KR102111539B1 - TOF(Time-Of-Flight) 카메라를 이용한 거리 측정 장치 및 방법 - Google Patents

TOF(Time-Of-Flight) 카메라를 이용한 거리 측정 장치 및 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 TOF 카메라를 이용한 거리 측정 장치 및 방법에 관한 것으로서, 본 발명의 일 실시예에 따른 TOF 카메라를 이용한 거리 측정 장치는 피사체를 향하여 제 1 주파수로 변조된 광 신호와 상기 제 1 주파수 값보다 작은 제 2 주파수로 변조된 광 신호를 합한 합성 광 신호를 조사하는 광원부, 상기 피사체로부터 반사된 합성 광 신호를 전기적 신호로 수신하는 수광부 및 상기 수광부에서 수신한 합성 광 신호로부터 서로 다른 두 주파수 신호 각각의 송수신 위상차에 따른 제 1 거리정보와 제 2 거리정보를 병렬적으로 구하고, 상기 제 1 거리정보와 상기 제 2 거리정보를 기초로 상기 피사체와의 거리를 구하는 거리 계산부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

TOF(Time-Of-Flight) 카메라를 이용한 거리 측정 장치 및 방법{APPARATUS AND METHOD FOR MEASURING DISTANCE USING TOF CAMERA}
본 발명은 TOF(Time Of Flight) 카메라를 이용한 거리 측정 장치 및 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 소정 주파수를 가지도록 변조된 광 신호를 조사시키고 피사체로부터 반사된 광 신호를 수신하여 조사된 광 신호와 수신된 광 신호 사이의 위상차를 이용하여 피사체와의 거리를 측정하는 TOF 카메라를 이용한 거리 측정 장치 및 방법에 관한 것이다.
TOF 카메라는 빛을 조사하는 광 조사 장치와 피사체에 반사된 빛을 검출하는 광 센서로 구성되는데, 조사된 광이 피사체에 반사되어 센서로 돌아오는 시간(ttime -of-flight)을 측정하여 피사체와의 거리를 계산한다.
이때, 조사광이 소정의 주파수를 가지도록 변조하여 조사시키고, 피사체에 반사되어 수신된 광 신호와의 위상차를 이용하여 ttime -of-flight을 측정하도록 한다.
하지만, 위상차가 2π보다 큰 경우에는 0과 2π 사이의 위상차로 측정된다. 따라서, TOF 카메라로 위상차가 최대 한 파장의 범위 내에서만 ttime -of-flight을 구할 수가 있고, 따라서 TOF 카메라로 측정할 수 있는 거리에 한계가 있다.
TOF 카메라로 측정할 수 있는 최대 측정거리는 다음과 같은 관계식으로 구할 수가 있다.
C/2F = Dmax
(여기서, C는 빛의 속도, F는 주파수, Dmax 는 측정할 수 있는 최대 측정거리이다.)
이때, 주파수를 낮추면 최대 측정거리는 늘어날 수 있으나, 레졸루션이 떨어지게 된다.
이와 같은 문제를 해결하기 위해 서로 다른 복수의 주파수의 광 신호를 직렬로 조사하여 제 1 주파수에 따른 거리 측정과 제 2 주파수에 따른 거리 측정을 직렬 계산하도록 하여 최대 측정거리를 증대시키는 방법이 종래에 알려져 있으나, 서로 다른 주파수를 직렬로 계산시에 프레임 속도가 줄어서 효율 및 레졸루션이 떨어지는 문제가 발생한다. 또한, 레졸루션을 높이기 위해 광 신호를 수신하는 인테그레이션 타임(integration time)을 줄이면 정확도가 떨어진다는 문제점이 발생한다.
대한민국 공개특허 제10-2014-0145482호
따라서, 본 발명의 목적은 이와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 제 1 주파수의 광 신호와 제 2 주파수의 광 신호를 합하여 두 주파수의 합성 주파수를 가지는 합성 광 신호를 조사하고 피사체로부터 반사된 합성 광 신호를 수신하여 상기 합성 광 신호에 포함된 서로 다른 주파수 신호 각각의 송수신 위상차에 따른 제 1 거리정보와 제 2 거리정보를 병렬적으로 구하여 이를 기초로 피사체와의 거리를 측정하도록 하여 레졸루션을 유지하며 최대 측정거리를 향상시킬 수가 있는 TOF 카메라를 이용한 거리 측정 장치 및 방법을 제공하는데 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제들은 이상에서 언급한 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기 목적은, 본 발명에 따라, 피사체를 향하여 제 1 주파수로 변조된 광 신호와 상기 제 1 주파수 값보다 작은 제 2 주파수로 변조된 광 신호를 합한 합성 광 신호를 조사하는 광원부; 상기 피사체로부터 반사된 합성 광 신호를 전기적 신호로 수신하는 수광부; 및 상기 수광부에서 수신한 합성 광 신호로부터 서로 다른 두 주파수 신호 각각의 송수신 위상차에 따른 제 1 거리정보와 제 2 거리정보를 병렬적으로 구하고, 상기 제 1 거리정보와 상기 제 2 거리정보를 기초로 상기 피사체와의 거리를 구하는 거리 계산부를 포함하는 TOF 카메라를 이용한 거리 측정 장치에 의해 달성될 수가 있다.
