KR20220160449A - 간섭 필터, 이를 구비한 광각 분광 이미징 장치 및 이를 구비한 깊이 이미징 장치 - Google Patents

간섭 필터, 이를 구비한 광각 분광 이미징 장치 및 이를 구비한 깊이 이미징 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 간섭 필터, 이를 구비한 광각 분광 이미징 장치 및 이를 구비한 깊이 이미징 장치에 관한 것이다. 본 발명은 광이 입사하는 제1 표면과, 그 반대 측인 제2 표면을 구비하는 제1 반사층과, 상기 제2 표면과 거리를 두고 마주보는 제3 표면과, 그 반대 측이며 광이 출사하는 제4 표면을 구비하는 제2 반사층을 구비하며, 상기 제1 반사층의 제1 표면과 상기 제2 반사층의 제4 표면 사이의, 광축과 나란한 가상의 경로 상의 모든 매질들 각각의 상기 경로 상의 두께와 굴절률을 곱한 값들의 합이 상기 광축에서 멀어질수록 커지도록 구성된 간섭 필터를 제공한다. 본 발명에 따른 간섭 필터는 입사각이 큰 외곽부에서도 목표하는 파장 대역의 광을 투과시키고, 다른 대역의 광을 차단할 수 있다. 따라서 본 발명에 따른 간섭 필터를 사용하는 깊이 이미징 장치와 광각 분광 이미징 장치는 외곽부에서의 감도가 향상된다.

Description

간섭 필터, 이를 구비한 광각 분광 이미징 장치 및 이를 구비한 깊이 이미징 장치{lnterferometer, wide-angle spectral imaging device with the same, and depth imaging device with the same}
본 발명은 간섭 필터, 이를 구비한 광각 분광 이미징 장치 및 이를 구비한 깊이 이미징 장치에 관한 것이다.
[분광 이미징 기술]
분광 이미징 기술은 스펙트럼 대역에 따른 2차원 영상정보를 제공하는 기술을 의미한다. 분광 이미징 기술은 PCB 검사, 위조지폐 검사, 피부 특성 측정, 식품 검사 등 다양한 분야에 사용된다.
분광 이미징 장치는 수광 렌즈나 투광 렌즈와 같은 광학계와, 수광 센서를 구비하는 광 수신기(light receiver)와, 분광 장치를 포함한다.
광 수신기는 복수의 영역으로 나뉘어 있으며, 피사체로부터의 빛을 수신하여, 전기신호를 발생시킨다.
분광 장치는 광 수신기의 수광 센서 전방에 배치된다. 분광 장치는 크게 모노크로메터(Monochromator) 방식과, 광학 가변 필터(Optical tunable filter) 방식으로 구분된다. 광학 가변 필터는 크게 고정형과 가변형으로 나눌 수 있다. 광학 가변 필터는 특정 파장 영역의 빛만을 통과시키는 역할을 한다. 고정형 가변 필터는 필터 휠(Filter wheel) 방식과 패브리 페롯(Fabry-perot) 간섭 필터 필터가 대표적이다.
도 1은 광학 가변 필터의 일례인 패브리-페로 간섭 필터(Fabry-Perot Interferometer, FPI)를 설명하기 위한 도면이다. 도 1에 도시된 바와 같이, 패브리-페로 간섭 필터는 서로 마주보고 있는 한 쌍의 반사면(R1, R2)을 구비한다. 입사된 빛은 반사면(R1, R2) 사이에서 반사된다. 반사면(R1, R2)의 반사율은 100%가 아니므로, 투과 파장의 빛이 반사면(R1, R2) 사이에서 반복하여 반사되는 과정에서 일정 비율의 빛(Lt)은 간섭 필터를 투과하고, 나머지는 다시 반사된다. 이러한 과정에서 특정 파장(투과 파장)의 빛은 보강 간섭을 일으키고, 나머지 빛들은 소멸 간섭에 의해서 사라진다.
패브리-페로 간섭 필터에서는 한 쌍의 반사면(R1, R2) 사이의 거리(top)와 입사각(θ)에 따라서 투과 파장이 결정된다. 반사면은 금속계열의 단일 층으로 구현하거나, λ(투과 파장)/4 두께의 고굴절률(High Index)과 저굴절률(Low Index)의 유전체층(Dielectric Layer)들을 형성한 구조로 구성될 수 있다. 전자는 반사면에서의 흡수성분 때문에 투과율이 떨어지는 단점이 있다. 반면 후자는 높은 반사율과 좁은 반치폭의 필터 구성이 가능하다.
아래의 수학식 1은 패브리-페로 간섭 필터의 투과 파장을 결정하기 위한 공식이다. 여기서 n은 반사면들 사이에 채워진 물질의 굴절률(Refractive Index), top는 반사면 사이의 거리, θ는 입사각(Angle of Incidence), m은 정수, λ는 투과 파장을 의미한다.
Figure pat00001
수학식 1에 따르면 패브리-페로 간섭 필터는 입사각에 따라 투과 파장이 변화한다. 즉, m은 1이고, 한 쌍의 반사면 사이의 거리(top)가 λ0/2(top=λ0/2)이고, 반사면 사이에 공기가 채워진 경우(n=1), 패브리-페로 간섭 필터를 수직으로 입사하는 빛의 투과 파장은 λ0 가 된다. 그리고 입사광의 입사각이 커지면, cosθ 값이 작아지므로, 투과 파장이 λ0에 비해서 짧아진다. 예를 들어, 입사각이 30도이면, 투과 파장은 0.866λ0 로 짧아진다. 즉, 패브리-페로 간섭 필터에 수직으로 입사하는 빛은 파장이 λ0인 성분만 패브리-페로 간섭 필터를 투과하며, 30도 입사하는 빛은 파장이 0.866λ0인 성분만 투과한다.
또한, 수학식 1을 참고하여 위에서 설명한 바와 같이, 입사광이 패브리-페로 간섭 필터에 항상 이상적인 입사각, 즉 수직으로 입사하지는 않기 때문에 입사각에 따른 편차가 생길 수 있다. 입사광이 패브리-페로 간섭 필터에 수직으로 입사하지 않을 경우에는 목표하는 중심 파장에 비해서 파장이 10~20㎚ 정도 짧은 단파장의 빛이 패브리-페로 간섭 필터를 통과하고, 오히려 목표하는 중심 파장의 빛이 패브리-페로 간섭 필터에 의해서 차단될 수 있다.
입사각은 간섭 필터의 위치별로 다를 수 있다. 일반적으로 패브리-페로 간섭 필터의 중심부에 입사되는 빛의 입사각은 수직에 가까우며, 패브리-페로 간섭 필터의 외곽부에 입사되는 빛은 비스듬하게 입사되므로, 외곽부는 중심부에 비해서 단파장의 빛이 통과하게 된다. 따라서 패브리-페로 간섭 필터의 외곽부에서는 목표하는 중심 파장의 빛이 오히려 간섭 필터에 의해서 차단될 수 있다.
예를 들어, 광학 필터로 중심 파장이 940㎚, 반치전폭이 30㎚인 패브리-페로 간섭 필터를 사용하였는데, 패브리-페로 간섭 필터의 외곽부에 입사되는 광의 입사각이 커져서 투과 파장이 20㎚ 단파장 쪽으로 이동한다면, 외곽부에서 패브리-페로 간섭 필터의 투과 파장은 925~955㎚에서 905~935㎚로 변경되므로, 파장범위가 935~955㎚인 광은 패브리-페로 간섭 필터의 외곽부의 투과 파장 범위의 상한치인 935㎚를 벗어나서, 패브리-페로 간섭 필터의 외곽부에 의해서 차단된다. 따라서 분광 이미징 장치로 획득한 이미지의 외곽부가 왜곡될 수 있다.
