KR101976463B1 - 3차원 영상 생성 장치 및 방법 - Google Patents

Abstract

물체의 깊이 정보를 측정하여 3차원 영상을 생성하는 장치 및 방법이 개시된다. 3차원 영상 생성 장치는 송광부와 수광부를 포함하며, 상기 송광부는 광원, 상기 광원을 평행하게 만드는 콜리메이터 렌즈, 물체의 거리나 화각 변화에 따라 상기 평행광을 온/오프하여 액티브하게 패턴을 생성하는 액티브 패턴 소자, 및 상기 패턴을 상기 물체에 조사하는 투사 렌즈를 포함하고, 상기 수광부는 상기 물체로부터 반사되는 광을 수광하는 초점 렌즈, 상기 수광된 광의 특정 파장을 투과시키는 필터, 상기 투과된 광을 전기적인 신호로 변환하는 이미지 센서, 및 상기 전기적인 신호를 기반으로 상기 반사광의 이동량을 계산하여 상기 물체의 깊이 정보를 측정하고, 측정된 물체의 깊이 정보를 기반으로 3차원 영상을 생성하는 이미지 프로세서를 포함한다.

Description

3차원 영상 생성 장치 및 방법{Apparatus and method of generating 3-dimensional image}

본 발명은 3차원 영상 생성 장치 및 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 물체의 깊이 정보(depth information)를 측정하고, 측정된 물체의 깊이 정보를 기반으로 3차원 영상을 생성하는 장치 및 방법에 관한 것이다.

3차원 입체 영상은 입체감과 몰입감을 줄 수 있도록 색상 영상과 함께 물체(object)의 깊이 영상을 기반으로

생성된다. 이때 물체의 깊이 영상을 생성하기 위해서는 물체의 깊이를 측정해야 한다.

물체의 깊이를 측정하는 종래의 방법은 크게 2가지로 나눌 수 있다.

첫째는 특정 패턴이 코딩된 레이저 광을 물체에 조사하고, 되돌아오는 반사광을 카메라로 기록하고 이 반사광의 패턴 이동(shift) 량을 계산함으로써 물체의 깊이를 측정하는 방식이다. 이 방식은 레이저 광원을 사용하고 코딩된 반사광을 받아들이는 송광부와 수광부의 물리적인 크기로 인하여 소형화에 제약이 따르고, 이로 인하여 모바일 제품에의 응용이 어려운 단점이 있다. 또한, 이 방식은 고정 초점 렌즈와 패시브(passive) 패턴 소자를 사용함으로써, 물체의 깊이 해상도를 높이기 위한 가변적인 방안이 결여된 단점이 있다.

둘째는 TOF (Time of flight) 방식으로 물체에 직접적으로 빛을 조사하고 되돌아오는 반사광의 시간을 계산함으로써 그 물체의 깊이를 측정하는 방식이다. 이 방식은 왕복광의 거리에 비례하는 시간을 계산하는 TOF 전용 센서가 비싸고, 발광 LED (Light Emitting Diode)의 파워 소비가 높은 단점이 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적은 TOF 전용 센서를 이용하지 않으면서 장치의 소형화를 구현하도록 하는 3차원 영상 생성 장치 및 방법을 제공함에 있다.

본 발명의 다른 목적은 액티브 패턴 소자를 이용함으로써, 물체 거리나 화각 변화에 따라 물체에 조사되는 패턴 수의 변화에 가변적으로 대응함으로써, 물체의 깊이 해상도롤 높이도록 하는 3차원 영상 생성 장치 및 방법을 제공함에 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 영상 생성 장치는 광원, 상기 광원을 평행하게 만드는 콜리메이터 렌즈, 물체의 거리나 화각 변화에 따라 상기 평행광을 온/오프하여 액티브하게 패턴을 생성하는 액티브 패턴 소자, 및 상기 패턴을 상기 물체에 조사하는 투사 렌즈를 포함하는 송광부, 및 상기 물체로부터 반사되는 광을 수광하는 초점 렌즈, 상기 수광된 광의 특정 파장을 투과시키는 필터, 상기 투과된 광을 전기적인 신호로 변환하는 이미지 센서, 및 상기 전기적인 신호를 기반으로 상기 반사광의 이동량을 계산하여 상기 물체의 깊이 정보를 측정하고, 측정된 물체의 깊이 정보를 기반으로 3차원 영상을 생성하는 이미지 프로세서를 포함하는 수광부를 포함한다.

