KR102546320B1 - 구조광 프로젝터 및 이를 포함하는 전자 장치 - Google Patents
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Abstract
구조광을 생성하여 조사하는 구조광 프로젝터 및 구조광 프로젝터를 포함하는 전자 장치를 제공한다. 구조광 프로젝터의 패턴 마스크는, 제 1 선폭을 갖는 다수의 불투명한 제 1 광차폐 패턴을 갖는 제 1 렌즈 왜곡 보상 영역; 및 상기 제 1 렌즈 왜곡 보상 영역을 둘러싸는 것으로, 제 2 선폭을 갖는 다수의 불투명한 제 2 광차폐 패턴을 갖는 제 2 렌즈 왜곡 보상 영역을 포함할 수 있다. 여기서, 상기 제 2 광차폐 패턴의 제 2 선폭은 상기 제 1 광차폐 패턴의 제 1 선폭보다 작을 수 있다.
Description
개시된 실시예들은 구조광 프로젝터 및 이를 포함하는 전자 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 구조광의 밝기 균일도가 향상된 구조광 프로젝터 및 이를 포함하는 전자 장치에 관한 것이다.
최근, 인간이나 기타 사물 등의 객체 인식에 있어, 정밀한 3차원 형상 인식에 의해, 객체의 형상, 위치나 움직임등을 정확히 식별해야 할 필요성이 점차적으로 높아지고 있다. 이를 위한 방법 중 하나로, 구조광(structured light)을 이용하는 3차원 센싱 기술이 시도되고 있으며 이에 의해, 정밀한 동작 인식이 가능해지고 있다.
이러한 구조광 시스템은 최근 다양한 전자 기기와의 결합을 위해 점차적으로 소형화, 고해상도화가 요구되고 있다. 구조광을 만들기 위해, 통상적으로, 회절형 광학 요소(diffractive optical element;DOE)와 같은 광학 부품들이 사용될 수 있다. 이러한 광학 부품들의 광학적 특성은 설계의 정밀도 및 제작 요건에 영향을 주는 요인이 된다.
구조광을 생성하여 조사하는 구조광 프로젝터를 제공한다.
구조광의 밝기 균일도가 향상된 구조광 프로젝터를 제공한다.
구조광 프로젝터를 포함하는 전자 장치를 제공한다.
일 실시예에 따른 구조광 프로젝터는, 조명광을 제공하는 조명 장치; 조명광을 부분적으로 투과시키거나 차단하여 구조광을 만드는 패턴 마스크; 및 구조광을 투사시키기 위한 렌즈;를 포함하며, 상기 패턴 마스크는, 제 1 선폭을 갖는 다수의 불투명한 제 1 광차폐 패턴을 포함하는 제 1 렌즈 왜곡 보상 영역; 및 상기 제 1 렌즈 왜곡 보상 영역을 둘러싸는 것으로, 제 2 선폭을 갖는 다수의 불투명한 제 2 광차폐 패턴을 포함하는 제 2 렌즈 왜곡 보상 영역을 포함하고, 상기 제 2 광차폐 패턴의 제 2 선폭은 상기 제 1 광차폐 패턴의 제 1 선폭보다 작을 수 있다.
상기 제 1 렌즈 왜곡 보상 영역은 상기 렌즈의 중심부에 대향하도록 배치될 수 있다.
상기 제 1 렌즈 왜곡 보상 영역과 상기 제 2 렌즈 왜곡 보상 영역은 동심원 형태로 배열될 수 있다.
상기 제 1 렌즈 왜곡 보상 영역은 조명광을 투과시키며 제 1 슬릿 폭을 갖는 제 1 광투과 슬릿을 포함하고, 상기 제 2 렌즈 왜곡 보상 영역은 조명광을 투과시키며 제 2 슬릿 폭을 갖는 제 2 광투과 슬릿을 포함할 수 있다.
상기 제 2 광투과 슬릿의 제 2 슬릿 폭은 상기 제 1 광투과 슬릿의 제 1 슬릿 폭보다 클 수 있다.
상기 제 2 렌즈 왜곡 보상 영역 내에서 상기 다수의 제 2 광차폐 패턴들의 전체 면적에 대한 상기 제 2 광투과 슬릿의 면적의 비는 상기 제 1 렌즈 왜곡 보상 영역 내에서 상기 다수의 제 1 광차폐 패턴들의 전체 면적에 대한 상기 제 1 광투과 슬릿의 면적의 비보다 클 수 있다.
상기 패턴 마스크는, 상기 제 2 렌즈 왜곡 보상 영역을 둘러싸는 것으로 제 3 선폭을 갖는 다수의 불투명한 제 3 광차폐 패턴을 포함하는 제 3 렌즈 왜곡 보상 영역을 더 포함하고, 상기 제 3 광차폐 패턴의 제 3 선폭은 상기 제 2 광차폐 패턴의 제 2 선폭보다 작을 수 있다.
상기 제 1 내지 제 3 렌즈 왜곡 보상 영역은 동심원 형태로 배열될 수 있다.
상기 제 1 렌즈 왜곡 보상 영역은 조명광을 투과시키는 제 1 광투과 슬릿을 포함하고, 상기 제 2 렌즈 왜곡 보상 영역은 조명광을 투과시키는 제 2 광투과 슬릿을 포함하고, 상기 제 3 렌즈 왜곡 보상 영역은 조명광을 투과시키는 제 3 광투과 슬릿을 포함할 수 있다.
상기 제 2 렌즈 왜곡 보상 영역 내에서 상기 다수의 제 2 광차폐 패턴들의 전체 면적에 대한 상기 제 2 광투과 슬릿의 면적의 비는 상기 제 1 렌즈 왜곡 보상 영역 내에서 상기 다수의 제 1 광차폐 패턴들의 전체 면적에 대한 상기 제 1 광투과 슬릿의 면적의 비보다 클 수 있다.
상기 제 3 렌즈 왜곡 보상 영역 내에서 상기 다수의 제 3 광차폐 패턴들의 전체 면적에 대한 상기 제 3 광투과 슬릿의 면적의 비는 상기 제 2 렌즈 왜곡 보상 영역 내에서 상기 다수의 제 2 광차폐 패턴들의 전체 면적에 대한 상기 제 2 광투과 슬릿의 면적의 비보다 클 수 있다.
상기 조명 장치는 2차원 어레이의 형태로 배열된 다수의 발광 요소를 포함할 수 있다.
상기 패턴 마스크는 상기 조명광의 밝기 불균일을 보상하기 위한 다수의 조명광 불균일 보상 영역을 포함할 수 있다.
상기 다수의 조명광 불균일 보상 영역은 상기 패턴 마스크 상에서 2차원 배열될 수 있다.
각각의 조명광 불균일 보상 영역은, 상기 조명광의 가장 밝은 부분에 대향하여 배치된 제 1 조명광 불균일 보상 부영역; 및 상기 제 1 조명광 불균일 보상 영역을 둘러싸는 제 2 조명광 불균일 보상 부영역;을 포함할 수 있다.
상기 제 1 조명광 불균일 보상 부영역은 제 3 선폭을 갖는 다수의 불투명한 제 3 광차폐 패턴을 포함하고, 제 2 조명광 불균일 보상 부영역은 제 4 선폭을 갖는 다수의 불투명한 제 4 광차폐 패턴을 포함하며, 상기 제 2 조명광 불균일 보상 부영역 내에 배치된 다수의 제 4 광차폐 패턴의 제 4 선폭은 상기 제 1 조명광 불균일 보상 부영역 내에 배치된 다수의 제 3 광차폐 패턴의 제 3 선폭보다 작을 수 있다.
상기 제 1 조명광 불균일 보상 부영역은 조명광을 투과시키며 제 3 슬릿 폭을 갖는 제 3 광투과 슬릿을 포함하고, 상기 제 2 조명광 불균일 보상 부영역은 조명광을 투과시키며 제 4 슬릿 폭을 갖는 제 4 광투과 슬릿을 포함하며, 상기 제 2 조명광 불균일 보상 부영역 내에 배치된 다수의 제 4 광투과 슬릿의 제 4 슬릿 폭은 상기 제 1 조명광 불균일 보상 부영역 내에 배치된 다수의 제 3 광투과 슬릿의 제 3 슬릿 폭보다 클 수 있다.
상기 제 2 조명광 불균일 보상 부영역 내에 배치된 다수의 제 4 광차폐 패턴들의 전체 면적에 대한 상기 제 2 조명광 불균일 보상 부영역 내의 제 4 광투과 슬릿의 면적의 비는 상기 제 1 조명광 불균일 보상 부영역 내 배치된 다수의 제 3 광차폐 패턴들의 전체 면적에 대한 상기 제 1 조명광 불균일 보상 부영역 내의 제 3 광투과 슬릿의 면적의 비보다 클 수 있다.
상기 다수의 제 1 조명광 불균일 보상 부영역과 제 2 조명광 불균일 보상 부영역은 상기 제 1 렌즈 왜곡 보상 영역 및 제 2 렌즈 왜곡 보상 영역과 중첩적으로 배치될 수 있다.
