WO2020122628A1 - 카메라 장치 - Google Patents

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light emitting
light source
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주양현
김철
박주언
장성하
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엘지이노텍 주식회사
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Abstract

본 실시예에 따른 카메라 장치는 제1 제어 신호에 따라 광의 광경로를 변경하고, 제1 광경로 또는 제2 광경로에 따라 상기 광을 출력하는 발광부, 피사체로부터 반사된 상기 광을 수신하여 전기 신호를 생성하는 수광부, 상기 광의 광경로가 상기 제1 광경로 또는 상기 제2 광경로로 변경되도록 제어하는 상기 제1 제어 신호를 생성하는 제어부를 포함하고, 상기 발광부는, 상기 제1 광경로에 따라 상기 광을 제1 패턴으로 출력하거나, 상기 제2 광경로에 따라 상기 광을 제2 패턴으로 출력한다.

Description

카메라 장치
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.
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.
다만, 적외선 이미지를 생성하기 위한 광원의 패턴과 구조광을 출력하는 프로젝터의 광원 패턴이 서로 상이한바 서로 다른 광원 모듈을 탑재해야 하므로 카메라 장치의 부피가 증가한다는 문제가 발생한다.
또한, 지정맥 등을 인식하기 위한 적외선 이미지의 경우 카메라 장치에 손가락 등을 근접시켜 촬영하는데 구조광 프로젝터과 동일한 강도의 빛을 조사하는 경우 광포화 현상이 발생하여 이미지를 획득하지 못하는 문제가 발생한다.
실시 예는 적외선 이미지 촬영을 위한 광원과 구조광 프로젝터가 하나의 모듈로 결합된 카메라 장치를 제공하기 위한 것이다.
실시 예는 빛의 세기를 조절하여 적외선 이미지 촬영시 광포화 현상을 방지할 수 있는 카메라 장치를 제공하기 위한 것이다.
실시 예는 출력되는 광의 광도를 제어할 수 있는 카메라 장치를 제공하기 위한 것이다.
실시 예는 지정맥 추출이 가능한 TOF 기능을 포함하는 카메라 장치를 제공하기 위한 것이다.
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 장치는 제1 제어 신호에 따라 광의 광경로를 변경하고, 제1 광경로 또는 제2 광경로에 따라 상기 광을 출력하는 발광부, 피사체로부터 반사된 상기 광을 수신하여 전기 신호를 생성하는 수광부, 상기 광의 광경로가 상기 제1 광경로 또는 상기 제2 광경로로 변경되도록 제어하는 상기 제1 제어 신호를 생성하는 제어부를 포함하고, 상기 발광부는, 상기 제1 광경로에 따라 상기 광을 제1 패턴으로 출력하거나, 상기 제2 광경로에 따라 상기 광을 제2 패턴으로 출력한다.
상기 제1 패턴은 면광원 패턴을 포함하고, 상기 제2 패턴은 점광원 패턴을 포함할 수 있다.
상기 발광부는, 복수의 발광 소자를 포함하고, 상기 광을 생성하는 광원, 상기 광원에서 생성된 광을 집광하며, 집광된 상기 광을 상기 제1 광경로 또는 상기 제2 광경로에 따라 출력하는 렌즈 어셈블리, 그리고 상기 광원으로부터 이격 배치되고, 상기 광을 회절시키는 광학 부재를 포함할 수 있다.
상기 복수의 발광 소자는, 다중 수직 공진 표면광 레이저(Vertical Cavity Surface Emitting Laser, Vcsel) 소자일 수 있다.
상기 렌즈 어셈블리는, 제1 액체 및 상기 제1 액체와 굴절률이 상이한 제2 액체를 포함하며, 상기 제1 제어 신호에 따라 상기 제1 액체와 상기 제2 액체가 이루는 계면이 변할 수 있다.
상기 렌즈 어셈블리는, 상기 제1 액체와 상기 제2 액체가 이루는 계면의 곡률에 따라 상기 광의 산란 정도를 변경할 수 있다.
상기 렌즈 어셈블리는, 상기 광원과 광학 부재 사이에 배치되거나 상기 광학 부재 상단에 배치될 수 있다.
상기 발광부는, 제2 제어 신호에 따라 상기 광원에 전원의 전력을 공급할 수 있다.
상기 발광부는, 상기 광이 상기 제1 광경로에 따라 출력되면, 상기 제2 제어 신호에 따라, 상기 복수의 발광 소자 중 일부를 개별 동작시켜 상기 광을 생성하거나, 복수의 발광 소자 중 기 설정된 영역에 배치된 발광 소자를 동작시켜 상기 광을 생성할 수 있다.
상기 제2 제어 신호는, 상기 광의 노출 시간을 제어하거나 상기 광의 파워 펄스의 듀티비(duty rate)를 제어할 수 있다.
상기 발광부는, 상기 복수의 발광 소자와 연결되는 복수의 스위칭 소자를 포함하며, 상기 제2 제어 신호의 펄스 발생 구간에서 상기 복수의 스위칭 소자를 턴온시켜 상기 광원에 전력을 공급하고, 상기 제2 제어 신호의 펄스 미발생 구간에서 상기 복수의 스위칭 소자를 턴오프시켜 상기 광원에 전력 공급을 중단할 수 있다.
상기 제어부는, 상기 전기 신호에 대응하는 이미지 데이터의 채도값에 따라 상기 제2 제어 신호의 펄스폭을 제어하며, 상기 제2 제어 신호는, 상기 채도값이 기 설정된 최대 채도값과 상이하면, 기 설정된 펄스폭(pulse width)이 유지하고, 상기 채도값이 기 설정된 최대 채도값과 동일하면, 상기 기 설정된 펄스폭이 감소할 수 있다.
상기 광학 부재는, 상기 광을 입력받는 제1면 및 회절된 상기 광을 출력하는 제2면을 포함하는 플레이트 형태로 구현되며, 상기 제1면은 일정한 피치에 따라 배치된 복수의 마이크로 렌즈를 포함하고, 상기 제2면은 평면 또는 일정한 곡률의 구면 형상으로 구현될 수 있다.
상기 광은, 근적외(near infrared) 영역의 파장을 가질 수 있다.
상기 발광부는, 인체에 상기 광을 출력하며, 상기 수광부는, 상기 인체의 혈액에 포함된 헤모글로빈에 미흡수되어 상기 인체에 반사된 상기 광을 집광할 수 있다.
실시 예에 따르면, 구조광 출력을 위한 프로젝터와 IR LED 광원을 하나의 모듈로 결합할 수 있다.
서로 다른 종류의 출력단을 하나의 모듈로 결함함으로써 모듈의 부피를 줄일 수 있다.
