KR20190051696A - 메타 프로젝터 및 이를 포함하는 전자 장치 - Google Patents

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Abstract

메타 프로젝터는 복수의 제1 발광 요소들이 배열된 제1 발광 어레이와, 상기 제1 발광 요소들과 성질이 다른 광을 출사하는 복수의 제2 발광 요소들이 배열된 제2 발광 어레이를 포함하는, 광원 어레이; 상기 광원 어레이로부터 출사된 광이 진행하는 광 경로상에 배치되고, 상기 광원 어레이에서 나오는 광의 파장보다 작은 서브 파장의 형상 치수를 가지는 복수의 나노 구조물을 포함하며, 상기 제1 어레이에서 출사하는 광과 상기 제2 어레이에서 출사하는 광을 다르게 변조하는, 메타 구조층;을 포함한다.

Description

메타 프로젝터 및 이를 포함하는 전자 장치{Meta projector and electronic apparatus including the same}
본 개시는 메타 프로젝터 및 이를 포함하는 전자 장치에 대한 것이다.
모바일(mobile) 및 웨어러블(wearable) 기기에서 홍채 인식 센서, 깊이 센서(depth sensor) 등 다양한 센서에 대한 수요가 있다. 또한, 태블릿(Tablet), 드론(drone), 사물 인터넷(IoT)(Internet of Thing)등의 분야에서도 활용되기 위해 센서들의 소형화, 저 전력화 추세가 지속적으로 이어지고 있다.
기존의 센서들은 각 센서의 기능들에 맞게 별도의 마이크로 광학(micro-optic) 기술과 함께 프로젝터, 스캐너 등에 필요한 조명 부품을 사용하고 있다. 이로 인해 여러 개의 광원, 광학 부품들이 필요하게 되고 이러한 광학 부품들이 차지하는 부피는 설계의 정밀도 및 제작 요건에 영향을 주는 요인이 된다.
초소형으로, 원하는 성능의 광을 출사하는 메타 프로젝터를 제공한다.
메타 프로젝터를 포함하는 전자 장치를 제공한다.
일 유형에 따르면, 복수의 제1 발광 요소들이 배열된 제1 발광 어레이와, 상기 제1 발광 요소들과 성질이 다른 광을 출사하는 복수의 제2 발광 요소들이 배열된 제2 발광 어레이를 포함하는, 광원 어레이; 상기 광원 어레이로부터 출사된 광이 진행하는 광 경로상에 배치되고, 상기 광원 어레이에서 나오는 광의 파장보다 작은 서브 파장의 형상 치수를 가지는 복수의 나노 구조물을 포함하며, 상기 제1 어레이에서 출사하는 광과 상기 제2 어레이에서 출사하는 광을 다르게 변조하는, 메타 구조층;을 포함하는, 메타 프로젝터가 제공된다.
상기 제1 발광 요소와 상기 제2 발광 요소는 서로 다른 편광의 광을 출사할 수 있다.
제1 발광 어레이는 상기 제1 발광 요소들이 배열된 복수의 열(column)을 포함하고, 제2 발광 어레이는 상기 제2 발광 요소들이 배열된 복수의 열을 포함하며, 상기 제1 발광 어레이의 열들과 상기 제2 발광 어레이의 열들은 교대로 배열될 수 있다.
상기 메타구조층은 제1 발광 어레이에서 출사되는 광으로부터 구조광(structured light)을 형성하고, 상기 제2 발광 어레이에서 출사되는 광으로부터 균일광(uniform light)을 형성하도록, 상기 복수의 나노 구조물의 형상 분포가 정해질 수 있다.
상기 복수의 나노 구조물은 상기 복수의 나노 구조물과 인접한 주변 물질의 굴절률보다 높은 굴절률을 가지는 물질로 이루어질 수 있다.
상기 복수의 나노 구조물의 굴절률과 상기 주변 물질의 굴절률 차는 1 이상일 수 있다.
상기 복수의 나노 구조물은 전도성 물질로 이루어질 수 있다.
상기 복수의 나노 구조물의 형상 분포는 상기 광원 어레이에서 출사되는 광의 편광에 의존하여 서로 다른 투과 위상 분포를 형성하도록 정해질 수 있다.
상기 복수의 나노 구조물은 단면의 형상이 비대칭성을 가지는 형상일 수 있다.
상기 복수의 나노 구조물의 형상 치수는 상기 광원 어레이에서 출사되는 광의 파장의 반 이하일 수 있다.
상기 복수의 나노 구조물의 배열 피치는 상기 광원 어레이에서 출사되는 광의 파장의 반 이하일 수 있다.
상기 메타 구조층은 상기 복수의 나노 구조물을 지지하는 지지층을 더 포함하며, 상기 복수의 나노 구조물은 상기 지지층의 양면에 형성될 수 있다.
또한, 일 유형에 의하면, 제1편광의 광을 출사하는 복수의 제1 발광 요소들이 배열된 제1 발광 어레이와, 상기 제1편광과 다른 제2편광의 광을 출사하는 복수의 제2 발광 요소들이 배열된 제2 발광 어레이를 포함하는, 광원 어레이; 상기 광원 어레이로부터 출사된 광이 진행하는 광 경로상에 배치되고, 상기 광원 어레이에서 나오는 광의 파장보다 작은 서브 파장의 형상 치수를 가지는 복수의 나노 구조물을 포함하며, 상기 제1편광의 광으로부터 구조광을 형성하고, 상기 제2편광의 광으로부터 균일광을 형성하는, 메타 구조층; 및 상기 제1 발광 어레이와 상기 제2 발광 어레이 중 하나가 선택적으로 구동되도록 제어하는 제어부;를 포함하는, 광원 장치가 제공된다.
또한, 일 유형에 의하면, 제1편광의 광을 출사하는 복수의 제1 발광 요소들이 배열된 제1 발광 어레이와, 상기 제1편광과 다른 제2편광의 광을 출사하는 복수의 제2 발광 요소들이 배열된 제2 발광 어레이를 포함하는, 광원 어레이와, 상기 광원 어레이에서 나오는 광의 파장보다 작은 서브 파장의 형상 치수를 가지는 복수의 나노 구조물을 포함하고, 상기 제1편광의 광으로부터 구조광을 형성하고, 상기 제2편광의 광으로부터 균일광을 형성하는, 메타 구조층을 포함하며, 피사체에 구조광 또는 균일광을 조사하는 메타 프로젝터; 상기 피사체로부터 반사된 광을 수광하는 센서; 및 상기 메타 프로젝터가 구조광 또는 균일광을 출사하도록 상기 메타 프로젝터를 제어하고, 상기 센서에서 수광된 광으로부터 피사체의 형상 정보 획득을 위한 연산을 수행하는, 프로세서;를 포함하는, 객체 인식 장치가 제공된다.
상기 프로세서는 상기 메타 프로젝터가 상기 피사체에 구조광을 조사한 경우, 피사체에 대한 3차원 형상 획득에 대한 연산을 수행하고, 상기 메타 프로젝터가 상기 파사체에 균일광을 조사한 경우, 피사체에 대한 2차원 형상 획득에 대한 연산을 수행할 수 있다.
또한, 일 유형에 의하면, 사용자 인증을 위한 광을 피사체에 조사하는 것으로, 복수의 제1 발광 요소들이 배열된 제1 발광 어레이와, 상기 제1 발광 요소들과 성질이 다른 광을 출사하는 복수의 제2 발광 요소들이 배열된 제2 발광 어레이를 포함하는, 광원 어레이와, 상기 광원 어레이로부터 출사된 광이 진행하는 광 경로상에 배치되고, 상기 광원 어레이에서 나오는 광의 파장보다 작은 서브 파장의 형상 치수를 가지는 복수의 나노 구조물을 포함하며, 상기 제1 어레이에서 출사하는 광과 상기 제2 어레이에서 출사하는 광을 다르게 변조하는, 메타 구조층을 포함하는, 메타 프로젝터; 상기 피사체로부터 반사된 광을 수광하는 센서; 및 상기 센서에서 수광한 광을 분석하여 사용자 인증 여부를 판단하는 프로세서;를 포함하는 전자 장치가 제공된다.
상기 제1 발광 요소와 상기 제2 발광 요소는 서로 다른 편광의 광을 출사할 수 있다.
상기 메타 구조층은 제1 발광 어레이에서 출사되는 광으로부터 구조광(structured light)을 형성하고, 상기 제2 발광 어레이에서 출사되는 광으로부터 균일광(uniform light)을 형성하도록, 상기 복수의 나노 구조물의 형상 분포가 정해질 수 있다.