또한, 입사광이 패브리-페로 간섭 필터에 수직으로 입사하지는 않을 경우에는 크로스토크에 의한 헤이즈 현상이 생길 수 있다는 문제도 있다.
도 2는 종래의 패브리-페로 간섭 필터에 입사각이 큰 입사광이 유입되었을 때 반사면들(R1, R2) 사이에서의 빛의 진행을 설명하기 위한 도면이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 입사각이 클 경우에는 빛이 반사면들(R1, R2) 사이에서 반사를 거듭하면서 반사면들(R1, R2)과 직교하는 방향으로 이동하는 거리가 증가한다(Zone 1에서 Zone 3으로 갈수록 거리가 증가한다). 이 거리는 반사면들(R1, R2)의 반사율이 높고, 입사각이 클수록 길어진다.
좀 더 구체적으로 입사각이 5도인 입사광은 반복되는 반사에 의해서 강도가 약해질 때까지 횡 방향으로 많이 이동하지 않지만, 입사각이 25도인 광은 상당히 먼 거리를 이동하여, 광 수신기(LR) 내의 어레이 센서의 피사체 분할영역에 해당하는 픽셀뿐 아니라 인접하는 픽셀에까지 입사된다.
표 1은 반사면의 반사율과 입사각에 따른 반사면과 직교하는 방향으로의 이동거리를 나타낸 것이다. 광 수신기의 어레이 센서는 통상 수 마이크로미터의 픽셀크기를 가진다.
Figure pat00002
표 1을 참조하면, 입사각 0도(수직으로 입사)일 경우에는 반사율에 관계없이 이동거리는 0㎛이고, 입사각 30도일 경우에는 반사율 0.9일 때 약 9.3㎛이고, 반사율 0.95일 때 약 24.4㎛이다. 반사율이 커지면 반사 횟수가 증가하므로, 이동거리가 증가한다. 입사각이 커지면 한번 반사될 때까지의 이동거리가 증가한다.
따라서 반사율과 입사각이 증가할수록 이동거리가 길어져 인접하는 영역에 영향을 많이 미치고, 결국, 분광 이미징 장치의 해상도를 떨어뜨리는 것을 알 수 있다. 도 3은 헤이즈(흐림도) 성분에 따른 인접 각도(픽셀)로의 누광을 나타내는 그래프이다. 도 3의 가로축은 산란각(Scattering Angle)을 나타내며, 세로축은 출력(강도)을 나타낸다. 도 3에 따르면 헤이즈(흐림도) 성분이 증가할수록 인접 각도(픽셀)로 누광(Angular Crosstalk)이 증가하는 것을 알 수 있다.
정리하면, 종래의 패브리-페로 간섭 필터를 사용하는 종래의 분광 이미징 장치는 다음과 같은 문제점들이 있었다.
첫째, 패브리-페로 간섭 필터의 외곽부로 입사하는 광의 입사각이 크기 때문에 목표하는 파장 대역의 광이 패브리-페로 간섭 필터에 의해서 차단되고, 오히려 목표하는 파장 대역의 광에 비해서 파장이 짧은 광이 패브리-페로 간섭 필터를 통과할 수 있다.
둘째, 패브리-페로 간섭 필터에 입사되는 입사광의 입사각이 클 경우에 한 쌍의 반사면들 사이에서 반복적으로 반사되는 과정에서 반사면들과 직교하는 방향으로 반사광이 이동하는 거리가 증가한다. 따라서 입사광이 대응하는 어레이 센서의 피사체 분할영역에 해당하는 픽셀뿐 아니라 인접하는 픽셀들에까지 조사되는 크로스토크 현상이 발생하여, 패브리-페로 간섭 필터의 외곽부로 갈수록 헤이즈 성분이 증가하고 해상도가 떨어진다.
[깊이 이미징 기술]
안면 인식, AR, VR 기술 등에 활용될 수 있는 깊이 이미징 기술에는 구조광(SL, Structured Light)을 사용하는 카메라와 빛의 비행시간을 측정하는 TOF 카메라가 사용된다.
구조광을 사용하는 방식은 수만 개 정도의 점으로 이루어진 적외선 패턴을 피사체 조사한 후 피사체에 의한 적외선 패턴의 왜곡을 읽는 방식이다. 이 방식은 카메라와 피사체와의 거리가 멀어질수록 인식률이 크게 떨어진다는 단점이 있다.
TOF 방식에는 나노 초(nS) 간격으로 적외선 빛을 연속해 방사하고, 그 빛이 피사체에 맞고 적외선 센서에 도달하는 시간을 측정해 피사체까지의 거리를 측정하는 직접(direct) 방식과 피사체에서 반사되는 빛의 위상의 변화를 측정하는 간접(in-direct) 방식이 있다.
TOF 카메라는 피사체를 다수의 영역으로 나누고, 그 각각의 영역까지의 거리를 측정하여 3차원 이미지를 얻는다. 영역을 나누는 방법에 따라 기구적으로 스캔하는 방식, MEMS 거울 등을 이용하는 솔리드 스테이트(Solid State) TOF 방식, 피사체를 일괄 조사하는 플래시(Flash) TOF 방식으로 나뉜다.
TOF 방식의 카메라는 수광 렌즈나 투광 렌즈와 같은 광학계, 수광 센서를 구비하는 광 수신기(light receiver), 광원 및 구동장치를 구비하는 광 송신기(light transmitter) 및 광학 필터(optical filter)를 포함한다.
광 수신기는 복수의 영역으로 나뉘어 있으며, 각각의 영역은 광 송신기에서 피사체를 향해서 조사된 후 반사된 빛, 광 수신기를 향하는 외부광 또는 피사체에서 반사된 외부광을 수신하여, 전기신호를 발생시킨다. 외부광은 태양이나 인공조명 등에 의한 빛일 수 있다.
광 송신기는 피사체를 향해서 빛을 조사하는 역할을 한다. 광 송신기는, 예를 들어, 자외선, 가시광선, 적외선 영역에 속하는 대역폭이 좁은 빛을 펄스 형태로 조사할 수 있다.
광학 필터는 광 수신기의 수광 센서 전방에 배치되어, 광 송신기에서 조사된 빛 이외의 외부광이 광 수신기로 유입되는 것을 차단하는 역할을 한다. 광학 필터는 간섭 필터(interference filter), 흡수 필터(absorptive filter), 이색 필터(dichroic filter) 등 일 수 있다. 광학 필터는 특정 파장 영역만 통과시키는 밴드 패스 필터일 수 있다.
광학 필터로 간섭 필터를 사용하는 경우에는 깊이 이미징 장치도 상술한 종래의 분광 이미징 장치와 동일한 문제들이 있다.
즉, 첫째, 밴드 패스 필터의 외곽부로 입사하는 소스 광의 입사각이 크기 때문에 소스 광이 밴드 패스 필터에 의해서 차단되고, 오히려 소스 광에 비해서 파장이 짧은 외부광이 밴드 패스 필터를 통과할 수 있다.
둘째, 밴드 패스 필터에 입사되는 입사광의 입사각이 클 경우에 한 쌍의 반사면들 사이에서 반복적으로 반사되는 과정에서 반사면들과 직교하는 방향으로 반사광이 이동하는 거리가 증가한다. 따라서 입사광이 대응하는 어레이 센서의 피사체 분할영역에 해당하는 픽셀뿐 아니라 인접하는 픽셀들에까지 조사되는 크로스토크 현상이 발생하여, 깊이 이미징 장치의 외곽부로 갈수록 헤이즈 성분이 증가하고 해상도가 떨어진다.
