KR101871731B1 - 이미지의 근접장 및 원거리장 측정용 다중초점 광학장치가 장착된 광학 모듈 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 전자파에 감응하는 면이 있는 반도체 부재(4)와 전자파를 반도체 부재(4)의 감응면에 투영하기 위한 대물렌즈(1)이 장착된 광학 모듈에 관한 것으로서, 특히 상기 모듈을 차량에 장착하기 위한 것이다. 대물렌즈(1)과 반도체 부재(4) 감응면 사이의 공간에 위치한 한정된 부분용적에 광학 부재(11)이 추가로 장착되어 있어, 이러한 추가 광학 부재(11)에 의해 반도체 부재(4) 감응면의 제 1 구역에 제 1 거리 구역(8)의 상이, 그리고 추가 광학 부재(11)이 없는 화각의 제 2 구역에 제 2 거리 구역(9)의 상이 맺힌다

Description

이미지의 근접장 및 원거리장 측정용 다중초점 광학장치가 장착된 광학 모듈{OPTICAL MODULE HAVING MULTIFOCAL LENS FOR DETECTING FAR AND NEAR FIELDS IN AN IMAGE}
본 발명은 어느 한 이미지에서 근접장 및 원거리장을 측정하기 위한 광학 모듈에 관한 것이다. 특히 상기 광학 모듈은 윈드실드를 통해 차량 외부의 상황을 관찰하기 위해 차량에 장착된다.
교통상황 인식장치와 같은 지능형 차량 어시스턴트 시스템에는 카메라 시스템이 다양하게 사용된다. 윈드실드에 장착되어 이를 통해 차량의 외부 상황을 관찰하는 현대식 차량센서로는 차량 카메라, 나이트 비전 카메라 또는 여러 광학식 거리 센서를 들 수 있다. 이러한 광학식 센서는 차량의 운전자와 같이 시야가 맑아야 잘못된 측정 신호를 받지 않는다.
윈드실드에 있는 물방울이나 눈, 또는 오염물은 대개의 경우 고무 날이 부착된 전동식 와이퍼에 의해 제거된다. 현재 운행되고 있는 대부분의 차량에서는 상기 와이퍼를 수동을 켜고 끈다. 하지만 이제는 차량 운전자가 실행하는 이러한 작업이 점점 더 광학-전자식 레인센서로 대체되는 추세이다.
광학-전자식 레인센서의 기능은 광선이 어떤 각도에서 윈드실드로 주사되는 원리에 기반을 두고 있는 바, 여기서 상기 각도는 윈도우와 공기 사이의 전반사 조건을 충족시키지만 윈도우와 물 사이의 전반사에 필요한 각도보다는 작다. 윈드실드가 건조한 경우에는 윈도우로 주사되는 광선속의 대부분이 윈도우의 외부 표면에서 전반사되고 윈도우의 내부 표면에서는 수신기에서 굴절된다. 윈도우에 물방울이 있을 경우 전반사의 각도 조건은 더 이상 유지되지 않는다. 따라서 광선속의 일부가 물방울에 의해 굴절되므로 차량 내부에 위치한 수신기에 더 이상 도달할 수 없다.
이러한 강우 인식 원리가 작동되지 않는 경우가 아주 흔히 발생하며 또 상기 원리는 물방울의 크기에 따라 작동 여부가 좌우된다. 이슬비가 내릴 경우에는 이러한 측정 원리가 작동하지 않는 경우가 많다. 왜냐하면 굴절된 광신호가 너무 작고 따라서 강우를 확실하게 인식하기 위해서는 수신기 신호와의 차이가 너무 작기 때문이다.
이러한 맥락에서 광학-전자식 레인센서에서도 윈도우에서 아주 작은 방울로 깨지는 눈송이나 윈드실드에 붙은 마른 오염물 또는 벌레를 인식하는데 문제가 있다.
용량형 레인센서는 대량생산을 할 수 있는 강우감지장치의 다른 원리를 보여준다. 이러한 센서의 원리는 윈도우나 공기와 비교할 때 상당히 다른 물의 유전상수에 기반을 두고 있다. 차량의 윈드실드 내부 표면에 축전지 판 2개를 잘 부착하면 그 사이의 매질에 의해 축전지가 된다. 이렇게 하는 목적은 공기층을 통해 바깥으로 향하는 전속선의 전속 방향이 윈드실드의 바로 위로 향하게 하는 것이다. 상기 공기층에 물이 있거나 젖은 오염물이 있으면 병발한 매질의 유전상수가 상당히 커져 이로 인해 형성된 축전지의 전체 용량도 증가한다. 하지만 이러한 센서의 기능도 제한적이다. 상기 센서에서도 미세한 물방울과 장애요소 사이의 차이가 문제인 바, 왜냐하면 센서의 감도가 낮아지기 때문이다. 따라서 윈도우에 미세한 물방울이 붙으면 이에 따라 와이핑 신호가 지연된다.
이 두 센서의 단점은 윈드실드에서 비교적 많은 면적을 차지한다는 점이다. 센서의 면적을 작게 하면 비가 올 때 센서의 반응속도가 더 낮아진다. 왜냐하면 첫 번째 빗방울이 센서의 작은 면적에 떨어질 확률이 낮아지기 때문이다. 운전자들이 비용을 더 지불하고 구입한 상기 전자 편의장치에서 원하는 바는 상기 장치가 신속하고 확실하게 작동하는 것이다. 가장 이상적인 경우는 이러한 자동 시스템의 반응속도와 와이핑 동작이 운전자의 습관과 일치하여 불편하거나 방해가 되지 않는 것이다. 예를 들어 이슬비가 내릴 때도 와이퍼가 윈드실드를 닦아야 할 것이다. 윈드실드에 벌레가 점점 더 많이 붙은 경우에도 와이핑 기능이 작동해야 한다. 윈도우에 불균일성이 있을 경우에도 이를 다시 닦아야 할 것이다. 지금까지 개발되어 차량에 장착된 센서는 이러한 상황에서 많은 경우 작동하지 않는다. 왜냐하면 그 구조가 단순하여 차이를 감지할 수 없기 때문이다.
