KR101302415B1 - 3Ｄ Ｄｅｐｔｈ렌즈의 초점을 자동으로 조절하는 3Ｄ 카메라 신호처리시스템 - Google Patents

3Ｄ Ｄｅｐｔｈ렌즈의 초점을 자동으로 조절하는 3Ｄ 카메라 신호처리시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은 온도의 변화에 따라 플라스틱 비구면 렌즈로 구현된 3D Depth 렌즈의 초점을 자동으로 조절할 수 있는 3D 카메라 신호처리시스템을 개시(introduce)한다. 상기 3D 카메라 신호처리시스템은, 센서모듈, 레이저 구동부, 논리회로 및 신호처리장치를 포함한다. 본 발명에 따른 3D 카메라 신호처리시스템은 레이저에서 발생하는 열 및 카메라가 설치된 모니터로부터 발생하는 열에 의해 변하는 3D Depth 렌즈의 초점을 자동으로 조절함으로써, 사용 중 온도의 변화에도 피사체의 선명도의 차이가 발생하지 않으므로, 측정값의 오차가 거의 없게 되는 장점이 있다.

Description

3Ｄ Ｄｅｐｔｈ렌즈의 초점을 자동으로 조절하는 3Ｄ 카메라 신호처리시스템 {Signal process system for automatically adjusting the focus of the 3 Dimensional Depth Lens}
본 발명은 3D 카메라에 관한 것으로, 특히, 3D 카메라에 설치된 레이저에서 발생하는 열 및 3D 카메라가 설치된 모니터로부터 발생하는 열에 의해 변하는 3D Depth 렌즈의 초점을 자동으로 조절하는 3D 카메라 신호처리시스템에 관한 것이다.
최근에는 사용자 인터페이스(user interface)와 관련하여, 3D 카메라를 이용하여 사용자의 몸짓(Gesture)을 인식하고 이에 따른 몸짓 제어(Gesture Control)를 하는 기술에 대한 요구가 증가하고 있다. 3D 카메라에서 정보를 인식하는 방식에는 대표적으로 SL(Structure Light)방식과 TOF(Time Of Flight) 방식이 주류를 이룬다. SL 방식은 적외선(Infrared)이 피사체로부터 반사되어 되돌아 오는 빛의 양을 이용하며 그리고 TOF 방식은 피사체로부터 반사되어 오는 적외선의 시간차이를 이용하여 원하는 정보를 취득한다.
3D 카메라에서 사용하는 적외선을 방출하는 것으로는 발광다이오드(Light Emitting Diode)와 레이저(Laser)가 주로 사용되는데, 최근에는 고성능 및 짧은 응답시간에 대한 요구를 만족시키기 위하여 발광다이오드 대신 레이저 다이오드 빔의 사용이 증가하고 있다. 레이저는 신호의 응답속도를 높이는 데는 효과적이지만 상당한 양의 열이 발생하며, 레이저에서 발생하는 열은 레이저가 장착된 카메라의 렌즈에 영향을 주게 된다. 카메라의 렌즈로는 RGB 렌즈와 3D Depth 센서용 렌즈가 있는데, 렌즈에 가해지는 열은 렌즈 고유의 초점 거리를 변하게 한다.
특히, 종래의 3D 카메라에 설치된 3D Depth 센서의 렌즈는 모두 제조 당시 초점이 고정되어 있는데, 상술한 바와 같이 3D 카메라에 장착된 레이저로부터 발생하는 열 이외에도, 3D 카메라가 LCD 상부나 텔레비전의 상부에 설치된 상태로 사용됨에 따라 LCD 및 텔레비전에서 발생하는 열로부터도 영향을 받게 된다. 렌즈로는 유리로 만들어진 구면렌즈와 플라스틱으로 만들어진 비구면 렌즈가 사용된다.
도 1은 VCM 방식으로 렌즈가 상하로 움직이면서 초점을 자동으로 맞추는 과정을 설명한다.
