KR20120045462A - 3ｄ 카메라용 빔스플리터 및 상기 빔스플리터를 채용한 3차원 영상 획득 장치 - Google Patents

3ｄ 카메라용 빔스플리터 및 상기 빔스플리터를 채용한 3차원 영상 획득 장치 Download PDF

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Abstract

동일 입사면을 통해 입사한 컬러 영상과 깊이 영상을 서로 다른 경로로 분리할 수 있는 3D 카메라용 빔스플리터 및 상기 빔스플리터를 이용하여 컬러 영상과 깊이 영상을 하나의 렌즈로 동시에 촬영할 수 있는 3차원 영상 획득 장치를 개시한다. 개시된 빔스플리터는 제 1 파장 대역의 광과 제 2 파장 대역의 광이 입사하는 입사면, 제 1 파장 대역의 광을 반사하고 제 2 파장 대역의 광을 투과시키는 광분리면, 제 1 파장 대역의 광이 출사하는 제 1 출사면, 제 2 파장 대역의 광을 반사하는 제 1 반사면, 반사된 제 2 파장 대역의 광을 다시 반사하는 제 2 반사면, 및 제 2 파장 대역의 광이 출사하는 제 2 출사면을 갖는다. 개시된 빔스플리터는 동일 입사면을 통해 입사한 컬러 영상과 깊이 영상을 광손실 없이 서로 다른 경로로 분리할 수 있다. 따라서, 개시된 빔스플리터를 3차원 영상 획득 장치에 채용할 경우, 하나의 대물렌즈를 사용하여 정합성이 확보된 컬러 영상과 깊이 영상을 동시에 촬영할 수 있다.

Description

3Ｄ 카메라용 빔스플리터 및 상기 빔스플리터를 채용한 3차원 영상 획득 장치{Beam splitter for 3D camera and 3D image acquisition apparatus employing the same}
개시된 내용은 3차원(3D) 카메라용 빔스플리터 및 상기 빔스플리터를 채용한 3차원 영상 획득 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 동일 입사면을 통해 입사한 컬러 영상(color image)과 깊이 영상(depth image)을 서로 다른 경로로 분리할 수 있는 3D 카메라용 빔스플리터 및 상기 빔스플리터를 이용하여 컬러 영상과 깊이 영상을 하나의 렌즈로 동시에 촬영할 수 있는 3D 카메라와 같은 3차원 영상 획득 장치에 관한 것이다.
최근 3D 디스플레이 장치의 발전 및 수요 증가와 함께 3D 컨텐츠의 중요성이 부각되고 있다. 이에 따라, 일반 사용자가 3D 컨텐츠를 직접 제작할 수 있는 3D 카메라가 연구되고 있다. 이러한 3D 카메라는 기존의 2차원 RGB 컬러 영상 정보와 함께 깊이(depth) 정보도 필요로 하기 때문에 RGBD 영상 카메라라고 불리기도 한다.
피사체의 표면들과 3D 카메라 사이의 거리에 관한 깊이 정보는, 두 대의 카메라를 이용한 양안 입체시(Stereo Vision) 방법이나 구조광(Structured Light)과 카메라를 이용한 삼각 측량법(Triangulation)을 이용하여 얻을 수 있다. 그러나 이러한 방법은 피사체의 거리가 멀어질수록 거리 정보에 대한 정확도가 급격히 저하되고 피사체의 표면 상태에 의존적이어서 정밀한 거리 정보를 얻기 어렵다.
이러한 문제를 개선하기 위하여 광시간비행법(Time-of-Flight; TOF)이 도입되었다. TOF 기술은 레이저 빔을 피사체에 조사한 후, 피사체로부터 반사되는 광이 수광부에서 수광되기까지의 광 비행시간을 측정하는 방법이다. TOF 기술에 따르면, 기본적으로 특정 파장의 빛(예컨대, 850nm의 근적외선)을 발광 다이오드(LED) 또는 레이저 다이오드(LD)를 이용하여 피사체에 투사하고, 피사체로부터 반사된 동일한 파장의 빛을 수광부에서 수광한 후, 기지의 이득 파형을 갖는 변조기로 상기 수광된 빛을 변조하는 등 깊이 정보를 추출하기 위한 일련의 처리 과정을 거치게 된다. 이러한 일련의 광 처리 과정에 따라 다양한 TOF 기술이 소개되어 있다.
이러한 TOF 기술을 이용한 3D 카메라는 일반적인 영상 정보를 담고 있는 컬러 영상과 깊이 정보를 담고 있는 깊이 영상을 동시에 얻기 위한 광학계 구조를 포함한다. 예를 들어, 3D 카메라는 컬러 영상과 깊이 영상을 별도의 독립된 광학 모듈로 각각 촬영할 수 있다. 그런데 이 경우, 컬러 영상용 광학계와 깊이 영상용 광학계의 광축 불일치 등으로 인하여 컬러 영상과 깊이 영상 사이의 정합성에 오차가 발생할 수 있다. 또한, 컬러 영상과 깊이 영상을 별도로 촬영하기 위해서는 2개의 대물렌즈가 필요하다.
이에 따라, 컬러 영상과 깊이 영상 사이의 정합성을 확보하고 하나의 대물렌즈만으로 컬러 영상과 깊이 영상을 동시에 촬영하기 위하여, 컬러 영상과 깊이 영상이 하나의 대물렌즈를 공유할 수 있는 광학계 구조가 제안되었다. 예를 들어, 컬러/깊이 영상 공유형 광학계는 하나의 대물렌즈를 통해 제공되는 컬러 영상과 깊이 영상을 빔스플리터로 분리한 후, 분리된 컬러 영상과 깊이 영상을 각각의 이미지 센서로 촬영할 수 있다. 따라서, 컬러/깊이 영상 공유형 광학계는 기본적으로 하나의 대물렌즈, 하나의 빔스플리터 및 2개의 이미지 센서를 가질 수 있다. 이러한 광학계 구조를 채용한 3D 카메라는 두 영상의 정합성을 확보하여 고품질의 3D 영상을 얻을 수 있으며, 폼 팩터(form factor) 관점에서도 우수한 결과를 얻을 수 있다.
한편, 상술한 TOF 기술에 따라 거리 정보를 추출하기 위해서는 피사체로부터 반사된 빛을 변조하기 위한 변조기가 필요하다. 변조기는 크게 반사형 변조기와 투과형 변조기로 구분될 수 있으며, 비교적 구현이 용이한 반사형 변조기가 더 많이 사용된다. 그런데, 반사형 변조기를 사용하는 경우, 빔스플리터에서 많은 광손실이 발생할 수 있다. 이러한 광량의 손실은 신호대잡음비(SNR; signal to noise ratio)를 떨어뜨려서 결국 깊이 정보에 관한 정밀도를 저하시킬 수 있다.
동일 입사면을 통해 입사한 컬러 영상과 깊이 영상을 광손실 없이 서로 다른 경로로 분리할 수 있는 빔스플리터를 제공한다.
또한, 상기 빔스플리터를 이용하여 컬러 영상과 깊이 영상을 하나의 렌즈로 동시에 촬영할 수 있는 3차원 영상 획득 장치를 제공한다.
본 발명의 일 유형에 따르면, 제 1 파장 대역의 광 및 상기 제 1 파장 대역의 광과 다른 대역인 제 2 파장 대역의 광이 공동으로 입사하는 광입사면; 상기 광입사면에 대해 경사지게 배치된 것으로, 제 1 파장 대역의 광을 반사하고 제 2 파장 대역의 광을 투과시키는 광분리면; 상기 광분리면에서 반사된 제 1 파장 대역의 광이 출사하는 제 1 광출사면; 상기 광분리면을 투과한 제 2 파장 대역의 광을 반사하는 제 1 반사면; 상기 제 1 반사면에서 반사된 제 2 파장 대역의 광을 반사하는 제 2 반사면; 및 상기 제 2 반사면에서 반사된 제 2 파장 대역의 광이 출사하는 제 2 광출사면;을 포함하는 빔스플리터가 제공된다.
여기서, 상기 광입사면, 제 1 광출사면 및 제 2 광출사면은 상기 각각의 광입사면, 제 1 광출사면 및 제 2 광출사면을 통과하는 광의 광축에 대해 수직하게 배치될 수 있다.
