KR20170112915A - 구조광 생성기 및 이를 포함하는 객체 인식 장치 - Google Patents
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Abstract
광원과, 광원에서 나오는 광의 파장보다 작은 서브 파장의 형상 치수를 가지는 복수의 나노구조물들로 이루어진 메타 표면을 구비하여 광으로부터 빛살 분포를 형성하는 구조광 생성기가 제공된다. 메타 표면은 광원의 광출사면 상에 집적 형성될 수 있어 소형 기기에 적용되기 유리하며, 하나 이상의 메타 표면의 형상, 배치 간격을 조절하여 정교한 구조광 패턴을 형성할 수 있다.
Description
본 개시는 구조화된 조명을 생성하는 구조광 생성기 및 이를 사용하여 3차원 객체의 형상이나 움직임을 센싱하는 객체 인식 장치에 대한 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 모션 인식이 가능해지고 있다.
이러한 구조광 시스템은 최근 다양한 전자 기기와의 결합을 위해 점차적으로 소형화, 고해상도화가 요구되고 있다. 구조광을 만들기 위해, 통상 회절형 광학 요소(diffractive optical element;DOE)와 같은 광학 부품이 사용되는데, 이러한 광학 부품이 차지하는 부피는 설계의 정밀도 및 제작 요건에 영향을 주는 요인이 된다.
구조광(structured ligt)을 생성하는 구조광 생성기를 제공한다.
구조광 생성기를 포함하는 3차원 객체 인식 장치를 제공한다.
일 유형에 따르면, 광원; 상기 광원에서 나오는 광의 파장보다 작은 서브 파장의 형상 치수를 가지는 복수의 나노구조물들로 이루어진 제1 메타표면을 구비하여 상기 광원에서의 광으로부터 빛살 분포를 형성하는 제1 메타 광학 소자;를 포함하는 구조광 생성기가 제공된다.
상기 제1 메타 광학 소자는 입사광에 대해 원하는 투과 세기 분포 및 투과 위상 분포를 구현하도록 상기 복수의 나노구조물들의 형태가 조절될 수 있다.
상기 제1 메타 광학 소자는 상기 광원의 광출사면 상에 바로, 일체형으로(monolithic) 형성될 수 있다.
상기 제1 메타 광학 소자는 입사광에 대한 투과 세기 분포 및 투과 위상 분포가 반복적으로 나타나도록 상기 복수의 나노구조물들의 형상, 배열이 정해질 수 있다.
상기 제1 메타 광학 소자는 두 가지 투과 위상 변조값을 가지도록 상기 복수의 나노구조물들의 형상, 분포가 형성될 수 있다.
상기 두 가지 위상 변조 값은 0과 π일 수 있다.
상기 광원에서 상기 제1 메타 표면까지의 거리는 상기 빛살 분포에 의한 구조광 패턴의 콘트라스트(contrast)가 최대가 되도록 정해질 수 있다.
상기 광원에서 상기 제1 메타 표면까지의 거리(d)는 다음 조건을 만족할 수 있다.
여기서, λ는 상기 광원에서 나오는 광의 파장이고, a1은 상기 제1 메타 광학 소자에서 동일한 구조가 반복되는 주기이고, m은 자연수이다.
상기 구조광 생성기는, 상기 광원과 상기 제1 메타 광학 소자 사이에 위치하며 상기 광원에서 나오는 광의 빔 형상을 조절하는 제2 메타 표면을 구비하는 제2 메타 광학 소자를 더 포함할 수 있다.
상기 제1 메타 광학 소자와 상기 제2 메타 광학 소자는 상기 제1 메타 표면과 상기 제2 메타 표면을 지지하는 기판을 공유하며, 상기 제1 메타 표면과 상기 제2 메타 표면은 상기 기판의 서로 마주하는 양면에 각각 형성될 수 있다.
상기 구조광 생성기는, 상기 제1 메타 광학 소자에서 형성한 빛살 분포를 소정 각도 공간에 반복 형성하는 제3 메타 표면을 구비하는 제3 메타 광학 소자를 더 포함할 수 있다.
상기 제1 메타 광학 소자와 상기 제3 메타 광학 소자는 상기 제1 메타 표면과 상기 제3 메타 표면을 지지하는 기판을 공유하며, 상기 제1 메타 표면과 상기 제3 메타 표면은 상기 기판의 서로 마주하는 양면에 각각 형성될 수 있다.
상기 복수의 나노구조물들은 원기둥 또는 다각기둥 형상일 수 있다.
상기 복수의 나노구조물들은 비대칭적인 형상을 가질 수 있다.
상기 제1 메타 광학 소자는 상기 복수의 나노구조물들을 지지하는 기판을 더 포함할 수 있다.
상기 복수의 나노구조물들은 상기 기판의 굴절률보다 큰 굴절률을 가지는 유전체 물질로 이루어질 수 있다.
또는, 상기 복수의 나노구조물들은 전도성 물질로 이루어질 수 있다.
또는, 상기 복수의 나노구조물들 중 일부는 상기 기판의 굴절률보다 큰 굴절률을 가지는 유전체 물질로 이루어지고, 복수의 나노구조물들 중 다른 일부는 전도성 물질로 이루어질 수 있다.
