KR20230046736A - 카메라 장치 - Google Patents

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KR20230046736A
KR20230046736A KR1020210130090A KR20210130090A KR20230046736A KR 20230046736 A KR20230046736 A KR 20230046736A KR 1020210130090 A KR1020210130090 A KR 1020210130090A KR 20210130090 A KR20210130090 A KR 20210130090A KR 20230046736 A KR20230046736 A KR 20230046736A
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송영식
이현용
조두리
노승원
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엘지이노텍 주식회사
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Abstract

본 발명의 실시예에 따른 카메라 장치는 소정 패턴을 가지는 광 신호를 객체에 조사하는 광출력부, 상기 객체로부터 반사된 후 입력된 광 신호를 수신하는 광입력부, 상기 광입력부에 입력된 상기 광 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 제1 광원 및 제2 광원을 포함하는 복수의 광원을 포함하고, 상기 광입력부는 이미지 센서를 포함하며, 상기 제1 광원 및 상기 제2 광원은 상기 이미지 센서를 사이에 두고 서로 대칭하도록 배치되고, 상기 제1 광원은 복수의 점으로 이루어진 제1 패턴을 가지는 제1 광 신호를 출력하고, 상기 제2 광원은 복수의 점으로 이루어진 제2 패턴을 가지는 제2 광 신호를 출력하며, 상기 제1 패턴을 이루는 복수의 점과 상기 제2 패턴을 이루는 복수의 점은 상기 객체 상에서 서로 겹쳐지지 않는 위치에 조사된다.

Description

카메라 장치{CAMERA MODULE}
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, 구조광 방식, 스테레오 카메라를 이용하는 방식, TOF(Time of Flight) 방식 등이 이용되고 있다.
이 중에서, 구조광을 방식에 따르면, 주변 조명과 구별되는 소정 패턴의 IR(Infrared) 구조광을 객체에 조사하고, 객체로부터 반사된 광 신호를 수신하여 왜곡을 분석함으로써 거리를 계산한다.
IR 구조광을 객체에 투사하는 방식은 다른 방식에 비하여 근거리에서 상대적으로 높은 정확도를 가지지만, 거리가 멀어질수록 정확도가 현저히 낮아지므로, 구동 가능 거리가 짧은 한계를 가진다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 깊이 정보 획득을 위한 카메라 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 실시예에 따른 카메라 장치는 소정 패턴을 가지는 광 신호를 객체에 조사하는 광출력부, 상기 객체로부터 반사된 후 입력된 광 신호를 수신하는 광입력부, 상기 광입력부에 입력된 상기 광 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 제1 광원 및 제2 광원을 포함하는 복수의 광원을 포함하고, 상기 광입력부는 이미지 센서를 포함하며, 상기 제1 광원 및 상기 제2 광원은 상기 이미지 센서를 사이에 두고 서로 대칭하도록 배치되고, 상기 제1 광원은 복수의 점으로 이루어진 제1 패턴을 가지는 제1 광 신호를 출력하고, 상기 제2 광원은 복수의 점으로 이루어진 제2 패턴을 가지는 제2 광 신호를 출력하며, 상기 제1 패턴을 이루는 복수의 점과 상기 제2 패턴을 이루는 복수의 점은 상기 객체 상에서 서로 겹쳐지지 않는 위치에 조사된다.
상기 제1 광원 및 상기 제2 광원은 동시에 구동될 수 있다.
상기 제1 광원 및 상기 제2 광원은 교대로 구동될 수 있다.
상기 제1 패턴 및 상기 제2 패턴은 동일한 패턴일 수 있다.
상기 제1 광 신호 및 상기 제2 광 신호는 IR(Infrared) 광 신호일 수 있다.
상기 제1 광원 및 상기 제2 광원은 각각 VCSEL(vertical cavity surface emitting laser)를 포함할 수 있다.
상기 복수의 광원은 상기 이미지 센서를 중심으로 서로 대칭하도록 배치된 제3 광원 및 제4 광원을 더 포함하고, 상기 제3 광원은 복수의 점으로 이루어진 제3 패턴을 가지는 제3 광 신호를 출력하고, 상기 제4 광원은 복수의 점으로 이루어진 제4 패턴을 가지는 제4 광 신호를 출력하며, 상기 제3 패턴을 이루는 복수의 점과 상기 제4 패턴을 이루는 복수의 점은 상기 객체 상에서 서로 겹쳐지지 않는 위치에 조사될 수 있다.
상기 제1 광원 및 상기 제2 광원 간 거리는 상기 제3 광원 및 상기 제4 광원과 동일할 수 있다.
상기 제1 광원 및 상기 제2 광원 간 거리는 상기 제3 광원 및 상기 제4 광원 간 거리와 상이할 수 있다.
