KR20230131829A - 카메라 모듈 - Google Patents

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KR20230131829A
KR20230131829A KR1020237020723A KR20237020723A KR20230131829A KR 20230131829 A KR20230131829 A KR 20230131829A KR 1020237020723 A KR1020237020723 A KR 1020237020723A KR 20237020723 A KR20237020723 A KR 20237020723A KR 20230131829 A KR20230131829 A KR 20230131829A
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박강열
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엘지이노텍 주식회사
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Abstract

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; 그리고 기준 거리에서 소정의 이동 거리만큼 광축 방향에 따라 상기 렌즈 어셈블리를 이동시켜 상기 광원과 상기 렌즈 어셈블리 사이의 거리를 가변하는 구동 모듈;을 포함한다.

Description

카메라 모듈
실시 예는 카메라 모듈에 관한 것이다.
3차원 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.
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; 그리고 기준 거리에서 소정의 이동 거리만큼 광축 방향에 따라 상기 렌즈 어셈블리를 이동시켜 상기 광원과 상기 렌즈 어셈블리 사이의 거리를 가변하는 구동 모듈;을 포함한다.
상기 기준 거리는, 상기 렌즈 어셈블리의 유효 초점 거리일 수 있다.
상기 발광부는, 상기 이동 거리가 제1 범위 이내에 포함되면, 상기 플루드 조명 패턴의 빛을 객체에 조사할 수 있다.
상기 제1 범위는, 상기 복수의 에미터의 직경, 상기 복수의 에미터 사이의 거리, 상기 복수의 에미터의 발산각에 기초하여 설정될 수 있다.
상기 제1 범위(DR)는, 아래의 수학식에 따라 설정될 수 있다.
Figure pct00001
여기서, 상기 PE는 상기 복수의 에미터 사이의 거리를 의미하고, 상기 DE는 상기 복수의 에미터의 직경을 의미하고, 상기 θD는 상기 복수의 에미터의 발산각을 의미한다.
상기 제1 범위(DR)는, 아래의 수학식에 따라 설정될 수 있다.
Figure pct00002
여기서, 상기 PE는 상기 복수의 에미터 사이의 거리를 의미하고, 상기 DE는 상기 복수의 에미터의 직경을 의미하고, 상기 θD는 상기 복수의 에미터의 발산각을 의미한다.
상기 발광부는, 상기 이동 거리가 제2 범위 이내에 포함되면, 상기 스팟 조명 패턴의 빛을 객체에 조사할 수 있다.
상기 제2 범위는, 0 내지 25[μm]일 수 있다.
상기 복수의 에미터 사이의 거리는 32.5 내지 38.5[μm] 범위에 포함되고, 상기 복수의 에미터의 직경은 7.2 내지 8.8[μm] 범위에 포함되고, 상기 복수의 에미터의 발산각은 15 내지 25도 범위에 포함될 수 있다
상기 복수의 에미터 사이의 거리는 16.3 내지 22.3[μm] 범위에 포함되고, 상기 복수의 에미터의 직경은 3.6 내지 4.4[μm] 범위에 포함되고, 상기 복수의 에미터의 발산각은 13 내지 23도 범위에 포함될 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 카메라 모듈의 구성예를 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 발광부가 생성하는 광신호를 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 가변되는 조명 패턴을 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 발광부의 구조를 설명하기 위한 도면이다.
도 5a 및 도 5b는 본 발명의 플루드 조명 패턴의 빛이 출력될 경우 발광부의 동작을 설명하기 위한 도면이다.
도 6a 및 도 6b는 복수의 에미터를 포함하는 광원의 상면을 도시한 도면이다.
도 7은 복수의 에미터를 포함하는 광원의 측면의 일부를 도시한 도면이다.
도 8은 본 발명의 스팟 조명 패턴의 빛이 출력될 경우 발광부의 동작을 설명하기 위한 도면이다.
도 9a 내지 도 9e는 본 발명의 실시예에 따른 카메라 모듈의 시뮬레이션 결과를 나타낸다.
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) 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) 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), 렌즈 어셈블리(200) 및 구동 모듈(300)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.