윈드실드 상단의 공간이 좁다는 것을 고려할 때 여러 운전자 지원/편의 시스템의 센서를 계속 장착할 수 없기 때문에 앞으로는 하나의 다기능 센서에 여러 센서를 내장하지 않을 수 없다.
이는 외부를 관찰하는 기존의 차량 카메라에 레인센서 기능을 탑재하여 비디오에 기반을 둔 레인센서로서 내장하는 것이다. 이러한 방식은 광학 구성품을 추가로 결합하여 원거리장 및 근접장(윈드실드)의 상을 하나의 이미지센서에 맺게 하는 방법이다. 이를 위해 차량 카메라의 대물렌즈 앞에 위치한 부분 화각에 보조 렌즈를 장착한다. 이렇게 하여 상기 보조 렌즈를 통과하는 광경로의 일부가 근접장의 상을 이미지센서에 선명하게 나머지는 원거리장(도로 상황)의 상을 맺게 한다.
특허 DE 102004037871 B4에서는 주행방향으로 차량의 전방을 측정하는 어시스턴트 시스템에 사용하는 이러한 광학 모듈을 다룬다. 상기 특허에서는 이미지센서를 외부 지원 기능용과 레인센서 기능용으로 교대로 사용할 것을 제안한다.
이 방법에서는 렌즈가 아주 부적절하게 입사 동공 바로 앞에 위치하고 있으므로 근접장과 원거리장 사이의 과도 구역이 상당히 흐려진다. 이러한 흐린 이미지는 이미지 전체에 걸쳐 나타난다. 근접장 이미지를 위한 광학장치(거울, 선속 분할기, 근접장 광학장치 또는 보조 렌즈)를 정확하게 정렬하기는 어렵다. 또한 상기 해결방안에는 고가의 추가 광학장치가 필요하다.
본 발명의 목적은 카메라 센서용으로 사용할 수 있는 저렴하고 안정적이며 신뢰할 수 있는 광학장치를 고안하는 것이다.
본 발명의 대상은 전자파 방사에 감응하는 면이 있는 반도체 부재와 전자파 방사를 반도체 부재의 감응면에 투영하는 렌즈 하나 또는 렌즈 조합(대물렌즈)과 장착된 광학 모듈이다. 그리고 대물렌즈와 반도체 부재 사이의 공간에 위치한 형성된 부분용적에 광학 부재가 추가로 장착되어 있다. 이러한 부분적인 추가 광학 부재에 의해 제 1 거리 구역의 상이, 특히 원거리장의 상이 반도체 부재 감응면의 제 1 구역에서 맺힌다. 화각 또는 반도체 부재 감응면의 제 2 구역, 즉 추가 광학 부재가 없는 구역에는 제 2 거리 구역의 상이, 특히 근접장의 상이 맺힌다.
이로 인해 제 1 구역에 위치한 반도체 부재 감응면에서 전자파가 굴절되어 상기 파는 추가로 장착된 추가 광학 부재를 폭 전체에 걸쳐 통과한다. 제 2 구역에서는 추가 광학 부재 밖으로 지나거나 또는 상기 부재를 통과하지 않은 전자파가 굴절된다. 즉 상기 추가 광학 부재는 반도체 부재 감응판 앞에 위치한 공간의 한 부분을 채우는 바, 상기 부분을 통해 전자파가 감응판에 도달한다. 상기 추가 광학 부재는 피사체 거리 전체에 위치해 있지 않고 대물렌즈 상거리의 부분 구역에 위치해 있다.
그 다음에 이루어지는 이미지처리에 의해 상기 두 상이한 거리 구역의 부분 이미지를 모은 전체 이미지가 한 주기로나 또는 분리하여 평가된다.
본 발명에서 선호하는 모델에 따르면 상기 추가 광학 부재의 굴절률은 상기 추가 광학 부재를 둘러싸고 있는 매질의 굴절률보다 크다. 추가 광학 부재를 둘러싸고 있는 매질은 대개의 경우 공기이다. 제 2 거리 구역의 이미지는 추가 광학 부재에 의해서는 부차적으로만 영향을 받으므로 상기 추가 광학 부재를 둘러싸고 있는, 굴절률이 작은 매질의 영향을 받는다.
대개의 경우 대물렌즈의 위치나 설정과 추가 광학 부재의 두께나 굴절률은 반도체 부재 감응판의 제 1 구역에서 광학적 원거리장의 상이, 그리고 제 2 구역에서 근접장의 상이 맺히도록 조정된다. 근접장은 센티미터 단위의 구역 내에 있고 원거리장은 약 2미터 이상의 구역과 일치한다.
본 발명에 따라 대물렌즈의 위치를 조정하는 경우, 광학 모듈에 상기 추가 광학 부재가 장착되어 있지 않으면 근접장의 선명한 이미지가 상당히 희미해지고 원거리장의 상은 초점이 맞지 않는다. 상기 추가적인 부분적 광학 부재에 의해 원거리장의 상이 맺힌다. 근접장의 상은 상기 부분적 광학 부재가 있지 않는 화각 구역에 맺힌다.
광학 모듈의 이중초점 또는 다중초점 렌즈는 굴절되는 평면의 축방향 변위 원리에 근거를 두고 있다. 이때 카메라의 초점은 현재 기술 수준에서 말하는 바와 같이 원거리장에서가 아니라 몇 센티미터의 피사체 거리에서 맺힌다. 상기 피사체 거리는 예를 들어 카메라의 아래 화각과 윈드실드의 면이 교차하는 점에 위치한 면이다. 이렇게 하여 이미지센서에 초점이 선명한 근접장 구역 이미지가 생성된다. 운전자 지원 시스템의 다른 기능을 갖기 위해서는 이미지센서의 본체에 원거리장에 상이 선명하게 맺혀야 한다. 이는 부분적 광학 부재를 원거리장 이미지에 사용되는 이미지센서 앞의 광경로에 장착함으로써 이루어진다. 부분적 광학 부재의 두께는 원거리장 이미지의 상거리와 근접장 이미지의 상거리에서 필요한 축방향 변위에 의해 재질의 굴절률에 따라 다르다.
