KR20140137513A - 3차원 영상 획득 장치 및 그 구동 방법 - Google Patents

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Abstract

3차원 영상 획득 장치의 깊이 분해능을 향상시키고 소비 전력를 저감시킬 수 있는 3차원 영상 획득 장치의 구동 방법이 개시된다. 3차원 영상 획득 장치는 피사체를 향해 조명광을 투사하는 광원, 피사체로부터 반사된 조명광을 소정의 이득 파형으로 변조하는 광 셔터, 광 셔터에 의해 변조된 조명광을 촬영하여 깊이 영상을 생성하는 이미지 센서, 상기 이미지 센서에서 생성된 깊이 영상을 이용하여 피사체와의 거리를 계산하는 영상 신호 처리부, 및 상기 광원과 광 셔터의 동작을 제어하는 제어부를 포함한다. 3차원 영상 획득 장치의 구동 방법에 따르면, 이미지 센서가 한 프레임의 깊이 영상을 촬영하는 동안, 광 셔터는 조명광을 변조하는 구동 구간과 빛을 투과시키지 않은 비구동 구간을 반복하도록 제어될 수 있다.

Description

3차원 영상 획득 장치 및 그 구동 방법 {3D image acquisition apparatus and method of driving the same}
개시된 실시예들은 3차원 영상 획득 장치 및 그 구동 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 3차원 영상 획득 장치의 깊이 분해능을 향상시키고 소비 전력를 저감시킬 수 있는 3차원 영상 획득 장치 및 그 구동 방법에 관한 것이다.
피사체(object)와의 거리 정보를 획득할 수 있는 3D 카메라, 모션 캡처 센서(motion sensor), 레이저 레이더(Laser Radar; LADAR) 등에 관한 연구가 최근 증가하는 추세이다. 특히, 깊이감 있는 영상을 표시할 수 있는 3D 디스플레이 장치의 발전 및 수요 증가와 함께 3D 컨텐츠의 중요성이 부각되고 있다. 이에 따라, 일반 사용자가 3D 컨텐츠를 직접 제작할 수 있는 다양한 3차원 영상 획득 장치가 연구되고 있다.
피사체의 표면들과 3차원 영상 획득 장치 사이의 거리에 관한 깊이 정보는, 두 대의 카메라를 이용한 양안 입체시(Stereo Vision) 방법이나 구조광(Structured Light)과 카메라를 이용한 삼각 측량법(Triangulation)을 이용하여 얻을 수 있다. 그러나 이러한 방법은 피사체의 거리가 멀어질수록 깊이 정보에 대한 정확도가 급격히 저하되고 피사체의 표면 상태에 의존적이어서 정밀한 깊이 정보를 얻기 어렵다.
이러한 문제를 개선하기 위하여 광시간비행법(Time-of-Flight; TOF)이 도입되었다. TOF 기술은 조명광을 피사체에 조사한 후, 피사체로부터 반사되는 광이 수광부에서 수광되기까지의 광 비행시간을 측정하는 방법이다. TOF 기술에 따르면, 발광 다이오드(LED) 또는 레이저 다이오드(LD)를 포함하는 조명 광학계를 이용하여 특정 파장의 빛(예컨대, 850nm의 근적외선)을 피사체에 투사하고, 피사체로부터 반사된 동일한 파장의 빛을 수광부에서 수광한 후, 기지의 이득 파형을 갖는 광 셔터로 상기 수광된 빛을 변조하는 등 깊이 정보를 추출하기 위한 일련의 처리 과정을 거치게 된다. 이러한 일련의 광 처리 과정에 따라 다양한 TOF 기술이 소개되어 있다.
TOF 기술을 채용한 3차원 영상 획득 장치는 통상적으로 깊이 정보를 얻기 위한 조명광을 방출하는 조명 광학계와 피사체의 영상을 획득하기 위한 결상 광학계를 구비한다. 또한, 결상 광학계는 피사체로부터 반사된 가시광선을 감지하여 일반적인 컬러 영상을 생성하는 컬러 이미지 센서, 피사체로부터 반사된 조명광을 소정의 이득 파형으로 변조하는 광 셔터, 및 변조된 조명광을 감지하여 깊이 정보를 갖는 깊이 영상을 생성하는 흑백 이미지 센서를 포함할 수 있다.
3차원 영상 획득 장치의 깊이 분해능을 향상시키고 소비 전력를 저감시킬 수 있는 3차원 영상 획득 장치 및 그 구동 방법을 제공한다.
개시된 실시예의 일 유형에 따른 3차원 영상 획득 장치는, 피사체를 향해 조명광을 투사하는 광원; 피사체로부터 반사된 조명광을 소정의 이득 파형으로 변조하는 광 셔터; 광 셔터에 의해 변조된 조명광을 촬영하여 깊이 영상을 생성하는 이미지 센서; 상기 이미지 센서에서 생성된 깊이 영상을 이용하여 피사체와의 거리를 계산하는 영상 신호 처리부; 및 상기 광원과 광 셔터의 동작을 제어하는 제어부를 포함하며, 상기 제어부는, 상기 이미지 센서가 한 프레임의 깊이 영상을 촬영하는 동안, 상기 광 셔터가 조명광을 변조하는 제 1 구간과 조명광을 변조하지 않고 빛을 투과시키지 않은 제 2 구간을 다수회 반복하도록 상기 광 셔터를 제어하도록 구성될 수 있다.
