KR102099935B1 - Ｔｏｆ 카메라 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 한 실시예에 따른 TOF 카메라 장치는 IR(InfraRed) 광을 출력하는 광 출력부, 각각이 제1 수신 유닛 및 제2 수신 유닛을 포함하는 복수의 픽셀을 포함하며, 상기 광 출력부로부터 출력된 후 물체로부터 반사된 광이 입력되는 광 입력부, 상기 광 출력부로부터 출력된 광 및 상기 광 입력부로 입력되는 광의 각도를 조절하는 스캐너, 상기 광 출력부, 상기 광 입력부 및 상기 스캐너 사이에 배치되며, 광의 일부를 투과하고, 나머지 일부를 반사하는 반투과반사부재, 그리고 상기 광 입력부의 상기 제1 수신 유닛 및 상기 제2 수신 유닛에 입력된 광량의 차를 이용하여 물체의 거리를 연산하는 연산부를 포함한다.

Description

ＴＯＦ 카메라 장치{TIME OF FLIGHT CAMERA APPARATUS}
본 발명은 TOF(Time of Flight) 카메라 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 TOF 카메라 장치의 깊이 정보 추출에 관한 것이다.
촬영 장치를 이용하여 3차원 영상을 획득하는 기술이 발전하고 있다. 3차원 영상을 획득하기 위하여 깊이 정보(Depth Map)가 필요하다. 깊이 정보는 공간 상의 거리를 나타내는 정보이며, 2차원 영상의 한 지점에 대하여 다른 지점의 원근 정보를 나타낸다.
깊이 정보를 획득하는 방법 중 하나는, IR(Infrared) 구조광을 객체에 투사하며, 객체로부터 반사된 광을 해석하여 깊이 정보를 추출하는 방식이다. IR 구조광 방식에 따르면, 움직이는 객체에 대하여 원하는 수준의 깊이 분해능(Depth resolution)을 얻기 어려운 문제가 있다.
IR 구조광 방식을 대체하는 기술로 TOF(Time of Flight) 방식이 주목받고 있다. TOF 방식에 따르면, 비행 시간, 즉 빛을 쏘아서 반사되어 오는 시간을 측정함으로써 물체와의 거리를 계산한다.
일반적으로, TOF 방식에 따르는 카메라(이하, TOF 카메라)는 물체에 조사되는 빛의 각도를 조절하는 스캐너 및 빛의 경로를 조절하는 미러를 포함한다. 이러한 TOF카메라는 빛의 경로를 조절하기 위하여 적어도 하나의 폴딩 미러(folding mirror)를 포함하므로, 구조가 복잡하고, 소형으로 구현하기 어려운 문제가 있다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 깊이 정보를 추출하는 TOF 카메라 장치를 제공하는 데 있다.
본 발명의 한 실시예에 따른 TOF 카메라 장치는 IR(InfraRed) 광을 출력하는 광 출력부, 각각이 제1 수신 유닛 및 제2 수신 유닛을 포함하는 복수의 픽셀을 포함하며, 상기 광 출력부로부터 출력된 후 물체로부터 반사된 광이 입력되는 광 입력부, 상기 광 출력부로부터 출력된 광 및 상기 광 입력부로 입력되는 광의 각도를 조절하는 스캐너, 상기 광 출력부, 상기 광 입력부 및 상기 스캐너 사이에 배치되며, 광의 일부를 투과하고, 나머지 일부를 반사하는 반투과반사부재, 그리고 상기 광 입력부의 상기 제1 수신 유닛 및 상기 제2 수신 유닛에 입력된 광량의 차를 이용하여 물체의 거리를 연산하는 연산부를 포함한다.
상기 반투과반사부재는 상기 광 출력부로부터 출력된 광의 적어도 일부의 경로를 조절하여 상기 스캐너로 입사시키며, 상기 물체로부터 반사된 광의 적어도 일부를 투과시켜 상기 광 입력부로 입사시킬 수 있다.
상기 반투과반사부재의 한 면은 상기 광 출력부로부터 출력되는 광의 광축과 만나도록 배치될 수 있다.
상기 스캐너, 상기 반투과반사부재 및 상기 광 입력부는 상기 물체로부터 반사된 후 상기 스캐너를 통하여 각도가 조절된 광의 광축 상에 배열될 수 있다.
상기 광 입력부는 상기 반투과반사부재를 투과한 광이 입사되도록 배열될 수 있다.
상기 반투과반사부재의 반사율에 대한 투과율의 비(투과율/반사율)는 0.4 이상이고 2.3 이하일 수 있다.
