WO2022114376A1 - 개선된 tof 센서 장치 - Google Patents

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WO2022114376A1
WO2022114376A1 PCT/KR2020/019281 KR2020019281W WO2022114376A1 WO 2022114376 A1 WO2022114376 A1 WO 2022114376A1 KR 2020019281 W KR2020019281 W KR 2020019281W WO 2022114376 A1 WO2022114376 A1 WO 2022114376A1
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WO
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waveguide
hoe
light
sensor device
display
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PCT/KR2020/019281
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심영보
문연국
김민준
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한국전자기술연구원
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    • H01S5/183—Surface-emitting [SE] lasers, e.g. having both horizontal and vertical cavities having only vertical cavities, e.g. vertical cavity surface-emitting lasers [VCSEL]

Definitions

  • the present invention relates to a ToF sensor device, and more particularly, by using a HOE (Holographic Optical Elements) waveguide to guide laser light emitted from a light emitting unit toward a light receiving unit to the outside through one opening or without an opening.
  • HOE Helographic Optical Elements
  • Intelligent devices such as mobiles, robots, automobiles, and drones become a major issue in the artificial intelligence technology of the 4th industrial revolution, and real-time 3D recognition technology of the surrounding environment becomes the key to implement these service functions. Accordingly, ToF sensor and LIDAR technology capable of high-resolution omnidirectional scanning are receiving attention recently.
  • a conventional ToF sensor or lidar system for mobile is composed of a laser output unit and a laser receiving unit.
  • the laser output unit is a light-emitting laser and LED light source, and is composed of an optical system such as a light dispersing element and a lens
  • the laser receiving unit is a SPAD, CMOS sensor. It consists of a two-dimensional pixel array similar to an image sensor and receives light with a resolution equal to the number of pixels.
  • the conventional ToF sensor or lidar system for mobile is configured to include at least one light emitting unit and at least one light receiving unit, respectively, and is characterized in that it is composed of two or more external optical system openings in appearance.
  • the ToF sensor or lidar system for mobile according to the prior art has the following problems.
  • the ToF sensor device Since there are optical systems such as two or more lenses in appearance, the surface area occupied by these optical systems increases.
  • the ToF sensor device is located, for example, on the front side of the mobile phone, a problem arises that a part of the display is covered by the punch hole and trench structures that cover the display area of the mobile phone.
  • a diffuser, a micro lens array, and a lens are used to diffuse the emitted laser to a field of view (FoV) area, and a separate barrel mechanism for fixing these components must be used, so the manufacturing cost is reduced It is expensive.
  • the present invention is to solve the problems of the prior art as described above, and by using the HOE waveguide to guide the laser light in the same line as the light receiving unit to emit light, it does not require the area previously occupied by the light emitting unit, and the integrated light source
  • An object of the present invention is to provide a coaxial ToF sensor device in which a light-receiving unit for a mobile device is integrated without loss of area such as a punch hole and a trench even if the small display is coaxially superimposed on the light-receiving unit and placed under the main display of the mobile device.
  • a ToF sensor device includes a display including one opening; a light emitting unit provided inside the display and emitting laser light; a light receiving unit for detecting a light receiving signal; and a holographic optical elements (HOE) waveguide provided between the display and the light emitting unit and the light receiving unit, wherein the HOE waveguide guides the laser light emitted from the light emitting unit toward the light receiving unit through the one opening It is characterized by emitting light.
  • HOE holographic optical elements
  • ToF sensor device includes a display including one opening; a partial display provided inside the display and emitting a second light that generates an image to be output to a predetermined area for full-screen implementation; a light emitting unit provided inside the display and emitting laser light; a light receiving unit for detecting a light receiving signal; a holographic optical element (HOE) waveguide provided between the display and the light emitting unit and the light receiving unit; and a second HOE waveguide between the display and the partial display, wherein the HOE waveguide guides the laser light emitted from the light emitting unit toward the light receiving unit to emit light through the one opening, and the second HOE waveguide is characterized in that it guides the second light emitted from the partial display to emit light through the one opening.
  • HOE holographic optical element
  • ToF sensor device is a light emitting unit for emitting laser light; and an HOE waveguide for receiving the laser light emitted from the light emitting unit, wherein the HOE waveguide reflects and inserts the laser light emitted from the light emitting unit into the HOE waveguide.
  • coupling HOE; a waveguide for guiding the laser light inserted by the in-coupling HOE by total reflection in the longitudinal direction of the HOE waveguide; and an out-coupling HOE that reflects the inserted laser light guided through the waveguide so as to emit light to the outside of the waveguide.
  • the ToF sensor device uses the HOE waveguide to guide the laser light emitted from the light emitting unit toward the light receiving unit to emit light through one opening or without an opening, so that the light emitting unit constituting the existing ToF occupies It provides an effect that does not require the area previously used.
  • FIG. 1 is a diagram conceptually illustrating the configuration of a light emitting unit and a light receiving unit constituting a ToF sensor device of the prior art used in a mobile device.
  • FIG. 2 is a diagram illustrating a problem of a ToF sensor device according to the prior art used in a mobile device.
  • FIG. 3 is a diagram schematically illustrating a structure in which a prior art ToF sensor device used in a mobile device is disposed under a display.
