KR20200110172A

KR20200110172A - 광학 장치 및 이를 구비하는 카메라 장치와 전자기기

Info

Publication number: KR20200110172A
Application number: KR1020200019270A
Authority: KR
Inventors: 이창환; 조아영; 신윤섭; 지석만; 정용우; 김항태
Original assignee: 엘지전자 주식회사
Priority date: 2019-03-15
Filing date: 2020-02-17
Publication date: 2020-09-23
Also published as: WO2020189923A1

Abstract

본 발명은 광학 장치 및 이를 구비하는 카메라 장치와 전자기기에 관한 것이다. 본 발명의 일 실시예에 따른 광학 장치는, 적어도 하나 이상의 발광 소자를 포함하며 특정 파장의 패턴광을 대상 영역으로 방출하는 발광 장치, 방출된 특정 파장의 패턴광이 대상 영역으로부터 반사되는 수신광을 검출하는 적어도 하나 이상의 센서 장치 및 검출된 수신광의 패턴을 기준 패턴과 비교하여 시차 거리를 계산하고, 계산된 시차 거리를 이용하여 대상 영역의 깊이 정보를 획득하는 제어부를 포함하고, 제어부는 센서 장치가 발광 소자가 발광하는 시점과 동기화되어 동작하도록 센서 장치를 제어할 수 있다. 이에 따라, 장치의 소형화 및 저전력화가 가능하고, 연산량을 감소시키며, 깊이 정보의 정확도를 높일 수 있는 효과가 있다.

Description

광학 장치 및 이를 구비하는 카메라 장치와 전자기기 {Optical device, camera device, and electronic apparatus including the same}

본 발명은 광학 장치 및 이를 구비하는 전자기기에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 동기화되어 동작하는 패턴광 발광 장치와 센서 장치를 통해 깊이 정보를 획득하여, 연산량을 감소시키고 깊이 정보의 정확도를 높일 수 있는 광학 장치 및 이를 구비하는 카메라 장치 및 전자기기에 관한 것이다.

최근 광학 장치에 적용되는 센서의 성능이 발달하면서 광학 장치를 이용한 다양한 기능들이 개발되고 있다. 인간이나 사물과 같은 실제 객체의 형태를 반영하여 3차원 이미지를 구현하려는 시도가 계속되고 있다.

3차원 이미지는 형상 정보와 컬러 정보를 포함한다. 형상 정보는 깊이(depth) 영상을 이용하여 얻을 수 있다. 깊이 정보란 이미지를 촬영하는 광학 장치와 대상 영역 또는 광학 장치와 대상 영역에 존재하는 각각의 대상체 간의 거리 정보를 의미한다. 이러한 3차원 깊이 영상을 획득하기 위하여, 일반적으로 광원의 시간적 변형을 이용한 기술(ToF, Time of flight), 구조광 카메라 기술(Structured light camera) 또는 액티브 스테레오 카메라 기술(Active stereo camera) 등이 사용되고 있다.

3차원 이미지 획득에 있어, 발광소자, 센서의 성능 및 이들의 동작 제어가 중요하다. 구조광 카메라 방식은 수광부의 물리적인 크기로 인하여 소형화에 제약이 있고, 이로 인하여 모바일 기기에 적용이 어려운 문제점이 있다. 액티브 스테레오 카메라 방식은 깊이 정보를 얻기위해 필요한 연산량이 많기 때문에 고해상도 센서를 적용하기에 어려운 문제점이 있다.

본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위하여, 동기화되어 동작하는 패턴광 발광 장치와 센서 장치를 통해 깊이 정보를 획득하여, 연산량을 감소시키고 깊이 정보의 정확도를 높일 수 있도록 하는데 목적이 있다.

또한, 본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위하여, 발광 장치가 수직 공진 표면 발광 레이저와 광 변환 광학 부재를 포함하여, 발광 장치의 크기를 최소화하고, 소비 전력을 감소시키며, 센서 장치에서의 광 인식율을 높일 수 있도록 하는데 목적이 있다.

본 발명의 과제들은 이상에서 언급한 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 이 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 광학 장치는, 적어도 하나 이상의 발광 소자를 포함하며 특정 파장의 패턴광을 대상 영역으로 방출하는 발광 장치, 방출된 특정 파장의 패턴광이 대상 영역으로부터 반사되는 수신광을 검출하는 적어도 하나 이상의 센서 장치 및 검출된 수신광의 패턴을 기준 패턴과 비교하여 시차 거리를 계산하고, 계산된 시차 거리를 이용하여 대상 영역의 깊이 정보를 획득하는 제어부를 포함하고, 제어부는 센서 장치가 발광 소자가 발광하는 시점과 동기화되어 동작하도록 센서 장치를 제어할 수 있다.

한편, 상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 광학 장치에서, 센서 장치는 픽셀 기반의 데이터를 센싱하는 비동기 방식 센서를 포함하고, 비동기 방식 센서는 수신광의 변화량의 크기가 설정 값 이상이 될 때마다 신호를 출력하며, 제어부는 발광 소자가 출력하는 패턴광의 세기가 설정 값 이상이 되도록 발광 장치를 제어할 수 있다.

한편, 상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 광학 장치에서, 센서 장치는 프레임 방식 센서를 포함하며, 제어부는 프레임 방식 센서가 센싱한 복수의 프레임의 각 픽셀 별 차이 값을 도출하여 수신광의 패턴을 생성할 수 있다.

한편, 상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 광학 장치에서, 센서 장치는 제1 센서 장치와 제2 센서 장치를 포함하고, 제어부는 제1 센서 장치에서 검출한 제1 패턴과 제2 센서 장치에서 검출한 제2 패턴을 비교하여 시차 거리를 계산하고 계산된 시차 거리를 이용하여 대상 영역의 깊이 정보를 획득할 수 있다.

한편, 상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 광학 장치에서, 제어부는 기준 패턴 각각의 픽셀을 검출된 수신광의 패턴 픽셀과 비교하고 발광 장치 및 센서 장치를 연결하는 베이스 라인과 평행한 제1 방향에 해당하는 픽셀 간 거리를 계산하여 시차 거리를 계산할 수 있다.

한편, 상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 광학 장치에서, 패턴광은 직선 형태의 적어도 하나 이상의 라인 패턴 광 또는 복수 개의 도트가 직선 형태를 이루는 적어도 하나 이상의 라인 도트 패턴 광을 포함할 수 있다.

한편, 상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 광학 장치에서, 패턴광은 발광 장치 및 센서 장치를 연결하는 베이스 라인과 수직인 각도를 이루도록 구성될 수 있다.

한편, 상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 광학 장치에서, 적어도 하나 이상의 라인 패턴 광 또는 상기 적어도 하나 이상의 라인 도트 패턴 광 간의 거리는 최대 픽셀 시차 거리 이상일 수 있따.

한편, 상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 광학 장치에서, 대상 영역은 적어도 하나 이상의 분할 영역으로 구성되고, 패턴광은 적어도 하나 이상의 분할 영역으로 순차적으로 방출되며, 센서 장치는 순차적으로 방출된 패턴광이 적어도 하나 이상의 분할 영역으로부터 반사되는 수신광을 검출하고, 제어부는 검출된 각각의 수신광의 패턴을 이용하여 분할 영역 각각의 깊이 정보를 획득하고 획득한 분할 영역 각각의 깊이 정보를 이용하여 대상 영역의 깊이 정보를 획득할 수 있다.

한편, 상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 광학 장치에서, 발광 장치는 발광 소자에서 발광된 광을 다수 개의 광으로 복제하여 복제광을 생성하는 적어도 하나 이상의 제1 광학 부재를 더 포함할 수 있다.

한편, 상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 광학 장치에서, 제1 광학 부재는 회절 광학 소자(Diffractive Optical Element)일 수 있다.

한편, 상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 광학 장치에서, 발광 장치는 복제광 또는 패턴광을 변환하는 제2 광학 부재를 더 포함하며, 제2 광학 부재는 발광 소자 - 제1 광학 부재 - 제2 광학 부재 순서로 광이 통과하도록 배치되거나, 발광 소자 - 제2 광학 부재 - 제1 광학 부재 순서로 광이 통과하도록 배치될 수 있다.

한편, 상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 광학 장치에서, 제2 광학 부재는 적어도 하나 이상의 렌즈를 포함하거나, 적어도 하나 이상의 회절 광학 소자를 포함할 수 있다.

한편, 상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 광학 장치에서, 발광 소자는 수직 공진 표면 발광 레이저(Virtical Cavity Surface Emitting Laser)일 수 있다.

한편, 상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 광학 장치에서, 발광 소자는 발광 장치 및 센서 장치를 연결하는 베이스 라인과 평행한 제1 방향으로 일렬로 배열되는 복수 개의 광원을 포함할 수 있다.

한편, 상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 광학 장치에서, 발광 소자는 발광 장치 및 센서 장치를 연결하는 베이스 라인과 평행한 제1 방향 및 수직한 제2 방향으로 매트릭스 형태로 배열되는 복수 개의 광원을 포함할 수 있다.

한편, 상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 광학 장치에서, 제어부는 복수 개의 광원이 순차적으로 개별 발광하도록 광원을 제어할 수 있다.

한편, 상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 광학 장치에서, 제어부는 복수 개의 광원 중 동일한 열에 속하는 광원들이 동시에 발광하고, 각각의 열이 순차적으로 발광하도록 광원을 제어할 수 있다.

기타 실시예들의 구체적인 사항들은 상세한 설명 및 도면들에 포함되어 있다.

본 발명에 따르면, 다음과 같은 효과가 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 광학 장치 및 이를 구비하는 카메라 장치와 전자기기는, 동기화되어 동작하는 패턴광 발광 장치와 센서 장치를 통해 깊이 정보를 획득하여, 연산량을 감소시키고 깊이 정보의 정확도를 높일 수 있는 효과가 있다.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 광학 장치 및 이를 구비하는 카메라 장치와 전자기기는, 발광 장치가 수직 공진 표면 발광 레이저와 광 변환 광학 부재를 포함하여, 발광 장치의 크기를 최소화하고, 소비 전력을 감소시키며, 센서 장치에서의 광 인식율을 높일 수 있는 효과가 있다.

본 발명의 효과들은 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 청구범위의 기재로부터 이 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 전자기기의 일 예인 이동 단말기의 외관을 도시한 도면이다.
도 2는 도 1의 이동 단말기의 블럭도이다.
도 3a는 본 발명의 일 실시예에 따른 광학 장치를 도시한 도면이다.
도 3b는 본 발명의 다른 실시예에 따른 광학 장치를 도시한 도면이다.
도 4a 내지 도4b는 도 3의 각각의 광학 장치에서 시차 거리를 계산하는 것을 도시한 도면이다.
도 5a 내지 도 5c는 본 발명의 일 실시예에 따른 발광 장치를 도시한 도면이다.
도 6은 도 5의 제2 광학 부재의 일 예를 도시한 도면이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 발광 장치의 발광 소자를 도시한 도면이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 광학 장치가 대상 영역으로 발광하는 것과 수신광의 패턴을 수신하는 것을 도시한 도면이다.
도 9 내지 도11은 도 8을 설명하기 위해 참조되는 도면이다.
도 12는 본 발명의 다른 실시예에 따른 광학 장치가 대상 영역으로 발광하는 것과 수신광의 패턴을 수신하는 것을 도시한 도면이다.
도 13a 내지 13f는 도 12를 설명하기 위해 참조되는 도면이다.
도 14는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 광학 장치가 대상 영역으로 발광하는 것과 수신광의 패턴을 수신하는 것을 도시한 도면이다.
도 15a 내지 도 15c는 도 14를 설명하기 위해 참조되는 도면이다.
도 16은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 광학 장치가 대상 영역으로 발광하는 것과 수신광의 패턴을 수신하는 것을 도시한 도면이다.
도 17a 내지 17b는 도 16을 설명하기 위해 참조되는 도면이다.
도 18은 본 발명의 일 실시예에 따른 광학 장치의 깊이 정보 획득에 관한 플로우 차트이다.

