KR102596435B1 - ToF 센서 장치 및 이를 이용한 거리 판단 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 ToF 센서 장치는 객체를 향하여 광을 방출하는 광원; 상기 광원이 상기 광을 연속파 모드로 방출하게 하는 제1 구동 신호를 출력하는 제1 구동부; 상기 광원이 상기 광을 펄스 모드로 방출하게 하는 제2 구동 신호를 출력하는 제2 구동부; 상기 제1 구동 신호 및 상기 제2 구동 신호 중 하나를 상기 광원에 선택적으로 전달하는 스위치; 및 상기 광원의 온도가 미리 정해진 온도 범위 이내에 있도록 상기 스위치를 제어하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

ToF 센서 장치 및 이를 이용한 거리 판단 방법{ToF sensor device and Method for determining distance using the same}
본 발명은 ToF(Time of Flight) 센서 장치 및 이를 이용한 거리 판단 방법에 관한 것으로, 상세하게는, 예를 들어, 모바일, 로봇, 자동차, 드론 등의 지능형 장치와 관련하여, 주위 환경의 실시간 3차원 인식 기술을 구현하기 위해 고해상도의 전방위 스캐닝이 가능한 ToF 센서 장치 및 이를 이용한 거리 판단 방법에 관한 것이다.
최근, 4차 산업 혁명이 주요 이슈가 됨에 따라, 주위 환경을 실시간으로 3차원적으로 인식할 수 있게 하는 ToF 센서 장치에 관한 관심이 높아지고 있다.
이러한 ToF 센서 장치는, 광원으로부터 연속파(continuous wave) 모드로 방출되는 광의 위상과 수광되는 반사광의 위상을 비교하여 거리를 감지하는 iToF(indirect ToF) 방식, 및 광원으로부터 펄스(pulse) 모드로 방출되는 광의 발광 시간과 반사광이 수광되는 수광 시간을 비교하여 거리를 감지하는 dToF(direct ToF) 방식이 있다. 일반적으로, iToF 방식은 근거리 해상도가 좋으며, dToF 방식은 원거리 측정 성능이 좋다.
그런데, 종래의 ToF 센서 장치는, 레이저와 같은 광원으로부터 방출되는 광의 세기가 광 방출 면(방출되는 광의 진행 방향에 직교하는 면)에 걸쳐 균일하지 않기 때문에, 복수의 렌즈가 광 방출 면에 걸쳐 배열된 렌즈 어레이(lense array) 또는 확산기(diffuser)를 통해 광의 세기를 균일화하고 있다. 그러나, 렌즈 어레이는 고가이며 장치의 두께를 증가시킨다. 또한, dToF 방식의 ToF 센서 장치는 광원으로부터 펄스 광을 방출하는데, 렌즈 어레이를 사용하는 경우, 펄스 확장(pulse broadening)으로 인한 근거리 해상도의 감소가 발생하는 문제점이 있다. 또한, 확산기를 사용하는 경우, 광 손실률이 매우 높기 때문에 측정 가능 거리가 크게 저하하는 문제점이 있다.
또한, 종래의 iToF 방식의 ToF 센서 장치는 근거리 해상도가 높으나 원거리 측정 성능은 낮으며, 종래의 dToF 방식의 ToF 센서 장치는 원거리 측정 성능이 높으나 근거리 해상도가 낮은 문제점이 있다. 또한, 애플(Apple) 사에서 출시한 ToF 센서 장치는, 홀로그램 광학계와 특수한 수직 캐비티 표면 광방출 레이저(VCSEL; Vertical Cavity Surface Emitting Laser)를 이용하여 발광 포인트를 개별적으로 스위칭함으로써 근거리 해상도를 높이고 있으나, 구조가 복잡하고 고가이며, 방출되는 광의 세기에 관한 프로파일(profile)이 균일하지 못하고, 광 손실이 상당히 발생하는 문제점이 있다.
본 발명의 목적은, 렌즈 어레이 및 확산기 등과 같은 추가적인 광학 소자가 없더라도, 광원으로부터 방출되는 광의 세기를 광 방출 면에 걸쳐 균일화함으로써, 장치를 소형화시키고 제조 비용을 낮출 수 있을 뿐만 아니라, 근거리 해상도와 원거리 측정 성능을 모두 높일 수 있는 ToF 센서 장치 및 이를 이용한 거리 판단 방법을 제공하는 데에 있다.
