KR20120066499A - 조명 광학계 및 이를 포함하는 3차원 영상 획득 장치 - Google Patents

조명 광학계 및 이를 포함하는 3차원 영상 획득 장치 Download PDF

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Abstract

조명 광학계 및 이를 포함하는 3차원 영상 획득 장치가 개시된다. 개시된 3차원 영상 획득 장치용 조명 광학계는, 3차원 영상 획득 장치의 촬영 시야와 일치하는 조명 시야를 제공하기 위하여 소정의 단면 형상을 갖는 빔성형 소자를 포함할 수 있다. 빔성형 소자는 그의 단면 형태에 따라 조명빔의 형태를 조절할 수 있다. 따라서, 3차원 영상 획득 장치의 촬영 시야 내에 조명빔을 집중시킴으로써 피사체로부터의 반사광의 광량을 증가시켜 깊이 정보의 정확성이 향상될 수 있다. 또한, 빔성형 소자는 광의 산란이나 흡수 없이 조명빔을 균질하게 하기 때문에, 스펙클 잡음을 효율적으로 억제할 수 있다.

Description

조명 광학계 및 이를 포함하는 3차원 영상 획득 장치{Illumination optical system and 3D image acquisition apparatus including the same}
개시된 발명은 조명 광학계 및 이를 이용한 3차원 영상 획득 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 깊이 정보의 정확성이 향상될 수 있도록 3차원 영상 획득 장치의 촬영 시야(field of view)와 일치하는 조명 시야(field of illumination)를 갖는 조명 광학계 및 이를 이용한 3차원 영상 획득 장치에 관한 것이다.
최근, 깊이감 있는 영상을 표시할 수 있는 3D 디스플레이 장치의 발전 및 수요 증가와 함께 3D 컨텐츠의 중요성이 부각되고 있다. 이에 따라, 일반 사용자가 3D 컨텐츠를 직접 제작할 수 있는 3D 카메라와 같은 3차원 영상 획득 장치가 연구되고 있다. 이러한 3D 카메라는 한번의 촬영으로 기존의 2차원 컬러 영상 정보와 함께 깊이(depth) 정보도 얻을 수 있어야 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 깊이 정보에 대한 정확도가 급격히 저하되고 피사체의 표면 상태에 의존적이어서 정밀한 깊이 정보를 얻기 어렵다.
이러한 문제를 개선하기 위하여 광시간비행법(Time-of-Flight; TOF)이 도입되었다. TOF 기술은 조명광을 피사체에 조사한 후, 피사체로부터 반사되는 광이 수광부에서 수광되기까지의 광 비행시간을 측정하는 방법이다. TOF 기술에 따르면, 발광 다이오드(LED) 또는 레이저 다이오드(LD)를 포함하는 조명 광학계를 이용하여 특정 파장의 빛(예컨대, 850nm의 근적외선)을 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.
이와 같이 조명 광학계를 이용하여 빛을 투사하고 반사광을 이용하여 거리를 측정하는 경우에, 3D 카메라에 입사되는 반사광의 광량이 증가할수록 깊이 정보의 정확도가 증가할 수 있다. 3D 카메라의 깊이 정보 추출을 위한 신호처리 과정에서, 신호대 잡음비는 입사되는 광량에 비례하고, 깊이 정보의 정확도는 신호대 잡음비가 클수록 증가하기 때문이다. 그런데, 일반적으로 3D 카메라의 촬영 시야와 조명 광학계의 조명 시야가 다르기 때문에, 조명광의 상당 부분이 깊이 정보의 추출에 사용되지 못하고 낭비될 수 있다. 따라서, 3D 카메라에 입사되는 반사광의 광량이 최대한 커지도록 조명 광학계를 효율적으로 설계할 필요가 있다.
또한, 3D 카메라의 깊이 정보의 정확도를 높이기 위해서는 단일 파장을 갖는 LD, LED 등의 가간섭성(coherent) 광원을 사용하는 것이 유리하다. 그런데, 가간섭성 광은 피사체로부터 반사될 때 스펙클 잡음(speckle noise)이 존재하여 촬영된 영상의 품질을 떨어뜨릴 수 있다. 이러한 스펙클 잡음을 제거하기 위하여 간유리와 같은 확산판(diffuser)을 사용할 수 있는데, 이 경우 확산판에 의한 광의 산란 및 흡수로 인하여 깊이 정보의 정확도가 저하될 수도 있다.
3차원 영상 획득 장치의 깊이 정보의 정확성을 향상시킬 수 있는 조명 광학계가 제공된다.
