 복수의 제2 마이크로 렌즈(420) 및 제3 영역(430R)에 포함된 복수의 제3 마이크로 렌즈(430)는 광원(110)을 향하는 방향으로 돌출될 수 있다. 본 명세서에서, 확산부재(400)로부터 광원(110)을 향하는 방향은 확산 부재(400)의 평면 방향인 제1 방향 및 제2 방향에 수직하는 제3 방향이라 지칭될 수 있다. 여기서 제3 방향은 제1 내지 제3 마이크로 렌즈(410, 420 및 430)의 광축 방향과 동일할 수 있다.
이때, 복수의 제1 마이크로 렌즈(410)의 돌출 높이(h1), 복수의 제2 마이크로 렌즈(420)의 돌출 높이(h2) 및 복수의 제3 마이크로 렌즈(430)의 돌출 높이(h3)는 서로 상이할 수 있다. 이에 따르면, 제1 영역(410R), 제2 영역(420R) 및 제3 영역(430R)의 경계가 각 마이크로 렌즈의 돌출 높이에 의해 정해지게 되므로, 격자의 주기성이 깨지게 되며, 영역 별 회절차수에 따른 회절각도의 겹침에 의한 보강 간섭 및 상쇄 간섭을 최소화할 수 있다.
이때, 제1 영역(410R)에 포함된 복수의 제1 마이크로 렌즈(410), 제2 영역(420R)에 포함된 복수의 제2 마이크로 렌즈(420) 및 제3 영역(430R)에 포함된 복수의 제3 마이크로 렌즈(430)는 각각 비구면 형상을 가질 수 있다. 예를 들어, 제1 마이크로 렌즈(410), 제2 마이크로 렌즈(420) 및 제3 마이크로 렌즈(430)의 비구면 형상은 이미지 높이, 곡률 반지름 및 코닉 상수에 의해 정의될 수 있다. 예를 들어, 제1 마이크로 렌즈(410), 제2 마이크로 렌즈(420) 및 제3 마이크로 렌즈(430)의 비구면 형상은 수학식 7에 의해 정의될 수 있다.
Figure PCTKR2023008695-appb-img-000008
여기서, Z는 렌즈의 비구면 형상이고, h는 이미지 높이이며, R은 곡률 반지름이고, K는 코닉 상수이다.
마이크로 렌즈 어레이는 2차원으로 배열되기 때문에, 제1 마이크로 렌즈(410), 제2 마이크로 렌즈(420) 및 제3 마이크로 렌즈(430)의 비구면 형상은 수학식 8에 의해 정의될 수 있다.
Figure PCTKR2023008695-appb-img-000009
여기서, x는 X축 이미지 높이이고, y는 Y축 이미지 높이이며, Rx는 X축 곡률 반지름이고, Ry는 Y축 곡률 반지름이며, Kx는 x축 코닉상수이고, Ky는 Y축 코닉 상수이다.
이에 따르면, 마이크로 렌즈 어레이를 통과한 레이저 빔의 FoI가 정의될 수 있으며, 특정 마이크로 렌즈의 광선속 집중도가 소정 값을 넘지 않도록 설정될 수 있다.
이하, 본 발명의 실시예 및 비교예에 따른 시뮬레이션 결과를 설명한다.
도 8(a)는 비교예에 따른 마이크로 렌즈 어레이의 3D 도면의 평면도이고, 도 8(b)는 비교예에 따른 마이크로 렌즈 어레이의 3D 도면의 사시도이며, 도 9는 비교예에 따른 마이크로 렌즈 어레이의 몬테카를로 레이 트레이싱(Monte Carlo Ray tracing) 시뮬레이션 결과이며, 도 10(a)는 비교예에 따른 마이크로 렌즈 어레이의 FDTD 시뮬레이션 결과이며, 도 10(b)는 도 10(a)의 일부 영역의 확대도이다.
도 11(a)는 실시예에 따른 마이크로 렌즈 어레이의 3D 도면의 평면도이고, 도 11(b)는 실시예에 따른 마이크로 렌즈 어레이의 3D 도면의 사시도이며, 도 12는 실시예에 따른 마이크로 렌즈 어레이의 몬테카를로 레이 트레이싱(Monte Carlo Ray tracing) 시뮬레이션 결과이며, 도 13(a)는 실시예에 따른 마이크로 렌즈 어레이의 FDTD 시뮬레이션 결과이며, 도 13(b)는 도 13(a)의 일부 영역의 확대도이다.
비교예에 따른 마이크로 렌즈 어레이는 복수의 마이크로 렌즈가 어레이 형상으로 배열되며, 복수의 마이크로 렌즈는 모두 동일한 직경을 가지도록 설계되었다.
도 8(a), 도 8(b), 도 9, 도 10(a) 및 도 10(b)를 참조하면, 비교예에 따른 마이크로 렌즈 어레이의 몬테카를로 레이 트레이싱 시뮬레이션 결과, 주변부의 가장자리 각(edge angle)이 예리하게 형성되며, 비교예에 따른 마이크로 렌즈 어레이의 FDTD 시뮬레이션 결과 회절로 인한 보강 간섭이 강하게 발생함을 알 수 있다.
이에 반해, 도 11(a), 도 11(b), 도 12, 도 13(a) 및 도 13(b)를 참조하면, 실시예에 따른 마이크로 렌즈 어레이의 몬테카를로 레이 트레이싱 시뮬레이션 결과, 주변부의 가장자리 각(edge angle)이 비교예에 비하여 무뎌짐을 알 수 있으며, 실시예에 따른 마이크로 렌즈 어레이의 FDTD 시뮬레이션 결과 회절로 인한 보강 간섭이 비교예에 비하여 현저히 약화되었음을 알 수 있다.
도 14는 본 발명의 다른 실시예에 따른 확산부재의 평면도이고, 도 15 내지 16은 본 발명의 다른 실시예에 따른 확산부재를 이루는 마이크로 렌즈의 직경을 설명하기 위한 도면이며, 도 17은 도 15의 제1 영역(710R)의 확대도이고, 도 18은 본 발명의 다른 실시예에 따른 확산부재 및 광원의 단면도이다. 설명의 편의를 위하여, 도 1 내지 도 13을 통하여 설명한 내용과 동일한 내용에 대해서는 중복된 설명을 생략한다.
도 14 내지 도 18을 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 확산부재(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, 확산부재(700)에 관한 설명 중 도 1 내지 도 3을 참조하여 설명한 확산부재(120)에 관한 설명과 동일한 내용에 대해서는 중복된 설명을 생략한다.
여기서, 제1 영역(710R)은 확산부재(700)의 중심을 포함하는 영역일 수 있다. 확산부재(700)의 중심은 확산부재(700)의 마이크로 렌즈 어레이의 중심을 의미할 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. 여기서 제1 방향은 광축 방향과 교차하는 방향에 해당할 수 있다. 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.