본 발명의 다른 목적은, 기존에 불가능했던 단일 모듈에서의 iToF/dToF 스위칭 방식의 센서 기술을 단순한 구조로 구현함으로써, 제조 비용이 낮고 안정적이며 고성능인 ToF 센서 장치 및 이를 이용한 거리 판단 방법을 제공하는 데에 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 실시예의 제1 특징에 따르는 ToF 센서 장치는 객체를 향하여 광을 방출하는 광원; 상기 광원이 상기 광을 연속파 모드로 방출하게 하는 제1 구동 신호를 출력하는 제1 구동부; 상기 광원이 상기 광을 펄스 모드로 방출하게 하는 제2 구동 신호를 출력하는 제2 구동부; 상기 제1 구동 신호 및 상기 제2 구동 신호 중 하나를 상기 광원에 선택적으로 전달하는 스위치; 및 상기 광원의 온도가 미리 정해진 온도 범위 이내에 있도록 상기 스위치를 제어하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 실시예의 제2 특징에 따르는 ToF 센서 장치는 객체를 향하여 광을 방출하는 광원; 상기 광원이 상기 광을 연속파 모드로 방출하게 하는 제1 구동 신호를 출력하는 제1 구동부; 상기 광원이 상기 광을 펄스 모드로 방출하게 하는 제2 구동 신호를 출력하는 제2 구동부; 상기 광원을 가열시키는 가열부 및 상기 광원을 냉각시키는 냉각부 중 하나 이상을 구비하는 가열/냉각 소자; 및 상기 광원의 온도가 미리 정해진 온도 범위 이내에 있도록 상기 가열/냉각 소자를 제어하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 실시예의 제3 특징에 따르는 ToF 센서 장치를 이용한 거리 판단 방법은 a) 광원, 제1 구동부, 제2 구동부, 스위치, ToF 센서, 및 제어부를 포함하는 ToF 센서 장치의 상기 제1 구동부에 의해, 상기 광원이 광을 연속파 모드로 방출하게 하는 제1 구동 신호를 출력하고, 상기 제2 구동부에 의해, 상기 광원이 광을 펄스 모드로 방출하게 하는 제2 구동 신호를 출력하는 단계; b) 상기 제어부에 의해, 상기 광원의 온도가 미리 정해진 온도 범위 이내에 있도록 상기 제1 구동 신호 및 상기 제2 구동 신호 중 하나를 상기 광원에 선택적으로 전달하는 상기 스위치를 제어하는 단계; 및 c) 상기 제어부에 의해, 상기 광이 객체에서 반사되어 상기 ToF 센서로 수광되는 반사광에 대한 감지 신호에 근거하여 상기 객체의 거리를 판단하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 실시예의 제4 특징에 따르는 ToF 센서 장치를 이용한 거리 판단 방법은 a) 광원, 제1 구동부, 제2 구동부, 가열/냉각 소자, ToF 센서, 및 제어부를 포함하는 ToF 센서 장치의 상기 제1 구동부에 의해, 상기 광원이 광을 연속파 모드로 방출하게 하는 제1 구동 신호를 출력하고, 상기 제2 구동부에 의해, 상기 광원이 광을 펄스 모드로 방출하게 하는 제2 구동 신호를 출력하는 단계; b) 상기 제어부에 의해, 상기 광원의 온도가 미리 정해진 온도 범위 이내에 있도록 상기 광원에 대한 가열 및 냉각 중 하나 이상을 수행하는 상기 가열/냉각 소자를 제어하는 단계; 및 c) 상기 제어부에 의해, 상기 광이 객체에서 반사되어 상기 ToF 센서로 수광되는 반사광에 대한 감지 신호에 근거하여 상기 객체의 거리를 판단하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 실시예에 따른 ToF 센서 장치 및 이를 이용한 거리 판단 방법을 사용하면 다음과 같은 효과가 달성된다.
1. 렌즈 어레이 및 확산기 등과 같은 추가적인 광학 소자가 없더라도, 광원으로부터 방출되는 광의 세기를 광 방출 면에 걸쳐 균일화함으로써, 장치를 소형화시키고 제조 비용을 낮출 수 있을 뿐만 아니라, 근거리 해상도와 원거리 측정 성능을 모두 높일 수 있다.
2. 기존에 불가능했던 단일 모듈에서의 iToF/dToF 스위칭 방식의 센서 기술을 단순한 구조로 구현함으로써, 제조 비용이 낮고 안정적이며 고성능인 ToF 센서 장치 및 이를 이용한 거리 판단 방법을 제공할 수 있다.
이하, 본 발명에 따른 ToF 센서 장치 및 이를 이용한 거리 판단 방법의 바람직한 실시형태를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시형태에 따른 ToF 센서 장치의 블록도이다.
도 2a는 본 발명의 일 실시형태에 따른 ToF 센서 장치의 사시도이다.
도 2b는 본 발명의 일 실시형태에 따른 ToF 센서 장치의 분해 사시도이다.