도 1을 참조하면, 수평 방향으로 입사하는 빛을 하나의 초점으로 수집하는 렌즈(100)의 경우, 렌즈(100)를 빛의 진행방향으로 전진 또는 후진시킴으로써 열에 의해 변하는 렌즈의 초점에 대응한다. 3D 카메라 자체 및 3D 카메라가 설치된 주변환경으로부터 인가되는 열을 근본적으로 차단할 수는 없는데, 유리로 된 렌즈의 경우 열에 강해 고온에서도 초점 거리의 변화가 거의 없다. 그러나 유리 렌즈의 제작 과정이 단순하지 않을 뿐만 아니라, 구면으로 이루어져 부피가 상당하다는 단점이 있다.
도 2는 플랙서블 글래스 매체의 구성을 나타낸다.
도 2를 참조하면, 플랙서블 글래스(flexible glass) 매체(200)는, 2개의 유리기판(201, 202) 사이에, 2개의 전극(203, 204)을 형성시키고, 2개의 전극 사이에 액정 분자(Liquid Crystal Molecules, 205)가 배치된 구조를 가지는 렌즈에 사용되는 것으로, 스위치(207)의 스위칭 동작에 의해 제어되는 전원(206)으로부터 2개의 전극에 인가되는 전압에 의해 플랙서블 글래스 매체의 굴절율(reflective index)이 조절된다.
도 3은 플렉서블 글래스 매체의 렌즈 동작 과정을 설명한다.
도 3을 참조하면, 플렉서블 글래스 매체(200)는 VCM(Voice Coil Motor) 방식으로 초점이 조정된다. 현재 휴대폰에서 일반적으로 사용하고 있는 VCM 방식은, 이미지센서로부터 감지된 신호를 자동 초점 알고리즘에 적용하여 선의 굵기 및 선명도(Sharpness) 등을 이용하여 최적의 위치의 초점을 결정한다. 도 3(a)은 굴절율이 조절되기 전의 빛의 진행방향을 나타내고, 도 3(b)은 굴절율이 조절된 후의 빛의 진행방향을 나타낸다.
최근에는 도 1에 도시된 유리 렌즈 대신, 도 2에 도시된 플라스틱 비구면 렌즈를 많이 사용하고 있으므로, 플라스틱 비구면 렌즈에 적합한 센서모듈의 개발이 요구된다.
본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는, 온도의 변화에 따라 플라스틱 비구면 렌즈로 구현된 3D Depth 렌즈의 초점을 자동으로 조절할 수 있는 3D 카메라 신호처리시스템을 제공하는 것에 있다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 일 실시 예에 따른 3D 카메라 신호처리시스템은, 센서모듈, 레이저 구동부, 논리회로 및 신호처리장치를 포함한다. 상기 센서모듈은 상기 레이저 구동부로부터 조사된 적외선이 피사체로부터 반사된 반사파의 검출시간을 출력하며, 자동초점조절 제어신호에 응답하여 플라스틱 비구면 렌즈로 구현된 3D Depth 렌즈의 초점을 자동으로 조절한다. 상기 레이저 구동부는 레이저 동작제어신호에 응답하여 상기 적외선을 상기 피사체에 조사하며, 자체의 온도 정보를 송출한다. 상기 논리회로는 상기 자동초점조절 제어신호를 상기 센서모듈에 전달하고 상기 레이저 동작제어신호를 상기 레이저 구동부에 전달하고, 상기 센서모듈로부터 출력된 반사파의 검출시간 및 상기 레이저 구동부의 온도 정보를 수신한다. 상기 신호처리장치는 상기 논리회로부터 수신한 상기 레이저 구동부의 온도 정보 및 내장된 초점자동조절 알고리즘을 이용하여 상기 자동초점조절 제어신호 및 상기 레이저 동작제어신호를 상기 논리회로에 전달한다.
