KR20190092957A - 거리 측정 방법 - Google Patents

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KR20190092957A
KR20190092957A KR1020180012305A KR20180012305A KR20190092957A KR 20190092957 A KR20190092957 A KR 20190092957A KR 1020180012305 A KR1020180012305 A KR 1020180012305A KR 20180012305 A KR20180012305 A KR 20180012305A KR 20190092957 A KR20190092957 A KR 20190092957A
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윤영내
김인태
김건우
공성필
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주식회사 히타치엘지 데이터 스토리지 코리아
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Abstract

본 발명은 거리 측정 방법에 관한 것이다. 본 발명의 일 실시예에 따른 거리 측정 방법은, 복수 개 셀이 한 방향으로 나열된 포토 센서의 출력 신호에서 최대 값을 출력하는 최대 셀 위치를 검출하고, 최대 셀에 대응하는 스폿의 크기를 계산하고, 계산된 스폿의 크기에 마진을 더하여 스폿 유효 경계를 결정하고, 스폿 유효 경계 안의 데이터 중에서 최대 셀의 좌우에서 각각 최소 값을 검출하고, 최소 값 중 하나가 스폿 유효 경계에 있지 않을 때, 출력 신호에서 하나를 감산하고, 감산된 출력 신호를 이용하여 TOF 방식으로 거리를 계산하여 출력할 수 있다. 최대 셀의 좌우에서 각각 검출된 최소 값이 모두 문턱 값보다 작을 때 출력 신호에서 두 최소 값 중 하나를 감산할 수 있고, 최소 값 중 하나가 문턱 값보다 크고 스폿 유효 경계에 있을 때 거리 측정 오류를 가리키는 값을 출력할 수 있다. 따라서, 비정상적인 반사광이 포토 센서에 입사되어 이중점 형태의 신호가 출력되더라도, 주변광에 의한 영향을 최소화하여 거리를 정확하게 계산하여 출력할 수 있게 된다.

Description

거리 측정 방법 {Method for measuring distance}
본 발명은 거리 측정 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 거리 측정 장치의 포토 센서의 출력 신호에서 데이터 처리 범위를 결정하는 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 피측정물(거리 측정 대상물)의 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.
거리를 측정할 때 광원이 방사하여 물체에서 반사되는 반사광에 의한 신호만을 얻는 것이 중요한데, 광원이 방사한 방사광에 의한 반사광이 아닌 주변에 있는 주변광(Ambient Light)이 포토 센서에 들어올 수가 있고, 포토 센서가 출력하는 신호에서 이러한 주변광이 미치는 영향을 제거할 필요가 있다.
포토 센서의 출력 신호에서 주변광에 의한 직류 성분(DC Ambient)을 빼줌으로써 출력 신호에서 주변광의 영향을 줄이는데, 주변광에 의한 직류 성분인 DC 레벨을 정확하게 결정하는 것이 쉽지 않다.
종래에는, 도 1과 같이, 반사광에 의해 초점이 맺히는 셀들 주위의 적당한 범위의 셀들의 출력 신호의 레벨을 저장하고, 최고 값을 출력하는 최대 셀을 기준으로 해당 범위 안에서 좌측으로 가장 낮은 최소 값과 우측으로 가장 낮은 최소 값을 비교하고, 둘 중 하나를 선택하여 주변광에 의한 DC 레벨로 결정하고, 포토 센서의 출력 신호에서 DC 레벨을 빼주었다.
하지만, 이중점과 같이 출력 신호가 최고 레벨을 출력하는 최대 셀을 기준으로 좌우 대칭을 이루지 않는 경우, 출력 신호에서 좌/우 방향으로 최소 값을 정확하게 결정하기가 어렵고, 이에 따라 주변광에 의한 DC 레벨을 정확하게 계산하는 것이 어렵게 되는 문제가 있다.
따라서, 본 발명은 이러한 상황을 반영하여 창작된 것으로서, 본 발명의 목적은 거리 측정 장치에서 주변 광에 의한 DC 레벨을 정확하게 결정하는 방법을 제공하는 데 있다.
