KR20100022412A - 패턴투영장치, 이를 구비한 3차원 이미지 형성장치, 및 이에 사용되는 초점 가변 액체렌즈 - Google Patents

패턴투영장치, 이를 구비한 3차원 이미지 형성장치, 및 이에 사용되는 초점 가변 액체렌즈 Download PDF

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Abstract

본 발명은 모바일 장치에 설치할 수 있는 3차원 이미지 형성장치용 패턴투영장치에 관한 것으로서, 패턴투영장치는 광발생기, 및 상기 광발생기의 앞에 설치되며, 대상 물체에 투영 패턴을 형성하는 패턴부를 구비하고, 상기 광발생기에서 발광되는 광빔의 초점을 조절할 수 있도록 형성된 패턴조절유닛을 포함한다.
3차원 이미지 형성장치, 패턴투영장치, 초점 가변 액체렌즈, 패턴부

Description

패턴투영장치, 이를 구비한 3차원 이미지 형성장치, 및 이에 사용되는 초점 가변 액체렌즈{Pattern projecting apparatus, 3D imaging apparatus having the same, and varifocal liquid lens being used in the same}
본 발명은 3차원 이미지 형성장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 3차원 이미지 형성장치용 패턴투영장치, 이를 구비한 3차원 이미지 형성장치, 및 이에 사용되는 초점 가변 액체렌즈에 관한 것이다.
일반적으로, 3차원 이미지 형성장치는 패턴투영장치로 대상 물체에 소정 형상의 패턴을 투영하여 대상 물체에 소정의 투영 패턴을 형성한 후, 이를 검출기로 검출하여 대상 물체의 3차원 이미지를 형성하는 장치이다.
이와 같은 3차원 이미지 형성장치는 패턴투영장치의 광발생기에서 방출된 평행 광빔이 패턴투영장치에 설치된 줄무늬 형상의 패턴부를 통과하여 대상 물체의 표면에 줄무늬 패턴을 형성하게 된다. 이때, 대상 물체에 투영된 줄무늬 패턴은 대상 물체의 형상에 따라 왜곡되게 된다. 검출기로 왜곡된 줄무늬 패턴을 검출하고 왜곡된 줄무늬 패턴을 소프트웨어적으로 처리하면 대상 물체의 3차원 입체영상을 형성할 수 있다.
한편, 근래에는 휴대폰과 같은 모바일 장치가 다양한 기능을 포함하고 있다. 예를 들면, 휴대폰은 단순한 전화 및 메시지 전달 기능 외에, 카메라, 게임, 음악 재생, 방송, 인터넷 등의 다양한 기능을 포함하고 있다. 따라서, 3차원 이미지 형성 기능을 갖는 모바일 장치도 요구되고 있다. 그런데, 종래 기술에 의한 3차원 이미지 형성장치는 패턴투영장치의 크기가 크기 때문에 소형화가 요구되는 휴대폰과 같은 모바일 장치에 장착할 수 없다.
따라서, 모바일 장치에 장착할 수 있을 정도로 크기가 작은 3차원 이미지 형성장치의 개발이 필요하다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 감안하여 창안한 것으로서, 소형으로 제작할 수 있는 3차원 이미지 형성장치용 패턴투영장치, 이를 구비한 3차원 이미지 형성장치, 및 이에 사용되는 초점 가변 액체렌즈에 관련된다.
본 발명의 일 측면에 의하면, 본 발명에 의한 3차원 이미지 형성장치용 패턴투영장치는, 광발생기; 및 상기 광발생기의 앞에 설치되며, 대상 물체에 투영 패턴을 형성하는 패턴부를 구비하고, 상기 광발생기에서 발광되는 광빔의 초점을 조절할 수 있도록 형성된 패턴조절유닛;을 포함할 수 있다.
이때, 상기 패턴조절유닛은 상기 광빔의 초점을 조절할 수 있도록 형성된 초점 가변 액체렌즈를 포함하며, 상기 초점 가변 액체렌즈는 가동부를 포함할 수 있다.
또한, 상기 패턴부는 상기 초점 가변 액체렌즈의 가동부에 형성될 수 있다. 이때, 상기 패턴부는 상기 가동부의 표면 또는 상기 가동부의 내부에 형성될 수 있다.
또한, 상기 패턴부는 상기 초점 가변 액체렌즈의 가동부의 앞에 상기 초점 가변 액체렌즈로부터 떨어져서 설치될 수 있다.
또한, 상기 가동부는 탄성막으로 형성되며, 상기 초점 가변 액체렌즈는 상기 탄성막을 지지하는 프레임과 상기 탄성막의 아래에 상기 프레임의 내부에 형성된 공동(空洞)에 채워진 광학 액체를 포함할 수 있다.
또한, 상기 탄성막은 PDMS막을 포함할 수 있다.
또한, 상기 패턴부는, 동심 원형패턴, 동심 사각패턴, 가로 줄무늬패턴, 세로 줄무늬패턴, 격자패턴 중의 어느 하나의 패턴으로 형성될 수 있다.
또한, 상기 광발생기는, 광원으로 적외선, 가시광선, 자외선 중 어느 하나를 사용할 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 의하면, 본 발명에 의한 3차원 이미지 형성장치는 대상 물체에 패턴을 투영하는 상기의 특징을 갖는 패턴투영장치; 상기 패턴이 투영된 상기 대상 물체를 검출하는 적어도 한 개의 검출기; 상기 적어도 한 개의 검출기가 검출한 상기 대상 물체에 투영된 상기 패턴을 이용하여 상기 대상 물체의 3차원 이미지를 형성하는 화상형성부;를 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 의하면, 본 발명에 의한 패턴투영장치용 초점 가변 액체렌즈는, 공동(空洞)을 포함하며, 상기 공동의 하부는 광빔이 투과할 수 있도록 투명하게 형성된 프레임; 상기 공동의 상부를 막도록 상기 프레임에 설치되는 가동 부; 상기 공동과 상기 가동부 사이에 채워진 광학 액체; 및 상기 가동부에 설치된 패턴부;를 포함할 수 있다.