일 유형에 따르면, 피사체를 향해 소정 패턴의 구조광을 조사하는 상술한 어느 하나의 구조광 생성기; 상기 피사체로부터 반사된 구조광을 수광하는 센서부; 상기 구조광 생성기에서 조사한 구조광과 상기 센서부에서 수광한 구조광의 패턴 변화를 비교하여, 피사체의 형상 또는 움직임을 분석하는 연산부;를 포함하는 3차원 객체 인식 장치가 제공된다.
또한, 일 유형에 따르면, 상기 3차원 객체 인식 장치를 포함하는 전자 기기가 제공된다.
상술한 구조광 생성기는 서브 파장의 나노구조물들로 이루어진 메타 표면을 사용하여 광원에서의 광으로부터 빛살 분포(구조광)를 형성할 수 있다.
상술한 구조광 생성기는 광원 상에 메타 광학 소자가 집적된 구조를 채용하여 소형화에 유리하다.
상술한 구조광 생성기는 하나 이상의 메타 표면을 채용하고 광원과 메타 표면간의 거리, 메타 표면의 투과 위상 분포 및 투과 세기 분포를 조절하여 고 대비비의 구조광을 생성할 수 있다.
상술한 구조광 생성기는 3차원 객체 인식 장치에 채용되어 정밀한 모션 센싱, 3차원 형상 센싱에 이용될 수 있다.
도 1은 실시예에 따른 구조광 생성기에 채용되는 메타 표면에 의해 구조광(structured light)이 형성되는 것을 설명하는 개념도이다.
도 2는 실시예에 따른 구조광 생성기에 채용되는 메타 표면이 구현할 수 있는 광학적 기능을 예시적으로 설명하기 위한 개념도이다.
도 3은 도 2에서 각 메타 표면에 입사하는 빔 형태를 예시적으로 보인 개념도이다.
도 4는 실시예에 따른 구조광 생성기의 개략적인 구조를 보이는 단면도이다.
도 5는 도 4의 구조광 생성기에 채용되는 메타 표면의 예시적인 구조를 보이는 사시도이다.
도 6은 도 4의 구조광 생성기의 메타 표면에 의한 위상 변화 분포를 예시적으로 보인 그래프이다.
도 7은 도 6의 위상 변화 분포를 가지는 구조광 생성기에 의해 형성된 빛살 분포, 즉, 구조광 패턴을 각도 공간에서의 세기 분포로 나타낸 그래프이다.
도 8은 도 4의 구조광 생성기에서 광 출사면과 메타 표면과의 거리에 따라 도 7의 구조광 패턴의 콘트라스트를 나타낸 그래프이다.
도 9는 도 4의 구조광 생성기에 의해 형성된 빛살 분포, 즉, 구조광 패턴을 예시적으로 보인다.
도 10은 다른 실시예에 따른 구조광 생성기의 개략적인 구조를 보인 단면도이다.
도 11은 또 다른 실시예에 따른 구조광 생성기의 개략적인 구조를 보인 단면도이다.
도 12는 또 다른 실시예에 따른 구조광 생성기의 개략적인 구조를 보인 단면도이다.
도 13은 또 다른 실시예에 따른 구조광 생성기의 개략적인 구조를 보인 단면도이다.
도 14는 또 다른 실시예에 따른 구조광 생성기의 개략적인 구조를 보인 단면도이다.
도 15는 도 14의 구조광 생성기에 의해 각 광원으로부터의 입사빔이 서로 다른 형태로 셀프 이미징되어 복잡한 구조광을 형성하는 것을 개념적으로 보인다.
도 16은 실시예에 따른 3차원 객체 인식 장치의 개략적인 구조를 보인 블록도이다.
도 2는 실시예에 따른 구조광 생성기에 채용되는 메타 표면이 구현할 수 있는 광학적 기능을 예시적으로 설명하기 위한 개념도이다.
도 3은 도 2에서 각 메타 표면에 입사하는 빔 형태를 예시적으로 보인 개념도이다.
도 4는 실시예에 따른 구조광 생성기의 개략적인 구조를 보이는 단면도이다.
도 5는 도 4의 구조광 생성기에 채용되는 메타 표면의 예시적인 구조를 보이는 사시도이다.
도 6은 도 4의 구조광 생성기의 메타 표면에 의한 위상 변화 분포를 예시적으로 보인 그래프이다.
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도 9는 도 4의 구조광 생성기에 의해 형성된 빛살 분포, 즉, 구조광 패턴을 예시적으로 보인다.
도 10은 다른 실시예에 따른 구조광 생성기의 개략적인 구조를 보인 단면도이다.
도 11은 또 다른 실시예에 따른 구조광 생성기의 개략적인 구조를 보인 단면도이다.
도 12는 또 다른 실시예에 따른 구조광 생성기의 개략적인 구조를 보인 단면도이다.
도 13은 또 다른 실시예에 따른 구조광 생성기의 개략적인 구조를 보인 단면도이다.
도 14는 또 다른 실시예에 따른 구조광 생성기의 개략적인 구조를 보인 단면도이다.
도 15는 도 14의 구조광 생성기에 의해 각 광원으로부터의 입사빔이 서로 다른 형태로 셀프 이미징되어 복잡한 구조광을 형성하는 것을 개념적으로 보인다.
도 16은 실시예에 따른 3차원 객체 인식 장치의 개략적인 구조를 보인 블록도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들에 대해 상세히 설명하기로 한다. 이하의 도면들에서 동일한 참조부호는 동일한 구성요소를 지칭하며, 도면상에서 각 구성요소의 크기는 설명의 명료성과 편의상 과장되어 있을 수 있다. 한편, 이하에 설명되는 실시예는 단지 예시적인 것에 불과하며, 이러한 실시예들로부터 다양한 변형이 가능하다.
