KR101974578B1 - 3차원 영상 획득 장치용 결상 광학계 및 이를 포함하는 3차원 영상 획득 장치 - Google Patents

3차원 영상 획득 장치용 결상 광학계 및 이를 포함하는 3차원 영상 획득 장치 Download PDF

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Abstract

3차원 영상 획득 장치의 크기를 작게 할 수 있도록 축소된 크기로 제작될 수 있는 결상 광학계 및 이를 포함하는 3차원 영상 획득 장치를 개시한다. 개시된 결상 광학계는 하나의 공통 대물렌즈, 크기가 다른 제 1 및 제 2 이미지 센서, 대물렌즈에 의해 포커싱되는 광의 일부를 투과시켜 제 1 이미지 센서에 제공하고 광의 나머지 일부를 반사시켜 제 2 이미지 센서에 제공하는 빔스플리터, 및 빔스플리터와 제 2 이미지 센서 사이에 배치되어 제 2 이미지 센서에 입사하는 영상을 축소하는 적어도 하나의 광학소자를 포함할 수 있다. 여기서, 상기 적어도 하나의 광학소자는 프레넬 렌즈 및 회절광학소자 중에서 적어도 하나를 포함할 수 있다.

Description

3차원 영상 획득 장치용 결상 광학계 및 이를 포함하는 3차원 영상 획득 장치 {Imaging optical system for 3D image acquisition apparatus, and 3D image acquisition apparatus including the imaging optical system}
개시된 실시예들은 3차원 영상 획득 장치용 결상 광학계 및 이를 포함하는 3차원 영상 획득 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 3D 카메라와 같은 3차원 영상 획득 장치의 크기를 작게 할 수 있도록 축소된 크기로 제작될 수 있는 결상 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.
TOF 기술을 채용한 3D 카메라는 통상적으로 깊이 정보를 얻기 위한 조명광을 방출하는 조명 광학계와 피사체의 영상을 획득하기 위한 결상 광학계를 구비한다. 결상 광학계는 피사체로부터 반사된 가시광선을 감지하여 일반적인 컬러 영상을 생성하는 동시에, 피사체로부터 반사된 조명광을 감지하여 깊이 정보만을 갖는 깊이 영상을 생성한다. 이를 위하여, 결상 광학계는 가시광선용 대물렌즈와 이미지 센서 및 조명광용 대물렌즈와 이미지 센서를 각각 따로 구비할 수 있다(즉, 2-렌즈 2-센서 구조). 그러나, 2-렌즈 2-센서 구조는 컬러 영상과 깊이 영상의 시야각이 상이하므로 두 영상을 정확하게 정합시키기 위한 별도의 절차가 필요하며, 3D 카메라의 크기가 커지고 제조 비용이 증가할 수 있다.
이에 따라, 하나의 공통 대물렌즈와 2개의 이미지 센서를 갖는 3D 카메라가 제안되고 있다(즉, 1-렌즈 2-센서 구조). 이러한 1-렌즈 2-센서 구조에서도, 결상 광학계 및 3D 카메라의 부피와 무게의 증가 및 이로 인한 제조 비용의 상승을 억제하는 것이 주요한 관건 중 하나이다.
하나의 공통 대물렌즈 및 크기가 다른 2개의 이미지 센서를 갖는 3차원 영상 획득 장치의 크기를 작게 할 수 있도록 축소된 크기로 제작될 수 있는 결상 광학계를 제공한다.
또한, 상기 결상 광학계를 포함하는 3차원 영상 획득 장치를 제공한다.
본 발명의 일 유형에 따른 결상 광학계는, 하나의 공통 대물렌즈; 크기가 서로 다른 제 1 및 제 2 이미지 센서; 상기 대물렌즈에 의해 포커싱되는 광 중에서 제 1 파장 대역의 광과 제 2 파장 대역의 광을 분리하여, 제 1 파장 대역의 광을 상기 제 1 이미지 센서에 제공하고 제 2 파장 대역의 광을 상기 제 2 이미지 센서에 제공하는 빔스플리터; 및 상기 빔스플리터와 상기 제 2 이미지 센서 사이에 배치되어 상기 제 2 이미지 센서에 입사하는 영상을 축소하는 적어도 하나의 광학소자;를 포함할 수 있으며, 여기서 상기 적어도 하나의 광학소자는 프레넬 렌즈 및 회절광학소자 중에서 적어도 하나를 포함할 수 있다.
예를 들어, 상기 적어도 하나의 광학소자는 상기 빔스플리터와 상기 제 2 이미지 센서 사이의 광 경로를 따라 차례로 배치된 적어도 2개의 프레넬 렌즈를 포함할 수 있다.
또한 예를 들어, 상기 적어도 하나의 광학소자는 상기 빔스플리터와 상기 제 2 이미지 센서 사이의 광 경로를 따라 차례로 배치된 제 1 광학소자와 제 2 광학소자를 각각 포함하며, 상기 제 1 광학소자는 프레넬 렌즈로 이루어지고 상기 제 2 광학소자는 회절광학소자로 이루어질 수 있다.
예컨대, 상기 제 1 광학소자는 상기 빔스플리터로부터 오는 광을 평행광으로 바꾸는 콜리메이팅 소자이며, 상기 제 2 광학소자는 평행광을 상기 제 2 이미지 센서 상에 수렴시켜 영상을 축소할 수 있다.
상기 결상 광학계는, 상기 적어도 하나의 광학소자와 상기 제 2 이미지 센서 사이에 배치된 것으로, 제 1 파장 대역의 광을 변조하여 상기 제 2 이미지 센서에 제공하는 광 셔터를 더 포함할 수 있다.
예를 들어, 상기 제 2 이미지 센서는 상기 제 1 이미지 센서보다 크기가 작으며, 상기 제 1 파장 대역의 광은 가시광이고 제 2 파장 대역의 광은 적외선 영역의 광일 수 있다.
또한, 상기 빔스플리터는 상기 제 1 파장 대역의 광을 투과시키고 제 2 파장 대역의 광을 반사하도록 구성될 수 있다.
본 발명의 다른 유형에 따른 결상 광학계는, 하나의 공통 대물렌즈; 크기가 서로 다른 제 1 및 제 2 이미지 센서; 및 상기 대물렌즈에 의해 포커싱되는 광 중에서 제 1 파장 대역의 광과 제 2 파장 대역의 광을 분리하여, 제 1 파장 대역의 광을 상기 제 1 이미지 센서에 제공하고 제 2 파장 대역의 광을 상기 제 2 이미지 센서에 제공하는 빔스플리터;를 포함할 수 있으며, 여기서 상기 빔스플리터는 상기 대물렌즈의 광축에 대해 45도보다 큰 각도로 경사지게 배치될 수 있다.
예를 들어, 상기 빔스플리터는, 상기 빔스플리터의 광입사면에 형성된 것으로, 상기 대물렌즈의 광축에 대해 45도로 경사지도록 형성된 다수의 미세한 제 1 경사면; 및 상기 빔스플리터의 광출사면에 형성된 것으로, 상기 다수의 제 1 경사면과 상보적인 형태로 형성된 다수의 미세한 제 2 경사면;을 포함하며, 여기서 상기 제 1 경사면과 제 2 경사면은 서로 평행할 수 있다.
또한, 상기 빔스플리터는 상기 제 1 파장 대역의 광을 투과시키고 제 2 파장 대역의 광을 반사하는 파장분할 필터를 더 포함하며, 상기 파장분할 필터는 상기 제 1 경사면 상에 코팅될 수 있다.
다른 예에서, 상기 빔스플리터는, 상기 빔스플리터의 광입사면에 형성된 것으로, 상기 제 1 파장 대역의 광을 투과시키고 제 2 파장 대역의 광을 반사하며, 반사되는 광의 반사각이 광축에 대해 45도가 되도록 형성된 반사형 제 1 회절 패턴; 및 상기 빔스플리터의 광출사면에 형성된 것으로, 상기 반사형 제 1 회절 패턴에 대해 상보적인 형태로 형성된 제 2 회절 패턴;을 포함할 수 있다.
