KR102483975B1 - 위상변조 기능을 구비한 3차원 이미지 획득 장치 - Google Patents

위상변조 기능을 구비한 3차원 이미지 획득 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 본체하우징의 내측에서 면 발광시키는 레이저 발신 모듈과 빔스플리터 및 TOF 수신센서와 컬러영상을 감지할 수 있는 카메라 모듈을 구비하여 간단한 동작만으로도 주변 지형 및 피사체 등의 목표물에 대한 3차원 공간 구조를 측정할 수 있는 위상변조 기능을 구비한 3차원 이미지 획득 장치에 관한 것이다.

Description

위상변조 기능을 구비한 3차원 이미지 획득 장치{3D IMAGE ACQUISITION DEVICE HAVING PHASE MODULATION FUNCTION}
본 발명은 위상변조 기능을 구비한 3차원 이미지 획득 장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 주변 지형 및 피사체 등의 목표물에 대한 이미지를 획득하고 이에 의한 3차원 공간 구조를 측정할 수 있는 위상변조 기능을 구비한 3차원 이미지 획득 장치에 관한 것이다.
종래의 3차원 영상획득 장치로 두 개의 카메라를 사용하여 대상 물체의 대응하는 화소와의 거리 정보를 얻는 수동형 스테레오 비전과 이 스테레오 비전의 카메라 하나를 프로젝터로 대체한 능동형 스테레오 비전과 같은 방식을 적용하고 있다. 그러나 수동형 스테레오 비전은 고속의 장점을 가지고 있으나, 단조로운 환경이나 주위의 조명으로 인해 심각한 영향을 받기 때문에 정확한 3차원 영상을 얻는데 한계가 있으며, 또한, 가시광선 기반의 구조 광(structural)을 사용한 능동형 스테레오 비전은 어느 정도 향상된 3차원 영상을 제공하지만, 가시광선 패턴으로 인해 가정용 로봇 등에 사용할 경우, 사람의 눈에 거슬리게 될 수 있다.
이에 최근에는 TOF(Time Of Flight) 방식으로서, 광을 인식 대상체에 조사하여 발광시간과 인식 대상체로부터 반사되는 광의 수광시간 사이의 시간적 차이를 이용함으로써, 카메라와 인식 대상체와의 거리 또는 깊이(depth)를 측정하고 이로부터 3차원 영상을 획득하는 방식이 제공되고 있다.
또한, 3차원 영상획득의 종래의 기술로서 대한민국 공개특허 10-2005-0026949(2005.03.16.)에서는 적외선 플래시 방식의 능동형 3차원 거리 영상 측정 장치가 공지되어 있다. 이에 상기 기술은 플래시 방식의 적외선 광원을 사용하고, 다양한 광 조사 패턴을 이용하여 실시간 거리 측정을 수행하기 위해 DMD(Digital Micromirror Device) 소자를 사용하는 3차원 거리 영상 측정 장치에 관한 것으로서, 본 발명에서와 같이 어레이 형태로 모듈화되어 일정 시간 간격의 펄스 패턴으로 레이저광을 면 발광시키는 빅셀모듈(VCSEL)과 빔스플리터를 사용하여 수신되는 펄스 패턴의 레이저광을 수광하고 시간 타이밍에 따른 위상차를 측정하는 TOF 수신 방식과 컬러 이미지 영상을 결합하여 3차원 공간 구조를 측정할 수 있는 3차원 이미지 획득 장치와는 차이가 있다.
본 발명은 전술한 종래기술의 문제점을 해결하기 위해 도출된 것으로, 그 목적은 본체하우징의 내측에서 펄스 패턴의 레이저를 면 발광으로 발신하는 레이저 발신 모듈과 적외선과 가시광을 분리 굴절시키는 빔스플리터 및 TOF 수신센서와 영상 이미지센서를 갖는 구조의 장치를 제공하여, TOF 방식의 깊이 정보를 측정하면서도 일반 컬러 영상을 추가로 결합하여 목표물에 대한 3차원 공간 구조를 더욱 정밀하게 측정할 수 있는 위상변조 기능을 구비한 3차원 이미지 획득 장치를 제공하고자 하는 것이다.
또한, 본 발명은 적외선 레이저를 발신하는 레이저 발신 모듈이 수직 캐비티 표면 광방출 레이저가 다수의 도트(dot) 어레이 형태로 모듈화 되어 빠른 펄스 패턴의 레이저를 면 발광으로 발신하는 빅셀(VCSEL: Vertical Cavity Surface Emitting Laser) 모듈로 구성되거나, 다수의 레이저 다이오드(LD: Laser Diode)가 어레이 형태로 모듈화되어 펄스 패턴의 적외선 레이저를 면 발광으로 발신하는 LD(Laser Diode) 모듈로 구성되고, 상기 레이저 발신 모듈을 LD 모듈로 구성 시에는 레이저의 파장이 상이한 다수의 레이저 다이오드(LD)를 구비하도록 하고, 이웃한 어레이의 레이저 다이오드(LD)에서는 서로 다른 파장의 레이저를 발신하며, 이를 통해 이웃한 레이저 다이오드(LD)와 서로 파장을 달리하여 간섭 효과를 최소화하고자 한다.
또한, 본 발명에 따른 위상변조 기능을 구비한 3차원 이미지 획득 장치는 광위상배열 안테나 레이저 발신 모듈의 전단에 설치되어 적외선 레이저의 위상 변조를 수정하여 상기 적외선 레이저의 방사 방향을 변경할 수 있도록하고, 제어모듈이 TOF 수신센서 및 카메라 모듈로부터 수신되는 이미지로부터 데이터가 부족한 부분을 판단하여 레이저 발신 모듈의 적외선 레이저 발신 방향을 제어하여, 주변 지형 및 피사체 등의 목표물에 대한 보다 정밀한 3차원 공간 구조를 측정할 수 있도록 하고자 한다.
