KR102397527B1 - 하나 이상의 물체의 위치를 결정하기 위한 검출기 - Google Patents

하나 이상의 물체의 위치를 결정하기 위한 검출기 Download PDF

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Abstract

하나 이상의 물체(112)의 위치를 결정하기 위한 검출기(110)가 개시되어 있으며, 상기 검출기(110)은, 이미지 면(116)으로 물체(112)를 촬영하기 위한, 초점 면(focal plane)(118)을 갖는 하나 이상의 전달 장치(114); 하나 이상의 종방향 광학 센서(122); 및 하나 이상의 평가 장치(129)를 포함하며, 이 때 상기 종방향 광학 센서(122)는 하나 이상의 센서 영역(124)을 갖고, 상기 종방향 광학 센서(122)는 적어도 부분적으로 투명하며, 상기 종방향 광학 센서(122)는, 물체(112)로부터 검출기(110)로 이동하는 하나 이상의 광 빔에 의한 센서 영역(124)의 조도에 따라 달라지는 방식으로 하나 이상의 종방향 센서 신호를 생성시키도록 디자인되며, 상기 종방향 센서 신호는 전체 조명 동력이 동일한 경우 센서 영역(124)에서의 광 빔의 빔 단면에 따라 달라지고, 상기 평가 장치(129)는, 종방향 센서 신호를 평가함으로써 물체(112)의 종방향 위치에 대한 하나 이상의 정보 아이템을 생성시키도록 디자인된다. 상기 하나 이상의 종방향 광학 센서(122)는 초점 종방향 광학 센서(136)를 포함하고, 상기 초점 종방향 광학 센서(136)는 적어도 실질적으로 상기 초점 면(118)에 배열된다.

Description

하나 이상의 물체의 위치를 결정하기 위한 검출기{DETECTOR FOR DETERMINING A POSITION OF AT LEAST ONE OBJECT}
본 발명은 하나 이상의 물체의 위치를 결정하기 위한 검출기, 사람-기계 인터페이스, 추적 시스템, 카메라, 하나 이상의 물체의 위치를 결정하는 방법 및 검출기의 다양한 용도에 관한 것이다. 이러한 장치 및 이러한 방법은 예를 들어 일상 생활, 교통 기술, 생산 기술, 보안 기술, 의료 기술, 엔터테인먼트 기술 또는 과학의 다양한 분야에 이용될 수 있다. 부가적으로 또는 다르게는, 이 용도는 예컨대 하나 이상의 실내, 하나 이상의 건물 또는 하나 이상의 거리의 지도를 생성시키기 위한 공간의 지도 제작 분야에 적용될 수 있다. 또한, 검출기는 하나 이상의 물체를 촬영하기 위한 카메라를 구성할 수 있거나 카메라의 일부일 수 있다. 그러나, 원칙적으로 다른 용도도 가능하다.
물체의 위치를 결정하도록 구성된 다수의 검출기가 종래 기술로부터 알려져 있다. 물체의 위치를 결정하기 위한 이러한 검출기는 광학 센서 및 광전변환 장치에 기초하여 공지되어 있다.
전자기선, 예를 들어 자외선, 가시광선 또는 적외선을 전기 신호 또는 전기 에너지로 전환시키는 데에는 광전변환 장치가 일반적으로 사용되는 한편, 이미지 정보를 수집하고/하거나 하나 이상의 광학 매개변수, 예를 들어 휘도를 검출하는 데에는 광학 검출기가 일반적으로 사용된다. 통상적으로 광학 센서는 무기 및/또는 유기 센서 물질의 사용에 기초할 수 있다. 이러한 센서의 예는 US 2007/0176165 A1 호, US 6,995,445 B2 호, DE 2501124 A1 호, DE 3225372 A1 호 또는 다수의 다른 종래 기술 문서에 개시되어 있다. 특히 비용상의 이유 및 대면적 처리상의 이유 때문에, 예를 들어 US 2007/0176165 A1 호에 기재되어 있는 바와 같이 하나 이상의 유기 센서 물질을 포함하는 센서가 점점 더 많이 사용되고 있다. 특히, 여기에서는 소위 염료 태양 전지가 더욱 중요하고, 이는 예를 들어 WO 2009/013282 A1 호에 일반적으로 기재되어 있다.
이러한 광학 센서에 기초하여 하나 이상의 물체의 위치를 결정하기 위한 검출기는 개별적인 사용 목적에 따라 다양한 방식으로 구현될 수 있다. 이러한 검출기의 예는 촬영 장치, 예를 들어 카메라 및/또는 현미경이다. 높은 광학 해상도로 생물학적 샘플을 시험하기 위하여 예를 들어 특히 의료 기술 및 생물학 분야에서 사용될 수 있는 고해상도 공초점 현미경이 공지되어 있다. 물체를 광학적으로 검출하기 위한 검출기의 다른 예는 삼각 측량 시스템(이에 의해 거리 측정을 수행할 수 있음)이다.
하나 이상의 물체를 광학적으로 검출하기 위한 검출기의 다른 예는 예컨대 상응하는 광학 신호, 예컨대 레이저 펄스의 전파 시간 방법에 기초한 거리 측정 장치이다. 일반적으로, 이들 검출기는 조명원, 예컨대 램프 또는 레이저, 및 광-검출 장치를 포함할 수 있다. 조명원은 광, 특히 렌즈 및/또는 렌즈 시스템에 의해 초점이 맞춰지는 하나 이상의 광 빔을 방출할 수 있다. 방출된 광은 물체에 의해 반사될 수 있다. 반사된 광은 광-검출 장치에 의해 검출될 수 있다. 일반적으로, 이들 검출기는 비행 시간(time-of-flight) 분석, 구조 광 분석 또는 예컨대 삼각 측량 방법을 수행하기 위한, 물체의 위치를 결정하기 위한 복수의 검출기로서의 기술을 이용할 수 있다. 다른 방법은 다시 예컨대 레이저 펄스에 의한 거리 측정 같은 복잡한 펄스 연쇄에 기초한다.
다양한 위치 검출기가 당업계에 공지되어 있다. 따라서, JP 8-159714 A 호에는, 거리 측정 장치가 개시되어 있다. 이 문헌에서는, 검출기 및 그림자-형성 요소를 사용함으로써, 물체의 그림자 형성이 거리에 따라 달라진다는 사실에 기초하여 물체와 검출기 사이의 거리를 결정한다. US 2008/0259310 A1 호에는, 광학 위치 검출기가 개시된다. 다양한 공지의 거리 및 측정된 각도를 사용함으로써 전송 시스템의 위치를 결정한다. US 2005/0184301 A1 호에는, 거리 측정 장치가 개시된다. 측정 장치는 상이한 파장을 갖는 복수의 발광 다이오드를 사용한다. CN 101650173 A 호에는, 기하학적인 원리의 사용에 기초한 위치 검출기가 개시된다. 또한, JP 10-221064 A 호에는, 홀로그래피에 사용되는 광학 셋업(setup)과 유사한 복잡한 광학 셋업이 개시되어 있다.
US 4,767,211 호에는, 광학 측정 및 촬영을 위한 장치 및 방법이 개시되어 있다. 이 문헌에서는, 상이한 광-검출기 및 분광기를 사용함으로써 광축을 따라 이동하는 반사광과 축에서 벗어나 이동하는 반사광의 비를 결정한다. 이 원리를 이용함으로써, 샘플에서의 오목부를 검출할 수 있다.
US 4,647,193 호에서는, 복수의 구성요소를 갖는 검출기를 사용함으로써 표적 물체의 범위를 결정한다. 검출기를 렌즈의 초점 면으로부터 떨어뜨려 위치시킨다. 물체로부터의 광의 광점의 크기는 물체의 범위에 따라 변하고, 따라서 물체의 범위에 따라 달라진다. 상이한 광-검출기를 사용함으로써, 광-검출기에 의해 발생되는 신호를 비교하여 광점의 크기, 따라서 물체의 범위를 결정할 수 있다.
US 6,995,445 호 및 US 2007/0176165 A1 호에는, 위치 감지 유기 검출기가 개시되어 있다. 이 문헌에서는, 둘 이상의 전기 접속부를 사용함으로써 전기적으로 접속되는 저항 바닥 전극을 사용한다. 전기 접속부로부터의 전류의 전류 비를 형성함으로써, 유기 검출기 상에서의 광점의 위치를 검출할 수 있다.
WO 2010/088032 A2 호 및 US 2011/0055846 A1 호에서는, 하나 이상의 표적의 깊이 이미지를 수득하도록 구성된 캡쳐 장치가 제안된다. 캡쳐 장치는 깊이 카메라, 비디오 카메라, 스테레오 카메라, 및/또는 다른 적합한 캡쳐 장치를 포함할 수 있다. 캡쳐 장치는 IR 광 구성요소를 포함할 수 있는 이미지 카메라 구성요소, 3차원(3-D) 카메라, 및/또는 RGB 카메라를 포함할 수 있다. WO 2010/088032 A2 호에서, 캡쳐 장치는 임의의 적합한 기술(예를 들어, 비행 시간, 구조화된 광, 스테레오 이미지 등)에 의해 깊이 정보를 갖는 비디오를 캡쳐하도록 구성될 수 있다. WO 2010/088032 A2 호에서 이용된 기술에 덧붙여, US 2011/0055846 A1 호에서는, 나가는 광파의 위상을 들어오는 광파의 위상과 비교하여 위상 변동을 결정할 수 있으며, 이를 물체의 물리적 거리를 결정하는데 이용한다.
또한, 일반적으로, 투명하거나 적어도 부분적으로 투명한 위치 검출기를 사용하는 것은 종래 기술에 공지되어 있다. 본원에 참고로 인용되는 WO 2012/110924 A1 호는 하나 이상의 물체를 광학적으로 검출하기 위한 검출기를 개시한다. 검출기는 하나 이상의 광학 센서를 포함한다. 광학 센서는 하나 이상의 센서 영역을 갖는다. 광학 센서는 센서 영역의 조도에 따라 달라지는 방식으로 하나 이상의 센서 신호를 생성시키도록 디자인된다. 센서 신호는 전체 조명 동력이 동일한 경우 조명의 기하학적 형태, 특히 센서 구역에서의 조명의 빔 단면에 따라 달라진다. 검출기는 또한 하나 이상의 평가 장치를 갖는다. 평가 장치는 센서 신호로부터 하나 이상의 기하학적 정보 아이템, 특히 조명 및/또는 물체에 대한 하나 이상의 기하학적 정보 아이템을 생성시키도록 디자인된다.
그러나, 물체의 종방향 위치를 결정하기 위해 단지 하나의 투명하거나 적어도 부분적으로 투명한 위치 센서를 사용하는 것은, 특히 상기 물체가 초점 또는 초점 영역의 앞이나 뒤에 위치되는 경우, 종방향 위치 측정의 불명확성 문제를 야기할 수 있다. 이 불명확성 문제를 극복하기 위해 여러 개의 투명하거나 적어도 부분적으로 투명한 위치 센서 또는 센서 스택을 사용하는 것이 종래 기술로부터 공지되어 있다.
2012년 12월 19일자로 출원된 미국 특허 가출원 제 61/739,173 호, 2013년 1월 8일자로 출원된 미국 특허 가출원 제 61/749,964 호, 2013년 8월 19일자로 출원된 미국 특허 가출원 제 61/867,169 호, 및 2013년 12월 18일자로 출원되고 WO 2014/097181 A1 호로 공개된 국제 특허원 PCT/IB2013/061095 호(이들 특허원의 전체 내용은 모두 본원에 참고로 인용됨)는 하나 이상의 횡방향 광학 센서 및 하나 이상의 광학 센서를 사용함으로써 하나 이상의 물체의 위치를 결정하기 위한 방법 및 검출기를 개시한다. 구체적으로, 물체의 종방향 위치를 높은 정확도로 불명료하지 않게 결정하기 위한 센서 스택의 용도가 개시되어 있다.
2013년 6월 13일자로 출원된 유럽 특허원 EP 13171898.3 호(이의 내용은 본원에 참고로 인용됨)는 기판 및 그에 배치된 하나 이상의 감광성 층 셋업을 갖는 광학 센서를 포함하는 광학 검출기를 개시한다. 감광성 층 셋업은 하나 이상의 제 1 전극, 하나 이상의 제 2 전극, 및 제 1 전극과 제 2 전극 사이에 끼인 하나 이상의 광전변환 물질을 갖는다. 광전변환 물질은 하나 이상의 유기 물질을 포함한다. 제 1 전극은 복수의 제 1 전극 스트립을 포함하고, 제 2 전극은 복수의 제 2 전극 스트립을 포함하며, 이 때 제 1 전극 스트립 및 제 2 전극 스트립은 제 1 전극 스트립과 제 2 전극 스트립의 교차점에 픽셀의 매트릭스가 형성되도록 교차한다. 광학 검출기는 하나 이상의 판독(readout) 장치를 추가로 포함하며, 이 판독 장치는 제 2 전극 스트립에 연결되는 복수의 전기 측정 장치 및 제 1 전극 스트립을 전기 측정 장치에 후속 연결하기 위한 스위칭 장치를 포함한다.
2013년 6월 13일자로 출원된 유럽 특허원 EP 13171900.7 호(이의 내용은 본원에 참고로 인용됨)는 하나 이상이 물체에 부착되고 물체에 의해 보유되며 물체 중으로 통합되기에 적합화되고, 각각 광 빔을 검출기를 향해 유도하도록 구성되며, 물체의 좌표 시스템에서 소정 좌표를 갖는 둘 이상의 비컨(beacon) 장치를 포함하는, 하나 이상의 물체의 배향을 결정하기 위한 검출기 장치를 개시한다. 검출기 장치는 비컨 장치로부터 검출기를 향해 이동하는 광 빔을 검출하도록 구성된 하나 이상의 검출기 및 검출기의 좌표 시스템에서 각 비컨 장치의 종방향 좌표를 결정하도록 구성된 하나 이상의 평가 장치를 추가로 포함한다. 평가 장치는 비컨 장치의 종방향 좌표를 사용함으로써 검출기의 좌표 시스템에서 물체의 배향을 결정하는데 추가로 적합화된다.
2013년 6월 13일자로 출원된 유럽 특허원 EP 13171901.5 호, 2014년 3월 12일자로 출원된 독일 특허원 10 2014 006 280.5호, 및 2014년 6월 5일자로 출원된 PCT/EP2014/061695(이들의 내용을 모두 본원에 참고로 인용함)는 하나 이상의 물체의 위치를 결정하는 검출기를 개시한다. 검출기는 물체로부터 검출기를 향해 이동하는 광 빔을 검출하도록 구성된 하나 이상의 광학 센서를 포함하고, 이 광학 센서는 하나 이상의 픽셀 매트릭스를 갖는다. 검출기는 광 빔에 의해 조명되는 광학 센서의 픽셀의 수(N)를 결정하도록 구성된 하나 이상의 평가 장치를 추가로 포함한다. 평가 장치는, 광 빔에 의해 조명되는 픽셀의 수(N)를 사용함으로써 물체의 하나 이상의 종방향 좌표를 결정하도록 추가로 구성된다.
그러나, 고도의 정확성 및 불명확하지 않은 측정을 달성하기 위해 물체의 종방향 위치를 측정하는 여러 개(특히 3개 이상)의 종방향 광학 센서를 사용하는 것은 재료 및 비용이 많이 든다. 따라서, 최소량으로 필요한 광학 센서로써 물체의 종방향 위치를 결정하는 것이 요망된다.
따라서, 본 발명이 다루는 문제는, 이러한 유형의 공지 장치 및 방법의 단점을 적어도 실질적으로 피하는, 하나 이상의 물체의 위치를 결정하기 위한 장치 및 방법을 구체화하는 것이다. 특히, 제안된 장치 및 방법은, 고도의 정확성 및 불명확성 없이 적은 기술적 노력으로 하나 이상의 물체의 위치를 결정할 수 있도록 의도된다.
이 문제점은 본원의 독립 청구항의 특징을 갖는 검출기, 사람-기계 인터페이스, 추적 시스템, 방법에 의해 해결된다. 분리된 방식으로 또는 임의적으로 조합하여 실현될 수 있는 바람직한 실시양태가 본원의 종속 청구항에 기재되어 있다.
본원에 사용되는 표현 "갖는다", "포함한다" 또는 "함유한다" 뿐만 아니라 이들의 임의의 문법적인 변형은 배타적이지 않은 방식으로 사용된다. 따라서, 이들 용어는 이들 용어에 의해 도입되는 특징 외의 다른 특징이 이와 관련하여 기재된 실체에 존재하지 않는 상황 및 하나 이상의 다른 특징이 존재하는 상황 둘 다를 가리킬 수 있다. 예로서, 표현 "A가 B를 갖는다", 표현 "A가 B를 포함한다" 및 "A가 B를 함유한다"는 B 외의 다른 요소가 A에 존재하지 않는 상황(예를 들어, B만으로 배타적으로 구성되는 상황) 및 B 외에 하나 이상의 다른 요소(예컨대, 요소 C, 요소 C와 D 또는 심지어 추가적인 요소)가 A에 존재하는 상황 둘 다를 가리킬 수 있다.
또한, 이후 사용되는 용어 "바람직하게는", "더욱 바람직하게는", "특히", "더욱 특히", "구체적으로", "더욱 구체적으로" 또는 유사한 용어는 다른 가능성을 제한하지 않으면서 임의적인 특징과 함께 사용된다. 따라서, 이들 용어에 의해 도입되는 특징은 임의적인 특징이고, 어떠한 방식으로든 특허청구범위의 영역을 제한하고자 하지 않는다. 본 발명은 당업자가 알게 되는 바와 같이 다른 특징을 이용함으로써 실행될 수 있다. 유사하게, "본 발명의 실시양태에서" 또는 유사한 표현에 의해 도입되는 특징은 본 발명의 다른 실시양태와 관련하여 아무런 제한 없이, 본 발명의 영역과 관련하여 아무런 제한 없이, 또한 이러한 방식으로 도입되는 특징과 본 발명의 다른 임의적인 또는 임의적이지 않은 특징을 합칠 가능성에 대한 아무런 제한 없이 임의적인 특징인 것으로 의도된다.
본 발명의 제 1 양태에서는, 하나 이상의 물체의 위치를 결정하기 위한 검출기가 제안된다. 상기 검출기는
- 이미지 면으로 물체를 촬영하기 위한, 초점 면(focal plane)을 갖는 하나 이상의 전달 장치;
- 하나 이상의 종방향 광학 센서; 및
- 하나 이상의 평가 장치
를 포함하며, 이 때
상기 종방향 광학 센서는 하나 이상의 센서 영역을 갖고,
상기 종방향 광학 센서는 적어도 부분적으로 투명하며,
상기 종방향 광학 센서는, 물체로부터 검출기로 이동하는 하나 이상의 광 빔에 의한 센서 영역의 조도에 따라 달라지는 방식으로 하나 이상의 종방향 센서 신호를 생성시키도록 디자인되며,
상기 종방향 센서 신호는 전체 조명 동력이 동일한 경우 센서 영역에서의 광 빔의 빔 단면에 따라 달라지고,
상기 평가 장치는 종방향 센서 신호를 평가함으로써 물체의 종방향 위치에 대한 하나 이상의 정보 아이템을 생성시키도록 디자인된다.
이때, 상기 종방향 광학 센서는 초점(focal) 종방향 광학 센서를 포함한다. 상기 초점 종방향 광학 센서는 적어도 실질적으로 초점 면에 배열된다.
본원에 사용되는 "검출기"는 통상 하나 이상의 조명원에 의한 조명에 응답하여 및/또는 검출기 주위 환경의 광학 특성에 응답하여 하나 이상의 검출기 신호 및/또는 하나 이상의 이미지를 발생시킬 수 있는 장치를 가리킨다. 따라서, 검출기는 광학 측정 과정 및 촬영 과정중 하나 이상을 수행하도록 구성된 임의적인 장치일 수 있다.
구체적으로, 검출기는 하나 이상의 물체의 위치를 결정하도록 구성된다. 본원에 사용되는 용어 위치는 통상 공간에서 물체 및/또는 물체의 하나 이상의 일부의 위치 및/또는 배향에 대한 하나 이상의 정보 아이템을 말한다. 하나 이상의 정보 아이템은 물체의 하나 이상의 지점과 하나 이상의 검출기 사이의 하나 이상의 거리를 암시할 수 있다. 아래에서 더욱 상세하게 개략되는 바와 같이, 거리는 물체의 지점의 종방향 좌표일 수 있거나 그를 결정하는데 기여할 수 있다. 부가적으로 또는 다르게는, 물체 및/또는 물체의 하나 이상의 일부의 위치 및/또는 배향에 관한 하나 이상의 다른 정보 아이템이 결정될 수 있다. 예로서, 물체 및/또는 물체의 하나 이상의 일부의 하나 이상의 횡방향 좌표가 결정될 수 있다. 따라서, 물체의 위치는 물체 및/또는 물체의 하나 이상의 일부의 하나 이상의 종방향 좌표를 말할 수 있다. 추가로 또는 다르게는, 물체의 위치는 물체 및/또는 물체의 하나 이상의 일부의 하나 이상의 횡방향 좌표를 나타낼 수 있다. 추가로 또는 다르게는, 물체의 위치는 공간에서의 물체의 배향을 나타내는 물체의 하나 이상의 배향 정보를 암시할 수 있다. 위치는 전체 물체 또는 일부, 예컨대 물체의 지점, 구역 또는 영역에 관련될 수 있다. 상기 일부는 물체의 표면에 또는 적어도 부분적으로는 물체 내에 배열될 수 있다.
이를 위하여, 예로서, 하나 이상의 좌표 시스템이 사용될 수 있고, 하나, 둘, 셋 또는 그 이상의 좌표를 사용함으로써 물체의 위치를 결정할 수 있다. 예로서, 하나 이상의 카테시안(Cartesian) 좌표 시스템 및/또는 다른 유형의 좌표 시스템을 사용할 수 있다. 한 예에서, 좌표 시스템은 검출기가 소정 위치 및/또는 배향을 갖는 검출기의 좌표 시스템일 수 있다. 아래에서 더욱 상세하게 개략되는 바와 같이, 검출기는 광축을 갖고, 이는 검출기의 주요 시야 방향을 구성할 수 있다. 광축은 z-축 같은 좌표 시스템의 축을 형성할 수 있다. 또한, 바람직하게는 z-축에 수직인 하나 이상의 추가적인 축이 제공될 수 있다.
따라서, 예로서, 검출기는 광축이 z-축을 형성하고 또한 z-축에 수직이고 서로에 대해서도 수직인 x-축 및 y-축이 제공될 수 있는 좌표 시스템을 구성할 수 있다. 예로서, 검출기 및/또는 검출기의 일부는 이 좌표 시스템의 원점 같은 이 좌표 시스템의 특정 지점에 놓일 수 있다. 이 좌표 시스템에서, z-축에 평행 또는 역평행한 방향은 종방향으로 간주될 수 있고, z-축을 따른 좌표는 종방향 좌표로 생각될 수 있다. 종방향에 수직인 임의의 방향은 횡방향으로 간주될 수 있고, x- 및/또는 y-좌표는 횡방향 좌표로 생각될 수 있다.
다르게는, 다른 유형의 좌표 시스템을 사용할 수 있다. 따라서, 예로서, 광축이 z-축을 형성하고 z-축으로부터의 거리 및 편각을 추가적인 좌표로서 사용할 수 있는 극좌표 시스템을 사용할 수 있다. 다시, z-축에 평행 또는 역평행한 방향은 종방향으로 간주될 수 있고, z-축을 따른 좌표는 종방향 좌표로 생각될 수 있다. z-축에 수직인 임의의 방향은 횡방향으로 간주될 수 있고, 극좌표 및/또는 편각은 횡방향 좌표로 생각될 수 있다.
물체는 일반적으로 임의적인 물체일 수 있다. 한 실시양태에서, 물체는 단단한 물체일 수 있다. 물체가 단단하지 않은 물체 또는 그의 형상을 변화시킬 수 있는 물체인 실시양태 등의 다른 실시양태도 실현가능하다. 물체는 검출기에 의해 완전히 또는 부분적으로 검출될 수 있다. 물체는 통상 생물 및 무생물로부터 선택되는 임의적인 물체일 수 있다. 따라서, 예로서, 하나 이상의 물체는 하나 이상의 물체 및/또는 물체의 하나 이상의 일부를 포함할 수 있다. 추가로 또는 다르게는, 물체는 하나 이상의 생물 및/또는 그의 하나 이상의 부분(예컨대, 사람, 예를 들어 사용자, 및/또는 동물의 하나 이상의 신체 부위)일 수 있거나 그를 포함할 수 있다.
아래에서 더욱 상세하게 개략적으로 기재되는 바와 같이, 본 발명은 특히 사람의 위치 및/또는 움직임을 추적하기 위하여, 예를 들어 기계 제어, 게임 또는 스포츠 시뮬레이션을 위해 사용될 수 있다. 이 실시양태 또는 다른 실시양태에서, 특히 물체는 스포츠 장비 제품, 바람직하게는 라켓, 클럽, 배트로 이루어진 군으로부터 선택되는 제품; 의복 제품; 모자; 신발로 이루어진 군으로부터 선택될 수 있다.
검출기는, 이미지 면으로 물체를 촬영하기 위한 하나 이상의 전달 장치를 포함한다. 본원에 사용된 "전달 장치"는 일반적으로, 하나 이상의 물체로부터 유래되는 광(예를 들어 하나 이상의 조명원에 의한 조명에 의해 및/또는 물체 주변부의 광학적 특성에 응답하는, 하나 이상의 물체로부터의 광) 위로의 초점 설정 또는 초점 이탈 효과 중 하나 또는 둘다를 갖는 장치, 구체적으로 광학 장치이다. 광학 장치는, 렌즈 특히 초점 설정 렌즈 및/또는 초점 이탈 렌즈; 초점 설정 거울; 초점 이탈 거울로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 이상의 요소를 포함할 수 있다. 하나 이상의 전달 장치는 전적으로 또는 부분적으로 종방향 광학 센서와 물체 사이의 빔 경로에 위치될 수 있으며, 물체로부터 검출기로 이동하는 광 빔이 전달 장치를 통과하도록 구성될 수 있다. 본원에 사용되는 용어 "빔 경로"는 광 빔이 이동되거나 전파되는 경로를 가리킨다.
또한, 본원에 사용된 "이미지 면"은 일반적으로, 전달 장치 및/또는 종방향 광학 센서의 광축에 수직으로 위치되는 것이 바람직한 평면이며, 이 평면 상에서 상기 물체는 상기 전달 장치에 의해 촬영된다. 따라서 상기 이미지 면은 물체의 픽쳐를 포함한다. 상기 광축은 z-축에 대해 평행하고/하거나 검출기의 주요 견시 방향에 대해 평행하다. 엄밀히 말해서, 이 정의는 단지, 물체의 거리 차원에서의 팽창 없이 2-차원 물체에 대해서만 그러하다. 3-차원 물체의 경우, 이미지 면은 일반적으로, 전달 장치 및/또는 종방향 광학 센서의 광축에 수직인 평면이며, 이 위에서, 상기 물체, 특히 상기 물체의 표면의 하나 이상의 지점이 촬영된다. 본원에 사용된 "물체의 촬영"는, 물체의 투영, 초점 설정 또는 초점 이탈 중 하나 이상, 특히 하나 이상의 물체로부터 유래되는 광, 예를 들어 하나 이상의 조명원에 의한 조명에 의해 및/또는 물체 주변부의 광학적 특성에 응답하는, 하나 이상의 물체로부터의 광을 가리킨다.
상기 전달 장치는 초점 면을 갖는다. 본원에 사용된 "초점 면"은, 전달 장치의 포커스(초점으로도 칭해짐)를 포함하며 바람직하게는 전달 장치 및/또는 종방향 광학 센서의 광축에 수직인 평면을 가리킨다. 본원에 사용된 "포커스" 또는 "이미지 점"은, 물체의 하나 이상의 지점으로부터 기인하는 광, 특히 광선이 모이는 점을 가리킨다.
본원의 문맥에서, 상기 전달 장치(예를 들어 렌즈 또는 렌즈들의 조합)의 초점 면은 반드시 검출기의 이미지 면과 동일하여야 하는 것은 아님을 주의하여야 하며, 다만 사진에서는 "초점 면"과 "이미지 면"이 흔히 동의어로서 사용된다. 초점 면은, 전달 장치의 초점을 포함하는 평면이며, 바람직하게는 전달 장치의 광축 및/또는 검출기의 광축에 대해 수직이다. 반대로, 이미지 면은, 전달 장치에 의해 하나 이상의 물체의 실제적인 이미지가 생성되는 평면이다. 전달 장치로부터 불특정한 거리만큼 물체가 이동하는 경우, 상기 이미지 면은 초점 면 쪽으로 이동된다.
검출기는 하나 이상의 종방향 광학 센서를 포함한다. 본원에 사용되는 "종방향 광학 센서"는 일반적으로, 물체로부터 검출기로 이동하는 하나 이상의 광 빔에 의한 센서 영역의 조도에 따라 달라지는 방식으로 하나 이상의 종방향 센서 신호를 생성시키도록 디자인된 장치이다. 종방향 센서 신호는 전체 조명 동력이 동일한 경우 센서 영역에서의 광 빔의 빔 단면에 따라 달라진다. 하나 이상의 종방향 센서의 가능한 셋업에 대해서는 WO 2012/110924 A1 및또는 WO 2014/097181 A1을 참조한다. 또한 다른 실시양태가 실현될 수도 있다.
종방향 광학 센서는 하나 이상의 초점 종방향 광학 센서를 포함한다. 예를 들어 종방향 광학 센서는 정확히 하나의 초점 종방향 광학 센서를 포함할 수 있다. 본원에 사용된 "초점 종방향 광학 센서"는, 적어도 실질적으로 전달 장치의 초점 면에 배열되는 종방향 광학 센서를 가리킨다. 초점 종방향 광학 센서는 바람직하게는 초점 면 내에 위치된다. 그러나, 초점 종방향 광학 센서는 초점 면으로부터 거리 ±ε만큼 이격될 수 있으며, 이때 ｜ε｜≤0.2·f이며, f는 전달 장치의 초점 길이이다. 상기 거리는 ｜ε｜≤0.1·f, 바람직하게는 ｜ε｜≤0.05·f, 더욱 바람직하게는 ｜ε｜≤0.02·f, 및 가장 바람직하게는 ｜ε｜≤0.01·f일 수 있다. 상기 초점 종방향 광학 센서는, 초점 종방향 광학 센서의 센서 영역이 검출기의 광축에 대해 본질적으로 수직으로 배향되도록 배열될 수 있다. 따라서, 본원에 사용된 "초점 면에 대해 적어도 실질적으로 배열되는"이라는 표현은 일반적으로 초점 면에서 ±ε의 공차(이때 ｜ε｜≤0.2·f임)로 위치됨을 가리킨다.
하나 이상의 종방향 광학 센서는, 초점 종방향 광학 센서 이외에 하나 이상의 추가의 종방향 광학 센서를 포함할 수 있다. 상기 하나 이상의 추가의 종방향 광학 센서는 종방향 광학 센서의 센서 스택을 포함할 수 있다. 상기 초점 종방향 광학 센서는 종방향 광학 센서의 스택의 일부를 형성할 수 있다. 종방향 광학 센서의 스택은 세 개 이하의 종방향 광학 센서를 포함할 수 있다. 종방향 광학 센서 스택은, 종방향 광학 센서의 센서 영역이 검출기의 광축에 본질적으로 수직으로 배향되도록 배열되는 종방향 광학 센서로 구성될 수 있다.
복수의 종방향 광학 센서, 예를 들어 종방향 광학 센서의 스택이 포함되는 경우, 종방향 광학 센서는 동일할 수 있거나 또는 둘 이상의 상이한 유형의 광학 센서가 포함될 수 있도록 상이할 수 있다. 아래에서 더욱 상세하게 개략적으로 기재되는 바와 같이, 하나 이상의 종방향 광학 센서는 무기 광학 센서 및 유기 광학 센서중 하나 이상을 포함할 수 있다. 본원에 사용되는 "유기 광학 센서"는 일반적으로 하나 이상의 유기 물질, 바람직하게는 하나 이상의 유기 감광성 물질이 포함된 광학 센서를 가리킨다. 또한, 무기 물질과 유기 물질을 둘 다 포함하는 하이브리드 광학 센서를 사용할 수 있다.
종방향 광학 센서의 가능한 실시양태에 대해서는 WO 2012/110924 A1 호에 개시된 광학 센서를 참조할 수 있다. 그러나, 바람직하게는, 아래에서 더욱 상세하게 개략적으로 기재되는 바와 같이, 본 발명에 따른 검출기는 WO 2012/110924 A1 호에 개시된 복수의 광학 센서, 바람직하게는 센서 스택 같은 복수의 광학 센서를 포함할 수 있다. 따라서, 예로서, 본 발명에 따른 검출기는 WO 2012/110924 A1 호에 개시된 광학 센서의 스택을 포함할 수 있다.
검출기가 광학 센서의 하나 이상의 스택(이 때, 스택은 둘 이상의 종방향 광학 센서를 포함함)을 포함하는 경우, 스택은 임의적으로는, 하나 이상의 투명한 함침 매트릭스, 예를 들어 하나 이상의 함침 액체, 예를 들어, 오일, 계면에서의 반사를 피하고/하거나 감소시키기 위한 액체, 수지, 중합체 중 하나 이상에, 부분적으로 또는 완전히 함침될 수 있다. 상기 함침 매트릭스는 일반적으로, 계면에서의 반사를 피하고/하거나 감소시키도록 구성될 수 있고/있거나 스택을 완전히 또는 부분적으로 기계적으로 안정화시키도록 구성될 수 있고/있거나 스택을 완전히 또는 부분적으로 외부적 영향, 예컨대 기계적, 화학적 또는 환경적 영향으로부터 보호하도록 구성될 수 있다. 따라서, 스택의 하나 이상의 광학 센서는 상기 하나 이상의 함침 매트릭스에 완전히 또는 부분적으로 함침될 수 있고/있거나 상기 하나 이상의 함침 매트릭스에 완전히 또는 부분적으로 매립될 수 있다.
아래에서 추가로 개략적으로 기재되는 바와 같이, 바람직하게는, 종방향 광학 센서는 하나 이상의 광 검출기, 바람직하게는 하나 이상의 유기 광 검출기, 가장 바람직하게는 하나 이상의 염료-증감된 유기 태양 전지(DSC, 또는 염료 태양 전지라고도 불림), 예컨대 하나 이상의 고체 염료-증감된 유기 태양 전지(s-DSC)를 포함할 수 있다. 따라서, 바람직하게는, 검출기는 하나 이상의 종방향 광학 센서로서 작용하는 하나 이상의 DSC(예컨대, 하나 이상의 sDSC) 및 하나 이상의 종방향 광학 센서로서 작용하는 하나 이상의 DSC(예를 들어, 하나 이상의 sDSC), 바람직하게는 하나 이상의 종방향 광학 센서로서 작용하는 복수의 DSC의 스택(예컨대, 복수의 sDSC의 스택)을 포함할 수 있다.
종방향 광학 센서는 하나 이상의 센서 영역을 갖는다. 바람직하게는, 종방향 광학 센서의 센서 영역은 하나의 연속적인 센서 영역, 예를 들어 장치 1개당 하나의 연속적인 센서 구역 또는 센서 표면에 의해 형성될 수 있다. 따라서, 바람직하게는, 종방향 광학 센서의 센서 영역 또는 복수의 종방향 광학 센서(예컨대, 종방향 광학 센서의 스택)가 제공되는 경우 종방향 광학 센서의 각 센서 영역은 정확히 하나의 연속적인 센서 영역에 의해 형성될 수 있다.
