KR20210028520A

KR20210028520A - Tof 장치

Info

Publication number: KR20210028520A
Application number: KR1020190109720A
Authority: KR
Inventors: 문명일
Original assignee: 문명일
Priority date: 2019-09-04
Filing date: 2019-09-04
Publication date: 2021-03-12
Also published as: KR102567502B1

Abstract

본 발명은 TOF 장치에 관한 것으로 본체하우징의 내측에서 레이저 다이오드(Laser Diode)가 어레이 형태로 모듈화되어 일정 시간 간격의 펄스 패턴으로 레이저광을 면 발광시키는 발광모듈, 발광모듈의 전단에서 격벽 형태로 위치되어 레이저 광의 파장만 통과시키는 필터렌즈, 발광모듈에서 발신되는 펄스 패턴의 레이저광은 투과시키고, 피시체에서 반사되어 돌아오는 레이저광은 굴절시키는 빔스플리터, 빔스플리터에서 반사되어 수신되는 펄스 패턴의 레이저광을 수광하여 시간 타이밍에 따른 위상차를 측정하는 TOF 수신센서 및 발광모듈 및 TOF 수신센서와 연동하여 레이저광의 발신 및 수신 타이밍을 제어하고, 감지된 신호를 외부의 장치에 전달하기 위한 제어부 기판이 발광모듈과 결합되어 이루어지며, 주변 지형 및 피사체 등의 목표물에 대한 3차원 공간 구조를 측정할 수 있다.

Description

TOF 장치{TIME OF FLIGHT APPARATUS}

본 발명은 TOF(time of flight) 장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 주변 지형 및 피사체 등의 목표물에 대한 3차원 공간 구조를 측정할 수 있는 TOF 장치에 관한 것이다.

일반적으로, 피사체에 대한 거리 정보 및 깊이 정보를 얻는 방법으로는 스테레오 방법, 구조광 방법, TOF(Time Of Flight) 방법 등이 있다.

그 중에 TOF 방법은 소정의 주파수로 변조된 빛이 피사체에서 반사되어 되돌아오는 과정에서, 발생되는 위상의 지연 등을 이용하여, 피사체를 탐지하는 것으로서 지형측량 분야 또는 피사체의 자세제어 분야 및 차량의 추돌방지장치 등에 사용되고 있다.

TOF 방법의 작동 원리를 살펴보면, 소정의 중심 파장을 갖는 빛을 출사하는 광원을 포함하고 있으며, 광원에서, 출사되는 빛을 소정 주파수로 변조시켜 탐지하고자 하는 피사체에 조사하게 된다. 이후, 피사체에 조사된 빛은 반사되어 되돌아오게 되며, TOF 센서를 이용하여, 되돌아오는 빛을 검출하게 된다. 이 경우, 광원에서 출사되는 빛과 피사체에 반사되어 되돌아오는 빛의 위상을 대비하게 되면, 피사체까지의 거리를 알 수 있게 된다.

그러나 종래 기술의 일례로서 대한민국 공개특허 10-2005-0026949에서 적외선 플래시 방식의 능동형 3차원 거리 영상 측정 장치가 공지되어 있다.

그러나 상기의 종래 기술은 플래시 방식의 적외선 광원을 사용하고, 다양한 패턴을 이용하여 실시간 3차원 거리 측정을 수행하기 위해 DMD(Digital Micromirror Device) 소자를 사용함으로써 주위 조명 변화 등에 강인성을 가지며, 실시간으로 빠른 3차원 데이터 생성이 가능한 적외선 플래시 방식의 능동형 3차원 거리 영상 측정 장치에 관한 것으로서, 본 발명에서와 같이 레이저 다이오드(Laser Diode)가 어레이 형태로 모듈화되어 일정 시간 간격의 펄스 패턴으로 레이저광을 면 발광시키고 필터렌즈와 빔스플리터를 사용하여 수신되는 펄스 패턴의 레이저광을 수광하여 시간 타이밍에 따른 위상차를 측정하는 TOF 수신 방식과는 차이가 있다.