또한, 상기 제 2 광출사면은 상기 광입사면, 제 1 광출사면 및 제 1 반사면과 서로 인접하고 상기 제 2 반사면과 대향하도록 배치될 수 있다.
상기 빔스플리터는 상기 제 1 반사면의 표면에 배치된 제 1 반사 부재, 및 제 2 반사면의 표면에 배치된 제 2 반사 부재를 더 포함할 수 있다.
예를 들어, 상기 제 1 반사 부재 및 제 2 반사 부재 중에서 어느 하나는 제 2 파장 대역의 광을 변조하여 반사하는 반사형 변조기이며, 다른 하나는 반사 미러일 수 있다.
상기 제 1 반사면은 상기 제 2 반사면을 향해 기울어져 배치될 수 있으며, 상기 제 2 반사면은 상기 제 2 광출사면을 향해 기울어져 배치될 수 있다.
상기 제 1 반사면과 제 2 반사면 중에서, 상기 반사형 변조기가 배치되어 있는 반사면은, 입사하는 제 2 파장 대역의 광의 광축과 상기 반사형 변조기가 배치되어 있는 반사면의 법선 사이의 각도가 0도보다 크고 45도 이내가 되도록 기울어질 수 있다.
상기 반사형 변조기에 입사하는 제 2 파장 대역의 광의 입사각은 22.5도일 수 있다.
상기 빔스플리터는 다면체 형태의 제 1 부분 프리즘과 제 2 부분 프리즘이 접합되어 형성될 수 있다.
예를 들어, 상기 광분리면은 제 1 파장 대역의 광을 반사하고 제 2 파장 대역의 광을 투과시키는 박막 코팅을 포함하며, 상기 박막 코팅은 상기 제 1 부분 프리즘과 제 2 부분 프리즘 사이의 접합면에 형성될 수 있다.
상기 광입사면과 제 1 광출사면은 각각 상기 제 1 부분 프리즘의 정면과 측면에 서로 인접하여 배치될 수 있으며, 상기 제 1 반사면은 상기 광입사면과 대향하도록 상기 제 2 부분 프리즘의 배면에 배치될 수 있다.
상기 제 2 반사면은 상기 제 1 부분 프리즘의 경사진 상면과 상기 제 2 부분 프리즘의 경사진 상면에 의해 공동으로 형성될 수 있으며, 상기 제 2 광출사면은 상기 제 1 부분 프리즘의 저면과 상기 제 2 부분 프리즘의 저면에 의해 공동으로 형성될 수 있다.
또한, 상기 빔스플리터는 상기 제 2 광출사면의 표면에 배치된 릴레이 렌즈를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 빔스플리터는 상기 제 1 반사면과 제 2 반사면 중에서 어느 한 반사면의 표면에 배치된 릴레이 미러를 더 포함할 수 있다.
한편, 본 발명의 다른 유형에 따르면, 제 1 파장 대역의 광 및 상기 제 1 파장 대역의 광과 다른 대역인 제 2 파장 대역의 광이 공동으로 입사하는 광입사면; 상기 광입사면에 대해 경사지게 배치된 것으로, 제 1 파장 대역의 광을 반사하고 제 2 파장 대역의 광을 투과시키는 광분리면; 상기 광분리면에서 반사된 제 1 파장 대역의 광이 출사하는 제 1 광출사면; 상기 광분리면을 투과한 제 2 파장 대역의 광을 반사하는 반사면; 상기 반사면에서 반사된 제 2 파장 대역의 광이 출사하는 제 2 광출사면; 및 상기 반사면에 배치된 것으로서, 제 2 파장 대역의 광을 변조하여 반사하는 반사형 변조기;를 포함하는 빔스플리터가 제공될 수 있다.
상기 빔스플리터는 다면체 형태의 제 1 부분 프리즘과 제 2 부분 프리즘이 접합되어 형성되고, 상기 광분리면은 제 1 파장 대역의 광을 반사하고 제 2 파장 대역의 광을 투과시키는 박막 코팅을 포함하며, 상기 박막 코팅은 상기 제 1 부분 프리즘과 제 2 부분 프리즘 사이의 접합면에 형성될 수 있다.
예를 들어, 상기 광입사면과 제 1 광출사면은 각각 상기 제 1 부분 프리즘의 정면과 저면에 서로 인접하여 배치될 수 있다.
또한, 상기 반사면과 제 2 광출사면은 각각 상기 제 2 부분 프리즘의 경사진 배면과 경사진 상부면에 배치될 수 있다.
또한, 본 발명의 또 다른 유형에 따르면, 제 1 파장 대역의 광 및 상기 제 1 파장 대역의 광과 다른 대역인 제 2 파장 대역의 광이 공동으로 입사하는 광입사면; 상기 광입사면에 대해 경사지게 배치된 것으로, 제 1 파장 대역의 광을 투과시키고 제 2 파장 대역의 광을 반사하는 광분리면; 상기 광분리면을 투과한 제 1 파장 대역의 광이 출사하는 제 1 광출사면; 상기 광분리면에서 반사된 제 2 파장 대역의 광을 반사하는 반사면; 상기 반사면에서 반사된 제 2 파장 대역의 광이 출사하는 제 2 광출사면; 및 상기 반사면에 배치된 것으로서, 제 2 파장 대역의 광을 변조하여 반사하는 반사형 변조기;를 포함하는 빔스플리터가 제공될 수 있다.
예를 들어, 상기 빔스플리터는 다면체 프리즘의 형태를 갖는 제 1 부분 프리즘의 경사진 배면에 직각 삼각형 형태의 제 2 부분 프리즘이 접합되어 형성되고, 상기 광분리면은 제 1 파장 대역의 광을 투과시키고 제 2 파장 대역의 광을 반사하는 박막 코팅을 포함하며, 상기 박막 코팅은 상기 제 1 부분 프리즘과 제 2 부분 프리즘 사이의 접합면에 형성될 수 있다.
여기서, 상기 광입사면, 반사면 및 제 2 광출사면은 각각 상기 제 1 부분 프리즘의 정면, 경사진 상부면 및 저면에 배치될 수 있으며, 상기 제 1 광출사면은 상기 제 2 부분 프리즘의 배면에 배치될 수 있다.
또한, 본 발명의 또 다른 유형에 따르면, 피사체에 적외선광을 조사하기 위한 적외선 광원; 피사체로부터 반사된 가시광과 적외선광을 포커싱하기 위한 대물렌즈; 가시광과 적외선광을 서로 다른 경로로 분리하기 위한 것으로, 상술한 구조에 따른 빔스플리터; 가시광에 대한 영상을 생성하기 위한 제 1 이미지 센서; 적외선광에 대한 영상을 생성하기 위한 제 2 이미지 센서; 및 상기 제 1 및 제 2 이미지 센서에서 생성된 영상들을 이용하여 깊이 정보를 갖는 3D 영상을 생성하는 3D 영상 신호 처리기;를 포함하는 3차원 영상 획득 장치가 제공될 수 있다.
예를 들어, 상기 제 1 파장 대역의 광은 가시광이고 상기 제 2 파장 대역의 광은 적외선광일 수 있다.
상기 빔스플리터는 가시광과 적외선광을 분리하여, 가시광을 상기 제 1 이미지 센서에 제공하고 적외선광을 제 2 이미지 센서에 제공하도록 구성될 수 있다.
예를 들어, 상기 제 1 이미지 센서는 상기 빔스플리터의 제 1 광출사면과 대향하여 배치되고, 상기 제 2 이미지 센서는 상기 빔스플리터의 제 2 광출사면과 대향하여 배치될 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 제 1 이미지 센서는 상기 빔스플리터의 제 1 광출사면 상에 직접 배치될 수 있으며, 상기 제 2 이미지 센서는 상기 빔스플리터의 제 2 광출사면 상에 직접 배치될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 개시된 빔스플리터는 동일 입사면을 통해 입사한 컬러 영상과 깊이 영상을 광손실 없이 서로 다른 경로로 분리할 수 있다. 따라서, 개시된 빔스플리터를 3D 카메라와 같은 3차원 영상 획득 장치에 채용할 경우, 하나의 대물렌즈를 사용하여 정합성이 확보된 컬러 영상과 깊이 영상을 동시에 촬영할 수 있다. 또한, 이 과정에서의 광손실을 최소화하여 충분한 광량을 확보할 수 있기 때문에, 보다 정확한 거리 정보를 얻을 수 있다. 또한, 개시된 빔스플리터를 채용한 3차원 영상 획득 장치는 단지 하나의 대물렌즈를 사용할 수 있기 때문에 보다 컴팩트하게 제조될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 빔스플리터의 구조를 개략적으로 도시하는 사시도이다.
