KR20160092137A - 티오에프 방식의 거리 측정 장치에서 제어 방법 - Google Patents

티오에프 방식의 거리 측정 장치에서 제어 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 TOF 방식의 거리 측정 장치에서 제어 방법에 관한 것이다. 본 발명의 일 실시예에 따른 제어 방법은, 하나의 거리 데이터를 구하는 시간을 발광부가 펄스 형태의 광 펄스 복수 개의 펄스 다발을 출력하는 펄스 발광 구간과 광을 출력하지 않는 미발광 구간 쌍을 복수 회 반복하는 반사광 측정 구간과 상기 발광부가 광을 발광하지 않는 주변광 측정 구간으로 나누고, 상기 주변광 측정 구간과 반사광 측정 구간에 각각 상기 수광부가 출력하는 신호를 소정 회수 샘플 하여 거리와 관련된 데이터를 얻고, 상기 반사광 측정 구간에 상기 수광부가 출력하는 신호를 샘플 하여 얻은 샘플 데이터가 제1 레벨 이상이 되어 포화되거나 제2 레벨 이하에 머물러 미약한 지 판단하고, 상기 샘플 데이터가 포화되거나 미약하다고 판단될 때 상기 펄스 발광 구간에서 상기 발광부의 발광 파워, 상기 펄스 발광 구간에 포함되는 광 펄스의 개수 및 상기 수광부의 센서 게인 중 하나 이상을 조절할 수 있다. 따라서, TOF 방식에서 극복하기 어려운 신호 포화나 신호 미약 문제를 해결할 수 있고, 넓은 거리 범위에 걸쳐서 거리 측정이 가능하게 된다

Description

티오에프 방식의 거리 측정 장치에서 제어 방법 {Controlling method in distance measuring device using TOF}
본 발명은 TOF 방식의 거리 측정 장치에서 제어 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 TOF 방식으로 거리 측정할 때 거리 측정 범위를 확대하기 위한 방법에 관한 것이다.
거리를 측정하는 센서에는 적외선을 이용하는 적외선 센서, 초음파를 이용하는 초음파 센서, TOF 센서 등이 있다. 적외선 센서는 삼각 측량 원리에 따라 광원에서 방사한 적외선이 피측정물의 표면에서 반사되어 입력되는 접속 광을 수신하여 출력 전류로 수광점을 계산할 수 있는 PSD(Position Sensitive Detector)를 이용하여 거리를 측정할 수 있다. 초음파 센서는 센서가 발사한 초음파 펄스가 피측정물의 표면에서 반사되어 다시 센서로 되돌아올 때까지의 시간을 측정하여 측정 대상에 대한 거리를 측정할 수 있다.
TOF 센서는 매우 짧은 폭의 적외선 펄스를 방사하는 LED와 같은 광원과 물체에서 반사되는 반사광을 검출하기 위한 센서로 구성되는데, 광원에서 방사된 광이 물체에서 반사되어 센서로 돌아오는 시간을 측정하여 물체와의 거리를 식 d=c*tTOF/2(d는 물체와의 거리, c는 빛의 속도, tTOF는 광원에서 방사된 광이 물체에서 반사되어 센서로 돌아오는 시간)으로 계산할 수 있다. 하지만 빛의 속도가 너무 빨라 시간 tTOF를 측정하기 어렵기 때문에, 광원이 빛을 변조하여 방사하고 2개 이상의 위상을 이용하여 간접적으로 거리를 계산한다.
도 1은 TOF 방식으로 거리를 측정하는 원리를 도시한 것이다.
광원이 소정 폭(T0)의 펄스 형태로 광을 출사하면 소정 시간(Td)이 경과한 후 물체에서 반사되는 반사광이 센서에 도달한다. 센서는 광원이 출사한 펄스와 동기하여(Phase 1) 반사광을 검출할 뿐만 아니라 광원이 출사한 펄스와 180도 위상차를 갖고(Phase 2) 반사광도 검출하는데, 출사광과 동기하여 검출한 광량(Q1)과 출사광과 180도 위상차를 갖고 검출한 광량(Q2)을 근거로 물체와의 거리를 계산할 수 있다.
센서를 구성하는 셀은 두 개의 스위치(S1, S2)와 2개의 캐패시터(C1, C2), 및 반사광에 반응하여 전하를 발생시키는 다이오드로 구성될 수 있고, 스위치 S1과 S2는 각각 Phase 1과 Phase 2에 따라 동작하여 반사광에 반응하여 전하를 발생시키는 다이오드를 캐패시터 1과 2에 교번적으로 연결하고, 다이오드에서 발생한 전하가 캐패시터 1과 2에 전하량 Q1과 Q2로 저장되고, 이에 따라 캐패시터 C1과 C2의 전압 V1과 V2은 캐패시터에 쌓이는 전하량 Q1과 Q2에 비례하는 값이 된다. 이때, 물체와의 거리는 (1/2)*c*T0*V2/(V1+V2)에 비례하는 값으로 계산할 수 있다.
TOF 방식으로 거리를 측정하는 거리 측정기는, 근거리를 측정할 때에는 센서를 구성하는 셀이 포화(saturation)되는 문제가 있을 수 있고, 원거리를 측정할 때에는 광량이 부족하게 되는 문제가 발생할 수 있다.
도 2는 TOF 거리 측정 장치에서 거리에 따라 센서에 입사되는 광량을 시뮬레이션 한 그래프를 도시한 것으로, 근거리일수록 센서 입사 광량이 가파르게 상승하고 원거리일수록 매우 작은 광량이 입사, 즉 광학적 비선형성을 보여준다.
