KR20230021704A

KR20230021704A - 확산 조명 및 다중 모드 조명 디바이스

Info

Publication number: KR20230021704A
Application number: KR1020237000347A
Authority: KR
Inventors: 울엑 쿠아드; 빌라스 이유으 요핸센; 아크바르 사마디; 유리 일리신; 모리츠 슈미들린; 마르틴 발리만; 로베르트 레나트; 토비아스 젠; 제임스 아일러트센
Original assignee: 닐 테크놀로지 에이피에스
Priority date: 2020-06-09
Filing date: 2021-06-09
Publication date: 2023-02-14
Also published as: WO2021250113A1; EP4162232A1; US20230216273A1; CN115867765A

Abstract

조명 모듈이, 일부 구현예에서, 균질한 확산 조명을 장면 상으로 투사하도록 동작될 수 있다. 일부 구현예는 발광 요소들의 상이한 하위 세트들이 독립적으로 작동될 수 있게 하고, 그에 따라 이들이 상이한 시간들에서 턴 온(또는 턴 오프)될 수 있게 하며, 이는 다중-모드 동작을 용이하게 할 수 있다.

Description

확산 조명 및 다중 모드 조명 디바이스

관련 출원에 대한 상호 참조

본원은, 개시 내용의 전체가 본원에서 참조로 포함되는, 모두가 2020년 6월 9일자로 출원된 미국 가특허출원 제63/036,824호, 제63/036,831호 및 제63/036,835호에 대한 우선권의 이익을 주장한다.

본 개시 내용은 확산 조명 및 다중 모드 조명 디바이스에 관한 것이다.

일부 광학 화상화 시스템은 캡쳐 면적(capture area) 내의 물체의 거리 측정 및/또는 깊이 화상을 제공할 수 있다. 이러한 시스템은, 예를 들어, 근접도 데이터, 거리 데이터, 또는 3-차원적인 데이터를 생성하기 위해서 이용될 수 있다.

화상화 시스템은, 예를 들어, 장면(scene)을 조명하기 위한 광원, 뿐만 아니라 장면 내의 물체로부터 반사된 광을 수용하기 위한 감지 디바이스(예를 들어, 하나 이상의 카메라)를 가지는 투사기를 포함할 수 있다. 일부 경우에, 광원은, 캡쳐 면적을 조명하도록 동작할 수 있는, 수직-공동 표면-방출 레이저(VCSEL) 어레이를 포함한다. 화상화 시스템의 구현 및 요건에 따라, 투사기는 장면 상으로 투사되는 실질적으로 확산 광(즉, 비교적 큰 각도 확전(angular spread)을 갖는 광)을 생성하도록 설계될 수 있다. 다른 경우에, 투사기는, 장면 상으로 투사되는, 구조화된-광 패턴 또는 투사된 텍스처(projected texture)와 같은, 실질적으로 구분된 피쳐들(discrete features)을 갖는 광을 생성하도록 설계될 수 있다. 어느 경우에도, VCSEL 어레이로부터의 광은 캡쳐 면적 내의 하나 이상의 물체에서 반사될 수 있고, 감지 디바이스 내에서 수용될 수 있다. 반사된 광은 하나 이상의 카메라에 의해서 검출될 수 있고, 이어서 예를 들어 근접도, 거리 또는 다른 정보를 결정하기 위해서 분석될 수 있다.

본 개시 내용은, 일부 구현예에서, 균질한 확산 조명을 장면 상으로 투사하도록 동작할 수 있는 조명 모듈을 설명한다. 일부 구현예는 발광 요소들의 상이한 하위 세트들이 독립적으로 작동될 수 있게 하고, 그에 따라 이들이 상이한 시간들에서 턴 온(또는 턴 오프)될 수 있게 하며, 이는 다중-모드 동작을 용이하게 할 수 있다.

일 양태에서, 예를 들어, 본 개시 내용은 광원, 하나 이상의 광학 요소, 및 제어 회로소자를 포함하는 장치를 설명한다. 광원은 발광 요소들의 제1 하위 세트, 및 발광 요소들의 상이한 제2 하위 세트를 포함한다. 제1 하위 세트의 발광 요소의 각각은 각각의 광 빔을 생성하도록 동작될 수 있고, 제2 하위 세트의 발광 요소의 각각은, 발광 요소의 제1 하위 세트에 의해서 생성된 광 빔보다 덜 확산적인 각각의 광 빔을 생성하도록 동작될 수 있다. 하나 이상의 광학 요소는 발광 요소의 제1 및 제2 하위 세트에 의해서 생성된 광 빔을 장면 상으로 투사하도록 배치된다. 제어 회로소자는, 제1 및 제2 하위 세트의 발광 요소가 온(on)이 되는 각각의 지속 시간을 제어하고 그에 따라 장면 상으로 투사되는 결과적인 전체 조명이 실질적으로 균질한 확산 조명이 되도록, 동작될 수 있다.

