KR102537076B1 - An improved ToF Sensor Device - Google Patents

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Abstract

본 발명의 일 실시 예에 따른 ToF 센서 장치는 하나의 개구부를 포함하는 디스플레이; 상기 디스플레이의 내부에 제공되며, 레이저 광을 발광하는 발광부; 수광신호를 검출하는 수광부; 및 상기 디스플레이와 상기 발광부 및 상기 수광부 사이에 제공되는 HOE(Holographic Optical Elements) 도파관을 포함하고, 상기 HOE 도파관은 상기 발광부에서 발광된 상기 레이저 광을 상기 수광부 쪽으로 도파시켜 상기 하나의 개구부를 통해 발광시키는 것을 특징으로 한다.A ToF sensor device according to an embodiment of the present invention includes a display including one opening; a light emitting unit provided inside the display and emitting laser light; a light receiving unit that detects a light receiving signal; and a Holographic Optical Elements (HOE) waveguide provided between the display and the light emitting unit and the light receiving unit, wherein the HOE waveguide guides the laser light emitted from the light emitting unit toward the light receiving unit through the one opening. It is characterized by luminescence.

Description

개선된 ToF 센서 장치{An improved ToF Sensor Device}An improved ToF Sensor Device}

본 발명은 ToF 센서 장치에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 HOE(Holographic Optical Elements) 도파관(waveguide)을 사용하여 발광부에서 발광된 레이저 광을 수광부 쪽으로 도파시켜 하나의 개구부를 통해 또는 개구부가 없이도 외부로 발광시킴으로써, 기존의 ToF 센서 장치를 구성하는 발광부가 점유하던 면적을 필요로 하지 않으며, ToF 센서 장치의 제조에 필요한 부품의 수와 제조 비용이 절감되는 발수광부가 통합된 동축 ToF 센서 장치에 관한 것이다.The present invention relates to a ToF sensor device, and more particularly, to guides laser light emitted from a light emitter toward a light receiver using a Holographic Optical Elements (HOE) waveguide to pass through an opening or to the outside without an opening. By emitting light, it does not require the area occupied by the light emitting part constituting the existing ToF sensor device, and the number of parts required for manufacturing the ToF sensor device and the manufacturing cost are reduced. .

모바일, 로봇, 자동차, 드론 등의 지능형 디바이스는 4차 산업 혁명 인공지능 기술의 주요 이슈가 되며, 이러한 서비스 기능을 구현하기 위해서는 주위 환경의 실시간 3차원 인식 기술이 핵심이 된다. 이에 의해 고해상도의 전방위 스캐닝이 가능한 ToF센서 및 LIDAR 기술이 최근 주목 받고 있다.Intelligent devices such as mobiles, robots, cars, drones, etc. become a major issue in the 4th industrial revolution artificial intelligence technology, and real-time 3D recognition technology of the surrounding environment is the key to realizing these service functions. As a result, ToF sensors and LIDAR technologies capable of high-resolution omnidirectional scanning have recently been attracting attention.

종래 모바일용 ToF센서 또는 라이다 시스템은 레이저 출력부 및 레이저 수신부로 구성된다. 레이저 출력부는 발광용 레이저 및 LED 광원이고, 광분산소자, 렌즈 등의 광학계로 구성되고, 레이저 수신부는 SPAD, CMOS 센서를 통해 이미지 센서와 유사한 2차원 픽셀 어레이로 구성하여 픽셀의 개수만큼의 해상도로 수광한다. 또한, 종래 모바일용 ToF센서 또는 라이다 시스템은 발광부 및 수광부를 각각 1개 이상 포함하도록 구성되어 외관상 2개 이상의 외부 광학계 개구부로 구성되는 것이 특징이다.A conventional mobile ToF sensor or LIDAR system is composed of a laser output unit and a laser receiver unit. The laser output part is a light emitting laser and LED light source, and is composed of an optical system such as a light dispersion element and a lens. The laser receiving part is a SPAD and CMOS sensor. It consists of a two-dimensional pixel array similar to an image sensor and receives light with a resolution equal to the number of pixels. In addition, a conventional ToF sensor or LIDAR system for mobile is characterized in that it is configured to include at least one light emitting unit and at least one light receiving unit, respectively, and consists of two or more external optical system openings.

이에 따라, 종래 기술에 따른 모바일용 ToF센서 또는 라이다 시스템은 다음과 같은 문제점을 가지고 있다. Accordingly, the ToF sensor or lidar system for mobile according to the prior art has the following problems.

1. 외관상 2개 이상의 렌즈 등 광학계가 존재하므로, 이러한 광학계가 차지하는 표면적이 커진다. ToF 센서 장치가, 예를 들어, 휴대폰 전면부에 위치할 경우, 휴대폰의 디스플레이 면적을 가리는 펀치홀 및 트렌치 구조에 의해 디스플레이 일부가 가려지는 문제가 발생한다. 1. Since there are optical systems such as two or more lenses in appearance, the surface area occupied by these optical systems increases. When the ToF sensor device is located on the front of the mobile phone, for example, a portion of the display is blocked by a punch hole and a trench structure covering the display area of the mobile phone.

2, 또한, 발광된 레이저를 FoV(Field of View) 영역에 확산시키기 위해 디퓨저, 마이크로 렌즈 어레이, 및 렌즈를 사용하며, 이들 구성 요쇼들을 고정하기 위한 별도의 경통 기구물이 사용되어야 하므로, 제조 비용이 고비용이다. 2, In addition, a diffuser, a micro lens array, and a lens are used to diffuse the emitted laser into the FoV (Field of View) area, and a separate barrel mechanism must be used to fix these components, so the manufacturing cost is reduced. It is expensive.

