KR102459058B1

KR102459058B1 - Tof 시스템을 위한 다중 패턴 조명 광학장치

Info

Publication number: KR102459058B1
Application number: KR1020177016314A
Authority: KR
Inventors: 조수아 엠 허드만
Original assignee: 마이크로소프트 테크놀로지 라이센싱, 엘엘씨
Priority date: 2014-11-21
Filing date: 2015-11-12
Publication date: 2022-10-25
Also published as: EP3221716A1; CN107003391A; KR20170086570A; US20160146927A1; WO2016081258A1; EP3221716B1; CN107003391B; US9841496B2

Abstract

TOF(time of flight) 카메라 시스템을 위한 복수의 플러드 조명 패턴을 생성하기 위한 방법, 시스템, 장치 및 컴퓨터 프로그램 제품이 제공된다. 광이 발생되고, 발생된 광으로부터 이미지 환경에 투사되는 조명 광이 형성된다. 조명 광은 발산 광의 광축에 중심을 둔 제1 영역에서의 세기가 상기 제1 영역을 적어도 부분적으로 둘러싸는 제2 영역에서의 세기보다 더 약한 광 프로파일이 특징인 발산 광을 형성하도록 상기 발생된 광을 발산하고, 상기 발산 광을 상기 조명 환경에 투사되는 복수의 조명 광 패턴으로 변환함으로써 형성된다. 상기 조명 광 패턴들은 각각 조명 환경의 대응하는 영역에 투사된다.

Description

TOF 시스템을 위한 다중 패턴 조명 광학장치{MULTIPLE PATTERN ILLUMINATION OPTICS FOR TIME OF FLIGHT SYSTEM}

본 발명은 TOF 시스템을 위한 다중 패턴 조명 광학장치에 관한 것이다.

TOF(time-of-flight) 깊이 카메라에 있어서, 광은 이미지 환경 내의 하나 이상의 물체를 조명하기 위해 광원으로부터 이미지 환경으로 투사된다. 산광기(diffuser)는 이미지 환경 전체에 광을 확산하기 위해 사용될 수 있다. 이미지 환경으로부터 반사된 광은 이미지 센서에 집속된다. 수신되는 광의 타이밍이 결정되고, 그 타이밍은 환경 내의 각종 지점까지의 거리를 결정하기 위해 사용된다.

이 요약은 뒤의 상세한 설명 부분에서 추가로 설명되는 개념들의 선택을 단순화한 형태로 소개하기 위해 제공된다. 이 요약은 청구된 주제의 핵심적 특징 또는 본질적 특징을 식별하기 위한 것으로 의도되지 않고, 또한 청구된 주제의 범위를 제한하기 위해 사용되는 것으로 의도되지 않는다.

TOF(time of flight) 카메라 시스템을 위한 복수의 플러드 조명(flood illumination) 패턴을 생성하기 위한 방법, 시스템, 장치 및 컴퓨터 프로그램 제품이 제공된다. 광이 발생되고, 발생된 광으로부터 이미지 환경에 투사되는 조명 광이 형성된다. 조명 광은 발산 광의 광축에 중심을 둔 제2 영역에서 보다 상기 광축으로부터 떨어진 제1 영역에서 더 강한 광 프로파일이 특징인 발산 광을 형성하도록 상기 발생된 광을 발산하고, 상기 발산 광을 상기 조명 환경에 투사되는 복수의 조명 광 패턴으로 변환함으로써 형성된다. 상기 조명 광 패턴들은 각각 조명 환경의 대응하는 영역에 동시에 투사된다.

본 발명의 각종 실시형태의 추가의 특징 및 장점뿐만 아니라 본 발명의 각종 실시형태의 구조 및 동작은 이하에서 첨부 도면을 참조하면서 상세히 설명된다. 본 발명은 여기에서 설명하는 구체적인 실시형태로 제한되지 않는다는 점에 주목한다. 그러한 실시형태는 단지 예시 목적으로 여기에서 제시된다. 당업자에게는 여기에서 설명하는 기술에 기초하여 추가의 실시형태가 명백할 것이다.

본 명세서에 통합되어 본 명세서의 일부를 구성하는 첨부 도면은 본 발명의 실시형태를 나타내고, 그 설명과 함께 실시형태의 원리를 설명하고 당업자가 실시형태를 구성 및 사용할 수 있게 하기 위해 소용된다.
도 1은 예시적인 실시형태에 따른 예시적인 사용 환경에서 예시적인 TOF 깊이 카메라를 개략적으로 보인 도이다.
도 2는 예시적인 TOF 깊이 카메라의 예시적인 조명기를 개략적으로 보인 도이고, 예시적인 조명기를 본 발명의 실시형태에 따라 광 엔벨로프의 형상 변화로서 묘사한 도이다.
도 3은 본 발명의 실시형태에 따른 다른 예시적인 조명기를 개략적으로 보인 도이다.
도 4는 본 발명의 실시형태에 따른 예시적인 조명기의 광 성형 스테이지의 예를 개략적으로 보인 도이다.
도 5는 본 발명의 실시형태에 따른 광 성형 스테이지의 다른 예를 개략적으로 보인 도이다.
도 6은 본 발명의 실시형태에 따른 예시적인 광 성형 스테이지에 포함된 예시적인 렌즈 요소의 개략 투시도이다.
도 7은 본 발명의 실시형태에 따른 예시적인 조명 프로파일을 조명하는 조명 광의 광축과 비간섭성(incoherent) 조도 사이의 예시적인 관계를 보인 도이다.
도 8은 실시형태에 따른, 광선을 확산시키는 회절 요소의 일 예를 개략적으로 보인 도이다.
도 9는 실시형태에 따른, 다중 광 프로파일 조명 광을 발생하도록 복수의 광선을 발생하여 확산시키는 조명기의 예를 개략적으로 보인 도이다.
도 10은 실시형태에 따른, 표면에 반복 프리즘 패턴을 가진 회절 요소의 단면도이다.
도 11은 실시형태에 따른, 표면에 피라미드형 프리즘의 반복 패턴을 가진 회절 요소의 단면도이다.
도 12는 실시형태에 따른, 표면에 계단형 프리즘의 반복 패턴을 가진 회절 요소의 단면도이다.
도 13은 실시형태에 따른, 표면에 피라미드 모양의 계단형 프리즘의 반복 패턴을 가진 회절 요소의 단면도이다.
도 14는 예시적인 실시형태에 따른, 조명 환경의 중앙 원시야(far field) 영역에 투사된 제1 조명 패턴의 이미지를 보인 도이다.
도 15는 예시적인 실시형태에 따른, 조명 환경의 제1의 주변 근시야(near field) 영역에 투사된 제2 조명 패턴의 이미지를 보인 도이다.
도 16은 예시적인 실시형태에 따른, 조명 환경의 제2의 주변 근시야 영역에 투사된 제3 조명 패턴의 이미지를 보인 도이다.
도 17은 본 발명의 실시형태에 따른, 3개의 조명 패턴을 조합한 예시적인 조명 프로파일을 보인 도이다.
도 18은 예시적인 실시형태에 따른, 조명 광을 이미지 환경에 투사하는 방법을 제공하는 흐름도이다.
도 19는 예시적인 실시형태에 따른, 발산 광으로부터의 복수의 조명 광 패턴을 포함한 조명 광을 형성하는 방법을 제공하는 흐름도이다.
이제, 본 출원의 주제를 첨부 도면을 참조하면서 설명한다. 도면에 있어서, 동일한 참조 번호는 동일하거나 기능적으로 유사한 요소를 표시한다. 또한, 참조 번호의 가장 좌측의 숫자는 그 참조 번호가 최초로 나타나는 도면을 표시한다.

I. 서언

이하의 상세한 설명은 여러 가지 예시적인 실시형태를 개시한다. 본 특허 출원의 범위는 개시된 실시형태로 제한되지 않고, 개시된 실시형태들의 조합뿐만 아니라 개시된 실시형태에 대한 수정예도 또한 포함한다.

명세서에서 "일 실시형태", "소정의 실시형태", "예시적 실시형태" 등은 설명되는 실시형태가 특정의 특징, 구조 또는 특성을 포함할 수 있음을 표시하지만, 모든 실시형태가 반드시 그 특정의 특징, 구조 또는 특성을 포함할 필요는 없다. 더욱이, 그러한 구는 반드시 동일한 실시형태를 인용할 필요가 없다. 또한, 특정의 특징, 구조 또는 특성이 소정의 실시형태와 관련하여 설명될 때, 이것은 명시적으로 설명되어 있는지 여부와 관계없이 다른 실시형태와 관련하여 그러한 특징, 구조 또는 특성을 실행하는 당업자의 지식 내에 있는 것으로 한다.

많은 예시적인 실시형태가 이하에서 설명된다. 여기에서 제공되는 임의의 섹션/서브섹션 표제는 제한하는 것으로 의도되지 않는다는 점에 주목한다. 실시형태가 이 문서 전반에 걸쳐 설명되고, 임의 유형의 실시형태가 임의의 섹션/서브섹션하에서 포함될 수 있다. 더 나아가, 임의의 섹션/서브섹션에서 개시되는 실시형태는 임의의 방식으로 동일한 섹션/서브섹션 및/또는 다른 섹션/서브섹션에서 설명하는 임의의 다른 실시형태와 결합될 수 있다.

II. 이미지 환경을 복수의 동시 조명 패턴으로 조명하는 예시적 실시형태

위에서 언급한 바와 같이. TOF 깊이 카메라는 TOF 깊이 카메라로부터 이미지 환경에 투사되는 광펄스(예를 들면, 적외선 및/또는 가시광)를 이용한다. 조명 광은 이미지 환경 내의 물체들의 각종 표면으로부터 반사하고 이미지 센서에 의해 수신된다. TOF 깊이 카메라는 시간 의존적 복귀 광 정보를 정량화함으로써 거리 데이터를 발생한다. 다시 말해서, 광이 감광 표면에 더 가까운 특징으로부터 반사된 광이 더 멀리 있는 물체 특징으로부터 반사된 광보다 더 빨리 검출되기 때문에, TOF 깊이 카메라는 물체 특징에 대한 거리 정보를 결정할 수 있다.

이미지 환경은 상당한 크기의 체적을 갖고 단일 광도 프로파일로 달성하기 어려운 단면 형상(예를 들면, 직사각형)을 가질 수 있기 때문에, 이미지 환경을 조명 광으로 채우는 것이 어려울 수 있다. 예를 들면, 이미지 환경은 광원으로부터의 방사광과 다른 단면 형상을 가질 수 있다. 이미지 환경은 또한 잠재적 복수 사용자의 잠재적으로 큰 이동 범위를 포착하기 위해 비교적 클 수 있다.

TOF 깊이 카메라와 함께 사용되는 조명원은 원 패턴 또는 원형 방사 엔벨로프로 광을 방사할 수 있다. 그러므로 전체 비원(non-circular) 이미지 환경 전역에서 비교적 균일한 조명 세기를 달성하는 방식으로 원형 방사 패턴을 비원 이미지 환경에 오버레이하면, 깊이 분석에 이용되지 않는 환경 부분의 조명을 야기할 수 있다. 이것은 광원 동력을 낭비할 수 있고, 또한 더 강력하고 고가인 광원의 사용을 수반할 수 있다.

더 나아가, 이미지 환경의 다른 영역들을 바람직한 방법으로 다르게 조명하는 것이 어려울 수 있다. 예를 들면, 이미지 환경의 주변 영역으로부터 반사된 광은 이미징 광학장치에 대한 입사각 때문에 이미징 센서에서 더 낮은 세기를 가질 수 있기 때문에, 투사광의 세기는 이미지 환경의 중앙에서보다 이미지 환경의 주변에 가까운 영역에서 더 크게 하는 것이 바람직할 수 있다. 환경 내에서 조명되는 각각의 거리는 전형적으로 그 자신의 조명 프로파일을 필요로 하고, 이 때문에 복수의 조명 프로파일을 사용해야 한다. 전형적으로, 이것은 복수의 다르게 설계된 산광기를 이용함으로써 달성된다.

또한, 이미지 환경 내의 다른 지역들을 다른 거리에서 동시에 조명하는 것이 바람직할 수 있다. 전형적으로 이것은 다른 산광기 설계에 의해 제공되는 다른 조명 프로파일을 이용함으로써 수행된다.