상기 제 1 렌즈 왜곡 보상 영역과 상기 제 1 조명광 불균일 보상 부영역이 중첩하는 부분에서 상기 제 1 광차폐 패턴의 선폭은 상기 제 1 렌즈 왜곡 보상 영역과 상기 제 2 조명광 불균일 보상 부영역이 중첩하는 부분에서 제 1 광차폐 패턴의 선폭보다 클 수 있다.
상기 제 2 렌즈 왜곡 보상 영역과 상기 제 1 조명광 불균일 보상 부영역이 중첩하는 부분에서 상기 제 2 광차폐 패턴의 선폭은 상기 제 2 렌즈 왜곡 보상 영역과 상기 제 2 조명광 불균일 보상 부영역이 중첩하는 부분에서 제 2 광차폐 패턴의 선폭보다 클 수 있다.
상기 패턴 마스크는 모서리 부분이 둥글고 각 변의 중간 부분이 볼록한 사각형 형태를 가질 수 있다.
상기 구조광 프로젝터는 상기 조명 장치로부터 이격되어 배치된 투명 기판을 더 포함하며, 상기 패턴 마스크는 상기 투명 기판의 제 1 표면에 배치되고, 상기 렌즈는 상기 투명 기판의 제 2 표면에 배치될 수 있다.
상기 렌즈는 나노 크기의 기둥들을 포함하는 메타 렌즈일 수 있다.
또한, 다른 실시예에 따른 전자 장치는, 피사체에 구조광을 조사하는 구조광 프로젝터; 상기 피사체로부터 반사된 광을 수광하는 센서; 및 상기 센서에서 수광된 광으로부터 상기 피사체의 형상 정보 획득을 위한 연산을 수행하는 프로세서;를 포함하며, 상기 구조광 프로젝터는: 조명광을 제공하는 조명 장치; 조명광을 부분적으로 투과시키거나 차단하여 구조광을 만드는 패턴 마스크; 및 구조광을 투사시키기 위한 렌즈;를 포함하고, 상기 패턴 마스크는: 제 1 선폭을 갖는 다수의 불투명한 제 1 광차폐 패턴을 포함하는 제 1 렌즈 왜곡 보상 영역; 및 상기 제 1 렌즈 왜곡 보상 영역을 둘러싸는 것으로, 제 2 선폭을 갖는 다수의 불투명한 제 2 광차폐 패턴을 포함하는 제 2 렌즈 왜곡 보상 영역을 포함하고, 상기 제 2 광차폐 패턴의 제 2 선폭은 상기 제 1 광차폐 패턴의 제 1 선폭보다 작을 수 있다.
개시된 구조광 프로젝터는 균일한 밝기를 갖는 구조광을 투사할 수 있다.
이러한 구조광 프로젝터는 다양한 전자 장치에 채용될 수 있다. 예를 들어, 구조광 프로젝터는 3차원 객체 인식 장치에 채용될 수 있다. 구조광 프로젝터가 균일한 밝기의 구조광을 제공하기 때문에, 3차원 객체 인식 장치의 3차원 센싱, 동작 인식 등의 정밀도가 향상될 수 있다.
도 1은 일 실시예에 따른 구조광 프로젝터의 개략적인 구성을 보이는 단면도이다.
도 2는 도 1에 도시된 구조광 프로젝터에 채용된 패턴 마스크의 일 예를 보이는 평면도이다.
도 3은 도 2에 도시된 패턴 마스크를 사용하는 경우에 구조광 프로젝터로부터 투사되는 구조광의 단면 형태를 예시적으로 보인다.
도 4는 렌즈의 왜곡에 의한 구조광의 밝기 불균일을 예시적으로 보이는 그래프이다.
도 5는 렌즈의 왜곡에 의한 구조광의 밝기 불균일을 보상하기 위한 패턴 마스크의 슬릿 폭 변화를 예시적으로 보이는 그래프이다.
도 6은 패턴 마스크의 슬릿 폭 변화를 통해 불균일이 보상된 구조광의 밝기 변화를 보이는 그래프이다.
도 7 내지 도 9는 패턴 마스크의 각 영역에서 광차폐 패턴의 선폭과 광투과 슬릿의 슬릿 폭의 변화를 예시적으로 보이는 부분 확대도이다.
도 10은 슬릿 폭의 증가에 따른 구조광의 밝기 변화를 보이는 그래프이다.
도 11은 슬릿 폭의 감소에 따른 구조광의 밝기 변화를 보이는 그래프이다.
도 12는 패턴 마스크의 두 영역의 경계에서 광차폐 패턴들의 선폭의 변화와 광투과 슬릿들의 슬릿 폭의 변화를 예시적으로 보인다.
도 13은 도 1에 도시된 구조광 프로젝터에 채용된 패턴 마스크의 다른 예를 보이는 평면도이다.
도 14는 도 13에 도시된 패턴 마스크를 사용하는 경우에 구조광 프로젝터로부터 투사되는 구조광의 단면 형태를 예시적으로 보인다.
도 15는 도 1에 도시된 구조광 프로젝터에 채용된 조명 장치에서 발광 요소들의 배치를 보이는 평면도이다.
도 16은 도 15에 도시된 조명 장치에 의한 구조광의 밝기 불균일을 예시적으로 보이는 그래프이다.
도 17은 조명 장치에 의한 구조광의 밝기 불균일을 보상하기 위한 패턴 마스크의 슬릿 폭 변화를 예시적으로 보이는 그래프이다.
도 18은 패턴 마스크의 슬릿 폭 변화를 통해 불균일이 보상된 구조광의 밝기 변화를 보이는 그래프이다.
도 19는 조명 장치에 의한 구조광의 밝기 불균일을 보상하기 위한 패턴 마스크의 일 예를 보이는 평면도이다.
도 20은 렌즈의 왜곡에 의한 구조광의 밝기 불균일과 조명 장치에 의한 구조광의 밝기 불균일을 보상하기 위한 패턴 마스크의 일 예를 보이는 평면도이다.
도 21은 일 실시예에 따른 전자 장치의 개략적인 구조를 보이는 블록도이다.
도 2는 도 1에 도시된 구조광 프로젝터에 채용된 패턴 마스크의 일 예를 보이는 평면도이다.
도 3은 도 2에 도시된 패턴 마스크를 사용하는 경우에 구조광 프로젝터로부터 투사되는 구조광의 단면 형태를 예시적으로 보인다.
도 4는 렌즈의 왜곡에 의한 구조광의 밝기 불균일을 예시적으로 보이는 그래프이다.
도 5는 렌즈의 왜곡에 의한 구조광의 밝기 불균일을 보상하기 위한 패턴 마스크의 슬릿 폭 변화를 예시적으로 보이는 그래프이다.
도 6은 패턴 마스크의 슬릿 폭 변화를 통해 불균일이 보상된 구조광의 밝기 변화를 보이는 그래프이다.
도 7 내지 도 9는 패턴 마스크의 각 영역에서 광차폐 패턴의 선폭과 광투과 슬릿의 슬릿 폭의 변화를 예시적으로 보이는 부분 확대도이다.
도 10은 슬릿 폭의 증가에 따른 구조광의 밝기 변화를 보이는 그래프이다.
도 11은 슬릿 폭의 감소에 따른 구조광의 밝기 변화를 보이는 그래프이다.
도 12는 패턴 마스크의 두 영역의 경계에서 광차폐 패턴들의 선폭의 변화와 광투과 슬릿들의 슬릿 폭의 변화를 예시적으로 보인다.
도 13은 도 1에 도시된 구조광 프로젝터에 채용된 패턴 마스크의 다른 예를 보이는 평면도이다.
도 14는 도 13에 도시된 패턴 마스크를 사용하는 경우에 구조광 프로젝터로부터 투사되는 구조광의 단면 형태를 예시적으로 보인다.
도 15는 도 1에 도시된 구조광 프로젝터에 채용된 조명 장치에서 발광 요소들의 배치를 보이는 평면도이다.
도 16은 도 15에 도시된 조명 장치에 의한 구조광의 밝기 불균일을 예시적으로 보이는 그래프이다.
도 17은 조명 장치에 의한 구조광의 밝기 불균일을 보상하기 위한 패턴 마스크의 슬릿 폭 변화를 예시적으로 보이는 그래프이다.
도 18은 패턴 마스크의 슬릿 폭 변화를 통해 불균일이 보상된 구조광의 밝기 변화를 보이는 그래프이다.
도 19는 조명 장치에 의한 구조광의 밝기 불균일을 보상하기 위한 패턴 마스크의 일 예를 보이는 평면도이다.
도 20은 렌즈의 왜곡에 의한 구조광의 밝기 불균일과 조명 장치에 의한 구조광의 밝기 불균일을 보상하기 위한 패턴 마스크의 일 예를 보이는 평면도이다.
