KR102553555B1 - 카메라 모듈 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 실시예에 따른 카메라 모듈은 객체에 조사되는 제1 출력광 신호 및 제2 출력광 신호를 하나의 주기 동안 순차적으로 출력하는 광출력부; IR(InfraRed) 필터, 그리고 상기 IR 필터 상에 배치되는 적어도 1매의 렌즈를 포함하며, 상기 객체로부터 반사된 제1 입력광 신호 및 제2 입력광 신호를 집광하는 렌즈부;상기 렌즈부에 의하여 집광된 상기 제1 입력광 신호 및 제2 입력광 신호로부터 제1 전기 신호 및 제2 전기 신호를 생성하는 이미지 센서; 상기 제1 입력광 신호 및 제2 입력광 신호의 광경로를 소정의 규칙에 따라 쉬프트시키는 틸팅부; 및 상기 제1 출력광 신호 및 상기 제1 입력광 신호 간 위상 차와 상기 제1 전기 신호를 이용하여 상기 객체의 깊이 정보를 획득하고, 상기 제2 전기 신호를 이용하여 객체의 2D 영상을 획득하는 영상 제어부;를 포함한다.

Description

카메라 모듈{CAMERA MODULE}
본 발명은 카메라 모듈에 관한 것이다.
3차원 콘텐츠는 게임, 문화뿐만 아니라 교육, 제조, 자율주행 등 많은 분야에서 적용되고 있으며, 3차원 콘텐츠를 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.
한편, IR 구조광 방식을 대체하는 기술로 TOF(Time of Flight) 방식이 주목 받고 있다. TOF 방식에 따르면, 비행 시간, 즉 빛을 쏘아서 반사되어 오는 시간을 측정함으로써 물체와의 거리를 계산한다. ToF 방식의 가장 큰 장점은 3차원 공간에 대한 거리정보를 실시간으로 빠르게 제공한다는 점에 있다. 또한 사용자가 별도의 알고리즘 적용이나 하드웨어적 보정을 하지 않고도 정확한 거리 정보를 얻을 수 있다. 또한 매우 가까운 피사체를 측정하거나 움직이는 피사체를 측정하여도 정확한 깊이 정보를 획득할 수 있다.
하지만, 현재 ToF 방식의 경우 한 프레임당 얻을 수 있는 정보, 즉 해상도가 낮다는 문제점이 있다. 또한, IR광을 이용하여 획득하는 2D 이미지 역시 해상도가 낮다는 문제점이 존재한다.
해상도를 높이기 위한 방법으로 이미지 센서의 화소 수를 높이는 방법이 있다. 그러나 이 경우 카메라 장치의 부피 및 제조 비용이 크게 증가하게 된다는 문제가 발생한다.
이에 따라, 카메라 장치의 부피 및 제조 비용을 크게 증가시키지 않으면서도 해상도를 높일 수 있는 카메라 모듈이 요구된다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 TOF 방식을 이용한 깊이 정보 추출하고 2D 적외선 영상 생성하는 카메라 모듈을 제공하는데 있다.
본 발명의 실시예에 따른 카메라 모듈은 객체에 조사되는 제1 출력광 신호 및 제2 출력광 신호를 하나의 주기 동안 순차적으로 출력하는 광출력부; IR(InfraRed) 필터, 그리고 상기 IR 필터 상에 배치되는 적어도 1매의 렌즈를 포함하며, 상기 객체로부터 반사된 제1 입력광 신호 및 제2 입력광 신호를 집광하는 렌즈부; 상기 렌즈부에 의하여 집광된 상기 제1 입력광 신호 및 제2 입력광 신호로부터 제1 전기 신호 및 제2 전기 신호를 생성하는 이미지 센서; 상기 제1 입력광 신호 및 제2 입력광 신호의 광경로를 소정의 규칙에 따라 쉬프트시키는 틸팅부; 및 상기 제1 출력광 신호 및 상기 제1 입력광 신호 간 위상 차와 상기 제1 전기 신호를 이용하여 상기 객체의 깊이 정보를 획득하고, 상기 제2 전기 신호를 이용하여 객체의 2D 영상을 획득하는 영상 제어부;를 포함한다.
상기 영상 제어부는, 상기 제1 입력광 신호의 광경로가 상기 소정의 규칙에 따라 반복하여 쉬프트된 복수의 주기 동안 추출한 데이터를 이용하여 상기 객체의 깊이 정보를 획득할 수 있다.
상기 제1 입력광 신호의 광경로는, 상기 소정의 규칙에 따라 제1 주기에는 제1 방향으로 미리 설정된 쉬프트 값에 기초하여 쉬프트되고, 제2 주기에는 상기 제1 방향에 수직인 제2 방향으로 상기 미리 설정된 쉬프트 값에 기초하여 쉬프트되며, 제3 주기에는 상기 제2 방향에 수직인 제3 방향으로 상기 미리 설정된 쉬프트 값에 기초하여 쉬프트되고, 제4 주기에는 상기 제3 방향에 수직인 제4 방향으로 상기 미리 설정된 쉬프트 값에 기초하여 쉬프트될 수 있다.
상기 영상 제어부는, 상기 제1 전기 신호를 통해 상기 제1 주기 동안 추출한 데이터로부터 얻은 제1 영상, 상기 제2 주기 동안 추출한 데이터로부터 얻은 제2 영상, 상기 제3 주기 동안 추출한 데이터로부터 얻은 제3 영상 및 상기 제4 주기 동안 추출한 데이터로부터 얻은 제4 영상을 정합하여 상기 객체의 깊이 정보를 획득할 수 있다.
상기 영상 제어부는, 상기 제2 입력광 신호의 광경로가 상기 소정의 규칙에 따라 반복하여 쉬프트된 하나의 주기 동안 추출된 데이터를 이용하여 상기 2D 영상을 획득할 수 있다.
상기 제2 입력광 신호의 광경로는, 상기 소정의 규칙에 따라, 하나의 주기의 제1 서브 주기에는 제1 방향으로 미리 설정된 쉬프트 값에 기초하여 쉬프트되고, 하나의 주기의 제2 서브 주기에는 상기 제1 방향에 수직인 제2 방향으로 상기 미리 설정된 쉬프트 값에 기초하여 쉬프트되며, 하나의 주기의 제3 서브 주기에는 상기 제2 방향에 수직인 제3 방향으로 상기 미리 설정된 쉬프트 값에 기초하여 쉬프트되고, 하나의 주기의 제4 주기에는 상기 제3 방향에 수직인 제4 방향으로 상기 미리 설정된 쉬프트 값에 기초하여 쉬프트될 수 있다.
상기 영상 제어부는, 상기 제2 전기 신호를 통해 상기 제1 서브 주기 동안 추출한 데이터로부터 얻은 제1 서브 영상, 상기 제2 서브 주기 동안 추출한 데이터로부터 얻은 제2 서브 영상, 상기 제3 서브 주기 동안 추출한 데이터로부터 얻은 제3 서브 영상 및 상기 제4 서브 주기 동안 추출한 데이터로부터 얻은 제4 서브 영상을 정합하여 상기 객체의 2D 영상을 획득할 수 있다.
상기 광출력부는, 제2 출력광 신호를 지속파(continuous wave)의 형태로 출력할 수 있다.
상기 미리 설정된 쉬프트 값은 0 픽셀보다 크고 1 픽셀보다 작을 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 하나의 카메라 모듈을 이용하여 깊이 영상과 2D 적외선 영상을 모두 획득할 수 있다.
또한, 이미지 센서의 화소 수를 크게 증가시키지 않고도 입사광 신호의 광경로를 쉬프트시켜 높은 해상도로 깊이 정보 및 2D 적외선 영상을 획득할 수 있다.
도 1은 본 발명의 한 실시예에 따른 카메라 모듈의 블록도이다.
도 2는 카메라 모듈의 단면도의 한 예이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 이미지 센서를 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 광출력부의 출력광 신호를 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 이미지 센서부의 제1 전기 신호 생성 과정을 설명하기 위한 도면이다.
도 6은 틸팅부에 의한 입력광 신호의 광경로 변경을 설명하기 위한 도면이다.
도 7 및 도 8은 IR 필터의 기울기 제어에 따라 이미지 센서 상에 입력되는 영상 프레임이 쉬프트되는 효과를 설명하기 위한 도면이다.
도 9는 본 발명의 실시예에 따른 틸팅부가 입력광 신호의 광경로를 쉬프트시키는 소정의 규칙을 설명하기 위한 도면이다.
도 10은 본 발명의 한 실시예에 따른 카메라 모듈로부터 얻어지는 위상 영상의 예이고, 도 11은 앰플리튜드 영상의 예이며, 도 12는 깊이 영상의 예이다.
도 13 및 도 14는 본 발명의 실시예에 따른 SR 기법을 설명하기 위한 도면이다.
도 15는 본 발명의 실시예에 따른 픽셀값 배치 과정을 설명하기 위한 도면이다.
도 16은 본 발명의 한 실시예에 따른 카메라 장치의 깊이 이미지 및 2D 영상 생성 방법을 나타내는 흐름도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다.