따라서, 방사광을 재성형(reshape)하고 재성형된 광의 투사 엔벨로프 및 조명 단면을 조정하는 TOF 깊이 카메라의 각종 실시형태 및 조명 광으로 이미지 환경을 조명하는 방법이 여기에서 제공된다. 또한, 복수의 조명 프로파일에 의해 규정된 광이 이미지 환경의 다른 영역들을 동시에 조명하도록 이미지 환경에 투사되게 하는 실시형태가 여기에서 제공된다. 일 예로서, TOF 깊이 카메라는 가간섭성(coherent) 광을 발생하도록 구성된 광원을 포함한다. 예시적인 TOF 깊이 카메라는 가간섭성 광의 적어도 일부를 수신하도록 위치되고 발산 광을 형성하기 위해 상기 가간섭성 광을 발산하도록 적응된 제1 광학 스테이지(예를 들면, 주기적으로 배열된 렌즈 요소들의 어레이)를 또한 포함한다. 예시적인 TOF 깊이 카메라는 가간섭성 광의 적어도 일부를 수신하도록 위치되고 조명 광을 형성하기 위해 상기 발산 광으로부터 하나 이상의 회절 아티팩트의 세기를 감소시키도록 적응된 제2 광학 스테이지를 선택적으로 또한 포함할 수 있다. 더 나아가, TOF 깊이 카메라는 조명 광의 적어도 일부를 수신하도록 위치된 회절 요소(또는 "회절 표면")를 포함한다. 회절 요소는 수신된 광을 조명 환경에 투사할 복수의 조명 광 패턴으로 변환하도록 구성된다. 상기 복수의 조명 광 패턴은 조명 환경의 대응하는 영역에 각각 투사되고, 이로써 조명 환경의 복수의 영역을 동시에 조명한다. 예시적인 TOF 깊이 카메라는 조명 환경으로부터 반사된 복귀 조명 광의 적어도 일부를 검출하도록 구성된 이미지 센서를 또한 포함한다.

도 1은 TOF 깊이 카메라(100)의 일 실시형태를 개략적으로 보인 것이다. 도 1의 실시형태에서, TOF 깊이 카메라(100)는 이미지 환경(106) 내에 위치된 제1 및 제2 물체(104A, 104B)의 적어도 일부를 다중 광 프로파일 조명 광(108)으로 조명하도록 구성된 조명기(102)를 포함하고, 복귀 광(112)을 검출하도록 구성된 이미지 센서(110)를 포함할 수 있다. 예를 들면, 제1 물체(104A)는 이미지 환경(106)의 제1 영역(예를 들면, 카메라(100)로부터 비교적 먼 원시야 위치)에 위치되고, 제2 물체(104B)는 이미지 환경(106)의 제1 영역(예를 들면, 카메라(100)로부터 비교적 가까운 근시야 위치)에 위치될 수 있다. 물체(104A)의 일부에 부딪치는 다중 광 프로파일 조명 광(108A)의 제1 광선은 복귀 광(112A)으로서 반사되고, 물체(104B)의 일부에 부딪치는 다중 광 프로파일 조명 광(108B)의 제2 광선은 복귀 광(112B)으로서 반사된다. 반사광(112)으로부터의 광자는 뒤에서 자세히 설명하는 것처럼 물체(104A, 104B)의 깊이 정보를 발생하기 위해 수집 및 사용될 수 있다.

비록 도 1에 도시된 예는 TOF 깊이 카메라(100)에 포함된 단일 조명기(102)를 도시하고 있지만, 복수의 조명기(102)가 이미지 환경을 조명하기 위해 TOF 깊이 카메라(100)에 포함될 수 있다는 것을 이해할 것이다.

TOF 깊이 카메라(100)는 이미지 환경(106)으로부터 반사된 복귀 조명 광(112)의 적어도 일부를 검출하도록 구성된 이미지 센서(110)를 또한 포함한다. 이미지 센서(110)는 장면에 대한 깊이 정보(예를 들면, 깊이 지도)를 발생할 때 사용하기 위해 복귀 조명 광(112)을 수집하는 검출기(114)를 포함한다.

도 1에 도시된 실시형태에서, 조명기(102)는 가간섭성 광을 발생하도록 구성된 광원(118)과, 상기 가간섭성 광을 성형하여 이미지 환경(106) 쪽으로 지향시키도록 구성된 광학 어셈블리(120)를 포함한다. 광원(118)은 비제한적인 예를 들자면 적외선 및 가시광 파장을 포함한 임의의 적당한 파장으로 가간섭성 광을 방사할 수 있다.

일부 실시형태에서, 광원(118)은 광 클러스터(light cluster)에 배열된 하나 이상의 개별 광 생성 요소를 포함할 수 있다. 여기에서 사용하는 용어 광 클러스터는 가간섭성 광을 방사하도록 구성된 복수의 광 방사체의 배열 또는 그룹을 말한다. 일부 실시형태에서, 상기 복수의 광 방사체는 공통 하우징 내에 포함될 수 있다. 이러한 광 클러스터는 임의의 적당한 형상을 가질 수 있고, 임의의 적당한 수의 광 방사체를 포함할 수 있다. 소정의 실시형태에서, 광원(118)은 복수의 광 방사체가 평행하게 배열된 선 형상의 광 막대(light bar)를 포함할 수 있다. 예를 들면, 하나의 구체적인 예로서, 광 막대는 11개의 평행한 광 방사체로부터 평행 광빔을 방사하도록 구성될 수 있다.

설명의 목적으로, 광 이미지 환경(106)은 조명 깊이 영역과 조명 엔벨로프 영역으로 나누어질 수 있다. 조명 깊이 영역은 투사광의 초점 깊이를 말한다. 도 1에 도시된 실시형태에서, 다중 광 프로파일 조명 광(108)은 가까운 에지(124)와 먼 에지(126)에 의해 경계 지어진 조명 깊이 영역(122)에 투사된다. 조명 깊이 영역(122)은 임의의 적당한 범위를 가질 수 있다. 하나의 비제한적인 예에서, 조명 깊이 영역(122)은 약 3.5m 깊이일 수 있다.

조명 엔벨로프 영역은 다중 광 프로파일 조명 광(108)으로 조명되는 단면적을 말한다. 도 1에 도시된 실시형태에서는 직사각형 조명 엔벨로프 영역(128)이 수평 치수(130)와 수직 치수(132)로 표시되어 있다. 그러나 본 발명의 범위로부터 벗어나지 않고 임의의 적당한 형상의 조명 엔벨로프 영역(128)(예를 들면, 타원 형상, 다각형상, 또는 다른 닫혀진 형상)이 형성될 수 있다는 것을 이해할 것이다.

광학 어셈블리(120)는 광원(118)에 의해 방사된 광의 방사 엔벨로프를 다른 형상의 조명 엔벨로프 형상으로 변환하도록 구성될 수 있다. 도 2는 광원(120)이 원 방사 형상(202)을 가진 조명기(102)의 실시형태를 개략적으로 보인 것이다. 도 2에 도시된 예에서, 광학 어셈블리(120)는 원 형상을 조명 엔벨로프 영역(128)에 투사되는 직사각형 형상(204)으로 변환한다. 도시된 발산은 예시 목적으로 제시된 것이고 각종 실시형태에서 광의 실제 발산을 대표하지 않는다는 것을 이해할 것이다.

도 3은 조명기(102)의 실시형태를 개략적으로 보인 것으로, 광학 어셈블리(120)의 예시적인 실시형태를 나타낸다. 도 3에 도시된 실시형태에서, 광학 어셈블리(120)는 가간섭성 광(306)을 발산 광(308)으로 성형 및 확산하도록 구성된 광 성형 스테이지(302)와, 조명 광(312)을 발생하기 위해 발산 광(308)으로부터 하나 이상의 회절 아티팩트의 세기를 줄이도록 구성된 선택적인 회절 아티팩트 저감 스테이지(304)와, 뒤에서 더 자세히 설명하는 바와 같이 발산 광(308)을 다중 광 프로파일 조명 광(108)으로서 복수의 조명 프로파일로 변환하도록 구성된 회절 요소(310)를 포함한다.

일부 실시형태에서, 광 성형 스테이지(302)는 주기적인 마이크로렌즈 어레이와 같은 렌즈 요소들의 주기적인 어레이를 포함할 수 있다. 예를 들면, 도 4는 프레임(404)에 의해 유지된 복수의 렌즈 요소(402)들을 포함한 광 성형 스테이지(302)의 실시형태의 개략적인 정면도이다. 도 4에 도시된 바와 같이, 각각의 렌즈 요소(402)는 단축 렌즈 요소 피치(408)와 상이한 장축 렌즈 요소 피치(406)와 관련하여 규정되고, 그래서 각각의 렌즈 요소(402)는 직사각 형상을 갖는다. 도 4에 도시된 실시형태에서, 피치는 각각의 렌즈 표면의 정점에 대응할 수 있는 각각의 셀의 중심과 관련하여 규정된다. 다른 실시형태에서는 본 발명의 범위로부터 벗어나지 않고 다른 적당한 피치 정의를 사용할 수 있다.

렌즈 요소(402)의 피치는 조명 엔벨로프 영역(128)의 형상을 선택하기 위해 사용될 수 있다. 예를 들면, 렌즈 요소(402)들의 원 패턴은 대응하는 원 조명 엔벨로프 영역을 발생하고, 렌즈 요소(402)들의 육각형 패턴은 육각형 조명 엔벨로프 영역을 발생할 것이다. 도 4에 도시된 실시형태는 직사각형 렌즈 요소(402)를 보인 것이고, 그래서 직사각형 조명 엔벨로프 영역이 원시야에 발생될 것이다. 또한, 단축 렌즈 요소 피치(408)와 장축 렌즈 요소 피치(406)에 의해 나타나는 피치 종횡비는 조명 엔벨로프 영역(128)의 종횡비에 영향을 줄 수 있다. 직사각형 렌즈 요소(402)를 포함한 일부 실시형태에서, 광 성형 스테이지(302)에서 단축 렌즈 요소 피치(408)에 대한 장축 렌즈 요소 피치(406)의 비율은 1.1:1 이상일 수 있다. 예를 들면, 각각의 렌즈 요소(402)는 190㎛의 수평 치수와 160㎛의 수직 치수를 가질 수 있고, 이 치수들은 각각 약 1.18:1의 피치 종횡비를 제공하는 수용 가능한 공차 내에 있다. 그 다음에, 이 예에서, 약 70°×60°의 수평각 대 수직각 조명 시야를 가진 조명 엔벨로프 영역(128)이 원시야에 형성될 수 있다.

도 5는 회절 아티팩트 저감 스테이지(304)와 단일 피스로 통합된 예시적인 광 성형 스테이지(302)의 실시형태의 단면도이다. 그러나 일부 실시형태에서는 상기 스테이지들이 별도의 구조를 가질 수 있다. 도 5에 도시된 실시형태에서, 개별 렌즈 요소(402A)에 의해 수신된 가간섭성 광(306)의 광선은 요소에 의해 확산되고, 그 다음에 회절 아티팩트 저감 스테이지(304)에 의해 조명 광(310)으로 후속적으로 확산된다. 광 성형 스테이지(302)에 포함된 각각의 렌즈 요소(402)는 광학 어셈블리(120)의 원하는 각도의 조명 시야(각도 공간에서)를 생성하도록 구성된다. 다른 방법으로, 광 성형 스테이지(302) 내의 각각의 렌즈 요소(402)는 선택된 각도 발산을 유입 광에 부여하도록 구성된다. 여기에서 사용하는 용어 발산 광은 더 평행한 빔으로부터 덜 평행한 빔으로 확산하는 가간섭성 광을 말한다. 발산 광(308)은 뒤에서 더 자세히 설명하는 바와 같이 임의의 적당한 조명 세기의 단면을 가질 수 있고, 발산 광(308)의 광축과 극 광선(extreme ray) 사이에서 측정한 때 임의의 적당한 발산각만큼 확산될 수 있다.