상기 광 출력부는 광원, 그리고 상기 광원으로부터 출력된 광의 펄스(pulse) 및 위상(phase) 중 적어도 하나를 변조하는 광 변환 유닛을 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, TOF 카메라를 소형으로 구현할 수 있다. 또한, 높은 광효율로 인하여 원거리의 깊이 정보도 정밀하게 추출할 수 있으며, 소비전력을 줄일 수 있다.
도 1은 본 발명의 한 실시예에 따른 TOF 카메라 장치의 블록도를 나타낸다.
도 2는 본 발명의 한 실시예에 따른 TOF 카메라 장치의 광 출력부의 블록도이다.
도 3은 본 발명의 한 실시예에 따른 TOF 카메라 장치의 광 입력부의 구조이다.
도 4는 본 발명의 한 실시예에 따른 TOF 카메라 장치의 연산부가 물체의 거리를 계산하는 방법을 설명하는 도면이다.
도 5는 본 발명의 한 실시예에 따른 TOF 카메라 장치의 구조를 나타낸다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
제2, 제1 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되지는 않는다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제2 구성요소는 제1 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제1 구성요소도 제2 구성요소로 명명될 수 있다. 및/또는 이라는 용어는 복수의 관련된 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함한다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 실시예를 상세히 설명하되, 도면 부호에 관계없이 동일하거나 대응하는 구성 요소는 동일한 참조 번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
도 1은 본 발명의 한 실시예에 따른 TOF 카메라 장치의 블록도를 나타내며, 도 2는 본 발명의 한 실시예에 따른 TOF 카메라 장치의 광 출력부의 블록도이며, 도 3은 본 발명의 한 실시예에 따른 TOF 카메라 장치의 광 입력부의 구조이고, 도 4는 본 발명의 한 실시예에 따른 TOF 카메라 장치의 연산부가 물체의 거리를 계산하는 방법을 설명하는 도면이다.
도 1을 참조하면, TOF 카메라 장치(100)는 광 출력부(110), 광 제어부(120), 광 입력부(130) 및 연산부(140)를 포함한다.
광 출력부(110)는 IR(infrared) 광을 출력한다. IR 광은, 예를 들면 800nm 이상의 파장 대역을 가지는 광일 수 있다. 도 2를 참조하면, 광 출력부(110)는 광원(112) 및 광 변환 유닛(114)을 포함한다. 광원은 적외선을 투사하는 적어도 하나의 레이저 다이오드(Laser Diode) 또는 발광 다이오드(Light Emitting Diode, LED)를 포함할 수 있다. 그리고, 광 변환 유닛(114)은 광원(112)으로부터 출력된 광을 변조(modulation)할 수 있다. 광 변환 유닛(114)은, 예를 들면 광원(112)으로부터 출력된 광을 펄스(pulse) 변조 또는 위상(phase) 변조할 수 있다. 이에 따라, 광 출력부(110)는 소정 간격으로 광원을 점멸시키며 출력할 수 있다.
다시 도 1을 참조하면, 광 제어부(120)는 광 출력부(110)가 출력하는 광의 변조(modulation)를 제어한다. 예를 들면, 광 제어부(120)는 광의 펄스 또는 위상 변조를 제어할 수 있다. 광 제어부(120)는 사용자에 의하여 미리 설정된 기준에 따라 광의 펄스 또는 위상 변조를 제어할 수 있다. 예를 들면, 광 제어부(120)는 TOF 카메라 장치 주변의 밝기에 따라 광의 펄스 또는 위상 변조를 제어할 수 있다.
한편, 광 입력부(130)는 광 출력부(110)로부터 출력된 후 물체로부터 반사된 광을 입력 받는다. 광 입력부(130)는 입력 받은 광을 전기 신호로 변환할 수 있다. 광 입력부(130)는, 포토 다이오드(photo diode) 또는 CMOS(complementary metal-oxide semiconductor)를 포함하는 이미지 센서일 수 있다.