일부 구현예는 이하의 특징 중 하나 이상을 포함한다. 예를 들어, 일부 경우에, 제1 및 제2 하위 세트의 발광 요소, 그리고 하나 이상의 광학 요소는, 제2 하위 세트에 의해서 생성된 광 빔이 장면 상으로 투사되어 발광 요소의 제1 하위 세트에 의해서 생성된 조명 내의 갭(gap)을 적어도 부분적으로 충진하도록, 배치된다. 일부 경우에, 제어 회로소자는 제1 지속 시간 동안 제1 하위 세트의 발광 요소를 턴 온시키도록, 그리고 제1 하위 세트의 발광 요소가 온으로 되어 있는 중에, 제2 지속 시간 동안 제2 하위 세트의 발광 요소를 턴 온시키도록 동작될 수 있고, 제2 지속 시간은 제1 지속 시간보다 짧다. 일부 구현예에서, 발광 요소의 제1 및 제2 하위 세트의 각각이 VCSEL로 구성된다. 제1 하위 세트의 VCSEL은 제1 개구를 가질 수 있고, 제2 하위 세트의 VCSEL은 제2 개구를 가질 수 있으며, 제1 개구는 제2 개구보다 크다. 일부 경우에, 제1 하위 세트의 VCSEL은 직사각형(예를 들어, 정사각형) 개구 또는 육각형 개구를 갖는다. 일부 경우에, 제1 하위 세트의 VCSEL은 제2 하위 세트의 VCSEL의 개구의 형상과 상이하게 성형된 개구를 갖는다.

일부 구현예에서, 제어 회로소자는 제2 동작 모드에서 발광 요소의 제2 하위 세트를 턴 온시켜, 예를 들어, 구조화된 광 패턴을 장면 상으로 투사하도록 동작될 수 있다.

본 개시 내용은 또한, 발광 요소의 제1 하위 세트(예를 들어, VCSEL)를 턴 온시키고 발광 요소의 제1 하위 세트에 의해서 생성된 광을 이용하여 확산 조명을 장면 상으로 투사하는 단계, 그리고 발광 요소의 제2 하위 세트(예를 들어, VCSEL)를 턴 온시키고 발광 요소의 제2 하위 세트에 의해서 생성된 광을 장면 상으로 투사하는 것에 의해서, 확산 조명 내의 갭을 적어도 부분적으로 충진하기 위해서 시간적 광 스티칭(temporal light stitching)을 이용하는 단계를 포함하는 방법을 개시한다. 발광 요소의 제2 하위 세트는 발광 요소의 제1 하위 세트보다 짧은 지속 시간 동안 온이 된다.

일부 구현예에서, 방법은 발광 요소의 제3 하위 세트(예를 들어, VCSEL)를 턴 온시키고 발광 요소의 제3 하위 세트에 의해서 생성된 광을 장면 상으로 투사하는 단계를 더 포함한다. 발광 요소의 제3 하위 세트는 발광 요소의 제1 하위 세트보다 더 짧은 지속 시간 동안 온이 되고, 제3 하위 세트에 의해서 생성되고 장면 상으로 투사되는 광은 확산 조명 내의 부가적인 갭을 적어도 부분적으로 충진한다. 일부 경우에, 발광 요소의 제3 하위 세트는, 발광 요소의 제2 하위 세트가 온이 되는 지속 시간과 상이한 지속 시간 동안 온이 된다.

본 개시 내용은 또한, VCSEL의 어레이, 및 하나 이상의 광학 요소를 포함하는 장치를 설명한다. VCSEL의 각각은 직사각형 또는 육각형 개구를 가지며, VCSEL의 각각은 각각의 광 빔을 생성하도록 동작될 수 있다. 광 빔을 장면 상으로 투사하도록, 하나 이상의 광학 요소가 배치된다. 특정 작업 거리에서, 어레이 내의 VCSEL이 온 일 때, 실질적으로 갭이 없는 균질한 확산 조명이 장면 상으로 투사된다.

일부 구현예에서, VCSEL의 각각은 정사각형 개구 또는 육각형 개구를 갖는다. 일부 경우에, 특정 작업 거리에서, 어레이 내의 VCSEL이 온 일 때, VCSEL 중 상이한 VCSEL들에 의해서 생성되고 장면 상으로 투사된 개별적인 광 빔들 사이에는 중첩이 없다.

일부 구현예는 이하의 장점 중 하나 이상을 포함한다. 예를 들어, 더 균질한 확산 조명이 일부 경우에 장면 상으로 투사될 수 있다. 또한, 다양한 구현예는 발광 요소들의 상이한 하위 세트들(예를 들어, VCSEL)이 독립적으로 작동될 수 있게 하고, 그에 따라 이들이 상이한 시간들에서 턴 온(또는 턴 오프)될 수 있게 하며, 이는 다중-모드 동작을 용이하게 할 수 있다. 예를 들어, 하나의 모드에서, 실질적으로 확산 조명이 장면 상으로 투사될 수 있는 반면, 제2 모드에서 구조화된 광 패턴이 장면 상으로 투사될 수 있다.

다른 양태, 특징 및 장점이, 이하의 상세한 설명, 첨부 도면, 및 청구범위로부터 용이하게 명확해질 것이다.

도 1a 및 도 1b는 조명 모듈의 예를 도시한다.
도 2는 조명 모듈의 다른 예를 도시한다.
도 3a 및 도 3b는 조명 모듈의 추가적인 예를 도시한다.
도 4는 조명 모듈의 다른 예를 도시한다.
도 5는 조명 모듈의 또 다른 예를 도시한다.
도 6은 구조화된-광 조명의 다른 예를 도시한다.
도 7은 확산 조명의 예를 도시한다.
도 8a 및 도 8b는 원형 개구를 갖는 발광 요소에 의해서 생성된 조명의 예를 도시한다.
도 9a는 시간적 광 스티칭의 예를 도시하는 그래프이다.
도 9b는 도 9a의 시나리오에 대한 결과적인 조명의 예를 도시한다.
도 10a는 육각형 개구를 갖는 발광 요소를 이용한, 장면 상의 갭이 없는 균질 확산 조명의 예를 도시한다.
도 10b는 정사각형 개구를 갖는 발광 요소를 이용한, 장면 상의 갭이 없는 균질 확산 조명의 예를 도시한다.
도 11a는 발광 요소의 제1 어레이를 이용하여 생성된 조명의 예를 도시한다.
도 11b는 발광 요소의 2개의 상이한 하위 어레이를 이용하여 생성된 조명의 예를 도시한다.
도 12는 발광 요소의 3개의 상이한 하위 어레이를 포함하는 조명 모듈의 예를 도시한다.
도 13은 일부 구현예에 따른 방법의 흐름도이다.