이때, 상기 가동부는 탄성막으로 형성할 수 있으며, 상기 탄성막은 PDMS 막으로 형성할 수 있다.
그리고, 상기 PDMS 막의 두께는 10 ㎛ 내지 200 ㎛로 할 수 있다.
또한, 상기 패턴부는 상기 PDMS 막 위에 규소(Si)로 형성할 수 있다.
또한, 상기 패턴부의 두께는 0.2 ㎛ 또는 0.2㎛ 보다 작게 형성할 수 있다.
또한, 상기 PDMS 막의 상부에는 PDMS 막 및 금속과 접착력이 좋은 친수성(Hydrophilic)의 폴리머(polymer)층이 형성되고, 상기 패턴부는 상기 폴리머층 위에 금속으로 형성할 수 있다.
또한, 상기 폴리머층은 폴리우레아(Polyurea)층을 포함할 수 있으며, 상기 폴리우레아층의 두께는 0.005 ㎛ 내지 1.0 ㎛로 할 수 있다.
또한, 상기 패턴부의 상부에는 PDMS 층을 형성할 수 있다.
한편, 상기 프레임은, 투명 유리 웨이퍼 또는 투명 폴리머로 형성할 수 있다.
그리고, 상기 패턴부는, 동심 원형패턴, 동심 사각패턴, 가로 줄무늬패턴, 세로 줄무늬패턴, 격자패턴 중의 어느 하나의 패턴으로 형성할 수 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 의한 3차원 이미지 형성장치 및 패턴투영장치의 실시예들에 대하여 설명한다.
다만, 이하에서 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기능 혹은 구성요소에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명 및 구체적인 도시를 생략한다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 의한 3차원 이미지 형성장치(1)는 패턴투영장치(10), 검출기(40), 및 화상형성부(50)를 포함한다.
패턴투영장치(10)는 대상 물체에 소정의 패턴을 투영하는 것으로서, 도 2에 도시된 바와 같이 광발생기(11)와 패턴조절유닛(12)을 포함한다.
광발생기(11)는 평행한 광빔(light beam)을 발생시키는 것으로서, 광원으로는 적외선, 가시광선, 자외선을 발생시킬 수 있는 것이 사용될 수 있다. 또한, 광발생기(11)는 광원에서 발광되는 광빔을 평행하게 만들기 위해 광원 자체를 레이저(laser)로 사용할 수 있다. 또는, 엘이디(LED)와 같은 일반적인 광원에서 발광되는 광을 콜리메이팅 렌즈 등을 사용하여 평행하게 만든 콜리메이티드 광(collimated light)을 사용할 수 있다. 콜리메이팅 렌즈로는 GRIN 렌즈(graded-index lens or gradient index lens)가 사용될 수 있다.
패턴조절유닛(12)은 광발생기(11)의 앞에 설치되며, 대상 물체(3)에 투영 패턴(4)을 형성하는 패턴부(22)를 구비한다. 또한, 패턴조절유닛(12)은 광발생기(11)에서 발광되는 광빔의 초점을 조절할 수 있도록 형성된다. 따라서, 패턴조절유닛(12)은 광발생기(11)에서 발광된 광빔의 초점을 조절할 수 있도록 형성된 초점 가변 액체렌즈(20)를 포함할 수 있다.
도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이 초점 가변 액체렌즈(20)는 프레임(30)과 가동부(21)를 포함한다.
프레임(30)은 초점 가변 액체렌즈(20)의 형상을 유지하는 것으로서, 변형되지 않는 강체로 형성되며 중앙부에는 공동(空洞, cavity)(31)이 형성된다. 공동(31)에는 광이 투과할 수 있는 광학 액체(32)가 수용된다. 프레임(30)은 광빔이 투과할 수 있도록 투명한 재질로 형성할 수 있다. 따라서, 투명한 유리 웨이퍼, 폴리머, 플라스틱 등을 사용하여 프레임(30)을 형성할 수 있다.
다른 실시예로 프레임(30)은 광빔이 통과하는 부분만을 투명하게 형성할 수 있다. 즉, 광빔이 통과하는 공동(31)의 바닥을 형성하는 프레임(30)의 부분만을 투명하게 형성하는 것이다. 이를 위해 도 4에 도시된 바와 같이 프레임(30)을 2중 구조로 형성할 수 있다. 즉, 프레임(30)의 하판(30a)은 투명한 유리로 형성하고, 그 상면에 구멍이 형성되며 광빔이 통과하지 않는 재질로 된 상판(30b)을 부착한다. 상판(30b)의 구멍과 하판(30a)이 공동(31)을 형성한다. 상판(30b)은 규소(Si) 재질로 형성할 수 있다.
프레임(30)의 공동(31)의 상부에는 가동부(21)가 설치된다. 가동부(21)는 공동(31)에 있는 광학 액체(32)에 가해지는 압력에 따라 변형된다. 이를 위해 가동부(21)는 탄성막으로 형성될 수 있다. 본 실시예의 경우에는 탄성막(21)은 PDMS 막(polydimethylsiloxane membrane)으로 형성한다. PDMS 막(21)은 대략 10㎛ 내지 100㎛의 두께로 형성할 수 있다. 이외에도 탄성막(21)은 투명하며, 탄성이 있고, 얇게 형성하여도 질긴 성질을 갖는 것이면 다른 재료로 형성할 수 있다.
