KR101382476B1 - 거리 측정 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 거리 측정 장치에 관한 것으로서, 서로 다른 곡률이 포함된 카메라 렌즈를 통하여 물체에 의해 반사된 빛을 수광하고, 수광된 빛의 위치를 통하여 해당 물체의 거리를 판단하는 거리 측정 장치에 관한 것이다.
본 발명의 실시예에 따른 거리 측정 장치는 광을 조사하는 광 조사부와, 서로 다른 곡률이 포함된 렌즈를 통하여 상기 조사된 광 중 물체에 의하여 반사된 반사광을 수광하는 카메라부 및 상기 카메라부에 의하여 생성되는 영상 영역에서 상기 수광된 반사광이 형성된 위치를 참조하여 상기 물체와의 거리를 판단하는 거리 판단부를 포함한다.

Description

거리 측정 장치{Distance measuring apparatus}

본 발명은 거리 측정 장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 서로 다른 곡률이 포함된 카메라 렌즈를 통하여 물체에 의해 반사된 빛을 수광하고, 수광된 빛의 위치를 통하여 해당 물체의 거리를 판단하는 거리 측정 장치에 관한 것이다.

일반적으로 로봇은 산업용으로 개발되어 공장자동화의 일환으로 사용되거나, 인간이 견딜 수 없는 극한의 환경에서 인간을 대신하여 작업을 수행하는 데 사용되어 왔다. 이러한 로봇 공학분야는 근래에 들어 최첨단의 우주개발산업에 사용되면서 발전을 거듭하여 최근에 들어서는 인간친화적인 가정용 로봇의 개발에까지 이르렀다. 덧붙여, 로봇은 의료용 기기를 대체하여 인간 생체 내에 투입됨으로써, 기존의 의료용 기기로는 치료가 불가능했던 미세한 인간 생체조직의 치료에까지 이용된다. 이와 같은 눈부신 로봇공학의 발전은 인터넷에 의한 정보혁명과 이를 뒤이어 유행하고 있는 생명공학분야를 대체하여 새롭게 등장할 최첨단 분야로서 각광받고 있다.

가정용 로봇은 산업용 로봇에 국한되어왔던 기존의 중공업 중심의 로봇공학분야를 경공업 중심의 로봇공학 분야까지 확대시킨 주역으로서 가장 기본적으로 상기되는 것으로 청소 로봇을 그 예로 들 수 있다.

청소 로봇, 안내 로봇 등의 이동 로봇은 주변 환경에 대한 사전 정보가 부족한 곳에서도 이동하거나 작업을 수행하는 데에 필요한 자율적인 경로 계획과 장애물 탐지 및 충돌 회피 능력을 가질 필요가 있는데, 이를 위해서는 위치 추정에 사용할 수 있는 장애물과의 거리 측정 능력이 필수적이다. 또한, 영상 비교를 통한 침입자 감지 시스템에 있어서도 장애물과의 거리 측정 능력이 필수적이다.

이를 위해, 시각 센서나 초음파 센서, 혹은 접촉 센서 등을 이용한 여러 가지 방법들이 적용되는데, 빛과 카메라를 이용한 방법이 적용될 수도 있다.

빛과 카메라를 이용한 방법은 로봇에 광 조사 수단과 카메라를 모두 설치한 상태에서, 빛이 물체에 반사되어 카메라로 입사되고, 입사된 영상 중 반사광의 위치를 참조하여 물체의 거리를 판단하는 방법이다.

그런데, 광 조사 수단과 카메라의 거리가 짧거나, 물체가 멀리 위치하여 있는 경우 해상도가 나빠지고, 이에 따라 정확한 거리 판단이 어려워진다. 여기서, 광 조사 수단과 카메라의 거리는 로봇의 크기와 관련이 있기 때문에 고정된 값으로 간주될 수 있다.

결국, 카메라로 입사된 영상의 해상도는 로봇과 물체와의 거리에 따라 달라지는 것으로 이해될 수 있는 것이다.

따라서, 근거리에 있는 물체뿐만 아니라 원거리에 있는 물체에 의해 반사된 빛의 영상도 높은 해상도로 판독할 수 있는 발명의 등장이 요구된다.

본 발명은 서로 다른 곡률이 포함된 카메라 렌즈를 통하여 물체에 의해 반사된 빛을 수광하고, 수광된 빛의 위치를 통하여 해당 물체의 거리를 판단하는데 그 목적이 있다.