도 3은, 비교예 1에 따른 ToF 센서 장치에 있어서, 광원으로부터 방출되는 광의 세기, 및 이러한 광이 객체에서 반사된 반사광을 이용하여 얻어진 객체의 이미지를 보여주는 도이다.
도 4는 비교예 2에 따른 ToF 센서 장치에 있어서, 광원으로부터 방출되는 광의 세기, 및 이러한 광이 객체에서 반사된 반사광을 이용하여 얻어진 객체의 이미지를 보여주는 도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시형태에 따른 ToF 센서 장치의 광원으로부터 방출되는 광의 세기에 대한 개략적인 프로파일(profile)을 보여주는 도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시형태에 따른 ToF 센서 장치를 이용한 거리 판단 방법의 순서도이다.
도 7은 본 발명의 일 실시형태의 변형예에 따른 ToF 센서 장치의 블록도이다.
도 8a는 본 발명의 일 실시형태의 변형예에 따른 ToF 센서 장치의 부분 단면도이다.
도 8b는 본 발명의 일 실시형태의 변형예에 따른 ToF 센서 장치의 부분 평면도이다.
도 9는 본 발명의 일 실시형태의 변형예에 따른 ToF 센서 장치를 이용한 거리 판단 방법의 순서도이다.
이하, 본 발명에 따른 ToF 센서 장치 및 이를 이용한 거리 판단 방법의 바람직한 실시형태를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시형태에 따른 ToF 센서 장치의 블록도이고, 도 2a는 본 발명의 일 실시형태에 따른 ToF 센서 장치의 사시도이며, 도 2b는 본 발명의 일 실시형태에 따른 ToF 센서 장치의 분해 사시도이다.
도 1 내지 도 2b와 관련하여, 제1 구동부(120), 제2 구동부(130), 스위치(140), 제어부(150), 및 저장부(180)는 도 1에 도시되어 있으나, 도 2a 및 도 2b에는 도시되어 있지 않다.
도 3은, 비교예 1에 따른 ToF 센서 장치에 있어서, 광원으로부터 방출되는 광의 세기, 및 이러한 광이 객체에서 반사된 반사광을 이용하여 얻어진 객체의 이미지를 보여주는 도이다. 구체적으로, 도 3의 우측은 광 중심으로부터의 거리에 따른 광 세기에 대한 그래프, 및 광원(110)의 광 방출 면을 봤을 때 나타나는 광의 세기에 대한 이미지를 보여준다. 도 3의 좌측은 비교예 1에 따른 ToF 센서 장치로부터 얻어진 객체의 이미지를 보여준다. 또한, 비교예 1에 따른 ToF 센서 장치는 광원(110)이 광(L)을 펄스 모드로만 방출하는 dToF 방식의 ToF 센서 장치이다. 또한, 광원(110)은 수직 캐비티 표면 광방출 레이저로 구현되었다.
도 4는 비교예 2에 따른 ToF 센서 장치에 있어서, 광원으로부터 방출되는 광의 세기, 및 이러한 광이 객체에서 반사된 반사광을 이용하여 얻어진 객체의 이미지를 보여주는 도이다. 구체적으로, 도 4의 좌측은 시야각에 따른 광 세기에 대한 그래프, 및 광원(110)의 광 방출 면을 봤을 때 나타나는 광의 세기에 대한 이미지를 보여준다. 도 4의 우측은 비교예 2에 따른 ToF 센서 장치로부터 얻어진 객체의 이미지를 보여준다. 또한, 비교예 2에 따른 ToF 센서 장치는 광원(110)이 광(L)을 연속파 모드로만 방출하는 iToF 방식의 ToF 센서 장치이다. 또한, 광원(110)은 수직 캐비티 표면 광방출 레이저로 구현되었다.
도 5는 본 발명의 일 실시형태에 따른 ToF 센서 장치의 광원으로부터 방출되는 광의 세기에 대한 개략적인 프로파일(profile)을 보여주는 도이다. 구체적으로, 도 5는 시야각에 따른 광 세기에 대한 그래프이다. 또한, 광원(110)은 수직 캐비티 표면 광방출 레이저로 구현되었다.
도 1 내지 도 5를 참조하여, 본 발명의 일 실시형태에 따른 ToF 센서 장치(100)를 설명하면 다음과 같다.
ToF 센서 장치(100)는 광원(110), 제1 구동부(120), 제2 구동부(130), 스위치(140), 및 제어부(150)를 포함한다. 또한, ToF 센서 장치(100)는 광원 기판(111), 광 투과 부재(112), 광원 하우징(113), ToF 센서(160), 온도 탐지부(170), 및 저장부(180) 중 하나 이상을 더 포함할 수 있다.