또한, 본 발명에 따른 위상변조 기능을 구비한 3차원 이미지 획득 장치는 제어모듈이 통신모듈을 통해 인공지능 서버등과 같은 외부 장치의 인공지능(AI)을 사용하여 이미지로부터 데이터가 부족한 부분을 판단하여 레이저 발신 모듈의 적외선 레이저 발신 방향을 제어함으로써, 목표 대상에 대한 정밀한 3차원 공간 구조를 측정할 수 있도록 하고자 한다.
또한, 본 발명의 다른 목적은 획득되는 3차원 공간 구조의 영상을 네트워크를 통하여 연동되는 스마트폰이나 컴퓨팅 장치에 출력될 수 있도록 하는 위상변조 기능을 구비한 3차원 이미지 획득 장치를 제공하고자 하는 것이다.
상기 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일실시예에 따른 위상변조 기능을 구비한 3차원 이미지 획득 장치는 펄스 레이저광을 외부로 방출하며 외부에서 들어오는 광의 투과를 위한 광투과성 윈도우가 배치되는 본체하우징, 상기 본체하우징 내부의 하단에서 결합되어 장착되어 광의 발신 및 수신 타이밍을 제어하고, 감지된 신호를 외부의 장치에 전달하기 위한 제어부 기판 및 상기 제어부 기판의 상부로 결합되어 적외선 레이저의 발신과 입사되는 외부광의 수신을 위한 광 송수신 유닛이 배치되고, 상기 광 송수신 유닛은 적외선 레이저를 발신하는 레이저 발신 모듈, 상기 레이저 발신 모듈의 전단에 설치되어 상기 적외선 레이저의 위상 변조를 수정하여 상기 적외선 레이저의 방사 방향을 변경하는 광위상배열 안테나, 목표물에 반사되어 돌아오는 적외선은 수평으로 투과시키고, 입사되는 가시광은 수직으로 굴절시키도록 이루어진 빔스플리터, 상기 빔스플리터로 투과되는 상기 적외선을 수광하여 적외선 영역에서의 구조 영상을 생성하는 TOF 수신센서, 상기 빔스플리터의 하부로 굴절되는 가시광을 수광하여 목표물의 컬러 영상을 생성하는 이미지센서를 포함하여 구성된다.
본 발명의 다른 일실시예에 따르면, 상기 제어부 기판은 상기 레이저 발신 모듈, TOF 수신센서 및 카메라 모듈과 연동하여 레이저의 발신 및 수신 동작을 제어하는 제어모듈; 및 상기 TOF 수신센서에서 수광된 목표물의 구조 영상과 상기 카메라 모듈에서 수광된 목표물의 컬러 영상 데이터를 결합하여 목표물에 대한 3차원 공간 구조를 측정하는 3D 이미지처리모듈;을 포함하고, 상기 제어모듈은 상기 TOF 수신센서 및 상기 카메라 모듈로부터 수신되는 이미지로부터 데이터가 부족한 부분을 판단하여 상기 레이저 발신 모듈의 적외선 레이저 발신 방향을 제어할 수 있다.
본 발명의 다른 일실시예에 따르면, 상기 제어모듈은 외부 장치와 통신을 통해 제공받는 인공지능(AI)을 통해, 상기 이미지로부터 데이터가 부족한 부분을 판단하여 상기 레이저 발신 모듈의 적외선 레이저 발신 방향을 제어할 수 있다.
본 발명의 다른 일실시예에 따르면, 상기 레이저 발신 모듈은 다수의 도트(dot) 어레이 형태로 모듈화되어 펄스 패턴의 적외선 레이저를 면 발광으로 발신하는 빅셀모듈; 또는 다수의 레이저 다이오드(LD)가 어레이 형태로 모듈화되어 펄스 패턴의 적외선 레이저를 면 발광으로 발신하는 LD 모듈;을 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 일실시예에 따르면, 상기 LD 모듈은 레이저의 파장이 상이한 다수의 레이저 다이오드(LD)를 구비하여, 이웃한 어레이의 레이저 다이오드(LD)에서는 서로 다른 파장의 레이저를 발신할 수 있다.
본 발명의 다른 일실시예에 따르면, 상기 IR 필터렌즈와 가시광 필터렌즈는 상기 빔스플리터와 일정 간격 이격되어 TOF 수신센서와 카메라 모듈의 광 수신 경로 상에 위치할 수 있다.
본 발명의 다른 일실시예에 따르면, 상기 빔스플리터와 TOF 수신센서의 적외선 수신 경로 상에 위치하는 IR 필터렌즈, 상기 빔스플리터와 카메라 모듈의 가시광 수신 경로 상에 위치하는 가시광 필터렌즈를 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 일실시예에 따르면, 상기 빔스플리터는 큐브타입(Cube Type)으로 형성되고, 상기 IR 필터렌즈와 가시광 필터렌즈가 상기 빔스플리터의 광 굴절 방향에서 일체형으로 결합될 수 있다.
본 발명의 다른 일실시예에 따르면, 상기 빔스플리터는 큐브타입(Cube Type), 판형타입(Plate Type) 또는 프리즘타입(Prism Type) 중의 어느 하나로 구성될 수 있다.
본 발명의 다른 일실시예에 따르면, 상기 광 송수신 유닛은 상기 윈도우 방향으로 위치되는 전면렌즈가 배치되고, 상기 전면렌즈의 일부분에서 상기 레이저 발신 모듈에서 방출되는 적외선 레이저를 외부로 발산시키기 위한 렌즈가 상기 전면렌즈의 일정 위치에서 삽입되는 구조 또는 외측에 추가로 장착될 수 있다.
