KR20110112813A

KR20110112813A - 게이트형 3ｄ 카메라

Info

Publication number: KR20110112813A
Application number: KR1020117015411A
Authority: KR
Inventors: 아사프 펠맨; 아브너 이샤이 샌더; 기오라 야하브
Original assignee: 마이크로소프트 인터내셔널 홀딩스 비.브이.
Priority date: 2009-01-04
Filing date: 2010-01-04
Publication date: 2011-10-13
Also published as: RU2534933C2; BRPI1006121A2; JP2012514884A; WO2010076775A2; US20140160254A1; CN102273191B; JP5555256B2; WO2010076775A3; CN102273191A; EP2374282A2; KR101645054B1; US9641825B2; RU2011127188A; US20100171813A1; US8681321B2; EP2374282A4

Abstract

전경(scene)까지의 거리를 결정하는 카메라는 특유의 스펙트럼을 갖는 광의 일련의 펄스들로 전경을 조명하도록 제어가능한 VCSEL을 포함하는 광원, 감광면(photosurface), 전경에 의해 광 펄스들로부터 반사된 광을 감광면 상에 영상화하는 광학(optics), 및 스펙트럼 내의 광을 위해서 감광면을 선택적으로 게이트 온 및 오프하도록 작동가능한 셔터를 포함한다.

Description

게이트형 3Ｄ 카메라{GATED 3D CAMERA}

이 기술은 게이트형 3D 카메라들과, 게이트형 3D 카메라를 이용하여 전경의 3D 영상들을 얻는 방법들 및 장치에 관한 것이다.

3차원(3D) 광학적 영상 시스템들, 이하 "3D 카메라들"이라 함은 이들이 영상화하는 물체들 및 물체들 상의 포인트들까지의 거리 측정을 제공할 수 있으며, 많은 다른 애플리케이션들에서 이용된다. 이들 애플리케이션들 중에는 제조물들, CAD 검증, 로봇 비전(robot vision), 지리적 조사(geographic surveying), 및 거리의 함수로서 선택적인 영상 물체들의 프로파일 검사(profile inspection)들이 있다.

몇몇 3D 카메라들은 그들이 영상화하는 전경 내에 있는 물체들의 거의 모든 포인트들에 대한 동시 측정을 제공한다. 일반적으로, 이들 3D 카메라들은 영상화되는 전경을 조명하는 광의 펄스들을 제공하도록 제어되는 단면 발광 레이저 다이오드(edge emitting laser diode)들의 배열을 통상적으로 포함하는 광원과, 전경 내에 있는 물체들로부터 반사되는 광 펄스들로부터 광을 영상화하는 게이트형 영상 시스템을 포함한다. 게이트형 영상 시스템은 이하 "감광면(photosurface)"이라 불리는 CCD 또는 CMOS 감광면과 같은 감광성(photosensitive) 면을 갖는 카메라 및 광학 셔터(optical shutter) 또는 게이트형 영상 증배관(image intensifier)과 같이 카메라의 열림 및 닫힘을 게이트 제어하는 게이팅 수단을 포함한다. 반사된 광은 카메라가 게이트 열림일 때 카메라에 도달해야만 카메라의 감광면의 화소들 상에 기록된다.

전경을 영상화하고 카메라에서부터 전경 내의 물체들까지의 거리를 결정하기 위해서, 일반적으로 광원은 전경을 조명하기 위해 일련의 광 펄스들을 방출하도록 제어된다. 각각의 방출된 일련의 광 펄스에 있어서, 광 펄스가 방출된 시간으로부터 정확하게 결정된 지연 이후에, 카메라는 이하 "게이트"라 부르는 주기 동안 게이트 열림이 된다. 전경 내에 있는 물체로부터 반사된 광 펄스로부터의 광은 게이트 동안 카메라에 도달한다면 카메라의 감광면 상에 영상화된다. 광 펄스를 방출하고 그 뒤를 잇는 게이트 사이에 경과한 시간이 알려져 있기 때문에, 영상화된 광이 광원에서부터 전경 내의 반사 물체까지 그리고 다시 카메라까지 여행하는 데 걸렸던 시간이 알려진다. 경과 시간은 물체까지의 거리를 결정하는 데 사용된다.

몇몇 "게이트형" 3D 카메라들에 있어서는, 광 펄스들과 게이트들 사이의 타이밍만이 3D 카메라에서부터 카메라 감광면의 화소 상에 영상화된 전경 내의 한 포인트까지의 거리를 결정하는 데 이용된다. 다른 게이트형 3D 카메라들에 있어서는, 카메라가 게이트 열림인 시간 동안 화소에 기록된 광의 양도 거리를 결정하는 데 또한 이용된다. 이들 3D 카메라들로 이뤄진 측정의 정확성은 광 펄스들의 상승 및 하강 횟수들 및 그들의 평탄성(flatness)의 함수이며, 카메라들이 얼마나 빨리 게이트 열림 및 닫힘 제어될 수 있는 지의 함수이다.

게이트형 3D 카메라들 및 그들 사용의 예들은 유럽 특허 EP1214609 및 미국 특허 제6,057,909호, US 제6,091,905호, US 제6,100,517호, US 제6,327,073호, US 제6,331,911호, US 제6,445,884호, 및 제6,794,628호에서 보여지며, 이들의 개시물들은 본 명세서에서는 참조로서 통합된다. 조명의 펄스 소스 및 게이트형 영상 시스템을 이용하는 3D 카메라는 S.Christie, 등에 의한 "Design and Development of a Multi-detecting two Dimensional Ranging Sensor" Measurement Science and Technology 6호(1995년 9월) 1301-1308 페이지 및 Yates 등에 의한 "Range-gated Imaging for Near Field Target Identification", SPIE 제2869권 p374-385에 기술되어 있으며, 본 명세서에 참조로 통합되어 있다. 또 다른 3D 카메라는 Medina에 대한 미국 특허 제5,081,530호에 기술되어 있으며, 본 명세서에 참조로 통합되어 있다. 이 특허에 기술된 3D 카메라는 한 쌍의 게이트들의 각 게이트 동안 카메라의 영상 시스템에 도달하는 타깃들로부터 반사된 광의 펄스 내의 에너지를 기록한다. 타깃까지의 거리는 두 개 게이트들 각각의 게이트 동안 기록된 에너지의 총량에 대한 두 개 게이트들 각각의 게이트 동안 기록된 에너지 량 사이의 차이 비율로부터 결정된다.