본 발명은 전술한 종래기술의 문제점을 해결하기 위해 도출된 것으로, 그 목적은 본체하우징의 내측에서 면 발광시키는 발광모듈과 필터렌즈 및 빔스플리터의 구조를 갖는 장치를 제공하여 간단한 동작만으로도 향상된 신뢰성을 갖는 TOF 장치를 제공하고자 하는 것이다.

또한, 본 발명은 TOF 방식으로 피사체에 대한 거리 및 깊이 정보를 측정하면서도 해상도를 높이며, 필요한 전자회로의 수를 최소화하여 부피 및 비용을 저감시킬 수 있는 TOF 장치를 제공하는 것을 또 다른 목적으로 한다.

상기 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 측면에 따른 TOF(time of flight) 장치에 있어서, 우측 케이스와 좌측 커버의 결합으로 이루어지는 본체하우징, 상기 본체하우징의 내측에서 레이저 다이오드(Laser Diode)가 어레이 형태로 모듈화되어 일정 시간 간격의 펄스 패턴으로 레이저광을 면 발광시키는 발광모듈, 상기 발광모듈의 전단에서 격벽 형태로 위치되어 상기 레이저 광의 파장만 통과시키는 필터렌즈, 상기 발광모듈에서 발신되는 펄스 패턴의 레이저광은 투과시키고, 피시체에서 반사되어 돌아오는 레이저광은 굴절시키는 빔스플리터, 상기 빔스플리터에서 굴절되어 수신되는 펄스 패턴의 레이저광을 수광하여 시간 타이밍에 따른 위상차를 측정하는 TOF 수신센서 및 상기 발광모듈 및 TOF 수신센서와 연동하여 레이저광의 발신 및 수신 타이밍을 제어하고, 감지된 신호를 외부의 장치에 전달하기 위한 제어부 기판이 상기 발광모듈과 결합되어 이루어질 수 있다.

또한, 본 발명의 상기 TOF 수신센서는 아날로그-디지털 컨버터(ADC)와 펄스 패턴의 레이저광에 대한 디지털화 시퀀스를 제어하는 타이밍 생성기 및 초당 최대 150 프레임 속도에서 QVGA 320x240 그래픽 어레이의 분해능 데이터를 제공하는 이미지 센서가 결합되어 구성될 수 있다.

또한 본 발명은 상기 본체하우징의 전면에서 펄스 레이저광의 투과를 용이하게 하는 전면렌즈가 구비될 수 있다.

또한, 본 발명의 상기 제어부 기판은 TOF 수신센서에서 감지한 주변 지형 및 피사체 등의 목표물에 대한 정보 데이터를 외부 장치에 전송할 수 있는 통신모듈을 구비하거나 통신모듈과 결합되어 구성될 수 있다.

전술한 TOF 장치의 특징적 구성에 의한 본 발명의 TOF 장치는 본체하우징의 내측에서 면 발광시키는 발광모듈과 필터렌즈 및 빔스플리터의 구조를 갖는 장치를 제공하여 간단한 동작만으로도 주변 지형 및 피사체 등의 목표물에 대한 3차원 공간 구조를 측정할 수 있는 효과가 있다.

또한, 본 발명의 TOF 장치는 TOF 수신센서에서 감지한 주변 지형 및 피사체 등의 목표물에 대한 정보 데이터를 외부 장치에 전송할 수 있어 네트워크 상에서 데이터를 재가공할 수 있는 장점이 있다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 TOF 장치의 외부 사시도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 TOF 장치의 내부 구성을 보여주는 사시도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 TOF 장치의 내부 구성을 보여주는 입체도이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 TOF 장치의 내부 구성을 보여주는 측면도이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 TOF 장치의 결합관계를 보여주는 예시도이다.

본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.

따라서 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.