하나 이상의 종방향 광학 센서는 1mm2 이상, 바람직하게는 5mm2 이상의 센서 구역으로도 불리는 감수성 구역, 예를 들면 5mm2 내지 1000cm2의 센서 구역, 바람직하게는 7mm2 내지 100cm2의 센서 구역, 더욱 바람직하게는 1cm2의 센서 구역을 제공하는 센서 영역을 가질 수 있다. 센서 구역은 바람직하게는 직사각형의 기하학적 형태, 예컨대 정사각형의 기하학적 형태를 갖는다. 그러나, 다른 기하학적 형태 및/또는 센서 구역도 실현가능하다.
바람직하게는, 종방향 광학 센서는 전극 및 광전변환 물질을 포함하는 층의 층 셋업을 갖는 박막 장치일 수 있으며, 층 셋업은 바람직하게는 1mm 이하, 더욱 바람직하게는 100㎛ 이하, 5㎛ 이하 또는 그 미만의 두께를 갖는다. 따라서, 종방향 광학 센서의 센서 영역은 바람직하게는 물체를 향해 바라보는 개별적인 장치의 표면에 의해 형성될 수 있는 센서 구역일 수 있거나 그를 포함할 수 있다.
종방향 광학 센서는 적어도 부분적으로 투명하다. 따라서, 일반적으로, 종방향 광학 센서는, 광 빔이 종방향 광학 센서를 통해 적어도 부분적으로 통과할 수 있도록, 하나 이상의 적어도 부분적으로 투명한 광학 센서를 포함할 수 있다. 본원에 사용되는 용어 "적어도 부분적으로 투명한"은 전체 종방향 광학 센서가 투명하거나 또는 종방향 광학 센서의 일부(예컨대, 감수성 영역)가 투명한 옵션 및/또는 종방향 광학 센서 또는 종방향 광학 센서의 적어도 투명한 부분이 감쇠되거나 감쇠되지 않는 방식으로 광 빔을 투과시킬 수 있는 옵션 둘 다를 가리킨다. 따라서, 예로서, 투명한 종방향 광학 센서는 10% 이상, 바람직하게는 20% 이상, 40% 이상, 50% 이상 또는 70% 이상의 투명도를 가질 수 있다. 감지 효과를 제공하기 위하여, 통상적으로, 종방향 광학 센서는 전형적으로 광 빔과 종방향 광학 센서 사이에 몇몇 종류의 상호작용(이는 전형적으로 투명도 상실을 야기함)을 제공해야 한다. 종방향 광학 센서의 투명도는 광 빔의 파장에 따라 달라져서 종방향 광학 센서의 감도, 흡수 또는 투명도의 스펙트럼 프로파일을 생성시킬 수 있다. 복수의 종방향 광학 센서, 예를 들어 종방향 광학 센서의 스택이 제공되는 경우에는, 바람직하게는 복수의 모든 종방향 광학 센서 및/또는 스택의 모든 종방향 광학 센서가 투명하다.
상기에서 개략적으로 기재된 바와 같이, 복수의 종방향 광학 센서가 제공되는 경우, 광학 센서의 스펙트럼 특성이 반드시 동일해야 하는 것은 아니다. 따라서, 종방향 광학 센서중 하나는 적색 스펙트럼 영역에서 강한 흡수(예컨대, 흡수 피크)를 제공할 수 있고, 종방향 광학 센서중 다른 하나는 녹색 스펙트럼 영역에서 강한 흡수를 제공할 수 있으며, 또 다른 하나는 청색 스펙트럼 영역에서 강한 흡수를 제공할 수 있다. 다른 실시양태도 실현가능하다. 본원에 사용되는 용어 "광"은 일반적으로 가시광 스펙트럼 범위, 자외선 스펙트럼 범위 및 적외선 스펙트럼 범위중 하나 이상에서의 전자기선을 말한다. 여기에서, 용어 "가시광 스펙트럼 범위"는 통상 380nm 내지 780nm의 스펙트럼 범위를 가리킨다. 용어 "적외선 스펙트럼 범위"는 일반적으로 780nm 내지 1mm, 바람직하게는 780nm 내지 3.0㎛ 범위의 전자기선을 일컫는다. 용어 "자외선 스펙트럼 범위"는 통상적으로 1nm 내지 380nm, 바람직하게는 100nm 내지 380nm 범위의 전자기선을 가리킨다. 또한, 600nm 내지 780nm의 스펙트럼 범위는 적색 스펙트럼 범위로서, 490nm 내지 600nm의 범위는 녹색 스펙트럼 범위로서, 또한 380nm 내지 490nm의 범위는 청색 스펙트럼 범위로서 정의될 수 있다.
종방향 센서 신호는 바람직하게는 전류(예컨대, 광 전류) 및 전압(예컨대, 광 전압)으로 이루어진 군으로부터 선택될 수 있다. 또한, 종방향 센서 신호는 미처리(raw) 센서 신호로부터 정제된 센서 신호를 유도하기 위하여 예컨대 평균을 구하고/구하거나 여과함으로써 예비 처리될 수 있다. 추가로 또는 다르게는, 종방향 센서 신호는 광 빔의 폭 같은 광 빔의 다른 특성에 따라 달라질 수 있다. 종방향 센서 신호는 바람직하게는 전기 신호, 예를 들어 전류 및/또는 전압일 수 있다. 종방향 센서 신호는 연속적이거나 불연속적인 신호일 수 있다. 또한, 종방향 센서 신호는 아날로그 신호 또는 디지털 신호일 수 있다. 또한, 종방향 광학 센서는 그 자체로 및/또는 종방향 광학 검출기의 다른 구성요소와 함께, 처리된 종방향 센서 신호를 제공하기 위하여, 예컨대 여과하고/하거나 평균을 구함으로써 종방향 센서 신호를 처리하거나 예비 처리하도록 구성될 수 있다. 따라서, 예로서, 특정 주파수 범위의 종방향 센서 신호만 전송하기 위하여 밴드패스 필터를 사용할 수 있다. 다른 유형의 예비 처리도 실현가능하다. 아래에서, 종방향 센서 신호를 언급하는 경우, 추가적인 평가를 위하여 미처리 종방향 센서 신호가 사용되는 경우와 예비 처리된 종방향 센서 신호가 사용되는 경우 사이에 차이는 없다.
본원에 사용되는 "광 빔"은 다소 동일한 방향으로 이동하는 광량이다. 따라서, 바람직하게는, 광 빔은 당업자에게 공지되어 있는 바와 같이 가우시안 광 빔을 가리킬 수 있다. 그러나, 비-가우시안 광 빔 같은 다른 광 빔도 가능하다. 아래에서 더욱 상세하게 개략적으로 기재되는 바와 같이, 광 빔은 물체에 의해 방출되고/되거나 반사될 수 있다. 또한, 광 빔은 반사되고/되거나 방출될 수 있다. 상기 광빔은 검출기의 광축에 대해 실질적으로 평행하게 적어도 부분적으로 전파될 수 있다. 본원에 사용된 "실질적으로 평행한"은, 광축으로부터 ±20°이하, 바람직하게는 ±10°이하, 더욱 바람직하게는 ±5°이하만큼 벗어나는 빔 축을 가리킨다.
상기에서 개략적으로 기재된 바와 같이, 하나 이상의 종방향 센서 신호는 광 빔에 의한 전체 조명 동력이 동일한 경우 하나 이상의 종방향 광학 센서의 센서 영역에서의 광 빔의 빔 단면에 따라 달라진다. 본원에 사용되는 용어 "빔 단면"은 통상적으로 광 빔 또는 특정 위치에서 광 빔에 의해 생성되는 광점의 측방향 연장부를 가리킨다. 원형 광점이 생성되는 경우에는, 반경, 직경 또는 가우시안 빔 웨이스트 또는 가우시안 빔 웨이스트의 2배가 빔 단면의 척도로서 기능할 수 있다. 비-원형 광점이 생성되는 경우, 단면은 예를 들어 비-원형 광점과 동일한 면적을 갖는 원의 단면(이는 상당 빔 단면이라고도 일컬어짐)을 결정함으로써 임의의 다른 실현가능한 방식으로 결정될 수 있다.
따라서, 광 빔에 의한 센서 영역의 전체 조명 동력이 동일하다면, 제 1 빔 직경 또는 빔 단면을 갖는 광 빔은 제 1 종방향 센서 신호를 생성시킬 수 있는 한편, 제 1 빔 직경 또는 빔 단면과는 상이한 제 2 빔 직경 또는 빔 단면을 갖는 광 빔은 제 1 종방향 센서 신호와는 상이한 제 2 종방향 센서 신호를 생성시킨다. 따라서, 종방향 센서 신호를 비교함으로써, 빔 단면, 특히 빔 직경에 대한 정보 또는 하나 이상의 정보 아이템을 생성시킬 수 있다. 이 효과의 세부사항에 대해서는 WO 2012/110924 A1 호를 참조할 수 있다.
아래에서, 이 효과는 통상 FiP-효과로 불리는데, 그 이유는, 전체 조명 동력(P)이 동일하다면 센서 신호(i)는 광자의 플럭스(F), 즉 단위 면적당 광자의 수에 따라 달라지기 때문이다.
US 특허 가출원 제 61/739,173 호 및 제 61/749,964 호에 추가로 개시되는 이 효과는, 물체(이로부터 광 빔이 검출기를 향해 이동함)의 종방향 위치를 결정하는데 사용될 수 있다. 따라서, 종방향 광학 센서의 센서 신호가 센서 영역 상의 광 빔의 폭(예컨대, 직경 또는 반경; 이는 다시 검출기와 물체 사이의 거리에 따라 달라짐)에 따라 달라지기 때문에, 종방향 센서 신호는 물체의 종방향 좌표를 결정하는데 사용될 수 있다. 센서 영역은 바람직하게는 픽셀화되지 않은 센서 영역일 수 있다. 따라서, 예로서, 평가 장치는 종방향 좌표를 결정하기 위하여 물체의 종방향 좌표와 센서 신호 사이의 소정 관계를 사용하도록 구성될 수 있다. 실험에 의한 보정 측정치를 사용함으로써 및/또는 가우시안 빔 전파 특성 같은 공지의 빔 전파 특성을 사용함으로써, 소정 관계를 유도할 수 있다. 추가적인 세부사항에 대해서는, WO 2012/110924 A1 호 및/또는 US 특허 가출원 제 61/739,173 호 및 제 61/749,964 호를 참조할 수 있다.
이 FiP 효과의 세부 사항에 대해서는, WO 2012/110924 A1 호 또는 2012년 12월 19일자로 출원된 US 특허 가출원 제 61/739,173 호, 2013년 1월 8일자로 출원된 US 특허 가출원 제 61/749,964 호, 2013년 8월 19일자로 출원된 US 특허 가출원 제 61/867,169 호, 및 2013년 12월 18일자로 출원된 국제 특허원 PCT/IB2013/061095 호중 하나 이상을 참조할 수 있다. 특히 물체로부터 검출기로 전파되는 광 빔의 하나 이상의 빔 특성이 공지되어 있는 경우에는, 하나 이상의 종방향 센서 신호와 물체의 종방향 위치 사이의 공지의 관계로부터 물체의 종방향 위치에 대한 하나 이상의 정보 아이템을 유도할 수 있다. 공지의 관계는 연산 및/또는 하나 이상의 보정 곡선으로서 평가 장치에 저장될 수 있다. 예로서, 특히 가우시안 빔의 경우, 빔 웨이스트와 종방향 좌표 사이의 가우시안 관계를 이용함으로써 빔 직경 또는 빔 웨이스트와 물체의 위치 사이의 관계를 용이하게 유도할 수 있다.
검출기는 하나 이상의 종방향 광학 센서를 포함한다. 따라서, 검출기는 종방향 광학 센서중 하나 이상을 포함할 수 있다. 둘 이상의 종방향 광학 센서가 복수개로 제공되는 경우, 종방향 광학 센서는 다양한 방식으로, 예를 들어 둘 이상의 종방향 광학 센서를 포함하는 센서 스택을 적층되는 방식으로 제공함으로써 배열될 수 있다.
하나 이상의 종방향 광학 센서 외에, 검출기는 임의적으로 본원에 기재된 정의에 따른 종방향 광학 센서가 아닌 하나 이상의 추가적인 광학 센서를 포함할 수 있다. 따라서, 예로서, 검출기는 광학 센서의 스택을 포함할 수 있고, 이 때 광학 센서중 하나 이상은 종방향 광학 센서이고, 광학 센서중 하나 이상의 다른 센서는 상이한 유형의 광학 센서, 예를 들면 횡방향 광학 센서 및/또는 촬영 장치, 예컨대 유기 촬영 센서 및/또는 무기 촬영 센서(예컨대, CCD 및/또는 CMOS 칩)이다.
따라서, 검출기는 하나 이상의 횡방향 광학 센서를 추가로 포함할 수 있고, 횡방향 광학 센서는 물체로부터 검출기로 이동하는 하나 이상의 광 빔의 횡방향 위치를 결정하도록 구성되고, 횡방향 위치는 검출기의 광축에 수직인 하나 이상의 차원에서의 위치이며, 횡방향 광학 센서는 하나 이상의 횡방향 센서 신호를 생성시키도록 구성된다. 평가 장치는 횡방향 센서 신호를 평가함으로써 물체의 횡방향 위치에 대한 하나 이상의 정보 아이템을 생성시키도록 디자인될 수 있다.
본원에 사용되는 용어 "횡방향 광학 센서"는 일반적으로 물체로부터 검출기로 이동하는 하나 이상의 광 빔의 횡방향 위치를 결정하도록 구성된 장치를 가리킨다. 용어 횡방향 위치와 관련하여서는, 상기 주어진 정의를 참조할 수 있다. 따라서, 바람직하게는, 횡방향 위치는 검출기의 광축에 수직인 하나 이상의 차원에서의 하나 이상의 좌표일 수 있거나, 그러한 좌표를 포함할 수 있다. 예로서, 횡방향 위치는 횡방향 광학 센서의 감광성 센서 표면 같은 광축에 수직인 평면에서 광 빔에 의해 발생되는 광점의 위치일 수 있다. 예로서, 평면에서의 위치는 카테시안 좌표 및/또는 극좌표에서 주어질 수 있다. 다른 실시양태도 실현가능하다.
횡방향 광학 센서의 가능성 있는 실시양태에 대해서는, US 6,995,445 호 및 US 2007/0176165 A1 호에 개시된 위치 감지 유기 검출기를 참조할 수 있다. 또한, WO 2014/097181 A1을 참조할 수도 있으며, 거기에 개시된 횡방향 광학 센서의 실시양태들 중 하나 이상을 본 발명에 사용할 수도 있다. 그러나, 다른 실시양태도 실현가능하고 아래에 더욱 상세하게 설명된다.
상기 하나 이상의 임의적인 횡방향 광학 센서는, 검출기의 하나 이상의 별도의 성분으로서 구현될 수도 있으며, 상기 하나 이상의 광학 센서로부터 별도의 독립적인 성분으로서 형성될 수도 있다. 그러나, 추가적으로 또는 달리, 상기 하나 이상의 횡방향 광학 센서는 또한, 상기 하나 이상의 종방향 광학 센서와 전적으로 또는 부분적으로 동일하게 구현될 수 있고/있거나 상기 하나 이상의 종방향 광학 센서 내로 전적으로 또는 부분적으로 통합될 수도 있다.
하나 이상의 횡방향 센서 신호는 일반적으로 횡방향 위치를 나타내는 자유(arbitary) 신호일 수 있다. 예로서, 횡방향 센서 신호는 디지털 및/또는 아날로그 신호일 수 있거나 이들 신호를 포함할 수 있다. 예로서, 횡방향 센서 신호는 전압 신호 및/또는 전류 신호일 수 있거나 이들 신호를 포함할 수 있다. 부가적으로 또는 다르게는, 횡방향 센서 신호는 디지털 데이터일 수 있거나 디지털 데이터를 포함할 수 있다. 횡방향 센서 신호는 단일 신호 값 및/또는 일련의 신호 값을 포함할 수 있다. 횡방향 센서 신호는 아래에 더욱 상세하게 개략되는 바와 같이 둘 이상의 신호의 평균을 구함으로써 및/또는 둘 이상의 신호의 몫을 구함으로써와 같이 둘 이상의 개별적인 신호를 조합함으로써 유도되는 임의적인 신호를 추가로 포함할 수 있다.
따라서, 예로서, 본 발명에 따른 검출기는 하나 이상의 횡방향 광학 센서와 함께 WO 2012/110924 A1 호에 개시되어 있는 광학 센서의 스택을 포함할 수 있다. 예로서, 하나 이상의 횡방향 광학 센서는 물체를 향하는 종방향 광학 센서의 스택 쪽에 배치될 수 있다. 다르게는 또는 또한, 하나 이상의 횡방향 광학 센서는 물체로부터 멀어지는 종방향 광학 센서의 스택 쪽에 배치될 수 있다. 다시, 추가로 또는 다르게는, 하나 이상의 횡방향 광학 센서는 스택의 종방향 광학 센서 사이에 끼일 수 있다.
아래에서 추가로 개략적으로 기재되는 바와 같이, 바람직하게는, 하나 이상의 횡방향 광학 센서 및 하나 이상의 종방향 광학 센서는 둘 다 하나 이상의 광 검출기, 바람직하게는 하나 이상의 유기 광 검출기, 가장 바람직하게는 하나 이상의 염료-증감된 유기 태양 전지(DSC, 염료 태양 전지라고도 불림), 예컨대 하나 이상의 고체 염료-증감된 유기 태양 전지(s-DSC)를 포함할 수 있다. 따라서, 바람직하게는, 검출기는 하나 이상의 횡방향 광학 센서로서 작용하는 하나 이상의 DSC(예컨대, 하나 이상의 sDSC) 및 하나 이상의 종방향 광학 센서로서 작용하는 하나 이상의 DSC(예컨대, 하나 이상의 sDSC), 바람직하게는 하나 이상의 종방향 광학 센서로서 작용하는 복수의 DSC의 스택(바람직하게는 복수의 sDSC의 스택)을 포함할 수 있다.
하나 이상의 횡방향 광학 센서가 제공되는 경우, 바람직하게는, 횡방향 광학 센서는 하나 이상의 제 1 전극, 하나 이상의 제 2 전극 및 하나 이상의 광전변환 물질을 갖는 광 검출기이며, 이 때 광전변환 물질은 제 1 전극과 제 2 전극 사이에 매립된다. 본원에 사용되는 "광전변환 물질"은 일반적으로 광에 의한 광전변환 물질의 조명에 응답하여 전하를 발생시키도록 구성된 물질 또는 물질의 조합이다.
바람직하게는, 횡방향 광학 센서의 제 2 전극은 둘 이상의 부분 전극을 갖는 분할 전극일 수 있으며, 이 때 횡방향 광학 센서는 센서 구역을 갖고, 하나 이상의 횡방향 센서 신호는 센서 구역에서의 광 빔의 위치를 나타낸다. 따라서, 상기 개략된 바와 같이, 횡방향 광학 센서는 하나 이상의 광 검출기, 바람직하게는 하나 이상의 유기 광 검출기, 더욱 바람직하게는 하나 이상의 DSC 또는 sDSC일 수 있거나 이들을 포함할 수 있다. 센서 구역은 물체 쪽으로 향하는 광 검출기의 표면일 수 있다. 센서 구역은 바람직하게는 광축에 수직으로 배향될 수 있다. 따라서, 횡방향 센서 신호는 횡방향 광학 센서의 센서 구역의 평면에서 광 빔에 의해 발생되는 광점의 위치를 나타낼 수 있다.
일반적으로, 본원에 사용되는 용어 "부분 전극"은 바람직하게는 다른 부분 전극과는 독립적인, 하나 이상의 전류 및/또는 전압 신호를 측정하도록 구성된 복수의 전극으로부터의 전극을 말한다. 따라서, 복수의 부분 전극이 제공되는 경우, 제 2 전극은 둘 이상의 부분 전극을 통해 복수의 전위 및/또는 전류 및/또는 전압을 제공하도록 구성되고, 이들 전위 및/또는 전류 및/또는 전압은 독립적으로 측정 및/또는 사용될 수 있다.
제 2 전극으로서 둘 이상의 부분 전극을 갖는 하나 이상의 분할 전극을 갖는 하나 이상의 횡방향 광학 센서를 사용하는 경우, 부분 전극을 통한 전류는 센서 구역에서의 광 빔의 위치에 따라 달라질 수 있다. 이는 일반적으로 충돌 광으로 인해 전하의 발생 위치로부터 부분 전극으로 가는 동안 오옴 손실 또는 저항 손실이 발생될 수 있다는 사실에 기인할 수 있다. 따라서, 부분 전극 외에, 제 2 전극은 부분 전극에 연결된 하나 이상의 추가적인 전극 물질을 포함할 수 있고, 이 하나 이상의 추가적인 전극 물질은 전기 저항을 제공한다. 따라서, 전하 발생 위치로부터 하나 이상의 추가적인 전극 물질을 통해 부분 전극으로 가는 동안의 오옴 손실로 인해, 부분 전극을 통한 전류는 전하의 발생 위치, 따라서 센서 구역에서의 광 빔의 위치에 따라 달라진다. 센서 구역에서 광 빔의 위치를 결정하는 이 원리의 세부사항에 대해서는, 아래 바람직한 실시양태 및/또는 예컨대 US 6,995,445 호 및/또는 US 2007/0176165 A1 호에 개시되어 있는 물리적 원리 및 장치 옵션을 참조할 수 있다.
횡방향 광학 센서는 또한 부분 전극을 통한 전류에 따라 횡방향 센서 신호를 발생시키도록 구성될 수 있다. 따라서, 2개의 수평 부분 전극을 통하는 전류의 비가 형성됨으로써 x-좌표가 발생될 수 있고/있거나 수직 부분 전극을 통하는 전류의 비가 형성됨으로써 y-좌표가 발생될 수 있다. 검출기, 바람직하게는 횡방향 광학 센서 및/또는 평가 장치는 부분 전극을 통하는 전류의 하나 이상의 비로부터 물체의 횡방향 위치에 대한 정보를 유도하도록 구성될 수 있다. 부분 전극을 통하는 전류를 비교함으로써 위치 좌표를 발생시키는 다른 방식도 실현가능하다.
부분 전극은 일반적으로 센서 구역에서 광 빔의 위치를 결정하기 위하여 다양한 방식으로 한정될 수 있다. 따라서, 수평 좌표 또는 x-좌표를 결정하기 위하여 2개 이상의 수평 부분 전극을 제공할 수 있고, 수직 좌표 또는 y-좌표를 결정하기 위하여 2개 이상의 수직 부분 전극을 제공할 수 있다. 따라서, 센서 구역의 테두리에 부분 전극을 제공할 수 있으며, 이 때 센서 구역의 내부 공간은 비어 있고 하나 이상의 추가적인 전극 물질로 덮일 수 있다. 아래에서 더욱 상세하게 개략하는 바와 같이, 추가적인 전극 물질은 바람직하게는 투명한 금속 및/또는 투명한 전도성 산화물 및/또는 가장 바람직하게는 투명한 전도성 중합체 같은 투명한 추가적인 전극 물질일 수 있다.
다른 바람직한 실시양태는 광전변환 물질을 가리킬 수 있다. 따라서, 횡방향 광학 센서의 광전변환 물질은 하나 이상의 유기 광전변환 물질을 포함할 수 있다. 따라서, 통상적으로, 횡방향 광학 센서는 유기 광 검출기일 수 있다. 바람직하게는, 유기 광 검출기는 염료-증감된 태양 전지일 수 있다. 염료-증감된 태양 전지는 바람직하게는 제 1 전극과 제 2 전극 사이에 매립된 층 셋업을 포함하는 고체 염료-증감된 태양 전지일 수 있고, 상기 층 셋업은 하나 이상의 n-반도체성 금속 산화물, 하나 이상의 염료, 및 하나 이상의 고체 p-반도체성 유기 물질을 포함한다. 염료-증감된 태양 전지(DSC)의 추가적인 세부사항 및 임의적인 실시양태가 아래에 개시된다.
횡방향 광학 센서의 하나 이상의 제 1 전극은 바람직하게는 투명하다. 본 발명에 사용되는 용어 투명은 일반적으로 투명한 물체를 통해 투과된 후 광의 강도가 투명한 물체를 통해 투과되기 전 광의 강도의 10%, 바람직하게는 40%, 더욱 바람직하게는 60% 이상이라는 사실을 가리킨다. 더욱 바람직하게는, 횡방향 광학 센서의 하나 이상의 제 1 전극은 완전히 또는 부분적으로 하나 이상의 투명한 전도성 산화물(TCO)로 제조될 수 있다. 예로서, 인듐-도핑된 산화주석(ITO) 및/또는 플루오르-도핑된 산화주석(FTO)을 언급할 수 있다. 추가적인 예는 아래에 제공된다.
또한, 횡방향 광학 센서의 하나 이상의 제 2 전극은 바람직하게는 완전히 또는 부분적으로 투명할 수 있다. 따라서, 구체적으로, 하나 이상의 제 2 전극은 둘 이상의 부분 전극 및 둘 이상의 부분 전극과 접촉하는 하나 이상의 추가적인 전극 물질을 포함할 수 있다. 둘 이상의 부분 전극은 불투명할 수 있다. 특히 바람직하게는 최종 전극을 불투명하게 만들 수 있으며, 이때 이 전극은 모든 나머지 광을 센서 신호로 전환시키는데 최적화될 수 있다. 본원에서 "최종" 전극은, 물체로부터 떨어져 대면하는 하나 이상의 횡방향 광학 센서의 전극일 수 있다. 일반적으로 불투명 전극은 투명 전극보다 더 효율적이다. 따라서, 투명 센서의 개수 및/또는 불투명 전극의 개수를 최소값으로 감소시키는 것이 유리하다. 이와 관련하여, 예로서, WO 2014/097181 A1에 도시된 바와 같은 하나 이상의 횡방향 광학 센서의 가능한 셋업을 참고할 수 있다. 그러나, 다른 셋업이 구현될 수 있다.
예로서, 상기 둘 이상의 부분 전극은 완전히 또는 부분적으로 금속으로 제조될 수 있다. 따라서, 둘 이상의 부분 전극은 바람직하게는 센서 구역의 테두리(rim)에 위치한다. 그러나, 둘 이상의 부분 전극은 바람직하게는 투명한 하나 이상의 추가적인 전극 물질에 의해 전기적으로 연결될 수 있다. 따라서, 제 2 전극은 둘 이상의 부분 전극을 갖는 불투명한 테두리 및 하나 이상의 투명한 추가적인 전극 물질을 갖는 투명한 내부 구역을 포함할 수 있다. 더욱 바람직하게는, 상기 언급된 하나 이상의 추가적인 전극 물질 같은, 횡방향 광학 센서의 하나 이상의 제 2 전극은, 완전히 또는 부분적으로 하나 이상의 전도성 중합체, 바람직하게는 투명한 전도성 중합체로 제조될 수 있다. 예로서, 0.01S/cm 이상, 바람직하게는 0.1S/cm 이상, 더욱 바람직하게는 1S/cm 이상, 심지어는 10S/cm 이상 또는 100S/cm 이상의 전기 전도율을 갖는 전도성 중합체를 사용할 수 있다. 예로서, 하나 이상의 전도성 중합체는 폴리-3,4-에틸렌다이옥시티오펜(PEDOT), 바람직하게는 하나 이상의 대이온으로 전기적으로 도핑된 PEDOT, 더욱 바람직하게는 소듐 폴리스티렌 설포네이트로 도핑된 PEDOT(PEDOT:PSS); 폴리아닐린(PANI); 폴리티오펜으로 이루어진 군으로부터 선택될 수 있다.
상기 개략된 바와 같이, 전도성 중합체는 둘 이상의 부분 전극 사이에서 전기적 연결을 제공할 수 있다. 전도성 중합체는 오믹 저항률(Ohmic resistivity)을 제공하여 전하 발생 위치를 결정하도록 할 수 있다. 바람직하게는, 전도성 중합체는 부분 전극 사이에 0.1 내지 20kΩ의 전기 저항률, 바람직하게는 0.5 내지 50kΩ의 전기 저항률, 더욱 바람직하게는 1.0 내지 3.0kΩ의 전기 저항률을 제공한다.
일반적으로, 본원에 사용되는 "전도성 물질"은 104 Ωm 미만, 103 Ωm 미만, 102 Ωm 미만 또는 10 Ωm 미만의 비(specific) 전기 저항을 갖는 물질일 수 있다. 바람직하게는, 전도성 물질은 10-1 Ωm 미만, 10-2 Ωm 미만, 10-3 Ωm 미만, 10-5 Ωm 미만 또는 10- 6Ωm 미만의 비 전기저항을 갖는다. 가장 바람직하게는, 전도성 물질의 비 전기저항은 5×10- 7Ωm 미만이거나 또는 1×10- 7Ωm 미만, 특히 알루미늄의 비 전기저항 범위이다.
상기 개략된 바와 같이, 바람직하게는, 하나 이상의 횡방향 광학 센서 및 종방향 광학 센서는 투명한 광학 센서이다. 따라서, 하나 이상의 횡방향 광학 센서는 투명한 횡방향 광학 센서일 수 있고/있거나 하나 이상의 투명한 횡방향 광학 센서를 포함할 수 있다. 부가적으로 또는 다르게는, 하나 이상의 종방향 광학 센서는 투명한 종방향 광학 센서일 수 있고/있거나 하나 이상의 투명한 종방향 광학 센서를 포함할 수 있다. 종방향 광학 센서의 스택 같은 복수의 종방향 광학 센서가 제공되는 경우, 바람직하게는 복수의 종방향 광학 센서 및/또는 스택의 모든 종방향 광학 센서, 또는 복수의 종방향 광학 센서 및/또는 스택중 하나의 종방향 광학 센서를 제외한 모든 종방향 광학 센서가 투명하다. 예로서, 종방향 광학 센서가 검출기의 광축을 따라 배열되는 종방향 광학 센서의 스택이 제공되는 경우, 바람직하게는 물체로부터 멀리 향하는 최종 종방향 광학 센서를 제외한 모든 종방향 광학 센서가 투명한 종방향 광학 센서일 수 있다. 최종 종방향 광학 센서, 즉 물체로부터 멀리 향하는 스택 쪽의 종방향 광학 센서는 투명한 종방향 광학 센서 또는 불투명한 종방향 광학 센서일 수 있다. 예시적인 실시양태는 아래에 주어진다.
광 빔은 횡방향 광학 센서 및 종방향 광학 센서중 다른 하나에 충돌하기 전에 투명한 광학 센서를 통해 통과할 수 있다. 따라서, 물체로부터의 광 빔은 후속해서 횡방향 광학 센서 및 종방향 광학 센서에 도달할 수 있거나 또는 그 반대이다.
바람직하게는, 특히 하나 이상의 종방향 광학 센서가 상기 언급된 FiP-효과를 제공하는 경우, 하나 이상의 종방향 광학 센서 또는 복수의 종방향 광학 센서가 제공되는 경우에는 종방향 광학 센서중 하나 이상은 DSC, 바람직하게는 sDSC일 수 있거나 또는 그를 포함할 수 있다. 본원에 사용되는 DSC는 일반적으로 둘 이상의 전극을 갖되, 전극중 하나 이상이 적어도 부분적으로 투명하고 전극 사이에 하나 이상의 n-반도체성 금속 산화물, 하나 이상의 염료 및 하나 이상의 전해질 또는 p-반도체성 물질이 매립된 셋업을 가리킨다. sDSC에서, 전해질 또는 p-반도체성 물질은 고체 물질이다. 일반적으로, 본 발명 내에서 광학 센서중 하나 이상으로도 사용될 수 있는 sDSC의 가능한 셋업에 대해서는 WO 2012/110924 A1 호, US 특허 가출원 제 61/739,173 호 및 제 61/749,964 호, EP 13171898.3 호, EP 13171900.7 호 또는 EP 13171901.5 호를 참조할 수 있다. 다른 실시양태도 가능하다. WO 2012/110924 A1 호에 입증되어 있는 전술한 FiP-효과가 특히 sDSC에 존재할 수 있다.
따라서, 일반적으로, 하나 이상의 종방향 광학 센서는 층 셋업을 갖는 하나 이상의 종방향 광학 센서를 포함할 수 있다. 종방향 광학 센서는 하나 이상의 제 1 전극, 하나 이상의 n-반도체성 금속 산화물, 하나 이상의 염료, 하나 이상의 p-반도체성 유기 물질, 바람직하게는 고체 p-반도체성 유기 물질, 및 하나 이상의 제 2 전극을 포함할 수 있다. 제 1 전극과 제 2 전극은 모두 투명할 수 있다.
상기 개략적으로 기재된 바와 같이, 하나 이상의 종방향 광학 센서 또는 복수의 종방향 광학 센서가 사용되는 경우 종방향 광학 센서중 하나 이상은 둘 이상의 전극 및 이들 전극 사이에 매립된 하나 이상의 광전변환 물질을 갖는 감광성 층 셋업을 포함하는 유기 광학 센서일 수 있다. 하기에는, 특히 본 감광성 층 셋업 내에 사용될 수 있는 물질과 관련하여 감광성 층 셋업의 바람직한 셋업의 예가 개시된다. 감광성 층 셋업은 바람직하게는 태양 전지, 더욱 바람직하게는 유기 태양 전지 및/또는 염료-증감된 태양 전지(DSC), 더욱 바람직하게는 고체 염료-증감된 태양 전지(sDSC)의 감광성 층 셋업이다. 그러나, 다른 실시양태도 실현가능하다.
바람직하게는, 감광성 층 셋업은 제 1 전극과 제 2 전극 사이에 끼인, 둘 이상의 층을 포함하는 하나 이상의 감광성 층 셋업 같은 하나 이상의 광전변환 물질을 포함한다. 바람직하게는, 감광성 층 셋업 및 광전변환 물질은 n-반도체성 금속 산화물, 하나 이상의 염료 및 하나 이상의 p-반도체성 유기 물질의 하나 이상의 층을 포함한다. 예로서, 광전변환 물질은 이산화티탄 같은 n-반도체성 금속 산화물의 하나 이상의 조밀한 층, n-반도체성 금속 산화물의 조밀한 층에 접속하는 n-반도체성 금속 산화물의 하나 이상의 나노-다공성 층(예컨대, 이산화티탄의 하나 이상의 나노-다공성 층), n-반도체성 금속 산화물의 나노-다공성 층을 증감시키는 하나 이상의 염료(바람직하게는, 유기 염료), 및 염료 및/또는 n-반도체성 금속 산화물의 나노-다공성 층과 접속하는 하나 이상의 p-반도체성 유기 물질의 하나 이상의 층을 갖는 층 셋업을 포함할 수 있다.
n-반도체성 금속 산화물의 조밀한 층은 아래에서 더욱 상세하게 설명되는 바와 같이 제 1 전극과 나노-다공성 n-반도체성 금속 산화물의 하나 이상의 층 사이에서 하나 이상의 차단 층을 형성할 수 있다. 그러나, 다른 유형의 완충 층을 갖는 실시양태 같은 다른 실시양태도 실현가능하다.
