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KR102439748B1 - 광학 소자 및 광학 시스템 - Google Patents

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KR102439748B1
KR102439748B1 KR1020190134015A KR20190134015A KR102439748B1 KR 102439748 B1 KR102439748 B1 KR 102439748B1 KR 1020190134015 A KR1020190134015 A KR 1020190134015A KR 20190134015 A KR20190134015 A KR 20190134015A KR 102439748 B1 KR102439748 B1 KR 102439748B1
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optical
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optical element
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타소 알. 엠. 세일즈
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비아비 솔루션즈 아이엔씨.
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Abstract

광학 소자는, 광학 물질의 본체; 및 본체의 표면을 따른 복수의 미세구조체로서, 복수의 미세구조체 중 각각의 미세구조체는 새그 프로파일을 갖는, 복수의 미세구조체를 포함한다. 광학 시스템은, 광원; 및 광학 물질의 본체와 본체의 표면을 따른 복수의 미세구조체를 가진 광학 소자를 포함할 수 있고, 복수의 미세구조체 중 각각의 미세구조체는 시야에 걸쳐 방사 조도를 제공하는 초-코사인 강도 프로파일을 생성한다. 광학 소자 및 광학 시스템을 제작 및 사용하는 방법이 또한 개시된다.

Description

광학 소자 및 광학 시스템{OPTICAL ELEMENT AND OPTICAL SYSTEM}
관련 출원
본 출원은 미국 가출원 제62/751,311호(출원일: 2018년 10월 26일)의 우선권을 주장하고, 상기 기초출원의 전문은 참고로 본 명세서에 원용된다.
발명의 기술분야
본 발명은 광학 물질의 본체; 및 본체의 표면을 따른 복수의 미세구조체를 포함하는 광학 소자에 관한 것이고, 복수의 미세구조체 중 각각의 미세구조체는 새그 프로파일(sag profile)을 갖는다. 광학 시스템은 광원; 및 광학 물질의 본체와 본체의 표면을 따른 복수의 미세구조체를 가진 광학 소자를 포함할 수 있고, 복수의 미세구조체 중 각각의 미세구조체는 시야에 걸쳐 방사 조도(irradiance)를 제공하는 초-코사인 강도 프로파일(super-cosine intensity profile)을 생성한다. 광학 소자 및 광학 시스템을 제작 및 사용하는 방법이 또한 개시된다.
3D 감지 기술의 적용은 다양한 디바이스, 예컨대, 휴대폰, 컴퓨터, 로봇, 가상 및 증강 현실 디바이스, 자동차, 자율주행차, 홈 시스템, 게임 시스템, 보안 시스템, 및 군사 적용을 포함한다. 3D 감지를 구현하기 위한, 예컨대, 광 감지, 제스처 인식, 깊이 이미징 등을 위한 다양한 전략이 있지만, 적외선 레이저, 예컨대, VCSEL 또는 측면-발광 레이저는 보통 조명 공급원을 제공하고, 일반적으로 약 850㎚, 940㎚ 또는 그 이상의 파장을 갖는다. 다른 공급원, 예컨대, LED가 또한 본 출원을 위해 사용될 수도 있다. 공급원으로부터의 레이저 방사선은 시야(field of view: FOV)각에 의해 규정된, 특정한 배경 또는 특정한 거리만큼 떨어진 특정한 타깃 위에 적외선을 확산시키는 빔 성형 디바이스를 통과한다. 배경에 의해 산란된 방사선의 일부 부분이 반사되고, 렌즈에 의해 집광되고, 그리고 센서 상에 포커싱된다. 이어서 센서에서 검출된 신호는 배경 내 물체(들)에 대한 정보, 예컨대, 물체의 특징 및 위치를 추출하도록 처리된다. 3D 감지를 위한 처리 방식은 비행시간(time-of-flight: ToF), 구조광, 및 입체 이미징을 포함한다. ToF 방식은 확산기에 의해 달성될 수 있는, 적절한 배경 조명을 필요로 하지만, 다른 2개의 방식은 보통 회절 광학 소자, 확산기 또는 마이크로렌즈 어레이에 의해 조명된다.
조명 공급원으로부터 광 빔을 확산시키기 위한 다양한 종래의 방식이 있다. 빔 성형 및 균질화의 단순한 형태는 랜덤 높이 변동을 가진 표면에 의해 획정된, 가우시안 확산기(Gaussian diffuser)에 의해 제공된다. 일부 실시예는 가루 유리 및 화학적으로 에칭된 유리 표면의 일부 유형을 포함한다. 가우시안 확산기는 가우시안 강도 프로파일을 가진 입력광 빔을 특정한 각에 걸쳐 확산시킨다. 이러한 빔 성형기는 제작하기 쉽지만, 매우 제한된 빔 성형 능력, 불량한 균일성, 및 제한된 집광을 제공한다.
확산을 위한 균질화 장치의 개선된 유형은 예를 들어, 문헌["Fabrication of light-shaping diffusion screens," Ying Tsung Lu and Sien Chi, Opt. Communications 214 (2002), 55-63], 및 패터슨(Petersen) 등의 미국 특허 제5,534,386호에 설명된 바와 같은, 레이저 스펙클 패턴의 홀로그램 노출에 의해 제작될 수 있다. 이 소위 홀로그램 확산기는 가루 유리와 비교할 때 더 많은 융통성을 제공하고, 더 우수한 각 제어 및 2개의 별개의 방향에 따른 별개의 각 발산을 갖는다. 그러나, 홀로그램 컴포넌트에 대한 일반적인 강도 산란 프로파일은 또한 가우시안 프로파일이고 불량한 균일성 및 제한된 집광을 갖는다. 결과적으로, 이러한 확산기는 3D 감지 적용이 요구하는 균일한 조명의 유형에 적합하지 않다.
빔 성형 및 균질화를 달성하기 위한 또 다른 방식은 예를 들어, 문헌["Laser beam shaping," J. R. Leger, in Micro-Optics: Elements, Systems, and Applications, H. P. Herzig, Ed., Taylor & Francis, May 1997] 및 카트만(Kathman) 등의 미국 특허 제6,278,550호에 설명된 바와 같은, 회절 광학 소자(diffractive optical element: DOE)에 기초하고, 이는 입력 빔을 매우 다양한 패턴으로 성형하도록 간섭 효과 및 회절 효과를 활용한다. 그러나, 회절 소자에 대한 문제가 3D 감지를 위해 필요한 큰 발산 각에 의해 발생한다. 넓은 FOV를 생성하는 DOE는 입력 빔과 동일 선상의(즉, 제로 회절 차수에서) 강한 고온 스폿 없이 제작하기가 매우 어려울 수 있다. 회절 소자는 또한 단색 작업에 가장 잘 적합하고 그리고 일반적으로 특정한 파장에서 작동하게 설계된다. 상이한 파장하의 작동은 일반적으로 강한 제로 회절 차수의 생성을 발생시킨다. 예를 들어, 850㎚에서의 광을 사용하기 위해 설계된 DOE는 제로 차수뿐만 아니라 각 확산이 파장에 좌우되기 때문에, 940㎚에서의 광에 대해 적합하지 않을 것이다. 예를 들어, 문헌[S. Noach, A. Lewis, Y. Arieli, and N. Eisenberg, "Integrated diffractive and refractive elements for spectrum shaping," Appl. Opt. 35, (1996) 3635-3639], 패크리스(Faklis) 등의 미국 특허 제5,589,982호, 또는 문헌[I. M. Barton, P. Blair, and M. Taghizadeh, "Dual-wavelength operation diffractive phase elements for pattern formation," Opt. Express 1, (1997) 54-59]에 설명된 바와 같은, 이론상으로 수개의 이산형 별개의 파장값하에서 작동할 수 있는 회절 소자를 설계하는 것이 가능할 수도 있지만, 요구되는 넓은 각 및 엄격한 제작 오차는 상당한 문제를 제기한다.
