KR102568795B1 - 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, 조명광을 비스듬하게 반사하는 경사진 반사면을 갖는 반사 패턴 및 조명광을 투과시키는 광투과 슬릿을 포함한다. 패턴 마스크를 통과하여 형성된 구조광은 반사 패턴의 밑면 모양과 광투과 슬릿의 모양에 의해 결정된다.

Description

구조광 프로젝터 및 이를 포함하는 전자 장치 {Structured light projector and electronic apparatus including the same}
개시된 실시예들은 구조광 프로젝터 및 이를 포함하는 전자 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 광 이용 효율이 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.
광 이용 효율이 향상된 구조광 프로젝터를 제공한다.
구조광 프로젝터를 포함하는 전자 장치를 제공한다.
일 실시예에 따른 구조광 프로젝터는, 조명광을 제공하는 조명 장치; 조명광을 부분적으로 투과시키거나 반사하여 구조광을 만드는 패턴 마스크; 및 구조광을 투사시키기 위한 렌즈;를 포함하며, 여기서 상기 패턴 마스크는 조명광을 투과시키는 광투과 슬릿; 및 조명광을 상기 광투과 슬릿을 향해 비스듬하게 반사하는 다수의 반사 패턴;을 포함할 수 있다.
각각의 반사 패턴은, 밑면; 상기 밑면과 대향하는 꼭지부; 및 상기 밑면의 가장자리로부터 상기 꼭지부로 경사지게 연장된 반사면;을 포함하며, 상기 반사면은 조명광을 비스듬하게 반사하도록 경사질 수 있다.
상기 반사 패턴의 밑면의 폭에 대한 상기 반사 패턴의 높이의 비는, 예를 들어, 5 내지 15의 범위에 있을 수 있다.
상기 꼭지부의 내각은, 예를 들어, 10도 내지 20도의 범위에 있을 수 있다.
상기 반사면과 상기 꼭지부는 곡면을 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, 각각의 반사 패턴의 밑면은 상기 투명 기판의 제 1 표면에 접할 수 있다.
상기 렌즈는 상기 투명 기판의 제 1 표면에 대향하는 제 2 표면에 배치되며, 상기 렌즈는 나노 크기의 기둥들을 포함하는 메타 렌즈일 수 있다.
상기 패턴 마스크는 상기 렌즈의 중심부에 대향하도록 배치된 제 1 렌즈 왜곡 보상 영역 및 상기 제 1 렌즈 왜곡 보상 영역을 둘러싸는 제 2 렌즈 왜곡 보상 영역을 포함하며, 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 영역 내에 배치된 반사 패턴의 밑면의 폭은 상기 제 2 렌즈 왜곡 보상 영역 내에 배치된 반사 패턴의 밑면의 폭보다 크고, 상기 제 1 렌즈 왜곡 보상 영역 내에 배치된 광투과 슬릿의 슬릿 폭은 상기 제 2 렌즈 왜곡 보상 영역 내에 배치된 광투과 슬릿의 슬릿 폭보다 작을 수 있다.
상기 제 1 렌즈 왜곡 보상 영역 내에 배치된 반사 패턴의 높이와 상기 제 2 렌즈 왜곡 보상 영역 내에 배치된 반사 패턴의 높이가 동일할 수 있다.
상기 제 1 렌즈 왜곡 보상 영역 내에 배치된 반사 패턴의 밑면의 폭에 대한 높이의 비는 상기 제 2 렌즈 왜곡 보상 영역 내에 배치된 반사 패턴의 밑면의 폭에 대한 높이의 비보다 작을 수 있다.
상기 제 1 렌즈 왜곡 보상 영역 내에 배치된 반사 패턴의 높이가 상기 제 2 렌즈 왜곡 보상 영역 내에 배치된 반사 패턴의 높이보다 클 수 있다.
상기 제 1 렌즈 왜곡 보상 영역 내에 배치된 반사 패턴의 밑면의 폭에 대한 높이의 비는 상기 제 2 렌즈 왜곡 보상 영역 내에 배치된 반사 패턴의 밑면의 폭에 대한 높이의 비와 동일할 수 있다.
상기 제 2 렌즈 왜곡 보상 영역 내에 배치된 반사 패턴의 밑면들의 전체 면적에 대한 광투과 슬릿들의 전체 면적의 비가 상기 제 1 렌즈 왜곡 보상 영역 내에 배치된 반사 패턴의 밑면들의 전체 면적에 대한 광투과 슬릿들의 전체 면적의 비보다 더 클 수 있다.
각각의 반사 패턴은, 예를 들어, 삼각형 또는 사다리꼴 형태의 종단면을 가질 수 있다.
각각의 반사 패턴은 반사성 금속 재료로 이루어질 수 있다.
각각의 반사 패턴은 심지부 및 상기 심지부의 표면을 둘러싸는 외피부를 포함하고, 상기 외피부는 반사성 금속 재료로 이루어질 수 있다.
상기 심지부는 삼각형 또는 사다리꼴 형태의 종단면을 가질 수 있다.
상기 패턴 마스크는 상기 광투과 슬릿과 상기 반사 패턴을 덮도록 배치된 투명한 고굴절률층을 더 포함할 수 있다.
상기 반사 패턴은 상기 고굴절률층의 굴절률보다 낮은 굴절률을 갖는 유전체 재료로 이루어질 수 있다.
각각의 반사 패턴은 밑면 및 상기 밑면의 가장자리로부터 경사지게 연장된 반사면을 포함하며, 상기 반사면이 상기 밑면과 이루는 내각은 임계각 보다 더 클 수 있다.
상기 렌즈는 상기 패턴 마스크와 이격되어 배치된 굴절 광학 렌즈일 수 있다.