상기 프로세서는 사용자의 입력 또는 상기 전자 장치에 구비되는 어플리케이션의 실행에 따른 입력에 따라, 상기 제1 발광 어레이와 상기 제2 발광 어레이 중 하나가 선택적으로 구동되도록 메타 프로젝터를 제어할 수 있다.
상기 프로세서는 상기 메타 프로젝터가 상기 피사체에 구조광을 조사한 경우, 인증을 위해 안면 인식 방법을 사용하고, 상기 메타 프로젝터가 상기 피사체에 균일광을 조사한 경우, 인증을 위해 홍채 인식 방법을 사용할 수 있다.
상술한 메타 프로젝터는 출사광의 성질이 다른 복수의 광원들을 포함하는 광원 어레이와 서브 파장의 나노구조물들로 이루어진 메타 구조층을 사용하여 구조광 또는 균일광을 선택적으로 형성할 수 있다.
상술한 메타 프로젝터는 3차원 형상 인식 및 2차원 형상 인식을 선택적으로 수행하기 위한 광원으로 작용할 수 있다.
상술한 메타 프로젝터는 다양한 전자 장치에 채용될 수 있고, 3차원 또는 2차원적인 객체 인식, 이를 이용한 인증 등의 기능을 수행할 수 있다.
도 1은 실시예에 따른 메타 프로젝터의 개략적인 구성을 보이는 단면도이다.
도 2는 도 1의 메타 프로젝터에 구비되는 광원 어레이의 평면도이다.
도 3은 도 1의 메타 프로젝터에 구비되는 메타구조층의 개략적인 구조를 보이는 사시도이다.
도 4 내지 도 6은 도 1의 메타 프로젝터에 채용될 수 있는 나노구조물의 예시적인 형상들을 보인 사시도이다.
도 7은 비대칭 형상의 나노구조물들이 서로 다른 편광에 대해 다른 광학 작용을 하도록 배열된 예를 보인다.
도 8은 도 1의 메타 프로젝터에 채용될 수 있는 발광 요소의 예시적인 구조를 상세히 보인 단면도이다.
도 9는 도 1의 메타 프로젝터에 채용될 수 있는 발광 요소의 다른 예시적인 구조를 상세히 보인 단면도이다.
도 10은 도 1의 메타 프로젝터의 주요 구성을 보인 분리 사시도로, 구조광이 출사되는 동작을 개념적으로 보이고 있다.
도 11은 도 1의 메타 프로젝터의 주요 구성을 보인 분리 사시도로, 균일광이 출사되는 동작을 개념적으로 보이고 있다.
도 12는 다른 실시예에 따른 메타 프로젝터에 채용될 수 있는 메타 구조층의 예를 보인 단면도이다.
도 13 및 도 14는 실시예에 따른 광원 장치의 개략적인 구성을 보이는 블록도로서, 각각, 구조광, 균일광이 형성되는 동작을 보인다.
도 15는 실시예에 따른 객체 인식 장치의 개략적인 구성을 보이는 블록도이다.
도 16은 실시예에 따른 전자 장치의 개략적인 구성을 보이는 블록도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 설명되는 실시예는 단지 예시적인 것에 불과하며, 이러한 실시예들로부터 다양한 변형이 가능하다. 이하의 도면들에서 동일한 참조부호는 동일한 구성요소를 지칭하며, 도면상에서 각 구성요소의 크기는 설명의 명료성과 편의상 과장되어 있을 수 있다.
이하에서, "상부" 나 "상"이라고 기재된 것은 접촉하여 바로 위에 있는 것뿐만 아니라 비접촉으로 위에 있는 것도 포함할 수 있다.
제 1, 제 2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 이러한 용어들은 구성 요소들의 물질 또는 구조가 다름을 한정하는 것이 아니다.
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.
본 실시예에서 설명하는 특정 실행들은 예시들로서, 어떠한 방법으로도 기술적 범위를 한정하는 것은 아니다. 명세서의 간결함을 위하여, 종래 전자적인 구성들, 제어 시스템들, 소프트웨어, 상기 시스템들의 다른 기능적인 측면들의 기재는 생략될 수 있다. 또한, 도면에 도시된 구성 요소들 간의 선들의 연결 또는 연결 부재들은 기능적인 연결 및/또는 물리적 또는 회로적 연결들을 예시적으로 나타낸 것으로서, 실제 장치에서는 대체 가능하거나 추가의 다양한 기능적인 연결, 물리적인 연결, 또는 회로 연결들로서 나타내어질 수 있다.
“상기”의 용어 및 이와 유사한 지시 용어의 사용은 단수 및 복수 모두에 해당하는 것일 수 있다.
방법을 구성하는 단계들은 설명된 순서대로 행하여야 한다는 명백한 언급이 없다면, 적당한 순서로 행해질 수 있다. 또한, 모든 예시적인 용어(예를 들어, 등등)의 사용은 단순히 기술적 사상을 상세히 설명하기 위한 것으로서 청구항에 의해 한정되지 않는 이상 이러한 용어로 인해 권리 범위가 한정되는 것은 아니다.
도 1은 실시예에 따른 메타 프로젝터의 개략적인 구성을 보이는 단면도이고, 도 2는 도 1의 메타 프로젝터에 구비되는 광원 어레이의 평면도이며, 도 3은 도 1의 메타 프로젝터에 구비되는 메타 구조층의 예시적인 구성을 보이는 사시도이다.
메타 프로젝터(100)는 다른 종류의 광을 출사하는 발광요소들을 포함하는 광원 어레이(150)와, 광원 어레이(150)에서 나오는 광의 광경로 상에 배치되어, 상기 다른 종류의 광을 다르게 변조하는 메타 구조층(MS)을 포함한다. 광원 어레이(150)로부터의 광은 메타 구조층(MS)을 지나며 구조광(structured light)(SL) 또는 균일광(uniform light)(UL)으로 변조될 수 있다. 메타 프로젝터(100)는 기판(110), 광원 어레이(150)와 메타 구조층(MS)을 고정하는 하우징(160)을 더 포함할 수 있다.
광원 어레이(150)는 복수의 제1 발광 요소(122)들이 배열된 제1 발광 어레이(120)와, 제1 발광 요소(122)들과 성질이 다른 광을 출사하는 복수의 제2 발광 요소(132)들이 배열된 제2 발광 어레이(130)를 포함한다. 제1 발광 요소(122)와 제2 발광 요소(132)는 서로 다른 편광의 광을 출사하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 제1 발광 요소(122)는 제1편광의 광을, 제2 발광 요소(132)는 제2편광의 광을 출사할 수 있다. 제1편광은 예를 들어, Y 방향의 선편광, 제2편광은 X 방향의 선편광일 수 있다. 제1편광은 TE 모드의 광, 제2편광은 TM 모드의 광일 수 있다. 제1편광과 제2편광은 서로 다른 회전 방향의 원편광 일수도 있다. 이하에서는, 제1 발광 요소(122)가 Y 방향의 선편광인 제1편광, 제2 발광 요소(132)가 X 방향의 선편광인 제2편광의 광을 출사하는 것으로 설명할 것이다.
제1 발광 어레이(120)는 제1 발광 요소(122)들이 배열된 복수의 열(column)을 포함하고, 제2 발광 어레이(130)는 제2 발광 요소(132)들이 배열된 복수의 열을 포함하며, 제1 발광 어레이(120)에 포함되는 열들과 제2 발광 어레이(130)에 포함되는 열들은 교대로 배열될 수 있다.
제1 발광 어레이(120)와 제2 발광 어레이(130)는 서로 독립적으로 제어될 수 있다. 제1 발광 어레이(120)는 제어 신호(P1)에 따라, 제2 발광 어레이(130)는 제어 신호(P2)에 의해 구동될 수 있다. 제1 발광 어레이(120)만이 광을 출사하고, 제2 발광 어레이(130)는 광을 출사하지 않도록 동작하거나, 제2 발광 어레이(130)만이 광을 출사고 제1 발광 어레이(120)는 광을 출사하지 않도록 동작할 수 있다. 이에 따라, 광원 어레이(150)는 제1편광의 광을 출사하는 모드, 또는 제2편광의 광을 출사하는 모드로 동작할 수 있다.
제1 발광 어레이(120)와 제2 발광 어레이(130)는 서로 독립적으로 제어될 수 있으며, 이 때, 제1 발광 어레이(120)의 제1 발광 요소(122)들이 모두 동시에 구동되거나, 제2 발광 어레이(130)의 제2 발광 요소(132)들이 모두 동시에 구동되는 것은 아니다. 제1 발광 어레이(120)가 구동될 때, 제1 발광 요소(122)들이 배열된 열 별로 순차 구동되어 스캐닝 방식으로 광을 출사할 수 있고, 다른 형태로 순차 구동도 가능하다. 제2 발광 어레이(130)가 구동될 때도, 제2 발광 요소(132)들이 배열된 열 별로 순차 구동되어 스캐닝 방식으로 광을 출사할 수 있고, 다른 형태로 순차 구동도 가능하다.