렌즈 어셈블리(200)는 광원(100)으로부터 출력된 빛을 집광할 수 있다. 렌즈 어셈블리(200)는 집광된 빛을 출력할 수 있다. 렌즈 어셈블리(200)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(200)는 적어도 하나의 렌즈를 포함할 수 있다.
렌즈 어셈블리(200)는 적어도 하나의 렌즈와 하우징을 포함할 수 있다. 하우징은 적어도 하나의 렌즈를 수용할 수 있는 프레임일 수 있다. 일 실시예에 따르면, 하우징은 구동 모듈(300)과 결합될 수 있으며, 렌즈 어셈블리(200)는 구동 모듈(300)에 의해 광축 방향으로 이동할 수 있다.
렌즈 어셈블리(200)는 소정의 유효 초점 거리(Effective Focal Length, EFL)를 가질 수 있다. 렌즈 어셈블리(200)가 하나의 렌즈를 포함할 경우, 렌즈 어셈블리(200)의 유효 초점 거리는 하나의 렌즈의 유효 초점 거리일 수 있다. 렌즈 어셈블리(200)가 복수의 렌즈를 포함할 경우, 렌즈 어셈블리(200)의 유효 초점 거리는 복수의 렌즈의 합성된 유효 초점 거리를 의미할 수 있다. 본 발명에서 렌즈 어셈블리(200)의 유효 초점 거리는 기준 거리로 명명될 수 있다.
구동 모듈(300)은 기준 거리로부터 소정의 이동 거리만큼 광축 방향에 따라 렌즈 모듈을 이동시킬 수 있다. 이에 따라, 구동 모듈(300)은 렌즈 모듈을 이동시켜 광원(100)과 렌즈 어셈블리(200) 사이의 거리를 가변할 수 있다. 본 발명의 실시예에 따르면, 구동 모듈(300)은 렌즈 어셈블리(200)와 결합될 수 있다. 예를 들어, 구동 모듈(300)은 렌즈 어셈블리(200)에 포함된 하우징과 결합될 수 있다.
일 실시예에 따르면, 구동 모듈(300)은 엑추에이터을 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(200)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, 처리부(400)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(300)을 통해 렌즈 어셈블리(200)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, 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 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(200)를 포함하는 발광부(10)의 구조를 개략적으로 도시하고 있다. 도 4의 (a)와 같이 구동 부재가 없는 경우, 렌즈 어셈블리(200)와 광원(100)은 일정한 간격만큼 이격되어 배치되며, 일정한 간격은 변하지 않는다. 즉, 렌즈 어셈블리(200)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(300)을 더 포함한다. 도 4의 (b)는 광원(100), 렌즈 어셈블리(200) 및 구동 모듈(300)을 포함하는 발광부(10)의 구조를 개략적으로 도시하고 있다. 도 4의 (b)와 같이 렌즈 어셈블리(200)와 결합된 구동 모듈(300)을 포함할 경우, 구동 모듈(300)은 렌즈 어셈블리(200)를 상하방향(광축 방향)으로 이동시킴으로써 광원(100)과 렌즈 어셈블리(200) 사이의 이격된 간격을 변경할 수 있다. 렌즈 어셈블리(200)와 광원(100) 사이의 이격된 간격이 변경됨에 따라 객체에 조사되는 빛의 조명 패턴이 변경될 수 있다. 실시예에 따르면, 광원(100)과 렌즈 어셈블리(200) 사이의 간격이 기준 거리인 경우에는 스팟 조명 패턴의 빛이 객체에 조사될 수 있다. 반면, 렌즈 어셈블리(200)가 광축을 따라 소정의 거리만큼 이동하게 되면(즉, 렌즈 어셈블리(200)가 기준 거리를 기준으로 이동 거리만큼 광원(100)에 가까워지거나 멀어지게 되면), 플루드 조명 패턴의 빛이 객체에 조사될 수 있다.
도 5a 및 도 5b는 본 발명의 플루드 조명 패턴의 빛이 출력될 경우 발광부의 동작을 설명하기 위한 도면이다. 도 6a 및 도 6b는 복수의 에미터를 포함하는 광원의 상면을 도시한 도면이고, 도 7은 복수의 에미터를 포함하는 광원의 측면의 일부를 도시한 도면이다.
