KR20220147901A - 카메라 장치 - Google Patents

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KR20220147901A
KR20220147901A KR1020210054999A KR20210054999A KR20220147901A KR 20220147901 A KR20220147901 A KR 20220147901A KR 1020210054999 A KR1020210054999 A KR 1020210054999A KR 20210054999 A KR20210054999 A KR 20210054999A KR 20220147901 A KR20220147901 A KR 20220147901A
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박상준
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엘지이노텍 주식회사
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Abstract

본 발명의 실시예에 따른 카메라 장치는 출력광 신호를 생성하여 객체에 조사하는 광출력부, 상기 객체로부터 반사된 후 입력된 입력광 신호를 수신하는 광입력부, 그리고 상기 광입력부에 입력된 상기 입력광 신호를 이용하여 상기 객체의 깊이 정보를 생성하는 제어부를 포함하며, 상기 광출력부는, 상기 출력광 신호를 출력하는 광원, 그리고 상기 광원 상에 배치되며, 상기 광원으로부터 출력된 상기 출력광 신호를 변환하는 변환유닛을 포함하고, 상기 변환유닛은 소정의 굴절률을 갖는 매질을 포함하고, 상기 매질의 두께를 이용하여 상기 출력광 신호의 배광패턴을 변환한다.

Description

카메라 장치{CAMERA APPARATUS}
본 발명은 카메라 장치에 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.
깊이 정보를 획득하는 방법으로, IR(Infrared) 구조광을 객체에 투사하는 방식, 스테레오 카메라를 이용하는 방식, ToF(Time of Flight) 방식 등이 이용되고 있다. ToF 방식에 따르면, 비행 시간, 즉 빛을 쏘아서 반사되어 오는 시간을 측정함으로써 물체와의 거리를 계산한다. ToF 방식의 가장 큰 장점은 3차원 공간에 대한 거리 정보를 실시간으로 빠르게 제공한다는 점에 있다. 또한 사용자가 별도의 알고리즘 적용이나 하드웨어적 보정을 하지 않고도 정확한 거리 정보를 얻을 수 있다. 또한 매우 가까운 피사체를 측정하거나 움직이는 피사체를 측정하여도 정확한 깊이 정보를 획득할 수 있다.
한편, ToF 방식에서, 높은 해상도를 위하여 면조명 패턴이 출력될 수 있다. 다만, 아이세이프티(eye safety) 기준을 만족시키기 위하여 출력되는 광의 전체 평균 전력(total average power, total Pavg)에 제한이 가해지게 된다. 이에 따라, 원거리의 깊이 정보를 획득하고자 할 경우, 면조명 패턴이 사용되기 어려운 문제가 있다.
이러한 문제를 해결하기 위하여, 원거리의 깊이 정보를 획득하고자 할 경우 점조명 패턴을 사용하고, 근거리의 깊이 정보를 획득하고자 할 경우 면조명 패턴을 사용하고자 하는 시도가 있다. 다만, 일반적인 ToF 카메라 장치는 점조명 패턴만을 출력하도록 설계되거나, 면조명 패턴만을 출력하도록 설계되므로, 하나의 ToF 카메라 장치를 이용하여 원거리의 깊이 정보와 근거리의 깊이 정보를 모두 획득하기는 어려운 문제가 있다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 원거리의 깊이 정보 획득 및 근거리의 깊이 정보 획득에 모두 적용 가능한 카메라 장치를 제공하는데 있다.
본 발명의 실시예에 따른 카메라 장치는 출력광 신호를 생성하여 객체에 조사하는 광출력부, 상기 객체로부터 반사된 후 입력된 입력광 신호를 수신하는 광입력부, 그리고 상기 광입력부에 입력된 상기 입력광 신호를 이용하여 상기 객체의 깊이 정보를 생성하는 제어부를 포함하며, 상기 광출력부는, 상기 출력광 신호를 출력하는 광원, 그리고 상기 광원 상에 배치되며, 상기 광원으로부터 출력된 상기 출력광 신호를 변환하는 변환유닛을 포함하고, 상기 변환유닛은 소정의 굴절률을 갖는 매질을 포함하고, 상기 매질의 두께를 이용하여 상기 출력광 신호의 배광패턴을 변환한다.
상기 배광패턴은 점조명 패턴 또는 면조명 패턴일 수 있다.
상기 변환유닛은 가변 렌즈, 그리고 상기 가변 렌즈의 두께를 조절하는 액추에이터를 포함하며, 상기 가변 렌즈의 두께에 따라 상기 출력광 신호의 배광패턴이 상기 점조명 패턴 또는 상기 면조명 패턴으로 변환될 수 있다.
상기 광출력부는 상기 변환유닛 상에 배치된 적어도 1매의 렌즈 및 상기 적어도 1매의 렌즈 상에 배치된 회절소자를 더 포함하고, 상기 광원은 개별 구동 가능한 제1 광원 및 제2 광원을 포함하며, 상기 변환유닛은 상기 제1 광원 상에 배치된 제1 필터 및 상기 제2 광원 상에 배치된 제2 필터를 포함하고, 상기 제1 필터와 상기 제2 필터의 두께는 서로 상이할 수 있다.
상기 제1 필터와 상기 제2 필터는 소정 간격으로 이격될 수 있다.
