KR20220023072A - ToF 시스템에서의 측정거리 가변장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 3D 센싱 시스템의 하나인 ToF(Time of Flight) 시스템에서 광파워 증감 없이도 측정거리를 가변시킬 수 있는 ToF 시스템에서의 측정거리 가변장치에 관한 것으로, 광을 방출하는 광원부와; 방출된 광을 패턴조명으로 변화시키는 회절 광학 소자와; 상기 광원부와 상기 회절 광학 소자 사이에서 전, 후진 이동하여 피사체에 조사되는 광 도달거리를 조절하는 렌즈부와; 렌즈구동신호에 따라 상기 렌즈부를 전,후진 구동시키는 렌즈 구동부와; 상기 광원부의 출력을 일정하게 제어하고, 상기 렌즈 구동부를 통해 상기 렌즈부의 전, 후진 이동거리를 제어하여 피사체까지의 광 도달거리를 연장시키는 프로세서;를 포함함을 특징으로 한다.

Description

ToF 시스템에서의 측정거리 가변장치{Measuring distance variable device in ToF system}

본 발명은 배터리 기반의 3D 센싱 시스템에 관한 것으로, 특히 3D 센싱 시스템의 하나인 ToF(Time of Flight) 시스템에서 광파워 증감 없이도 측정거리를 가변시킬 수 있는 ToF 시스템에서의 측정거리 가변장치에 관한 것이다.

입체 영상 서비스에 대한 관심이 증대되면서 입체영상을 제공하는 장치들이 개발 보급되고 있다. 입체영상을 구현하기 위한 3D(3차원) 센싱 방식 중에 스테레오스코픽(stereoscopic) 방식, 비행시간측정(TOF)방식, 구조광(structure light) 방식 등이 있다.

상술한 3D 센싱 방식 중 낮은 계산량에 의한 높은 프레임 레이트(frame rate), 작은 풋프린트(footprint), 상대적으로 적은 제작비용, 햇빛에 강인한 특성 등의 이점이 있는 TOF 방식이 많은 관심을 받고 있다.

비행시간측정(TOF: time of flight) 방식은 피사체에 직접적으로 광을 조사하여 반사되어 되돌아오는 반사광까지의 시간을 계산함으로써 피사체까지의 거리 정보를 획득하는 방식이다. 다만, 광원에 의한 광을 이용하는 방식이다 보니 다른 광원의 영향을 받을 수밖에 없어 실제 측정이 가능한 거리를 늘리는데에 한계가 있다. 특히, 도 1에 도시한 바와 같이 실외 공간에서는 햇빛에 의한 영향 때문에 측정거리가 짧아질 수밖에 없다.

이에 측정거리를 늘리기 위해서는 광파워, 즉 빛의 세기를 증가시키면 되지만 이러한 경우 상대적으로 전력소비가 커질 수밖에 없다. 따라서 모바일 기기와 같은 배터리 기반의 휴대용 전자장치들에 구현되어 있는 ToF 시스템에서 측정거리를 늘리기 위해 광 파워를 증가시키는 방식은 그 효용 가치가 떨어질 수밖에 없다.

대한민국 공개특허공보 제10-2016-0124664호 미국 공개특허공보 2017/0074720A1

이에 본 발명은 배터리 기반의 휴대용 전자장치들에 구현되어 있는 ToF 시스템에서 광 파워의 증가 없이도 측정거리(광 도달거리)를 늘릴 수 있는 ToF 시스템에서의 측정거리 가변장치를 제공함을 주요 목적으로 한다.

더 나아가 본 발명의 또 다른 목적은 일정한 광 파워 상태에서 단위 면적당 빛의 광량분포를 조절하여 다양한 광 조사 구현효과를 얻을 수 있는 ToF 시스템에서의 측정거리 가변장치를 제공함에 있다.

