KR102391818B1 - 광파워 출력 안정화 장치 및 그 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 3D 센싱 시스템의 트랜스미터를 구성하는 광원의 광파워 출력을 일정하게 제어하는 광파워 출력 안정화 장치 및 그 방법에 관한 것으로, VCSEL에서 출력되는 광파워를 피드백 받아 디지털화된 전기적 신호로 출력하는 광전 변환부와; 상기 광전 변환부 주위 온도를 감지하기 위한 온도감지센서와; 상기 광전 변환부의 온도별 출력 변화량을 보상하기 위한 온도 상관계수들이 저장된 메모리를 포함하며, 상기 온도감지센서에 의해 감지된 온도에 대응하는 온도 상관계수를 출력하는 온도 상관계수 출력부와; 상기 광전 변환부의 출력을 상기 온도 상관계수로 보상하여 상기 VCSEL의 광파워를 일정하게 제어하는 오토 파워 컨트롤러로 전달하는 연산부;를 포함함을 특징으로 한다.

Description

광파워 출력 안정화 장치 및 그 방법{DEVICE FOR STABILIZING OPTICAL POWER OUTPUT}

본 발명은 3D 센싱 시스템에 관한 것으로, 3D 센싱 시스템의 트랜스미터를 구성하는 광원의 광파워 출력을 일정하게 제어하는 광파워 출력 안정화 장치 및 그 방법에 관한 것이다.

입체 영상 서비스에 대한 관심이 증대되면서 입체영상을 제공하는 장치들이 개발 보급되고 있다. 입체영상을 구현하기 위한 3D(3차원) 센싱 방식 중에 스테레오스코픽(stereoscopic) 방식, 시간측정(TOF: time of flight)방식, 구조광(structure light) 방식 등이 있다.

상술한 3D 센싱 방식 중 낮은 계산량에 의한 높은 프레임 레이트(frame rate), 작은 풋프린트(footprint), 상대적으로 적은 제작비용, 햇빛에 강인한 특성 등의 이점이 있는 TOF 방식이 많은 관심을 받고 있다.

비행시간측정(TOF: time of flight) 방식은 피사체에 직접적으로 빛을 조사하고, 반사되어 되돌아오는 반사광의 시간을 계산함으로써 물체의 깊이 정보를 획득하는 방식이다.

TOF 방식을 채용한 3D 센싱 시스템은 도 1에 도시한 바와 같이 크게 트랜스미터(TX)와 리시버(RX)로 구성된다. 트랜스미터는 VCSEL(Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser)과 VCSEL을 구동하는 드라이버로 구성되고, 리시버는 렌즈, 포토-디텍터 어레이, 변조부(Modulation), TDC(Time-to-Distance Converter)로 구성된다.

상술한 구성에서 변조부로부터 입력된 신호에 따라 트랜스미터의 드라이버는 VCSEL을 구동하는 전류 펄스를 발생시킨다. 이에 VCSEL에서 전류 펄스가 레이저 펄스로 변환되어 물체(object)에 조사되고, 물체에서 반사된 레이저 빛이 렌즈를 통하여 포토-디텍터 어레이에 입력되고, TDC에 의해 비행시간이 거리로 환산된다. 이어 환산된 거리에 의해 물체의 깊이(Depth)정보가 구해지고 이를 3D 센싱 정보로서 프로세서로 전달한다.

상술한 바와 같은 3D 센싱 시스템에 있어서 VCSEL의 광파워(Optical power)는 주위 온도변화에 따라 변하는 특성이 있다. 온도변화에 따라 일정한 광파워를 출력하기 위해서는 드라이버에서 VCSEL을 구동하는 전류를 변경해야 하는데 이를 보통 오토 파워 컨트롤(auto power control)이라 한다.