상기 제1 필터와 상기 제2 필터 사이에는 격벽이 배치될 수 있다.
상기 제1 필터의 두께는 상기 제2 필터의 두께보다 얇고, 상기 제1 광원이 구동되면 상기 출력광 신호의 배광패턴은 상기 면조명 패턴 및 상기 점조명 패턴 중 하나로 변환되고, 상기 제2 광원이 구동되면 상기 출력광 신호의 배광패턴은 상기 면조명 패턴 및 상기 점조명 패턴 중 다른 하나로 변환될 수 있다.
상기 제1 광원과 상기 제1 필터의 하면 간 거리는 상기 제2 광원과 상기 제2 필터의 하면 간 거리보다 클 수 있다.
상기 광출력부는 상기 변환유닛 상에 배치된 적어도 1매의 렌즈를 더 포함하고, 상기 광입력부는, 상기 객체로부터 반사된 상기 입력광 신호를 집광하는 렌즈 어셈블리, 그리고 상기 렌즈 어셈블리를 통과한 상기 입력광 신호를 전기신호로 변환하는 이미지 센서를 포함할 수 있다.
상기 제어부는 상기 광출력부로부터 출력된 상기 출력광 신호가 상기 객체로부터 반사된 후 상기 광입력부에 입력되기까지 걸리는 비행시간을 이용하여 상기 객체의 깊이 정보를 생성할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 카메라 장치의 깊이 정보 생성 방법은 광원이 출력광 신호를 생성하는 단계, 상기 광원으로부터 출력된 상기 출력광 신호의 배광패턴을 소정의 굴절률을 갖는 매질의 두께를 이용하여 변환하는 단계, 변환된 배광패턴을 갖는 상기 출력광 신호가 객체로부터 반사된 후 입력되는 입력광 신호를 수신하는 단계, 그리고 상기 입력광 신호를 이용하여 상기 객체의 깊이 정보를 생성하는 단계를 포함한다.
상기 카메라 장치는 상기 광원 상에 배치된 가변 렌즈 및 상기 가변 렌즈의 두께를 조절하는 액추에이터를 포함하고, 상기 변환하는 단계에서는 상기 가변 렌즈의 두께를 조절하여 상기 출력광 신호의 배광패턴을 점조명 패턴 또는 면조명 패턴으로 변환할 수 있다.
상기 광원은 개별 구동 가능한 제1 광원 및 제2 광원을 포함하고, 상기 카메라 장치는 상기 제1 광원 상에 배치된 제1 필터 및 상기 제2 광원 상에 배치된 제2 필터를 포함하며, 상기 제1 필터와 상기 제2 필터의 두께는 서로 상이하고, 상기 변환하는 단계에서는 상기 제1 광원 및 상기 제2 광원의 구동을 제어하여 상기 출력광 신호의 배광패턴을 점조명 패턴 또는 면조명 패턴으로 변환할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 광출력부가 출력하는 출력광 신호의 조명 패턴을 제어에 의하여 용이하게 변경할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 카메라 장치의 블록도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 카메라 장치의 개략적인 단면도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 카메라 장치가 출력하는 출력광 신호를 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 카메라 장치가 출력하는 출력광 신호의 배광패턴의 예이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 카메라 장치가 출력광 신호의 배광패턴을 변환하는 원리를 설명한다.
도 6은 본 발명의 한 실시예에 따른 카메라 장치의 광출력부의 단면도이다.
도 7은 도 6의 광출력부에서 변환유닛의 두께에 따라 달라지는 출력광 신호의 배광패턴을 나타낸다.
도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 카메라 장치의 광출력부의 단면도이다.
도 9는 도 8의 광출력부에서 구동되는 광원 별 출력광 신호의 배광패턴의 예이다.
도 10은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 카메라 장치의 광출력부의 단면도이다.
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 장치는 ToF(Time of Flight) 기능을 이용하여 깊이 정보를 추출하는 카메라를 의미할 수 있다. 따라서, 카메라 장치는 ToF 카메라 장치, ToF 카메라 모듈, ToF 카메라 등과 혼용될 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 카메라 장치의 블록도이고, 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 카메라 장치의 개략적인 단면도이다. 도 3은 본 발명의 실시예에 따른 카메라 장치가 출력하는 출력광 신호를 설명하기 위한 도면이고, 도 4는 본 발명의 실시예에 따른 카메라 장치가 출력하는 출력광 신호의 배광패턴의 예이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 카메라 장치(1)는 광출력부(10), 광입력부(20) 및 제어부(30)를 포함한다.
광출력부(10)는 출력광 신호를 생성한 후 객체에 조사한다. 이때, 광출력부(10)는 펄스파(pulse wave)의 형태나 지속파(continuous wave)의 형태로 출력광 신호를 생성하여 출력할 수 있다. 지속파는 사인파(sinusoid wave)나 사각파(squared wave)의 형태일 수 있다. 출력광 신호를 펄스파나 지속파 형태로 생성함으로써, 카메라 장치(1)는 광출력부(10)로부터 출력된 출력광 신호와 객체로부터 반사된 후 광입력부(20)로 입력된 입력광 신호 사이의 시간 차 또는 위상 차를 검출할 수 있다. 본 명세서에서, 출력광은 광출력부(10)로부터 출력되어 객체에 입사되는 광을 의미하고, 입력광은 광출력부(10)로부터 출력되어 객체에 도달한 후 객체로부터 반사되어 광입력부(20)로 입력되는 광을 의미할 수 있다. 객체의 입장에서 출력광은 입사광이 될 수 있고, 입력광은 반사광이 될 수 있다.
