KR20150064992A - 파장 분리 소자 및 이를 포함하는 3차원 영상 획득 장치 - Google Patents

파장 분리 소자 및 이를 포함하는 3차원 영상 획득 장치 Download PDF

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Abstract

분리된 반사광의 광량 분포를 균일하게 할 수 있는 파장 분리 소자 및 이를 포함하는 3차원 영상 획득 장치가 개시된다. 개시된 실시예에 따른 파장 분리 소자는 파장 분리 코팅으로는 반사시키기 어려운 영역으로 입사하는 입사광에 대해서는 전반사 방식으로 반사함으로써, 분리된 반사광의 광량 분포를 균일하게 할 수 있다. 예를 들어, 파장 분리 소자는 서로 접합되어 있는 제 1 프리즘과 제 2 프리즘을 포함하며, 제 1 프리즘과 제 2 프리즘의 접합면에는 파장 분리 코팅이 배치되어 있고, 제 1 프리즘의 파장 분리면의 일부는 제 2 프리즘과 접합되어 있지 않은 전반사면을 포함할 수 있다.

Description

파장 분리 소자 및 이를 포함하는 3차원 영상 획득 장치{Wavelength separation device and 3-dimensional image acquisition apparatus including the wavelength separation device}
개시된 실시예들은 파장 분리 소자 및 이를 포함하는 3차원 영상 획득 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 분리된 반사광의 광량 분포를 균일하게 할 수 있는 파장 분리 소자 및 이를 포함하는 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, 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.
TOF 기술을 채용한 3D 카메라는 통상적으로 깊이 정보를 얻기 위한 적외선 영역의 조명광을 방출하는 조명 광학계와 피사체의 영상을 획득하기 위한 결상 광학계를 구비한다. 결상 광학계는 피사체로부터 반사된 가시광선을 감지하여 일반적인 컬러 영상을 생성하는 동시에, 피사체로부터 반사된 적외선 영역의 조명광을 감지하여 깊이 정보만을 갖는 깊이 영상을 생성한다. 이를 위하여, 결상 광학계는 컬러 영상용 이미지 센서와 깊이 영상용 이미지 센서를 각각 따로 구비할 수 있다. 이러한 구조에서 컬러 영상과 깊이 영상이 동일한 시야각을 갖도록 하기 위하여 여러 가지 방식이 제안되고 있다. 예를 들어, 빔스플리터로 가시광선과 조명광을 분리하여 가시광선을 컬러 영상용 이미지 센서에 제공하고 조명광을 깊이 영상용 이미지 센서에 제공할 수 있다.
분리된 반사광의 광량 분포를 균일하게 할 수 있는 파장 분리 소자 및 이를 포함하는 3차원 영상 획득 장치를 제공한다.
일 유형에 따른 파장 분리 소자는, 광입사면, 광출사면 및 상기 광입사면과 광출사면 사이의 경사면을 갖는 제 1 프리즘; 상기 제 1 프리즘보다 크기가 작으며 상기 제 1 프리즘의 경사면의 일부분에 접합되어 있는 제 2 프리즘; 및 상기 제 1 프리즘과 제 2 프리즘 사이의 접합면에 배치된 것으로, 제 1 파장 대역의 빛을 반사하고 제 2 파장 대역의 빛을 투과시키는 파장 분리 코팅;을 포함할 수 있으며, 상기 제 1 프리즘의 경사면 중에서 상기 광입사면에 인접하고 상기 제 2 프리즘에 접합되지 않은 표면은 입사광을 전반사시키는 전반사면일 수 있다.
상기 제 2 프리즘의 폭이 상기 제 1 프리즘의 폭보다 작으며, 상기 제 2 프리즘의 중심축과 상기 제 1 프리즘의 중심축이 일치하도록 상기 제 1 및 제 2 프리즘이 배치될 수 있다.
상기 제 1 프리즘은, 상기 제 1 프리즘의 경사면 중에서 상기 광출사면에 인접하고 상기 제 2 프리즘에 접합되지 않은 영역이 절단되어 제거된 형상을 가질 수 있다.
상기 제 2 프리즘은 광출사면 및 상기 광출사면에 인접하는 경사면을 구비할 수 있다.
상기 제 2 프리즘의 경사면과 상기 제 1 프리즘의 경사면이 서로 접합될 수 있다.
상기 파장 분리 소자는 상기 제 1 프리즘의 광입사면과 광출사면 및 상기 제 2 프리즘의 광출사면에 각각 배치된 반사 방지 코팅을 더 포함할 수 있다.
상기 파장 분리 소자는, 상기 제 1 프리즘의 광입사면으로 제 1 파장 대역의 빛과 제 2 파장 대역의 빛이 입사하며, 상기 제 1 프리즘의 광출사면으로 상기 파장 분리 코팅에 의해 반사된 제 1 파장 대역의 빛과 상기 제 1 프리즘의 전반사면에서 전반사된 제 1 파장 대역의 빛 및 제 2 파장 대역의 빛이 출사하고, 상기 제 2 프리즘의 광출사면으로 상기 파장 분리 코팅을 투과한 제 2 파장 대역의 빛이 출사하도록 구성될 수 있다.