광원의 광도를 조절함으로써 광포화 현상을 방지할 수 있다.
실시 예에 따르면, 피사체와의 거리와 무관하게 정확도가 높은 적외선 이미지를 얻을 수 있는 장점이 있다.
실시 예에 따르면, 하나의 광원을 통해 깊이 정보와 2차원 적외선 이미지를 함께 획득할 수 있는 장점이 있다.
본 발명의 다양하면서도 유익한 장점과 효과는 상술한 내용에 한정되지 않으며, 본 발명의 구체적인 실시형태를 설명하는 과정에서 보다 쉽게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 카메라 장치의 구성도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 발광부의 구성도이다.
도 3a 내지 도 3c은 본 발명의 일 실시예에 따른 카메라 장치에 포함되는 렌즈 어셈블리의 한 예이다.
도 4a 내지 도 4d는 본 발명의 일 실시예에 따른 카메라 장치에 포함되는 렌즈 어셈블리의 다른 예이다.
도 5a 및 도 5b는 본 발명의 실시예에 따른 발광부의 광 굴절 메커니즘을 설명하기 위한 도면이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 발광부로부터 출력되는 광의 패턴 변경을 설명하기 위한 도면이다.
도 7a 내지 도 7d는 본 발명의 실시예에 따른 제어부의 제2 제어 신호 가변 과정을 설명하기 위한 도면이다.
도 8a 및 도 8b는 본 발명의 일 실시예에 따른 수광부의 일부의 단면도이다.
도 9a 및 도 9b는 본 발명의 다른 실시예에 따른 수광부의 일부의 단면도이다.
도 10은 본 발명의 실시예에 따른 이미지 센서를 설명하기 위한 도면이다.
도 11a 내지 도 11d는 출력광의 광도 제어에 따른 지정맥 추출 결과를 나타낸 도면이다.
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.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 실시예를 상세히 설명하되, 도면 부호에 관계없이 동일하거나 대응하는 구성 요소는 동일한 참조 번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 카메라 장치의 구성도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 카메라 장치(10)는 발광부(100), 수광부(200) 및 제어부(300)를 포함한다.
발광부(100)는 제1 광경로 또는 제2 광경로에 따라 광을 출력한다.
구체적으로, 발광부(100)는 전력을 인가받아 광을 생성하여 출력한다. 이때, 발광부(100)는 광을 제1 광경로에 따라 출력하거나 제2 광경로에 따라 출력할 수 있다. 발광부(100)는 제1 제어 신호에 따라 광의 광경로를 제1 광경로 또는 제2 광경로로 변경한다. 구체적으로, 발광부(100)는 광의 생성 시점과 광의 피사체 입사 시점 사이에 광의 광경로를 제1 광경로 또는 제2 광경로로 변환한다. 발광부(100)는 액체 렌즈와 같이 광경로를 변경할 수 있는 수단을 포함할 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따르면, 발광부(100)는 제1 광경로 및 제2 광경로 이외에 다른 광경로에 따라 광을 출력할 수도 있다.
제1 광경로에 따라 출력되는 광은 제1 패턴으로 가질 수 있다. 이 경우, 제1 패턴을 띄는 광이 피사체에 조사될 수 있다. 제2 광경로에 따라 출력되는 광은 제2 패턴으로 형성될 수 있다. 이 경우, 제2 패턴을 띄는 광이 피사체에 조사될 수 있다. 제1 패턴은 점광원 패턴일 수 있고, 제2 패턴은 면광원 패턴일 수 있다.
발광부(100)는 펄스파(pulse wave)의 형태나 지속파(continuous wave)의 형태로 광을 생성하여 출력할 수 있다. 지속파는 사인파(sinusoid wave)나 사각파(squared wave)의 형태일 수 있다. 광을 펄스파나 지속파 형태로 생성함으로써, 카메라 장치(10)는 발광부(100)로부터 출력된 광과 객체로부터 반사된 후 카메라 장치(10)로 입력되는 광 사이의 위상 차를 검출할 수 있다.
발광부(100)는 생성된 광을 소정의 노출주기 동안 객체에 조사할 수 있다. 여기서, 노출주기란 1개의 프레임 주기를 의미한다. 복수의 프레임을 생성하는 경우, 설정된 노출주기가 반복된다. 예를 들어, 카메라 장치(10)가 20 FPS로 객체를 촬영하는 경우, 노출주기는 1/20[sec]가 된다. 그리고 100개의 프레임을 생성하는 경우, 노출주기는 100번 반복될 수 있다.
발광부(100)는 서로 다른 주파수를 가지는 복수의 광을 생성할 수 있다. 발광부(100)는 서로 다른 주파수를 가지는 복수의 광을 순차적으로 반복하여 생성할 수 있다. 또는, 발광부(100)는 서로 다른 주파수를 가지는 복수의 광을 동시에 생성할 수도 있다. 발광부(100)에 대한 상세한 구성은 아래에서 도면을 통해 자세히 살펴보도록 한다.
수광부(200)는 발광부(100)가 광을 출력한 후, 피사체에 반사된 광을 수신하여 전기 신호를 생성한다. 전기 신호는 이미지 데이터를 생성하는데 이용될 수 있다.
수광부(200)는 광을 수신한 후 전기 신호로 변환하기 위하여 광을 집광하는 수단 및 집광된 광을 전기 신호로 변환하는 수단을 포함할 수 있다. 본 발명의 실시예에 따르면, 수광부(200)는 일정한 패턴에 따라 광의 광경로를 변경할 수 있다. 따라서, 일정한 패턴에 따라 광경로가 변경된 광을 통해 생성된 전기 신호 각각에 대응하는 복수의 이미지가 생성될 수 있다. 복수의 이미지는 수퍼 레졸루션 기법(super resolution method)을 통해 고해상의 이미지로 변환될 수 있다. 수광부(200)에 대한 구성은 아래에서 도면을 참조하여 상세하게 살펴보도록 한다.
제어부(300)는 광의 광경로가 제1 광경로 또는 제2 광경로로 변경되도록 제어하는 제1 제어 신호를 생성할 수 있다. 또한, 제어부(300)는 광원에 전원의 전력을 공급하는 제2 제어 신호를 생성할 수 있다. 제어부(300)는 이미지 데이터의 채도값에 기초하여 제2 제어 신호를 생성할 수 있다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 발광부의 구성도이다.
도 2를 참조하면 발광부(100)는 광원(110) 및 렌즈 어셈블리(130) 및 광학 부재(130)를 포함한다.