본 발명의 다른 목적은, 거리 측정 장치에서 주변 광에 의한 DC 레벨을 결정할 때 포토 센서의 출력 신호에서 데이터 처리 범위를 결정하는 방법을 제공하는 데 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 거리 측정 방법은, 복수 개 셀이 한 방향으로 나열된 포토 센서의 출력 신호에서 최대 값을 출력하는 최대 셀 위치를 검출하고, 최대 셀에 대응하는 스폿의 크기를 계산하고, 계산된 스폿의 크기에 마진을 더하여 스폿 유효 경계를 결정하고, 스폿 유효 경계 안의 데이터 중에서 최대 셀의 좌우에서 각각 최소 값을 검출하고, 최소 값 중 하나가 스폿 유효 경계에 있지 않을 때, 출력 신호에서 하나를 감산하고, 감산된 출력 신호를 이용하여 TOF 방식으로 거리를 계산하여 출력하는 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
일 실시예에서, 결정하는 단계는 최대 셀의 위치와 스폿의 크기의 관계를 나타내는 수식을 이용하여 최대 셀에 대응하는 스폿의 크기를 계산할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 방법은 최대 셀의 좌우에서 각각 검출된 최소 값이 모두 문턱 값보다 작을 때 출력 신호에서 두 최소 값 중 하나를 감산할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 방법은 최소 값 중 하나가 문턱 값보다 크고 스폿 유효 경계에 있을 때 거리 측정 오류를 가리키는 값을 출력할 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 거리 측정 장치는, 소정 폭의 펄스 형태로 광을 방사하기 위한 발광부; 발광부가 방사하여 대상물로부터 반사되어 되돌아오는 반사광을 수신하여 수신되는 광량에 대응하는 신호를 출력하기 위해 한 방향으로 나열된 복수 개의 셀을 포함하는 수광부; 및 수광부의 출력 신호를 근거로 TOF 방식으로 대상물까지의 거리를 계산하기 위한 프로세서를 포함하여 구성되고, 프로세서는, 출력 신호에서 최대 값을 출력하는 최대 셀 위치를 검출하고, 최대 셀에 대응하는 스폿의 크기를 계산하고, 계산된 스폿의 크기에 마진을 더하여 스폿 유효 경계를 결정하고, 스폿 유효 경계 안의 데이터 중에서 최대 셀의 좌우에서 각각 최소 값을 검출하고, 최소 값 중 하나가 스폿 유효 경계에 있지 않을 때 출력 신호에서 하나를 감산하고, 감산된 출력 신호를 이용하여 TOF 방식으로 거리를 계산하여 출력하는 것을 특징으로 한다.
따라서, 대칭이 아닌 비정상적인 스폿이 검출되더라도 주변광 영향을 최소화하여 적은 오차로 거리를 계산하게 되어, 물체와의 거리를 잘못 측정하는 문제를 해결하고 거리 측정 장치의 신뢰도를 높일 수 있게 된다.
도 1은 포토 센서의 출력 신호에서 주변광에 의한 성분을 제거하는 일반적인 방법을 도시한 것이고,
도 2는 TOF 방식으로 거리를 측정하는 원리를 도시한 것이고,
도 3은 복수 개의 픽셀을 갖는 포토 센서를 이용하여 삼각 측량 방식과 TOF 방식으로 거리를 측정하는 장치의 구성을 개략적으로 도시한 것이고,
도 4는 이중점 현상이 발생하는 상황을 도시한 것이고,
도 5a와 도 5b는 단일점일 때 포토 센서가 출력하는 출력 신호를 도시한 것이고,
도 6a, 도 6b 및 도 6c는 이중점 발생 상황에 포토 센서가 출력하는 출력 신호를 도시한 것이고,
도 7은 포토 센서의 출력 신호에서 최고 값을 갖는 픽셀의 위치를 근거로 스폿 크기를 결정하는 예를 도시한 것이고,
도 8은 포토 센서의 출력 신호에서 결정되는 스폿 크기를 도시한 것이고,
도 9는 포토 센서의 출력 신호가 이중점 현상을 나타낼 때 본 발명의 일 실시예에 따라 주변광에 의한 성분을 제거하는 방법을 도시한 것이고,
도 10은 본 발명이 적용되는 거리 측정 장치의 구성을 도시한 것이고,
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따라 포토 센서의 출력 신호에서 주변광에 의한 성분을 제거하는 방법에 대한 동작 흐름도를 도시한 것이다.
이하, 본 발명에 따른 거리 측정 방법에 대한 실시예를 첨부하는 도면에 의거하여 상세히 설명한다.
도 2는 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 커패시터(C1, C2) 및 반사광에 반응하여 전하를 발생시키는 다이오드로 구성될 수 있고, 스위치 S1과 S2는 각각 Phase 1과 Phase 2에 따라 동작하며 반사광에 반응하여 전하를 발생시키는 다이오드를 커패시터 1과 2에 번갈아 가며 연결하고, 다이오드에서 발생한 전하가 커패시터 1과 2에 전하량 Q1과 Q2로 저장되고, 이에 따라 커패시터 C1과 C2의 전압 V1과 V2은 커패시터에 쌓이는 전하량 Q1과 Q2에 비례하는 값이 된다. 이때, 물체와의 거리는 (1/2)*c*T0*V2/(V1+V2)에 비례하는 값으로 계산할 수 있는데, c는 빛의 속도이고 T0는 광원의 펄스 폭에 해당한다.
한편, 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.
또한, 실제 거리 측정 환경에서는 광원에서 방사된 레이저 빔이 수많은 반사를 일으켜 이중 일부가 센서로 유입되고, 실제 거리 측정 장치의 광원에서 발광된 빛이 아닌 다른 출처의 빛이 유입되는 경우가 발생한다. 이러한 외부 유입광은 장치에 노이즈로 작용하고, 거리 측정 및 거리 계산 결과를 왜곡한다. 특히 먼 거리 측정일수록 반사되어 들어오는 빛에 의한 수광 신호가 작아져 외부 광원 유입에 더 취약해진다.
TOF 방식의 거리 측정 방식에는 광을 방사하기 위한 송광부와 대상물에서 반사되는 반사광을 받아들이기 위한 수광부가 필요한데, 송광부와 수광부를 동일 축상에 위치시키는 것이 가장 이상적이나 현실적으로 가능하지 않다. 송광부와 수광부 사이에 간격이 있으면 대상물까지 거리에 따라 반사광이 맺히는 초점의 위치가 변하게 되고, 반사광이 센서에서 유효한 셀을 벗어날 수가 있다.