도 5a는 광원(100)과 렌즈 어셈블리(200) 사이의 거리가 기준 거리보다 이동 거리만큼 멀어지도록 렌즈 어셈블리(200)를 이동시킨 경우를 나타낸다. 도 5b는 광원(100)과 렌즈 어셈블리(200) 사이의 거리가 기준 거리보다 이동거리만큼 가까워지도록 렌즈 어셈블리(200)를 이동시킨 경우를 나타낸다.
여기서, 기준 거리는 렌즈 어셈블리(200)의 유효 초점 거리를 의미할 수 있다. 렌즈 어셈블리(200)의 유효 초점 거리는 주점(principle point)에서 초점(focal point)까지의 거리를 의미할 수 있다. 렌즈 어셈블리(200)가 1매의 렌즈로 구성된 경우, 유효 초점 거리는 1매의 렌즈의 주점에서 초점까지의 거리를 의미할 수 있다. 렌즈 어셈블리(200)가 복수 매의 렌즈로 구성된 경우, 유효 초점 거리는 복수 매의 렌즈와 같은 역할을 하는 1매의 가상의 렌즈의 주점에서 초점까지의 거리를 의미할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 구동 모듈(300)은 기준 거리에서 소정의 이동 거리만큼 광축 방향에 따라 렌즈 어셈블리(200)를 이동시켜 광원(100)과 렌즈 어셈블리(200) 사이의 거리를 가변할 수 있다. 렌즈 어셈블리(200)가 기준 거리에서 제1 이동 거리만큼 광원(100)으로부터 멀어지거나 가까워지면, 발광부(10)는 플루드 조명 패턴의 빛을 객체에 조사할 수 있다. 예를 들어, 도 5a에 도시된 것처럼, 렌즈 어셈블리(200)가 기준 거리(Dref)에서 제1 이동 거리(WDS)만큼 광원(100)으로부터 멀어지면, 발광부(10)는 플루드 조명 패턴의 빛을 객체에 조사할 수 있다. 이때, 광원(100)의 상부면에서 렌즈 어셈블리(200)의 주점까지 거리는 기준 거리와 제1 이동 거리를 합산한 거리일 수 있다. 즉, 광원(100)의 상부면에서 렌즈 어셈블리(200)의 주점까지 거리는 렌즈 어셈블리(200)의 유효 초점 거리와 제1 이동 거리를 합산한 거리일 수 있다. 다른 예로, 도 5b에 도시된 것처럼, 렌즈 어셈블리(200)가 기준거리(Dref)에서 제1 이동 거리(WDS)만큼 광원(100)으로부터 가까워지면, 발광부(10)는 플루드 조명 패턴의 빛을 객체에 조사할 수 있다. 이때, 광원(100)의 상부면에서 렌즈 어셈블리(200)의 주점까지 거리는 기준 거리에서 제1 이동 거리를 뺀 거리일 수 있다. 즉, 광원(100)의 상부면에서 렌즈 어셈블리(200)의 주점까지 거리는 렌즈 어셈블리(200)의 유효 초점 거리에서 제1 이동 거리를 뺀 거리일 수 있다.