이러한 문제점들 중에서 첫째 문제를 해결하기 위한 방법으로서, US2019/0162885A1 미국공개특허에는 소스 광을 송신하기 위해 구성된 광 송신기, 소스 광의 반사광을 수신하도록 구성된 광 수신기, 수신된 소스 광이 광 검출기 이전에 대역 통과 필터에서 수신되도록 광 수신기의 광 검출기 앞에 배치된 적외선 또는 근 적외선 밴드 패스 필터를 포함하는 장치로서, 밴드 패스 필터는 제1 파장 범위 내에서 광의 전달이 가능한 제1 영역과 제2 파장 범위 내에서 광의 전달이 가능한 제2 영역을 포함하는 복수의 영역을 포함하는 장치가 개시되어 있다.
좀 더 구체적으로, 입사광이 주로 수직에 가깝게 입사되는 중심부인 제1 영역에는 대역폭(bandwidth)이 5㎚ 수준인 필터를 사용하고, 입사광이 비스듬하게 입사되는 경우가 상대적으로 많은 외곽부인 제2 영역에는 대역폭(bandwidth)이 30㎚ 수준인 필터를 사용하여, 적어도 반사광이 수직에 가깝게 입사하는 중심부에서는 외부광이 차단되도록 하여 감도를 높인다.
그러나 이러한 방법은 광원 자체의 제조 편차, 광원 주변의 온도, 광원의 출력 등에 의해서 발생하는 편차에 대해서는 대응할 수 없으므로, 중심부에서조차도 밴드 패스 필터의 대역폭을 충분히 줄일 수 없다는 문제가 있다.
또한, 외곽부에서의 신호 대 잡음비를 개선할 수 없다는 문제가 있다.
또한, 크로스토크 현상도 개선할 수 없다는 문제가 있다.
미국 공개 특허 US2019/0162885A1 한국 공개 특허 KR10-2012-0089312 A 일본 공개 특허 JP2016-050803A 일본 공개 특허 JP2016-011932A
본 발명은 상술한 문제점을 개선하기 위한 것으로서, 외곽부에서의 감도가 향상되고, 크로스토크 현상이 개선된 광각 분광 이미징 장치, 깊이 이미징 장치 및 이를 위한 간섭 필터를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상술한 목적을 달성하기 위해서, 본 발명은 광이 입사하는 제1 표면과, 그 반대 측인 제2 표면을 구비하는 제1 반사층과, 상기 제2 표면과 거리를 두고 마주보는 제3 표면과, 그 반대 측이며 광이 출사하는 제4 표면을 구비하는 제2 반사층을 구비하며, 상기 제1 반사층의 제1 표면과 상기 제2 반사층의 제4 표면 사이의, 광축과 나란한 가상의 경로 상의 모든 매질들 각각의 상기 경로 상의 두께와 굴절률을 곱한 값들의 합이 상기 광축에서 멀어질수록 커지도록 구성된 간섭 필터를 제공한다.
또한, 상기 간섭 필터의 상기 제1 반사층의 상기 제2 표면과 상기 제2 반사층의 상기 제3 표면 사이의 간격이, 상기 광축에서 멀어질수록 넓어지도록, 상기 제1 반사층과 상기 제2 반사층 중 적어도 하나가 굽어 있는 간섭 필터를 제공한다.
또한, 상기 제1 반사층과 상기 제2 반사층 중 굽어 있는 반사층의 곡률은 상기 광축에서 멀어질수록 작아지는 간섭 필터를 제공한다.
또한, 상기 간섭 필터의 상기 제1 반사층과 상기 제2 반사층 사이에는 상기 광축에서 멀어질수록 두께가 두꺼워지며, 상기 제1 반사층과 상기 제2 반사층 사이의 다른 매질에 비해서 굴절률이 큰 광학 물질이 채워지는 간섭 필터를 제공한다.
또한, 상기 제1 반사층과 상기 제2 반사층 중 적어도 하나는 복수의 유전체 층들을 포함하며, 상기 복수의 유전체 층들 중 적어도 하나는 상기 광축에서 멀어질수록 두께가 두꺼워지는 간섭 필터를 제공한다.
또한, 상기 제1 반사층의 제1 표면과 상기 제2 반사층의 제4 표면 사이의, 광축과 나란한 경로 상의 모든 매질들 각각의 경로 상의 두께와 굴절률을 곱한 값들의 합이 아래의 [수학식 2]에 따라서 상기 광축에서 멀어질수록 COSθ(x) 값에 반비례하여 커지는 간섭 필터를 제공한다.
[수학식 2]
Figure pat00003
(tk(x)와 nk(x)는 광축으로부터의 거리가 x인 광축과 나란한 경로 상의 매질들 각각의 경로 상의 두께(각각의 매질을 지나는 상기 경로의 길이)와 굴절률을 나타내며, θ(x)는 광축으로부터의 거리(x)에 따른 입사각(Angle of Incidence)이며, m은 정수, λ는 간섭 필터의 투과 파장을 의미한다.)
또한, 본 발명은, 피사체로부터의 광을 수신하도록 구성된 광 수신기와, 상기 제1 반사층과 상기 제2 반사층 사이의 광축 방향과 나란한 광학 거리를 조절하도록 구성된 광학 거리 조절 메커니즘을 포함하며, 상기 광 수신기의 전단에 배치되는 간섭 필터를 포함하는 광각 분광 이미징 장치로서, 상기 간섭 필터는 상술한 간섭 필터인 광각 분광 이미징 장치를 제공한다.
또한, 상기 광학 거리 조절 메커니즘은, 상기 간섭 필터의 상기 제1 반사층과 상기 제2 반사층 사이에 채워지며, 외부 자극에 따라서 두께 또는 굴절률이 변경되는 지능형 광학 물질인 광각 분광 이미징 장치를 제공한다.
또한, 상기 광학 거리 조절 메커니즘은 상기 제1 반사층을 상기 제2 반사층에 대해서 광축 방향을 따라서 상대 이동시키도록 구성된 간격 조절 메커니즘인 광각 분광 이미징 장치를 제공한다.
또한, 본 발명은, 소스 광을 전송하도록 구성된 광 송신기와, 상기 소스 광의 반사광을 수신하도록 구성된 광 수신기와, 상기 광 수신기의 전단에 배치되는 간섭 필터를 포함하는 깊이 이미징 장치로서, 상기 간섭 필터는 상술한 간섭 필터인 깊이 이미징 장치를 제공한다.
또한, 상기 소스 광의 중심 파장의 변화를 측정하는 중심파장 모니터링 장치와, 상기 제1 반사층과 상기 제2 반사층 사이의 광축 방향과 나란한 광학 거리를 조절하도록 구성된 광학 거리 조절 메커니즘과, 상기 중심파장 모니터링 장치로부터 측정된 상기 소스 광의 중심 파장의 변화에 대응하여 상기 광학 거리 조절 메커니즘을 제어하는 제어기를 더 포함하는 깊이 이미징 장치를 제공한다.
또한, 상기 광학 거리 조절 메커니즘은, 상기 간섭 필터의 상기 제1 반사층과 상기 제2 반사층 사이에 채워지며, 외부 자극에 따라서 두께 또는 굴절률이 변경되는 지능형 광학 물질인 깊이 이미징 장치를 제공한다.
또한, 상기 광학 거리 조절 메커니즘은 상기 제1 반사층을 상기 제2 반사층에 대해서 광축 방향을 따라서 상대 이동시키도록 구성된 간격 조절 메커니즘인 깊이 이미징 장치를 제공한다.
