KR101691156B1

KR101691156B1 - 조명 광학계와 결상 광학계가 통합된 광학계 및 이를 포함하는 3차원 영상 획득 장치

Info

Publication number: KR101691156B1
Application number: KR1020100127867A
Authority: KR
Inventors: 박용화; 유장우; 알렉산더 쉬란코브; 스타니슬라브 스티코브; 빅터 파블로프
Original assignee: 삼성전자주식회사
Priority date: 2010-12-14
Filing date: 2010-12-14
Publication date: 2016-12-30
Also published as: EP2466376A2; EP2466376A3; KR20120066500A; US9170471B2; JP2012142926A; US20120147143A1; EP2466376B1; JP5944156B2

Abstract

조명 광학계와 결상 광학계가 통합된 광학계 및 이를 포함하는 3차원 영상 획득 장치가 개시된다. 개시된 광학계는 3차원 영상 획득 장치의 조명 광학계와 결상 광학계가 서로의 광축이 일치하도록 통합되어 있는 구조를 갖는다. 따라서, 조명 광학계와 결상 광학계 사이에 시차가 존재하지 않기 때문에, 조명광을 수광하여 계산한 피사체에 대한 깊이 정보는 피사체와 3차원 영상 획득 장치 사이의 실제의 거리를 반영할 수 있다. 그 결과, 피사체에 대한 깊이 정보가 더욱 정확해질 수 있다. 또한, 조명 광학계와 결상 광학계 사이에 시차가 존재하지 않으므로, 조명광의 이용 효율을 향상시킬 수 있다. 그 결과, 3차원 영상 획득 장치에 입사하는 광량이 증가하여 피사체에 대한 깊이 정보가 더욱 정확해질 수 있다.

Description

조명 광학계와 결상 광학계가 통합된 광학계 및 이를 포함하는 3차원 영상 획득 장치 {Optical system having integrated illumination and imaging systems and 3D image acquisition apparatus including the optical system}

개시된 발명은 조명 광학계와 결상 광학계가 통합된 광학계 및 이를 포함하는 3차원 영상 획득 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 깊이 정보의 정확성을 향상시키기 위하여 3차원 영상 획득 장치의 조명 광학계와 결상 광학계가 서로의 광축이 일치하도록 통합되어 있는 광학계 및 이를 포함하는 3차원 영상 획득 장치에 관한 것이다.

최근, 깊이감 있는 영상을 표시할 수 있는 3D 디스플레이 장치의 발전 및 수요 증가와 함께 3D 컨텐츠의 중요성이 부각되고 있다. 이에 따라, 일반 사용자가 3D 컨텐츠를 직접 제작할 수 있는 3D 카메라와 같은 3차원 영상 획득 장치가 연구되고 있다. 이러한 3D 카메라는 한번의 촬영으로 기존의 2차원 컬러 영상 정보와 함께 깊이(depth) 정보도 얻을 수 있어야 한다.

피사체의 표면들과 3D 카메라 사이의 거리에 관한 깊이 정보는, 두 대의 카메라를 이용한 양안 입체시(Stereo Vision) 방법이나 구조광(Structured Light)과 카메라를 이용한 삼각 측량법(Triangulation)을 이용하여 얻을 수 있다. 그러나 이러한 방법은 피사체의 거리가 멀어질수록 깊이 정보에 대한 정확도가 급격히 저하되고 피사체의 표면 상태에 의존적이어서 정밀한 깊이 정보를 얻기 어렵다.

이러한 문제를 개선하기 위하여 광시간비행법(Time-of-Flight; TOF)이 도입되었다. TOF 기술은 조명광을 피사체에 조사한 후, 피사체로부터 반사되는 광이 수광부에서 수광되기까지의 광 비행시간을 측정하는 방법이다. TOF 기술에 따르면, 발광 다이오드(LED) 또는 레이저 다이오드(LD)를 포함하는 조명 광학계를 이용하여 특정 파장의 빛(예컨대, 850nm의 근적외선)을 피사체에 투사하고, 피사체로부터 반사된 동일한 파장의 빛을 수광부에서 수광한 후, 기지의 이득 파형을 갖는 변조기로 상기 수광된 빛을 변조하는 등 깊이 정보를 추출하기 위한 일련의 처리 과정을 거치게 된다. 이러한 일련의 광 처리 과정에 따라 다양한 TOF 기술이 소개되어 있다.

이와 같이 조명 광학계를 이용하여 빛을 투사하고 반사광을 이용하여 거리를 측정하는 경우에, 3D 카메라에 입사되는 반사광의 광량이 증가할수록 깊이 정보의 정확도가 증가할 수 있다. 3D 카메라의 깊이 정보 추출을 위한 신호처리 과정에서, 신호대 잡음비는 입사되는 광량에 비례하고, 깊이 정보의 정확도는 신호대 잡음비가 클수록 증가하기 때문이다. 따라서, 3D 카메라에 입사하는 광량이 가능한 커지도록 광학계를 설계할 필요가 있다.

또한, TOF 기술을 채용한 3D 카메라는 통상적으로 깊이 정보를 위한 조명광을 방출하는 조명 광학계와 피사체의 영상을 획득하기 위한 결상 광학계를 구비한다. 그런데, 조명 광학계와 결상 광학계는 3D 카메라 내에 서로 다른 곳에 위치하고 있기 때문에, 두 광학계의 광축이 일치하지 않는다. 따라서, 조명 광학계와 결상 광학계 사이에는 시차(parallax)가 존재하게 된다. 이는 피사체에 대한 깊이 정보의 정확성을 저하시키는 원인이 될 수 있으며, 조명광의 이용 효율을 떨어뜨릴 수 있다.

3차원 영상 획득 장치의 깊이 정보의 정확성을 향상시키기 위하여, 조명 광학계와 결상 광학계가 서로의 광축이 일치하도록 통합되어 있는 광학계를 제공한다.

또한, 상기 광학계를 포함하는 3차원 영상 획득 장치를 제공한다.

본 발명의 일 유형에 따른 3차원 영상 획득 장치용 광학계는, 광축이 지나는 중심부에 개구가 형성되어 있는 결상용 대물렌즈; 상기 결상용 대물렌즈의 개구 내에 배치된 조명용 대물렌즈; 및 상기 조명용 대물렌즈에 조명광을 제공하는 광원;을 포함하며, 상기 결상용 대물렌즈와 조명용 대물렌즈는 그들의 중심에 있는 광축을 서로 공유하도록 배치될 수 있다.