광원(110)은 광을 생성한다. 일 실시예에 따르면, 광원(110)이 생성하는 광의 파장은 770 내지 3000nm의 적외선(InfraRed, IR) 영역 파장 일 수 있으며, 380 내지 770 nm의 가시광선 영역 파장일 수도 있다. 일 실시예에 따르면, 광원(110)은 근적외(near infrared) 영역의 파장, 즉, 근적외선의 광을 생성할 수 있다. 예를 들어 근적외선의 파장은 0.75~3μm일 수 있다.
광원(110)은 빛을 내는 복수의 발광 소자로 구현될 수 있다. 복수의 발광 소자는 다이오드(Laser diode, LD), 수직 공진 레이저 다이오드(Vertical-cavity surface-emitting laser, VCSEL), 유기 발광 다이오드(Organic Light Emitting Diode, OLED), 발광 다이오드(Light Emitting Diode, LED)를 포함할 수 있다. 본 발명의 실시예에 따르면, 광원(110)은 수직 공진 레이저 다이오드를 발광 소자로 이용하는 경우, 제조공정을 간소화하고 소형화·고집적화를 통한 병렬 신호 처리를 쉽게 할 수 있으며 전력소비도 낮출 수 있는 장점이 있으나, 상기의 실시예에 한정되지 않는다.
광원(110)은 복수의 발광 소자가 일정한 패턴에 따라 어레이(array)된 형태로 구현될 수 있다. 광원(110)은 복수의 발광 소자가 어레이된 칩(chip)의 형태로 구현될 수 있다. 복수의 발광 소자가 어레이된 형태는 본 발명의 실시예에 따른 카메라 장치(10)의 목적에 따라 당업자에 의해 설계변경이 가능하다.
광원(110)은 인쇄 회로 기판의 일면에 배치될 수 있다. 광원(110)은 인쇄 회로 기판과 전기적으로 연결될 수 있으며, 인쇄 회로 기판을 통해 광을 출력하는데 필요한 전력을 공급받을 수 있다. 본 발명에서는 인쇄 회로 기판은 일정 유연성을 확보하기 위하여 연성인쇄회로기판(FPCB)으로 구현될 수 있다. 이 외에도 인쇄 회로 기판은 수지 계열의 인쇄회로기판 (Printed Circuit Board, PCB), 메탈 코아(MetalCore) PCB, 세라믹 PCB, FR-4 기판 중 어느 하나로 구현될 수도 있다.
광원(110)은 어레이된 복수의 발광 소자를 일정 조건에 따라 다르게 구동할 수 있다. 구체적으로, 광원(110)은 렌즈 어셈블리(200)가 광의 광경로를 제1 광경로로 변경하면, 제2 제어 신호에 따라 복수의 발광 소자 중 일부가 개별 동작하여 광을 생성하거나, 복수의 발광 소자 중 기 설정된 영역에 배치된 발광 소자가 동작하여 광을 생성할 수 있다. 즉, 어레이된 복수의 발광 소자 전체가 구동되지 않고, 일부 발광 소자만을 동작시키거나 기 설정된 특정 영역의 발광 소자만을 동작시킬 수 있다.
제1 광경로에 따라 출력된 광은 면광원 패턴을 형성할 수 있으며, 면광원 패턴은 적외선 이미지를 획득하는데 이용될 수 있다. 이러한 적외선 이미지는 예를 들어 안면 윤곽 인식이나 정맥 패턴 측정 등에 사용될 수 있는데, 3차원 모델링 등에 사용되는 점광원 패턴에 비해 좁은 면적에 광을 입사시켜도 목적 달성이 가능할 수 있다. 하지만, 이러한 목적 달성을 위해, 복수의 발광 소자 전부를 구동시킬 경우 불필요한 전력 소모가 발생할 수 있으며, 높은 광도로 인해 안면 인식시 사람의 눈에 악영향을 미칠 수 있다. 이러한 문제점을 해결하고자, 본 발명은 실시예와 같이 면광원 패턴의 광 출력시 일부 발광 소자만 동작시키거나 일정 영역의 발광 소자만 동작시킬 수 있다.
광원(110)은 제2 제어 신호에 따라 광의 노출 시간을 변경하거나 광의 파워 펄스의 듀티비(duty rate)를 변경하여 광의 강도를 조절할 수 있다. 손바닥 또는 손가락의 정맥을 측정하는 경우와 같이 피사체가 카메라 장치(10)에 가까이 위치하는 경우, 광포화가 발생하여 적외선 이미지를 획득할 수 없는 문제가 발생할 수 있다. 이때, 피사체를 카메라 장치(10)에서 먼 곳에 위치시키게 되면 이러한 광포화 현상을 발생을 막을 수 있으나, 적외선 이미지의 해상도가 낮아지는 문제가 발생한다. 하지만, 본 발명의 실시예에 따른 광원(110)은 출력광의 노출 시간이나 파워 펄스 듀티비를 변경함으로써 광의 강도를 조절하므로, 상기의 광포화 현상을 방지할 수 있는 장점을 가진다.
광원(110)은 제2 제어 신호에 따라 구동하는 복수의 스위칭 소자를 포함할 수 있다. 스위칭 소자는 제2 제어 신호에 따라 전원의 전력이 복수의 발광 소자에 공급되도록 제어하거나 공급되지 않도록 제어할 수 있다. 스위칭 소자는 제어 신호에 따라 온오프 동작을 반복함으로써 발광 소자에 공급되는 전력을 제어할 수 있다. 더 상세하게, 광원(110)은 제2 제어 신호에 따라 광원과 연결된 스위칭 소자를 턴온 또는 턴오프시킨다. 이때, 제어 신호는 펄스 트레인(pulse train) 형태로 구현될 수 있고, 제어 신호 중 펄스가 발생한 구간에서 스위칭 소자를 턴온시켜 발광 소자에 전력을 공급하고, 제어 신호 중 펄스가 발생하지 않는 구간에서 스위칭 소자를 턴오프시켜 발광 소자에 전력 공급을 중단시킨다.
이를 위하여, 스위칭 소자는 광출력부(100), 더 상세하게는 광출력부(100)에 포함된 광원인 발광 소자와 전원 사이에 배치되어 발광 소자에 인가되는 전원의 전력을 제어한다. 스위칭 소자는 전계 효과 트랜지스터(Field Effect Transistor, FET)를 포함할 수 있다.
렌즈 어셈블리(120)는 통과하는 광의 광경로를 변경하는 광학 소자를 의미할 수 있다. 렌즈 어셈블리(120)는 통과하는 광의 광경로를 변경하는 가변 렌즈를 의미할 수 있다. 렌즈 어셈블리(120)는 액체 렌즈를 포함할 수 있다. 렌즈 어셈블리(120)는 제1 제어 신호에 따라 광의 광경로를 제1 광경로 또는 제2 광경로로 변경할 수 있다.