이러한 개시 내용의 일 양태는, 예를 들어, 화상화 시스템 내로 통합될 수 있는 다중 모드 조명 디바이스를 설명한다. 그러한 조명 디바이스는 다중 모드로 동작할 수 있다. 예를 들어, 일부 구현예에서, 다중 모드 조명 디바이스는 제1 조명을 생성하기 위한 제1 모드, 및 제1 조명과 상이한 제2 조명을 생성하기 위한 제2 모드에서 동작될 수 있다.

예로서, 제1 모드에서, 제1 조명은 실질적으로 확산 광(즉, 비교적 큰 각도 확전을 갖는 광)일 수 있는 반면, 제2 모드에서, 조명은, 능동적 스테레오 적용예(active stereo application)에서 유용할 수 있는, 구조화된-광 패턴 또는 투사된 텍스처와 같은, 실질적으로 구분된 피쳐들을 포함할 수 있다. 일부 경우에, 제1 모드는, 하나 이상의 카메라(예를 들어, 3D 카메라 및 RGB 카메라)와 조합되어, 근접도 또는 거리 데이터를 생성하기 위해서 이용될 수 있고, 제2 모드는, 동일하거나 상이한 카메라와 조합되어, 3-차원적인 데이터 또는 스펙트럼 데이터를 생성하기 위해서 이용될 수 있다. 광 감지 디바이스(들)는, 예를 들어, 포토다이오드, 포토다이오드의 어레이, 화상 센서, 또는 비행 시간 센서(time-of-flight sensor)를 포함할 수 있다.

일부 구현예에서, 다중 모드 조명 모듈은 특정 장점을 제공할 수 있다. 예를 들어, 다중 모드 조명 모듈은, 다중 모드 조명 모듈에 의해서 제공되는 둘 이상의 기능 중 하나를 생성하도록 각각 구성된 2개의 모듈보다 작은 풋프린트(footprint)를 필요로 할 수 있다.

도 1a 및 도 1b에 도시된 바와 같이, 조명 모듈(10)은 장면(14)을 조명하기 위한 광원(12)을 포함한다. 모듈(10)은 또한, 예를 들어, 광원(12)에 의해서 방출된 광을 포커스 또는 시준하도록 동작될 수 있는, 하나 이상의 렌즈 또는 다른 광학 요소(15)를 포함할 수 있다. 일부 경우에, 광학 요소(15)는 마이크로-렌즈 어레이 또는 메타렌즈 어레이를 포함한다.

광원(12)은, 장면을 조명하도록 동작될 수 있는, VCSEL(16)의 어레이와 같은, 다중 발광 요소를 포함한다. VCSEL들(16)은 독립적으로 작동될 수 있다. 즉, 개별적인 VCSEL(16)(또는 VCSEL의 하위 세트)가, 다른 개별적인 VCSEL(또는 VCSEL의 하위 세트)와 독립적으로, 턴 온 또는 턴 오프될 수 있다. 특히, VCSEL 어레이는 2개 이상의 VCSEL 하위 어레이를 포함하고, 이들은 동시에 동작될 수 있고(즉, 하위 어레이 내의 VCSEL들이 실질적으로 동시에 광학 방출을 생성할 수 있고), 또는 서로 별개로(예를 들어, 순차적으로) 동작될 수 있다.

도 1a 및 도 1b는 2개의 상이한 VCSEL(16)의 하위 어레이를 갖는 예를 도시한다. 즉, 어레이 내의 각각의 VCSEL(16)는 제1 하위 어레이 또는 제2 하위 어레이의 일부이다. 도시된 예에서, VCSEL(16A)는 제1 하위 어레이의 일부인 반면, VCSEL(16B)은 제2 하위 어레이의 일부이다. 도 1a에 의해서 표시된 바와 같이, 양 하위 어레이의 VCSEL가 동시에 턴 온될 때, 실질적으로 확산 조명이 작업 거리(WD)에 위치되는 평면 상에서 생성된다. 다른 한편으로, VCSEL의 하위 세트 만이(예를 들어, 제2 어레이 내의 VCSEL 만이) 턴 온될 때, 도 1b에 도시된 바와 같이, 점들의 패턴이 작업 거리(WD)에 위치되는 평면 상에서 생성된다. 점 패턴은 점들의 규칙적 또는 불규칙적(즉, 무작위적) 패턴일 수 있고, 이는 예를 들어 구조화된 조명을 제공하기 위해서 이용될 수 있다. 예를 들어, 일부 경우에, 광 빔은 구조화된 광 화상화 기술을 위한 그리드 패턴 또는 스트립 패턴을 형성할 수 있다.

일부 경우에, 도 2에 도시된 바와 같이, 조명 모듈은 또한 팬-아웃 회절 광학 요소(fan-out diffractive optical element)(DOE)(17)를 포함한다. 팬-아웃 DOE(17)은 VCSEL 어레이의 화상을 복제하도록, 그리고 화상의 크기보다 작은 양만큼 각각의 복제된 화상을 이동시키도록 동작될 수 있다. 이는, 턴 온된 VCSEL들의 중첩 화상들을 초래한다. 양 하위 어레이의 VCSEL들이 턴 온될 때에도, 장면 상으로 투사되는 결과적인 확산 광 패턴(11)은, 확산 광 패턴의 경계선을 따라서 점(13)에 의해서 둘러싸일 것인데, 이는 경계선에서 패턴이 중첩되지 않기 때문이다. 다른 한편으로, 특정 시간에 VCSEL의 하위 세트의 하나 만을 턴 온시키는 것에 의해서, 점 패턴이 장면 상으로 투사될 수 있다.