또한, 상기 결상 광학계는 상기 빔스플리터와 상기 제 2 이미지 센서 사이에 배치되어 상기 제 2 이미지 센서에 입사하는 영상을 축소하는 적어도 하나의 광학소자;를 더 포함할 수 있으며, 상기 적어도 하나의 광학소자는 프레넬 렌즈 및 회절광학소자 중에서 적어도 하나를 포함할 수 있다.
본 발명의 또 다른 유형에 따른 결상 광학계는, 하나의 공통 대물렌즈; 크기가 서로 다른 제 1 및 제 2 이미지 센서; 및 상기 대물렌즈에 의해 포커싱되는 광 중에서 제 1 파장 대역의 광과 제 2 파장 대역의 광을 분리하여, 제 1 파장 대역의 광을 상기 제 1 이미지 센서에 제공하고 제 2 파장 대역의 광을 상기 제 2 이미지 센서에 제공하는 빔스플리터;를 포함할 수 있으며, 상기 빔스플리터는 상기 제 1 파장 대역의 광을 투과시키고 제 2 파장 대역의 광을 반사하는 파장분할 필터가 코팅되어 있는 오목한 광입사면을 포함할 수 있다.
또한, 상기 결상 광학계는 상기 빔스플리터에 의해 반사된 제 2 파장 대역의 광을 반사하는 볼록 미러, 및 상기 볼록 미러에 의해 반사된 제 2 파장 대역의 광을 상기 제 2 이미지 센서를 향해 반사하는 평면 미러를 더 포함할 수 있다.
다른 예에서, 상기 결상 광학계는 상기 빔스플리터에 의해 반사된 제 2 파장 대역의 광을 반사하는 평면 미러, 및 상기 평면 미러에 의해 반사된 제 2 파장 대역의 광을 상기 제 2 이미지 센서를 향해 반사하는 볼록 미러를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 또 다른 유형에 따른 결상 광학계는, 하나의 공통 대물렌즈; 크기가 서로 다른 제 1 및 제 2 이미지 센서; 및 상기 대물렌즈에 의해 포커싱되는 광 중에서 제 1 파장 대역의 광과 제 2 파장 대역의 광을 분리하여, 제 1 파장 대역의 광을 상기 제 1 이미지 센서에 제공하고 제 2 파장 대역의 광을 상기 제 2 이미지 센서에 제공하는 빔스플리터;를 포함할 수 있으며, 상기 빔스플리터는 상기 대물렌즈의 광축을 중심으로 위쪽과 아래쪽에 각각 배치된 제 1 다이크로익 미러와 제 2 다이크로익 미러를 포함하고, 상기 제 1 다이크로익 미러와 제 2 다이크로익 미러는 광축 상에서 일단이 서로 접하고 있으며 서로에 대해 소정의 각도로 절곡되어 있으며, 상기 제 1 다이크로익 미러는 상기 제 1 파장 대역의 광을 투과시키고 제 2 파장 대역의 광을 광축의 위쪽으로 반사하며, 상기 제 2 다이크로익 미러는 상기 제 1 파장 대역의 광을 투과시키고 제 2 파장 대역의 광을 광축의 아래쪽으로 반사하도록 구성될 수 있다.
또한, 상기 결상 광학계는, 상기 제 1 다이크로익 미러와 대향하도록 배치되며, 상기 제 1 다이크로익 미러로부터 반사된 제 1 파장 대역의 광을 제 2 이미지 센서를 향해 반사하는 제 1 미러; 및 상기 제 2 다이크로익 미러와 대향하도록 배치되며, 상기 제 2 다이크로익 미러로부터 반사된 제 1 파장 대역의 광을 제 2 이미지 센서를 향해 반사하는 제 2 미러;를 더 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 제 1 미러와 제 2 미러의 반사면에는 영상 축소 기능을 갖는 반사형 회절 패턴이 형성될 수 있다.
본 발명의 또 다른 유형에 따른 결상 광학계는, 하나의 공통 대물렌즈; 크기가 서로 다른 제 1 및 제 2 이미지 센서; 상기 대물렌즈에 의해 포커싱되는 광 중에서 제 1 파장 대역의 광과 제 2 파장 대역의 광을 분리하여, 제 1 파장 대역의 광을 상기 제 1 이미지 센서에 제공하고 제 2 파장 대역의 광을 상기 제 2 이미지 센서에 제공하는 빔스플리터; 및 상기 빔스플리터와 상기 제 2 이미지 센서 사이에 배치되는 것으로, 광출사면보다 넓은 면적의 광입사면을 갖는 광섬유 테이퍼;를 포함할 수 있다.
상기 결상 광학계는 상기 빔스플리터와 상기 광섬유 테이퍼 사이에 배치되어 상기 제 2 이미지 센서에 입사하는 영상을 축소하는 적어도 하나의 광학소자;를 더 포함할 수 있으며, 상기 적어도 하나의 광학소자는 프레넬 렌즈 및 회절광학소자 중에서 적어도 하나를 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 적어도 하나의 광학소자는 상기 빔스플리터로부터 오는 광을 평행광으로 바꾸는 프레넬 렌즈를 포함하며, 상기 광섬유 테이퍼는 상기 평행광을 상기 제 2 이미지 센서 상에 수렴시켜 영상을 축소하도록 구성될 수 있다.
다른 실시예에서, 상기 적어도 하나의 광학소자는 상기 빔스플리터로부터 오는 광을 평행광으로 바꾸는 프레넬 렌즈, 및 상기 평행광을 수렴시켜 영상을 축소시키는 회절광학소자를 포함하며, 상기 광섬유 테이퍼는 상기 회절광학소자에 의해 축소되는 영상을 추가적으로 축소하도록 구성될 수 있다.
한편, 본 발명의 다른 유형에 따른 3차원 영상 획득 장치는, 상술한 구조를 갖는 결상 광학계; 제 2 파장 대역의 광을 발생시켜 피사체에 조사하는 광원; 상기 제 1 이미지 센서의 출력 영상과 제 2 이미지 센서의 출력 영상을 이용하여 3D 영상을 생성하는 영상 신호 처리부; 및 상기 광원과 영상 신호 처리부의 동작을 제어하는 제어부;를 포함할 수 있다.
예를 들어, 상기 광원은 상기 제어부의 제어에 따라 소정의 주기와 파형을 갖는 제 2 파장 대역의 광을 피사체에 조사하도록 구성될 수 있다.
예를 들어, 상기 제 1 파장 대역의 광은 가시광이고 제 2 파장 대역의 광은 적외선 영역의 광이며, 상기 제 1 이미지 센서는 각 화소별로 적색(R), 녹색(G), 청색(B) 성분을 갖는 컬러 영상을 생성하고, 상기 제 2 이미지 센서는 상기 3차원 영상 획득 장치와 피사체 사이의 거리에 관한 깊이 영상을 생성할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 영상 신호 처리부는 상기 제 2 이미지 센서로부터의 깊이 영상을 이용하여 상기 3차원 영상 획득 장치와 피사체 사이의 거리를 각각의 화소별로 계산하고, 그 계산 결과를 상기 제 1 이미지 센서로부터의 컬러 영상과 결합하여 최종적인 3D 영상을 생성할 수 있다.
개시된 결상 광학계의 실시예들에 따르면, 하나의 공통 대물렌즈를 사용하므로, 컬러 영상과 깊이 영상의 광축이 동일하여 컬러 영상과 깊이 영상 사이에 정합성이 향상될 수 있다. 또한, 크기가 서로 다른 두 이미지 센서를 사용할 수 있기 때문에, 다양한 조합의 이미지 센서 운용이 가능하다. 예를 들어, 컬러 영상은 고화소의 대면적 이미지 센서를 사용하고, 깊이 영상은 저화소의 소면적 및 고속 구동 이미지 센서를 사용할 수 있다. 깊이 영상용 이미지 센서는 컬러 영상용 이미지 센서에 비해 크기가 작은 저화소의 것을 사용할 수 있기 때문에, 원가의 절감이 가능하다.