종래 TOF 방식의 거리 측정 장치는, 송광부와 수광부를 같은 축에 배치할 수 없어서 송광부와 수광부를 일정 거리 이격시키기 때문에, 대상물의 거리에 따라 포토 센서에 맺히는 초점의 위치가 변하게 되고, 이를 고려하여 측정하고자 하는 거리 범위 내에서 반사되는 반사광이 모두 센서에 맺히도록, 한 방향으로 나열된 복수 개의 셀로 구성된 선형 어레이 형태의 포토 센서를 이용할 수 있다.
이와 같이, TOF 거리 측정 장치가, 한 방향으로 나열된 복수 개의 셀로 구성된 센서를 채택하고, 반사광이 맺히는 셀의 위치를 통해 물체와의 거리를 계산하는 삼각 측량법을 채용하여, TOF 방식의 거리 측정에서 가까운 거리에서의 셀 포화 문제와 먼 거리에서의 광량 부족 문제를 해결하는 시도가 있다.
복수 개의 셀을 포함하는 센서를 사용하는 TOF 방식 거리 측정 장치는, 도 3과 같이, TOF 방식으로 대상물의 거리를 측정하기 위하여 소정 폭의 적외선 펄스를 방사하기 위한 송광부, 송광부가 방사한 적외선이 대상물에서 반사되어 되돌아오는 반사광을 검출하기 위한 수광부 및 수광부의 출력 신호를 근거로 대상물까지의 거리를 계산하기 위한 프로세서(미도시)를 포함하여 구성될 수 있다.
송광부는 적외선을 방사하는 LD나 LED와 같은 발광 모듈과 LD 전면에 방사할 광의 각도나 광의 강도 등을 조절하기 위한 광학계, 예를 들어 콜리메이터 렌즈를 포함하여 구성될 수 있다. 수광부는 입사되는 반사광을 일정 크기나 모양으로 변형하기 위한 텔레센트릭 렌즈(Telecentric Lens)와 같은 수광 렌즈, 송광부가 출사한 광의 파장대만을 선택적으로 통과시키기 위한 필터 및 반사광을 검출하기 위한 복수 개의 셀이 선형 어레이 형태로 나열되는 포토 센서를 포함하여 구성될 수 있다.
송광부와 수광부가 소정의 간격으로 떨어져 있기 때문에, 대상물의 위치에 따라 대상물에서 반사되는 반사광이 포토 센서에 맺히는 위치가 달라지게 되고, 프로세서는 포토 센서의 각 셀이 출력하는 전기 신호를 이용하여 삼각 측량법 및/또는 TOF 방식을 서로 연계하여 거리를 측정할 수 있다.
도 4는 이중점 현상이 발생하는 상황을 도시한 것이다.
거리 측정 장치로부터 서로 다른 거리에 있는 타겟 1과 타겟 2에 동시에 빔이 맺힐 때, 거리 측정 장치는, 타겟 1의 거리도 아니고 타겟 2의 거리도 아니라, 수광부에 맺힌 수광 빔의 분포에 따라 타겟 1과 타겟 2 사이에 있는 불특정 지점까지의 거리를 출력하는 경우가 있다. 이와 같이 센서가 하나의 거리만을 측정하는 것이 아니라 두 가지 이상의 대상물에 빔을 동시에 스폿 하여 임의의 거리를 출력하는 상태를 이중점이라고 정의한다.
광학계를 이용하여 타겟에 맞아 반사하는 빔을 검출하는 시스템에서, 타겟의 상태에 따라 수광 빔의 크기나 수광 빔의 정규 분포가 영향을 받기 때문에, 이러한 이중점 현상은 피할 수 없다. 또한, 발광하는 빔의 크기를 작게 하고 강도를 크게 하면 이중점 현상이 발생하는 것을 줄일 수 있지만, 발광 강도를 크게 하는 데에 한계가 있고, 수광계에서 스폿 사이즈를 고려할 때 발광 빔의 크기를 줄이는 데에도 한계가 있다.
빔이 맺히는 타겟의 영역에 따라 또는 하나의 빔이 동시에 맺히는 서로 다른 둘 이상의 타겟 사이의 거리에 따라 센서의 수광부에 맺히는 수광 빔 형태가 달라진다.
도 5a와 도 5b는 단일점일 때 포토 센서가 출력하는 출력 신호를 도시한 것이다.
도 5a와 도 5b에서 가로축은 셀의 나열 방향이고 세로축은 해당 셀에서 출력하는 전기 신호의 크기를 가리키는데, 셀은 이웃하는 셀과 서로 이격되어 있어서 개별적으로 신호를 출력하지만, 도 5는 편의상 셀들의 출력 값들을 연결하여 연속 신호로 표시한 것이다.
또한, 각 셀은, TOF 방식으로 거리를 계산하기 위하여, 2개의 신호(V1, V2)를 출력하도록 구성될 수 있다. 삼각 측량법을 이용할 때는 V1과 V2 중 하나 이상 또는 둘을 더한 값을 사용할 수 있고, 도 5a가 이에 해당한다. 도 5b는 각 셀이 출력하는 V1과 V2를 따로 도시한 것으로, TOF 방식에 이용된다.