상기 제 2 파장 대역은 제 1 파장 대역보다 짧을 수 있다.
예를 들어, 상기 제 1 파장 대역은 적외선이고 제 2 파장 대역은 가시광일 수 있다.
또한, 다른 유형에 따른 3차원 영상 획득 장치는, 제 1 파장 대역을 갖는 광을 발생시키는 광원; 외부의 피사체로부터 반사된 제 1 파장 대역의 광을 이용하여 제 1 영상 신호를 제공하는 제 1 촬상 유닛; 외부의 피사체로부터 반사된 제 2 파장 대역의 광을 이용하여 제 2 영상 신호를 제공하는 제 2 촬상 유닛; 제 1 영상 신호와 제 2 영상 신호를 이용하여 3차원 영상을 생성하는 영상 신호 처리부; 및 제 1 파장 대역의 광과 제 2 파장 대역의 광을 분리하여 상기 제 1 촬상유닛과 제 2 촬상유닛에 각각 제공하는 상술한 구조의 파장 분리 소자;를 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 광원은 상기 제 1 프리즘의 전반사면에 대향하도록 상기 제 2 프리즘의 측면에 인접하여 배치될 수 있다.
상기 3차원 영상 획득 장치는, 상기 광원과 상기 제 1 프리즘의 전반사면 사이에 배치된 광확산 소자를 더 포함할 수 있다.
상기 광확산 소자는 광확산면이 형성되어 있는 광출사면을 가질 수 있다.
상기 광확산 소자의 광확산면은 상기 제 1 프리즘의 전반사면과 대향하도록 배치될 수 있다.
또한, 상기 광확산 소자는 상기 제 1 프리즘으로부터 이격될 수 있다.
또한, 상기 제 1 촬상유닛은, 제 1 파장 대역을 갖는 광을 포커싱하는 대물렌즈; 제 1 파장 대역을 갖는 광만을 투과시키는 대역 통과 필터; 제 1 파장 대역을 갖는 광을 진폭 변조하는 광 셔터; 및 변조된 조명광을 감지하여 제 1 영상 신호를 생성하는 이미지 센서;를 포함할 수 있다.
개시된 실시예에 따른 파장 분리 소자는 입사광을 파장에 따라 투과시키거나 반사함으로써 파장별로 분리할 수 있다. 특히, 파장 분리 코팅으로는 반사시키기 어려운 영역으로 입사하는 입사광에 대해서는 전반사 방식으로 반사함으로써, 분리된 반사광의 광량 분포를 균일하게 할 수 있다.
이러한 파장 분리 소자를 채용한 3차원 영상 획득 장치는 컬러 영상과 깊이 영상 사이의 시차(parallax)를 최소화할 수 있다. 또한, 넓은 화각에 대해 가시광선과 조명광의 분리 효율이 높고, 조명광의 광량 손실을 최소화할 수 있으므로 깊이 영상의 정밀도를 향상시킬 수 있다. 또한, 컬러 영상용 대물렌즈와 깊이 영상용 대물렌즈를 독립적으로 사용하여 각각의 영상에 최적화할 수 있다.
도 1은 일 실시예에 따른 3차원 영상 획득 장치의 예시적인 구성을 개략적으로 보이는 개념도이다.
도 2는 도 1에 도시된 3차원 영상 획득 장치의 파장 분리 소자를 보다 상세하게 보이는 단면도이다.
도 3은 도 1에 도시된 3차원 영상 획득 장치의 파장 분리 소자를 보다 상세하게 보이는 사시도이다.
도 4a는 다른 실시예에 따른 파장 분리 소자의 구성을 보이는 단면도이다.
도 4b는 다른 실시예에 따른 파장 분리 소자의 구성을 보이는 사시도이다.
도 5a는 도 4a 및 도 4b에 도시된 파장 분리 소자를 투과하는 투과광의 경로를 개략적으로 보인다.
도 5b는 도 4a 및 도 4b에 도시된 파장 분리 소자에 의해 반사된 반사광의 경로를 개략적으로 보인다.
도 6은 도 4a 및 도 4b에 도시된 파장 분리 소자에 의해 반사된 반사광의 광량 분포 프로파일을 예시적으로 보이는 그래프이다.
도 7은 다른 실시예에 따른 3차원 영상 획득 장치의 예시적인 구성을 개략적으로 보이는 개념도이다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여, 파장 분리 소자 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. 또한, 이하에 설명되는 실시예는 단지 예시적인 것에 불과하며, 이러한 실시예들로부터 다양한 변형이 가능하다. 또한 이하에서 설명하는 층 구조에서, "상부" 나 "상"이라고 기재된 표현은 접촉하여 바로 위에 있는 것뿐만 아니라 비접촉으로 위에 있는 것도 포함할 수 있다.