다만, 본 발명의 기술 사상은 설명되는 일부 실시 예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있고, 본 발명의 기술 사상 범위 내에서라면, 실시 예들간 그 구성 요소들 중 하나 이상을 선택적으로 결합, 치환하여 사용할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에서 사용되는 용어(기술 및 과학적 용어를 포함)는, 명백하게 특별히 정의되어 기술되지 않는 한, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 일반적으로 이해될 수 있는 의미로 해석될 수 있으며, 사전에 정의된 용어와 같이 일반적으로 사용되는 용어들은 관련 기술의 문맥상의 의미를 고려하여 그 의미를 해석할 수 있을 것이다.
또한, 본 발명의 실시예에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다.
본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함할 수 있고, "A 및(와) B, C 중 적어도 하나(또는 한 개 이상)"로 기재되는 경우 A, B, C로 조합할 수 있는 모든 조합 중 하나 이상을 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시 예의 구성 요소를 설명하는 데 있어서, 제1, 제2, A, B, (a), (b) 등의 용어를 사용할 수 있다.
이러한 용어는 그 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성 요소의 본질이나 차례 또는 순서 등으로 한정되지 않는다.
그리고, 어떤 구성 요소가 다른 구성요소에 '연결', '결합' 또는 '접속'된다고 기재된 경우, 그 구성 요소는 그 다른 구성 요소에 직접적으로 연결, 결합 또는 접속되는 경우뿐만 아니라, 그 구성 요소와 그 다른 구성 요소 사이에 있는 또 다른 구성 요소로 인해 '연결', '결합' 또는 '접속' 되는 경우도 포함할 수 있다.
또한, 각 구성 요소의 "상(위) 또는 하(아래)"에 형성 또는 배치되는 것으로 기재되는 경우, 상(위) 또는 하(아래)는 두 개의 구성 요소들이 서로 직접 접촉되는 경우뿐만 아니라 하나 이상의 또 다른 구성 요소가 두 개의 구성 요소들 사이에 형성 또는 배치되는 경우도 포함한다. 또한, "상(위) 또는 하(아래)"으로 표현되는 경우 하나의 구성 요소를 기준으로 위쪽 방향뿐만 아니라 아래쪽 방향의 의미도 포함할 수 있다.
우선, 도 1 및 도 2를 통해 본 발명의 실시예에 따른 카메라 모듈의 구성에 대해 구체적으로 살펴보도록 한다.
도 1은 본 발명의 한 실시예에 따른 카메라 모듈의 블록도이다.
도 1을 참조하면, 카메라 모듈(100)은 광출력부(110), 렌즈부(120), 이미지 센서부(130), 틸팅부(140) 및 영상 제어부(150)를 포함한다.
광출력부(110)는 제1 출력광 신호 및 제2 출력광 신호를 생성한 후 객체에 조사한다. 여기서, 제1 출력광 신호 및 제2 출력광 신호는 하나의 주기 동안 순차적으로 출력되며, 복수의 주기동안 반복 출력될 수 있다.
광출력부(110)는 펄스파(pulse wave)의 형태나 지속파(continuous wave)의 형태로 출력광 신호를 생성하여 출력할 수 있다. 지속파는 사인파(sinusoid wave)나 사각파(squared wave)의 형태일 수 있다. 구체적으로, 광출력부는(110)는 제1 출력광 신호를 펄스파나 지속파 형태로 생성할 수 있으며, 제2 출력광 신호를 지속파의 형태로 출력할 수 있다. 본 발명의 실시예에 따르면, 제2 출력광 신호를 지속파의 형태로 출력함으로써, 광출력부(110)의 스위칭 손실을 줄일 수 있는 장점이 있다.
본 명세서에서, 출력광은 광출력부(110)로부터 출력되어 객체에 입사되는 광을 의미하고, 입력광은 광출력부(110)로부터 출력되어 객체에 도달하여 객체로부터 반사된 후 카메라 모듈(100)로 입력되는 광을 의미할 수 있다. 객체의 입장에서 출력광은 입사광이 될 수 있고, 입력광은 반사광이 될 수 있다.
광출력부(110)는 생성된 제1 출력광 신호 및 제2 출력광 신호를 소정의 노출주기 동안 객체에 조사한다. 여기서, 노출주기란 1개의 프레임 주기를 의미한다. 복수의 프레임을 생성하는 경우, 설정된 노출주기가 반복된다. 예를 들어, 카메라 모듈(100)이 20 FPS로 객체를 촬영하는 경우, 노출주기는 1/20[sec]가 된다. 그리고 100개의 프레임을 생성하는 경우, 노출주기는 100번 반복될 수 있다.
도 1을 참조하면, 광출력부(110)는 제1 출력광 신호 및 제2 출력광 신호를 생성하기 위하여, 빛을 생성하는 광원(112)과 빛을 변조하는 광변조부(114)를 포함할 수 있다.
우선, 광원(112)은 빛을 생성한다. 광원(112)은 일정 시간 간격으로 점멸(on/off)을 반복하여 펄스파 형태나 지속파 형태의 제1 출력광 신호 및 제2 출력광 신호를 생성한다. 일정 시간 간격은 출력광 신호의 주파수일 수 있다. 광원의 점멸은 광변조부(114)에 의해 제어될 수 있다.
이때, 광원(112)이 생성하는 빛은 파장이 770 내지 3000nm인 적외선 일 수 있으며, 파장이 380 내지 770 nm인 가시광선 일 수도 있다. 광원(112)은 발광 다이오드(Light Emitting Diode, LED)를 이용할 수 있으며, 복수의 발광 다이오드가 일정한 패턴에 따라 배열된 형태를 가질 수 있다. 뿐만 아니라, 광원(112)은 유기 발광 다이오드(Organic light emitting diode, OLED)나 레이저 다이오드(Laser diode, LD)를 포함할 수도 있다. 또는, 광원(112)은 VCSEL(Vertical Cavity Surface Emitting Laser)일 수도 있다. VCSEL은 전기 신호를 광 신호로 바꾸어 주는 레이저 다이오드 중 하나이며, 약 800 내지 1000nm인 파장, 예를 들어 약 850nm 또는 약 940nm 파장을 사용할 수 있다.
그리고, 광변조부(114)는 광원(112)의 점멸을 제어하여 광원(112)이 지속파나 펄스파 형태의 제1 출력광 신호 및 제2 출력광 신호를 생성하도록 제어한다. 광변조부(114)는 주파수 변조(frequency modulation)나 펄스 변조(pulse modulation) 등을 통해 광원(112)이 지속파나 펄스파 형태의 출력광 신호를 생성하도록 제어할 수 있다.
렌즈부(120)는 객체로부터 반사된 제1 입력광 신호 및 제2 입력광 신호를 집광하여 이미지 센서(130)에 전달한다. 렌즈부(120)는 제1 입력관 신호 및 제2 입력관 신호를 집광하기 위하여 IR(InfraRed) 필터, 그리고 IR 필터 상에 배치되는 적어도 1매의 렌즈를 포함할 수 있다.
이미지 센서부(130)는 렌즈부(120)를 통해 집광된 제1 입력광 신호 및 제2 입력광 신호를 이용하여 제1 전기 신호 및 제2 전기 신호를 생성한다. 여기서 제1 전기 신호는 제1 입력광 신호에 대응하는 신호이고, 제2 전기 신호는 제2 입력광 신호에 대응하는 신호이다.
구체적으로, 이미지 센서부(130)는 광출력부(110)의 점멸 주기와 동기화되어 제1 입력광 신호를 흡수할 수 있다. 이미지 센서부(130)는 광출력부(110)로부터 출력된 제1 출력광 신호와 동상(in phase) 및 이상(out phase)에서 각각 제1 입력광 신호를 흡수할 수 있다. 즉, 이미지 센서부(130)는 광원이 켜져 있는 시간에 제1 입사광 신호를 흡수하는 과정과 광원이 꺼져 있는 시간에 제1 입사광 신호를 흡수하는 과정을 반복 수행할 수 있다.
그리고, 이미지 센서부(130)는 광출력부(110)의 제2 출력광 신호에 대응하여 제2 입력광 신호를 흡수할 수 있다. 구체적으로, 이미지 센서부(130)는 제2 출력광 신호가 출력되는 시간에 동기화되어 제2 입력광 신호를 흡수할 수 있다.
그러면, 이미지 센서부(130)는 흡수한 제1 입력광 신호 및 제2 입력광 신호를 통해 각각에 대응하는 제1 전기 신호 및 제2 전기 신호를 생성한다. 이때, 제1 전기 신호는 서로 다른 위상차를 가지는 복수의 참조 신호(reference signal)를 이용하여 생성될 수 있다.
틸팅부(140)는 제1 입력광 신호 및 제2 입력광 신호의 광경로를 소정의 규칙에 따라 쉬프트시킨다.
구체적으로, 틸팅부(140)는 제1 입력광 신호를 각 주기마다 소정의 방향으로 미리 설정된 쉬프트 값만큼 쉬프트시킬 수 있다. 그리고 틸팅부(140)는 제2 입력광 신호를 각 주기의 서브 주기마다 소정의 방향으로 미리 설정된 시프트 값만큼 쉬프트시킬 수 있다.