또한, 스펙클 잡음을 효율적으로 억제할 수 있는 조명 광학계가 제공된다.
또한, 상술한 조명 광학계를 포함하는 3차원 영상 획득 장치가 제공된다.
본 발명의 일 유형에 따르면, 광원; 상기 광원에서 방출된 광을 균질화하고 광의 빔 단면 형태를 변화시키는 빔성형 소자; 및 상기 빔성형 소자의 광출사면을 통해 나온 광을 피사체 위로 포커싱하는 렌즈 장치;를 포함하는 3차원 영상 획득 장치용 조명 광학계가 제공될 수 있다.
여기서, 상기 빔성형 소자의 광출사면을 통해 나온 광의 빔 단면 형태는 상기 빔성형 소자의 단면 형태와 동일하며, 상기 빔성형 소자의 단면 형태는 3차원 영상 획득 장치의 촬영 시야와 일치할 수 있다.
상기 조명 광학계는 상기 광원과 빔성형 소자 사이에 배치되어 광원에서 방출된 광을 상기 빔성형 소자의 광입사면으로 안내하는 매칭 렌즈를 더 포함할 수 있다.
상기 빔성형 소자는 광입사면과 광출사면에 각각 코팅된 반사방지 코팅을 포함할 수 있다.
상기 빔성형 소자의 둘레면에는 반사 코팅이 형성될 수 있으며, 상기 광입사면을 통해 상기 빔성형 소자의 내부로 들어온 광은 전반사를 통해 상기 광출사면으로 진행할 수 있다.
예를 들어, 상기 빔성형 소자는 투명한 재질로 이루어진 인티그레이터 막대일 수 있다.
예를 들어, 상기 인티그레이터 막대는 직사각형 형태의 단면을 가질 수 있다.
상기 조명 광학계는 상기 광원으로부터 방출된 광을 빔성형 소자의 내부로 안내하는 광도파로를 더 포함할 수 있다.
예를 들어, 상기 광도파로의 제 1 단부는 상기 광원에 부착되어 있으며, 상기 광도파로의 제 2 단부는 상기 빔성형 소자의 측면에 부착되어 있다.
상기 광도파로는, 상기 빔성형 소자의 내부로 안내된 광이 상기 빔성형 소자의 광출사면을 향해 진행할 수 있도록, 상기 빔성형 소자의 측면에 대해 기울어지게 배치될 수 있다.
다수의 광원이 다수의 광도파로를 통해 상기 빔성형 소자의 측면에 배치될 수 있다.
상기 빔성형 소자는 직사각형 형태의 단면을 가지며, 상기 빔성형 소자의 네 측면에 각각 적어도 하나의 광원과 적어도 하나의 광도파로가 배치될 수 있다.
상기 조명 광학계는 다수의 상기 광원을 포함할 수 있으며, 상기 다수의 광원과 상기 빔성형 소자 사이에 각각 배치되어 상기 다수의 광원에서 방출된 광을 각각 상기 빔성형 소자의 광입사면으로 안내하는 다수의 매칭 렌즈를 더 포함할 수 있다.
상기 다수의 광원들과 상기 다수의 매칭 렌즈들 중에서 적어도 일부의 광원과 적어도 일부의 매칭 렌즈는 상기 빔성형 소자의 광입사면을 향해 광축이 기울어질 수 있다.
상기 빔성형 소자는 광출사면이 광입사면보다 작도록 테이퍼진 형태를 가질 수 있다.
상기 조명 광학계는 다수의 상기 광원 및 상기 다수의 광원에 대응하는 다수의 상기 빔성형 소자를 포함할 수 있으며, 상기 다수의 광원과 상기 다수의 빔성형 소자 사이에 각각 배치되어 상기 다수의 광원에서 방출된 광을 상기 다수의 빔성형 소자의 광입사면으로 각각 안내하는 다수의 매칭 렌즈를 더 포함할 수 있다.
상기 다수의 빔성형 소자들은 높이 방향과 폭 방향 중에서 적어도 하나의 방향으로 인접하여 배치될 수 있다.
이 경우, 상기 다수의 빔성형 소자들의 폭의 합과 상기 다수의 빔성형 소자들의 높이의 합의 비율은 상기 3차원 영상 획득 장치의 촬영 시야의 종횡비와 일치할 수 있다.
상기 렌즈 장치는 예를 들어 줌 렌즈일 수 있다.