본 발명의 다른 일실시예에 따르면, 상기 렌즈는 상기 레이저 발신 모듈의 적외선 레이저 광원에 사용된 파장만 통과시키기 위한 대역통과 필터로 구성될 수 있다.
본 발명의 다른 일실시예에 따르면, 상기 3D 이미지처리모듈은 적외선 구조 영상의 깊이 정보를 계산하고, RGB 컬러 영상과의 텍스쳐 성분의 대비를 비교하여 영상의 선명도가 보다 높은 영상값을 선택하는 알고리즘을 사용할 수 있다.
본 발명의 다른 일실시예에 따르면, 상기 제어부 기판은 상기 제어모듈이 외부 장치와 통신하기 위한 WiFi 또는 LAN 연결 방식을 제공하는 통신모듈을 더 포함하여 구성될 수 있다.
전술한 위상변조 기능을 구비한 3차원 이미지 획득 장치의 특징적 구성에 따라, 본 발명은 TOF 방식으로 피사체에 대한 거리 및 깊이 정보를 측정하면서도 컬러영상을 감지할 수 있는 이미지센서를 더 구비하여 정보의 해상도를 높이며, 간단한 동작만으로도 주변 지형 및 피사체 등의 목표물에 대한 정밀한 3차원 공간 구조를 측정할 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명에 따르면 적외선 레이저를 발신하는 레이저 발신 모듈이 수직 캐비티 표면 광방출 레이저가 다수의 도트(dot) 어레이 형태로 모듈화 되어 빠른 펄스 패턴의 레이저를 면 발광으로 발신하는 빅셀(VCSEL: Vertical Cavity Surface Emitting Laser) 모듈로 구성되거나, 다수의 레이저 다이오드(LD: Laser Diode)가 어레이 형태로 모듈화되어 펄스 패턴의 적외선 레이저를 면 발광으로 발신하는 LD(Laser Diode) 모듈로 구성되고, 상기 레이저 발신 모듈을 LD 모듈로 구성시에는 레이저의 파장이 상이한 다수의 레이저 다이오드(LD)를 구비하도록 하고, 이웃한 어레이의 레이저 다이오드(LD)에서는 서로 다른 파장의 레이저를 발신하며, 이를 통해 이웃한 레이저 다이오드(LD)와 서로 파장을 달리하여 간섭 효과를 최소화할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 위상변조 기능을 구비한 3차원 이미지 획득 장치는 광위상배열 안테나 레이저 발신 모듈의 전단에 설치되어 적외선 레이저의 위상 변조를 수정하여 상기 적외선 레이저의 방사 방향을 변경할 수 있으며, 제어모듈이 TOF 수신센서 및 카메라 모듈로부터 수신되는 이미지로부터 데이터가 부족한 부분을 판단하여 레이저 발신 모듈의 적외선 레이저 발신 방향을 제어하여, 주변 지형 및 피사체 등의 목표물에 대한 보다 정밀한 3차원 공간 구조를 측정할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 위상변조 기능을 구비한 3차원 이미지 획득 장치는 제어모듈이 통신모듈을 통해 인공지능 서버등과 같은 외부 장치의 인공지능(AI)을 사용하여 이미지로부터 데이터가 부족한 부분을 판단하여 레이저 발신 모듈의 적외선 레이저 발신 방향을 제어함으로써, 목표 대상에 대한 정밀한 3차원 공간 구조를 측정할 수 있다.
또한, 본 발명의 위상변조 기능을 구비한 3차원 이미지 획득 장치는 구성의 조합을 선택적으로 적용하여 제조 공정을 단순화시킬 수 있으며, 펄스 패턴의 적외선 레이저를 발신하고 적외선과 가시광을 수광하는 광 경로의 정렬(alignment)을 보다 간편하게 할 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명의 위상변조 기능을 구비한 3차원 이미지 획득 장치에서 감지한 목표물의 공간 구조 및 주변 지형 등의 정보 데이터를 외부 장치에 전송할 수 있어 네트워크상에서 데이터를 재가공할 수 있는 장점이 있다.
또한, 본 발명의 위상변조 기능을 구비한 3차원 이미지 획득 장치는 일반적으로 차량의 3차원 이미지 획득 장치의 성능 향상을 위해 적용될 수 있을 뿐만 아니라, 로봇, 선박, 헬기, 드론 등 이동이 가능한 이동 장치에 적용이 가능하고, 아울러 건물, 기둥, 탑 등의 이동이 제한된 고정 장치에도 제한 없이 적용될 수 있는 장점이 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 위상변조 기능을 구비한 3차원 이미지 획득 장치의 본체 하우징을 보여주는 외부 사시도이고,
도 2는 도 1에 따른 위상변조 기능을 구비한 3차원 이미지 획득 장치의 내부 구조를 보여주는 예시도이고,
도 3a는 본 발명의 일실시예에 따른 광 송수신 유닛의 구조를 보여주는 예시도이고,
도 3b는 본 발명의 다른 실시예에 따른 도 3a의 광 송수신 유닛의 구조에서 판형 빔스플리터를 보여주는 예시도이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 위상변조 기능을 구비한 3차원 이미지 획득 장치의 구성을 보여주는 블록도이다.
도 5a는 본 발명의 일실시예에 따른 사각 박스 형태의 위상변조 기능을 구비한 3차원 이미지 획득 장치의 면 발광을 예시하는 도면이다.
도 5b는 본 발명의 다른 실시예에 따른 원통 형태의 위상변조 기능을 구비한 3차원 이미지 획득 장치의 면 발광을 예시하는 도면이다.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 카메라 구동부를 구비한 광 송수신 유닛에서의 전체적인 광 송수신 유닛의 구조 및 경로의 설명을 위한 예시도이고,
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 카메라 구동부가 없는 광 송수신 유닛의 구조 및 광 송수신 경로의 설명을 위한 예시도이다.