특히, 종래 TOF 거리 측정 장치는, 광을 방사하는 광원의 출력을 조절하거나 센서가 데이터를 측정하는 회수를 조절하는 방식을 채용하고, 센서의 게인을 조절하는 구성을 포함하지 않기 때문에, 근거리를 측정할 때 발생하는 포화 현상을 피하기 위하여 광의 출력을 일률적으로 줄이면 원거리에 있는 대상물에서 반사광이 충분히 입사되지 않아 거리를 측정하지 못하는 문제가 발생하고, 원거리에 맞도록 광의 출력을 올리면 근거리에서 포화가 발생하는 문제가 있다.
따라서, 본 발명은 이러한 상황을 반영하여 창작된 것으로서, 본 발명의 목적은 TOF 거리 측정 장치에서 입사 광량의 포화와 미약에 대한 대응 방안을 제공하는 데 있다.
본 발명의 다른 목적은, TOF 방식의 거리 측정 장치에서 넓은 범위의 거리를 정확히 측정하기 위한 방법을 제공하는 데 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 TOF 방식의 거리 측정 장치는, 소정 폭의 펄스 형태로 광을 방사하기 위한 발광부; 상기 발광부가 방사하여 대상물로부터 반사되어 되돌아오는 반사광을 수신하여 수신되는 광량에 대응하는 신호를 출력하기 위한 수광부; 및 상기 수광부의 출력 신호를 근거로 TOF 방식에 따라 대상물까지의 거리를 계산하기 위한 프로세서를 포함하여 구성되고, 하나의 거리 데이터를 구하는 시간은 상기 발광부가 펄스 형태의 광 펄스 복수 개의 펄스 다발을 출력하는 펄스 발광 구간과 광을 출력하지 않는 미발광 구간 쌍을 복수 회 반복하는 반사광 측정 구간과 상기 발광부가 광을 발광하지 않는 주변광 측정 구간을 포함하고, 상기 프로세서는, 상기 주변광 측정 구간과 반사광 측정 구간에 각각 상기 수광부가 출력하는 신호를 소정 회수 샘플 하여 거리와 관련된 데이터를 얻되, 상기 주변광 측정 구간에 얻은 데이터를 이용하여 상기 반사광 측정 구간에 얻은 데이터에서 주변광에 의한 성분을 제거하여 반사광에 따른 거리를 계산하고, 상기 프로세서는, 상기 반사광 측정 구간에 상기 수광부가 출력하는 신호를 샘플 하여 얻은 샘플 데이터를 이용한 거리 계산에 에러가 발생할 때, 상기 펄스 발광 구간에서 상기 발광부의 발광 파워, 상기 펄스 발광 구간에 포함되는 광 펄스의 개수 및 상기 수광부의 센서 게인 중 하나 이상을 조절하여 거리를 계산하는 것을 특징으로 한다.
일 실시예에서, 상기 프로세서는 상기 반사광 측정 구간에 얻은 샘플 데이터가 제1 레벨 이상이 되어 포화되거나 제2 레벨 이하에 머물러 미약할 때 거리 계산에 에러가 발생하는 것으로 판단할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 프로세서는 상기 샘플 데이터가 포화될 때 상기 센서 게인을 낮추거나 상기 발광부의 발광 파워를 낮추거나 상기 펄스 다발에 포함되는 광 펄스의 개수를 줄일 수 있다.
일 실시예에서, 상기 프로세서는, 상기 펄스 발광 구간 시작에서 소정 개수의 샘플 데이터를 얻을 때까지 상기 발광 파워를 낮추거나 상기 광 펄스의 개수를 줄이고, 상기 소정 개수의 샘플 데이터를 얻은 후 상기 발광 파워나 광 펄스의 개수를 원래로 복귀시킬 수 있다.
일 실시예에서, 상기 프로세서는 상기 샘플 데이터가 미약할 때 상기 센서 게인을 높이거나 상기 발광부의 발광 파워를 올리거나 상기 펄스 다발에 포함되는 광 펄스의 개수를 늘릴 수 있다.
일 실시예에서, 상기 프로세서는 상기 거리 측정 장치가 고정식인 경우 상기 거리 계산에 에러가 발생할 때 바로 상기 펄스 발광 구간에서 상기 발광부의 발광 파워, 상기 펄스 발광 구간에 포함되는 광 펄스의 개수 및 상기 수광부의 센서 게인 중 하나 이상을 조절할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 프로세서는, 상기 거리 측정 장치가 회전하면서 동작하는 회전식인 경우, 상기 거리 계산에 에러가 발생하는 1회전에 해당하는 데이터를 버리고, 다음 회전 때 상기 펄스 발광 구간에서 상기 발광부의 발광 파워, 상기 펄스 발광 구간에 포함되는 광 펄스의 개수 및 상기 수광부의 센서 게인 중 하나 이상을 조절할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 프로세서는, 상기 거리 측정 장치가 회전하면서 동작하는 회전식인 경우, 상기 거리 계산에 에러가 발생하는 각도의 합이 소정 값 이상이 될 때 바로 상기 펄스 발광 구간에서 상기 발광부의 발광 파워, 상기 펄스 발광 구간에 포함되는 광 펄스의 개수 및 상기 수광부의 센서 게인 중 하나 이상을 조절할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 프로세서는 상기 펄스 발광 구간과 미발광 구간을 제어하기 위한 발광 제어 신호의 듀티 비를 조절하여 상기 펄스 발광 구간에 포함되는 광 펄스의 개수를 조절할 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 TOF 방식의 거리 측정 장치에서 제어 방법은, 소정 폭의 펄스 형태로 광을 방사하기 위한 발광부; 상기 발광부가 방사하여 대상물로부터 반사되어 되돌아오는 반사광을 수신하여 수신되는 광량에 대응하는 신호를 출력하기 위한 수광부; 및 상기 수광부의 출력 신호를 근거로 TOF 방식에 따라 대상물까지의 거리를 계산하기 위한 프로세서를 포함하여 구성되고, 하나의 거리 데이터를 구하는 시간은 상기 발광부가 펄스 형태의 광 펄스 복수 개의 펄스 다발을 출력하는 펄스 발광 구간과 광을 출력하지 않는 미발광 구간 쌍을 복수 회 반복하는 반사광 측정 구간과 상기 발광부가 광을 발광하지 않는 주변광 측정 구간을 포함하는, TOF 방식의 거리 측정 장치에서 실행되고, 상기 주변광 측정 구간과 반사광 측정 구간에 각각 상기 수광부가 출력하는 신호를 소정 회수 샘플 하여 거리와 관련된 데이터를 얻는 단계; 상기 반사광 측정 구간에 상기 수광부가 출력하는 신호를 샘플 하여 얻은 샘플 데이터가 제1 레벨 이상이 되어 포화되거나 제2 레벨 이하에 머물러 미약한 지 판단하는 단계; 및 상기 샘플 데이터가 포화되거나 미약하다고 판단될 때, 상기 펄스 발광 구간에서 상기 발광부의 발광 파워, 상기 펄스 발광 구간에 포함되는 광 펄스의 개수 및 상기 수광부의 센서 게인 중 하나 이상을 조절하는 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
따라서, TOF 방식에서 극복하기 어려운 신호 포화나 신호 미약 문제를 해결할 수 있게 된다.
