KR20220147899A - 카메라 장치 - Google Patents

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KR20220147899A
KR20220147899A KR1020210054995A KR20210054995A KR20220147899A KR 20220147899 A KR20220147899 A KR 20220147899A KR 1020210054995 A KR1020210054995 A KR 1020210054995A KR 20210054995 A KR20210054995 A KR 20210054995A KR 20220147899 A KR20220147899 A KR 20220147899A
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Abstract

본 발명의 실시예에 따른 카메라 장치는 출력광 신호를 생성하여 객체에 조사하는 광출력부, 상기 객체로부터 반사된 후 입력된 입력광 신호를 수신하는 광입력부, 상기 광입력부에 입력된 상기 입력광 신호를 이용하여 상기 객체의 깊이 정보를 생성하는 깊이 정보 생성부, 그리고 상기 광출력부, 상기 광입력부 및 상기 깊이 정보 생성부를 제어하는 제어부를 포함하며, 상기 광출력부는, 상기 출력광 신호를 생성하는 광원을 포함하고, 상기 제어부는 상기 객체에 관한 정보에 기초하여 상기 광원에 인가되는 전류를 제어한다.

Description

카메라 장치{CAMERA APPARATUS}
본 발명은 카메라 장치에 관한 것이다.
3 차원 콘텐츠는 게임, 문화뿐만 아니라 교육, 제조, 자율주행 등 많은 분야에서 적용되고 있으며, 3차원 콘텐츠를 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 방법으로, IR(Infrared) 구조광을 객체에 투사하는 방식, 스테레오 카메라를 이용하는 방식, TOF(Time of Flight) 방식 등이 이용되고 있다.
깊이 정보를 획득하는 방법으로, IR(Infrared) 구조광을 객체에 투사하는 방식, 스테레오 카메라를 이용하는 방식, ToF(Time of Flight) 방식 등이 이용되고 있다. ToF 방식에 따르면, 비행 시간, 즉 빛을 쏘아서 반사되어 오는 시간을 측정함으로써 물체와의 거리를 계산한다. ToF 방식의 가장 큰 장점은 3차원 공간에 대한 거리 정보를 실시간으로 빠르게 제공한다는 점에 있다. 또한 사용자가 별도의 알고리즘 적용이나 하드웨어적 보정을 하지 않고도 정확한 거리 정보를 얻을 수 있다. 또한 매우 가까운 피사체를 측정하거나 움직이는 피사체를 측정하여도 정확한 깊이 정보를 획득할 수 있다.
한편, 객체의 표면 재질에 따라 빛의 반사율이 달라질 수 있으며, 이에 따라 ToF 방식에 따라 획득한 깊이 정보의 정확도가 달라질 수 있다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 높은 정확도로 깊이 정보의 추출이 가능한 카메라 장치를 제공하는 것이다.
본 발명이 이루고자 하는 다른 기술적 과제는 화각 내 특정 영역에 대한 깊이 정보를 선택적으로 추출하는 것이 가능한 카메라 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 실시예에 따른 카메라 장치는 출력광 신호를 생성하여 객체에 조사하는 광출력부, 상기 객체로부터 반사된 후 입력된 입력광 신호를 수신하는 광입력부, 상기 광입력부에 입력된 상기 입력광 신호를 이용하여 상기 객체의 깊이 정보를 생성하는 깊이 정보 생성부, 그리고 상기 광출력부, 상기 광입력부 및 상기 깊이 정보 생성부를 제어하는 제어부를 포함하며, 상기 광출력부는, 상기 출력광 신호를 생성하는 광원을 포함하고, 상기 제어부는 상기 객체에 관한 정보에 기초하여 상기 광원에 인가되는 전류를 제어한다.
상기 객체에 관한 정보는 상기 객체의 표면 재질, 상기 객체의 면적 및 상기 객체의 형상 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
상기 제어부는 상기 객체의 가로 길이가 세로 길이보다 긴 경우 기준 전류보다 낮은 전류가 상기 광원에 인가되도록 제어하고, 상기 객체의 세로 길이가 가로 길이보다 긴 경우 상기 기준 전류보다 높은 전류가 상기 광원에 인가되도록 제어할 수 있다.
상기 광출력부는, 상기 광원으로부터 출력된 출력광 신호를 확산시키는 렌즈 어셈블리를 더 포함할 수 있다.
상기 광입력부는 상기 입력광 신호 중 소정의 편광 각도를 가지는 입력광 신호를 선택적으로 통과시키는 편광부재, 그리고 상기 편광부재를 통과한 상기 입력광 신호를 수신하는 이미지 센서를 포함할 수 있다.
상기 광원이 출력하는 상기 출력광 신호의 편광 특성 및 파형 중 적어도 하나는 상기 전류에 따라 달라질 수 있다.
상기 광원은 VCSEL(vertical cavity surface emitting laser)를 포함할 수 있다.
상기 깊이 정보 생성부는 상기 출력광 신호 및 상기 입력광 신호 간 위상차를 이용하여 상기 깊이 정보를 생성할 수 있다.
상기 제어부는 상기 광원에 제1 전류가 인가되는 구간 및 상기 광원에 상기 제1 전류보다 높은 제2 전류가 인가되는 구간이 교대로 반복되도록 제어할 수 있다.
