WO2021167254A1 - 깊이 이미징 장치 및 입사각에 따른 크로스토크가 저감된 깊이 이미징 장치용 간섭필터 - Google Patents

깊이 이미징 장치 및 입사각에 따른 크로스토크가 저감된 깊이 이미징 장치용 간섭필터 Download PDF

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WO2021167254A1
WO2021167254A1 PCT/KR2021/000742 KR2021000742W WO2021167254A1 WO 2021167254 A1 WO2021167254 A1 WO 2021167254A1 KR 2021000742 W KR2021000742 W KR 2021000742W WO 2021167254 A1 WO2021167254 A1 WO 2021167254A1
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reflective layer
interference filter
light
wavelength
optical
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PCT/KR2021/000742
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Inventor
장민준
장우준
Original Assignee
장민준
장우준
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    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B5/00—Optical elements other than lenses
    • G02B5/20—Filters
    • G02B5/28—Interference filters
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B5/00—Optical elements other than lenses
    • G02B5/08—Mirrors

Definitions

  • the present invention relates to a depth imaging apparatus used in a time of flight (TOF) camera or a light detection and ranging (LIDAR) apparatus, and an interference filter for the depth imaging apparatus.
  • TOF time of flight
  • LIDAR light detection and ranging
  • a camera that uses structured light (SL) and a TOF camera that measures the flight time of light are used for 3D imaging technology that can be used for facial recognition, AR, and VR technologies.
  • the method of using structured light is a method of reading the distortion of the infrared pattern by the subject after irradiating an infrared pattern composed of tens of thousands of dots.
  • This method has a disadvantage in that the recognition rate decreases significantly as the distance between the camera and the subject increases.
  • the TOF method continuously emits infrared light at intervals of nanoseconds (nS), measures the time it takes for the light to hit the subject and reaches the infrared sensor to measure the distance to the subject, and the direct method, which measures the distance to the subject.
  • nS nanoseconds
  • the TOF camera divides the subject into multiple areas and measures the distance to each area to obtain a three-dimensional image. According to the method of dividing the area, it is divided into a mechanical scanning method, a solid-state TOF method using a MEMS mirror, etc., and a flash TOF method for collectively irradiating a subject.
  • the TOF type camera includes an optical system such as a light receiving lens or a light transmitting lens, a light receiver including a light receiving sensor, a light transmitter including a light source and a driving device, and an optical filter.
  • an optical system such as a light receiving lens or a light transmitting lens
  • a light receiver including a light receiving sensor
  • a light transmitter including a light source and a driving device
  • an optical filter an optical filter
  • the optical receiver is divided into a plurality of regions, and each region receives the reflected light from the optical transmitter toward the subject, the external light toward the optical receiver, or the external light reflected from the subject, and generates an electrical signal.
  • the external light may be light from the sun or artificial lighting.
  • the optical transmitter serves to irradiate light toward the subject.
  • the optical transmitter may, for example, irradiate light having a narrow bandwidth belonging to an ultraviolet, visible, or infrared region in the form of a pulse.
  • the optical filter is disposed in front of the light receiving sensor of the optical receiver, and serves to block external light other than the light irradiated from the optical transmitter from being introduced into the optical receiver.
  • the optical filter may be an interference filter, an absorptive filter, a dichroic filter, or the like.
  • the optical filter may be a band-pass filter that passes only a specific wavelength region.
  • FIG. 1 is a view for explaining a Fabry-Perot interferometer (FPI), which is an example of an optical filter.
  • the Fabry-Perot interferometer has a pair of reflective surfaces R 1 and R 2 facing each other. The incident light is reflected between the reflective surfaces R 1 and R 2 . Since the reflectance of the reflective surfaces (R 1 , R 2 ) is not 100%, a certain proportion of the light (L t ) in the process in which the transmitted wavelength light is repeatedly reflected between the reflective surfaces (R 1 , R 2 ) is an interferometer is transmitted, and the rest is reflected back. In this process, light of a specific wavelength (transmission wavelength) causes constructive interference, and the remaining lights disappear by destructive interference.
  • a specific wavelength transmission wavelength
  • the transmission wavelength is determined according to the distance t op between the pair of reflective surfaces R 1 , R 2 and the incident angle ⁇ .
  • the reflective surface may be implemented as a single metal-based layer, or may have a structure in which dielectric layers having high index and low index of ⁇ (transmission wavelength)/4 thickness are formed.
  • the former has a disadvantage in that the transmittance is lowered due to the absorption component on the reflective surface.
  • the latter it is possible to configure a filter with high reflectance and a narrow full width at half maximum.
  • Equation 1 is a formula for determining the transmission wavelength of the Fabry-Perot interferometer.
  • n is the refractive index of the material filled between the reflective surfaces
  • t op is the distance between the reflective surfaces
  • ⁇ is the angle of incidence
  • m is an integer
  • ⁇ is the transmission wavelength.
  • the transmitted wavelength is 0.866 ⁇ 0 is shortened to That is, light incident perpendicularly to the Fabry-Perot interferometer transmits only a component having a wavelength of ⁇ 0 through the Fabry-Perot interferometer, and light incident at 30 degrees transmits only a component having a wavelength of 0.866 ⁇ 0.
  • such an optical filter passes only light of a specific wavelength region corresponding to the light irradiated from the optical transmitter.
  • the optical filter also has a center wavelength of 940 nm and a full width at half maximum (FWHM) of 0.7 nm. It is ideal to use a band pass filter.
  • a vertical cavity surface emitting laser (VCSEL) used as a light source for a TOF camera has a center wavelength change rate of 0.07 nm/°C, so a vehicle LiDAR system is When it is changed from -40°C to 105°C, it has a center wavelength change width of about 10.15nm.
  • VCSEL vertical cavity surface emitting laser
  • the incident angle of the light incident to the center of the band pass filter is close to vertical, and the light incident to the outer portion of the band pass filter is incident obliquely, so that the light having a shorter wavelength than the central portion passes through the outer portion. Accordingly, the reflected light of the source light irradiated from the light source may be blocked by the outer portion of the band pass filter.
  • a laser having a center wavelength of 940 nm and a full width at half maximum is used as the light source of the optical transmitter, and an interference filter having a center wavelength of 940 nm and a full width at half maximum is used as a band pass filter. If the incident angle of the reflected light of the source light incident on the outer part of the filter is increased and the transmitted wavelength of the band pass filter moves toward a shorter wavelength of 20 nm, the transmit wavelength of the band pass filter at the outer part is changed from 925 to 955 nm to 905 to 935 nm.
  • the reflected light of the source light having a wavelength range of 939.65 to 940.35 nm exceeds the upper limit of 935 nm, which is the upper limit of the transmission wavelength range of the outer portion of the band pass filter, and is blocked by the outer portion of the band pass filter.
  • the optical filter in order to prevent the reflected light from being irradiated from the optical transmitter from being blocked by the optical filter, the optical filter has a full width at half maximum, which is much larger than the full width at half maximum of the actual light source, and has a full width at half maximum of several tens of nm (e.g., a band pass filter with a level of 30 to 50 nm) is used. That is, the problem is solved by a method of expanding the full width at half maximum of the band pass filter.
  • Equation 2 the signal-to-noise ratio under sunlight of the TOF imaging device decreases as the amount of sunlight increases and decreases, and increases as the output of the light source or the sensitivity of the light receiving sensor increases.
  • the dynamic range of the optical receiver is limited, as the magnitude of external light increases, the magnitude and occupancy ratio of the output signal by the source light among the output signals of the optical receiver decreases. As the magnitude of external light increases, noise due to external light increases in the output signal of the optical receiver, and thus the signal-to-noise ratio decreases. And the effective dynamic range of the optical receiver is also reduced.
  • Table 1 below is a table that calculates the signal-to-noise ratio and the amount of sunlight according to the change in the illuminance of external light and the full width at half maximum of the band pass filter.
  • the amount of sunlight indicates the amount of sunlight transmitted to the optical receiver through an optical filter (band pass filter).
  • FIG. 3 is a view for explaining the propagation of light between reflective surfaces R 1 and R 2 when incident light having a large incident angle is introduced into a conventional Fabry-Perot interferometer.
  • the light is the distance of moving in the direction the reflection surface of the Over the reflection between the (R 1, R 2) reflecting surface of the (R 1, R 2) and perpendicular increases (the width increases from Zone 1 to Zone 3). This distance increases the reflectance of the reflective surfaces R 1 and R 2 , and increases as the incident angle increases.