도 2는 도 1에 도시된 빔스플리터의 접합면에 형성된 박막 코팅의 파장에 따른 투과도의 변화를 예시적으로 나타내는 그래프이다.
도 3은 도 1에 도시된 빔스플리터의 접합면에 형성된 박막 코팅의 입사각에 따른 투과도의 변화를 예시적으로 나타내는 그래프이다.
도 4a 내지 도 4c는 각각 도 1에 도시된 빔스플리터의 평면도, 정면도 및 우측면도이다.
도 5a 내지 도 5d는 도 1에 도시된 빔스플리터를 제조하는 과정을 차례로 도시하는 사시도이다.
도 6은 도 1에 도시된 빔스플리터를 채용한 3차원 영상 획득 장치의 예시적인 구조를 개략적으로 도시하는 개념도이다.
도 7은 도 1에 도시된 빔스플리터의 변형된 예를 개략적으로 도시한다.
도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 빔스플리터의 구조를 개략적으로 도시하는 단면도이다.
도 9는 도 8에 도시된 빔스플리터에서의 적외선 대역의 광 경로를 예시적으로 도시한다.
도 10은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 빔스플리터의 구조를 개략적으로 도시하는 단면도이다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여, 3D 카메라용 빔스플리터 및 상기 빔스플리터를 채용한 3차원 영상 획득 장치에 대해 상세하게 설명한다. 이하의 도면들에서 동일한 참조부호는 동일한 구성요소를 지칭하며, 도면상에서 각 구성요소의 크기는 설명의 명료성과 편의상 과장되어 있을 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 빔스플리터(100)의 구조를 개략적으로 도시하고 있는 사시도이다. 도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 빔스플리터(100)는 예를 들어 일안반사식(single lens reflex; SLR) 카메라에서 일반적으로 사용되는 펜타 프리즘(penta prism)의 형태를 가질 수 있다. 펜타 프리즘은 예를 들어 유리와 같이 광학적으로 투명한 재료를 오각형 형태의 단면을 갖는 다면체 구조로 형성한 프리즘이다. 본 발명의 일 실시예에 따른 빔스플리터(100)는 두 개의 이상의 다각형 프리즘을 접합하여 펜타 프리즘의 형태로 형성될 수 있다. 도 1의 예에서, 빔스플리터(100)는 경사면을 갖도록 형성된 제 1 부분 프리즘(102)과 경사면을 갖도록 형성된 제 2 부분 프리즘(103)의 두 경사면이 접합되어 형성될 수 있다. 이러한 구조에서, 빔스플리터(100)는 제 1 부분 프리즘(102)과 제 2 부분 프리즘(103) 사이에 경사진 광분리면(104)을 갖는다. 여기서, 다면체의 형태를 갖는 제 1 및 제 2 부분 프리즘(102,130)은 동일한 재료로 이루어질 수 있다.
상기 광분리면(104)에는 파장에 따라 광을 반사 또는 투과시킬 수 있는 박막 코팅(105, 도 5b 참조)이 형성되어 있다. 박막 코팅(105)은 비교적 긴 파장 대역의 광을 통과시키는 장파 통과(long wavelength pass; LWP)의 역할을 하거나, 또는 비교적 짧은 파장 대역의 광을 통과시키는 단파 통과(short wavelength pass; SWP)의 역할을 하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 박막 코팅(105)은 가시광선 대역의 광을 반사하고 적외선 대역의 광을 통과시키도록 구성되거나, 또는 가시광선 대역의 광을 통과시키고 적외선 대역의 광을 반사하도록 구성될 수 있다. 도 2에는 가시광선 대역의 광을 반사하고 적외선 대역의 광을 통과시키도록 구성된 박막 코팅(105)의 파장에 따른 투과도의 변화를 예시적으로 나타내는 그래프가 도시되어 있다. 도 2의 그래프를 참조하면, 박막 코팅(105)은 약 450~650nm의 파장 대역에 대해 거의 100%에 가까운 반사율을 보이며, 약 800nm 이상의 파장 대역에 대해 거의 100%에 가까운 투과율을 보일 수 있다.
또한, 빔스플리터(100)에 입사하는 광은 콜리메이팅된 평행광이 아닐 수도 있기 때문에, 박막 코팅(105)에서 입사광의 입사각은 일정하지 않을 수 있다. 따라서, 박막 코팅(105)은 다양한 입사각에 대해서도 투과율 또는 반사율의 변화가 거의 없도록 구성될 수 있다. 도 3은 적외선 대역에서 박막 코팅(105)의 입사각에 따른 투과도의 변화를 예시적으로 나타내는 그래프이다. 도 3을 참조하면, 상기 박막 코팅(105)은 약 40도 내지 약 80도의 입사각에 대해 거의 100%에 가까운 투과율을 보이고 있다. 이러한 박막 코팅(105)은 예를 들어 굴절률이 서로 다른 두 투명한 재료(예를 들어, SiO2와 TiO2)를 수 nm에서 수십 nm의 두께로 번갈아 적층하여 형성될 수 있다. 원하는 광학적 특성을 갖는 박막 코팅(105)의 구조는 일반적인 다층 박막 기술을 통해 쉽게 설계될 수 있으므로, 상세한 설명을 생략한다.
도 4a 내지 도 4c는 각각, 빔스플리터(100)의 광입사면(110)을 정면으로 놓았을 때, 빔스플리터(100)의 평면도, 정면도 및 우측면도를 나타낸다. 이하에서 도 1 및 도 4a 내지 도 4c를 참조하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 빔스플리터(100)의 상세한 동작 및 구조를 설명한다. 먼저, 서로 다른 두 파장 대역을 갖는 입사광이 빔스플리터(100)의 정면에 있는 광입사면(110)을 통해 빔스플리터(100)의 내부로 입사한다. 여기서, 입사광은 예를 들어 상대적으로 짧은 가시광선 대역의 파장을 갖는 광(RGB)과 상대적으로 긴 적외선 대역의 파장을 갖는 광(IR)을 포함할 수 있다. 가시광선 대역의 광(RGB)과 적외선 대역의 광(IR)은 하나의 광입사면(110)에 동시에 입사할 수 있다. 광입사면(110)은 입사광이 수직으로 입사할 수 있도록 광축에 대해 수직하게 형성될 수 있다. 따라서, 입사광은 광입사면(110)에서 굴절되지 않고 빔스플리터(100)의 내부로 들어갈 수 있다. 이러한 광입사면(110)은 예를 들어 빔스플리터(100)의 제 1 부분 프리즘(102)에 배치될 수 있다.
그런 후, 입사광은 박막 코팅(105)이 형성되어 있는 광분리면(104)에 도달한다. 여기서, 박막 코팅(105)은 가시광선 대역의 광(RGB)을 반사하고 적외선 대역의 광(IR)을 투과시키는 것으로 가정한다. 그러면, 가시광선 대역의 광(RGB)은 광분리면(104)에서 반사된 후, 빔스플리터(100)의 좌측면에 있는 제 1 광출사면(111)을 통해 빔스플리터(100)의 외부로 출사된다. 제 1 광출사면(111)은, 가시광선 대역의 광(RGB)이 상기 제 1 광출사면(111)에서 굴절되지 않고 빔스플리터(100)의 외부로 출사될 수 있도록, 광분리면(104)에서 반사된 가시광선 대역의 광(RGB)의 진행 방향에 대해 수직하게 형성될 수 있다. 이러한 제 1 광출사면(111)은 예를 들어 광입사면(110)에 인접한 면으로서 제 1 부분 프리즘(102)에 배치될 수 있다. 이 경우, 광입사면(110)과 제 1 광출사면(111) 사이의 사잇각은 직각이고, 광분리면(104)은 상기 광입사면(110)과 제 1 광출사면(111)에 대해 약 45도 정도로 기울어져 배치될 수 있다. 이렇게 제 1 광출사면(111)을 통해 빔스플리터(100)의 외부로 출사된 광은, 예를 들어 CCD(charge coupled device)와 같은 전용의 이미지 센서(520, 도 6 참조)에 전달될 수 있다. 이러한 가시광선 대역의 광(RGB)의 진행 과정은 도 4a의 평면도를 통해 쉽게 이해할 수 있다.