도 3(a)를 참조하면, 광출력부(10)는 일정한 주기로 광 펄스를 생성할 수 있다. 광출력부(10)는 소정의 펄스 반복 주기(tmodulation)로 소정의 펄스 폭(tpulse)을 가지는 광 펄스를 생성할 수 있다.
도 3(b)를 참조하면, 광출력부(10)는 일정 개수의 광 펄스를 그룹핑(grouping)하여 하나의 위상 펄스를 생성할 수도 있다. 광출력부(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 3(c)를 참조하면, 광출력부(10)는 일정 개수의 위상 펄스를 그룹핑하여 하나의 프레임 펄스를 생성할 수 있다. 광출력부(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.
본 발명의 실시예에 따르면, 광출력부(10)는 다양한 패턴의 빛을 출력할 수 있다.
일예로, 광출력부(10)는 면조명 패턴(도 4(a) 참조)을 출력할 수 있다. 면조명 패턴은 소정 영역 내에 빛이 균일하게 퍼진 형태로, 플루드(flood) 조명 패턴, 면 광원 패턴 등과 혼용될 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, 풀루드 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 있다.
다른 일예로, 광출력부(10)는 점조명 패턴(도 4(b) 참조)을 출력할 수 있다. 점조명 패턴은 소정 영역 내에서 일정 간격으로 이격된 스팟 어레이 형태를 의미하며, 스팟(spot) 조명 패턴, 점 광원 패턴 등과 혼용될 수 있다. 여기서, 점조명 패턴은 빛이 공간상에 국소적으로 집광되는 패턴, 즉, 빛이 공간상에 연속적으로 퍼지지 않고 국소적으로 집중되는 패턴을 의미할 수 있다. 점조명 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, 면조명 패턴에 비해 깊이 정보의 해상도가 낮다는 문제점이 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 광출력부(10)가 제어 신호에 따라 면조명 패턴의 빛을 객체에 조사하거나 점조명 패턴의 빛을 객체에 조사하여 각각의 장점을 극대화하고자 한다.
이를 위해, 다시 도 2를 참조하면, 광출력부(10)는 광원(100), 렌즈 어셈블리(200) 및 변환 유닛(300)을 포함할 수 있다.
우선, 광원(100)은 빛을 생성한다. 광원(100)이 생성하는 빛은 파장이 770 내지 3000nm인 적외선일 수 있으며, 파장이 380 내지 770 nm인 가시광선 일 수도 있다. 광원(100)은 발광 다이오드(Light Emitting Diode, LED)를 이용할 수 있으며, 복수의 발광 다이오드가 일정한 패턴에 따라 배열된 형태를 가질 수 있다. 뿐만 아니라, 광원(100)은 유기 발광 다이오드(Organic light emitting diode, OLED)나 레이저 다이오드(Laser diode, LD)를 포함할 수도 있다. 또는, 광원(100)은 VCSEL(Vertical Cavity Surface Emitting Laser)일 수도 있다. VCSEL은 전기 신호를 광 신호로 바꾸어 주는 레이저 다이오드 중 하나이며, 약 800 내지 1000nm인 파장, 예를 들어 약 850nm 또는 약 940nm 파장을 출력할 수 있다. 광원(100)은 일정 시간 간격으로 점멸(on/off)을 반복하여 펄스파 형태나 지속파 형태의 출력광 신호를 생성한다. 일정 시간 간격은 출력광 신호의 주파수일 수 있다.
렌즈 어셈블리(200)는 광원(100)으로부터 출력된 빛을 집광하고, 집광된 빛을 외부로 출력할 수 있다. 렌즈 어셈블리(200)는 광원(100)의 상부에서 광원(100)과 이격되어 배치될 수 있다. 여기서, 광원(100)의 상부란 광원(100)으로부터 빛이 출력되는 측을 의미할 수 있다. 렌즈 어셈블리(200)는 적어도 1매의 렌즈를 포함할 수 있다. 렌즈 어셈블리(200)가 복수 매의 렌즈를 포함하는 경우, 각 렌즈들은 중심축을 기준으로 정렬하여 광학계를 형성할 수 있다. 여기서, 중심축은 광학계의 광축(Optical axis)와 동일할 수 있다.
렌즈 어셈블리(200)는 하우징(220)에 수용 또는 지지될 수 있다. 일 실시예에 따르면, 하우징(220)은 구동 모듈(미도시)과 결합될 수 있으며, 렌즈 어셈블리(200)는 구동 모듈(미도시)에 의해 광축 방향 또는 광축에 수직하는 방향으로 이동할 수 있다.