도 5a 및 도 5b를 참조하면, 렌즈 어셈블리(200)의 초점면에서 각 에미터가 발산한 빛이 블러(blur)됨을 알 수 있다. 도 5a 및 도 5b에서는 설명의 편의를 위해 3개의 에미터에서 발산되는 빛을 도시하고 있으나, 광원(100)은 다수의 에미터를 포함하므로, 초점면에서는 각 에미터가 발산한 빛들이 서로 중첩됨을 알 수 있다. 이와 같이, 초점면에서 각 에미터의 빛이 중첩되므로, 발광부(10)가 플루드 조명 패턴의 빛을 객체에 조사함을 알 수 있다. 다만, 플루드 조명 패턴의 빛이 ToF 카메라 장치 등에 이용되기 위해서는 일정한 밝기 균일도가 요구되는바, 이는 각 에미터에서 출력되는 빛이 렌즈 어셈블리(200)의 초점면에서 중첩되는 분포에 따라 결정되는바, 렌즈 어셈블리(200)가 어느 정도 거리(즉, 제1 이동 거리)를 이동을 해야 하는지가 매우 중요하다. 만약, 렌즈 어셈블리(200)의 제1 이동 거리가 너무 크게 되면, 발광부(10)의 FOI(Field Of Illumination)의 외곽 부분에서 빛의 기울기가 완만해지게 된다. 이에 따라, FOI의 외곽 부분에 불필요한 빛이 조사되며, 이는 빛의 손실을 일으키게 된다. 또한, 렌즈 어셈블리(200)의 이동 거리가 크게 될 경우, 이를 위한 엑추에이터 장치 등이 비례하여 커지게 되는바, 소형화가 어렵고 소비 전력이 높아지는 문제가 발생한다. 반대로, 렌즈 어셈블리(200)의 제1 이동 거리가 너무 작게 되면, 렌즈 어셈블리(200)의 초점면에서 빛의 균일도가 떨어지게 되므로, 객체에 조사되는 빛은 스팟 조명 패턴에 가까운 패턴을 띄게 되는 문제점이 발생할 수 있다.
발광부(10)는 이동 거리가 제1 범위 이내에 포함되면, 플루드 조명 패턴의 빛을 객체에 조사할 수 있다. 즉, 렌즈 어셈블리(200)의 이동 거리가 제1 범위 이내이면, 객체에 조사되는 빛을 플루드 조명 패턴으로 이용할 수 있다. 제1 범위는 복수의 에미터의 직경, 복수의 에미터 사이의 거리, 복수의 에미터의 발산각에 기초하여 설정될 수 있다.
일 실시예에 따르면, 제1 범위(DR)는 아래의 수학식 1에 따라 설정될 수 있다.
Figure pct00003
여기서, PE는 복수의 에미터 사이의 거리를 의미하고, DE는 복수의 에미터의 직경을 의미하고, θD는 복수의 에미터의 발산각을 의미할 수 있다.
또 다른 실시예에 따르면, 제1 범위(DR)는 아래의 수학식 2에 따라 설정될 수 있다.
Figure pct00004
여기서, PE는 복수의 에미터 사이의 거리를 의미하고, DE는 복수의 에미터의 직경을 의미하고, θD는 복수의 에미터의 발산각을 의미할 수 있다.
수학식 2에 따른 제1 범위는 수학식 1에 따른 제1 범위를 포함한다.
그러면, 아래에서는 도 6a 내지 도 7을 통해 수학식 1 및 수학식 2의 각 변수에 대해 상세하게 살펴보도록 한다.
도 6a 및 도 6b에 도시된 것처럼, 복수의 에미터는 일정한 규칙에 따라 배열될 수 있다. 도 6a에 도시된 것처럼, 복수의 에미터는 정사각형 형태의 패턴으로 배열되거나, 도 6b에 도시된 것처럼, 복수의 에미터는 정삼각형 형태의 패턴으로 배열될 수도 있다. 이는 예시적인 것으로서, 복수의 에미터는 다양한 형태의 패턴으로 배열될 수 있다.
우선, 복수의 에미터는 서로 일정한 간격(pitch)을 가지고 배열될 수 있다. 본 발명에서 의미하는 복수의 에미터 사이의 거리는 서로 가장 인접한 에미터 사이의 거리를 의미한다. 본 발명에서 의미하는 복수의 에미터 사이의 거리는 어느 하나의 에미터의 중심에서 가장 인접한 에미터의 중심 간 거리를 의미한다.
