KR102184042B1 - 카메라 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 한 실시예에 따른 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 객체로부터 반사된 광이 입력되는 광 입력부, 그리고 상기 광 입력부의 상기 제1 수신 유닛 및 상기 제2 수신 유닛에 입력된 광량의 차를 이용하여 객체의 거리를 연산하는 연산부를 포함하며, 상기 광 출력부와 상기 객체 사이에 배치되고, 상기 광 출력부로부터 출력된 광을 제1 방향으로 굴절시키는 제1 렌즈, 그리고 상기 광 출력부로부터 출력된 광을 제2 방향으로 굴절시키는 제2 렌즈를 더 포함한다.

Description

카메라 장치{CAMERA APPARATUS}
본 발명은 카메라 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 TOF 카메라 장치의 깊이 정보 추출에 관한 것이다.
촬영 장치를 이용하여 3차원 영상을 획득하는 기술이 발전하고 있다. 이러한 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 객체와의 거리를 계산한다.
일반적으로, TOF 방식에 따르는 카메라(이하, TOF 카메라)는 객체에 조사되는 빛의 각도를 조절하는 스캐너 및 빛의 경로를 조절하는 미러를 포함한다. 이러한 TOF카메라 내에서는 빛이 수 차례에 걸쳐서 반사되어야 하므로, 구조가 복잡하고, 소형으로 구현하기 어려운 문제가 있다. 또한, 스캐너가 객체의 전면을 스캔하기 위하여 광원으로부터 출력된 빛의 굴절률을 빠른 응답 속도로 조절하여야 하지만, 스캐너가 빠른 응답 속도를 가지기에는 기술적으로 한계가 있다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 깊이 정보를 추출하는 TOF 카메라 장치를 제공하는 데 있다.
본 발명의 한 실시예에 따른 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 객체로부터 반사된 광이 입력되는 광 입력부, 그리고 상기 광 입력부의 상기 제1 수신 유닛 및 상기 제2 수신 유닛에 입력된 광량의 차를 이용하여 객체의 거리를 연산하는 연산부를 포함하며, 상기 광 출력부와 상기 객체 사이에 배치되고, 상기 광 출력부로부터 출력된 광을 제1 방향으로 굴절시키는 제1 렌즈, 그리고 상기 광 출력부로부터 출력된 광을 제2 방향으로 굴절시키는 제2 렌즈를 더 포함한다.
상기 제1 렌즈 및 상기 제2 렌즈에게 전압을 인가하는 전원부를 더 포함할 수 있다.
상기 제1 렌즈 및 상기 제2 렌즈에게 서로 다른 전압이 인가될 수 있다.
상기 제1 렌즈 및 상기 제2 렌즈 중 적어도 하나는 유리 기판, 상기 유리 기판 상에 배치된 폴리머, 상기 폴리머 상에 배치된 유리 막, 그리고 상기 유리 막 상에 배치된 압전 소자를 포함할 수 있다.
상기 전원은 상기 압전 소자와 연결될 수 있다.
상기 압전 소자에게 인가되는 전압에 따라 상기 폴리머의 형상이 달라지며, 상기 폴리머의 형상에 따라 렌즈의 굴절률 및 굴절 방향 중 적어도 하나가 달라질 수 있다.
상기 제1 방향과 상기 제2 방향은 90도의 각도를 이룰 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, TOF 카메라를 소형으로 간단하게 구현할 수 있으며, 조립이 용이하여 양산성을 높일 수 있다. 또한, 높은 광효율로 인하여 깊이 정보를 정밀하게 추출할 수 있으며, 소비전력을 줄일 수 있다. 특히, 스캐너를 사용하지 않고도 빠른 속도로 객체의 전면에 광을 조사할 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 장치의 연산부가 객체의 거리를 계산하는 방법을 설명하는 도면이다.
도 5는 본 발명의 한 실시예에 따른 TOF 장치를 나타낸다.
도 6 및 도 7은 본 발명의 한 실시예에 따른 TOF 카메라 장치에 포함되는 렌즈의 단면도이다.
도 8 및 도 9는 본 발명의 한 실시예에 따른 TOF 카메라 장치에 포함되는 두 매의 렌즈에 각각 인가되는 전압을 나타낸다.
도 10은 TOF 카메라 장치에 포함되는 두 매의 렌즈에 서로 다른 전압이 인가되어, X 축 방향과 Y 축 방향을 스캔하는 내용을 설명하는 도면이다.
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 장치의 연산부가 객체의 거리를 계산하는 방법을 설명하는 도면이다.
도 1을 참조하면, TOF 카메라 장치(100)는 광 출력부(110), 광 조절부(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, LD) 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 조절부(120)는 광 출력부(110)가 출력하는 광이 객체의 전면에 조사되도록 광의 각도를 조절한다.