렌즈 어셈블리(120)는 광학 부재(130)의 상단에 배치될 수 있다. 광학 부재(130)의 상단이란 광학 부재(130)가 광을 출력하는 일면 방향을 의미할 수 있다. 또는, 렌즈 에셈블리(120)는 광원(110)과 광학 부재(130) 사이에 배치될 수도 있다. 즉, 렌즈 어셈블리(120)는 광원(110)의 상단 및 광학 부재(130)의 하단에 배치될 수 있다.
광학 부재(130)는 렌즈가 집광한 광의 위상 및 진폭을 변조할 수 있다. 광학 부재(130)는 회절 광학 소자(diffractive optical element, DOE)를 포함할 수 있다. 회절 광학 소자는 마이크로, 나노 스케일(micro scale, nano scale)의 요철구조로 이루어진 소자일 수 있다. 회절 광학 소자는 요철 형태의 표면 구조에 입력되는 광의 위상과 진폭을 변조함으로써 기 설정된 형태의 파면을 갖는 광으로 변환한다. 회절 광학 소자에 의해 파면이 변조된 광은 파동 회절의 법칙에 따라 공간 또는 매질 상을 진행할 수 있다.
광학 부재(130)는 광을 산란시켜 출력할 수 있다. 광학 부재(130)는 일정한 산란 패턴에 따라 입력된 광을 산란시킬 수 있다. 광학 부재(130)는 광을 산란시킴으로써 광원(120)으로부터 출력되는 광의 휘도 균일도를 향상시킴과 동시에 발광 소자가 위치한 곳에 광이 집중되는 핫 스팟(Hot Spot)을 제거할 수 있다. 즉, 광학 부재(130)는 입력된 광을 산란시킴으로써 출력되는 광을 전면에 걸쳐 균일하게 확산시킬 수 있다. 광학 부재(130)는 확산판, 확산 부재, 디퓨저(diffuser) 등을 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 광학 부재(130)는 광을 회절시키거나 산란시킬 수 있으며, 광을 회절 및 산란시킬 수도 있다.
광학 부재(130)는 광원(110)의 전면에 배치된다. 이때, 광원(110)의 전면이라 함은 광원(110)에서 빛이 출력되는 방향에 위치한 일면을 의미한다. 광학 부재(130)는 광원(110)과 일정한 거리만큼 이격되어 배치될 수 있다. 광학 부재(130)와 광원(110) 사이의 거리는 카메라 장치(10)의 용도, 광원(110)의 형태 및 종류 등을 고려하여 당업자에 의해 설계 변경이 가능하다.
광학 부재(130)는 광이 입력되는 제1면과 산란된 광이 출력되는 제2면을 포함하는 플레이트 형태로 구현될 수 있다. 광학 부재(130)는 구면 또는 평면으로 구현될 수 있다. 광학 부재(130)의 제1면에는 마이크로 렌즈(micro lens)가 일정한 피치에 따라 배치된다. 이때, 마이크로 렌즈의 크기, 곡률, 굴절률, 피치의 크기 등에 따라 제1면을 통해 집광되는 광의 각도를 조절함으로써 입력되는 광을 산란시켜 제2면을 통해 출력한다. 마이크로 렌즈의 크기, 곡률, 굴절률, 피치의 크기는 본 발명의 실시예에 따른 카메라 장치(10)의 용도, 광학 부재(130)와 광원(110) 사이의 간격, 광원(120)의 형태 및 종류 등을 고려하여 당업자에 의해 설계 변경이 가능하다.
도 3a 내지 도 3c는 본 발명의 일 실시예에 따른 카메라 장치에 포함되는 렌즈 어셈블리의 한 예이다.
도 3a 내지 도 3c는 제1 액체 및 제2 액체를 포함하는 렌즈 어셈블리(120)를 나타낸다. 렌즈 어셈블리(120)는 제1 액체 및 제2 액체를 포함한다. 제1 액체 및 제2 액체는 챔버 내에 채워질 수 있다. 이때, 제1 액체와 제2 액체는 서로 굴절률이 상이하다. 렌즈 어셈블리(120)는 서로 다른 성질을 가지는 두 가지 종류의 액체(예, 전도성 액체 및 비전도성 액체)를 포함할 수 있다.
도 3a 내지 도 3c에 도시된 것처럼, 렌즈 어셈블리(120)는 두 종류의 액체 사이에는 계면(1000)이 형성될 수 있고, 인가되는 전압에 따라 계면의 굴곡, 경사도 등이 변화될 수 있다. 도 3A 내지 도 3C에는 도시되지 않았으나, 렌즈 어셈블리(120)는 제1 제어 신호에 따라 계면(1000)의 곡률이 변경될 수 있다. 렌즈 어셈블리(120)는 오목이나 볼록의 형태로 계면(1000)의 곡률이 변경될 수 있다. 렌즈 어셈블리(120)는 제1 액체와 제2 액체가 이루는 계면(1000)의 곡률에 따라 광의 산란 정도가 변경될 수 있다.
도 4a 내지 도 4d는 본 발명의 일 실시예에 따른 카메라 장치에 포함되는 렌즈 어셈블리의 다른 예이다.
본 발명의 실시예에 따르면, 렌즈 어셈블리(120)는 도 4a 내지 도 4d에 도시된 것처럼, 액체가 담긴 챔버를 멤브레인(1100)을 통해 밀봉하는 형태일 수 있다. 렌즈 어셈블리(120)는 멤브레인(1100)의 특정 위치에 가해지는 힘을 통해 멤브레인(1100)의 형상을 변형시킴으로써 광의 광경로를 변경할 수 있다. 렌즈 어셈블리(120)는 멤브레인(1100)의 가장자리를 둘러싸는 링(1102)에 인가되는 전압에 따라 멤브레인(1100)의 형상이 도 4a와 같이 오목해지거나 도 4b와 같은 볼록해질 수 있다. 렌즈 어셈블리(120)는 멤브레인(1100)의 가장자리를 둘러싸는 링(1102)에 인가되는 전압에 따라 멤브레인(1100)의 곡률이 도 4c와 같이 작아지거나 도 4d와 같이 커질 수 있다.
다른 실시예로, 렌즈 어셈블리는 일정 간격으로 이격된 두 개의 플레이트를 포함하는 형태일 수 있다. 렌즈 어셈블리는 두 개의 플레이트 중 적어도 하나의 플레이트의 기울기를 변화시킴으로써 광의 광경로를 변경할 수 있다.
도 5a 및 도 5b는 본 발명의 실시예에 따른 발광부의 광 굴절 메커니즘을 설명하기 위한 도면이다.