여기서, 상기 서로 다른 두 주파수는 상기 제 1 주파수와 상기 제 2 주파수의 합성 주파수 및 제 1 주파수이고, 상기 제 1 거리정보는 상기 합성 주파수 신호의 위상차에 따른 거리정보이고, 상기 제 2 거리정보는 상기 제 1 주파수 신호의 위상차에 따른 거리정보일 수가 있다.
여기서, 상기 서로 다른 두 주파수는 상기 제 1 주파수와 상기 제 2 주파수이고, 상기 제 1 거리정보는 상기 제 2 주파수 신호의 위상차에 따른 거리정보이고, 상기 제 2 거리정보는 상기 제 1 주파수 신호의 위상차에 따른 거리정보일 수가 있다.
여기서, 상기 수광부는 상기 서로 다른 두 주파수를 기초로 게이트를 제어하며 상기 전기적 신호를 획득하고, 상기 거리 계산부는 상기 서로 다른 두 주파수 중 주파수가 작은 주파수를 기초로 수광부의 게이트를 제어하여 획득한 전기적 신호로부터 상기 제 1 거리정보를 구하고, 상기 서로 다른 두 주파수 중 주파수가 큰 주파수를 기초로 수광부의 게이트를 제어하여 획득한 전기적 신호로부터 상기 제 2 거리정보를 병렬적으로 구할 수가 있다.
여기서, 상기 수광부는 복수의 셀로 형성되고, 상기 거리 계산부는 각각의 단위 셀에서 상기 제 1 거리정보와 상기 제 2 거리정보를 구할 수가 있다.
여기서, 상기 수광부는 복수의 셀로 형성되고, 상기 거리 계산부는 인접하는 두 셀 중 어느 하나의 셀에서 상기 제 1 거리정보를 구하고, 나머지 셀에서 상기 제 2 거리정보를 구할 수가 있다.
여기서, 상기 수광부는 복수의 셀로 형성되고, 상기 거리 계산부는 상기 복수의 셀 중 임의로 지정된 셀에서 상기 제 1 거리정보를 구하고, 나머지 셀에서 상기 제 2 거리정보를 구할 수가 있다.
여기서, 상기 제 1 거리정보와 상기 제 2 거리정보는 n개의 위상 데이터로부터 구하는 n-상 방법으로 구하는데, 각각 서로 다른 n-상 방법으로 구할 수 있고, 여기서 n은 2 이상의 자연수이다.
여기서, 상기 거리 계산부는 상기 제 2 거리정보가 구해지는 시점에서 상기 제 1 거리정보 및 제 2 거리정보를 이용하여 상기 피사체와의 거리를 구할 수가 있다.
여기서, 상기 광원부는 상기 제 1 주파수로 변조된 광 신호를 조사하는 제 1 광원부; 및 상기 제 2 주파수로 변조된 광 신호를 조사하는 제 2 광원부를 포함하여 구성될 수가 있다.
또한, 상기 목적은, 본 발명에 따라, 피사체를 향하여 광 신호를 조사하는 광원부로부터, 제 1 주파수로 변조된 광 신호와 상기 제 1 주파수 값보다 작은 제 2 주파수로 변조된 광 신호를 합한 합성 광 신호를 조사하는 단계; 광 신호를 전기적 신호로 수신하는 수광부로부터 상기 피사체로부터 반사된 상기 합성 광 신호를 수신하는 단계; 및 상기 수신한 합성 광신호로부터 서로 다른 두 주파수 신호 각각의 송수신 위상차에 따른 제 1 거리정보와 제 2 거리정보를 병렬적으로 구하고, 상기 제 1 거리정보와 상기 제 2 거리정보를 기초로 상기 피사체와의 거리를 구하는 단계를 포함하는 TOF 카메라를 이용한 거리 측정 방법에 의해 달성될 수가 있다.
여기서, 상기 서로 다른 두 주파수는 상기 제 1 주파수와 상기 제 2 주파수의 합성 주파수 및 제 1 주파수이고, 상기 제 1 거리정보는 상기 합성 주파수의 위상차에 따른 거리정보이고, 상기 제 2 거리정보는 상기 제 1 주파수의 위상차에 따른 거리정보일 수 있다.
여기서, 상기 서로 다른 두 주파수는 상기 제 1 주파수와 상기 제 2 주파수이고, 상기 제 1 거리정보는 상기 제 2 주파수의 위상차에 따른 거리정보이고, 상기 제 2 거리정보는 상기 제 1 주파수의 위상차에 따른 거리정보일 수 있다.
여기서, 상기 합성 광 신호를 수신하는 단계에서 상기 수광부는 상기 서로 다른 주파수를 기초로 게이트를 제어하며 상기 전기적 신호를 획득하고, 상기 피사체와의 거리를 구하는 단계에서 상기 서로 다른 두 주파수 중 주파수가 작은 주파수를 기초로 수광부의 게이트를 제어하여 획득한 전기적 신호로부터 상기 제 1 거리정보를 구하고, 상기 서로 다른 두 주파수 중 주파수가 큰 주파수를 기초로 수광부의 게이트를 제어하여 획득한 전기적 신호로부터 상기 제 2 거리정보를 병렬적으로 구할 수가 있다.
여기서, 상기 피사체와의 거리를 구하는 단계에서, 상기 제 1 거리정보와 상기 제 2 거리정보는 n개의 위상 데이터로부터 구하는 n-상 방법으로 구하는데, 각각 서로 다른 n-상 방법으로 구할 수가 있고, 여기서 n은 2 이상의 자연수이다.