본 발명의 한 실시예에 따른 카메라 장치의 깊이 정보 생성 방법은 객체에 관한 정보를 획득하는 단계, 상기 정보에 기초하여 광원에 인가되는 전류를 제어하는 단계, 상기 전류에 기초하여 상기 광원이 출력광 신호를 생성하여 상기 객체에 조사하는 단계, 상기 객체로부터 반사된 후 입력된 입력광 신호를 수신하는 단계, 그리고 상기 입력광 신호를 이용하여 상기 객체의 깊이 정보를 생성하는 단계를 포함한다.
상기 객체에 관한 정보는 객체의 표면 재질, 상기 객체의 면적 및 상기 객체의 형상 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
상기 제어하는 단계에서는 상기 객체의 가로 길이가 세로 길이보다 긴 경우 기준 전류보다 낮은 전류가 상기 광원에 인가되도록 제어하고, 상기 객체의 세로 길이가 가로 길이보다 긴 경우 상기 기준 전류보다 높은 전류가 상기 광원에 인가되도록 제어할 수 있다.
상기 깊이 정보를 생성하는 단계에서는 상기 출력광 신호 및 상기 입력광 신호 간 위상차를 이용하여 상기 깊이 정보를 생성할 수 있다.
상기 제어하는 단계에서는 상기 광원에 제1 전류가 인가되는 구간 및 상기 광원에 상기 제1 전류보다 높은 제2 전류가 인가되는 구간이 교대로 반복되도록 제어할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 객체의 표면 재질을 고려하여 높은 정확도로 깊이 정보를 추출할 수 있다. 또한, 본 발명의 실시예에 따르면, 별도의 구동 장치 없이도 화각 내 특정 영역에 대한 깊이 정보를 선택적으로 추출하는 것이 가능하다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 카메라 장치의 블록도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 카메라 장치의 개략적인 단면도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 카메라 장치가 출력하는 출력광 신호를 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 본 발명의 한 실시예에 따른 카메라 장치의 블록도이다.
도 5는 본 발명의 한 실시예에 따른 카메라 장치의 깊이 정보 생성 방법의 순서도이다.
도 6 내지 도 7은 본 발명의 실시예에 따른 카메라 장치에 포함되는 광원에 인가되는 전류에 따른 편광 방향을 설명하는 도면이다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 카메라 장치에 포함되는 광원에 인가되는 전류에 따른 펄스 형상을 설명하는 도면이다.
도 9는 본 발명의 다른 실시예에 따른 카메라 장치의 개략적인 단면도이다.
도 10은 광원에 인가되는 전류에 따라 제어되는 출력광 신호의 펄스를 나타낸다.
도 11은 광원에 인가되는 전류에 따라 달라지는 깊이 이미지를 나타낸다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다.
다만, 본 발명의 기술 사상은 설명되는 일부 실시 예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있고, 본 발명의 기술 사상 범위 내에서라면, 실시 예들간 그 구성 요소들 중 하나 이상을 선택적으로 결합, 치환하여 사용할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에서 사용되는 용어(기술 및 과학적 용어를 포함)는, 명백하게 특별히 정의되어 기술되지 않는 한, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 일반적으로 이해될 수 있는 의미로 해석될 수 있으며, 사전에 정의된 용어와 같이 일반적으로 사용되는 용어들은 관련 기술의 문맥상의 의미를 고려하여 그 의미를 해석할 수 있을 것이다.
또한, 본 발명의 실시예에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다.
본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함할 수 있고, "A 및(와) B, C 중 적어도 하나(또는 한 개 이상)"로 기재되는 경우 A, B, C로 조합할 수 있는 모든 조합 중 하나 이상을 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시 예의 구성 요소를 설명하는 데 있어서, 제1, 제2, A, B, (a), (b) 등의 용어를 사용할 수 있다.
이러한 용어는 그 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성 요소의 본질이나 차례 또는 순서 등으로 한정되지 않는다.
그리고, 어떤 구성 요소가 다른 구성요소에 '연결', '결합' 또는 '접속'된다고 기재된 경우, 그 구성 요소는 그 다른 구성 요소에 직접적으로 연결, 결합 또는 접속되는 경우뿐만 아니라, 그 구성 요소와 그 다른 구성 요소 사이에 있는 또 다른 구성 요소로 인해 '연결', '결합' 또는 '접속' 되는 경우도 포함할 수 있다.
또한, 각 구성 요소의 "상(위) 또는 하(아래)"에 형성 또는 배치되는 것으로 기재되는 경우, 상(위) 또는 하(아래)는 두 개의 구성 요소들이 서로 직접 접촉되는 경우뿐만 아니라 하나 이상의 또 다른 구성 요소가 두 개의 구성 요소들 사이에 형성 또는 배치되는 경우도 포함한다. 또한, "상(위) 또는 하(아래)"으로 표현되는 경우 하나의 구성 요소를 기준으로 위쪽 방향뿐만 아니라 아래쪽 방향의 의미도 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 카메라 장치는 ToF(Time of Flight) 기능을 이용하여 깊이 정보를 추출하는 카메라를 의미할 수 있다. 따라서, 카메라 장치는 ToF 카메라 장치, ToF 카메라 모듈, ToF 카메라 등과 혼용될 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 카메라 장치의 블록도이고, 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 카메라 장치의 개략적인 단면도이다. 도 3은 본 발명의 실시예에 따른 카메라 장치가 출력하는 출력광 신호를 설명하기 위한 도면이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 카메라(1)는 광출력부(10), 광입력부(20), 깊이 정보 생성부(30) 및 제어부(40)를 포함한다.