본 발명에 따른 3D 카메라 신호처리시스템은 레이저에서 발생하는 열 및 카메라가 설치된 모니터로부터 발생하는 열에 의해 변하는 3D Depth 렌즈의 초점을 자동으로 조절함으로써, 사용 중 온도의 변화에도 피사체의 선명도의 차이가 발생하지 않으므로, 측정값의 오차가 거의 없게 되는 장점이 있다.
도 1은 VCM 방식으로 렌즈가 상하로 움직이면서 초점을 자동으로 맞추는 과정을 설명한다.
도 2는 플랙서블 글래스 매체의 구성을 나타낸다.
도 3은 플렉서블 글래스 매체의 렌즈 동작 과정을 설명한다.
도 4는 본 발명에 따른 자동으로 렌즈의 초점을 조절하는 신호처리시스템을 나타낸다.
도 5, 도 6 및 도 7 각각은 TOF방식으로 피사체와 렌즈와의 거리를 검출하는 과정의 일 예를 나타낸다.
본 발명과 본 발명의 동작상의 이점 및 본 발명의 실시에 의하여 달성되는 목적을 충분히 이해하기 위해서는 본 발명의 예시적인 실시 예를 설명하는 첨부 도면 및 첨부 도면에 기재된 내용을 참조하여야만 한다.
이하 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 설명함으로써, 본 발명을 상세히 설명한다. 각 도면에 제시된 동일한 참조부호는 동일한 부재를 나타낸다.
본 발명의 대상이 되는 3D Depth 센서는 3D 입체 센서라고도 하며, RGB 센서와 유사한 반도체 공정으로 생산된다. RGB 센서가 아니므로 RGB 베이어 패턴(Bayer pattern)이 아니며, 센서의 상부에 설치된 적외선 컷오프 파일러(Cut Off Filer)를 이용하여 카메라로부터 조사된 후 피사체로부터 반사되어 오는 빛 중에서 자외선만을 걸러 내어, 반사되는 자외선의 양 또는 조사된 적외선과 반사된 자외선의 시간 차이에 대응되는 신호를 생성한다.
도 4는 본 발명에 따른 자동으로 렌즈의 초점을 조절하는 신호처리시스템을 나타낸다.
도 4를 참조하면, 본 발명에 따른 3D 카메라 신호처리시스템(400)은 센서모듈(410), 레이저 구동부(420), 논리회로(430) 및 신호처리장치(440)를 포함한다.
센서모듈(410)은 레이저 구동부(420)로부터 조사된 적외선이 피사체(미도시)로부터 반사된 반사파의 검출시간 및 3D Depth 렌즈(412)의 온도 정보를 논리회로(430)로 전달하며, 자동초점조절 제어신호에 응답하여 3D Depth 렌즈(412)의 초점을 자동으로 조절한다.
이러한 기능을 수행하기 위해 센서모듈(410)은 RGB 렌즈(411), 3D Depth 렌즈(412), 초점자동조절부(413), 초점자동조절구동부(414) 및 제1온도계(415)를 포함한다. 초점자동조절부(413)는, 상기 자동초점조절 제어신호에 응답하여 초점자동조절구동부(414)에서 생성한 조절지시신호에 따라, 3D Depth 렌즈(412)에서 검출된 선의 굵기 및 선명도(sharpness) 등을 이용하여 3D Depth 렌즈(412)의 초점을 최적의 상태로 조절한다. 제1온도계(415)는 3D Depth 렌즈(412)의 온도를 검출한다. RGB 렌즈(411)는 피사체의 형태 및 컬러에 대한 정보를 수집하고, 3D Depth 렌즈(412)는 피사체의 입체 정보를 수집하는데 사용된다.
레이저 구동부(420)는 신호처리장치(440)로부터 출력되어 논리회로(430)를 거친 레이저 동작제어신호에 응답하여 레이저 드라이버(421)에서 생성한 레이저 조사신호에 따라 레이저(422)가 적외선을 피사체에 조사하도록 한다. 레이저 구동부(420)에 구비된 제2온도계(423)는 레이저 구동부(420)의 온도를 검출한다.