한편, 본 발명의 다른 유형에 따르면, 피사체로부터의 영상을 포커싱하는 대물렌즈; 상기 대물렌즈에 의해 포커싱된 영상을 처리하여 영상 신호를 만드는 영상 처리부; 피사체에 대한 깊이 정보를 얻기 위해 피사체를 조명하는 상술한 구성의 조명 광학계; 및 상기 대물렌즈, 영상 처리부 및 조명 광학계의 동작을 제어하는 제어부;를 포함하는 3차원 영상 획득 장치가 제공될 수 있다.
개시된 조명 광학계는 3차원 영상 획득 장치의 촬영 시야와 일치하는 조명 시야를 갖도록 설계될 수 있다. 따라서, 광원의 출력을 증가시키지 않고도 반사광의 수광량을 증가시킬 수 있다. 예를 들어, 촬영 시야가 약 4:3 비율의 직사각형의 형태를 갖는다면, 조명 시야도 역시 약 4:3 비율의 직사각형의 형태를 갖도록 조명빔의 단면 형태를 조절할 수 있다. 이 경우, 원형 단면을 갖는 조명빔을 조사하는 경우에 비해 약 60% 정도의 수광량 향상을 얻을 수 있다.
또한, 개시된 조명 광학계는 인티그레이터 막대(integrator rod)를 사용함으로써, 가간섭성 광에서 발생하는 스펙클 잡음을 광손실 없이 효율적으로 억제할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 영상 획득 장치의 구조를 예시적으로 보이는 개념도이다.
도 2는 도 1에 도시된 조명 광학계의 본 발명의 일 실시예에 따른 구조를 개략적으로 보이는 개념도이다.
도 3은 도 2에 도시된 조명 광학계의 빔성형 소자(beam shaping element)의 A-A' 단면을 개략적으로 보이는 단면도이다.
도 4는 도 2에 도시된 조명 광학계에서 방출되는 조명빔의 단면 형상에 따른 조명 효율의 증가를 설명하는 도면이다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 조명 광학계의 구조를 개략적으로 보이는 개념도이다.
도 6은 도 5에 도시된 광원과 광도파로가 빔성형 소자의 모든 측면에 배치된 예를 개략적으로 보이는 단면도이다.
도 7은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 조명 광학계의 구조를 개략적으로 보이는 개념도이다.
도 8은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 조명 광학계의 구조를 개략적으로 보이는 개념도이다.
도 9는 도 8에 도시된 빔성형 소자 어레이의 배열 구조의 한 예를 개략적으로 보이는 단면도이다.
도 10은 도 8에 도시된 빔서형 소자 어레이의 배열 구조의 다른 예를 개략적으로 보이는 단면도이다.
도 11은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 조명 광학계의 구조를 개략적으로 보이는 개념도이다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여, 조명 광학계 및 이를 포함하는 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 3차원 영상 획득 장치(100)의 구조를 예시적으로 보이는 개념도이다. 도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 영상 획득 장치(100)는 피사체(200)로부터의 영상을 포커싱하는 대물렌즈(110), 상기 대물렌즈(110)에 의해 포커싱된 영상을 처리하여 영상 신호를 만드는 영상 처리부(120), 피사체(200)에 대한 깊이 정보를 얻기 위해 피사체(200)를 조명하는 조명 광학계(130), 및 상기 대물렌즈(110), 영상 처리부(120) 및 조명 광학계(130)의 동작을 제어하는 제어부(140)를 포함할 수 있다. 이러한 구조에서, 조명 광학계(130)는 피사체(200)에 적외선 광을 조사한다. 피사체(200)에 의해 반사된 적외선 광은 대물렌즈(110)에 의해 영상 처리부(120) 위로 포커싱된다. 동시에, 피사체(200)로부터 반사된 일반적인 가시광도 역시 영상 처리부(120) 위로 포커싱된다. 영상 처리부(120)는 공지된 TOF 기술에 따라 적외선 광을 변조하여 깊이 정보를 추출하기 위한 깊이 영상 신호를 생성할 수 있다. 또한, 영상 처리부(120)는 가시광을 이용하여 일반적인 RGB 영상 신호를 생성할 수 있다. 제어부(140)는 영상 처리부(120)에서 생성된 깊이 영상 신호와 RGB 영상 신호를 이용하여 피사체(200)에 대한 깊이 정보를 계산하고, 사용자가 볼 수 있는 영상을 생성할 수 있다.