전술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 ToF 시스템에서의 측정거리 가변장치는,

광을 방출하는 광원부와;

방출된 광을 패턴조명으로 변화시키는 회절 광학 소자와;

상기 광원부와 상기 회절 광학 소자 사이에서 전, 후진 이동하여 피사체에 조사되는 광 도달거리를 조절하는 렌즈부와;

렌즈구동신호에 따라 상기 렌즈부를 전,후진 구동시키는 렌즈 구동부와;

상기 광원부의 출력을 일정하게 제어하고, 상기 렌즈 구동부를 통해 상기 렌즈부의 전, 후진 이동거리를 제어하여 피사체까지의 광 도달거리를 연장시키는 프로세서;를 포함함을 특징으로 한다.

더 나아가 상술한 ToF 시스템의 측정거리 가변장치에 있어서, 피사체에 도달하는 광이 도트 타입 일루미네이션(dot type illumination) 타입일 경우 상기 프로세서는 각 도트 사이에 중첩을 갖도록 상기 렌즈부의 이동거리를 제어하여 투광 조명(flood illumination)을 구현함을 또 다른 특징으로 한다.

더 나아가 상술한 ToF 시스템의 측정거리 가변장치에 있어서, 상기 광원부를 구성하는 광원발생소자들의 일부를 그룹화하여 채널화하는 방식으로 상기 광원발생소자들을 다채널 형태로 구성하며, 상기 프로세서는 다채널 형태로 구성된 각 채널에 시분할 형태로 광 발생에 필요한 구동 파워가 인가되도록 제어하여 특정 도트에 보다 많은 양의 광량을 갖도록 함을 또 다른 특징으로 한다.

상술한 기술적 과제 해결 수단에 따르면, 본 발명은 광원부의 출력을 일정하게 제어하고, 렌즈 구동부를 통해 렌즈부의 전, 후진 이동거리를 제어하여 피사체까지의 광 도달거리를 연장시킴으로써, 다른 광원의 영향하에서도 측정거리를 연장한 효과 혹은 일정한 측정거리를 확보할 수 있는 효과를 제공한다.

또한, 본 발명은 광원부의 출력을 일정하게 제어하면서 측정거리를 연장할 수 있기 때문에, 모바일 기기와 같은 배터리 기반의 휴대용 전자장치들에 구현될 경우 그 효용성이 높다고 할 수 있다.

더 나아가 본 발명은 광원부와 회절 광학 소자 사이에 위치하는 렌즈부를 이동시키면 도트의 크기, 즉 도트의 광량분포를 변화시킬 수 있기 때문에, 하나의 광 조사 방식(예를 들면 도트 타입의 광 조사)으로 복수의 광 조사(도트 타입의 광 조사와 flood 타입의 광 조사) 구현효과를 얻을 수 있는 장점이 있다.

도 1은 일반적인 ToF 시스템에서의 광원(VCSEL) 패키지의 단면 예시도.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 ToF 시스템에서의 측정거리 가변장치의 블럭 구성 예시도.
도 3 내지 도 6은 본 발명이 적용된 ToF 시스템에서의 광원 패키지 구성과 광 조사 방식에 따라 가변되는 광 도달거리 및 광량 분포 변화를 부연 설명하기 위한 도면.

후술하는 본 발명에 대한 상세한 설명은, 본 발명의 목적들, 기술적 해법들 및 장점들을 분명하게 하기 위하여 본 발명이 실시될 수 있는 특정 실시예를 예시한 것으로서 도시하는 첨부 도면을 참조한다. 이들 실시예는 통상의 기술자가 본 발명을 실시할 수 있기에 충분하도록 상세히 설명된다.