광원(110)은 객체를 향하여 광(L)을 방출하는 구성요소이다. 예를 들어, 광원(110)은 수직 캐비티 표면 광방출 레이저로 구현될 수 있다. 또한, 광원(110)은 LD(Laser Diode) 또는 LED(Light Emitting Diode)로 구현될 수 있다. 예를 들어, 광원(110)이 방출하는 광(L)은 근적외선을 포함할 수 있다. 이러한 근적외선의 파장은 905nm, 940nm, 및/또는 1550nm 등일 수 있다.
제1 구동부(120)는 광원(110)이 광(L)을 연속파 모드로 방출하게 하는 제1 구동 신호를 출력하는 구성요소이다. 제2 구동부(130)는 광원(110)이 광(L)을 펄스 모드로 방출하게 하는 제2 구동 신호를 출력하는 구성요소이다.
스위치(140)는 제1 구동 신호 및 제2 구동 신호 중 하나를 광원(110)에 선택적으로 전달하는 구성요소이다.
제어부(150)는 광원(110)의 온도가 미리 정해진 온도 범위 이내에 있도록 스위치(140)를 제어한다. 본 명세서에서, "미리 정해진 온도 범위"는 "광원(110)이 미리 정해진 광 세기 이상의 광 세기로 광(L)을 방출하게 할 수 있는 온도"일 수 있다.
제어부(150)는, 광원(110)의 중심부의 온도 및 주변부의 온도 중 하나 이상이 미리 정해진 온도 범위의 바깥에 있을 때, 광원(110)으로 입력되는 제1 구동 신호 및 제2 구동 신호 중 어느 하나가 다른 하나로 변경되도록 스위치(140)를 제어할 수 있다.
본 명세서에서, 광원(110)의 "중심부" 및 "주변부"는, 각각, 광(L)의 진행 방향에 평행한 방향으로, 광원(110)의 광 방출 면을 봤을 때(도 8b에 도시된 상태)의 광원(110)의 중심부 및 주변부이다. 또한, 광원(110)의 중심부는 "펄스 모드로 광(L)을 방출할 때 광 세기가 증가하고, 연속파 모드로 광(L)을 방출할 때 광 세기가 감소하는 부분"일 수 있다. 또한, 광원(110)의 주변부는 "펄스 모드로 광(L)을 방출할 때 광 세기가 감소하고, 연속파 모드로 광(L)을 방출할 때 광 세기가 증가하는 부분"일 수 있다.
예를 들어, 광원(110)으로 입력되는 구동 신호가 제1 구동 신호인 경우, 제어부(150)는, 광원(110)의 중심부의 온도가 미리 정해진 온도 범위의 상한 온도보다 높을 때, 광원(110)으로 입력되는 구동 신호가 제1 구동 신호로부터 제2 구동 신호로 변경되도록 스위치(140)를 제어할 수 있다. 예를 들어, 광원(110)으로 입력되는 구동 신호가 제2 구동 신호인 경우, 제어부(150)는, 광원(110)의 주변부의 온도가 미리 정해진 온도 범위의 하한 온도보다 낮을 때, 광원(110)으로 입력되는 구동 신호가 제2 구동 신호로부터 제1 구동 신호로 변경되도록 스위치(140)를 제어할 수 있다.
제어부(150)는 광(L)이 객체에서 반사된 반사광(RL)에 대한 감지 신호에 근거하여 객체의 거리를 판단할 수 있다. 예를 들어, 제어부(150)는, 광원(110)이 광(L)을 연속파 모드로 방출할 때, 광원(110)이 방출하는 광(L)의 위상과 ToF 센서(160)가 수광하는 반사광(RL)의 위상 간의 차이에 근거하여 객체의 거리를 판단할 수 있다. 예를 들어, 제어부(150)는, 광원(110)이 광(L)을 펄스 모드로 방출할 때, 광원(110)으로부터 방출되는 광(L)의 발광 시간과 ToF 센서(160)로 수광되는 반사광(RL)의 수광 시간 간의 차이에 근거하여 객체의 거리를 판단할 수 있다.
제1 구동부(120), 제2 구동부(130), 스위치(140), 및 제어부(150)는 광원 기판(111) 및 센서 기판(166)이 실장된 메인 기판(도시되지 않음)에 배치될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니며, 광원 기판(111) 및 센서 기판(166) 중 하나 이상에 배치될 수도 있다.
광원 기판(111)은 광원(110)이 실장되는 기판이다.
광 투과 부재(112)는 광원(110)으로부터 방출되는 광(L)을 투과시키는 부재이다. 광 투과 부재(112)는 광학 렌즈를 포함할 수 있다. 광 투과 부재(112)는 광원 하우징(113)에 고정될 수 있다.