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 반사하여 구조광을 만드는 패턴 마스크; 및 구조광을 투사시키기 위한 렌즈;를 포함하고, 여기서 상기 패턴 마스크는 조명광을 투과시키는 광투과 슬릿; 및 조명광을 상기 광투과 슬릿을 향해 비스듬하게 반사하는 다수의 반사 패턴;을 포함할 수 있다.
개시된 구조광 프로젝터는 광 이용 효율이 향상되어 보다 밝은 구조광을 투사할 수 있다. 따라서, 구조광 프로젝터의 소비 전력을 낮출 수 있다. 또한, 조명 장치의 발광 요소들의 개수가 증가하는 것과 동일한 효과을 얻을 수 있어서, 구조광 프로젝터의 두께를 줄일 수 있다. 또한, 조명광이 비스듬하게 반사되므로, 반사된 조명광이 조명 장치의 발광 요소들에 입사하지 않아서, 발광 요소들의 동작 안정성이 향상될 수 있다.
이러한 구조광 프로젝터는 다양한 전자 장치에 채용될 수 있다. 예를 들어, 구조광 프로젝터는 3차원 객체 인식 장치에 채용될 수 있다. 구조광 프로젝터가 보다 낮은 소비 전력으로 보다 밝은 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 반사형 패턴 마스크의 일부 반사 패턴들의 구성을 개략적으로 보이는 부분적인 종단면도이다.
도 3은 도 2에 도시된 반사형 패턴 마스크를 사용하는 경우와 빛을 흡수하는 패턴 마스크를 사용하는 경우에 구조광의 밝기를 비교하여 보이는 그래프이다.
도 4는 반사형 패턴 마스크의 일부 반사 패턴들의 밑면 형태를 예시적으로 보이는 횡단면도이다.
도 5a는 반사형 패턴 마스크의 하나의 반사 패턴의 밑면의 형태를 예시적으로 보이는 횡단면도이고, 도 5b는 도 5a에 도시된 반사 패턴의 반사면과 꼭지부의 형태를 보이는 사시도이다.
도 6a는 반사형 패턴 마스크의 다른 반사 패턴의 밑면의 형태를 예시적으로 보이는 횡단면도이고, 도 6b는 도 6a에 도시된 반사 패턴의 반사면과 꼭지부의 형태를 보이는 사시도이다.
도 7은 도 1에 도시된 구조광 프로젝터에 채용된 반사형 패턴 마스크의 일부 반사 패턴들의 다른 구성을 개략적으로 보이는 부분적인 종단면도이다.
도 8은 도 7에 도시된 반사 패턴의 반사면과 꼭지부의 형태를 보이는 평면도이다.
도 9는 도 1에 도시된 구조광 프로젝터에 채용된 반사형 패턴 마스크의 일부 반사 패턴들의 또 다른 구성을 개략적으로 보이는 부분적인 종단면도이다.
도 10은 도 1에 도시된 구조광 프로젝터에 채용된 반사형 패턴 마스크의 일부 반사 패턴들의 다른 구성을 개략적으로 보이는 부분적인 종단면도이다.
도 11은 도 1에 도시된 구조광 프로젝터에 채용된 패턴 마스크의 일 예를 보이는 평면도이다.
도 12는 도 1에 도시된 구조광 프로젝터에 채용된 패턴 마스크의 다른 예를 보이는 평면도이다.
도 13은 도 1에 도시된 구조광 프로젝터에 채용된 반사형 패턴 마스크의 일부 반사 패턴들의 또 다른 구성을 개략적으로 보이는 부분적인 종단면도이다.
도 14는 도 1에 도시된 구조광 프로젝터에 채용된 반사형 패턴 마스크의 반사 패턴들의 또 다른 구성을 개략적으로 보이는 부분적인 종단면도이다.
도 15는 도 1에 도시된 구조광 프로젝터에 채용된 반사형 패턴 마스크의 반사 패턴들의 또 다른 구성을 개략적으로 보이는 부분적인 종단면도이다.
도 16은 다른 실시예에 따른 구조광 프로젝터의 개략적인 구성을 보이는 단면도이다.
도 17은 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 조명광을 제공하는 조명 장치(120), 조명광을 부분적으로 투과시켜 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.
조명 장치(120)는 2차원 어레이의 형태로 배열된 다수의 발광 요소를 포함할 수 있다. 발광 요소는 레이저 광을 방출하는 레이저 다이오드일 수 있다. 예를 들어, 발광 요소는 수직 공진형 표면 발광 레이저(Vertical Cavity Surface Emitting Laser; VCSEL)일 수 있다. 발광 요소가 VCSEL인 경우, 발광 요소는 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 요소는 VCSEL에만 한정되는 것은 아니며 VCSEL 이외에 다른 레이어 다이오드, 또는 발광 다이오드일 수도 있다. 발광 요소는 대략 850 nm 또는 940nm의 레이저 광을 방출할 수도 있고, 또는 근적외선의 파장대역의 광을 방출할 수도 있다. 그러나, 발광 요소에서 방출되는 광의 파장은 특별히 한정되지 않으며, 구조광을 활용하는 어플리케이션에 알맞은 파장 대역의 광을 방출하는 발광 요소가 사용될 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 조명광을 부분적으로 투과시키거나 반사하여 구조광을 만드는 역할을 한다. 예를 들어, 도 2는 도 1에 도시된 구조광 프로젝터(100)에 채용된 반사형 패턴 마스크(130)의 일부 반사 패턴들의 구성을 개략적으로 보이는 부분적인 종단면도이다. 도 2를 참조하면, 패턴 마스크(130)는 입사하는 조명광을 투과시키는 광투과 슬릿(132) 및 입사하는 조명광을 광투과 슬릿(132)을 향해 비스듬하게 반사하는 다수의 반사 패턴(131)을 포함할 수 있다. 광투과 슬릿(132)은 다수의 반사 패턴(131) 사이에 배치될 수 있다. 광투과 슬릿(132)은 입사하는 조명광을 투과시킬 수 있다. 따라서, 광투과 슬릿(132)에 입사하는 조명광은 다수의 광투과 슬릿(132)과 투명 기판(140)을 통과하여 렌즈(150)에 의해 구조광 프로젝터(100)의 외부로 투사될 수 있다.