광원 어레이(150)에 포함되는 제1 발광 요소(122), 제2 발광 요소(132)들의 배열은 도시된 형태에 한정되지 않는다. 예를 들어, 그 배열은 랜덤한 분포를 가질 수도 있다. 제1 발광 어레이(120), 제2 발광 어레이(130)가 서로 독립적으로 제어될 수 있고, 제1 발광 어레이(120), 제2 발광 어레이(130) 중 어느 하나가 구동될 때, 출사광 분포가 공간적으로 대체로 고르게 되는 다양한 배열 형태가 채용될 수 있다.
메타 구조층(MS)은 광원 어레이(150)에서 출사하는 다른 종류의 광을 서로 다르게 변조할 수 있다. 메타 구조층(MS)은 예를 들어, 제1편광의 광에 대해 구조광(structured light)(SL)을 형성하고, 제2편광의 광에 대해서는 균일광(uniform light)(UL)을 형성하도록 구성될 수 있다.
구조광(SL)은 공간상에 진행해 나가는 빛살(ray of light)들이 형성하는 빔 스폿의 분포를 지칭한다. 메타 구조층(MS)을 지나며 형성되는 구조광(SL)은 밝고 어두운 점들이 각 각도 방향 위치 좌표를 고유하게 지정하도록 수학적으로 코드된(coded) 패턴일 수 있다. 이러한 패턴은 3차원 형상을 인식하는데 사용될 수 있다. 3차원 물체에 조사된 구조광이 물체에 의해 형태가 변화될 수 있고, 이를 카메라와 같은 촬상 소자에 의해 이미징하여 좌표별 패턴의 형태 변화 정도를 추적함으로써, 3차원 형상의 물체의 깊이 정보가 추출될 수 있다.
균일광(uniform light)(UL)은 구조광(SL)과 같은 위치별 패턴이 설정되지 않은 형태로서, 일반적인 조명(illumination)일 수 있다. 광원 어레이(150)로부터의 광은 메타 구조층(MS)을 지나며 빔 폭이 조절되고 그 공간 분포가 균일해질 수 있다. 균일광(UL)은 예를 들어, 2차원 영상 획득에 적합한 조도를 가질 수 있고, 또는 일반 조명으로도 활용될 수 있다.
도 3을 참조하면, 메타 구조층(MS)은 복수의 나노 구조물(NS)를 포함한다. 나노 구조물(NS)은 서브 파장의 형상 치수를 가진다. 여기서, 형상 치수는 나노 구조물(NS)의 형상을 정의하는 치수, 즉, 두께나 폭 등을 의미하며, 서브 파장의 형상 치수라 함은 이러한 형상 치수 중 적어도 하나가 광원 어레이(150)에서 출사되는 광의 파장보다 작음을 의미한다.
나노 구조물(NS)의 형상 치수는 광원 어레이(150)에서 출사되는 광의 파장의 반 이하일 수 있다. 복수의 나노 구조물(NS) 간의 배열 피치는 광원 어레이(150)에서 출사되는 광의 파장의 반 이하일 수 있다. 나노 구조물(NS)의 폭이 파장의 반 이하일 때 메타구조를 이루는 강한 산란 단위로 동작할 수 있으며, 배치 간격이 파장보다 작아질수록, 고차 회절이 없이 입사한 빛을 원하는 형태로 제어할 수 있게 된다.
나노 구조물(NS)들은 각각의 재질, 형상에 따라 고유한 값을 갖는 투과 세기 및 투과 위상을 가질 수 있다. 이들 형상 분포를 조절하여 메타 구조층(MS)을 투과하는 광의 위상이나 세기 분포를 조절할 수 있다. 이하에서, '형상 분포'는 복수의 나노 구조물(NS)의 형상, 복수의 나노 구조물(NS)의 크기, 복수의 나노 구조물(NS)의 크기 분포, 복수의 나노 구조물(NS)의 배열 피치, 복수의 나노 구조물(NS)의 배열 피치의 분포 중 적어도 어느 하나를 의미한다.
복수의 나노 구조물(NS)의 형상 분포는 광원 어레이(150)에서 출사되는 광의 편광에 의존하여 서로 다른 투과 위상 분포를 형성하도록 정해질 수 있다. 제1 발광 요소(122)들로부터 출사되는 제1편광의 광에 대해서는 구조광(structured light)(SL)을 형성하고, 제2 발광 요소(132)들로부터 출사되는 제2편광의 광에 대해서는 균일광(uniform light)(UL)을 형성하도록 복수의 나노 구조물(NS)의 형상 분포가 정해질 수 있다.
도시된 나노 구조물(NS)들은 모두 같은 형상, 크기, 높이의 원기둥 형태로 편의상 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 나노 구조물(NS)로 이루어진 소정 그룹에 대해 위치별 나노 구조물(NS)들의 형상 분포가 정해질 수도 있다. 또한, 이와 같이 형성된 나노 구조물(NS) 그룹은 소정 주기로 반복 배열될 수도 있다. 복수의 나노 구조물(NS)의 형상 분포는 규칙적, 주기적, 유사 주기적일 수 있으며, 다만 이에 한정되지 않고, 랜덤할 수도 있다.
메타 구조층(MS)은 복수의 나노 구조물(NS)들을 지지하는 지지층(SU)을 더 포함할 수 있다. 지지층(SU)은 나노 구조물(NS)의 굴절률보다 작은 굴절률을 가지는 물질로 이루어질 수 있다. 예를 들어, SiO2, TCO(transparent conductive oxide), 또는 PC, PS, PMMA와 같은 폴리머로 이루어질 수 있다.
나노 구조물(NS)은 유전체 물질로 이루어질 수 있다. 나노 구조물(NS)은 인접한 주변 물질, 예를 들어, 공기나 지지층(SU)의 굴절률보다 높은 굴절률을 가지는 물질로 이루어질 수 있다. 나노 구조물(NS)의 굴절률과 주변 물질의 굴절률 차는 1 이상일 수 있다.
나노 구조물(NS)은 단결정 실리콘, 다결정 실리콘(Poly Si), 비정질 실리콘(amorphous Si), Si3N4, GaP, TiO2, AlSb, AlAs, AlGaAs, AlGaInP, BP, ZnGeP2 중 어느 하나가 나노 구조물(NS)의 재질로 사용될 수 있다.
또는, 나노 구조물(NS)은 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, 나노 구조물(NS)들 중 일부는 고굴절률의 유전체 물질로 이루어지고, 일부는 전도성 물질로 이루어지는 것도 가능하다. 즉, 나노 구조물(NS)들 중의 일부는 기판의 굴절률보다 큰 굴절률을 가지는 유전체 물질로 이루어질 수 있고. 나노 구조물(NS)들 중의 다른 일부는 전도성 물질로 이루어질 수 있다.
나노 구조물(NS)은 비대칭적인 형상을 가질 수 있다. 비대칭성을 가지는 나노 구조물(NS) 형상이 채용되는 경우 비대칭성에 의해 정해지는 특정 방향의 편광에 대해 상술한 광학 작용이 수행될 수 있다. 다시 말하면, 제1편광의 광에 대해서는 구조광(structured light)(SL)을 형성하고, 제2편광의 광에 대해서는 균일광(uniform light)(UL)을 형성하도록, 나노 구조물(NS) 각각에 입사하는 광의 투과 위상 분포를 변경할 수 있다.