도 8은 본 발명에 따른 IR 필터렌즈와 가시광 필터렌즈가 구비된 광 송수신 유닛의 구조 및 광 경로의 설명을 위한 예시도이고,
도 9는 본 발명의 다른 실시예에 따른 IR 필터렌즈와 가시광 필터렌즈가 빔스플리터와 일체형으로 결합되어 이루어진 광 송수신 유닛의 구조 및 광 경로의 설명을 위한 예시도이다.
본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.
따라서 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
이하 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하면 아래와 같다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 위상변조 기능을 구비한 3차원 이미지 획득 장치의 본체 하우징을 보여주는 외부 사시도이다.
도 1에서와 같이 본 발명의 위상변조 기능을 구비한 3차원 이미지 획득 장치는 밀폐된 내부 공간을 가지는 본체하우징(100)과, 본체하우징(100)의 일 측면에서 면 발광의 펄스 레이저광을 외부로 방출하며 외부에서 들어오는 광의 투과를 용이하게 하는 윈도우(110)가 배치된다. 상기 윈도우(110)는 위상변조 기능을 구비한 3차원 이미지 획득 장치의 내외부로 광 투과를 용이하게 하고 본체하우징(100)을 보호하기 위한 광투과성 부재로 이루어질 수 있다.
이에 본 발명의 본체하우징(100)은 도 1에서와 같이 일정 높이의 사각 박스 형태로 이루어질 수 있으나, 이에 한정하지는 않으며, 도 5b에서와 같이 원통 형상으로 이루어진 하우징에서도 적용될 수 있다.
또한, 도 2는 도 1에 의한 위상변조 기능을 구비한 3차원 이미지 획득 장치의 내부 구조를 보여주는 예시도이고, 도 3a는 본 발명의 일실시예에 따른 광 송수신 유닛의 구조를 보여주는 예시도이고, 도 3b는 본 발명의 다른 실시예에 따른 도 3a의 광 송수신 유닛의 구조에서 판형 빔스플리터를 보여주는 예시도이며, 도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 위상변조 기능을 구비한 3차원 이미지 획득 장치의 구성을 보여주는 블록도이다.
도시에서와 같이 본 발명의 위상변조 기능을 구비한 3차원 이미지 획득 장치는 본체하우징(100)의 내부의 하단에서 결합되어 장착되는 제어부 기판(300), 상기 제어부 기판(300)의 상부에서 광의 송신과 수신을 위한 광 송수신 유닛(200)이 배치되어 이루어지고, 상기 광 송수신 유닛(200)은 전면렌즈(210), 레이저 발신 모듈(220), 광위상배열 안테나(205), 빔스플리터(240), TOF 수신센서(230), 카메라 모듈(250)을 포함하여 이루어진다.
또한, 광 송수신 유닛(200)은 유닛케이스(201)에 의하여 감싸지는 형태로 보호되도록 이루어지는데, 이에 유닛케이스(201)의 전단에는 본체하우징(100)의 윈도우(110)의 방향으로 위치되는 전면렌즈(210)이 위치되고, 전면렌즈(210)의 뒷단에서는 외부로부터 입사되는 광을 적외선과 가시광의 파장대로 분리하여 굴절시키는 빔스플리터(Beam splitter)(240)가 구비되며, 빔스플리터(240)의 수평방향 뒷단에서 적외선 파장 대를 감지하는 TOF 수신센서(230)가 구비된다.
또한, 본 발명의 다른 실시예에 따르면, 상기 전면렌즈(210)의 구성이 없이 바로 레이저 발신 모듈(220)의 적외선 레이저가 본체하우징(100)의 윈도우(110)를 관통하는 방식으로 외부로 조사되고, 외부로부터 입사되는 광이 수신되는 구조로 이루어질 수 도 있다.
본 발명의 상기 빔스플리터(240)는 도 3a에서와 같이 삼각 프리즘타입(Prism Type)으로 이루어져 입사면과 출사면을 형성하거나, 도 3b와 같이 판형타입(Plate Type) 빔스플리터를 사용하여 일정 기울기의 비스듬한 입사면과 출사면을 구현되도록 할 수 있으며, 또는 후술하는 도 8 및 도 9에서와 같이 일반적인 직각 프리즘(right angle prism) 2개를 사용해 큐빅(Cubic) 형태로 제작된 큐브타입(Cube Type) 중의 어느 하나가 구비될 수 있다.
또한, 광 송수신 유닛(200)은 상기 빔스플리터(240)가 수직의 하방으로 굴절시키는 가시광 파장 대의 수광을 위하여, 상기 빔스플리터(240)의 하부에는 다수의 렌즈 요소로 구성되는 카메라렌즈(251)와 상기 카메라렌즈(251)를 광축 방향으로 진퇴 운동하여 초점조절을 가능하게 하는 렌즈구동부(252) 및 상기 렌즈구동부(252)의 하부에서 카메라렌즈(251)로 입사되는 가시광 파장 대의 RGB 광 신호를 감지하기 위한 이미지센서(253)로 이루어진 카메라 모듈(250)이 구비된다.
그러나 본 발명의 다른 실시예로서, 후술하는 도 7에서와 같이 상기 카메라 모듈(250)에서 카메라렌즈(251)와 렌즈구동부(252)를 제외한 이미지센서(253)를 상기 빔스플리터(240)가 하부로 직접 위치시켜 목표물의 컬러 영상을 획득할 수 도 있다.
이때 본 발명에서의 상기 이미지센서(253)는 일정 프레임(예를 들어 30fps)과 일정 해상도(예를 들어 1280 x 720)를 지원하는 CMOS(Complementary metal-oxide-semiconductor)형의 RGB Image 센서일 수 있다.
