KR102330919B1 - 고밀도 빔 방사를 위한 광원 모듈 및 그 제어방법 - Google Patents

Abstract

일 실시예는, 광을 전달하는 광원; 상기 광원에서 나온 광을 통과시키는 복수 개의 영역으로 구분된 콜리메이터 렌즈(Collimator Lens); 및 상기 콜리메이터 렌즈의 움직임을 발생시키는 구동장치를 포함하고, 상기 구동장치는 상기 광원에서 전달되는 광이 상기 콜리메이터 렌즈의 복수 개의 영역을 순차적으로 통과하도록 구동되는, 광원 모듈을 제공할 수 있다.

Description

고밀도 빔 방사를 위한 광원 모듈 및 그 제어방법 {Light Source Module for Hight Density Beam Radiation and its Control Method}

본 실시예는 광원의 출력을 조절하거나 광학장치의 움직임을 발생시켜 거리를 측정하는 광원 모듈에 관한 것이다.

물체의 3차원 거리 또는 깊이 거리 정보를 파악하기 위한 방법으로 스테레오 비전(Stereo Vision) 방식, 구조광(Structured Light) 방식, 비행시간(Time of Flight) 방식이 대표적으로 활용되고 있다.

그 중 비행시간(TOF, Time of Flight) 방식은, 일정한 펄스를 가진 레이저를 반복적으로 발생시키고 물체에 반사되어 되돌아오는 펄스의 도착 시간을 계산하여 거리를 측정하는 방식이다. 구조광 방식과 마찬가지로 물체에 빔을 주사하기 위한 프로젝터가 요구된다. 송신부에서 송출된 펄스가 물체에서 반사되어 수신부까지 돌아오는 시간을 직접 계산하는 직접측정 방식과 수신된 펄스의 위상 차이를 계산하는 간접측정 방식이 있으나, 간접측정 방식이 널리 활용되고 있다.

앞서 언급한 3차원 정보를 파악하기 위한 방법들 중 구조광(Structured Light) 방식과 비행시간(Time of Flight) 방식은 스테레오 비전(Stereo Vision) 방식과 달리 송신부에서 나온 빔을 물체에 주사하는 과정이 추가적으로 수행되므로 광원이 구성에 포함된다. 또한 광원에서 나온 광을 물체에 적절하게 도달시키기 위해서는 일정한 각도로 빔을 방사시켜야 하기 위해 광 다양한 확산장치가 사용되고 있다. 광 확산장치로서 디퓨저(Diffuser), 프리즘(Prism), 빔 스플리터(Splitter) 등이 널리 사용되고 있고, 이를 포함하여 다양한 광 확산장치를 활용하여 빔의 각도를 적절하게 조절할 수 있다.

종래에는 피사체에 균질한 광을 전달하기 위하여 디퓨저(diffuser)로서 마이크로 렌즈 어레이(Micro Lens Array)가 되거나 빔 스플리터(splitter)로서 회절 광학 소자(Diffractive Optical Element)가 광원으로부터 전달되는 광을 분산 또는 균질화하기 위해 필수적으로 요구되었다.

종래의 마이크로 렌즈 어레이 또는 회절 광학 소자를 통한 광 균질화 과정에서 투과하는 광의 효율이 감소하고, 면광원의 형태로 광을 전달하는 과정에서의 광 효율 감소가 거리에 따라 급격하게 증가한다. 종래의 방법에 따른 광학장치를 사용하는 경우 원거리에 존재하는 물체의 깊이 또는 거리를 측정함에 있어 광학적 저항으로 인해 해상도가 감소하게 되며, 광학적 노이즈가 증가하게 된다.

또한, 종래의 마이크로 렌즈 어레이 또는 회절 광학 소자는 단일한 레이저 소자에서 전달되는 광을 단순히 확산시키는 제한된 역할을 가지므로, 서로 다른 위치에 존재하는 레이저 소자 각각에서 전달되는 광의 방향 또는 위치적 특성이 고려되지 않는다.

또한, 종래의 마이크로 렌즈 어레이 또는 회절 광학 소자는 프레임에 고정되어 움직임이 발생하지 않으므로, 레이저 소자와 광학 장치 사이의 물리적 위치 또는 거리에 따른 빔의 입사 위치 또는 각도를 조절할 수 없는 문제점이 존재한다.

이러한 배경에서, 본 실시예의 목적은, 일 측면에서, 콜리메이터 렌즈(Collimator Lens)를 사용하여 광학적 저항을 최소화하는 광원 모듈을 제공하는 것이다. 본 실시예의 목적은, 다른 측면에서, 원거리에 존재하는 피사체 거리 측정에서 고밀도 빔 방사를 위해 빔의 입사 위치 또는 각도를 조절할 수 있는 광원 모듈을 제공하는 것이다.

본 실시예의 목적은, 또 다른 측면에서, 근거리에 존재하는 피사체 거리 측정에서 저밀도의 균질한 빔 방사를 위해 광원과 콜리메이터 렌즈(Collimator Lens) 및 MLA 등의 입사 위치 또는 상대적 거리, 각도를 조절할 수 있는 광원 모듈을 제공하는 것이다.

전술한 목적을 달성하기 위하여, 제1 실시예는, 광을 전달하는 광원; 상기 광원에서 나온 광을 통과시키는 복수 개의 영역으로 구분된 콜리메이터 렌즈(Collimator Lens); 및 상기 콜리메이터 렌즈의 움직임을 발생시키는 구동장치를 포함하고, 상기 구동장치는 상기 광원에서 전달되는 광이 상기 콜리메이터 렌즈의 복수 개의 영역을 순차적으로 통과하도록 구동되는, 광원 모듈을 제공할 수 있다.

광원 모듈에서 상기 구동장치는 상기 광원에서 전달되는 광이 상기 콜리메이터 렌즈의 정중앙 영역 또는 외각 영역을 통과하도록 정렬할 수 있다.

광원 모듈에서 상기 광원에서 전달되는 광은 상기 콜리메이터 렌즈 이외에 빔의 형태를 가공하는 별개의 광학장치를 통과하지 않을 수 있다.

광원 모듈에서 상기 구동장치는 광경로와 수직한 방향의 움직임을 발생시키는 제1 모드 및 광경로와 수평한 방향의 움직임을 발생시키는 제2 모드로 구동될 수 있다.

광원 모듈에서 상기 구동장치는 피사체에 스팟(Spot) 형태의 빔을 전달하는 제1 모드 및 피사체에 플로드(Flood) 형태의 빔을 전달하는 제2 모드로 구동될 수 있다.

광원 모듈에서 상기 구동장치는 상기 콜리메이터렌즈의 정렬 위치를 조정하여 상기 콜리메이터 렌즈로 입사되는 빔의 방향을 조정할 수 있다.

광원 모듈에서 상기 구동장치는 전자석 코일, 또는 압전소자를 통해 전류를 제어하고, 상기 구동장치로 전달되는 전류의 세기 또는 방향에 따라 상기 콜리메이터 렌즈의 움직임을 발생시킬 수 있다.

광원 모듈에서 상기 구동장치는 상기 광원에서 전달되는 광이 피사체에 일정 영역으로 나누어 도달하도록 구동될 수 있다.

광원 모듈에서 상기 제1 모드에서는 상기 광원과 상기 콜리메이터 렌즈 사이의 거리는 일정할 수 있다.

광원 모듈에서 상기 제2 모드에서는 상기 광원과 콜리메이터 렌즈 사이의 거리만이 조절될 수 있다.

전술한 목적을 달성하기 위하여, 제2 실시예는, N개(N은 1 이상의 자연수임)의 어퍼처를 포함하는 광원; 상기 광원에서 방사되는 광을 통과시켜 피사체에 전달하는 콜리메이터 렌즈; 및 상기 콜리메이터 렌즈의 방향 및 위치를 제어하는 제어장치를 포함하고, 상기 제어장치는 상기 콜리메이터 렌즈의 위치를 변경하여 상기 광을 피사체의 구분된 영역으로 순차적으로 전달하는, 광원 모듈을 제공할 수 있다.