나노 구조물(NS)의 단면 형상, 즉, 광원 어레이(150)와 메타 구조층(MS)이 이격된 방향(Z 방향)에 수직인 단면 형상은 비대칭성을 가지는 형상일 수 있다. 예를 들어, 제1 발광 요소(122)에서 출사하는 광의 편광 방향, 즉, 제1편광 방향(Y 방향)과, 제2 발광 요소(132)에서 출사하는 광의 편광, 즉, 제2편광 방향(X 방향)의 길이가 서로 다를 수 있다. X 방향의 길이와 Y 방향의 길이가 서로 다른 정도는 복수의 나노 구조물(NS) 각각이 배열된 위치에 따라 다를 수 있다. 예를 들어, 나노 구조물(NS)들의 배열된 분포는 제 1편광 방향(Y방향)의 광이 소정의 원하는 구조광(structured light) 패턴을 구현하기에 알맞게 Y 방향 길이를 조절하며 정해지며, 이와 유사하게, 제 2편광 방향(X방향) 광은 서로 혼합되며 균일한 조명을 형성하며 출사될 수 있도록 나노 구조물(NS)들의 X방향 길이 분포를 조절하며 정해질 수 있다. 예를 들어, 구조광 패턴 형성을 위해서는 제 1편광 방향의 광이 주기적인 각도로 회절되도록 나노 구조물(NS)들이 위상 격자 형태의 효과를 제공하게 설계할 수 있다. 제 2편광 방향의 광에 대해서는 균일한 조명을 형성할 수 있도록 나노 구조물(NS)들이 일종의 비구면 볼록 렌즈와 같은 위상분포를 가지도록 설계될 수 있다. 나노 구조물(NS)의 X방향 길이와 Y방향 길이가 서로 반대방향 편광의 광 특성에 영향을 미치므로, 각 위치에서의 정확한 나노 구조물(NS)의 형태는 두 길이의 영향을 시뮬레이션 계산으로 파악해서 정할 수가 있다.
메타 구조층(MS)은 기존의 마이크로 광학 부품에 비해 매우 작은 피치 및 얇은 두께로 형성될 수 있기 때문에, 넓은 각도 범위에 대해 고차 회절이 없는 임의의 패턴을 형성할 수 있다. 따라서, 메타 프로젝터(100)는 초소형의 크기를 가질 수 있다. 예를 들어, 메타 프로젝터(100)의 두께(H)는 약 4mm 이하가 될 수 있다.
도 4 내지 도 6은 도 1의 메타 프로젝터에 채용될 수 있는 나노 구조물의 예시적인 형상들을 보인 사시도이다.
도 4를 참조하면, 나노 구조물(NS)은 XY평면에 나란한 단면 형상이 십자 형태이고 두께가 t인 다각 기둥 형상일 수 있다. 상기 십자 형태는 X방향의 길이(Dx)와 Y 방향의 길이(Dy)가 서로 다른 비대칭 형상일 수 있다. 상기 십자 형태의 X방향의 길이(Dx)와 Y 방향의 길이(Dy)의 비는 나노 구조물(NS)이 배치된 각 위치에 따라 서로 다를 수 있다. 또한, 나노 구조물(NS)들의 X 방향의 길이(Dx)의 분포와 Y 방향의 길이(Dy)의 분포를 서로 다르게 할 수 있다. X 방향의 길이(Dx) 분포는 소정의 패턴광 형성에 적합하게, Y 방향의 길이(Dy) 분포는 균일광 형성에 적합하게 정해질 수 있다. 이와 같은 비대칭 형상의 나노 구조물(NS)을 위치마다 적절히 배치함으로써 X 방향의 편광, Y 방향의 편광의 광에 대해 서로 다른 광학 작용을 나타내게 할 수 있다.
도 5를 참조하면, 나노 구조물(NS)은 비대칭성을 가지는 형상으로, XY평면에 나란한 단면 형상 타원인, 타원 기둥 형상일 수 있다. 나노 구조물(NS)에 장축의 길이(DL)와 단축의 길이(DS)가 다른 타원 형상을 도입하고, 나노 구조물(NS)이 배치된 위치별로 장축의 길이(DL)와 단축의 길이(DS) 비를 다르게 설정함으로써, 장축 방향과 나란한 편광, 단축 방향과 나란한 편광에 대해 서로 다른 광학 작용을 나타내게 할 수 있다.
도 6을 참조하면, 나노 구조물(NS)은 비대칭성을 가지는 형상으로, 세로 길이(Dx)와 가로 길이(Dy)가 직사각형의 단면을 가지는 직육면체 형상일 수 있다. 이와 같은 형상도, 도 4 및 도 6의 경우와 유사하게, 위치별로 직사각형 단면의 종횡비를 조절하여, X 방향 편광 및 Y 방향 편광의 광에 대해 서로 다른 광학 작용을 나타내게 할 수 있다.
도 7은 비대칭 형상의 나노구조물들이 서로 다른 편광에 대해 다른 광학 작용을 하도록 배열된 예를 보인다.
이는 비대칭적 형상 및 그 형상 분포를 원하는 광학 성능에 따라 설계할 수 있음을 보이는 예시이다. 서로 다른 편광에 대해 각각 구조광, 균일광을 형성하게 하는 다양한 형상 분포 설계가 가능하다.
도 8은 도 1의 메타 프로젝터에 채용될 수 있는 발광 요소의 예시적인 구조를 상세히 보인 단면도이다.
메타 프로젝터(100)에 채용되는 제1 및 제2 발광요소(122)(132)로 수직 공진형 표면 발광 레이저(Vertical Cavity Surface Emitting Laser; 이하, VCSEL)이 채용될 수 있다. 제1 및 제2 발광요소(122)(132)로 채용되는 VCSEL의 예시적인 구조를 살펴보기로 한다.
VCSEL은 광을 생성하는 이득층(30), 이득층(30)의 상, 하부에 배치된 분산 브래그 리플렉터(20)(90)를 포함한다.
이득층(30)은 에너지를 흡수하여 광을 생성하는 층이다. 이득층(30)은 예를 들어 전류 주입에 의해, 또는 펌핑 광에 의해 광을 생성할 수 있다. 이득층(30)은 반도체 물질을 포함하는 활성층(active layer)(33)를 포함할 수 있다. 활성층(33)은 예를 들면, Ⅲ-Ⅴ족 반도체 물질 또는 Ⅱ-Ⅵ족 반도체 물질을 포함할 수 있다. 활성층(33)은 InGaAs, AlGaAs, AlGaN, InGaAsP, InGaP 또는 AlGaInP 등을 포함하는 다중 양자 우물 구조(multi-quantum well structure)를 포함할 수 있다. 활성층(33)은 양자점(Quantum Dots)를 포함할 수도 있다. 활성층(33)의 재질에 예시된 재질에 한정되지는 않는다.
이득층(30)은 활성층(33)의 상부 및 하부에 마련되는 상부 클래드층(35) 및 하부 클래드층(131)을 더 포함할 수 있다. 상부 클래드층(35), 하부 클래드층(31)은 각각 N형 또는 P형 또는 intrinsic 반도체 물질을 포함할 수 있다. 상부 클래드층(35), 하부 클래드층(31)은 활성층(33)과 같은 반도체 물질로 이루어지며, 각각 N형 도펀트, P형 도펀트를 더 포함할 수 있다.
이득층(30)의 상부, 하부에 배치된 분산 브래그 리플렉터(Distributed Bragg Reflector)(20)(90)는 이득층(30)에서 생성된 광을 발진시켜 특정 파장 대역의 광이 증폭되어 출사되도록 마련되는 것이다. 이를 위하여, 분산 브래그 리플렉터(20)(90)의 반사율은 대략 90% 이상으로 설정될 수 있다. 하부의 분산 브래그 리플렉터(20)의 반사율은 상부의 분산 브래그 리플렉터(90)의 반사율보다 높게 할 수 있으며, 예를 들어, 약 98% 이상으로 하여, 상부의 분산 브래그 리플렉터(90)를 통해 광이 출사되도록 할 수 있다.
분산 브래그 리플렉터(20)는 굴절률이 서로 다른 제1물질층(22), 제2물질층(24)을 원하는 발진 파장의 약 1/4 두께로 교대로 반복하여 적층하여 형성될 수 있다. 분산 브래그 리플렉터(20)는 반도체 기판(10) 상에 형성될 수 있다. 분산 브래그 리플렉터(20)는 두 물질층(22)(24)의 굴절률 차, 두 물질층(22)(24)의 쌍이 반복 적층된 회수를 조절하여 분산 브래그 리플렉터(20)의 반사율을 원하는 값으로 설정할 수 있다. 분산 브래그 리플렉터(20)는 이득층(30)을 구성하는 반도체 물질과 동일한 물질을 포함하여 형성될 수 있다. 예를 들어, 제1물질층(22)은 AlxGa(1-x)As (0≤x≤1)층이고 제2물질층(24)은 AlyGa(1-y)As (0 ≤y≤1, x ≠ y)층일 수 있다. 분산 브래그 리플렉터(20)는 하부 클래드층(31)과 동일한 반도체 형(type)을 갖도록 도핑될 수 있다. 예를 들어, 하부 클래드층(31)이 P형인 경우, P형으로 도핑되고, 하부 클래드층(31)이 N형인 경우, N형으로 도핑될 수 있다. 분산 브래그 리플렉터(20)의 재질은 이에 한정되지 않으며, 굴절률 차를 형성할 수 있는 다양한 물질들이 제1물질층(22), 제2물질층(24)에 사용될 수 있다.