또한, 본 발명의 유닛케이스(201)는 광 송수신 유닛(200)의 일정 구성 부품들을 조립 장착하기 위한 공간을 형성하여, 내측으로 일정 구성 부품들이 조립 결합되는 보호 케이스라 할 수 있다.
이때, 상기 레이저 발신 모듈(220)은 수직 캐비티 표면 광방출 레이저(VCSEL, Vertical-Cavity Surface Emitting Laser)가 다수의 도트(dot) 어레이 형태로 모듈화 되어 빠른 펄스 패턴의 레이저를 면 발광으로 발신하는 빅셀(VCSEL: Vertical Cavity Surface Emitting Laser) 모듈로 구성되거나, 다수의 레이저 다이오드(LD: Laser Diode)가 어레이 형태로 모듈화되어 펄스 패턴의 적외선 레이저를 면 발광으로 발신하는 LD(Laser Diode) 모듈로 구성되어, 유닛케이스(201) 내부의 상단에 장착되어 위치하게 된다. 이때, 레이저 발신 모듈(220)에서는 940nm의 내외의 근적외선 파장대를 점멸하며 방출하게 된다. 아울러, 상기 LD 모듈은 레이저의 파장이 상이한 다수의 레이저 다이오드(LD)를 구비하여, 이웃한 어레이의 레이저 다이오드(LD)에서는 서로 다른 파장의 레이저를 발신하며, 이를 통해 이웃한 레이저 다이오드(LD)와 서로 파장을 달리하여 간섭 효과를 최소화할 수 있다.
광위상배열 안테나(205)는 상기 레이저 발신 모듈(220)의 전단에 설치되어 상기 적외선 레이저의 위상 변조를 수정하여 상기 적외선 레이저의 방사 방향을 변경한다.
상기 광위상배열 안테나(205)는 레이저 펄스가 통과하는 광도파로, 레이저 펄스를 N개의 채널로 나누어주는 광분배기(splitter), 각 채널을 통과하는 레이저 펄스의 위상(phase)을 조절해주는 광위상 변조기(phase modulator), 레이저 펄스를 방사(radiation) 시키는 회절격자 구조의 광안테나(grating coupler)로 이루어져있다. 레이저가 광도파로로 주사되며, 광분배기, 광위상변조기를 거쳐 광안테나를 통하여 방사된다. 상기 광위상배열 안테나(205)는 레이저 펄스의 파장을 변화시킴으로써 방사되는 레이저 빔을 세로(y-방향) 방향으로 조향(steering) 할 수 있고, 인접 채널 사이의 위상차를 변화시킴으로써 방사되는 레이저 빔을 가로(의 x-방향) 방향으로 조향 할 수 있다.
또한, 도 2 내지 도 4에서와 같이 레이저 발신 모듈(220)은 펄스 패턴으로 면 발광되는 레이저 광을 앞단의 전면렌즈(210)의 일부분을 통해 외부로 방출하도록 이루어지는데, 이에 상기 레이저 발신 모듈(220)의 앞면에 위치하는 전면렌즈(210)의 일부분이 상기 레이저 발신 모듈(220)에서 방출되는 광을 외부로 발산시키기 위한 렌즈(211)로 구비될 수 있다.
이때, 상기 렌즈(211)는 레이저 발신 모듈(220)의 자체 레이저 광원에 사용된 파장만 통과시키기 위한 대역통과 필터의 기능을 하는 렌즈일 수 있다.
즉 상기 유닛케이스(201)에 구비되는 전면렌즈(210)는 전체적으로 광 수신용을 위한 광학 렌즈의 기능을 수행하되, 상기 레이저 발신 모듈(220)의 앞단에 위치되는 일정 부분에서는 광 발신을 위한 렌즈(211)가 전면렌즈(210)의 일정 위치에서 삽입되는 구조이거나, 외측에 추가로 장착되어 이루어지는 구성을 갖도록 이루어진다.
이에 도 5a는 본 발명의 일실시예에 따른 사각 박스 형태의 위상변조 기능을 구비한 3차원 이미지 획득 장치의 면 발광을 예시하는 도면이고, 도 5b는 본 발명의 다른 실시예에 따른 원통 형태의 위상변조 기능을 구비한 3차원 이미지 획득 장치의 면 발광을 예시하는 도면으로서, 본 발명은 본체하우징(100, 100a)의 내측의 레이저 발신 모듈(220)에서 방출되는 광이 전면렌즈(210)의 일단에 구비되는 렌즈(211)를 통과하여 본체 윈도우(110, 110a)의 특정부위에서 외부로 발산되어 면 발광으로 조사될 수 있음을 알 수 있다.
이때 후술하는 도 8 및 도 9에서와 같이 본 발명의 다른 실시예에 따라, 전면렌즈(210)의 구성이 없이 바로 본체하우징(100)의 윈도우(110)로 레이저 발신 모듈(220)에서 방출되는 광이 조사되도록 레이저 발신 모듈(220)과 레이저 발신 모듈(220)의 전단에 위치하는 렌즈(211) 만이 유닛케이스(201) 내부의 상단에 장착되어 위치하게 이루어질 수 도 있다.
또한, 광 송수신 유닛(200)에서는 레이저 발신 모듈(220)의 VCSEL에서 광을 쏠 때 굉장히 빠른 간격으로 점멸을 시키기 위한 모듈레이션(modulation)(221)이 구비된다.
여기서 레이저 발신 모듈(220)의 레이저가 켜있는 동안을 in phase라 부르고 레이저가 꺼져있는 동안을 out phase라 하며, TOF 수신센서(230)는 각각의 셀이 2개씩의 감지 센서(receptor) 쌍으로 구성되어 반사되어 돌아오는 빛을 상기 모듈레이션(221)의 점멸 간격과 동기화되어, 출사된 광 펄스와 정확히 동기화되도록 실행됨으로서 시간 타이밍에 따른 위상차를 측정하기 위한 적외선 이미지 센서라 할 수 있다.
