KR20240065639A - 광학필터에 의해 거리센서 및 이미지센서가 통합 구현된 광원 모듈 - Google Patents

광학필터에 의해 거리센서 및 이미지센서가 통합 구현된 광원 모듈 Download PDF

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Abstract

본 실시예는 반사광을 수신하여 피사체의 거리를 측정하는 광원 모듈에 있어서, 광을 출력하는 광원; 상기 광원에서 출사되는 광이 상기 피사체에 반사되어 전달되는 광을 기초로 거리를 측정하는 거리센서; 상기 광원에서 출사되는 광이 상기 피사체에 반사되어 전달되는 광을 기초로 거리를 측정하는 이미지센서; 및 반사광을 상기 거리센서 및 상기 이미지센서로 전달하는 빔스플리터를 포함하는, 광원 모듈을 제공할 수 있다.

Description

광학필터에 의해 거리센서 및 이미지센서가 통합 구현된 광원 모듈 {Light Source Module Integrated with Depth Sensor and Image Sensor by Optical Filter.}
본 실시예는 광학필터에 의해 거리센서 및 이미지센서가 통합 구현된 광원 모듈에 관한 것으로서, 보다 구체적으로 하나의 광학필터를 이용하여 거리센서로 적외선 파장 영역대의 반사광을 전달하고, 이미지센서로 가시광선 파장 영역대의 반사광을 전달하여 광원 모듈의 패키징 사이즈를 소형화할 수 있는 광원 모듈에 관한 것이다.
3차원 정보를 파악하기 위한 방법으로 스테레오 비전(Stereo Vision) 방식, 구조광(Structured Light) 방식, 비행시간(Time of Flight) 방식이 대표적으로 활용되고 있다.
스테레오 비전(Stereo Vision) 방식은, 하나의 사물에 대해 서로 다른 장소에서 촬영한 두 이미지를 활용하여 3차원 정보를 계산하는 방식이다. 삼각측량 방식이라고도 하며, 2차원 이미지를 사용하여 3차원 깊이 정보를 파악한다는 특징이 있다.
구조광(Structured Light) 방식은, 구조화된 광 패턴을 물체에 투영시킨 후 물체의 표면에서 패턴의 굴곡을 인식하여 3차원 정보를 계산하는 방식이다. 스테레오 비전 방식과 달리, 물체에 빔을 주사하기 위하여 프로젝터를 사용한다는 특징이 있다.
비행시간(TOF, Time of Flight) 방식은, 일정한 펄스를 가진 레이저를 반복적으로 발생시키고 물체에 반사되어 되돌아오는 펄스의 도착 시간을 계산하여 거리를 측정하는 방식이다. 구조광 방식과 마찬가지로 물체에 빔을 주사하기 위한 프로젝터가 요구된다. 송신부에서 송출된 펄스가 물체에서 반사되어 수신부까지 돌아오는 시간을 직접 계산하는 직접측정 방식과 수신된 펄스의 위상 차이를 계산하는 간접측정 방식이 있으나, 간접측정 방식이 널리 활용되고 있다.
앞서 언급한 3차원 정보를 파악하기 위한 방법들 중 구조광(Structured Light) 방식과 비행시간(Time of Flight) 방식은 스테레오 비전(Stereo Vision) 방식과 달리 송신부에서 나온 빔을 물체에 주사하는 과정이 추가적으로 수행되므로 광원이 구성에 포함된다. 또한 광원에서 나온 광을 물체에 적절하게 도달시키기 위해서는 일정한 각도로 빔을 방사시켜야 하는데, 광 다양한 확산장치가 제시되고 있다. 구체적으로, 광 확산장치로서 디퓨저(Diffuser) 또는 프리즘(Prism) 등이 널리 사용되고 있으나, 이를 포함하여 다양한 광 확산장치를 활용하여 빔의 각도를 적절하게 조절할 수 있다.
그런데, 종래의 광원 모듈은 하나의 광학필터를 사용하여 투과되는 파장의 범위가 제한되고, 이에 따라 광학센서에서 센싱할 수 있는 파장의 범위가 제한되었다.
또한, 종래의 광원 모듈은 동일 평면에 거리센서 및 이미지센서를 각각 배치시킴에 따라 베이스 라인 시야각에 차이가 있고, 정확한 거리 측정 및 이미지 측정이 어려운 문제가 있다.
특히, 동일 평면에 거리센서 및 이미지센서를 나열하여 배치하게 되면서 광원 모듈의 소형화가 어렵게 된다.