본 명세서에서, 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 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 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.
본 발명의 실시예에 따르면, 제1 영역(710R), 제2 영역(720R) 및 제3 영역(730R)은 수학식 9에 의해 정의되는 영역 a 내에 배치된다.
Figure PCTKR2023008695-appb-img-000010
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 18을 참조하면, 광원(110)과 확산부재(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 9에 의해 정의되는 영역 a를 유효 광 영역이라 지칭할 수 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.
도 17에서 도시한 바와 같이, 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. 여기서, 직경은 제1 방향에 따른 직경, 제1 방향에 수직하는 제2 방향에 따른 직경 또는 광축 방향인 제3 방향에 따른 직경일 수 있고, 제1 방향 및 제2 방향은 제3 방향에 수직하는 방향일 수 있다. 본 발명의 실시예에 따르면, 복수의 제1 마이크로 렌즈(710)는 제1 평균 직경(AP1)의 0.95 내지 1.05배, 바람직하게는 0.97 내지 1.03배, 더욱 바람직하게는 0.98 내지 1.02배의 범위 이내에서 서로 다른 직경을 가질 수 있다. 이에 따르면, 제1 영역(710R) 내 복수의 제1 마이크로 렌즈(710)의 회절차수에 따른 회절각도의 겹침에 의한 보강 간섭 및 상쇄 간섭을 최소화할 수 있다.
이와 마찬가지로, 제2 영역(720R) 내 제2 평균 직경(AP2)을 가지는 복수의 제2 마이크로 렌즈(720)는 서로 다른 직경을 가질 수 있다. 본 발명의 실시예에 따르면, 복수의 제2 마이크로 렌즈(720)는 제2 평균 직경(AP2)의 0.95 내지 1.05배, 바람직하게는 0.97 내지 1.03배, 더욱 바람직하게는 0.98 내지 1.02배의 범위 이내에서 서로 다른 직경을 가질 수 있다. 이에 따르면, 제2 영역(720R) 내 복수의 제2 마이크로 렌즈(720)의 회절차수에 따른 회절각도의 겹침에 의한 보강 간섭 및 상쇄 간섭을 최소화할 수 있다.
이와 마찬가지로, 제3 영역(730R) 내 제3 평균 직경(AP3)을 가지는 복수의 제3 마이크로 렌즈(730)는 서로 다른 직경을 가질 수 있다. 본 발명의 실시예에 따르면, 복수의 제3 마이크로 렌즈(730)는 제3 평균 직경(AP3)의 0.95 내지 1.05배, 바람직하게는 0.97 내지 1.03배, 더욱 바람직하게는 0.98 내지 1.02배의 범위 이내에서 서로 다른 직경을 가질 수 있다. 이에 따르면, 제3 영역(430R) 내 복수의 제3 마이크로 렌즈(730)의 회절차수에 따른 회절각도의 겹침에 의한 보강 간섭 및 상쇄 간섭을 최소화할 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. 복수의 제1 마이크로 렌즈(710)의 직경이 난수 생성에 의해 설계되면, 제1 영역(710R)에 배치된 복수의 제1 마이크로 렌즈(710)가 서로 다른 직경을 가질 수 있다. 복수의 제2 마이크로 렌즈(720)의 직경이 난수 생성에 의해 설계되면, 제2 영역(720R)에 배치된 복수의 제2 마이크로 렌즈(720)가 서로 다른 직경을 가질 수 있다. 복수의 제3 마이크로 렌즈(730)의 직경이 난수 생성에 의해 생성되면, 제3 영역(730R)에 배치된 복수의 제3 마이크로 렌즈(730)가 서로 다른 직경을 가질 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.
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, 각 영역에 포함된 복수의 마이크로 렌즈의 직경은 각 영역에 포함된 복수의 마이크로 렌즈의 개수만큼의 기각 샘플링에 의해 추출될 수 있다.
수학식 10은 가우스 함수를 나타낸다.
Figure PCTKR2023008695-appb-img-000011
여기서, x는 변수이고, μ는 평균이며, σ는 표준 편차이다.
즉, 영역 별 평균 직경과 표준 편차가 정의되면, 가우스 함수 분포가 설정될 수 있다. 도 19는 평균 직경 300㎛이고, 표준 편차 2㎛로 설정한 가우스 함수 분포를 나타낸다.
한편, 도 19와 같은 정규 분포로부터 난수를 직접 추출하는 데에는 어려움이 있을 수 있다. 이에, 본 발명의 실시예에서는 기각 샘플링을 이용하여 영역 별 복수의 마이크로 렌즈의 직경에 대한 난수를 추출할 수 있다.
이를 위하여, 수학식 10의 가우스 함수에 대한 덮개 함수(envelope function)를 정의한다. 덮개 함수는 수학식 10의 가우스 함수와 유사한 형태를 가지되, 변수를 가질 수 있는 모든 값에 대해서 수학식 10의 가우스 함수보다 큰 값을 가진다. 수학식 11은 수학식 10의 가우스 함수에 대한 덮개 함수이다.
Figure PCTKR2023008695-appb-img-000012
여기서, x는 변수이고, μ는 평균이며, σ는 표준 편차이다.
본 발명의 실시예에 따르면, 덮개 함수인 수학식 11로부터 난수를 추출한다. 수학식 12는 덮개 함수인 수학식 11로부터 연속균등분포를 이용하여 난수를 발생시키는 함수이다.
Figure PCTKR2023008695-appb-img-000013
도 20은 본 발명의 실시예에 따른 기각 샘플링 절차의 일 예이다. 본 발명의 실시예에 따르면, 수학식 12로부터 추출한 난수에서 수학식 10의 가우스 함수와 수학식 11의 덮개 함수를 비교하며, 비교 결과에 따라 난수를 받아 들일지 기각할지 결정될 수 있다. 수학식 10의 가우스 함수와 수학식 11의 덮개 함수를 비교하면, 평균값에서 멀리 떨어질수록 차이가 크고, 평균값과 가까울수록 차이가 적다. 이에 따라, 평균값에 가까운 난수를 받아들이는 것이 유리하다.
도 21은 본 발명의 실시예에 따라 설계된 마이크로 렌즈의 직경 및 회절차수 별 회절각도를 나타낸다.
도 21을 참조하면, 복수의 제1 마이크로 렌즈(710)의 직경은 제1 평균 직경(AP1)을 300μm로 설정하고, 제1 표준 편차를 2.13으로 설정하며, 샘플 개수를 16으로 설정하여, 본 발명의 실시예에 따른 난수 생성 방법에 따라 설계한 결과이다. 이로부터, 복수의 제1 마이크로 렌즈(710)의 직경은 모두 서로 상이하며, 회절차수 별 회절각도가 겹치는 부분이 없음을 알 수 있다.