상술한 바와 같이, 피사체(200)에 대한 깊이 정보를 얻는 과정은 조명 광학계(130)에서 방출된 조명빔에 의존하기 때문에, 정확한 깊이 정보를 얻기 위해서는 조명 광학계(130)의 역할이 중요하다. 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따라 깊이 정보의 정확도를 향상시킬 수 있는 조명 광학계(130)의 구조를 개략적으로 보이는 개념도이다. 도 2를 참조하면, 조명 광학계(130)는 광원(131), 상기 광원(131)에서 방출된 광을 균질화하고 광빔의 단면 형태를 소정의 형태로 변화시키는 빔성형 소자(133), 상기 광원(131)과 빔성형 소자(133) 사이에 배치되어 광원(131)에서 방출된 광을 빔성형 소자(133)의 광입사면(133i)으로 안내하는 매칭 렌즈(132), 및 상기 빔성형 소자(133)의 광출사면(133e)을 통해 나온 광을 피사체(200) 위로 포커싱하는 렌즈 장치(134)를 포함할 수 있다.
광원(131)은, 예를 들어, 안전을 위해 인간의 눈에는 보이지 않는 약 850nm의 근적외선(NIR) 파장을 갖는 광을 방출시킬 수 있는 발광 다이오드(LED) 또는 레이저 다이오드(LD)를 사용할 수 있다. 그러나, 이는 단지 예시적인 것이며, 설계에 따라서는 적절한 다른 파장 대역의 광과 다른 종류의 광원을 사용할 수도 있다. 또한, 광원(131)은 제어부(140)로부터 수신된 제어 신호에 따라 예를 들어 사인파, 램프파, 사각파 등과 같이 특수하게 정의된 파형을 갖는 광을 방출할 수 있다.
광원(131)에서 방출된 광은 매칭 렌즈(132)를 통해 빔성형 소자(133)의 광입사면(133i)으로 안내된다. 빔성형 소자(133)는 예를 들어 유리 또는 광투과성 플라스틱과 같은 투명한 재질로 이루어진 인티그레이터 막대(integrator rod)일 수 있다. 빔성형 소자(133)의 광입사면(133i)과 광출사면(133e)에는 광의 반사 손실을 줄이기 위하여 반사방지(anti-reflection) 코팅이 형성될 수 있다. 또한, 빔성형 소자(133)의 둘레면에는 고반사 코팅(135)이 형성될 수 있다. 고반사 코팅(135)은 예를 들어 반사도가 높은 Au나 Ag 등의 금속을 빔성형 소자(133)의 둘레면에 증착하여 형성된 금속 미러일 수 있다. 또는, 고반사 코팅(135)은 광원(131)에서 방출된 근적외선 대역의 광에 대해 약 99% 이상의 반사도를 갖도록 설계된 다층 구조의 유전체 미러일 수도 있다. 따라서, 광입사면(133i)에 입사한 광은 내부 전반사를 통해 빔성형 소자(133)의 내부를 진행하여 빔성형 소자(133)의 광출사면(133e)으로 나오게 된다.
이때, 광출사면(133e)을 통해 출사된 광은 빔성형 소자(133)의 단면 형태와 동일한 형태의 빔 단면을 갖게 된다. 빔성형 소자(133)의 단면 형태는 3차원 영상 획득 장치(100)의 촬영 시야(field of view)와 실질적으로 동일한 형태일 수 있다. 도 3은 도 2에 도시된 빔성형 소자(133)의 A-A' 단면을 개략적으로 보이는 단면도이다. 도 3에 도시된 바와 같이, 빔성형 소자(133)는 직사각형의 단면 형태를 가질 수 있다. 예를 들어, 3차원 영상 획득 장치(100)가 일반적인 카메라와 마찬가지로 종횡비 4:3의 촬영 시야를 갖는 경우, 빔성형 소자(133)의 폭(w)과 높이(h)의 비율은 촬영 시야와 같은 4:3일 수 있다. 그러면, 조명 광학계(130)에 의해 조명되는 피사체(200)의 조명 시야(field of illumination)는 3차원 영상 획득 장치(100)의 촬영 시야와 일치하게 된다.
도 4는 조명 광학계(130)의 조명 시야가 3차원 영상 획득 장치(100)의 촬영 시야와 일치할 경우의 이점을 설명하기 위한 도면이다. 도 4에서 A로 표시된 원은 원형 단면을 갖는 종래의 조명 광학계의 조명 시야를 나타내며, B로 표시된 직사각형은 3차원 영상 획득 장치(100)의 촬영 시야를 나타낸다. 앞서 설명한 바와 같이 3차원 영상 획득 장치(100)는 종횡비 4:3의 직사각형 형태의 촬영 시야를 갖기 때문에, 조명 시야의 단면이 원형인 경우에 조명광의 상당 부분이 낭비될 수 있다. 즉, 도 4에서 직사각형(B)의 바깥쪽에 있는 원(A)의 내부는 촬영 시야와 일치하지 않기 때문에 깊이 정보의 추출에 사용되지 않고 낭비되는 조명광 부분이 될 수 있다. 따라서, 조명광을 직사각형(B)의 촬영 시야 내에 모두 집중시킨다면, 즉 조명 시야를 촬영 시야에 일치하도록 형성한다면, 광 효율이 증가하기 때문에 광원(131)의 출력을 증가시키지 않고도 깊이 정보의 정확도를 향상시킬 수 있을 것이다.