이러한 배경에서, 본 실시예의 목적은, 일 측면에서, 전술한 문제점을 해결할 수 있고 서로 다른 평면에 거리센서 및 이미지센서를 배치함에 따라 공간 집적화 및 제품 소형화가 가능하고, 베이스라인의 시야각 차이에 기초한 거리 및 이미지 데이터 오류를 효과적으로 저감할 수 있는 광원 모듈 및 이의 동작 방법을 제공하는 것이다.
전술한 목적을 달성하기 위하여, 일 실시예는, 반사광을 수신하여 피사체의 거리를 측정하는 광원 모듈에 있어서, 광을 출력하는 광원; 상기 광원에서 출사되는 광이 상기 피사체에 반사되어 전달되는 광을 기초로 거리를 측정하는 거리센서; 상기 광원에서 출사되는 광이 상기 피사체에 반사되어 전달되는 광을 기초로 거리를 측정하는 이미지센서; 및 반사광을 상기 거리센서 및 상기 이미지센서로 전달하는 빔스플리터를 포함하는, 광원 모듈을 제공할 수 있다.
광원 모듈에서 상기 빔스플리터를 통과한 반사광은 상기 거리센서의 유효센싱영역 및 상기 이미지센서의 유효센싱영역에 도달할 수 있다.
광원 모듈에서 상기 빔스플리터와 상기 거리센서와의 거리는 상기 빔스플리터와 상기 이미지센서와의 거리와는 다를 수 있다.
광원 모듈에서 상기 거리센서 및 상기 이미지센서는 상기 반사광을 서로 다른 평면에서 수신하도록 배치된 서로 다른 평면에 배치될 수 있다.
광원 모듈에서 상기 광원은 상기 거리센서의 하면에 배치될 수 있다.
광원 모듈에서 상기 광원에서 전달되는 광이 상기 광학센서의 하면을 통과하여 생기는 피사체에 투영된 특정 패턴의 변화를 이용하여 거리 깊이 연산을 수행하는 제어장치를 더 포함할 수 있다.
광원 모듈에서 상기 빔스플리터의 제1 면은 제1 파장 영역대를 투과하도록 패터닝되고, 제2 면은 제2 파장 영역대를 투과하도록 패터닝될 수 있다.
광원 모듈에서 상기 빔스플리터의 제1 면을 투과한 광은 가시광선 파장 영역대를 반사시키고, 적외선 파장 영역대를 투과시킬 수 있다.
광원 모듈에서 상기 빔스플리터의 상기 제2 면을 통과하는 광은 상기 광원에서 출력된 출사광일 수 있다.
광원 모듈에서 서로 다른 파장 영역대를 투과시키는 복수의 영역으로 구분되는 광학필터를 더 포함할 수 있다.
광원 모듈에서 상기 광학필터는 액추에이터에 의해 공간상에서 움직여 상기 거리센서 또는 상기 이미지센서로 전달되는 반사광의 파장 영역대를 시간에 따라 변경할 수 있다.
광원 모듈에서 상기 거리센서 및 상기 이미지센서로 전달되는 반사광은 마이크로렌즈어레이를 통과하고, 상기 마이크로렌즈어레이는, 상기 광원에서 전달하는 출사광을 디포커싱 또는 포커싱 시키는 위치에 배치되어 광원(VCSEL)과의 거리에 따라 근거리의 면광원, 원거리의 점광원으로 선택가능하고, 및 이와 동시에 상기 광학센서로 전달되는 반사광을 유효센싱영역에 집광하는 포커싱 거리를 만족시키는 위치에 배치될 수 있다.
광원 모듈에서 제1 시구간에 상기 광원은 4개의 서로 다른 위상을 가지는 광을 출력하고, 제2 시구간에 상기 광원은 출력이 중단되고, 상기 광학센서는 반사광을 센싱하도록 제어하는 제어장치를 더 포함할 수 있다.
광원 모듈에서 제1 시구간에 상기 광원은 하나의 펄스를 가지는 광을 출력하고, 제2 시구간에 상기 광원은 출력이 중단되고, 상기 광학센서는 반사광을 센싱하도록 제어하는 제어장치를 더 포함할 수 있다.
전술한 목적을 달성하기 위하여, 다른 실시예는, 반사광을 수신하여 피사체의 거리를 측정하는 광원 모듈에 있어서, 광을 출력하는 광원; 상기 광원에서 출사되는 광이 상기 피사체에 반사되어 전달되는 광을 기초로 거리를 측정하는 거리센서; 상기 광원에서 출사되는 광이 상기 피사체에 반사되어 전달되는 광을 기초로 거리를 측정하는 이미지센서; 및 반사광을 상기 거리센서 및 상기 이미지센서로 전달하는 광학필터를 포함하고, 상기 광학장치는 상기 거리센서로 전달되는 광의 파장 또는 상기 이미지센서로 전달하는 광의 파장 영역대를 결정하는, 광원 모듈을 제공할 수 있다.