이때, 틸팅부(140)는 제1 입력광 신호 및 제2 입력광 신호의 광경로를 미리 설정된 쉬프트 값에 따라 쉬프트할 수 있다. 여기서, 미리 설정된 시프트 값은 이미지 센서(130)의 서브 픽셀 단위일 수 있다. 서브 픽셀은 0 픽셀보다 크고 1 픽셀보다 작은 단위일 수 있다. 그리고, 틸팅부(140)는 현재 광경로를 기준으로 출력광 신호 또는 입력광 신호 중 적어도 하나의 광경로를 상, 하, 좌, 우 중 어느 하나의 방향으로 변경할 수 있다.
영상 제어부(150)는 제1 전기 신호 및 제2 전기 신호를 이용하여 깊이 정보 및 2D 영상을 획득한다.
도 1을 참조하면, 영상 제어부(150)는 깊이 영상을 획득하는 제1 영상 획득부(151) 및 2D 영상을 획득하는 제2 영상 획득부(152)를 포함할 수 있다.
구체적으로, 제1 영상 획득부(151)는 제1 출력광 신호 및 제1 입력광 신호 간 위상 차와 제1 전기 신호를 이용하여 객체의 깊이 정보를 획득한다. 제1 영상 획득부(151)는 제1 입력광 신호의 광경로가 소정의 규칙에 따라 반복하여 쉬프트된 복수의 주기 동안 추출한 데이터를 이용하여 객체의 깊이 정보를 획득한다. 이때, 제1 영상 획득부(151)는 제1 전기 신호를 통해 제1 주기 동안 추출한 데이터로부터 얻은 제1 영상, 상기 제2 주기 동안 추출한 데이터로부터 얻은 제2 영상, 제3 주기 동안 추출한 데이터로부터 얻은 제3 영상 및 제4 주기 동안 추출한 데이터로부터 얻은 제4 영상을 정합하여 객체의 깊이 정보를 획득할 수 있다.
그리고, 제2 영상 획득부(152)는 제2 전기 신호를 이용하여 객체의 2D 영상을 획득한다. 제2 영상 획득부(152)는 제2 입력광 신호의 광경로가 소정의 규칙에 따라 반복하여 쉬프트된 하나의 주기 동안 추출된 데이터를 이용하여 2D 영상을 획득할 수 있다. 이때, 제2 영상 획득부(152)는 제2 전기 신호를 통해 제1 서브 주기 동안 추출한 데이터로부터 얻은 제1 서브 영상, 제2 서브 주기 동안 추출한 데이터로부터 얻은 제2 서브 영상, 제3 서브 주기 동안 추출한 데이터로부터 얻은 제3 서브 영상 및 상기 제4 서브 주기 동안 추출한 데이터로부터 얻은 제4 서브 영상을 정합하여 객체의 2D 영상을 획득할 수 있다.
도 2는 카메라 모듈의 단면도의 한 예이다.
도 2를 참조하면, 카메라 모듈(300)은 렌즈 어셈블리(310), 이미지 센서(320) 및 인쇄회로기판(330)을 포함한다. 여기서, 렌즈 어셈블리(310)는 도 1의 렌즈부(120)에 대응하고, 이미지 센서(320)는 도 1의 이미지 센서부(130)에 대응할 수 있다. 그리고, 도 1의 영상 제어부(150) 등은 인쇄회로기판(330) 내에서 구현될 수 있다. 도시되지 않았으나, 도 1의 광출력부(110)는 인쇄회로기판(330) 상에서 이미지 센서(320)의 측면에 배치되거나, 카메라 모듈(300)의 외부, 예를 들어 카메라 모듈(300)의 측면에 배치될 수도 있다.
렌즈 어셈블리(310)는 렌즈(312), 렌즈 배럴(314), 렌즈 홀더(316) 및 IR 필터(318)를 포함할 수 있다.
렌즈(312)는 복수 매로 구성될 수 있으며, 1매로 구성될 수도 있다. 렌즈(312)가 복수 매로 구성될 경우 각 렌즈들은 중심축을 기준으로 정렬하여 광학계를 형성할 수 있다. 여기서, 중심축은 광학계의 광축(Optical axis)과 동일할 수 있다.
렌즈 배럴(314)은 렌즈 홀더(316)와 결합되며, 내부에 렌즈를 수용할 수 있는 공간이 마련될 수 있다. 렌즈 배럴(314)은 하나 또는 복수의 렌즈와 회전 결합될 수 있으나, 이는 예시적인 것이며, 접착제(예를 들어, 에폭시(epoxy) 등의 접착용 수지)를 이용한 방식 등 다른 방식으로 결합될 수 있다.
렌즈 홀더(316)는 렌즈 배럴(314)과 결합되어 렌즈 배럴(314)을 지지하고, 이미지 센서(320)가 탑재된 인쇄회로기판(330)에 결합될 수 있다. 렌즈 홀더(316)에 의하여 렌즈 배럴(314) 하부에 IR 필터(318)가 부착될 수 있는 공간이 형성될 수 있다. 렌즈 홀더(316)외 내주면에는 나선형 패턴이 형성될 수 있고, 이와 마찬가지로 외주면에 나선형 패턴이 형성된 렌즈 배럴(314)과 회전 결합할 수 있다. 그러나, 이는 예시적인 것이며, 렌즈 홀더(316)와 렌즈 배럴(314)은 접착제를 통해 결합되거나, 렌즈 홀더(316)와 렌즈 배럴(314)이 일체형으로 형성될 수도 있다.
렌즈 홀더(316)는 렌즈 배럴(314)과 결합되는 상부 홀더(316-1) 및 이미지 센서(320)가 탑재된 인쇄회로기판(330)과 결합되는 하부 홀더(316-2)로 구분될 수 있으며, 상부 홀더(316-1) 및 하부 홀더(316-2)는 일체형으로 형성되거나, 서로 분리된 구조로 형성된 후 체결 또는 결합되거나, 서로 분리되어 이격된 구조를 가질 수도 있다. 이때, 상부 홀더(316-1)의 직경은 하부 홀더(316-2)의 직경보다 작게 형성될 수 있다.
상기의 예시는 일 실시예에 불과하며, 렌즈부(120)는 카메라 모듈(100)로 입사되는 제1 입력광 신호 및 제2 입력광 신호를 집광하여 이미지 센서부(130)에 전달할 수 있는 다른 구조로 구성될 수도 있다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 이미지 센서를 설명하기 위한 도면이다.
이미지 센서(130)는 제1 입력광 신호 및 제2 입력광 신호를 흡수하여 제1 전기 신호 및 제2 전기 신호를 생성한다.
이를 위하여, 이미지 센서(130)는 CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor) 이미지 센서나 CCD(Charge Coupled Device) 이미지 센서로 구현될 수 있으며, 복수의 픽셀이 그리드 형태로 배열된 구조로 구성될 수 있다. 예를 들어, 도 3에서와 같이 320x240 해상도의 이미지 센서(130)의 경우 76,800개의 픽셀이 그리드 형태로 배열될 수 있다.
각 픽셀(132)은 제1 포토 다이오드 및 제1 트랜지스터를 포함하는 제1 수광부(132-1)와 제2 포토 다이오드 및 제2 트랜지스터를 포함하는 제2 수광부(132-2)를 포함할 수 있다.
복수의 픽셀 사이에는 도 3의 음영 부분과 같이 일정한 간격이 형성될 수 있다. 본 발명의 실시예에서는 픽셀에 인접한 일정 간격을 포함하여 1 픽셀로 설명하도록 한다.
이하에서는, 도 4 내지 도 15를 통해 본 발명의 실시예에 따른 카메라 모듈의 각 구성을 상세하게 살펴보도록 한다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 광출력부의 출력광 신호를 설명하기 위한 도면이다.
상기에서 살펴본 바와 같이, 제1 출력광 신호 및 제2 출력광 신호는 하나의 주기, 즉 하나의 노출 주기 동안 제1 출력광 신호와 제2 출력광 신호가 연속적으로 출력될 수 있다. 그리고, 복수의 노출 주기 동안 제1 출력광 신호 및 제2 출력광 신호는 반복적으로 출력될 수 있다. 즉, 제1 출력광 신호, 제2 출력광 신호, 제1 출력광 신호와 같은 패턴으로 출력될 수 있다.
이때, 제1 출력광 신호 및 제2 출력광 신호는 도 2에 도시된 것처럼, 서로 다른 주파수로 생성될 수 있다. 본 발명의 실시예에 따르면, 광출력부(110)는 도 2에서와 같이 노출 주기의 첫 절반은 주파수 f1인 제1 출력광 신호가 생성되도록 제어하고, 나머지 절반의 노출 주기는 주파수 f2인 제2 출력광 신호가 생성되도록 제어할 수 있다. 예를 들어, 광출력부(110)는 80.32MHz의 주파수를 가지는 제1 출력광 신호와 60.24MHz의 주파수를 가지는 제2 출력광 신호를 생성할 수 있다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 이미지 센서부의 제1 전기 신호 생성 과정을 설명하기 위한 도면이다.