광출력부(10)는 출력광 신호를 생성한 후 객체에 조사한다. 이때, 광출력부(10)는 펄스파(pulse wave)의 형태나 지속파(continuous wave)의 형태로 출력광 신호를 생성하여 출력할 수 있다. 지속파는 사인파(sinusoid wave)나 사각파(squared wave)의 형태일 수 있다. 출력광 신호를 펄스파나 지속파 형태로 생성함으로써, 카메라(1)는 광출력부(10)로부터 출력된 출력광 신호와 객체로부터 반사된 후 광입력부(20)로 입력된 입력광 신호 사이의 시간 차 또는 위상 차를 검출할 수 있다. 본 명세서에서, 출력광은 광출력부(10)로부터 출력되어 객체에 입사되는 광을 의미하고, 입력광은 광출력부(10)로부터 출력되어 객체에 도달한 후 객체로부터 반사되어 광입력부(20)로 입력되는 광을 의미할 수 있다. 객체의 입장에서 출력광은 입사광이 될 수 있고, 입력광은 반사광이 될 수 있다.
도 3(a)를 참조하면, 광출력부(10)는 일정한 주기로 광 펄스(pulse)를 생성할 수 있다. 광출력부(10)는 소정의 펄스 반복 주기(tmodulation)로 소정의 펄스 폭(tpulse)을 가지는 광 펄스를 생성할 수 있다.
도 3(b)를 참조하면, 광출력부(10)가 생성하는 일정 개수의 광 펄스는 그룹핑(grouping)되어 하나의 위상 펄스(phase pulse)를 이룰 수 있다. 광출력부(10)는 소정의 위상 펄스 주기(tphase)와 소정의 위상 펄스 폭(texposure)을 가지는 위상 펄스를 생성할 수 있다. 위상 펄스 폭은 tillumination 또는 tintegration이라 지칭될 수도 있다. 여기서, 하나의 위상 펄스 주기(tphase)는 하나의 서브 프레임에 대응할 수 있다. 서브 프레임(sub-frame)은 위상 프레임(phase frame)으로 불릴 수 있다. 위상 펄스 주기는 소정의 개수로 그룹핑 될 수 있다. 4개의 위상 펄스 주기(tphase)를 그룹핑하는 방식은 4-phase 방식으로 불릴 수 있다. 8개의 주기(tpphase)를 그룹핑하는 것은 8-phase 방식으로 불릴 수 있다.
도 3(c)를 참조하면, 광출력부(10)가 생성하는 일정 개수의 위상 펄스는 그룹핑되어 하나의 프레임 펄스를 이룰 수 있다. 광출력부(10)는 소정의 프레임 펄스 주기(tframe)와 소정의 프레임 펄스 폭(tphase group(sub-frame group))을 가지는 프레임 펄스를 생성할 수 있다. 여기서, 하나의 프레임 펄스 주기(tframe)는 하나의 프레임에 대응할 수 있다. 따라서, 10 FPS로 객체를 촬영하는 경우, 1초에 10번의 프레임 펄스 주기(tframe)가 반복될 수 있다. 4-pahse 방식에서, 하나의 프레임에는 4개의 서브 프레임이 포함될 수 있다. 즉, 하나의 프레임은 4개의 서브 프레임을 통해 생성될 수 있다. 8-phase 방식에서, 하나의 프레임에는 8개의 서브 프레임이 포함될 수 있다. 즉, 하나의 프레임은 8개의 서브 프레임을 통해 생성될 수 있다.
상기에서 설명을 위해, 광 펄스, 위상 펄스 및 프레임 펄스의 용어를 이용하였으나, 이에 한정되지 않는다.
다시 도 1 내지 도 2를 참조하면, 광출력부(10)는 광원(100) 및 렌즈 어셈블리(110)를 포함할 수 있다.
우선, 광원(100)은 빛을 생성한다. 광원(100)이 생성하는 빛은 파장이 770 내지 3000nm인 적외선일 수 있으며, 파장이 380 내지 770 nm인 가시광선 일 수도 있다. 광원(100)은 발광 다이오드(Light Emitting Diode, LED)를 이용할 수 있으며, 복수의 발광 다이오드가 일정한 패턴에 따라 배열된 형태를 가질 수 있다. 뿐만 아니라, 광원(100)은 유기 발광 다이오드(Organic light emitting diode, OLED)나 레이저 다이오드(Laser diode, LD)를 포함할 수도 있다. 또는, 광원(100)은 VCSEL(Vertical Cavity Surface Emitting Laser)일 수도 있다. VCSEL은 전기 신호를 광 신호로 바꾸어 주는 레이저 다이오드 중 하나이며, 약 800 내지 1000nm인 파장, 예를 들어 약 850nm 또는 약 940nm 파장을 출력할 수 있다. 광원(100)은 일정 시간 간격으로 점멸(on/off)을 반복하여 펄스파 형태나 지속파 형태의 출력광 신호를 생성한다. 일정 시간 간격은 출력광 신호의 주파수일 수 있다.