렌즈 어셈블리(200)는 소정의 유효 초점 거리(Effective Focal Length, EFL)를 가질 수 있다. 렌즈 어셈블리(200)가 1매의 렌즈를 포함할 경우, 렌즈 어셈블리(200)의 유효 초점 거리는 하나의 렌즈의 유효 초점 거리일 수 있다. 렌즈 어셈블리(200)가 복수 매의 렌즈를 포함할 경우, 렌즈 어셈블리(200)의 유효 초점 거리는 복수 매의 렌즈의 합성된 유효 초점 거리를 의미할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 변환 유닛(300)은 광원(100)과 렌즈 어셈블리(200) 사이에 배치되며, 광원(100)으로부터 출력된 출력광 신호를 변환할 수 있다. 변환 유닛(300)은 소정의 굴절률을 갖는 매질을 포함하고, 매질의 두께를 이용하여 출력광 신호의 배광패턴을 변환할 수 있다. 여기서, 배광패턴은 전술한 바와 같이, 도 4(a)에 도시된 면조명 패턴이거나, 도 4(b)에 도시된 점조명 패턴일 수 있다. 변환유닛(300)에 관한 상세한 내용은 후술한다.
한편, 광입력부(20)는 객체로부터 반사된 빛을 수신한다. 이를 위하여, 광입력부(20)는 객체로부터 반사된 입력광을 집광하는 렌즈 어셈블리(400), 필터(미도시) 및 렌즈 어셈블리(400)를 통과한 입력광을 전기신호로 변환하는 이미지 센서(500)를 포함할 수 있다. 여기서, 렌즈 어셈블리(400)의 광축은 이미지 센서(500)의 광축과 얼라인(align)될 수 있다. 필터(미도시)는 렌즈 어셈블리(400)와 이미지 센서(500) 사이에 배치되며, 소정 파장 범위를 갖는 빛을 필터링할 수 있다. 예를 들어, 필터(미도시)는 광출력부(10)가 출력하는 출력광의 파장 대역에서 빛을 통과시킬 수 있다.
이미지 센서(500)는 광원(100)의 점멸 주기와 동기화되어 입력광 신호를 수신할 수 있다. 구체적으로, 이미지 센서(500)는 광원(100)으로부터 출력된 출력광 신호와 동상(in phase) 및 이상(out phase)에서 각각 빛을 수신할 수 있다. 즉, 이미지 센서(500)는 광원이 켜져 있는 시간에 입력광 신호를 수신하는 단계와 광원이 꺼져 있는 시간에 입력광 신호를 수신하는 단계를 반복 수행할 수 있다. 이미지 센서(500)는 서로 다른 위상차를 가지는 복수의 참조 신호(reference signal)를 이용하여 각 참조 신호에 대응하는 전기 신호를 생성할 수 있다. 참조 신호의 주파수는 광원(100)으로부터 출력된 출력광 신호의 주파수와 동일하게 설정될 수 있다. 따라서, 광원(100)이 복수의 주파수로 출력광 신호를 생성하는 경우, 이미지 센서(500)는 각 주파수에 대응하는 복수의 참조 신호를 이용하여 전기 신호를 생성한다. 전기 신호는 각 참조 신호에 대응하는 전하량이나 전압에 관한 정보를 포함할 수 있다.
이미지 센서(500)는 복수의 픽셀이 그리드 형태로 배열된 구조로 구성될 수 있다. 이미지 센서(500)는 CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor) 이미지 센서일 수 있으며, CCD(Charge Coupled Device) 이미지 센서일 수도 있다. 또한, 이미지 센서(500)는 객체로부터 반사된 IR 광을 받아들여 시간 또는 위상 차를 이용해 거리를 측정하는 ToF 센서를 포함할 수 있다. 예를 들어, 각 픽셀은 출력광의 파형과 동일 위상에서 입력광 신호를 수신하는 In phase 수신 유닛 및 출력광의 파형과 반대 위상에서 입력광 신호를 수신하는 Out phase 수신 유닛을 포함할 수 있다. In phase 수신 유닛 및 Out phase 수신 유닛이 시간 차를 두고 활성화되면, 객체와의 거리에 따라 In phase 수신 유닛과 Out phase 수신 유닛이 수신하는 빛의 양에 차이가 발생하며, 이를 이용하여 객체의 거리가 연산될 수 있다.
광입력부(20)는 광출력부(10)와 나란히 배치될 수 있다. 광입력부(20)는 광출력부(10) 옆에 배치될 수 있다. 광입력부(20)는 광출력부(10)와 같은 방향으로 배치될 수 있다.
제어부(30)는 광출력부(10) 및 광입력부(20)의 구동을 제어하며, 광입력부(20)에 입력된 입력광 신호를 이용하여 객체의 깊이 정보를 생성할 수 있다. 예를 들어, 제어부(30)는 광출력부(10)로부터 출력된 출력광 신호가 객체로부터 반사된 후 광입력부(20)에 입력되기까지 걸리는 비행시간을 이용하여 객체의 깊이 정보를 생성할 수 있다.
일 예로, 제어부(30)는 광출력부(10)를 제어하여 광출력부(10)가 출력하는 출력광 신호의 배광패턴을 변환할 수 있다. 예를 들어, 제어부(30)는 광출력부(10)의 변환유닛(300)의 구동을 제어하거나, 광원(100)의 구동을 제어하여 출력광 신호의 배광패턴을 변환할 수 있다.