도 5a 및 도 5b에서는 굴절률이 다른 제1 액체 및 제2 액체를 포함하는 렌즈 어셈블리를 가정하여 광 굴절 메커니즘을 살펴본다.
제2 액체의 상부에는 제1 액체가 위치하며, 두 액체는 서로 성질 및 굴절률이 상이하다. 이에 따라 두 액체는 계면을 형성할 수 있다. 계면은 전극에 인가된 전압에 의해 캐비티의 내벽을 따라 이동할 수 있다. 렌즈 어셈블리는 전극에 전압을 인가하지 않은 초기상태에서 마이너스(-) 디옵터를 가질 수 있다. 도 5a에서와 같이, 제1 액체와 제2 액체가 이루는 계면은 광이 출력되는 방향으로 볼록한 형태일 수 있다. 따라서, 렌즈 어셈블리를 통과한 광은 산란될 수 있다.
렌즈 어셈블리는 전극에 전압이 인가됨에 따라 플러스(+) 디옵터를 가질 수 있다. 도 5b와 같이, 제2 광학 부재는 제1 액체와 제2 액체가 이루는 계면은 광이 출력되는 방향으로 오목할 수 있다. 전극에 전압이 인가됨에 따라 계면은 더 오목해질 수 있다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 발광부로부터 출력되는 광의 패턴 변경을 설명하기 위한 도면이다.
우선, 광이 제1 광경로에 따라 출력되는 경우, 광은 도 6의 좌측에 도시된 것과 같은 면광원 패턴을 나타낼 수 있다. 광이 제1 광경로에 따라 출력되는 경우, 렌즈 어셈블리는 광을 산란(diffuser)시킴으로써 면광원 패턴을 형성할 수 있다. 즉, 면광원 패턴은 집광된 복수의 점광원을 확산(산란)시킨 광원 패턴을 의미한다.
일 실시예에서, 렌즈 어셈블리가 광학 부재와 광원 사이에 배치된 경우, 광원에서 출력된 광은 렌즈 어셈블리를 통과한 후 광학 부재를 통과하여 피사체에 조사될 수 있다. 광원에서 생성된 광은 렌즈 어셈블리를 통과하며 산란되고, 산란된 광은 광학 부재를 통과하면서 면광원 패턴에 따라 피사체에 조사될 수 있다.
다른 실시예에서, 렌즈 어셈블리가 광학 부재 상부에 배치되는 경우, 광원에서 출력된 광은 광학 부재를 통과한 후 렌즈 어셈블리를 통과하여 피사체에 조사될 수 있다. 광원에서 생성된 광은 광학 부재를 통과하면서 일정한 패턴을 형성하게 되나, 일정한 패턴을 형성한 광은 렌즈 어셈블리에 의해 산란됨으로 인해 면광원 패턴에 따라 피사체에 조사될 수 있다.
결론적으로, 광이 제1 광경로에 따라 출력되는 경우, 광은 렌즈 어셈블리에 의해 산란됨으로써 도 8의 좌측에 도시된 것과 같은 면광원 패턴의 형태로 피사체에 조사된다.
다음으로, 광이 제2 광경로에 따라 출력되는 경우, 광은 도 8의 우측에서와 같은 점광원 패턴을 나타낼 수 있다. 점광원 패턴은 일정한 간격으로 점들이 배치되는 패턴으로서, 점들 사이의 일정 간격은 광학 부재의 패턴 형태에 따라 결정될 수 있다. 즉, 광이 제2 광경로에 따라 출력되는 경우에는, 광이 광학 부재를 통과하면서 생성되는 점광원 패턴에 따라 피사체에 빛이 조사된다. 결론적으로, 렌즈 어셈블리가 광학 부재와 광원 사이에 배치되거나, 광학 부재의 상부에 배치되더라도, 렌즈 어셈블리는 광이 산란되지 않도록 제어할 수 있다.
도 7a 내지 도 7d는 본 발명의 실시예에 따른 제어부의 제2 제어 신호 가변 과정을 설명하기 위한 도면이다.
설명의 편의를 위하여 사용자의 지정맥을 촬영한다고 가정하고 설명하도록 한다. 도 7b 및 도 7d에서 음영의 강도는 광의 광도를 나타내며, 음영이 진할수록 광의 광도가 높음을 의미한다.
먼저, 사용자가 카메라 장치의 근접한 위치에 손가락을 배치시킨 후 1차 촬영을 진행한다. 이때, 제어부는 도 7a와 같은 펄스 트레인(pulse train)의 제2 제어 신호를 발광부로 전달하게 되며, 발광부는 도 7b와 같은 광을 손가락에 조사한다.
그러면, 제어부는 도 7b의 광에 대응하는 전기 신호로부터 생성된 이미지 데이터를 입력받는다. 그리고 제어부는 이미지 데이터의 채도값을 산출한 후 임계값과 비교한다. 이미지 데이터는 8bit 로 데이터(raw data)일 수 있으며, 채도값은 0에서 255 사이의 값 중 어느 하나를 가질 수 있다.
제어부는 이미지 데이터로부터 산출된 채도값과 기 설정된 최대 채도값을 비교한다. 여기서, 채도값은 0에서 255 범위의 값을 가지므로, 최대 채도값은 255로 설정될 수 있으나, 당업자에 의해 임계값은 기 설정된 임의의 값으로 대체될 수도 있다.
산출된 채도값과 최대 채도값이 일치하지 않으면, 제어부는 도 7a의 펄스 트레인을 유지한다. 즉 제어부는 제2 제어 신호의 기 설정된 펄스폭을 유지한다. 반면, 채도값과 임계값이 일치하면, 광포화가 발생한 것이므로, 도 7c와 같이 제2 제어 신호의 펄스 폭(pulse width)을 감소시킨다. 제2 제어 신호의 펄스 폭이 감소되면, 발광부에 공급되는 전력량이 감소하게 되며, 발광부는 도 7d와 같이 광도가 낮아진 광을 출력할 수 있다.
한편, 본 발명의 실시예에 따르면, 채도값의 크기에 대응하여 펄스 폭을 감소시킬 수도 있다. 일 예로, 제어부는 채도값의 크기에 따라 선형적으로 펄스 폭을 제어할 수 있다. 예를 들어, 이미지 데이터의 채도값과 임계값 사이의 차이에 비례하여 펄스 폭을 감소시킬 수 있다. 채도값이 235인 경우 기 설정된 제어 신호의 펄스 폭을 1/2로 감소시키고, 채도값이 245인 경우 기 설정된 제어 신호의 펄스 폭을 1/3로 감소시킬 수 있다. 다른 예로, 제어부는 채도값의 크기에 따라 계단 함수의 형태로 펄스 폭을 감소시킬 수 있다. 예를 들어, 채도값 230에서 235는 펄스폭을 3/4로 감소시키고, 채도값 235에서 240은 펄스폭을 1/2로 감소시킬 수 있다.