이하에서, "상부" 나 "상"이라고 기재된 것은 접촉하여 바로 위에 있는 것뿐만 아니라 비접촉으로 위에 있는 것도 포함할 수 있다.
단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 또한 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
또한, 명세서에 기재된 “...부”, “모듈” 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어 또는 소프트웨어로 구현되거나 하드웨어와 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.
도 1은 실시예에 따른 구조광 생성기에 채용되는 메타 표면에 의해 구조광(structured light)이 형성되는 것을 설명하는 개념도이다.
메타 표면(MS)은 광원(LS)에서의 광으로부터 빛살(rays of light) 분포를 형성하기 위한 것이다. 광원(LS)은 레이저 다이오드와 같은 점광원일 수 있다. 메타 표면(MS)은 광원(LS)에 의해 형성된 입사빔(beam)(10)에 대해 공간상에 진행해 나가는 빛살(12)들의 분포를 형성한다. 다시 말하면, 광원(LS)에서 출사되어 하나의 빔 스폿(10)을 형성하는 광선은 메타 표면(MS)에 의해 복수의 빛살들로 분기되며, 각 빛살들은 소정 각도 공간에 빔 스폿 이미지(12)들을 형성한다. 빔 스폿 이미지(12)들은 메타 표면(MS)에 적용된 세부적인 조건들에 의해 정해지는 다양한 분포를 가지게 되며, 이를 구조광(structured light)(SL)이라 한다.
도 2는 실시예에 따른 구조광 생성기에 채용되는 메타 표면이 구현할 수 있는 광학적 기능을 예시적으로 설명하기 위한 개념도이고, 도 3은 도 2에서 각 메타 표면에 입사하는 빔 형태를 예시적으로 보인 개념도이다.
메타 표면은 입사광의 빔 형상을 성형(shaping)하는 빔 성형기(beam shaper)(BS), 입사광을 소정의 빔 패턴으로 출사하는 패턴 생성기(pattern generator)(PG), 패턴 생성기(PG)에서 형성된 패턴을 복수개로 복제하는 복제기(duplicator)(DP) 등의 형태로 구현될 수 있다.
빔 성형기(BS)는 광원(LS)으로부터 출사된 광(L1)의 발산각이나 빔 단면 형태, 크기등 조절하는 기능을 위한 것이다. 빔 성형기(BS)에 의해 성형된 빔(L2)은 패턴 생성기(PG)에 입사된 후, 소정 패턴의 구조광(SL')으로 출사되어 복제기(DP)에 입사된다. 복제기(DP)는 패턴 생성기(PG)에서 형성된 구조광(SL')을 복수개로 복제하여 최종 구조광(SL)을 형성한다.
도 2 및 도 3에서, 메타 표면이 구현할 수 있는 기능을 빔 성형기(BS), 패턴 생성기(PG), 복제기(DP)의 순서로 예시하여 설명하였으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 구조광을 형성하기 위해, 빔 성형기(BS), 패턴 생성기(PG), 복제기(DP)의 구성 중 어느 하나 이상이 사용될 수 있으며, 배치 순서도 다르게 변경될 수 있다.
이하, 메타 표면을 활용한 구조광 생성기의 다양한 예들을 살펴보기로 한다.
도 4는 실시예에 따른 구조광 생성기(100)의 개략적인 구조를 보이는 단면도이고, 도 5는 도 4의 구조광 생성기(100)에 채용되는 제1 메타 광학 소자(120)의 예시적인 구조를 보이는 사시도이다.
구조광 생성기(120)는 광원(110)과, 광원(110)에서의 광으로부터 빛살 분포를 형성하는 제1 메타 광학 소자(120)를 포함한다.
광원(110)은 레이저 광원일 수 있고, 발광층과, 상기 발광층을 사이에 두고 배치되는 복수의 반사층들을 포함할 수 있다.
제1 메타 광학 소자(120)는 광원(110)에서 나오는 광의 파장(λ)보다 작은 서브 파장의 형상 치수를 가지는 복수의 나노구조물(NS)들로 이루어진 제1 메타 표면(MS1)을 구비한다. 나노구조물(NS)의 높이(H)는 광원(110)에서의 광의 파장(λ)보다 작은 값을 갖는다. 또한, 복수의 나노구조물(NS)들간의 배치 간격(P)도 파장(λ)보다 작은 값을 갖는다. 나노구조물(NS)의 형상은 원기둥 형상으로 도시되었으나 이에 한정되는 것은 아니다. 나노구조물(NS)은 단면 형상이 다각형, 십자형, 별형, 비대칭 형상 등 다양한 형상인 기둥 형태를 가질 수도 있다. 또는, 나노구조물(NS)은 비대칭적인 형상을 가질 수 있다.
제1 메타 광학 소자(120)는 또한, 제1 메타 표면(MS1)을 형성하는 복수의 나노구조물(NS)들을 지지하는 기판(SU1)을 더 포함할 수 있다.
기판(SU1)은 유전체 물질로 이루어 질 수 있다. 예를 들어, PC, PS, PMMA와 같은 폴리머 재질이나 SiO2 등이 기판(SU1) 재질로 사용될 수 있다.
