KR20220123546A - Tof 깊이 감지 모듈 및 이미지 생성 방법 - Google Patents

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KR20220123546A
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쥐솨이 우
사오루이 가오
방후이 궈
샤오강 쑹
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Abstract

TOF 깊이 감지 모듈(300) 및 이미지 생성 방법이 제공된다. TOF 깊이 감지 모듈(300)은 광원(310), 편광 필터(320), 빔 셰이퍼(330), 제1 광학 소자(340), 제2 광학 소자(350), 수신 유닛(360), 및 제어 유닛(370)을 포함한다. 광원(310)은 빔을 생성하도록 구성된다. 편광 필터(320)는 빔을 필터링하여 단일 편광 상태의 빔을 획득하도록 구성된다. 빔 셰이퍼(330)는 단일 편광 상태의 빔의 FOV를 증가시켜 FOV가 제1 미리 설정된 범위를 충족시키는 제1 빔을 획득하도록 구성된다. 제어 유닛(370)은 제1 빔의 방향을 제어하도록 제1 광학 소자(340)를 제어하여 출사 빔을 획득하도록 구성된다. 제어 유닛(370)은 타깃 물체에 의해 출사 빔을 반사함으로써 획득된 반사된 빔을 수신 유닛(360)으로 편향시키도록 제2 광학 소자(350)를 제어하도록 추가로 구성된다. 이 방법에서, 타깃 물체의 최종적으로 획득된 깊이 이미지의 공간 해상도가 개선될 수 있다.

Description

TOF 깊이 감지 모듈 및 이미지 생성 방법
본 출원은 2020년 1월 3일자로 중국 지적 재산권 관리국(China National Intellectual Property Administration)에 출원되고 발명의 명칭이 "TOF DEPTH SENSING MODULE AND IMAGE GENERATION METHOD"인 중국 특허 출원 제202010006467.2호에 대한 우선권을 주장하며, 이 출원은 그 전체가 본 명세서에 참고로 포함된다.
본 출원은 TOF 기술 분야에 관한 것으로, 보다 구체적으로는, TOF 깊이 감지 모듈 및 이미지 생성 방법에 관한 것이다.
비행 시간(time of flight, TOF) 기술은 일반적인 깊이 또는 거리 측정 기술이고, 그 기본 원리는 다음과 같다: 송신단은 연속파 광 또는 펄스 광을 방출한다. 연속파 광 또는 펄스 광은 피측정 물체를 조사한 후에 반사된다. 그 후, 수신단은 피측정 물체의 반사된 광을 수신한다. 다음으로, TOF 시스템까지의 피측정 물체의 거리 또는 깊이는 송신단으로부터 수신단까지의 광의 비행 시간을 결정함으로써 계산될 수 있다.
종래의 솔루션에서는, 거리를 측정하기 위해 펄스형 TOF 기술(pulsed TOF technology)이 보통 사용된다. 펄스형 TOF 기술은 (송신단에 의해 방출된) 출사 빔의 방출 시간과 (수신단에 의해 수신된) 반사된 빔의 수신 시간 사이의 시간차를 측정함으로써 거리를 측정하는 것이다. 구체적으로, 펄스형 TOF 기술에서, 광원은 일반적으로 짧은 지속기간을 갖는 펄스형 빔을 방출하고, 이는 피측정 타깃에 의해 반사된 후에 수신단에서 광검출기에 의해 수신된다. 피측정 물체의 깊이 또는 거리는 펄스 방출과 펄스 수신 사이의 시간 간격을 측정함으로써 획득될 수 있다.
펄스형 TOF 기술은 단일 광자를 검출하기 위해 광검출기의 높은 감도를 요구한다. 통상의 광검출기는 단일-광자 애벌란시 다이오드(single-photon avalanche diode, SPAD)이다. SPAD의 복잡한 인터페이스 및 처리 회로로 인해, 공통 SPAD 센서의 해상도가 낮고, 이는 깊이 감지의 높은 공간 해상도 요건을 충족시킬 수 없다.
본 출원은 TOF 깊이 감지 모듈 및 이미지 생성 방법을 제공하여, TOF 깊이 감지 모듈에 의해 최종적으로 생성되는 깊이 이미지의 공간 해상도를 개선한다.
제1 양태에 따르면, TOF 깊이 감지 모듈이 제공된다. TOF 깊이 감지 모듈은 광원, 편광 필터, 빔 셰이퍼, 제1 광학 소자, 제2 광학 소자, 수신 유닛, 및 제어 유닛을 포함한다. 광원은 복수의 편광 상태의 광을 생성할 수 있고, 편광 필터는 광원과 빔 셰이퍼 사이에 위치된다.
TOF 깊이 감지 모듈 내의 모듈들 또는 유닛들의 기능들은 구체적으로 다음과 같다:
광원은 빔을 생성하도록 구성된다.
편광 필터는 빔을 필터링하여 단일 편광 상태의 빔을 획득하도록 구성된다.
빔 셰이퍼는 단일 편광 상태의 빔의 FOV를 증가시켜 제1 빔을 획득하도록 구성된다.
제어 유닛은 제1 빔의 방향을 제어하도록 제1 광학 소자를 제어하여 출사 빔을 획득하도록 구성된다.
제어 유닛은 타깃 물체에 의해 제1 광학 소자로부터의 빔을 반사함으로써 획득되는 반사된 빔을 수신 유닛으로 편향시키도록 제2 광학 소자를 제어하도록 추가로 구성된다.
제1 빔의 FOV는 제1 미리 설정된 범위를 충족시킨다.
선택적으로, 제1 미리 설정된 범위는 [5°×5°, 20°×20°]일 수 있다. 단일 편광 상태는 복수의 편광 상태 중 하나이다.
예를 들어, 복수의 편광 상태는 선형 편광, 왼쪽 원형 편광(left-handed circular polarization), 및 오른쪽 원형 편광(right-handed circular polarization)을 포함할 수 있고, 단일 편광 상태는 선형 편광, 왼쪽 원형 편광, 및 오른쪽 원형 편광 중 어느 하나일 수 있다.
제1 광학 소자와 제2 광학 소자는 상이한 소자들이고, 제1 광학 소자는 송신단에 위치되고, 제2 광학 소자는 수신단에 위치된다. 구체적으로, 제1 광학 소자는 빔 셰이퍼와 타깃 물체 사이에 위치될 수 있고, 제2 광학 소자는 수신 유닛과 타깃 물체 사이에 위치될 수 있다.
수신 유닛은 수신 렌즈와 센서를 포함할 수 있다. 수신 렌즈는 반사된 빔을 센서로 수렴시킬 수 있고, 따라서 센서는 반사된 빔을 수신하고 나서, 반사된 빔이 수신 유닛에 의해 수신되는 순간이 획득되어, 출사 빔에 대응하는 TOF를 획득하고, 마지막으로, 타깃 물체의 깊이 이미지는 출사 빔에 대응하는 TOF에 기초하여 생성될 수 있다.
선택적으로, 제어 유닛은 제1 광학 소자의 복굴절 파라미터를 조정하여 조정된 복굴절 파라미터를 획득하도록 구성된다. 제1 광학 소자는 조정된 복굴절 파라미터에 기초하여 제1 빔의 방향을 조정하여 출사 빔을 획득하도록 구성된다.
제1 광학 소자는 제1 광학 소자의 상이한 복굴절을 사용하여 상이한 방향들로 제1 빔을 조정할 수 있다.
선택적으로, 제어 유닛은 M개의 상이한 순간에서 제1 빔의 방향을 각각 제어하도록 제1 광학 소자를 제어하여 M개의 상이한 방향에서의 출사 빔들을 획득하고; 타깃 물체에 의해 M개의 상이한 순간에서 제1 광학 소자로부터의 빔들을 반사함으로써 획득되는 M개의 반사된 빔을 수신 유닛으로 각각 편향시키도록 제2 광학 소자를 제어하도록 구성된다.
선택적으로, M개의 상이한 방향에서 출사 빔들에 의해 커버되는 총 FOV는 제2 미리 설정된 범위를 충족시킨다.
선택적으로, 제2 미리 설정된 범위는 [50°×50°, 80°×80°]일 수 있다.
본 출원의 이 실시예에서, 빔 셰이퍼는 제1 빔이 큰 FOV를 갖도록 빔의 FOV를 조정하고, 스캐닝이 시분할 다중화 방식으로 수행됨으로써(제1 광학 소자는 상이한 순간들에서 상이한 방향들로 출사 빔들을 방출함), 타깃 물체의 최종적으로 획득된 깊이 이미지의 공간 해상도를 개선한다.
제1 양태를 참조하면, 제1 양태의 일부 구현들에서, 제어 유닛은: M개의 상이한 방향에서의 출사 빔들에 각각 대응하는 TOF들에 기초하여 타깃 물체의 깊이 이미지를 생성하도록 추가로 구성된다.
M개의 상이한 방향에서의 출사 빔들에 대응하는 TOF들은 구체적으로 M개의 상이한 방향에서의 출사 빔들에 대응하는 반사된 빔들이 수신 유닛에 의해 수신되는 순간들과 M개의 상이한 방향에서의 출사 빔들의 방출 순간들 사이의 시간차 정보를 지칭할 수 있다.
M개의 상이한 방향에서의 출사 빔들이 출사 빔 1을 포함한다고 가정하면, 출사 빔 1에 대응하는 반사된 빔은 출사 빔 1이 타깃 물체에 도달한 후에 생성되고 타깃 물체에 의해 반사되는 빔일 수 있다.
제1 양태를 참조하면, 제1 양태의 일부 구현들에서, 제1 광학 소자와 제2 광학 소자 사이의 거리는 1cm 이하이다.
제1 양태를 참조하면, 제1 양태의 일부 구현들에서, 제1 광학 소자는 회전 거울 컴포넌트이다.
제1 양태를 참조하면, 제1 양태의 일부 구현들에서, 제2 광학 소자는 회전 거울 컴포넌트이다.
회전 거울 컴포넌트는 출사 빔의 출사 방향을 제어하기 위해 회전한다.
제1 양태를 참조하면, 제1 양태의 일부 구현들에서, 제1 광학 소자는 액정 편광 소자이다.
제1 양태를 참조하면, 제1 양태의 일부 구현들에서, 제2 광학 소자는 액정 편광 소자이다.
제1 양태를 참조하면, 제1 양태의 일부 구현들에서, 제1 광학 소자는 수평 편광 제어 시트, 수평 액정 편광 격자, 수직 편광 제어 시트 및 수직 액정 편광 격자를 포함한다.
제1 양태를 참조하면, 제1 양태의 일부 구현들에서, 제2 광학 소자는 수평 편광 제어 시트, 수평 액정 편광 격자, 수직 편광 제어 시트, 및 수직 액정 편광 격자를 포함한다.
제1 양태를 참조하면, 제1 양태의 일부 구현들에서, 제1 광학 소자 또는 제2 광학 소자에서, 광원과 수평 편광 제어 시트, 수평 액정 편광 격자, 수직 편광 제어 시트, 및 수직 액정 편광 격자 사이의 거리들은 크기의 오름차순이다.
제1 양태를 참조하면, 제1 양태의 일부 구현들에서, 제1 광학 소자 또는 제2 광학 소자에서, 광원과 수직 편광 제어 시트, 수직 액정 편광 격자, 수평 편광 제어 시트, 및 수평 액정 편광 격자 사이의 거리들은 크기의 오름차순이다.
제1 양태를 참조하면, 제1 양태의 일부 구현들예에서, 회전 거울 컴포넌트는 마이크로전자기계 시스템 검류계 또는 다면형 회전 거울이다.
제1 양태를 참조하면, 제1 양태의 일부 구현들에서, 빔 셰이퍼는 확산 렌즈 및 직사각형 구경 조리개(rectangular aperture stop)를 포함한다.
제1 양태를 참조하면, 제1 양태의 일부 구현들에서, TOF 깊이 감지 모듈은 시준 렌즈를 추가로 포함한다. 시준 렌즈는 광원과 편광 필터 사이에 위치된다. 시준 렌즈는 빔을 시준하도록 구성된다. 편광 필터는 시준 렌즈의 시준된 빔을 필터링하여 단일 편광 상태의 빔을 획득하도록 구성된다.
제1 양태를 참조하면, 제1 양태의 일부 구현들에서, TOF 깊이 감지 모듈은 시준 렌즈를 추가로 포함한다. 시준 렌즈는 편광 필터와 빔 셰이퍼 사이에 위치된다. 시준 렌즈는 단일 편광 상태의 빔을 시준하도록 구성된다. 빔 셰이퍼는 시준 렌즈의 시준된 빔의 FOV를 조정하여 제1 빔을 획득하도록 구성된다.
위에서, 시준 렌즈는 빔을 시준하여, 대략 평행한 빔을 획득할 수 있고, 이에 의해 빔의 전력 밀도를 개선하고, 후속하여 빔에 의한 스캐닝의 효과를 추가로 개선한다.
선택적으로, 시준 렌즈의 명확한 조리개는 5mm 이하이다.
시준 렌즈의 크기가 작기 때문에, 시준 렌즈를 포함하는 TOF 깊이 감지 모듈은 단말 디바이스에 쉽게 통합되고, 단말 디바이스에서 차지하는 공간은 어느 정도 감소될 수 있다.
제1 양태를 참조하면, 제1 양태의 일부 구현들에서, 광원은 수직 공동 표면 방출 레이저(vertical cavity surface emitting laser, VCSEL)이다.
선택적으로, 광원은 패브리-페롯(Fabry-Perot) 레이저(줄여서 FP 레이저라고 지칭될 수 있음)이다.
단일 FP 레이저는 단일 VCSEL보다 더 큰 전력을 구현할 수 있고, VCSEL보다 더 높은 전기-광학 변환 효율을 갖고, 이에 의해 TOF 깊이 감지 모듈의 스캐닝 효과를 개선한다.
선택적으로, 광원에 의해 방출된 빔의 파장은 900nm보다 크다.
태양광에서 파장이 900nm보다 큰 광의 강도가 약하기 때문에, 빔의 파장이 900nm보다 클 때, 태양광에 의해 야기되는 간섭이 감소될 수 있고, 그에 의해 TOF 깊이 감지 모듈의 스캐닝 효과를 개선한다.
선택적으로, 광원에 의해 방출된 빔의 파장은 940nm 또는 1550nm이다.
태양광에서 파장이 940nm 또는 1550nm에 가까운 광의 강도가 약하기 때문에, 빔의 파장이 940nm 또는 1550nm일 때, 태양광에 의해 야기되는 간섭이 크게 감소될 수 있고, 그에 의해 TOF 깊이 감지 모듈의 스캐닝 효과를 개선한다.
제1 양태를 참조하면, 제1 양태의 일부 구현들에서, 광원의 발광 면적은 5×5mm2 이하이다.
광원의 크기가 작기 때문에, 광원을 포함하는 TOF 깊이 감지 모듈은 단말 디바이스에 용이하게 통합되고, 단말 디바이스에서 차지하는 공간은 어느 정도 감소될 수 있다.
제1 양태를 참조하면, 제1 양태의 일부 구현들에서, TOF 깊이 감지 모듈의 평균 출력 광 전력은 800mw보다 작다.
TOF 깊이 감지 모듈의 평균 출력 광 전력이 800mw 이하일 때, TOF 깊이 감지 모듈은 작은 전력 소비를 갖고, 단말 디바이스와 같은, 전력 소비에 민감한 디바이스에 배치될 수 있다.
제2 양태에 따르면, 이미지 생성 방법이 제공된다. 이미지 생성 방법은 제1 양태에서의 TOF 깊이 감지 모듈을 포함하는 단말 디바이스에 적용되고, 이미지 생성 방법은: 빔을 생성하도록 광원을 제어하는 단계; 편광 필터를 사용하여 빔을 필터링하여 단일 편광 상태의 빔을 획득하는 단계; 빔 셰이퍼를 사용하여 단일 편광 상태의 빔의 시야 FOV를 조정하여 제1 빔을 획득하는 단계; M개의 상이한 순간에서 빔 셰이퍼로부터의 제1 빔의 방향을 각각 제어하도록 제1 광학 소자를 제어하여 M개의 상이한 방향에서의 출사 빔들을 획득하는 단계; 타깃 물체에 의해 M개의 상이한 방향에서의 출사 빔들을 반사함으로써 획득되는 M개의 반사된 빔을 수신 유닛으로 각각 편향시키도록 제2 광학 소자를 제어하는 단계; 및 M개의 상이한 방향에서의 출사 빔들에 각각 대응하는 TOF들에 기초하여 타깃 물체의 깊이 이미지를 생성하는 단계를 포함한다.
단일 편광 상태는 복수의 편광 상태 중 하나이다.
예를 들어, 복수의 편광 상태는 선형 편광, 왼쪽 원형 편광(left-handed circular polarization), 및 오른쪽 원형 편광(right-handed circular polarization)을 포함할 수 있고, 단일 편광 상태는 선형 편광, 왼쪽 원형 편광, 및 오른쪽 원형 편광 중 어느 하나일 수 있다.
제1 빔의 FOV는 제1 미리 설정된 범위를 충족시키고, M개의 상이한 방향에서의 출사 빔들에 의해 커버되는 총 FOV는 제2 미리 설정된 범위를 충족시킨다.
선택적으로, 제1 미리 설정된 범위는 [5°×5°, 20°×20°]일 수 있고, 제2 미리 설정된 범위는 [50°×50°, 80°×80°]일 수 있다.
선택적으로, 본 방법은: M개의 상이한 방향에서의 출사 빔들에 각각 대응하는 TOF들을 획득하는 단계를 추가로 포함한다.
선택적으로, M개의 상이한 방향에서의 출사 빔들에 각각 대응하는 TOF들을 획득하는 단계는: M개의 상이한 방향에서의 출사 빔들에 대응하는 반사된 빔들이 수신 유닛에 의해 수신되는 순간들 및 M개의 상이한 방향에서의 출사 빔들의 방출 순간들에 기초하여, M개의 상이한 방향에서의 출사 빔들에 각각 대응하는 TOF들을 결정하는 단계를 포함한다.
M개의 상이한 방향에서의 출사 빔들에 대응하는 TOF들은 구체적으로 M개의 상이한 방향에서의 출사 빔들에 대응하는 반사된 빔들이 수신 유닛에 의해 수신되는 순간들과 M개의 상이한 방향에서의 출사 빔들의 방출 순간들 사이의 시간차 정보를 지칭할 수 있다.
본 출원의 이 실시예에서, 빔 셰이퍼는 제1 빔이 큰 FOV를 갖도록 빔의 FOV를 조정하고, 스캐닝이 시분할 다중화 방식으로 수행됨으로써(제1 광학 소자는 상이한 순간들에서 상이한 방향들로 출사 빔들을 방출함), 타깃 물체의 최종적으로 획득된 깊이 이미지의 공간 해상도를 개선한다.
선택적으로, M개의 상이한 순간에서 빔 셰이퍼로부터의 제1 빔의 방향을 각각 제어하도록 제1 광학 소자를 제어하여 M개의 상이한 방향에서의 출사 빔들을 획득하는 단계는: M개의 상이한 순간에서 제1 광학 소자의 복굴절 파라미터를 조정하여 M개의 상이한 순간에 각각 대응하는 조정된 복굴절 파라미터들을 획득하여, 제1 광학 소자가 M개의 상이한 순간에서의 조정된 복굴절 파라미터들에 기초하여 제1 빔의 방향을 각각 조정하여, M개의 상이한 방향에서의 출사 빔들을 획득하는 단계를 포함한다.
제2 양태를 참조하면, 제2 양태의 일부 구현들에서, M개의 상이한 방향에서의 출사 빔들에 각각 대응하는 TOF들에 기초하여 타깃 물체의 깊이 이미지를 생성하는 단계는: M개의 상이한 방향에서의 출사 빔들에 각각 대응하는 TOF들에 기초하여 TOF 깊이 감지 모듈과 타깃 물체의 M개의 영역 사이의 거리들을 결정하는 단계; TOF 깊이 감지 모듈과 타깃 물체의 M개의 영역 사이의 거리들에 기초하여 타깃 물체의 M개의 영역의 깊이 이미지들을 생성하는 단계; 및 타깃 물체의 M개의 영역의 깊이 이미지들에 기초하여 타깃 물체의 깊이 이미지를 합성하는 단계를 포함한다.
제2 양태를 참조하면, 제2 양태의 일부 구현들에서, M개의 상이한 순간에서 빔 셰이퍼로부터의 제1 빔의 방향을 각각 제어하도록 제1 광학 소자를 제어하여 M개의 상이한 방향에서의 출사 빔들을 획득하는 단계는: 제어 유닛이 제1 전압 신호를 생성하는 단계를 포함한다. 제1 전압 신호는 M개의 상이한 순간에서의 제1 빔의 방향을 각각 제어하도록 제1 광학 소자를 제어하여 M개의 상이한 방향에서의 출사 빔들을 획득하기 위해 사용된다. 타깃 물체에 의해 M개의 상이한 방향에서의 출사 빔들을 반사함으로써 획득되는 M개의 반사된 빔을 수신 유닛으로 각각 편향시키도록 제2 광학 소자를 제어하는 단계는: 제어 유닛이 제2 전압 신호를 생성하는 단계를 포함한다. 제2 전압 신호는 타깃 물체에 의해 M개의 상이한 방향에서의 출사 빔들을 반사함으로써 획득되는 M개의 반사된 빔을 수신 유닛으로 각각 편향시키도록 제2 광학 소자를 제어하기 위해 사용된다.
제1 전압 신호 및 제2 전압 신호의 전압 값들은 동일한 순간에 동일하다.
제2 양태를 참조하면, 제2 양태의 일부 구현들에서, 빔 셰이퍼를 사용하여 단일 편광 상태의 빔의 시야 FOV를 조정하여 제1 빔을 획득하는 단계는: 빔 셰이퍼를 사용하여 단일 편광 상태의 빔의 각도 강도 분포를 증가시켜 제1 빔을 획득하는 단계를 포함한다.
제3 양태에 따르면, 단말 디바이스가 제공된다. 단말 디바이스는 제1 양태에서의 TOF 깊이 감지 모듈을 포함한다.
제3 양태에서의 단말 디바이스는 제2 양태에서의 이미지 생성 방법을 수행할 수 있다.
도 1은 라이더의 레인징 원리(ranging principle)의 개략도이고;
도 2는 본 출원의 실시예에 따른 TOF 깊이 감지 모듈을 사용하여 거리를 측정하는 개략도이고;
도 3은 본 출원의 실시예에 따른 TOF 깊이 감지 모듈의 개략적인 블록도이고;
도 4는 VCSEL의 개략도이고;
도 5는 어레이 광원의 개략도이고;
도 6은 어레이 광원에 의해 방출된 빔을 빔 스플리터를 사용하여 분할하는 개략도이고;
도 7은 어레이 광원에 의해 방출된 빔이 빔 스플리터를 사용하여 분할된 후에 획득된 투영 영역의 개략도이고;
도 8은 어레이 광원에 의해 방출된 빔이 빔 스플리터를 사용하여 분할된 후에 획득된 투영 영역의 개략도이고;
도 9는 어레이 광원에 의해 방출된 빔이 빔 스플리터를 사용하여 분할된 후에 획득된 투영 영역의 개략도이고;
도 10은 어레이 광원에 의해 방출된 빔이 빔 스플리터를 사용하여 분할된 후에 획득된 투영 영역의 개략도이고;
도 11은 본 출원의 실시예에 따른 TOF 깊이 감지 모듈의 구조의 개략도이고;
도 12는 빔 스플리터에 의해 수행되는 분할의 개략도이고;
도 13은 본 출원의 실시예에 따른 TOF 깊이 감지 모듈의 구조의 개략도이고;
도 14는 본 출원의 실시예에 따른 TOF 깊이 감지 모듈의 구조의 개략도이고;
도 15는 본 출원의 실시예에 따른 TOF 깊이 감지 모듈의 작동의 개략도이고;
도 16은 어레이 광원의 발광 영역의 개략도이고;
도 17은 도 16에 도시된 어레이 광원에 의해 방출된 빔을 빔 스플리터를 사용하여 분할하는 개략도이고;
도 18은 본 출원의 실시예에 따른 이미지 생성 방법의 개략적인 흐름도이고;
도 19는 순간 t0 내지 순간 t3에서의 타깃 물체의 깊이 이미지들을 도시하고;
도 20은 본 출원의 실시예에 따른 이미지 생성 방법의 개략적인 흐름도이고;
도 21은 본 출원의 실시예에 따른 이미지 생성 방법의 개략적인 흐름도이고;
도 22는 제1 작동 모드에서 타깃 물체의 최종 깊이 이미지를 획득하는 개략적인 흐름도이고;
도 23은 제1 작동 모드에서 타깃 물체의 최종 깊이 이미지를 획득하는 개략적인 흐름도이고;
도 24는 제2 작동 모드에서 타깃 물체의 최종 깊이 이미지를 획득하는 개략적인 흐름도이고;
도 25는 제2 작동 모드에서 타깃 물체의 최종 깊이 이미지를 획득하는 개략적인 흐름도이고;
도 26은 본 출원의 실시예에 따른 TOF 깊이 감지 모듈을 사용하여 거리를 측정하는 개략도이고;
도 27은 본 출원의 실시예에 따른 TOF 깊이 감지 모듈의 개략적인 블록도이고;
도 28은 빔의 공간 각도의 개략도이고;
도 29는 본 출원의 실시예에 따른 TOF 깊이 감지 모듈의 개략적인 블록도이고;
도 30은 본 출원의 실시예에 따른 TOF 깊이 감지 모듈에 의해 타깃 물체를 스캐닝하는 개략도이고;
도 31은 본 출원의 실시예에 따른 TOF 깊이 감지 모듈의 스캐닝 트랙의 개략도이고;
도 32는 본 출원의 실시예에 따른 TOF 깊이 감지 모듈의 스캐닝 방식의 개략도이고;
도 33은 본 출원의 실시예에 따른 TOF 깊이 감지 모듈의 개략적인 블록도이고;
도 34는 본 출원의 실시예에 따른 TOF 깊이 감지 모듈의 개략적인 블록도이고;
도 35는 본 출원의 실시예에 따른 액정 편광 격자의 구조의 개략도이고;
도 36은 본 출원의 실시예에 따른 TOF 깊이 감지 모듈의 구조의 개략도이고;
도 37은 주기적 제어 신호를 사용하여 액정 편광 격자의 물리적 특성을 변경하는 개략도이고;
도 38은 액정 편광 격자에 의해 입력 빔의 방향을 제어하는 개략도이고;
도 39는 액정 편광 격자에 인가되는 전압 신호의 개략도이고;
도 40은 본 출원의 실시예에 따른 TOF 깊이 감지 모듈의 스캐닝 트랙의 개략도이고;
도 41은 피스캔 영역(to-be-scanned region)의 개략도이고;
도 42는 피스캔 영역의 개략도이고;
도 43은 본 출원의 실시예에 따른 TOF 깊이 감지 모듈의 구조의 개략도이고;
도 44는 전기-광학 결정에 의해 빔의 방향을 제어하는 개략도이고;
도 45는 전기-광학 결정에 인가된 전압 신호의 개략도이고;
도 46은 본 출원의 실시예에 따른 TOF 깊이 감지 모듈의 스캐닝 트랙의 개략도이고;
도 47은 본 출원의 실시예에 따른 TOF 깊이 감지 모듈의 구조의 개략도이고;
도 48은 음향-광학 컴포넌트에 의해 빔의 방향을 제어하는 개략도이고;
도 49는 본 출원의 실시예에 따른 TOF 깊이 감지 모듈의 구조의 개략도이고;
도 50은 OPA 컴포넌트에 의해 빔의 방향을 제어하는 개략도이고;
도 51은 본 출원의 실시예에 따른 TOF 깊이 감지 모듈의 구조의 개략도이고;
도 52는 본 출원의 실시예에 따른 이미지 생성 방법의 개략적인 흐름도이고;
도 53은 본 출원의 실시예에 따른 TOF 깊이 감지 모듈을 사용하여 거리를 측정하는 개략도이고;
도 54는 본 출원의 실시예에 따른 TOF 깊이 감지 모듈의 구조의 개략도이고;
도 55는 본 출원의 실시예에 따른 TOF 깊이 감지 모듈의 개략적인 블록도이고;
도 56은 본 출원의 실시예에 따른 TOF 깊이 감지 모듈의 개략적인 블록도이고;
도 57은 본 출원의 실시예에 따른 이미지 생성 방법의 개략적인 흐름도이고;
도 58은 본 출원의 실시예에 따른 TOF 깊이 감지 모듈의 개략적인 블록도이고;
도 59는 본 출원의 실시예에 따른 TOF 깊이 감지 모듈의 개략적인 블록도이고;
도 60은 본 출원의 실시예에 따른 TOF 깊이 감지 모듈의 개략적인 블록도이고;
도 61은 본 출원의 실시예에 따른 TOF 깊이 감지 모듈의 구조의 개략도이고;
도 62는 본 출원의 실시예에 따른 이미지 생성 방법의 개략적인 흐름도이고;
도 63은 본 출원의 실시예에 따른 TOF 깊이 감지 모듈의 구조의 개략도이고;
도 64는 본 출원의 실시예에 따른 액정 편광기(liquid crystal polarizer)의 구조의 개략도이고;
도 65는 제어 타이밍의 개략도이고;
도 66은 전압 구동 신호의 타이밍도이고;
도 67은 상이한 순간들에서 TOF 깊이 감지 모듈의 스캐닝된 영역들의 개략도이고;
도 68은 순간 t0 내지 순간 t3에서의 타깃 물체에 대응하는 깊이 이미지들의 개략도이고;
도 69는 타깃 물체의 최종 깊이 이미지의 개략도이고;
도 70은 본 출원의 실시예에 따른 TOF 깊이 감지 모듈에 의해 작동하는 개략도이고;
도 71은 본 출원의 실시예에 따른 TOF 깊이 감지 모듈의 구조의 개략도이고;
도 72는 본 출원의 실시예에 따른 TOF 깊이 감지 모듈의 구조의 개략도이고;
도 73은 본 출원의 실시예에 따른 TOF 깊이 감지 모듈의 구조의 개략도이고;
도 74는 본 출원의 실시예에 따른 TOF 깊이 감지 모듈의 구조의 개략도이고;
도 75는 본 출원의 실시예에 따른 TOF 깊이 감지 모듈의 구조의 개략도이고;
도 76은 본 출원의 실시예에 따른 TOF 깊이 감지 모듈(500)의 구조의 개략도이고;
도 77은 마이크로렌즈 확산기의 형태의 개략도이고;
도 78은 본 출원의 실시예에 따른 이미지 생성 방법의 개략적인 흐름도이고;
도 79는 본 출원의 실시예에 따른 TOF 깊이 감지 모듈의 구조의 개략도이고;
도 80은 본 출원의 실시예에 따른 TOF 깊이 감지 모듈의 특정 구조의 개략도이고;
도 81은 본 출원의 실시예에 따른 TOF 깊이 감지 모듈의 특정 구조의 개략도이고;
도 82는 본 출원의 실시예에 따른 TOF 깊이 감지 모듈의 특정 구조의 개략도이고;
도 83은 본 출원의 실시예에 따른 TOF 깊이 감지 모듈의 특정 구조의 개략도이고;
도 84는 본 출원의 실시예에 따른 TOF 깊이 감지 모듈(600)의 구조의 개략도이고;
도 85는 본 출원의 실시예에 따른 TOF 깊이 감지 모듈(600)의 구조의 개략도이고;
도 86은 본 출원의 실시예에 따른 TOF 깊이 감지 모듈(600)의 구조의 개략도이고;
도 87은 편광 필터에 의해 편광된 빔을 수신하는 개략도이고;
도 88은 본 출원의 실시예에 따른 이미지 생성 방법의 개략적인 흐름도이고;
도 89는 본 출원의 실시예에 따른 TOF 깊이 감지 모듈의 특정 구조의 개략도이고;
도 90은 본 출원의 실시예에 따른 TOF 깊이 감지 모듈의 특정 구조의 개략도이고;
도 91은 본 출원의 실시예에 따른 TOF 깊이 감지 모듈의 특정 구조의 개략도이고;
도 92는 본 출원의 실시예에 따른 TOF 깊이 감지 모듈의 특정 구조의 개략도이고;
도 93은 본 출원의 실시예에 따른 TOF 깊이 감지 모듈의 특정 구조의 개략도이고;
도 94는 본 출원의 실시예에 따른 TOF 깊이 감지 모듈의 구동 신호 및 수신된 신호의 개략도이고;
도 95는 본 출원의 실시예에 따른 TOF 깊이 감지 모듈에 의해 방출된 빔의 각도 및 상태의 개략도이고;
도 96은 본 출원의 실시예에 따른 TOF 깊이 감지 모듈의 구조의 개략도이고;
도 97은 본 출원의 실시예에 따른 TOF 깊이 감지 모듈의 구조의 개략도이고;
도 98은 본 출원의 실시예에 따른 TOF 깊이 감지 모듈의 구조의 개략도이고;
도 99는 평판 액정 셀(flat liquid crystal cell)에 의해 수행되는 빔 편향의 원리의 개략도이고;
도 100은 평판 액정 셀에 의해 수행되는 빔 편향의 원리의 개략도이고;
도 101은 본 출원의 실시예에 따른 이미지 생성 방법의 개략적인 흐름도이고;
도 102는 제1 빔의 FOV의 개략도이고;
도 103은 M개의 상이한 방향에서 출사 빔들에 의해 커버되는 총 FOV의 개략도이고;
도 104는 본 출원의 실시예에 따른 TOF 깊이 감지 모듈에 의해 M개의 상이한 방향에서 수행되는 스캐닝의 개략도이고;
도 105는 본 출원의 실시예에 따른 전체 솔루션 설계의 개략적인 흐름도이다.
이하에서는 첨부 도면들을 참조하여 본 출원의 기술적 솔루션들을 설명한다.
도 1은 라이더의 레인징 원리의 개략도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 라이더의 송신기는 레이저 펄스(펄스 폭은 나노초 내지 피코초 정도일 수 있음)를 방출하고, 동시에 타이머는 타이밍을 시작한다. 레이저 펄스가 타깃 영역을 조사할 때, 타깃 영역의 표면의 반사로 인해 반사된 레이저 펄스가 생성된다. 라이더의 검출기가 반사된 레이저 펄스를 수신할 때, 타이머는 비행 시간(time of flight, TOF)을 획득하기 위해 타이밍을 중지한다. 다음으로, TOF에 기초하여 라이더와 타깃 영역 사이의 거리가 계산될 수 있다.
구체적으로, 라이더와 타깃 영역 사이의 거리는 수학식 (1)에 기초하여 결정될 수 있다:
L=c*T/2 (1)
전술한 수학식 (1)에서, L은 라이더와 타깃 영역 사이의 거리이고, c는 광속이고, T는 광 전파 시간이다.
본 출원의 실시예의 TOF 깊이 감지 모듈에서, 광원에 의해 방출된 후에, 빔은 TOF 깊이 감지 모듈 내의 다른 소자(예를 들어, 시준 렌즈 또는 빔 스플리터)에 의해 처리될 필요가 있어, 빔이 최종적으로 송신단으로부터 방출되게 된다는 것을 이해해야 한다. 이 프로세스에서, TOF 깊이 감지 모듈 내의 소자로부터의 빔은 또한 소자에 의해 방출된 빔이라고 지칭될 수 있다.
예를 들어, 광원은 빔을 방출하고, 빔은 시준 렌즈에 의해 시준된 후에 추가로 방출된다. 시준 렌즈에 의해 방출된 빔은 실제로 시준 렌즈로부터의 빔이라고도 지칭될 수 있다. 여기서, 시준 렌즈에 의해 방출된 빔은 시준 렌즈 자체에 의해 방출된 빔을 나타내지 않고, 이전 소자로부터 전파된 빔이 처리된 후에 방출된 빔을 나타낸다.
선택적으로, 본 출원의 이 실시예에서, 광원은 레이저 광원, 발광 다이오드(light emitting diode, LED) 광원, 또는 다른 형태의 광원일 수 있다. 이는 본 발명에서 포괄적인 것은 아니다.
선택적으로, 광원은 레이저 광원이고, 레이저 광원은 구체적으로 어레이 광원일 수 있다.
또한, 본 출원에서, 레이저 광원 또는 어레이 광원에 의해 방출되는 빔은 레이저 광원 또는 어레이 광원으로부터의 빔이라고도 지칭될 수 있다. 레이저 광원으로부터의 빔은 레이저 빔이라고도 지칭될 수 있다는 것을 이해해야 한다. 설명의 편의를 위해, 이들은 본 출원에서 일괄적으로 빔이라고 지칭된다.
이하에서는 먼저 도 2를 참조하여 본 출원의 이 실시예에서의 TOF 깊이 감지 모듈을 간단히 설명한다.
도 2는 본 출원의 실시예에 따른 TOF 깊이 감지 모듈을 사용하여 거리를 측정하는 개략도이다.
도 2에 도시된 바와 같이, TOF 깊이 감지 모듈은 송신단(투영단이라고도 지칭될 수 있음), 수신단, 및 제어 유닛을 포함할 수 있다. 송신단은 출사 빔을 생성하도록 구성된다. 수신단은 타깃 물체의 반사된 빔을 수신하도록 구성된다(반사된 빔은 타깃 물체에 의해 출사 빔을 반사함으로써 획득되는 빔임). 제어 유닛은 빔을 송신 및 수신하도록 송신단 및 수신단을 각각 제어할 수 있다.
도 2에서, 송신단은 일반적으로 광원, 빔 스플리터, 시준 렌즈, 및 투영 렌즈(선택적)를 포함할 수 있고, 수신단은 일반적으로 수신 렌즈와 센서를 포함할 수 있고, 수신 렌즈와 센서는 일괄적으로 수신 유닛이라고 지칭될 수 있다.
도 2에서, TOF 깊이 감지 모듈로부터 타깃 영역까지의 거리를 계산하여 타깃 물체의 최종 깊이 이미지를 획득하기 위해, 출사 빔에 대응하는 TOF가 타이밍 장치를 사용하여 기록될 수 있다. 출사 빔에 대응하는 TOF는 반사된 빔이 수신 유닛에 의해 수신되는 순간과 출사 빔의 방출 순간 사이의 시간차 정보를 지칭할 수 있다.
도 2에서의 광원은 레이저 광원일 수 있고, 레이저 광원은 구체적으로 어레이 광원일 수 있다.
본 출원의 이 실시예에서의 TOF 깊이 감지 모듈은 3차원(3 dimensions, 3D) 이미지를 획득하도록 구성될 수 있다. 본 출원의 이 실시예에서의 TOF 깊이 감지 모듈은, 3D 게임 또는 체성 게임(somatic game)에 대한 제스처 및 사지(limb) 인식을 또한 제공할 수 있는, 깊이 이미지 또는 3D 이미지를 획득하기 위해, 지능형 단말(예를 들어, 모바일 폰, 태블릿, 또는 웨어러블 디바이스) 상에 배치될 수 있다.
이하에서는, 도 3을 참조하여 본 출원의 이 실시예에서의 TOF 깊이 감지 모듈을 상세히 설명한다.
도 3은 본 출원의 실시예에 따른 TOF 깊이 감지 모듈의 개략적인 블록도이다.
도 3에 도시된 TOF 깊이 감지 모듈(100)은 어레이 광원(110), 시준 렌즈(120), 빔 스플리터(130), 수신 유닛(140), 및 제어 유닛(150)을 포함한다. 이하에서는, TOF 깊이 감지 모듈(100) 내의 몇몇 모듈들 또는 유닛들을 상세히 설명한다.
어레이 광원(110):
어레이 광원(110)은 빔을 생성(방출)하도록 구성된다.
어레이 광원(110)은 N개의 발광 영역을 포함하고, 각각의 발광 영역은 빔을 개별적으로 생성할 수 있고, N은 1보다 큰 양의 정수이다.
제어 유닛(150)은 어레이 광원(110)의 N개의 발광 영역 중 M개를 제어하여 광을 방출하도록 구성된다.
시준 렌즈(120)는 M개의 발광 영역에 의해 방출된 빔들을 시준하도록 구성된다.
빔 스플리터(130)는 시준 렌즈의 시준된 빔들을 분할하도록 구성된다.
수신 유닛(140)은 타깃 물체의 반사된 빔들을 수신하도록 구성된다.
M은 N 이하이고, M은 양의 정수이고, N은 1보다 큰 양의 정수이다. 빔 스플리터는 구체적으로 각각의 수신된 광 빔을 복수의 광 빔으로 분할하도록 구성된다. 타깃 물체의 반사된 빔들은 타깃 물체에 의해 빔 스플리터로부터의 빔들을 반사함으로써 획득된 빔들이다. M개의 발광 영역에 의해 방출되는 빔들은 M개의 발광 영역으로부터의 빔들이라고도 지칭될 수 있다.
M이 N 이하이기 때문에, 제어 유닛(150)은 어레이 광원(110)의 일부 또는 모든 발광 영역이 광을 방출하도록 제어할 수 있다.
N개의 발광 영역은 N개의 독립적인 발광 영역일 수 있고, 즉, N개의 발광 영역 각각은 다른 발광 영역에 의해 영향을 받지 않고 독립적으로 또는 개별적으로 광을 방출할 수 있다. N개의 발광 영역 각각에 대해, 각각의 발광 영역은 일반적으로 복수의 발광 유닛을 포함한다. N개의 발광 영역에서, 상이한 발광 영역들은 상이한 발광 유닛들을 포함하고, 즉, 동일한 발광 유닛은 단지 하나의 발광 영역에 속한다. 각각의 발광 영역에 대해, 발광 영역이 광을 방출하도록 제어될 때, 발광 영역 내의 모든 발광 유닛이 광을 방출할 수 있다.
어레이 광원의 발광 영역의 총량은 N일 수 있다. M=N일 때, 제어 유닛은 어레이 광원의 모든 발광 영역을 동시에 또는 상이한 시간에 광을 방출하도록 제어할 수 있다.