이하에서는 도면을 참조하여 본 발명을 보다 상세하게 설명한다.

도면 부호에 관계없이 동일하거나 유사한 구성요소는 동일한 참조 번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 이하의 설명에서 사용되는 구성요소에 대한 접미사 "모듈" 및 "부"는 명세서 작성의 용이함만이 고려되어 부여되거나 혼용되는 것으로서, 그 자체로 서로 구별되는 의미 또는 역할을 갖는 것은 아니다. 따라서, 상기 "모듈" 및 "부"는 서로 혼용되어 사용될 수도 있다.

또한, 본 명세서에 개시된 실시 예를 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 명세서에 개시된 실시 예의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다. 또한, 첨부된 도면은 본 명세서에 개시된 실시 예를 쉽게 이해할 수 있도록 하기 위한 것일 뿐, 첨부된 도면에 의해 본 명세서에 개시된 기술적 사상이 제한되지 않으며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

제1, 제2 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되지는 않는다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.

어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.

단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.

본 출원에서, "포함한다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

본 명세서에서 설명되는 전자기기는, 편의상 주로 이동 단말기를 예로 하여 설명하나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다. 여기서 전자기기는 블랙박스(black box)와 같은 차량용 비디오 장치, CCTV(Closed Caption TV), 이동 단말기 등을 포함할 수 있다. 상기 이동 단말기에는 휴대폰, 스마트폰, 노트북 컴퓨터, 디지털 방송용 단말기, PDA(personal digital assistants), 네비게이션, 태블릿 PC(tablet PC), 웨어러블 디바이스(wearable device) 등이 포함될 수 있다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 전자기기의 일 예인 이동 단말기의 외관을 도시한 도면이다. (a)는 이동 단말기의 정면도, (b)는 측면도, (c)는 배면도, (d)는 저면도이다.

도 1을 참조하면, 이동 단말기(100)의 외관을 이루는 케이스는, 프론트 케이스(100-1)와 리어 케이스(100-2)에 의해 형성된다. 프론트 케이스(100-1)와 리어 케이스(100-2)에 의해 형성된 공간에는 각종 전자부품들이 내장될 수 있다.

구체적으로, 프론트 케이스(100-1)에는 디스플레이(180), 제1 카메라 장치(195a), 제1 음향출력 모듈(153a) 등이 배치될 수 있다. 그리고, 리어 케이스(100-2)의 측면에는 제1 내지 제2 사용자 입력부(130a, 130b) 등이 배치될 수 있다.

디스플레이(180)는 터치패드가 레이어 구조로 중첩됨으로써, 디스플레이(180)가 터치스크린으로 동작할 수 있다.

제1 음향출력 모듈(153a)은 리시버 또는 스피커의 형태로 구현될 수 있다. 제1 카메라 장치(195a)는 사용자 등에 대한 이미지 또는 동영상을 촬영하기에 적절한 형태로 구현될 수 있다. 그리고, 마이크(123)는 사용자의 음성, 기타 소리 등을 입력받기 적절한 형태로 구현될 수 있다.

제1 내지 제2 사용자 입력부(130a, 130b)와 후술하는 제3 사용자 입력부(130c)는 사용자 입력부(130)라 통칭할 수 있다.

제1 마이크(미도시)는, 리어 케이스(100-2)의 상측, 즉, 이동 단말기(100)의 상측에, 오디오 신호 수집을 위해 배치될 수 있으며, 리어 케이스(100-2)의 하측, 즉, 이동 단말기(100)의 하측에, 제2 마이크(123)가 오디오 신호 수집을 위해 배치될 수 있다.

리어 케이스(100-2)의 후면에는 제2 카메라 장치(195b), 제3 카메라 장치(195c), 플래시(196), 및 제3 사용자 입력부(130c)가 배치될 수 있다.

제2 및 제3 카메라 장치(195b, 195c)는 제1 카메라 장치(195a)와 실질적으로 반대되는 촬영 방향을 가지며, 제1 카메라 장치(195a)와 서로 다른 화소를 가질 수 있다. 제2 카메라 장치(195b)와 제3 카메라 장치(195c)는 촬영 범위 확대를 위해 서로 다른 화각을 가질 수 있다. 제3 카메라 장치(195c)에 인접하게는 거울(미도시)이 추가로 배치될 수도 있다. 또한, 제3 카메라 장치(195c) 인접하게 다른 카메라 장치를 더 설치하여 3차원 입체 영상의 촬영을 위해 사용하거나, 추가적인 다른 화각 촬영을 위해 사용할 수도 있다.

플래시(196)는 제3 카메라(195c)에 인접하게 배치될 수 있다. 플래시(196)는 제3 카메라(195c)로 피사체를 촬영하는 경우에 피사체를 향하여 빛을 비추게 된다.

리어 케이스(100-2)에는 제2 음향출력 모듈(153b)가 추가로 배치될 수도 있다. 제2 음향출력 모듈은 제1 음향출력 모듈(153a)와 함께 스테레오 기능을 구현할 수 있으며, 스피커폰 모드로 통화를 위해 사용될 수도 있다.

리어 케이스(100-2) 측에는 이동 단말기(100)에 전원을 공급하기 위한 전원공급부(미도시)가 장착될 수 있다. 전원공급부(190)는, 예를 들어 충전 가능한 배터리로서, 리어 케이스(100-2)에 일체형으로 구성되거나, 충전 등을 위하여 리어 케이스(100-2)에 착탈 가능하게 결합될 수 있다.

도 2는 도 1의 이동 단말기의 블럭도이다.

도 2를 참조하면, 이동 단말기(100)는 무선 통신부(110), A/V(Audio/Video) 입력부(120), 사용자 입력부(130), 센싱부(140), 출력부(150), 메모리(160), 인터페이스부(175), 단말 제어부(170), 및 전원 공급부(190)를 포함할 수 있다. 이와 같은 구성요소들은 실제 응용에서 구현될 때 필요에 따라 2 이상의 구성요소가 하나의 구성요소로 합쳐지거나, 혹은 하나의 구성요소가 2 이상의 구성요소로 세분되어 구성될 수 있다.

무선 통신부(110)는 방송수신 모듈(111), 이동통신 모듈(113), 무선 인터넷 모듈(115), 근거리 통신 모듈(117), 및 GPS 모듈(119) 등을 포함할 수 있다.

방송수신 모듈(111)은 방송 채널을 통하여 외부의 방송관리 서버로부터 방송 신호 및 방송관련 정보 중 적어도 하나를 수신할 수 있다. 방송수신 모듈(111)을 통해 수신된 방송 신호 및/또는 방송 관련 정보는 메모리(160)에 저장될 수 있다.

이동통신 모듈(113)은, 이동 통신망 상에서 기지국, 외부의 단말, 서버 중 적어도 하나와 무선 신호를 송수신할 수 있다. 여기서, 무선 신호는, 음성 호 신호, 화상 통화 호 신호, 또는 문자/멀티미디어 메시지 송수신에 따른 다양한 형태의 데이터를 포함할 수 있다.

무선 인터넷 모듈(115)은 무선 인터넷 접속을 위한 모듈을 말하는 것으로, 무선 인터넷 모듈(115)은 이동 단말기(100)에 내장되거나 외장될 수 있다.

근거리 통신 모듈(117)은 근거리 통신을 위한 모듈을 말한다. 근거리 통신 기술로 블루투스(Bluetooth), RFID(Radio Frequency Identification), 적외선 통신(IrDA, infrared Data Association), UWB(Ultra Wideband), 지그비(ZigBee), NFC(Near Field Communication) 등이 이용될 수 있다.

GPS(Global Position System) 모듈(119)은 복수 개의 GPS 인공위성으로부터 위치 정보를 수신한다.

A/V(Audio/Video) 입력부(120)는 오디오 신호 또는 비디오 신호 입력을 위한 것으로, 이에는 카메라 장치(195)와 마이크(123) 등이 포함될 수 있다.

카메라 장치(195)는 화상 통화모드 또는 촬영 모드에서 이미지 센서에 의해 얻어지는 정지영상 또는 동영상 등의 화상 프레임을 처리할 수 있다. 그리고, 처리된 화상 프레임은 디스플레이(180)에 표시될 수 있다.

카메라 장치(195)에서 처리된 화상 프레임은 메모리(160)에 저장되거나 무선 통신부(110)를 통하여 외부로 전송될 수 있다. 카메라 장치(195)는 전자 기기의 구성 태양에 따라 2개 이상이 구비될 수도 있다.

마이크(123)는, 디스플레이 오프 모드, 예를 들어, 통화모드, 녹음모드, 또는 음성인식 모드 등에서 마이크로폰(Microphone)에 의해 외부의 오디오 신호를 입력받아 전기적인 음성 데이터로 처리할 수 있다.

한편, 마이크(123)는, 서로 다른 위치에, 복수개로서 배치될 수 있다. 각 마이크에서 수신되는 오디오 신호는 단말 제어부(170) 등에서 오디오 신호 처리될 수 있다.

사용자 입력부(130)는 사용자가 전자 기기의 동작 제어를 위하여 입력하는 키 입력 데이터를 발생시킨다. 사용자 입력부(130)는 사용자의 누름 또는 터치 조작에 의해 명령 또는 정보를 입력받을 수 있는 키 패드(key pad), 돔 스위치(dome switch), 터치 패드(정압/정전) 등으로 구성될 수 있다. 특히, 터치 패드가 후술하는 디스플레이(180)와 상호 레이어 구조를 이룰 경우, 이를 터치스크린(touch screen)이라 부를 수 있다.

센싱부(140)는 이동 단말기(100)의 개폐 상태, 이동 단말기(100)의 위치, 사용자 접촉 유무 등과 같이 이동 단말기(100)의 현 상태를 감지하여 이동 단말기(100)의 동작을 제어하기 위한 센싱 신호를 발생시킬 수 있다.

센싱부(140)는 근접센서(141), 압력센서(143), 및 모션 센서(145), 터치 센서(146) 등을 포함할 수 있다.

근접센서(141)는 이동 단말기(100)로 접근하는 물체나, 이동 단말기(100)의 근방에 존재하는 물체의 유무 등을 기계적 접촉이 없이 검출할 수 있다. 특히, 근접센서(141)는, 교류자계의 변화나 정자계의 변화를 이용하거나, 혹은 정전용량의 변화율 등을 이용하여 근접물체를 검출할 수 있다.

압력센서(143)는 이동 단말기(100)에 압력이 가해지는지 여부와, 그 압력의 크기 등을 검출할 수 있다.

모션 센서(145)는 가속도 센서, 자이로 센서 등을 이용하여 이동 단말기(100)의 위치나 움직임 등을 감지할 수 있다.

터치 센서(146)는, 사용자의 손가락에 의한 터치 입력 또는 특정 펜에 의한 터치 입력을 감지할 수 있다. 예를 들어, 디스플레이(180) 상에 터치 스크린 패널이 배치되는 경우, 터치 스크린 패널은, 터치 입력의 위치 정보, 세기 정보 등을 감지하기 위한 터치 센서(146)를 구비할 수 있다. 터치 센서(146)에서 감지된 센싱 신호는, 단말 제어부(170)로 전달될 수 있다.

출력부(150)는 오디오 신호 또는 비디오 신호 또는 알람(alarm) 신호의 출력을 위한 것이다. 출력부(150)에는 디스플레이(180), 음향출력 모듈(153), 알람부(155), 및 햅틱 모듈(157) 등이 포함될 수 있다.

디스플레이(180)는 이동 단말기(100)에서 처리되는 정보를 표시 출력한다. 예를 들어 이동 단말기(100)가 통화 모드인 경우 통화와 관련된 UI(User Interface) 또는 GUI(Graphic User Interface)를 표시한다. 그리고 이동 단말기(100)가 화상 통화 모드 또는 촬영 모드인 경우, 촬영되거나 수신된 영상을 각각 혹은 동시에 표시할 수 있으며, UI, GUI를 표시한다.