  • incident light with an angle of incidence of 5 degrees does not travel much laterally until the intensity is weakened by repeated reflections, whereas light with an angle of incidence of 25 degrees travels a considerable distance, resulting in an array sensor in the optical receiver LR. It is incident not only on the pixel corresponding to the subject division area of , but also on adjacent pixels.
  • Table 2 shows the travel distance in a direction orthogonal to the reflective surface according to the reflectance and the incident angle of the reflective surface.
  • the array sensor of the optical receiver of a TOF camera typically has a pixel size of several micrometers.
  • the movement distance is 0 ⁇ m regardless of the reflectance, and in the case of an incident angle of 30 degrees, when the reflectance is 0.9, it is about 9.3 ⁇ m, and when the reflectance is 0.95, it is about 24.4 ⁇ m.
  • the reflectance increases, the number of reflections increases, so the moving distance increases.
  • the angle of incidence increases, the distance traveled until it is reflected once increases.
  • 4 is a graph showing light leakage to adjacent angles (pixels) according to a haze (blurness) component. 4 , the horizontal axis represents the scattering angle, and the vertical axis represents the output (intensity). According to FIG. 4 , it can be seen that as the haze (blurry) component increases, the angular crosstalk increases with an adjacent angle (pixel).
  • the conventional depth imaging apparatus has the following problems.
  • the incident angle of the source light incident to the outer portion of the band pass filter is large, the source light is blocked by the band pass filter, and external light having a shorter wavelength than the source light can pass through the band pass filter.
  • US2019/0162885A1 US Patent Publication discloses an optical transmitter configured to transmit source light, an optical receiver configured to receive reflected light of the source light, and the received source light is transmitted before the photodetector.
  • a device comprising an infrared or near-infrared band pass filter disposed in front of a photodetector of an optical receiver to be received by the pass filter, wherein the band pass filter is configured to transmit light within a first region and a second wavelength range within a first wavelength range.
  • a device comprising a plurality of regions including a second region capable of transmitting light is disclosed.
  • a filter having a bandwidth of 5 nm is used in the first region, which is the center, where incident light is mainly incident close to vertical, and in the second region, which is the outer part, where incident light is incident at an angle relatively frequently.
  • a filter with a bandwidth of 30 nm at least in the center where the reflected light is incident close to the vertical, external light is blocked to increase the sensitivity.
  • An object of the present invention is to improve the above-described problems, and to provide a depth imaging apparatus with improved sensitivity. Another object of the present invention is to provide a depth imaging apparatus having improved sensitivity in an outer part and improved crosstalk phenomenon, and an interference filter therefor.
  • the present invention provides a depth imaging apparatus comprising an optical transmitter configured to transmit source light and an optical receiver configured to receive reflected light of the source light, wherein a center for measuring a change in a central wavelength of the source light is provided.
  • a wavelength monitoring device An interference filter disposed at the front end of the optical receiver and having a first reflective layer and a second reflective layer facing the first reflective layer, wherein the wavelength of light that enters the interference filter and exits is determined by the first reflective layer and the second reflective layer an interference filter adjusted according to the spacing between the reflective layers; a spacing adjustment mechanism configured to adjust the spacing between the first reflective layer and the second reflective layer; and a controller for adjusting the spacing between the first reflective layer and the second reflective layer by controlling the spacing adjusting mechanism in response to a change in the central wavelength of the source light measured from the central wavelength monitoring device.
  • the central wavelength monitoring device includes a first photosensor configured to improve sensitivity as the wavelength of the source light increases, and a second photosensor configured to decrease sensitivity as the wavelength of the source light increases, wherein the Provided is a depth imaging apparatus for measuring a change in a central wavelength of a source light based on a difference in sensitivities of the first photosensor and the second photosensor.
  • a depth imaging apparatus characterized in that the distance between the first reflective layer and the second reflective layer of the interference filter increases from the center toward the outside.
  • a depth imaging apparatus characterized in that the intelligent optical material whose thickness or refractive index is changed according to an external stimulus is filled between the first and second reflection layers of the interference filter.
  • a portion between the first reflective layer and the second reflective layer of the interference filter is filled with an optical material whose thickness increases as it progresses from the center of the interference filter to the outside in the thickness direction of the interference filter.
  • a depth imaging device is provided.
  • the optical material provides a depth imaging apparatus, characterized in that formed through an imprint process or a deposition process.
  • the present invention also provides an interference filter disposed in front of the optical receiver of a depth imaging device comprising an optical transmitter configured to transmit source light and an optical receiver configured to receive reflected light of the source light, the first reflective layer and the and a second reflective layer facing the first reflective layer, wherein the wavelength of light exiting after entering the interference filter is adjusted according to a distance between the first reflective layer and the second reflective layer, and the first reflective layer of the interference filter
  • the distance between the second reflective layer and the second reflective layer is provided as the distance increases from the center to the outside.
  • an interference filter characterized in that an intelligent optical material whose thickness or refractive index is changed according to an external stimulus is filled between the first reflective layer and the second reflective layer of the interference filter.
  • the present invention also provides an interference filter disposed in front of the optical receiver of a depth imaging device comprising an optical transmitter configured to transmit source light and an optical receiver configured to receive reflected light of the source light, the first reflective layer and the and a second reflective layer facing the first reflective layer, wherein the wavelength of light exiting after entering the interference filter is adjusted according to a distance between the first reflective layer and the second reflective layer, and the first reflective layer of the interference filter
  • an interference filter characterized in that a portion between the second reflective layer and the second reflective layer is filled with an optical material whose thickness increases from the center of the interference filter to the outside based on the thickness direction of the interference filter.
  • the optical material provides an interference filter, characterized in that the thickness or refractive index of the intelligent optical material is changed according to an external stimulus.
  • the optical material provides an interference filter, characterized in that formed through an imprint process or a deposition process.
  • the depth imaging apparatus according to the present invention can adjust the passband of the interference filter according to the change in the central wavelength of the source light, it is possible to use an interference filter having a very narrow passband compared to the related art. Accordingly, the depth imaging apparatus according to the present invention has improved sensitivity by reducing noise caused by external light, and can be used outdoors in strong external light.
  • the source light having a large incident angle incident on the outer portion is not blocked by the interference filter.
  • the crosstalk shape caused by the source light having a large incident angle may be reduced.
  • FIG. 1 is a view for explaining a Fabry-Perot interferometer (FPI), which is an example of an optical filter.
  • FPI Fabry-Perot interferometer
  • FIG. 2 is a diagram for explaining a change in a signal-to-noise ratio according to the magnitude of external light.
  • 3 is a view for explaining the propagation of light between reflective surfaces when incident light having a large angle of incidence is introduced into a conventional Fabry-Perot interferometer.
  • FIG. 4 is a graph showing light leakage to adjacent angles (pixels) according to a haze (blurness) component.
  • FIG. 5 is a schematic diagram of a depth imaging apparatus according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 6 is a diagram for explaining the principle of a center wavelength measuring device using a dual sensor.
  • Fig. 7 is a schematic diagram of the interference filter and optical receiver shown in Fig. 5;
  • FIG. 8 is a schematic diagram of another example of an interference filter.
  • FIG. 9 is a view for explaining the operation of the interference filter shown in FIG.
  • FIG. 10 is a diagram illustrating another example of an interference filter and a part of an optical receiver.
  • 11 and 12 are schematic diagrams of further examples of an interference filter.
  • the depth imaging apparatus 100 includes an optical transmitter 10 , an optical receiver 20 , a center wavelength monitoring device 30 , and an interference filter 40 . ) and a controller 50 .
  • the depth imaging apparatus 100 adjusts the passband of the interference filter 40 in association with the wavelength change of the source light transmitted from the optical transmitter 10 , thereby providing a signal from the optical receiver 20 .
  • the noise-to-noise ratio can be improved.
  • the optical transmitter 10 serves to irradiate the source light 1 toward the subject 8 .
  • the optical transmitter 10 may, for example, irradiate light having a narrow bandwidth belonging to an ultraviolet, visible, or infrared region in the form of a pulse.
  • a vertical cavity surface emitting laser VCSEL
  • VCSEL vertical cavity surface emitting laser
  • the source light irradiated from the optical transmitter 10 for a TOF camera light having a center wavelength of 850, 940, or 1064 nm may be used.
  • the source light irradiated from the optical transmitter 10 for vehicle LIDAR light having a center wavelength of 905 or 1550 nm may be used.
  • the pulse width of the pulsed source light may be about 1 to 5 nS.
  • the optical receiver 20 serves to receive the reflected light 2 of the source light 1 .