3. 나아가, 상술한 문제점으로 인해 상용화를 위한 디바이스의 디자인, 설계의 제약과 함께 대량 생산에 불리하다.3. Furthermore, due to the above-mentioned problems, it is disadvantageous for mass production with restrictions on device design and design for commercialization.

본 발명은 상술한 바와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, HOE 도파관을 활용하여 레이저 광을 수광부와 동일 선상으로 도파시켜 발광함으로써 기존에 발광부가 점유하던 면적을 필요로 하지 않고, 통합된 발수광부에 소형 디스플레이를 함께 동축에 중첩하여 모바일 디바이스의 메인 디스플레이 아래에 배치하더라도 펀치홀 및 트렌치 등의 면적 손실이 없는, 모바일 디바이스용의 발수광부가 통합된 동축 ToF 센서 장치를 제공하는 것이다.The present invention is to solve the problems of the prior art as described above, and by using an HOE waveguide to guide laser light along the same line as the light receiving unit to emit light, the area previously occupied by the light emitting unit is not required, and the integrated light emitting unit An object of the present invention is to provide a coaxial ToF sensor device in which a light emitting unit is integrated for a mobile device without area loss such as punch holes and trenches even when a small display is coaxially overlapped with a light receiving unit and placed under the main display of the mobile device.

본 발명의 일 실시 예에 따른 는 ToF 센서 장치는 하나의 개구부를 포함하는 디스플레이; 상기 디스플레이의 내부에 제공되며, 레이저 광을 발광하는 발광부; 수광신호를 검출하는 수광부; 및 상기 디스플레이와 상기 발광부 및 상기 수광부 사이에 제공되는 HOE(Holographic Optical Elements) 도파관을 포함하고, 상기 HOE 도파관은 상기 발광부에서 발광된 상기 레이저 광을 상기 수광부 쪽으로 도파시켜 상기 하나의 개구부를 통해 발광시키는 것을 특징으로 한다.A ToF sensor device according to an embodiment of the present invention includes a display including one opening; a light emitting unit provided inside the display and emitting laser light; a light receiving unit that detects a light receiving signal; and a Holographic Optical Elements (HOE) waveguide provided between the display and the light emitting unit and the light receiving unit, wherein the HOE waveguide guides the laser light emitted from the light emitting unit toward the light receiving unit through the one opening. It is characterized by luminescence.

본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 ToF 센서 장치는 하나의 개구부를 포함하는 디스플레이; 상기 디스플레이의 내부에 제공되고, 풀스크린 구현을 위해 소정 영역에 출력될 이미지를 생성하는 제 2 광을 방출하는 부분 디스플레이; 상기 디스플레이의 내부에 제공되며, 레이저 광을 발광하는 발광부; 수광신호를 검출하는 수광부; 상기 디스플레이와 상기 발광부 및 상기 수광부 사이에 제공되는 HOE(Holographic Optical Elements) 도파관; 및 상기 디스플레이 및 상기 부분 디스플레이 사이에 제 2 HOE 도파관을 포함하고, 상기 HOE 도파관은 상기 발광부에서 발광된 상기 레이저 광을 상기 수광부 쪽으로 도파시켜 상기 하나의 개구부를 통해 발광시키고, 상기 제 2 HOE 도파관은 상기 부분 디스플레이에서 방출되는 상기 제 2 광을 도파시켜 상기 하나의 개구부를 통해 발광시키는 것을 특징으로 한다.A ToF sensor device according to another embodiment of the present invention includes a display including one opening; a partial display provided inside the display and emitting second light generating an image to be output to a predetermined area for full-screen implementation; a light emitting unit provided inside the display and emitting laser light; a light receiving unit that detects a light receiving signal; a Holographic Optical Elements (HOE) waveguide provided between the display and the light emitting unit and the light receiving unit; and a second HOE waveguide between the display and the partial display, wherein the HOE waveguide guides the laser light emitted from the light emitting unit toward the light receiving unit to emit light through the one opening, and the second HOE waveguide is characterized by guiding the second light emitted from the partial display to emit light through the one opening.

본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 ToF 센서 장치는 레이저 광을 발광하는 발광부; 및 상기 발광부에서 발광된 상기 레이저광을 수신하는 HOE 도파관을 포함하고, 상기 HOE 도파관은 상기 발광부에서 발광된 상기 레이저광을 상기 HOE 도파관의 내부로 반사하여 삽입시키는 인-커플링(in-coupling) HOE; 상기 인-커플링 HOE에 의해 삽입된 레이저 광을 상기 HOE 도파관의 길이 방향으로 전반사에 의해 도파시키는 도파로; 및 상기 도파로를 통해 도파된 상기 삽입된 레이저 광을 상기 도파로의 바깥쪽으로 발광시키도록 반사하는 아웃-커플링(out-coupling) HOE로 구성되는 것을 특징으로 한다.A ToF sensor device according to another embodiment of the present invention includes a light emitting unit for emitting laser light; and an HOE waveguide for receiving the laser light emitted from the light emitting unit, wherein the HOE waveguide reflects and inserts the laser light emitted from the light emitting unit into the HOE waveguide. coupling) HOE; a waveguide for guiding the laser light inserted by the in-coupling HOE in a longitudinal direction of the HOE waveguide by total reflection; and an out-coupling HOE that reflects the inserted laser light guided through the waveguide to emit light outside the waveguide.