둘 이상의 전극은 하나 이상의 제 1 전극 및 하나 이상의 제 1 전극을 포함한다. 제 1 전극은 애노드 또는 캐쏘드중 하나, 바람직하게는 애노드일 수 있다. 제 2 전극은 애노드 또는 캐쏘드중 다른 하나, 바람직하게는 캐쏘드일 수 있다. 제 1 전극은 바람직하게는 n-반도체성 금속 산화물의 하나 이상의 층과 접속하고, 제 2 전극은 바람직하게는 p-반도체성 유기 물질의 하나 이상의 층과 접속한다. 제 1 전극은 기판과 접속하는 바닥 전극일 수 있고, 제 2 전극은 기판으로부터 멀리 떨어진 상부 전극일 수 있다. 다르게는, 제 2 전극은 기판과 접속하는 바닥 전극일 수 있고, 제 1 전극은 기판으로부터 멀리 떨어진 상부 전극일 수 있다. 바람직하게는, 제 1 전극과 제 2 전극 둘 다가 투명하다.
하기에서는, 제 1 전극, 제 2 전극 및 광전변환 물질, 바람직하게는 둘 이상의 광전변환 물질을 포함하는 층 셋업에 관한 몇몇 옵션이 개시된다. 그러나, 다른 실시양태도 가능함을 알아야 한다.
a) 기판, 제 1 전극 및 n-반도체성 금속 산화물
일반적으로, 제 1 전극 및 n-반도체성 금속 산화물의 바람직한 실시양태에 대해서는, WO 2012/110924 A1 호, US 특허 가출원 제 61/739,173 호 또는 US 특허 가출원 제 61/708,058 호를 참조할 수 있으며, 이들 참조문헌 모두를 본원에 참고로 인용한다. 다른 실시양태도 실현가능하다.
하기에서는, 제 1 전극이 기판과 직접적으로 또는 간접적으로 접촉하는 바닥 전극인 것으로 가정한다. 그러나, 제 1 전극이 상부 전극인 다른 셋업도 실현가능함에 주목한다.
감광성 층 셋업, 예를 들어 n-반도체성 금속 산화물의 하나 이상의 조밀한 필름(고체 필름이라고도 함) 및/또는 n-반도체성 금속 산화물의 하나 이상의 나노-다공성 필름(나노-미립자 필름이라고도 함)에 사용될 수 있는 n-반도체성 금속 산화물은 단일 금속 산화물 또는 상이한 산화물의 혼합물일 수 있다. 또한, 혼합된 산화물을 사용할 수도 있다. n-반도체성 금속 산화물은 특히 다공성일 수 있고/있거나 나노미립자 산화물의 형태로 사용될 수 있으며, 이와 관련하여 나노입자는 0.1㎛ 미만의 평균 입자 크기를 갖는 입자를 의미하는 것으로 생각된다. 전형적으로는 소결 공정에 의해 큰 표면적을 갖는 다공성 박막으로서 나노미립자 산화물을 전도성 기판(즉, 제 1 전극으로서 전도성 층을 갖는 캐리어) 상에 도포한다.
바람직하게는, 종방향 광학 센서는 하나 이상의 투명한 기판을 사용한다. 기판은 강성 또는 가요성일 수 있다. 적합한 기판(이후 캐리어라고도 함)은 금속 호일뿐만 아니라 특히 플라스틱 시트 또는 필름 및 특별히 유리 시트 또는 유리 필름이다. 특히 상기 바람직한 구조에 따른 제 1 전극에 특히 적합한 전극 물질은 전도성 물질, 예를 들어 투명한 전도성 산화물(TCO), 예를 들어 플루오르- 및/또는 인듐-도핑된 산화주석(FTO 또는 ITO) 및/또는 알루미늄-도핑된 산화아연(AZO), 탄소 나노튜브 또는 금속 필름이다. 그러나, 다르게는 또는 추가로, 충분한 투명도를 갖는 금속 박막을 사용할 수도 있다.
기판은 이들 전도성 물질로 덮이거나 코팅될 수 있다. 일반적으로, 제안된 구조체에는 단일 기판이 요구되기 때문에, 가요성 전지의 형성도 가능하다. 이는 강성 기판으로는 기껏해야 어렵게 획득할 수 있는 다수개의 최종 용도, 예를 들어 은행 카드, 가멘트 등에서의 사용을 가능케 한다.
p-형 반도체와 TCO 층의 직접적인 접촉을 방지하기 위하여, 제 1 전극, 특히 TCO 층을 추가로 고체 또는 조밀한 금속 산화물 완충 층(예를 들어, 두께 10 내지 200nm)으로 덮거나 코팅할 수 있다[예를 들어, 펭(Peng) 등, Coord. Chem. Rev. 248, 1479 (2004)]. 그러나, 고체 p-반도체성 전해질(이 경우, 전해질과 제 1 전극의 접촉이 액체 또는 겔-형 전해질에 비해 크게 감소됨)의 사용은, 많은 경우에 이 완충 층을 불필요하게 만들어, 많은 경우에 이 층(이는 또한 전류-한정 효과를 갖고 또한 n-반도체성 금속 산화물과 제 1 전극 사이의 접촉을 악화시킬 수 있음)이 없을 수 있게 한다. 이는 구성요소의 효율을 향상시킨다. 반면, 염료 태양 전지의 전류 성분을 유기 태양 전지의 전류 성분에 매치시키기 위하여, 이러한 완충 층을 제어되는 방식으로 사용할 수 있다. 또한, 완충 층이 없는 전지의 경우, 특히 고체 전지에서는, 전하 캐리어가 원치 않게 재조합되어 흔히 문제가 발생한다. 이와 관련하여, 완충 층은 많은 경우에 특히 고체 전지에서 유리하다.
널리 공지되어 있는 바와 같이, 금속 산화물의 박층 또는 박막은 통상 값싼 고체 반도체성 물질(n-형 반도체)이지만, 그의 흡수는 큰 밴드 갭으로 인해 전형적으로 전자기 스펙트럼의 가시광선 영역 내에 속하지 않고, 오히려 통상적으로 자외선 스펙트럼 영역에 속한다. 따라서, 태양 전지에 사용하기 위하여, 금속 산화물은 통상적으로 염료 태양 전지의 경우에서와 같이 증감제로서 염료와 조합되어야 하는데, 이 염료는 태양광의 파장 범위, 즉 300 내지 2000nm를 흡수하고, 전자 여기된 상태에서는 반도체의 전도 밴드로 전자를 주입한다. 전해질로서 전지에 추가로 사용되는 고체 p-형 반도체(이는 다시 대전극에서 환원됨) 덕분에, 증감제가 재생되도록 전자가 증감제로 재순환될 수 있다.
유기 태양 전지에 사용하기 위해 특히 흥미를 끄는 것은 반도체 산화아연, 이산화주석, 이산화티탄 또는 이들 금속 산화물의 혼합물이다. 금속 산화물은 나노결정질 다공성 층의 형태로 사용될 수 있다. 이들 층은 태양광의 높은 흡수가 달성되도록 증감제로서의 염료로 코팅되는 큰 표면적을 갖는다. 제작되는 금속 산화물 층, 예를 들어 나노봉은 더 높은 전자 이동성 또는 염료에 의한 개선된 공극 충전 같은 이점을 제공한다.
금속 산화물 반도체는 단독으로 또는 혼합물의 형태로 사용될 수 있다. 또한, 금속 산화물을 하나 이상의 다른 금속 산화물로 코팅할 수 있다. 또한, 금속 산화물을 다른 반도체, 예를 들어 GaP, ZnP 또는 ZnS에 코팅으로서 도포할 수 있다.
특히 바람직한 반도체는 나노결정질 형태로 바람직하게 사용되는, 예추석 다형체중 산화아연 및 이산화티탄이다.
또한, 이들 태양 전지에 전형적으로 사용되는 모든 n-형 반도체와 증감제를 유리하게 조합할 수 있다. 바람직한 예는 이산화티탄, 산화아연, 산화주석(IV), 산화텅스텐(VI), 산화탄탈(V), 산화니오브(V), 산화세슘, 티탄산스트론튬, 주석산아연, 페로브스카이트 유형의 복합 산화물, 예를 들어 티탄산바륨, 및 2원 및 3원 산화철(나노결정질 또는 비정질 형태로 존재할 수 있음) 같은, 세라믹에 사용되는 금속 산화물을 포함한다.
통상적인 유기 염료 및 루테늄, 프탈로시아닌 및 폴피린이 갖는 강한 흡수 때문에, n-반도체성 금속 산화물의 박층 또는 박막만으로도 요구되는 양의 염료를 흡수하는데 충분하다. 금속 산화물 박막은 다시 원치 않는 재조합 공정 가능성이 낮아지고 염료 서브셀(subcell)의 내부 저항이 감소되는 이점을 갖는다. n-반도체성 금속 산화물의 경우, 100nm 내지 20㎛, 더욱 바람직하게는 500nm 내지 약 3㎛의 층 두께를 사용하는 것이 바람직하다.
b) 염료
본 발명에서, 특히 DSC에 통상적인 용어 "염료", "증감제 염료" 및 "증감제"는 가능한 구성에 대해 임의의 제한 없이 본질적으로 동의어로 사용된다. 본 발명의 내용에 사용가능한 다수의 염료는 종래 기술로부터 공지되어 있고, 따라서 가능한 물질 예에 대해서는 염료 태양 전지에 관한 종래 기술의 상기 기재내용을 참조할 수 있다. 바람직한 예로서, WO 2012/110924 A1 호, US 특허 가출원 제 61/739,173 호 또는 US 특허 가출원 제 61/708,058 호(이들은 모두 본원에 참고로 인용됨)에 개시된 하나 이상의 염료를 사용할 수 있다. 추가로 또는 다르게는, WO 2007/054470 A1 호 및/또는 WO 2012/085803 A1 호(이들도 모두 본원에 참고로 인용됨)에 개시된 하나 이상의 염료를 사용할 수 있다.
반도체성 물질로서 이산화티탄에 기초한 염료-증감된 태양 전지는 예를 들어 US-A-4 927 721 호, 문헌[Nature 353, p. 737-740 (1991)] 및 US-A-5 350 644 호, 또한 문헌[Nature 395, p 583-585 (1998)] 및 EP-A-1 176 646 호에 기재되어 있다. 이들 문서에 기재된 염료를 원칙적으로 본 발명과 관련하여 유리하게 사용할 수 있다. 이들 염료 태양 전지는 바람직하게는 전이금속 착체, 특히 루테늄 착체의 단분자 필름을 포함하는데, 이 착체는 증감제로서의 산 기를 통해 이산화티탄 층에 결합된다.
제안된 다수의 증감제는 금속-비함유 유기 염료를 포함하고, 이는 마찬가지로 본 발명에 사용될 수 있다. 인돌린 염료[예를 들어, 슈미트-멘드(Schmidt-Mende) 등, Adv. Mater. 2005, 17, 813]를 사용하여, 특히 고체 염료 태양 전지에서 4%보다 높은 효율을 달성할 수 있다. US-A-6 359 211 호는 이산화티탄 반도체를 고정시키기 위해 알킬렌 라디칼을 통해 결합되는 카복실기를 갖는 시아닌, 옥사진, 티아진 및 아크리딘 염료의 용도(본 발명의 내용에서도 실행가능함)를 기재한다.
제안된 염료 태양 전지에서 특히 바람직한 증감제 염료는 DE 10 2005 053 995 A1 호 또는 WO 2007/054470 A1 호에 기재되어 있는 페릴렌 유도체, 테릴렌 유도체 및 쿼터릴렌 유도체이다. 또한, 상기 개략적으로 기재된 바와 같이, WO 2012/085803 A1 호에 개시된 하나 이상의 염료를 사용할 수 있다. 추가로 또는 다르게는, WO 2013/144177 A1 호에 개시된 염료중 하나 이상을 사용할 수 있다. WO 2013/144177 A1 호 및/또는 EP 12162526.3 호의 내용은 본원에 참고로 인용된다. 구체적으로, ID1338로도 일컬어지는 염료 R-5 및/또는 염료 R-3을 사용할 수 있다:
Figure 112017013080060-pct00001
.
염료 D-5 및 염료 R-3의 제조 및 특성은 WO 2013/144177 A1 호에 개시되어 있다. 본 발명과 관련하여서도 가능한 이들 염료의 사용은 높은 효율과 동시에 높은 안정성을 갖는 광전변환 소자를 생성시킨다.
라일렌은 태양광의 파장 범위에서 강력한 흡수를 나타내고, 공액 시스템의 길이에 따라 약 400nm(DE 10 2005 053 995 A1 호로부터의 페릴렌 유도체 I) 내지 약 900nm(DE 10 2005 053 995 A1 호로부터의 쿼터릴렌 유도체 I)의 범위를 포괄할 수 있다. 테릴렌에 기초한 라일렌 유도체 I은 이산화티탄 상으로 흡착된 고체 상태에서 그의 조성에 따라 약 400 내지 800nm의 범위 내에서 흡수한다. 입사 태양광을 가시광선부터 근적외선 영역까지 매우 실질적으로 활용하기 위하여, 상이한 라일렌 유도체 I의 혼합물을 사용하는 것이 유리하다. 때때로, 상이한 라일렌 동족체를 사용하는 것이 권장될 수 있다.
라일렌 유도체 I은 n-반도체성 금속 산화물 필름에 영속적인 방식으로 용이하게 고정될 수 있다. 무수물 작용기(x1) 또는 동일 반응계 내에서 형성된 카복실기 -COOH 또는 -COO-를 통해, 또는 이미드 또는 응축물 라디칼((x2) 또는 (x3))에 존재하는 산 기 A를 통해 결합을 수행한다. DE 10 2005 053 995 A1 호에 기재된 라일렌 유도체 I은 본 발명의 내용에서 염료-증감된 태양 전지에 사용하기 매우 적합하다.
특히 바람직한 라일렌 염료는 하기 ID1187 및/또는 ID1167이다:
ID1187:
Figure 112017013080060-pct00002
ID1167:
Figure 112017013080060-pct00003
분자의 한쪽 말단에서 염료가 n-형 반도체 필름에 그 자신을 고정시킬 수 있는 고정 기를 갖는 것이 특히 바람직하다. 분자의 다른 말단에서, 염료는 바람직하게는 n-형 반도체로의 전자 방출 후 염료의 재생을 용이하게 하고 또한 반도체에 이미 방출된 전자와 재조합하는 것을 방지하는 전자 공여체 Y를 포함한다.
적합한 염료의 가능한 선택과 관련된 추가의 세부사항에 대해서는, 예를 들어 다시 DE 10 2005 053 995 A1 호를 참조할 수 있다. 예로서, 특히 루테늄 착체, 폴피린, 다른 유기 증감제, 바람직하게는 라일렌을 사용할 수 있다.
염료는 간단한 방식으로 n-반도체성 금속 산화물 필름, 예컨대 나노다공성의 n-반도체성 금속 산화물 층 상에 또는 내에 고정될 수 있다. 예를 들어, 적합한 유기 용매중 염료의 용액 또는 현탁액과 n-반도체성 금속 산화물 필름을 새롭게 소결된 상태(여전히 따뜻함)로 충분한 기간(예를 들어, 약 0.5 내지 24시간)동안 접촉시킬 수 있다. 예를 들어, 금속 산화물-코팅된 기판을 염료 용액에 침지시킴으로써, 이를 달성할 수 있다.
상이한 염료의 조합을 사용하는 경우에는, 예를 들어 하나 이상의 염료를 포함하는 하나 이상의 용액 또는 현탁액으로부터 이들을 연속적으로 도포할 수 있다. 또한, 예를 들어 CuSCN의 층에 의해 분리되는 2개의 염료를 사용할 수도 있다[이와 관련하여서는, 예를 들어 테나콘(Tennakone, K.J.), Phys. Chem. B. 2003, 107, 13758을 참조한다]. 개별적인 경우에 용이하게 비교하여 가장 편리한 방법을 결정할 수 있다.
염료 및 n-반도체성 금속 산화물의 산화물 입자의 크기의 선택에 있어서는, 최대량의 광이 흡수되도록 유기 태양 전지를 구성해야 한다. 산화물 층은 고체 p-형 반도체가 공극을 효과적으로 채울 수 있도록 구성되어야 한다. 예를 들어, 더 작은 입자는 더 큰 표면적을 갖고, 따라서 더 많은 양의 염료를 흡착할 수 있다. 반면, 더 큰 입자는 통상 p-도체를 통해 더 우수하게 침투할 수 있는 더 큰 공극을 갖는다.
c) p-반도체성 유기 물질
상기 기재된 바와 같이, DSC 또는 sDSC의 감광성 층 셋업 같은 하나 이상의 감광성 층 셋업은 특히 하나 이상의 p-반도체성 유기 물질, 바람직하게는 하나 이상의 고체 p-반도체성 물질(이는 이후 p-형 반도체 또는 p-형 도체로 지칭됨)을 포함할 수 있다. 이후, 개별적으로 또는 임의의 목적하는 조합으로, 예를 들어 개별적인 p-형 반도체를 갖는 복수의 층의 조합으로 및/또는 한 층에서 복수의 p-형 반도체의 조합으로 사용될 수 있는 이러한 유기 p-형 반도체의 일련의 바람직한 예를 기재한다.
n-반도체성 금속 산화물중 전자와 고체 p-도체의 재조합을 방지하기 위하여, n-반도체성 금속 산화물과 p-형 반도체 사이에 부동태화 물질을 갖는 하나 이상의 부동태화 층을 사용할 수 있다. 이 층은 매우 얇아야 하고 가능한한 n-반도체성 금속 산화물의 아직 덮이지 않은 부위만 덮어야 한다. 부동태화 물질은 일부 상황에서 또한 염료 전에 금속 산화물에 도포될 수 있다. 바람직한 부동태화 물질은 특히 하기 성분중 하나 이상이다: Al2O3; 실란, 예를 들어 CH3SiCl3; Al3 +; 4-3급-부틸피리딘(TBP); MgO; GBA(4-구아니디노부티르산) 및 유사한 유도체; 알킬 산; 헥사데실말론산(HDMA).
상기 기재된 바와 같이, 바람직하게는 하나 이상의 고체 유기 p-형 반도체를 단독으로 또는 특성상 유기 또는 무기인 하나 이상의 다른 p-형 반도체와 함께 사용한다. 본 발명에서, p-형 반도체는 통상 정공, 즉 양전하 캐리어를 전도할 수 있는 물질, 특히 유기 물질을 의미하는 것으로 생각된다. 더욱 특히, 이는 1회 이상 안정하게 산화되어 예컨대 소위 자유-라디칼 양이온을 형성할 수 있는 광범위한 π-전자 시스템을 갖는 유기 물질일 수 있다. 예를 들어, p-형 반도체는 언급된 특성을 갖는 하나 이상의 유기 매트릭스 물질을 포함할 수 있다. 또한, p-형 반도체는 임의적으로 p-반도체 특성을 강화하는 하나 또는 복수의 도판트를 포함할 수 있다. p-형 반도체의 선택에 영향을 끼치는 중요한 매개변수는 정공 이동성인데, 왜냐하면 이것이 부분적으로는 정공 확산 길이를 결정하기 때문이다[쿠마라(Kumara, G.) Langmuir, 2002, 18, 10493-10495 참조]. 상이한 스피로 화합물에서의 전하 캐리어 이동성의 비교는 예를 들어 사라기(T. Saragi)의 문헌[Adv. Funct. Mater. 2006, 16, 966-974]에서 찾아볼 수 있다.
바람직하게는, 본 발명과 관련하여, 유기 반도체를 사용한다(즉, 하나 이상의 저분자량, 올리고머 또는 중합체 반도체 또는 이러한 반도체의 혼합물). 액상으로부터 가공될 수 있는 p-형 반도체가 특히 바람직하다. 여기에서의 예는 폴리티오펜 및 폴리아릴아민 같은 중합체, 또는 도입부에서 언급한 스피로바이플루오렌 같은 비정질의 가역적으로 산화될 수 있는 비중합체성 유기 화합물이다(예를 들어, US 2006/0049397 호 및 본 발명과 관련하여서도 사용될 수 있는, p-형 반도체로서 상기 특허에 개시된 스피로 화합물 참조]. WO 2012/110924 A1 호에 개시되어 있는 저분자량 p-형 반도체성 물질, 바람직하게는 스피로-MeOTAD 및/또는 라이젠스(Leijtens) 등의 문헌[ACS Nano, VOL. 6, NO. 2, 1455-1462 (2012)]에 개시되어 있는 하나 이상의 p-형 반도체성 물질 같은 저분자량 유기 반도체를 사용하는 것이 바람직하다. 부가적으로 또는 다르게는, 본원에 참고로 인용되는 WO 2010/094636 A1 호에 개시되어 있는 하나 이상의 p-형 반도체성 물질을 사용할 수 있다. 또한, 상기 종래 기술의 기재내용으로부터 p-반도체성 물질 및 도판트와 관련된 진술을 참조할 수 있다.
하나 이상의 p-전도성 유기 물질을 하나 이상의 캐리어 요소에 도포함으로써 p-형 반도체를 바람직하게 제조할 수 있거나 제조하며, 이 때 도포는 예를 들어 하나 이상의 p-전도성 유기 물질을 포함하는 액상으로부터의 침착에 의해 수행된다. 원칙적으로는, 이 경우, 임의의 목적하는 침착 공정에 의해, 예를 들어 회전-코팅, 독터 블레이딩, 나이프-코팅, 인쇄 또는 언급된 방법 및/또는 다른 침착 방법의 조합에 의해 침착을 다시 한 번 수행할 수 있다.
유기 p-형 반도체는 특히 하나 이상의 스피로-MeOTAD 같은 하나 이상의 스피로 화합물 및 하기 화학식 I의 하나 이상의 화합물을 포함할 수 있다:
Figure 112017013080060-pct00004
상기 식에서, A1, A2, A3는 각각 독립적으로 임의적으로 치환되는 아릴기 또는 헤테로아릴기이고; R1, R2, R3는 각각 독립적으로 치환기 -R, -OR, -NR2, -A4-OR 및 -A4-NR2로 이루어진 군으로부터 선택되며; R은 알킬, 아릴 및 헤테로아릴로 이루어진 군으로부터 선택되고; A4는 아릴기 또는 헤테로아릴기이고; n은 화학식 I에서 각각의 경우 독립적으로 0, 1, 2 또는 3의 값이나; 단, 개별적인 n 값의 합은 2이상이고, R1, R2 및 R3 라디칼중 둘 이상은 -OR 및/또는 -NR2이다.
바람직하게는, A2 및 A3는 동일하고; 따라서, 화학식 I의 화합물은 바람직하게는 하기 화학식 Ia를 갖는다:
Figure 112017013080060-pct00005
.
더욱 구체적으로는, 상기 설명한 바와 같이, p-형 반도체는 하나 이상의 저분자량 유기 p-형 반도체를 가질 수 있다. 저분자량 물질은 일반적으로 단량체 형태로, 중합되지 않은 형태로 또는 올리고머화되지 않은 형태로 존재하는 물질을 의미하는 것으로 이해된다. 본원에 사용되는 용어 "저분자량"은 바람직하게는 p-형 반도체가 100 내지 25 000g/몰의 분자량을 가짐을 의미한다. 바람직하게는, 저분자량 성분은 500 내지 2000g/몰의 분자량을 갖는다.
일반적으로, 본 발명의 내용에서, p-반도체 특성은 정공을 형성하고 이들 정공을 수송하고/하거나 이들 정공을 인접한 분자로 통과시키는 물질, 특히 유기 분자의 특성을 의미하는 것으로 생각된다. 더욱 구체적으로, 이들 분자의 안정한 산화가 가능해야 한다. 또한, 언급된 저분자량 유기 p-형 반도체는 특히 광범위한 π-전자 시스템을 가질 수 있다. 더욱 특히, 하나 이상의 저분자량 p-형 반도체는 용액으로부터 가공될 수 있다. 저분자량 p-형 반도체는 특히 하나 이상의 트라이페닐아민을 포함할 수 있다. 저분자량 유기 p-형 반도체가 하나 이상의 스피로 화합물을 포함하는 경우가 특히 바람직하다. 스피로 화합물은 고리가 하나의 원자(이는 스피로 원자로도 일컬어짐)에서만 연결되는 다환상 유기 화합물을 의미하는 것으로 이해된다. 더욱 특히, 스피로 원자를 통해 서로 연결되는 스피로 화합물의 구성성분이 예컨대 서로에 대해 상이한 평면에 배열되도록, 스피로 원자는 sp3-혼성될 수 있다.
더욱 바람직하게는, 스피로 화합물은 하기 화학식의 구조를 갖는다:
Figure 112017013080060-pct00006
상기 식에서, 아릴1, 아릴2, 아릴3, 아릴4, 아릴5, 아릴6, 아릴7 및 아릴8 라디칼은 각각 독립적으로 치환된 아릴 라디칼 및 헤테로아릴 라디칼로부터, 특히 치환된 페닐 라디칼로부터 선택되고, 이 때 아릴 라디칼 및 헤테로아릴 라디칼, 바람직하게는 페닐 라디칼은 각각 독립적으로 바람직하게는 각각의 경우 -O-알킬, -OH, -F, -Cl, -Br 및 -I로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 이상의 치환기에 의해 치환되며, 알킬은 바람직하게는 메틸, 에틸, 프로필 또는 아이소프로필이다.
더욱 바람직하게는, 페닐 라디칼은 각각 독립적으로 각각의 경우 -O-Me, -OH, -F, -Cl, -Br 및 -I로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 이상의 치환기에 의해 치환된다.
더욱 바람직하게는, 스피로 화합물은 하기 화학식의 화합물이다:
Figure 112017013080060-pct00007
상기 식에서, Rr, Rs, Rt, Ru, Rv, Rw, Rx 및 Ry는 각각 독립적으로 -O-알킬, -OH, -F, -Cl, -Br 및 -I로 이루어진 군으로부터 선택되고, 이 때 알킬은 바람직하게는 메틸, 에틸, 프로필 또는 아이소프로필이다.
더욱 바람직하게는, Rr, Rs, Rt, Ru, Rv, Rw, Rx 및 Ry는 각각 독립적으로 -O-Me, -OH, -F, -Cl, -Br 및 -I로 이루어진 군으로부터 선택된다.
더욱 특히, p-형 반도체는 스피로-MeOTAD를 포함할 수 있거나, 스피로-MeOTAD로 이루어질 수 있다. 즉, 예컨대 독일 다름스타트에 소재하는 메르크 카가아(Merck KGaA)에서 시판중인 하기 화학식의 화합물이다:
Figure 112017013080060-pct00008
.
다르게는 또는 덧붙여서, 다른 p-반도체성 화합물, 특히 저분자량 및/또는 올리고머 및/또는 중합체 p-반도체성 화합물을 또한 사용할 수 있다.
다른 실시양태에서, 저분자량 유기 p-형 반도체는 상기 언급된 화학식 I의 하나 이상의 화합물을 포함하며, 예를 들어 PCT 특허원 PCT/EP2010/051826 호를 참조할 수 있다. p-형 반도체는 상기 기재된 스피로 화합물에 덧붙여서 또는 상기 기재된 스피로 화합물 대신 상기 언급된 화학식 I의 하나 이상의 화합물을 포함할 수 있다.
본 발명과 관련하여 사용되는 용어 "알킬" 또는 "알킬기" 또는 "알킬 라디칼"은 일반적으로 치환되거나 치환되지 않은 C1-C20-알킬 라디칼을 의미하는 것으로 생각된다. C1- 내지 C10-알킬 라디칼, 특히 C1- 내지 C8-알킬 라디칼이 바람직하다. 알킬 라디칼은 직쇄이거나 분지될 수 있다. 또한, 알킬 라디칼은 C1-C20-알콕시, 할로겐, 바람직하게는 F, 및 다시 치환되거나 치환되지 않을 수 있는 C6-C30-아릴로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 이상의 치환기에 의해 치환될 수 있다. 적합한 알킬기의 예는 메틸, 에틸, 프로필, 부틸, 펜틸, 헥실, 헵틸 및 옥틸, 또한 아이소프로필, 아이소부틸, 아이소펜틸, 2급-부틸, 3급-부틸, 네오펜틸, 3,3-다이메틸부틸, 2-에틸헥실, 및 C6-C30-아릴, C1-C20-알콕시 및/또는 할로겐, 특히 F에 의해 치환된 언급된 알킬기의 유도체, 예컨대 CF3이다.
본 발명과 관련하여 사용되는 용어 "아릴" 또는 "아릴기" 또는 "아릴 라디칼"은 일환상, 이환상, 삼환상 또는 다른 다환상 방향족 고리로부터 유도되는 임의적으로 치환되는 C6-C30-아릴 라디칼을 의미하는 것으로 생각되며, 이 때 방향족 고리는 임의의 고리 헤테로원자를 포함하지 않는다. 아릴 라디칼은 바람직하게는 5- 및/또는 6-원 방향족 고리를 포함한다. 아릴이 일환상 시스템이 아닌 경우에, 제 2 고리의 용어 "아릴"의 경우 특정 형태가 공지되어 있고 안정하다면 포화된 형태(퍼하이드로 형태) 또는 부분 불포화 형태(예컨대, 다이하이드로 형태 또는 테트라하이드로 형태) 또한 가능하다. 본 발명의 내용에서 용어 "아릴"은 예를 들어 또한 3개의 라디칼중 2개 또는 모두가 방향족인 이환상 또는 삼환상 라디칼, 및 하나의 고리만이 방향족인 이환상 또는 삼환상 라디칼, 및 2개의 고리가 방향족인 삼환상 라디칼을 포함한다. 아릴의 예는 페닐, 나프틸, 인단일, 1,2-다이하이드로나프텐일, 1,4-다이하이드로나프텐일, 플루오렌일, 인덴일, 안트라센일, 페난트렌일 또는 1,2,3,4-테트라하이드로나프틸이다. C6-C10-아릴 라디칼, 예를 들어 페닐 또는 나프틸, 매우 특히 C6-아릴 라디칼, 예컨대 페닐이 특히 바람직하다. 또한, 용어 "아릴"은 단일 결합 또는 이중 결합을 통해 서로 연결된 둘 이상의 일환상, 이환상 또는 다환상 방향족 고리를 포함하는 고리 시스템도 포함한다. 한 예는 바이페닐 기이다.
본 발명의 내용에서 사용되는 용어 "헤테로아릴" 또는 "헤테로아릴기" 또는 "헤테로아릴 라디칼"은 임의적으로 치환되는 5- 또는 6-원 방향족 고리 및 다환상 고리, 예를 들어 하나 이상의 고리에 하나 이상의 헤테로원자를 갖는 이환상 및 삼환상 화합물을 의미하는 것으로 생각된다. 본 발명의 내용에서 헤테로아릴은 바람직하게는 5 내지 30개의 고리 원자를 포함한다. 이들은 일환상, 이환상 또는 삼환상일 수 있고, 일부는 아릴 기본 골격의 하나 이상의 탄소 원자를 헤테로원자로 대체함으로써 전술한 아릴로부터 유도될 수 있다. 바람직한 헤테로원자는 N, O 및 S이다. 헤테릴 라디칼은 더욱 바람직하게는 5 내지 13개의 고리 원자를 갖는다. 헤테로아릴 라디칼의 기본 골격은 특히 바람직하게는 피리딘, 및 티오펜, 피롤, 이미다졸 또는 푸란 같은 5-원 헤테로방향족 화합물 등의 시스템으로부터 선택된다. 이들 기본 골격은 1개 또는 2개의 6-원 방향족 라디칼에 임의적으로 융합될 수 있다. 또한, 단일 결합 또는 이중 결합을 통해 서로 연결되는 둘 이상의 일환상, 이환상 또는 다환상 고리를 포함하는 고리 시스템(여기에서는 하나 이상의 고리가 헤테로원자를 포함함)도 포함한다. 헤테로아릴이 일환상 시스템이 아닌 경우에는, 하나 이상의 고리에 대한 용어 "헤테로아릴"의 경우, 특정 형태가 공지되어 있고 안정하다면 포화된 형태(퍼하이드로 형태) 또는 부분 불포화 형태(예를 들어, 다이하이드로 형태 또는 테트라하이드로 형태)도 가능하다. 본 발명의 내용에서 용어 "헤테로아릴"은 예를 들어 3개의 라디칼중 2개 또는 모두가 방향족인 이환상 또는 삼환상 라디칼, 또한 하나의 고리만이 방향족인 이환상 또는 삼환상 라디칼, 및 2개의 고리가 방향족인 삼환상 라디칼을 포함하고, 이 때 고리중 하나 이상, 즉 하나 이상의 방향족 또는 하나의 비방향족 고리는 헤테로원자를 갖는다. 적합한 융합된 헤테로방향족 화합물은 예를 들어 카바졸릴, 벤즈이미다졸릴, 벤조푸릴, 다이벤조푸릴 또는 다이벤조티오페닐이다. 기본 골격은 1개의 또는 1개보다 많거나 또는 모든 치환가능한 위치에서 치환될 수 있으며, 적합한 치환기는 C6-C30-아릴의 정의하에 이미 명시된 것과 동일하다. 그러나, 헤테로아릴 라디칼은 바람직하게는 치환되지 않는다. 적합한 헤테로아릴 라디칼은 예를 들어 피리딘-2-일, 피리딘-3-일, 피리딘-4-일, 티오펜-2-일, 티오펜-3-일, 피롤-2-일, 피롤-3-일, 푸란-2-일, 푸란-3-일 및 이미다졸-2-일, 및 상응하는 벤조 융합된 라디칼, 특히 카바졸릴, 벤즈이미다졸릴, 벤조푸릴, 다이벤조푸릴 또는 다이벤조티오페닐이다.
본 발명의 내용에서, 용어 "임의적으로 치환되는"은 알킬기, 아릴기 또는 헤테로아릴기의 하나 이상의 수소 라디칼이 치환기로 대체된 라디칼을 가리킨다. 이 치환기의 유형과 관련하여, 알킬 라디칼, 예를 들어 메틸, 에틸, 프로필, 부틸, 펜틸, 헥실, 헵틸 및 옥틸, 또한 아이소프로필, 아이소부틸, 아이소펜틸, 2급-부틸, 3급-부틸, 네오펜틸, 3,3-다이메틸부틸 및 2-에틸헥실; 아릴 라디칼, 예컨대 C6-C10-아릴 라디칼, 특히 페닐 또는 나프틸, 가장 바람직하게는 C6-아릴 라디칼, 예를 들어 페닐; 및 헤테로아릴 라디칼, 예를 들어 피리딘-2-일, 피리딘-3-일, 피리딘-4-일, 티오펜-2-일, 티오펜-3-일, 피롤-2-일, 피롤-3-일, 푸란-2-일, 푸란-3-일 및 이미다졸-2-일; 및 또한 상응하는 벤조 융합된 라디칼, 특히 카바졸릴, 벤즈이미다졸릴, 벤조푸릴, 다이벤조푸릴 또는 다이벤조티오페닐이 바람직하다. 추가적인 예는 하기 치환기를 포함한다: 알켄일, 알킨일, 할로겐, 하이드록실.
여기에서, 치환도는 일치환에서 가능한 치환기의 최대 수까지 변할 수 있다.
본 발명에 따라 사용하기 위한 화학식 I의 바람직한 화합물은 R1, R2 및 R3중 둘 이상이 파라-OR 및/또는 -NR2 치환기라는 점에서 주목할만하다. 여기에서 둘 이상의 라디칼은 유일한 -OR 라디칼, 유일한 -NR2 라디칼, 또는 하나 이상의 -OR 및 하나 이상의 -NR2 라디칼일 수 있다.
본 발명에 따라 사용하기에 특히 바람직한 화학식 I의 화합물은 R1, R2 및 R3 라디칼중 넷 이상이 파라-OR 및/또는 -NR2 치환기라는 점에서 주목할만하다. 여기에서 넷 이상의 라디칼은 유일한 -OR 라디칼, 유일한 -NR2 라디칼, 또는 -OR 및 -NR2 라디칼의 혼합물일 수 있다.