마이크로렌즈-기반 확산기는 예를 들어, 세일즈(Sales)의 미국 특허 제6,859,326호, 모리스(Morris) 등의 미국 특허 제7,033,736호, 및 세일즈의 미국 특허 제7,813,054호에 설명되고, 3D 감지 적용을 위한 적절한 조명을 제공하기 위한 더 효과적인 방식을 제공할 수도 있다. 그러나, 3D 감지를 위한 전형적인 공급원의 발산 특성은 효율성 및 균일성과 관련된 추가의 문제를 제기한다. 이 문제는 시준 광학기기에 의해 이론상으로 해결될 수 있지만, 흔히 패키지 크기로서 지칭되는, 광학 시스템의 크기 및 복잡성의 증가를 필요로 할 것이다. 결과적으로, 3D 감지 시 발산되는 비-시준된 공급원을 위한 강한 선호가 시준을 위한 부가적인 광학기기 없이 3D 감지 시스템을 위한 확산된 조명의 양을 최대화할 수 있는 개선된 확산기 해결책의 필요성을 발생시킨다.
하나의 양상에서, 광학 물질의 본체; 및 본체의 표면을 따른 복수의 미세구조체를 포함하는 광학 소자가 개시되고, 복수의 미세구조체 중 각각의 미세구조체는 새그 프로파일을 갖는다.
또 다른 양상에서, 광원; 및 광학 물질의 본체와 본체의 표면을 따른 복수의 미세구조체를 가진 광학 소자를 포함하는 광학 시스템이 또한 개시되고, 복수의 미세구조체 중 각각의 미세구조체는 새그 프로파일을 갖는다.
또 다른 양상에서, 광원으로부터의 에너지를 사용하여 광학 소자를 방사시키는 단계를 포함하는 광학 시스템을 사용하는 방법이 더 개시되고, 광원은 발산 광원이고; 광학 소자는 광학 물질의 본체, 및 본체의 표면을 따른 복수의 미세구조체를 포함하고, 복수의 미세구조체 중 각각의 미세구조체는 새그 프로파일을 갖고; 그리고 복수의 미세구조체 중 각각의 미세구조체는 시야에 걸쳐 방사 조도를 제공하는 초-코사인 강도 프로파일을 생성한다.
다양한 실시형태의 추가의 특징 및 이점이 후속하는 설명에서 부분적으로 제시될 것이고, 그리고 부분적으로, 설명으로부터 분명해질 것이고, 또는 다양한 실시형태의 실행에 의해 알게 될 수도 있다. 다양한 실시형태의 목적 및 다른 이점은 특히 본 명세서의 설명에서 언급된 구성요소 및 결합물에 의해 실현될 것이고 획득될 것이다.
본 개시내용은 수개의 양상 및 실시형태에서 상세한 설명 및 첨부 도면으로부터 더 완전히 이해될 수 있다:
도 1은 본 발명의 양상에 따른, 광학 소자의 블록도;
도 2A 및 도 2B는 미세구조체의 어레이의 등고선 맵이고, 도 2A는 육각형 형상을 도시하고 그리고 도 2B는 직사각형 형상을 도시하는 도면;
도 3A는 본 발명의 양상에 따른, 광학 소자의 표면을 따른 미세구조체의 사시도(미세구조체는 표면을 따라 크기 및 위치에서 랜덤화됨);
도 3B는 도 3A의 표면의 등고선 맵;
도 4는 본 발명의 양상에 따른, 광학 시스템의 도면;
도 5는 광학 시스템에서 사용되는 발산 광원의 원방 강도 패턴의 대표적인 예를 도시하는 도면;
도 6A는 시준 광원 및 광학 소자를 가진 광학 시스템의 각 필드(angular field)에 대한 강도의 그래프;
도 6B는 발산 광원 및 광학 소자를 가진 광학 시스템의 시야각에 대한 강도의 그래프;
도 7은 본 발명의 또 다른 양상에 따른, 광학 시스템의 도면;
도 8은 초-코사인 강도 프로파일을 제공할 때 3개의 상이한 원추 상수 값(k)의 효과를 나타내는 시야각에 대한 강도의 그래프;
도 9는 시야의 함수로서 최소 원추 상수(k)의 그래프;
도 10은 일차원에 따른 초-코사인 강도 프로파일을 나타내는, 시준된 광을 수용할 때 도 3A 및 도 3B의 광학 소자로부터 측정된 시야각에 대한 강도의 그래프;
도 11은 시준된 광을 수용할 때 직사각형 패턴을 생성하는 도 3A 및 도 3B의 광학 소자가 생성하는 방사 조도 패턴을 도시하는 도면;
도 12는 15도의 발산 공급원으로부터 입력광을 수용할 때 도 3A 및 도 3B의 광학 소자가 생성하는 방사 조도 패턴을 도시하는 도면;
도 13은 30도의 발산 공급원으로부터 입력광을 수용할 때 도 3A 및 도 3B의 예시적인 광학 소자가 생성하는 방사 조도 패턴을 도시하는 도면;
도 14는 불량한 에지 선명도를 가진 광학 소자(종래 기술)로부터 투사된 방사 조도 패턴을 도시하는 도면;
도 15는 본 발명의 광학 소자로부터 투사된 방사 조도 패턴을 도시하는 도면(복수의 미세구조체 중 각각의 미세구조체는 핀쿠션 형상(pincushion shape)의 외부 경계를 가짐);
도 16은 핀쿠션 외부 경계(파선 경계)를 포함하도록 변경된 크기(L)(실선 경계)의 정사각형 미세구조체의 도면;
도 17A는 시준된 광을 수용하는 본 발명의 광학 소자의 방사 조도 패턴의 등고선 맵;
도 17B는 30도의 발산광을 수용하는 본 발명의 광학 소자의 방사 조도 패턴의 등고선 맵;
도 17C는 도 16의 매개변수(ε)(ε는 0.026임)에 기초하여 미세구조체의 각각의 정사각형 면의 핀쿠션 뒤틀림의 정도 또는 양이 증가된 핀쿠션 형상을 가진 30도의 발산광을 수용하는 본 발명의 광학 소자의 방사 조도 패턴의 등고선 맵;
도 17D는 도 16의 매개변수(ε)(ε는 0.056임)에 기초하여 미세구조체의 각각의 정사각형 면의 핀쿠션 뒤틀림의 정도 또는 양이 증가된 핀쿠션 형상을 가진 30도의 발산광을 수용하는 본 발명의 광학 소자의 방사 조도 패턴의 등고선 맵; 및
도 17E는 도 16의 매개변수(ε)(ε는 0.091임)에 기초하여 미세구조체의 각각의 정사각형 면의 핀쿠션 뒤틀림의 정도 또는 양이 증가된 핀쿠션 형상을 가진 30도의 발산광을 수용하는 본 발명의 광학 소자의 방사 조도 패턴의 등고선 맵.