일부 구현예에서, 각각의 하위 어레이 내의 VCSEL 또는 다른 발광 요소(16)가 상이한 크기들을 가질 수 있다. 예를 들어, 도 3a 및 도 3b에 도시된 바와 같이, 제1 하위 어레이 내의 VCSEL(예를 들어, VCSEL(16A))은 비교적 작은 개구를 가질 수 있는 반면, 제2 하위 어레이 내의 VCSEL(예를 들어, VCSEL(16B))은 비교적 큰 개구를 가질 수 있다. 제1 하위 어레이 내의 더 작은 VCSEL에 의해서 방출되는 광은, 제2 하위 어레이 내의 더 큰 VCSEL에 의해서 생성되는 것보다 더 작고 더 선명한 광의 원형 점을 생성할 수 있다. 따라서, 도 3a에 의해서 표시된 바와 같이, 양 하위 어레이의 VCSEL가 동시에 턴 온될 때, 실질적으로 확산 조명이 VCSEL 어레이로부터 작업 거리(WD)에 위치되는 평면 상에서 생성된다. 다른 한편으로, VCSEL의 하위 세트 만이(예를 들어, 제1 어레이 내의 VCSEL 만이) 턴 온될 때, 도 3b에 도시된 바와 같이, 점들의 패턴이 VCSEL 어레이로부터 작업 거리(WD)에 위치되는 평면 상에서 생성된다. 점 패턴은 점들의 규칙적 또는 불규칙적(즉, 무작위적) 패턴일 수 있고, 이는 예를 들어 구조화된 조명을 제공하기 위해서 이용될 수 있다.

일부 구현예에서, 상이한 크기들의 VCSEL을 가지는 하위 어레이 대신(또는 그에 더하여), 하위 어레이 중 하나 내의 VCSEL(16)의 각각은 통합된 광학 요소를 포함하고, VCSEL에 의해서 생성된 광은 이러한 광학 요소를 통과한다. 예를 들어, 도 4에 도시된 바와 같이, 제1 하위 어레이 내의 VCSEL(16A)의 각각은 통합된 렌즈(18)를 포함하고, VCSEL에 의해서 생성된 광은 이러한 렌즈를 통과한다. 제1 하위 어레이 내의 VCSEL(16A)의 각각에 의해서 생성된 광은 비교적 선명한 스폿(19)이고, 그에 따라 제1 하위 어레이 내의 VCSEL에 의해서 집합적으로 생성된 광은 비교적 선명한 점의 패턴이다. 제2 하위 어레이의 일부인 다른 VCSEL(16B)은 그러한 통합된 렌즈(18)를 포함하지 않고, 예를 들어, 실질적으로 확산 광을 생성하기 위해서 이용될 수 있다. 상이한 하위 어레이들 내의 VCSEL들이 독립적으로 그리고 상이한 시간들에 턴 온 또는 턴 오프될 수 있고, 그에 따라 모듈은 상이한 모드들로 동작되어 상이한 시간들에서 상이한 조명 유형들을 제공할 수 있다. 예를 들어, 한 번에 VCSEL 하위 어레이 중 하나 만을 턴 온시킴으로써, 모듈은, 예를 들어, 확산 광 또는 점 패턴을 생성하도록 동작될 수 있다.

마찬가지로, 도 5에 도시된 바와 같이, 제2 하위 어레이 내의 VCSEL(16B)의 각각은 통합된 고굴절률 재료(20)의 블록을 포함하고, VCSEL에 의해서 생성된 광은 이러한 블록을 통과한다. 제2 하위 어레이 내의 VCSEL(16B)에 의해서 생성된 광(21)은 실질적으로 확산 광이다. 제1 하위 어레이의 일부인 다른 VCSEL은 그러한 고굴절률 재료(20)의 블록을 포함하지 않는다. 상이한 하위 어레이들 내의 VCSEL들이 독립적으로 그리고 상이한 시간들에 턴 온 또는 턴 오프될 수 있고, 그에 따라 모듈은 상이한 모드들로 동작되어 상이한 시간들에서 상이한 조명 유형들을 제공할 수 있다.

일부 구현예에서, 도 6 및 도 7의 예에서 도시된 바와 같이, VCSEL에 의해서 방출되는 광의 경로와 교차되도록, 보충 광학기기(22)가 배치될 수 있다. 보충 광학기기(22)는 예를 들어 장면을 향해서 광을 포커스 또는 시준하기 위해서 이용될 수 있다. 도 6은, VCSEL(16A)의 제1 하위 어레이만이 턴 온될 때 구조화된-광 조명(24A)을 생성하는 예를 도시하는 반면, 도 7은, VCSEL(16B)의 제2 하위 어레이만이 턴 온될 때 실질적으로 확산 조명(24B)을 생성하는 예를 도시한다.