광원 모듈에서 상기 제어장치는 제1 모드에서 상기 콜리메이터 렌즈의 X축 방향 또는 Y축 방향의 움직임을 발생시켜 피사체에 점 광원 형태의 빔을 전달하고, 제2 모드에서 상기 콜리메이터 렌즈의 Z축 방향의 움직임을 발생시켜 피사체에 면 광원 형태의 빔을 전달할 수 있다.

광원 모듈에서 상기 제어장치는 상기 광원에서 전달되는 광이 상기 콜리메이터 렌즈의 중앙 또는 외곽을 통과하도록 상기 콜리메이터 렌즈의 위치를 변경할 수 있다.

광원 모듈에서 상기 제어장치는 상기 콜리메이터 렌즈의 움직임에 대응하여 상기 광원의 출력을 제어할 수 있다.

광원 모듈에서 상기 피사체의 구분된 영역별로 획득된 거리 정보를 통합하여 통합된 거리 정보를 획득하는 이미지 센서를 더 포함할 수 있다.

전술한 목적을 달성하기 위하여, 제3 실시예는, 하나 이상의 수직 공동 표면 발광 레이저(Vertical Cavity Surface Emitting Laser)를 포함하는 광원부-상기 수직 공동 표면 발광 레이저는 N개(N은 1이상의 자연수임)의 어퍼처(Aperture 또는 Emitter)를 통해 광을 전달함-; 상기 광원부에서 나온 광을 통과시키는 하나 이상의 콜리메이터 렌즈(Collimator Lens); 및 상기 콜리메이터 렌즈의 움직임을 발생시키는 구동장치를 포함하고, 상기 하나 이상의 수직 공동 표면 발광 레이저는 구분된 영역을 가지고, 기 설정된 근거리, 원거리 모드 또는 근거리 모드에 따라 출력이 제어되는, 광원 모듈을 제공할 수 있다.

광원 모듈에서 상기 N개의 어퍼처를 통해 전달되는 광은 상기 콜리메이터 렌즈 이외에 빔의 형태를 가공하는 별개의 광학장치를 통과하지 않는, 광원 모듈을 제공할 수 있다.

광원 모듈에서 피사체에 도달하는 광은 M개(M은 1 이상의 자연수임)의 영역으로 구분되고, 수신부 렌즈의 화각(FOV, Field Of View) 정보에 따라 상기 M개의 영역이 상호 연동되는, 광원 모듈을 제공할 수 있다.

광원 모듈에서 상기 구동장치는 수직 공동 표면 발광 레이저의 정렬 위치를 조정하여 상기 콜리메이터 렌즈로 입사되는 빔의 방향을 조정하는, 광원 모듈을 제공할 수 있다.

광원 모듈에서 상기 구동장치는 전자석 코일, 또는 압전소자를 통해 전류를 제어하고, 상기 전류의 세기 또는 방향에 따라 상기 콜리메이터 렌즈의 움직임을 발생시켜 광원과 콜리메터 렌즈를 포함한 광학소자 간의 상대적인 위치제어가 가능한 광원 모듈을 제공할 수 있다.

광원 모듈에서 상기 구동장치는 원거리 모드에서 광경로와 수직 또는 수평한 방향의 움직임을 발생시켜 광원의 어퍼처(Aperture 또는 Emitter)를 통해 광학소자에 입사되는 방향 및 수직의 유효거리(Working Distance)를 조정하고, 근거리 모드에서 광경로와 수직 또는 수평한 방향의 움직임을 발생시켜 광원의 어퍼처(Aperture)를 통해 광학소자에 입사되는 방향 및 수직의 유효거리(Working Distance)를 조정 가능한 광원 모듈을 제공할 수 있다.

광원 모듈에서 상기 근거리, 원거리 모드에서는 둘 이상의 수직 공동 표면 발광 레이저가 작동하고, 상기 둘 이상의 수직 공동 표면 발광 레이저와 상기 콜리메이터 렌즈 사이의 거리(Working Distance)는 일정한, 광원 모듈을 제공할 수 있다.

전술한 목적을 달성하기 위하여, 제4 실시예는, N개(N은 1 이상의 자연수임)의 어퍼처(Aperture 또는 Emitter)를 포함하는 광원 소자; 상기 광원 소자에서 방사되는 광을 통과시켜 점 광원을 피사체에 전달하는 콜리메이터 렌즈 또는 회절광학소자(DOE Splitter)가 추가된 구조에서 및 피사체의 거리에 따라 상기 콜레미에터 렌즈의 방향 및 이동거리를 제어하는 제어장치를 포함하고, 상기 제어장치는 전류 또는 전압을 제어하기 위해 코일, 압전소자 또는 회전장치를 포함하는, 광원 모듈을 제공할 수 있다.

광원 모듈에서 상기 제어장치는 제1 모드에서 상기 콜리메이터 렌즈의 X축, Y축 또는 Z축 방향의 움직임을 발생시켜 피사체에 최적화 된 고밀도의 점 광원을 전달하고, 제2 모드에서 상기 콜리메이터 렌즈의 Z축 방향의 움직임을 발생시켜 제1 모드에서의 고밀도의 점 광원과는 특성이 다른 저밀도의 균질화 된 광원을 피사체에 전달하는, 광원 모듈을 제공할 수 있으며 상기 제1모드 및 제2모드의 순서는 시스템에서 요구하는 동작 순서에 따라 달라질 수 있다.

이상에서 설명한 바와 같이 본 실시 예에 의하면, 고밀도의 빔 방사를 통해 피사체에 전달되는 광을 증가시킬 수 있고 광원 모듈의 측정 거리를 향상시킬 수 있다. 또한, 본 실시 예에 의하면, 광학적 저항을 최소화시키는 구조를 채택함으로써 스팟(Spot) 형태의 고밀도 빔을 정의 된 피사체 면적에 순차 및 선별적으로 빔을 방사하여, 고밀도와 효율적인 소비전력을 사용할 수 있으며 근거리 또한 광원과 광학소자 간의 거리(Working Distance) 변화를 통하여 원거리 대비 상대적인 저밀도 및 균질도가 좋은 빔을 생성시켜 포화되지 않는 복수 기능을 수행하는 광원 모듈을 제공 할 수 있다.

도 1은 광 균질화를 위한 고정된 광학장치를 포함하는 종래의 광원 모듈을 예시한 도면이다.
도 2는 수직 공동 표면 레이저의 단면을 확대한 도면이다.
도 3은 종래의 광원 모듈에 의한 면광원 방사 형태를 예시한 도면이다.
도 4는 근거리 모드에서 콜리메이터 렌즈를 포함한 광원 모듈을 예시한 도면이다.
도 5는 원거리 모드에서 콜리메이터 렌즈를 포함한 광원 모듈을 예시한 도면이다.
도 6은 일 실시예에 따른 콜리메이터 렌즈를 포함한 광원 모듈을 예시한 도면이다.
도 7은 일 실시예에 따른 광원 모듈의 거리 측정 과정을 예시한 제1 예시 도면이다.
도 8은 일 실시예에 따른 광원 모듈의 거리 측정 과정을 예시한 제2 예시 도면이다.
도 9은 스팟(Spot) 형태로 피사체에 전달되는 광을 예시한 도면이다.
도 10는 피사체에 전달되는 광을 영역별로 구분한 예시 도면이다.
도 11은 콜리메이터 렌즈의 움직임에 따라 피사체에 전달되는 광을 예시한 도면이다.
도 12은 거리측정을 위한 광원 모듈의 설계 조건을 설명하는 도면이다.
도 13는 일 실시예에 따른 광원 모듈의 설계 조건에 따른 시뮬레이션 결과를 나타내는 도면이다.
도 14는 일 실시예에 따른 광원 모듈의 시뮬레이션에 광원과 렌즈의 상대적인 위치 편차를 예시한 도면이다.
도 15는 일 실시예에 따른 광원 모듈의 시뮬레이션에 따른 빔 방사 모습을 예시한 도면이다.
도 16는 일 실시예에 따른 광원 모듈의 시뮬레이션에 따라 피사체에 전달되는 광의 위치별 세기 분포를 나타내는 도면이다.
도 17은 일 실시예에 따른 원거리 모드에서 획득한 이미지를 통합하여 나타낸 도면이다.
도 18은 일 실시예에 따른 원거리 모드에서 물체에 도달한 위치별 광 세기 분포를 나타낸 제1 예시 도면이다.
도 19은 일 실시예에 따른 원거리 모드에서 물체에 도달한 위치별 광 세기 분포를 나타낸 제2 예시 도면이다.
도 20은 일 실시예에 따른 원거리 모드에서 물체에 도달한 위치별 광 세기 분포를 나타낸 제3 예시 도면이다.
도 21은 일 실시예에 따른 근거리 모드에서 획득한 이미지를 통합하여 나타낸 도면이다.
도 22은 일 실시예에 따른 근거리 모드에서 물체에 도달한 위치별 광 세기 분포를 나타낸 제1 예시 도면이다.
도 23은 일 실시예에 따른 근거리 모드에서 물체에 도달한 위치별 광 세기 분포를 나타낸 제2 예시 도면이다.
도 24은 일 실시예에 따른 근거리 모드에서 물체에 도달한 위치별 광 세기 분포를 나타낸 제3 예시 도면이다.
도 25는 일 실시예에 따라 수직 공동 표면 발광 레이저의 입력전류 변화에 따른 빔의 분포를 나타낸 제1 예시 도면이다.
도 26는 일 실시예에 따라 수직 공동 표면 발광 레이저의 입력전류 변화에 따른 빔의 분포를 나타낸 제2 예시 도면이다.
도 27은 일 실시예에 따른 원거리 모드에서 광원 모듈을 나타낸 도면이다.
도 28은 일 실시예에 따른 근거리 모드에서 광원 모듈을 나타낸 도면이다.