이 명세서 및 도면 전반에 걸쳐, 유사한 참조 부호는 유사한 구성요소를 식별한다.
전술한 개괄적인 설명 및 다음의 상세한 설명 둘 다가 단지 예시적이고 설명적이며, 그리고 본 교시내용의 다양한 실시형태의 설명을 제공하도록 의도된다는 것이 이해된다.
따라서, 본 발명의 목적은 광학 시스템, 예컨대, 3D 감지 시스템에서 광을 확산시키기 위한 개선된 광학 소자(10)를 제공하는 것이다. 광학 소자(10)는 예를 들어, 광학 시스템에서 광원에 의해 작동될 때 최적의 효율 및 균일성을 제공할 수 있다. 일부 경우에서, 3D 광학 시스템은 시야의 균일한 조명을 필요로 할 수 있다. 다른 경우에서, 조명은 각 공간에서 균일할 수 있다. 또 다른 경우에서, 센서는 균일하게 조명되어야 한다. 광학 소자(10)는 작동 파장에 관계없이, 임의의 특정한 조명 필요조건 또는 기하학적 구조에 대해 조정될 수 있다. 게다가, 광학 소자(10)는 작동 성능을 최대화하도록 광원(14)의 특정한 특성과 매칭될 수 있다. 요약하면, 광학 소자(10)는 방사선을 조명 적용을 위한 강도 프로파일 및 에너지 분포를 가진 규정된 조명 패턴으로 성형할 수 있다.
도 1에 도시된 바와 같이, 광학 소자(10)는 광학 물질의 본체(11)를 포함할 수 있다. 광학 물질은 자외선, 가시광선 및 적외선 스펙트럼 구역에서, 광 또는 전자기 방사선과 같은, 에너지의 흐름을 조작할 수 있는 임의의 물질일 수 있다. 광학 물질은 물질의 특성, 예컨대, 투명성, 투과성, 굴절률 등에 기초하여 선택될 수 있다. 광학 물질의 비제한적인 예는 유리 또는 플라스틱, 예컨대, UV-경화 폴리머, 폴리카르보네이트, 아크릴, 용융 실리카, 실리콘 또는 실리콘의 변종, 예컨대, 비정질 실리콘, 및 이들의 조합물을 포함할 수 있다. 본체(11)는 단일의 물질 또는 다수의 물질의 합성물일 수 있고, 이는 기계적 지지를 위한 기판 및 다른 층, 예컨대, 반사 방지 코팅을 위한 층 또는 다른 목적을 위한 다른 층, 예컨대, ITO 코팅 및 금속 코팅을 포함할 수도 있다. 본체(11)는 상이한 광학 물질의 합성물 또는 함께 적층된 동일한 광학 물질의 다수의 층의 합성물일 수 있다.
광학 소자(10)의 본체(11)는 표면(12)을 포함할 수 있다. 하나의 양상에서, 본체(11)는 서로 반대로 지향되는 2개의 표면(12a 및 12b)을 포함할 수 있다. 각각의 표면(12)은 복수의 미세구조체(13)를 포함할 수 있다. 하나의 양상에서, 2개의 표면(12a, 12b) 중 각각은 복수의 미세구조체(13)를 포함할 수 있다. 예를 들어, 표면(12a 및 12b)은 서로에 대해 거울 이미지일 수 있고, 그리고 (2개의 표면 중) 제1 표면(12a) 상의 미세구조체(13)가 반대 위치에 지향된(미러링된) 제2 표면(12b) 상의 대응하는 미세구조체(13) 상에 방사선(17)을 포커싱하는, 공초점 기하학적 구조로 마주볼 수 있다.
광학 소자(10)는 본체(11)의 표면(12)에 따른 복수의 미세구조체(13)를 포함할 수 있다. 미세구조체(13)는 미세-복제(micro-replication), 고온 엠보싱(hot embossing), 사출-성형, 반응성-이온 에칭, 또는 이온-빔 밀링, 또는 단일 점 레이저 라이팅(single-point laser writing)을 포함하지만 이들로 제한되지 않는 임의의 방법에 의해 제작될 수 있다. 복수의 미세구조체(13) 중 각각의 미세구조체(13)는 미세구조체(13)와 관련된 수개의 변수에 기초하여 서로 동일하거나 또는 상이할 수도 있다. 변수는 형상, 크기, 공간적 위치, 및 새그 프로파일을 포함한다. 공간적 위치 내 랜덤 분포, 새그 프로파일 및/또는 크기의 조합은 제작성, 제작 오차에 대한 상대적인 둔감성, 회절 아티팩트(diffraction artifact)의 최소화, 조명 적용에 대해 일반적으로 유해한 고온 스폿의 부재에 관한 이점을 가진 광학 소자(10)를 제공할 수 있다.
특히, 복수의 미세구조체(13) 중 각각의 미세구조체(13)는 본체(11)의 표면(12)을 따라 서로에 대해 다양하게 분포될 수 있다. 예를 들어, 복수의 미세구조체(13)는 미세구조체(13)와 관련된 변수에 기초하여 표면(12) 위에서 균일하게 분포될 수 있고, 규칙적으로 분포될 수 있고, 그리고/또는 랜덤으로 분포될 수 있다. 하나의 양상에서, 복수의 미세구조체(13)는 공간적으로 랜덤으로 분포될 수 있고, 표면(12)을 따라 크기 순으로 랜덤으로 분포될 수 있고, 그리고/또는 미세구조체의 새그 프로파일에 기초하여 랜덤으로 분포될 수 있다. 이 방식으로, 규칙적인 어레이와 연관된 아티팩트, 예컨대, 므와레 무늬로 둘러싸인 아티팩트 또는 회절 아티팩트가 축소될 수 있다. 하나의 양상에서, 복수의 미세구조체(13)는 광학 소자(10)의 표면(12)을 따라 랜덤으로 분포될 수 있다.
또 다른 양상에서, 복수의 미세구조체(13)가 규칙적으로 분포되고, 예컨대, 어레이로 분포되어, 예를 들어, 본체(11)의 표면(12)을 따라 규칙적인 마이크로렌즈 어레이를 형성할 수 있다. 육각형 및 직사각형 대칭을 가진 어레이의 예가 도 2A 및 도 2B에 도시된다.