논리회로(430)는 신호처리장치(440)로부터 출력되는 자동초점조절 제어신호 및 레이저 동작제어신호를 각각 센서모듈(410)과 레이저 구동부(420)에 전달하고, 센서모듈(410)로부터 출력되는 검출시간, 3D Depth 렌즈(412)의 온도 정보 및 레이저 구동부(420)의 온도 정보를 수신하여 신호처리장치(440)에 전달한다.
신호처리장치(440)는 레이저 구동부(420)의 동작을 제어하는 레이저 동작제어신호를 생성하여 논리회로(430)로 전달하고, 센서모듈(410)로부터 출력된 피사체로부터 반사되는 반사파에 대한 정보를 이용하여 피사체에 대한 데이터를 처리한다. 레이저(422)로부터 적외선이 조사되는 시간에 대한 정보는 이미 가지고 있으므로, 3D Depth 렌즈(412)에서 검출한 반사파의 수신시간에 대한 정보를 이용하여 피사체까지의 거리에 대한 데이터를 생성할 수 있다. 특히, 센서모듈(410) 및 레이저 구동부(420)로부터 수신된 2개의 온도 정보 중 적어도 하나 및 내장된 초점자동조절 알고리즘을 이용하여 센서모듈(410)을 구성하는 3D Depth 렌즈(412)의 초점을 자동으로 조절할 것을 지시하는 자동초점조절 제어신호를 더 생성한다.
3D Depth 렌즈(412)의 초점을 조절하는 시간은 레이저로부터 조사되는 적외선 신호의 한 주기당 4번에 걸쳐 실시하는 것이 바람직하다.
도 5, 도 6 및 도 7 각각은 TOF방식으로 피사체와 렌즈와의 거리를 검출하는 과정의 일 예를 나타낸다.
레이저(422)로부터 조사된 적외선신호(a)와 피사체(10)로부터 반사된 적외선신호(b)의 공통부분(c)은, 도 5가 도 6에 비해 넓으며, 도 7의 경우에는 공통부분이 전혀 없다는 것을 알 수 있다. 즉, 피사체(10)와 레이저(412)와의 거리 즉, 피사체(10)와 3D Depth 렌즈(412)와의 거리는 도 5의 경우가 가장 가깝고 도 6 및 도 7로 갈수록 더욱 멀어진다는 것을 알 수 있다.
도 5 내지 도 7에 도시된 바와 같이, 신호처리장치(440)는 레이저로부터 조사된 적외선에 대한 시간정보, 피사체로부터 반사된 반사파의 수신시간정보를 이용하여 피사체(10)의 깊이를 계산한다.
설명의 편의를 위해 상기의 설명에서는 TOF방식에 대해서만 기재하였지만, SL방식도 본 발명의 기술적 범위에 포함한다.
도 4에는 도시하지 않았지만, 센서모듈(410), 논리회로(430) 및 신호처리장치(440)의 통신방식은 시리얼 통신 규약 중 하나인 IC/I2C를 사용할 것을 제안한다.
3D 카메라의 경우, 주변 온도의 증가에 따라 렌즈의 초점이 틀어지는 현상이 발생하게 된다. TOF 방식에 의해서 동작하는 경우, 레이저에서 조사되어 피사체로부터 반사되는 반사파가 센서의 표면에 상이 들어올 때 렌즈의 초점에 따라 피사체의 선명도 차이가 발생하고, 선명도의 차이 즉 잡음에 의해서 피사체의 Depth(입체값)를 검출하는데 사용되는 거리 측정값의 오차가 커지게 되는 것은 당연하다.
본 발명은 온도의 변화에 따라서 초점을 자동으로 조절할 수 있으므로 상기의 문제점을 해결할 수 있다.
이상에서는 본 발명에 대한 기술사상을 첨부 도면과 함께 서술하였지만 이는 본 발명의 바람직한 실시 예를 예시적으로 설명한 것이지 본 발명을 한정하는 것은 아니다. 또한 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 이라면 누구나 본 발명의 기술적 사상의 범주를 이탈하지 않는 범위 내에서 다양한 변형 및 모방 가능함은 명백한 사실이다.