상기 초점 렌즈는 자동 초점 줌 렌즈인 것을 일 실시예로 한다. 여기서 상기 자동 초점 줌 렌즈는 초점 거리를 변화시켜 물체의 크기를 변경하고, 상기 액티브 패턴 소자는 상기 물체의 크기 변화에 따른 패턴 수의 변화를 보상하는 것을 일 실시예로 한다.

상기 초점 렌즈는 고정 초점 렌즈인 것을 일 실시예로 한다.

본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 영상 생성 방법은 물체의 거리나 화각 변화에 따라 입사광을 온/오프하여 액티브하게 패턴을 생성하여 상기 물체에 조사하는 단계, 상기 물체로부터 반사되는 광의 이동량을 계산하여 상기 물체의 깊이 정보를 측정하는 단계, 및 상기 측정된 물체의 깊이 정보를 기반으로 3차원 영상을 생성하는 단계를 포함한다.

본 발명의 다른 목적, 특징 및 잇점들은 첨부한 도면을 참조한 실시예들의 상세한 설명을 통해 명백해질 것이다.

본 발명은 액티브 방식의 패턴 소자를 이용하여 물체 거리, 화각 변화에 따라 물체에 조사되는 패턴의 밀도를 액티브하게 조절함으로써, 깊이 해상도를 원하는 만큼 향상시킬 수 있고, 또한 물체 인식률을 높이는 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 3차원 영상 생성 장치의 구성 블록도
도 2는 본 발명에 따른 수광부 렌즈의 틸트 각도의 일 예를 보인 도면
도 3은 본 발명의 제2 실시예에 따른 3차원 영상 생성 장치의 구성 블록도
도 4는 본 발명의 제3 실시예에 따른 3차원 영상 생성 장치의 구성 블록도
도 5의 (a)는 종래의 패시브 패턴 소자를 사용함으로써, 주변부에 왜곡이 나타난 예를 보인 도면
도 5의 (b)는 본 발명의 액티브 패턴 소자를 사용함으로써, 주변부에 왜곡이 나타나지 않는 예를 보인 도면
도 6의 (a)는 종래의 패시브 패턴 소자를 사용함으로써, 밝기 언밸런스가 발생하여 블록별로 패턴 밝기에 차이가 발생하는 예를 보인 도면
도 6의 (b)는 본 발명의 액티브 패턴 소자를 사용함으로써, 블록 전체적으로 패턴 밝기가 균일해진 예를 보인 도면
도 7은 송광부에 종래의 패시브 패턴 소자를 사용하고, 수광부에 줌 렌즈를 사용할 때, 각 줌 영역에 있어서 물체에 입사하는 패턴 수의 변화에 대한 일 예를 보인 도면
도 8은 송광부에 본 발명에 따른 액티브 패턴 소자를 사용하고, 수광부에 줌 렌즈를 사용할 때, 각 줌 영역에 있어서 물체에 입사하는 패턴 수의 변화에 대한 일 예를 보인 도면
도 9는 본 발명에 따른 3차원 영상 생성 장치의 수광부의 또 다른 실시예를 보인 구성 블록도
도 10은 본 발명에 따른 3차원 영상 생성 장치의 수광부의 또 다른 실시예를 보인 구성 블록도

이하 상기의 목적을 구체적으로 실현할 수 있는 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 이때 도면에 도시되고 또 이것에 의해서 설명되는 본 발명의 구성과 작용은 적어도 하나의 실시예로서 설명되는 것이며, 이것에 의해서 본 발명의 기술적 사상과 그 핵심 구성 및 작용이 제한되지는 않는다.

본 발명에서 사용되는 용어는 본 발명에서의 기능을 고려하면서 가능한 현재 널리 사용되는 일반적인 용어를 선택하였으나, 이는 당분야에 종사하는 기술자의 의도 또는 관례 또는 새로운 기술의 출현 등에 따라 달라질 수 있다. 또한 특정한 경우는 출원인이 임의로 선정한 용어도 있으며, 이 경우 해당되는 발명의 설명 부분에서 상세히 그 의미를 기재할 것이다. 따라서 본 발명에서 사용되는 용어는 단순한 용어의 명칭이 아닌 그 용어가 가지는 의미와 본 발명의 전반에 걸친 내용을 토대로 정의되어야 함을 밝혀두고자 한다.