상기의 예는 본 발명을 한정하기 위한 구성이 아니며, 이외의 다양한 변형예로 구현될 수 있다.
아래에서는 도 8a 내지 도 9b를 통해 본 발명의 실시예에 따른 수광부에 대해 상세히 살펴보도록 한다.
도 8a 및 도 8b는 본 발명의 일 실시예에 따른 수광부의 일부의 단면도이다. 도 9a 및 도 9b는 본 발명의 다른 실시예에 따른 수광부의 일부의 단면도이다.
본 발명의 실시예에 따른 카메라 장치(10)의 수광부(200)는 IR 필터(220), 렌즈 모듈(210) 및 이미지 센서(230)를 포함할 수 있다. 수광부(200)는 인쇄 회로 기판 상에 배치된 이미지 센서 상단에 IR 필터(220)가 배치되고, IR 필터(220) 상단에 렌즈 모듈(210)이 배치될 수 있다. 여기서, 인쇄 회로 기판은 광원이 배치되는 인쇄 회로 기판과 동일한 기판일 수 있다.
도 8a 내지 도 9b를 참조하면, 렌즈 모듈(210)은 IR(InfraRed) 필터(220), IR 필터(220) 상에 배치되는 복수 매의 고체 렌즈(214) 및 복수 매의 고체 렌즈(214) 상에 배치되거나, 복수 매의 고체 렌즈(214) 사이에 배치되는 액체 렌즈(212)를 포함할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 도 8a 및 도 9a에 도시된 것처럼, 액체 렌즈(212)는 복수 매의 고체 렌즈(214) 상에 배치될 수 있다. 이와 같이, 액체 렌즈(212)가 복수 매의 고체 렌즈(214) 상에 배치되는 방식을 애드온 방식이라 할 수 있다. 이때, 액체 렌즈(212)는 복수 매로 구성될 수도 있다.
다른 실시예에 따르면, 도 8b 및 도 9b에 도시된 것처럼, 액체 렌즈(212)는 복수 매의 고체 렌즈(214) 사이에 배치될 수 있다. 이와 같이, 액체 렌즈(212)가 복수 매의 고체 렌즈(214) 사이에 배치되는 방식을 애드인 방식이라 할 수 있다. 애드온 방식인 경우, 액체 렌즈(212)는 렌즈 모듈(210) 외부의 셰이퍼(미도시) 등에 의하여 지지되고, 틸팅될 수 있다. 이때, 액체 렌즈(212)는 복수 매로 구성될 수도 있다.
다른 실시예에 따르면, 복수 매의 액체 렌즈(212) 중 일부 액체 렌즈(212)는 복수 매의 고체 렌즈(214) 상에 배치되고, 나머지 액체 렌즈(212)는 복수 매의 고체 렌즈(214) 사이에 배치될 수 있다. 즉, 애드온 방식과 애드인 방식이 결합된 형태로 액체 렌즈(212)가 배치될 수도 있다.
복수의 고체 렌즈(214) 및 액체 렌즈(212)는 중심축을 기준으로 정렬하여 광학계를 형성할 수 있다. 여기서, 중심축은 광학계의 광축(Optical axis)과 동일할 수 있으며, 본 명세서에서 Z 축이라 지칭할 수 있다.
렌즈 모듈(210)은 렌즈 배럴(216)을 더 포함할 수 있으며, 렌즈 배럴(216)의 내부에는 렌즈의 적어도 일부를 수용할 수 있는 공간이 마련될 수 있다. 렌즈 배럴(216)은 하나 또는 복수의 렌즈와 회전 결합될 수 있으나, 이는 예시적인 것이며, 접착제(예를 들어, 에폭시(epoxy) 등의 접착용 수지)를 이용한 방식 등 다른 방식으로 결합될 수 있다.
렌즈 홀더(미도시)는 렌즈 배럴(216)과 결합되어 렌즈 배럴(216)을 지지하고, 이미지 센서(230)가 탑재된 인쇄회로기판(미도시)에 결합될 수 있다. 렌즈 홀더(미도시)에 의하여 렌즈 배럴(216) 하부에 IR 필터(220) 가 부착될 수 있는 공간이 형성될 수 있다. 렌즈 홀더의 내주면에는 나선형 패턴이 형성될 수 있고, 이와 마찬가지로 외주면에 나선형 패턴이 형성된 렌즈 배럴(216)과 회전 결합할 수 있다. 그러나, 이는 예시적인 것이며, 렌즈 홀더와 렌즈 배럴(216)은 접착제를 통해 결합되거나, 렌즈 홀더와 렌즈 배럴(216)이 일체형으로 형성될 수도 있다.
다만, 이러한 예시는 일 실시예에 불과하며, 렌즈 모듈(210)의 렌즈 배럴 및 렌즈 홀더는 카메라 장치(10)로 입사되는 광을 집광하여 이미지 센서(230)에 전달할 수 있는 다양한 구조로 구성될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, IR 필터(220) 또는 이미지 센서(230)의 이동을 제어하는 제1 구동부(미도시), 그리고 액체 렌즈(212)의 곡률을 제어하는 제2 구동부(미도시) 중 적어도 하나를 더 포함할 수 있다. 여기서, 제1 구동부는 IR 필터(220) 또는 이미지 센서(230)와 직접 또는 간접으로 연결되는 액추에이터(actuator)를 포함할 수 있으며, 액추에이터는 MEMS(Micro Electro Mechanical Systems), VCM(Voice Coil Motor) 및 압전 소자 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 그리고, 제2 구동부는 액체 렌즈와 직접 또는 간접으로 연결되며, 액체 렌즈에 전압을 직접 인가하거나, 액체 렌즈(212)에 인가되는 전압을 제어함으로써 액체 렌즈(212)의 곡률을 제어할 수 있다.
제1 구동부 및 제2 구동부 중 하나에 의하여 광의 광경로가 소정의 규칙에 따라 반복하여 쉬프트되고, 제1 구동부 및 제2 구동부 중 다른 하나에 의하여 광의 광경로가 소정의 제어 정보에 따라 쉬프트될 수 있다.
