KR20220133565A - 카메라 모듈 - Google Patents

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KR20220133565A
KR20220133565A KR1020210038837A KR20210038837A KR20220133565A KR 20220133565 A KR20220133565 A KR 20220133565A KR 1020210038837 A KR1020210038837 A KR 1020210038837A KR 20210038837 A KR20210038837 A KR 20210038837A KR 20220133565 A KR20220133565 A KR 20220133565A
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light
camera module
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emitter
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KR1020210038837A
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최영환
박강열
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엘지이노텍 주식회사
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Abstract

본 발명의 실시예는 스팟(spot) 조명 패턴 또는 플루드(flood) 조명 패턴의 빛을 객체에 조사하는 발광부; 및 상기 객체에 반사된 빛을 수광하는 수광부;를 포함하며, 상기 발광부는, 소정의 간격으로 배치된 복수의 에미터를 포함하는 광원; 상기 광원의 상단에 이격되어 배치되는 렌즈 어셈블리; 및 광축을 따라 상기 광원과 상기 렌즈 어셈블리 사이에 배치되는 광학부재;를 포함하고, 상기 광학부재는 상기 복수의 에미터 각각과 광축을 따라 나란히 배치된 꼭지점을 갖는 프리즘을 포함하는 카메라 모듈을 개시한다.

Description

카메라 모듈{CAMERA MODULE}
실시 예는 카메라 모듈에 관한 것이다.
3 차원 콘텐츠는 게임, 문화뿐만 아니라 교육, 제조, 자율주행 등 많은 분야에서 적용되고 있으며, 3차원 콘텐츠를 획득하기 위하여 깊이 정보(Depth Map)가 필요하다. 깊이 정보는 공간 상의 거리를 나타내는 정보이며, 2차원 영상의 한 지점에 대하여 다른 지점의 원근 정보를 나타낸다. 깊이 정보를 획득하는 방법으로, IR(Infrared) 구조광을 객체에 투사하는 방식, 스테레오 카메라를 이용하는 방식, TOF(Time of Flight) 방식 등이 이용되고 있다.
이러한 TOF 방식이나 구조광 방식의 경우 적외선 파장 영역의 빛을 이용하고 있는데, 최근에는 적외선 파장 영역의 특징을 이용하여 생체 인증에 이용하고자 하는 시도가 있다. 예를 들어, 손가락 등에 퍼진 정맥의 모양은 태아 때부터 일생 동안 변하지 않고, 사람마다 다르다고 알려져 있다. 이에 따라, 적외선 광원이 탑재된 카메라 장치를 이용하여 정맥 패턴을 식별할 수 있다. 이를 위하여, 손가락을 촬영한 후, 손가락의 색과 형상을 기반으로 배경을 제거하여 각 손가락을 검출할 수 있으며, 검출된 각 손가락의 색 정보로부터 각 손가락의 정맥 패턴을 추출할 수 있다. 즉, 손가락의 평균 색깔, 손가락에 분포된 정맥의 색깔, 및 손가락에 있는 주름의 색깔은 서로 상이할 수 있다. 예를 들어, 손가락에 분포된 정맥의 색깔은 손가락의 평균 색깔에 비하여 적색이 약할 수 있으며, 손가락에 있는 주름의 색깔은 손가락의 평균 색깔에 비하여 어두울 수 있다. 이러한 특징을 이용하여 픽셀 별로 정맥에 근사한 값을 계산할 수 있으며, 계산한 결과를 이용하여 정맥 패턴을 추출할 수 있다. 그리고, 추출된 각 손가락의 정맥 패턴과 미리 등록된 데이터를 대비하여 개인을 식별할 수 있다. 이외에도 먼 거리에 있는 객체의 크기 정보나 객체와의 거리 정보를 측정하기 위하여 TOF 방식이나 구조광 방식의 카메라를 통해 깊이 정보를 획득하기도 한다.
이와 같이, TOF 방식 등을 이용하여 깊이 정보를 획득하는 카메라는 다양한 활용 분야에서 이용되고 있으며, 계속하여 활용 분야가 넓어지고 있는 추세이다.
하지만, 종래 TOF 카메라의 경우에는 어느 하나의 활용 분야에 특화된 구조로 개발되어 있어, 하나의 TOF 카메라로 다양한 분야에서 활용이 어렵다는 문제점이 있다. 예를 들어, 높은 해상도의 깊이 정보가 필요한 활용 분야에서는 플루드 조명 패턴이 이용되고, 원거리 사물의 깊이 정보 획득이 필요한 분야에서는 스팟 조명 패턴이 이용되는데, 종래 TOF 카메라의 경우에는 어느 하나의 조명 패턴만을 제공할 수밖에 없는 구조를 가지고 있는 실정이다. 따라서, 다양한 분야에서 활용이 가능한 TOF 카메라의 개발이 요구된다.
실시 예는 촬영 목적에 적응적으로 구동하여 다양한 조명 패턴을 객체에 조사할 수 있는 TOF 카메라 모듈을 제공하는데 있다.
실시예는 다각뿔 프리즘 또는 다각뿔대 프리즘을 통해 광 출력 효율 저하를 방지하면서 분할된 광을 제공하는 카메라 모듈을 제공할 수 있다.
또한, 광원과 프리즘 간의 정렬이 용이하여 프리즘에 따른 광 출력 저하를 방지하는 카메라 모듈을 제공할 수 있다.
실시 예에서 해결하고자 하는 과제는 이에 한정되는 것은 아니며, 아래에서 설명하는 과제의 해결수단이나 실시 형태로부터 파악될 수 있는 목적이나 효과도 포함된다고 할 것이다.
본 발명의 실시예에 따른 카메라 모듈은 스팟(spot) 조명 패턴 또는 플루드(flood) 조명 패턴의 빛을 객체에 조사하는 발광부; 및 상기 객체에 반사된 빛을 수광하는 수광부;를 포함하며, 상기 발광부는, 소정의 간격으로 배치된 복수의 에미터를 포함하는 광원; 상기 광원의 상단에 이격되어 배치되는 렌즈 어셈블리; 및 광축을 따라 상기 광원과 상기 렌즈 어셈블리 사이에 배치되는 광학부재;를 포함하고, 상기 광학부재는 상기 복수의 에미터 각각과 광축을 따라 나란히 배치된 꼭지점을 갖는 프리즘을 포함한다.
상기 광학부재는 상기 광원과 이격되거나 접할 수 있다.
상기 프리즘은 상기 꼭지점과 마주하는 저면을 포함할 수 있다.
상기 꼭지점은 상기 광축을 따라 상기 저면과 상기 광원 사이에 배치될 수 있다.
상기 저면은 상기 광축을 따라 상기 꼭지점과 상기 광원 사이에 배치될 수 있다.
상기 프리즘의 꼭지각은 제1 조건을 만족할 수 있다.
상기 제1 조건은 상기 복수의 에미터의 발산각, 상기 프리즘의 굴절률에 기초하여 설정될 수 있다.
상기 제1 조건은 하기의 수학식 1을 만족할 수 있다.
[수학식 1]
Figure pat00001
(여기서, ‘beam divergence’는 에미터의 발산각이고, ‘n’은 프리즘의 굴절률이고, r은 프리즘의 저면에서 굴절광의 굴절각이다)
상기 제1 조건은 하기의 수학식 2를 만족할 수 있다.
[수학식 2]
Figure pat00002
(여기서, n은 프리즘의 굴절률이고, i는 굴절광의 빗면에 대한 입사각이다)
상기 제1 조건은 하기의 수학식 3을 만족할 수 있다.
[수학식 3]
Figure pat00003
(여기서, r은 프리즘의 저면에서 굴절광의 굴절각이고, i는 굴절광의 빗면에 대한 입사각이고, θ1은 프리즘의 꼭지각의 최소값이다)
상기 프리즘의 꼭지각은 제2 조건을 만족할 수 있다.