예를 들어, 원(A)의 직경이 d라면, 원(A)의 넓이는 (π/4)ㆍd2이다. 그리고, 종횡비 4:3을 가지며 상기 원(A)과 접하는 직사각형(B)의 넓이는 (12/25)ㆍd2이다. 따라서, 조명광을 직사각형(B) 내에 집중시킨다면, 광 효율은 (원(A)의 넓이)/(직사각형(B)의 넓이) = 25π/48 = 1.64 정도로 증가할 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따르면, 3차원 영상 획득 장치(100)의 촬영 시야와 동일한 단면 형태를 갖는 빔성형 소자(133)를 사용함으로써, 조명 광학계(130)의 조명 시야와 3차원 영상 획득 장치(100)의 촬영 시야가 일치하게 될 수 있다. 따라서, 광 효율이 약 60% 이상 증가하여, 깊이 정보의 정확도를 향상시킬 수 있다.
또한, 빔성형 소자(133)의 내부에서 광이 연속적으로 전반사를 겪는 동안, 여러 경로로 진행하는 광들이 서로 섞이면서 조명 단면을 따른 광 세기가 전체적으로 균질화될 수 있다. 그 결과, 조명 시야 내의 어느 점들에서도 광의 세기가 거의 동일할 수 있다. 또한, 가간섭성 광의 사용시에 발생하는 스펙클 잡음이 광손실 없이 효율적으로 완화 및 억제될 수 있다. 따라서, 깊이 정보의 정확도를 더욱 향상시킬 수 있다.
다시 도 2를 참조하면, 빔성형 소자(133)로부터 나온 광은 렌즈 장치(134)를 통해 피사체(200)에 포커싱된다. 상술한 바와 같이, 피사체(200)에 포커싱되는 광은 3차원 영상 획득 장치(100)의 촬영 시야 내에 집중될 수 있다. 이를 위해서는 빔성형 소자(133)의 단면 형태뿐만 아니라 렌즈 장치(134)의 포커싱 역할도 중요할 수 있다. 즉, 렌즈 장치(134)는 3차원 영상 획득 장치(100)의 촬영 시야와 일치하는 영역 내에 광을 조사할 수 있도록 하는 적절한 배율을 갖도록 구성된다. 도 2에는 렌즈 장치(134)가 편의상 단지 하나의 렌즈 소자만으로 표시되어 있지만, 렌즈 장치(134)는 예를 들어 다수의 렌즈들을 갖는 가변 배율의 줌 렌즈일 수 있다. 3차원 영상 획득 장치(100)의 대물렌즈(110)가 줌 렌즈인 경우, 렌즈 장치(134)의 줌 배율은 3차원 영상 획득 장치(100)의 대물렌즈(110)의 줌 배율에 연동하여 조절될 수 있다. 예를 들어, 제어부(140)는 3차원 영상 획득 장치(100)의 대물렌즈(110)와 조명 광학계(130)의 렌즈 장치(134)를 동시에 제어하여 상기 대물렌즈(110)와 렌즈 장치(134)가 동일한 줌 배율을 갖도록 조절할 수 있다.
한편, 조명광의 세기가 커질수록 깊이 정보의 정확도가 증가할 수 있으므로, 조명 광학계는 다수의 광원들을 포함할 수도 있다. 도 5는 다수의 광원(131)들을 포함하는 본 발명의 다른 실시예에 따른 조명 광학계(230)의 구조를 예시적으로 보이는 개념도이다. 도 5를 참조하면, 조명 광학계(230)는 광을 균질화하고 광빔의 단면 형태를 소정의 형태로 변화시키는 빔성형 소자(133), 상기 빔성형 소자(133)의 측면들에 배열된 다수의 광원(131), 상기 다수의 광원(131)으로부터 방출된 광을 빔성형 소자(133)의 내부로 안내하는 다수의 광도파로(136), 및 상기 빔성형 소자(133)의 광출사면(133e)을 통해 나온 광을 피사체(200) 위로 포커싱하는 렌즈 장치(134)를 포함할 수 있다. 광원(131)으로부터 방출된 광을 빔성형 소자(133)의 내부로 안내하기 위하여, 각각의 광도파로(136)의 한쪽 단부는 광원(131)에 부착되어 있으며, 다른쪽 단부는 빔성형 소자(133)의 측면에 부착되어 있다. 또한, 빔성형 소자(133)의 내부로 안내된 광이 빔성형 소자(133)의 광출사면(133e)을 향해 진행할 수 있도록, 광도파로(136)는 빔성형 소자(133)의 측면에 대해 기울어지게 배치되어 있다.