일 예에서, 상기 광 셔터는 각각의 제 1 구간에서 단지 한 주기의 이득 파형으로 조명광을 변조하도록 구성될 수 있다.
다른 예에서, 상기 광 셔터는 각각의 제 1 구간에서 2개 이상의 주기의 이득 파형으로 연속하여 조명광을 변조하도록 구성될 수 있다.
제 1 구간의 길이는 이득 파형의 한 주기의 정수배일 수 있다.
일 예에서, 제 1 구간의 길이는 제 2 구간의 길이보다 클 수 있다.
또한, 상기 제어부는, 상기 광 셔터가 조명광을 변조하는 제 1 구간 동안에는 상기 광 셔터에 최대 투과도 폭을 얻을 수 있는 바이어스 전압을 인가하고, 상기 광 셔터가 조명광을 변조하지 않는 제 2 구간 동안에는 상기 광 셔터를 최대한 닫아 투과되는 빛을 차단 할 수 있는 바이어스 전압을 인가하도록 구성될 수 있다.
일 예에서, 상기 제어부는, 상기 이미지 센서가 한 프레임의 깊이 영상을 촬영하는 동안, 상기 광원이 제 1 구간에서만 조명광을 방출하고 제 2 구간에서는 조명광을 방출하지 않도록 상기 광원을 제어하도록 구성될 수 있다.
상기 광원과 상기 광 셔터가 동기화되어 동작할 수 있다.
상기 광원은 각각의 제 1 구간에서 단지 한 주기의 조명광을 방출할 수 있다.
상기 광원은 각각의 제 1 구간에서 2개 이상의 주기의 조명광을 연속하여 방출할 수 있다.
상기 광원과 상기 광 셔터를 동기화하여, 각각의 제 1 구간에서 상기 광원이 한 번에 단 한 주기의 조명광만을 방출하는 동시에 상기 광 셔터가 단 한 주기의 이득 파형만으로 반사 조명광을 변조할 수 있다.
개시된 실시예의 다른 유형에 따른 3차원 영상 획득 장치의 구동 방법에 따르면, 피사체를 향해 조명광을 투사하는 광원, 피사체로부터 반사된 조명광을 소정의 이득 파형으로 변조하는 광 셔터, 광 셔터에 의해 변조된 조명광을 촬영하여 깊이 영상을 생성하는 이미지 센서, 상기 이미지 센서에서 생성된 깊이 영상을 이용하여 피사체와의 거리를 계산하는 영상 신호 처리부, 및 상기 광원과 광 셔터의 동작을 제어하는 제어부를 포함하는 3차원 영상 획득 장치의 구동 방법에 있어서, 상기 이미지 센서가 한 프레임의 깊이 영상을 촬영하는 동안, 상기 제어부는 상기 광 셔터가 조명광을 변조하는 제 1 구간과 조명광을 변조하지 않고 빛을 투과시키지 않은 제 2 구간을 다수회 반복하도록 상기 광 셔터를 제어할 수 있다.
개시된 3차원 영상 획득 장치의 구동 방법에 따르면, 광셔터와 광원을 불연속(discrete) 구동시킴으로써 광 셔터와 광원의 온도 상승을 억제할 수 있다. 따라서 온도 상승으로 인해 광 셔터의 흡수 파장이 조명광의 파장과 일치하지 않게 되는 것을 방지할 수 있으며 광원의 출력 저하도 또한 방지할 수 있다. 그 결과, 광 셔터와 광원에 인가되는 전압을 증가시켜도 온도 상승이 크지 않기 때문에, 광 셔터의 투과도 변화 폭과 광원의 순간 출력을 증가시킬 수 있게 되어, 3차원 영상 획득 장치의 깊이 정밀도가 향상될 수 있다. 또한, 광 셔터와 광원의 동작 시간이 줄어드므로 3차원 영상 획득 장치의 소비 전력을 저감시킬 수 있다. 또한, 개시된 실시예에 따르면, 외광 차단 효과도 향상될 수 있으며 눈의 안전에도 더 유리할 수 있다.
도 1은 일 실시예에 따른 3차원 영상 획득 장치의 구조를 개략적으로 보이는 개념도이다.
도 2는 일 실시예에 따른 광 셔터의 불연속 구동(discrete driving) 방식을 기존의 연속 구동(continuous driving) 방식과 비교하여 보이는 타이밍도이다.
도 3은 일 실시예에 따른 광원의 불연속 구동 방식을 기존의 연속 구동 방식과 비교하여 보이는 타이밍도이다.
도 4는 연속 구동시에 광 셔터의 중심 흡수 파장의 이동 결과를 보이는 그래프이다.
도 5는 불연속 구동시에 광 셔터의 중심 흡수 파장의 이동 결과를 보이는 그래프이다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여, 3차원 영상 획득 장치 및 그 구동 방법에 대해 상세하게 설명한다. 이하의 도면들에서 동일한 참조부호는 동일한 구성요소를 지칭하며, 도면상에서 각 구성요소의 크기는 설명의 명료성과 편의상 과장되어 있을 수 있다.
도 1은 일 실시예에 따른 3차원 영상 획득 장치의 구조를 개략적으로 보이는 개념도이다.