렌즈 어셈블리(110)는 광원(100)으로부터 출력된 빛을 집광하고, 집광된 빛을 외부로 출력할 수 있다. 렌즈 어셈블리(110)는 광원(100)의 상부에서 광원(100)과 이격되어 배치될 수 있다. 여기서, 광원(100)의 상부란 광원(100)으로부터 빛이 출력되는 측을 의미할 수 있다. 렌즈 어셈블리(110)는 적어도 1매의 렌즈를 포함할 수 있다. 렌즈 어셈블리(110)가 복수 매의 렌즈를 포함하는 경우, 각 렌즈들은 중심축을 기준으로 정렬하여 광학계를 형성할 수 있다. 여기서, 중심축은 광학계의 광축(Optical axis)와 동일할 수 있다.
렌즈 어셈블리(110)는 하우징(120)에 수용 또는 지지될 수 있다. 일 실시예에 따르면, 하우징(120)은 구동 모듈(미도시)과 결합될 수 있으며, 렌즈 어셈블리(110)는 구동 모듈(미도시)에 의해 광축 방향 또는 광축에 수직하는 방향으로 이동할 수 있다.
한편, 광입력부(20)는 객체로부터 반사된 빛을 수신한다. 이를 위하여, 광입력부(20)는 객체로부터 반사된 입력광을 집광하는 렌즈 어셈블리(130), 필터(미도시) 및 렌즈 어셈블리(130)를 통과한 입력광을 전기신호로 변환하는 이미지 센서(140)를 포함할 수 있으며, 렌즈 어셈블리(130), 필터(미도시) 및 이미지 센서(140)는 하우징(150)에 수용 또는 지지될 수 있다. 광출력부(10) 측의 하우징(120)과 광입력부(20) 측의 하우징(150)이 서로 이격된 것으로 도시되어 있으나, 이로 제한되는 것은 아니며, 광출력부(10) 측의 하우징(120)과 광입력부(20) 측의 하우징(150)은 일체의 하우징일 수도 있다.
렌즈 어셈블리(130)의 광축은 이미지 센서(140)의 광축과 얼라인(align)될 수 있다. 필터(미도시)는 렌즈 어셈블리(130)와 이미지 센서(140) 사이에 배치되며, 소정 파장 범위를 갖는 빛을 필터링할 수 있다. 예를 들어, 필터(미도시)는 광출력부(10)가 출력하는 출력광의 파장 대역에서 빛을 통과시킬 수 있다.
이미지 센서(140)는 광원(100)의 점멸 주기와 동기화되어 입력광 신호를 수신할 수 있다. 구체적으로, 이미지 센서(140)는 광원(100)으로부터 출력된 출력광 신호와 동상(in phase) 및 이상(out phase)에서 각각 빛을 수신할 수 있다. 즉, 이미지 센서(140)는 광원이 켜져 있는 시간에 입력광 신호를 수신하는 단계와 광원이 꺼져 있는 시간에 입력광 신호를 수신하는 단계를 반복 수행할 수 있다. 이미지 센서(140)는 서로 다른 위상차를 가지는 복수의 참조 신호(reference signal)를 이용하여 각 참조 신호에 대응하는 전기 신호를 생성할 수 있다. 참조 신호의 주파수는 광원(100)으로부터 출력된 출력광 신호의 주파수와 동일하게 설정될 수 있다. 따라서, 광원(100)이 복수의 주파수로 출력광 신호를 생성하는 경우, 이미지 센서(140)는 각 주파수에 대응하는 복수의 참조 신호를 이용하여 전기 신호를 생성한다. 전기 신호는 각 참조 신호에 대응하는 전하량이나 전압에 관한 정보를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 참조 신호는 4개(C1 내지 C4)일 수 있다. 각 참조 신호(C1 내지 C4)는 출력광 신호와 동일한 주파수를 가지되, 서로 90도 위상차를 가질 수 있다. 4개의 참조 신호 중 하나(C1)는 출력광 신호와 동일한 위상을 가질 수 있다. 입력광 신호는 출력광 신호가 객체에 입사된 후 반사되어 돌아오는 거리만큼 위상이 지연된다. 이미지 센서(140)는 입력광 신호와 각 참조 신호를 각각 믹싱(mixing)한다. 그러면, 이미지 센서(140)는 전기 신호를 각 참조 신호별로 생성할 수 있다.
이미지 센서(140)는 복수의 픽셀이 그리드 형태로 배열된 구조로 구성될 수 있다. 이미지 센서(140)는 CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor) 이미지 센서일 수 있으며, CCD(Charge Coupled Device) 이미지 센서일 수도 있다. 또한, 이미지 센서(140)는 객체로부터 반사된 IR 광을 받아들여 시간 또는 위상 차를 이용해 거리를 측정하는 ToF 센서를 포함할 수 있다. 예를 들어, 각 픽셀은 출력광의 파형과 동일 위상에서 입력광 신호를 수신하는 In phase 수신 유닛 및 출력광의 파형과 반대 위상에서 입력광 신호를 수신하는 Out phase 수신 유닛을 포함할 수 있다. In phase 수신 유닛 및 Out phase 수신 유닛이 시간 차를 두고 활성화되면, 객체와의 거리에 따라 In phase 수신 유닛과 Out phase 수신 유닛이 수신하는 빛의 양에 차이가 발생하며, 이를 이용하여 객체의 거리가 연산될 수 있다.
광입력부(20)는 광출력부(10)와 나란히 배치될 수 있다. 광입력부(20)는 광출력부(10) 옆에 배치될 수 있다. 광입력부(20)는 광출력부(10)와 같은 방향으로 배치될 수 있다.