선택적으로, 제어 유닛은 어레이 광원의 N개의 발광 영역 중 M개를 제어하여 동시에 광을 방출하도록 구성된다.
예를 들어, 제어 유닛은 순간 T0에서 광을 방출하도록 어레이 광원의 N개의 발광 영역 중 M개를 제어할 수 있다.
선택적으로, 제어 유닛은 어레이 광원의 N개의 발광 영역 중 M개를 제어하여 M개의 상이한 순간에 광을 각각 방출하도록 구성된다.
예를 들어, M=3인 경우, 제어 유닛은 순간 T0, 순간 T1, 및 순간 T2에서 각각 광을 방출하도록 어레이 광원의 3개의 발광 영역을 제어할 수 있는데, 즉 3개의 발광 영역에서, 제1 발광 영역은 순간 T0에서 광을 방출하고, 제2 발광 영역은 순간 T1에서 광을 방출하고, 제3 발광 영역은 순간 T2에서 광을 방출한다.
선택적으로, 제어 유닛은 어레이 광원의 N개의 발광 영역 중 M개를 제어하여 M0개의 상이한 순간에서 광을 개별적으로 방출하도록 구성된다. M0은 1 초과 M 미만의 양의 정수이다.
예를 들어, M=3이고 M0=2인 경우, 제어 유닛은 순간 T0에서 광을 방출하도록 어레이 광원의 3개의 발광 영역 중 하나를 제어하고, 순간 T1에서 광을 방출하도록 어레이 광원의 3개의 발광 영역 중 다른 2개의 발광 영역을 제어할 수 있다.
본 출원의 이 실시예에서, 어레이 광원의 상이한 발광 영역들은 상이한 시간들에서 광을 방출하도록 제어되고, 빔 스플리터는 빔들을 분할하도록 제어되어, 시간 기간 내에 TOF 깊이 감지 모듈에 의해 방출되는 빔들의 양이 증가될 수 있고, 그에 의해 타깃 물체를 스캐닝하는 프로세스에서 높은 공간 해상도 및 높은 프레임 레이트를 구현한다.
선택적으로, 어레이 광원(110)의 발광 면적은 5×5mm2 이하이다.
어레이 광원(110)의 발광 면적이 5x5mm2 이하일 때, 어레이 광원(110)의 면적은 작아서, TOF 깊이 감지 모듈(100)에 의해 차지된 공간이 감소될 수 있고, TOF 깊이 감지 모듈(100)은 제한된 공간을 갖는 단말 디바이스에 설치될 수 있다.
선택적으로, 어레이 광원(110)은 반도체 레이저 광원일 수 있다.
어레이 광원(110)은 수직 공동 표면 방출 레이저(vertical cavity surface emitting laser, VCSEL)일 수 있다.
도 5는 VCSEL의 개략도이다. 도 5에 도시된 바와 같이, VCSEL은 다량의 발광 포인트(도 5의 블랙스폿 영역)를 포함하고, 각각의 발광 포인트는 제어 유닛의 제어 하에서 광을 방출할 수 있다.
선택적으로, 광원은 패브리-페롯(Fabry-Perot) 레이저(줄여서 FP 레이저라고 지칭될 수 있음)일 수 있다.
단일 FP 레이저는 단일 VCSEL보다 더 큰 전력을 구현할 수 있고, VCSEL보다 더 높은 전기-광학 변환 효율을 갖고, 이에 의해 스캐닝 효과를 개선한다.
선택적으로, 어레이 광원(110)에 의해 방출되는 빔의 파장은 900nm보다 크다.
태양광에서 파장이 900nm보다 큰 광의 강도가 약하기 때문에, 빔의 파장이 900nm보다 클 때, 태양광에 의해 야기되는 간섭이 감소될 수 있고, 그에 의해 TOF 깊이 감지 모듈의 스캐닝 효과를 개선한다.
선택적으로, 어레이 광원(110)에 의해 방출되는 빔의 파장은 940nm 또는 1550nm이다.
태양광에서 파장이 940nm 또는 1550nm에 가까운 광의 강도가 약하기 때문에, 빔의 파장이 940nm 또는 1550nm일 때, 태양광에 의해 야기되는 간섭이 크게 감소될 수 있고, 그에 의해 TOF 깊이 감지 모듈의 스캐닝 효과를 개선한다.
다음은 도 5를 참조하여, 복수의 독립적인 발광 영역을 포함하는 어레이 광원(110)을 상세히 설명한다.
도 5에 도시한 바와 같이, 어레이 광원(110)은 서로 독립적인 발광 영역(111, 112, 113, 114)을 포함한다. 각 영역에는 몇 개의 발광 유닛(1001)이 있고, 각 영역에는 몇 개의 발광 유닛(1001)이 공통 전극(1002)에 의해 접속되어 있다. 상이한 발광 영역들 내의 발광 유닛들은 상이한 전극들에 접속되어, 상이한 영역들은 서로 독립적이다.
도 5에 도시된 어레이 광원(110)에 대해, 독립적인 발광 영역들(111, 112, 113, 114)은 제어 유닛(150)를 사용하여 상이한 순간들에서 광을 개별적으로 방출하도록 제어될 수 있다. 예를 들어, 제어 유닛(150)은 순간들 t0, t1, t2, 및 t3에서 광을 각각 방출하도록 발광 영역들(111, 112, 113, 114)을 제어할 수 있다.
선택적으로, 시준 렌즈(120)의 시준된 빔은 발산 각도가 1도보다 작은 준-평행(quasi-parallel) 광일 수 있다.
시준 렌즈(120)는 하나 이상의 렌즈를 포함할 수 있다. 시준 렌즈(120)가 복수의 렌즈를 포함할 때, 시준 렌즈(120)는 시준 프로세스에서 발생되는 수차를 효과적으로 감소시킬 수 있다.
시준 렌즈(120)는 플라스틱 재료로 만들어질 수 있거나, 유리 재료로 만들어질 수 있거나, 플라스틱 재료와 유리 재료로 만들어질 수 있다. 시준 렌즈(120)가 유리 재료로 만들어질 때, 시준 렌즈는 빔을 시준하는 프로세스에서 시준 렌즈(120)의 후방 초점 길이에 대한 온도의 영향을 감소시킬 수 있다.
구체적으로, 유리 재료의 열 팽창의 계수가 작기 때문에, 시준 렌즈(120)가 유리 재료를 사용할 때, 시준 렌즈(120)의 후방 초점 길이에 대한 온도의 영향이 감소될 수 있다.
선택적으로, 시준 렌즈(120)의 명확한 조리개는 5mm 이하이다.
시준 렌즈(120)의 명확한 조리개가 5mm 이하일 때, 시준 렌즈(120)의 면적은 작아서, TOF 깊이 감지 모듈(100)에 의해 차지된 공간이 감소될 수 있고, TOF 깊이 감지 모듈(100)은 제한된 공간을 갖는 단말 디바이스에 설치될 수 있다.
도 3에 도시된 바와 같이, 수신 유닛(140)은 수신 렌즈(141)와 센서(142)를 포함할 수 있다. 수신 렌즈(141)는 반사된 빔들을 센서(142)에 수렴시키도록 구성된다.
센서(142)는 센서 어레이라고도 지칭될 수 있고, 센서 어레이는 2차원 센서 어레이일 수 있다.
선택적으로, 센서(142)의 해상도는 PxQ 이상이고, 빔 스플리터가 어레이 광원(110)의 발광 영역에 의해 방출되는 빔을 분할한 후에 획득되는 빔들의 양은 PxQ이다. P와 Q는 모두 양의 정수들이다.
센서의 해상도는 빔 스플리터(130)가 어레이 광원의 발광 영역으로부터의 빔을 분할한 후에 획득된 빔들의 양보다 크거나 같아서, 센서(142)는 타깃 물체에 의해 빔 스플리터로부터의 빔들을 반사함으로써 획득되는 반사된 빔들을 수신할 수 있고, TOF 깊이 감지 모듈은 반사된 빔들을 정상적으로 수신할 수 있다.
선택적으로, 빔 스플리터(130)는 1차원 빔 스플리터일 수 있거나, 또는 2차원 빔 스플리터일 수 있다.
실제 응용에서, 1차원 빔 스플리터 또는 2차원 빔 스플리터가 필요에 따라 선택될 수 있다.
구체적으로, 실제 응용에서, 1차원 빔 스플리터 또는 2차원 빔 스플리터가 필요에 따라 선택될 수 있고, 출사 빔이 1차원으로만 분할될 필요가 있을 때, 1차원 빔 스플리터가 사용될 수 있다. 출사 빔이 2차원으로 분할될 필요가 있을 때, 2차원 빔 스플리터가 사용될 필요가 있다.
빔 스플리터(130)가 1차원 빔 스플리터일 때, 빔 스플리터(130)는 구체적으로 원통형 렌즈 어레이 또는 1차원 격자일 수도 있다.
빔 스플리터(130)가 2차원 빔 스플리터일 때, 빔 스플리터(130)는 구체적으로 마이크로렌즈 어레이 또는 2차원 회절 광학 소자(회절 광학 소자, DOE)일 수 있다.
빔 스플리터(130)는 수지 재료 또는 유리 재료로 만들어질 수 있거나, 수지 재료 및 유리 재료로 만들어질 수 있다.
빔 스플리터(130)의 컴포넌트가 유리 재료를 포함할 때, 빔 스플리터(130)의 성능에 대한 온도의 영향이 효과적으로 감소될 수 있어, 빔 스플리터(130)가 안정한 성능을 유지한다. 구체적으로, 온도가 변할 때, 유리의 열팽창의 계수는 수지보다 낮다. 따라서, 빔 스플리터(130)가 유리 재료를 사용할 때, 빔 스플리터의 성능은 더 안정적이다.
선택적으로, 빔 스플리터(130)의 빔 입사 단부 표면의 면적은 5×5mm2보다 작다.
빔 스플리터(130)의 빔 입사 단부 표면의 면적이 5x5mm2보다 작을 때, 빔 스플리터(130)의 면적은 작아서, TOF 깊이 감지 모듈(100)에 의해 차지된 공간이 감소될 수 있고, TOF 깊이 감지 모듈(100)은 제한된 공간을 갖는 단말 디바이스에 설치될 수 있다.
선택적으로, 빔 스플리터(130)의 빔 수신 표면은 어레이 광원(110)의 빔 방출 표면에 평행하다.
빔 스플리터(130)의 빔 수신 표면이 어레이 광원(110)의 빔 방출 표면에 평행할 때, 빔 스플리터(130)는 어레이 광원(110)에 의해 방출된 빔을 더 효율적으로 수신할 수 있고, 그에 의해 빔 스플리터(130)의 빔 수신 효율을 개선한다.
도 3에 도시된 바와 같이, 수신 유닛(140)은 수신 렌즈(141)와 센서(142)를 포함할 수 있다. 이하에서는, 특정 예를 사용하여, 수신 유닛이 빔을 수신하는 방식을 설명한다.
예를 들어, 어레이 광원(110)이 4개의 발광 영역을 포함하는 경우, 수신 렌즈(141)는 4개의 상이한 순간 t4, t5, t6, t7에서 빔 스플리터(130)에 의해 각각 생성된 빔들을 타깃 물체에 의해 반사함으로써 획득되는 반사된 빔 1, 반사된 빔 2, 반사된 빔 3, 및 반사된 빔 4를 수신하고, 반사된 빔 1, 반사된 빔 2, 반사된 빔 3, 및 반사된 빔 4를 센서(142)로 전파하도록 각각 구성될 수 있다.
선택적으로, 수신 렌즈(141)는 하나 이상의 렌즈를 포함할 수 있다.
수신 렌즈(141)가 복수의 렌즈를 포함할 때, 수신 렌즈(141)가 빔을 수신할 때 발생되는 수차가 효과적으로 감소될 수 있다.
또한, 수신 렌즈(141)는 수지 재료 또는 유리 재료로 만들어질 수 있거나, 또는 수지 재료와 유리 재료로 만들어질 수 있다.
수신 렌즈(141)가 유리 재료를 포함할 때, 수신 렌즈(141)의 후방 초점 길이에 대한 온도의 영향이 효과적으로 감소될 수 있다.
센서(142)는 수신 렌즈(141)에 의해 전파되는 빔을 수신하고, 수신 렌즈(141)에 의해 전파되는 빔에 대해 광학-전기 변환을 수행하여, 광학 신호를 전기 신호로 변환하도록 구성될 수 있다. 이것은 송신단이 빔을 방출할 때와 수신단이 빔을 수신할 때 사이의 시간차(시간차는 빔의 비행 시간이라고 지칭될 수 있음)의 후속 계산, 및 타깃 물체와 시간차에 기초한 TOF 깊이 감지 모듈 사이의 거리의 계산을 용이하게 하여, 타깃 물체의 깊이 이미지를 획득한다.
센서(142)는 단일-광자 애벌란시 다이오드(single-photon avalanche diode, SPAD) 어레이일 수 있다.
SPAD는 가이거(Geiger) 모드(바이어스 전압이 항복 전압보다 높음)에서 작동하는 애벌란시 포토다이오드이다. 단일 광자가 수신된 후, 애벌란시 효과가 발생할 수 있고, 광자의 도달 시간을 검출하기 위해 펄스형 전류 신호가 순간적으로 생성된다. TOF 깊이 감지 모듈에 사용되는 SPAD 어레이가 복잡한 ??치 회로(quench circuit), 타이밍 회로, 및 저장 및 판독 유닛들을 요구하기 때문에, TOF 깊이 감지를 위해 사용되는 기존의 SPAD 어레이는 제한된 해상도를 갖는다.
타깃 물체와 TOF 깊이 감지 모듈 사이의 거리가 멀 때, 수신 렌즈에 의해 센서로 전파되는 타깃 물체의 반사된 광의 강도는 일반적으로 약하고, 센서는 높은 검출 감도를 가질 필요가 있다. SPAD가 단일-광자 검출 감도 및 피코초 정도의 응답 시간을 갖기 때문에, 본 출원에서 센서(142)로서 SPAD를 사용하는 것은 TOF 깊이 감지 모듈의 감도를 향상시킬 수 있다.
제어 유닛(150)은 어레이 광원(110) 이외에 센서(142)를 제어할 수 있다.
제어 유닛(150)은 어레이 광원(110) 및 센서(142)에 전기적으로 접속되어, 어레이 광원(110) 및 센서(142)를 제어할 수 있다.
구체적으로, 제어 유닛(150)은 센서(142)의 작동 방식을 제어할 수 있어서, M개의 상이한 순간에서, 센서의 대응하는 영역은 어레이 광원(110)의 대응하는 발광 영역에 의해 방출된 빔을 타깃 물체에 의해 반사함으로써 획득되는 반사된 빔을 각각 수신할 수 있다.
구체적으로, 수신 렌즈의 수치적인 조리개 내에 위치한, 타깃 물체의 반사된 빔의 일부는 수신 렌즈에 의해 수신되고, 센서로 전파된다. 수신 렌즈의 설계로, 센서의 각각의 픽셀은 타깃 물체의 상이한 영역들의 반사된 빔들을 수신할 수 있다.
본 출원에서, 어레이 광원은 광을 방출하기 위해 영역 내에서 제어되고, 빔 스플리터는 분할을 수행하여, 동일한 순간에 TOF 깊이 감지 모듈에 의해 방출된 빔들의 양이 증가될 수 있어, 이에 의해 타깃 물체의 최종적으로 획득된 깊이 이미지의 공간 해상도 및 높은 프레임 레이트를 향상시킨다.
도 2에 도시된 바와 같이, 본 출원의 이 실시예에서의 TOF 깊이 감지 모듈에 대해, TOF 깊이 감지 모듈 내의 투영단 및 수신단 둘 다는 타깃 물체의 동일한 측에 위치될 수 있다는 것을 이해해야 한다.
선택적으로, TOF 깊이 감지 모듈(100)의 출력 광 전력은 800mw 이하이다.
구체적으로, TOF 깊이 감지 모듈(100)의 최대 출력 광 전력 또는 평균 출력 전력은 800mw 이하이다.
TOF 깊이 감지 모듈(100)의 출력 광 전력이 800mw 이하일 때, TOF 깊이 감지 모듈(100)은 작은 전력 소비를 갖고, 단말 디바이스와 같은, 전력 소비에 민감한 디바이스에 배치될 수 있다.
이하에서는, 도 6 내지 도 10을 참조하여, 본 출원의 이 실시예에서 TOF 깊이 감지 모듈(100)이 타깃 물체의 깊이 이미지를 획득하는 프로세스를 상세히 설명한다.
도 6에 도시된 바와 같이, 좌측 도면은 어레이 광원(110)의 발광 영역의 개략도이다. 어레이 광원(110)은 4개의 발광 영역 A, B, C, 및 D를 포함하고, 4개의 발광 영역은 순간 t0, t1, t2, 및 t3에서 각각 턴온된다. 우측 도면은 어레이 광원(110)에 의해 생성된 빔이 빔 스플리터(130)에 의해 분할된 후에 투영되는 타깃 물체의 표면의 개략도이다. 각각의 스폿은 투영된 광 스폿을 나타내고, 각각의 흑색 실선 박스에 의해 둘러싸인 영역은 센서(142) 내의 픽셀에 대응하는 타깃 영역이다. 도 6에서, 빔 스플리터(130)의 대응하는 복제 순서는 4×4이고, 즉, 각각의 순간에, 어레이 광원의 영역에 의해 생성된 발광 스폿은 빔 스플리터(130)에 의해 복제된 후에 4×4 스폿들이 된다. 따라서, 빔 스플리터(130)에 의해, 동일한 순간에 투영되는 광 스폿들의 양이 크게 증가될 수 있다.
도 6에서, 타깃 물체의 상이한 위치들의 깊이 이미지들은 순간들 t0, t1, t2, 및 t3에서 어레이 광원(110)의 4개의 발광 영역을 각각 턴온함으로써 획득될 수 있다.
구체적으로, 순간 t0에서 어레이 광원(110)의 발광 영역 a에 의해 방출된 빔이 빔 스플리터(130)에 의해 분할된 후에 투영되는 타깃 물체의 표면의 개략도가 도 7에 도시된다.
순간 t1에서 어레이 광원(110)의 발광 영역 b에 의해 방출된 빔이 빔 스플리터(130)에 의해 분할된 후에 투영되는 타깃 물체의 표면의 개략도가 도 8에 도시된다.
순간 t2에서 어레이 광원(110)의 발광 영역 c에 의해 방출된 빔이 빔 스플리터(130)에 의해 분할된 후에 투영되는 타깃 물체의 표면의 개략도가 도 9에 도시된다.
순간 t3에서 어레이 광원(110)의 발광 영역 d에 의해 방출된 빔이 빔 스플리터(130)에 의해 분할된 후에 투영되는 타깃 물체의 표면의 개략도가 도 10에 도시된다.
순간들 t0, t1, t2, 및 t3에서의 타깃 물체에 대응하는 깊이 이미지들은 도 7 내지 도 10에 도시된 빔 투영에 기초하여 획득될 수 있고, 그 후 순간들 t0, t1, t2, 및 t3에서의 타깃 물체에 대응하는 깊이 이미지들이 중첩되어, 더 높은 해상도를 갖는 타깃 물체의 깊이 이미지를 획득할 수 있다.
도 3에 도시된 TOF 깊이 감지 모듈(100)에서, 시준 렌즈(120)는 어레이 광원(110)과 빔 스플리터(130) 사이에 위치될 수 있다. 어레이 광원(110)에 의해 방출된 빔이 먼저 시준 렌즈(120)에 의해 시준되고, 이어서 시준된 빔이 빔 스플리터에 의해 처리된다.
선택적으로, TOF 깊이 감지 모듈(100)에 대해, 대안적으로, 빔 스플리터(130)는 먼저 어레이 광원(110)에 의해 생성되는 빔을 직접 분할할 수 있고, 다음으로 분할 빔들은 시준 렌즈(120)에 의해 시준된다.
이하, 도 11을 참조하여 상세한 설명이 제공된다. 도 11에 도시된 TOF 깊이 감지 모듈(100) 내의 모듈들 또는 유닛들의 특정 기능들은 다음과 같다:
제어 유닛(150)은 어레이 광원(110)의 N개의 발광 영역 중 M개를 제어하여 광을 방출하도록 구성된다.
빔 스플리터(130)는 M개의 발광 영역에 의해 방출된 빔들을 분할하도록 구성된다.
시준 렌즈(120)는 빔 스플리터(130)에 의해 방출된 빔들을 시준하도록 구성된다.
수신 유닛(140)은 타깃 물체의 반사된 빔들을 수신하도록 구성된다.
M은 N 이하이고, M은 양의 정수이고, N은 1보다 큰 양의 정수이다. 빔 스플리터(130)는 구체적으로 각각의 수신된 광 빔을 복수의 광 빔으로 분할하도록 구성된다. 타깃 물체의 반사된 빔들은 시준 렌즈(120)에 의해 방출된 빔들을 타깃 물체에 의해 반사함으로써 획득된 빔들이다. M개의 발광 영역에 의해 방출되는 빔들은 M개의 발광 영역으로부터의 빔들이라고도 지칭될 수 있다.
도 11에 도시된 TOF 깊이 감지 모듈과 도 3에 도시된 TOF 깊이 감지 모듈 사이의 주요 차이는 시준 렌즈의 상이한 위치들에 있다. 도 3에 도시된 TOF 깊이 감지 모듈에서, 시준 렌즈는 어레이 광원과 빔 스플리터 사이에 위치되는 반면, 도 11에 도시된 TOF 깊이 감지 모듈에서, 빔 스플리터는 어레이 광원과 시준 렌즈 사이에 위치된다(이는 시준 렌즈가 빔 스플리터가 빔들을 방출하는 방향에 위치되는 것과 등가임).
도 11에 도시된 TOF 깊이 감지 모듈(100) 및 도 3에 도시된 TOF 깊이 감지 모듈(100)이 어레이 광원(110)에 의해 방출된 빔을 처리하는 방식들은 약간 상이하다. 도 3에 도시된 TOF 깊이 감지 모듈(100)에서, 어레이 광원(110)이 빔을 방출한 후에, 시준 렌즈(120) 및 빔 스플리터(130)는 시준 및 분할을 순차적으로 수행한다. 도 11에 도시된 TOF 깊이 감지 모듈(100)에서, 어레이 광원(110)이 빔을 방출한 후에, 빔 스플리터(130) 및 시준 렌즈(120)는 분할 및 시준을 순차적으로 수행한다.
이하에서는, 첨부 도면을 참조하여, 어레이 광원에 의해 방출되는 빔에 대해 빔 스플리터(130)에 의해 수행되는 분할을 설명한다.
도 12에 도시된 바와 같이, 어레이 광원(110)에 의해 발생된 복수의 빔이 빔 스플리터(130)에 의해 분할된 후에, 어레이 광원(110)에 의해 발생된 각각의 빔이 복수의 빔으로 분할될 수 있다. 마지막으로, 분할 후에, 더 많은 빔들이 획득된다.
도 11에 도시된 TOF 깊이 감지 모듈에 기초하여, 본 출원의 이 실시예에서의 TOF 깊이 감지 모듈(100)은 광학 소자를 추가로 포함할 수 있다. 광학 소자의 굴절률은 제어가능하다. 광학 소자는 광학 소자의 굴절률을 사용하여 단일 편광 상태의 빔을 상이한 방향들로 조정할 수 있어서, 상이한 빔들이 기계적 회전 및 진동 없이 상이한 방향들로 조사될 수 있고, 관심 있는 스캐닝된 영역이 신속하게 위치될 수 있다.
도 13은 본 출원의 실시예에 따른 TOF 깊이 감지 모듈의 구조의 개략도이다.
도 13에 도시된 TOF 깊이 감지 모듈(100) 내의 모듈들 또는 유닛들의 특정 기능들은 다음과 같다:
제어 유닛(150)은 어레이 광원(110)의 N개의 발광 영역 중 M개를 제어하여 광을 방출하도록 구성된다.
제어 유닛(150)은 광학 소자(160)의 복굴절 파라미터를 제어하여 M개의 발광 영역에 의해 방출된 빔들의 전파 방향들을 변경하도록 추가로 구성된다.
빔 스플리터(130)는 광학 소자(160)에 의해 방출된 빔들을 수신하고, 광학 소자(160)에 의해 방출된 빔들을 분할하도록 구성된다.
선택적으로, 빔 스플리터(130)는 각각의 수신된 광 빔을 복수의 광 빔으로 분할하도록 구체적으로 구성된다. 빔 스플리터(130)가 어레이 광원(110)의 발광 영역에 의해 방출된 빔을 분할한 후에 획득되는 빔의 양은 PxQ일 수 있다.
시준 렌즈(120)는 빔 스플리터(130)에 의해 방출된 빔들을 시준하도록 구성된다.
수신 유닛(140)은 타깃 물체의 반사된 빔들을 수신하도록 구성된다.
타깃 물체의 반사된 빔들은 빔 스플리터(130)에 의해 방출된 빔들을 타깃 물체에 의해 반사함으로써 획득된 빔들이다. M개의 발광 영역에 의해 방출되는 빔들은 M개의 발광 영역으로부터의 빔들이라고도 지칭될 수 있다.
도 13에서, 광학 소자(160)는 어레이 광원(110)과 빔 스플리터(130) 사이에 위치된다. 실제로, 광학 소자(160)는 대안적으로 시준 렌즈(120)와 빔 스플리터(130) 사이에 위치될 수 있는데, 이는 도 14를 참조하여 이하에 설명된다.
도 14는 본 출원의 실시예에 따른 TOF 깊이 감지 모듈의 구조의 개략도이다.
도 14에 도시된 TOF 깊이 감지 모듈(100) 내의 모듈들 또는 유닛들의 특정 기능들은 다음과 같다:
제어 유닛(150)은 어레이 광원(110)의 N개의 발광 영역 중 M개를 제어하여 광을 방출하도록 구성된다.
시준 렌즈(120)는 M개의 발광 영역에 의해 방출된 빔들을 시준하도록 구성된다.
제어 유닛(150)은 광학 소자(160)의 복굴절 파라미터를 제어하여 시준 렌즈(120)의 시준된 빔들의 전파 방향들을 변경하도록 추가로 구성된다.
빔 스플리터(130)는 광학 소자(160)에 의해 방출된 빔들을 수신하고, 광학 소자(160)에 의해 방출된 빔들을 분할하도록 구성된다.
선택적으로, 빔 스플리터(130)는 각각의 수신된 광 빔을 복수의 광 빔으로 분할하도록 구체적으로 구성된다. 빔 스플리터(130)가 어레이 광원(110)의 발광 영역에 의해 방출된 빔을 분할한 후에 획득되는 빔의 양은 PxQ일 수 있다.
시준 렌즈(120)는 빔 스플리터(130)에 의해 방출된 빔들을 시준하도록 구성된다.
수신 유닛(140)은 타깃 물체의 반사된 빔들을 수신하도록 구성된다.
타깃 물체의 반사된 빔들은 빔 스플리터(130)에 의해 방출된 빔들을 타깃 물체에 의해 반사함으로써 획득된 빔들이다. M개의 발광 영역에 의해 방출되는 빔들은 M개의 발광 영역으로부터의 빔들이라고도 지칭될 수 있다.
다음은 도 15를 참조하여 본 출원의 이 실시예에서의 TOF 깊이 감지 모듈의 작동 프로세스를 상세히 설명한다.
도 15는 본 출원의 실시예에 따른 TOF 깊이 감지 모듈의 작동의 개략도이다.
도 15에 도시된 바와 같이, TOF 깊이 감지 모듈은 투영단, 수신단, 및 제어 유닛을 포함한다. 제어 유닛은 출사 빔을 방출하도록 투영단을 제어하여 타깃 영역을 스캐닝하도록 구성된다. 제어 유닛은 스캐닝된 타깃 영역으로부터의 반사를 통해 획득된 반사된 빔을 수신할 수 있게 수신단을 제어하도록 추가로 구성된다.
투영단은 어레이 광원(110), 시준 렌즈(120), 광학 소자(160), 빔 스플리터(130), 및 투영 렌즈(선택적)를 포함한다. 수신단은 수신 렌즈(141)와 센서(142)를 포함한다. 제어 유닛(150)은 어레이 광원(110), 광학 소자(160), 및 센서(142)의 타이밍 동기화를 제어하도록 추가로 구성된다.
도 15에 도시된 TOF 깊이 감지 모듈 내의 시준 렌즈(140)는 1개 내지 4개의 렌즈를 포함할 수 있고, 시준 렌즈(140)는 어레이 광원(110)에 의해 발생된 제1 빔을 대략 평행한 광으로 변환하도록 구성된다.
도 15에 도시된 TOF 깊이 감지 모듈의 작동 절차는 다음과 같다:
(1) 시준 렌즈(120)에 의해 시준된 후에, 어레이 광원(110)에 의해 방출된 빔은 시준된 빔을 형성하고, 광학 소자(160)에 도달한다.
(2) 광학 소자(160)는 제어 유닛의 타이밍 제어에 기초하여 빔의 정돈된 편향을 구현하여, 편향된 빔이 2차원 스캐닝을 위한 각도를 갖게 한다.
(3) 광학 소자(160)의 방출된 편향된 빔은 빔 스플리터(130)에 도달한다.
(4) 빔 스플리터(130)는 각각의 각도에서 편향된 빔을 복제하여 복수의 각도에서 출사 빔들을 획득함으로써, 빔의 2차원 복제를 구현한다.
(5) 각각의 스캐닝 기간에서, 수신단은 스폿에 의해 조명되는 타깃 영역만을 이미징할 수 있다.
(6) 광학 소자가 모든 SxT 스캔을 완료한 후에, 수신단에서 2차원 어레이 센서는 SxT 이미지를 생성하고, 이 이미지는 최종적으로 프로세서에서 더 높은 해상도를 갖는 이미지로 스플라이싱된다.
본 출원의 이 실시예에서의 TOF 깊이 감지 모듈에서의 어레이 광원은 복수의 발광 영역을 가질 수 있고, 각각의 발광 영역은 독립적으로 광을 방출할 수 있다. 이하에서는, 도 16을 참조하여, TOF 깊이 감지 모듈의 어레이 광원이 복수의 발광 영역을 포함할 때 본 출원의 이 실시예에서의 TOF 깊이 감지 모듈의 작동 절차를 상세히 설명한다.
도 16은 어레이 광원의 발광 영역의 개략도이다.
어레이 광원(110)이 복수의 발광 영역을 포함할 때, 본 출원의 이 실시예에서의 TOF 깊이 감지 모듈의 작동 절차는 다음과 같다:
(1) 상이한 시간들에서 어레이 광원(110)의 상이한 발광 영역들에 의해 방출된 빔들은 시준 렌즈(120)를 통해 시준된 빔들을 형성하고, 이는 빔 스플리터(130)에 도달한다. 빔 스플리터(130)는 빔들의 정돈된 편향을 구현하기 위해 제어 유닛의 타이밍 신호에 의해 제어될 수 있어서, 출사 빔들은 2차원 스캐닝을 위한 각도들을 가질 수 있다.
(2) 시준 렌즈(120)의 시준된 빔들은 빔 스플리터(130)에 도달한다. 빔 스플리터(130)는 각각의 각도에서 입사 빔을 복제하여 복수의 각도에서 동시에 출사 빔들을 생성함으로써, 빔의 2차원 복제를 구현한다.
(3) 각각의 스캐닝 기간에서, 수신단은 스폿에 의해 조명되는 타깃 영역만을 이미징한다.
(4) 광학 소자가 모든 SxT 스캔을 완료한 후에, 수신단에서 2차원 어레이 센서는 SxT 이미지를 생성하고, 이 이미지는 최종적으로 프로세서에서 더 높은 해상도를 갖는 이미지로 스플라이싱된다.
다음은 도 16 및 도 17을 참조하여 본 출원의 이 실시예에서의 TOF 깊이 감지 모듈의 스캐닝 작동 원리를 상세히 설명한다.
도 16에 도시된 바와 같이, 111, 112, 113, 114는 어레이 광원의 독립적인 발광 영역들이고, 상이한 시간들에서 턴온될 수 있고, 115, 116, 117, 118은 어레이 광원의 상이한 독립적인 작동 영역들 내의 발광 홀들이다.
도 17은 도 16에 도시된 어레이 광원에 의해 방출된 빔을 빔 스플리터를 사용하여 분할하는 개략도이다.
도 17에 도시된 바와 같이, 120은 빔 스플리터에 의해 생성된 복제 순서(도 17의 상부 좌측 코너의 흑색 실선 박스)이고, 121은 2차원 어레이 센서의 픽셀에 대응하는 타깃 영역(121은 122, 123, 124, 및 125를 포함함)이고, 122는 빔 스플리터의 빔 스캐닝을 통해 발광 홀(115)에 의해 생성된 스폿이고, 123은 광학 소자의 빔 스캐닝을 통해 발광 홀(116)에 의해 생성된 스폿이고, 124는 광학 소자의 빔 스캐닝을 통해 발광 홀(117)에 의해 생성된 스폿이고, 125는 광학 소자의 빔 스캐닝을 통해 발광 홀(118)에 의해 생성된 스폿이다.
도 16에 도시된 어레이 광원을 갖는 TOF 깊이 감지 모듈의 특정 스캐닝 프로세스는 다음과 같다:
115만이 턴온되고, 광학 소자는 각각 빔 스캐닝을 수행하여 스폿(122)을 달성한다.
115는 턴오프되고, 116은 턴온되고, 광학 소자는 각각 빔 스캐닝을 수행하여 스폿(123)을 달성한다.
116은 턴오프되고, 117은 턴온되고, 광학 소자는 각각 빔 스캐닝을 수행하여 스폿(124)을 달성한다.
117은 턴오프되고, 118은 턴온되고, 광학 소자는 각각 빔 스캐닝을 수행하여 스폿(125)을 달성한다.
2차원 어레이 센서의 픽셀에 대응하는 타깃 영역의 스폿 스캐닝은 전술한 4개의 단계를 수행함으로써 완료될 수 있다.
도 13 내지 도 15에서의 광학 소자(160)는 액정 편광 격자, 전기-광학 컴포넌트, 음향-광학 컴포넌트, 및 광학 위상 어레이 컴포넌트와 같은 컴포넌트들 중 어느 하나일 수 있다. 액정 편광 격자, 전기-광학 컴포넌트, 음향-광학 컴포넌트, 및 광학 위상 어레이 컴포넌트와 같은 컴포넌트들의 상세한 설명에 대해서는, 다음 제1 경우 내지 제4 경우의 관련 설명을 참조한다.
전술한 것은 첨부 도면들을 참조하여 본 출원의 실시예에서의 TOF 깊이 감지 모듈을 상세히 설명하고, 이하에서는 첨부 도면들을 참조하여 본 출원의 실시예에서의 이미지 생성 방법을 설명한다.
도 18은 본 출원의 실시예에 따른 이미지 생성 방법의 개략적인 흐름도이다. 도 18에 도시된 방법은 본 출원의 실시예에서 TOF 깊이 감지 모듈을 포함하는 단말 디바이스에 의해 수행될 수 있다. 구체적으로, 도 18에 도시된 방법은 도 3에 도시된 TOF 깊이 감지 모듈을 포함하는 단말 디바이스에 의해 수행될 수 있다. 도 18에 도시된 방법은 단계들 2001 내지 2006을 포함하며, 이들은 아래에 상세히 설명된다.
2001. 제어 유닛을 사용하여, M개의 상이한 순간에서 광을 각각 방출하도록 어레이 광원의 N개의 발광 영역 중 M개를 제어한다.
M은 N 이하이고, M은 양의 정수이고, N은 1보다 큰 양의 정수이다.
단계 2001에서, 어레이 광원의 발광은 제어 유닛을 사용하여 제어될 수 있다.
구체적으로, 제어 유닛은 M개의 순간에서 어레이 광원의 M개의 발광 영역에 제어 신호들을 각각 전송하여, M개의 상이한 순간에서 광을 각각 방출하도록 M개의 발광 영역을 제어할 수 있다.
예를 들어, 도 6에 도시된 바와 같이, 어레이 광원(110)은 4개의 독립적인 발광 영역 A, B, C, 및 D를 포함한다. 이 경우, 제어 유닛은 순간 t0, t1, t2, 및 t3에서 4개의 독립적인 발광 영역 A, B, C, 및 D에 제어 신호들을 각각 전송하여, 4개의 독립적인 발광 영역 A, B, C, 및 D가 순간 t0, t1, t2, 및 t3에서 광을 각각 방출하게 할 수 있다.
2002. 시준 렌즈를 사용하여, M개의 상이한 순간에서 M개의 발광 영역에 의해 각각 생성되는 빔들을 시준하여, 시준된 빔들을 획득한다.
도 6은 여전히 예로서 사용된다. 어레이 광원의 4개의 독립적인 발광 영역들 A, B, C, 및 D가 순간들 t0, t1, t2, 및 t3에서 빔들을 각각 방출할 때, 시준 렌즈는 순간들 t0, t1, t2, 및 t3에서 발광 영역들 A, B, C, 및 D에 의해 각각 방출되는 빔들을 시준하여, 시준된 빔들을 획득할 수 있다.
2003. 빔 스플리터를 사용하여 시준된 빔들을 분할한다.
빔 스플리터는 구체적으로 각각의 수신된 광 빔을 복수의 광 빔으로 분할할 수 있다. 빔 스플리터가 어레이 광원의 발광 영역으로부터의 빔을 분할한 후에 획득되는 빔의 양은 PxQ일 수 있다.
도 6에 도시된 바와 같이, 어레이 광원의 발광 영역들 A, B, C, 및 D는 각각 순간 t0, t1, t2, 및 t3에서 빔들을 방출한다. 이 경우에, 순간들 t0, t1, t2, 및 t3에서 발광 영역들 A, B, C, 및 D에 의해 각각 방출된 빔들은 시준 렌즈에 의해 처리되고, 그 후 처리를 위해 빔 스플리터에 입사된다. 빔 스플리터에 의한 발광 영역들 A, B, C, 및 D에 대해 수행된 분할의 결과가 도 6의 우측에 도시될 수 있다.
선택적으로, 단계 2003에서의 분할은 구체적으로: 빔 스플리터를 사용하여 시준된 빔들에 대해 1차원 또는 2차원 분할을 수행하는 것을 포함한다.
2004. 수신 유닛을 사용하여 타깃 물체의 반사된 빔들을 수신한다.
타깃 물체의 반사된 빔들은 타깃 물체에 의해 빔 스플리터로부터의 빔들을 반사함으로써 획득된 빔들이다.
선택적으로, 단계 2004에서의 수신 유닛은 수신 렌즈와 센서를 포함한다. 단계 2004에서 수신 유닛을 사용하여 타깃 물체의 반사된 빔들을 수신하는 단계는: 수신 렌즈를 사용하여 타깃 물체의 반사된 빔들을 센서로 수렴시키는 단계를 포함한다. 본 명세서에서 센서는 센서 어레이라고도 지칭할 수 있고, 센서 어레이는 2차원 센서 어레이일 수 있다.
선택적으로, 센서의 해상도는 PxQ 이상이고, 빔 스플리터가 어레이 광원의 발광 영역으로부터의 빔을 분할한 후에 획득되는 빔들의 양은 PxQ이다.
P와 Q는 모두 양의 정수들이다. 센서의 해상도는 빔 스플리터가 어레이 광원의 발광 영역으로부터의 빔을 분할한 후에 획득된 빔들의 양 이상이어서, 센서는 타깃 물체에 의해 빔 스플리터로부터의 빔들을 반사함으로써 획득되는 반사된 빔들을 수신할 수 있고, TOF 깊이 감지 모듈은 반사된 빔들을 정상적으로 수신할 수 있다.
2005. M개의 상이한 순간에서 어레이 광원의 M개의 발광 영역에 의해 각각 방출되는 빔들에 대응하는 TOF들에 기초하여 M개의 깊이 이미지를 생성한다.
M개의 상이한 순간에서 어레이 광원의 M개의 발광 영역에 의해 각각 방출되는 빔들에 대응하는 TOF는 구체적으로 M개의 상이한 순간에서 어레이 광원의 M개의 발광 영역에 의해 각각 방출되는 빔들의 방출 순간들과 대응하는 반사된 빔들의 수신 순간들 사이의 시간차 정보를 지칭할 수 있다.
예를 들어, 어레이 광원은 3개의 발광 영역 A, B, 및 C를 포함하고, 발광 영역 A는 순간 T0에서 빔을 방출하고, 발광 영역 B는 순간 T1에서 빔을 방출하고, 발광 영역 C는 순간 T2에서 빔을 방출한다. 이 경우에, 순간 T0에서 발광 영역 A에 의해 방출되는 빔에 대응하는 TOF는 구체적으로, 순간 T0과, 순간 T0에서 발광 영역 A에 의해 방출된 빔이 시준 렌즈에 의해 시준되고, 빔 스플리터에 의해 분할되고, 타깃 물체에 도달할 때 타깃 물체에 의해 반사된 후에 수신 유닛에 최종적으로 도달하는(또는 수신 유닛에 의해 수신되는) 순간 사이의 시간차 정보를 지칭할 수 있다. 순간 T1에서 발광 영역 B에 의해 방출되는 빔에 대응하는 TOF와 순간 T2에서 발광 영역 C에 의해 방출되는 빔에 대응하는 TOF는 유사한 의미들을 갖는다. 선택적으로, M개의 깊이 이미지는 각각 타깃 물체의 M개의 영역 세트에 대응하는 깊이 이미지들이고, M개의 영역 세트 중 임의의 2개 사이에 비중첩 영역이 존재한다.
선택적으로, 단계 2005에서 타깃 물체의 M개의 깊이 이미지를 생성하는 단계는 구체적으로 다음을 포함한다:
2005a. M개의 상이한 순간에서 M개의 발광 영역에 의해 각각 방출되는 빔들에 대응하는 TOF들에 기초하여 TOF 깊이 감지 모듈과 타깃 물체의 M개의 영역 사이의 거리들을 결정한다.
2005b. TOF 깊이 감지 모듈과 타깃 물체의 M개의 영역 사이의 거리들에 기초하여 타깃 물체의 M개의 영역의 깊이 이미지들을 생성한다.