또한, 프레임(30)의 상면에는 공동(31)에 수용된 광학 액체(32)에 압력을 가 하여 가동부(21)의 곡률을 변화시킬 수 있도록 도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이 구동부(34)가 설치된다. 구동부(34)는 인가되는 전압 또는 전류의 변화에 따라 변형될 수 있도록 형성된다. 구동부(34)의 하부에는 구동부(34)의 변형에 따라 광학 액체(32)에 압력이 가해질 수 있도록 공동(31)과 연통된 관통공(35)이 형성된다. 도 5에 도시된 바와 같이 구동부(34)가 변형하여 공동(31)의 광학 액체(32)에 압력을 가하면 가동부(21)가 상측으로 팽창하게 된다. 가동부(21)가 팽창하면 곡률이 변하므로 액체렌즈(20)의 초점이 변하게 된다. 구동부(34)는 종래 기술에 의한 초점 가변 액체렌즈의 구동부와 동일 또는 유사하므로 상세한 설명은 생략한다. 도 5에는 가동부(21)가 프레임(30)의 상면에 대해 평행한 상태에서 상측으로 팽창하는 경우를 예시하였으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 가동부(21)는 도 2에 도시된 바와 같이 프레임(30)의 상면에 대해 아래로 늘어진 상태에서 상측으로 상승하도록 구성할 수도 있다. 다만, 도 2는 초점 가변 액체렌즈(20)는 가동부(21)의 동작을 명확하게 나타내기 위해 구동부(34)는 생략하고 가동부(21)만 확대하여 도시하였다.
가동부(21), 즉 PDMS 막에는 패턴부(22)가 형성된다. 패턴부(22)는 가동부(21)의 표면 또는 가동부(21)의 내부에 형성할 수 있다. 즉, 가동부(21)와 패턴부(22)를 도 6a 및 6b와 같이 단층구조로 하거나, 도 7a 및 도 7b와 같이 샌드위치구조로 형성할 수 있다. 패턴부(22)는 가동부(21)에 대해 양호한 접착력을 가지며 균일한 코팅이 가능한 재료를 사용하여 형성한다. 예를 들면, 가동부(21)를 PDMS 막으로 형성하는 경우에는 PDMS와 양호한 접착력을 가지며 균일 코팅이 가능한 규 소를 사용하여 패턴부(22)를 형성할 수 있다.
도 6a, 도 7a, 도 8a 및 도 9a는 가동부(21)와 그 위에 형성된 패턴부(22)를 나타내는 사시도이고, 도 6b, 도 7b, 도 8b 및 도 9b는 도 6a, 도 7a, 도 8a 및 도 9a의 단면도이다. 다만, 도 6b, 도 7b, 도 8b 및 도 9b에서는 패턴부(22)를 명확하게 나타내기 위해 패턴부(22)의 두께를 가동부(21)에 비해 상대적으로 크게 도시하였다.
도 6a 및 도 6b를 참조하면, PDMS 막(21)의 상면에 규소로 패턴부(22)를 형성한 단층구조를 나타낸다. 즉, PDMS 막(21) 위에 규소 패턴부(22)가 적층된 구조를 갖는다. 패턴부(22)는 동심의 원형패턴으로 형성된다. PDMS 막(21)의 두께는 약 10㎛ 내지 200㎛으로 형성되고, 규소 패턴부(22)는 약 0.2㎛ 이하의 두께로 형성될 수 있다.
도 7a 및 도 7b를 참조하면, PDMS 막(21)의 상면에 규소로 패턴부(22)를 형성하고, 패턴부(22) 위에 다시 보호층(23)으로 PDMS 층을 형성한 샌드위치구조를 나타낸다. 즉, PDMS 막(21). 규소 패턴부(22), PDMS 층(23)이 순차적으로 적층된 구조를 갖는다. 이때, 패턴부(22)는 동심의 원형패턴으로 약 0.2㎛ 이하의 두께로 형성되며, 상부의 PDMS 층(23)은 액상 PDMS를 사용하여 형성할 수 있다.
도 8a 및 도 8b는 금속을 사용하여 패턴부(22')를 형성한 경우를 나타낸다. 금속은 PDMS 막(21)에 잘 부착되지 않으므로, 금속과 PDMS 막(21) 양쪽에 대해 접착력이 좋은 폴리우레아층(polyurea layer)(24)을 PDMS 막(21) 위에 더 형성한다. 따라서, PDMS 막(21), 폴리우레아층(24), 패턴부(22')가 순차로 적층된 구조를 갖 는다. 폴리우레아층(24)은 진공증착의 방법으로 PDMS 막(21) 위에 형성될 수 있으며, 약 0.005㎛ 내지 1.0㎛의 두께로 형성된다. 또한, 금속 패턴부(22')는 약 1.0㎛ 이하의 두께로 형성할 수 있다.
이상에서는 금속과 PDMS 막(21)을 접착하기 위해 폴리우레아층(24)이 사용되었으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 금속을 PDMS 막(21)에 접착하기 위해 폴리우레아 외에 금속 및 PDMS 양쪽에 대해 접착력이 우수한 친수(hydrophilic) 특성을 갖는 다른 폴리머를 사용할 수 있다.
도 9a 및 도 9b는 도 8a 및 도 8b에 도시된 가동부(21)와 패턴부(22')의 상측에 보호층(23)으로 PDMS 층을 더 형성한 샌드위치구조를 나타낸다. 즉, PDMS 막(21), 폴리우레아층(24), 패턴부(22'), PDMS 층(23)이 순차적으로 적층된 구조를 갖는다. 상부의 PDMS 층(23)은 액상 PDMS를 사용하여 형성할 수 있다.