3D 카메라들에 의해 제공된 측정들의 정확성을 향상시키기 위한 R&D의 노력들은 전경을 조명하기 위해서 전송된 광 펄스들의 상승 시간들, 하강 시간들, 및 폭들을 줄이고, 전경에 의해 펄스들로부터 반사된 광이 영상화되는 동안 대응하는 게이트들을 줄이기 위한 방법들 및 디바이스들을 개발하는데 일반적으로 투자된다.

<발명의 개요>

이 기술의 몇몇 실시예들에 대한 양상은 향상된 게이트형 3D 카메라를 제공하는 것과 관련된다.

이 기술의 몇몇 실시예들에 대한 양상은 카메라에 의해 영상화된 전경 내의 피처(feature)들이 위치되는 향상된 공간적 정확성을 갖는 게이트형 3D 카메라를 제공하는 것과 관련된다.

이 기술의 몇몇 실시예들에 대한 양상은 카메라에 의해 영상화된 전경들을 조명하는 향상된 광원을 갖는 게이트형 3D 카메라를 제공하는 것과 관련된다.

이 기술의 몇몇 실시예들에 대한 양상은 전경에 의해 반사된 광원으로부터 광이 영상화되는 카메라 감광면을 게이트 제어하는 카메라 셔터를 구비한 카메라에 의해서 영상화된 전경을 조명하는데 이용되는 광원의 향상된 매칭을 갖는 게이트형 3D 카메라를 제공하는 것과 관련된다.

이 기술의 몇몇 실시예들의 양상에 따르면, 광원은 전형적인 VCSEL 구조들과 관련되어 변경된 구조를 가지며 상대적으로 넓은 레이저 공동을 특징으로 하는 VCSEL을 포함한다.

발명자들은 게이트형 3D 카메라에 의해 제공된 거리들의 정확성이 카메라 광원 스펙트럼의 콘볼루션(convolution) 및 카메라 셔터의 명암비(CR) 함수에 의존한다고 판단하였다. 명암비(CR)는 광학적 파장 길이에 대한 카메라 셔터의 명암비의 의존도를 정의한다. 주어진 파장에 대해서, CR은 셔터가 닫힘일 때 파장에서 광에 대한 셔터의 상대적으로 낮은 투명암(transparency)에 대한 셔터가 열림일 때 파장에서 셔터의 상대적으로 높은 투명암 사이의 비율이다. 셔터가 실제로 광을 닫는데 이용될 수 있는 파장들은 그의 CR 함수가 1보다 크고, 일반적으로, 실질적으로 1보다 큰 파장들이다. CR이 1보다 큰 셔터에 대한 파장들의 대역은 셔터의 "작동 대역"이라 한다.

광 펄스들의 주어진 상승 시간들, 하강 시간들 및 폭들과, 게이트들에 대하여, 3D 게이트형 카메라에 의해 제공된 거리 측정들의 정확성은 CR 함수 및 스펙트럼의 콘볼루션을 최대화하기 위해서 셔터 CR 함수와 광원 스펙트럼을 매칭시킴으로써 유리하게 향상될 수 있다. 일반적으로, 광원 스펙트럼 대 셔터의 매칭은 셔터의 작동 대역에서 스펙트럼을 실질적으로 중앙에 둔다. 표현의 편의상, 셔터 CR과 광원 스펨트럼 사이의 콘볼루션을 명암 강도(contrast intensity; CI)라 한다. 정규화된 명암 강도(CIN), 광원에 의해 제공된 광의 펄스 내에 광학적 에너지 전체에 대해 정규화된 CI는, 광원과 셔터 사이 매칭의 측정으로서 편리하게 이용된다.

일반적으로, 게이트형 3D 카메라 광원의 주기적인 단기 온도 변화는 광원이 카메라에 의해 영상화된 전경을 조명하도록 작동되는 기간 동안 카메라의 주위 작동 온도와 관련되어 생성된다. 통상적으로 단면 발광 레이저 다이오드를 포함하는 종래의 게이트형 3D 카메라 광원들에 있어서, 온도 변화들은 카메라 셔터의 CR 함수와 관련된 광원 스펙트럼에서의 파장 시프트들에 기인한다. 셔터의 CR 작동 대역과 관련된 스펙트럼의 폭은 일반적으로 파장 시프트들이 스펙트럼과 CR 함수를 실질적인 어긋나게 정렬(misalign)하고, 카메라의 정규화 명암 강도(CIN)를 감소시키고, 그에 의해 거리 측정에서의 바이어스 오류(bias error)를 증가시킨다는 것이다.

상대적으로 좁은 스펙트럼들을 특징으로 하는 VCSEL(vertical cavity surface emitting light emitting laser)들과 같은 종래의 광원들이 알려져 있는 반면, 이러한 광원들은 대체로 통신 시스템들과 같은 저 전력 애플리케이션들에 사용된다. 이들은 일반적으로 3D 게이트형 카메라들에서 사용하기에 유리한 충분한 광량을 생성하지 않는다.

그러나 발명자들은 VCSEL이 그의 레이저 공동을 확장함으로써 그의 광학적 출력을 증가시키도록 변경될 수 있다고 판단하였다. VCSEL 레이저 공동을 확장하는 것은 VCSEL 스펙트럼의 폭을 증가시키는 반면, 스펙트럼은 종래의 단면 발광 레이저 다이오드들에 의해 일반적으로 제공된 것 보다 훨씬, 일반적으로, 실질적으로 더 좁다. 더욱이, 온도에서의 도 변화당 VCSEL의 출력 스펙트럼에서의 파장 시프트들은 실질적으로 종래의 단면 발광 레이저 다이오드의 것보다 작다. 결과적으로, 이 기술의 실시예에 따른 변경된 VCSEL을 포함하는 광원은, 게이트형 3D 카메라에서 사용될 때 광원 및 카메라 셔터의 상대적으로 향상된 매칭을 제공한다. 변경된 VCSEL 광원은 상대적으로 크고 광원의 온도 변화에 상대적으로 둔감한(insensitive) 카메라용 CIN이 된다. 이 기술의 일 실시예에서, 광원은 변경된 VCSEL들의 배열을 포함한다.

