KR20110011244A - Ｔｏｆ 카메라 - Google Patents

Abstract

전기광학변조기와 마이크로 컨트롤러를 조합하여 광원으로부터 출사되는 빛의 변조 주파수(modulation frequency)를 조절함으로써 감지거리의 가변이 가능한 TOF 카메라에 관한 것이다. 상기 TOF 카메라는 피사체에 조사되는 빛을 생성하는 광원; 상기 광원에서 출사된 빛을 입력받아 소정 주파수로 변조시켜 출력시키는 전기광학변조기; 상기 전기광학변조기에 교류전압을 인가하기 위한 전원공급부; 상기 피사체에서 반사되어 되돌아오는 빛을 감지하여 전기신호로 변환시키는 센서어레이; 및 상기 전원공급부를 제어하여 상기 교류전압의 주파수를 변환시키며, 상기 광원에서 출사되는 빛과 상기 센서어레이에서 감지된 빛의 위상을 대비하여 상기 피사체까지의 거리를 연산하는 마이크로 컨트롤러를 포함한다.

전기광학변조기, 센서, 마이크로 컨트롤러, 위상차, 변조

Description

ＴＯＦ 카메라{TOF Camera}

본 발명은 전기광학변조기와 마이크로 컨트롤러를 조합하여 광원으로부터 출사되는 빛의 변조 주파수(modulation frequency)를 조절함으로써 감지거리의 가변이 가능한 TOF 카메라에 관한 것이다.

TOF(Time of Flight) 카메라는 소정 주파수로 변조(modulation)된 빛이 피사체에서 반사되어 되돌아 오는 과정에서 발생되는 위상(phase)의 지연 등을 이용하여 피사체를 탐지하는 것으로서, 지형측량 분야 또는 피사체의 자세제어 분야 등에 널리 이용되고 있다.

TOF 카메라의 동작원리를 살펴보면, TOF 카메라는 소정의 중심파장을 갖는 빛을 출사하는 광원을 포함하고 있으며, 그러한 광원에서 출사되는 빛을 소정 주파수로 변조시켜 탐지하는 피사체에 조사를 하게 된다. 이후 피사체에 조사된 빛은 반사되어 TOF 카메라로 되돌아 오게 되며, TOF 카메라는 내장된 센서를 이용하여 되돌아오는 빛을 검출하게 된다. 이 경우 TOF 카메라에서 출사되는 빛과 피사체에 반사되어 되돌아오는 빛의 위상을 대비하게 되면 피사체까지의 거리를 알 수 있게 된다.

이때, TOF 카메라의 정확도는 TOF 카메라에서 출사되는 빛의 변조 주파수(modulation frequency), 다이나믹 레인지(dynamicrange) 또는 민감도(sensitivity) 등에 영향을 받게 되며, 그 결과 원하는 수준 이상의 정확도를 확보하기 위해서는 해당 거리에 적합한 주파수로 빛을 변조시켜 피사체에 조사를 하여야 한다. 그 결과, 종래의 TOF 카메라에서는 변조 주파수가 고정되어 있어서 피사체까지의 거리가 소정 거리를 벗어나는 경우에는 그 정확성을 보장할 수 없는 한계가 있어 그 활용범위가 축소될 수 밖에 없는 문제점이 있었다.

본 발명은 피사체에 조사되는 빛의 변조주파수가 가변될 수 있도록 함으로써 피사체와의 거리에 제한을 받지 않는 TOF 카메라를 제공한다.

본 발명의 일 실시예에 따른 TOF 카메라는 피사체에 조사되는 빛을 생성하는 광원; 상기 광원에서 출사된 빛을 입력받아 소정 주파수로 변조시켜 출력시키는 전기광학변조기; 상기 전기광학변조기에 교류전압을 인가하기 위한 전원공급부; 상기 피사체에서 반사되어 되돌아오는 빛을 감지하여 전기신호로 변환시키는 센서어레이; 및 상기 전원공급부를 제어하여 상기 교류전압의 주파수를 변환시키며, 상기 광원에서 출사되는 빛과 상기 센서어레이에서 감지된 빛의 위상을 대비하여 상기 피사체까지의 거리를 연산하는 마이크로 컨트롤러를 포함한다.