이하, 본 발명의 일부 실시예들을 예시적인 도면을 통해 상세하게 설명한다. 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의하여야 한다. 또한 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 그 상세한 설명을 생략한다.

또한, 본 발명의 구성요소를 설명하는데 있어서, 제1, 제2, a, b 등의 용어를 사용할 수 있다. 이러한 용어는 그 구성요소를 다른 구성요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성요소의 본질이나 차례 또는 순서 등이 한정되지 않는다. 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결", "결합" 또는 "접속"된다고 기재된 경우, 그 구성요소는 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되거나 또는 접속될 수 있지만, 각 구성요소 사이에 또 다른 구성요소가 "연결", "결합" 또는 "접속"될 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.

본 발명의 구성요소 중 "광" 또는 "빔"은 발명의 본질을 해하지 않는 범위 내에서 동일한 의미로 해석될 수 있고, 특정 유형으로 한정되지 않는다.

또한 본 발명의 구성요소 중 "광원", "광원부" 또는 "레이저부"는 발명의 본질을 해하지 않는 범위 내에서 동일한 의미로 해석될 수 있고, 특정 유형으로 한정되지 않는다.

또한 본 발명의 구성요소 중 "광 확산장치" 또는 "확산부"는 발명의 본질을 해하지 않는 범위 내에서 동일한 의미로 해석될 수 있고, 특정 유형으로 한정되지 않는다.

도 1은 광 균질화를 위한 광학장치를 포함하는 종래의 광원 모듈을 예시한 도면이다.

도 2는 수직 공동 표면 레이저의 단면을 확대한 도면이다.

도 1 및 도 2를 참조하면, 종래의 광원 모듈(100)은 수직 공동 표면 발광 레이저(VCESL, Vertical Cavity Emitting Surface Laser)(110), 광학 장치(120)를 포함할 수 있다.

광을 생성하기 위한 장치로서 수직 공동 표면 발광 레이저(VCSEL) 이외에도 발광 다이오드(LED, Light Emitting Diode) 등의 다양한 소자가 사용될 수 있으나, 설명의 편의를 위해 예시적으로 수직 공동 표면 발광 레이저를 사용하여 설명한다.

수직 공동 표면 발광 레이저(VCSEL)(110a)는 상부 표면에 수직한 방향으로 레이저를 방출하는 반도체 레이저 다이오드의 일종으로서, 물체에 전달하는 광을 생성하기 위해 사용될 수 있다.

일 실시예에 따른 수직 공동 표면 발광 레이저(110a)은 어퍼처(111a), 본체부(112a)를 포함할 수 있고, 수직 공동 표면 발광 레이저(110a)는 발명을 설명하는데 필요한 정도로 실제 구조의 일부를 생략하고 간략하게 도시된 것이다.

어퍼처(111a)는 광이 출사되는 입구이고, 본체부(112a)를 통해 생성된 광은 공진(resonance) 과정을 통해 광의 집적도를 증가시켜 최종적으로 출사되는 광은 어퍼처(111a)를 통해 방사될 수 있다. 예시적으로, 어퍼처는 수직 공동 표면 발광 레이저(VCSEL) 상에 N개(N은 1 이상의 자연수임)가 존재할 수 있다.

수직 공동 표면 발광 레이저(VCSEL)에서 최초로 생성된 광의 화각(FOV, Field Of View)의 화각은 제한적이므로, 1차적으로 수직 공동 표면 발광 레이저(VCSEL) 내부 어퍼처(111a)의 내경 및 설계치에 의해 화각(FOV)이 조절될 수 있다.

도 2를 참조할 때, 수직 공동 표면 발광 레이저는 제1 형태의 수직 공동 표면 발광 레이저(110b)일 수 있고 제2 형태(110c) 또는 제2 형태(110d)를 가질 수 있다. 일 실시예에 따른 각각의 수직 공동 표면 발광 레이저는 개별적인 어퍼처를 가질 수 있으며, 수직 공동 표면 발광 레이저의 일 단면을 나타낸 제2 형태(110c)의 어처퍼(111c)와 제2 형태를 상면에서 바라본 제3 형태(110d)의 어퍼처(111d)와 같이 형성될 수 있다. 예시적으로, 수직 공동 표면 발광 레이저의 내부 어퍼처의 형태 및 위치는 설계치에 의해 화각을 정의할 수 있는 것이면 다양한 방식으로 정의될 수 있다.

일반적으로 광원 모듈(110)의 소형화가 요구되므로 광원 모듈(110) 내부에서 화각(FOV) 대비 광의 이동거리가 제한적이다. 따라서 수직 공동 표면 발광 레이저(VCSEL)의 어퍼처(111)의 내경 및 설계치에 의해 1차적으로 조절된 화각(FOV)은 수직 공동 표면 발광 레이저(VCSEL)에서 정의 된 파워(power)를 그대로 출력하므로 사용자에 안구에 안전 문제(Eye-Safety)를 일으켜 손상을 입힐 수 있고, 시스템에서 요구하는 균질도 및 화각을 만드는데 충분하지 않다. 위와 같은 구조적 한계를 극복하고 이동거리 대비 화각 및 안구의 안전 문제(Eye-Safety) 등의 광학성능을 구현하기 위해 종래의 광원 모듈(110)은 하나 이상의 광학 장치(120)를 필수적으로 포함하게 되는 것이 일반적이다.

광학 장치(120)은 수직 공동 표면 발광 레이저(VCSEL)의 렌즈(114)에서 1차적으로 조절되어, 광학 장치(120)으로 전달된 광의 화각(FOV)을 2차적으로 조절할 수 있다. 광학 장치(120)는 마이크로 렌즈 어레이(MLA, Micro Lens Array) 또는 회절 광학 소자(DOE, Diffractive Optical Element), 콜리메터 렌즈(Collimator Lens)일 수 있고, 광을 균질화 할 수 있는 소자는 제한되지 않고 채택될 수 있다.

종래의 광원 모듈(100)은 피사체(130)에 광원으로부터 전달되는 광을 분산 또는 균질화하기 위해 광학 장치(120)가 필수적으로 요구되므로 일정한 전력하에서 광 출력의 세기 및 광의 도달 거리가 제한된다.

따라서 마이크로 렌즈 어레이(MLA) 또는 회절 광학 소자(DOE)를 통한 광 균질화 과정에서 투과하는 광의 효율이 감소하고, 면광원의 형태로 광을 전달하는 과정에서의 광 효율 감소가 거리에 따라 급격하게 증가한다.