일부 구현예에서, VCSEL(16)은 원형 개구를 갖는다. 따라서, 개별적인 VCSEL(16)에 의해서 출력되는 광은, 광 방출의 방향에 수직인 평면 상으로 투사될 때, 점(즉 원)으로서 보일 것이다. 도 8a에 의해서 표시된 바와 같이, 원형 개구 및 주어진 크기를 갖는 VCSEL이 가능한 한 조밀하게 어레이 내에 팩킹될(packed) 때에도, 투사된 확산 광 패턴은, 조명되는 장면 상에서 나타나는 광의 원형 점들(32) 사이에서 작은 갭(30)을 가질 수 있다. 보다 균질한 광의 확산 패턴을 획득하기 위해서, 도 8b에 의해서 표시된 바와 같이, 제2 하위 어레이의 VCSEL에 의해서 방출된 광이 갭(30)을 적어도 부분적으로 충진하는 작은 광의 점(34)을 초래하도록, 더 작은 원형 개구를 갖는 VCSEL의 제2 하위 어레이가 VCSEL 어레이 내에 포함될 수 있다(예를 들어, 도 3a 참조). 따라서, 양 하위 어레이의 VCSEL들이 동시에 온이 될 때, 장면 상으로 투사된 보다 균질한 광의 확산 패턴이 초래될 수 있다.

다른 한편으로, 더 작은 개구를 갖는 VCSEL들을 더 큰 개구를 가지는 VCSEL과 동시에 그리고 동일 지속 시간으로 턴 온시키는 것은 화상 평면 내에 나타나는 밝은 스폿을 초래할 수 있다. 이는, 더 작은 개구를 갖는 VCSEL의 각각의 개별적인 하나에 의해서 방출되는 광이, 더 큰 개구를 갖는 VCSEL의 각각의 개별적인 하나에 의해서 방출되는 광보다 더 작은 면적 상에서 포커스될 것이기 때문이다.

이하의 문단은 더 균질한 확산을 장면 상으로 투사하기 위한 다양한 접근 방식을 설명한다.

제1 접근 방식에 따라, 시간적 광 스티칭을 이용하여 확산 조명 내의 갭을 충진한다. 즉, 더 작은 개구를 갖는(그리고 더 선명하고 더 밝은 스폿을 초래하는) VCSEL은, (상대적으로 확산 조명을 제공하는) 더 큰 개구를 갖는 VCSEL 보다 더 짧은 지속 시간 동안 턴 온된다. VCSEL의 2개의 하위 어레이가 온이 되는 지속 기간이, 단지 부분적으로, 중첩된다. 더 작은 개구를 갖는 VCSEL이 턴 온되는 지속 시간은, 더 작은 개구를 갖는 VCSEL에 의해서 장면 상으로 투사되는 총 면적 당 광학 파워가, 더 큰 개구를 갖는 VCSEL에 의해서 장면 상으로 투사되는 총 면적 당 광학 파워와 실질적으로 동일하도록, 선택된다. 이러한 시나리오는 도 9a에 도시되어 있고, 여기에서 파워 대 시간을 플로팅하는(plotting) 그래프 내의 음영 면적은, 각각의 VCSEL이 온일 때(즉, 광을 방출할 때)의 기간을 나타낸다. 따라서, 시간(t0)으로부터 시간(t1)까지, 더 큰 개구를 갖는 확산 조명 VCSEL 만이 턴 온된다. 이어서, 시간(t1)으로부터 시간(t2)까지, 더 작은 개구를 갖는(그리고 더 큰 시간 당 단위 면적 당 광학 파워를 방출하는) VCSEL이 또한 온이 된다. 도 9b는 화상 평면의 면적 상으로 투사되는 총 광학 파워를 도시하고, 이는, 더 균질한 조명이 달성될 수 있다는 것 그리고 그에 따라 조명된 영역이 더 적은 및/또는 더 작은 갭을 갖는다는 것을 나타낸다.

제2 접근 방식에 따라, 원형 개구 대신, 광원의 하위 어레이의 하나 내의 각각의 VCSEL은 직사각형(예를 들어, 정사각형) 또는 육각형 형상을 가질 수 있다. 이러한 접근 방식은 장면 상으로 투사된 각각의 개별적인 광 빔이 특정 빔-웨이스트(beam-waist)를 가질 수 있게 하고, 그에 따라 매끄러운 스티칭(갭이 없는 조명)이 고정 작업 거리(또는 작업 거리 범위)에 대해서 설계될 수 있다. 또한, 특정 작업 거리에서, 장면 상으로 투사된 개별적인 광 빔에서 거의 중첩이 없거나 중첩이 존재하지 않는다. 따라서, 결과적인 확산 조명이 매우 균일하거나 균질할 수 있다. 도 10a는, 각각의 VCSEL이 육각형 개구를 가질 때, 결과적인 장면 상의 갭이 없는 균질 확산 조명의 예를 도시한다. 이러한 경우에, 각각의 VCSEL은 광 빔(40)을 실질적으로 육각형 형상을 가지는 장면 상으로 투사한다. 도 10b는, 각각의 VCSEL이 정사각형 개구를 가질 때, 결과적인 장면 상의 갭이 없는 균질 확산 조명의 예를 도시한다. 이러한 경우에, 각각의 VCSEL은 광 빔(42)을 실질적으로 정사각형 형상을 가지는 장면 상으로 투사한다.

일부 구현예에서, 전술한 접근 방식은 다중-모드 디바이스 내로 통합될 수 있다. 예를 들어, 제1 모드에서, 직사각형 또는 육각형 형상의 개구를 갖는 VCSEL의 제1 하위 세트가 턴 온되어 실질적으로 갭이 없는 확산 조명을 장면 상으로 투사할 수 있는 반면, 제2 모드에서, 각각 비교적 작은 원형 개구를 갖는 VCSEL의 제2 하위 세트가 (VCSEL의 제1 하위 세트가 오프되어 있는 동안) 턴 온되어 구조화된 광 패턴을 장면 상으로 투사할 수 있다.