또한, 넓은 거리 범위에 걸쳐서 거리 측정이 가능하게 된다.
도 1은 TOF 방식으로 거리를 측정하는 원리를 도시한 것이고,
도 2는 TOF 거리 측정 장치에서 거리에 따라 센서에 입사되는 광량을 시뮬레이션 한 그래프를 도시한 것이고,
도 3은 TOF 방식으로 거리를 측정할 때 광원의 발광 형태와 센서에서 검출되는 신호를 도시한 것이고,
도 4는 본 발명이 적용되는 TOF 방식 거리 측정 장치의 구성을 도시한 것이고,
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따라 TOF 방식으로 거리를 측정할 때 제어 방법에 대한 동작 흐름도를 도시한 것이다.
이하, 본 발명에 따른 TOF 방식의 거리 측정 장치에서 제어 방법에 대한 실시예를 첨부하는 도면에 의거하여 상세히 설명한다.
도 3은 TOF 방식으로 거리를 측정할 때 광원의 발광 형태와 센서에서 검출되는 신호를 도시한 것이다.
예를 들어, 1초에 30번 거리, 즉 30 프레임의 거리를 측정할 때 한 프레임은 약 33ms 동안 센서에서 출력되는 신호를 이용하여 거리를 계산하는데, 한 프레임의 첫 번째 절반 동안은 광원을 켠 상태로 센서에서 반사광에 의해 생성되는 전기 신호를 출력하고 두 번째 절반 동안은 광원을 켜지 않은 상태로 센서에서 반사광에 의해 생성되는 전기 신호를 출력한다.
첫 번째 절반 동안은 주변광(Ambient light)에 의한 직류 성분의 신호와 광원의 발광에 따른 반사광(Light pulse)에 의한 교류 성분이 신호가 합산되어 출력되고 두 번째 절반 동안은 주변광에 의한 직류 성분의 신호만 출력되므로, 첫 번째 절반 동안 출력되는 신호에서 두 번째 절반 동안 출력되는 신호를 감산하여 발광에 따른 반사광에 의한 성분 만을 얻을 수 있다.
또한, 도 1에서 센서를 구성하는 셀이 광원의 출사광과 동기하거나 180도 위상차를 갖고 반사광을 검출하여 전기 신호 V1과 V2를 출력하는데, 도 3에서 시간이 경과함에 따라 그 값이 아래 방향으로 커지는 기울기(Slope)를 갖는 선이 전기 신호를 시간에 따라 누적한 전압 V1과 V2를 가리킨다. 도 3에서, 한 프레임 내의 첫 번째 절반에서 V1이 V2에 비해서 더 많은 반사광을 수신하여 더 급한 기울기로 커지고 있고, 같은 프레임 내의 두 번째 절반에서는 출사광이 없이 주변광만이 수신되므로 V1과 V2가 같은 기울기로 커지고 있다.
도 3에서 신호가 누적됨에 따라 그 값이 아래로 향하는데, 이는 그림 표현을 용이하게 위함으로, 하드웨어 구성에 따라 신호가 누적됨에 따라 V1과 V2 값이 커질 수도 있고 작아질 수도 있다. 이하에서는 반사광에 의해 발생하는 신호가 누적될 때 V1과 V2가 커지는 것으로 설명한다.
P1은 한 프레임 내에서 2개의 펄스를 발생시켜 광원의 출사를 제어하는 데 사용되고, P2는 광원이 짧은 펄스를 수회 반복시키도록 제어하는 데 사용되는데, 예를 들어 P1의 첫 번째 펄스 이후 소정 시간 경과 후에 수회 반복하는 펄스 P2가 생성되어 P2의 펄스가 하이 레벨(또는 로우 레벨)일 때 광원이 수십 ns의 짧은 펄스의 광을 출사하여 센서가 주변광과 반사광이 합해지는 신호를 출력할 수 있도록 하고, P1의 두 번째 펄스 이후 소정 시간 경과 후에 P2 펄스가 생성되지만 광원은 발광하지 않아 센서가 주변광에 의한 신호만을 출력할 수 있도록 한다.
즉, 광원은, 첫 번째(또는 두 번째) P1 펄스 및 P2 펄스의 제1 레벨(하이 레벨)을 조건으로 짧은 펄스의 광을 출사하고, 두 번째(또는 첫 번째) P1 펄스를 조건으로 다음 P1 펄스 때까지 광을 출사하지 않는다. 또한, 광원은 P2 펄스의 제1 레벨 동안 소정 시간 간격의 수십 개의 짧은 펄스의 광(Nlight 또는 펄스 광 다발)을 발생시키고 센서에서는 Nlight에 대한 반사광에 의해 1Ndata가 생성되고, 한 프레임 내의 첫 번째 절반에서 1Ndata(Data1, Data2, Data3,)가 P2 펄스의 개수에 해당하는 개수만큼(nNdata) 생성되는데, 광원과 동기 해서 얻는 신호 V1과 광원과 180도 위상차를 두고 얻는 신호 V2는 nNdata 각각이 누적되어 얻어지고 1Ndata가 생성될 때마다 누적되는 전압 값도 검출되어 이를 통해 신호 V1과 V2의 기울기를 얻을 수 있다.