본 실시예에 따른 TOF 카메라에서는 전기광학변조기 및 마이크로 컨트롤러에 의해 피사체에 조사되는 빛의 변조주파수가 가변되므로 피사체와의 거리에 제한을 받지 않는다.

본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 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.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세히 설명하되, 도면 부호에 관계없이 동일하거나 대응하는 구성 요소는 동일한 참조 번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.

도 1은 본 실시예에 따른 TOF 카메라의 작동원리를 설명하기 위한 개념도로서 TOF 카메라가 피사체에 빛을 조사하는 과정을 설명하기 위한 개념도이다.

도 1에 도시된 바와 같이 본 실시예에 따른 TOF 카메라는 전기광학변조기(1), 마이크로 컨트롤러(2), 전원공급부(3), 편광기(4) 및 검광기(5)를 포함한다.

소정의 중심파장을 갖는 빛은 광원(6)으로부터 출사되어 편광기(4), 전기광학변조기(1) 및 검광기(5)를 거쳐 피사체로 조사된다. 이때 광원(6)으로는 적외선 영역의 중심파장을 갖는 LED 또는 레이저 등이 사용될 수 있다.

편광기(4)와 검광기(5)는 일정 방향으로 편광된 선편광의 빛만을 통과시키는 일종의 광필터를 의미한다. 이때 편광기(4)와 검광기(5)는 도 1에 도시된 바와 같 이 광축이 서로 직각을 이루도록 배치된다. 그 결과 편광기(4)를 통과할 수 있는 편광 방향과 검광기(5)를 통과할 수 있는 편광 방향으로 서로 수직을 이루게 된다.

전기광학변조기(1)는 입사되는 빛을 소정의 변조 주파수(modulation frequency)로 변조시켜 출력시킨다. 이하에서는 전기광학변조기(1)에서의 변조 과정에 대하여 설명하도록 한다.

전기광학변조기(1)는 소정의 전압이 인가될 경우에만 복굴절성을 갖게 되는 것이 일반적이다. 따라서 전기광학변조기(1)에 전압이 인가되지 않아 복굴절성을 갖지 않는 경우에 일정 방향(예컨대 45°)으로 편광된 선편광의 빛이 전기광학변조기(1)로 입사되면 그 빛의 선편광은 그대로 유지된다. 따라서 전기광학변조기(1)로 입사되는 빛과 전기광학변조기(1)에서 출사되는 빛의 편광 방향은 동일(예컨대 45°)하다.

그러나, 전기광학변조기(1)가 복굴절성을 갖는 경우에는 전기광학변조기(1)를 통과하는 과정에서 입사되는 빛의 선편광 방향(예컨대 45°)과 직각을 이루는 방향(예컨대 135°)으로 편광된 빛이 생성된다. 따라서 앞서 설명한 복굴절성을 갖지 않는 경우와는 달리 입사되는 빛과 동일한 방향(예컨대 45°)으로 편광된 성분 뿐만 아니라 입사되는 빛과 직각을 이루는 방향(예컨대 135°)으로 편광된 성분의 빛도 함께 전기광학변조기(1)로부터 출사된다.

이하에서는 설명의 편의를 위하여 전기광학변조기(1)로 입사되는 빛(I_i)은 '입사광'으로 호칭하고, 전기광학변조기(1)를 통과한 빛(I_o)은 '출사광'으로 호칭하 도록 한다.

따라서, 도 1에 도시된 바와 같이 입사광과 출사광의 경로상에 편광기(4), 전기광학변조기(1) 및 검광기(5)를 배치하고, 전원공급부(3)를 이용하여 소정의 주파수를 갖는 교류전압을 전기광학변조기(1)에 인가할 경우, 전압의 레벨이 0(zero)인 경우에는 전기광학변조기(1)는 복굴절성을 갖지 않으므로 입사광과 출사광은 동일한 편광 방향을 갖게 되고, 이들의 편광 방향은 검광기(5)의 광축과 직각을 이루므로 검광기(5)를 투과할 수 없게 된다.