도 1은 일 실시예에 따른 3차원 영상 획득 장치(100)의 예시적인 구성을 개략적으로 보이는 개념도이다. 도 1을 참조하면, 본 실시예에 따른 3차원 영상 획득 장치(100)는, 소정의 파장 대역을 갖는 조명광을 발생시키는 광원(101), 외부의 피사체(도시되지 않음)로부터 반사된 조명광을 이용하여 깊이 영상 신호를 제공하는 제 1 촬상 유닛(120), 외부의 피사체(도시되지 않음)로부터 반사된 가시광을 이용하여 컬러 영상 신호를 제공하는 제 2 촬상 유닛(130), 깊이 영상 신호와 컬러 영상 신호를 이용하여 3차원 영상을 생성하는 영상 신호 처리부(105), 및 조명광과 가시광을 분리하여 제 1 촬상유닛(120)과 제 2 촬상유닛(130)에 각각 제공하는 파장 분리 소자(100)를 포함할 수 있다.
제 1 촬상유닛(120)은 조명광을 포커싱하는 대물렌즈(121), 입사광 중에서 조명광의 파장 성분만을 투과시키는 대역 통과 필터(122), 광시간비행법(TOF)에 따라 조명광을 진폭 변조하는 광 셔터(123), 및 변조된 조명광을 감지하여 깊이 영상 신호를 생성하는 이미지 센서(124)를 포함할 수 있다. 광 셔터(123)는 정확한 깊이 정보를 얻기 위하여 수십~수백 MHz의 높은 구동 속도를 갖는 광 변조기일 수 있다. 예를 들어, 광 셔터(123)는 MCP(Multi-Channel Plate)를 구비한 영상증배관, GaAs 계열의 반도체 변조기 소자, 전광(Electro-Optic) 물질을 이용한 박형의 변조기 소자 등으로 구성될 수 있다.
비록 도 1에는 상세하게 도시되지 않았지만, 제 2 촬상유닛(130)도 역시 가시광을 포커싱하는 대물렌즈, 가시광의 파장 성분만을 투과시키는 대역 통과 필터, 및 가시광을 감지하여 컬러 영상 신호를 생성하는 이미지 센서를 포함할 수 있다. 제 1 촬상 유닛(120)의 이미지 센서(124)와 제 2 촬상 유닛(130)의 이미지 센서는 CCD(charge-coupled device)나 CMOS(complementary metal oxide semiconductor)와 같은 반도체 촬상 소자일 수 있다. 제 1 촬상 유닛(120)의 이미지 센서(124)는 단지 빛의 명암만을 감지하는 흑백 이미지 센서일 수 있으며, 제 2 촬상 유닛(130)의 이미지 센서는 컬러를 감지할 수 있는 컬러 이미지 센서일 수 있다.
또한, 3차원 영상 획득 장치(100)는 광원(101), 광 셔터(123), 제 1 촬상유닛(120), 제 2 촬상 유닛(130), 및 영상 신호 처리부(105)의 동작을 각각 제어하기 위한 제어부(103), 상기 제어부(103)의 제어에 따라 광원(101)을 구동하는 광원 구동부(102), 상기 제어부(103)의 제어에 따라 광 셔터(123)를 구동하는 광 셔터 구동부(104)를 더 포함할 수 있다.
광원(101)은 예를 들어 안전을 위해 인간의 눈에는 보이지 않는 약 850nm의 근적외선(NIR) 파장을 갖는 조명광을 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 조명광과 다른 종류의 광원을 사용할 수도 있다. 또한 광원(101)은 광원 구동부(102)로부터 수신된 제어 신호에 따라 예를 들어 사인파, 램프파(ramp wave), 사각파 등과 같이 특수하게 정의된 파형을 갖는 조명광을 방출할 수 있다.
이하, 상술한 3차원 영상 획득 장치(100)의 동작에 대해 설명한다. 먼저, 제어부(103)의 제어에 따라 광원 구동부(102)가 소정의 주기와 파형을 갖는 구동 신호를 광원(101)에 제공한다. 그러면, 광원(101)은 구동 신호와 동일한 주기와 파형을 갖는 근적외선 영역의 조명광을 피사체에 투사한다. 예컨대, 광시간비행법(TOF)에 따라, 광원(101)은 주기가 동일하고 위상이 상이한 적어도 3개의 조명광을 시간 순차적으로 피사체에 조사할 수 있다. 그런 후, 피사체로부터 반사된 조명광이 파장 분리 소자(110)에 입사한다. 이때, 피사체로부터 반사된 가시광도 역시 파장 분리 소자(110)에 함께 입사할 수 있다. 파장 분리 소자(110)는 입사광을 파장에 따라 분리하여 제 1 촬상 유닛(120)과 제 2 촬상 유닛(130)에 각각 제공할 수 있다.