본 발명에 따라 사용하기에 매우 특히 바람직한 화학식 I의 화합물은 R1, R2 및 R3 라디칼이 모두 파라-OR 및/또는 -NR2 치환기라는 점에서 주목할만하다. 이들은 유일한 -OR 라디칼, 유일한 -NR2 라디칼, 또는 -OR 및 -NR2 라디칼의 혼합물일 수 있다.
모든 경우에, -NR2 라디칼의 2개의 R은 서로 상이할 수 있으나, 이들은 바람직하게는 동일하다.
바람직하게는, A1, A2 및 A3는 각각 독립적으로 하기 화합물로 이루어진 군으로부터 선택된다:
Figure 112017013080060-pct00009
상기 식에서, m은 1 내지 18의 정수이고; R4는 알킬, 아릴 또는 헤테로아릴이며, R4는 바람직하게는 아릴 라디칼, 더욱 바람직하게는 페닐 라디칼이고; R5 및 R6은 각각 독립적으로 H, 알킬, 아릴 또는 헤테로아릴이며; 도시된 구조체의 방향족 및 헤테로방향족 고리는 임의적으로 추가의 치환기를 가질 수 있다.
여기에서 방향족 및 헤테로방향족 고리의 치환도는 일치환에서 가능한 치환기의 최대 수까지 변할 수 있다.
방향족 및 헤테로방향족 고리의 추가의 치환의 경우 바람직한 치환기는 1개, 2개 또는 3개의 임의적으로 치환되는 방향족 또는 헤테로방향족 기에 대해 상기 이미 언급된 치환기를 포함한다.
바람직하게는, 도시된 구조체의 방향족 및 헤테로방향족 고리는 추가의 치환을 갖지 않는다.
더욱 바람직하게는, A1, A2 및 A3는 각각 독립적으로
Figure 112017013080060-pct00010
이고, 더욱 바람직하게는
Figure 112017013080060-pct00011
이다.
더욱 바람직하게는, 화학식 I의 하나 이상의 화합물은 하기 구조중 하나를 갖는다.
Figure 112017013080060-pct00012
Figure 112017013080060-pct00013
다른 실시양태에서, 유기 p-형 반도체는 하기 구조를 갖는 유형 ID322의 화합물을 포함한다:
Figure 112017013080060-pct00014
ID322.
본 발명에 따라 사용하기 위한 화합물은 당업자에게 공지되어 있는 통상적인 유기 합성 방법에 의해 제조될 수 있다. 아래 첨부된 합성 실시예에서 관련 (특허) 문헌에 대한 참조를 추가로 찾아볼 수 있다.
d) 제 2 전극
제 2 전극은 기판에 대향하는 바닥 전극 또는 기판으로부터 멀리 향하는 상부 전극일 수 있다. 상기 개략된 바와 같이, 제 2 전극은 완전히 또는 부분적으로 투명할 수 있다. 본원에 사용되는 용어 "부분적으로 투명한"은 제 2 전극이 투명한 영역 및 불투명한 영역을 포함할 수 있다는 사실을 의미한다.
하기 물질 군중 하나 이상의 물질을 사용할 수 있다: 하나 이상의 금속 물질, 바람직하게는 알루미늄, 은, 백금, 금으로 이루어진 군으로부터 선택되는 금속 물질; 하나 이상의 비금속 무기 물질, 바람직하게는 LiF; 하나 이상의 유기 전도성 또는 반도체성 물질, 바람직하게는 하나 이상의 전기 전도성 중합체, 더욱 바람직하게는 하나 이상의 투명한 전기 전도성 중합체.
제 2 전극은 하나 이상의 금속 전극을 포함할 수 있으며, 이 때 순수한 형태 또는 혼합물/합금으로서의 하나 이상의 금속(예컨대, 특히 알루미늄 또는 은)을 사용할 수 있다.
추가로 또는 다르게는, 무기 물질 및/또는 유기 물질 같은 비금속성 물질을 단독으로 또는 금속 전극과 함께 사용할 수 있다. 예로서, 무기/유기 혼합 전극 또는 다층 전극의 사용, 예를 들어 LiF/Al 전극의 사용이 가능하다. 부가적으로 또는 다르게는, 전도성 중합체를 사용할 수 있다. 따라서, 광학 센서의 제 2 전극은 바람직하게는 하나 이상의 전도성 중합체를 포함할 수 있다.
따라서, 예로서, 제 2 전극은 하나 이상의 금속 층과 함께 하나 이상의 전기 전도성 중합체를 포함할 수 있다. 바람직하게는, 하나 이상의 전기 전도성 중합체는 투명한 전기 전도성 중합체이다. 이 조합은 제 2 전극이 투명할 뿐만 아니라 매우 전기 전도성이 되도록 하기 위하여 충분한 전기 전도율을 제공함으로써 매우 얇고 따라서 투명한 금속 층을 제공할 수 있게 한다. 따라서, 예로서 하나 이상의 금속 층은 각각 또는 함께 50nm 미만, 바람직하게는 40nm 미만, 또는 심지어 30nm 미만의 두께를 가질 수 있다.
예로서, 폴리아날린(PANI) 및/또는 그의 화학적 관련 물질; 폴리티오펜 및/또는 그의 화학적 관련 물질, 예컨대 폴리(3-헥실티오펜)(P3HT) 및/또는 PEDOT:PSS(폴리(3,4-에틸렌다이옥시티오펜) 폴리(스티렌설포네이트))로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 이상의 전기 전도성 중합체를 사용할 수 있다. 추가로 또는 다르게는, EP 2507286 A2 호, EP 2205657 A1 호 또는 EP 2220141 A1 호에 개시되어 있는 전도성 중합체중 하나 이상을 사용할 수 있다. 추가의 예시적인 실시양태에 대해서는 US 특허 가출원 제 61/739,173 호 또는 US 특허 가출원 제 61/708,058 호를 참조할 수 있으며, 이들 특허원은 모두 본원에 참고로 인용된다.
추가로 또는 다르게는, 흑연, 그라펜, 탄소 나노-튜브, 탄소 나노-와이어로 이루어진 군으로부터 선택되는 탄소 물질 같은 무기 전도성 탄소 물질 등의 무기 전도성 물질을 사용할 수 있다.
또한, 적절한 반사에 의해 광자가 흡수 층을 통해 2회 이상 통과하게 됨으로써 성분의 양자 효율을 증가시키는 전극 디자인을 이용할 수도 있다. 이러한 층 구조는 또한 "집중자"로도 일컬어지며, 마찬가지로 예컨대 WO 02/101838 호(특히, 페이지 23 내지 24)에 기재되어 있다.
상기 개략적으로 기재된 바와 같이, 상기 평가 장치는, 종방향 센서 신호를 평가함으로써, 물체의 종방향 위치에 대한 정보중 하나 이상의 아이템을 생성하도록 디자인된다. 그러나, 가우시안(Gaussian) 광 빔은, 초점의 앞과 뒤의 거리 z에서 동일한 빔을 제공하여 빔 프로파일에서의 불명확성이 일어날 수 있게 한다.
일반적으로, 예를 들면 WO 2012/110924 A1 또는 US 가출원 61/739,173(2012년 12월 19일 출원), US 가출원 61/749,964(2013년 1월 8일 출원), US 가출원 61/867,169(2013년 8월 19일 출원), 및 WO 2014/097181 A1으로부터, FiP 효과를 제공하도록 구성된 복수의 종방향 광학 센서, 예를 들면 2 개 이상의 종방향 광학 센서, 예를 들면 종방향 광학 센서의 스택을 제공함으로써 불명확성의 발생을 극복하는 것이 공지되어 있다. 따라서, 후속적으로 광 빔에 의해 조사되는 종방향 광학 센서, 예를 들면 센서 스택의 연속적인 종방향 센서들로부터의 신호를 평가함으로써 빔 프로파일에서의 불명확성이 해결될 수 있다. 둘 이상의 위치를 따라 빔 폭을 측정함으로써, 이 불명확성은, 광 빔이 여전히 좁은지 또는 넓은지를 결정함으로써, 해결될 수 있다. FiP 효과를 가진 둘 이상의 종방향 광학 센서를 제공함으로써 더 높은 정확도를 제공할 수 있다. 상기 평가 장치는, 상기 둘 이상의 광학 센서의 센서 영역 내의 광 빔의 폭을 결정하도록 구성될 수 있으며, 상기 평가 장치는 또한, 상기 폭을 평가함으로써, 상기 광 검출기쪽으로 광 빔이 전파되는 물체의 종방향 위치에 대한 정보중 하나 이상의 아이템을 생성하도록 구성될 수 있다.
본 발명에 따른 검출기는, 불명확성을 해결하는데 필요한 종방향 광학 센서의 양을 감소시킬 가능성을 제공할 수 있다. 하기 식의 빔 광학과 관련하여, 문헌["Fundamentals of Photonics", Bahaa E. A. Saleh, Malvin Carl Teich, 1991 John Wiley & Sons, Inc., Chapter 3]을 참조할 수 있다. 일반적으로, 종방향 광학 센서의 효율 η, 특히 전력에서 전류로의 전환 효율은, 하기 식(1)과 같이 유입 광의 강도 I에 의존적일 수 있다:
Figure 112017013080060-pct00015
(1)
상기 식에서, Cη은 상수이고, P는 유입 광의 파워이고, A는 조광 면적이다.
또한, 효율은 j=η·P로 정의되며, 이때 j는 종방향 광학 센서 신호 전류이다. 따라서, 종방향 광학 센서 신호 전류는 하기 식(2)로 주어진다:
Figure 112017013080060-pct00016
(2).
가우시안 빔의 파워는, 하기 식(3)과 같이, z-축을 따라 정렬된 광학 시스템의 경우, z=0에 위치된 전달 장치에서, 빔 면적 A에 걸친 적분으로 주어진다:
Figure 112017013080060-pct00017
(3).
적어도 하나의 물체가 zt 거리에 위치될 수 있고, z는 축방향 거리일 수 있으며, ρ는 ρ=(x2+y2)1/2로 주어지는 반경방향 거리일 수 있다.
따라서, 강도 I의 가우시안 빔에 의해 유도된 종방향 광학 센서 신호 전류는 하기 식 (4) 및 (5)로 주어진다:
Figure 112017013080060-pct00018
(4)
Figure 112017013080060-pct00019
(5).
초점 설정된 빔의 강도 If는 하기 식 (6)으로 주어질 수 있다:
Figure 112017013080060-pct00020
(6)
상기 식에서 I0f 및 W0f는 초점에서의 강도 및 폭이고, Wf는 초점 설정된 빔의 z-의존성 폭이다. 강도 If는 물체의 거리에 의존적이다.
가우시안 빔의 경우, 빔 폭은 하기 식 (7)로 주어진다:
Figure 112017013080060-pct00021
(7)
상기 식에서 zf는 초점의 z-좌표이고, zo는 레이레이(Rayleigh) 범위이다. 광선(ray) 광학에 대한 등가 식의 경우 예를 들면 문헌["Fundamentals of Photonics", Bahaa E. A. Saleh, Malvin Carl Teich, 1991 John Wiley & Sons, Inc., Chapter 3]을 참조할 수 있다.
따라서, 초점에서의 종방향 광학 센서 신호 전류는 하기 식(8)로 주어진다:
Figure 112017013080060-pct00022
(8).
광선 광학에서, 이들 식은 하기 식 (9) 및 (10)으로 주어진다:
Figure 112017013080060-pct00023
(9)
Figure 112017013080060-pct00024
(10)
상기 식에서, θ는 헤비사이드(Heaviside) 단계 함수이다.
따라서, 가우시안 고전적 빔의 경우, 종방향 광학 센서 신호 전류는 하기 식 (12)로 주어진다:
Figure 112017013080060-pct00025
(12)
상기 식에서, CFiP는 상수이다.
초점에서, 상기 종방향 광학 센서 신호 전류는 하기 식 (13)으로 주어진다:
Figure 112017013080060-pct00026
(13).
따라서, 일반적으로, 종방향 광학 센서 신호 전류는 하기 식 (14)로 기재될 수 있다:
Figure 112017013080060-pct00027
(14).
상기 종방향 광학 센서 신호 전류는 초점으로부터의 거리 zf가 증가함에 따라 감소할 수 있다.
두 개의 상이한 거리 zf 및 z'f에서 동일한 물체의 두 개의 종방향 센서 신호 전류 j(z, zf) 및 j(z, z'f)를 이들의 초점 전류에 대해 정규화한 각각의 값 jfocal(zf) 및 jfocal(z'f)를 고려할 수도 있다. 이들 곡선은 하기 식 (15) 및 (16)의 경우 z=zcross에서 교차될 수 있다:
Figure 112017013080060-pct00028
(15)
Figure 112017013080060-pct00029
(16).
가우시안 빔의 경우, 상기 식은 하기 식 (17) 및 (18)로 단순화된다:
Figure 112017013080060-pct00030
(17)
Figure 112017013080060-pct00031
(18).
놀랍게도, 상기 곡선의 교차는 각각의 곡선의 초점 위치 의존성으로 남지만, 광학 시스템의 경우 상이한 초점 길이에 대한 zcross의 차이는 작고 zcross는 종방향 광학 센서 신호 전류가 덜 z-의존성인 영역으로 들어감이 확인되었다. 또한, 일반적으로, 주어진 광학 시스템은 특정의 광학 범위로 제한된다. 놀랍게도, 광학 시스템의 전형적인 범위 내에서, 모든 정규화된 전류 곡선들이 교차되는 초점 길이 또는 초점 면이 확인되었다. 따라서, 이 위치에서 또는 이 교차 범위 내에서 종방향 센서 신호 전류를 측정하는 것은 상기 곡선의 정규화로 이어질 수 있으며, 이것이 jfocal이다. 상기에 개략적으로 기재한 바와 같이, 초점 종방향 광학 센서는 초점 면으로부터 거리 ±ε만큼 이격될 수 있으며, 이때 ｜ε｜≤0.2·f이며, f는 전달 장치의 초점 길이이다. 예를 들어, ｜ε｜≤0.1·f, 바람직하게는 ｜ε｜≤0.05·f, 더욱 바람직하게는 ｜ε｜≤0.02·f, 및 가장 바람직하게는 ｜ε｜≤0.01·f이다. 상기 하나 이상의 초점 종방향 광학 센서는, 상기 곡선들이 교차하는 범위내 또는 지점에 하나 이상의 초점 종방향 광학 센서가 들어가도록 상기 초점 면에 대해 배열될 수 있다. 또한, 이 교차 범위 내에 상기 하나 이상의 초점 종방향 광학 센서를 위치시키는 것은, 상기 교차 범위는 단지 시스템-의존적일 수 있으므로, 물체의 움직임에 의한 초점 변화로 인한 정렬 및 조정을 피할 수 있다.
상기 평가 장치는, 초점 종방향 광학 센서의 하나 이상의 종방향 센서 신호 jfocal을 평가하고 이미지 면 내의 가정적인(hypothetical) 종방향 광학 센서의 이론적인 종방향 센서 신호 jimage를 유도하도록 구성될 수 있다. 상기 평가 장치는, 이론적인 종방향 센서 신호 jimage가 초점 종방향 광학 센서의 종방향 센서 신호 jfocal에 비례한다는 가정을, 상기 이론적인 종방향 센서 신호 jimage를 결정하는데 사용하도록 구성될 수도 있다. 상기 이론적인 종방향 센서 신호 jimage를 결정하기 위한 상기 평가 장치는 하기 관계식 (19)를 사용하도록 구성될 수도 있다:
Figure 112017013080060-pct00032
(19) (여기서, const.는 사전결정된 또는 결정가능한 상수이다). 상기 이론적인 종방향 센서 신호 jimage를 결정하기 위한 상기 평가 장치는 하기 관계식 (20)을 사용하도록 구성될 수도 있다:
Figure 112017013080060-pct00033
(20) (여기서, c(htarget,flens,llens)는, 특히 직경을 가진 광 점(light point)에 대한, 물체의 크기 htarget(이때 htarget은 상기 광 점의 직경일 수 있음), 전달 장치의 초점 길이 flens, 및 전달 장치의 개구(aperture) llens에 의존적인 사전결정된 또는 결정가능한 함수이다). 상기 초점 종방향 광학 센서 전류 jfocal이 결정되고 c(htarget,flens,llens)을 알면, 상기 이론적인 센서 신호 jimage를 결정할 수 있다. 따라서, 이미지 면에서 센서 신호를 결정하기 위해 이미지 면 내에 또는 이미지 면에 근접하게 종방향 광학 센서를 위치시키는 것을 피할 수 있다. 또한, 불명확성을 해결하는데 필요한 종방향 광학 센서의 양을 감소시키는 것이 가능할 수 있다. 물체의 크기 htarget, 전달 장치의 초점 길이 flens, 및 전달 장치의 개구 llens에 의존적인 사전결정된 또는 결정가능한 함수가 공지되면, 하나 이상의 물체의 종방향 위치를 결정하는데, 초점 종방향 광학 센서를 포함한 하나, 둘 또는 세 개의 종방향 광학 센서면 충분하다. 따라서, 하나 이상의 물체의 종방향 위치를 정확히 측정하는데, 3 개 이하의 종방향 광학 센서를 포함한 종방향 광학 센서의 스택이면 기본적으로 충분하다. 그러나, 여전히, 3개 초과의 종방향 광학 센서를 사용할 수도 있다.
다른 센서 스택에 비해 종방향 광학 센서의 개수를 감소시키는 것은 몇 가지 장점을 제공한다. 따라서, 구성성분의 총 수를 줄일 수 있으므로 시스템 비용을 감소시킬 수 있다. 또한, 검출기의 복잡성이 일반적으로 감소될 수 있어서, 검출기의 전체 크기 뿐 아니라 검출기의 총 오류율을 감소시킬 가능성을 제공한다. 또한, 센서 스택 내의 종방향 광학 센서(종방향 광학 센서는 더 낮은 투명도를 가짐)의 개수를 줄임으로써 광학 품질이 개선될 수도 있다. 이는, 많은 개수의 광학 센서를 가진 센서 스택 내에서 스택 내의 마지막 광학 센서에까지 광빔이 도달하기 위해서는 고 투명도를 가진 광학 센서가 사용되어야 할 것이라는 사실로 인한 것이다. 스택 내의 종방향 광학 센서의 개수를 줄임으로써, 각각의 종방향 광학 센서는 증대된 양의 광을 흡수하도록 설계될 수 있고, 따라서 더 강한 종방향 센서 신호를 생성할 수 있다. 이로써, 신호 대 노이즈 비가 개선될 수 있고 적어도 하나의 물체의 위치를 결정하는 정확도가 증가될 수 있다. 또한, 상기 센서 스택은, 종방향 광학 센서 이외에, 하나 이상의 다른 유형의 센서 및/또는 하나 이상의 다른 요소, 예를 들면 하나 이상의 횡방향 광학 센서 및/또는 하나 이상의 다른 유형의 광학 요소, 예를 들면 렌즈를 포함할 수도 있다. 또한, 상기 스택은 하나 이상의 촬영 장치, 예를 들면 이미지 검출기 등, 예를 들면 CCD 및또는 CMOS 칩을 포함할 수 있다.
종방향 센서 신호 전류의 전체 곡선을 결정하고, 특히 초점 위치 zf를 결정하기 위해서는, 종방향 센서 신호 전류의 두번 이상의 측정이 필요할 수 있다. 일반적으로 초점 위치 zf가 완전히 비공지인 경우, 곡선의 대칭성 때문에, 두 z-값을 각각의 종방향 센서 신호 전류에 할당할 수 있으므로, 두 번의 측정이 필요하다. 그러나, 가능한 zf 범위가 공지인 경우는, 상기 측정이 zf와 전달 장치 간에 항상 있는 것으로 공지되어 있는 경우, 한 번의 측정으로 충분할 수 있다. 이는 추가로, 스택 내의 광학 센서의 개수를 줄일 수 있다.
일반적인 물체의 경우, 물체의 크기 htarget은 비공지일 수 있다. 물체의 크기는, 픽셀화된(pixelated) CMOS 검출기 및/또는 비픽셀화된 무기 다이오드에 의해 결정될 수도 있다. 픽셀화된 CMOS 검출기에서, 픽셀을 계수하여 물체의 크기를 결정할 수 있다. 비픽셀화된 무기 다이오드, 예를 들어 비픽셀화된 Si 다이오드에서는, 다이오드 전류가 단지 광자의 개수에만 의존적일 수 있다. 물체의 크기는, 다이오드 전류와 강도-의존성 종방향 센서 신호 전류 간의 비에 의해 주어질 수 있다.
하나의 실시양태에서, 상기 검출기는 하이브리드 유기/무기 검출기를 포함할 수 있다. 상기 하이브리드 유기/무기 검출기는, 종방향 광학 센서 특히 유기 종방향 광학 센서와 CMOS 검출기의 조합; 종방향 검출기 특히 유기 종방향 광학 센서와 다이오드 특히 포토다이오드(예컨대 Si-, Ge- 등의 포토다이오드)의 조합; 센서 스택을 포함하는 종방향 광학 센서 및 CMOS 검출기로 이루어진 군 중에서 선택된 검출기 조합을 포함할 수 있다. 예를 들어, 검출기는 하나 이상의 종방향 광학 센서 및 CMOS 검출기를 포함할 수 있다. 이 실시양태에서, 광학 특성 flens 및 llens은 공지되어 있을 수 있지만, 물체의 크기는 그렇지 않을 수 있으며, 이는 픽셀화된 CMOS 검출기의 픽셀을 계수함으로써 결정될 수 있다. 예를 들어, 상기 검출기는 센서 스택 및 CMOS 검출기를 포함할 수 있으며, 이들을 사용하여 물체 크기를 결정할 수도 있다. 그러나, 종래 기술에 사용된 센서 스택과 관련하여서는 스택 내의 센서의 감소된 개수가 필요할 수 있다.
추가의 실시양태에서, 상기 검출기는 순수하게 유기 검출기만을 포함할 수도 있다. 상기 유기 검출기는, 센서 스택; 픽셀화된 및 비픽셀화된 종방향 광학 센서의 조합; 라이트필드(lightfield) 카메라, 픽셀화된 초점 종방향 광학 센서 및 초점 면에서 떨어져 위치된 추가의 픽셀화된 종방향 광학 센서의 조합으로 이루어진 군 중에서 선택된 검출기 조합을 포함할 수 있다. 예를 들면, 상기 검출기는 픽셀화된 및 비픽셀화된 종방향 광학 센서의 조합을 포함할 수 있으며, 이때 물체 크기는 픽셀화된 종방향 광학 센서를 사용하여 결정될 수 있다.
추가의 실시양태에서, 상기 검출기는 몇 개의 픽셀화된 CMOS 칩에 기초한 카메라를 상기 전달 장치 뒤에 포함할 수 있다. 예를 들어, 빔 분할(splitting) 요소는 상기 전달 장치로부터 상이한 거리에서 상기 CMOS 칩에 픽쳐(picture)를 보낼 수 있다. CMOS 칩 중 하나는 상기 전달 장치의 초점 면에 배열될 수 있다. 상기 물체의 거리는, 신호 강도 및 물체의 크기(이는 예를 들면 픽셀 카운팅에 의해 결정됨)로부터 단위당 광자를 계산함으로써 결정될 수 있다. 이 배열은, 픽쳐 면 내의 추가의 정보를 계산할 수 있게 한다. 원칙적으로 추가의 실시양태가 구현가능하다.
상기 검출기는, 물체를 조명하기 위한 하나 이상의 조명원을 포함할 수 있다. 조명원은 다양한 방식으로 구현될 수 있다. 따라서, 조명원은 예를 들어 검출기 하우징 내의 검출기의 일부일 수 있다. 그러나, 추가로 또는 다르게는, 하나 이상의 조명원은 검출기 하우징의 외부에, 예를 들어 별도의 광원으로서 배열될 수도 있다. 조명원은 물체와는 별도로 배열될 수 있고, 먼 거리에서 물체를 비출 수 있다. 그러나, 물체가 추가적으로 또는 대안적으로 주위 광에 의해 조명되는 실시양태가 구현가능하다. 주위 광은, 인공적인 광원 또는 자연적인 광원과 같은 부가적인 광원으로 인해 존재할 수도 있다. 상기 광원은 추가로, 광 빔 균질화기 및/또는 광 파이프 균질화기를 포함할 수도 있다. 상기 광원은 하나 이상의 균질한 광원이거나 이를 포함할 수 있고/있거나 하나 이상의 구조화된 광원 및/또는 패턴화된 광원이거나 이를 포함할 수 있다. 예를 들어, 구조화된 광원 및/또는 패턴화된 광원은, 하나 이상의 공간 광 변조기(modulator)(SLM), 예를 들어 하나 이상의 액정 공간 광 변조기 및/또는 하나 이상의 미세기계적 거울 장치, 예를 들어 DLP(등록상표) 기술을 사용하여 제공될 수 있다.
조명 광은 바람직하게는 적외선 스펙트럼 범위의 파장을 가질 수 있다. 조명원은 특히 하나의 또는 복수의 하기 조명원을 포함할 수 있다: 레이저, 특히 레이저 다이오드, 예를 들어 전자기 스펙트럼의 적외선 부분의 출력 파장을 갖는 IR 레이저 다이오드(원칙적으로, 추가로 또는 달리, 다른 유형의 레이저도 사용될 수 있음); 발광 다이오드; 백열등; 유기 광원, 특히 유기 발광 다이오드. 전자기 스펙트럼의 적외선 부분은 바람직하게는 780nm 내지 1mm, 바람직하게는 780nm 내지 3.0㎛의 스펙트럼 범위를 가리킨다. 추가로 또는 다르게는, 다른 조명원도 사용할 수 있다. 예를 들어 다수의 레이저의 경우에 적어도 대략적으로 그러하듯이, 조명원이 가우시안 빔 프로파일을 갖는 하나 이상의 광 빔을 생성시키도록 디자인된다면 특히 바람직하다. 그러나, 다른 실시양태도 원칙적으로 가능하다.
본원에 사용되는 용어 "평가 장치"는, 일반적으로 종방향 센서 신호를 평가함으로써 물체의 종방향 위치에 대한 하나 이상의 정보 아이템을 생성시키도록 디자인된 임의의 장치를 가리킨다. 예로서, 평가 장치는, 하나 이상의 주문형(application-specific) 집적 회로(ASIC) 같은 하나 이상의 집적 회로, 및/또는 하나 이상의 컴퓨터, 바람직하게는 하나 이상의 마이크로컴퓨터 및/또는 마이크로컨트롤러 같은 하나 이상의 데이터 처리 장치일 수 있거나 그들을 포함할 수 있다. 하나 이상의 예비 처리 장치 및/또는 데이터 획득 장치(예를 들어, 횡방향 센서 신호 및/또는 종방향 센서 신호를 수용하고/하거나 예비 처리하기 위한 하나 이상의 장치, 예컨대 하나 이상의 AD-변환기 및/또는 하나 이상의 필터) 같은 추가적인 구성요소가 포함될 수 있다. 또한, 평가 장치는 하나 이상의 데이터 저장 장치를 포함할 수 있다. 뿐만 아니라, 상기 개략적으로 기재된 바와 같이, 평가 장치는, 하나 이상의 무선 인터페이스 및/또는 하나 이상의 유선 인터페이스 같은 하나 이상의 인터페이스를 포함할 수 있다.
또한, 하나 이상의 평가 장치는 하나 이상의 종방향 광학 센서와는 독립적인 별도의 평가 장치로서 구성될 수 있으나, 바람직하게는 종방향 센서 신호를 받아들이기 위하여 하나 이상의 종방향 광학 센서에 연결될 수 있다. 다르게는, 하나 이상의 평가 장치는 완전히 또는 부분적으로 하나 이상의 종방향 광학 센서 내로 통합될 수 있다.
하나 이상의 평가 장치는, 종방향 위치에 대한 하나 이상의 정보 아이템의 생성을 수행하거나 뒷받침하도록 구성된 하나 이상의 컴퓨터 프로그램 같은 하나 이상의 컴퓨터 프로그램을 실행하도록 구성될 수 있다. 예로서, 입력 변수로서 종방향 센서 신호를 사용함으로써 물체의 종방향 위치로의 소정 변환을 수행할 수 있는 하나 이상의 연산을 실행시킬 수 있다. 평가 장치는, 하나 이상의 마이크로컨트롤러 또는 프로세서 같은 하나 이상의 데이터 처리 장치를 포함할 수 있다. 따라서, 예로서, 하나 이상의 평가 장치는, 다수의 컴퓨터 명령을 포함하는, 그에 저장된 소프트웨어 코드를 갖는 하나 이상의 데이터 처리 장치를 포함할 수 있다.
평가 장치는, 광학 센서 및/또는 평가 장치에 의해 수득된 정보 같은 정보의 디스플레이, 가시화, 분석, 분배, 통신 또는 추가적인 처리중 하나 이상에 사용될 수 있는 하나 이상의 추가적인 데이터 처리 장치에 연결될 수 있거나 또는 하나 이상의 추가적인 데이터 처리 장치를 포함할 수 있다. 예로서 데이터 처리 장치는, 디스플레이, 프로젝터, 모니터, LCD, TFT, 확성기, 멀티채널 사운드 시스템, LED 패턴 또는 다른 가시화 장치중 하나 이상에 연결될 수 있거나 이들을 포함할 수 있다. 이는, 전자메일, 문자, 전화기, 블루투스, 라디오, 와이파이, 적외선 또는 인터넷 인터페이스, 포트 또는 접속부중 하나 이상을 사용하여 암호화되거나 암호화되지 않은 정보를 보낼 수 있는 통신 장치 또는 통신 인터페이스, 데이터링크, 티멕스 데이터링크, 커넥터 또는 포터중 하나 이상에 추가로 연결될 수 있거나 이들을 포함할 수 있다. 이는 프로세서, 그래픽 프로세서, CPU, OMAP(Open Multimedia Applications Platform; OMAP™), 집적 회로, 애플(Apple) A 씨리즈 또는 삼성(Samsung) S3C2 씨리즈로부터의 제품 같은 칩 상의 시스템, 마이크로컨트롤러 또는 마이크로프로세서; ROM, RAM, EEPROM 또는 플래시 메모리 같은 하나 이상의 메모리 블록; 발진기 또는 위상 동기 루프, 계수 타이머, 실시간 타이머 또는 파워-온 리셋 생성장치 같은 타이밍 쏘스; 전압 조절기, 동력 관리 회로, 또는 DMA 컨트롤러중 하나 이상에 추가로 연결될 수 있거나 또는 이들을 포함할 수 있다. 개별적인 단위장치들은 AMBA 버스 같은 버스에 의해 추가로 연결될 수 있고/있거나 하나 이상의 송신기 및/또는 수신기를 함유할 수 있다.
평가 장치 및/또는 데이터 처리 장치는 하나 이상의 직렬 또는 병렬 인터페이스 또는 포트, USB, 센트로닉스(Centronics) 포트, 파이어와이어, HDMI, 이더넷, 블루투스, RFID, 라디오, 데이터링크, 와이파이, USART 또는 SPI 같은 추가적인 외부 인터페이스 또는 포트, 또는 ADC 또는 DAC중 하나 이상 같은 아날로그 인터페이스 또는 포트, 또는 카메라링크(CameraLink) 같은 RGB-인터페이스를 사용하는 2D-카메라 장치 같은 추가적인 장치로의 표준화된 인터페이스 또는 포트에 의해 연결될 수 있거나 또는 이들을 추가로 가질 수 있다. 평가 장치 및/또는 데이터 처리 장치는 하나 이상의 프로세서간 인터페이스 또는 포트, FPGA-FPGA-인터페이스, 또는 직렬 또는 병렬 인터페이스 또는 포트에 의해 추가로 연결될 수 있다. 평가 장치 및 데이터 처리 장치는 광 디스크 드라이브, CD-RW 드라이브, DVD+RW 드라이브, 플래시 드라이브, 메모리 카드, 디스크 드라이브, 하드 디스크 드라이브, 솔리드 스테이트 디스크 또는 고상(solid state) 하드 디스크중 하나 이상에 추가로 연결될 수 있다.
평가 장치 및/또는 데이터 처리 장치는 폰 커넥터, RCA 커넥터, VGA 커넥터, 허메프로다이트(hermaphrodite) 커넥터, USB 커넥터, HDMI 커넥터, 8P8C 커넥터, BCN 커넥터, IEC 60320 C14 커넥터, 광섬유 커넥터, D-서브미니어처 커넥터, RF 커넥터, 동축 커넥터, SCART 커넥터, XLR 커넥터중 하나 이상 같은 하나 이상의 추가적인 외부 커넥터에 의해 연결될 수 있거나 이들을 가질 수 있고/있거나, 이들 커넥터중 하나 이상에 대한 하나 이상의 적합한 소켓을 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 광학 검출기, 평가 장치 또는 데이터 처리 장치중 하나 이상이 혼입된, 예를 들어 광학 센서, 광학 시스템, 평가 장치, 통신 장치, 데이터 처리 장치, 인터페이스, 칩 상의 시스템, 디스플레이 장치 또는 추가적인 전자 장치중 하나 이상이 혼입된 단일 장치 같은 장치의 가능한 실시양태는 휴대폰, 퍼스널 컴퓨터, 태블릿 PC, 텔레비전, 게임 콘솔 또는 다른 엔터테인먼트 장치이다. 다른 실시양태에서는, 장치의 하우징 또는 외관에서의 인지할만한 차이 없이, 아래에서 더욱 상세하게 개략적으로 기재되는 3D-카메라 기능을, 종래의 2D-디지털 카메라와 함께 이용가능한 장치에 통합시킬 수 있으며, 이 때 사용자에게 인지될 수 있는 차이는 3D 정보를 획득하고/하거나 처리하는 기능뿐일 수 있다.
구체적으로, 검출기 및/또는 그의 일부(예컨대, 평가 장치 및/또는 데이터 처리 장치)를 포함하는 실시양태는 디스플레이 장치, 데이터 처리 장치, 광학 센서, 임의적으로는 센서 광학 장치, 및 3D 카메라 기능을 위한 평가 장치를 포함하는 휴대폰일 수 있다. 본 발명에 따른 검출기는 특히 엔터테인먼트 장치 및/또는 휴대폰 같은 통신 장치에서의 통합에 적합할 수 있다.
본 발명의 다른 실시양태는 자동차에 사용하기 위한, 자율 주행에 사용하기 위한 또는 다임러의 인텔리전트 드라이브 시스템(Daimler's Intelligent Drive System) 같은 승용차 안전 시스템에 사용하기 위한 장치에서 광학 검출기 또는 그의 일부(예컨대, 평가 장치 및/또는 데이터 처리 장치)의 혼입일 수 있으며, 이 때 예로서 하나 이상의 광학 센서, 임의적으로는 하나 이상의 광학 시스템, 평가 장치, 임의적으로는 통신 장치, 임의적으로는 데이터 처리 장치, 임의적으로는 하나 이상의 인터페이스, 임의적으로는 칩 상의 시스템, 임의적으로는 하나 이상의 디스플레이 장치, 또는 임의적으로는 추가적인 전자 장치를 포함하는 장치는 차량, 승용차, 트럭, 기차, 자전거, 항공기, 선박, 오토바이의 일부일 수 있다. 자동차 용도에서, 자동차 디자인 내로의 장치의 통합은 광학 센서, 임의적으로는 광학 기기, 또는 장치를 외부 또는 내부로부터 거의 보이지 않게 통합시킬 것을 필요로 할 수 있다. 검출기 또는 평가 장치 및/또는 데이터 처리 장치 같은 그의 일부는 특히 자동차 디자인으로의 이러한 통합에 적합할 수 있다.
