KR20210020858A - 구조화된 광 프로젝션 - Google Patents

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KR20210020858A
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마르쿠스 로시
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에이엠에스 센서스 싱가포르 피티이. 리미티드.
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Abstract

구조화된 광 프로젝션 시스템은, 집합적으로, 규칙적인 광 패턴을 방출하도록 동작할 수 있는 발광 소자의 어레이를 포함한다. 제1 광학 소자는 제1 불규칙한 광 패턴을 생성하기 위해 발광 소자들의 어레이에 의해 방출된 광의 패턴을 변경하도록 구성되고, 제2 광학 소자는 제1 광학 소자에 의해 생성된 불규칙한 광 패턴을 수광하고 제1 불규칙한 패턴의 다수의 인스턴스를 포함하는 패턴을 생성하도록 구성된다.

Description

구조화된 광 프로젝션
본 출원은 미국 가특허 출원 제62/551, 012호(2017.08.28 출원)의 우선권을 주장한다. 이전 출원의 내용은 본 명세서에서 참조 문헌으로 포함된다.
본 발명은 구조화된 광 프로젝션(light projection)에 관한 것이다.
다양한 이미징 애플리케이션들이 콤팩트한 광전자 모듈들을 사용하는데, 예를 들어, 스마트폰들, 태블릿들, 랩탑들 또는 개인용 컴퓨터들과 같은 호스트 컴퓨팅 장치 내에 통합될 수 있는 광전자 모듈들을 사용한다. 일부 애플리케이션에서, 상기 모듈은 관심 있는 하나 이상의 대상물(object)을 포함하는 장면 상에 구조화된 광 패턴을 투사하기 위한 광원을 포함한다. 일부 구조화-광 어셈블리(structured-light assemblies)에서, 패턴이 대상에 투사되고, 패턴의 이미지가 획득되고, 투사된 패턴은 수집된 패턴과 비교되며, 2개의 패턴 사이의 차이는 깊이 정보와 상관된다. 따라서 패턴에서의 왜곡은 깊이와 상관된다. 이러한 기술은 저-광(low-light) 및 저-텍스처(low texture) 대상물들 또는 장면들에 유용할 수 있는데, 구조화된 광이 (예를 들어, 스테레오 이미지에서 픽셀을 매칭시키기 위한) 추가적인 텍스처(texture)를 제공할 수 있기 때문이다.
본 발명은 발광 소자의 규칙적인 어레이를 사용하여 불규칙한 구조화된 광 패턴을 생성하기 위한 기술을 설명한다.
예를 들어, 하나의 양태에서, 본 명세서는 발광 소자의 규칙적인 어레이로부터 불규칙한 구조화된 광 패턴을 생성하는 방법을 설명한다. 상기 방법은, 발광 소자의 균일하게 분포된 어레이로부터 규칙적인 광 패턴을 생성하는 단계, 불규칙한 광 패턴을 생성하기 위해 규칙적인 광 패턴을 변경하는 단계, 및 서로 인접하게 배열된 다수의 인스턴스(instance)에서 불규칙한 광 패턴을 재생하는 단계를 포함한다.
하나 이상의 다음 특징들이 일부 실시예들에서 제공된다. 예를 들어, 발광 소자들의 어레이는 발광 소자들의 열들(columns) 및 행들(rows)을 포함할 수 있고, 상기 행들은 상기 열들에 대해 수직으로 배열되거나, 또는 상기 행들은 상기 열들에 대해 경사져(angled) 있다. 일부 실시예들에서, 발광 소자의 어레이는 광의 서브 패턴의 규칙적인 패턴을 생성한다. 일부 경우에, 발광 소자의 어레이는 광 클러스터(clusters)의 그리드(grid)를 생성하고, 상기 그리드는 제1 방향으로 공통적으로 형성된 클러스터를 가지며, 상기 그리드는 상기 제1 방향에 수직인 제2 방향으로 상이하게 형성된 클러스터를 갖는다.
일부 실시예들에서, 상기 방법은 발광 소자의 어레이로부터 방출된 광을 수광하고, 상기 광을 제1 회절 광학 소자에 투사하여 상기 불규칙한 광 패턴을 생성하는 단계를 포함한다. 상기 불규칙한 광 패턴은, 예를 들어, 랜덤화(randomized), 불균일(non-uniform), 비-그리드(non-grid), 분열된(disrupted), 불균일하게 이격된(unevenly spaced), 부분적으로 폐쇄된(partially obstructed), 부분적으로 차단된(partially blocked) 및/또는 불균등하게 분포된(non-equally distributed) 패턴 중 적어도 하나일 수 있다.