2006. M개의 깊이 이미지에 기초하여 타깃 물체의 최종 깊이 이미지를 획득한다.
구체적으로, 단계 2006에서, M개의 깊이 이미지가 스플라이싱되어 타깃 물체의 깊이 이미지를 획득할 수 있다.
예를 들어, 순간들 t0 내지 t3에서의 타깃 물체의 깊이 이미지들은 단계들 2001 내지 2005를 수행함으로써 획득된다. 4개의 순간에서의 깊이 이미지들이 도 19에 도시된다. 도 19에 도시된 순간들 t0 내지 t3에서의 깊이 이미지들을 스플라이싱하여 도 69에 도시될 수 있는 타깃 물체의 최종 깊이 이미지를 획득한다.
TOF 깊이 감지 모듈의 상이한 구조들은 이미지 생성 방법의 상이한 프로세스들에 대응한다. 이하에서는 도 20을 참조하여 본 출원의 실시예에서의 이미지 생성 방법을 상세히 설명한다.
도 20은 본 출원의 실시예에 따른 이미지 생성 방법의 개략적인 흐름도이다. 도 20에 도시된 방법은 본 출원의 실시예에서 TOF 깊이 감지 모듈을 포함하는 단말 디바이스에 의해 수행될 수 있다. 구체적으로, 도 20에 도시된 방법은 도 11에 도시된 TOF 깊이 감지 모듈을 포함하는 단말 디바이스에 의해 수행될 수 있다. 도 20에 도시된 방법은 단계들 3001 내지 3006을 포함하며, 이들은 아래에 상세히 설명된다.
3001. 제어 유닛을 사용하여, M개의 상이한 순간에서 광을 각각 방출하도록 어레이 광원의 N개의 발광 영역 중 M개를 제어한다.
N개의 발광 영역은 서로 중첩하지 않고, M은 N 이하이고, M은 양의 정수이고, N은 1보다 큰 양의 정수이다.
제어 유닛을 사용하여, M개의 상이한 순간에서 광을 각각 방출하도록 어레이 광원의 N개의 발광 영역 중 M개를 제어하는 것은, 구체적으로 제어 유닛을 사용하여, M개의 상이한 순간에서 광을 순차적으로 방출하도록 M개의 발광 영역을 제어하는 것일 수 있다.
예를 들어, 도 16에 도시된 바와 같이, 어레이 광원은 4개의 발광 영역(111, 112, 113, 114)을 포함한다. 이 경우, 제어 유닛은 순간들 T0, T1, 및 T2에서 광을 각각 방출하도록 111, 112, 및 113을 제어할 수 있다. 대안적으로, 제어 유닛은 순간들 T0, T1, T2, 및 T3에서 광을 각각 방출하도록 111, 112, 113, 및 114를 제어할 수 있다.
3002. 빔 스플리터를 사용하여, M개의 상이한 순간에서 M개의 발광 영역에 의해 각각 생성되는 빔들을 분할한다.
빔 스플리터는 구체적으로 각각의 수신된 광 빔을 복수의 광 빔으로 분할하도록 구성된다.
빔 스플리터를 사용하여, M개의 상이한 순간에서 M개의 발광 영역에 의해 각각 생성되는 빔들을 분할하는 것은, 구체적으로 빔 스플리터를 사용하여, M개의 상이한 순간에서 M개의 발광 영역에 의해 생성되는 빔들을 각각 분할하는 것일 수 있다.
예를 들어, 도 16에 도시된 바와 같이, 어레이 광원은 4개의 발광 영역(111, 112, 113, 114)을 포함하고, 제어 유닛은 순간들 T0, T1 및 T2에서 광을 각각 방출하도록 111, 112, 및 113을 제어할 수 있다. 이 경우, 빔 스플리터는 순간 T0에서 111에 의해 방출되는 빔을 분할하고, 순간 T1에서 112에 의해 방출되는 빔을 분할하고, 순간 T2에서 112에 의해 방출되는 빔을 분할할 수 있다(빔에 의해 발광 영역으로부터 빔 스플리터에 도달하는 데 요구되는 시간은 여기서 생략된다는 것을 이해해야 한다).
선택적으로, 단계 3002에서의 분할은 구체적으로: 빔 스플리터를 사용하여, M개의 상이한 순간에서 M개의 발광 영역에 의해 생성되는 빔들에 대해 1차원 또는 2차원 분할을 각각 수행하는 것을 포함한다.
3003. 시준 렌즈를 사용하여 빔 스플리터로부터의 빔들을 시준한다.
예를 들어, 도 16은 여전히 예로서 사용된다. 빔 스플리터는 순간들 T0, T1, 및 T2에서 111, 112, 및 113에 의해 방출되는 빔들을 각각 분할한다. 이 경우, 시준 렌즈는 빔 스플리터가 111에 대해 분할을 수행한 후에 획득된 빔들을 순간 T0에서 시준하고, 빔 스플리터가 112에 대해 분할을 수행한 후에 획득된 빔들을 순간 T1에서 시준하고, 빔 스플리터가 113에 대해 분할을 수행한 후에 획득된 빔들을 순간 T2에서 시준할 수 있다.
3004. 수신 유닛을 사용하여 타깃 물체의 반사된 빔들을 수신한다.
타깃 물체의 반사된 빔들은 타깃 물체에 의해 시준 렌즈로부터의 빔들을 반사함으로써 획득된 빔들이다.
선택적으로, 단계 3004에서의 수신 유닛은 수신 렌즈와 센서를 포함한다. 단계 3004에서 수신 유닛을 사용하여 타깃 물체의 반사된 빔들을 수신하는 단계는: 수신 렌즈를 사용하여 타깃 물체의 반사된 빔들을 센서로 수렴시키는 단계를 포함한다. 본 명세서에서 센서는 센서 어레이라고도 지칭할 수 있고, 센서 어레이는 2차원 센서 어레이일 수 있다.
선택적으로, 센서의 해상도는 PxQ 이상이고, 빔 스플리터가 어레이 광원의 발광 영역으로부터의 빔을 분할한 후에 획득되는 빔들의 양은 PxQ이다.
P와 Q는 모두 양의 정수들이다. 센서의 해상도는 빔 스플리터가 어레이 광원의 발광 영역으로부터의 빔을 분할한 후에 획득된 빔들의 양 이상이어서, 센서는 타깃 물체에 의해 빔 스플리터로부터의 빔들을 반사함으로써 획득되는 반사된 빔을 수신할 수 있고, TOF 깊이 감지 모듈은 반사된 빔들을 정상적으로 수신할 수 있다.
3005. M개의 상이한 순간에서 어레이 광원의 M개의 발광 영역에 의해 각각 방출되는 빔들에 대응하는 TOF들에 기초하여 M개의 깊이 이미지를 생성한다.
M개의 상이한 순간에서 어레이 광원의 M개의 발광 영역에 의해 각각 방출되는 빔들에 대응하는 TOF는 구체적으로 M개의 상이한 순간에서 어레이 광원의 M개의 발광 영역에 의해 각각 방출되는 빔들의 방출 순간들과 대응하는 반사된 빔들의 수신 순간들 사이의 시간차 정보를 지칭할 수 있다.
예를 들어, 어레이 광원은 3개의 발광 영역 A, B, 및 C를 포함하고, 발광 영역 A는 순간 T0에서 빔을 방출하고, 발광 영역 B는 순간 T1에서 빔을 방출하고, 발광 영역 C는 순간 T2에서 빔을 방출한다. 이 경우에, 순간 T0에서 발광 영역 A에 의해 방출되는 빔에 대응하는 TOF는 구체적으로, 순간 T0과, 순간 T0에서 발광 영역 A에 의해 방출된 빔이 시준 렌즈에 의해 시준되고, 빔 스플리터에 의해 분할되고, 타깃 물체에 도달할 때 타깃 물체에 의해 반사된 후에 수신 유닛에 최종적으로 도달하는(또는 수신 유닛에 의해 수신되는) 순간 사이의 시간차 정보를 지칭할 수 있다. 순간 T1에서 발광 영역 B에 의해 방출되는 빔에 대응하는 TOF와 순간 T2에서 발광 영역 C에 의해 방출되는 빔에 대응하는 TOF는 유사한 의미들을 갖는다.
M개의 깊이 이미지는 각각 타깃 물체의 M개의 영역 세트에 대응하는 깊이 이미지들이고, M개의 영역 세트 중 임의의 2개 사이에 비중첩 영역이 존재한다.
선택적으로, 단계 3005에서 M개의 깊이 이미지를 생성하는 단계는 다음을 포함한다:
3005a. M개의 상이한 순간에서 M개의 발광 영역에 의해 각각 방출되는 빔들에 대응하는 TOF들에 기초하여 TOF 깊이 감지 모듈과 타깃 물체의 M개의 영역 사이의 거리들을 결정한다.
3005b. TOF 깊이 감지 모듈과 타깃 물체의 M개의 영역 사이의 거리들에 기초하여 타깃 물체의 M개의 영역의 깊이 이미지들을 생성한다.
3006. M개의 깊이 이미지에 기초하여 타깃 물체의 최종 깊이 이미지를 획득한다.
구체적으로, 단계 3006에서 타깃 물체의 최종 깊이 이미지를 획득하는 단계는: M개의 깊이 이미지를 스플라이싱하여 타깃 물체의 깊이 이미지를 획득하는 단계를 포함한다.
예를 들어, 단계들 3001 내지 3005의 프로세스에서 획득된 깊이 이미지들이 도 68에 도시될 수 있다. 도 68은 순간들 t0 내지 t3에 대응하는 깊이 이미지들을 도시한다. 순간들 t0 내지 t3에 대응하는 깊이 이미지들은 스플라이싱되어, 도 69에 도시된 바와 같이, 타깃 물체의 최종 깊이 이미지를 획득할 수 있다.
본 출원의 이 실시예에서, 어레이 광원의 상이한 발광 영역들은 상이한 시간들에서 광을 방출하도록 제어되고, 빔 스플리터는 빔들을 분할하도록 제어되어, 시간 기간 내에 TOF 깊이 감지 모듈에 의해 방출된 빔들의 양이 증가될 수 있고, 복수의 깊이 이미지가 획득되고, 복수의 깊이 이미지를 스플라이싱함으로써 획득된 최종 깊이 이미지는 높은 공간 해상도 및 높은 프레임 레이트를 갖는다.
도 20에 도시된 방법의 주요 처리 프로세스는 도 18에 도시된 방법의 것과 유사하고, 주요 차이는 다음과 같다: 도 20에 도시된 방법에서, 빔 스플리터는 먼저 어레이 광원에 의해 방출된 빔들을 분할하기 위해 사용되고, 그 후 시준 렌즈는 분할된 빔들을 시준하기 위해 사용된다. 도 18에 도시된 방법에서, 시준 렌즈는 먼저 어레이 광원에 의해 방출된 빔들을 시준하기 위해 사용되고, 이어서 빔 스플리터는 시준된 빔들을 분할하기 위해 사용된다.
본 출원의 이 실시예에서의 이미지 생성 방법이 단말 디바이스에 의해 수행될 때, 단말 디바이스는 상이한 작동 모드들을 가질 수 있고, 상이한 작동 모드들에서, 어레이 광원은 상이한 발광 방식들 및 후속하여 타깃 물체의 최종 깊이 이미지를 생성하는 상이한 방식들을 갖는다. 다음은 상이한 작동 모드들에서 타깃 물체의 최종 깊이 이미지를 획득하는 방법을 첨부 도면들을 참조하여 상세히 설명한다.
도 21은 본 출원의 실시예에 따른 이미지 생성 방법의 개략적인 흐름도이다.
도 21에 도시된 방법은 단계들 4001 내지 4003을 포함하며, 이들은 아래에 상세히 설명된다.
4001. 단말 디바이스의 작동 모드를 결정한다.
단말 디바이스는 제1 작동 모드와 제2 작동 모드를 포함한다. 제1 작동 모드에서, 제어 유닛은 어레이 광원의 N개의 발광 영역 중 L개가 동시에 광을 방출하도록 제어할 수 있다. 제2 작동 모드에서, 제어 유닛은 M개의 상이한 순간에서 광을 방출하도록 어레이 광원의 N개의 발광 영역 중 M개를 제어할 수 있다.
단계 4001에서 단말 디바이스가 제1 작동 모드에서 작동한다고 결정될 때, 단계 4002가 수행된다는 것을 이해해야 한다. 단계 4001에서 단말 디바이스가 제2 작동 모드에서 작동한다고 결정될 때, 단계 4003이 수행된다.
다음은 단계 4001에서 단말 디바이스의 작동 모드를 결정하는 특정 프로세스를 상세히 설명한다.
선택적으로, 단계 4001에서 단말 디바이스의 작동 모드를 결정하는 단계는: 사용자의 작동 모드 선택 정보에 기초하여 단말 디바이스의 작동 모드를 결정하는 단계를 포함한다.
사용자의 작동 모드 선택 정보는 제1 작동 모드와 제2 작동 모드 중 하나를 단말 디바이스의 작동 모드로서 선택하는데 사용된다.
구체적으로, 이미지 생성 방법이 단말 디바이스에 의해 수행될 때, 단말 디바이스는 사용자로부터 사용자의 작동 모드 선택 정보를 획득할 수 있다. 예를 들어, 사용자는 단말 디바이스의 동작 인터페이스를 사용하여 사용자의 작동 모드 선택 정보를 입력할 수 있다.
위에서, 단말 디바이스의 작동 모드는 사용자의 작동 모드 선택 정보에 기초하여 결정되어, 사용자는 단말 디바이스의 작동 모드를 유연하게 선택하고 결정할 수 있다.
선택적으로, 단계 4001에서 단말 디바이스의 작동 모드를 결정하는 단계는: 단말 디바이스와 타깃 물체 사이의 거리에 기초하여 단말 디바이스의 작동 모드를 결정하는 단계를 포함한다.
구체적으로, 단말 디바이스와 타깃 물체 사이의 거리가 미리 설정된 거리 이하일 때, 단말 디바이스가 제1 작동 모드에서 작동한다고 결정될 수 있다. 단말 디바이스와 타깃 물체 사이의 거리가 미리 설정된 거리보다 클 때, 단말 디바이스가 제2 작동 모드에서 작동한다고 결정될 수 있다.
단말 디바이스와 타깃 물체 사이의 거리가 작을 때, 어레이 광원은 복수의 빔을 타깃 물체에 동시에 방출하기에 충분한 발광 전력을 갖는다. 따라서, 단말 디바이스와 타깃 물체 사이의 거리가 작을 때, 제1 작동 모드는 어레이 광원의 복수의 발광 영역이 동시에 광을 방출할 수 있도록 사용되어, 후속하여 타깃 물체의 더 많은 영역들의 깊이 정보를 획득한다. 이러한 방식으로, 타깃 물체의 깊이 이미지의 프레임 레이트는 타깃 물체의 깊이 이미지의 고정된 해상도에서 증가될 수 있다.
단말 디바이스와 타깃 물체 사이의 거리가 클 때, 어레이 광원의 총 전력이 제한되기 때문에, 제2 작동 모드에서 타깃 물체의 깊이 이미지가 획득될 수 있다. 구체적으로, 어레이 광원은 상이한 시간들에서 빔들을 방출하도록 제어되어, 상이한 시간들에서 어레이 광원에 의해 방출된 빔들은 또한 타깃 물체에 도달할 수 있다. 이러한 방식으로, 단말 디바이스가 타깃 물체로부터 멀리 있을 때, 타깃 물체의 상이한 영역들의 깊이 정보가 상이한 시간들에서 여전히 획득되어, 타깃 물체의 깊이 이미지를 획득할 수 있다.
선택적으로, 단계 4001에서 단말 디바이스의 작동 모드를 결정하는 단계는: 타깃 물체가 위치되는 장면에 기초하여 단말 디바이스의 작동 모드를 결정하는 단계를 포함한다.
구체적으로, 단말 디바이스가 실내 장면에 있을 때, 단말 디바이스가 제1 작동 모드에서 작동한다고 결정될 수 있다. 단말 디바이스가 실외 장면에 있을 때, 단말 디바이스가 제2 작동 모드에서 작동한다고 결정될 수 있다.
단말 디바이스가 실내 장면에 있을 때, 단말 디바이스와 타깃 물체 사이의 거리는 작고, 외부 잡음은 약하다. 따라서, 어레이 광원은 복수의 빔을 타깃 물체에 동시에 방출하기에 충분한 발광 전력을 갖는다. 따라서, 단말 디바이스와 타깃 물체 사이의 거리가 작을 때, 제1 작동 모드는 어레이 광원의 복수의 발광 영역이 동시에 광을 방출할 수 있도록 사용되어, 후속하여 타깃 물체의 더 많은 영역들의 깊이 정보를 획득한다. 이러한 방식으로, 타깃 물체의 깊이 이미지의 프레임 레이트는 타깃 물체의 깊이 이미지의 고정된 해상도에서 증가될 수 있다.
단말 디바이스가 실외 장면에 있을 때, 단말 디바이스와 타깃 물체 사이의 거리가 크고, 외부 잡음이 크다. 또한, 어레이 광원의 총 전력이 제한된다. 따라서, 타깃 물체의 깊이 이미지는 제2 작동 모드에서 획득될 수 있다. 구체적으로, 어레이 광원은 상이한 시간들에서 빔들을 방출하도록 제어되어, 상이한 시간들에서 어레이 광원에 의해 방출된 빔들은 또한 타깃 물체에 도달할 수 있다. 이러한 방식으로, 단말 디바이스가 타깃 물체로부터 멀리 있을 때, 타깃 물체의 상이한 영역들의 깊이 정보가 상이한 시간들에서 여전히 획득되어, 타깃 물체의 깊이 이미지를 획득할 수 있다.
위에서, 단말 디바이스의 작동 모드는 단말 디바이스와 타깃 물체 또는 타깃 물체가 위치하는 장면 사이의 거리에 기초하여 유연하게 결정될 수 있어, 단말 디바이스는 적절한 작동 모드에서 작동한다.
4002. 제1 작동 모드에서 타깃 물체의 최종 깊이 이미지를 획득한다.
4003. 제2 작동 모드에서 타깃 물체의 최종 깊이 이미지를 획득한다.
본 출원의 이 실시예에서, 이미지 생성 방법은 상이한 작동 모드들을 갖는다. 따라서, 제1 작동 모드 또는 제2 작동 모드는 상이한 상황들에 기초하여 선택되어 타깃 물체의 깊이 이미지를 생성함으로써, 타깃 물체의 깊이 이미지를 생성하는 유연성을 향상시킬 수 있다. 또한, 양쪽 작동 모드에서, 타깃 물체의 고해상도 깊이 이미지가 획득될 수 있다.
이하에서는, 도 22를 참조하여, 제1 작동 모드에서 타깃 물체의 최종 깊이 이미지를 획득하는 프로세스를 상세히 설명한다.
도 22는 제1 작동 모드에서 타깃 물체의 최종 깊이 이미지를 획득하는 개략적인 흐름도이다. 도 22에 도시된 프로세스는 단계들 4002A 내지 4002E를 포함하며, 이들은 아래에 상세히 설명된다.
4002A. 어레이 광원의 N개의 발광 영역 중 L개가 동시에 광을 방출하도록 제어한다.
L은 N 이하이고, L은 양의 정수이고, N은 1보다 큰 양의 정수이다.
단계 4002A에서, 제어 유닛은 어레이 광원의 N개의 발광 영역 중 L개가 동시에 광을 방출하도록 제어할 수 있다. 구체적으로, 제어 유닛은 순간 T에서 어레이 광원의 N개의 발광 영역 중 L개에 제어 신호를 전송하여, 순간 T에서 광을 방출하도록 L개의 발광 영역을 제어할 수 있다.
예를 들어, 어레이 광원은 4개의 독립적인 발광 영역 A, B, C, 및 D를 포함한다. 이 경우, 제어 유닛은 순간 T에서 4개의 독립적인 발광 영역 A, B, C, 및 D에 제어 신호를 전송하여, 4개의 독립적인 발광 영역 A, B, C, 및 D가 순간 T에서 광을 방출할 수 있다.
4002B. 시준 렌즈를 사용하여, L개의 발광 영역에 의해 방출된 빔들을 시준한다.
어레이 광원이 4개의 독립적인 발광 영역 A, B, C, 및 D를 포함한다고 가정하면, 시준 렌즈는 순간 T에서 어레이 광원의 발광 영역들 A, B, C, 및 D에 의해 방출되는 빔들을 시준하여 시준된 빔들을 획득할 수 있다.
단계 4002B에서, 시준 렌즈는 대략 평행한 빔들이 획득될 수 있도록 빔들을 시준하고, 그에 의해 빔들의 전력 밀도들을 개선하고, 후속하여 빔들에 의한 스캐닝의 효과를 추가로 개선한다.
4002C. 빔 스플리터를 사용하여 시준 렌즈의 시준된 빔들을 분할한다.
빔 스플리터는 구체적으로 각각의 수신된 광 빔을 복수의 광 빔으로 분할하도록 구성된다.
4002D. 수신 유닛을 사용하여 타깃 물체의 반사된 빔들을 수신한다.
타깃 물체의 반사된 빔들은 타깃 물체에 의해 빔 스플리터로부터의 빔들을 반사함으로써 획득된 빔들이다.
4002E. L개의 발광 영역에 의해 방출된 빔들에 대응하는 TOF들에 기초하여 타깃 물체의 최종 깊이 이미지를 획득한다.
L개의 발광 영역에 의해 방출되는 빔들에 대응하는 TOF들은 구체적으로 순간 T와, 순간 T에서 어레이 광원의 L개의 발광 영역에 의해 방출되는 빔들에 대응하는 반사된 빔들의 수신 순간들 사이의 시간차 정보를 지칭할 수 있다.
선택적으로, 수신 유닛은 수신 렌즈와 센서를 포함한다. 단계 4002D에서 수신 유닛을 사용하여 타깃 물체의 반사된 빔들을 수신하는 단계는: 수신 렌즈를 사용하여 타깃 물체의 반사된 빔들을 센서로 수렴시키는 단계를 포함한다.
센서는 센서 어레이라고도 지칭될 수 있고, 센서 어레이는 2차원 센서 어레이일 수 있다.
선택적으로, 센서의 해상도는 PxQ보다 크고, 빔 스플리터가 어레이 광원의 발광 영역으로부터의 빔을 분할한 후에 획득되는 빔들의 양은 PxQ이다.
P와 Q는 모두 양의 정수들이다. 센서의 해상도는 빔 스플리터가 어레이 광원의 발광 영역으로부터의 빔을 분할한 후에 획득된 빔들의 양보다 크므로, 센서는 타깃 물체에 의해 빔 스플리터로부터의 빔들을 반사함으로써 획득되는 반사된 빔들을 수신할 수 있고, TOF 깊이 감지 모듈은 반사된 빔들을 정상적으로 수신할 수 있다.
선택적으로, 단계 4002E에서 타깃 물체의 최종 깊이 이미지를 생성하는 단계는 구체적으로 다음을 포함한다:
(1) L개의 발광 영역에 의해 방출된 빔들에 대응하는 TOF들에 기초하여 타깃 물체의 L개의 영역의 깊이 이미지들을 생성하는 단계; 및
(2) 타깃 물체의 L개의 영역의 깊이 이미지들에 기초하여 타깃 물체의 깊이 이미지를 합성하는 단계.
도 22에 도시된 방법은 도 3에 도시된 TOF 깊이 감지 모듈 또는 도 3에 도시된 TOF 깊이 감지 모듈을 포함하는 단말 디바이스에 의해 수행될 수 있다.
제1 작동 모드에서 타깃 물체의 최종 깊이 이미지를 획득하는 프로세스는 TOF 깊이 감지 모듈 내의 시준 렌즈와 빔 스플리터 사이의 상대 위치 관계에 따라 변한다. 이하에서는, 도 23을 참조하여, 제1 작동 모드에서 타깃 물체의 최종 깊이 이미지를 획득하는 프로세스를 설명한다.
도 23은 제1 작동 모드에서 타깃 물체의 최종 깊이 이미지를 획득하는 개략적인 흐름도이다. 도 23에 도시된 프로세스는 단계들 4002a 내지 4002e를 포함하며, 이들은 아래에 상세히 설명된다.
4002a. 어레이 광원의 N개의 발광 영역 중 L개가 동시에 광을 방출하도록 제어한다.
L은 N 이하이고, L은 양의 정수이고, N은 1보다 큰 양의 정수이다.
단계 4002a에서, 제어 유닛은 어레이 광원의 N개의 발광 영역 중 L개가 동시에 광을 방출하도록 제어할 수 있다. 구체적으로, 제어 유닛은 순간 T에서 어레이 광원의 N개의 발광 영역 중 L개에 제어 신호를 전송하여, 순간 T에서 광을 방출하도록 L개의 발광 영역을 제어할 수 있다.
예를 들어, 어레이 광원은 4개의 독립적인 발광 영역 A, B, C, 및 D를 포함한다. 이 경우, 제어 유닛은 순간 T에서 4개의 독립적인 발광 영역 A, B, C, 및 D에 제어 신호를 전송하여, 4개의 독립적인 발광 영역 A, B, C, 및 D가 순간 T에서 광을 방출할 수 있다.
4002b. 빔 스플리터를 사용하여 L개의 발광 영역의 빔들을 분할한다.
빔 스플리터는 구체적으로 각각의 수신된 광 빔을 복수의 광 빔으로 분할하도록 구성된다.
4002c. 시준 렌즈를 사용하여 빔 스플리터로부터의 빔들을 시준하여 시준된 빔들을 획득한다.
4002d. 수신 유닛을 사용하여 타깃 물체의 반사된 빔들을 수신한다.
타깃 물체의 반사된 빔들은 타깃 물체에 의해 시준된 빔들을 반사함으로써 획득된 빔들이다.
4002e. L개의 발광 영역에 의해 방출된 빔들에 대응하는 TOF들에 기초하여 타깃 물체의 최종 깊이 이미지를 획득한다.
L개의 발광 영역에 의해 방출되는 빔들에 대응하는 TOF들은 구체적으로 순간 T와, 순간 T에서 어레이 광원의 L개의 발광 영역에 의해 방출되는 빔들에 대응하는 반사된 빔들의 수신 순간들 사이의 시간차 정보를 지칭할 수 있다.
선택적으로, 수신 유닛은 수신 렌즈와 센서를 포함한다. 단계 4002d에서 수신 유닛을 사용하여 타깃 물체의 반사된 빔들을 수신하는 단계는: 수신 렌즈를 사용하여 타깃 물체의 반사된 빔들을 센서로 수렴시키는 단계를 포함한다.
센서는 센서 어레이라고도 지칭될 수 있고, 센서 어레이는 2차원 센서 어레이일 수 있다.
선택적으로, 센서의 해상도는 PxQ보다 크고, 빔 스플리터가 어레이 광원의 발광 영역으로부터의 빔을 분할한 후에 획득되는 빔들의 양은 PxQ이다.
P와 Q는 모두 양의 정수들이다. 센서의 해상도는 빔 스플리터가 어레이 광원의 발광 영역으로부터의 빔을 분할한 후에 획득된 빔들의 양보다 크므로, 센서는 타깃 물체에 의해 빔 스플리터로부터의 빔들을 반사함으로써 획득되는 반사된 빔을 수신할 수 있고, TOF 깊이 감지 모듈은 반사된 빔을 정상적으로 수신할 수 있다.
선택적으로, 단계 4002e에서 타깃 물체의 최종 깊이 이미지를 생성하는 단계는 구체적으로 다음을 포함한다:
(1) L개의 발광 영역에 의해 방출된 빔들에 대응하는 TOF들에 기초하여 타깃 물체의 L개의 영역의 깊이 이미지들을 생성하는 단계; 및
(2) 타깃 물체의 L개의 영역의 깊이 이미지들에 기초하여 타깃 물체의 깊이 이미지를 합성하는 단계.
도 23에 도시된 프로세스와 도 22에 도시된 프로세스 양쪽 모두는 제1 작동 모드에서 타깃 물체의 최종 깊이 이미지를 획득하는 방법을 참조하고, 주요 차이는 다음과 같다: 도 23에서, 빔 스플리터는 먼저 어레이 광원에 의해 방출된 빔들을 분할하는데 사용되고, 그 다음, 시준 렌즈는 분할된 빔들을 시준하는데 사용된다. 도 22에서, 시준 렌즈는 먼저 어레이 광원에 의해 방출된 빔들을 시준하기 위해 사용되고, 이어서 빔 스플리터는 시준된 빔들을 분할하기 위해 사용될 수 있다.
이하에서는, 도 24를 참조하여, 제2 작동 모드에서 타깃 물체의 최종 깊이 이미지를 획득하는 프로세스를 상세히 설명한다.
도 24는 제2 작동 모드에서 타깃 물체의 최종 깊이 이미지를 획득하는 개략적인 흐름도이다. 도 24에 도시된 프로세스는 단계들 4003A 내지 4003E를 포함하며, 이들은 아래에 상세히 설명된다.
4003A. 어레이 광원의 N개의 발광 영역 중 M개가 M개의 상이한 순간에 광을 방출하도록 제어한다.
M은 N 이하이고, M과 N 둘 다는 양의 정수들이다.
단계 4003A에서, 어레이 광원의 발광은 제어 유닛을 사용하여 제어될 수 있다. 구체적으로, 제어 유닛은 M개의 순간에서 어레이 광원의 M개의 발광 영역에 제어 신호들을 각각 전송하여, M개의 상이한 순간에서 광을 각각 방출하도록 M개의 발광 영역을 제어할 수 있다.
예를 들어, 어레이 광원은 4개의 독립적인 발광 영역 A, B, C, 및 D를 포함한다. 이 경우, 제어 유닛은 순간들 t0, t1, 및 t2에서 4개의 독립적인 발광 영역 A, B, 및 C에 제어 신호를 각각 전송할 수 있어, 3개의 독립적인 발광 영역 A, B, 및 C는 순간들 t0, t1, 및 t2에서 광을 각각 방출한다.
4003B. 시준 렌즈를 사용하여, M개의 상이한 순간에서 M개의 발광 영역에 의해 각각 생성되는 빔들을 시준하여, 시준된 빔들을 획득한다.
단계 4003B에서, M개의 상이한 순간에서 M개의 발광 영역에 의해 각각 생성되는 빔들을, 시준 렌즈를 사용하여, 시준하는 단계는 구체적으로 M개의 상이한 순간에서 M개의 발광 영역에 의해 생성되는 빔들을, 시준 렌즈를 사용하여, 각각 시준하는 단계일 수 있다.
어레이 광원이 4개의 독립적인 발광 영역 A, B, C, 및 D를 포함하고, 어레이 광원에서의 3개의 독립적인 발광 영역 A, B, 및 C가 제어 유닛의 제어 하에서 순간들 t0, t1, 및 t2에서 광을 방출한다고 가정하면, 시준 렌즈는 순간들 t0, t1, 및 t2에서 발광 영역들 A, B, 및 C에 의해 각각 방출되는 빔들을 시준할 수 있다.
시준 렌즈는 대략 평행한 빔들이 획득될 수 있도록 빔들을 시준하고, 그에 의해 빔들의 전력 밀도들을 개선하고, 후속하여 빔들에 의한 스캐닝의 효과를 추가로 개선한다.
4003C. 빔 스플리터를 사용하여 시준된 빔들을 분할한다.
4003D. 수신 유닛을 사용하여 타깃 물체의 반사된 빔들을 수신한다.
빔 스플리터는 구체적으로 각각의 수신된 광 빔을 복수의 광 빔으로 분할하도록 구성된다. 타깃 물체의 반사된 빔들은 타깃 물체에 의해 빔 스플리터로부터의 빔들을 반사함으로써 획득된 빔들이다.
4003E. M개의 상이한 순간에서 M개의 발광 영역에 의해 각각 방출되는 빔들에 대응하는 TOF들에 기초하여 M개의 깊이 이미지를 생성한다.
M개의 상이한 순간에서 어레이 광원의 M개의 발광 영역에 의해 각각 방출되는 빔들에 대응하는 TOF는 구체적으로 M개의 상이한 순간에서 어레이 광원의 M개의 발광 영역에 의해 각각 방출되는 빔들의 방출 순간들과 대응하는 반사된 빔들의 수신 순간들 사이의 시간차 정보를 지칭할 수 있다.
4003F. M개의 깊이 이미지에 기초하여 타깃 물체의 최종 깊이 이미지를 획득한다.
선택적으로, M개의 깊이 이미지는 각각 타깃 물체의 M개의 영역 세트에 대응하는 깊이 이미지들이고, M개의 영역 세트 중 임의의 2개 사이에 비중첩 영역이 존재한다.
선택적으로, 수신 유닛은 수신 렌즈와 센서를 포함한다. 단계 4003D에서 수신 유닛을 사용하여 타깃 물체의 반사된 빔들을 수신하는 단계는: 수신 렌즈를 사용하여 타깃 물체의 반사된 빔들을 센서로 수렴시키는 단계를 포함한다.
센서는 센서 어레이라고도 지칭될 수 있고, 센서 어레이는 2차원 센서 어레이일 수 있다.
선택적으로, 센서의 해상도는 PxQ 이상이고, 빔 스플리터가 어레이 광원의 발광 영역으로부터의 빔을 분할한 후에 획득되는 빔들의 양은 PxQ이다.
P와 Q는 모두 양의 정수들이다. 센서의 해상도는 빔 스플리터가 어레이 광원의 발광 영역으로부터의 빔을 분할한 후에 획득된 빔들의 양 이상이어서, 센서는 타깃 물체에 의해 빔 스플리터로부터의 빔들을 반사함으로써 획득되는 반사된 빔들을 수신할 수 있고, TOF 깊이 감지 모듈은 반사된 빔들을 정상적으로 수신할 수 있다.
선택적으로, 단계 4003E에서 M개의 깊이 이미지를 생성하는 단계는 구체적으로 다음을 포함한다:
(1) M개의 상이한 순간에서 M개의 발광 영역에 의해 각각 방출되는 빔들에 대응하는 TOF들에 기초하여 TOF 깊이 감지 모듈과 타깃 물체의 M개의 영역 사이의 거리들을 결정하는 단계; 및
(2) TOF 깊이 감지 모듈과 타깃 물체의 M개의 영역 사이의 거리들에 기초하여 타깃 물체의 M개의 영역의 깊이 이미지들을 생성하는 단계.
(3) 타깃 물체의 M개의 영역의 깊이 맵들에 기초하여 타깃 물체의 깊이 맵을 합성하는 단계.
도 24에 도시된 방법은 도 3에 도시된 TOF 깊이 감지 모듈 또는 도 3에 도시된 TOF 깊이 감지 모듈을 포함하는 단말 디바이스에 의해 수행될 수 있다.
제2 작동 모드에서 타깃 물체의 최종 깊이 이미지를 획득하는 프로세스는 TOF 깊이 감지 모듈 내의 시준 렌즈와 빔 스플리터 사이의 상대 위치 관계에 따라 변한다. 이하에서는, 도 25를 참조하여, 제2 작동 모드에서 타깃 물체의 최종 깊이 이미지를 획득하는 프로세스를 설명한다.
도 25는 제2 작동 모드에서 타깃 물체의 최종 깊이 이미지를 획득하는 개략적인 흐름도이다. 도 25에 도시된 프로세스는 단계들 4003a 내지 4003f를 포함하며, 이들은 아래에 상세히 설명된다.
4003a. 어레이 광원의 N개의 발광 영역 중 M개가 M개의 상이한 순간에 광을 방출하도록 제어한다.
M은 N 이하이고, M과 N 둘 다는 양의 정수들이다.
단계 4003a에서, 어레이 광원의 발광은 제어 유닛을 사용하여 제어될 수 있다. 구체적으로, 제어 유닛은 M개의 순간에서 어레이 광원의 M개의 발광 영역에 제어 신호들을 각각 전송하여, M개의 상이한 순간에서 광을 각각 방출하도록 M개의 발광 영역을 제어할 수 있다.
예를 들어, 어레이 광원은 4개의 독립적인 발광 영역 A, B, C, 및 D를 포함한다. 이 경우, 제어 유닛은 순간들 t0, t1, 및 t2에서 4개의 독립적인 발광 영역 A, B, 및 C에 제어 신호를 각각 전송할 수 있어, 3개의 독립적인 발광 영역 A, B, 및 C는 순간들 t0, t1, 및 t2에서 광을 각각 방출한다.
4003b. 빔 스플리터를 사용하여, M개의 상이한 순간에서 M개의 발광 영역에 의해 각각 생성되는 빔들을 분할한다.
빔 스플리터는 구체적으로 각각의 수신된 광 빔을 복수의 광 빔으로 분할하도록 구성된다.
빔 스플리터를 사용하여, M개의 상이한 순간에서 M개의 발광 영역에 의해 각각 생성되는 빔들을 분할하는 것은, 구체적으로 빔 스플리터를 사용하여, M개의 상이한 순간에서 M개의 발광 영역에 의해 생성되는 빔들을 각각 분할하는 것일 수 있다.
예를 들어, 어레이 광원은 4개의 독립적인 발광 영역 A, B, C, 및 D를 포함한다. 제어 유닛의 제어 하에서, 발광 영역 A는 순간 T0에서 광을 방출하고, 발광 영역 B는 순간 T1에서 광을 방출하고, 발광 영역 C는 순간 T2에서 광을 방출한다. 이 경우에, 빔 스플리터는 순간 T0에서 발광 영역 A에 의해 방출되는 빔을 분할하고, 순간 T1에서 발광 영역 B에 의해 방출되는 빔을 분할하며, 순간 T2에서 발광 영역 C에 의해 방출되는 빔을 분할할 수 있다.
4003c. 시준 렌즈를 사용하여 빔 스플리터로부터의 빔들을 시준한다.
시준 렌즈는 대략 평행한 빔들이 획득될 수 있도록 빔들을 시준하고, 그에 의해 빔들의 전력 밀도들을 개선하고, 후속하여 빔들에 의한 스캐닝의 효과를 추가로 개선한다.
4003d. 수신 유닛을 사용하여 타깃 물체의 반사된 빔들을 수신한다.
타깃 물체의 반사된 빔들은 타깃 물체에 의해 시준 렌즈로부터의 빔들을 반사함으로써 획득된 빔들이다.
4003e. M개의 상이한 순간에서 M개의 발광 영역에 의해 각각 방출되는 빔들에 대응하는 TOF들에 기초하여 M개의 깊이 이미지를 생성한다.
M개의 상이한 순간에서 어레이 광원의 M개의 발광 영역에 의해 각각 방출되는 빔들에 대응하는 TOF는 구체적으로 M개의 상이한 순간에서 어레이 광원의 M개의 발광 영역에 의해 각각 방출되는 빔들의 방출 순간들과 대응하는 반사된 빔들의 수신 순간들 사이의 시간차 정보를 지칭할 수 있다.
4003f. M개의 깊이 이미지에 기초하여 타깃 물체의 최종 깊이 이미지를 획득한다.
선택적으로, M개의 깊이 이미지는 각각 타깃 물체의 M개의 영역 세트에 대응하는 깊이 이미지들이고, M개의 영역 세트 중 임의의 2개 사이에 비중첩 영역이 존재한다.
선택적으로, 수신 유닛은 수신 렌즈와 센서를 포함한다. 단계 4003d에서 수신 유닛을 사용하여 타깃 물체의 반사된 빔들을 수신하는 단계는: 수신 렌즈를 사용하여 타깃 물체의 반사된 빔들을 센서로 수렴시키는 단계를 포함한다.
센서는 센서 어레이라고도 지칭될 수 있고, 센서 어레이는 2차원 센서 어레이일 수 있다.
선택적으로, 센서의 해상도는 PxQ 이상이고, 빔 스플리터가 어레이 광원의 발광 영역으로부터의 빔을 분할한 후에 획득되는 빔들의 양은 PxQ이다.
P와 Q는 모두 양의 정수들이다. 센서의 해상도는 빔 스플리터가 어레이 광원의 발광 영역으로부터의 빔을 분할한 후에 획득된 빔들의 양 이상이어서, 센서는 타깃 물체에 의해 빔 스플리터로부터의 빔들을 반사함으로써 획득되는 반사된 빔들을 수신할 수 있고, TOF 깊이 감지 모듈은 반사된 빔들을 정상적으로 수신할 수 있다.
선택적으로, 단계 4003e에서 M개의 깊이 이미지를 생성하는 단계는 구체적으로 다음을 포함한다:
(1) M개의 상이한 순간에서 M개의 발광 영역에 의해 각각 방출되는 빔들에 대응하는 TOF들에 기초하여 TOF 깊이 감지 모듈과 타깃 물체의 M개의 영역 사이의 거리들을 결정하는 단계;
(2) TOF 깊이 감지 모듈과 타깃 물체의 M개의 영역 사이의 거리들에 기초하여 타깃 물체의 M개의 영역의 깊이 이미지들을 생성하는 단계; 및
(3) 타깃 물체의 M개의 영역의 깊이 이미지들에 기초하여 타깃 물체의 깊이 이미지를 합성하는 단계.
도 25에 도시된 프로세스와 도 24에 도시된 프로세스 양쪽 모두는 제2 작동 모드에서 타깃 물체의 최종 깊이 이미지를 획득하는 방법을 참조하고, 주요 차이는 다음과 같다: 도 25에서, 빔 스플리터는 먼저 어레이 광원에 의해 방출된 빔을 분할하는데 사용되고, 그 다음, 시준 렌즈는 분할된 빔들을 시준하는데 사용된다. 도 24에서, 시준 렌즈는 먼저 어레이 광원에 의해 방출된 빔들을 시준하기 위해 사용되고, 이어서 빔 스플리터는 시준된 빔들을 분할하기 위해 사용될 수 있다.
전술한 것은 도 1 내지 도 25를 참조하여 본 출원의 실시예들에서의 하나의 TOF 깊이 감지 모듈 및 이미지 생성 방법을 상세히 설명한다. 다음은 도 26 내지 도 52를 참조하여 본 출원의 실시예들에서의 다른 TOF 깊이 감지 모듈 및 이미지 생성 방법을 상세히 설명한다.