본 발명의 목적들은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 실시예에 따른 거리 측정 장치는 광을 조사하는 광 조사부와, 서로 다른 곡률이 포함된 렌즈를 통하여 상기 조사된 광 중 물체에 의하여 반사된 반사광을 수광하는 카메라부 및 상기 카메라부에 의하여 생성되는 영상 영역에서 상기 수광된 반사광이 형성된 위치를 참조하여 상기 물체와의 거리를 판단하는 거리 판단부를 포함한다.

기타 실시예들의 구체적인 사항들은 상세한 설명 및 도면들에 포함되어 있다.

상기한 바와 같은 본 발명의 거리 측정 장치에 따르면, 서로 다른 곡률이 포함된 카메라 렌즈를 통하여 물체에 의해 반사된 빛을 수광하고, 수광된 빛의 위치를 통하여 해당 물체의 거리를 판단함으로써, 근거리뿐만 아니라 원거리의 물체도 높은 해상도로 그 거리를 판단할 수 있는 장점이 있다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따라 물체에 의하여 반사된 빛이 카메라로 수광되는 것을 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따라 조사되는 빛을 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 빛이 물체에 조사되는 것을 나타낸 도면이다.
도 4는 도 3에서 물체로부터 반사된 반사광을 영상으로 도식화한 것을 나타낸 도면이다.
도 5는 종래의 렌즈를 통하여 입사된 반사광을 영상으로 도식화한 것을 나타낸 도면이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 거리 측정 장치를 나타낸 블록도이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 렌즈를 나타낸 도면이다.
도 8은 도 7의 렌즈가 서로 다른 곡률을 포함하고 있음을 나타낸 도면이다.
도 9는 초점 거리에 따라 영상 영역에 매핑되는 물체의 크기를 나타낸 도면이다.
도 10은 본 발명의 실시예에 따른 렌즈로 물체의 반사광이 입사되는 것을 나타낸 도면이다.
도 11 내지 도 12는 종래의 렌즈와 본 발명의 실시예에 따른 렌즈를 통하여 물체의 반사광이 입사되는 경우의 해상도를 나타낸 실험 결과이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따라 물체에 의하여 반사된 빛이 카메라로 수광되는 것을 나타낸 도면이다.

본 발명의 실시예에 따른 거리 측정 장치(600)는 광 조사 수단(200)과 같은 능동 광원을 이용하여 일정 형태의 빛(210)을 물체에 비추고 카메라(100)와 같은 영상 센서를 이용하여 반사광(220)을 수광하고, 이에 대한 영상을 생성한다.

반사광(220)에 대한 영상이 생성된 이후, 거리 측정 장치(600)는 카메라(100)에 의하여 생성된 전체 영상 영역 중 반사광(220)에 대한 영상의 좌표를 이용하여 반사각(120)을 산출하고, 반사각(120) 및 카메라(100)와 광 조사 수단(200)간의 거리(110)를 이용하여 광 조사 수단(200)과 물체간의 거리(130)를 삼각도법(triangular method)으로 산출한다.

도 1에서 광 조사 수단(200)과 카메라(100) 사이의 거리 d(110)를 베이스라인(baseline)이라 하는데, 이는 광 조사 수단(200)에서 빛이 발산하는 지점과 반사광(220)이 입사되는 카메라(100)의 렌즈간의 거리를 의미한다.

베이스라인(110)은 그 거리가 짧을수록 영역 해상도(range resolution)는 나빠진다. 청소 로봇 등과 같이 로봇의 높이가 한정된 경우에는 베이스라인의 거리는 짧은 경우가 많은데, 이 경우에는 원거리에서의 영역 해상도가 나빠진다.

도 2는 본 발명의 실시예에 따라 조사되는 빛을 나타낸 도면이다. 전술한 광 조사 수단(200)이 조사하는 빛(210)은 방향성 및 일정 굵기를 갖는 것이 바람직하다. 방향성이 없거나 그 굵기가 일정하지 않은 경우 영상 영역에 포함된 반사광의 위치를 특정하기 어렵기 때문이다.

이와 같이 본 발명에서 방향성 및 일정 굵기를 갖는 빛으로는 레이저 빔이 포함될 수 있을 수 있으나, 본 발명의 광 조사 수단(200)에 의하여 조사되는 빛이 레이저 빔에 한정되는 것은 아니다.