복수의 제2 마이크로 렌즈(720)의 직경은 제2 평균 직경(AP2)을 400μm로 설정하고, 제2 표준 편차를 3.42으로 설정하며, 샘플 개수를 16으로 설정하여, 본 발명의 실시예에 따른 난수 생성 방법에 따라 설계한 결과이다. 이로부터, 복수의 제2 마이크로 렌즈(720)의 직경은 모두 서로 상이하며, 회절차수 별 회절각도가 겹치는 부분이 없음을 알 수 있다.
복수의 제3 마이크로 렌즈(730)의 직경은 제3 평균 직경을 500μm로 설정하고, 제3 표준 편차를 4.37으로 설정하며, 샘플 개수를 20으로 설정하여, 본 발명의 실시예에 따른 난수 생성 방법에 따라 설계한 결과이다. 이로부터, 복수의 제3 마이크로 렌즈(730)의 직경은 모두 서로 상이하며, 회절차수 별 회절각도가 겹치는 부분이 없음을 알 수 있다.
이와 같이 제1 내지 제3 마이크로 렌즈(710 내지 730)의 직경이 모두 상이함에 따라서 회절차수 별 회절각도가 겹치지 않고, 회절차수에 따른 회절각도의 겹침에 의한 보강 간섭 및 상쇄 간섭이 최소화될 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 13으로 나타내어질 수 있다.
Figure PCTKR2023008695-appb-img-000014
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 13의 양변은 소정의 오차 범위를 가질 수 있다. 예를 들어, 수학식 13의 우변 및 좌변의 계산값이 ±3% 이내의 오차 범위를 가지는 경우, 수학식 13의 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 영역(710R)에 포함된 제1 마이크로 렌즈(710)의 개수는 제1 영역(710R)에 포함된 제1 마이크로 렌즈(710)의 제1 평균 직경(AP1) 및 제2 영역(720R)에 포함된 제2 마이크로 렌즈(720)의 제2 평균 직경(AP2)과 상관관계를 가질 수 있다. 제1 영역(710R)에 포함된 제1 마이크로 렌즈(710)의 개수 및 제1 평균 직경(AP1)은 제2 영역(720R)에 포함된 제2 마이크로 렌즈(720)의 제2 평균 직경(AP2)과 상관관계를 가질 수 있다. 또한, 제2 영역(720R)에 포함된 제2 마이크로 렌즈(720)의 개수는 제2 영역(720R)에 포함된 제2 마이크로 렌즈(720)의 제2 평균 직경(AP2) 및 제3 영역(730R)에 포함된 제3 마이크로 렌즈(730)의 제3 평균 직경(AP3)과 상관관계를 가질 수 있다. 제2 영역(720R)에 포함된 제2 마이크로 렌즈(720)의 개수 및 제2 평균 직경(AP2)은 제3 영역(730R)에 포함된 제3 마이크로 렌즈(730)의 제3 평균 직경(AP3)과 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.
표 4는 광원(110)으로부터 확산부재(700)까지의 거리인 D>5.7mm인 조건에서 본 발명의 실시예에 따른 마이크로 렌즈 어레이의 한 예이다.
N 평균직경 개수
1 300㎛ 4
2 400㎛ 5
3 500㎛ 6
4 600㎛ 7
5 700㎛ 8
6 800㎛ 9
여기서, n은 영역의 순서이고, 평균 직경은 영역 별 마이크로 렌즈의 평균 직경이며, 개수는 제1 방향을 따라 반복하여 배치되는 마이크로 렌즈의 개수 또는 제2 방향을 따라 반복하여 배치되는 마이크로 렌즈의 개수이다.
예를 들어, 제1 영역에서 평균 직경 300㎛인 4개의 마이크로 렌즈가 제1 방향을 따라 일렬로 배치되고, 제2 영역에서 평균 직경 400㎛인 5개의 마이크로 렌즈가 제1 방향을 따라 일렬로 배치되며, 제3 영역에서 평균 직경 500㎛인 6개의 마이크로 렌즈가 제1 방향을 따라 일렬로 배치되고, 제4 영역에서 평균 직경 600㎛인 7개의 마이크로 렌즈가 제1 방향을 따라 일렬로 배치되며, 제5 영역에서 평균 직경 700㎛인 8개의 마이크로 렌즈가 제1 방향을 따라 일렬로 배치되고, 제6 영역에서 평균 직경 800㎛인 9개의 마이크로 렌즈가 제1 방향을 따라 일렬로 배치될 수 있다.
수학식 12를 참조하면, n=1일 때 평균 직경이 300㎛이고, n=2일 때 평균 직경이 400㎛인 경우, n=1에서 제1 방향을 따라 일렬로 배치되는 마이크로 렌즈의 개수는 4가 될 수 있다. 이와 마찬가지로, n=2일 때 평균 직경이 400㎛이고, n=3일 때 평균 직경이 500㎛인 경우, n=2에서 제1 방향을 따라 일렬로 배치되는 마이크로 렌즈의 개수는 5가 될 수 있다.
또한, n=6일 때 평균 직경이 800㎛이고, n=7일 때 평균 직경이 900㎛인 경우, n=6에서 제1 방향을 따라 일렬로 배치되는 마이크로 렌즈의 개수는 9가 될 수 있다.
이러한 조건에 따라 마이크로 렌즈 어레이를 배열할 때, 영역 별 회절차수에 따른 회절각도의 겹침에 의한 보강 간섭 및 상쇄 간섭을 최소화할 수 있으며, 유효 광 영역 내에 평균 직경이 상이한 3종류 이상의 마이크로 렌즈가 배치되므로, 사용자의 눈에 보다 안전할 수 있다.
표 5는 광원(110)으로부터 확산부재(700)까지의 거리인 D>1.2mm인 조건에서 본 발명의 실시예에 따른 마이크로 렌즈 어레이의 한 예이다.
N 평균 직경 개수
1 50㎛ 6
2 60㎛ 7
3 70㎛ 8
4 80㎛ 9
5 90㎛ 10
6 100㎛ 11
7 110㎛ 12
8 120㎛ 13
여기서, n은 영역의 순서이고, 평균 직경은 영역 별 마이크로 렌즈의 평균 직경이며, 개수는 제1 방향을 따라 반복하여 배치되는 마이크로 렌즈의 개수 또는 제2 방향을 따라 반복하여 배치되는 마이크로 렌즈의 개수이다.
표 5에서도 수학식 12를 만족하도록 설계되었음을 알 수 있다. 이러한 조건에 따라 마이크로 렌즈 어레이를 배열할 때, 영역 별 회절차수에 따른 회절각도의 겹침에 의한 보강 간섭 및 상쇄 간섭을 최소화할 수 있으며, 유효 광 영역 내에 평균 직경이 상이한 3종류 이상의 마이크로 렌즈가 배치되므로, 사용자의 눈에 보다 안전할 수 있다.