광원 모듈에서 상기 광학필터로 전달되는 반사광은 공통된 광경로를 가지고, 상기 광학필터를 통과하여 적외선 파장 영역대의 광은 상기 거리센서로 전달되고, 가시광선 파장 영역대의 광은 상기 이미지센서로 전달될 수 있다.
이상에서 설명한 바와 같이 본 실시예에 의하면, 광원 모듈에 의한 이미지 측정의 정확도 및 거리 측정의 정확도를 개선할 수 있다.
본 실시예에 의하면, 동일 평면상에 나열된 거리센서 및 이미지센서의 베이스라인 시야각 차이에 의한 픽셀 불일치의 문제를 효과적으로 해결할 수 있다.
본 실시예에 의하면, 서로 다른 평면상에 거리센서 및 이미지센서를 배치할 수 있고, 광원을 거리센서의 하면에 배치함으로써 광원 모듈의 패키징 집적화 및 제품 소형화 목적을 효과적으로 달성할 수 있다.
도 1은 종래의 광원 모듈의 구조를 나타낸 도면이다.
도 2는 본 실시예에 따른 광원 모듈의 제1 예시 도면이다.
도 3은 도 2의 광원 모듈의 상면도이다.
도 4는 거리센서 및 이미지센서가 동일한 평면에 배치되어 발생하는 베이스라인 시야각 차이 현상을 설명하는 도면이다.
도 5는 빔 스플리터를 포함하는 광원 모듈의 광 경로를 예시한 도면이다.
도 6은 거리센서 및 이미지센서의 유효센싱영역에 대응되도록 거리센서 및 이미지센서를 배치한 광원 모듈의 구조를 나타낸 제1 예시 도면이다.
도 7은 거리센서 및 이미지센서의 유효센싱영역에 대응되도록 거리센서 및 이미지센서를 배치한 광원 모듈의 구조를 나타낸 제2 예시 도면이다.
도 8은 빔스플리터의 표면의 물리적 특징을 설명하는 도면이다.
도 9는 빔스플리터를 통과하는 광 경로를 설명하는 도면이다.
도 10은 본 실시예에 따른 광원 모듈의 광원 및 광학센서 구동 타이밍을 설명하는 제1 예시 도면이다.
도 11은 본 실시예에 따른 광원 모듈의 광원 및 광학센서 구동 타이밍을 설명하는 제2 예시 도면이다.
도 12는 본 실시예에 따른 광원 모듈의 광원 및 광학센서 구동 타이밍을 설명하는 제3 예시 도면이다.
이하, 본 발명의 일부 실시예들을 예시적인 도면을 통해 상세하게 설명한다. 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의하여야 한다. 또한 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 그 상세한 설명을 생략한다.
또한, 본 발명의 구성요소를 설명하는데 있어서, 제1, 제2, a, b 등의 용어를 사용할 수 있다. 이러한 용어는 그 구성요소를 다른 구성요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성요소의 본질이나 차례 또는 순서 등이 한정되지 않는다. 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결", "결합" 또는 "접속"된다고 기재된 경우, 그 구성요소는 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되거나 또는 접속될 수 있지만, 각 구성요소 사이에 또 다른 구성요소가 "연결", "결합" 또는 "접속"될 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.
본 발명의 구성요소 중 "광" 또는 "빔"은 발명의 본질을 해하지 않는 범위 내에서 동일한 의미로 해석될 수 있다.
또한 본 발명의 구성요소 중 "광원", "광원부" 또는 "레이저부"는 발명의 본질을 해하지 않는 범위 내에서 동일한 의미로 해석될 수 있다.
또한 본 발명의 구성요소 중 "광 확산장치" 또는 "확산부"는 발명의 본질을 해하지 않는 범위 내에서 동일한 의미로 해석될 수 있다.
도 1은 종래의 광원 모듈의 구조를 나타낸 도면이다.
도 1을 참조하면, 종래의 광원 모듈은 기판(10), 광원(20), 광학센서(30) 등을 포함할 수 있다.
기판(10)에는 광원(20), 광학센서(30), 프레임(40) 등이 배치될 수 있다.
광원(20)은 피사체로 광을 전달하는 장치로서, 빅셀(VCSEL: Vertical Cavity Surface Emitting Laser) 등일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
광학센서(20)는 CMOS 등의 2차원 이미지를 센싱하기 위한 센서일 수 있고, 포토다이오드 등의 3차원 거리를 센싱하기 위한 센서일 수 있다.
프레임(40)은 렌즈(50-1, 50-2) 등을 결합하여 광원 모듈의 형상을 정의할 수 있다.