VCSEL은 발진되는 광의 모드 조절이나 빔 크기를 조절하기 위한 산화물 개구층(oxide aperture)(40)을 더 포함할 수 있다. 산화물 개구층(40)의 위치는 이득층(30) 상부로 도시되었으나, 이에 한정되지 않으며, 예를 들어, 하부의 분산 브래그 리플렉터(20) 층 내에 배치될 수 있다. 또한, 산화물 개구층(40)은 복수개가 구비될 수도 있고, 생략될 수도 있다.
VCSEL은 이득층(130)에 전류 주입을 위해, 이득층(130)을 사이에 두고 이격 배치된 제1전극(50), 제2전극(60)을 포함할 수 있다. 제1전극(50)은 이득층(30)의 하부에, 제2전극(60)은 이득층(30)의 상부에 배치될 수 있다.
분산 브래그 리플렉터(20)는 제1전극(50)의 배치를 위해, 도시된 바와 같이 메사형으로 식각될 수 있다. 다만, 이는 예시적인 것이며, 제1전극(50)은 분산 브래그 리플렉터(20) 혹은 기판(10)의 하면에 형성될 수도 있다.
분산 브래그 리플렉터(20)는 제1전극(50)의 배치를 위해, 도시된 바와 같이 메사형으로 식각될 수 있다. 다만, 이는 예시적인 것이며, 제1전극(50)은 분산 브래그 리플렉터(20) 혹은 기판(10)의 하면에 형성될 수도 있다.
제1전극(50), 제2전극(60)의 구체적인 형상을 조절하여 출사되는 광의 편광을 조절할 수 있다. 제1전극(50), 제2전극(60)의 구체적인 형상을 변화시켜 이득층(30)에 전류가 주입되는 경로가 변화될 수 있고, 출사광의 편광을 다르게 할 수 있다. 예를 들어, VCSEL이 제1 발광 요소(122)로 적용될 때의 전극(60) 형상과, 제2 발광 요소(132)로 적용될 때의 전극(60) 형상은 서로 다를 수 있다. 또한, VCSEL이 제1 발광 요소(122)로 적용될 때의 전극(50)과 제2 발광 요소(132)로 적용될 때의 전극(50) 형상이 서로 다를 수도 있다. 즉, 상, 하부의 두 전극(50)(60)이 모두 다르거나, 둘 중 하나의 형상을 다르게 하여 서로 다른 편광의 광이 출사되게 할 수 있다.
또한, 비대칭 전류 주입(asymmetric current injection) 방법을 사용하여 출사되는 광의 편광을 조절할 수 있다. 전류가 주입되는 방향을 조절하여 출사광의 편광을 조절하거나, 또는, 전류 주입되는 양을 방향에 따라 다르게 조절하여 출사광 편광을 조절할 수 있다. 이 경우, VCSEL이 제1 발광 요소(122)로 적용될 때의 전극(60) 형상과, 제2 발광 요소(132)로 적용될 때의 전극(60) 형상은 서로 같을 수도 있다. 마찬가지로, VCSEL이 제1 발광 요소(122)로 적용될 때의 전극(50) 형상과 제2 발광 요소(132)로 적용될 때의 전극(50) 형상은 서로 같을 수도 있다.
또한, VCSEL 단면 형상을 비대칭으로 하고 이의 방향을 조절하는 방식으로 출사광의 편광을 조절하는 것도 가능하다. 예를 들어, 도 7의 평단면도, 즉, XY 평면과 나란한 단면의 형상은 도 2에 도시한 바와 같이 원형일 수 있으나, 이와 달리, X 방향과 Y 방향의 길이가 다른 직사각형 형상으로 할 수도 있다. 길이가 긴 방향을 X 방향 또는 Y 방향으로 조절함으로써 출사광의 편광을 조절할 수 있다.
또한, 편광 방향을 조절하는 요소로서 그레이팅 기반의 구성을 VCSEL에서의 광이 출사되는 경로에 배치시켜 출사광의 편광을 조절하는 것도 가능하다. VCSEL이 제1 발광 요소(122)로 적용될 때와 제2 발광 요소(132)로 적용될 때 각각 다른 편광의 광이 출사되게 하는 그레이팅 기반의 요소가 추가될 수 있다.
VCSEL은 이득층(30)에서 발생하는 열의 방출을 위한 힛 싱크(heat sink)(80)를 더 포함할 수 있다. 힛 싱크(80)는 열전도성이 좋은 금속 물질, 예를 들어, 구리(Copper), 금(gold), 알루미늄(aluminum) 등으로 이루어질 수 있다.
힛 싱크(80)는 VCSEL을 둘러싸는 형상으로 형성될 수 있다. 예를 들어, 도시된 바와 같이, 광이 방출되는 영역을 제외한 위치의 상면으로부터, 분산 브래그 리플렉터(20), 이득층(30)의 적층 방향과 나란한 측면을 따라 연장되게 형성될 수 있다. 힛 싱크(80)와 제1전극(50), 상기 측면, 제2전극(60) 사이에는 절연층(70)이 더 마련될 수 있다. 이득층(30)에서 발생하는 열은 힛 싱크(80)를 통해 외부로 방출될 수 있다. 이득층(30)에서 발생하는 열의 방출 경로로, 제1경로(H1), 제2경로(H2)가 있다. 이 때, 두께가 두꺼운 분산 브래그 리플렉터(90)에 의해 경로가 긴 제2경로(H2)보다는 경로 길이가 짧은 제1경로(H1)로 열이 대부분 방출되게 된다.
열 방출 효율을 높이고, 소형화에 적합한 구조로 메타 구조 리플렉터를 도입한 VCSEL이 제1 및 제2 발광 요소(122)(132)로 채용될 수도 있다.
도 9는 도 1의 메타 프로젝터에 채용될 수 있는 발광 요소로서, VCSEL의 다른 예시적인 구조를 상세히 보인 단면도이다.
VCSEL의 다른 예시적인 구조를 살펴보면, 도 8에서 상부의 분산 브래그 리플렉터(90)가 메타 구조 리플렉터(98)로 변경된 점에서 도 8의 구조와 차이가 있다. 이러한 구조는 열이 방출되는 경로에서 도 8의 구조보다 유리하고, 적층수가 많아 두꺼운 분산 리플렉터(90) 대신 얇은 메타 구조 리플렉터(98)를 채용하여 전체적인 부피 감소에 유리할 수 있다.
메타 구조 리플렉터(98)는 서브 파장의 형상 치수를 가지는 복수의 나노 구조물(96)을 포함한다. 나노 구조물(96)은 지지층(95) 상에 형성될 수 있다. 서브 파장의 형상 치수라 함은 나노 구조물(96)의 형상을 정의하는 치수인 두께나 폭이, 메타 구조 리플렉터(98)의 동작 파장보다 작음을 의미한다. 메타 구조 리플렉터(98)의 동작 파장은 이득층(30)에서 생성되는 광의 파장 대역 내에 존재할 수 있으며, 이득층(30)에서 생성되는 광 중, 분산 브래그 리플렉터(20), 메타 구조 리플렉터(98) 사이에서 발진하며 출사되는 광의 파장을 의미한다.
메타 구조 리플렉터(98)의 재질로 반도체 물질로 형성될 수 있고, 예를 들어, 모두 Ⅲ-Ⅴ족 반도체 화합물로 이루어질 수 있다. 또한, 화합물의 조성비를 조절하여, 지지층(95)의 굴절률이 나노 구조물(96)의 굴절률 보다 작게 할 수 있다. 지지층(95)과 나노 구조물(NS)의 굴절률 차는 약 0.5 이상일 수 있고, 또는 1 이상일 수 있다.
지지층(95)의 두께는 발진 파장의 1/5 이상으로 설정될 수 있다. 지지층(95)의 두께가 발진 파장의 1/5 보다 작은 경우 반도체 물질로 된 하부층에 지지층(95) 위의 나노 구조물(96)에서 공진하는 빛이 커플링 될 수 있어서 메타 구조로서 원하는 동작이 이루어지지 않을 수 있기 때문이다.
힛 싱크(80)의 영역은 제1영역(R1), 제2영역(R2)으로 나눌 수 있는데, 제1영역(R1)은 VCSEL 측면을 둘러싸는 영역, 제2영역(R2)은 제1영역(R1)과 연결되며 이득층(30)의 상부에 위치하는 영역이다. 제2영역(R2)은 즉, VCSEL의 상면 중 광이 방출되는 영역을 제외한 위치의 영역이다.