본 발명에서 선호하는 모델에 따르면 추가 광학 부재는 투명한 평면-평행 판이다. 이러한 투명한 평면-평행 판은 특히 유리제일 수 있다. 즉 상기 평면-평행 판은 예를 들어 붕사 크라운 유리나 고급 붕규산 유리 등으로 제작된 렌즈일 수 있다. 또 다른 선호 모델에서는 투명한 플라스틱으로 제작한 평면-평행 판을 사용할 수 있다. 즉 폴리카보네이트나 폴리메틸메타크리레이트(PMMA)로 제작된 렌즈일 수 있다.
본 발명의 특별한 형태에서는 추가 광학 부재 전체나 상기 부재의 부분 용적만이 오목렌즈가 장착된 마이크로 렌즈 어레이(micro lens array)나 광학 저역통과 필터 또는 회절식 마이크로 렌즈 어레이이다. 상기 형태에서는 상기 부재가 반도체 부재 감응면으로 향하는 추가 광학 부재의 면에 위치해 있다. 수렴되는 광경로를 한정된 방식으로 확대하거나 발산하는 발산렌즈로 구성된 마이크로 렌즈 어레이로 인해 광학적 근접장 이미지가 존재하는 광학적 축의 점에 원거리장의 상이 맺힌다.
또 다른 모델에서는 추가 광학 부재가 최소한 두께가 다른 평면-평행 구역 2개로 이루어진다. 이때 부분적 광학 부재는 경사를 이룬다. 또는 다른 재질을 사용함으로써 “경사”가 투명한 평면-평행 판 내에서 이루어진다. 이를 위해 최소한 2개의 구역에서 굴절률이 다른 재질이 사용된다. 위의 두 버전에서는 최소한 2개의 서로 중첩된 초점 심도 구역이 하나의 카메라 이미지 내에서 가능하다.
다른 선호 모델에서는 렌즈의 두께를 누진적으로 하기 위해 추가 광학 부재가 쐐기 형태일 수 있다.
부분적 광학 부재의 모서리는 이미지 광경로에 맞추어진 어떤 과도부가 있는 것을 선호할 수 있다. 상기 과도부는 예를 들어 경사지거나 또는 쐐기 형태일 수 있다. 상기 과도부를 검게 하여 산란광의 간섭을 방지할 수 있다.
본 발명을 좀 더 발전시켜 대물렌즈와 이미지센서 사이의 공간에 추가 광학 부재가 주기적으로(cyclically) 도입될 수 있다. 예를 들어 “초퍼 휠”, 즉 평면-평행 판이 있는 세그먼트와 판이 없는 세그먼트를 교대로 가지고 있는 회전판의 형태로 장착할 수 있다.
다른 모델에서도 두께가 다르고/다르거나 굴절률이 상이한 추가 광학 부재를 대물렌즈와 이미지센서 사이의 공간에 원형으로 장착하기 위해 이와 유사한 장치를 사용할 수 있다. 이렇게 함으로써 상이한 초점 심도 구역의 상을 원거리장에 맺는 이미지를 주기적으로 촬영할 수 있다. 그 다음 초점 심도 구역이 상이한 이미지에서 원거리장에 있는 피사체의 거리가 나올 수 있다.
다른 모델에서는 주변을 둘러싸고 있는 매질(대개의 경우 공기)보다 굴절률이 큰, 물이나 오일과 같은 액체 매질을 부분용적에 충전하여 추가 광학 부재를 만들 수 있다.
부분적 광학 부재의 크기는 반도체 부재 감응면의 제 1 구역이 제 2 구역보다 크도록 하는 것이 선호된다. 원거리 이미지와 근거리 이미지 비율은 상기 부분적 광학 부재를 지나는, 효율적으로 배치된 화각면에 의해 결정된다. 이때 본 발명자는 최대 80%까지는 원거리장에서, 그리고 최대 20%까지는 근접장에서 상이 맺히도록 분할할 것을 제안한다. 또한 구성품과 응용 프로그램에 따라 90% 대 10%의 비율로 분할하는 것도 좋다.
또한 추가 광학 부재의 최소한 한 면을 코팅하여 반사되지 않도록 하는 것이 좋다.
추가로나 또는 그 대신 추가 광학 부재의 최소한 한 면을 코팅하여 전자파를 한정된 파장대역에서 필터링할 수 있다. 특히 적외선 대역과 자외선 대역용 필터링층을 생각해 볼 수 있다.
추가 광학 부재가 그 광경로를 지나지 않는 근접장 이미지가 맺히는 감응면 구역은 전자파를 필터링하지 않고 수신한다. 즉 상기 구역은 가시대역 밖에도 있다. 예를 들어 추가 광학 부재의 진입면, 즉 자외선을 필터링하는 면을 코팅하면 상기 부재를 강한 자외선으로부터 보호할 수 있다. 특히 추가 광학 부재가 플라스틱제인 경우 이러한 코팅이 필요하다. 강한 자외선을 필터링하기 위해 자외선 필터를 윈드실드와 결합하거나 대물렌즈의 앞 구역에 장착할 수 있다. 이렇게 하면 강한 자외선으로부터 이미지센서를 보호할 수 있다. 이러한 방법의 장점은, 대물렌즈가 최적화되어 있는 파장대가 제한되어 있으므로, 바깥쪽 색수차의 영향을 감소시킨다는 점이다. 상기 방법이 또 다른 장점은 필터 뒤에 위치한 광학 구성품을 보호한다는 점이다. 이러한 보호 기능은 플라스틱제 렌즈를 사용하고 강한 태양광으로부터 이미지센서를 보호하기 위해 필요하다.
본 발명에서는 광학 모듈을 차량의 실내, 윈드실드 뒤에 장착하여 주행방향에서 차량의 외부를 측정하도록 하는 것이 좋다고 본다.