도 3에서 V1은 4개의 1Ndata가 누적된 이후 포화되고 V2는 5개의 1Ndata가 누적된 이후 포화되는데, 실질적으로는 하드웨어의 한계로 인해 포화 레벨(Vsat)이 존재하고 또한 어떤 레벨 이하의 데이터는 의미가 없는 것으로 판단하게 되는 소정의 레벨(Va)를 설정하는 것이 필요하다. 즉, 센서에서 출력되는 신호가 포화 레벨에 이르기 전 소정 레벨(Va)보다 낮은 레벨일 때 거리 계산에 활용되고 소정 레벨보다 커지면 거리 계산에 활용할 수 없다. 도 3에서 V1은 3개의 1Ndata만 거리 계산에 이용 가능하고 V2는 4개의 1Ndata만 거리 계산에 이용 가능하다.
일반적으로 근거리는 적은 개수의 1Ndata만으로도 신호가 포화되어 1~2Ndata만이 거리 계산에 이용되고, 먼 거리일수록 7개 이상의 1Ndata를 이용하게 된다.
도 3을 참조하여 설명한 방식으로 동작하는 종래의 TOF 거리 측정 장치는 센서의 게인을 변환할 수 없는 구조여서, 가까운 거리에 대한 대상물에 의해 포화가 발생하는 것을 피하기 위하여 광원의 출력을 낮게 사용하면 먼 거리에서 반사광이 충분히 입사하지 못해 신호가 미약하여 거리를 계산할 수 없고, 먼 거리에 맞도록 광원의 출력을 조절하면 가까운 거리에서는 신호가 포화되는 문제가 있다. 특히, 반사량이 높은 재질이 가까이에 있는 경우 하나의 1Ndata만으로도 신호 포화가 발생할 수 있다.
TOF 카메라의 거리 측정 해상도를 올리기 위해서는 한 프레임 내에서 포화되지 않는 상태에서 검출하는 Ndata의 개수를 늘리는 것이 유리한데, 종래와 같이 광원의 출력 파워를 일률적으로 조정하거나 센서 게인을 조절하지 못하거나 펄스 광 다발(Nlight)에 포함되는 발광 펄스의 개수를 조절하지 않고는 가까운 거리나 먼 거리를 높은 해상도로 측정할 수 없다.
본 발명에서는, 센서를 통해 검출되는 Ndata의 크기를 대상물의 거리에 맞추어 조절할 수 있도록, 센서 게인, 광원의 파워 및 펄스 광 다발에 포함된 발광 펄스의 개수를 포함하는 3가지 요소 중 하나 이상을 조절하여, 거리 측정 해상도를 향상시키도록 한다.
도 4는 본 발명이 적용되는 TOF 방식 거리 측정 장치의 구성을 도시한 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 거리 측정 장치(100)는, TOF 방식으로 대상물의 거리를 측정하기 위하여 소정 폭의 적외선 펄스를 방사하기 위한 발광부(110), 발광부(110)가 방사한 적외선이 대상물에서 반사되어 되돌아오는 반사광을 검출하기 위한 수광부(120) 및 수광부(120)의 출력 신호를 근거로 TOF 방식에 따라 대상물까지의 거리를 계산하기 위한 프로세서(130)를 포함하여 구성될 수 있다.
발광부(110)는 적외선을 방사하는 LED와 같은 발광 모듈과 발광 모듈이 소정의 폭을 갖는 펄스 형태로 광을 출력하도록 구동하기 위한 구동부로 구성되는 광원(111) 및 광원(111) 전면에 방사할 광의 각도나 광의 강도 등을 조절하기 위한 광학계, 예를 들어 콜리메이터 렌즈(112)를 포함하여 구성될 수 있다.
수광부(120)는 입사되는 빔을 일정 크기와 모양으로 변형하기 위한 텔레센트릭 렌즈(Telecentric Lens)와 같은 수광 렌즈(121), 광원(111)이 출사한 광의 파장대만을 선택적으로 통과시키기 위한 필터(122) 및 반사광을 검출하기 위해 하나 이상의 셀을 포함하는 수광 센서(123)를 포함하여 구성될 수 있다.
수광 센서(123)의 셀은, TOF 방식으로 거리를 측정할 수 있도록 도 1과 같은 회로 구성을 포함하여, 광원(111)이 방사하는 적외선 펄스와 동기하여(Phase 1) 반사광을 수신하고 또한 광원(111)이 방사하는 적외선 펄스와 180도의 위상차를 갖고(Phase 2) 반사광을 수신하여, Phase 1에 대한 전기 신호와 Phase 2에 대한 전기 신호를 출력할 수 있다.
프로세서(130)는, 수광 센서(123)의 하나 이상의 셀로부터 출력되는 Phase 1에 대한 전기 신호와 Phase 2에 대한 전기 신호를 기초로 TOF 방식에 따라 출사광이 반사광으로 수광 센서(123)에 맺힐 때까지의 시간을 계산하여 대상물까지의 거리를 계산할 수 있다.
프로세서(130)는, 광원(111)의 발광 구간을 조절하기 위한 제어 신호를 발광부(110)에 전송할 수 있는데, 도 3과 같이 한 프레임 내에서 반사광에 의한 신호와 주변광에 의한 신호의 합과 주변광에 의한 신호를 별도로 검출할 수 있도록 한 프레임의 절반 동안에만(반사광 측정 구간) 광원(111)이 발광하도록 하고 나머지 절반 동안(주변광 측정 구간)은 광원(111)이 발광하지 않도록 한다.