이득층(30)에서 발생한 열이 힛 싱크(80)를 향하는 방출 경로는 제1영역(R1)을 향하는 제1경로(H1), 제2영역(R2)을 향하는 제2경로(H2)로 나누어 볼 수 있고, 본 실시예의 VCSEL은 이득층(30)의 상부에, 두께가 두꺼운 분산 브래그 리플렉터 대신, 얇은 메타 구조 리플렉터(98)을 배치하고 있기 때문에, 제1경로(H1), 제2경로(H2)의 경로 길이가 대체로 유사하며, 따라서 열저항이 유사하다. 이득층(30) 내의 적어도 어느 한 위치에서는, 제2영역(R2)을 향하는 제2경로(H2)가 제1영역(R1)을 향하는 제1경로(H1)보다 짧게 형성될 수도 있다. 따라서, 이득층(30)에서 발생한 열은 제1경로(H1)와 제2경로(H2)를 따라 효율적으로 분산되어 방출될 수 있다.
VCSEL은 이득층(30)에 전류 주입을 위해, 이득층(130)을 사이에 두고 이격 배치된 제1전극(50), 제2전극(60)을 포함할 수 있다. 제1전극(50)은 이득층(130)의 하부에, 제2전극(60)은 이득층(30)의 상부에 배치될 수 있다.
본 실시예에서도 도 8에서 설명한 것과 마찬가지로, 제1전극(50), 제2전극(60)의 구체적인 형상을 조절하여 출사되는 광의 편광을 조절할 수 있다. 제1전극(50), 제2전극(60)의 구체적인 형상을 변화시켜 이득층(30)에 전류가 주입되는 경로가 변화될 수 있고, 출사광의 편광을 다르게 할 수 있다. 예를 들어, VCSEL이 제1 발광 요소(122)로 적용될 때의 전극(60) 형상과, 제2 발광 요소(132)로 적용될 때의 전극(60) 형상은 서로 다를 수 있다. 또한, VCSEL이 제1 발광 요소(122)로 적용될 때의 전극(50)과 제2 발광 요소(132)로 적용될 때의 전극(50) 형상이 서로 다를 수도 있다. 즉, 상, 하부의 두 전극(50)(60)이 모두 다르거나, 둘 중 하나의 형상을 다르게 하여 서로 다른 편광의 광이 출사되게 할 수 있다.
이외에도, 도 8에서 설명한 바와 같이, 비대칭 전류 주입(asymmetric current injection) 방식이나 VCSEL 평단면 형상의 비대칭성을 이용하는 방식, 편광을 조절하는 그레이팅 기반의 요소를 추가하는 방법이 사용될 수 있다.
또는, 메타 구조 리플렉터(98)가 리플렉터로의 기능과 함께 편광 조절의 기능을 수행하도록 나노 구조물(96)의 형상 분포가 조절될 수도 있다. 이 경우, VCSEL이 제1 발광 요소(122)로 적용될 때와 제2 발광 요소(132)로 적용될 때의 메타 구조 리플렉터(98)에 구비되는 나노 구조물(96)의 형상 분포는 서로 다른 편광의 광을 출사하도록 서로 다를 수 있다.
도 10은 도 1의 메타 프로젝터의 주요 구성을 보인 분리 사시도로, 구조광이 출사되는 동작을 개념적으로 보이고 있다.
구조광(structured light)(SL)을 형성하기 위해, 광원 어레이(150) 중 제1 어레이(120)를 이루는 제1 발광 요소(122)들 만이 구동될 수 있다. 즉, 제1 발광 요소(122)들은 제1편광의 광을 출사하고, 제2 발광 요소(132)들은 광을 출사하지 않는다. 광원 어레이(150)로부터, 제1편광의 광(L1)이 메타 구조층(MS)에 입사하면, 공간상에 진행해 나가는 빛살(ray of light)들의 분포를 형성한다. 이러한 빛살들은 소정 각도 공간에 빔 스폿들을 형성한다. 이들은 메타 구조층(MS)에 적용된 세부적인 조건들에 의해, 즉, 제1 편광의 광(L1)에 대해 소정의 투과 위상 분포를 형성하도록 설계된 나노 구조물(NS)들에 의해, 구조광 패턴을 형성한다.
메타 구조층(MS)을 지나며 형성되는 구조광(SL)은 밝고 어두운 점들이 각 각도 방향 위치 좌표를 고유하게 지정하도록 수학적으로 코드된(coded) 패턴일 수 있다. 이러한 패턴은 3차원 형상을 인식하는데 사용될 수 있다. 3차원 물체에 조사된 구조광이 물체에 의해 형태가 변화될 수 있고, 이를 카메라와 같은 촬상 소자에 의해 이미징하여 좌표별 패턴의 형태 변화 정도를 추적함으로써, 3차원 형상의 물체의 깊이 정보가 추출될 수 있다.
도 11은 도 1의 메타 프로젝터의 주요 구성을 보인 분리 사시도로, 균일광이 출사되는 동작을 개념적으로 보이고 있다.
균일광(uniform light)(UL)을 형성하기 위해, 광원 어레이(150) 중 제2 어레이(130)를 이루는 제2 발광 요소(132)들 만이 구동될 수 있다. 즉, 제2 발광 요소(132)들은 제2편광의 광(L2)을 출사하고, 제1 발광 요소(122)들은 광을 출사하지 않는다.
광원 어레이(150)로부터, 제2편광의 광(L2)이 메타 구조층(MS)에 입사하면, 제2편광의 광(L2)에 대해 빔 폭과 빔 분포를 바꾸어 균일 조명을 형성하도록 설계된 나노 구조물(NS)들에 의해, 균일광이 출사될 수 있다.
균일광(uniform light)(UL)은 구조광(SL)과 같은 위치별 패턴이 설정되지 않은 형태로서, 일반적인 조명(illumination)일 수 있다. 광원 어레이(150)로부터의 광은 메타 구조층(MS)을 지나며 빔 폭이 조절되고 그 공간 분포가 균일해질 수 있다. 균일광(UL)은 예를 들어, 2차원 영상 획득에 적합한 조도를 가질 수 있고, 또는 일반 조명으로도 활용될 수 있다.
도 12는 다른 실시예에 따른 메타 프로젝터에 채용될 수 있는 메타 구조층의 예를 보인 단면도이다.
메타 구조층(MS)은 지지층(SU)의 양면에 각각 나노 구조물(NS)들이 형성된 구조를 가질 수 있다. 지지층(SU) 하면에 배치되는 나노 구조물(NS)들의 형상 분포(SD1)와 지지층(SU) 상면에 배치되는 나노 구조물(NS)들의 형상 분포(SD2)는 서로 다를 수 있다. 지지층(SU) 하면에 배치되는 나노 구조물(NS)들의 형상 분포는 하부에 배열된 VCSEL광원의 각 VCSEL 발광 위치가 특정에 각도로 전환되도록 하는 projection을 위한 비구면 렌즈와 같은 위상분포를 가지는 위상 렌즈로 설계될 수 있다. 이와 같은 위상 렌즈는 비대칭적인 나노 구조물(NS)들의 분포를 이용하여, 서로 다른 편광상태에 대해서 서로 다른 렌즈 특성을 가질 수 있으며, 대칭적인 나노 구조물(NS)들을 이용하여 편광 상태에 관계없이 동일한 렌즈 특성을 가지게 만들 수도 있다. 지지층(SU) 상면에 배치되는 나노 구조물(NS)은 서로 다른 편광 상태의 광이 각각 구조광 패턴 및 균일한 조명을 형성하도록 설계될 수 있다. 이와 같이 다른 형상 분포(SD1)(SD2)의 조합으로 원하는 광학 성능, 즉, 제1편광의 광에 대해서는 구조광을 형성하고 제2편광의 광에 대해서는 균일광을 형성하는 기능이 구현될 수 있다.
도 13 및 도 14는 실시예에 따른 광원 장치의 개략적인 구성을 보이는 블록도로서, 각각, 구조광, 균일광이 형성되는 동작을 보인다.
광원 장치(200)는 광원 어레이와 메타 구조층을 포함하는 메타 프로젝터(210)와 메타 프로젝터(210)에서 구조광(SL) 또는 균일광(UL)이 출사되도록 제어하는 제어부(220)를 포함한다.
메타 프로젝터(210)로는 도 1 내지 도 12를 통해 설명한 메타 프로젝터(100)가 채용될 수 있다. 즉, 광원 어레이(150)에 구비되는 제1 발광 어레이와 제2 발광 어레이는 각각 제1편광의 광(L1), 제2편광의 광(L2)을 출사할 수 있다. 메타 구조층(MS)은 제1 편광의 광(L1)으로부터 구조광(SL)을 형성하고, 제2편광의 광(L2)으로부터 균일광(UL)을 형성할 수 있다.
