KR20150089673A

KR20150089673A - 카메라 장치

Info

Publication number: KR20150089673A
Application number: KR1020140010585A
Authority: KR
Inventors: 이기석; 이명욱; 정성기
Original assignee: 엘지이노텍 주식회사
Priority date: 2014-01-28
Filing date: 2014-01-28
Publication date: 2015-08-05
Also published as: KR102101865B1

Abstract

본 발명의 한 실시예에 따른 TOF 카메라 장치는 패턴화된 광을 출력하는 광 출력부, 각각이 제1 수신 유닛 및 제2 수신 유닛을 포함하는 복수의 픽셀을 포함하며, 상기 광 출력부로부터 출력된 후 물체에 반사된 광이 입력되는 광 입력부, 그리고 상기 제1 수신 유닛 및 상기 제2 수신 유닛에 입력된 광량의 차를 이용하여 물체의 거리를 연산하는 연산부를 포함하며, 상기 패턴화된 광의 패턴은 상기 광 입력부의 복수의 픽셀의 배열, 면적 및 형상 중 적어도 하나에 따른다.

Description

카메라 장치{CAMERA APPARATUS}

본 발명은 카메라 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 TOF(Time of Flight) 카메라 장치의 깊이 정보 추출에 관한 것이다.

촬영 장치를 이용하여 3차원 영상을 획득하는 기술이 발전하고 있다. 3차원 영상을 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.

IR 구조광 방식을 대체하는 기술로 TOF(Time of Flight) 방식이 주목받고 있다. TOF 방식에 따르면, 비행 시간, 즉 빛을 쏘아서 반사되어 오는 시간을 측정함으로써 물체와의 거리를 계산한다. TOF 방식을 이용하는 TOF 카메라는 광효율이 낮으며, 노이즈가 큰 문제가 있다.

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 깊이 정보를 추출하는 TOF 카메라 장치를 제공하는 데 있다.

본 발명의 한 실시예에 따른 카메라 장치는 패턴화된 광을 출력하는 광 출력부, 각각이 제1 수신 유닛 및 제2 수신 유닛을 포함하는 복수의 픽셀을 포함하며, 상기 광 출력부로부터 출력된 후 물체에 반사된 광이 입력되는 광 입력부, 그리고 상기 제1 수신 유닛 및 상기 제2 수신 유닛에 입력된 광량의 차를 이용하여 물체의 거리를 연산하는 연산부를 포함하며, 상기 패턴화된 광의 패턴은 상기 광 입력부의 복수의 픽셀의 배열, 면적 및 형상 중 적어도 하나에 따른다.

상기 광 출력부는 광원, 그리고 상기 광원으로부터 출력된 광을 변조하는 광 변환 유닛을 포함할 수 있다.

상기 광 변환 유닛은 광을 패턴화하는 회절 광학 소자(diffractive optical element, DOE), 홀로그램 광학 소자(hologram optical element, HOE) 및 컴퓨터 생성 홀로그램(computer generated hologram, CGH) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.

상기 광 변환 유닛은 상기 광원으로부터 출력된 광을 집속시키는 집속 렌즈, 그리고 광의 경로를 조절하는 반사부재 중 적어도 하나를 더 포함할 수 있다.

상기 광 출력부가 출력하는 광의 변조(modulation)을 제어하는 광 제어부를 더 포함하며, 상기 광 제어부는 상기 연산부로부터 수신한 물체의 거리에 대한 정보를 이용하여 광량을 조절할 수 있다.

본 발명의 실시예에 따르면, 광효율이 높아져 원거리의 깊이 정보도 추출할 수 있으며, SN 비율(Signal to Noise Ratio)를 개선할 수 있다. 또한, 높은 광효율로 인하여 소비전력을 줄일 수 있으며, 광원부를 소형으로 구현할 수 있다.

도 1은 본 발명의 한 실시예에 따른 TOF 카메라 장치의 블록이다.
도 2는 본 발명의 한 실시예에 따른 TOF 카메라 장치의 광 출력부의 블록도이다.
도 3은 본 발명의 한 실시예에 따른 TOF 카메라 장치의 광 입력부의 구조이다.
도 4 내지 도 6은 본 발명의 한 실시예에 따른 TOF 장치의 연산부가 물체의 거리를 계산하는 방법을 설명하는 도면이다.
도 7은 본 발명의 한 실시예에 따른 TOF 카메라 장치의 광 출력부의 일 예를 나타낸다.
도 8은 도 7의 광 출력부의 단면도이다.
도 9는 본 발명의 한 실시예에 따른 TOF 카메라 장치의 광 출력부의 다른 예를 나타낸다.
도 10은 광 출력부에서 출력되는 패턴화된 광을 예시하며, 도 11은 광 입력부에서 입력되는 광의 패턴을 예시한다.
도 12는 본 발명의 한 실시예에 따른 TOF 카메라 장치의 광량 조절 방법을 나타내는 흐름도이다.