도 5는 소정 거리만큼 떨어져 있는 하나의 타겟(대상물, 목표물, 피사체 등)에서 반사되어 포토 센서에 맺힌 빔에 의해 생성되는 신호를 표시한 것으로, 포토 센서에 맺히는 빔이 가우시안 형태를 띠기 때문에 포토 센서의 출력 신호도 좌우 대칭 형태가 된다.
또한, 타겟이 특정 거리만큼 떨어져 있을 때, 포토 센서에 맺히는 빔의 크기를 예측할 수 있는데, 하나의 타겟에서 반사되어 포토 센서에 맺힌 빔의 크기(또는 출력 신호의 좌우 폭)가 이론적으로 계산한 값과 유사하다. 도 5b에서 각 셀이 출력하는 V1과 V2의 크기 비율은 스폿 크기 내에서 픽셀마다 유사하다.
하지만, 도 4에 도시한 것과 같은 이중점 상황에서는, 포토 센서에 맺히는 빔이 가우시안 형태를 띠지 않고 포토 센서의 출력 신호도 도 5와 같은 좌우 대칭 형태가 되지 않는다.
도 6a, 도 6b 및 도 6c는 이중점 발생 상황에 포토 센서가 출력하는 출력 신호를 도시한 것으로, 도 5와 마찬가지로 가로축은 셀의 나열 방향이고 세로축은 해당 셀에서 출력하는 전기 신호의 크기를 가리킨다.
도 6a는 출력 신호가 2개의 피크 값을 가지는 경우를 도시하고 있는데, 각 셀이 출력하는 두 신호(V1, V2)의 합 또는 두 신호 각각도 이러한 쌍봉 형태가 될 수 있다.
도 6b는 각 셀이 출력하는 두 신호의 피크 위치가 서로 어긋나는 경우이고, 도 6c는 각 셀이 출력하는 두 신호의 피크 위치는 유사하지만 피크 좌우의 기울기가 서로 다른 경우이다.
한편, 도 1을 참조하여 설명한 것과 같이, 반사광에 의한 포토 센서의 출력 신호에서 주변광에 의한 DC 성분을 제거하는 알고리즘은 최대 값을 갖는 셀 주위 소정 범위 내의 데이터에서 최소 값을 검출한다. 이때, 최소 값을 찾는 데이터 처리 범위는 거리 측정 장치 개발자가 임의로 특정하기 때문에, 데이터 처리 범위에 이중점 현상이 생기면, 도 6의 이중점 그래프에서 최소 값이 주변광에 해당하는 DC 레벨로 선택되지만, 주변광에 의한 DC 성분을 제대로 반영하지 못하는 경우가 발생할 수 있다.
종래 스폿이 맺히는 위치를 고려하여 스폿의 크기 또는 출력 신호의 데이터를 처리할 데이터 처리 범위를 결정하기는 했지만, 전체 픽셀에서 연속성이 없기 때문에, 데이터 처리 범위를 실험에 따른 수식을 이용하여 결정할 필요가 있다.
종래 알고리즘은, 데이터 처리 범위를 결정할 때 이론적인 스폿 크기만을 고려하였기 때문에, 광수차 특성이나 실제 실험에서 차이를 고려하지 못하는 가능성이 높았다.
이중점에 의한 영향을 회피하기 위해 전체 셀 범위의 데이터를 처리할 수 있지만, 셀 수가 많아져 저장하고 처리할 데이터 양이 많아지면 알고리즘 소프트웨어의 수행 시간이 길어져 거리를 계산하고 출력하는 것을 제때 하지 못할 수 있다. 특히, 거리 측정 장치가 회전하면서 거리를 측정하는 제품에 적용된다면, 제한된 시간 안에 거리를 출력하지 못하는 문제가 발생할 수 있다.
본 발명은, 종래 문제점을 보완하여 포토 센서의 출력 신호의 데이터 중에서 저장하여 처리할 데이터 처리 범위를 최대 값을 갖는 최대 셀의 위치를 이용한 수식을 통해 설정하고, 최대 셀 주위의 데이터에 이중점 현상이 나타날 때 이중점 영향을 최소화하면서 주변광에 의한 성분을 제거하는 방법을 제공할 수 있다.
먼저, 포토 센서의 출력 신호 데이터 중에서 데이터 처리 범위를 결정하는 방법을 설명한다.
도 7은 포토 센서의 출력 신호에서 최고 값을 갖는 픽셀의 위치를 근거로 스폿 크기를 결정하는 예를 도시한 것이다.
예를 들어, 72개의 셀로 포토 센서가 구성되고 15cm에서 5m까지 거리를 검출하는 광학계로 구성되는 거리 측정 장치에서, 가까운 거리의 물체에서 반사된 반사광은 셀 번호가 큰 셀에 스폿이 맺히되 약 10개의 셀에 걸쳐 스폿이 형성되고, 먼 거리의 물체에서 반사된 반사광은 셀 번호가 작은 셀에 스폿이 맺히되 약 3-4개의 셀에 걸쳐 스폿이 형성될 수 있다.
일정한 간격으로 배치된 소정 개수의 정해진 거리의 물체로부터 반사광을 측정하여, 각각의 거리에 대해 포토 센서에 맺히는 스폿의 중심과 스폿 크기를 구하고, 이 데이터로부터 스폿의 중심(포토 센서의 출력 신호에서 레벨이 가장 높은 위치) 및 스폿의 크기(스폿이 형성되는 반경) 사이의 관계를 1차 방정식으로 y = ax + b(x는 스폿의 중심, b는 스폿의 크기)로 표현할 수 있다.