또한, 프로세서(130)는, 한 프레임 내에서 광원(111)이 발광하는 반사광 측정 구간도 광원(111)이 짧은 펄스 형태로 발광하는 펄스 광 복수 개로 구성되는 펄스 광 다발(Nlight)을 출력하는 펄스 발광 구간과 광을 출력하지 않는 미발광 구간 쌍을 하나 이상 포함하도록 광원(111)을 제어할 수 있다. 한 프레임 내에서 주변광 측정 구간은 미발광 구간만으로 구성된다.
프로세서(130)는, 한 프레임 내에서 수광 센서(123)가 반사광 측정 구간 동안 출력하는 신호와 주변광 측정 동안 출력하는 신호를 이용하여, 반사광 측정 구간 동안 측정되는 신호에서 주변광에 의한 성분을 제거하여 광원(111)에서 방사되어 대상물에서 반사되는 반사광만에 의한 성분을 얻고, 이를 근거로 대상물까지의 거리를 계산할 수 있다.
프로세서(130)는, 수광 센서(123)를 구성하는 하나 이상의 셀이 광원(111)과 동기 하여 얻은 전기 신호 V1과 광원(111)과 180도 위상차를 갖고 얻은 전기 신호 V2를 출력할 때, V1과 V2를 이용하여 거리 정보를 계산할 수 있다. 도 1은 하나의 셀을 2개의 서브셀로 나누어 광원의 펄스와 동기 하여 얻은 신호와 180도 위상차를 갖고 얻은 신호를 이용하는 예를 설명하지만, 하나의 셀을 4개의 서브셀로 나누고 광원의 펄스와 동기 하여 얻은 신호와 서로 다른 위상차(90도, 180도, 270도)를 두고 활성화하여 얻은 신호들을 이용하여 거리를 구할 수도 있는데, 전자의 경우는 두 신호의 크기를 비교하고 후자의 경우는 두 신호들의 합을 다른 두 신호들의 합과 비교하는 방식을 이용할 수 있다.
프로세서(130)는, 수광 센서(123)가 출력하는 신호를 소정 시간 간격으로 검출하여 복수 개의 Ndata(V1과 V2의 레벨)를 얻을 수 있는데, 수광 센서(123)가 출력하는 신호는 캐패시터에 누적되는 전하량을 가리키므로 Ndata는 시간이 경과함에 따라 그 레벨이 증가하여 포화될 수 있고, 포화된 이후의 데이터는 아무런 의미가 없이 버려진다.
V1과 V2를 출력하는 수광 센서(123)의 캐패시터 C1과 C2는 한 프레임 내에서 반사광 측정 구간과 주변광 측정 구간의 초기마다 P1 펄스에 의해 전하가 비워져서, 반사광 측정 구간과 주변광 측정 구간에 새롭게 입사되는 광(주변광 및/또는 반사광)에 따라 발생하는 전하를 저장하고 해당 구간 내에 캐패시터의 전위가 상승하게 된다.
반사광 측정 구간과 주변광 측정 구간 내에서 연속으로 측정되는 Ndata는 시간이 경과함에 따라 증가하게 되고, 프로세서(130)는 V1과 V2 각각에 대해서 신호가 포화되기 이전 최종 Ndata를 이용하여 거리를 계산하는데, 주변광 측정 구간에서 측정되는 V1과 V2 값을 이용하여 반사광 측정 구간에서 측정되는 최종 데이터에서 주변광에 의한 성분을 제거한 후 거리를 계산할 수 있다. 즉, 프로세서(130)는 V1과 V2 각각에 대해서 포화되기 이전 최종 Ndata의 레벨과 최종 Ndata까지 소요 시간(또는 포화되지 않고 검출되는 Ndata의 개수)를 근거로 거리를 계산할 수 있다.
반사광 측정 구간 내에서 V1과 V2를 각각 샘플 하여 얻은 Ndata는 복수 번 검출될 수 있고, V1과 V2를 샘플 하여 Ndata를 얻는 시간 간격은 도 3에 도시한 것과 같이 광원(111)의 펄스 발광 구간과 미발광 구간 쌍의 합과 같을 수 있지만, 이에 한정되지는 않는다.
반사광 측정 구간 내에서 Ndata를 복수 번 검출하더라도 검출되는 데이터가 포화된 이후에는 거리 계산에 이용되지 않게 된다.
본 발명은, 거리 계산의 정밀도를 향상시킬 수 있도록 가능하다면 많은 Ndata가 포화되지 않은 상태로 검출되지 않도록 검출되는 데이터의 상태에 맞추어 센서의 게인이나 광원의 파워, 펄스 광 다발에 포함되는 발광 펄스의 개수를 조절할 수 있다. 또한, 본 발명은, 특정 상황에서 신호가 포화되거나 신호가 미약하여 거리 측정에 에러가 발생할 때, 센서 게인, 광원 파워, 펄스 광 개수를 조절하여 제대로 거리를 측정할 수 있도록 한다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따라 TOF 방식으로 거리를 측정할 때 제어 방법에 대한 동작 흐름도를 도시한 것이다.
거리 측정 장치(100)는 TOF 방식에 따라 거리를 측정하고 계산한다(S510).
거리 측정 장치가 특정 방향을 향하거나 거리 측정 장치가 움직일 수 있는 물체에 장착되어 이동하거나 사람이 거리 측정 장치를 휴대하면서 거리를 측정하는 도중 수광 센서(123)에서 출력하는 신호가 포화되거나 신호가 미약하여 거리 측정이 제대로 되지 않으면(S520에서 YES), 본 발명이 적용되는 거리 측정 장치(100)는 상황에 맞도록 센서의 게인을 조절하거나 레이저 파워를 조절하거나 펄스 발광 구간에 포함된 펄스 광의 개수를 조절하는 방법 중 하나 이상을 채용하여 거리를 다시 측정할 수 있다(S530).