100: 렌즈 200: 플렉서블 글래스 매체
201, 202: 기판 203, 204: 전극
205: 액정 분자 206: 전원
207: 스위치
410: 센스모듈 420: 레이저 구동부
430: 논리회로 440: 신호처리장치

Claims (6)

  1. 레이저 구동부로부터 조사된 적외선이 피사체로부터 반사된 반사파의 검출시간을 출력하며, 자동초점조절 제어신호에 응답하여 플라스틱 비구면 렌즈로 구현된 3D Depth 렌즈의 초점을 자동으로 조절하는 센서모듈;
    레이저 동작제어신호에 응답하여 상기 적외선을 상기 피사체에 조사하며, 자체의 온도 정보를 송출하는 레이저 구동부;
    상기 자동초점조절 제어신호를 상기 센서모듈에 전달하고 상기 레이저 동작제어신호를 상기 레이저 구동부에 전달하고, 상기 센서모듈로부터 출력된 반사파의 검출시간 및 상기 레이저 구동부의 온도 정보를 수신하는 논리회로; 및
    상기 논리회로부터 수신한 상기 레이저 구동부의 온도 정보 및 내장된 초점자동조절 알고리즘을 이용하여 상기 자동초점조절 제어신호 및 상기 레이저 동작제어신호를 상기 논리회로에 전달하는 신호처리장치;를
    포함하는 것을 특징으로 하는 3D 카메라 신호처리시스템.
  2. 제1항에 있어서, 상기 센서모듈은,
    상기 피사체의 형태 및 컬러에 대한 정보를 수집하는 RGB 렌즈;
    상기 피사체의 입체 정보를 수집하는데 사용되는 3D Depth 렌즈;
    상기 자동초점조절 제어신호에 응답하여 상기 3D Depth 렌즈의 초점을 조절할 것을 지시하는 조절지시신호를 생성하는 초점자동조절구동부;
    상기 조절지시신호에 응답하여 상기 3D Depth 렌즈에 공급되는 전압을 조절하는 초점자동조절부; 및
    상기 3D Depth 렌즈의 온도 정보를 검출하는 제1온도계;를
    포함하는 것을 특징으로 하는 3D 카메라 신호처리시스템.
  3. 제2항에 있어서, 상기 3D Depth 렌즈의 온도 정보는,
    상기 논리회로를 경유하여 상기 신호처리장치에 전달되며,
    상기 신호처리장치는 상기 3D Depth 렌즈의 온도 정보 및 상기 레이저 구동부의 온도 정보 중 적어도 하나를 이용하여 상기 자동초점조절 제어신호를 생성하는 것을 특징으로 하는 3D 카메라 신호처리시스템.
  4. 제3항에 있어서, 상기 신호처리장치는,
    상기 센서모듈로부터 출력되어 상기 논리회로를 경유하여 수신된 피사체로부터 반사되는 반사파에 대한 정보를 이용하여 상기 피사체의 깊이에 대한 데이터를 더 생성하는 것을 특징으로 하는 3D 카메라 신호처리시스템.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 3D Depth 렌즈의 초점을 조절하는 시간은 상기 레이저로부터 조사되는 적외선 신호의 한 주기당 4번에 걸쳐 실시하는 것을 특징으로 하는 3D 카메라 신호처리시스템.
  6. 제1항에 있어서, 상기 레이저 구동부는,
    상기 레이저 동작제어신호에 응답하여 레이저 조사신호를 생성하는 레이저 드라이버;
    상기 레이저 조사신호에 응답하여 상기 적외선을 피사체에 조사하는 레이저; 및
    상기 레이저 구동부의 온도 정보를 생성하는 제2온도계;를
    포함하는 것을 특징으로 하는 3D 카메라 신호처리시스템.
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