이하 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하면 아래와 같다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 TOF 장치의 외부 사시도이고, 도 2는 내부 구성을 보여주는 사시도이며, 도 3은 내부 구성을 보여주는 입체도이고, 도 4는 내부 구성을 보여주는 측면도이다. 또한, 도 5는 본 발명의 실시예에 따른 TOF 장치의 결합관계를 보여주는 예시도이다.

도 1에서와 같이 본 발명의 TOF 장치는 밀폐된 내부 공간을 가지는 사각 박스 형태로 이루어진 본체하우징(100)과 본체하우징(100)의 일측면에 펄스 레이저광을 외부로 방출하며 외부에서 반사되어 들어오는 펄스 레이저광의 투과를 용이하게 하는 전면렌즈(110)가 결합되어 구비된다. 상기 본체하우징(100)은 도면상에서 우측에 배치되는 케이스(101)와 좌측에 배치되는 커버(102)의 결합으로 이루어질 수 있다.

즉 케이스(101)의 일측면에 형성되는 개구부를 커버(102)가 덮도록 이루어진다. 커버(102)의 재료는 케이스(101)와 동일 재료일 수 있다. 또한, 커버(102)와 케이스(101)의 접합면에서는 결합 구조가 구비될 수 있으나 이에 한정되지 않고, 접착제 등의 접합수단이나 접착수단을 게재하고 서로 결합될 수 있다.

도 2 내지 도 4에서와 같이 본 발명의 TOF 장치는 상기 본체하우징(100)의 내측에서 배열되어 장착되는 발광모듈(120), 필터렌즈(130), 빔스플리터(140), TOF 수신센서(150) 및 제어부 기판(160)을 포함하여 구성된다.

발광모듈(120)은 조명 광학계를 이용하여 레이저 광을 발신하기 위한 수단으로서 파동의 공간적 퍼짐이 균일하고, 위상이 규칙성을 가지고 있는 레이저광이 일정 간격의 시간 패턴을 가지고 출력되는 적어도 하나 이상의 레이저 다이오드(Laser Diode)가 어레이 형태로 모듈화되어 구비될 수 있다. 이렇듯 어레이 형태로 모듈화된 상기 레이저 다이오드에 의하여 전체적으로는 일정 패턴으로 면 발광하는 형태의 레이저광이 출사될 수 있게 된다.

발광모듈(120)은 일정 파장의 레이저가 면 발광할 수 있도록 가로 세로 복수의 어레이로 구성되는 EEL(Edge Emitting Laser) 또는 수직 캐비티 표면 광방출 레이저(VCSEL, Vertical-Cavity Surface Emitting Laser), 표면 발광 레이저(Surface Light Laser, Surface Radiation Laser, surface-emitting laser) 다이오드 등으로 구성된 조명 광학계를 이용할 수 있다.

필터렌즈(130)은 발광모듈(120)의 전단에서 격벽 형태로 위치될 수 있다.

이에 필터렌즈(130)는 발광모듈(120)의 자체 레이저 광원에 사용된 파장만 통과시키기 위한 대역통과 필터일 수 있다. 이는 방해가 되는 외부의 빛에 센서가 과노출되지 않도록 막아주는 역할을 할 수 있다.

빔스플리터(Beam splitter, 140)는 발광모듈(120)에서 펄스 패턴으로 면 발광되는 레이저 광을 전면렌즈(110)를 통해 외부로 전달하고, 외부에서 반사되어 되돌아오는 레이저광을 TOF 수신센서(150)로 굴절시키며, 반투명거울 또는 하프미러로 지칭될 수 있다. 본 발명은 빔스플리터(140)의 구조를 판(plate)형 빔스플리터로 구현할 수 있으나, 이에 한정되지는 않는다.

TOF 수신센서(150)는 각각의 셀이 2개씩의 감지 센서(receptor) 쌍으로 구성되어 반사되어 돌아오는 빛을 감지하여 출사된 광 펄스와 정확히 동기화되도록 실행됨으로서 시간 타이밍에 따른 위상차를 측정하기 위한 이미지 센서이다.