또한 본 명세서에 개시되어 있는 본 발명의 개념에 따른 실시 예들에 대해서 특정한 구조적 내지 기능적 설명들은 단지 본 발명의 개념에 따른 실시 예를 설명하기 위한 목적으로 예시된 것으로, 본 발명의 개념에 따른 실시 예들은 다양한 형태로 실시될 수 있으며 본 명세서에 설명된 실시 예들에 한정되는 것으로 해석되어서는 아니된다.

본 발명의 개념에 따른 실시 예는 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있으므로 특정 실시예들을 도면에 예시하고 본 명세서에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명의 개념에 따른 실시 예를 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

그리고 본 발명에서 제1 및/또는 제2 등의 용어는 다양한 구성 요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성 요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안된다. 상기 용어들은 하나의 구성 요소를 다른 구성 요소로부터 구별하는 목적으로만, 예컨대 본 발명의 개념에 따른 권리 범위로부터 이탈되지 않은 채, 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소는 제1 구성요소로도 명명될 수 있다.

또한 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 도면 부호에 관계없이 동일한 구성 요소는 동일한 참조 부호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.

본 발명은 특정 패턴이 코딩된 레이저 광을 물체에 조사하고, 되돌아오는 반사광의 패턴 이동량을 계산하여 물체의 깊이를 측정하는 방식에서 패시브 방식의 패턴 소자 대신에 액티브한 방식의 패턴 소자를 사용함으로써, 물체 거리나 화각 변화에 따라 물체에 조사되는 패턴수의 변화에 가변적으로 대응할 수 있도록 하는데 있다. 이렇게 함으로써, TOF 센서를 이용하지 않으면서도 물체의 깊이 해상도를 원하는 만큼 향상시킬 수 있고 물체 인식도를 높일 수 있다.

도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 3차원 영상 생성 장치의 구성 블록도로서, 크게 물체에 광을 조사하는 송광부(110)와 물체로부터 반사되는 광을 수광하여 물체의 깊이 정보를 측정하는 수광부(210)로 구분된다. 이때 상기 송광부(110)는 소형 프로젝터로 구성하고, 수광부(210)는 적외선(IR) 카메라로 구성하는 것을 일 실시예로 한다.

상기 송광부(110)를 프로젝터로 구성할 경우, 상기 송광부(110)는 광원 모듈(111), 콜리메이터 렌즈(112), 액티브 패턴 소자(113), 및 투사 렌즈(114)를 포함하는 것을 일 실시예로 한다. 상기 수광부(210)를 IR 카메라로 구성할 경우, 상기 수광부(210)는 렌즈(211), 필터(212), 이미지 센서(213) 및 이미지 프로세서(214)를 포함하는 것을 일 실시예로 한다.

상기 광원 모듈(111)은 IR 광원 또는 RGB 광원 중 어느 한 종류만 사용함으로써 광원 모듈(111)의 크기를 줄일 수 있다. 다른 실시예로, 상기 광원 모듈(111)은 RGB 광원 중 하나 이상을 조합하여 사용할 수도 있다. 이때 각각의 광원에 최적화된 투과 코팅을 광학 부품에 적용함으로써, 투과율을 향상시킬 수 있다.

상기 콜리메이터 렌즈(112)는 광원 모듈(111)에서 출사되는 광원을 평행광으로 만들어 액티브 패턴 소자(113)로 입사한다.

상기 액티브 패턴 소자(113)는 입사되는 광원을 액티브하게 온/오프함에 의해 패턴을 생성하며, 이때 패턴 크기나 패턴 간격을 가변시킬 수 있다. 일 예로 상기 액티브 패턴 소자(113)는 패턴 크기 자체를 가변시킬 수도 있고, 줌 영역별(예, wide, middle, tele)로 패턴의 크기를 가변시킬 수도 있고, 패턴 1개의 크기를 가변시킬 수도 있다. 예를 들면, 상기 액티브 패턴 소자(113)는 마이크로디스플레이(microdisplay), LCD(Liquid Crystal Display), LCOS(Liquid Crystal on Silicon), LCS(Liquid Crystal Shutter), OLED(Organic Light Emitting Diode), DMD(Digital Micro-mirror Display) 등의 패턴을 생성할 수 있다. 상기 액티브 패턴 소자(113)는 기존 패시브 패턴 소자에 비해 발산광에 대한 왜곡이 없다. 따라서 주변부 왜곡이 없다. 또한 상기 액티브 패턴 소자(113)를 이용함으로써, 패턴 소자의 회절 특성으로 인한 패턴 간의 밝기 불일치, 블록별 밝기 불일치 및 개별 패턴간의 균일도가 획기적으로 개선되어 패턴 인식이 향상된다.