더욱이, 개시된 결상 광학계의 실시예들에 따르면, 박판형의 프레넬 렌즈 또는 회절광학소자를 사용하여 깊이 영상용 이미지 센서에 입사하는 영상을 축소시키기 때문에, 결상 광학계의 크기를 줄일 수 있으며 대량 생산이 용이하다. 또한, 영상의 축소비를 향상시킬 수 있다.
도 1은 일 실시예에 따른 결상 광학계 및 이를 포함하는 3차원 영상 획득 장치의 구조를 예시적으로 보이는 개념도이다.
도 2는 도 1에 도시된 광학소자의 구조를 예시적으로 보이는 단면도와 평면도이다.
도 3은 다른 실시예에 따른 결상 광학계 및 이를 포함하는 3차원 영상 획득 장치의 구조를 예시적으로 보이는 개념도이다.
도 4a는 또 다른 실시예에 따른 결상 광학계의 구조를 개략적으로 보이는 개념도이다.
도 4b는 도 4a에 도시된 실시예의 변형예를 도시한다.
도 5는 또 다른 실시예에 따른 결상 광학계의 구조를 개략적으로 보이는 개념도이다.
도 6a은 또 다른 실시예에 따른 결상 광학계의 구조를 개략적으로 보이는 개념도이다.
도 6b는 또 다른 실시예에 따른 결상 광학계의 구조를 개략적으로 보이는 개념도이다.
도 7a 및 7b는 각각 또 다른 실시예에 따른 결상 광학계의 구조를 개략적으로 보이는 측면 및 정면 부분의 개념도이다.
도 7c는 도 7b에 도시된 실시예에 대한 변형예를 도시한다.
도 8은 또 다른 실시예에 따른 결상 광학계의 구조를 개략적으로 보이는 개념도이다.
도 9는 도 8에 도시된 광섬유 테이퍼(fiber optic taper; FOT)를 예시적으로 보이는 사시도이다.
도 10은 또 다른 실시예에 따른 결상 광학계의 구조를 개략적으로 보이는 개념도이다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여, 3차원 영상 획득 장치용 결상 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 일 실시예에 따른 결상 광학계 및 이를 포함하는 3차원 영상 획득 장치의 구조를 예시적으로 보이는 개념도이다. 도 1을 참조하면, 일 실시예에 따른 3차원 영상 획득 장치(100)는 소정의 파장을 갖는 조명광을 발생시키는 광원(101), 외부의 피사체(도시되지 않음)로부터 반사된 가시광과 조명광을 포커싱하는 대물렌즈(102), 상기 대물렌즈(102)에 의해 포커싱되는 가시광을 감지하여 컬러 영상을 생성하는 제 1 이미지 센서(103), 상기 대물렌즈(102)에 의해 포커싱되는 조명광을 감지하여 깊이 영상을 생성하기 위한 깊이 영상 모듈(110), 컬러 영상과 깊이 영상을 이용하여 3D 영상을 생성하는 영상 신호 처리부(104), 및 상기 광원(101), 제 1 이미지 센서(103), 깊이 영상 모듈(110) 및 영상 신호 처리부(104)들의 동작을 제어하는 제어부(107)를 포함할 수 있다. 또한, 3차원 영상 획득 장치(100)는 최종적인 3D 영상을 저장하기 위한 메모리(106)와 3D 영상을 디스플레이 하기 위한 디스플레이 패널(105)을 더 포함할 수 있다.
광원(101)은, 예를 들어, 안전을 위해 인간의 눈에는 보이지 않는 약 850nm의 근적외선(NIR) 파장을 갖는 조명광을 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 조명광과 다른 종류의 광원을 사용할 수도 있다. 또한 광원(101)은 제어부(107)로부터 수신된 제어 신호에 따라 예를 들어 사인파, 램프파(ramp wave), 사각파 등과 같이 특수하게 정의된 파형을 갖는 조명광을 방출할 수 있다.
또한, 깊이 영상 모듈(110)은 대물렌즈(102)에 의해 포커싱되는 가시광을 투과시켜 제 1 이미지 센서(103)에 제공하고 조명광을 반사시키는 빔스플리터(111), 상기 빔스플리터(111)에 의해 반사된 조명광을 감지하여 깊이 영상을 생성하는 제 2 이미지 센서(115), 상기 빔스플리터(111)와 제 2 이미지 센서(115) 사이에 배치된 적어도 하나의 광학소자(112, 113), 및 상기 광학소자(112, 113)와 제 2 이미지 센서(115) 사이에 배치되어 광시간비행법(TOF)에 따라 소정의 이득 파형으로 조명광을 변조하는 광 셔터(114)를 포함할 수 있다. 빔스플리터(111)의 표면에는 예를 들어 가시광선 영역의 광을 투과시키고 근적외선 영역의 광을 반사하는 파장분할 필터가 코팅될 수 있다. 도 1에서는 빔스플리터(111)가 가시광을 투과시키고 조명광을 반사하는 것으로 도시되어 있지만, 이는 단지 예시적인 것이다. 설계에 따라서는 빔스플리터(11)가 조명광을 투과시키고 가시광을 반사하는 것도 가능하다. 이하에서는 편의상, 빔스플리터(111)는 가시광을 투과시키고 조명광을 반사하는 것으로 설명한다.
도 1에 도시된 실시예에서, 대물렌즈(102), 제 1 이미지 센서(103), 빔스플리터(111), 광학소자(112, 113), 광 셔터(114) 및 제 2 이미지 센서(115)는 3차원 영상 획득 장치(100)의 결상 광학계를 구성한다. 도 1에는 편의상 간단하게 도시되어 있지만, 대물렌즈(102)는 다수의 렌즈군을 포함하는 줌 렌즈일 수 있다. 제 1 이미지 센서(103)와 제 2 이미지 센서(115)는 예컨대 CCD(charge-coupled device)나 CMOS(complementary metal oxide semiconductor)와 같은 반도체 촬상 소자일 수 있다. 제 1 및 제 2 이미지 센서(103, 115)는 다수의 화소를 갖고 있으며, 각 화소별로 입사광의 광량을 전기적 신호로 변환하여 출력한다. 일반적인 컬러 영상을 생성하기 위한 제 1 이미지 센서(103)는 깊이 정보만을 갖는 깊이 영상을 생성하기 위한 제 2 이미지 센서(115)보다 높은 해상도를 가질 수 있다. 따라서, 제 2 이미지 센서(115)는 제 1 이미지 센서(103)에 비해 작은 크기를 가질 수 있다. 또한, 광 셔터(114)는 피사체에 대한 깊이 정보를 얻기 위해 일반적인 TOF 기술에 따라 소정의 이득 파형으로 조명광을 변조하는 역할을 한다. 예를 들어, 광 셔터(114)는 수십~수백 MHz의 초고속 구동이 가능한 GaAs 기반의 반도체 변조기일 수 있다.
제 1 이미지 센서(103)와 제 2 이미지 센서(115)의 크기가 다를 경우, 제 1 이미지 센서(103)에 의해 생성되는 컬러 영상과 제 2 이미지 센서(115)에 의해 생성되는 깊이 영상 사이에 시야각(field of view)의 불일치가 발생할 수 있다. 즉, 크기가 큰 제 1 이미지 센서(103)는 넓은 시야각을 갖는 컬러 영상을 생성하지만, 제 2 이미지 센서(115)는 상대적으로 좁은 시야각을 갖는 깊이 영상을 생성할 수 있다. 따라서, 제 1 이미지 센서(103)와 제 2 이미지 센서(115) 사이에 시야각을 일치시키기 위하여, 영상을 축소하는 기능을 갖는(즉, 배율이 1보다 작은) 축소 광학계를 빔스플리터(111)와 제 2 이미지 센서(115) 사이에 더 배치할 수 있다. 그러면 제 2 이미지 센서(115)에는 축소 광학계에 의해 축소된 영상이 입사하기 때문에, 그만큼 제 2 이미지 센서(115)에 의해 생성되는 깊이 영상의 시야각이 넓어질 수 있다. 도 1에 도시된 적어도 하나의 광학소자(112, 113)는 이러한 축소 광학계의 역할을 하기 위한 것이다.