각각의 미세구조체(13)는 임의의 기하학적 형상, 예를 들어, 다각형, 예컨대, 직사각형, 정사각형, 원형, 삼각형, 오각형, 육각형, 팔각형 등을 가질 수 있다. 각각의 미세구조체(13)의 기하학적 형상은 외부 경계를 가질 수 있다. 예를 들어, 각각의 미세구조체(13)는 4개의 외부 경계를 가진 직사각형 형상을 가질 수 있고, 4개의 외부 경계의 각각은 미세구조체(13)의 중심을 향하여 내향으로 만곡되어 핀쿠션 형상을 발생시킨다. 내향 만곡부가 광원(14)의 유형, 예컨대, 발산 광원(14) 또는 시준 광원(14)을 고려하여 선택될 수 있다. 하나의 양상에서, 복수의 미세구조체(13) 중 각각의 미세구조체(13)는 핀쿠션 형상을 가질 수 있고 그리고 광학 소자(10)가 측면-발광 레이저 또는 수직-공동 표면-발광 레이저(vertical-cavity surface-emitting laser: VCSEL)와 같은, 발산 광원(14)으로부터의 광을 확산할 때 사용될 수 있다. 하나의 양상에서, 복수의 미세구조체(13) 내 각각의 미세구조체(13)는 동일한 형상을 가질 수 있다. 또 다른 양상에서, 복수의 미세구조체(13) 내 각각의 미세구조체(13)는 상이한 형상을 가질 수 있다. 또 다른 양상에서, 복수의 미세구조체(13) 내 각각의 미세구조체(13)는 본체(11)의 각각의 표면(12a, 12b)을 따라 동일한 형상 또는 상이한 형상일 수 있다.
미세구조체(13)의 외부 경계는 시야(16)를 따라 생성되는 패턴의 종류를 결정할 수 있다는 것에 유의해야 한다. 예로써, 원형 미세구조체(13)는 원형 패턴을 생성할 수 있고 반면에 직사각형 미세구조체(13)는 대체로 직사각형 패턴을 생성할 수 있다. 미세구조체(13)의 외부 경계가 시야(16)를 따라 생성되는 패턴과 직접적으로 연관성이 없는 상황이 발생하는 것이 가능하다.
미세구조체(13)는 임의의 크기일 수 있고 그리고 미세구조체(13) 분포에 기초하여 변경될 수 있다. 하나의 양상에서, 복수의 미세구조체(13) 중 각각의 미세구조체는 동일한 크기일 수 있거나 또는 상이한 크기일 수 있다. 각각의 미세구조체(13)의 크기는 명시된 범위에 걸쳐 변경될 수 있다. 시야(16)에서 방사선(17)에 의해 초-코사인 강도 프로파일(아래에 더 완전히 설명됨)을 생성하기 위한, 표면(12)을 따른 랜덤화된 미세구조체(13)의 예가 도 3A 및 도 3B에 예시되고, 여기서 p = 3이다. 예를 들어, 미세구조체(13)의 랜덤 패턴의 총 깊이는 표면(12)을 따라 약 10㎛ 내지 약 50㎛의 범위 이내일 수 있지만, 다른 범위가 사용될 수 있다.
복수의 미세구조체(13) 중 각각의 미세구조체(13)는 새그 프로파일을 가질 수 있다. 새그 프로파일은 강도 프로파일, 예컨대, 초-코사인 강도 프로파일을 제공할 수 있다. 크기, 형상 및 공간과 매우 비슷하게, 미세구조체(13)는 이들의 새그 프로파일에 기초하여 표면(12)을 따라 분포될 수 있다. 미세구조체(13)의 특정한 새그 프로파일을 결정하기 위한 소프트웨어는 예를 들어, 컴퓨터 언어, 예컨대, C 언어를 사용하는 직접적인 프로그래밍에 의해 또는 소프트웨어, 예컨대, 매스매티카(Mathematica) 또는 매트랩(Matlab)에 의해 구현될 수도 있다.
복수의 미세구조체(13) 중 각각의 미세구조체(13)의 새그 프로파일은
Figure 112019128765238-pat00001
(1)에 의해 규정될 수 있고, (x, y)는 미세구조체(13)의 국부 좌표계의 좌표이고, 그리고 p 및 k는 각각 1 내지 P와 1 내지 K로 변경되는 정수이다. P 및 K의 값은 초-코사인 강도 프로파일, 시야(16), 뿐만 아니라 수반되는 물질의 상세사항에 좌우되고, 일반적으로 수치 평균에 의해 결정되고, 그리고 매개변수(αpk)는 초-코사인 강도 프로파일과 명시된 시야를 달성하도록 최적화될 수 있다.
대안적으로, 복수의 미세구조체(13) 중 각각의 미세구조체(13)의 새그 프로파일은 방정식:
Figure 112019128765238-pat00002
(2)에 의해 규정될 수 있다.
여기서 R은 곡률 반경이고 그리고 k는 원추 상수이다. 추가의 비구면 계수가 방정식 (2)에서 명시적으로 나타나지 않지만 또한 사용될 수 있다. 매개변수(R 및 k)는 어떤 광원(14)이든, 발산 성질에 따라, 초-코사인 강도 프로파일과 명시된 시야를 달성하도록 최적화될 수 있다. 곡률 반경은 특정한 범위 [Rmin, Rmax] 내에서 변경될 수 있고 그리고 원추 상수(k)는 또한 특정한 범위 [Kmin, Kmax] 내에서 변경될 수 있다.
미세구조체(13)의 각각은 광원(14)으로부터의 광에 응답하여, 선택된 파워(p)에서 θ의 각범위를 가진 시야(16)에 걸쳐 방사선(15)을 제공하는,
Figure 112022021917794-pat00003
강도 프로파일, 예컨대, 초-코사인 강도 프로파일을 생성하는 새그 프로파일을 가질 수 있다. 이것은 광학 시스템에 관하여 더 완전히 논의될 것이다. 하나의 양상에서, 광학 소자(10)의 각각의 미세구조체(13)의 새그 프로파일은 초-코사인 강도 프로파일 형상 함수를 제공할 수 있고 그리고 핀쿠션 뒤틀림의 미리 규정된 양을 포함할 수 있다. 핀쿠션 뒤틀림은 발산 광원(14)에 기인한 패턴 형상에 관한 임의의 효과를 보상할 수 있다. 이 방식으로, 광학 소자(10)는 시야각(16)에 걸쳐 균일한 강도 및/또는 방사 조도로 영역을 조명할 수 있다.
도 4에 도시된 바와 같이, 광학 소자(10)는 광학 시스템(30)에서 사용될 수 있다. 광학 시스템은 물체(들), 예컨대, 비행시간에 기초한 물체의 3D 감지를 위한 조명을 제공할 때 유용할 수 있다. 광학 시스템(30)은 광원(14); 및 광학 물질의 본체(11)와 본체(11)의 표면을 따른 복수의 미세구조체(13)를 가진 광학 소자(10)를 포함할 수 있고, 복수의 미세구조체(13) 중 각각의 미세구조체(13)는 시야(16)에 걸쳐 방사 조도를 제공하는 초-코사인 강도 프로파일을 생성한다.
광학 소자(10)의 표면(12)은 2개의 광학적으로 별개의 매체 사이의 경계에서 표면 기울기를 활용하여 방사선(17)의 광선을 편향시키고 그리고 이들을 특정한 방향으로 지향시킨다. 미세구조체(13)는 기울기의 연속적인 분포에 의해 규정될 수 있고, 따라서 강도 프로파일을 가진 (시준 광원 또는 발산 광원(14)으로부터의) 방사선(17)을 공간의 특정한 구역으로 확산시킬 수 있다. "광학적으로 별개의 매체"는 상이한 굴절률을 가진 2개의 매체, 예컨대, 광학 소자(10)의 본체(11)의 물질을 제공하는 폴리머 또는 유리, 그리고 본체(11)의 물질을 제공하는 공기 또는 실리콘 및 유리를 의미한다.