본 발명에서 선호하는 광학 모듈의 형태는 제 2 거리 구역으로서 윈드실드 외측 면의 상이 반도체 부재 감응면의 제 2 구역(근접장)에서 선명하게 맺히도록 하는 것이다. 추가 광학 부재에 의해 반도체 부재 감응면의 제 1 구역(원거리장)에 제 1 거리 구역으로서 차량 주위의 상이 맺힌다. 따라서 반도체 부재는 교통상황을 예를 들어 2미터 이상 떨어진 원거리장에서와 20센티미터 이내의 근접장에서 동시에 측정한다.
선호하는 또 다른 모델에서는 카메라에 기반을 둔 레인센서를 차량에 장착하도록 계획할 수 있다. 이렇게 하면 반도체 부재 감응면의 제 1 구역(윈드실드의 외측 면)에서 나온 이미지를 평가하며 윈드실드의 우적이나 오염입자를 인식할 수 있다. 여기서는 와이퍼 컨트롤러 및/또는 윈도우 세척장치에서 이를 활성화하기 위한 출력 신호를 보낼 수 있다.
선호하는 형태는 윈드실드를 통해 화각 구역을 조명하는 조명원을 장착하도록 하는 것으로, 상기 화각 구역의 상은 반도체 부재 감응면의 제 2 구역에서 맺힌다. 이러한 형태의 장점은 근접장에 적외선을 주사하는 것이다. 조명원을 광학 셔터로 잘 제어하며, 이러한 제어는 특히 반도체 부재 감응면 전체의 조명시간을 조절하거나 특히 근접장의 상이 맺히는 활성화된 면의 부분 구역에 대해 이루어진다.
조명원의 광선을 특히 플렉시블 도광체를 통해 윈드실드로 주사할 수 있다. 이때 예를 들어 투명한 실리콘을 적절한 플렉시블 도광체로 사용할 수 있다. 부분 방사 에너지를 윈도우에 장착된 흡수 부재를 통해 열 에너지로 변환시켜 상기 열을 윈드실드의 표면을 가열하는데 사용할 수 있다. 상기 흡수 부재로는 예를 들어 기존의 윈도우 히터에 장착된 열선을 사용할 수 있다. 흡수면으로 사용된 열선은 차량의 주행방향으로 방사된 광선을 차단하는데도 사용될 수 있다.
선호하는 모델에는 최소한 한 면을 코팅한 추가 광학 부재가 장착된 광학 모듈을 설치하도록 되어 있는 바, 상기 부재의 파장필터는 근접장에 방사하기 위해 조명원이 사용하는 파장대역을 억제한다. 윈드실드를 지나는 화각 구역에는 광선이 적외선 파장대역(IR)에서 방사되며 추가 광학 부재는 적외선 파장대역에서 투과를 억제하는 필터로 코팅되어 있다. 상기 파장대역은 차량 운전자나 다른 교통수단에 의해 감지되지 않는다. 또한 반도체 부재의 감응면은 적외선 파장대역에 대한 감응도가 상당히 높으므로 비교적 약한 적외선으로도 근접장에 방사할 수 있다. 조명원을 여러 구역에 부착할 수 있다. 또한 연속적으로나 주기적으로 조명할 수 있다. 원거리장 이미지에 대한 간섭을 방지하거나 또는 감소시키기 위해 조명을 사인파 형태의 강도나 동기화하여 방사할 수 있다.
또한 용량형 레인센서를 장착하면 장점이 있다. 카메라에 기반을 둔 용량형 레인센서의 신호는 공동의 평가장치에 의해 평가된다. 상기 센서 타입은 서로 잘 보완하므로 조합된 상태에서 탁월한 인식 능력을 보여준다. 용량형 센서를 스트립형 도체로서 투명 필름이나 실리콘 패드에 장착하고 전자장치를 카메라에 기반을 레인센서용 조명 모듈 내에 내장하는 것을 좋다. 예를 들어 카메라에 기반을 둔 레인센서는 이슬비가 아주 약간 내릴 때 효과적이지만, 이때 용량형 레인센서는 용량 변화가 거의 없으므로 신호의 변화를 거의 감지하지 못한다. 이에 반하여 윈드실드 전체에 우적이 덮히는 경우에는 용량이 상당히 변하므로 상기 변화를 확실히 감지한다. 하지만 카메라에 기반을 둔 레인센서는 이미지에서 모서리만 약간 인식하므로 상기 우적을 빗방울이 약간 떨어지는 것으로서만 감지한다.
본 발명을 응용한 좋은 형태에서는 윈드실드와 대물렌즈 사이의 쐐기판을 근접장 이미지의 화각에 부착할 수 있다. 즉 그 쐐기판은 근접장 이미지의 대물렌즈측 광경로에 장착되어 있다. 쐐기판은 윈드실드의, 원거리장 이미지의 화각이 통과하는 한 구역에서 방사되는 전자파를 근접장 이미지의 화각으로 굴절시킨다. 상기 쐐기판은 두 개의 평면이나 하나의 평면과 하나의 비평면 또는 두 개의 비평면으로 조합되어 있을 수 있다. 여기서 비평면이란 구면, 비구면 또는 미세구조화된 면을 의미한다. 상기 쐐기판의 재질은 투명한 플라스틱일 수 있다. 쐐기판의 장착 형태로는 두꺼운 끝단을 상단에, 그리고 얇은 끝단을 하단에 배치하는 것이 좋다. 이렇게 하면 근접장 이미지의 광경로가 위로 굴절된다. 또한 쐐기판을 원거리장 이미지의 광경로 아래나 또는 하단 구역에 장착하는 것이 좋을 수 있다.
쐐기판에 필터층을 코팅하는 것이 좋다. 이렇게 하면 필터층이 특정 파장대역을, 예를 들어 가시대역을 억제한다. 또한 산란광을 억제하기 위해 쐐기판의 상부를 검게 하는 것이 좋을 수 있다. 쐐기판을 장착한 경우에는 윈드실드의 필요한 흑점 부위가 작아지므로 광학 모듈 또는 카메라 시스템도 작은 것을 장착할 수 있다는 장점이 있다.