일부 경우에, 다수의 인스턴스에서 상기 불규칙한 패턴을 재생하는 단계는, 불규칙한 패턴의 균일한 분포를 생성하는 단계를 포함한다. 상기 불규칙한 광 패턴을 재생하는 단계는, 타일 패턴(tiled pattern)을 생성하는 단계, 상기 불규칙한 광 패턴의 다수의 인터레이스된(interlaced) 인스턴스를 생성하는 단계, 및 상기 불규칙한 광 패턴의 다수의 부분적으로 중첩된 인스턴스를 생성하는 단계를 포함할 수 있다.
또한, 본 명세서에서는, 집합적으로, 규칙적인 광 패턴을 방출하도록 동작할 수 있는 발광 소자의 어레이를 포함하는 구조화된 광 프로젝션 시스템을 설명한다. 상기 시스템은, 제1 불규칙한 광 패턴을 생성하기 위해 발광 소자들의 어레이에 의해 방출된 광의 패턴을 변경하도록 구성되는 제1 광학 소자와, 제1 광학 소자에 의해 생성된 불규칙한 광 패턴을 수광하고 제1 불규칙한 패턴의 다수의 인스턴스를 포함하는 패턴을 생성하도록 구성되는 제2 광학 소자를 더 포함한다.
하나 이상의 다음 특징들이 일부 실시예들에서 제공된다. 예를 들어, 발광 소자의 어레이는 발광 소자들의 열들 및 행들을 포함할 수 있고, 상기 행들은 상기 열들에 대해 수직으로 배열되거나, 또는 상기 행들은 상기 열들에 대해 경사져 있다.
일부 경우에, 상기 발광 소자의 어레이는 광의 서브 패턴의 규칙적인 패턴을 투사하도록 동작할 수 있다. 일부 실시예들에서, 상기 발광 소자의 어레이는 광 클러스터의 그리드를 투사하도록 동작할 수 있고, 상기 그리드는 제1 방향으로 공통적으로 형성된 클러스터를 가지며, 상기 그리드는 상기 제1 방향에 수직인 제2 방향으로 상이하게 형성된 클러스터를 갖는다. 상기 발광 소자는 예를 들어, VCSELs일 수 있다.
상기 제1 불규칙한 광 패턴은, 예를 들어 랜덤화, 불균일, 비-그리드, 분열된, 불균일하게 이격된, 부분적으로 폐쇄된, 부분적으로 차단된 및/또는 불균등하게 분포된 패턴 중 적어도 하나일 수 있다.
상기 구조화된 광 프로젝션 시스템은, 상기 발광 소자의 어레이로부터 방출된 광을 수광하고, 상기 광을 제1 광학 소자에 투사하도록 동작할 수 있는, 프로젝션 렌즈 시스템을 더 포함할 수 있다. 상기 제2 광학 소자는 불규칙한 패턴의 균일한 분포, 타일 패턴, 불규칙한 광 패턴의 다수의 인터레이스된 인스턴스 및/또는 불규칙한 광 패턴의 다수의 부분적으로 중첩된 인스턴스를 생성하도록 배열될 수 있다.
일부 실시예들에서, 상기 제1 및 제2 광학 소자 각각은 회절 광학 소자를 포함한다.
또한, 본 명세서에서는 광학 센서 모듈을 설명하는데, 광학 센서 모듈은, 구조화된 광 패턴을 대상물에 투사하도록 동작할 수 있는 구조화된 광 프로젝션 시스템을 포함하는 광원을 포함한다. 또한, 상기 모듈은, 구조화된 광 패턴에 의해 조명된 대상물로부터 반사된 광을 감지하기 위한 광학 센서와, 상기 광학 센서로부터의 신호에 적어도 부분적으로 기초하여 상기 대상물의 물리적 특성을 결정하도록 동작할 수 있는 처리 회로를 포함한다. 또한, 본 명세서에서는 광학 센서 모듈을 포함하는 호스트 장치(예를 들어, 스마트폰)을 설명하는데, 상기 호스트 장치는, 상기 호스트 장치에 의해 실행되는 하나 이상의 기능들을 위해 상기 광학 센서 모듈의 상기 광학 센서에 의해 획득된 데이터를 사용하도록 동작할 수 있다.
일부 실시예들에서 여러 가지의 이점들이 달성될 수 있다. 예를 들어, 개시된 주제는 3차원 이미징 또는 다른 시스템을 개선할 수 있는 구조화된 광 패턴을 용이하게 생성할 수 있고, 여기서 설명하는 바와 같은 구조화된 광 프로젝션 시스템을 포함하는 스마트폰 및 다른 컴퓨팅 장치의 동작을 개선하는데 사용될 수 있다.
다른 양태들, 특징들 및 이점들은 다음의 상세한 설명, 첨부 도면들 및 청구항들로부터 명백해질 것이다.
도 1은 구조화된 광 프로젝션 시스템의 일례를 나타낸다.
도 2, 3, 4, 5 및 6은 규칙적인 패턴으로 배열된 발광 소자의 어레이의 일례를 나타낸다.