도 3을 참조하면, 광 입력부(130)는 배열된 복수의 픽셀(pixel)(132)을 포함한다. 각 픽셀은 In Phase 수신 유닛(132-1) 및 Out Phase 수신 유닛(132-2)을 포함할 수 있다. 도 4를 참조하면, In Phase 수신 유닛(132-1)은 광원이 켜지는 동안 활성화되고, Out Phase 수신 유닛(132-2)은 광원이 꺼지는 동안 활성화될 수 있다. 이와 같이, In Phase 수신 유닛(132-1) 및 Out Phase 수신 유닛(132-2)이 시간 차를 두고 활성화되면, 물체와의 거리에 따라 수신되는 광량에 차이가 발생하게 된다. 예를 들어, 물체가 TOF 카메라 장치 바로 앞에 있는 경우(즉, 거리=0인 경우)에는, 광 출력부(110)로부터 광이 출력된 후 반사되어 오는데 걸리는 시간이 0이므로, 광원의 점멸 주기는 그대로 광의 수신 주기가 된다. 이에 따라, In Phase 수신 유닛(132-1)만이 빛을 수신하게 되고, Out Phase 수신 유닛(132-2)은 빛을 수신하지 못하게 된다. 다른 예로, 물체가 TOF 카메라 장치와 소정 거리 떨어져 위치하는 경우, 광 출력부(110)로부터 광이 출력된 후 물체에 반사되어 오는데 시간이 걸리므로, 광원의 점멸 주기는 광의 수신 주기와 차이가 나게 된다. 이에 따라, In Phase 수신 유닛(132-1)과 Out Phase 수신 유닛(132-2)이 수신하는 빛의 양에 차이가 발생하게 된다.
다시 도 1을 참조하면, 연산부(140)는 In Phase 수신 유닛(132-1) 및 Out Phase 수신 유닛(132-2)에 입력된 광량의 차를 이용하여 물체의 거리를 연산한다.
본 발명의 한 실시예에 따르면, TOF 카메라 장치는 물체에 조사되는 빛의 각도를 조절하는 스캐너 및 빛의 일부를 반사시키고 나머지 일부를 투과시키는 반투과반사부재를 더 포함한다. 이에 따라, 광학 레이아웃(layout) 거리를 최소화하며, 시스템을 슬림화할 수 있다.
도 5는 본 발명의 한 실시예에 따른 TOF 카메라 장치의 구조를 나타낸다.
도 5를 참조하면, 광원(500)은 IR 광을 출력한다. 출력되는 IR 광은 광 변환 유닛(502)에서 펄스 또는 위상 변조된 광일 수 있다. 광원(500)은, 예를 들면 단파장 광을 출력하는 레이저 다이오드(Laser Diode, LD), 발광 다이오드(Light Emitting Diode, LED), 멀티 셀(multi cell) 구조를 가지는 발광 다이오드 등을 포함할 수 있다.
광원(500)으로부터 출력된 IR 광은 반투과반사부재(520)에 도달한다. 반투과반사부재(520)는 광원(500)과 광 출력부(540) 및 스캐너(530) 사이에 배치되며, 도달하는 광의 일부를 투과하고, 나머지 일부를 반사시킬 수 있다.
이때, 반투과반사부재는(520)는 빔 스플리터(beam splitter)일 수 있다.
반투과반사부재(520)의 반사율에 대한 투과율의 비는(투과율/반사율)은 0.4 이상이고 2.3 이하, 바람직하게는 0.7 이상이고 1.5이하일 수 있다. 반투과반사부재(520)의 반사율에 대한 투과율의 비가 이 범위를 벗어날 경우, 노이즈가 많아 깊이 분해능이 떨어질 수 있다.
반투과반사부재(520)는 광원(500)으로부터 출력된 IR 광의 적어도 일부의 경로를 조절하여 스캐너(530)로 입사시킨다. 그리고, 스캐너(530)는 광원(500)으로부터 출력되어 반투과반사부재(520)에 의하여 반사된 IR 광의 각도를 조절한다. 이에 따라, 물체에 입사되는 IR 광의 각도가 조절될 수 있으며, 물체의 전면을 스캔할 수 있고, 광 효율을 높일 수 있다.
또한, 스캐너(530)는 물체로부터 반사된 광의 각도를 조절한다. 이에 따라, 물체로부터 반사된 광이 광 입력부(540)에 효율적으로 도달할 수 있다.
이를 위하여, 스캐너(530)에는 별도의 구동 장치(532)가 연결될 수 있다. 구동 장치(532)는 스캐너(530)를 빠른 속도로 회전시킬 수 있다.
물체로부터 반사된 광은 광 입력부(540)에 도달한다. 광 입력부(540)는, 예를 들면 포토 다이오드(Photo Diode, PD)를 포함할 수 있다.
광 입력부(540)에 도달한 광은 전기 신호로 변환되며, 연산부(542)는 변환된 전기 신호를 이용하여 물체의 거리를 연산한다.