예를 들어, 가시광은 파장 분리 소자(110)를 통과하여 제 2 촬상 유닛(130)에 제공될 수 있으며, 근적외선 영역의 조명광은 파장 분리 소자(110)에 의해 반사되어 제 1 촬상 유닛(120)에 제공될 수 있다. 제 2 촬상 유닛(130)은 파장 분리 소자(110)를 통과한 가시광을 수광하여 컬러 영상 신호를 생성하고, 이를 영상 신호 처리부(105)에 제공할 수 있다. 또한, 제 1 촬상 유닛(120)은 파장 분리 소자(110)에서 반사된 조명광을 광 셔터(123)로 변조한 다음, 이미지 센서(124)로 수광하여 깊이 영상 신호를 생성하고, 이를 영상 신호 처리부(105)에 제공할 수 있다. 영상 신호 처리부(105)는 광시간비행법(TOF)에 따라 깊이 영상 신호로부터 피사체의 깊이 정보를 추출하고, 이러한 깊이 정보를 컬러 영상과 결합함으로써 3차원 영상을 생성할 수 있다.
본 실시예에 따른 3차원 영상 획득 장치(100)는 하나의 파장 분리 소자(110)로 동시에 입사한 조명광과 가시광을 제 1 촬상 유닛(120)과 제 2 촬상 유닛(130)에 각각 나누어 제공하기 때문에, 깊이 영상과 컬러 영상 사이에 시차가 없다. 따라서, 깊이 영상과 컬러 영상의 시야각이 일치하므로, 깊이 영상과 컬러 영상의 시야각을 일치시키기 위한 별도의 영상 처리 과정이 필요 없다. 또한, 제 1 촬상 유닛(120)의 대물렌즈(121)와 제 2 촬상 유닛(130)의 대물렌즈를 각각 독립적으로 사용하므로, 각각의 대물렌즈를 컬러 영상과 깊이 영상에 각각 최적화하여 설계하는 것이 가능하다.
도 1에는 파장 분리 소자(110)가 가시광을 투과시키고 조명광을 반사하는 것으로 도시되어 있으나, 반대로 가시광을 반사하고 조명광을 투과시키도록 파장 분리 소자(110)를 구성하는 것도 가능하다. 도 1에 도시된 바와 같이, 파장 분리 소자(110)가 가시광을 투과시키고 조명광을 반사하도록 형성된 경우에는, 3차원 영상 획득 장치(100)의 두께를 그 반대의 경우보다 얇게 구성할 수 있다. 일반적으로, 제 1 촬상 유닛(120)의 대물렌즈(121)는 깊이 정보의 정확도를 위해 F수(F number)가 작은 밝은 렌즈를 사용한다. 따라서, 제 1 촬상 유닛(120)의 대물렌즈(121)는 제 2 촬상 유닛(130)의 대물렌즈보다 통상적으로 크기가 크고 길이도 더 길다. 따라서 제 1 촬상 유닛(120)의 대물렌즈(121)를 입사광의 입사 방향에 대략적으로 수직한 방향으로 배치하면 그 반대의 경우보다 3차원 영상 획득 장치(100)의 두께가 작아질 수 있다. 그러면, 3차원 동작 인식 기능을 갖는 TV나 게임기 또는 3D 카메라 등에 본 실시예에 따른 3차원 영상 획득 장치(100)를 적용하기가 용이할 수 있다. 이하의 설명에서는, 예시적으로 파장 분리 소자(110)가 가시광을 투과시키고 조명광을 반사하는 것으로 설명한다.
한편, 파장 분리 소자(110)는 동일한 크기를 갖는 2개의 프리즘을 접합한 큐브 형태의 빔스플리터나 또는 평판 형태의 다이크로익 미러를 사용하는 것이 일반적이다. 그러나, 평판 형태의 다이크로익 미러를 사용하는 경우에는 공간의 낭비가 크기 때문에 3차원 영상 획득 장치(100)의 두께를 줄이기 어려울 수 있다. 또한, 큐브 형태의 빔스플리터의 경우, 2개의 프리즘 사이에 조명광을 반사하고 가시광을 투과시키는 파장 분리 코팅이 배치되는데, 이러한 파장 분리 코팅은 모든 각도의 입사광에 대해 동일한 반사율을 갖도록 설계하기가 매우 어려울 수 있다. 예를 들어, 높은 입사각으로 입사하는(즉, 비스듬한 각도로 입사하는) 적외선 영역의 조명광에 대해서는 파장 분리 코팅의 반사 효율이 낮아진다. 이로 인해, 조명광이 부분적으로 손실될 수 있으며, 반사된 조명광의 광량 분포가 균일하지 않을 수 있다.
본 실시예에 따른 3차원 영상 획득 장치(100)는, 크기를 작게 만들 수 있으면서 반사된 조명광의 광량 분포를 균일하게 할 수 있는 파장 분리 소자(110)를 구비할 수 있다. 도 2는 3차원 영상 획득 장치(100)의 파장 분리 소자(110)를 보다 상세하게 보이는 단면도이며, 도 3은 상기 파장 분리 소자(110)의 사시도이다.