유입 광을 확신시킴으로써, 광 성형 스테이지(302)는 광을 조명 엔벨로프 영역(128) 내의 모든 영역으로 투과시킨다. 일부 실시형태에서, 광 성형 스테이지(302)는 가간섭성 광(306)을 30도 이상의 발산각을 가진 발산 광(308)으로 변환하도록 적응될 수 있다. 그렇게 변환된 광은 이미지 환경(106) 내에서 큰 각도의 조명 시야를 조명하여 잠재적으로 이미지 센서(110)에 의한 잠재적 이미지 포착을 위한 큰 조명 엔벨로프를 제공한다. 하나의 비제한적인 예로서, 120도 수직 조명 시야 대 140도 수평 조명 시야가 조명 광(312)의 광축과 관련하여 60도의 수직 발산각과 70도의 수평 발산각으로부터 획득될 수 있다. 도 6은 개별 렌즈 요소(402)의 실시형태의 개략 투시도이다. 볼록 렌즈 표면(602)은 입사 가간섭성 광(306)을 수신하도록 광원(118)(도 6에는 도시 생략됨) 쪽으로 배치된다. 렌즈 표면(602)을 광원(118)에 대면하게 배치하면 렌즈 표면(602)이 광원(118)을 등지게 하는 예시에 비해 광이 렌즈 요소 내에서 내부 전반사를 하기 전에 비교적 더 높은 입사각을 야기할 수 있다. 그 다음에, 각진 조명 시야 및 그에 따른 조명 엔벨로프 영역은 렌즈 표면(602)이 광원(118)을 대면하고 있을 때 더 커질 수 있다. 또한, 렌즈 표면(602)을 광원(118)에 대면하도록 배치하면 렌즈 표면(602)이 다른 방향으로 대면하고 있는 경우에 적용될 수 있는 일부 표면 코팅(예를 들면, MgF₂와 같은 무반사 코팅)을 감소 또는 제거할 수 있다.

렌즈 표면(602)은 렌즈 요소(402)의 피치 치수에 의해 부분적으로 성형된다. 그 다음에, 셀의 피치 치수가 렌즈 표면(602)의 비구면 특성에 영향을 줄 수 있다. 결국, 렌즈 요소(402)의 발산력은 적어도 부분적으로 피치 치수에 의해 확립된다. 렌즈 요소(402)가 직사각형 셀 형상을 갖는 것으로 도시된 도 6에 도시된 실시형태에서, 볼록 렌즈 표면(602)은 광축(606)과 극 광선(608) 사이에 규정된 제1 발산각(604)를 가질 것이고, 이 발산각은 광축(606)과 극 광선(612) 사이에 규정된 제2 발산각(610)과 다를 것이다. 이미지 환경(106)에 투사된 때, 상기 발산각에 따라 각각의 방향으로 확산하는 조명 광은 조명 엔벨로프 영역(128)에 대하여 경계를 확립할 것이다.

일부 실시형태에서, 렌즈 요소(402)에 의해 실현되는 발산도는 렌즈를 형성하는 물질의 굴절률에 의해 영향을 받을 수 있다. 렌즈 곡률이 증가함에 따라 광은 내부 전반사 한계에 접근한다. 그러나 굴절률이 증가하면 선택된 발산각이 비교적 적은 광 휨으로 달성될 수 있다. 예를 들면, 일부 실시형태에서, 렌즈 요소(402)는 굴절률이 약 1.49인 광학 등급(optical grade) 폴리(메틸 메타크릴레이트)(PMMA)로 제조될 수 있다. 다른 실시형태에서, 렌즈 요소(402)는 굴절률이 약 1.6인 광학 등급 폴리카보네이트(PC)로 제조될 수 있다. PC로 제조된 렌즈 요소(402)는 PMMA로 제조된 요소에 비하여 동일한 발산각을 얻기 위해 더 적은 곡률을 가질 수 있다. 전술한 중합체, 광학 등급 유리 등을 포함한 렌즈 요소(402)를 제조하기 위해 임의의 적당한 광학 등급 물질을 사용할 수 있다는 것을 이해할 것이다.

각각의 렌즈 요소(402)에서 가간섭성 광을 확산시키고 발산 광(308)을 재결합하는 집합 효과는 입사 가간섭성 광(306)과 관련된 가우시안 프로파일로부터의 단면 광도/조도 프로파일을 다른 형상의 조명 프로파일로 성형하는 것이다. 예를 들면, 일부 실시형태에서, 6개와 같은 적은 수의 렌즈 요소(402)이면 원하는 조명 프로파일을 형성하는데 충분할 수 있다. 그러나 단일 클리어 요소 내에서 렌즈 요소(402)의 수가 증가하면 원하는 조명 프로파일을 형성하는 광 성형 스테이지(302)의 능력을 개선할 수 있다.

광 성형 스테이지(302)는 가간섭성 광(306)을 본 발명의 범위로부터 벗어나지 않고 임의의 적당한 단면 광 프로파일을 가진 발산 광(208)으로 성형할 수 있다는 것을 이해할 것이다. 일부 실시형태에서, 발산 광(308)은 상부가 평평한 메사(mesa)형 단면 세기 프로파일을 가질 수 있다. 그러한 실시형태에서, 발산 광(308)의 조도는 광축 부근의 영역에서 수용 가능한 공차 내의 비교적 일정한 세기를 가질 수 있다. 조도는 그 다음에 원하는 이미지 환경 밖에 있는 광축으로부터 더 먼 영역(예를 들면, 메사의 측벽에 대응하는 영역)에서 비교적 급격하게 세기가 감소할 수 있다.

일부 다른 실시형태에서, 발산 광(308)은 발산 광의 광축에 더 가까운 곳보다 광축으로부터 더 먼 곳에서 더 강한 단면 광 프로파일에 의해 특징화될 수 있다. 도 7은 발산 광의 예시적인 광 프로파일(702)에서 비간섭성 조도와 단면 위치 사이의 관계를 보인 예시적인 선도(700)이다. 도 7에 도시된 예에서, 광 프로파일(702)은 광축(704) 및 그 주변에 있는 제1 영역(706)에서의 위치에서보다 광축(704)으로부터 먼 제2 영역(708)에서의 위치에서 더 큰 조사(irradiant) 세기를 나타낸다. 도 7에 도시된 것처럼, 제2 영역(708)은 광축(704)에 중심을 둔 제1 영역(706)의 양측에 있다. 도 7은 광 프로파일(702)의 단면도이고, 광 프로파일(702)은 광축(704)에 대하여 대칭인 대문자 "M"과 유사한 단면 조도 프로파일을 나타낸다. 소정의 실시형태에서, (예를 들면, 도 7에서 광축(704)을 내려다보는) 정면도 관점으로부터, 광 프로파일(702)은 광축(704)에 중심을 둔 직사각형 프로파일로서 나타나고 제2 영역(708)은 제1 영역(706) 주위의 직사각형 링을 형성한다.

이론에 얽매이지 않고, 조명 광의 "M"자형 프로파일의 발생은 이미지 센서(110)에서 수신되고 이미지 환경 내의 물체에 의한 복귀 광에 부여되는 "W"자형 프로파일을 상쇄(offset)할 수 있다. 다시 말해서, 이미지 환경(106)에 "M"자형 프로파일을 가진 광을 공급하는 실효과는 이미지 센서(110)가 비교적 평평한 단면 세기 프로파일을 가진 복귀 광을 검출하는 것이고, 이것은 획득된 이미지 전역에서 비교적 일정한 콘트라스트 및 명도를 제공하는데 도움이 될 수 있다.

광 프로파일 및/또는 각진 조명 시야의 대안예는 광 성형 스테이지(302)의 피치비를 적당히 조정함으로써 달성될 수 있다. 예를 들면, 수평 대 수직 렌즈 요소 피치비를 1로 조정하면 메사형 광 프로파일 쪽으로의 진전을 야기하고, 더 높은 종횡비는 "M"자형 프로파일을 야기할 수 있다. 일부 실시형태에서, 광 성형 스테이지(302)는 "M"자형 광 프로파일의 발생에 기여하는 1.1:1 이상의 수평 대 수직 렌즈 요소 피치비를 가질 수 있다. 비제한적인 일예로서, 약 190㎛ 대 160㎛의 수평 대 수직 피치비는 "M"자형 세기 프로파일을 유도할 수 있다.

발산 광(208)에 부여되는 광 프로파일의 특정 형상에 관계없이, 광 프로파일 형상 및 각진 조명 시야를 제공하는 렌즈 요소(402)들의 주기적인 배열은 간섭 효과를 또한 유도할 수 있다. 이론에 얽매이지 않고, 개별 렌즈 요소(402)로부터의 가간섭성 광을 발산 광(208)으로 재결합하면 광빔 내에 회절 패턴 스폿을 도입할 수 있다. 이러한 회절 패턴 스폿은, 만일 있으면, 조명 광이 물체(104)를 불완전하게 조명하게 하고, 잠재적으로 이미지 센서에서 이미지 포착 오류를 유도하며, 장면에 대한 깊이 정보의 발생 곤란성을 야기할 수 있다.

따라서, 이러한 회절 아티팩트의 세기를 줄이는 각종 방법이 사용될 수 있다. 예를 들면, 일부 실시형태에서, 발산 광(308)의 시준(collimation) 정도는 광 성형 스테이지(302)에 의해 도입된 회절 아티팩트를 상쇄하도록 조정될 수 있다. 추가로 또는 대안적으로, 일부 실시형태에서, 가간섭성 광(306)의 시준 정도는 광이 광 성형 스테이지(302)에 들어가기 전에 조정될 수 있다. 그 다음에, 조정되지 않은 가간섭성 광에 비하여 회절 아티팩트의 비교적 더 낮은 세기 및/또는 수가 광 성형 스테이지(302)를 나오는 발산 광에서 나타날 수 있다.

또한, 일부 실시형태에서, 광학 어셈블리(120)는 발산 광(308)으로부터 하나 이상의 회절 아티팩트의 세기를 줄이기 위한 전술한 회절 아티팩트 저감 스테이지(304)를 포함할 수 있다. 일부 실시형태에서, 회절 아티팩트 저감 스테이지(304)는 발산 광(308)을 확산시킴으로써 그러한 아티팩트의 세기를 제거하거나 줄이도록 구성될 수 있다. 그래서, 회절 아티팩트 저감 스테이지(304)는 광 산란을 통해 발산 광(308)의 시준 정도를 조정하도록 적응된 광 확산 면을 포함할 수 있다.

발산 광(308)의 산란은 렌즈 요소(402)들의 주기적인 배열에 의해 도입된 회절 패턴들을 광 성형 스테이지(302)에서 뒤섞을 수 있다. 이론에 얽매이지 않고, 개별 렌즈 요소(402)를 통과한 광의 경면 광선에 의해 도입된 모아레 패턴(Moire pattern)은 경면 빔 주위에서 광의 후광(halo)을 발생하도록 회절 아티팩트 저감 스테이지(304)에 의해 회절될 수 있다. 광의 후광은 그 다음에 이웃 렌즈 요소(402)에 도입된 더 낮은 세기(예를 들면, 회절 아티팩트)의 지역을 채울 수 있다. 종합하면, 이러한 상보 효과는 광 프로파일을 매끄럽게 하여 시스템 내에서 회절 간섭의 세기를 줄일 수 있다.

일부 실시형태에서, 광 확산 면은 수용 가능한 공차 이상으로 광 프로파일을 변경하지 않고 발산 광을 적절히 산란시키도록 선택된 표면 거칠기를 나타낼 수 있다. 비제한적인 일 예로서, 광 확산 면은 100-200nm 범위의 표면 거칠기(RMS)를 가질 수 있다. 이러한 확산 면은 임의의 적당한 방법으로 형성될 수 있다. 예를 들면, 일부 실시형태에서, 확산 면은 방전 가공(electrical discharge machining, EDM)을 이용하여 발생될 수 있다.

조명 광(310) 내에서 잠재적 회절 스폿을 완화하기 위해 다른 기술을 사용할 수 있다는 것을 이해할 것이다. (예를 들면 도 3 및 도 5에 도시된 것처럼) 광 성형 스테이지(302)로부터 광을 수신하도록 위치된 회절 아티팩트 저감 스테이지(304)는 개념적으로 사후 성형 필터(post-shaping filter)를 말할 수 있다. 추가로 또는 대안적으로, 일부 실시형태는 광이 광 성형 스테이지(302)에 들어가기 전에 시준 정도를 조정하도록 구성된 사전 성형 필터(pre-shaping filter)를 사용할 수 있다. 예를 들면, 일부 실시형태에서, 시준기는 광원(118)과 광 성형 스테이지(302) 사이의 광로에 위치될 수 있다.

도 3에 도시된 것처럼, 회절 요소(310)는 회절 아티팩트 저감 스테이지(304)로부터 조명 광(312)을 수신한다(또는 스테이지(304)가 없으면 광 성형 스테이지(302)로부터 발산 광(308)을 직접 수신한다). 회절 요소(310)는 조명 광(312) 또는 발산 광(308)을 다중 광 프로파일 조명 광(108)을 발생하기 위해 복수의 조명 프로파일로 변환하도록 구성된다. 예를 들면, 도 1과 관련해서, 회절 요소(310)는 제1 조명 프로파일에 따라 물체(104A)가 위치된 제1 영역(예를 들면, 다중 광 프로파일 조명 광(108)의 광축에 또는 그 가까운 곳에 중심이 있는 원시야 영역)을 조명하기 위해 다중 광 프로파일 조명 광(108)을 발생하고, 제2 조명 프로파일에 따라 물체(104B)가 위치된 제2 영역(예를 들면, 주변에 위치된 근시야 영역)을 조명할 수 있다. 이것은 물체(104A, 104B)와 관련하여 카메라(100)를 이용한 더 정확한 깊이 감지를 가능하게 한다.