축소 광학계가 일반적인 굴절렌즈(즉, 볼록렌즈 또는 오목렌즈)들의 조합으로 이루어질 경우, 결상 광학계 및 3차원 영상 획득 장치(100)의 부피와 무게가 증가할 수 있고, 또한 이로 인하여 제조 비용이 상승할 수 있다. 따라서, 본 실시예에 따르면, 축소 광학계의 역할을 하는 적어도 하나의 광학소자(112, 113)는 박판형의 광학소자, 예컨대 프레넬 렌즈나 회절광학소자(Diffractive Optical Element)로 이루어질 수 있다. 도 1에는 예시적으로 적어도 하나의 광학소자(112, 113)가 프레넬 렌즈인 경우가 도시되어 있다.
도 2에 예시적으로 도시된 바와 같이, 프레넬 렌즈는 빛을 굴절시키기 위한 다수의 곡면들이 일련의 동심원들의 형태로 평면상에 배치된 것으로, 일반적인 볼록렌즈나 오목렌즈에 비해 두께와 무게를 크게 줄일 수 있고, 초점 거리를 매우 짧게 형성하는 것이 가능하다. 따라서, 축소 광학계의 광학소자(112, 113)로서 프레넬 렌즈를 사용함으로써, 빔스플리터(111)와 제 2 이미지 센서(115) 사이의 거리를 크게 줄일 수 있다. 그 결과, 3차원 영상 획득 장치(100)의 크기와 무게를 줄이는 것이 가능하며, 제조 비용도 절감할 수 있다.
도 1에는 예시적으로 프레넬 렌즈로 구성된 2개의 광학소자(112, 113)가 빔스플리터(111)와 제 2 이미지 센서(115) 사이에 배치된 것으로 도시되어 있다. 예를 들어, 프레넬 렌즈로 구성된 제 1 광학소자(112)와 프레넬 렌즈로 구성된 제 2 광학소자(113)가 모두 영상을 축소시키는 역할을 할 수 있다. 또는 그 대신에, 제 1 광학소자(112)는 빔스플리터(111)로부터 반사된 광을 평행광으로 바꾸는 콜리메이팅 소자의 역할을 하고, 제 2 광학소자(113)는 평행광을 제 2 이미지 센서(115) 상에 수렴시켜 영상을 축소하는 역할을 할 수도 있다. 또한 설계에 따라서는, 단지 하나의 프레넬 렌즈만이 사용될 수도 있으며, 또는 수차가 보상된 정교한 상을 얻기 위하여 3개 이상의 프레넬 렌즈가 사용될 수도 있다.
이하, 상술한 3차원 영상 획득 장치(100)의 동작에 대해 간단히 설명한다. 먼저, 제어부(107)의 제어에 따라 광원(101)이 예를 들어 적외선의 조명광을 피사체에 조사한다. 예컨대, 광시간비행법(TOF)에 따라, 광원(101)은 소정의 주기와 파형을 갖는 광을 피사체에 조사할 수 있다. 그런 후, 피사체에 의해 반사된 적외선 조명광은 대물렌즈(102)에 의해 포커싱된다. 이와 동시에, 피사체로부터 반사된 일반적인 가시광도 대물렌즈(102)에 의해 함께 포커싱된다. 대물렌즈(102)에 의해 포커싱되는 광 중에서, 가시광은 빔스플리터(111)를 통과하여 제 1 이미지 센서(103)에 입사한다. 제 1 이미지 센서(103)는 일반적인 카메라의 촬상 소자와 마찬가지로 각 화소별로 적색(R), 녹색(G), 청색(B) 성분을 갖는 컬러 영상을 생성할 수 있다.
한편, 대물렌즈(102)에 의해 포커싱되는 광 중에서, 적외선의 조명광은 빔스플리터(111)에 의해 반사된 후, 광학소자(112, 113)에 입사한다. 앞서 설명한 바와 같이, 광학소자(112, 113)는 조명광을 제 2 이미지 센서(115) 상에 수렴시켜 영상을 축소시키는 역할을 한다. 영상의 축소 배율은 예를 들어 제 1 이미지 센서(103)와 제 2 이미지 센서(115)의 크기의 비에 따라 결정될 수 있다. 광학소자(112, 113)에 의해 수렴된 조명광은 광 셔터(114)에 의해 변조된 후, 제 2 이미지 센서(115)에 입사한다. 광 셔터(114)는 광시간비행법(TOF)에 따라 조명광의 주기와 동일한 주기를 갖는 소정의 이득 파형으로 조명광을 변조할 수 있다.
제 2 이미지 센서(115)는 변조된 조명광의 광량을 각 화소별로 전기적 신호로 변환하여 깊이 영상을 생성한다. 그런 후, 제 2 이미지 센서(115)로부터 출력된 깊이 영상은 영상 신호 처리부(104)에 입력될 수 있다. 영상 신호 처리부(104)는 제 2 이미지 센서(115)로부터의 깊이 영상을 이용하여 피사체와 3차원 영상 획득 장치(100) 사이의 거리를 각각의 화소별로 계산하고, 그 계산 결과를 제 1 이미지 센서(103)로부터의 컬러 영상과 결합하여 최종적인 3D 영상을 생성할 수 있다. 이렇게 생성된 3D 영상은 예컨대 메모리(106)에 저장되거나 디스플레이 패널(105)에 표시될 수 있다.
도 1에 도시된 실시예에서, 2개의 광학소자(112, 113)는 모두 프레넬 렌즈로 구성되었다. 그러나, 축소 광학계를 형성하기 위한 광학소자 중에서 일부는 프레넬 렌즈 대신에 회절광학소자(Diffractive Optical Element; DOE)로 구성될 수도 있다. 도 3은 회절광학소자를 포함하는 다른 실시예에 따른 결상 광학계 및 이를 포함하는 3차원 영상 획득 장치의 구조를 예시적으로 보이는 개념도이다.
도 3을 참조하면, 3차원 영상 획득 장치(100')는 프레넬 렌즈로 구성된 제 1 광학소자(112)와 회절광학소자로 구성된 제 3 광학소자(116)를 포함하는 축소 광학계를 빔스플리터(111)와 제 2 이미지 센서(115) 사이에서 포함할 수 있다. 회절광학소자는 프레넬 렌즈와 유사하게 평면 상에 배치된 다수의 동심원 패턴을 갖지만, 각각의 동심원 패턴은 빛을 굴절시키는 곡면 형태가 아니라 빛을 회절시키는 격자 패턴의 형태를 갖는다. 회절광학소자는 동심원으로 배열된 다수의 격자 패턴들의 형태에 따라 빛을 강하게 수렴시키는 역할을 할 수 있다. 또한, 프레넬 렌즈와 마찬가지로 매우 얇고 가볍게 제작할 수 있다.