상기한 바와 같은 본 발명의 TOF 카메라를 이용한 거리 측정 장치 및 방법에 따르면 제 1 주파수의 광 신호와 제 2 주파수의 광 신호를 합하여 두 주파수의 합성 주파수를 가지는 합성 광 신호를 조사하고 피사체로부터 반사된 합성 광 신호를 수신하여 합성 광 신호에 포함된 작은 주파수 신호의 위상차에 따른 제 1 거리정보와 합성 광 신호에 포함된 큰 주파수 신호의 위상차에 따른 제 2 거리정보를 병렬적으로 구하여 이를 기초로 피사체와의 거리를 측정하도록 하여 레졸루션을 유지하며 최대 측정 거리를 늘릴 수 있다는 장점이 있다.
또한, 상대적으로 정확도가 떨어지는 제 1 거리정보에 정확도가 높은 제 2 거리정보를 조합하여 피사체와의 거리를 측정하도록 하여 측정 정확도를 향상시킬 수 있다는 장점도 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 TOF 카메라를 이용한 거리 측정 장치의 구성도 및 사용되는 TOF 카메라를 이용하여 피사체와의 거리를 측정하는 원리를 설명하는 도면이다.
도 2는 TOF 카메라를 이용하여 2 상(phase) 방법으로 거리정보를 구할 때 게이트의 제어를 도시하는 도면이다.
도 3은 서로 다른 주파수를 가지는 광 신호를 합하여 생성되는 합성 주파수의 광 신호를 도시하는 도면이다.
도 4는 단일 셀에서 합성 주파수에 따른 제 1 거리정보와 제 1 주파수에 따른 제 2 거리정보를 구하는 본 발명의 일 실시예에 따른 수신부의 구성을 도시하는 도면이다.
도 5는 인접하는 두 셀에서 각각 합성 주파수에 따른 제 1 거리정보와 제 1 주파수에 따른 제 2 거리정보를 구하는 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 수신부의 구성을 도시하는 도면이다.
도 6은 임의의 지정된 셀에서 합성 주파수에 따른 제 1 거리정보를 구하고 나머지 셀에서 제 1 주파수에 따른 제 2 거리정보를 구하는 본 발명의 또 다른 일 실시예에 따른 수신부의 구성을 도시하는 도면이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 TOF 카메라를 이용한 거리 측정 방법의 순서도이다.
실시예들의 구체적인 사항들은 상세한 설명 및 도면들에 포함되어 있다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 TOF 카메라를 이용한 거리 측정 장치의 구성도 및 사용되는 TOF 카메라를 이용하여 피사체와의 거리를 측정하는 원리를 설명하는 도면이고, 도 2는 TOF 카메라를 이용하여 2 상(phase) 방법으로 거리를 측정할 때 게이트의 제어를 도시하는 도면이고, 도 3은 서로 다른 주파수를 가지는 광 신호를 합하여 생성되는 합성 주파수의 광 신호를 도시하는 도면이고, 도 4는 단일 셀에서 합성 주파수에 따른 제 1 거리정보와 제 1 주파수에 따른 제 2 거리정보를 구하는 본 발명의 일 실시예에 따른 수신부의 구성을 도시하는 도면이고, 도 5는 인접하는 두 셀에서 각각 합성 주파수에 따른 제 1 거리정보와 제 1 주파수에 따른 제 2 거리정보를 구하는 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 수신부의 구성을 도시하는 도면이고, 도 6은 임의의 지정된 셀에서 합성 주파수에 따른 제 1 거리정보를 구하고 나머지 셀에서 제 1 주파수에 따른 제 2 거리정보를 구하는 본 발명의 또 다른 일 실시예에 따른 수신부의 구성을 도시하는 도면이다.
먼저, 본 발명의 일 실시예에 따른 TOF 카메라를 이용한 거리 측정 장치 및 방법은 주위 차량 정보 또는 보행자의 정보 등을 획득하여 조향, 가속, 브레이크 등을 자동으로 제어하도록 하는 자율 주행 장치와 같은 자동차의 첨단 운전자 보조 장치(ADAS: Advanced Driver Assistance Systems)에 적용되어 사용될 수가 있다. 하지만, 본 발명의 TOF 카메라를 이용한 거리 측정 장치 및 방법이 사용되는 분야는 이에 한정되는 것은 아니다.
또한, 본 발명의 구성의 특징에 관한 구체적인 설명에 앞서 도 1 및 도 2를 참조로 TOF(Time Of Flight) 카메라를 이용하여 피사체(200)와의 거리를 측정하는 원리에 대하여 설명하기로 한다.
도 1에 도시되어 있는 것과 같이 TOF 카메라(100)는 광 신호를 피사체(200)에 조사한 후 피사체(200)로부터 반사되어 되돌아오는 광 신호를 감지하여 피사체(200)와의 거리를 탐지하는 카메라로, 광원부(110) 및 수광부(120)를 포함하여 구성될 수가 있다. 또한, 수광부(120)에서 수신되는 전기적인 신호를 이용하여 피사체(200)와의 거리를 측정하는 거리 계산부(130)를 포함할 수가 있다.