도 21은 일 실시예에 따른 전자 장치의 개략적인 구조를 보이는 블록도이다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여, 구조광 프로젝터 및 이를 포함하는 전자 장치에 대해 상세하게 설명한다. 이하의 도면들에서 동일한 참조부호는 동일한 구성요소를 지칭하며, 도면상에서 각 구성요소의 크기는 설명의 명료성과 편의상 과장되어 있을 수 있다. 또한, 이하에 설명되는 실시예는 단지 예시적인 것에 불과하며, 이러한 실시예들로부터 다양한 변형이 가능하다. 또한 이하에서 설명하는 층 구조에서, "상부" 또는 "상"이라고 기재된 표현은 접촉하여 바로 위/아래/좌/우에 있는 것뿐만 아니라 비접촉으로 위/아래/좌/우에 있는 것도 포함할 수 있다.
도 1은 일 실시예에 따른 구조광 프로젝터의 개략적인 구성을 보이는 단면도이다.도 1을 참조하면, 일 실시예에 따른 구조광 프로젝터(100)는 광을 제공하는 조명 장치(120), 입사광을 부분적으로 투과시키거나 차단하여 구조광을 만드는 패턴 마스크(130), 및 구조광을 투사시키기 위한 렌즈(150)를 포함할 수 있다. 또한, 구조광 프로젝터(100)는 조명 장치(120)를 지지하기 위한 지지대(110), 패턴 마스크(130)와 렌즈(150)를 지지하기 위한 투명 기판(140), 및 조명 장치(120)로부터 소정의 거리만큼 이격하여 투명 기판(140)을 고정하기 위한 하우징(160)을 더 포함할 수 있다. 하우징(160)의 하단부는 지지대(110)에 결합되어 있으며, 하우징(160)의 상단부에 투명 기판(140)이 고정될 수 있다.
렌즈(150)는 투명 기판(140)의 상부 표면에 배치될 수 있다. 렌즈(150)는 예를 들어 나노 크기의 미세한 나노 기둥들을 포함하는 메타 렌즈일 수 있다. 나노 기둥들은 조명 장치(120)로부터 방출된 광의 파장보다 작은 서브 파장의 크기를 가질 수 있다. 예를 들어, 나노 기둥들의 직경 및 다수의 나노 기둥들의 배열 피치는 조명 장치(120)로부터 방출된 광의 파장의 1/2보다 작을 수 있다. 이러한 나노 기둥들의 높이와 직경, 다수의 나노 기둥들의 배열 피치, 및 다수의 나노 기둥들의 배열 형태에 따라 렌즈(150)의 광학적 특성이 결정될 수 있다. 예컨대, 렌즈(150)가 초점 평면 상에 광을 모으는 볼록 렌즈 또는 집광 렌즈의 역할을 하도록 다수의 나노 기둥들이 배열될 수 있다. 렌즈(150)가 나노 기둥들로 구성되면, 일반적인 굴절 광학 렌즈에 비해 매우 얇은 두께로 형성될 수 있으며, 일반적인 회절 광학 렌즈에 비해 넓은 각도 범위에 걸쳐 고차 회절을 억제할 수 있다. 따라서, 구조광 프로젝터(100)는 초소형의 크기를 가질 수 있다. 예를 들어, 구조광 프로젝터(100)의 높이는 약 4mm 이하가 될 수 있다.
렌즈(150)는 투명 기판(140)의 굴절률보다 높은 굴절률을 갖는 재료로 형성될 수 있다. 예를 들어, 렌즈(150)의 굴절률은 투명 기판(140)의 굴절률보다 1 이상 더 클 수 있다. 이러한 렌즈(150)의 재료는, 예를 들어, 단결정 실리콘, 다결정 실리콘(Poly Si), 비정질 실리콘(amorphous Si), Si3N4, GaP, TiO2, AlSb, AlAs, AlGaAs, AlGaInP, BP, ZnGeP2 등을 포함할 수 있다. 또한, 렌즈(150)는 금속 재료로도 형성될 수 있다.
또한, 렌즈(150)는 표면 플라즈몬 여기(surface plasmon excitation)가 일어날 수 있는 도전성이 높은 금속 재료로 형성될 수도 있다. 예를 들어, 렌즈(150)는 Cu, Al, Ni, Fe, Co, Zn, Ti, 루세늄(ruthenium, Ru), 로듐(rhodium, Rh), 팔라듐(palladium, Pd), 백금(Pt), 은(Ag), 오스뮴(osmium, Os), 이리듐(iridium, Ir), 백금(Pt), 금(Au), 또는 이들의 합금으로 형성될 수 있다. 금속 대신에, 렌즈(150)는 그래핀(graphene)과 같이 전도성이 좋은 이차원 물질, 또는, 전도성 산화물로 형성될 수도 있다.
패턴 마스크(130)는 조명 장치(120)와 대향하도록 투명 기판(140)의 하부 표면에 배치될 수 있다. 패턴 마스크(130)는 조명 장치(120)로부터 방출된 광을 부분적으로 투과시키거나 차단하여 구조광을 만드는 역할을 한다. 이를 위해, 패턴 마스크(130)는 입사광을 반사하거나 흡수하는 불투명한 광차폐 패턴(131) 및 광차폐 패턴(131)에 의해 둘러싸인 광투과 슬릿(132)을 포함할 수 있다. 광투과 슬릿(132)은 조명 장치(120)로부터 방출된 조명광에 대해 투과성을 가질 수 있다. 따라서, 조명 장치(120)로부터 방출된 조명광은 광투과 슬릿(132)과 투명 기판(140)을 통과하여 렌즈(150)에 의해 구조광 프로젝터(100)의 외부로 투사될 수 있다.
조명 장치(120)로부터 제공되는 조명광의 일부가 광차폐 패턴(131)에 의해 차단되고 일부만이 패턴 마스크(130)를 통과하기 때문에, 소정의 패턴을 갖는 구조광이 형성될 수 있다. 구조광은 공간상에 진행해 나가는 빛살(ray of light)들이 형성하는 빔 스폿들의 분포를 지칭한다. 이러한 빔 스폿들의 분포는 각각의 광투과 슬릿(132)의 형태 및 다수의 광투과 슬릿(132)의 배열 형태에 의해 결정될 수 있다. 구조광은 밝고 어두운 점들이 집광면 상의 각각의 점을 지날 때 각도, 방향, 및 위치 좌표를 고유하게 지정하도록 수학적으로 코드화된(coded) 패턴일 수 있다. 이러한 패턴은 3차원 형상을 인식하는데 사용될 수 있다. 3차원 물체에 조사된 구조광이 물체에 의해 형태가 변화될 수 있고, 이를 카메라와 같은 촬상 소자에 의해 이미징하여 좌표별 패턴의 형태 변화 정도를 추적함으로써, 3차원 형상의 물체의 깊이 정보가 추출될 수 있다.
예를 들어, 도 2는 도 1에 도시된 구조광 프로젝터(100)에 채용된 패턴 마스크(130)의 일 예를 보이는 평면도이다. 도 2를 참조하면, 패턴 마스크(130)는 다수의 미세한 광차폐 패턴(131)과 다수의 미세한 광투과 슬릿(132)의 배열을 포함할 수 있다. 다수의 광차폐 패턴(131)과 다수의 광투과 슬릿(132)의 구체적인 모양 및 배열 형태는 필요에 따라 다양하게 설계될 수 있다. 이러한 패턴 마스크(130)는, 예를 들어, 기판(140)의 하부 표면에 금속층, 블랙매트릭스층, 폴리머층 등을 형성한 후, 상기 층들을 식각하여 형성될 수 있다.
또한, 도 2에는 예시적으로 패턴 마스크(130)가 직사각형의 형태를 갖는 것으로 도시되었다. 이 경우, 렌즈(150)의 왜곡에 의해 구조광의 단면 형태는 직사각형이 아닌 다른 형태를 가질 수도 있다. 예를 들어, 도 3은 도 2에 도시된 패턴 마스크(130)를 사용하는 경우에 구조광 프로젝터(100)로부터 투사되는 구조광의 단면 형태를 예시적으로 보인다. 도 3을 참조하면, 렌즈(150)가 핀쿠션(pincushion) 왜곡을 갖는 경우, 구조광(L)의 모서리 부분이 팽창하면서 구조광(L)의 각 변의 중간 부분이 오목하게 될 수 있다. 그러면, 패턴 마스크(130)의 중심부로부터 나온 구조광(L)의 중앙 영역은 상대적으로 밝고 패턴 마스크(130)의 주변부로부터 나온 구조광(L)의 가장자리 영역은 상대적으로 어두워져서, 구조광(L)의 단면 상의 영역들에 따라 구조광(L)의 평균적인 밝기가 일정하지 않게 된다.
예를 들어, 도 4는 렌즈(150)의 왜곡에 의한 구조광(L)의 밝기 불균일을 예시적으로 보이는 그래프이다. 도 4에서 세로축은 구조광(L)의 밝기를 나타내며, 가로축은 렌즈(150)의 중심으로부터 직경 방향으로의 거리를 나타낸다. 렌즈(150)가 핀쿠션 왜곡을 가지면, 도 4에 도시된 바와 같이, 렌즈(150)의 중심에 대응하는 구조광(L)의 중심부는 상대적으로 밝고, 렌즈(150)의 가장자리에 대응하는 구조광(L)의 가장자리로 갈수록 구조광(L)의 밝기가 낮아진다.