도 7 은 타일 광 패턴을 생성하도록 배열된 구조화된 광 프로젝션 시스템의 일례를 나타낸다.
도 8 은 인터레이스된 광 패턴을 생성하도록 배열된 구조화된 광 프로젝션 시스템의 일례를 나타낸다.
도 9는 프로젝션 렌즈 시스템의 일례를 나타낸다.
도 10 은 회절 광학 소자의 일례를 나타낸다.
도 11은 구조화된 광 프로젝션 시스템을 통합한 모듈의 일례를 나타낸다.
도 12는 구조화된 광 프로젝션 시스템을 포함하는 호스트 장치의 일례를 나타낸다.
본 발명은 발광 소자의 규칙적인 어레이를 사용하여 불규칙한 구조화된 광 패턴을 생성하기 위한 기술을 설명한다. 아래에서 더 상세히 설명되는 바와 같이, 방법은 발광 소자의 규칙적인 어레이(예를 들어, 수직 공동 표면 방출 레이저(VCSELs: vertical-cavity surface-emitting lasers)의 균일하게 분포된 어레이)로부터 규칙적인 광 패턴을 생성하는 것을 포함할 수 있다. 규칙적인 광 패턴은, 예를 들어, 균일하게 분포된 패턴, 그리드형(grid-like) 패턴, 또는 다른 규칙적인 패턴일 수 있다. 상기 방법은 광의 불규칙한 표현을 생성하도록 방출된 규칙적인 광 패턴을 변경하는 것과, 서로 인접하여 배열된 다수의 인스턴스(multiple instances)로서 광의 불규칙한 표현을 재생하는 것을 포함한다.
도 1은 일부 실시예들에 따른 구조화된 광 프로젝션 시스템(20)의 일례를 나타낸다. 시스템은 본 명세서에서 설명된 다양한 방법들을 수행하도록 동작할 수 있다. 도 1에 나타낸 바와 같이, 시스템(20)은 예를 들어 모듈(24) 내의 기판 상에 장착될 수 있는 VCSELs(22)와 같은 발광 소자의 어레이를 포함한다. VCSELs(22)는 규칙적인 패턴으로 배열될 수 있다. 도 2 및 도 3은 VCSELs의 규칙적인 패턴의 일례를 나타낸다. 특히, 도 2 및 도 3은 VCSEL 어레이가 광의 규칙적인(예를 들어, 그리드) 패턴을 투사하는 예들을 나타낸다. 규칙적인 패턴은 발광 소자의 반복된(예를 들어, 일관된) 패턴을 나타낸다. 일부 경우에, 규칙적인 패턴은 서로에 대해 대체로 수직으로 배열된 발광 소자의 행과 열을 포함한다 (도 2 참조). 예를 들어, 발광 소자(22)의 어레이는 발광 소자의 그리드(예를 들어, 12 x 9 그리드)로서 배열될 수 있다. 일부 경우에, 광의 규칙적인 패턴은 경사진(angled)(예를 들어, 기울어진(slanted)) 규칙적인 패턴을 포함할 수 있다. 따라서 일부 실시예들에서, 규칙적인 패턴은 발광 소자의 행 및 열들을 포함하며, 여기서 행들은 열들의 방향에 대해 경사져(예를 들어, 비-수직 또는 오프셋) 있다 (도 3 참조).
도 4 및 도 5는 VCSEL 어레이가 광의 서브 패턴(26 또는 28)(예를 들어, 더 작은 클러스터의 광의 그리드)의 규칙적인 패턴을 투사하는 일례를 나타낸다. 일부 경우에, 규칙적인 패턴은 발광 소자(22)의 클러스터(26)(또는 28)의 행 및 열을 포함하며, 여기서 클러스터는 일반적으로 서로에 대해 수직으로 배열된다 (도 4 참조). 일부 경우에, 광의 규칙적인 패턴은 클러스터의 경사진(예를 들어, 기울어진) 규칙적인 패턴(28)을 포함할 수 있다(도 5 참조). 따라서 일부 실시예에서, 규칙적인 패턴은 발광 소자(22)의 클러스터(28)의 행 및 열을 포함하고, 여기서 클러스터(28)의 행은 열의 방향에 대해 경사져(예를 들어, 수직이 아닌) 있다.
도 6은 VCSEL 어레이가 (예를 들어, 열 또는 y축을 따라) 그리드의 일 방향으로 공통적으로 형성된 클러스터(30)와, (예를 들어, 행 또는 x축을 따라) 그리드의 상이한 방향으로 상이하게 형성된 클러스터를 갖는 광의 서브 패턴의 규칙적인 패턴(예를 들어, 더 작은 광 클러스터의 그리드)을 투사하는 다른 예를 나타낸다. 일부 경우에, 도시한 바와 같이, 그리드는 열에서 열로의 상이하게 형성된 클러스터의 시퀀스를 갖는다 (예를 들어, A, B, C로 표시함). 일부 실시예들에서, 행에 따른 상이하게 형성된 클러스터들의 시퀀스가 반복된다 (예를 들어, A, B, C, A, B, C 등).