또한, 패턴부(22, 22')는 광발생기(11)에서 발광되는 광빔을 가로막아 대상 물체(3)에 소정의 투영 패턴(4)을 형성하는 것으로서, 검출기(40)로 대상 물체(3)에 투영된 패턴(4)을 검출하여 화상형성부(50)가 3차원 이미지로 형성할 수 있으면, 다양한 패턴으로 형성할 수 있다. 예를 들면, 동심 원형패턴(도 6a), 동심 사각패턴(도 10d), 가로 줄무늬패턴(도 10a), 세로 줄무늬패턴(도 10b), 격자패턴(도 10c) 등이 패턴부(22)로 사용될 수 있다.
검출기(40)는 패턴투영장치(10)에 의해 소정의 패턴이 투영된 대상 물체(3)를 검출하는 것으로서, CCD 카메라 등이 사용될 수 있다. 3차원 이미지 형성장치(1)에는 적어도 한 개의 검출기(40)가 사용된다. 더욱 선명한 3차원 이미지를 형 성하기 위해 2대의 CCD 카메라가 사용될 수 있다.
화상형성부(50)는 검출기(40)로 검출한 대상 물체(3)에 투영된 패턴(4)을 이용하여 대상 물체(3)의 3차원 이미지를 형성한다. 즉, 화상형성부(50)는 대상 물체(3)의 외곽 형상에 따라 변형된 투영 패턴(4)을 이용하여 대상 물체(3)의 3차원 이미지를 형성할 수 있는 프로그램을 포함한다. 이와 같은 검출기(40)와 화상형성부(50)는 종래 기술에 의한 3차원 이미지 형성장치의 검출기와 화상형성부를 이용할 수 있으므로 상세한 설명은 생략한다.
이하, 상기와 같은 구조를 갖는 본 발명의 일 실시예에 의한 패턴투영장치(10)를 구비한 3차원 이미지 형성장치(1)의 작용에 대해 도 1 및 도 11을 참조하여 상세하게 설명한다. 다만, 도 1 및 도 11에서는 초점 가변 액체렌즈(20)의 가동부(21)의 동작을 명확하게 나타내기 위해 구동부(34)는 생략하고 가동부(21)만 확대하여 도시하였다.
패턴투영장치(10)의 광발생기(11)에서 광빔이 발광되면, 광빔은 패턴조절유닛(12)의 초점 가변 액체렌즈(20)로 입사된다. 초점 가변 액체렌즈(20)로 입사된 광빔은 공동(31)의 광학 액체(32)를 통해 가동부(21)로 입사된다. 가동부(21)로 입사된 광빔은 패턴부(22)를 지나 대상 물체(3)로 조사된다. 패턴부(22)는 광이 투과할 수 없는 불투명한 재질로 형성되어 있으므로, 대상 물체(3)에는 패턴부(22)에 대응되는 패턴(4)이 투영되게 된다. 예를 들면, 패턴부(22)가 동심의 원형패턴인 경우에는 대상 물체(5,5')에 도 11과 같이 패턴부(22)에 대응되는 동심의 원형패턴(6,6')이 형성된다.
이때, 초점 가변 액체렌즈(20)의 초점이 변경되면, 초점 가변 액체렌즈(20)의 가동부(21)와 일체로 설치된 패턴부(22)가 가동부(21)와 일체로 변형되므로, 사용자는 초점 가변 액체렌즈(20)의 초점을 조절하여 대상 물체(5,5')에 형성되는 패턴(6,6')의 크기를 변경할 수 있다. 따라서, 사용자는 적절한 해상도의 3차원 이미지를 얻기 위해 대상 물체(5,5')의 크기에 따라 적절하게 대상 물체(5,5')에 투영된 패턴(6,6')의 크기를 변경할 수 있다. 이때, 초점 가변 액체렌즈(20)의 초점은 구동부(34, 도 4 참조)에 인가되는 압력을 변경함으로써 조절할 수 있다. 구동부(34)에 인가되는 압력은 전류 또는 전압을 변경함으로써 조절할 수 있다. 구동부(34)에 인가되는 압력이 변하면, 광학 액체(32)에 인가되는 압력이 변하여 가동부(21)의 곡률이 변경됨으로써 초점 가변 액체렌즈(20)의 초점이 변하게 된다.
또한, 패턴투영장치(10)와 대상 물체(5,5') 사이의 거리가 변하는 경우에도 사용자는 초점 가변 액체렌즈(20)의 초점을 조절하여 대상 물체(5,5')에 투영되는 패턴(6.6')의 크기를 동일하게 유지할 수 있다. 예를 들면, 도 11에 도시된 바와 같이 P1 위치에 있던 대상 물체(5)가 P2 위치로 이동한 경우에도, 사용자는 초점 가변 액체렌즈(20)의 초점을 조절하여 P1 위치와 P2 위치에 있는 각각의 대상 물체(5,5')에 투영되는 패턴(6,6')의 크기를 동일하게 할 수 있다.
일반적으로, 패턴투영장치(10)에서 발광되는 광빔의 초점을 조절할 수 없는 경우에는 일정한 해상도의 3차원 이미지를 얻을 수 있는 대상 물체(5,5')의 거리 및 크기가 일정 범위로 한정된다. 만일, 대상 물체가 정해진 거리보다 가까운 거리에 있는 경우에는 대상 물체의 국소 부분에만 패턴이 투영되므로 패턴이 투영되지 않는 부분이 존재한다. 따라서, 패턴이 투영되지 않는 부분에 대해서는 대상 물체의 3차원 이미지를 형성할 수 없게 된다. 또한, 대상 물체가 정해진 거리보다 먼 거리에 있는 경우에는 패턴이 퍼지기 때문에 대상 물체에 투영되는 패턴의 개수가 적게 된다. 따라서, 대상 물체에 대한 3차원 이미지의 해상도가 저하하게 된다. 또한, 대상 물체의 크기가 기준 크기보다 크거나 작은 경우에도, 상기와 유사한 문제가 발생할 수 있다.