상기 광원은 광축 상에서 상기 결상용 대물렌즈의 비초점 평면에 위치할 수 있다.

상기 광학계는 상기 개구와 대향하도록 광축 상에 배치된 평면 미러를 더 포함하며, 상기 평면 미러는 광축 상에서 상기 결상용 대물렌즈의 비초점 평면에 위치하고, 상기 광원은 상기 평면 미러를 향해 광을 방출하도록 광축을 벗어나 배치될 수 있다.

상기 광학계는 상기 광원과 상기 평면 미러 사이에 배치된 매칭 렌즈를 더 포함할 수 있다.

또한 상기 광학계는, 상기 평면 미러와 상기 광원 사이에 배치된 것으로, 상기 광원에서 방출된 광을 균질화하고 광의 단면 형태를 변화시키는 빔성형 소자를 더 포함할 수 있다.

상기 광학계는 또한, 상기 빔성형 소자와 상기 평면 미러 사이에 배치된 제 1 매칭 렌즈, 및 상기 빔성형 소자와 상기 광원 사이에 배치된 제 2 매칭 렌즈를 더 포함할 수 있다.

예를 들어, 상기 빔성형 소자는 투명한 재질로 이루어진 직사각형 단면의 인티그레이터 막대일 수 있다.

상기 광학계는 상기 개구와 대향하도록 광축 상에 배치된 곡면 미러를 더 포함하며, 상기 곡면 미러는 광축 상에서 상기 결상용 대물렌즈의 비초점 평면에 위치하고, 상기 광원은 상기 곡면 미러를 향해 광을 방출하도록 광축을 벗어나 배치될 수 있다.

상기 곡면 미러는 볼록한 반사면을 갖는 볼록 미러일 수 있다.

상기 광학계는 상기 광원으로부터 상기 곡면 미러로 집광된 광을 전달하기 위한 광전달 부재를 더 포함할 수 있다.

예를 들어, 상기 광전달 부재는 광섬유일 수 있다.

한편, 본 발명의 다른 유형에 따른 3차원 영상 획득 장치용 광학계는, 광축이 지나는 중심부에 개구가 형성되어 있는 결상용 대물렌즈; 상기 개구와 대향하도록 광축 상에 배치된 미러; 상기 미러를 향해 광을 방출하도록 광축을 벗어나 배치되어 있는 광원; 및 상기 개구 내에 배치된 평평한 투명 윈도우;를 포함하며, 상기 미러는 광축 상에서 상기 결상용 대물렌즈의 비초점 평면에 위치할 수 있다.

예를 들어, 상기 미러는 볼록한 반사면을 갖는 볼록 미러일 수 있다.

또한, 상기 미러는 평평한 반사면을 갖는 평면 미러일 수도 있다.

상기 광학계는, 상기 평면 미러와 상기 광원 사이에 배치된 것으로 상기 광원으로부터 방출된 조명광을 피사체에 투사하기 위한 조명용 대물렌즈를 더 포함할 수 있다.

또한 상기 광학계는, 상기 조명용 대물렌즈와 상기 광원 사이에 배치된 것으로 상기 광원에서 방출된 광을 균질화하고 광의 단면 형태를 변화시키는 빔성형 소자를 더 포함할 수 있다.

또한, 본 발명의 또 다른 유형에 따른 3차원 영상 획득 장치용 광학계는, 공통 대물렌즈; 상기 공통 대물렌즈의 중심 영역에 조명광을 제공하는 광원; 및 상기 광원을 상기 공통 대물렌즈의 중심 영역에 광학적으로 매칭시키는 매칭 렌즈;를 포함하며, 상기 광원은 상기 공통 대물렌즈의 광축 상에서 상기 공통 대물렌즈의 비초점 평면에 위치할 수 있다.

또한, 본 발명의 또 다른 유형에 따른 3차원 영상 획득 장치용 광학계는, 공통 대물렌즈; 상기 공통 대물렌즈의 광축 상에 배치된 평면 미러; 상기 공통 대물렌즈의 중심 영역에 조명광을 제공하기 위하여, 상기 평면 미러를 향해 광을 방출하도록 광축을 벗어나 배치되는 광원; 및 상기 광원을 상기 공통 대물렌즈의 중심 영역에 광학적으로 매칭시키기 위한 것으로, 상기 평면 미러와 상기 광원 사이에 배치되는 제 1 매칭 렌즈;를 포함하며, 상기 평면 미러는 광축 상에서 상기 공통 대물렌즈의 비초점 평면에 위치할 수 있다.

상기 광학계는, 상기 제 1 매칭 렌즈와 상기 광원 사이에 배치된 것으로 상기 광원에서 방출된 광을 균질화하고 광의 단면 형태를 변화시키는 빔성형 소자, 및 상기 빔성형 소자와 상기 광원 사이에 배치된 제 2 매칭 렌즈를 더 포함할 수 있다.

또한, 본 발명의 또 다른 유형에 따르면, 피사체에 조명광을 투사하고, 피사체로부터의 반사광을 포커싱하기 위한 상술한 구성의 광학계; 상기 광학계에 의해 포커싱된 광을 처리하여 영상 신호를 만드는 영상 처리부; 및 상기 광학계 및 영상 처리부의 동작을 제어하는 제어부;를 포함하는 3차원 영상 획득 장치가 제공되며, 여기서 상기 광원, 평면 미러 및 곡면 미러 중 하나는 상기 광학계와 상기 영상 처리부 사이의 광축 상에 위치할 수 있다.

또한, 상기 영상 처리부는, 소정의 이득 파형으로 입사광을 변조하는 광변조기; 변조된 광을 감지하여 전기적인 영상 신호로 만드는 촬상 소자; 및 광축 상에 위치한 상기 광원, 평면 미러 및 곡면 미러 중 하나가 상기 촬상 소자에서의 영상 신호 형성을 방해하는 것을 방지하기 위하여 상기 광변조기의 전면에 배치된 집광 렌즈;를 포함할 수 있다.

또한, 상기 영상 처리부는 광축 상에 위치한 상기 광원, 평면 미러 및 곡면 미러에 의한 산란광을 차단하기 위한 조리개를 더 포함할 수 있다.

개시된 광학계의 경우, 조명 광학계와 결상 광학계가 동일한 광축을 공유하므로, 조명 광학계와 결상 광학계 사이에는 시차가 존재하지 않는다. 따라서, 조명 광학계로부터 방출되어 피사체에서 반사된 조명광을 수광하여 계산한 피사체에 대한 깊이 정보는 피사체와 3차원 영상 획득 장치 사이의 실제의 거리를 반영할 수 있다. 그 결과, 피사체에 대한 깊이 정보가 더욱 정확해질 수 있다.