이때 상기 액티브 패턴 소자(113)는 자체 또는 상기 투사 렌즈(114)와 결합하여 패턴을 일정한 화각을 가지고 물체로 발산시키는 것을 일 실시예로 한다.

상기 투사 렌즈(114)는 상기 액티브 패턴 소자(113)에서 출력되는 패턴을 물체에 투사한다. 이때 상기 액티브 패턴 소자(113)의 온/오프 동작 및 패턴 간격이나 패턴 크기의 조절에 따라 물체에 투사되는 패턴은 달라지게 된다.

본 발명의 송광부(110)는 콜리메이터 렌즈(112)와 액티브 패턴 소자(113) 사이에 빔 정형 소자(115)를 더 포함할 수 있다. 상기 빔 정형 소자(115)로는 빔 정형 프리즘, 빔 정형 렌즈 등이 이용될 수 있으며, 또는 플라이 아이(fly eye) 렌즈와 구면 렌즈를 결합시켜 구현할 수도 있다. 상기 빔 정형 소자(115)는 상기 액티브 패턴 소자(113)에 입사되는 빔의 균일도(uniformity)를 개선하기 위하여 사용하는 것을 일 실시예로 한다. 하지만 상기 빔 정형 소자(115)를 사용하게 되면 송광부(110)의 크기가 커지는 단점이 있으므로, 상기 빔 정형 소자(115)는 생략 가능하다. 만일 빔 정형 소자(115)를 생략하는 경우, 광량 언밸런스(unbalance)는 액티브 패턴 소자(113) 또는 수광부(210)의 이미지 프로세서(214)에서 보상하는 것을 일 실시예로 한다.

만일 상기 액티브 패턴 소자(113)에서 액티브 DOE(Diffraction Optical Element) 패턴을 출력하는 경우, 물체의 거리에 따라 자동 초점(Auto Focus, AF)이 필요하다. 이 경우 송광부(110) 또는 수광부(210)에 자동 초점 액츄에이터를 장착하여 자동 포커싱을 수행할 수 있다. 일 실시예로, 송광부(110)에서 액티브 DOE 패턴을 사용함으로서 발생할 수 있는 물체 거리에 따른 자동 초점을 위해 송광부(110)에 AF 액츄에이터를 설치하는 것을 일 실시예로 한다. 그리고 수광부(210)에 AF 액츄에이터를 설치하지 않는 경우에는, 신호를 피드백받아 최적 초점을 잡는 방법을 사용할 수 있다. 이 방법의 다른 실시예로 송광부(110) 옆에 가시광선(visible) 카메라를 설치하고, 가시광선 카메라의 초점 위치와 액티브 패턴 초점 위치를 동일하게 가져가는 방법을 사용할 수 있다. 또 다른 실시예로, AF 액츄에이터가 없어도 피사체 심도 내에서는 DOE 패턴의 블러(blur)가 생기지 않으므로 정해진 물체 범위 내에서는 송광부(110)에 AF 액츄에이터가 없는 구성도 가능하다.

또한 송광부(110)에서 패턴의 가로/세로 비율을 가변적으로 사용함으로써 수광부(210)의 이미지 센서(213)의 화면비(aspect ratio)에 대응할 수 있다. 일 예로, 이미지 센서(213)의 4:3, 16:9 등의 임의의 화면비에 대응할 수 있을 뿐 아니라 이미지 센서(213)의 리사이징(resizing), 스케일링(scaling)에 대응하여 전체 크기를 가변할 수 있다.

한편, 상기 수광부(210)는 가변 초점 렌즈(211)를 이용하여 물체로부터 반사되는 빛을 수광하여 필터(212)로 전달한다.

이때 상기 가변 초점 렌즈(211)는 자동 초점(AF) 줌 렌즈를 사용함으로써, 깊이에 따른 물체의 크기를 가변적으로 바꿀 수 있다. 즉, 줌 렌즈는 초점 거리를 다양하게 변화시켜 물체의 크기를 원하는 만큼 변경할 수 있다. 그리고 물체 크기 변화에 따른 패턴수의 변화는 송광부(110)의 액티브 패턴 소자(113)를 이용하여 보상하는 것을 일 실시예로 한다.