  • the optical receiver 20 is divided into a plurality of regions, and each region is irradiated from the optical transmitter 10 toward the subject and then reflected light 2 , external light 4 directed toward the optical transmitter 10 , or the subject. By receiving the external light (6) reflected from the, it generates an electrical signal.
  • the center wavelength monitoring device 30 serves to measure a change in the center wavelength of the source light 1 .
  • a center wavelength measuring device using a dual sensor may be used as the center wavelength monitoring device 30 .
  • a center wavelength measuring device using a dual sensor includes a first photosensor configured to improve sensitivity as the wavelength of the source light 1 increases, and a second photosensor configured to decrease sensitivity as the wavelength of the source light increases.
  • the center wavelength measuring device using the dual sensor measures a change in the center wavelength of the source light based on the difference in sensitivities of the first optical sensor and the second optical sensor.
  • the first photosensor is configured to have an increased sensitivity as the wavelength of the source light increases.
  • the first optical sensor includes a first light receiving element and a first optical filter.
  • the first optical filter is configured to increase transmittance as the wavelength of the incident light increases.
  • the slope (k) and the intercept (l) of the sensitivity graph of the first optical sensor can be changed by appropriately selecting the first light receiving element and the first optical filter.
  • the second photosensor is configured such that the sensitivity decreases as the wavelength of the source light increases.
  • the second photosensor includes a second light receiving element and a second optical filter.
  • the second optical filter is configured to decrease transmittance as the wavelength of the incident light increases.
  • the slope (m) and the intercept (n) of the sensitivity graph of the second photosensor can be changed by appropriately selecting the second light receiving element and the second optical filter.
  • one of the first and second photosensors may include only the light-receiving element without an optical filter. Whether the transmittance of the light-receiving element increases or decreases as the wavelength of the incident light increases is determined according to the wavelength range of the incident light.
  • the center wavelength measuring device using the dual sensor may measure the center wavelength of the source light by measuring a difference value between the sensitivity values of the first optical sensor and the second optical sensor. For example, if the first photosensor and the second photosensor having a sensitivity graph as shown in FIG. 6 are used, the center of the source light when the difference between the sensitivity values of the first photosensor and the second photosensor is 0 The wavelength becomes approximately 535 nm, and at 0.8 it becomes 500 nm.
  • a conventional optical spectrometer may be used as the center wavelength monitoring device 30 .
  • An optical spectrometer is a device that shows the intensity of light as a function of wavelength or frequency.
  • a center wavelength measuring device using a dual sensor has the advantage of being very small compared to an optical spectrometer.
  • the interference filter 40 blocks the external lights 4 and 6 as much as possible among the light directed to the optical receiver 20 , thereby improving the signal-to-noise ratio (SNR) of the optical receiver 20 .
  • the interference filter 40 is disposed in front of the light receiving sensor array of the optical receiver 20 .
  • the center wavelength of the source light 1 can be known by using the center wavelength monitoring device 30 , the manufacturing deviation of the optical transmitter 10 itself, the deviation depending on the ambient temperature, and the optical transmitter 10 are It is not necessary to design a wide passband of the interference filter 40 in consideration of the fluctuation of the central wavelength according to factors such as power consumption or current flowing through the optical transmitter 10 .
  • the interference filter 40 is designed so that the pass band of the interference filter 40 is about 30 nm, but in the present invention, the width of the pass band can be reduced to 5 nm or less.
  • the width of the pass band of the interference filter 40 is reduced, the external light incident on the optical receiver 20 is reduced, and thus the signal-to-noise ratio is improved.
  • the full width at half maximum of the interference filter 40 is 30 nm to 5 nm, the area of the irradiation surface of the source light is 1 m and when the illuminance of sunlight is 100kLux, the signal-to-noise ratio is improved by about 585%. The same is improved even when the illuminance of sunlight is 20kLux.
  • FIG. 7 is a schematic diagram of the interference filter and optical receiver shown in FIG. 5; 7 , the interference filter 40 includes a first optical member 41 and a second optical member 42 .
  • the first optical member 41 has an incident surface 43 on which the reflected light of the source light is incident and a first reflective layer 44 parallel to the incident surface 43 .
  • the first optical member 41 may be manufactured by coating a metal-based material having high reflectance on a glass substrate to form a first reflective layer.
  • a first reflective layer in which dielectric layers having a different refractive index and a ⁇ /4 thickness are formed on a metal-based material may be used.
  • the first reflective layer coated with only dielectric layers prepared by alternately depositing thin layers having high and low refractive indexes with a thickness of ⁇ /4 may be used.
  • the second optical member 42 has a second reflective layer 46 facing the first reflective layer 44 and an emission surface 45 parallel to the second reflective layer 46 .
  • the second optical member 42 may be manufactured in the same manner as the first optical member 41 .
  • the first optical member 41 and the second optical member 42 may have a disk shape or an oval plate shape.
  • the first reflective layer 44 and the second reflective layer 46 are partially reflective layers.
  • the spacing between the first reflective layer 44 and the second reflective layer 46 defines a FABRY-PEROT cavity between the first reflective layer 44 and the second reflective layer 46 .
  • the gap between the first reflective layer 44 and the second reflective layer 46 is generally filled with air, but may be made of any other medium through which light can pass.
  • the gap between the first reflective layer 44 and the second reflective layer 46 is also referred to as a bandpass layer.
  • Incident light is reflected within the cavity between the first reflective layer 44 and the second reflective layer 46 , and light of a specific wavelength is transmitted through the interference filter 40 according to the Fabry-Perot interference principle.
  • the interference filter 40 also includes a spacing adjustment mechanism 49 capable of adjusting the spacing between the first reflective layer 44 and the second reflective layer 46 .
  • the wavelength of the light passing through the interference filter 40 is controlled by the distance between the first reflective layer 44 and the second reflective layer 46 .
  • Incident light is reflected a plurality of times between the first reflective layer 44 and the second reflective layer 46, and the reflected lights interfere with each other. Constructive interference occurs when the reflected lights are in phase with each other, but destructive interference occurs when they are out of phase with each other. For example, if the interval between the first reflective layer 44 and the second reflective layer 46 is ⁇ /2, light having a wavelength of ⁇ passes through the interference filter 40 .
  • the spacing mechanism 49 may be, for example, an actuator and a spring member.
  • the actuator pushes or pulls at least one of the first optical member 41 and the second optical member 42 in a direction in which the first optical member 41 and the second optical member 42 approach each other or in a direction away from each other. can be installed.
  • the spring member is installed to apply an elastic force to the first optical member 41 and the second optical member 42 in a direction opposite to the actuator to maintain a gap between the first reflective layer 44 and the second reflective layer 46 .
  • an anti-reflection coating layer may be formed on the emission surface 43 of the second optical member 42 of the interference filter 40 .
  • the anti-reflective coating layer may be an ADI filter (All dielectric interference filter) manufactured by alternately depositing thin layers with high and low reflectivity.
  • the controller 50 generates a control signal for adjusting the distance between the pair of reflective films 44 and 46 of the interference filter 40 in response to a change in the center wavelength of the source light measured from the center wavelength monitoring device 30. plays a role
  • the controller 50 transmits a control signal to the actuator of the interference filter 40 when the center wavelength of the source light measured from the center wavelength monitoring device 30 becomes longer, and the first reflective layer and the second reflective layer Adjust to widen the gap between them. Conversely, when the central wavelength of the source light is shortened, the distance is adjusted to be narrower.
  • FIG. 8 is a schematic diagram of another example of an interference filter
  • FIG. 9 is a diagram for explaining the operation of the interference filter shown in FIG.
  • the interference filter 140 shown in FIGS. 8 and 9 is to reduce the deviation and crosstalk caused by the incident light being not always incident at an ideal angle of incidence, that is, perpendicular to the interference filter 140 .
  • the mobile imaging lens has an incident angle of about 0-30°. That is, as shown in FIG. 9 , the incident angle of light incident to the center of the interference filter 140 may be close to 0°, and the incident angle of light incident to the outermost portion may be close to 30°.
  • the first reflective layer 144 is convex unlike the interference filter 40 shown in FIG. 7 . Accordingly, as the distance between the first reflective layer 144 and the second reflective layer 146 progresses from the center to the outside, the distance increases.
  • Equation 1 when the incident light is not vertically incident on the interference filter 140 , the light of a shorter wavelength than the designed central wavelength passes through the interference filter 140 , and the light of the central wavelength that becomes the target is rather It may be blocked by the interference filter 140 .
  • the distance between the first reflective layer 144 and the second reflective layer 146 increases as the light progresses toward the outer portion of the interference filter 140 that is most likely to be incident at an angle. As the incident angle increases, the movement of the central wavelength to a shorter wavelength is canceled by making the movement path of the light incident to the outer portion longer.