광원부(110)는 피사체(200)를 향하여 광 신호를 조사하는데, 이때 소정의 주파수를 가지도록 변조하여 조사한다. 광원부(110)에서 사용되는 발광소자로 발광다이오드(LED: Light Emitting Diode), 레이저 다이오드(LD: Laser Diode) 등이 사용될 수가 있는데, 이에 한정되는 것은 아니다.
수광부(120)는 피사체(200)에서 반사되어 되돌아오는 광 신호를 수신한다. 이때 수광부(120)에서 사용되는 수광 소자는 광전 소자가 사용될 수가 있는데, 이에 한정되는 것은 아니다.
이때, 도 1에 도시되어 있는 것과 같이 광원부(110)로부터 조사된 소정의 주파수를 가지는 광 신호와 수광부(120)에서 수신한 광 신호 사이에는 위상차가 발생하는데, 이 위상차로부터 광원부(110)로부터 조사된 광 신호가 피사체(200)에서 반사되어 수광부(120)에서 수신하는데 걸리는 시간(ttime -of -flight)을 파악할 수가 있고, 이로부터 광 속도를 고려하여 TOF 카메라(100)와 피사체(200) 사이의 거리를 구할 수가 있다. 전술한 바와 같이 광원부(110)에서 조사되는 광 신호의 주파수가 작아지면 더 긴 파장의 범위를 측정할 수가 있어서 최대 측정거리를 증가시킬 수가 있으나, 거리 측정 간격이 길어져서 레졸루션이 떨어지게 된다.
이때, 광 신호의 위상차가 2π보다 큰 경우에는 0과 2π 사이의 위상차로 측정되기 때문에, 0과 2π 사이 위상차에 해당하는 거리만 정확하게 측정할 수가 있다.
따라서, TOF 카메라(100)에서 0 ~ 2π 사이의 위상차로부터 구해지는 측정거리의 범위가 0 ~ 5(m) 인 경우, 실제거리가 7.5(m), 12.5(m), 17.5(m),..인 경우에 실제 위상차는 3π, 5π, 7π,..임에도 불구하고 TOF 카메라(100)에서 측정되는 위상차는 모두 π이며, 이로부터 파악되는 거리는 위상차 π에 대응되는 2.5(m) 일 수가 있다. 이와 같이, TOF 카메라(100)에서 위상차로부터 구한 거리가 r(m) 인 경우 실제거리는 r+5n(m)(여기서, n은 정수)일 수 있으므로, TOF 카메라(100)부터 구한 거리는 정확한 거리가 아닐 수가 있다. 따라서, 이하, TOF 카메라(100)에서 측정한 위상차로부터 구한 거리를 거리정보라고 칭하고 설명하기로 한다.
상기와 같이 광원부(110)에서 조사된 광 신호와 수광부(120)에서 수신된 광 신호 사이의 위상차를 구하고, 위상차로부터 거리정보를 구하게 된다. 위상차를 구하는 방법으로 2-상(phase) 방법이 알려져 있는데, 도 2를 참조로 설명하기로 한다.
도시되어 있는 것과 같이 위상차를 구하기 위해 광원부(110)에서는 소정의 주파수를 가지도록 변조된 광 신호가 조사되고, 조사된 광 신호는 피사체(200)로부터 반사되어 소정의 시간이 경과한 후에 수광부(120)에서 전기적인 신호로 수신된다.
이때, 수광부(120)에서는 광원부(110)에서 조사되는 광 신호의 주파수와 동기화하여 게이트를 제어하여 수신광의 전기적 신호를 위상에 따라 분리하여 수신한다. 보다 자세히 설명을 하면, 도 2에서 광원부(110)로부터 소정의 주파수로 켜졌다 꺼졌다를 반복하며 광 신호가 조사될 때, 광원부(110)에서 켜져 있는 시간 동안(도 2에서 조사되는 광 신호의 위상이 0 ~ π 일 때)과 동기화하여 수신광을 전기적 신호로 수신하고, 또한 광원부(110)에서 꺼져 있는 시간 동안(도 2에서 조사되는 광 신호의 위상이 π ~ 2 π 일 때)과 동기화하여 수신광을 전기적 신호로 수신하도록 하는 방법으로, 광원부(110)에서 조사되는 광 신호의 위상을 기준으로 분리하여 수신광을 전기적 신호로 수신한다.
이때, 위상차는 아래의 수학식 1과 같이 구해지고, 위상차로부터 구해지는 거리정보는 수학식 2와 같이 구할 수가 있다.
Figure 112017119117473-pat00001
<수학식 1>
(여기서,
Figure 112017119117473-pat00002
는 위상차이고,
Figure 112017119117473-pat00003
,
Figure 112017119117473-pat00004
은 인테그레이션 타임 동안 위상을 기준으로 게이트를 제어하여 분리하여 수신한 각각의 전기적 신호값인 전하량이다.)
Figure 112017119117473-pat00005
<수학식 2>
(여기서,
Figure 112017119117473-pat00006
은 거리정보이고,
Figure 112017119117473-pat00007
는 빛의 속도이다.)
상기 수학식의 내용은 공지된 내용이므로 이에 대한 자세한 설명은 생략하기로 한다.