상기 필터(212)는 물체로부터 반사되어 가변 초점 렌즈(211)에서 수광된 광의 특정 파장만을 투과시켜 이미지 센서(213)로 출력한다. 이때 상기 필터(212)는 송광부(110)의 광원의 파장 부근만 투과시키는 것을 일 실시예로 한다. 이렇게 함으로써 패턴 인식률을 높일 수 있게 된다.

상기 이미지 센서(213)는 필터(212)에서 투과되는 광을 전기적인 신호로 변환한다. 즉, 상기 이미지 센서(213)는 필터(212)를 통해 입사되는 광학적 피사체(즉, 물체)의 신호를 전기적인 신호로 변환하여 이미지 프로세서(214)로 출력한다. 상기 이미지 센서(213)로는 CCD(Charged Coupled Device)와 CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor) 등이 사용될 수 있다.

상기 이미지 프로세서(214)는 상기 이미지 센서(213)로부터 출력되는 전기적 신호를 기반으로 물체의 깊이 정보를 계산하여 깊이 이미지를 생성한다. 상기 이미지 프로세서(214)는 상기 전기적 신호를 기반으로 물체로부터 반사되는 반사광의 패턴 이동량을 계산함으로서 물체의 깊이를 측정하는 것을 일 실시예로 한다. 즉, 송광부(110)의 액티브 패턴 소자(113)에서 생성된 패턴을 갖는 광이 물체에 투사된 후 반사되어 수광부(210)의 가변 초점 렌즈(211)에 수광될 때, 물체의 거리에 비례하여 상기 가변 초점 렌즈(211)의 화면에 수광되는 패턴의 수평 이동량이 달라진다. 일 예로, 물체가 가까이 있으면 패턴은 화면의 에지 쪽으로 이동하고 물체가 멀수록 패턴은 화면의 중심 부분으로 이동한다. 이때 패턴 및 패턴의 절대 위치 정보는 이미 알고 있으므로, 패턴의 수평 이동량을 계산하면 물체의 깊이를 알 수 있게 된다.

또한 상기 이미지 프로세서(214)는 상기 물체의 깊이 이미지와 컬러 이미지를 이용하여 3D 영상을 생성한다. 이때 컬러 이미지의 생성 방법은 본 발명의 특징이 아니므로 상세 설명은 생략하기로 한다.

한편 본 발명은 일 실시예로, 상기 수광부(210) 앞에 후드(hood)를 설치함으로써, 송광부(110)의 광원 이외의 외광이 강할때에도 물체의 인식율을 향상시킬 수 있다.

또한 본 발명에서 송광부(110)와 수광부(210)의 각도는 물체 인식 거리(즉, 깊이를 측정할 수 있는 거리)를 짧게 하기 위하여 둘 중 하나가 틸트(tilt)될 수 있도록 하는 것을 일 실시예에로 한다.

예를 들어, 도 2에서와 같이 송광부(110)의 발산각을 Θ2라 하고, 수광부(210)의 가변 초점 렌즈(211)의 발산각을 Θ1라 하고, 둘 간의 간격을 d, 렌즈의 틸트 각도를 α라고 하자.

이때 틸트 각도 α는 최지원 거리를 만족하는

로 나타난다. 여기서 최지원 거리는 깊이를 측정할 수 있는 가장 먼거리를 의미하고, 최지근 거리는 깊이를 측정할 수 있는 가장 가까운 거리를 의미한다.

그리고 틸트 각도 α는 기구 조립 오차를 고려하여 다음과 같은 범위로 설정하는 것을 일 실시예로 한다.

도 3은 본 발명의 제2 실시예에 따른 3차원 영상 생성 장치의 구성 블록도로서, 송광부(110)의 구성은 도 1의 송광부(110)와 동일하다. 다만 수광부(310)는 도 1의 가변 초점 렌즈(211) 대신 도 3에서는 고정 초점 렌즈(311)를 사용하여 장치의 크기를 줄일 수 있다. 도 3의 송광부(110)의 상세한 설명은 도 1의 상세한 설명을 참조하기로 하고, 수광부(310)에서 설명되지 않는 부분은 도 1의 설명이 적용되는 것을 일 실시예로 한다.

그리고 도 3에서와 같이 고정 초점 렌즈(311)를 사용하는 경우, 이미지 센서(313)는 고해상도 이미지 센서를 사용하는 것을 일 실시예로 한다.