또한, 조명 광학계와 결상 광학계 사이에는 시차가 존재하지 않으므로, 조명광의 이용 효율을 향상시킬 수 있다. 따라서, 3차원 영상 획득 장치에 입사하는 광량이 증가하여 피사체에 대한 깊이 정보가 더욱 정확해질 수 있다.

더욱이, 조명 광학계와 결상 광학계가 하나의 광학계로 통합되어 있기 때문에, 전체적인 광학계의 크기를 줄일 수 있다. 또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 조명 광학계의 줌 배율과 결상 광학계의 줌 배율이 별도의 정밀 제어 메커니즘 없이도 서로 동일하게 유지될 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 영상 획득 장치의 구조를 예시적으로 보이는 개념도이다.
도 2는 도 1에 도시된 광학계의 본 발명의 일 실시예에 따른 구조를 개략적으로 보이는 개념도이다.
도 3은 도 1 및 도 2에 도시된 영상 처리부의 구조를 개략적으로 보이는 개념도이다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 광학계의 구조를 개략적으로 보이는 개념도이다.
도 5는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 광학계의 구조를 개략적으로 보이는 개념도이다.
도 6은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 광학계의 구조를 개략적으로 보이는 개념도이다.
도 7은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 광학계의 구조를 개략적으로 보이는 개념도이다.
도 8은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 광학계의 구조를 개략적으로 보이는 개념도이다.
도 9는 본 발명의 다른 실시예에 따른 광학계의 구조를 개략적으로 보이는 개념도이다.
도 10은 본 발명의 다른 실시예에 따른 광학계의 구조를 개략적으로 보이는 개념도이다.

이하, 첨부된 도면들을 참조하여, 조명 광학계와 결상 광학계가 통합된 광학계 및 이를 포함하는 3차원 영상 획득 장치에 대해 상세하게 설명한다. 이하의 도면들에서 동일한 참조부호는 동일한 구성요소를 지칭하며, 도면상에서 각 구성요소의 크기는 설명의 명료성과 편의상 과장되어 있을 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 영상 획득 장치(100)의 구조를 예시적으로 보이는 개념도이다. 도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 영상 획득 장치(100)는 외부의 피사체(도시되지 않음)로부터의 반사광을 포커싱하는 대물렌즈(111), 대물렌즈(111)에 의해 포커싱된 광을 처리하여 영상 신호를 만드는 영상 처리부(130), 피사체에 대한 깊이 정보를 얻기 위해 피사체를 조명하는 조명 광학계(120), 및 상기 대물렌즈(111), 영상 처리부(130) 및 조명 광학계(120)의 동작을 제어하는 제어부(140)를 포함할 수 있다.

이러한 구조에서, 조명 광학계(120)는 피사체에 예를 들어 적외선의 조명광을 조사한다. 피사체에 의해 반사된 적외선 조명광은 대물렌즈(111)에 의해 영상 처리부(130) 위로 포커싱된다. 동시에, 피사체로부터 반사된 일반적인 가시광도 역시 영상 처리부(130) 위로 포커싱된다. 영상 처리부(130)는 공지된 TOF 기술에 따라 조명광을 변조하여 깊이 정보를 추출하기 위한 깊이 영상 신호를 생성할 수 있다. 또한, 영상 처리부(130)는 가시광을 이용하여 일반적인 RGB 영상 신호를 생성할 수도 있다. 제어부(140)는 영상 처리부(130)에서 생성된 깊이 영상 신호와 RGB 영상 신호를 이용하여 피사체에 대한 깊이 정보를 계산하고, 사용자가 볼 수 있는 영상을 생성할 수 있다.

여기서, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 피사체를 조명하기 위한 조명 광학계(120)는 피사체를 결상시키기 위한 결광 광학계를 구성하는 대물렌즈(111)와 하나의 광학계(110)로 통합될 수 있다. 즉, 도 1에 개략적으로 도시된 바와 같이, 조명 광학계(120)의 광축은 대물렌즈(111)의 광축과 일치하도록 위치할 수 있다. 조명 광학계(120)의 광축과 대물렌즈(111)의 광축이 일치할 경우, 조명 광학계(120)와 대물렌즈(111) 사이에는 시차(parallax)가 존재하지 않게 된다. 따라서, 조명 광학계(120)로부터 방출된 조명광은 대물렌즈(111)의 광축을 따라 피사체를 조명한 후, 피사체에 반사되어 다시 대물렌즈(111)의 광축을 따라 영상 처리부(130) 위로 포커싱될 수 있다. 따라서, 조명광의 경로와 피사체의 실제 영상의 경로가 일치하기 때문에, 피사체와 3차원 영상 획득 장치(100) 사이의 거리에 관한 깊이 정보가 더욱 정확하게 계산될 수 있다. 또한, 피사체에 의해 산란 및 반사된 조명광 중에서 대물렌즈(111)에 다시 입사하는 조명광의 비율이 증가하게 되어, 조명광의 이용 효율을 향상시킬 수 있다. 이는, 영상 처리부(130)에 수집되는 조명광의 광량을 증가시켜 피사체에 대한 깊이 정보를 더욱 향상시킬 수 있다.

도 2는 이러한 본 발명의 일 실시예에 따라, 결상 광학계인 대물렌즈(111)와 조명 광학계(120)가 동일 광축 상에 통합되어 있는 광학계(110)의 보다 상세한 구성을 예시적으로 도시하고 있다. 도 2를 참조하면, 광학계(110)는 광축(OX)이 지나는 중심부에 개구(115)가 형성되어 있는 결상용 대물렌즈(111), 상기 결상용 대물렌즈(111)의 개구(115) 내에 배치된 조명용 대물렌즈(122), 및 상기 조명용 대물렌즈(122)에 조명광을 제공하는 광원(121)을 포함할 수 있다. 도 2에 도시된 바와 같이, 결상용 대물렌즈(111)와 조명용 대물렌즈(122)는 그들의 중심에 있는 광축(OX)을 서로 공유하도록 배치되어 있다. 따라서, 결상용 대물렌즈(111)의 광축과 조명용 대물렌즈(122)의 광축은 일치하게 된다.