알려진 오토 파워 컨트롤 방법을 소개하면, 우선 VCSEL에서 출력되는 광파워를 피드백 받기 위해 도 2에 도시한 것처럼 VCSEL 패키지에 VCSEL과 같이 포토 다이오드(모니터링 포토 다이오드라 칭하기도 함)를 내장한다. 이러한 경우 VCSEL에서 나오는 빛의 일부분이 디퓨저(Diffuser)를 통하여 반사되어 빛의 양에 비례하게 포토 다이오드 전류로 흐르게 되고, 드라이버에 내장된 저항(

)을 통하여 포토 다이오드 검출전압으로 변환된다. 이에 ADC에서는 상기 포토 다이오드 검출전압을 디지털 코드로 변환 출력하고, 오토 파워 컨트롤러(APC라함)에서는 ADC 출력결과를 받아 레지스터를 통하여 미리 설정된 초기전류값을 일정한 광파워가 출력되도록 조정한다.

이를 도 3 및 도 4를 참조하여 좀 더 구체적으로 부연 설명하면,

우선 광파워 목표값에 대응하는 포토 다이오드 출력값(Target IMOD PD)을 도 3과 같이 미리 설정한다.

아울러 VCSEL에서 빛이 출력되는 문턱전류에 대응되는 포토 다이오드 출력값(Target IBIAS PD)을 미리 설정한다.

이어 목표 PD값에 대응되는 드라이버 전류값을 찾기 위해 4번의 미리 입력된테스트 전류(IBIAS_APC1&2, IMOD_APC1&2)를 출력하여 출력된 전류에 대응되는 PD값을 읽고 기울기 계산을 통하여 조정된 전류값(Adjusted IMOD & IBIAS)을 찾는다.

레이저 펄스를 출력하기 위하여 인에이블 신호(EN signal)를 도 4에서와 같이 '하이'로 올리면 오토 파워 컨트롤러에 미리 입력된 테스트 전류를 APC CLK에동기시켜 출력하고, APC 연산에 의해 결정된 IMOD 와 IBAIS 전류를 변조 CLK에 맞게 출력한다.

그러나 상술한 오토 파워 컨트롤 방법은 VCSEL과 같이 VCSEL 패키지에 내장되어 있는 포토 다이오드와 저항(

)의 온도변화에 의한 특성이 미반영되어 있기 때문에 잘못된 연산결과를 초래할 수 있어 결과적으로 오토 파워 컨트롤이 부정확해지는 문제가 발생할 수 있다.

대한민국 공개특허공보 제10-2016-0088553호 대한민국 등록특허공보 제10-0882882호

이에 본 발명은 상술한 문제를 해결하기 위해 새로이 창안된 발명으로서, 본 발명의 주요 목적은 3D 센싱 시스템에 있어서 광파워를 피드백 받기 위해 구비되는 소자들의 온도 변화에 따른 출력특성을 보상하여 광파워 출력을 일정하게 유지할 수 있는 광파워 출력 안정화 장치 및 그 방법을 제공함에 있다.

더 나아가 본 발명의 또 다른 목적은 광파워를 피드백 받기 위한 소자들의 구비 없이도 광원의 온도 변화에 따른 출력특성을 보상하여 광파워 출력을 일정하게 유지할 수 있는 광파워 출력 안정화 장치 및 그 방법을 제공함에 있다.

전술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 광파워 출력 안정화 장치는 3D 센싱 시스템에 적용 가능한 장치로서,

VCSEL에서 출력되는 광파워를 피드백 받아 디지털화된 전기적 신호로 출력하는 광전 변환부와;

상기 광전 변환부 주위 온도를 감지하기 위한 온도감지센서와;

상기 광전 변환부의 온도별 출력 변화량을 보상하기 위한 온도 상관계수들이 저장된 메모리를 포함하며, 상기 온도감지센서에 의해 감지된 온도에 대응하는 온도 상관계수를 출력하는 온도 상관계수 출력부와;

상기 광전 변환부의 출력을 상기 온도 상관계수로 보상하여 상기 VCSEL의 광파워를 일정하게 제어하는 오토 파워 컨트롤러로 전달하는 연산부;를 포함함을 특징으로 한다.

본 발명의 또 다른 실시예에 따른 광파워 출력 안정화 장치는,

VCSEL의 주변 온도를 감지하기 위한 온도감지센서와;

상기 VCSEL의 온도별 출력 변화량을 보상하기 위한 온도 상관계수들이 저장된 메모리를 포함하며, 상기 온도감지센서에 의해 감지된 온도에 대응하는 온도 상관계수를 출력하는 온도 상관계수 출력부와;

일정한 광파워를 출력하기 위해 설정된 전류값을 상기 온도 상관계수로 보상하여 상기 VCSEL을 구동하는 전류 펄스를 발생시키는 드라이버로 전달하는 연산부;를 포함함을 특징으로 한다.