상기 개략적으로 기재된 바와 같이, 하나 이상의 조명원은 조명 광으로 하나 이상의 물체를 비추도록 구성된다. 종방향 광학 센서를 통해 조명 광으로 하나 이상의 물체를 비추는데 덧붙여, 하나 이상의 조명원은 추가로 또는 다르게는 다른 방식으로, 예컨대 하나 이상의 종방향 광학 센서를 통해 투과되지 않는 조명 광에 의해 하나 이상의 물체를 비추는데 추가로 적합화될 수 있다. 따라서, 하나 이상의 조명원은 하나 이상의 물체를 축에서 벗어나는(off-axis) 방식으로 비추기 위하여 검출기의 빔 경로 외부에 위치할 수 있다.
조명 광은 통상적으로, 종방향 광학 센서를 통한 조명이 이루어지는 경우 및/또는 상이한 유형의 조명이 사용되는 경우에, 임의적으로는 조명 광이 하나 이상의 물체를 비추기 전에 조명 광의 하나 이상의 반사를 암시할 수 있다. 따라서, 일반적으로, 검출기는 하나 이상의 반사 요소를 추가로 포함할 수 있고, 이 때 반사 요소는 물체를 비추기 전에 조명 광을 반사시키도록 구성된다. 하나 이상의 반사 요소의 사용은 통상 몇 가지 이점을 부과한다. 따라서, 일반적으로는, 하나 이상의 반사 요소를 사용함으로써, 하나 이상의 반사 요소를 조정하여 조명 광(예컨대, 조명 광 빔)의 배향을 조정할 수 있다. 또한, 아래에서 더욱 상세하게 개략적으로 기재되는 바와 같이, 하나 이상의 반사 요소는 파장-선택적인 반사 요소일 수 있고, 그의 반사 특성은 파장에 따라 달라질 수 있다. 따라서, 일반적으로, 파장-선택적인 반사 요소는 적외선 스택트럼 영역에서는 반사 특성을 나타내는 반면 가시광 스펙트럼 영역 같은 다른 스펙트럼 영역에서는 적외선 스펙트럼 영역에 비해 반사 특성이 없거나 현저하게 낮을 수 있는 하나 이상의 적외선 반사 요소일 수 있거나 그를 포함할 수 있다. 따라서, 일반적으로, 하나 이상의 조명원은 적외선 조명 광으로 하나 이상의 물체를 비추기 위한 하나 이상의 적외선 조명원을 포함할 수 있고, 하나 이상의 반사 요소는 소위 "열반사경" 같이 적외선 스펙트럼 영역에서 반사 특성을 나타내는 하나 이상의 반사 요소를 포함할 수 있다.
하나 이상의 종방향 광학 센서를 통해 및/또는 다른 방식으로 하나 이상의 물체를 조명 광으로 비추는 경우, 하나 이상의 조명 광은 방향 및/또는 공간에서 고정될 수 있고/있거나 방향 및/또는 공간에서 조정가능하거나 이동가능할 수 있다. 따라서, 예로서, 반사 요소는 둘 이상의 상이한 위치로 조정되도록 구성된 하나 이상의 이동가능한 반사 요소일 수 있거나 그를 포함할 수 있으며, 이 때 둘 이상의 상이한 위치에서 조명 광은 상이한 방향으로 반사된다. 본원에 사용되는 용어 "위치"는 통상 이동가능한 거울의 임의의 유형의 절대 위치 및/또는 임의의 유형의 배향을 가리킬 수 있다. 따라서, 이동가능한 거울의 하나 이상의 종방향 이동 및/또는 하나 이상의 이동가능한 거울의 하나 이상의 회전 이동은 실현될 수 있다.
따라서, 예로서, 하나 이상의 이동가능한 반사 요소는 그의 배향이 하나 이상의 제 1 배향 및 하나 이상의 제 1 배향과는 상이한 하나 이상의 제 2 배향으로 조정될 수 있는 반사 요소일 수 있다. 조정은 단계적으로 또는 연속적인 방식으로 이루어질 수 있다.
하나 이상의 반사 요소가 하나 이상의 이동가능한 반사 요소를 포함하는 경우, 이동가능한 반사 요소는 하나의 이동가능한 반사 요소일 수 있거나 또는 복수의 이동가능한 반사 요소일 수 있거나 그들을 포함할 수 있다. 따라서, 하나 이상의 반사 요소는 복수의 이동가능한 거울, 바람직하게는 복수의 미소거울 같은 복수의 이동가능한 반사 요소를 포함할 수 있다. 따라서, 예로서, 하나 이상의 이동가능한 반사 요소는 복수의 미소거울, 특히 미소 거울 구역, 예컨대 압전 기술에 기초한 미소거울을 포함할 수 있다. 예로서, 투사 기술에 사용되는 미소거울, 예를 들어 비어(beamer) 또는 다른 유형의 프로젝터에 이용가능한 미소거울을 사용할 수 있다. 예로서, 디지털 광 처리(DLP®) 기술, 예를 들어 텍사스 인스트루먼트에서 입수가능한 광 처리 기술을 이용할 수 있다. 더욱 특히, 하나 이상의 DLP®-칩을 사용할 수 있다. 더욱 일반적으로, 반사형 공간 광 변조기를 사용할 수 있고/있거나 하나 이상의 이동가능한 반사 요소는 하나 이상의 반사형 공간 광 변조기를 포함할 수 있다.
복수의 이동가능한 반사 요소를 사용함으로써, 조명 광을 복수의 조명 광 빔으로 더 나눌 수 있으며, 이들의 위치/배향은 바람직하게는 복수의 이동가능한 반사 요소에 의해 개별적으로 제어될 수 있다. 이로써, 예로서, 다양한 패턴 및/또는 지점의 변조 및/또는 조명 광의 패턴의 투사가 실현가능하다. 복수의 이동가능한 반사 요소가 사용되는 경우, 이동가능한 반사 요소의 개별적인 제어, 예컨대 상이한 제어 주파수에서 개별적인 제어가 이루어질 수 있다. 이에 의해, 복수의 조명 광 빔에 의한 및/또는 상이한 주파수에서 조명 광 빔의 패턴에 의한 하나 이상의 물체의 조명이 실현가능하다. 결과적으로, 예컨대 이동가능한 반사 요소를 상이한 변조 주파수에서 주기적으로 제어함으로써, 변조된 방식으로 조명이 이루어질 수 있다. 이어, 조명은 검출기에 의해, 예를 들면 하나 이상의 FiP-센서에 의해, 예컨대 하나 이상의 검출기 신호를 복조함으로써 및/또는 주파수 분석에 의해 분석될 수 있다.
복수의 이동가능한 반사 요소, 특히 이동가능한 반사 요소의 어레이, 특히 거울 및/또는 반사형 공간 광 변조기의 어레이, 더욱 특히는 DLP® 어레이를 사용함으로써, 예컨대 검출기의 전체 또는 부분적인 측정 공간을 커버하기 위하여, 검출기의 시계 내로 대략적인 패턴 및/또는 특수한 패턴을 투사하기 위하여, 조명 광 패턴의 투사를 수행할 수 있다.
또한, 복수의 이동가능한 반사 요소, 더욱 특히는 이동가능한 반사 요소의 어레이, 예컨대 거울의 어레이, 반사형 공간 광 변조기 및/또는 DLP® 어레이를 사용함으로써, 특히 공간에서 하나 이상의 특정 물체를 추적하기 위하여, 예컨대 사지, 장간남 또는 다른 물체 또는 그의 일부를 추적하기 위하여, 조명 광의 지점 및/또는 패턴을 공간 내로, 특히 검출기의 시계 내로, 예컨대 카메라의 이미지 내로 투사하는데 복수의 이동가능한 반사 요소를 사용할 수 있다.
하나 이상의 DLP® 칩 같은 패턴 반사 요소 및/또는 이동가능한 반사 요소의 어레이가 사용되는 경우, 패턴 자체는 일반적인 패턴일 수 있거나 또는 RGB-카메라 사진에 따라 달라지는 패턴 같은 검출기 전용 패턴일 수 있다.
하나 이상의 반사 요소가 하나 이상의 이동가능한 반사 요소이거나 그를 포함하는 경우, 하나 이상의 이동가능한 반사 요소는 공간에서 하나 이상의 스캐닝 영역을 통해 조명 광을 스캐닝하도록 구성될 수 있다. 다시, 스캐닝 과정을 연속적인 방식으로 또는 단계적인 방식으로 수행할 수 있다. 따라서, 예로서, 하나 이상의 이동가능한 반사 요소는 하나 이상의 이동가능한 거울, 예컨대 갈보-스캐너(galvo-scanner) 또는 임의의 다른 유형의 이동가능한 거울을 포함할 수 있으며, 그의 위치 및/또는 배향은 조정될 수 있다.
하나 이상의 이동가능한 반사 요소가 사용되는 경우에는, 수동 방식으로 및/또는 자동 방식으로 하나 이상의 이동가능한 반사 요소의 조정을 수행할 수 있다. 따라서, 예로서, 하나 이상의 검출기는 하나 이상의 이동가능한 거울의 위치를 조정하도록 구성된 하나 이상의 작동기를 포함할 수 있다. 예로서, 하나 이상의 작동기는 하나 이상의 조정 나사 및/또는 하나 이상의 압전 작동기 같은 하나 이상의 다른 유형의 작동기일 수 있거나 그를 포함할 수 있다.
예를 들어, 하나 이상의 이동가능한 반사 요소는 이동가능한 반사 요소의 매트릭스를 포함할 수 있다. 따라서, 이동가능한 미세-거울들의 어레이를 포함하는 미세기계적 거울 장치가, 예를 들면 텍사스 인스트루먼츠(Texas Instruments)의 소위 DLP(등록상표) 기술을 사용함으로써, 사용될 수 있다. 하나 이상의 이동가능한 반사 요소를 사용함으로써 하나 이상의 패턴 및/또는 프린지(fringe)가 생성되고/되거나 투사될 수 있다.
상기 개략적으로 기재된 바와 같이, 조명원은 통상적으로 또한 특히 가시광 스펙트럼 범위, 적외선 스펙트럼 범위 및 자외선 스펙트럼 범위중 하나 이상의 조명 광을 방출시키도록 구성될 수 있다. 구체적으로, 조명 광은 적외선 스펙트럼 범위의 조명 광일 수 있다. 따라서, 상기 개략적으로 기재된 바와 같이, 반사 요소는 적외선 스펙트럼 범위의 광을 반사시키도록 구성될 수 있고, 이 때 가시광 스펙트럼 범위의 광은 투과된다. 상이한 스펙트럼 범위의 반사 특성의 다른 조합도 실현가능하다. 특히, 하나 이상의 반사 요소는 적외선 스펙트럼 범위에서 반사 특성을 갖는 하나 이상의 이동가능한 반사 요소, 예컨대 이동가능한 적외선 거울, 특히 이동가능한 "열반사경(hot mirror)"을 포함할 수 있다.
하나 이상의 반사 요소는 일반적으로 공간에서 조명 광을 완전히 또는 부분적으로 반사시키거나 다른 방향으로 유도하도록 구성된 임의의 요소일 수 있다. 당업자가 알게 되는 바와 같이, 다양한 유형의 반사 요소가 통상적으로 공지되어 있고 본원에 사용될 수 있다. 특히, 반사 요소는 거울; 반투명 거울; 적외선 스펙트럼 범위의 광 같은 특정 스펙트럼 영역만 반사시키는 거울 또는 반투명 거울; 프리즘; 이색성 거울; 빔 분할 큐브로 이루어진 군으로부터 선택될 수 있다. 언급된 요소 및/또는 다른 유형의 반사 요소의 조합도 실현가능하다. 구체적으로, 아래에서 더욱 상세하게 개략적으로 기재되는 바와 같이, 하나 이상의 반사 요소는 빔 분할 특성을 나타낼 수 있고, 따라서 단단한 반사 요소 또는 이동가능한 반사 요소인 하나 이상의 반사 요소는 검출기에 존재할 수 있는 하나 이상의 빔 분할 장치와 완전히 또는 부분적으로 동일할 수 있다.
하나 이상의 반사 요소의 사용, 특히 하나 이상의 이동가능한 반사 요소의 사용, 더욱 특히 적외선 스펙트럼 범위에서 반사 특성을 갖는 하나 이상의 이동가능한 반사 요소의 사용은 상기 일부 개략적으로 기재된 바와 같이 다수의 이점을 제공한다. 따라서, 예로서, 예컨대 게임 분야에서 시판중인 현재의 거리 센서는 일반적으로 분석되어야 하는 공간에 점 패턴을 투사할 수 있다. 하나 이상의 카메라를 사용함으로써 점 패턴을 모니터링할 수 있고, 적절한 측정 연산을 적용할 수 있다. 이 과정은 상당한 양의 연산력을 필요로 한다. 대조적으로, 본 발명에 따른 검출기는 검출 과정을 간단하게 만드는 용이한 방법을 제공한다. 이동가능한 적외선 거울 같은 이동가능한 반사 요소를 사용함으로써, 적외선 조명 광, 더욱 특히 단일 적외선 광 빔 같은 조명 광을 분석되어야 하는 공간을 통해 이동시킬 수 있다. 이 셋업에서는, 종래의 검출기에 비해 요구되는 연산력을 상당히 감소시킬 수 있다.
따라서, 상기 개략적으로 기재된 바와 같이, 스캐닝 과정을 적용할 수 있다. 이동가능한 거울은 예컨대 선 패턴, 정사각형 패턴 또는 다른 패턴을 판독할 수 있게 한다. 따라서, 검출기, 특히 하나 이상의 종방향 광학 센서를 포함하는 검출기, 더욱 특히 하나 이상의 유기 태양 전지 및/또는 DSC 및/또는 sDSC를 포함하는 검출기는 거리 정보 같은 직접적이고 빠른 종방향 정보를 제공할 수 있다. 물체의 위치에 따라 하나 이상의 이동가능한 반사 요소의 하나 이상의 위치를 조정함으로써, 이동가능한 거울 같은 이동가능한 반사 요소는 일반적으로 하나 이상의 물체를 추적하도록 구성될 수 있다. 이로써, 검출기는 사람, 얼굴, 사지 또는 다른 이동가능한 물체 또는 이동가능한 물체의 조합 같은 특정 물체를 추적 및/또는 분석하도록 구성될 수 있다.
하나 이상의 물체는 하나 이상의 광 빔을 방출하고/하거나 하나 이상의 광 빔을 검출기를 향해 전송하도록 구성될 수 있는 하나 이상의 비컨 장치(이는 또한 표적 장치로도 불림)를 포함할 수 있거나 비컨 장치와 조합될 수 있다. 하나 이상의 비컨 장치의 가능한 실시양태에 대해서는 예를 들어 WO 2012/110924 A1 호를 참조할 수 있다. 다른 실시양태도 실현가능하다. 따라서, 일반적으로, 하나 이상의 비컨 장치는 조명 광 같은 광을 반사시키도록 구성된 하나 이상의 수동형 비컨 장치일 수 있거나 그를 포함할 수 있고/있거나, 광을 방출하도록 구성된 하나 이상의 능동형 장치일 수 있거나 그를 포함할 수 있다. 따라서, 일반적으로는, 특히 이동가능한 반사 장치와 함께 하나 이상의 능동적으로 방출하는 표적 장치 및/또는 반사하는 표적 장치를 사용할 수 있다. 이 셋업에서는, 예로서, 이동가능한 적외선 광 빔을 조명 광으로서 및/또는 조명 광의 일부로서 사용할 수 있고, 검출기는 공간에서 패턴 및/또는 특정 영역을 측정하도록 구성될 수 있고/있거나 특정 물체를 추적하도록 구성될 수 있다.
아래에서 더욱 상세하게 개략적으로 기재되는 바와 같이, 검출기는 하나 이상의 카메라, 더욱 특히 총천연색 카메라, 예컨대 RGB-카메라 같은 하나 이상의 촬영 장치를 추가로 포함할 수 있다. 이 셋업에서는, 특히 중요한 것으로 보이는 RGB-사진에서의 영역, 예를 들어 움직이고/움직이거나 변화되는 물체를 분석하기 위하여 이동가능한 적외선 광 빔 같은 이동가능한 적외선 조명 광을 사용할 수 있다. 간단한 사진 분석 연산에 의해 이를 획득할 수 있다. 이로써, 얼굴, 사지 또는 다른 이동가능한 물체의 신속하고도 간단한 추적이 실현될 수 있다.
게임과 관련하여서는, 예컨대 게임 콘솔 및/또는 증강 현실 용도와 관련하여서는, 아래에서 더욱 상세하게 개략적으로 기재되는 바와 같이, 특히 하나 이상의 이동가능한 반사 요소를 갖는 본 발명에 따른 검출기는 추가적인 이점을 제공한다. 따라서, 현재의 센서는 통상 공간에서 물체를 분석할 수 없다. 결과적으로, 이러한 유형의 센서는 통상 증강 현실 정보의 해석에서 제한된다. 따라서, 시판중인 센서 및 검출기는 통상 깊이 정보를 분석할 수 없다. 이들 센서 또는 검출기는 2D 위치를 검출할 수 있다. 그러나, 손, 발 또는 다른 신체 부위 같은 물체의 깊이 정보를 입수할 수 없기 때문에, 증강 현실은 통상 2D-이미지에 의해서만 영향을 받는다. 대조적으로, 본 발명과 관련하여서는, 특히 기계 제어, 게임 또는 증강 현실과 관련하여서는, 공간에서의 물체의 추적이 실현될 수 있다. 또한, 상기 개략적으로 기재된 바와 같이, 표준 연산력, 또는 통상 낮은 연산력을 사용함으로써 본 발명을 수행할 수 있다.
검출기는 또한 하나 이상의 촬영 장치를 포함할 수 있다. 촬영 장치는, 물체로부터 검출기로 이동하는 광 빔이 촬영 장치에 도달하기 전에 종방향 광학 센서를 통해 통과하도록 하도록 구성될 수 있다.
본원에 사용되는 "촬영 장치"는 일반적으로 물체 또는 그의 일부의 1차원, 2차원 또는 3차원 이미지를 생성시킬 수 있는 장치로서 생각된다. 구체적으로, 촬영 장치는 완전히 또는 부분적으로 카메라로서 사용될 수 있다. 예를 들어, 촬영 장치는 RGB 카메라, 즉 3개의 별도의 접속부 상에서 적색, 녹색 및 청색으로서 지칭되는 세 가지 기본 색상을 전달하도록 디자인된 카메라; IR 카메라, 즉 적외선 스펙트럼 범위의 광 빔의 일부를 기록하도록 디자인된 카메라로 이루어진 군으로부터 선택되는 카메라일 수 있으나, 원칙적으로는 다르게는 또는 추가로 다른 유형의 카메라도 사용될 수 있다. 촬영 장치의 다른 실시양태도 가능하다.
촬영 장치는 물체의 복수의 부분적인 영역을 연속적으로 및/또는 동시에 촬영하도록 디자인될 수 있다. 예로서, 물체의 부분적인 영역은 예컨대 촬영 장치의 해상도 한계에 의해 범위가 정해지고 그로부터 전자기선이 방출되는 물체의 1차원, 2차원 또는 3차원 영역일 수 있다.
이와 관련하여, 촬영은 물체의 개별적인 부분 영역으로부터 방출되는 전자기선을 예컨대 검출기의 하나 이상의 임의적인 전달 장치에 의해 촬영 장치로 공급함을 의미하는 것으로 이해되어야 한다.
특히, 촬영 장치는 예를 들어 스캐닝 방법에 의해, 특히 하나 이상의 열 스캐닝 및/또는 행 스캐닝을 이용하여 복수의 부분 영역을 연속적으로 촬영하도록 디자인될 수 있다. 그러나, 다른 실시양태, 예컨대 복수의 부분 영역을 동시에 촬영하는 실시양태도 가능하다. 촬영 장치는 물체의 부분 영역의 이러한 촬영 동안 부분 영역에 관련된 신호, 바람직하게는 전자 신호를 발생시키도록 디자인된다. 신호는 아날로그 및/또는 디지털 신호일 수 있다. 예로서, 전자 신호는 각 부분 영역과 관련될 수 있다. 따라서, 전자 신호는 동시에 또는 일시적으로 촉발되는 방식으로 생성될 수 있다. 예로서, 열 스캐닝 또는 행 스캐닝 동안, 함께 행을 이루는 샘플의 부분 영역에 상응하는 일련의 전자 신호를 발생시킬 수 있다. 또한, 촬영 장치는 하나 이상의 필터 및/또는 전자 신호의 처리 및/또는 예비 처리를 위한 아날로그-디지털 전환장치 같은 하나 이상의 신호 처리 장치를 포함할 수 있다.
촬영 장치는 카메라 칩, 예를 들어 CCD 칩 및/또는 CMOS 칩을 포함할 수 있다. 바람직하게는, 촬영 장치는 무기 촬영 장치를 포함할 수 있다. 촬영 장치는 픽셀의 매트릭스를 포함할 수 있다. 본원에 사용되는 픽셀은 통상 촬영 장치의 감광성 요소를 가리킨다. 본원에 사용되는 "매트릭스"는 선 배열 또는 면 배열일 수 있는, 공간에서 복수의 픽셀의 배열을 일컫는다. 따라서, 일반적으로, 매트릭스는 1차원 매트릭스; 2차원 매트릭스의 군으로부터 선택될 수 있다. 가장 바람직하게는, 매트릭스는 열 및 행으로 배열된 픽셀을 갖는 직사각형 매트릭스이다. 촬영 장치는 CMOS 칩 및 CCD 칩으로 이루어진 군으로부터 선택되는 칩을 포함할 수 있다. 또한, 촬영 장치는 색상을 분석하도록 구성될 수 있다. 촬영 장치는 총천연색 CCD 칩일 수 있다. 바람직한 실시양태에서, 촬영 장치는 RGB 카메라 및/또는 IR 카메라일 수 있다.
검출기는 또한 하나 이상의 빔 분할 장치를 포함할 수 있으며, 이 때 빔 분할 장치는 종방향 광학 센서를 통과하기 전에 조명원으로부터 방출된 조명 광을 종방향 광학 센서를 통과한 후 물체로부터 검출기로 이동하는 광 빔으로부터 분리하도록 구성될 수 있다. 본원에 사용되는 빔 분할 장치는 조명 장치에 의해 방출된 광 빔을 둘 이상의 광 빔으로 분할하고 광 빔을 광축의 방향에서, 특히 광축의 방향에 평행하게 편항시키도록 구성된 장치이다. 빔 분할 장치는 반투명한 거울; 적외선 스펙트럼 범위의 광 같은 특정 스펙트럼 영역만 반사시키는 거울 또는 반투명한 거울; 프리즘; 이색성 거울; 빔 분할 큐브로 이루어진 군으로부터 선택될 수 있다.
상기 개략적으로 기재된 바와 같이, 하나 이상의 임의적인 빔 분할 장치는 하나 이상의 임의적인 반사 장치와 완전히 또는 부분적으로 동일할 수 있다. 따라서, 상기 개략적으로 기재된 바와 같이, 빔 분할 장치는 둘 이상의 위치로 조정되도록 구성된 하나 이상의 이동가능한 반사 요소일 수 있거나 그를 포함할 수 있고, 이 때 둘 이상의 상이한 위치에서 조명 광은 상이한 방향으로 반사된다. 특히, 하나 이상의 빔 분할 장치는 하나 이상의 적외선 반사 요소, 특히 하나 이상의 이동가능한 적외선 반사 요소일 수 있거나 그를 포함할 수 있다.
여기에서, 종방향 광학 센서를 통과한 후 물체로부터 검출기로 이동하는 하나 이상의 광 빔의 위치 및/또는 배향은, 하나 이상의 반사 요소를 통과할 때, 특히 하나 이상의 이동가능한 반사 요소를 통과할 때 적어도 실질적으로 변하지 않고 유지될 수 있다. 따라서, 특히, 하나 이상의 이동가능한 반사 요소는, 조명 광의 위치 및/또는 배향은 이동가능한 반사 요소를 움직일 때 이동가능한 반사 요소의 움직임에 의해 변화되는데 반해, 광 빔의 위치 및/또는 배향은 이동가능한 반사 요소의 움직임과는 적어도 실질적으로 독립적으로 유지될 수 있도록 하도록 구성될 수 있다.
종방향 센서 신호는 또한 광 빔의 변조 주파수에 따라 달라질 수 있다. 특히, FiP-효과는 WO 2012/110924 A1 호에 개시되어 있는 바와 같이 적절한 광 빔의 변조에 따라 달라질 수 있거나 그러한 변조에 의해 강조될 수 있다. 특히, 하나 이상의 종방향 광학 센서가 상기 FiP-효과를 제공하는 경우, 종방향 광학 센서의 센서 신호는 광 빔의 변조 주파수에 따라 달라질 수 있다. 예로서, FiP-효과는 0.1Hz 내지 10kHz의 변조 주파수로서 기능할 수 있다.
조명원은 조명 광의 하나 이상의 광학 특성을 주기적으로 변조하도록 구성될 수 있다. 따라서, 조명원은 변조되는 방식으로 광 빔을 방출하도록 구성될 수 있고/있거나, 조명 광의 하나 이상의 광학 특성을 주기적으로 변조하도록 구성될 수 있는 추가적인 변조 장치를 사용할 수 있다. 예를 들어, 하나 이상의 광학 특성은 조명 광의 진폭 및 위상으로 이루어진 군으로부터 선택될 수 있다. 하나 이상의 상이한 목적을 위해, 예를 들면 FiP-효과를 향상시키고/시키거나 가능케 하기 위하여, 및/또는 특정 변조 주파수에서 발광하는 하나 이상의 조명원을 확인하기 위하여, 변조를 이용할 수 있다. 후자의 목적은 상이한 변조 주파수에서 둘 이상의 상이한 변조된 광 빔을 구별하기 위해 이용될 수 있다. 추가적인 세부사항에 대해서는 2013년 6월 13일자로 출원된 EP 13171900.7 호를 참조할 수 있다.
조명원은 상이한 광학 특성을 갖는 둘 이상의 광 빔을 내보내도록 구성된다. 예를 들어, 둘 이상의 광 빔은 상이한 스펙트럼 특성을 가질 수 있다. 예를 들면, 광 빔의 스펙트럼 특성은 광 빔의 일부의 색상 및/또는 광 빔의 일부의 편광일 수 있다. 바람직하게는, 둘 이상의 광 빔은 상이한 변조 주파수에서 변조된다.
상기 하나 이상의 종방향 센서 신호는 또한 광 빔의 변조 주파수에 의존적일 수 있다. 상기 평가 장치는 바람직하게는, 상이한 변조 주파수에서 종방향 센서 신호를 복조함으로써 주파수 분석을 수행하도록 구성될 수 있다. 조명원에서 내보내진 광 빔의 변조 및 평가 장치에 의한 종방향 센서 신호의 복조는 바람직하게는 동일한 변조 주파수 세트에서 이루어진다. 이를 위하여, 평가 장치는 하나 이상의 주파수 혼합 장치 같은 하나 이상의 복조 장치, 하나 이상의 로우-패스(low-pass) 필터 같은 하나 이상의 주파수 필터, 또는 하나 이상의 로크-인(lock-in) 증폭기 및/또는 푸리에-분석기를 함유할 수 있다. 평가 장치는 바람직하게는 주파수의 소정 범위 및/또는 조정가능한 범위에 걸쳐 별도의 또는 연속적인 푸리에 분석을 수행하도록 구성될 수 있다.
평가 장치는 하나 이상의 주파수 혼합 장치 같은 하나 이상의 전자 구성요소및/또는 하나 이상의 밴드-패스 필터 및/또는 하나 이상의 로우-패스 필터 같은 하나 이상의 필터를 포함할 수 있다. 따라서, 예로서, 평가 장치는 주파수 분석을 수행하기 위하여 하나 이상의 로크-인 증폭기 또는 바람직하게는 로크-인 증폭기 세트를 포함할 수 있다. 따라서, 예로서, 변조 주파수 세트가 제공되는 경우, 평가 장치는 변조 주파수 세트의 각 변조 주파수에 대한 별도의 로크-인 증폭기를 포함할 수 있거나, 또는 예컨대 연속적으로 또는 동시에 둘 이상의 변조 주파수에 대해 주파수 분석을 수행하도록 구성된 하나 이상의 로크-인 증폭기를 포함할 수 있다. 이 유형의 로크-인 증폭기는 일반적으로 당업계에 공지되어 있다.
평가 장치는 광 빔에 의한 센서 영역의 조명의 기하학적 형태와 검출기에 대한 물체의 상대적인 위치 설정 사이의 하나 이상의 미리 한정된 관계로부터 물체의 종방향 위치에 대한 하나 이상의 정보 아이템을 생성시키도록 구성될 수 있다. 광 빔에 의한 센서 영역의 조명의 기하학적 형태와 검출기에 대한 물체의 상대적인 위치 설정 사이의 미리 한정된 관계는 공지되어 있는 조명의 동력을 고려할 수 있다. 공지의 관계는 연산으로서 및/또는 하나 이상의 보정 곡선으로서 저장될 수 있다. 예로서, 특히 가우시안 빔의 경우, 빔 웨이스트와 종방향 좌표 사이의 가우시안 관계를 사용함으로써 빔 직경 또는 빔 웨이스트와 물체의 위치 사이의 관계를 용이하게 유도할 수 있다. 광 빔에 의한 센서 영역의 조명의 기하학적 형태와 검출기에 대한 물체의 상대적인 위치 설정 사이의 미리 한정된 관계는 조명이 변조되는 변조 주파수를 고려할 수 있다.
검출기는 하나 이상의 광학 장치를 포함할 수 있고, 이 때 광학 장치는 조명 광 및 광 빔중 하나 이상에 대해 초점 설정 또는 초점 이탈 효과중 하나 또는 둘 다를 갖는 하나 이상의 요소를 포함한다. 하나 이상의 광학 장치는 완전히 또는 부분적으로 하기 위치중 하나 이상에 위치될 수 있다:
- 조명원과 종방향 광학 센서 사이의 빔 경로;
- 종방향 광학 센서와 물체 사이의 빔 경로;
- 종방향 광학 센서와 촬영 장치 사이의 빔 경로.
상기 하나 이상의 광학 장치는, 물체로부터 검출기로 이동하는 광 빔이 광학 장치를 통과하여 촬영 장치에 도달하기 전에 종방향 광학 센서를 통해 통과하도록 구성될 수 있다.
조명 광은 검출기의 광축에 적어도 부분적으로 실질적으로 평행하게 이동할 수 있다. 본원에 사용되는 용어 "실질적으로 평행한"은 광축으로부터 ±20°이하, 바람직하게는 ±10°이하, 더욱 바람직하게는 ±5°이하로 벗어나는 빔 축을 가리킨다. 종방향 광학 센서, 조명원 및 임의적으로 촬영 장치는 검출기의 광축에 대해 공축으로 배열된다.
하나 이상의 종방향 광학 센서, 바람직하게는 하나 이상의 초점 종방향 광학 센서는 하나 이상의 반도체 검출기를 포함할 수 있다. 상기 반도체 검출기는, 하나 이상의 유기 물질을 포함하는 유기 광 검출기일 수 있다. 상기 반도체 검출기는, 유기 태양 전지, 염료 태양 전지, 염료-증감된 유기 태양 전지, 고체 염료 태양 전지, 고체 염료-증감된 태양 전지로 이루어진 군 중에서 선택될 수 있다. 복수의 종방향 광학 센서가 제공되는 경우, 종방향 광학 센서 중 하나 이상은 하나 이상의 유기 반도체 검출기 및/또는 하나 이상의 무기 반도체 검출기이거나 이를 포함할 수 있다. 가장 바람직하게는, 반도체 검출기는, 하나 이상의 유기 물질을 포함하는 유기 광 검출기일 수 있다. 또한, 다른 실시양태가 실현될 수 있다. 따라서, 하나 이상의 유기 반도체 검출기 및/또는 하나 이상의 무기 반도체 검출기의 조합이 실현될 수 있다.
종방향 광학 센서, 특히 초점 종방향 광학 센서, 및 예를 들어 하나 이상의 추가의 종방향 광학 센서, 및 전달 장치는 구체적으로, 하나의 공통적인 광학 축 상에 배열될 수 있다. 예를 들어 하나 이상의 물체는 하나 이상의 조명원에 의해 조명될 수 있으며, 하나 이상의 조명원은 역시 하나의 공통적인 광축(optical axis) 상에 배열되거나 또는 상기 공통적인 광축에서 벗어나 배열될 수 있다. 종방향 광학 센서 및 전달 장치는, 조명된 하나 이상의 물체에서 기원된 광이 종방향 광학 센서에 부딪히기 전에 전달 장치를 통해 전달될 수 있도록 배열될 수 있다. 하나 이상의 전달 장치와 종방향 광학 센서 사이에 하나 이상의 반사 요소, 예를 들면 빔 분할기가 배열될 수 있으며, 이는 공통적인 광축으로부터 부분적으로 광을 예를 들면 추가의 검출기(예컨대 CMOS 검출기 또는 카메라)로 반사할 수 있다.
하나의 실시양태에서, 상기 조명원, 전달 장치 및 종방향 광학 센서 및/또는 종방향 광학 센서의 스택은 하나의 축 상에 배열될 수 있다. 이러한 배열은, 검출기를 컴팩트하고 덜 비싸게 만들 수 있다. 조명원에서 물체로 이동되는 광은 상기 종방향 광학 센서에 충돌되고 이를 통과하여 종방향 센서 신호를 생성할 수 있다. 이어서, 상기 광은 상기 물체에 의해 반사될 수 있으며, 상기 하나 이상의 전달 장치를 통해 전달되어 상기 종방향 광학 센서에 다시 부딪힐 것이다. 종방향 센서 신호는, 상기 물체로부터 상기 종방향 광학 센서로 전달되는 충돌 광으로 인해 변할 수 있다. 종방향 센서 신호의 변화는 상기 하나 이상의 물체의 위치를 결정하게 할 수 있다.
동시에 이루어지는 하나 이상의 물체의 위치 결정과 이미지, 예컨대 컬러 비디오 기록의 경우, 종방향 광학 센서는 촬영 장치, 예를 들어 RGB 카메라 앞에 배열될 수 있다. 이 실시양태에서, 조명원, 예를 들어 초점 설정된 IR 램프는 촬영 장치 및 조명원의 불투명성 때문에 공동 광축으로부터 벗어나서 배열될 수 있다. 조명 광은 전자기 스펙트럼의 적외선 범위의 광을 반사시키도록 구성될 수 있고 전자기 스펙트럼의 가시광 범위의 광에 대해 광 투과성인 거울에 의해 공동 축으로 전달될 수 있다. 전가기 스펙트럼의 적외선 부분은 통상 780nm 내지 1mm, 바람직하게는 780nm 내지 3.0㎛의 스펙트럼 범위를 가리킨다. 전자기 스펙트럼의 가시광 범위는 통상 380nm 내지 780nm, 바람직하게는 380nm 내지 640nm의 스펙트럼 범위를 일컫는다.
검출기를 사용하여 하나 이상의 물체의 하나보다 많은 위치를 결정할 수 있다. 조명원은 각각 상이한 변조 주파수로 변조된 수 개의 집중되는 광을 방출하도록 구성될 수 있다. 결정된 종방향 센서 신호를 푸리에 변환에 의해 평가할 수 있다. 따라서, 푸리에 변환을 이용함으로써 동일한 종방향 광학 센서를 이용하여 물체의 각각의 비춰진 지점 및/또는 영역의 기여도를 결정할 수 있다.