제어부(30)는 PCB(printed circuit board)의 형태로 구현될 수 있다. 또는, 제어부(30)는 본 발명의 실시예에 따른 카메라 장치(1)가 배치된 단말에 포함될 수도 있다. 예를 들어, 제어부(30)는 본 발명의 실시예에 따른 카메라 장치(1)가 탑재된 스마트폰의 어플리케이션 프로세서(Application Processor, AP)의 형태로 구현될 수 있다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 카메라 장치가 출력광 신호의 배광패턴을 변환하는 원리를 설명한다.
도 5를 참조하면, 광원(100) 상에 소정의 굴절률을 갖는 매질을 포함하는 변환유닛(300)이 배치된 경우와 배치되지 않은 경우, 출력광 신호의 배광패턴이 달라질 수 있다. 즉, 변환유닛(300)의 두께에 따라 광원(100)으로부터 출력된 출력광의 초점거리가 달라질 수 있으며, 이를 이용하여 출력광 신호의 배광패턴을 변환할 수 있다.
예를 들어, 광원(100) 상에 변환유닛(300)이 배치되지 않은 경우, 실선으로 표시된 경로를 통하여 출력광 신호가 출력되며, A 지점에 초점이 맺힐 수 있다. 이에 반해, 광원(100) 상에 소정의 굴절률을 갖는 매질을 포함하는 변환유닛(300)이 배치된 경우, 점선으로 표시된 경로를 통하여 출력광 신호가 출력되며, B 지점에 초점이 맺힐 수 있다. 즉, 광원(100) 상에 변환유닛(300)이 배치되지 않은 경우는 점조명 패턴이 출력되고, 광원(100) 상에 변환유닛(300)이 배치된 경우는 면조명 패턴이 출력될 수 있다.
이와 같이, 본 발명의 실시예에서는, 소정의 굴절률을 갖는 매질을 포함하는 변환유닛(300)의 두께를 조절하여 출력광 신호의 배광패턴을 변환하고자 한다.
도 6은 본 발명의 한 실시예에 따른 카메라 장치의 광출력부의 단면도이고, 도 7은 도 6의 광출력부에서 변환유닛의 두께에 따라 달라지는 출력광 신호의 배광패턴을 나타낸다.
도 6을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 카메라 장치의 광출력부(10)는 광원(100), 광원(100) 상에 배치된 렌즈 어셈블리(200) 및 광원(100)과 렌즈 어셈블리(200) 사이에 배치된 변환유닛(300)을 포함한다. 광원(100), 렌즈 어셈블리(200) 및 변환유닛(300)에 관하여 도 1 내지 4를 참조하여 설명한 내용과 동일한 내용에 대해서는 중복된 설명을 생략한다.
본 발명의 실시예에 따르면, 변환유닛(300)은 가변렌즈(310) 및 가변렌즈(310)의 두께를 조절하는 액추에이터(미도시)를 포함할 수 있다. 가변렌즈(310)는 인가되는 전압에 따라 그 형상이 달라지는 렌즈를 의미할 수 있다. 예를 들어, 가변렌즈(310)는 멤브레인 방식의 액체렌즈 또는 Y렌즈 방식의 액체렌즈일 수 있다. 예를 들어, 가변렌즈(310)는 멤브레인 내에 액체가 채워진 형태일 수 있으며, 액체가 채워진 멤브레인의 가장자리를 둘러싸는 링에 인가되는 전압에 따라 액체가 채워진 멤브레인의 형상이 볼록해지거나, 평평해지거나, 오목해질 수 있다. 또는, 가변렌즈(310)는 서로 다른 성질을 가지는 두 가지 종류의 액체(예, 전도성 액체 및 비전도성 액체)를 포함할 수 있으며, 두 가지 종류의 액체 사이에는 계면이 형성될 수 있고, 인가되는 전압에 따라 계면의 굴곡, 경사도 등이 변화될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 가변렌즈(310)에 인가되는 전압에 따라 가변렌즈(310)의 두께(T)가 달라질 수 있으며, 가변렌즈(310)의 두께(T)에 따라 출력광 신호의 배광패턴이 점조명 패턴 또는 면조명 패턴으로 변환될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 가변렌즈(310)에 인가되는 전압에 따라 가변렌즈(310)의 하면과 광원(100) 간의 거리(d1)가 달라질 수도 있으며, 가변렌즈(310)의 하면과 광원(100) 간의 거리(d1)에 따라 출력광 신호의 배광패턴이 점조명 패턴 또는 면조명 패턴으로 변환될 수도 있다.
즉, 가변렌즈(310)의 두께(T) 및 가변렌즈(310)의 하면과 광원(100) 간의 거리(d1) 중 적어도 하나에 따라, 광원(100), 가변렌즈(310) 및 렌즈 어셈블리(200)가 이루는 광학계의 초점거리가 달라질 수 있다. 이러한 원리를 이용하여, 가변렌즈(310)의 두께(T) 및 가변렌즈(310)의 하면과 광원(100) 간의 거리(d1) 중 적어도 하나를 변환하면, 점조명 패턴 또는 면조명 패턴이 출력될 수 있다.
예를 들어, 가변렌즈(310)의 두께가 얇아질수록 출력광 신호의 배광패턴이 점조명 패턴에 가까워지고, 가변렌즈(310)의 두께가 두꺼워질수록 출력광 신호의 배광패턴이 면조명에 가까워질 수 있다.