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

제2, 제1 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되지는 않는다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제2 구성요소는 제1 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제1 구성요소도 제2 구성요소로 명명될 수 있다. 및/또는 이라는 용어는 복수의 관련된 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함한다.

어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.

본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.

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

도 1은 본 발명의 한 실시예에 따른 TOF 카메라 장치의 블록이고, 도 2는 본 발명의 한 실시예에 따른 TOF 카메라 장치의 광 출력부의 블록도이며, 도 3은 본 발명의 한 실시예에 따른 TOF 카메라 장치의 광 입력부의 구조이고, 도 4 내지 도 6은 본 발명의 한 실시예에 따른 TOF 장치의 연산부가 물체의 거리를 계산하는 방법을 설명하는 도면이다.

도 1을 참조하면, TOF 카메라 장치(100)는 광 출력부(110), 광 제어부(120), 광 입력부(130) 및 연산부(140)를 포함한다.

광 출력부(110)는 패턴화된 광을 출력한다. 여기서, 패턴화된 광은 IR(infrared) 광일 수 있다. 도 2를 참조하면, 광 출력부(110)는 광원(112) 및 광 변환 유닛(114)을 포함한다. 광원은 적외선을 투사하는 적어도 하나의 레이저 다이오드(Laser Diode) 또는 발광 다이오드(Light Emitting Diode, LED)를 포함할 수 있다. 그리고, 광 변환 유닛(114)은 광원(112)으로부터 출력된 광을 변조(modulation)할 수 있다. 광 변환 유닛(114)은, 예를 들면 광원(112)으로부터 출력된 광을 펄스(pulse) 변조 또는 위상(phase) 변조할 수 있다. 이에 따라, 광 출력부(110)는 소정 간격으로 광원을 점멸시키며 출력할 수 있다.

다시 도 1을 참조하면, 광 제어부(120)는 광 출력부(110)가 출력하는 광의 변조(modulation)를 제어한다. 예를 들면, 광 제어부(120)는 광의 펄스 또는 위상 변조를 제어할 수 있다. 광 제어부(120)는 사용자에 의하여 미리 설정된 기준에 따라 광의 펄스 또는 위상 변조를 제어할 수 있다. 예를 들면, 광 제어부(120)는 TOF 카메라 장치 주변의 밝기에 따라 광의 펄스 또는 위상 변조를 제어할 수 있다. 광 제어부(120)는 연산부(140)의 연산 결과를 반영하여 광의 펄스 또는 위상 변조를 더 제어할 수도 있다. 이에 대한 상세한 내용은 후술한다.

한편, 광 입력부(130)는 광 출력부(110)로부터 출력된 후 물체에 반사된 광을 입력 받는다. 광 입력부(130)는 입력 받은 광을 전기 신호로 변환할 수 있다. 광 입력부(130)는, 포토 다이오드(photo diode) 또는 CMOS(complementary metal-oxide semiconductor)를 포함하는 이미지 센서일 수 있다. 도 3을 참조하면, 광 입력부(130)는 배열된 복수의 픽셀(pixel)(132)을 포함한다. 각 픽셀은 In Phase 수신 유닛(132-1) 및 Out Phase 수신 유닛(132-2)을 포함할 수 있다. 도 4를 참조하면, In Phase 수신 유닛(132-1)은 광원이 켜지는 동안 활성화되고, Out Phase 수신 유닛(132-2)은 광원이 꺼지는 동안 활성화될 수 있다. 이와 같이, In Phase 수신 유닛(132-1) 및 Out Phase 수신 유닛(132-2)이 시간 차를 두고 활성화되면, 물체와의 거리에 따라 수신되는 광량에 차이가 발생하게 된다. 예를 들어, 물체가 TOF 카메라 장치 바로 앞에 있는 경우(즉, 거리=0인 경우)에는, 도 5와 같이, 광 출력부(110)로부터 광이 출력된 후 반사되어 오는데 걸리는 시간이 0이므로, 광원의 점멸 주기는 그대로 광의 수신 주기가 된다. 이에 따라, In Phase 수신 유닛(132-1)만이 빛을 수신하게 되고, Out Phase 수신 유닛(132-2)은 빛을 수신하지 못하게 된다. 다른 예로, 물체가 TOF 카메라 장치와 소정 거리 떨어져 위치하는 경우, 도 6과 같이, 광 출력부(110)로부터 광이 출력된 후 물체에 반사되어 오는데 시간이 걸리므로, 광원의 점멸 주기는 광의 수신 주기와 차이가 나게 된다. 이에 따라, In Phase 수신 유닛(132-1)과 Out Phase 수신 유닛(132-2)이 수신하는 빛의 양에 차이가 발생하게 된다.