종래의 TOF 깊이 감지 모듈들은 일반적으로 광학 구조체(예를 들어, 반사기, 렌즈, 및 프리즘)를 구동하기 위한 기계적 회전 또는 진동 컴포넌트 또는 빔의 전파 방향을 변경하기 위해 회전 또는 진동시키기 위한 발광원을 사용하여, 타깃 물체의 상이한 영역들을 스캐닝한다. 그러나, TOF 깊이 감지 모듈은 큰 크기를 가지며, 일부 공간-제한된 디바이스들(예를 들어, 모바일 단말기)에 설치하기에 적합하지 않다. 또한, 이러한 TOF 깊이 감지 모듈은 일반적으로 연속 스캐닝 방식으로 스캐닝을 수행하고, 이는 일반적으로 연속 스캐닝 트랙을 생성한다. 그 결과, 타깃 물체를 스캐닝할 때의 유연성은 열악하고, 관심 영역(region of interest, ROI)은 신속하게 위치될 수 없다. 따라서, 본 출원의 실시예는 TOF 깊이 감지 모듈을 제공하여, 상이한 빔들이 기계적 회전 또는 진동 없이 상이한 방향들로 조사될 수 있고, 관심 있는 스캐닝된 영역이 신속하게 위치될 수 있으며, 이는 첨부 도면들을 참조하여 아래에 구체적으로 설명된다.
다음은 먼저 도 26을 참조하여 본 출원의 이 실시예에서의 TOF 깊이 감지 모듈을 간단히 설명한다.
도 26은 본 출원의 실시예에 따른 TOF 깊이 감지 모듈을 사용하여 거리를 측정하는 개략도이다.
도 26에 도시된 바와 같이, TOF 깊이 감지 모듈은 송신단(투영단이라고도 지칭될 수 있음), 수신단, 및 제어 유닛을 포함할 수 있다. 송신단은 출사 빔을 방출하도록 구성된다. 수신단은 타깃 물체의 반사된 빔을 수신하도록 구성된다(반사된 빔은 타깃 물체에 의해 출사 빔을 반사함으로써 획득되는 빔임). 제어 유닛은 빔을 송신 및 수신하도록 송신단 및 수신단을 각각 제어할 수 있다.
도 26에서, 송신단은 일반적으로 광원, 시준 렌즈(선택적), 편광 필터, 광학 소자 및 투영 렌즈(선택적)를 포함할 수 있고, 수신단은 일반적으로 수신 렌즈와 센서를 포함할 수 있고, 수신 렌즈와 센서는 일괄적으로 수신 유닛이라고 지칭할 수 있다.
도 26에서, 출사 빔에 대응하는 TOF는 타이밍 장치를 사용하여 기록되어, TOF 깊이 감지 모듈로부터 타깃 영역까지의 거리를 계산하고, 타깃 물체의 최종 깊이 이미지를 획득할 수 있다. 출사 빔에 대응하는 TOF는 반사된 빔이 수신 유닛에 의해 수신되는 순간과 출사 빔의 방출 순간 사이의 시간차 정보를 지칭할 수 있다.
본 출원의 이 실시예에서의 TOF 깊이 감지 모듈은 3D 이미지를 획득하도록 구성될 수 있다. 본 출원의 이 실시예에서의 TOF 깊이 감지 모듈은, 3D 게임 또는 체성 게임(somatic game)에 대한 제스처 및 사지(limb) 인식을 또한 제공할 수 있는, 깊이 이미지 또는 3D 이미지를 획득하기 위해, 지능형 단말(예를 들어, 모바일 폰, 태블릿, 또는 웨어러블 디바이스) 상에 배치될 수 있다.
다음은 도 27을 참조하여 본 출원의 이 실시예에서의 TOF 깊이 감지 모듈을 상세히 설명한다.
도 27은 본 출원의 실시예에 따른 TOF 깊이 감지 모듈의 개략적인 블록도이다.
도 27에 도시된 TOF 깊이 감지 모듈(200)은 광원(210), 편광 필터(220), 광학 소자(230), 수신 유닛(240), 및 제어 유닛(250)을 포함한다. 편광 필터(220)는 광원(210)과 광학 소자(230) 사이에 위치된다. 다음은 TOF 깊이 감지 모듈(200) 내의 몇몇 모듈들 또는 유닛들을 상세히 설명한다.
광원(210):
광원(210)은 빔을 생성하도록 구성된다. 구체적으로, 광원(210)은 복수의 편광 상태의 광을 생성할 수 있다.
선택적으로, 광원(210)에 의해 방출된 빔은 단일 준-평행 빔이고, 광원(210)에 의해 방출된 빔의 발산 각도는 1°보다 작다.
선택적으로, 광원은 반도체 레이저 광원일 수 있다.
광원은 수직 공동 표면 방출 레이저(vertical cavity surface emitting laser, VCSEL)일 수 있다.
선택적으로, 광원은 패브리-페롯(Fabry-Perot) 레이저(줄여서 FP 레이저라고 지칭될 수 있음)일 수 있다.
단일 FP 레이저는 단일 VCSEL보다 더 큰 전력을 구현할 수 있고, VCSEL보다 더 높은 전기-광학 변환 효율을 갖고, 이에 의해 스캐닝 효과를 개선한다.
선택적으로, 광원(210)에 의해 방출된 빔의 파장은 900nm보다 크다.
태양광에서 파장이 900nm보다 큰 광의 강도가 약하기 때문에, 빔의 파장이 900nm보다 클 때, 태양광에 의해 야기되는 간섭이 감소될 수 있고, 그에 의해 TOF 깊이 감지 모듈의 스캐닝 효과를 개선한다.
선택적으로, 광원(210)에 의해 방출된 빔의 파장은 940nm 또는 1550nm이다.
태양광에서 파장이 940nm 또는 1550nm에 가까운 광의 강도가 약하기 때문에, 빔의 파장이 940nm 또는 1550nm일 때, 태양광에 의해 야기되는 간섭이 크게 감소될 수 있고, 그에 의해 TOF 깊이 감지 모듈의 스캐닝 효과를 개선한다.
편광 필터(220):
편광 필터(220)는 빔을 필터링하여 단일 편광 상태의 빔을 획득하도록 구성된다.
필터링을 통해 편광 필터(220)에 의해 획득된 빔의 단일 편광 상태는 광원(210)에 의해 생성된 빔의 복수의 편광 상태 중 하나이다.
예를 들어, 광원(210)에 의해 생성된 빔은 상이한 방향들에서의 선형 편광된 광, 왼쪽 원형 편광된 광, 및 오른쪽 원형 편광된 광을 포함한다. 이 경우, 편광 필터(220)는 편광 상태들이 왼쪽 원형 편광된 광 및 오른쪽 원형 편광된 광인 광을 빔에서 필터링하여, 편광 상태가 특정 방향에서의 선형 편광된 광인 빔을 획득할 수 있다.
광학 소자(230):
광학 소자(230)는 단일 편광 상태의 빔의 방향을 조정하도록 구성된다.
광학 소자(230)의 굴절률 파라미터는 제어가능하다. 광학 소자(230)는 광학 소자(230)의 상이한 굴절률을 사용함으로써 단일 편광 상태의 빔을 상이한 방향으로 조정할 수 있다.
다음은 첨부 도면을 참조하여 빔의 전파 방향을 설명한다. 빔의 전파 방향은 공간 각도를 사용하여 정의될 수 있다. 도 28에 도시된 바와 같이, 빔의 공간 각도는 빔과 출사면의 직각 좌표계의 Z축 방향 사이의 각도 θ 및 XY 평면 상의 빔의 투영과 X축 방향 사이의 각도
Figure pct00001
를 포함한다. 빔의 공간 각도 θ 또는
Figure pct00002
는 빔을 사용하여 스캐닝이 수행될 때 변할 수 있다.
제어 유닛(250):
제어 유닛(250)은 광학 소자(230)의 굴절률 파라미터를 제어하여 단일 편광 상태의 빔의 전파 방향을 변경하도록 구성된다.
제어 유닛(250)은 제어 신호를 생성할 수 있다. 제어 신호는 전압 신호 또는 무선 주파수 구동 신호일 수 있다. 광학 소자(230)의 굴절률 파라미터는 제어 신호를 사용하여 변경될 수 있어서, 단일 편광 상태에 있고 광학 소자(20)에 의해 수신되는 빔의 출사 방향이 변경될 수 있다.
수신 유닛(240):
수신 유닛(240)은 타깃 물체의 반사된 빔을 수신하도록 구성된다.
타깃 물체의 반사된 빔은 타깃 물체에 의해 단일 편광 상태의 빔을 반사함으로써 획득된 빔이다.
구체적으로, 단일 편광 상태의 빔은 광학 소자(230)를 통과한 후에 타깃 물체의 표면을 조사하고, 반사된 빔은 타깃 물체의 표면의 반사로 인해 생성되고, 반사된 빔은 수신 유닛(240)에 의해 수신될 수 있다.
수신 유닛(240)은 구체적으로 수신 렌즈(241)와 센서(242)를 포함할 수 있다. 수신 렌즈(241)는 반사된 빔을 수신하고, 반사된 빔을 센서(242)로 수렴시키도록 구성된다.
본 출원의 이 실시예에서, 빔은 광학 소자의 상이한 복굴절을 사용하여 상이한 방향들로 조정될 수 있기 때문에, 빔의 전파 방향은 광학 소자의 복굴절 파라미터를 제어함으로써 조정될 수 있다. 이러한 방식으로, 빔의 전파 방향이 비-기계적-회전 방식으로 조정되어, 빔의 이산 스캐닝이 구현될 수 있고, 주위 환경 및 타깃 물체의 깊이 또는 거리 측정이 더 유연하게 수행될 수 있다.
즉, 본 출원의 이 실시예에서, 단일 편광 상태의 빔의 공간 각도는 광학 소자(230)의 굴절률 파라미터를 제어함으로써 변경될 수 있어서, 광학 소자(230)는 단일 편광 상태의 빔의 전파 방향을 편향시켜, 스캐닝 방향 및 스캐닝 각도가 요건들을 충족시키는 출사 빔을 출력할 수 있다. 이러한 방식으로, 이산 스캐닝이 구현될 수 있고, 스캐닝 유연성이 높고, ROI가 신속하게 위치될 수 있다.
선택적으로, 제어 유닛(250)은 빔에 대응하는 TOF에 기초하여 타깃 물체의 깊이 이미지를 생성하도록 추가로 구성된다.
빔에 대응하는 TOF는 빔에 대응하는 반사된 빔이 수신 유닛에 의해 수신되는 순간과 광원이 빔을 방출하는 순간 사이의 시간차 정보를 지칭할 수 있다. 빔에 대응하는 반사된 빔은 구체적으로 빔이 편광 필터 및 광학 소자에 의해 처리되고 타깃 물체에 도달할 때 타깃 물체에 의해 반사된 후 발생되는 빔일 수 있다.
도 29는 본 출원의 실시예에 따른 TOF 깊이 감지 모듈의 개략적인 블록도이다.
도 29에 도시된 바와 같이, TOF 깊이 감지 모듈(200)은 시준 렌즈(260)를 추가로 포함한다. 시준 렌즈(260)는 광원(210)과 편광 필터(220) 사이에 위치된다. 시준 렌즈(260)는 빔을 시준하도록 구성된다. 편광 필터(220)는 시준 렌즈의 시준된 빔을 필터링하여 단일 편광 상태의 빔을 획득하도록 구성된다.
선택적으로, 광원(210)의 발광 면적은 5×5mm2 이하이다.
선택적으로, 시준 렌즈의 명확한 조리개는 5mm 이하이다.
광원 및 시준 렌즈의 크기들이 작기 때문에, 컴포넌트들(광원 및 시준 렌즈)을 포함하는 TOF 깊이 감지 모듈은 단말 디바이스에 쉽게 통합되고, 단말 디바이스에서 차지하는 공간은 어느 정도 감소될 수 있다.
선택적으로, TOF 깊이 감지 모듈(200)의 평균 출력 광 전력은 800mw보다 작다.
TOF 깊이 감지 모듈의 평균 출력 광 전력이 800mw 이하일 때, TOF 깊이 감지 모듈은 작은 전력 소비를 갖고, 이는 단말 디바이스와 같은, 전력 소비에 민감한 디바이스에 배치될 수 있다.
도 30은 본 출원의 실시예에 따른 TOF 깊이 감지 모듈에 의해 타깃 물체를 스캐닝하는 개략도이다.
도 30에 도시된 바와 같이, 광학 소자(230)는 순간 T0에서 출사 빔 1을 방출할 수 있다. 순간 T1에서, 스캐닝 방향 및 스캐닝 각도가 변경될 필요가 있는 경우, 광학 소자는 순간 T1에서 출사 빔 2를 방출하도록 직접 제어될 수 있다. 다음 순간 T2에서, 스캐닝 방향 및 스캐닝 각도가 추가로 변경될 필요가 있는 경우, 순간 T2에서 출사 빔 3을 방출하도록 광학 소자를 제어하기 위해 제어 신호가 전송될 수 있다. TOF 깊이 감지 모듈(200)은 상이한 순간들에서 상이한 방향으로 출사 빔들을 직접 출력하여, 타깃 물체를 스캔할 수 있다.
이하에서는, 도 31을 참조하여, TOF 깊이 감지 모듈(200)에 의해 이산 스캐닝을 구현하는 효과를 상세히 설명한다.
도 31은 본 출원의 실시예에 따른 TOF 깊이 감지 모듈의 스캐닝 트랙의 개략도이다.
도 31에 도시된 바와 같이, TOF 깊이 감지 모듈은 스캔 포인트 A로부터 스캐닝을 시작할 수 있다. 스캐닝이 스캔 포인트 A로부터 스캔 포인트 B로 스위칭될 필요가 있을 때, 광학 소자(230)가 제어 유닛(250)을 사용하여 직접 제어될 수 있어, 스캔 포인트 A로부터 스캔 포인트 B로 점진적으로 이동하지 않고(도면에서 A와 B 사이의 쇄선을 따라서 A로부터 B로 이동하지 않고), 스캔 포인트 B를 직접 조사하는 빔을 방출한다. 유사하게, 스캐닝이 스캔 포인트 B로부터 스캔 포인트 C로 스위칭될 필요가 있을 때, 광학 소자(230)가 대안적으로 제어 유닛(250)을 사용하여 제어될 수 있어, 스캔 포인트 B로부터 스캔 포인트 C로 점진적으로 이동하지 않고(도면에서 B와 C 사이의 쇄선을 따라 B로부터 C로 이동하지 않고), 스캔 포인트 C를 직접 조사하는 빔을 방출한다.
따라서, TOF 깊이 감지 모듈(200)은 이산 스캐닝을 구현할 수 있어, 스캔 유연성이 높고, 스캐닝될 필요가 있는 영역이 신속하게 위치될 수 있다.
TOF 깊이 감지 모듈(200)이 개별 스캐닝을 구현할 수 있기 때문에, 스캐닝 동안, TOF 깊이 감지 모듈(200)은 복수의 스캐닝 트랙으로 영역을 스캐닝하여, 더 유연한 스캐닝 방식이 선택될 수 있고, TOF 깊이 감지 모듈(200)의 타이밍 제어 설계가 용이해진다.
다음은 3×3 2차원 격자(lattice)를 예로서 사용하여 도 32를 참조하여 TOF 깊이 감지 모듈(200)의 스캐닝 방식을 설명한다.
도 32는 본 출원의 실시예에 따른 TOF 깊이 감지 모듈의 스캐닝 방식의 개략도이다.
도 32에 도시된 바와 같이, TOF 깊이 감지 모듈(200)은 2차원 격자의 상부 좌측 코너의 포인트에서 시작하여 2차원 격자의 하부 우측 코너의 포인트까지 스캐닝할 수 있다. 이러한 스캐닝 방식들은 스캐닝 방식 A 내지 스캐닝 방식 F를 포함한다. 2차원 격자의 상부 좌측 코너에 있는 포인트로부터 시작하는 것 이외에, 2차원 격자의 모든 포인트가 스캐닝될 때까지 2차원 격자의 중심 포인트로부터 스캐닝이 시작되어 2차원 격자를 완전히 스캐닝할 수 있다. 이러한 스캐닝 방식들은 스캐닝 방식 G 내지 스캐닝 방식 J를 포함한다.
또한, 스캐닝은 대안적으로 2차원 어레이의 모든 포인트들이 스캐닝될 때까지 2차원 어레이 내의 임의의 포인트로부터 시작할 수 있다. 도 32에서의 스캐닝 방식 K에 도시된 바와 같이, 스캐닝은 2차원 어레이의 제1 행 및 제2 열의 포인트로부터 시작하여 2차원 어레이의 중심 포인트가 스캐닝될 때까지, 2차원 어레이를 완전히 스캐닝할 수 있다.
선택적으로, 광학 소자(230)는 액정 편광 격자, 광학 위상 어레이, 전기-광학 컴포넌트, 및 음향-광학 컴포넌트 중 어느 하나이다.
다음은 첨부 도면들을 참조하여 상이한 경우들에서 광학 소자(230)의 특정 구성들을 상세히 설명한다.
제1 경우: 광학 소자(230)는 액정 편광 격자(liquid crystal polarization grating, LCPG)이다. 제1 경우에, 광학 소자(230)의 복굴절은 제어가능하고, 광학 소자는 광학 소자의 상이한 복굴절을 사용함으로써 단일 편광 상태의 빔을 상이한 방향들로 조정할 수 있다.
액정 편광 격자는 원형 편광된 광에 작용하고 전기-광학 조정가능성 및 편광 조정가능성을 갖는 기하학적 위상 원리에 기초한 새로운 격자 컴포넌트이다.
액정 편광 격자는 액정 분자의 주기적 배열에 의해 형성된 격자이며, 이는 일반적으로 광배향 기술을 사용하여 액정 분자의 디렉터(액정 분자의 장축 방향)를 소정 방향으로 선형 및 주기적으로 점진적으로 변화하도록 제어함으로써 마련된다. 원형 편광된 광은 입사광의 편광 상태를 제어함으로써 +1차 또는 -1차로 회절될 수 있어서, 빔은 가산 회절 차수와 제로 차수 사이의 스위칭을 통해 편향될 수 있다.
도 33은 본 출원의 실시예에 따른 TOF 깊이 감지 모듈의 개략적인 블록도이다.
도 33에 도시된 바와 같이, 광학 소자(230)는 액정 편광 격자이다. 제어 유닛(250)은 액정 편광 격자에 빔을 방출하도록 광원을 제어할 수 있고, 제어 신호를 사용하여, 빔의 방향을 편향시키도록 액정 편광 격자를 제어하여 출사 빔을 획득한다.
선택적으로, 액정 편광 격자는 수평 방향의 LCPG 컴포넌트와 수직 방향의 LCPG 컴포넌트를 포함한다.
도 34는 본 출원의 실시예에 따른 TOF 깊이 감지 모듈의 개략적인 블록도이다.
도 34에 도시된 바와 같이, 액정 편광 격자는 수평 방향의 LCPG 컴포넌트와 수직 방향의 LCPG 컴포넌트를 포함한다. 수평 방향에서의 이산 랜덤 스캐닝은 수평 방향의 LCPG 컴포넌트를 사용함으로써 구현될 수 있고, 수직 방향에서의 이산 랜덤 스캐닝은 수직 방향의 LCPG 컴포넌트를 사용함으로써 구현될 수 있다. 수평 방향의 LCPG 컴포넌트들과 수직 방향의 LCPG 컴포넌트들이 조합될 때, 수평 방향 및 수직 방향에서의 2차원 이산 랜덤 스캐닝이 구현될 수 있다.
도 34는 단지 수평 방향의 LCPG가 수직 방향의 LCPG의 전방에 있다는 것을 도시한다는 것을 이해해야 한다(수평 방향의 LCPG와 광원 사이의 거리는 수직 방향의 LCPG와 광원 사이의 거리보다 작다). 실제로, 본 출원에서, 수직 방향의 LCPG는 대안적으로 액정 편광 격자에서 수평 방향의 LCPG의 전방에 있을 수 있다(수직 방향의 LCPG와 광원 사이의 거리는 수평 방향의 LCPG와 광원 사이의 거리보다 작다).
본 출원에서, 액정 편광 격자가 수평 방향의 LCPG 컴포넌트와 수직 방향의 LCPG 컴포넌트를 포함할 때, 수평 방향 및 수직 방향에서의 2차원 이산 랜덤 스캐닝이 구현될 수 있다.
선택적으로, 제1 경우에, 액정 편광 격자는 수평 편광 제어 시트와 수직 편광 제어 시트를 추가로 포함할 수 있다.
액정 편광 격자가 편광 제어 시트를 포함할 때, 빔의 편광 상태가 제어될 수 있다.
도 35는 본 출원의 실시예에 따른 액정 편광 격자의 구조의 개략도이다.
도 35에 도시된 바와 같이, 액정 편광 격자는 수평 LCPG 및 수직 LCPG뿐만 아니라, 수평 편광 제어 시트 및 수직 편광 제어 시트를 포함한다. 도 35에서, 수평 LCPG는 수평 편광 제어 시트와 수직 편광 제어 시트 사이에 위치하고, 수직 편광 제어 시트는 수평 LCPG와 수직 LCPG 사이에 위치한다.
도 36은 본 출원의 실시예에 따른 TOF 깊이 감지 모듈의 구조의 개략도이다.
도 36에 도시된 바와 같이, TOF 깊이 감지 모듈 내의 액정 편광 격자의 구조가 도 35에 도시되어 있고, 광원과 수평 편광 제어 시트, 수평 LCPG, 수직 편광 제어 시트, 및 수직 LCPG 사이의 거리들은 크기의 오름차순이다.
선택적으로, 도 35에 도시된 액정 편광 격자 내의 컴포넌트들은 다음의 여러 조합 방식들을 가질 수 있다.
조합 방식 1은 124이다.
조합 방식 2는 342이다.
조합 방식 3은 3412이다.
조합 방식 1에서, 1은 밀접하게 부착된 수평 편광 제어 시트 및 수직 편광 제어 시트를 나타낼 수 있다. 이 경우, 일접하게 부착된 2개의 편광 제어 시트는 1개의 편광 제어 시트와 동가이다. 따라서, 조합 방식 1에서, 1은 밀접하게 부착된 수평 편광 제어 시트 및 수직 편광 제어 시트를 나타내기 위해 사용된다. 유사하게, 조합 방식 2에서, 3은 밀접하게 부착된 수평 편광 제어 시트 및 수직 편광 제어 시트를 나타낼 수 있다. 이 경우, 일접하게 부착된 2개의 편광 제어 시트는 1개의 편광 제어 시트와 동가이다. 따라서, 조합 방식 2에서, 3은 밀접하게 부착된 수평 편광 제어 시트 및 수직 편광 제어 시트를 나타내기 위해 사용된다.
조합 방식 1 또는 조합 방식 2에서의 광학 소자(230)가 TOF 깊이 감지 모듈 내에 배치될 때, 수평 편광 제어 시트 및 수직 편광 제어 시트는 모두 광원에 가까운 측에 위치되고, 수평 LCPG와 수직 LCPG는 모두 광원으로부터 먼 측에 위치된다.
조합 방식 3에서의 광학 소자(230)가 TOF 깊이 감지 모듈 내에 배치될 때, 광원과 수직 편광 제어 시트, 수직 LCPG, 수평 편광 제어 시트, 및 수평 LCPG 사이의 거리들은 크기의 오름차순이다.
액정 편광 격자의 전술한 3개의 조합 방식 및 도 35에서의 조합 방식은 단지 예들이라는 것을 이해해야 한다. 실제로, 본 출원의 광학 소자의 컴포넌트는, 수평 편광 제어 시트와 광원 사이의 거리가 수평 LCPG와 광원 사이의 거리보다 작고, 수평 편광 제어 시트와 광원 사이의 거리가 수평 LCPG와 광원 사이의 거리보다 작다면, 다른 상이한 조합 방식들을 가질 수 있다.
도 37에 도시된 바와 같이, 액정 편광 격자에 주기적 제어 신호(도 37에서, 제어 신호의 기간은 Λ임)를 입력함으로써 액정 편광 격자의 물리적 특성이 주기적으로 변경될 수 있다. 구체적으로는, 액정 편광 격자 내부의 액정 분자들의 배열 방식을 변경하여(액정 분자들은 일반적으로 막대 형상이고, 액정 분자들의 디렉터들은 제어 신호의 충격으로 인해 변경될 수 있음) 빔의 방향을 편향시킬 수 있다.
액정 편광 격자와 편광 필름이 조합될 때, 빔은 상이한 방향들로 제어될 수 있다.
도 38에 도시된 바와 같이, 입사광은 왼쪽 및 오른쪽 원형 편광 필름 및 LCPG의 전압을 사용하여 제어되어, 3개의 상이한 방향에서 빔 제어를 구현한다. 출사 광의 편향 각도는 다음의 회절 격자 방정식에 기초하여 결정될 수 있다:
Figure pct00003
상기 회절 격자 방정식에서, θm은 m차 출사 광의 방향각이고, λ는 빔의 파장이고, Λ는 LCPG의 기간이고, θ는 입사광의 입사각이다. 회절 격자 방정식으로부터, 편향 각도 θm의 크기는 LCPG의 기간의 크기, 파장, 및 입사각에 의존한다는 것을 알 수 있다. 여기서, m은 단지 0 또는 ±1이다. m이 0일 때, 이는 방향이 편향되지 않고 방향이 변경되지 않음을 나타낸다. m이 1일 때, 이는 입사 방향에 대해 왼쪽 또는 반시계 방향으로 편향하는 것을 나타낸다. m이 -1일 때, 이는 입사 방향에 대해 우측 또는 시계 방향으로 편향하는 것을 나타낸다(m이 +1이고 m이 -1일 때의 의미는 반전될 수 있음).
3개의 각도에 대한 편향은 단일 LCPG를 사용하여 구현되어, 3개의 각도에서 출사 빔들을 획득할 수 있다. 따라서, LCPG들을 복수의 층에 캐스케이딩함으로써 더 많은 각도들에서의 출사 빔들이 획득될 수 있다. 따라서, 3N 편향 각도는 편광 제어 시트의 N개 층(편광 제어 시트는 입사광의 편광을 제어하여 왼쪽 광(left-handed light) 및 오른쪽 광(right-handed light)의 변환을 구현하도록 구성됨)과 LCPG의 N개 층의 조합을 사용하여 이론적으로 구현될 수 있다.
예를 들어, 도 35에 도시된 바와 같이, TOF 깊이 감지 모듈의 광학 소자는 컴포넌트들 1, 2, 3, 및 4를 포함한다. 컴포넌트들 1, 2, 3, 및 4는 각각 수평 편광 제어 시트, 수평 LCPG, 수직 편광 제어 시트, 및 수직 LCPG를 나타낸다. 빔 편향 방향 및 각도는 편광 제어 시트 및 LCPG의 전압을 제어함으로써 제어될 수 있다.
예를 들어, 3x3 포인트들이 스캐닝되어야 한다. 도 39에 도시된 전압 신호들은 도 36에 도시된 컴포넌트들 1, 2, 3, 및 4에 각각 인가되어(도 39에서의 1, 2, 3, 및 4는 도 36에 도시된 컴포넌트들 1, 2, 3, 및 4에 인가된 전압 신호들을 각각 나타냄), 광원에 의해 방출된 빔이 도 40에 도시된 스캐닝 트랙을 구현하도록 제어될 수 있다.
구체적으로, 입사광은 왼쪽 원형 편광된 광이고, 수평 LCPG는 입사 왼쪽 광을 왼쪽으로 편향시키고, 수직 LCPG는 입사 왼쪽 광을 아래쪽으로 편향시킨다고 가정한다. 다음은 각각의 순간에서 빔 편향 방향을 상세히 설명한다.
수평 편광 제어 시트의 양단이 고전압 신호를 받을 때, 수평 편광 제어 시트를 통과하는 빔의 편광 상태는 변하지 않고, 수평 편광 제어 시트의 양단이 저전압 신호를 받을 때, 수평 편광 제어 시트를 통과하는 빔의 편광 상태는 변한다. 유사하게, 수직 편광 제어 시트의 양단이 고전압 신호를 받을 때, 수직 편광 제어 시트를 통과하는 빔의 편광 상태가 변하지 않고, 수직 편광 제어 시트의 양단이 저전압 신호를 받을 때, 수직 편광 제어 시트를 통과하는 빔의 편광 상태가 변한다.
순간 0에서, 컴포넌트 1의 입사광은 왼쪽 원형 편광된 광이다. 컴포넌트 1에 저전압이 인가되기 때문에, 컴포넌트 1은 오른쪽 원형 편광된 광을 방출한다. 컴포넌트 2의 입사광은 오른쪽 원형 편광된 광이다. 컴포넌트 2에 고전압이 인가되기 때문에, 컴포넌트 2는 여전히 오른쪽 원형 편광된 광을 방출한다. 컴포넌트 3의 입사광은 오른쪽 원형 편광된 광이다. 컴포넌트 3에 저전압이 인가되기 때문에, 컴포넌트 3은 왼쪽 원형 편광된 광을 방출한다. 컴포넌트 4의 입사광은 왼쪽 원형 편광된 광이다. 컴포넌트 4에 고전압이 인가되기 때문에, 컴포넌트 4는 여전히 왼쪽 원형 편광된 광을 방출한다. 따라서, 순간 0에서, 입사 광이 컴포넌트 1 내지 컴포넌트 4를 통과한 후, 입사광의 방향은 변하지 않고, 편광 상태는 변하지 않는다. 도 40에 도시된 바와 같이, 순간 0에 대응하는 스캔 포인트는 도 40의 중심 t0으로서 도시된 위치이다.
순간 t0에서, 컴포넌트 1의 입사광은 왼쪽 원형 편광된 광이다. 컴포넌트 1에 고전압이 인가되기 때문에, 컴포넌트 1은 여전히 왼쪽 원형 편광된 광을 방출한다. 컴포넌트 2의 입사광은 왼쪽 원형 편광된 광이다. 컴포넌트 2에 저전압이 인가되기 때문에, 컴포넌트 2는 왼쪽으로 편향된 오른쪽 원형 편광된 광을 방출한다. 컴포넌트 3의 입사광은 왼쪽으로 편향된 오른쪽 원형 편광된 광이다. 컴포넌트 3에 저전압이 인가되기 때문에, 컴포넌트 3은 왼쪽으로 편향된 왼쪽 원형 편광된 광을 방출한다. 컴포넌트 4의 입사광은 왼쪽으로 편향된 왼쪽 원형 편광된 광이다. 컴포넌트 4에 고전압이 인가되기 때문에, 컴포넌트 4는 여전히 왼쪽으로 편향된 왼쪽 원형 편광된 광을 방출한다. 즉, 순간 t0에서 컴포넌트 4에 의해 방출된 빔은 순간 0에서의 것에 대해 왼쪽으로 편향되고, 도 40의 대응하는 스캔 포인트는 t0으로서 도시된 위치이다.
순간 t1에서, 컴포넌트 1의 입사광은 왼쪽 원형 편광된 광이다. 컴포넌트 1에 고전압이 인가되기 때문에, 컴포넌트 1은 여전히 왼쪽 원형 편광된 광을 방출한다. 컴포넌트 2의 입사광은 왼쪽 원형 편광된 광이다. 컴포넌트 2에 저전압이 인가되기 때문에, 컴포넌트 2는 왼쪽으로 편향된 오른쪽 원형 편광된 광을 방출한다. 컴포넌트 3의 입사광은 왼쪽으로 편향된 오른쪽 원형 편광된 광이다. 컴포넌트 3에 고전압이 인가되기 때문에, 컴포넌트 3은 왼쪽으로 편향된 오른쪽 원형 편광된 광을 방출한다. 컴포넌트 4의 입사광은 왼쪽으로 편향된 오른쪽 원형 편광된 광이다. 컴포넌트 4에 저전압이 인가되기 때문에, 컴포넌트 4는 왼쪽으로 편향되고 위로 편향된 왼쪽 원형 편광된 광을 방출한다. 즉, 순간 t1에서 컴포넌트 4에 의해 방출된 빔은 순간 0에서의 것에 대해 왼쪽으로 편향되고 위로 편향되며, 도 40의 대응하는 스캔 포인트는 t1로서 도시된 위치이다.
순간 t2에서, 컴포넌트 1의 입사광은 왼쪽 원형 편광된 광이다. 컴포넌트 1에 저전압이 인가되기 때문에, 컴포넌트 1은 오른쪽 원형 편광된 광을 방출한다. 컴포넌트 2의 입사광은 오른쪽 원형 편광된 광이다. 컴포넌트 2에 고전압이 인가되기 때문에, 컴포넌트 2는 여전히 오른쪽 원형 편광된 광을 방출한다. 컴포넌트 3의 입사광은 오른쪽 원형 편광된 광이다. 컴포넌트 3에 고전압이 인가되기 때문에, 컴포넌트 3은 여전히 오른쪽 원형 편광된 광을 방출한다. 컴포넌트 4의 입사광은 오른쪽 원형 편광된 광이다. 컴포넌트 4에 저전압이 인가되기 때문에, 컴포넌트 4는 위로 편향된 왼쪽 원형 편광된 광을 방출한다. 즉, 순간 t2에서 컴포넌트 4에 의해 방출된 빔은 순간 0에서의 것에 대해 위로 편향되고, 도 40의 대응하는 스캔 포인트는 t2로서 도시된 위치이다.
순간 t3에서, 컴포넌트 1의 입사광은 왼쪽 원형 편광된 광이다. 컴포넌트 1에 저전압이 인가되기 때문에, 컴포넌트 1은 오른쪽 원형 편광된 광을 방출한다. 컴포넌트 2의 입사광은 오른쪽 원형 편광된 광이다. 컴포넌트 2에 저전압이 인가되기 때문에, 컴포넌트 2는 오른쪽으로 편향된 오른쪽 원형 편광된 광을 방출한다. 컴포넌트 3의 입사광은 오른쪽으로 편향된 오른쪽 원형 편광된 광이다. 컴포넌트 3에 저전압이 인가되기 때문에, 컴포넌트 3은 오른쪽으로 편향된 왼쪽 원형 편광된 광을 방출한다. 컴포넌트 4의 입사광은 오른쪽으로 편향된 왼쪽 원형 편광된 광이다. 컴포넌트 4에 저전압이 인가되기 때문에, 컴포넌트 4는 오른쪽으로 편향되고 위로 편향된 왼쪽 원형 편광된 광을 방출한다. 즉, 순간 t3에서 컴포넌트 4에 의해 방출된 빔은 순간 0에서의 것에 대해 오른쪽으로 편향되고 위로 편향되며, 도 40의 대응하는 스캔 포인트는 t3으로서 도시된 위치이다.
순간 t4에서, 컴포넌트 1의 입사광은 왼쪽 원형 편광된 광이다. 컴포넌트 1에 저전압이 인가되기 때문에, 컴포넌트 1은 오른쪽 원형 편광된 광을 방출한다. 컴포넌트 2의 입사광은 오른쪽 원형 편광된 광이다. 컴포넌트 2에 저전압이 인가되기 때문에, 컴포넌트 2는 오른쪽으로 편향된 왼쪽 원형 편광된 광을 방출한다. 컴포넌트 3의 입사광은 오른쪽으로 편향된 왼쪽 원형 편광된 광이다. 컴포넌트 3에 저전압이 인가되기 때문에, 컴포넌트 3은 오른쪽으로 편향된 오른쪽 원형 편광된 광을 방출한다. 컴포넌트 4의 입사광은 오른쪽으로 편향된 오른쪽 원형 편광된 광이다. 컴포넌트 4에 고전압이 인가되기 때문에, 컴포넌트 4는 여전히 오른쪽으로 편향된 오른쪽 원형 편광된 광을 방출한다. 즉, 순간 t0에서 컴포넌트 4에 의해 방출된 빔은 순간 0에서의 것에 대해 우측으로 편향되고, 도 40의 대응하는 스캔 포인트는 t4로서 도시된 위치이다.
순간 t5에서, 컴포넌트 1의 입사광은 왼쪽 원형 편광된 광이다. 컴포넌트 1에 저전압이 인가되기 때문에, 컴포넌트 1은 오른쪽 원형 편광된 광을 방출한다. 컴포넌트 2의 입사광은 오른쪽 원형 편광된 광이다. 컴포넌트 2에 저전압이 인가되기 때문에, 컴포넌트 2는 오른쪽으로 편향된 오른쪽 원형 편광된 광을 방출한다. 컴포넌트 3의 입사광은 오른쪽으로 편향된 오른쪽 원형 편광된 광이다. 컴포넌트 3에 고전압이 인가되기 때문에, 컴포넌트 3은 여전히 오른쪽으로 편향된 오른쪽 원형 편광된 광을 방출한다. 컴포넌트 4의 입사광은 오른쪽으로 편향된 오른쪽 원형 편광된 광이다. 컴포넌트 4에 저전압이 인가되기 때문에, 컴포넌트 4는 오른쪽으로 편향되고 아래로 편향되는 왼쪽 원형 편광된 광을 방출한다. 즉, 순간 t5에서 컴포넌트 4에 의해 방출된 빔은 순간 0에서의 것에 대해 오른쪽으로 편향되고 아래로 편향되며, 도 40의 대응하는 스캔 포인트는 t5로서 도시된 위치이다.
순간 t6에서, 컴포넌트 1의 입사광은 왼쪽 원형 편광된 광이다. 컴포넌트 1에 저전압이 인가되기 때문에, 컴포넌트 1은 오른쪽 원형 편광된 광을 방출한다. 컴포넌트 2의 입사광은 오른쪽 원형 편광된 광이다. 컴포넌트 2에 고전압이 인가되기 때문에, 컴포넌트 2는 여전히 오른쪽 원형 편광된 광을 방출한다. 컴포넌트 3의 입사광은 오른쪽 원형 편광된 광이다. 컴포넌트 3에 저전압이 인가되기 때문에, 컴포넌트 3은 왼쪽 원형 편광된 광을 방출한다. 컴포넌트 4의 입사광은 왼쪽 원형 편광된 광이다. 컴포넌트 4에 저전압이 인가되기 때문에, 컴포넌트 4는 아래로 편향된 오른쪽 원형 편광된 광을 방출한다. 즉, 순간 t6에서 컴포넌트 4에 의해 방출된 빔은 순간 0에서의 것에 대해 아래로 편향되고, 도 40의 대응하는 스캔 포인트는 t6으로서 도시된 위치이다.
순간 t7에서, 컴포넌트 1의 입사광은 왼쪽 원형 편광된 광이다. 컴포넌트 1에 고전압이 인가되기 때문에, 컴포넌트 1은 여전히 왼쪽 원형 편광된 광을 방출한다. 컴포넌트 2의 입사광은 왼쪽 원형 편광된 광이다. 컴포넌트 2에 저전압이 인가되기 때문에, 컴포넌트 2는 왼쪽으로 편향된 오른쪽 원형 편광된 광을 방출한다. 컴포넌트 3의 입사광은 왼쪽으로 편향된 오른쪽 원형 편광된 광이다. 컴포넌트 3에 저전압이 인가되기 때문에, 컴포넌트 3은 왼쪽으로 편향된 왼쪽 원형 편광된 광을 방출한다. 컴포넌트 4의 입사광은 왼쪽으로 편향된 왼쪽 원형 편광된 광이다. 컴포넌트 4에 저전압이 인가되기 때문에, 컴포넌트 4는 왼쪽으로 편향되고 아래로 편향되는 오른쪽 원형 편광된 광을 방출한다. 즉, 순간 t7에서 컴포넌트 4에 의해 방출된 빔은 순간 0에서의 것에 대해 왼쪽으로 편향되고 위로 편향되며, 도 40의 대응하는 스캔 포인트는 t7로서 도시된 위치이다.
전술한 것은 단지 도 39 및 도 40을 참조하여 TOF 깊이 감지 모듈의 가능한 스캐닝 트랙을 설명하고, 임의의 이산 랜덤 스캐닝이 편광 제어 시트들 및 LCPG들을 제어하는 전압을 변경함으로써 구현될 수 있다는 것을 이해해야 한다.
예를 들어, 도 32에 도시된 다양한 스캐닝 트랙들은 편광 제어 시트들 및 LCPG들을 제어하는 전압들을 변경함으로써 구현될 수 있다.
종래의 라이더가 타깃 물체를 스캔하기 위해 사용될 때, 타깃 영역에 대해 대략적 스캔(Coarse scan)을 먼저 수행한 다음, 관심 영역(ROI)이 발견된 후에 더 높은 해상도로 정밀 스캔(Fine scan)을 수행하는 것이 일반적으로 필요하다. 본 출원의 이 실시예에서의 TOF 깊이 감지 모듈은 이산 스캐닝을 구현할 수 있기 때문에, 관심 영역은 정밀 스캔을 위해 직접 위치될 수 있고, 그에 의해 정밀 스캔에 요구되는 시간을 크게 감소시킨다.
예를 들어, 도 41에 도시한 바와 같이, 피스캔 영역(인체 윤곽을 포함하는 전체 직사각형 영역)의 포인트의 총량은 M이고, ROI(도 41의 인체 윤곽 이미지 내의 이미지 영역)는 피스캔 영역의 총 면적의 1/N을 차지한다.