다시 도 2를 참조하면, 패턴 마스크(130)는 이러한 렌즈(150)의 왜곡에 의한 구조광(L)의 밝기 불균일을 보상하기 위하여 동심원 형태로 배열된 다수의 렌즈 왜곡 보상 영역(130a, 130b, 130c, 130d, 130e)을 포함할 수 있다. 제 1 렌즈 왜곡 보상 영역(130a)은 렌즈(150)의 중심부에 대향하도록 배치된다. 그리고, 제 2 렌즈 왜곡 보상 영역(130b)은 제 1 렌즈 왜곡 보상 영역(130a)을 둘러싸도록 배치되고, 제 2 렌즈 왜곡 보상 영역(130b)의 바깥쪽으로 제 3 내지 제 5 렌즈 왜곡 보상 영역(130c, 130d, 130e)이 차례로 배치된다. 도 2에는 예시적으로 5개의 렌즈 왜곡 보상 영역(130a, 130b, 130c, 130d, 130e)이 도시되었지만, 렌즈 왜곡 보상 영역의 개수는 렌즈(150)의 왜곡 정도에 따라 다양하게 선택될 수 있다.
제 1 내지 제 5 렌즈 왜곡 보상 영역(130a, 130b, 130c, 130d, 130e) 내에는 다수의 광차폐 패턴(131)과 다수의 광투과 슬릿(132)이 배치되어 있다. 구조광(L)의 밝기 불균일을 보상하기 위하여, 제 1 내지 제 5 렌즈 왜곡 보상 영역(130a, 130b, 130c, 130d, 130e)의 광투과율이 서로 다를 수 있다. 예를 들어, 제 1 렌즈 왜곡 보상 영역(130a)의 투과율이 가장 낮고, 제 2 렌즈 왜곡 보상 영역(130b)으로부터 제 5 렌즈 왜곡 보상 영역(130e)으로 갈수록 투과율이 점점 높아질 수 있다. 이를 위해, 제 1 내지 제 5 렌즈 왜곡 보상 영역(130a, 130b, 130c, 130d, 130e)에서 광차폐 패턴(131)의 선폭 또는 광투과 슬릿(132)의 슬릿 폭이 서로 다를 수 있다. 예를 들어, 제 1 렌즈 왜곡 보상 영역(130a)으로부터 제 5 렌즈 왜곡 보상 영역(130e)으로 갈수록 광차폐 패턴(131)의 선폭이 감소하고 광투과 슬릿(132)의 슬릿 폭이 증가할 수 있다.
도 5는 렌즈(150)의 왜곡에 의한 구조광(L)의 밝기 불균일을 보상하기 위한 패턴 마스크(130)의 슬릿 폭 변화를 예시적으로 보이는 그래프이고, 도 6은 패턴 마스크(130)의 슬릿 폭 변화를 통해 불균일이 보상된 구조광(L)의 밝기 변화를 보이는 그래프이다. 도 5에 도시된 바와 같이, 렌즈(150)의 중심부에 대향하는 패턴 마스크(130)의 제 1 렌즈 왜곡 보상 영역(130a)으로부터 렌즈(150)에 가장자리에 대향하는 패턴 마스크(130)의 제 5 렌즈 왜곡 보상 영역(130e)으로 갈수록 광투과 슬릿(132)의 슬릿 폭이 점차 증가하면, 패턴 마스크(130)의 중심으로부터 가장자리로 갈수록 광의 투과율이 점차 증가하게 된다. 그러면, 도 6에 도시된 바와 같이, 최종적인 구조광(L)은 전체 영역에 걸쳐 밝기가 균일하게 될 수 있다. 제 1 렌즈 왜곡 보상 영역(130a)으로부터 제 5 렌즈 왜곡 보상 영역(130e)으로 갈수록 광투과 슬릿(132)의 슬릿 폭이 증가하는 정도는 렌즈(150)의 왜곡 정도를 고려하여 결정될 수 있다.
도 7 내지 도 9는 패턴 마스크(130)의 각 영역에서 광차폐 패턴(131)의 선폭과 광투과 슬릿(132)의 슬릿 폭의 변화를 예시적으로 보이는 부분 확대도이다. 예컨대, 도 7은 제 1 렌즈 왜곡 보상 영역(130a)에 배치된 제 1 광차폐 패턴(131a)의 선폭과 제 1 광투과 슬릿(132a)의 슬릿 폭을 보이며, 도 8은 제 2 렌즈 왜곡 보상 영역(130b)에 배치된 제 2 광차폐 패턴(131b)의 선폭과 제 2 광투과 슬릿(132b)의 슬릿 폭을 보이고, 도 9는 제 3 렌즈 왜곡 보상 영역(130c)에 배치된 제 3 광차폐 패턴(131c)의 선폭과 제 3 광투과 슬릿(132c)의 슬릿 폭을 보인다.
도 7 내지 도 9를 참조하면, 패턴 마스크(130)의 중심에 있는 제 1 렌즈 왜곡 보상 영역(130a) 내에 배치된 제 1 광차폐 패턴(131a)의 선폭은 제 2 렌즈 왜곡 보상 영역(130b) 내에 배치된 제 2 광차폐 패턴(131b)의 선폭보다 크다. 반대로, 제 1 렌즈 왜곡 보상 영역(130a) 내에 배치된 제 1 광투과 슬릿(132a)의 슬릿 폭은 제 2 렌즈 왜곡 보상 영역(130b) 내에 배치된 제 2 광투과 슬릿(132b)의 슬릿 폭보다 작다. 따라서, 제 2 렌즈 왜곡 보상 영역(130b) 내에서 제 2 광차폐 패턴(131b)들의 전체 면적에 대한 제 2 광투과 슬릿(132b)들의 면적의 비가 제 1 렌즈 왜곡 보상 영역(130a) 내에서 제 1 광차폐 패턴(131a)들의 전체 면적에 대한 제 1 광투과 슬릿(132a)의 면적의 비보다 더 커서, 제 2 렌즈 왜곡 보상 영역(130b)의 투과율이 제 1 렌즈 왜곡 보상 영역(130a)의 투과율보다 높게 된다.
또한, 제 2 렌즈 왜곡 보상 영역(130b) 내에 배치된 제 2 광차폐 패턴(131b)의 선폭은 제 2 렌즈 왜곡 보상 영역(130b)의 바깥쪽에 있는 제 3 렌즈 왜곡 보상 영역(130c) 내에 배치된 제 3 광차폐 패턴(131c)의 선폭보다 크다. 반대로, 제 2 렌즈 왜곡 보상 영역(130b) 내에 배치된 제 2 광투과 슬릿(132b)의 슬릿 폭은 제 3 렌즈 왜곡 보상 영역(130c) 내에 배치된 제 3 광투과 슬릿(132c)의 슬릿 폭보다 작다. 따라서, 제 3 렌즈 왜곡 보상 영역(130c) 내에서 제 3 광차폐 패턴(131c)들의 전체 면적에 대한 제 3 광투과 슬릿(132c)들의 면적의 비가 제 2 렌즈 왜곡 보상 영역(130b) 내에서 제 2 광차폐 패턴(131b)들의 전체 면적에 대한 제 2 광투과 슬릿(132b)의 면적의 비보다 더 커서, 제 3 렌즈 왜곡 보상 영역(130c)의 투과율이 제 2 렌즈 왜곡 보상 영역(130b)의 투과율보다 높게 된다.
이러한 제 1 내지 제 5 렌즈 왜곡 보상 영역(130a, 130b, 130c, 130d, 130e)을 포함하는 패턴 마스크(130)의 패턴 형태는 영상 편집기를 통해 설계할 수 있다. 그런 후, 패턴 마스크(130)의 영상을 이용하여 노광 공정을 수행한 다음, 식각 공정을 통해 패턴 마스크(130)를 제작할 수 있다. 패턴 마스크(130)의 영상을 만들 때, 초기에는 제 1 내지 제 5 렌즈 왜곡 보상 영역(130a, 130b, 130c, 130d, 130e) 내의 모든 광투과 슬릿(132)들의 슬릿 폭 또는 모든 광차폐 패턴(131)들의 선폭을 동일하게 선택할 수 있다. 그런 후, 렌즈(150)의 왜곡 정도를 고려하여 제 1 내지 제 5 렌즈 왜곡 보상 영역(130a, 130b, 130c, 130d, 130e)의 각각에 대해 광차폐 패턴(131)들의 선폭 또는 광투과 슬릿(132)들의 슬릿 폭을 조정할 수 있다.
예를 들어, 패턴 마스크(130)의 초기 영상에서 모든 광투과 슬릿(132)들의 슬릿 폭을 제 2 렌즈 왜곡 보상 영역(130b) 내에 배치된 제 2 광투과 슬릿(132b)의 슬릿 폭과 동일하게 선택할 수 있다. 그런 후, 제 1 렌즈 왜곡 보상 영역(130a) 내의 제 1 광투과 슬릿(132a)의 슬릿 폭을 줄이고, 제 3 렌즈 왜곡 보상 영역(130c) 내의 제 3 광투과 슬릿(132c)의 슬릿 폭을 늘릴 수 있다. 또한, 제 1 렌즈 왜곡 보상 영역(130a) 내의 제 1 광차폐 패턴(131a)의 선폭을 증가시키고, 제 3 렌즈 왜곡 보상 영역(130c) 내의 제 3 광차폐 패턴(131c)의 선폭을 줄일 수 있다.