한편, 전술한 바와 같이, 디스플레이(180)와 터치패드가 상호 레이어 구조를 이루어 터치스크린으로 구성되는 경우, 디스플레이(180)는 출력 장치 이외에 사용자의 터치에 의한 정보의 입력이 가능한 입력 장치로도 사용될 수 있다.

음향출력 모듈(153)은 호 신호 수신, 통화 모드 또는 녹음 모드, 음성인식 모드, 방송수신 모드 등에서 무선 통신부(110)로부터 수신되거나 메모리(160)에 저장된 오디오 데이터를 출력할 수 있다. 또한, 음향출력 모듈(153)은 이동 단말기(100)에서 수행되는 기능, 예를 들어, 호 신호 수신음, 메시지 수신음 등과 관련된 오디오 신호를 출력한다. 이러한 음향출력 모듈(153)에는 스피커(speaker), 버저(Buzzer) 등이 포함될 수 있다.

알람부(155)는 이동 단말기(100)의 이벤트 발생을 알리기 위한 신호를 출력한다. 알람부(155)는 오디오 신호나 비디오 신호 이외에 다른 형태로 이벤트 발생을 알리기 위한 신호를 출력한다. 예를 들면, 진동 형태로 신호를 출력할 수 있다.

햅틱 모듈(haptic module)(157)은 사용자가 느낄 수 있는 다양한 촉각 효과를 발생시킨다. 햅틱 모듈(157)이 발생시키는 촉각 효과의 대표적인 예로는 진동 효과가 있다. 햅틱 모듈(157)이 촉각 효과로 진동을 발생시키는 경우, 햅택 모듈(157)이 발생하는 진동의 세기와 패턴 등은 변환가능하며, 서로 다른 진동을 합성하여 출력하거나 순차적으로 출력할 수도 있다.

메모리(160)는 단말 제어부(170)의 처리 및 제어를 위한 프로그램이 저장될 수도 있고, 입력되거나 출력되는 데이터들(예를 들어, 폰북, 메시지, 정지영상, 동영상 등)의 임시 저장을 위한 기능을 수행할 수도 있다.

인터페이스부(175)는 이동 단말기(100)에 연결되는 모든 외부기기와의 인터페이스 역할을 수행한다. 인터페이스부(175)는 외부 기기로부터 데이터를 전송받거나 전원을 공급받아 이동 단말기(100) 내부의 각 구성 요소에 전달할 수 있고, 이동 단말기(100) 내부의 데이터가 외부 기기로 전송되도록 할 수 있다.

이동 단말기(100)에는 사용자의 지문을 인식하는 지문 인식 센서가 구비될 수 있으며, 단말 제어부(170)는 지문 인식 센서를 통하여 감지되는 지문정보를 인증 수단으로 이용할 수 있다. 상기 지문 인식 센서는 디스플레이(180) 또는 사용자 입력부(130)에 내장될 수 있다.

단말 제어부(170)는 통상적으로 상기 각부의 동작을 제어하여 이동 단말기(100)의 전반적인 동작을 제어한다. 예를 들어 음성 통화, 데이터 통신, 화상 통화 등을 위한 관련된 제어 및 처리를 수행할 수 있다. 또한, 단말 제어부(170)는 멀티 미디어 재생을 위한 멀티미디어 재생 모듈(181)을 구비할 수도 있다. 멀티미디어 재생 모듈(181)은 단말 제어부(170) 내에 하드웨어로 구성될 수도 있고, 단말 제어부(170)와 별도로 소프트웨어로 구성될 수도 있다.

한편, 단말 제어부(170)는, 애플리케이션 구동을 위한 애플리케이션 프로세서(미도시)를 구비할 수 있다. 또는 애플리케이션 프로세서(미도시)는 단말 제어부(170)와 별도로 마련되는 것도 가능하다.

그리고, 전원 공급부(190)는 단말 제어부(170)의 제어에 의해 외부의 전원, 내부의 전원을 인가받아 각 구성요소들의 동작에 필요한 전원을 공급할 수 있다.

전원 공급부(190)는 연결 포트를 구비할 수 있으며, 연결 포트는 배터리의 충전을 위하여 전원을 공급하는 외부 충전기가 전기적으로 연결될 수 있다. 한편, 전원 공급부(190)는 상기 연결 포트를 이용하지 않고 무선 방식으로 배터리를 충전하도록 이루어질 수 있다.

도 3a는 본 발명의 일 실시예에 따른 광학 장치를 도시한 도면이다.

도면를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 광학 장치(10)는, 제어부(500), 발광 장치(200) 및 센서 장치(300)를 포함할 수 있다.

발광 장치(200)는 적어도 하나 이상의 발광 소자(220)와 발광 제어부(210)를 포함할 수 있다. 발광 소자(220)는 특정 파장의 출력광을 방출하는 소자일 수 있다.

발광 소자(220)는 적외선(Infrared ray)을 방출할 수 있다. 구체적으로, 파장 길이 940nm 또는 850nm의 적외선 광을 방출할 수 있다.

발광 소자(220)는 전기 신호를 광 신호로 변환하는 레이저 다이오드(Laser diode)일 수 있다. 발광 소자(220)는 발광 제어부(210)의 제어에 따라 펄스(pulse) 형태로 광을 출력할 수 있다.

발광 제어부(210)는 제어부(500)로 발광 소자(220)의 발광 동작과 관련한 정보를 제공할 수 있다. 구체적으로, 발광 제어부(210)는 발광 소자(220)가 온(ON)되어 광을 발광하는 시점 정보를 포함하는 제1 타임 스탬프(timestamp) 정보를 제어부(500)로 제공할 수 있다.

센서 장치(300)는 발광 장치(200)에서 방출된 특정 파장의 패턴광이 대상 영역으로부터 반사되는 수신광을 검출할 수 있다. 센서 장치(300)는 발광 장치(200)의 발광 방향과 동일한 방향을 향하도록 배치될 수 있다.

센서 장치(300)는 센서 제어부(310), 센서(320), 필터(330), 렌즈(340) 및 조리개(350)를 포함할 수 있다.

조리개(350)는 렌즈(340)로 입사되는 광을 개폐하여, 입사되는 광량을 조절한다.

렌즈(340)는 조리개(350)를 거쳐 입사하는 광을 센서(320)로 집광한다.

필터(330)는 수신광 중 특정 파장의 광만 센서(320)로 통과시킬 수 있다. 특정 파장의 광은 적외선일 수 있다. 따라서 필터(330)는 적외선을 투과하는 대역 통과 필터(band pass filter)일 수 있다. 구체적으로, 필터(330)는 파장 길이 940nm 또는 850nm의 적외선 광을 통과시킬 수 있는 필터일 수 있다.

센서(320)는, 출력광에 대응하는 수신광 중 필터(330)를 통과한 특정 파장의 수신광을 검출할 수 있다.

한편, 센서(320)는 픽셀 기반의 데이터를 센싱하는 비동기 방식의 센서(asynchronous sensor)일 수 있다.

센서(320)는, 특정 픽셀에 입사되는 수신광의 변화량의 크기가 설정값 이상이 될 때마다, 이벤트 신호를 출력한다. 따라서 수신광의 변화량의 크기가 클수록, 센서(320)에서 출력되는 이벤트 신호의 출력 횟수가 증가할 수 있다.

센서 제어부(310)는 센서(320)에서 출력하는 이벤트 신호 정보를 제어부(500)로 전송할 수 있고, 제어부(500)는 수신한 이벤트 신호 정보를 발광 제어부(210)로 전송할 수 있다. 또한, 센서 제어부(310)는 제어부(500)를 통해 발광 제어부(210)로부터 발광 소자(220)의 출력광 방출 주기 정보를 수신하고, 센서(320)가 발광 소자(220)의 온(ON) 구간에 동기화되어 활성화되도록 센서(320)의 동작을 제어할 수 있다.

센서 제어부(310)는, 센서(320)의 동작 구간이 발광 소자(220)의 온(ON) 구간을 포함하도록 센서(320)를 제어할 수 있다. 센서(320)의 동작 구간의 길이는, 센서(320)에 형성된 포토 다이오드의 성능 등에 의해 결정될 수 있다.

따라서 센서(320)가 비동기 방식 센서인 경우, 센서(320)의 동작 또는 센싱 타이밍을 발광 소자(220)의 동작 또는 발광 타이밍과 동기화시킬 수 있다.

한편, 센서(320)는, 일반적인 프레임 방식의 센서일 수 있다.

이 경우, 센서(320)는 특정 픽셀에 입사되는 수신광의 크기 정보만 출력할 수 있다. 센서 제어부(310)는 프레임 방식의 센서(320)로부터 복수의 프레임 동안 센서(320)에서 센싱한 픽셀 별 출력 값을 수신하고, 전후 프레임에 대하여 각 픽셀 별 출력 값의 차이를 도출할 수 있다. 센서 제어부(310)는 도출한 차이 값의 크기가 설정값 이상이 될 때마다, 이벤트 신호가 발생한 것으로 판단할 수 있다.

제어부(500)는 발광 제어부(210)와 센서 제어부(310)를 통해 발광 장치(200)와 센서 장치(300)의 동작을 제어할 수 있다. 한편, 제어부(500)는 발광 제어부(210)와 센서 제어부(310)를 모두 포함할 수 있고, 제어부(500)를 통해 발광 장치(200)와 센서 장치(300)의 동작이 직접 제어될 수 있다.

한편, 광학 장치(10)가 이동 단말기(100)에 내장되는 경우, 제어부(500)는 단말 제어부(170)에 포함될 수 있고, 단말 제어부(170)가 광학 장치(10)의 모든 구성을 제어할 수 있다.

제어부(500)는 검출된 수신광의 패턴을 기준 패턴과 비교하여 시차 거리를 계산하고, 계산된 시차 거리를 이용하여 대상 영역의 깊이 정보를 획득할 수 있다. 깊이 정보 획득과 관련한 구성은 도 4a 및 4b와 관련하여 상세히 후술한다.

제어부(500)는 센서 장치(300)와 발광 소자(200)의 동작을 동기화시킬 수 있다. 구체적으로, 제어부(500)는 발광 소자(220)가 온(ON)되어 광을 발광하는 시점 정보를 포함하는 제1 타임 스탬프 정보를 발광 제어부(210)로부터 수신할 수 있다.

제어부(500)는 수신한 제1 타임 스탬프 정보를 센서 제어부(310)로 전송할 수 있다. 센서 제어부(310)는 제어부(500)로부터 수신한 제1 타임 스탬프 정보를 바탕으로, 센서(320)가 발광 소자(220)의 온(ON) 구간에 동기화되어 동작하도록 제어할 수 있다.

또한, 제어부(500)는 센서 제어부(310)로부터 센서(320)가 센싱한 수신광의 패턴 데이터와 함께 해당 데이터가 센싱된 시점 정보를 포함하는 제2 타임 스탬프 정보를 수신할 수 있다. 제어부(500)는 저장부(미도시)에 수신광의 패턴 데이터, 제2 타임 스탬프 정보 등을 매칭하여 저장하고, 저장된 정보를 이용하여 깊이 정보를 도출할 수 있다.

한편, 제어부(500)는 발광 소자(220)가 출력하는 출력광의 세기를 제어할 수 있다. 제어부(500)는 발광 소자(220)가 출력하는 출력광의 세기가 설정 값 이상이 되도록 발광 장치(200)를 제어할 수 있다. 출력광의 세기가 설정 값 이하일 경우에는, 패턴광에 대응하는 수신광에 따라 센서(320)에서 이벤트 신호를 출력할 수 없기 때문이다.