상기와 같이 2-상 방법 외에 4-상 방법을 포함하는 n-상의 방법으로 위상차 및 거리정보를 구하는 방법 또한 알려져 있는데, 예를 들어 4-상 방법의 경우 광원부(110)에서 조사되는 광 신호의 위상을 기준으로 4 개의 위상으로 분리하여 수신광은 전기적 신호로 수신하고, 이를 이용하여 위상차 및 거리정보를 구한다. 2-상의 방법에서는 광원부(110)에서 조사되는 광 신호의 위상을 기준으로 0 ~ π 구간과 π ~ 2π 구간으로 분리하여 수신광을 전기적 신호로 수신하는데, 4-상의 방법에서는 0 ~ π/2 구간, π/2 ~ π 구간, π ~ 3π/2 구간, 3π/2 ~ 2π 구간으로 4 개의 위상으로 분리하여 수신광을 전기적 신호로 수신하고, 이로부터 위상차 및 거리정보를 구한다. 마찬가지로, n-상 방법의 경우 광원부(110)에서 조사되는 광 신호의 위상을 기준으로 n 개의 위상으로 분리하여 수신광을 전기적 신호로 수신하고, 이로부터 위상차 및 거리정보를 구한다.
이하, 본 발명의 일 실시예에 따른 TOF 카메라를 이용한 거리 측정 장치를 설명하기로 한다.
광원부(110)는 피사체(200)를 향하여 광 신호를 조사하는데, 이때 도 3에 도시되어 있는 것과 같이 제 1 주파수로 변조된 광 신호와 제 2 주파수로 변조된 광 신호를 합하여 두 주파수의 합성 주파수를 가지는 합성 광 신호를 조사한다. 이때, 제 1 주파수를 가지도록 변조된 광 신호와 제 1 주파수와 다른 제 2 주파수를 가지도록 변조된 제 2 주파수의 광 신호를 각각 조사하여 이를 합한 광 신호는 두 주파수의 최대공약수인 새로운 합성 주파수를 가지는 광 신호로 조사된다. 여기서, 제 1 주파수 값과 제 2 주파수 값은 서로 다른 값을 가지며, 본 실시예에서는 제 1 주파수 값이 제 2 주파수 값보다 큰 경우를 예를 들어 설명하기로 한다.
광원부는 도 1에 도시되어 있는 것과 같이 단일의 광원부를 통해 합성 광 신호를 직접 조사하도록 구성할 수도 있으나, 바람직하게는 도 3에 도시되어 있는 것과 같이 제 1 광원부(110a)에서 제 1 주파수로 변조된 광 신호를 조사하고 제 2 광원부(110b)에서 제 2 주파수로 변조된 광 신호를 병렬적으로 조사함으로써 합성 주파수를 가지는 합성 광 신호의 형태로 광 신호를 조사할 수가 있다.
이때, 도시되어 있는 것과 같이 합성 광 신호는 크게는 합성 주파수의 파형을 띄지만, 세부적으로는 합성 광 신호를 구성하는 제 1 주파수의 파형 및 제 2 주파수의 파형 또한 내포하게 된다.
수광부(120)는 광원부(110)로부터 조사되어 피사체(200)로부터 반사되어 돌아오는 합성 광 신호를 전기적 신호로 수신한다.
이때, 합성 주파수 및 제 1 주파수를 기초로 게이트를 제어하여 합성 광 신호를 분리하여 전기적 신호로 수신한다. 또 다른 실시예로 수광부(120)는 제 1 주파수 및 제 2 주파수를 기초로 게이트를 제어하여 합성 광 신호를 분리하여 전기적 신호로 수신할 수도 있다. 여기서, 전술한 바와 같이 위상차를 구하는 n-상의 방법에 따라서 게이트의 제어 방법은 달라질 수가 있다.
거리 계산부(130)는 MCU와 같은 연산 장치로 구성될 수가 있고, 게이트의 제어로 분리하여 수신한 광 신호로부터 피사체와의 거리정보 및 거리를 구한다.
이때, 합성 주파수를 기초로 수광부(120)의 게이트를 제어하여 획득한 전기적 신호로부터 합성 주파수 신호의 위상차에 따른 제 1 거리정보를 구하고, 마찬가지로 제 1 주파수를 기초로 수광부(120) 게이트를 제어하여 획득한 전기적 신호로부터 제 1 주파수 신호의 위상차에 따른 제 2 거리정보를 병렬적으로 구할 수가 있다.
또 다른 실시예로, 제 2 주파수를 기초로 수광부(120)의 게이트를 제어하여 획득한 전기적 신호로부터 제 2 주파수 신호의 위상차에 따른 제 1 거리정보를 구하고, 마찬가지로 제 1 주파수를 기초로 수광부(120) 게이트를 제어하여 획득한 전기적 신호로부터 제 1 주파수 신호의 위상차에 따른 제 2 거리정보를 병렬적으로 구할 수도 있다.
병렬적으로 제 1 거리정보와 제 2 거리정보를 구하는 방법은 도 4 내지 도 6을 참조로 후술하기로 한다.
이와 같이 서로 다른 두 주파수를 기초로 구한 제 1 거리정보와 제 2 거리정보로부터 최종적으로 피사체(200)와의 거리를 측정할 수가 있다.
이하의 설명에서는 합성 주파수를 기초로 제 1 거리정보를 구하고, 제 1 주파수를 기초로 제 2 거리정보를 구하고, 이로부터 피사체와의 거리를 구하는 실시예에 관해서 설명하기로 한다.
전술한 바와 같이 주파수가 작은 합성 주파수를 기초로 측정한 제 1 거리정보는 최대 측정거리가 길다. 반면에 주파수가 큰 제 1 주파수를 기초로 측정한 제 2 거리정보는 최대 측정거리가 짧은 반면에, 측정 간격이 짧아서 레졸루션이 좋고 측정된 거리값의 정확도가 높다.