종래의 광원 모듈에서 광원(20)에서 출사된 광은 렌즈(50-1)을 통과하여 물체로 광을 전달하고, 광학센서(30)는 렌즈(50-2)를 통해 반사광을 수신하여 2차원 이미지 정보 및 3차원 거리 정보를 획득할 수 있다.
광학센서(30)로 전달되는 반사광에서 특정 광 파장 영역대를 필터링하기 위하여 광학필터(미도시)를 더 포함할 수 있다.
도 2는 본 실시예에 따른 광원 모듈의 제1 예시 도면이다.
도 3은 도 2의 광원 모듈의 상면도이다.
도 2 및 도 3을 참조하면, 광원 모듈(100)은 기판(110), 광원(120), 거리센서(130), 이미지센서(140) 등을 포함할 수 있다.
기판(110)의 표면 상에는 광원(120), 거리센서(130), 이미지센서(140)이 배치될 수 있다. 프레임(150)은 광원(120), 거리센서(130), 이미지센서(140)로 전달되는 광을 필터링하는 광학필터(160)을 결합 및 지지할 수 있다. 프레임(150)는 아우터 배럴로 정의될 수 있고, 광원 모듈(100)의 각 구성요소를 결합할 수 있다.
광학필터(160)는 대면적을 가지고, 광원(120)에서 전달되는 광 또는, 거리센서(130), 이미지센서(140)로 통과되는 광을 투과시킬 수 있다. 광학필터(160)는 커버필터일 수 있으나 이에 제한되지 않는다.
광원(120)에서 전달되는 광은 제1 광학장치(161)을 통과하여 피사체로 전달될 수 있고, 거리센서(130)로 전달되는 광은 제2 광학장치(162)를 통해 거리센서(130)로 전달될 수 있따. 이미지센서(140)로 전달되는 광은 제3 광학장치(164)를 통해 이미지센서(140)로 전달될 수 있다.
제2 광학장치(162)는 적외선 파장 영역대의 광을 투과시키고 나머지 파장 영역대의 광을 차단 또는 반사시킬 수 있고, 제3 광학장치(163)는 가시광선 파장 영역대의 광을 투과시키고 나머지 파장 영역대의 광을 차단 또는 반사시킬 수 있다.
광원모듈(100)이 도 2 및 도 3과 같은 구조를 가지는 경우에는 광원(120)에서 전달되는 광이 거리센서(130), 이미지센서(140)로 누설되거나, 실제 거리측정 또는 이미지측정에 필요한 파장 영역대의 광 이외의 광이 전달될 수 있으므로 광차단구조체(170)를 더 포함할 수 있다. 광차단구조체(170)에 의해 크로스톡 등의 노이즈 현상을 개선할 수 있다.
필요에 따라, 광학필터(160), 제1 광학장치(161), 제2 광학장치(162), 제3 광학장치(164)의 전부 또는 일부를 광학필터로 정의할 수 있다.
도 4는 거리센서 및 이미지센서가 동일한 평면에 배치되어 발생하는 베이스라인 시야각 차이 현상을 설명하는 도면이다.
도 4를 참조하면, 기판(210)에 배치된 거리센서(230) 및 이미지센서(240)는 위치에 따라 반사광의 경로가 달라질 수 있다.
거리센서(230)는 광을 센싱하여 3차원 거리 측정을 수행하는 센서일 수 있고, 이미지센서(240)는 광을 센싱하여 2차원 이미지 측정을 수행하는 센서일 수 있다.
기판(210)의 동일 평면상에 배치된 거리센서(230) 및 이미지센서(240)는 광경로의 차이에 기초하여 베이스라인 시야각이 달라지게 되고, 이에 따라 거리 측정을 위한 픽셀 및 이미지 측정을 위한 픽셀 정보에서 편차가 발생하게 된다.
이러한 기술적 문제점은 거리 측정 및 이미지 측정의 정확도를 감소시키는 요인이 된다.
도 5는 빔 스플리터를 포함하는 광원 모듈의 광 경로를 예시한 도면이다.
도 5를 참조하면, 광원 모듈(300)은 전술한 문제를 해결하기 위하여 빔스플리터(350)를 채택할 수 있다. 도 5와 같은 구조를 통해 광경로를 수직화 및 배럴를 소형화할 수 있다.
광원 모듈(300)에서 반사광을 수신하는 경로에 빔스플리터(350)를 배치함으로써 동일한 광경로를 가지는 반사광을 분리하여 일부 광을 거리센서(330)로 전달하고, 나머지 일부 광을 이미지센서(340)로 전달할 수 있다.
이러한 방법으로 광원 모듈의 패키징을 집적화할 수 있고, 제품을 소형화할 수 있다.