또는, 가변렌즈(310)의 하면과 광원(100) 간의 거리가 짧아질수록 출력광 신호의 배광패턴이 면조명 패턴에 가까워지고, 가변렌즈(310)의 하면과 광원(100) 간의 거리가 멀어질수록 출력광 신호의 배광패턴이 점조명 패턴에 가까워질 수 있다. 가변렌즈(310)의 하면과 광원(100) 간의 거리는 가변렌즈(310)의 두께에 따라 달라질 수도 있고, 가변렌즈(310)의 형상에 따라 달라질 수도 있다.
도 7을 참조하면, 가변렌즈(310)의 두께에 따라 출력광 신호의 배광패턴이 달라지는 예를 알 수 있다. 도 7(a)와 같이, 가변렌즈(310)의 두께가 0.35mm 이하, 바람직하게는 0.3mm 이하, 더욱 바람직하게는 0.25mm 이하, 예를 들어 0.21mm로 제어된 경우, 출력광 신호의 배광패턴은 점조명 패턴일 수 있다. 이에 반해, 도 7(b) 내지 도 7(c)와 같이 가변렌즈(310)의 두께가 0.45mm 이상, 바람직하게는 0.5mm 이상, 더욱 바람직하게는 0.55mm 이상인 경우, 출력광 신호의 배광패턴은 면조명 패턴일 수 있다.
도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 카메라 장치의 광출력부의 단면도이고, 도 9는 도 8의 광출력부에서 구동되는 광원 별 출력광 신호의 배광패턴의 예이며, 도 10은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 카메라 장치의 광출력부의 단면도이다.
도 8을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 카메라 장치의 광출력부(10)는 광원(100), 광원(100) 상에 배치된 렌즈 어셈블리(200) 및 광원과 렌즈 어셈블리(200) 사이에 배치된 변환유닛(300)을 포함한다. 광원(100), 렌즈 어셈블리(200) 및 변환유닛(300)에 관하여 도 1 내지 4를 참조하여 설명한 내용과 동일한 내용에 대해서는 중복된 설명을 생략한다.
여기서, 광원(100)은 개별 구동 가능하며, 동일 평면 상에 배치된 제1 광원(110) 및 제2 광원(120)을 포함하며, 변환유닛(300)은 제1 광원(110) 상에 배치된 제1 필터(320) 및 제2 광원(120) 상에 배치된 제2 필터(330)를 포함하며, 제1 필터(320)와 제2 필터(330)의 두께는 서로 상이할 수 있다. 여기서, 제1 필터(320) 및 제2 필터(330)는 소정의 굴절률을 갖는 매질, 예를 들어 유리일 수 있다.
여기서, 제1 광원(110) 및 제2 광원(120)은 제어부(30)에 의하여 각각 제어될 수 있다. 예를 들어, 제1 광원(110)만 턴온되고 제2 광원(120)은 턴오프되도록 제어되거나, 제2 광원(120)만 턴온되고 제1 광원(110)은 턴오프되도록 제어될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 제1 광원(110) 상에 배치된 제1 필터(320)의 두께와 제2 광원(120) 상에 배치된 제2 필터(330)의 두께가 상이한 경우, 제1 광원(110)으로부터 출력된 출력광 신호의 배광패턴과 제2 광원(120)으로부터 출력된 출력광 신호의 배광패턴은 서로 상이할 수 있다.
예를 들어, 제1 광원(110)만 구동되고 제2 광원(120)은 구동되지 않을 경우, 제1 광원(110)으로부터 출력된 출력광 신호는 제1 필터(320)를 통과하여 면조명 패턴 및 점조명 패턴 중 하나로 출력되고, 제2 광원(120)만 구동되고 제1 광원(110)은 구동되지 않을 경우, 제2 광원(120)으로부터 출력된 출력광 신호는 제2 필터(330)를 통과하여 면조명 패턴 및 점조명 패턴 중 다른 하나로 출력될 수 있다.
예를 들어, 도시된 바와 같이, 제1 필터(320)의 두께(T1)가 제2 필터(330)의 두께(T2)보다 얇은 경우, 제1 광원(110)만 구동되고 제2 광원(120)은 구동되지 않으면, 제1 광원(110)으로부터 출력된 출력광 신호는 제1 필터(320)를 통과하여 점조명 패턴으로 출력될 수 있고, 제2 광원(120)만 구동되고 제1 광원(110)은 구동되지 않으면, 제2 광원(120)으로부터 출력된 출력광 신호는 제2 필터(330)를 통과하여 면조명 패턴으로 출력될 수 있다.
이때, 제1 필터(320)와 제2 필터(330) 간 간섭을 피하기 위하여, 제1 필터(320)와 제2 필터(330)는 소정 간격(D), 예를 들어, 1 내지 3mm 이격되도록 배치될 수 있다. 또는, 제1 필터(320)와 제2 필터(330) 사이에는 격벽이 배치될 수도 있다. 격벽은 광투과율이 낮은 불투명 재질일 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 두께가 서로 상이한 제1 필터(320) 및 제2 필터(330) 각각의 하면은 제1 광원(110) 및 제2 광원(120)과 서로 다른 거리로 이격되도록 배치될 수 있다. 즉, 제1 필터(320)의 하면과 제1 광원(110) 간 거리(d21)는 제2 필터(330)의 하면과 제2 광원(120) 간 거리(d22)와 상이할 수 있다. 본 발명의 실시예에 따르면, 필터의 두께 및 필터의 하면과 광원 간 거리 중 적어도 하나를 이용하여 초점의 위치를 조절할 수 있으며, 이에 따라 출력광 신호의 배광패턴이 면조명 패턴 또는 점조명 패턴으로 변환될 수 있다.