즉, 고해상도 이미지 센서의 풀 해상도(full resolution)을 사용하면 센서의 사용 영역이 가장 크고 이는 줌 렌즈의 광각 모드(wide)에 해당한다. 이 경우 카메라로 촬영시에 물체가 작아지고 많은 정보가 들어오게 된다. 따라서 송광부(110)의 액티브 패턴 소자(113)의 패턴 간격을 조밀하게 하는 리사이징(resizing)이 필요하다. 그리고 이미지 센서(313)의 픽셀수도 전체 영역을 사용함으로 가장 많다.

반대로 고해상도 이미지 센서를 크롭(crop)하여 작은 영역을 사용하면 그만큼 화각이 줄어들고 이는 줌렌즈의 협각 모드(tele)에 해당한다. 이 경우 카메라로 촬영시에 물체는 커지고, 픽셀수는 줄어든다. 따라서 송광부(110)의 액티브 패턴 소자(113)의 패턴 밀도를 줄임으로써, 깊이 인식률을 향상시킬 수 있다.

도 4는 본 발명의 제3 실시예에 따른 3차원 영상 생성 장치의 구성 블록도로서, 송광부(410)는 광원 모듈(411), 콜리메이터 렌즈(412), 반사 소자(413), 액티브 패턴 소자(414), 및 투사 렌즈(415)를 포함한다. 그리고 수광부(510)는 고정 초점 렌즈(511), 필터(512), 이미지 센서(513) 및 이미지 프로세서(514)를 포함한다.

상기 광원 모듈(411) 및 콜리메이터 렌즈(412)는 도 1의 설명을 참조하기로 하고 여기서는 생략한다. 상기 반사 소자(413)는 콜리메이터(412)에서 평행광으로 만들어져 출사되는 광의 경로를 변경시켜 액티브 패턴 소자(414)로 입사시킨다. 예를 들어, 상기 반사 소자(413)를 콜리메이터(412)에서 출사되는 광축에 대해 45도로 설치하면, 입사되는 광은 90도 반사되어 액티브 패턴 소자(414)로 입사된다. 상기 반사 소자(413)를 사용함으로써 송광부(410)의 크기를 더욱 줄일 수 있다. 상기 반사 소자(413)는 미러 또는 프리즘을 사용하는 것을 일 실시예로 한다.

도 4에서 수광부(310)의 구성은 도 3의 수광부(310)와 동일하므로 상세 설명은 도 1 및 도 3을 참조하기로 하고, 여기서는 생략하기로 한다.

도 4에서도 송광부(410)는 콜리메이터 렌즈(412)와 액티브 패턴 소자(414) 사이에 빔 정형 소자를 더 포함할 수 있다.

도 5의 (a)는 종래의 패시브 패턴 소자를 사용함으로써, 패턴 왜곡이 발생하여 주변부에 왜곡이 심하게 나타난 예를 보이고 있다. 도 5의 (b)는 본 발명의 액티브 패턴 소자를 사용함으로써, 패시브 패턴 소자에 비해 발산광에 대한 왜곡이 없어 주변부에 왜곡이 나타나지 않고 있음을 알 수 있다.

도 6의 (a)는 종래의 패시브 패턴 소자를 사용함으로써, 밝기 언밸런스가 발생하여 블록별로 패턴 밝기에 차이가 발생하는 예를 보이고 있다. 도 6의 (b)는 본 발명의 액티브 패턴 소자를 사용함으로써, 블록 전체적으로 패턴 밝기 균일도가 일정함을 알 수 있다.

도 7은 송광부에 종래의 패시브 패턴 소자를 사용하고, 수광부에 줌 렌즈를 사용할 때, 각 줌 영역에 있어서 물체에 입사하는 패턴 수의 변화에 대한 일 예를 보이고 있다. 도 7을 보면 송광부에서 물체로 조사되는 패턴은 고정된 패턴이므로, 고정 패턴의 전체 영역은 줌 영역에 따라 달라진다. 즉, 광각 모드에서 사용하는 영역이 제일 크고, 협각 모드(tele)에서 사용하는 영역이 제일 작다. 이는 줌 영역에 따라 패턴의 개수가 달라짐을 의미한다. 따라서 협각 모드에서는 물체에 들어오는 패턴 수가 작아져 깊이 인식이 어려워지는 문제가 있다.