하지만, 빔스플리터(350)과 거리센서(330) 및 이미지센서(340)를 대칭이 되는 위치 또는빔스플리터(350)와 거리센서(330) 및 이미지센서(340)를 동일한 거리를 가지는 위치에 배치한 경우 거리센서(330) 및 이미지센서(340)에서 필요한 해상도 차이에 기인한 유효센싱영역 차이로 인해 데이터 측정의 오차 및 데이터 부정합의 문제가 발생하게 된다.
특히, 빔스플리터(350)과 거리센서(330) 및 이미지센서(340) 사이의 거리가 고정된 상태로 유지되면, 거리센서(330) 및 이미지센서(340) 유효초점거리(EPS)의 차이 및 센서의 광학 포맷 차이에 기초하여 데이터 후처리를 통한 노이즈 제거 동작을 추가로 수행해야 하는 문제가 발생하게 된다.
도 6은 거리센서 및 이미지센서의 유효센싱영역에 대응되도록 거리센서 및 이미지센서를 배치한 광원 모듈의 구조를 나타낸 제1 예시 도면이다.
도 6을 참조하면, 광원 모듈(400)은 도 5와 같은 거리센서(630-1) 및 이미지센서(630-2) 유효초점거리(EPS)의 차이 및 센서의 광학 포맷 차이를 해결하기 위해 비대칭 구조를 채택할 수 있다.
광원 모듈(400)에서 광학필터-예를 들어, 빔스플리터(450)-로 전달되는 반사광은 공통된 광경로를 가지고, 광학필터를 통과하여 적외선 파장 영역대의 광은 상기 거리센서로 전달되고, 가시광선 파장 영역대의 광은 상기 이미지센서로 전달될 수 있다.
도 6을 참조하면, 광원 모듈(400)은 광원(420) 및 광학센서(430-1, 630-2), 빔스플리터(450), 광학필터(460) 등를 포함할 수 있다.
광원(420)은 전술한 방법으로 거리센서(630-1) 또는 이미지센서(630-2)의 하면에 배치될 수 있다. 광원 모듈(400)은 광원에서 전달되는 광이 거리센서(630-1) 또는 이미지센서(630-2)의 하면을 통과하면서 균질한 면광원을 취득하여 피사체에 반사된 입사광을 센서에서 분석하여 거리 깊이 연산을 수행하는 제어장치를 더 포함할 수 있다.
광원 모듈(400)이 3차원 거리를 측정하거나, 2차원 이미지를 측정하기 위해서는 거리센서(430-1) 및 이미지센서(430-2)를 모두 구비하여야 한다.
하나의 기판에 거리센서(430-1) 및 이미지센서(430-2)를 모두 구비하는 경우에는 패키징을 위한 공간이 증가하게 된다.
이러한 문제점을 해결하기 위해서는 빔스플리터(450)를 배치함으로써 반사광(401)을 수신하고, 이를 스플리팅하여 거리센서(430-1) 및 이미지센서(430-2) 각각에 전달하고 거리 정보를 획득하고, 이미지 정보를 획득할 수 있다.
그러나, 거리센서(430-1) 및 이미지센서(430-2)의 화소 특성이 상이하고, 유효센싱영역의 차이로 인하여 동일한 거리에 각 센서를 배치하는 경우 데이터의 부정합이 발생하게 된다. 이러한 문제점을 해결하기 위하여 광원 모듈(400)의 공간을 비대칭으로 형성하여, 빔스플리터(450)와 거리센서(430-1)의 거리 및 빔스플리터(450)와 이미지센서(430-2)의 거리를 서로 다르게 설정할 수 있다.
빔스플리터(450)는 다른 평면에 존재하는 복수개의 센서에서 입사되는 파장의 굴절 및 투과율을 조정하기 위해 비대칭 구조를 가질 수 있다. 또는, 서로 다른 물성치를 가지는 빔스플리터가 추가되어 비대칭 구조를 가짐으로써 거리센서(630-1) 및 이미지센서(630-2)로 전달되는 광학 특성을 최적화할 수 있다.
빔스플리터(451)의 제1 영역(451)은 제1 파장에 대한 반사 및 투과를 하기 위한 광학 코팅이 수행될 수 있고, 제2 영역(452)는 제2 파장에 대한 반사 및 투과를 하기 위한 광학 코팅이 수행될 수 있다.
광학센서(430-1, 430-2)는 반사광을 빔스플리터(450)에 의해 분리하여 유효센싱영역을 통해 수신함으로써, 거리센서(430-1) 및 이미지센서(430-2)의 화소 특성에 대응하는 신호를 획득할 수 있다.
빔스플리터(450)와 거리센서(430-1)의 거리 및 빔스플리터(450)와 이미지센서(630-2)의 거리는 서로 다르고, 거리센서(430-1) 및 이미지센서(430-2)는 반사광을 서로 다른 평면에서 수신할 수 있다.