일부 경우에, 제1 및 제2 접근 방식의 특징들이 조합될 수 있다. 그러한 구현예는, 예를 들어, 조명되는 장면 내의 물체(들)가, 육각형 또는 직사각형 어레이가 최적화된 이상적인 동작 작업 범위의 외측에 있을 때, 유리할 수 있다. 예를 들어, 물체(들)가 이상적인 작업 범위의 외측에(예를 들어, 먼 거리(z1)에) 있는 경우에, 정사각형 개구를 갖는 VCSEL(48)에 의해서 조명되는 장면 상의 개별적인 조명 영역들(50) 사이에는 갭(52)이 있을 수 있다(도 11a 참조). 그러한 경우에, 더 균질한 조명을 얻기 위해서, 직사각형 또는 육각형 형상의 개구를 갖는 VCSEL 보다 더 짧은 지속 시간 동안 턴 온될 수 있는 VCSEL(54)(예를 들어, 비교적 작은 원형 개구를 갖는 VCSEL)의 제2 하위 세트를 가지는 것이 유리할 수 있다. "선명한" VCSEL(54)은 갭(52)에서 조명(56)을 제공하는 것에 의해서 확산 조명(50)의 면적들을 연결하도록(patch) 구성된다(도 11b 참조).

또한, 일부 구현예에서, 광원은 VCSEL의 2개 초과의 하위 세트(예를 들어, 하위 어레이)를 포함할 수 있다. 도 12의 예에 도시된 바와 같이, 제1 하위 어레이는, 정사각형 개구를 가지고 거리(z2)에서 장면의 영역(50)을 조명하는 VCSEL(48)로 구성된다. 일부 경우에, VCSEL(48)은 육각형 또는 원형 개구를 가질 수 있다. 제2 하위 어레이는, 직경(d1)의 원형 개구를 가지고 장면의 영역(56)을 조명하는 VCSEL(54)로 구성된다. 제3 하위 어레이는, 직경(d2)(d2 > d1)을 가지고 장면의 영역(60)을 조명하는 VCSEL(58)로 구성된다. 상이한 하위 어레이들이 작동될 수 있고, 그에 따라 서로 독립적으로 턴 온(또는 오프)될 수 있다. 제2 및 제3 하위 어레이의 VCSEL(54, 58)은, 제2 및 제3 하위 어레이에 의해서 각각 조명되는 영역들(56, 60)이 VCSEL(48)의 제1 하위 어레이에 의해서 생성되는 확산 조명 내의 갭을 적어도 부분적으로 충진하도록, 설계되고 배치된다. 상당히 밝은 스폿의 발생이 없이, 장면 상으로 투사되는 결과적인 조명이 더 균일하도록(즉, 더 균질하도록), 제2 및 제3 하위 어레이의 VCSEL(54, 58)이 턴 온되는 각각의 지속 시간을 (예를 들어, 적절한 제어 회로소자(70)에 의해서) 제어할 수 있다. 제2 및 제3 어레이의 각각의 VCSEL(54, 58)이 온이 되는 지속 시간이 동일하거나 상이할 수 있다. 따라서, VCSEL은, VCSEL(48, 54, 58)의 모든 하위 세트의 조합에 의해서 장면 상으로 투사되는 전체 조명이 매우 균일하고 균질한 확산 조명이 되도록 하는 지속 시간 동안 턴 온될 수 있다.

도 12 및 도 13에 의해서 표시된 바와 같이, 일부 경우에, 장면은 발광 요소(예를 들어, "선명한" VCSEL(54 및/또는 58))의 제1 하위 세트로 조명될 수 있고(블록(100)), 장면으로부터 반사된 광(75)을 기초로 하는 초기 정보가 (예를 들어, 화상 센서(71) 및 판독 회로소자(72)에 의해서) 수집될 수 있고(블록(102)), 거리의 초기 추정치가 (예를 들어, 프로세싱 회로소자(74)에 의해서) 결정될 수 있다(블록(104)). 관심 물체가 특정 문턱값 거리 미만에 있다는 것을 거리의 초기 추정치가 나타내는 경우에, 거리 데이터는 "선명한" VCSEL(54, 58) 만으로 수집될 수 있다(블록(106)). 다른 한편으로, 관심 물체가 문턱값 거리에 또는 그 초과에 있다는 것을 거리의 초기 추정치가 나타내는 경우에, 거리 데이터는 또한 발광 요소의 제2 하위 세트(예를 들어, "확산" VCSEL(48) 및 "선명한" VCSEL(54 및/또는 58) 온)를 이용하여 수집될 수 있다(블록(108)).

일부 경우에, 전술한 다양한 조명 모듈이 통합 광자 패키지로 형성될 수 있다.

본 명세서에서 설명된 청구 대상의 구현예 및 기능적 동작의 다양한 양태는, 본 명세서에서 개시된 구조 및 그 구조적 균등물 또는 그 하나 이상의 조합을 포함하는, 디지털 전자 회로에서, 또는 컴퓨터 소프트웨어, 펌웨어, 또는 하드웨어에서 구현될 수 있다. 따라서, 본 명세서에서 설명된 청구 대상의 양태는 데이터 처리 프로세싱에 의한 실행을 위해, 또는 데이터 처리 장치의 동작을 제어하기 위해 컴퓨터 판독 가능 매체 상에 인코딩된 하나 이상의 컴퓨터 프로그램 제품, 즉, 하나 이상의 컴퓨터 프로그램 명령어의 모듈로서 구현될 수 있다. 컴퓨터 판독 가능 매체는 기계-판독 가능 저장 디바이스, 기계-판독 가능 저장 기재, 메모리 디바이스, 기계-판독 가능 전파 신호에 영향을 미치는 물질의 구성, 또는 그 중 하나 이상의 조합일 수 있다. 장치는, 하드웨어에 더하여, 해당 컴퓨터 프로그램을 위한 실행 환경을 생성하는 코드, 예를 들어 프로세서 펌웨어를 구성하는 코드를 포함할 수 있다.