  • FIG. 4 is a diagram schematically illustrating a structure in which a ToF sensor device including a holographic optical elements (HOE) waveguide is disposed under a display according to an embodiment of the present invention.
  • HOE holographic optical elements
  • FIG. 5 is a diagram schematically illustrating a structure in which a ToF sensor device including an HOE waveguide is disposed under a display according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 6 is a diagram conceptually illustrating a state in which a laser light is guided through an HOE waveguide according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 7 is a diagram illustrating a structure of a single-layer HOE waveguide according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 1 is a diagram conceptually illustrating the configuration of a light emitting unit and a light receiving unit constituting a prior art ToF sensor device used in a mobile device
  • FIG. 3 is a diagram schematically illustrating a structure in which a prior art ToF sensor device used in a mobile device is disposed under a display.
  • the light emitting unit constituting the ToF sensor device of the prior art used in the mobile device is implemented as a VCSEL for generating laser light
  • the light receiving unit constituting the ToF sensor device is implemented as a sensor SPAD.
  • the surface area occupied by the optical system such as two or more lenses is increased in appearance.
  • a part of the display is formed by a structure such as a punch hole (middle view at the bottom of FIG. 2), a notch (the left view at the bottom of FIG. 2), etc.
  • the ToF sensor device of the prior art used in a mobile device must include two openings on the display, and laser light generated from the light emitting unit (ie, VCSEL, which is a light source) is emitted through one opening, and , the light received from the light receiving unit (ie, the SPAD sensor) is sensed through the other opening. Accordingly, problems that may occur when the ToF sensor device of the prior art must include two openings as described above occur.
  • the light emitting unit ie, VCSEL, which is a light source
  • the light received from the light receiving unit ie, the SPAD sensor
  • FIG. 4 is a diagram schematically illustrating a structure in which a ToF sensor device including a holographic optical elements (HOE) waveguide is disposed under a display according to an embodiment of the present invention.
  • HOE holographic optical elements
  • a ToF sensor device is implemented as a coaxial ToF sensor device in which a light emitting unit and a light receiving unit (hereinafter referred to as “light receiving unit”) are integrated.
  • a ToF sensor device includes a display including a single opening, a light emitting unit (eg, VCSEL) that is provided inside the display and emits laser light; a light receiving unit for detecting a light receiving signal (eg, a SPAD sensor); and a holographic optical elements (HOE) waveguide provided between the display and the light emitting unit and the light receiving unit, wherein the HOE waveguide guides the laser light emitted from the light emitting unit toward the light receiving unit through the one opening It is characterized by emitting light.
  • the laser light emitted from the light emitting unit may be near-infrared rays, and other wavelengths and combinations thereof are also possible.
  • the light emitting unit (or light source unit) is mounted on the main board, and can be composed of VCSEL or LD (EEL) that generates a laser light source. , for example, may emit near-infrared rays such as 905 nm, 940 nm, 1550 nm.
  • the light receiving unit may be composed of a SPAD sensor, a CMOS image sensor, a lens unit, a barrel unit, etc. in the same way as used in a general ToF sensor device, and may not require additional technology because it is not affected by the HOE waveguide. That is, it should be noted that the light receiving unit constituting the ToF sensor device according to an embodiment of the present invention may have substantially the same configuration as the conventional light receiving unit used in the ToF sensor device.
  • the HOE waveguide guides the laser light of the light emitting unit toward the light receiving unit so that light can be emitted through one opening provided on the display.
  • the HOE waveguide is provided, for example, under the display of the mobile device, and more specifically, is provided between the display and the light-receiving unit. Accordingly, as shown in FIG. 4 , the laser light emitted from the light emitting unit may be guided along the HOE waveguide toward the light receiving unit and then emitted through an opening positioned above the light receiving unit.
  • the HOE waveguide includes an in-coupling HOE that reflects the laser light emitted from the light emitting unit into the inside of the HOE waveguide, and the in-coupled HOE reflected by the in-coupling HOE.
  • a waveguide for guiding light here, coupling means being inserted into the waveguide
  • the longitudinal direction horizontal direction in FIG. 4
  • the HOE waveguide may consist of an out-coupling HOE that reflects light out of the opening.
  • the HOE waveguide may be referred to as an IR HOE waveguide.
  • the out-coupling HOE can be implemented according to the need for convergence, divergence, pattern formation, etc.
  • the HOE waveguide eliminates the need for a separate barrel because the laser light emitted from the light emitting unit is totally reflected inside the waveguide, and can block the signal light (that is, when the light emitting unit and the light receiving unit are disposed adjacent to each other, the scattered light of the light emitting unit flows into the light receiving unit) It becomes a cause of noise, and it can be blocked through the waveguide of the present invention) and has an additional advantage.
  • the ToF sensor device As illustrated in FIG. 4 , through the configuration of the ToF sensor device according to an embodiment of the present invention, it is possible to minimize, for example, the opening of the front display or the rear of the mobile device.
  • FIG. 5 is a diagram schematically illustrating a structure in which a ToF sensor including an HOE waveguide is disposed under a display according to another embodiment of the present invention.