도 7은 거리센서 및 이미지센서의 유효센싱영역에 대응되도록 거리센서 및 이미지센서를 배치한 광원 모듈의 구조를 나타낸 제2 예시 도면이다.
도 8은 빔스플리터의 표면의 물리적 특징을 설명하는 도면이다.
도 7 및 도 8을 참조하면, 빔스플리터(450)는 표면 반사를 하기 때문에 복수개의 영역에 광학 특성에 맞게 기능성 코팅 설계를 하여 필요한 파장영역을 반사시킬 수 있다.
빔스플리터(450)는 제1 영역(451) 및 제2 영역(452)으로 구분될 수 있고, 각 영역에는 레이어 광학 코팅이 수행될 수 있다.
빔스플리터(450)의 제1 면(453)은 제1 파장 영역대를 투과하도록 레이어 광학 코팅되고, 빔스플리터(450)의 제2 면(454)은 제2 파장 영역대를 투과하도록 레이어 광학 코팅될 수 있다. 예를 들어, 빔스플리터(450)의 제1 면을 투과한 광은 가시광선 파장 영역대를 반사시키고, 적외선 파장 영역대를 투과시키는 것과 같이 특정 영역대의 광을 투과 및 비투과시킬 수 있다.
예를 들어, 빔스플리터(450)의 제1 면(453)으로서 반사광의 수신 영역에서는 파장별 투과 반사를 위한 광학설계로서, RGB(450nm~650nm) 반사, IR(940nm) 투과를 수행할 수 있다.
예를 들어, 빔스플리터(450)의 제2 면(454)을 통과하는 광은 상기 광원에서 출력된 출사광일 수 있다.
또한, 빔스플리터(450)의 제2 면(454)으로서 출사광의 통과 영역에서는 파장별 투과 반사를 위한 광학 설계로서, IR(940nm) 단일 광원 반사를 수행할 수 있다.
광원(420)의 위치는 도 6과 같이 거리센서(430-1)의 배면에 위치할 수 있고, 도 7과 같이, 이미지센서(430-2) 와 대칭되게 배치하여 빔스플리터(450)의 제2 면에 코팅된 파장별 광학설계(반사 및 투과)를 하여 송신부(Tx) 광원(420)을 동일한 렌즈를 사용하여 특정한 빔을 투과 할 수 있다.
또한, 제2 면에 마이크로렌즈어레이(MLA) 레이어를 추가하여 면광원 및 점광원을 기능 목적에 맞게 활용할 수 있다.
광원 모듈(400)에서 거리센서(430-1) 및 이미지센서(430-2)로 전달되는 반사광은 마이크로렌즈어레이를 통과할 수 있다.
도 6과 같이 광원 모듈(400)이 광원(420) 및 거리센서(430-1)의 광축이 정렬된 경우에는 마이크로렌즈어레이(미도시)는, 광원에서 전달하는 출사광을 디포커싱 또는 포커싱 시키는 위치에 배치되어 광원(VCSEL)과의 거리에 따라 근거리의 면광원, 원거리의 점광원으로 선택가능하고, 및 이와 동시에 상기 광학센서로 전달되는 반사광을 유효센싱영역에 집광하는 포커싱 거리를 만족시키는 위치에 배치될 수 있다.
광원 모듈(400)은 광학필터(460)의 공간상 움직임을 발생시킴으로써 통합 패키징 구조를 더욱 효과적으로 구현할 수 있다.
광원 모듈(400)은 코일 및 전자석의 상호작용에 의해 광학필터(460)의 공간상 움직임을 발생시키는 액추에이터(미도시)를 포함할 수 있고, 광학필터(460)는 서로 다른 파장 영역대를 투과시키는 복수의 영역으로 구분되고, 각 영역에 의해 투과되는 광 파장의 영역을 시간별로 다르게 통과시킬 수 있다.
예를 들어, 광원 모듈(400)은 광학센서(430-1, 430-2)의 센싱모드 또는 센싱위치에 따라 광학필터(460)의 공간상 움직임을 발생시켜 반사광이 상기 광학필터의 서로 다른 영역을 통과하도록 액추에이터를 제어하는 제어장치를 더 포함할 수 있다.
필요에 따라, 광학필터(460)는 광원(420)의 광 출력 타이밍에는 광경로에서 벗어난 위치로 이동하고, 광학센서(430-1, 430-2)에는 광경로로 돌아올 수 있다.
광원 모듈(400)은 제1 시구간에 광원(420)은 4개의 서로 다른 위상을 가지는 광을 출력하고, 제2 시구간에 광원(420)은 출력이 중단되고, 광학센서(430-1, 430-2)는 반사광을 센싱하도록 제어하는 제어장치를 더 포함할 수 있다.