또한, TOF 수신센서(150)는 아날로그-디지털 컨버터(ADC) 및 다목적 프로그래밍 가능 타이밍 생성기(TG)와 이미지 센서가 결합되어 구성된다.

이때 상기 내장형 타이밍 생성기는 리셋, 변조, 판독 및 디지털화 시퀀스를 제어하며, 다양한 깊이 감지 성능 메트릭, 예를 들어 전력 최적화, 위상 상관 제어, 신호대 잡음비를 최적화할 수 있는 기능을 포함한다.

또한, TOF 수신센서(150)는 픽셀 피치 15ㅅm, 초당 최대 150 프레임(600 판독/초)의 프레임 속도에서 1/4 비디오 그래픽 어레이(QVGA 320x240) 분해능 데이터를 제공할 수 있다.

제어부 기판(160)에는 어레이로 구성된 발광모듈(120)에 펄스형 레이저 구동신호를 인가하도록 하는 기능 및 조사된 레이저의 퍼짐 각도를 조절하는 제어회로가 구비된다.

또한, 제어부 기판(160)에는 발광모듈(120) 및 TOF 수신센서(150)와 연동하여 동기화된 광 펄스 시퀀스를 실행을 위한 레이저 발신 및 수신 타이밍을 제어하고, 전하 판독 및 변환을 실행한 뒤 분석 유닛 또는 외부의 장치에 전달하는 장치가 구현될 수 있다. 이를 위해 제어부 기판은 논리회로, 프로그래밍 로직 컨트롤러, 마이컴, 마이크로프로세서 등에서 선택되는 적어도 어느 하나의 장치로 구현될 수 있고, 이를 아우르는 FPGA(Field-Programmable Logic Array) 보드로 구현될 수 있다.

또한, 제어부 기판(160)에는 통신모듈을 구비하거나 통신모듈에 결합할 수 있다. 통신모듈은 인트라넷, 인터넷, 차량 네트워크 등으로 통해 외부 장치와 통신하며, TOF 수신센서에서 감지한 주변 지형 및 피사체 등의 목표물에 대한 정보 데이터를 외부 장치에 전송할 수 있다. 이는 인터넷과 같은 외부 네트워크에서 연동되는 이미지 처리 장치에서 디지털 영상으로 변환되어 데이터를 재가공할 수 있는 편의를 제공하기 위함이다.

한편, 도면에 도시하지는 않았지만, TOF 장치는 전원 공급을 위한 배선이나 어댑터 또는 전원공급수단을 구비할 수 있다. 전원공급수단은 내부전원 또는 재충전 가능한 전원장치를 구비할 수 있다.

그러므로 본 발명의 TOF 장치는 도 5의 결합관계를 보여주는 예시도에 의하여 다음과 같이 조립될 수 있다.

먼저, 본체하우징(100)을 구성하는 케이스(101)와 커버(102)를 준비한다. 케이스(101)는 전면렌즈(110)가 구비되는 부분과 내부 구성 장치를 장착하기 위한 공간을 가지며 일면이 개방되는 형상을 갖는다.

다음, 케이스(101)의 후면에 제어부 기판(160)을 장착한다. 제어부 기판(160)의 전단에는 일정 높이로 발광모듈(120)이 결합되어진다. 이때 상기 제어부 기판(160)과 발광모듈(120)은 도시에서와 같이 하나의 밀착된 결합 구조를 갖을 수 있다.

다음, 발광모듈(120)의 전단에서 일정 거리 위치하도록 필터렌즈(130)가 구비된다. 상기 필터렌즈(130)는 본체하우징(100)의 내부 공간을 횡단하는 격벽 형태로 배치될 수 있다.

빔스플리터(140)는 상기 필터렌즈(130)의 전단 상에서 레이저광의 진행 방향에 대하여 일정 각도로 기울어지게 배치된다. 빔스플리터(140)를 게재하고 상기 발광모듈(120)의 레이저광의 진행 방향과 직교하는 방향에서 TOF 수신센서(150)가 배치된다. TOF 수신센서(150)는 케이스(101)의 하부 바닥 부분에 위치될 수 있다.