도 1을 참조하면, 3차원 영상 획득 장치(100)는, 소정의 파장을 갖는 조명광을 발생시키는 광원(101), 외부의 피사체(도시되지 않음)로부터 반사된 가시광과 조명광을 포커싱하는 대물렌즈(102), 상기 대물렌즈(102)에 의해 포커싱되는 가시광을 감지하여 컬러 영상을 생성하는 제 1 이미지 센서(103), 피사체로부터 반사된 조명광을 소정의 이득 파형으로 변조하는 광 셔터(112), 상기 광 셔터(112)에 의해 변조된 조명광을 촬영하여 깊이 영상을 생성하는 제 2 이미지 센서(113), 가시광과 조명광을 분리하여 가시광을 제 1 이미지 센서(103)에 제공하고 조명광을 제 2 이미지 센서(113)에 제공하는 빔스플리터(111), 컬러 영상과 깊이 영상을 이용하여 3D 영상을 생성하는 영상 신호 처리부(104), 및 상기 광원(101), 제 1 이미지 센서(103), 광 셔터(112), 제 2 이미지 센서(113), 및 영상 신호 처리부(104)들의 동작을 제어하는 제어부(107)를 포함할 수 있다. 또한, 3차원 영상 획득 장치(100)는 최종적인 3D 영상을 저장하기 위한 메모리(106)와 3D 영상을 디스플레이 하기 위한 디스플레이 패널(105)을 더 포함할 수 있다.
광원(101)은, 예를 들어, 사람의 눈을 보호하기 위해 사람의 눈에는 보이지 않는 약 850nm의 근적외선(NIR) 파장을 갖는 조명광을 방출시킬 수 있는 발광 다이오드(LED) 또는 레이저 다이오드(LD)를 사용할 수 있다. 그러나, 이는 단지 예시적인 것이며, 설계에 따라서는 적절한 다른 파장 대역의 조명광과 다른 종류의 광원을 사용할 수도 있다. 또한 광원(101)은 제어부(107)로부터 수신된 제어 신호에 따라 예를 들어 사인파, 램프파(ramp wave), 사각파 등과 같이 특수하게 정의된 파형을 갖는 조명광을 피사체에 투사할 수 있다.
빔스플리터(111)의 표면에는 예를 들어 가시광선 영역의 광을 투과시키고 근적외선 영역의 광을 반사하는 파장분할 필터가 코팅될 수 있다. 도 1에서는 빔스플리터(111)가 가시광을 투과시키고 조명광을 반사하는 것으로 도시되어 있지만, 이는 단지 예시적인 것이다. 설계에 따라서는 빔스플리터(111)가 조명광을 투과시키고 가시광을 반사하는 것도 가능하다. 이하에서는 편의상, 빔스플리터(111)는 가시광을 투과시키고 조명광을 반사하는 것으로 설명한다.
광 셔터(112)는 피사체에 대한 깊이 정보를 얻기 위해 광시간비행법(TOF)에 따라 피사체로부터 반사된 조명광을 소정의 이득 파형으로 변조하는 역할을 한다. 예를 들어, 광 셔터(112)는 수십~수백 MHz의 초고속 구동이 가능한 GaAs 기반의 반도체 변조기일 수 있다. 광 셔터(112)의 이득 파형의 주기는 광원(101)에서 발생한 조명광의 주기와 동일할 수 있다. 광 셔터(112)의 이득 파형도 역시 제어부(107)로부터 수신된 제어 신호에 따라 사인파, 램프파(ramp wave), 사각파 등과 같이 특수하게 정의된 파형을 가질 수 있다.
제 1 이미지 센서(103)와 제 2 이미지 센서(113)는 예컨대 CCD(charge-coupled device)나 CMOS(complementary metal oxide semiconductor)와 같은 반도체 촬상 소자일 수 있다. 제 1 및 제 2 이미지 센서(103, 113)는 다수의 화소를 갖고 있으며, 각 화소별로 입사광의 광량을 전기적 신호로 변환하여 출력한다. 일반적인 컬러 영상을 생성하기 위한 제 1 이미지 센서(103)는 깊이 정보만을 갖는 깊이 영상을 생성하기 위한 제 2 이미지 센서(113)보다는 높은 해상도를 가질 수 있다. 또한, 제 1 이미지 센서(103)는 컬러 이미지 센서인 반면, 제 2 이미지 센서(113)는 흑백 이미지 센서를 사용할 수도 있다.
이하, 상술한 3차원 영상 획득 장치(100)의 동작에 대해 간단히 설명한다. 먼저, 제어부(107)의 제어에 따라 광원(101)은 예를 들어 근적외선의 조명광을 피사체에 투사한다. 예컨대, 광시간비행법(TOF)에 따라, 광원(101)은 소정의 주기와 파형을 갖는 조명광을 피사체에 조사할 수 있다. 그런 후, 피사체에 의해 반사된 근적외선의 조명광은 대물렌즈(102)에 의해 포커싱된다. 이와 동시에, 피사체로부터 반사된 일반적인 가시광도 대물렌즈(102)에 의해 함께 포커싱될 수 있다. 대물렌즈(102)에 의해 포커싱되는 광 중에서, 가시광은 빔스플리터(111)를 통과하여 제 1 이미지 센서(103)에 입사한다. 제 1 이미지 센서(103)는 일반적인 카메라의 촬상 소자와 마찬가지로 각 화소별로 적색(R), 녹색(G), 청색(B) 성분을 갖는 컬러 영상을 생성할 수 있다.