한편, 제어부(500)는 센서 장치(300)에서 검출한 수신광 데이터를 수신하고, 수신광의 변화량에 따라, 발광 소자(220)의 출력광 방출 주기 또는 출력광 방출 강도 중 적어도 하나 이상을 변경하도록 발광 장치(200)를 제어할 수 있다. 여기서, 변화량은 휘도 변화량 또는 광의 세기 변화량을 의미한다.

예를 들어, 제어부(500)는 수신광의 변화량이 제1 변화량인 경우, 제1 방출 강도로 출력광이 출력되도록 제어하고, 수신광의 변화량이 제1 변화량보다 더 큰 제2 변화량인 경우, 제1 방출 강도보다 더 작은 제2 방출 강도로 출력광이 출력되도록 제어할 수 있다. 이에 따라, 제어부(500)는 주변 환경의 다양한 광원의 존재 유무에 따라, 광학 장치(10)의 출력광의 방출 강도를 적응적으로 조절할 수 있고, 깊이 정보의 정확도를 높일 수 있다.

한편, 제어부(500)는 광학 장치(10)의 움직임 정보를 바탕으로, 발광 소자(220)의 출력광 방출 주기를 가변하도록 발광 장치(200)를 제어할 수 있다. 예를 들어, 광학 장치(10)를 포함하는 이동 단말기(100)가 자동차, 로봇, 드론 등과 같이 이동하는 차량(vehicle)에 탑재된 경우, 제어부(500)는 이동 단말기(100)의 움직임 정보를 바탕으로 발광 소자(220)의 출력광 방출 주기를 가변할 수 있다.

한편, 광학 장치(10)를 포함하는 전자 기기가 CCTV 등과 같은 고정형 장치이거나, 고정된 상태인 경우에는, 제어부(500)는 물체의 움직임 속도만 고려하여 발광 소자의 출력광 방출 주기를 가변하도록 발광 장치(200)를 제어할 수 있다.

도 3b는 본 발명의 다른 실시예에 따른 광학 장치를 도시한 도면이다.

도면을 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 광학 장치(20)는, 제어부(500), 발광 장치(200), 제1 센서 장치(300) 및 제2 센서 장치(400)를 포함할 수 있다.

발광 장치(200)와 제1 센서 장치(300)는 앞서 도 3a 도시한 본 발명의 일 실시예에 따른 광학 장치(10)의 발광 장치(200) 및 센서 장치(300)와 동일한 구성을 갖는다. 따라서, 본 설명에서는 제2 센서 장치(400) 및 제어부(500)의 제어 동작에 대해서만 설명한다.

제2 센서 장치(400)는 제1 센서 장치(300)와 동일한 센서 장치일 수 있다. 제2 센서 장치(400)는 발광 장치(200) 및 제1 센서(300) 장치와 일직선 상에 위치할 수 있고, 발광 장치(200)의 발광 방향과 동일한 방향을 향하도록 배치될 수 있다.

제2 센서 장치(400)와 제1 센서 장치(300)는 발광 장치(200)를 중심으로 서로 좌우 대칭되는 위치에 배치될 수 있다. 제2 센서 장치(400)와 제1 센서 장치(300)가 발광 장치(200)와 이격되는 거리는 서로 동일할 수 있다. 다만, 제2 센서 장치(400)와 제1 센서 장치(300)의 위치는 이에 국한되는 것은 아니며, 이격 거리가 서로 상이할 수 있고, 발광 장치(200)의 일편에 제2 센서 장치(400)와 제1 센서 장치(300)가 모두 위치할 수도 있다.

제2 센서 장치(400)는 발광 장치(200)에서 방출된 특정 파장의 패턴광이 대상 영역으로부터 반사되는 수신광을 검출할 수 있다. 제2 센서 장치(400)는 제2 센서 제어부(410), 제2 센서(420), 필터(430), 제2 렌즈(440) 및 제2 조리개(450)를 포함할 수 있다.

제2 센서(420)는, 출력광에 대응하는 수신광 중 필터(430)를 통과한 특정 파장의 수신광을 검출할 수 있다. 제2 센서(420)는 제1 센서 장치(300)의 제1 센서(320)와 동일한 센서가 사용될 수 있다. 제2 센서(420)는 픽셀 기반의 데이터를 센싱하는 비동기 방식의 센서 또는 일반적인 프레임 방식의 센서일 수 있다.

제어부(500)는 발광 제어부(210), 제1 센서 제어부(310) 및 제2 센서 제어부(410)를 통해 발광 장치(200), 제1 센서 장치(300) 및 제2 센서 장치(400)의 동작을 제어할 수 있다. 한편, 제어부(500)는 발광 제어부(210), 제1 센서 제어부(310) 및 제2 센서 제어부(410)를 모두 포함할 수 있고, 제어부(500)를 통해 발광 장치(200), 제1 센서 장치(300) 및 제2 센서 장치(400)의 동작이 직접 제어될 수 있다.

한편, 광학 장치(20)가 이동 단말기(100)에 내장되는 경우, 제어부(500)는 단말 제어부(170)에 포함될 수 있고, 단말 제어부(170)가 광학 장치(20)의 모든 구성을 제어할 수 있다.

제어부(500)는 제1 센서 장치(300)에서 검출한 제1 패턴과 제2 센서 장치(400)에서 검출한 제2 패턴을 비교하여 시차 거리를 계산하고, 계산된 시차 거리를 이용하여 대상 영역의 깊이 정보를 획득할 수 있다.

한편, 제어부(500)는 제1 센서 장치(300)에서 검출한 제1 패턴을 기준 패턴과 비교하여 시차 거리를 계산하고, 제2 센서 장치(300)에서 검출한 제2 패턴을 기준 패턴과 비교한 결과를 이용하여, 계산된 시차 거리를 보정할 수 있다. 제어부(500)는 보정된 시차 거리 정보를 바탕으로 대상 영역의 깊이 정보를 획득할 수 있다. 이와 관련한 구성은 도 4a 및 4b와 관련하여 자세히 후술한다.

제어부(500)는 제1 센서 장치(300), 제2 센서 장치(400) 및 발광 소자(200)의 동작을 동기화시킬 수 있다. 구체적으로, 제어부(500)는 발광 소자(220)가 온(ON)되어 광을 발광하는 시점 정보를 포함하는 제1 타임 스탬프 정보를 발광 제어부(210)로부터 수신할 수 있다.

제어부(500)는 수신한 제1 타임 스탬프 정보를 제1 센서 제어부(310)와 제2 센서 제어부(320)로 전송할 수 있다. 제1 센서 제어부(310) 및 제2 센서 제어부(410)는 제어부(500)로부터 수신한 제1 타임 스탬프 정보를 바탕으로, 제1 센서(320) 및 제2 센서(420)가 발광 소자(220)의 온(ON) 구간에 동기화되어 동작하도록 제어할 수 있다.

또한, 제어부(500)는 제1 센서 제어부(310)와 제2 센서 제어부(410)로부터 제1 센서(320) 및 제2 센서(420)가 센싱한 데이터와 함께 해당 데이터의 제2 타임 스탬프 정보를 수신할 수 있다. 제어부(500)는 저장부(미도시)에 센싱 데이터, 제2 타임 스탬프 정보 등을 저장하고, 저장된 정보를 이용하여 깊이 정보를 도출할 수 있다.

한편, 제어부(500)는 발광 소자(220)가 출력하는 출력광의 세기를 제어할 수 있다. 제어부(500)는 발광 소자(220)가 출력하는 출력광의 세기가 설정 값 이상이 되도록 발광 장치(200)를 제어할 수 있다.

도 4a는 도 3a의 광학 장치(10)에서 시차 거리를 계산하는 것을 도시한 도면이다.

도면을 참조하면, 발광 장치(200)는 대상 영역을 향하여 V1의 방향 또는 각도로 패턴광(OB1)을 방출한다. 예를 들어, V1은 발광 장치(200)와 센서 장치(300)의 위치를 연결하는 베이스 라인(BL)과 평행한 방향(이하 'x축 방향'이라 한다)과 수직인 방향(이하 'z축 방향'이라 한다)일 수 있다.

방출된 패턴광(OB1)은 발광 장치(200)와 서로 상이한 거리에 위치하는 제1 대상체(A1), 제2 대상체(A2) 및 제3 대상체(A3)로 조사될 수 있다.

각각의 대상체(A1, A2, A3)에서 반사된 패턴광은 센서 장치(300)로 V2의 방향 또는 각도로 입사될 수 있다. 센서 장치(300)에서 수신된 수신광은 조리개(350), 렌즈(340), 필터(330)를 거쳐 센서(320)에서 센싱될 수 있다.

발광 장치(200)에서 방출되는 패턴광(OB1)은 직선 형태의 적어도 하나 이상의 라인 패턴 광 또는 복수 개의 도트(dot)가 직선 형태를 이루는 적어도 하나 이상의 라인 도트 패턴 광으로 이루어질 수 있다. 제어부(500)는 패턴광(OB1)을 기준 패턴으로 지정할 수 있다.

패턴광(OB1)은 발광 장치(200)와 센서 장치(300)의 위치를 연결하는 베이스 라인(BL)과 평행한 방향과 수직인 방향(이하 'y축 방향'이라 한다)으로 형성되는 직선 형태를 이루도록 형성될 수 있다.

발광 장치(200) 및 센서 장치(300)와 무한대의 거리에 위치한 대상체로부터 반사된 수신광의 패턴은 시차 거리가 0에 가까운 값이 된다. 또한, 발광 장치(200) 및 센서 장치(300)와 대상체의 거리가 가까워질수록 시차 거리는 커진다. 제어부(500)는 발광 장치(200) 및 센서 장치(300)와 대상체의 거리 정보를 수신광 패턴의 시차 거리 정보를 매칭하여 저장부에 기준 거리 데이터로 저장하고, 측정된 수신광의 패턴으로부터 도출한 픽셀 별 시차 거리 정보를 저장된 기준 거리 데이터와 비교하여 대상 영역의 깊이 정보를 계산할 수 있다.

한편, 시차 거리와 대상체의 거리 정보의 관계는 발광 장치(200)와 센서 장치(300)의 이격 거리에 따라 달라질 수 있다. 따라서, 발광 장치(200)와 센서 장치(300)의 이격 거리가 고정되지 않은 경우에는, 시차 거리, 대상체의 거리 정보 및 발광 장치(200)와 센서 장치(300)의 이격 거리 정보를 함께 매칭하여 기준 거리 데이터로 저장할 수 있다. 제어부(500)는 측정된 수신광의 패턴으로부터 도출한 픽셀 별 시차 거리 정보 및 발광 장치(200)와 센서 장치(300)의 이격 거리 정보를 저장된 기준 거리 데이터와 비교하여 대상 영역의 깊이 정보를 계산할 수 있다.

센서 장치(300)에서 검출한 수신광의 패턴(OB2)은 발광 장치(200)에서 방출된 패턴광(OB1)과 형태가 상이할 수 있다.

발광 장치(200) 및 센서 장치(300)와 상대적으로 가장 가까운 거리에 위치한 제1 대상체(A1)로부터 반사된 제1 패턴(OB2a)은 패턴광(OB1)의 원래 위치와 비교하여 x 축 방향으로 시차 거리(D1)가 가장 크게 나타난다. 반대로, 발광 장치(200) 및 센서 장치(300)와 상대적으로 가장 먼 거리에 위치한 제3 대상체(A3)로부터 반사된 제3 패턴(OB2c)은 패턴광(OB1)의 원래 위치와 비교하여 x축 방향으로 시차 거리(D3)가 가장 작게 나타난다.

대상체에 조사되는 패턴광이 직선 형태이므로, 제어부(500)는 패턴광(OB1)의 특정 y 좌표와 동일한 y 좌표를 갖는 수신광의 패턴을 찾고, 해당 패턴의 x 좌표와 패턴광(OB1)의 원래의 x 좌표를 비교하여 x축 방향으로의 시차 거리를 도출할 수 있다. 제어부(500)는 패턴광의 가장 하단의 y 좌표부터 가장 상단의 y 좌표까지 순차적으로 x축 방향의 시차 거리를 도출하고, 도출된 시차 거리 정보들을 바탕으로, 패턴광이 조사된 y 좌표들에 위치하는 대상 영역의 깊이 정보를 도출할 수 있다.