도 6a를 참조하면, 복수의 에미터 사이의 거리는 제1 에미터(e1)와 제2 에미터(e2) 사이의 거리, 제2 에미터(e2)와 제3 에미터(e3) 사이의 거리, 제3 에미터(e3)와 제4 에미터(e4) 사이의 거리, 제4 에미터(e4)와 제1 에미터(e1) 사이의 거리를 의미한다. 제1 에미터(e1), 제2 에미터(e2), 제3 에미터(e3) 및 제4 에미터(e4)는 정사각형의 패턴에 따라 배치되므로, 제1 에미터(e1)와 제2 에미터(e2) 사이의 거리(PE)는 제2 에미터(e2)와 제3 에미터(e3) 사이의 거리, 제3 에미터(e3)와 제4 에미터(e4) 사이의 거리, 제4 에미터(e4)와 제1 에미터(e1) 사이의 거리와 동일할 수 있다. 반면, 복수의 에미터 사이의 거리는 제1 에미터(e1)와 제3 에미터(e3) 사이의 거리, 제2 에미터(e2)와 제4 에미터(e4) 사이의 거리는 포함되지 않는다. 제1 에미터(e1)에 가장 근접하게 배치된 에미터는 제2 에미터(e2) 및 제4 에미터(e4)고, 제2 에미터(e2)에 가장 근접하게 배치된 에미터는 제1 에미터(e1)와 제3 에미터(e3)기 때문이다.
도 6b를 참조하면, 제1 에미터(e1)와 제2 에미터(e2) 사이의 거리, 제2 에미터(e2)와 제3 에미터(e3) 사이의 거리, 제3 에미터(e3)와 제1 에미터(e1) 사이의 거리를 의미한다. 제1 에미터(e1), 제2 에미터(e2) 및 제3 에미터(e3)는 정삼각형의 패턴에 따라 배치되므로, 제1 에미터(e1)와 제2 에미터(e2) 사이의 거리(PE)는 제2 에미터(e2)와 제3 에미터(e3) 사이의 거리, 제3 에미터(e3)와 제1 에미터(e1) 사이의 거리와 동일할 수 있다.
다음으로, 복수의 에미터는 일정한 직경(DE)을 가질 수 있다. 일 실시예에 따르면, 도 6a 및 도 6b에 도시된 것처럼, 복수의 에미터는 일정한 크기의 직경을 가질 수 있으며, 복수의 에미터 각각의 직경은 서로 동일할 수 있다.
다음으로, 복수의 에미터는 소정의 발산각(Divergence Angle, θD)을 가질 수 있다. 도 7에 도시된 것처럼, 하나의 에미터에서 출력되는 빛은 소정의 각도로 퍼지면서 출력될 수 있다. 이때, 에미터에서 출력된 빛이 퍼지는 각도가 발산각일 수 있다. 일 실시예에 따르면, 복수의 에미터는 서로 동일한 크기의 발산각을 가질 수 있다.
그러면, 실시예를 통해 제1 범위에 대해 살펴보도록 한다.
일 실시예에 따르면, 복수의 에미터 사이의 거리는 32.5 내지 38.5[μm] 범위에 포함되고, 복수의 에미터의 직경은 7.2 내지 8.8[μm] 범위에 포함되고, 복수의 에미터의 발산각은 15 내지 25도 범위에 포함될 수 있다. 일 실시예에 따르면, 복수의 에미터 사이의 거리는 35.5[μm]이고, 복수의 에미터의 직경은 8[μm]이고, 복수의 에미터의 발산각은 20도일 수 있다. 이 경우, 수학식 1에 따르면, 제1 범위는 279.3[μm] 내지 400.1[μm]의 범위일 수 있다. 즉, 렌즈 어셈블리(200)가 광원(100)으로 멀어지거나 가까워지는 방향으로 기준 거리에서 279.3[μm] 내지 400.1[μm] 이동하게 되면, 발광부(10)는 플루드 조명 패턴의 빛을 객체에 조사할 수 있다. 그리고, 수학식 2에 따르면, 제1 범위는 218.9[μm] 내지 400.1[μm]의 범위일 수 있다. 즉, 렌즈 어셈블리(200)가 광원(100)으로 멀어지거나 가까워지는 방향으로 기준 거리에서 218.9[μm] 내지 400.1[μm] 이동하게 되면, 발광부(10)는 플루드 조명 패턴의 빛을 객체에 조사할 수 있다.