  • a movement path of light incident to the outer portion of the interference filter 40 at an incident angle of 25° is longer than a movement path of light incident at an incident angle of 5° to the center.
  • the incident angle increases, it is natural that the light travel path becomes longer, but in this embodiment, as the distance between the first reflective layer 144 and the second reflective layer 146 increases toward the outer part, the reflective layers are parallel to each other in the conventional interference filter.
  • the increase in the movement path according to the increase in the angle of incidence is larger.
  • Equation 1 As the angle of incidence increases, the denominator of the right term becomes smaller. However, if the interval between the first reflective layer 144 and the second reflective layer 146, which is the left term, is increased accordingly, the central wavelength ( ⁇ ) of the pass band, which is the numerator of the right term. ) does not change.
  • the central wavelength of the pass band of the interference filter 140 is twice the distance between the first reflective layer 144 and the second reflective layer 146 of the interference filter 140, the first reflective layer 144 and the second reflective layer ( 146), the central wavelength shifts to a longer wavelength when the interval between them increases. Therefore, the effect of increasing the incident angle can be canceled.
  • the interference filter 140 shown in FIGS. 8 and 9 serves to reduce the crosstalk phenomenon.
  • the wavelength of the light passing through the interference filter 140 is determined according to the distance between the first reflective layer 144 and the second reflective layer 146 .
  • the distance between the interference filter 140 shown in FIG. 8 increases as it progresses toward the outer part, the light incident at a specific angle repeats the reflection behavior between the first reflective layer 144 and the second reflective layer 146 and the second When moving in a direction perpendicular to the reflective layer 146 , the light movement path between the first reflective layer 144 and the second reflective layer 146 of the reflected light gradually becomes longer.
  • the distance between the first reflective layer 144 and the second reflective layer 146 no longer satisfies Equation 1, and the reflected light no longer passes through the interference filter 140 and the light receiving sensor array of the optical receiver 20 is not incident on pixels in the adjacent area of .
  • the crosstalk phenomenon in which incident light is incident on not only the corresponding pixel of the corresponding target area but also the pixels of adjacent areas is improved. Accordingly, haze at the outer portion of the depth imaging apparatus 100 is reduced, and resolution is improved.
  • the first optical member 141 having the convex first reflective layer 144 may be manufactured using a mechanical shape processing technique, a semiconductor manufacturing technique, or an imprinting technique.
  • FIG. 10 is a diagram illustrating another example of an interference filter and a part of an optical receiver.
  • the interference filter 240 shown in FIG. 10 is also used to reduce the deviation caused because the incident light is not always incident at an ideal angle of incidence, that is, perpendicular to the interference filter 240 .
  • an optical material 247 rather than air is filled between the first reflective layer 244 and the second reflective layer 246 .
  • the optical material 247 of the interference filter 240 shown in FIG. 10 may be manufactured through a deposition process using one or more deposition masks, an imprinting process, or the like.
  • the interference filter 240 shown in FIG. 10 is filled with an intelligent optical material (SOM) whose thickness or refractive index is changed according to an external stimulus between the first reflective layer 244 and the second reflective layer 246.
  • SOM intelligent optical material
  • the controller 50 adjusts the external stimulus applied to the intelligent optical material in response to the change in the central wavelength of the source light measured by the central wavelength monitoring device 30 , so that the first reflective layer 244 and the second reflective layer The spacing or refractive index between 246 can be changed.
  • 11 and 12 are schematic diagrams of further examples of an interference filter.
  • the interference filter 340 shown in FIG. 11 is also used to reduce the deviation caused because incident light is not always incident at an ideal angle of incidence, that is, perpendicular to the interference filter 340 .
  • the interference filter 340 shown in FIG. 11 forms the second reflective layer 346 on the upper surface of the glass substrate 342, and after forming the optical material layer 347 on the second reflective layer 346, the optical material layer ( 347) may be manufactured by forming the first reflective layer 344 on it.
  • the optical material layer 347 is formed to increase in thickness as it progresses toward the outer portion. Accordingly, the distance between the first reflective layer 344 and the second reflective layer 346 formed on the optical material layer 347 increases toward the outer portion.
  • the interference filter 340 may be an All-Dielectric Interference Filter (ADI). That is, as the first reflective layer 344 and the second reflective layer 346 , all dielectric layers manufactured by alternately depositing thin layers with high and low refractive indexes with a thickness of ⁇ /4 may be used, and optical materials.
  • the layer may be a ⁇ /2 bandpass layer.
  • the interference filter 440 shown in FIG. 12 is also used to reduce the deviation caused by the fact that incident light is not always incident at an ideal angle of incidence, that is, perpendicular to the interference filter 440 .
  • an optical material 447 rather than air is partially filled between the first reflective layer 444 and the second reflective layer 446 based on the thickness direction of the interference filter. That is, the side of the first reflective layer 444 is filled with the optical material 447 , and the side of the second reflective layer 446 is filled with air (or other optical material). Contrary to that shown in FIG. 12 , the side of the second reflective layer 446 may be filled with the optical material 447 .
  • the optical material 447 increases in thickness as it progresses from the center of the interference filter 440 to the outside.
  • Equation 1 As the incident angle increases, the COS ⁇ value of the denominator of the right term decreases, but the refractive index (n) value of the optical material 447 filling the outer portion of the interference filter 440 is larger than that of the air filling the center, It is possible to compensate for the change in the center wavelength of the pass band that occurs as the incident angle increases at the outer portion.

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Abstract

본 발명은 TOF(time of flight) 카메라나 라이더(LIDAR, light detection and ranging) 장치에 사용되는 깊이 이미징 장치 및 깊이 이미징 장치용 간섭필터에 관한 것이다. 본 발명은 소스 광을 전송하도록 구성된 광 송신기와, 상기 소스 광의 반사광을 수신하도록 구성된 광 수신기를 포함하는 깊이 이미징 장치로서, 상기 소스 광의 중심 파장의 변화를 측정하는 중심파장 모니터링 장치와; 상기 광 수신기의 전단에 배치되며, 제1 반사층과 상기 제1 반사층과 마주보는 제2 반사층을 구비하는 간섭 필터로서, 상기 간섭 필터로 입사한 후 빠져나가는 광의 파장은 상기 제1 반사층과 상기 제2 반사층 사이의 간격에 따라서 조절되는 간섭 필터와; 상기 제1 반사층과 상기 제2 반사층 사이의 간격을 조절할 수 있도록 구성된 간격 조절 메커니즘과; 상기 중심파장 모니터링 장치로부터 측정된 상기 소스 광의 중심 파장의 변화에 대응하여 상기 간격 조절 메커니즘을 제어함으로써 상기 제1 반사층과 상기 제2 반사층 사이의 간격을 조절하는 제어기를 포함하는 것을 특징으로 하는 깊이 이미징 장치를 제공한다.

Description

깊이 이미징 장치 및 입사각에 따른 크로스토크가 저감된 깊이 이미징 장치용 간섭필터
본 발명은 TOF(time of flight) 카메라나 라이더(LIDAR, light detection and ranging) 장치에 사용되는 깊이 이미징 장치 및 깊이 이미징 장치용 간섭필터에 관한 것이다.
안면 인식, AR, VR 기술 등에 활용될 수 있는 3차원 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.
도 1은 광학 필터의 일례인 패브리-페로 간섭계(Fabry-Perot Interferometer, FPI)를 설명하기 위한 도면이다. 도 1에 도시된 바와 같이, 패브리-페로 간섭계는 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 간섭계를 투과하고, 나머지는 다시 반사된다. 이러한 과정에서 특정 파장(투과 파장)의 빛은 보강 간섭을 일으키고, 나머지 빛들은 소멸 간섭에 의해서 사라진다.
패브리-페로 간섭계에서는 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.
수학식 1은 패브리-페로 간섭계의 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 PCTKR2021000742-appb-M000001
수학식 1에 따르면 패브리-페로 간섭계는 입사각에 따라 투과 파장이 변화한다. 즉, 한 쌍의 반사면 사이의 거리가 λ0/2(top=λ0/2)이고, 반사면 사이에 공기가 채워진 경우(n=1), 패브리-페로 간섭계를 수직으로 입사하는 빛의 투과 파장은 λ0 가 된다. 그리고 입사광의 입사각이 커지면 투과 파장이 λ0에 비해서 짧아진다. 예를 들어, 입사각이 30도이면, 투과 파장은 0.866λ0 로 짧아진다. 즉, 패브리-페로 간섭계에 수직으로 입사하는 빛은 파장이 λ0인 성분만 패브리-페로 간섭계를 투과하며, 30도 입사하는 빛은 파장이 0.866λ0인 성분만 투과한다.