즉 일반적인 적외선(IR) 센서는 신호 강도만 측정하고 사물의 반사율에 영향을 받기 쉽지만, TOF 수신센서는 VCSEL에서 발신되어 돌아온 적외선을 수광하여 이에 따른 비행시간 방식 거리를 계산하기 때문에 더 정밀한 값을 얻을 수 있다.
본 발명에서의 TOF 수신센서(230)는 일정 픽셀 피치(예를 들어 15μm), 일정 프레임(예를 들어 초당 최대 150 프레임)의 속도에서 일정 해상도(예를 들어 VGA 640x480)의 분해능 데이터를 제공할 수 있다.
또한, TOF 수신센서(230)에서 나오는 신호가 아날로그 신호인 경우, A/D 컨버터(ADC, Analog to Digital Converter)(223)에 의해서 디지털 신호로 변환되어 3D 이미지처리모듈(320)로 전달될 수 있다.
도 4에서와 같이 본 발명의 제어부 기판(300)은 레이저 발신 모듈(220)의 펄스형 레이저의 빠른 점멸을 위한 구동신호를 인가하기 위한 광 발신 제어 및 가시광 영역의 수신을 위한 이미지센서(253)에 초점 조절 기능을 수행하기 위하여 카메라 모듈(250)을 제어하는 제어모듈(310)과, TOF 수신센서(230)와 이미지센서(253)와 연동하여 주변 지형 및 피사체 등의 목표물에 대한 영상 데이터를 수신 받아, 이를 결합하여 목표물에 대한 3차원 공간 구조를 측정하는 3D 이미지처리모듈(320)을 포함하여 이루어진다.
보다 구체적으로, 상기 제어모듈(310)은 상기 레이저 발신 모듈(220), TOF 수신센서(210) 및 카메라 모듈(250)과 연동하여 레이저의 발신 및 수신 동작을 제어할 수 있으며, 상기 3D 이미지처리모듈(320)은 상기 TOF 수신센서(210)에서 수광된 목표물의 구조 영상과 상기 카메라 모듈(250)에서 수광된 목표물의 컬러 영상 데이터를 결합하여 목표물에 대한 3차원 공간 구조를 측정할 수 있다.
그에 따라, 상기 제어모듈(310)은 상기 TOF 수신센서(210) 및 상기 카메라 모듈(250)로부터 수신되는 이미지로부터 데이터가 부족한 부분을 판단하여 상기 레이저 발신 모듈(220)의 적외선 레이저 발신 방향을 제어할 수 있다.
즉 상기 3D 이미지처리모듈(320)은 목표물에 대한 영상 데이터를 수신 받아 노이즈를 제거하는 전처리 과정을 수행하며, TOF 수신센서(230)에서 수광된 목표물에 대한 적외선 영역에서의 일그러진 구조 영상에 대한 깊이 정보를 계산하고, 또한, 이미지센서(253)에서 수신된 컬러 영상과의 텍스쳐 성분의 대비를 비교하여 영상의 선명도가 높은 영상값을 선택하는 방식으로 두 영상을 융합하는 알고리즘 과정을 수행하게 된다. 상기 알고리즘을 통해 결합된 영상을 통하여 목표물에 대한 3차원 공간 구조를 정밀하게 측정할 수 있게 된다.
이를 위해 제어부 기판(300)은 논리회로, 프로그래밍 로직 컨트롤러, 마이컴, 마이크로프로세서 등에서 선택되는 적어도 어느 하나의 장치로 구현될 수 있고, 이를 아우르는 FPGA(Field-Programmable Logic Array) 보드로 구현될 수 있다.
또한, 제어부 기판(300)은 무선의 WiFi 또는 유선의 LAN(Local Area Network) 연결을 위한 통신 연결 수단을 위한 통신모듈(330)을 별도로 구비하거나 일체로 결합되어 구성될 수 있다. 상기 통신모듈(330)은 인트라넷, 인터넷, 차량 네트워크 등을 통해 외부의 사용자 PC 또는 스마트폰과 같은 사용자 모바일 장치와 통신하게 되며, 감지한 주변 지형 및 피사체 등의 목표물에 대한 정보 데이터를 이러한 사용자 장치에 전송할 수 있다. 이는 인터넷과 같은 외부 네트워크에서 연동되는 사용자 컴퓨팅 장치에서 디지털 영상으로 변환되어 데이터를 재가공할 수 있는 편의를 제공하기 위함이다.
본 발명의 일실시예에 따르면 상기 제어모듈(310)은 통신모듈(330)을 통해 인공지능 서버등과 같은 외부 장치와 통신을 하여 인공지능(AI)을 제공받음으로써, 상기 이미지로부터 데이터가 부족한 부분을 판단하여 상기 레이저 발신 모듈(220)의 적외선 레이저 발신 방향을 제어할 수 있다.
한편, 도면에 도시하지는 않았지만, 제어부 기판(300)은 본 발명의 위상변조 기능을 구비한 3차원 이미지 획득 장치의 전원 공급을 위한 배선이나 어댑터 또는 전원공급수단을 구비할 수 있고, 상기 전원공급수단은 내부전원 또는 재충전 가능한 전원장치로 구비될 수 있다.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 광 송수신 유닛에서의 전체적인 광 송수신 유닛의 구조 및 경로의 설명을 위한 예시도로서, 적외선을 면 발광하는 레이저 발신 모듈(220)에서 방출된 광이 렌즈(211)를 통과하여 목표물에 조사되고, 목표물에서 반사되어 입사되는 적외선과 가시광이 빔스플리터(240)에 의하여 따로 분리되고, 적외선을 수신하는 TOF 수신센서(230)에서는 투사된 다량의 Dot 레이저 형태에 의하여 일그러진 구조 영상이 생성됨을 보여주고 있으며, 또한, 카메라모듈(250)의 카메라렌즈(251)와 렌즈구동부(252)를 통해 초점이 조절되어 가시광을 수신한 이미지센서(253)에서 목표물에 대한 컬러 영상이 생성됨을 보여주고 있다.