상기 제어부는 사용자 인터페이스를 통하여 입력된 정보에 따라 상기 복수의 광원 중 일부만 구동되도록 제어할 수 있다.
상기 제어부는 상기 깊이 정보 생성부를 통하여 생성된 깊이 정보에 따라 상기 복수의 광원 중 일부 또는 전부가 구동되도록 제어할 수 있다.
상기 제1 패턴을 이루는 복수의 점과 상기 제2 패턴을 이루는 복수의 점은 상기 이미지 센서 상에 서로 겹치지 않도록 수신될 수 있다.
상기 이미지 센서는 상기 제1 패턴을 이루는 복수의 점과 상기 제2 패턴을 이루는 복수의 점이 모두 수신되는 제1 영역 및 상기 제1 패턴을 이루는 복수의 점 또는 상기 제2 패턴을 이루는 복수의 점이 수신되는 제2 영역을 포함하고, 상기 깊이 정보 생성부는 상기 제1 영역에 수신된 광 신호에 기초하여 깊이 정보를 생성할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 깊이 정보 획득을 위한 카메라 장치를 얻을 수 있다. 특히, 본 발명의 실시예에 따르면, 구조광 방식을 이용하여 중거리 이상에서도 높은 정확도로 깊이 정보를 획득할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 카메라 장치의 블록도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 카메라 장치의 개략적인 단면도이다.
도 3은 소정 패턴의 광 신호의 한 예이다.
도 4는 구조광을 이용하여 깊이 정보를 생성하는 원리를 설명하는 도면이다.
도 5는 본 발명의 한 실시예에 따른 카메라 장치의 개략적인 단면도이다.
도 6(a) 내지 6(d)는 본 발명의 한 실시예에 따른 카메라 장치 내 이미지 센서와 복수의 광원 간 위치 관계의 다양한 예이다.
도 7은 본 발명의 한 실시예에 따른 카메라 장치 내 복수의 광원에 의해 조사된 구조광에 따른 패턴의 한 예이다.
도 8 내지 도 10은 본 발명의 한 실시예에 따른 카메라 장치 내 복수의 광원의 구동 방식의 다양한 예이다.
도 11은 본 발명의 한 실시예에 따른 카메라 장치 내 이미지 센서에 수신되는 구조광 패턴의 예이다.
도 12는 본 발명의 다른 실시예에 따른 카메라 장치의 개략적인 단면도이다.
도 13 내지 도 15는 본 발명의 한 실시예에 따른 카메라 장치가 구동되는 광원의 개수를 조절하는 예이다.
도 16은 거리와 인텐시티 간 상관관계를 나타낸다.
도 17은 일반적으로 사용되는 VCSEL의 이미터 어레이를 도시한다.
도 18은 타겟 거리가 1m이고, FoI의 화각이 100°인 예에서 필요한 점의 개수를 설명하기 위한 도면이다.
도 19는 패턴 복제에 따라 이미지 센서 내 점의 크기 변화를 설명하는 도면이다.
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 구조광 방식을 이용하여 깊이 정보를 추출하는 카메라를 의미할 수 있다. 따라서, 카메라 장치는 깊이 정보 추출 장치, 3차원 정보 추출 장치 등과 혼용될 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 카메라 장치의 블록도이고, 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 카메라 장치의 개략적인 단면도이다.
도 1 내지 도 2를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 카메라 장치(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 소정 패턴의 광 신호를 출력할 수 있다. 도 3은 소정 패턴의 광 신호의 한 예이다. 도 3을 참조하면, 소정 패턴의 광 신호는 복수의 점으로 이루어질 수 있으며, 구조광이라 지칭될 수 있다. 여기서, 소정 패턴은 유니크한 패턴일 수 있으며, 미리 설계된 알고리즘에 의하여 생성될 수 있다. 소정 패턴의 광 신호는 IR(Infrared) 광 신호일 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.
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. 하나의 VCSEL은 복수의 이미터(emitter), 예를 들어 수백 개의 이미터를 가질 수 있으며, 각 이미터에 의한 점으로 이루어진 패턴이 출력될 수 있다. 광원(100)은 일정 시간 간격으로 점멸(on/off)을 반복할 수 있으며, 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. 한 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 주기에 따라 입력광 신호를 수신할 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.
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. 도 4는 구조광을 이용하여 깊이 정보를 생성하는 원리를 설명하는 도면이다. 전술한 바와 같이, 본 명세서에서, 구조광은 복수의 점으로 이루어진 소정 패턴의 광 신호를 의미한다. 도 4를 참조하면, 카메라 장치(1)와 객체 간 거리(object distance, h')는 구조광을 이루는 점의 디스패리티(disparity, Δx)에 따라 달라질 수 있다. 이에 따라, 디스패리티의 정확도는 깊이 정보의 정확도에 영향을 미칠 수 있다. 더욱 구체적으로, 구조광을 이용한 깊이 정보의 추출은 다음의 수학식에 따를 수 있다.