한편, 적외선 대역의 광(IR)은 광분리면(104)을 통과하여 광입사면(110)의 맞은편에 있는 제 1 반사면(112)에 입사한다. 예를 들어, 제 1 반사면(112)은 빔스플리터(100)의 제 2 부분 프리즘(103)의 배면에 배치될 수 있다. 제 1 반사면(112)의 표면에는 입사광을 반사할 수 있도록 제 1 반사 부재(106, 도 4c 참조)가 배치되어 있다. 또한, 제 1 반사면(112)은 반사된 적외선 대역의 광(IR)이 이전의 경로로 되돌아가지 않도록 제 2 반사면(113)을 향해 소정의 각도로 기울어져 있다. 따라서, 제 1 반사면(112)에서 반사된 적외선 대역의 광(IR)은 제 2 반사면(113)으로 진행하게 된다.
제 2 반사면(113)은 제 1 부분 프리즘(102)의 경사진 상면과 제 2 부분 프리즘(103)의 경사진 상면에 의해 공동으로 형성될 수 있다. 제 2 반사면(113)의 표면에도 입사광을 반사할 수 있도록 제 2 반사 부재(107, 도 4c 참조)가 배치되어 있다. 또한, 제 2 반사면(113)에서 반사된 적외선 대역의 광(IR)이 이전의 경로로 되돌아가는 것을 방지하기 위하여, 제 2 반사면(113)도 역시 제 2 광출사면(114)을 향해 소정의 각도록 기울어져 있다. 따라서, 제 2 반사면(113)에서 반사된 적외선 대역의 광(IR)은 제 2 광출사면(114)으로 진행하게 된다.
마지막으로, 제 2 반사면(113)에서 반사된 적외선 대역의 광(IR)은, 빔스플리터(100)의 저면에 배치된 제 2 광출사면(114)을 통해 빔스플리터(100)의 외부로 출사된다. 제 2 광출사면(114)은 예를 들어 제 1 부분 프리즘(102)의 저면과 제 2 부분 프리즘(103)의 저면에 의해 공동으로 형성될 수 있다. 도 1에 도시된 바와 같이, 제 2 광출사면(114)은 빔스플리터(100)의 광입사면(110), 제 1 광출사면(111), 및 제 1 반사면(112)과 각각 인접하고 제 2 반사면(113)과 대향하는 면에 배치되어 있다. 또한 제 2 광출사면(114)은, 적외선 대역의 광(IR)이 제 2 광출사면(114)에서 굴절되지 않고 빔스플리터(100)의 외부로 출사될 수 있도록, 제 2 반사면(113)에서 반사된 적외선 대역의 광(IR)의 진행 방향에 대해 수직하게 형성될 수 있다. 이렇게 제 2 광출사면(114)을 통해 빔스플리터(100)의 외부로 출사된 광은, 예컨대 CCD와 같은 전용의 이미지 센서(530, 도 6 참조)에 전달될 수 있다. 이러한 적외선 대역의 광(IR)의 진행 과정은 도 4c의 우측면도를 통해 더욱 쉽게 이해할 수 있다.
한편, 제 1 반사면(112)에 배치된 제 1 반사 부재(106)와 제 2 반사면(113)에 배치된 제 2 반사 부재(107) 중에서 어느 하나는 적외선 대역의 광(IR)을 소정의 이득 파형으로 변조할 수 있는 반사형 변조기이고, 나머지 하나는 일반적인 반사 미러일 수 있다. 예를 들어, 제 1 반사 부재(106)가 반사형 변조기이고 제 2 반사 부재(107)가 반사 미러일 수 있다. 또는, 제 1 반사 부재(106)가 반사 미러이고 제 2 반사 부재(107)가 반사형 변조기일 수도 있다. 제 1 반사 부재(106)가 반사형 변조기인 경우, 적외선 대역의 광(IR)은 제 1 반사면(112)에서 반사형 변조기에 의해 변조된 후, 변조된 적외선 대역의 광(IR)이 제 2 반사면(113)으로 반사될 수 있다. 제 2 반사 부재(107)가 반사형 변조기인 경우에는, 적외선 대역의 광(IR)은 제 2 반사면(113)에서 반사형 변조기에 의해 변조된 후, 변조된 적외선 대역의 광(IR)이 제 2 광출사면(114)을 향해 반사될 수 있다.
그런데, 반사형 변조기에 입사하여 변조 및 반사되는 광은, 일반적으로 반사형 변조기에 대한 입사각이 반사형 변조기의 법선 방향에서 멀어질수록 광학적인 특성 변화가 증가하게 된다. 즉, 광이 반사형 변조기에 기울어지게 입사할수록, 반사형 변조기에 의해 변조 및 반사된 광에 더 많은 왜곡이 발생할 수 있다. 따라서, 반사형 변조기가 배치되어 있는 반사면은 입사하는 적외선 대역의 광(IR)의 광축과 그 반사면의 법선 사이의 각도가 가능한 작게, 예를 들어 45도 이내가 되도록 배치될 수 있다. 즉, 제 1 반사면(112)에 있는 제 1 반사 부재(106)가 반사형 변조기라면, 도 4c의 각도(θ1)가 45도 이내일 수 있다. 또한, 만약 제 2 반사면(113)에 있는 제 2 반사 부재(107)가 반사형 변조기라면, 도 4c의 각도(θ2)가 45도 이내일 수 있다. 그러나, 적외선 대역의 광(IR)의 광축과 반사면의 법선이 완전히 일치하게 되면, 적외선 대역의 광(IR)이 이전의 경로로 되돌아가게 된다. 따라서, 반사형 변조기가 배치되어 있는 반사면은, 입사하는 적외선 대역의 광(IR)의 광축과 그 반사면의 법선 사이의 각도가 0도보다 크도록 배치될 수 있다. 예를 들어, 적외선 대역의 광(IR)이 반사형 변조기에 입사하는 입사각(θ1 또는 θ2)은 약 22.5도 정도일 수 있다.
도 5a 내지 도 5d는 상술한 박막 코팅(105)이 형성된 광분리면(104)을 갖도록 빔스플리터(100)를 제조하는 예시적인 과정을 차례로 도시하는 사시도이다. 먼저, 도 5a를 참조하면, 예를 들어 일체로 형성된 하나의 펜타 프리즘(101)을 준비한다. 그런 후, 도 5b에 도시된 바와 같이, 광입사면(110)에 대해 약 45도의 비스듬한 각도로 펜타 프리즘(101)을 수직하게 절단한다. 그러면, 펜타 프리즘(101)은 제 1 부분 프리즘(102)과 제 2 부분 프리즘(103)으로 나뉘게 된다. 다음으로, 제 1 부분 프리즘(102)과 제 2 부분 프리즘(103)의 절단된 면을 매끄럽게 연마한다. 연마가 완료되면, 제 1 부분 프리즘(102)의 절단면 또는 제 2 부분 프리즘(103)의 절단면 중 어느 한면에 박막 코팅(105)을 형성한다. 도 5b에는 예시적으로 제 1 부분 프리즘(102)의 절단면에 박막 코팅(105)이 형성된 모습이 도시되어 있다.
그런 후에, 도 5c에 도시된 바와 같이, 제 1 부분 프리즘(102)과 제 2 부분 프리즘(103)을 재접합할 수 있다. 예를 들어, 제 1 부분 프리즘(102)의 절단면과 제 2 부분 프리즘(103)의 절단면 사이에 UV 접착제 등을 도포하고, 상기 두 절단면을 접합한 후, UV 광으로 광분리면(104)의 UV 접착제를 경화시킬 수 있다. 마지막으로, 빔스플리터(100)의 외면을 연마하여 전체적인 구조를 완성한 다음, 도 5d에 도시된 바와 같이, 제 1 반사면(112)과 제 2 반사면(113)에 각각 제 1 반사 부재(106)와 제 2 반사 부재(107)를 배치할 수 있다.