따라서, 본 발명에서는 제 1 거리정보와 제 2 거리정보의 값을 병렬적으로 구하도록 하고, 파장이 긴 제 1 거리정보는 제 2 거리정보 보다 측정 시간 간격이 길어서 레졸루션이 떨어지지만 제 2 거리정보를 획득하는 시간마다 최종 거리를 구하도록 함으로써 레졸루션이 떨어지는 것을 방지할 수가 있다.
또한, 병렬적으로 제 1 거리정보와 제 2 거리정보를 획득한다고 하였을 때, 제 2 거리정보를 획득한 시점에서의 제 1 거리정보와 획득한 제 2 거리정보를 이용하여 피사체(200)와의 거리를 구함으로써 거리 측정값의 정확성을 향상시킬 수가 있다.
예를 들어, 합성 주파수를 기초로 측정한 제 1 거리정보의 최대 측정거리가 10m이고 제 1 주파수를 기초로 측정한 제 2 거리정보의 최대 측정거리가 3m라고 할 때, 제 2 거리정보를 2.5m라고 구한 시점에서의 제 1 거리정보가 8.2m이라고 하였을 때, 최종 측정거리는 8.5m라고 볼 수가 있다. 전술한 바와 같이 제 2 거리정보는 위상차에 따라 측정한 값은 2.5m 이지만, 실제 측정된 거리는 2.5m, 5.5m, 8.5m, 11.5m,..중 어느 하나일 수가 있다. 이때, 제 1 거리정보 값인 8.2m에 근접한 값인 8.5m 값을 피사체(200)와의 최종 측정된 거리로 파악할 수가 있는 것이다. 주파수가 큰 제 1 주파수로부터 구한 제 2 거리정보가 제 1 거리정보 보다 정확성이 높기 때문이다.
이와 같이 합성 주파수를 기초로 한 제 1 거리정보와 제 1 주파수를 기초로 한 제 2 거리정보를 병렬적으로 획득하여 이를 기초로 거리를 측정함에 따라서, 레졸루션을 유지하면서 최대 측정거리를 늘릴 수 있음과 동시에 정확성을 높일 수가 있다.
이하, 제 1 거리정보와 제 2 거리정보를 병렬적으로 획득하는 방법의 예를 도 4 내지 도 6을 참조로 설명하기로 한다.
도 4에 도시되어 있는 것과 같이 수광부(120)는 복수의 셀(122)로 구성되어 넓은 분포의 면적에 대하여 거리를 측정하게 되는데, 본 실시예에서는 각각의 단위 셀(122)에서 합성 주파수에 따른 제 1 거리정보와 제 1 주파수에 따른 제 2 거리정보를 병렬적으로 구한다. 보다 자세히는 도면에서는 2상 방법으로 위상차를 구하는 경우를 도시하고 있는데, 합성 주파수에 따른 제 1 거리정보를 구하기 위해 게이트가 제어되어야 할 지점과 제 1 주파수에 따른 제 2 거리정보를 구하기 위해 게이트가 제어되어야 할 지점을 각각 표시하고 있다. 각각 표시된 지점으로 구획되도록 수신광의 전기적 신호를 분리하여 수신하도록 하여 이로부터 제 1 거리정보와 제 2 거리정보를 구할 수가 있다.
이와 같이 주파수가 작은 합성 주파수에 따른 제 1 거리정보로부터 최대 측정거리를 늘릴 수가 있고, 주파수가 큰 제 1 주파수에 따른 제 2 거리정보로부터 레졸루션 및 거리 측정값의 정확성을 향상시킬 수가 있다.
이때, 도면에서는 제 1 거리정보와 제 2 거리정보를 각각 2 상 방법으로 구하도록 게이트를 제어하는 것을 도시하고 있으나, 제 1 거리정보와 제 2 거리정보를 각각 다른 방법으로 게이트를 제어하도록 할 수도 있다. 예를 들어, 제 1 거리정보는 2-상 방법으로 제 2 거리정보는 5-상 방법으로 거리정보를 구하도록 게이트를 제어할 수 있는 것이다.
도 5는 제 1 거리정보와 제 2 거리정보를 병렬적으로 구하는 다른 실시예를 도시하고 있는데, 도 5에서와 같이 인접한 두 셀(122a, 122b) 중 어느 하나의 셀(122a)에서는 합성 주파수에 따른 게이트를 제어하여 획득한 전기적 신호로부터 제 1 거리정보를 구하도록 하고, 나머지 셀(122b)에서는 제 1 주파수에 따른 게이트를 제어하여 획득한 전기적 신호로부터 제 2 거리정보를 구하도록 하여 피사체(200)와의 거리를 측정할 수가 있다.
이때, 인접한 두 셀에서 측정한 제 1 거리정보와 제 2 거리정보를 조합하여 각 지점에서의 피사체(200)와의 거리를 측정하도록 할 수가 있다.
마찬가지로, 본 실시예에서도 제 1 거리정보와 제 2 거리정보는 각각 다른 n-상 방법으로 거리정보를 구하도록 할 수가 있다.