표 6은 광원(110)으로부터 확산부재(700)까지의 거리인 D>0.35mm인 조건에서 본 발명의 실시예에 따른 마이크로 렌즈 어레이의 한 예이다.
N 평균 직경 개수
1 20㎛ 3
2 30㎛ 4
3 40㎛ 5
4 50㎛ 6
5 60㎛ 7
6 70㎛ 8
여기서, n은 영역의 순서이고, 평균 직경은 영역 별 마이크로 렌즈의 평균 직경이며, 개수는 제1 방향을 따라 반복하여 배치되는 마이크로 렌즈의 개수 또는 제2 방향을 따라 반복하여 배치되는 마이크로 렌즈의 개수이다.
표 6에서도 수학식 12를 만족하도록 설계되었음을 알 수 있다. 이러한 조건에 따라 마이크로 렌즈 어레이를 배열할 때, 영역 별 회절차수에 따른 회절각도의 겹침에 의한 보강 간섭 및 상쇄 간섭을 최소화할 수 있으며, 유효 광 영역 내에 평균 직경이 상이한 3종류 이상의 마이크로 렌즈가 배치되므로, 사용자의 눈에 보다 안전할 수 있다.
표 4 내지 표 6을 참조하면, 광원(110)과 확산부재(700) 간의 거리 D에 따라 마이크로 렌즈의 평균 직경이 달라짐을 알 수 있다. 여기서, 광원(110)과 확산부재(700) 간의 거리 D는 광원(110)의 제1 면과 확산부재(700)의 제1 면 사이의 수직 거리일 수 있다. 광원(110)의 제1면은 광출구가 배치된 일면을 의미한다. 확산부재(700)의 제1면은 복수의 마이크로 렌즈(710, 720, 730) 각각에서 광원(110)으로부터 빛을 입력받는 일면을 의미한다. 구체적으로 확산부재(700)의 제1면에는 엠보싱 형태로서 복수의 마이크로 렌즈(710, 720, 730)가 배치되어 있으므로, 확산부재(700)의 제1면은 복수의 마이크로 렌즈(710, 720, 730) 각각에서 광축이 통과하는 점들을 연결한 일면을 의미할 수 있다. 따라서, 확산부재(700)와 광원(110) 사이의 이격 거리는 마이크로 렌즈(710, 720, 730)의 광축이 통과하는 일점으로부터 광원(110)의 제1면 사이의 수직거리일 수 있다.
표 4에서 예시한 바와 같이, D>5.7mm인 경우, 마이크로 렌즈의 평균 직경은 수백㎛, 예를 들어 300㎛ 이상, 예를 들어 300㎛ 내지 800㎛임을 알 수 있고, 표 5에서 예시한 바와 같이, D>1.2mm인 경우, 마이크로 렌즈의 평균 직경은 수십㎛ 내지 수백㎛, 예를 들어 50㎛ 이상, 예를 들어 50㎛ 내지 120㎛임을 알 수 있으며, 표 6에서 예시한 바와 같이, D>0.35mm인 경우, 마이크로 렌즈의 평균 직경은 수십㎛, 예를 들어 20㎛ 이상, 예를 들어 20㎛ 내지 70㎛임을 알 수 있다. 이와 같이, 광원(110)과 확산부재(700) 간의 거리 D에 따라 마이크로 렌즈의 평균 직경이 달라지는 경우, 특정 마이크로 렌즈에 대한 광선속 집중도를 낮출 수 있으므로, 사용자의 눈에 안전할 수 있다.
한편, 본 발명의 실시예에 따르면, 제1 영역(710R)에 포함된 복수의 제1 마이크로 렌즈(710), 제2 영역(720R)에 포함된 복수의 제2 마이크로 렌즈(720) 및 제3 영역(730R)에 포함된 복수의 제3 마이크로 렌즈(730)는 광원(110)을 향하는 방향으로 돌출될 수 있다. 본 명세서에서, 확산부재(700)로부터 광원(110)을 향하는 방향은 확산 부재(700)의 평면 방향인 제1 방향 및 제2 방향에 수직하는 제3 방향이라 지칭될 수 있다. 여기서 제3 방향은 제1 내지 제3 마이크로 렌즈(710, 720 및 730)의 광축 방향과 동일할 수 있다.
이때, 복수의 제1 마이크로 렌즈(710)의 제1 평균 돌출 높이(h1), 복수의 제2 마이크로 렌즈(720)의 제2 평균 돌출 높이(h2) 및 복수의 제3 마이크로 렌즈(730)의 제3 평균 돌출 높이(h3)는 서로 상이할 수 있다. 여기서, 제1 평균 돌출 높이(h1), 제2 평균 돌출 높이(h2) 및 제3 평균 돌출 높이(h3)는 각각 광축 방향인 제3 방향에 따른 제1 평균 직경(AP1), 제2 평균 직경(AP2) 및 제3 평균 직경(AP3)을 의미할 수 있다. 이에 따르면, 제1 영역(710R), 제2 영역(720R) 및 제3 영역(730R)의 경계가 각 마이크로 렌즈의 돌출 높이에 의해 정해지게 되므로, 격자의 주기성이 깨지게 되며, 영역 별 회절차수에 따른 회절각도의 겹침에 의한 보강 간섭 및 상쇄 간섭을 최소화할 수 있다. 본 발명의 실시예에 따르면, 복수의 제1 마이크로 렌즈(710)는 모두 서로 다른 돌출 높이를 가지고, 복수의 제2 마이크로 렌즈(720)는 모두 서로 다른 돌출 높이를 가지며, 복수의 제3 마이크로 렌즈(730)는 모두 서로 다른 돌출 높이를 가질 수 있다.
이때, 제1 영역(710R)에 포함된 복수의 제1 마이크로 렌즈(710), 제2 영역(720R)에 포함된 복수의 제2 마이크로 렌즈(720) 및 제3 영역(730R)에 포함된 복수의 제3 마이크로 렌즈(730)는 각각 비구면 형상을 가질 수 있다. 예를 들어, 제1 마이크로 렌즈(710), 제2 마이크로 렌즈(720) 및 제3 마이크로 렌즈(730)의 비구면 형상은 이미지 높이, 곡률 반지름 및 코닉 상수에 의해 정의될 수 있다. 예를 들어, 제1 마이크로 렌즈(710), 제2 마이크로 렌즈(720) 및 제3 마이크로 렌즈(730)의 비구면 형상은 수학식 14에 의해 정의될 수 있다.
Figure PCTKR2023008695-appb-img-000015
여기서, Z는 렌즈의 비구면 형상이고, h는 이미지 높이이며, R은 곡률 반지름이고, K는 코닉 상수이다.