또한, 도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 광 송수신 유닛의 구조 및 광 송수신 경로의 설명을 위한 예시도로서, 도 6과의 차이점은 카메라모듈(250)의 카메라렌즈(251)와 렌즈구동부(252)에 의한 초점 조절 과정을 거치지 않고 직접적으로 이미지센서(253)에서 가시광을 수신하여 목표물의 컬러 영상을 생성할 수 있음을 보여주고 있는 것이다. 이는 도 7에서와 같이 직접적으로 이미지센서(253)에서 가시광을 수광함으로써, 카메라모듈(250)의 카메라렌즈(251)와 렌즈구동부(252)를 적용하지 않게 되어 전자회로의 수를 최소화하여 부피 및 비용을 저감시킬 수 있는 장점이 있게 된다.
또한, 도 8은 본 발명에 따른 IR 필터렌즈와 가시광 필터렌즈가 구비된 광 송수신 유닛의 구조 및 광 경로의 설명을 위한 예시도이고, 도 9는 본 발명의 다른 실시예에 따른 IR 필터렌즈와 가시광 필터렌즈가 빔스플리터와 일체형으로 결합되어 이루어진 광 송수신 유닛의 구조 및 광 경로의 설명을 위한 예시도이다.
도 8과 도 9를 참조하는 실시예에 따르면, 본 발명의 광 송수신 유닛의 구조에 있어서, 전면렌즈를 별도로 구비하지 않는 상태에서 본체하우징(100)의 윈도우(110)로 레이저 발신 모듈(220)에서 방출되는 광이 바로 조사될 수 있도록 레이저 발신 모듈(220)과 렌즈(211)를 유닛케이스(201) 내부 상단에 장착하여 위치시킨다.
이에 도 8과 도 9를 참조하는 실시예에 따르면, 상기 빔스플리터(240)와 TOF 수신센서(230)의 적외선 수신 경로 상에는 IR 필터렌즈(241)를, 상기 빔스플리터(240)와 이미지센서(253)의 가시광 수신 경로 상에는 가시광 필터렌즈(242)를 구비하여 위치시킬 수 있다. 이는 빔스플리터(240)를 통과하여 분리된 적외선과 가시광이 TOF 수신센서(230)와 이미지센서(253)에서 각각 더욱 효과적으로 센싱될 수 있도록 하기 위함이다.
이때 도 8에서와 같이 상기 IR 필터렌즈(241)와 가시광 필터렌즈(242)는 상기 빔스플리터(240)와는 일정 간격이 이격되어 서로의 광 수신 경로 상에서 일정 위치에 구비될 수 있다.
또한, 도 9에서와 같이 상기 IR 필터렌즈(241)와 가시광 필터렌즈(242)는 상기 빔스플리터(240)의 광 굴절 방향에서 일체형으로 결합되어 하나의 몸체로서 이루어져 구비될 수 있다. 이때의 상기 빔스플리터(240)는 큐빅(Cubic) 형태로 제작된 큐브타입(Cube Type)으로 형성되어, IR 필터렌즈(241)와 가시광 필터렌즈(242)가 일체로 결합되기 용이하도록 하는 것이 바람직하다.
즉 도 8과 도 9를 참조하여 설명된 본 발명은 광 송수신 유닛의 구조에 따라 적외선을 면 발광하는 레이저 발신 모듈(220)에서 방출된 적외선 광이 렌즈(211)를 통과하여 본체하우징(100)의 윈도우(110)를 거쳐 목표물에 조사되고, 목표물에서 반사되어 입사되는 적외선과 가시광이 빔스플리터(240)에 의하여 분리되어 각각의 경로 상에 위치하는 IR 필터렌즈(241)와 가시광 필터렌즈(242)를 거치고, 적외선을 수신하는 TOF 수신센서(230)에서는 투사된 다량의 Dot 레이저 형태에 의하여 일그러진 구조 영상을 생성하고, 또한, 가시광을 수신한 이미지센서(253)에서 목표물에 대한 컬러 영상을 생성할 수 있는 것이다.
상술된 바와 같이 본 발명의 위상변조 기능을 구비한 3차원 이미지 획득 장치는 다양한 실시예를 통한 구성을 하나로 조합하여 이루어거나, 바람직한 실시예에 따른 각각의 구성을 선택적으로 이용하여 이루어질 수 있다. 즉 본 발명은 본 발명의 기술분야에서 통상의 지식을 가진 사람이라면 하기의 청구범위에 기재된 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음은 이해할 수 있을 것이다.