도 4a에 도시된 대상체(A1, A2, A3)에 대하여, 제어부(500)는 패턴광(OB1)의 각각의 y 좌표에 대하여 수신광의 패턴(OB2)의 x 좌표를 구하고, 제1 대상체(A1)의 시차 거리 D1, 제2 대상체(A2)의 시차 거리 D2, 제3 대상체(A3)의 시차 거리 D3를 도출할 수 있다.

제어부(500)는 도출된 D1, D2, D3를 저장부에 저장된 기준 데이터와 비교하여 패턴광(OB1)이 조사된 부분에 해당하는 제1 대상체(A1), 제2 대상체(A2) 및 제3 대상체(A3)의 깊이 정보를 도출할 수 있다. 이에 따라 직선 형태의 패턴 광이 대상체로부터 반사되는 수신광으로부터 효과적으로 시차 거리 및 깊이 정보를 계산할 수 있다.

대상 영역 전체의 깊이 정보 도출을 위해, 제어부(500)는 패턴광(OB1)을 연속적으로 반복하여 방출하도록 발광 장치(200)를 제어할 수 있다.

발광되는 패턴광(OB1)은 서로 다른 x 좌표를 갖는 복수개의 라인 패턴이 동시에 대상 영역으로 방출될 수 있다. 이 경우 각각의 라인 패턴 간의 x축 방향 거리는 일정 값 이상이 되도록 설정될 수 있다. 또한, 발광되는 패턴광(OB1)은 x 좌표가 연속적으로 변화하도록 반복하여 대상 영역으로 방출될 수 있다.

패턴광(OB1)의 복제 및 연속적인 방출과 관련한 구성은 도 8 내지 13와 관련하여 자세히 후술한다.

한편, 제어부(500)는 시차 거리 계산을 위해, 수신광의 패턴 데이터에 매칭된 제2 타임 스탬프 정보를 발광 소자(220)의 제1 타임 스탬프 정보와 비교할 수 있다. 제어부(500)는 서로 동일한 타임 스탬프 값을 갖거나, 타임 스탬프 값의 차이가 일정한 범위 이내인 패턴 데이터와 패턴광(OB1) 데이터를 비교하여 시차 거리 및 깊이 정보를 도출할 수 있다.

도 4b는 도 3b의 광학 장치(20)에서 시차 거리를 계산하는 것을 도시한 도면이다.

발광 장치(200) 및 제1 센서 장치(300)와 관련한 동작은 앞서 도 4a와 관련한 설명과 동일하다. 따라서, 본 설명에서는 제2 센서 장치(400) 및 이와 연계된 동작에 대해서만 설명한다.

도면을 참조하면, 각각의 대상체(A1, A2, A3)에서 반사된 패턴광은 제1 센서 장치(300)로 V2의 방향 또는 각도로 입사될 수 있고, 제2 센서 장치(400)로 V3의 방향 또는 각도로 입사될 수 있다. 제1 센서 장치(300)와 제2 센서 장치(400)에서 수신된 수신광은 각각 조리개, 렌즈, 필터를 거쳐 센서에서 센싱될 수 있다.

제1 센서 장치(300)에서 검출한 제1 수신광 패턴(OB2)과 제2 센서 장치(400)에서 검출한 제2 수신광 패턴(OB3)은 발광 장치(200)에서 방출된 패턴광(OB1)과 형태가 상이할 수 있다.

제어부(500)는 패턴광(OB1)의 특정 y 좌표와 동일한 y 좌표를 갖는 제1 수신광 패턴과 제2 수신광 패턴을 찾고, 해당 패턴들의 x 좌표와 패턴광(OB1)의 원래의 x 좌표를 비교하여 x축 방향으로의 시차 거리를 도출할 수 있다. 제어부(500)는 패턴광의 가장 하단의 y 좌표부터 가장 상단의 y 좌표까지 순차적으로 x축 방향의 시차 거리를 도출하고, 도출된 시차 거리 정보들을 바탕으로, 패턴광이 조사된 y 좌표들에 위치하는 대상 영역의 깊이 정보를 도출할 수 있다.

도 4b에 도시된 대상체(A1, A2, A3)에 대하여, 제어부(500)는 패턴광(OB1)의 각각의 y 좌표에 대하여 제1 수신광 패턴(OB2)의 x 좌표 및 제2 수신광 패턴(OB3)의 x 좌표를 구하고, 제1 대상체(A1)의 시차 거리 D1, 제2 대상체(A2)의 시차 거리 D2, 제3 대상체(A3)의 시차 거리 D3를 도출할 수 있다.

한편, 제어부(500)는 패턴광(OB1)의 특정 y 좌표와 동일한 y 좌표를 갖는 제1 수신광 패턴과 제2 수신광 패턴을 찾고, 해당 패턴들의 x 좌표를 직접 비교하여 x 축 방향으로의 시차 거리를 도출할 수 있다.

도 5a는 본 발명의 일 실시예에 따른 광학 장치의 발광 장치를 도시한 도면이다.

도면을 참조하면, 발광 장치(200)는 적어도 하나 이상의 발광 소자(220)와 발광 제어부(210)를 포함할 수 있고, 적어도 하나 이상의 제1 광학 부재(230)를 더 포함할 수 있다.

제1 광학 부재(230)는 발광 소자(220)에서 발광된 광을 다수 개의 광으로 복제하여 복제광을 생성하는 소자이다. 예를 들어, 제1 광학 부재(230)는 회절 광학 소자(DOE, Diffractive Optical Element)일 수 있다.

회절 광학 소자는 입력되는 광을 동일한 복수 개의 광으로 복제하여 출력할수 있는 광학 소자이다. 복제되는 광의 형태와 광의 개수는 회절 광학 소자의 형태에 따라 가변될 수 있다.

제1 광학 부재(230)를 포함하는 발광 장치(200)는 서로 이격된 복수 개의 패턴광을 대상 영역을 통해 동시에 방출할 수 있다. 복수 개의 패턴광은 서로 다른 y 좌표를 갖고, 서로 동일한 이격 거리를 갖도록 발광 장치(200)에서 방출될 수 있다. 이 경우 각각의 라인 패턴 간의 x 축 방향 거리는 일정 값 이상이 되도록 설정될 수 있다.

도 5b와 도 5c는 본 발명의 다른 실시예에 따른 광학 장치의 발광 장치(200)를 도시한 도면이다.

도면을 참조하면, 발광 장치(200)는 적어도 하나 이상의 발광 소자(220), 발광 제어부(210) 및 적어도 하나 이상의 제1 광학 부재(230)를 포함할 수 있고, 제2 광학 부재(240)를 더 포함할 수 있다.

제2 광학 부재(240)는 '발광 소자(220) - 제1 광학 부재(230) - 제2 광학 부재(240)'의 순서로 배치될 수 있다. 이 경우, 제2 광학 부재(240)는 제1 광학 부재(230)에서 복제된 복제광을 투과시킬 수 있다. 한편, 제2 광학 부재(240)는 '발광 소자(220) - 제2 광학 부재(240) - 제1 광학 부재(220)'의 순서로 배치될 수 있다. 이 경우, 제2 광학 부재(240)는 발광 소자(220)에서 방출된 패턴광을 투과시킬 수 있다.

제2 광학 부재(240)는 복제광 또는 패턴광을 변환할 수 있다. 제2 광학 부재(240)는 복제광 또는 패턴광을 x 축 방향 또는 y 축 방향으로 확대한 복제광 또는 패턴광으로 변환할 수 있다. 제2 광학 부재(240)는 대상 영역으로 조사되는 패턴광이 적합한 화각을 갖도록 복제광 또는 패턴광을 변환할 수 있다.

한편, 제2 광학 부재(240)는 제1 광학 부재(220)에서 복제광을 생성할 때 발생하는 핀 쿠션(Pincushion Distortion) 등과 같은 왜곡들을 최소화하도록 복제광을 변환할 수 있다. 따라서, 제2 광학 부재(240)는 제1 광학 부재(220)에 의한 복제 왜곡을 크게 감소시킬 수 있다.

도 6은 도 5b의 발광 장치(200)에서 제2 광학 부재(240)의 일 예를 도시한 도면이다.

도면을 참조하면, 제2 광학 부재(240)는 적어도 하나 이상의 렌즈를 포함할 수 있다. 한편, 제2 광학 부재(240)는 적어도 하나 이상의 회절 광학 소자를 포함할 수 있다.

발광 소자(220)의 각각의 광원(220a, 220b, 220c, 220d)에서 발광된 광은 제1 광학 부재(230)를 통과하면서 다수 개의 복제광으로 복제되고, 복수 개의 렌즈로 이루어진 제2 광학 부재(240)를 거치면서 패턴이 변환될 수 있다.

도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 발광 장치의 발광 소자를 도시한 도면이다.

도면을 참조하면, 발광 소자(220)는 적어도 하나 이상의 광원을 포함할 수 있다. 구체적으로, 발광 소자(220)는 적어도 하나 이상의 수직 공진 표면 발광 레이저(VCSEL, Virtical Cavity Surface Emitting Laser)가 회로 기판(미도시)에 연결되거나 집적된 형태일 수 있다.

수직 공진 표면 발광 레이저 광원은 광통신 분야에서 사용하는 광원으로써, 저가격, 높은 온도 안정성 및 대량 생산성을 갖는 특징이 있다. 또한, 수직 공진 표면 발광 레이저 광원은 변조 속도가 높고, 방사각이 좁으며, 동작 전류가 낮고, 변환 효율이 높은 장점을 갖는다. 또한, 수직 공진 표면 발광 레이저 광원은 복수개의 고효율의 레이저 광원을 패턴 형태로 반도체 웨이퍼에 프린팅하여 대량 생산이 가능한 장점이 있다.

따라서, 본 발명의 일 실시예에 따른 광학 장치는 수직 공진 표면 발광 레이저를 발광 소자로 사용하여, 저가격, 소형화, 저전력, 고효율, 높은 안정성 등의 장점을 가질 수 있다.

도면의 (a)를 참조하면, 발광 소자(220)는 발광 장치(200) 및 센서 장치(300)를 연결하는 베이스 라인(BL)과 평행한 x축 방향으로 일렬로 배열되는 복수 개의 광원(T1, T2, ??, TN)을 포함할 수 있다. 이 경우, 복수 개의 광원은 1 * N segment의 하나의 수직 공진 표면 발광 레이저(VS1)에 포함되는 광원일 수 있다.

제어부(500)는 수직 공진 표면 발광 레이저(VS1)에 포함되는 각각의 광원(T1, T2, ??, TN)이 순차적으로 발광하도록 발광 장치(200)를 제어할 수 있다.

도면의 (b)를 참조하면, 발광 소자(220)는 발광 장치(200) 및 센서 장치(300)를 연결하는 베이스 라인(BL)과 평행한 x축 방향 및 이에 수직한 y축 방향으로 매트릭스 형태로 배열되는 복수 개의 광원(T11, T12, ??, TPN)을 포함할 수 있다. 이 경우, 복수 개의 광원은 1 * N segment의 수직 공진 표면 발광 레이저가 복수 개가 y축 방향으로 결합된 형태(VS1, VS2, ??, VSP)의 광원일 수 있다.

제어부(500)는 복수 개의 수직 공진 표면 발광 레이저(VS1, VS2, ??, VSP)에 포함되는 각각의 광원(T11, T12, ??, TPN)이 순차적으로 발광하도록 발광 장치(200)를 제어할 수 있다.

한편, 제어부(500)는 복수 개의 광원 중 동일한 열(column)에 속하는 광원들이 동시에 발광하고, 각각의 열이 순차적으로 발광하도록 발광 장치(200)를 제어할 수 있다.