Figure pat00001
Figure pat00002
Figure pat00003
여기서, h는 기준 거리(reference distance)이고, h'는 객체 거리이며, b는 베이스라인(baseline)의 길이이고, Δx는 디스패리티이다.
수학식 1 내지 3을 참조하면, 베이스라인의 길이(b)는 디스패리티에 영향을 미치며, 객체 거리(h')의 단위 길이당 디스패리티는 FOV(field of view)가 작을수록, 그리고 베이스라인이 클수록 커지는 것을 알 수 있다. 객체의 사이즈가 베이스라인의 절반보다 작은 경우, 소정 패턴 내의 점은 디스패리티에 의하여 인접 점을 추월할 수 있으며, 객체 거리가 멀어질수록 디스패리티가 줄어들 수 있다. 이에 따라, 정확한 깊이 정보 계산을 위하여, 점의 센터를 기준으로 디스패리티를 추출할 필요가 있다.
제어부(40)는 광출력부(10), 광입력부(20) 및 깊이 정보 생성부(30)의 구동을 제어한다. 깊이 정보 생성부(30) 및 제어부(40)는 광출력부(10) 및 광입력부(20)가 탑재된 PCB(printed circuit board)의 형태로 구현될 수 있다. 즉, 깊이 정보 생성부(30) 또는 제어부(40)는 기판(S) 상에 배치된 회로 패턴 또는 IC 칩에 의하여 구현될 수 있다. 또는, PCB는 FPCB(미도시)를 통해 커넥터와 연결될 수 있다. 또는, PCB와 FPCB는 RFPCB(Rigid Flexible PCB)로 구현될 수도 있다. 광출력부(10)의 광원(100)은 기판(S) 상에 배치되며, 기판(S) 상의 회로 패턴과 전기적으로 연결될 수 있다. 또는, 제어부(40)는 본 발명의 실시예에 따른 카메라(1)가 배치된 전자기기 내에 포함될 수도 있다. 예를 들어, 제어부(40)는 본 발명의 실시예에 따른 카메라 장치(1)가 탑재된 전자기기의 어플리케이션 프로세서(Application Processor, AP)의 형태로 구현될 수 있다.
본 발명의 한 실시예에 따르면, 광출력부는 복수의 광원을 포함할 수 있다. 이에 따르면, 점 밀도(dot density)를 높여 공간 해상도(spatial resolution)을 개선할 수 있다.
도 5는 본 발명의 한 실시예에 따른 카메라 장치의 개략적인 단면도이고, 도 6(a) 내지 6(d)는 본 발명의 한 실시예에 따른 카메라 장치 내 이미지 센서와 복수의 광원 간 위치 관계의 다양한 예이며, 도 7은 본 발명의 한 실시예에 따른 카메라 장치 내 복수의 광원에 의해 조사된 구조광에 따른 패턴의 한 예이다.
본 발명의 한 실시예에 따른 카메라 장치(1)는 광출력부(10), 광입력부(20), 깊이 정보 생성부(30) 및 제어부(40)를 포함한다. 설명의 편의를 위하여, 도 1 내지 도 4에 관한 설명과 동일한 내용에 대해서는 중복된 설명을 생략한다.
도 5 내지 도 6를 참조하면, 광출력부(10)는 복수의 광원(Tx)을 포함하며, 광입력부(20)는 이미지 센서(Rx)를 포함한다.