또한 본 발명의 상세한 설명 및 청구항들에 걸쳐, '포함하다'라는 단어 및 그 변형은 다른 기술적 특징들, 부가물들, 구성요소들 또는 단계들을 제외하는 것으로 의도된 것이 아니다. 통상의 기술자에게 본 발명의 다른 목적들, 장점들 및 특성들이 일부는 본 설명서로부터, 그리고 일부는 본 발명의 실시로부터 드러날 것이다. 아래의 예시 및 도면은 실례로서 제공되며, 본 발명을 한정하는 것으로 의도된 것이 아니다. 더욱이 본 발명은 본 명세서에 표시된 실시예들의 모든 가능한 조합들을 망라한다. 본 발명의 다양한 실시예는 서로 다르지만 상호 배타적일 필요는 없음이 이해되어야 한다. 따라서, 후술하는 상세한 설명은 한정적인 의미로서 취하려는 것이 아니며, 본 발명의 범위는, 적절하게 설명된다면, 그 청구항들이 주장하는 것과 균등한 모든 범위와 더불어 첨부된 청구항에 의해서만 한정된다. 도면에서 유사한 참조부호는 여러 측면에 걸쳐서 동일하거나 유사한 기능을 지칭한다.

본 명세서에서 달리 표시되거나 분명히 문맥에 모순되지 않는 한, 단수로 지칭된 항목은, 그 문맥에서 달리 요구되지 않는 한, 복수의 것을 아우른다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그에 대한 상세 설명은 생략한다.

이하, 통상의 기술자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있도록 하기 위하여, 본 발명의 바람직한 실시예들에 관하여 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다. 하기에서의 3D 센싱 시스템은 3D 안면인식, 자동주행, 가상/증강 현실 등 여러 방면에서 다양하게 이용되는 카메라 장치인 것으로 가정하기로 한다.

우선 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 ToF 시스템에서의 측정거리 가변장치의 블럭 구성도를 예시한 것이다.

도 1에 도시한 바와 같이 본 발명의 실시예에 따른 ToF 시스템에서의 측정거리 가변장치는 기본적으로 광을 방출하는 광원부(10)를 포함한다. 이러한 광원부(10)는 레이저 광을 방출하는 다수의 광원발생소자들을 포함하며, 상기 광원발생소자는 VCSEL(Vertical Cavity Surface Emitting Laser) 혹은 EEL(Edge Emitting Laser)로 구현 가능하지만 이는 예시일 뿐 이에 한정되는 것은 아니다.

상기 광원부(10) 외에 본 발명의 실시예에 따른 ToF 시스템의 측정거리 가변장치는 상기 광원부(10)에서 방출된 광을 패턴조명으로 변화시키는 회절 광학 소자(30)(DOE)를 더 포함한다. 이러한 회절 광학 소자(30)는 패턴 조명을 생성하기 때문에 패턴 조명 생성기라 불리우기도 한다. 다양한 패턴 조명을 생성하기 위해 회절 광학 소자(30)는 다양한 형태의 패턴으로 형성될 수 있다.

한편, 본 발명의 실시예에 따른 ToF 시스템에 이용되는 광원 발생기는 상기 광원부(10), 회절 광학 소자(30)와 함께 렌즈부(20)를 포함한다. 렌즈부(20)는 도 3의 (b)에 도시한 바와 같이 광원부(10)와 회절 광학 소자(30) 사이에서 전, 후진 이동하여 피사체에 조사되는 광 도달거리를 조절한다. 후술하겠지만 렌즈부(20)의 전, 후진에 의해 피사체에 조사되는 광의 도달거리는 짧아지거나 길어질 수 있다. 이는 곧 단위 면적당 광량 분포가 변화된다는 것을 의미하며, 해상도의 변화를 가져오는 것으로 이해할 수도 있다.