다음, 케이스(101)의 전면에 전면렌즈(110)를 결속하고, 케이스(101)의 일면 개구부를 커버(102)로 덮음으로서 장치가 제작되어진다.

상술한 바에 따른 본 발명의 TOF 장치는 발광모듈(120)에서 발생된 일정 간격의 패턴으로 점멸되는 면 발광되는 레이저가 빔스플리터(140)를 거쳐 전면렌즈(110)로 조사된다. 이에 파동의 공간적 퍼짐이 균일하고, 위상이 규칙성을 가지고 있는 레이저광은 주변 지형이나 피사체에 조사되고 이는 다시 반사되어 돌아올 수 있다. 피사체에 반사되어 돌아온 레이저광은 다시 빔스플리터(140)에서 굴절되어 TOF 수신센서(150)로 수광될 수 있다.

이에 수광된 펄스 레이저광은 TOF 수신센서(150)에서 이미징 어레이에 따라 다양한 깊이 감지 성능 메트릭 시퀀스가 수행됨으로서, 주변 지형 및 피사체 등의 목표물에 대한 3차원 공간 구조의 깊이를 측정하게 되는 것이다.

전술한 바와 같이 본 발명의 상세한 설명에서는 바람직한 실시예들에 관하여 설명하였지만, 본 발명의 기술분야에서 통상의 지식을 가진 사람이라면 하기의 청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음은 이해할 수 있을 것이다.

100: 본체하우징 101: 케이스
102: 커버 110: 전면렌즈
120: 발광모듈 130: 필터렌즈
140: 빔스플리터 150: TOF 수신센서
160: 제어부 기판

Claims

케이스와 커버의 결합으로 이루어지는 본체하우징,
상기 본체하우징의 내측에서 레이저 다이오드(Laser Diode)가 어레이 형태로 모듈화되어 일정 시간 간격의 펄스 패턴으로 레이저광을 면 발광시키는 발광모듈,
상기 발광모듈의 전단에서 격벽 형태로 위치되어 상기 레이저 광의 파장만 통과시키는 필터렌즈,
상기 발광모듈에서 발신되는 펄스 패턴의 레이저광은 투과시키고, 피시체에서 반사되어 돌아오는 레이저광은 굴절시키는 빔스플리터,
상기 빔스플리터에서 굴절되어 수신되는 펄스 패턴의 레이저광을 수광하여 시간 타이밍에 따른 위상차를 측정하는 TOF(time of flight) 수신센서, 및
상기 발광모듈 및 TOF 수신센서와 연동하여 레이저광의 발신 및 수신 타이밍을 제어하고, 감지된 신호를 외부의 장치에 전달하기 위한 제어부 기판이 상기 발광모듈과 결합되어 이루어지는 것을 특징으로 하는 TOF 장치.
청구항 1에 있어서,
상기 TOF 수신센서는 아날로그-디지털 컨버터(ADC)와 펄스 패턴의 레이저광에 대한 디지털화 시퀀스를 제어하는 타이밍 생성기 및 초당 최대 150 프레임 속도에서 QVGA 320x240 그래픽 어레이의 분해능 데이터를 제공하는 이미지 센서가 결합되어 구성되는 것을 특징으로 하는 TOF 장치.
청구항 1에 있어서,
상기 본체하우징의 전면에서 펄스 레이저광의 투과를 용이하게 하는 전면렌즈가 구비되는 것을 특징으로 하는 TOF 장치.
청구항 1에 있어서,
상기 제어부 기판은 TOF 수신센서에서 감지한 주변 지형 및 피사체 등의 목표물에 대한 정보 데이터를 외부 장치에 전송할 수 있는 통신모듈을 구비하거나 통신모듈과 결합되어 구성되는 것을 특징으로 하는 TOF 장치.