예를 들면, 도 8은 실시형태에 따른, 광학 어셈블리(120)에 포함될 수 있는 예시적인 회절 요소(310)의 단면도이다. 도 8에 도시된 것처럼, 회절 요소(310)는 서로 대향해 있는 제1 및 제2 표면(804, 806)을 가진 직사각형 몸체(802)를 포함한다. 비록 회절 요소(310)가 도 8에 개별적으로 도시되었지만, 회절 요소(310)는 회절 아티팩트 스테이지(304)(만일 있으면)에 또는 광 성형 스테이지(302)에 결합(예를 들면, 접촉, 접합 등)될 수 있다. 예를 들면, 도 5와 관련해서, 소정의 실시형태에서, 도 8의 회절 요소(310)의 제1 표면(804)은 회절 아티팩트 저감 스테이지(304)의 노출된 표면(예를 들면, 도 5의 우측에 있는 스테이지(304) 표면)에 결합될 수 있다. 대안적으로, 회절 요소(310)는 회절 아티팩트 스테이지(304) 및/또는 광 성형 스테이지(302)로부터 이격될 수 있다.

도 8에 도시된 것처럼, 조명 광(312)은 회절 요소(310)의 제1 표면(804)에서 수신된다. 도 8의 예에서, 조명 광(312)은 설명의 편의를 위해 단일 광선(814)을 포함한다. 도 8에 도시된 것처럼, 광선(814)은 3개의 광선 성분, 즉 제로 성분(808), 마이너스 성분(810) 및 플러스 성분(812)으로 변환된다. 제로 성분(808)은 일반적으로 입력 광선(814)으로부터 방향의 변경 없이 회절 요소를 똑바로 통과한다. 마이너스 성분(810)은 회절 요소(310)에 의해 입력 광선(814)과 관련하여 음의 방향(도 8에서 상향)으로 재지향된다. 플러스 성분(812)은 회절 요소(310)에 의해 입력 광선(814)과 관련하여 양의 방향(도 8에서 하향)으로 재지향된다.

따라서, 회절 요소(310)는 입력 광선으로부터 복수의 출력 광 성분을 생성하고, 출력 광 성분을 확산 패턴으로 재지향시킨다. 광원의 복수의 광선을 고려할 때, 복수의 광선은 서로 겹쳐지는 복수의 광 조명 프로파일을 포함하는 전체 광 조명 프로파일을 형성하도록 확산된다.

예를 들면, 도 9는 실시형태에 따른, 다중 광 프로파일 조명 광을 발생하도록 복수의 입력 광선을 발생하여 확산하는 조명기(102)의 예를 개략적으로 보인 것이다. 도 9에 도시된 것처럼, 광원(118)은 복수의 광선(그 중 일부가 도시됨)을 포함하는 것으로 생각할 수 있는 가간섭성 광(306)을 발생하도록 구성될 수 있다. 광 성형 스테이지(302)는 가간섭성 광(306)을 발산 광(308)(도 3)으로 성형 및 확산하도록 구성되고, 선택적인 회절 아티팩트 저감 스테이지(304)는 발산 광(308)으로부터 하나 이상의 회절 아티팩트의 세기를 줄여서 조명 광(312)을 발생하도록 구성된다. 회절 요소(310)는 조명 광(312)을 수신하여 다중 광 프로파일 조명 광(108)으로 변환한다. 다중 광 프로파일 조명 광(108)은 더 넓은 조명 범위에 걸쳐 복수의 성분으로 확산되는 조명 광(312)의 광선을 포함한다. 더 나아가, 회절 요소(310)에 의해 야기되는 확산 패턴은 필요에 따라 회절 요소(310)가 복수의 별도의 광 조명 패턴 또는 프로파일을 발생하게 하는 것을 비롯해서 임의의 원하는 조명 효과를 생성하도록 조정될 수 있다. 이것은 이미지 환경의 미리 정해진 목표 영역에서 미리 정해진 패턴으로 출력 광선을 밀집시키도록 구성된 회절 요소(310)에 의해 수행되고, 각각의 미리 정해진 패턴 및 목표 영역은 대응하는 광 조명 프로파일을 규정한다.

회절 요소(310)는 광파 간섭 기술을 이용하여 복수의 동시 광 조명 패턴 또는 프로파일의 이러한 발생을 수행할 수 있다. 예를 들면, 소정의 실시형태에서, 회절 요소(310)는 복수의 홀 또는 개공을 포함한 격자일 수 있다. 개공은 조명 광(312)을 수신하고, 통과하는 광파에 대한 점광원으로서 작용한다. 개공을 통과하는 광파는 서로 간섭하여 전체 출력 광 조명 패턴을 규정하는 간섭 패턴을 생성한다. 다른 실시형태에서, 회절 요소(310)의 제1 표면(804) 및/또는 제2 표면(806)은 통과하는 광에 대한 파면을 각각 발생하는 일련의 반복적인 표면 특징들로 패턴화될 수 있다. 표면 특징들은 격자 내에서와 같이 개공들을 근사화하고, 소정의 위상을 가진 출력 광파를 각각 발생하도록 높이, 폭 및/또는 형상이 각각 조정될 수 있다. 제2 표면(806)에서 회절 요소(310)로부터 방사되는 출력 광파는 서로 간섭하여 바람직한 출력 광 조명 프로파일을 발생한다.

회절 요소(310)는 렌즈 요소(402)와 관련하여 위에서 설명한 물질(예를 들면, 광학 등급 폴리(메틸 메타크릴레이트)(PMMA), 광학 등급 폴리카보네이트(PC), 다른 중합체, 광학 등급 유리 등) 또는 다른 적당한 물질을 포함한 임의의 적당한 투명 물질로 제조될 수 있다.

회절 요소(310)의 제1 및 제2 표면(804 및/또는 806)은 원하는 출력 광 조명 프로파일을 발생하기 위해 통과 광에 대한 원하는 간섭 패턴을 발생 및 조정하기 위해 사용되는 표면 특징들의 임의의 원하는 반복 패턴으로 패턴화될 수 있다. 예를 들면, 도 10 내지 도 13은 실시형태에 따른 회절 요소(310)의 표면 특징들의 예시적인 실시형태를 보인 것이다. 비록 도 10 내지 도 13의 예들이 회절 요소(310)의 제2 표면(806)(예를 들면, 광 출력 측)에 형성된 표면 특징들을 보이고 있지만, 다른 실시형태에서 표면 특징들은 제1 표면(804)(예를 들면, 광 입력 측)에 형성될 수 있다.

제1 예로서, 도 10은 실시형태에 따른, 표면(806)상에 반복 프리즘 패턴(1002)을 가진 회절 요소(310)의 단면도이다. 특히 도 10의 예에서, 회절 요소(310)의 제1 표면(804)은 실질적으로 평평하고, 제2 표면(806)은 프리즘 형상 표면 특징의 반복 패턴(예를 들면, 톱니 패턴)인 반복 프리즘 패턴(1002)을 포함한다. 예시 목적으로, 반복 프리즘 패턴(1002)의 제1 프리즘(1004a)이 도 10에 표시되어 있다. 제1 프리즘(1004a)은 직각 삼각형의 단면 형상을 갖는다(소정의 실시형태에서, 프리즘 형상은 Y 방향, 예를 들면 도면 내측으로 연속된다). 도 10에 도시된 것처럼, 출력 광의 2개의 성분이 제1 프리즘(1004a)을 통과한 입력 광으로부터 형성된다. 특히, 광선(814)은 제로 성분(808)과 마이너스 성분(810)으로 변환된다. 제로 성분(808)은 일반적으로 입력 광선(814)으로부터 방향의 변화 없이 회절 요소(310)를 똑바로 통과한다. 마이너스 성분(810)은 입력 광선(814)과 관련하여 회절 요소(310)에 의해 음의 방향(도 10에서 상향)으로 재지향된다.

반복 프리즘 패턴(1002)의 제1 프리즘(1004a) 및 다른 프리즘들의 크기 및 형상은 원하는 대로 광의 제로 성분 및 마이너스 성분을 지향시키도록 조정될 수 있다. 예를 들면, 제1 프리즘(1004a)의 높이(Z 방향) 및/또는 제1 프리즘(1004a)의 폭(X 방향)은 제로 및 마이너스 성분(808, 810)의 위상 및/또는 세기뿐만 아니라 그 방향을 변경하도록 증가 또는 감소될 수 있다. 반복 프리즘을 빠져나온 광파는 서로 간섭하여 전체 출력 광 조명 패턴을 규정하는 간섭 패턴을 생성한다. 서로 분리되는 제로 성분과 마이너스 성분 때문에 복수의 광 조명 패턴이 형성될 수 있다(예를 들면, 제로 성분의 광의 집단에 대응하는 제1 광 조명 패턴, 및 마이너스 성분의 광의 집단에 대응하는 제2 광 조명 패턴). 그러므로, 도 10의 회절 요소(310)를 통과하는 조명 광(312)(도 9)은 복수의 원하는 출력 광 조명 프로파일로 변환될 수 있다.

다음 예로서, 도 11은 실시형태에 따른, 표면(806)상에 반복적인 피라미드형 프리즘 패턴(1102)을 가진 회절 요소(310)의 단면도이다. 특히 도 11의 예에서, 회절 요소(310)의 제1 표면(804)은 실질적으로 평평하고, 제2 표면(806)은 피라미드 형상 표면 특징의 반복 패턴(삼각파 패턴이라고도 부름)인 반복 피라미드 프리즘 패턴(1102)을 포함한다. 예시 목적으로, 반복 피라미드 프리즘 패턴(1102)의 제1 피라미드 프리즘(1104a)이 도 11에 표시되어 있다. 제1 피라미드 프리즘(1104a)은 피라미드(또는 삼각형)의 단면 형상을 갖는다. 도 11에 도시된 것처럼, 출력 광의 3개의 성분이 제1 피라미드 프리즘(1104a)을 통과한 입력 광으로부터 형성된다. 특히, 광선(814)은 제로 성분(808), 마이너스 성분(810) 및 플러스 성분(812)으로 변환된다. 제로 성분(808)은 일반적으로 입력 광선(814)으로부터 방향의 변화 없이 회절 요소(310)를 똑바로 통과한다. 마이너스 성분(810)은 입력 광선(814)과 관련하여 회절 요소(310)에 의해 음의 방향(도 11에서 상향)으로 재지향된다. 플러스 성분(812)은 입력 광선(814)과 관련하여 회절 요소(310)에 의해 양의 방향(도 11에서 하향)으로 재지향된다.

반복 피라미드 프리즘 패턴(1102)의 제1 피라미드 프리즘(1104a) 및 다른 프리즘들의 크기 및 형상은 원하는 대로 광의 제로 성분, 마이너스 성분 및 플러스 성분을 지향시키도록 조정될 수 있다. 예를 들면, 제1 피라미드 프리즘(1104a)의 높이(Z 방향) 및/또는 제1 피라미드 프리즘(1104a)의 폭(X 방향)은 제로, 마이너스 및 플러스 성분(808, 810, 812)의 위상 및/또는 세기뿐만 아니라 그 방향을 변경하도록 증가 또는 감소될 수 있다. 반복 프리즘을 빠져나온 광파는 서로 간섭하여 전체 출력 광 조명 패턴을 규정하는 간섭 패턴을 생성한다. 서로 분리되는 제로 성분, 마이너스 성분 및 플러스 성분 때문에 복수의 광 조명 패턴이 형성될 수 있다(예를 들면, 제로 성분의 광의 집단에 대응하는 제1 광 조명 패턴, 마이너스 성분의 광의 집단에 대응하는 제2 광 조명 패턴 및 플러스 성분의 광의 집단에 대응하는 제3 광 조명 패턴). 그러므로, 도 11의 회절 요소(310)를 통과하는 조명 광(312)(도 9)은 복수의 원하는 출력 광 조명 프로파일로 변환될 수 있다.