본 발명의 또 다른 실시예에 따른 광파워 출력 안정화 방법은 VCSEL에서 출력되는 광파워를 피드백 받아 디지털화된 전기적 신호로 출력하는 광전 변환부를 포함하는 3D 센싱 시스템에서 실행 가능한 방법으로서,

온도감지센서를 통해 상기 광전 변환부 주위 온도를 리드하는 단계와;

상기 광전 변환부의 온도별 출력 변화량을 보상하기 위한 온도 상관계수들이 저장된 메모리로부터 상기 온도감지센서에 의해 리드된 온도에 대응하는 온도 상관계수를 독출하는 단계와;

상기 광전 변환부의 출력을 입력받아 상기 독출된 온도 상관계수로 보상하고, 보상된 상기 광전 변환부의 출력에 따라 상기 VCSEL을 구동하는 전류 펄스를 발생시키는 드라이버를 제어하는 단계;를 포함함을 특징으로 한다.

상술한 기술적 과제 해결 수단에 따르면, 본 발명은 오토 파워 컨트롤러로 피드백 입력되는 광전 변환부의 출력을 온도 변화 특성에 맞춰 미리 보상하기 때문에, 광전 변환부의 온도 변화 출력 특성에 기인하여 발생할 수 있는 오차를 제거하여 광파워의 출력을 안정되게 유지할 수 있다.

더 나아가 본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 본 발명은 광파워를 피드백 받기 위한 소자들의 구비 없이도 VCSEL의 온도 변화에 따른 출력특성을 보상할 수 있기 때문에 온도 변화에 상관없이 광파워 출력을 일정하게 유지시킬 수 있는 이점이 있다.

도 1은 TOF 방식을 채용한 일반적인 3D 센싱 시스템의 일부 구성 예시도.
도 2는 3D 센싱 시스템의 오토 파워 컨트롤을 설명하기 위한 도면.
도 3 및 도 4는 3D 센싱 시스템에서의 오토 파워 컨트롤 방법을 설명하기 위한 도면.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 광파워 출력 안정화 장치의 구성 예시도.
도 6은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 광파워 출력 안정화 장치의 구성 예시도.
도 7은 온도 변화에 따른 출력 전류의 변화 예시도.

후술하는 본 발명에 대한 상세한 설명은, 본 발명의 목적들, 기술적 해법들 및 장점들을 분명하게 하기 위하여 본 발명이 실시될 수 있는 특정 실시예를 예시한 것으로서 도시하는 첨부 도면을 참조한다. 이들 실시예는 통상의 기술자가 본 발명을 실시할 수 있기에 충분하도록 상세히 설명된다.

또한 본 발명의 상세한 설명 및 청구항들에 걸쳐, '포함하다'라는 단어 및 그 변형은 다른 기술적 특징들, 부가물들, 구성요소들 또는 단계들을 제외하는 것으로 의도된 것이 아니다. 통상의 기술자에게 본 발명의 다른 목적들, 장점들 및 특성들이 일부는 본 설명서로부터, 그리고 일부는 본 발명의 실시로부터 드러날 것이다. 아래의 예시 및 도면은 실례로서 제공되며, 본 발명을 한정하는 것으로 의도된 것이 아니다. 더욱이 본 발명은 본 명세서에 표시된 실시예들의 모든 가능한 조합들을 망라한다. 본 발명의 다양한 실시예는 서로 다르지만 상호 배타적일 필요는 없음이 이해되어야 한다. 따라서, 후술하는 상세한 설명은 한정적인 의미로서 취하려는 것이 아니며, 본 발명의 범위는, 적절하게 설명된다면, 그 청구항들이 주장하는 것과 균등한 모든 범위와 더불어 첨부된 청구항에 의해서만 한정된다. 도면에서 유사한 참조부호는 여러 측면에 걸쳐서 동일하거나 유사한 기능을 지칭한다.