이러한 본 발명의 일 실시예에 따른 빔스플리터(100)는 동일 광입사면(110)으로 입사하는 서로 다른 두 파장 대역을 광을 효과적으로 분리할 수 있다. 또한, 거리 정보를 추출하기 위하여 반사형 변조기로 적외선 대역의 광을 변조하는 경우에도, 빔스플리터(100)에서의 광손실이 발생하지 않는다. 따라서, 상술한 빔스플리터(100)를 3D 카메라와 같은 3차원 영상 획득 장치에 채용할 경우, 광손실을 최소화하여 충분한 광량을 확보할 수 있기 때문에, 보다 정확한 거리 정보를 얻을 수 있다. 또한, 하나의 대물렌즈만을 사용할 수 있기 때문에, 정합성이 확보된 컬러 영상과 깊이 영상을 동시에 촬영할 수 있으며, 보다 컴팩트한 3차원 영상 획득 장치를 제공할 수 있다.
도 6은 이러한 빔스플리터(100)를 채용한 본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 영상 획득 장치(500)의 예시적인 구조를 개략적으로 도시하는 개념도이다. 도 6을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 영상 획득 장치(500)는 피사체에 적외선 광(IR)을 조사하기 위한 적외선 광원(540), 피사체로부터 반사된 가시광(RGB)과 적외선광(IR)을 포커싱하기 위한 대물렌즈(510), 가시광(RGB)과 적외선광(IR)을 서로 다른 경로로 분리하는 빔스플리터(100), 가시광(RGB)에 대한 영상(예컨대, 컬러 영상)을 생성하기 위한 제 1 이미지 센서(520), 적외선광(IR)에 대한 영상(예컨대, 깊이 영상)을 생성하기 위한 제 2 이미지 센서(530), 및 상기 제 1 및 제 2 이미지 센서(520,530)에서 생성된 영상들을 이용하여 깊이 정보를 갖는 3D 영상을 생성하는 3D 영상 신호 처리기(image signal processor; ISP)(550)를 포함할 수 있다.
적외선 광원(540)은 예를 들어 약 850nm의 근적외선 광을 발생시켜 촬영하고자 하는 피사체에 조사할 수 있다. 피사체(도시되지 않음)에서 반사된 가시광(RGB)과 적외선광(IR)은, 다수의 렌즈군으로 구성될 수 있는 대물렌즈(510)에 의해 포커싱될 수 있다. 대물렌즈(510)에 의해 포커싱되는 가시광(RGB)과 적외선광(IR)은 빔스플리터(100)의 동일 광입사면에 입사할 수 있다. 빔스플리터(100)는 앞서 설명한 원리에 따라 가시광(RGB)과 적외선광(IR)을 분리하여, 가시광(RGB)을 제 1 이미지 센서(520)에 제공하고 적외선광(IR)을 제 2 이미지 센서(530)에 제공할 수 있다. 3D 영상 신호 처리기(550)는 제 1 및 제 2 이미지 센서(520,530)로부터 영상 신호를 받은 후, 공지된 일련의 신호 처리 과정을 거쳐 깊이 정보를 갖는 3D 영상을 생성할 수 있다.
제 1 이미지 센서(520)와 제 2 이미지 센서(530)는 대물렌즈(510)의 초점 상에 위치할 수 있다. 예를 들어, 제 1 이미지 센서(520)는 빔스플리터(100)의 제 1 광출사면(111, 도 6에서 점선 박스로 표시)과 대향하여 배치될 수 있으며, 제 2 이미지 센서(530)는 빔스플리터(100)의 제 2 광출사면(114)과 대향하여 배치될 수 있다. 만약 대물렌즈(510)의 초점 거리와 빔스플리터(100) 내부의 광 경로 거리를 적절하게 조절할 수 있다면, 제 1 이미지 센서(520)를 빔스플리터(100)의 제 1 광출사면(111) 상에 직접 배치될 수 있다. 또한, 마찬가지로 제 2 이미지 센서(530)도 빔스플리터(100)의 제 2 광출사면(114) 상에 직접 배치될 수 있다. 그런데, 광학적 설계 상의 제한으로 인해, 대물렌즈(510)의 초점 거리가 짧아서 빔스플리터(100)의 내부에 초점이 존재할 수도 있다. 이 경우에는, 빔스플리터(100) 내부의 초점 위치에 형성된 중간상(intermediate image)을 중계하여 이미지 센서(520,530)로 전달하기 위한 릴레이 렌즈가 더 필요할 수 있다. 이러한 릴레이 렌즈는 3차원 영상 획득 장치(500)의 구성을 컴팩트하게 하기 위하여 빔스플리터(100)의 표면에 형성될 수도 있다.
도 7은 도 1에 도시된 빔스플리터(100)의 변형된 예로서 릴레이 렌즈들이 표면에 형성된 빔스플리터(100')의 구성을 개략적으로 도시하고 있다. 도 7을 참조하면, 빔스플리터(100')는 제 2 반사면(113)의 표면에 직접 배치된 릴레이 미러(140)와 제 2 광출사면(114)의 표면에 직접 배치된 릴레이 렌즈(150)를 포함할 수 있다. 이 경우, 제 1 반사면(112)에 배치된 제 1 반사 부재(106)는 반사형 변조기일 수 있다. 대신, 제 1 반사면(112)에 릴레이 미러(140)를 배치시키고 제 2 반사면(113)에 반사형 변조기로서 제 2 반사 부재(107)를 배치시키는 것도 가능하다. 도 7에 도시된 상기 빔스플리터(100')의 나머지 구성은 도 1에 도시된 빔스플리터(100)의 구성과 동일할 수 있다.
릴레이 미러(140)는 광학적 필요에 따라 오목 미러일 수도 있으며 또는 볼록 미러일 수도 있다. 도 7에는 예시적으로 릴레이 미러(140)가 오목 미러인 경우를 도시하고 있다. 릴레이 미러(140)가 오목 미러인 경우에, 도 7에 도시된 바와 같이, 제 2 반사면(113)의 표면에 볼록한 광투과성 재료(140a)를 형성한 후에, 볼록한 광투과성 재료(140a)의 외부 표면에 반사 코팅(140b)을 도포함으로써 릴레이 미러(140)가 형성될 수 있다. 또한, 만약 릴레이 미러(140)가 볼록 미러라면, 제 2 반사면(113)의 표면에 오목한 광투과성 재료를 형성한 후에, 오목한 광투과성 재료의 표면에 반사 코팅을 도포할 수 있다. 여기서, 광투과성 재료(140a)는 별도로 제작된 후 제 2 반사면(113) 위에 부착될 수도 있으며, 또는 제 2 반사면(113)과 함께 일체로 형성될 수도 있다. 릴레이 렌즈(150)도 마찬가지로 별도로 제작된 후에 제 2 광출사면(114) 위에 부착될 수도 있으며, 또는 제 2 광출사면(114)과 함께 일체로 형성될 수도 있다.
이러한 릴레이 미러(140)와 릴레이 렌즈(150)를 포함하는 전체적인 릴레이 시스템의 물체측 초점은 빔스플리터(100') 내부의 중간상에 위치할 수 있으며, 상측 초점은 이미지 센서(520,530)에 위치하도록 설계될 수 있다. 광학적 조건에 따라서는 릴레이 미러(140)와 릴레이 렌즈(150) 중에서 하나가 생략될 수도 있다.
도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 빔스플리터(200)의 구조를 개략적으로 도시하는 단면도이다. 도 1에 도시된 빔스플리터(100)의 경우, 광분리면(104)이 빔스플리터(100)의 정면과 측면 사이에 경사지게 형성되어 있어서, 빔스플리터(100)의 정면이 가시광선 대역의 광(RGB)과 적외선 대역의 광(IR)의 공동 광입사면(110)이 되고, 측면이 가시광선 대역의 광(RGB)을 위한 제 1 광출사면(111)이 되었다. 그리고, 적외선 대역의 광(IR)을 위한 제 2 광출사면(114)은 빔스플리터(100)의 저면에 위치하였다. 반면, 도 8에 도시된 빔스플리터(200)는 빔스플리터(200)의 정면과 저면 사이에 경사지게 배치된 광분리면(203)을 갖는다는 점에서 도 1에 도시된 빔스플리터(100)와 차이가 있다. 따라서, 도 8에 도시된 빔스플리터(200)의 경우, 정면이 가시광선 대역의 광(RGB)과 적외선 대역의 광(IR)의 공동의 광입사면(210)이 되고, 저면이 가시광선 대역의 광(RGB)을 위한 제 1 광출사면(214)이 된다.