도 2 및 도 3을 참조하면, 본 실시예에 따른 파장 분리 소자(110)는 서로 다른 크기를 갖는 2개의 프리즘(111, 112)을 포함할 수 있다. 제 1 프리즘(111)은 가시광과 조명광이 모두 입사하는 광입사면(111i), 반사된 조명광이 출사하는 광출사면(111e), 및 상기 광입사면(111i)과 광출사면(111e) 사이의 경사면을 갖는다. 또한, 제 2 프리즘(112)은 투과된 가시광이 출사하는 광출사면(112e) 및 상기 광출사면(112e)에 인접하는 경사면을 갖는다. 제 1 프리즘(111)은 제 2 프리즘(112)보다 크기가 더 크며, 제 1 프리즘(111)의 경사면의 일부분에 제 2 프리즘(112)의 경사면이 접합되어 있다. 제 1 프리즘(111)과 제 2 프리즘(112) 사이의 접합 영역에는 파장이 짧은 가시광을 투과시키고 파장이 긴 적외선 영역의 조명광을 반사하는 파장 분리 코팅(114)이 배치되어 있다. 또한, 제 1 프리즘(111)의 광입사면(111i)과 광출사면(111e) 및 제 2 프리즘(112)의 광출사면(112e)에는 반사 방지 코팅(113)이 배치될 수 있다.
도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이, 제 2 프리즘(112)이 제 1 프리즘(111)보다 작기 때문에, 제 2 프리즘(112)의 경사면은 제 1 프리즘(111)의 경사면의 단지 일부분에만 접합되어 있다. 그 결과, 제 1 프리즘(111)의 경사면의 나머지 부분은 굴절률이 낮은 공기와 접하게 된다. 따라서, 제 1 프리즘(111)의 경사면의 나머지 부분은 제 1 프리즘(111)의 경사면에 대해 높은 입사각으로 입사하는 빛을 전반사시킬 수 있다. 예를 들어, 제 1 프리즘(111)의 경사면 중에서 광입사면(111i)에 인접하고 제 2 프리즘(112)에 접합되지 않은 제 1 면(111a)과 광출사면(111e)에 인접하고 제 2 프리즘(112)에 접합되지 않은 제 2 면(111b)은 전반사가 일어나는 전반사면일 수 있다.
그런데, 제 2 면(111b)에서 전반사된 광은 제 1 촬상 유닛(120)이나 제 2 촬상 유닛(130)에 입사하지 않고 버려지는 광이다. 따라서, 제 2 면(111b)은 광학적으로 거의 유효하지 않은 영역이므로, 도 4a의 단면도 및 도 4b의 사시도에 도시된 바와 같이, 제 2 면(111b)을 포함하는 제 1 프리즘(111)의 꼭지점 영역은 절단하여 제거될 수 있다. 그러면, 파장 분리 소자(110)의 부피와 무게를 줄임으로써, 3차원 영상 획득 장치(100)의 두께와 무게를 추가적으로 줄이는 것이 가능하다.
또한, 제 1 프리즘(111)의 경사면의 양측 가장자리(111c)를 통해 투과하는 가시광도 역시 제 2 촬상 유닛(130)에서 사용되지 않으므로, 도 3 및 도 4b에 도시된 바와 같이, 제 2 프리즘(112)의 폭을 제 1 프리즘(111)의 폭보다 작게하고, 제 2 프리즘(112)의 중심축과 제 1 프리즘(111)의 중심축이 일치하도록 제 1 및 제 2 프리즘(111, 112)을 배치할 수 있다. 그러면, 제 2 프리즘(112)의 폭을 줄임으로써 파장 분리 소자(110)의 부피와 무게를 더 줄일 수 있다.
도 5a는 예시적으로 도 4a 및 도 4b에 도시된 파장 분리 소자(110)를 투과하는 투과광의 경로를 개략적으로 보이고 있다. 도 5a를 참조하면, 3차원 영상 획득 장치(100)의 외부로부터 제 1 프리즘(111)의 광입사면(111i)으로 매우 다양한 각도로 빛이 입사한다. 입사광 중에는 피사체에서 반사된 가시광과 조명광도 포함되어 있다. 도 5a에는 다양한 입사각을 갖는 빛 중에서 단지 3개의 입사각을 갖는 광 성분만이 대표적으로 표시되어 있다. 즉, 도 5a에는 광입사면(111i)의 법선에 나란하게 입사하는 제 1 광 성분(L1), 광입사면(111i)의 법선에 대해 음(-)의 각도로 입사하는 제 2 광 성분(L2), 및 광입사면(111i)의 법선에 대해 양(+)의 각도로 입사하는 제 3 광 성분(L3)이 도시되어 있다.
제 1 내지 제 3 광 성분(L1, L2, L3)은 제 1 프리즘(111)의 광입사면(111i)에 입사한 후, 제 1 프리즘(111)의 내부를 진행한 다음, 제 1 프리즘(111)과 제 2 프리즘(112) 사이의 접합 영역에 있는 파장 분리 코팅(114)에 입사할 수 있다. 상술한 바와 같이, 파장 분리 코팅(114)은 가시광을 투과시키고 적외선 영역의 빛을 반사하도록 구성될 수 있다. 따라서, 제 1 내지 제 3 광 성분(L1, L2, L3) 중에서, 가시광은 파장 분리 코팅(114)을 투과하여 제 2 프리즘(112)의 내부를 진행할 수 있다. 그런 후, 가시광은 제 2 프리즘(112)의 광출사면(112e)을 출사하여 제 2 촬상 유닛(130)에 입사할 수 있다. 제 2 촬상 유닛(130)은 이러한 가시광을 감지하여 컬러 영상 신호를 생성할 수 있다.