예를 들어, 제1 필터(320)의 두께(T1)가 제2 필터(330)의 두께(T2)보다 얇은 경우, 제1 필터(320)의 하면과 제1 광원(110) 간 거리(d21)는 제2 필터(330)의 하면과 제2 광원(120) 간 거리(d22)보다 길 수 있다. 이에 따르면, 제1 필터(320)를 통과한 출력광 신호는 점조명 패턴으로 출력될 수 있고, 제2 필터(330)를 통과한 출력광 신호는 면조명 패턴으로 출력될 수 있다.
한편, 제1 광원(110) 및 제2 광원(120)이 동일 평면 상에 배치되는 경우, 제1 광원(110)으로부터 출력되어 제1 필터(320)를 통과한 출력광 신호의 조사 영역과 제2 광원(120)으로부터 출력되어 제2 필터(330)를 통과한 출력광 신호의 조사 영역은 서로 상이할 수 있다. 이러한 문제를 해결하기 위하여, 본 발명의 실시예에 따른 카메라 장치의 광출력부(10)는 회절소자(600)를 더 포함할 수도 있다. 회절소자(600)는 렌즈 어셈블리(200) 상에 배치되며, 렌즈 어셈블리(200)를 통과한 후 출력되는 출력광 신호의 조사 영역을 넓힐 수 있다. 즉, 도 9에 도시된 바와 같이, 회절 소자(600)에 의하여 제1 광원(110)으로부터 출력되어 제1 필터(320)를 통과한 출력광 신호의 조사 영역의 일부와 제2 광원(120)으로부터 출력되어 제2 필터(330)를 통과한 출력광 신호의 조사 영역의 일부가 서로 겹쳐질 수 있으며, 겹쳐질 수 있는 영역이 유효 영역이 될 수 있다.
이때, 회절소자(600)는 DOE(diffractive optical element)일 수 있다.
한편, 도 10을 참조하면, 광원(100)은 개별 구동 가능하며, 동일 평면 상에 배치된 제1 광원(110) 및 제2 광원(120)을 포함하며, 변환유닛(300)은 제1 광원(110) 및 제2 광원(120) 중 하나 상에만 배치된 필터(340)를 포함할 수도 있다.
예를 들어, 제1 광원(110) 상에는 필터가 배치되지 않고, 제2 광원(120) 상에만 필터(340)가 배치된 경우, 제1 광원(110)으로부터 출력된 출력광 신호는 점조명 패턴으로 출력되고, 제2 광원(120)으로부터 출력된 후 필터(340)를 통과한 출력광 신호의 배광패턴은 면조명 패턴으로 출력될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 광출력부(10)가 출력하는 출력광 신호의 배광패턴은 면조명 패턴 또는 점조명 패턴일 수 있다. 이때, 면조명 패턴 또는 점조명 패턴의 출력은 제어부(30)에 의하여 제어될 수 있다.
한 예로, 변환유닛(300)이 가변렌즈(310)를 포함하는 경우, 제어부(30)는 가변렌즈(310)에 인가되는 전압을 제어하여 출력광 신호의 배광패턴을 제어할 수 있다. 이때, 제어부(30)는 사용자 설정 정보, 객체와의 거리, 주변 조도 중 적어도 하나에 기초하여 가변렌즈(310)에 인가되는 전압을 제어할 수 있다. 여기서, 사용자 설정 정보는 사용자 인터페이스를 통하여 입력된 정보를 의미하며, 사용자 인터페이스에 의하여 면조명 패턴 모드로 구동될 것인지, 아니면 점조명 패턴 모드로 구동될 것인지 설정될 수 있다. 객체와의 거리는 본 발명의 실시예에 따른 카메라 장치(1)에 의하여 대략적으로 검출된 객체와의 거리일 수도 있고, 본 발명의 실시예에 따른 카메라 장치(1)의 측면에 배치된 RGB 카메라(미도시)에 의하여 대략적으로 검출된 객체와의 거리일 수도 있다. 제어부(30)는 객체와의 거리가 소정 거리 이내인 경우 면조명 패턴 모드로 동작하도록 제어하고, 객체와의 거리가 소정 거리를 초과하는 경우 점조명 패턴 모드로 동작하도록 제어할 수 있다. 주변 조도는 카메라 장치(1) 내부 또는 주변에 배치된 조도 센서에 의하여 감지될 수 있다.
다른 예로, 광원(100)이 개별 구동 가능한 제1 광원(110) 및 제2 광원(120)을 포함하고, 제1 광원(110) 및 제2 광원(120) 상에 각각 배치된 필터의 두께가 서로 상이한 경우, 제어부(30)는 제1 광원(110) 및 제2 광원(120)의 구동을 제어하여 출력광 신호의 배광패턴을 제어할 수 있다. 여기서도, 제어부(30)는 사용자 설정 정보, 객체와의 거리, 주변 조도 중 적어도 하나에 기초하여 제1 광원(110) 및 제2 광원(120)의 구동을 제어할 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.