도 41에 도시된 피스캔 영역이 스캐닝될 때, 본 출원의 이 실시예에서의 종래의 라이더 및 레이저 스캐닝 레이더는 둘 다 K 포인트/초의 포인트 스캐닝 레이트를 갖고, ROI가 스캐닝될 때, 정밀 스캔이 수행될 필요가 있고, 정밀 스캔의 해상도는 원래 해상도의 4배(즉, 4K 포인트/초) 증가될 필요가 있다고 가정된다. 이 경우, 본 출원의 이 실시예에서 TOF 깊이 감지 모듈을 사용하여 ROI에 대한 정밀 스캔을 완료하는데 요구되는 시간은 t1이고, 종래의 라이더를 사용하여 ROI에 대한 정밀 스캔을 완료하는데 요구되는 시간은 t2이다. 본 출원의 이 실시예에서의 TOF 깊이 감지 모듈은 이산 스캐닝을 구현할 수 있기 때문에, ROI를 직접 찾고 미세하게 스캐닝할 수 있으며, 이는 더 짧은 스캔 시간을 필요로 한다. 그러나, 종래의 라이더는 선형 스캐닝을 수행하고, ROI를 정확하게 찾은 것은 어렵다. 따라서, 종래의 라이더는 전체 피스캔 영역을 미세하게 스캐닝할 필요가 있고, 이는 스캐닝 시간을 크게 증가시킨다. 도 42에 도시된 바와 같이, 본 출원의 이 실시예에서의 TOF 깊이 감지 모듈은 ROI를 직접 찾을 수 있고 ROI를 미세하게 스캔할 수 있다(도 42로부터, ROI 내의 스캔 포인트들의 밀도는 ROI 외부의 스캔 포인트들의 밀도보다 상당히 크다는 것을 알 수 있다).
또한, t1과 t2는 각각 다음의 2개의 수학식 (2) 및 (3)을 사용하여 계산될 수 있다:
Figure pct00004
(2)
Figure pct00005
(3)
전술한 수학식 (2) 및 수학식 (3)으로부터, 본 출원의 이 실시예에서의 TOF 깊이 감지 모듈이 ROI에 대한 정밀 스캔을 수행하는 데 필요한 시간은 종래의 라이더가 정밀 스캔을 수행하는 데 필요한 시간의 1/N에 불과하고, 이는 ROI에 대한 정밀 스캔에 필요한 시간을 크게 감소시킨다는 것을 알 수 있다.
본 출원의 이 실시예에서의 TOF 깊이 감지 모듈은 이산 스캐닝을 구현할 수 있기 때문에, 본 출원의 이 실시예에서의 TOF 깊이 감지 모듈은 임의의 형상의 ROI(차량, 인간, 빌딩, 및 랜덤 패치), 특히 일부 비대칭 영역들 및 이산 ROI 블록들에 대한 정밀 스캔을 구현할 수 있다. 또한, 본 출원의 이 실시예에서의 TOF 깊이 감지 모듈은 또한 스캐닝된 영역의 균일한 또는 불균일한 포인트 밀도 분포를 구현할 수 있다.
제2 경우: 광학 소자(230)는 전기-광학 컴포넌트이다.
제2 경우에, 광학 소자(230)가 전기-광학 컴포넌트일 때, 제어 신호는 전압 신호일 수 있다. 전압 신호는 전기-광학 컴포넌트의 굴절률을 변경하기 위해 사용될 수 있고, 따라서 전기-광학 컴포넌트는 광원에 대한 위치가 변하지 않는 동안 빔을 상이한 방향으로 편향시켜, 스캐닝 방향이 제어 신호와 일치하는 출사 빔을 획득한다.
선택적으로, 도 43에 도시된 바와 같이, 전기-광학 컴포넌트는 수평 전기-광학 결정(수평 편향을 위한 전기-광학 결정) 및 수직 전기-광학 결정(수직 편향을 위한 전기-광학 결정)을 포함할 수 있다. 수평 전기-광학 결정은 빔을 수평 방향으로 편향시킬 수 있고, 수직 전기-광학 결정은 빔을 수직 방향으로 편향시킬 수 있다.
선택적으로, 전기-광학 결정은 구체적으로 칼륨 탄탈레이트 니오베이트(potassium tantalate niobate, KTN) 결정, 중수소화 칼륨 이수소 포스페이트(deuterated potassium dihydrogen phosphate, DKDP) 결정, 및 리튬 니오베이트(lithium niobate, LN) 결정 중 어느 하나일 수 있다.
다음은 첨부 도면을 참조하여 전기-광학 결정의 작동 원리를 간단히 설명한다.
도 44에 도시한 바와 같이, 전기-광학 결정에 전압 신호가 인가될 때, 전기-광학 결정의 2차 광전 효과로 인해, 전기-광학 결정에서 굴절률차가 발생하여(즉, 전기-광학 결정 내의 상이한 영역들의 굴절률들이 상이함), 입사 빔이 편향된다. 도 44에 도시된 바와 같이, 출사 빔은 입사 빔의 방향에 대해 어느 정도 편향된다.
입사 빔에 대한 출사 빔의 편향 각도는 다음의 수학식 (4)에 기초하여 계산될 수 있다:
Figure pct00006
(4)
상기 수학식 (4)에서, θmax는 입사 빔에 대한 출사 빔의 최대 편향 각도를 나타내고, n은 전기-광학 결정의 굴절률이고, G11y는 2차 전기-광학 계수이고, Emax는 전기-광학 결정에 인가될 수 있는 최대 전계의 강도를 나타내고,
Figure pct00007
는 y 방향에서의 2차 전기-광학 계수 구배이다.
수학식 (4)로부터, 인가된 전계의 강도를 조정(즉, 전기-광학 결정에 인가되는 전압을 조정)하여 타깃 영역을 스캐닝함으로써 빔 편향 각도를 제어할 수 있다는 것을 알 수 있다. 또한, 더 큰 편향 각도를 구현하기 위해, 복수의 전기-광학 결정이 캐스케이드될 수 있다.
도 43에 도시한 바와 같이, 광학 소자는 수평 편향 전기-광학 결정과 수직 편향 전기-광학 결정을 포함한다. 2개의 전기-광학 결정은 각각 수평 방향 및 수직 방향의 빔 편향을 담당한다. 도 45에 도시된 제어 전압 신호들이 인가된 후에, 도 46에 도시된 3x3 스캔이 구현될 수 있다. 구체적으로, 도 45에서, 1 및 2는 각각 수평 편향 전기-광학 결정 및 수직 편향 전기-광학 결정에 인가되는 제어 전압 신호들을 나타낸다.
제3 경우: 광학 소자(230)는 음향-광학 컴포넌트이다.
도 47에 도시한 바와 같이, 광학 소자(230)는 음향-광학 컴포넌트이다. 음향-광학 컴포넌트는 트랜스듀서를 포함할 수 있다. 광학 소자(230)가 음향-광학 컴포넌트일 때, 제어 신호는 구체적으로 무선 주파수 제어 신호일 수 있다. 무선 주파수 제어 신호는 음향-광학 컴포넌트의 굴절률을 변경하기 위해 상이한 주파수들에서 음향파들을 발생시키도록 트랜스듀서를 제어하기 위해 사용될 수 있으며, 따라서 음향-광학 컴포넌트는 광원에 대한 위치가 변하지 않는 동안 빔을 상이한 방향들로 편향시켜, 스캐닝 방향이 제어 신호와 일치하는 출사 빔을 획득한다.
도 48에 도시한 바와 같이, 음향-광학 컴포넌트는 음향 흡수재, 석영, 및 압전 트랜스듀서를 포함한다. 음향-광학 컴포넌트가 전기 신호를 수신한 후, 압전 트랜스듀서는 전기 신호의 작용 하에 음향 신호를 생성할 수 있다. 음향 신호는 음향-광학 컴포넌트에서 송신될 때 석영의 굴절률 분포를 변화시켜 격자를 형성함으로써, 석영이 입사 빔을 특정 각도로 편향시킬 수 있다. 음향-광학 컴포넌트는 상이한 제어 신호들이 상이한 순간들에 입력될 때 상이한 순간들에서 상이한 방향들로 빔들을 생성할 수 있다. 도 48에 도시된 바와 같이, 상이한 순간들(T0, T1, T2, T3, 및 T4)에서의 석영의 출사 빔들은 상이한 편향 방향들을 가질 수 있다.
음향-광학 컴포넌트에 입사하는 전기 신호가 주기적인 신호일 때, 음향-광학 컴포넌트 내의 석영의 굴절률 분포가 주기적으로 변하기 때문에, 주기적인 격자가 형성되고, 주기적인 격자를 사용하여 입사 빔을 주기적으로 편향시킬 수 있다.
또한, 음향-광학 컴포넌트의 출사광의 강도는 음향-광학 컴포넌트에 입력되는 무선 주파수 제어 신호의 전력과 직접 관련되고, 입사 빔의 회절각은 무선 주파수 제어 신호의 주파수와 직접 관련된다. 출사 빔의 각도는 또한 무선 주파수 제어 신호의 주파수를 변경함으로써 대응하여 조정될 수 있다. 구체적으로, 입사 빔에 대한 출사 빔의 편향 각도는 다음의 수학식 (5)에 기초하여 결정될 수 있다:
Figure pct00008
(5)
상기 수학식 (5)에서, θ는 입사 빔에 대한 출사 빔의 편향 각도이고, λ는 입사 빔의 파장이고,
Figure pct00009
는 무선 주파수 제어 신호의 주파수이고,
Figure pct00010
는 음향파의 속도이다. 따라서, 광 편향기는 빔이 큰 각도 범위 내에서 스캐닝을 수행할 수 있게 하고, 빔의 출사 각도를 정확하게 제어할 수 있다.
제4 경우: 광학 소자(230)는 광학 위상 어레이(optical phase array, OPA) 컴포넌트이다.
이하에서는, 도 49 및 도 50을 참조하여, OPA 컴포넌트인 광학 소자(230)를 상세히 설명한다.
도 49에 도시된 바와 같이, 광학 소자(230)는 OPA 컴포넌트이고, 입사 빔은 OPA 컴포넌트을 사용하여 편향되어, 스캐닝 방향이 제어 신호와 일치하는 출사 빔을 획득할 수 있다.
OPA 컴포넌트는 일반적으로 1차원 또는 2차원 위상 시프터 어레이를 포함한다. 위상 시프터들 사이에 위상차가 없을 때, 광은 동시에 등위상 표면에 도달하고, 광은 간섭 없이 전방으로 전파된다. 따라서, 빔 편향이 발생하지 않는다.
위상차가 각각의 위상 시프터에 추가된 후(예를 들어, 균일한 위상차가 각각의 광 신호에 할당되고, 제2 도파관과 제1 도파관 사이의 위상차는 Δ이고, 제3 도파관과 제1 도파관 사이의 위상차는 2Δ이며, 기타 등등이다), 이 경우, 등위상 표면은 도파관 방향에 수직이 아니라, 어느 정도 편향된다. 등위상 관계를 충족시키는 빔들은 코히어런트하고 구성적이며, 등위상 조건을 충족시키지 않는 빔들은 서로 상쇄된다. 따라서, 빔들의 방향은 항상 등위상 표면에 수직이다.
도 50에 도시된 바와 같이, 인접한 도파관들 사이의 간격이 d라고 가정하면, 인접한 도파관들에 의해 출력되고 등위상 표면에 도달하는 빔들 사이의 광 경로차는 ΔR=d·sinθ이다. θ는 빔 편향 각도를 나타낸다. 광학 경로차가 어레이 소자들 사이의 위상차에 의해 야기되기 때문에, ΔR=Δ·λ/2π이다. 따라서, 빔은 어레이 소자들에 위상차를 도입함으로써 편향될 수 있다. 이것은 OPA가 빔을 편향시키는 방법이다.
따라서, 편향 각도는 θ=arcsin(Δ·λ/(2π*d))이다. 인접하는 위상 시프터들 간의 위상차들이, 예를 들어, π/12및 π/16으로 제어되면, 빔 편향 각도들은 arcsin(λ/24d)) 및 arcsin(λ/(12d))이다. 이러한 방식으로, 임의의 2차원 방향으로의 편향은 위상 시프터 어레이의 위상을 제어함으로써 구현될 수 있다. 위상 시프터들은 액정 재료로 이루어질 수 있고, 액정들 사이의 상이한 위상차들은 상이한 전압들을 인가함으로써 생성된다.
선택적으로, 도 51에 도시된 바와 같이, TOF 깊이 감지 모듈(200)은 다음을 추가로 포함한다:
시준 렌즈(260). 시준 렌즈(260)는 광원(210)과 편광 필터(220) 사이에 위치된다. 시준 렌즈(260)는 빔을 시준하도록 구성된다. 편광 필터(220)는 시준 렌즈(260)의 처리된 빔을 필터링하여 단일 편광 상태의 빔을 획득하도록 구성된다.
또한, 시준 렌즈(260)는 대안적으로 편광 필터(220)와 광학 소자(230) 사이에 위치될 수 있다. 이 경우, 편광 필터(220)는 먼저 광원에 의해 생성된 빔에 대해 편광 필터링을 수행하여, 단일 편광 상태의 빔을 획득한 다음, 시준 렌즈(260)는 단일 편광 상태의 빔을 시준한다.
선택적으로, 시준 렌즈(260)는 대안적으로 광학 소자(230)의 우측에 위치될 수 있다(시준 렌즈(260)와 광원(210) 사이의 거리는 광학 소자(230)와 광원(210) 사이의 거리보다 크다). 이 경우, 광학 소자(230)가 단일 편광 상태의 빔의 방향을 조정한 후에, 시준 렌즈(260)는 방향이 조정된, 단일 편광 상태에 있는 빔을 시준한다.
전술한 것은 도 26 내지 도 51을 참조하여 본 출원의 실시예에서의 TOF 깊이 감지 모듈(200)을 상세히 설명하고, 이하에서는 도 52를 참조하여 본 출원의 실시예에서의 이미지 생성 방법을 설명한다.
도 52는 본 출원의 실시예에 따른 이미지 생성 방법의 개략적인 흐름도이다.
도 52에 도시된 방법은 본 출원의 실시예에서의 TOF 깊이 감지 모듈 또는 본 출원의 실시예에서의 TOF 깊이 감지 모듈을 포함하는 단말 디바이스에 의해 수행될 수 있다. 구체적으로, 도 52에 도시된 방법은 도 27에 도시된 TOF 깊이 감지 모듈(200) 또는 도 27에 도시된 TOF 깊이 감지 모듈(200)을 포함하는 단말 디바이스에 의해 수행될 수 있다. 도 52에 도시된 방법은 단계들 4001 내지 4005를 포함하며, 이들은 아래에 상세히 설명된다.
5001. 빔을 생성하도록 광원을 제어한다.
광원은 복수의 편광 상태의 광을 생성할 수 있다.
예를 들어, 광원은 선형 편광, 왼쪽 원형 편광, 및 오른쪽 원형 편광과 같은 복수의 편광 상태의 광을 생성할 수 있다.
5002. 편광 필터를 사용하여 빔을 필터링하여 단일 편광 상태의 빔을 획득한다.
단일 편광 상태는 선형 편광, 왼쪽 원형 편광, 및 오른쪽 원형 편광 중 어느 하나일 수 있다.
예를 들어, 단계 5001에서, 광원에 의해 생성된 빔은 선형 편광된 광, 왼쪽 원형 편광된 광, 및 오른쪽 원형 편광된 광을 포함한다. 그 후, 단계 5002에서, 편광 상태들이 빔 내의 왼쪽 원형 편광된 광 및 오른쪽 원형 편광된 광인 광이 필터링될 수 있고, 특정 방향의 선형 편광된 광만이 유지된다. 선택적으로, 편광 필터는 1/4 파장판을 추가로 포함할 수 있어서, 보유된 선형 편광된 광은 왼쪽 원형 편광된 광(또는 오른쪽 원형 편광된 광)으로 변환된다.
5003. M개의 상이한 순간에서 상이한 복굴절 파라미터들을 각각 갖도록 광학 소자를 제어하여 M개의 상이한 방향에서의 출사 빔들을 획득한다.
광학 소자의 복굴절 파라미터는 제어가능하고, 광학 소자는 광학 소자의 상이한 복굴절을 사용함으로써 단일 편광 상태의 빔을 상이한 방향으로 조정할 수 있다. M은 1보다 큰 양의 정수이다. M개의 반사된 빔들은 타깃 물체에 의해 M개의 상이한 방향으로 출사 빔들을 반사함으로써 획득된 빔들이다.
이 경우, 광학 소자는 액정 편광 격자일 수 있다. 액정 편광 격자의 구체적인 세부사항들에 대해서는, 위의 제1 경우의 설명을 참조한다.
선택적으로, 광학 소자가 M개의 순간에서 상이한 복굴절 파라미터들을 갖는다는 것은 구체적으로 다음의 2개의 경우를 포함할 수 있다:
경우 1: M개의 순간 중 임의의 2개에서의 광학 소자의 복굴절 파라미터들이 상이하다.
경우 2: 광학 소자는 M개의 순간 중 적어도 2개의 순간을 가지고, 적어도 2개의 순간에서의 광학 소자의 복굴절 파라미터들은 상이하다.
경우 1에서, M=5라고 가정하면, 광학 소자는 5개의 순간에서 5개의 상이한 복굴절 파라미터에 각각 대응한다.
경우 2에서, M=5라고 가정하면, 광학 소자는 5개의 순간 중 2개에서 상이한 복굴절 파라미터들에 대응할 수 있다.
5004. 수신 유닛을 사용하여 M개의 반사된 빔을 수신한다.
5005. M개의 상이한 방향에서의 출사 빔들에 대응하는 TOF들에 기초하여 타깃 물체의 깊이 이미지를 생성한다.
M개의 상이한 방향에서의 출사 빔들에 대응하는 TOF들은 구체적으로 M개의 상이한 방향에서의 출사 빔들에 대응하는 반사된 빔들이 수신 유닛에 의해 수신되는 순간들과 M개의 상이한 방향에서의 출사 빔들의 방출 순간들 사이의 시간차 정보를 지칭할 수 있다.
M개의 상이한 방향에서의 출사 빔들이 출사 빔 1을 포함한다고 가정하면, 출사 빔 1에 대응하는 반사된 빔은 출사 빔 1이 타깃 물체에 도달한 후에 생성되고 타깃 물체에 의해 반사되는 빔일 수 있다.
본 출원의 이 실시예에서, 빔은 광학 소자의 상이한 복굴절을 사용하여 상이한 방향들로 조정될 수 있기 때문에, 빔의 전파 방향은 광학 소자의 복굴절 파라미터를 제어함으로써 조정될 수 있다. 이러한 방식으로, 빔의 전파 방향이 비-기계적-회전 방식으로 조정되어, 빔의 이산 스캐닝이 구현될 수 있고, 주위 환경 및 타깃 물체의 깊이 또는 거리 측정이 더 유연하게 수행될 수 있다.
선택적으로, 단계 5005에서 타깃 물체의 깊이 이미지를 생성하는 단계는 구체적으로 다음을 포함한다:
5005a. M개의 상이한 방향에서의 출사 빔들에 대응하는 TOF들에 기초하여 TOF 깊이 감지 모듈과 타깃 물체의 M개의 영역 사이의 거리들을 결정한다.
5005b. TOF 깊이 감지 모듈과 타깃 물체의 M개의 영역 사이의 거리들에 기초하여 타깃 물체의 M개의 영역의 깊이 이미지들을 생성하고; 타깃 물체의 M개의 영역의 깊이 이미지들에 기초하여 타깃 물체의 깊이 이미지를 합성한다.
도 52에 도시된 방법에서, 빔은 추가로 시준될 수 있다.
선택적으로, 단계 5002 전에, 도 52에 도시된 방법은 다음을 추가로 포함한다.
5006. 빔을 시준하여 시준된 빔을 획득한다.
빔이 시준된 후에, 단계 5002에서 단일 편광 상태의 빔을 획득하는 단계는 구체적으로: 편광 필터를 사용하여 시준된 빔을 필터링하여 단일 편광 상태의 광을 획득하는 단계를 포함한다.
편광 필터가 빔을 필터링하여 단일 편광 상태의 빔을 획득하기 위해 사용되기 전에, 빔이 시준되어, 대략 평행한 빔이 획득될 수 있고, 그로써 빔의 전력 밀도를 개선시키고, 이어서 빔에 의한 스캐닝의 효과를 추가로 개선시킨다.
시준된 빔은 발산 각도가 1도보다 작은 준-평행 광일 수 있다.
도 52에 도시된 방법에서, 단일 편광 상태의 빔은 추가로 시준될 수 있다는 것을 이해해야 한다. 구체적으로, 도 52에 도시된 방법은 다음을 추가로 포함한다:
5007. 단일 편광 상태의 빔을 시준하여 시준된 빔을 획득한다.
단계 5007은 단계 5002와 단계 5003 사이에서 수행될 수 있거나, 또는 단계 5007은 단계 5003과 단계 5004 사이에서 수행될 수 있다.
단계 5007이 단계 5002와 단계 5003 사이에서 수행될 때, 편광 필터가 광원에 의해 발생된 빔을 필터링한 후에, 단일 편광 상태의 빔이 획득되고, 그 다음 단일 편광 상태의 빔이 시준 렌즈를 사용하여 시준되어 시준된 빔을 획득한다. 다음으로, 단일 편광 상태의 빔의 전파 방향이 광학 소자를 사용하여 제어된다.
단계 5007이 단계 5003과 단계 5004 사이에서 수행될 때, 광학 소자가 단일 편광 상태의 빔의 전파 방향을 변경한 후에, 시준 렌즈는 단일 편광 상태의 빔을 시준하여 시준된 빔을 획득한다.
도 52에 도시된 방법에서, 단계 5006과 단계 5007은 선택적인 단계이고, 단계 5006 또는 단계 5007이 수행되도록 선택될 수 있다는 것을 이해해야 한다.
전술한 것은 도 26 내지 도 52를 참조하여 본 출원의 실시예들에서의 하나의 TOF 깊이 감지 모듈 및 이미지 생성 방법을 상세히 설명한다. 다음은 도 53 내지 도 69를 참조하여 본 출원의 실시예들에서의 다른 TOF 깊이 감지 모듈 및 이미지 생성 방법을 상세히 설명한다.
종래의 TOF 깊이 감지 모듈은 일반적으로 스캐닝을 위해 펄스형 TOF 기술을 사용한다. 그러나, 펄스형 TOF 기술은 단일 광자를 검출하기 위해 광검출기의 높은 감도를 요구한다. 일반적인 광검출기는 단일-광자 애벌란시 다이오드(SPAD)이다. SPAD의 복잡한 인터페이스 및 처리 회로로 인해, 공통 SPAD 센서의 해상도가 낮고, 이는 깊이 감지의 높은 공간 해상도 요건을 충족시킬 수 없다. 따라서, 본 출원의 실시예는 블록 조명 및 시분할 멀티플렉싱을 통해 깊이 감지의 공간 해상도를 개선하기 위해, TOF 깊이 감지 모듈 및 이미지 생성 방법을 제공한다. 다음은 첨부 도면들을 참조하여 이러한 TOF 깊이 감지 모듈 및 이미지 생성 방법을 상세히 설명한다.
다음은 먼저 도 53을 참조하여 본 출원의 이 실시예에서의 TOF 깊이 감지 모듈을 간단히 설명한다.
도 53은 본 출원의 실시예에 따른 TOF 깊이 감지 모듈을 사용하여 거리를 측정하는 개략도이다.
도 53에 도시된 바와 같이, TOF 깊이 감지 모듈은 송신단(투영단이라고도 지칭될 수 있음), 수신단, 및 제어 유닛을 포함할 수 있다. 송신단은 출사 빔을 방출하도록 구성된다. 수신단은 타깃 물체의 반사된 빔을 수신하도록 구성된다(반사된 빔은 타깃 물체에 의해 출사 빔을 반사함으로써 획득되는 빔임). 제어 유닛은 빔을 송신 및 수신하도록 송신단 및 수신단을 각각 제어할 수 있다.
도 53에서, 송신단은 일반적으로 광원, 편광 필터, 시준 렌즈(선택적), 제1 광학 소자, 및 투영 렌즈(선택적)를 포함할 수 있고, 수신단은 일반적으로 수신 렌즈, 제2 광학 소자, 및 센서를 포함할 수 있다. 도 53에서, 출사 빔에 대응하는 TOF는 타이밍 장치를 사용하여 기록되어, TOF 깊이 감지 모듈로부터 타깃 영역까지의 거리를 계산하고, 타깃 물체의 최종 깊이 이미지를 획득할 수 있다. 출사 빔에 대응하는 TOF는 반사된 빔이 수신 유닛에 의해 수신되는 순간과 출사 빔의 방출 순간 사이의 시간차 정보를 지칭할 수 있다.
도 53에 도시된 바와 같이, 빔의 FOV는 빔 셰이퍼와 제1 광학 소자를 사용하여 조정될 수 있어, 상이한 스캐닝 빔들이 순간 t0 내지 t17에서 방출될 수 있다. 타깃 FOV는 순간들 t0 내지 t17에서 방출된 빔들의 FOV들을 스플라이싱함으로써 달성될 수 있어서, TOF 깊이 감지 모듈의 해상도가 개선될 수 있다.
본 출원의 이 실시예에서의 TOF 깊이 감지 모듈은 3D 이미지를 획득하도록 구성될 수 있다. 본 출원의 이 실시예에서의 TOF 깊이 감지 모듈은, 3D 게임 또는 체성 게임(somatic game)에 대한 제스처 및 사지(limb) 인식을 또한 제공할 수 있는, 깊이 이미지 또는 3D 이미지를 획득하기 위해, 지능형 단말(예를 들어, 모바일 폰, 태블릿, 또는 웨어러블 디바이스) 상에 배치될 수 있다.
다음은 도 54를 참조하여 본 출원의 이 실시예에서의 TOF 깊이 감지 모듈을 상세히 설명한다.
도 54는 본 출원의 실시예에 따른 TOF 깊이 감지 모듈의 개략적인 블록도이다.
도 54에 도시된 TOF 깊이 감지 모듈(300)은 광원(310), 편광 필터(320), 빔 셰이퍼(330), 제1 광학 소자(340), 제2 광학 소자(350), 수신 유닛(360), 및 제어 유닛(370)을 포함한다. 도 54에 도시된 바와 같이, TOF 깊이 감지 모듈(300)의 송신단은 광원(310), 편광 필터(320), 빔 셰이퍼(330), 및 제1 광학 소자(340)를 포함한다. TOF 깊이 감지 모듈(300)의 수신단은 제2 광학 소자(350)와 수신 유닛(360)을 포함한다. 제1 광학 소자(340)와 제2 광학 소자(350)는 TOF 깊이 감지 모듈(300)의 송신단 및 수신단에 각각 위치된 소자들이다. 제1 광학 소자는 주로 송신단에서의 빔의 방향을 제어하여 출사 빔을 획득한다. 제2 광학 소자는 주로 반사된 빔의 방향을 제어하여, 반사된 빔이 수신 유닛으로 편향되게 한다.
다음은 TOF 깊이 감지 모듈(300) 내의 몇몇 모듈들 또는 유닛들을 상세히 설명한다.
광원(310):
광원(310)은 빔을 생성하도록 구성된다. 구체적으로, 광원(310)은 복수의 편광 상태의 광을 생성할 수 있다.
선택적으로, 광원(310)은 레이저 광원, 발광 다이오드(light emitting diode, LED) 광원, 또는 다른 형태의 광원일 수 있다. 이는 본 발명에서 포괄적인 것은 아니다.
선택적으로, 광원(310)은 레이저 광원이다. 레이저 광원으로부터의 빔은 레이저 빔이라고도 지칭될 수 있다는 것을 이해해야 한다. 설명의 용이함을 위해, 이들은 본 출원의 이 실시예에서 일괄적으로 빔이라고 지칭된다.
선택적으로, 광원(310)에 의해 방출된 빔은 단일 준-평행 빔이고, 광원(310)에 의해 방출된 빔의 발산 각도는 1°보다 작다.
선택적으로, 광원(310)은 반도체 레이저 광원일 수 있다.
광원은 수직 공동 표면 방출 레이저(vertical cavity surface emitting laser, VCSEL)일 수 있다.
선택적으로, 광원(310)은 패브리-페롯 레이저(줄여서 FP 레이저라고 지칭될 수 있음)이다.
단일 FP 레이저는 단일 VCSEL보다 더 큰 전력을 구현할 수 있고, VCSEL보다 더 높은 전기-광학 변환 효율을 갖고, 이에 의해 스캐닝 효과를 개선한다.
선택적으로, 광원(310)에 의해 방출된 빔의 파장은 900nm보다 크다.
태양광에서 파장이 900nm보다 큰 광의 강도가 약하기 때문에, 빔의 파장이 900nm보다 클 때, 태양광에 의해 야기되는 간섭이 감소될 수 있고, 그에 의해 TOF 깊이 감지 모듈의 스캐닝 효과를 개선한다. 선택적으로, 광원(310)에 의해 방출된 빔의 파장은 940nm 또는 1550nm이다.
태양광에서 파장이 940nm 또는 1550nm에 가까운 광의 강도가 약하기 때문에, 빔의 파장이 940nm 또는 1550nm일 때, 태양 광에 의해 야기되는 간섭이 크게 감소될 수 있고, 그에 의해 TOF 깊이 감지 모듈의 스캐닝 효과를 개선한다.
광원(310)의 발광 면적은 5×5mm2 이하이다.
광원의 크기가 작기 때문에, 광원을 포함하는 TOF 깊이 감지 모듈(300)은 단말 디바이스에 용이하게 통합되고, 단말 디바이스에서 차지하는 공간은 어느 정도 감소될 수 있다.
선택적으로, TOF 깊이 감지 모듈의 평균 출력 광 전력은 800mw보다 작다.
TOF 깊이 감지 모듈의 평균 출력 광 전력이 800mw 이하일 때, TOF 깊이 감지 모듈은 작은 전력 소비를 갖고, 단말 디바이스와 같은, 전력 소비에 민감한 디바이스에 배치될 수 있다.
편광 필터(320):
편광 필터(320)는 빔을 필터링하여 단일 편광 상태의 빔을 획득하도록 구성된다.
필터링을 통해 편광 필터(320)에 의해 획득된 빔의 단일 편광 상태는 광원(310)에 의해 생성된 빔의 복수의 편광 상태 중 하나이다.
예를 들어, 광원(310)에 의해 생성된 빔은 선형 편광된 광, 왼쪽 원형 편광된 광, 및 오른쪽 원형 편광된 광을 포함한다. 이 경우, 편광 필터(320)는 편광 상태들이 빔 내의 왼쪽 원형 편광된 광 및 오른쪽 원형 편광된 광인 광을 필터링하고, 특정 방향으로 선형 편광된 광만을 유지할 수 있다. 선택적으로, 편광 필터는 1/4 파장판을 추가로 포함할 수 있어서, 보유된 선형 편광된 광은 왼쪽 원형 편광된 광(또는 오른쪽 원형 편광된 광)으로 변환된다.
빔 셰이퍼(330):
빔 셰이퍼(330)는 빔을 조정하여 제1 빔을 획득하도록 구성된다.
본 출원의 이 실시예에서, 빔 셰이퍼(330)는 구체적으로 빔의 시야 FOV를 증가시키도록 구성된다는 것을 이해해야 한다.
제1 빔의 FOV는 제1 미리 설정된 범위를 충족시킨다.
바람직하게는, 제1 미리 설정된 범위는 [5°×5°, 20°×20°]일 수 있다. 제1 빔의 FOV의 수평 방향의 FOV는 5° 내지 20°(5°와 20°를 포함함)의 범위일 수 있고, 제1 빔의 FOV의 수직 방향의 FOV는 5° 내지 20°(5°와 20°를 포함함)의 범위일 수 있다는 것을 이해해야 한다.
본 출원의 발명의 개념이 충족될 수 있다면, 5°x5° 미만 또는 20°x20° 초과의 다른 범위들이 본 출원의 보호 범위 내에 속한다는 것을 추가로 이해해야 한다. 그러나, 설명의 용이함을 위해, 철저한 설명은 본 명세서에 제공되지 않는다. 제어 유닛(370):
제어 유닛(370)은 M개의 상이한 순간에사 제1 빔의 방향을 각각 제어하도록 제1 광학 소자를 제어하여, M개의 상이한 방향에서의 출사 빔들을 획득하도록 구성된다.
M개의 상이한 방향에서의 출사 빔들에 의해 커버되는 총 FOV는 제2 미리 설정된 범위를 충족시킨다.
바람직하게는, 제2 미리 설정된 범위는 [50°×50°, 80°×80°]일 수 있다.
유사하게, 본 출원의 발명의 개념이 충족될 수 있다면, 50°×50° 미만 또는 80°×80° 초과의 다른 범위들은 본 출원의 보호 범위 내에 속한다. 그러나, 설명의 용이함을 위해, 철저한 설명은 본 명세서에 제공되지 않는다.
제어 유닛(370)은 타깃 물체에 의해 M개의 상이한 방향에서의 출사 빔들을 반사함으로써 획득되는 M개의 반사된 빔을 수신 유닛으로 각각 편향되게 제2 광학 소자를 제어하도록 추가로 구성된다.
TOF 깊이 감지 모듈(300) 내의 빔 셰이퍼에 의한 처리를 통해 획득된 제1 빔의 FOV 및 M개의 상이한 방향에서의 스캐닝을 통해 획득된 총 FOV는 도 102 내지 도 104를 참조하여 아래에 설명된다는 것을 이해해야 한다. 세부사항들은 본 명세서에서 설명되지 않는다.
본 출원의 이 실시예에서, 빔 셰이퍼는 제1 빔이 큰 FOV를 갖도록 빔의 FOV를 조정하고, 스캐닝이 시분할 다중화 방식으로 수행됨으로써(제1 광학 소자는 상이한 순간들에서 상이한 방향들로 출사 빔들을 방출함), 타깃 물체의 최종적으로 획득된 깊이 이미지의 공간 해상도를 개선한다. 도 55는 본 출원의 실시예에 따른 TOF 깊이 감지 모듈의 개략적인 블록도이다.
도 55에 도시된 바와 같이, TOF 깊이 감지 모듈은 시준 렌즈(380)를 추가로 포함한다. 시준 렌즈(380)는 광원(310)과 편광 필터(320) 사이에 위치된다. 시준 렌즈(380)는 빔을 시준하도록 구성된다. 편광 필터(320)는 시준 렌즈(380)의 시준된 빔을 필터링하여 단일 편광 상태의 빔을 획득하도록 구성된다.
도 56은 본 출원의 실시예에 따른 TOF 깊이 감지 모듈의 개략적인 블록도이다. 도 56에서, 시준 렌즈(380)는 대안적으로 편광 필터(320)와 빔 셰이퍼(330) 사이에 위치될 수 있다. 시준 렌즈(380)는 단일 편광 상태의 빔을 시준하도록 구성된다. 빔 셰이퍼(330)는 시준 렌즈(380)의 시준된 빔의 FOV를 조정하여 제1 빔을 획득하도록 구성된다.
위에서, 시준 렌즈는 빔을 시준하여, 대략 평행한 빔을 획득할 수 있고, 이에 의해 빔의 전력 밀도를 개선하고, 후속하여 빔에 의한 스캐닝의 효과를 추가로 개선한다.
선택적으로, 시준 렌즈의 명확한 조리개는 5mm 이하이다.
시준 렌즈의 크기가 작기 때문에, 시준 렌즈를 포함하는 TOF 깊이 감지 모듈은 단말 디바이스에 쉽게 통합되고, 단말 디바이스에서 차지하는 공간은 어느 정도 감소될 수 있다.
시준 렌즈는 대안적으로 빔 셰이퍼(330)와 제1 광학 소자(340) 사이에 위치될 수 있다는 것을 이해해야 한다. 이 경우에, 시준 렌즈는 빔 셰이퍼(330)의 성형된 빔을 시준하고, 시준된 빔은 이어서 제1 광학 소자에 의해 처리된다.
게다가, 시준 렌즈(380)는 TOF 깊이 감지 모듈(300) 내의 임의의 가능한 위치에 위치될 수도 있고, 임의의 가능한 프로세스에서 빔을 시준한다.
선택적으로, 제1 광학 소자와 제2 광학 소자 사이의 수평 거리는 1cm 이하이다.
선택적으로, 제1 광학 소자 및/또는 제2 광학 소자는 회전 거울 컴포넌트이다.
회전 거울 컴포넌트가 회전하여 출사 빔들의 출사 방향들을 제어한다.
회전 거울 컴포넌트는 구체적으로 마이크로전자기계 시스템 검류계 또는 다면형 회전 거울일 수 있다.
제1 광학 소자는 액정 편광 격자, 전기-광학 컴포넌트, 음향-광학 컴포넌트, 및 광학 위상 어레이 컴포넌트와 같은 컴포넌트들 중 어느 하나일 수 있다. 제2 광학 소자는 대안적으로 액정 편광 격자, 전기-광학 컴포넌트, 음향-광학 컴포넌트, 및 광학 위상 어레이 컴포넌트와 같은 컴포넌트들 중 어느 하나일 수 있다. 액정 편광 격자, 전기-광학 컴포넌트, 음향-광학 컴포넌트, 및 광학 위상 어레이 컴포넌트와 같은 컴포넌트들의 구체적인 내용에 대해서는, 상기 제1 경우 내지 제4 경우의 설명들을 참조한다.
도 35에 도시된 바와 같이, 액정 편광 격자는 수평 LCPG 및 수직 LCPG뿐만 아니라, 수평 편광 제어 시트 및 수직 편광 제어 시트를 포함한다. 도 35에서, 수평 LCPG는 수평 편광 제어 시트와 수직 편광 제어 시트 사이에 위치하고, 수직 편광 제어 시트는 수평 LCPG와 수직 LCPG 사이에 위치한다.
선택적으로, 도 35에 도시된 액정 편광 격자 내의 컴포넌트들은 다음의 여러 조합 방식들을 가질 수 있다.
조합 방식 1은 124이다.
조합 방식 2는 342이다.
조합 방식 3은 3412이다.
조합 방식 1에서, 1은 밀접하게 부착된 수평 편광 제어 시트 및 수직 편광 제어 시트를 나타낼 수 있다. 조합 방식 2에서, 3은 밀접하게 부착된 수평 편광 제어 시트 및 수직 편광 제어 시트를 나타낼 수 있다.
조합 방식 1 또는 조합 방식 2에서의 제1 광학 소자(340) 또는 제2 광학 소자(350)가 TOF 깊이 감지 모듈 내에 배치될 때, 수평 편광 제어 시트 및 수직 편광 제어 시트는 모두 광원에 가까운 측에 위치되고, 수평 LCPG 및 수직 LCPG는 모두 광원으로부터 먼 측에 위치된다.
조합 방식 3에서의 제1 광학 소자(340) 또는 제2 광학 소자(350)가 TOF 깊이 감지 모듈 내에 배치될 때, 광원과 수직 편광 제어 시트, 수직 LCPG, 수평 편광 제어 시트, 및 수평 LCPG 사이의 거리들은 크기의 오름차순이다.
액정 편광 격자의 전술한 3개의 조합 방식 및 도 35에서의 조합 방식은 단지 예들이라는 것을 이해해야 한다. 실제로, 본 출원의 광학 소자의 컴포넌트는, 수평 편광 제어 시트와 광원 사이의 거리가 수평 LCPG와 광원 사이의 거리보다 작고, 수평 편광 제어 시트와 광원 사이의 거리가 수평 LCPG와 광원 사이의 거리보다 작다면, 다른 상이한 조합 방식들을 가질 수 있다.
선택적으로, 제2 광학 소자는: 수평 편광 제어 시트, 수평 액정 편광 격자, 수직 편광 제어 시트, 및 수직 액정 편광 격자를 포함하고, 센서와 이들 사이의 거리들은 크기의 오름차순이다.
선택적으로, 빔 셰이퍼는 확산 렌즈와 직사각형 구경 조리개를 포함한다.
전술한 것은 도 53 내지 도 56을 참조하여 본 출원의 실시예에서의 TOF 깊이 감지 모듈을 설명하고, 이하에서는 도 57을 참조하여 본 출원의 실시예에서의 이미지 생성 방법을 상세히 설명한다.
도 57은 본 출원의 실시예에 따른 이미지 생성 방법의 개략적인 흐름도이다.
도 57에 도시된 방법은 본 출원의 실시예에서의 TOF 깊이 감지 모듈 또는 TOF 깊이 감지 모듈을 포함하는 단말 디바이스에 의해 수행될 수 있다. 구체적으로, 도 57에 도시된 방법은 도 54에 도시된 TOF 깊이 감지 모듈 또는 도 54에 도시된 TOF 깊이 감지 모듈을 포함하는 단말 디바이스에 의해 수행될 수 있다. 도 57에 도시된 방법은 단계들 5001 내지 5006을 포함하며, 이들은 아래에 상세히 설명된다.
5001. 빔을 생성하도록 광원을 제어한다.
5002. 편광 필터를 사용하여 빔을 필터링하여 단일 편광 상태의 빔을 획득한다.
단일 편광 상태는 복수의 편광 상태 중 하나이다.
예를 들어, 복수의 편광 상태는 선형 편광, 왼쪽 원형 편광(left-handed circular polarization), 및 오른쪽 원형 편광(right-handed circular polarization)을 포함할 수 있고, 단일 편광 상태는 선형 편광, 왼쪽 원형 편광, 및 오른쪽 원형 편광 중 어느 하나일 수 있다.
5003. 빔 셰이퍼를 사용하여 빔을 조정하여 제1 빔을 획득한다.
선택적으로, 단계 5003은 구체적으로: 빔 셰이퍼를 사용하여 단일 편광 상태의 빔의 각도 강도 분포를 조정하여 제1 빔을 획득하는 단계를 포함한다.
본 출원의 이 실시예에서, 빔 셰이퍼를 사용하여 빔을 조정하는 것은 특히 빔 셰이퍼를 사용하여 빔의 필드 각도 FOV를 증가시킨다는 것을 이해해야 한다.
즉, 단계 5003은: 대안적으로 구체적으로 빔 셰이퍼를 사용하여 단일 편광 상태의 빔의 각도 강도 분포를 증가시켜 제1 빔을 획득하는 단계를 포함할 수 있다.
제1 빔의 FOV는 제1 미리 설정된 범위를 충족시킨다.
바람직하게는, 제1 미리 설정된 범위는 [5°×5°, 20°×20°]일 수 있다.
5004. M개의 상이한 순간에서 빔 셰이퍼로부터의 제1 빔의 방향을 각각 제어하도록 제1 광학 소자를 제어하여 M개의 상이한 방향에서의 출사 빔들을 획득한다.
M개의 상이한 방향에서의 출사 빔들에 의해 커버되는 총 FOV는 제2 미리 설정된 범위를 충족시킨다.