또한, 도 5b는 도 4a 및 도 4b에 도시된 파장 분리 소자(110)에 의해 반사된 반사광의 경로를 개략적으로 보이고 있다. 도 5b에는 예시적으로 광입사면(111i)의 법선에 나란하게 입사하는 제 4 광 성분(L4), 광입사면(111i)의 법선에 대해 음(-)의 각도로 입사하는 제 5 광 성분(L5), 및 광입사면(111i)의 법선에 대해 양(+)의 각도로 입사하는 제 6 광 성분(L6)이 도시되어 있다. 도 5b를 참조하면, 제 4 내지 제 6 광 성분(L4, L5, L6) 중에서, 제 4 광 성분(L4) 및 제 6 광 성분(L6)은 제 1 프리즘(111)의 광입사면(111i)에 입사한 후, 제 1 프리즘(111)의 내부를 진행한 다음, 제 1 프리즘(111)과 제 2 프리즘(112) 사이의 접합 영역에 있는 파장 분리 코팅(114)에 입사할 수 있다. 그리고, 제 4 및 제 6 광 성분(L4, L6) 중에서, 적외선 영역의 조명광은 파장 분리 코팅(114)에 의해 반사된 다음, 제 1 프리즘(111)의 광출사면(111e)을 출사하여 제 1 촬상 유닛(120)에 입사할 수 있다.
한편, 제 5 광 성분(L5)은 제 1 프리즘(111)의 광입사면(111i)에 입사한 후, 제 1 프리즘(111)의 내부를 진행한 다음, 제 1 프리즘(111)의 제 1 면(111a)에 입사하게 된다. 여기서, 제 5 광 성분(L5)은 제 1 면(111a)에서 전반사된다. 따라서, 파장에 관계 없이 제 5 광 성분(L5)의 전부가 제 1 프리즘(111)의 광출사면(111e)을 출사하게 된다. 그러나, 제 1 프리즘(111)의 광출사면(111e)으로 출사한 제 5 광 성분(L5) 중에서 조명광만이 도 1에 도시된 대역 통과 필터(122)를 통과하여 제 1 촬상 유닛(120)에 입사하게 된다. 따라서, 제 1 촬상 유닛(120)은 제 4 내지 제 6 광 성분(L4, L5, L6) 중에서 적외선 영역의 조명광을 감지하여 깊이 영상 신호를 생성할 수 있다. 제 5 광 성분(L5) 중에서 가시광은 제 2 촬상 유닛(130)의 컬러 영상 신호의 생성에는 기여하지 않는 것이므로, 제 1 프리즘(111)의 제 1 면(111a)에서 전반사된 후 소멸되더라도 제 2 촬상 유닛(130)의 성능에는 영향을 주지 않을 것이다.
도 6은 도 4a 및 도 4b에 도시된 본 실시예에 따른 파장 분리 소자(110)에 의해 반사된 반사광의 광량 분포 프로파일을 예시적으로 보이는 그래프이다. 예를 들어, 도 6에서 실선은 본 실시예에 따른 파장 분리 소자(110)에 의해 반사된 조명광의 광량 분포 프로파일을 나타내며, 점선은 동일한 크기를 갖는 2개의 프리즘의 접합면 전체에 파장 분리 코팅(114)이 형성되어 있는 큐브 형태의 빔스플리터에 의해 반사된 조명광의 광량 분포 프로파일을 나타낸다. 또한, 도 6에서 가로축은 반사광의 단면 방향을 나타내며, 세로축은 반사광의 세기를 나타낸다. 앞서 설명한 바와 같이, 비스듬한 각도로 입사하는 적외선 영역의 조명광에 대해서는 파장 분리 코팅(114)의 반사 효율이 낮아진다. 따라서, 큐브 형태의 빔스플리터의 경우에는, 도 5b에 도시된 제 5 광 성분(L5) 내에 있는 조명광의 손실이 발생하므로, 도 6에서 점선으로 표시된 그래프와 같은 불균일한 형태의 광량 분포 프로파일이 형성된다. 그러나, 본 실시예에 따른 파장 분리 소자(110)의 경우에는, 제 5 광 성분(L5)을 전반사시키므로 비스듬한 각도로 입사하는 조명광의 손실이 발생하지 않는다. 따라서, 도 6에서 실선으로 표시된 그래프와 같이 비교적 균일한 형태의 광량 분포 프로파일이 형성될 수 있으므로, 깊이 정보의 정확도를 향상시키는 것이 가능하다.