또한, 검출기, 특히 종방향 광학 센서는 물체의 x- 및/또는 y-좌표를 결정하도록 구성될 수 있다. 따라서, 상기 개략적으로 기재된 바와 같이, 검출기는 하나 이상의 횡방향 광학 센서를 포함할 수 있다.
본 발명의 추가의 양태에서는, 사용자와 기계 사이에서 하나 이상의 정보 아이템을 교환하기 위한 사람-기계 인터페이스가 개시된다. 사람-기계 인터페이스는 본 발명에 따른, 예컨대 상기 개시되거나 아래에서 더욱 상세하게 개시되는 하나 이상의 실시양태에 따른 하나 이상의 검출기 시스템을 포함한다. 사람-기계 인터페이스는 검출기 시스템에 의해 사용자의 하나 이상의 위치를 결정하도록 디자인되고, 이 위치에 하나 이상의 정보 아이템을 부여하도록 디자인된다.
본원에 사용되는 용어 "사람-기계 인터페이스"는 통상 하나 이상의 데이터 처리 장치를 갖는 기계 같은 기계와 사용자 사이에서 하나 이상의 정보 아이템, 특히 하나 이상의 전자 정보 아이템을 교환하도록 구성된 임의적인 장치 또는 장치의 조합을 가리킨다. 사용자의 신체 자세 및/또는 움직임에 의해 정보 아이템을 생성시킬 수 있다. 정보의 교환은 일방향 방식으로 및/또는 이방향 방식으로 수행될 수 있다. 특히, 사람-기계 인터페이스는 사용자가 하나 이상의 명령을 기계가 판독할 수 있는 방식으로 기계에 제공할 수 있게 하도록 구성될 수 있다.
본 발명의 다른 양태에는, 하나 이상의 엔터테인먼트 기능을 수행하기 위한 엔터테인먼트 장치가 개시된다. 엔터테인먼트 장치는 상기 개시되거나 아래에서 더욱 상세하게 개시되는 실시양태중 하나 이상에 개시되는 것과 같은 본 발명에 따른 하나 이상의 사람-기계 인터페이스를 포함한다. 엔터테인먼트 장치는 사람-기계 인터페이스에 의해 플레이어, 즉 엔터테인먼트 목적을 위해 엔터테인먼트 장치를 사용하는 사용자가 하나 이상의 정보 아이템을 입력할 수 있도록 디자인되며, 이 때 엔터테인먼트 장치는 정보에 따라 엔터테인먼트 기능을 변화시키도록 디자인된다.
본원에 사용되는 "엔터테인먼트 장치"는 1인 이상의 사용자(하기에서는 또한 1인 이상의 플레이어로도 일컬어짐)의 레저 및/또는 엔터테인먼트를 제공할 수 있는 장치이다. 예로서, 엔터테인먼트 장치는 게임, 바람직하게는 컴퓨터 게임의 역할을 할 수 있다. 부가적으로 또는 다르게는, 엔터테인먼트 장치는 또한 운동, 스포츠, 물리 치료 또는 일반적으로 움직임 추적 같은 다른 목적을 위해 이용될 수 있다. 따라서, 엔터테인먼트 장치는 컴퓨터, 컴퓨터 네트워크 또는 컴퓨터 시스템에서 실행될 수 있거나 또는 하나 이상의 게임 소프트웨어 프로그램을 실행하는 컴퓨터, 컴퓨터 네트워크 또는 컴퓨터 시스템을 포함할 수 있다.
엔터테인먼트 장치는 상기 개시된 하나 이상의 실시양태에 따르고/따르거나 아래에 개시되는 하나 이상의 실시양태에 따르는 것과 같이 본 발명에 따른 하나 이상의 사람-기계 인터페이스를 포함한다. 엔터테인먼트 장치는 사람-기계 인터페이스에 의해 플레이어가 하나 이상의 정보 아이템을 입력할 수 있도록 디자인된다. 하나 이상의 정보 아이템은 엔터테인먼트 장치의 컨트롤러 및/또는 컴퓨터로 전송되고/되거나 컨트롤러 및/또는 컴퓨터에 의해 사용될 수 있다.
하나 이상의 정보 아이템은 바람직하게는 게임 과정에 영향을 끼치도록 구성된 하나 이상의 명령을 포함할 수 있다. 따라서, 예로서, 하나 이상의 정보 아이템은 플레이어 및/또는 플레이어의 하나 이상의 신체 부위의 하나 이상의 배향에 대한 하나 이상의 정보 아이템을 포함함으로써 플레이어가 게임에 필요한 특정 위치 및/또는 배향 및/또는 행동을 모방하도록 할 수 있다. 예로서, 하기 움직임중 하나 이상을 모방하고 엔터테인먼트 장치의 컨트롤러 및/또는 컴퓨터와 연통될 수 있다: 춤추기; 달리기; 점프하기; 라켓 휘두르기; 배트 휘두르기; 클럽 휘두르기; 표적을 향해 장난감 총을 겨냥하기 같은 다른 물체 쪽으로 물체를 겨낭하기.
일부로서 또는 전체로서의 엔터테인먼트 장치, 바람직하게는 엔터테인먼트 장치의 컨트롤러 및/또는 컴퓨터는 정보에 따라 엔터테인먼트 기능을 변화시키도록 디자인된다. 따라서, 상기 개략된 바와 같이, 하나 이상의 정보 아이템에 따라 게임의 과정이 영향을 받는다. 따라서, 엔터테인먼트 장치는 하나 이상의 검출기의 평가 장치와는 분리되고/되거나 하나 이상의 평가 장치와 완전히 또는 부분적으로 동일하거나 심지어는 하나 이상의 평가 장치를 포함하는 하나 이상의 컨트롤러를 포함한다. 바람직하게는, 하나 이상의 컨트롤러는 하나 이상의 컴퓨터 및/또는 마이크로컨트롤러 같은 하나 이상의 데이터 처리 장치를 포함한다.
본 발명의 추가적인 양태에서는, 하나 이상의 이동가능한 물체의 위치를 추적하기 위한 추적 시스템이 제공된다. 추적 시스템은 상기에 기재되거나 아래에서 더욱 상세하게 기재되는 하나 이상의 실시양태에 개시되는 하나 이상의 검출기 같은 본 발명에 따른 하나 이상의 검출기를 포함한다. 추적 시스템은 또한 하나 이상의 추적 컨트롤러를 포함하며, 이 때 추적 컨트롤러는 특정 시점에서 물체의 일련의 위치를 추적하도록 구성된다. 예를 들면, 데이터 또는 데이터 쌍의 군(이 때, 데이터 또는 데이터 쌍의 각 군은 하나 이상의 위치 정보 및 하나 이상의 시간 정보를 포함함)을 기록함으로써 물체의 일련의 위치를 추적할 수 있다.
본원에 사용되는 "추적 시스템"은 하나 이상의 물체 및/또는 물체의 하나 이상의 일부의 일련의 지난 위치에 대한 정보를 수집하도록 구성된 장치이다. 또한, 추적 시스템은 하나 이상의 물체 또는 물체의 하나 이상의 일부의 하나 이상의 예상되는 미래의 위치 및/또는 배향에 대한 정보를 제공하도록 구성될 수 있다. 추적 시스템은 하나 이상의 추적 컨트롤러를 가질 수 있는데, 이는 완전히 또는 부분적으로 전자 장치로서, 바람직하게는 하나 이상의 데이터 처리 장치로서, 더욱 바람직하게는 하나 이상의 컴퓨터 또는 마이크로컴퓨터로서 구현될 수 있다. 다시, 하나 이상의 추적 컨트롤러는 완전히 또는 부분적으로 하나 이상의 평가 장치를 포함할 수 있고/있거나 하나 이상의 평가 장치의 일부일 수 있고/있거나 완전히 또는 부분적으로 하나 이상의 평가 장치와 동일할 수 있다.
추적 시스템은 추적 시스템 자체 및/또는 하나 이상의 별도의 장치의 하나 이상의 작동을 개시하도록 구성될 수 있다. 후자의 경우, 추적 시스템, 바람직하게는 추적 컨트롤러는 하나 이상의 무선 및/또는 유선 인터페이스 및/또는 하나 이상의 작동을 개시하기 위한 다른 유형의 제어 접속부를 가질 수 있다. 바람직하게는, 하나 이상의 추적 컨트롤러는 물체의 하나 이상의 실제 위치에 따라 하나 이상의 작동을 개시하도록 구성될 수 있다. 예로서, 작동은 물체의 추후 위치의 예측; 하나 이상의 장치를 물체 쪽으로 겨누기; 하나 이상의 이상의 장치를 검출기 쪽으로 겨누기; 물체 비추기; 검출기 비추기로 이루어진 군으로부터 선택될 수 있다.
추적 시스템의 적용 예로서, 추적 시스템은 제 1 물체 및/또는 제 2 물체가 이동하는 경우에라도 하나 이상의 제 1 물체를 하나 이상의 제 2 물체로 연속적으로 겨누는데 사용될 수 있다. 가능한 예는 다시 로봇에서 및/또는 제조 라인 또는 조립 라인에서 제조하는 동안 같이 제품이 이동하는 경우에라도 제품 상에서 연속적으로 작동시키기 위한 산업상의 용도에서 찾아볼 수 있다. 추가로 또는 다르게는, 추적 시스템은 물체가 이동하는 경우에라도 물체에 조명원을 연속적으로 겨눔으로써 물체를 연속적으로 비추기 위한 것과 같은 조명 목적으로 사용된다. 이동하는 물체를 향해 전송기를 겨눔으로써 이동하는 물체에 정보를 연속적으로 전송하기 위해서와 같이 통신 시스템에서 추가적으로 사용된다.
상기 추적 시스템은 특히 로컬 또는 글로벌 위치파악 시스템의 일부일 수 있다. 부가적으로 또는 대안적으로 상기 추적 시스템은 가시광 통신 시스템의 일부일 수 있다. 다른 용도도 실현가능하다.
본 발명에 따른 장치, 즉 검출기, 사람-기계 인터페이스, 엔터테인먼트 장치, 추적 시스템 또는 카메라는 특히, 로컬 또는 글로벌 위치파악(positioning) 시스템과 함께, 예를 들어 인도어(indoor) 또는 아웃도어(outdoor) 네비게이션에 사용될 수 있다. 예로서, 본 발명에 따른 하나 이상의 장치는 소프트웨어/데이타베이스-조합, 예컨대 구글 맵스(Google Maps)(등록상표) 또는 구글 스트릿 뷰(Google Street View)(등록상표)와 조합될 수도 있다. 본 발명에 따른 장치는 추가로, 데이타베이스에서 위치가 확인될 수 있는 주변에서 물체까지의 거리를 분석하는데 사용될 수도 있다. 공지된 물체의 위치까지의 거리로부터 사용자의 로컬 또는 글로벌 위치가 산출될 수 있다.
본 발명의 다른 양태에서, 하나 이상의 물체를 촬영하기 위한 카메라가 개시된다. 카메라는 상기 주어지거나 아래에서 추가로 상세하게 주어지는 하나 이상의 실시양태에 개시되는 것과 같은 본 발명에 따른 하나 이상의 검출기를 포함한다.
따라서, 구체적으로, 본원은 사진 분야에 적용될 수 있다. 따라서, 검출기는 사진 장치, 특히 디지털 카메라의 부품일 수 있다. 구체적으로, 검출기는 3D 사진술, 특히 디지털 3D 사진술에 사용될 수 있다. 따라서, 검출기는 디지털 3D 카메라를 구성할 수 있거나 디지털 3D 카메라의 부품일 수 있다. 본원에 사용되는 용어 "사진술"은 통상적으로 하나 이상의 물체의 이미지 정보를 획득하는 기술을 말한다. 또한 본원에 사용되는 "카메라"는 통상적으로 사진을 찍도록 구성된 장치이다. 본원에 또한 사용되는 용어 "디지털 사진술"은 통상 조명의 강도 및/또는 색상을 나타내는 전기 신호, 바람직하게는 디지털 전기 신호를 생성시키도록 구성된 복수의 감광성 요소를 사용함으로써 하나 이상의 물체의 이미지 정보를 획득하는 기술을 일컫는다. 본원에 또한 사용되는 용어 "3D 사진술"은 통상 3개의 공간 차원에서 하나 이상의 물체의 영상 정보를 획득하는 기술을 말한다. 따라서, 3D 카메라는 3D 사진을 찍도록 구성된 장치이다. 카메라는 일반적으로 단일 3D 이미지 같은 단일 이미지를 획득하도록 구성될 수 있거나, 또는 일련의 이미지 같은 복수의 이미지를 획득하도록 구성될 수 있다. 따라서, 카메라는, 디지털 비디오 시퀀스를 획득하는 것과 같은 비디오 용도에 적합화된 비디오 카메라일 수도 있다.
따라서, 일반적으로, 본 발명은 또한 하나 이상의 물체를 촬영하기 위한 카메라, 특히 디지털 카메라, 더욱 특히 3D 카메라 또는 디지털 3D 카메라를 말한다. 상기 개략된 바와 같이, 본원에 사용되는 용어 "촬영"은 통상 하나 이상의 물체의 이미지 정보를 획득함을 가리킨다. 카메라는 본 발명에 따른 하나 이상의 검출기를 포함한다. 상기 개략된 바와 같은 카메라는 단일 이미지를 획득하는데 또는 일련의 이미지 같은 복수의 이미지를 획득하는데, 바람직하게는 일련의 디지털 비디오를 획득하도록 구성될 수 있다. 따라서, 예로서, 카메라는 비디오 카메라일 수 있거나 또는 비디오 카메라를 포함할 수 있다. 후자의 경우, 카메라는 바람직하게는 일련의 이미지를 저장하기 위한 데이터 메모리를 포함한다.
본원에서 사용되는 표현 "위치"는 일반적으로 물체의 하나 이상의 지점의 절대 위치 및 배향중 하나 이상에 관한 하나 이상의 정보 아이템을 가리킨다. 따라서, 특히, 위치는 카테시안 좌표 시스템 같은 검출기의 좌표 시스템에서 결정될 수 있다. 그러나, 부가적으로 또는 다르게는, 극좌표 시스템 및/또는 구면 좌표 시스템 같은 다른 유형의 좌표 시스템을 사용할 수 있다.
본 발명의 추가적인 양태에서는, 하나 이상의 물체의 위치를 결정하는 방법, 특히 하나 이상의 물체의 위치를 결정하는 방법이 개시된다. 이 방법은 소정 순서대로 또는 상이한 순서대로 실행될 수 있는 하기 단계를 포함한다. 또한, 방법 단계중 둘 이상 또는 심지어 모두를 동시에 및/또는 시간상 겹치게 실행할 수 있다. 또한, 하나, 둘 이상 또는 심지어 모든 방법 단계를 반복적으로 실행할 수 있다. 이 방법은 추가적인 방법 단계를 추가로 포함할 수 있다.
상기 방법은
- 초점 면을 갖는 하나 이상의 전달 장치를 사용함으로써 이미지 면으로 물체를 촬영하는 단계;
- 검출기의 하나 이상의 종방향 광학 센서를 제공하고(이때, 상기 종방향 광학 센서는 하나 이상의 센서 영역을 갖고, 상기 종방향 광학 센서는 적어도 부분적으로 투명하다), 하나 이상의 종방향 센서 신호를 발생시키는 단계(이때, 상기 종방향 센서 신호는 물체로부터 검출기까지 이동하는 하나 이상의 광 빔에 의한 센서 영역의 조도에 따라 달라지며, 상기 종방향 센서 신호는 전체 조명 동력이 동일한 경우 센서 영역에서의 광 빔의 빔 단면에 따라 달라진다);
- 종방향 센서 신호를 평가함으로써 물체의 종방향 위치에 대한 하나 이상의 정보 아이템을 생성시키는 단계
를 포함하며, 이때, 상기 하나 이상의 종방향 광학 센서는 초점 종방향 광학 센서를 포함하며, 상기 초점 종방향 광학 센서는 적어도 실질적으로 초점 면에 배열된다.
상기 방법은, 상기 주어지거나 아래에서 더욱 상세하게 주어지는 실시양태들 중 하나 이상에 개시되어 있는 바와 같은 본 발명에 따른 검출기를 사용하는 것을 포함할 수 있다. 따라서, 방법의 정의 및 가능한 실시양태에 대해서는, 검출기를 참조할 수 있다. 또한, 다른 실시양태도 실현가능하다.
상기에서 개략적으로 기재한 바와 같이, 상기 식 (15) 및 (16)을 참조하면, 두 개의 상이한 거리 zf 및 z'f에서 동일한 물체의 두 개의 종방향 광학 센서 신호 전류 j(z, zf) 및 j(z, z'f)를 이들의 초점 전류에 대해 정규화한 각각의 값 jfocal(zf) 및 jfocal(z'f)를 고려할 때, 이들 곡선은 하기 식 (21)의 경우 z=zcross에서 교차될 수 있다:
Figure 112017013080060-pct00034
(21).
상기에서 개략적으로 기재한 바와 같이, 상기 식 (17) 및 (18)을 참조하면, 가우시안 빔의 경우 하기 식(22)로 단순화된다:
Figure 112017013080060-pct00035
(22).
또한, 상기에서 개략적으로 기재한 바와 같이, 놀랍게도 상기 곡선의 교차는 각각의 곡선의 초점 위치 의존성으로 남지만, 주어진 광학 시스템의 경우 상이한 초점 길이에 대한 zcross의 차이는 작고 zcross는 종방향 센서 신호 전류가 덜 z-의존성인 영역으로 들어감이 확인되었다. 일반적으로, 주어진 광학 시스템은 특정의 광학 범위로 제한된다. 놀랍게도, 광학 시스템의 전형적인 범위 내에서, 작은 z 범위 또는 초점 인접 점이 확인되었으며, 여기서 모든 정규화된 전류 곡선들이 교차된다. 따라서, 이 위치에서 또는 이 교차 범위 내에서 종방향 광학 센서 전류를 측정하는 것은 상기 곡선의 정규화로 이어질 수 있으며, 이것이 jfocal이다. 상기 초점 종방향 광학 센서는 초점 면으로부터 거리 ±ε만큼 이격될 수 있으며, 이때 ｜ε｜≤0.2·f이며, f는 전달 장치의 초점 길이이다. 예를 들어, 종방향 광학 센서는 초점 면으로부터 거리 ±ε만큼 이격될 수 있으며, 이때 ｜ε｜≤0.1·f, 바람직하게는 ｜ε｜≤0.05·f, 더욱 바람직하게는 ｜ε｜≤0.02·f, 및 가장 바람직하게는 ｜ε｜≤0.01·f일 수 있다. 상기 하나 이상의 초점 종방향 광학 센서는, 상기 곡선들이 교차하는 범위내 또는 지점에 하나 이상의 초점 종방향 광학 센서가 들어가도록 상기 초점 면에 대해 배열될 수 있다. 또한, 이 교차 범위 내에 상기 하나 이상의 초점 종방향 광학 센서를 위치시키는 것은, 상기 교차 범위는 단지 시스템-의존적일 수 있으므로, 물체의 움직임에 의한 초점 변화로 인한 정렬 및 조정을 피할 수 있다.
상기 방법은 추가로, 초점 종방향 광학 센서의 하나 이상의 종방향 센서 신호 jfocal을 평가하고 이미지 면 내의 가정적인 종방향 광학 센서의 이론적인 종방향 센서 신호 jimage를 유도하는 것을 포함할 수 있다. 이론적인 종방향 센서 신호 jimage를 결정하기 위해, 초점 종방향 광학 센서의 종방향 센서 신호 jfocal 및 이론적인 종방향 센서 신호 jimage 간의 사전결정된 또는 결정가능한 관계식을 사용할 수 있다. 특히, 이론적인 종방향 센서 신호 jimage를 결정하는데, 이론적인 종방향 센서 신호 jimage가 초점 종방향 광학 센서의 종방향 센서 신호 jfocal에 비례한다는 가정이 사용될 수 있음이 확인되었다. 예를 들어, 상기 이론적인 종방향 센서 신호 jimage를 결정하는데 상기에도 언급한 하기 식 (19)가 사용될 수 있다:
Figure 112017013080060-pct00036
(19) (여기서, const.는 사전결정된 또는 결정가능한 상수이다). 바람직하게는, 상기 이론적인 종방향 센서 신호 jimage를 결정하는데, 상기 언급한 하기 관계식 (20)이 사용될 수도 있다:
Figure 112017013080060-pct00037
(20) (여기서, c(htarget,flens,llens)는, 물체의 크기 htarget, 전달 장치의 초점 길이 flens, 및 전달 장치의 개구 llens에 의존적인 사전결정된 또는 결정가능한 함수이다). 상기 초점 종방향 광학 센서 전류 jfocal이 결정되고 c(htarget,flens,llens)을 알면, 상기 이론적인 센서 신호 jimage를 결정할 수 있다. 따라서, 이미지 면에서 센서 신호를 결정하기 위해 이미지 면 내에 또는 이미지 면에 근접하게 종방향 광학 센서를 위치시키는 것을 피할 수 있다. 또한, 불명확성을 해결하는데 필요한 종방향 광학 센서의 양을 감소시키는 것이 가능할 수 있다. 물체의 크기 htarget, 전달 장치의 초점 길이 flens, 및 전달 장치의 개구 llens에 의존적인 사전결정된 또는 결정가능한 함수가 공지되면, 하나 이상의 물체의 종방향 위치를 결정하는데, 하나 이상의 종방향 광학 센서가 충분할 수 있다.
상기에서 개략적으로 기재한 바와 같이, 센서 스택 내의 종방향 광학 센서의 개수를 감소시키거나 종방향 광학 센서의 개수를 유지할 가능성은 몇 가지 장점, 예를 들어 개선된 시스템 안정성, 개선된 측정 결과, 낮은 시스템 복잡성 및 감소된 비용을 제공한다.
종방향 센서 신호 전류의 전체 곡선을 결정하고, 특히 초점 위치 zf를 결정하기 위해서는, 종방향 센서 신호 전류의 두번 이상의 측정이 필요할 수 있다. 일반적으로 초점 위치 zf가 완전히 비공지인 경우, 곡선의 대칭성 때문에, 두 z-값을 각각의 종방향 센서 신호 전류에 할당할 수 있으므로, 두 번의 측정이 필요하다. 그러나, 가능한 zf 값 범위가 공지인 경우는, 상기 측정이 zf와 전달 장치 간에 항상 있는 것으로 공지되어 있는 경우, 한 번의 측정으로 충분할 수 있다.
일반적인 물체의 경우, 물체의 크기 htarget은 비공지일 수 있다. 물체의 크기는, 픽셀화된 CMOS 검출기 및/또는 비픽셀화된 무기 다이오드에 의해 결정될 수도 있다. 픽셀화된 CMOS 검출기에서, 픽셀을 계수하여 물체의 크기를 결정할 수 있다. 비픽셀화된 무기 다이오드, 예를 들어 비픽셀화된 Si 다이오드에서는, 다이오드 전류가 단지 광자의 개수에만 의존적일 수 있다. 물체의 크기는, 다이오드 전류와 강도-의존성 종방향 광도 센서 신호 전류 간의 비에 의해 주어질 수 있다. 또한 센서 신호는 물체의 크기에 영향을 받을 수 있으며, 또한 추가로 물체의 콘트라스트에 의존적일 수 있다. 일반적인 물체의 경우, 따라서, 상기 htarget의 값은 CMOS 검출기 상의 픽셀 값의 개수 및 강도를 분석함으로써 수득될 수도 있다.
특히 초점 종방향 광학 센서 및 상기 개략된 식의 유도에 대한 추가의 상세한 설명 및 실시양태에 대해서는 상기 검출기에 대한 설명을 참고할 수 있다. 또한 다른 실시양태도 실현가능하다.
생성 단계에서는, 조명원의 투입 신호를 고려함으로써 종방향 위치에 대한 정보 아이템을 생성시킬 수 있다. 조명 광은 조명원으로부터 물체로 이동할 수 있고, 조명원을 향하는 종방향 광학 센서 쪽의 경로에 충돌할 수 있다. 종방향 검출기는, 조명원의 투입 신호로도 일컬어지는, 조명 광의 충돌 동력에 따라 달라지는 종방향 센서 신호를 생성시킬 수 있다. 조명 광은 종방향 광학 센서를 통해 통과할 수 있고, 조명 광을 반사시킬 수 있는 하나 이상의 물체를 비출 수 있다. 반사된 광은 종방향 광학 센서로 다시 이동하고, 물체를 향하는 종방향 광학 센서의 다른 쪽 경로에 충돌할 수 있다. 종방향 검출기는, 충돌하는 반사된 광의 동력에 따라 달라지는 종방향 센서 신호를 생성시킬 수 있다. 종방향 센서 신호로부터, 물체의 종방향 위치에 대한 하나 이상의 정보 아이템을 생성시킬 수 있다. 이를 위해, 종방향 센서 신호로부터 조명원의 투입 신호를 뺄 수 있다.
본 발명의 다른 양태에서는, 교통 기술에서의 위치 측정; 엔터테인먼트 용도; 보안 용도; 사람-기계 인터페이스 용도; 추적 용도; 사진술 용도; 촬영 용도 또는 카메라 용도; 방, 건물 및 거리의 군으로부터 선택되는 하나 이상의 공간 같은 하나 이상의 공간의 지도를 생성시키기 위한 지도 제작 용도; 하나 이상의 비행시간 측정과의 조합 사용으로 이루어진 군으로부터 선택되는 용도를 위한, 상기 논의된 하나 이상의 실시양태에서 논의되고/되거나 아래에서 더욱 상세하게 주어지는 하나 이상의 실시양태에서 논의되는 본 발명에 따른 광학 검출기의 용도가 개시된다.
따라서, 일반적으로, 본 발명에 따른 검출기는 다양한 사용 분야에 적용될 수 있다. 구체적으로, 검출기는 교통 기술에서의 위치 측정; 엔터테인먼트 용도; 보안 용도; 사람-기계 인터페이스 용도; 추적 용도; 사진술 용도; 방, 건물 및 거리의 군으로부터 선택되는 하나 이상의 공간 같은 하나 이상의 공간의 지도를 생성시키기 위한 지도 제작 용도; 모바일 용도; 광학 헤드-장착 디스플레이; 웹캠; 오디오 장치; 돌비 서라운드 오디오 시스템; 컴퓨터 주변 장치; 게임 용도; 카메라 또는 비디오 용도; 보안 용도; 감시 용도; 자동차 용도; 수송 용도; 의료 용도; 스포츠 용도; 컴퓨터 영상기 용도; 차량 용도; 항공기 용도; 선박 용도; 우주선 용도; 건물 용도; 건축 용도; 지도 제작 용도; 제조 용도; 하나 이상의 비행시간 검출기와의 조합 사용으로 이루어진 군으로부터 선택되는 용도를 위해 적용될 수 있다. 추가로 또는 다르게는, 로컬 및/또는 글로벌 위치파악 시스템, 특히, 구체적으로 승용차 또는 다른 차량(예컨대, 기차, 오토바이, 자전거, 화물 운송용 트럭), 로봇 또는 보행자에 의한 용도에 사용하기 위한, 랜드마크에 기초한 위치파악 및/또는 네비게이션을 언급할 수 있다. 또한, 가전제품 용도 및/또는 제조 기술에 사용되는 로봇에서와 같은 인도어 위치파악 시스템을 가능한 용도로서 언급할 수 있다.
따라서, WO 2012/110924 A1 호 또는 2012년 12월 19일자로 출원된 미국 특허 가출원 제 61/739,173 호, 2013년 1월 8일자로 출원된 제 61/749,964 호 및 2013년 8월 19일자로 출원된 제 61/867,169 호, 및 2013년 12월 18일자로 출원된 국제 특허원 PCT/IB2013/061095 호에 개시되어 있는 광학 검출기 및 장치에 있어서, 본 발명에 따른 검출기, 검출기 시스템, 사람-기계 인터페이스, 엔터테인먼트 장치, 추적 시스템 또는 카메라(이후, 간단히 "본 발명에 따른 장치"라고 함)를 아래에서 더욱 상세하게 개시되는 하나 이상의 목적 같은 복수의 사용 목적을 위해 사용할 수 있다.
따라서, 먼저, 본 발명에 따른 장치는 휴대폰, 태블릿 컴퓨터, 착용가능한 컴퓨터, 랩탑, 스마트 패널 또는 다른 고정식 또는 휴대용 컴퓨터 또는 통신 용도에 사용될 수 있다. 따라서, 본 발명에 따른 장치는 성능을 향상시키기 위하여 가시광 범위 또는 적외선 스펙트럼 범위의 광을 방출하는 광원 같은 하나 이상의 능동형 광원과 조합될 수 있다. 따라서, 예로서, 본 발명에 따른 장치는 예를 들어 환경, 물체 및 생물을 스캐닝하기 위한 휴대용 소프트웨어와 함께 카메라 및/또는 센서로서 사용될 수 있다. 본 발명에 따른 장치는 촬영 효과를 증가시키기 위하여 통상적인 카메라 같은 2D 카메라와 조합될 수 있다. 본 발명에 따른 장치는 특히 목소리 및/또는 몸짓 인식 및/또는 시표 추적과 함께, 감시 및/또는 기록 목적을 위해, 또는 휴대용 장치를 제어하기 위한 입력 장치로서도 사용될 수 있다. 따라서, 구체적으로, 입력 장치로도 일컬어지는 사람-기계 인터페이스로서 작용하는 본 발명에 따른 장치는 휴대폰 같은 휴대용 장치를 통해 다른 전자 장치 또는 구성요소를 제어하기 위해 모바일 용도에 사용될 수 있다. 예로서, 하나 이상의 본 발명에 따른 장치를 포함하는 모바일 용도는 텔레비전 세트, 게임 콘솔, 뮤직 플레이어 또는 음악 장치 또는 다른 엔터테인먼트 장치를 제어하는데 사용될 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 장치는 웹캠 또는 컴퓨터 용도의 다른 주변 장치에 사용될 수 있다. 따라서, 예로서, 본 발명에 따른 장치는 촬영, 기록, 감시, 스캐닝 또는 움직임 검출용 소프트웨어와 함께 사용될 수 있다. 사람-기계 인터페이스 및/또는 엔터테인먼트 장치와 관련하여 개략적으로 기재된 바와 같이, 본 발명에 따른 장치는 얼굴 표현 및/또는 신체 표현에 의해 명령을 주는데 특히 유용하다. 본 발명에 따른 장치는 예를 들어 마우스, 키보드, 터치패드, 마이크로폰, 아이 트랙커 등과 같은 다른 입력 장치와 조합될 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 장치는 예컨대 웹캠을 사용함으로써 게임 용도에 사용될 수 있다. 뿐만 아니라, 본 발명에 따른 장치를 가상 트레이닝 용도 및/또는 화상 회의에 사용할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 장치는 상기에 부분적으로 설명된 바와 같이 휴대용 오디오 장치, 텔레비전 장치 및 게임 장치에 사용될 수 있다. 구체적으로, 본 발명에 따른 장치는 전자 장치, 엔터테인먼트 장치 등의 제어기 또는 제어 장치로서 사용될 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 장치는 2D- 및 3D-디스플레이 기법에서, 특히 가상 및/또는 증강 현실 용도를 위해, 및/또는 디스플레이가 관찰되고 있는지의 여부 및/또는 디스플레이 전경이 관찰되고 있는지의 여부를 인식하기 위해, 투명한 디스플레이와 같이 눈 검출 또는 시표 추적에 사용될 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 장치는 디지털 카메라에 또는 디지털 카메라로서 사용될 수 있다. 본 발명에 따른 장치를 하나 이상 사용할 수 있는 잠정적인 실시양태의 예로는 디지털 스틸 카메라 및/또는 SLR 카메라 같은 반사식 카메라가 사용될 수 있다. 부가적으로 또는 대안적으로, 하나 이상의 염료-증감된 태양 전지를 사용하는 카메라가 구현될 수도 있으며, 예로서 하나 이상의 장치가 WO 2014/097181 A1에 개시되어 있다. 이들 용도에 대해서는, 상기 개시된 바와 같이 휴대폰 및/또는 스마트폰 같은 모바일 용도에서의 본 발명에 따른 장치의 사용을 참조할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 장치는 보안 또는 감시 용도로 사용될 수 있다. 따라서, 예로서, 본 발명에 따른 하나 이상의 장치는 물체가 소정 구역 내에 있거나 소정 구역 외부에 있는 경우 신호를 주는 하나 이상의 디지털 및/또는 아날로그 전자 장치(예를 들어, 은행 또는 박물관에서의 감시 용도)와 조합될 수 있다. 구체적으로, 본 발명에 따른 장치는 광학 암호화에 사용될 수 있다. 본 발명에 따른 하나 이상의 장치를 사용함에 의한 검출은 IR, x-선, UV-VIS, 레이더 또는 초음파 검출기 같은 파장을 보충하기 위한 다른 검출 장치와 조합될 수 있다. 본 발명에 따른 장치는 또한 하나 이상의 능동형 적외선 광원 및/또는 하나 이상의 능동형 구조화된 광원과 조합되어 빛이 적은 환경에서의 검출을 허용할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 장치를 사용하는 3D 검출의 용이성 및 정확성을 감안할 때, 본 발명에 따른 장치는 통상 안면, 신체 및 개인 인식 및 신원 확인에 사용될 수 있다. 여기에서, 본 발명에 따른 장치는 패스워드, 지문, 홍채 검출, 음성 인식 또는 다른 수단 같은 신원 확인 또는 개인 맞춤 용도를 위한 다른 검출 수단과 조합될 수 있다. 따라서, 통상적으로, 본 발명에 따른 장치는 보안 장치 및 다른 개인 맞춤 용도에 사용될 수 있다.
또한 본 발명에 따른 장치는 제품 확인용 3D 바코드 판독기로서 사용될 수 있다.