한편, 본 발명에서 광 조사 수단(200)은 단순히 한 방향으로만 빛을 조사하는 것이 아니라 일정 범위만큼 지속적으로 회전시킴으로써 도 2에 도시된 바와 같이 부채꼴 형태의 빛(210)이 조사되도록 할 수 있다.

이와 같이, 부채꼴 형태로 빛(210)이 조사됨에 따라 그 반사광의 위치를 판단하는 것이 용이하게 된다. 따라서, 이하 빛(210)은 어떠한 구현 방식으로든 피사체에 반사된 반사광이 라인 형태인 것을 설명하고 있으나, 복수의 점 또는 복수의 라인으로 구현될 수 있음은 물론이다.

도 2는 광 조사 수단(200)에 의하여 빛(210)이 조사되는 것을 나타내고 있는데, 빛(210)은 도시된 바와 같이 부채꼴 모양의 평면으로 조사되어 빛(210)이 물체에 도달하는 경우 물체의 표면에는 일정한 라인이 형성된다.

그리고, 그 라인에 대한 형상은 반사광(220)으로 카메라(100)로 입사되는데, 광 조사 수단(200)과 카메라(100)가 일정 간격 떨어져 있기 때문에 카메라(100)로 입사되는 반사광(220)의 위치를 참조하여 광 조사 수단(200)과 물체와의 거리(130)를 판단할 수 있게 된다. 즉, 거리 측정 장치(600)로부터 동일한 거리에 있는 물체에 의하여 반사된 반사광에 대한 영상은 전체 영상 영역에서 동일한 높이에 위치하게 되는데, 반사광 영상의 위치만으로도 거리 측정 장치(600)와 물체간의 거리를 판단할 수 있는 것이다.

도 3은 본 발명의 실시예에 따른 빛이 물체에 조사되는 것을 나타낸 도면이다.

광 조사 수단(200)으로부터 빛(210)이 일정한 각도(α)를 가지면서 평면의 형태로 물체(300)로 조사된다.

빛(210)은 물체(300)의 표면에 도달하고 반사되어 카메라(100)로 입사되는데, 도 3에서 a, b, c 부분(310, 320, 330)을 포함하는 라인의 형태로 반사광이 형성되어 카메라(100)로 입사된다.

그런데, 광 조사 수단(200)과 카메라(100)가 일정 간격 떨어져 있기 때문에 카메라(100)로 입사되는 반사광의 위치는 물체와의 거리에 따라 달라진다. 즉, 광 조사 수단(200)의 위쪽에 카메라(100)가 배치되어 있는 경우 원거리에 있는 물체에 대한 반사광은 근거리에 있는 물체에 대한 반사광보다 위쪽에 위치하는 것이다.

도 4는 도 3에서 물체로부터 반사된 반사광을 영상으로 도식화한 것을 나타낸 도면으로서, 카메라(100)에 의하여 생성된 전체 영상 영역(400) 중 물체에 의하여 반사된 반사광(410, 420, 430)을 도식화한 도면이다.

도 4에 도시된 바와 같이, 도 3의 a 지점(310)과 c 지점(330)은 근거리이기 때문에 a 지점(310)과 c 지점(330)을 포함하는 라인의 반사광(410, 430)은 영상 영역 중 아래 쪽에 위치하지만, b 지점(320)은 원거리이기 때문에 b 지점(320)을 포함하는 라인의 반사광(420)은 영상 영역(400) 중 위 쪽에 위치하게 된다.

그리고, 영상 영역(400) 중 반사광(410, 420, 430)이 형성된 위치 즉, 높이는 반사각을 판단하는데 이용될 수 있다. 반사광이 영상 영역의 위쪽에 형성되는 경우 반사각이 작고, 아래쪽에 형성되는 경우 반사각이 큰 것이다.

이에 따라, 영상 영역(400)에 형성된 라인(410, 420, 430)으로 반사각을 산출할 수 있고, 광 조사 수단(200)과 카메라(100)간의 거리(베이스라인)(110)는 미리 알 수 있기 때문에 삼각도법을 이용하여 거리 측정 장치(600)와 물체와의 거리(130)를 판단할 수 있게 된다.

한편, 카메라에 구비된 렌즈는 특정 초점 거리를 가지고 있는데, 그 초점 거리와 물체와의 거리에 따라 수광되는 빛의 선명도가 달라질 수 있다. 예를 들어, 초점 거리가 짧다면 근거리에 위치하고 있는 물체로부터 반사된 반사광의 선명도가 커지지만, 초점 거리가 길다면 원거리에 위치하고 있는 물체로부터 반사된 반사광의 선명도가 커지는 것이다.