다음 예로서, 도 12는 실시형태에 따른, 표면(806)상에 반복적인 계단형 프리즘 패턴(1202)을 가진 회절 요소(310)의 단면도이다. 특히 도 12의 예에서, 회절 요소(310)의 제1 표면(804)은 실질적으로 평평하고, 제2 표면(806)은 계단형 표면 특징들의 반복 패턴인 반복 계단형 프리즘 패턴(1202)을 포함하며, 각각의 계단형 표면 특징은 직각의 상향 진행 단계들의 집합이다. 예시 목적으로, 반복 계단형 프리즘 패턴(1202)의 제1 계단형 프리즘(1204a)이 도 12에 표시되어 있다. 제1 계단형 프리즘(1204a)은 계단의 단면 형상을 갖는다. 도 12에 도시된 것처럼, 출력 광의 2개의 성분이 제1 계단형 프리즘(1204a)을 통과한 입력 광으로부터 형성된다. 특히, 광선(814)은 제로 성분(808)과 마이너스 성분(810)으로 변환된다. 제로 성분(808)은 일반적으로 입력 광선(814)으로부터 방향의 변화 없이 회절 요소(310)를 똑바로 통과한다. 마이너스 성분(810)은 입력 광선(814)과 관련하여 회절 요소(310)에 의해 음의 방향(도 12에서 상향)으로 재지향된다.

반복 계단형 프리즘 패턴(1202)의 제1 계단형 프리즘(1204a) 및 다른 프리즘들의 크기 및 형상은 원하는 대로 광의 제로 성분 및 마이너스 성분을 지향시키도록 조정될 수 있다. 예를 들면, 제1 계단형 프리즘(1204a)의 각각의 단계의 높이(Z 방향), 제1 계단형 프리즘(1204a)의 각각의 단계의 폭(X 방향), 및/또는 제1 계단형 프리즘(1204a)의 각각의 단계의 수는 제로 및 마이너스 성분(808, 810)의 위상 및/또는 세기뿐만 아니라 그 방향을 변경하도록 증가 또는 감소될 수 있다. 반복 프리즘을 빠져나온 광파는 서로 간섭하여 전체 출력 광 조명 패턴을 규정하는 간섭 패턴을 생성한다. 특히, 각각의 계단형 프리즘의 각각의 단계는 다른 계단형 프리즘의 각각의 단계의 광파와 간섭하는 특정 위상의 그 자신의 광파를 생성한다. 서로 분리되는 제로 성분과 마이너스 성분 때문에 복수의 광 조명 패턴이 형성될 수 있다(예를 들면, 제로 성분의 광의 집단에 대응하는 제1 광 조명 패턴, 및 마이너스 성분의 광의 집단에 대응하는 제2 광 조명 패턴). 그러므로, 도 12의 회절 요소(310)를 통과하는 조명 광(312)(도 9)은 복수의 원하는 출력 광 조명 프로파일로 변환될 수 있다.

다음 예로서, 도 13은 실시형태에 따른, 표면(806)상에 반복적인 피라미드 계단형 프리즘 패턴(1302)을 가진 회절 요소(310)의 단면도이다. 특히, 도 13의 예에서, 회절 요소(310)의 제1 표면(804)은 실질적으로 평평하고, 제2 표면(806)은 피라미드 계단형 표면 특징의 반복 패턴(오름 계단 파 패턴 및 내림 계단 파 패턴이라고도 부름)인 반복 피라미드 계단형 프리즘 패턴(1302)을 포함한다. 예시 목적으로, 반복 피라미드 계단형 프리즘 패턴(1302)의 제1 피라미드 계단형 프리즘(1304a)이 도 13에 표시되어 있다. 제1 피라미드 계단형 프리즘(1304a)은 피라미드형 계단의 단면 형상을 갖는다. 도 13에 도시된 것처럼, 출력 광의 3개의 성분이 제1 피라미드 계단형 프리즘(1304a)을 통과한 입력 광으로부터 형성된다. 특히, 광선(814)은 제로 성분(808), 마이너스 성분(810) 및 플러스 성분(812)으로 변환된다. 제로 성분(808)은 일반적으로 입력 광선(814)으로부터 방향의 변화 없이 회절 요소(310)를 똑바로 통과한다. 마이너스 성분(810)은 입력 광선(814)과 관련하여 회절 요소(310)에 의해 음의 방향(도 13에서 상향)으로 재지향된다. 플러스 성분(812)은 입력 광선(814)과 관련하여 회절 요소(310)에 의해 양의 방향(도 13에서 하향)으로 재지향된다.

반복 피라미드 계단형 프리즘 패턴(1302)의 제1 피라미드 계단형 프리즘(1304a) 및 다른 프리즘들의 크기 및 형상은 원하는 대로 따라 광의 제로 성분, 마이너스 성분 및 플러스 성분을 지향시키도록 조정될 수 있다. 예를 들면, 제1 피라미드 계단형 프리즘(1304a)의 높이(Z 방향), 제1 피라미드 계단형 프리즘(1304a)의 폭(X 방향), 및/또는 제1 피라미드 계단형 프리즘(1304a)의 수는 제로, 마이너스 및 플러스 성분(808, 810, 812)의 위상 및/또는 세기뿐만 아니라 그 방향을 변경하도록 증가 또는 감소될 수 있다. 반복 프리즘을 빠져나온 광파는 서로 간섭하여 전체 출력 광 조명 패턴을 규정하는 간섭 패턴을 생성한다. 특히, 각각의 피라미드 계단형 프리즘의 각각의 단계는 다른 계단형 프리즘의 각각의 단계의 광파와 간섭하는 특정 위상의 그 자신의 광파를 생성한다. 서로 분리되는 제로 성분, 마이너스 성분 및 플러스 성분 때문에 복수의 광 조명 패턴이 형성될 수 있다(예를 들면, 제로 성분의 광의 집단에 대응하는 제1 광 조명 패턴, 마이너스 성분의 광의 집단에 대응하는 제2 광 조명 패턴 및 플러스 성분의 광의 집단에 대응하는 제3 광 조명 패턴). 그러므로, 도 13의 회절 요소(310)를 통과하는 조명 광(312)(도 9)은 복수의 원하는 출력 광 조명 프로파일로 변환될 수 있다.

회절 요소(310)에 대하여 도 10-13에 도시된 표면 특징들의 예시적인 유형 및 형상들은 예시 목적으로 제공된 것이고, 다른 실시형태에서는 여기에서의 교시로부터 당업자에게 명백한 바와 같이 다른 유형 및 형상의 표면 특징을 사용할 수 있다. 실시형태들은 복수의 플러드 조명 패턴(특수한 원형 또는 타원형 프로파일을 각각 가진 광의 원뿔들)이 조명 광(312)의 입력 플러드 조명 패턴으로부터 발생될 수 있게 하는 회절 요소(310)의 임의의 구성에 관한 것이다. 다시 말해서, 회절 요소(310)는 조명 광(312)으로 수신된 플러드 조명 패턴을 회절 요소(310)에 대하여 구성되는 회절 차수에 대응하는 복수의 플러드 조명 패턴으로 분할하도록 구성된다. 도 10과 도 12에서, 회절 요소(310)는 2개의 회절 차수(광로)로 구성되고, 따라서 조명 광(312)은 3개의 회절 차수의 각도에 중심이 맞춰진 2개의 플러드 조명 패턴으로 분할된다. 도 8, 9, 11 및 13에서, 회절 요소(310)는 3개의 회절 차수로 구성되고, 따라서 조명 광(312)은 3개의 회절 차수의 구성된 각도에 중심이 맞춰진 3개의 플러드 조명 패턴으로 분할된다. 다른 실시형태에서, 회절 요소(310)는 3개보다 더 많은 수의 플러드 조명 패턴을 생성하도록 추가의 회절 차수로 구성될 수 있다.

특히, 회절 요소(310)의 표면(804) 및/또는 표면(806)은 조명 광(312)에 위상 함수를 적용하게끔 구성되도록 도 10-13과 관련하여 위에서 설명한 것처럼 또는 다른 방법으로 패턴화된다. 위상 함수는 복수의 회절 차수에 대응하는 복수의 경로에서 회절 요소(310)로부터의 조명 광(312)을 보낸다. 이것은 표면(804) 및/또는 표면(806)이 평평하지 않고 패턴화된 것에 기인한다. 그래서, 다른 광선들이 다른 간격으로 회절 요소(310)를 통과하여 광선들에게 다른 위상이 부여되게 한다. 선형 위상 함수는 회절 요소(310)를 통과하는 광에 선형 위상 편이를 부여하고, 이것은 최절 차수의 각도에서 광의 "기울기" 또는 재지향을 생성한다. 회절 요소(310)를 빠져나온 광선들은 위상 함수에 따라 결합된다. 유입되는 중심 조명 패턴의 에너지는 유출되는 복수의 조명 패턴으로 확산된다. 위상 함수는 회절 요소(310)를 빠져나온 다중 광 프로파일 조명 광(108)이 복수의 플러드 조명 패턴을 생성하는 회절 차수의 복수의 원하는 방향 중에서 확산하는 광을 포함하게 한다.

회절 차수의 각도는 특수 응용을 위해 필요에 따라 임의의 적당한 값을 가질 수 있다. 예시적인 일 실시형태에서, 제1 광 조명 패턴(예를 들면, 제로 성분, 즉 "직선 통과" 플러드 조명 패턴)은 0도 Z축을 따라 중심이 맞춰지고, 제2 광 조명 패턴(예를 들면, 마이너스 성분)은 Z축으로부터 -15도 내지 -30도 범위의 각도를 따라 중심이 맞춰지며, 제3 광 조명 패턴(예를 들면, 플러스 성분)은 Z축으로부터 +15도 내지 +30도 범위의 각도를 따라 중심이 맞춰질 수 있다. 다른 실시형태에서는 다른 각을 사용할 수 있다.

따라서, 전술한 바와 같이, 실시형태는 복수의 조명 프로파일이 이미지 환경의 다른 영역을 다르게 조명하도록 이미지 환경에 동시에 투사되게 한다. 각각의 조명 패턴 또는 프로파일은 특수 응용을 위해 필요에 따라 임의의 적당한 구성을 가질 수 있다.

예를 들면, 도 14 내지 도 16은 실시형태에 따른, 단일 회절 요소를 이용하여 조명 환경에 동시에 투사될 수 있는 제1-제3 조명 패턴(예를 들면, "플러드 조명 패턴")을 보인 것이다.

예를 들면, 도 14는 예시적인 실시형태에 따른, 조명 환경의 중앙 원시야 영역에 투사된 제1 조명 패턴(1402)의 이미지(1400)를 보인 것이다. 이미지(1400)는 (예를 들면, 도 14의 지면에서 나오도록 지향된) 제1 조명 패턴(1402)의 정면도이다. 제1 조명 패턴(1402)의 중앙의 어두운 직사각형은 비교적 높은 세기의 광을 표시한다. 중앙의 어두운 직사각형 주위의 직사각형 링은 비교적 밝고 중간 세기의 광을 표시한다. 중앙 직사각형 및 비교적 밝은 직사각형 링보다 더 어두운 제1 조명 패턴(1402) 내의 더 큰 직사각형 링은 낮은 세기의 광을 표시한다. 도 14에서 제1 조명 패턴(1402)의 정면도는 전술한 도 7의 광 프로파일(702)의 단면도에 대략 대응한다(그러나, 제1 조명 패턴(1402)은 그 중앙에서 더 평탄한 조명 프로파일을 갖고, "M"자 형상의 중심이 도 14에는 거의 또는 전혀 없다). 제1 조명 패턴(1402)은 입력 광선의 제로 성분(회절 요소(310)를 비교적 똑바로 통과하는 광)에 의해 형성될 수 있고, 따라서 도 7에 도시된 밝은 프로파일(702)과 유사한 프로파일을 갖는다(그러나 세기는 더 낮다).

소정의 실시형태에서, 제1 조명 패턴(1402)은 중앙 근시야 영역을 조명하도록 발생되고 도 1의 이미지 환경에 투사될 수 있다. 예를 들면, TOF 카메라(100)는 주택의 방안에 위치되고, 물체(104A)(제1 사람)는 방 뒤편에 또는 그 부근에, TOF 카메라(100)의 중앙 광축에 또는 그 부근에 위치될 수 있다. 제1 조명 패턴(1402)은 비교적 좁은 각도 범위(예를 들면, 50도 폭)에서 중심축 부근의 방 뒤편을 조명하도록 발생 및 투사될 수 있다.