상기 언급된 보안 및 감시 용도 이외에, 본 발명에 따른 장치는 통상적으로 공간 및 구역의 감시 및 모니터링에 사용될 수 있다. 따라서, 본 발명에 따른 장치는 공간 및 구역을 감시 및 모니터링하는데, 또한 예로서 금지 구역이 침범당하는 경우에 경보를 촉발하거나 발령하는데 사용될 수 있다. 따라서, 통상적으로, 본 발명에 따른 장치는 임의적으로는 다른 유형의 센서와 함께, 예를 들어 움직임 센서 또는 열 센서와 함께, 이미지 증배관 또는 이미지 향상 장치 및/또는 광전자 증배관과 함께, 건물 감시 또는 박물관에서의 감시 목적을 위해 사용될 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 장치는 비디오 및 캠코더 용도 같은 카메라 용도에 유리하게 적용될 수 있다. 따라서, 본 발명에 따른 장치는 모션 캡쳐 및 3D-영화 기록에 사용될 수 있다. 여기에서, 본 발명에 따른 장치는 통상적으로 종래의 광학 장치에 비해 다수의 이점을 제공한다. 따라서, 본 발명에 따른 장치는 통상적으로 광학 구성요소와 관련하여 그 복잡성이 더 낮다. 따라서, 예로서, 예를 들어 렌즈를 하나만 갖는 본 발명에 따른 장치를 제공함으로써, 종래의 광학 장치에 비해 렌즈의 수를 감소시킬 수 있다. 감소된 복잡성 덕분에, 예컨대 모바일 용도를 위한 매우 소형의 장치가 가능하다. 고품질의 렌즈를 둘 이상 갖는 종래의 광학 시스템은 예컨대 부피가 큰 빔 분할기를 통상적으로 필요로 하기 때문에 일반적으로 부피가 크다. 모션 캡쳐를 위한 본 발명에 따른 장치의 가능한 용도의 다른 이점으로서, 장면을 커버하기 위하여 수 개의 카메라를 간단히 조합하는 것을 언급할 수 있는데, 왜냐하면 절대 3D 정보를 수득할 수 있기 때문이다. 이는 또한 둘 이상의 3D-카메라에 의해 기록되는 장면 병합을 단순화시킨다. 또한, 본 발명에 따른 장치는 통상적으로 초점/자동 초점 장치, 예컨대 자동 초점 카메라에 사용될 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 장치는 또한 광학 현미경, 특히 공초점 현미경에 사용될 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 장치는 일반적으로 자동차 기술 및 수송 기술 분야에 적용될 수 있다. 따라서, 예로서, 본 발명에 따른 장치는 거리 센서 및 감시 센서로서, 예컨대 적응식 정속주행 시스템, 응급 브레이크 보조장치, 차선 이탈 경고, 다중 모니터, 사각 지점 검출, 후측방 경보, 및 다른 자동차 및 교통 용도를 위해 사용될 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 장치는 예를 들어 본 발명에 따른 검출기를 사용함으로써 수득한 위치 정보의 제 1 및 제 2 시간 변수를 분석함으로써 속도 및/또는 가속 측정을 위해 사용될 수 있다. 이 특징은 통상적으로 자동차 기술, 수송 기술 또는 일반 교통 기술에 적용될 수 있다. 다른 기술 분야에서의 용도도 실현가능하다. 실내 위치 결정 시스템에서의 특정 용도는 수송시 승객의 위치 결정의 검출, 더욱 특히는 에어백 같은 안전 시스템의 사용에 대한 전자적 제어일 수 있다. 에어백의 사용이 심각한 부상을 야기하도록 승객이 위치하는 경우에는, 에어백의 사용이 금지될 수 있다. 다른 기술 분야에서의 적용도 실현가능하다. 자동차 시스템에서의 사용의 경우, 본 발명에 따른 장치는 차량의 하나 이상의 전자 제어 단위장치에 연결될 수 있고, 컨트롤러 구역 네트워크 등을 통해 다른 연결도 가능케 할 수 있다. 자동차 또는 다른 복잡한 용도에서의 시험 목적을 위해, 특히 다른 센서 및/또는 작동기와 조합하여 사용하기 위하여, 시뮬레이션 시험(hardware-in-the-loop) 시스템에서의 통합이 가능하다.
이들 용도 또는 다른 용도에서, 일반적으로, 본 발명에 따른 장치는 독립형 장치로서 또는 다른 센서 장치와 함께, 예를 들어 레이더 및/또는 초음파 장치와 함께 사용될 수 있다. 구체적으로, 본 발명에 따른 장치는 자동 주행 및 안전 문제에 사용될 수 있다. 또한, 이들 용도에서, 본 발명에 따른 장치는 적외선 센서, 음파 센서인 레이더 센서, 2차원 카메라 또는 다른 유형의 센서와 함께 사용될 수 있다. 본 발명에 따른 장치는 특히 표준 이미지 인식 소프트웨어 같은 인식 소프트웨어와 함께 사용될 수 있다. 따라서, 본 발명에 따른 장치에 의해 제공되는 신호 및 데이터는 전형적으로 용이하게 처리될 수 있고, 따라서 통상 LIDAR 같은 확립된 입체 영상 시스템보다 더 낮은 계산력을 필요로 한다. 낮은 공간 요구를 감안할 때, 카메라 같은 본 발명에 따른 장치는 윈도우 스크린 위에, 전방 후드 위에, 범퍼 위에, 라이트 위에, 미러 또는 다른 장소 위와 같이 차량의 본질적으로 임의의 위치에 배치될 수 있다. 예를 들어, 자동 주행 차량을 가능케 하기 위하여 또는 능동적인 안전 개념의 성능을 증가시키기 위하여, 본 발명에 내에서 개시된 효과에 기초한 하나 이상의 검출기 같은 본 발명에 따른 다양한 검출기를 조합할 수 있다. 따라서, 후방 윈도우, 사이드 윈도우 또는 전방 윈도우 같은 윈도우 내에, 범퍼 위에 또는 라이트 위에서, 본 발명에 따른 다양한 장치를 본 발명에 따른 하나 이상의 다른 장치 및/또는 종래의 센서와 조합할 수 있다.
본 발명에 따른 하나 이상의 검출기 같은 본 발명에 따른 하나 이상의 장치와 하나 이상의 비 검출 센서의 조합도 가능하다. 이는, 본 발명에 따른 장치가 통상적으로 특히 심하게 비가 내리는 동안 레이더 같은 종래의 센서 기술보다 유리하다는 사실에 기인한다. 하나 이상의 본 발명에 따른 장치와 레이더 같은 하나 이상의 종래의 감지 기술의 조합은 소프트웨어가 날씨 조건에 따라 신호의 올바른 조합을 취할 수 있게 한다.
또한, 본 발명에 따른 장치는 통상적으로 브레이크 보조장치 및/또는 주차 보조장치로서 및/또는 속도 측정을 위해 사용될 수 있다. 속도 측정은 차량에 통합될 수 있거나, 또는 예컨대 교통 제어시 다른 차의 속도를 측정하기 위하여 차량 외부에서 사용될 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 장치는 주차장에서 빈 주차 공간을 검출하는데 사용될 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 장치는 의료 시스템 및 스포츠 분야에서 사용될 수 있다. 따라서, 의료 기술 분야에서는, 예를 들어 내시경에 사용하기 위한 수술 로봇을 언급할 수 있는데, 상기 개략적으로 기재된 바와 같이, 본 발명에 따른 장치가 적은 부피만을 필요로 할 수 있고 다른 장치 내로 통합될 수 있기 때문이다. 특히, 기껏해야 렌즈를 하나만 갖는 본 발명에 따른 장치는 내시경 같은 의료 장치에서 3D 정보를 캡쳐하는데 사용될 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 장치는 움직임을 추적하고 분석할 수 있게 하기 위하여 적절한 모니터링 소프트웨어와 조합될 수 있다. 이들 용도는 예를 들어 의료 처치 및 장거리 진단 및 원격 의료에서 특히 중요하다. 또한, 단층촬영 또는 방사선 요법에서 환자의 신체의 위치를 결정하기 위한 용도 또는 수술 전에 환자의 신체 형상을 측정하여 질병을 검출하는 용도 등도 가능하다.
또한, 본 발명에 따른 장치는 예를 들어 트레이닝, 원격 지도 또는 경쟁 목적을 위해 스포츠 및 운동 분야에 적용될 수 있다. 구체적으로, 본 발명에 따른 장치는 춤, 에어로빅, 미식축구, 축구, 농구, 야구, 크리켓, 하키, 트랙 및 필드 경기, 수영, 폴로, 핸드볼, 배구, 럭비, 스모, 유도, 펜싱, 권투 등의 분야에 적용될 수 있다. 스포츠 및 게임 둘 다에서 공, 배트, 검, 움직임의 위치 등을 검출하는데, 예를 들어 점수 또는 골이 실제로 달성되었는지의 여부를 판정하기 위하여 스포츠의 특정 상황에서 게임을 모니터링하고, 심판 또는 판정(특히 자동 판정)을 뒷받침하는데 본 발명에 따른 장치를 사용할 수 있다.
본 발명에 따른 장치는 또한 트레이닝을 독려하고/하거나 움직임을 조사하고 교정하기 위하여 재활 및 물리치료에 사용될 수 있다. 여기에서, 본 발명에 따른 장치는 또한 원격 진단에 적용될 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 장치는 컴퓨터 영상기 분야에 적용될 수 있다. 따라서, 하나 이상의 본 발명에 따른 장치를 예를 들어 자동 주행 또는 로봇 작업을 위한 제어 단위장치로서 사용할 수 있다. 움직이는 로봇과 함께, 본 발명에 따른 장치는 자동 이동 및/또는 부품 결함의 자동 검출을 가능케 할 수 있다. 본 발명에 따른 장치는 또한 예를 들어 로봇, 생산 부품 및 생물 사이의 충돌을 비롯한(이것으로 한정되지는 않음) 사고를 피하기 위하여 제조 및 안전 감시를 위해 사용될 수 있다. 로봇 공학에서는, 사람과 로봇의 안전한 직접적인 상호작용이 흔히 문제가 되는데, 왜냐하면 로봇이 인지하지 못하는 경우 사람에게 심각한 부상을 입힐 수 있기 때문이다. 본 발명에 따른 장치는 로봇이 물체와 사람을 더욱 잘, 그리고 더욱 신속하게 위치시키고 안전한 상호작용을 허용하는데 도움을 줄 수 있다. 본 발명에 따른 장치의 한 가지 특수한 이점은 신호 간섭 가능성이 낮다는 것이다. 따라서, 신호 간섭의 위험 없이 다수개의 센서가 동일한 환경에서 동일한 시간에 작업할 수 있다. 따라서, 본 발명에 따른 장치는 통상 예컨대 자동차, 광산, 강 등과 같은(이들로 한정되지는 않음) 고도로 자동화된 생산 환경에서 유용할 수 있다. 본 발명에 따른 장치는 또한 예를 들어 2-D 촬영, 레이더, 초음파, IR 등과 같은 다른 센서와 함께 생산 품질 제어, 예컨대 품질 제어 또는 다른 목적에 사용될 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 장치는 마이크로미터 내지 미터 범위에서 제품의 표면 평활도 또는 규정 치수 고수를 조사하는 것과 같은 표면 품질 평가에 사용될 수 있다. 다른 품질 제어 용도도 가능하다. 제조 환경에서, 본 발명에 따른 장치는 다량의 폐기물을 피하기 위하여 복잡한 3차원 구조를 갖는 식품 또는 목재 같은 천연 생산물을 가공하는데 특히 유용하다. 또한, 본 발명에 따른 장치는 탱크, 저장탑 등의 충전 수준을 모니터링하는데 사용될 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 장치는 가시광 통신용과 같은 통신 목적에 사용될 수도 있다.
또한, 본 발명에 따른 장치는 폴(poll), 항공기, 선박, 우주선 및 다른 교통 용도에 사용될 수 있다. 따라서, 교통 용도와 관련하여 상기 언급된 용도 외에, 항공기, 차량 등의 수동 추적 시스템을 언급할 수 있다. 움직이는 물체의 속도 및/또는 방향을 모니터링하기 위한 본 발명에 따른 하나 이상의 장치(예컨대, 본 발명에 따른 하나 이상의 검출기)의 사용이 실현될 수 있다. 구체적으로는, 육지, 바다 및 우주를 비롯한 대기에서 빠르게 이동하는 물체의 추적을 언급할 수 있다. 본 발명에 따른 하나 이상의 검출기 같은 본 발명에 따른 하나 이상의 장치는 특히 서 있고/서 있거나 움직이는 장치 상에 장착될 수 있다. 하나 이상의 본 발명에 따른 장치의 출력 신호는 예컨대 다른 물체의 자동적인 움직임 또는 유도된 움직임의 유도 기계장치와 조합될 수 있다. 따라서, 추적 및 스티어링되는 물체 사이의 충돌을 피하거나 충돌을 가능케 하는 용도가 가능하다. 본 발명에 따른 장치는 통상 검출 시스템의 요구되는 낮은 계산력 및 즉각적인 반응 때문에 유용하고 유리하다. 본 발명에 따른 장치는 예를 들어 속도 제어 및 항공 교통 제어 장치에 특히 유용하지만 이들로 한정되지는 않는다.
본 발명에 따른 장치는 일반적으로 항구 또는 위험 구역에서의 선박의 유도 및 착륙 또는 이륙시의 항공기의 유도를 비롯한 다양한 용도에 사용될 수 있다. 여기에서는, 정밀한 유도를 위해 고정된 공지의 능동형 및/또는 수동형 표적을 이용할 수 있다. 채굴차 같은 위험하지만 잘 정리된 경로에서 주행하는 차량에도 동일하게 사용될 수 있다.
또한, 상기 개략적으로 기재된 바와 같이, 본 발명에 따른 장치는 게임 분야에 사용될 수 있다. 따라서, 본 발명에 따른 장치는 예를 들어 그의 내용에 움직임을 포함하는 소프트웨어와 함께 움직임을 검출하기 위한, 동일하거나 상이한 크기, 색상, 형상 등의 다수개의 물체와 함께 사용될 수 있다. 특히, 움직임을 그래픽 출력으로 실행하는 용도가 가능하다. 또한, 예를 들어 몸짓 또는 안면 인식에 하나 이상의 본 발명에 따른 장치를 사용함으로써, 명령을 주기 위한 본 발명에 따른 장치의 용도가 가능하다. 예를 들어 광이 적은 조건하에서 또는 주위 조건의 향상이 요구되는 다른 상황에서 작업하기 위하여, 본 발명에 따른 장치는 다른 능동형 시스템과 조합될 수 있다. 추가로 또는 다르게는, 하나 이상의 본 발명에 따른 장치를 하나 이상의 IR 또는 VIS 광원과 조합할 수 있다. 본 발명에 따른 검출기와 특수 장치[시스템 및 그의 소프트웨어, 예를 들어 특수한 색상, 형상, 다른 장치와의 상대적인 위치, 이동 속도, 광, 장치 상에서 광원을 조정하는데 사용되는 주파수, 표면 특성, 사용되는 물질, 반사 특성, 투명도, 흡수 특징 등(이들로 한정되지는 않음)에 의해 용이하게 구별될 수 있음]의 조합도 가능하다. 장치는 특히 스틱, 라켓, 클럽, 총, 나이프, 휠, 고리, 스티어링 휠, 병, 공, 유리, 꽃병, 스푼, 포크, 큐브, 다이스, 피규어, 꼭두각시 인형, 곰인형, 비커, 페달, 모자, 안경, 헬멧, 스위치, 글러브, 보석, 음악 장치 또는 음악 장치를 연주하기 위한 보조 장치(예컨대, 픽, 북채 등)와 비슷할 수 있다. 다른 옵션도 가능하다.
또한, 본 발명에 따른 장치는 통상 건물, 건축 및 지도 제작 분야에 사용될 수 있다. 따라서, 일반적으로, 환경상의 구역, 예컨대 전원 지역 또는 건물을 측정 및/또는 모니터링하기 위하여 하나 이상의 본 발명에 따른 장치를 사용할 수 있다. 여기에서, 하나 이상의 본 발명에 따른 장치는 다른 방법 및 장치와 조합될 수 있거나, 또는 건물 프로젝트, 변화하는 물체, 집 등의 진척도 및 정확도를 모니터링하기 위하여 단독으로 사용될 수 있다. 본 발명에 따른 장치는 땅에서 또는 대기에서 방, 거리, 집, 커뮤니티 또는 풍경의 지도를 제작하기 위하여 스캐닝된 환경의 3차원 모델을 생성시키는데 사용될 수 있다. 가능한 적용 분야는 건축, 지도 제작, 부동산 관리, 토지 측량 등일 수 있다.
본 발명에 따른 하나 이상의 장치는 또한 예컨대 적층 가공 및/또는 3D 인쇄를 위하여 CAD 또는 유사한 소프트웨어와 함께 물체를 스캐닝하는데 사용될 수 있다. 여기에서는, 예를 들어, x-, y- 또는 z-방향에서, 또는 이들 방향의 임의적인 조합에서(예를 들어, 동시에), 본 발명에 따른 장치의 높은 치수 정확도를 이용할 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 장치는 파이프라인 검사계 같은 검사 및 유지에 사용될 수 있다.
상기 개략적으로 기재된 바와 같이, 본 발명에 따른 장치는 제조, 품질 제어 또는 제품 확인 또는 크기 확인 같은 확인 용도(예를 들어, 최적 위치 또는 포장재를 찾거나 폐기물을 감소시키기 위하여)에 사용될 수 있다. 뿐만 아니라, 본 발명에 따른 장치는 물류 용도에 사용될 수 있다. 따라서, 본 발명에 따른 장치는 컨테이너 또는 차량을 최적으로 선적하거나 팩킹하는데 사용될 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 장치는 제조 분야에서 표면 손상을 모니터링 또는 제어하기 위하여, 렌탈 차량 같은 렌탈 물품을 모니터링 또는 제어하기 위하여, 및/또는 예컨대 손해 사정 같은 보험 용도를 위하여 사용될 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 장치는 특히 로봇과 함께 물질을 최적으로 취급하기 위하여 및/또는 제조 공정의 품질 또는 정확도(예를 들어, 제품 크기 또는 부피의 정확도 또는 제조된 렌즈의 광학 정밀도)를 보장하기 위하여, 물질, 물체 또는 도구의 크기를 확인하는데 사용될 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 장치는 예를 들어 탱크의 충전 수준을 관찰하기 위하여, 제조시 공정 제어에 사용될 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 장치는 탱크, 파이프, 반응기, 도구 등과 같은(이들로 한정되지는 않음) 생산 자산의 유지에 사용될 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 장치는 3D-품질 마크를 분석하는데 사용될 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 장치는 치아 상감, 교정기, 보철, 의복 등과 같은 맞춤 제작 제품의 제조에 사용될 수 있다. 본 발명에 따른 장치는 신속한 시제품화, 3D-복제 등을 위해 하나 이상의 3D-프린터와 조합될 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 장치는 예컨대 제품 표절 방지 및 위조 방지 목적으로 하나 이상의 제품의 형상을 검출하는데 사용될 수 있다.
상기 언급된 발견을 요약하면, 본 발명에서 하기 실시양태가 바람직하다:
실시양태 1: 하나 이상의 물체의 위치를 결정하기 위한 검출기로서,
- 이미지 면으로 물체를 촬영하기 위한, 초점 면을 갖는 하나 이상의 전달 장치;
- 하나 이상의 종방향 광학 센서; 및
- 하나 이상의 평가 장치
를 포함하며, 이 때
상기 종방향 광학 센서는 하나 이상의 센서 영역을 갖고,
상기 종방향 광학 센서는 적어도 부분적으로 투명하며,
상기 종방향 광학 센서는, 물체로부터 검출기로 이동하는 하나 이상의 광 빔에 의한 센서 영역의 조도에 따라 달라지는 방식으로, 하나 이상의 종방향 센서 신호를 생성시키도록 디자인되며,
상기 종방향 센서 신호는 전체 조명 동력이 동일한 경우 센서 영역에서의 광 빔의 빔 단면에 따라 달라지고,
상기 평가 장치는, 종방향 센서 신호를 평가함으로써 물체의 종방향 위치에 대한 하나 이상의 정보 아이템을 생성시키도록 디자인되고,
상기 하나 이상의 종방향 광학 센서는 초점 종방향 광학 센서를 포함하고,
상기 초점 종방향 광학 센서는 적어도 실질적으로 상기 초점 면에 배열되는, 검출기.
실시양태 2: 상기 초점 종방향 광학 센서는 초점 면으로부터 거리 ±ε만큼 이격될 수 있으며, 이때 ｜ε｜≤0.2·f이며, f는 전달 장치의 초점 길이인, 실시양태 1에 따른 검출기.
실시양태 3: ｜ε｜≤0.1·f, 바람직하게는 ｜ε｜≤0.05·f, 더욱 바람직하게는 ｜ε｜≤0.02·f, 및 가장 바람직하게는 ｜ε｜≤0.01·f인, 실시양태 2에 따른 검출기.
실시양태 4: 상기 평가 장치는, 초점 종방향 광학 센서의 하나 이상의 종방향 센서 신호 jfocal을 평가하고 이미지 면 내의 가정적인(hypothetical) 종방향 광학 센서의 이론적인 종방향 센서 신호 jimage를 유도하도록 구성된, 실시양태 1 내지 실시양태 3 중 어느 하나에 따른 검출기.
실시양태 5: 상기 평가 장치는, 상기 이론적인 종방향 센서 신호 jimage를 결정하는데 초점 종방향 광학 센서의 종방향 센서 신호 jfocal과 이론적인 종방향 센서 신호 jimage 간의 사전결정된 또는 결정가능한 관계를 사용하도록 구성된, 실시양태 4에 따른 검출기.
실시양태 6: 상기 평가 장치는, 이론적인 종방향 센서 신호 jimage가 초점 종방향 광학 센서의 종방향 센서 신호 jfocal에 비례한다는 가정을 상기 이론적인 종방향 센서 신호 jimage를 결정하는데 사용하도록 구성된, 실시양태 4 또는 실시양태 5에 따른 검출기.
실시양태 7: 상기 평가 장치는, 상기 이론적인 종방향 센서 신호 jimage를 결정하는데 하기 관계식을 사용하도록 구성된, 실시양태 6에 따른 검출기:
Figure 112017013080060-pct00038
여기서, const.는 사전결정된 또는 결정가능한 상수이다.
실시양태 8: 상기 평가 장치는, 상기 이론적인 종방향 센서 신호 jimage를 결정하는데 하기 관계식을 사용하도록 구성된, 실시양태 6 또는 실시양태 7에 따른 검출기:
Figure 112017013080060-pct00039
여기서,
Figure 112017013080060-pct00040
는, 물체의 크기 htarget, 전달 장치의 초점 길이 flens, 및 전달 장치의 개구 llens에 의존적인 사전결정된 또는 결정가능한 함수이다.
실시양태 9: 상기 하나 이상의 종방향 광학 센서는, 초점 종방향 광학 센서 이외에 하나 이상의 추가의 종방향 광학 센서를 포함하는, 실시양태 1 내지 실시양태 8 중 어느 하나에 따른 검출기.
실시양태 10: 상기 하나 이상의 추가의 종방향 광학 센서는 종방향 광학 센서의 스택을 포함하는, 실시양태 9에 따른 검출기.
실시양태 11: 상기 초점 종방향 광학 센서는 종방향 광학 센서의 스택의 일부를 형성하는, 실시양태 10에 따른 검출기.
실시양태 12: 상기 종방향 광학 센서의 스택은 세 개 이하의 종방향 광학 센서를 포함하는, 실시양태 10 또는 실시양태 11에 따른 검출기.
실시양태 13: 상기 스택은, 종방향 광학 센서의 센서 영역이 검출기의 광축에 본질적으로 수직으로 배향되도록 배열되는 종방향 광학 센서로 구성되는, 실시양태 10 내지 실시양태 12 중 어느 하나에 따른 검출기.
실시양태 14: 상기 전달 장치는, 렌즈, 초점 설정 거울 및 초점 이탈 거울로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 이상의 광학 요소를 포함하는, 실시양태 9 내지 실시양태 13 중 어느 하나에 따른 검출기.
실시양태 15: 상기 검출기가 하나 이상의 촬영 장치를 추가로 포함하고, 상기 촬영 장치는 물체로부터 검출기로 이동하는 광 빔이 촬영 장치에 도달하기 전에 종방향 광학 센서를 통해 통과하도록 하도록 구성된, 실시양태 1 내지 실시양태 14 중 어느 하나에 따른 검출기.
실시양태 16: 상기 촬영 장치가 카메라 칩을 포함하는, 실시양태 15에 따른 검출기.
실시양태 17: 상기 촬영 장치가 무기 촬영 장치를 포함하는, 실시양태 15 또는 실시양태 16에 따른 검출기.
실시양태 18: 상기 촬영 장치가 픽셀의 매트릭스를 포함하는, 실시양태 15 내지 실시양태 17 중 어느 하나에 따른 검출기.
실시양태 19: 상기 촬영 장치가, CMOS 칩 및 CCD 칩으로 이루어진 군으로부터 선택되는 칩을 포함하는, 실시양태 15 내지 실시양태 18 중 어느 하나에 따른 검출기.
실시양태 20: 상기 촬영 장치가 색상을 분리(resolve)하도록 구성된, 실시양태 15 내지 실시양태 19중 어느 하나에 따른 검출기.
실시양태 21: 상기 촬영 장치가 총천연색 CCD 또는 CMOS 칩인, 실시양태 20에 따른 검출기.
실시양태 22: 상기 종방향 센서 신호가 광 빔의 변조 주파수에 따라서도 달라지는, 실시양태 1 내지 실시양태 21 중 어느 하나에 따른 검출기.
실시양태 23: 상기 검출기가 물체를 조명하기 위한 하나 이상의 조명원을 추가로 포함하는, 실시양태 1 내지 실시양태 22 중 어느 하나에 따른 검출기.
실시양태 24: 상기 조명원이 조명 광의 하나 이상의 광학 특성을 주기적으로 변조시키도록 구성된, 실시양태 23에 따른 검출기.
실시양태 25: 상기 하나 이상의 광학 특성이 상기 조명 광의 진폭 및 위상으로 이루어진 군으로부터 선택되는, 실시양태 24에 따른 검출기.
실시양태 26: 상기 검출기가, 상기 조명 광의 하나 이상의 특성을 주기적으로 변조시키기 위한 하나 이상의 변조 장치를 포함하는, 실시양태 23 내지 실시양태 25 중 어느 하나에 따른 검출기.
실시양태 27: 상기 변조 장치가 공간 광 변조기(spatial light modulator), 바람직하게는 미세-거울 장치, 더욱 바람직하게는 DLP(등록상표) 장치를 포함하는, 실시양태 26에 따른 검출기.
실시양태 28: 상기 광 빔이 적어도 부분적으로 검출기의 광축에 실질적으로 평행하게 전파되는, 실시양태 1 내지 실시양태 27 중 어느 하나에 따른 검출기.
실시양태 29: 상기 하나 이상의 종방향 광학 센서, 바람직하게는 상기 하나 이상의 초점 종방향 광학 센서가, 하나 이상의 반도체 검출기를 포함하는, 실시양태 1 내지 실시양태 28 중 어느 하나에 따른 검출기.
실시양태 30: 상기 반도체 검출기가 하나 이상의 유기 물질을 포함하는 유기 반도체 검출기인, 실시양태 29에 따른 검출기.
실시양태 31: 상기 반도체 검출기가 유기 태양 전지, 염료 태양 전지, 염료-증감된 태양 전지, 고체 염료 태양 전지, 고체 염료-증감된 태양 전지로 이루어진 군으로부터 선택되는, 실시양태 29 또는 실시양태 30에 따른 검출기.
실시양태 32: 상기 하나 이상의 종방향 광학 센서, 바람직하게는 상기 하나 이상의 유기 반도체 검출기가 하나 이상의 제 1 전극, 하나 이상의 n-반도체성 금속 산화물, 하나 이상의 염료, 하나 이상의 p-반도체성 유기 물질, 바람직하게는 고체 p-반도체성 유기 물질, 및 하나 이상의 제 2 전극을 포함하는, 실시양태 1 내지 실시양태 31 중 어느 하나에 따른 검출기.
실시양태 33: 상기 제 1 전극 및 제 2 전극 둘 다가 투명한, 실시양태 32에 따른 검출기.
실시양태 34: 상기 평가 장치가, 광 빔에 의한 센서 영역의 조명의 기하학적 형태와 검출기에 대한 물체의 상대적인 위치 설정 사이의 하나 이상의 미리 한정된 관계로부터 물체의 종방향 위치에 대한 하나 이상의 정보 아이템을 생성시키도록 디자인된, 실시양태 1 내지 실시양태 33 중 어느 하나에 따른 검출기.
실시양태 35: 상기 광 빔에 의한 센서 영역의 조명의 기하학적 형태와 검출기에 대한 물체의 상대적인 위치 설정 사이의 미리 한정된 관계가 공지의 조명 동력을 고려하는, 실시양태 34에 따른 검출기.
실시양태 36: 상기 광 빔에 의한 센서 영역의 조명의 기하학적 형태와 검출기에 대한 물체의 상대적인 위치 설정 사이의 미리 한정된 관계가 조명 광이 변조되는 변조 주파수를 고려하는, 실시양태 34 또는 실시양태 35에 따른 검출기.
실시양태 37: 사용자와 기계 사이에서 하나 이상의 정보 아이템을 교환하기 위한 사람-기계 인터페이스로서, 실시양태 1 내지 실시양태 36 중 어느 하나에 따른 하나 이상의 검출기를 포함하고, 상기 검출기에 의해 사용자의 하나 이상의 기하학적 정보 아이템을 생성시키도록 디자인되며, 상기 기하학적 정보에 하나 이상의 정보 아이템, 특히 하나 이상의 제어 명령을 부여하도록 디자인된, 사람-기계 인터페이스.
실시양태 38: 상기 정보 아이템의 생성이 사용자의 신체 자세 및/또는 움직임에 의해 수행되는, 실시양태 37에 따른 사람-기계 인터페이스.
실시양태 39: 하나 이상의 엔터테인먼트 기능을 수행하기 위한 엔터테인먼트 장치로서, 실시양태 37 또는 실시양태 38에 따른 하나 이상의 사람-기계 인터페이스를 포함하며, 플레이어가 사람-기계 인터페이스에 의해 하나 이상의 정보 아이템을 입력할 수 있도록 디자인되며, 상기 정보에 따라 엔터테인먼트 기능을 변화시키도록 디자인된, 엔터테인먼트 장치.
실시양태 40: 하나 이상의 이동가능한 물체의 위치를 추적하기 위한 추적 시스템으로서, 검출기에 관한 실시양태 1 내지 실시양태 36중 어느 하나에 따른 검출기를 포함하고, 추가로 하나 이상의 추적 컨트롤러를 포함하며, 이때 상기 추적 컨트롤러가 특정 시점에서 물체의 일련의 위치를 추적하도록 구성된, 추적 시스템.
실시양태 41: 상기 추적 컨트롤러가 일련의 위치로부터 물체의 움직임을 결정하도록 구성된, 실시양태 40에 따른 추적 시스템.
실시양태 42: 상기 추적 시스템이 로컬 또는 글로벌 위치파악 시스템의 일부인, 실시양태 40 또는 실시양태 41에 따른 추적 시스템.
실시양태 43: 상기 추적 시스템이 가시광 통신 시스템의 일부인, 실시양태 40 내지 실시양태 42 중 어느 하나에 따른 추적 시스템.
실시양태 44: 하나 이상의 물체를 촬영하기 위한 카메라로서, 검출기에 관한 실시양태 1 내지 실시양태 36 중 어느 하나에 따른 하나 이상의 검출기를 포함하는 카메라.
실시양태 45: 하나 이상의 물체의 위치를 결정하는 방법으로서,
- 초점 면을 갖는 하나 이상의 전달 장치를 사용함으로써 이미지 면으로 물체를 촬영하는 단계;
- 하나 이상의 종방향 광학 센서를 제공하고 (여기에서, 상기 종방향 광학 센서는 하나 이상의 센서 영역을 갖고, 상기 종방향 광학 센서는 적어도 부분적으로 투명하다), 하나 이상의 종방향 광학 센서를 사용함으로써 하나 이상의 종방향 센서 신호를 생성하는 단계 (이때, 상기 하나 이상의 종방향 센서 신호는, 물체로부터 종방향 광학 센서, 구체적으로 상기 하나 이상의 종방향 광학 센서를 포함하는 검출기까지 이동하는 하나 이상의 광 빔에 의한 센서 영역의 조도에 따라 달라지며, 상기 종방향 센서 신호는 전체 조명 동력이 동일한 경우 센서 영역에서의 광 빔의 빔 단면에 따라 달라진다); 및
- 종방향 센서 신호를 평가함으로써 물체의 종방향 위치에 대한 하나 이상의 정보 아이템을 생성시키는 단계
를 포함하되, 이때 상기 하나 이상의 종방향 광학 센서는 초점 종방향 광학 센서를 포함하며, 상기 초점 종방향 광학 센서는 적어도 실질적으로 초점 면에 배열되는, 방법.
실시양태 46: 상기 방법이, 검출기에 관한 실시양태 1 내지 실시양태 36 중 어느 하나에 따른 검출기를 사용하는 것을 포함하는, 실시양태 45에 따른 방법.
실시양태 47: 상기 초점 종방향 광학 센서는 초점 면으로부터 거리 ±ε만큼 이격될 수 있으며, 이때 ｜ε｜≤0.2·f이며, f는 전달 장치의 초점 길이인, 실시양태 45 또는 실시양태 46에 따른 방법.
실시양태 48: ｜ε｜≤0.1·f, 바람직하게는 ｜ε｜≤0.05·f, 더욱 바람직하게는 ｜ε｜≤0.02·f, 및 가장 바람직하게는 ｜ε｜≤0.01·f인, 실시양태 47에 따른 방법.
실시양태 49: 상기 방법이 추가로, 상기 초점 종방향 광학 센서의 하나 이상의 종방향 센서 신호 jfocal을 평가하고 이미지 면 내의 가정적인 종방향 광학 센서의 이론적인 종방향 센서 신호 jimage를 유도하는 것을 포함하는, 실시양태 45 내지 실시양태 48 중 어느 하나에 따른 방법.
실시양태 50: 상기 이론적인 종방향 센서 신호 jimage를 결정하기 위해 상기 초점 종방향 광학 센서의 종방향 센서 신호 jfocal과 상기 이론적인 종방향 센서 신호 jimage 간의 사전결정된 또는 결정가능한 관계를 사용하는, 실시양태 49에 따른 방법.
실시양태 51: 상기 이론적인 종방향 센서 신호 jimage를 결정하기 위해 상기 이론적인 종방향 센서 신호 jimage가 초점 종방향 광학 센서의 종방향 센서 신호 jfocal에 비례한다는 가정을 사용하는, 실시양태 49 또는 실시양태 51에 따른 방법.
실시양태 52: 상기 이론적인 종방향 센서 신호 jimage를 결정하기 위해 하기 관계식을 사용하는, 실시양태 51에 따른 방법:
Figure 112017013080060-pct00041
여기서, const.는 사전결정된 또는 결정가능한 상수이다.
실시양태 53: 상기 이론적인 종방향 센서 신호 jimage를 결정하기 위해 하기 관계식을 사용하는, 실시양태 51 또는 실시양태 52에 따른 방법:
Figure 112017013080060-pct00042
여기서,
Figure 112017013080060-pct00043
는, 물체의 크기 htarget, 전달 장치의 초점 길이 flens, 및 전달 장치의 개구 llens에 의존적인 사전결정된 또는 결정가능한 함수이다.
실시양태 54: 상기 하나 이상의 종방향 광학 센서는, 초점 종방향 광학 센서 이외에 하나 이상의 추가의 종방향 광학 센서를 포함하는, 실시양태 45 내지 실시양태 53 중 어느 하나에 따른 방법.
실시양태 55: 상기 하나 이상의 종방향 광학 센서는 종방향 광학 센서의 스택을 포함하는, 실시양태 54에 따른 방법.
실시양태 56: 상기 초점 종방향 광학 센서는 종방향 광학 센서의 스택의 일부를 형성하는, 실시양태 55에 따른 방법.
실시양태 57: 상기 종방향 광학 센서의 스택은 세 개 이하의 종방향 광학 센서를 포함하는, 실시양태 55 또는 실시양태 56에 따른 방법.
실시양태 58: 상기 스택은, 종방향 광학 센서의 센서 영역이 광축, 구체적으로 상기 방법에 의해 사용되는 검출기의 광축에 본질적으로 수직으로 배향되도록 배열되는 종방향 광학 센서로 구성되는, 실시양태 55 내지 실시양태 57 중 어느 하나에 따른 방법.
실시양태 59: 상기 전달 장치는, 렌즈, 초점 설정 거울 및 초점 이탈 거울로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 이상의 광학 요소를 포함하는, 실시양태 45 내지 실시양태 58 중 어느 하나에 따른 방법.
실시양태 60: 상기 방법이 추가로 하나 이상의 촬영 장치를 사용하는 것을 포함하고, 상기 촬영 장치는 물체로부터 검출기로 이동하는 광 빔이 촬영 장치에 도달하기 전에 종방향 광학 센서를 통해 통과하도록 하도록 구성된, 실시양태 45 내지 실시양태 59 중 어느 하나에 따른 방법.