도 2에는 결상용 대물렌즈(111)와 조명용 대물렌즈(122)가 편의상 단지 하나의 렌즈 소자만으로 표시되어 있지만, 상기 결상용 대물렌즈(111)와 조명용 대물렌즈(122)는 예를 들어 다수의 렌즈들을 갖는 가변 배율의 줌 렌즈일 수 있다. 이때, 결상용 대물렌즈(111)의 줌 배율과 조명용 대물렌즈(122)의 줌 배율은 서로 연동하여 조절될 수 있다. 예를 들어, 제어부(140)는 결상용 대물렌즈(111)와 조명용 대물렌즈(122)를 동시에 제어하여 상기 두 대물렌즈(111, 122)가 동일한 줌 배율을 갖도록 조절할 수 있다.

광원(121)은, 예를 들어, 안전을 위해 인간의 눈에는 보이지 않는 약 850nm의 근적외선(NIR) 파장을 갖는 광을 방출시킬 수 있는 발광 다이오드(LED) 또는 레이저 다이오드(LD)를 사용할 수 있다. 그러나, 이는 단지 예시적인 것이며, 설계에 따라서는 적절한 다른 파장 대역의 광과 다른 종류의 광원을 사용할 수도 있다. 또한, 광원(121)은 제어부(140)로부터 수신된 제어 신호에 따라 예를 들어 사인파, 램프파, 사각파 등과 같이 특수하게 정의된 파형을 갖는 광을 방출할 수 있다.

도 2에 도시된 바와 같이, 이러한 광원(121)은 결상용 대물렌즈(111)와 조명용 대물렌즈(122)의 공통의 광축(OX) 상에 위치할 수 있다. 또한, 광원(121)은 상기 결상용 및 조명용 대물렌즈(111, 122)와 영상 처리부(130)의 사이에 위치할 수 있다. 여기서, 광원(121)과 조명용 대물렌즈(122)는 함께 조명 광학계(120)를 형성할 수 있다. 따라서, 광원(121)으로부터 방출된 적외선 광은 조명용 대물렌즈(122)에 입사한 후, 조명용 대물렌즈(122)에 의해 전방의 피사체를 향해 투사될 수 있다. 이를 위해, 광원(121)은 조명용 대물렌즈(122)의 초점 평면 상에 위치할 수 있다.

한편, 피사체에 의해 반사되어 3차원 영상 획득 장치(100)에 들어오는 광은 결상용 대물렌즈(111)를 통해 영상 처리부(130) 위로 포커싱된다. 이때, 결상용 대물렌즈(111)와 영상 처리부(130) 사이의 광축(OX) 상에 위치한 광원(121)이 영상 처리부(130)에 입사하는 광을 가리지 않도록 하기 위해, 광원(121)은 결상용 대물렌즈(111)의 비초점 평면(non-focal plane) 상에 위치할 수 있다. 광원(121)이 결상용 대물렌즈(111)의 비초점 평면 상에 위치하는 경우, 광원(121)에 입사하는 광 성분은 흐릿해지기(blurred) 때문에, 영상 처리부(130)의 촬상 소자(135, 도 3 참조)에서는 광원(121)이 거의 또는 완전히 보이지 않게 된다. 따라서, 광원(121)이 결상용 대물렌즈(111)와 영상 처리부(130) 사이에 위치하더라도, 촬상 소자(135)에서의 영상 형성에는 거의 영향을 주지 않을 수 있다.

또한, 광원(121)에 의한 영향을 더욱 감소시키기 위해, 영상 처리부(130)는 추가적인 광학적 구성을 더 포함할 수도 있다. 도 3은 이러한 영상 처리부(130)의 구성을 예시적으로 도시하고 있다. 도 3을 참조하면, 영상 처리부(130)는, 광의 진행 방향을 따라 차례로, 집광 렌즈(collective lens)(131), 제 1 중계 렌즈(132), 광변조기(133), 제 2 중계 렌즈(134) 및 촬상 소자(135)를 포함할 수 있다. 집광 렌즈(131)는 광원(121)을 지나가는 광선이 촬상 소자(135)에서 검출되지 않도록 하기 위하여, 결상용 대물렌즈(111)의 영역을 투과한 광선만을 촬상 소자(135)에 입사시키는 역할을 한다. 따라서 집광 렌즈(131)는 광원(121)에 의한 영상 형성의 방해를 제거할 수 있다. 이를 위해, 광원(121)은 집광 렌즈(131)의 비초점 평면에 놓이도록 배치될 수 있다. 또한, 집광 렌즈(131)는 광원(121)에 의해 가려지는 부분을 제거하고 나머지 부분만을 촬상 소자(135)에 포커싱하도록 구성된 비구면 렌즈일 수도 있다. 광원(121)에 의해 발생할 수도 있는 산란광 등을 더 차단하기 위하여, 집광 렌즈(131)의 전면에는 조리개(136)가 더 배치될 수도 있다. 도 3에는 조리개(136)가 중심부에 개구를 갖는 링형인 것으로 도시되어 있지만, 개구가 없는 원반형으로 형성될 수도 있다. 또한, 도 3에는 조리개(136)가 집광 렌즈(131)의 전면에 배치된 것으로 도시되어 있지만, 조리개(136)의 위치에는 특별한 제한이 없다. 조리개(136)는 예를 들어 집광 렌즈(131)와 제 1 중계 렌즈(132) 사이에 배치될 수도 있다.

제 1 중계 렌즈(132)는 광변조기(133)에 광을 포커싱하는 역할을 하며, 제 2 중계 렌즈(134)는 광변조기(133)에 의해 변조된 광을 촬상 소자(135)에 포커싱하는 역할을 한다. 광변조기(133)는 피사체에 대한 깊이 정보를 얻기 위해 일반적인 TOF 기술에 따라 소정의 이득 파형으로 입사광을 변조하는 역할을 한다. 광변조기(133)의 이득 파형은 예를 들어 제어부(140)의 제어에 따라 결정될 수 있다. 또한, 촬상 소자(135)는 광변조기(133)에 의해 변조된 광을 감지하여 전기적인 영상 신호로 만드는 역할을 한다. 예를 들어, 촬상 소자(135)는 CCD(charge-coupled device) 영상 소자나 CMOS(complementary metal oxide semiconductor) 영상 소자와 같은 반도체 촬상 소자일 수 있다.