이 경우, 제어부(500)는 복수 개의 수직 공진 표면 발광 레이저(VS1, VS2, ??, VSP)에 포함되는 각각의 광원 중 동일한 x 좌표를 갖는 광원들이 동시에 발광하도록 발광 장치(200)를 제어할 수 있다.

예를 들면, 제어부(500)는 제1 수직 공진 표면 발광 레이저(VS1)의 첫번째 광원(T11), 제2 수직 공진 표면 발광 레이저(VS2)의 첫번째 광원(T21) 및 제P 수직 공진 표면 발광 레이저(VSP)의 첫번째 광원(TP1)이 동시에 발광하도록 제어하고, 하나의 수직 공진 표면 발광 레이저 내에서 각각의 광원(T11, T12, ??, T1N)이 순차적으로 발광하도록 발광 장치(200)를 제어할 수 있다.

도면의 (c)를 참조하면, 발광 소자(220)는 발광 장치(200) 및 센서 장치(300)를 연결하는 베이스 라인(BL)과 평행한 x축 방향 및 이에 수직한 y축 방향으로 매트릭스 형태로 배열되는 복수 개의 광원(T11, T12, ??, TNP)을 포함할 수 있다. 이 경우, 복수 개의 광원은 1 * P segment의 수직 공진 표면 발광 레이저가 복수 개가 x축 방향으로 결합된 형태(VS1, VS2, ??, VSN)의 광원일 수 있다.

제어부(500)는 복수 개의 수직 공진 표면 발광 레이저(VS1, VS2, ??, VSN)에 포함되는 각각의 광원(T11, T21, ??, TNP)이 순차적으로 발광하도록 발광 장치(200)를 제어할 수 있다.

예를 들면, 제어부(500)는 제1 수직 공진 표면 발광 레이저(VS1)의 첫번째 광원(T11), 제2 수직 공진 표면 발광 레이저(VS2)의 첫번째 광원(T21), 제3 수직 공진 표면 발광 레이저(VS3)의 첫번째 광원(T31) 순서로 광원을 순차적으로 발광하도록 제어할 수 있다. 제어부(500)는 매트릭스 형태로 배열되는 복수 개의 광원들을 좌상단 첫번째에 위치한 광원(T11)부터 첫번째 줄을 순차적으로 발광시키고, 이후 두번째 줄을 순차적으로 발광시키는 순서로, 우하단 마지막 광원(TNP)까지 발광시키도록 제어할 수 있다.

제어부(500)는 각각의 수직 공진 표면 발광 레이저(VS1, VS2, ??, VSN)가 순차적으로 발광하도록 발광 장치(200)를 제어할 수 있다.

예를 들면, 제어부(500)는 제1 수직 공진 표면 발광 레이저(VS1)의 모든 광원(T11, T12, ??, T1P)이 동시에 발광하도록 제어하고, 이후 제2 수직 공진 표면 발광 레이저(VS2)의 모든 광원(T21, T22, ??, T2P)이 동시에 발광하도록 제어하며, 마지막으로 제N 수직 공진 표면 발광 레이저(VSN)의 모든 광원(TN1, TN2, ??, TNP)이 동시에 발광하도록 발광 장치(200)를 제어할 수 있다.

도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 광학 장치가 대상 영역으로 발광하는 것과 수신광의 패턴을 수신하는 것을 도시한 도면이고, 도 9 내지 11은 도 8을 설명하기 위해 참조되는 도면이다.

도 8을 참조하면, 광학 장치(20)는 발광 제어부(210), 발광 소자(220), 제1 광학 부재(230) 및 제2 광학 부재(240)를 포함할 수 있다.

발광 소자(220)는 1 * N segment의 하나의 수직 공진 표면 발광 레이저를 포함할 수 있다. 제어부(500)는 발광 소자(220)의 각각의 광원(T1, T2, T3, ??, TN)이 순차적으로 발광하도록 발광 장치(200)를 제어할 수 있다. 각각의 광원은 도트(dot) 형태의 점 광원일 수 있다.

제1 광학 부재(230)는 M * L 개로 광을 복제하는 광학 부재일 수 있다. 제1 광학 부재(230)는 특정 시간에 발광하고 있는 하나의 점 광원을 M * L 개의 점 광원으로 복제할 수 있다.

예를 들어, 제1 광원(T1)이 발광하는 경우, 제1 광학 부재(230)는 제1 광원(T1)을 y축 방향으로 M개의 광원으로 복제하여 직선 형태의 제1 라인 도트 패턴(T_1.1.1, T_1.2.1, T_1.3.1, ??, T_1.M.1)으로 복제할 수 있고, 이와 동시에, 제1 라인 도트 패턴과 동일한 형태를 갖고 서로 동일한 거리만큼 이격된 제2 내지 제L 라인 도트 패턴(T_1.1.L, T1.2.L, T_1.3.L, ??, T_1.M.L)을 복제할 수 있다.

따라서, 제1 광학 부재(230)에 의하여, 제1 광원(T1)은 M개의 도트를 포함하는 L개의 라인 도트 패턴으로 복제될 수 있다. 한편, M개의 도트를 포함하는 라인 도트 패턴은 도트 형태가 아닌 직선의 형태를 갖는 라인 패턴으로 복제될 수도 있다. 이하에서는, 편의상 라인 도트 패턴으로 가정하고 설명하나, 본 발명이 이러한 예로 제한되는 것은 아니다.

마찬가지로, 제1 광학 부재(230)는 제2 광원(T2) 내지 제N 광원(TN)에 대해서도 동일하게 패턴을 복제할 수 있다. 제1 광원(T1) 내지 제N 광원(TN)은 동일한 거리로 이격되어 있으므로, 제1 광학 부재(230)에 의해 복제된 각각의 라인 도트 패턴은 겹치는 지점 없이, 모두 서로 다른 지점으로 조사될 수 있다.

도 9의 (a)는 제1 광원(T1)이 발광하여 발광 장치(200)에서 방출하는 패턴광을 나타내는 도면이고, 도 9의 (b)는 방출된 패턴광이 대상 영역으로부터 반사되어 수신되는 수신광의 패턴을 나타내는 도면이다.

도 9의 (a)를 참조하면, 특정 시점에 제1 광원(T1)이 발광하면, 발광 장치는(200)는 M개의 직선 형태의 도트를 갖는 라인 도트 패턴 L개를 방출한다. 각각의 라인 도트 패턴은 서로 일정한 거리(D0)로 이격될 수 있다.

각각의 라인 도트 패턴이 서로 이격된 거리(D0)는 최대 픽셀 시차 거리 이상일 수 있다. 최대 픽셀 시차 거리는 제1 센서 장치(300) 또는 제2 센서 장치(400)에서 촬영할 수 있는 가장 가까운 거리에 위치하는 대상체에 의해 반사된 수신광 패턴에서 측정되는 시차 거리이다.

라인 도트 패턴이 서로 이격된 거리가 최대 픽셀 시차 거리 이하일 경우, 광학 장치(20)에 매우 근접한 대상체로부터 반사된 수신광의 패턴은 라인 도트 패턴이 서로 이격된 거리보다 더 큰 시차 거리를 가질 수 있다. 이 경우, 수신광의 일부 패턴은 인접한 라인 도트 패턴 영역과 매칭될 수 있고, 제어부(500)는 정확한 깊이 정보를 계산하지 못할 수 있다.

도 9의 (b)를 참조하면, 수신광은 방출된 패턴광의 패턴과 비교하여 각각의 도트가 x축 방향으로 이동(shift)된 형태의 패턴일 수 있다. 이는 방출된 패턴광이 반사되는 대상 영역의 깊이가 서로 다르기 때문이다.

센서(320, 420)의 각각의 픽셀은 수신광 패턴의 각각의 도트와 일대일로 매칭될 수도 있고, 복수개의 픽셀이 하나의 도트와 매칭될 수도 있으며, 하나의 픽셀에 복수 개의 도트가 매칭될 수도 있다. 다만, 깊이 정보 계산의 정확도를 높이기 위하여, 적어도 하나 이상의 픽셀이 하나의 도트와 매칭되는 것이 바람직하다.

제어부(500)는 방출된 패턴광의 각각의 라인 도트 패턴의 위치와, 수신광의 각각의 도트 패턴의 위치를 비교하여 각각의 도트에 대하여 시차 거리(D_1.1.2, D_1.2.2, D_1.3.2, ??, D_1.M.2)를 계산할 수 있다.

제어부(500)는 방출된 패턴광의 각각의 라인 도트 패턴과 수신광의 각각의 도트 패턴 중, y 좌표가 동일한 도트에 대하여 x 좌표의 차이를 계산하여 시차 거리를 계산할 수 있다. 제어부(500)는 방출된 패턴광의 L개의 라인 도트 패턴에 대하여 시차 거리를 계산할 수 있다.

도 10과 도 11은 각각 제2 광원(T2)과 제N 광원(TN)이 발광하여 발광 장치(200)에서 방출하는 패턴광과 패턴광이 반사된 수신광의 패턴을 나타내는 도면이다.

제1 광원(T1)의 발광에 의해 패턴광을 방출하고, 방출된 해당 패턴광이 대상 영역으로부터 반사된 수신광을 수신한 이후, 발광 장치(200)는 제2 광원(T2)의 발광에 의해 패턴광을 방출하고, 센서 장치(300, 400)는 해당 패턴광이 대상영역으로 반사된 수신광을 수신할 수 있다.

제1 광원(T1)과 제2 광원(T2)은 수직 공진 표면 발광 레이저 내에서 서로 이격되어 있으므로, 제2 광원(T2)의 발광에 의해 방출된 라인 도트 패턴은 제1 광원(T1)의 발광에 의해 방출된 라인 도트 패턴과 서로 중첩되지 않고 이격될 수 있다.

마찬가지로, 제3 광원(T3) 내지 제N 광원(TN)의 순차적인 발광에 의해 서로 다른 지점으로 라인 도트 패턴이 방출될 수 있다.

제어부(500)는 제2 광원(T2) 내지 제 N 광원(TN)의 순차적인 발광에 의해 방출된 패턴광들의 각각의 라인 도트 패턴의 위치와, 수신광들의 각각의 도트 패턴의 위치를 비교하여 각각의 도트에 대하여 시차 거리를 계산할 수 있다.

이와 같이, 시간을 분할하여 순차적으로 방출되는 복수 개의 라인 도트 패턴 및 수신광 패턴으로부터, 제어부(500)는 대상 영역 전체에 대하여 시차 거리를 계산할 수 있고, 계산된 시차 거리 정보를 저장부에 저장된 기준 거리 데이터와 비교하여 대상 영역 전체의 깊이 정보를 계산할 수 있다.

한편, 제어부(500)는 시차 거리 계산을 위해, 수신광의 패턴 데이터에 매칭된 제2 타임 스탬프 정보를 발광 소자(220)의 제1 타임 스탬프 정보와 비교할 수 있다. 제어부(500)는 서로 동일한 타임 스탬프 값을 갖거나, 타임 스탬프 값의 차이가 일정한 범위 이내인 수신광의 도트 패턴과 패턴광의 라인 도트 패턴을 비교하여 시차 거리 및 깊이 정보를 도출할 수 있다.

제어부(500)는, 타임 스탬프 및 x, y 좌표 비교만을 통해 시차 거리 및 깊이 정보를 도출할 수 있다. 이에 따라, 깊이 정보 도출에 필요한 연산량을 감소시킬 수 있다.

도 12는 본 발명의 다른 실시예에 따른 광학 장치가 대상 영역으로 발광하는 것과 수신광의 패턴을 수신하는 것을 도시한 도면이고, 도 13a 내지 13f는 도 12를 설명하기 위해 참조되는 도면이다.

도 12를 참조하면, 광학 장치(20)는 발광 제어부(210), 발광 소자(220), 제1 광학 부재(230) 및 제2 광학 부재(240)를 포함할 수 있다.