종래의 광원 모듈(100) 상의 광학 장치(120)는 광학적 저항(optical resistance)으로 작용하므로, 원거리에 존재하는 물체의 거리 또는 깊이 정보를 획득함에 있어 물체에 도달하는 광량이 부족해지게 되고, 광학 장치(120)에서 증가한 화각(FOV)에 의해 단위 면적당 도달하는 광의 세기(Intensity)가 감소하게 된다. 따라서 종래의 광원 모듈(100) 상의 광학 장치(120)는 원거리에 존재하는 물체를 측정하는데 한계를 가지며, 광 균질화를 위한 광학 장치(120)를 필수적으로 요구하는 종래의 광원 모듈(100)을 사용하는 경우 센서에 입사되는 영상 또는 깊이 이미지의 해상도 및 감도가 감소하게 되고 광학적 노이즈가 급증하게 된다.

또한, 종래의 광학 장치(120)는 광 균질화를 위해 하나의 수직 공동 표면 발광 레이저(VCSEL)(110)에서 전달되는 광을 단순히 확산시키므로, 서로 다른 위치에 존재하는 복수 개의 레이저 소자 각각에서 전달되는 광의 방향 또는 위치적 특성이 고려되지 않게 된다. 예시적으로, 9개의 수직 공동 표면 발광 레이저(VCSEL)이 가로, 세로 각각 3개씩 배열되는 경우 중앙부 레이저 소자와 외각에 존재하는 레이저 소자의 배치에 따른 광 전달 방향 및 레이저 소자의 위치적 특성이 고려되지 않게 된다.

또한, 종래의 광학 장치(120)는 프레임(미도시)에 고정되어 움직임이 발생하지 않고, 수직 공동 표면 발광 레이저(110)와 광학 장치(120) 사이의 물리적 위치 또는 거리에 따른 빔의 입사 위치 또는 각도를 조절할 수 없게 된다.

도 3은 종래의 광원 모듈에 의한 면광원 방사 형태를 예시한 도면이다.

도 3을 참조하면, 피사체(130)에 도달하는 광의 방사 형태를 확인할 수 있다.

피사체(130)에 도달하는 광의 영역은 목표 영역(131)과 광 도달 영역(133)으로 구분될 수 있다.

수직 공동 표면 발광 레이저(110)에서 전달되는 광은 제1 형태의 광(101)로 정의될 수 있고, 광학 장치(120)에서 전달되는 광은 제2 형태의 광(103)으로 정의될 수 있다.

종래의 광원 모듈(100)에 의해 피사체(130)에 도달하는 광 도달 영역(133)은 면 광원의 형태로 무작위성을 가지게 된다. 광학 장치(120)에 의해 광의 화각(FOV)은 증가하고, 광의 회절 또는 확산에 의해 피사체(130)에 도달하는 광은 균질한 형태를 가지게 된다.

피사체(130)의 전부 또는 일부에 대해 광 도달을 목표로 하는 목표 영역(131)은 실제 광이 도달하는 영역(133)과 동일하거나 일부 차이가 있을 수 있다.

도 4는 근거리 모드에서 콜리메이터 렌즈를 포함한 광원 모듈을 예시한 도면이다.

도 5는 원거리 모드에서 콜리메이터 렌즈를 포함한 광원 모듈을 예시한 도면이다.

도 4 및 도 5를 참조하면, 일 실시예에 다른 광원 모듈(200)은 광원부(215), 콜리메이터 렌즈(Collimator Lens)(220)를 포함할 수 있다.

광원부(215)는 하나 이상의 광원 소자(미도시)를 포함할 수 있다. 예시적으로, 광원 소자(미도시)는 수직 공동 표면 발광 레이저(VCSEL)(210)일 수 있으나, 광을 발생시킬 수 있는 소자이면 종류는 제한되지 않는다. 다른 예시적으로, 광원 소자(미도시)는 발광 다이오드(LED, Light Emitting Diode), 공진 공동 발광 다이오드(RCLED, Resonant Cavity Light Emitting Diode)일 수 있다.

콜리메이터 렌즈(Collimator Lens)(220)는 물체까지의 광원의 이동 거리 또는 각도를 조절하여 광 효율을 증대시킬 수 있다. 목표로 하는 지점의 광량에 따라 콜리메이터 렌즈(220)의 형상, 크기, 배치 등을 기 설정된 기준에 따라 조절할 수 있다. 또한, 콜리메이터 렌즈(220)는 필요에 따라 복수 개가 사용될 수 있다.

콜리메이터 렌즈(220)는 통과하는 광의 화각(FOV)의 변화를 조절하고, 스팟(spot) 형태의 고밀도 빔 방사 형태를 유지할 수 있다. 일 실시예에 따른 콜리메이터 렌즈(220)는 수직 공동 표면 발광 레이저(VCSEL)에서 전달되는 고밀도의 광을 마이크로 렌즈 어레이(MLA, Micro Lens Array) 또는 회절 광학 소자(DOE, Diffractive Optical Element)와 같은 광학 장치의 투과로 인한 플로드(Flood) 타입과 같은 면 광원 형태의 광의 전달을 방지하고, 스팟(spot) 형태의 고밀도 빔 방사 형태로 전환할 수 있다.

도 4을 참조하면, 일 실시예에 따른 근거리에 존재하는 물체의 측정을 위한 광원 모듈의 형태를 확인할 수 있다.

수직 공동 표면 발광 레이저(VCSEL)(210)과 콜리메이터 렌즈(220) 사이의 거리를 작동 거리(Working Distance)(1a)로 정의할 수 있고, 구동 장치(미도시)에 의해 수직 공동 표면 발광 레이저(210)과 콜리메이터 렌즈(220) 사이의 작동 거리(Working Distance)(1a)가 조절될 수 있다.

근거리에 존재하는 물체의 거리를 측정하는 근거리 모드에서는 수직 공동 표면 발광 레이저(VCSEL)의 어퍼처 어레이의 중심과 콜리메이터 렌즈의 중심을 정렬할 수 있다. 정렬의 기준이 되는 어퍼처 어레이의 중심과 콜리메이터 렌즈의 중심은 기 설정된 기준에 따라 정의될 수 있다.

물체와 광원 소자 사이에서 광이 전달되는 방향을 Z축 방향으로 정의할 때, 광이 전달되는 방향과 수직인 X축, Y축 방향이 정의될 수 있다.

일 실시예에 따라, 근거리 모드에서 구동 장치(미도시)는 콜리메이터 렌즈(220)의 X축, Y축 방향의 움직임을 제한할 수 있다. 이 경우 구동 장치(미도시)는 콜리메이터 렌즈(220)의 Z축 방향의 움직임을 발생시켜 작동 거리(Working Distance)(1a)를 조절할 수 있다.

Z축 방향의 상하 수직의 움직임을 통해 원거리 모드에서 정해진 작동 거리(Working Distance)(1a)보다 어퍼처 어레이의 중심과 콜리메이터 렌즈의 중심 사이의 거리를 가깝거나 멀게 조정하여 위치할 수 있다.

이 경우 원거리 모드에서 발산되는 빔의 형태 및 경계와 달리, 빔의 형태 및 경계가 명확하지 않고 면 광원과 유사한 형태의 변환이 가능할 수 있다.

일 실시예에 따라, 근거리 모드에서는 단일한 수직 공동 표면 발광 레이저(VCSEL)를 사용할 수 있고, 광학적 설계의 용이성을 위해 중심에 존재하는 수직 공동 표면 발광 레이저(VCSEL)를 사용할 수 있다.

다른 실시예에 따라, 원거리모드에서 수직 공동 표면 발광 레이저에서 콜리메이터 렌즈(Collimator Lens) 또는 마이크로 렌즈 어레이(MLA)까지의 작동 거리를 고정시키고 구동장치를 이용하여 X축, Y축의 2차원 평면 이동으로 수직 공동 표면 발광 레이저(VCSEL)과 광학소자간의 상대적인 광 중심 제어로 출사경로 변경 제어하는 광원모듈을 제공할 수 있다.