광차폐 패턴(131)들의 선폭 또는 광투과 슬릿(132)들의 슬릿 폭을 조정하는 단위는 영상 편집기의 하나의 화소일 수 있다. 다시 말해, 영상 편집기의 화소 단위로 광차폐 패턴(131)들의 선폭 또는 광투과 슬릿(132)들의 슬릿 폭을 늘리거나 줄일 수 있다. 예를 들어, 도 10은 슬릿 폭의 증가에 따른 구조광의 밝기 변화를 보이는 그래프이고, 도 11은 슬릿 폭의 감소에 따른 구조광의 밝기 변화를 보이는 그래프이다. 도 10 및 도 11에서 가로축의 숫자는 슬릿 폭을 조정한 화소의 개수이다. 도 10에 도시된 바와 같이, 슬릿 폭을 한 화소씩 증가시키면 구조광의 밝기가 조금씩 증가하게 된다. 또한, 도 11에 도시된 바와 같이, 슬릿 폭을 한 화소씩 감소시키면 구조광의 밝기가 조금씩 감소하게 된다. 따라서, 렌즈(150)의 왜곡 정도 및 상술한 화소 조정에 따른 구조광의 밝기 변화를 고려하여, 제 1 내지 제 5 렌즈 왜곡 보상 영역(130a, 130b, 130c, 130d, 130e)에서 광차폐 패턴(131)들의 선폭 또는 광투과 슬릿(132)들의 슬릿 폭을 조정할 화소의 개수를 결정할 수 있다.
제 1 내지 제 5 렌즈 왜곡 보상 영역(130a, 130b, 130c, 130d, 130e)에서 광차폐 패턴(131)들의 선폭 또는 광투과 슬릿(132)들의 슬릿 폭은 계단 형태로 변화할 수 있다. 예를 들어, 도 12는 패턴 마스크(130)의 두 영역의 경계에서 광차폐 패턴(131)들의 선폭의 변화와 광투과 슬릿(132)들의 슬릿 폭의 변화를 예시적으로 보인다. 도 12를 참조하면, 제 1 렌즈 왜곡 보상 영역(130a)과 제 2 렌즈 왜곡 보상 영역(130b)에 걸쳐서 광차폐 패턴(131)들과 광투과 슬릿(132)들이 연장되어 배치될 수도 있다. 이 경우, 제 1 렌즈 왜곡 보상 영역(130a)과 제 2 렌즈 왜곡 보상 영역(130b)의 경계에서, 광차폐 패턴(131)의 선폭이 불연속적으로 감소하며 광투과 슬릿(132)의 슬릿 폭이 불연속적으로 증가할 수 있다.
도 13은 도 1에 도시된 구조광 프로젝터(100)에 채용된 패턴 마스크(130)의 다른 예를 보이는 평면도이며, 도 14는 도 13에 도시된 패턴 마스크(130)를 사용하는 경우에 구조광 프로젝터(100)로부터 투사되는 구조광의 단면 형태를 예시적으로 보인다. 도 13을 참조하면, 렌즈(150)의 왜곡을 미리 고려하여 패턴 마스크(130)의 모서리 부분을 둥글게 하고 패턴 마스크(130)의 각 변의 중간 부분을 볼록하게 형성할 수 있다. 그러면, 렌즈(150)가 핀쿠션(pincushion) 왜곡을 갖는 경우, 모서리 부분이 팽창하고 각 변의 중간 부분이 오목하게 되면서, 도 14에 도시된 바와 같이 구조광(L)이 직사각형 형태를 가질 수 있다.
이 경우에도, 패턴 마스크(130)의 중심부로부터 나온 구조광(L)의 중앙 영역은 상대적으로 밝고 패턴 마스크(130)의 주변부로부터 나온 구조광(L)의 가장자리 영역은 상대적으로 어두워서, 구조광(L)의 단면 상에서 구조광(L)의 평균적인 밝기가 일정하지 않을 수 있다. 따라서, 도 13에 도시된 패턴 마스크(130)도 역시 구조광(L)의 밝기 불균일을 보상하기 위하여 동심원 형태로 배열된 제 1 내지 제 5 렌즈 왜곡 보상 영역(130a, 130b, 130c, 130d, 130e)들을 포함할 수 있다. 제 1 내지 제 5 렌즈 왜곡 보상 영역(130a, 130b, 130c, 130d, 130e)들의 형태는 패턴 마스크(130)의 윤곽 형태와 관계 없이 렌즈(150)의 특성에 따라 결정된다. 따라서, 렌즈(150)가 동일하다면, 도 2에 도시된 모양의 패턴 마스크(130)와 도 13에 도시된 모양의 패턴 마스크(130)에서 제 1 내지 제 5 렌즈 왜곡 보상 영역(130a, 130b, 130c, 130d, 130e)들의 형태는 동일할 수 있다.
도 15는 도 1에 도시된 구조광 프로젝터(100)에 채용된 조명 장치(120)에서 발광 요소들의 배치를 보이는 평면도이다. 도 15를 참조하면, 조명 장치(120)는 2차원 어레이의 형태로 배열된 다수의 발광 요소(10)들을 포함할 수 있다. 발광 요소(10)는 레이저 광을 방출하는 레이저 다이오드일 수 있다. 예를 들어, 발광 요소(10)는 수직 공진형 표면 발광 레이저(Vertical Cavity Surface Emitting Laser; VCSEL)일 수 있다. 발광 요소(10)가 VCSEL인 경우, 발광 요소(10)는 Ⅲ-Ⅴ족 반도체 물질 또는 Ⅱ-Ⅵ족 반도체 물질로 이루어지고 다중 양자 우물 구조(multi-quantum well structure)를 갖는 활성층을 포함할 수 있다. 그러나, 발광 요소(10)는 VCSEL에만 한정되는 것은 아니며 VCSEL 이외에 다른 레이어 다이오드, 또는 발광 다이오드일 수도 있다. 발광 요소(122)는 대략 850 nm 또는 940nm의 레이저 광을 방출할 수도 있고, 또는 근적외선의 파장대역의 광을 방출할 수도 있다. 그러나, 발광 요소(122)에서 방출되는 광의 파장은 특별히 한정되지 않으며, 구조광을 활용하는 어플리케이션에 알맞은 파장 대역의 광을 방출하는 발광 요소(10)가 사용될 수 있다.
도 15에 도시된 바와 같이, 조명 장치(120)가 2차원 배열된 다수의 발광 요소(10)들을 포함하는 경우에, 조명 장치(120)로부터 제공되는 조명광이 균일하지 않을 수 있다. 그러면, 균일하지 않은 조명광이 패턴 마스크(130)를 투과하면서 형성되는 구조광의 밝기도 역시 균일하지 않게 된다. 예를 들어, 도 16은 도 15에 도시된 조명 장치(120)에 의한 구조광의 밝기 불균일을 예시적으로 보이는 그래프이다. 도 16의 그래프는 도 15에 도시된 조명 장치(120)의 단면 A-A'와 대응하는 구조광의 단면에서의 밝기를 보이고 있다. 도 16에 도시된 바와 같이, 구조광의 양쪽 가장자리에서 밝기가 가장 낮고, 구조광의 내부에서는 밝고 어두분 패턴이 반복적으로 나타날 수 있다. 평면도로 보면 구조광의 밝고 어두운 패턴은 2차원 어레이의 형태로 나타날 수 있다.
이러한 조명광의 밝기 불균일을 보상하기 위하여 패턴 마스크(130)는 다수의 조명광 불균일 보상 영역을 포함할 수 있다. 패턴 마스크(130)의 다수의 조명광 불균일 보상 영역에서, 조명광의 밝기에 따라 광차폐 패턴(131)들의 선폭 또는 광투과 슬릿(132)의 슬릿 폭이 조정될 수 있다. 예를 들어, 도 17은 조명 장치(120)에 의한 구조광의 밝기 불균일을 보상하기 위한 패턴 마스크(130)의 슬릿 폭 변화를 예시적으로 보이는 그래프이고, 도 18은 패턴 마스크(130)의 슬릿 폭 변화를 통해 불균일이 보상된 구조광의 밝기 변화를 보이는 그래프이다.
도 17에 도시된 바와 같이, 조명 장치(120)의 가장자리에 대응하는 패턴 마스크(130)의 가장자리에서는 광투과 슬릿(132)의 슬릿 폭이 가장 크도록 선택된다. 그리고, 조명 장치(120)의 내부에 대응하는 패턴 마스크(130)의 내부에서는 조명광의 밝기 패턴과 상보적인 패턴으로 광투과 슬릿(132)의 슬릿 폭이 증가하거나 감소할 수 있다. 따라서, 밝은 조명광이 입사하는 패턴 마스크(130)의 영역에서는 투과율이 낮아지고, 어두운 조명광이 입사하는 패턴 마스크(130)의 영역에서는 투과율이 높아진다. 광투과 슬릿(132)의 슬릿 폭이 증가하거나 감소하는 정도는 패턴 마스크(130)에 입사하는 조명광의 밝기에 따라 결정될 수 있다. 그러면, 도 18에 도시된 바와 같이, 최종적인 구조광 전체 영역에 걸쳐 밝기가 균일하게 될 수 있다.