  • the ToF sensor apparatus including the HOE waveguide according to another embodiment of the present invention is implemented as, for example, a coaxial ToF sensor apparatus in which a light-receiving unit for a mobile device is integrated.
  • the ToF sensor device according to an embodiment of the present invention emits, for example, a second light that is provided inside the display shown in FIG. 4 and generates an image to be output to a predetermined area for full-screen implementation. Further comprising a partial display emitting, in addition to the HOE waveguide shown in FIG.
  • a second HOE waveguide is provided between the display and the partial display to direct the second light emitted from the partial display within the second HOE waveguide By guiding, light may be emitted through one opening provided on the upper portion of the light receiving unit.
  • the second HOE waveguide is a second in-coupling HOE that reflects the second light emitted from the partial display into the inside of the second HOE waveguide, the second in-coupling HOE a second waveguide for guiding the coupled second light reflected by the second HOE by total reflection in the longitudinal direction of the second HOE waveguide, and the coupled second light waveguided through the second waveguide into the one It may be configured with a second out-coupling HOE that reflects to emit light out of the opening.
  • the ToF sensor device for example, when disposed inside the display of the mobile device, there is a problem that covers the display by the area of the sensor.
  • the ToF sensor device according to another embodiment of the present invention shown in FIG. 5 is used, the partial display may generate an image to be output to an area covered for full-screen realization in the display of the mobile device.
  • the second light (eg, RGB visible light) generated in the partial display is transmitted in the horizontal direction. It can be printed on the punch hole area.
  • the laser light output to the opening through the ToF sensor is near infrared, and the wavelength band is different from the second light (RGB visible light) generated by the partial display, so that the optical signal (laser light) and the second light (RGB) Since visible light) does not interfere with each other, it is possible to construct a single HOE waveguide by overlapping the IR HOE waveguide and the RGB HOE waveguide shown in FIG. 5 . Accordingly, it is possible to implement a full screen on the display of the mobile device.
  • FIG. 6 is a diagram conceptually illustrating a state in which a laser light is guided through an HOE waveguide according to another embodiment of the present invention.
  • the HOE waveguide includes an in-coupling HOE that reflects laser light emitted from a light emitting unit (micro-display) into the HOE waveguide, the above a waveguide for guiding the coupled laser light reflected by the in-coupling HOE by total reflection in the longitudinal direction (horizontal direction in FIG. 6) of the HOE waveguide, and the coupled laser light guided through the waveguide It may consist of an out-coupling HOE that reflects to emit light outward of the waveguide.
  • the in-coupling HOE and the out-coupling HOE are provided at the same position on the waveguide (in the case of FIG. 6 , above the waveguide). Accordingly, the laser light emitted from the light emitting unit (micro-display) can be emitted to the outside without an opening provided on the display as shown in FIG. 4 , and can be detected by, for example, human eyes. have.
  • the ToF sensor device including the HOE waveguide according to another embodiment of the present invention illustrated in FIG. 6 described above may be used, for example, in an AR display.
  • FIG. 7 is a diagram illustrating a structure of a single-layer HOE waveguide according to an embodiment of the present invention.
  • the waveguide of the coaxial ToF sensor device in which the light-receiving unit is integrated according to an embodiment of the present invention may be a single-layer waveguide.
  • the waveguide of the coaxial ToF sensor device in which the light-receiving unit is integrated according to an embodiment of the present invention is a multi-layer waveguide (not shown) in which a plurality of single-layer waveguides shown in FIG. 7 are provided vertically. ) can be fully understood.
  • the HOE waveguide used in the ToF sensor device reflects only coherent laser light, and in-coherent received light (eg, an object).
  • the light reflected by the light passes through the waveguide of the HOE waveguide.
  • the ToF sensor device is implemented as a coaxial ToF sensor device with an integrated light-receiving unit, including the HOE waveguide, so that the laser light emitted from the light-emitting unit is guided toward the light-receiving unit to form one Light can be emitted to the outside through or without the opening.
  • the ToF sensor device according to the embodiments of the present invention when used, the area occupied by the light emitting unit constituting the existing ToF sensor device is unnecessary.

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Abstract

본 발명의 일 실시 예에 따른 ToF 센서 장치는 하나의 개구부를 포함하는 디스플레이; 상기 디스플레이의 내부에 제공되며, 레이저 광을 발광하는 발광부; 수광신호를 검출하는 수광부; 및 상기 디스플레이와 상기 발광부 및 상기 수광부 사이에 제공되는 HOE(Holographic Optical Elements) 도파관을 포함하고, 상기 HOE 도파관은 상기 발광부에서 발광된 상기 레이저 광을 상기 수광부 쪽으로 도파시켜 상기 하나의 개구부를 통해 발광시키는 것을 특징으로 한다.

Description

개선된 TOF 센서 장치
본 발명은 ToF 센서 장치에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 HOE(Holographic Optical Elements) 도파관(waveguide)을 사용하여 발광부에서 발광된 레이저 광을 수광부 쪽으로 도파시켜 하나의 개구부를 통해 또는 개구부가 없이도 외부로 발광시킴으로써, 기존의 ToF 센서 장치를 구성하는 발광부가 점유하던 면적을 필요로 하지 않으며, ToF 센서 장치의 제조에 필요한 부품의 수와 제조 비용이 절감되는 발수광부가 통합된 동축 ToF 센서 장치에 관한 것이다.