1: 카메라 장치
10: 광출력부
20: 광입력부
30: 제어부
100: 광원
200: 렌즈 어셈블리
300: 변환 유닛
400: 렌즈 어셈블리
500: 이미지 센서
600: 회절소자
220: 하우징

Claims (13)

  1. 출력광 신호를 생성하여 객체에 조사하는 광출력부,
    상기 객체로부터 반사된 후 입력된 입력광 신호를 수신하는 광입력부, 그리고
    상기 광입력부에 입력된 상기 입력광 신호를 이용하여 상기 객체의 깊이 정보를 생성하는 제어부를 포함하며,
    상기 광출력부는,
    상기 출력광 신호를 출력하는 광원, 그리고
    상기 광원 상에 배치되며, 상기 광원으로부터 출력된 상기 출력광 신호를 변환하는 변환유닛을 포함하고,
    상기 변환유닛은 소정의 굴절률을 갖는 매질을 포함하고, 상기 매질의 두께를 이용하여 상기 출력광 신호의 배광패턴을 변환하는 카메라 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 배광패턴은 점조명 패턴 또는 면조명 패턴인 카메라 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 변환유닛은 가변 렌즈, 그리고 상기 가변 렌즈의 두께를 조절하는 액추에이터를 포함하며,
    상기 가변 렌즈의 두께에 따라 상기 출력광 신호의 배광패턴이 상기 점조명 패턴 또는 상기 면조명 패턴으로 변환되는 카메라 장치.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 광출력부는 상기 변환유닛 상에 배치된 적어도 1매의 렌즈 및 상기 적어도 1매의 렌즈 상에 배치된 회절소자를 더 포함하고,
    상기 광원은 개별 구동 가능한 제1 광원 및 제2 광원을 포함하며,
    상기 변환유닛은 상기 제1 광원 상에 배치된 제1 필터 및 상기 제2 광원 상에 배치된 제2 필터를 포함하고,
    상기 제1 필터와 상기 제2 필터의 두께는 서로 상이한 카메라 장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 제1 필터와 상기 제2 필터는 소정 간격으로 이격된 카메라 장치.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 제1 필터와 상기 제2 필터 사이에는 격벽이 배치된 카메라 장치.
  7. 제4항에 있어서,
    상기 제1 필터의 두께는 상기 제2 필터의 두께보다 얇고,
    상기 제1 광원이 구동되면 상기 출력광 신호의 배광패턴은 상기 면조명 패턴 및 상기 점조명 패턴 중 하나로 변환되고, 상기 제2 광원이 구동되면 상기 출력광 신호의 배광패턴은 상기 면조명 패턴 및 상기 점조명 패턴 중 다른 하나로 변환되는 카메라 장치.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 제1 광원과 상기 제1 필터의 하면 간 거리는 상기 제2 광원과 상기 제2 필터의 하면 간 거리보다 큰 카메라 장치.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 광출력부는 상기 변환유닛 상에 배치된 적어도 1매의 렌즈를 더 포함하고,
    상기 광입력부는,
    상기 객체로부터 반사된 상기 입력광 신호를 집광하는 렌즈 어셈블리, 그리고
    상기 렌즈 어셈블리를 통과한 상기 입력광 신호를 전기신호로 변환하는 이미지 센서를 포함하는 카메라 장치.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는 상기 광출력부로부터 출력된 상기 출력광 신호가 상기 객체로부터 반사된 후 상기 광입력부에 입력되기까지 걸리는 비행시간을 이용하여 상기 객체의 깊이 정보를 생성하는 카메라 장치.
  11. 카메라 장치의 깊이 정보 생성 방법에 있어서,
    광원이 출력광 신호를 생성하는 단계,
    상기 광원으로부터 출력된 상기 출력광 신호의 배광패턴을 소정의 굴절률을 갖는 매질의 두께를 이용하여 변환하는 단계,
    변환된 배광패턴을 갖는 상기 출력광 신호가 객체로부터 반사된 후 입력되는 입력광 신호를 수신하는 단계, 그리고
    상기 입력광 신호를 이용하여 상기 객체의 깊이 정보를 생성하는 단계
    를 포함하는 깊이 정보 생성 방법.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 카메라 장치는 상기 광원 상에 배치된 가변 렌즈 및 상기 가변 렌즈의 두께를 조절하는 액추에이터를 포함하고,
    상기 변환하는 단계에서는 상기 가변 렌즈의 두께를 조절하여 상기 출력광 신호의 배광패턴을 점조명 패턴 또는 면조명 패턴으로 변환하는 깊이 정보 생성 방법.
  13. 제11항에 있어서,
    상기 광원은 개별 구동 가능한 제1 광원 및 제2 광원을 포함하고, 상기 카메라 장치는 상기 제1 광원 상에 배치된 제1 필터 및 상기 제2 광원 상에 배치된 제2 필터를 포함하며, 상기 제1 필터와 상기 제2 필터의 두께는 서로 상이하고,
    상기 변환하는 단계에서는 상기 제1 광원 및 상기 제2 광원의 구동을 제어하여 상기 출력광 신호의 배광패턴을 점조명 패턴 또는 면조명 패턴으로 변환하는 깊이 정보 생성 방법.
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