광의 광경로가 소정의 규칙에 따라 반복하여 쉬프트되면, 쉬프트된 광경로를 이용하여 SR(super resolution) 기능을 수행할 수 있다. 그리고, 입력되는 광의 광경로가 소정의 제어 정보에 따라 쉬프트되면, 쉬프트된 광경로를 이용하여 OIS 기능을 수행할 수 있다. 예를 들어, 소정의 제어 정보는 카메라 장치의 움직임 정보, 자세 정보 등으로부터 추출된 OIS를 위한 제어 정보를 포함할 수 있다.
전술한 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 카메라 장치는 픽셀 쉬프트(pixel shift) 기술을 이용하여 SR 기법을 수행할 수 있다.
픽셀 쉬프트를 위하여, 제1 구동부는 IR 필터(220) 또는 이미지 센서(230)의 기울기를 이동시킬 수 있다. 즉, 제1 구동부는 IR 필터(220) 또는 이미지 센서(230)가 광축(Z축)에 대하여 수직하는 평면인 XY 평면에 대하여 소정의 기울기를 가지도록 틸팅(tilting)시킬 수 있다. 이에 따라, 제1 구동부는 입력되는 광 중 적어도 하나의 광경로를 이미지 센서(230)의 서브 픽셀 단위로 변경할 수 있다. 여기서, 서브 픽셀은 0 픽셀보다 크고 1 픽셀보다 작은 단위일 수 있다.
제1 구동부는 영상 프레임 별로 입력광 신호 중 적어도 하나의 광경로를 변경한다. 상기에서 설명한 바와 같이, 하나의 노출주기마다 1개의 영상 프레임이 생성될 수 있다. 따라서, 제1 구동부는 하나의 노출주기가 종료되면 광경로를 변경할 수 있다.
제1 구동부는 이미지 센서(230)를 기준으로 서브픽셀 단위만큼 광의 광경로를 변경할 수 있다. 이때, 제1 구동부는 현재 광경로를 기준으로 입력되는 광 중 적어도 하나의 광경로를 상, 하, 좌, 우 중 어느 하나의 방향으로 변경할 수 있다.
도 10은 본 발명의 실시예에 따른 이미지 센서를 설명하기 위한 도면이다.
이미지 센서(220)는 광출력부(100)의 점멸 주기와 동기화되어 광을 흡수할 수 있다. 구체적으로 이미지 센서(220)는 발광부로부터 출력된 광과 동상(in phase) 및 이상(out phase)에서 각각 광을 흡수할 수 있다. 즉, 이미지 센서(220)는 광원이 켜져 있는 시간에 광을 흡수하는 단계와 광원이 꺼져 있는 시간에 광을 흡수하는 단계를 반복 수행할 수 있다.
다음으로, 이미지 센서(220)는 서로 다른 위상차를 가지는 복수의 참조 신호(reference signal)를 이용하여 각 참조 신호에 대응하는 전기 신호를 생성할 수 있다. 참조 신호의 주파수는 발광부로부터 출력된 출력광 신호의 주파수와 동일하게 설정될 수 있다. 따라서, 발광부가 복수의 주파수로 광을 생성하는 경우, 이미지 센서(220)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(220)는 복수의 픽셀이 그리드 형태로 배열된 구조로 구성될 수 있다. 이미지 센서(220)는 CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor) 이미지 센서(220)일 수 있으며, CCD(Charge Coupled Device) 이미지 센서(220)일 수도 있다. 또한, 이미지 센서(220)는 피사체에 반사되는 적외선 광을 받아들여 시간 또는 위상 차를 이용해 거리를 측정하는 ToF 센서를 포함할 수 있다.
예를 들어, 도 10에서와 같이 320x240 해상도의 이미지 센서(220)의 경우 76,800개의 픽셀이 그리드 형태로 배열된다. 이때, 복수의 픽셀 사이에는 도 10의 음영 부분과 같이 일정한 간격이 형성될 수 있다. 본 발명의 실시예에서는 픽셀에 인접한 일정 간격을 포함하여 1 픽셀로 설명하도록 한다. 여기서 인접한 일정 간격이란 도 10에서 픽셀 사이의 음영 부분으로서, 픽셀의 우측과 하측에 배치된 간격을 포함하여 1픽셀로 설명하도록 한다.
본 발명의 실시예에 따르면, 각 픽셀(222)은 제1 포토 다이오드 및 제1 트랜지스터를 포함하는 제1 수광부(222-1)와 제2 포토 다이오드 및 제2 트랜지스터를 포함하는 제2 수광부(222-2)를 포함할 수 있다.
제1 수광부(222-1)는 출력광의 파형과 동일 위상에서 광을 수신한다. 즉, 광원이 켜진 시간에, 제1 포토 다이오드는 턴온(turn-on)되어 광을 흡수한다. 그리고, 광원이 꺼진 시간에, 제1 포토 다이오드는 턴오프(turn-off)되어 광 흡수를 중단한다. 제1 포토 다이오드는 흡수한 광을 전류로 변환하여 제1 트랜지스터에 전달한다. 제1 트랜지스터는 전달받은 전류를 전기 신호로 변환하여 출력한다.
제2 수광부(222-2)는 발광부에 의해 출력되는 광의 파형과 반대 위상에서 광을 수신한다. 즉, 광원이 켜진 시간에, 제2 포토 다이오드는 턴오프되어 광을 흡수한다. 그리고, 광원이 꺼진 시간에, 제2 포토 다이오드는 턴온되어 광 흡수를 중단한다. 제2 포토 다이오드는 흡수한 광을 전류로 변환하여 제2 트랜지스터에 전달한다. 제2 트랜지스터는 전달받은 전류를 전기 신호로 변환한다.
이에 따라, 제1 수광부(222-1)는 In Phase 수신 유닛이라 할 수 있고, 제2 수광부(222-2)는 Out Phase 수신 유닛이라 할 수 있다. 이와 같이, 제1 수광부(222-1) 및 제2 수광부(222-2)가 시간 차를 두고 활성화되면, 객체와의 거리에 따라 수신되는 광량에 차이가 발생하게 된다. 예를 들어, 객체가 카메라 장치 바로 앞에 있는 경우(즉, 거리=0인 경우)에는 발광부로부터 광이 출력된 후 객체에서 반사되어 오는데 걸리는 시간이 0이므로, 광원의 점멸 주기는 그대로 광의 수신 주기가 된다. 이에 따라, 제1 수광부(222-1)만이 빛을 수신하게 되고, 제2 수광부(222-2)는 빛을 수신하지 못하게 된다. 다른 예로, 객체가 카메라 장치와 소정 거리 떨어져 위치하는 경우, 발광부로부터 광이 출력된 후 객체에서 반사되어 오는데 시간이 걸리므로, 광원의 점멸 주기는 광의 수신 주기와 차이가 나게 된다. 이에 따라, 제1 수광부(222-1)와 제2 수광부(222-2)가 수신하는 빛의 양에 차이가 발생하게 된다. 즉, 제1 수광부(222-1)와 제2 수광부(222-2)에 입력된 광량의 차를 이용하여 객체의 거리가 연산될 수 있다.