바람직하게는, 제2 미리 설정된 범위는 [50°×50°, 80°×80°]일 수 있다.
5005. 타깃 물체에 의해 M개의 상이한 방향에서의 출사 빔을 반사함으로써 획득되는 M개의 반사된 빔을 수신 유닛으로 각각 편향시키도록 제2 광학 소자를 제어한다.
5006. M개의 상이한 방향에서의 출사 빔들에 각각 대응하는 TOF들에 기초하여 타깃 물체의 깊이 이미지를 생성한다.
본 출원의 이 실시예에서, 빔 셰이퍼는 제1 빔이 큰 FOV를 갖도록 빔의 FOV를 조정하고, 스캐닝이 시분할 다중화 방식으로 수행됨으로써(제1 광학 소자는 상이한 순간들에서 상이한 방향들로 출사 빔들을 방출함), 타깃 물체의 최종적으로 획득된 깊이 이미지의 공간 해상도를 개선한다.
선택적으로, 단계 5006은 구체적으로: TOF 깊이 감지 모듈과 타깃 물체의 M개의 영역 사이의 거리들에 기초하여 타깃 물체의 M개의 영역의 깊이 이미지들을 생성하는 단계; 및 타깃 물체의 M개의 영역의 깊이 이미지들에 기초하여 타깃 물체의 깊이 이미지를 합성하는 단계를 포함한다.
선택적으로, 단계 5004는 구체적으로: 제어 유닛이 제1 전압 신호를 생성하는 단계를 포함한다. 제1 전압 신호는 M개의 상이한 순간에서의 제1 빔의 방향을 각각 제어하도록 제1 광학 소자를 제어하여 M개의 상이한 방향에서의 출사 빔들을 획득하기 위해 사용된다. 단계 5005는: 제어 유닛이 제2 전압 신호를 생성하는 단계를 포함한다. 제2 전압 신호는 타깃 물체에 의해 M개의 상이한 방향에서의 출사 빔들을 반사함으로써 획득되는 M개의 반사된 빔을 수신 유닛으로 각각 편향시키도록 제2 광학 소자를 제어하기 위해 사용된다.
제1 전압 신호 및 제2 전압 신호의 전압 값들은 동일한 순간에 동일하다.
도 54에 도시된 TOF 깊이 감지 모듈(300)에서, 송신단과 수신단은 각각 상이한 광학 소자들을 사용하여 빔 방출 및 수신을 제어한다. 선택적으로, 본 출원의 이 실시예에서의 TOF 깊이 감지 모듈에서, 송신단과 수신단은 대안적으로 동일한 광학 소자를 사용하여 빔 방출 및 수신을 제어한다.
이하에서는, 도 58을 참조하여, 송신단과 수신단이 동일한 광학 소자를 공유할 때의 빔 방출 및 수신을 상세히 설명한다.
도 58은 본 출원의 실시예에 따른 TOF 깊이 감지 모듈의 개략적인 블록도이다.
도 58에 도시된 TOF 깊이 감지 모듈(400)은 광원(410), 편광 필터(420), 빔 셰이퍼(430), 광학 소자(440), 수신 유닛(450), 및 제어 유닛(460)을 포함한다. 도 58에 도시된 바와 같이, TOF 깊이 감지 모듈(400)의 송신단은 광원(410), 편광 필터(420), 빔 셰이퍼(430), 및 광학 소자(440)를 포함하고, TOF 깊이 감지 모듈(400)의 수신단은 광학 소자(440)와 수신 유닛(450)을 포함한다. TOF 깊이 감지 모듈(400)의 송신단 및 수신단은 광학 소자(440)를 공유한다. 광학 소자(440)는 송신단에서의 빔을 제어하여 출사 빔을 획득할 수 있고, 반사된 빔을 제어하여 반사된 빔을 수신 유닛(450)으로 편향시킬 수 있다.
다음은 TOF 깊이 감지 모듈(400) 내의 몇몇 모듈들 또는 유닛들을 상세히 설명한다.
광원(410):
광원(410)은 빔을 생성하도록 구성된다.
선택적으로, 광원(410)에 의해 방출된 빔은 단일 준-평행 빔이고, 광원(410)에 의해 방출된 빔의 발산 각도는 1°보다 작다.
선택적으로, 광원(410)은 반도체 레이저 광원이다.
광원(410)은 수직 공동 표면 방출 레이저(vertical cavity surface emitting laser, VCSEL)일 수 있다.
선택적으로, 광원(410)은 대안적으로 패브리-페롯 레이저(줄여서 FP 레이저라고 지칭될 수 있음)일 수 있다.
단일 FP 레이저는 단일 VCSEL보다 더 큰 전력을 구현할 수 있고, VCSEL보다 더 높은 전기-광학 변환 효율을 갖고, 이에 의해 스캐닝 효과를 개선한다.
선택적으로, 광원(410)에 의해 방출된 빔의 파장은 900nm보다 크다.
태양광에서 파장이 900nm보다 큰 광의 강도가 약하기 때문에, 빔의 파장이 900nm보다 클 때, 태양광에 의해 야기되는 간섭이 감소될 수 있고, 그에 의해 TOF 깊이 감지 모듈의 스캐닝 효과를 개선한다.
선택적으로, 광원(410)에 의해 방출된 빔의 파장은 940nm 또는 1550nm이다.
태양광에서 파장이 940nm 또는 1550nm에 가까운 광의 강도가 약하기 때문에, 빔의 파장이 940nm 또는 1550nm일 때, 태양광에 의해 야기되는 간섭이 크게 감소될 수 있고, 그에 의해 TOF 깊이 감지 모듈의 스캐닝 효과를 개선한다.
광원(410)의 발광 면적은 5×5mm2 이하이다.
광원의 크기가 작기 때문에, 광원을 포함하는 TOF 깊이 감지 모듈(400)은 단말 디바이스에 용이하게 통합되고, 단말 디바이스에서 차지하는 공간은 어느 정도 감소될 수 있다.
선택적으로, TOF 깊이 감지 모듈(400)의 평균 출력 광 전력은 800mw보다 작다.
TOF 깊이 감지 모듈의 평균 출력 광 전력이 800mw 이하일 때, TOF 깊이 감지 모듈은 작은 전력 소비를 갖고, 단말 디바이스와 같은, 전력 소비에 민감한 디바이스에 배치될 수 있다.
편광 필터(420)는 빔을 필터링하여 단일 편광 상태의 빔을 획득하도록 구성된다.
빔 셰이퍼(430)는 단일 편광 상태의 빔의 FOV를 증가시켜 제1 빔을 획득하도록 구성된다.
제어 유닛(460)은 M개의 상이한 순간에서 제1 빔의 방향을 각각 제어하도록 광학 소자(440)를 제어하여 M개의 상이한 방향에서의 출사 빔들을 획득하도록 구성된다.
제어 유닛(460)은 타깃 물체에 의해 M개의 상이한 방향에서의 출사 빔들을 반사함으로써 획득되는 M개의 반사된 빔을 수신 유닛(450)으로 각각 편향되게 광학 소자(440)를 제어하도록 추가로 구성된다.
단일 편광 상태는 복수의 편광 상태 중 하나이다.
예를 들어, 복수의 편광 상태는 선형 편광, 왼쪽 원형 편광(left-handed circular polarization), 및 오른쪽 원형 편광(right-handed circular polarization)을 포함할 수 있고, 단일 편광 상태는 선형 편광, 왼쪽 원형 편광, 및 오른쪽 원형 편광 중 어느 하나일 수 있다.
제1 빔의 FOV는 제1 미리 설정된 범위를 충족시키고, M개의 상이한 방향에서의 출사 빔들에 의해 커버되는 총 FOV는 제2 미리 설정된 범위를 충족시킨다. 보다 구체적으로, 제2 미리 설정된 범위는 제1 미리 설정된 범위보다 크다. 보다 일반적으로, 제1 미리 설정된 범위 내의 FOV는 A°이고, A°*A° 내의 뷰를 커버할 수 있고, A의 범위는 3 이상 40 이하이다. 제2 미리 설정된 범위 내의 FOV는 B°이고, B°*B° 내의 뷰를 커버할 수 있고, B의 범위는 50 이상 120 이하이다. 본 기술분야의 컴포넌트들은 특정 제조 프로세스에서 적절한 편차를 가질 수 있다는 것을 이해해야 한다.
선택적으로, 제1 미리 설정된 범위는 [5°×5°, 20°×20°]를 포함할 수 있고, 즉, A는 5 이상이고, 20 이하이다. 제2 미리 설정된 범위는 [50°×50°, 80°×80°]를 포함할 수 있고, 즉, B는 50 이상이고, 80 이하이다.
본 출원의 이 실시예에서, 빔 셰이퍼는 제1 빔이 큰 FOV를 갖도록 빔의 FOV를 조정하고, 스캐닝이 시분할 다중화 방식으로 수행됨으로써(광학 소자는 상이한 순간들에서 상이한 방향들로 출사 빔들을 방출함), 타깃 물체의 최종적으로 획득된 깊이 이미지의 공간 해상도를 개선한다.
선택적으로, 제어 유닛(460)은 M개의 상이한 방향에서의 출사 빔들에 각각 대응하는 TOF들에 기초하여 타깃 물체의 깊이 이미지를 생성하도록 추가로 구성된다.
M개의 상이한 방향에서의 출사 빔들에 대응하는 TOF들은 구체적으로 M개의 상이한 방향에서의 출사 빔들에 대응하는 반사된 빔들이 수신 유닛에 의해 수신되는 순간들과 M개의 상이한 방향에서의 출사 빔들의 방출 순간들 사이의 시간차 정보를 지칭할 수 있다.
M개의 상이한 방향에서의 출사 빔들이 출사 빔 1을 포함한다고 가정하면, 출사 빔 1에 대응하는 반사된 빔은 출사 빔 1이 타깃 물체에 도달한 후에 생성되고 타깃 물체에 의해 반사되는 빔일 수 있다.
선택적으로, 상기 TOF 깊이 감지 모듈(300) 내의 광원(310), 편광 필터(320), 및 빔 셰이퍼(330)의 정의는 또한 TOF 깊이 감지 모듈(400) 내의 광원(410), 편광 필터(420), 및 빔 셰이퍼(430)에 적용 가능하다.
선택적으로, 광학 소자는 회전 거울 컴포넌트이다.
회전 거울 컴포넌트는 출사 빔의 출사 방향을 제어하기 위해 회전한다.
선택적으로, 회전 거울 컴포넌트는 마이크로전자기계 시스템 검류계 또는 다면형 회전 거울이다.
이하, 첨부 도면들을 참조하여, 회전 거울 컴포넌트인 광학 소자를 상세히 설명한다.
도 59는 본 출원의 실시예에 따른 TOF 깊이 감지 모듈의 개략적인 블록도이다.
도 59에 도시된 바와 같이, TOF 깊이 감지 모듈은 시준 렌즈(470)를 추가로 포함한다. 시준 렌즈(470)는 광원(410)과 편광 필터(420) 사이에 위치된다. 시준 렌즈(470)는 빔을 시준하도록 구성된다. 편광 필터(420)는 시준 렌즈(470)의 시준된 빔을 필터링하여 단일 편광 상태의 빔을 획득하도록 구성된다.
도 60은 본 출원의 실시예에 따른 TOF 깊이 감지 모듈의 개략적인 블록도이다. 도 60에서, 시준 렌즈(470)는 대안적으로 편광 필터(420)와 빔 셰이퍼(430) 사이에 위치될 수 있다. 시준 렌즈(470)는 단일 편광 상태의 빔을 시준하도록 구성된다. 빔 셰이퍼(430)는 시준 렌즈(470)의 시준된 빔의 FOV를 조정하여 제1 빔을 획득하도록 구성된다.
위에서, 시준 렌즈는 빔을 시준하여, 대략 평행한 빔을 획득할 수 있고, 이에 의해 빔의 전력 밀도를 개선하고, 후속하여 빔에 의한 스캐닝의 효과를 추가로 개선한다.
선택적으로, 시준 렌즈의 명확한 조리개는 5mm 이하이다.
시준 렌즈의 크기가 작기 때문에, 시준 렌즈를 포함하는 TOF 깊이 감지 모듈은 단말 디바이스에 쉽게 통합되고, 단말 디바이스에서 차지하는 공간은 어느 정도 감소될 수 있다.
시준 렌즈는 대안적으로 빔 셰이퍼(430)와 광학 소자(440) 사이에 위치될 수 있다는 것을 이해해야 한다. 이 경우에, 시준 렌즈는 빔 셰이퍼(430)의 성형된 빔을 시준하고, 시준된 빔은 이어서 광학 소자(440)에 의해 처리된다.
게다가, 시준 렌즈(470)는 TOF 깊이 감지 모듈(400) 내의 임의의 가능한 위치에 위치되고 임의의 가능한 프로세스에서 빔을 시준할 수 있다.
도 61에 도시된 바와 같이, TOF 깊이 감지 모듈은 광원, 균질기, 빔 스플리터, 마이크로전자기계 시스템(microelectromechanical system, MEMS) 검류계, 수신 렌즈, 및 센서를 포함한다. 도면에서 MEMS는 정전 검류계, 전자기 검류계, 다면형 회전 거울 등을 포함한다. 회전 거울 컴포넌트들이 모두 반사 방식으로 작동하기 때문에, TOF 깊이 감지 모듈 내의 광학 경로는 반사 광학 경로이고, 방출 경로 및 수신 경로는 동축 광학 경로들이고, 편광기 및 렌즈는 빔 스플리터를 통해 공유될 수 있다. 도 61에서, 편광기는 구체적으로 MEMS 검류계이다.
선택적으로, 광학 소자(440)는 액정 편광 소자이다.
선택적으로, 광학 소자(440)는 수평 편광 제어 시트, 수평 액정 편광 격자, 수직 편광 제어 시트, 및 수직 액정 편광 격자를 포함한다.
선택적으로, 광학 소자(440)에서, 광원과 수평 편광 제어 시트, 수평 액정 편광 격자, 수직 편광 제어 시트, 및 수직 액정 편광 격자 사이의 거리들은 크기의 오름차순이다. 대안적으로, 광원과 수직 편광 제어 시트, 수직 액정 편광 격자, 수평 편광 제어 시트, 및 수평 액정 편광 격자 사이의 거리들은 크기의 오름차순이다.
선택적으로, 빔 셰이퍼(430)는 확산 렌즈와 직사각형 구경 조리개를 포함한다.
광학 소자는 액정 편광 격자, 전기-광학 컴포넌트, 음향-광학 컴포넌트, 및 광학 위상 어레이 컴포넌트와 같은 컴포넌트들 중 어느 하나일 수 있다. 액정 편광 격자, 전기-광학 컴포넌트, 음향-광학 컴포넌트, 및 광학 위상 어레이 컴포넌트와 같은 컴포넌트들의 구체적인 내용에 대해서는, 상기 제1 경우 내지 제4 경우의 설명들을 참조한다.
도 62는 본 출원의 실시예에 따른 이미지 생성 방법의 개략적인 흐름도이다.
도 62에 도시된 방법은 본 출원의 실시예에서의 TOF 깊이 감지 모듈 또는 TOF 깊이 감지 모듈을 포함하는 단말 디바이스에 의해 수행될 수 있다. 구체적으로, 도 62에 도시된 방법은 도 58에 도시된 TOF 깊이 감지 모듈 또는 도 58에 도시된 TOF 깊이 감지 모듈을 포함하는 단말 디바이스에 의해 수행될 수 있다. 도 62에 도시된 방법은 단계들 6001 내지 6006을 포함하며, 이들은 아래에 상세히 설명된다.
6001. 빔을 생성하도록 광원을 제어한다.
6002. 편광 필터를 사용하여 빔을 필터링하여 단일 편광 상태의 빔을 획득한다.
단일 편광 상태는 복수의 편광 상태 중 하나이다.
예를 들어, 복수의 편광 상태는 선형 편광, 왼쪽 원형 편광(left-handed circular polarization), 및 오른쪽 원형 편광(right-handed circular polarization)을 포함할 수 있고, 단일 편광 상태는 선형 편광, 왼쪽 원형 편광, 및 오른쪽 원형 편광 중 어느 하나일 수 있다.
6003. 빔 셰이퍼를 사용하여 단일 편광 상태의 빔을 조정하여 제1 빔을 획득한다.
본 출원의 이 실시예에서, 빔 셰이퍼를 사용하여 빔을 조정하는 것은 특히 빔 셰이퍼를 사용하여 빔의 필드 각도 FOV를 증가시킨다는 것을 이해해야 한다.
선택적으로, 제1 빔의 FOV는 제1 미리 설정된 범위를 충족시킨다.
선택적으로, 제1 미리 설정된 범위는 [5°×5°, 20°×20°]를 포함할 수 있다.
6004. M개의 상이한 순간에서 빔 셰이퍼로부터의 제1 빔의 방향을 각각 제어하도록 광학 소자를 제어하여 M개의 상이한 방향에서의 출사 빔들을 획득한다.
M개의 상이한 방향에서의 출사 빔들에 의해 커버되는 총 FOV는 제2 미리 설정된 범위를 충족시킨다.
선택적으로, 제2 미리 설정된 범위는 [50°×50°, 80°×80°]를 포함할 수 있다.
6005. 타깃 물체에 의해 M개의 상이한 방향에서의 출사 빔을 반사함으로써 획득되는 M개의 반사된 빔을 수신 유닛으로 각각 편향시키도록 광학 소자를 제어한다.
6006. M개의 상이한 방향에서의 출사 빔들에 각각 대응하는 TOF들에 기초하여 타깃 물체의 깊이 이미지를 생성한다.
본 출원의 이 실시예에서, 빔 셰이퍼는 제1 빔이 큰 FOV를 갖도록 빔의 FOV를 조정하고, 스캐닝이 시분할 다중화 방식으로 수행됨으로써(광학 소자는 상이한 순간들에서 상이한 방향들로 출사 빔들을 방출함), 타깃 물체의 최종적으로 획득된 깊이 이미지의 공간 해상도를 개선한다.
선택적으로, 단계 6006은 구체적으로: M개의 상이한 방향에서의 출사 빔들에 각각 대응하는 TOF들에 기초하여 TOF 깊이 감지 모듈과 타깃 물체의 M개의 영역 사이의 거리들을 결정하는 단계; TOF 깊이 감지 모듈과 타깃 물체의 M개의 영역 사이의 거리들에 기초하여 타깃 물체의 M개의 영역의 깊이 이미지들을 생성하는 단계; 및 타깃 물체의 M개의 영역의 깊이 이미지들에 기초하여 타깃 물체의 깊이 이미지를 합성하는 단계를 포함한다.
선택적으로, 단계 6003은 구체적으로: 빔 셰이퍼를 사용하여 단일 편광 상태의 빔의 각도 강도 분포를 조정하여 제1 빔을 획득하는 단계를 포함한다.
다음은 도 63을 참조하여 본 출원의 이 실시예에서의 TOF 깊이 감지 모듈(400)의 특정 작동 프로세스를 상세히 설명한다.
도 63은 본 출원의 실시예에 따른 TOF 깊이 감지 모듈의 구조의 개략도이다.
도 63에 도시된 TOF 깊이 감지 모듈의 컴포넌트들의 특정 구현들 및 기능들은 다음과 같다:
(1) 광원은 VCSEL 어레이이다.
VCSEL 광원은 양호한 지향성을 갖는 빔 어레이를 방출할 수 있다.
(2) 편광 필름은 편광 필터이고, 편광 필름은 균질기의 앞(아래) 또는 뒤(위)에 위치할 수 있다.
(3) 균질기는 회절 광학 소자(diffractive optical element, DOE) 또는 광학 확산기(확산기라고 지칭될 수 있음)일 수 있다.
빔 어레이는 균질기에 의한 처리 후에 실질적으로 균질한 빔 블록을 형성한다.
(3) 광학 소자는 LCPG(liquid crystal polarization grating)의 복수의 층이다.
도 63은 편광 필름이 균질기 아래에 위치한다는 것을 보여줄 뿐이라는 것을 이해해야 한다. 실제로, 편광 필름은 대안적으로 균질기 위에 위치될 수 있다.
액정 편광 격자에 의해 빔의 방향을 제어하는 특정 원리에 대해서는, 도 37 및 도 38에서 설명된 관련 내용을 참조한다.
도 63에서, 액정 편광 격자의 복수의 층 및 1/4 파장판의 협력을 통해, 방출된 광은 타깃에 의해 반사되어 편광 필름으로 복귀한 후에 1/2 여분의 광학 경로를 단지 통과한다. 이 설계는 편광 필름이 방출된 광의 편향 방향과 반대인 복귀 광의 방향을 편향되게 할 수 있다. 준-동축 근사 하에서, 비스듬히 방출된 광은 반사된 후에 원래 경로를 따라 복귀하고, 방출된 광의 방향에 평행한 방향으로 편향되어, 수신 렌즈에 도달한다. 수신단은 빔 편향기를 사용하여 전체 수신기(SPAD 어레이) 상에, 방출된 광에 의해 선택적으로 조명되는 타깃 블록을 이미징할 수 있다. 타깃이 블록 단위로 조명될 때, 각각의 블록은 전체 수신기에 의해 수신되고, 완전한 이미지는 상이한 순간들에서 이미지들을 스플라이싱함으로써 획득될 수 있다. 이러한 방식으로, 수신기의 시분할 다중화가 구현됨으로써, 해상도의 증식(multiplication)을 달성한다.
(4) 수신 렌즈는 수신기 상에 수신된 광을 이미징하는 공통 렌즈에 의해 구현된다.
(5) 수신기는 SPAD 어레이이다.
SPAD는 단일 광자를 검출할 수 있고, 단일 광자 펄스가 SPAD에 의해 검출되는 시간이 정확하게 기록될 수 있다. VCSEL이 광을 방출할 때마다, SPAD가 시작된다. VCSEL은 빔을 주기적으로 방출하고, SPAD 어레이는 각각의 픽셀이 각각의 기간에서 반사된 광을 수신하는 순간에 대한 통계를 수집할 수 있다. 반사된 신호 펄스는 지연 시간을 계산하기 위해, 반사된 신호들의 시간 분포에 관한 통계를 수집함으로써 피팅을 통해 획득될 수 있다.
이 실시예에서의 핵심 컴포넌트는 투영단 및 수신단에 의해 공유되는 빔 편향기, 즉 액정 편광기이다. 이 실시예에서, 빔 편향기는 전기적으로 제어되는 액정 편광기라고도 지칭되는 LCPG들의 복수의 층을 포함한다.
도 64는 본 출원의 실시예에 따른 액정 편광기의 구조의 개략도이다.
액정 편광기의 선택적인 특정 구조가 도 64에 도시된다. 도 64에서, 1은 수평 단일-회절-각도 LCPG를 나타내고, 2는 수평 이중-회절-각도 LCPG를 나타내고, 3은 수직 단일-회절-각도 LCPG를 나타내고, 4는 수직 이중-회절-각도 LCPG를 나타내고, 5는 편광 제어 시트를 나타낸다. 도 64에 도시된 4개의 LCPG의 좌측에 각각 위치되고 5.1, 5.2, 5.3, 및 5.4로 번호가 각각 매겨진 5개의 편광 제어 시트가 있다.
도 64에 도시된 액정 편광기는 제어 유닛을 사용하여 제어될 수 있고, 제어 타이밍은 도 65에 도시될 수 있다(스캐닝은 순간 t0에서 시작하고 순간 t15까지 계속된다). 제어 유닛에 의해 생성된 구동 신호의 타이밍도가 도 66에 도시된다.
도 66은 순간 t0 내지 순간 t15에서의 액정 편광기의 편광 제어 시트(5.1, 5.2, 5.3, 5.4)의 전압 구동 신호들을 도시한다. 전압 구동 신호들은 2가지 타입: 로우 레벨 및 하이 레벨의 신호들을 포함하고, 로우 레벨은 0으로 표현되고, 하이 레벨은 1로 표현된다. 이 경우, 순간 t0 내지 순간 t15에서의 편광 제어 시트(5.1, 5.2, 5.3, 5.4)의 전압 구동 신호가 구체적으로 표 1에 도시된다.
Figure pct00011
예를 들어, 표 1에서, 시간 간격 t0에서 편광 제어 시트(5.1)의 전압 구동 신호는 로우-레벨 신호이고, 편광 제어 시트(5.2 내지 5.4)의 전압 구동 신호는 하이-레벨 신호이다. 따라서, 순간 t0에 대응하는 전압 신호는 0111이다.
도 64에 도시된 바와 같이, 전기적으로 제어되는 액정 편광기는 LCPG 및 편광 제어 시트를 포함한다. 4*4 스캔을 위한 전압 구동 신호가 도 66에 도시된다. 5.1, 5.2, 5.3, 및 5.4는 각각 4개의 편광 제어 시트에 인가되는 전압 구동 신호를 나타내고, 전체 FOV는 4*4 블록으로 분할되고, t0 내지 t15는 각각 블록을 조명하기 위한 시간 간격이다. 도 66에 도시된 전압 구동 신호들이 인가될 때, 액정 편광기의 컴포넌트들을 통과하는 빔들의 상태들이 표 2에 도시된다.
Figure pct00012
다음은 표 2에 나타낸 의미를 설명한다. 표 2의 각 항목에서, 괄호 안의 값은 전압 신호이고, L은 왼쪽을 나타내고, R은 오른쪽을 나타내고, 1 및 3과 같은 값은 빔 편향 각도를 나타내고, 3으로 나타낸 편향 각도는 1로 나타낸 편향 각도보다 크다.
예를 들어, R1-1의 경우, R은 오른쪽을 나타내고, 제1 값 1은 좌측을 나타내고(제1 값이 -1인 경우 우측을 나타냄), 제2 값 -1은 상부를 나타낸다(제2 값이 1인 경우 하부를 나타냄).
다른 예로서, L3-3의 경우, L은 왼쪽을 나타내고, 제1 값 3은 최우측을 나타내고(제1 값이 -3인 경우 최좌측을 나타냄), 제2 값 -3은 최상단을 나타낸다(제2 값이 3인 경우 최하단을 나타냄).
도 66에 도시된 전압 구동 신호가 액정 편광기에 인가될 때, 상이한 순간에 TOF 깊이 감지 모듈의 스캐닝된 영역이 도 67에 도시된다.
이하에서는, 첨부 도면들을 참조하여, 본 출원의 이 실시예에서 획득된 깊이 이미지를 설명한다. 도 68에 도시된 바와 같이, 순간 t0 내지 순간 t3에서의 타깃 물체에 대응하는 깊이 이미지들이 시분할 스캐닝을 통해 획득될 수 있다고 가정된다. 순간 t0 내지 순간 t3에 대응하는 깊이 이미지들의 해상도는 160×120이다. 순간 t0 내지 순간 t3에 대응하는 깊이 이미지들이 스플라이싱되어, 도 69에 도시된 타깃 물체의 최종 깊이 이미지를 획득할 수 있다. 타깃 물체의 최종 깊이 이미지의 해상도는 320×240이다. 도 68 및 도 69로부터, 최종적으로 획득된 깊이 이미지의 해상도는 상이한 순간들에서 획득된 깊이 이미지들을 스플라이싱함으로써 개선될 수 있다는 것을 알 수 있다.
전술한 것은 도 53 내지 도 69를 참조하여 본 출원의 실시예들에서의 하나의 TOF 깊이 감지 모듈 및 이미지 생성 방법을 상세히 설명한다. 다음은 도 70 내지 도 78을 참조하여 본 출원의 실시예들에서의 다른 TOF 깊이 감지 모듈 및 이미지 생성 방법을 상세히 설명한다.
TOF 깊이 감지 모듈에서, 액정 컴포넌트는 빔의 방향을 조정하기 위해 사용될 수 있고, 편광 필름은 일반적으로 편광된 광을 방출하기 위해 TOF 깊이 감지 모듈 내의 송신단에 추가된다. 그러나, 편광된 광을 방출하는 프로세스에서, 편광 필름의 편광 선택 기능으로 인해, 에너지의 절반은 빔 방출 동안 손실되고, 손실된 에너지는 편광 필름에 의해 흡수되거나 산란되고 열로 변환되며, 이는 TOF 깊이 감지 모듈의 온도를 증가시키고, TOF 깊이 감지 모듈의 안정성에 영향을 미친다. 따라서, TOF 깊이 감지 모듈의 열 손실을 감소시키는 방법은 해결될 필요가 있는 문제이다.
구체적으로, 본 출원의 이 실시예에서의 TOF 깊이 감지 모듈에서, TOF 깊이 감지 모듈의 열 손실은 편광 필름을 송신단으로부터 수신단으로 전달함으로써 감소될 수 있다. 다음은 첨부 도면들을 참조하여 본 출원의 이 실시예에서의 TOF 깊이 감지 모듈을 상세히 설명한다.
다음은 먼저 도 70을 참조하여 본 출원의 이 실시예에서의 TOF 깊이 감지 모듈을 간단히 설명한다.
도 70은 본 출원의 실시예에 따른 TOF 깊이 감지 모듈에 의해 작동하는 개략도이다. 도 70에 도시된 바와 같이, TOF 깊이 감지 모듈은 송신단(투영단이라고도 지칭될 수 있음), 수신단, 및 제어 유닛을 포함할 수 있다. 송신단은 출사 빔을 방출하도록 구성된다. 수신단은 타깃 물체의 반사된 빔을 수신하도록 구성된다(반사된 빔은 타깃 물체에 의해 출사 빔을 반사함으로써 획득되는 빔임). 제어 유닛은 빔을 송신 및 수신하도록 송신단 및 수신단을 각각 제어할 수 있다.
도 70에서, 송신단은 일반적으로 광원, 시준 렌즈(선택적), 균질기, 광학 소자, 및 투영 렌즈(선택적)를 포함할 수도 있고, 수신단은 일반적으로 빔 선택기와 수신 유닛을 포함하고, 수신 유닛은 구체적으로 수신 렌즈와 센서를 포함할 수 있다.
도 70에 도시된 TOF 깊이 감지 모듈은 동일한 순간에 2개 이상의 상이한 상태(상태 A와 상태 B)에서 투영된 광을 투영한다. 2개의 상이한 상태의 투영된 광이 반사되고 수신단에 도달한 후에, 빔 선택기는 명령에 따라, 특정 상태의 광을 깊이 이미징하기 위해, 센서로 진입하는 상태의 반사된 광을 허용하도록 시분할 방식으로 선택한다. 그 후, 빔 편향기는 타깃 FOV를 커버하기 위해 상이한 방향으로 스캐닝을 수행할 수 있다.
도 70에 도시된 TOF 깊이 감지 모듈은 3D 이미지를 획득하도록 구성될 수 있다. 본 출원의 이 실시예에서의 TOF 깊이 감지 모듈은, 3D 게임 또는 체성 게임(somatic game)에 대한 제스처 및 사지(limb) 인식을 또한 제공할 수 있는, 깊이 이미지 또는 3D 이미지를 획득하기 위해, 지능형 단말(예를 들어, 모바일 폰, 태블릿, 또는 웨어러블 디바이스) 상에 배치될 수 있다.
이하에서는 도 71을 참조하여 본 출원의 이 실시예에서의 TOF 깊이 감지 모듈을 상세히 설명한다.
도 71에 도시된 TOF 깊이 감지 모듈(500)은 광원(510), 광학 소자(520), 빔 선택기(530), 수신 유닛(540), 및 제어 유닛(550)을 포함한다.
다음은 TOF 깊이 감지 모듈(500) 내의 몇몇 모듈들 또는 유닛들을 상세히 설명한다.
광원(510):
광원(510)은 빔을 생성하도록 구성된다.
선택적으로, 광원은 반도체 레이저 광원일 수 있다.
광원은 수직 공동 표면 방출 레이저(vertical cavity surface emitting laser, VCSEL)일 수 있다.
선택적으로, 광원은 패브리-페롯(Fabry-Perot) 레이저(줄여서 FP 레이저라고 지칭될 수 있음)일 수 있다.
단일 FP 레이저는 단일 VCSEL보다 더 큰 전력을 구현할 수 있고, VCSEL보다 더 높은 전기-광학 변환 효율을 갖고, 이에 의해 스캐닝 효과를 개선한다.
선택적으로, 광원(510)에 의해 방출된 빔의 파장은 900nm보다 크다.
태양광에서 파장이 900nm보다 큰 광의 강도가 약하기 때문에, 빔의 파장이 900nm보다 클 때, 태양광에 의해 야기되는 간섭이 감소될 수 있고, 그에 의해 TOF 깊이 감지 모듈의 스캐닝 효과를 개선한다.
선택적으로, 광원(510)에 의해 방출된 빔의 파장은 940nm 또는 1550nm이다.
태양광에서 파장이 940nm 또는 1550nm에 가까운 광의 강도가 약하기 때문에, 빔의 파장이 940nm 또는 1550nm일 때, 태양광에 의해 야기되는 간섭이 크게 감소될 수 있고, 그에 의해 TOF 깊이 감지 모듈의 스캐닝 효과를 개선한다.
선택적으로, 광원(510)의 발광 면적은 5×5mm2 이하이다.
광원의 크기가 작기 때문에, 광원을 포함하는 TOF 깊이 감지 모듈은 단말 디바이스에 용이하게 통합되고, 단말 디바이스에서 차지하는 공간은 어느 정도 감소될 수 있다.
선택적으로, TOF 깊이 감지 모듈의 평균 출력 광 전력은 800mw보다 작다.
TOF 깊이 감지 모듈의 평균 출력 광 전력이 800mw 이하일 때, TOF 깊이 감지 모듈은 작은 전력 소비는 갖고, 단말 디바이스와 같은, 전력 소비에 민감한 디바이스에 배치될 수 있다.
광학 소자(520):
광학 소자(520)는 빔의 출사 방향으로 배치되고, 광학 소자(520)는 제1 출사 빔과 제2 출사 빔을 획득하기 위해 빔의 방향을 제어하도록 구성된다. 제1 출사 빔의 출사 방향과 제2 출사 빔의 출사 방향은 상이하고, 제1 출사 빔의 편광 방향과 제2 출사 빔의 편광 방향은 직교한다.
선택적으로, 도 35에 도시된 바와 같이, 광학 소자(520)는 수평 편광 제어 시트, 수평 액정 편광 격자, 수직 편광 제어 시트, 및 수직 액정 편광 격자를 포함할 수 있다. 광원과 수평 편광 제어 시트, 수평 액정 편광 격자, 수직 편광 제어 시트, 및 수직 액정 편광 격자 사이의 거리들은 크기의 오름차순이다.
대안적으로, 광학 소자(520)에서, 광원과 수직 편광 제어 시트, 수직 액정 편광 격자, 수평 편광 제어 시트, 및 수평 액정 편광 격자 사이의 거리들은 크기의 오름차순이다.
수신 유닛(540):
수신 유닛(540)은 수신 렌즈(541)와 센서(542)를 포함할 수 있다.
제어 유닛(550)과 빔 선택기(530):
제어 유닛(550)은 제어 신호를 사용하여 빔 선택기(530)의 작동을 제어하도록 구성된다. 구체적으로, 제어 유닛(550)은 제어 신호를 생성할 수 있다. 제어 신호는 상이한 시간 간격들에서 제3 반사된 빔과 제4 반사된 빔을 센서로 각각 전파하도록 빔 선택기(530)를 제어하기 위해 사용된다. 제3 반사된 빔은 타깃 물체에 의해 제1 출사 빔을 반사함으로써 획득된 빔이다. 제4 반사된 빔은 타깃 물체에 의해 제2 출사 빔을 반사함으로써 획득된 빔이다.
빔 선택기(530)는 제어 유닛(550)의 제어 하에서 상이한 순간에 상이한 편광 상태의 빔들을 수신 유닛에 각각 전파할 수 있다. 본 명세서에서 빔 선택기(530)는 수신된 반사된 빔들을 시분할 모드에서 수신 유닛(540)에 전파하며, 이는 수신 유닛(540)의 수신 해상도를 더 충분히 이용할 수 있고 아래의 TOF 깊이 감지 모듈(600) 내의 빔 스플리터(630)보다 최종적으로 획득된 깊이 이미지의 더 높은 해상도를 달성한다.
선택적으로, 제어 유닛(550)에 의해 생성된 제어 신호는 상이한 시간 간격들에서 제3 반사된 빔과 제4 반사된 빔을 센서로 각각 전파하도록 빔 선택기(530)를 제어하기 위해 사용된다.
즉, 빔 선택기는 제어 유닛(550)에 의해 생성된 제어 신호의 제어 하에서 상이한 시간에 제3 반사된 빔과 제4 반사된 빔을 수신 유닛에 각각 전파할 수 있다.
선택적으로, 실시예에서, 빔 선택기(530)는 1/4 파장판 + 반파장판 + 편광 필름을 포함한다.
도 72에 도시된 바와 같이, TOF 깊이 감지 모듈(500)은 다음을 추가로 포함할 수 있다:
시준 렌즈(560). 시준 렌즈(560)는 빔의 출사 방향으로 배치되고, 시준 렌즈는 광원과 광학 소자 사이에 배치된다. 시준 렌즈(560)는 시준된 빔을 획득하기 위해 빔을 시준하도록 구성된다. 광학 소자(520)는 시준된 빔의 방향을 제어하여 제1 출사 빔과 제2 출사 빔을 획득하도록 구성된다.
위에서, 시준 렌즈는 빔을 시준하여, 대략 평행한 빔을 획득할 수 있고, 이에 의해 빔의 전력 밀도를 개선하고, 후속하여 빔에 의한 스캐닝의 효과를 추가로 개선한다.
선택적으로, 시준 렌즈의 명확한 조리개는 5mm 이하이다.
시준 렌즈의 크기가 작기 때문에, 시준 렌즈를 포함하는 TOF 깊이 감지 모듈은 단말 디바이스에 쉽게 통합되고, 단말 디바이스에서 차지하는 공간은 어느 정도 감소될 수 있다.
도 73에 도시된 바와 같이, TOF 깊이 감지 모듈(500)은 다음을 추가로 포함할 수 있다:
균질기(570). 균질기(570)는 빔의 출사 방향으로 배치되고, 시준 렌즈는 광원(510)과 광학 소자(520) 사이에 배치된다. 균질기(570)는 균질화된 빔을 획득하기 위해 빔의 에너지 분포를 조정하도록 구성된다. 광학 소자는 균질화된 빔의 방향을 제어하여 제1 출사 빔과 제2 출사 빔을 획득하도록 구성된다.
선택적으로, 균질기는 마이크로렌즈 확산기 또는 회절 광학 소자 확산기(DOE 확산기)이다.
TOF 깊이 감지 모듈(500)은 시준 렌즈(560)와 균질기(570) 양측 모두를 포함할 수도 있고, 시준 렌즈(560)와 균질기(570)는 모두 광원(510)과 광학 소자(520) 사이에 위치된다는 것을 이해해야 한다. 시준 렌즈(560)와 균질기(570)의 경우, 시준 렌즈(560)가 광원에 더 가까울 수 있거나, 또는 균질기(570)가 광원에 더 가까울 수 있다.
도 74에 도시된 바와 같이, 시준 렌즈(560)와 광원(510) 사이의 거리는 균질기(570)와 광원(510) 사이의 거리보다 작다.
도 74에 도시된 TOF 깊이 감지 모듈(500)에서, 광원(510)에 의해 방출된 빔은 먼저 시준 렌즈(560)에 의해 시준되고 나서, 균질기(570)에 의해 균질화되고, 이어서 처리를 위해 광학 소자(520)로 전파된다.
본 출원의 이 실시예에서, 균질화를 통해, 빔의 광 전력은 각도 공간에서 더 균일하거나, 또는 특정 규칙에 기초하여 분포될 수 있어, 과도하게 낮은 로컬 광 전력을 방지함으로써, 타깃 물체의 최종적으로 획득된 깊이 이미지에서 블라인드 스폿을 피할 수 있다.
도 75에 도시된 바와 같이, 시준 렌즈(560)와 광원(510) 사이의 거리는 균질기(570)와 광원(510) 사이의 거리보다 크다.
도 74에 도시된 TOF 깊이 감지 모듈(500)에서, 광원(510)에 의해 방출된 빔은 먼저 균질기(570)에 의해 균질화된 다음, 시준 렌즈(560)에 의해 시준되고, 그 후 처리를 위해 광학 소자(520)로 전파된다.
다음은 도 76을 참조하여 TOF 깊이 감지 모듈(500)의 특정 구조를 상세히 설명한다.
도 76은 본 출원의 실시예에 따른 TOF 깊이 감지 모듈(500)의 특정 구조의 개략도이다.
도 76에 도시된 바와 같이, TOF 깊이 감지 모듈(500)은 투영단, 제어 유닛, 및 수신단을 포함한다. 투영단은 광원, 균질기, 및 빔 편향기를 포함한다. 수신단은 빔 편향기, 빔(동적) 선택기, 수신 렌즈, 및 2차원 센서를 포함한다. 제어 유닛은 빔 스캐닝을 완료하기 위해 투영단과 수신단을 제어하도록 구성된다. 또한, 도 76의 빔 편향기는 도 71의 광학 소자에 대응하고, 도 76의 빔(동적) 선택기는 도 71의 빔 선택기에 대응한다.
다음은 모듈들 또는 유닛들에 구체적으로 사용되는 컴포넌트들을 상세히 설명한다.
광원은 수직 공동 표면 방출 레이저(VCSEL) 어레이 광원일 수 있다.
균질기는 회절 광학 소자 확산기일 수 있다.
빔 편향기는 LCPG들의 복수의 층과 1/4 파장판일 수 있다.
전기적으로 제어되는 LCPG는 수평 방향으로 전기적으로 제어되는 LCPG 컴포넌트와 수직 방향으로 전기적으로 제어되는 LCPG 컴포넌트를 포함한다.
수평 방향 및 수직 방향으로의 2차원 블록 스캐닝은 캐스케이드되는 전기적으로 제어되는 LCPG들의 복수의 층을 사용함으로써 구현될 수 있다. 1/4 파장판은 LCPG들로부터의 원형 편광된 광을 선형 편광된 광으로 변환하여, 송신단과 수신단 사이에 준-동축 효과를 달성하도록 구성된다.