도 8은 송광부에 본 발명에 따른 액티브 패턴 소자를 사용하고, 수광부에 줌 렌즈를 사용할 때, 각 줌 영역에 있어서 물체에 입사하는 패턴 수의 변화에 대한 일 예를 보이고 있다. 도 8을 보면 송광부에서 물체로 조사되는 패턴의 밀도를 줌 영역별로 액티브하게 변화시킴으로써, 협각 모드에서의 패턴 수가 광각 모드에서의 패턴 수와 동일 또는 유사하게 조절되므로 줌 영역에 상관없이 물체의 깊이 인식이 향상되게 된다.

한편 본 발명은 또 다른 실시예로, 종래 기술에서와 같이 송광부의 패턴 소자를 패시브한 방식으로 구성할 수도 있다. 이때는 밀도가 서로 다른 2가지의 패턴 소자를 사용하고, 온/오프 모터를 사용하여 사용 환경에 맞게 2단계로 패턴을 바꾸도록 함으로써 가변적인 패턴을 생성할 수 있다. 예를 들어, 패시브 패턴 소자에 온/오프 체인저블(changeable) 모터를 사용함으로써 가변 패턴 재현이 가능하다.

또한 본 발명은 송광부만을 차량에 단독 사용할 수 있다. 예를 들어, 도 1의 송광부(110)를 차량에 장착하고, 송광부(110)에서 출사되는 광을 차량의 전면 앞유리(windshied)에 조사하여 엔터테인먼트(entertainment), 운전자 졸음방지 및 HUD(Head-Up Display) 용도 등으로 사용할 수 있다. 또한 본 발명의 수광부만을 차량에 단독 사용할 수도 있다. 예를 들어, 수광부를 차량에 장착하고 야간에 단독 사용시 나이트 비전용으로의 응용이 가능하다. 또한 수광부의 필터의 적외선 컷(IR cut)과 적외선 패스(IR pass)를 가변함으로써 낮에는 블랙 박스(Black box)용 카메라로 사용하고 저녁에는 나이트 비전용 거리 측정을 위해 사용할 수 있다.

한편 본 발명은 또 다른 실시예로, 수광부 즉, 카메라에 편광소자를 사용함으로써 광원에서 나온 신호광으로부터 주변 노이즈광을 제거하여 SNR을 향상시키는 것을 일 실시예로 한다. 즉, 송광부의 광원 모듈에서 출사된 광은 선편광을 가지고 물체에서 반사되면서 편광의 일부가 선편광에서 타원편광으로 변한다. 이에 반하여 주변의 노이즈 광은 임의의 랜덤한 편광을 가져 구별된다. 따라서 수광부에 선편광을 중심으로 일정량의 타원편광을 가지는 편광소자를 사용함으로써 주변광의 유입을 막고 SNR(Signal to Noise Ratio)을 향상시킨다. 본 발명에서는 일부 타원편광으로 유입된 노이즈 광은 광원의 온/오프를 통하여 신호를 구분하고 차신호를 이용하여 노이즈 광을 제거하는 것을 일 실시예로 한다.

본 발명의 또 다른 실시예로, 수광부에 가시광(visible) 카메라를 추가로 배치함으로써, 상기 수광부를 물체의 깊이 측정용과 함께 동작 인식용으로 사용할 수도 있다. 이때의 렌즈의 구성은 도 9와 같이 할 수 있다.

즉, 도 9에서와 같이 렌즈와 센서 사이에 빔 스플리터(Beam splitter, BS) 프리즘을 사용하여 렌즈를 공용하고, 가시광 센서와 IR 센서를 분리하여 사용한다. 이때 가시광 센서에 사용하는 IR 컷(cut) 필터와 IR 센서에 사용하는 IR 패스 필터(pass filter)는 별도의 소자를 사용할 수도 있고, 도 9에서와 같이 BS 프리즘의 측면과 아랫면에 코팅을 적용하여 하나의 바디로서 사용할 수도 있다. 그리고 공용 렌즈에는 적외선 또는 가시광선을 투과시키도록 광대역 무반사(Broad Band Anti-reflection, BBAR) 코팅이 적용된 것을 일 실시예로 한다.