도 15는 예시적인 실시형태에 따른, 조명 환경의 제1 주변 근시야 영역에 투사된 제2 조명 패턴(1502)의 이미지(1500)를 보인 것이다. 이미지(1500)는 (예를 들면, 도 15의 지면에서 나오도록 지향된) 제2 조명 패턴(1502)의 정면도이다. 제2 조명 패턴(1502)의 중앙 광축은 (도 15의 지면에서 나오도록 지향된) 이미지(1500)의 중심점에 있고, 따라서 도 15의 제2 조명 패턴(1502)의 우측에 있다. 제2 조명 패턴(1502)에서 중앙의 긴 수직의 어두운 영역은 비교적 높은 세기의 광을 표시한다. 중앙의 어두운 영역을 둘러싸고 도 15에서 좌측으로 확산하는 비교적 밝은 영역은 중간 광도의 광을 표시한다. 제2 조명 패턴(1502)의 나머지 어두운 지역은 비교적 낮은 세기의 광을 표시한다. 제2 조명 패턴(1502)이 제1 조명 패턴(1402)과 동시에 투사된 때, 제2 조명 패턴(1502)은 이미지 환경의 좌측을 조명한다. 이것은, 소정의 실시형태에서, 제2 조명 패턴(1502)이 입력 광선의 마이너스 성분(회절 요소(310)에 의해 다른 각도만큼 대략 좌측으로 휘어진 광)에 의해 형성되기 때문이다.

도 16은 예시적인 실시형태에 따른, 조명 환경의 제2 주변 근시야 영역에 투사된 제3 조명 패턴(1602)의 이미지(1600)를 보인 것이다. 이미지(1600)는 (예를 들면, 도 16의 지면에서 나오도록 지향된) 제3 조명 패턴(1602)의 정면도이다. 제3 조명 패턴(1602)의 중앙 광축은 (도 16의 지면에서 나오도록 지향된) 이미지(1600)의 중심점에 있고, 따라서 도 16의 제3 조명 패턴(1602)의 좌측에 있다. 제3 조명 패턴(1602)에서 중앙의 긴 수직의 어두운 영역은 비교적 높은 세기의 광을 표시한다. 중앙의 어두운 영역을 둘러싸고 도 16에서 우측으로 확산하는 비교적 밝은 영역은 중간 광도의 광을 표시한다. 제3 조명 패턴(1602)의 나머지 어두운 지역은 비교적 낮은 세기의 광을 표시한다. 제3 조명 패턴(1602)이 제1 조명 패턴(1402)과 동시에 투사된 때, 제3 조명 패턴(1602)은 이미지 환경의 우측을 조명한다. 이것은, 소정의 실시형태에서, 제3 조명 패턴(1602)이 입력 광선의 플러스 성분(회절 요소(310)에 의해 다른 각도만큼 대략 우측으로 휘어진 광)에 의해 형성되기 때문이다.

소정의 실시형태에서, 중앙 근시야 영역을 조명하는 제1 조명 패턴(1402) 외에, 제2 조명 패턴(1502)은 좌측의 주변 근시야 영역을 조명하도록 발생되어 도 1의 이미지 환경(106)에 투사되고, 제3 조명 패턴(1602)은 우측의 주변 근시야 영역을 조명하도록 발생되어 이미지 환경(106)에 투사될 수 있다. 예를 들면, 상기 예에 이어서, TOF 카메라(100)는 주택의 방안에 위치되고, 물체(104B)(제2 사람)는 방 안에서 비교적 카메라(100) 부근에 위치되지만, TOF 카메라(100)의 중앙 광축의 좌측 또는 우측으로 비껴날 수 있다. 제2 및 제3 조명 패턴(1502, 1602)은 비교적 넓은 각도 범위(예를 들면, 110도 폭)로 방의 부근 좌측 또는 우측을 조명하도록 (제1 조명 패턴(1402)을 따라) 발생 및 투사될 수 있다.

이 방식으로, 제1 조명 패턴(1402)은 광으로 방의 중앙 뒤편을 커버하고, 제2 및 제3 조명 패턴(1502, 1602)은 광으로 카메라에 더 가까운 방의 주변부를 커버함으로써, 방안의 각종 깊이에 있는 물체들의 이미지가 포착 및 분석될 수 있게 한다.

도 17은 본 발명의 실시형태에 따른, 도 14-16의 3개의 조명 패턴의 조합인 조명 프로파일(1702)의 예시적인 단면도를 보인 선도(1700)이다. 도 17에 도시된 것처럼, 중앙 조명 프로파일(1704)은 제1 조명 패턴(1402)(도 14)에 대응하고, 좌측 조명 프로파일(1706A)은 제2 조명 패턴(1502)(도 15)에 대응하며, 우측 조명 프로파일(1706B)은 제3 조명 패턴(1602)(도 16)에 대응한다. 제1 내지 제3 조명 프로파일(1704, 1706A, 1706B)은 결합되어 제1 내지 제3 조명 프로파일(1704, 1706A, 1706B)에 의해 규정되는 전체 조명 프로파일(1702)을 형성하고, 여기에서 제1 내지 제3 조명 프로파일(1704, 1706A, 1706B)은 그들이 겹쳐지는 곳에서 합쳐진다(예를 들면, 제1 및 제2 조명 프로파일(1704, 1706A)은 겹쳐지고 합쳐져서 프로파일 부분(1708A)을 형성하고, 제1 및 제3 조명 프로파일(1704, 1706B)은 겹쳐지고 합쳐져서 프로파일 부분(1708B)을 형성한다).

따라서, 조명 프로파일(1702)은 동시에 발생되는 3개의 별도의 조명 프로파일(1704, 1706A, 1706B)의 조합으로서 형성된다. 예를 들면, 조명 프로파일(1702)은 광을 3개의 조명 프로파일(1704, 1706A, 1706B)에 대응하는 3개의 성분으로 회절시키는 회절 요소(310)의 통합을 통하여 발생될 수 있다. 조명 프로파일(1702)은 회절 요소를 포함하지 않는 도 7에 도시된 조명 프로파일(702)에 비하여 조명 환경의 더 넓은 지역을 커버한다. 다른 실시형태에서, 조명 프로파일(1702)은 발생된 조명 프로파일(1704, 1706A, 1706B)의 형상 및/또는 조명 프로파일의 더 많은 수 또는 더 적은 수 및 그들 각각의 형상에 따라서 다른 형상을 가질 수 있다.

따라서, 실시형태들은 조명 환경에 조명 광을 투사하기 위해 각종 방법으로 동작할 수 있다. 예를 들면, 도 18은 예시적인 실시형태에 따른, 조명 광을 조명 환경에 투사하기 위한 방법을 제공하는 흐름도(1800)이다. 도 1-6 및 8-13의 시스템 및 장치는 흐름도(1800)에 따라 동작할 수 있다. 다른 구조적 및 동작적 실시형태가 이하의 흐름도(1800)의 설명에 기초하여 당업자에게 명백할 것이다.

흐름도(1800)는 단계 1802에서 시작한다. 단계 1802에서 광이 발생된다. 예를 들면, 도 1 및 도 3에 도시된 것처럼, 광원(118)은 가간섭성 광(306)을 발생할 수 있다. 가간섭성 광(306)은 비제한적인 예를 들자면 적외선 및 가시광 파장을 포함한 임의의 적당한 파장을 가진 가간섭성 광이다.

단계 1804에서, 이미지 환경에 투사되는 조명 광이 상기 발생된 광으로부터 형성된다. 예를 들면, 도 1 및 도 3에 도시된 것처럼, 광학 어셈블리(120)는 가간섭성 광(306)을 수신하고, 이미지 환경(106)에 투사되는 다중 광 프로파일 조명 광(108)을 발생한다. 다중 광 프로파일 조명 광(108)은 물체(104A, 104B)와 같은 이미지 환경(106) 내의 물체들을 조명하고, 조명된 물체로부터의 반사광은 물체의 깊이를 감지하기 위해 사용될 뿐만 아니라 물체의 다른 특징(예를 들면, 형상, 크기 등)을 결정하기 위해 사용될 수 있다. 광학 어셈블리(120)는 가간섭성 광(306)을 처리하여 복수의 조명 프로파일을 포함한 다중 광 프로파일 조명 광(108)을 발생한다. 복수의 조명 프로파일은 이미지 환경(106)의 복수의 영역 및/또는 깊이가 플러드 조명을 동시에 수신하고, 적어도 깊이 감지를 위해 사용될 수 있게 한다.

단계 1804는 실시형태에서 각종 방법으로 수행될 수 있다. 예를 들면, 도 19는 예시적인 실시형태에 따른, 발산 광으로부터 복수의 조명 광 패턴을 포함한 조명 광을 형성하기 위한 방법을 제공하는 흐름도(1900)이다. 소정의 실시형태에서, 흐름도(1900)는 도 1 및 도 3의 광학 어셈블리(120)에 의해 수행될 수 있다. 다른 구조적 및 동작적 실시형태가 이하의 흐름도(1900)의 설명에 기초하여 당업자에게 명백할 것이다.

흐름도(1900)는 단계 1902에서 시작한다. 단계 1902에서, 광축에 중심이 있는 제2 영역에서보다 발산 광의 광축으로부터 더 먼 제1 영역에서 더 강한 광 프로파일이 특징인 발산 광을 형성하도록 상기 발생된 광의 적어도 일부가 발산된다. 예를 들면, 도 3에 도시된 것처럼, 광 성형 스테이지(302)가 가간섭성 광(306)을 수신한다. 전술한 바와 같이, 광 성형 스테이지(302)는 가간섭성 광(306)을 발산 광(308)으로 성형 및 확산하도록 구성된다. 예를 들면, 광 성형 스테이지(302)는 조명 광 프로파일을 형성하기 위해 사용되는 비사각형 마이크로렌즈/셀을 포함한 주기적인 마이크로렌즈 어레이를 포함할 수 있다. 광을 성형 및 확산하기 위해 광 성형 스테이지(302)에 포함될 수 있는 다른 예시적인 구조는 거친 표면, 홀로그래픽 산광기 또는 다른 광 성형기 및 확산기를 포함한다. 일부 실시형태에서, 광 성형 스테이지(302)는 "M"자형 조명 광 프로파일을 생성하기 위해 사용될 수 있다. 예를 들면, 소정의 실시형태에서, 발산 광(308)은 도 7에 도시된 것처럼 발산 광의 광축에 가까운 곳보다 광축에서 더 먼 곳에서 더 강한 단면 광 프로파일을 갖도록 형성될 수 있다. 다른 실시형태에서, 광 성형 스테이지(302)는 발산 광(308)을 형성하도록 다른 구성으로 가간섭성 광(306)을 성형 및 확산하도록 구성될 수 있다.

회절 아티팩트 저감 스테이지(304)는 선택적으로 존재하고, 조명 광(312)을 발생하기 위해 발산 광(308)으로부터 하나 이상의 회절 아티팩트의 세기를 줄이도록 구성된다는 점에 주목한다.

단계 1904에서, 발산 광의 적어도 일부는 조명 환경에 투사되는 복수의 조명 광 패턴으로 변환되고, 상기 복수의 조명 광 패턴은 각각 조명 환경의 대응하는 영역에 투사된다. 예를 들면, 전술한 바와 같이, 회절 요소(310)는 조명 광(312) 또는 발산 광(308)을 다중 광 프로파일 조명 광(108)으로서 복수의 조명 프로파일로 변환하도록 구성될 수 있다. 예를 들면, 도 17은 회절 요소(310)에 의해 발생될 수 있는 다중 광 프로파일 조명 광(108)의 예인 조명 프로파일(1702)을 나타낸다. 도 17의 예로 나타낸 바와 같이, 다중 광 프로파일 조명 광(108)은 3개의 조명 프로파일(1704, 1706A, 1706B)의 조합이다. 다른 실시형태에서, 회절 요소(310)는 조명 광(312) 또는 발산 광(308)을 다중 광 프로파일 조명 광(108)에서 복수의 조명 프로파일의 다른 구성으로 변환하도록 구성될 수 있다. 도 1에 도시된 것처럼, 다중 광 프로파일 조명 광(108)은 물체를 조명하도록 이미지 환경(106)에 투사된다.

일부 실시형태에서, 전술한 방법 및 처리는 하나 이상의 컴퓨팅 장치의 컴퓨팅 시스템에 결합될 수 있다. 특히, 그러한 방법 및 처리는 컴퓨터 응용 프로그램 또는 서비스, 애플리케이션 프로그래밍 인터페이스(API), 라이브러리 및/또는 다른 컴퓨터 프로그램 제품으로서 구현될 수 있다.