본 발명의 실시예에 따르면, 이미지 센서(130)는 제1 입력광 신호를 수신하여 제1 전기 신호를 생성하는 과정과 제2 입력광 신호를 수신하는 제2 전기 신호를 생성하는 과정이 상이할 수 있다.
우선, 제1 입력광 신호를 수신하여 제1 전기 신호를 생성하는 과정을 살펴보면, 제1 수광부(132-1)는 제1 출력광 신호의 파형과 동일 위상에서 제1 입력광 신호를 수신한다. 즉, 광원이 켜진 시간에, 제1 포토 다이오드는 턴온(turn-on)되어 제1 입력광 신호를 흡수한다. 그리고, 광원이 꺼진 시간에, 제1 포토 다이오드는 턴오프(turn-off)되어 제1 입력광 흡수를 중단한다. 제1 포토 다이오드는 흡수한 제1 입력광 신호를 전류로 변환하여 제1 트랜지스터에 전달한다. 제1 트랜지스터는 전달받은 전류를 전기 신호로 변환하여 출력한다.
제2 수광부(132-2)는 출력광의 파형과 반대 위상에서 제1 입력광 신호를 수신한다. 즉, 광원이 켜진 시간에, 제2 포토 다이오드는 턴오프되어 제1 입력광 신호를 흡수한다. 그리고, 광원이 꺼진 시간에, 제2 포토 다이오드는 턴온되어 제1 입력광 신호의 흡수를 중단한다. 제2 포토 다이오드는 흡수한 제1 입력광 신호를 전류로 변환하여 제2 트랜지스터에 전달한다. 제2 트랜지스터는 전달받은 전류를 전기 신호로 변환한다.
이에 따라, 제1 수광부(132-1)는 In Phase 수신 유닛이라 할 수 있고, 제2 수광부(132-2)는 Out Phase 수신 유닛이라 할 수 있다. 이와 같이, 제1 수광부(132-1) 및 제2 수광부(132-2)가 시간 차를 두고 활성화되면, 객체와의 거리에 따라 수신되는 광량에 차이가 발생하게 된다. 예를 들어, 객체가 카메라 모듈(100) 바로 앞에 있는 경우(즉, 거리=0인 경우)에는 조명부(110)로부터 광이 출력된 후 객체에서 반사되어 오는데 걸리는 시간이 0이므로, 광원의 점멸 주기는 그대로 광의 수신 주기가 된다. 이에 따라, 제1 수광부(132-1)만이 빛을 수신하게 되고, 제2 수광부(132-2)는 빛을 수신하지 못하게 된다. 다른 예로, 객체가 카메라 모듈(100)과 소정 거리 떨어져 위치하는 경우, 조명부(110)로부터 광이 출력된 후 객체에서 반사되어 오는데 시간이 걸리므로, 광원의 점멸 주기는 광의 수신 주기와 차이가 나게 된다. 이에 따라, 제1 수광부(132-1)와 제2 수광부(132-2)가 수신하는 빛의 양에 차이가 발생하게 된다. 즉, 제1 수광부(132-1)와 제2 수광부(132-2)에 입력된 광량의 차를 이용하여 객체의 거리가 연산될 수 있다.
제1 수광부(132-1)와 제2 수광부(132-2)의 트랜지스터를 통해 생성된 전기 신호는 이미지 센서부(130)는 서로 다른 위상차를 가지는 복수의 참조 신호를 통해 각 참조 신호에 대응하는 제1 전기 신호를 생성할 수 있다. 도 5에 나타난 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 제1 입력광 신호에 대응하는 제1 전기 신호 생성시, 4개의 참조 신호(C1 내지 C4)가 이용될 수 있다. 각 참조 신호(C1 내지 C4)는 출력광 신호와 동일한 주파수를 가지되, 서로 90도 위상차를 가질 수 있다. 4개의 참조 신호 중 하나(C1)는 출력광 신호와 동일한 위상을 가질 수 있다. 입력광 신호는 출력광 신호가 객체에 입사된 후 반사되어 돌아오는 거리만큼 위상이 지연된다. 이미지 센서부(130)는 입력광 신호와 각 참조 신호를 각각 믹싱(mixing)한다. 그러면, 이미지 센서부(130)는 도 5의 음영 부분에 대응하는 제1 전기 신호를 각 참조 신호별로 생성할 수 있다.
이때, 참조 신호의 주파수는 광출력부(110)로부터 출력된 제1 출력광 신호의 주파수와 동일하게 설정될 수 있다. 그리고 이미지 센서부(130)는 흡수한 제2 입력광 신호를 전기 신호로 변환할 수 있다. 전기 신호는 각 참조 신호에 대응하는 전하량이나 전압에 관한 정보를 포함할 수 있다.
다음으로, 제2 입력광 신호를 수신하여 제1 전기 신호를 생성하는 과정을 살펴보면, 제2 전기 신호가 생성되는 과정은 제1 전기 신호가 생성되는 과정과 상이할 수 있다. 제2 전기 신호는 깊이 영상이 아닌 2D 영상 획득에 이용되는 전기 신호이므로 참조 신호를 이용하지 않을 수 있으며, 제1 수광부(132-1) 및 제2 수광부(132-2)가 동시에 제2 입력광 신호를 흡수할 수도 있다. 다만, 제1 수광부(132-1) 및 제2 수광부(132-2)는 틸팅부(140)의 틸팅 주기에 동기화 되어 빛을 수광할 수 있다.
다음으로, 도 6 내지 도 8을 통해 본 발명의 실시예에 따른 틸팅부에 대해 상세하게 살펴보도록 한다.
도 6은 틸팅부에 의한 입력광 신호의 광경로 변경을 설명하기 위한 도면이다.
도 9의 (a)에서 실선으로 표시된 부분은 입력광 신호의 현재 광경로를 나타내고, 점선으로 표시된 부분은 변경된 광경로를 나타낸다. 현재 광경로에 대응하는 노출주기가 종료되면, 틸팅부(140)는 입력광 신호의 광경로를 점선과 같이 변경할 수 있다. 그러면, 입력광 신호의 경로는 현재 광경로에서 서브픽셀만큼 이동된다. 예를 들어, 도 9의 (a)에서와 같이, 틸팅부(140)가 현재 광경로를 0.173도 우측으로 이동시키면, 이미지 센서부(130)에 입사되는 입력광 신호는 우측으로 0.5 픽셀(서브 픽셀)만큼 이동할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 틸팅부(140)는 기준 위치에서 시계방향으로 입력광 신호의 광경로를 변경할 수 있다. 예를 들어, 도 9의 (b)에 나타난 바와 같이, 틸팅부(140)는 제1 노출주기가 종료된 후, 제2 노출주기에 입력광 신호의 광경로를 이미지 센서부(130) 기준 0.5 픽셀만큼 우측으로 이동시킨다. 그리고 틸팅부(140)는 제3 노출주기에 입력광 신호의 광경로를 이미지 센서부(130) 기준 0.5 픽셀만큼 아래측으로 이동시킨다. 그리고 틸팅부(140)는 제4 노출주기에 입력광 신호의 광경로를 이미지 센서부(130) 기준 0.5 픽셀만큼 좌측으로 이동시킨다. 그리고 틸팅부(140)는 제5 노출주기에 입력광 신호의 광경로를 이미지 센서부(130) 기준 0.5 픽셀만큼 윗측으로 이동시킨다. 즉, 4개 노출주기로 틸팅부(140)는 입력광 신호의 광경로를 원위치로 이동시킬 수 있다. 이는 출력광 신호의 광경로를 이동시킬 때도 동일하게 적용될 수 있는바, 상세한 설명은 생략하도록 한다. 또한 광경로의 변경 패턴이 시계방향인 것은 일례에 불과하며, 반시계 방향일 수도 있다.
한편, 서브픽셀은 0픽셀보다 크고 1픽셀보다 작을 수 있다. 예를 들어, 서브픽셀은 0.5 픽셀의 크기를 가질 수 있으며, 1/3 픽셀의 크기를 가질 수도 있다. 서브픽셀의 크기는 당업자에 의해 설계변경이 가능하다.
도 7 및 도 8은 IR 필터의 기울기 제어에 따라 이미지 센서 상에 입력되는 영상 프레임이 쉬프트되는 효과를 설명하기 위한 도면이다. 도 7은 IR 필터의 두께가 0.21mm이고, IR의 굴절율이 1.5인 조건에서 틸팅 각도에 대한 쉬프트 거리를 시뮬레이션한 결과이다.
도 7 및 하기 수학식 1을 참조하면, IR 필터(318)의 기울기(θ1)와 쉬프트 거리는 다음의 관계를 가질 수 있다.
Figure 112018094814841-pat00001
여기서, θ2는 수학식 2와 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112018094814841-pat00002
그리고, θ1는 IR 필터(318)의 기울기, 즉 틸팅 각도이고, ng는 IR 필터(318)의 굴절율이며, d는 IR 필터(318)의 두께이다. 예를 들어, 수학식 1 및 2를 참조하면, 이미지 센서 상에 입력되는 영상 프레임을 7㎛만큼 쉬프트시키기 위하여 IR 필터(318)는 약 5 내지 6°만큼 틸팅될 수 있다. 이때, IR 필터(318)의 수직 변위는 약 175 내지 210㎛가 될 수 있다.