도 6은 제 1 거리정보와 제 2 거리정보를 병렬적으로 구하는 또 다른 실시예를 도시하고 있는데, 도 6에서와 같이 복수의 셀(122a, 122b) 중에서 임의로 위치가 지정된 셀(122a)에서는 합성 주파수에 따른 게이트를 제어하여 획득한 전기적 신호로부터 제 1 거리정보를 구하도록 하고, 나머지 셀(122b)에서는 제 1 주파수에 따른 게이트를 제어하여 획득한 전기적 신호로부터 제 2 거리정보를 구하도록 하여 피사체(200)와의 거리를 측정할 수가 있다.
마찬가지로, 본 실시예에서도 제 1 거리정보와 제 2 거리정보는 각각 다른 n-상 방법으로 거리정보를 구하도록 할 수가 있다.
이상의 설명에서는 수신된 합성 광 신호에서 주파수가 작은 합성 주파수를 기초로 제 1 거리정보를 구하고 주파수가 큰 제 1 주파수를 기초로 제 2 거리정보를 구하여 피사체와의 거리를 측정하는 경우를 예를 들어 설명하였으나, 수신된 합성 광 신호에서 주파수가 작은 제 2 주파수를 기초로 제 1 거리정보를 구하고 주파수가 큰 제 1 주파수를 기초로 제 2 거리정보를 구하여 피사체와의 거리를 측정할 수도 있다. 제 1 거리정보를 구하기 위한 주파수가 합성 주파수에서 제 2 주파수로 바뀌어 이에 따라 게이트의 제어가 달라지는 점을 제외하고 전술한 내용과 동일하므로 이와 관련된 상세한 설명은 생략하기로 한다.
다음, 도 7을 참조로 본 발명의 일 실시예에 따른 TOF 카메라를 이용한 거리 측정 방법을 설명하기로 한다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 TOF 카메라를 이용한 거리 측정 방법의 순서도이다.
먼저, 광원부(110)에서는 제 1 주파수로 변조된 광 신호와 제 2 주파수로 변조된 광 신호를 합하여 두 주파수의 합성 주파수를 가지는 합성 광 신호를 피사체(200)를 향하여 조사한다(S310).
다음, 수광부(120)에서는 광원부(110)에서 조사되어 피사체(200)로부터 반사된 합성 광 신호를 수신한다(S320). 이때, 합성 주파수 및 제 1 주파수를 기초로 게이트를 제어하거나, 제 2 주파수 및 제 1 주파수를 기초로 게이트를 제어하여 수신광을 전기적 신호로 수신한다. 이때, 위상차 및 거리정보를 구하기 위해 채택하는 n-상 방법에 따라서 게이트의 제어는 달라질 수가 있다.
다음, 거리 계산부(130)에서는 수신한 합성 광신호로부터 주파수가 작은 합성 주파수의 위상차에 따른 제 1 거리정보 및 주파수가 큰 제 1 주파수의 위상차에 따른 제 2 거리정보를 병렬적으로 구하여, 제 1 거리정보와 제 2 거리정보를 이용하여 피사체(200)와의 거리를 구하고, 제 1 거리정보와 제 2 거리정보를 기초로 피사체(200)와의 거리를 구한다(S330).
또 다른 실시예로 거리 계산부(130)에서는 수신한 합성 광신호로부터 주파수가 작은 제 2 주파수의 위상차에 따른 제 1 거리정보 및 주파수가 큰 제 1 주파수의 위상차에 따른 제 2 거리정보를 병렬적으로 구하여, 제 1 거리정보와 제 2 거리정보를 기초로 피사체(200)와의 거리를 구할 수도 있다(S330)
이때, 제 1 거리정보와 제 2 거리정보는 각각 다른 n-상의 방법으로 구할 수가 있다.
본 발명의 권리범위는 상술한 실시예에 한정되는 것이 아니라 첨부된 특허청구범위 내에서 다양한 형태의 실시예로 구현될 수 있다. 특허청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 변형 가능한 다양한 범위까지 본 발명의 청구범위 기재의 범위 내에 있는 것으로 본다.
100: TOF 카메라
110: 광원부
120: 수광부
122: 셀
130: 거리 계산부
200: 피사체

Claims (15)

  1. 피사체를 향하여 제 1 주파수로 변조된 광 신호와 상기 제 1 주파수 값보다 작은 제 2 주파수로 변조된 광 신호를 합한 합성 광 신호를 조사하는 광원부;
    상기 피사체로부터 반사된 합성 광 신호를 전기적 신호로 수신하는 수광부; 및
    상기 수광부에서 수신한 합성 광 신호로부터 서로 다른 두 주파수 신호 각각의 송수신 위상차에 따른 제 1 거리정보와 제 2 거리정보를 병렬적으로 구하고, 상기 제 1 거리정보와 상기 제 2 거리정보를 기초로 상기 피사체와의 거리를 구하는 거리 계산부를 포함하고,
    상기 수광부는 상기 서로 다른 두 주파수를 기초로 병렬적으로 게이트를 제어하며 상기 전기적 신호를 획득하고,
    상기 거리 계산부는 상기 서로 다른 두 주파수 중 주파수가 작은 주파수를 기초로 수광부의 게이트를 제어하여 획득한 전기적 신호로부터 상기 제 1 거리정보를 구하고, 상기 서로 다른 두 주파수 중 주파수가 큰 주파수를 기초로 수광부의 게이트를 제어하여 획득한 전기적 신호로부터 상기 제 2 거리정보를 병렬적으로 구하는 TOF 카메라를 이용한 거리 측정 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 서로 다른 두 주파수는 상기 제 1 주파수와 상기 제 2 주파수의 합성 주파수 및 제 1 주파수이고,
    상기 제 1 거리정보는 상기 합성 주파수 신호의 위상차에 따른 거리정보이고, 상기 제 2 거리정보는 상기 제 1 주파수 신호의 위상차에 따른 거리정보인 TOF 카메라를 이용한 거리 측정 장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 서로 다른 두 주파수는 상기 제 1 주파수와 상기 제 2 주파수이고,
    상기 제 1 거리정보는 상기 제 2 주파수 신호의 위상차에 따른 거리정보이고, 상기 제 2 거리정보는 상기 제 1 주파수 신호의 위상차에 따른 거리정보인 TOF 카메라를 이용한 거리 측정 장치.