또한, 상기 중심파장 모니터링 장치는, 상기 소스 광의 파장이 증가함에 따라서 감도가 향상되도록 구성된 제1 광센서와, 상기 소스 광의 파장이 증가함에 따라서 감도가 떨어지도록 구성된 제2 광센서를 포함하며, 상기 제1 광센서와 제2 광센서의 감도의 차이에 기초하여 소스 광의 중심 파장의 변화를 측정하는 깊이 이미징 장치를 제공한다.
본 발명에 따른 간섭 필터는 중심부뿐 아니라 입사각이 큰 외곽부에서도 목표하는 파장 대역의 광을 투과시키고, 다른 대역의 광을 차단할 수 있다. 따라서 본 발명에 따른 간섭 필터를 사용하는 깊이 이미징 장치와 광각 분광 이미징 장치는 외곽부에서의 감도가 향상되고 이미지가 왜곡되지 않는다.
또한, 본 발명의 일부 실시예에 따른 간섭 필터는 간섭 필터의 외곽부에서의 반사층 사이의 거리가 멀어지므로, 입사각이 큰 광에 의한 크로스토크 형상을 줄일 수 있다.
도 1은 광학 가변 필터의 일례인 패브리-페로 간섭 필터(Fabry-Perot Interferometer, FPI)를 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 종래의 패브리-페로 간섭 필터에 입사각이 큰 입사광이 유입되었을 때 반사면들 사이에서의 빛의 진행을 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 헤이즈(흐림도) 성분에 따른 인접 각도(픽셀)로의 누광을 나타내는 그래프이다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 광각 분광 이미징 장치의 개략도이다.
도 5는 도 4에 도시된 간섭 필터 및 광 수신기의 개략도이다.
도 6은 도 5에 도시된 간섭 필터의 일부를 나타낸 도면이다.
도 7의 (a)는 반사층들 사이의 간격이 일정한 종래의 간섭 필터를 통과한 빛의 스펙트럼을 나타낸 것이며, (b)는 도 5와 6에 도시된 간섭 필터를 통과한 빛의 스펙트럼을 나타낸 것이다.
도 8은 도 5에 도시된 간섭 필터의 작용을 설명하기 위한 도면이다.
도 9는 간섭 필터의 또 다른 예 및 광 수신기의 일부를 도시한 도면이다.
도 10 내지 12는 간섭 필터의 또 다른 예들의 개략도들이다.
도 13은 본 발명의 일실시예에 따른 깊이 이미징 장치의 개략도이다.
도 14는 듀얼 센서를 이용한 중심파장 측정기의 원리를 설명하기 위한 도면이다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다. 도면상의 동일 부호는 동일한 요소를 지칭한다.
[광각 분광 이미징 장치]
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 광각 분광 이미징 장치의 개략도이다. 도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일실시예에 따른 광각 분광 이미징 장치(100)는 수광 렌즈나 투광 렌즈와 같은 광학계(10)와, 광 수신기(20)와, 간섭 필터(40)와, 제어기(50)를 포함한다.
본 발명의 일실시예에 따른 광각 분광 이미징 장치(100)는 간섭 필터(40)의 통과 대역을 조절함으로써, 목표하는 특정 파장 대역의 광에 의한 이미지를 얻을 수 있다. 예를 들어, 피사체(8)로부터 반사된 광(6) 중에서 적색 광만의 이미지나 녹색 광만의 이미지 등을 얻을 수 있다.
광 수신기(20)는 태양이나 실내등과 같은 광원으로부터 조사된 후 피사체(8)로부터 반사된 후 간섭 필터(40)를 통과한 광(6)을 수신하는 역할을 한다. 광 수신기(20)는 복수의 영역으로 나뉘어 있으며, 각각의 영역은 피사체(8)로부터의 광(6) 중에서 간섭 필터(40)를 투과한 광을 수신하여, 전기신호를 발생시킨다.
간섭 필터(40)는 광 수신기(20)로 향하는 광 중에서 특정 파장 대역의 광만을 통과시키는 역할을 한다. 간섭 필터(40)는 광학계(10)와, 광 수신기(20)의 수광 센서 어레이 사이에 배치된다.
도 5는 도 4에 도시된 간섭 필터의 일 예 및 광 수신기의 개략도이며, 도 6은 도 5에 도시된 간섭 필터의 일부를 나타낸 도면이다.
본 발명의 간섭 필터(40)는 입사광이 간섭 필터(40)의 모든 위치에 이상적인 입사각, 즉 수직으로 입사하지는 않기 때문에 생기는 위치별 편차를 줄이기 위한 구조를 갖는다.
도 5에 도시된 바와 같이, 간섭 필터(40)로 입사되는 광(L)은 광축(OA)으로부터의 거리(x)가 멀어질수록 입사각(θ(x))이 커진다. 렌즈(10)로 모바일용 이미징 렌즈를 사용할 경우에 간섭 필터(40)로 입사되는 광은 0~30° 정도의 입사각(θ(x))을 가진다. 즉, 간섭 필터(40)의 중심부(광축(OA) 근처)로 입사되는 광의 입사각(θ(x))은 0°에 가까우며, 광축(OA)에서 먼 최외곽부로 입사되는 광의 입사각(θ(x))은 30°에 가까울 수 있다.
본 발명은 입사각(θ(x))에 따른 편차를 줄이기 위해서, 간섭 필터(40)를 지나는 입사광의 광학적 경로가 입사광의 입사각(θ(x))과 상관없이 일정하도록 구성된다. 이를 위해, 간섭 필터(40)를 구성하는 매질들의 두께와 굴절률이 조절된다.
도 5에 도시된 바와 같이, 간섭 필터(40)는 제1 광학 부재(41)와 제2 광학 부재(42)를 구비한다. 제1 광학 부재(41)는 유리 기판(43)과 유리 기판(43)에 형성된 제1 반사층(44)을 포함한다. 제2 광학 부재(42)는 유리 기판(45)과 유리 기판(43)에 형성된 제2 반사층(46)을 포함한다. 제1 광학 부재(41)와 제2 광학 부재(42)는 원판형 또는 타원판형일 수 있다.
간섭 필터(40)의 제1 반사층(44)과 제2 반사층(46)은 거리(tG(x))를 두고 마주본다. 간섭 필터(40)로 입사한 광은 제1 반사층(44)과 제2 반사층(46)에 의해서 반사되며, 특정 파장의 광은 패브리-페로 간섭 원리에 따라 간섭 필터(40)를 투과하고, 나머지 광은 차단된다. 제1 반사층(44)과 제2 반사층(46) 사이의 갭(G)은 일반적으로 공기로 채워지지만, 광이 통과할 수 있는 다른 매질로 이루어질 수도 있다.
도 6에 도시된 바와 같이, 제1 반사층(44)은 광이 입사하는 제1 표면(441)과, 그 반대 측인 제2 표면(442)을 구비한다. 그리고 제2 반사층(46)은 제2 표면(442)과 거리를 두고 마주보는 제3 표면(461)과, 그 반대 측이며 광이 출사하는 제4 표면(462)을 구비한다. 제1 반사층(44)은 복수의 서브 층들(44-1 내지 44-h)을 포함하며, 제2 반사층(46)도 복수의 서브 층들(46-1 내지 46-j)을 포함할 수 있다. 서브 층들은 유전체 층들일 수 있다.
본 발명에서, 간섭 필터(40)는 제1 반사층(44)의 제1 표면(441)과 제2 반사층(46)의 제4 표면(462) 사이의, 광축(OA)과 나란한 가상의 경로(P(x)) 상의 모든 매질들 각각의 가상의 경로(P(x)) 상의 두께(tk(x))와 굴절률(nk(x))을 곱한 값들의 합이 광축(OA)으로부터의 거리(x)가 멀어질수록 커지도록 구성된다. 광축(OA)은 간섭 필터(40) 전단에 배치되는 광학계(10)의 광축을 의미한다.