각각의 반사 패턴(131)은 투명 기판(140)의 표면에 접하는 밑면(131a), 조명광을 비스듬하게 반사하는 경사진 반사면(131b), 및 밑면(131a)과 대향하며 경사진 반사면(131b)이 모이는 꼭지부(131c)를 포함할 수 있다. 꼭지부(131c)는 예를 들어 밑면(131a)의 중심부와 대향할 수 있으며, 꼭지부(131c)로부터 밑면(131a)의 가장자리로 반사면(131b)이 경사지게 연장될 수 있다. 따라서, 각각의 반사 패턴(131)은 이등변 삼각형 형태의 종단면을 가질 수 있다.
이러한 반사 패턴(131)은 조명광에 대해 우수한 반사도를 갖는 금속 재료로 이루어질 수 있다. 그러면 반사면(131b)에 입사하는 조명광은 반사면(131b)에 의해 비스듬하게 반사된 후 광투과 슬릿(132)에 입사할 수 있다. 그리고 반사면(131b)에 의해 반사된 조명광은 광투과 슬릿(132)과 투명 기판(140)을 통과하여 렌즈(150)에 의해 구조광 프로젝터(100)의 외부로 투사될 수 있다. 따라서, 반사 패턴(131)에 입사하는 조명광이 손실되지 않고 구조광을 형성하는데 기여할 수 있어서, 구조광 프로젝터(100)의 광 이용 효율이 향상될 수 있으며 구조광의 밝기를 증가시킬 수 있다. 또한, 조명 장치(120)의 전력 소모를 줄여서 구조광 프로젝터(100)의 소비 전력을 낮출 수 있다.
한편, 반사 패턴(131)에 의해 반사된 조명광이 광투과 슬릿(132)에 입사하는 입사각이 지나치게 크면, 반사 패턴(131)에 의해 반사된 조명광이 렌즈(150)에 의해 충분히 집광되지 않을 수 있다. 여기서, 입사각은 반사면(131b)에 의해 반사된 조명광의 진행 방향과 광투과 슬릿(132)의 표면 법선이 이루는 각도이다. 입사각이 지나치게 크면, 반사 패턴(131)에 의해 반사된 조명광은 구조광이 투사될 영역 밖으로 벗어나서 구조광을 형성하는데 기여하지 않게 된다. 각각의 반사 패턴(131)이 이등변 삼각형 형태의 종단면을 가지면, 입사각은 반사 패턴(131)의 꼭지부(131c)의 내각(θ)의 1/2과 같다.
따라서 적절한 입사각을 갖도록 하기 위해, 각각의 반사 패턴(131)은 충분히 높은 종횡비를 가질 수 있다. 여기서, 종횡비는 반사 패턴(131)의 밑면(131a)의 폭(w)에 대한 반사 패턴(131)의 높이(h)의 비(h/w)를 의미한다. 반면, 종횡비가 너무 높으면 반사 패턴(131)을 형성하기가 어려울 수 있다. 이러한 점을 고려하여, 각각의 반사 패턴(131)의 종횡비는, 예를 들어, 약 5 내지 약 15일 수 있다. 그리고, 각각의 반사 패턴(131)의 꼭지부(131c)의 내각(θ)은, 예를 들어, 약 10도 내지 20도일 수 이다. 반사 패턴(131)의 종횡비의 구체적인 값은 렌즈(150)의 집광력에 따라 결정될 수 있다. 또한, 도 1 및 도 2에서는 반사 패턴(131)의 크기가 과장되어 크게 도시되었으나, 실제로 반사 패턴(131)은 매우 미세한 크기를 갖는다. 예를 들어, 반사 패턴(131)의 높이(h)는 약 3 um 내지 약 10 um의 범위에 있고, 반사 패턴(131)의 폭(w)은 0 um보다 크고 3 um 이내일 수 있다.
도 3은 도 2에 도시된 반사형 패턴 마스크(130)를 사용하는 경우와 단순히 빛을 흡수하는 광흡수형 패턴 마스크를 사용하는 경우에 구조광의 밝기를 비교하여 보이는 그래프이다. 도 3에서 'A'로 표시된 그래프는 광흡수형 패턴 마스크를 사용한 경우에 렌즈(150)의 위치에서 측정한 구조광의 세기이고, 'B'로 표시된 그래프는 도 2에 도시된 반사형 패턴 마스크(130)를 사용한 경우에 렌즈(150)의 위치에서 측정한 구조광의 세기이다. 도 3에 도시된 바와 같이, 도 2에 도시된 반사형 패턴 마스크(130)를 사용하면 구조광 프로젝터(100)의 광 이용 효율이 향상될 수 있으며 구조광의 밝기를 증가시킬 수 있다.