나노구조물(NS)은 유전체 물질로 이루어질 수 있으며, 기판(SU1)의 굴절률보다 큰 굴절률을 가지는 재질로 이루어질 수 있다. 예를 들어, 단결정 실리콘, 다결정 실리콘(Poly Si), 비정질 실리콘(amorphous Si), Si3N4, GaP, TiO2, AlSb, AlAs, AlGaAs, AlGaInP, BP, ZnGeP2 중 어느 하나가 나노구조물(NS)의 재질로 사용될 수 있다.
또는, 복수의 나노구조물(NS)들은 전도성 물질로 이루어질 수도 있다. 전도성 물질로는 표면 플라즈몬 여기(surface plasmon excitation)가 일어날 수 있는 도전성이 높은 금속 물질이 채용될 수 있다. 예를 들어, 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), 중에서 선택된 적어도 어느 하나가 채용될 수 있고, 이들 중 어느 하나를 포함하는 합금으로 이루어질 수 있다. 또한, 그래핀(graphene)과 같이 전도성이 좋은 이차원 물질, 또는, 전도성 산화물이 채용될 수도 있다.
또는, 나노구조물(NS)들 중 일부는 고굴절률의 유전체 물질로 이루어지고, 일부는 전도성 물질로 이루어지는 것도 가능하다. 즉, 나노구조물(NS)들 중의 일부는 기판의 굴절률보다 큰 굴절률을 가지는 유전체 물질로 이루어질 수 있고. 나노구조물(NS)들 중의 다른 일부는 전도성 물질로 이루어질 수 있다.
상술한 나노구조물(NS)들은 각각의 재질, 형상에 따라 고유한 값을 갖는 투과 세기 및 투과 위상을 가질 수 있다. 이들 형상을 조절하여 제1 메타 표면(MS1)을 투과하는 광의 위상이나 세기 분포를 조절할 수 있다. 도시된 나노구조물(NS)들은 모두 같은 형상, 크기, 높이로 도시되었으나, 이는 예시적인 것이며, 이에 한정되지 않는다. 예를 들어 위치에 따라 수평 또는 수직 방향의 크기나 구성 물질을 조절하여 원하는 투과 세기 분포나 투과 위상 분포를 형성할 수 있다. 원하는 투과 세기 분포나 투과 위상 분포를 형성하기 위해, 복수의 나노구조물(NS)로 이루어진 소정 그룹에 대해 위치별 나노구조물(NS)들의 형상 분포가 정해질 수 있다. 또한, 이와 같이 형성된 나노구조물(NS) 그룹은 소정 주기(T)로 반복 배열될 수 있다. 예를 들어, 도 5는 하나의 나노구조물(NS) 그룹을 도시한 것이며, 제1 메타 광학 소자(MS1)는 도시된 나노구조물(NS) 그룹이 반복 배열된 형태를 가질 수 있다.
제1 메타 표면(MS1)은 광원(110)으로부터의 광에 대해 패턴 생성기(pattern generator)로 기능할 수 있도록 나노구조물(NS)들의 형상, 배열이 정해질 수 있다.
제1 메타 광학 소자(120)는 광원(110)의 광출사면(110a) 상에 바로, 일체형으로(monolithic) 형성될 수 있다. 제1 메타 표면(MS1)이 소정 주기 T로 반복 배열된 나노구조물(NS) 그룹으로 이루어졌을 경우에, 제1 메타 표면(MS1)과 광출사면(110a) 간의 거리(d)는 구조광 생성기(100)에서 생성하는 구조광의 대비비, 즉, 콘트라스트(contrast)를 최대로 하도록 정해질 수 있고, 정해진 값에 따라 기판(SU1)의 두께를 정할 수 있다. d는 다음과 같은 값을 가질 수 있다.
여기서, λ는 광원(110)에서 나오는 광의 파장이고, a1은 제1 메타 광학 소자에서 동일한 구조가 반복되는 주기이고, m은 자연수이다. a1은 즉, 도 5에서 예시한 소정 형상 분포의 나노구조물(NS) 그룹이 반복 배치된 주기 T이다.
상기 거리 d는 콘트라스트가 최대로 나타나는 조건을 나타낸 것이며, 제1 메타 표면(MS1)과 광출사면(110a) 사이의 거리는 이에 한정되지 않는다. 예를 들어, 적절히 큰 콘트라스트와 구조광 패턴의 복잡성등을 함께 고려하여 거리 d를 정할 수도 있다.
광원(110)의 광출사면(110a) 상에 바로, 일체형으로 집적된(monolithic) 제1 메타 광학 소자(120)에 의해 구조광 생성기(100)의 부피는 크게 감소될 수 있다. 제1 메타 표면(MS1)이 차지하는 두께는 수 마이크론 이하로 매우 얇으며, 따라서, 제1 메타 광학 소자(120)가 차지하는 두께는 수십 마이크론 이하까지로 매우 얇아질 수 있다. 구조광 생성기(100)의 전체 부피가 크게 감소함에 따라 제조상의 제약, 예를 들어, 다른 전자 기기에 적용할 때의 제약등이 줄어들어 가격 경쟁력이 향상되고 적용범위가 넓어질 수 있다.
실시예에 따른 구조광 생성기(100)에 채용된 제1 메타 표면(MS1)은 패턴 생성기(pattern generator)로 기능할 수 있도록 나노구조물(NS)들의 형상, 배열이 정해질 수 있다. 예를 들어, 입사광에 대한 두 가지의 위상 변조 값이 반복적으로 나타나도록 복수의 나노구조물(NS)들의 형상, 배열이 정해질 수 있다. 제1 메타 표면(MS1)은 예를 들어, 0과 π의 두 가지 위상 변조 값을 나타낼 수 있다.