이와 같이, IR 필터(318)의 기울기를 제어하면, 이미지 센서(320) 자체를 틸팅하지 않고도 쉬프트된 이미지 데이터를 얻는 것이 가능하다.
본 발명의 실시예에 따르면, IR 필터의 기울기를 제어하기 위한 틸팅부(140)는 IR 필터와 직접 또는 간접으로 연결되는 액추에이터(actuator)를 포함할 수 있으며, 액추에이터는 MEMS(Micro Electro Mechanical Systems), VCM(Voice Coil Motor) 및 압전 소자 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
이때, 전술한 바와 같이, 서브픽셀의 크기는 0픽셀보다 크고 1픽셀보다 작으며, 이러한 범위 내에서 입력광 신호를 쉬프트시키기 위해서는 매우 정밀한 제어가 필요하다. 액추에이터를 이용하여 IR 필터를 틸팅시키는 경우, 액추에이터의 정밀도에 따라 틸팅된 IR 필터의 기울기 및 입력광 신호의 쉬프트 값이 미리 설정된 값과 달라질 수 있다. 특히, 액추에이터 작동 중 에러 또는 고장이 발생하거나, 액추에이터의 사용 연한이 오래되어 부품 간의 정렬이 어긋날 경우, IR 필터의 기울기 및 입력광 신호의 쉬프트 값의 오차가 매우 커지게 될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 틸팅부(140)는 소프트웨어적으로 또는 하드웨어적으로 입력광 신호의 광경로를 변경할 수 있다. 이상에서 틸팅부(140)가 IR 필터의 기울기를 제어하는 방법으로 입력광 신호의 광경로를 쉬프트시키는 것을 예로 들어 설명하고 있으나, 이로 제한되는 것은 아니다.
도 9는 본 발명의 실시예에 따른 틸팅부가 입력광 신호의 광경로를 쉬프트시키는 소정의 규칙을 설명하기 위한 도면이다.
본 발명의 실시예에서, 틸팅부(140)는 제1 입력광 신호 및 제2 입력광 신호의 광경로를 소정의 규칙에 따라 반복하여 쉬프트시킬 수 있다.
앞서 살펴본 것처럼, 광출력부(110)는 하나의 주기 동안 제1 출력광 신호 및 제2 출력광 신호를 순차적으로 출력하므로, 제1 입력광 신호 및 제2 입력광 신호 역시 하나의 주기, 즉 하나의 노출 주기 동안 순차적으로 렌즈부(130)로 입력된다.
예를 들어, 도 9에서와 같이 하나의 노출 주기가 8개의 서브 주기로 구성된다고 가정하면, 제1 내지 제4 서브 주기에는 제1 입력광 신호가 입력되고, 제5 내지 제8 서브 주기에는 제2 입력광 신호가 입력될 수 있다.
틸팅부(140)에 의해 제1 입력광 신호는 소정의 규칙에 따라 제1 주기에는 제1 방향으로 미리 설정된 쉬프트 값에 기초하여 쉬프트되고, 제2 주기에는 제1 방향에 수직인 제2 방향으로 미리 설정된 쉬프트 값에 기초하여 쉬프트되며, 제3 주기에는 제2 방향에 수직인 제3 방향으로 미리 설정된 쉬프트 값에 기초하여 쉬프트되고, 제4 주기에는 제3 방향에 수직인 제4 방향으로 미리 설정된 쉬프트 값에 기초하여 쉬프트될 수 있다.
도 9를 참조하여 예를 들면, 틸팅부(140)는 제1 입력광 신호의 광경로를 제1 주기에는 제1 방향으로 이미지 센서부(130)의 0 픽셀보다 크고 1 픽셀보다 작은 서브픽셀 단위로 쉬프트시킨 후, 제2 주기에는 제1 방향에 대하여 수직인 제2 방향으로 서브픽셀 단위로 쉬프트시키고, 다시 제3 주기에는 제2 방향에 대하여 수직인 제3 방향으로 서브픽셀 단위로 쉬프트시킨 후 제4 주기에는 제3 방향에 대하여 수직인 제4 방향으로 서브픽셀 단위로 쉬프트시킬 수 있으며, 해당 과정을 반복할 수 있다. 본 명세서에서, 서브픽셀은 0 픽셀보다 크고 1 픽셀보다 작은 단위를 의미할 수 있다. 본 명세서에서 제1 주기, 제2 주기, 제3 주기 및 제4 주기 각각 동안 제1 방향, 제2 방향, 제3 방향 및 제4 방향 각각으로 쉬프트된 정도를 서브픽셀 쉬프트 값 또는 쉬프트 값으로 표현할 수 있다. 예를 들어, 하나의 픽셀이 2*2의 4개의 서브픽셀을 포함하고, 하나의 서브픽셀 단위로 쉬프트되는 경우, 쉬프트 값은 1 서브픽셀 또는 0.5 픽셀 등으로 표현될 수 있다.
틸팅부(140)에 의해 제2 입력광 신호의 광경로는 소정의 규칙에 따라, 하나의 주기의 제1 서브 주기 동안 제1 방향으로 미리 설정된 쉬프트 값에 기초하여 쉬프트되고, 하나의 주기의 제2 서브 주기 동안 제1 방향에 수직인 제2 방향으로 미리 설정된 쉬프트 값에 기초하여 쉬프트되며, 하나의 주기의 제3 서브 주기 동안 제2 방향에 수직인 제3 방향으로 미리 설정된 쉬프트 값에 기초하여 쉬프트되고, 하나의 주기의 제4 주기 동안 제3 방향에 수직인 제4 방향으로 미리 설정된 쉬프트 값에 기초하여 쉬프트될 수 있다.
도 9를 참조하여 예를 들면, 틸팅부(140)는 제1 입력광 신호의 광경로를 제1 주기의 제5 서브 주기에는 제1 방향으로 이미지 센서부(130)의 0 픽셀보다 크고 1 픽셀보다 작은 서브픽셀 단위로 쉬프트시킨 후, 제1 주기의 제6 서브 주기에는 제1 방향에 대하여 수직인 제2 방향으로 서브픽셀 단위로 쉬프트시키고, 다시 제1 주기의 제7 주기에는 제2 방향에 대하여 수직인 제3 방향으로 서브픽셀 단위로 쉬프트시킨 후 제1 주기의 제8 주기에는 제3 방향에 대하여 수직인 제4 방향으로 서브픽셀 단위로 쉬프트시킬 수 있으며, 해당 과정을 각 노출 주기마다 반복할 수 있다. 본 명세서에서, 서브픽셀은 0 픽셀보다 크고 1 픽셀보다 작은 단위를 의미할 수 있다. 본 명세서에서 제1 주기, 제2 주기, 제3 주기 및 제4 주기 각각 동안 제1 방향, 제2 방향, 제3 방향 및 제4 방향 각각으로 쉬프트된 정도를 서브픽셀 쉬프트 값 또는 쉬프트 값으로 표현할 수 있다. 예를 들어, 하나의 픽셀이 2*2의 4개의 서브픽셀을 포함하고, 하나의 서브픽셀 단위로 쉬프트되는 경우, 쉬프트 값은 1 서브픽셀 또는 0.5 픽셀 등으로 표현될 수 있다.
이하에서는 도 10 내지 도 15를 통해 본 발명의 실시예에 따른 영상 제어부의 깊이 정보 및 2D 영상 획득에 대해 구체적으로 살펴본다.
앞서 살펴본 바와 같이, 영상 제어부(150)는 이미지 센서부(130)로부터 수신한 제1 전기신호를 이용하여 제1 출력광 신호와 제1 입력광 신호 사이의 위상차를 계산하고, 위상차를 이용하여 객체와 카메라 모듈(100) 사이의 거리를 계산한다.
구체적으로, 영상 제어부(150)는 제1 전기신호의 전하량 정보를 이용하여 제1 출력광 신호와 제1 입력광 신호 사이의 위상차를 계산할 수 있다.
상기에서 살펴본 바와 같이, 제1 출력광 신호의 주파수마다 전기신호는 4개가 생성될 수 있다. 따라서, 영상 제어부(150)는 아래의 수학식 3을 이용하여 제1 출력광 신호와 제1 입력광 신호 사이의 위상차(td)를 계산할 수 있다.
Figure 112018094814841-pat00003
여기서, Q1 내지 Q4는 4개의 전기 신호 각각의 전하 충전량이다. Q1은 제1 출력광 신호와 동일한 위상의 참조신호에 대응하는 전기신호의 전하량이다. Q2는 제1 출력광 신호보다 위상이 180도 느린 참조신호에 대응하는 전기신호의 전하량이다. Q3는 제1 출력광 신호보다 위상이 90도 느린 참조신호에 대응하는 전기신호의 전하량이다. Q4는 제1 출력광 신호보다 위상이 270도 느린 참조신호에 대응하는 전기신호의 전하량이다.