광 수신기의 성능을 향상시키기 위해서는 이러한 광학 필터가 광 송신기에서 조사되는 빛에 해당되는 특정 파장 영역의 빛만을 통과시키는 것이 가장 바람직하다.
예를 들어, 광 송신기에서 중심파장이 940㎚이며, 반치전폭(FWHM, full width at half maximum)이 0.7㎚인 빛이 조사된다면, 광학 필터도 중심파장이 940㎚이며, 반치전폭이 0.7㎚인 밴드 패스 필터를 사용하는 것이 이상적이다.
그러나 광원 자체의 제조 편차에 의해서 광원의 중심 파장에 수㎚ 정도 편차가 생기며, 광원 주변의 온도, 광원의 출력 변화 등에 의해서도 광원의 중심 파장에 수㎚ 정도 편차가 생긴다.
예를 들어, TOF 카메라의 광원으로 사용되는 수직 공진형 표면 발광 레이저(VCSEL, Vertical Cavity Surface Emitting Laser)는 0.07㎚/℃의 중심 파장 변화율을 가지므로, 차량용 라이다(LiDAR) 시스템은 주변 온도가 -40℃에서 105℃까지 변화하게 되면 약 10.15nm의 중심 파장 변화폭을 가진다.
또한, 수학식 1을 참고하여 위에서 설명한 바와 같이, 입사광이 밴드 패스 필터에 항상 이상적인 입사각, 즉 수직으로 입사하지는 않기 때문에 입사각에 따른 편차가 생길 수 있다. 입사광이 밴드 패스 필터에 수직으로 입사하지 않을 경우에는 설계된 중심파장에 비해서 파장이 10~20㎚ 정도 짧은 단파장의 빛이 밴드 패스 필터를 통과하고, 오히려 목적하는 투과설계 파장인 중심파장의 빛이 밴드 패스 필터에 의해서 차단될 수 있다.
일반적으로 밴드 패스 필터의 중심부에 입사되는 빛의 입사각은 수직에 가까우며, 밴드 패스 필터의 외곽부에 입사되는 빛은 비스듬하게 입사되므로, 외곽부는 중심부에 비해서 단파장의 빛이 통과하게 된다. 따라서 광원에서 조사된 소스 광의 반사광은 오히려 밴드 패스 필터의 외곽부에 의해서 차단될 수 있다.
예를 들어, 광 송신기의 광원으로 중심파장이 940㎚, 반치전폭이 0.7㎚인 레이저를 사용하고, 밴드 패스 필터로 중심파장이 940㎚, 반치전폭이 30㎚인 간섭 필터를 사용하였는데, 밴드 패스 필터의 외곽부에 입사되는 소스 광의 반사광의 입사각이 커져서 밴드 패스 필터의 투과 파장이 20㎚ 단파장 쪽으로 이동한다면, 외곽부에서 밴드 패스 필터의 투과 파장은 925~955㎚에서 905~935㎚로 변경되므로, 파장범위가 939.65~940.35㎚인 소스 광의 반사광은 밴드 패스 필터의 외곽부의 투과 파장 범위의 상한치인 935㎚를 벗어나서, 밴드 패스 필터의 외곽부에 의해서 차단된다.
이러한 여러 요인들을 고려하여 광 송신기에서 조사된 후 반사된 빛이 광학필터에서 차단되는 것을 방지하기 위해서, 광학필터로, 실제 광원의 반치전폭에 비해서 반치전폭이 훨씬 큰, 반치전폭이 수십㎚(예를 들어, 30~50㎚) 수준인 밴드 패스 필터를 사용하게 된다. 즉, 밴드 패스 필터의 반치전폭을 확대하는 방법으로 문제를 해결하고 있다.
그러나 이러한 해결 방법은 한낮에 야외에서 측정하는 경우와 같이 외부광의 영향이 클 경우에는 광 수신기의 출력신호의 상당 부분이 외부광에 기인하므로, 신호 대 잡음비(SNR, signal-to-noise ratio)가 작아져서, 광 수신기의 감도가 크게 떨어진다는 문제가 있었다.
아래의 수학식 2에 따르면 TOF 이미징 장치의 태양광 하에서의 신호 대 잡음비는 태양광량이 증감할수록 감소하고 광원의 출력이나 수광 센서의 감도가 증가할수록 증가함을 알 수 있다.
Figure PCTKR2021000742-appb-M000002
도 2에 도시된 바와 같이, 광 수신기의 다이내믹 레인지(Dynamic Range)에는 한계가 있기 때문에 외부광의 크기가 강할수록 광 수신기의 출력신호 중에서 소스 광에 의한 출력신호의 크기 및 차지하는 비율이 줄어든다. 외부광의 크기가 강할수록 광 수신기의 출력신호에서 외부광에 의한 노이즈가 증가하여, 신호 대 잡음비가 감소한다. 그리고 광 수신기의 유효 다이내믹 레인지(Effective Dynamic Range)도 감소한다.
아래의 표 1은 외부광의 조도 및 밴드 패스 필터의 반치전폭의 변화에 따른 신호 대 잡음비와 태양광량을 계산한 표이다. 표 1에서 태양광량은 광학필터(밴드 패스 필터)를 통과하여 광 수신기에 전달되는 태양광량을 나타낸다.
Figure PCTKR2021000742-appb-T000001
표 1에 정리된 바와 같이, 소스 광의 파장에 관계없이, 밴드 패스 필터의 반치전폭이 커지면 태양광량이 커지고, 신호 대 잡음비가 감소한다. 그리고 외부광의 조도가 클수록 신호 대 잡음비가 감소한다.
또한, 입사광이 밴드 패스 필터에 수직으로 입사하지는 않을 경우에는 크로스토크에 의한 헤이즈 현상이 생길 수 있다는 문제도 있다.
도 3은 종래의 패브리-페로 간섭계에 입사각이 큰 입사광이 유입되었을 때 반사면들(R1, R2) 사이에서의 빛의 진행을 설명하기 위한 도면이다.
도 3에 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 폭이 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 2는 반사면의 반사율과 입사각에 따른 반사면과 직교하는 방향으로의 이동거리를 나타낸 것이다. TOF 카메라의 광 수신기의 어레이 센서는 통상 수 마이크로미터의 픽셀크기를 가진다.
Figure PCTKR2021000742-appb-T000002
표 2를 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, 깊이 이미징 카메라의 해상도를 떨어뜨리는 것을 알 수 있다. 도 4는 헤이즈(흐림도) 성분에 따른 인접 각도(픽셀)로의 누광을 나타내는 그래프이다. 도 4의 가로축은 산란각(Scattering Angle)을 나타내며, 세로축은 출력(강도)을 나타낸다. 도 4에 따르면 헤이즈(흐림도) 성분이 증가할수록 인접 각도(픽셀)로 누광(Angular Crosstalk)이 증가하는 것을 알 수 있다.
정리하면, 종래의 깊이 이미징 장치는 다음과 같은 문제점들이 있었다.
첫째, 광원 자체의 제조 편차, 광원 주변의 온도, 광원의 출력강도 등에 의해서 발생하는 편차에 대해서는 대응할 수 없어서, 소스 광의 반치전폭에 비해서 반치전폭이 훨씬 큰 밴드 패스 필터를 사용하므로, 광 수신기의 신호 대 잡음비가 감소한다.
둘째, 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.
셋째, 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 둘째 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.
[선행기술문헌]
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, 감도가 향상된 깊이 이미징 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다. 또한, 본 발명은 외곽부에서의 감도가 향상되고, 크로스토크 현상이 개선된 깊이 이미징 장치 및 이를 위한 간섭 필터를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상술한 목적을 달성하기 위해서, 본 발명은 소스 광을 전송하도록 구성된 광 송신기와, 상기 소스 광의 반사광을 수신하도록 구성된 광 수신기를 포함하는 깊이 이미징 장치로서, 상기 소스 광의 중심 파장의 변화를 측정하는 중심파장 모니터링 장치와; 상기 광 수신기의 전단에 배치되며, 제1 반사층과 상기 제1 반사층과 마주보는 제2 반사층을 구비하는 간섭 필터로서, 상기 간섭 필터로 입사한 후 빠져나가는 광의 파장은 상기 제1 반사층과 상기 제2 반사층 사이의 간격에 따라서 조절되는 간섭 필터와; 상기 제1 반사층과 상기 제2 반사층 사이의 간격을 조절할 수 있도록 구성된 간격 조절 메커니즘과; 상기 중심파장 모니터링 장치로부터 측정된 상기 소스 광의 중심 파장의 변화에 대응하여 상기 간격 조절 메커니즘을 제어함으로써 상기 제1 반사층과 상기 제2 반사층 사이의 간격을 조절하는 제어기를 포함하는 것을 특징으로 하는 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 것을 특징으로 하는 깊이 이미징 장치를 제공한다.