또한, 광원 모듈(400)은 제1 시구간에 광원은 하나의 펄스를 가지는 광을 출력하고, 제2 시구간에 광원(420)은 출력이 중단되고, 광학센서(430-1, 430-2)는 반사광을 센싱하도록 제어하는 제어장치를 더 포함할 수 있다.
이러한 광원 모듈(400)의 시분할 구동에 기초하여 광원 및 광학센서의 통합 패키징 구조를 가지는 광원 모듈(400)의 전력 손실량을 줄이고, 시구간별로 광 출력 및 광 센싱의 타이밍을 구분하여 노이즈를 효과적으로 개선할 수 있다.
도 9는 빔스플리터를 통과하는 광 경로를 설명하는 도면이다.
도 9를 참조하면, 빔스플리터(550)는 이미지센서(Rx RGB)로 광을 전달하는 제1 영역(551), 거리센서(Rx Depth)로 광을 전달하는 제2 영역(552)을 포함할 수 있다.
또한, 빔스플리터(550)는 광원(Tx)에서 전달하는 광을 전달하기 위한 제3 영역(553)을 더 포함할 수 있다. 이러한 경우에는 제1 내지 제3 영역(551, 552, 553)를 통과하는 광의 방향을 정의하도록 광 경로를 렌즈의 중심에 일치시킬 수 있다. 이러한 방법으로 전술한 도 6 및 도 7과 같은 거리센서, 이미지센서, 광원을 통합하여 광 출사 및 광 센싱을 수행할 수 있다.
도 10은 본 실시예에 따른 광원 모듈의 광원 및 광학센서 구동 타이밍을 설명하는 제1 예시 도면이다.
도 11은 본 실시예에 따른 광원 모듈의 광원 및 광학센서 구동 타이밍을 설명하는 제2 예시 도면이다.
도 12는 본 실시예에 따른 광원 모듈의 광원 및 광학센서 구동 타이밍을 설명하는 제3 예시 도면이다.
도 10을 참조하면, 광원 모듈의 광원 및 광학센서의 구동 타이밍은 서로 교번하여 반복할 수 있다.
예를 들어, 제1 시구간(T1)에서는 광원에서 광을 출력하고, 제2 시구간(T2)에서는 광학센서가 광을 센싱하고, 제3 시구간(T3)에서는 광원에서 광을 출력하고, 제4 시구간(T4)에서는 광학센서가 광을 센싱할 수 있다.
도 11을 참조하면, 광원 모듈의 광원 및 광학센서의 구동 타이밍은 서로 교번하여 반복할 수 있다.
광원 모듈은 간접(In-direct) TOF 측정 방법으로서 제1 시구간에 상기 광원은 4개의 서로 다른 상을 가지는 광(P1, P2, P3, P4)을 순차적으로 출력할 수 있다.
제2 시구간에 제2 시구간에 광원은 출력이 중단되고, 광학센서는 반사광을 센싱할 수 있다.
광원으로부터 출발하는 위상(Reference)과 대상체에 맞고 되돌아오는 위상(Reflected light) 에는 “위상 지연(Phase shift, φ)”이 발생하고 이때의 위상 지연을 비교하여 깊이 거리를 측정할 수 있다.
제1 시구간의 광원 동작 및 제2 시구간의 광학센서 동작의 시구간을 분리함에 따라 광 출력 및 광 센싱의 동시 동작에 따른 노이즈를 방지할 수 있고, 아이 세이프티의 기준을 만족시키기 위해 광원의 출력 동작의 듀티 비율을 효과적으로 제어할 수 있다.
도 12를 참조하면, 광원 모듈의 광원은 하나의 펄스를 가지는 광을 출력할 수 있다.
또한, 광원 모듈은 직접(Direct) TOF 측정 방법으로서 광원 모듈에서 제1 시구간에 상기 광원은 하나의 펄스를 가지는 광을 출력하고, 제2 시구간에 상기 광원은 출력이 중단되고, 상기 광학센서는 반사광을 센싱하도록 제어하는 제어장치를 더 포함할 수 있다.
제어장치는 개별 펄스들을 전송하고 반사되어서 되돌아오는 시간으로써 표적까지의 거리를 계산할 수 있다.
광원 모듈의 광원 및 광학센서의 구동 제어는 제어장치에 의해 수행될 수 있다. 제어장치는 프로세서, 컴퓨팅 장치 등의 연산을 수행하고 각 구성의 동작을 제어할 수 있는 장치이다.