한편, 대물렌즈(102)에 의해 포커싱되는 조명광은 빔스플리터(111)에 의해 반사되어 광 셔터(112)에 입사한다. 광 셔터(112)에 입사하는 조명광의 위상은, 피사체와 3차원 영상 획득 장치(100) 사이의 거리, 즉 깊이(depth)에 따라 지연된다. 따라서, 조명광의 위상 지연값을 정확히 측정하게 되면 피사체와 3차원 영상 획득 장치(100) 사이의 거리도 알 수 있다. 광 셔터(112)는 피사체로부터 반사된 조명광의 위상 지연값을 구하기 위하여, 제어부(107)의 제어에 따라 조명광을 소정의 이득 파형으로 진폭 변조한다. 예를 들어, 광 셔터(112)는 조명광의 주기와 동일한 주기를 갖고 위상이 각각 상이한 적어도 3개의 이득 파형으로 조명광을 순차적으로 변조할 수 있다.
제 2 이미지 센서(113)는 변조된 조명광의 광량을 각 화소별로 전기적 신호로 변환하여 깊이 영상을 생성한다. 예를 들어, 상기 제 2 이미지 센서(113)는 광 셔터(112)의 적어도 3개의 이득 파형에 각각 대응하는 적어도 3개의 깊이 영상을 순차적으로 생성할 수 있다. 그런 후, 제 2 이미지 센서(113)로부터 출력된 깊이 영상은 영상 신호 처리부(104)에 입력될 수 있다. 영상 신호 처리부(104)는 제 2 이미지 센서(115)로부터 제공된 적어도 3개의 깊이 영상을 이용하여 피사체와 3차원 영상 획득 장치(100) 사이의 거리를 각각의 화소별로 계산하고, 그 계산 결과를 제 1 이미지 센서(103)로부터 제공된 컬러 영상과 결합하여 최종적인 3D 영상을 생성할 수 있다. 이렇게 생성된 3D 영상은 예컨대 메모리(106)에 저장되거나 디스플레이 패널(105)에 표시될 수 있다.
영상 신호 처리부(104)에서 깊이 정보를 추출하는 과정을 수학적으로 모델링하면 다음과 같다.
먼저, 피사체에서 반사되어 3차원 영상 획득 장치(100)로 되돌아오는 반사 조명광은 다음과 같이 표현될 수 있다.
Figure pat00001
위의 수식에서 미지수는 피사체의 반사도 a, 외광 성분의 크기 b, 및 위상 지연 Φobj이다. 조명광의 주파수 ω는 제어부(107)에서 결정된 것으로 이미 알고 있는 값이다. 미지수가 3개이므로 위상 지연을 구하기 위해서는 적어도 3개의 방정식이 필요하다.
따라서, 광 셔터(112)는 수학식 1로 표현된 반사 조명광을 아래와 같이 서로 위상이 각각 다른 3개의 이득 파형으로 변조할 수 있다.
Figure pat00002
위의 수학식 2에서 c는 이득 파형의 세기이고 d는 이득 파형의 DC 성분이며, Φ1, Φ2, Φ3은 이득 파형의 위상이다.
광 셔터(112)에 의해 변조된 후의 조명광은 수학식 1과 수학식 2로 표현된 신호를 곱한 형태가 되어 제 2 이미지 센서(113)에 도달한다. 그런 후, 제 2 이미지 센서(113)는 3개의 서로 다른 위상을 갖는 이득 파형으로 변조된 조명광을 소정의 노출시간(T) 동안 순차적으로 노광함으로써 깊이 영상을 생성할 수 있다. 예를 들어, 노출시간(T)은 영상의 한 프레임의 주기와 같을 수 있다. 이렇게 형성된 깊이 영상의 명도값은 아래와 같이 표현될 수 있다.
Figure pat00003
수학식 3에서 i는 3개의 서로 다른 위상을 갖는 이득 파형에 의해 각각 변조되어 형성된 3개의 깊이 영상들을 구별하기 위한 식별자이다.
위의 수학식 3에서, 예컨대 Φ1 = 0, Φ2 = β, Φ3 = 2β라고 놓고 위상 지연을 구하면 다음과 같다.
Figure pat00004
수학식 4에서 얻은 위상 지연값으로부터 3차원 영상 획득 장치(100)와 피사체 사이의 거리를 다음과 같이 구할 수 있다.
Figure pat00005
위의 수학식 5에서 f는 조명광의 주파수이고, c는 빛의 속도이다. 이러한 방식으로 제 2 이미지 센서(113)의 모든 화소들에 대해 계산을 수행하면 거리 정보를 의미하는 깊이 영상을 얻을 수 있다. 위의 수학식 1 내지 5는, 광원(101)이 동일한 위상의 하나의 조명광을 방출하고 광 셔터(112)가 상이한 위상을 갖는 다수의 이득 파형으로 조명광을 변조하는 방식을 기초로 한 것이다. 그러나, 광원(101)이 상이한 위상을 갖는 다수의 조명광을 방출하고 광 셔터(112)가 동일한 위상의 하나의 이득 파형으로 다수의 조명광을 각각 변조하더라도 동일한 결과를 얻을 수 있다.