상기 제2 조건은, 프리즘 폭, 인접한 에미터 간의 이격 거리, 프리즘의 높이, 에미터와 에미터 상의 프리즘 간의 이격 거리, 에미터의 발산각에 기초하여 설정될 수 있다.
상기 제2 조건은 하기의 수학식 4을 만족할 수 있다.
[수학식 4]
Figure pat00004
(여기서, ‘half width’는 프리즘 폭*1/2 이고, ‘emitter pitch’는 인접한 에미터 간의 이격 거리이다)
상기 제2 조건은 하기의 수학식 5을 만족할 수 있다.
[수학식 5]
Figure pat00005
(여기서, ‘prism height’는 프리즘의 높이이고, K는 기설정된 값이다)
상기 제2 조건은 하기의 수학식 6을 만족할 수 있다.
[수학식 6]
Figure pat00006
(여기서, ‘half width’는 프리즘 폭*1/2 이고, ‘emitter size’는 에미터의 폭이고, ‘prism distance’는 에미터와 에미터 상의 프리즘 간의 이격 거리이고, ‘beam divergence’는 에미터의 발산각이다)
상기 제2 조건은 하기의 수학식 7을 만족할 수 있다.
[수학식 7]
Figure pat00007
(여기서, ‘half width’는 프리즘 폭*1/2 이고, ‘prism length’는 프리즘의 높이이고, θ2는 프리즘의 꼭지각의 최대값이다)
상기 프리즘은 이중 프리즘, 삼각뿔 프리즘, 사각뿔 프리즘, 삼각뿔대 프리즘, 사각뿔대 프리즘, 프레넬 프리즘 중 어느 하나일 수 있다.
기준 거리에서 소정의 이동 거리만큼 광축을 따라 상기 렌즈 어셈블리를 이동시켜 상기 광원과 상기 렌즈 어셈블리 사이의 거리를 가변하는 구동 모듈;을 더 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 촬영 목적에 적응적으로 구동하여 다양한 조명 패턴을 객체에 조사할 수 있는 TOF 카메라 모듈을 구현할 수 있다.
또한, 실시예는 다각뿔 프리즘 또는 다각뿔대 프리즘을 통해 광 출력 효율 저하를 방지하면서 분할된 광을 제공하는 카메라 모듈을 구현할 수 있다.
또한, 광원과 프리즘 간의 정렬이 용이하여 프리즘에 따른 광 출력 저하를 방지하는 카메라 모듈을 구현할 수 있다.
본 발명의 다양하면서도 유익한 장점과 효과는 상술한 내용에 한정되지 않으며, 본 발명의 구체적인 실시형태를 설명하는 과정에서 보다 쉽게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 카메라 모듈의 구성예를 나타낸 도면이고,
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 발광부가 생성하는 광신호를 설명하기 위한 도면이고,
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 가변되는 조명 패턴을 나타낸 도면이고,
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 발광부의 구조를 설명하기 위한 도면이고,
도 5는 일 실시예에 따른 발광부의 구조를 도시한 도면이고,
도 6은 다른 실시예에 따른 발광부의 구조를 도시한 도면이고,
도 7은 실시예에 따른 발광부에서 프리즘에 의해 광의 분할을 도시한 도면이고,
도 8은 실시예에 따른 발광부에서 프리즘의 측면도이고,
도 9는 실시예에 따른 발광부에서 프리즘의 상면도이고,
도 10(a)는 실시예에 따른 발광부에서 광원의 광을 도시한 도면이고,
도 10(b)는 실시예에 따른 발광부에서 프리즘에 의해 분할된 광을 도시한 도면이고,
도 11는 실시예에 따른 발광부에서 프리즘에 의해 분할된 광의 파워를 도시한 도면이고,
도 12은 실시예에 따른 발광부에서 프리즘의 제1 조건을 설명하는 도면이고,
도 13은 실시예에 따른 프리즘에서 굴절률과 프리즘의 꼭지각의 최소값의 그래프이고,
도 14는 실시예에 따른 발광부에서 프리즘의 제2 조건을 설명하는 도면이고,
도 15은 프리즘의 높이와 프리즘의 그래프이고,
도 16는 광원과 꼭지점 간의 이격 각도에 따른 분할된 광을 도시한 도면이고,
도 17는 광원의 각도와 광 출력을 도시한 도면이고,
도 18은 실시예에 따른 카메라 장치를 포함하는 광학기기를 도시한 도면이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다.
다만, 본 발명의 기술 사상은 설명되는 일부 실시 예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있고, 본 발명의 기술 사상 범위 내에서라면, 실시 예들간 그 구성 요소들 중 하나 이상을 선택적으로 결합, 치환하여 사용할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에서 사용되는 용어(기술 및 과학적 용어를 포함)는, 명백하게 특별히 정의되어 기술되지 않는 한, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 일반적으로 이해될 수 있는 의미로 해석될 수 있으며, 사전에 정의된 용어와 같이 일반적으로 사용되는 용어들은 관련 기술의 문맥상의 의미를 고려하여 그 의미를 해석할 수 있을 것이다.
또한, 본 발명의 실시예에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다.
본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함할 수 있고, “A 및(와) B, C 중 적어도 하나(또는 한 개 이상)”로 기재되는 경우 A, B, C로 조합할 수 있는 모든 조합 중 하나 이상을 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시 예의 구성 요소를 설명하는 데 있어서, 제1, 제2, A, B, (a), (b) 등의 용어를 사용할 수 있다.
이러한 용어는 그 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성 요소의 본질이나 차례 또는 순서 등으로 한정되지 않는다.
그리고, 어떤 구성 요소가 다른 구성요소에 ‘연결’, ‘결합’ 또는 ‘접속’된다고 기재된 경우, 그 구성 요소는 그 다른 구성 요소에 직접적으로 연결, 결합 또는 접속되는 경우뿐만 아니라, 그 구성 요소와 그 다른 구성 요소 사이에 있는 또 다른 구성 요소로 인해 ‘연결’, ‘결합’ 또는 ‘접속’ 되는 경우도 포함할 수 있다.
또한, 각 구성 요소의 “상(위) 또는 하(아래)”에 형성 또는 배치되는 것으로 기재되는 경우, 상(위) 또는 하(아래)는 두 개의 구성 요소들이 서로 직접 접촉되는 경우뿐만 아니라 하나 이상의 또 다른 구성 요소가 두 개의 구성 요소들 사이에 형성 또는 배치되는 경우도 포함한다. 또한, “상(위) 또는 하(아래)”으로 표현되는 경우 하나의 구성 요소를 기준으로 위쪽 방향뿐만 아니라 아래쪽 방향의 의미도 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 카메라 모듈은 ToF(Time of Flight) 기능을 이용하여 깊이 정보를 추출하는 카메라 또는 카메라 장치를 의미할 수 있다. 따라서, 카메라 모듈은 ToF 카메라 장치, ToF 카메라 모듈, ToF 카메라와 혼용될 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 카메라 모듈의 구성예를 나타낸 도면이다.
도 1에 도시된 것처럼, 본 발명의 실시예에 따른 카메라 모듈은 발광부(10) 및 수광부(20)를 포함할 수 있고, 제어부(30)를 더 포함할 수 있다.
발광부(10)는 빛을 생성한 후 생성된 빛을 객체로 출력하는 유닛일 수 있다. 빛은 광신호일 수 있다. 이를 위해, 발광부(10)는 발광 소자와 같이 빛을 생성할 수 있는 구성, 빛을 모듈레이션(modulation) 할 수 있는 구성을 포함할 수 있다. 빛은 펄스파(pulse wave)의 형태나 지속파(continuous wave)의 형태로 모듈레이션 된 광신호일 수 있다. 지속파는 사인파(sinusoid wave)나 사각파(squared wave)의 형태일 수 있다.