광학 소자(10)에 의해 산란되는 광의 분포는 미세구조체(13)의 특징인 기울기의 분포에 의해 좌우될 수 있다. 광의 분포는 일부 경우에서, 직접적인 최적화에 의해 수치적 방식으로 규정될 수 있다. 다른 경우에서, 광의 분포는 미세구조체(13)의 프로파일 면에서 표현될 수 있다.
광원(14)은 발산(비시준된) 광원일 수 있다. 발산 광원의 비제한적인 예는 수직 공동 표면 발광 레이저(vertical-cavity surface-emitting laser: VCSEL), 측면-발광 레이저, 또는 발광 다이오드(light emitting diode: LED)를 포함한다. 광원(14)이 발산 광원인 경우에, 각각의 미세구조체(13)의 새그 프로파일은 목적하는 초-코사인 강도 프로파일을 제공할 수 있다. 발산 광원(14)은 보통 약 15도 내지 약 30도의 전체-폭 범위 내에서 각 확산을 가질 수 있다. 전형적인 VCSEL 발산 패턴의 예가 도 5에 도시된다. 이 특정한 실시예에서, e-2 레벨에서 측정된 전체-폭은 약 23도이다. 패턴의 중심에서 관찰되는 경사(dip)는 또한 매우 흔히 VCSEL에서 관찰된다.
발산 광원(14)의 주요 효과는 광학 소자(10)에 의해 생성된 패턴을 넓히는 것뿐만 아니라 날카로운 에지 및 코너를 둥글게 만드는 것일 수 있다. 이 현상은 광학 소자(10)에 대한 시준된(발산광 없음) 방사선, 15도의 방사선(17), 및 30도의 방사선(17)에 대한 이상적인 초-코사인 일차원 프로파일의 경우에서 도 6A의 강도 대 각 그래프에 예시되고, 도 6B는 광학 소자(10)에 대한 15도 및 30도의 발산 방사선(17)을 예시한다. 발산 광원(14)을 사용하여, 피크의 위치는 패턴 폭이 증가되는 동안 더 좁은 각을 향하여 이동된다. 시준된 광하에서, 패턴 특징부는 날카롭고 그리고 원하는 대로 잘 집중되고, 반면에 발산광하에서, 날카로운 특징부는 넓어지게 된다. 이 특정한 실시예에서, 확산기 패턴은 파워(p = 7)에 의해 초-코사인 패턴을 생성한다.
광원(14)은 시준 광원일 수 있다. 하나의 양상에서, 광학 소자(10)는 시준 광원(14)으로부터 방사선(17)을 확산시킬 수 있다. 구체적으로, 방사선(17)은 시야각(16)에 걸쳐 확산될 수 있다. 광원(14)은 광학 소자(10)로부터 거리(dVD)만큼 이격될 수 있다.
도 4를 참조하면, 광학 소자(10)는
Figure 112019128765238-pat00004
강도 프로파일을 가진 방사선(15)을 확산시킬 수 있어서 시야(16)에 걸쳐 방사 조도를 제공하고, 시야에 걸친 방사 조도의 외부 에지는 균일하다. 3D 감지 적용의 일반적인 경우에, 방사선(15)의 분포는 시야(16)에서 직사각형 형상일 수 있다. 넓은 방향 그리고 좁은 방향을 따른 전형적인 각은 약 50도 내지 약 120도, 예컨대, 60도 내지 약 110도, 그리고 예로써, 약 70도 내지 약 100도의 범위 이내일 수 있다.
또 다른 양상에서, 도 7에 도시된 바와 같은 광학 시스템(300)이 개시된다. 광원(14)으로부터의 방사선(17)은 광원(14)과 마주보는 표면(12a)을 따라 복수의 미세구조체(13)를 가진 광학 소자(10)에 입사된다. 이 방사선(17)은 센서(20)에서
Figure 112019128765238-pat00005
방사 조도 프로파일을 발생시킨다. 센서(20) 상의 균일한 방사 조도가 필요한 경우에, 광학 소자(10)로부터의 초-코사인 강도 프로파일이
Figure 112019128765238-pat00006
강도 분포를 따라야 한다.
광학 소자(10)에 의해 산란된 방사선(15)이 공간으로 전파되어 거리(dDS)만큼 이격되어 위치된 시야(16)를 조명할 수 있다. 하나의 양상에서, 시야(16)는 평평한 스크린일 수 있다.
방사선(18)은 시야(16)로부터 반사될 수 있고 그리고 렌즈(19)에 의해 집광될 수 있고 그리고 센서(20), 예컨대, 광학 시스템(300)에 또한 포함되는 디지털 카메라 또는 CMOS 센서 상에 포커싱될 수 있다. 렌즈(19)는 또한 시야(16)로부터 거리(dDS)에 위치될 수 있다. 실제로, 도 7에 예시된 다양한 거리는 특정한 시스템의 상세사항에 따라 상이할 수 있다. 패키징 제한에 기인하여, 센서(20)와 광원(14)과 광학 소자(10) 사이에 일부 오프셋(dVS)이 있지만, dVS는 일반적으로 광학 소자(10)로부터 시야(16)까지의 거리에 비해 작다.
광 에너지의 활용을 최대화하기 위해서, 적용을 위해 필요한 시야(16)의 부분만을 조명하여 감지를 위해 필요한 신호 대 잡음비가 최소 에너지 활용에 의해 실행될 수 있는 것이 바람직하다. 이러한 높은 조명 효율은 최대 배터리 수명을 제공할 때, 특히, 소모형 디바이스, 휴대폰, 태블릿 및 컴퓨터에서 유익하다. 즉, 광학 시스템(30, 300)은 가장 높은 가능한 효율로 방사선(15)이 스캐닝하는 시야(16)의 제어된 조명을 필요로 한다.
이론상으로, 시야(16)에 대한 센서(20)에 걸친 목적하는 광 분포의 지식은 광원(14)과 광학 소자(10)의 조합으로부터 방출된 강도 분포의 결정을 가능하게 할 수 있다. 계산 목적을 위해서, 시야(16)가 램버시안 스크린(Lambertian screen)이고 그래서 조명되는 시야(16)의 모든 부분이 일부 방사선(18)을 다시 센서(20)를 향하여 산란시킬 것이라고 가정한다. 그래서, 도 6에 도시된 바와 같은 전파 기하학적 구조, 광원(14)의 방출 특성, 조명될 시야(16)의 크기, 및 램버시안 스크린(16)의 특성을 고려하면, 광학 소자(10)로부터의 강도 분포가 아래에 나타낸 바와 같이 결정될 수 있다.