깊이 정보 생성부(30)는 광입력부(20)에 입력된 입력광 신호를 이용하여 객체의 깊이 정보를 생성할 수 있다. 예를 들어, 깊이 정보 생성부(30)는 광출력부(10)로부터 출력된 출력광 신호가 객체로부터 반사된 후 광입력부(20)에 입력되기까지 걸리는 비행시간을 이용하여 객체의 깊이 정보를 생성할 수 있다. 예를 들어, 깊이 정보 생성부(30)는 이미지 센서(140)로부터 수신한 전기신호를 이용하여 출력광 신호와 입력광 신호 사이의 위상차를 계산하고, 위상차를 이용하여 객체와 카메라(1) 사이의 거리를 계산한다.
구체적으로, 깊이 정보 생성부(30)는 전기신호의 전하량 정보를 이용하여 출력광 신호와 입력광 신호 사이의 위상차를 계산할 수 있다.
상기에서 살펴본 바와 같이, 출력광 신호의 주파수마다 전기신호는 4개가 생성될 수 있다. 따라서, 깊이 정보 생성부(30)는 아래의 수학식 1을 이용하여 출력광 신호와 입력광 신호 사이의 위상차(td)를 계산할 수 있다.
Figure pat00001
여기서, Q1 내지 Q4는 4개의 전기 신호 각각의 전하 충전량이다. Q1은 출력광 신호와 동일한 위상의 기준신호에 대응하는 전기신호의 전하량이다. Q2는 출력광 신호보다 위상이 180도 느린 기준신호에 대응하는 전기신호의 전하량이다. Q3는 출력광 신호보다 위상이 90도 느린 기준신호에 대응하는 전기신호의 전하량이다. Q4는 출력광 신호보다 위상이 270도 느린 기준신호에 대응하는 전기신호의 전하량이다.
그러면, 깊이 정보 생성부(30)는 출력광 신호와 입력광 신호의 위상차를 이용하여 객체와 카메라(1) 사이의 거리를 계산할 수 있다. 이때, 깊이 정보 생성부(30)는 아래의 수학식 2를 이용하여 객체와 카메라(1) 사이의 거리(d)를 계산할 수 있다.
Figure pat00002
여기서, c는 빛의 속도이고, f는 출력광의 주파수이다.
제어부(40)는 광출력부(10), 광입력부(20) 및 깊이 정보 생성부(30)의 구동을 제어한다. 깊이 정보 생성부(30) 및 제어부(40)는 PCB(printed circuit board)의 형태로 구현될 수 있다. 또는, 제어부(40)는 본 발명의 실시예에 따른 카메라(1)가 배치된 단말에 포함될 수도 있다. 예를 들어, 제어부(40)는 본 발명의 실시예에 따른 카메라 장치(1)가 탑재된 스마트폰의 어플리케이션 프로세서(Application Processor, AP)의 형태로 구현될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 광원(100)에 인가되는 전류를 제어하여 깊이 정보의 정확도를 높일 수 있다.
도 4는 본 발명의 한 실시예에 따른 카메라 장치의 블록도이고, 도 5는 본 발명의 한 실시예에 따른 카메라 장치의 깊이 정보 생성 방법의 순서도이며, 도 6 내지 도 7은 본 발명의 실시예에 따른 카메라 장치에 포함되는 광원에 인가되는 전류에 따른 편광 방향을 설명하는 도면이고, 도 8은 본 발명의 실시예에 따른 카메라 장치에 포함되는 광원에 인가되는 전류에 따른 펄스 형상을 설명하는 도면이다.
도 4를 참조하면, 카메라 장치(1)는 광출력부(10), 광입력부(20), 깊이 정보 생성부(30) 및 제어부(40)를 포함한다. 도 1 내지 도 3을 참조하여 설명한 광출력부(10), 광입력부(20), 깊이 정보 생성부(30) 및 제어부(40)에 관한 내용과 동일한 내용에 대해서는 중복된 설명을 생략한다.
도 6 내지 도 8을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 카메라 장치에 포함되는 광원(100)은 인가되는 전류의 세기에 따라 편광 방향 및 펄스 형상(pulse shape)이 달라지는 광원일 수 있다. 여기서, 펄스 형상은 파형과 혼용될 수 있다. 본 발명의 실시예에 따르면, 광원(100)은 EEL(edge-emitting lasers) 또는 VCSEL(vertical-cavity surface-emitting laser)일 수 있다.
도 6에 도시된 바와 같이, 광원(100)에 인가된 전류의 세기에 따라 광원(100)이 출력하는 출력광 신호에 포함되는 P 편광 성분(P-polarized)과 S 편광 성분(S-polarized)의 양은 달라질 수 있다. 예를 들어, 도 7(a)에 도시된 바와 같이 기준 DC 전류(reference DC current, ref.)보다 낮은 DC 전류에서 P 편광 성분이 S 편광 성분보다 더 많이 출력되고, 도 7(b)에 도시된 바와 같이 기준 DC 전류보다 높은 DC 전류에서 S 편광 성분이 P 편광 성분보다 더 많이 출력될 수 있다.