그러나, 본 발명에 의한 패턴투영장치(10)는 대상 물체(5,5')의 크기나 거리가 변하여도, 초점 가변 액체렌즈(20)의 초점을 조절하여 대상 물체(5,5')의 크기나 거리에 따라 대상 물체(5,5')에 투영되는 패턴(6.6')의 크기를 일정하게 할 수 있으므로, 본 발명에 의한 3차원 이미지 형성장치(1)는 대상 물체(5,5')의 크기와 거리에 관계없이 일정한 해상도의 3차원 이미지를 얻을 수 있다.
또한, 본 발명에 의한 패턴투영장치(10)는 초점 가변 액체렌즈(20)의 초점을 조절하여 대상 물체(5,5')의 특정 부위에 투영되는 패턴을 집중시킬 수 있으므로, 본 발명에 의한 3차원 이미지 형성장치(1)는 특정 부위에 대한 고해상도의 3차원 이미지를 얻을 수 있다.
이후, 검출기(40)인 CCD 카메라로 대상 물체(3)를 촬영하여 원형패턴과 같은 투영 패턴(4)을 포함하는 이미지 데이터를 형성한다. 화상형성부(50)는 검출기(40)에 의해 형성된 이미지 데이터를 이용하여 대상 물체(3)의 3차원 이미지를 형성한다. 화상형성부(50)에서 형성된 3차원 이미지는 미도시된 출력부를 통해 출력될 수 있다.
상기와 같은 본 발명에 의한 3차원 이미지 형성장치(1)는 평행 광빔을 초점 가변 액체렌즈(20)를 통해 넓게 퍼지게 할 수 있으므로 장치를 소형화할 수 있다. 따라서, 본 발명에 의한 3차원 이미지 형성장치(1)는 휴대폰, 디지털 카레라 등과 같은 크기가 작은 모바일 장치에 설치할 수 있다.
또한, 본 발명에 의한 3차원 이미지 형성장치(1)는 초점 가변 액체렌즈(20)의 초점을 조절하여 대상 물체(3)에 투영된 패턴(4)의 크기를 다양하게 조절할 수 있고, 이를 3차원 이미지로 형성할 수 있으므로, 3차원 이미지를 형성할 수 있는 대상 물체(3)의 크기의 범위가 넓어진다.
도 12는 본 발명의 다른 실시예에 의한 3차원 이미지 형성장치용 패턴투영장치(10')를 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 12를 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 의한 패턴투영장치(10')는 광발생기(11)와 패턴조절유닛(12')을 포함한다.
패턴조절유닛(12')은 초점 가변 액체렌즈(60)와 초점 가변 액체렌즈(60)의 전면에 설치된 패턴판(70)을 포함한다. 초점 가변 액체렌즈(60)는 패턴부(72)가 가동부(61)에 형성되지 않은 것 외에는 상술한 실시예에 의한 패턴투영장치(10)의 초점 가변 액체렌즈(20)와 동일하다. 패턴판(70)은 투명한 베이스판(71) 위에 소정 형상의 패턴부(72)가 형성된다. 베이스판(71)은 투명한 유리 웨이퍼 또는 투명한 폴리머 등이 사용될 수 있다. 패턴부(72)는 상술한 실시예에 의한 패턴투영장치(10)의 패턴부(22)와 동일 또는 유사하게 형성할 수 있다.
광발생기(11)는 상술한 실시예에 의한 패턴투영장치(10)의 광발생기(11)와 동일 또는 유사한 것을 사용할 수 있으므로 상세한 설명은 생략한다.
초점 가변 액체렌즈(60)의 초점을 조절하면, 패턴판(70)을 통과하는 광빔에 의해 대상 물체에 투영되는 패턴의 크기를 조절할 수 있다. 초점 가변 액체렌즈(60)를 이용하여 대상 물체에 투영되는 패턴의 크기를 조절하는 방법은 상술한 실시예와 동일/유사하므로 상세한 설명은 생략한다.
도 13은 본 발명의 또 다른 실시예에 의한 3차원 이미지 형성장치용 패턴투영장치(10")를 나타낸 도면이다.
도 13을 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 의한 패턴투영장치(10")는 광발생기(11), 패턴조절유닛(12'), 패턴변경유닛(80)을 포함한다.
광발생기(11)와 패턴조절유닛(12')은 도 12에 도시된 패턴투영장치(10')의 광발생기(11) 및 패턴조절유닛(12')과 동일하다. 다만, 패턴조절유닛(12')의 패턴판(70)에 형성된 패턴부(72)는 동심의 원형패턴을 갖는다.
패턴변경유닛(80)은 동심의 원형패턴을 도 13에 도시된 바와 같이 줄무늬 패턴(22)으로 변경할 수 있는 광학계이다. 이와 같은 패턴변경유닛(80)은 공지된 기술을 사용할 수 있으므로 상세한 설명은 생략한다.
또한, 본 실시예에 의한 패턴투영장치(10")를 이용하여 패턴의 크기를 조절하는 방법은 상술한 실시예에 의한 패턴투영장치(10)와 동일하므로 상세한 설명은 생략한다.
이상에서는 패턴조절유닛(12')으로 초점 가변 액체렌즈(60)와 패턴판(70)을 사용하는 경우를 예로 들어 설명하였으나, 다른 실시예로 패턴조절유닛(12')은 가 동부(21)에 패턴부(22)가 형성된 초점 가변 액체렌즈(20)를 사용할 수도 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 의한 3차원 이미지 형성장치용 패턴투영장치(10)에 사용되는 초점 가변 액체렌즈(20)를 제조하는 방법에 대해 설명한다.
먼저, 공동(31)을 갖는 프레임(30)을 형성한다. 프레임(30)은 전체를 광빔이 통과하는 투명한 재질로 형성하거나, 다른 부분은 불투명한 재질로 형성하고 공동(31)의 하단 부분만을 투명한 재질로 형성할 수 있다.