광학 시스템(300)에서, 광학 소자(10)의 복수의 미세구조체(13)는 다음과 같이 표현되는, 해당 축 또는 치수를 따른 초-코사인 강도 프로파일(I)을 생성할 수 있다:
Figure 112019128765238-pat00007
p는 파워를 나타내는 실수이다. 각 공간에서 균일한 조명의 경우는 p = 0에 대응하고, 시야(16)에서 균일한 방사 조도는 p = 3에 대응하고, 그리고 p = 7은 센서(20)에서 균일한 방사 조도를 위한 것이다. p의 양의 값이 설명되지만, 음의 값을 포함하는 다른 값이 특정한 감지 적용에 따라 바람직할 수도 있다. 3D 감지를 위한 대부분의 경우에서이지만, p의 값은 시야의 중심에 비해 시야의 외부 에지를 따라 조명의 높은 레벨을 제공하도록 양수이다. 그러나, p의 값은 중심에 비해 외부 에지를 따라 조명의 더 낮은 레벨을 제공하도록 음수일 수도 있다.
방정식 (2)의 새그 프로파일에 기초하여, 직접적인 광선추적을 통해, 수개의 특성을 계산할 수 있다. 새그 프로파일은 원추 상수의 적합한 값을 사용함으로써 초-코사인 함수와 유사한 강도 프로파일을 생성할 수 있다. 예를 들어, 미세구조체(13)가 200㎛의 직경 및 100㎛의 곡률 반경의 마이크로렌즈인 경우를 고려하라. 렌즈 물질은 1.5의 굴절률을 가질 수 있다. 도 8은 중심과 비교할 때 k가 더 음수이고 에지 강도가 더 강해지고, 이는 3D 감지 적용을 위해, 양의 파워(p)의 초-코사인 강도 프로파일에 대해 관찰되는 거동의 유형이라는 사실을 예시하는, k의 3개의 상이한 값에 대한 계산된 강도 프로파일을 도시한다. 실제로, 적합한 값(k)을 선택함으로써, 시야(16) 및 굴절률에 따라 적합한 초-코사인 강도 프로파일을 선택할 수 있다. 표 1은 시야 각범위의 다양한 값에 대한 특정한 초-코사인 강도 프로파일을 달성하도록 필요한 값(k)을 나타낸다.
1.5의 굴절률의 물질에 대한 초-코사인 강도 프로파일 및 시야를 달성하기 위한 k의 값
초-코사인 파워
FOV(도) 1 3 5 7 9
40 -0.8531 -1.0106 -1.1586 -1.2969 -1.4256
60 -0.8761 -1.0219 -1.1455 -1.2507 -1.3384
80 -0.9059 -1.0318 -1.1235 -1.1894 -1.2363
100 -1.4009 -1.0369 -1.0936 -1.1249 -1.1375
그러나, 방정식 (2)의 새그 프로파일에서, k의 값은 결국 비물리적 렌즈 프로파일을 발생시키는 것으로서 무한정으로 더 음수가 될 수 없다는 것에 유의한다. 실제로, 미리 결정된 시야에 대해, 1.5의 굴절률을 가정하면, 도 9에 도시되고 그리고 FOV의 다양한 값에 대해 표 2에 나열된, k의 최소 허용값을 계산할 수 있다.
1.5의 굴절률의 물질에 대한 FOV의 다양한 값에 대한 최소 원추 상수(k)
FOV (도) k 최소
20 -8.9598
40 -2.8127
60 -1.6863
80 -1.3055
100 -1.1430
120 -1.0673
광학 소자(10)의 미세구조체(13)의 각각에 적합한 또 다른 새그 프로파일은 참고로 본 명세서에 원용되는, 미국 특허 제7,813,054호 개시된 바와 같은, 새들 렌즈(saddle lens) 프로파일에 기초한다. p의 상이한 값을 가진 상이한 광학 소자(10)는 넓은 시야각에 걸친 영역을 효율적으로 조명하도록 광학 시스템에 제공될 수 있다. 예를 들어, 도 3A 및 도 3B에 도시된 광학 소자(10)는 3D 감지 시스템 또는 다른 광학 시스템에서 사용될 수 있다.
광학 시스템(30, 300)에서, 광 에너지의 가장 높은 가능한 집중을 제공하기 위해서, 광학 소자(10) 내 복수의 미세구조체(13)는 방사선을 동일한 각범위 내에서 각각 개별적으로 확산시킬 수 있다. 각각의 미세구조체(13)의 새그 프로파일은 목적하는 각 확산을 보장하도록 분석적으로 또는 광선추적에 의해 계산될 수 있다. 이 조건이 부여될 때, 모든 미세구조체(13)는 고정된 시야각 내에서 광을 확산시키고 따라서 시야 내의 최상의 효율을 제공한다. 도 10에 도시된 강도 프로파일은 시야에 걸쳐 일차원에 따른 도 3A 및 도 3B의 미세구조체(13)를 가진 광학 소자(10)를 나타낸다. 강도 프로파일은 패턴의 중심에 대하여 강도축을 따라 1의 값으로 정규화된다. 양(Δθ)으로 표시된 FOV는 강도축에서 0.5 레벨로 표시된 바와 같은 절반-지점에서 규정될 수 있다. 정규화된 플롯에서 최대값은 강도축을 따라 b이고, 이는
Figure 112022021917794-pat00008
와 같은 초-코사인 파워와 같을 것이다. 시준 광원(14)하에서, 타깃 FOV를 넘어 확산되는 에너지의 일부는 회절에 의해 근본적으로 제한될 수 있다. 다른 요인, 예컨대, 표면 거칠기는 일부 에너지가 FOV를 넘어 확산되게 할 수 있지만 이들은 개선된 제작에 의해 축소될 수 있고, 반면에 회절 제한은 극복될 수 없다.
도 11은 시준 광원(14)의 경우에, p = 3의 초-코사인 강도 프로파일을 생성할 수 있는 광학 소자(10)의 2차원 실시예의 경우에 대한 정규화된 방사 조도 패턴을 예시한다. 이전에 논의된 바와 같이, 이것은 광학 소자(10)로부터 이격된 시야(16)의 균일한 방사 조도의 경우이다. 15° 공급원 및 30° 공급원인 발산 공급원하에서 작동할 때 동일한 광학 소자(10)로부터 관찰되는 방사 조도는 도 12 및 도 13에 각각 도시된다. 도 11과 비교할 때, 조명된 영역의 외부 에지(즉, 강도가 초-코사인 강도 프로파일의 p의 값을 따르는 시야의 2개의 반대 단부의 각각에서 작은 각범위)는 광학 소자(10)에 입사된 광의 발산이 증가됨에 따라 크기가 증가된다.
발산 광원(14)에 의한 작동은 패턴 폭이 공급원 발산에 기인하여 자연적으로 증가되므로 타깃 효율의 손실을 유발할 수 있다. 얼마나 많은 패턴이 확산되는지의 대략적인 추정값은 양(
Figure 112019128765238-pat00009
)에 의해 계산되고, θ는 시준된 광하의 확산기 각이고 그리고 σ는 공급원 각이다. 이 수식은 엄격하게는 가우시안 확산기(Gaussian diffuser) 및 공급원에만 유효하지만, 발산 광원(14)으로부터 광을 수용하는 광학 소자(10)로부터 예상된 출력에 대한 초기 추정값을 제공할 수 있다. 그래서, 예를 들어, 시준된 입력하에서 50도의 출력을 생성하는 광학 소자(10)는 30도의 공급원하에서 58.3도가 된다. 타깃에 50도 FOV 내에서 가능한 한 많은 에너지를 집중된다면, FOV의 증가는 총 효율의 감소를 암시한다. 공급원 발산을 고려하는 광학 소자(10)를 제공하고 그리고 어느 정도까지 보상함으로써 효율을 최대화하는 것이 가능하지만, 타깃 영역의 외부의 일부 확산이 발산 공급원에 의해 발생할 수 있고, 그리고 이 효과의 완전한 제거가 일반적으로 단일의 표면 광학 소자(10)에 의해 불가능하다.