광원 하우징(113)은 광원(110)을 하우징하는 구성요소이다. 광원 하우징(113)은 광원 기판(111) 상에 배치될 수 있다.
ToF 센서(160)는 광(L)이 객체에서 반사된 반사광(RL)을 수광하고, 반사광(RL)에 대한 감지 신호를 생성하는 구성요소이다. ToF 센서(160)는, 예를 들어, 광학 렌즈(161), 고정 부재(162), 센서 하우징(163), 광학 필터(164), 이미지 센서(165), 및 센서 기판(166)을 포함할 수 있다.
광학 렌즈(161)는 객체의 이미지가 이미지 센서(165)에 맺히도록 반사광(RL)을 집중시키는 구성요소이다.
고정 부재(162)는 광학 렌즈(161)를 고정시키는 부재이다.
센서 하우징(163)은 이미지 센서(165)를 하우징하는 구성요소이다. 센서 하우징(163)은 광학 필터(164)를 더 하우징할 수 있다. 센서 하우징(163)은 센서 기판(166) 상에 배치될 수 있다.
광학 필터(164)는 이미지 센서(165)를 향하여 입사되는 광 중 미리 정해진 파장을 가진 광을 통과시키는 구성요소이다. "미리 정해진 파장"은 광원(110)으로부터 방출되는 광(L)의 파장과 동일할 수 있다.
이미지 센서(165)는 광(L)이 객체에서 반사된 반사광(RL)을 수광하고, 반사광(RL)에 대한 감지 신호, 즉, 객체의 이미지에 관한 감지 신호를 생성하는 구성요소이다.
센서 기판(166)는 이미지 센서(165)가 실장되는 기판이다.
온도 탐지부(170)는 광원(110)의 온도를 탐지하는 구성요소이다. 예를 들어, 온도 탐지부(170)는 온도에 따라 저항 값이 변화하는 재료로 구현될 수 있다. 온도 탐지부(170)는 광원 기판(111)의 실장면인 제1 면(111a)에 배치될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니며, 광원 기판(111)의 내부에 배치될 수도 있다.
또한, 온도 탐지부(170)는 광원(110)의 중심부 및 주변부 중 하나 이상의 온도를 탐지할 수 있다. 예를 들어, 도 2b를 참조하면, 온도 탐지부(170)는 광원(110)의 주변부에 접촉함으로써 광원(110)의 주변부의 온도를 직접 탐지할 수 있다. 또한, 광원(110)의 중심부의 온도는 온도 탐지부(170)가 광원(110)의 중심부에 접촉함으로써 탐지될 수 있다. 또한, 광원(110)의 중심부의 온도는, 광원(110)의 주변부의 온도와 중심부의 온도 간의 관계에 관한 함수 또는 룩업 테이블을 이용하여, 온도 탐지부(170)에 의해 탐지된 광원(110)의 주변부의 온도에 근거하여 추정될 수도 있다.
저장부(180)는 미리 정해진 온도 범위를 저장하는 구성요소이다. 또한, 저장부(180)는 광원(110)의 주변부의 온도와 중심부의 온도 간의 관계에 관한 함수 또는 룩업 테이블을 저장할 수도 있다.
본 발명의 실시예의 제1 특징에 따르면, ToF 센서 장치(100)는 객체를 향하여 광(L)을 방출하는 광원(110); 상기 광원(110)이 상기 광(L)을 연속파 모드로 방출하게 하는 제1 구동 신호를 출력하는 제1 구동부(120); 상기 광원(110)이 상기 광(L)을 펄스 모드로 방출하게 하는 제2 구동 신호를 출력하는 제2 구동부(130); 상기 제1 구동 신호 및 상기 제2 구동 신호 중 하나를 상기 광원(110)에 선택적으로 전달하는 스위치(140); 및 상기 광원(110)의 온도가 미리 정해진 온도 범위 이내에 있도록 상기 스위치(140)를 제어하는 제어부(150)를 포함하는 것을 특징으로 한다. 이에 따라, 렌즈 어레이 및 확산기 등과 같은 추가적인 광학 소자가 없더라도, 광원(110)으로부터 방출되는 광(L)의 세기를 광 방출 면에 걸쳐 균일화함으로써, 장치를 소형화시키고 제조 비용을 낮출 수 있을 뿐만 아니라, 근거리 해상도와 원거리 측정 성능을 모두 높일 수 있다. 또한, 기존에 불가능했던 단일 모듈에서의 iToF/dToF 스위칭 방식의 센서 기술을 단순한 구조로 구현함으로써, 제조 비용이 낮고 안정적이며 고성능인 ToF 센서 장치(100)를 제공할 수 있다.