도 5에는 빔성형 소자(133)의 상부 측면과 하부 측면에 다수의 광원(131) 및 광도파로(136)가 각각 배치된 것으로 도시되어 있다. 그러나, 광원(131)과 광도파로(136)는 빔성형 소자(133)의 모든 측면에 배치될 수도 있다. 도 6은 광원(131)과 광도파로(136)가 빔성형 소자(133)의 모든 측면에 배치된 예를 개략적으로 보이는 단면도이다. 도 6에 도시된 바와 같이, 광원(131)과 광도파로(136)는 직사각형 단면을 갖는 빔성형 소자(133)의 네 측면에 각각 배치될 수 있다. 또한, 도 5에는 빔성형 소자(133)의 각각의 측면마다 다수의 광원(131)과 광도파로(136)가 배치된 것으로 도시되어 있지만, 하나의 측면에 광원(131)과 광도파로(136)가 하나씩만 배치되는 것도 가능하다.
도 7은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 조명 광학계(330)의 구조를 개략적으로 보이는 개념도이다. 도 7을 참조하면, 조명 광학계(330)는 다수의 광원(131), 상기 다수의 광원(131)에서 방출된 광을 균질화하고 광빔의 단면 형태를 소정의 형태로 변화시키는 빔성형 소자(133), 상기 다수의 광원(131)에서 방출된 광을 각각 빔성형 소자(133)의 광입사면(133i)으로 안내하는 다수의 매칭 렌즈(132), 및 상기 빔성형 소자(133)의 광출사면(133e)을 통해 나온 광을 피사체(200) 위로 포커싱하는 렌즈 장치(134)를 포함할 수 있다. 즉, 도 7에 도시된 실시예의 경우, 빔성형 소자(133)이 광입사면(133i)에 대향하는 위치에 다수의 광원(131)들의 어레이와 다수의 매칭 렌즈(132)들의 어레이가 배치되어 있다. 또한, 도 7에 도시된 바와 같이, 상기 다수의 광원(131)들 및 다수의 매칭 렌즈(132)들 중에서 가장자리 쪽에 배치된 일부의 광원(131)들 및 일부의 매칭 렌즈(132)들은 빔성형 소자(133)의 광입사면(133i)을 향해 광축이 조금씩 기울어질 수 있다. 그러나, 빔성형 소자(133)의 단면적이 충분히 크고, 광원(131)과 매칭 렌즈(132)가 충분히 작게 형성될 수 있는 경우에는, 모든 광원(131)과 매칭 렌즈(132)들의 광축이 평행하게 배치될 수도 있다.
도 8은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 조명 광학계(430)의 구조를 개략적으로 보이는 개념도이다. 도 8에 도시된 실시예의 경우, 모든 광원(131)과 매칭 렌즈(132)들의 광축이 평행하게 될 수 있도록, 조명 광학계(430)는 다수의 빔성형 소자(133)들을 포함한다. 즉, 조명 광학계(430)는 서로 대응하는 다수의 광원(131), 매칭 렌즈(132) 및 빔성형 소자(133)들의 어레이를 가질 수 있다. 예를 들어, 제 1 광원(131a)에서 방출된 광은 제 1 매칭 렌즈(132a)에 의해 제 1 빔성형 소자(133a)에 입사할 수 있다. 또한, 제 2 광원(131b)에서 방출된 광은 제 2 매칭 렌즈(132b)에 의해 제 2 빔성형 소자(133b)에 입사하며, 제 3 광원(131c)에서 방출된 광은 제 3 매칭 렌즈(132c)에 의해 제 3 빔성형 소자(133c)에 입사할 수 있다. 이 경우, 다수의 광원(131a~131c)들과 매칭 렌즈(132a~132c)들의 광축은 서로 평행할 수 있다.