그러면, 영상 제어부(150)는 제1 출력광 신호와 제1 입력광 신호의 위상차를 이용하여 객체와 카메라 모듈(100) 사이의 거리를 계산할 수 있다. 이때, 영상 제어부(150)는 아래의 수학식 4를 이용하여 객체와 카메라 모듈(100) 사이의 거리(d)를 계산할 수 있다.
Figure 112018094814841-pat00004
여기서, c는 빛의 속도이고, f는 제1 출력광의 주파수이다.
본 발명의 실시예에 따르면, 카메라 모듈(100)로부터 ToF IR 영상 및 깊이(depth) 영상을 얻을 수 있다.
이와 관련하여 더욱 구체적으로 설명하면, 도 10에 예시된 바와 같이 본 발명의 실시예에 따른 카메라 모듈(100)로부터 4개의 위상에 대한 로우(raw) 영상을 얻을 수 있다. 여기서, 4개의 위상은 0°, 90°, 180°, 270°일 수 있으며, 각 위상에 대한 로우 영상은 위상 별로 디지털화된 픽셀 값으로 이루어진 영상일 수 있고, 위상 영상, 위상 IR 영상 등과 혼용될 수 있다.
도 10의 4 개의 위상 영상을 이용하여 수학식 5와 같이 연산하면, 도 5의 ToF IR 영상인 앰플리튜드 영상(amplitude image)을 얻을 수 있다.
Figure 112018094814841-pat00005
여기서, Raw(x0)은 phase 0°에서 센서가 받아들이는 픽셀 별 데이터 값이고, Raw(x90)은 phase 90°에서 센서가 받아들이는 픽셀 별 데이터 값이며, Raw(x180)은 phase 180°에서 센서가 받아들이는 픽셀 별 데이터 값이고, Raw(x270)은 phase 270°에서 센서가 받아들이는 픽셀 별 데이터 값일 수 있다.
또는, 도 10의 4개의 위상 영상을 이용하여 수학식 6와 같이 연산하면, 다른 ToF IR 영상인 인텐시티 영상(intensity image)을 얻을 수도 있다.
Figure 112018094814841-pat00006
여기서, Raw(x0)은 phase 0°에서 센서가 받아들이는 픽셀 별 데이터 값이고, Raw(x90)은 phase 90°에서 센서가 받아들이는 픽셀 별 데이터 값이며, Raw(x180)은 phase 180°에서 센서가 받아들이는 픽셀 별 데이터 값이고, Raw(x270)은 phase 270°에서 센서가 받아들이는 픽셀 별 데이터 값일 수 있다.
이와 같이, ToF IR 영상은 4 개의 위상 영상 중 2개씩 서로 빼주는 과정을 통하여 생성되는 영상으로, 이러한 과정에서 외부 광(background light)이 제거될 수 있다. 이에 따라, ToF IR 영상에는 광원이 출력한 파장대의 신호만 남게 되어, 객체에 대한 IR 감도가 높아지고, 노이즈가 현저하게 줄어들 수 있다.
본 명세서에서, ToF IR 영상은 앰플리튜드(amplitude) 영상 또는 인텐시티(intensity) 영상을 의미할 수 있으며, 인텐시티 영상은 컨피던스(confidence) 영상과 혼용될 수 있다. 도 7에 도시된 바와 같이, ToF IR 영상은 그레이 영상일 수 있다.
한편, 도 10의 4개의 위상 영상을 이용하여 수학식 7 및 수학식 8과 같이 연산하면, 도 11의 깊이 영상도 얻을 수 있다.
Figure 112018094814841-pat00007
Figure 112018094814841-pat00008
또한, 영상 제어부(150)는 이미지 센서부(130)로부터 수신한 제2 전기신호를 이용하여 객체의 2D 영상을 획득할 수 있다.
앞서 살펴본 것처럼, 틸팅부(140)는 하나의 주기의 서브 주기마다 제2 입력광 신호를 틸팅하고, 이에 동기화되어 이미지 센서부(130)가 제2 전기신호를 생성하므로, 제2 입력광 신호에 대응하는 제2 전기신호는 복수의 신호를 포함할 수 있다. 예를 들어, 제2 입력광 신호가 4개의 서브 주기 동안 입력된다면, 제2 전기신호는 4개의 전기 신호로 구성될 수 있다.
영상 제어부(150)는 각 서브 주기마다 생성된 각각의 전기신호를 통해 복수의 서브프레임을 생성할 수 있다. 예를 들어, 제2 전기 신호가 4개의 서브 주기에 대응해 4개의 전기 신호로 구성될 경우, 영상 제어부(150)는 4개의 서브프레임을 생성할 수 있다.
앞서, 살펴본 하나의 주기에서 생성된 깊이 정보나 하나의 주기에서 생성된 복수의 서브프레임은 자체만으로 깊이 영상이나 2D 영상으로 이용할 수 있다. 하지만, 이미지 센서(130)의 해상도가 낮은 경우 상기의 깊이 영상이나 2D 영상의 해상도가 낮아지는 문제점이 있다. 따라서, 본 발명의 실시예에 따른 영상 제어부(150)는 복수의 저해상 깊이 영상과 복수의 저해상 2D 영상을 정합하여 하나의 고해상 깊이 영상 및 고해상 2D 영상을 생성한다.
구체적으로, 영상 제어부는 제1 입력광 신호의 광경로가 상기 소정의 규칙에 따라 반복하여 쉬프트된 복수의 주기 동안 추출한 데이터를 이용하여 상기 객체의 깊이 정보를 획득한다. 영상 제어부는 제1 전기 신호를 통해 상기 제1 주기 동안 추출한 데이터로부터 얻은 제1 영상, 제2 주기 동안 추출한 데이터로부터 얻은 제2 영상, 제3 주기 동안 추출한 데이터로부터 얻은 제3 영상 및 제4 주기 동안 추출한 데이터로부터 얻은 제4 영상을 정합하여 객체의 깊이 정보를 획득한다.
또한, 영상 제어부는, 제2 입력광 신호의 광경로가 소정의 규칙에 따라 반복하여 쉬프트된 하나의 주기 동안 추출된 데이터를 이용하여 2D 영상을 획득한다. 영상 제어부는 제2 전기 신호를 통해 제1 서브 주기 동안 추출한 데이터로부터 얻은 제1 서브 영상, 제2 서브 주기 동안 추출한 데이터로부터 얻은 제2 서브 영상, 제3 서브 주기 동안 추출한 데이터로부터 얻은 제3 서브 영상 및 제4 서브 주기 동안 추출한 데이터로부터 얻은 제4 서브 영상을 정합하여 객체의 2D 영상을 획득할 수 있다.
본 발명의 실시예에서는 깊이 영상 및 2D 영상의 해상도를 높이기 위하여, 슈퍼 레졸루션(Super Resolution, SR) 기법을 이용하고자 한다. SR 기법은 복수의 저해상 영상으로부터 고해상 영상을 얻는 기법으로, SR 기법의 수학적 모델은 수학식 9와 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112018094814841-pat00009
여기서, 1≤k≤p이고, p는 저해상 영상의 개수이며, yk는 저해상 영상(=[yk,1, yk,2, ?, yk,M]T, 여기서, M=N1*N2) Dk는 다운 샘플링(down sampling) 매트릭스, Bk는 광학 흐림(blur) 매트릭스, Mk는 영상 왜곡(warping) 매트릭스, x는 고해상 영상(=[x1, x2, ?, xN]T, 여기서, N=L1N1*L2N2), nk는 노이즈를 나타낸다. 즉, SR 기법에 따르면, yk에 추정된 해상도 열화 요소들의 역함수를 적용하여 x를 추정하는 기술을 의미한다. SR 기법은 크게 통계적 방식과 멀티프레임 방식으로 나뉠 수 있으며, 멀티프레임 방식은 크게 공간 분할 방식과 시간 분할 방식으로 나뉠 수 있다. 깊이 이미지 획득을 위하여 SR 기법을 이용하는 경우, 수학식 9의 Mk의 역함수가 존재하지 않기 때문에, 통계적 방식이 시도될 수 있다. 다만, 통계적 방식의 경우, 반복 연산 과정이 필요하므로, 효율이 낮은 문제가 있다.
이를 해결하기 위하여, 본 발명은 틸팅부(140)를 통해 소정의 규칙에 따라 미리 설정된 쉬프트 값만큼 제1 입력광 신호 및 제2 입력광 신호의 광경로를 변경하여 저해상의 이미지 정보를 획득하고 있으므로, 통계적 방식을 이용하지 않더라도 수학식 9의 Mk의 역함수를 정확하게 산출할 수 있다.
도 13 및 도 14는 본 발명의 실시예에 따른 SR 기법을 설명하기 위한 도면이다. 도 13 및 도 14는 저해상의 깊이 정보를 이용하여 고해상의 깊이 정보를 획득하는 과정을 예시로 나타낸다.