한 예로, 도 5 및 도 6(a)를 참조하면, 복수의 광원은 제1 광원(Tx1) 및 제2 광원(Tx2)을 포함하며, 제1 광원(Tx1) 및 제2 광원(Tx2)은 이미지 센서(Rx)를 사이에 두고 서로 대칭하도록 배치될 수 있다. 여기서, 제1 광원(Tx1)은 복수의 점으로 이루어진 제1 패턴을 가지는 제1 광 신호를 출력하고, 제2 광원(Tx2)은 복수의 점으로 이루어진 제2 패턴을 가지는 제2 광 신호를 출력할 수 있다. 여기서, 제1 패턴 및 제2 패턴은 유니크한 패턴일 수 있다. 이에 따라, 제1 패턴을 가지는 제1 광 신호 및 제2 패턴을 가지는 제2 광 신호는 구조광이라 지칭될 수 있다. 제1 패턴을 가지는 제1 광 신호 및 제2 패턴을 가지는 제2 광 신호는 적외선(infrared, IR)일 수 있다. 제1 패턴 및 제2 패턴은 미리 설계된 알고리즘에 의하여 생성될 수 있으며, 동일한 패턴이거나 서로 다른 패턴일 수 있다. 광원이 VCSEL인 경우, 각 광원은 수백 개(예를 들어 300 내지 500개)의 이미터를 가질 수 있다. 이때, 제1 패턴을 이루는 복수의 점과 제2 패턴을 이루는 복수의 점은 객체 상에서 서로 겹쳐지지 않는 위치에 조사된다. 예를 들어, 도 5에 도시된 바와 같이, 제1 광원(Tx1)으로부터 출력된 제1 패턴을 가지는 제1 광 신호가 조사되는 영역의 일부는 제2 광원(Tx2)로부터 출력된 제2 패턴을 가지는 제2 광 신호가 조사되는 영역의 일부가 될 수 있다. 예를 들어, 신(scene) 내에서 제1 광 신호 및 제2 광 신호가 모두 조사되는 영역을 제1 영역(R1)이라 하고, 제1 광 신호 및 제2 광 신 호 중 하나만 조사되는 영역을 제2 영역(R2)이라 할 수 있다. 여기서, 신(scene)은 객체를 포함하는 대상 영역일 수 있다. 이에 따르면, 제1 영역(R1) 내에는 제1 패턴을 이루는 점들과 제2 패턴을 이루는 점들이 혼재되어 조사될 수 있다. 이때, 도 7에 도시된 바와 같이, 제1 영역(R1) 내에서 제1 패턴을 이루는 점들과 제2 패턴을 이루는 점들은 서로 겹쳐지지 않도록 조사될 수 있으며, 이에 따라, 제1 영역(R1) 내에서 점 밀도(dot density)를 높여 공간 해상도(spatial resolution)을 높일 수 있다. 도 7에서 서로 다른 색상 또는 음영의 점은 서로 다른 광원에 의해 조사된 점을 의미한다.
제1 패턴을 이루는 복수의 점과 제2 패턴을 이루는 복수의 점은 객체 상에서 서로 겹쳐지지 않는 위치에 조사되기 위하여, 제1 패턴 및 제2 패턴은 동일한 패턴이거나, 상이한 패턴일 수 있다. 제1 패턴을 이루는 복수의 점과 제2 패턴을 이루는 복수의 점은 객체 상에서 서로 겹쳐지지 않는 위치에 조사되기 위하여, 제1 광원(Tx1) 및 제2 광원(Tx2) 간 거리가 제1 패턴 및 제2 패턴과 연관지어 미리 조절될 수 있다.
한편, 본 발명의 실시예에 따르면, 도 6(b)에 도시된 바와 같이, 복수의 광원은 이미지 센서(Rx)를 중심으로 서로 대칭하도록 배치된 제3 광원(Tx3) 및 제4 광원(Tx4)을 더 포함하고, 제3 광원(Tx3)은 복수의 점으로 이루어진 제3 패턴을 가지는 제3 광 신호를 출력하고, 제4 광원(Tx4)은 복수의 점으로 이루어진 제4 패턴을 가지는 제4 광 신호를 출력하며, 제3 패턴을 이루는 복수의 점과 제4 패턴을 이루는 복수의 점은 객체 상에서 서로 겹쳐지지 않는 위치에 조사될 수 있다. 이와 같이, 복수의 광원이 제3 광원(Tx3) 및 제4 광원(Tx4)을 더 포함하는 경우, 신(scene) 내 점 밀도를 더욱 높일 수 있다.
이때, 제1 광원(Tx1) 및 제2 광원(Tx2) 간 거리는 제3 광원(Tx3) 및 제4 광원(Tx4) 간 거리와 동일할 수 있다. 이에 따르면, 신(scene) 내 가로 방향과 세로 방향에서 동일한 해상도를 구현할 수 있다. 또는, 제1 광원(Tx1) 및 제2 광원(Tx2) 간 거리는 제3 광원(Tx3) 및 제4 광원(Tx4) 간 거리와 상이할 수도 있다.
한편, 본 발명의 실시예에 따르면, 도 6(c) 및 도 6(d)에 도시된 바와 같이, 복수의 광원은 이미지 센서(Rx)를 중심으로 서로 대칭하도록 배치된 제5 광원(Tx5) 내지 제8 광원(Tx8)을 더 포함할 수도 있다. 이 외에도 다양한 개수 및 형상으로 복수의 광원이 배치될 수 있다.
광출력부가 복수의 광원을 포함하는 경우, 복수의 광원은 동시에 구동되거나, 교대로 구동될 수 있다.