도 13과 같이, 제어부(220)에 의해, 제1 발광 어레이가 구동(ON)되고, 제2 발광 어레이는 오프(OFF)되는 경우, 광원 어레이에서 제1 편광의 광(L1)이 출사되고, 메타 구조층(MS)을 통해 구조광(SL)이 출사된다.
도 14와 같이, 제어부(220)에 의해, 제2 발광 어레이가 구동(ON)되고, 제1 발광 어레이는 오프(OFF)되는 경우, 광원 어레이에서 제2편광의 광(L2)이 출사되고, 메타 구조층(MS)을 통해 균일광(UL)이 출사된다.
이와 같은 광원 장치(200)는 구조광(SL) 또는 균일광(UL)의 선택적인 사용이 적용될 수 있는 다양한 전자 장치에 채용될 수 있다.
도 15는 실시예에 따른 객체 인식 장치의 개략적인 구성을 보이는 블록도이다.
객체 인식 장치(300)는 피사체(OBJ)에 구조광(SL) 또는 균일광(UL)을 조사하는 메타 프로젝터(310), 피사체(OBJ)로부터 반사된 광을 수광하는 센서(330), 메타 프로젝터(310)가 구조광(SL) 또는 균일광(UL)을 출사하도록 메타 프로젝터(310)를 제어하고, 센서(330)에서 수광된 광으로부터 피사체(OBJ)의 형상 정보 획득을 위한 연산을 수행하는, 프로세서(320)를 포함한다.
메타 프로젝터(310)로는 도 1 내지 도 12를 통해 설명한 메타 프로젝터(100)가 채용될 수 있다. 메타 프로젝터(310)는 서로 다른 성질의 광을 출사하는 광원 어레이와 서로 다른 성질의 광에 대해 각각 다른 변조 작용을 나타내는 메타 구조층을 포함하여, 구조광(SL) 또는 균일광(UL)을 형성하여 피사체(OBJ)에 조사할 수 있다.
프로세서(320)는 메타 프로젝터(310)가 피사체(OBJ)에 구조광(SL)을 조사한 경우, 피사체(OBJ)에 대한 3차원 형상 획득에 대한 연산을 수행하고, 메타 프로젝터(310)가 피사체(OBJ)에 균일광(UL)을 조사한 경우, 피사체(OBJ)에 대한 2차원 형상 획득에 대한 연산을 수행할 수 있다.
프로세서(320)는 메모리(350)를 더 포함하며, 메모리(350)에는 프로세서(320)에서 실행될 수 있도록 프로그램된 구조광 모듈(352), 균일광 모듈(354)이 저장될 수 있다.
프로세서(320)는 메모리(350)에 포함된 구조광 모듈(352))을 실행함으로써, 메타 프로젝터(320)가 구조광(SL)을 조사하도록 메타 프로젝터(310)를 제어하고, 센서(330)에서 수광된 광(SLr)으로부터 구조광 패턴 변화를 분석하여 피사체(OBJ)에 대한 3차원 형상 정보를 분석할 수 있다.
프로세서(320)는 균일광 모듈(354)을 실행함으로써, 메타 프로젝터(310)가 균일광(UL)을 조사하도록 메타 프로젝터(310)를 제어하고, 센서(330)에서 수광된 광(ULr)으로부터 피사체(OBJ)에 대한 2차원 형상 정보를 분석할 수 있다.
도 16은 실시예에 따른 전자 장치의 개략적인 구성을 보이는 블록도이다.
전자 장치(400)는 사용자 인증을 위한 광을 피사체에 조사하기 위한 메타 프로젝터(410), 피사체로부터 반사된 광을 수광하는 센서(430) 및 센서(430)에서 수광한 광을 분석하여 사용자 인증 여부를 판단하는 프로세서(420)를 포함한다.
메타 프로젝터(410)로는 도 1 내지 도 12를 통해 설명한 메타 프로젝터(100)가 채용될 수 있다. 메타 프로젝터(410)는 서로 다른 성질의 광을 출사하는 광원 어레이와 서로 다른 성질의 광에 대해 각각 다른 변조 작용을 나타내는 메타 구조층을 포함하여, 구조광(structured light) 또는 균일광(uniform light)을 형성하여 피사체에 조사할 수 있다. 인증을 위해 광이 조사되는 피사체는 사용자의 안면 또는 사용자의 홍채가 될 수 있다.
프로세서(420)는 사용자의 입력 또는 전자 장치(400)에 구비되는 어플리케이션의 실행에 따른 입력에 따라, 메타 프로젝터(410)를 제어할 수 있다.
프로세서(420)는 메타 프로젝터(410)가 피사체에 구조광을 조사한 경우, 인증을 위해 안면 인식 방법을 사용하고, 메타 프로젝터(410)가 피사체에 균일광을 조사한 경우, 인증을 위해 홍채 인식 방법을 사용할 수 있다.
전자 장치(400)는 메모리(450)를 포함하며, 메모리(450)에는 프로세서(420)에서의 실행을 위해 프로그램된 홍채 인식 모듈(451), 안면 인식 모듈(453), 어플리케이션 모듈(455)이 저장될 수 있다. 메모리(450)에는 또한, 홍채 인식 모듈(451), 안면 인식 모듈(453), 어플리케이션 모듈(455)등의 실행에 필요한 데이터들이 저장될 수 있다.
프로세서(420)는 사용자의 입력 또는 어플리케이션 모듈(455)의 실행에 따른 입력 신호에 의해 안면 인식 모듈(453)을 실행할 수 있고, 이에 따라 메타 프로젝터(410)에서 구조광을 조사하도록 메타 프로젝터(419)를 제어하고, 센서(430)에서 수신된 광을 분석하여 3차원 영상 분석에 따라 안면 인식을 실행할 수 있다. 분석된 안면 데이터는 메모리(420)에 미리 등록된 안면 데이터와 비교하여 인증 여부를 판단할 수 있다.
프로세서(420)는 사용자의 입력 또는 어플리케이션 모듈(455)의 실행에 따른 입력 신호에 의해 홍채 인식 모듈(451)을 실행할 수 있고, 이에 따라 메타 프로젝터(410)에서 균일광을 조사하도록 메타 프로젝터(410)를 제어하고, 센서(430)에서 수신된 광을 분석하여 홍채 인식을 실행할 수 있다. 분석된 홍채 데이터는 메모리(420)에 미리 등록된 홍채 데이터와 비교하여 인증 여부를 판단할 수 있다.
메모리(450)에는 이외에도, 전자 장치(400)에 구비된 장치에 따라, 이를 구동하기 위한 프로그램으로, 통신 모듈, 카메라 모듈, 동영상 재생 모듈, 오디오 재생 모듈, 등이 더 저장될 수 있다.
메모리(450)는 플래시 메모리 타입(flash memory type), 하드디스크 타입(hard disk type), 멀티미디어 카드 마이크로 타입(multimedia card micro type), 카드 타입의 메모리(예를 들어 SD 또는 XD 메모리 등), 램(RAM, Random Access Memory) SRAM(Static Random Access Memory), 롬(ROM, Read-Only Memory), EEPROM(Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory), PROM(Programmable Read-Only Memory), 자기 메모리, 자기 디스크, 광디스크 중 적어도 하나의 타입의 저장매체를 포함할 수 있다.
전자 장치(400)는 또한, 통신부(470)와 사용자 인터페이스(480)를 더 포함할 수 있다.
통신부(470)는 블루투스(bluetooth) 통신, BLE(Bluetooth Low Energy) 통신, 근거리 무선 통신(Near Field Communication unit), WLAN(와이파이) 통신, 지그비(Zigbee) 통신, 적외선(IrDA, infrared Data Association) 통신, WFD(Wi-Fi Direct) 통신, UWB(ultra wideband) 통신, Ant+ 통신 WIFI 통신 방법을 이용하여 외부 기기와 통신할 수 있고, 이에 제한되지 않는다.
사용자 인터페이스(480)는 디스플레이 패널, 키보드, 터치 패널, 터치 패널, 버튼 등을 포함할 수 있다.
전자 장치(400)는 예를 들어, 휴대용 이동 통신 기기, 스마트 폰(smart phone), 스마트 워치(smart watch), PDA(personal digital assistant), 랩톱(laptop), PC, 스마트 냉장고 및 기타 모바일 또는 비모바일 컴퓨팅 장치일 수 있으며, 이에 제한되지 않는다.