도 2에 도시된 실시예에서는 결상용 대물렌즈(111)와 조명용 대물렌즈(122)가 별도로 배치되어 있지만, 하나의 공통된 대물렌즈를 사용하는 것도 가능하다. 도 4는 하나의 공통된 대물렌즈를 사용하는 광학계의 예시적인 실시예를 도시하고 있다. 도 4를 참조하면, 광학계(110a)는 하나의 공통 대물렌즈(112), 상기 공통 대물렌즈(112)와 영상 처리부(130) 사이에서 광축(OX) 상에 배치된 광원(121), 및 상기 광원(121)과 공통 대물렌즈(112) 사이에 배치된 매칭 렌즈(123)를 포함할 수 있다. 앞서 설명한 바와 같이, 공통 대물렌즈(112)는 편의상 단지 하나의 렌즈 소자만으로 표시되어 있지만, 다수의 렌즈들을 갖는 가변 배율의 줌 렌즈일 수 있다. 공통 대물렌즈(112)가 줌 렌즈인 경우, 본 실시예에서는 조명 광학계의 줌 배율과 결상 광학계의 줌 배율이 별도의 정밀 제어 메커니즘 없이도 서로 동일하게 유지될 수 있다.

도 4에 도시된 실시예에 따른 광학계(110a)의 다른 구성 및 동작들은 도 2에 도시된 광학계(110)에 대해 설명한 것과 동일할 수 있다. 즉, 광원(121)은 공통 대물렌즈(112)의 비초점 평면 상에 위치한다. 이 경우, 광원(121)에서 방출된 적외선 광은 피사체를 향해 정확하게 투사되지 않을 수 있다. 매칭 렌즈(123)는 광원(121)을 공통 대물렌즈(112)의 중심 영역에 광학적으로 매칭시키는 역할을 한다. 매칭 렌즈(123)를 사용함으로써, 광원(121)으로부터 방출된 적외선 광은 매칭 렌즈(123)와 공통 대물렌즈(112)의 중심 영역을 통해 전방의 피사체에 정확히 투사될 수 있다. 따라서, 조명광이 조명하는 광학계(110a)의 조명 시야(field of illumination)가 3차원 영상 획득 장치(100)의 촬영 시야(field of view)와 정확하게 일치하게 될 수 있다.

광원(121)에 의한 영향을 더욱 감소시키기 위하여, 광원(121)을 광축(OX)으로부터 벗어나 위치시키고, 대신에 광축(OX) 상에는 부피가 작은 미러를 위치시킬 수도 있다. 도 5는 이러한 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 광학계의 구조를 개략적으로 보이는 개념도이다. 도 5를 참조하면, 광학계(110b)는 광축(OX)이 지나는 중심부에 개구(115)가 형성되어 있는 결상용 대물렌즈(111), 상기 개구(115)와 대향하여 광축(OX) 상에 위치하는 평면 미러(124), 광축(OX)을 벗어나 있으며 평면 미러(124)를 향해 광을 방출하는 광원(121), 및 상기 광원(121)과 평면 미러(124) 사이에 배치된 조명용 대물렌즈(122)를 포함할 수 있다. 또한, 먼지나 습기 등과 같은 외부의 유해한 요소가 개구(115)를 통해 3차원 영상 획득 장치(100)의 내부로 침투하는 것을 방지하기 위하여, 상기 결상용 대물렌즈(111)의 개구(115) 내에는 평평한 투명 윈도우(116)가 더 배치될 수도 있다.

여기서, 평면 미러(124)는 도 2의 실시예에서 설명된 광원(121)의 위치에 배치될 수 있다. 즉, 평면 미러(124)는 결상용 대물렌즈(111)와 영상 처리부(130)의 사이에서, 결상용 대물렌즈(111)의 비초점 평면 상에 배치될 수 있다. 또한, 도 5에 도시된 바와 같이, 평면 미러(124)는 광원(121)으로부터 입사하는 조명광을 결상용 대물렌즈(111)의 개구(115)를 향해 반사할 수 있도록, 광축(OX) 상에 경사지게 배치된다. 따라서, 평면 미러(124)는 광축(OX)으로부터 벗어나 있는 광원(121)으로부터 오는 조명광을 광축(OX) 상에 정렬시키는 역할을 한다.

도 2의 실시예에서는 결상용 대물렌즈(111)의 개구(115) 내에 조명용 대물렌즈(122)가 배치되었으나, 도 5의 실시예에서는 광원(121)과 마찬가지로 조명용 대물렌즈(122)도 역시 광축(OX)으로부터 벗어나 광원(121)과 평면 미러(124) 사이에 배치되어 있다. 광원(121)과 조명용 대물렌즈(122)가 광축(OX)으로부터 벗어나 있기 때문에, 광원(121)과 조명용 대물렌즈(122) 및 결상용 대물렌즈(111)의 부피 및 설계의 자유도가 높아질 수 있다. 또한, 광축(OX) 상에는 광원(121)에 비해 비교적 부피가 작은 평면 미러(124)가 배치되어 있기 때문에, 영상 처리부(130)에서의 영상 형성이 방해 받을 가능성이 더욱 감소할 수 있다. 따라서, 영상 처리부(130) 내에 있는 집광 렌즈(131)의 설계가 용이해질 수 있으며, 또는 집광 렌즈(131)와 조리개(136)를 생략하는 것도 가능할 수 있다.

또한, 평면 미러(124)를 사용하는 경우에도, 도 4에 도시된 하나의 공통 대물렌즈(112)를 사용하는 것이 가능하다. 도 6을 참조하면, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 광학계(110c)는 하나의 공통 대물렌즈(112), 상기 공통 대물렌즈(112)와 영상 처리부(130) 사이의 광축(OX) 상에 배치된 평면 미러(124), 광축(OX)을 벗어나 있으며 평면 미러(124)를 향해 광을 방출하는 광원(121), 및 상기 광원(121)과 평면 미러(124) 사이에 배치된 매칭 렌즈(123)를 포함할 수 있다. 앞서 설명한 바와 같이, 공통 대물렌즈(112)가 줌 렌즈인 경우, 조명 광학계의 줌 배율과 결상 광학계의 줌 배율이 별도의 메커니즘 없이도 서로 동일하게 유지될 수 있다.

도 5의 실시예에서와 마찬가지로 평면 미러(124)는 공통 대물렌즈(112)의 비초점 평면 상에 위치할 수 있다. 매칭 렌즈(123)는 광원(121)에서 방출된 조명광이 평면 미러(124)에 모두 입사할 수 있도록 조명광의 빔경을 조절하는 역할을 한다. 또한, 매칭 렌즈(123)는 광원(121)을 공통 대물렌즈(112)의 중심 영역에 매칭시켜 조명광이 공통 대물렌즈(112)의 중심 영역을 통해 전방의 피사체에 정확히 투사될 수 있도록 한다.