또 다른 실시예에 따라, 근거리모드에서 기 고정된 원거리모드의 작동 거리를 구동장치를 이용하여 Z축의 출사 방향 또는 위치를 조절하여 스팟(Spot) 형태의 고밀도 빔에서 흐트러진(Blurred) 형태의 균질도 빔의 형태로 변화 시키는 하나이상의 기능을 구현 가능한 광원 모듈을 제공할 수 있다.

도 5를 참조하면, 일 실시예에 따른 원거리에 존재하는 물체의 측정을 위한 광원 모듈의 형태를 확인할 수 있다.

일실시예에 따른 원거리 모드에서는, 원거리에서 정렬된 어퍼처 어레이의 중심과 콜리메이터 렌즈의 중심을 기준으로 복수의 대면적 영역에 빔을 방사하기 위하여 구동 장치(미도시)는 콜리메이터 렌즈(220a)의 광 경로 방향의 움직임을 제한할 수 있다. 예시적으로, 콜리메이터 렌즈(220a)의 상하 수직의 움직임인 Z축 방향의 움직임을 제한할 수 있다.

일 실시예에 따른, 원거리 모드에서 구동 장치(미도시)는 광원 모듈(200a)에서 콜리메이터 렌즈(220a)의 X축, Y축 방향의 움직임을 발생시킬 수 있다. 이 경우 수직 공동 표면 발광 레이저(210a)의 어퍼처에서 전달된 광은 콜리메이터 렌즈(220a) 이외의 다른 광학장치를 통과하지 않게 되므로, 원거리에 존재하는 피사체(230)에 고밀도의 빔을 방사할 수 있게 된다.

다른 실시예에 따라, 광원 모듈(200b)에서는 콜리메이터 렌즈(220b)는 복수 개가 사용될 수 있고, 수직 공동 표면 발광 레이저(VCSEL)(210b)가 복수 개 사용될 수 있다.

피사체의 거리 또는 위치에 따라 광원 모듈이 사용하는 근거리 모드 또는 원거리 모드의 메커니즘을 달리 설정할 수 있다.

또 다른 실시예에 따라, 광원 모듈의 구동 제어장치 및 콜리메터 렌즈가 포함되지 않고 종래의 연결구조체로 고정의 구동 거리(Working Distance)를 가지는 마이크로 렌즈 어레이(MLA)가 연결될 수 있다. 광원 모듈에서 광원의 어퍼쳐 영역이 복수로 구분되고 출사되는 빔이 상응하는 동일한 구분 영역으로 나누어진 마이크로 렌즈 어레이(MLA) 영역으로 입사되어 최종 대면적의 피사체에 상응하는 구분 영역으로 순차 혹은 일괄 출사 투영되어 더욱 효율적인 광 전달이 가능할 수 있다.

도 9를 참조하면, 피사체(230)에 도달하는 광의 영역은 스팟(spot) 형태일 수 있고, 예시적으로, 목표 영역(231) 내부에서 제1 광 도달 영역(233)은 원형에 가까운 형태로 고밀도의 빔을 형성할 수 있다.

도 6은 일 실시예에 따른 콜리메이터 렌즈를 포함한 광원 모듈을 예시한 도면이다.

도 6을 참조하면, 광원 모듈(300)은 하나 이상의 수직 공동 표면 발광 레이저(310), 콜리메이터 렌즈(320), 구동장치(미도시)를 포함할 수 있다.

구동장치(미도시)는 광원 모듈(300)과 별개로 형성될 수 있거나, 광원 모듈(300)과 일체로 형성될 수 있다.

일 실시예에 따른 광원 모듈(300)은 지지부(350), 전자석(360), 본체부(370), 코일(380)을 더 포함할 수 있다.

지지부(350)은 광원 모듈(300)의 프레임으로 불릴 수 있고, 외부에서의 물리적, 화학적 충격으로부터 광원부, 콜리메이터 렌즈를 보호할 수 있다.

지지부(350)의 내부에는 전자석(360)이 포함될 수 있지만, 필요에 따라 압전소자 또는 코일이 포함될 수 있다. 전자석, 코일, 압전소자는 전류 또는 전압의 방향 또는 세기를 조절하여 빔의 입사 위치 또는 각도를 조정하는데 사용될 수 있다. 일 실시예에 따라, 전류의 방향 또는 세기에 따라 콜리메이터 렌즈(320)은 구동 장치(미도시)에 의해 광 경로 방향, 광 경로와 수직 또는 수평한 방향으로 움직일 수 있다. 광원 모듈(300)은 구동 장치(미도시) 이외에도 전류의 방향 또는 세기를 제어할 수 있는 제어 장치(미도시)가 포함된 시스템을 형성할 수 있다.

코일(380)은 자석 또는 전자석(360)과의 전자기력의 발생으로 인한 상호작용에 의해 콜리메이터 렌즈(320)의 공간상의 움직임을 발생시킬 수 있는 것이면 그 종류는 제한되지 않는다. 코일(380)과 전자석(360)의 상호작용으로 콜리메이터 렌즈(320)과 수직 공동 표면 발광 레이저(310) 사이의 거리가 조절될 수 있다. 필요에 따라 본체부(370) 내부에 코일(380)이 포함될 수 있으나, 본체부(370)의 내부에 자석 또는 전자석(360)이 포함될 수 있다.

수직 공동 표면 발광 레이저(310)는 1개가 사용될 수 있으나, 필요에 따라 복수 개가 설치될 수 있다. 기판(미도시) 상에 설치된 수직 공동 표면 발광 레이저(310)의 위치에 따라 빔의 출사 위치, 방향을 선택할 수 있다. 예시적으로, 수직 공동 표면 발광 레이저는 3 X 3 배치로 9개의 영역으로 배치될 수 있다.

일 실시예에 따라, 수직 공동 표면 발광 레이저(310)를 중심으로 콜리메이터 렌즈(320)의 정렬 위치를 조정하고, 콜리메이터 렌즈(320)에 입사되는 광의 방향을 조정할 수 있다. 예시적으로, 빔은 정중앙 또는 외각으로 투영될 수 있다.

도 7은 일 실시예에 따른 광원 모듈의 거리 측정 과정을 예시한 제1 예시 도면이다.

도 7을 참조하면, 광원부(315)에서 전달된 광은 콜리메이터 렌즈(320)을 통과하여 피사체(330)에 전달될 수 있다.

광원부(315)는 복수 개의 수직 공동 표면 발광 레이저(310)를 포함할 수 있고, 수직 공동 표면 발광 레이저(310)의 배치 위치, 형태에 따라 구분된 영역으로 배치될 수 있다.

복수 개의 영역 는 제어 장치(미도시)에 의해 개별적으로 출력이 제어될 수 있고, 순차적으로 ON/OFF 모드로 전환될 수 있다.

구동 장치(미도시)에 의해 콜리메이터 렌즈(320)가 공간상에서 움직임을 발생하는 경우, 광이 피사체에 전달되는 영역을 달리할 수 있다.

예시적으로, 피사체(330)에서 광이 도달하는 영역(333)은 a1 영역, b1 영역, c1 영역, d1 영역, e1 영역, f1 영역, g1 영역, h1 영역, i1 영역으로 구분될 수 있고, 각 영역의 형태 또는 개수는 수직 공동 표면 발광 레이저(310)의 배치 형태 또는 개수에 따라 달리 설정될 수 있다. 또한, 광이 도달하는 영역(333)은 콜리메이터 렌즈(320)의 움직임에 따라 달리 설정될 수 있다.

일 실시예에 따른 구동 장치(미도시)에 의한 콜리메이터 렌즈(320)의 움직임에 따라 피사체(330)에 광이 전달되는 순서는 a1 영역, b1 영역, c1 영역, d1 영역, e1 영역, f1 영역, g1 영역, h1 영역, i1 영역에 대해 순차적으로 광이 전달될 수 있다.

도 8은 일 실시예에 따른 광원 모듈의 거리 측정 과정을 예시한 제2 예시 도면이다.

도 8을 참조하면, 광원 모듈(400)은 수직 공동 표면 발광 레이저(410), 콜리메이터 렌즈(420), 수신부(440)을 포함할 수 있다.