모바일, 로봇, 자동차, 드론 등의 지능형 디바이스는 4차 산업 혁명 인공지능 기술의 주요 이슈가 되며, 이러한 서비스 기능을 구현하기 위해서는 주위 환경의 실시간 3차원 인식 기술이 핵심이 된다. 이에 의해 고해상도의 전방위 스캐닝이 가능한 ToF센서 및 LIDAR 기술이 최근 주목 받고 있다.
종래 모바일용 ToF센서 또는 라이다 시스템은 레이저 출력부 및 레이저 수신부로 구성된다. 레이저 출력부는 발광용 레이저 및 LED 광원이고, 광분산소자, 렌즈 등의 광학계로 구성되고, 레이저 수신부는 SPAD, CMOS 센서를 통해 이미지 센서와 유사한 2차원 픽셀 어레이로 구성하여 픽셀의 개수만큼의 해상도로 수광한다. 또한, 종래 모바일용 ToF센서 또는 라이다 시스템은 발광부 및 수광부를 각각 1개 이상 포함하도록 구성되어 외관상 2개 이상의 외부 광학계 개구부로 구성되는 것이 특징이다.
이에 따라, 종래 기술에 따른 모바일용 ToF센서 또는 라이다 시스템은 다음과 같은 문제점을 가지고 있다.
1. 외관상 2개 이상의 렌즈 등 광학계가 존재하므로, 이러한 광학계가 차지하는 표면적이 커진다. ToF 센서 장치가, 예를 들어, 휴대폰 전면부에 위치할 경우, 휴대폰의 디스플레이 면적을 가리는 펀치홀 및 트렌치 구조에 의해 디스플레이 일부가 가려지는 문제가 발생한다.
2, 또한, 발광된 레이저를 FoV(Field of View) 영역에 확산시키기 위해 디퓨저, 마이크로 렌즈 어레이, 및 렌즈를 사용하며, 이들 구성 요쇼들을 고정하기 위한 별도의 경통 기구물이 사용되어야 하므로, 제조 비용이 고비용이다.
3. 나아가, 상술한 문제점으로 인해 상용화를 위한 디바이스의 디자인, 설계의 제약과 함께 대량 생산에 불리하다.
본 발명은 상술한 바와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, HOE 도파관을 활용하여 레이저 광을 수광부와 동일 선상으로 도파시켜 발광함으로써 기존에 발광부가 점유하던 면적을 필요로 하지 않고, 통합된 발수광부에 소형 디스플레이를 함께 동축에 중첩하여 모바일 디바이스의 메인 디스플레이 아래에 배치하더라도 펀치홀 및 트렌치 등의 면적 손실이 없는, 모바일 디바이스용의 발수광부가 통합된 동축 ToF 센서 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 는 ToF 센서 장치는 하나의 개구부를 포함하는 디스플레이; 상기 디스플레이의 내부에 제공되며, 레이저 광을 발광하는 발광부; 수광신호를 검출하는 수광부; 및 상기 디스플레이와 상기 발광부 및 상기 수광부 사이에 제공되는 HOE(Holographic Optical Elements) 도파관을 포함하고, 상기 HOE 도파관은 상기 발광부에서 발광된 상기 레이저 광을 상기 수광부 쪽으로 도파시켜 상기 하나의 개구부를 통해 발광시키는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 ToF 센서 장치는 하나의 개구부를 포함하는 디스플레이; 상기 디스플레이의 내부에 제공되고, 풀스크린 구현을 위해 소정 영역에 출력될 이미지를 생성하는 제 2 광을 방출하는 부분 디스플레이; 상기 디스플레이의 내부에 제공되며, 레이저 광을 발광하는 발광부; 수광신호를 검출하는 수광부; 상기 디스플레이와 상기 발광부 및 상기 수광부 사이에 제공되는 HOE(Holographic Optical Elements) 도파관; 및 상기 디스플레이 및 상기 부분 디스플레이 사이에 제 2 HOE 도파관을 포함하고, 상기 HOE 도파관은 상기 발광부에서 발광된 상기 레이저 광을 상기 수광부 쪽으로 도파시켜 상기 하나의 개구부를 통해 발광시키고, 상기 제 2 HOE 도파관은 상기 부분 디스플레이에서 방출되는 상기 제 2 광을 도파시켜 상기 하나의 개구부를 통해 발광시키는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 ToF 센서 장치는 레이저 광을 발광하는 발광부; 및 상기 발광부에서 발광된 상기 레이저광을 수신하는 HOE 도파관을 포함하고, 상기 HOE 도파관은 상기 발광부에서 발광된 상기 레이저광을 상기 HOE 도파관의 내부로 반사하여 삽입시키는 인-커플링(in-coupling) HOE; 상기 인-커플링 HOE에 의해 삽입된 레이저 광을 상기 HOE 도파관의 길이 방향으로 전반사에 의해 도파시키는 도파로; 및 상기 도파로를 통해 도파된 상기 삽입된 레이저 광을 상기 도파로의 바깥쪽으로 발광시키도록 반사하는 아웃-커플링(out-coupling) HOE로 구성되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 실시 예에 따른 ToF 센서 장치는 HOE 도파관을 사용하여 발광부에서 방출되는 레이저 광을 수광부 쪽으로 도파시켜 하나의 개구부를 통해 또는 개부가 없이도 외부로 발광시킴으로써 기존의 ToF를 구성하는 발광부가 점유하던 면적을 필요로 하지 않는 효과를 제공한다.