따라서, 광학 시스템(30, 300)은 도 1에 도시된 바와 같은, 마주보는 표면(12a, 12b)을 따라 초-코사인 강도 프로파일을 가진 광학 소자(10)를 포함할 수 있다. 표면(12a 및 12b)의 각각을 따른 미세구조체(13)는 서로 공초점 기하학적 구조이다. 이 방식으로, 표면(12b) 상의 미세구조체(13)는 필드 렌즈로서 작용할 수 있고 그리고 발산 광원의 효과를 감소시키는 것을 도울 수 있어서 발산을 개선시킨다. 이 종류의 구성에서, 표면(12a 및 12b) 사이의 분리뿐만 아니라 미세구조체(13)의 크기는 수치적 방법을 사용하여 결정되는 바와 같이, 시야(16)를 따른 목적하는 패턴을 제공하도록 고려되어야 한다.
효율에 영향을 주는 것에 더하여, 발산 광원(14)은 또한 코너를 둥글게 만드는 것에 기인하여 타깃 시야(16) 내에서 패턴 균일성에 영향을 줄 수 있다. 이것은 도 11의 시준된 경우와 비교할 때 도 12 및 도 13에서 보일 수 있다. 이것은 패턴 균일성이 관련된 매개변수인 적용에서 중요할 수 있다. 따라서, 이 문제를 처리하기 위해서, 광학 소자(10)는 시준 광원(14)하에서 고유 핀쿠션 뒤틀림을 가진 패턴을 투사할 수 있다. 이러한 뒤틀린 패턴은, 발산 광원(14)에 의해 작동될 때, 더 우수한 에지 선명도를 가진 패턴을 발생시킨다. 실제 측정으로부터의 실시예는 에지 선명도가 없는 패턴을 도시하는 도 14에 나타난다. 핀쿠션의 뒤틀린 패턴을 투사하는 본 발명에 따른 광학 소자(10)가 도 15에 도시되고, 발산 광원(14)의 효과를 보상하는 것을 돕고 그리고 더 우수한 선명도를 가진 직사각형 형상을 생성할 수 있다. 광학 소자(10)에 의해 도입된 핀쿠션 뒤틀림의 정확한 양은 광원(14)의 발산에 좌우되고 그리고 적용의 필요조건에 의해 요구되는 만큼 면밀히 2개의 매개변수를 매칭할 수 있다.
광학 소자(10)에 의해 생성된 형상의 핀쿠션 뒤틀림의 제어된 양을 도입하기 위해서, 미세구조체(13)는 위에서 논의된 바와 같은, 핀쿠션 외부 경계를 포함할 수 있다. 하나의 양상에서, 방정식 (1)에 예시된 것과 같은 새그 프로파일은 핀쿠션 패턴을 생성하도록 최적화될 수 있다.
또 다른 양상에서, 복수의 미세구조체(13) 중 각각의 미세구조체(13)는 도 16에 도시된 바와 같이, 측면(L)을 가진 정사각형 형상을 가질 수 있다. 규칙적인 미세구조체(13) 경계는 정사각형을 규정하는 실선에 의해 표시된다. 핀쿠션 경계는 정사각형 패턴의 내부에 파선으로 표시된다. 대안적인 방식은 정사각형 미세구조체 경계의 외부에 핀쿠션을 규정하는 것이다.
핀쿠션의 정규화된 양은 다시 도 16을 참조하여, 매개변수(ε)에 의해 측정된다. 표준 정사각형 미세구조체(13) 경계는 ε가 0일 때 발생할 수 있다. 표준 정사각형 미세구조체(13) 경계는 ε가 증가될 때 더 강한 핀쿠션 뒤틀림을 포함할 수 있다. 정확한 경계 프로파일은 다양한 방식으로 규정될 수 있고, 방식 중 대부분은 광학 소자(10)로부터의 투사된 확산 패턴의 면에서 실질적으로 같다. 이 실시예에서, 경계가 다항식 형상의 유형(적절한 축 방향을 가짐)을 갖는다고 가정한다:
Figure 112019128765238-pat00010
, (3)
여기서 p는 실수이다. 따라서, 표면(12) 상의 위에서 설명된 랜덤화된 미세구조체(13)의 각각이 4개의 외부 경계를 가진 직사각형, 예컨대, 위의 실시예에서 정사각형인 경우에, 이들 각각이 미세구조체의 중심을 향하여 내향으로 만곡되어 각각의 미세구조체(13)가 시야(16)의 조명된 영역의 외부 에지를 따른 조명을 개선시키도록 선택된 목적하는 정도 또는 양의 핀쿠션 기하학적 형상을 갖는다.
핀쿠션 경계의 효과를 예시하기 위해서, 투사된 직사각형 방사 조도는 균일한 방사 조도에 적합한, 3의 파워(p)로 초-코사인 강도 프로파일을 생성하는 광학 소자(10)로부터 계산된다. 결과는 등고선 맵의 형태인 도 17A 내지 도 17E에 도시된다. 이 실시예에서, 도 17A는 시준 광원(14)에 의한 광학 소자(10)의 출력을 나타낸다. 이 경우에, 투사된 방사 조도는 잘 획정된 경계 및 날카로운 에지를 갖는다. 도 17B는 동일한 광학 소자(10)를 나타내지만 이제 도 6B에 도시된 바와 같이 발산하는 30도의 광원(14)하에 있다. 도 17B에서, 둥근 에지를 쉽게 인지한다. 도 17C 내지 도 17E는 각각, 0.026, 0.056, 및 0.091과 같은 ε에 대한 동일한 광학 소자(10)를 도시하고, 핀쿠션 매개변수의 증가에 따른 에지 선명도의 개선을 나타낸다. ε 매개변수는 다음과 같이 방정식 (3)의 p 매개변수와 연관된다: ε = 0.026 (p = 0.9), 0.056 (p = 0.8), 및 0.091 (p = 0.7). 일반적으로, 경계 형상이 방정식 (3) 또는 일부 다른 등가의 수식에 의해, 획정된다면, 투사된 패턴에 대한 목적하는 정정량을 달성하기 위한 핀쿠션의 양은 수치적으로 최적화된다.
예시된 영역은 임의의 형상, 예컨대, 기하학적 형상을 가질 수 있다. 기하학적 형상의 비제한적인 예는 직사각형, 원형, 정사각형, 삼각형 등을 포함한다. 하나의 양상에서, 조명된 영역은 배트윙 강도(batwing intensity)를 나타낼 수 있고, 여기서 강도는 방사 조도가 시야(16)에서 획정되는 동안 각(θ)의 함수로서 규정된다.