한편, 광 입력부(130)는 광 출력부(110)로부터 출력된 후 객체에 의하여 반사된 광을 입력 받는다. 광 입력부(130)는 입력 받은 광을 전기 신호로 변환할 수 있다. 광 입력부(130)는, 포토 다이오드(photo diode, PD) 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, 객체와의 거리에 따라 수신되는 광량에 차이가 발생하게 된다. 예를 들어, 객체가 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, 객체가 TOF 카메라 장치와 소정 거리 떨어져 위치하는 경우, 광 출력부(110)로부터 광이 출력된 후 객체에 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 객체의 거리를 연산한다.
일반적으로, 광 조절부(120)는 객체에 조사되는 빛의 각도를 조절하는 스캐너를 포함할 수 있다. 광원으로부터 출력된 광은 스캐너에 도달하며, 스캐너의 회전에 따라 객체의 전면에 광이 조사될 수 있다. 객체로부터 조사된 광은 스캐너에서 반사된 후 광 입력부(130)로 다시 입력될 수 있다. 한편, 스캐너에는 액츄에이터가 연결되며, 스캐너는 액츄에이터에 의하여 회전할 수 있다. 이와 같이, TOF 카메라 장치가 스캐너를 포함하면, 부품의 수가 많아지며, 장치를 소형으로 구현하기 어려워진다.
본 발명의 한 실시예에 따르면, TOF 카메라 장치의 광 조절부는 광원과 객체 사이에 배치되어, 광을 굴절시키는 적어도 두 매의 렌즈를 포함한다. 이에 따라, 광원으로부터 출력된 빛은 스캐너 없이도 객체의 전면에 조사될 수 있다.
도 5는 본 발명의 한 실시예에 따른 TOF 장치를 나타낸다.
도 5를 참조하면, 광원(500)은 IR 광을 출력한다. 출력되는 IR 광은 광 변환 유닛에서 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 제1 렌즈(510)를 통과하여 제1 방향으로 굴절된다. 그리고, 제1 렌즈(510)를 통과한 광은 제2 렌즈(520)를 통과하여 제2 방향으로 굴절된다. 여기서, 제1 렌즈(510) 및 제2 렌즈(520)는 광원(500)이 출력하는 IR광의 광 축 상에 배열될 수 있다. 제1 렌즈(510) 및 제2 렌즈(520)는 광원(500)과 객체 사이에서 순차적으로 배열될 수 있다. 이를 위하여, 제1 렌즈(510) 및 제2 렌즈(520)는 소정의 간격으로 렌즈 홀더 내에 고정될 수 있으며, 렌즈 홀더의 중심과 광원의 중심은 일직선 상에 위치할 수 있다. 광원(500), 제1 렌즈(510) 및 제2 렌즈(520)는 하나의 홀더 내에서 소정 간격을 이루며 순차적으로 수용될 수도 있다.
그리고, 제1 방향과 제2 방향은 서로 다른 방향일 수 있다. 예를 들어, 제1 방향이 X축 방향인 경우, 제2 방향은 Y 축 방향일 수 있다. 이에 따라, 제1 렌즈(510) 및 제2 렌즈(520)를 통과한 빛은 화면의 X 축 라인과 Y 축 라인에 모두 조사될 수 있다.
이때, 제1 렌즈(510) 및 제2 렌즈(520)에는 전원이 연결되며, 전원은 제1 렌즈(510) 및 제2 렌즈(520)에게 각각 전압을 인가할 수 있다. 제1 렌즈(510) 및 제2 렌즈(520)에 인가된 전압은 제1 렌즈(510) 및 제2 렌즈(520)의 굴절률 및 굴절 방향 중 적어도 하나를 조절할 수 있다. 즉, 제1 렌즈(510) 및 제2 렌즈(520)에 서로 다른 전압을 인가하여, 광의 굴절률 및 굴절 방향을 조절할 수 있다. 이를 위하여, 제1 렌즈(510) 및 제2 렌즈(520) 중 적어도 하나는 튜너블 렌즈(Tunable(T) Lens)일 수 있다.
객체의 전면에 조사된 광은 객체로부터 반사되어 광 입력부(530)에 도달한다. 광 입력부(530)는, 예를 들면 포토 다이오드(Photo Diode, PD)를 포함할 수 있다. 광 입력부(530)에 도달한 광은 전기 신호로 변환되며, 연산부(540)는 변환된 전기 신호를 이용하여 객체의 거리를 연산한다.
한편, 광원(500)과 제1 렌즈(510) 사이에는 광원(500)으로부터 출력된 IR 광을 제1 렌즈(510)에게 전달하는 광 전달부재(550)가 더 배치될 수 있다. 광 전달부재는, 예를 들면 집속 렌즈일 수 있다.