더욱 구체적으로 설명하자면, 전체적으로 펜타 프리즘과 같은 다면체 프리즘의 형태를 갖는 빔스플리터(200)는 경사면을 갖도록 형성된 다면체 형태의 제 1 부분 프리즘(201)과 경사면을 갖도록 형성된 다면체 형태의 제 2 부분 프리즘(202)의 두 경사면이 접합되어 형성될 수 있다. 상기 제 1 부분 프리즘(201)과 제 2 부분 프리즘(202)의 접합면에는 파장에 따라 광을 반사 또는 투과시킬 수 있는 박막 코팅(미도시)이 도포되어 광분리면(203)을 형성한다. 예컨대, 박막 코팅은 비교적 파장이 짧은 가시광선 대역의 광(RGB)의 광을 반사하고 비교적 파장이 긴 적외선 대역의 광(IR)의 광을 투과시킬 수 있다. 따라서, 정면의 광입사면(210)을 통해 빔스플리터(200)의 내부로 입사한 가시광선 대역의 광(RGB)과 적외선 대역의 광(IR)은 광분리면(203)에서 분리될 수 있다. 예를 들어, 가시광선 대역의 광(RGB)은 광분리면(203)에서 반사되어 저면의 제 1 광출사면(214)을 통해 빔스플리터(200)의 외부로 출사된다. 이렇게, 상기 제 1 광출사면(214)을 통해 빔스플리터(200)의 외부로 출사된 가시광선 대역의 광(RGB)은, 예컨대 CCD와 같은 전용의 이미지 센서(220)에 전달될 수 있다. 이미지 센서(220)는 예를 들어 제 1 광출사면(214) 상에 직접 배치될 수도 있다.
도 8에 도시된 바와 같이, 광입사면(210)과 제 1 광출사면(214)은 각각 제 1 부분 프리즘(201)의 정면과 저면에 서로 인접하여 배치될 수 있다. 여기서, 광입사면(210)은 입사광이 수직으로 입사할 수 있도록 광축에 대해 수직하게 형성될 수 있다. 그러면, 입사광은 광입사면(210)에서 굴절되지 않고 진행 방향 그대로 빔스플리터(200)의 내부로 들어갈 수 있다.
적외선 대역의 광(IR)은 광분리면(203)을 통과하여 광입사면(210)의 맞은편에 있는 반사면(211)에 입사할 수 있다. 예를 들어, 상기 반사면(211)은 빔스플리터(200)의 제 2 부분 프리즘(202)의 배면에 배치될 수 있다. 또한, 반사면(211)의 표면에는 입사광을 반사할 수 있도록 반사 부재(215)가 배치되어 있다. 도 8에 도시된 실시예에서, 반사 부재(215)는 입사하는 적외선 대역의 광(IR)을 소정의 이득 파형으로 변조한 후 반사할 수 있는 반사형 변조기일 수 있다. 반사면(211)은 반사된 적외선 대역의 광(IR)이 이전의 경로로 되돌아가지 않도록 제 2 광출사면(213)을 향해 소정의 각도로 기울어져 있다. 따라서, 반사면(211)에서 반사된 적외선 대역의 광(IR)은 제 2 광출사면(213)으로 진행하게 된다.
그런데, 반사면(211)이 기울어진 각도가 지나치게 클 경우, 앞서 설명한 바와 같이, 반사형 변조기에 의해 변조 및 반사된 광에 왜곡이 발생할 수 있다. 따라서, 반사면(211)은 입사하는 적외선 대역의 광(IR)의 광축과 상기 반사면(211)의 법선 사이의 각도(θ)가 예를 들어 45도 이내가 되도록 배치될 수 있다. 그러나, 적외선 대역의 광(IR)의 광축과 반사면(211)의 법선이 완전히 일치하게 되면, 적외선 대역의 광(IR)이 이전의 경로로 되돌아가게 된다. 따라서 반사면(211)은, 입사하는 적외선 대역의 광(IR)의 광축과 상기 반사면(211)의 법선 사이의 각도가 0도보다 크도록 배치될 수 있다. 예를 들어, 적외선 대역의 광(IR)이 반사형 변조기에 입사하는 입사각(θ)은 약 22.5도 정도일 수 있다.
반사면(211)에서 반사된 적외선 대역의 광(IR)은, 빔스플리터(200)의 경사진 상부면에 배치된 제 2 광출사면(213)을 통해 빔스플리터(200)의 외부로 출사된다. 도 8에 도시된 바와 같이, 제 2 광출사면(213)은 제 2 부분 프리즘(202)의 경사진 상부면에 배치될 수 있다. 또한, 제 2 광출사면(213)은, 적외선 대역의 광(IR)이 상기 제 2 광출사면(213)에서 굴절되지 않고 빔스플리터(200)의 외부로 출사될 수 있도록, 반사면(211)에서 반사된 적외선 대역의 광(IR)의 진행 방향에 대해 수직하게 배치될 수 있다. 이렇게 제 2 광출사면(213)을 통해 빔스플리터(200)의 외부로 출사된 적외선 대역의 광(IR)은, 예컨대 CCD와 같은 전용의 이미지 센서(216)에 전달될 수 있다. 이러한 이미지 센서(216)는 예를 들어 제 2 광출사면(213) 상에 직접 배치될 수도 있다.
도 9는 이미지 센서(216)가 제 2 광출사면(213) 상에 직접 배치된 경우, 대물렌즈(250)에 의해 결상되는 적외선 대역의 광(IR)이 빔스플리터(200)를 통해 이미지 센서(216) 위로 결상되는 광 경로를 예시적으로 보여준다. 도 9를 참조하면, 대물렌즈(250)에 의해 포커싱되는 적외선 대역의 광(IR)은 빔스플리터(200)의 광입사면(210)을 통해 빔스플리터(200)의 내부로 들어간다. 그런 후, 반사면(211) 상에 반사형 변조기로서 배치된 반사 부재(215)에 의해 변조 및 반사된 다음, 적외선 대역의 광(IR)은 제 2 광출사면(213)을 통과하여 이미지 센서(216)로 입사한다. 도 9에 도시된 것처럼, 이 경우에 대물렌즈(250)의 초점은 이미지 센서(216) 위에 있게 된다.
상술한 바와 같이, 두 개의 반사면(112,113)을 갖는 도 1의 빔스플리터(100)와 달리, 도 8에 도시된 빔스플리터(200)는 단지 하나의 반사면(211)만을 갖는다. 또한 도 8의 빔스플리터(200)의 경우, 적외선 대역의 광(IR)이 출사하는 제 2 광출사면(213)이 제 2 부분 프리즘(202)에만 배치된다. 반면, 도 1에 도시된 빔스플리터(100)의 경우에는, 제 2 광출사면(114)이 제 1 부분 프리즘(102)의 저면과 제 2 부분 프리즘(103)의 저면에 의해 공동으로 형성된다. 도 1의 빔스플리터(100)는 또한 제 1 부분 프리즘(102)의 상면과 제 2 부분 프리즘(103)의 상면에 의해 공동으로 형성되는 제 2 반사면(113)을 갖는데, 도 8에 도시된 빔스플리터(200)는 두 부분 프리즘(201,202)에 의해 공동으로 형성되는 반사면을 갖지 않는다.
도 10은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 빔스플리터(300)의 구조를 개략적으로 도시하는 단면도이다. 도 10에 도시된 빔스플리터(300)는 전체적으로 펜타 프리즘과 같은 다면체 프리즘의 형태를 갖는 제 1 부분 프리즘(301)의 경사진 배면에 직각 삼각형 형태의 제 2 부분 프리즘(302)을 접합하여 형성될 수 있다. 제 1 부분 프리즘(301)과 제 2 부분 프리즘(302) 사이의 접합면에는 파장에 따라 광을 반사 또는 투과시킬 수 있는 박막 코팅(미도시)이 도포되어 광분리면(303)을 형성한다. 예를 들어, 박막 코팅은 비교적 파장이 짧은 가시광선 대역의 광(RGB)의 광을 투과시키고 비교적 파장이 긴 적외선 대역의 광(IR)의 광을 반사할 수 있다.