도 3에 도시된 실시예에서, 프레넬 렌즈로 구성된 제 1 광학소자(112)는 빔스플리터(111)로부터 반사된 광을 평행광으로 바꾸는 콜리메이팅 소자의 역할을 하고, 회절광학소자로 구성된 제 3 광학소자(116)는 평행광을 제 2 이미지 센서(115) 상에 수렴시켜 영상을 축소하는 역할을 할 수도 있다. 이를 위해, 프레넬 렌즈로 구성된 제 1 광학소자(112)는 대물렌즈(102)의 초점면 배치될 수 있다. 발산하는 광을 직접 수렴시키지 않고, 일단 평행광으로 만든 다음 수렴시키기 때문에 영상의 중심부와 주변부의 편차를 줄일 수 있다. 도 3에는 예시적으로, 단지 2개의 광학소자(112, 116)만으로 구성된 축소 광학계가 도시되어 있으나, 설계에 따라서는 다수의 프레넬 렌즈와 회절광학소자가 3개 이상 조합된 축소 광학계가 사용될 수도 있다. 도 3에 도시된 3차원 영상 획득 장치(100')의 나머지 구성 및 기능은 도 1에 도시된 3차원 영상 획득 장치(100)의 구성 및 기능과 동일하므로, 상세한 설명을 생략한다.
도 4a는 또 다른 실시예에 따른 결상 광학계의 구조를 개략적으로 보이는 개념도이다. 도 1 및 도 3에 도시된 실시예에서, 빔스플리터(111)는 평평한 표면 상에 파장분할 필터가 코팅된 것이다. 통상적으로, 이러한 빔스플리터(111)는 대물렌즈(102)의 광축에 대해 약 45도 경사지게 배치되어 있으며, 따라서 투과된 영상과 반사된 영상이 동일한 크기를 갖는다. 그러나, 도 4a에 도시된 실시예의 경우, 광축에 대해 45도보다 더 큰 각도, 예를 들어 약 60도의 각도로 경사지게 배치된 빔스플리터(117)가 사용될 수 있다. 이렇게 빔스플리터(117)를 45도보다 더 큰 각도로 배치함으로써, 축소 광학계의 폭을 더 줄이는 것이 가능하다. 축소 광학계의 폭이 줄어듦으로써, 대물렌즈(102)와 제 1 이미지 센서(103) 사이의 거리를 줄일 수 있으며, 결과적으로 3차원 영상 획득 장치(100, 100')의 폭도 줄일 수 있다. 또한, 45도보다 큰 각도로 기울어진 빔스플리터(117)를 사용할 경우, 제 2 이미지 센서(115)에 입사하는 영상이 빔스플리터(117)에 의해 축소되는 효과도 얻을 수 있다. 따라서, 도 4a에 도시된 실시예에서는 광학 솨(112, 116)가 생략될 수도 있다.
45도보다 큰 각도로 경사진 빔스플리터(117)에 의해 투과된 영상이 제 1 이미지 센서(103)를 향해 진행하고 반사된 영상이 제 2 이미지 센서(115)를 향해 진행하도록, 도 4a에 도시된 바와 같이, 빔스플리터(117)의 광입사면에는 광축에 대해 약 45도로 경사진 다수의 미세한 경사면(117a)들이 형성될 수 있다. 예를 들어, 빔스플리터(117)가 광축에 대해 약 60도로 기울어져 있다면, 상기 다수의 미세한 경사면(117a)들은 빔스플리터(117)의 광입사면에 대해 약 15도 정도 경사지게 배치될 수 있다. 그러면, 경사면(117a)들은 광축에 대해 약 45도의 경사 각도를 유지할 수 있다. 경사면(117a)들의 표면에는, 도 1 및 도 3에 도시된 빔스플리터(111)와 마찬가지로, 가시광선 영역의 광을 투과시키고 근적외선 영역의 광을 반사하는 파장분할 필터가 코팅될 수 있다.
한편, 빔스플리터(117)를 투과한 광이 상기 다수의 미세한 경사면(117a)로 인하여 왜곡되는 것을 방지하기 위하여, 빔스플리터(117)의 광출사면에도 미세한 경사면(117b)이 형성될 수 있다. 예를 들어, 빔스플리터(117)의 광출사면에 형성된 경사면(117b)은 빔스플리터(117)의 광입사면에 형성된 경사면(117a)과 상보적인 형태를 가질 수 있다. 따라서, 빔스플리터(117)의 광출사면에 형성된 경사면(117b)과 빔스플리터(117)의 광입사면에 형성된 경사면(117a)은 서로 평행할 수 있다.
상술한 빔스플리터(117)의 구조에서, 어느 한 경사면(117a)에 의해 반사되는 광 중에서 일부는 인접한 다른 경사면(117a)에 의해 가려질 수도 있다. 그러나, 빔스플리터(117)는 비결상 위치, 즉 대물렌즈(102)의 비초점 평면(non-focal plane) 상에 배치되기 때문에, 제 2 이미지 센서(115) 상에 포커싱되는 최종적인 영상은 상기 다수의 경사면(117a)들의 어레이로 인한 영향을 거의 받지 않을 수 있다. 또한, 다수의 경사면(117a)들을 충분히 작게 형성하는 경우에는 경사면(117a)들 사이에 발생하는 광학적 간섭을 최소화하여 매끄러운 반사 영상을 얻을 수 있다.
도 4a에서 빔스플리터(117)를 제외한 결상 광학계의 나머지 구성은 도 1 또는 도 3에 도시된 결상 광학계의 구성과 동일할 수 있다. 예를 들어, 빔스플리터(117)와 제 2 이미지 센서(115) 사이에는 프레넬 렌즈로 구성된 광학소자(112, 113)가 배치되거나, 또는 프레넬 렌즈와 회절광학소자로 구성된 광학소자(112, 116)가 배치될 수 있다. 그러나, 45도보다 큰 각도로 기울어진 빔스플리터(117)에 의해 영상이 축소되는 효과도 있기 때문에, 도 4a에 도시된 실시예에서는 광학 소자(112, 116)가 생략될 수도 있다. 도 4a에는 프레넬 렌즈와 회절광학소자로 구성된 광학소자(112, 116)가 편의상 도시되어 있으나, 이는 단지 하나의 예일 뿐이다.
또한, 파장분할 필터가 코팅된 경사면(117a)들의 어레이가 배치된 상기 빔스플리터(117) 대신에, 도 4b에 도시된 바와 같이, 파장분할 기능과 영상 축소 기능을 갖는 반사형 회절 패턴(117c)이 형성된 빔스플리터(117')를 사용할 수도 있다. 이러한 반사형 회절 패턴(117c)은 파장분할 필터가 코팅된 경사면(117a)들의 어레이와 동일한 기능을 수행할 수 있으며, 또한 다른 광학소자(112, 116)들과 함께 추가적으로 영상을 축소하는 데 기여할 수 있다. 예를 들어, 반사형 회절 패턴(117c)은 반사각이 대물렌즈(102)의 광축에 대해 균일하게 45도가 되도록 형성될 수 있다. 또한, 빔스플리터(117')를 투과하는 영상의 왜곡을 방지하기 위하여, 상기 빔스플리터(117')의 광출사면에도 반사형 회절 패턴(117c)과 상보적인 형태의 회절 패턴(117d)이 형성될 수 있다. 이러한 반사형 회절 패턴(117c, 117d)은, 빔스플리터(117')가 기울어진 각도, 투과하고자 하는 광의 파장 대역, 반사하고자 하는 광의 파장 대역, 빔스플리터(117')의 크기 등에 따라 매우 다양한 형태로 설계될 수 있다.
도 5는 또 다른 실시예에 따른 결상 광학계의 구조를 개략적으로 보이는 개념도이다. 도 1, 도 3 및 도 4a에 도시된 빔스플리터(111, 117)는 모두 평판형이었으나, 도 5에 도시된 결상 광학계는 파장분할 필터가 코팅된 오목한 반사면을 갖는 빔스플리터(118)를 포함한다. 즉, 도 5에 도시된 바와 같이, 빔스플리터(118)의 광입사면은 오목면이다. 오목한 반사면은 빛을 수렴시키는 역할을 하기 때문에, 빔스플리터(118)는 제 2 이미지 센서(115)에 입사하는 영상의 축소에 추가적으로 기여할 수 있다. 또한, 오목한 반사면을 갖는 빔스플리터(118)를 사용함으로써 축소 광학계의 폭도 줄이는 것이 가능하다.