이와 같은 이유로 인하여, 근거리 및 원거리 모두에 대한 반사광의 선명도를 크게 하는 것은 용이하지 않다.

도 5는 종래의 렌즈를 통하여 입사된 반사광을 영상으로 도식화한 것을 나타낸 도면으로서, 초점 거리가 짧은 상태에서 카메라(100)에 의하여 생성된 영상(500)을 도시하고 있다.

근거리에서 반사된 반사광(510, 520)은 큰 선명도를 갖지만 원거리에서 반사된 반사광(530)은 낮은 선명도를 갖게 되어 흐릿하게 형성된다.

본 발명의 거리 측정 장치(600)는 반사광이 형성된 위치에 따라 반사각을 판단하는데, 도 5에 도시된 바와 같이 큰 폭 w(535)을 가지고 반사광(530)이 형성되면 그 위치를 판단하기 어렵고 이에 따라 반사각을 산출함에 있어서 오차가 반영될 가능성이 커지게 된다.

이와 같은 현상은 렌즈의 초점 거리가 고정되어 있기 때문인 것으로 이해될 수 있다. 즉, 특정 거리에 있는 물체로부터 반사된 반사광의 선명도를 크게 하는 경우 나머지 거리에 있는 물체로부터 반사된 반사광의 선명도는 작아지는 것이다.

이를 위하여, 본 발명의 실시예에 따른 거리 측정 장치(600)는 서로 다른 곡률이 포함된 렌즈를 통하여 반사광을 입사하고 그로부터 생성된 영상을 통하여 반사각을 산출한다. 서로 다른 곡률이 포함된 렌즈에 대한 자세한 설명은 도 7 내지 도 10을 통하여 후술하기로 한다.

도 6은 본 발명의 실시예에 따른 거리 측정 장치를 나타낸 블록도로서, 거리 측정 장치(600)는 카메라부(610), 광 조사부(620), 저장부(630), 제어부(640), 구동부(650), 영상 처리부(660) 및 거리 판단부(670)를 포함하여 구성된다.

광 조사부(620)는 광을 조사하는 역할을 수행한다. 여기서, 광 조사부(620)는 전술한 광 조사 수단(200)에 대응하는 것으로 이해될 수 있다.

카메라부(610)는 서로 다른 곡률이 포함된 렌즈(611)를 통하여 광 조사부(620)에 의하여 조사된 광 중 물체에 의하여 반사된 반사광을 수광하는 역할을 수행한다. 이를 위하여, 카메라부(610)는 렌즈(611) 및 센서(612)를 포함하여 구성된다.

본 발명에서 렌즈(611)는 서로 다른 곡률이 포함된 렌즈인 것이 바람직한데, 이하 이를 가변 곡률 렌즈라 한다.

가변 곡률 렌즈는 복수 개의 렌즈 영역이 서로 다른 곡률을 가지고 있는 것일 수 있다. 예를 들어, 가변 곡률 렌즈는 3개의 영역으로 구분되고 서로 다른 3개의 곡률을 포함할 수 있는 것이다.

또한, 본 발명에서 가변 곡률 렌즈는 영역에 대한 구분 없이 연속적으로 그 곡률이 변하는 것을 의미할 수도 있다. 예를 들어, 일측 말단에서 다른 쪽 말단으로 이어지면서 점점 곡률이 커지는 것이다. 이하, 연속적으로 곡률이 변하는 가변 곡률 렌즈를 위주로 설명하기로 한다.

본 발명에서 광 조사부(620)와 카메라부(610)는 일정 간격(베이스라인)을 두고 배치되는데, 예를 들어 광 조사부(620)의 위에 카메라부(610)가 배치될 수 있다. 이러한 경우, 가변 곡률 렌즈는 광 조사부(620)와 카메라부(610)를 잇는 가상의 직선 축상을 따라 그 곡률이 달라질 수 있다.

즉, 가변 곡률 렌즈의 렌즈 영역 중 광 조사부(620)에 가까운 영역은 곡률이 크게 형성되고, 광 조사부(620)에서 먼 영역은 곡률이 작게 형성되는 것으로서, 복수 개의 영역으로 구분되어 서로 다른 곡률이 형성되거나, 가상의 직선 축상을 따라 연속적으로 그 곡률이 달라질 수도 있다.