도 8(a)에 도시된 바와 같이, P 편광 성분은 S 편광 성분에 비하여 높은 인텐시티의 상승 에지를 가질 수 있다. 광원(100)으로부터 출력된 광은 렌즈 어셈블리(110)를 통과하여 도 8(b)에 도시된 펄스 형상으로 출력될 수 있다. 광원(100)에 인가된 전류의 세기에 따라 P 편광 성분과 S 편광 성분의 양이 다양하게 조합될 수 있으며, P 편광 성분과 S 편광 성분의 조합에 따라 펄스의 폭, 높이, 균일도(uniformity)가 달라질 수 있다.
특히, 도 8(c)에 도시된 바와 같이, 광원(100)에 순간적으로 추가 전류를 인가할 경우, 도 8(d)에 도시된 바와 같이 펄스의 상승 에지가 더욱 선명하게 드러날 수도 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 광원(100)은 제어부(40)에 의하여 제어된 전류에 따라 출력광 신호를 생성하고자 한다. 이때, 제어부(40)는 객체에 관한 정보에 기초하여 광원(100)에 인가되는 전류를 제어할 수 있다. 이를 위하여, 본 발명의 실시예에 따른 카메라 장치(1)는 객체에 관한 정보를 획득하는 객체 정보 획득부(50)를 더 포함할 수 있다.
다시 도 4 내지 도 5를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 카메라 장치(1)의 객체 정보 획득부(50)는 객체에 관한 정보를 획득한다(S500). 여기서, 객체에 관한 정보는 객체의 표면 재질, 객체의 면적 및 객체의 형상 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 이때, 객체 정보 획득부(50)는 카메라 장치(1)의 내부 또는 외부에 배치된 센서(미도시)로부터 객체에 관한 정보를 획득할 수 있다. 또는, 객체 정보 획득부(50)는 사용자 인터페이스(미도시)를 통하여 객체에 관한 정보를 획득할 수도 있다.
다음으로, 제어부(40)는 객체 정보 획득부(50)가 획득한 객체에 관한 정보에 기초하여 광원(100)에 인가되는 전류를 제어하며(S510), 광원(100)은 인가된 전류에 기초하여 출력광 신호를 생성하여 객체에 조사한다(S520). 그리고, 광입력부(20)는 객체로부터 반사된 후 입력된 입력광 신호를 수신하며(S530), 깊이 정보 생성부(30)는 입력광 신호를 이용하여 객체의 깊이 정보를 생성한다(S540).
한 예로, 객체의 표면 재질에 따라 객체의 표면에서의 광의 반사율이 달라질 수 있다. 즉, 객체의 표면 재질이 금속인 경우, 객체에 입사된 광의 편광 방향 및 객체로부터 반사된 광의 편광 방향은 동일할 수 있다. 또는, 객체의 표면 재질에 따라, 객체에 입사된 광의 편광 방향이 객체로부터 반사된 광의 편광 방향과 달라질 수도 있다. 본 발명의 실시예에 따르면, 객체의 표면 재질 별로 객체에 입사되는 편광 성분 및 객체로부터 반사되는 편광 성분을 제어하고, 반사된 편광 성분만을 검출할 경우, 특정 표면 재질에 대한 검출 정확도를 높일 수 있다. 예를 들어, 카메라 장치(1)의 화각 내 금속 물질에 관한 깊이 정보만을 획득하고자 할 경우, 광원(100)이 P 편광 성분(또는 S 편광 성분)만을 출력하도록 제어하고, 객체로부터 반사된 P 편광 성분(또는 S 편광 성분)만을 검출할 경우, 금속 물질에 관한 깊이 정보만을 높은 정확도로 검출할 수 있다.
다른 예로, 객체의 가로 길이가 세로 길이보다 긴 경우 또는 세로 방향에 비하여 가로 방향으로 더 긴 영역에 대하여 깊이 정보를 획득하고자 하는 경우, 도 7(a)를 참조하면, 제어부(40)는 P 편광 성분의 양이 S 편광 성분의 양보다 많이 출력되도록 광원(100)에 인가되는 전류를 제어할 수 있다. 즉, 제어부(40)는 기준 전류보다 낮은 전류가 광원(100)에 인가되도록 제어할 수 있다. 여기서, 기준 전류는 광원(100)에 따라 달라질 수 있으며, 광원(100)의 고유 특성일 수 있다.
또 다른 예로, 객체의 세로 길이가 가로 길이보다 긴 경우 또는 가로 방향에 비하여 세로 방향으로 더 긴 영역에 대하여 깊이 정보를 획득하고자 하는 경우, 도 7(b)를 참조하면, 제어부(40)는 S 편광 성분의 양이 P 편광 성분의 양보다 많이 출력되도록 광원(100)에 인가되는 전류를 제어할 수 있다. 즉, 제어부(40)는 기준 전류보다 높은 전류가 광원(100)에 인가되도록 제어할 수 있다. 여기서, 기준 전류는 광원(100)에 따라 달라질 수 있으며, 광원(100)의 고유 특성일 수 있다.
도 9는 본 발명의 다른 실시예에 따른 카메라 장치의 개략적인 단면도이다. 도 1 내지 도 8을 참조하여 설명한 내용과 동일한 내용에 대해서는 중복된 설명을 생략한다.
도 9를 참조하면, 광입력부(20)는 입력광 신호 중 소정의 편광 각도를 가지는 입력광 신호를 선택적으로 통과시키는 편광부재(160)를 더 포함할 수 있다. 여기서, 편광부재(160)는 편광판 또는 위상 지연자일 수 있다. 이에 따라, 이미지 센서(140)는 소정의 편광 각도로 편광부재(160)를 통과한 입력광 신호만을 수신할 수 있다.