도 8 내지 도 10은 본 발명의 한 실시예에 따른 카메라 장치 내 복수의 광원의 구동 방식의 다양한 예이다. 설명의 편의를 위하여, 복수의 광원이 제1 광원(Tx1) 및 제2 광원(Tx2)을 포함하는 것을 예로 들어 설명하지만, 이로 제한되는 것은 아니며, 동일한 방식이 3개 이상의 광원에 대하여 적용될 수도 있다.
도 8 내지 도 10을 참조하면, 이미지 센서(Rx)는 주기적인 노출 시간(an)을 가지며, 복수의 광원은 노출 시간 동안 구동될 수 있다. 여기서, 노출 시간은 이미지 센서(Rx)의 셔터(shutter)가 열리는 시간을 의미하며, 하나의 노출 시간 동안 하나의 이미지가 얻어질 수 있다.
도 8을 참조하면, 하나의 노출 시간 동안 제1 광원(Tx2) 및 제2 광원(Tx2)은 동기화되어 동시에 구동될 수 있다.
또는, 도 9를 참조하면, 하나의 노출 시간 동안 제1 광원(Tx1) 및 제2 광원(Tx2)은 교대로 구동될 수 있다.
이에 따르면, 이미지 센서(Rx)는 하나의 이미지를 얻기 위한 하나의 노출 시간 동안 제1 광원(Tx1)의 제1 광 신호에 따른 제1 패턴 및 제2 광원(Tx2)의 제2 광 신호에 따른 제2 패턴을 획득할 수 있으므로, 높은 광 밀도 및 이에 따른 높은 공간 해상도를 얻을 수 있다. 이때, 제1 패턴을 이루는 복수의 점 및 제2 패턴을 이루는 복수의 점은 이미지 센서(Rx) 상에 서로 겹치지 않도록 설계될 필요가 있다.
또는, 도 10을 참조하면, 하나의 노출 시간 동안 제1 광원(Tx1)이 구동되고, 다른 노출 시간 동안 제2 광원(Tx2)이 구동하도록 설계될 수도 있다.
도 11은 본 발명의 한 실시예에 따른 카메라 장치 내 이미지 센서에 수신되는 구조광 패턴의 예이다.
도 11을 참조하면, 제1 패턴을 이루는 복수의 점과 제2 패턴을 이루는 복수의 점은 이미지 센서(Rx) 상에 서로 겹치지 않도록 수신될 수 있다. 한편, 전술한 바와 같이, 제1 광원(Tx1)으로부터 출력된 제1 패턴을 가지는 제1 광 신호가 조사되는 영역의 일부는 제2 광원(Tx2)로부터 출력된 제2 패턴을 가지는 제2 광 신호가 조사되는 영역의 일부가 될 수 있다. 이에 따라, 제1 패턴을 이루는 점들 및 제2 패턴을 이루는 점들이 모두 배치된 영역이 제1 검출 영역(A1)이 되고, 제1 패턴을 이루는 점들 및 제2 패턴을 이루는 점들 중 하나만 배치된 영역이 제2 검출 영역(A2)이 될 수 있다.
본 발명의 한 실시예에 따르면, 깊이 정보 생성부(30)는 제1 검출 영역(A1)에 수신된 광 신호에 기초하여 깊이 정보를 생성할 수 있다. 이에 따르면, 높은 점 밀도를 가지는 영역에 대한 깊이 정보만을 추출하므로, 정확하고 빠른 연산이 가능하다.
도 12는 본 발명의 다른 실시예에 따른 카메라 장치의 개략적인 단면도이다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 카메라 장치(1)는 광출력부(10), 광입력부(20), 깊이 정보 생성부(30) 및 제어부(40)를 포함한다. 설명의 편의를 위하여, 도 1 내지 도 11에 관한 설명과 동일한 내용에 대해서는 중복된 설명을 생략한다.