여기서 매질들은 제1 반사층(44)을 구성하는 매질과, 제1 반사층(44)과 제2 반사층(46) 사이의 갭(G)을 채우는 매질과 제2 반사층(46)을 구성하는 매질을 모두 포함한다. 제1 반사층(44)이 복수의 서브 층들을 포함하는 경우에는 각각의 서브 층들을 구성하는 매질들을 포함한다. 제2 반사층(46)이 복수의 서브 층들을 포함하는 경우에는 각각의 서브 층들을 구성하는 매질들을 포함한다. 또한, 제1 반사층(44)과 제2 반사층(46) 사이의 갭(G)을 복수의 매질들로 채우는 경우에는 이들 매질들을 모두 포함한다.
좀 더 상세하게, 간섭 필터(40)는 제1 반사층(44)의 제1 표면(441)과 제2 반사층(46)의 제4 표면(462) 사이의, 광축(OA)과 나란한 경로(P(x)) 상의 모든 매질들 각각의 경로 상의 두께와 굴절률을 곱한 값들의 합이 아래의 수학식 2에 따라서 광축(OA)에서 멀어질수록 COSθ(x) 값에 반비례하여 커지도록 구성된다.
Figure pat00004
(tk(x)와 nk(x)는 광축(OA)으로부터의 거리가 x인, 광축(OA)과 나란한 경로(P(x)) 상의 매질들 각각의 경로(P(x)) 상의 두께(각각의 매질을 지나는 경로(P(x))의 길이)와 굴절률을 나타내며, θ(x)는 광축(OA)으로부터의 거리(x)에 따른 입사광의 입사각(Angle of Incidence)이며, m은 정수, λ는 간섭 필터의 투과 파장을 의미한다. θ(x)는 광축으로부터의 거리(x)가 멀어질수록 커진다.)
물론, 수학식 2의 좌변은 아래의 수학식 3과 같이 제1 반사층(44)에 관한 항(우변의 첫 번째 항)과, 제1 반사층(44)과 제2 반사층(46) 사이의 갭(G)에 관한 항(우변의 두 번째 항), 제2 반사층(46)에 관한 항(우변의 세 번째 항)으로 나누어 표시할 수도 있다.
Figure pat00005
(tRAa(x)와 nRAa(x)는 제1 반사층(44)을 구성하는 서브 층들 각각의 경로(P(x)) 상의 두께와 굴절률을 나타낸다. tGb(x)와 nGb(x)는 제1 반사층(44)과 제2 반사층(46) 사이의 갭을 채우는 매질들 각각의 경로(P(x)) 상의 두께와 굴절률을 나타낸다. 그리고 tRBc(x)와 nRBc(x)는 제2 반사층(46)을 구성하는 서브 층들 각각의 경로(P(x)) 상의 두께와 굴절률을 나타낸다.)
수학식 2에서 알 수 있듯이, 좌변의 값이 광축(OA)으로부터의 거리(x)와 관계없이 일정하다면, 입사각(θ(x))이 커짐에 따라서 간섭 필터(40)의 투과 파장(λ)이 단파장으로 이동한다.
도 5에 도시된 바와 같이, 입사각(θ(x))은 광축(OA)으로부터의 거리(x)가 멀어질수록 커지므로, 좌변의 값이 일정하게 유지된다면, 광축(OA)에서 멀어질수록 단파장의 빛이 간섭 필터(40)를 투과한다. 따라서 광각 분광 이미징 장치(100)로부터 얻은 이미지의 외곽부와 중심부가 서로 다른 색으로 표시된다. 이미지의 중심부는 선택한 색으로 표시되지만, 이미지의 외곽부는 다른 색으로 표시된다.
이러한 현상을 방지하기 위해서, 본 발명의 간섭 필터(40)는 광축(OA)으로부터의 거리(x)와 관계없이, 투과 파장(λ)를 일정하게 유지하기 위해서 광축(OA)으로부터의 거리(x)에 따른 입사각(θ(x))의 변화를 보상하도록 구성된다. 즉, 간섭 필터(40)는 광축(OA)으로부터의 거리(x)에 따른 입사각(θ(x))의 변화에 따른 투과 파장(λ)의 단파장으로서 이동을 상쇄할 수 있도록, 광축(OA)으로부터의 거리(x)에 따른 매질들 각각의 두께(tk(x))와 굴절률(nk(x))의 곱의 합이 커지도록 구성된다.
예를 들어, 도 5와 6에 예시된 간섭 필터(40)에서는 제1 반사층(44)과 제2 반사층(46)의 두께와 굴절률 및 제1 반사층(44)과 제2 반사층(46) 사이의 갭(G)을 채우는 매질의 굴절률은 광축(OA)으로부터의 거리(x)와 관계없이 일정하게 유지하면서, 제1 반사층(44)과 제2 반사층(46) 사이의 간격(tG(x))만을 조절하는 방식으로, 광축(OA)으로부터의 거리(x)에 따른 입사각(θ(x))의 변화를 보상한다.
도 5와 6에 예시된 간섭 필터(40)는 광축(OA)에서 멀어질수록 제1 반사층(44)과 제2 반사층(46) 사이의 간격(tG(x))이 넓어지도록, 제1 반사층(44)이 굽어 있다. 이때, 제1 반사층(44)의 곡률은 광축(OA)에서 멀어질수록 작아진다.
도 5와 6의 간섭 필터(40)의 tRAa(x)와 nRAa(x)는 광축(OA)으로부터의 거리(x)와 관계없이 일정하며, tRBc(x)와 nRBc(x)도 일정하므로, 제1 반사층(44)과 제2 반사층(46) 사이의 간격(tG(x))만을 조절하는 방식으로, 광축(OA)으로부터의 거리(x)에 따른 입사각(θ(x))의 변화를 보상한다.
도 7의 (a)는 반사층들 사이의 간격이 일정한 종래의 간섭 필터를 통과한 빛의 스펙트럼을 나타낸 것이며, (b)는 도 5와 6에 도시된 간섭 필터를 통과한 빛의 스펙트럼을 나타낸 것이다.
도 7의 (a)에서 알 수 있듯이, 반사층들 사이의 간격이 고정되면, 입사각에 따라서 통과 대역의 중심 파장이 변화하기 때문에 목표하는 중심 파장(도 7에서는 850㎚)의 빛뿐 아니라 다양한 중심 파장의 빛들이 간섭 필터를 투과한다. 즉, 입사각이 0도인 간섭 필터(40)의 중심부로는 850㎚의 빛이 투과하지만, 입사각이 큰 간섭 필터(40)의 외곽부는 850㎚보다 파장이 짧은 빛이 투과한다.
도 7의 (b)에서 알 수 있듯이, 수학식 2에 따라서 제1 반사층(44)과 제2 반사층(46) 사이의 간격(tG(x))이 광축(OA)에서 멀어질수록 넓어지도록 조절될 경우에는 입사각(θ(x))에 관계없이(광축(OA)으로부터의 거리(x)와 관계없이) 목표하는 중심 파장(850㎚)의 빛만 통과한다.
또한, 도 8에 도시된 바와 같이, 본 실시예의 간섭 필터(40)는 크로스토크 현상을 줄여주는 역할을 한다.