그러나 교루전압의 레벨이 하이(high)인 경우에는 출사광은 입사광과 동일한 방향의 편광 성분 및 입사광과 직각을 이루는 방향의 편광 성분을 갖게 되며, 그 결과 입사광과 직각을 이루는 방향의 성분은 편광 방향이 검광기(5)의 광축과 일치를 하게 되므로 검광기(5)를 투과하게 된다.

그 결과 출사광은 전기광학변조기(1)에 인가되는 교류전압과 동일한 변조 주파수를 갖게 된다.

따라서, 전기광학변조기(1)에 인가되는 교류전압의 주파수를 가변할 수 있게 되면, 교류전압의 주파수와 동일한 값을 갖게 되는 출사광의 변조 주파수 역시 가변할 수 있게 된다.

전기광학변조기(1)에 인가되는 교류전압의 주파수는 마이크로 컨트롤러(2)에 의해 제어되어 소정 범위 내에서 가변된다. 즉, 마이크로 컨트롤러(2)는 전원공급부(3)를 제어하여 전원공급부(3)에서 생성되어 전기광학변조기(1)에 인가되는 교류전압의 주파수를 변환시킨다. 이때, 마이크로 컨트롤러(2)에 대한 설정을 통해 소 정 범위 내에서 교류전압의 주파수를 연속적으로 변화시킬 수도 있다.

도 2는 본 실시예에 따른 TOF 카메라의 구성도이다. 앞서 빛을 피사체에 조사하는 과정은 도 1을 참조하여 설명하였으므로 도 2와 관련해서는 피사체에서 반사되어 돌아온 빛을 이용하여 피사체까지의 거리를 알아내는 과정을 위주로 설명을 하도록 한다.

도 2에 도시된 바와 같이 본 실시예에 따른 TOF 카메라는 광원(6), 전기광학 변조기, 편광기(4) 및 검광기(5), 마이크로 컨트롤러(2), 센서 어레이, 아날로그디지털 변환기(8)(ADC) 및 FPGA를 포함한다.

센서어레이(7)는 피사체에서 반사되어 되돌아오는 빛을 감지하여 전기신호로 변환시키는 것으로서, 다수의 단위 픽셀이 매트릭스 형태로 분포되도록 구성될 수 있다. 센서어레이(7)는 감지된 빛을 아날로그 형태의 전기신호로 변환시킨다.

아날로그디지털 변환기(8)(ADC)는 센서 어레이에서 출력되는 아날로그 형태의 전기신호를 디지털 형태로 변환시킨다.

마이크로 컨트롤러(2)는 아날로그디지털 변환기(8)에서 변환된 전기신호의 위상을 광원(6)에서 출사되는 빛의 위상과 대비를 함으로써 피사체까지의 거리를 연산한다. 이때, FPGA(Field Programmable Gate Array)(9)는 광원(6)과 센서어레이(7)를 서로 동기화시키기 위한 기준클럭을 제공함으로써 위상 대비를 통한 피사체까지의 거리 연산이 가능하도록 한다.

도 2에 도시된 바와 같이 마이크로 컨트롤러(2)에는 연산된 거리를 사용자에게 제공하기 위한 LCD 디스플레이(10) 등이 구비될 수 있다.

본 실시예에서 사용되는 '~부'라는 용어는 소프트웨어 또는 FPGA(field-programmable gate array) 또는 ASIC과 같은 하드웨어 구성요소를 의미하며, '~부'는 어떤 역할들을 수행한다. 그렇지만 '~부'는 소프트웨어 또는 하드웨어에 한정되는 의미는 아니다. '~부'는 어드레싱할 수 있는 저장 매체에 있도록 구성될 수도 있고 하나 또는 그 이상의 프로세서들을 재생시키도록 구성될 수도 있다. 따라서, 일 예로서 '~부'는 소프트웨어 구성요소들, 객체지향 소프트웨어 구성요소들, 클래스 구성요소들 및 태스크 구성요소들과 같은 구성요소들과, 프로세스들, 함수들, 속성들, 프로시저들, 서브루틴들, 프로그램 코드의 세그먼트들, 드라이버들, 펌웨어, 마이크로코드, 회로, 데이터,데이터베이스, 데이터 구조들, 테이블들, 어레이들, 및 변수들을 포함한다. 구성요소들과 '~부'들 안에서 제공되는 기능은 더 작은 수의 구성요소들 및 '~부'들로 결합되거나 추가적인 구성요소들과 '~부'들로 더 분리될 수 있다. 뿐만 아니라, 구성요소들 및 '~부'들은 디바이스 또는 보안 멀티미디어카드 내의 하나 또는 그 이상의 CPU들을 재생시키도록 구현될 수도 있다.