고정식으로 동작하는 거리 측정 장치(100)에서 특정 상황에 거리 측정에 에러가 발생하면 즉시 S530 단계를 적용하여 거리를 다시 측정할 수 있다. 소정 각도 회전 예를 들어 360도 회전하면서 동작하는 거리 측정 장치(100)에서 특정 각도에서 거리 측정에 에러가 발생하면 거리 측정 장치(100)가 다시 해당 각도 위치에 도달할 때 S530 단계를 적용하여 거리를 다시 측정할 수 있다.
거리 측정 장치(100)는, 측정 조건을 조절하여 거리를 다시 측정할 때 신호가 포화되거나 미약한 지 여부를 다시 확인하고(S520), 여전히 거리 측정에 에러가 발생하면(S520에서 YES) 센서의 게인을 조절하거나 레이저 파워를 조절하거나 펄스 발광 구간에 포함된 펄스 광의 개수를 조절하는 방법을 바꿔가면서 다시 거리를 측정하고, 거리 측정에 에러가 발생하지 않으면(S520에서 NO) 측정되는 신호를 근거로 거리를 계산하고 출력할 수 있다(S540).
거리 측정 조건을 바꾸는 구체적인 방법을 설명한다.
센서 게인을 조절하거나, 광원의 파워를 조절하거나, 펄스 발광 구간에 포함된 발광 펄스의 개수를 조절하는 방법 중 하나 또는 둘 이상의 조합이 가능하다.
첫 번째로, 센서 게인을 조절하는 방법을 설명한다. 종래 TOF 거리 측정 장치에는 센서 게인을 조절하는 구성이 없기 때문에, 센서의 게인을 조절하여 가까운 거리에서의 신호 포화와 먼 거리에서의 신호 미약 문제를 극복할 수 있다.
프로세서(130)는, 수광 센서(123)에서 출력되는 신호 V1과 V2가 펄스 광 구간이 끝날 때까지 너무 미약하여 V1과 V2를 샘플 하여 얻은 샘플 데이터(Ndata)가 레벨이 너무 작거나 이웃하는 데이터와의 차이(도 3에서 data 1과 data 2의 차이)가 작은 경우, 즉 도 3에서 V1과 V2의 기울기가 너무 작은 경우, 대상물까지의 거리가 멀어 수광 센서(123)에 반사광이 적게 입사되는 것으로 판단하여, 수광 센서(123)의 게인을 올리고 게인이 높아진 수광 센서(123)이 출력하는 신호 V1과 V2를 이용하여 다시 거리를 측정할 수 있다.
반대로, 수광 센서(123)이 높은 레벨로 신호 V1과 V2를 출력하여 V1과 V2를 샘플 하여 얻은 샘플 데이터가 펄스 광 구간이 시작하자마자 바로 포화되는 경우, 즉 도 3에서 V1과 V2의 기울기가 너무 급한 경우, 포화되지 않고 샘플 되는 데이터를 몇 개 얻을 수 없기 때문에 가까운 대상물의 거리를 정밀도 높게 측정할 수 없다. 이 경우 프로세서(130)는, 대상물까지의 거리가 가까워 수광 센서(123)에 반사광이 많이 입사되는 것으로 판단하여, 수광 센서(123)의 게인을 낮추고 게인이 낮아진 수광 센서(123)이 출력하는 신호 V1과 V2를 이용하여 다시 거리를 측정할 수 있다
두 번째로, 광원의 파워를 조절하는 방법을 설명한다. 종래 TOF 거리 측정 장치는, 사람의 눈을 보호하기 위한 조건을 만족할 수 있도록 하는 범위에서 레이저 파워를 조절하기는 하지만, 거리 측정을 위해서 별도로 레이저 파워를 조절하지는 않았다.
프로세서(130)는, 수광 센서(123)의 출력 신호가 빨리 포화되는 경우, 대상물까지의 거리가 가까워 수광 센서(123)에 반사광이 많이 입사되는 것으로 판단하여, 발광부(111)를 제어하여, 반사광 측정 구간에서 첫 번째로 V1과 V2를 샘플 하여 첫 번째 Ndata를 얻을 때까지(또는 소정 개수의 Ndata를 얻을 때까지)(또는 반사광 측정 구간 시작부터 소정 개수의 펄스 발광 구간에서) 레이저 출력 파워를 줄여서 광원(111)을 발광시킬 수 있다.
또한, 프로세서(130)는, 수광 센서(123)의 출력 신호가 미약한 경우, 대상물까지의 거리가 멀어 수광 센서(123)에 반사광이 적게 입사되는 것으로 판단하여, 발광부(111)를 제어하여, 반사광 측정 구간에서 레이저 출력 파워를 올려서 광원(111)을 발광시키거나 소정의 Ndata를 얻을 때까지는 이전과 같은 파워로 발광시키되 소정의 Ndata를 얻은 이후부터 반사광 측정 구간이 종료될 때까지 레이저 출력 파워를 올려서 광원(111)을 발광시킬 수 있다.
세 번째로, 펄스 발광 구간에 포함된 발광 펄스의 개수를 조절하는 방법을 설명한다. 종래에는 펄스 발광 구간에서 광원(111)이 고정된 개수의 발광 펄스를 발생시켜 발광하였다.
프로세서(130)는, 수광 센서(123)의 출력 신호가 빨리 포화되는 경우, 대상물까지의 거리가 가까워 수광 센서(123)에 반사광이 많이 입사되는 것으로 판단하여, 발광부(111)를 제어하여, 펄스 발광 구간에 생성되는 발광 펄스의 개수를 줄여(발광 펄스의 폭은 바꾸지 않음) 발광시킬 수 있다.
예를 들어 펄스 발광 구간에서 50개의 발광 펄스 대신 30개의 발광 펄스로 발광시킬 수 있다. 또는, 펄스 발광 구간에서 소정의 Ndata까지는 50개의 발광 펄스 대신 30개의 발광 펄스로 발광시키고 소정의 Ndata 이후에는 다시 50개의 발광 펄스로 발광시킬 수 있다.