수신부(440)는 전하결합소자(CCD, Charge-Coupled Device), 상보형 금속 산화 반도체(CMOS, Complementary Metal Oxide Semiconductor) 등의 이미지 센서를 포함할 수 있다.

수신부(440)는 M개(M은 1 이상의 자연수임)의 영역으로 구분될 수 있고, 수신부(440) 렌즈의 화각(FOV)에 따라서 피사체의 M개의 영역과 상호 연동될 수 있다. 일 실시예에 따라, 수신부 이미지 센서의 수신 순서는 콜리메이터 렌즈(420)의 움직임 순서에 따라 조절될 수 있다.

콜리메이터 렌즈(420)의 x축, y축, z축 또는 제3의 공간적 움직임의 영역(421)은 광학 모듈(400)의 설계 조건에 따라 달리 설정될 수 있다.

가상의 공간적 움직임의 영역(421)은 M개의 영역으로 구분될 수 있다. 예시적으로 가상의 공간적 움직임의 영역(421)은 A1, B1, C1, D1, E1, F1, G1, H1, I1으로 구분될 수 있다.

피사체(430)은 목표 영역(431) 또는 광 도달 영역(433)으로 구분될 수 있다. 예시적으로 광 도달 영역(433)은 a1, b1, c1, d1, e1, f1, g1, h1, i1으로 구분될 수 있다. 광 도달 영역(433)은 광원부(415)의 배열 또는 콜리메이터 렌즈(420)의 움직임에 따라 달리 설정될 수 있다.

수신부(440)의 수신 영역(443)은 하나 이상의 영역으로 구분될 수 있고, 예시적으로 A2, B2, C3, D2, E2, F2, G2, H2, I2일 수 있다.

수신부(440)의 수신 데이터의 수신 순서 또는 위치는 광원부(415), 콜리메이터 렌즈(420)의 배치 또는 위치에 따라 달리 설정될 수 있다.

도 9은 스팟(Spot) 형태로 피사체에 전달되는 광을 예시한 도면이다.

도 10는 피사체에 전달되는 광을 영역별로 구분한 예시 도면이다.

도 11은 콜리메이터 렌즈의 움직임에 따라 피사체에 전달되는 광을 예시한 도면이다.

도 9 내지 도 11을 참조하면, 피사체(230)에 도달하는 광의 영역은 목표 영역(231), 제1 광 도달 영역(233), 제2 광 도달 영역(235)로 구분될 수 있다.

종래의 디퓨저(diffuser)로서 마이크로 렌즈 어레이(Micro Lens Array)가 사용되거나 빔 스플리터(splitter)로서 회절 광학 소자(Diffractive Optical Element)가 사용되는 경우 면광원의 형태로 빔의 형태가 가공되므로, 일부 영역에 집중된 빔 또는 광을 전달할 수 없게 된다.

일 실시예에 따른 광원 모듈(200)을 통해, 스팟(Spot) 형태의 집중된 고밀도의 빔을 피사체(230)에 전달할 수 있다.

스팟(Spot) 형태의 집중된 고밀도의 빔은 제1 광 도달 영역(233) 내에 포함될 수 있고, 스팟(Spot)은 원형일 수 있으나 그 형태는 제한되지 않는다.

스팟(Spot)은 일정한 선명도 또는 강도 이상을 가지는 빔의 집합으로 정의될 수 있다.

복수 개의 광원 소자를 사용하는 경우, 피사체에 도달하는 광의 영역은 복수 개로 구분될 수 있다. 예시적으로, 피사체에 도달하는 광의 영역은 a1, b1, c1, d1, e1, f1, g1, h1, i1과 같이 구분될 수 있고, 경계면은 기 정의된 기준 또는 광의 세기 또는 이미지 데이터의 분포에 따라 구분될 수 있는 가상의 선일 수 있다.

일 실시예에 따라, 콜리메이터 렌즈(220)가 구동 장치(미도시)에 의해 공간상에서 움직임을 가지는 경우, 피사체(230)에 도달하는 광의 영역이 증가할 수 있다. 일 실시예에 따라, 콜리메이터 렌즈(220)가 광 경로와 수직 또는 수평한 방향으로 움직이는 경우, 피사체에 도달하는 광의 영역도 이에 대응되도록 정의될 수 있다.

예시적으로, 광원 소자의 어퍼처 어레이 중심과 콜리메이터 렌즈의 중심을 기준으로 x축 또는 y축 움직임에 따라 제2 광 도달 영역이 정의될 수 있다. 다른 예시적으로, 구동 거리(a1)가 조절되어 z축 방향의 움직임이 발생하는 경우 제2 광 도달 영역이 새롭게 정의될 수 있다.

도 12은 거리측정을 위한 광원 모듈의 설계 조건을 설명하는 도면이다.

도 13는 일 실시예에 따른 광원 모듈의 설계 조건에 따른 시뮬레이션 결과를 나타내는 도면이다.

도 12를 참조하면, 광원 모듈의 설계 조건으로 구동 거리(1a), 피치 사이즈(Pitch Size)(2a), 심도 거리(Focal Length)(3a), 콜리메이터 렌즈(220)와 피사체 사이의 거리(230)(4a), 타겟 사이즈(Target Size)(5a)를 고려할 수 있다.

도 13을 참조하면, 피치 사이즈(Pitch Size)(2a)에 따른 타겟 사이즈(Target Size)(5a)의 변화 및 심도 거리(Focal Length)(3a)에 따른 타겟 사이즈(Target Size)(5a)의 변화를 확인할 수 있다.

도 14는 일 실시예에 따른 광원 모듈의 시뮬레이션에 따른 렌즈와 광원과의 상대적 위치를 예시한 도면이다.

도 15는 일 실시예에 따른 광원 모듈의 시뮬레이션에 따른 빔 방사 모습을 예시한 도면이다.

도 14 및 도 15를 참조하면, 일 실시예에 따른 광원 모듈의 시뮬레이션 빔 방사 모습을 확인할 수 있다. 수직 공동 표면 발광 레이저(VCSEL)에서 출사된 광이 콜리메이터 렌즈를 통과하여 방사되는 광을 확인할 수 있다.

도 16는 일 실시예에 따른 광원 모듈의 시뮬레이션에 따라 피사체에 전달되는 광의 위치별 세기 분포를 나타내는 도면이다.

도 16을 참조하면, 피사체에 도달하는 광의 위치별 세기 분포를 확인할 수 있다. x축 방향, y축 방향에 따른 광의 세기(intensity) 및 광의 위치별 분포를 확인할 수 있다.

도 17은 일 실시예에 따른 원거리 모드에서 획득한 이미지를 통합하여 나타낸 도면이다.

도 18은 일 실시예에 따른 원거리 모드에서 물체에 도달한 위치별 광 세기 분포를 나타낸 제1 예시 도면이다.

도 19은 일 실시예에 따른 원거리 모드에서 물체에 도달한 위치별 광 세기 분포를 나타낸 제2 예시 도면이다.

도 20은 일 실시예에 따른 원거리 모드에서 물체에 도달한 위치별 광 세기 분포를 나타낸 제3 예시 도면이다.

도 17 내지 도 24는 일 실시예에 따라 피사체에 전달되는 광을 실제로 측정한 도면 또는 각 영역별 획득한 이미지를 나타낸 것이다.

도 17을 참조하면, 스팟(spot) 형태의 광이 전달될 수 있고, 복수 개의 원형 형태를 가지는 광이 전달될 수 있다. 도 17에서는원거리 모드에서 촬상 속도(Frame Rate)를 조절하여 획득한 복수 영역에서의 이미지를 통합하여 나타낸 것이다. 위치별 광 세기 분포를 통하여 빔이 피사체에 투영된 모습을 확인할 수 있고, 고밀도의 스팟(spot)이 원거리 피사체까지 도달하기 위해 광원(VCSEL)으로부터 출사되는 빔을 대면적의 피사체에 일정영역(3x3)으로 나누어 투영함으로써 효율을 극대화하고, 나누어진 9개 영역을 통합하여 원거리에서 깊이 거리 정보를 획득할 수 있는 기능을 구현하는 것을 도 17을 통해 확인할 수 있다.