(프로그램, 소프트웨어, 소프트웨어 어플리케이션, 스크립트, 또는 코드로도 알려진) 컴퓨터 프로그램은 컴파일 언어 또는 해석된 언어를 포함하는, 임의 형태의 프로그래밍 언어로 작성될 수 있고, 독립형 프로그램으로서 또는 모듈, 구성요소, 서브루틴, 또는 컴퓨팅 환경에서 사용하기 위해 적합한 다른 유닛을 포함하여 임의의 형태로 전개될 수 있다. 컴퓨터 프로그램은 본질적으로 파일 시스템에서 파일에 상응하지 않는다. 프로그램은 다른 프로그램 또는 데이터를 보유한 파일의 일부분(예를 들어, 마크업 언어 문서에 저장된 하나 이상의 스크립트)에 논의가 되는 프로그램 전용의 단일 파일로, 또는 다수의 조정된 파일로(예를 들어, 하나 이상의 모듈, 서브프로그램, 또는 코드의 부분을 저장하는 파일) 저장될 수 있다. 컴퓨터 프로그램은 하나의 컴퓨터 상에서 또는 한 장소에 위치되거나 다중 장소들에 분포되어 있고 통신 네트워크에 의해 상호 연결된 다중 컴퓨터들 상에서 실행되기 위해 전개될 수 있다.

본 명세서에서 설명된 프로세스 및 로직 흐름은 입력 데이터 상에 동작하고 출력을 생성하는 것에 의해 기능들을 수행하기 위해 하나 이상의 컴퓨터 프로그램을 실행하는 하나 이상의 프로그램 가능한 프로세서에 의해 수행될 수 있다. 프로세스 및 논리 흐름은 또한 특수 목적의 논리 회로, 예를 들어, FPGA (현장 프로그램 가능 게이트 어레이) 또는 ASIC(주문형 집적 회로)에 의해 수행될 수 있고, 또한 장치가 특수 목적의 논리 회로로서 구현될 수 있다.

컴퓨터 프로그램을 실행하기에 적합한 프로세서는, 예로서, 범용 마이크로프로세서 및 특별 목적 마이크로프로세서 모두, 및 임의의 종류의 디지털 컴퓨터의 임의의 하나 이상의 프로세서를 포함한다. 일반적으로, 프로세서는 리드 온리 메모리 또는 랜덤 액세스 메모리 또는 양자 모두로부터 명령어 및 데이터를 수신할 것이다. 컴퓨터의 본질적인 요소는 명령어를 실시하기 위한 프로세서 및 명령어 및 데이터를 저장하기 위한 하나 이상의 메모리 디바이스이다. 컴퓨터 프로그램 명령어 및 데이터를 저장하기에 적합한 컴퓨터 판독 가능 매체는, 예시로서 반도체 메모리 디바이스, 예를 들어, EPROM, EEPROM, 및 플래시 메모리 디바이스; 자기 디스크, 예를 들어, 내장 하드 디스크 또는 제거 가능한 디스크; 자기 광 디스크; 및 CD ROM 및 DVD-ROM 디스크를 포함하는, 모든 형태의 비휘발성 메모리, 매체 및 메모리 디바이스를 포함한다. 프로세서 및 메모리는 특수 목적의 논리 회로에 의해 보충될 수 있거나, 특수 목적의 논리 회로 내에 병합될 수 있다.

본 명세서가 많은 구체적인 내용을 포함하지만, 이는 본 발명의 범위 또는 청구될 수 있는 범위에 대한 제한으로서 해석되지 않아야 하고, 오히려 본 발명의 특별한 실시형태에 대해서 특정되는 특징의 설명으로서 해석되어야 한다. 별개의 실시형태들의 문맥에서 본 명세서에서 설명된 특정의 특징들이 또한 단일 실시형태에서 조합되어 구현될 수 있다. 역으로, 단일 실시형태의 문맥에서 설명된 여러 가지 특징이 또한 다수의 실시형태에서 별개로 또는 임의의 적합한 하위 조합으로 구현될 수 있다. 또한, 특징이 특정 조합으로 작용하는 것으로 앞서서 설명되어 있을 수 있고 그와 같이 초기에 청구되어 있을 수도 있지만, 청구된 조합으로부터의 하나 이상의 특징이, 일부 경우에, 그러한 조합으로부터 이용될 수 있고, 청구된 조합이 하위 조합 또는 하위 조합의 변경예에 관한 것일 수 있다.

유사하게, 비록 동작이 특별한 순서로 도면에 도시되어 있지만, 이는, 그러한 동작이 도시된 특별한 순서 또는 순차적인 순서로 수행될 것 또는 희망 결과를 달성하기 위해서 모든 예시된 동작이 수행될 것을 요구하는 것으로 이해되지 않아야 한다. 특정 상황에서, 멀티테스킹 및 병렬 프로세싱이 유리할 수 있다.

다양한 수정이 용이하게 이해될 것이고, 전술한 예에 대해서 이루어질 것이다. 따라서, 다른 구현예가 또한 청구범위의 범위 내에 포함된다.