VCSEL 어레이 광원의 파장은 900nm보다 클 수 있다. 구체적으로, VCSEL 어레이 광원의 파장은 940nm 또는 1550nm일 수 있다.
940nm 대역에서의 태양 스펙트럼 강도는 약하다. 이는 실외 장면에서 태양광에 의해 야기되는 잡음을 감소시키는 것을 돕는다. 또한, VCSEL 어레이 광원에 의해 방출된 레이저 광은 연속파 광 또는 펄스 광일 수 있다. VCSEL 어레이 광원은 상이한 시간들에서 상이한 영역들을 턴온하는 시분할 제어를 구현하기 위하여 수 개의 블록들로 분할될 수 있다.
회절 광학 소자 확산기의 기능은 VCSEL 어레이 광원에 의해 방출된 빔을 특정 FOV(예를 들어, 5°x5° FOV)를 갖는 균일한 정사각형 또는 직사각형 광원으로 성형하는 것이다.
LCPG들의 복수의 층과 1/4 파장판의 기능은 빔 스캐닝을 구현하는 것이다.
수신단과 송신단은 LCPG들의 복수의 층과 1/4 파장판을 공유한다. 수신단에서의 빔 선택기는 1/4 파장판 + 전기적으로 제어되는 반파장판 + 편광 필름을 포함한다. 수신단에서의 수신 렌즈는 단일 렌즈 또는 복수의 렌즈의 조합일 수 있다. 수신단에서의 센서는 단일-광자 애벌란시 다이오드(single-photon avalanche diode)(SPAD) 어레이이고, 이는 단일 광자를 검출하기 위한 SPAD의 감도 때문에 라이더 시스템의 검출 거리를 증가시킬 수 있다.
TOF 깊이 감지 모듈(500)에 대해, 송신단에서의 편광 선택기는 수신단으로 이동된다. 도 76에 도시된 바와 같이, 통상의 VCSEL 어레이 광원에 의해 방출된 레이저 광은 고정된 편광 상태를 갖지 않으며, 이는 종이 표면에 평행한 선형 편광된 레이저 광과 종이 표면에 수직인 선형 편광된 레이저 광으로 분해될 수 있다. LCPG들을 통과한 후에, 선형 편광된 레이저 광은 상이한 편광 상태들(왼쪽 원형 편광 및 오른쪽 원형 편광)의 2개의 레이저 빔으로 분할되고, 이들은 각각 상이한 출사 각도들을 갖는다. 2개의 레이저 빔이 1/4 파장판을 통과한 후, 대응하는 편광 상태들은 종이 표면에 평행한 선형 편광된 광과 종이 표면에 수직인 선형 편광된 광으로 변환된다. 상이한 편광 상태의 2개의 레이저 빔이 타깃 영역 내의 물체를 조사한 후에 발생된 반사된 빔은 LCPG들과 송신단 및 수신단에서 공유되는 1/4 파장판에 의해 수신되고, 이어서 동일한 발산 각도를 갖지만 상이한 편광 상태를 갖는 레이저 광: 왼쪽 원형 편광된 광 및 오른쪽 원형 편광된 광이 된다. 수신단에서의 빔 선택기는 1/4 파장판 + 전기적으로 제어되는 반파장판 + 편광 필름을 포함한다. 수신된 광이 1/4 파장판을 통과한 후, 편광 상태들은 종이 표면에 평행한 선형 편광된 광과 종이 표면에 수직인 선형 편광된 광으로 변환된다. 이러한 방식으로, 시분할 제어를 통해, 전기적으로 제어되는 반파장판은 선형 편광된 광의 편광 상태를 90도만큼 회전시키거나 또는 반파장판을 통과하는 편광 상태를 변화시키지 않아서, 종이 표면에 평행한 선형 편광된 광과 종이 표면에 수직인 선형 편광된 광이 상이한 시간에 송신되고, 다른 편광 상태의 광은 편광 필름에 의해 흡수 또는 산란된다.
송신단에 위치된 편광 선택기를 갖는 기존의 TOF 깊이 감지 모듈과 비교하여, 본 출원에서의 편광 선택기가 수신단에 위치되기 때문에, 편광 필름에 의해 흡수되거나 산란되는 에너지가 상당히 감소된다. 검출 거리는 R 미터이고, 타깃 물체는 ρ의 반사 지수를 갖고, 수신 시스템의 입사 동공 직경(entrance pupil diameter)은 D라고 가정한다. 동일한 수신 FOV의 경우에, 본 출원의 이 실시예에서의 TOF 깊이 감지 모듈(500)의 편광 선택기의 입사 에너지 Pt는 다음과 같다:
Figure pct00013
P는 송신단에 의해 방출되는 에너지이고, 1m의 거리에서, 에너지는 약 104배만큼 감소될 수 있다.
또한, 본 출원의 이 실시예에서의 TOF 깊이 감지 모듈(500)과 종래의 TOF 깊이 감지 모듈 특허는 동일한 전력에서 비편광된 광원들을 사용한다고 가정된다. 본 출원의 이 실시예에서의 TOF 깊이 감지 모듈(500) 내의 실외 광은 비편광되기 때문에, 수신 검출기에 진입하는 광의 절반은 흡수되거나 산란되는 반면, 종래의 솔루션에서의 TOF 깊이 감지 모듈 내의 모든 실외 광은 검출기에 진입한다. 따라서, 본 출원의 이 실시예에서의 신호-대-잡음비는 동일한 경우에 약 1배 증가된다.
도 76에 도시된 TOF 깊이 감지 모듈(500)에 기초하여, VCSEL 어레이 광원의 후방의 회절 광학 소자 확산기(DOE 확산기)는 마이크로렌즈 확산기(확산기)로 변경될 수 있다. 마이크로렌즈 확산기는 기하학적 광학에 기초하여 균질화를 구현하고, 따라서 80% 초과에 도달할 수 있는 높은 전송 효율을 갖는 반면, 종래의 회절 광학 소자 확산기(DOE 확산기)의 전송 효율은 단지 약 70%이다. 마이크로렌즈 확산기의 형태는 도 77에 도시된다. 마이크로렌즈 확산기는 일련의 랜덤하게 분포된 마이크로렌즈를 포함한다. 각각의 마이크로렌즈의 위치 및 형태는 시뮬레이션을 통해 설계되고 최적화되어, 성형된 빔이 가능한 한 균일하고 전송 효율이 높다.
도 78은 본 출원의 실시예에 따른 이미지 생성 방법의 개략적인 흐름도이다.
도 78에 도시된 방법은 본 출원의 실시예에서 TOF 깊이 감지 모듈 또는 TOF 깊이 감지 모듈을 포함하는 단말 디바이스에 의해 수행될 수 있다. 구체적으로, 도 78에 도시된 방법은 도 71에 도시된 TOF 깊이 감지 모듈 또는 도 71에 도시된 TOF 깊이 감지 모듈을 포함하는 단말 디바이스에 의해 수행될 수 있다. 도 78에 도시된 방법은 단계들 7001 내지 7006을 포함하며, 이들은 아래에 상세히 설명된다.
7001. 빔을 생성하도록 광원을 제어한다.
7002. 빔의 방향을 제어하도록 광학 소자를 제어하여 제1 출사 빔과 제2 출사 빔을 획득한다.
7003. 타깃 물체에 의해 제1 출사 빔을 반사함으로써 획득되는 제3 반사된 빔과 타깃 물체에 의해 제2 출사 빔을 반사함으로써 획득되는 제4 반사된 빔을 수신 유닛의 상이한 영역들에 전파하도록 빔 선택기를 제어한다.
7004. 제1 출사 빔에 대응하는 TOF에 기초하여 타깃 물체의 제1 깊이 이미지를 생성한다.
7005. 제2 출사 빔에 대응하는 TOF에 기초하여 타깃 물체의 제2 깊이 이미지를 생성한다.
제1 출사 빔의 출사 방향과 제2 출사 빔의 출사 방향은 상이하고, 제1 출사 빔의 편광 방향과 제2 출사 빔의 편광 방향은 직교한다.
본 출원의 이 실시예에서, 송신단은 편광 필터를 가지고 있지 않기 때문에, 광원에 의해 방출된 빔은 거의 손실 없이 광학 소자에 도달할 수 있어서(편광 필터는 일반적으로 많은 광 에너지를 흡수하여, 열 손실을 초래함), 단말 디바이스의 열 손실이 감소될 수 있다.
선택적으로, 도 78에 도시된 방법은: 제1 깊이 이미지와 제2 깊이 이미지를 스플라이싱하여 타깃 물체의 깊이 이미지를 획득하는 단계를 추가로 포함한다.
도 78에 도시된 방법에서, 제3 깊이 이미지, 제4 깊이 이미지 등이 유사한 방식으로 추가로 생성될 수 있다는 것을 이해해야 한다. 다음으로, 모든 깊이 이미지가 스플라이싱되거나 조합되어, 타깃 물체의 최종 깊이 이미지를 획득할 수 있다.
선택적으로, 단말 디바이스는 시준 렌즈를 추가로 포함한다. 시준 렌즈는 광원과 광학 소자 사이에 배치된다. 도 78에 도시된 방법은 다음을 추가로 포함한다:
7006. 시준 렌즈를 사용하여 빔을 시준하여 시준된 빔을 획득한다.
단계 7002는 구체적으로: 시준된 빔의 방향을 제어하도록 광학 소자를 제어하여 제1 출사 빔과 제2 출사 빔을 획득하는 단계를 포함한다.
또한, 위에서, 시준 렌즈는 빔을 시준하여, 대략 평행한 빔을 획득할 수 있고, 이에 의해 빔의 전력 밀도를 개선하고, 후속하여 빔에 의한 스캐닝의 효과를 추가로 개선한다.
선택적으로, 단말 디바이스는 균질기를 추가로 포함한다. 균질기는 광원과 광학 소자 사이에 배치된다. 도 78에 도시된 방법은 다음을 추가로 포함한다:
7007. 균질기를 사용하여 빔의 에너지 분포를 조정하여 균질화된 빔을 획득한다.
단계 7002는 구체적으로: 균질화된 빔의 방향을 제어하도록 광학 소자를 제어하여 제1 출사 빔과 제2 출사 빔을 획득하는 단계를 포함한다.
균질화를 통해, 빔의 광 전력은 각도 공간에서 더 균일하거나, 또는 특정 규칙에 기초하여 분포되어, 과도하게 낮은 로컬 광 전력을 방지함으로써, 타깃 물체의 최종적으로 획득된 깊이 이미지에서 블라인드 스폿을 피할 수 있다.
단계들 7001 내지 7005에 기초하여, 도 78에 도시된 방법은 단계 7006 또는 단계 7007을 추가로 포함할 수 있다.
대안적으로, 단계들 7001 내지 7005에 기초하여, 도 78에 도시된 방법은 단계 7006과 단계 7007을 추가로 포함할 수 있다. 이 경우, 단계 7001이 수행된 후에, 단계 7006이 먼저 수행된 다음, 단계 7007이 수행되고 나서, 단계 7002가 수행된다. 대안으로서, 단계 7007이 먼저 수행된 다음, 단계 7006이 수행된 다음, 단계 7002가 수행된다. 즉, 단계 7001에서 광원이 빔을 생성한 후에, 빔은 먼저 시준된 다음 균질화될 수 있고(빔의 에너지 분포는 균질기를 사용하여 조정됨), 그 다음, 광학 소자는 빔의 방향을 제어한다. 대안적으로, 단계 7001에서 광원이 빔을 생성한 후에, 빔은 먼저 균질화되고 나서(빔의 에너지 분포가 균질기를 사용하여 조정됨) 시준될 수 있고, 이어서 광학 소자는 빔의 방향을 제어한다.
전술한 것은 도 70 내지 도 78을 참조하여 본 출원의 실시예들에서의 하나의 TOF 깊이 감지 모듈 및 이미지 생성 방법을 상세히 설명한다. 다음은 도 79 내지 도 88을 참조하여 본 출원의 실시예들에서의 다른 TOF 깊이 감지 모듈 및 이미지 생성 방법을 상세히 설명한다.
액정 컴포넌트들은 우수한 편광 및 위상 조정 능력들을 가지며, 따라서 빔들을 편향시키기 위해 TOF 깊이 감지 모듈들에서 널리 사용된다. 그러나, 액정 재료의 복굴절 특성으로 인해, 편광 필름은 일반적으로 편광된 광을 방출하기 위해, 액정 컴포넌트를 사용하는 기존의 TOF 깊이 감지 모듈 내의 송신단에 추가된다.
편광된 광을 방출하는 프로세스에서, 편광 필름의 편광 선택 기능으로 인해, 에너지의 절반은 빔 방출 동안 손실되고, 손실된 에너지는 편광 필름에 의해 흡수되거나 산란되고 열로 변환되며, 이는 TOF 깊이 감지 모듈의 온도를 증가시키고, TOF 깊이 감지 모듈의 안정성에 영향을 미친다. 따라서, TOF 깊이 감지 모듈의 열 손실을 감소시키고 TOF 깊이 감지 모듈의 신호-대-잡음비를 향상시키는 방법은 해결될 필요가 있는 문제이다.
본 출원은 편광 필름을 송신단으로부터 수신단으로 전달함으로써 시스템의 열 손실을 감소시키고, 배경 미광에 대한 시스템의 신호-대-잡음비를 개선하기 위한 새로운 TOF 깊이 감지 모듈을 제공한다.
다음은 먼저 도 79를 참조하여 본 출원의 이 실시예에서의 TOF 깊이 감지 모듈을 간단히 설명한다.
도 79에 도시된 TOF 깊이 감지 모듈(600)은 광원(610), 광학 소자(620), 빔 스플리터(630), 수신 유닛(640), 및 제어 유닛(650)을 포함한다.
다음은 TOF 깊이 감지 모듈(600) 내의 몇몇 모듈들 또는 유닛들을 상세히 설명한다.
광원(610):
광원(610)은 빔을 생성하도록 구성된다.
선택적으로, 광원(610)은 수직 공동 표면 방출 레이저(vertical cavity surface emitting laser, VCSEL)이다.
선택적으로, 광원(610)은 패브리-페롯 레이저(줄여서 FP 레이저라고 지칭될 수 있음)이다.
단일 FP 레이저는 단일 VCSEL보다 더 큰 전력을 구현할 수 있고, VCSEL보다 더 높은 전기-광학 변환 효율을 가짐으로써, TOF 깊이 감지 모듈의 스캐닝 효과를 개선한다.
선택적으로, 광원(610)에 의해 방출된 빔의 파장은 900nm보다 크다.
태양광에서 파장이 900nm보다 큰 광의 강도가 약하기 때문에, 빔의 파장이 900nm보다 클 때, 태양광에 의해 야기되는 간섭이 감소될 수 있고, 그에 의해 TOF 깊이 감지 모듈의 스캐닝 효과를 개선한다.
선택적으로, 광원(610)에 의해 방출된 빔의 파장은 940nm 또는 1550nm이다.
태양광에서 파장이 940nm 또는 1550nm에 가까운 광의 강도가 약하기 때문에, 빔의 파장이 940nm 또는 1550nm일 때, 태양광에 의해 야기되는 간섭이 크게 감소될 수 있고, 그에 의해 TOF 깊이 감지 모듈의 스캐닝 효과를 개선한다.
선택적으로, 광원(610)의 발광 면적은 5×5mm2 이하이다.
광원의 크기가 작기 때문에, 광원을 포함하는 TOF 깊이 감지 모듈은 단말 디바이스에 용이하게 통합되고, 단말 디바이스에서 차지하는 공간은 어느 정도 감소될 수 있다.
광학 소자(620):
광학 소자(620)는 빔의 출사 방향으로 배치되고, 광학 소자(420)는 빔의 방향을 제어하여 제1 출사 빔과 제2 출사 빔을 획득하도록 구성된다. 제1 출사 빔의 출사 방향과 제2 출사 빔의 출사 방향은 상이하고, 제1 출사 빔의 편광 방향과 제2 출사 빔의 편광 방향은 직교한다.
선택적으로, 도 35에 도시된 바와 같이, 광학 소자(620)는 수평 편광 제어 시트, 수평 액정 편광 격자, 수직 편광 제어 시트, 및 수직 액정 편광 격자를 포함할 수 있다. 광원과 수평 편광 제어 시트, 수평 액정 편광 격자, 수직 편광 제어 시트, 및 수직 액정 편광 격자 사이의 거리들은 크기의 오름차순이다.
대안적으로, 광학 소자(620)에서, 광원과 수직 편광 제어 시트, 수직 액정 편광 격자, 수평 편광 제어 시트, 및 수평 액정 편광 격자 사이의 거리들은 크기의 오름차순이다.
수신 유닛(640):
수신 유닛(640)은 수신 렌즈(641)와 센서(642)를 포함할 수 있다.
빔 스플리터(630):
빔 스플리터(630)는 타깃 물체에 의해 제1 출사 빔을 반사함으로써 획득되는 제3 반사된 빔과 타깃 물체에 의해 제2 출사 빔을 반사함으로써 획득되는 제4 반사된 빔을 센서의 상이한 영역들에 송신하도록 구성된다.
빔 스플리터는 수동 선택기이고, 일반적으로 제어 유닛에 의해 제어되지 않으며, 하이브리드 편광 상태들의 빔들에서 상이한 편광 상태들의 빔들을 수신 유닛의 상이한 영역들에 각각 전파할 수 있다.
선택적으로, 빔 스플리터는 액정 편광 격자 LCPG, 편광 빔 분할 PBS 프리즘, 및 편광 필터 중 어느 하나에 기초하여 구현된다.
본 출원에서, 편광 필름은 송신단으로부터 수신단으로 전달되어, 시스템의 열 손실이 감소될 수 있다. 또한, 빔 스플리터는 수신단에 배치되어, TOF 깊이 감지 모듈의 신호-대-잡음비가 개선될 수 있다.
도 80에 도시된 바와 같이, TOF 깊이 감지 모듈(600)은 시준 렌즈(660)를 추가로 포함할 수 있다. 시준 렌즈(660)는 빔의 출사 방향으로 배치되고, 시준 렌즈(660)는 광원(610)과 광학 소자(620) 사이에 배치된다. 시준 렌즈(660)는 시준된 빔을 획득하기 위해 빔을 시준하도록 구성된다. 시준 렌즈(660)가 광원(610)과 광학 소자(620) 사이에 배치될 때, 광학 소자(620)는 시준된 빔의 방향을 제어하여 제1 출사 빔과 제2 출사 빔을 획득하도록 구성된다.
위에서, 시준 렌즈는 빔을 시준하여, 대략 평행한 빔을 획득할 수 있고, 이에 의해 빔의 전력 밀도를 개선하고, 후속하여 빔에 의한 스캐닝의 효과를 추가로 개선한다.
선택적으로, 시준 렌즈의 명확한 조리개는 5mm 이하이다.
시준 렌즈의 크기가 작기 때문에, 시준 렌즈를 포함하는 TOF 깊이 감지 모듈은 단말 디바이스에 쉽게 통합되고, 단말 디바이스에서 차지하는 공간은 어느 정도 감소될 수 있다.
도 81에 도시된 바와 같이, TOF 깊이 감지 모듈(600)은 다음을 추가로 포함할 수 있다:
균질기(670), 여기서 균질기(670)는 빔의 출사 방향으로 배치되고, 균질기(670)는 광원과 광학 소자 사이에 배치된다. 균질기(670)는 빔의 에너지 분포를 조정하여 균질화된 빔을 획득하도록 구성된다. 균질기(670)가 광원(610)과 광학 소자(620) 사이에 배치될 때, 광학 소자(620)는 균질화된 빔의 방향을 제어하여 제1 출사 빔과 제2 출사 빔을 획득하도록 구성된다.
선택적으로, 균질기는 마이크로렌즈 확산기 또는 회절 광학 소자 확산기일 수 있다.
TOF 깊이 감지 모듈(600)은 시준 렌즈(660)와 균질기(670) 양측 모두를 포함할 수 있고, 시준 렌즈(660)와 균질기(670)는 모두 광원(610)과 광학 소자(620) 사이에 위치될 수 있다는 것을 이해해야 한다. 시준 렌즈(660)와 균질기(670)의 경우, 시준 렌즈(660)가 광원에 더 가까울 수 있거나, 또는 균질기(670)가 광원에 더 가까울 수 있다.
도 82에 도시된 바와 같이, 시준 렌즈(660)와 광원(610) 사이의 거리는 균질기(670)와 광원(610) 사이의 거리보다 작다.
도 82에 도시된 TOF 깊이 감지 모듈(600)에서, 광원(610)에 의해 방출된 빔은 먼저 시준 렌즈(660)에 의해 시준되고, 이어서 균질기(670)에 의해 균질화되고, 이어서 처리를 위해 광학 소자(620)로 전파된다.
도 83에 도시된 바와 같이, 시준 렌즈(660)와 광원(610) 사이의 거리는 균질기(670)와 광원(610) 사이의 거리보다 크다.
도 83에 도시된 TOF 깊이 감지 모듈(600)에서, 광원(610)에 의해 방출된 빔은 먼저 균질기(670)에 의해 균질화된 다음, 시준 렌즈(660)에 의해 시준되고, 그 후 처리를 위해 광학 소자(620)로 전파된다.
다음은 첨부 도면들을 참조하여 TOF 깊이 감지 모듈(600)의 특정 구조를 상세히 설명한다.
도 84는 본 출원의 실시예에 따른 TOF 깊이 감지 모듈(600)의 구조의 개략도이다.
도 84에 도시된 바와 같이, TOF 깊이 감지 모듈(600)은 투영단과 수신단을 포함한다. 투영단의 광원은 VCSEL 광원이고, 균질기는 회절 광학 소자 확산기(DOE 확산기)이고, 빔 소자는 LCPG들의 복수의 층과 1/4 파장판이다. LCPG의 각각의 층은 수평 방향으로 전기적으로 제어되는 LCPG 컴포넌트와 수직 방향으로 전기적으로 제어되는 LCPG 컴포넌트를 포함한다. 수평 방향 및 수직 방향에서의 2차원 블록 스캐닝은 캐스케이드되는 LCPG들의 복수의 층을 사용함으로써 구현될 수 있다.
구체적으로, VCSEL 어레이 광원의 파장은 900nm보다 클 수 있다. 구체적으로, VCSEL 어레이 광원의 파장은 940nm 또는 1650nm일 수 있다.
VCSEL 어레이 광원의 파장이 940nm 또는 1650nm일 때, 940nm 대역에서의 태양 스펙트럼 강도는 약하다. 이것은 실외 장면에서 태양광에 의해 야기되는 잡음을 감소시키는 것을 돕는다.
VCSEL 어레이 광원에 의해 방출된 레이저 광은 연속파 광 또는 펄스 광일 수 있다. VCSEL 어레이 광원은 상이한 시간들에서 상이한 영역들을 턴온하는 시분할 제어를 구현하기 위하여 수 개의 블록들로 분할될 수 있다.
회절 광학 소자 확산기의 기능은 VCSEL 어레이 광원에 의해 방출된 빔을 특정 FOV(예를 들어, 5°×5° FOV)를 갖는 균일한 정사각형 또는 직사각형 광원으로 성형하는 것이다.
LCPG들의 복수의 층과 1/4 파장판의 기능은 빔 스캐닝을 구현하는 것이다.
수신단과 송신단은 LCPG들의 복수의 층과 1/4 파장판을 공유한다. 수신단의 수신 렌즈는 단일 렌즈 또는 복수의 렌즈의 조합일 수 있다. 수신단에서의 센서는 단일-광자 애벌란시 다이오드(SPAD) 어레이이고, 이는 단일 광자를 검출하기 위한 SPAD의 감도 때문에 TOF 깊이 감지 모듈(600)의 검출 거리를 증가시킬 수 있다. 수신단은 빔 스플리터를 포함하고, 빔 스플리터는 단일층 LCPG를 사용하여 구현된다. 동일한 순간에서, 투영단은 2개의 편광 상태의 광을 상이한 FOV 범위들로 방출하고, 그 후 광은 수신단에서 LCPG들의 복수의 층을 통과하고 동일한 빔으로 수렴된다. 그 후, 빔은 빔 스플리터에 의해 상이한 편광 상태들에 기초하여 상이한 방향들로 2개의 빔으로 분할되고, SPAD 어레이 내의 상이한 위치들에 방출된다.
도 85는 본 출원의 실시예에 따른 TOF 깊이 감지 모듈(600)의 구조의 개략도이다.
도 85에 도시된 TOF 깊이 감지 모듈(600)과 도 84에 도시된 TOF 깊이 감지 모듈(600) 사이의 차이는, 도 84에서는, 빔 스플리터가 단일층 LCPG를 사용하여 구현되는 반면, 도 85에서는, 빔 스플리터가 편광 빔 스플리터를 사용하여 구현되고, 편광 빔 스플리터가 일반적으로 코팅된 에지와 각도를 접착함으로써 형성된다는 점에 있다. 편광 빔 스플리터가 기존 제품이기 때문에, 편광 빔 스플리터를 빔 스플리터로서 사용하는 것은 특정 비용 이점을 갖는다.
도 85에 도시된 바와 같이, 반사를 통해 획득된 빔의 2개의 직교 편광 상태가 편광 빔 스플리터 상에서 분리된다. 하나는 SPAD 어레이 센서로 직접 송신되고, 다른 하나는 반사 후에 다른 반사기에 의해 SPAD 어레이 센서로 반사된다.
도 86은 본 출원의 실시예에 따른 TOF 깊이 감지 모듈의 구조의 개략도이다.
도 84에 도시된 TOF 깊이 감지 모듈(600)과의 차이는, 도 86에서, 빔 스플리터가 편광 필터를 사용하여 구현된다는 점에 있다. 예를 들어, 도 86에서는, 1/4 파장판이 구현을 위해 사용될 수 있다.
편광 필터는 픽셀 처리와 유사한 처리를 수행한다. 인접 픽셀들 상에서 송신될 수 있는 편광 상태들은 상이하고, 각각의 SPAD 픽셀은 편광 상태에 대응한다. 이러한 방식으로, SPAD 센서는 2개의 편광 상태 정보를 동시에 수신할 수 있다.
도 87은 편광 필터에 의해 편광된 빔을 수신하는 개략도이다.
도 87에 도시된 바와 같이, H 편광 또는 V 편광은 편광 필터의 상이한 영역들에서 송신될 수 있고, 여기서, H 편광은 수평 방향의 편광을 나타내고, V 편광은 수직 방향의 편광을 나타낸다. 도 87에서, 편광 필터 상의 상이한 영역들은 대응하는 편광 상태의 빔만이 센서의 대응하는 위치에 도달하는 것을 허용한다. 예를 들어, H 편광은 수직 및 수평 편광된 빔만이 센서의 대응하는 위치에 도달하게 하고, V 편광은 수직 편광된 빔만이 센서의 대응하는 위치에 도달하게 한다.
빔 스플리터가 편광 필터를 이용할 때, 편광 필터는 얇고 작은 체적을 갖기 때문에, 작은 체적을 갖는 단말 디바이스에 편광 필터를 통합하는 것이 편리하다.
도 88은 본 출원의 실시예에 따른 이미지 생성 방법의 개략적인 흐름도이다.
도 88에 도시된 방법은 본 출원의 실시예에서의 TOF 깊이 감지 모듈 또는 TOF 깊이 감지 모듈을 포함하는 단말 디바이스에 의해 수행될 수 있다. 구체적으로, 도 88에 도시된 방법은 도 79에 도시된 TOF 깊이 감지 모듈 또는 도 79에 도시된 TOF 깊이 감지 모듈을 포함하는 단말 디바이스에 의해 수행될 수 있다. 도 88에 도시된 방법은 단계들 8001 내지 8006을 포함하며, 이들은 아래에 상세히 설명된다.
8001. 빔을 생성하도록 광원을 제어한다.
8002. 빔의 방향을 제어하도록 광학 소자를 제어하여 제1 출사 빔과 제2 출사 빔을 획득한다.
제1 출사 빔의 출사 방향과 제2 출사 빔의 출사 방향은 상이하고, 제1 출사 빔의 편광 방향과 제2 출사 빔의 편광 방향은 직교한다.
8003. 타깃 물체에 의해 제1 출사 빔을 반사함으로써 획득되는 제3 반사된 빔과 타깃 물체에 의해 제2 출사 빔을 반사함으로써 획득되는 제4 반사된 빔을 수신 유닛의 상이한 영역들에 전파하도록 빔 스플리터를 제어한다.
8004. 제1 출사 빔에 대응하는 TOF에 기초하여 타깃 물체의 제1 깊이 이미지를 생성한다.
8005. 제2 출사 빔에 대응하는 TOF에 기초하여 타깃 물체의 제2 깊이 이미지를 생성한다.
도 88에 도시된 방법의 프로세스는 도 78에 도시된 방법의 기본 프로세스와 동일하고, 주요 차이점은 도 78에 도시된 방법의 단계 7003에서, 제3 반사된 빔과 제4 반사된 빔이 빔 선택기를 사용하여 수신 유닛의 상이한 영역으로 전파된다는 점에 있다. 그러나, 도 88에 도시된 방법의 단계 8003에서, 제3 반사된 빔과 제4 반사된 빔은 빔 스플리터를 사용하여 수신 유닛의 상이한 영역으로 전파된다.
본 출원의 이 실시예에서, 송신단은 편광 필터를 가지고 있지 않기 때문에, 광원에 의해 방출된 빔은 거의 손실 없이 광학 소자에 도달할 수 있어서(편광 필터는 일반적으로 많은 광 에너지를 흡수하여, 열 손실을 초래함), 단말 디바이스의 열 손실이 감소될 수 있다.
선택적으로, 도 88에 도시된 방법은: 제1 깊이 이미지와 제2 깊이 이미지를 스플라이싱하여 타깃 물체의 깊이 이미지를 획득하는 단계를 추가로 포함한다.
도 88에 도시된 방법에서, 제3 깊이 이미지, 제4 깊이 이미지 등이 유사한 방식으로 추가로 생성될 수 있다는 것을 이해해야 한다. 다음으로, 모든 깊이 이미지가 스플라이싱되거나 조합되어, 타깃 물체의 최종 깊이 이미지를 획득할 수 있다.
선택적으로, 단말 디바이스는 시준 렌즈를 추가로 포함한다. 시준 렌즈는 광원과 광학 소자 사이에 배치된다. 도 88에 도시된 방법은 다음을 추가로 포함한다:
8006. 시준 렌즈를 사용하여 빔을 시준하여 시준된 빔을 획득한다.
단계 8002는 구체적으로: 시준된 빔의 방향을 제어하도록 광학 소자를 제어하여 제1 출사 빔과 제2 출사 빔을 획득하는 단계를 포함한다.
또한, 위에서, 시준 렌즈는 빔을 시준하여, 대략 평행한 빔을 획득할 수 있고, 이에 의해 빔의 전력 밀도를 개선하고, 후속하여 빔에 의한 스캐닝의 효과를 추가로 개선한다.
선택적으로, 단말 디바이스는 균질기를 추가로 포함한다. 균질기는 광원과 광학 소자 사이에 배치된다. 도 88에 도시된 방법은 다음을 추가로 포함한다:
8007. 균질기를 사용하여 빔의 에너지 분포를 조정하여 균질화된 빔을 획득한다.
단계 8002가 구체적으로: 빔의 방향을 제어하도록 광학 소자를 제어하여 제1 출사 빔과 제2 출사 빔을 획득는 단계를 포함하는 것은: 균질화된 빔의 방향을 제어하도록 광학 소자를 제어하여 제1 출사 빔과 제2 출사 빔을 획득하는 것을 포함한다.
균질화를 통해, 빔의 광 전력은 각도 공간에서 더 균일하거나, 또는 특정 규칙에 기초하여 분포되어, 과도하게 낮은 국부적 광 전력을 방지함으로써, 타깃 물체의 최종적으로 획득된 깊이 이미지에서 블라인드 스폿을 피할 수 있다.
단계들 8001 내지 8005에 기초하여, 도 88에 도시된 방법은 단계 8006 또는 단계 8007을 추가로 포함할 수 있다.
대안적으로, 단계들 8001 내지 8005에 기초하여, 도 88에 도시된 방법은 단계 8006 및 단계 8007을 추가로 포함할 수 있다. 이 경우, 단계 8001이 수행된 후에, 단계 8006이 먼저 수행된 다음, 단계 8007이 수행되고 나서, 단계 8002가 수행된다. 대안적으로, 단계 8007이 먼저 수행될 수 있고, 이후 단계 8006이 수행되고 나서, 단계 8002가 수행된다. 즉, 단계 8001에서 광원이 빔을 생성한 후에, 빔은 먼저 시준된 다음 균질화될 수 있고(빔의 에너지 분포는 균질기를 사용하여 조정됨), 그 다음, 광학 소자는 빔의 방향을 제어한다. 대안적으로, 단계 8001에서 광원이 빔을 생성한 후에, 빔은 먼저 균질화되고 나서(빔의 에너지 분포가 균질기를 사용하여 조정됨) 시준될 수 있고, 이어서 광학 소자는 빔의 방향을 제어한다.
전술한 것은 도 79 내지 도 88을 참조하여 본 출원의 실시예들에서의 하나의 TOF 깊이 감지 모듈 및 이미지 생성 방법을 상세히 설명한다. 다음은 도 89 내지 도 101을 참조하여 본 출원의 실시예들에서의 다른 TOF 깊이 감지 모듈 및 이미지 생성 방법을 상세히 설명한다.
액정 디바이스의 우수한 편광 및 위상 조정 능력들로 인해, 액정 디바이스를 일반적으로 TOF 깊이 감지 모듈에 사용하여 빔을 제어한다. 그러나, 액정 재료의 제한으로 인해, 액정 디바이스의 응답 시간은 어느 정도 제한되고, 일반적으로 밀리초 단위이다. 따라서, 액정 디바이스를 사용하는 TOF 깊이 감지 모듈의 스캐닝 주파수는 낮다(일반적으로 1kHz 미만).
본 출원은 새로운 TOF 깊이 감지 모듈을 제공한다. 송신단 및 수신단의 전기적으로 제어되는 액정의 구동 신호들의 시간 시퀀스들은 시스템의 스캐닝 주파수를 증가시키기 위해 특정 시간(예를 들어, 1/2 기간)만큼 스태거링되도록 제어된다.
다음은 먼저 도 89를 참조하여 본 출원의 이 실시예에서의 TOF 깊이 감지 모듈을 간단히 설명한다.
도 89에 도시된 TOF 깊이 감지 모듈(700)은 광원(710), 광학 소자(720), 빔 선택기(730), 수신 유닛(740), 및 제어 유닛(750)을 포함한다.
TOF 깊이 감지 모듈 내의 모듈들 또는 유닛들의 기능들은 구체적으로 다음과 같다:
광원(710):
광원(710)은 빔을 생성하도록 구성된다.
선택적으로, 광원(710)은 수직 공동 표면 방출 레이저(vertical cavity surface emitting laser, VCSEL)이다.
선택적으로, 광원(710)은 패브리-페롯 레이저(줄여서 FP 레이저라고 지칭될 수 있음)이다.
단일 FP 레이저는 단일 VCSEL보다 더 큰 전력을 구현할 수 있고, VCSEL보다 더 높은 전기-광학 변환 효율을 가짐으로써, TOF 깊이 감지 모듈의 스캐닝 효과를 개선한다.
선택적으로, 광원(710)에 의해 방출된 빔의 파장은 900nm보다 크다.
태양광에서 파장이 900nm보다 큰 광의 강도가 약하기 때문에, 빔의 파장이 900nm보다 클 때, 태양광에 의해 야기되는 간섭이 감소될 수 있고, 그에 의해 TOF 깊이 감지 모듈의 스캐닝 효과를 개선한다.
선택적으로, 광원(710)에 의해 방출된 빔의 파장은 940nm 또는 1550nm이다.
태양광에서 파장이 940nm 또는 1550nm에 가까운 광의 강도가 약하기 때문에, 빔의 파장이 940nm 또는 1550nm일 때, 태양광에 의해 야기되는 간섭이 크게 감소될 수 있고, 그에 의해 TOF 깊이 감지 모듈의 스캐닝 효과를 개선한다.
선택적으로, 광원(710)의 발광 면적은 5×5mm2 이하이다.
광원의 크기가 작기 때문에, 광원을 포함하는 TOF 깊이 감지 모듈은 단말 디바이스에 용이하게 통합되고, 단말 디바이스에서 차지하는 공간은 어느 정도 감소될 수 있다.
선택적으로, TOF 깊이 감지 모듈(700)의 평균 출력 광 전력은 800mw보다 작다.
TOF 깊이 감지 모듈의 평균 출력 광 전력이 800mw 이하일 때, TOF 깊이 감지 모듈은 작은 전력 소비를 가지며, 단말 디바이스와 같은, 전력 소비에 민감한 디바이스에 배치될 수 있다.
광학 소자(720):
광학 소자(720)는 광원이 빔을 방출하는 방향으로 배치되고, 광학 소자(720)는 제어 유닛(750)의 제어 하에 빔을 편향시켜 출사 빔을 획득하도록 구성된다.
빔 선택기(730):
빔 선택기(730)는 제어 유닛(750)의 제어 하에서, 타깃 물체의 반사된 빔들에서 각각의 기간 내의 빔들로부터 적어도 2개의 편광 상태를 갖는 빔을 선택하여, 수신된 빔을 획득하고, 수신된 빔을 수신 유닛(740)에 송신하도록 구성된다.
출사 빔은 주기적으로 변화하는 빔이고, 출사 빔의 변화 기간의 값은 제1 시간 간격이다. 출사 빔들에서, 인접한 기간들에서의 빔들의 경사각들은 상이하고, 동일한 기간에서의 빔들은 적어도 2개의 편광 상태를 갖고, 동일한 기간에서의 빔들은 동일한 경사각과 상이한 방위각들을 갖는다.
본 출원의 이 실시예에서는, 광원에 의해 방출된 빔의 방향 및 편광 상태가 광학 소자와 빔 선택기를 사용하여 조정되어, 인접한 기긴들에서의 출사 빔들은 상이한 경사각들을 갖고, 동일한 기간에서의 빔들은 적어도 2개의 편광 상태를 갖는다. 이것은 TOF 깊이 감지 모듈의 스캐닝 주파수를 증가시킨다.
본 출원에서, 제어 유닛은 특정 시간만큼 시간 시퀀스를 스태거링하도록 송신단 및 수신단의 제어 신호들을 제어하여, TOF 깊이 감지 모듈의 스캐닝 주파수가 증가될 수 있다.
선택적으로, 도 35에 도시된 바와 같이, 광학 소자(720)는 수평 편광 제어 시트, 수평 액정 편광 격자, 수직 편광 제어 시트, 및 수직 액정 편광 격자를 포함한다. 광원과 수평 편광 제어 시트, 수평 액정 편광 격자, 수직 편광 제어 시트, 및 수직 액정 편광 격자 사이의 거리들은 크기의 오름차순이다.
대안적으로, 광학 소자(720)에서, 광원과 수직 편광 제어 시트, 수직 액정 편광 격자, 수평 편광 제어 시트, 및 수평 액정 편광 격자 사이의 거리들은 크기의 오름차순이다.
선택적으로, 빔 선택기는 1/4 파장판 + 전기적으로 제어되는 반파장판 + 편광 필름을 포함한다.
도 90에 도시된 바와 같이, TOF 깊이 감지 모듈은 시준 렌즈(760)를 추가로 포함할 수 있다. 시준 렌즈(760)는 광원(710)과 광학 소자(720) 사이에 배치된다. 시준 렌즈(760)는 빔을 시준하도록 구성된다. 광학 소자(720)는 제어 유닛(750)의 제어 하에서, 시준 렌즈의 시준된 빔을 편향시켜 출사 빔을 획득하도록 구성된다.
TOF 깊이 감지 모듈이 시준 렌즈를 포함할 때, 시준 렌즈는 광원에 의해 방출된 빔을 시준하기 위해 사용될 수 있어, 대략 평행한 빔이 획득될 수 있게 되어, 이에 의해 빔의 전력 밀도를 향상시키고, 이후에 빔에 의한 스캐닝의 효과를 추가로 개선한다.
선택적으로, 시준 렌즈의 명확한 조리개는 5mm 이하이다.
시준 렌즈의 크기가 작기 때문에, 시준 렌즈를 포함하는 TOF 깊이 감지 모듈은 단말 디바이스에 쉽게 통합되고, 단말 디바이스에서 차지하는 공간은 어느 정도 감소될 수 있다.
도 91에 도시된 바와 같이, TOF 깊이 감지 모듈(700)은 균질기(770)를 추가로 포함한다. 균질기(770)는 광원(710)과 광학 소자(720) 사이에 배치된다. 균질기(770)는 빔의 각도 강도 분포를 조정하도록 구성된다. 광학 소자(720)는 제어 유닛(750)의 제어 하에, 균질기(720)에 의해 균질화된 빔의 방향을 제어하여, 출사 빔을 획득하도록 구성된다.
선택적으로, 균질기(770)는 마이크로렌즈 확산기 또는 회절 광학 소자 확산기이다.
균질화를 통해, 빔의 광 전력은 각도 공간에서 더 균일하거나, 또는 특정 규칙에 기초하여 분포되어, 과도하게 낮은 국부적 광 전력을 방지함으로써, 타깃 물체의 최종적으로 획득된 깊이 이미지에서 블라인드 스폿을 피할 수 있다.
TOF 깊이 감지 모듈(700)은 시준 렌즈(760)와 균질기(770) 양측 모두를 포함할 수 있고, 시준 렌즈(760)와 균질기(770)는 모두 광원(710)과 광학 소자(720) 사이에 위치될 수 있다는 것을 이해해야 한다. 시준 렌즈(760)와 균질기(770)의 경우, 시준 렌즈(760)가 광원에 더 가까울 수 있거나, 또는 균질기(770)가 광원에 더 가까울 수 있다.
도 92는 본 출원의 실시예에 따른 TOF 깊이 감지 모듈의 특정 구조의 개략도이다.