도 6은 도 4의 구조광 생성기(100)의 제1 메타 표면(MS1)에 의한 투과 위상 변화 분포를 예시적으로 보인 그래프이다.
그래프의 가로축에 표시된 X는 나노구조물(NS)들이 배열된 1차원 방향을 나타낸다. 그래프를 참조하면, 0과 π의 투과 위상이 주기 0.5um으로 반복 배열된 펄스 트레인(pulse train)이 나타나며, 이러한 펄스 트레인의 듀티비(duty cycle)는 0.5이다. 구현된 투과 위상 분포 형태는 예시적인 것이며, 원하는 구조광 패턴을 형성하기 위해 나노구조물(NS)들의 형상, 배열, 재질을 조절하여 다양하게 변형될 수 있다.
도 7은 도 6의 투과 위상 분포를 가지는 구조광 생성기에 의해 형성된 빛살 분포, 즉, 구조광 패턴을 각도 공간에서의 세기 분포로 나타낸 그래프이다.
그래프를 참조하면, 각 각도 위치에서 세기 분포는 일정하지는 않으나, 제1 메타 표면(MS1)의 설계 인자를 조절하여 각 각도 위치에서의 세기 분포를 일정하게 하는 것이 가능하다.
도 8은 도 4의 구조광 생성기(100)에서 광출사면(110a)과 제1 메타 표면(MS1)과의 거리에 따라 도 7의 구조광 패턴의 콘트라스트를 나타낸 그래프이다.
그래프를 참조하면, 콘트라스트의 최소값에서 최대값으로의 변화가 반복적으로 나타난다. 콘트라스트의 최대값은 거리(d)가 소정 값의 정수배일 때, 반복적으로 나타나는 것을 볼 수 있다. 이러한 그래프를 고려하여, 광출사면(110a)과 제1 메타 표면(MS1) 간의 거리를 정할 수 있다.
도 9는 도 4의 구조광 생성기(100)에 의해 형성된 빛살 분포, 즉, 구조광 패턴을 예시적으로 보인다.
밝은 점들은 광원으로부터 입사된 광이 제1 메타 표면(MS1)에 의해 각도 공간상에 만드는 빛살들이다. 이러한 구조광은 객체에 조사된 후 반사될 때의 형태 변화를 비교하여 객체의 움직임이나 3차원 형상 등을 분석하는데 사용될 수 있다. 이 때, 밝은 점과 어두운 부분의 차이를 나타내는 대비(contrast)가 클수록 분석에 유리하다. 또한, 각도 공간에서 세기 분포가 균등하게 나타나는 것이 분석에 유리하다.
도 10은 다른 실시예에 따른 구조광 생성기(101)의 개략적인 구조를 보인 단면도이다.
구조광 생성기(101)는 광원(110)과, 광원(110)의 광출사면(110a) 상에 위치하는 제2 메타 광학 소자(123), 제2 메타 광학 소자(123) 상에 위치하는 제1 메타 광학 소자(121)를 포함한다.
제1 메타 광학 소자(121)는 기판(SU1)과 제1 메타 표면(MS1)을 포함하며, 제2 메타 광학 소자(123)는 기판(SU2)과 제2 메타 표면(MS2)을 포함한다.
본 실시예에서, 제2 메타 표면(MS2)은 광원(110)에서의 광을 성형하는 빔 성형기(beam shaper)의 역할을 하도록 설계된다. 즉, 광원(110)에서 출사된 광의 발산각을 조절하여 제1 메타 표면(MS1)에 입사되게 한다. 제1 메타 표면(MS1)은 제2 메타 표면(MS2)에 의해 발산각과 입사빔 형태가 조절되어 입사된 광으로부터 빛살 분포를 형성하는 패턴 생성기(pattern generator)의 기능을 한다.
제1 메타 표면(MS1), 제2 메타표면(MS2)은 상기한 각각의 기능에 맞게 형상, 배열이 설계된 서브 파장 치수의 복수의 나노구조물들을 포함한다.
도 11은 또 다른 실시예에 따른 구조광 생성기(102)의 개략적인 구조를 보인 단면도이다.
구조광 생성기(102)는 광원(110)과, 광원(110)의 광출사면(110a) 상에 배치된 메타 광학 소자(125)를 포함한다. 본 실시예의 구조광 생성기(102)는 도 10의 구조광 생성기(101)에서 제1 메타 표면(MS1)과 제2 메타 표면(MS2)을 지지하는 기판(SU1)이 공유된 형태로의 변형이다. 즉, 메타 광학 소자(125)는 기판(SU1)의 양면에 각각 제1 메타 표면(MS1)과 제2 메타 표면(MS2)이 형성된 구조를 갖는다. 제2 메타 표면(MS2)은 빔 성형기로 기능하며, 광출사면(110a)에 직접 접하도록 형성되어 있다. 제1 메타 표면(MS1)은 제2 메타 표면(MS2)에 의해 발산각 및 입사빔 형태가 조절되어 입사된 광으로부터 빛살 분포를 형성한다.
도 12는 또 다른 실시예에 따른 구조광 생성기(103)의 개략적인 구조를 보인 단면도이다.
구조광 생성기(103)는 광원(110)과, 광원(110)의 광출사면(110a) 상에 위치하는 제1 메타 광학 소자(131), 제3 메타 광학 소자(135)를 포함한다.