Claims

장치이며:
발광 요소들의 제1 하위 세트, 및 발광 요소들의 상이한 제2 하위 세트를 포함하는 광원으로서, 상기 제1 하위 세트의 발광 요소의 각각은 각각의 광 빔을 생성하도록 동작될 수 있고, 상기 제2 하위 세트의 발광 요소의 각각은, 상기 발광 요소의 제1 하위 세트에 의해서 생성된 광 빔보다 덜 확산적인 각각의 광 빔을 생성하도록 동작될 수 있는, 광원;
상기 발광 요소의 제1 및 제2 하위 세트에 의해서 생성된 광 빔을 장면 상으로 투사하도록 배치된 하나 이상의 광학 요소; 및
제어 회로소자로서, 제1 및 제2 하위 세트의 발광 요소가 온이 되는 각각의 지속 시간을 제어하고 그에 따라 상기 장면 상으로 투사되는 결과적인 전체 조명이 실질적으로 균질한 확산 조명이 되도록 동작될 수 있는, 제어 회로소자를 포함하는, 장치.
제1항에 있어서,
상기 제1 및 제2 하위 세트의 발광 요소, 그리고 상기 하나 이상의 광학 요소는, 상기 제2 하위 세트에 의해서 생성된 광 빔이 상기 장면 상으로 투사되어 상기 발광 요소의 제1 하위 세트에 의해서 생성된 조명 내의 갭을 적어도 부분적으로 충진하도록, 배치되는, 장치.
제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 제어 회로소자는 제1 지속 시간 동안 상기 제1 하위 세트의 발광 요소를 턴 온시키도록, 그리고 상기 제1 하위 세트의 발광 요소가 온으로 되어 있는 중에, 제2 지속 시간 동안 상기 제2 하위 세트의 발광 요소를 턴 온시키도록 동작될 수 있고, 상기 제2 지속 시간은 상기 제1 지속 시간보다 짧은, 장치.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 발광 요소의 제1 및 제2 하위 세트의 각각이 VCSEL로 구성되는, 장치.
제4항에 있어서,
상기 제1 하위 세트의 VCSEL은 제1 개구를 갖고, 상기 제2 하위 세트의 VCSEL은 제2 개구를 가지며, 상기 제1 개구는 상기 제2 개구보다 큰, 장치.
제4항에 있어서,
상기 제1 하위 세트의 VCSEL이 직사각형 개구를 갖는, 장치.
제4항에 있어서,
상기 제1 하위 세트의 VCSEL이 육각형 개구를 갖는, 장치.
제4항에 있어서,
상기 제1 하위 세트의 VCSEL은 상기 제2 하위 세트의 VCSEL의 개구의 형상과 상이하게 성형된 개구를 갖는, 장치.
제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제어 회로소자는 제2 동작 모드에서 상기 발광 요소의 제2 하위 세트를 턴 온시켜, 구조화된 광 패턴을 상기 장면 상으로 투사하도록 동작될 수 있는, 장치.
방법으로서:
발광 요소의 제1 하위 세트를 턴 온시키고 상기 발광 요소의 제1 하위 세트에 의해서 생성된 광을 이용하여 확산 조명을 장면 상으로 투사하는 단계; 그리고
상기 발광 요소의 제2 하위 세트를 턴 온시키고 상기 발광 요소의 제2 하위 세트에 의해서 생성된 광을 상기 장면 상으로 투사하는 것에 의해서, 상기 확산 조명 내의 갭을 적어도 부분적으로 충진하기 위해서 시간적 광 스티칭을 이용하는 단계로서, 상기 발광 요소의 제2 하위 세트는 상기 발광 요소의 제1 하위 세트보다 짧은 지속 시간 동안 온이 되는, 단계를 포함하는, 방법.
제10항에 있어서,
상기 발광 요소의 제1 및 제2 하위 세트의 각각이 VCSEL로 구성되는, 방법.
제10항에 있어서,
상기 제1 하위 세트의 VCSEL은 상기 제2 하위 세트의 VCSEL의 개구의 형상과 상이하게 성형된 개구를 갖는, 방법.
제10항에 있어서,
상기 제1 하위 세트의 VCSEL은 상기 제2 하위 세트의 VCSEL의 개구의 크기와 상이한 크기의 개구를 갖는, 방법.
제10항에 있어서,
발광 요소의 제3 하위 세트를 턴 온시키고 상기 발광 요소의 제3 하위 세트에 의해서 생성된 광을 상기 장면 상으로 투사하는 단계를 더 포함하고, 상기 발광 요소의 제3 하위 세트는 상기 발광 요소의 제1 하위 세트보다 더 짧은 지속 시간 동안 온이 되고, 상기 제3 하위 세트에 의해서 생성되고 상기 장면 상으로 투사되는 광은 상기 확산 조명 내의 부가적인 갭을 적어도 부분적으로 충진하는, 방법.
제14항에 있어서,
상기 발광 요소의 제3 하위 세트는, 상기 발광 요소의 제2 하위 세트가 온이 되는 지속 시간과 상이한 지속 시간 동안 온이 되는, 방법.
장치이며:
VCSEL의 어레이로서, 상기 VCSEL의 각각은 직사각형 또는 육각형 개구를 가지며, 상기 VCSEL의 각각은 각각의 광 빔을 생성하도록 동작될 수 있는, VCSEL의 어레이; 및
상기 광 빔을 장면 상으로 투사하도록 배치된 하나 이상의 광학 요소를 포함하고;
특정 작업 거리에서, 상기 어레이 내의 VCSEL이 온 일 때, 실질적으로 갭이 없는 균질한 확산 조명이 상기 장면 상으로 투사되는, 장치.
제16항에 있어서,
상기 VCSEL의 각각이 정사각형 개구를 갖는, 장치.
제16항에 있어서,
상기 VCSEL의 각각이 육각형 개구를 갖는, 장치.
제16항에 있어서,
상기 특정 작업 거리에서, 상기 어레이 내의 VCSEL이 온 일 때, VCSEL들 중 상이한 VCSEL들에 의해서 생성되고 상기 장면 상으로 투사된 개별적인 광 빔들 사이에 중첩이 없는, 장치.