도 92에 도시된 바와 같이, 시준 렌즈(760)와 광원(710) 사이의 거리는 균질기(770)와 광원(710) 사이의 거리보다 작다.
도 92에 도시된 TOF 깊이 감지 모듈(700)에서, 광원(710)에 의해 방출된 빔은 먼저 시준 렌즈(760)에 의해 시준되고 나서, 균질기(770)에 의해 균질화되고, 이어서 처리를 위해 광학 소자(720)로 전파된다.
도 93은 본 출원의 실시예에 따른 TOF 깊이 감지 모듈의 특정 구조의 개략도이다.
도 93에 도시된 바와 같이, 시준 렌즈(760)와 광원(710) 사이의 거리는 균질기(770)와 광원(710) 사이의 거리보다 크다.
도 93에 도시된 TOF 깊이 감지 모듈(700)에서, 광원(710)에 의해 방출된 빔은 먼저 균질기(770)에 의해 균질화된 다음, 시준 렌즈(760)에 의해 시준되고, 그 후 처리를 위해 광학 소자(720)로 전파된다.
다음은 도 94 및 도 95를 참조하여 TOF 깊이 감지 모듈(700)의 작동 프로세스를 설명한다.
도 94에 도시된 바와 같이, TOF 깊이 감지 모듈(700)의 송신단 및 수신단의 전기적으로 제어되는 컴포넌트들의 최고 주파수들이 둘 다 1/T라고 가정하면, 제어 유닛은 1/2 기간(0.5T)만큼 송신단 및 수신단의 제어 시간 시퀀스들을 스태거한다. 이 경우, 수신단에서의 센서는 0.5T의 간격으로 상이한 공간 위치들에서 빔들을 수신할 수 있다.
도 95에 도시된 바와 같이, 0 내지 0.5T의 시간 내에, 수신단에서의 센서는 상태 A에서 각도 1로 빔을 수신한다. 0.5T 내지 T의 시간 내에, 수신단에서의 센서는 상태 B에서 각도 1로 빔을 수신한다. T 내지 1.5T의 시간 내에, 수신단에서의 센서는 상태 A에서 각도 2로 빔을 수신한다. 1.5T 내지 2T의 시간 내에, 수신단에서의 센서는 상태 B에서 각도 2로 빔을 수신한다. 이러한 방식으로, 시스템의 스캐닝 주파수는 1/T로부터 2/T로 2배가 된다.
다음은 첨부 도면들을 참조하여 TOF 깊이 감지 모듈(700)의 특정 구조를 상세히 설명한다.
도 96은 본 출원의 실시예에 따른 TOF 깊이 감지 모듈(700)의 구조의 개략도이다.
도 96에 도시된 바와 같이, TOF 깊이 감지 모듈(700)은 투영단, 수신단, 및 제어 유닛을 포함한다. 투영단은 광원, 균질기, 및 광학 소자를 포함한다. 수신단은 광학 소자, 빔(동적) 선택기, 수신 렌즈, 및 2차원 센서를 포함한다. 제어 유닛은 빔 스캐닝을 완료하기 위해 투영단과 수신단을 제어하도록 구성된다.
투영단의 광원은 VCSEL 광원이고, 균질기는 회절 광학 소자 확산기(DOE 확산기)이고, 빔 소자는 LCPG들의 복수의 층과 1/4 파장판이다. LCPG의 각각의 층은 수평 방향으로 전기적으로 제어되는 LCPG 컴포넌트와 수직 방향으로 전기적으로 제어되는 LCPG 컴포넌트를 포함한다. 수평 방향 및 수직 방향에서의 2차원 블록 스캐닝은 캐스케이드되는 LCPG들의 복수의 층을 사용함으로써 구현될 수 있다.
구체적으로, VCSEL 어레이 광원의 파장은 900nm보다 클 수 있다. 구체적으로, VCSEL 어레이 광원의 파장은 940nm 또는 1650nm일 수 있다.
VCSEL 어레이 광원의 파장이 940nm 또는 1650nm일 때, 940nm 대역에서의 태양 스펙트럼 강도는 약하다. 이것은 실외 장면에서 태양광에 의해 야기되는 잡음을 감소시키는 것을 돕는다.
VCSEL 어레이 광원에 의해 방출된 레이저 광은 연속파 광 또는 펄스 광일 수 있다. VCSEL 어레이 광원은 상이한 시간들에서 상이한 영역들을 턴온하는 시분할 제어를 구현하기 위하여 수 개의 블록들로 분할될 수 있다.
회절 광학 소자 확산기의 기능은 VCSEL 어레이 광원에 의해 방출된 빔을 특정 FOV(예를 들어, 5°×5° FOV)를 갖는 균일한 정사각형 또는 직사각형 광원으로 성형하는 것이다.
LCPG들의 복수의 층과 1/4 파장판의 기능은 빔 스캐닝을 구현하는 것이다.
본 출원에서, 상이한 각도들에서의 그리고 상이한 상태들에서의 광은 송신단 및 수신단에서의 시분할 제어를 통해 센서에 진입하도록 동적으로 선택될 수 있다. 도 96에 도시된 바와 같이, 통상의 VCSEL 어레이 광원에 의해 방출된 레이저 광은 고정된 편광 상태를 갖지 않으며, 이는 종이 표면에 평행한 선형 편광된 레이저 광과 종이 표면에 수직인 선형 편광된 레이저 광으로 분해될 수 있다. LCPG들을 통과한 후에, 선형 편광된 레이저 광은 상이한 편광 상태들(왼쪽 원형 편광 및 오른쪽 원형 편광)의 2개의 레이저 빔으로 분할되고, 이들은 각각 상이한 출사 각도들을 갖는다. 2개의 레이저 빔이 1/4 파장판을 통과한 후, 대응하는 편광 상태들은 종이 표면에 평행한 선형 편광된 광과 종이 표면에 수직인 선형 편광된 광으로 변환된다. 상이한 편광 상태들의 2개의 레이저 빔이 타깃 영역 내의 물체를 조사한 후에 발생된 반사된 빔들은 송신단 및 수신단에서 공유되는 LCPG들 및 1/4 파장판에 의해 수신되고, 이어서 동일한 발산 각도를 갖지만 상이한 편광 상태들의 레이저 광: 왼쪽 원형 편광된 광 및 오른쪽 원형 편광된 광이 된다. 수신단에서의 빔 선택기는 1/4 파장판 + 전기적으로 제어되는 반파장판 + 편광 필름을 포함한다. 수신된 광이 1/4 파장판을 통과한 후, 편광 상태들은 종이 표면에 평행한 선형 편광된 광과 종이 표면에 수직인 선형 편광된 광으로 변환된다. 이러한 방식으로, 시분할 제어를 통해, 전기적으로 제어되는 반파장판은 선형 편광된 광의 편광 상태를 90도만큼 회전시키거나 또는 반파장판을 통과하는 편광 상태를 변화시키지 않아서, 종이 표면에 평행한 선형 편광된 광과 종이 표면에 수직인 선형 편광된 광은 상이한 시간에 송신되고, 다른 편광 상태의 광은 편광 필름에 의해 흡수 또는 산란된다.
도 96에서, 송신단 및 수신단에서의 시분할 제어 신호들이 도 94에 도시될 수 있다. 송신단의 전기적으로 제어되는 LCPG의 제어 시간 시퀀스 및 수신단의 전기적으로 제어되는 반파장판의 제어 시간 시퀀스를 1/2 기간(0.5T)만큼 스태거링함으로써, 시스템의 스캐닝 주파수는 2배가 될 수 있다.
도 97은 본 출원의 실시예에 따른 TOF 깊이 감지 모듈(700)의 구조의 개략도이다.
도 97에 도시된 바와 같이, 도 96에 도시된 TOF 깊이 감지 모듈에 기초하여, VCSEL 어레이 광원의 후방의 회절 광학 소자 확산기(DOE 확산기)는 마이크로렌즈 확산기(확산기)로 변경된다. 마이크로렌즈 확산기는 기하학적 광학에 기초하여 균질화를 구현하고, 따라서 80% 초과에 도달할 수 있는 높은 전송 효율을 갖는 반면, 종래의 회절 광학 소자 확산기(DOE 확산기)의 전송 효율은 단지 약 70%이다. 마이크로렌즈 확산기의 형태가 도 77에 도시된다. 마이크로렌즈 확산기는 일련의 랜덤하게 분포된 마이크로렌즈를 포함한다. 각각의 마이크로렌즈의 위치 및 형태는 시뮬레이션을 통해 설계되고 최적화되어, 성형된 빔이 가능한 한 균일하고 전송 효율이 높다.
도 97에 도시된 TOF 깊이 감지 모듈의 구동 원리는 도 96에 도시된 TOF 깊이 감지 모듈의 구동 원리와 동일하고, 도 96에 도시된 TOF 깊이 감지 모듈 내의 회절 광학 소자 확산기(DOE 확산기)는 송신단의 송신 효율을 향상시키기 위해 광학 확산기로 대체된다. 다른 세부사항들은 설명되지 않는다.
도 97에 도시된 TOF 깊이 감지 모듈에 대해, 송신단 및 수신단에서의 시분할 제어 신호들이 도 94에 도시될 수 있다. 송신단의 전기적으로 제어되는 LCPG의 제어 시간 시퀀스 및 수신단의 전기적으로 제어되는 반파장판의 제어 시간 시퀀스를 1/2 기간(0.5T)만큼 스태거링함으로써, 시스템의 스캐닝 주파수는 2배가 될 수 있다.
도 98은 본 출원의 실시예에 따른 TOF 깊이 감지 모듈(700)의 구조의 개략도이다.
도 96 또는 도 97에 도시된 TOF 깊이 감지 모듈에 기초하여, 광학 소자는 도 98에 도시된 바와 같이 다층 LCPG 및 1/4 파장판으로부터 다층 평판 액정 셀로 변경될 수 있다. 평판 액정 셀들의 복수의 층이 복수의 각도에서 그리고 수평 및 수직 방향으로 빔 편향을 구현하기 위해 사용된다. 수신단에서의 빔 선택기는 전기적으로 제어되는 반파장판과 편광 필름을 포함한다.
평판 액정 셀의 빔 편향 원리가 도 99 및 도 100에 도시된다. 빔 편향은 쐐기형 폴리머(폴리머) 계면을 사용하여 구현된다. 쐐기형 폴리머 재료의 굴절률은 액정의 통상의 굴절률 n0과 동일할 필요가 있다. 이러한 방식으로, 도 99에 도시한 바와 같이, 액정 분자의 광축이 x 방향에 평행할 때, 종이 표면에 평행한 입사광이 특정한 각도로 편향된다. 편향 각도의 크기는 입사광에 인가되는 전압을 제어함으로써 제어될 수 있고, 종이 표면에 수직인 입사광은 직선을 따라 전파된다. 이러한 방식으로, 상이한 배향들(광축은 x 방향 또는 y 방향에 평행함)을 갖는 평판 액정 셀들의 복수의 층을 중첩시킴으로써, 편향된 입사광이 상이한 각도로 동시에 투영될 수 있다.
유사하게, 송신단에서의 평판 액정 셀의 구동 전압 및 수신단에서의 전기 제어 반파장판의 구동 전압을 제어함으로써, 이 둘의 제어 시간 시퀀스들이 1/2 기간(0.5T)만큼 스태거링되어, 액정의 스캐닝 주파수가 증가될 수 있다.
도 101은 본 출원의 실시예에 따른 이미지 생성 방법의 개략적인 흐름도이다.
도 101에 도시된 방법은 본 출원의 실시예에서의 TOF 깊이 감지 모듈 또는 TOF 깊이 감지 모듈을 포함하는 단말 디바이스에 의해 수행될 수 있다. 구체적으로, 도 101에 도시된 방법은 도 89에 도시된 TOF 깊이 감지 모듈 또는 도 89에 도시된 TOF 깊이 감지 모듈을 포함하는 단말 디바이스에 의해 수행될 수 있다. 도 101에 도시된 방법은 단계들 9001 내지 9004를 포함하며, 이들은 아래에 상세히 기술된다.
9001. 빔을 생성하도록 광원을 제어한다.
9002. 빔을 편향시키도록 광학 소자를 제어하여 출사 빔을 획득한다.
9003. 타깃 물체의 반사된 빔들에서 각각의 기간 내의 빔들로부터 적어도 2개의 편광 상태를 갖는 빔을 선택하도록 빔 선택기를 제어하여, 수신된 빔을 획득하고, 수신된 빔을 수신 유닛에 송신한다.
9004. 출사 빔에 대응하는 TOF에 기초하여 타깃 물체의 깊이 이미지를 생성한다.
출사 빔은 주기적으로 변화하는 빔이고, 출사 빔의 변화 기간의 값은 제1 시간 간격이다. 출사 빔들에서, 인접한 기간들에서의 빔들의 경사각들은 상이하고, 동일한 기간에서의 빔들은 적어도 2개의 편광 상태를 갖고, 동일한 기간에서의 빔들은 동일한 경사각과 상이한 방위각들을 갖는다.
출사 빔에 대응하는 TOF는 구체적으로 출사 빔에 대응하는 반사된 빔이 수신 유닛에 의해 수신되는 순간과 출사 광원의 방출 순간 사이의 시간차 정보일 수 있다. 출사 빔에 대응하는 반사된 빔은 구체적으로 출사 빔이 광학 소자 및 빔 선택기에 의해 처리된 후에 생성되고 타깃 물체에 도달할 때 타깃 물체에 의해 반사되는 빔일 수 있다.
본 출원의 이 실시예에서는, 광원에 의해 방출된 빔의 방향 및 편광 상태가 광학 소자와 빔 선택기를 사용하여 조정되어, 인접한 기긴들에서의 출사 빔들은 상이한 경사각들을 갖고, 동일한 기간에서의 빔들은 적어도 2개의 편광 상태를 갖는다. 이것은 TOF 깊이 감지 모듈의 스캐닝 주파수를 증가시킨다.
선택적으로, 단말 디바이스는 시준 렌즈를 추가로 포함한다. 시준 렌즈는 광원과 광학 소자 사이에 배치된다. 이 경우, 도 101에 도시된 방법은 다음을 추가로 포함한다:
9005. 시준 렌즈를 사용하여 빔을 시준하여 시준된 빔을 획득한다.
단계 9002에서 빔을 편향시키도록 광학 소자를 제어하여 출사 빔을 획득하는 단계는 구체적으로: 시준된 빔의 방향을 제어하도록 광학 소자를 제어하여 출사 빔을 획득하는 단계를 포함한다.
위에서, 시준 렌즈는 빔을 시준하여, 대략 평행한 빔을 획득할 수 있고, 이에 의해 빔의 전력 밀도를 개선하고, 후속하여 빔에 의한 스캐닝의 효과를 추가로 개선한다.
선택적으로, 단말 디바이스는 균질기를 추가로 포함한다. 균질기는 광원과 광학 소자 사이에 배치된다. 이 경우, 도 101에 도시된 방법은 다음을 추가로 포함한다:
9006. 균질기를 사용하여 빔의 에너지 분포를 조정하여 균질화된 빔을 획득한다.
단계 9002에서 빔을 편향시키도록 광학 소자를 제어하여 출사 빔을 획득하는 단계는 구체적으로: 균질화된 빔의 방향을 제어하도록 광학 소자를 제어하여 출사 빔을 획득하는 단계를 포함한다.
균질화를 통해, 빔의 광 전력은 각도 공간에서 더 균일하거나, 또는 특정 규칙에 기초하여 분포되어, 과도하게 낮은 국부적 광 전력을 방지함으로써, 타깃 물체의 최종적으로 획득된 깊이 이미지에서 블라인드 스폿을 피할 수 있다.
도 102 및 도 104를 참조하면, 다음은 TOF 깊이 감지 모듈(300) 내의 빔 셰이퍼에 의한 처리를 통해 획득된 제1 빔의 FOV와 M개의 상이한 방향에서의 스캐닝을 통해 획득된 총 FOV를 설명한다. 또한, 전체 솔루션 설계가 도 105를 참조하여 설명된다.
TOF 깊이 감지 모듈(300) 내의 빔 셰이퍼(330)는 빔을 조정하여 제1 빔을 획득하고, 제1 빔의 FOV는 제1 미리 설정된 범위를 충족시킨다는 것을 이해해야 한다.
선택적으로, 제1 미리 설정된 범위는 [5°×5°, 20°×20°]를 포함할 수 있다.
도 102는 제1 빔의 FOV의 개략도이다.
도 102에 도시된 바와 같이, 제1 빔은 포인트 O로부터 방출되고, 수직 방향에서의 제1 빔의 FOV는 각도 A이고, 수평 방향에서의 제1 빔의 FOV는 각도 B이고, 직사각형 E는 제1 빔이 타깃 물체 상에 투영되는 영역이다(제1 빔이 타깃 물체 상에 투영되는 영역은 직사각형 영역일 수 있거나, 또는 확실히 다른 형상일 수 있다). 각도 A의 값 범위는 5° 내지 20°이다(5° 내지 20°를 포함할 수 있다). 유사하게, 각도 B의 값 범위는 또한 5°와 20°사이이다(5°와 20°를 포함할 수 있다).
TOF 깊이 감지 모듈(300)에서, 제어 유닛(370)은 M개의 상이한 순간에서의 제1 빔의 방향을 각각 제어하도록 제1 광학 소자를 제어하여 M개의 상이한 방향에서의 출사 빔들을 획득하도록 구성될 수 있으며, 여기서 M개의 상이한 방향에서의 출사 빔들에 의해 커버되는 총 FOV는 제2 미리 설정된 범위를 충족시킨다.
선택적으로, 제2 미리 설정된 범위는 [50°×50°, 80°×80°]일 수 있다.
도 103은 M개의 상이한 방향에서 출사 빔들에 의해 커버되는 총 FOV의 개략도이다.
구체적으로는, 도 103에 도시된 바와 같이, 포인트 O로부터 상이한 방향의 M개의 출사 빔이 방출되고, 타깃 물체 상에 커버되는 영역은 직사각형 F이다. 각도 C는 수직 방향에서 상이한 방향들에서의 M개의 출사 빔의 FOV들의 중첩된 값이고, 각도 D는 수평 방향에서 상이한 방향들에서의 M개의 출사 빔의 FOV들의 중첩된 값이다. 각도 C의 값 범위는 50° 내지 80°이다(50° 내지 80°를 포함할 수 있다). 유사하게, 각도 D의 값 범위는 또한 50° 내지 80°이다(50° 내지 80°를 포함할 수 있다).
상이한 방향들에서 M개의 출사 빔들에 의해 커버되는 총 FOV는 제1 빔에 의해 M개의 상이한 방향에서 스캐닝함으로써 획득된다는 것을 이해해야 한다. 예를 들어, 도 104는 본 출원의 실시예에 따른 TOF 깊이 감지 모듈에 의해 M개의 상이한 방향에서 수행되는 스캐닝의 개략도이다.
이 예에서, 도 104에 도시된 바와 같이, 제1 빔의 FOV는 ExF이고, TOF 깊이 감지 모듈에 의해 커버되는 총 FOV는 UxV이며, 스캐닝 횟수는 6이다. 즉, 스캐닝은 6개의 상이한 방향에서 수행된다.
6회의 스캐닝은 다음과 같은 방식으로 수행된다: 2행에 대해 개별적으로 스캐닝이 수행되고, 각각의 행은 3회 스캐닝된다(즉, 스캐닝될 열의 수는 3이고, 스캐닝될 행의 수는 2이다). 따라서, 스캐닝 횟수는 3×2로 표현될 수도 있다.
이 예에서, 스캐닝 트랙은 먼저 제1 행을 좌측에서 우측으로 3회 스캐닝한 다음, 제2 행으로 편향시키고, 제2 행을 우측에서 좌측으로 3회 스캐닝하여, 전체 FOV 범위를 커버한다.
이 예에서 스캐닝 트랙 및 스캐닝 횟수는 단지 예로서만 사용되며, 본 출원에 대한 제한을 구성할 수 없다는 것을 이해해야 한다.
실제 동작에서, 스캐닝이 2개의 인접한 방향에서 수행될 때, 한 방향으로부터 다른 인접한 방향으로의 변환은 특정 편향 각도를 설정함으로써 구현될 수 있다는 것을 이해해야 한다.
또한, 실제 스캐닝 전에, 편향 각도의 크기는 실제 상황에 기초하여 추가로 결정될 필요가 있다는 것을 이해해야 한다. 편향 각도가 적절한 범위 내에서 제어될 때에만, 제1 빔은 복수회의 스캐닝 후에 전체 피스캔 영역을 커버할 수 있다. 다음은 도 105를 참조하여 본 출원의 실시예들의 전체 솔루션 설계를 설명한다.
도 105는 본 출원의 실시예에 따른 전체 솔루션 설계의 개략적인 흐름도이다. 도 105에 도시된 바와 같이, 전체 솔루션 설계는 단계 S10510 내지 S10540을 포함한다. 전술한 단계들의 시퀀스는 본 출원에서 제한되지 않는다는 것을 이해해야 한다. 본 출원의 솔루션들을 구현하기 위해 사용될 수 있는 전술한 단계들의 임의의 조합은 본 출원의 보호 범위 내에 속한다. 다음은 전술한 단계들을 상세히 설명한다.
S10510. TOF 깊이 감지 모듈의 커버리지 능력을 결정한다.
솔루션 설계 동안, TOF 깊이 감지 모듈의 커버리지 능력이 먼저 결정될 필요가 있고, 이후 적절한 편향 각도가 스캐닝 횟수를 참조하여 결정될 수 있다는 것을 이해해야 한다.
TOF 깊이 감지 모듈의 커버리지 능력은 TOF 깊이 감지 모듈의 FOV가 커버할 수 있는 범위라는 것을 이해해야 한다.
선택적으로, 본 출원의 이 실시예에서, TOF 깊이 감지 모듈은 주로 전면 얼굴 인식을 위해 설계된다. 상이한 시나리오들에서 사용자의 잠금해제 요건들을 보장하기 위해, TOF 깊이 감지 모듈의 FOV는 50×50보다 커야 한다. 또한, TOF 깊이 감지 모듈의 FOV 범위는 매우 크지 않아야 한다. FOV 범위가 매우 크면, 수차와 왜곡이 증가한다. 따라서, TOF 깊이 감지 모듈의 FOV 범위는 일반적으로 50×50 내지 80×80의 범위일 수 있다.
이 예에서, TOF 깊이 감지 모듈에 의해 커버될 수 있는 결정된 총 FOV는 UxV로 표현될 수 있다.
S10520. 스캐닝 횟수를 결정한다.
스캐닝 횟수의 상한은 제1 광학 소자의 성능에 의해 결정된다는 것을 이해해야 한다. 예를 들어, 제1 광학 소자는 액정 편광 격자(LCPG)이고, 액정 분자의 응답 시간은 대략 S ms(millisecond)이다. 이 경우, 제1 광학 소자는 1S 내에서 최대 1000/S회 스캔한다. TOF 깊이 감지 모듈에 의해 생성된 깊이 이미지의 프레임 레이트가 T 프레임/초인 것을 고려하면, 픽처의 각각의 프레임은 최대 1000/(S*T)회 스캔될 수 있다.
동일한 조건 하에서, 픽처의 각각의 프레임은 스캐닝 횟수가 클수록 빔 상의 스캐닝의 더 큰 강도 밀도를 나타내고, 더 긴 스캐닝 거리가 구현될 수 있다는 것을 이해해야 한다.
스캐닝 횟수가 상한을 초과하지 않는 것이 보장된다면, 실제 동작에서의 스캐닝 횟수는 스캐닝 횟수의 결정된 상한에 기초하여 결정될 수 있다는 것을 이해해야 한다. 이는 이 출원에서 추가로 제한되지 않는다.
이 예에서, 결정된 스캐닝 횟수는 XxY로 표현될 수 있다는 것을 이해해야 한다. Y는 스캔될 행의 수가 Y인 것을 나타내고, X는 스캔될 열의 수가 X인 것을 나타낸다. 즉, Y행의 스캐닝이 수행되고, 각 행이 X회 스캐닝된다.
S10530. 편향 각도의 크기를 결정한다.
본 출원의 이 실시예에서, 편향 각도의 크기는 TOF 깊이 감지 모듈의 것이고 전술한 2개의 단계에서 결정되는 FOV 커버리지 능력 및 스캐닝 횟수에 기초하여 결정될 수 있다는 것을 이해해야 한다.
구체적으로, TOF 깊이 감지 모듈에 의해 커버될 수 있는 총 FOV가 UxV이면, 스캐닝 횟수는 XxY이다. 따라서, 수평(즉, 각 행) 스캐닝 프로세스에서의 편향 각도는 U/X 이상이어야 하고, 수직(즉, 한 행에서 다른 행으로의 편향을 나타내는 열 방향) 스캐닝 프로세스에서의 편향 각도는 V/Y 이상이어야 한다.
편향 각도가 작으면, TOF 깊이 감지 모듈의 총 FOV는 미리 설정된 스캐닝 횟수로 커버될 수 없다는 것을 이해해야 한다.
S10540. 제1 빔의 FOV를 결정한다.
편향 각도의 크기가 결정된 후에, 제1 빔의 FOV는 편향 각도의 크기에 기초하여 결정된다는 것을 이해해야 한다. 이 예에서, 제1 빔의 FOV는 ExF로 표현될 수 있다. 제1 빔의 FOV는 인접한 스캐닝 영역들에 슬릿(즉, 스캐닝되지 않은 누락 영역)이 없음을 보장하기 위해 편향 각도의 크기 이상이어야 한다는 것을 이해해야 한다. 이 경우, E는 수평 편향 각도 이상이어야 하고, F는 수직 편향 각도 이상이어야 한다.
선택적으로, 제1 빔의 FOV는 편향 각도보다 약간 더 클 수 있다. 예를 들어, 제1 빔의 FOV는 편향 각도보다 5% 더 클 수 있다. 이는 이 출원에서 제한되지 않는다.
커버리지 능력, 스캐닝 횟수, 제1 빔의 FOV, 및 TOF 깊이 감지 모듈의 편향 각도의 크기는 4개 모두를 적절한 범위 내에서 제어하기 위해, 실제 동작에서의 상호 조정을 통해 결정될 수 있다는 것을 이해해야 한다. 이는 이 출원에서 제한되지 않는다.
도 102 내지 도 104를 참조하면, TOF 깊이 감지 모듈(300)에 의해 생성된 제1 빔과 상이한 방향들에서의 M개의 출사 빔의 FOV들의 전술한 설명들은 TOF 깊이 감지 모듈(400)에 의해 생성된 제1 빔과 상이한 방향들에서의 M개의 출사 빔에 또한 적용가능하다는 것을 이해해야 한다. 세부사항들은 본 명세서에서 다시 설명되지 않는다.
본 분야의 통상의 기술자라면, 본 명세서에서 개시된 실시예들에서 설명된 예들과 연계하여, 전자 하드웨어 또는 컴퓨터 소프트웨어와 전자적 하드웨어의 조합에 의해 유닛들 및 알고리즘 단계들이 구현될 수 있다는 것을 알 수 있을 것이다. 기능이 하드웨어 또는 소프트웨어에 의해 수행되는지 여부는 기술적 솔루션의 특정 응용 및 설계 제약 조건에 좌우된다. 본 분야의 통상의 기술자는 각각의 특정 애플리케이션에 대해 설명되는 기능들을 구현하기 위해 상이한 방법들을 사용할 수 있지만, 이러한 구현이 본 출원의 범위를 벗어나는 것으로 고려되어서는 안 된다.
전술한 시스템, 장치, 및 유닛의 상세한 동작 프로세스에 대해, 편리하고 간단한 설명을 위해, 전술한 방법 실시예들에서의 대응하는 프로세스를 참조하는 것이 본 기술분야의 통상의 기술자에 의해 명확하게 이해될 수 있다. 세부사항들은 본 명세서에서 다시 설명되지 않는다.
본 출원에 제공된 몇가지 실시예에서, 개시된 시스템, 장치, 및 방법은 다른 방식으로 구현될 수 있다는 것을 이해해야 한다. 예를 들어, 설명된 장치 실시예는 단지 예일뿐이다. 예를 들어, 유닛들로의 분할은 단지 논리적 기능 분할에 불과하고, 실제 구현 동안 다른 분할일 수 있다. 예를 들어, 복수의 유닛 또는 컴포넌트가 결합되거나 다른 시스템에 통합되거나, 일부 피처가 무시되거나 수행되지 않을 수 있다. 또한, 표시되거나 논의된 상호 결합 또는 직접적 결합 또는 통신 접속은 소정의 인터페이스를 통해 구현될 수도 있다. 장치들 또는 유닛들 사이의 간접 결합들 또는 통신 접속들은 전기적 형태, 기계적 형태, 또는 다른 형태로 구현될 수 있다.
개별 부분들로서 설명된 유닛들은 물리적으로 분리되거나 분리되지 않을 수 있으며, 유닛들로서 디스플레이된 부분들은 물리적 유닛들이거나 아닐 수 있고, 하나의 위치에 위치될 수 있거나, 또는 복수의 네트워크 유닛 상에 분포될 수 있다. 유닛들의 일부 또는 전부는 실시예들의 솔루션들의 목적들을 달성하기 위해 실제 요건들에 기초하여 선택될 수 있다.
또한, 본 출원의 실시예들에서의 기능 유닛들은 하나의 처리 유닛으로 통합될 수 있고, 유닛들 각각은 물리적으로 단독으로 존재할 수 있거나, 또는 2개 이상의 유닛이 하나의 유닛으로 통합될 수 있다.
기능들이 소프트웨어 기능 유닛의 형태로 구현되고 독립된 제품으로서 판매 또는 사용될 때, 이러한 기능들은 컴퓨터 판독가능한 저장 매체에 저장될 수 있다. 이러한 이해에 기초하여, 본질적으로 본 출원의 기술적 솔루션들, 또는 종래 기술에 기여하는 부분, 또는 기술적 솔루션들의 일부는, 소프트웨어 제품의 형태로 구현될 수 있다. 컴퓨터 소프트웨어 제품은 저장 매체에 저장되고 컴퓨터 디바이스(개인용 컴퓨터, 서버, 네트워크 디바이스 등일 수 있음)에게 본 출원의 실시예들에 설명된 방법들의 단계들의 전부 또는 일부를 수행하라고 명령하는 수개의 명령어를 포함한다. 전술한 저장 매체는 USB 플래시 드라이브, 착탈가능 하드 디스크, 판독 전용 메모리(read-only memory, ROM), 랜덤 액세스 메모리(random access memory, RAM), 자기 디스크, 또는 광 디스크와 같은 프로그램 코드를 저장할 수 있는 임의의 매체를 포함한다.
전술한 설명들은 단지 본 출원의 구체적인 구현들이지, 본 출원의 보호 범위를 제한하도록 의도되는 것은 아니다. 본 출원에서 개시되는 기술적 범위 내에서 본 분야의 통상의 기술자에 의해 용이하게 도출되는 임의의 변형 또는 대체는 본 출원의 보호 범위 내에 속할 것이다. 따라서, 본 출원의 보호 범위는 청구항들의 보호 범위에 종속될 것이다.

Claims (26)

  1. 비행 시간 TOF 깊이 감지 모듈로서, 상기 TOF 깊이 감지 모듈은 광원, 편광 필터, 빔 셰이퍼, 제1 광학 소자, 제2 광학 소자, 수신 유닛, 및 제어 유닛을 포함하고, 상기 광원은 복수의 편광 상태의 광을 생성할 수 있고, 상기 편광 필터는 상기 광원과 상기 빔 셰이퍼 사이에 위치되고;
    상기 광원은 빔을 생성하도록 구성되고;
    상기 편광 필터는 상기 빔을 필터링하여 단일 편광 상태의 빔을 획득하도록 구성되고, 상기 단일 편광 상태는 상기 복수의 편광 상태 중 하나이고;
    상기 빔 셰이퍼는 상기 단일 편광 상태의 상기 빔의 시야 FOV를 증가시켜 제1 빔을 획득하도록 구성되고, 상기 제1 빔의 FOV는 제1 미리 설정된 범위를 충족하고;
    상기 제어 유닛은 상기 제1 빔의 방향을 제어하도록 상기 제1 광학 소자를 제어하여 출사 빔을 획득하도록 구성되고;
    상기 제어 유닛은 타깃 물체에 의해 상기 출사 빔을 반사함으로써 획득되는 반사된 빔을 상기 수신 유닛으로 편향시키도록 상기 제2 광학 소자를 제어하도록 추가로 구성되는 TOF 깊이 감지 모듈.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 미리 설정된 범위는 [5°×5°, 20°×20°]인 TOF 깊이 감지 모듈.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 제어 유닛은:
    M개의 상이한 순간에서의 상기 제1 빔의 방향을 각각 제어하도록 상기 제1 광학 소자를 제어하여 M개의 상이한 방향에서의 출사 빔들을 획득하고;
    타깃 물체에 의해 상기 M개의 상이한 방향에서의 상기 출사 빔들을 반사함으로써 획득되는 M개의 반사된 빔을 상기 수신 유닛으로 각각 편향시키도록 상기 제2 광학 소자를 제어하도록 구성되는 TOF 깊이 감지 모듈.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 M개의 상이한 방향에서의 상기 출사 빔들에 의해 커버되는 총 FOV는 제2 미리 설정된 범위를 충족하는 TOF 깊이 감지 모듈.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 제2 미리 설정된 범위는 [50°×50°, 80°×80°]인 TOF 깊이 감지 모듈.
  6. 제3항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제어 유닛은:
    상기 M개의 상이한 방향에서의 상기 출사 빔들에 각각 대응하는 TOF들에 기초하여 상기 타깃 물체의 깊이 이미지를 생성하도록 추가로 구성되는 TOF 깊이 감지 모듈.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1 광학 소자와 상기 제2 광학 소자 사이의 거리는 1cm 이하인 TOF 깊이 감지 모듈.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1 광학 소자 및/또는 상기 제2 광학 소자는 액정 편광 소자인 TOF 깊이 감지 모듈.
  9. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1 광학 소자 및/또는 상기 제2 광학 소자는 회전 거울 컴포넌트(rotating mirror component)이고, 상기 회전 거울 컴포넌트는 상기 출사 빔들의 출사 방향들을 제어하기 위해 회전하는 TOF 깊이 감지 모듈.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 제1 광학 소자는 수평 편광 제어 시트, 수평 액정 편광 격자, 수직 편광 제어 시트, 및 수직 액정 편광 격자를 포함하는 TOF 깊이 감지 모듈.
  11. 제9항에 있어서,
    상기 제2 광학 소자는 수평 편광 제어 시트, 수평 액정 편광 격자, 수직 편광 제어 시트, 및 수직 액정 편광 격자를 포함하는 TOF 깊이 감지 모듈.
  12. 제10항 또는 제11항에 있어서,
    상기 광원과 상기 수평 편광 제어 시트, 상기 수평 액정 편광 격자, 상기 수직 편광 제어 시트, 및 상기 수직 액정 편광 격자 사이의 거리는 크기의 오름차순이거나; 또는 상기 광원과 상기 수직 편광 제어 시트, 상기 수직 액정 편광 격자, 상기 수평 편광 제어 시트, 및 상기 수평 액정 편광 격자 사이의 거리는 크기의 오름차순인 TOF 깊이 감지 모듈.
  13. 제9항에 있어서,
    상기 회전 거울 컴포넌트는 마이크로전자기계 시스템 검류계 또는 다면형 회전 거울인 TOF 깊이 감지 모듈.
  14. 제1항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 빔 셰이퍼는 확산 렌즈와 직사각형 구경 조리개(rectangular aperture stop)를 포함하는 TOF 깊이 감지 모듈.
  15. 제1항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 광원은 패브리-페롯 레이저(Fabry-Perot laser)인 TOF 깊이 감지 모듈.
  16. 제1항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 광원은 수직 공동 표면 방출 레이저(vertical cavity surface emitting laser)인 TOF 깊이 감지 모듈.
  17. 제1항 내지 제16항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 TOF 깊이 감지 모듈은:
    시준 렌즈를 추가로 포함하고, 상기 시준 렌즈는 상기 광원과 상기 편광 필터 사이에 위치되고, 상기 시준 렌즈는 상기 빔을 시준하도록 구성되고;
    상기 편광 필터는 상기 시준 렌즈의 시준된 빔을 필터링하여 단일 편광 상태의 빔을 획득하도록 구성되는 TOF 깊이 감지 모듈.
  18. 제1항 내지 제17항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 광원의 발광 면적은 5×5mm2 이하인 TOF 깊이 감지 모듈.
  19. 제1항 내지 제18항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 TOF 깊이 감지 모듈의 평균 출력 광 전력은 800mw보다 작은 TOF 깊이 감지 모듈.
  20. 이미지 생성 방법으로서,
    상기 이미지 생성 방법은 비행 시간 TOF 깊이 감지 모듈을 포함하는 단말 디바이스에 적용되고; 상기 TOF 깊이 감지 모듈은 광원, 편광 필터, 빔 셰이퍼, 제1 광학 소자, 제2 광학 소자, 수신 유닛, 및 제어 유닛을 포함하고, 상기 광원은 복수의 편광 상태의 광을 생성할 수 있고, 상기 편광 필터는 상기 광원과 상기 빔 셰이퍼 사이에 위치되고; 상기 이미지 생성 방법은:
    빔을 생성하도록 상기 광원을 제어하는 단계;
    상기 편광 필터를 사용하여 상기 빔을 필터링하여 단일 편광 상태의 빔을 획득하는 단계- 상기 단일 편광 상태는 상기 복수의 편광 상태 중 하나임 -;
    상기 빔 셰이퍼를 사용하여 상기 단일 편광 상태의 상기 빔의 시야 FOV를 조정하여 제1 빔을 획득하는 단계- 상기 제1 빔의 FOV는 제1 미리 설정된 범위를 충족함 -;
    M개의 상이한 순간에서 상기 빔 셰이퍼로부터의 상기 제1 빔의 방향을 각각 제어하도록 상기 제1 광학 소자를 제어하여 M개의 상이한 방향에서의 출사 빔들을 획득하는 단계- 상기 M개의 상이한 방향에서의 상기 출사 빔들에 의해 커버되는 총 FOV는 제2 미리 설정된 범위를 충족함 -;
    타깃 물체에 의해 상기 M개의 상이한 방향에서의 상기 출사 빔들을 반사함으로써 획득되는 M개의 반사된 빔을 상기 수신 유닛으로 각각 편향시키도록 상기 제2 광학 소자를 제어하는 단계;
    상기 M개의 상이한 방향에서의 상기 출사 빔들에 각각 대응하는 TOF들을 획득하는 단계; 및
    상기 M개의 상이한 방향에서의 상기 출사 빔들에 각각 대응하는 상기 TOF들에 기초하여 상기 타깃 물체의 깊이 이미지를 생성하는 단계를 포함하는 이미지 생성 방법.
  21. 제20항에 있어서,
    상기 제1 미리 설정된 범위는 [5°×5°, 20°×20°]인 이미지 생성 방법.
  22. 제20항 또는 제21항에 있어서,
    상기 제2 미리 설정된 범위는 [50°×50°, 80°×80°]인 이미지 생성 방법.
  23. 제20항 내지 제22항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 M개의 상이한 방향에서의 상기 출사 빔들에 각각 대응하는 상기 TOF들에 기초하여 상기 타깃 물체의 깊이 이미지를 생성하는 단계는:
    상기 M개의 출사 빔에 각각 대응하는 상기 TOF들에 기초하여 상기 TOF 깊이 감지 모듈과 상기 타깃 물체의 M개의 영역 사이의 거리들을 결정하는 단계;
    상기 TOF 깊이 감지 모듈과 상기 타깃 물체의 M개의 영역 사이의 거리들에 기초하여 상기 타깃 물체의 M개의 영역의 깊이 이미지들을 생성하는 단계; 및
    상기 타깃 물체의 M개의 영역의 깊이 이미지들에 기초하여 상기 타깃 물체의 깊이 이미지를 합성하는 단계를 포함하는 이미지 생성 방법.
  24. 제20항 내지 제23항 중 어느 한 항에 있어서,
    M개의 상이한 순간에서 상기 빔 셰이퍼로부터의 상기 제1 빔의 방향을 각각 제어하도록 상기 제1 광학 소자를 제어하여 M개의 상이한 방향에서의 출사 빔들을 획득하는 단계는:
    상기 제어 유닛에 의해, 제1 전압 신호를 생성하는 단계를 포함하고, 상기 제1 전압 신호는 상기 M개의 상이한 순간에서의 상기 제1 빔의 방향을 각각 제어하도록 상기 제1 광학 소자를 제어하여 상기 M개의 상이한 방향에서의 상기 출사 빔들을 획득하기 위해 사용되고;
    타깃 물체에 의해 상기 M개의 상이한 방향에서의 상기 출사 빔들을 반사함으로써 획득되는 M개의 반사된 빔을 상기 수신 유닛으로 각각 편향시키도록 상기 제2 광학 소자를 제어하는 단계는:
    상기 제어 유닛에 의해, 제2 전압 신호를 생성하는 단계를 포함하고, 상기 제2 전압 신호는 상기 타깃 물체에 의해 상기 M개의 상이한 방향에서의 상기 출사 빔들을 반사함으로써 획득되는 상기 M개의 반사된 빔을 상기 수신 유닛으로 각각 편향시키도록 상기 제2 광학 소자를 제어하기 위해 사용되고, 상기 제1 전압 신호 및 상기 제2 전압 신호의 전압 값들은 동일한 순간에 동일한 이미지 생성 방법.
  25. 제20항 내지 제24항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 빔 셰이퍼를 사용하여 상기 단일 편광 상태의 상기 빔의 시야 FOV를 조정하여 제1 빔을 획득하는 단계는:
    상기 빔 셰이퍼를 사용하여 상기 단일 편광 상태의 상기 빔의 각도 강도 분포를 증가시켜 상기 제1 빔을 획득하는 단계를 포함하는 이미지 생성 방법.
  26. 단말 디바이스로서,
    제1항 내지 제19항 중 어느 한 항에 따른 비행 시간 TOF 깊이 감지 모듈을 포함하는 단말 디바이스.
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