실시양태 61: 상기 촬영 장치가 카메라 칩을 포함하는, 실시양태 60에 따른 방법.
실시양태 62: 상기 촬영 장치가 무기 촬영 장치를 포함하는, 실시양태 60 또는 실시양태 61에 따른 방법.
실시양태 63: 상기 촬영 장치가 픽셀의 매트릭스를 포함하는, 실시양태 60 내지 실시양태 62 중 어느 하나에 따른 방법.
실시양태 64: 상기 촬영 장치가, CMOS 칩 및 CCD 칩으로 이루어진 군으로부터 선택되는 칩을 포함하는, 실시양태 60 내지 실시양태 63 중 어느 하나에 따른 방법.
실시양태 65: 상기 촬영 장치가 색상을 분리하도록 구성된, 실시양태 60 내지 실시양태 64 중 어느 하나에 따른 방법.
실시양태 66: 상기 촬영 장치가 총천연색 CCD 또는 CMOS 칩인, 실시양태 65에 따른 방법.
실시양태 67: 상기 종방향 센서 신호가 광 빔의 변조 주파수에 따라서도 달라지는, 실시양태 45 내지 실시양태 66 중 어느 하나에 따른 방법.
실시양태 68: 상기 방법이 추가로 물체를 조명하기 위한 하나 이상의 조명원을 사용하는 것을 포함하는, 실시양태 45 내지 실시양태 67 중 어느 하나에 따른 방법.
실시양태 69: 상기 조명원이 조명 광의 하나 이상의 광학 특성을 주기적으로 변조시키도록 구성된, 실시양태 68에 따른 방법.
실시양태 70: 상기 하나 이상의 광학 특성이 상기 조명 광의 진폭 및 위상으로 이루어진 군으로부터 선택되는, 실시양태 69에 따른 방법.
실시양태 71: 상기 광 빔이 적어도 부분적으로 광축, 구체적으로 상기 방법에 의해 사용되는 검출기의 광축에 실질적으로 평행하게 전파되는, 실시양태 45 내지 실시양태 70 중 어느 하나에 따른 방법.
실시양태 72: 상기 하나 이상의 종방향 광학 센서, 바람직하게는 상기 하나 이상의 초점 종방향 광학 센서가, 하나 이상의 반도체 검출기를 포함하는, 실시양태 45 내지 실시양태 71 중 어느 하나에 따른 방법.
실시양태 73: 상기 반도체 검출기가 하나 이상의 유기 물질을 포함하는 유기 반도체 검출기인, 실시양태 72에 따른 방법.
실시양태 74: 상기 반도체 검출기가 유기 태양 전지, 염료 태양 전지, 염료-증감된 태양 전지, 고체 염료 태양 전지, 고체 염료-증감된 태양 전지로 이루어진 군으로부터 선택되는, 실시양태 72 또는 실시양태 73에 따른 방법.
실시양태 75: 상기 하나 이상의 종방향 광학 센서가 하나 이상의 제 1 전극, 하나 이상의 n-반도체성 금속 산화물, 하나 이상의 염료, 하나 이상의 p-반도체성 유기 물질, 바람직하게는 고체 p-반도체성 유기 물질, 및 하나 이상의 제 2 전극을 포함하는, 실시양태 45 내지 실시양태 74 중 어느 하나에 따른 방법.
실시양태 76: 상기 제 1 전극 및 제 2 전극 둘 다가 투명한, 실시양태 75에 따른 방법.
실시양태 77: 광 빔에 의한 센서 영역의 조명의 기하학적 형태와, 종방향 광학 센서 및/또는 종방향 광학 센서를 포함하는 검출기에 대한 물체의 상대적인 위치 설정 사이의, 하나 이상의 미리 한정된 관계를 이용함으로써, 물체의 종방향 위치에 대한 하나 이상의 정보 아이템을 생성시키는, 실시양태 45 내지 실시양태 76 중 어느 하나에 따른 방법.
실시양태 78: 상기 광 빔에 의한 센서 영역의 조명의 기하학적 형태와, 종방향 광학 센서 및/또는 종방향 광학 센서를 포함하는 검출기에 대한 물체의 상대적인 위치 설정 사이의, 하나 이상의 미리 한정된 관계가, 공지의 조명 동력을 고려하는, 실시양태 77에 따른 방법.
실시양태 79: 상기 광 빔에 의한 센서 영역의 조명의 기하학적 형태와, 종방향 광학 센서 및/또는 종방향 광학 센서를 포함하는 검출기에 대한 물체의 상대적인 위치 설정 사이의, 하나 이상의 미리 한정된 관계가, 조명 광이 변조되는 변조 주파수를 고려하는, 실시양태 77 또는 실시양태 78에 따른 방법.
실시양태 80: 교통 기술에서의 위치 측정; 엔터테인먼트 용도; 보안 용도; 안전 용도; 사람-기계 인터페이스 용도; 추적 용도; 사진술 용도; 촬영 용도 또는 카메라 용도; 하나 이상의 공간의 지도를 생성시키는 지도 제작 용도; 하나 이상의 비행 시간 측정과 조합된 용도; 위치파악 시스템, 구체적으로 로컬 또는 글로벌 위치파악 시스템; 통신 시스템, 구체적으로 가시광 통신 시스템으로 이루어진 군으로부터 선택되는 용도를 위한, 검출기에 관한 실시양태 1 내지 실시양태 36 중 어느 하나에 따른 검출기의 용도.
본 발명의 추가의 임의적인 세부사항 및 특징은 청구범위의 종속 청구항에 따른 하기 바람직한 예시적인 실시양태의 기재로부터 명백하다. 이와 관련하여, 특정 특징은 단독으로 또는 임의의 합리적인 조합으로 실행될 수 있다. 본 발명은 예시적인 실시양태로 제한되지 않는다. 예시적인 실시양태는 도면에 개략적으로 도시된다. 개별적인 도면에서 동일한 인용 번호는 동일한 요소 또는 동일한 기능을 갖는 요소, 또는 이들의 기능과 관련하여 서로 상응하는 요소를 가리킨다.
도 1a는 본 발명에 따른 검출기의 예시적인 실시양태를 도시한다.
도 1b는 본 발명에 따른 검출기의 예시적인 실시양태를 도시한다.
도 2a는 상이한 초점 위치에 대한 종방향 센서 신호 곡선을 도시한다.
도 2b는, 초점 종방향 광학 센서의 상응하는 종방향 센서 신호에 대해 정규화된, 상이한 초점 위치에 대한 종방향 센서 신호 곡선을 도시한다.
도 2c는 도 2b의 교차 범위의 확대도이다.
도 3은 사람-기계 인터페이스, 엔터테인먼트 장치 및 추적 시스템에 사용되는 검출기의 예시적인 실시양태를 도시한다.
예시적인 실시양태
도 1a에는, 하나 이상의 물체(112)의 위치를 결정하기 위한 검출기(110)의 예시적 실시양태가 도시되어 있다. 이 실시양태 또는 본 발명의 다른 실시양태의 검출기(110)는 독립형(stand-alone) 검출기일 수 있거나 또는 하나 이상의 다른 검출기와 조합될 수 있다. 예로서, 검출기(110)는 카메라를 구성할 수 있거나, 또는 카메라의 일부일 수 있다. 추가로 또는 다르게는, 검출기(110)는 사람-기계 인터페이스, 엔터테인먼트 장치 또는 추적 시스템의 일부일 수 있다. 다른 용도도 실현될 수 있다.
검출기(110)는 물체를 이미지 면(116)으로 촬영하기 위한 하나 이상의 전달 장치(114)를 포함한다. 전달 장치(114)는 초점 면(118)을 갖는다. 전달 장치(114)는 광 빔(126) 상으로의 초점 설정 또는 초점 이탈 효과를 가질 수 있다. 전달 장치(114)는 초점 설정 렌즈; 초점 이탈 렌즈, 카메라 렌즈; 곡면 거울; 격막(diaphragm) 중 하나 이상으로서 구현될 수 있다. 이 실시양태에서, 전달 장치(114)는 렌즈를 포함하거나 포함하지 않을 수 있다.
물체(112)는 조명 광(120)에 의해 조명될 수 있다. 조명 광(120)은 자연적 및/또는 인공적 광원으로부터의 주변 광일 수 있다. 부가적으로 또는 대안적으로, 검출기(110)는 하나 이상의 조명원, 예를 들어 레이저, 특히 IR 레이저 다이오드, 발광 다이오드, 백열등, 유기 광원, 특히 유기 발광 다이오드를 포함할 수 있다. 조명원은, 물체(112)를 비출 수 있는 조명 광(120)을 방출할 수 있다. 예를 들어, 조명원은 상이한 광학 특성을 갖는 둘 이상의 광 빔을 내보내도록 구성될 수 있고, 예를 들어 둘 이상의 광 빔은 상이한 변조 주파수로 변조될 수 있다.
또한, 검출기(110)는 하나 이상의 종방향 광학 센서(122)를 포함한다. 검출기(110)는 하나 이상의 종방향 광학 센서(122)를 포함할 수 있다. 종방향 광학 센서(122)는 하나 이상의 센서 영역(124)을 갖는다. 종방향 광학 센서(122)는 적어도 부분적으로 투명하다. 조명된 물체(112)는 충돌 광을 반사할 수도 있다. 따라서, 하나 이상의 광 빔(126)은 물체(112)로부터 검출기(110)로 이동할 수 있다. 종방향 광학 센서(122)는, 물체(112)로부터 검출기(110)로 이동하는 하나 이상의 광 빔(126)에 의한 센서 영역(124)의 조도에 따라 달라지는 방식으로, 하나 이상의 종방향 센서 신호를 생성시키도록 디자인된다. 상기 하나 이상의 종방향 광학 센서(122)는, 상기 논의된 바와 같고 예컨대 WO 2012/110924 A1호에서 더욱 상세하게 논의된 바와 같은 FiP-센서일 수 있다. 따라서, 종방향 센서 신호는 전체 조명 동력이 동일한 경우 센서 영역(124)에서 광 빔(126)의 빔 단면에 따라 달라진다.
종방향 광학 센서(122)의 표면에 직교하는 축은 광축(128)을 한정할 수 있다. 광축(128)은 종방향 축 또는 z-축을 한정하고, 이 때 광축(128)에 수직인 평면은 x-y-평면을 한정한다. 따라서, 도 1a에서는, 검출기(110)의 좌표 시스템일 수 있고 완전히 또는 부분적으로 물체(112)의 위치에 관한 하나 이상의 정보 아이템을 결정할 수 있는 좌표 시스템(130)이 도시되어 있다.
또한, 검출기(110)는, 종방향 센서 신호를 평가함으로써 물체(112)의 종방향 위치에 대한 하나 이상의 정보 아이템을 생성시키도록 디자인된 평가 장치(129)를 포함한다. 평가 장치(129)는 하나 이상의 데이터 처리 장치(130) 및/또는 하나 이상의 데이터 메모리(132)를 함유할 수 있다. 평가 장치(129)는 종방향 센서 신호의 주파수 분석, 특히 푸리에 분석을 수행하도록 구성될 수 있다. 따라서, 검출기가 하나 이상의 조명원을 포함하고, 상기 조명원이 하나보다 많은 조명 광의 광 빔을 내보낼 수 있고, 이때 각각의 광 빔이 상이한 변조 주파수로 변조되는 경우, 평가 장치(129)는 각 광 빔의 종방향 센서 신호의 신호 성분을 결정하도록 구성될 수 있다. 평가 장치(129)는, 하나 이상의 커넥터(134)에 의해, 종방향 광학 센서(122) 및 존재한다면 조명 원에 연결될 수 있다. 또한, 커넥터(134)는, 센서 신호를 행성하기 위해 하나 이상의 드라이버 및/또는 하나 이상의 측정 장치를 포함할 수 있다.
종방향 광학 센서(122)는 초점 종방향 광학 센서(136)를 포함한다. 초점 종방향 광학 센서(136)는 적어도 실질적으로 초점 면(118)에 배열된다. 초점 종방향 광학 센서(136)는 초점 면(118)으로부터 거리 ±ε만큼 이격될 수 있으며, 이때 ｜ε｜≤0.2·f이며, f는 전달 장치(114)의 초점 길이이다. 특히 ｜ε｜≤0.1·f, 바람직하게는 ｜ε｜≤0.05·f, 더욱 바람직하게는 ｜ε｜≤0.02·f, 및 가장 바람직하게는 ｜ε｜≤0.01·f이다.
검출기(110)의 구성요소는 완전히 또는 부분적으로 하나 이상의 하우징 내에 매립될 수 있다. 따라서, 종방향 광학 센서(122), 전달 장치(114), 및 존재한다면 조명원은 동일한 하우징(144) 내에 완전히 또는 부분적으로 감싸질 수 있고/있거나 별도의 하우징 내에 완전히 또는 부분적으로 감싸질 수 있다. 또한, 평가 장치(129)는 완전히 또는 부분적으로 종방향 광학 센서(122) 및/또는 하우징 내로 통합될 수 있다. 추가로 또는 다르게는, 평가 장치(129)는 완전히 또는 부분적으로 별도의 독립적인 장치로서 디자인될 수 있다.
도 1b에는, 도 1a와 관련하여 상기 주어진 설명에 덧붙여, 검출기(110)의 다른 실시양태가 도시되어 있다. 이 바람직한 실시양태에서, 검출기(110)는 복수의 종방향 광학 센서(122)를 포함할 수 있으며, 이들은 센서 스택(138)에 배열된다. 초점 종방향 광학 센서(136)는 센서 스택(138)으로부터 이격되어 배열되거나 센서 스택(138)의 일부를 형성할 수 있다. 종방향 광학 센서(122)의 스택(138)은 3개 이하의 종방향 광학 센서(122)를 포함할 수 있다. 스택(138)은, 종방향 광학 센서(122)의 센서 영역(124)이 검출기(110)의 광축(128)에 본질적으로 수직으로 배향되도록 배열되는 종방향 광학 센서(122)로 구성될 수 있다. 검출기(110)에 대한 추가의 설명은 도 1a에 도시된 실시양태의 설명을 참조할 수 있다.
상기에 개략적으로 기술된 바와 같이, 검출기(110), 특히, 스택(38)은, 종방향 광학 센서(122) 이외에 하나 이상의 추가의 요소를 포함할 수 있다. 따라서, 예로서, 검출기(110), 특히 스택(138)은 하나 이상의 촬영 장치를 포함할 수 있다. 따라서, 예로서, 검출기(110) 및/또는 스택(138)은, 도 1b에서 참조 번호 139로 묘사된 바와 같은 하나 이상의 촬영 장치를 포함할 수 있다. 상기 하나 이상의 임의적인 촬영 장치(139)는 예를 들면 하나 이상의 유기 및/또는 하나 이상의 무기 촬영 장치, 예컨대 픽셀화된 촬영 장치를 포함할 수 있다. 예를 들면 CMOS 및/또는 CCD 카메라 칩과 같은 하나 이상의 CMOS 및/또는 CCD 촬영 장치가 사용될 수 있다. 따라서, 검출기(110)는 자체적으로 또는 하나 이상의 추가의 성분과 함께 카메라(111)로서 구현될 수 있다.
도 2a에는, z의 함수로서의 상이한 초점 위치 zf에 대한 종방향 센서 신호 곡선 j(z)이 도시되어 있다. 상기 곡선은, 동일한 광학 시스템에 대한 고전적인 광선 광학에 대해 산출된 것이다. 상기에 개요된 바와 같이, 상기 종방향 광학 센서 전류는 초점으로부터의 거리 zf가 증가함에 따라 감소될 수 있다. 또한, 상기에 개요된 바와 같이, 두 개의 상이한 거리 zf 및 z'f에서 동일한 물체(112)의 두 개의 종방향 센서 신호 전류 j(z, zf) 및 j(z, z'f)를 이들의 초점 전류에 대해 정규화한 각각의 값 jfocal(zf) 및 jfocal(z'f)이 고려될 수도 있다. 상기에 개요된 바와 같이, 이들 곡선은 하기 식 (15) 및 (16)의 경우 z=zcross에서 교차될 수 있다:
Figure 112017013080060-pct00044
(15)
Figure 112017013080060-pct00045
(16).
상기 개요한 바와 같이, 가우시안 빔의 경우, 상기 식은 하기 식 (17) 및 (18)로 단순화된다:
Figure 112017013080060-pct00046
(17)
Figure 112017013080060-pct00047
(18).
도 2b는, 초점 종방향 광학 센서(136)의 상응하는 종방향 센서 신호에 대해 정규화된, 상이한 초점 위치에 대한 종방향 센서 신호(140)의 곡선(142)을 도시하며, 도 2c에는 교차 영역(144)의 확대도가 도시되어 있다. 곡선(142)의 교차는 이론적으로는 각각의 곡선(142)의 초점 위치에 의존성으로 남아 있지만, 놀랍게도, 광학 시스템의 경우 상이한 초점 길이에 대한 zcross의 차이는 작고 zcross는 종방향 센서 신호 전류가 덜 z-의존성인 영역으로 들어감이 확인되었다. 또한, 일반적으로, 주어진 광학 시스템은 특정의 광학 범위로 제한된다. 놀랍게도, 광학 시스템의 전형적인 범위 내에서, 초점에 인접한 작은 z 범위 또는 점이 확인되었으며, 여기서 모든 정규화된 전류 곡선(142)들이 교차된다. 따라서, 이 위치에서 또는 이 교차 범위 내에서 종방향 광학 센서 전류를 측정하는 것은 상기 곡선의 정규화를 낳을 수 있으며, 이것이 jfocal이다. 상기에 개략적으로 기재한 바와 같이, 초점 종방향 광학 센서(136)는 초점 면(118)으로부터 거리 ±ε만큼 이격될 수 있으며, 이때 ｜ε｜≤0.2·f이며, f는 전달 장치(114)의 초점 길이이다. 예를 들어, ｜ε｜≤0.1·f, 바람직하게는 ｜ε｜≤0.05·f, 더욱 바람직하게는 ｜ε｜≤0.02·f, 및 가장 바람직하게는 ｜ε｜≤0.01·f이다. 상기 하나 이상의 초점 종방향 광학 센서(136)는, 상기 곡선(142)들이 교차하는 범위내 또는 지점에 하나 이상의 초점 종방향 광학 센서(136)가 들어가도록, 상기 초점 면(118)에 대해 배열될 수 있다.
상기 평가 장치(129)는, 초점 종방향 광학 센서의 하나 이상의 종방향 센서 신호 jfocal을 평가하고 이미지 면 내의 가정적인(hypothetical) 종방향 광학 센서의 이론적인 종방향 센서 신호 jimage를 유도하도록 구성될 수 있다. 상기 평가 장치(129)는, 상기 이론적인 종방향 센서 신호 jimage를 결정하는데, 이론적인 종방향 센서 신호 jimage가 초점 종방향 광학 센서(136)의 종방향 센서 신호 jfocal에 비례한다는 가정을 사용하도록 구성될 수도 있다. 상기 이론적인 종방향 센서 신호 jimage를 결정하기 위해, 상기 평가 장치(129)는, 하기 관계식 (19)를 사용하도록 구성될 수도 있다:
Figure 112017013080060-pct00048
(19) (여기서, const.는 사전결정된 또는 결정가능한 상수이다). 상기 이론적인 종방향 센서 신호 jimage를 결정하기 위해, 상기 평가 장치(129)는, 하기 관계식 (20)을 사용하도록 구성될 수도 있다:
Figure 112017013080060-pct00049
(20) (여기서,
Figure 112017013080060-pct00050
는, 물체(112)의 크기 htarget, 전달 장치(114)의 초점 길이 flens, 및 전달 장치(114)의 개구 llens에 의존적인 사전결정된 또는 결정가능한 함수이다). 상기 초점 종방향 광학 센서 전류 jfocal이 결정되고 c(htarget,flens,llens)을 알면, 상기 이론적인 센서 신호 jimage를 결정할 수 있다. 따라서, 이미지 면(116)에서의 센서 신호를 결정하기 위해 이미지 면(116) 내에 또는 이미지 면(116)에 근접하게 종방향 광학 센서(122)를 위치시키는 것을 피할 수 있다. 또한, 불명확성을 해결하는데 필요한 종방향 광학 센서(122)의 양을 감소시키는 것이 가능할 수 있다.
도 3에는, 사람-기계 인터페이스(146)에 사용되는 검출기(110)의 예시적인 실시양태가 도시되어 있다. 검출기(110)은 카메라(111)로서 구현될 수 있다. 사람-기계 인터페이스(146)는 하나 이상의 검출기(110)를 포함한다. 사람-기계 인터페이스는, 검출기(110)에 의해 사용자(148)의 하나 이상의 기하학적 정보 아이템을 생성시키도록 디자인될 수 있다. 사람-기계 인터페이스(146)를 사용하여, 하나 이상의 정보 아이템을 기계(150)에 제공하기 위하여, 하나 이상의 정보 아이템, 특히 하나 이상의 제어 명령을 기하학적 정보에 부여할 수 있다. 도 3에 개략적으로 도시된 실시양태에서, 기계(150)는 컴퓨터일 수 있고/있거나 컴퓨터를 포함할 수 있다. 다른 실시양태도 실현가능하다. 평가 장치(129)는 완전히 또는 부분적으로 기계(150) 내로, 예컨대 컴퓨터 내로 통합될 수 있다. 앞에서 개략적으로 기재된 바와 같이, 종방향 광학 센서(122) 및 전달 장치(114)는 하우징(152) 내에 매립될 수 있다.
사람-기계 인터페이스(146)는 엔터테인먼트 장치(154)의 일부를 구성할 수 있다. 기계(150), 특히 컴퓨터는 또한 엔터테인먼트 장치(154)의 일부를 구성할 수 있다. 따라서, 물체(112)로서 기능하는 사용자(148)에 의해, 사용자(148)는 하나 이상의 제어 명령 같은 하나 이상의 정보 아이템을 컴퓨터에 입력함으로써 컴퓨터 게임의 과정을 제어하는 것과 같이 엔터테인먼트 기능을 변화시킬 수 있다.
또한, 하나 이상의 이동가능한 물체(112)의 위치를 추적하기 위한 추적 시스템(156)이 도시되어 있다. 추적 시스템(156)은 검출기(110) 및 하나 이상의 추적 컨트롤러(158)를 포함한다. 추적 컨트롤러(158)는 완전히 또는 부분적으로 기계(150)의 컴퓨터의 일부를 구성할 수 있다. 추적 컨트롤러(158)는 특정 시점에서 물체(112)의 일련의 위치로부터 물체(112)의 움직임을 추적하도록 구성된다.
110: 검출기
111: 카메라
112: 물체
114: 전달 장치
116: 이미지 면
118: 초점 면
120: 조명 광
122: 종방향 광학 센서
124: 센서 영역
126: 광 빔
128: 광축
129: 평가 장치
130: 좌표 시스템
131: 데이터 처리 장치
132: 데이터 메모리
134: 커넥터
136: 초점 종방향 광학 센서
138: 센서 스택
139: 촬영 장치
140: 종방향 센서 신호의 곡선
142: 곡선들
144: 교차 영역
146: 사람-기계 인터페이스
148: 사용자
150: 기계
152: 하우징
154: 엔터테인먼트 장치
156: 추적 시스템
158: 추적 컨트롤러

Claims (31)

  1. 하나 이상의 물체(112)의 위치를 결정하기 위한 검출기(110)로서,
    - 이미지 면(116)으로 물체(112)를 촬영하기 위한, 초점 면(focal plane)(118)을 갖는 하나 이상의 전달 장치(114);
    - 하나 이상의 종방향 광학 센서(122); 및
    - 하나 이상의 평가 장치(129)
    를 포함하며, 이 때
    상기 종방향 광학 센서(122)는 하나 이상의 센서 영역(124)을 갖고,
    상기 종방향 광학 센서(122)는 적어도 부분적으로 투명하며,
    상기 종방향 광학 센서(122)는, 물체(112)로부터 검출기(110)로 이동하는 하나 이상의 광 빔에 의한 센서 영역(124)의 조도에 따라 달라지는 방식으로 하나 이상의 종방향 센서 신호를 생성시키도록 디자인되며,
    상기 종방향 센서 신호는 전체 조명 동력이 동일한 경우 센서 영역(124)에서의 광 빔의 빔 단면에 따라 달라지고,
    상기 평가 장치(129)는, 종방향 센서 신호를 평가함으로써 물체(112)의 종방향 위치에 대한 하나 이상의 정보 아이템을 생성시키도록 디자인되고,
    상기 하나 이상의 종방향 광학 센서(122)는 초점 종방향 광학 센서(136)를 포함하고, 상기 초점 종방향 광학 센서(136)는 적어도 실질적으로 상기 초점 면(118)에 배열되고,
    상기 초점 종방향 광학 센서(136)는 초점 면(118)으로부터 거리 ±ε만큼 이격되며, 이때 ｜ε｜≤0.2·f이며, f는 전달 장치(114)의 초점 길이이며,
    상기 하나 이상의 종방향 광학 센서(122)는, 초점 종방향 광학 센서(136) 이외에 하나 이상의 추가의 종방향 광학 센서(122)를 포함하는, 검출기(110).
  2. 삭제
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 평가 장치(129)가, 초점 종방향 광학 센서(136)의 하나 이상의 종방향 센서 신호 jfocal을 평가하고 이미지 면(116) 내의 가정적인(hypothetical) 종방향 광학 센서의 이론적인 종방향 센서 신호 jimage를 유도하도록 구성된, 검출기(110).
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 평가 장치(129)가, 상기 이론적인 종방향 센서 신호 jimage를 결정하기 위하여, 초점 종방향 광학 센서(136)의 종방향 센서 신호 jfocal과 이론적인 종방향 센서 신호 jimage 사이의 사전결정된 또는 결정가능한 관계를 사용하도록 구성된, 검출기(110).
  5. 제 3 항에 있어서,
    상기 평가 장치(129)가, 상기 이론적인 종방향 센서 신호 jimage를 결정하기 위하여, 이론적인 종방향 센서 신호 jimage가 초점 종방향 광학 센서(136)의 종방향 센서 신호 jfocal에 비례한다는 가정을 사용하도록 구성된, 검출기(110).
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 평가 장치(129)가, 상기 이론적인 종방향 센서 신호 jimage를 결정하기 위하여 하기 관계식을 사용하도록 구성된, 검출기(110):
    Figure 112021124839071-pct00063

    여기서, const.는 사전결정된 또는 결정가능한 상수이다.
  7. 제 5 항에 있어서,
    상기 평가 장치(129)가, 상기 이론적인 종방향 센서 신호 jimage를 결정하기 위하여 하기 관계식을 사용하도록 구성된, 검출기(110):
    Figure 112021124839071-pct00064

    여기서,
    Figure 112021124839071-pct00065
    는, 물체(112)의 크기 htarget, 전달 장치(114)의 초점 길이 flens, 및 전달 장치(114)의 개구(aperture) llens에 의존적인 사전결정된 또는 결정가능한 함수이다.
  8. 삭제
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 하나 이상의 종방향 광학 센서(122)는 종방향 광학 센서의 스택(138)을 포함하는, 검출기(110).
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 초점 종방향 광학 센서(136)는 종방향 광학 센서의 스택(138)의 일부를 형성하는, 검출기(110).
  11. 제 9 항에 있어서,
    상기 종방향 광학 센서의 스택(138)은 세 개 이하의 종방향 광학 센서(122)를 포함하는, 검출기(110).
  12. 제 1 항에 있어서,
    상기 하나 이상의 종방향 광학 센서(122)가 하나 이상의 반도체 검출기를 포함하고, 상기 반도체 검출기가 하나 이상의 유기 물질을 포함하는 유기 반도체 검출기인, 검출기(110).
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 반도체 검출기가 유기 태양 전지, 염료 태양 전지, 염료-증감된(sensitized) 태양 전지, 고체 염료 태양 전지, 고체 염료-증감된 태양 전지로 이루어진 군으로부터 선택되는, 검출기(110).
  14. 제 1 항에 있어서,
    상기 하나 이상의 종방향 광학 센서(122)가 하나 이상의 제 1 전극, 하나 이상의 n-반도체성 금속 산화물, 하나 이상의 염료, 하나 이상의 p-반도체성 유기 물질 및 하나 이상의 제 2 전극을 포함하는, 검출기(110).
  15. 사용자(148)와 기계(150) 사이에서 하나 이상의 정보 아이템을 교환하기 위한 사람-기계 인터페이스(146)로서,
    제 1 항, 제 3 항 내지 제 7 항 및 제 9 항 내지 제 14 항 중 어느 한 항에 따른 하나 이상의 검출기(110)를 포함하고, 상기 검출기(110)에 의해 사용자(148)의 하나 이상의 기하학적 정보 아이템을 생성시키도록 디자인되며, 상기 기하학적 정보에 하나 이상의 정보 아이템을 부여하도록 디자인된, 사람-기계 인터페이스(146).
  16. 하나 이상의 엔터테인먼트 기능을 수행하기 위한 엔터테인먼트 장치(154)로서,
    제 15 항에 따른 하나 이상의 사람-기계 인터페이스(146)를 포함하며, 플레이어가 사람-기계 인터페이스(146)에 의해 하나 이상의 정보 아이템을 입력할 수 있도록 디자인되며, 상기 정보에 따라 엔터테인먼트 기능을 변화시키도록 디자인된, 엔터테인먼트 장치(154).
  17. 하나 이상의 이동가능한 물체(112)의 위치를 추적하기 위한 추적 시스템(156)으로서,
    제 1 항, 제 3 항 내지 제 7 항 및 제 9 항 내지 제 14 항 중 어느 한 항에 따른 검출기(110)를 포함하고, 하나 이상의 추적 컨트롤러(158)를 추가로 포함하되, 이때 상기 추적 컨트롤러(158)가 특정 시점에서 물체(112)의 일련의 위치를 추적하도록 구성된, 추적 시스템(156).
  18. 하나 이상의 물체(112)를 촬영하기 위한 카메라(111)로서,
    제 1 항, 제 3 항 내지 제 7 항 및 제 9 항 내지 제 14 항 중 어느 한 항에 따른 하나 이상의 검출기(110)를 포함하는 카메라(111).
  19. 하나 이상의 물체(112)의 위치를 결정하는 방법으로서,
    - 초점 면(118)을 갖는 하나 이상의 전달 장치(114)를 사용함으로써 이미지 면으로 물체(112)를 촬영하는 단계;
    - 하나 이상의 종방향 광학 센서(122)를 제공하고 상기 하나 이상의 종방향 광학 센서(122)를 사용함으로써 하나 이상의 종방향 센서 신호를 생성하는 단계로서, 이때 상기 종방향 광학 센서(122)는 하나 이상의 센서 영역(124)을 갖고, 상기 종방향 광학 센서(122)는 적어도 부분적으로 투명하며, 상기 하나 이상의 종방향 센서 신호는, 물체(112)로부터 종방향 광학 센서(122)까지 이동하는 하나 이상의 광 빔(126)에 의한 센서 영역(124)의 조도에 따라 달라지며, 상기 종방향 센서 신호는 전체 조명 동력이 동일한 경우 센서 영역(124)에서의 광 빔(126)의 빔 단면에 따라 달라지는, 단계; 및
    - 종방향 센서 신호를 평가함으로써 물체(112)의 종방향 위치에 대한 하나 이상의 정보 아이템을 생성시키는 단계
    를 포함하되, 이때 상기 하나 이상의 종방향 광학 센서(122)는 초점 종방향 광학 센서(136)를 포함하며, 상기 초점 종방향 광학 센서(136)는 적어도 실질적으로 초점 면(118)에 배열되고,
    상기 초점 종방향 광학 센서(136)는 초점 면(118)으로부터 거리 ±ε만큼 이격되며, 이때 ｜ε｜≤0.2·f이며, f는 전달 장치(114)의 초점 길이이며,
    상기 하나 이상의 종방향 광학 센서(122)는, 초점 종방향 광학 센서(136) 이외에 하나 이상의 추가의 종방향 광학 센서(122)를 포함하는, 방법.
  20. 제 19 항에 있어서,
    상기 방법이, 제 1 항, 제 3 항 내지 제 7 항 및 제 9 항 내지 제 14 항 중 어느 한 항에 따른 검출기(110)를 사용하는 것을 포함하는, 방법.
  21. 제 19 항에 있어서,
    상기 초점 종방향 광학 센서(136)는 초점 면(118)으로부터 거리 ±ε만큼 이격되며, 이때 ｜ε｜≤0.2·f이며, f는 전달 장치(114)의 초점 길이인, 방법.
  22. 제 19 항에 있어서,
    상기 방법이 추가로, 상기 초점 종방향 광학 센서(136)의 하나 이상의 종방향 센서 신호 jfocal을 평가하고 이미지 면(116) 내의 가정적인 종방향 광학 센서의 이론적인 종방향 센서 신호 jimage를 유도하는 것을 포함하는, 방법.
  23. 제 22 항에 있어서,
    상기 이론적인 종방향 센서 신호 jimage를 결정하기 위하여, 상기 초점 종방향 광학 센서(136)의 종방향 센서 신호 jfocal과 상기 이론적인 종방향 센서 신호 jimage 사이의 사전결정된 또는 결정가능한 관계를 사용하는, 방법.
  24. 제 22 항에 있어서,
    상기 이론적인 종방향 센서 신호 jimage를 결정하기 위하여, 상기 이론적인 종방향 센서 신호 jimage가 초점 종방향 광학 센서(136)의 종방향 센서 신호 jfocal에 비례한다는 가정을 사용하는, 방법.
  25. 제 24 항에 있어서,
    상기 이론적인 종방향 센서 신호 jimage를 결정하기 위하여 하기 관계식을 사용하는, 방법:
    Figure 112021124839071-pct00066

    여기서, const.는 사전결정된 또는 결정가능한 상수이다.
  26. 제 24 항에 있어서,
    상기 이론적인 종방향 센서 신호 jimage를 결정하기 위하여 하기 관계식을 사용하는, 방법:
    Figure 112021124839071-pct00067

    여기서,
    Figure 112021124839071-pct00068
    는, 물체(112)의 크기 htarget, 전달 장치(114)의 초점 길이 flens, 및 전달 장치(114)의 개구 llens에 의존적인 사전결정된 또는 결정가능한 함수이다.
  27. 제 19 항에 있어서,
    상기 하나 이상의 종방향 광학 센서(122)는, 초점 종방향 광학 센서(136) 이외에 하나 이상의 추가의 종방향 광학 센서(122)를 포함하는, 방법.
  28. 제 27 항에 있어서,
    상기 하나 이상의 종방향 광학 센서(122)는 종방향 광학 센서(122)의 스택(138)을 포함하는, 방법.
  29. 제 28 항에 있어서,
    상기 초점 종방향 광학 센서(136)는 종방향 광학 센서(122)의 스택(138)의 일부를 형성하는, 방법.
  30. 제 28 항에 있어서,
    상기 종방향 광학 센서(122)의 스택(138)은 세 개 이하의 종방향 광학 센서(122)를 포함하는, 방법.
  31. 교통 기술에서의 위치 측정; 엔터테인먼트 용도; 보안 용도; 안전 용도; 사람-기계 인터페이스 용도; 추적 용도; 사진술 용도; 촬영 용도 또는 카메라 용도; 하나 이상의 공간의 지도를 생성시키는 지도 제작 용도; 하나 이상의 비행 시간 측정과 조합된 용도; 위치파악(positioning) 시스템; 통신 시스템으로 이루어진 군으로부터 선택되는 용도를 위해 사용되는, 제 1 항, 제 3 항 내지 제 7 항 및 제 9 항 내지 제 14 항 중 어느 한 항에 따른 검출기(110).
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