이와 관련하여, 도 3을 참조하면, 광원(110)이 광(L)을 펄스 모드로 방출하는 dToF 방식의 비교예 1에 따른 ToF 센서 장치는, 광 방출 면의 중심부에서는 광(L)의 세기가 높지만 주변부에서는 광(L)의 세기가 급격히 낮아지는 불균일한 광(L)의 세기를 나타낸다. 또한, 도 4를 참조하면, 광원(110)이 광(L)을 연속파 모드로 방출하는 iToF 방식의 비교예 2에 따른 ToF 센서 장치는, 광 방출 면의 주변부에서는 광(L)의 세기가 높지만 중심부에서는 광(L)의 세기가 급격히 낮아지는 불균일한 광(L)의 세기를 나타낸다.
이에 반하여, 도 5를 참조하면, 본 발명의 실시예의 제1 특징에 따른 ToF 센서 장치(100)는 광원(110)의 광 방출 면의 중심부 및 주변부 모두에 걸쳐 광(L)의 세기가 균일한 프로파일을 나타낸다.
도 6은 본 발명의 일 실시형태에 따른 ToF 센서 장치를 이용한 거리 판단 방법의 순서도이다. 도 6을 도 1 내지 도 2b와 함께 참조하여, 본 발명의 일 실시형태에 따른 ToF 센서 장치(100)를 이용한 거리 판단 방법을 설명하면 다음과 같다.
단계 210에서, 광원(110), 제1 구동부(120), 제2 구동부(130), 스위치(140), ToF 센서(160), 및 제어부(150)를 포함하는 ToF 센서 장치(100)의 제1 구동부(120)는, 광원(110)이 광(L)을 연속파 모드로 방출하게 하는 제1 구동 신호를 출력하고, 제2 구동부(130)는, 광원(110)이 광(L)을 펄스 모드로 방출하게 하는 제2 구동 신호를 출력한다.
단계 220에서, 제어부(150)는, 광원(110)의 온도가 미리 정해진 온도 범위 이내에 있도록 제1 구동 신호 및 제2 구동 신호 중 하나를 광원(110)에 선택적으로 전달하는 스위치(140)를 제어한다.
단계 220과 단계 230 사이에서, 광원(110)이 객체를 향하여 광(L)을 방출하는 단계가 수행될 수 있다.
단계 230에서, 제어부(150)는, 광(L)이 객체에서 반사되어 ToF 센서(160)로 수광되는 반사광(RL)에 대한 감지 신호에 근거하여 객체의 거리를 판단한다. 단계 230에서, 제어부(150)는, 광원(110)이 광(L)을 연속파 모드로 방출할 때, 광원(110)이 방출하는 광(L)의 위상과 ToF 센서(160)가 수광하는 반사광(RL) 간의 위상 간의 차이에 근거하여 객체의 거리를 판단할 수 있다. 단계 230에서, 제어부(150)는, 광원(110)이 광(L)을 펄스 모드로 방출할 때, 광원(110)으로부터 방출되는 광(L)의 발광 시간과 ToF 센서(160)로 수광되는 반사광(RL)이 수광 시간 간의 차이에 근거하여 객체의 거리를 판단할 수 있다.
도 7은 본 발명의 일 실시형태의 변형예에 따른 ToF 센서 장치의 블록도이고, 도 8a는 본 발명의 일 실시형태의 변형예에 따른 ToF 센서 장치의 부분 단면도이며, 도 8b는 본 발명의 일 실시형태의 변형예에 따른 ToF 센서 장치의 부분 평면도이다.
도 7 내지 도 8b를 참조하여, 본 발명의 일 실시형태의 변형예에 따른 ToF 센서 장치(100A)를 설명하면 다음과 같다.
변형예에 따른 ToF 센서 장치(100A)는 광원(110), 제1 구동부(120), 제2 구동부(130), 가열/냉각 소자(190), 및 제어부(150)를 포함한다. 또한, 변형예에 따른 ToF 센서 장치(100A)는 스위치(140), ToF 센서(160), 온도 탐지부(170), 및 저장부(180)를 더 포함할 수 있다. 변형예에 따른 ToF 센서 장치(100A)는, 도 1에 도시된 ToF 센서 장치(100)와 비교하여, 가열/냉각 소자(190)를 포함하고 있음에 차이가 있다.
가열/냉각 소자(190)는 광원(110)을 가열시키는 가열부(191) 및 광원(110)을 냉각시키는 냉각부(192) 중 하나 이상을 구비한다.
가열부(191)는 광원(110)의 주변부를 가열시킬 수 있다. 가열부(191)는 광원 기판(111)의 제1 면(111a) 및 내부 중 하나 이상에 배치될 수 있다. 예를 들어, 가열부(191)는 전류가 흐를 때 발열하는 열선으로 구현될 수 있다.