또한, 반사 패턴(131)에 의해 반사된 조명광이 구조광을 형성하는데 기여하므로, 조명 장치(120)의 발광 요소들의 개수가 증가하는 것과 동일한 효과를 얻을 수 있다. 조명 장치(120)의 발광 요소들의 개수가 증가하면, 패턴 마스크(130)와 조명 장치(120) 사이의 거리가 작더라도 패턴 마스크(130)에 입사하는 조명광의 세기 분포가 균일해질 수 있다. 따라서, 구조광 프로젝터(100)의 두께를 줄일 수 있다. 또한, 흡수형 패턴 마스크를 사용하는 경우, 흡수형 패턴 마스크에서 반사된 조명광의 일부가 발광 요소들의 레이저 공진기 내에 입사하여 발광 요소의 동작 안정성을 저하시킬 수 있다. 반면, 도 2에 도시된 반사형 패턴 마스크(130)를 사용하면 조명광이 비스듬하게 반사되므로, 반사된 조명광이 조명 장치(120)의 발광 요소들에 입사하지 않는다. 따라서, 발광 요소들의 동작 안정성이 향상될 수 있다.
상술한 패턴 마스크(130)에서, 조명광은 최종적으로 광투과 슬릿(132)만을 지나가며 각각의 반사 패턴(131)의 밑면(131a)으로는 지나가지 않는다. 따라서, 조명 장치(120)로부터 제공되는 조명광이 광투과 슬릿(132)만을 지나가기 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 형태, 또는 각각의 반사 패턴(131)의 밑면(131a)의 형태 및 다수의 반사 패턴(131)의 밑면(131a)들의 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.
도 4는 반사형 패턴 마스크(130)의 일부 반사 패턴(131)들의 밑면(131a)의 형태를 예시적으로 보이는 횡단면도이다. 도 4를 참조하면, 패턴 마스크(130)는 다양한 밑면(131a)의 형태를 갖는 다수의 미세한 반사 패턴(131)과 다수의 미세한 광투과 슬릿(132)의 배열을 포함할 수 있다. 다수의 반사 패턴(131)과 다수의 광투과 슬릿(132)의 구체적인 모양 및 배열 형태는 필요에 따라 다양하게 설계될 수 있다. 예를 들어, 투사될 구조광의 패턴 형태에 따라 다수의 반사 패턴(131)과 다수의 광투과 슬릿(132)의 구체적인 모양 및 배열 형태가 설계될 수 있다.
이러한 반사 패턴(131)은 밑면(131a)으로부터 높이 방향으로 꼭지부(131c)까지 점점 폭이 좁아지는 산 모양으로 형성될 수 있다. 다시 말해, 반사 패턴(131)의 꼭지부(131c)는 하나의 점이 아니라 선의 형태를 가질 수 있다. 예를 들어, 도 5a는 반사형 패턴 마스크(130)의 하나의 반사 패턴(131)의 밑면(131a)의 형태를 예시적으로 보이는 횡단면도이고, 도 5b는 도 5a에 도시된 반사 패턴(131)의 반사면(131b)과 꼭지부(131c)의 형태를 보이는 사시도이다. 도 5a에 도시된 바와 같이, 반사 패턴(131)의 밑면(131a)은 90도로 꺽인 막대의 형태를 가질 수도 있다. 그러면, 반사 패턴(131)의 밑면(131a)은 6개의 변을 갖는 6각형이 된다. 이 경우, 반사 패턴(131)의 3차원 형태는, 도 5b에 도시된 바와 같이, 밑면(131a)의 6개의 변으로부터 거의 동일한 각도로 경사지게 연장된 6개의 반사면(131b)을 갖는 산 모양이 된다. 그리고 반사 패턴(131)의 꼭지부(131c)는 밑면(131a)과 마찬가지로 90도로 꺽인 선의 형태를 갖는다. 꼭지부(131c)를 밑면(131a)에 투영하면 밑면(131a)의 거의 중심에 놓이게 된다.
또한, 도 6a는 반사형 패턴 마스크(130)의 또 다른 반사 패턴(131)의 밑면(131a)의 형태를 예시적으로 보이는 횡단면도이고, 도 6b는 도 6a에 도시된 반사 패턴(131)의 반사면(131b)과 꼭지부(131c)의 형태를 보이는 사시도이다. 도 6a에 도시된 바와 같이, 반사 패턴(131)의 밑면(131a)은 양단이 둥글고 중심부의 폭이 좁은 아령 형태를 가질 수도 있다. 이 경우, 반사 패턴(131)의 형태는, 도 6b에 도시된 바와 같이, 밑면(131a)의 테두리로부터 거의 동일한 각도로 경사지게 연장된 곡면 형태의 반사면(131b)을 갖는 산 모양일 수 있다. 그리고, 반사 패턴(131)의 밑면(131a)이 상하 대칭이라면 꼭지부(131c)는 일직선 형태를 가질 수 있다.
지금까지는 반사 패턴(131)의 종단면이 뾰족한 꼭지부(131c)를 가지며 꼭지부(131c)가 선의 형태를 갖는 것으로 설명하였으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, 도 7은 도 1에 도시된 구조광 프로젝터(100)에 채용된 반사형 패턴 마스크(130)의 일부 반사 패턴(131)들의 다른 구성을 개략적으로 보이는 부분적인 종단면도이다. 도 7을 참조하면, 반사 패턴(131)의 단부가 절단되어 반사 패턴(131)이 등변 사다리꼴의 형태를 가질 수도 있다. 또한, 도 8은 도 7에 도시된 반사 패턴(131)의 반사면(131b)과 꼭지부(131c)의 형태를 보이는 평면도이다. 도 8을 참조하면, 반사 패턴(131)이 90도로 꺽인 형태를 갖는다면, 꼭지부(131c)도 90도로 꺽인 면의 형태를 가질 수 있다.