또한, 도 1의 시스템(20)은 프로젝션 렌즈 시스템(40) 및 제1 및 제2 광학 소자(42, 44)를 포함하며, 도 7 및 도 8에 나타낸 바와 같이, 프로젝션 렌즈 시스템(40)은 VCSELs(22)의 어레이로부터 방출된 광을 수광하고 광을 제1 광학 소자(42)로 투사하도록 구성된다. 제1 광학 소자(42)는 VCSELs(22)의 어레이에 의해 방출된 광의 패턴을 변경하여 광의 제1 방출 불규칙 패턴(46)을 생성하도록 구성된다. 불규칙 패턴(46)은, 예를 들어, 랜덤화, 불균일, 비-그리드, 분열된, 불균일하게 이격된, 부분적으로 폐쇄된, 부분적으로 차단된 및/또는 불균등하게 분포된 패턴일 수 있다. 제2 광학 소자(44)는 제1 광학 소자(42)에 의해 발생된 광의 불규칙한 패턴(46)을 수용하고, 제2 방출 패턴(50)에서 제1 방출 패턴을 재생하도록 구성되는데, 제2 방출 패턴(50)은 예를 들어 타일 패턴(tiled pattern)으로 배열된 제1 방출 패턴(46)의 다수의 인스턴스(instance)를 포함한다 (도 7 참조). 예를 들어, 제1 방출 패턴을 타일링(tiling), 분배(distributing) 및/또는 복제(duplicating)함으로써, 제2 광학 소자(44)는 제1 방출 패턴(46)을 재생할 수 있다. 제2 광학 소자(44)에 의해 생성된 패턴(50)은, 예를 들어, 제1 패턴(46)의 다수의 인스턴스의 규칙적 또는 균일하게 분포된 패턴일 수 있다. 따라서 일부 실시예들에서, 발광 소자들(22)로부터 집합적으로 방출된 광의 패턴은 균일하게 분포된 광 패턴이고, 제1 방출 패턴(46)은 불규칙 패턴이고, 제2 방출 패턴(50)은 불규칙 패턴의 균일한 분포이다.
일부 실시예들에서, 타일 패턴(50)은 서로 분리된 제1 방출 패턴(46)의 인접한 인스턴스들을 포함한다. 일부 실시예들에서, 타일 패턴(50)은 일련의 열 및 행들로 배열된 제1 방출 패턴(46)의 다수의 인스턴스들을 포함한다. 일부 경우에, 상기 배열은 3 x 3 매트릭스 또는 2 x 2 매트릭스와 같은 매트릭스를 포함한다.
일부 실시예들에서, 제2 방출 패턴(50)은 제1 방출 패턴(46)의 다수의 인터레이스된(interlaced), 또는 적어도 부분적으로 중첩된 인스턴스들을 포함한다 (도 8 참조). 일부 경우에, 중첩 패턴들은 제2 패턴 인스턴스의 다수의 요소들 내에 또는 그 사이에 배치되는 제1 패턴 인스턴스의 적어도 하나의 요소들을 포함한다. 일부 실시예들에서, 서로 적어도 부분적으로 중첩하는 인접한 인스턴스들에도 불구하고, 개별 인스턴스들의 적어도 일부 부분들(예를 들어, 중앙 영역, 다수 부분, 또는 중앙 영역의 다수 부분)은 인접한 인스턴스에 의해 방해받지 않을 수 있다. 즉, 일부 경우에, 인접한 인스턴스들(예를 들어, 타일들)은 서로 부분적으로 중첩될 수 있지만, 주변 타일들에 의해 실질적으로 구별되도록(예를 들어, 변경되지 않음) 유지될 수 있다. 일부 경우에, 중첩되는 타일 각각은 적어도 20% 비중첩(non-overlapping)일 수 있고, 또는 일부 경우에 그 이상(예를 들어, 적어도 30%, 40%, 50%, 60%, 70%, 80%, 90% 또는 95%)일 수 있으며, 여기서 타일의 비중첩 부분은 제2 광학 소자에 제공된 광의 패턴을 나타낸다 (즉, 제1 패턴). 도 8에 나타낸 바와 같이, 인터레이스된 타일들은 중심 비중첩 부분(52)과, 인접한 타일의 외부 중첩 부분과 중첩하는 외부 중첩 부분(예를 들어, 중첩 경계)(54)을 포함할 수 있다.