한편, 광 조사부(620)의 아래에 카메라부(610)가 배치될 수도 있는데, 이러한 경우에도 가변 곡률 렌즈는 광 조사부(620)와 카메라부(610)를 잇는 가상의 직선 축상을 따라 그 곡률이 달라질 수 있다.

즉, 가변 곡률 렌즈의 렌즈 영역 중 광 조사부(620)에 가까운 영역은 곡률이 크게 형성되고, 광 조사부(620)에서 먼 영역은 곡률이 작게 형성되는 것이다.

한편, 광 조사부(620)와 카메라부(610)를 잇는 가상의 직선은 전술한 베이스라인의 연장선으로 이해될 수도 있는데, 이하 이를 베이스라인 연장선이라 한다.

센서(612)는 물체에 대한 빛을 입력받아 이에 대한 디지털 영상을 생성하는 역할을 수행한다. 즉, 센서(612)는 아날로그 영상 신호를 입력 받는 것으로서, 영상 신호을 입력 받기 위하여 센서(612)에는 촬상 소자가 구비되어 있을 수 있는데, 촬상 소자로는 CCD(Charge-Coupled Device) 또는 CMOS(Complementary Metal-Oxide Semiconductor)가 사용될 수 있다.

그리고, 센서(612)는 입력된 영상 신호의 이득을 제어하여 입력된 영상 신호를 일정량만큼 증폭시킴으로써 이후 단계에서의 영상 신호 처리가 용이하도록 할 수 있고, 별도의 변환부(미도시)를 구비함으로써 증폭된 아날로그 영상 신호를 디지털 영상으로 변환할 수 있게 된다.

한편, 본 발명의 실시예에 따른 광 조사부(620)는 적외선을 조사할 수 있는데, 이에 따라 센서(612)는 가시광선을 입력받는 가시광선 센서(미도시)뿐만 아니라 적외선을 입력받는 적외선 센서(미도시)를 포함할 수도 있다.

저장부(630)는 영상 영역에서의 각 위치(바닥에서부터의 높이)와 반사각간의 대응 관계를 저장하는 역할을 수행한다. 예를 들어, 카메라부(610)에 의하여 생성된 영상 영역의 가장 밑에서 10픽셀 위에 반사광이 배치된 경우 반사각은 7도이고, 20픽셀 위에 반사광이 배치된 경우 반사각은 5도일 수 있는데, 저장부(630)는 각 영상 영역의 높이별 반사각을 저장하는 것이다.

저장부(630)에 저장된 높이와 반사각간의 대응 관계를 이용하여 거리 판단부(670)는 거리 측정 장치(600)와 물체간의 거리를 측정할 수 있게 된다.

또한, 저장부(630)는 각 모듈간 전달되는 데이터를 임시로 저장하는 역할을 수행하는데, 저장부(630)는 하드 디스크, 플래시 메모리, CF 카드(Compact Flash Card), SD 카드(Secure Digital Card), SM 카드(Smart Media Card), MMC(Multimedia Card) 또는 메모리 스틱(Memory Stick) 등의 형태로 구현될 수 있다.

영상 처리부(660)는 카메라부(610)에 의하여 생성된 영상을 수정하는 역할을 수행한다. 예를 들어, 광 조사부(620)가 조사한 빛에 대한 반사광을 카메라부(610)가 일정 각도를 가지고 수광하는 경우 반사광 영상에 약간의 굴곡이 생길 수 있는데, 영상 처리부(660)는 이에 대한 보정 처리를 수행할 수 있는 것이다. 영상 보정 방법으로는 Tsai's calibration method를 이용할 수 있는데 대한 자세한 설명은 본 발명의 범위를 넘는 것이므로 여기서는 생략하기로 한다.

또한, 영상 처리부(660)는 카메라부(610)에 의하여 생성된 영상을 이진화할 수 있다. 바람직하게는, 영상 처리부(660)는 보정 처리된 영상을 이진화할 수 있다. 이진화 과정을 통해 전체 영상 영역 중 물체에 반사된 빛 즉, 반사광에 대응하는 것으로 판단되는 모든 픽셀의 값은 1로 치환되고, 반사광에 대응하지 않는 것으로 판단되는 모든 픽셀의 값은 0으로 치환된다. 이를 통하여, 영상 처리부(660)는 반사광 영상의 위치를 명확하게 확인할 수 있게 된다.