마이크로 렌즈 어레이는 2차원으로 배열되기 때문에, 제1 마이크로 렌즈(710), 제2 마이크로 렌즈(720) 및 제3 마이크로 렌즈(730)의 비구면 형상은 수학식 15에 의해 정의될 수 있다.
Figure PCTKR2023008695-appb-img-000016
여기서, x는 X축 이미지 높이이고, y는 Y축 이미지 높이이며, Rx는 X축 곡률 반지름이고, Ry는 Y축 곡률 반지름이며, Kx는 x축 코닉상수이고, Ky는 Y축 코닉 상수이다.
이에 따르면, 마이크로 렌즈 어레이를 통과한 레이저 빔의 FoI가 정의될 수 있으며, 특정 마이크로 렌즈의 광선속 집중도가 소정 값을 넘지 않도록 설정될 수 있다.
한편, 도 22(a)는 균일한 직경을 가지는 마이크로 렌즈 어레이의 3D 도면의 평면도이고, 도 22(b)는 균일한 직경을 가지는 마이크로 렌즈 어레이의 3D 도면의 사시도이다. 전술한 바와 같이, 균일한 직경을 가지는 마이크로 렌즈 어레이는 주변부의 가장자리 각(edge angle)이 예리하게 형성되며, 회절로 인한 보강 간섭이 강하게 발생한다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 확산부재는 서로 다른 직경을 가지고, 서로 다른 FoI를 갖는 복수의 마이크로 렌즈를 포함한다. 이하, 설명의 편의를 위하여 도 1 내지 도 21을 통하여 설명한 내용과 동일한 내용에 대해서는 중복된 설명을 생략한다.
도 23(a)는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 마이크로 렌즈 어레이의 3D 도면의 평면도이고, 도 23(b)는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 마이크로 렌즈 어레이의 3D 도면의 사시도이다.
도 23(a) 및 도 23(b)를 참조하면, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 마이크로 렌즈 어레이(1700)는 복수의 마이크로 렌즈(1701)를 포함한다.
본 발명의 실시예에 따르면, 복수의 마이크로 렌즈(1701)의 50% 이상, 바람직하게는 60% 이상, 더욱 바람직하게는 70% 이상은 서로 다른 직경을 가진다. 여기서, 복수의 마이크로 렌즈(1701)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(1701)의 50% 이상, 바람직하게는 60% 이상, 더욱 바람직하게는 70% 이상은 제1 방향으로 서로 다른 직경을 가질 수 있다. 또는, 복수의 마이크로 렌즈(1701)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(1701)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(1701)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 16에 의해 정의되는 영역 a 내에 배치된다.
Figure PCTKR2023008695-appb-img-000017
여기서, a는 최대 광강도의 1/e2배 광강도가 도달하는 영역의 너비이고, D는 광원(110)으로부터 확산부재(1700)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(120)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 16에 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 17은 가우스 함수를 나타낸다.
Figure PCTKR2023008695-appb-img-000018
여기서, x는 변수이고, μ는 평균이며, σ는 표준 편차이다.
도 24(a)는 X 방향 평균 직경 300.2㎛이고, 표준 편차 10.94㎛로 설정한 가우스 함수 분포를 나타내고, 도 24(b)는 Y 방향 평균 직경 301.2㎛이고, 표준 편차 11.3㎛로 설정한 가우스 함수 분포를 나타내고, 도 25(a)는 X 방향 평균 FoI 54.02도이고 표준 편차 0.9746도로 설정한 가우스 함수 분포를 나타내고, 도 25(b)는 Y 방향 평균 FoI 62.06도이고 표준 편차 0.9323도로 설정한 가우스 함수 분포를 나타낸다.
한편, 도 24(a) 내지 도 25(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 17의 가우스 함수에 대한 덮개 함수(envelope function)를 정의한다. 덮개 함수는 수학식 17의 가우스 함수와 유사한 형태를 가지되, 변수를 가질 수 있는 모든 값에 대해서 수학식 17의 가우스 함수보다 큰 값을 가진다. 수학식 18은 수학식 17의 가우스 함수에 대한 덮개 함수이다.
Figure PCTKR2023008695-appb-img-000019
여기서, x는 변수이고, μ는 평균이며, σ는 표준 편차이다.
본 발명의 실시예에 따르면, 덮개 함수인 수학식 18로부터 난수를 추출한다. 수학식 19는 덮개 함수인 수학식 18로부터 연속균등분포를 이용하여 난수를 발생시키는 함수이다.
Figure PCTKR2023008695-appb-img-000020
본 발명의 실시예에 따른 기각 샘플링 절차는 도 20을 참조할 수 있다. 본 발명의 실시예에 따르면, 수학식 19로부터 추출한 난수에서 수학식 17의 가우스 함수와 수학식 18의 덮개 함수를 비교하며, 비교 결과에 따라 난수를 받아 들일지 기각할지 결정될 수 있다. 수학식 17의 가우스 함수와 수학식 18의 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 20에 의해 정의될 수 있다.
Figure PCTKR2023008695-appb-img-000021
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 21에 의해 정의될 수 있다.
Figure PCTKR2023008695-appb-img-000022
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 17 내지 수학식 20 및 도 20을 참조하여 설명한 기각 샘플링에 의해 설계될 수 있다.
이에 따라, 본 발명의 실시예에 따른 마이크로 렌즈 어셈블리(1700)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(1700)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 26은 본 발명의 실시예에 따라 설계된 마이크로 렌즈의 직경 및 FoI를 예시하며, 도 27은 도 26의 설계에 따른 마이크로 렌즈 어레이의 센터 위치를 예시하고, 도 28(a)는 도 26의 설계에 따른 X방향 FoI 그래프이고, 도 28(b)는 도 26의 설계에 따른 Y 방향 FoI 그래프이며, 도 29는 도 29의 설계에 따른 발광 이미지이다.
도 26을 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 27을 참조하면, 6*6 행렬의 격자 내에서 균일한 position은 각 격자의 센터 위치를 의미하고 Random한 position은 도 26의 설계에 따라 생성된 복수의 마이크로 렌즈의 센터 위치를 의미한다. 이에 따르면, 도 26의 설계에 따라 생성된 복수의 마이크로 렌즈의 센터 위치는 랜덤하게 배치됨을 알 수 있다.
도 28(a) 및 도 28(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 29를 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 23(a) 및 23(b)를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 확산부재(1700)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 30은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 마이크로 렌즈 어레이의 평면도이다. 설명의 편의를 위하여, 도 1 내지 도 29를 참고하여 설명한 내용과 동일한 내용에 대해서는 중복된 설명을 생략한다.
도 30을 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 마이크로 렌즈 어레이(1700)는 마이크로 렌즈 어레이(1700)의 중심을 포함하는 제1 영역(1700R1) 및 제1 영역(1700R1)을 둘러싸며, 마이크로 렌즈 어레이(1700)의 가장자리를 포함하는 제2 영역(1700R2)으로 구분될 수 있다.