본 명세서에서 달리 표시되거나 분명히 문맥에 모순되지 않는 한, 단수로 지칭된 항목은, 그 문맥에서 달리 요구되지 않는 한, 복수의 것을 아우른다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그에 대한 상세 설명은 생략한다.

이하, 통상의 기술자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있도록 하기 위하여, 본 발명의 바람직한 실시예들에 관하여 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다. 하기에서의 3D 센싱 시스템은 3D 안면인식, 자동주행, 가상/증강 현실 등 여러 방면에서 다양하게 이용되는 카메라 장치인 것으로 가정하기로 한다.

우선 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 광파워 출력 안정화 장치의 구성도를 예시한 것이다.

도시한 바와 같이 본 발명의 실시예에 따른 광파워 출력 안정화 장치는,

VCSEL에서 출력되는 광파워를 피드백 받아 디지털화된 전기적 신호로 출력하는 광전 변환부를 포함한다.

상기 광전 변환부는 VCSEL에서 출력되어 디퓨저에 의해 반사되는 광량에 반응하는 포토 다이오드(PD)와, 상기 포토 다이오드(PD)의 일측과 접지단 사이에 연결되어 포토 다이오드 전압을 검출(포토 다이오드 검출전압이라 함)하는 저항(

), 포토 다이오드 검출 전압을 디지털화된 전기적 신호로 출력하는 ADC를 포함한다.

한편 본 발명의 실시예에 따른 광파워 출력 안정화 장치는 상기 광전 변환부(보다 구체적으로는 광파워를 피드백 받기 위해 구비되는 소자들)의 온도 변화 특성을 보상하기 위해 광전 변환부 주위 온도를 감지하기 위한 온도감지센서(100)를 더 포함한다.

또한 본 발명의 실시예에 따른 광파워 출력 안정화 장치는 상기 광전 변환부의 온도별 출력 변화량을 보상하기 위한 온도 상관계수들이 저장된 메모리를 포함하며, 상기 온도감지센서(100)에 의해 감지된 온도에 대응하는 온도 상관계수를 출력하는 온도 상관계수 출력부(110)와,

상기 광전 변환부의 출력을 상기 온도 상관계수 출력부(110)에서 선택 출력되는 온도 상관계수로 보상하여 VCSEL의 광파워를 일정하게 제어하는 오토 파워 컨트롤러(130)로 전달하는 연산부(120)를 더 포함함을 특징으로 한다.

상기 연산부(120)는 승산기로서 ADC의 출력과 온도 상관계수를 곱하여 후단에 위치하는 오토 파워 컨트롤러(130)로 전달한다. 이러한 연산은 오토 파워 컨트롤러(130) 내에서 수행되도록 로직 설계할 수도 있을 것이다.

도 5에서 미설명된 MUX(160)는 입력되는 선택신호에 따라 current DAC(150) 혹은 오토 파워 컨트롤러(130)에서 출력되는 하나의 신호를 선택 출력한다.

상술한 구성을 더 포함하는 본 발명의 광파워 출력 안정화 장치는 3D 센싱 시스템에서 광파워를 피드백 받기 위해 구비되는 소자들(광전 변환부의 포토 다이오드와 저항)의 온도 변화에 따른 출력특성을 보상하기 위해, 우선적으로 광전 변환부의 온도별 출력 변화량을 보상하기 위한 온도 상관계수들을 실험단계에서 획득하여 이를 메모리에 저장해 놓고, 광전 변환부 주변의 온도를 감지해 그에 대응하는 온도 상관계수를 이용해 광전 변환부의 출력을 보상해 오토 파워 컨트롤러(130)로 입력되도록 함으로써, 오토 파워 컨트롤러(130)는 일정한 광파워가 출력되도록 하기 위해 필요한 자동 출력 제어신호를 드라이버(170)로 출력한다.

이에 드라이버(170)는 일정한 광파워가 출력되도록 VCSEL을 구동시킴으로써, 본 발명은 광파워를 피드백 받기 위해 구비되는 소자들의 온도 변화에 따른 출력특성이 보상되어 온도 변화에 상관없이 안정된 광파워를 유지할 수 있게 되는 것이다.

이상의 실시예에서는 하드웨어적인 구성을 예시하여 광파워 출력을 안정화시키는 것을 설명하였으나 오토 파워 컨트롤러(130)의 제어 프로세스를 하기와 같이 구성하여 광파워 출력을 안정화시킬 수도 있다.