그러므로 이 기술의 일 실시예에 따라서, 전경까지의 거리들을 결정하는 카메라가 제공되며, 카메라는 특유의 스펙트럼을 갖는 광의 일련의 펄스들로 전경을 조명하도록 제어가능한 VCSEL을 포함하는 광원, 감광면, 전경에 의해 광 펄스들로부터 반사된 광을 감광면 상에 영상화하는 광학(optics), 및 스펙트럼 내의 광을 위해서 상기 감광면을 선택적으로 게이트 온 및 오프하도록 작동가능한 셔터를 포함한다. 선택적으로, 특유의 스펙트럼은 대략 1.5nm 이상의 FWHM 폭을 갖는다. 선택적으로, 특유의 스펙트럼은 대략 2.0nm 이상의 FWHM 폭을 갖는다. 선택적으로, 상기 특유의 스펙트럼은 대략 2.5nm 이상의 FWHM 폭을 갖는다.

이 기술의 몇몇 실시예들에서, VCSEL은 대략 20 microns 이상의 직경을 특징으로 하는 레이징 공동을 갖는다. 이 기술의 몇몇 실시예들에서, VCSEL은 대략 25 microns 이상의 직경을 특징으로 하는 레이징 공동을 갖는다. 이 기술의 몇몇 실시예들에서, 셔터와 광원 사이의 대략 20℃ 이하 온도 차이에 대해서 셔터 CR 및 특유의 스펙트럼의 정규화된 콘볼루션은 대략 10 이상이다. 이 기술의 몇몇 실시예들에서, 셔터와 광원 사이의 대략 20℃ 이하 온도 차이에 대해서 셔터 CR 및 특유의 스펙트럼의 정규화된 콘볼루션은 대략 12 이상이다.

이 기술의 몇몇 실시예들에 있어서, 광원은 일련의 광 펄스들로 전경을 조명하기 위해서 대략 12 Watts 이상의 전력 레벨에서 작동한다. 선택적으로, 전력 레벨은 대략 15 Watts 이상이다. 선택적으로, 전력 레벨은 대략 18 Watts 이상이다.

이 기술의 실시예들의 제한하지 않은 예들은 본 단락의 다음에 열거되어 첨부된 도면을 참조하여 이하 기술된다. 2개 이상의 도면에 나타나는 동일한 구조들, 구성 요소들 또는 부분들은 일반적으로 그들이 나오는 모든 도면들에서 동일한 번호로 표기된다. 도면들에 나타낸 구성 요소들 및 피처들의 치수는 설명을 편리하고 명확하게 하기 위하여 선택되었고, 일정한 비율로 도시될 필요는 없다.
도 1은 종래 기술에 따라서 전경까지의 거리를 결정하도록 작동하는 3D 게이트형 카메라를 개략적으로 나타낸다.
도 2는 종래 기술에 따라서, 도 1에 도시한 카메라 내에 포함된 셔터 및 레이저 다이오드 광원 각각에 대한 개략 CR 함수 및 스펙트럼의 그래프를 나타낸다.
도 3은 종래 기술에 따라서, 3D 카메라의 게이팅을 예시하는 시간축의 그래프를 나타낸다.
도 4는 종래 기술에 따라서, 광원의 국부 가열(local heating)로 인해 도 1에 도시한 셔터의 CR 함수와 관련된 레이저 다이오드 광원의 스펙트럼의 파장 시프트들을 예시하는 그래프를 나타낸다.
도 5는 종래 기술에 따라서, 도 1에 도시한 카메라에 의해 제공된 전경에 대한 거리 측정의 바이어스 오류의 그래프를 나타낸다.
도 6은 이 기술의 일 실시예에 따라서, VCSEL 광원을 포함하는 3D 게이트형 카메라를 개략적으로 나타낸다.
도 7은 이 기술의 일 실시예에 따라서, 광원의 국부 가열로 인해 도 6에 도시한 카메라의 VCSEL 광원의 스펙트럼의 파장 시프트들을 예시하는 그래프를 나타낸다.
도 8은 이 기술의 일 실시예에 따라서 도 6에 도시한 카메라에 의해 제공된 전경까지의 거리 측정에서 바이어스 오류의 향상을 예시하는 그래프를 나타낸다.

도 1은 물체들(31 및 32)로 개략적으로 표현된 물체들을 갖는 전경(30)의 3D 영상을 얻기 위해서 사용되고 있는 게이트형 3D 카메라(20)를 개략적으로 예시한다.

매우 개략적으로 표현된 카메라(20)는 렌즈(21)와 감광면(22)으로 표현된 렌즈 시스템을 포함하며, 감광면(22)은 렌즈 시스템이 전경을 영상화하는 화소들(23)을 갖는다. 카메라는 감광면(22)을 게이트 온 또는 오프하며, 낮거나 높은 투과율(transmittance)을 선택적으로 갖도록 제어가능한 셔터(25)를 포함한다. 셔터(25)는 작동 대역에서 광에 대한 낮은 투과율을 갖고 감광면(22)을 게이트 오프하는 경우에 "닫힘"이라 하고, 작동 대역에서 광에 대한 높은 투과율을 갖고 감광면을 게이트 온하는 경우에 "열림"이라 한다. "게이트"는 감광면(22)이 셔터(25)에 의해 게이트 온되는 동안의 주기를 말하고, 감광면은 셔터를 통해 전송된 광을 수신한다.

카메라(20)는 선택적으로 광원(26)을 포함하며, 일반적으로 셔터 작동 대역 내의 파장에서 일련의 전송된 광 펄스들로 전경(30)을 조명하도록 제어가능한 단면 발광 레이저 다이오드들(27)의 배열을 포함한다. 광 펄스 열은 일련(40)의 모자 모양(hat) 펄스들(41)로 도 1에 개략적으로 표현되었으며, 각 펄스는 광원(26)을 떠나는 머리위(overhead) 화살표와 결합된다. 선택적으로, 셔터 작동 대역은 광의 IR 대역이다. 컨트롤러(24)는 광원(26)의 펄싱(pulsing)과 감광면(22)을 게이트 제어하는 셔터(25)의 작동을 제어한다. 전경(30)까지의 거리 측정을 위한 데이터를 제공하는 데 있어서 광 펄스 열(40) 및 광 펄스들(41)의 기능은 이하 논의된다.

대체로, 카메라(20)의 작동 중에, 광원(26)은 일련의 광 펄스들(40)로 전경(30)을 반복적으로 조명하도록 제어된다. 광 펄스들의 각 열(40)에서, 광원(26)은 카메라에 열(heat)을 발생시키고 소멸시키며, 광원 온도는 최소 및 최대 온도 사이를 순환한다. 열 발생 및 소멸의 반복된 사이클 때문에, 셔터(25)는 카메라 주변의 대기 온도보다 높고, 최소 및 최대 광원 온도로 괄호 묶여지는 높은(elevated) 작동 온도로 가열된다. 대략 30℃의 대기 온도에 대해서, 셔터 작동 온도는 대략 50℃가 될 것이며, 광원 온도는 광 펄스 열(40)의 생성 동안 대략 20℃ 이하에서 대략 20℃ 이상까지 셔터 작동 온도를 순환할 것이다.