이렇게 다수의 빔성형 소자(133a~133c)들을 사용하는 경우, 상기 다수의 빔성형 소자(133a~133c)들 전체의 단면 형태가 3차원 영상 획득 장치(100)의 촬영 시야와 실질적으로 동일할 수 있다. 예를 들어, 도 9는 도 8에 도시된 다수의 빔성형 소자(133a~133c)들의 B-B' 단면을 개략적으로 보이는 단면도이다. 도 9에 도시된 바와 같이, 3차원 영상 획득 장치(100)의 촬영 시야가 4:3의 종횡비를 갖는 경우, 각각의 빔성형 소자(133a~133c)의 폭(w)과 다수의 빔성형 소자(133a~133c)들의 높이의 합(h)이 4:3의 비율을 가질 수 있다. 도 9에는 예시적으로 세 개의 빔성형 소자(133a~133c)들이 높이 방향을 따라 차례로 인접하여 적층된 예를 도시하고 있다. 그러나, 도 10의 단면도에 도시된 바와 같이, 높이 방향뿐만 아니라 폭 방향으로도 다수의 빔성형 소자들이 적층될 수 있다. 도 10에는 4개의 빔성형 소자(133a~133d)들이 폭 방향과 높이 방향으로 각각 2개씩 배치된 경우를 예시적으로 도시하고 있다. 이 경우, 광원(131)과 매칭 렌즈(132)도 각각의 빔성형 소자(133a~133d)들에 대응하여 4개씩 배치될 수 있다. 또한, 도 10의 경우에도 빔성형 소자(133a~133d)들 전체의 단면 형태가 3차원 영상 획득 장치(100)의 촬영 시야와 실질적으로 동일할 수 있다. 예를 들어, 3차원 영상 획득 장치(100)의 촬영 시야가 4:3의 종횡비를 갖는 경우, 폭 방향으로 두 빔성형 소자(133a, 133b; 133c, 133d)들의 폭의 합(w)과 높이 방향으로 두 빔성형 소자(133a, 133c; 133b, 133d)들의 높이의 합(h)이 4:3의 비율을 가질 수 있다.
도 11은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 조명 광학계(530)의 구조를 개략적으로 보이는 개념도이다. 도 11에 도시된 실시예의 경우, 도 10의 실시예와 마찬가지로, 조명 광학계(530)는 광축이 평행한 다수의 광원(131)들 및 매칭 렌즈(132)들을 포함하지만, 단지 하나의 빔성형 소자(233)만을 포함한다는 점에서 도 10의 실시예와 차이가 있다. 본 실시예에서, 빔성형 소자(233)는 다수의 광원(131)들 및 매칭 렌즈(132)와 모두 대향할 수 있는 비교적 큰 광입사면(233i)을 갖는다. 반면, 빔성형 소자(233)의 광출사면(233e)은 상대적으로 작다. 즉, 빔성형 소자(233)는 광출사면(233e)이 광입사면(233i)보다 작도록 테이퍼진(tapered) 형태를 갖는다. 이 경우, 빔성형 소자(233)의 광출사면(233e)을 통해 나오는 광빔의 단면을 작게 만들 수 있기 때문에, 렌즈 장치(134)의 구경을 상대적으로 작게 만들 수 있다. 따라서, 이 경우 렌즈 장치(134)의 제조 비용을 절감할 수 있다.
지금까지, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 조명 광학계 및 이를 포함하는 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.....3차원 영상 획득 장치 110.....대물렌즈
120.....영상 처리부
130, 230, 330, 430, 530.....조명 광학계
131.....광원 132.....매칭 렌즈
133, 233.....빔성형 소자 133e, 233e....광출사면
133i, 233i....광입사면 134.....렌즈 장치
135, 235.....고반사 코팅 136.....광도파로
140.....제어부 200.....피사체

Claims (18)

  1. 광원;
    상기 광원에서 방출된 광을 균질화하고 광의 빔 단면 형태를 변화시키는 빔성형 소자; 및
    상기 빔성형 소자의 광출사면을 통해 나온 광을 피사체 위로 포커싱하는 렌즈 장치;를 포함하며,
    상기 빔성형 소자의 광출사면을 통해 나온 광의 빔 단면 형태는 상기 빔성형 소자의 단면 형태와 동일하며, 상기 빔성형 소자의 단면 형태는 3차원 영상 획득 장치의 촬영 시야와 일치하는 3차원 영상 획득 장치용 조명 광학계.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 광원과 빔성형 소자 사이에 배치되어 광원에서 방출된 광을 상기 빔성형 소자의 광입사면으로 안내하는 매칭 렌즈를 더 포함하는 3차원 영상 획득 장치용 조명 광학계.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 빔성형 소자의 광입사면과 광출사면에 각각 반사방지 코팅이 형성되어 있는 3차원 영상 획득 장치용 조명 광학계.