위와 같은 깊이 정보 추출 방식에서, 복조 대조비(demodutation contrast)와 깊이 분해능(depth resolution)은 광 셔터(112)의 성능에 의해 크게 영향을 받는다. 앞서 설명한 바와 같이, 광 셔터(112)는 수십~수백 MHz의 초고속 구동이 가능한 GaAs 기반의 반도체 변조기로서, 패브리-페로(Fabry-Perot) 공진기 내에 전기적 제어에 따라 빛을 흡수하는 활성층이 배치된 구조를 갖는다.
그런데, 깊이 정보의 추출을 위해 광 셔터(112)를 동작시키면 AC 구동 전압의 제곱, 및 구동 신호의 주파수에 비례하는 열이 발생하여 광 셔터(112)의 온도가 상승하게 된다. 일반적으로, 광 셔터(112)의 공진 파장은 광 셔터(112)의 온도 상승에 따라 장파장으로 이동(shift)하게 되며, 활성층에서의 흡수 파장의 변화 폭은 공진 주파수의 변화 폭보다 더 크다. 예를 들어, GaAs 기반의 광 셔터(112)의 경우, 공진 파장의 온도에 따른 변화는 약 0.1~0.2nm/℃ 정도이며, 흡수 파장의 온도에 따른 변화는 약 0.293nm/℃ 정도이다. 따라서, 광 셔터(112)의 온도가 높이질수록 흡수 파장이 공진 파장에 더 가까워지게 된다. 흡수 파장과 공진 파장이 가까워지면, 광 셔터(112)에 대한 최대 전압 인가시의 투과도와 전압 비인가시의 투과도 차이가 작아지게 되어 복조 대조비(demodutation contrast)가 작아지고, 그 결과 깊이 분해능이 낮아질 수 있다. 또한, 온도가 지나치게 높아지면 광 셔터(112)가 파손될 수도 있다.
따라서, 본 실시예에 따르면, 광 셔터(112)의 온도 상승을 억제하기 위하여 광 셔터(112)를 불연속적으로 구동시킨다. 도 2는 일 실시예에 따른 광 셔터(112)의 불연속 구동(discrete driving) 방식을 기존의 연속 구동(continuous driving) 방식과 비교하여 보이는 타이밍도로서, 도 2의 (a)는 본 실시예에 따른 불연속 구동 방식을 보이고 있으며, 도 2의 (b)는 본 실시예에 따른 불연속 구동 방식에서 광 셔터(112)에 인가되는 바이어스 전압을 보이고 있고, 도 2의 (c)는 기존의 연속 구동 방식을 비교하여 보이고 있다.
도 2의 (c)를 참조하면, 한 프레임의 깊이 영상을 생성하는 동안, 즉 제 2 이미지 센서(113)의 노출시간(T) 동안, 기존에는 광 셔터(112)가 중단 없이 연속적으로 반사 조명광을 변조한다. 반면, 도 2의 (a)를 참조하면, 본 실시예에 따른 구동 방법에서는, 한 프레임의 깊이 영상을 생성하는 동안, 광 셔터(112)가 불연속적으로 동작하여 단속적으로 반사 조명광을 변조한다. 이러한 광 셔터(112)의 동작은 3차원 영상 획득 장치(100)의 제어부(107)에 의해 제어될 수 있다. 예를 들어, 제어부(107)는 제 2 이미지 센서(113)가 한 프레임의 깊이 영상을 촬영하는 동안, 광 셔터(112)가 조명광을 변조하는 제 1 구간과 조명광을 변조하지 않고 빛을 투과시키지 않은 제 2 구간을 다수회 반복하도록 광 셔터(112)를 제어할 수 있다.
예컨대, 도 2의 (a)에 도시된 바와 같이, 광 셔터(112)의 한 이득 파형의 주기가 50ns라고 할 때, 광 셔터(112)는 약 1us 마다 하나의 이득 파형으로 조명광을 변조할 수 있다. 즉, 광 셔터(112)는 50ns의 제 1 구간과 0.95us의 제 2 구간을 한 프레임 주기(예를 들어, 약 33ms) 동안 반복할 수 있다. 또한, 도 2의 (b)에 도시된 바와 같이, 광 셔터(112)에 인가되는 바이어스 전압은 일정하게 유지되지 않고, 광 셔터(112)가 조명광을 변조하는 제 1 구간 동안에는 상기 광 셔터(112)에 최대 투과도 폭을 얻을 수 있는 바이어스 전압이 인가되고, 광 셔터(112)가 조명광을 변조하지 않는 제 2 구간 동안에는 상기 광 셔터(112)를 최대한 닫아 투과되는 빛을 차단 할 수 있는 바이어스 전압이 인가될 수 있다.
상술한 본 실시예에 따르면, 연속 구동 방식과 비교할 때, 도 2의 예에서 광 셔터(112)의 소비 전력은 약 1/20로 줄어드므로, 그만큼 광 셔터(112)의 온도 상승을 억제할 수 있다. 따라서, 온도 상승으로 인해 광 셔터(112)의 흡수 파장이 조명광의 파장과 일치하지 않게 되는 것을 억제할 수 있다. 예를 들어, 도 4는 기존의 연속 구동시에 광 셔터(112)의 중심 흡수 파장의 이동 결과를 보이는 그래프이며, 도 5는 본 실시예에 따른 불연속 구동시에 광 셔터(112)의 중심 흡수 파장의 이동 결과를 보이는 그래프이다. 도 4의 그래프를 참조하면, 20MHz의 주파수 및 3.4Vpp의 AC 신호로 연속 구동했을 때, 광 셔터(112)의 중심 흡수 파장은 AC신호를 인가하지 않았을 때보다 약 5.4nm 정도의 장파장으로 이동하였다. 광 셔터(112)의 온도 변화는 약 30℃ 이상이었다. 반면, 도 5의 그래프를 참조하면, 본 실시예에 따른 불연속 구동시에는, 20MHz의 주파수 및 10Vpp의 AC 신호로 구동을 할 경우에도 약 2.4nm 정도의 장파장 이동만을 보였다.