도 9는 발광 소자(22)로부터 광을 투사하도록 배열된 하나 이상의 광학 구성요소를 포함할 수 있는 프로젝션 렌즈 시스템(40)의 일례를 나타낸다. 광학 구성요소들의 다양한 구성이 가능하다. 예를 들어, 프로젝션 렌즈(40)는 선형으로 배열된 하나 이상의 렌즈 소자(60, 62, 64)를 포함할 수 있고, 이는 임의의 적합한 제조 기술(예를 들어, 사출 성형 또는 웨이퍼-레벨 제조 기술들)에 의해 형성될 수 있다. 프로젝션 렌즈 시스템(40)의 특정 광학 특성들은 특정 용도에 적합할 수 있다. 일부 실시예들에서, 프로젝션 렌즈 시스템(40)은 약 5 mm 이하(예를 들어, 1.5 mm 내지 5 mm의 범위)인 유효 초점 길이(effective focal length)를 갖는다. 일부 경우에, 프로젝션 렌즈는 약 1 mm 이하(예를 들어, 0.2 mm - 1.0 mm의 범위)인 대상물 필드 높이(object field height)를 갖는다. 추가적으로, 특정 구성의 렌즈 유형이 특정한 응용에 적합할 수 있다. 일부 실시예에서, 적어도 하나의 렌즈 소자는 시스템 개구(aperture)가 없는, 프로젝션 렌즈 시스템(40)의 대상물 쪽에서 텔레센트릭(telecentric)이다. 그러나 일부 실시예들에서, 프로젝션 렌즈 시스템(40)은 비-텔레센트릭 렌즈 디자인(예를 들어, 주 광선 각도(CRA)< > 0 deg)을 포함하고 하나 이상의 시스템 개구를 사용한다.
광학 소자(42, 44)는, 예를 들어, 각각 회절 광학 소자로서 구현될 수 있으며, 이는 발광 소자(2211)의 규칙적인 어레이에 의해 생성된 광으로부터 원하는 광 패턴을 생성하도록 동작할 수 있다. 일부 실시예에서, 회절 광학 소자(42, 44) 중 하나 또는 모두는 입사 빔(incoming beam)(72)을 분할하는 각각의 회절 격자(diffraction grating)(예를 들어, 2차원 격자)(70)를 포함한다 (도 10 참조). 예를 들어, 회절 광학 소자(42)로 입력되는 입사 빔은 프로젝션 렌즈 시스템(40)에 의해 시준(collimate)된 후에 단일 발광 소자(예를 들어, VCSEL)로부터 방출될 수 있다.
회절 광학 소자(42, 44)는 임의의 적절한 구성으로 형성될 수 있다. 예를 들어, 일부 경우에, 회절 광학 소자는 2진 투과 마스크(binary transmission mask)로서 형성된다. 일부 경우에, 회절 광학 소자는 위상 소자(phase element)로서 형성되는데, 이는 이산 레벨, 연속 프로파일 또는 입사파에 적절한 위상 시프트(phase shift)를 부과하는 임의의 다른 광학 미세구조(optical microstructure)를 갖는, 표면 릴리프 프로파일(surface relief profile)을 포함할 수 있다. 회절 격자의 단위 셀(cell)이 n개의 상이한 위상 레벨들을 갖는 n x n개의 픽셀들을 포함하는 경우(여기서, n은 수), n x n 개의 회절 차수들(diffraction orders)의 그리드가 생성될 수 있다. 15 x 15 차수를 갖는 도 10의 예에서, 12개의 회절 차수들이 그리드 내에서 랜덤하게 선택된 위치들에서 선택된다. 그 후, 회절 광학 소자는 원하는 회절 차수만을 조명하도록 구성(예를 들어, 최적화)될 수 있다. 그 결과, 불규칙한 광학 패턴이 생성될 수 있다.
상술한 바와 같이, 시스템(20)의 다양한 구성요소들의 세부 사항은 특정 실시예에 따라 변할 수 있다. 그러나 특정 실시예는 타일(tiled), 토로이달(toroidal)의 완벽한 서브-맵(sub-maps)들에 기초하여 코딩된, 구조화된 광을 생성하도록 동작할 수 있다. 이 경우, 투사된 패턴은, 예를 들어, 각각이 2차원 토로이달의 완벽한 서브-맵인 반복 타일(repeating tiles)로 구성될 수 있다. 시스템에 의해 투사된 패턴에서의 각 도트(dot)는 분리되고 0으로 둘러싸인다 (즉, 바로 인접한 광의 도트는 없음). 패턴은 매우 높은 수준의 무작위성을 가질 수 있다. 또한, 예를 들어, 수백(예를 들어, 600) VCSELs의 규칙적인 어레이를 사용하여, 투사된 패턴은 수만(예를 들어, 39,000)의 도트들을 가질 수 있고, 여기서 적어도 약 75%의 도트들은 카메라의 시야 내에 있다. VCSEL 어레이는 y방향(또는 x방향)으로 병진 대칭(translational symmetry)일 수 있다. 또한, 일부 VCSELs는 파장(즉, 컬러)을 방출할 수 있는데, 어레이에서의 다른 VCSELs에 의해 방출되는 파장과는 다르다. 제1 회절 소자는 레이저 빔에 대한 비상관(uncorrelated) 도트 패턴을 생성하고, 제2 회절 소자는 비상관 도트 패턴을 매트릭스(예를 들어, 3 x 3) 패턴으로 증배(mutiply)한다. 발산 각도(divergence angles) 및 팬-아웃 각도(fan-out angles)는 비교적 큰 갭(gap)에 의해 서로 분리되는 비상관 도트 패턴의 복사본을 투사하도록 최적화될 수 있다. 시스템에 의해 투사된 최종 패턴은, 일부 경우에 컬러 코딩되고 균일하다.