이 때, 셀 사이의 간격, 셀의 번호 순서, 광학 설계, 광 수차 특성, 입사 각도나 타겟의 반사율과 같은 타겟의 특성 등이 수식에 영향을 줄 수 있다.
이와 같이, 포토 센서의 출력 신호에서 최대 값을 갖는 셀의 위치가 결정되면, 스폿의 크기를 수식을 통해 계산하고, 주변광에 의한 성분을 제거하기 위해 필요한 최소 값을 결정하는 데이터 범위를 스폿 크기보다 큰 범위의 데이터로 결정할 수 있다.
도 8은 포토 센서의 출력 신호에서 결정되는 스폿 크기를 도시한 것이다.
먼저 도 7을 참조하여 설명한 수식을 이용하여 구한 스폿의 크기를 최대 셀을 중심으로 좌우 2등분하여 스폿 경계 위치에 해당하는 셀을 구한다. 이때, 최대 셀의 위치는 셀 번호로 정확히 떨어지지 않고 셀과 셀 사이 값으로 계산될 가능성이 높은데, 데이터 처리의 편의를 위해 가장 가까운 셀 번호로 선택하고, 스폿의 크기에 해당하는 스폿 경계에 해당하는 셀 위치도 셀과 셀 사이 값으로 계산되므로 소수점 이하를 제거하고 셀 번호로 선택할 수 있다.
이와 같이 최대 셀 위치와 스폿 경계 위치를 정수 값으로 변환하면서 버려지는 소수 값에 따른 오차가 발생하므로 이를 고려하여 마진을 설정하는데, 실제 스폿 경계를 포함하도록 충분히 크게 설정하고, 수광 빔의 수차 경향성을 고려하여 최대 셀 좌우를 따로 설정하고, 가까운 거리와 먼 거리를 구분하여 범위를 가감할 수 있다.
도 8과 같이 최대 셀을 중심으로 수차 성분이 0인 광학적인 스폿의 크기가 결정되고, 계산의 편의를 위한 소수점 이하 값 및 광학적 특징을 고려하여 좌우 방향으로 마진을 추가하여 스폿 크기(데이터 처리 범위)를 결정하고, 결정된 스폿 크기에 해당하는 데이터를 근거로 주변광에 의한 성분을 제거하게 된다.
결정된 스폿 크기 내에서 최대 셀 좌우측 별도로 가장 낮은 값을 구하고, 두 값을 비교하여 둘 중 하나를 선택하여 주변광에 의한 성분으로 결정하고, 처리 범위 안의 데이터에서 이를 빼주어 주변광에 의한 영향을 제거할 수 있다.
앞서 설명한 것과 같이, TOF 방식으로 거리를 계산할 때에는 서로 다른 위상의 반사광에 의한 신호들의 크기(두 신호에서 피크 값의 비율)를 이용하기 때문에, 포토 센서의 출력 신호에서 순수한 반사광에 의한 신호만을 추출하기 위해 주변광의 의한 성분을 제거해야 하고, 그래야만 거리를 정확하게 구할 수 있다.
한편, 결정된 스폿 크기 내에서 최대 셀 좌우측 별도로 가장 낮은 값을 구할 때, 가장 낮은 값을 갖는 셀이 결정된 스폿의 경계에 있을 수도 있고, 스폿의 경계보다 안쪽에 있을 수도 있다. 즉, 이중점이 발생할 때 한쪽의 최소 값이 스폿의 경계가 아니라 경계보다 안쪽에 있는 셀에 있을 수 있고, 이 경우 거리 계산이 정확하지 않을 수 있다.
도 9는 포토 센서의 출력 신호가 이중점 현상을 나타낼 때 본 발명의 일 실시예에 따라 주변광에 의한 성분을 제거하는 방법을 도시한 것이다.
도 6의 이중점 상황의 출력 신호 중에서 도 6c는, 포토 센서의 출력 신호가 최대 셀 또는 최대 셀 근방으로부터 스폿의 유효 반경으로 진행할수록 레벨이 계속 감소하기 때문에, 결정된 스폿의 크기 내에서 가장 낮은 값을 갖는 셀이 스폿의 경계에 놓이게 되고, 좌우 가장 낮은 값 중 하나를 주변광에 의한 DC 레벨로 결정할 수 있어서 큰 문제가 없다.
도 6b의 경우도 두 신호의 최대 셀 위치가 일치하지 않기 때문에 두 신호의 합 신호가 쌍봉 형태가 될 수 있지만, 두 봉우리 사이가 멀지 않아서 좌측과 우측 모두 스폿의 경계에서 최소 값을 갖게 되고 최소 값들이 소정의 문턱 값보다 작게 되어, 큰 문제가 없다.
하지만, 도 6a와 같이 결정된 스폿 크기 또는 처리 범위 내의 데이터가 쌍봉 형상을 나타내면, 최대 셀의 좌측 또는 우측에서 가장 낮은 값을 갖는 셀이 스폿의 경계에 있지 않고 경계 안쪽에 있게 되고, 이러한 최소 값이 주변광에 의한 성분을 제대로 반영하지 못하게 된다.