발광부(10)는 다양한 패턴의 빛을 출력할 수 있다. 일예로, 발광부(10)는 플루드(flood) 또는 면 조명 패턴의 빛을 출력할 수 있다. 플루드 조명 패턴은 면 조명 패턴이나 면 광원 패턴으로 불릴 수 있다. 다른 일예로, 발광부(10)는 스팟(spot) 또는 점 조명 패턴의 빛을 출력할 수 있다. 스팟 조명 패턴은 점 조명 패턴이나 점 광원 패턴으로 불릴 수 있다. 즉, 발광부(10)는 제어 신호에 따라 플루드 조명 패턴의 빛을 객체에 조사하거나 스팟 조명 패턴의 빛을 객체에 조사할 수 있다.
이를 위해, 발광부(10)는 광원(100), 광학부재(200), 렌즈 어셈블리(300) 및 구동 모듈(400)을 포함할 수 있다.
광원(100)은 복수의 에미터(emitter)를 포함할 수 있다. 광원(100)은 복수의 에미터를 통해 생성된 빛을 출력할 수 있다. 복수의 에미터는 소정의 규칙에 따라 배열될 수 있다. 광원(100)은 VCSEL(vertical-cavity surface-emitting laser) 어레이일 수 있다. 그리고 에미터(emitter)는 VCSEL에 대응할 수 있다. 다만, 에미터는 이러한 구성에 한정되는 것은 아니며 광을 출사하는 다양한 소자일 수 있다.
광학부재(200)는 광원(100) 상에 배치될 수 있다. 실시예로, 광학부재(200)는 렌즈 어셈블리(300)와 광원(100) 사이에 배치될 수 잇다. 예컨대, 광학부재(200)는 광축을 따라 광원(100)과 렌즈 어셈블리(300) 사이에 배치될 수 있다. 실시예에서, 광축은 광원(100)에서 출사되는 광의 출사 방향 또는 광의 발산의 중심축에 대응할 수 있다. 예컨대, 광축은 에미터로부터 출사되는 광의 출사 방향 또는 광의 발산의 중심축에 대응할 수 있다.
광학부재(200)는 에미터 각각과 광축을 따라 나란히 배치되는 꼭지점을 갖는 프리즘을 포함할 수 있다. 광학부재(200)의 프리즘(P, 도 5 및 도 6 참조)와 인접한 프리즘 사이에 배치되는 중간부재(MM)로 이루어질 수 있다. 실시예에 따른 프리즘의 꼭지점(EP, 도 5,6 참조)은 광축을 따라 광원과 나란히 배치될 수 있다. 또한, 프리즘의 꼭지점은 프리즘의 저면과 광원(100) 사이에 배치될 수 있다. 또는 프리즘의 저면은 프리즘의 꼭지점과 광원(100) 사이에 배치될 수 있다. 그리고 광학부재(200)는 광원(100)과 이격되거나 접할 수 있다. 이에 대한 자세한 설명은 후술한다.
렌즈 어셈블리(300)는 광원(100)으로부터 출력된 빛을 집광할 수 있다. 렌즈 어셈블리(300)는 집광된 빛을 출력할 수 있다. 렌즈 어셈블리(300)는 광원(100)의 상단에 이격되어 배치될 수 있다. 여기서, 광원(100)의 상단이란 광원(100)에서 빛이 출력되는 측을 의미할 수 있다. 렌즈 어셈블리(300)는 적어도 하나의 렌즈를 포함할 수 있다.
렌즈 어셈블리(300)는 적어도 하나의 렌즈와 하우징을 포함할 수 있다. 하우징은 적어도 하나의 렌즈를 수용할 수 있는 프레임일 수 있다. 일 실시예에 따르면, 하우징은 구동 모듈(400)과 결합될 수 있으며, 렌즈 어셈블리(300)는 구동 모듈(400)에 의해 광축 방향으로 이동할 수 있다.
렌즈 어셈블리(300)는 소정의 유효 초점 거리(Effective Focal Length, EFL)를 가질 수 있다. 렌즈 어셈블리(300)가 하나의 렌즈를 포함할 경우, 렌즈 어셈블리(300)의 유효 초점 거리는 하나의 렌즈의 유효 초점 거리일 수 있다. 렌즈 어셈블리(300)가 복수의 렌즈를 포함할 경우, 렌즈 어셈블리(300)의 유효 초점 거리는 복수의 렌즈의 합성된 유효 초점 거리를 의미할 수 있다. 본 발명에서 렌즈 어셈블리(300)의 유효 초점 거리는 기준 거리로 명명될 수 있다.
구동 모듈(400)은 기준 거리로부터 소정의 이동 거리만큼 광축을 따라 렌즈 모듈을 이동시킬 수 있다. 이에 따라, 구동 모듈(400)은 렌즈 모듈을 이동시켜 광원(100)과 렌즈 어셈블리(300) 사이의 거리를 조절할 수 있다. 본 발명의 실시예에 따르면, 구동 모듈(400)은 렌즈 어셈블리(300)와 결합될 수 있다. 예를 들어, 구동 모듈(400)은 렌즈 어셈블리(300)에 포함된 하우징과 결합될 수 있다.
일 실시예에 따르면, 구동 모듈(400)은 엑추에이터를 포함할 수 있다. 엑추에이터는 보이스 코일 모터(voice coil motor, VCM), MEMS(Micro-Electro Mechanical Systems), 피에조 전기(Piezo Electric) 또는 형상기억합금(Shape Memory Alloys, SMA) 기반의 엑추에이터일 수 있다. 이외에도, 엑추에이터는 렌즈 어셈블리(300)를 이동시킬 수 있는 다양한 수단일 수 있다.
수광부(20)는 객체에 반사된 빛을 감지할 수 있다. 수광부(20)는 객체에 반사된 광신호를 감지할 수 있다. 이때, 감지되는 빛은 발광부(10)가 출력한 빛이 객체에 반사된 것일 수 있다. 수광부(20)는 광신호를 감지하기 위하여 렌즈 모듈, 필터 및 센서를 포함할 수 있다.
객체로부터 반사된 빛은 렌즈 모듈을 통과할 수 있다. 렌즈 모듈의 광축은 센서의 광축과 얼라인(align)될 수 있다. 필터는 렌즈 모듈과 센서 사이에 배치될 수 있다. 필터는 객체와 센서 사이의 광경로 상에 배치될 수 있다. 필터는 소정 파장 범위를 갖는 빛을 필터링할 수 있다. 필터는 빛의 특정 파장 대역을 투과시킬 수 있다. 필터는 특정 파장의 빛을 통과시킬 수 있다. 예를 들어, 필터는 발광부(10)가 출력하는 광신호의 파장 대역에서 빛을 통과시킬 수 있다. 필터는 적외선 대역의 빛을 통과시키고 적외선 대역 이외의 빛을 차단시킬 수 있다. 또는, 필터는 가시광선을 통과시키고 가시광선 이외의 파장의 빛을 차단시킬 수 있다. 센서는 빛을 센싱할 수 있다. 센서는 광신호를 수신할 수 있다. 센서는 광신호를 센싱하는 이미지 센서일 수 있다. 센서는 광신호를 감지하여 전기적 신호로 출력할 수 있다. 센서는 발광 소자에서 출력하는 광의 파장에 대응하는 파장의 광을 감지할 수 있다. 센서는 적외선 대역의 빛을 감지할 수 있다. 또는, 센서는 가시광선 대역의 빛을 감지할 수 있다. 센서는 렌즈 모듈을 통과한 빛을 대응하는 전기 신호로 변환하는 픽셀 어레이, 픽셀 어레이에 포함된 복수의 픽셀을 구동하는 구동 회로 및 각 픽셀의 아날로그 픽셀 신호를 리드(read)하는 리드아웃회로를 포함할 수 있다. 리드아웃회로는 아날로그 픽셀 신호를 기준 신호와 비교하여 아날로그-디지털 변환을 통해 디지털 픽셀 신호(또는 영상 신호)를 생성할 수 있다. 여기서, 픽셀 어레이에 포함된 각 픽셀의 디지털 픽셀 신호는 영상 신호를 구성하며, 영상 신호는 프레임 단위로 전송됨에 따라 이미지 프레임으로 정의될 수 있다. 즉, 이미지 센서는 복수의 이미지 프레임을 출력할 수 있다.