또한, 평면 미러(124)를 사용하는 경우에도, 도 2에 도시된 실시예에서와 같이 결상용 대물렌즈(111)의 개구(115) 내에 조명용 대물렌즈(122)를 배치할 수 있다. 도 7을 참조하면, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 광학계(110d)는 광축(OX)이 지나는 중심부에 개구(115)가 형성되어 있는 결상용 대물렌즈(111), 상기 결상용 대물렌즈(111)의 개구(115) 내에 배치된 조명용 대물렌즈(122), 개구(115)와 대향하여 광축(OX) 상에 위치하는 평면 미러(124), 광축(OX)을 벗어나 있으며 평면 미러(124)를 향해 광을 방출하는 광원(121), 및 상기 광원(121)과 평면 미러(124) 사이에 배치된 매칭 렌즈(123)를 포함할 수 있다. 결상용 대물렌즈(111)와 조명용 대물렌즈(122)에 대해 도 2에서 설명한 내용은 도 7의 결상용 대물렌즈(111)와 조명용 대물렌즈(122)에 그대로 적용될 수 있다. 또한, 평면 미러(124)와 광원(121)에 대해 도 5에서 설명한 내용은 도 7의 평면 미러(124)와 광원(121)에도 그대로 적용될 수 있다. 매칭 렌즈(123)는 광원(121)에서 방출된 조명광이 평면 미러(124)에 모두 입사할 수 있도록 조명광의 빔경을 조절하는 역할을 하며, 또한 조명용 대물렌즈(122)의 초점을 광원(121)에 매칭시키는 릴레이 렌즈의 역할도 할 수 있다.

도 5 내지 도 7에 도시된 실시예에서는 반사면이 평평한 평면 미러(124)를 사용하였으나, 평면 미러(124) 대신에 곡률이 있는 반사면을 갖는 곡면 미러를 사용하는 것도 역시 가능하다. 도 8을 참조하면, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 광학계(110e)는 광축(OX)이 지나는 중심부에 개구(115)가 형성되어 있는 결상용 대물렌즈(111), 상기 결상용 대물렌즈(111)의 개구(115) 내에 배치된 조명용 대물렌즈(122), 개구(115)와 대향하여 광축(OX) 상에 위치하는 곡면 미러(125), 및 상기 광축(OX)을 벗어나 있으며 곡면 미러(125)를 향해 광을 방출하는 광원(121)을 포함할 수 있다. 도 8의 결상용 대물렌즈(111)와 조명용 대물렌즈(122)는 도 2에서 설명한 내용이 그대로 적용될 수 있다.

곡면 미러(125)는 평면 미러(124)와 마찬가지로 결상용 대물렌즈(111)와 영상 처리부(130) 사이의 광축(OX) 상에서, 결상용 대물렌즈(111)의 비초점 평면 상에 배치될 수 있다. 곡면 미러(125)는 도 8에 예시적으로 도시된 바와 같이 볼록한 반사면을 갖는 볼록 미러일 수 있다. 이 경우, 작은 빔경을 갖도록 집광된 조명광을 광원(121)으로부터 곡면 미러(125)로 제공할 수 있다. 이를 위해, 예를 들어 광섬유와 같은 적절한 광전달 부재(126)를 통해 광원(121)으로부터 곡면 미러(125)로 광을 전달할 수 있다. 광섬유와 같은 광전달 부재(125)를 사용하면, 광원(121)으로부터 곡면 미러(125)까지의 광 경로가 직선일 필요가 없으므로, 3차원 영상 획득 장치(100) 내부의 공간 이용 효율을 향상시킬 수 있다. 그러나, 적절한 콜리메이팅 수단을 이용하여 광원(121)으로부터 곡면 미러(125)를 향해 직접 조명빔을 투사하는 것도 역시 가능하다.

볼록한 곡면 미러(125)를 사용할 경우, 광원(121)에서 방출된 조명광은 곡면 미러(125)에 의해 일정한 각도를 갖고 공간상에 방사될 수 있다. 곡면 미러(125)에 의해 방사된 조명광은 조명용 대물렌즈(122)를 통해 피사체로 투사될 수 있다. 이러한 곡면 미러(125)의 반사면의 곡률을 적절히 선택하면 곡면 미러(125)는 매칭 렌즈(123)의 역할을 수행할 수 있다. 따라서 곡면 미러(125)를 사용함으로써, 조명용 대물렌즈(122)와의 매칭을 위한 도 7의 매칭 렌즈(123)가 생략될 수 있다. 그러나, 실시예에 따라서 곡면 미러(125)는 오목한 반사면을 갖는 오목 미러일 수도 있다. 예를 들어, 작은 빔경을 갖도록 집광된 조명광을 사용하지 않고 일정한 각도로 방사되는 조명광을 사용하는 경우에는, 오목한 곡면 미러(125)를 이용하여 조명광이 조명용 대물렌즈(122)에만 입사하도록 할 수도 있다.

도 8의 실시예에서는 곡면 미러(125)가 단지 매칭 렌즈의 기능을 수행하였으나, 상기 곡면 미러(125)는 조명광을 피사체에 투사하는 조명용 대물렌즈(122)의 기능도 수행할 수 있다. 예를 들어, 도 9를 참조하면, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 광학계(100f)는 광축(OX)이 지나는 중심부에 개구(115)가 형성되어 있는 결상용 대물렌즈(111), 개구(115)와 대향하여 광축(OX) 상에 위치하는 곡면 미러(125), 및 광축(OX)을 벗어나 있으며 곡면 미러(125)를 향해 광을 방출하는 광원(121)을 포함할 수 있다. 또한, 먼지나 습기 등과 같은 외부의 유해한 요소가 개구(115)를 통해 3차원 영상 획득 장치(100)의 내부로 침투하는 것을 방지하기 위하여, 상기 결상용 대물렌즈(111)의 개구(115) 내에는 곡률을 갖지 않는 평평한 표면을 갖는 투명 윈도우(116)가 더 배치될 수도 있다.

앞서 설명한 바와 같이, 광섬유와 같은 광전달 부재(125)를 통해 광원(121)으로부터 곡면 미러(125)로 비교적 작은 빔경을 갖도록 집광된 조명광을 전달할 수 있다. 볼록한 반사면을 갖는 곡면 미러(125)는 조명광을 반사하여 일정한 각도로 공간상에 방사시킬 수 있다. 이때, 곡면 미러(125)의 곡률을 적절히 선택하면, 곡면 미러(125)에 의해 방사되는 조명광은 투명 윈도우(116)를 통과하여 직접 피사체로 투사될 수 있다. 따라서, 이 경우에는 별도의 조명용 대물렌즈(122)가 필요하지 않다. 또한, 이 경우에는 결상용 대물렌즈(111)는 곡면 미러(125)의 곡률에 대응하는 고정된 배율을 갖는 단초점 렌즈일 수 있다.