예를 들면, 도 1에 도시된 TOF 깊이 카메라(100)의 실시형태는 전술한 방법 및 처리들 중의 하나 이상을 수행할 수 있는 컴퓨팅 시스템의 비제한적인 실시형태의 예를 나타낸다. 예를 들면, 도 1에 도시된 실시형태에서, 발광 모듈(150)은 조명기(102)를 동작시키기 위한 적당한 코드 또는 명령어를 포함하고, 깊이 정보 모듈(152)은 이미지 센서(110)를 동작시키고 검출기(114)에 의해 검출된 이미지 정보를 해석하기 위한 적당한 코드 또는 명령어를 포함할 수 있다. 비록 도 1에 도시된 모듈 구조들이 TOF 깊이 카메라(100) 내에서 별도의 독립식 엔티티로서 도시되어 있지만, 그러한 모듈 구조에 의해 수행되는 기능들은 본 발명의 범위로부터 벗어나지 않고 통합되거나 TOF 깊이 카메라(100) 전반에 및/또는 TOF 깊이 카메라(100)와 접속된 컴퓨팅 장치 전반에 분산될 수 있다는 것을 이해할 것이다.

컴퓨팅 시스템은 간단한 형태로 도시되었다. 실제로 임의의 컴퓨터 구조가 본 발명의 범위로부터 벗어나지 않고 사용될 수 있다는 것을 이해할 것이다. 다른 실시형태에서, 컴퓨팅 시스템은 메인프레임 컴퓨터, 서버 컴퓨터, 데스크톱 컴퓨터, 랩톱 컴퓨터, 태블릿 컴퓨터, 웨어러블 컴퓨팅 장치, 홈 엔터테인먼트 컴퓨터, 네트워크 컴퓨팅 장치, 게이밍 장치, 모바일 컴퓨팅 장치, 모바일 통신 장치(예를 들면, 스마트폰), 이동식 차량(예를 들면, 자동차, 모터사이클, 보트 등) 등의 형태를 취할 수 있다.

TOF 깊이 카메라(100)는 로직 서브시스템(160)과 스토리지 서브시스템(162)을 포함한다. 예를 들면, 로직 서브시스템(160)은 디스플레이 서브시스템(164), 입력/출력 장치 서브시스템(166), 및/또는 도 1에 도시되지 않은 다른 컴포넌트들을 선택적으로 포함할 수 있다.

로직 서브시스템(160)은 명령어를 실행하도록 구성된 하나 이상의 물리적 장치를 포함한다. 예를 들면, 로직 서브시스템(160)은 하나 이상의 애플리케이션, 서비스, 프로그램, 루틴, 라이브러리, 오브젝트, 컴포넌트, 데이터 구조 또는 다른 논리적 구성의 일부인 명령어를 실행하도록 구성될 수 있다. 그러한 명령어는 태스크를 수행하고, 데이터 유형을 구현하고, 하나 이상의 컴포넌트의 상태를 변환하고, 또는 다른 방식으로 원하는 결과에 도달하도록 구현될 수 있다.

로직 서브시스템(160)은 소프트웨어 명령어를 실행하도록 구성된 하나 이상의 프로세서를 포함할 수 있다. 추가로 또는 대안적으로, 로직 서브시스템(160)은 하드웨어 또는 펌웨어 명령어를 실행하도록 구성된 하나 이상의 하드웨어 또는 펌웨어 논리 머신을 포함할 수 있다. 로직 서브시스템(160)의 프로세서는 단일 코어 또는 다중 코어일 수 있고, 프로세서에서 실행되는 프로그램은 순차 처리, 병렬 처리 또는 분산 처리용으로 구성될 수 있다. 로직 서브시스템(160)은 원격에 위치되고 및/또는 통합 처리용으로 구성될 수 있는 2개 이상의 장치에 분산된 개별 컴포넌트를 선택적으로 포함할 수 있다. 로직 서브시스템의 양태는 클라우드 컴퓨팅 구성으로 구성된 원격에서 접근 가능한 네트워크 컴퓨팅 장치에 의해 가상화 및 실행될 수 있다.

스토리지 서브시스템(162)은 여기에서 설명한 방법 및 처리를 구현하기 위해 로직 서브시스템(160)에 의해 실행 가능한 데이터 및/또는 명령어를 유지하도록 구성된 하나 이상의 물리적, 비일시적 장치를 포함한다. 그러한 방법 및 처리가 구현된 때, 스토리지 서브시스템(162)의 상태는 예를 들면 다른 데이터를 유지하도록 변환될 수 있다.

스토리지 서브시스템(162)은 분리형 매체 및/또는 내장형 장치를 포함할 수 있다. 스토리지 서브시스템(162)은 다른 물리적 하드웨어 스토리지 장치들 중에서도 특히 광학 메모리 장치(예를 들면, CD, DVD, HD-DVD, 블루레이 디스크 등), 반도체 메모리 장치(예를 들면, RAM, EPROM, EEPROM 등), 및/또는 자기 메모리 장치(예를 들면, 하드디스크 드라이브, 플로피디스크 드라이브, 테이프 드라이브, MRAM 등)를 포함할 수 있다. 스토리지 서브시스템(162)은 휘발성, 비휘발성, 동적, 정적, 읽기/쓰기, 읽기 전용, 랜덤 액세스, 순차 액세스, 위치 어드레서블, 파일 어드레서블 및/또는 콘텐츠 어드레서블 물리 하드웨어 장치를 포함할 수 있다. 일부 실시형태에서, 로직 서브시스템(160) 및 스토리지 서브시스템(162)은 용도 지정 집적회로(ASIC) 또는 시스템 온 칩과 같은 하나 이상의 단일 물리 장치에 통합될 수 있다.

용어 "모듈" 또는 "프로그램"은 특정 기능을 수행하도록 구현되는 컴퓨팅 시스템의 양태를 설명하기 위해 사용될 수 있다. 일부 경우에, 모듈 또는 프로그램은 스토리지 서브시스템(162)에 의해 유지되는 명령어를 실행하는 로직 서브시스템(160)을 통해 사례화될 수 있다. 다른 모듈 및/또는 프로그램이 동일한 애플리케이션, 서비스, 코드 블록, 오브젝트, 라이브러리, 루틴, API, 함수 등으로부터 사례화될 수 있다는 것을 이해할 것이다. 마찬가지로, 동일한 모듈 및/또는 프로그램이 다른 애플리케이션, 서비스, 코드 블록, 오브젝트, 루틴, API, 함수 등에 의해 사례화될 수 있다. 용어 "모듈" 및 "프로그램"은 개별적인 또는 그룹의 실행 파일, 데이터 파일, 라이브러리, 드라이버, 스크립트, 데이터베이스 레코드 등을 포함할 수 있다.

포함된 때, 디스플레이 서브시스템(164)은 스토리지 서브시스템(162)에 의해 유지된 데이터의 시각적 표시를 제공하기 위해 사용될 수 있다. 이 시각적 표시는 그래픽 사용자 인터페이스(GUI)의 형태를 취할 수 있다. 여기에서 설명한 방법 및 처리가 스토리지 서브시스템에 의해 유지된 데이터를 변경하고 그에 따라서 스토리지 서브시스템의 상태를 변환할 때, 디스플레이 서브시스템(164)의 상태도 마찬가지로 하부 데이터에서의 변화를 시각적으로 표시하도록 변환될 수 있다. 디스플레이 서브시스템(164)은 임의 유형의 기술을 실질적으로 활용하는 하나 이상의 디스플레이 장치를 포함할 수 있다. 그러한 디스플레이 장치는 공유 엔클로저에서 로직 서브시스템(160) 및/또는 스토리지 서브시스템(162)과 결합될 수 있고, 또는 그러한 디스플레이 장치는 주변 디스플레이 장치일 수 있다.

포함된 때, 입력/출력 장치 서브시스템(166)은 컴퓨팅 시스템을 하나 이상의 다른 컴퓨팅 장치와 통신적으로 결합하도록 구성될 수 있다. 입력/출력 장치 서브시스템(166)은 하나 이상의 다른 통신 프로토콜과 호환되는 유선 및/또는 무선 통신 장치를 포함할 수 있다. 비제한적인 예로서, 입력/출력 장치 서브시스템(166)은 무선 전화망, 또는 유선 또는 무선 근거리 또는 광역 통신망을 통해 통신하도록 구성될 수 있다. 일부 실시형태에서, 입력/출력 장치 서브시스템(166)은 컴퓨팅 시스템이 인터넷과 같은 네트워크를 통해 다른 장치로/로부터 메시지를 전송/수신하게 할 수 있다. 입력/출력 장치 서브시스템(166)은 또한 예를 들면 키보드, 마우스, 게임 컨트롤러, 카메라, 마이크로폰 및/또는 터치스크린과 같은 하나 이상의 사용자 입력 장치를 선택적으로 포함하거나 이들과 인터페이스할 수 있다.

여기에서 설명한 구성 및/또는 접근법은 본질적으로 예를 든 것이고, 이러한 구체적인 실시형태 또는 예는 많은 변화가 가능하기 때문에 제한하는 것으로 의도되지 않는다. 여기에서 설명한 구체적인 루틴 또는 방법은 임의 수의 처리 전략 중 하나 이상을 대표할 수 있다. 그래서, 예시 및/또는 설명된 각종 동작들은 예시 및/또는 설명된 순서로, 다른 순서로, 병렬로 수행될 수 있고, 또는 생략될 수도 있다. 마찬가지로, 전술한 처리들의 순서는 변경될 수 있다.

본 발명의 주제는 각종 처리, 시스템 및 구성, 및 여기에서 설명한 다른 특징, 기능, 동작 및/또는 속성의 모든 새롭고 자명하지 않은 조합 및 부조합뿐만 아니라 그 임의의 또는 모든 균등물을 포함한다.

IV. 예시적 실시형태

일 실시형태에 있어서, TOF 깊이 카메라는 가간섭성 광을 발생하도록 구성된 광원과; 상기 가간섭성 광의 적어도 일부를 수신하도록 위치되고 발산 광의 광축에 중심을 둔 제1 영역에서의 세기가 상기 제1 영역을 적어도 부분적으로 둘러싸는 제2 영역에서의 세기보다 더 약한 광 프로파일에 특징이 있는 발산 광을 형성하기 위해 상기 가간섭성 광의 적어도 일부를 발산하도록 구성된 제1 광학 스테이지와; 상기 발산 광의 적어도 일부를 수신하도록 위치되고 발산 광의 적어도 일부를 조명 환경에 투사할 복수의 조명 광 패턴- 상기 복수의 조명 광 패턴은 각각 조명 환경의 대응하는 영역에 투사되는 것임 -으로 변환하도록 구성된 회절 요소와; 상기 조명 환경으로부터 반사된 복귀 조명 광의 적어도 일부를 검출하도록 구성된 이미지 센서를 포함한다.

소정의 실시형태에서, 상기 제1 광학 스테이지는 서로 대향해 있는 제1 및 제2 표면을 포함한 마이크로렌즈 어레이(MLA)를 포함하고, 상기 제1 표면은 비구면 렌즈들의 어레이를 포함한다.

소정의 실시형태에서, 상기 복수의 조명 패턴은 상기 조명 환경의 중앙 원시야 영역에 투사되는 제1 조명 패턴과, 상기 조명 환경의 제1의 주변 근시야 영역에 투사되는 제2 조명 패턴과, 상기 조명 환경의 제2의 주변 근시야 영역에 투사되는 제3 조명 패턴을 포함한다.

소정의 실시형태에서, 상기 회절 요소는 서로 대향해 있는 제1 및 제2 표면을 가진 몸체와; 상기 몸체의 상기 제1 표면 내의 반복 프리즘 패턴을 포함한다.

소정의 실시형태에서, 상기 반복 프리즘 패턴의 각각의 프리즘 패턴은 피라미드형 단면 형상을 갖는다.

소정의 실시형태에서, 상기 반복 프리즘 패턴의 각각의 프리즘 패턴은 계단 패턴이다.

소정의 실시형태에서, 상기 반복 프리즘 패턴의 각각의 프리즘 패턴은 피라미드형 계단 패턴이다.

다른 실시형태에 있어서, 광학 어셈블리는 광원으로부터 가간섭성 광을 수신하도록 위치되고 발산 광의 광축에 중심을 둔 제1 영역에서의 세기가 상기 제1 영역을 적어도 부분적으로 둘러싸는 제2 영역에서의 세기보다 더 약한 광 프로파일에 특징이 있는 발산 광을 형성하기 위해 상기 가간섭성 광을 발산하도록 구성된 제1 광학 스테이지와; 상기 발산 광의 적어도 일부를 수신하도록 위치되고 발산 광의 적어도 일부를 조명 환경에 투사할 복수의 조명 광 패턴- 상기 복수의 조명 광 패턴은 각각 조명 환경의 대응하는 영역에 투사되는 것임 -으로 변환하도록 구성된 회절 요소를 포함한다.