본 발명의 실시 예에 따른 ToF 센서 장치는 HOE 도파관을 사용하여 발광부에서 방출되는 레이저 광을 수광부 쪽으로 도파시켜 하나의 개구부를 통해 또는 개부가 없이도 외부로 발광시킴으로써 기존의 ToF를 구성하는 발광부가 점유하던 면적을 필요로 하지 않는 효과를 제공한다.The ToF sensor device according to an embodiment of the present invention uses an HOE waveguide to guide the laser light emitted from the light emitting unit toward the light receiving unit and emits the laser light to the outside through one opening or without an opening, so that the light emitting unit constituting the conventional ToF occupies It provides an effect that does not require the area used to do.

또한, 기존의 레이저 발광부의 광학계 구성인 렌즈, 디퓨저, 렌즈 어레이, 경통부를 필요로 하지 않으므로 ToF 센서 장치의 제조에 필요한 부품의 수와 제조 비용이 크게 절감된다.In addition, since a lens, a diffuser, a lens array, and a lens barrel, which are the optical system components of the existing laser light emitting unit, are not required, the number of parts and manufacturing cost required for manufacturing the ToF sensor device are greatly reduced.

도 1은 모바일 디바이스에 사용되는 종래 기술의 ToF 센서 장치를 구성하는 발광부 및 수광부의 구성을 개념적으로 도시한 도면이다.
도 2는 모바일 디바이스에 사용되는 종래 기술에 따른 ToF 센서 장치의 문제점을 나타낸 도면이다.
도 3은 모바일 디바이스에 사용되는 종래 기술의 ToF 센서 장치가 디스플레이 하부에 배치된 구조를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 HOE(Holographic Optical Elements) 도파관을 포함하는 ToF 센서 장치가 디스플레이 하부에 배치된 구조를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 5는 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 HOE 도파관을 포함하는 ToF 센서 장치가 디스플레이 하부에 배치된 구조를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 6은 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 HOE 도파관을 통해 레이저 광이 도파되는 모습을 개념적으로 나타낸 도면이다.
도 7은 본 발명의 일 실시 예에 따른 단일층 HOE 도파관의 구조를 도시한 도면이다.1 is a diagram conceptually illustrating configurations of a light emitting unit and a light receiving unit constituting a prior art ToF sensor device used in a mobile device.
2 is a diagram illustrating problems of a conventional ToF sensor device used in a mobile device.
3 is a diagram schematically illustrating a structure in which a prior art ToF sensor device used in a mobile device is disposed under a display.
4 is a diagram schematically illustrating a structure in which a ToF sensor device including a Holographic Optical Elements (HOE) waveguide according to an embodiment of the present invention is disposed under a display.
5 is a diagram schematically illustrating a structure in which a ToF sensor device including an HOE waveguide according to another embodiment of the present invention is disposed under a display.
6 is a diagram conceptually showing how laser light is guided through an HOE waveguide according to another embodiment of the present invention.
7 is a diagram showing the structure of a single-layer HOE waveguide according to an embodiment of the present invention.

이하, 본 발명에 대해서 실시예 및 도면을 참조하여 구체적으로 설명한다. 그러나, 이하의 설명은 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to examples and drawings. However, the following description is not intended to limit the present invention to specific embodiments, and in describing the present invention, if it is determined that the detailed description of related known technologies may obscure the gist of the present invention, the detailed description will be omitted. .

도 1은 모바일 디바이스에 사용되는 종래 기술의 ToF 센서 장치를 구성하는 발광부 및 수광부의 구성을 개념적으로 도시한 도면이고, 도 2는 모바일 디바이스에 사용되는 종래 기술에 따른 ToF 센서 장치의 문제점을 나타낸 도면이며, 도 3은 모바일 디바이스에 사용되는 종래 기술의 ToF 센서 장치가 디스플레이 하부에 배치된 구조를 개략적으로 도시한 도면이다. 1 is a diagram conceptually showing the configuration of a light emitter and a light receiver constituting a prior art ToF sensor device used in a mobile device, and FIG. 2 illustrates problems of the prior art ToF sensor device used in a mobile device. FIG. 3 is a diagram schematically illustrating a structure in which a prior art ToF sensor device used in a mobile device is disposed under a display.

도 1 및 도 3을 참조하면, 모바일 디바이스에 사용되는 종래 기술의 ToF 센서 장치를 구성하는 발광부는 레이저 광을 생성하는 VCSEL로 구현되고, 및 ToF 센서 장치를 구성하는 수광부는 센서인 SPAD로 구현되되, 이러한 발광부 및 수광부가 분리된 형태인 2축 구조로 되어 있다. 이러한 종래 기술의 경우, 외관상 2개 이상의 렌즈 등의 광학계가 있어야 하므로 차지하는 표면적이 커진다. 또한, ToF 센서 장치가 휴대폰 전면부에 위치할 경우, 도 2와 같이 휴대폰의 디스플레이를 가리는 펀치홀(도 2 하단의 중간 도면), 노치(도 2 하단의 좌측 도면) 등의 구조에 의해 디스플레이 일부가 가려지는 문제가 발생하며, 그에 따라 상용화를 위한 디바이스의 디자인, 설계 상의 제약(도 2 하단의 우측 도면)을 받게 된다.1 and 3, the light emitter constituting the prior art ToF sensor device used in a mobile device is implemented as a VCSEL that generates laser light, and the light receiver constituting the ToF sensor device is implemented as a sensor, SPAD. , It has a two-axis structure in which the light emitting part and the light receiving part are separated. In the case of this prior art, the surface area occupied increases because an optical system such as two or more lenses is required in appearance. In addition, when the ToF sensor device is located on the front of the mobile phone, as shown in FIG. 2, a portion of the display is formed by structures such as a punch hole (middle drawing at the bottom of FIG. 2) and a notch (left drawing at the bottom of FIG. 2) that cover the display of the mobile phone. A problem occurs that is covered, and accordingly, the design of the device for commercialization and design restrictions (the right drawing at the bottom of FIG. 2) are subjected.