냉각부(192)는 광원(110)의 중심부를 냉각시킬 수 있다. 냉각부(192)는 광원 기판(111)의 내부에 배치될 수 있다. 예를 들어, 냉각부(192)는, n형 반도체 또는 p형 반도체와 같은 소자의 일단부로부터 타단부로 전류를 흘려주면, 소자의 일단부에서 흡열 반응이 일어나고 타단부에서 발열 반응이 일어나거나, 또는 소자의 일단부에서 발열 반응이 일어나고 타단부에서 흡열 반응이 일어나는 펠티에 소자로 구현될 수 있다. 예를 들어, 도 8a를 참조하면, 냉각부(192)는 광원(110)의 중심부를 냉각시키도록 흡열 반응이 일어나는 일단부(192a)를 가진 펠티에 소자로 구현될 수 있다. 이러한 경우, 예를 들어, 냉각부(192)의 타단부(192b)는 광원 기판(111)의 제2 면(111b)에 배치될 수 있다.
제어부(150)는 광원(110)의 온도가 미리 정해진 온도 범위 이내에 있도록 가열/냉각 소자(190)를 제어한다.
제어부(150)는, 광원(110)의 주변부의 온도가 미리 정해진 온도 범위의 하한 온도보다 낮을 때, 주변부를 가열하도록 가열/냉각 소자(190)를 제어할 수 있다. 제어부(150)는, 광원(110)의 중심부의 온도가 미리 정해진 온도 범위의 상한 온도보다 높을 때, 중심부를 냉각시키도록 가열/냉각 소자(190)를 제어할 수 있다.
제어부(150)는, ToF 센서 장치(160)가 제1 구동 신호 및 제2 구동 신호 중 하나를 광원(110)에 선택적으로 전달하는 스위치(140)를 더 포함하는 경우, 광원(110)의 온도가 미리 정해진 온도 범위 이내에 있도록 가열/냉각 소자(190) 및 스위치(140)를 제어할 수 있다.
제어부(150)는 반사광(RL)에 대한 감지 신호에 근거하여 객체의 거리를 판단할 수 있다.
본 발명의 실시예의 제2 특징에 따르면, ToF 센서 장치(100A)는 객체를 향하여 광(L)을 방출하는 광원(110); 상기 광원(110)이 상기 광(L)을 연속파 모드로 방출하게 하는 제1 구동 신호를 출력하는 제1 구동부(120); 상기 광원(110)이 상기 광(L)을 펄스 모드로 방출하게 하는 제2 구동 신호를 출력하는 제2 구동부(130); 상기 광원(110)을 가열시키는 가열부(191) 및 상기 광원(110)을 냉각시키는 냉각부(192) 중 하나 이상을 구비하는 가열/냉각 소자(190); 및 상기 광원(110)의 온도가 미리 정해진 온도 범위 이내에 있도록 상기 가열/냉각 소자(190)를 제어하는 제어부(150)를 포함하는 것을 특징으로 한다. 이에 따라, 이에 따라, 렌즈 어레이 및 확산기 등과 같은 추가적인 광학 소자가 없더라도, 광원(110)으로부터 방출되는 광(L)의 세기를 광 방출 면에 걸쳐 균일화함으로써, 장치를 소형화시키고 제조 비용을 낮출 수 있을 뿐만 아니라, 근거리 해상도와 원거리 측정 성능을 모두 높일 수 있다.
도 9는 본 발명의 일 실시형태의 변형예에 따른 ToF 센서 장치를 이용한 거리 판단 방법의 순서도이다. 도 9를 도 7 내지 도 8b와 함께 참조하여, 본 발명의 일 실시형태의 변형예에 따른 ToF 센서 장치(100A)를 이용한 거리 판단 방법을 설명하면 다음과 같다.
단계 310에서, 광원(110), 제1 구동부(120), 제2 구동부(130), 가열/냉각 소자(190), ToF 센서(160), 및 제어부(150)를 포함하는 ToF 센서 장치(100A)의 제1 구동부(120)는, 광원(110)이 광(L)을 연속파 모드로 방출하게 하는 제1 구동 신호를 출력하고, 제2 구동부(130)는, 광원(110)이 광(L)을 펄스 모드로 방출하게 하는 제2 구동 신호를 출력한다.
단계 320에서, 제어부(150)는, 광원(110)의 온도가 미리 정해진 온도 범위 내에 있도록 광원(110)에 대한 가열 및 냉각 중 하나 이상을 수행하는 가열/냉각 소자(190)를 제어한다.
단계 320과 단계 330 사이에서, 광원(110)이 객체를 향하여 광(L)을 방출하는 단계가 수행될 수 있다.