전술한 실시예들에 따른 전자 장치에서 소프트웨어 모듈 또는 알고리즘으로 구현되는 방법들은 상기 프로세서상에서 실행 가능한 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드들 또는 프로그램 명령들로서 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록 매체 상에 저장될 수 있다. 여기서 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록 매체로 마그네틱 저장 매체(예컨대, ROM(read-only memory), RAM(random-access memory), 플로피 디스크, 하드 디스크 등) 및 광학적 판독 매체(예컨대, 시디롬(CD-ROM), 디브이디(DVD: Digital Versatile Disc)) 등이 있다. 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록 매체는 네트워크로 연결된 컴퓨터 시스템들에 분산되어, 분산 방식으로 컴퓨터가 판독 가능한 코드가 저장되고 실행될 수 있다. 매체는 컴퓨터에 의해 판독가능하며, 메모리에 저장되고, 프로세서에서 실행될 수 있다.
상술한 메타 프로젝터 및 이를 포함하는 전자 장치는 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 분야에서 통상적 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 그러므로 개시된 실시예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다. 본 명세서의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.
100, 210, 310. 410- 메타 프로젝터
110 - 기판
120 - 제1 발광 어레이
122 - 제1 발광 요소
130 - 제2 발광 어레이
132 - 제2 발광 요소
150 - 광원 어레이
160 - 하우징
NS, 96 - 나노 구조물
SU - 지지층
MS - 메타 구조층
SL - 구조광
UL - 균일광
20, 90 - 분산 브래그 리플렉터
98 - 메타 구조 리플렉터
50, 60 - 전극
30 - 이득층
80 - 힛 싱크

Claims (20)

  1. 복수의 제1 발광 요소들이 배열된 제1 발광 어레이와, 상기 제1 발광 요소들과 성질이 다른 광을 출사하는 복수의 제2 발광 요소들이 배열된 제2 발광 어레이를 포함하는, 광원 어레이;
    상기 광원 어레이로부터 출사된 광이 진행하는 광 경로상에 배치되고, 상기 광원 어레이에서 나오는 광의 파장보다 작은 서브 파장의 형상 치수를 가지는 복수의 나노 구조물을 포함하며, 상기 제1 어레이에서 출사하는 광과 상기 제2 어레이에서 출사하는 광을 다르게 변조하는, 메타 구조층;을 포함하는, 메타 프로젝터.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 발광 요소와 상기 제2 발광 요소는 서로 다른 편광의 광을 출사하는, 메타 프로젝터.
  3. 제1항에 있어서,
    제1 발광 어레이는 상기 제1 발광 요소들이 배열된 복수의 열(column)을 포함하고,
    제2 발광 어레이는 상기 제2 발광 요소들이 배열된 복수의 열을 포함하며,
    상기 제1 발광 어레이의 열들과 상기 제2 발광 어레이의 열들은 교대로 배열되는, 메타 프로젝터.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 메타구조층은
    제1 발광 어레이에서 출사되는 광으로부터 구조광(structured light)을 형성하고, 상기 제2 발광 어레이에서 출사되는 광으로부터 균일광(uniform light)을 형성하도록,
    상기 복수의 나노 구조물의 형상 분포가 정해진, 메타 프로젝터.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 나노 구조물은 상기 복수의 나노 구조물과 인접한 주변 물질의 굴절률보다 높은 굴절률을 가지는 물질로 이루어지는, 메타 프로젝터.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 복수의 나노 구조물의 굴절률과 상기 주변 물질의 굴절률 차는 1 이상인, 메타 프로젝터.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 나노 구조물은 전도성 물질로 이루어지는, 메타 프로젝터.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 나노 구조물의 형상 분포는 상기 광원 어레이에서 출사되는 광의 편광에 의존하여 서로 다른 투과 위상 분포를 형성하도록 정해지는, 메타 프로젝터.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 나노 구조물은 단면의 형상이 비대칭성을 가지는 형상인, 메타 프로젝터.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 나노 구조물의 형상 치수는 상기 광원 어레이에서 출사되는 광의 파장의 반 이하인, 메타 프로젝터.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 나노 구조물의 배열 피치는 상기 광원 어레이에서 출사되는 광의 파장의 반 이하인, 메타 프로젝터.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 메타 구조층은
    상기 복수의 나노 구조물을 지지하는 지지층을 더 포함하며,
    상기 복수의 나노 구조물은 상기 지지층의 양면에 형성되는, 메타 프로젝터.
  13. 제1편광의 광을 출사하는 복수의 제1 발광 요소들이 배열된 제1 발광 어레이와, 상기 제1편광과 다른 제2편광의 광을 출사하는 복수의 제2 발광 요소들이 배열된 제2 발광 어레이를 포함하는, 광원 어레이;
    상기 광원 어레이로부터 출사된 광이 진행하는 광 경로상에 배치되고, 상기 광원 어레이에서 나오는 광의 파장보다 작은 서브 파장의 형상 치수를 가지는 복수의 나노 구조물을 포함하며, 상기 제1편광의 광으로부터 구조광을 형성하고, 상기 제2편광의 광으로부터 균일광을 형성하는, 메타 구조층;
    상기 제1 발광 어레이와 상기 제2 발광 어레이 중 하나가 선택적으로 구동되도록 제어하는 제어부;를 포함하는, 광원 장치.
  14. 제1편광의 광을 출사하는 복수의 제1 발광 요소들이 배열된 제1 발광 어레이와, 상기 제1편광과 다른 제2편광의 광을 출사하는 복수의 제2 발광 요소들이 배열된 제2 발광 어레이를 포함하는, 광원 어레이와
    상기 광원 어레이에서 나오는 광의 파장보다 작은 서브 파장의 형상 치수를 가지는 복수의 나노 구조물을 포함하며, 상기 제1편광의 광으로부터 구조광을 형성하고, 상기 제2편광의 광으로부터 균일광을 형성하는, 메타 구조층을 포함하며,
    피사체에 구조광 또는 균일광을 조사하는 메타 프로젝터;
    상기 피사체로부터 반사된 광을 수광하는 센서; 및
    상기 메타 프로젝터가 구조광 또는 균일광을 출사하도록 상기 메타 프로젝터를 제어하고, 상기 센서에서 수광된 광으로부터 피사체의 형상 정보 획득을 위한 연산을 수행하는, 프로세서;를 포함하는, 객체 인식 장치.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 프로세서는
    상기 메타 프로젝터가 상기 피사체에 구조광을 조사한 경우, 피사체에 대한 3차원 형상 획득에 대한 연산을 수행하고,
    상기 메타 프로젝터가 상기 파사체에 균일광을 조사한 경우, 피사체에 대한 2차원 형상 획득에 대한 연산을 수행하는, 객체 인식 장치.
  16. 사용자 인증을 위한 광을 피사체에 조사하는 것으로,
    복수의 제1 발광 요소들이 배열된 제1 발광 어레이와, 상기 제1 발광 요소들과 성질이 다른 광을 출사하는 복수의 제2 발광 요소들이 배열된 제2 발광 어레이를 포함하는, 광원 어레이와,
    상기 광원 어레이로부터 출사된 광이 진행하는 광 경로상에 배치되고, 상기 광원 어레이에서 나오는 광의 파장보다 작은 서브 파장의 형상 치수를 가지는 복수의 나노 구조물을 포함하며, 상기 제1 어레이에서 출사하는 광과 상기 제2 어레이에서 출사하는 광을 다르게 변조하는, 메타 구조층을 포함하는, 메타 프로젝터;
    상기 피사체로부터 반사된 광을 수광하는 센서; 및
    상기 센서에서 수광한 광을 분석하여 사용자 인증 여부를 판단하는 프로세서;를 포함하는 전자 장치.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 제1 발광 요소와 상기 제2 발광 요소는 서로 다른 편광의 광을 출사하는, 전자 장치.
  18. 제16항에 있어서,
    상기 메타구조층은 제1 발광 어레이에서 출사되는 광으로부터 구조광(structured light)을 형성하고, 상기 제2 발광 어레이에서 출사되는 광으로부터 균일광(uniform light)을 형성하도록, 상기 복수의 나노 구조물의 형상 분포가 정해진, 전자 장치.
  19. 제18항에 있어서,
    상기 프로세서는
    사용자의 입력 또는 상기 전자 장치에 구비되는 어플리케이션의 실행에 따른 입력에 따라,
    상기 제1 발광 어레이와 상기 제2 발광 어레이 중 하나가 선택적으로 구동되도록 메타 프로젝터를 제어하는, 전자 장치.
  20. 제19항에 있어서,
    상기 프로세서는
    상기 메타 프로젝터가 상기 피사체에 구조광을 조사한 경우, 인증을 위해 안면 인식 방법을 사용하고,
    상기 메타 프로젝터가 상기 피사체에 균일광을 조사한 경우, 인증을 위해 홍채 인식 방법을 사용하는, 전자 장치.
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