이러한 본 실시예에 따르면, 광 셔터(112)의 이득 파형의 진폭을 증가시켜도 온도 상승이 크지 않기 때문에, 광 셔터(112)의 이득 파형의 진폭을 증가시켜 광 셔터(112)의 투과도 변화 폭을 증가시킬 수 있다. 예를 들어, 도 2의 (a)에서 이득 파형의 진폭(A1)은 도 2의 (c)에 도시된 이득 파형의 진폭(A2)보다 크게 할 수 있다. 연속 구동 방식의 경우에는, 광 셔터(112)의 온도 상승 문제로 인해 이득 파형의 진폭(A2)을 크게 할 수 없었다. 그러나, 본 실시예에 따른 불연속 구동 방식의 경우, 광 셔터(112)의 온도 상승을 억제할 수 있기 때문에, 이득 파형의 진폭(A1)을 상대적으로 증가시키는 것이 가능하다. 이득 파형의 진폭(A1)이 커지면 광 셔터(112)의 투과도 변화 폭이 증가하여 깊이 영상의 복조 대조비(demodutation contrast)를 증가시킬 수 있다. 또한, 본 실시예에 따르면, 조명광을 변조하지 않는 제 2 구간 동안, 광 셔터(112)가 빛을 투과시키지 않기 때문에, 외광 성분의 누적에 의한 오차를 줄일 수 있다. 또한, 외광 성분의 누적에 의하여 제 2 이미지 센서(113)가 포화되는 현상을 방지할 수 있다.
도 2에서는 광 셔터(112)가 약 1us 마다 하나의 이득 파형으로 조명광을 변조하는 것으로 도시되어 있으나, 이는 단지 하나의 예일 뿐이며 본 실시예가 반드시 이에 한정되는 것은 아니다. 비구동 구간인 제 2 구간의 주기는, 광 셔터(112)와 제 2 이미지 센서 (113)의 특성에 따라 다르게 선택될 수 있다. 예컨대, 약 2us 마다 하나의 이득 파형으로 광 셔터(112)를 구동시킬 수도 있으며, 또는 약 0.5us마다 하나의 이득 파형으로 광 셔터(112)를 구동시킬 수도 있다. 또한, 구동 구간인 제 1 구간에서 이득 파형이 개수도 광 셔터(112)와 제 2 이미지 센서 (113)의 특성에 따라 적절히 선택될 수 있다. 예를 들어, 광 셔터(112)는 제 1 구간에서 2개 또는 그 이상의 이득 파형으로 연속하여 조명광을 변조하도록 제어될 수도 있다. 따라서, 제 1 구간의 길이는 이득 파형의 주기의 정수배일 수도 있다. 여기서, 제 1 구간의 길이는 제 2 구간의 길이보다 클 수 있다.
한편, 광원(101)의 경우에도, 광 셔터(112)와 마찬가지로 온도 상승에 따라 조명광의 파장이 변화한다. 예를 들어, 광원(101)으로서 반도체 기반의 레이저 다이오드를 사용하는 경우, 조명광 파장의 온도에 따른 변화는 약 0.3nm/℃ 정도이다. 조명광의 파장이 변화하면, 광 셔터(112)의 공진 파장과 일치하지 않게 되고, 그 결과 광 셔터(112)에 대한 최대 전압 인가시의 투과도와 전압 비인가시의 투과도 차이가 작아질 수 있다. 또한, 레이저 다이오드의 출력은 온도가 상승함에 따라 작아지는 경향이 있다.
본 실시예에 따르면, 선택적으로, 온도 상승을 억제하기 위하여 광원(101)도 불연속적으로 구동시킬 수도 있다. 도 3은 일 실시예에 따른 광원(101)의 불연속 구동 방식을 기존의 연속 구동 방식과 비교하여 보이는 타이밍도로서, 도 3의 (a)는 본 실시예에 따른 광원(101)의 불연속 구동 방식을 보이고 있으며, 도 3의 (b)는 기존의 연속 구동 방식을 비교하여 보이고 있다.
도 3의 (b)를 참조하면, 한 프레임의 깊이 영상을 생성하는 동안, 기존에는 광원(101)이 중단 없이 연속적으로 조명광을 방출한다. 반면, 도 3의 (a)를 참조하면, 본 실시예에 따른 구동 방법에서는, 광원(101)은 불연속적으로 동작하여 단속적으로 조명광을 방출한다. 이러한 광원(101)의 동작은 3차원 영상 획득 장치(100)의 제어부(107)에 의해 제어될 수 있다. 예를 들어, 제어부(107)는, 제 2 이미지 센서(113)가 한 프레임의 깊이 영상을 촬영하는 동안, 광원(101)을 광 셔터(112)와 동기화함으로써 광 셔터(112)가 조명광을 변조하는 제 1 구간에서만 조명광을 방출하고 제 2 구간에서는 조명광을 방출하지 않도록 광원(101)을 제어할 수 있다. 예컨대, 광원(101)은 약 1us 마다 한 주기의 조명광을 방출할 수 있다. 또한, 상기 광원(101)은 제 1 구간에서 2개 또는 그 이상의 주기의 조명광을 방출하는 것도 가능하다.