예를 들면, 오토 파워 컨트롤러(130)는 온도감지센서(100)를 통해 광전 변환부 주위 온도를 리드한다. 이어 오토 파워 컨트롤러(130)는 광전 변환부의 온도별 출력 변화량을 보상하기 위한 온도 상관계수들이 저장된 내부 메모리로부터 상기 온도감지센서(100)에 의해 리드된 온도에 대응하는 온도 상관계수를 독출하고, 이어 광전 변환부의 출력을 입력받아 상기 독출된 온도 상관계수를 승산하여 보상하고, 보상된 상기 광전 변환부의 출력에 따라 상기 VCSEL을 구동하는 전류 펄스를 발생시키는 드라이버를 제어하는 방식으로 3D 센싱 시스템의 광파워 출력을 안정화시킬 수 있다.

한편, 도 6은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 광파워 출력 안정화 장치의 구성도를 예시한 것이며, 도 7은 온도 변화에 따른 출력 전류의 변화 추이를 예시한 것이다.

도 5에 도시한 바와 같이 포토 다이오드(PD)로 VCSEL의 광파워를 피드백 받지 못하는 경우에는 단순히 VCSEL의 온도 변화에 따른 출력 변화량을 보상하는 방법으로 광파워 출력을 안정화시킬 수 있다. 이러한 방법에서도 앞선 실시예에서와 같이 온도 상관계수를 이용할 수 있다.

즉, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 3D 센싱 시스템의 광파워 출력 안정화 장치는 도 6에 도시한 바와 같이,

VCSEL의 주변 온도를 감지하기 위한 온도감지센서(100)와,

상기 VCSEL의 온도별 출력 변화량을 보상하기 위한 온도 상관계수들이 저장된 메모리를 포함하며, 상기 온도감지센서(100)에 의해 감지된 온도에 대응하는 온도 상관계수를 출력하는 온도 상관계수 출력부(110)와,

일정한 광파워를 출력하기 위해 설정된 전류값을 상기 온도 상관계수로 보상하여 상기 VCSEL을 구동하는 전류 펄스를 발생시키는 드라이버(170)로 전달하는 연산부(120)를 포함함을 특징으로 한다.

이러한 광파워 출력 안정화 장치에서는 오토 파워 컨트롤러(130)로 피드백되는 광전 변환부의 출력을 온도 변화에 맞춰 보상하는 것이 아니라 일정한 광파워를 출력하기 위해 사전 설정된 전류값을 VCSEL의 온도 변화 특성에 맞춰 보상하는 것이기 때문에, 온도 변화에 상관없이 일정한 광파워가 출력될 수 있다.

이상은 도면에 도시된 실시예들을 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 이에 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 첨부된 특허청구범위에 의해서만 정해져야 할 것이다.

Claims (3)

1. 비행시간측정(TOF) 방식을 채용한 3차원 센싱 시스템의 광파워 출력 안정화 장치에 있어서,
   VCSEL에서 출력되어 디퓨저에 의해 반사되는 광량에 반응하는 포토 다이오드와, 상기 포토 다이오드의 일측과 접지단 사이에 연결되어 포토 다이오드 검출 전압을 검출하는 저항과, 상기 포토 다이오드 검출 전압을 디지털화된 전기적 신호로 출력하는 아날로그 디지털 컨버터를 포함하는 광전 변환부와;
   상기 광전 변환부의 주위 온도를 감지하기 위한 온도감지센서와;
   상기 광전 변환부의 온도별 출력 변화량을 보상하기 위한 온도 상관계수들이 저장된 메모리를 포함하며, 상기 온도감지센서에 의해 감지된 온도에 대응하는 온도 상관계수를 출력하는 온도 상관계수 출력부와;
   상기 광전 변환부의 출력을 상기 온도 상관계수 출력부에서 출력되는 온도 상관계수로 보상하여 상기 VCSEL의 광파워를 일정하게 제어하는 오토 파워 컨트롤러로 전달하는 연산부;를 더 포함함을 특징으로 하는 3차원 센싱 시스템의 광파워 출력 안정화 장치.
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