또한, 상기 간섭 필터의 상기 제1 반사층과 상기 제2 반사층 사이의 거리는 중심에서 외곽으로 진행할수록 멀어지는 것을 특징으로 하는 깊이 이미징 장치를 제공한다.
또한, 상기 간섭 필터의 상기 제1 반사층과 상기 제2 반사층 사이에는 외부 자극에 따라서 두께 또는 굴절률이 변경되는 지능형 광학 물질이 채워지는 것을 특징으로 하는 깊이 이미징 장치를 제공한다.
또한, 상기 간섭 필터의 상기 제1 반사층과 상기 제2 반사층 사이에는 상기 간섭 필터의 두께 방향 기준으로 일부에 상기 간섭 필터의 중심에서 외곽으로 진행할수록 두께가 두꺼워지는 광학 물질이 채워지는 것을 특징으로 하는 깊이 이미징 장치를 제공한다.
또한, 상기 광학 물질은 임프린트 공정 또는 증착 공정을 통해서 형성되는 것을 특징으로 하는 깊이 이미징 장치를 제공한다.
또한, 본 발명은, 소스 광을 전송하도록 구성된 광 송신기와, 상기 소스 광의 반사광을 수신하도록 구성된 광 수신기를 포함하는 깊이 이미징 장치의 상기 광 수신기의 전단에 배치되는 간섭 필터로서, 제1 반사층과 상기 제1 반사층과 마주보는 제2 반사층을 구비하며, 상기 간섭 필터로 입사한 후 빠져나가는 광의 파장은 상기 제1 반사층과 상기 제2 반사층 사이의 간격에 따라서 조절되며, 상기 간섭 필터의 상기 제1 반사층과 상기 제2 반사층 사이의 거리는 중심에서 외곽으로 진행할수록 멀어지는 것을 특징으로 하는 간섭 필터를 제공한다.
또한, 상기 간섭 필터의 상기 제1 반사층과 상기 제2 반사층 사이에는 외부 자극에 따라서 두께 또는 굴절률이 변경되는 지능형 광학 물질이 채워지는 것을 특징으로 하는 간섭 필터를 제공한다.
또한, 본 발명은, 소스 광을 전송하도록 구성된 광 송신기와, 상기 소스 광의 반사광을 수신하도록 구성된 광 수신기를 포함하는 깊이 이미징 장치의 상기 광 수신기의 전단에 배치되는 간섭 필터로서, 제1 반사층과 상기 제1 반사층과 마주보는 제2 반사층을 구비하며, 상기 간섭 필터로 입사한 후 빠져나가는 광의 파장은 상기 제1 반사층과 상기 제2 반사층 사이의 간격에 따라서 조절되며, 상기 간섭 필터의 상기 제1 반사층과 상기 제2 반사층 사이에는 상기 간섭 필터의 두께 방향 기준으로 일부에 상기 간섭 필터의 중심에서 외곽으로 진행할수록 두께가 두꺼워지는 광학 물질이 채워지는 것을 특징으로 하는 간섭 필터를 제공한다.
또한, 상기 광학 물질은 외부 자극에 따라서 두께 또는 굴절률이 변경되는 지능형 광학 물질인 것을 특징으로 하는 간섭 필터를 제공한다.
또한, 상기 광학 물질은 임프린트 공정 또는 증착 공정을 통해서 형성되는 것을 특징으로 하는 간섭 필터를 제공한다.
본 발명에 따른 깊이 이미징 장치는 소스 광의 중심 파장의 변화에 따라서 간섭 필터의 통과 대역을 조절할 수 있으므로, 종래에 비해서 통과 대역이 매우 좁은 간섭 필터를 사용할 수 있다. 따라서 본 발명에 따른 깊이 이미징 장치는 외부광에 의한 노이즈가 감소하여 감도가 향상되며, 외부광이 강한 실외에서도 사용할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 깊이 이미징 장치의 일부 실시예는 간섭 필터의 외곽부에서의 반사면 사이의 거리가 멀어지므로, 외곽부에 입사되는 입사각이 큰 소스 광이 간섭 필터에 의해서 차단되지 않는다.
또한, 본 발명에 따른 깊이 이미징 장치의 일부 실시예는 간섭 필터의 외곽부에서의 반사면 사이의 거리가 멀어지므로, 입사각이 큰 소스 광에 의한 크로스토크 형상을 줄일 수 있다.
도 1은 광학 필터의 일례인 패브리-페로 간섭계(Fabry-Perot Interferometer, FPI)를 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 외부광의 크기에 따른 신호 대 잡음비의 변화를 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 종래의 패브리-페로 간섭계에 입사각이 큰 입사광이 유입되었을 때 반사면들 사이에서의 빛의 진행을 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 헤이즈(흐림도) 성분에 따른 인접 각도(픽셀)로의 누광을 나타내는 그래프이다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 깊이 이미징 장치의 개략도이다.
도 6은 듀얼 센서를 이용한 중심파장 측정기의 원리를 설명하기 위한 도면이다.
도 7은 도 5에 도시된 간섭 필터 및 광 수신기의 개략도이다.
도 8은 간섭 필터의 다른 예의 개략도이다.
도 9는 도 8에 도시된 간섭 필터의 작용을 설명하기 위한 도면이다.
도 10은 간섭 필터의 또 다른 예 및 광 수신기의 일부를 도시한 도면이다.
도 11과 12는 간섭 필터의 또 다른 예들의 개략도들이다.
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.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 깊이 이미징 장치의 개략도이다. 도 5에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일실시예에 따른 깊이 이미징 장치(100)는 광 송신기(10)와, 광 수신기(20)와, 중심파장 모니터링 장치(30)와, 간섭 필터(40)와, 제어기(50)를 포함한다.
본 발명의 일실시예에 따른 깊이 이미징 장치(100)는 광 송신기(10)에서 전송되는 소스 광의 파장변화에 연동하여, 간섭 필터(40)의 통과 대역을 조절함으로써, 광 수신기(20)의 신호 대 잡음비를 향상시킬 수 있다.
광 송신기(10)는 피사체(8)를 향해서 소스 광(1)을 조사하는 역할을 한다. 광 송신기(10)는, 예를 들어, 자외선, 가시광선, 적외선 영역에 속하는 대역폭이 좁은 빛을 펄스 형태로 조사할 수 있다. 광 송신기(10)로는. 예를 들어, 수직 공진형 표면 발광 레이저(VCSEL, Vertical Cavity Surface Emitting Laser)를 사용할 수 있다.
TOF 카메라용 광 송신기(10)에서 조사되는 소스 광으로는 중심 파장이 850, 940, 1064㎚인 빛 등을 사용할 수 있다. 차량용 LIDAR 용 광 송신기(10)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(20)는 소스 광(1)의 반사광(2)을 수신하는 역할을 한다. 광 수신기(20)는 복수의 영역으로 나뉘어 있으며, 각각의 영역은 광 송신기(10)에서 피사체를 향해서 조사된 후 반사된 빛(2), 광 송신기(10)를 향하는 외부광(4) 또는 피사체에서 반사된 외부광(6)을 수신하여, 전기신호를 발생시킨다.
중심파장 모니터링 장치(30)는 소스 광(1)의 중심 파장의 변화를 측정하는 역할을 한다. 중심파장 모니터링 장치(30)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 6에 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 6에 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 6에 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(30)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.
간섭 필터(40)는 광 수신기(20)로 향하는 빛 중에서 외부광(4, 6)을 최대한 차단하여, 광 수신기(20)의 신호 대 잡음비(SNR)를 향상시키는 역할을 한다. 간섭 필터(40)는 광 수신기(20)의 수광 센서 어레이 전단에 배치된다.
본 실시예에서는 중심파장 모니터링 장치(30)를 사용하여, 소스 광(1)의 중심파장을 알 수 있으므로, 광 송신기(10) 자체의 제조 편차, 주변 온도에 따른 편차, 광 송신기(10)가 소모하는 전력이나 광 송신기(10)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(20)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.