한편, 본 발명의 한 실시예에 따르면, 반투과반사부재(520)는 광원(500), 스캐너(530) 및 광입력부(540) 사이에 배치될 수 있다. 이에 따라, 광원(500)으로부터 출력된 광의 일부를 반사시켜 스캐너(530)로 전달하며, 물체로부터 반사된 후 스캐너(530)로부터 전달된 광의 일부를 투과시켜 광 입력부(540)로 입사시킬 수 있다.
이때, 반투과반사부재(520)의 한 면은 광원(500)으로부터 출력되는 과으이 광축과 만나도록 배치될 수 있다. 그리고, 스캐너(530), 반투과반사부재(520) 및 광 입력부(540)는 물체로부터 반사된 후 스캐너(530)에 의하여 각도가 조절된 광의 광 축상에 배열될 수 있다. 이때, 광 입력부(540)는 반투과반사부재를 투과한 광이 추가의 반사부재를 거치지 않고 직접 입사되도록 배열될 수 있다. 이에 따라, 광 경로를 최소화하여 광손실을 줄일 수 있다. 그리고, 광 입력부(540)의 픽셀과 광축 간의 공간상 배열(align)이 용이하며, 시스템의 내부 구조를 슬림화할 수 있다.
한편, 광원(500)과 반투과반사부재(520) 사이에는 광원(500)으로부터 출력된 IR 광을 반투과반사부재(520)에게 전달하는 광 전달부재(510)가 더 배치될 수 있다. 광 전달부재(510)는, 예를 들면 집속 렌즈일 수 있다.
본 발명의 한 실시예에 따라, 광 출력부, 광 입력부 및 스캐너 사이에 반투과반사부재를 배치하면, 광의 경로를 조절하기 위하여 폴딩 미러를 배치할 필요가 없다. 이에 따라, 광 경로 상에서 발생하는 광 손실을 최소화하며, 장치를 소형으로 구현할 수 있다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
100: TOF 카메라 장치
110: 광 출력부
120: 광 제어부
130: 광 입력부
140: 연산부
500: 광원
510: 집속 렌즈
520: 반투과반사부재
530: 스캐너
540: PD

Claims (9)

  1. 소정 간격으로 IR(InfraRed) 광을 출력하는 광 출력부,
    각각이 제1 수신 유닛 및 제2 수신 유닛을 포함하는 복수의 픽셀을 포함하며, 상기 광 출력부로부터 출력된 후 물체로부터 반사된 광이 입력되는 광 입력부,
    상기 광 출력부로부터 출력된 광 및 상기 광 입력부로 입력되는 광의 각도를 조절하는 스캐너,
    상기 광 출력부, 상기 광 입력부 및 상기 스캐너 사이에 배치되며, 광의 일부를 투과하고, 나머지 일부를 반사하는 반투과반사부재, 그리고
    상기 광 입력부의 상기 제1 수신 유닛 및 상기 제2 수신 유닛에 입력된 광량의 차를 이용하여 물체의 거리를 연산하는 연산부
    를 포함하고, 상기 제1 수신 유닛은 상기 광 출력부가 켜지는 동안 활성화되고, 상기 제2 수신 유닛은 상기 광 출력부가 꺼지는 동안 활성화되는 TOF 카메라 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 반투과반사부재는 상기 광 출력부로부터 출력된 광의 적어도 일부의 경로를 조절하여 상기 스캐너로 입사시키며, 상기 물체로부터 반사된 광의 적어도 일부를 투과시켜 상기 광 입력부로 입사시키는 TOF 카메라 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 반투과반사부재의 한 면은 상기 광 출력부로부터 출력되는 광의 광축과 만나도록 배치되는 TOF 카메라 장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 스캐너, 상기 반투과반사부재 및 상기 광 입력부는 상기 물체로부터 반사된 후 상기 스캐너를 통하여 각도가 조절된 광의 광축 상에 배열되는 TOF 카메라 장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 광 입력부는 상기 반투과반사부재를 투과한 광이 입사되도록 배열되는 TOF 카메라 장치.
  6. 제2항에 있어서,
    상기 반투과반사부재의 반사율에 대한 투과율의 비(투과율/반사율)는 0.4 이상이고 2.3 이하인 TOF 카메라 장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 광 출력부는
    광원, 그리고 상기 광원으로부터 출력된 광의 펄스(pulse) 및 위상(phase) 중 적어도 하나를 변조하는 광 변환 유닛을 포함하는 TOF 카메라 장치.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 광의 경로를 조절하기 위한 추가의 반사부재를 포함하지 않는 TOF 카메라 장치.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 반투과반사부재를 투과한 광은 추가의 반사 부재를 거치지 않고 상기 광 입력부에 직접 입사되는 TOF 카메라 장치.
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