수광부(20)는 발광부(10)와 나란히 배치될 수 있다. 수광부(20)는 발광부(10) 옆에 배치될 수 있다. 수광부(20)는 발광부(10)와 같은 방향으로 배치될 수 있다.
제어부(30)는 발광부(10) 및 수광부(20) 중 적어도 하나의 구동을 제어할 수 있다. 일 실시예로, 제어부(30)는 제어 신호를 생성하고, 생성된 제어 신호를 통해 발광부(10)에서 출력되는 빛의 조명 패턴을 가변시킬 수 있다. 일 실시예로, 제어부(30)는 카메라 모듈에 포함될 수 있다. 예를 들어, 제어부(30)는 카메라 모듈의 기판에 결합된 형태로 구현될 수 있다. 다른 실시예로, 제어부(30)는 카메라 모듈이 배치된 단말에 포함될 수도 있다. 예를 들어, 제어부(30)는 카메라 모듈이 탑재된 스마트폰의 어플리케이션 프로세서(Application Processor, AP)의 형태로 구현될 수 있다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 발광부가 생성하는 광신호를 설명하기 위한 도면이다.
도 2의 (a)에 도시된 것처럼, 발광부(10)는 일정한 주기로 광 펄스를 생성할 수 있다. 발광부(10)는 소정의 펄스 반복 주기(tmodulation)로 소정의 펄스 폭(tpulse)을 가지는 광 펄스를 생성할 수 있다.
도 2의 (b)에 도시된 것처럼, 발광부(10)는 일정 개수의 광 펄스를 그룹핑(grouping)하여 하나의 위상 펄스를 생성할 수 있다. 발광부(10)는 소정의 위상 펄스 주기(tphase)와 소정의 위상 펄스 폭(texposure, tillumination, tintegration)을 가지는 위상 펄스를 생성할 수 있다. 여기서, 하나의 위상 펄스 주기(tphase)는 하나의 서브 프레임에 대응할 수 있다. 서브 프레임(sub-frame)은 위상 프레임(phase frame)으로 불릴 수 있다. 위상 펄스 주기는 소정의 개수로 그룹핑 될 수 있다. 4개의 위상 펄스 주기(tphase)를 그룹핑하는 방식은 4-phase 방식으로 불릴 수 있다. 8개의 주기(tpphase)를 그룹핑하는 것은 8-phase 방식으로 불릴 수 있다.
도 2의 (c)에 도시된 것처럼, 발광부(10)는 일정 개수의 위상 펄스를 그룹핑하여 하나의 프레임 펄스를 생성할 수 있다. 발광부(10)는 소정의 프레임 펄스 주기(tframe)와 소정의 프레임 펄스 폭(tphase group(sub-frame group))을 가지는 프레임 펄스를 생성할 수 있다. 여기서, 하나의 프레임 펄스 주기(tframe)는 하나의 프레임에 대응할 수 있다. 따라서, 10 FPS로 객체를 촬영하는 경우, 1초에 10번의 프레임 펄스 주기(tframe)가 반복될 수 있다. 4-pahse 방식에서, 하나의 프레임에는 4개의 서브 프레임이 포함될 수 있다. 즉, 하나의 프레임은 4개의 서브 프레임을 통해 생성될 수 있다. 8-phase 방식에서, 하나의 프레임에는 8개의 서브 프레임이 포함될 수 있다. 즉, 하나의 프레임은 8개의 서브 프레임을 통해 생성될 수 있다.
상기에서 설명을 위해, 광 펄스, 위상 펄스 및 프레임 펄스의 용어를 이용하였으나, 이에 한정되지 않는다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 가변되는 조명 패턴을 나타낸 도면이다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 카메라 모듈은 객체에 조사되는 빛의 조명 패턴을 가변할 수 있다. 조명 패턴은 플루드 조명 패턴과 스팟 조명 패턴으로 구분될 수 있다. 일 실시예에 따르면, 본 발명의 실시예에 따른 카메라 모듈은 구동 모듈(400)을 통해 렌즈 어셈블리(300)를 이동시킴으로써 플루드 조명 패턴 또는 스팟 조명 패턴 중 어느 하나의 조명 패턴을 가진 빛을 객체에 조사할 수 있다.
플루드 조명 패턴은 도 3의 (a)와 같이, 빛이 공간상에 균일하게 퍼져 있는 패턴을 의미할 수 있다. 여기서 균일하다고 함은 빛이 조사되는 공간에 동일한 광량이 조사됨을 의미하는 것이 아니라, 빛이 공간상에 연속적으로 퍼져 있음을 의미할 수 있다. 플루드 조명 패턴의 경우에는 빛이 공간상에 균일하게(연속적으로) 퍼지므로, 플루드(또는 면) 조명 패턴의 빛을 객체에 조사할 경우, 높은 해상도의 깊이 정보를 획득할 수 있는 장점이 있다. 다만, 빛이 공간상에 균일하게 퍼지게 되므로 수광량이 적어 객체와의 거리가 멀어질수록 깊이 정보의 정밀도(precision)가 떨어질 수 있다. 정밀도를 높이기 위해서는 광원(100)의 출력을 높일 수 있으나, 소비 전력이 높아지고 안전성(eye-safety)에 문제가 발생할 수 있어 문제된다.
반면, 스팟 조명 패턴은 도 3의 (b)와 같이, 빛이 공간상에 국소적으로 집광되는 패턴을 의미할 수 있다. 즉, 스팟 조명 패턴은 빛이 공간상에 연속적으로 퍼지지 않고 국소적으로 집중되는 패턴을 의미할 수 있다. 스팟 조명 패턴의 경우에는 빛이 국소적으로 집중되므로 각 스팟이 가지는 광량이 높다. 이에 따라, 객체와의 거리가 멀더라도 정밀도가 높은 깊이 정보를 획득할 수 있는 장점이 있다. 다만, 빛이 국소적으로 집중됨에 따라, 플루드 조명 패턴에 비해 깊이 정보의 해상도가 낮다는 문제점이 있다.
이와 같이, 플루드 조명 패턴과 스팟 조명 패턴은 장점과 단점이 상호보완적인 관계를 가질 수 있다. 이에 따라, 본 발명은 플루드 조명 패턴과 스팟 조명 패턴을 상황에 따라 가변함으로써 각각의 장점을 극대화하고자 한다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 발광부의 구조를 설명하기 위한 도면이다.
도 4의 (a)는 광원(100)과 렌즈 어셈블리(300)를 포함하는 발광부(10)의 구조를 개략적으로 도시하고 있다. 도 4의 (a)와 같이 구동 부재가 없는 경우, 렌즈 어셈블리(300)와 광원(100)은 일정한 간격만큼 이격되어 배치되며, 일정한 간격은 변하지 않는다. 즉, 렌즈 어셈블리(300)와 광원(100) 사이의 이격 거리에 따라 결정되는 한 가지의 조명 패턴에 따라 빛을 출력할 수 있으며, 조명 패턴의 가변은 불가하다.