도 6 및 도 7은 본 발명의 한 실시예에 따른 TOF 카메라 장치에 포함되는 렌즈의 단면도이다. 도 6은 렌즈에 전압이 인가되지 않은 상태를 나타내고, 도 7은 렌즈에 전압이 인가된 상태를 나타낸다. 그리고, 도 8 및 도 9는 본 발명의 한 실시예에 따른 TOF 카메라 장치에 포함되는 두 매의 렌즈에 각각 인가되는 전압을 나타내고, 도 10은 TOF 카메라 장치에 포함되는 두 매의 렌즈에 서로 다른 전압이 인가되어, X 축 방향과 Y 축 방향을 스캔하는 내용을 설명하는 도면이다.
도 6 및 도 7을 참조하면, 본 발명의 한 실시예에 따른 TOF 카메라 장치에 포함되는 렌즈(600)는 각각 유리 기판(610), 유리 기판의 한 면에 배치된 폴리머(620), 폴리머의 한 면에 배치된 유리 막(630), 그리고 유리막의 한 면에 배치된 압전 필름(640)을 포함한다. 압전 필름은, 예를 들면 피에조 필름(piezo film)일 수 있다.
그리고, 압전 필름(640)에는 전원이 연결된다. 압전 필름(640)에 전압이 인가되면, 압전 필름(640)에는 압력이 가해지게 되어, 폴리머(620)의 형상이 변형될 수 있다. 압전 필름(640)에 인가된 전압에 따라 폴리머(620)의 두께, 형상 등이 달라질 수 있으며, 폴리머(620)의 두께, 형상 등에 따라 렌즈를 통과하는 빛의 굴절률 및 굴절 방향이 달라질 수 있다. 렌즈(600)는, 예를 들면 튜너블(tunable) 렌즈일 수 있다.
도 8 내지 10을 참조하면, TOF 카메라 장치 내에 포함되는 두 매의 렌즈에 서로 다른 전압을 인가하여 객체를 포함하는 영역을 스캔할 수 있다. 예를 들어, 하나의 렌즈에게 소정의 전압을 인가하여 X 축 방향을 스캔할 수 있도록 빛을 굴절시킬 수 있다. 그리고, 나머지 렌즈에게 다른 전압을 인가하여 Y 축 방향을 스캔할 수 있도록 빛을 굴절시킬 수 있다.
한편, TOF 카메라 장치 내에 포함되는 두 매의 렌즈에 인가되는 전압을 이용하여 스캔되는 영역의 범위를 조절할 수도 있다. 예를 들어, 스캔되어야 하는 영역, 즉 객체를 포함하는 영역이 좁을수록 렌즈에 낮은 전압을 인가하고, 스캔되어야 하는 영역이 넓을수록 렌즈에 높은 전압을 인가할 수 있다. 렌즈에 높은 전압을 인가할수록, 폴리머의 형상이 크게 변형되어, 빛은 넓은 범위로 굴절될 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 조절부
130: 광 입력부
140: 연산부

Claims (7)

  1. IR(InfraRed) 광을 출력하는 광 출력부,
    각각이 제1 수신 유닛 및 제2 수신 유닛을 포함하는 복수의 픽셀을 포함하며, 상기 광 출력부로부터 출력된 후 객체로부터 반사된 광이 입력되는 광 입력부, 그리고
    상기 광 입력부의 상기 제1 수신 유닛 및 상기 제2 수신 유닛에 입력된 광량의 차를 이용하여 객체의 거리를 연산하는 연산부
    를 포함하며,
    상기 광 출력부와 상기 객체 사이에 배치되고, 상기 광 출력부로부터 출력된 광을 제1 방향으로 굴절시키는 제1 렌즈, 상기 광 출력부로부터 출력된 광을 제2 방향으로 굴절시키는 제2 렌즈, 그리고 상기 제1 렌즈 및 상기 제2 렌즈에게 전압을 인가하는 전원부를 더 포함하고,
    상기 제1 렌즈 및 상기 제2 렌즈에게 서로 다른 전압이 인가되며,
    상기 제1 렌즈 및 상기 제2 렌즈 중 적어도 하나는 유리 기판, 상기 유리 기판 상에 배치된 폴리머, 상기 폴리머 상에 배치된 유리 막, 그리고 상기 유리 막 상에 배치된 압전 소자를 포함하고,
    상기 유리 막은 상기 폴리머와 겹치지 않는 영역을 포함하고,
    상기 압전 소자는 상기 유리 막의 상기 영역 상에 배치되며,
    상기 전원부는 상기 압전 소자와 연결되는 카메라 장치.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 제1항에 있어서,
    상기 압전 소자에게 인가되는 전압에 따라 상기 폴리머의 형상이 달라지며, 상기 폴리머의 형상에 따라 렌즈의 굴절률 및 굴절 방향 중 적어도 하나가 달라지는 카메라 장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 제1 방향과 상기 제2 방향은 90도의 각도를 이루는 카메라 장치.
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