영상 처리부(660)에 의하여 확인된 반사광 영상의 위치는 거리 판단부(670)로 전달되고, 거리 판단부(670)는 전달받은 반사광 영상의 위치를 이용하여 해당 물체의 거리를 판단한다.

전술한 바와 같이, 저장부(630)는 영상 영역에서의 각 위치(바닥에서부터의 높이)와 반사각간의 대응 관계를 저장하고 있는데, 전달받은 반사광 영상의 위치에 대응하는 반사각을 추출하고, 추출된 반사각과 이미 알고 있는 베이스라인을 조합함으로써 물체의 거리를 판단하는 것이다.

구동부(650)는 거리 측정 장치(600)를 공간상에서 이동시키는 역할을 수행한다. 이를 위하여, 구동부(650)는 바퀴(미도시) 및 모터(미도시)를 포함하여 구성될 수 있는데, 모터의 회전력이 바퀴로 전달되어 바퀴가 회전하면 그 회전하는 힘에 의해 거리 측정 장치(600)가 이동하는 것이다.

한편, 구동부(650)는 복수 개의 모터 및 바퀴를 구비할 수 있는데 이에 따라 각 바퀴의 회전 속도를 제어함으로써 거리 측정 장치(600)의 이동 방향 및 이동 속도를 조절할 수 있다.

이와 같은 바퀴의 회전 속도는 제어부(640)에 의하여 수행될 수 있다. 또한, 제어부(640)는 카메라부(610), 광 조사부(620), 저장부(630), 구동부(650), 영상 처리부(660) 및 거리 판단부(670) 전반에 대한 제어를 수행하며, 각 모듈간 송수신되는 데이터를 중계하는 역할을 수행한다.

도 7은 본 발명의 실시예에 따른 렌즈를 나타낸 도면으로서, 일측 말단에서 다른 일측 말단으로 이어지면서 곡률이 연속적으로 변하고 있는 가변 곡률 렌즈(700)를 나타낸 도면이다.

도 8은 도 7의 렌즈(700)가 서로 다른 곡률을 포함하고 있음을 나타낸 도면으로서, 가변 곡률 렌즈(700)의 위쪽 영역의 곡률이 아래쪽 영역의 곡률보다 작은 것을 나타내고 있다.

곡률이 크면 초점 거리가 짧고, 곡률이 작으면 초점 거리가 길어진다. 따라서, 도 7 내지 도 8에 도시된 가변 곡률 렌즈(700)에서 곡률이 큰 아래쪽은 초점 거리가 짧고, 곡률이 큰 위쪽은 초점 거리가 긴 것으로 이해될 수 있다.

다시 말해, 가변 곡률 렌즈(700)의 아래쪽은 근거리에 위치하고 있는 물체가 선명해지도록 초점이 맞추어져 있고, 위쪽은 원거리에 위치하고 있는 물체가 선명해지도록 초점이 맞추어져 있는 것이다.

도 9는 초점 거리에 따라 영상 영역에 매핑되는 물체의 크기를 나타낸 도면으로서, 종래의 고정 곡률 렌즈(800)에 의하여 물체(910, 920)의 영상(911, 921)이 매핑되는 것과 본 발명의 가변 곡률 렌즈(700)에 의하여 물체(910, 920)의 영상(912, 922)이 매핑되는 것을 나타낸 도면이다.

종래의 고정 곡률 렌즈(800)의 경우에는 초점(810)이 한 개이기 때문에 모든 물체(910, 920)에 대한 빛은 그 초점을 통하여 입사된다. 이에 따라, 근거리에 위치하고 있는 물체(910)에 대한 영상(911)은 크게 형성되지만 원거리에 위치하고 있는 물체(920)에 대한 영상(921)은 작게 형성된다.

이에 반하여, 본 발명의 실시예에 따른 가변 곡률 렌즈(700)의 경우에는 초점(710, 720)이 다수 개 존재하기 때문에 렌즈(700)에 대한 물체(910, 920)의 위치에 따라 서로 다른 초점(710, 720)을 통하여 물체(910, 920)에 대한 빛이 입사된다. 이에 따라, 근거리에 위치하고 있는 물체(910)에 대한 빛이 짧은 거리에 있는 초점(710)을 통하여 입사되고, 원거리에 위치하고 있는 물체(920)에 대한 빛이 긴 거리에 있는 초점(720)을 통하여 입사되면 둘 모두 비교적 크고 선명한 영상(912, 922)이 형성된다.