이에 반해, 본 발명의 실시예에 따른 발광부(10)는 구동 모듈(400)을 더 포함한다. 도 4의 (b)는 광원(100), 렌즈 어셈블리(300) 및 구동 모듈(400)을 포함하는 발광부(10)의 구조를 개략적으로 도시하고 있다. 도 4의 (b)와 같이 렌즈 어셈블리(300)와 결합된 구동 모듈(400)을 포함할 경우, 구동 모듈(400)은 렌즈 어셈블리(300)를 상하방향(광축 방향)으로 이동시킴으로써 광원(100)과 렌즈 어셈블리(300) 사이의 이격된 간격을 변경할 수 있다. 렌즈 어셈블리(300)와 광원(100) 사이의 이격된 간격이 변경됨에 따라 객체에 조사되는 빛의 조명 패턴이 변경될 수 있다. 실시예에 따르면, 광원(100)과 렌즈 어셈블리(300) 사이의 간격이 기준 거리인 경우에는 스팟 조명 패턴의 빛이 객체에 조사될 수 있다. 반면, 렌즈 어셈블리(300)가 광축을 따라 소정의 거리만큼 이동하게 되면(즉, 렌즈 어셈블리(300)가 기준 거리를 기준으로 이동 거리만큼 광원(100)에 가까워지거나 멀어지게 되면), 플루드 조명 패턴의 빛이 객체에 조사될 수 있다. 이하에서 도시된 바와 같이 광축은 제2 방향(Y축 방향)에 대응하며, 상술한 바오 k같이 광원(100)에서 출사되는 광의 출사 방향 또는 광의 발산의 중심축에 대응할 수 있다. 예컨대, 광축은 에미터로부터 출사되는 광의 출사 방향 또는 광의 발산의 중심축에 대응할 수 있다. 그리고 제1 방향(X축 방향)은 제2 방향(Y축 방향)에 수직한 방향이고, 복수의 에미터(EM)가 배열된 방향에 대응될 수 있다. 즉, 복수의 에미터(EM)는 제1 방향(X축 방향)을 따라 나란히 배치되어 서로 제1 방향(X축 방향)으로 중첩될 수 있다. 또는, 제1 방향(X축 방향)은 복수의 프리즘(PR) 또는 꼭지점(EP)이 배치된 방향에 대응할 수 있다. 즉, 복수의 프리즘(PR) 또는 프리즘의 꼭지점(EP)은 제1 방향(X축 방향)을 따라 나란히 배치되어 제1 방향(X축 방향)으로 서로 중첩될 수 있다.
도 5는 일 실시예에 따른 발광부의 구조를 도시한 도면이고, 도 6은 다른 실시예에 따른 발광부의 구조를 도시한 도면이다.
도 5를 참조하면, 일실시예에 따른 발광부는 상술한 바와 같이 광원(100), 광학부재(200), 렌즈 어셈블리(300) 및 구동 모듈(400)을 포함할 수 있다. 이러한 구성에 대해서 이하 설명하는 내용을 제외하고 상술한 내용이 적용될 수 있다.
먼저, 광학부재(200)는 상술한 바와 같이 프리즘(PR) 및 중간부재(MM)를 포함할 수 있다. 앞서 설명한 바와 같이 중간부재(MM)는 프리즘(PR)과 결합하여 프리즘(PR)의 위치를 고정하고, 광학부재(200)의 형상을 유지할 수 있다. 나아가, 중간부재(MM)는 다른 부재와 결합을 용이하게 하도록 접착물질로 이루어질 수 있다. 또는 중간부재(MM)는 프리즘(PR)으로 다른 이물질이 붙는 것을 방지할 수 있다.
프리즘(PR)은 다각뿔 또는 다각뿔대를 포함할 수 있다. 예컨대, 프리즘(PR)은 이중 프리즘, 삼각뿔 프리즘, 사각뿔 프리즘, 삼각뿔대 프리즘, 사각뿔대 프리즘, 프레넬 프리즘 중 어느 하나일 수 있다.
그리고 프리즘(PR)은 꼭지점(EP)과 저면(BS)을 가질 수 있다. 또한, 프리즘(PR)은 후술하는 바와 같이 저면(BS) 및 꼭지점(EP)과 접하는 복수의 빗면(SS, 도 9 참조)을 포함할 수 있다. 예를 들어, 프리즘(PR)은 사각뿔 프리즘일 수 있고, 저면(BS)과 꼭지점(EP)을 가질 수 있다. 그리고 프리즘(PR)의 꼭지각은 빗면에서 꼭지점(EP)과 빗변이 이루는 각도일 수 있다.
이와 달리, 프리즘(PR)이 사각뿔대 프리즘인 경우, 프리즘(PR)은 저면(BS) 및 빗면을 포함할 수 있다. 이 때, 꼭지점(EP)과 후술하는 프리즘(PR)의 꼭지점은 빗면을 저면과 접하는 반대 방향으로 연장한 경우 복수의 빗면이 서로 교차하고 접하는 지점일 수 있다. 그리고 꼭지각은 연장된 빗면이 접하거나 교차하는 꼭지점을 기준으로 각 빗면에서 빗변과 이루는 각도일 수 있다.
또한, 실시예로, 광학부재(200)는 광원(100)과 이격되거나 접할 수 있다. 도시된 바와 같이 광학부재(200)는 광원(100)과 접하여 프리즘(PR)의 저면(BS)이 광원(100)의 상면과 접할 수 있다. 이러한 경우에, 광원(100)과 광학부재(200)의 결합으로 신뢰성이 개선되고, 광원(100)의 에미터(EM)와 프리즘(PR)의 정렬(alignment)이 용이하게 이루어질 수 있다. 또한, 광학부재(200)는 광원(100)과 광축을 따라 소정 거리 이격될 수도 있다.
또한, 프리즘(PR)은 광원(100)과 광축을 따라 나란히 배치되며 회전할 수 있다. 예컨대, 프리즘(PR)에서 꼭지점(EP)은 렌즈 어셈블리(300)와 인접하고, 프리즘(PR)의 저면(BS)은 광원(100)과 인접하게 배치될 수 있다. 다시 말해, 프리즘(PR)의 저면(BS)은 광축(Y축 방향)을 따라 프리즘(PR)의 꼭지점(EP)과 광원(100) 사이에 배치될 수 있다. 또한, 광축(Y축 방향)을 따라, 광원(100)(또는 에미터, EM), 프리즘(PR)의 저면(BS), 프리즘(PR)의 꼭지점(EP)이 순차로 배치될 수 있다.
도 6을 참조하면, 다른 실시예에 따른 발광부는 상술한 바와 같이 광원(100), 광학부재(200), 렌즈 어셈블리(300) 및 구동 모듈(400)을 포함할 수 있다. 이러한 구성에 대해서 이하 설명하는 내용을 제외하고 상술한 내용이 적용될 수 있다.
나아가, 광학부재(200)는 마찬가지로 프리즘(PR) 및 중간부재(MM)를 포함할 수 있다. 앞서 설명한 바와 같이 중간부재(MM)는 프리즘(PR)과 결합하여 프리즘(PR)의 위치를 고정하고, 광학부재(200)의 형상을 유지할 수 있다. 나아가, 중간부재(MM)는 다른 부재와 결합을 용이하게 하도록 접착물질로 이루어질 수 있다. 또는 중간부재(MM)는 프리즘(PR)으로 다른 이물질이 붙는 것을 방지할 수 있다. 예컨대, 중간부재(MM)는 광원(100)에 인접할수록 제1 방향(X축 방향)으로 길이가 증가할 수 있다. 이에, 중간부재(MM)는 광원(100)과 광학부재(200)가 접하는 경우, 광원(100)과 광학부재(200) 간의 접합력을 향상시킬 수 있다.