또한, 도 6a 및 도 6b에 도시된 바와 같이, 빔스플리터(118)의 오목한 반사면으로 인해 발생하는 영상의 왜곡을 보상하기 위하여, 빔스플리터(118)와 제 1 광학소자(112) 사이에 볼록한 반사면을 갖는 볼록 미러(118a)가 추가적으로 배치될 수 있다. 예컨대, 도 6a에 도시된 바와 같이, 빔스플리터(118)에 의해 반사된 영상은 볼록 미러(118a)에 의해 먼저 반사된 후, 다시 평면 미러(119)에 의해 제 2 이미지 센서(115)를 향해 반사될 수 있다. 또는, 도 6b에 도시된 바와 같이, 빔스플리터(118)에 의해 반사된 영상은 평면 미러(119)에 의해 먼저 반사된 후, 볼록 미러(118a)에 의해 제 2 이미지 센서(115)를 향해 반사될 수 있다. 도 6a 및 도 6b에 도시된 실시예의 경우, 도 5에 도시된 실시예와 달리, 빔스플리터(118)에서 반사된 영상이 직접 제 2 이미지 센서(115)를 향해 진행될 필요가 없다. 따라서, 빔스플리터(118)를 더욱 경사지게 배치하는 것도 가능하다. 또한, 오목한 반사면을 갖는 빔스플리터(118)가 영상을 축소할 수 있기 때문에, 도 6a 및 도 6b에 도시된 실시예에서는 광학 소자(112, 116)가 생략될 수도 있다.
또한, 축소 광학계의 폭을 더욱 줄이기 위하여, 단일한 한 장의 평판 빔스플리터가 아니라 절곡되어 배치된 다수의 빔스플리터를 사용하는 것도 가능하다. 도 7a 및 7b는 각각 이러한 실시예에 따른 결상 광학계의 구조를 개략적으로 보이는 측면 및 정면 부분의 개념도이다.
도 7a 및 도 7b를 참조하면, 대물렌즈(102)와 제 1 이미지 센서(103) 사이에 배치된 빔스플리터(120)는 상기 대물렌즈(102)의 광축을 중심으로 위쪽과 아래쪽에 각각 배치된 제 1 다이크로익 미러(dichroic mirror)(120a)와 제 2 다이크로익 미러(120b)를 포함할 수 있다. 도 7a의 측면도에 도시된 바와 같이, 제 1 다이크로익 미러(120a)와 제 2 다이크로익 미러(120b)는 광축 상에서 일단이 서로 접하고 있으며, 서로에 대해 소정의 각도로 절곡되어 있다. 예를 들어, 광축의 위쪽에 배치된 제 1 다이크로익 미러(120a)는 가시광을 투과시키며, 적외선의 조명광을 광축의 위쪽으로 반사한다. 또한, 광축의 아래쪽에 배치된 제 1 다이크로익 미러(120b)는 가시광을 투과시키며, 적외선의 조명광을 광축의 아래쪽으로 반사한다. 따라서, 대물렌즈(102)에 의해 포커싱되는 가시광의 영상은 빔스플리터(120)를 통과하여 제 1 이미지 센서(103)에 도달할 수 있다.
제 1 다이크로익 미러(120a)와 제 2 다이크로익 미러(120b)에 의해 위쪽과 아래쪽으로 분할되어 반사된 적외선 영상을 제 2 이미지 센서(115)에 제공하기 위하여, 결상 광학계는 제 1 다이크로익 미러(120a)와 대향하는 제 1 미러(121a) 및 제 2 다이크로익 미러(120b)와 대향하는 제 2 미러(121b)를 더 포함할 수 있다. 도 7b의 정면도를 참조하면, 제 1 미러(121a)는 제 1 다이크로익 미러(120a)에 의해 위쪽으로 반사된 영상을 제 2 이미지 센서(115)를 향해 반사하며, 제 2 미러(121b)는 제 2 다이크로익 미러(120b)에 의해 아래쪽으로 반사된 영상을 제 2 이미지 센서(115)를 향해 반사할 수 있다. 따라서, 제 1 다이크로익 미러(120a)와 제 2 다이크로익 미러(120b)에 의해 2개로 분할된 적외선 영상은 제 1 미러(121a)와 제 2 미러(121b)에 의해 제 2 이미지 센서(115)에서 다시 결합될 수 있다. 이를 위해, 제 2 이미지 센서(115)가 빔스플리터(111, 117, 118)의 아래쪽에 배치되는 앞선 실시예들과 달리, 도 7a 및 도 7b에 도시된 실시예의 경우에는 제 2 이미지 센서(115)가 빔스플리터(120)의 측면에 배치될 수 있다.
이와 같이, 절곡된 구조의 빔스플리터(120)를 사용함으로써, 단일한 한 장의 평판 빔스플리터를 사용하는 경우에 비하여 축소 광학계의 폭을 약 1/2 정도로 줄일 수 있다. 또한, 제 1 및 제 2 다이크로익 미러(120a, 120b) 대신에, 도 4a에 도시된 다수의 미세한 경사면(117a)들을 갖는 빔스플리터(117)를 각각 사용하여, 축소 광학계의 폭을 더욱 줄일 수도 있다. 도 7a 및 도 7b에 도시된 실시예의 경우에도, 제 1 및 제 2 다이크로익 미러(120a, 120b)와 미러(121a, 121b)에 의해 영상이 축소될 수 있기 때문에, 광학 소자(112, 116)가 생략될 수도 있다.
또한, 상술한 미러(121a, 121b)들 대신에, 도 7c에 도시된 바와 같이, 영상 축소 기능을 갖는 반사형 회절 패턴(123a, 123b)이 각각 형성된 미러(121c, 121d)들을 사용할 수도 있다. 상기 미러(121c, 121d)들의 반사면에 형성된 반사형 회절 패턴(123a, 123b)은 다른 광학소자(112, 116)들과 함께 추가적으로 영상을 축소하는 데 기여할 수 있다.
도 8은 또 다른 실시예에 따른 결상 광학계의 구조를 개략적으로 보이는 개념도이다. 도 8을 참조하면, 본 실시예에 따른 결상 광학계는 회절광학소자로 구성된 제 3 광학소자(116) 대신에 광섬유 테이퍼(fiber optic taper)(122)를 포함할 수 있다. 즉, 결상 광학계는 프레넬 렌즈로 구성된 제 1 광학소자(112)와 광섬유 테이퍼(122)를 포함하는 축소 광학계를 빔스플리터(111)와 제 2 이미지 센서(115) 사이에서 포함할 수 있다. 도 9에 예시적으로 도시된 바와 같이, 통상적으로 광섬유 테이퍼(122)는 입사측 영상과 출사측 영상의 크기가 다르도록 광섬유 다발의 입사면 부분과 출사면 부분의 압축률을 달리한 구조를 갖는다. 예를 들어, 광섬유 테이퍼(122)의 광입사면이 광출사면보다 넓을 경우, 광섬유 테이퍼(122)는 영상을 축소하는 기능을 할 수 있다.
도 8에 도시된 실시예에서, 광섬유 테이퍼(122)가 영상을 축소시킬 수 있기 때문에, 광학 소자(112, 116)가 생략될 수도 있다. 또는, 프레넬 렌즈로 구성된 제 1 광학소자(112)만을 사용할 수도 있다. 이 경우, 프레넬 렌즈로 구성된 제 1 광학소자(112)는 빔스플리터(111)로부터 반사된 광을 평행광으로 바꾸는 콜리메이팅 소자의 역할을 할 수 있다. 그리고, 광섬유 테이퍼(122)는 제 1 광학소자(112)에 의해 형성된 평행광을 제 2 이미지 센서(115) 상에 수렴시켜 영상을 축소하는 역할을 할 수 있다.