발광 소자(220)는 1 * N segment의 수직 공진 표면 발광 레이저를 복수 개 포함할 수 있다. 본 설명에서는 수직 공진 표면 발광 레이저가 2개인 경우에 대하여 설명하나, 이에 제한되는 것은 아니다.

제어부(500)는 발광 소자(220)의 각각의 광원(T11, T12, T13, ??, T1N, T21, ??, T2N)이 순차적으로 발광하도록 발광 장치(200)를 제어할 수 있다.

제1 광학 부재(230)에 의하여, 제1 수직 공진 표면 발광 레이저에 포함되는 제1 내지 제N 광원(T11, T12, ??, T1N)이 발광하는 광은 각각 M개의 도트를 포함하는 L개의 라인 도트 패턴으로 복제될 수 있다. 제1 광원(T11) 내지 제N 광원(T1N)은 동일한 거리로 이격되어 있으므로, 제1 광학 부재(230)에 의해 복제된 각각의 라인 도트 패턴은 겹치는 지점 없이, 모두 서로 다른 지점으로 조사될 수 있다.

또한, 제1 광학 부재(230)에 의하여, 제2 수직 공진 표면 발광 레이저에 포함되는 제N+1 내지 제2N 광원(T21, T22, ??, T2N)이 발광하는 광은 각각 M개의 도트를 포함하는 L개의 라인 도트 패턴으로 복제될 수 있다.

제1 수직 공진 표면 발광 레이저와 제2 수직 공진 표면 발광 레이저는 y축 방향으로 서로 인접하여 배치될 수 있다. 제1 내지 제N 광원이 발광하는 광이 복제된 복수 개의 라인 도트 패턴과, 제N+1 내지 제2N 광원이 발광하는 광이 복제된 복수 개의 라인 도트 패턴은 서로 중첩되지 않고, 서로 다른 제1 영역(AR1)과 제2 영역(AR2)으로 순차적으로 방출될 수 있다.

대상 영역은 적어도 하나 이상의 분할 영역으로 구성될 수 있다. 제1 영역(AR1)과 제2 영역(AR2)는 대상 영역의 분할 영역에 해당한다.

도 13a 내지 도 13f는 각각 제1 광원(T11), 제2 광원(T11), 제N 광원(T1N), 제N+1 광원(T21), 제N+2 광원(T22) 및 제2N 광원(T2N)이 발광하여 발광 장치(200)에서 방출하는 패턴광을 나타내는 도면이다.

도 13a 내지 도 13c를 참조하면, 발광 장치(200)는 제1 광원(T11)의 발광에 의해 패턴광을 방출하고, 센서 장치(300, 400)는 방출된 해당 패턴광이 대상 영역으로부터 반사된 수신광을 수신할 수 있다. 발광 장치(200)와 센서 장치(300, 400)는 제1 광원(T11)의 발광부터 제N 광원(T1N)의 발광까지 순차적으로 패턴광 방출 및 수신광 수신의 과정을 반복할 수 있다. 이에 따라, 발광 장치(200)는 대상 영역 중 제1 영역(AR1)으로 패턴광을 방출하고 반사광을 수신하여 깊이 정보를 도출할 수 있다.

마찬가지로, 도 13d 내지 도 13f를 참조하면, 발광 장치(200)와 센서 장치(300, 400)는 제N+1 광원(T21)의 발광부터 제2N 광원(T2N)의 발광까지 순차적으로 패턴광 방출 및 수신광 수신의 과정을 반복할 수 있다. 이에 따라, 발광 장치(200)는 대상 영역 중 제2 영역(AR2)으로 패턴광을 방출하고 반사광을 수신하여 깊이 정보를 도출할 수 있다.

제어부(500)는 제1 영역(AR1)의 제1 깊이 정보를 도출하고, 제2 영역(AR2)의 제2 깊이 정보를 도출할 수 있다. 제어부(500)는 제1 깊이 정보와 제2 깊이 정보를 이용하여, 대상 영역 전체의 깊이 정보를 도출할 수 있다.

한편, 제어부(500)는 제1 수직 공진 표면 발광 레이저와 제2 수직 공진 표면 발광 레이저 중 하나만 동작하도록 제어할 수 있다. 이에 따라, 제어부(500)는 제1 영역(AR1)과 제2 영역(AR2) 중 특정 관심 영역에 대해서만 깊이 정보를 도출할 수 있다.

한편, 발광 소자(220)는 1 * N segment의 수직 공진 표면 발광 레이저를 복수 개 포함할 수 있고, 제어부(500)는 대상 영역을 수직 공진 표면 발광 레이저의 개수와 동일한 개수의 영역으로 분할하고, 적어도 하나 이상의 특정 관심 영역들에 대해서만 깊이 정보를 도출할 수 있다.

한편, 제어부(500)는 제1 수직 공진 표면 발광 레이저에 포함되는 N개의 광원(T11, T12, ??, T1N)이 발광하는 광 세기와, 제2 수직 공진 표면 발광 레이저에 포함되는 N개의 광원(T21, T22, ??, T2N)이 발광하는 광 세기가 서로 다르도록 발광 장치(200)를 제어할 수 있다. 이에 따라, 분할 영역 별로 서로 다른 세기의 패턴광이 방출되도록 하여, 깊이 정보 측정의 정확도를 높일 수 있다.

도 14는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 광학 장치가 대상 영역으로 발광하는 것과 수신광의 패턴을 수신하는 것을 도시한 도면이고, 도 15a 내지 도 15c는 도 14를 설명하기 위해 참조되는 도면이다.

도 14를 참조하면, 광학 장치(20)는 발광 제어부(210), 발광 소자(220), 제1 광학 부재(230) 및 제2 광학 부재(240)를 포함할 수 있다.

발광 소자(220)는 1 * M segment의 수직 공진 표면 발광 레이저를 복수 개 포함할 수 있다. 본 설명에서는 수직 공진 표면 발광 레이저가 N개인 경우에 대하여 설명한다.

복수 개의 수직 공진 표면 발광 레이저는 x축 방향으로 결합된 형태일 수 있다. 제어부(500)는 복수 개의 광원 중 동일한 열(column)에 속하는 광원들이 동시에 발광하고, 각각의 열이 순차적으로 발광하도록 발광 장치(200)를 제어할 수 있다.

구체적으로, 제어부(500)는 제1 수직 공진 표면 발광 레이저(VS1)의 모든 광원(T11, T12, ??, T1M)이 동시에 발광하도록 제어하고, 이후 제2 수직 공진 표면 발광 레이저(VS2)의 모든 광원(T21, T22, ??, T2M)이 동시에 발광하도록 제어하며, 마지막으로 제N 수직 공진 표면 발광 레이저(VSN)의 모든 광원(TN1, TN2, ??, TNM)이 동시에 발광하도록 발광 장치(200)를 제어할 수 있다.

제1 광학 부재(230)는 1 * L 개로 광을 복제하는 광학 부재일 수 있다. 제1 광학 부재(230)는 특정 시간에 발광하고 있는 하나의 점 광원을 1 * L 개의 점 광원으로 복제할 수 있다.

제1 광학 부재(230)에 의하여, 제1 수직 공진 표면 발광 레이저에 포함되는 제1 내지 제M 광원(T11, T12, ??, T1M)이 동시에 발광하는 광은 M개의 도트를 포함하는 L개의 라인 도트 패턴으로 복제될 수 있다.

마찬가지로, 제1 광학 부재(230)에 의하여, 제2 내지 제N 수직 공진 표면 발광 레이저에 각각에 포함되는 M개의 광원이 동시에 발광하는 광은 각각 M개의 도트를 포함하는 L개의 라인 도트 패턴으로 복제될 수 있다.

제1 수직 공진 표면 발광 레이저와 제2 수직 공진 표면 발광 레이저는 x축 방향으로 서로 인접하여 배치될 수 있다. 제1 수직 공진 표면 발광 레이저(VS1) 내지 제N 수직 공진 표면 발광 레이저(VSN)는 동일한 거리로 이격되어 있으므로, 제1 광학 부재(230)에 의해 복제된 각각의 라인 도트 패턴은 겹치는 지점 없이, 모두 서로 다른 지점으로 조사될 수 있다.

도 15a 내지 도 15c는 각각 제1 수직 공진 표면 발광 레이저(VS1)의 M개의 광원(T11, T12, ??, T1M), 제2 수직 공진 표면 발광 레이저(VS2)의 M개의 광원(T21, T22, ??, T2M) 및 제N 수직 공진 표면 발광 레이저(VSN)의 M개의 광원(TN1, TN2, ??, TNM)이 발광하여 방출하는 패턴광을 나타내는 도면이다.

도면을 참조하면, 제어부(500)는 제1 수직 공진 표면 발광 레이저(VS1) 내지 제N 수직 공진 표면 발광 레이저(VSN)의 순차적인 발광에 의해 M개의 도트를 포함하는 L개의 라인 도트 패턴을 포함하는 패턴광을 순차적으로 대상 영역으로 방출할 수 있다. 제어부(500)는 패턴광들의 각각의 라인 도트 패턴의 위치와, 수신광들의 각각의 도트 패턴의 위치를 비교하여 각각의 도트에 대하여 시차 거리를 계산할 수 있다.

본 실시예에 따른 광학 장치(20)는 동시에 발광하는 광원의 개수가 복수 개 이므로, 제1 광학 부재(230)가 광을 복제함에 따라 발생하는 패턴광 밝기의 감소를 최소화할 수 있다.

도 16은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 광학 장치가 대상 영역으로 발광하는 것과 수신광의 패턴을 수신하는 것을 도시한 도면이고, 도 17a 내지 17b는 도 16을 설명하기 위해 참조되는 도면이다.

도 16을 참조하면, 광학 장치(20)는 발광 제어부(210), 발광 소자(220), 제1 광학 부재(230) 및 제2 광학 부재(240)를 포함할 수 있다.

발광 소자(220)는 1 * M segment의 수직 공진 표면 발광 레이저를 복수 개 포함할 수 있다. 본 설명에서는 수직 공진 표면 발광 레이저가 2N 개인 경우에 대하여 설명하나, 이에 제한되는 것은 아니며, 수직 공진 표면 발광 레이저가 3N 개, 4N 개 등인 경우도 가능하다.

N 개의 수직 공진 표면 발광 레이저는 x축 방향으로 결합된 레이저 모듈 형태일 수 있다. 또한 레이저 모듈은 2개가 y축 방향으로 인접하여 배치되거나 결합된 형태일 수 있다.

제어부(500)는 각각의 수직 공진 표면 발광 레이저(VS1, VS2, ??, VS2N)가 순차적으로 발광하도록 발광 장치(200)를 제어할 수 있다.

구체적으로, 제어부(500)는 제1 수직 공진 표면 발광 레이저(VS1)의 모든 광원(T11, T12, ??, T1M)이 동시에 발광하도록 제어하고, 이후 제2 수직 공진 표면 발광 레이저(VS2)의 모든 광원(T21, T22, ??, T2M)이 동시에 발광하도록 제어하며, 마지막으로 제2N 수직 공진 표면 발광 레이저(VS2N)의 모든 광원(T2N1, T2N2, ??, T2NM)이 동시에 발광하도록 발광 장치(200)를 제어할 수 있다.

마찬가지로, 제1 광학 부재(230)에 의하여, 제2 내지 제2N 수직 공진 표면 발광 레이저에 각각에 포함되는 M개의 광원이 동시에 발광하는 광은 각각 M개의 도트를 포함하는 L개의 라인 도트 패턴으로 복제될 수 있다.

제1 수직 공진 표면 발광 레이저와 제2 수직 공진 표면 발광 레이저는 x축 방향으로 서로 인접하여 배치될 수 있다. 제1 수직 공진 표면 발광 레이저(VS1) 내지 제2N 수직 공진 표면 발광 레이저(VS2N)는 동일한 거리로 이격되어 있으므로, 제1 광학 부재(230)에 의해 복제된 각각의 라인 도트 패턴은 겹치는 지점 없이, 모두 서로 다른 지점으로 조사될 수 있다.