도 6a와 같은 쌍봉 형태의 이중점을 검출하는 방법으로는, 도 8을 참조로 설명한 방법으로 결정된 스폿의 크기 또는 데이터 처리 범위에서 최대 셀의 양쪽에서 최소 값을 찾고, 어느 한 쪽의 최소 값이 문턱 값 이상인지 확인하고, 하나의 최소 값이 문턱 값 이상이고 해당 최소 값을 출력하는 셀이 스폿의 경계에 해당하는 셀이 아닐 때 쌍봉 형태의 이중점으로 판단할 수 있다.
또는 어느 한 쪽의 최소 값을 출력하는 셀이 스폿의 경계에 해당하는 셀이 아닐 때 쌍봉 형태의 이중점으로 판단할 수 있는데, 한쪽의 최소 값을 출력하는 셀이 스폿의 경계가 아니면서 문턱 값보다 작게 되는 경우가 발생하기 어렵기 때문이다.
포토 센서의 출력 신호가 이중점으로 판단되면, 거리 측정이 정확하지 않을 수 있기 때문에, 거리 측정 장치는 거리를 출력하지 않거나 에러에 해당하는 값으로 출력할 수 있다. 이중점인 경우에도 거리를 출력하기 위해서는 다음 과정을 거친다.
최대 셀을 기준으로 결정된 스폿 크기 또는 데이터 처리 범위에서 좌우측으로 가장 낮은 값(최소 값)을 구하는데, 스폿 크기가 적절하게 결정되었다면 도 9에서 왼쪽의 최소 값(Min_L)은 a로 결정되고 오른 쪽의 최소 값(Min_R)은 b로 결정되는데, a가 b보다 더 낮은 값이다.
도 9에서 왼쪽의 최소 값 a는 스폿 경계 셀에서 출력 신호의 레벨이지만 오른쪽의 최소 값 b는 스폿 경계 셀에서의 레벨이 아니고 오른 쪽 스폿 경계보다 안쪽 셀에서의 레벨에 해당한다. 또한, 도 9에서 오른쪽 스폿 경계 셀에서의 레벨 c뿐만 아니라 오른쪽의 최소 값 b가 소정의 문턱 값인 d보다 높은 값을 갖는다. 즉, 도 9의 출력 신호는 전형적인 쌍봉 형태의 이중점으로 판단할 수 있다.
이 때, 주변광에 의한 DC 성분을 왼쪽의 최소 값인 a나 문턱 값인 d로 결정한다면, 포토 센서의 출력 신호에서 주변광에 의한 DC 성분을 빼준 결과도 여전히 도 9의 오른쪽 위 그림과 같은 쌍봉 형태가 되어, 이를 근거로 TOF 방식으로 거리를 계산할 때 오차가 발생할 가능성이 있다.
따라서, 이 경우에는, 최소 값의 셀과 스폿 경계 셀이 일치하지 않는 오른 쪽에서 결정된 최소 값 b를 주변광에 의한 DC 성분으로 하여 포토 센서의 출력 신호에서 빼주고 해당 최소 값 b를 출력하는 셀보다 바깥에 있는 셀들의 신호를 무시하여 도 9의 오른쪽 아래 그림과 같은 단일점 형태의 신호를 얻을 수 있다.
이후, 주변광에 의한 DC 성분이 제거된 신호를 이용하여 삼각 측량법이나 TOF 방법으로 거리를 계산할 수 있다.
각 셀에 대해 서로 다른 위상의 반사광에 의한 2개의 신호가 출력되는데, 각 셀(스폿 범위 또는 데이터 처리 범위 내의 셀들)의 신호에서 주변광에 의한 DC 성분이 제거되고, 각 셀마다 DC 성분이 제거된 2개의 신호의 레벨을 이용하여 도 2를 참조하여 설명한 방법으로 TOF 방식으로 거리를 계산할 수 있는데, 각 셀에서 TOF 방식으로 계산된 거리의 평균, 중간 값 또는 빈도가 가장 높은 값을 구하거나, 또는 소정의 선택 기준으로 선택된 셀의 데이터를 근거로 TOF 방식으로 거리를 계산하여 이를 물체까지의 거리로 출력할 수 있다.
도 10은 본 발명이 적용되는 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 삼각 측량법 및/또는 TOF 방식으로 대상물까지의 거리를 계산하되 수광부(120)의 출력 신호로부터 스폿 중심과 스폿 크기를 결정하고 스폿 크기에 포함되는 데이터를 근거로 이중점 여부를 판단하고 주변광에 의한 DC 성분을 계산하여 출력 신호에서 빼주기 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 복수 개의 셀이 한 방향으로 나열된 포토 센서(123)를 포함하여 구성될 수 있다.
포토 센서(123)의 각 셀은, TOF 방식으로 거리를 측정할 수 있도록 도 2와 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 신호 V1과 Phase 2에 대한 전기 신호 V2를 출력할 수 있다.
프로세서(130)는, 포토 센서(123)의 셀들로부터 입력되는 전기 신호를 이용하여 출사광을 반사시키는 대상물의 거리를 계산하는데, 포토 센서(123)가 출력하는 신호의 분포(전기 신호의 강도와 전기 신호를 출력하는 셀들의 구간)를 이용하여 맺히는 입사광의 중심점이 위치하는 셀 또는 신호 레벨이 가장 높은 최대값이 위치하는 셀을 찾고, 해당 셀 또는 해당 셀을 포함하는 주위 셀들이 출력하는 신호를 이용하여 TOF 방식으로 거리를 계산할 수 있다.