다시 도 1을 참조하면, 연산부(140)는 In Phase 수신 유닛(132-1) 및 Out Phase 수신 유닛(132-2)에 입력된 광량의 차를 이용하여 물체의 거리를 연산한다.

본 발명의 한 실시예에 따르면, 광 출력부(110)가 출력하는 패턴화된 광의 패턴은 복수의 픽셀의 배열, 면적 및 형상 중 적어도 하나에 따른다. 즉, 광 출력부(110)는 광 입력부(130)의 픽셀의 유효면에 따라 다르게 패턴화된 광을 출력함으로써, 동일한 광량으로 픽셀에 입사되는 광의 강도를 높일 수 있다. 이에 따라, 출력되는 광량에 대하여 입력되는 광의 효율을 높일 수 있다.

도 7은 본 발명의 한 실시예에 따른 TOF 카메라 장치의 광 출력부의 일 예를 나타내고, 도 8은 도 7의 광 출력부의 단면도이며, 도 9는 본 발명의 한 실시예에 따른 TOF 카메라 장치의 광 출력부의 다른 예를 나타낸다. 그리고, 도 10은 광 출력부에서 출력되는 패턴화된 광을 예시하며, 도 11은 광 입력부에서 입력되는 광의 패턴을 예시한다.

도 7 내지 도 8을 참조하면, 광 출력부(700)는 광원(710), 집속 렌즈(collimating lens, 720) 및 패턴화 소자(730)를 포함한다.

광원(710) 은, 예를 들면 적어도 하나의 레이저 다이오드(Laser Diode, LD), 발광 다이오드(Light Emitting Diode, LED), 멀티 셀(multi cell) 구조를 가지는 발광 다이오드일 수 있다.

그리고 집속 렌즈(720)는 광원(710)으로부터 나온 광을 집속한다. 패턴화 소자(730)는 집속 렌즈(720)를 통과한 광을 패턴화한다. 패턴화 소자(730)는, 예를 들면 회절 광학 소자(diffractive optical element, DOE), 홀로그램 광학 소자(hologram optical element, HOE) 및 컴퓨터 생성 홀로그램(computer generated hologram, CGH) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.

도 9를 참조하면, 광 출력부(700)는 광의 경로를 조절하는 반사부재(740)를 더 포함할 수 있다. 반사부재(740)는, 예를 들면 적어도 하나의 미러(mirror)를 포함할 수 있다. 광원(710)과 패턴화 소자(730) 사이에 반사부재(740)를 더 배치하면, 광원(710)으로부터 출력된 광의 경로를 조절하여 다양한 크기 및 형상의 TOF 카메라 장치를 구현할 수 있다. 집속 렌즈(720), 패턴화 소자(730) 및 반사부재(740)는 도 2의 광 변환 유닛(114)의 일부 구성일 수 있다.

한편, 도 10 및 도 11을 참조하면, 본 발명의 한 실시예에 따른 TOF 카메라 장치의 광 출력부는 패턴화 소자를 이용하여 패턴화된 광을 출력하며, 광 입력부는 패턴화된 광을 입력 받는다.

예를 들어, 도 10 (a) 및 도 11 (a)와 같이, 광 출력부가 닷 패턴의 광을 출력하면, 광 입력부에도 닷 패턴의 광이 입력될 수 있다. 또는, 도 10 (b) 및 도 11 (b), 도 10 (c) 및 도 11 (c)와 같이 광 출력부가 격자 패턴, 직선 패턴의 광을 출력하면, 광 입력부에도 격자 패턴, 직선 패턴의 광이 입력될 수 있다.

이때, 광 출력부는 광 입력부의 픽셀의 유효면에 대응하는 패턴의 광을 출력할 수 있다. 즉, 광 출력부가 출력하는 광의 패턴은 광 입력부의 픽셀의 배열, 면적 및 형상 중 적어도 하나에 따를 수 있다. 예를 들어, 광 출력부가 출력하는 광의 패턴은 광 입력부의 픽셀의 배열, 면적 및 형상 중 적어도 하나에 따라 달라질 수 있다.

이와 같이, 광 출력부가 광 입력부의 픽셀에 매칭되는 패턴의 광을 출력하면, 픽셀의 유효면에 입력되는 광의 밀도를 높일 수 있다. 즉, 동일한 광량을 이용하여 높은 광 효율을 얻을 수 있다. 이에 따라, 깊이 정보의 추출 거리를 넓힐 수 있으며, SN 비(Signal to Noise Ratio)를 개선할 수 있다. 또한, 광 효율의 향상으로 인하여 저전력 구동이 가능하며, 광원의 개수를 줄임으로써 소형 및 경량의 TOF 카메라 장치를 구현할 수 있다.