제1 메타 광학 소자(131)는 기판(SU1)과 제1 메타 표면(MS1)을 포함하며, 제3 메타 광학 소자(135)는 기판(SU3)과 제3 메타 표면(MS3)을 포함한다.
본 실시예에서, 제1 메타 표면(MS1)은 광원(110)에서 출사된 광으로부터 빛살 분포를 형성하는 패턴 생성기(pattern generator)의 기능을 하며, 제3 메타 표면(MS3)은 제1 메타 표면(MS1)에 의해 형성된 빛살 분포를 복제하는 복제기(duplicator)의 기능을 하도록 설계될 수 있다.
제1 메타 표면(MS1), 제3 메타표면(MS3)은 각각의 기능에 맞게 형상, 배열이 설계된 서브 파장 치수의 복수의 나노구조물을 포함한다.
도 13은 또 다른 실시예에 따른 구조광 생성기(104)의 개략적인 구조를 보인 단면도이다.
구조광 생성기(104)는 광원(110)과, 광원(110)의 광출사면(110a) 상에 배치된 메타 광학 소자(137)를 포함한다. 본 실시예의 구조광 생성기(104)는 도 12의 구조광 생성기(103)에서 제1 메타 표면(MS1)과 제3 메타 표면(MS3)을 지지하는 기판(SU3)이 공유된 형태로의 변형이다. 즉, 메타 광학 소자(137)는 기판(SU3)의 양면에 각각 제1 메타 표면(MS1)과 제3 메타 표면(MS3)이 형성된 구조를 갖는다. 제1 메타 표면(MS1), 제3 메타 표면(MS3)은 각각 패턴 생성기(pattern generator), 복제기(duplicator)로 기능하도록 설계된다.
본 실시예의 구조광 생성기(104)는 제1 메타 표면(MS1)과 제3 메타 표면(MS3)이 하나의 기판(SU3)의 양면에 형성된 점에서 도 12의 구조광 생성기(103)와 차이가 있다. 또한, 광출사면(110a)과 제1 메타 표면(MS1)의 거리 조건을 충족시킬 수 있는 두께의 기판(SU1)이 광원(110)과 메타 광학 소자(137) 사이에 마련된다.
이상 설명에서, 2매의 메타 표면이 구비된 구조광 생성기의 예들을 살펴보았다. 2매의 메타 표면은 각각 빔 성형기와 패턴 생성기의 기능을 하도록 설계되거나, 또는, 패턴 생성기와 복제기의 기능을 하도록 설계된 예를 살펴보았으나, 2매의 메타 표면의 예는 이에 한정되지 않는다.
또한, 2매의 메타 표면 뿐 아니라, 그 이상의 개수의 메타 표면이 적용되는 것도 가능하다. 예를 들어, 각각 빔 성형기, 패턴 생성기, 복제기의 기능을 수행하는 3매의 메타 표면을 구비하는 형태로 구조광 생성기가 구현될 수도 있다.
도 14는 또 다른 실시예에 따른 구조광 생성기(105)의 개략적인 구조를 보인 단면도이고, 도 15는 도 14의 구조광 생성기(105)에 의해 복수의 광원의 입사빔들이 셀프 이미징되어 구조광을 형성하는 것을 개념적으로 보인다.
구조광 생성기(105)는 광원 어레이(115), 광원 어레이(115) 상에 위치하는 메타 광학 소자(140)를 포함한다.
광원 어레이(115)는 복수의 광원(115a)(115b)(115c)(115d)을 포함한다. 광원 어레이(115)는 예를 들어, VCSEL(vertical-cavity surface-emitting laser) 어레이로 이루어질 수 있다.
메타 광학 소자(140)는 제1 메타 표면 어레이(146), 제2 메타 표면 어레이(142)를 포함한다. 제1 메타 표면 어레이(146), 제2 메타 표면 어레이(142)는 기판(SU)의 양면에 각각 위치될 수 있다. 기판(SU)의 두께(d)는 제1 메타 표면 어레이(146)과 제2 메타 표면 어레이(142)간의 거리 요건에 부합하도록 정해질 수 있다.
메타 광학 소자(140)는 광원 어레이(115) 상에 집적되게 형성될 수 있다.
제2 메타 표면 어레이(142)는 복수의 광원(115a)(115b)(115c)(115d) 각각과 마주하도록 매치된 복수의 제2 메타 표면(142a)(142b)(142c)(142d)들을 포함한다. 복수의 제2 메타 표면(142a)(142b)(142c)(142d)들은 각각 복수의 광원(115a)(115b)(115c)(115d)에서 출사된 광을 성형하는 빔 성형기(beam shaper)로 기능할 수 있다.
제1 메타 표면 어레이(146)는 제2 메타 표면(142a)(142b)(142c)(142d)들에 의해 성형된 빔 각각으로부터 빛살 분포를 형성하는 제1 메타 표면(146a)(146b)(146c)(146d)들을 포함한다.
제1 메타 표면(146a)(146b)(146c)(146d)들은 모두 패턴 생성기(pattern generator)로 기능하지만, 각각에서 생성하는 구조광(SLa)(SLb)(SLc)(SLd)의 패턴은 서로 상이할 수 있다. 즉, 제1 메타 표면(146a)(146b)(146c)(146d)들은 각 광원(115a)(115b)(115c)(115d)에서의 입사빔(10)이 셀프 이미지된 이미지 빔 (12)들을 형성하되, 이미지 빔(12)들이 공간에 분포하는 형태는 서로 다르도록, 각기 고유한 패턴을 형성한다. 이를 위해, 제1 메타 표면(146a)(146b)(146c)(146d)들은 서브 파장 치수의 복수의 나노구조물들을 포함하되, 나노구조물 배열에 있어 동일한 구조가 반복되는 주기가 각각 Ta, Tb, Tc, Td로 서로 다를 수 있다.