또한, 도 9는 도 1에 도시된 구조광 프로젝터(100)에 채용된 반사형 패턴 마스크(130)의 일부 반사 패턴(131)들의 또 다른 구성을 개략적으로 보이는 부분적인 종단면도이다. 도 9에 도시된 바와 같이, 반사형 패턴 마스크(130)의 실제 제조 과정에서 반사 패턴(131)의 반사면(131b)과 꼭지부(131c)는 곡면의 형태를 가질 수도 있다. 예를 들어, 반사면(131b)은 꼭지부(131c)에 비하여 곡률 반경이 상대적으로 큰 곡면을 가지며, 꼭지부(131c)는 반사면(131b)에 비하여 곡률 반경이 상대적으로 작은 곡면을 가질 수 있다.
한편, 패턴 마스크(130)의 전체 영역에서 반사 패턴(131)의 밑면(131a)의 폭과 광투과 슬릿(132)의 슬릿 폭이 평균적으로 일정할 수도 있지만, 패턴 마스크(130)의 영역에 따라 국소적으로 변화할 수도 있다. 예를 들어, 도 10은 도 1에 도시된 구조광 프로젝터(100)에 채용된 반사형 패턴 마스크(130)의 일부 반사 패턴(131)들의 다른 구성을 개략적으로 보이는 부분적인 종단면도이다. 도 10을 참조하면, 패턴 마스크(130)의 중심 영역에서 반사 패턴(131)의 밑면(131a)의 폭(w1)은 광투과 슬릿(132)의 슬릿 폭(w2)보다 클 수 있다(w1 > w2). 반면, 패턴 마스크(130)의 가장자리 영역에서 반사 패턴(131)의 밑면(131a)의 폭(w3)은 줄어들고 광투과 슬릿(132)의 슬릿 폭(w4)은 증가할 수 있다. 다시 말해, 패턴 마스크(130)의 중심 영역에 배치된 반사 패턴(131)의 밑면(131a)의 폭(w1)은 패턴 마스크(130)의 가장자리 영역에 배치된 반사 패턴(131)의 밑면(131a)의 폭(w3)보다 클 수 있다(w1 > w3). 또한, 패턴 마스크(130)의 중심 영역에 배치된 광투과 슬릿(132)의 슬릿 폭(w2)은 패턴 마스크(130)의 가장자리 영역에 배치된 광투과 슬릿(132)의 슬릿 폭(w4)보다 작을 수 있다(w2 < w4). 또한, 경우에 따라서, 패턴 마스크(130)의 가장자리 영역에서 반사 패턴(131)의 밑면(131a)의 폭(w3)은 광투과 슬릿(132)의 슬릿 폭(w2)보다도 작을 수 있다(w3 < w4).
반사 패턴(131)의 밑면(131a)의 폭 변화와 관계 없이, 패턴 마스크(130)의 전체 영역에 걸쳐서 반사 패턴(131)의 높이(h)는 거의 일정하게 유지될 수 있다. 그러면, 패턴 마스크(130)의 중심 영역에 배치된 반사 패턴(131)의 종횡비(h/w1)는 패턴 마스크(130)의 가장자리 영역에 배치된 반사 패턴(131)의 종횡비(h/w3)보다 작을 수 있다.
도 10에 도시된 패턴 마스크(130)의 경우, 중심 영역에 배치된 광투과 슬릿(132)의 슬릿 폭(w2)이 가장자리 영역에 배치된 광투과 슬릿(132)의 슬릿 폭(w4)보다 작기 때문에, 패턴 마스크(130)의 중심 영역에의 평균적인 광투과율이 가장자리 영역에서의 평균적인 광투과율보다 낮을 수 있다. 이러한 특성을 이용하여 패턴 마스크(130)는 렌즈(150)의 왜곡에 의한 구조광의 밝기 불균일을 보상할 수 있다. 예를 들어, 렌즈(150)가 핀쿠션(pincushion) 왜곡을 갖는 경우, 구조광의 모서리 부분이 크게 팽창하게 된다. 그러면, 렌즈(150)의 중심부로부터 나온 구조광의 중앙 영역은 상대적으로 밝고, 렌즈(150)의 주변부로부터 나온 구조광의 가장자리 영역은 상대적으로 어두워질 수 있다. 그러나, 도 10에 도시된 패턴 마스크(130)를 사용하면, 구조광의 중심부의 밝기를 상대적으로 줄이고 구조광의 가장자리 영역의 밝기를 상대적으로 증가시키기 때문에, 렌즈(150)가 핀쿠션 왜곡을 갖는 경우에 구조광의 전체 영역에서 구조광의 밝기를 비교적 균일하게 만들 수 있다.
도 10에는 편의상 패턴 마스크(130)가 단지 2개의 상이한 영역을 갖는 것으로 도시되었다. 그러나, 렌즈(150)의 왜곡이 렌즈(150)의 중심으로부터 방사형으로 나타나기 때문에, 패턴 마스크(130)는 동심원 형태로 배열된 다수의 영역을 가질 수 있다. 예를 들어, 도 11은 도 1에 도시된 구조광 프로젝터(100)에 채용된 패턴 마스크(130)의 일 예를 보이는 평면도이다. 도 11을 참조하면, 패턴 마스크(130)는 이러한 렌즈(150)의 왜곡에 의한 구조광의 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. 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. 예를 들어, 제 1 렌즈 왜곡 보상 영역(130a)은 도 10에 도시된 패턴 마스크(130)의 중심 영역에 대응할 수 있고, 제 5 렌즈 왜곡 보상 영역(130e)은 도 10에 도시된 패턴 마스크(130)의 가장자리 영역에 대응할 수 있다. 도 11에는 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 각각 다수의 반사 패턴(131)과 다수의 광투과 슬릿(132)이 배치되어 있다. 구조광의 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 반사 패턴(131)의 밑면(131a)의 폭 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 반사 패턴(131)의 밑면(131a)의 폭이 감소하고 광투과 슬릿(132)의 슬릿 폭이 증가할 수 있다.