또한, 프리즘(PR)은 이중 프리즘, 삼각뿔 프리즘, 사각뿔 프리즘, 삼각뿔대 프리즘, 사각뿔대 프리즘 중 어느 하나일 수 있다. 그리고 프리즘(PR)은 꼭지점(EP)과 저면(BS)을 가질 수 있다. 또한, 프리즘(PR)은 후술하는 바와 같이 저면(BS) 및 꼭지점(EP)과 접하는 복수의 빗면(SS, 도 9 참조)을 포함할 수 있다. 예를 들어, 프리즘(PR)은 사각뿔 프리즘일 수 있고, 저면(BS)과 꼭지점(EP)을 가질 수 있다. 그리고 프리즘(PR)의 꼭지각은 빗면에서 꼭지점(EP)과 빗변이 이루는 각도일 수 있다.
또한, 실시예로, 광학부재(200)는 광원(100)과 이격되거나 접할 수 있다. 도시된 바와 같이 광학부재(200)는 광원(100)과 접하여 프리즘(PR)의 저면(BS)이 광원(100)의 상면과 접할 수 있다. 이러한 경우에, 광원(100)과 광학부재(200)의 결합으로 신뢰성이 개선되고, 광원(100)의 에미터(EM)와 프리즘(PR)의 정렬(alignment)이 용이하게 이루어질 수 있다. 또한, 광학부재(200)는 광원(100)과 광축을 따라 소정 거리 이격될 수도 있다.
또한, 프리즘(PR)은 광원(100)과 광축을 따라 나란히 배치되며 회전할 수 있다. 예컨대, 프리즘(PR)에서 꼭지점(EP)은 광원(100)과 인접하고, 프리즘(PR)의 저면(BS)은 렌즈 어셈블리(300)와 인접하게 위치할 수 있다. 다시 말해, 프리즘(PR)의 꼭지점(EP)은 광축(Y축 방향)을 따라 광원(100)과 저면(BS) 사이에 배치될 수 있다. 또한, 광축(Y축 방향)을 따라, 광원(100)(또는 에미터, EM), 프리즘(PR)의 꼭지점(EP), 프리즘(PR)의 저면(BS)이 순차로 배치될 수 있다.
도 7은 실시예에 따른 발광부에서 프리즘에 의해 광의 분할을 도시한 도면이고, 도 8은 실시예에 따른 발광부에서 프리즘의 측면도이고, 도 9는 실시예에 따른 발광부에서 프리즘의 상면도이다.
도 7 내지 도 9를 참조하면, 실시예에 따른 프리즘(PR)은 상술한 바와 같이 꼭지점(EP) 광원(100) 또는 렌즈 어셈블리(300)와 인접하게 배치될 수 있다.
그리고 프리즘(PR)은 꼭지점(EP), 빗면(SS) 및 저면(BS)을 포함할 수 있다. 먼저, 빗면(SS)은 프리즘(PR)의 종류에 따라 개수가 다양하게 변경될 수 있다. 이하에서는 빗면(SS)이 4개인 경우로 프리즘(PR)이 사각뿔인 경우를 기준으로 설명한다.
빗면(SS)은 복수 개로, 제1 빗면 내지 제4 빗면(SS1 내지 SS4)로 이루어질 수 있다. 꼭지점(EP)은 빗면(SS)이 서로 교차하거나 접하는 지점일 수 있다. 또는, 상술한 바와 같이 프리즘(PR)이 삼각뿔대인 경우에 빗면(SS)을 연장한 경우 연장된 빗면(SS)이 서로 교차하거나 접하는 지점일 수 있다.
저면(BS)은 복수 개의 빗면이 서로 접하는 면일 수 있다. 이에, 저면(BS)은 꼭지점(EP)과 광축 또는 제2 방향(Y축 방향)으로 중첩되며, 서로 마주하게 배치될 수 있다.
그리고 실시예에 따른 프리즘(PR)은 광원(100)의 에미터(EM)로부터 출사된 광을 분할하여 물체 또는 피사체(object)로 분할된 광을 출사할 수 있다. 예컨대, 에미터(EM)로부터 출사된 광은 제1 영역(SA1)까지 분할되지 않다가, 제2 영역(SA1)부터 복수 개의 광(B1, B2)으로 분할될 수 있다. 예컨대, 프레넬 프리즘의 경우 1개의 광을 2개의 광으로 분할하고, 삼각뿔의 경우 1개의 광을 3개의 광으로 분할할 수 있다.
또한, 제1 영역(SA1)과 제2 영역(SA2)은 프리즘(PR)의 크기, 꼭지점(EP)의 위치, 광원(100)과 프리즘(PR) 간의 거리에 따라 변경될 수 있다. 예컨대, 제2 영역(SA2)은 프리즘(PR)과 제1 방향(X축 방향)으로 적어도 일부 중첩될 수 있다. 또는 제2 영역(SA2)은 프리즘(PR)과 제2 방향(Y축 방향)으로 이격될 수도 있다.
이에 따라, 실시예에 따른 프리즘(PR)에 의해 에미터(EM)로부터 출사된 광이 분할되어, 광원(100)은 가상의 에미터(VEM) 더 포함하는 효과를 제공할 수 있다. 다시 말해, 실시예에 따른 발광부는 1개의 에미터(EM)와 프리즘(PR)을 통해, 2개, 3개, 4개 등의 에미터(EM)로 광을 출사하는 것과 동일한 효과를 제공할 수 있다.
그리고 실시예에 따른 프리즘(PR)에서 빗면(SS)은 제1 빗면(SS1), 제2 빗면(SS2), 제3 빗면(SS3) 및 제4 빗면(SS4)을 포함할 수 있다. 제1 빗면(SS1)은 제2 빗면(SS2)과 마주하고, 제3 빗면(SS3)은 제4 빗면(SS4)과 마주할 수 있다. 그리고 제1 빗면(SS1)은 제3 빗면(SS3) 및 제4 빗면(SS4)과 접하고, 제2 빗면(SS2)은 제3 빗면(SS3) 및 제4 빗면(SS4)과 접할 수 있다. 또한, 제3 빗면(SS3)은 제1 빗면(SS1) 및 제2 빗면(SS2)과 접하고, 제4 빗면(S44)은 제1 빗면(SS1) 및 제2 빗면(SS2)과 접할 수 있다.
도 10(a)는 실시예에 따른 발광부에서 광원의 광을 도시한 도면이고, 도 10(b)는 실시예에 따른 발광부에서 프리즘에 의해 분할된 광을 도시한 도면이고, 도 11는 실시예에 따른 발광부에서 프리즘에 의해 분할된 광의 파워를 도시한 도면이다.
도 10(a)를 참조하면, 프리즘이 없는 경우에 광원으로부터 출사된 광은 분할 없이 물체 또는 피사체에 제공될 수 있다. 예컨대, 에미터가 682개인 경우, 피사체에 제공되는 광도 682개일 수 있다.
이와 달리, 도 10(b)를 참조하면, 프리즘이 있는 경우에 광원으로부터 출사된 광은 프리즘에 의해 분할되어 물체 또는 피사체에 제공될 수 있다. 예컨대, 에미터가 682개인 경우, 피사체에 제공되는 광은 2728개일 수 있다.
도 11은 도 10(b)의 일부 확대도로 프리즘에 의해 분할된 광의 파워를 도시한다. 도시된 바와 같이 도면의 X 또는 Y 축으로 분할된 광은 광출력이 약 5E-06으로 유사할 수 있다. 다시 말해, 실시예에 따른 발광부에서 프리즘에 의해 분할된 광의 광출력은 유사하게 제공될 수 있다. 이에 따라, 실시예에 따른 카메라 모듈에서 분할된 광이 피사체로 출력되고, 반사된 광이 수광부에서 수신되며, 동일 거리를 기준으로 동일한 광출력이 제공되어 보다 광출력에 의한 오차 없이 정확한 거리 측정이 이루어질 수 있다. 이로써, 회절 광학 소자(DOE) 등을 사용하는 경우보다 광 효율 저하를 방지할 수 있다.