도 19는 조명 장치(120)에 의한 구조광의 밝기 불균일을 보상하기 위한 패턴 마스크(130)의 일 예를 보이는 평면도이다. 도 19를 참조하면, 패턴 마스크(130)는 2차원 배열된 다수의 조명광 불균일 보상 영역(135)을 포함할 수 있다. 다수의 조명광 불균일 보상 영역(135)의 배열 형태는 조명광의 불균일 패턴 형태에 따라 결정될 수 있다. 또한, 각각의 조명광 불균일 보상 영역(135)은 동심원의 형태로 배열된 다수의 조명광 불균일 보상 부영역(135a, 135b, 135c, 135d, 135e)을 포함할 수 있다. 도 19에는 예시적으로 5개의 조명광 불균일 보상 부영역(135a, 135b, 135c, 135d, 135e)이 도시되었지만, 조명광 불균일 보상 부영역들의 개수는 조명광의 불균일 정도에 따라 다양하게 선택될 수 있다. 다수의 조명광 불균일 보상 부영역(135a, 135b, 135c, 135d, 135e) 중에서, 가장 안쪽에 배치된 제 1 조명광 불균일 보상 부영역(135a)은 패턴 마스크(130)에 입사하는 조명광의 가장 밝은 부분에 대향하여 배치된다. 그리고, 제 1 조명광 불균일 보상 부영역(135a)을 둘러싸는 방식으로 제 2 내지 제 5 조명광 불균일 보상 부영역(135b, 135c, 135d, 135e)이 차례로 배치될 수 있다.
제 1 내지 제 5 조명광 불균일 보상 부영역(135a, 135b, 135c, 135d, 135e) 내에는 다수의 광차폐 패턴(131)과 다수의 광투과 슬릿(132)이 배치되어 있다. 조명광의 밝기 불균일을 보상하기 위하여, 제 1 내지 제 5 조명광 불균일 보상 부영역(135a, 135b, 135c, 135d, 135e)의 광투과율이 서로 다를 수 있다. 예를 들어, 제 1 조명광 불균일 보상 부영역(135a)의 투과율이 가장 낮고, 제 2 조명광 불균일 보상 부영역(135b)으로부터 제 5 조명광 불균일 보상 부영역(135e)으로 갈수록 투과율이 점점 높아질 수 있다. 이를 위해, 제 1 내지 제 5 조명광 불균일 보상 부영역(135a, 135b, 135c, 135d, 135e)에서 광차폐 패턴(131)의 선폭 또는 광투과 슬릿(132)의 슬릿 폭이 서로 다를 수 있다. 예를 들어, 제 1 조명광 불균일 보상 부영역(135a)으로부터 제 5 조명광 불균일 보상 부영역(135e)으로 갈수록 광차폐 패턴(131)의 선폭이 감소하고 광투과 슬릿(132)의 슬릿 폭이 증가할 수 있다.
다시 말해, 가장 안쪽에 있는 제 1 조명광 불균일 보상 부영역(135a) 내에 배치된 광차폐 패턴(131)의 선폭은 제 2 조명광 불균일 보상 부영역(135b) 내에 배치된 광차폐 패턴(131)의 선폭보다 크다. 반대로, 제 1 조명광 불균일 보상 부영역(135a) 내에 배치된 광투과 슬릿(132)의 슬릿 폭은 제 2 조명광 불균일 보상 부영역(135b) 내에 배치된 광투과 슬릿(132)의 슬릿 폭보다 작다. 따라서, 제 2 조명광 불균일 보상 부영역(135b) 내에서 광차폐 패턴(131)들의 전체 면적에 대한 광투과 슬릿(132)들의 면적의 비가 제 1 조명광 불균일 보상 부영역(135a) 내에서 광차폐 패턴(131)들의 전체 면적에 대한 광투과 슬릿(132)의 면적의 비보다 더 커서, 제 2 조명광 불균일 보상 부영역(135b)의 투과율이 제 1 조명광 불균일 보상 부영역(135a)의 투과율보다 높게 된다.
또한, 도 2에 도시된 패턴 마스크(130)의 제 1 내지 제 5 렌즈 왜곡 보상 영역(130a, 130b, 130c, 130d, 130e)과 도 19에 도시된 다수의 조명광 불균일 보상 영역(135)은 중첩적으로 배치될 수 있다. 예를 들어, 도 20은 렌즈(150)의 왜곡에 의한 구조광의 밝기 불균일과 조명 장치(120)에 의한 구조광의 밝기 불균일을 보상하기 위한 패턴 마스크(130)의 일 예를 보이는 평면도이다. 도 20을 참조하면, 패턴 마스크(130)의 중심에 제 1 내지 제 5 렌즈 왜곡 보상 영역(130a, 130b, 130c, 130d, 130e)들이 동심원 형태로 배열되어 있다. 그리고, 패턴 마스크(130)의 전체 영역에 걸쳐 다수의 조명광 불균일 보상 영역(135)이 2차원 배열되어 있다. 각각의 조명광 불균일 보상 영역(135)은 제 1 내지 제 5 조명광 불균일 보상 부영역(135a, 135b, 135c, 135d, 135e)들을 포함할 수 있다. 이러한 제 1 내지 제 5 조명광 불균일 보상 부영역(135a, 135b, 135c, 135d, 135e)들과 제 1 내지 제 5 렌즈 왜곡 보상 영역(130a, 130b, 130c, 130d, 130e)들은 서로 중첩될 수 있다.
이 경우, 제 1 내지 제 5 렌즈 왜곡 보상 영역(130a, 130b, 130c, 130d, 130e)에서의 광차폐 패턴(131)들의 선폭과 광투과 슬릿(132)들의 슬릿 폭의 상대적인 크기에 관한 규칙 및 제 1 내지 제 5 조명광 불균일 보상 부영역(135a, 135b, 135c, 135d, 135e)에서의 광차폐 패턴(131)들의 선폭과 광투과 슬릿(132)들의 슬릿 폭의 상대적인 크기에 관한 규칙이 중첩적으로 적용될 수 있다. 예를 들어, 제 1 렌즈 왜곡 보상 영역(130a) 내에 제 1 내지 제 5 조명광 불균일 보상 부영역(135a, 135b, 135c, 135d, 135e)들이 부분적으로 배치될 수 있다. 이 경우, 제 1 렌즈 왜곡 보상 영역(130a)과 제 1 조명광 불균일 보상 부영역(135a)이 중첩하는 부분에서 광차폐 패턴(131)의 선폭은 제 1 렌즈 왜곡 보상 영역(130a)과 제 2 조명광 불균일 보상 부영역(135b)이 중첩하는 부분에서 광차폐 패턴(131)의 선폭보다 크다. 다시 말해, 제 1 렌즈 왜곡 보상 영역(130a)과 제 1 조명광 불균일 보상 부영역(135a)이 중첩하는 부분에서 광투과 슬릿(132)의 슬릿 폭은 제 1 렌즈 왜곡 보상 영역(130a)과 제 2 조명광 불균일 보상 부영역(135b)이 중첩하는 부분에서 광투과 슬릿(132)의 슬릿 폭보다 작다.
이와 마찬가지로, 제 1 렌즈 왜곡 보상 영역(130a)과 제 2 조명광 불균일 보상 부영역(135b)이 중첩하는 부분에서 광차폐 패턴(131)의 선폭은 제 1 렌즈 왜곡 보상 영역(130a)과 제 3 조명광 불균일 보상 부영역(135c)이 중첩하는 부분에서 광차폐 패턴(131)의 선폭보다 크다. 또한, 제 1 렌즈 왜곡 보상 영역(130a)과 제 1 조명광 불균일 보상 부영역(135a)이 중첩하는 부분에서 광차폐 패턴(131)의 선폭은 제 2 렌즈 왜곡 보상 영역(130b)과 제 1 조명광 불균일 보상 부영역(135a)이 중첩하는 부분에서 광차폐 패턴(131)의 선폭보다 크다.
또한, 제 2 렌즈 왜곡 보상 영역(130b) 내에 제 1 내지 제 5 조명광 불균일 보상 부영역(135a, 135b, 135c, 135d, 135e)들이 부분적으로 배치될 수 있다. 이 경우, 제 2 렌즈 왜곡 보상 영역(130b)과 제 1 조명광 불균일 보상 부영역(135a)이 중첩하는 부분에서 광차폐 패턴(131)의 선폭은 제 2 렌즈 왜곡 보상 영역(130b)과 제 2 조명광 불균일 보상 부영역(135b)이 중첩하는 부분에서 광차폐 패턴(131)의 선폭보다 크다. 다시 말해, 제 2 렌즈 왜곡 보상 영역(130b)과 제 1 조명광 불균일 보상 부영역(135a)이 중첩하는 부분에서 광투과 슬릿(132)의 슬릿 폭은 제 2 렌즈 왜곡 보상 영역(130b)과 제 2 조명광 불균일 보상 부영역(135b)이 중첩하는 부분에서 광투과 슬릿(132)의 슬릿 폭보다 작다.