본 발명에서 선호하는 모델에서는 차량에 조명원을 장착되어 있는 바, 상기 조명원의 전자파는 주사 부재(예를 들어 플렉시블 도광체)를 통해 윈드실드로 주사된다. 상기 주사 부재는 접착이나 압착에 의해 윈드실드와 단단히 접촉하게 되도록 되어 있다. 윈드실드에 물방울이 없을 경우 윈드실드에 주사된 전자파가 전반사된다. 그 광선은 반사 부재에 의해 광학 모듈 방향으로 반사되어 그 이미지가 근접장 이미지의 구역(강우를 인식하는 부분 구역)에서 이미지센서에 맺힌다. 윈드실드에 물방울이 있는 경우, 주사된 전자파의 일부가 물방울에 의해 반사되어 더 이상 반사 부재측으로 전반사되지 않는다. 따라서 윈드실드에 있는 물방울과 우적은 윈드실드가 마른 경우 반사된 강도를 젖은 윈드실드와 비교한 신호 편차로서 측정된다.
반사 부재를 특정 파장대역, 예를 들어 가시대역을 억제하는 특수한 필터층으로 코팅하는 것이 좋을 수 있다.
반사 부재의 형태는 대물렌즈로 향하는 면의 표면을 적절히 처리하여 무광판이 되도록 하는 것이 좋을 수 있다. 이때 상기 무광판은 근접장 이미지의 피사체 면에 위치해 있다.
또 다른 모델에서는 반사 부재가 근접장 이미지에 의해 측정되는, 윈드실드 화각의 부분 구역 중 어떤 한정된 부분 면만을 덮는 것이 좋다. 이렇게 함으로써 빗방울에 의해 반사된 신호의 편차를 측정할 수 있으며, 또한 다른 부분 구역에서도 그 방울에 의해 대물렌즈측으로 산란된 신호의 양을 측정할 수 있다. 이러한 두 측정법을 결합함으로써 윈도우의 우적을 정확하게 측정할 수 있다.
본 발명에는 윈드실드와 하나 이상의 광학 모듈 사이의 거리 또는 위치 편차를 측정하는 방법이 포함되어 있다. 이때 광학 모듈은 윈드실드에 부착된 하나 이상의 목표지 표시의 상을 반도체 감응면의 제 2 구역에 선명히 맺게 한다. 평가장치가 광학 모듈의 광학 축에 대한 윈드실드의 위치 변경을 저장된 출발지 위치와 비교하여 확인하고 측정한다. 윈드실드에 대한 광학 축의 편차를 이미지 처리에 의해 계산할 수 있다. 이러한 방법은 스테레오형 카메라 시스템의 지오메트리를 모니터링 하는데 특히 좋다. 목표지 표시와 저장된 출발지 표시의 편차로 인해 두 스테레오형 카메라 모듈의 서로에 대한 위치 변경을 측정할 수 있다.
본 발명의 특징은 가격경쟁력이 있는 솔루션이라는 점이다. 즉 단순한 유리제 또는 풀라스틱제 평면-평행 판을 사용함으로써 하나의 광학 모듈에 저렴하고 성능이 뛰어난 솔루션을 채용할 수 있다. 이러한 광학적 구조에서는 광학 부재의 사각 구역이 적고 쉽게 조정할 수 있다는 점이 특히 탁월한 장점이다. 카메라의 피사체 거리에 추가 광학 부재를 장착한 구조와 비교할 때 본 발명이 제안하는 구조는 상거리에 있어서 간섭광이 직접 주사되지 않는다는 상당한 장점을 지닌다. 이제 모델 예시도와 도면을 사용하여 본 발명을 설명하겠다.
도면 1은 차량 내에 대물렌즈와 반도체 센서가 장착된 광학 모듈의 이미지 속성이고;
도면 2는 차량 내에 대물렌즈와 반도체 부재 사이에 추가로 부분 광학 부재를 장착한 광학 모듈의 이미지 속성이다.
도면 1은 제 1 거리 구역(8)과 제 2 거리 구역(9)에 대한 광경로(8, 9)의 도식으로서, 상기 광경로의 상은 기본 동축면(2)가 있는 대물렌즈(1)에 의해 반도체 부재(4)의 감응면에 맺힌다. 화각(10)은 점으로 표시된 선으로 제한되어 있다. 대물렌즈(1)의 위치는 윈드실드(5)와 반도체 부재(4)의 감응면 사이에서 조절되어, 한편으로는 아래 구역의 화각(10)이 산란광 커버(7)에 의해 제한되지는 않지만 가용 용적을 완전히 완전히 활용하고 다른 한편으로는 근접장(9)에 위치한 윈드실드 외측 면 구역의 상이 반도체 부재(4)의 감응판에 선명히 맺힌다. 원거리장(8)의 상이 반도체 부재(4)의 감응판에 선명히 맺히게 하려면 대물렌즈(1)을 우측으로 밀든지 또는 반도체 부재(4)를 좌측으로 밀어야 한다. 상기 두 경우 화각(10)은 산란광 커버(7)에 의해 제한되어 원거리장의 상이 반도체 부재(4)의 감응판에 더 이상 선명히 맺히지 않을 것이다. 현재의 기술 수준에서는 이러한 형태의 광학 모듈을 사용한다.
도면 1과 2에서는 윈드실드(5)를 지나는 광경로의 평행 변위를 고려하지 않았다.