도 3을 참조하면, 모바일 디바이스에 사용되는 종래 기술의 ToF 센서 장치는 디스플레이 상에서 2개의 개구부를 포함해야만 하며, 하나의 개구부를 통해 발광부(즉, 광원인 VCSEL)에서 생성된 레이저 광이 방출되며, 다른 개구부를 통해서는 수광부(즉, SPAD 센서)에서 수신된 광이 센싱된다. 따라서, 종래 기술의 ToF 센서 장치는 상술한 바와 같이 2개의 개구부를 포함해야만 하는 경우에 발생할 수 있는 문제점들이 발생하게 된다.Referring to FIG. 3, the prior art ToF sensor device used in a mobile device must include two openings on the display, and through one opening, laser light generated from a light emitting unit (ie, a VCSEL as a light source) is emitted. , the light received by the light receiving unit (ie, the SPAD sensor) is sensed through the other opening. Therefore, problems that may occur when the conventional ToF sensor device has to include two openings as described above occur.

도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 HOE(Holographic Optical Elements) 도파관을 포함하는 ToF 센서 장치가 디스플레이 하부에 배치된 구조를 개략적으로 도시한 도면이다.4 is a diagram schematically illustrating a structure in which a ToF sensor device including a Holographic Optical Elements (HOE) waveguide according to an embodiment of the present invention is disposed under a display.

도 4를 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 ToF 센서 장치는 발광부와 수광부(이하 “발수광부”라 함)가 통합된 동축 ToF 센서 장치로 구현된다. 구체적으로, 본 발명의 일 실시 예에 따른 ToF 센서 장치는 하나의 개구부를 포함하는 디스플레이, 상기 디스플레이의 내부에 제공되며, 레이저광을 발광하는 발광부(예를 들어, VCSEL); 수광신호를 검출하는 수광부(예를 들어, SPAD 센서); 및 상기 디스플레이와 상기 발광부 및 상기 수광부 사이에 제공되는 HOE(Holographic Optical Elements) 도파관을 포함하고, 상기 HOE 도파관은 상기 발광부에서 발광된 상기 레이저 광을 상기 수광부 쪽으로 도파시켜 상기 하나의 개구부를 통해 발광시키는 것을 특징으로 한다. 여기서, 발광부에서 발광되는 레이저광은 근적외선일 수 있고, 그 외의 다른 파장 및 이들의 조합도 가능하다.Referring to FIG. 4 , the ToF sensor device according to an embodiment of the present invention is implemented as a coaxial ToF sensor device in which a light emitting unit and a light receiving unit (hereinafter referred to as “light emitting unit”) are integrated. Specifically, the ToF sensor device according to an embodiment of the present invention includes a display including one opening, a light emitting unit provided inside the display and emitting laser light (eg, a VCSEL); a light receiving unit (for example, a SPAD sensor) that detects a light receiving signal; and a Holographic Optical Elements (HOE) waveguide provided between the display and the light emitting unit and the light receiving unit, wherein the HOE waveguide guides the laser light emitted from the light emitting unit toward the light receiving unit through the one opening. It is characterized by luminescence. Here, the laser light emitted from the light emitting unit may be a near infrared ray, and other wavelengths and combinations thereof are also possible.

발광부 (또는 광원부)는 메인보드 상에 장착되며, 레이저 광원을 생성하는 VCSEL 또는 LD(EEL)로 구성될 수 있으며, 메인보드로부터 인가되는 전기 신호에 따라 펄스/CW(연속파) 모듈레이션으로 작동하여, 예를 들어, 905nm, 940nm, 1550nm 등의 근적외선을 발광할 수 있다.The light emitting unit (or light source unit) is mounted on the main board and can be composed of a VCSEL or LD (EEL) that generates a laser light source. , For example, near infrared rays such as 905 nm, 940 nm, and 1550 nm may be emitted.

수광부는 일반적인 ToF 센서 장치에서 사용하는 구성과 동일하게 SPAD 센서 또는 CMOS 이미지 센서, 렌즈부, 경통부 등으로 구성될 수 있으며, HOE 도파관에 의한 영향을 받지 않으므로 별다른 추가 기술이 필요하지 않을 수 있다. 즉, 본 발명의 일 실시 예에 따른 ToF 센서 장치를 구성하는 수광부는 ToF 센서 장치에서 사용되는 종래 수광부와 실질적으로 동일한 구성으로 구현될 수 있다는 점에 유의하여야 한다.The light receiving unit may be composed of a SPAD sensor or a CMOS image sensor, a lens unit, a barrel unit, etc., the same as the configuration used in a general ToF sensor device, and may not require additional technology because it is not affected by the HOE waveguide. That is, it should be noted that the light receiving unit constituting the ToF sensor device according to an embodiment of the present invention may be implemented with substantially the same configuration as the conventional light receiving unit used in the ToF sensor device.