결과적으로, 제 1 내지 제 5 렌즈 왜곡 보상 영역(130a, 130b, 130c, 130d, 130e)들과 제 1 내지 제 5 조명광 불균일 보상 부영역(135a, 135b, 135c, 135d, 135e)들이 중첩하는 다수의 부분들 중에서, 제 1 렌즈 왜곡 보상 영역(130a)과 제 1 조명광 불균일 보상 부영역(135a)이 중첩하는 부분에서의 광차폐 패턴(131)의 선폭이 가장 크고 광투과 슬릿(132)의 슬릿 폭이 가장 작으며, 제 5 렌즈 왜곡 보상 영역(130e)과 제 5 조명광 불균일 보상 부영역(135e)이 중첩하는 부분에서의 광차폐 패턴(131)의 선폭이 가장 작고 광투과 슬릿(132)의 슬릿 폭이 가장 클 수 있다.
상술한 구조를 갖는 구조광 프로젝터(100)는 조명 장치(120)의 불균일한 조명광 및 렌즈(150)의 왜곡에도 불구하고 거의 균일한 밝기를 갖는 구조광을 투사할 수 있다. 이러한 구조광 프로젝터(100)는 다양한 전자 장치에 채용될 수 있다. 예를 들어, 구조광 프로젝터(100)는 3차원 객체 인식 장치에 채용될 수 있다. 구조광 프로젝터(100)가 상당히 균일한 밝기의 구조광을 제공하기 때문에, 3차원 객체 인식 장치의 3차원 센싱, 동작 인식 등의 정밀도가 향상될 수 있다.
예를 들어, 도 21은 일 실시예에 따른 전자 장치의 개략적인 구조를 보이는 블록도이다. 도 21을 참조하면, 전자 장치(1000)는 피사체(OBJ)에 구조광(L10)을 조사하는 구조광 프로젝터(100), 피사체(OBJ)로부터 반사된 광(L20)을 수광하는 센서(200), 및 센서(200)에서 수광된 광(L20)으로부터 피사체(OBJ)의 형상 정보 획득을 위한 연산을 수행하는 프로세서(300)를 포함할 수 있다. 또한, 센서(200)는 광 검출 요소들의 어레이를 포함할 수 있다. 센서(200)는 피사체(OBJ)로부터 반사된 광을 파장별로 분석하기 위한 분광 소자를 더 포함할 수도 있다.
프로세서(300)는 피사체(OBJ)에 조사한 구조광(L10)과 피사체(OBJ)로부터 반사된 구조광(L20)을 비교하여 피사체(OBJ)에 대한 깊이 정보를 획득하고, 이로부터 상기 피사체(OBJ)의 3차원 형상, 위치, 움직임 등을 분석할 수 있다. 구조광 프로젝터(100)로부터 투사된 구조광(L10)은 빛살의 각도 및 방향, 그리고 소정 초점면에 도달하는 밝고 어두운 점의 위치 좌표를 고유하게 가지도록 수학적으로 코드화된(coded) 패턴일 수 있다. 이러한 패턴이 3차원 형상의 피사체(OBJ)에서 반사될 때, 반사된 구조광(L20)의 패턴은 조사된 구조광(L10)의 패턴에서 변화된 형태를 갖는다. 이러한 패턴들을 비교하고 좌표별 패턴을 추적하여 피사체(OBJ)의 깊이 정보를 추출할 수 있고, 이로부터 피사체(OBJ)의 형상, 움직임과 관련된 3차원 정보를 추출할 수 있다. 프로세서(300)는 이 외에도 전자 장치(1000)의 동작을 전반적으로 제어할 수 있고, 예를 들어, 구조광 프로젝터(100)에 구비된 광원의 구동이나 센서(200)의 동작 제어할 수 있다.
전자 장치(1000)는 메모리를 더 포함할 수 있고, 메모리에는 프로세서(300)가 상기와 같이 3차원 정보 추출을 위한 연산을 실행할 수 있도록 프로그램된 연산 모듈이 저장될 수 있다.
구조광 프로젝터(100)와 피사체(OBJ) 사이에는 구조광 프로젝터(100)로부터의 구조광(L10)이 피사체(OBJ)를 향하도록 방향을 조절하거나, 또는 이에 대한 추가적인 변조를 하기 위한 광학 소자들이 더 배치될 수도 있다.
프로세서(300)에서의 연산 결과, 즉, 피사체(OBJ)의 형상, 위치에 대한 정보는 다른 유닛이나 다른 전자 장치로 전송될 수 있다. 예를 들어, 메모리에 저장된 다른 어플리케이션 모듈에서 이러한 정보가 사용될 수 있다. 결과가 전송되는 다른 전자 장치는 결과를 출력하는 디스플레이 장치나 프린터일 수도 있다. 이외에도, 무인자동차, 자율주행차, 로봇, 드론 등과 같은 자율 구동 기기, 스마트 폰(smart phone), 스마트 워치(smart watch), 휴대폰, PDA(personal digital assistant), 랩톱(laptop), PC, 다양한 웨어러블(wearable) 기기, 기타 모바일 또는 비모바일 컴퓨팅 장치 및 사물 인터넷 기기일 수 있으며, 이에 제한되지 않는다.
전자 장치(1000)는 무인자동차, 자율주행차, 로봇, 드론 등과 같은 자율 구동 기기일 수 있고, 휴대용 이동 통신 기기, 스마트 폰(smart phone), 스마트 워치(smart watch), PDA(personal digital assistant), 랩톱(laptop), PC, 다양한 웨어러블(wearable) 기기, 기타 모바일 또는 비모바일 컴퓨팅 장치 및 사물 인터넷 기기일 수 있으며, 이에 제한되지 않는다.
전술한 실시예들에 따른 전자 장치에서 소프트웨어 모듈 또는 알고리즘으로 구현되는 방법들은 상기 프로세서상에서 실행 가능한 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드들 또는 프로그램 명령들로서 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록 매체 상에 저장될 수 있다. 여기서 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록 매체로 마그네틱 저장 매체(예컨대, ROM(read-only memory), RAM(random-access memory), 플로피 디스크, 하드 디스크 등) 및 광학적 판독 매체(예컨대, 시디롬(CD-ROM), 디브이디(DVD; Digital Versatile Disc)) 등이 있다. 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록 매체는 네트워크로 연결된 컴퓨터 시스템들에 분산되어, 분산 방식으로 컴퓨터가 판독 가능한 코드가 저장되고 실행될 수 있다. 매체는 컴퓨터에 의해 판독가능하며, 메모리에 저장되고, 프로세서에서 실행될 수 있다.
상술한 구조광 프로젝터 및 이를 포함하는 전자 장치는 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 분야에서 통상적 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 그러므로 개시된 실시예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다. 권리범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 권리범위에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.