도 7은 도 5에 도시된 간섭 필터 및 광 수신기의 개략도이다. 도 7에 도시된 바와 같이, 간섭 필터(40)는 제1 광학 부재(41)와 제2 광학 부재(42)를 구비한다. 제1 광학부재(41)는 소스 광의 반사광이 입사하는 입사면(43)과 입사면(43)과 나란한 제1 반사층(44)을 가진다.
제1 광학부재(41)는 유리 기판에 금속계열의 고반사율의 물질을 코팅하여 제1 반사층을 형성하는 방법으로 제조할 수 있다. 또한, 반사율을 높이기 위하여 금속계열의 물질에 굴절률이 다르고 λ/4 두께를 가지는 유전체층(Dielectric Layer)들을 형성한 제1 반사층을 사용할 수도 있다. 또한, 굴절률이 높고 낮은 얇은 층들을 λ/4 두께로 교대로 증착하는 방법으로 제조된 유전체층(All Dielectric Layer)들 만으로 코팅된 제1 반사층을 사용할 수 있다.
제2 광학부재(42)는 제1 반사층(44)을 향하는 제2 반사층(46)과 제2 반사층(46)과 나란한 출사면(45)을 가진다. 제2 광학부재(42)는 제1 광학부재(41)와 동일한 방법으로 제조할 수 있다.
제1 광학부재(41)와 제2 광학부재(42)는 원판형 또는 타원판형일 수 있다.
제1 반사층(44)과 제2 반사층(46)은 부분적으로 반사성인 층들이다. 제1 반사층(44)과 제2 반사층(46) 사이의 간격은 제1 반사층(44)과 제2 반사층(46) 사이에 패브리-페로(FABRY-PEROT) 공동을 규정한다.
제1 반사층(44)과 제2 반사층(46) 사이의 갭(Gap)은 일반적으로 공기로 채워지지만, 광이 통과할 수 있는 다른 매질로 이루어질 수도 있다. 제1 반사층(44)과 제2 반사층(46) 사이의 갭은 밴드 패스 층(Bandpass Layer)이라고도 한다.
입사광은 제1 반사층(44)과 제2 반사층(46) 사이의 공동 내에서 반사되며, 특정 파장의 광은 패브리-페로 간섭 원리에 따라 간섭 필터(40)를 투과한다.
또한, 간섭 필터(40)는 제1 반사층(44)과 제2 반사층(46) 사이의 간격을 조절할 수 있는 간격 조절 메커니즘(49)을 포함한다. 간섭 필터(40)를 투과하는 광의 파장은 제1 반사층(44)과 제2 반사층(46) 사이의 간격에 의해서 조절된다. 입사광은 제1 반사층(44)과 제2 반사층(46) 사이에서 복수 회 반사되고, 반사된 광들은 서로 간섭한다. 반사된 광들이 서로 동일 위상일 경우에는 보강 간섭이 일어나지만, 반대 위상일 경우에는 상쇄 간섭이 일어난다. 예를 들어, 제1 반사층(44)과 제2 반사층(46) 사이의 간격이 λ/2이면, 파장이 λ광은 간섭 필터(40)를 투과한다.
간격 조절 메커니즘(49)은, 예를 들어, 액추에이터와 스프링 부재일 수 있다. 액추에이터는 제1 광학부재(41)와 제2 광학부재(42)가 서로 가까워지는 방향 또는 서로 멀어지는 방향으로 제1 광학부재(41)와 제2 광학부재(42) 중에서 적어도 하나를 밀거나 당기도록 설치될 수 있다. 스프링 부재는 제1 광학부재(41)와 제2 광학부재(42)에 액추에이터와 반대되는 방향으로 탄성력을 가하도록 설치되어 제1 반사층(44)과 제2 반사층(46) 사이의 간격을 유지한다.
또한, 간섭 필터(40)의 제2 광학부재(42)의 출사면(43)에는 무반사 코팅(Anti-Reflection coating) 층이 형성될 수 있다. 무반사 코팅 층은 반사율이 높고 낮은 얇은 층들을 교대로 증착하는 방법으로 제조된 ADI 필터(ADI filter, All dielectric interference filter)일 수 있다.
제어기(50)는 중심파장 모니터링 장치(30)로부터 측정된 소스 광의 중심 파장의 변화에 대응하여 간섭 필터(40)의 한 쌍의 반사막(44, 46) 사이의 간격을 조절하는 제어신호를 생성하는 역할을 한다.
좀 더 상세히 설명하면, 제어기(50)는 중심파장 모니터링 장치(30)로부터 측정된 소스 광의 중심 파장이 길어지면, 간섭 필터(40)의 액추에이터에 제어신호를 송신하여, 제1 반사층과 제2 반사층 사이의 간격이 넓어지도록 조절한다. 반대로 소스 광의 중심 파장이 짧아지면, 간격이 좁아지도록 조절한다.
도 8은 간섭 필터의 다른 예의 개략도이며, 도 9는 도 8에 도시된 간섭 필터의 작용을 설명하기 위한 도면이다.
도 8과 9에 도시된 간섭 필터(140)는 입사광이 간섭 필터(140)에 이상적인 입사각, 즉 수직으로 항상 입사하지는 않기 때문에 생기는 편차 및 크로스토크를 줄이기 위한 것이다. 모바일용 이미징 렌즈는 0~30° 정도의 입사각을 가진다. 즉, 도 9에 도시된 바와 같이, 간섭 필터(140)의 중심부로 입사되는 광의 입사각은 0°에 가까우며, 최외곽부로 입사되는 광의 입사각은 30°에 가까울 수 있다.
도 8과 9에 도시된 간섭 필터(140)는 도 7에 도시된 간섭 필터(40)와 달리 제1 반사층(144)이 볼록하다. 따라서 제1 반사층(144)과 제2 반사층(146) 사이의 간격이 중심에서 외곽으로 진행할수록 멀어진다.
수학식 1에서 알 수 있듯이, 입사광이 간섭 필터(140)에 수직으로 입사하지 않을 경우에는 설계된 중심파장에 비해서 단파장의 빛이 간섭 필터(140)를 통과하고, 오히려 타깃이 되는 중심파장의 빛이 간섭 필터(140)에 의해서 차단될 수 있다.
도 8과 9에 도시된 간섭 필터(140)는 광이 비스듬하게 입사될 가능성이 큰 간섭 필터(140)의 외곽부로 진행할수록 제1 반사층(144)과 제2 반사층(146) 사이의 간격이 넓어지도록 하여, 외곽부로 입사한 광의 이동 경로가 더욱 길어지도록 함으로써, 입사각이 커짐에 따라서 중심파장이 단파장으로 이동하는 것을 상쇄한다.
도 9에서 입사각 25°로 간섭 필터(40)의 외곽부로 입사한 광의 이동 경로는 입사각 5°로 중심부에 입사한 광의 이동 경로에 비해서 길다. 입사각이 커지면 광의 이동 경로가 길어지는 것은 당연하지만, 본 실시예에서는 외곽부로 갈수록 제1 반사층(144)과 제2 반사층(146) 사이의 간격이 넓어지므로, 반사층이 서로 평행한 종래의 간섭 필터에 비해서 입사각의 증가에 따른 이동 경로의 증가치가 더욱 크다.
수학식 1에서 입사각이 커짐에 따라서 우측항의 분모가 작아지지만, 이에 따라서 좌측 항인 제1 반사층(144)과 제2 반사층(146) 사이의 간격을 넓히면, 우측항의 분자인 통과 대역의 중심파장(λ)은 변하지 않는다.
간섭 필터(140)의 통과 대역의 중심파장은 간섭 필터(140)의 제1 반사층(144)과 제2 반사층(146) 사이의 간격의 두 배이므로, 제1 반사층(144)과 제2 반사층(146) 사이의 간격이 증가하면 중심파장이 장파장으로 이동한다. 따라서 입사각이 커짐에 따른 영향을 상쇄할 수 있다.
또한, 도 8과 9에 도시된 간섭 필터(140)는 크로스토크 현상을 줄여주는 역할을 한다.
수학식 1에서 알 수 있듯이, 간섭 필터(140)를 투과하는 빛의 파장은 제1 반사층(144)과 제2 반사층(146) 사이의 간격에 따라서 결정된다. 그런데 도 8에 도시된 간섭 필터(140)는 외곽부로 진행할수록 간격이 넓어지므로, 특정 각도로 입사한 광이 제1 반사층(144)과 제2 반사층(146) 사이에서 반사 거동을 거듭하면서 제2 반사층(146)과 직교하는 방향으로 이동하면, 반사광의 제1 반사층(144)과 제2 반사층 (146) 사이의 광 이동 경로가 점점 길어진다. 결국, 제1 반사층(144)과 제2 반사층 (146) 사이의 거리는 더는 수학식 1을 만족하지 못하게 되며, 반사광은 더는 간섭 필터(140)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. 따라서 깊이 이미징 장치(100)의 외곽부에서의 헤이즈가 감소하고, 해상도가 향상된다.