한편, 도 10에 도시된 실시예와 같이, 광섬유 테이퍼(122)를 회절광학소자로 구성된 제 3 광학소자(116)와 함께 사용하는 것도 가능하다. 예를 들어, 프레넬 렌즈로 구성된 제 1 광학소자(112)가 빔스플리터(111)로부터 반사된 광을 평행광으로 바꾸고, 회절광학소자로 구성된 제 3 광학소자(116)로 1차로 영상을 축소한 후에, 광섬유 테이퍼(122)를 사용하여 영상을 더욱 축소시킬 수 있다.
지금까지, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 3차원 영상 획득 장치용 결상 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, 100'.....3차원 영상 획득 장치 101.....광원
102.....대물렌즈 103.....이미지 센서
104.....영상 신호 처리부 105.....디스플레이 패널
106.....메모리 107.....제어부
110.....깊이 영상 모듈 111, 117, 118, 120.....빔스플리터
112, 113, 116.....광학소자 114.....광 셔터
115.....이미지 센서 120a, 120b.....다이크로익 미러
121a, 121b.....미러 122.....광섬유 테이퍼

Claims (28)

  1. 하나의 공통 대물렌즈;
    크기가 서로 다른 제 1 및 제 2 이미지 센서;
    상기 대물렌즈에 의해 포커싱되는 광 중에서 제 1 파장 대역의 광과 제 2 파장 대역의 광을 분리하여, 제 1 파장 대역의 광을 상기 제 1 이미지 센서에 제공하고 제 2 파장 대역의 광을 상기 제 2 이미지 센서에 제공하는 빔스플리터; 및
    상기 빔스플리터와 상기 제 2 이미지 센서 사이에 배치된 것으로, 상기 제 2 이미지 센서에 입사하는 영상을 축소시켜 상기 제 1 이미지 센서에서 생성된 제 1 영상의 시야각과 제 2 이미지 센서에서 생성된 제 2 영상의 시야각을 일치시키는 적어도 하나의 광학소자;를 포함하며,
    상기 적어도 하나의 광학소자는 프레넬 렌즈 및 회절광학소자 중에서 적어도 하나를 포함하고,
    상기 제 1 파장 대역의 광은 가시광이고 제 2 파장 대역의 광은 적외선 영역의 광이며,
    상기 제 2 이미지 센서는 상기 제 1 이미지 센서보다 크기가 작고,
    상기 적어도 하나의 광학소자는 상기 빔스플리터와 상기 제 2 이미지 센서 사이의 광 경로를 따라 차례로 배치된 제 1 광학소자와 제 2 광학소자를 포함하고,
    상기 제 1 광학소자는 상기 빔스플리터로부터 오는 광을 평행광으로 바꾸는 콜리메이팅 소자이며, 상기 제 2 광학소자는 평행광을 상기 제 2 이미지 센서 상에 수렴시켜 영상을 축소하도록 구성되는 결상 광학계.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 광학소자와 제 2 광학소자는 상기 빔스플리터와 상기 제 2 이미지 센서 사이의 광 경로를 따라 차례로 배치된 프레넬 렌즈인 결상 광학계.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 광학소자는 프레넬 렌즈로 이루어지고 상기 제 2 광학소자는 회절광학소자로 이루어지는 결상 광학계.
  4. 삭제
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 2 광학소자와 상기 제 2 이미지 센서 사이에 배치된 것으로, 제 1 파장 대역의 광을 변조하여 상기 제 2 이미지 센서에 제공하는 광 셔터를 더 포함하는 결상 광학계.
  6. 삭제
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 빔스플리터는 상기 제 1 파장 대역의 광을 투과시키고 제 2 파장 대역의 광을 반사하도록 구성된 결상 광학계.
  8. 하나의 공통 대물렌즈;
    크기가 서로 다른 제 1 및 제 2 이미지 센서; 및
    상기 대물렌즈에 의해 포커싱되는 광 중에서 제 1 파장 대역의 광과 제 2 파장 대역의 광을 분리하여, 제 1 파장 대역의 광을 상기 제 1 이미지 센서에 제공하고 제 2 파장 대역의 광을 상기 제 2 이미지 센서에 제공하는 빔스플리터;를 포함하며,
    상기 빔스플리터는 상기 대물렌즈의 광축에 대해 45도보다 큰 각도로 경사지게 배치되어 있고,
    상기 빔스플리터는:
    상기 빔스플리터의 광입사면에 형성된 것으로, 상기 대물렌즈의 광축에 대해 45도로 경사지도록 형성된 다수의 미세한 제 1 경사면; 및
    상기 빔스플리터의 광출사면에 형성된 것으로, 상기 다수의 제 1 경사면과 상보적인 형태로 형성된 다수의 미세한 제 2 경사면;을 포함하며,
    상기 제 1 경사면과 제 2 경사면은 서로 평행한 결상 광학계.
  9. 삭제
  10. 제 8 항에 있어서,
    상기 빔스플리터는 상기 제 1 파장 대역의 광을 투과시키고 제 2 파장 대역의 광을 반사하는 파장분할 필터를 더 포함하며, 상기 파장분할 필터는 상기 제 1 경사면 상에 코팅되어 있는 결상 광학계.
  11. 하나의 공통 대물렌즈;
    크기가 서로 다른 제 1 및 제 2 이미지 센서; 및
    상기 대물렌즈에 의해 포커싱되는 광 중에서 제 1 파장 대역의 광과 제 2 파장 대역의 광을 분리하여, 제 1 파장 대역의 광을 상기 제 1 이미지 센서에 제공하고 제 2 파장 대역의 광을 상기 제 2 이미지 센서에 제공하는 빔스플리터;를 포함하며,
    상기 빔스플리터는 상기 대물렌즈의 광축에 대해 45도보다 큰 각도로 경사지게 배치되어 있고,
    상기 빔스플리터는:
    상기 빔스플리터의 광입사면에 형성된 것으로, 상기 제 1 파장 대역의 광을 투과시키고 제 2 파장 대역의 광을 반사하며, 반사되는 광의 반사각이 광축에 대해 45도가 되도록 형성된 반사형 제 1 회절 패턴; 및
    상기 빔스플리터의 광출사면에 형성된 것으로, 상기 반사형 제 1 회절 패턴에 대해 상보적인 형태로 형성된 제 2 회절 패턴;을 포함하는 결상 광학계.
  12. 제 8 항에 있어서,
    상기 빔스플리터와 상기 제 2 이미지 센서 사이에 배치되어 상기 제 2 이미지 센서에 입사하는 영상을 축소하는 적어도 하나의 광학소자;를 더 포함하며,
    상기 적어도 하나의 광학소자는 프레넬 렌즈 및 회절광학소자 중에서 적어도 하나를 포함하는 결상 광학계.
  13. 하나의 공통 대물렌즈;
    크기가 서로 다른 제 1 및 제 2 이미지 센서;
    상기 대물렌즈에 의해 포커싱되는 광 중에서 제 1 파장 대역의 광과 제 2 파장 대역의 광을 분리하여 제 1 파장 대역의 광을 상기 제 1 이미지 센서에 제공하고 제 2 파장 대역의 광을 상기 제 2 이미지 센서에 제공하는 것으로, 상기 제 1 파장 대역의 광을 투과시키고 제 2 파장 대역의 광을 반사하는 파장분할 필터가 코팅되어 있는 오목한 광입사면을 포함하는 빔스플리터;
    상기 빔스플리터에 의해 반사된 제 2 파장 대역의 광을 반사하는 볼록 미러; 및
    상기 볼록 미러에 의해 반사된 제 2 파장 대역의 광을 상기 제 2 이미지 센서를 향해 반사하는 평면 미러;를 포함하는 결상 광학계.