한편, 조명광의 이용 효율을 더 증가시켜 피사체에 대한 깊이 정보의 정확성을 더 향상시키기 위해, 조명 광학계(120)의 조명 시야(field of illumination)를 3차원 영상 획득 장치(100)의 촬영 시야(field of view)와 일치시킬 수도 있다. 일반적으로, 3차원 영상 획득 장치(100)의 촬영 시야는 약 4:3의 종횡비를 갖는 직사각형 모양인데 반하여, 조명광의 단면 형태(즉, 조명 시야)는 원형이다. 조명 시야와 촬영 시야가 다를 경우, 조명광의 일부는 깊이 정보를 얻는데 사용되지 않고 버려지게 된다. 이는 조명광의 이용 효율을 저하시키는 원인이 될 수 있다. 따라서, 조명광의 단면 형태를 3차원 영상 획득 장치(100)의 촬영 시야와 같은 약 4:3의 종횡비를 갖는 직사각형으로 만들면, 조명광의 이용 효율을 더 향상시킬 수 있다.

도 10은 이를 위한 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 광학계의 구성을 개략적으로 도시하고 있다. 도 10을 참조하면, 상기 광학계(100g)는 하나의 공통 대물렌즈(112), 상기 공통 대물렌즈(112)와 영상 처리부(130) 사이의 광축(OX) 상에 배치된 평면 미러(124), 광축(OX)을 벗어나 있으며 평면 미러(124)를 향해 광을 방출하는 광원(121), 광원(121)과 평면 미러(124) 사이에 배치된 빔성형 소자(127), 평면 미러(124)와 빔성형 소자(127) 사이에 배치되어 상기 빔성형 소자(127)로부터 나온 조명광을 공통 대물렌즈(112)의 중심부에 매칭시키는 제 1 매칭 렌즈(123), 및 광원(121)과 빔성형 소자(127) 사이에 배치되어 광원(121)으로부터 방출된 조명광을 빔성형 소자(127)에 입사시키는 제 2 매칭 렌즈(128)를 포함할 수 있다.

빔성형 소자(127)는 광원(121)에서 방출된 조명광을 균질화하고 조명광의 단면 형태를 소정의 형태로 변화시키는 역할을 한다. 예를 들어, 빔성형 소자(127)는 조명광의 단면을 약 4:3의 종횡비를 갖는 직사각형 모양으로 만들 수 있다. 이를 위해, 빔성형 소자(127)는 예를 들어 유리 또는 광투과성 플라스틱과 같은 투명한 재질로 이루어진 직사각형 단면의 인티그레이터 막대(integrator rod)일 수 있다. 또한, 빔성형 소자(127)의 광입사면(127i)과 광출사면(127e)에는 광의 반사 손실을 줄이기 위하여 반사방지(anti-reflection) 코팅이 형성될 수 있다. 또한, 빔성형 소자(127)의 둘레면에는 고반사 코팅이 형성될 수 있다. 따라서, 광입사면(127i)에 입사한 조명광은 내부 전반사를 통해 빔성형 소자(127)의 내부를 진행한 후, 빔성형 소자(127)의 광출사면(127e)으로 나오게 된다. 이때, 광출사면(127e)을 통해 출사된 조명광은 빔성형 소자(127)의 단면 형태와 동일한 직사각형 모양의 단면을 갖게 된다. 따라서, 조명 광학계(120)의 조명 시야는 3차원 영상 획득 장치(100)의 촬영 시야와 일치하게 될 수 있다. 또한, 빔성형 소자(127)의 내부에서 광이 연속적으로 전반사를 겪는 동안, 여러 경로로 진행하는 광들이 서로 섞이면서 조명 단면을 따른 광 세기가 전체적으로 균질화될 수 있다. 그 결과, 조명 시야 내의 어느 점들에서도 광의 세기가 거의 동일할 수 있다.

도 10에는 빔성형 소자(127)와 함께 하나의 공통 대물렌즈(112)를 사용하는 예가 도시되어 있으나, 광축(OX)이 지나는 중심부에 개구(115)가 형성되어 있는 결상용 대물렌즈(111) 및 별도의 조명용 대물렌즈(122)를 빔성형 소자(127)와 함께 사용하는 것도 가능하다. 예컨대, 도 2에 도시된 바와 같이, 결상용 대물렌즈(111)의 개구(115) 내에 조명용 대물렌즈(122)를 배치시킬 수도 있다. 또한, 도 5에 도시된 바와 같이, 결상용 대물렌즈(111)의 개구(115) 내에는 투명 윈도우(116)를 배치시키고, 도 10의 제 1 매칭 렌즈(123)의 위치에 조명용 대물렌즈(122)를 대신 배치할 수도 있다. 또한, 평면 미러(124) 대신에 곡면 미러(125)를 사용할 수도 있다.

지금까지, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 조명 광학계와 결상 광학계가 통합된 광학계 및 이를 포함하는 3차원 영상 획득 장치에 대한 예시적인 실시예가 설명되고 첨부된 도면에 도시되었다. 그러나, 이러한 실시예는 단지 본 발명을 예시하기 위한 것이고 이를 제한하지 않는다는 점이 이해되어야 할 것이다. 그리고 본 발명은 도시되고 설명된 설명에 국한되지 않는다는 점이 이해되어야 할 것이다. 이는 다양한 다른 변형이 본 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 일어날 수 있기 때문이다.