또한, HOE 도파관은 발광부의 레이저 광을 수광부 쪽으로 도파시켜 상기 디스플레이 상에 제공되는 하나의 개구부를 통해 발광 가능하도록 한다. HOE 도파관은, 예를 들어, 모바일 장치의 디스플레이 하부에 제공되며, 좀 더 구체적으로는, 디스플레이 및 발수광부 사이에 제공된다. 그에 따라, 도 4에 도시된 바와 같이, 발광부에서 발광된 레이저 광이 HOE 도파관을 따라 수광부 쪽으로 도파된 후 수광부 상부에 위치된 개구부를 통해 발광될 수 있다.In addition, the HOE waveguide guides laser light from the light emitting unit toward the light receiving unit so that light can be emitted through one opening provided on the display. The HOE waveguide is, for example, provided below the display of the mobile device, and more specifically, provided between the display and the light emitting unit. Accordingly, as shown in FIG. 4 , after the laser light emitted from the light emitting unit is guided toward the light receiving unit along the HOE waveguide, it may be emitted through an opening positioned above the light receiving unit.

본 발명의 일 실시 예에 따른 HOE 도파관은 발광부에서 발광된 레이저 광을 HOE 도파관의 내부로 반사시키는 인-커플링(in-coupling) HOE, 상기 인-커플링 HOE에 의해 반사된 커플링된 광(여기서, 커플링이란 도파로 안쪽으로 삽입되었음을 의미함)을 상기 HOE 도파관의 길이 방향(도 4에서는 수평 방향)으로 전반사에 의해 도파시키는 도파로, 및 상기 도파로를 통해 도파된 커플링된 레이저 광을 개구부 바깥쪽으로 발광시키도록 반사하는 아웃-커플링(out-coupling) HOE로 구성될 수 있다. 여기서, 상기 HOE 도파관은 IR HOE 도파관으로 지칭될 수 있다. 이 경우, 아웃-커플링 HOE는 레이저 광의 수렴, 발산, 패턴 형성 등을 필요에 맞추어 구현될 수 있으므로, 종래 ToF 센서 장치의 발광부에서 요구되는 별도의 렌즈, 디퓨저 등의 광학 부품이 필요하지 않다는 장점을 갖는다. 또한 HOE 도파관은 발광부에서 발광된 레이저 광이 도파로 내부에서 전반사되므로 별도의 경통이 필요 없을 뿐만 아니라, 신호광을 차단할 수 있는(즉, 발광부와 수광부를 인접하여 배치하면 발광부의 산란광이 수광부로 유입되어 노이즈의 원인이 되며, 본 발명의 도파로를 통해서 이를 차단 가능함) 추가적인 이점을 가진다.An HOE waveguide according to an embodiment of the present invention includes an in-coupling HOE for reflecting laser light emitted from a light emitting unit into the HOE waveguide, and a coupled coupling reflected by the in-coupling HOE. A waveguide for guiding light (here, coupling means inserted inside the waveguide) by total reflection in the longitudinal direction of the HOE waveguide (horizontal direction in FIG. 4), and the coupled laser light guided through the waveguide It can be configured as an out-coupling HOE that reflects to emit light out of the aperture. Here, the HOE waveguide may be referred to as an IR HOE waveguide. In this case, since the out-coupling HOE can be implemented according to the needs of convergence, divergence, and pattern formation of laser light, optical components such as separate lenses and diffusers required in the light emitting unit of the conventional ToF sensor device are not required. have an advantage In addition, the HOE waveguide not only does not require a separate barrel because the laser light emitted from the light emitting part is totally reflected inside the waveguide, but also can block the signal light (i.e., if the light emitting part and the light receiving part are placed adjacent to each other, scattered light from the light emitting part flows into the light receiving part). becomes a cause of noise, and it can be blocked through the waveguide of the present invention) has an additional advantage.

도 4에 도시된 바와 같은 본 발명의 일 실시 예에 따른 ToF 센서 장치의 구성을 통해, 예를 들어, 모바일 장치의 전면 디스플레이 또는 배면의 개구부를 최소화할 수 있게 된다.Through the configuration of the ToF sensor device according to an embodiment of the present invention as shown in FIG. 4 , for example, it is possible to minimize the opening of the front display or the rear of the mobile device.

도 5는 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 HOE 도파관을 포함하는 ToF 센서가 디스플레이 하부에 배치된 구조를 개략적으로 도시한 도면이다.5 is a diagram schematically illustrating a structure in which a ToF sensor including an HOE waveguide according to another embodiment of the present invention is disposed under a display.

본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 HOE 도파관을 포함하는 ToF 센서 장치는, 예를 들어, 모바일 디바이스용의 발수광부가 통합된 동축 ToF 센서 장치로 구현된다. 구체적으로, 본 발명의 일 실시 예에 따른 ToF 센서 장치는, 예를 들어, 도 4에 도시된 디스플레이의 내부에 제공되고, 풀스크린 구현을 위해 소정 영역에 출력될 이미지를 생성하는 제 2 광을 방출하는 부분 디스플레이를 추가적으로 포함하고, 도 4에 도시된 HOE 도파관 이외에 상기 디스플레이 및 상기 부분 디스플레이 사이에 제 2 HOE 도파관이 제공되어, 상기 부분 디스플레이에서 방출되는 상기 제 2 광을 제 2 HOE 도파관 내에서 도파시켜 수광부의 상부에 제공되는 하나의 개구부를 통해 발광 가능하게 할 수 있다. 이 경우, 제 2 HOE 도파관은 상기 부분 디스플레이에서 발광된 상기 제 2 광을 상기 제 2 HOE 도파관의 내부로 반사시키는 제 2 인-커플링(in-coupling) HOE, 상기 제 2 인-커플링 HOE에 의해 반사된 커플링된 상기 제 2 광을 상기 제 2 HOE 도파관의 길이 방향으로 전반사에 의해 도파시키는 제 2 도파로, 및 상기 제 2 도파로를 통해 도파된 상기 커플링된 제 2 광을 상기 하나의 개구부 바깥쪽으로 발광시키도록 반사하는 제 2 아웃-커플링(out-coupling) HOE로 구성될 수 있다. A ToF sensor device including an HOE waveguide according to another embodiment of the present invention is implemented as, for example, a coaxial ToF sensor device in which a light emitting unit for a mobile device is integrated. Specifically, the ToF sensor device according to an embodiment of the present invention, for example, is provided inside the display shown in FIG. It further includes a partial display that emits, and a second HOE waveguide is provided between the display and the partial display in addition to the HOE waveguide shown in FIG. The waveguide may enable light emission through one opening provided on the top of the light receiving unit. In this case, the second HOE waveguide includes a second in-coupling HOE for reflecting the second light emitted from the partial display into the second HOE waveguide, and the second in-coupling HOE. A second waveguide for guiding the coupled second light reflected by the second HOE waveguide by total reflection in the longitudinal direction of the second HOE waveguide, and the coupled second light guided through the second waveguide into the one It may consist of a second out-coupling HOE that reflects to emit light out of the opening.