한편, 근거리에 위치하고 있는 물체(910)에 대한 빛이 긴 거리에 있는 초점(720)을 통하여 입사되고, 원거리에 위치하고 있는 물체(920)에 대한 빛이 짧은 거리에 있는 초점(710)을 통하여 입사되면 둘 모두 작은 영상(미도시)이 형성되는데, 이를 위하여 올바른 방향으로 초점의 변화가 형성되도록 렌즈를 배치하여 근거리의 물체(910)에 대한 빛이 짧은 거리에 있는 초점(710)을 통하도록 하고, 원거리에 있는 물체(920)에 대한 빛이 먼 거리에 있는 초점(7200을 통하도록 하는 것이 중요하다.

카메라부(610)가 반사광에 대한 영상을 생성할 때, 광 조사부(620)에 가까운 쪽에 있는 반사광은 근거리에서 반사된 것을 의미하고, 광 조사부(620)에서 먼 쪽에 있는 반사광은 원거리에서 반사된 것을 의미한다.

도 10은 본 발명의 실시예에 따른 렌즈로 물체의 반사광이 입사되는 것을 나타낸 도면으로서, 센서(612)에 의하여 생성된 영상 영역(930)의 반사광 위치와 광 조사부(620)간의 거리 관계를 나타낸 도면이다.

광 조사부(620)에 의하여 빛이 조사되어 물체에 부딪히게 되면 반사되어 그 반사광이 카메라의 렌즈(700)를 통하여 입사되는데, 근거리에 위치하고 있는 물체(이하, 물체 1이라 한다)(910)로부터 반사된 반사광(이하, 반사광 1이라 한다)과, 원거리에 위치하고 있는 물체(이하, 물체 2라 한다)(920)로부터 반사된 반사광(이하, 반사광 2라 한다)에 대한 영상(913, 923)이 영상 영역(930)에 매핑된다.

이 때, 도 10에 도시된 바와 같이 반사광 1에 대한 영상(913)은 영상 영역(930)의 아래 쪽에 배치되고, 반사광 2에 대한 영상(923)은 영상 영역(930)의 위쪽에 배치되는데, 이는 다시 말하면 반사광 1에 대한 영상(913)은 광 조사부(620)에 가깝게 배치되고 반사광 2에 대한 영상(923)은 광 조사부(620)에서 멀게 배치되는 것으로 이해될 수 있다.

따라서, 반사광 영상을 영상 영역에 매핑하기 전에 상하를 전환하는 등의 역상 과정이 수반되지 않는 이상, 가변 곡률 렌즈(700)의 렌즈 영역 중 광 조사부(620)에 가까운 영역(711)은 곡률이 크게 형성되고, 광 조사부(620)에서 먼 영역(721)은 곡률이 작게 형성되는 것이 바람직하다. 이에 따라, 물체의 거리별로 초점 거리가 맞는 렌즈 영역으로 반사광이 입사될 수 있게 된다.

도 11 내지 도 12는 종래의 렌즈와 본 발명의 실시예에 따른 렌즈를 통하여 물체의 반사광이 입사되는 경우의 해상도를 나타낸 실험 결과로서, 거리별 해상도를 나타내고 있다.

도 11은 베이스라인을 75mm로 고정시킨 상태에서 종래의 고정 곡률 렌즈와 본 발명의 실시예에 다른 가변 곡률 렌즈를 이용한 거리별 해상도를 나타내고 있다.

여기서, 거리는 거리 측정 장치(600)와 물체간의 거리를 의미하고, 해상도는 카메라로 입사된 반사광의 해상도를 의미한다.

특히, 해상도는 반사광의 두께인 것으로 이해될 수 있는데 예를 들어, 도 5에 도시된 폭 w(535)가 해상도인 것으로 이해될 수 있는 것으로서, 도 11 및 도 12에서 해상도가 크다는 것은 반사광의 두께가 큰 것을 의미하는 것이므로 해상도가 좋지 못한 것을 의미한다.

도 11에서 L1(1110)은 초점 거리가 4mm인 종래의 고정 곡률 렌즈에 의한 거리별 해상도를 나타낸 그래프이고, L2(1120)는 초점 거리가 4~10mm인 본 발명의 가변 곡률 렌즈에 의한 거리별 해상도를 나타낸 그래프이며, L3(1130)은 초점 거리가 4~50mm인 본 발명의 가변 곡률 렌즈에 의한 거리별 해상도를 나타낸 그래프이다.