100: 본체하우징
110: 윈도우
200: 광 송수신 유닛
201: 유닛케이스
205: 광위상배열 안테나
210: 전면렌즈
211: 렌즈
220: 레이저 발신 모듈
221: 모듈레이션
223: A/D 컨버터
230: TOF 수신센서
240: 빔스플리터
241: IR 필터렌즈
242: 가시광 필터렌즈
250: 카메라 모듈
251: 카메라렌즈
252: 렌즈구동부
253: 이미지센서
300: 제어부 기판
310: 제어모듈
320: 3D 이미지처리모듈
330: 통신모듈

Claims (13)

  1. 펄스 레이저광을 외부로 방출하며 외부에서 들어오는 광의 투과를 위한 광투과성 윈도우가 배치되는 본체하우징,
    상기 본체하우징 내부의 하단에서 결합되어 장착되어 광의 발신 및 수신 타이밍을 제어하고, 감지된 신호를 외부의 장치에 전달하기 위한 제어부 기판 및
    상기 제어부 기판의 상부로 결합되어 적외선 레이저의 발신과 입사되는 외부광의 수신을 위한 광 송수신 유닛이 배치되고,
    상기 광 송수신 유닛은
    적외선 레이저를 발신하는 레이저 발신 모듈,
    상기 레이저 발신 모듈의 전단에 설치되어 상기 적외선 레이저의 위상 변조를 수정하여 상기 적외선 레이저의 방사 방향을 변경하는 광위상배열 안테나,
    목표물에 반사되어 돌아오는 적외선은 수평으로 투과시키고, 입사되는 가시광은 수직으로 굴절시키도록 이루어진 빔스플리터,
    상기 빔스플리터로 투과되는 상기 적외선을 수광하여 적외선 영역에서의 구조 영상을 생성하는 TOF 수신센서,
    상기 빔스플리터의 하부로 굴절되는 가시광을 수광하여 목표물의 컬러 영상을 생성하는 카메라 모듈을 포함하고,
    상기 레이저 발신 모듈은,
    다수의 도트(dot) 어레이 형태로 모듈화되어 펄스 패턴의 적외선 레이저를 면 발광으로 발신하는 빅셀모듈; 또는
    다수의 레이저 다이오드(LD)가 어레이 형태로 모듈화되어 펄스 패턴의 적외선 레이저를 면 발광으로 발신하는 LD 모듈;을 포함하고,
    상기 LD 모듈은,
    레이저의 파장이 상이한 다수의 레이저 다이오드(LD)를 구비하여, 이웃한 어레이의 레이저 다이오드(LD)에서는 서로 다른 파장의 레이저를 발신하는 위상변조 기능을 구비한 3차원 이미지 획득 장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 제어부 기판은
    상기 레이저 발신 모듈, TOF 수신센서 및 카메라 모듈과 연동하여 레이저의 발신 및 수신 동작을 제어하는 제어모듈; 및
    상기 TOF 수신센서에서 수광된 목표물의 구조 영상과 상기 카메라 모듈에서 수광된 목표물의 컬러 영상 데이터를 결합하여 목표물에 대한 3차원 공간 구조를 측정하는 3D 이미지처리모듈;을 포함하고,
    상기 제어모듈은,
    상기 TOF 수신센서 및 상기 카메라 모듈로부터 수신되는 이미지로부터 데이터가 부족한 부분을 판단하여 상기 레이저 발신 모듈의 적외선 레이저 발신 방향을 제어하는 위상변조 기능을 구비한 3차원 이미지 획득 장치.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 제어모듈은,
    외부 장치와 통신을 통해 제공받는 인공지능(AI)을 통해, 상기 이미지로부터 데이터가 부족한 부분을 판단하여 상기 레이저 발신 모듈의 적외선 레이저 발신 방향을 제어하는 위상변조 기능을 구비한 3차원 이미지 획득 장치.
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 빔스플리터와 TOF 수신센서의 적외선 수신 경로 상에 위치하는 IR 필터렌즈, 상기 빔스플리터와 카메라 모듈의 가시광 수신 경로 상에 위치하는 가시광 필터렌즈를 포함하는 위상변조 기능을 구비한 3차원 이미지 획득 장치.
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 IR 필터렌즈와 상기 가시광 필터렌즈는 상기 빔스플리터와 일정 간격 이격되어 TOF 수신센서와 카메라 모듈의 광 수신 경로 상에 위치하는 위상변조 기능을 구비한 3차원 이미지 획득 장치.
  8. 청구항 7에 있어서,
    상기 빔스플리터는 큐브타입(Cube Type)으로 형성되고, 상기 IR 필터렌즈와 가시광 필터렌즈가 상기 빔스플리터의 광 굴절 방향에서 일체형으로 결합되는 위상변조 기능을 구비한 3차원 이미지 획득 장치.
  9. 청구항 7에 있어서,
    상기 빔스플리터는 큐브타입(Cube Type), 판형타입(Plate Type) 또는 프리즘타입(Prism Type) 중의 어느 하나로 구성되는 위상변조 기능을 구비한 3차원 이미지 획득 장치.
  10. 청구항 1에 있어서,
    상기 광 송수신 유닛은 상기 윈도우 방향으로 위치되는 전면렌즈가 배치되고, 상기 전면렌즈의 일부분에서 상기 레이저 발신 모듈에서 방출되는 적외선 레이저를 외부로 발산시키기 위한 렌즈가 상기 전면렌즈의 일정 위치에서 삽입되는 구조 또는 외측에 추가로 장착되는 위상변조 기능을 구비한 3차원 이미지 획득 장치.
  11. 청구항 10에 있어서,
    상기 렌즈는 상기 레이저 발신 모듈의 적외선 레이저 광원에 사용된 파장만 통과시키기 위한 대역통과 필터로 구성되는 위상변조 기능을 구비한 3차원 이미지 획득 장치.
  12. 청구항 2에 있어서,
    상기 3D 이미지처리모듈은 적외선 구조 영상의 깊이 정보를 계산하고, RGB 컬러 영상과의 텍스쳐 성분의 대비를 비교하여, 영상의 선명도가 높은 영상값을 선택하는 알고리즘을 사용하여 3차원 공간 구조를 측정하는 위상변조 기능을 구비한 3차원 이미지 획득 장치.
  13. 청구항 2에 있어서,
    상기 제어부 기판은 상기 제어모듈이 외부 장치와 통신하기 위한 WiFi 또는 LAN 연결 방식을 제공하는 통신모듈을 더 포함하는 위상변조 기능을 구비한 3차원 이미지 획득 장치.
KR1020210050697A 2020-09-18 2021-04-19 위상변조 기능을 구비한 3차원 이미지 획득 장치 KR102483975B1 (ko)

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