종래 기술에 따른 ToF 센서 장치는, 예를 들어, 모바일 장치의 디스플레이 내부에 배치되는 경우 센서의 면적만큼 디스플레이를 가리는 문제점이 발생한다. 이 경우, 도 5에 도시된 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 ToF 센서 장치를 사용하면, 부분 디스플레이는 모바일 장치의 디스플레이에서 풀스크린 구현을 위해 가려지는 영역에 출력될 이미지를 생성할 수 있다.For example, when the ToF sensor device according to the prior art is disposed inside a display of a mobile device, a problem occurs in that the display is covered by an area of the sensor. In this case, if the ToF sensor device according to another embodiment of the present invention shown in FIG. 5 is used, the partial display may generate an image to be displayed in an area covered for full screen implementation on the display of the mobile device.

도 5에 도시된 바와 같은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 ToF 센서 장치의 구성을 통해, 예를 들어, 부분 디스플레이에서 생성된 제 2 광(예를 들어, RGB 가시광)을 수평 방향으로 전달하여 펀치홀 부위에 출력할 수 있다. 이 경우, ToF센서를 통해 개구부로 출력되는 레이저 광은 근적외선으로, 부분 디스플레이에서 생성된 제 2 광(RGB 가시 광)과는 서로 파장 대역이 상이하여 광신호(레이저 광)과 제 2 광(RGB 가시 광)은 상호 간섭하지 않으므로, 도 5에 도시된, IR HOE도파관과 RGB HOE도파관을 중첩 제작하여 단일 HOE 도파관으로 구성하는 것이 가능하다. 그에 따라, 모바일 장치의 디스플레이 상에서 풀스크린을 구현할 수 있다.Through the configuration of the ToF sensor device according to another embodiment of the present invention as shown in FIG. 5, for example, by transmitting the second light (eg, RGB visible light) generated in the partial display in the horizontal direction It can be printed on the punch hole area. In this case, the laser light output through the ToF sensor to the opening is near-infrared and has a different wavelength band from the second light (RGB visible light) generated in the partial display, so that the optical signal (laser light) and the second light (RGB light) Since visible light) does not interfere with each other, it is possible to construct a single HOE waveguide by overlapping the IR HOE waveguide and the RGB HOE waveguide shown in FIG. 5 . Accordingly, a full screen can be implemented on the display of the mobile device.

도 6은 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 HOE 도파관을 통해 레이저 광이 도파되는 모습을 개념적으로 나타낸 도면이다.6 is a diagram conceptually showing how laser light is guided through an HOE waveguide according to another embodiment of the present invention.

도 6을 참조하면, 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 HOE 도파관은 발광부(micro-display)에서 발광된 레이저광을 HOE 도파관의 내부로 반사시키는 인-커플링(in-coupling) HOE, 상기 인-커플링 HOE에 의해 반사된 커플링된 레이저 광을 상기 HOE 도파관의 길이 방향(도 6에서는 수평 방향)으로 전반사에 의해 도파시키는 도파로, 및 상기 도파로를 통해 도파된 커플링된 레이저 광을 상기 도파로의 바깥쪽으로 발광시키도록 반사하는 아웃-커플링(out-coupling) HOE로 구성될 수 있다. 여기서, 인-커플링 HOE와 아웃-커플링 HOE는 도 4에 도시된 HOE 도파관과는 달리 도파로 상에서 서로 동일한 위치(도 6의 경우 도파로의 상부)에 제공된다. 그에 따라, 발광부(micro-display)에서 발광된 레이저광은 도 4에 도시된 바와 같은 디스플레이 상에 제공되는 개구부가 없어도 외부로 방출될 수 있고, 예를 들어, 사람의 눈에 의해 감지될 수 있다.Referring to FIG. 6, the HOE waveguide according to another embodiment of the present invention is an in-coupling HOE that reflects laser light emitted from a micro-display to the inside of the HOE waveguide. A waveguide for guiding the coupled laser light reflected by the in-coupling HOE by total reflection in the longitudinal direction of the HOE waveguide (horizontal direction in FIG. 6), and the coupled laser light guided through the waveguide as described above. It may consist of an out-coupling HOE that reflects to emit light out of the waveguide. Here, the in-coupling HOE and the out-coupling HOE are provided at the same position (upper part of the waveguide in FIG. 6) on the waveguide, unlike the HOE waveguide shown in FIG. 4 . Accordingly, the laser light emitted from the micro-display can be emitted to the outside even without an opening provided on the display as shown in FIG. 4 and can be detected, for example, by human eyes. there is.