도면 2는 추가 광학 부재(11)이 장착된 광학 모듈을 도시한 도면으로서, 여기서 상기 모듈은 대물렌즈(1)과 반도체 부재(4)의 감응면 사이에 위치한 한정된 부분용적에 장착되어 있다. 상기 부분용적은 추가 광학 부재가 화각(10)을 두 부분으로 분할하는 것과 관련되어 있다. 한 부분은 배출면(우측)에 장착된 추가 광학 부재(11) 중 반도체 부재(4)의 감응면에 위치한 부분이고, 다른 한 부분은 추가 광학 부재(11)을 둘러싸고 있는 매질 위에 있는 반도체 부재(4)의 감응면에 위치한 부분이다. 화각(10)의 상기 두 부분은 반도체 부재(4)의 감응면에서 두 구역을 한정한다. 제 1 구역은 반도체 부재(4)의 구역으로서, 상기 구역을 추가 광학 부재(11)이 덮고 있으며, 상기 도면에 의하면 상기 구역에 원거리장(8)의 상이 선명하게 맺힌다. 제 2 구역은 제 1 구역 위의 구역으로서, 상기 구역은 추가 광학 부재(11)에 의해 덮여 있지 않으며, 상기 도면에 의하면 상기 구역에 근접장(9)의 상이 선명하게 맺힌다. 이러한 방식으로 반도체 부재(4)의 감응면에 의해 촬영되는 이미지에는 심도가 선명한 근접장 이미지가 있는 구역과 심도가 선명한 원거리장 이미지가 있는 구역이 있다. 근접장 이미지에서는 물방울(6), 오염물 또는 눈송이 등이 감지되어 분류된다. 이와 동시에 카메라 이미지의 제 1 큰 구역에서는 예를 들어 2미터에서 최대 50미터까지 떨어진 교통상황을 이용할 수 있으므로, 여러 운전자 어시스턴트 기능이 상기 데이터를 이용하고 평가한다.
본 발명에 따른 광학 모듈을 장착한, 비디오에 기반은 둔 레인-오염물센서에는 여러 화소를 채용할 수 있다. 지능형 연산장치를 사용하면 기하학적 대상 인식에 의해 강우와 오염물, 눈, 서리, 이슬 등을 구별할 수 있다. 소벨 연산장치(Sobel-Operator)와 같은 모서리 인식 연산장치를 수직 및/또는 수평 방향으로 장착할 수 있다. 수직 방향으로만 인식되는 모서리는 와이퍼의 불균일성을 나타낼 수 있고, 따라서 다시 와이핑하라는 신호나 윈도우를 세척하라는 신호를 내보낼 수 있다. 이러한 불균일성 신호가 계속 나타나면 운전자는 와이퍼 블레이드를 교환할 수 있다. 근접장 이미지에서 주파수를 분석하기 위해, 고주파를 인식하기 위해 푸리에 변환을, 특히 FFT를 사용할 수 있다. 이미지 데이터에서 샘플 인식을 위해 여러 크기의 물방울, 눈송이, 오염물 입자와 같은 전형적인 대상이 입력된 분류기를 사용하여 중립적인 네트워크를 사전에 설정할 수 있다. 또한 대상을 인식하기 위해 막대그래프에 의해 평가할 수도 있다. 지능형 조명장치는 한정된 조명 기능(예를 들어, 사인파 형태의 조도 또는 입사각이 다른 조명원)에 의해 이미지 분석을 지원하고 확인할 수 있다.
본 발명의 또 다른 장점은 기존의 장치에서 발생하는 온도에 따른 초점 이동 문제에 어떤 긍정적인 영향을 끼친다는 점이다. 대개의 경우 온도가 높으면 대물렌즈(1)이 이미지센서(4)에서 멀어지는 문제가 발생한다. 따라서 초점이 원거리장(8)에서 근접장(9)로 이동하게 된다. 부분적 광학 부재(11)이 상거리에 끼치는 영향은 수렴적 광경로가 수직면에서 굴절되는 것으로 알 수 있다(공기에서 부분적 광학 부재(11)로의 과도부(transition) nLuft < nPOE). 이로 인해 피사체의 선명한 이미지는 구조는 동일하지만 부분적 광한 부재(11)을 장착하지 않는 경우보다 대물렌즈(1)로부터 더 멀리 떨어진다. 시스템이 열을 받으면 위에서 언급한 이미지센서(4)와 대물렌즈(1) 사이의 간격이 더 커진다. 하지만 이와 동시에 부분적 광학 부재(11)도 팽창하여 이미지센서(4)에 맺힌 초점이 흐린 이미지가 어느 정도 보정된다. 이러한 현상은 온도 낮을 때에도 나타나 이미지의 선명도를 긍정적으로 보정하게 된다. 이러한 문제는 최적의 재료를 사용함으로써 모든 온도 범위에서 만족스러운 이미지 품질을 얻어 해결될 수 있다.
부분적 광학 부재(11)이 장착되지 않은 카메라는 근접장에 초점을 맞춘다. 부분적 광학 부재(11)을 장착하면 원거리장(8)의 이미지도 선명할 수 있다. 온도가 높아져 대물렌즈(1)이 이미지센서(4)에서 멀어지면 근접장(9)과 원거리장(8)의 이미지가 선명하지 않게 된다. 근접장 이미지는 온도에 따라 이미지가 어느 정도 긍정적으로 변화한다. 왜냐하면 대물렌즈(1)이 멀어짐에 따라 피사체 거리(대물렌즈의 기본 동축면(2)와 윈드실드(5) 사이의 간격)이 좁아지기 때문이다. 점점 더 커지는 상거리에 의한, 온도에 따른 초점 이동에 대한 또 다른 긍정적인 요소는 이로 인해 발생하는 화각의 변화로서, 상기 변화로 인해 윈드실드(5)를 지나는 화각(10)이 작아지고 따라서 이미지가 좀 더 높은 피사체 지점에서 동일한 이미지 지점으로 이동하기 때문이다. 기울어져 있는 윈드실드(5)에 의해 더 위에 있는 피사체 지점을 측정될 뿐만 아니라 피사체 거리가 작은 피사체도 선명한 상을 맺게 된다. 초점거리가 동일할 때 피사체 거리가 작아지면 거리가 길어진다. 근접장 이미지에서는 상거리가 이렇게 변화하면 온도 보정이 이루어진다. 이에 대한 방정식은 다음과 같다: 1/f = 1/g + 1/b. 여기서 f는 대물렌즈의 초점거리이고 g는 피사체의 거리(근접장에서는 예를 들어 5.5cm), b는 근접장 이미지의 상거리를 나타낸다.