다른 일 실시예에 따르면, 복수의 에미터 사이의 거리는 16.3 내지 22.3[μm] 범위에 포함되고, 복수의 에미터의 직경은 3.6 내지 4.4[μm] 범위에 포함되고, 복수의 에미터의 발산각은 13 내지 23도 범위에 포함될 수 있다. 다른 일 실시예에 따르면, 복수의 에미터 사이의 거리는 19.3[μm]이고, 복수의 에미터의 직경은 4[μm]이고, 복수의 에미터의 발산각은 18도일 수 있다. 이 경우, 수학식 1에 따르면, 제1 범위는 169.9[μm] 내지 243[μm]의 범위일 수 있다. 즉, 렌즈 어셈블리(200)가 광원(100)으로 멀어지거나 가까워지는 방향으로 기준 거리에서 169.9[μm] 내지 243[μm] 이동하게 되면, 발광부(10)는 플루드 조명 패턴의 빛을 객체에 조사할 수 있다. 그리고, 수학식 2에 따르면, 제1 범위는 133.4[μm] 내지 243[μm]의 범위일 수 있다. 즉, 렌즈 어셈블리(200)가 광원(100)으로 멀어지거나 가까워지는 방향으로 기준 거리에서 133.4[μm] 내지 243[μm] 이동하게 되면, 발광부(10)는 플루드 조명 패턴의 빛을 객체에 조사할 수 있다.
도 8은 본 발명의 스팟 조명 패턴의 빛이 출력될 경우 발광부의 동작을 설명하기 위한 도면이다.
일 실시예에 따르면, 발광부(10)는 렌즈 어셈블리(200)와 광원(100) 사이의 거리가 기준 거리(즉, 렌즈 어셈블리(200)의 유효 초점 거리)인 경우 스팟 조명 패턴의 빛을 객체에 조사할 수 있다. 구체적으로, 도 8에 도시된 것처럼, 발광부(10)는 광원(100)의 상부면과 렌즈 어셈블리(200)의 주점 사이의 거리가 기준 거리인 경우 스팟 조명 패턴의 빛을 객체에 조사할 수 있다.
또 다른 실시예에 따르면, 발광부(10)는 렌즈 어셈블리(200)의 이동 거리가 제2 범위 이내에 포함되면 스팟 조명 패턴의 빛을 객체에 조사할 수 있다. 이때, 제2 범위는 25[μm] 이내일 수 있다. 제2 범위는 0 내지 25[μm] 범위일 수 있다. 즉, 렌즈 어셈블리(200)가 기준 거리에서 광축 방향을 따라 25[μm]이내로 움직일 경우, 발광부(10)는 스팟 조명 패턴의 빛을 객체에 조사할 수 있다.
도 9a 내지 도 9e는 본 발명의 실시예에 따른 카메라 모듈의 시뮬레이션 결과를 나타낸다.
도 9a는 렌즈 어셈블리(200)와 광원(100) 사이의 거리가 기준 거리에 있거나, 렌즈 어셈블리(200)의 이동 거리가 제2 범위 이내에 포함될 경우 빛의 조명 패턴을 나타낸다. 도 9a에 도시된 것처럼, 이 경우, 발광부(10)는 스팟 조명 패턴의 빛을 객체에 조사함을 알 수 있다.
도 9b는 렌즈 어셈블리(200)의 이동 거리가 제2 범위보다 크고 수학식 2에서 나타내는 제1 범위보다 작은 경우 빛의 조명 패턴을 나타낸다. 도 9b에 도시된 것처럼, 이 경우, 발광부(10)는 스팟의 면적이 큰 조명 패턴의 빛을 객체에 조사함을 알 수 있다. 이러한 조명 패턴은 스팟 조명 패턴과 플루드 조명 패턴의 중간 형태로서, 스팟 조명 패턴이나 플로드 조명 패턴 중 어느 하나로도 이용하기 어려울 수 있다.
도 9c는 렌즈 어셈블리(200)의 이동 거리가 수학식 2에서 나타내는 제1 범위에서 최소값에 해당할 경우 빛의 조명 패턴을 나타낸다. 도 9c에 도시된 것처럼, 이 경우, 발광부(10)는 플루드 조명 패턴의 빛을 객체에 조사함을 알 수 있다. 이때, 플루드 조명 패턴은 광량의 차이로 인하여 다소간의 스팟 패턴이 형성되기는 하지만, 도 9a 및 도 9b와 달리, 공간상에서 빛이 연속하는 조명 패턴의 형태를 띄고 있으므로, 플루드 조명 패턴으로 이용될 수 있다.