제1 영역(1700R1)은 적어도 3*3 행렬의 복수의 마이크로 렌즈를 포함하며, 제1 영역(1700R1)에 포함된 복수의 마이크로 렌즈는 서로 다른 FoI를 가질 수 있다. 이때, 제1 영역(1700R1)에 포함된 복수의 마이크로 렌즈의 서로 다른 FoI는 평균 FoI의 0.9 내지 1.1배일 수 있다. 이때, 서로 다른 FoI는 수학식 17 내지 19 및 도 20에 관한 설명을 참고하여 난수 생성에 의하여 설계될 수 있다. 제1 영역(1700R1)에 포함된 복수의 마이크로 렌즈는 제1 방향으로 서로 다른 FoI를 가지거나, 제2 방향으로 서로 다른 FoI를 가질 수 있다. 즉, 제1 영역(1700R1)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(1700R1)의 면적은 마이크로 렌즈 어레이(1700)의 전체 면적의 50% 내지 70%, 바람직하게는 55% 내지 65%일 수 있다. 제1 영역(1700R1)은 수학식 16 및 도 3에 관한 설명을 참고하여 정의되는 영역 a 내에 배치된다.
그리고, 제2 영역(1700R2)은 복수의 마이크로 렌즈를 포함하며, 제2 영역(1700R2)에 포함된 복수의 마이크로 렌즈는 동일한 FoI를 가질 수 있다.
이에 따르면, 마이크로 렌즈 어레이(1700)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(1700)의 설계의 복잡도를 줄일 수 있다.
여기서, 제1 영역(1700R1)에 포함되는 복수의 마이크로 렌즈는 서로 다른 직경을 가질 수 있다. 이때, 제1 영역(1700R1)에 포함되는 복수의 마이크로 렌즈의 서로 다른 직경은 수학식 17 내지 19 및 도 20에 관한 설명을 참고하여 난수 생성에 의하여 설계될 수 있다. 이에 따르면, 간섭에 따른 회절 현상을 줄일 수 있으며, 균질한 면패턴을 구현할 수 있다.
도 31은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 마이크로 렌즈 어레이의 평면도이다. 설명의 편의를 위하여, 도 1 내지 도 30을 참고하여 설명한 내용과 동일한 내용에 대해서는 중복된 설명을 생략한다.
도 31을 참조하면, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 마이크로 렌즈 어레이(1700)는 제1 영역(1700RA) 및 제1 영역(1700RA)의 측면에 배치되는 제2 영역(1700RB)을 포함한다.
제1 영역(1700RA) 및 제2 영역(1700RB)은 각각 복수의 마이크로 렌즈를 포함하며, 제1 영역(1700RA)에 포함된 복수의 마이크로 렌즈는 서로 다른 FoI를 가지고, 제2 영역(1700RB)에 포함된 복수의 마이크로 렌즈는 서로 다른 FoI를 가질 수 있다. 이때, 서로 다른 FoI는 수학식 17 내지 19 및 도 20에 관한 설명을 참고하여 난수 생성에 의하여 설계될 수 있다. 제1 영역(1700RA)에 포함된 복수의 마이크로 렌즈는 제1 방향으로 서로 다른 FoI를 가지거나, 제2 방향으로 서로 다른 FoI를 가질 수 있다. 즉, 제1 영역(1700RA)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(1700RB)에 포함된 복수의 마이크로 렌즈는 제1 방향으로 서로 다른 FoI를 가지거나, 제2 방향으로 서로 다른 FoI를 가질 수 있다. 즉, 제1 영역(1700RB)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(1700RA)에 포함된 복수의 마이크로 렌즈의 평균 FoI와 제2 영역(1700RB)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(1700)의 제1 영역(1700RA)에 포함된 복수의 마이크로 렌즈의 평균 FoI와 제2 영역(1700RB)에 포함된 복수의 마이크로 렌즈의 평균 FoI가 동일하고, 마이크로 렌즈 어레이(1700)의 제1 영역(1700RA)이 제1 VCSEL 영역에 대응하는 위치에 배치되고, 마이크로 렌즈 어레이(1700)의 제2 영역(1700RB)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(1700RA)에 포함되는 복수의 마이크로 렌즈는 서로 다른 직경을 가질 수 있다. 이때, 제1 영역(1700RA)에 포함되는 복수의 마이크로 렌즈의 서로 다른 직경은 수학식 17 내지 19 및 도 20에 관한 설명을 참고하여 난수 생성에 의하여 설계될 수 있다. 그리고, 제2 영역(1700RB)에 포함되는 복수의 마이크로 렌즈는 서로 다른 직경을 가질 수 있다. 이때, 제2 영역(1700RB)에 포함되는 복수의 마이크로 렌즈의 서로 다른 직경은 수학식 17 내지 19 및 도 20에 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 32는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 마이크로 렌즈 어레이의 평면도이고, 도 33은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 마이크로 렌즈 어레이를 이루는 마이크로 렌즈의 직경을 설명하기 위한 도면이며, 도 34는 도 32의 제1 영역(1710R)의 예이다.
도 32 내지 도 34를 참조하면, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 마이크로 렌즈 어레이(1700)는 제1 평균 직경(AP1)을 가지는 복수의 제1 마이크로 렌즈(1710)를 포함하는 제1 영역(1710R), 제1 영역(1710R)을 둘러싸고, 제2 평균 직경(AP2)을 가지는 복수의 제2 마이크로 렌즈(1720)를 포함하는 제2 영역(1720R), 그리고 제2 영역(1720R)을 둘러싸고, 제3 평균 직경(AP3)을 가지는 복수의 제3 마이크로 렌즈(1730)를 포함하는 제3 영역(1730R)을 포함한다. 여기서, 마이크로 렌즈 어레이(1700)에 관한 설명 중 도 1 내지 도 31을 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(1710R 내지 1730R)을 중심으로 설명하고 있으나, 이는 설명의 편의를 위한 것으로, 이로 제한되는 것은 아니다. 본 발명의 실시예는 제1 영역(1710R) 및 제2 영역(1720R)만을 포함하는 마이크로 렌즈 어레이일 수도 있고, 제3 영역(1730R)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(1710R)은 마이크로 렌즈 어레이(1700)의 중심을 포함하는 영역일 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 제1 영역(1710R)은 제1 방향을 따라 배치된 복수의 제1 마이크로 렌즈(1710)를 포함하고, 제2 영역(1720R)은 제1 방향을 따라 배치된 복수의 제2 마이크로 렌즈(1720)를 포함하며, 제3 영역(1730R)은 제1 방향을 따라 배치된 복수의 제3 마이크로 렌즈(1730)를 포함한다.