도 11에 나타낸 바와 같이, 구조화된 광 프로젝션 시스템(규칙적인 어레이의 VCSELs 또는 다른 발광 소자(22), 프로젝션 렌즈 시스템(40) 및 회절 광학 소자(42, 44)를 포함)은, 모듈(100)의 일부로서 통합될 수 있다. VCSELs(22)와 프로젝션 렌즈 시스템(40) 사이에서 잘 정의된 거리를 설정하는 스페이서(spacer)(104)에 의해, 광학 구성요소(예를 들어, 40, 42, 44)로부터 분리되는, 인쇄 회로 기판(printed circuit board) 또는 다른 기판(102) 위에, VCSELs(22)가 장착될 수 있다. 스페이서(104)는 VCSELs(22)를 측방향으로 둘러싸고 모듈에 대한 측벽으로서 기능한다. 일부 경우에, 상기 모듈은 비교적 작은 풋프린트(footprint) 및 작은 z-높이(z-height)로 콤팩트하다.
구조화된 광을 생성 및 투사하기 위한 상술한 시스템 및 방법들은, 예를 들어, 3차원 이미징 및 비디오 시스템과 같은 다양한 이미징 시스템과 연관시켜 사용될 수 있다. 또한, 상술한 바와 같이 구조화된 광 프로젝션 시스템, 또는 이러한 구조화된 광 프로젝션 시스템을 포함하는 모듈은, 스마트폰, 랩톱, 웨어러블(wearable) 장치 및 네트워킹 능력을 가질 수 있는 다른 컴퓨팅 장치들과 같은 광범위한 호스트 장치들에 통합될 수 있다. 호스트 장치들은 프로세서 및 다른 전자 구성요소와, 카메라, 비행시간 이미저(time-of-flight imager)와 같은 데이터를 수집하도록 구성된 다른 보조 모듈을 포함할 수 있다. 주변 조명(ambient lighting), 디스플레이 스크린, 자동차 헤드램프 등과 같은 다른 보조 모듈들이 포함될 수 있다. 호스트 장치들은 광전자 모듈을 동작시키기 위한 명령들이 저장되는 비휘발성 메모리, 일부 경우에는 보조 모듈을 더 포함할 수 있다.
도 12는 상술한 바와 같은 구조화된 광 프로젝터(20)를 포함하고, 관심 있는 장면(126)에서의 하나 이상의 대상물 상에 구조화된 광 패턴(128)을 투사하도록 동작할 수 있는 광전자 시스템의 일례를 나타낸다. 일부 실시예들에서, 상기 투사된 패턴은 IR 또는 근적외선(near-IR)의 스펙트럼에서의 광으로 구성된다. 상기 투사된 패턴(128)으로부터의 광은 장면(126)에서의 대상물(들)에 의해 반사될 수 있고, 광 프로젝터(20)에 의해 방출된 광의 파장에 민감한 공간 분산 감광(spatially distributed light sensitive) 구성요소들(예를 들어, 픽셀들)을 포함하는 이미지 센서(122)에 의해 감지될 수 있다. 일부 경우에, 렌즈(130)와 같은 하나 이상의 광학 소자들은 장면(126)으로부터 반사된 광을 이미지 센서(122)를 향해 지향시키는 것을 돕는다. 상기 검출된 신호는 판독되어, 예를 들어 3차원 이미지를 생성하기 위한 스테레오 매칭용 처리 회로에 의해 사용될 수 있다. 상기 프로세싱 회로는 상기 센서로부터의 신호에 적어도 부분적으로 기초하여 상기 대상물의 물리적 특성을 결정하고, 및/또는 상기 호스트 장치에 의해 실행되는 하나 이상의 기능들을 위해 상기 광학 센서에 의해 획득된 데이터를 사용하도록 동작할 수 있다. 구조화된 광을 사용하는 것은, 예를 들어, 스테레오 이미지에서 픽셀을 매칭시키기 위한 추가적인 텍스처를 제공하는 데 유리할 수 있다.