  4. 제 2 항에 있어서,
    상기 빔성형 소자의 둘레면에 반사 코팅이 형성되어 있으며, 상기 광입사면을 통해 상기 빔성형 소자의 내부로 들어온 광은 전반사를 통해 상기 광출사면으로 진행하는 3차원 영상 획득 장치용 조명 광학계.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 빔성형 소자는 투명한 재질로 이루어진 인티그레이터 막대인 3차원 영상 획득 장치용 조명 광학계.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 인티그레이터 막대는 직사각형 형태의 단면을 갖는 3차원 영상 획득 장치용 조명 광학계.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 광원으로부터 방출된 광을 빔성형 소자의 내부로 안내하는 광도파로를 더 포함하며, 상기 광도파로의 제 1 단부는 상기 광원에 부착되어 있으며, 상기 광도파로의 제 2 단부는 상기 빔성형 소자의 측면에 부착되어 있는 3차원 영상 획득 장치용 조명 광학계.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 광도파로는, 상기 빔성형 소자의 내부로 안내된 광이 상기 빔성형 소자의 광출사면을 향해 진행할 수 있도록, 상기 빔성형 소자의 측면에 대해 기울어지게 배치되어 있는 3차원 영상 획득 장치용 조명 광학계.
  9. 제 7 항에 있어서,
    다수의 광원이 다수의 광도파로를 통해 상기 빔성형 소자의 측면에 배치되어 있는 3차원 영상 획득 장치용 조명 광학계.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 빔성형 소자는 직사각형 형태의 단면을 가지며, 상기 빔성형 소자의 네 측면에 각각 적어도 하나의 광원과 적어도 하나의 광도파로가 배치되어 있는 3차원 영상 획득 장치용 조명 광학계.
  11. 제 1 항에 있어서,
    다수의 상기 광원을 포함하며, 상기 다수의 광원과 상기 빔성형 소자 사이에 각각 배치되어 상기 다수의 광원에서 방출된 광을 각각 상기 빔성형 소자의 광입사면으로 안내하는 다수의 매칭 렌즈를 더 포함하는 3차원 영상 획득 장치용 조명 광학계.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 다수의 광원들과 상기 다수의 매칭 렌즈들 중에서 적어도 일부의 광원과 적어도 일부의 매칭 렌즈는 상기 빔성형 소자의 광입사면을 향해 광축이 기울어져 있는 3차원 영상 획득 장치용 조명 광학계.
  13. 제 11 항에 있어서,
    상기 빔성형 소자는 광출사면이 광입사면보다 작도록 테이퍼진 형태를 갖는 3차원 영상 획득 장치용 조명 광학계.
  14. 제 1 항에 있어서,
    다수의 상기 광원 및 상기 다수의 광원에 대응하는 다수의 상기 빔성형 소자를 포함하며, 상기 다수의 광원과 상기 다수의 빔성형 소자 사이에 각각 배치되어 상기 다수의 광원에서 방출된 광을 상기 다수의 빔성형 소자의 광입사면으로 각각 안내하는 다수의 매칭 렌즈를 더 포함하는 3차원 영상 획득 장치용 조명 광학계.
  15. 제 14 항에 있어서,
    상기 다수의 빔성형 소자들은 높이 방향과 폭 방향 중에서 적어도 하나의 방향으로 인접하여 배치되어 있는 3차원 영상 획득 장치용 조명 광학계.
  16. 제 15 항에 있어서,
    상기 다수의 빔성형 소자들의 폭의 합과 상기 다수의 빔성형 소자들의 높이의 합의 비율은 상기 3차원 영상 획득 장치의 촬영 시야의 종횡비와 일치하는 3차원 영상 획득 장치용 조명 광학계.
  17. 제 1 항에 있어서,
    상기 렌즈 장치는 줌 렌즈인 3차원 영상 획득 장치용 조명 광학계.
  18. 피사체로부터의 영상을 포커싱하는 대물렌즈;
    상기 대물렌즈에 의해 포커싱된 영상을 처리하여 영상 신호를 만드는 영상 처리부;
    피사체에 대한 깊이 정보를 얻기 위해 피사체를 조명하는, 제 1 항 내지 제 17 항 중 어느 한 항에 따른 조명 광학계; 및
    상기 대물렌즈, 영상 처리부 및 조명 광학계의 동작을 제어하는 제어부;를 포함하는 3차원 영상 획득 장치.
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