상술한 렌즈부(20)는 후술할 프로세서(50)에 의해 제어되는 렌즈 구동부(40)에 의해 전, 후진 구동한다. 즉, 본 발명의 실시예에 따른 ToF 시스템의 측정거리 가변장치는 프로세서(50)에서 출력되는 렌즈구동신호에 따라 상기 렌즈부(20)를 전,후진 구동시키는 렌즈 구동부(40)를 더 포함하며,

더 나아가 광원부(10)의 출력을 일정하게 제어하고, 상기 렌즈 구동부(40)를 통해 상기 렌즈부(20)의 전, 후진 이동거리를 제어하여 피사체까지의 광 도달거리를 연장시키는 프로세서(50)를 더 포함함을 특징으로 한다. 프로세서(50)는 일 예로 피사체로부터 반사된 광의 위상지연을 측정하고 측정된 위상지연을 이용하여 피사체 각 영역의 거리를 측정할 수 있다.

상술한 구성들을 포함하는 ToF 시스템의 측정거리 가변장치에서 상기 광원부(10)를 구성하는 광원발생소자들의 일부를 그룹화하여 채널화하는 방식으로 상기 광원발생소자들을 다채널 형태로 구성할 수 있고, 이러한 경우 프로세서(50)는 다채널 형태로 구성된 각 채널에 시분할 형태로 광 발생에 필요한 구동 파워가 인가되도록 제어함으로써, 특정 도트에 보다 많은 양의 광량이 집중되도록 구성할 수 있다.

또한, 피사체에 도달하는 광이 도트 타입 일루미네이션 타입일 경우 프로세서(50)는 각 도트 사이에 중첩을 갖도록 상기 렌즈부(20)의 이동거리를 제어하여 투광 조명(flood illumination)을 구현할 수도 있다. 이러한 동작에 대해서는 후술하기로 한다.

이하 상술한 구성을 포함하는 본 발명의 실시예에 따른 ToF 시스템의 측정거리 가변장치의 동작을 부연 설명하기로 한다.

도 3 내지 도 6은 본 발명이 적용된 ToF 시스템에서의 광원 패키지 구성과 광 조사 방식에 따라 가변되는 광 도달거리 및 광량 분포 변화를 부연 설명하기 위한 도면을 도시한 것이다.

우선 도 3의 (a)는 일반적인 투광(flood) 타입의 광 조사 방식을 채용한 ToF 시스템에서의 광량 분포를 도시한 것으로, 만약 도 3의 (b)에 도시한 바와 같이 광원부(예를 들면 VCSEL, 10)와 회절 광학 소자(DOE, 30) 사이에 렌즈부(20)를 위치시켜 이동시키면 단위면적당 광의 세기를 조절할 수 있다. 즉, 프로세서(50)는 광원부(10)의 출력을 일정하게 제어하고, 렌즈 구동부(40)를 통해 렌즈부(20)의 전, 후진 이동거리를 제어하여 피사체까지의 광 도달거리를 연장시킴으로써, 다른 광원의 영향하에서도 측정거리를 연장한 효과 혹은 일정한 측정거리를 확보할 수 있는 효과를 얻을 수 있다.

더욱이 본 발명의 실시예에 따른 측정거리 가변장치의 프로세서(50)는 광원부(10)의 출력을 일정하게 제어하면서 측정거리를 연장할 수 있기 때문에, 모바일 기기와 같은 배터리 기반의 휴대용 전자장치들에 구현될 경우 그 효용성이 높다고 할 수 있다.

한편, 도 4는 도트 타입의 광 조사 방식을 채용한 ToF 시스템에서의 광량 분포를 도시한 것으로, 광원부(예를 들면 VCSEL, 10)와 회절 광학 소자(DOE, 30) 사이에 위치하는 렌즈부(20)를 이동시키면 도트의 크기, 즉 도트의 광량분포를 A 혹은 B와 같이 변화시킬 수 있다. 즉, 프로세서(50)가 렌즈부(20)를 이동시켜 위치를 변화시키면 A와 같이 도트 사이에 중첩이 발생되도록 함으로써 투광 조명(flood illumination)이 가능하고, B와 같이 도트 사이에 중첩이 발생되지 않도록 렌즈부(20)를 위치시키면 도트의 광 세기는 보다 강해지므로 A 상태 보다는 원거리 측정이 가능하다. 이러한 경우 3D 센싱에서의 해상도는 근거리 대비 저하될 수밖에 없지만, 이는 이미지 프로세싱과 같은 소프트웨어적인 접근을 통해 어느 정도의 해상도 저하 문제를 해결할 수 있다.