수학식 2에서 알 수 있듯이, 간섭 필터(40)를 투과하는 빛의 파장은 제1 반사층(44)과 제2 반사층(46) 사이의 간격(tG1(x))에 따라서 결정된다. 그런데 도 8에 도시된 바와 같이, 외곽부로 진행할수록 간격(tG1(x))이 넓어지므로, 특정 각도로 입사한 광이 제1 반사층(44)과 제2 반사층(46) 사이에서 반사 거동을 거듭하면서 제2 반사층(46)과 직교하는 방향으로 이동하면, 반사광의 제1 반사층(44)과 제2 반사층 (46) 사이의 광 이동 경로가 점점 길어진다. 결국, 제1 반사층(44)과 제2 반사층 (46) 사이의 거리는 더는 반사광에 대해서 수학식 2를 만족하지 못하게 되며, 반사광은 더는 간섭 필터(40)를 투과하여 광 수신기(20)의 수광 센서 어레이의 인접하는 영역의 픽셀들로 입사되지 않는다.
결국, 입사광이 대응하는 타깃 영역의 해당 픽셀뿐 아니라 인접하는 영역들의 픽셀들에까지 입사되어 영향을 주는 크로스토크 현상이 개선된다. 즉, 도 2의 종래의 간섭필터에 비해서 반사광의 이동 거리가 짧아진다. 따라서 광각 분광 이미징 장치(100)의 외곽부에서의 헤이즈가 감소하고, 해상도가 향상된다.
또한, 광각 분광 이미징 장치(100)는 제1 반사층(44)과 상기 제2 반사층(46) 사이의 광축(OA)과 나란한 경로의 광학 거리(optical distance)를 조절하도록 구성된 광학 거리 조절 메커니즘을 포함한다.
광학 거리 조절 메커니즘은 간섭 필터(40)의 투과 파장을 조절하는 역할을 한다. 광학 거리는 매질의 굴절률을 고려한 거리이다. 즉, 매질의 굴절률과 거리를 곱한 값이다. 광학 거리 조절 메커니즘은 제1 반사층(44)과 제2 반사층(46) 사이의 거리 또는 제1 반사층(44)과 제2 반사층(46) 사이를 채우는 매질의 굴절률을 변화시켜 광학 거리를 조절할 수 있다. 광학 거리 조절 메커니즘은 간섭 필터(40)의 투과 파장을 조절하기 위한 것이므로, 제1 반사층(44)과 제2 반사층(46) 사이의 거리를 광축(OA)과의 거리(x)와 관계없이 한꺼번에 조절한다.
도 5에 도시된 바와 같이, 본 실시예에서 광학 거리 조절 메커니즘은 제1 반사층(44)을 제2 반사층(46)에 대해서 광축(OA) 방향을 따라서 상대 이동시켜 제1 반사층(44)과 제2 반사층(46) 사이의 기하학적 거리를 조절하도록 구성된 간격 조절 메커니즘(49)일 수 있다.
간격 조절 메커니즘(49)은, 예를 들어, 액추에이터와 스프링 부재일 수 있다. 액추에이터는 제1 광학 부재(41)와 제2 광학 부재(42)가 서로 가까워지는 방향 또는 서로 멀어지는 방향으로 제1 광학 부재(41)와 제2 광학 부재(42) 중에서 적어도 하나를 밀거나 당기도록 설치될 수 있다. 스프링 부재는 제1 광학 부재(41)와 제2 광학 부재(42)에 액추에이터와 반대되는 방향으로 탄성력을 가하도록 설치되어 제1 반사층(44)과 제2 반사층(46) 사이의 간격을 유지한다.
또한, 간격 조절 메커니즘(49)은, 전자기력을 이용하는 장치일 수도 있다. 예를 들어, 제1 광학 부재(41)와 제2 광학 부재(42)에 각각 전극 층을 형성하고, 서로 다른 극성을 띄도록 하여 서로 가까워지게 하고, 서로 같은 다른 극성을 띄도록 하여 서로 멀어지기게 할 수 있다.
제어기(50)는 목표하는 특정 파장 대역에 대응하여 간섭 필터(40)의 한 쌍의 반사층(44, 46) 사이의 간격을 조절하는 제어신호를 생성하여 간격 조절 메커니즘(49)에 전달하는 역할을 한다.
도 9는 간섭 필터의 또 다른 예 및 광 수신기의 일부를 도시한 도면이다.
도 9에 도시된 바와 같이, 광학 거리 조절 메커니즘으로는 제1 반사층(244)과 제2 반사층(246) 사이를 채우는 지능형 광학 물질(SOM, Smart Optical Material, 247)과, 지능형 광학 물질(247)에 외부 자극을 가하는 수단(미도시)을 사용할 수도 있다. 외부 자극을 가하는 수단으로는 광학 부재에 형성된 투명 전극을 사용할 수 있다. 지능형 광학 물질(247)은 외부 자극에 따라서 두께 또는 굴절률이 변경되는 물질이다. 제어기(50)가 지능형 광학 물질(247)에 가해지는 외부 자극을 조절함으로써, 제1 반사층(244)과 제2 반사층(246) 사이의 기하학적 간격 또는 굴절률을 변경할 수 있다. 또한, 기하학적 간격과 굴절률을 동시에 변경할 수도 있다. 간격이 넓어지거나, 굴절률이 커지면 제1 반사층(244)과 제2 반사층(246) 사이의 광학 거리가 증가하고, 간접 필터(240)의 투과 파장이 길어진다.
도 10 내지 12는 도 4에 도시된 간섭 필터의 또 다른 예들의 개략도들이다.
도 10에 도시된 간섭 필터(340)는 유리 기판(342)의 상면에 제2 반사층(346)을 형성하고, 제2 반사층(346) 위에 광학 물질 층(347)을 형성한 후에 광학 물질 층(347) 위에 제1 반사층(344)을 형성하는 방법으로 제조할 수 있다.
여기서, 광학 물질 층(347)은 외곽부로 진행할수록 두께가 두꺼워지도록 형성한다. 따라서 외곽부로 갈수록 광학 물질 층(347) 위에 형성된 제1 반사층(344)과 제2 반사층(346) 사이의 간격(tg(x))도 넓어진다. 제1 반사층(344)과 제2 반사층(346)을 구성하는 나머지 매질들의 두께와 굴절률은 광축(OA)으로부터의 거리(x)에 따라서 변하지 않는다.
따라서 제1 반사층(344)의 제1 표면(3441)과 제2 반사층(346)의 제4 표면(3462) 사이의, 광축(OA)과 나란한 가상의 경로(P(x)) 상의 모든 매질들 각각의 가상의 경로 상(P(x))의 두께와 굴절률을 곱한 값들의 합이 광축(OA)으로부터의 거리(x)가 멀어질수록 커진다.
도 11에 도시된 간섭 필터(440)는, 제1 반사층(444)과 제2 반사층(446) 사이에는 간섭 필터(440)의 두께 방향 기준으로 일부에 공기보다 굴절률이 큰 광학 물질(447)이 채워진다. 제1 반사층(444)과 제2 반사층(446) 사이의 나머지 공간은 공기로 채워진다. 제1 반사층(444) 측은 광학 물질(447)로 채워지며, 제2 반사층(446) 측은 공기(또는 다른 광학 물질)로 채워진다. 도 11에 도시된 바와 반대로 제2 반사층(446) 측이 광학 물질(447)로 채워질 수도 있다. 그리고 이 광학 물질(447)은 광축(OA)에서 멀어질수록 두께가 두꺼워진다.
광축(OA)에서 멀어질수록 두꺼워지는 광학 물질(447)의 굴절률(nG1) 값이 공기의 굴절률에 비해서 크므로, 광축(OA)에서 멀어질수록 광학 물질(447)의 두께와 굴절률의 곱과 공기층의 두께와 굴절률의 곱의 합(tG1(x)×nG1 + tG2(x)×1)이 커진다. 제1 반사층(444)과 제2 반사층(446)을 구성하는 나머지 매질들의 두께와 굴절률은 광축(OA)으로부터의 거리에 따라서 변하지 않는다.