도 10을 참조하면, 가시광선 대역의 광(RGB)과 적외선 대역의 광(IR)의 공동 광입사면(310)은 제 1 부분 프리즘(301)의 정면에 배치되어 있다. 광입사면(310)을 통해 빔스플리터(300)의 내부로 입사한 가시광선 대역의 광(RGB)과 적외선 대역의 광(IR)은 광분리면(303)에서 분리될 수 있다. 예를 들어, 가시광선 대역의 광(RGB)은 광분리면(303)을 투과한 후, 제 2 부분 프리즘(302)의 배면에 배치된 제 1 광출사면(311)을 통해 빔스플리터(300)의 외부로 출사된다. 이렇게 제 1 광출사면(311)을 통해 빔스플리터(300)의 외부로 출사된 가시광선 대역의 광(RGB)은, 예컨대 CCD와 같은 전용의 이미지 센서(미도시)에 전달될 수 있다. 따라서, 도 10에 도시된 빔스플리터(300)의 경우, 광입사면(310)은 제 1 부분 프리즘(301)의 정면에 배치되고 제 1 광출사면(311)은 제 2 부분 프리즘(302)의 배면에 배치될 수 있다. 여기서, 광입사면(310)은 입사광이 수직으로 입사할 수 있도록 광축에 대해 수직하게 형성될 수 있다. 그러면, 입사광은 광입사면(310)에서 굴절되지 않고 진행 방향 그대로 빔스플리터(300)의 내부로 들어갈 수 있다.
한편, 적외선 대역의 광(IR)은 광분리면(303)에서 반사되어 제 1 부분 프리즘(301)의 경사진 상부면에 있는 반사면(312)에 입사할 수 있다. 이를 위해, 상기 광분리면(303)은 반사면(312)을 향해 경사지게 배치될 수 있다. 반사면(312)의 표면에는 입사광을 반사할 수 있도록 반사 부재(320)가 배치되어 있다. 도 10에 도시된 실시예에서, 반사 부재(320)는 입사하는 적외선 대역의 광(IR)을 소정의 이득 파형으로 변조한 후 반사할 수 있는 반사형 변조기일 수 있다. 반사면(312)은 반사된 적외선 대역의 광(IR)이 이전의 경로로 되돌아가지 않도록 제 2 광출사면(313)을 향해 소정의 각도로 기울어져 있다. 따라서, 반사면(312)에서 반사된 적외선 대역의 광(IR)은 제 2 광출사면(313)으로 진행하게 된다.
앞서 설명한 바와 같이, 반사면(312)이 기울어진 각도가 지나치게 클 경우, 반사형 변조기에 의해 변조 및 반사된 광에 왜곡이 발생할 수 있다. 따라서, 반사면(312)은 입사하는 적외선 대역의 광(IR)의 광축과 상기 반사면(312)의 법선 사이의 각도(θ)가 예를 들어 45도 이내가 되도록 배치될 수 있다. 그러나, 적외선 대역의 광(IR)의 광축과 반사면(312)의 법선이 완전히 일치하게 되면, 적외선 대역의 광(IR)이 이전의 경로로 되돌아가게 된다. 따라서 반사면(312)은, 입사하는 적외선 대역의 광(IR)의 광축과 상기 반사면(312)의 법선 사이의 각도가 0도보다 크도록 배치될 수 있다. 예를 들어, 적외선 대역의 광(IR)이 반사형 변조기에 입사하는 입사각(θ)은 약 22.5도 정도일 수 있다.
반사면(312)에서 반사된 적외선 대역의 광(IR)은, 빔스플리터(300)의 저면에 배치된 제 2 광출사면(313)을 통해 빔스플리터(300)의 외부로 출사된다. 도 10에 도시된 바와 같이, 제 2 광출사면(313)은 제 1 부분 프리즘(301)의 저면에 배치될 수 있다. 빔스플리터(300)의 저면은 제 1 부분 프리즘(301)의 저면과 제 2 부분 프리즘(302)의 저면에 의해 공동으로 형성되지만, 반사된 적외선 대역의 광(IR)은 대부분 제 1 부분 프리즘(301)의 저면에 배치된 제 2 광출사면(313)을 통해서만 빔스플리터(300)의 외부로 출사될 수 있다. 제 2 광출사면(313)은, 적외선 대역의 광(IR)이 상기 제 2 광출사면(313)에서 굴절되지 않고 빔스플리터(300)의 외부로 출사될 수 있도록, 반사면(312)에서 반사된 적외선 대역의 광(IR)의 진행 방향에 대해 수직하게 배치될 수 있다. 제 2 광출사면(313)을 통해 빔스플리터(300)의 외부로 출사된 적외선 대역의 광(IR)은, 예컨대 CCD와 같은 전용의 이미지 센서(미도시)에 전달될 수 있다.
상술한 도 8 및 도 10에 도시된 빔스플리터(200,300)도 역시 도 1에 도시된 빔스플리터(100)와 마찬가지로, 도 6에 도시된 3차원 영상 획득 장치(500)에 그대로 채용될 수 있다.
지금까지, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 3D 카메라용 빔스플리터 및 상기 빔스플리터를 채용한 3차원 영상 획득 장치에 대한 예시적인 실시예가 설명되고 첨부된 도면에 도시되었다. 그러나, 이러한 실시예는 단지 본 발명을 예시하기 위한 것이고 이를 제한하지 않는다는 점이 이해되어야 할 것이다. 그리고 본 발명은 도시되고 설명된 설명에 국한되지 않는다는 점이 이해되어야 할 것이다. 이는 다양한 다른 변형이 본 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 일어날 수 있기 때문이다.
100, 100', 200, 300.....빔스플리터
101.....펜타 프리즘
102, 201, 301.....제 1 부분 프리즘
103, 202, 302.....제 2 부분 프리즘
104, 203, 303.....광분리면 105.....박막 코팅
106, 107, 320.....반사 부재 110, 210, 310.....광입사면
111, 214, 311.....제 1 광출사면
112, 113, 211, 312.....반사면 114, 213, 313.....제 2 광출사면
140.....릴레이 미러 150.....릴레이 렌즈
215.....반사형 변조기 216.....이미지 센서
250, 510.....대물렌즈 500.....3차원 영상 획득 장치
220, 520, 530.....이미지 센서 540.....광원
550.....영상 신호 처리부

Claims (33)

  1. 제 1 파장 대역의 광 및 상기 제 1 파장 대역의 광과 다른 대역인 제 2 파장 대역의 광이 공동으로 입사하는 광입사면;
    상기 광입사면에 대해 경사지게 배치된 것으로, 제 1 파장 대역의 광을 반사하고 제 2 파장 대역의 광을 투과시키는 광분리면;
    상기 광분리면에서 반사된 제 1 파장 대역의 광이 출사하는 제 1 광출사면;
    상기 광분리면을 투과한 제 2 파장 대역의 광을 반사하는 제 1 반사면;
    상기 제 1 반사면에서 반사된 제 2 파장 대역의 광을 반사하는 제 2 반사면; 및
    상기 제 2 반사면에서 반사된 제 2 파장 대역의 광이 출사하는 제 2 광출사면;을 포함하는 빔스플리터.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 광입사면, 제 1 광출사면 및 제 2 광출사면은 상기 각각의 광입사면, 제 1 광출사면 및 제 2 광출사면을 통과하는 광의 광축에 대해 수직하게 배치되어 있는 빔스플리터.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 2 광출사면은 상기 광입사면, 제 1 광출사면 및 제 1 반사면과 서로 인접하고 상기 제 2 반사면과 대향하도록 배치되어 있는 빔스플리터.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 반사면의 표면에 배치된 제 1 반사 부재, 및 제 2 반사면의 표면에 배치된 제 2 반사 부재를 더 포함하는 빔스플리터.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 제 1 반사 부재 및 제 2 반사 부재 중에서 어느 하나는 제 2 파장 대역의 광을 변조하여 반사하는 반사형 변조기이며, 다른 하나는 반사 미러인 빔스플리터.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 제 1 반사면은 상기 제 2 반사면을 향해 기울어져 배치되어 있으며, 상기 제 2 반사면은 상기 제 2 광출사면을 향해 기울어져 배치되어 있는 빔스플리터.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 제 1 반사면과 제 2 반사면 중에서, 상기 반사형 변조기가 배치되어 있는 반사면은, 입사하는 제 2 파장 대역의 광의 광축과 상기 반사형 변조기가 배치되어 있는 반사면의 법선 사이의 각도가 0도보다 크고 45도 이내가 되도록 기울어져 있는 빔스플리터.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 반사형 변조기에 입사하는 제 2 파장 대역의 광의 입사각은 22.5도인 빔스플리터.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 빔스플리터는 다면체 형태의 제 1 부분 프리즘과 제 2 부분 프리즘이 접합되어 형성되는 빔스플리터.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 광분리면은 제 1 파장 대역의 광을 반사하고 제 2 파장 대역의 광을 투과시키는 박막 코팅을 포함하며, 상기 박막 코팅은 상기 제 1 부분 프리즘과 제 2 부분 프리즘 사이의 접합면에 형성되는 빔스플리터.