도 12를 참조하면, 광출력부(10)는 복수의 광원(Tx)을 포함하며, 광입력부(20)는 이미지 센서(Rx)를 포함한다. 이때, 복수의 광원(Tx1, Tx2)은 이미지 센서(Rx)를 사이에 두고 서로 대칭하도록 배치될 수 있다. 여기서, 제1 광원(Tx1)은 복수의 점으로 이루어진 제1 패턴을 가지는 제1 광 신호를 출력하고, 제2 광원(Tx2)은 복수의 점으로 이루어진 제2 패턴을 가지는 제2 광 신호를 출력할 수 있다. 여기서, 제1 패턴 및 제2 패턴은 유니크한 패턴일 수 있다. 이에 따라, 제1 패턴을 가지는 제1 광 신호 및 제2 패턴을 가지는 제2 광 신호는 구조광이라 지칭될 수 있다. 여기서, 구조광을 출력하는 복수의 광원은 도 6(a) 내지 도 6(d)에 예시한 바와 같이 배치될 수 있다. 한편, 본 발명의 실시예에 따르면, 광출력부(10)는 면조명 패턴을 출력하는 추가 광원을 더 포함할 수 있다. 면조명 패턴은 소정 영역 내에 빛이 균일하게 퍼진 형태로, 플루드(flood) 조명 패턴, 면 광원 패턴 등과 혼용될 수 있다. 여기서 균일하다고 함은 빛이 조사되는 공간에 동일한 광량이 조사됨을 의미하는 것이 아니라, 빛이 공간상에 연속적으로 퍼져 있음을 의미할 수 있다. 플루드 조명 패턴의 경우에는 빛이 공간상에 균일하게(연속적으로) 퍼지므로, 플루드 조명 패턴의 빛을 객체에 조사할 경우, 높은 해상도의 깊이 정보를 획득할 수 있는 장점이 있다. 본 명세서에서, 면조명 패턴을 출력하는 추가 광원을 플루드 광원(Flood Tx)라 지칭할 수 있다. 본 발명의 실시예에 따르면, 복수의 플루드 광원(Flood Tx)은 복수의 광원(Tx) 및 이미지 센서를 사이에 두고 배치될 수 있다. 이에 따라, 이미지 센서는 깊이 정보 추출을 위하여 플루드 광원(Flood Tx)으로부터 얻은 정보 및 구조광 방식의 광원(Tx)으로부터 얻은 정보를 융합할 수 있으며, 이에 따라 보다 정밀한 깊이 정보 추출이 가능하다.
한편, 본 발명의 실시예에 따르면, 광출력부가 복수의 광원을 포함하되, 구동되는 광원의 개수는 적응적으로 조절될 수도 있다.
도 13 내지 도 15는 본 발명의 한 실시예에 따른 카메라 장치가 구동되는 광원의 개수를 조절하는 예이다.
도 13을 참조하면, 광출력부(10)는 미리 설정된 개수, 주기 또는 순서로 광원을 구동하되(S1300), 사용자 인터페이스를 통하여 변경 요청을 수신한 경우(S1310), 구동되는 광원의 개수, 주기 또는 순서를 변경할 수 있다(S1320). 한 예로, 복수의 광원이 모두 동시에 구동되도록 미리 설정된 예에서, 사용자 인터페이스를 통하여 변경 요청이 수신될 수 있다. 예를 들어, 근거리 인식을 하고자 할 경우, 모든 광원이 동시에 구동되면, 신(scene) 내 점 밀도가 필요 이상으로 높아지며, 이에 따라 연산량이 불필요하게 많아질 수 있다. 이러한 문제를 방지하기 위하여, 사용자가 사용자 인터페이스를 통하여 변경 요청을 입력할 경우, 제어부는 복수의 광원 중 일부만 구동되도록 제어하거나, 복수의 광원이 교차하여 구동되도록 제어할 수 있다. 이와 반대로, 복수의 광원 중 일부가 구동되도록 미리 설정된 예에서, 사용자 인터페이스를 통하여 변경 요청이 수신될 수 있다. 예를 들어, 중거리 이상의 인식을 하고자 할 경우, 복수이 광원 중 일부만이 구동되면, 신(scene) 내 점 밀도가 낮아지게 되며, 이에 따라 공간 해상도가 낮아질 수 있다. 이러한 문제를 방지하기 위하여, 사용자가 사용자 인터페이스를 통하여 변경 요청을 입력할 경우, 제어부는 복수의 광원 모두가 동시에 구동되도록 제어할 수 있다.
또는, 광출력부(10)는 미리 설정된 개수, 주기 또는 순서로 광원을 구동하되, 깊이 정보 생성부를 통하여 생성된 깊이 정보에 따라, 구동되는 광원의 개수, 주기 또는 순서를 변경할 수 있다.
한 예로, 도 14를 참조하면, 복수의 광원이 모두 동시에 구동되도록 미리 설정된 경우(S1400), 깊이 정보 생성부(30)는 복수의 광원으로부터 출력되어 객체에서 반사된 후 이미지 센서에 입사된 광 신호를 이용하여 깊이 정보를 생성할 수 있다(S1410). 이때, 깊이 정보가 소정 거리 이하인 경우, 즉 객체가 근거리에 있는 경우(S1420), 모든 광원이 동시에 구동되면, 신(scene) 내 점 밀도가 필요 이상으로 높아지며, 이에 따라 연산량이 불필요하게 많아질 수 있다. 이러한 문제를 방지하기 위하여, 제어부(40)는 복수의 광원 중 일부만 구동되도록 제어하거나, 복수의 광원이 교차하여 구동되도록 제어할 수 있다(S1430).