상술한 도 6에 도시된 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 HOE 도파관을 포함하는 ToF 센서 장치는, 예를 들어, AR용 디스플레이에 사용될 수 있다.The ToF sensor device including the HOE waveguide according to another embodiment of the present invention shown in FIG. 6 described above may be used, for example, in an AR display.

도 7은 본 발명의 일 실시 예에 따른 단일층 HOE 도파관의 구조를 도시한 도면이다.7 is a diagram showing the structure of a single-layer HOE waveguide according to an embodiment of the present invention.

좀 더 구체적으로, 도 7을 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 발수광부가 통합된 동축 ToF 센서 장치의 도파관은 단일층(single-layer) 도파관 일 수 있다. 그러나, 당업자라면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 발수광부가 통합된 동축 ToF 센서 장치의 도파관이 도 7에 도시된 단일층 도파관이 상하로 복수개 제공되는 다중층(Multi-layer) 도파관(미도시)으로 구현될 수 있다는 점을 충분히 이해할 수 있을 것이다.More specifically, referring to FIG. 7 , the waveguide of the coaxial ToF sensor device in which the light emitting unit is integrated according to an embodiment of the present invention may be a single-layer waveguide. However, for those skilled in the art, the waveguide of the coaxial ToF sensor device in which the light emitting unit is integrated according to an embodiment of the present invention is a multi-layer waveguide (not shown) in which a plurality of single-layer waveguides shown in FIG. 7 are provided vertically. ).

상술한 바와 같은 본 발명의 실시 예들에 따른 ToF 센서 장치에 사용되는 HOE 도파관은 결맞음성이 있는(coherent) 레이저 광만을 반사시키고, 결맞음성이 없는(in-coherent) 수신광(예를 들어, 물체에 반사되어 들어온 광)은 HOE 도파관의 도파관을 통과하여 진행한다.As described above, the HOE waveguide used in the ToF sensor device according to the embodiments of the present invention reflects only coherent laser light and in-coherent received light (e.g., object light reflected by the HOE waveguide) travels through the waveguide of the HOE waveguide.

또한, 상술한 바와 같은 본 발명의 실시 예들에 따른 ToF 센서 장치는 HOE 도파관을 포함하여, 발수광부가 통합된 동축 ToF 센서 장치로 구현되어, 발광부에서 발광된 레이저 광이 수광부 쪽으로 도파되어 하나의 개구부를 통해 또는 개구부가 없이도 외부로 발광될 수 있다.In addition, the ToF sensor device according to the embodiments of the present invention as described above is implemented as a coaxial ToF sensor device in which a light emitting unit is integrated, including an HOE waveguide, so that laser light emitted from the light emitting unit is guided toward the light receiving unit to form a single Light may be emitted to the outside through the opening or without the opening.

지금까지 살펴본 바와 같이, 본 발명의 실시 예들에 따른 ToF 센서 장치를 사용하는 경우, 기존의 ToF 센서 장치를 구성하는 발광부가 점유하던 면적이 불필요하다는 효과를 제공한다.As described above, when the ToF sensor device according to the embodiments of the present invention is used, the area occupied by the light emitting unit constituting the conventional ToF sensor device is unnecessary.

다양한 변형예가 본 발명의 범위를 벗어남이 없이 본 명세서에 기술되고 예시된 구성 및 방법으로 만들어질 수 있으므로, 상기 상세한 설명에 포함되거나 첨부 도면에 도시된 모든 사항은 예시적인 것으로 본 발명을 제한하기 위한 것이 아니다. 따라서, 본 발명의 범위는 상술한 예시적인 실시예에 의해 제한되지 않으며, 이하의 청구 범위 및 그 균등물에 따라서만 정해져야 한다.As various modifications may be made to the configurations and methods described and illustrated herein without departing from the scope of the present invention, all matter contained in the above detailed description or shown in the accompanying drawings is illustrative and not intended to limit the present invention. It is not. Accordingly, the scope of the present invention is not limited by the above-described exemplary embodiments, and should be defined only in accordance with the following claims and equivalents thereof.

Claims (10)