광학 시스템을 사용하는 방법이 또한 개시된다. 방법은 광원으로부터의 에너지를 사용하여 광학 소자를 방사시키는 단계를 포함하고, 광원은 발산 광원이고; 광학 소자는 광학 물질의 본체; 및 본체의 표면을 따른 복수의 미세구조체를 포함하고, 복수의 미세구조체 중 각각의 미세구조체는 새그 프로파일을 갖고; 그리고 복수의 미세구조체 중 각각의 미세구조체는 시야에 걸쳐 방사 조도를 제공하는 초-코사인 강도 프로파일을 생성한다.
전술된 설명으로부터, 당업자는 본 교시내용이 다양한 형태로 구현될 수 있다는 것을 이해할 수 있다. 따라서, 본 교시내용이 특정한 실시형태 및 실시예와 연관되어 설명될지라도, 본 교시내용의 참된 범위는 이렇게 제한되지 않아야 한다. 다양한 변화 및 변경은 본 명세서의 교시내용의 범위로부터 벗어나는 일없이 이루어질 수도 있다.
이 범위의 개시내용은 폭넓게 해석된다. 본 개시내용이 본 명세서에 개시된 디바이스, 행위 및 기계적 작업을 달성하기 위한 등가물, 수단, 시스템 및 방법을 개시하는 것이 의도된다. 개시된 각각의 구성, 안료, 방법, 수단, 기계적 구성요소 또는 메커니즘에 대해, 본 개시내용이 또한 이의 개시내용에 포함되고 그리고 본 명세서에 개시된 많은 양상, 메커니즘 및 구성을 실행하기 위한 등가물, 수단, 시스템 및 방법을 교시하는 것이 의도된다. 부가적으로, 본 개시내용은 구성 및 이의 많은 양상, 특징 및 구성요소에 관한 것이다. 이러한 구성은 이의 용도 및 작업에 있어서 동적일 수 있고, 본 개시내용은 제작의 구성 및/또는 안료의 사용의 등가물, 수단, 시스템 및 방법을 포함하는 것으로 의도되고 그리고 이의 많은 양상은 본 명세서에 개시된 작업 및 기능의 설명 및 정신과 일치한다. 본 출원의 청구범위는 마찬가지로 폭넓게 해석된다.
본 명세서의 발명의 설명은 이의 많은 실시형태에서 단지 사실상 예시적이고 따라서, 본 발명의 요지로부터 벗어나지 않는 변경이 본 발명의 범위 내에 있는 것으로 의도된다. 이러한 변경은 본 발명의 정신 및 범위로부터 벗어나는 것으로서 간주되지 않는다.

Claims (20)

  1. 광학 소자로서,
    광학 물질의 본체; 및
    상기 본체의 표면을 따른 복수의 미세구조체를 포함하되, 상기 복수의 미세구조체 중 각각의 미세구조체는 새그 프로파일(sag profile)을 갖고,
    각각의 미세구조체는 외부 경계를 가진 다항식 형상이고, 상기 외부 경계 중 각각은 상기 미세구조체의 중심을 향하여 내향으로 만곡되고,
    상기 다항식 형상은
    Figure 112022021917794-pat00030

    에 의해 정의되는 경계를 갖고,
    x 및 y는 축 상의 치수이고, L은 상기 경계의 길이이고, p는 실수인, 광학 소자.
  2. 제1항에 있어서, 상기 새그 프로파일은 s(x)이되,
    Figure 112019128765238-pat00011
    이며, R은 곡률 반경이고 그리고 k는 원추 상수인, 광학 소자.
  3. 제1항에 있어서, 상기 복수의 미세구조체는 상기 표면을 따라 랜덤으로 분포되는, 광학 소자.
  4. 제1항에 있어서, 상기 복수의 미세구조체는 규칙적으로 분포되는, 광학 소자.
  5. 제1항에 있어서, 상기 본체는 서로 반대로 지향되는 2개의 표면을 갖는, 광학 소자.
  6. 제5항에 있어서, 상기 2개의 표면 중 각각은 복수의 미세구조체를 포함하는, 광학 소자.
  7. 광학 시스템으로서,
    광원; 및
    광학 물질의 본체와 상기 본체의 표면을 따른 복수의 미세구조체를 가진 광학 소자를 포함하되, 상기 복수의 미세구조체 중 각각의 미세구조체는 시야에 대해 방사 조도(irradiance)를 제공하는 초-코사인 강도 프로파일(super-cosine intensity profile)을 생성하고,
    각각의 상기 미세구조체는 외부 경계를 가진 다항식 형상이고, 상기 외부 경계 중 각각은 상기 미세구조체의 중심을 향하여 내향으로 만곡되고,
    상기 다항식 형상은
    Figure 112022021917794-pat00031

    에 의해 정의되는 경계를 갖고,
    x 및 y는 축 상의 치수이고, L은 상기 경계의 길이이고, p는 실수인, 광학 시스템.
  8. 제7항에 있어서, 상기 광원은 발산 광원인, 광학 시스템.
  9. 제8항에 있어서, 상기 발산 광원은 수직 공동 표면 발광 레이저(vertical cavity surface emitting laser), 측면-발광 레이저, 및 발광 다이오드로부터 선택되는, 광학 시스템.
  10. 제7항에 있어서, 상기 광학 시스템은 또한 렌즈 및 센서를 포함하는, 광학 시스템.
  11. 제7항에 있어서, 상기 초-코사인 강도 프로파일은,
    Figure 112022021917794-pat00012
    으로 표현되되,
    p는 파워를 나타내는 실수인, 광학 시스템.
  12. 제7항에 있어서, 상기 본체는 서로 반대로 지향되는 2개의 표면을 갖되, 상기 2개의 표면은 제 1 미세구조체 및 제 2 미세구조체를 각각 포함하고, 상기 2개의 표면 중 제1 표면 상의 상기 제 1 미세구조체는 미러링된 제2 표면 상의 대응하는 상기 제 2 미세구조체 상에 방사선을 포커싱하는, 광학 시스템.
  13. 제11항에 있어서, 상기 p의 값은 상기 시야의 중심에 비해 상기 시야의 외부 에지를 따라 조명의 더 높은 레벨을 제공하도록 양수인, 광학 시스템.
  14. 제11항에 있어서, 상기 p의 값은 상기 시야의 중심에 비해 상기 시야의 외부 에지를 따라 조명의 더 낮은 레벨을 제공하도록 음수인, 광학 시스템.
  15. 광학 시스템의 동작 방법으로서,
    광원으로부터의 에너지를 사용하여 광학 소자를 방사시키는 단계를 포함하되,
    상기 광원은 발산 광원이고;
    상기 광학 소자는 광학 물질의 본체, 및 상기 본체의 표면을 따른 복수의 미세구조체를 포함하고, 상기 복수의 미세구조체 중 각각의 미세구조체는 새그 프로파일을 갖고;
    상기 복수의 미세구조체 중 각각의 미세구조체는 시야에 대해 방사 조도를 제공하는 초-코사인 강도 프로파일을 생성하고,
    각각의 상기 미세구조체는 외부 경계를 가진 다항식 형상이고, 상기 외부 경계 중 각각은 상기 미세구조체의 중심을 향하여 내향으로 만곡되고,
    상기 다항식 형상은
    Figure 112022021917794-pat00032

    에 의해 정의되는 경계를 갖고,
    x 및 y는 축 상의 치수이고, L은 상기 경계의 길이이고, p는 실수인, 광학 시스템의 동작 방법.
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