즉, 물체로부터 반사되는 적외선 또는 가시광선은 공용 렌즈를 통해 빔 스플리터(BS) 프리즘으로 입사된다. 상기 BS 프리즘은 가시광선에 해당하는 파장 (즉, 350nm~650nm)는 투과시키고 적외선에 해당하는 파장(즉, 650bm~1100nm)은 반사시킨다. 상기 BS 프리즘을 투과하는 가시광선은 IR 컷 필터를 통해 가시광 센서로 입사되고, 상기 BS 프리즘에서 반사되는 적외선은 IR 패스 필터를 통해 IR 센서로 입사된다.

한편 본 발명은 도 9의 BS 프리즘 대신에 도 10의 BS X-프리즘을 사용하여 공용 렌즈로부터 입사되는 빔을 좌우로 분리할 수 있다. 이때 공용 렌즈를 통해 입사되는 가시광선 파장은 BS X-스플리터에서 좌측으로 반사되고, 적외선 파장은 BS X-프리즘에서 우측으로 반사되는 것을 일 실시예로 한다. 이 경우 상기 BS X-프리즘의 좌측면에는 IR 컷 코팅을 적용하고, 우측면에는 IR 패스 코팅을 적용하는 것을 일 실시예로 한다.

지금까지 설명한 본 발명은 텔레비전, 모바일 기기, 자동차, 가전 제품 등에 적용할 수 있음은 당연하다.

이상과 같이 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 그러므로 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니되며, 후술하는 특허청구범위 뿐만 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.

110: 송광부 111: 광원 모듈
112: 콜리메이터 렌즈 113: 액티브 패턴 소자
114: 투사 렌즈 115: 빔 정형 소자
210: 수광부 211: 가변 초점 렌즈
212: 필터 213: 이미지 센서
214: 이미지 프로세서

Claims (6)

1. 광원, 상기 광원을 평행하게 만드는 콜리메이터 렌즈, 물체의 거리나 화각 변화에 따라 상기 평행광을 온/오프하여 액티브하게 패턴을 생성하는 액티브 패턴 소자, 및 상기 패턴을 상기 물체에 조사하는 투사 렌즈를 포함하는 송광부; 및
   상기 물체로부터 반사되는 광을 수광하는 초점 렌즈, 상기 수광된 광의 특정 파장을 투과시키는 필터, 상기 투과된 광을 전기적인 신호로 변환하는 이미지 센서, 및 상기 전기적인 신호를 기반으로 상기 반사광의 이동량을 계산하여 상기 물체의 깊이 정보를 측정하고, 측정된 물체의 깊이 정보를 기반으로 3차원 영상을 생성하는 이미지 프로세서를 포함하는 수광부;를 포함하고,
   상기 필터는 IR 패스 필터와 IR컷 필터를 포함하고,
   상기 이미지 센서는 가시광 센서와 IR 센서를 포함하고,
   상기 수광부는
   상기 초점 렌즈와 상기 이미지 센서 사이에, 가시광과 IR의 경로를 달리하는 프리즘을 더 포함하고,
   상기 프리즘을 통해 구분된 가시광은 상기 IR 컷 필터를 통과하여 상기 가시광 센서로 입사되고,
   상기 프리즘을 통해 구분된 IR은 상기 IR 패스 필터를 통과하여 상기 IR 센서로 입사되며,
   상기 송광부의 광원에서 출사되는 광은 선편광을 가지고,
   상기 수광부는
   상기 선편광을 중심으로 일정량의 타원편광을 통과하는 편광소자를 더 포함하며, 상기 편광소자를 통과하는 외부광 노이즈를 상기 송광부의 광원의 온 및 오프에 각각 대응되는 상기 전기적 신호의 차신호를 이용하여 제거하는 것을 특징으로 하는 3차원 영상 생성 장치.
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 초점 렌즈는 자동 초점 줌 렌즈인 것을 특징으로 하는 3차원 영상 생성 장치.
3. 제 2 항에 있어서,
   상기 자동 초점 줌 렌즈는 초점 거리를 변화시켜 물체의 크기를 변경하고,
   상기 액티브 패턴 소자는 상기 물체의 크기 변화에 따른 패턴 수의 변화를 보상하는 것을 특징으로 하는 3차원 영상 생성 장치.
4. 제 1 항에 있어서,
   상기 초점 렌즈는 고정 초점 렌즈인 것을 특징으로 하는 3차원 영상 생성 장치.
5. 제 4 항에 있어서,
   상기 이미지 센서는 고해상도 이미지 센서인 것을 특징으로 하는 3차원 영상 생성 장치.
6. 삭제

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