또한, 소정의 패턴부(22)를 갖는 가동부(21)를 형성한다. 가동부(21)는 광빔이 통과할 수 있도록 투명하며, 탄성을 갖는 PDMS 막으로 형성할 수 있다. PDMS 막을 이용하여 가동부(21)를 제조하는 방법에 대해서는 아래에서 상세하게 설명한다.
가동부(21)가 공동(31)의 상부를 덮도록 프레임(30)에 설치한다. 그리고, 프레임(30)의 공동(31)에는 광학 액체(32)를 주입하고, 프레임(30)의 상면에 프레임(30)의 공동(31)에 담긴 광학 액체(32)를 가압하는 구동부(34)를 설치하면, 초점 가변 액체렌즈(20)가 완성된다.
이하, PDMS 막을 이용하여 가동부(21)를 제조하는 방법을 설명한다.
도 14a 내지 도 14h는 규소(Si) 패턴부(22)를 갖는 초점 가변 액체렌즈(20)의 가동부(21)를 제조하는 방법을 나타낸 공정도이다.
먼저, 도 14a에 도시된 바와 같이 가동부(21)를 형성하기 위한 지지기판(100)을 준비한다. 지지기판(100)으로는 규소 또는 유리 기판을 사용할 수 있다.
이어서, 도 14b에 도시된 바와 같이 지지기판(100) 위에 부착방지물질 (anti-sticiton material)을 도포하여 부착방지층(101)을 형성한다. 부착방지층(101)은 최종 공정에서 가동부(21)를 쉽게 분리할 수 있도록 하는 것으로서, 부착방지물질로는 포토레지스트(photoresist)나 표면장력이 적은 폴리머(polymer)가 사용될 수 있다.
그리고, 도 14c에 도시된 바와 같이 부착방지층(101) 위에 후에 패턴부를 형성할 패턴층(22)을 형성한다. 패턴층(22)은 광빔이 통과할 수 없는 불투명한 재질로 형성한다. 본 실시예의 경우에는 패턴층(22)을 규소층으로 형성한다. 이때, 스퍼터링(sputtering) 또는 이온빔증착(Ion Beam Deposition) 방법으로 규소층(22)을 형성할 수 있다.
이어서, 상기 규소층(22)을 패터닝하여 도 14d와 같이 패턴부를 형성한다. 이때, 반도체 공정인 포토리소그라피(photo lithography) 공정과 에칭(etch) 공정을 사용하여 규소층(22)을 소정의 패턴부로 형성한다.
그 후, 도 14e에 도시된 바와 같이 상기 패턴부(22)를 산소 플라즈마(O2 plasma) 처리한다. 이는 PDMS 막(21)이 잘 부착되도록 규소 패턴부(22)의 표면을 개질하기 위한 것이다. 이와 함께, 패턴부(22)에 부착할 PDMS 막(21)에 대해서도 산소 플라즈마 처리를 한다. PDMS 막(21)을 산소 플라즈마 처리하면, 규소패턴부(22)와의 접착력이 좋아진다. 이때, 플라즈마 처리하지 않는 PDMS 막(21)의 일면은 PET(polyethylene terephthalate resin) 필름(103)으로 지지하는 것이 좋다.
이어서, 도 14f에 도시된 바와 같이 산소 플라즈마 처리된 PDMS 막(21)의 면 을 상기 지지기판(100) 위에 형성된 규소 패턴부(22) 위에 부착한다. 그 후, 지지기판(100)의 규소 패턴부(22)에 부착된 PDMS 막(21)을 큐어링한다. 큐어링은 규소 패턴부(22)에 부착된 PDMS 막(21)을 베이크 오븐(bake oven)과 같은 가열로에 넣어 일정 온도로 일정 시간 가열하는 것이다. 예를 들면, 규소 패턴부(22)에 부착된 PDMS 막(21)을 70℃에서 30분 동안 유지하거나, 또는 상온에서 6시간 동안 유지하는 것이다. 이와 같이 큐어링이 완료되면, 규소 패턴부(22)와 PDMS 막(21)이 강하게 접착하게 된다.
큐어링이 완료된 후, PDMS 막(21)을 상기 지지기판(100)에서 분리하면, 도 14g에 도시된 바와 같이 규소 패턴부(22)가 PDMS 막(21)에 결합된 상태로 분리된다.
도 14h는 제조 완료된 규소 패턴부(22)를 갖는 가동부(21)를 나타낸다.
가동부(21)에 PDMS 보호층(23)을 형성할 경우에는 도 14h와 같이 규소 패턴부(22)가 상측을 향하도록 한 후, 규소 패턴부(22) 위에 액상의 PDMS(104)를 도포한다. 그 후, 도 15에 도시된 바와 같이 도포 주걱(applicator)(105)으로 PDMS 층(104)의 두께를 제어한 후, 큐어링을 하면 상부의 PDMS 층(23)이 규소 패턴부(22)와 강하게 접착된다. 이때, 큐어링은 상술한 바와 동일한 조건하에서 할 수 있다.
도 16a 내지 도 16i는 금속 패턴부(22')를 갖는 초점 가변 액체렌즈(20)의 가동부(21)를 제조하는 방법을 나타낸 공정도이다.
먼저, 도 16a에 도시된 바와 같이 가동부(21)를 형성하기 위한 지지기 판(100)을 준비한다. 지지기판(100)으로는 규소 또는 유리 기판을 사용할 수 있다.
이어서, 도 16b에 도시된 바와 같이 지지기판(100) 위에 부착방지물질(anti-sticiton material)을 도포하여 부착방지층(101)을 형성한다. 부착방지층(101)은 최종 공정에서 가동부(21)를 쉽게 분리할 수 있도록 하는 것으로서, 부착방지물질로는 포토레지스트(photoresist)나 표면장력이 적은 폴리머(polymer)가 사용될 수 있다.