프로세서(130)는, 포토 센서(123)의 셀들이 출력하는 Phase 1에 대한 전기 신호 V1과 Phase 2에 대한 전기 신호 V2를 기초로 TOF 방식에 따라 출사광이 반사광으로 포토 센서(123)에 맺힐 때까지의 시간을 계산하여 대상물까지의 거리를 계산할 수 있다. 또한, 프로세서(130)는, 입사광이 맺히는 셀의 위치를 근거로 삼각 측량법에 따라 대상물까지 거리를 계산할 수도 있다.
프로세서(130)는, 포토 센서(123)가 출력하는 두 전기 신호를 근거로 각 셀에 대해서 TOF 방식으로 거리를 계산하고 각 셀에서 계산된 거리의 평균을 이용하거나 소정의 선택 기준으로 거리를 결정하는데, 포토 센서(123)에 배치된 셀의 개수가 늘어나면 모든 셀에 대해서 거리를 계산하는데 시간이 많이 소요되기 때문에, 대상물에서 반사되는 입사광이 맺혀서 스폿을 형성하는 셀들이 출력하는 전기 신호만을 데이터 처리할 수 있다.
이를 위해, 프로세서(130)는, 포토 센서(123)가 출력하는 전기 신호를 이용하여 스폿의 중심 위치를 찾고 스폿의 크기 또는 스폿의 유효 반경을 결정하는데, 스폿의 중심 위치와 스폿의 크기의 관계를 1차 방정식으로 저장하고, 전기 신호에서 최대값을 갖는 위치를 찾고 해당 위치에 대응되는 스폿의 크기를 미리 정해진 1차 방정식을 이용하여 정하고 좌우로 소정의 마진을 더해 스폿의 크기(또는 스폿의 유효 반경 또는 데이터 처리 범위)를 결정하는데, 해당 크기 내에 포함된 셀의 출력 신호의 데이터만을 내부 메모리에 임시로 저장하여 이후 거리 계산에 이용하고 나머지 데이터를 버려 알고리즘을 수행하는 시간을 줄일 수 있다.
또한, 프로세서(130)는, 포토 센서(123)의 셀들 중에서 스폿의 유효 반경 내의 셀의 데이터에서 좌우에서의 최소 값을 찾고 이를 근거로 주변광에 의한 DC 성분을 계산하고, DC 성분이 제거된 두 신호를 기초로 TOF 방식에 따라 대상물까지의 거리를 계산한다. 이때 유효 반경 내의 데이터가 이중점에 해당하는 쌍봉 형상인지 확인하고 쌍봉 형상일 때 최소 값의 셀과 스폿 경계 셀이 일치하지 않는 방향의 최소 값을 주변광에 의한 DC 성분으로 결정하고 포토 센서의 출력 신호에서 빼주어 단일점 형상의 신호를 얻을 수 있고, 이를 근거로 TOF 방식에 따라 거리를 정확히 계산할 수 있다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따라 포토 센서의 출력 신호에서 주변광에 의한 성분을 제거하는 방법에 대한 동작 흐름도를 도시한 것이다.
프로세서(130)는, 포토 센서(123)의 전체 셀이 출력하는 전기 신호 V1과 V2 중 하나 또는 두 전기 신호의 합을 스캔 하여 최대 값을 출력하는 셀 위치(최대 셀)를 검출하고(S110), 포토 센서(123)에 맺히는 스폿의 중심, 즉 최대 셀의 위치와 스폿의 크기(스폿이 형성되는 반경) 사이를 나타내는 수식을 이용하여 광학적인 의미의 스폿의 크기를 계산한다(S120).
프로세서(130)는, 광학적 스폿의 크기에 해당하는, 최대 셀 좌우의 스폿 경계에 마진을 더해서 스폿 유효 경계를 결정하는데(S130), 스폿 유효 경계로 정해진 범위 내의 셀들의 데이터만을 메모리에 저장하고 이후 데이터 처리에 이용할 수 있다.
프로세서(130)는, 스폿 유효 경계 내의 데이터에서 최대 셀 좌우 각각에서 최소 값을 검출하는데(S140), 스폿 유효 경계 내의 데이터가 도 5와 같은 단일점이라면 스폿 유효 경계에서 최소 값이 검출되고, 도 6a와 같은 쌍봉 형태일 때 최대 셀의 좌측과 우측 중 한쪽에서는 최소 값이 경계 셀이 아닌 경계 셀 안쪽에서 발생할 것이다.
프로세서(130)는, 좌우 양쪽의 최소 값을 소정의 문턱 값과 비교하는데(S150), 어느 한쪽의 최소 값이 문턱 값보다 크면(S150에서 YES) 이중점 상황을 의심할 수 있고, 좌우 양쪽의 최소 값이 모두 문턱 값보다 작으면(S150에서 NO) 단일점으로 물체에서 반사된 빛이 포토 센서(123)에 입사되는 것으로 간주하여, 소정의 방법으로 좌우 최소 값 중 하나를 주변광에 의한 성분으로 선택하여 포토 센서(123)의 두 출력 신호(V1, V2)의 데이터로부터 빼줄 수 있다(S180).