도 18을 참조하면, 원거리 모드에서 실제 획득한 영상의 가로 라인 좌표에 따른 광 세기 분포, 또는 영상의 세로 라인 좌표에 따른 광 세기 분포를 확인할 수 있다. 가로 라인에 따른 분포 및 세로 라인에 따른 분포 모두 스팟(Spot) 형태의 밀도가 높은 형태로서, 일정한 영역에 세기가 높게 형성된 것을 확인할 수 있다.

도 19를 참조하면, 원거리 모드에서 실제 획득한 영상의 위치별 광 세기 분포를 3차원의 형식으로 나타낼 수 있다. 일정한 영역 내에 고밀도의 광이 집중된 형태를 확인할 수 있다.

도 20을 참조하면, 원거리 모드에서 위치별 광 세기 분포를 2차원의 형식으로 나타낼 수 있다.

일 실시예에 따라, 원거리 모드에서 물체에 도달하는 광의 세기는 일정한 영역에 집중된 스팟(spot) 형태의 밀도가 높은 형태로 나타날 수 있고, 목표 스팟의 구분은 기 설정된 기준에 따라 정해질 수 있다. 예시적으로, 기 설정된 기준은 일정한 광 세기(Intensity) 또는 설정 값(predefined value)일 수 있으나, 이에 제한되지 않는다. 일 실시예에 따른 원거리 모드에서는 스팟(Spot) 형태의 밀도가 높은 형태를 가지기 위해 광원과 렌즈와의 의도된 작동 거리(Working Distance)를 조정하여 획득한 이미지를 확인 할 수 있다.

도 21은 일 실시예에 따른 근거리 모드에서 획득한 이미지를 통합하여 나타낸 도면이다.

도 22은 일 실시예에 따른 근거리 모드에서 물체에 도달한 위치별 광 세기 분포를 나타낸 제1 예시 도면이다.

도 23은 일 실시예에 따른 근거리 모드에서 물체에 도달한 위치별 광 세기 분포를 나타낸 제2 예시 도면이다.

도 24은 일 실시예에 따른 근거리 모드에서 물체에 도달한 위치별 광 세기 분포를 나타낸 제3 예시 도면이다.

도 21은 실제 근거리 모드에서 촬상 속도(Frame Rate)를 조절하여 획득한 복수 영역에서의 이미지를 통합하여 나타낸 것이다.

도 22을 참조하면, 근거리 모드에서 영상의 가로 라인 좌표에 따른 광 세기 분포 또는 영상의 세로 라인 좌표에 따른 광 세기 분포를 확인할 수 있다. 일 실시예에 따른 원거리 모드에서보다 위치별 광 세기 분포가 균질하므로, 광 전달에 있어서 높은 균질도를 유지할 수 있다.

도 23를 참조하면, 근거리 모드에서 위치별 광 세기 분포를 3차원의 형식으로 나타낼 수 있다. 일정한 영역에 집중되지 않은 균질한 광 세기 분포를 나타내고, 예시적으로 위와 같은 형태는 플로드 프로파일(Flood Profile)로 정의될 수 있다.

도 24을 참조하면, 근거리 모드에서 위치별 광 세기 분포를 2차원의 형식으로 나타낼 수 있다.

일 실시예에 따른 근거리모드에서는 원거리모드에서의 고밀도 스팟(Spot) 빔의 형태가 작동 거리(Working Distance)를 조정함으로써 대면적의 균질도를 가지고 광의 세기(intensity)를 줄여 상대적인 근거리에서 깊이 거리 정보를 획득할 수 있는 기능을 구현할 수 있다. 도 25는 일 실시예에 따라 수직 공동 표면 발광 레이저의 입력전류 변화에 따른 빔의 분포를 나타낸 제1 예시 도면이다.

도 26는 일 실시예에 따라 수직 공동 표면 발광 레이저의 입력전류 변화에 따른 빔의 분포를 나타낸 제2 예시 도면이다.

도 25 및 도 26을 참조하면, 수직 공동 표면 발광 레이저(VCSEL)의 입력전류 변화에 따른 빔의 전달 분포 변화를 확인할 수 있다.

일 실시예에 따라, 1A에서 3.5A까지 변화하는 입력전류에 따른 빔의 출사 방사각(Beam Divergence)에 따른 분포를 나타낼 수 있다.

반치전폭(FWHM, Full Width at Half Maximum)로서 그래프의 폭을 정의하여 빔의 분포를 설명할 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.

수직 공동 표면 발광 레이저(VCSEL)의 입력전류 변화에 따른 빔 변화는 x 축 방향 또는 y 축 방향의 변화에 따라 변화하는 빔의 출사 방사각(Beam Divergence) 분포를 측정할 수 있다. 일 실시예에 따른 광학 모듈은 광원, 콜리메이터 렌즈를 포함하는 광학소자, 상기 광원 및 상기 광학소자 간의 상대적인 위치 이동을 발생시키는 구동장치를 포함할 수 있다.

광학 모듈의 구동장치는 광원부에 입력되는 전류에 의한 어퍼처의 출사 방사각(Beam Divergence)의 변화에 따라 구동체의 이동 위치를 조정할 수 있다.

광학 모듈의 광원부의 입력전류에 따른 어퍼처의 출사 방사각(Beam Divergence)에 따라 구동 거리(Working Distance)를 조절하는 프로세서가 부가적으로 포함될 수 있다.

일 실시예에 따른 광학 모듈은 렌즈 및 이미지 센서를 포함하는 수신부, 상기 수신부에서 검출된 화각을 판단하는 프로세서를 더 포함할 수 있다.

상기 수신부는 콜리메이터 렌즈를 포함한 광학소자를 통과하여 출사된 빔이 대면적의 피사체에 투영된 화각(Field Of View)을 검출하고, 상기 프로세서는 상기 수신부에서 검출된 화각에 기초하여 기준 화각 여부를 판단하여 구동체에 전기적 신호를 전달할 수 있다.

상기 구동체는 광원부의 입력 전류에 따른 출사 방사각(Beam Divergence)의 변화에 따라 구동체의 위치를 조절할 수 있다. 대면적의 피사체에 투영되는 화각(Field Of View)는 어퍼처의 출사 방사각(Beam Divergence)과 비례적으로 변화할 수 있고, 일정한 상관관계를 가질 수 있다. 예시적으로, 피사체에 투영되는 화각(Field Of View)의 변화량은 어퍼처의 출사 방사각(Beam Divergence)과 비례적으로 변화하여, 각 변화량를 계산하여 광원부에서 출사되는 광의 출사 방사각을 보다 세밀하게 제어할 수 있다.

일 실시예에 따라 광학 모듈의 광원부의 입력전류의 변화에 따라 어퍼처의 출사 방사각(Beam Divergence)의 변화를 측정할 수 잇다. 출사 방사각(Beam Divergence)의 변화량을 계산하여, 구동 거리(Working Distance)를 조절할 수 있다.

일 실시예에 따라, 입력전류의 변화에 따라 어퍼처의 출사 방사각(Beam Divergence)의 변화량을 측정 또는 예측하여 피사체에 도달하는 화각(Field Of View) 정보를 최적화하여 제어할 수 있다.

다른 실시예에 따라, 외부 공기의 온도 등에 따라 어퍼처의 출사 방사각(Beam Divergence)의 변화량을 측정 또는 예측하여 피사체에 도달하는 화각(Field Of View) 정보를 최적화하여 제어할 수 있다.

송신부에서의 출사 방사각(Beam Divergence) 및 피사체에 도달하는 화각(Field Of View) 정보를 사용하는 광의 송신부의 광의 세기를 고려할 수 있고, 수신부의 센서에 도달하는 광량을 제어할 수 있다.

일 실시예에 따라, 구동 거리(Working Distance)를 조절하여 출사 방사각(Beam Divergence)을 조절하게 되면, 피사체의 대면적에 투사되는 광의 세기 또는 밀도를 조절할 수 있으므로, 수신부의 센서의 포화를 방지할 수 있게 된다.