한편, 본 발명의 한 실시예에 따른 TOF 카메라 장치는 연산부의 연산 결과를 이용하여 광량을 조절할 수 있다.

도 12는 본 발명의 한 실시예에 따른 TOF 카메라 장치의 광량 조절 방법을 나나태는 흐름도이다.

도 12를 참조하면, TOF 카메라 장치의 연산부(140)는 In Phase 수신 유닛과 Out phase 수신 유닛 간의 광량을 비교하며(S1200), 광량 차에 기초하여 물체와 카메라 간의 거리를 측정한다(S1210). 예를 들어, 연산부(140)는 In Phase 수신 유닛의 광량에 비하여 Out Phase 수신 유닛의 광량이 많을수록 물체의 거리가 먼 것으로 판단할 수 있다.

그리고, 연산부(140)는 측정된 거리 정보를 광 제어부(130)에게 전달하며(S1220), 광 제어부(130)는 연산부(140)로부터 수신한 거리 정보를 이용하여 광 출력부(110)의 광량을 제어한다(S1230).

예를 들어, 광 제어부(130)는 물체가 TOF 카메라 장치와 가까운 위치에 있을수록 광량을 줄이며, 먼 위치에 있을수록 광량을 증가시킬 수 있다. 광량은 광원으로부터 출력되는 광의 강도(intensity)에 의하여 제어될 수 있다. 즉, 물체가 TOF 카메라 장치와 가까운 위치에 있을수록 출력되는 광의 강도를 낮추며, 먼 위치에 있을수록 광의 강도를 높일 수 있다.

또는, 광량은 펄스 변조 또는 위상 변조에 의하여 제어될 수도 있다. 예를 들어, 물체가 TOF 카메라 장치와 가까운 위치에 있을수록 광원의 점멸 주기를 느리게 하며, 먼 위치에 있을수록 광원의 점멸 주기를 빠르게 할 수도 있다.

이때, 제어부(130)는 전체 픽셀에서 추출된 거리의 평균 값, 중간 값 등을 기준으로 광량을 제어할 수 있다.

이와 같이, 광 제어부(130)가 연산부(140)의 연산 결과를 이용하여 광량을 조절하면, 물체가 가까운 위치에 있는 경우 광량을 줄임으로써 소비 전력을 줄일 수 있다. 그리고, 물체가 먼 위치에 있는 경우 광량을 증가시킴으로써 정확한 깊이 정보를 추출할 수 있다.

상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

100: TOF 카메라 장치
110: 광 출력부
120: 광 제어부
130: 광 입력부
140: 연산부
700: 광 출력부
710: 광원
720: 집속 렌즈
730: 패턴화 소자
740: 반사 부재

Claims

패턴화된 광을 출력하는 광 출력부,
각각이 제1 수신 유닛 및 제2 수신 유닛을 포함하는 복수의 픽셀을 포함하며, 상기 광 출력부로부터 출력된 후 물체에 반사된 광이 입력되는 광 입력부, 그리고
상기 제1 수신 유닛 및 상기 제2 수신 유닛에 입력된 광량의 차를 이용하여 물체의 거리를 연산하는 연산부를 포함하며,
상기 패턴화된 광의 패턴은 상기 광 입력부의 복수의 픽셀의 배열, 면적 및 형상 중 적어도 하나에 따르는 카메라 장치.
제1항에 있어서,
상기 광 출력부는
광원, 그리고 상기 광원으로부터 출력된 광을 변조하는 광 변환 유닛을 포함하는 카메라 장치.
제2항에 있어서,
상기 광 변환 유닛은 광을 패턴화하는 회절 광학 소자(diffractive optical element, DOE), 홀로그램 광학 소자(hologram optical element, HOE) 및 컴퓨터 생성 홀로그램(computer generated hologram, CGH) 중 적어도 하나를 포함하는 카메라 장치.
제3항에 있어서,
상기 광 변환 유닛은 상기 광원으로부터 출력된 광을 집속시키는 집속 렌즈, 그리고 광의 경로를 조절하는 반사부재 중 적어도 하나를 더 포함하는 카메라 장치.
제1항에 있어서,
상기 광 출력부가 출력하는 광의 변조(modulation)을 제어하는 광 제어부를 더 포함하며,
상기 광 제어부는 상기 연산부로부터 수신한 물체의 거리에 대한 정보를 이용하여 광량을 조절하는 카메라 장치.