도 12은 실시예에 따른 발광부에서 프리즘의 제1 조건을 설명하는 도면이고, 도 13은 실시예에 따른 프리즘에서 굴절률과 프리즘의 꼭지각의 최소값의 그래프이다.
도 12 및 도 13을 참조하면, 실시예에 따른 발광부에서 프리즘(PR)은 상술한 바와 같이 꼭지점(EP)에서 꼭지각(θ1)을 가질 수 있다. 여기서, 꼭지각(θ1)은 제1 조건을 만족하며, 제1 조건에 의해 꼭지각의 최소값을 의미한다.
먼저, 제1 조건은 각 에미터(EM)의 발산각(beam divergence)과 프리즘(PR)의 굴절률에 기초하여 설정될 수 있다.
먼저, 제1 조건은 하기의 수학식 1, 수학식 2, 수학식 3을 만족할 수 있다.
[수학식 1]
Figure pat00008
(여기서, ‘beam divergence’는 에미터의 발산각이고, ‘n’은 프리즘의 굴절률이고, r은 프리즘의 저면에서 굴절광의 굴절각이다)
[수학식 2]
Figure pat00009
(여기서, n은 프리즘의 굴절률이고, i는 굴절광의 빗면에 대한 입사각이다)
[수학식 3]
Figure pat00010
(여기서, r은 프리즘의 저면에서 굴절광의 굴절각이고, i는 굴절광의 빗면에 대한 입사각이고, θ1은 프리즘의 꼭지각의 최소값이다)
이러한 조건 1에 의해, 프리즘(PR)의 꼭지각의 최소값(θ1)이 설정될 수 있다. 이 때, 도시된 바와 같이, 프리즘(PR)의 굴절률(n)이 커지면, 프리즘의 꼭지각의 최소값이 증가함을 알 수 있다. 도 13에서, beam divergence는 24.1 (°)이고, 인접한 에미터 간의 이격 거리(emitter pitch에 대응)는 35.5 [um]로 설정하여 실험하였다. 이 때, 굴절률은 1.3 내지 1.7로 변경하였고, 이에 대응하여 프리즘의 꼭지각의 최소값은 60도 내지 95도를 변화를 결과를 얻었다.
이에 따라, 실시예에 따른 프리즘(PR)은 굴절률(n)이 증가할수록 꼭지각으로 가능한 각도범위가 좁아질 수 있다. 또한, 프리즘(PR)의 굴절률(n)이 증가하면, 꼭지각의 최소값(θ1)도 증가할 수 있다.
이로써, 에미터(EM)로부터 출사된 광이 프리즘(PR)에서 전반사되어 피사체 또는 물체측으로 제공되지 않는 현상이 억제될 수 있다. 이에, 피사체 또는 물체로 제공되는 광이 분할되더라도 전반사로 인해 광출력이 저하되지 않을 수 있다.
도 14는 실시예에 따른 발광부에서 프리즘의 제2 조건을 설명하는 도면이고, 도 15은 프리즘의 높이와 프리즘의 그래프이고,
도 14 및 도 15를 참조하면, 실시예에 따른 발광부에서 프리즘(PR)은 상술한 바와 같이 꼭지점(EP)에서 꼭지각(θ)을 가질 수 있다. 여기서, 꼭지각(θ)은 제2 조건을 만족하며, 제2 조건에 의해 꼭지각의 최대값을 의미한다.
먼저, 제2 조건은 프리즘 폭, 인접한 에미터 간의 이격 거리, 프리즘의 높이, 에미터와 에미터 상의 프리즘 간의 이격 거리, 에미터의 발산각에 기초하여 설정될 수 있다. 이하, 제2 조건은 수학식 4 내지 수학식 7을 만족할 수 있다.
[수학식 4]
Figure pat00011
(여기서, ‘half width’는 프리즘 폭(prism width)*0.5 이고, ‘emitter pitch’는 인접한 에미터 간의 이격 거리이다)
[수학식 5]
Figure pat00012
(여기서, ‘prism height’는 프리즘의 높이이고, K는 프리즘 제작시 공차값으로 기설정된 값이다)
[수학식 6]
Figure pat00013
(여기서, ‘half width’는 프리즘 폭*1/2 이고, ‘emitter size’는 에미터의 폭이고, ‘prism distance’는 에미터와 에미터 상의 프리즘 간의 이격 거리이고, ‘beam divergence’는 에미터의 발산각이다)
[수학식 7]
Figure pat00014
(여기서, ‘half width’는 프리즘 폭*1/2 이고, ‘prism length’는 프리즘의 높이이고, θ2는 프리즘의 꼭지각의 최대값이다)
여기서, K는 프리즘 높이에 대한 제작 공차를 반영한 값이다. 본 실시예에서는 5um로 설정하였다. 다만, 이 값은 프리즘의 크기에 따라 다양하게 변경될 수 있다.
실시예에 따른 발광부는 상술한 바와 같이 복수 개의 에미터를 가지나, 상술한 조건 2에 의해 인접한 에미터에 의해 분할된 광에 서로 영향을 주지 않을 수 있다. 즉, 조건 2에 의해 복수 개의 에미터로부터 출사된 광은 서로 중첩되지 않을 수 있다. 이에, 실시예에 따른 발광부는 원하는 개수의 광으로 정확하게 분할할 수 있으며, 일부 영역에 광출력이 증가하는 문제를 억제할 수 있다.
또한, 실시예에 따른 프리즘(PR)은 프리즘 높이(prism height)가 증가하면 프리즘 폭(prism width) 또는 프리즘 폭의 절반이 증가할 수 있다. 여기서, n=1.3은 프리즘의 굴절률이 1.3인경우 각 프리즘 높이에 대한 프리즘 밑변의 최소값이고, n=1.4는 프리즘의 굴절률이 1.4인경우 각 프리즘 높이에 대한 프리즘 밑변의 최소값이고, n=1.5는 프리즘의 굴절률이 1.5인경우 각 프리즘 높이에 대한 프리즘 밑변의 최소값이다. 그리고 n=1.3, 1.4, 1.5는 프리즘의 굴절률이 1.3, 1.4, 1.5인경우 각 프리즘 높이에 대한 프리즘 밑변의 최대값이다. 에미터의 발산각과 에미터 간의 이격 거리는 조건 1에서 설명한 조건이 동일하게 적용되었다. 실험 결과, 굴절률이 1.3인 경우, 프리즘의 꼭지각의 최소값은 61도 이고, 최대값은 100도로 나타났다. 또한, 굴절률이 1.4인 경우 프리즘의 꼭지각의 최소값은 75도 이고, 최대값은 114도로 나타났다. 또한, 굴절률이 1.5인 경우 프리즘의 꼭지각의 최소값은 84도 이고, 최대값은 122도로 나타났다. 또한, 굴절률이 1.6인 경우 프리즘의 꼭지각의 최소값은 89도 이고, 최대값은 122도로 나타났다.
이로써, 프리즘의 꼭지각은 아래 수학식 8을 만족할 수 있다.
[수학식 8]
Figure pat00015
(여기서, ‘θ1’은 프리즘의 꼭지각의 최소값이고, ‘θ’은 프리즘의 꼭지각이고, ‘θ2’는 프리즘의 꼭지각의 최대값이다)
이로써, 실시예에 따른 카메라 모듈의 발광부에서 광원의 프리즘은 상술한 조건1 및 조건 2를 만족함으로써, 광 출력 손실을 억제하고 인접한 프리즘에 의한 간섭을 제거할 수 있다.