이어서, 도 16c에 도시된 바와 같이 부착방지층(101) 위에 PDMS 층(이후 PDMS 막이라 한다)(21)을 형성한다. 이때, 액상의 PDMS를 스핀 코팅(spin coating)하거나 도포 주걱을 사용하여 일정 두께로 코팅한다. 또는, 다른 실시예로 다른 공정에서 미리 제작한 고상의 PDMS 막을 지지기판(100)의 부착방지층(101) 위에 접착할 수 있다.
그 후, 상기 PDMS 막(21)의 표면을 개질하기 위해 도 16d에 도시된 바와 같이 산소 플라즈마 처리를 한다. 산소 플라즈마 처리를 하면, 상부에 부착될 폴리우레아층(24)과의 접착이 좋아진다.
이어서, 도 16e에 도시된 바와 같이 PDMS 막(21)의 상면에 폴리우레아층(24)을 코팅한다. 이때, 폴리우레아층(24)의 두께는 약 0.005㎛ 내지 1.0㎛로 형성할 수 있다. 또한, 폴리우레아층(24) 대신 PDMS 막(21)과 진공 증착시 접착력이 좋고, 플렉시블하며, 표면장력이 높고, 친수성(hydrophilic)이 있는 폴리머층을 형성할 수 있다.
다음으로, 도 16f에 도시된 바와 같이 상기 폴리우레아층(24) 위에 패턴부를 형성할 금속층(22')을 형성한다. 금속층(22')은 광빔이 투과하지 않는 불투명한 금속을 사용하여 형성한다. 이때, 금속층(22')은 스퍼터링(sputtering), 이온빔증착(Ion Beam Deposition), 증발(evaporation) 방법 등을 사용하여 형성할 수 있다.
이어서, 상기 금속층(22')을 패터닝하여 도 16g와 같이 패턴부를 형성한다. 이때, 반도체 공정인 포토리소그라피(photo lithography) 공정과 에칭(etch) 공정을 사용하여 금속층(22')을 소정의 패턴부로 형성한다.
그 후, 도 16h에 도시된 바와 같이 상기 PDMS 막(21)을 지지기판(100)에서 분리하면, 가동부(21)가 완성된다.
필요한 경우에는 가동부(21)인 PDMS 막의 금속 패턴부(22')가 형성되지 않은 면에 도 16i와 같이 PET 필름(103)을 부착하여 보호할 수 있다.
또한, 필요한 경우에는 도 16i의 금속 패턴부(22')의 상부에 보호층(23, 도 8b 참조)을 형성할 수도 있다. 보호층(23)을 형성하는 공정은 상술하였으므로 상세한 설명은 생략한다.
본 발명은 상술한 특정의 실시예들에 한정되지 아니하며, 후술하는 청구범위에 기재된 본 발명의 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 행할 수 있는 단순한 구성요소의 치환, 부가, 삭제, 변경은 본 발명의 청구범위 기재 범위 내에 속하게 된다.
도 1은 본 발명의 일 실시에에 의한 3차원 이미지 형성장치를 개념적으로 나타낸 도면,
도 2는 본 발명의 일 실시예에 의한 3차원 이미지 형성장치용 패턴투영장치를 개략적으로 나타낸 도면,
도 3은 도 1의 패턴투영장치에 사용되는 초점 가변 액체렌즈를 나타내는 평면도,
도 4는 도 3의 초점 가변 액체렌즈의 단면도,
도 5는 도 4의 초점 가변 액체렌즈에 압력이 가해진 상태를 나타내는 단면도,
도 6a는 가동부 위에 형성된 규소 패턴부를 나타내는 사시도,
도 6b는 도 6a의 가동부의 단면도,
도 7a는 가동부 위에 규소 패턴부와 보호층이 차례로 적층된 샌드위치구조를 나타내는 사시도,
도 7b는 도 7a의 가동부의 단면도,
도 8a는 가동부 위에 형성된 금속 패턴부를 나타내는 사시도,
도 8b는 도 8a의 가동부의 단면도,
도 9a는 가동부 위에 금속 패턴부와 보호층이 차례로 적층된 샌드위치구조를 나타내는 사시도,
도 9b는 도 9a의 가동부의 단면도,
도 10a, 도 10b, 도 10c, 도 10d는 각각 가로 줄무늬 패턴, 세로 줄무늬 패턴, 격자 패턴, 동심의 사각형 패턴을 갖는 패턴부를 나타내는 도면,
도 11은 본 발명의 일 실시예에 의한 3차원 이미지 형성장치용 패턴투영장치에 의해 대상 물체에 원형 패턴이 형성되는 것을 나타낸 도면,
도 12는 본 발명의 다른 실시예에 의한 3차원 이미지 형성장치용 패턴투영장치를 개략적으로 나타내는 도면,
도 13은 본 발명의 또 다른 실시예에 의한 3차원 이미지 형성장치용 패턴투영장치를 개략적으로 나타내는 도면,
도 14a 내지 도 14h는 본 발명의 일 실시예에 의한 패턴투영장치에 사용되는 초점 가변 액체렌즈의 가동부를 제조하는 방법을 나타낸 공정도,
도 15는 본 발명의 일 실시예에 의한 패턴투영장치에 사용되는 초점 가변 액체렌즈의 가동부에 보호층을 형성하는 방법을 나타낸 도면,
도 16a 내지 도 16i는 본 발명의 일 실시예에 의한 패턴투영장치에 사용되는 초점 가변 액체렌즈의 가동부를 제조하는 방법을 나타낸 공정도이다.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
1; 3차원 이미지 형성장치 3,5,5'; 대상 물체
4,6,6'; 투영 패턴 10; 패턴투영장치
11; 광발생기 12; 패턴조절유닛
20; 초점 가변 액체렌즈 21; 가동부, PDMS 막
22,22'; 패턴부 23; 보호층
24; 폴리우레아층 30; 프레임
31; 공동(空洞) 32; 광학 액체
34; 구동부 40; 검출기
50; 화상형성부 100; 지지기판
101; 부착방지층 103; PET 필름

Claims (20)

  1. 광발생기; 및
    상기 광발생기의 앞에 설치되며, 대상 물체에 투영 패턴을 형성하는 패턴부를 구비하고, 상기 광발생기에서 발광되는 광빔의 초점을 조절할 수 있도록 형성된 패턴조절유닛;을 포함하는 것을 특징으로 하는 3차원 이미지 형성장치용 패턴투영장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 패턴조절유닛은 상기 광빔의 초점을 조절할 수 있도록 형성된 초점 가변 액체렌즈를 포함하며,
    상기 초점 가변 액체렌즈는 가동부를 포함하는 것을 특징으로 하는 3차원 이미지 형성장치용 패턴투영장치.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 패턴부는 상기 초점 가변 액체렌즈의 가동부에 형성된 것을 특징으로 하는 3차원 이미지 형성장치용 패턴투영장치.