단계 330에서, 제어부(150)는, 광(L)이 객체에서 반사되어 ToF 센서(160)로 수광되는 반사광(RL)에 대한 감지 신호에 근거하여 객체의 거리를 판단한다. 단계 330에서, 제어부(150)는, 광원(110)이 광(L)을 연속파 모드로 방출할 때, 광원(110)이 방출하는 광(L)의 위상과 ToF 센서(160)가 수광하는 반사광(RL) 간의 위상 간의 차이에 근거하여 객체의 거리를 판단할 수 있다. 단계 330에서, 제어부(150)는, 광원(110)이 광(L)을 펄스 모드로 방출할 때, 광원(110)으로부터 방출되는 광(L)의 발광 시간과 ToF 센서(160)로 수광되는 반사광(RL)이 수광 시간 간의 차이에 근거하여 객체의 거리를 판단할 수 있다.
본 발명은 첨부된 예시 도면의 바람직한 실시형태를 중심으로 도시하고 설명하였지만, 이에 한정하지 않고 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 이하의 청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상의 범위 내에서 다양한 형태로 실시할 수 있음은 물론이다.
100, 100A: ToF 센서 장치 110: 광원
111: 광원 기판 112: 광 투과 부재
113: 광원 하우징 120: 제1 구동부
130: 제2 구동부 140: 스위치
150: 제어부 160: ToF 센서
161: 광학 렌즈 162: 고정 부재
163: 센서 하우징 164: 광학 필터
165: 이미지 센서 166: 센서 기판
170: 온도 탐지부 180: 저장부
190: 가열/냉각 소자 191: 가열부
192: 냉각부

Claims (12)

  1. ToF 센서 장치에 있어서,
    객체를 향하여 광을 방출하는 광원;
    상기 광원이 상기 광을 연속파 모드로 방출하게 하는 제1 구동 신호를 출력하는 제1 구동부;
    상기 광원이 상기 광을 펄스 모드로 방출하게 하는 제2 구동 신호를 출력하는 제2 구동부;
    상기 제1 구동 신호 및 상기 제2 구동 신호 중 하나를 상기 광원에 선택적으로 전달하는 스위치; 및
    상기 광원의 온도가 상기 광원이 미리 정해진 광 세기 이상의 광 세기로 상기 광을 방출하게 할 수 있는 미리 정해진 온도 범위 이내에 있도록 상기 스위치를 제어하는 제어부
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 ToF 센서 장치.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서, 상기 광이 객체에서 반사된 반사광을 수광하고, 상기 반사광에 대한 감지 신호를 생성하는 ToF 센서를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 ToF 센서 장치.
  4. 제1항에 있어서, 상기 광원의 온도를 탐지하는 온도 탐지부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 ToF 센서 장치.
  5. 제1항에 있어서, 상기 제어부는, 상기 광원의 중심부의 온도 및 주변부의 온도 중 하나 이상이 상기 미리 정해진 온도 범위의 바깥에 있을 때, 상기 광원으로 입력되는 상기 제1 구동 신호 및 상기 제2 구동 신호 중 어느 하나가 다른 하나로 변경되도록 상기 스위치를 제어하는 것을 특징으로 하는 ToF 센서 장치.
  6. 삭제
  7. 삭제
  8. 삭제
  9. 삭제
  10. 제3항에 있어서, 상기 제어부는 상기 감지 신호에 근거하여 상기 객체의 거리를 판단하는 것을 특징으로 하는 ToF 센서 장치.
  11. ToF 센서 장치를 이용한 거리 판단 방법에 있어서,
    a) 광원, 제1 구동부, 제2 구동부, 스위치, ToF 센서, 및 제어부를 포함하는 ToF 센서 장치의 상기 제1 구동부에 의해, 상기 광원이 광을 연속파 모드로 방출하게 하는 제1 구동 신호를 출력하고, 상기 제2 구동부에 의해, 상기 광원이 광을 펄스 모드로 방출하게 하는 제2 구동 신호를 출력하는 단계;
    b) 상기 제어부에 의해, 상기 광원의 온도가 상기 광원이 미리 정해진 광 세기 이상의 광 세기로 상기 광을 방출하게 할 수 있는 미리 정해진 온도 범위 이내에 있도록 상기 제1 구동 신호 및 상기 제2 구동 신호 중 하나를 상기 광원에 선택적으로 전달하는 상기 스위치를 제어하는 단계; 및
    c) 상기 제어부에 의해, 상기 광이 객체에서 반사되어 상기 ToF 센서로 수광되는 반사광에 대한 감지 신호에 근거하여 상기 객체의 거리를 판단하는 단계
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 ToF 센서 장치를 이용한 거리 판단 방법.
  12. 삭제
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