볼록한 제1 반사층(144)을 구비한 제1 광학 부재(141)는 기계적 형상 가공 기술, 반도체 제조 기술이나 임프린팅(Imprinting) 기술을 사용하여 제조할 수 있다.
도 10은 간섭 필터의 또 다른 예 및 광 수신기의 일부를 도시한 도면이다.
도 10에 도시된 간섭 필터(240)도 입사광이 간섭 필터(240)에 이상적인 입사각, 즉 수직으로 항상 입사하지는 않기 때문에 생기는 편차를 줄이기 위한 것이다.
도 10에 도시된 간섭 필터(240)에서는, 도 8에 도시된 간섭 필터(140)와 달리, 제1 반사층(244)과 제2 반사층(246) 사이에 공기가 아닌 광학 물질(247)이 채워진다. 도 10에 도시된 간섭 필터(240)의 광학 물질(247)은 하나 이상의 증착용 마스크를 이용한 증착공정, 임프린팅 공정 등을 통하여 제작될 수 있다.
또한, 도 10에 도시된 간섭 필터(240)는 제1 반사층(244)과 제2 반사층(246) 사이에는 외부 자극에 따라서 두께 또는 굴절률이 변경되는 지능형 광학 물질(SOM, Smart Optical Material)로 채워질 수도 있다.
본 실시예에서는 제어기(50)가 중심파장 모니터링 장치(30)에서 측정된 소스 광의 중심 파장의 변화에 대응하여 지능형 광학 물질에 가해지는 외부 자극을 조절함으로써, 제1 반사층(244)과 제2 반사층(246) 사이의 간격 또는 굴절률을 변경할 수 있다.
도 11과 12는 간섭 필터의 또 다른 예들의 개략도들이다.
도 11에 도시된 간섭 필터(340)도 입사광이 간섭 필터(340)에 이상적인 입사각, 즉 수직으로 항상 입사하지는 않기 때문에 생기는 편차를 줄이기 위한 것이다.
도 11에 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.
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 간격이 넓어진다.
간섭 필터(340)는 ADI 필터(All-Dielectric Interference Filter)일 수 있다. 즉, 제1 반사층(344)과 제2 반사층(346)으로는 굴절률이 높고 낮은 얇은 층들을 λ/4 두께로 교대로 증착하는 방법으로 제조된 유전체층(All Dielectric Layer)들을 사용할 수 있으며, 광학 물질 층은 λ/2 밴드 패스 층(bandpass layer)일 수 있다.
도 12에 도시된 간섭 필터(440)도 입사광이 간섭 필터(440)에 이상적인 입사각, 즉 수직으로 항상 입사하지는 않기 때문에 생기는 편차를 줄이기 위한 것이다.
도 12에 도시된 간섭 필터(440)는, 제1 반사층(444)과 제2 반사층(446) 사이에는 간섭 필터의 두께 방향 기준으로 일부에 공기가 아닌 광학 물질(447)이 채워진다. 즉, 제1 반사층(444) 측은 광학 물질(447)로 채워지며, 제2 반사층(446) 측은 공기(또는 다른 광학 물질)로 채워진다. 도 12에 도시된 바와 반대로 제2 반사층(446) 측이 광학 물질(447)로 채워질 수도 있다. 이 광학 물질(447)은 간섭 필터(440)의 중심에서 외곽으로 진행할수록 두께가 두꺼워진다.
수학식 1에서 입사각이 커짐에 따라서 우측항의 분모의 COS θ 값이 작아지지만, 간섭 필터(440)의 외곽부를 채우는 광학 물질(447)의 굴절률(n) 값이 중심부를 채우는 공기에 비해서 크므로, 외곽부에서 입사각이 커짐에 따라서 생기는 통과 대역의 중심파장의 변화를 보상할 수 있다.
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.
[부호의 설명]
100: 이미징 장치
10: 광 송신기
20: 광 수신기
30: 중심파장 모니터링 장치
40: 간섭 필터
50: 제어기

Claims (11)

  1. 소스 광을 전송하도록 구성된 광 송신기와, 상기 소스 광의 반사광을 수신하도록 구성된 광 수신기를 포함하는 깊이 이미징 장치로서,
    상기 소스 광의 중심 파장의 변화를 측정하는 중심파장 모니터링 장치와,
    상기 광 수신기의 전단에 배치되며, 제1 반사층과 상기 제1 반사층과 마주보는 제2 반사층을 구비하는 간섭 필터로서, 상기 간섭 필터로 입사한 후 빠져나가는 광의 파장은 상기 제1 반사층과 상기 제2 반사층 사이의 간격에 따라서 조절되는 간섭 필터와,
    상기 제1 반사층과 상기 제2 반사층 사이의 간격을 조절할 수 있도록 구성된 간격 조절 메커니즘과,
    상기 중심파장 모니터링 장치로부터 측정된 상기 소스 광의 중심 파장의 변화에 대응하여 상기 간격 조절 메커니즘을 제어함으로써 상기 제1 반사층과 상기 제2 반사층 사이의 간격을 조절하는 제어기를 포함하는 것을 특징으로 하는 깊이 이미징 장치.
  2. 제1항에 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 것을 특징으로 하는 깊이 이미징 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 간섭 필터의 상기 제1 반사층과 상기 제2 반사층 사이의 거리는 중심에서 외곽으로 진행할수록 멀어지는 것을 특징으로 하는 깊이 이미징 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 간섭 필터의 상기 제1 반사층과 상기 제2 반사층 사이에는 외부 자극에 따라서 두께 또는 굴절률이 변경되는 지능형 광학 물질이 채워지는 것을 특징으로 하는 깊이 이미징 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 간섭 필터의 상기 제1 반사층과 상기 제2 반사층 사이에는 상기 간섭 필터의 두께 방향 기준으로 일부에 상기 간섭 필터의 중심에서 외곽으로 진행할수록 두께가 두꺼워지는 광학 물질이 채워지는 것을 특징으로 하는 깊이 이미징 장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 광학 물질은 임프린트 공정 또는 증착 공정을 통해서 형성되는 것을 특징으로 하는 깊이 이미징 장치.
  7. 소스 광을 전송하도록 구성된 광 송신기와, 상기 소스 광의 반사광을 수신하도록 구성된 광 수신기를 포함하는 깊이 이미징 장치의 상기 광 수신기의 전단에 배치되는 간섭 필터로서,
    제1 반사층과 상기 제1 반사층과 마주보는 제2 반사층을 구비하며,
    상기 간섭 필터로 입사한 후 빠져나가는 광의 파장은 상기 제1 반사층과 상기 제2 반사층 사이의 간격에 따라서 조절되며,
    상기 간섭 필터의 상기 제1 반사층과 상기 제2 반사층 사이의 거리는 중심에서 외곽으로 진행할수록 멀어지는 것을 특징으로 하는 간섭 필터.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 간섭 필터의 상기 제1 반사층과 상기 제2 반사층 사이에는 외부 자극에 따라서 두께 또는 굴절률이 변경되는 지능형 광학 물질이 채워지는 것을 특징으로 하는 간섭 필터.
  9. 소스 광을 전송하도록 구성된 광 송신기와, 상기 소스 광의 반사광을 수신하도록 구성된 광 수신기를 포함하는 깊이 이미징 장치의 상기 광 수신기의 전단에 배치되는 간섭 필터로서,
    제1 반사층과 상기 제1 반사층과 마주보는 제2 반사층을 구비하며,
    상기 간섭 필터로 입사한 후 빠져나가는 광의 파장은 상기 제1 반사층과 상기 제2 반사층 사이의 간격에 따라서 조절되며,
    상기 간섭 필터의 상기 제1 반사층과 상기 제2 반사층 사이에는 상기 간섭 필터의 두께 방향 기준으로 일부에 상기 간섭 필터의 중심에서 외곽으로 진행할수록 두께가 두꺼워지는 광학 물질이 채워지는 것을 특징으로 하는 간섭 필터.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 광학 물질은 외부 자극에 따라서 두께 또는 굴절률이 변경되는 지능형 광학 물질인 것을 특징으로 하는 간섭 필터.
  11. 제9항에 있어서,
    상기 광학 물질은 임프린트 공정 또는 증착 공정을 통해서 형성되는 것을 특징으로 하는 간섭 필터.
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