그리고, 제1 영역(1710R)에서 제1 방향과 수직하며, 광축 방향과 교차하는 제2 방향을 따라 복수의 제1 마이크로 렌즈(1710)가 배열되고, 제2 영역(1720R)에서 제2 방향을 따라 복수의 제2 마이크로 렌즈(1720)가 배열되며, 제3 영역(1730R)에서 제2 방향을 따라 복수의 제3 마이크로 렌즈(1730)가 배열된다.
이때, 제1 영역(1710R)의 최외측 열 및 최외측 행에 배치되는 복수의 제1 마이크로 렌즈(1710)는 제2 영역(1720R)에 배치되는 복수의 제2 마이크로 렌즈(1720)와 인접하도록 배치되고, 제2 영역(1720R)에 배치되는 복수의 제2 마이크로 렌즈(1720)는 제3 영역(1730R)에 배치되는 복수의 제3 마이크로 렌즈(1730)와 인접하도록 배치될 수 있다. 복수의 제2 마이크로 렌즈(1720)는 제1 영역(1710R)의 최외곽을 둘러싸도록 일렬로 배치되고, 복수의 제3 마이크로 렌즈(1730)는 제2 영역(1720R)을 둘러싸도록 일렬로 배치될 수 있다. 이에 따라, 복수의 제2 마이크로 렌즈(1720)가 배치되는 방향과 수직하는 방향으로 각 제2 마이크로 렌즈(1720)의 한 측면에는 제1 마이크로 렌즈(1710)가 배치되고, 다른 측면에는 제3 마이크로 렌즈(1730)가 배치될 수 있다. 즉, 복수의 제2 마이크로 렌즈(1720)가 배치되는 방향과 수직하는 방향으로 각 제2 마이크로 렌즈(1720)의 양 측면에는 제2 마이크로 렌즈(1720)가 배치되지 않을 수 있다. 이와 마찬가지로, 복수의 제3 마이크로 렌즈(1730)가 배치되는 방향과 수직하는 방향으로 각 제3 마이크로 렌즈(1730)의 양 측면에는 제3 마이크로 렌즈(1730)가 배치되지 않을 수 있다. 확산부재(1700), 즉 마이크로 렌즈 어레이의 중심으로부터 제2 마이크로 렌즈(1720)까지의 거리는 마이크로 렌즈 어레이의 중심으로부터 제1 마이크로 렌즈(1710)까지의 거리보다 크고, 마이크로 렌즈 어레이의 중심으로부터 제3 마이크로 렌즈(1730)까지의 거리는 마이크로 렌즈 어레이의 중심으로부터 제2 마이크로 렌즈(1720)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(1710R) 내 복수의 제1 마이크로 렌즈(1710)는 서로 다른 FoI를 가질 수 있고, 제2 영역(1720R) 내 복수의 제2 마이크로 렌즈(1720)는 서로 다른 FoI를 가질 수 있으며, 제3 영역(1730R) 내 복수의 제3 마이크로 렌즈(1730)는 서로 다른 FoI를 가질 수 있다. 즉, 제1 영역(1710R) 내 복수의 제1 마이크로 렌즈(1710)는 서로 다른 비구면 형상, 곡률 반지름 및 코닉 상수 중 적어도 하나를 가질 수 있고, 제2 영역(1720R) 내 복수의 제2 마이크로 렌즈(1720)는 서로 다른 비구면 형상, 곡률 반지름 및 코닉 상수 중 적어도 하나를 가질 수 있으며, 제3 영역(1730R) 내 복수의 제3 마이크로 렌즈(1730)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 17 내지 수학식 19 및 도 20을 참고하여 설명한 난수 생성에 의해 설계될 수 있다.
이때, 제1 영역(1710R) 내 복수의 제1 마이크로 렌즈(1710)는 제1 방향으로 서로 다른 FoI를 가질 수 있고, 제2 영역(1720R) 내 복수의 제2 마이크로 렌즈(1720)는 제1 방향으로 서로 다른 FoI를 가질 수 있으며, 제3 영역(1730R) 내 복수의 제3 마이크로 렌즈(1730)는 제1 방향으로 서로 다른 FoI를 가질 수 있다. 또는, 제1 영역(1710R) 내 복수의 제1 마이크로 렌즈(1710)는 제2 방향으로 서로 다른 FoI를 가질 수 있고, 제2 영역(1720R) 내 복수의 제2 마이크로 렌즈(1720)는 제2 방향으로 서로 다른 FoI를 가질 수 있으며, 제3 영역(1730R) 내 복수의 제3 마이크로 렌즈(1730)는 제2 방향으로 서로 다른 FoI를 가질 수 있다. 즉, 제1 영역(1710R) 내 복수의 제1 마이크로 렌즈(1710)는 제1 방향으로 서로 다른 비구면 형상, 곡률 반지름 및 코닉 상수 중 적어도 하나를 가질 수 있고, 제2 영역(1720R) 내 복수의 제2 마이크로 렌즈(1720)는 제1 방향으로 서로 다른 비구면 형상, 곡률 반지름 및 코닉 상수 중 적어도 하나를 가질 수 있으며, 제3 영역(1730R) 내 복수의 제3 마이크로 렌즈(1730)는 제1 방향으로 서로 다른 비구면 형상, 곡률 반지름 및 코닉 상수 중 적어도 하나를 가질 수 있다. 또는, 제1 영역(1710R) 내 복수의 제1 마이크로 렌즈(1710)는 제2 방향으로 서로 다른 비구면 형상, 곡률 반지름 및 코닉 상수 중 적어도 하나를 가질 수 있고, 제2 영역(1720R) 내 복수의 제2 마이크로 렌즈(1720)는 제2 방향으로 서로 다른 비구면 형상, 곡률 반지름 및 코닉 상수 중 적어도 하나를 가질 수 있으며, 제3 영역(1730R) 내 복수의 제3 마이크로 렌즈(1730)는 제2 방향으로 서로 다른 비구면 형상, 곡률 반지름 및 코닉 상수 중 적어도 하나를 가질 수 있다.
이때, 제1 영역(1710R)의 평균 FoI, 제2 영역(1720R)의 평균 FoI 및 제3 영역(1730R)의 평균 FoI는 서로 동일할 수 있다. 여기서, 서로 동일한 평균 FoI는 ±5% 이내의 오차 범위를 포함할 수 있다. 이에 따르면, 마이크로 렌즈 어레이(1700)에 포함된 각 마이크로 렌즈가 서로 다른 FoI를 가지더라도, 마이크로 렌즈 어레이(1700)에 의해 출력된 면조명 패턴은 평균 FoI에 수렴하게 되며, 이에 따라 균질한 면조명 패턴을 얻을 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 제1 영역(1710R) 내 제1 평균 직경(AP1)을 가지는 복수의 제1 마이크로 렌즈(1710)는 서로 다른 직경을 가질 수 있다. 제2 영역(1720R) 내 제2 평균 직경(AP2)을 가지는 복수의 제2 마이크로 렌즈(1720)는 서로 다른 직경을 가질 수 있다. 제3 영역(1730R) 내 제3 평균 직경(AP3)을 가지는 복수의 제3 마이크로 렌즈(1730)는 서로 다른 직경을 가질 수 있다.