100.....3차원 영상 획득 장치 110.....광학계
111, 112, 113, 122.....대물렌즈 115.....개구
116.....투명 윈도우 120.....조명 광학계
121.....광원 123, 128.....매칭 렌즈
124.....평면 미러 125.....곡면 미러
126.....광전달 부재 127.....빔성형 소자
130.....영상 처리부 131.....집광 렌즈
132, 134.....중계 렌즈 133.....광변조기
135.....촬상 소자 136.....조리개
140.....제어부 OX......광축

Claims

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광축이 지나는 중심부에 개구가 형성되어 있는 결상용 대물렌즈;
상기 결상용 대물렌즈의 개구 내에 배치된 조명용 대물렌즈;
상기 개구와 대향하도록 광축 상에 배치되며, 광축 상에서 상기 결상용 대물렌즈의 비초점 평면에 위치하는 평면 미러;
상기 조명용 대물렌즈에 조명광을 제공하는 것으로, 상기 평면 미러를 향해 광을 방출하도록 광축을 벗어나 배치되어 있는 광원; 및
상기 평면 미러와 상기 광원 사이에 배치된 것으로, 상기 광원에서 방출된 광을 균질화하고 광의 단면 형태를 변화시키는 빔성형 소자;를 포함하며,
상기 결상용 대물렌즈와 조명용 대물렌즈는 그들의 중심에 있는 광축을 서로 공유하도록 배치되어 있고,상기 빔성형 소자는 상기 빔성형 소자로부터 출사된 조명광의 단면을 직사각형 모양으로 만들도록 투명한 재질로 이루어진 직사각형 단면의 인티그레이터 막대로 이루어지며, 상기 빔성형 소자의 둘레면에 반사 코팅이 형성되어 있는 3차원 영상 획득 장치용 광학계.
제 5 항에 있어서,
상기 빔성형 소자와 상기 평면 미러 사이에 배치된 제 1 매칭 렌즈, 및 상기 빔성형 소자와 상기 광원 사이에 배치된 제 2 매칭 렌즈를 더 포함하는 3차원 영상 획득 장치용 광학계.
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광축이 지나는 중심부에 개구가 형성되어 있는 결상용 대물렌즈;
상기 결상용 대물렌즈의 개구 내에 배치된 조명용 대물렌즈;
상기 개구와 대향하도록 광축 상에 배치된 곡면 미러; 및
상기 조명용 대물렌즈에 조명광을 제공하는 광원;을 포함하며,
상기 결상용 대물렌즈와 조명용 대물렌즈는 그들의 중심에 있는 광축을 서로 공유하도록 배치되어 있고,
상기 곡면 미러는 광축 상에서 상기 결상용 대물렌즈의 비초점 평면에 위치하고, 상기 광원은 상기 곡면 미러를 향해 광을 방출하도록 광축을 벗어나 배치되며 상기 곡면 미러는 상기 광원으로부터 방출된 조명광을 상기 조명용 대물렌즈를 향해 반사하며,
상기 곡면 미러는 상기 곡면 미러에 의해 반사된 조명광이 공간상으로 방사되도록 볼록한 반사면을 갖는 볼록 미러인 3차원 영상 획득 장치용 광학계.
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제 8 항에 있어서,
상기 광원으로부터 상기 곡면 미러로 집광된 광을 전달하기 위한 광전달 부재를 더 포함하는 3차원 영상 획득 장치용 광학계.
제 10 항에 있어서,
상기 광전달 부재는 광섬유인 3차원 영상 획득 장치용 광학계.
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광축이 지나는 중심부에 개구가 형성되어 있는 결상용 대물렌즈;
상기 개구와 대향하도록 광축 상에 배치된 미러;
상기 미러를 향해 광을 방출하도록 광축을 벗어나 배치되어 있는 광원; 및
상기 개구 내에 배치된 평평한 투명 윈도우;를 포함하며,
상기 미러는 광축 상에서 상기 결상용 대물렌즈의 비초점 평면에 위치하며 상기 광원으로부터 방출된 조명광을 상기 투명 윈도우를 향해 반사하도록 구성되고,
상기 미러는 상기 미러에 의해 반사된 조명광이 공간상으로 방사되어 상기 투명 윈도우를 통과하여 피사체에 투사되도록 볼록한 반사면을 갖는 볼록 미러인 3차원 영상 획득 장치용 광학계.
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광축이 지나는 중심부에 개구가 형성되어 있는 결상용 대물렌즈;
상기 개구와 대향하도록 광축 상에 배치된 평면 미러;
상기 평면 미러를 향해 광을 방출하도록 광축을 벗어나 배치되어 있는 광원;
상기 개구 내에 배치된 평평한 투명 윈도우;
상기 평면 미러와 상기 광원 사이에 배치된 것으로, 상기 광원으로부터 방출된 조명광을 피사체에 투사하기 위한 조명용 대물렌즈; 및
상기 조명용 대물렌즈와 상기 광원 사이에 배치된 것으로, 상기 광원에서 방출된 광을 균질화하고 광의 단면 형태를 변화시키는 빔성형 소자;를 포함하며,
상기 평면 미러는 광축 상에서 상기 결상용 대물렌즈의 비초점 평면에 위치하며 상기 광원으로부터 방출된 조명광을 상기 투명 윈도우를 향해 반사하도록 구성되고,
상기 빔성형 소자는 상기 빔성형 소자로부터 출사된 조명광의 단면을 직사각형 모양으로 만들도록 투명한 재질로 이루어진 직사각형 단면의 인티그레이터 막대로 이루어지고, 상기 빔성형 소자의 둘레면에 반사 코팅이 형성되어 있는 3차원 영상 획득 장치용 광학계.
제 16 항에 있어서,
상기 빔성형 소자와 상기 광원 사이에 배치된 매칭 렌즈를 더 포함하는 3차원 영상 획득 장치용 광학계.
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피사체에 조명광을 투사하고, 피사체로부터의 반사광을 포커싱하는 제 5 항, 제 6 항, 제 8 항, 제 10 항, 제 11 항, 제 13 항, 제 16 항, 제 17 항 중 어느 한 항에 따른 3차원 영상 획득 장치용 광학계;
상기 광학계에 의해 포커싱된 광을 처리하여 영상 신호를 만드는 영상 처리부; 및
상기 광학계 및 영상 처리부의 동작을 제어하는 제어부;를 포함하는 3차원 영상 획득 장치.
제 21 항에 있어서,
상기 영상 처리부는:
소정의 이득 파형으로 입사광을 변조하는 광변조기;
변조된 광을 감지하여 전기적인 영상 신호로 만드는 촬상 소자; 및
광축 상에 위치한 상기 광원, 평면 미러 및 곡면 미러 중 하나가 상기 촬상 소자에서의 영상 신호 형성을 방해하는 것을 방지하기 위하여 상기 광변조기의 전면에 배치된 집광 렌즈;를 포함하는 3차원 영상 획득 장치.
제 22 항에 있어서,
상기 영상 처리부는 광축 상에 위치한 상기 광원, 평면 미러 및 곡면 미러에 의한 산란광을 차단하기 위한 조리개를 더 포함하는 3차원 영상 획득 장치.