도시된 바와 같이, L1(1110)의 경우 거리가 멀어짐에 따라 해상도가 급격하게 나빠지는 것을 알 수 있다. 이와 같은 경우 근거리에 위치하고 있는 물체의 거리는 비교적 정확하게 판단할 수 있지만 원거리에 위치하고 있는 물체의 거리는 정확하게 판단하기 어렵게 된다.

L2(1120) 및 L3(1130)의 경우 L1(1110)보다 거리별 해상도가 좋아진 것을 알 수 있다. L2(1120) 및 L3(1130)의 경우에도 거리가 멀어짐에 따라 해상도가 나빠지기는 하나, L1(1110)에 비하여 나빠지는 정도가 완만하며, 특히 L3(1130)의 경우 L2(1120)에 비하여 큰 초점 거리를 가지고 반사광을 수광하기 때문에 원거리의 반사광도 비교적 선명하게 감지된다.

도 12는 베이스라인을 변경시키면서 종래의 고정 곡률 렌즈와 본 발명의 실시예에 다른 가변 곡률 렌즈를 이용한 거리별 해상도를 나타내고 있다.

도 12에서 L1(1210)은 베이스라인이 75mm이고 초점 거리가 4mm인 종래의 고정 곡률 렌즈에 의한 거리별 해상도를 나타낸 그래프이고, L2(1220)는 베이스라인이 75mm이고 초점 거리가 4~50mm인 본 발명의 가변 곡률 렌즈에 의한 거리별 해상도를 나타내고, L3(1230)은 베이스라인이 50mm이고 초점 거리가 4~50mm인 본 발명의 가변 곡률 렌즈에 의한 거리별 해상도를 나타내며, L4(1240)는 베이스라인이 25mm이고 초점 거리가 4~50mm인 본 발명의 가변 곡률 렌즈에 의한 거리별 해상도를 나타낸다.

도 12에서 L1(1210)은 도 11의 L1(1110)과 동일한 것으로서, 거리가 멀어짐에 따라 해상도가 급격하게 나빠지는 것을 나타내고 있다.

L2(1220), L3(1230) 및 L4(1240)의 경우 L1(1210)보다 거리별 해상도가 좋아진 것을 알 수 있다. L2(1220), L3(1230) 및 L4(1240)의 경우에도 거리가 멀어짐에 따라 해상도가 나빠지기는 하나, L1(1210)에 비하여 나빠지는 정도가 완만해진다.

L2(1220), L3(1230) 및 L4(1240)간의 해상도 차이는 베이스라인의 차이로 인한 것으로서, 베이스라인이 클수록 해상도가 좋아진다. 즉, L2(1220), L3(1230) 및 L4(1240) 중 베이스라인이 가장 큰 L2(1220)의 해상도가 가장 좋고, 베이스라인이 가장 작은 L4(1240)의 해상도가 가장 나쁜 것이다.

이상과 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.

610: 카메라부 620: 광 조사부
630; 저장부 640: 제어부
650: 구동부 660: 영상 처리부
670: 거리 판단부

Claims (6)

1. 광을 조사하는 광 조사부;
   서로 다른 곡률이 포함된 렌즈를 통하여 상기 조사된 광 중 물체에 의하여 반사된 반사광을 수광하고, 상기 수광된 반사광에 대한 영상을 생성하는 카메라부; 및
   상기 카메라부에 의하여 생성되는 영상 영역에서 상기 수광된 반사광이 형성된 위치를 참조하여 상기 물체와의 거리를 판단하는 거리 판단부를 포함하는데,
   상기 광 조사부와 상기 카메라부는 일정 간격을 두고 배치되어 있고,
   상기 렌즈는 상기 광 조사부와 상기 카메라부를 잇는 가상의 직선 축상을 따라 그 곡률이 달라지는 거리 측정 장치.
2. 제 1항에 있어서,
   상기 조사된 광은 레이저 빔을 포함하는 거리 측정 장치.
3. 삭제
4. 삭제
5. 제 1항에 있어서,
   상기 렌즈의 렌즈 영역 중 상기 광 조사부에 가까운 영역은 곡률이 크게 형성되고, 상기 광 조사부에서 먼 영역은 곡률이 작게 형성되는 거리 측정 장치.
6. 제 1항에 있어서,
   상기 렌즈는 상기 가상의 직선 축상을 따라 연속적으로 그 곡률이 달라지는 거리 측정 장치.

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