셔터의 작동 대역과 광원의 스펙트럼 모두가 그들이 작동하는 온도 변화와 함께 변화하기 때문에, 광 펄스 열(40) 동안, 광원(26)의 온도가 셔터(25)의 작동 온도와 관련되어 변화함에 따라, 광원으로부터의 광의 스펙트럼은 CR과 관련되어 파장 시프트한다. 결과적으로, 셔터(25) 및 광원(26)의 CIN은 각 광 펄스 열 동안 변화한다. 카메라(20)의 신뢰할 수 있는 작동을 위해서, CIN이 최대화되고, 광원(26) 및 셔터(25)의 작동 온도 차이에 의해 야기된 그의 최대치와 관련된 CIN의 변화가 상대적으로 적은 것이 유리하다. 이를 위해서, 광원 및 셔터는 광원으로부터의 광이 셔터의 작동 대역 내의 파장들에 있고 일반적으로, 광원 가열 사이클의 적어도 중간 온도에서 카메라의 CIN이 최대가 되도록 매칭되어야 한다. 또한, 광원 및 셔터는 일반적으로 그들이 유사한 온도 의존성을 갖도록 동일한 반도체 물질로 형성된다.

도 2는 파장의 함수로서, 셔터(25)에 대해서 점선으로 도시된 개략적 명암비, 즉 CR 함수(70)와, 단면 발광 레이저 다이오드들(27)을 포함하는 광원(26)에 대해서 실선으로 표시된 스펙트럼(80)의 그래프(60)를 나타낸다. 셔터(25) 및 레이저 다이오드들(27) 모두는 GaAs로 만들어진다고 가정하고 대략 50℃의 동일한 온도에서 작동할 때 선택적으로 최대 CIN을 갖도록 매칭된다. 파장은 그래프(60)의 가로축(abscissa)을 따라 표시되며 CR에 대한 값들은 그래프의 왼쪽 세로축(left-hand ordinate; 61)을 따라 표시된다. 스펙트럼(80)은 그의 최대치로 정규화되고 스펙트럼에 대한 상대값들은 그래프의 오른쪽 세로축(62)을 따라 표시된다. 50℃에서의 셔터 CR(70) 및 광원 스펙트럼(80)에 대한 정규화된 명암 강도, CIN은 대략 13.4와 같다. GaAs에 대해서, 대체로, 스펙트럼(80) 및 CR 함수(70)는 대략 0.25nm/℃ 만큼 시프트한다.

도 1에 도시한 카메라(20)로 전경(30)의 3D 영상을 얻기 위해서, 컨트롤러(24)는 펄스들이 펄스폭(τ)을 갖도록 추정되는 광 펄스들(41)의 열(40)로 전경(30)을 조명하도록 광원(26)을 제어한다. 각각의 광 펄스(41)로부터의 광은 전경(30) 내의 피처(feature)들에 의해 반사되고, 반사된 광의 일부분은 카메라(20)에 입사되고 렌즈(21)로 모여진다. 도 1에서 점선들로 도시되고 카메라(22)를 향해 가리키는 머리위 화살표들과 결합된 모자 모양 펄스들(50)은 카메라(20)에 도달하는 전송된 펄스들(41)로부터 반사된 광을 개략적으로 나타낸다. 적어도 하나의 광 펄스(41) 각각의 방출에 따라, 컨트롤러(24)는 렌즈(21)로 모여지는 전송된 광 펄스로부터 반사된 광(50)을 수신하여 감광면 상에 영상화하도록 광 펄스가 방출되는 시간과 관련된 적절한 시간에 감광면(22)을 게이트 온하도록 셔터(25)를 제어한다. 카메라(20)의 게이트 동안 감광면의 화소들(23)에서 영상화되는 광(50)의 양은 화소들에서 영상화되고 그에 의해 전경의 3D 영상을 제공하는 전경(30)의 피처들까지의 거리를 측정하는 데 이용된다.

3D 카메라를 게이트 제어하고 전경(30) 내의 피처들까지의 거리를 얻는 다양한 방법들이 상기 참조된 특허들 및 PCT 특허 출원 PCT/IL2007/001571에 기술되어 있으며, 이 개시물들은 본 명세서에 참조로 통합된다. 도 3은 상대적으로 간단한 게이트 제어 체계(scheme)에 따라서, 전경 내의 피처들까지의 거리를 얻기 위해서 광 펄스들(41)의 열(40)로 전경(30)을 조명하고 셔터(25)에 의해 감광면(22)을 게이트 제어하는 것을 나타내는 타임 라인들(101, 102, 및 103)의 그래프(100)를 나타낸다. 타임 라인들(101, 102, 및 103)은 전경(30)을 조명하기 위해 광원(26)에 의해 방사된 펄스들의 열(40)에서 임의의 광 펄스(41)의 방사 시간 t₀와 관련된 셔터(25)의 게이트 타이밍을 그래프로 예시한다. 단일 광 펄스는 타임 라인(101)을 따라 오른쪽을 가리키는 머리위 화살표를 갖는 어둡게된(shaded) 모자 모양 펄스(41)로 표현된다. 타임 라인들(102 및 103)은 셔터(25)의 게이트들을 그래프로 나타낸다. 도 3에 예시된 게이팅 프로파일은 통상적으로 펄스 열(40)에서 각 펄스(41)에 대해서 반복되어 진다.

감광면(22) 내의 대응하는 화소(23)(도 1)에서 영상화된 전경(30) 내의 주어진 피처를 카메라(20)로부터의 거리 D_f에 위치시키자. 방사된 광 펄스(41)로부터 주어진 피처에 의해 반사된 광 펄스(50) 내의 광자(photon)들은 먼저 거리 D_f에 의존하는 시간 t_γ1(D_f)에 카메라(20)에 도달한다. 반사된 광 펄스(50)는 방사된 광 펄스(41)와 동일한 폭, τ를 가지며, 반사된 광 펄스(50) 내 마지막 광자는 주어진 피처로부터 시간 t_γ2(D_f)=t_γ1(D_f)+τ에 카메라에 도달한다. 반사된 광 펄스(50)는 타임 라인들에 따라 왼쪽을 향하는 머리위 화살표를 갖는 점섬들에 도시된 어둡게된 모자 모양 펄스(50)에 의해 타임 라인들(101, 102, 103)에 따라 표현된다.