  11. 제 9 항에 있어서,
    상기 광입사면과 제 1 광출사면은 각각 상기 제 1 부분 프리즘의 정면과 측면에 서로 인접하여 배치되어 있는 빔스플리터.
  12. 제 9 항에 있어서,
    상기 제 1 반사면은 상기 광입사면과 대향하도록 상기 제 2 부분 프리즘의 배면에 배치되어 있는 빔스플리터.
  13. 제 9 항에 있어서,
    상기 제 2 반사면은 상기 제 1 부분 프리즘의 경사진 상면과 상기 제 2 부분 프리즘의 경사진 상면에 의해 공동으로 형성되며, 상기 제 2 광출사면은 상기 제 1 부분 프리즘의 저면과 상기 제 2 부분 프리즘의 저면에 의해 공동으로 형성되는 빔스플리터.
  14. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 2 광출사면의 표면에 배치된 릴레이 렌즈를 더 포함하는 빔스플리터.
  15. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 반사면과 제 2 반사면 중에서 어느 한 반사면의 표면에 배치된 릴레이 미러를 더 포함하는 빔스플리터.
  16. 제 1 파장 대역의 광 및 상기 제 1 파장 대역의 광과 다른 대역인 제 2 파장 대역의 광이 공동으로 입사하는 광입사면;
    상기 광입사면에 대해 경사지게 배치된 것으로, 제 1 파장 대역의 광을 반사하고 제 2 파장 대역의 광을 투과시키는 광분리면;
    상기 광분리면에서 반사된 제 1 파장 대역의 광이 출사하는 제 1 광출사면;
    상기 광분리면을 투과한 제 2 파장 대역의 광을 반사하는 반사면;
    상기 반사면에서 반사된 제 2 파장 대역의 광이 출사하는 제 2 광출사면; 및
    상기 반사면에 배치된 것으로서, 제 2 파장 대역의 광을 변조하여 반사하는 반사형 변조기;를 포함하는 빔스플리터.
  17. 제 16 항에 있어서,
    상기 광입사면, 제 1 광출사면 및 제 2 광출사면은 상기 각각의 광입사면, 제 1 광출사면 및 제 2 광출사면을 통과하는 광의 광축에 대해 수직하게 배치되어 있는 빔스플리터.
  18. 제 16 항에 있어서,
    상기 반사면은, 입사하는 제 2 파장 대역의 광의 광축과 상기 반사면의 법선 사이의 각도가 0도보다 크고 45도 이내가 되도록, 상기 제 2 광출사면을 향해 기울어져 있는 빔스플리터.
  19. 제 18 항에 있어서,
    상기 반사면에 입사하는 제 2 파장 대역의 광의 입사각은 22.5도인 빔스플리터.
  20. 제 16 항에 있어서,
    상기 빔스플리터는 다면체 형태의 제 1 부분 프리즘과 제 2 부분 프리즘이 접합되어 형성되고, 상기 광분리면은 제 1 파장 대역의 광을 반사하고 제 2 파장 대역의 광을 투과시키는 박막 코팅을 포함하며, 상기 박막 코팅은 상기 제 1 부분 프리즘과 제 2 부분 프리즘 사이의 접합면에 형성되는 빔스플리터.
  21. 제 20 항에 있어서,
    상기 광입사면과 제 1 광출사면은 각각 상기 제 1 부분 프리즘의 정면과 저면에 서로 인접하여 배치되어 있는 빔스플리터.
  22. 제 20 항에 있어서,
    상기 반사면과 제 2 광출사면은 각각 상기 제 2 부분 프리즘의 경사진 배면과 경사진 상부면에 배치되어 있는 빔스플리터.
  23. 제 1 파장 대역의 광 및 상기 제 1 파장 대역의 광과 다른 대역인 제 2 파장 대역의 광이 공동으로 입사하는 광입사면;
    상기 광입사면에 대해 경사지게 배치된 것으로, 제 1 파장 대역의 광을 투과시키고 제 2 파장 대역의 광을 반사하는 광분리면;
    상기 광분리면을 투과한 제 1 파장 대역의 광이 출사하는 제 1 광출사면;
    상기 광분리면에서 반사된 제 2 파장 대역의 광을 반사하는 반사면;
    상기 반사면에서 반사된 제 2 파장 대역의 광이 출사하는 제 2 광출사면; 및
    상기 반사면에 배치된 것으로서, 제 2 파장 대역의 광을 변조하여 반사하는 반사형 변조기;를 포함하는 빔스플리터.
  24. 제 23 항에 있어서,
    상기 광입사면, 제 1 광출사면 및 제 2 광출사면은 상기 각각의 광입사면, 제 1 광출사면 및 제 2 광출사면을 통과하는 광의 광축에 대해 수직하게 배치되어 있는 빔스플리터.
  25. 제 23 항에 있어서,
    상기 반사면은, 입사하는 제 2 파장 대역의 광의 광축과 상기 반사면의 법선 사이의 각도가 0도보다 크고 45도 이내가 되도록, 상기 제 2 광출사면을 향해 기울어져 있는 빔스플리터.
  26. 제 25 항에 있어서,
    상기 반사면에 입사하는 제 2 파장 대역의 광의 입사각은 22.5도인 빔스플리터.
  27. 제 23 항에 있어서,
    상기 빔스플리터는 다면체 프리즘의 형태를 갖는 제 1 부분 프리즘의 경사진 배면에 직각 삼각형 형태의 제 2 부분 프리즘이 접합되어 형성되고, 상기 광분리면은 제 1 파장 대역의 광을 투과시키고 제 2 파장 대역의 광을 반사하는 박막 코팅을 포함하며, 상기 박막 코팅은 상기 제 1 부분 프리즘과 제 2 부분 프리즘 사이의 접합면에 형성되는 빔스플리터.
  28. 제 27 항에 있어서,
    상기 광입사면, 반사면 및 제 2 광출사면은 각각 상기 제 1 부분 프리즘의 정면, 경사진 상부면 및 저면에 배치되어 있으며, 상기 제 1 광출사면은 상기 제 2 부분 프리즘의 배면에 배치되어 있는 빔스플리터.
  29. 피사체에 적외선광을 조사하기 위한 적외선 광원;
    피사체로부터 반사된 가시광과 적외선광을 포커싱하기 위한 대물렌즈;
    가시광과 적외선광을 서로 다른 경로로 분리하기 위한 것으로, 제 1 항 내지 제 28 항 중 어느 한 항에 따른 빔스플리터;
    가시광에 대한 영상을 생성하기 위한 제 1 이미지 센서;
    적외선광에 대한 영상을 생성하기 위한 제 2 이미지 센서; 및
    상기 제 1 및 제 2 이미지 센서에서 생성된 영상들을 이용하여 깊이 정보를 갖는 3D 영상을 생성하는 3D 영상 신호 처리기;를 포함하는 3차원 영상 획득 장치.
  30. 제 29 항에 있어서,
    상기 제 1 파장 대역의 광은 가시광이고 상기 제 2 파장 대역의 광은 적외선광인 3차원 영상 획득 장치.
  31. 제 29 항에 있어서,
    상기 빔스플리터는 가시광과 적외선광을 분리하여, 가시광을 상기 제 1 이미지 센서에 제공하고 적외선광을 제 2 이미지 센서에 제공하도록 구성된 3차원 영상 획득 장치.
  32. 제 29 항에 있어서,
    상기 제 1 이미지 센서는 상기 빔스플리터의 제 1 광출사면과 대향하여 배치되고, 상기 제 2 이미지 센서는 상기 빔스플리터의 제 2 광출사면과 대향하여 배치되는 3차원 영상 획득 장치.
  33. 제 32 항에 있어서,
    상기 제 1 이미지 센서는 상기 빔스플리터의 제 1 광출사면 상에 직접 배치되고, 상기 제 2 이미지 센서는 상기 빔스플리터의 제 2 광출사면 상에 직접 배치되는 3차원 영상 획득 장치.
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