이 경우, 제 2 렌즈 왜곡 보상 영역(130b) 내에서 다수의 반사 패턴(131)의 밑면(131a)들의 전체 면적에 대한 광투과 슬릿(132)들의 면적의 비가 제 1 렌즈 왜곡 보상 영역(130a) 내에서 반사 패턴(131)의 밑면(131a)들의 전체 면적에 대한 광투과 슬릿(132)의 면적의 비보다 더 크게 된다. 마찬가지로, 제 3 렌즈 왜곡 보상 영역(130c) 내에서 반사 패턴(131)의 밑면(131a)들의 전체 면적에 대한 광투과 슬릿(132)들의 면적의 비가 제 2 렌즈 왜곡 보상 영역(130b) 내에서 반사 패턴(131)의 밑면(131a)들의 전체 면적에 대한 광투과 슬릿(132)의 면적의 비보다 더 크게 된다. 다시 말해, 다수의 반사 패턴(131)의 밑면(131a)들의 전체 면적에 대한 광투과 슬릿(132)들의 면적의 비가 제 1 렌즈 왜곡 보상 영역(130a)으로부터 제 5 렌즈 왜곡 보상 영역(130e)으로 갈수록 커지게 된다. 따라서, 제 1 렌즈 왜곡 보상 영역(130a)으로부터 제 5 렌즈 왜곡 보상 영역(130e)으로 갈수록 투과율이 점점 높아질 수 있다.
도 11에는 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, 렌즈(150)가 핀쿠션 왜곡을 갖는 경우, 구조광의 모서리 부분이 팽창하면서 구조광의 각 변의 중간 부분이 오목하게 되고 구조광의 모서리는 뽀죡하게 늘어날 수 있다. 따라서, 구조광이 직사각형의 형태를 갖게 하기 위해, 패턴 마스크(130)는 직사각형이 아닌 다른 형태를 가질 수 있다. 예를 들어, 도 12는 도 1에 도시된 구조광 프로젝터(100)에 채용된 패턴 마스크(130)의 다른 예를 보이는 평면도이다. 도 12를 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 왜곡을 갖는 경우, 모서리 부분이 팽창하고 각 변의 중간 부분이 오목하게 되면서 구조광이 직사각형 형태를 가질 수 있다.
이 경우에도, 패턴 마스크(130)의 중심부로부터 나온 구조광의 중앙 영역은 상대적으로 밝고 패턴 마스크(130)의 주변부로부터 나온 구조광의 가장자리 영역은 상대적으로 어두워서, 구조광의 단면 상에서 구조광의 평균적인 밝기가 일정하지 않을 수 있다. 따라서, 도 12에 도시된 패턴 마스크(130)도 역시 구조광의 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 11에 도시된 모양의 패턴 마스크(130)와 도 12에 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.
한편, 도 10에 도시된 패턴 마스크(130)에서는 영역에 따라 반사 패턴(131)의 종횡비가 다르지만, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, 도 13은 도 1에 도시된 구조광 프로젝터(100)에 채용된 반사형 패턴 마스크(130)의 일부 반사 패턴(131)들의 또 다른 구성을 개략적으로 보이는 부분적인 종단면도이다. 도 13을 참조하면, 패턴 마스크(130)의 중심 영역에서 반사 패턴(131)의 밑면(131a)의 폭(w1)은 광투과 슬릿(132)의 슬릿 폭(w2)보다 크다(w1 > w2). 반면, 패턴 마스크(130)의 가장자리 영역에서 반사 패턴(131)의 밑면(131a)의 폭(w3)은 줄어들고 광투과 슬릿(132)의 슬릿 폭(w4)은 증가한다. 따라서, 패턴 마스크(130)의 중심 영역에 배치된 반사 패턴(131)의 밑면(131a)의 폭(w1)은 패턴 마스크(130)의 가장자리 영역에 배치된 반사 패턴(131)의 밑면(131a)의 폭(w3)보다 크다(w1 > w3). 패턴 마스크(130)의 중심 영역에 배치된 광투과 슬릿(132)의 슬릿 폭(w2)은 패턴 마스크(130)의 가장자리 영역에 배치된 광투과 슬릿(132)의 슬릿 폭(w4)보다 작다(w2 < w4). 또한, 패턴 마스크(130)의 가장자리 영역에서 반사 패턴(131)의 밑면(131a)의 폭(w3)은 광투과 슬릿(132)의 슬릿 폭(w2)보다도 작을 수 있다(w3 < w4).
도 10에 도시된 실시예와 달리, 도 13에 도시된 실시예에서는 반사 패턴(131)의 밑면(131a)의 폭 변화와 관계 없이, 패턴 마스크(130)의 전체 영역에 걸쳐서 반사 패턴(131)의 종횡비가 일정하게 유지된다. 따라서, 패턴 마스크(130)의 중심 영역에 배치된 반사 패턴(131)의 높이(h1)는 패턴 마스크(130)의 가장자리 영역에 배치된 반사 패턴(131)의 높이(h2)보다 클 수 있다.
지금까지는 반사 패턴(131)이 반사성 금속으로만 구성된 것으로 설명하였으나, 반사 패턴(131)은 다른 다양한 형태로 구현될 수도 있다. 예를 들어, 도 14는 도 1에 도시된 구조광 프로젝터(100)에 채용된 반사형 패턴 마스크(130)의 반사 패턴(131)들의 또 다른 구성을 개략적으로 보이는 부분적인 종단면도이다. 도 14를 참조하면, 반사 패턴(131)은 투명 기판(140)의 하부 표면 상에 배치된 심지부(11)와 심지부(11)의 표면을 둘러싸는 외피부(12)를 포함할 수 있다. 심지부(11)는 반사 패턴(131)과 마찬가지로 이등변 삼각형 형태 또는 사다리꼴 형태의 종단면을 가질 수 있다. 이러한 심지부(11)는, 예를 들어, 용이하게 패터닝할 수 있는 반도체 재료 또는 유전체 재료로 이루어질 수 있다. 그리고, 심지부(11)의 표면에 증착되어 형성되는 외피부(12)는 조명광에 대해 우수한 반사도를 갖는 금속 재료로 이루어질 수 있다.