타임 라인(102)에 따르는 모자 모양 펄스(110)는 컨트롤러(24)(도 1)가 감광면(22)을 게이트 온하고 카메라(20)에 도달하는 광을 기록하도록 셔터(25)를 제어하는 동안 게이트 이하 "타이밍 게이트(110)"를 개략적으로 나타낸다. 타이밍 게이트(110)는, 선택적으로, 상대적으로 짧고 τ와 동일한 게이트 폭을 가지며, t₀ 다음의 시간 t_gs에서 시작하고 t_ge=(t_gs+τ)에서 끝난다. 반사된 펄스(50)는 반사된 펄스(50)와 타이밍 게이트(110) 사이의 시간적 관계를 명확히 보여주기 위해서 편의상 타임 라인(102)을 따라 표시된다. 반사된 펄스(50)는 게이트의 시간-부분, T 동안 타이밍 게이트(110)와 겹친다. 시간 T 동안, 주어진 피처를 영상화하는 화소(23)(도 1)는 화소에 입사하는 주어진 피처로부터의 광에 즉각 반응하는 전하량 "Q"를 기록한다고 추정하자. 또한 반사된 펄스(50)가 시간적으로 게이트(110)와 일치(congruent)했다면(즉, 반사된 펄스의 제1 광자 및 마지막 광자가 각각 시간 t_gs 및 t_ge에 카메라(20)에 도달했을 것이라 한다면), 주어진 피처를 영상화하는 화소는 광의 총량 "Q₀"를 기록할 것이라 가정하자. 그러면, T = τQ/Q₀가 되고, c가 광속을 나타낸다면, 카메라(20)로부터 피처까지의 거리 D_f는 다음의 수학식들로 주어질 것이다:

수학식 1 및 2로부터, 시작 및 종료 시간 t_gs 및 t_ge을 각각 갖는 게이트(110)에 대해서 카메라(20)로부터의 거리(c/2)t_gs에서 중앙에 오는 폭(cτ)를 갖는 전경의 "영상 조각(imaging slice)"에 위치한 전경(30) 내에 있는 피처들에 대한 거리가 제공된다는 점에 주목한다.

설명의 편의를 위해서, 영상 조각의 중심 거리(c/2)t_gs를 "D_C"로 표현하고, 피처에 대한 D_f를 제공하기 위해서 수학식 1 및 2에서 각각 D_C에서 빼지거나 더해지는 거리 (c/2)t_gs(1-Q/Q₀)를 ΔD_f로 표현하기로 하자. 그러면, 수학식 1 및 2는,

로 씌여질 것이다.

선택적으로, Q₀는 타임 라인(103)에 따라 모자 모양 펄스(112)로 표현된, 상대적으로 긴 게이트, 이하 "정규화(normalization) 게이트"를 위해서 카메라(20)를 게이트 온함으로써 결정된다. 게이트(112)는 선택적으로 3τ와 같은 게이트 폭을 가지며, 광 펄스들의 열(40)에서 하나의 펄스(41)의 전송 시간 t₀ 다음의 시간(t_gs-τ)에서 시작한다. 정규화 게이트의 폭 및 타이밍이 결정되어 타이밍 게이트(110) 동안 감광면(22)의 화소에 광이 기록되는 전경(30) 내의 모든 피처에 대해서, 정규화 게이트(112)는 Q₀에 대한 값을 제공할 것이다. 카메라(20)로부터 거리 D_f에 있는 주어진 피처에 의해 반사된 반사 펄스(50)는 반사 펄스와 정규화 게이트(112)의 상대적 타이밍을 보여주기 위해서 타임 라인(103)을 따라 도시되었다. 반사 펄스는 정규화 게이트(112)의 시간적 경계들 내에 완전하게 들어오고, 반사 펄스 내의 모든 광은 화소에 의해 기록되며 Q₀의 양(measure)을 제공한다. 카메라(20)는 다른 광 펄스들(41)이 방사되어 다른 반사된 광 펄스들(50)로부터 광을 기록하는 시간들에 즉각 반응하는 타이밍 및 정규화 게이트들(110 및 112)을 위해서 게이트 온될 수 있음에 주목한다.

주어진 반사 펄스(50)에 수학식 1 또는 2 중 어떤 수학식이 적용될 것인지를 결정하는 다양한 방법들이 있다. 예를 들어, 타이밍 게이트(110)는 선택적으로 두 개의 연속 게이트들, "프런트(front)" 게이트 및 "백(back)" 게이트로 나눠질 수 있고, 각각은 τ/2와 동일한 게이트 폭을 갖는다. 화소가 프런트 게이트 또는 백게이트 동안 더 많은 광량을 기록한다면, 화소에서 영상화된 전경(30)의 피처에 대해서 수학식 1 또는 2가 적용된다.

수학식 1 및 2는 광원(26)에 의해 제공된 광에 대한 CR이 무한하며, 셔터(25)가 닫힌 경우에는 감광면(22)에 도달하기 위해서 광원(26)으로부터의 어떤 광도 셔터를 통해 전송될 수 없다고 가정한다. 그러나, 앞서 논의하고 도 2에 도시한 바와 같이, 셔터(25)에 대한 CR은 유한하며, 예를 들어, 도 2에서, CR은 대략 16의 최대치를 갖는다. 결과적으로, 셔터가 닫힌 경우에 카메라(20)에 도달하는 전경(30) 내의 피처로부터 반사된 광 펄스들(50) 내의 광은 셔터를 통해 새어나오고 피처를 영상화하는 감광면(22) 내의 화소에 의해 기록된 Q의 값들을 "변질시킨다(contaminate)". 변질은 보통 수학식 1 또는 2에 의해 피처에 대해 결정된 거리 D_f에서 오류를 발생시키며 CR이 감소함에 따라 오류가 증가한다.

예를 들어, 상기한 바와 같이, (τ)Q/Q₀는 전경(30)에 있는 주어진 피처로부터 반사된 펄스(50) 내의 광자가 타이밍 게이트(110) 동안 카메라(20)에 도달하고 셔터(25)가 최대 투명암를 갖는 겹침 시간, T의 기간이다. 그러므로 주기 (τ)(1-Q/Q₀)는 셔터(25)가 오프일 때 광자들이 반사된 펄스로부터 카메라에 도달하고 셔터가 팩터 1/CR 만큼 최대치에서 줄어든 투명암를 갖는 시간 기간이다.