이러한 보정 매커니즘은 원거리장(8)의 이미지에서는 일어나지 않는다. 왜냐하면 한편으로는 피사체 거리가 아주 길고 또 그 변화가 상거리에 아주 적은 영향을 끼치기 때문이며, 다른 한편으로는 윈드실드(5)의 경우와는 달리 피사체 거리에서는 기울어진 면을 볼 수 없기 대문이다. 이러한 이유로 부분적 광학 부재(11)에는 적절한 재질을 사용해야 하는 바, 즉 그 재질의 열팽창이 초점 보정에 긍정적인 영향을 끼치는 소재를 선택해야 한다.
부분적 광학 부재(11)의 모서리를 한정하여 상기 두 이미지 구역의 과도 구역을 최적화할 수 있다. 유리제 부재의 경우, 원거리장(8)의 부분 이미지측의 과도부가 유리 모서리의 절삭에 의해 “함입”된다. 폴리카보네이트나 PMMA로 제작된 플라스틱 부재를 사용하면 모서리의 이러한 절삭을 방지할 수 있다. 따라서 과도부를 광경로에 맞추어 조정할 수 있다. 즉 쐐기 형태나 경사지게 할 수 있다. 또한 사각 구역은 부분적 광학 부재(11)의 두께에 따라 다르다. 이때는 굴절률이 높은 소재를 사용하는 것이 좋다.
본 발명에 따른 광학 모듈은 여러 피사체를 윈드실드의 외측 면이나 윈드실드의 내측 면에서 인식하고 구별할 수 있기 때문에 확장된, 확장된 와이핑, 세척 및 환기 기능을 채용할 수 있다. 화소의 개수를 많게 하면 강우나 오염물, 눈, 얼음, 이슬 또는 에어로솔 잔류물을 특정한 인식 표시에 의해 구별할 수 있다. 위에서 언급한 모든 영향은 윈드실드(5)을 통해 보는 시야에 악영향을 주며 따라서 원거리장(8)의 부분 이미지에서 수집한 데이터를 바탕으로 하여 작동하는 다른 운전자 어시스턴트 기능에도 악영향을 준다. 이미지를 처리하여 피사체를 인식한 다음 인식된 시야 장애물에 따라 제어 신호를 와이퍼, 윈도우 세척장치, 에어컨 또는 환기장치에 보내어 시야 장애물의 종류와 크기에 적절한 세척 또는 편의 기능을 자동으로 실행시키게 된다.
이상에서 소개한 다중초점 렌즈의 또 다른 활용 방법은 강우 및 오염물 인식 장치 외에 차량의 “스캐너” 또는 코드 리더기로 사용하는 것이다. 윈드실드의 식별을 위해 예를 들어 인쇄된 코드가 있는 윈드실드(5)에 표시된 목표지 표시를 촬영하여 처리할 수 있다. 이렇게 식별된 코드를 데이터 케이블을 통해 버스 시스템이나 다른 컨트롤유닛으로 송신할 수 있다.
본 발명자는 근접장(윈드실드 외측 면) 이미지를 앞으로 운전자와 차량의 통신 인터페이스로 사용할 것을 제안한다. 이는 코드 리더기(레지스트리 스캐너와 유사)의 원리와 같다. 예를 들어 차량의 문을 열 때 카메라를 사용할 수 있을 것이다. 즉 운전자의 지문을 스캔하고 손을 사용하여 저장된 경로로 출발하거나 앞에 설치한 코드박스를 읽을 수 있다. 또 다른 예로는 주차된 차량의 소유자에게 알려야 할 중요한 정보를 디지털 방식으로 판독하는 것이다. 차량 소유자는 보드 모니터를 통해 상기 정보를 읽을 수 있을 것이다.
향후 스테레오형 카메라를 설치할 때 그 설치 위치를 윈드실드의 중앙에서 가장자리로 이동시킬 수 있다. 이렇게 하면 운전자가 보다 더 쉽게 카메라에 접근할 수 있다. 이렇게 하면 카메라를 대기 모드에 두었다 시야가 빨리 어두워질 때 이미지 처리와 근접장 조명을 간단하게 활성화할 수 있다.
부분 광학 부재(11)에 의한 다중초점렌즈의 또 다른 형태는 상거리를 가장 먼 원거리장 이미지에 맞추고, 부분 광학 부재(11)로서 볼록렌즈의 일부를 사용하는 것이다. 상기 경우 부분 광학 부재(11)이 없으면 근접장 이미지의 초점이 상당히 흐려진다. 물론 볼록렌즈(부분 렌즈)를 상거리에서 근접장 이미지의 이미지 광경로와 평행하게 하여 위에서 언급한 이미지와 유사한 이미지를 획득할 수 있다.
1 대물렌즈
2 대물렌즈의 기본 동축면
3 반도체 부재의 커버 글래스
4 감응면이 있는 반도체 부재
5 윈드실드
6 빗방울
7 산란광 커버
8 원거리장
9 근접장
10 화각
11 부분적 추가 광학 부재

Claims (30)

  1. 광학 모듈로서,
    - 전자파 방사에 감응하는 면이 있는 반도체 부재(4) 및
    - 전자파 방사를 상기 반도체 부재(4)의 감응하는 면으로 투영하는 대물렌즈(1)를 포함하고,
    상기 대물렌즈(1)와 상기 반도체 부재(4)의 감응면 사이에 규정된 부분용적에 장착된 추가 광학 부재(11)를 더 포함하고,
    상기 대물렌즈(1)의 위치와 상기 추가 광학 부재(11)의 두께는,
    상기 추가 광학 부재(11)에 의해 상기 반도체 부재(4)의 감응면의 제 1 구역에 광학적 원거리장(far field, 8)의 상이 맺히고 상기 추가 광학 부재(11)가 위치해 있지 않은 화각의 제 2 구역에 광학적 근접장(near field, 9)의 상이 맺히도록 설정되는
    광학 모듈.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 추가 광학 부재(11)의 굴절률이 상기 추가 광학 부재(11)를 둘러싸고 있는 매질의 굴절률보다 큰
    광학 모듈.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 추가 광학 부재(11)가 투명한 평면-평행(plane-parallel) 판인
    광학 모듈.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 투명한 평면-평행 판(11)의 소재가 플라스틱인
    광학 모듈.