도 13을 참조하면, 영상 제어부(150)는 동일한 노출 주기, 즉 동일한 프레임에서 생성된 복수의 저해상 서브프레임을 이용하여 복수의 저해상 깊이 정보를 추출할 수 있다. 그리고, 영상 제어부(150)는 복수의 저해상 깊이 정보의 픽셀값을 재배치하여 고해상 깊이 정보를 추출할 수 있다. 여기서 복수의 저해상 깊이 정보에 대응하는 제1 입력광 신호의 광경로는 서로 상이할 수 있다.
예를 들어, 영상 제어부(150)는 제1 전기신호에 포함된 복수의 전기신호를 이용하여 1-1 내지 4-4의 저해상 서브프레임을 생성할 수 있다. 저해상 서브프레임 1-1 내지 1-4는 제1 노출 주기에서 생성된 저해상 서브프레임이다. 저해상 서브프레임 2-1 내지 2-4는 제2 노출 주기에서 생성된 저해상 서브프레임이다. 저해상 서브프레임 3-1 내지 3-4는 제3 노출 주기에서 생성된 저해상 서브프레임이다. 저해상 서브프레임 4-1 내지 4-4는 제4 노출 주기에서 생성된 저해상 서브프레임이다. 그러면, 영상 제어부(150)는 각 노출 주기에서 생성된 복수의 저해상 서브프레임에 깊이 정보 추출 기법을 적용하여 저해상 깊이 정보 LRD-1 내지 LRD-4를 추출한다. 저해상 깊이 정보 LRD-1은 서브프레임 1-1 내지 1-4를 이용하여 추출된 저해상 깊이 정보이다. 저해상 깊이 정보 LRD-2는 서브프레임 2-1 내지 2-4를 이용하여 추출된 저해상 깊이 정보이다. 저해상 깊이 정보 LRD-3은 서브프레임 3-1 내지 3-4를 이용하여 추출된 저해상 깊이 정보이다. 저해상 깊이 정보 LRD-4은 서브프레임 4-1 내지 4-4를 이용하여 추출된 저해상 깊이 정보이다. 그리고, 영상 제어부(150)는 저해상 깊이 정보 LRD-1 내지 LRD-4의 픽셀값을 재배치하여 고해상 깊이 정보 HRD을 추출한다.
다른 실시예로 도 14를 참조하면, 영상 제어부(150)는 동일한 참조 신호에 대응하는 복수의 서브프레임의 픽셀값을 재배치하여 고해상 서브프레임을 생성할 수 있다. 이때, 복수의 서브프레임은 대응하는 제1 입력광 신호의 광경로가 상이하다. 그리고, 영상 제어부(150)는 복수의 고해상 서브프레임을 이용하여 고해상 깊이 정보를 추출할 수 있다.
예를 들어, 도 14에서, 영상 제어부(150)는 제1 전기신호에 포함된 복수의 전기신호를 이용하여 1-1 내지 4-4의 저해상 서브프레임을 생성한다. 저해상 서브프레임 1-1 내지 1-4는 제1 노출 주기에서 생성된 저해상 서브프레임이다. 저해상 서브프레임 2-1 내지 2-4는 제2 노출 주기에서 생성된 저해상 서브프레임이다. 저해상 서브프레임 3-1 내지 3-4는 제3 노출 주기에서 생성된 저해상 서브프레임이다. 저해상 서브프레임 4-1 내지 4-4는 제4 노출 주기에서 생성된 저해상 서브프레임이다. 여기서, 저해상 서브프레임 1-1, 2-1, 3-1, 4-1는 동일한 참조 신호 C1에 대응하되, 서로 다른 광경로에 대응한다. 그러면, 영상 제어부(150)는 저해상 서브프레임 1-1, 2-1, 3-1, 4-1의 픽셀값을 재배치하여 고해상 서브프레임 H-1을 생성할 수 있다. 픽셀값 재배치를 통해, 고해상 서브프레임 H-1 내지 H-4가 생성되면, 영상 제어부는 고해상 서브프레임 H-1 내지 H-4에 깊이 정보 추출 기법을 적용하여 고해상 깊이 정보 HRD를 추출할 수 있다.
한편, 영상 제어부(150)는 동일한 노출 주기, 즉 동일한 프레임에서 생성된 복수의 저해상 서브프레임을 이용하여 하나의 고해상 2D 영상을 획득할 수 있다. 예를 들어, 영상 제어부(150)는 제2 전기신호에 포함된 복수의 전기신호를 이용하여 복수의 저해상 서브 프레임, 즉 서브 영상을 생성한 후, 이를 정합하여 하나의 고해상 2D 영상을 획득할 수 있다.
상기에서 살펴본 바와 같이, 깊이 영상의 경우 복수 주기에서 생성된 깊이 정보를 정합하여 하나의 깊이 정보를 획득하므로, 획득하는 깊이 정보가 카메라 모듈(100)의 촬영 속도에 비해 적을 수 있다. 예를 들어, 4개 주기의 깊이 정보를 정합하여 하나의 깊이 정보를 획득하는 경우, 100fps의 카메라 모듈은 1초당 25장의 고해상 깊이 정보를 획득할 수 있다.
반면, 2D 영상의 경우, 하나의 주기에서 생성된 복수의 서브 영상을 정합하여 하나의 고해상 2D 영상을 획득하므로, 획득하는 2D 영상이 카메라 모듈(100)의 촬영 속도와 동일할 수 있다. 예를 들어, 100fps의 카메라 모듈은 1초당 100장의 고해상 2D 영상을 획득할 수 있다.
도 15는 본 발명의 실시예에 따른 픽셀값 배치 과정을 설명하기 위한 도면이다.
여기서, 4개의 4x4 크기의 저해상 영상을 이용하여 1개의 8x8 크기의 고해상 영상을 생성하는 것을 가정한다. 이때, 고해상 픽셀 그리드는 8x8의 픽셀을 가지며, 이는 고해상 영상의 픽셀과 동일하다. 여기서 저해상 영상은 저해상 서브프레임 및 저해상 깊이 정보를 포함하는 의미일 수 있고, 고해상 영상은 고해상 서브프레임 및 고해상 깊이 정보를 포함하는 의미일 수 있다.
도 15에서 제1 내지 4 저해상 영상은 0.5 픽셀 크기의 서브 픽셀 단위로 광경로가 이동되어 촬영된 영상이다. 영상 제어부(150)는 광경로가 이동하지 않은 제1 저해상 영상을 기준으로 광경로가 이동한 방향에 따라 제2 내지 4 저해상 영상의 픽셀값을 고해상 영상에 맞게 배치한다.
구체적으로 제2 저해상 영상은 제1 저해상 영상으로부터 서브픽셀만큼 우측으로 이동한 영상이다. 그러므로, 제1 저해상 영상의 각 픽셀(A) 우측에 위치한 픽셀에는 제2 저해상 영상의 픽셀(B)이 배치된다.
제3 저해상 영상은 제2 저해상 영상으로부터 서브픽셀만큼 아래측으로 이동한 영상이다. 그러므로, 제2 저해상 영상의 각 픽셀(B) 아래에 위치한 픽셀에는 제3 저해상 영상의 픽셀(C)이 배치된다.
제4 저해상 영상은 제3 저해상 영으로부터 서브픽셀만큼 좌측으로 이동한 영상이다. 그러므로, 제3 저해상 영상의 픽셀(C) 좌측에 위치한 픽셀에는 제4 저해상 영상의 픽셀(D)이 배치된다.
고해상 픽셀 그리드에 제1 내지 제4 저해상 영상의 픽셀값이 모두 재배치되면, 저해상 영상보다 해상도가 4배 증가한 고해상 영상 프레임이 생성된다.
한편, 영상 제어부(150)는 배치되는 픽셀값에 가중치를 적용할 수 있다. 이때, 가중치는 서브픽셀의 크기나 광경로의 이동 방향에 따라 다르게 설정될 수 있으며, 각 저해상 영상 별로 다르게 설정될 수 있다.
한 실시예에 따르면, 틸팅부(140)는 렌즈 어셈블리, 예를 들어 렌즈 어셈블리에 포함된 IR 필터(도 2의 318)의 기울기를 제어하는 방법으로 입력광 신호를 쉬프트시키며, 이에 따라 서브픽셀만큼 쉬프트된 데이터를 얻을 수 있다.
도 16은 본 발명의 한 실시예에 따른 카메라 장치의 깊이 정보 및 2D 영상 생성 방법을 나타내는 흐름도이다.
도 16을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 카메라 장치(100)의 영상 제어부(150)는 각 주기마다 8개의 서브 영상을 획득할 수 있으며, 이 중 4개의 서브 영상은 깊이 정보 생성에 이용되며, 나머지 4개는 2D 영상 생성에 이용될 수 있다.
우선, 영상 제어부(150)는 제1 주기에서 획득한 서브 영상(1-1 내지 1-4)을 이용하여 제1 영상을 획득한다(S1610). 그리고, 영상 제어부(150)는 제1 주기에서 획득한 서브 영상(1-5 내지 1-8)을 정합하여 제1 주기에서의 2D 영상을 획득한다(S1620).
다음으로, 영상 제어부(150)는 제2 주기에서 획득한 서브 영상(2-1 내지 2-4)을 이용하여 제2 영상을 획득한다(S1630). 그리고, 영상 제어부(150)는 제2 주기에서 획득한 서브 영상(2-5 내지 2-8)을 정합하여 제2 주기에서의 2D 영상을 획득한다(S1640).