일부 실시예들에서, 광 프로젝터(20), 렌즈들(128) 및 이미지 센서(122)는 호스트 컴퓨팅 장치(예를 들어, 스마트폰) 내에 통합된다. 이러한 경우에, 광 프로젝터(20), 렌즈(28) 및 이미지 센서(22)는 호스트 장치의 전면 커버 유리(124) 아래에 배치될 수 있다. 광 프로젝터(20)에 의해 방출된 구조화된 광은, 호스트 장치 외부의 장면(126) 내의 대상물 상에 투사되는 개별 특징들의 패턴(128)(즉, 텍스처 또는 인코딩된 광)을 초래할 수 있다. 일부 경우에, 광 프로젝터(20), 렌즈(128) 및 이미지 센서(122)는 동일한 광전자 모듈의 구성요소이다. 다른 실시예들에서, 광 프로젝터(20)는 이미지 센서(122) 및/또는 렌즈(128)와 동일한 모듈 내에 통합되지 않는 개별 구성요소일 수 있다. 또한, 광 프로젝터(210)는 상기 언급된 이미징 애플리케이션에 제한되지 않고, 다른 유형들의 애플리케이션들(예를 들어, 근접 센싱(proximity sensing), 삼각측량(triangulation)을 이용한 거리 결정)에도 사용될 수 있다.
상술한 바와 같은 구조화된 광 프로젝션 시스템을 포함하는 모듈들은, 일부 경우에, 다른 기술보다 더 정확한 데이터를 획득할 수 있다. 따라서, 구조화된 광 프로젝션 시스템으로부터 방출된 신호에 기초하여 호스트 장치에 의해 수행되는 기능들은 보다 정확하게 수행될 수 있고, 이에 따라 스마트폰 또는 다른 호스트 장치에 상당한 이점을 제공한다.
본 명세서의 넓은 프레임워크가 다양한 바람직한 실시예들을 참조하여 설명되지만, 다른 실시예들이 본 명세서에서 설명된 구성요소들의 조합들 및 서브-조합들을 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 상이한 실시예들과 관련하여 설명된 특징들은, 일부 경우들에서, 동일한 실시예로 결합될 수 있다. 따라서 다른 실시예들이 청구범위 내에 있다.

Claims (27)

  1. 발광 소자의 규칙적인 어레이로부터 불규칙한 구조화된 광 패턴을 생성하는 방법에 있어서,
    발광 소자의 균일하게 분포된 어레이로부터 규칙적인 광 패턴을 생성하는 단계;
    불규칙한 광 패턴을 생성하기 위해 규칙적인 광 패턴을 변경하는 단계; 및
    서로 인접하게 배열된 다수의 인스턴스(instance)에서 불규칙한 광 패턴을 재생하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 발광 소자들의 어레이는 발광 소자들의 열들(columns) 및 행들(rows)을 포함하고, 상기 행들은 상기 열들에 대해 수직으로 배열되는 것을 특징으로 하는 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 발광 소자의 어레이는 발광 소자들의 열들 및 행들을 포함하고, 상기 행들은 상기 열들에 대해 경사져(angled) 있는 것을 특징으로 하는 방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 발광 소자의 어레이는 광의 서브 패턴의 규칙적인 패턴을 생성하는 것을 특징으로 하는 방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 발광 소자의 어레이는 광 클러스터의 그리드를 생성하고, 상기 그리드는 제1 방향으로 공통적으로 형성된 클러스터를 가지며, 상기 그리드는 상기 제1 방향에 수직인 제2 방향으로 상이하게 형성된 클러스터를 갖는 것을 특징으로 하는 방법.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 발광 소자의 어레이로부터 방출된 광을 수광하고, 상기 광을 제1 회절 광학 소자에 투사하여 상기 불규칙한 광 패턴을 생성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 불규칙한 광 패턴은 랜덤화(randomized), 불균일(non-uniform), 비-그리드(non-grid), 분열된(disrupted), 불균일하게 이격된(unevenly spaced), 부분적으로 폐쇄된(partially obstructed), 부분적으로 차단된(partially blocked) 및/또는 불균등하게 분포된(non-equally distributed) 패턴 중 적어도 하나인 것을 특징으로 하는 방법.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
    서로 상대적으로 배열된 다수의 인스턴스에서 상기 불규칙한 패턴을 재생하는 단계는, 불규칙한 패턴의 균일한 분포를 생성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 불규칙한 광 패턴을 재생하는 단계는, 타일 패턴(tiled pattern)을 생성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 불규칙한 광 패턴을 재생하는 단계는, 상기 불규칙한 광 패턴의 다수의 인터레이스된(interlaced) 인스턴스를 생성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 불규칙한 광 패턴을 재생하는 단계는, 상기 불규칙한 광 패턴의 다수의 부분적으로 중첩된 인스턴스를 생성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  12. 구조화된 광 프로젝션 시스템에 있어서,
    집합적으로, 규칙적인 광 패턴을 방출하도록 동작할 수 있는 발광 소자의 어레이;
    제1 불규칙한 광 패턴을 생성하기 위해 발광 소자들의 어레이에 의해 방출된 광의 패턴을 변경하도록 구성되는 제1 광학 소자; 및
    제1 광학 소자에 의해 생성된 불규칙한 광 패턴을 수광하고 제1 불규칙한 패턴의 다수의 인스턴스를 포함하는 패턴을 생성하도록 구성되는 제2 광학 소자를 포함하는 것을 특징으로 하는 구조화된 광 프로젝션 시스템.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 발광 소자의 어레이는 발광 소자들의 열들 및 행들을 포함하고, 상기 행들은 상기 열들에 대해 수직으로 배열되는 것을 특징으로 하는 구조화된 광 프로젝션 시스템.