  5. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 추가 광학 부재(11)는 오목렌즈의 일부이거나, 오목렌즈가 장착된 마이크로 렌즈 어레이 또는 회절 마이크로 렌즈 어레이인
    광학 모듈.
  6. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 추가 광학 부재(11)는 두께가 다른 평면-평행 구역을 적어도 2개 이상 포함하는
    광학 모듈.
  7. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 추가 광학 부재(11)는 각각 상이한 굴절률을 가진 다른 재질로 구성된 구역을 적어도 2개 이상 포함하는
    광학 모듈.
  8. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 추가 광학 부재(11)의 형태가 쐐기 형태인
    광학 모듈.
  9. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 추가 광학 부재(11)를 상기 대물렌즈(1)와 상기 반도체 부재(4)의 감응면 사이에 위치한 공간 내에 주기적으로(cyclically) 도입될 수 있는
    광학 모듈.
  10. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    두께 및 굴절률 중 하나 이상이 상이한 추가 광학 부재(11)를 상기 대물렌즈(1)와 상기 반도체 부재(4)의 감응면 사이에 위치한 공간 내에 주기적으로(cyclically) 도입될 수 있는
    광학 모듈.
  11. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 추가 광학 부재(11)가 둘러싸고 있는 매질보다 굴절률이 큰 액상 매질을 부분용적에 충전시켜 구현되는
    광학 모듈.
  12. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 추가 광학 부재(11)는 상기 반도체 부재(4)에 위치한 감응면의 제 1 구역이 제 2 구역보다 큰 치수로 형성되는
    광학 모듈.
  13. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 추가 광학 부재(11)의 최소한 한 면을 코팅하여 반사를 방지할 수 있는
    광학 모듈.
  14. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 추가 광학 부재(11)의 최소한 한 면에 코팅층이 있어 상기 코팅층이 전자파 방사를 한정된 파장대역 내에서 필터링하는
    광학 모듈.
  15. 제 1 항 또는 제 2 항 중 어느 한 항에 따른 광학 모듈을 장착한 차량으로서,
    차량 실내의 윈드실드(5) 뒤에 장착된 상기 광학 모듈이 주행방향으로 외부를 측정할 수 있도록 배치된
    차량.
  16. 제 15 항에 있어서,
    상기 광학 모듈에 장착된 대물렌즈(1)의 위치가 상기 윈드실드(5)의 외측이 반도체 부재(4)의 감응면의 제 2 구역에서 선명하게 상이 맺히도록 설정되는
    차량.
  17. 제 16 항에 있어서,
    이미지가 상기 반도체 부재(4)의 감응면의 제 2 구역에 의해 평가되며, 이때 상기 윈드실드(5)에 있는 오염물 입자 및/또는 강우가 인식될 수 있으며 또 출력 신호가 와이퍼 컨트롤러 및/또는 윈드실드 세척 컨트롤러로 출력될 수 있는
    차량.
  18. 제 16 항에 있어서,
    화각(10)의 제 2 구역(9)을 상기 윈드실드(5)를 통해 조명하는 조명원이 있으며, 상기 구역의 상이 상기 반도체 부재(4)의 감응면의 제 2 구역에서 맺히는
    차량.
  19. 제 18 항에 있어서,
    상기 조명원의 광선이 플렉시블 도광체를 통해 상기 윈드실드(5)에 주사되는
    차량.
  20. 제 15 항에 있어서,
    화각(10)의 구역(9)이 상기 윈드실드(5)를 통해 적외선 파장대역의 광선으로 조명되고 추가 광학 부재(11)가 필터로 코팅되어 있어 상기 필터가 상기 적외선 파장대역에서 투과되는 것을 억제하는
    차량.
  21. 제 17 항에 있어서,
    용량형 레인센서가 추가로 상기 차량에 장착되어 있으며 공동의 평가 장치가 용량형 및 카메라에 기반을 둔 레인센서의 신호를 평가하는
    차량.
  22. 제 15 항에 있어서,
    상기 윈드실드(5)와 대물렌즈(1) 사이에 위치한 쐐기판이 근접장 이미지(9)의 피사체측 광경로에 배치된
    차량.
  23. 제 22 항에 있어서,
    상기 쐐기판이 필터 코팅층으로 코팅되어 있으며 상기 코팅층이 특정 파장대역을 억제하는
    차량.
  24. 제 22 항에 있어서,
    상기 쐐기판의 윗면이 검게 되어 있어 산란광을 억제하는
    차량.
  25. 제 19 항에 있어서,
    반사 부재가 상기 윈드실드(5)의 고정형 접점에 장착되어 있으며 상기 반사 부재가 주사된 광선을 반사하여 상기 광선이 반도체 부재(4)의 감응면의 제 2 구역에서 상을 맺는
    차량.
  26. 제 25 항에 있어서,
    상기 반사 부재가 필터층으로 코팅되어 있어 특정 파장대역을 억제하는
    차량.
  27. 제 25 항에 있어서,
    상기 반사 부재의 대물렌즈(1)에 향하는 면은 그 표면에 광택이 없는
    차량.
  28. 제 25 항에 있어서,
    상기 반사 부재가 상기 윈드실드(5)의 시야의 일부 구역을 덮고, 상기 구역이 근접장 이미지에 의해 측정되는
    차량.
  29. 제 15 항에 따른 차량에서, 윈드실드(5)와 광학 모듈 사이의 위치와 간격을 보정하는 방법으로서,
    상기 광학 모듈이 상기 윈드실드(5)에 배치한 목표지 표시의 상을 반도체 부재(4)의 감응면에 선명히 맺게 하여 평가장치가 상기 윈드실드(5)의 위치 변경을 저장된 출발점 위치와 비교하여 상기 광학 모듈의 광학적 축에 대해 상대적으로 측정하는
    윈드실드(5)와 광학 모듈 사이의 위치와 간격을 보정하는 방법.
  30. 삭제
KR1020117016973A 2008-12-23 2009-12-17 이미지의 근접장 및 원거리장 측정용 다중초점 광학장치가 장착된 광학 모듈 KR101871731B1 (ko)

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