이와 반대로, 도 15를 참조하면, 복수의 광원 중 일부가 구동되도록 미리 설정된 경우(S1500), 깊이 정보 생성부(30)는 복수의 광원으로부터 출력되어 객체에서 반사된 후 이미지 센서에 입사된 광 신호를 이용하여 깊이 정보를 생성할 수 있다(S1510). 이때, 깊이 정보가 소정 거리 이상인 경우, 즉 객체가 중거리 이상에 있는 경우(S1520), 복수이 광원 중 일부만이 구동되면, 신(scene) 내 점 밀도가 낮아지게 되며, 이에 따라 공간 해상도가 낮아질 수 있다. 이러한 문제를 방지하기 위하여, 제어부는 복수의 광원 모두가 동시에 구동되도록 제어할 수 있다(S1530).
본 발명의 실시예에 따른 카메라 장치는 중거리 이상, 예를 들어 20cm 이상의 거리에서 정밀한 깊이 정보를 추출하고자 하는 경우 적용될 수 있다. 여기서, 정밀한 깊이 정보의 한 예는 안면 인식이 될 수 있으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 이로 제한되는 것은 아니다.
도 16 및 수학식 4는 거리와 인텐시티 간 상관관계를 나타낸다.
Figure pat00004
여기서, Dth는 깊이 정보의 추출이 가능한 광 인텐시티의 임계값이고, Pavg는 광원이 출력하는 평균 광 파워이며, N은 광원이 출력할 수 있는 총 점의 개수, 즉 하나의 광원 내 이미터의 개수이고, R은 타겟 거리이다.
도 16을 참조하면, 거리가 멀어질수록 광의 인텐시티는 급격하게 낮아짐을 알 수 있으며, 거리가 0.2m 이상인 경우 임계값 Dth 이하의 인텐시티를 가짐을 알 수 있다.
도 16 및 수학식 4를 참조하면, 광원에서 방출되는 평균 광 파워(Pavg)를 광원 내 이미터의 개수(N)로 나눈 후 타겟 거리(R)에서의 점(dot) 당 인텐시티가 임계값 Dth보다 낮은 경우, 본 발명의 실시예에 따른 카메라 장치가 적용될 수 있다. 카메라 장치가 2개의 광원을 포함하는 경우를 예로 들어 설명하면, 각 광원이 N개의 이미터를 포함하는 경우, 각 광원이 N/2개의 이미터만 구동하도록 제어하면, 각 광원으로부터 출력된 광은 임계값 Dth 이상의 인텐시티를 가질 수 있으며, 결과적으로 중거리 이상의 거리에서 정밀한 깊이 정보 추출이 가능하다.
본 발명의 실시예에 따른 카메라 장치는 깊이 정보 추출을 위하여 필요한 점의 개수가 하나의 광원에 포함된 이미터의 개수보다 많은 경우에 적용될 수 있다. 도 17은 일반적으로 사용되는 VCSEL의 이미터 어레이를 도시한다. 도 17을 참조하면, 하나의 VCSEL은 361개의 이미터를 포함할 수 있다. 한편, FoI(Field of Interest)의 화각이 커지고, 거리가 멀어질수록 깊이 정보 추출을 위하여 요구되는 점의 개수는 많아지게 된다. 예를 들어, 도 18은 타겟 거리가 1m이고, FoI의 화각이 100°인 예에서 필요한 점의 개수를 설명하기 위한 도면이다. 도 18을 참조하면, 신(scene) 내 점의 간격이 가로 10mm, 세로 5mm인 것을 목표로 할 경우, 가로 1832mm, 세로 1426mm인 신(scene) 내에서 요구되는 점의 개수는 약 50000개이다. 이러한 경우, DOE(diffractive optical element)를 이용한 패턴 복제만으로는 요구되는 수준의 점의 개수를 만족시키기 어려울 수 있다. 이에 따라, 복수의 광원 및 DOE를 조합할 경우, 중거리 이상에서 넓은 FOI에 대한 깊이 정보 추출이 가능하다.
한편, 도 18의 예에서, 가로 1832mm, 세로 1426mm인 신(scene) 내에서 가로 160mm, 세로 240mm 크기의 객체를 인증하고자 할 경우 요구되는 점의 개수는 768개이다. 이때, 2개의 광원을 이용할 경우, 광 인텐시티를 줄일 필요가 없다. 이에 따라, 중거리 이상(예를 들어, 1m 거리)에서도 정밀한 깊이 정보 추출(예, 안면 인식)이 가능하다.