다음으로, 영상 제어부(150)는 제3 주기에서 획득한 서브 영상(3-1 내지 3-4)을 이용하여 제3 영상을 획득한다(S1650). 그리고, 영상 제어부(150)는 제3 주기에서 획득한 서브 영상(3-5 내지 3-8)을 정합하여 제3 주기에서의 2D 영상을 획득한다(S1660).
다음으로, 영상 제어부(150)는 제4 주기에서 획득한 서브 영상(4-1 내지 4-4)을 이용하여 제4 영상을 획득한다(S1670). 그리고, 영상 제어부(150)는 제4 주기에서 획득한 서브 영상(4-5 내지 4-8)을 정합하여 제4 주기에서의 2D 영상을 획득한다(S1680).
그리고, 영상 제어부(150)는 제1 영상, 제2 영상, 제3 영상 및 제4 영상을 정합하여 하나의 깊이 정보를 생성한다. 이를 위하여, 제1 영상, 제2 영상, 제3 영상 및 제4 영상은 전술한 바와 같이, 슈퍼레졸루션 기법을 이용하여 하나의 깊이 정보 또는 깊이 이미지로 정합될 수 있다.
상기에서 설명한 바와 같이, 제1 영상은 제1 입력광 신호의 광경로가 제1 방향으로 미리 설정된 쉬프트 값에 기초하여 쉬프트된 제1 주기 동안 추출한 데이터로부터 얻은 이미지이고, 제2 영상은 제1 입력광 신호의 광경로가 제1 방향에 대하여 수직인 제2 방항으로 미리 설정된 쉬프트 값에 기초하여 쉬프트된 제2 주기 동안 추출한 데이터로부터 얻은 이미지이며, 제3 영상은 제1 입력광 신호의 광경로가 제2 방향에 대하여 수직인 제3 방항으로 미리 설정된 쉬프트 값에 기초하여 쉬프트된 제3 주기 동안 추출한 데이터로부터 얻은 이미지이고, 제4 영상은 제1 입력광 신호의 광경로가 제3 방향에 대하여 수직인 제4 방항으로 미리 설정된 쉬프트 값에 기초하여 쉬프트된 제4 주기 동안 추출한 데이터로부터 얻은 이미지일 수 있다.
그리고, 각 주기의 2D 영상 생성에 이용되는 서브 영상 중 서브 영상 (1-5, 2-5, 3-5, 4-5)는 제2 입력광 신호의 광경로가 제1 방향으로 미리 설정된 쉬프트 값에 기초하여 쉬프트된 제1 주기 동안 추출한 데이터로부터 얻은 이미지이고, 서브 영상 중 서브 영상 (1-5, 2-5, 3-5, 4-5)는 제2 입력광 신호의 광경로가 제1 방향에 대하여 수직인 제2 방항으로 미리 설정된 쉬프트 값에 기초하여 쉬프트된 제2 주기 동안 추출한 데이터로부터 얻은 이미지이며, 서브 영상 중 서브 영상 (1-5, 2-5, 3-5, 4-5)는 제2 입력광 신호의 광경로가 제2 방향에 대하여 수직인 제3 방항으로 미리 설정된 쉬프트 값에 기초하여 쉬프트된 제3 주기 동안 추출한 데이터로부터 얻은 이미지이고, 서브 영상 중 서브 영상 (1-5, 2-5, 3-5, 4-5)는 제2 입력광 신호의 광경로가 제3 방향에 대하여 수직인 제4 방항으로 미리 설정된 쉬프트 값에 기초하여 쉬프트된 제4 주기 동안 추출한 데이터로부터 얻은 이미지일 수 있다.
이상에서 실시예를 중심으로 설명하였으나 이는 단지 예시일 뿐 본 발명을 한정하는 것이 아니며, 본 발명이 속하는 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 본 실시예의 본질적인 특성을 벗어나지 않는 범위에서 이상에 예시되지 않은 여러 가지의 변형과 응용이 가능함을 알 수 있을 것이다. 예를 들어, 실시예에 구체적으로 나타난 각 구성 요소는 변형하여 실시할 수 있는 것이다. 그리고 이러한 변형과 응용에 관계된 차이점들은 첨부된 청구 범위에서 규정하는 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
100: 카메라 모듈 110: 광출력부
120: 렌즈부 130: 이미지 센서부
140: 틸팅부 150: 영상 제어부

Claims (9)

  1. 객체에 조사되는 제1 출력광 신호 및 제2 출력광 신호를 하나의 주기 동안 순차적으로 출력하는 광출력부;
    IR(InfraRed) 필터, 그리고 상기 IR 필터 상에 배치되는 적어도 1매의 렌즈를 포함하며, 상기 객체로부터 반사된 제1 입력광 신호 및 제2 입력광 신호를 집광하는 렌즈부;
    상기 렌즈부에 의하여 집광된 상기 제1 입력광 신호 및 제2 입력광 신호로부터 제1 전기 신호 및 제2 전기 신호를 생성하는 이미지 센서;
    상기 제1 입력광 신호 및 제2 입력광 신호의 광경로를 소정의 규칙에 따라 쉬프트시키는 틸팅부; 및
    상기 제1 출력광 신호 및 상기 제1 입력광 신호 간 위상 차와 상기 제1 전기 신호를 이용하여 상기 객체의 깊이 정보를 획득하고, 상기 제2 전기 신호를 이용하여 객체의 2D 영상을 획득하는 영상 제어부;를 포함하며,
    상기 틸팅부는 현재 상기 광경로에 대응하는 노출주기가 종료되는 경우 상기 광경로를 변경하고, 기준 위치에서 시계방향으로 상기 제1 입력광 신호 및 제2 입력광 신호의 상기 광경로를 변경하는 카메라 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 영상 제어부는,
    상기 제1 입력광 신호의 광경로가 상기 소정의 규칙에 따라 반복하여 쉬프트된 복수의 주기 동안 추출한 데이터를 이용하여 상기 객체의 깊이 정보를 획득하는 카메라 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 제1 입력광 신호의 광경로는,
    상기 소정의 규칙에 따라 제1 주기에는 제1 방향으로 미리 설정된 쉬프트 값에 기초하여 쉬프트되고, 제2 주기에는 상기 제1 방향에 수직인 제2 방향으로 상기 미리 설정된 쉬프트 값에 기초하여 쉬프트되며, 제3 주기에는 상기 제2 방향에 수직인 제3 방향으로 상기 미리 설정된 쉬프트 값에 기초하여 쉬프트되고, 제4 주기에는 상기 제3 방향에 수직인 제4 방향으로 상기 미리 설정된 쉬프트 값에 기초하여 쉬프트되는 카메라 장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 영상 제어부는,
    상기 제1 전기 신호를 통해 상기 제1 주기 동안 추출한 데이터로부터 얻은 제1 영상, 상기 제2 주기 동안 추출한 데이터로부터 얻은 제2 영상, 상기 제3 주기 동안 추출한 데이터로부터 얻은 제3 영상 및 상기 제4 주기 동안 추출한 데이터로부터 얻은 제4 영상을 정합하여 상기 객체의 깊이 정보를 획득하는 카메라 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 영상 제어부는,
    상기 제2 입력광 신호의 광경로가 상기 소정의 규칙에 따라 반복하여 쉬프트된 하나의 주기 동안 추출된 데이터를 이용하여 상기 2D 영상을 획득하는 카메라 장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 제2 입력광 신호의 광경로는,
    상기 소정의 규칙에 따라, 하나의 주기의 제1 서브 주기에는 제1 방향으로 미리 설정된 쉬프트 값에 기초하여 쉬프트되고, 하나의 주기의 제2 서브 주기에는 상기 제1 방향에 수직인 제2 방향으로 상기 미리 설정된 쉬프트 값에 기초하여 쉬프트되며, 하나의 주기의 제3 서브 주기에는 상기 제2 방향에 수직인 제3 방향으로 상기 미리 설정된 쉬프트 값에 기초하여 쉬프트되고, 하나의 주기의 제4 서브 주기에는 상기 제3 방향에 수직인 제4 방향으로 상기 미리 설정된 쉬프트 값에 기초하여 쉬프트되는 카메라 장치.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 영상 제어부는,
    상기 제2 전기 신호를 통해 상기 제1 서브 주기 동안 추출한 데이터로부터 얻은 제1 서브 영상, 상기 제2 서브 주기 동안 추출한 데이터로부터 얻은 제2 서브 영상, 상기 제3 서브 주기 동안 추출한 데이터로부터 얻은 제3 서브 영상 및 상기 제4 서브 주기 동안 추출한 데이터로부터 얻은 제4 서브 영상을 정합하여 상기 객체의 2D 영상을 획득하는 카메라 장치.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 광출력부는,
    제2 출력광 신호를 지속파(continuous wave)의 형태로 출력하는 카메라 장치.
  9. 제3항에 있어서,
    상기 미리 설정된 쉬프트 값은 0 픽셀보다 크고 1 픽셀보다 작은 카메라 장치.
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