10.....발광 요소 110.....지지대
120.....조명 장치 130.....패턴 마스크
131.....광차폐 패턴 132.....광투과 슬릿
135.....조명광 불균일 보상 영역 140.....투명 기판
150.....렌즈 160.....하우징
200.....센서부 300.....분석부
1000.....전자 장치
120.....조명 장치 130.....패턴 마스크
131.....광차폐 패턴 132.....광투과 슬릿
135.....조명광 불균일 보상 영역 140.....투명 기판
150.....렌즈 160.....하우징
200.....센서부 300.....분석부
1000.....전자 장치
Claims (24)
- 조명광을 제공하는 조명 장치;
조명광을 부분적으로 투과시키거나 차단하여 구조광을 만드는 패턴 마스크; 및
구조광을 투사시키기 위한 렌즈;를 포함하며,
상기 패턴 마스크는:
입사광을 반사하거나 흡수하며 제 1 선폭을 갖는 다수의 불투명한 제 1 광차폐 패턴 및 조명광을 투과시키며 제 1 슬릿 폭을 갖는 제 1 광투과 슬릿을 포함하는 제 1 렌즈 왜곡 보상 영역; 및
상기 제 1 렌즈 왜곡 보상 영역을 둘러싸는 것으로, 입사광을 반사하거나 흡수하며 제 2 선폭을 갖는 다수의 불투명한 제 2 광차폐 패턴 및 조명광을 투과시키며 제 2 슬릿 폭을 갖는 제 2 광투과 슬릿을 포함하는 제 2 렌즈 왜곡 보상 영역을 포함하고,
상기 제 2 광차폐 패턴의 제 2 선폭은 상기 제 1 광차폐 패턴의 제 1 선폭보다 작고 상기 제 2 광투과 슬릿의 제 2 슬릿 폭은 상기 제 1 광투과 슬릿의 제 1 슬릿 폭보다 큰 구조광 프로젝터. - 제 1 항에 있어서,
상기 제 1 렌즈 왜곡 보상 영역은 상기 렌즈의 중심부에 대향하도록 배치되어 있는 구조광 프로젝터. - 제 2 항에 있어서,
상기 제 1 렌즈 왜곡 보상 영역과 상기 제 2 렌즈 왜곡 보상 영역은 동심원 형태로 배열되어 있는 구조광 프로젝터. - 삭제
- 삭제
- 제 1 항에 있어서,
상기 제 2 렌즈 왜곡 보상 영역 내에서 상기 다수의 제 2 광차폐 패턴들의 전체 면적에 대한 상기 제 2 광투과 슬릿의 면적의 비는 상기 제 1 렌즈 왜곡 보상 영역 내에서 상기 다수의 제 1 광차폐 패턴들의 전체 면적에 대한 상기 제 1 광투과 슬릿의 면적의 비보다 큰 구조광 프로젝터. - 제 1 항에 있어서,
상기 패턴 마스크는, 상기 제 2 렌즈 왜곡 보상 영역을 둘러싸는 것으로 제 3 선폭을 갖는 다수의 불투명한 제 3 광차폐 패턴을 포함하는 제 3 렌즈 왜곡 보상 영역을 더 포함하고,
상기 제 3 광차폐 패턴의 제 3 선폭은 상기 제 2 광차폐 패턴의 제 2 선폭보다 작은 구조광 프로젝터. - 제 7 항에 있어서,
상기 제 1 내지 제 3 렌즈 왜곡 보상 영역은 동심원 형태로 배열되어 있는 구조광 프로젝터. - 제 7 항에 있어서,
상기 제 3 렌즈 왜곡 보상 영역은 조명광을 투과시키는 제 3 광투과 슬릿을 포함하는 구조광 프로젝터. - 제 9 항에 있어서,
상기 제 2 렌즈 왜곡 보상 영역 내에서 상기 다수의 제 2 광차폐 패턴들의 전체 면적에 대한 상기 제 2 광투과 슬릿의 면적의 비는 상기 제 1 렌즈 왜곡 보상 영역 내에서 상기 다수의 제 1 광차폐 패턴들의 전체 면적에 대한 상기 제 1 광투과 슬릿의 면적의 비보다 크고,
상기 제 3 렌즈 왜곡 보상 영역 내에서 상기 다수의 제 3 광차폐 패턴들의 전체 면적에 대한 상기 제 3 광투과 슬릿의 면적의 비는 상기 제 2 렌즈 왜곡 보상 영역 내에서 상기 다수의 제 2 광차폐 패턴들의 전체 면적에 대한 상기 제 2 광투과 슬릿의 면적의 비보다 큰 구조광 프로젝터. - 제 1 항에 있어서,
상기 조명 장치는 2차원 어레이의 형태로 배열된 다수의 발광 요소를 포함하는 구조광 프로젝터. - 제 11 항에 있어서,
상기 패턴 마스크는 상기 조명광의 밝기 불균일을 보상하도록 상기 패턴 마스크 상에서 2차원 배열된 다수의 조명광 불균일 보상 영역을 더 포함하며,
상기 다수의 조명광 불균일 보상 영역은 상기 제 1 렌즈 왜곡 보상 영역 및 상기 제 2 렌즈 왜곡 보상 영역과 중첩적으로 배치된 구조광 프로젝터. - 삭제
- 제 12 항에 있어서,
각각의 조명광 불균일 보상 영역은:
상기 조명광의 가장 밝은 부분에 대향하여 배치된 제 1 조명광 불균일 보상 부영역; 및
상기 제 1 조명광 불균일 보상 영역을 둘러싸는 제 2 조명광 불균일 보상 부영역;을 포함하는 구조광 프로젝터. - 제 14 항에 있어서,
상기 제 1 조명광 불균일 보상 부영역은 제 3 선폭을 갖는 다수의 불투명한 제 3 광차폐 패턴을 포함하고, 제 2 조명광 불균일 보상 부영역은 제 4 선폭을 갖는 다수의 불투명한 제 4 광차폐 패턴을 포함하며,
상기 제 2 조명광 불균일 보상 부영역 내에 배치된 다수의 제 4 광차폐 패턴의 제 4 선폭은 상기 제 1 조명광 불균일 보상 부영역 내에 배치된 다수의 제 3 광차폐 패턴의 제 3 선폭보다 작은 구조광 프로젝터. - 제 15 항에 있어서,
상기 제 1 조명광 불균일 보상 부영역은 조명광을 투과시키며 제 3 슬릿 폭을 갖는 제 3 광투과 슬릿을 포함하고, 상기 제 2 조명광 불균일 보상 부영역은 조명광을 투과시키며 제 4 슬릿 폭을 갖는 제 4 광투과 슬릿을 포함하며,
상기 제 2 조명광 불균일 보상 부영역 내에 배치된 다수의 제 4 광투과 슬릿의 제 4 슬릿 폭은 상기 제 1 조명광 불균일 보상 부영역 내에 배치된 다수의 제 3 광투과 슬릿의 제 3 슬릿 폭보다 큰 구조광 프로젝터. - 제 16 항에 있어서,
상기 제 2 조명광 불균일 보상 부영역 내에 배치된 다수의 제 4 광차폐 패턴들의 전체 면적에 대한 상기 제 2 조명광 불균일 보상 부영역 내의 제 4 광투과 슬릿의 면적의 비는 상기 제 1 조명광 불균일 보상 부영역 내 배치된 다수의 제 3 광차폐 패턴들의 전체 면적에 대한 상기 제 1 조명광 불균일 보상 부영역 내의 제 3 광투과 슬릿의 면적의 비보다 큰 구조광 프로젝터. - 제 14 항에 있어서,
상기 다수의 제 1 조명광 불균일 보상 부영역과 제 2 조명광 불균일 보상 부영역은 상기 제 1 렌즈 왜곡 보상 영역 및 제 2 렌즈 왜곡 보상 영역과 중첩적으로 배치되어 있는 구조광 프로젝터. - 제 18 항에 있어서,
상기 제 1 렌즈 왜곡 보상 영역과 상기 제 1 조명광 불균일 보상 부영역이 중첩하는 부분에서 상기 제 1 광차폐 패턴의 선폭은 상기 제 1 렌즈 왜곡 보상 영역과 상기 제 2 조명광 불균일 보상 부영역이 중첩하는 부분에서 제 1 광차폐 패턴의 선폭보다 큰 구조광 프로젝터. - 제 18 항에 있어서,
상기 제 2 렌즈 왜곡 보상 영역과 상기 제 1 조명광 불균일 보상 부영역이 중첩하는 부분에서 상기 제 2 광차폐 패턴의 선폭은 상기 제 2 렌즈 왜곡 보상 영역과 상기 제 2 조명광 불균일 보상 부영역이 중첩하는 부분에서 제 2 광차폐 패턴의 선폭보다 큰 구조광 프로젝터. - 제 1 항에 있어서,
상기 패턴 마스크는 모서리 부분이 둥글고 각 변의 중간 부분이 볼록한 사각형 형태를 갖는 구조광 프로젝터. - 제 1 항에 있어서,
상기 조명 장치로부터 이격되어 배치된 투명 기판을 더 포함하며,
상기 패턴 마스크는 상기 투명 기판의 제 1 표면에 배치되고,
상기 렌즈는 상기 투명 기판의 제 2 표면에 배치되는 구조광 프로젝터. - 제 22 항에 있어서,
상기 렌즈는 나노 크기의 기둥들을 포함하는 메타 렌즈인 구조광 프로젝터. - 피사체에 구조광을 조사하는 구조광 프로젝터;
상기 피사체로부터 반사된 광을 수광하는 센서; 및
상기 센서에서 수광된 광으로부터 상기 피사체의 형상 정보 획득을 위한 연산을 수행하는 프로세서;를 포함하며,
상기 구조광 프로젝터는:
조명광을 제공하는 조명 장치;
조명광을 부분적으로 투과시키거나 차단하여 구조광을 만드는 패턴 마스크; 및
구조광을 투사시키기 위한 렌즈;를 포함하며,
상기 패턴 마스크는:
입사광을 반사하거나 흡수하며 제 1 선폭을 갖는 다수의 불투명한 제 1 광차폐 패턴 및 조명광을 투과시키며 제 1 슬릿 폭을 갖는 제 1 광투과 슬릿을 포함하는 제 1 렌즈 왜곡 보상 영역; 및
상기 제 1 렌즈 왜곡 보상 영역을 둘러싸는 것으로, 입사광을 반사하거나 흡수하며 제 2 선폭을 갖는 다수의 불투명한 제 2 광차폐 패턴 및 조명광을 투과시키며 제 2 슬릿 폭을 갖는 제 2 광투과 슬릿을 포함하는 제 2 렌즈 왜곡 보상 영역을 포함하고,
상기 제 2 광차폐 패턴의 제 2 선폭은 상기 제 1 광차폐 패턴의 제 1 선폭보다 작고 상기 제 2 광투과 슬릿의 제 2 슬릿 폭은 상기 제 1 광투과 슬릿의 제 1 슬릿 폭보다 큰, 전자 장치.
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