  14. 제12항에 있어서,
    상기 발광 소자의 어레이는 발광 소자들의 열들 및 행들을 포함하고, 상기 행들은 상기 열들에 대해 경사진 것을 특징으로 하는 구조화된 광 프로젝션 시스템.
  15. 제12항에 있어서,
    상기 발광 소자의 어레이는 광의 서브 패턴의 규칙적인 패턴을 투사하도록 동작할 수 있는 것을 특징으로 하는 구조화된 광 프로젝션 시스템.
  16. 제12항에 있어서,
    상기 발광 소자의 어레이는 광 클러스터의 그리드를 투사하도록 동작할 수 있고, 상기 그리드는 제1 방향으로 공통적으로 형성된 클러스터를 가지며, 상기 그리드는 상기 제1 방향에 수직인 제2 방향으로 상이하게 형성된 클러스터를 갖는 것을 특징으로 하는 구조화된 광 프로젝션 시스템.
  17. 제12항 내지 제16항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 발광 소자의 어레이로부터 방출된 광을 수광하고, 상기 광을 제1 광학 소자에 투사하도록 동작할 수 있는, 프로젝션 렌즈 시스템을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 구조화된 광 프로젝션 시스템.
  18. 제12항에 있어서,
    상기 제1 불규칙한 광 패턴은 랜덤화, 불균일, 비-그리드, 분열된, 불균일하게 이격된, 부분적으로 폐쇄된, 부분적으로 차단된 및/또는 불균등하게 분포된 패턴 중 적어도 하나인 것을 특징으로 하는 구조화된 광 프로젝션 시스템.
  19. 제12항 내지 제18항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제2 광학 소자는 불규칙한 패턴의 균일한 분포를 생성하도록 배열되는 것을 특징으로 하는 구조화된 광 프로젝션 시스템.
  20. 제12항에 있어서,
    상기 제2 광학 소자는 타일 패턴을 생성하도록 배열되는 것을 특징으로 하는 구조화된 광 프로젝션 시스템.
  21. 제12항에 있어서,
    상기 제2 광학 소자는 상기 불규칙한 광 패턴의 다수의 인터레이스된 인스턴스를 생성하도록 배열되는 것을 특징으로 하는 구조화된 광 프로젝션 시스템.
  22. 제12항에 있어서,
    상기 제2 광학 소자는 상기 불규칙한 광 패턴의 다수의 부분적으로 중첩된 인스턴스를 생성하도록 배열되는 것을 특징으로 하는 구조화된 광 프로젝션 시스템.
  23. 제12항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 광학 소자 각각은 회절 광학 소자를 포함하는 것을 특징으로 하는 구조화된 광 프로젝션 시스템.
  24. 제12항 내지 제23항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 발광 소자는 VCSELs인 것을 특징으로 하는 구조화된 광 프로젝션 시스템.
  25. 광학 센서 모듈에 있어서,
    구조화된 광 패턴을 대상물에 투사하도록 동작할 수 있는, 제12항 내지 제24항 중 어느 한 항에 따른 구조화된 광 프로젝션 시스템을 포함하는 광원;
    상기 구조화된 광 패턴에 의해 조명된 대상물로부터 반사된 광을 감지하기 위한 광학 센서; 및
    상기 광학 센서로부터의 신호에 적어도 부분적으로 기초하여 상기 대상물의 물리적 특성을 결정하도록 동작할 수 있는 처리 회로를 포함하는 것을 특징으로 하는 광학 센서 모듈.
  26. 제25항에 따른 광학 센서 모듈을 포함하는 호스트 장치에 있어서,
    상기 호스트 장치는
    상기 호스트 장치에 의해 실행되는 하나 이상의 기능들을 위해 상기 광학 센서 모듈의 상기 광학 센서에 의해 획득된 데이터를 사용하도록 동작할 수 있는 것을 특징으로 하는 호스트 장치.
  27. 제26항에 있어서,
    상기 호스트 장치는 스마트폰인 것을 특징으로 하는 호스트 장치.
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