  14. 삭제
  15. 하나의 공통 대물렌즈;
    크기가 서로 다른 제 1 및 제 2 이미지 센서;
    상기 대물렌즈에 의해 포커싱되는 광 중에서 제 1 파장 대역의 광과 제 2 파장 대역의 광을 분리하여 제 1 파장 대역의 광을 상기 제 1 이미지 센서에 제공하고 제 2 파장 대역의 광을 상기 제 2 이미지 센서에 제공하는 것으로, 상기 제 1 파장 대역의 광을 투과시키고 제 2 파장 대역의 광을 반사하는 파장분할 필터가 코팅되어 있는 오목한 광입사면을 포함하는 빔스플리터;
    상기 빔스플리터에 의해 반사된 제 2 파장 대역의 광을 반사하는 평면 미러; 및
    상기 평면 미러에 의해 반사된 제 2 파장 대역의 광을 상기 제 2 이미지 센서를 향해 반사하는 볼록 미러;를 포함하는 결상 광학계.
  16. 제 13 항에 있어서,
    상기 빔스플리터와 상기 제 2 이미지 센서 사이에 배치되어 상기 제 2 이미지 센서에 입사하는 영상을 축소하는 적어도 하나의 광학소자;를 더 포함하며,
    상기 적어도 하나의 광학소자는 프레넬 렌즈 및 회절광학소자 중에서 적어도 하나를 포함하는 결상 광학계.
  17. 하나의 공통 대물렌즈;
    크기가 서로 다른 제 1 및 제 2 이미지 센서; 및
    상기 대물렌즈에 의해 포커싱되는 광 중에서 제 1 파장 대역의 광과 제 2 파장 대역의 광을 분리하여, 제 1 파장 대역의 광을 상기 제 1 이미지 센서에 제공하고 제 2 파장 대역의 광을 상기 제 2 이미지 센서에 제공하는 빔스플리터;를 포함하며,
    상기 빔스플리터는 상기 대물렌즈의 광축을 중심으로 위쪽과 아래쪽에 각각 배치된 제 1 다이크로익 미러와 제 2 다이크로익 미러를 포함하고,
    상기 제 1 다이크로익 미러와 제 2 다이크로익 미러는 광축 상에서 일단이 서로 접하고 있으며 서로에 대해 소정의 각도로 절곡되어 있으며,
    상기 제 1 다이크로익 미러는 상기 제 1 파장 대역의 광을 투과시키고 제 2 파장 대역의 광을 광축의 위쪽으로 반사하며, 상기 제 2 다이크로익 미러는 상기 제 1 파장 대역의 광을 투과시키고 제 2 파장 대역의 광을 광축의 아래쪽으로 반사하도록 구성되는 결상 광학계.
  18. 제 17 항에 있어서,
    상기 제 1 다이크로익 미러와 대향하도록 배치되며, 상기 제 1 다이크로익 미러로부터 반사된 제 1 파장 대역의 광을 제 2 이미지 센서를 향해 반사하는 제 1 미러; 및
    상기 제 2 다이크로익 미러와 대향하도록 배치되며, 상기 제 2 다이크로익 미러로부터 반사된 제 1 파장 대역의 광을 제 2 이미지 센서를 향해 반사하는 제 2 미러;를 더 포함하는 결상 광학계.
  19. 제 18 항에 있어서,
    상기 제 1 미러와 제 2 미러의 반사면에는 영상 축소 기능을 갖는 반사형 회절 패턴이 형성되어 있는 결상 광학계.
  20. 제 17 항에 있어서,
    상기 빔스플리터와 상기 제 2 이미지 센서 사이에 배치되어 상기 제 2 이미지 센서에 입사하는 영상을 축소하는 적어도 하나의 광학소자;를 더 포함하며,
    상기 적어도 하나의 광학소자는 프레넬 렌즈 및 회절광학소자 중에서 적어도 하나를 포함하는 결상 광학계.
  21. 하나의 공통 대물렌즈;
    크기가 서로 다른 제 1 및 제 2 이미지 센서;
    상기 대물렌즈에 의해 포커싱되는 광 중에서 제 1 파장 대역의 광과 제 2 파장 대역의 광을 분리하여, 제 1 파장 대역의 광을 상기 제 1 이미지 센서에 제공하고 제 2 파장 대역의 광을 상기 제 2 이미지 센서에 제공하는 빔스플리터;
    상기 빔스플리터와 상기 제 2 이미지 센서 사이에 배치되는 것으로, 광출사면보다 넓은 면적의 광입사면을 갖는 광섬유 테이퍼; 및
    상기 빔스플리터와 상기 광섬유 테이퍼 사이에 배치되어 상기 제 2 이미지 센서에 입사하는 영상을 축소하는 적어도 하나의 광학소자;를 포함하며,
    상기 적어도 하나의 광학소자는 상기 빔스플리터로부터 오는 광을 평행광으로 바꾸는 프레넬 렌즈를 포함하며, 상기 광섬유 테이퍼는 상기 평행광을 상기 제 2 이미지 센서 상에 수렴시켜 영상을 축소하도록 구성된 결상 광학계.
  22. 삭제
  23. 삭제
  24. 하나의 공통 대물렌즈;
    크기가 서로 다른 제 1 및 제 2 이미지 센서;
    상기 대물렌즈에 의해 포커싱되는 광 중에서 제 1 파장 대역의 광과 제 2 파장 대역의 광을 분리하여, 제 1 파장 대역의 광을 상기 제 1 이미지 센서에 제공하고 제 2 파장 대역의 광을 상기 제 2 이미지 센서에 제공하는 빔스플리터;
    상기 빔스플리터와 상기 제 2 이미지 센서 사이에 배치되는 것으로, 광출사면보다 넓은 면적의 광입사면을 갖는 광섬유 테이퍼; 및
    상기 빔스플리터와 상기 광섬유 테이퍼 사이에 배치되어 상기 제 2 이미지 센서에 입사하는 영상을 축소하는 적어도 하나의 광학소자;를 포함하며,
    상기 적어도 하나의 광학소자는 상기 빔스플리터로부터 오는 광을 평행광으로 바꾸는 프레넬 렌즈, 및 상기 평행광을 수렴시켜 영상을 축소시키는 회절광학소자를 포함하며, 상기 광섬유 테이퍼는 상기 회절광학소자에 의해 축소되는 영상을 추가적으로 축소하도록 구성된 결상 광학계.
  25. 제 1 항 내지 제 3 항, 제 5 항, 제 7 항, 제 8 항, 제 10 항 내지 제 13 항, 제 15 항 내지 제 21 항, 제 24 항 중 어느 한 항에 따른 결상 광학계;
    제 2 파장 대역의 광을 발생시켜 피사체에 조사하는 광원;
    상기 제 1 이미지 센서의 출력 영상과 제 2 이미지 센서의 출력 영상을 이용하여 3D 영상을 생성하는 영상 신호 처리부; 및
    상기 광원과 영상 신호 처리부의 동작을 제어하는 제어부;를 포함하는 3차원 영상 획득 장치.
  26. 제 25 항에 있어서,
    상기 광원은 상기 제어부의 제어에 따라 소정의 주기와 파형을 갖는 제 2 파장 대역의 광을 피사체에 조사하도록 구성된 3차원 영상 획득 장치.
  27. 제 25 항에 있어서,
    상기 제 1 파장 대역의 광은 가시광이고 제 2 파장 대역의 광은 적외선 영역의 광이며, 상기 제 1 이미지 센서는 각 화소별로 적색(R), 녹색(G), 청색(B) 성분을 갖는 컬러 영상을 생성하며, 상기 제 2 이미지 센서는 상기 3차원 영상 획득 장치와 피사체 사이의 거리에 관한 깊이 영상을 생성하는 3차원 영상 획득 장치.
  28. 제 27 항에 있어서,
    상기 영상 신호 처리부는 상기 제 2 이미지 센서로부터의 깊이 영상을 이용하여 상기 3차원 영상 획득 장치와 피사체 사이의 거리를 각각의 화소별로 계산하고, 그 계산 결과를 상기 제 1 이미지 센서로부터의 컬러 영상과 결합하여 최종적인 3D 영상을 생성하는 3차원 영상 획득 장치.
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