또한, 기존의 레이저 발광부의 광학계 구성인 렌즈, 디퓨저, 렌즈 어레이, 경통부를 필요로 하지 않으므로 ToF 센서 장치의 제조에 필요한 부품의 수와 제조 비용이 크게 절감된다.
도 1은 모바일 디바이스에 사용되는 종래 기술의 ToF 센서 장치를 구성하는 발광부 및 수광부의 구성을 개념적으로 도시한 도면이다.
도 2는 모바일 디바이스에 사용되는 종래 기술에 따른 ToF 센서 장치의 문제점을 나타낸 도면이다.
도 3은 모바일 디바이스에 사용되는 종래 기술의 ToF 센서 장치가 디스플레이 하부에 배치된 구조를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 HOE(Holographic Optical Elements) 도파관을 포함하는 ToF 센서 장치가 디스플레이 하부에 배치된 구조를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 5는 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 HOE 도파관을 포함하는 ToF 센서 장치가 디스플레이 하부에 배치된 구조를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 6은 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 HOE 도파관을 통해 레이저 광이 도파되는 모습을 개념적으로 나타낸 도면이다.
도 7은 본 발명의 일 실시 예에 따른 단일층 HOE 도파관의 구조를 도시한 도면이다.
이하, 본 발명에 대해서 실시예 및 도면을 참조하여 구체적으로 설명한다. 그러나, 이하의 설명은 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
도 1은 모바일 디바이스에 사용되는 종래 기술의 ToF 센서 장치를 구성하는 발광부 및 수광부의 구성을 개념적으로 도시한 도면이고, 도 2는 모바일 디바이스에 사용되는 종래 기술에 따른 ToF 센서 장치의 문제점을 나타낸 도면이며, 도 3은 모바일 디바이스에 사용되는 종래 기술의 ToF 센서 장치가 디스플레이 하부에 배치된 구조를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 1 및 도 3을 참조하면, 모바일 디바이스에 사용되는 종래 기술의 ToF 센서 장치를 구성하는 발광부는 레이저 광을 생성하는 VCSEL로 구현되고, 및 ToF 센서 장치를 구성하는 수광부는 센서인 SPAD로 구현되되, 이러한 발광부 및 수광부가 분리된 형태인 2축 구조로 되어 있다. 이러한 종래 기술의 경우, 외관상 2개 이상의 렌즈 등의 광학계가 있어야 하므로 차지하는 표면적이 커진다. 또한, ToF 센서 장치가 휴대폰 전면부에 위치할 경우, 도 2와 같이 휴대폰의 디스플레이를 가리는 펀치홀(도 2 하단의 중간 도면), 노치(도 2 하단의 좌측 도면) 등의 구조에 의해 디스플레이 일부가 가려지는 문제가 발생하며, 그에 따라 상용화를 위한 디바이스의 디자인, 설계 상의 제약(도 2 하단의 우측 도면)을 받게 된다.
도 3을 참조하면, 모바일 디바이스에 사용되는 종래 기술의 ToF 센서 장치는 디스플레이 상에서 2개의 개구부를 포함해야만 하며, 하나의 개구부를 통해 발광부(즉, 광원인 VCSEL)에서 생성된 레이저 광이 방출되며, 다른 개구부를 통해서는 수광부(즉, SPAD 센서)에서 수신된 광이 센싱된다. 따라서, 종래 기술의 ToF 센서 장치는 상술한 바와 같이 2개의 개구부를 포함해야만 하는 경우에 발생할 수 있는 문제점들이 발생하게 된다.
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 HOE(Holographic Optical Elements) 도파관을 포함하는 ToF 센서 장치가 디스플레이 하부에 배치된 구조를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 4를 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 ToF 센서 장치는 발광부와 수광부(이하 “발수광부”라 함)가 통합된 동축 ToF 센서 장치로 구현된다. 구체적으로, 본 발명의 일 실시 예에 따른 ToF 센서 장치는 하나의 개구부를 포함하는 디스플레이, 상기 디스플레이의 내부에 제공되며, 레이저광을 발광하는 발광부(예를 들어, VCSEL); 수광신호를 검출하는 수광부(예를 들어, SPAD 센서); 및 상기 디스플레이와 상기 발광부 및 상기 수광부 사이에 제공되는 HOE(Holographic Optical Elements) 도파관을 포함하고, 상기 HOE 도파관은 상기 발광부에서 발광된 상기 레이저 광을 상기 수광부 쪽으로 도파시켜 상기 하나의 개구부를 통해 발광시키는 것을 특징으로 한다. 여기서, 발광부에서 발광되는 레이저광은 근적외선일 수 있고, 그 외의 다른 파장 및 이들의 조합도 가능하다.