위와 같은 데이터를 사용하여 보정(Calibration) 과정을 거치는 보다 우수한 거리측정 데이터를 획득할 수 있다.

빔의 출사 방사각(Beam Divergence)은 빔의 형태 또는 빔의 프로파일(Profile)에 따라 정의될 수 있다.

도 27은 일 실시예에 따른 원거리 모드에서 광원 모듈을 나타낸 도면이다.

도 28은 일 실시예에 따른 근거리 모드에서 광원 모듈을 나타낸 도면이다.

도 27 밍 도 28을 참조하면, 광원 모듈(2000)은 기판(2100), 광원부(2200), 제1 광학장치(2300), 제2 광학장치(2400), 코일(2500), 전자석(2600), 프로세서(2700)을 포함할 수 있다.

기판(2100) 상의 광원부(2200)은 광을 출사하여 제1 광학장치(2300) 및 제2 광학장치(2400)을 통과하여 피사체에 광을 도달시킬 수 있다.

광원부(2200)은 수직 공동 표면 발광 레이저(VCSEL)을 포함할 수 있으나, 필요에 따라 수직 공동 표면 발광 레이저(VCSEL)을 광원부(2200)로 부를 수 있다.

일 실시예에 따라, 수직 공동 표면 발광 레이저(VCSEL)과 제1 광학장치(2300) 사이의 거리를 구동 거리(Working Distance)로 정의할 수 있다.

일 실시예에 따라, 원거리 모드에서는 구동 거리(Working Distance)가 근거리 모드에서보다 증가할 수 있다.

광원 모듈(2000)은 필요에 따라 코일(2500) 및 전자석(2600)을 포함할 수 있다. 코일(2500) 및 전자석(2600)의 위치는 도 27 및 도 28의 위치에 한정되지 않는다.

프로세서(2700)은 드라이버 IC(Integratec Circuit)으로 불릴 수 있고, 센서와 광원 모듈을 동기화하여 제어할 수 있다. 예시적으로, 광원부(2200)에 제공되는 전류를 제어할 수 있고, 광원부(2200)의 전원을 끄거나 켤 수 있다.

예시적으로, 제1 광학장치(2300) 또는 제2 광학 장치(2400)은 콜리메이터 렌즈, 마이크로 렌즈 어레이, 회절 광학 장치 등일 수 있다.

일 실시예에 따라 광원의 어퍼쳐 영역이 복수로 구분되고 출사되는 빔이 상응하는 동일한 구분 영역으로 나누어진 마이크로렌즈 어레이 영역으로 광이 입사되어 최종 대면적의 피사체에 상응하는 구분 영역으로 순차 혹은 일괄 출사 투영될 수 있다.

또한, 광원 모듈(2000)은 광학장치(2300)에 대해 광의 출사방향과 수평이거나 수직인 움직임을 발생시킬 수 있고, 전술한 광원 모듈 및 원거리 모드 및 근거리 모드에 대한 설명은 도 27 및 도 28의 광원 모듈(2000)에도 적용될 수 있다.

1a: 작동 거리
2a: 피치 사이즈(Pitch size)
3a: 심도 거리(Focal length)
5a: 타겟 사이즈(Target size)
100: 광원 모듈
101: 제1 형태의 광
103: 제2 형태의 광
110: 수직 공동 표면 발광 레이저
111: 어퍼처
112: 본체부
120: 광학장치
130: 피사체
131: 목표 영역
133: 광 도달 영역
200: 광원 모듈
210: 수직 공동 표면 발광 레이저
215: 광원부
220: 콜리메이터 렌즈
230: 피사체
231: 목표 영역
233: 제1 광 도달 영역
235: 제2 광 도달 영역
300: 광원 모듈
310: 수직 공동 표면 발광 레이저
315: 광원부
320: 콜리메이터 렌즈
330: 피사체
350: 지지부
360: 전자석
370: 본체부
380: 코일
400: 광원 모듈
410: 수직 공동 표면 발광 레이저
415: 광원부
420: 콜리메이터 렌즈
430: 피사체
340: 수신부
2000: 광원 모듈

Claims (15)

1. 광을 전달하는 광원;
   상기 광원에서 나온 광을 통과시키는 복수 개의 영역으로 구분된 콜리메이터 렌즈(Collimator Lens); 및
   상기 콜리메이터 렌즈의 움직임을 발생시키는 구동장치를 포함하고,
   상기 구동장치는 상기 광원에서 전달되는 광이 상기 콜리메이터 렌즈의 복수 개의 영역을 순차적으로 통과하도록 구동되는, 광원 모듈.
2. 제1항에 있어서,
   상기 구동장치는 상기 광원에서 전달되는 광이 상기 콜리메이터 렌즈의 정중앙 영역 또는 외각 영역을 통과하도록 정렬하는, 광원 모듈.
3. 제1항에 있어서,
   상기 광원에서 전달되는 광은 상기 콜리메이터 렌즈 이외에 빔의 형태를 가공하는 별개의 광학장치를 통과하지 않는, 광원 모듈.
4. 제1항에 있어서,
   상기 구동장치는 광경로와 수직한 방향의 움직임을 발생시키는 제1 모드 및 광경로와 수평한 방향의 움직임을 발생시키는 제2 모드로 구동되는, 광원 모듈.
5. 제1항에 있어서,
   상기 구동장치는 피사체에 스팟(Spot) 형태의 빔을 전달하는 제1 모드 및 피사체에 플로드(Flood) 형태의 빔을 전달하는 제2 모드로 구동되는, 광원 모듈.
6. 제1항에 있어서,
   상기 구동장치는 상기 콜리메이터렌즈의 정렬 위치를 조정하여 상기 콜리메이터 렌즈로 입사되는 빔의 방향을 조정하는, 광원 모듈.
7. 제1항에 있어서,
   상기 구동장치는 전자석 코일, 또는 압전소자를 통해 전류를 제어하고,
   상기 구동장치로 전달되는 전류의 세기 또는 방향에 따라 상기 콜리메이터 렌즈의 움직임을 발생시키는, 광원 모듈.
8. 제1항에 있어서,
   상기 구동장치는 상기 광원에서 전달되는 광이 피사체에 일정 영역으로 나누어 도달하도록 구동되는, 광원 모듈.
9. 제5항에 있어서,
   상기 제1 모드에서는 상기 광원과 상기 콜리메이터 렌즈 사이의 거리는 일정한, 광원 모듈.
10. 제5항에 있어서,
    상기 제2 모드에서는 상기 광원과 콜리메이터 렌즈 사이의 거리만이 조절되는, 광원 모듈.
11. N개(N은 1 이상의 자연수임)의 어퍼처를 포함하는 광원;
    상기 광원에서 방사되는 광을 통과시켜 피사체에 전달하는 콜리메이터 렌즈; 및
    상기 콜리메이터 렌즈의 방향 및 위치를 제어하는 제어장치를 포함하고,
    상기 제어장치는 상기 콜리메이터 렌즈의 위치를 변경하여 상기 광을 피사체의 구분된 영역으로 순차적으로 전달하는, 광원 모듈.
12. 제11항에 있어서,
    상기 제어장치는 제1 모드에서 상기 콜리메이터 렌즈의 X축 방향 또는 Y축 방향의 움직임을 발생시켜 피사체에 점 광원 형태의 빔을 전달하고, 제2 모드에서 상기 콜리메이터 렌즈의 Z축 방향의 움직임을 발생시켜 피사체에 면 광원 형태의 빔을 전달하는, 광원 모듈.
13. 제11항에 있어서,
    상기 제어장치는 상기 광원에서 전달되는 광이 상기 콜리메이터 렌즈의 중앙 또는 외곽을 통과하도록 상기 콜리메이터 렌즈의 위치를 변경하는, 광원 모듈.
14. 제11항에 있어서,
    상기 제어장치는 상기 콜리메이터 렌즈의 움직임에 대응하여 상기 광원의 출력을 제어하는, 광원 모듈.
15. 제11항에 있어서,
    상기 피사체의 구분된 영역별로 획득된 거리 정보를 통합하여 통합된 거리 정보를 획득하는 이미지 센서를 더 포함하는, 광원 모듈.
    
    

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