타이밍 게이트(110) 동안 펄스(50)로부터의 광을 가지고 주어진 피처를 영상화하는 화소(23)로 모여진 광의 전체량을 Q^*로 표현하기로 하자. Q^*는

에 따라서 합리적이며 정확하게 추정될 수 있으며, 여기서 CIN은 셔터(25)의 CR과 반사된 광 펄스(50)의 스펙트럼에 대한 정규화된 명암 강도(CI)이다.

Df^*를 주어진 피처를 영상화하는 화소에 의해 기록된 광량 Q^*을 이용하여 주어진 피처에 대해 결정된 거리를 나타내게 하자. 그러면, 수학식 1 및 2는

로 주어진다. 또는

이다.

수학식 8 및 9는 타이밍 게이트(110)와 관련된 영상 조각에 있는 피처들에 대해서, 피처를 영상화하는 화소(23)에 기록된 전하로부터 결정된 주어진 피처까지의 거리가

규모를 갖는 바이어스 오류 "

"에 의해 영상 조각의 중심을 향해 잘못 바이어스된다는 것을 나타낸다. 수학식 10에서, Q는 셔터(25)의 CR이 무한대와 같은 피처를 영상화하는 화소에 의해 기록될 전하량이다.

결정된 거리 D_f ^*는 일반적으로 CR에 대해 보정될 수 있으므로 CIN이 유한하다고 해도, 상기한 바와 같이, 광원(26)이 광 펄스들(41)의 열(40)(도 1)을 방사하는 경우에는 광원이 방사하는 각 펄스로 광원이 국부 순환 가열(local cyclical heating)을 받기 때문에 이러한 보정들을 정확하게 하기 어려울 수 있다. 국부 가열은 광원(26)이 작동하는 온도와 셔터(25)가 작동하는 작동 온도 사이에서 순환적 온도 차이들 생성한다. 온도 차이는 20℃ 정도일 수 있다. 결과적으로, 도 2에 도시한 스펙트럼(80)은 전경(30) 내의 피처들까지의 거리들을 결정하기 위해서 카메라(20)의 작동 중에 5nm 정도만큼 시프트할 수 있다. 온도 차이로 인한 시프트는 셔터(25)의 CIN에서의 실질적인 감소와 바이어스 오류

에서의 수반되는(concomitant) 증가를 가져올 수 있다.

예로써, 도 4는 50℃의 작동 온도에서 작동하는 카메라(20)에 대한 그래프(60)(도 2)에 도시한 셔터(25)에 대한 CR 함수(70) 및 광원의 스펙트럼(80)과, 광원의 작동으로 인한 국부 가열에 의해 시프트된 광원에 대한 스펙트럼들(81 및 82)의 그래프(120)를 나타낸다. 스펙트럼들(81 및 82)은 각각 30℃ 및 70℃의 온도에서 우세하다고 가정한다. 그래프(120)로부터, 스펙트럼 커브들(81 및 82)이 CR 커브(70)와 겹치는 양들을 주목함으로써 스펙트럼(80)에서 발생하는, 스펙트럼들(81 및 82)에 대한 CIN이 최대 CIN과 관련되어 실질적으로 감소된다는 점을 쉽게 알 수 있다. CIN은 스펙트럼들(80, 81, 및 82)에 대해서 각각 대략 13.4, 6, 및 5와 동일한 값을 갖는다.

도 5는 CIN이 대략 6과 같은, 즉 광원(26)과 셔터(25) 사이의 온도차가 대략 20℃와 같을 때 발생될 수 있는 CIN을 가정하여 생성될 수 있는, 전경(30)의 주어진 피처까지의 거리에서 바이어스 오류

의 그래프(130)를 나타낸다. 그래프(130)는 광 펄스(41)(도1 및 도3)에 대한 펄스 폭(τ)이 10ns와 같고, 게이트(110)(도 3)에 대한 게이트 폭이 펄스 폭과 같다고 가정한다. 그러므로 전경(30)의 영상 조각은 대략 2.7 m와 같은 폭을 갖는다. 그래프(130)에서, 커브(131)는 영상 조각의 중심으로부터 변위 ΔD_f의 함수로서

를 나타낸다. 그래프로부터, 오류 바이어스

는 영상 조각의 중심에 있는 피처들에 대해서 실질적으로 제로와 같고, 조각 중심에서부터의 거리에 대해서 선형적으로 증가하며 대략 ΔD_f의 17%와 같다는 점을 알려준다.

이 기술의 일 실시예에 따라서, 게이트형 3D 카메라는 카메라 셔터에 대한 광원의 향상된 매칭을 제공하고

를 줄이는 VCSEL들의 배열을 갖는 광원을 포함한다. VCSEL들은 레이저 다이오드들의 스펙트럼들보다 온도 변화에 실질적으로 덜 민감한 상대적으로 좁은 스펙트럼들을 갖는다. 전형적인 단면 발광 레이저 다이오드는 대략 4nm(FWHM) 폭인 스펙트럼을 가질 수 있고, 상기한 바와 같이, 대략 0.25nm/℃ 만큼 스펙트럼 시프트를 보일 수 있다. 반면에 전형적인 VCSEL은 일반적으로 폭이 대략 0.5nm에서 1nm 사이이며 대략 0.07nm/℃ 만큼 시프트하는 스펙트럼을 갖는다. 그러나, 상대적으로 낮은 에너지 통신 애플리케이션들에서 통상적으로 사용되는 VCSEL들은 게이트형 3D 카메라의 광원에서 사용하기에 충분한 광학적 에너지를 일반적으로 제공하지 않는다.

광원에서의 VCSEL들은, 이 기술의 일 실시예에 따라서, 그들의 레이저 공동들을 확장함으로써 그들의 광학적 에너지 출력을 증가시키도록 변경된다. VCSEL의 레이저 공동을 확장시키는 것은 VCSEL의 스펙트럼의 폭을 증가시키는 반면, 이 스펙트럼은 종래의 단면 발광 레이저 다이오드에 의해 일반적으로 제공되는 스펙트럼보다 훨씬 일반적으로 실질적으로 더 좁다. 그 결과, 이 기술의 일 실시예에 따라서 광원 내의 변경된 VCSEL들은 게이트형 3D 카메라에서 유리하게 사용하기 위한 충분한 전력과 카메라 셔터에 대한 향상된 매칭 모두를 제공한다.