발광부 (또는 광원부)는 메인보드 상에 장착되며, 레이저 광원을 생성하는 VCSEL 또는 LD(EEL)로 구성될 수 있으며, 메인보드로부터 인가되는 전기 신호에 따라 펄스/CW(연속파) 모듈레이션으로 작동하여, 예를 들어, 905nm, 940nm, 1550nm 등의 근적외선을 발광할 수 있다.
수광부는 일반적인 ToF 센서 장치에서 사용하는 구성과 동일하게 SPAD 센서 또는 CMOS 이미지 센서, 렌즈부, 경통부 등으로 구성될 수 있으며, HOE 도파관에 의한 영향을 받지 않으므로 별다른 추가 기술이 필요하지 않을 수 있다. 즉, 본 발명의 일 실시 예에 따른 ToF 센서 장치를 구성하는 수광부는 ToF 센서 장치에서 사용되는 종래 수광부와 실질적으로 동일한 구성으로 구현될 수 있다는 점에 유의하여야 한다.
또한, HOE 도파관은 발광부의 레이저 광을 수광부 쪽으로 도파시켜 상기 디스플레이 상에 제공되는 하나의 개구부를 통해 발광 가능하도록 한다. HOE 도파관은, 예를 들어, 모바일 장치의 디스플레이 하부에 제공되며, 좀 더 구체적으로는, 디스플레이 및 발수광부 사이에 제공된다. 그에 따라, 도 4에 도시된 바와 같이, 발광부에서 발광된 레이저 광이 HOE 도파관을 따라 수광부 쪽으로 도파된 후 수광부 상부에 위치된 개구부를 통해 발광될 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 HOE 도파관은 발광부에서 발광된 레이저 광을 HOE 도파관의 내부로 반사시키는 인-커플링(in-coupling) HOE, 상기 인-커플링 HOE에 의해 반사된 커플링된 광(여기서, 커플링이란 도파로 안쪽으로 삽입되었음을 의미함)을 상기 HOE 도파관의 길이 방향(도 4에서는 수평 방향)으로 전반사에 의해 도파시키는 도파로, 및 상기 도파로를 통해 도파된 커플링된 레이저 광을 개구부 바깥쪽으로 발광시키도록 반사하는 아웃-커플링(out-coupling) HOE로 구성될 수 있다. 여기서, 상기 HOE 도파관은 IR HOE 도파관으로 지칭될 수 있다. 이 경우, 아웃-커플링 HOE는 레이저 광의 수렴, 발산, 패턴 형성 등을 필요에 맞추어 구현될 수 있으므로, 종래 ToF 센서 장치의 발광부에서 요구되는 별도의 렌즈, 디퓨저 등의 광학 부품이 필요하지 않다는 장점을 갖는다. 또한 HOE 도파관은 발광부에서 발광된 레이저 광이 도파로 내부에서 전반사되므로 별도의 경통이 필요 없을 뿐만 아니라, 신호광을 차단할 수 있는(즉, 발광부와 수광부를 인접하여 배치하면 발광부의 산란광이 수광부로 유입되어 노이즈의 원인이 되며, 본 발명의 도파로를 통해서 이를 차단 가능함) 추가적인 이점을 가진다.
도 4에 도시된 바와 같은 본 발명의 일 실시 예에 따른 ToF 센서 장치의 구성을 통해, 예를 들어, 모바일 장치의 전면 디스플레이 또는 배면의 개구부를 최소화할 수 있게 된다.
도 5는 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 HOE 도파관을 포함하는 ToF 센서가 디스플레이 하부에 배치된 구조를 개략적으로 도시한 도면이다.
본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 HOE 도파관을 포함하는 ToF 센서 장치는, 예를 들어, 모바일 디바이스용의 발수광부가 통합된 동축 ToF 센서 장치로 구현된다. 구체적으로, 본 발명의 일 실시 예에 따른 ToF 센서 장치는, 예를 들어, 도 4에 도시된 디스플레이의 내부에 제공되고, 풀스크린 구현을 위해 소정 영역에 출력될 이미지를 생성하는 제 2 광을 방출하는 부분 디스플레이를 추가적으로 포함하고, 도 4에 도시된 HOE 도파관 이외에 상기 디스플레이 및 상기 부분 디스플레이 사이에 제 2 HOE 도파관이 제공되어, 상기 부분 디스플레이에서 방출되는 상기 제 2 광을 제 2 HOE 도파관 내에서 도파시켜 수광부의 상부에 제공되는 하나의 개구부를 통해 발광 가능하게 할 수 있다. 이 경우, 제 2 HOE 도파관은 상기 부분 디스플레이에서 발광된 상기 제 2 광을 상기 제 2 HOE 도파관의 내부로 반사시키는 제 2 인-커플링(in-coupling) HOE, 상기 제 2 인-커플링 HOE에 의해 반사된 커플링된 상기 제 2 광을 상기 제 2 HOE 도파관의 길이 방향으로 전반사에 의해 도파시키는 제 2 도파로, 및 상기 제 2 도파로를 통해 도파된 상기 커플링된 제 2 광을 상기 하나의 개구부 바깥쪽으로 발광시키도록 반사하는 제 2 아웃-커플링(out-coupling) HOE로 구성될 수 있다.