도 9d는 렌즈 어셈블리(200)의 이동 거리가 수학식 2에서 나타내는 제1 범위의 최소값에서 수학식 1에서 나타내는 제1 범위의 최소값 사이에 해당할 경우 빛의 조명 패턴을 나타낸다. 도 9d에 도시된 것처럼, 이 경우, 발광부(10)는 플루드 조명 패턴의 빛을 객체에 조사함을 알 수 있다. 이때, 플루드 조명 패턴은 도 9c에 비해 공간상에서 연속하는 빛이 균일하게 조명되고 있어, 카메라 모듈은 도 9c의 조명 패턴에 비해 높은 품질의 깊이 영상을 생성할 수 있다.
도 9e는 렌즈 어셈블리(200)의 이동 거리가 수학식 1에서 나타내는 제1 범위에 해당할 경우 빛의 조명 패턴을 나타낸다. 도 9e에 도시된 것처럼, 이 경우, 발광부(10)는 플루드 조명 패턴의 빛을 객체에 조사함을 알 수 있다. 이때, 플루드 조명 패턴은 도트 패턴의 형태가 보이지 않을 정도로 공간상에서 연속하는 빛이 균일하게 조명되고 있어, 카메라 모듈은 도 9c 및 도 9d의 조명 패턴에 비해 높은 품질의 깊이 영상을 생성할 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 (10)

  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; 그리고
    기준 거리에서 소정의 이동 거리만큼 광축 방향에 따라 상기 렌즈 어셈블리를 이동시켜 상기 광원과 상기 렌즈 어셈블리 사이의 거리를 가변하는 구동 모듈;을 포함하는 카메라 모듈.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 기준 거리는,
    상기 렌즈 어셈블리의 유효 초점 거리인 카메라 모듈.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 발광부는,
    상기 이동 거리가 제1 범위 이내에 포함되면, 상기 플루드 조명 패턴의 빛을 객체에 조사하는 카메라 모듈.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 제1 범위는,
    상기 복수의 에미터의 직경, 상기 복수의 에미터 사이의 거리, 상기 복수의 에미터의 발산각에 기초하여 설정되는 카메라 모듈.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 제1 범위(DR)는,
    아래의 수학식에 따라 설정되는 카메라 모듈:
    Figure pct00005

    여기서, 상기 PE는 상기 복수의 에미터 사이의 거리를 의미하고, 상기 DE는 상기 복수의 에미터의 직경을 의미하고, 상기 θD는 상기 복수의 에미터의 발산각을 의미한다.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 제1 범위(DR)는,
    아래의 수학식에 따라 설정되는 카메라 모듈:
    Figure pct00006

    여기서, 상기 PE는 상기 복수의 에미터 사이의 거리를 의미하고, 상기 DE는 상기 복수의 에미터의 직경을 의미하고, 상기 θD는 상기 복수의 에미터의 발산각을 의미한다.
  7. 제2항에 있어서,
    상기 발광부는,
    상기 이동 거리가 제2 범위 이내에 포함되면, 상기 스팟 조명 패턴의 빛을 객체에 조사하는 카메라 모듈.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 제2 범위는,
    0 내지 25[μm]인 카메라 모듈.
  9. 제5항에 있어서,
    상기 복수의 에미터 사이의 거리는, 32.5 내지 38.5[μm] 범위에 포함되고,
    상기 복수의 에미터의 직경은, 7.2 내지 8.8[μm] 범위에 포함되고,
    상기 복수의 에미터의 발산각은, 15 내지 25도 범위에 포함되는 카메라 모듈.
  10. 제5항에 있어서,
    상기 복수의 에미터 사이의 거리는, 16.3 내지 22.3[μm] 범위에 포함되고,
    상기 복수의 에미터의 직경은, 3.6 내지 4.4[μm] 범위에 포함되고,
    상기 복수의 에미터의 발산각이, 13 내지 23도 범위에 포함되는 카메라 모듈.
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