종래의 VCSEL들은 일반적으로 대략 15 microns 이하 직경의 레이저 공동 단면적(cross sections)을 갖는다. 선택적으로, 이 기술의 일 실시예에 따라서 게이트형 3D 카메라 광원 내의 VCSEL들은 대략 20 microns 이상의 폭, 예를 들어, 직경을 특징으로 하는 단면적을 갖는 상대적으로 큰 레이저 공동을 포함한다. 선택적으로, VCSEL 레이저 공동 폭은 대략 25 microns 이상이다. 선택적으로, 스펙트럼의 폭은 대략 2.5nm 이상이다. 이 기술의 몇몇 실시예들에서, 스펙트럼 폭은 대략 3nm 이상이다.

도 6은 이 기술의 일 실시예에 따라서, VCSEL들(227)을 포함하는 광원(226)을 갖는 게이트형 3D 카메라(220)를 개략적으로 나타낸다. 게이트형 3D 카메라(220)는 레이저 다이오드들(27) 대신에 VCSEL들(227)을 포함하는 광원(226)을 제외하고, 예로써 도 1에 도시한 게이트형 3D 카메라(20)와 유사하다. VCSEL들(227)은 대략 20 microns과 같은 직경의, 선택적인 원형 단면적을 특징으로 하는 상대적으로 큰 레이저 공동들을 갖는다. 선택적으로, VCSEL들은 50℃에서 작동할 때 대략 855nm의 파장에서 대략 2.5nm에서 대략 3nm 사이로 중심 조정된 FWHM을 갖는 스펙트럼을 특징으로 하는 IR 광을 생성하도록 작동가능하다.

광원(226)에서, 예로써, VCSEL들(227)은 적절한 열 발산 패키지(heat dissipating package)(228)에 탑재된 대략 55 microns의 피치(pitch)와 16행 및 16열의 직사각형 배열로 구성된다. 이 분야에서 알려진 다양한 패키지들 중 임의의 패키지는 그들의 작동 중에 VCSEL들(227)에 의해 생성된 열을 발산하는 기술의 실행에 적용되고 이용될 수 있다. 발명자들은 VCSEL들(227) 및 적절한 열 발산 패키지(228)를 포함하는 광원(226)이 전경까지의 거리를 결정하기 위해서 전경을 조명하는데 적합한 광 펄스들의 열을 생성하기 위해서 대략 12 Watts 이상의 전력 레벨에서 작동될 수 있다는 점을 알아냈다. 이 기술의 몇몇 실시예들에서, 카메라는 광원이 대략 15 Watts 이상의 전력 레벨에서 작동될 수 있도록 구성된다. 이 기술의 몇몇 실시예들에서, 전력 레벨은 대략 18 Watts 이상이다.

광 펄스들의 열을 제공하기 위해서 광원의 작동 중에 생성된 광원(226)과 셔터(25) 사이의 온도 차이에 있어서, 광원에 의해 제공된 광의 스펙트럼은 상대적으로 작은 파장 시프트들과 CIN에 대한 상대적으로 큰 값들을 보인다. 결과적으로, 이 기술의 일 실시예에 따라서, 카메라(220)는 카메라(20)(도 1)에 대해 도 4에 도시한 바이어스 오류들보다 실질적으로 더 작은 바이어스 오류들

을 갖는 전경에 대한 거리 측정을 제공할 수 있다.

도 7은 온도 30℃, 50℃ 및 70℃에서 GaAs로 형성된 VCSEL들(227)에 대한 스펙트럼들(251, 252 및 253)과, 도 4의 그래프(120)에 도시한 50℃에서 셔터(25)의 CR 커브(70)의 그래프(250)를 나타낸다. 그래프(250)로부터, 광원의 작동 중에 광원(226)과 셔터(25) 사이에서 발생될 수 있는 20℃의 온도 차이들에 대해서, 스펙트럼들은 CR 커브(70)와 관련하여 상대적으로 작은 양들 만큼 시프트한다는 것을 알 수 있다. VCSEL(227)(도 6)의 작동 온도에서 각 섭씨도(degree centigrade)에 대해서, VCSEL 스펙트럼이 0.07nm 만큼 시프트한다고 가정하면, 스펙트럼들(251 및 253)은 CR 커브(70)와 관련하여 대략 1.4nm만큼 시프트된다. CR 커브(70)와 관련하여 광원(226)에 의해 보여지는 스펙트럼들(251 및 253)의 시프트는 도 4에 도시한 광원(26)의 스펙트럼들(81 및 82) 각각에 의한 동일한 온도 차이들에 대해 보여지는 것 보다 실질적으로 더 작다. VCSEL들(227) 및 CR 커브(70)에 대한 시프트된 스펙트럼들(251 및 253)의 CIN 값들은 레이저 다이오드 광원(26)에 대한 대응하는 스펙트럼들(80 및 82)의 CIN 값들보다 실질적으로 더 크다.

광원(226) 및 CR 커브(70)에 대한 스펙트럼들(251, 252 및 253)의 CIN 값들은 각각 대략 12.5, 13.8 및 12.7과 동일하게 추정된다. 셔터(25)가 대략 50℃인 경우에 약 30℃ 또는 약 70℃의 VCSEL 광원(226)에 대한 CIN 값들은, 셔터(25)가 약 50℃일 때 약 30℃ 또는 약 70℃의 온도에서 레이저 다이오드 광원(26)에 대한 CIN 값들보다 약 2 팩터 이상 만큼 더 크다. 레이저 다이오드 광원 스펙트럼들(81 및 82)에 대한 VCSEL 광원 스펙트럼들(251 및 253)의 CIN 값들의 비율은 VCSEL 스펙트럼들이 상대적으로 좁기 때문에 모두 크고, 셔터(25)의 온도와 관련된 동일한 온도 차이에 있어서, 이들은 레이저 다이오드들의 스펙트럼들보다 실질적으로 더 적은 앙만큼 시프트된다.

도 8은 이 기술의 일 실시예에 따라서, VCSEL 광원(226)과 카메라(220)에 의해 제공될 수 있는 바이어스 오류

에서 유리한 향상을 예시한다. 도 8은 이 기술의 일 실시예에 따라서, VCSEL 광원(226)을 포함하는 3D 카메라(220)에 대한 ΔD_f의 함수로서

를 나타내는

커브(261)를 추가한 도 5에 도시한 그래프(130)와 동일한 그래프(260)를 나타낸다. 커브(261)는 레이저 다이오드 광원(26)과 셔터(25) 사이에서

커브(131)에 대해 가정한 것과 같이, VCSEL 광원(226)과 셔터(25) 사이에서 20℃의 동일한 온도 차이를 가정한다. 그래프(260)는 3D 카메라(220)에 대한

는 3D 카메라(20)에 대한

보다 실질적으로 더 작고, 3D 카메라(20)에 대한

의 대략 절반임을 나타낸다. 바이어스 오류

는 레이저 다이오드 광원(26) 및 카메라(20)에 대해서 ΔD_f의 약 17%와 같은 반면, 이 기술의 일 실시예에 따라서, VCSEL 광원(226) 및 카메라(220)에 대해서 바이어스 오류는 대략 1/2로 줄어들고 ΔD_f의 대략 8%와 같다.