이를 위하여, 복수의 제1 마이크로 렌즈(1710)의 직경, 복수의 제2 마이크로 렌즈(1720)의 직경 및 복수의 제3 마이크로 렌즈(1730)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 17 내지 수학식 19 및 도 20을 참조할 수 있다.
한편, 본 발명의 실시예에 따르면, 제1 내지 제3 영역(1710R, 1720R, 1730R) 중 적어도 하나에 포함된 마이크로 렌즈의 개수 및 평균 직경은 상기 제1 내지 제3 영역(1710R, 1720R, 1730R) 중 적어도 하나를 둘러싸는 다른 영역에 포함된 마이크로 렌즈의 평균 직경과 상관관계를 가진다. 본 발명의 실시예에 따른 영역 별 마이크로 렌즈의 개수는 수학식 13을 참조할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 광원(110)과 마이크로 렌즈 어레이(1700) 간의 거리 D에 따라 마이크로 렌즈의 평균 직경이 달라질 수 있다. 예를 들어, 광원(110)과 마이크로 렌즈 어레이(1700) 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 35는 본 발명의 실시예에 따른 카메라 모듈의 분해도이다.
카메라 모듈은 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(400)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(500)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 카메라 장치를 중심으로 설명하고 있으나, 본 발명의 실시예가 이로 제한되는 것은 아니다. 본 발명의 실시예에 따른 카메라 장치는 구조광 방식을 이용하여 깊이 정보를 추출하는 카메라 장치를 의미할 수도 있다. 즉, 본 발명의 실시예에 따른 카메라 장치는 소정 패턴을 가지는 구조광을 출력광 신호로 이용하고, 구조광의 디스패리티(disparity)를 이용하여 깊이 정보를 생성할 수도 있다. 또한, 본 발명의 실시예에 따른 카메라 장치는 자동차에 실장되어, 자동차와 물체 간의 거리를 측정하는 카메라 장치를 의미할 수도 있다. 즉, 본 발명의 실시예에 따른 카메라 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.

Claims (10)

  1. 광 신호를 객체에 조사하는 발광부,
    이미지 센서를 포함하며, 상기 객체로부터 반사된 광 신호를 수신하는 수광부, 그리고
    상기 수광부가 수신하는 상기 광 신호를 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 직경을 가지는 복수의 제1 마이크로 렌즈를 포함하는 제1 영역,
    상기 제1 영역을 둘러싸고, 제2 직경을 가지는 복수의 제2 마이크로 렌즈를 포함하는 제2 영역, 그리고
    상기 제2 영역을 둘러싸고, 제3 직경을 가지는 복수의 제3 마이크로 렌즈를 포함하는 제3 영역을 포함하며,
    상기 제1 내지 제3 영역 중 적어도 하나에 포함된 마이크로 렌즈의 개수 및 직경은 상기 제1 내지 제3 영역 중 적어도 하나를 둘러싸는 다른 영역에 포함된 마이크로 렌즈의 직경과 상관관계를 가지는 카메라 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 직경, 상기 제2 직경 및 상기 제3 직경은 서로 상이한 카메라 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 제1 영역은 제1 방향을 따라 배치된 x1개의 제1 마이크로 렌즈를 포함하고,
    상기 제2 영역은 상기 제1 방향을 따라 배치된 x2개의 제2 마이크로 렌즈를 포함하며,
    상기 제3 영역은 상기 제1 방향을 따라 배치된 x3개의 제3 마이크로 렌즈를 포함하며,
    상기 제1 직경 및 상기 x1의 곱은 상기 제2 직경 및 상기 x1보다 1 작은 수의 곱과 동일하고,
    상기 제2 직경 및 상기 x2의 곱은 상기 제3 직경 및 상기 x2보다 1 작은 수의 곱과 동일한 카메라 장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 제1 영역에서 상기 제1 방향과 수직하는 제2 방향을 따라 x1개의 제1 마이크로 렌즈가 배열되고,
    상기 제2 영역에서 상기 제2 방향을 따라 x2개의 제2 마이크로 렌즈가 배열되며,
    상기 제3 영역에서 상기 제2 방향을 따라 x3개의 제3 마이크로 렌즈가 배열되는 카메라 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 제1 마이크로 렌즈, 상기 복수의 제2 마이크로 렌즈 및 상기 복수의 제3 마이크로 렌즈는 상기 광원을 향하는 방향으로 돌출되고,
    상기 복수의 제1 마이크로 렌즈의 돌출 높이, 상기 복수의 제2 마이크로 렌즈의 돌출 높이 및 상기 제3 마이크로 렌즈의 돌출 높이는 서로 상이한 카메라 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 제1 마이크로 렌즈, 상기 복수의 제2 마이크로 렌즈 및 상기 복수의 제3 마이크로 렌즈 각각은 비구면 형상을 가지고,
    상기 복수의 제1 마이크로 렌즈, 상기 복수의 제2 마이크로 렌즈 및 상기 복수의 제3 마이크로 렌즈 각각의 비구면 형상은 이미지 높이, 곡률 반지름 및 코닉 상수에 의해 정의되는 카메라 장치.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 복수의 제1 마이크로 렌즈, 상기 복수의 제2 마이크로 렌즈 및 상기 복수의 제3 마이크로 렌즈 각각의 비구면 형상은 다음 수학식에 의해 정의되는 카메라 장치:
    Figure PCTKR2023008695-appb-img-000023
    여기서, x는 X축 이미지 높이이고, y는 Y축 이미지 높이이며, Rx는 X축 곡률 반지름이고, Ry는 Y축 곡률 반지름이며, Kx는 x축 코닉상수이고, Ky는 Y축 코닉 상수이다.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 제1 영역에 포함된 상기 제1 마이크로 렌즈의 개수 및 직경은 상기 제2 영역에 포함된 상기 제2 마이크로 렌즈의 직경과 상관관계를 가지는 카메라 장치.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 마이크로 렌즈 어레이의 중심으로부터 상기 제2 마이크로 렌즈까지의 거리는 상기 마이크로 렌즈 어레이의 중심으로부터 상기 제1 마이크로 렌즈까지의 거리보다 큰 카메라 장치.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 제1 직경, 상기 제2 직경 및 상기 제3 직경은 상기 광원과 상기 마이크로 렌즈 어레이 간 거리에 따라 달라지는 카메라 장치.
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