종래 기술에 따른 ToF 센서 장치는, 예를 들어, 모바일 장치의 디스플레이 내부에 배치되는 경우 센서의 면적만큼 디스플레이를 가리는 문제점이 발생한다. 이 경우, 도 5에 도시된 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 ToF 센서 장치를 사용하면, 부분 디스플레이는 모바일 장치의 디스플레이에서 풀스크린 구현을 위해 가려지는 영역에 출력될 이미지를 생성할 수 있다.
도 5에 도시된 바와 같은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 ToF 센서 장치의 구성을 통해, 예를 들어, 부분 디스플레이에서 생성된 제 2 광(예를 들어, RGB 가시광)을 수평 방향으로 전달하여 펀치홀 부위에 출력할 수 있다. 이 경우, ToF센서를 통해 개구부로 출력되는 레이저 광은 근적외선으로, 부분 디스플레이에서 생성된 제 2 광(RGB 가시 광)과는 서로 파장 대역이 상이하여 광신호(레이저 광)과 제 2 광(RGB 가시 광)은 상호 간섭하지 않으므로, 도 5에 도시된, IR HOE도파관과 RGB HOE도파관을 중첩 제작하여 단일 HOE 도파관으로 구성하는 것이 가능하다. 그에 따라, 모바일 장치의 디스플레이 상에서 풀스크린을 구현할 수 있다.
도 6은 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 HOE 도파관을 통해 레이저 광이 도파되는 모습을 개념적으로 나타낸 도면이다.
도 6을 참조하면, 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 HOE 도파관은 발광부(micro-display)에서 발광된 레이저광을 HOE 도파관의 내부로 반사시키는 인-커플링(in-coupling) HOE, 상기 인-커플링 HOE에 의해 반사된 커플링된 레이저 광을 상기 HOE 도파관의 길이 방향(도 6에서는 수평 방향)으로 전반사에 의해 도파시키는 도파로, 및 상기 도파로를 통해 도파된 커플링된 레이저 광을 상기 도파로의 바깥쪽으로 발광시키도록 반사하는 아웃-커플링(out-coupling) HOE로 구성될 수 있다. 여기서, 인-커플링 HOE와 아웃-커플링 HOE는 도 4에 도시된 HOE 도파관과는 달리 도파로 상에서 서로 동일한 위치(도 6의 경우 도파로의 상부)에 제공된다. 그에 따라, 발광부(micro-display)에서 발광된 레이저광은 도 4에 도시된 바와 같은 디스플레이 상에 제공되는 개구부가 없어도 외부로 방출될 수 있고, 예를 들어, 사람의 눈에 의해 감지될 수 있다.
상술한 도 6에 도시된 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 HOE 도파관을 포함하는 ToF 센서 장치는, 예를 들어, AR용 디스플레이에 사용될 수 있다.
도 7은 본 발명의 일 실시 예에 따른 단일층 HOE 도파관의 구조를 도시한 도면이다.
좀 더 구체적으로, 도 7을 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 발수광부가 통합된 동축 ToF 센서 장치의 도파관은 단일층(single-layer) 도파관 일 수 있다. 그러나, 당업자라면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 발수광부가 통합된 동축 ToF 센서 장치의 도파관이 도 7에 도시된 단일층 도파관이 상하로 복수개 제공되는 다중층(Multi-layer) 도파관(미도시)으로 구현될 수 있다는 점을 충분히 이해할 수 있을 것이다.
상술한 바와 같은 본 발명의 실시 예들에 따른 ToF 센서 장치에 사용되는 HOE 도파관은 결맞음성이 있는(coherent) 레이저 광만을 반사시키고, 결맞음성이 없는(in-coherent) 수신광(예를 들어, 물체에 반사되어 들어온 광)은 HOE 도파관의 도파관을 통과하여 진행한다.
또한, 상술한 바와 같은 본 발명의 실시 예들에 따른 ToF 센서 장치는 HOE 도파관을 포함하여, 발수광부가 통합된 동축 ToF 센서 장치로 구현되어, 발광부에서 발광된 레이저 광이 수광부 쪽으로 도파되어 하나의 개구부를 통해 또는 개구부가 없이도 외부로 발광될 수 있다.
지금까지 살펴본 바와 같이, 본 발명의 실시 예들에 따른 ToF 센서 장치를 사용하는 경우, 기존의 ToF 센서 장치를 구성하는 발광부가 점유하던 면적이 불필요하다는 효과를 제공한다.
다양한 변형예가 본 발명의 범위를 벗어남이 없이 본 명세서에 기술되고 예시된 구성 및 방법으로 만들어질 수 있으므로, 상기 상세한 설명에 포함되거나 첨부 도면에 도시된 모든 사항은 예시적인 것으로 본 발명을 제한하기 위한 것이 아니다. 따라서, 본 발명의 범위는 상술한 예시적인 실시예에 의해 제한되지 않으며, 이하의 청구 범위 및 그 균등물에 따라서만 정해져야 한다.