도 5와 도 6은 플래쉬 타입의 광 조사 방식이 아닌 스캐닝 타입의 광 조사 방식을 채용한 ToF 시스템에서의 광량 분포를 각각 도시한 것이다. 플래쉬 타입의 광 조사 방식은 빠른 센싱 속도를 가진다는 점에서 장점이 있으나, 단위 면적당 높은 광의 세기를 가져가는데에 한계가 있다.

이를 해결하기 위해 광원부(10)를 구성하는 광원발생소자들을 다채널 형태로 구성하고, 광원발생에 필요한 구동파워를 각 채널에 시분할하여 공급하는 방식을 채용함으로써 특정 도트에 보다 많은 양의 광량이 집중되도록 할 수 있다.

즉, 도 5의 (a), (b), (c)에 도시한 바와 같이 서로 다른 시간

각각에 순차적으로 광원발생소자 어레이 중 제1열(좌측 끝)에 위치하는 제1채널의 광원발생소자들에 구동 파워를 공급하고, 다음으로 제2열에 위치하는 제2채널의 광원발생소자들에 구동 파워를 공급하는 스캐닝 방식으로 구동 파워를 공급하면, 특정 도트들(어레이를 구성하는)에 보다 높은 단위 면적당 광량을 공급할 수 있다.

참고적으로 도 6의 (a), (b), (c)는 도 5에서 광원부(10)와 회절 광학 소자(DOE, 30) 사이에 위치하는 렌즈부(20)를 이동시켜 광의 도달거리를 연장시킨 경우의 광량분포를 예시한 것이다.

이와 같이 본 발명의 실시예에 따른 측정거리 가변장치를 이용하게 되면 스캐닝 타입으로 3D 센싱을 하는 방식에서도 추가적인 구동 파워 없이 렌즈부(20)의 이동만으로 광의 세기를 조절할 수 있어 측정거리를 연장한 효과를 얻을 수 있다.

이상은 도면에 도시된 실시예들을 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 이에 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 첨부된 특허청구범위에 의해서만 정해져야 할 것이다.

Claims (3)

1. 광을 방출하는 광원부와;
   방출된 광을 패턴조명으로 변화시키는 회절 광학 소자와;
   상기 광원부와 상기 회절 광학 소자 사이에서 전, 후진 이동하여 피사체에 조사되는 광 도달거리를 조절하는 렌즈부와;
   렌즈구동신호에 따라 상기 렌즈부를 전,후진 구동시키는 렌즈 구동부와;
   상기 광원부의 출력을 일정하게 제어하고, 상기 렌즈 구동부를 통해 상기 렌즈부의 전, 후진 이동거리를 제어하여 피사체까지의 광 도달거리를 연장시키는 프로세서;를 포함함을 특징으로 하는 ToF(Time of Flight) 시스템에서의 측정거리 가변장치.
2. 청구항 1에 있어서, 피사체에 도달하는 광이 도트 타입 일루미네이션 타입일 경우 상기 프로세서는 각 도트 사이에 중첩을 갖도록 상기 렌즈부의 이동거리를 제어하여 투광 조명(flood illumination)을 구현함을 특징으로 하는 ToF 시스템에서의 측정거리 가변장치.
3. 청구항 1에 있어서, 상기 광원부를 구성하는 광원발생소자들의 일부를 그룹화하여 채널화하는 방식으로 상기 광원발생소자들을 다채널 형태로 구성하며, 상기 프로세서는 다채널 형태로 구성된 각 채널에 시분할 형태로 광 발생에 필요한 구동 파워가 인가되도록 제어함을 특징으로 하는 ToF 시스템에서의 측정거리 가변장치.

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