이러한 구조광 생성기(105)는 복잡하고 정교한 구조광을 생성하기 위한 것이다. 서로 다른 패턴의 구조광을 생성하는 제1 메타 표면(146a)(146b)(146c)(146d)들을 복수의 광원(115a)(115b)(115c)(115d)에 각각 대응하도록 배치하여, 다양한 구조광(SLa)(SLb)(SLc)(SLd) 패턴들이 생성될 수 있고, 생성된 구조광(SLa)(SLb)(SLc)(SLd) 패턴들의 중첩에 의해, 더욱 복잡하고 정교한 최종의 구조광(SL)이 형성될 수 있다.
구조광 생성기(105)는 광원 어레이(115) 상에 빔 성형기의 역할을 하는 제2 메타 표면 어레이(143)와 패턴 생성기의 역할을 하는 제1 메타 표면 어레이(146)가 구비된 것을 예시하였으나, 이에 한정되지 않는다. 구조광 생성기(105)는 패턴 생성기의 역할을 하는 메타 표면 어레이와 복제기의 역할을 하는 메타 표면 어레이가 구비되는 형태로 변형될 수도 있다.
도 16은 실시예에 따른 3차원 객체 인식 장치(1000)의 개략적인 구조를 보인 블록도이다.
3차원 객체 인식 장치(1000)는 피사체(OBJ)를 향해 소정 패턴의 구조광(SLi)을 조사하는 구조광 생성기(1200), 피사체(OBJ)로부터 반사된 구조광(SLr)을 수광하는 센서부(1400), 구조광 생성기(1200)에서 조사한 구조광(SLi)과 센서부(1400)에서 수광한 구조광(SLr)의 패턴 변화를 비교하여, 3차원 형상을 가지는 피사체(OBJ)의 깊이 정보, 형상 또는 움직임을 분석하는 연산부(1600)를 포함한다.
구조광 생성기(1200)는 광원과, 적어도 하나의 메타 표면을 포함할 수 있고, 전술한 실시예들에 따른 구조광 생성기(100)(101)(102)(103)(104)(105)들 중 어느 하나, 또는 이들이 조합된 형태를 가질 수 있다.
센서부(1400)는 피사체(OBJ)에 의해 반사된 구조광(SLr)을 센싱한다.
연산부(1600)는 피사체(OBJ)에 조사된 구조광(SLi)과 피사체(OBJ)로부터 반사된 구조광(SLr)을 비교하여 피사체(OBJ)의 3차원 형상, 위치, 움직임등을 분석할 수 있다. 구조광 생성기(1200)에서 생성하는 구조광(SLi)은 밝고 어두운 점들이 각 각도 방향 위치 좌표를 고유하게 지정하도록 수학적으로 코드된(coded) 패턴이다. 이러한 패턴이 3차원 형상의 물체에 맞고 반사될 때, 반사된 구조광(SLr)의 패턴은 조사된 구조광(SLi)의 패턴에서 변화된 형태를 갖는다. 이들 패턴을 비교하고 좌표별 패턴을 추적하여 피사체(OBJ)의 3차원 정보를 추출할 수 있다.
3차원 객체 인식 장치(1000)는 구조광 생성기(1200)에서의 광원 구동이나 센서부(1600)의 동작 등을 전반적으로 제어하는 제어부를 더 포함할 수 있고, 또한, 연산부(1400)에서 수행할 3차원 정보 추출을 위한 연산 프로그램이 저장되는 메모리등을 더 포함할 수 잇다.
연산부(1600)에서의 연산 결과, 즉, 피사체(OBJ)의 형상, 위치에 대한 정보는 다른 유닛으로 전송될 수 있다. 예를 들어, 3차원 객체 인식 장치(1000)가 채용된 전자 기기의 제어부에 상기한 정보가 전송될 수 있다.
3차원 객체 인식 장치(1000)는 전방 객체에 대한 3차원 정보를 정밀하게 획득하는 센서로 활용될 수 있어 다양한 전자 기기에 채용될 수 있다. 이러한 전자기기는 예를 들어, 무인자동차, 자율주행차, 로봇, 드론 등과 같은 자율 구동 기기, 이외에도, 증강현실(Augmented Reality) 기기, 이동 통신 기기 또는 사물 인터넷 기기일 수 있다.