도 7은 다른 실시예에 따른 3차원 영상 획득 장치(200)의 예시적인 구성을 개략적으로 보이는 개념도이다. 본 실시예에 따른 파장 분리 소자(110)의 경우, 제 1 프리즘(111)보다 작은 크기의 제 2 프리즘(112)이 제 1 프리즘(111)에 접합되기 때문에, 제 1 프리즘(111)의 경사면 중에서 광입사면(111i)에 인접하고 제 2 프리즘(112)에 접합되지 않은 제 1 면(111a) 위에는 빈 공간이 생길 수 있다. 따라서, 파장 분리 소자(110)의 남은 빈 공간 내에 광원(101)을 배치하면, 3차원 영상 획득 장치(200)의 크기를 더욱 줄일 수 있다.
이를 위하여, 도 7에 도시된 바와 같이, 제 1 프리즘(111)의 제 1 면(111a)에 대향하도록 제 2 프리즘(112)의 측면에 인접하여 광원(101)을 배치하고, 상기 광원(101)과 제 1 프리즘(111)의 제 1 면(111a) 사이에는, 예를 들어, 프리즘 형태의 광확산 소자(106)를 더 배치할 수 있다. 예를 들어, 프리즘의 형태를 갖는 광확산 소자(106)의 경사면인 광출사면에는 광확산면(107)이 형성될 수 있다. 광확산 소자(106)의 광확산면(107)은 제 1 프리즘(111)의 제 1 면(111a)과 대향하도록 배치될 수 있다. 이러한 구성에서, 광원(101)에서 방출된 조명광은 광학산 소자(106)에 의해 확산된 후, 제 1 프리즘(111)을 통과하여 3차원 영상 획득 장치(200)의 외부로 투사될 수 있다. 한편, 제 1 프리즘(111)에 입사하는 빛이 제 1 면(111a)에서 전반사될 수 있도록, 제 1 프리즘(111)의 제 1 면(111a)과 광확산 소자(106) 사이에는 간극(108)이 존재할 수 있다. 즉, 광확산 소자(106)는 제 1 프리즘(111)에 접합되지 않고 간극(108)에 의해 제 1 프리즘(111)으로부터 이격될 수 있다.
지금까지, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 파장 분리 소자 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, 200.....3차원 영상 획득 장치 101.....광원
102.....광원 구동부 103.....제어부
104.....광 셔터 구동부 105.....영상 신호 처리부
106.....광확산 소자 107.....광확산면
108.....간극 110.....파장 분리 소자
111, 112.....프리즘 소자 113.....반사 방지 코팅
114.....파장 분리 코팅 120.....제 1 촬상 유닛
121.....대물렌즈 122.....대역 통과 필터
123.....광 셔터 124.....이미지 센서
130.....제 2 촬상 유닛

Claims (20)

  1. 광입사면, 광출사면 및 상기 광입사면과 광출사면 사이의 경사면을 갖는 제 1 프리즘;
    상기 제 1 프리즘보다 크기가 작으며 상기 제 1 프리즘의 경사면의 일부분에 접합되어 있는 제 2 프리즘; 및
    상기 제 1 프리즘과 제 2 프리즘 사이의 접합면에 배치된 것으로, 제 1 파장 대역의 빛을 반사하고 제 2 파장 대역의 빛을 투과시키는 파장 분리 코팅;을 포함하며,
    상기 제 1 프리즘의 경사면 중에서 상기 광입사면에 인접하고 상기 제 2 프리즘에 접합되지 않은 표면은 입사광을 전반사시키는 전반사면인 파장 분리 소자.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 2 프리즘의 폭이 상기 제 1 프리즘의 폭보다 작으며, 상기 제 2 프리즘의 중심축과 상기 제 1 프리즘의 중심축이 일치하도록 상기 제 1 및 제 2 프리즘이 배치되어 있는 파장 분리 소자.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 프리즘은 상기 제 1 프리즘의 경사면 중에서 상기 광출사면에 인접하고 상기 제 2 프리즘에 접합되지 않은 영역이 절단되어 제거된 형상을 갖는 파장 분리 소자.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 2 프리즘은 광출사면 및 상기 광출사면에 인접하는 경사면을 구비하는 파장 분리 소자.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 제 2 프리즘의 경사면과 상기 제 1 프리즘의 경사면이 서로 접합되어 있는 파장 분리 소자.
  6. 제 4 항에 있어서,
    상기 제 1 프리즘의 광입사면과 광출사면 및 상기 제 2 프리즘의 광출사면에 각각 배치된 반사 방지 코팅을 더 포함하는 파장 분리 소자.
  7. 제 4 항에 있어서,
    상기 제 1 프리즘의 광입사면으로 제 1 파장 대역의 빛과 제 2 파장 대역의 빛이 입사하며, 상기 제 1 프리즘의 광출사면으로 상기 파장 분리 코팅에 의해 반사된 제 1 파장 대역의 빛과 상기 제 1 프리즘의 전반사면에서 전반사된 제 1 파장 대역의 빛 및 제 2 파장 대역의 빛이 출사하고, 상기 제 2 프리즘의 광출사면으로 상기 파장 분리 코팅을 투과한 제 2 파장 대역의 빛이 출사하도록 구성된 파장 분리 소자.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 제 2 파장 대역은 제 1 파장 대역보다 짧은 파장 분리 소자.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 제 1 파장 대역은 적외선이고 제 2 파장 대역은 가시광인 파장 분리 소자.