결국, 제1 반사층(444)의 제1 표면(4441)과 제2 반사층(446)의 제4 표면(4462) 사이의, 광축(OA)과 나란한 가상의 경로(P(x)) 상의 모든 매질들 각각의 가상의 경로 상(P(x))의 두께와 굴절률을 곱한 값들의 합이 광축(OA)으로부터의 거리(x)가 멀어질수록 커진다.
도 12에 도시된 간섭 필터(540)는, 제2 반사층(546)을 구성하는 복수의 유전체 층(546a ~ 546d)들 중 적어도 하나(546c)가 광축(OA)에서 멀어질수록 두께(tRB3(x))가 두꺼워지도록 구성되어 있다.
제2 반사층(546)을 구성하는 나머지 유전체 층들(546a, 546b, 546d)의 두께(tRB1, tRB2, tRB4)와 굴절률 및 제1 반사층(544)을 구성하는 나머지 유전체 층들(544a, 544b, 544c, 544d)의 두께와 굴절률은 광축(OA)으로부터의 거리(x)에 따라서 변하지 않으므로, 결국, 제1 반사층(544)의 제1 표면(5441)과 제2 반사층(546)의 제4 표면(5462) 사이의, 광축(OA)과 나란한 가상의 경로(P(x)) 상의 모든 매질들 각각의 가상의 경로 상(P(x))의 두께와 굴절률을 곱한 값들의 합이 광축(OA)으로부터의 거리(x)가 멀어질수록 커진다.
[깊이 이미징 장치]
도 13은 본 발명의 일실시예에 따른 깊이 이미징 장치의 개략도이다. 도 13에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일실시예에 따른 깊이 이미징 장치(200)는 광 송신기(110)와, 광 수신기(120)와, 간섭 필터(40)를 포함한다.
광 송신기(110)는 피사체(8)를 향해서 소스 광(1)을 조사하는 역할을 한다. 광 송신기(110)는, 예를 들어, 자외선, 가시광선, 적외선 영역에 속하는 대역폭이 좁은 빛을 펄스 형태로 조사할 수 있다. 광 송신기(110)로는. 예를 들어, 수직 공진형 표면 발광 레이저(VCSEL, Vertical Cavity Surface Emitting Laser)를 사용할 수 있다.
TOF 카메라용 광 송신기(110)에서 조사되는 소스 광으로는 중심 파장이 850, 940, 1064㎚인 빛 등을 사용할 수 있다. 차량용 LIDAR 용 광 송신기(110)에서 조사되는 소스 광으로는 중심 파장이 905, 1550㎚인 빛 등을 사용할 수 있다. 펄스 형태의 소스 광의 펄스 폭은 1 내지 5nS 정도일 수 있다.
광 수신기(120)는 소스 광(1)의 반사광(2)을 수신하는 역할을 한다. 광 수신기(120)는 복수의 영역으로 나뉘어 있으며, 각각의 영역은 광 송신기(110)에서 피사체를 향해서 조사된 후 반사된 빛(2), 광 송신기(110)를 향하는 외부광(4) 또는 피사체에서 반사된 외부광(6)을 수신하여, 전기신호를 발생시킨다.
간섭 필터(40)는 광 수신기(120)로 향하는 빛 중에서 외부광(4, 6)을 최대한 차단하여, 광 수신기(120)의 신호 대 잡음비(SNR)를 향상시키는 역할을 한다. 간섭 필터(140)는 광 수신기(120)의 수광 센서 어레이 전단에 배치된다. 간섭 필터(40)로는 앞에서 설명된 간섭 필터들도 모두 사용할 수 있다.
[광각 분광 이미징 장치] 부분에서 이미 설명한 바와 같이, 간섭 필터(40)는 입사광이 간섭 필터(40)에 이상적인 입사각, 즉 수직으로 항상 입사하지는 않기 때문에 생기는 편차 및 크로스토크를 줄이는 역할을 한다.
또한, 본 실시예에 따른 깊이 이미징 장치(200)는, 도 13에 도시된 바와 같이, 중심파장 모니터링 장치(130) 및 제어기(150)를 더 포함할 수 있다.
이러한 구성을 더 포함함으로써, 광 송신기(110)에서 전송되는 소스 광의 파장변화에 연동하여, 간섭 필터(40)의 통과 대역을 조절함으로써, 광 수신기(120)의 신호 대 잡음비를 향상시킬 수 있다.
중심파장 모니터링 장치(130)는 소스 광(1)의 중심 파장의 변화를 측정하는 역할을 한다. 중심파장 모니터링 장치(130)로는 듀얼 센서를 이용한 중심파장 측정기를 사용할 수 있다.
듀얼 센서를 이용한 중심파장 측정기는 소스 광(1)의 파장이 증가함에 따라서 감도가 향상되도록 구성된 제1 광센서와, 소스 광의 파장이 증가함에 따라서 감도가 떨어지도록 구성된 제2 광센서를 포함한다.
듀얼 센서를 이용한 중심파장 측정기는 제1 광센서와 제2 광센서의 감도의 차이에 기초하여 소스 광의 중심 파장의 변화를 측정한다.
제1 광센서는 도 14에 도시된 바와 같이, 소스 광의 파장이 증가함에 따라서 감도가 증가하도록 구성된다. 제1 광센서는 제1 수광소자와 제1 광학 필터를 포함한다. 제1 광학 필터는 입사광의 파장이 증가함에 따라서 투과율이 증가하도록 구성되어 있다. 제1 광센서의 감도 그래프의 기울기(k)와 절편(l)은 제1 수광소자와 제1 광학 필터를 적절히 선택하여 변경할 수 있다.
제2 광센서는 도 14에 도시된 바와 같이, 소스 광의 파장이 증가함에 따라서 감도가 떨어지도록 구성된다. 제2 광센서는 제2 수광소자와 제2 광학 필터를 포함한다. 제2 광학 필터는 입사광의 파장이 증가함에 따라서 투과율이 감소하도록 구성되어 있다. 제2 광센서의 감도 그래프의 기울기(m)와 절편(n)은 제2 수광소자와 제2 광학 필터를 적절히 선택하여 변경할 수 있다.
일반적으로 수광소자는 입사광의 파장이 증가함에 따라서 투과율이 감소하거나 증가하므로, 제1 광센서와 제2 광센서 중 하나는 광학 필터 없이 수광소자만으로 구성될 수도 있다. 수광소자의 투과율이 입사광의 파장이 증가함에 따라서 증가할지 감소할지는 입사광의 파장 범위에 따라서 결정된다.
듀얼 센서를 이용한 중심파장 측정기는 제1 광센서와 제2 광센서의 감도 값의 차이 값을 측정하여, 소스 광의 중심 파장을 측정할 수 있다. 예를 들어, 도 14에 도시된 바와 같은 감도 그래프를 가지는 제1 광센서와 제2 광센서를 이용한다면, 제1 광센서와 제2 광센서의 감도 값의 차이 값이 0일 때에 소스 광의 중심 파장은 대략 535㎚가 되며, 0.8일 때에는 500㎚가 된다.
또한, 중심파장 모니터링 장치(130)로는 종래의 광학 분광기(spectrometer)를 사용할 수도 있다. 광학 분광기는 파장 또는 주파수의 함수로 빛의 강도를 보여주는 장치이다. 듀얼 센서를 이용한 중심파장 측정기는 광학 분광기에 비해서 크기가 매우 작다는 장점이 있다.
본 실시예에서는 중심파장 모니터링 장치(130)를 사용하여, 소스 광(1)의 중심파장을 알 수 있으므로, 광 송신기(110) 자체의 제조 편차, 주변 온도에 따른 편차, 광 송신기(110)가 소모하는 전력이나 광 송신기(110)에 흐르는 전류 등의 요인에 따른 중심파장의 변동을 고려하여 간섭 필터(40)의 통과 대역을 넓게 설계할 필요가 없다.