본 출원의 상세한 설명 및 특허청구범위에 있어서, 각각의 단어들, "포함한다(comprise)", "포함한다(include)" 및 "갖는다(have)", 및 그의 형태들은 그 단어들이 연관될 수 있는 리스트에 있는 멤버들에 한정될 필요는 없다.

이 기술은 예로써 제공된 그의 실시예들의 다양한 상세 설명들을 이용하여 기술되었고, 이 기술의 범주를 한정할 의도는 아니다. 기술된 실시예들은 다른 특징들을 포함할 수 있으며, 이 기술의 모든 실시예들에서 이들이 모두 필요한 것은 아니다. 이 기술의 몇몇 실시예들은 몇몇 특징들만을 또는 특징들의 가능한 조합들을 이용한다. 설명된 기술의 실시예들의 변형들 및 설명된 실시예들에 적힌 특징들의 다른 조합들을 포함하는 이 기술의 실시예들이 당업자들에게 이루어질 것이다. 이 기술의 범주는 특허청구범위에 의해서만 한정되고 특허청구범위는 모든 이러한 변형들 및 조합들을 포함하게 해석되도록 의도된다.

Claims

전경(scene)까지의 거리를 결정하는 카메라로서,
특유의 스펙트럼을 갖는 광의 일련의 펄스들로 상기 전경을 조명하도록 제어가능한 적어도 하나의 VCSEL(vertical cavity surface emitting light emitting laser)을 포함하는 광원(light source);
감광면(photosurface);
상기 전경에 의해 상기 광 펄스들로부터 반사된 광을 상기 감광면 상에 영상화하는 광학(optics); 및
상기 스펙트럼 내의 광을 위해서 상기 감광면을 선택적으로 게이트 온 및 오프하도록 작동가능한 셔터
를 포함하는 카메라.
제1항에 있어서,
상기 광원은 대략 1.5nm 이상의 FWHM 폭을 갖는 특유의 스펙트럼을 갖는, 카메라.
제1항에 있어서,
상기 특유의 스펙트럼은 대략 2.0nm 이상의 FWHM 폭을 갖는, 카메라.
제1항에 있어서,
상기 특유의 스펙트럼은 대략 2.5nm 이상의 FWHM 폭을 갖는, 카메라.
제1항에 있어서,
상기 VCSEL은 대략 20 microns 이상의 직경을 갖는 것을 특징으로 하는 레이징 공동(lasing cavity)을 갖는, 카메라.
제1항에 있어서,
상기 VCSEL은 대략 25 microns 이상의 직경을 갖는 것을 특징으로 하는 레이징 공동을 갖는, 카메라.
제1항에 있어서,
셔터 명암비(contrast ratio; CR) 및 특유의 스펙트럼의 정규화된 콘볼루션(convolution)은 상기 셔터와 광원 사이의 대략 20℃ 이하의 온도 차이에 있어서 대략 10 이상인, 카메라.
제1항에 있어서,
셔터 명암비(CR) 및 특유의 스펙트럼의 정규화된 콘볼루션은 상기 셔터와 광원 사이의 대략 20℃ 이하 온도 차이에 있어서 대략 12 이상인, 카메라.
제1항에 있어서,
상기 광원은 상기 일련의 광 펄스들로 상기 전경을 조명하기 위해서 대략 12 Watts 이상의 전력 레벨에서 작동하는, 카메라.
제1항에 있어서,
상기 전력 레벨은 대략 15 Watts 이상인, 카메라.
제1항에 있어서,
상기 전력 레벨은 대략 18 Watts 이상인, 카메라.
전경까지의 거리를 결정하는 장치로서,
광원의 향상된 매칭(matching)을 바이어스(bias) 오류들이 줄어든 카메라 셔터에 제공하며, 특유의 스펙트럼을 갖는 광의 일련의 펄스들로 상기 전경을 조명하도록 제어가능한 VCSEL들의 어레이를 갖는 광원;
감광면;
상기 전경에 의해 상기 광 펄스들로부터 반사된 광을 상기 감광면 상에 영상화하는 렌즈 시스템; 및
상기 스펙트럼 내의 광을 위해서 상기 감광면을 선택적으로 게이트 온 및 오프하도록 작동가능한 셔터
를 포함하는 장치.
제12항에 있어서,
상기 광원은 대략 1.5nm 이상의 FWHM 폭을 갖는 특유의 스펙트럼을 갖는, 장치.
제13항에 있어서,
상기 VCSEL은 대략 20 microns 이상의 직경을 갖는 것을 특징으로 하는 레이징 공동을 갖는, 장치.
제14항에 있어서,
셔터 명암비(CR) 및 특유의 스펙트럼의 정규화된 콘볼루션은 상기 셔터와 광원 사이의 대략 20℃ 이하 온도 차이에 있어서 대략 10 이상인, 장치.
제15항에 있어서,
상기 광원은 상기 일련의 광 펄스들로 상기 전경을 조명하기 위해서 대략 12 Watts 이상의 전력 레벨에서 작동하는, 장치.
전경까지의 거리를 결정하는 카메라로서,
광원의 향상된 매칭을 카메라 셔터에 제공하며, 특유의 스펙트럼을 갖는 광의 일련의 펄스들로 상기 전경을 조명하도록 제어가능한 VCSEL들의 어레이를 갖는 광원 - 상기 광원은 대략 1.5nm 이상의 FWHM 폭을 갖는 특유의 스펙트럼과 대략 20 microns 이상의 직경을 특징으로 하는 레이징 공동을 구비함 -;
상기 광원에 연결된 컨트롤러;
CCD 또는 CMOS 감광성(photosensitive) 면을 포함하는 감광면;
상기 전경에 의해 상기 광 펄스들로부터 반사된 광을 상기 감광면 상에 영상화하는 렌즈 시스템; 및
상기 스펙트럼 내의 광을 위해서 상기 감광면을 선택적으로 게이트 온 및 오프하도록 작동가능한 셔터
를 포함하는 카메라.