ToF 센서 장치에 있어서,
하나의 개구부를 포함하는 디스플레이;
상기 디스플레이의 내부에 제공되며, 레이저 광을 발광하는 발광부;
수광신호를 검출하는 수광부; 및
상기 디스플레이와 상기 발광부 및 상기 수광부 사이에 제공되는 HOE(Holographic Optical Elements) 도파관
을 포함하고,
상기 HOE 도파관은 상기 발광부에서 발광된 상기 레이저 광을 상기 수광부 쪽으로 도파시켜 상기 하나의 개구부를 통해 발광시키는 것을 특징으로 하는 센서 장치.In the ToF sensor device,
a display including one opening;
a light emitting unit provided inside the display and emitting laser light;
a light receiving unit that detects a light receiving signal; and
A Holographic Optical Elements (HOE) waveguide provided between the display and the light emitting unit and the light receiving unit.
including,
The HOE waveguide guides the laser light emitted from the light emitting part toward the light receiving part and emits light through the one opening. 제1항에 있어서,
상기 HOE 도파관은
상기 발광부에서 발광된 상기 레이저 광을 상기 HOE 도파관의 내부로 반사시키는 인-커플링(in-coupling) HOE;
상기 인-커플링 HOE에 의해 반사된 커플링된 레이저 광을 상기 HOE 도파관의 길이 방향으로 전반사에 의해 도파시키는 도파로; 및
상기 도파로를 통해 도파된 상기 커플링된 레이저 광을 상기 하나의 개구부 바깥쪽으로 발광시키도록 반사하는 아웃-커플링(out-coupling) HOE
로 구성되는 것을 특징으로 하는 센서 장치.According to claim 1,
The HOE waveguide is
an in-coupling HOE for reflecting the laser light emitted from the light emitting unit into the HOE waveguide;
a waveguide for guiding the coupled laser light reflected by the in-coupling HOE in a longitudinal direction of the HOE waveguide by total internal reflection; and
An out-coupling HOE that reflects the coupled laser light guided through the waveguide to emit light outside the one opening.
Sensor device, characterized in that consisting of. 제1항에 있어서,
상기 레이저 광은 근적외선인 것을 특징으로 하는 센서 장치.According to claim 1,
The sensor device, characterized in that the laser light is a near infrared ray. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 HOE 도파관은 단일층(single-layer) 도파관 또는 다중층(Multi-layer) 도파관으로 구현되는 것을 특징으로 하는 센서 장치.According to any one of claims 1 to 3,
The HOE waveguide is implemented as a single-layer waveguide or a multi-layer waveguide. ToF 센서 장치에 있어서,
하나의 개구부를 포함하는 디스플레이;
상기 디스플레이의 내부에 제공되며, 레이저 광을 발광하는 발광부;
상기 디스플레이의 내부에 제공되고, 풀스크린 구현을 위해 소정 영역에 출력될 이미지를 생성하는 제 2 광을 방출하는 부분 디스플레이;
수광신호를 검출하는 수광부;
상기 디스플레이와 상기 발광부 및 상기 수광부 사이에 제공되는 HOE(Holographic Optical Elements) 도파관; 및
상기 디스플레이 및 상기 부분 디스플레이 사이에 제공되는 제 2 HOE 도파관
을 포함하고,
상기 HOE 도파관은 상기 발광부에서 발광된 상기 레이저 광을 상기 수광부 쪽으로 도파시켜 상기 하나의 개구부를 통해 발광시키고,
상기 제 2 HOE 도파관은 상기 부분 디스플레이에서 방출되는 상기 제 2 광을 도파시켜 상기 하나의 개구부를 통해 발광시키는 것을 특징으로 하는 센서 장치.In the ToF sensor device,
a display including one opening;
a light emitting unit provided inside the display and emitting laser light;
a partial display provided inside the display and emitting second light generating an image to be output to a predetermined area for full-screen implementation;
a light receiving unit that detects a light receiving signal;
a Holographic Optical Elements (HOE) waveguide provided between the display and the light emitting unit and the light receiving unit; and
A second HOE waveguide provided between the display and the partial display
including,
The HOE waveguide guides the laser light emitted from the light emitting part toward the light receiving part to emit light through the one opening;
The second HOE waveguide guides the second light emitted from the partial display to emit light through the one opening. 제5항에 있어서,
상기 HOE 도파관은
상기 발광부에서 발광된 상기 레이저 광을 상기 HOE 도파관의 내부로 반사시키는 인-커플링(in-coupling) HOE;
상기 인-커플링 HOE에 의해 반사된 커플링된 레이저 광을 상기 HOE 도파관의 길이 방향으로 전반사에 의해 도파시키는 도파로; 및
상기 도파로를 통해 도파된 상기 커플링된 레이저 광을 상기 하나의 개구부 바깥쪽으로 발광시키도록 반사하는 아웃-커플링(out-coupling) HOE
로 구성되고,
상기 제 2 HOE 도파관은
상기 부분 디스플레이에서 발광된 상기 제 2 광을 상기 제 2 HOE 도파관의 내부로 반사시키는 제 2 인-커플링(in-coupling) HOE;
상기 제 2 인-커플링 HOE에 의해 반사된 커플링된 상기 제 2 광을 상기 제 2 HOE 도파관의 길이 방향으로 전반사에 의해 도파시키는 제 2 도파로; 및
상기 제 2 도파로를 통해 도파된 상기 커플링된 제 2 광을 상기 하나의 개구부 바깥쪽으로 발광시키도록 반사하는 제 2 아웃-커플링(out-coupling) HOE
로 구성되는 것을 특징으로 하는 센서 장치.According to claim 5,
The HOE waveguide is
an in-coupling HOE for reflecting the laser light emitted from the light emitting unit into the HOE waveguide;
a waveguide for guiding the coupled laser light reflected by the in-coupling HOE in a longitudinal direction of the HOE waveguide by total internal reflection; and
An out-coupling HOE that reflects the coupled laser light guided through the waveguide to emit light outside the one opening.
consists of,
The second HOE waveguide is
a second in-coupling HOE for reflecting the second light emitted from the partial display into the second HOE waveguide;
a second waveguide for guiding the coupled second light reflected by the second in-coupling HOE by total internal reflection in a longitudinal direction of the second HOE waveguide; and
A second out-coupling HOE that reflects the coupled second light guided through the second waveguide to emit light outside the one opening.
Sensor device, characterized in that consisting of. 제5항에 있어서,
상기 레이저 광은 근적외선이고,
상기 제 2 광은 가시 광인 것을 특징으로 하는 센서 장치.According to claim 5,
The laser light is near infrared,
The sensor device, characterized in that the second light is visible light. 제5항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 HOE 도파관 및 상기 제 2 HOE 도파관 중 어느 하나 또는 양자는 단일층(single-layer) 도파관 또는 다중층(Multi-layer) 도파관으로 구현되는 것을 특징으로 하는 센서 장치.According to any one of claims 5 to 7,
The sensor device, characterized in that either or both of the HOE waveguide and the second HOE waveguide are implemented as a single-layer waveguide or a multi-layer waveguide. 삭제delete 삭제delete
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