또한, 도 15는 도 1에 도시된 구조광 프로젝터(100)에 채용된 반사형 패턴 마스크(130)의 반사 패턴(131)들의 또 다른 구성을 개략적으로 보이는 부분적인 종단면도이다. 도 15를 참조하면, 패턴 마스크(130)는 다수의 광투과 슬릿(132)과 다수의 반사 패턴(131)을 모두 덮도록 투명 기판(140)의 하부 표면 상에 배치된 투명한 고굴절률층(136)을 더 포함할 수 있다. 반사 패턴(131)은 금속 재료가 아니라 고굴절률층(136)의 굴절률(n2)보다 낮은 굴절률(n1, n1 < n2)을 갖는 유전체 재료로 이루어질 수 있다. 예를 들어, 고굴절률층(136)은 SiO2, TiO2, SiN3, ZnS, ZnSe, Si3N4 등과 같은 재료로 이루어질 수 있으며, 반사 패턴(131)은 고굴절률층(136)과 투명 기판(140) 사이의 빈 공간이거나 또는 공기로 채워질 수도 있다. 이 경우, 반사 패턴(131)의 반사면(131b)에서는 전반사가 일어날 수 있다. 고굴절률층(136)에 수직하게 입사하는 조명광에 대해 전반사가 일어나기 위하여, 반사면(131b)이 투명 기판(140)의 하부 표면과 이루는 내각, 또는 반사면(131b)이 밑면(131a)과 이루는 내각은 임계각보다 크도록 반사 패턴(131)이 구성된다.
또한, 도 16은 다른 실시예에 따른 구조광 프로젝터의 개략적인 구성을 보이는 단면도이다. 도 16을 참조하면, 구조광 프로젝터(100')는 나노 기둥들로 이루어진 메타 렌즈(150) 대신에 일반적인 굴절 광학 렌즈(150')를 포함할 수도 있다. 이 경우, 투명 기판(140)에는 패턴 마스크(130)만이 배치되어 있으며, 굴절 광학 렌즈(150')는 투명 기판(140)의 상부 표면으로부터 이격되어 배치될 수 있다. 따라서, 굴절 광학 렌즈(150')와 패턴 마스크(130)가 서로 이격되어 배치된다.
상술한 구조를 갖는 구조광 프로젝터(100, 100')는 높은 광 이용 효율을 갖기 때문에 밝기가 향상된 구조광을 투사할 수 있다. 이러한 구조광 프로젝터(100, 100')는 다양한 전자 장치에 채용될 수 있다. 예를 들어, 구조광 프로젝터(100, 100')는 3차원 객체 인식 장치에 채용될 수 있다. 구조광 프로젝터(100, 100')가 상당히 밝은 구조광을 제공하기 때문에, 3차원 객체 인식 장치의 3차원 센싱, 동작 인식 등의 정밀도가 향상될 수 있다.
예를 들어, 도 17은 일 실시예에 따른 전자 장치의 개략적인 구조를 보이는 블록도이다. 도 17을 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. 도 17에는 전자 장치(1000)가 도 1에 도시된 구조광 프로젝터(100)를 포함하는 것으로 도시되었으나, 이에 반드시 한정되지 않으며 전자 장치(1000)는 도 16에 도시된 구조광 프로젝터(100')를 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.
11.....심지부 12.....외피부
100, 100'.....구조광 프로젝터 110.....지지대
120.....조명 장치 130.....패턴 마스크
131.....반사 패턴 131a.....밑면
131b.....반사면 131c.....꼭지부
132.....광투과 슬릿 136.....고굴절률층
140.....투명 기판 150.....렌즈
160.....하우징 200.....센서부
300.....분석부 1000.....전자 장치

Claims (23)

  1. 조명광을 제공하는 조명 장치;
    조명광을 부분적으로 투과시키거나 반사하여 구조광을 만드는 패턴 마스크; 및
    구조광을 투사시키기 위한 렌즈;를 포함하며,
    상기 패턴 마스크는:
    조명광을 투과시키는 광투과 슬릿; 및
    조명광을 상기 광투과 슬릿을 향해 비스듬하게 반사하는 다수의 반사 패턴;을 포함하고,
    각각의 반사 패턴은:
    밑면;
    상기 밑면과 대향하는 꼭지부; 및
    상기 밑면의 가장자리로부터 상기 꼭지부로 경사지게 연장된 반사면;을 포함하며,
    상기 반사면은 조명광을 비스듬하게 반사하도록 경사져 있으며,
    상기 반사 패턴의 밑면의 폭에 대한 상기 반사 패턴의 높이의 비는 5 내지 15의 범위에 있고,
    상기 꼭지부의 내각은 10도 내지 20도의 범위에 있는, 구조광 프로젝터.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 반사면과 상기 꼭지부는 곡면을 갖는 구조광 프로젝터.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 조명 장치로부터 이격되어 배치된 투명 기판을 더 포함하며,
    상기 패턴 마스크는 상기 투명 기판의 제 1 표면에 배치되고,
    각각의 반사 패턴의 밑면은 상기 투명 기판의 제 1 표면에 접하는 구조광 프로젝터.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 렌즈는 상기 투명 기판의 제 1 표면에 대향하는 제 2 표면에 배치되며,