Claims (16)

  1. 반사광을 수신하여 피사체의 거리를 측정하는 광원 모듈에 있어서,
    광을 출력하는 광원;
    상기 광원에서 출사되는 광이 상기 피사체에 반사되어 전달되는 광을 기초로 거리를 측정하는 거리센서;
    상기 광원에서 출사되는 광이 상기 피사체에 반사되어 전달되는 광을 기초로 거리를 측정하는 이미지센서; 및
    반사광을 상기 거리센서 및 상기 이미지센서로 전달하는 빔스플리터를 포함하는, 광원 모듈.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 빔스플리터를 통과한 반사광은 상기 거리센서의 유효센싱영역 및 상기 이미지센서의 유효센싱영역에 도달하는, 광원 모듈.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 빔스플리터와 상기 거리센서와의 거리는 상기 빔스플리터와 상기 이미지센서와의 거리와는 다른, 광원 모듈.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 거리센서 및 상기 이미지센서는 상기 빔스플리터를 통과한 광을 서로 다른 평면에서 수신하도록 배치된 서로 다른 평면에 배치된, 광원 모듈.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 광원은 상기 거리센서의 하면에 배치된, 광원 모듈.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 광원에서 전달되는 광이 상기 광학센서의 하면을 통과하면서 균질한 면광원을 취득하여 피사체에서 반사된 입사광을 분석하여 거리 깊이 연산을 수행하는 제어장치를 더 포함하는, 광원 모듈.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 빔스플리터의 제1 면은 제1 파장 영역대를 투과하도록 레이어 광학 코팅되고, 제2 면은 제2 파장 영역대를 투과하도록 레이어 광학 코팅되는, 광원 모듈.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 빔스플리터의 제1 면을 투과한 광은 가시광선 파장 영역대를 반사시키고, 적외선 파장 영역대를 투과시키는, 광원 모듈.
  9. 제 7 항에 있어서,
    상기 빔스플리터의 상기 제2 면을 통과하는 광은 상기 광원에서 출력된 출사광인, 광원 모듈.
  10. 제 1 항에 있어서,
    서로 다른 파장 영역대를 투과시키는 복수의 영역으로 구분되는 광학필터를 더 포함하는, 광원 모듈.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 광학필터는 액추에이터에 의해 공간상에서 움직여 상기 거리센서 또는 상기 이미지센서로 전달되는 반사광의 파장 영역대를 시간에 따라 변경하는, 광원 모듈.
  12. 제 1 항에 있어서,
    상기 거리센서 및 상기 이미지센서로 전달되는 반사광은 마이크로렌즈어레이를 통과하고,
    상기 마이크로렌즈어레이는,
    상기 광원에서 전달하는 출사광을 디포커싱 또는 포커싱 시키는 위치에 배치되어 광원(VCSEL)과의 거리에 따라 근거리의 면광원, 원거리의 점광원으로 선택가능하고, 및 이와 동시에 상기 광학센서로 전달되는 반사광을 유효센싱영역에 집광하는 포커싱 거리를 만족시키는 위치에 배치되는, 광원 모듈.
  13. 제 1 항에 있어서,
    제1 시구간에 상기 광원은 4개의 서로 다른 위상을 가지는 광을 출력하고,
    제2 시구간에 상기 광원은 출력이 중단되고, 상기 광학센서는 반사광을 센싱하도록 제어하는 제어장치를 더 포함하는, 광원 모듈.
  14. 제 1 항에 있어서,
    제1 시구간에 상기 광원은 하나의 펄스를 가지는 광을 출력하고, 제2 시구간에 상기 광원은 출력이 중단되고, 상기 광학센서는 반사광을 센싱하도록 제어하는 제어장치를 더 포함하는, 광원 모듈.
  15. 반사광을 수신하여 피사체의 거리를 측정하는 광원 모듈에 있어서,
    광을 출력하는 광원;
    상기 광원에서 출사되는 광이 상기 피사체에 반사되어 전달되는 광을 기초로 거리를 측정하는 거리센서;
    상기 광원에서 출사되는 광이 상기 피사체에 반사되어 전달되는 광을 기초로 거리를 측정하는 이미지센서; 및
    반사광을 상기 거리센서 및 상기 이미지센서로 전달하는 광학필터를 포함하고, 상기 광학장치는 상기 거리센서로 전달되는 광의 파장 또는 상기 이미지센서로 전달하는 광의 파장 영역대를 결정하는, 광원 모듈.
  16. 제 15 항에 있어서,
    상기 광학필터로 전달되는 반사광은 공통된 광경로를 가지고, 상기 광학필터를 통과하여 적외선 파장 영역대의 광은 상기 거리센서로 전달되고, 가시광선 파장 영역대의 광은 상기 이미지센서로 전달되는, 광원 모듈.
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