도 11a 내지 11d는 출력광의 광도 제어에 따른 지정맥 추출 결과를 나타낸 도면이다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 피사체는 인체일 수 있다. 발광부가 인체에 광을 출력하면, 출력된 광 중 일부는 인체의 혈액에 포함된 헤모글로빈에 흡수될 수 있다. 하지만, 출력된 광 중 일부는 인체의 혈액에 포함된 헤모글로빈에 흡수되어 반사될 수 있다. 인체의 혈액에 포함된 헤모글로빈에 흡수되지 않고 반사된 광은 수광부에 의해 집광될 수 있다. 예를 들어, 발광부가 손가락에 광을 출력하면, 손가락의 혈액 속에 포함된 헤모글로빈에 근적외선 파장인 출력광이 흡수될 수 있다. 그리고 손가락의 혈액속에 포함된 헤모글로빈에 흡수되지 않은 광이 반사되어 수광부에 의해 집광될 수 있다.
도 11a 내지 도 11d는 카메라 장치(10)와 손가락 사이의 거리를 3cm, 5cm, 10cm, 15cm에서 각각 촬영을 진행한 결과를 나타낸다. 각 거리에서의 촬영 광도는 본 발명의 실시예에 따라 제어되었다.
본 발명의 실시예를 이용하지 않는 경우 3cm와 같이 짧은 거리에서는 광포화 현상이 발생하여 지정맥이 추출되지 못하고, 15cm와 같이 먼 거리에서는 광량이 부족하여 지정맥이 추출되지 못하였다.
하지만, 본 발명의 실시예를 이용한 경우, 본 발명의 실시예에 따르면, 3cm, 5cm, 10cm, 15cm 각각에서 유사한 수준으로 지정맥을 인식할 수 있는 것을 알 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 (15)

  1. 제1 제어 신호에 따라 광의 광경로를 변경하고, 제1 광경로 또는 제2 광경로에 따라 상기 광을 출력하는 발광부,
    피사체로부터 반사된 상기 광을 수신하여 전기 신호를 생성하는 수광부,
    상기 광의 광경로가 상기 제1 광경로 또는 상기 제2 광경로로 변경되도록 제어하는 상기 제1 제어 신호를 생성하는 제어부를 포함하고,
    상기 발광부는,
    상기 제1 광경로에 따라 상기 광을 제1 패턴으로 출력하거나, 상기 제2 광경로에 따라 상기 광을 제2 패턴으로 출력하는 카메라 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 패턴은 면광원 패턴을 포함하고,
    상기 제2 패턴은 점광원 패턴을 포함하는 카메라 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 발광부는,
    복수의 발광 소자를 포함하고, 상기 광을 생성하는 광원,
    상기 광원에서 생성된 광을 집광하며, 집광된 상기 광을 상기 제1 광경로 또는 상기 제2 광경로에 따라 출력하는 렌즈 어셈블리, 그리고
    상기 광원으로부터 이격 배치되고, 상기 광을 회절시키는 광학 부재를 포함하는 카메라 장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 복수의 발광 소자는,
    다중 수직 공진 표면광 레이저(Vertical Cavity Surface Emitting Laser, Vcsel) 소자인 카메라 장치.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 렌즈 어셈블리는,
    제1 액체 및 상기 제1 액체와 굴절률이 상이한 제2 액체를 포함하며,
    상기 제1 제어 신호에 따라 상기 제1 액체와 상기 제2 액체가 이루는 계면이 변하는 카메라 장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 렌즈 어셈블리는,
    상기 제1 액체와 상기 제2 액체가 이루는 계면의 곡률에 따라 상기 광의 산란 정도를 변경하는 카메라 장치.
  7. 제3항에 있어서,
    상기 렌즈 어셈블리는,
    상기 광원과 광학 부재 사이에 배치되거나 상기 광학 부재 상단에 배치되는 카메라 장치.
  8. 제3항에 있어서,
    상기 발광부는,
    제2 제어 신호에 따라 상기 광원에 전원의 전력을 공급하는 카메라 장치.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 발광부는,
    상기 광이 상기 제1 광경로에 따라 출력되면, 상기 제2 제어 신호에 따라, 상기 복수의 발광 소자 중 일부를 개별 동작시켜 상기 광을 생성하거나, 복수의 발광 소자 중 기 설정된 영역에 배치된 발광 소자를 동작시켜 상기 광을 생성하는 카메라 장치.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 제2 제어 신호는,
    상기 광의 노출 시간을 제어하거나 상기 광의 파워 펄스의 듀티비(duty rate)를 제어하는 카메라 장치.
  11. 제8항에 있어서,
    상기 발광부는,
    상기 복수의 발광 소자와 연결되는 복수의 스위칭 소자를 포함하며,
    상기 제2 제어 신호의 펄스 발생 구간에서 상기 복수의 스위칭 소자를 턴온시켜 상기 광원에 전력을 공급하고, 상기 제2 제어 신호의 펄스 미발생 구간에서 상기 복수의 스위칭 소자를 턴오프시켜 상기 광원에 전력 공급을 중단하는 카메라 장치.
  12. 제8항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 전기 신호에 대응하는 이미지 데이터의 채도값에 따라 상기 제2 제어 신호의 펄스폭을 제어하며,
    상기 제2 제어 신호는,
    상기 채도값이 기 설정된 최대 채도값과 상이하면, 기 설정된 펄스폭(pulse width)이 유지하고,
    상기 채도값이 기 설정된 최대 채도값과 동일하면, 상기 기 설정된 펄스폭이 감소하는 카메라 장치.
  13. 제8항에 있어서,
    상기 광학 부재는,
    상기 광을 입력받는 제1면 및 회절된 상기 광을 출력하는 제2면을 포함하는 플레이트 형태로 구현되며,
    상기 제1면은 일정한 피치에 따라 배치된 복수의 마이크로 렌즈를 포함하고, 상기 제2면은 평면 또는 일정한 곡률의 구면 형상으로 구현되는 카메라 장치.
  14. 제1항에 있어서,
    상기 광은,
    근적외(near infrared) 영역의 파장을 가지는 카메라 장치.
  15. 제1항에 있어서,
    상기 발광부는, 인체에 상기 광을 출력하며,
    상기 수광부는, 상기 인체의 혈액에 포함된 헤모글로빈에 미흡수되어 상기 인체에 반사된 상기 광을 집광하는 카메라 장치.
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