상술한 모든 기능은 상기 기능을 수행하도록 코딩된 소프트웨어나 프로그램 코드 등에 따른 마이크로프로세서, 제어기, 마이크로제어기, ASIC(Application Specific Integrated Circuit) 등과 같은 프로세서에 의해 수행될 수 있다. 상기 코드의 설계, 개발 및 구현은 본 발명의 설명에 기초하여 당업자에게 자명하다고 할 것이다.

이상 본 발명에 대하여 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시켜 실시할 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 따라서, 상술한 실시예에 한정되지 않고, 본 발명은 이하의 특허청구범위의 범위 내의 모든 실시예들을 포함한다고 할 것이다.

도 1은 본 실시예에 따른 TOF 카메라의 작동원리에 관한 개념도이다.

도 2는 본 실시예에 따른 TOF 카메라의 구성도이다.

<도면 주요 부분에 대한 부호의 설명>

1 : 전기광학변조기 2 : 마이크로 컨트롤러,

3 : 전원공급부 4 : 편광기

5 : 검광기 6 : 광원

7 : 센서어레이 8 : 아날로그디지털 변환기

9 : FPGA 10 : 디스플레이

Claims (8)

1. 빛을 피사체에 조사한 후 상기 피사체에서 반사되어 되돌아오는 빛을 감지하여 상기 피사체까지의 거리를 탐지하는 TOF 카메라에 있어서,

   상기 피사체에 조사되는 빛을 생성하는 광원;

   상기 광원에서 출사된 빛을 입력받아 소정 주파수로 변조시켜 출력시키는 전기광학변조기;

   상기 전기광학변조기에 교류전압을 인가하기 위한 전원공급부;

   상기 피사체에서 반사되어 되돌아오는 빛을 감지하여 전기신호로 변환시키는 센서어레이; 및

   상기 전원공급부를 제어하여 상기 교류전압의 주파수를 변환시키며, 상기 광원에서 출사되는 빛과 상기 센서어레이에서 감지된 빛의 위상을 대비하여 상기 피사체까지의 거리를 연산하는 마이크로 컨트롤러를 포함하는 TOF 카메라.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 마이크로 컨트롤러는 상기 교류전압의 주파수를 일정 범위 내에서 가변시키는 TOF 카메라.
3. 제 1 항에 있어서,

   상기 전기광학변조기에서 변조된 빛의 변조 주파수는 상기 교류전압의 주파 수와 동일한 TOF 카메라.
4. 제 1 항에 있어서,

   상기 전기광학변조기는 전압이 인가되는 경우에만 복굴절성을 가지며,

   상기 광원과 상기 전기광학변조기 사이에 배치되어 상기 광원에서 출사는 빛 중에서 일방향의 선편광 성분만을 통과시키는 편광기; 및

   상기 전기광학변조기에서 출력되는 빛 중에서 상기 일방향과 직각을 이루는 방향의 선편광 성분만을 통과하시는 검광기를 더 포함하는 TOF 카메라.
5. 제 4 항에 있어서,

   상기 광원과 상기 센서어레이를 서로 동기화시키기 위한 기준클럭을 제공하는 FPGA(Field Programmable Gate Array)를 더 포함하는 TOF 카메라.
6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,

   상기 광원은 중심파장이 자외선 영역인 LED인 TOF 카메라.
7. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,

   상기 광원은 중심파장이 자외선 영역인 레이저인 TOF 카메라.
8. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,

   상기 센서어레이는 복수의 픽셀이 매트릭스 형태로 분포된 TOF 카메라.

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