다른 실시형태에 있어서, 조명 광을 이미지 환경에 투사하는 방법이 제공된다. 이 방법은 광을 발생하는 단계와; 이미지 환경에 투사되는 조명 광을 상기 발생된 광으로부터 형성하는 단계를 포함하고, 상기 조명 광은 발산 광의 광축에 중심을 둔 제1 영역에서의 세기가 상기 제1 영역을 적어도 부분적으로 둘러싸는 제2 영역에서의 세기보다 더 약한 광 프로파일에 특징이 있는 발산 광을 형성하기 위해 상기 발생된 광의 적어도 일부를 발산하는 단계와, 상기 발산 광의 적어도 일부를 조명 환경에 투사할 복수의 조명 광 패턴- 상기 복수의 조명 광 패턴은 각각 조명 환경의 대응하는 영역에 투사되는 것임 -으로 변환하는 단계에 의해 형성된다.

소정의 실시형태에서, 상기 변환하는 단계는 몸체의 표면에 반복 프리즘 패턴을 가진 상기 몸체를 통해 상기 발산 광의 적어도 일부를 지향시키는 단계를 포함한다.

소정의 실시형태에서, 상기 지향시키는 단계는 몸체의 표면에서의 반복 프리즘 패턴으로서 복수의 반복되는 피라미드형 단면 형상을 가진 상기 몸체를 통해 상기 발산 광의 적어도 일부를 지향시키는 단계를 포함한다.

소정의 실시형태에서, 상기 지향시키는 단계는 몸체의 표면에서의 반복 프리즘 패턴으로서 복수의 반복되는 계단 형상을 가진 상기 몸체를 통해 상기 발산 광의 적어도 일부를 지향시키는 단계를 포함한다.

소정의 실시형태에서, 상기 지향시키는 단계는 몸체의 표면에서의 반복 프리즘 패턴으로서 복수의 반복되는 피라미드형 계단 형상을 가진 상기 몸체를 통해 상기 발산 광의 적어도 일부를 지향시키는 단계를 포함한다.

V. 결어

비록 본 발명의 각종 실시형태를 위에서 설명하였지만, 이 실시형태들은 단지 예로서 제시된 것이고 제한되지 않는다는 것을 이해하여야 한다. 당업자라면 형태 및 세부에 있어서의 각종 변화가 첨부된 특허 청구범위에서 규정되는 발명의 정신 및 범위로부터 벗어나지 않고 이루어질 수 있다는 것을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 폭 및 범위는 임의의 전술한 예시적인 실시형태에 의해 제한되지 않고, 이하의 특허 청구범위 및 그 균등물에 따라서만 규정되어야 한다.

Claims

TOF(time-of-flight) 깊이 카메라에 있어서,
가간섭성(coherent) 광을 생성하도록 구성된 광원;
상기 가간섭성 광의 적어도 일부를 수신하도록 위치되고, 발산 광을 형성하기 위해 상기 가간섭성 광의 적어도 일부를 발산시키도록 구성된 제1 광학 스테이지;
상기 발산 광의 적어도 일부를 수신하도록 위치되고, 상기 발산 광의 적어도 일부를 조명 환경에 투사될 복수의 조명 광 패턴들로 변환시키도록 구성된 회절 요소 - 상기 복수의 조명 광 패턴들은 상기 조명 환경의 중앙 원시야(far field) 영역에 투사되는 제1 조명 광 패턴과 상기 조명 환경의 제1 주변 영역에 투사되는 제2 조명 광 패턴을 포함함 -; 및
상기 조명 환경으로부터 반사된 복귀 조명 광의 적어도 일부를 검출하도록 구성된 이미지 센서
를 포함하는 TOF 깊이 카메라.
제1항에 있어서,
상기 제1 광학 스테이지는 대향해 있는 제1 표면과 제2 표면을 포함하는 마이크로렌즈 어레이(micro lens array, MLA)를 포함하고,
상기 제1 표면은 비구면 렌즈들의 어레이를 포함한 것인 TOF 깊이 카메라.
제1항에 있어서,
상기 제1 주변 영역은 근시야(near field) 영역이고,
상기 복수의 조명 광 패턴들은 상기 조명 환경의 제2 주변 근시야 영역에 투사될 제3 조명 패턴을 더 포함한 것인 TOF 깊이 카메라.
TOF(time-of-flight) 깊이 카메라에 있어서,
가간섭성 광을 생성하도록 구성된 광원;
상기 가간섭성 광의 적어도 일부를 수신하도록 위치된 제1 광학 스테이지 - 상기 제1 광학 스테이지는 발산 광을 형성하기 위해 상기 가간섭성 광의 적어도 일부를 발산시키도록 구성되고, 상기 발산 광은 상기 발산 광의 광축에 중심을 둔 제1 영역을 적어도 부분적으로 둘러싸는 제2 영역에서보다 상기 제1 영역에서 덜 강한 광 프로파일을 특징으로 함 -;
상기 발산 광의 적어도 일부를 수신하도록 위치된 회절 요소 - 상기 회절 요소는 상기 발산 광의 적어도 일부를 조명 환경에 투사될 복수의 조명 광 패턴들로 변환시키도록 구성되고, 상기 복수의 조명 광 패턴들 각각은 상기 조명 환경의 대응 영역에 투사될 것임 -; 및
상기 조명 환경으로부터 반사된 복귀 조명 광의 적어도 일부를 검출하도록 구성된 이미지 센서
를 포함하며,
상기 회절 요소는,
대향해 있는 제1 표면과 제2 표면을 가진 몸체; 및
상기 몸체의 상기 제1 표면에서의 반복 프리즘 패턴
을 포함한 것인 TOF 깊이 카메라.
제4항에 있어서,
상기 반복 프리즘 패턴의 각각의 프리즘 패턴은 피라미드형 단면 형상을 갖는 것인 TOF 깊이 카메라.
제4항에 있어서,
상기 반복 프리즘 패턴의 각각의 프리즘 패턴은 계단 패턴인 것인 TOF 깊이 카메라.
제4항에 있어서,
상기 반복 프리즘 패턴의 각각의 프리즘 패턴은 피라미드형 계단 패턴인 것인 TOF 깊이 카메라.
제1항에 있어서,
상기 발산 광의 적어도 일부를 수신하도록 상기 제1 광학 스테이지와 상기 회절 요소 사이에 위치된 제2 광학 스테이지
를 더 포함하고,
상기 제2 광학 스테이지는 상기 발산 광에서 하나 이상의 회절 아티팩트(artifact)의 세기를 감소시키도록 구성된 것인 TOF 깊이 카메라.
광학 어셈블리에 있어서,
광원으로부터 가간섭성 광을 수신하도록 위치되고, 발산 광을 형성하기 위해 상기 가간섭성 광을 발산시키도록 구성된 제1 광학 스테이지; 및
상기 발산 광의 적어도 일부를 수신하도록 위치되고, 상기 발산 광의 적어도 일부를 조명 환경에 투사될 복수의 조명 광 패턴들로 변환시키도록 구성된 회절 요소
를 포함하며,
상기 복수의 조명 광 패턴들은 상기 조명 환경의 중앙 원시야 영역에 투사되는 제1 조명 광 패턴과 상기 조명 환경의 제1 주변 영역에 투사되는 제2 조명 광 패턴을 포함한 것인 광학 어셈블리.
제9항에 있어서,
상기 제1 광학 스테이지는 대향해 있는 제1 표면과 제2 표면을 포함하는 마이크로렌즈 어레이(MLA)를 포함하고,
상기 제1 표면은 비구면 렌즈들의 어레이를 포함한 것인 광학 어셈블리.
제9항에 있어서,
상기 제1 주변 영역은 근시야 영역이고,
상기 복수의 조명 광 패턴들은 상기 조명 환경의 제2 주변 근시야 영역에 투사될 제3 조명 패턴을 더 포함한 것인 광학 어셈블리.
광학 어셈블리에 있어서,
광원으로부터 가간섭성 광을 수신하도록 위치된 제1 광학 스테이지 - 상기 제1 광학 스테이지는 발산 광을 형성하기 위해 상기 가간섭성 광을 발산시키도록 구성되고, 상기 발산 광은 상기 발산 광의 광축에 중심을 둔 제1 영역을 적어도 부분적으로 둘러싸는 제2 영역에서보다 상기 제1 영역에서 덜 강한 광 프로파일을 특징으로 함 -; 및
상기 발산 광의 적어도 일부를 수신하도록 위치된 회절 요소
를 포함하고,
상기 회절 요소는 상기 발산 광의 적어도 일부를 조명 환경에 투사될 복수의 조명 광 패턴들로 변환시키도록 구성되고,
상기 복수의 조명 광 패턴들 각각은 상기 조명 환경의 대응 영역에 투사될 것이며,
상기 회절 요소는,
대향해 있는 제1 표면과 제2 표면을 가진 몸체; 및
상기 몸체의 상기 제1 표면에서의 반복 프리즘 패턴
을 포함한 것인 광학 어셈블리.
제12항에 있어서,
상기 반복 프리즘 패턴의 각각의 프리즘 패턴은 피라미드형 단면 형상을 갖는 것인 광학 어셈블리.
제12항에 있어서,
상기 반복 프리즘 패턴의 각각의 프리즘 패턴은 피라미드형 계단 패턴인 것인 광학 어셈블리.
이미지 환경에 조명 광을 투사하는 방법에 있어서,
광을 생성하는 단계; 및
상기 생성된 광으로부터, 이미지 환경에 투사되는 조명 광을 형성하는 단계
를 포함하고,
상기 조명 광은,
발산 광을 형성하도록 상기 생성된 광의 적어도 일부를 발산시키고,
상기 발산 광의 적어도 일부를 조명 환경에 투사될 복수의 조명 광 패턴들로 변환시키는 것
에 의해 형성되며,
상기 복수의 조명 광 패턴들은 상기 조명 환경의 중앙 원시야 영역에 투사되는 제1 조명 광 패턴과 상기 조명 환경의 제1 주변 영역에 투사되는 제2 조명 광 패턴을 포함한 것인 조명 광 투사 방법.
제15항에 있어서,
상기 제1 주변 영역은 근시야 영역이고,
상기 복수의 조명 광 패턴들은 상기 조명 환경의 제2 주변 근시야 영역에 투사될 제3 조명 패턴을 더 포함한 것인 조명 광 투사 방법.
이미지 환경에 조명 광을 투사하는 방법에 있어서,
광을 생성하는 단계; 및
상기 생성된 광으로부터, 이미지 환경에 투사되는 조명 광을 형성하는 단계
를 포함하고,
상기 조명 광은,
발산 광을 형성하도록 상기 생성된 광의 적어도 일부를 발산시키며 - 상기 발산 광은 상기 발산 광의 광축에 중심을 둔 제1 영역을 적어도 부분적으로 둘러싸는 제2 영역에서보다 상기 제1 영역에서 덜 강한 광 프로파일을 특징으로 함 -;
상기 발산 광의 적어도 일부를 조명 환경에 투사될 복수의 조명 광 패턴들로 변환시키는 것
에 의해 형성되고,
상기 복수의 조명 광 패턴들 각각은 상기 조명 환경의 대응 영역에 투사될 것이며;
상기 변환시키는 것은 몸체를 통과하도록 상기 발산 광의 적어도 일부를 지향시키는 것을 포함하며,
상기 몸체는 상기 몸체의 표면에서 반복 프리즘 패턴을 갖는 것인 조명 광 투사 방법.
제17항에 있어서,
상기 지향시키는 것은,
상기 몸체의 표면에서의 상기 반복 프리즘 패턴으로서 복수의 반복 피라미드형 단면 형상들을 갖는 상기 몸체를 통과하도록 상기 발산 광의 적어도 일부를 지향시키는 것
을 포함한 것인 조명 광 투사 방법.
제17항에 있어서,
상기 지향시키는 것은,
상기 몸체의 표면에서의 상기 반복 프리즘 패턴으로서 복수의 반복 계단 형상들을 갖는 상기 몸체를 통과하도록 상기 발산 광의 적어도 일부를 지향시키는 것
을 포함한 것인 조명 광 투사 방법.
제17항에 있어서,
상기 지향시키는 것은,
상기 몸체의 표면에서의 상기 반복 프리즘 패턴으로서 복수의 반복 피라미드형 계단 형상들을 갖는 상기 몸체를 통과하도록 상기 발산 광의 적어도 일부를 지향시키는 것
을 포함한 것인 조명 광 투사 방법.