지금까지, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 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, 101, 102, 103, 104, 105 - 구조광 생성기
110, LS - 광원
115 - 광원 어레이
120, 121, 131 - 제1 메타 광학 소자
123 - 제2 메타 광학 소자
135 - 제3 메타 광학 소자
125, 127, 140 - 메타 광학 소자
142 - 제2 메타 표면 어레이
146 - 제1 메타 표면 어레이
1000 - 3차원 객체 인식 장치
SU, SU1, SU2, SU3 - 기판
MS- 메타 표면
MS1 - 제1 메타 표면
MS2 - 제2 메타 표면
MS3 - 제3 메타 표면
SL, SL', SLi, SLr, SLa, SLb, SLc - 구조광
110, LS - 광원
115 - 광원 어레이
120, 121, 131 - 제1 메타 광학 소자
123 - 제2 메타 광학 소자
135 - 제3 메타 광학 소자
125, 127, 140 - 메타 광학 소자
142 - 제2 메타 표면 어레이
146 - 제1 메타 표면 어레이
1000 - 3차원 객체 인식 장치
SU, SU1, SU2, SU3 - 기판
MS- 메타 표면
MS1 - 제1 메타 표면
MS2 - 제2 메타 표면
MS3 - 제3 메타 표면
SL, SL', SLi, SLr, SLa, SLb, SLc - 구조광
Claims (20)
- 광원;
상기 광원에서 나오는 광의 파장보다 작은 서브 파장의 형상 치수를 가지는 복수의 나노구조물들로 이루어진 제1 메타표면을 구비하여 상기 광원에서의 광으로부터 빛살 분포를 형성하는 제1 메타 광학 소자;를 포함하는 구조광 생성기 - 제1항에 있어서,
상기 제1 메타 광학 소자는 입사광에 대해 원하는 투과 세기 분포 및 투과 위상 분포를 구현하도록 상기 복수의 나노구조물들의 형태가 조절된, 구조광 생성기. - 제1항에 있어서,
상기 제1 메타 광학 소자는 상기 광원의 광 출사면 상에 바로, 일체형으로(monolithic) 형성되는, 구조광 생성기. - 제1항에 있어서,
상기 제1 메타 광학 소자는 입사광에 대한 투과 세기 분포 및 투과 위상 분포가 반복적으로 나타나도록 상기 복수의 나노구조물들의 형상, 배열이 정해진, 구조광 생성기. - 제4항에 있어서,
상기 제1 메타 광학 소자는 두 가지 투과 위상 변조값을 가지도록 상기 복수의 나노구조물들의 형상, 분포가 형성된, 구조광 생성기. - 제5항에 있어서,
상기 두 가지 투과 위상 변조값은 0과 π인, 구조광 생성기. - 제4항에 있어서,
상기 광원에서 상기 제1 메타 표면까지의 거리는 상기 빛살 분포가 형성하는 구조광 패턴의 콘트라스트(contrast)가 최대가 되도록 정해지는, 구조광 생성기. - 제7항에 있어서,
상기 광원에서 상기 제1 메타 표면까지의 거리(d)는 다음 조건을 만족하는, 구조광 생성기.
여기서, λ는 상기 광원에서 나오는 광의 파장이고, a1은 상기 제1 메타 광학 소자에서 동일한 구조가 반복되는 주기이고, m은 자연수이다. - 제1항에 있어서,
상기 광원과 상기 제1 메타 광학 소자 사이에 위치하며 상기 광원에서 나오는 광의 빔 형상을 조절하는 제2 메타 표면을 구비하는 제2 메타 광학 소자를 더 포함하는, 구조광 생성기. - 제9항에 있어서,
상기 제1 메타 광학 소자와 상기 제2 메타 광학 소자는 상기 제1 메타 표면과 상기 제2 메타 표면을 지지하는 지지 기판을 공유하며,
상기 제1 메타 표면과 상기 제2 메타 표면은 상기 지지 기판의 서로 마주하는 양면에 각각 형성되는, 구조광 생성기. - 제1항에 있어서,
상기 제1 메타 광학 소자에서 형성한 빛살 분포를 소정 각도 공간에 반복 형성하는 제3 메타 표면을 구비하는 제3 메타 광학 소자를 더 포함하는, 구조광 생성기. - 제11항에 있어서,
상기 제1 메타 광학 소자와 상기 제3 메타 광학 소자는 상기 제1 메타 표면과 상기 제3 메타 표면을 지지하는 기판을 공유하며,
상기 제1 메타 표면과 상기 제3 메타 표면은 상기 기판의 서로 마주하는 양면에 각각 형성되는, 구조광 생성기. - 제1항에 있어서,
상기 복수의 나노구조물들은 원기둥 또는 다각기둥 형상인, 구조광 생성기. - 제1항에 있어서,
상기 복수의 나노구조물들은 비대칭적인 형상을 가지는, 구조광 생성기. - 제1항에 있어서,
상기 제1 메타 광학 소자는
상기 복수의 나노구조물들을 지지하는 기판을 더 포함하는, 구조광 생성기. - 제15항에 있어서,
상기 복수의 나노구조물들은 상기 기판의 굴절률보다 큰 굴절률을 가지는 유전체 물질로 이루어진, 구조광 생성기. - 제15항에 있어서,
상기 복수의 나노구조물들은 전도성 물질로 이루어진, 구조광 생성기. - 제15항에 있어서,
상기 복수의 나노구조물들 중 일부는 상기 기판의 굴절률보다 큰 굴절률을 가지는 유전체 물질로 이루어지고, 복수의 나노구조물들 중 다른 일부는 전도성 물질로 이루어진, 구조광 생성기. - 피사체를 향해 소정 패턴의 구조광을 조사하는 제1항의 구조광 생성기;
상기 피사체로부터 반사된 구조광을 수광하는 센서부;
상기 구조광 생성기에서 조사한 구조광과 상기 센서부에서 수광한 구조광의 패턴 변화를 비교하여, 피사체의 형상 또는 움직임을 분석하는 연산부;를 포함하는 3차원 객체 인식 장치. - 제19항의 3차원 객체 인식 장치;를 포함하는 전자 기기.
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