상술한 본 실시예에 따르면, 연속 구동 방식과 비교할 때, 광원(101)의 소비 전력은 약 1/20로 줄어드므로, 그만큼 광원(101)의 온도 상승을 억제할 수 있다. 따라서, 광원(101)의 온도 상승으로 인해 조명광의 파장이 크게 변화하는 것을 억제할 수 있으며, 출력이 저하되는 것도 억제할 수 있다. 또한, 본 실시예에 따르면, 광원(101)의 온도 상승이 크지 않기 때문에, 광원(101)의 순간 출력을 증가시킬 수도 있다. 예를 들어, 도 3의 (a)에서 조명광의 진폭(A3)은 도 3의 (b)에 도시된 진폭(A4)보다 크게 할 수 있으며, 도 3의 (a)에서 광원(101)에 인가되는 바이어스 전압(V1)도 역시 도 3의 (b)에서의 바이어스 전압(V2)보다 클 수 있다. 예컨대, 광원(101)과 광 셔터(112)의 구동 구간인 제 1 구간이 한 프레임의 영상 생성 구간의 1/20인 경우, 광원(101)의 순간 출력을 연속 구동 방식에 비해 최대 20배까지 증가시킴으로써 광량의 저하를 보상할 수도 있다. 또한, 본 실시예에 따르면, 조명광의 방출이 줄어들기 때문에, 눈의 안전에도 더 유리할 수 있다.
또한, 광원(101)과 광 셔터(112)를 동기화하여, 광원(101)이 한 번에 단 한 주기의 조명광만을 방출하는 동시에 광 셔터(112)가 단 한 주기의 이득 파형만으로 반사 조명광을 변조하면 다음과 같은 또 다른 효과를 얻을 수 있다. 일반적인 광시간비행법(Time-of-Flight; TOF)에 따르면, 50ns 주기의 조명광과 이득 파형을 사용할 경우에 위상 지연의 한 주기가 7.5m 거리에 해당하기 때문에, 7.5m 이상 떨어진 물체의 거리를 정확하게 식별할 수 없다. 예를 들어, 8m 거리에 있는 물체를 0.5m 거리에 있는 것으로 인식할 수도 있다. 그러나, 광원(101)이 한 번에 단 한 주기의 조명광만을 방출하는 동시에 광 셔터(112)가 단 한 주기의 이득 파형만으로 조명광을 변조하면, 7.5m 이상의 거리에 있는 물체로부터 반사된 조명광은 광 셔터(112)의 변조 이후에 광 셔터(112)에 도달한다. 따라서, 7.5m 이상의 거리에 있는 물체로부터 반사된 조명광은 깊이 영상의 형성에 전혀 기여하지 않으므로, 영상 신호 처리부(104)는 깊이 영상에서 조명광 성분이 없는 영역에 대해 물체가 7.5m 이상 떨어져 있다고 판단할 수 있다.
지금까지, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 3차원 영상 획득 장치 및 그 구동 방법에 대한 예시적인 실시예가 설명되고 첨부된 도면에 도시되었다. 그러나, 이러한 실시예는 단지 본 발명을 예시하기 위한 것이고 이를 제한하지 않는다는 점이 이해되어야 할 것이다. 그리고 본 발명은 도시되고 설명된 설명에 국한되지 않는다는 점이 이해되어야 할 것이다. 이는 다양한 다른 변형이 본 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 일어날 수 있기 때문이다.
100.....3차원 영상 획득 장치 101.....광원
102.....대물렌즈 103, 113.....이미지 센서
104.....영상 신호 처리부 105.....디스플레이 패널
106.....메모리 107.....제어부
111.....빔스플리터 112.....광 셔터

Claims (22)

  1. 피사체를 향해 조명광을 투사하는 광원;
    피사체로부터 반사된 조명광을 소정의 이득 파형으로 변조하는 광 셔터;
    광 셔터에 의해 변조된 조명광을 촬영하여 깊이 영상을 생성하는 이미지 센서;
    상기 이미지 센서에서 생성된 깊이 영상을 이용하여 피사체와의 거리를 계산하는 영상 신호 처리부; 및
    상기 광원과 광 셔터의 동작을 제어하는 제어부를 포함하며,
    상기 제어부는, 상기 이미지 센서가 한 프레임의 깊이 영상을 촬영하는 동안, 상기 광 셔터가 조명광을 변조하는 제 1 구간과 조명광을 변조하지 않고 빛을 투과시키지 않은 제 2 구간을 다수회 반복하도록 상기 광 셔터를 제어하도록 구성되는 3차원 영상 획득 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 광 셔터는 각각의 제 1 구간에서 단지 한 주기의 이득 파형으로 조명광을 변조하도록 구성되는 3차원 영상 획득 장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 광 셔터는 각각의 제 1 구간에서 2개 이상의 주기의 이득 파형으로 연속하여 조명광을 변조하도록 구성되는 3차원 영상 획득 장치.