종래에는 간섭 필터(40)의 통과 대역이 30㎚ 정도가 되도록 간섭 필터(40)를 설계하였으나, 본 발명에서는 5㎚ 이하로 통과 대역의 폭을 줄일 수 있다. 간섭 필터(40)의 통과 대역의 폭을 줄이면, 광 수신기(120)에 입사되는 외부광이 줄어들기 때문에, 신호 대 노이즈 비가 향상된다. 예를 들어, 중심파장 940㎚, 반치전폭 0.7㎚, 파워 75W인 펄스형 소스 광을 사용할 경우 간섭 필터(40)의 반치전폭이 30㎚에서 5㎚로 준다면, 소스 광의 조사면의 면적이 1㎡이고, 태양광의 조명도가 100kLux인 경우 신호 대 노이즈 비가 약 585% 향상된다. 태양광의 조명도가 20kLux인 경우에도 동일하게 향상된다.
제어기(150)는 중심파장 모니터링 장치(130)로부터 측정된 소스 광의 중심 파장의 변화에 대응하여 간섭 필터(40)의 한 쌍의 반사층(44, 46) 사이의 광학 거리를 조절하는 제어신호를 생성하는 역할을 한다.
좀 더 상세히 설명하면, 제어기(150)는 중심파장 모니터링 장치(130)로부터 측정된 소스 광의 중심 파장이 길어지면, [광각 분광 이미징 장치] 부분에서 설명한 바와 같이, 간섭 필터(40)의 광학 거리 조절 메커니즘에 제어신호를 송신하여, 제1 반사층(44)과 제2 반사층(46) 사이의 광학 거리가 멀어지도록 조절한다. 반대로 소스 광의 중심 파장이 짧아지면, 광학 거리가 짧아지도록 조절한다.
이상에서는 도면 및 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
100: 광각 분광 이미징 장치
200: 깊이 이미징 장치
20: 광 수신기
40: 간섭 필터
50: 제어기

Claims (14)

  1. 광이 입사하는 제1 표면과, 그 반대 측인 제2 표면을 구비하는 제1 반사층과, 상기 제2 표면과 거리를 두고 마주보는 제3 표면과, 그 반대 측이며 광이 출사하는 제4 표면을 구비하는 제2 반사층을 구비하며,
    상기 제1 반사층의 제1 표면과 상기 제2 반사층의 제4 표면 사이의, 광축과 나란한 가상의 경로 상의 모든 매질들 각각의 상기 경로 상의 두께와 굴절률을 곱한 값들의 합이 상기 광축에서 멀어질수록 커지도록 구성된 간섭 필터.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 간섭 필터의 상기 제1 반사층의 상기 제2 표면과 상기 제2 반사층의 상기 제3 표면 사이의 간격이, 상기 광축에서 멀어질수록 넓어지도록, 상기 제1 반사층과 상기 제2 반사층 중 적어도 하나가 굽어 있는 간섭 필터.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 제1 반사층과 상기 제2 반사층 중 굽어 있는 반사층의 곡률은 상기 광축에서 멀어질수록 작아지는 간섭 필터.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 간섭 필터의 상기 제1 반사층과 상기 제2 반사층 사이에는 상기 광축에서 멀어질수록 두께가 두꺼워지며, 상기 제1 반사층과 상기 제2 반사층 사이의 다른 매질에 비해서 굴절률이 큰 광학 물질이 채워지는 간섭 필터.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제1 반사층과 상기 제2 반사층 중 적어도 하나는 복수의 유전체 층들을 포함하며,
    상기 복수의 유전체 층들 중 적어도 하나는 상기 광축에서 멀어질수록 두께가 두꺼워지는 간섭 필터.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 제1 반사층의 제1 표면과 상기 제2 반사층의 제4 표면 사이의, 광축과 나란한 경로 상의 모든 매질들 각각의 경로 상의 두께와 굴절률을 곱한 값들의 합이 아래의 수학식 2에 따라서 상기 광축에서 멀어질수록 COSθ(x) 값에 반비례하여 커지는 간섭 필터.
    [수학식 2]
    Figure pat00006

    (tk(x)와 nk(x)는 광축으로부터의 거리가 x인 광축과 나란한 경로 상의 매질들 각각의 경로 상의 두께(각각의 매질을 지나는 상기 경로의 길이)와 굴절률을 나타내며, θ(x)는 광축으로부터의 거리(x)에 따른 입사각(Angle of Incidence)이며, m은 정수, λ는 간섭 필터의 투과 파장을 의미한다.)
  7. 피사체로부터의 광을 수신하도록 구성된 광 수신기와,
    상기 제1 반사층과 상기 제2 반사층 사이의 광축 방향과 나란한 광학 거리를 조절하도록 구성된 광학 거리 조절 메커니즘을 포함하며,
    상기 광 수신기의 전단에 배치되는 간섭 필터를 포함하는 광각 분광 이미징 장치로서,
    상기 간섭 필터는 청구항 1항 내지 6항 중 어느 한 항의 간섭 필터인 광각 분광 이미징 장치.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 광학 거리 조절 메커니즘은,
    상기 간섭 필터의 상기 제1 반사층과 상기 제2 반사층 사이에 채워지며, 외부 자극에 따라서 두께 또는 굴절률이 변경되는 지능형 광학 물질인 광각 분광 이미징 장치.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 광학 거리 조절 메커니즘은 상기 제1 반사층을 상기 제2 반사층에 대해서 광축 방향을 따라서 상대 이동시키도록 구성된 간격 조절 메커니즘인 광각 분광 이미징 장치.
  10. 소스 광을 전송하도록 구성된 광 송신기와,
    상기 소스 광의 반사광을 수신하도록 구성된 광 수신기와,
    상기 광 수신기의 전단에 배치되는 간섭 필터를 포함하는 깊이 이미징 장치로서,
    상기 간섭 필터는 청구항 1항 내지 6항 중 어느 한 항의 간섭 필터인 깊이 이미징 장치.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 소스 광의 중심 파장의 변화를 측정하는 중심파장 모니터링 장치와,
    상기 제1 반사층과 상기 제2 반사층 사이의 광축 방향과 나란한 광학 거리를 조절하도록 구성된 광학 거리 조절 메커니즘과,
    상기 중심파장 모니터링 장치로부터 측정된 상기 소스 광의 중심 파장의 변화에 대응하여 상기 광학 거리 조절 메커니즘을 제어하는 제어기를 더 포함하는 깊이 이미징 장치.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 광학 거리 조절 메커니즘은,
    상기 간섭 필터의 상기 제1 반사층과 상기 제2 반사층 사이에 채워지며, 외부 자극에 따라서 두께 또는 굴절률이 변경되는 지능형 광학 물질인 깊이 이미징 장치.
  13. 제11항에 있어서,
    상기 광학 거리 조절 메커니즘은 상기 제1 반사층을 상기 제2 반사층에 대해서 광축 방향을 따라서 상대 이동시키도록 구성된 간격 조절 메커니즘인 깊이 이미징 장치.
  14. 제10항에 있어서,
    상기 중심파장 모니터링 장치는,
    상기 소스 광의 파장이 증가함에 따라서 감도가 향상되도록 구성된 제1 광센서와,
    상기 소스 광의 파장이 증가함에 따라서 감도가 떨어지도록 구성된 제2 광센서를 포함하며,
    상기 제1 광센서와 제2 광센서의 감도의 차이에 기초하여 소스 광의 중심 파장의 변화를 측정하는 깊이 이미징 장치.
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