도 16는 광원과 꼭지점 간의 이격 각도에 따른 분할된 광을 도시한 도면이고, 도 17는 광원의 각도와 광 출력을 도시한 도면이고,
도 16 및 도 17을 참조하면, 광원(VCSEL)과 프리즘(Prism) 간의 각도에 따라 광출력 비가 상이할 수 있다. 여기서, 광원(VCSEL)과 프리즘(Prism) 간의 각도는 광원(VCSEL)의 광축과 프리즘과 광원을 연결한 선이 이루는 각도일 수 있다. 에컨대, 광원(VCSEL)과 프리즘(Prism) 간의 각도가 커지면 광원과 프리즘의 꼭지점은 제1 방향으로 멀어질 수 있다.
또한, 도시된 바와 같이 광원과 프리즘 간의 각도가 커지면 물체 또는 피사체로 제공되는 광의 출력은 감소할 수 있다. 반대로 광원과 프리즘 간의 각도가 감소하면 물체 또는 피사체로 제공되는 광의 출력은 증가할 수 있다. 여기서, 프리즘이 없는 경우의 광 출력을 100% 기준으로 나타내었다. 따라서 광원과 프리즘 간의 각도에 따라 광의 출력이 변경될 수 있다.
이에, 실시예에 따른 카메라 모듈은 광학부재를 광원과 렌즈 어셈블리 사이에 배치하고, 광학부재를 광원과 인접하게 배치함으로써 광원의 에미터와 프리즘 간의 정렬을 보다 정확하게 수행할 수 있다. 예컨대, 회절 광학 소자는 렌즈 어셈블리보다 광축을 따라 후단에 배치되어 광축에 대한 정렬이 어려운 문제가 존재한다. 반면, 실시예에 따른 발광부는 광원(또는 에미터)와 프리즘이 인접하고 광원 즉 광축을 프리즘의 꼭지점과 용이하게 정렬할 수 있다. 이로써, 카메라 모듈은 프리즘에 의한 광 분할로 광 출력이 저하되더라도 정렬에 의하여 광 출력이 저하되는 것을 용이하게 방지할 수 있다.
도 18은 실시예에 따른 카메라 장치를 포함하는 광학기기를 도시한 도면이다.
도 18를 참조하면, 실시예에 따른 광학기기는 전면 케이스(fc), 후면 케이스(rc) 및 전면 케이스(fc)와 후면 케이스(rc)에 또는 그 사이에 구비되는 카메라 장치(1)를 포함한다.
그리고 카메라 장치(1)는 상술한 카메라 장치일 수 있다. 이에, 광학기기는 이러한 3차원 깊이 이미지를 출력하는 카메라 장치(1)를 통해 입체영상을 촬영할 수 있다.
이상에서 실시예를 중심으로 설명하였으나 이는 단지 예시일 뿐 본 발명을 한정하는 것이 아니며, 본 발명이 속하는 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 본 실시예의 본질적인 특성을 벗어나지 않는 범위에서 이상에 예시되지 않은 여러 가지의 변형과 응용이 가능함을 알 수 있을 것이다. 예를 들어, 실시예에 구체적으로 나타난 각 구성 요소는 변형하여 실시할 수 있는 것이다. 그리고 이러한 변형과 응용에 관계된 차이점들은 첨부된 청구 범위에서 규정하는 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims (18)

  1. 스팟(spot) 조명 패턴 또는 플루드(flood) 조명 패턴의 빛을 객체에 조사하는 발광부; 및
    상기 객체에 반사된 빛을 수광하는 수광부;를 포함하며,
    상기 발광부는,
    소정의 간격으로 배치된 복수의 에미터를 포함하는 광원;
    상기 광원의 상단에 이격되어 배치되는 렌즈 어셈블리; 및
    광축을 따라 상기 광원과 상기 렌즈 어셈블리 사이에 배치되는 광학부재;를 포함하고,
    상기 광학부재는 상기 복수의 에미터 각각과 광축을 따라 나란히 배치된 꼭지점을 갖는 프리즘을 포함하는 카메라 모듈.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 광학부재는 상기 광원과 이격되거나 접하는 카메라 모듈.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 프리즘은 상기 꼭지점과 마주하는 저면을 포함하는 카메라 모듈.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 꼭지점은 상기 광축을 따라 상기 저면과 상기 광원 사이에 배치되는 카메라 모듈.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 저면은 상기 광축을 따라 상기 꼭지점과 상기 광원 사이에 배치되는 카메라 모듈.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 프리즘의 꼭지각은 제1 조건을 만족하는 카메라 모듈.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 제1 조건은 상기 복수의 에미터의 발산각, 상기 프리즘의 굴절률에 기초하여 설정되는 카메라 모듈.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 제1 조건은 하기의 수학식 1을 만족하는 카메라 모듈.
    [수학식 1]
    Figure pat00016

    (여기서, ‘beam divergence’는 에미터의 발산각이고, ‘n’은 프리즘의 굴절률이고, r은 프리즘의 저면에서 굴절광의 굴절각이다)
  9. 제8항에 있어서,
    상기 제1 조건은 하기의 수학식 2를 만족하는 카메라 모듈.
    [수학식 2]
    Figure pat00017

    (여기서, n은 프리즘의 굴절률이고, i는 굴절광의 빗면에 대한 입사각이다)
  10. 제9항에 있어서,
    상기 제1 조건은 하기의 수학식 3을 만족하는 카메라 모듈.
    [수학식 3]
    Figure pat00018

    (여기서, r은 프리즘의 저면에서 굴절광의 굴절각이고, i는 굴절광의 빗면에 대한 입사각이고, θ1은 프리즘의 꼭지각의 최소값이다)
  11. 제6항에 있어서,
    상기 프리즘의 꼭지각은 제2 조건을 만족하는 카메라 모듈.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 제2 조건은, 프리즘 폭, 인접한 에미터 간의 이격 거리, 프리즘의 높이, 에미터와 에미터 상의 프리즘 간의 이격 거리, 에미터의 발산각에 기초하여 설정되는 카메라 모듈.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 제2 조건은 하기의 수학식 4을 만족하는 카메라 모듈.
    [수학식 4]
    Figure pat00019

    (여기서, ‘half width’는 프리즘 폭*1/2 이고, ‘emitter pitch’는 인접한 에미터 간의 이격 거리이다)
  14. 제13항에 있어서,
    상기 제2 조건은 하기의 수학식 5을 만족하는 카메라 모듈.
    [수학식 5]
    Figure pat00020

    (여기서, ‘prism height’는 프리즘의 높이이고, K는 기설정된 값이다)
  15. 제14항에 있어서,
    상기 제2 조건은 하기의 수학식 6을 만족하는 카메라 모듈.
    [수학식 6]
    Figure pat00021

    (여기서, ‘half width’는 프리즘 폭*1/2 이고, ‘emitter size’는 에미터의 폭이고, ‘prism distance’는 에미터와 에미터 상의 프리즘 간의 이격 거리이고, ‘beam divergence’는 에미터의 발산각이다)
  16. 제15항에 있어서,
    상기 제2 조건은 하기의 수학식 7을 만족하는 카메라 모듈.
    [수학식 7]
    Figure pat00022

    (여기서, ‘half width’는 프리즘 폭*1/2 이고, ‘prism length’는 프리즘의 높이이고, θ2는 프리즘의 꼭지각의 최대값이다)
  17. 제1항에 있어서,
    상기 프리즘은 이중 프리즘, 삼각뿔 프리즘, 사각뿔 프리즘, 삼각뿔대 프리즘, 사각뿔대 프리즘, 프레넬 프리즘 중 어느 하나인 카메라 모듈.
  18. 제1항에 있어서,
    기준 거리에서 소정의 이동 거리만큼 광축을 따라 상기 렌즈 어셈블리를 이동시켜 상기 광원과 상기 렌즈 어셈블리 사이의 거리를 가변하는 구동 모듈;을 더 포함하는 카메라 모듈.
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