  4. 삭제
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 수광부는 복수의 셀로 형성되고,
    상기 거리 계산부는 각각의 단위 셀에서 상기 제 1 거리정보와 상기 제 2 거리정보를 구하는 TOF 카메라를 이용한 거리 측정 장치.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 수광부는 복수의 셀로 형성되고,
    상기 거리 계산부는 인접하는 두 셀 중 어느 하나의 셀에서 상기 제 1 거리정보를 구하고, 나머지 셀에서 상기 제 2 거리정보를 구하는 TOF 카메라를 이용한 거리 측정 장치.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 수광부는 복수의 셀로 형성되고,
    상기 거리 계산부는 상기 복수의 셀 중 임의로 지정된 셀에서 상기 제 1 거리정보를 구하고, 나머지 셀에서 상기 제 2 거리정보를 구하는 TOF 카메라를 이용한 거리 측정 장치.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 거리정보와 상기 제 2 거리정보는 n개의 위상 데이터로부터 구하는 n-상 방법으로 구하는데, 각각 서로 다른 n-상 방법으로 구하고, 여기서 n은 2 이상의 자연수인 TOF 카메라를 이용한 거리 측정 장치.
  9. 제 2 항 또는 제 3 항에 있어서,
    상기 거리 계산부는 상기 제 2 거리정보가 구해지는 시점에서 상기 제 1 거리정보 및 제 2 거리정보를 이용하여 상기 피사체와의 거리를 구하는 TOF 카메라를 이용한 거리 측정 장치.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 광원부는
    상기 제 1 주파수로 변조된 광 신호를 조사하는 제 1 광원부; 및
    상기 제 2 주파수로 변조된 광 신호를 조사하는 제 2 광원부를 포함하여 구성되는 TOF 카메라를 이용한 거리 측정 장치.
  11. 피사체를 향하여 광 신호를 조사하는 광원부로부터, 제 1 주파수로 변조된 광 신호와 상기 제 1 주파수 값보다 작은 제 2 주파수로 변조된 광 신호를 합한 합성 광 신호를 조사하는 단계;
    광 신호를 전기적 신호로 수신하는 수광부로부터 상기 피사체로부터 반사된 상기 합성 광 신호를 수신하는 단계; 및
    상기 수신한 합성 광신호로부터 서로 다른 두 주파수 신호 각각의 송수신 위상차에 따른 제 1 거리정보와 제 2 거리정보를 병렬적으로 구하고, 상기 제 1 거리정보와 상기 제 2 거리정보를 기초로 상기 피사체와의 거리를 구하는 단계를 포함하는데,
    상기 합성 광 신호를 수신하는 단계에서 상기 수광부는 상기 서로 다른 주파수를 기초로 게이트를 병렬적으로 제어하며 상기 전기적 신호를 획득하고,
    상기 피사체와의 거리를 구하는 단계에서 상기 서로 다른 두 주파수 중 주파수가 작은 주파수를 기초로 수광부의 게이트를 제어하여 획득한 전기적 신호로부터 상기 제 1 거리정보를 구하고, 상기 서로 다른 두 주파수 중 주파수가 큰 주파수를 기초로 수광부의 게이트를 제어하여 획득한 전기적 신호로부터 상기 제 2 거리정보를 병렬적으로 구하는 TOF 카메라를 이용한 거리 측정 방법.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 서로 다른 두 주파수는 상기 제 1 주파수와 상기 제 2 주파수의 합성 주파수 및 제 1 주파수이고,
    상기 제 1 거리정보는 상기 합성 주파수의 위상차에 따른 거리정보이고, 상기 제 2 거리정보는 상기 제 1 주파수의 위상차에 따른 거리정보인 TOF 카메라를 이용한 거리 측정 방법.
  13. 제 11 항에 있어서,
    상기 서로 다른 두 주파수는 상기 제 1 주파수와 상기 제 2 주파수이고,
    상기 제 1 거리정보는 상기 제 2 주파수의 위상차에 따른 거리정보이고, 상기 제 2 거리정보는 상기 제 1 주파수의 위상차에 따른 거리정보인 TOF 카메라를 이용한 거리 측정 방법.
  14. 삭제
  15. 제 11 항에 있어서,
    상기 피사체와의 거리를 구하는 단계에서, 상기 제 1 거리정보와 상기 제 2 거리정보는 n개의 위상 데이터로부터 구하는 n-상 방법으로 구하는데, 각각 서로 다른 n-상 방법으로 구하고, 여기서 n은 2 이상의 자연수인 TOF 카메라를 이용한 거리 측정 방법.

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