  10. 제 1 파장 대역을 갖는 광을 발생시키는 광원;
    외부의 피사체로부터 반사된 제 1 파장 대역의 광을 이용하여 제 1 영상 신호를 제공하는 제 1 촬상 유닛;
    외부의 피사체로부터 반사된 제 2 파장 대역의 광을 이용하여 제 2 영상 신호를 제공하는 제 2 촬상 유닛;
    제 1 영상 신호와 제 2 영상 신호를 이용하여 3차원 영상을 생성하는 영상 신호 처리부; 및
    제 1 파장 대역의 광과 제 2 파장 대역의 광을 분리하여 상기 제 1 촬상유닛과 제 2 촬상유닛에 각각 제공하는 파장 분리 소자;를 포함하며,
    상기 파장 분리 소자는:
    광입사면, 광출사면 및 상기 광입사면과 광출사면 사이의 경사면을 갖는 제 1 프리즘;
    상기 제 1 프리즘보다 크기가 작으며 상기 제 1 프리즘의 경사면의 일부분에 접합되어 있는 제 2 프리즘; 및
    상기 제 1 프리즘과 제 2 프리즘 사이의 접합면에 배치된 것으로, 제 1 파장 대역의 빛을 반사하고 제 2 파장 대역의 빛을 투과시키는 파장 분리 코팅;을 포함하고,
    상기 제 1 프리즘의 경사면 중에서 상기 광입사면에 인접하고 상기 제 2 프리즘에 접합되지 않은 표면은 입사광을 전반사시키는 전반사면인, 3차원 영상 획득 장치.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 제 2 프리즘의 폭이 상기 제 1 프리즘의 폭보다 작으며, 상기 제 2 프리즘의 중심축과 상기 제 1 프리즘의 중심축이 일치하도록 상기 제 1 및 제 2 프리즘이 배치되어 있는 3차원 영상 획득 장치.
  12. 제 10 항에 있어서,
    상기 제 1 프리즘은 상기 제 1 프리즘의 경사면 중에서 상기 광출사면에 인접하고 상기 제 2 프리즘에 접합되지 않은 영역이 절단되어 제거된 형상을 갖는 3차원 영상 획득 장치.
  13. 제 10 항에 있어서,
    상기 제 2 프리즘은 광출사면 및 상기 광출사면에 인접하는 경사면을 구비하며, 상기 제 2 프리즘의 경사면과 상기 제 1 프리즘의 경사면이 서로 접합되어 있는 3차원 영상 획득 장치.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 파장 분리 소자는 상기 제 1 프리즘의 광입사면과 광출사면 및 상기 제 2 프리즘의 광출사면에 각각 배치된 반사 방지 코팅을 더 포함하는 3차원 영상 획득 장치.
  15. 제 13 항에 있어서,
    상기 파장 분리 소자는, 상기 제 1 프리즘의 광입사면으로 제 1 파장 대역의 빛과 제 2 파장 대역의 빛이 입사하며, 상기 제 1 프리즘의 광출사면으로 상기 파장 분리 코팅에 의해 반사된 제 1 파장 대역의 빛과 상기 제 1 프리즘의 전반사면에서 전반사된 제 1 파장 대역의 빛 및 제 2 파장 대역의 빛이 출사하고, 상기 제 2 프리즘의 광출사면으로 상기 파장 분리 코팅을 투과한 제 2 파장 대역의 빛이 출사하도록 구성된 3차원 영상 획득 장치.
  16. 제 15 항에 있어서,
    상기 제 2 파장 대역은 제 1 파장 대역보다 짧은 3차원 영상 획득 장치.
  17. 제 16 항에 있어서,
    상기 제 1 파장 대역은 적외선이고 제 2 파장 대역은 가시광인 3차원 영상 획득 장치.
  18. 제 10 항에 있어서,
    상기 광원은 상기 제 1 프리즘의 전반사면에 대향하도록 상기 제 2 프리즘의 측면에 인접하여 배치되는 3차원 영상 획득 장치.
  19. 제 18 항에 있어서,
    상기 광원과 상기 제 1 프리즘의 전반사면 사이에 배치된 광확산 소자를 더 포함하며, 상기 광확산 소자는 광확산면이 형성되어 있는 광출사면을 갖고, 상기 광확산 소자의 광확산면은 상기 제 1 프리즘의 전반사면과 대향하도록 배치되며, 상기 광확산 소자는 상기 제 1 프리즘으로부터 이격되어 있는 3차원 영상 획득 장치.
  20. 제 10 항에 있어서,
    상기 제 1 촬상유닛은:
    제 1 파장 대역을 갖는 광을 포커싱하는 대물렌즈; 제 1 파장 대역을 갖는 광만을 투과시키는 대역 통과 필터; 제 1 파장 대역을 갖는 광을 진폭 변조하는 광 셔터; 및 변조된 조명광을 감지하여 제 1 영상 신호를 생성하는 이미지 센서;를 포함하는 3차원 영상 획득 장치.
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