    상기 렌즈는 나노 크기의 기둥들을 포함하는 메타 렌즈인 구조광 프로젝터.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 패턴 마스크는 상기 렌즈의 중심부에 대향하도록 배치된 제 1 렌즈 왜곡 보상 영역 및 상기 제 1 렌즈 왜곡 보상 영역을 둘러싸는 제 2 렌즈 왜곡 보상 영역을 포함하며,
    상기 제 1 렌즈 왜곡 보상 영역과 상기 제 2 렌즈 왜곡 보상 영역은 동심원 형태로 배열되어 있는 구조광 프로젝터.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 제 1 렌즈 왜곡 보상 영역 내에 배치된 반사 패턴의 밑면의 폭은 상기 제 2 렌즈 왜곡 보상 영역 내에 배치된 반사 패턴의 밑면의 폭보다 크고,
    상기 제 1 렌즈 왜곡 보상 영역 내에 배치된 광투과 슬릿의 슬릿 폭은 상기 제 2 렌즈 왜곡 보상 영역 내에 배치된 광투과 슬릿의 슬릿 폭보다 작은 구조광 프로젝터.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 제 1 렌즈 왜곡 보상 영역 내에 배치된 반사 패턴의 높이와 상기 제 2 렌즈 왜곡 보상 영역 내에 배치된 반사 패턴의 높이가 동일한 구조광 프로젝터.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 제 1 렌즈 왜곡 보상 영역 내에 배치된 반사 패턴의 밑면의 폭에 대한 높이의 비는 상기 제 2 렌즈 왜곡 보상 영역 내에 배치된 반사 패턴의 밑면의 폭에 대한 높이의 비보다 작은 구조광 프로젝터.
  12. 제 9 항에 있어서,
    상기 제 1 렌즈 왜곡 보상 영역 내에 배치된 반사 패턴의 높이가 상기 제 2 렌즈 왜곡 보상 영역 내에 배치된 반사 패턴의 높이보다 큰 구조광 프로젝터.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 제 1 렌즈 왜곡 보상 영역 내에 배치된 반사 패턴의 밑면의 폭에 대한 높이의 비는 상기 제 2 렌즈 왜곡 보상 영역 내에 배치된 반사 패턴의 밑면의 폭에 대한 높이의 비와 동일한 구조광 프로젝터.
  14. 제 9 항에 있어서,
    상기 제 2 렌즈 왜곡 보상 영역 내에 배치된 반사 패턴의 밑면들의 전체 면적에 대한 광투과 슬릿들의 전체 면적의 비가 상기 제 1 렌즈 왜곡 보상 영역 내에 배치된 반사 패턴의 밑면들의 전체 면적에 대한 광투과 슬릿들의 전체 면적의 비보다 더 큰 구조광 프로젝터.
  15. 제 1 항에 있어서,
    각각의 반사 패턴은 삼각형 또는 사다리꼴 형태의 종단면을 갖는 구조광 프로젝터.
  16. 제 1 항에 있어서,
    각각의 반사 패턴은 반사성 금속 재료로 이루어지는 구조광 프로젝터.
  17. 제 1 항에 있어서,
    각각의 반사 패턴은 심지부 및 상기 심지부의 표면을 둘러싸는 외피부를 포함하고,
    상기 외피부는 반사성 금속 재료로 이루어지는 구조광 프로젝터.
  18. 제 17 항에 있어서,
    상기 심지부는 삼각형 또는 사다리꼴 형태의 종단면을 갖는 구조광 프로젝터.
  19. 삭제
  20. 삭제
  21. 조명광을 제공하는 조명 장치;
    조명광을 부분적으로 투과시키거나 반사하여 구조광을 만드는 패턴 마스크; 및
    구조광을 투사시키기 위한 렌즈;를 포함하며,
    상기 패턴 마스크는:
    조명광을 투과시키는 광투과 슬릿;
    조명광을 상기 광투과 슬릿을 향해 비스듬하게 반사하는 다수의 반사 패턴; 및
    상기 광투과 슬릿과 상기 반사 패턴을 덮도록 배치된 투명한 고굴절률층;을 포함하고,
    상기 반사 패턴은 상기 고굴절률층의 굴절률보다 낮은 굴절률을 갖는 유전체 재료로 이루어지며,
    각각의 반사 패턴은 밑면 및 상기 밑면의 가장자리로부터 경사지게 연장된 반사면을 포함하며,
    상기 반사면이 상기 밑면과 이루는 내각은 임계각 보다 큰 구조광 프로젝터.
  22. 제 1 항에 있어서,
    상기 렌즈는 상기 패턴 마스크와 이격되어 배치된 굴절 광학 렌즈인 구조광 프로젝터.
  23. 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 반사하여 구조광을 만드는 패턴 마스크; 및
    구조광을 투사시키기 위한 렌즈;를 포함하고,
    상기 패턴 마스크는:
    조명광을 투과시키는 광투과 슬릿; 및
    조명광을 상기 광투과 슬릿을 향해 비스듬하게 반사하는 다수의 반사 패턴;을 포함하며,
    각각의 반사 패턴은:
    밑면;
    상기 밑면과 대향하는 꼭지부; 및
    상기 밑면의 가장자리로부터 상기 꼭지부로 경사지게 연장된 반사면;을 포함하며,
    상기 반사면은 조명광을 비스듬하게 반사하도록 경사져 있으며,
    상기 반사 패턴의 밑면의 폭에 대한 상기 반사 패턴의 높이의 비는 5 내지 15의 범위에 있고,
    상기 꼭지부의 내각은 10도 내지 20도의 범위에 있는, 전자 장치.
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