프로세서(130)는, 좌우 양쪽의 최소 값 중 하나의 최소 값이 문턱 값보다 크면(S150에서 YES), 해당 최소 값을 출력하는 셀을 S130 단계에서 결정되는 스폿 유효 경계 셀과 비교하는데(S155), 해당 최소 값을 출력하는 셀이 경계 셀일 때(S155에서 YES) 이는 비정상적인 상황으로 판단하여 거리 측정 오류를 가리키는 에러 값을 출력하거나 오류가 발생하였다고 알릴 수 있다(S160).
반면, 문턱 값보다 큰 최소 값을 출력하는 셀이 경계 셀이 아니고 경계 셀 안쪽일 때(S155에서 NO), 프로세서(130)는, 도 6a와 같은 이중점으로 판단하고, 도 8에서와 같이, 문턱 값보다 큰 최소 값을 주변광에 의한 성분으로 포토 센서(123)의 두 출력 신호(V1, V2)의 데이터로부터 빼줄 수 있다(S170).
이후, 프로세서(130)는, 주변광에 의한 DC 레벨이 제거된 두 신호의 데이터를 이용하여 TOF 방식으로 거리를 계산하고 출력할 수 있다(S190).
따라서, 비정상적인 반사광이 포토 센서에 입사되어 이중점 형태의 신호가 출력되더라도, 주변광에 의한 영향을 최소화하여 거리를 정확하게 계산하여 출력할 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: 포토 센서
130: 프로세서

Claims (8)

  1. 복수 개 셀이 한 방향으로 나열된 포토 센서의 출력 신호에서 최대 값을 출력하는 최대 셀 위치를 검출하는 단계;
    상기 최대 셀에 대응하는 스폿의 크기를 계산하고, 상기 계산된 스폿의 크기에 마진을 더하여 스폿 유효 경계를 결정하는 단계;
    상기 스폿 유효 경계 안의 데이터 중에서 상기 최대 셀의 좌우에서 각각 최소 값을 검출하는 단계;
    상기 최소 값 중 하나가 상기 스폿 유효 경계에 있지 않을 때, 상기 출력 신호에서 상기 하나를 감산하는 단계; 및
    상기 감산된 출력 신호를 이용하여 TOF 방식으로 거리를 계산하여 출력하는 단계를 포함하여 이루어지는 거리 측정 방법.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 결정하는 단계는, 상기 최대 셀의 위치와 스폿의 크기의 관계를 나타내는 수식을 이용하여 상기 최대 셀에 대응하는 스폿의 크기를 계산하는 것을 특징으로 하는 거리 측정 방법.
  3. 제1 항에 있어서,
    상기 최대 셀의 좌우에서 각각 검출된 최소 값이 모두 문턱 값보다 작을 때, 상기 출력 신호에서 두 최소 값 중 하나를 감산하는 단계를 더 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 거리 측정 방법.
  4. 제1 항에 있어서,
    상기 최소 값 중 하나가 문턱 값보다 크고 상기 스폿 유효 경계에 있을 때, 거리 측정 오류를 가리키는 값을 출력하는 단계를 더 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 거리 측정 방법.
  5. 소정 폭의 펄스 형태로 광을 방사하기 위한 발광부;
    상기 발광부가 방사하여 대상물로부터 반사되어 되돌아오는 반사광을 수신하여 수신되는 광량에 대응하는 신호를 출력하기 위해 한 방향으로 나열된 복수 개의 셀을 포함하는 수광부; 및
    상기 수광부의 출력 신호를 근거로 TOF 방식으로 대상물까지의 거리를 계산하기 위한 프로세서를 포함하여 구성되고,
    상기 프로세서는, 상기 출력 신호에서 최대 값을 출력하는 최대 셀 위치를 검출하고, 상기 최대 셀에 대응하는 스폿의 크기를 계산하고, 상기 계산된 스폿의 크기에 마진을 더하여 스폿 유효 경계를 결정하고, 상기 스폿 유효 경계 안의 데이터 중에서 상기 최대 셀의 좌우에서 각각 최소 값을 검출하고, 상기 최소 값 중 하나가 상기 스폿 유효 경계에 있지 않을 때 상기 출력 신호에서 상기 하나를 감산하고, 상기 감산된 출력 신호를 이용하여 TOF 방식으로 거리를 계산하여 출력하는 것을 특징으로 하는 거리 측정 장치.
  6. 제5 항에 있어서,
    상기 프로세서는, 상기 최대 셀의 위치와 스폿의 크기의 관계를 나타내는 수식을 이용하여 상기 최대 셀에 대응하는 스폿의 크기를 계산하는 것을 특징으로 하는 거리 측정 장치.
  7. 제5 항에 있어서,
    상기 프로세서는, 상기 최대 셀의 좌우에서 각각 검출된 최소 값이 모두 문턱 값보다 작을 때 상기 출력 신호에서 두 최소 값 중 하나를 감산하는 것을 특징으로 하는 거리 측정 장치.
  8. 제5 항에 있어서,
    상기 프로세서는, 상기 최소 값 중 하나가 문턱 값보다 크고 상기 스폿 유효 경계에 있을 때, 거리 측정 오류를 가리키는 값을 출력하는 것을 특징으로 하는 거리 측정 장치.
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