전술한 바와 같이, 객체의 표면 재질에 따라 객체의 표면에서의 광의 반사율이 달라질 수 있다. 즉, 객체의 표면 재질이 금속 또는 물인 경우, 객체에 입사된 광의 편광 방향 및 객체로부터 반사된 광의 편광 방향은 동일할 수 있다. 또는, 객체의 표면 재질에 따라, 객체에 입사된 광의 편광 방향이 객체로부터 반사된 광의 편광 방향과 달라질 수도 있다. 본 발명의 실시예에 따르면, 객체의 표면 재질 별로 객체에 입사되는 편광 성분 및 객체로부터 반사되는 편광 성분을 제어하고, 반사된 편광 성분만을 검출할 경우, 특정 표면 재질에 대한 검출 정확도를 높일 수 있다. 예를 들어, 카메라 장치(1)의 화각 내 금속 물질에 관한 깊이 정보만을 획득하고자 할 경우, 광원(100)이 P 편광 성분(또는 S 편광 성분)만을 출력하도록 제어하고, 객체로부터 반사된 후 편광부재(160)를 통과한 P 편광 성분(또는 S 편광 성분)만을 검출할 경우, 금속 물질에 관한 깊이 정보만을 높은 정확도로 검출할 수 있다. 또는, 카메라 장치(1)의 화각 내 금속 물질을 제외한 물질에 관한 깊이 정보만을 획득하고자 할 경우, 광원(100)이 P 편광 성분(또는 S 편광 성분)만을 출력하도록 제어하고, 객체로부터 반사된 후 편광부재(160)를 통과한 S 편광 성분(또는 P 편광 성분)만을 검출할 경우, 금속 물질을 제외한 물질에 관한 깊이 정보만을 높은 정확도로 검출할 수 있다.
이하, 본 발명의 실시예에 따라 광원(100)의 출력 파형을 제어하는 다양한 예를 설명한다.
도 10은 광원에 인가되는 전류에 따라 제어되는 출력광 신호의 펄스를 나타내고, 도 11은 광원에 인가되는 전류에 따라 달라지는 깊이 이미지를 나타낸다.
도 10(a) 내지 도 10(d)를 참조하면, 일정 개수의 위상 펄스(phase pulse), 예를 들어 4개의 위상 펄스가 하나의 프레임 펄스(1fps)를 이루고, 일정 개수의 광 펄스(light pulse)가 하나의 위상 펄스를 이루는 경우, 본 발명의 실시예에 따른 카메라 장치(1)에 포함되는 제어부(40)는 광 펄스(light pulse)의 전류를 제어할 수 있다.
예를 들어, 도 10(b)에 비하여 도 10(a)에 인가되는 DC 전류가 더 높을 수 있다. 이에 따르면, 도 10(a)의 실시예에 따른 광 펄스를 위한 입력 전류는 도 10(b)의 실시예에 따른 광 펄스를 위한 입력 전류보다 높으며, 이에 따라 도 10(a)의 실시예에 따른 광원으로부터 출력된 출력광은 도 10(b)의 실시예에 따른 광원으로부터 출력된 출력광에 비하여 S 편광 성분을 더 많이 포함할 수 있다. 그리고, 도 10(b)의 실시예에 따른 광 펄스를 위한 입력 전류는 도 10(a)의 실시예에 따른 광 펄스를 위한 입력 전류보다 높으며, 이에 따라 도 10(b)의 실시예에 따른 광원으로부터 출력된 출력광은 도 10(a)의 실시예에 따른 광원으로부터 출력된 출력광에 비하여 P 편광 성분을 더 많이 포함할 수 있다. 결과적으로, 도 11(a)의 물체 이미지에 대하여, 도 10(a)의 실시예에 따른 광 펄스에 의하여 획득된 깊이 이미지(도 11(b) 참조)는 도 10(b)의 실시예에 따른 광 펄스에 의하여 획득된 깊이 이미지(도 11(c) 참조)에 비하여 세로 길이가 길고, 도 10(b)의 실시예에 따른 광 펄스에 의하여 획득된 깊이 이미지(도 11(c) 참조)는 도 10(a)의 실시예에 따른 광 펄스에 의하여 획득된 깊이 이미지(도 11(b) 참조)에 비하여 가로 길이가 길 수 있다.
한편, 도 10(c)에 도시된 바와 같이, 하나의 위상 펄스 내에서도 광원(100)에 인가되는 전류가 달라질 수 있다. 예를 들어, 하나의 위상 펄스 내 초기 광 펄스를 위한 입력 전류가 나머지 광 펄스를 위한 입력 전류보다 높은 경우, 도 8(c) 내지 도 8(d)에 도시된 바와 같이 위상 펄스는 뚜렷한 상승 에지를 가질 수 있으며, 이에 따라 깊이 정보의 정확도는 높아질 수 있다.