발광 펄스 사이의 간격과 발광 펄스의 펄스 폭을 바꾸지 않은 채 발광 펄스의 개수를 줄이기 위한 방법으로, 도 3에서 펄스 발광 구간과 미발광 구간을 제어하는 발광 제어 신호(도 3에서 P2)의 듀티 비를 조절할 수 있다.
또한, 프로세서(130)는, 수광 센서(123)의 출력 신호가 미약한 경우, 대상물까지의 거리가 멀어 수광 센서(123)에 반사광이 적게 입사되는 것으로 판단하여, 발광부(111)를 제어하여, 펄스 발광 구간에 생성되는 발광 펄스의 개수를 늘려(발광 펄스의 펄스 폭은 바꾸지 않음) 발광시킬 수 있다.
한편, 소정 각도 또는 360도 회전하면서 동작하는 회전식 거리 측정 장치에 대해서는, 앞서 설명한 고정식 거리 측정 장치의 방법을 기본적으로 응용할 수 있다. 회전식 장치의 경우 제한된 시간 안에 거리 측정/계산이 끝나야 하는 점에서 고정식과 다르고 3가지 조정 가능 요소를 적용할 때 부분적으로 제한을 받는다. 회전식 장치의 경우 언제 어떻게 조절하느냐가 주요한 요소가 되고 2가지 방식이 가능하다.
먼저, 1회전할 때마다 측정 조건과 관련된 3가지 요소를 조절하는 방식이다. 이 방식은 신호 포화나 신호 미약 현상이 발생하면 해당 현상이 발생한 1회전에 해당하는 데이터를 버리고, 다음 회전 때 센서 게인이나 광원의 파워를 바꾸거나 광원의 발광 펄스 개수를 조절한 후 얻은 데이터를 이용할 수 있다. 장치가 회전하는 동안 멈추지 않고 연속적으로 데이터를 출력해야 하는 장치에는 적용할 수 없고 장치의 회전과 거리 데이터 사이에 여유가 있는 경우 가능하다.
다음으로, 거리 측정에 에러가 발생할 때 바로 대응하는 방식이다. 소정 범위의 각도 또는 360도 회전 중 소정 각도 단위, 예를 들어 1도마다 거리 측정/계산 동작을 수행한다고 가정하고 360도 1회전하는 동안 소정 회수 이상의 각도에서 신호 포화 또는 신호 미약 현상이 검출되면(1회전 동안 거리 계산에 에러가 발생하는 각도의 합이 소정 값 이상이 될 때) 바로 측정 조건과 관련된 3가지 요소를 조절하여 대응할 수 있다.
이 방식은 에러가 발생한 데이터는 버리게 되나 이후 바로 게인을 조절하여 의미 있는 데이터를 얻게 됨으로써, 1회전을 낭비하지 않고 빨리 제대로 된 거리 데이터를 얻을 수 있다. 예를 들어, 회전식 장치가 1초에 5회전할 때 첫 번째 방식은 0.2초에 해당하는 동안 거리 데이터를 출력하지 못하여 문제가 될 수 있는데, 측정 조건과 관련된 요소를 바로 조절함으로써 이와 같이 소정 시간 동안 데이터가 공백 상태가 되는 문제를 해결할 수 있다.
하지만, 이 방식은 각도가 진행할 때마다 거리가 급격하게 변하거나 반사율이 급격하게 변하는 피사체가 놓인 곳에서는 효과를 발휘할 수 없고 오히려 문제가 될 수 있다. 하지만, 대부분의 측정 환경에서 그러한 경우는 드물기 때문에, 측정 조건과 관련된 3가지 요소를 조합하여 조절하고 그 조절 범위가 적절하다면 안정적으로 거리 데이터를 검출할 수 있다.
본 발명을 적용함으로써, TOF 고유 동작 원리로 극복하기 어려운 신호 포화나 신호 미약 문제를 극복할 수 있게 된다. 또한, 다양한 제품이나 환경에 대응할 수 있고 고정식 장치나 회전식 장치의 거리 측정에 활용할 수 있게 된다. 또한, 상황에 맞도록 측정 조건과 관련된 3가지 요소를 조합하여 사용하여 거리 측정 범위를 확대할 수 있게 된다.
이상 전술한 본 발명의 바람직한 실시예는 예시의 목적을 위해 개시된 것으로, 당업자라면 이하 첨부된 특허청구범위에 개시된 본 발명의 기술적 사상과 그 기술적 범위 내에서, 다양한 다른 실시예들을 개량, 변경, 대체 또는 부가 등이 가능할 것이다.