  4. 제 2 항에 있어서,
    상기 패턴부는 상기 초점 가변 액체렌즈의 가동부의 앞에 상기 초점 가변 액 체렌즈로부터 떨어져서 설치된 것을 특징으로 하는 3차원 이미지 형성장치용 패턴투영장치.
  5. 제 2 항에 있어서,
    상기 가동부는 탄성막으로 형성되며,
    상기 초점 가변 액체렌즈는 상기 탄성막을 지지하는 프레임과 상기 탄성막의 아래에 상기 프레임의 내부에 형성된 공동(空洞)에 채워진 광학 액체를 포함하는 것을 특징으로 하는 3차원 이미지 형성장치용 패턴투영장치.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 탄성막은 PDMS막을 포함하는 것을 특징으로 하는 3차원 이미지 형성장치용 패턴투영장치.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 패턴부는,
    동심 원형패턴, 동심 사각패턴, 가로 줄무늬패턴, 세로 줄무늬패턴, 격자패턴 중의 어느 하나의 패턴으로 형성된 것을 특징으로 하는 3차원 이미지 형성장치용 패턴투영장치.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 광발생기는,
    광원으로 적외선, 가시광선, 자외선 중 어느 하나를 사용하는 것을 특징으로 하는 3차원 이미지 형성장치용 패턴투영장치.
  9. 대상 물체에 패턴을 투영하는 상기 제 1 항 내지 제 8 항 중의 어느 한 항에 기재된 패턴투영장치;
    상기 패턴이 투영된 상기 대상 물체를 검출하는 적어도 한 개의 검출기;
    상기 적어도 한 개의 검출기가 검출한 상기 대상 물체에 투영된 상기 패턴을 이용하여 상기 대상 물체의 3차원 이미지를 형성하는 화상형성부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 3차원 이미지 형성장치.
  10. 공동(空洞)을 포함하며, 상기 공동의 하부는 광빔이 투과할 수 있도록 투명하게 형성된 프레임;
    상기 공동의 상부를 막도록 상기 프레임에 설치되는 가동부;
    상기 공동과 상기 가동부 사이에 채워진 광학 액체; 및
    상기 가동부에 설치된 패턴부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 패턴투영장치용 초점 가변 액체렌즈.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 가동부는 탄성막으로 형성된 것을 특징으로 하는 패턴투영장치용 초점 가변 액체렌즈.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 탄성막은 PDMS 막으로 형성된 것을 특징으로 하는 패턴투영장치용 초점 가변 액체렌즈.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 PDMS 막의 두께는 10 ㎛ 내지 200 ㎛인 것을 특징으로 하는 패턴투영장치용 초점 가변 액체렌즈.
  14. 제 12 항에 있어서,
    상기 패턴부는 상기 PDMS 막 위에 규소(Si)로 형성된 것을 특징으로 하는 패턴투영장치용 초점 가변 액체렌즈.
  15. 제 14 항에 있어서,
    상기 패턴부의 두께는 0.2 ㎛ 또는 0.2㎛ 보다 적은 것을 특징으로 하는 패턴투영장치용 초점 가변 액체렌즈.
  16. 제 12 항에 있어서,
    상기 PDMS 막의 상부에는 PDMS 막 및 금속과 접착력이 좋은 친수 성(Hydrophilic)의 폴리머(polymer)층이 형성되고,
    상기 패턴부는 상기 폴리머층 위에 금속으로 형성된 것을 특징으로 하는 패턴투영장치용 초점 가변 액체렌즈.
  17. 제 16 항에 있어서,
    상기 폴리머층은 폴리우레아(Polyurea)층을 포함하는 것을 특징으로 하는 패턴투영장치용 초점 가변 액체렌즈.
  18. 제 16 항에 있어서,
    상기 패턴부의 두께는 0.2 ㎛ 또는 0.2㎛ 보다 적은 것을 특징으로 하는 패턴투영장치용 초점 가변 액체렌즈.
  19. 제 14 항 또는 제 16 항에 있어서,
    상기 패턴부의 상부에는 PDMS 층이 형성된 것을 특징으로 하는 패턴투영장치용 초점 가변 액체렌즈.
  20. 제 10 항에 있어서,
    상기 패턴부는,
    동심 원형패턴, 동심 사각패턴, 가로 줄무늬패턴, 세로 줄무늬패턴, 격자패턴 중의 어느 하나의 패턴으로 형성된 것을 특징으로 하는 패턴투영장치용 초점 가 변 액체렌즈.
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