또는, 도 10(d)에 도시된 바와 같이, 프레임 별로 광원(100)에 인가되는 전류가 달라질 수도 있다. 예를 들어, 홀수 번째 프레임에 대한 광 펄스를 위한 입력 전류는 짝수 번째 프레임에 대한 광 펄스를 위한 입력 전류에 비하여 높을 수 있다. 이에 따르면, 홀수 번째 프레임에서는 세로 길이가 확장된 깊이 이미지를 획득할 수 있고, 짝수 번째 프레임에서는 가로 길이가 확장된 깊이 이미지를 획득할 수 있다. 홀수 번째 프레임과 짝수 번째 프레임을 결합하면, 세로 길이 및 가로 길이가 모두 확장된 깊이 이미지를 획득할 수 있으며, 홀수 번째 프레임과 짝수 번째 프레임이 겹쳐진 영역에 대해서는 더욱 높은 정확도를 가지는 깊이 이미지를 획득할 수 있다.
이상에서 실시예를 중심으로 설명하였으나 이는 단지 예시일 뿐 본 발명을 한정하는 것이 아니며, 본 발명이 속하는 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 본 실시예의 본질적인 특성을 벗어나지 않는 범위에서 이상에 예시되지 않은 여러 가지의 변형과 응용이 가능함을 알 수 있을 것이다. 예를 들어, 실시예에 구체적으로 나타난 각 구성 요소는 변형하여 실시할 수 있는 것이다. 그리고 이러한 변형과 응용에 관계된 차이점들은 첨부된 청구 범위에서 규정하는 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
1: 카메라 장치
10: 광출력부
20: 광입력부
30: 깊이 정보 생성부
40: 제어부
50: 객체 정보 획득부
100: 광원

Claims (14)

  1. 출력광 신호를 생성하여 객체에 조사하는 광출력부,
    상기 객체로부터 반사된 후 입력된 입력광 신호를 수신하는 광입력부,
    상기 광입력부에 입력된 상기 입력광 신호를 이용하여 상기 객체의 깊이 정보를 생성하는 깊이 정보 생성부, 그리고
    상기 광출력부, 상기 광입력부 및 상기 깊이 정보 생성부를 제어하는 제어부를 포함하며,
    상기 광출력부는,
    상기 출력광 신호를 생성하는 광원을 포함하고,
    상기 제어부는 상기 객체에 관한 정보에 기초하여 상기 광원에 인가되는 전류를 제어하는 카메라 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 객체에 관한 정보는 상기 객체의 표면 재질, 상기 객체의 면적 및 상기 객체의 형상 중 적어도 하나를 포함하는 카메라 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 제어부는 상기 객체의 가로 길이가 세로 길이보다 긴 경우 기준 전류보다 낮은 전류가 상기 광원에 인가되도록 제어하고, 상기 객체의 세로 길이가 가로 길이보다 긴 경우 상기 기준 전류보다 높은 전류가 상기 광원에 인가되도록 제어하는 카메라 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 광출력부는,
    상기 광원으로부터 출력된 출력광 신호를 확산시키는 렌즈 어셈블리를 더 포함하는 카메라 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 광입력부는 상기 입력광 신호 중 소정의 편광 각도를 가지는 입력광 신호를 선택적으로 통과시키는 편광부재, 그리고
    상기 편광부재를 통과한 상기 입력광 신호를 수신하는 이미지 센서를 포함하는 카메라 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 광원이 출력하는 상기 출력광 신호의 편광 특성 및 파형 중 적어도 하나는 상기 전류에 따라 달라지는 카메라 장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 광원은 VCSEL(vertical cavity surface emitting laser)를 포함하는 카메라 장치.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 깊이 정보 생성부는 상기 출력광 신호 및 상기 입력광 신호 간 위상차를 이용하여 상기 깊이 정보를 생성하는 카메라 장치.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는 상기 광원에 제1 전류가 인가되는 구간 및 상기 광원에 상기 제1 전류보다 높은 제2 전류가 인가되는 구간이 교대로 반복되도록 제어하는 카메라 장치.
  10. 카메라 장치의 깊이 정보 생성 방법에 있어서,
    객체에 관한 정보를 획득하는 단계,
    상기 정보에 기초하여 광원에 인가되는 전류를 제어하는 단계,
    상기 전류에 기초하여 상기 광원이 출력광 신호를 생성하여 상기 객체에 조사하는 단계,
    상기 객체로부터 반사된 후 입력된 입력광 신호를 수신하는 단계, 그리고
    상기 입력광 신호를 이용하여 상기 객체의 깊이 정보를 생성하는 단계
    를 포함하는 깊이 정보 생성 방법.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 객체에 관한 정보는 객체의 표면 재질, 상기 객체의 면적 및 상기 객체의 형상 중 적어도 하나를 포함하는 깊이 정보 생성 방법.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 제어하는 단계에서는 상기 객체의 가로 길이가 세로 길이보다 긴 경우 기준 전류보다 낮은 전류가 상기 광원에 인가되도록 제어하고, 상기 객체의 세로 길이가 가로 길이보다 긴 경우 상기 기준 전류보다 높은 전류가 상기 광원에 인가되도록 제어하는 깊이 정보 생성 방법.
  13. 제10항에 있어서,
    상기 깊이 정보를 생성하는 단계에서는 상기 출력광 신호 및 상기 입력광 신호 간 위상차를 이용하여 상기 깊이 정보를 생성하는 깊이 정보 생성 방법.
  14. 제10항에 있어서,
    상기 제어하는 단계에서는 상기 광원에 제1 전류가 인가되는 구간 및 상기 광원에 상기 제1 전류보다 높은 제2 전류가 인가되는 구간이 교대로 반복되도록 제어하는 깊이 정보 생성 방법
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