100: 거리 측정 장치 110: 발광부
111: 광원 112: 콜리메이터 렌즈
120: 수광부 121: 수광 렌즈
122: 필터 123: 수광 센서
130: 프로세서

Claims (10)

  1. 소정 폭의 펄스 형태로 광을 방사하기 위한 발광부;
    상기 발광부가 방사하여 대상물로부터 반사되어 되돌아오는 반사광을 수신하여 수신되는 광량에 대응하는 신호를 출력하기 위한 수광부; 및
    상기 수광부의 출력 신호를 근거로 TOF 방식에 따라 대상물까지의 거리를 계산하기 위한 프로세서를 포함하여 구성되고,
    하나의 거리 데이터를 구하는 시간은 상기 발광부가 펄스 형태의 광 펄스 복수 개의 펄스 다발을 출력하는 펄스 발광 구간과 광을 출력하지 않는 미발광 구간 쌍을 복수 회 반복하는 반사광 측정 구간과 상기 발광부가 광을 발광하지 않는 주변광 측정 구간을 포함하고,
    상기 프로세서는, 상기 주변광 측정 구간과 반사광 측정 구간에 각각 상기 수광부가 출력하는 신호를 소정 회수 샘플 하여 거리와 관련된 데이터를 얻되, 상기 주변광 측정 구간에 얻은 데이터를 이용하여 상기 반사광 측정 구간에 얻은 데이터에서 주변광에 의한 성분을 제거하여 반사광에 따른 거리를 계산하고,
    상기 프로세서는, 상기 반사광 측정 구간에 상기 수광부가 출력하는 신호를 샘플 하여 얻은 샘플 데이터를 이용한 거리 계산에 에러가 발생할 때, 상기 펄스 발광 구간에서 상기 발광부의 발광 파워, 상기 펄스 발광 구간에 포함되는 광 펄스의 개수 및 상기 수광부의 센서 게인 중 하나 이상을 조절하여 거리를 계산하는 것을 특징으로 하는 TOF 방식의 거리 측정 장치.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 프로세서는, 상기 반사광 측정 구간에 얻은 샘플 데이터가 제1 레벨 이상이 되어 포화되거나 제2 레벨 이하에 머물러 미약할 때, 거리 계산에 에러가 발생하는 것으로 판단하는 것을 특징으로 하는 TOF 방식의 거리 측정 장치.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 프로세서는, 상기 샘플 데이터가 포화될 때, 상기 센서 게인을 낮추거나 상기 발광부의 발광 파워를 낮추거나 상기 펄스 다발에 포함되는 광 펄스의 개수를 줄이는 것을 특징으로 하는 TOF 방식의 거리 측정 장치.
  4. 제 3항에 있어서,
    상기 프로세서는, 상기 펄스 발광 구간 시작에서 소정 개수의 샘플 데이터를 얻을 때까지 상기 발광 파워를 낮추거나 상기 광 펄스의 개수를 줄이고, 상기 소정 개수의 샘플 데이터를 얻은 후 상기 발광 파워나 광 펄스의 개수를 원래로 복귀시키는 것을 특징으로 하는 TOF 방식의 거리 측정 장치.
  5. 제 2항에 있어서,
    상기 프로세서는, 상기 샘플 데이터가 미약할 때, 상기 센서 게인을 높이거나 상기 발광부의 발광 파워를 올리거나 상기 펄스 다발에 포함되는 광 펄스의 개수를 늘리는 것을 특징으로 하는 TOF 방식의 거리 측정 장치.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 프로세서는 상기 펄스 발광 구간과 미발광 구간을 제어하기 위한 발광 제어 신호의 듀티 비를 조절하여 상기 펄스 발광 구간에 포함되는 광 펄스의 개수를 조절하는 것을 특징으로 하는 TOF 방식의 거리 측정 장치.
  7. 제 1항에 있어서,
    상기 프로세서는, 상기 거리 측정 장치가 고정식인 경우, 상기 거리 계산에 에러가 발생할 때 바로 상기 펄스 발광 구간에서 상기 발광부의 발광 파워, 상기 펄스 발광 구간에 포함되는 광 펄스의 개수 및 상기 수광부의 센서 게인 중 하나 이상을 조절하는 것을 특징으로 하는 TOF 방식의 거리 측정 장치.
  8. 제 1항에 있어서,
    상기 프로세서는, 상기 거리 측정 장치가 회전하면서 동작하는 회전식인 경우, 상기 거리 계산에 에러가 발생하는 1회전에 해당하는 데이터를 버리고, 다음 회전 때 상기 펄스 발광 구간에서 상기 발광부의 발광 파워, 상기 펄스 발광 구간에 포함되는 광 펄스의 개수 및 상기 수광부의 센서 게인 중 하나 이상을 조절하는 것을 특징으로 하는 TOF 방식의 거리 측정 장치.
  9. 제 1항에 있어서,
    상기 프로세서는, 상기 거리 측정 장치가 회전하면서 동작하는 회전식인 경우, 상기 거리 계산에 에러가 발생하는 각도의 합이 소정 값 이상이 될 때 바로 상기 펄스 발광 구간에서 상기 발광부의 발광 파워, 상기 펄스 발광 구간에 포함되는 광 펄스의 개수 및 상기 수광부의 센서 게인 중 하나 이상을 조절하는 것을 특징으로 하는 TOF 방식의 거리 측정 장치.
  10. 소정 폭의 펄스 형태로 광을 방사하기 위한 발광부; 상기 발광부가 방사하여 대상물로부터 반사되어 되돌아오는 반사광을 수신하여 수신되는 광량에 대응하는 신호를 출력하기 위한 수광부; 및 상기 수광부의 출력 신호를 근거로 TOF 방식에 따라 대상물까지의 거리를 계산하기 위한 프로세서를 포함하여 구성되고, 하나의 거리 데이터를 구하는 시간은 상기 발광부가 펄스 형태의 광 펄스 복수 개의 펄스 다발을 출력하는 펄스 발광 구간과 광을 출력하지 않는 미발광 구간 쌍을 복수 회 반복하는 반사광 측정 구간과 상기 발광부가 광을 발광하지 않는 주변광 측정 구간을 포함하는, TOF 방식의 거리 측정 장치에서,
    상기 주변광 측정 구간과 반사광 측정 구간에 각각 상기 수광부가 출력하는 신호를 소정 회수 샘플 하여 거리와 관련된 데이터를 얻는 단계;
    상기 반사광 측정 구간에 상기 수광부가 출력하는 신호를 샘플 하여 얻은 샘플 데이터가 제1 레벨 이상이 되어 포화되거나 제2 레벨 이하에 머물러 미약한 지 판단하는 단계; 및
    상기 샘플 데이터가 포화되거나 미약하다고 판단될 때, 상기 펄스 발광 구간에서 상기 발광부의 발광 파워, 상기 펄스 발광 구간에 포함되는 광 펄스의 개수 및 상기 수광부의 센서 게인 중 하나 이상을 조절하는 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 TOF 방식의 거리 측정 장치에서 제어 방법.
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