제1 레이저 모듈과 제2 레이저 모듈은 y축 방향으로 인접하여 배치되거나 결합된 형태일 수 있다.

따라서, 제1 레이저 모듈에 포함되는 제1 내지 제N 수직 공진 표면 발광 레이저(VS1, VS2, ??, VSN)에 의해 방출되는 라인 도트 패턴과, 제2 레이저 모듈에 포함되는 제N+1 내지 제2N 수직 공진 표면 발광 레이저(VSN+1, VSN+2, ??, VS2N)에 의해 방출되는 라인 도트 패턴은 서로 중첩되지 않고, 서로 다른 제1 영역(AR1)과 제2 영역(AR2)으로 순차적으로 방출될 수 있다.

도 17a 내지 도 17b는 각각 제1 수직 공진 표면 발광 레이저(VS1)에 의해 방출되는 패턴광과 제2N 수직 공진 표면 발광 레이저(VS2N)에 의해 방출되는 패턴광을 나타내는 도면이다.

도 17a를 참조하면, 발광 장치(200)와 센서 장치(300, 400)는 제1 수직 공진 표면 발광 레이저(VS1)에 포함되는 광원들의 동시 발광부터 제N 수직 공진 표면 발광 레이저(VSN)에 포함되는 광원들의 동시 발광까지 순차적으로 패턴광 방출 및 수신광 수신의 과정을 반복할 수 있다. 이에 따라, 발광 장치(200)는 대상 영역 중 제1 영역(AR1)으로 패턴광을 방출하고 반사광을 수신하여 깊이 정보를 도출할 수 있다.

마찬가지로, 도 17b를 참조하면, 발광 장치(200)와 센서 장치(300, 400)는 제N+1 수직 공진 표면 발광 레이저(VSN+1)에 포함되는 광원들의 동시 발광부터 제2N 수직 공진 표면 발광 레이저(VS2N)에 포함되는 광원들의 동시 발광까지 순차적으로 패턴광 방출 및 수신광 수신의 과정을 반복할 수 있다. 이에 따라, 발광 장치(200)는 대상 영역 중 제2 영역(AR2)으로 패턴광을 방출하고 반사광을 수신하여 깊이 정보를 도출할 수 있다.

한편, 제어부(500)는 제1 레이저 모듈과 제2 레이저 모듈 중 하나만 동작하도록 제어할 수 있다. 이에 따라, 제어부(500)는 제1 영역(AR1)과 제2 영역(AR2) 중 특정 관심 영역에 대해서만 깊이 정보를 도출할 수 있다.

한편, 발광 소자(220)는 y축 방향으로 인접하여 배치되거나 결합된 형태의 레이저 모듈을 복수 개 포함할 수 있고, 제어부(500)는 대상 영역을 레이저 모듈의 개수와 동일한 개수의 영역으로 분할하고, 적어도 하나 이상의 특정 관심 영역들에 대해서만 깊이 정보를 도출할 수 있다.

한편, 제어부(500)는 제1 레이저 모듈에 포함되는 복수 개의 광원(T11, T12, ??, TNM)이 발광하는 광 세기와, 제2 레이저 모듈에 포함되는 복수 개의 광원(TN+11, TN+12, ??, T2NM)이 발광하는 광 세기가 서로 다르도록 발광 장치(200)를 제어할 수 있다. 이에 따라, 분할 영역 별로 서로 다른 세기의 패턴광이 방출되도록 하여, 깊이 정보 측정의 정확도를 높일 수 있다.

도 18은 본 발명의 일 실시예에 따른 광학 장치의 깊이 정보 획득에 관한 플로우 차트이다.

제어부(500)는 발광 장치(200)가 특정 파장의 패턴광을 대상 영역으로 방출하도록 발광 장치(200)를 제어한다(S1801).

제어부(500)는 발광 소자(220)가 발광하는 시점과 센서 장치(300, 400)가 동작하는 시점이 동기화되도록, 센서장치(300, 400)를 제어한다(S1802).

제어부(500)는 센서 장치(300, 400)가 발광 소자(220)가 발광하는 시점에 연동하여 수신광을 검출하도록, 센서 장치(300, 400)를 제어한다(S1803).

제어부(500)는 발광 소자(220)가 발광하는 시점 정보를 포함하는 제1 타임 스탬프 정보와 방출되는 패턴광(기준 패턴) 정보를 매칭하여 저장부에 저장한다. 또한, 제어부(500)는 센서장치(300, 400)가 동작하는 시점 정보를 포함하는 제2 타임 스탬프 정보를 저장부에 저장한다.

제어부(500)는 검출된 수신광의 패턴을 기준 패턴과 비교하여 시차 거리를 계산한다(S1804).

제어부(500)는 시차 거리를 계산할 때, 제1 타임 스탬프 정보와 제2 타임 스탬프 정보를 비교하여, 타임 스탬프 값이 서로 동일하거나, 타임 스탬프 값의 차이가 일정 값 이하인 타임 스탬프 정보들에 매칭되는 기준 패턴과 수신광의 패턴을 비교한다.

제어부(500)는 계산된 시차 거리를 이용하여, 대상 영역의 깊이 정보를 획득한다(S1805).

이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 도시하고 설명하였지만, 본 발명은 상술한 특정의 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 이러한 변형실시들은 본 발명의 기술적 사상이나 전망으로부터 개별적으로 이해되어져서는 안될 것이다.

Claims

적어도 하나 이상의 발광 소자를 포함하며, 특정 파장의 패턴광을 대상 영역으로 방출하는 발광 장치;
상기 방출된 특정 파장의 패턴광이 대상 영역으로부터 반사되는 수신광을 검출하는 적어도 하나 이상의 센서 장치; 및
상기 검출된 수신광의 패턴을 기준 패턴과 비교하여 시차 거리를 계산하고, 상기 계산된 시차 거리를 이용하여 상기 대상 영역의 깊이 정보를 획득하는 제어부;를 포함하고,
상기 제어부는,
상기 센서 장치가 상기 발광 소자가 발광하는 시점과 동기화되어 동작하도록 상기 센서 장치를 제어하는 것을 특징으로 하는 광학 장치.
제1항에 있어서,
상기 센서 장치는,
픽셀 기반의 데이터를 센싱하는 비동기 방식 센서를 포함하고,
상기 비동기 방식 센서는 상기 수신광의 변화량의 크기가 설정 값 이상이 될 때마다 신호를 출력하며,
상기 제어부는,
상기 발광 소자가 출력하는 상기 패턴광의 세기가 상기 설정 값 이상이 되도록 상기 발광 장치를 제어하는 것을 특징으로 하는 광학 장치.
제1항에 있어서,
상기 센서 장치는 프레임 방식 센서를 포함하며,
상기 제어부는,
상기 프레임 방식 센서가 센싱한 복수의 프레임의 각 픽셀 별 차이 값을 도출하여 상기 수신광의 패턴을 생성하는 것을 특징으로 하는 광학 장치.
제1항에 있어서,
상기 센서 장치는 제1 센서 장치와 제2 센서 장치를 포함하고,
상기 제어부는,
상기 제1 센서 장치에서 검출한 제1 패턴과 상기 제2 센서 장치에서 검출한 제2 패턴을 비교하여 상기 시차 거리를 계산하고, 상기 계산된 시차 거리를 이용하여 상기 대상 영역의 깊이 정보를 획득하는 것을 특징으로 하는 광학 장치.
제1항에 있어서,
상기 제어부는
상기 기준 패턴 각각의 픽셀을 상기 검출된 수신광의 패턴 픽셀과 비교하고, 상기 발광 장치 및 상기 센서 장치를 연결하는 베이스 라인과 평행한 제1 방향에 해당하는 픽셀 간 거리를 계산하여, 상기 시차 거리를 계산하는 것을 특징으로 하는 광학 장치.
제1항에 있어서,
상기 패턴광은
직선 형태의 적어도 하나 이상의 라인 패턴 광 또는 복수 개의 도트가 직선 형태를 이루는 적어도 하나 이상의 라인 도트 패턴 광을 포함하는 것을 특징으로 하는 광학 장치.
제6항에 있어서,
상기 패턴광은
상기 발광 장치 및 상기 센서 장치의 위치를 연결하는 베이스 라인과 수직인 각도를 이루도록 구성되는 것을 특징으로 하는 광학 장치.
제6항에 있어서,
상기 적어도 하나 이상의 라인 패턴 광 또는 상기 적어도 하나 이상의 라인 도트 패턴 광 간의 거리는 최대 픽셀 시차 거리 이상인 것을 특징으로 하는 광학 장치.
제1항에 있어서,
상기 대상 영역은 적어도 하나 이상의 분할 영역으로 구성되고,
상기 패턴광은 상기 적어도 하나 이상의 분할 영역으로 순차적으로 방출되며,
상기 센서 장치는 상기 순차적으로 방출된 패턴광이 상기 적어도 하나 이상의 분할 영역으로부터 반사되는 수신광을 검출하고,
상기 제어부는 상기 검출된 각각의 수신광의 패턴을 이용하여 상기 분할 영역 각각의 깊이 정보를 획득하고, 상기 획득한 상기 분할 영역 각각의 깊이 정보를 이용하여 상기 대상 영역의 깊이 정보를 획득하는 것을 특징으로 하는 광학 장치.
제1항에 있어서,
상기 발광 장치는,
상기 발광 소자에서 발광된 광을 다수 개의 광으로 복제하여 복제광을 생성하는 적어도 하나 이상의 제1 광학 부재를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 광학 장치.
제10항에 있어서,
상기 제1 광학 부재는 회절 광학 소자(Diffractive Optical Element)인 것을 특징으로 하는 광학 장치.
제10항에 있어서,
상기 발광 장치는,
상기 복제광 또는 상기 패턴광을 변환하는 제2 광학 부재를 더 포함하며,
상기 제2 광학 부재는,
발광 소자 - 제1 광학 부재 - 제2 광학 부재 순서로 광이 통과하도록 배치되거나, 발광 소자 - 제2 광학 부재 - 제1 광학 부재 순서로 광이 통과하도록 배치되는 것을 특징으로 하는 광학 장치.
제12항에 있어서,
상기 제2 광학 부재는
적어도 하나 이상의 렌즈를 포함하거나, 적어도 하나 이상의 회절 광학 소자를 포함하는 것을 특징으로 하는 광학 장치.
제1항에 있어서,
상기 발광 소자는 수직 공진 표면 발광 레이저(Virtical Cavity Surface Emitting Laser)인 것을 특징으로 하는 광학 장치.
제1항에 있어서,
상기 발광 소자는
상기 발광 장치 및 상기 센서 장치를 연결하는 베이스 라인과 평행한 제1 방향으로 일렬로 배열되는 복수 개의 광원을 포함하는 것을 특징으로 하는 광학 장치.
제1항에 있어서,
상기 발광 소자는
상기 발광 장치 및 상기 센서 장치를 연결하는 베이스 라인과 평행한 제1 방향 및 수직한 제2 방향으로 매트릭스 형태로 배열되는 복수 개의 광원을 포함하는 것을 특징으로 하는 광학 장치.
제15항 또는 제16항에 있어서,
상기 제어부는,
상기 복수 개의 광원이 순차적으로 개별 발광하도록 상기 광원을 제어하는 것을 특징으로 하는 광학 장치.
제16항에 있어서,
상기 제어부는,
상기 복수 개의 광원 중 동일한 열에 속하는 광원들이 동시에 발광하고, 각각의 열이 순차적으로 발광하도록 상기 광원을 제어하는 것을 특징으로 하는 광학 장치.
제1항 내지 제18항 중 어느 한 항의 광학 장치를 포함하는 카메라 장치.
제19항의 카메라 장치를 포함하는 전자기기.