Claims (10)

  1. ToF 센서 장치에 있어서,
    하나의 개구부를 포함하는 디스플레이;
    상기 디스플레이의 내부에 제공되며, 레이저 광을 발광하는 발광부;
    수광신호를 검출하는 수광부; 및
    상기 디스플레이와 상기 발광부 및 상기 수광부 사이에 제공되는 HOE(Holographic Optical Elements) 도파관
    을 포함하고,
    상기 HOE 도파관은 상기 발광부에서 발광된 상기 레이저 광을 상기 수광부 쪽으로 도파시켜 상기 하나의 개구부를 통해 발광시키는 것을 특징으로 하는 센서 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 HOE 도파관은
    상기 발광부에서 발광된 상기 레이저 광을 상기 HOE 도파관의 내부로 반사시키는 인-커플링(in-coupling) HOE;
    상기 인-커플링 HOE에 의해 반사된 커플링된 레이저 광(커플링된 레이저 광의 정확한 의미 설명 요망)을 상기 HOE 도파관의 길이 방향으로 전반사에 의해 도파시키는 도파로; 및
    상기 도파로를 통해 도파된 상기 커플링된 레이저 광을 상기 하나의 개구부 바깥쪽으로 발광시키도록 반사하는 아웃-커플링(out-coupling) HOE
    로 구성되는 것을 특징으로 하는 센서 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 레이저 광은 근적외선인 것을 특징으로 하는 센서 장치.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 HOE 도파관은 단일층(single-layer) 도파관 또는 다중층(Multi-layer) 도파관으로 구현되는 것을 특징으로 하는 센서 장치.
  5. ToF 센서 장치에 있어서,
    하나의 개구부를 포함하는 디스플레이;
    상기 디스플레이의 내부에 제공되고, 풀스크린 구현을 위해 소정 영역에 출력될 이미지를 생성하는 제 2 광을 방출하는 부분 디스플레이;
    상기 디스플레이의 내부에 제공되며, 레이저 광을 발광하는 발광부;
    수광신호를 검출하는 수광부;
    상기 디스플레이와 상기 발광부 및 상기 수광부 사이에 제공되는 HOE(Holographic Optical Elements) 도파관; 및
    상기 디스플레이 및 상기 부분 디스플레이 사이에 제공되는 제 2 HOE 도파관
    을 포함하고,
    상기 HOE 도파관은 상기 발광부에서 발광된 상기 레이저 광을 상기 수광부 쪽으로 도파시켜 상기 하나의 개구부를 통해 발광시키고,
    상기 제 2 HOE 도파관은 상기 부분 디스플레이에서 방출되는 상기 제 2 광을 도파시켜 상기 하나의 개구부를 통해 발광시키는 것을 특징으로 하는 센서 장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 HOE 도파관은
    상기 발광부에서 발광된 상기 레이저 광을 상기 HOE 도파관의 내부로 반사시키는 인-커플링(in-coupling) HOE;
    상기 인-커플링 HOE에 의해 반사된 커플링된 레이저 광을 상기 HOE 도파관의 길이 방향으로 전반사에 의해 도파시키는 도파로; 및
    상기 도파로를 통해 도파된 상기 커플링된 레이저 광을 상기 하나의 개구부 바깥쪽으로 발광시키도록 반사하는 아웃-커플링(out-coupling) HOE
    로 구성되고,
    상기 제 2 HOE 도파관은
    상기 부분 디스플레이에서 발광된 상기 제 2 광을 상기 제 2 HOE 도파관의 내부로 반사시키는 제 2 인-커플링(in-coupling) HOE;
    상기 제 2 인-커플링 HOE에 의해 반사된 커플링된 상기 제 2 광을 상기 제 2 HOE 도파관의 길이 방향으로 전반사에 의해 도파시키는 제 2 도파로; 및
    상기 제 2 도파로를 통해 도파된 상기 커플링된 제 2 광을 상기 하나의 개구부 바깥쪽으로 발광시키도록 반사하는 제 2 아웃-커플링(out-coupling) HOE
    로 구성되는 것을 특징으로 하는 센서 장치.
  7. 제4항에 있어서,
    상기 레이저 광은 근적외선이고,
    상기 제 2 광은 가시 광인 것을 특징으로 하는 센서 장치.
  8. 제5항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 HOE 도파관 및 상기 HOE 도파관 중 어느 하나 또는 양자는 단일층(single-layer) 도파관 또는 다중층(Multi-layer) 도파관으로 구현되는 것을 특징으로 하는 센서 장치.
  9. ToF 센서 장치에 있어서,
    레이저 광을 발광하는 발광부; 및
    상기 발광부에서 발광된 상기 레이저광을 수신하는 HOE 도파관
    을 포함하고,
    상기 HOE 도파관은
    상기 발광부에서 발광된 상기 레이저광을 상기 HOE 도파관의 내부로 반사시키는 인-커플링(in-coupling) HOE;
    상기 인-커플링 HOE에 의해 반사된 커플링된 레이저 광을 상기 HOE 도파관의 길이 방향으로 전반사에 의해 도파시키는 도파로; 및
    상기 도파로를 통해 도파된 상기 커플링된 레이저 광을 상기 도파로의 바깥쪽으로 발광시키도록 반사하는 아웃-커플링(out-coupling) HOE
    로 구성되는 것을 특징으로 하는 센서 장치.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 ToF 센서 장치는 AR용 디스플레이 내에 제공되는 것을 특징으로 하는 센서 장치.
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