  4. 제 3 항에 있어서,
    제 1 구간의 길이는 이득 파형의 한 주기의 정수배인 3차원 영상 획득 장치.
  5. 제 1 항에 있어서,
    제 1 구간의 길이는 제 2 구간의 길이보다 큰 3차원 영상 획득 장치.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 제어부는, 상기 광 셔터가 조명광을 변조하는 제 1 구간 동안에는 상기 광 셔터에 최대 투과도 폭을 얻을 수 있는 바이어스 전압을 인가하고, 상기 광 셔터가 조명광을 변조하지 않는 제 2 구간 동안에는 상기 광 셔터를 최대한 닫아 투과되는 빛을 차단 할 수 있는 바이어스 전압을 인가하도록 구성되는 3차원 영상 획득 장치.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 제어부는, 상기 이미지 센서가 한 프레임의 깊이 영상을 촬영하는 동안, 상기 광원이 제 1 구간에서만 조명광을 방출하고 제 2 구간에서는 조명광을 방출하지 않도록 상기 광원을 제어하도록 구성되는 3차원 영상 획득 장치.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 광원과 상기 광 셔터가 동기화되어 동작하는 3차원 영상 획득 장치.
  9. 제 7 항에 있어서,
    상기 광원은 각각의 제 1 구간에서 단지 한 주기의 조명광을 방출하는 3차원 영상 획득 장치.
  10. 제 7 항에 있어서,
    상기 광원은 각각의 제 1 구간에서 2개 이상의 주기의 조명광을 연속하여 방출하는 3차원 영상 획득 장치.
  11. 제 7 항에 있어서,
    상기 광원과 상기 광 셔터를 동기화하여, 각각의 제 1 구간에서 상기 광원이 한 번에 단 한 주기의 조명광만을 방출하는 동시에 상기 광 셔터가 단 한 주기의 이득 파형만으로 반사 조명광을 변조하는 3차원 영상 획득 장치.
  12. 피사체를 향해 조명광을 투사하는 광원, 피사체로부터 반사된 조명광을 소정의 이득 파형으로 변조하는 광 셔터, 광 셔터에 의해 변조된 조명광을 촬영하여 깊이 영상을 생성하는 이미지 센서, 상기 이미지 센서에서 생성된 깊이 영상을 이용하여 피사체와의 거리를 계산하는 영상 신호 처리부, 및 상기 광원과 광 셔터의 동작을 제어하는 제어부를 포함하는 3차원 영상 획득 장치의 구동 방법으로서, 상기 이미지 센서가 한 프레임의 깊이 영상을 촬영하는 동안, 상기 제어부는 상기 광 셔터가 조명광을 변조하는 제 1 구간과 조명광을 변조하지 않고 빛을 투과시키지 않은 제 2 구간을 다수회 반복하도록 상기 광 셔터를 제어하는 3차원 영상 획득 장치의 구동 방법.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 광 셔터는 각각의 제 1 구간에서 단지 한 주기의 이득 파형으로 조명광을 변조하는 3차원 영상 획득 장치의 구동 방법.
  14. 제 12 항에 있어서,
    상기 광 셔터는 각각의 제 1 구간에서 2개 이상의 주기의 이득 파형으로 연속하여 조명광을 변조하는 3차원 영상 획득 장치의 구동 방법.
  15. 제 14 항에 있어서,
    제 1 구간의 길이는 이득 파형의 한 주기의 정수배인 3차원 영상 획득 장치의 구동 방법.
  16. 제 12 항에 있어서,
    제 1 구간의 길이는 제 2 구간의 길이보다 큰 3차원 영상 획득 장치의 구동 방법.
  17. 제 12 항에 있어서,
    상기 광 셔터가 조명광을 변조하는 제 1 구간 동안에는 상기 광 셔터에 최대 투과도 폭을 얻을 수 있는 바이어스 전압을 인가하고, 상기 광 셔터가 조명광을 변조하지 않는 제 2 구간 동안에는 상기 광 셔터를 최대한 닫아 투과되는 빛을 차단하는 3차원 영상 획득 장치의 구동 방법.
  18. 제 12 항에 있어서,
    상기 제어부는, 상기 이미지 센서가 한 프레임의 깊이 영상을 촬영하는 동안, 상기 광원이 제 1 구간에서만 조명광을 방출하고 제 2 구간에서는 조명광을 방출하지 않도록 상기 광원을 제어하는 3차원 영상 획득 장치의 구동 방법.
  19. 제 18 항에 있어서,
    상기 광원과 상기 광 셔터가 동기화되어 동작하는 3차원 영상 획득 장치의 구동 방법.
  20. 제 18 항에 있어서,
    상기 광원은 각각의 제 1 구간에서 단지 한 주기의 조명광을 방출하는 3차원 영상 획득 장치의 구동 방법.
  21. 제 18 항에 있어서,
    상기 광원은 각각의 제 1 구간에서 2개 이상의 주기의 조명광을 연속하여 방출하는 3차원 영상 획득 장치의 구동 방법.
  22. 제 18 항에 있어서,
    상기 광원과 상기 광 셔터를 동기화하여, 각각의 제 1 구간에서 상기 광원이 한 번에 단 한 주기의 조명광만을 방출하는 동시에 상기 광 셔터가 단 한 주기의 이득 파형만으로 반사 조명광을 변조하는 3차원 영상 획득 장치의 구동 방법.
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