본 발명의 실시예에 따른 카메라 장치는 이미지 센서의 해상도를 개선할 수 있다. 예를 들어, 이미지 센서는 객체로부터 반사된 후 수신된 패턴의 점들을 인식한다. 이때, 이미지 센서는 일정 크기 이상의 점만을 검출할 수 있다. 즉, 이미지 센서 상 점은 일정 수 이상의 픽셀로 구성되어야 정확하게 검출될 수 있다. 만약, 점 밀도를 충족하기 위해 DOE 등을 이용하여 패턴을 복제할 경우, 복제 수 증가에 따라 점의 크기는 줄어들게 된다. 도 19는 패턴 복제에 따라 이미지 센서 내 점의 크기 변화를 설명하는 도면이다. 도 19(a)를 참조하면, 3*3 복제 시 이미지 센서 상 점의 총 개수는 45개이고, 도 19(b)를 참조하면 4*4 복제 시 이미지 센서 상 점의 총 개수는 80개임을 알 수 있다. 이로부터 복제 수가 늘어날수록 점 밀도는 높아짐을 알 수 있다. 다만, 점 밀도가 높아질수록 점의 크기는 줄어들게 된다. 이러한 문제를 해결하기 위하여, 복수의 광원을 사용할 경우, 점 밀도를 높이면서도 점의 개수는 줄어들지 않을 수 있다. 이에 따라, 본 발명의 실시예에 따르면, 이미지 센서의 해상도를 개선하는 것이 가능하다.
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

Claims (13)

  1. 소정 패턴을 가지는 광 신호를 객체에 조사하는 광출력부,
    상기 객체로부터 반사된 후 입력된 광 신호를 수신하는 광입력부,
    상기 광입력부에 입력된 상기 광 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 제1 광원 및 제2 광원을 포함하는 복수의 광원을 포함하고,
    상기 광입력부는 이미지 센서를 포함하며,
    상기 제1 광원 및 상기 제2 광원은 상기 이미지 센서를 사이에 두고 서로 대칭하도록 배치되고,
    상기 제1 광원은 복수의 점으로 이루어진 제1 패턴을 가지는 제1 광 신호를 출력하고, 상기 제2 광원은 복수의 점으로 이루어진 제2 패턴을 가지는 제2 광 신호를 출력하며, 상기 제1 패턴을 이루는 복수의 점과 상기 제2 패턴을 이루는 복수의 점은 상기 객체 상에서 서로 겹쳐지지 않는 위치에 조사되는 카메라 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 광원 및 상기 제2 광원은 동시에 구동되는 카메라 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제1 광원 및 상기 제2 광원은 교대로 구동되는 카메라 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제1 패턴 및 상기 제2 패턴은 동일한 패턴인 카메라 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제1 광 신호 및 상기 제2 광 신호는 IR(Infrared) 광 신호인 카메라 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 제1 광원 및 상기 제2 광원은 각각 VCSEL(vertical cavity surface emitting laser)를 포함하는 카메라 장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 광원은 상기 이미지 센서를 중심으로 서로 대칭하도록 배치된 제3 광원 및 제4 광원을 더 포함하고,
    상기 제3 광원은 복수의 점으로 이루어진 제3 패턴을 가지는 제3 광 신호를 출력하고, 상기 제4 광원은 복수의 점으로 이루어진 제4 패턴을 가지는 제4 광 신호를 출력하며, 상기 제3 패턴을 이루는 복수의 점과 상기 제4 패턴을 이루는 복수의 점은 상기 객체 상에서 서로 겹쳐지지 않는 위치에 조사되는 카메라 장치.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 제1 광원 및 상기 제2 광원 간 거리는 상기 제3 광원 및 상기 제4 광원과 동일한 카메라 장치.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 제1 광원 및 상기 제2 광원 간 거리는 상기 제3 광원 및 상기 제4 광원 간 거리와 상이한 카메라 장치.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는 사용자 인터페이스를 통하여 입력된 정보에 따라 상기 복수의 광원 중 일부만 구동되도록 제어하는 카메라 장치.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는 상기 깊이 정보 생성부를 통하여 생성된 깊이 정보에 따라 상기 복수의 광원 중 일부 또는 전부가 구동되도록 제어하는 카메라 장치.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 제1 패턴을 이루는 복수의 점과 상기 제2 패턴을 이루는 복수의 점은 상기 이미지 센서 상에 서로 겹치지 않도록 수신되는 카메라 장치.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 이미지 센서는 상기 제1 패턴을 이루는 복수의 점과 상기 제2 패턴을 이루는 복수의 점이 모두 수신되는 제1 영역 및 상기 제1 패턴을 이루는 복수의 점 또는 상기 제2 패턴을 이루는 복수의 점이 수신되는 제2 영역을 포함하고,
    상기 깊이 정보 생성부는 상기 제1 영역에 수신된 광 신호에 기초하여 깊이 정보를 생성하는 카메라 장치.
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