KR20240030636A - 3d 센싱 시스템의 센싱 깊이값 보정장치 및 그 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 ToF(indirect ToF) 센서의 센싱 깊이(depth)값을 보정하는 장치 및 그 방법에 관한 것으로, 광원을 구동시키기 위해 변조된 저전압 차등신호(LVDS)를 객체와의 이격거리에 대응하는 시간지연값 만큼 지연시키기 위한 지연제어코드를 신호 지연수단으로 출력하는 단계와; 광원에서 방출되는 광신호와 객체에서 반사되는 광신호간의 시간차 혹은 위상차와, 상기 시간지연값을 이용해 객체와의 거리를 계산하는 단계와; 상기 계산된 객체와의 거리 정보로부터 객체와의 거리에 따른 ToF 센서의 센싱 깊이값을 보정하는 단계;를 포함하되, 객체와의 이격거리를 변경 설정하기 위해 상기 지연제어코드를 순차 변경하면서 상기 객체와의 거리 각각에 따른 ToF 센서의 센싱 깊이값을 보정함을 특징으로 한다.

Description

3D 센싱 시스템의 센싱 깊이값 보정장치 및 그 방법{Device for calibrating the sensing depth value of the ToF sensor}

본 발명은 3D 센싱 시스템에 관한 것으로, 특히 ToF(indirect ToF) 센서의 센싱 깊이(depth)값을 보정하는 장치 및 그 방법에 관한 것이다.

일명 빅셀(VCSEL: Vertical Cavity Surface Emitting Laser)이라고 불리우기도 하는 수직 공진형 표면 발광 레이저는 상부 표면에 수직 방향으로 레이저 빔을 방출하는 반도체 레이저 다이오드이다. 이러한 빅셀은 단거리의 광통신 분야, 이미지 센싱 및 레이저를 이용하여 대상체와의 거리를 탐지하는 라이다(LIDAR) 분야에서 쓰일 수 있다.

라이다 시스템의 하나인 3D 센싱 시스템이 구현된 전자 장치는 광원과 ToF(Time of Flight) 센서를 포함할 수 있다. 레이저 다이오드 혹은 VCSEL과 같은 광원은 객체로 광신호를 방출하고, ToF 센서는 객체로부터 반사된 광 신호의 도달 시간을 측정함으로써 객체와의 거리를 계산한다. 도달 시간을 이용해 객체와의 거리를 계산하는 방식을 직접 ToF 방식이라 하고, 방출되는 광신호의 펄스 트레인과 반사된 펄스 트레인의 위상차를 이용해 거리를 계산하는 방식을 간접(indirect) ToF 방식(iToF)으로 구분하기도 한다.

3D 센싱 시스템은 일반적으로 도 1에 도시한 바와 같이 트랜스미터(TX)와 리시버(RX)로 구성된다. 트랜스미터는 광원의 하나인 VCSEL과 그 VCSEL을 구동하는 광원 구동기를 포함하며, 리시버는 렌즈, ToF 센서(포토-디텍터 어레이), 변조부(Modulation block), TDC(Time-to-distance Converter)를 포함한다. 이러한 3D 센싱 시스템에 있어서 보통 세트 혹은 모듈에 ToF 센서를 SMT(표면 실장 기술) 하면 센싱 깊이에 쉬프트 현상이 발생하기 때문에 그에 대한 오차를 보정(calibration)해야 한다.

거리에 따른 센싱 깊이값(사전 설정되어 있음)을 보정하기 위한 일반적인 방법은 테스트 단계를 통해 얻어진 평균적인 보정값을 모든 세트에 동일하게 적용하여 보정하는 것이다. 그러나 센싱 깊이의 오차는 각 세트마다 상이하기에 상술한 방법이 최상의 방법이라 할 수 없다. 경우에 따라서는 각 세트의 테스트 과정에서 객체(object)를 50cm 내지 10m의 거리 내에 배치하여 사전 설정되어 있었던 거리에 따른 각 센싱 깊이값을 보정할 수는 있으나 이 방법은 현실적으로 적용 불가한 방법이다.

대한민국 공개특허공보 제10-2021-0042311호 대한민국 공개특허공보 제10-2019-0110884호

이에 본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위해 창안된 발명으로써, 본 발명의 목적은 세트에 장착된 ToF(혹은 iToF) 센서의 거리에 따른 센싱 깊이값을 보정할 수 있는 센싱 깊이값 보정장치 및 그 방법을 제공함에 있다.

더 나아가 본 발명의 또 다른 목적은 객체의 이동배치 없이도 ToF(혹은 iToF) 센서의 거리에 따른 센싱 깊이값을 보정할 수 있는 센싱 깊이값 보정장치 및 그 방법을 제공함에 있다.

전술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 3D 센싱 시스템의 센싱 깊이값 보정장치는 ToF 센서의 센싱 깊이값을 보정하기 위한 장치로서,

세트 기준클럭에 고정된 클럭펄스를 생성 출력하는 지연 동기 루프와;

광원을 구동시키기 위해 변조된 저전압 차등신호(LVDS)를 상기 클럭펄스에 동기시켜 광원 구동기로 출력하되, 입력되는 지연제어코드에 따라 상기 저전압 차등신호를 지연 출력하는 프로그래머블 딜레이 라인과;

광원에서 방출되는 광신호와 객체에서 반사되는 광신호간의 시간차 혹은 위상차를 이용해 객체와의 거리를 계산하는 프로세서;를 포함하되, 상기 프로세서는,

객체와의 이격거리에 대응하는 시간지연값을 나타내는 지연제어코드를 가변시켜 출력하되, 출력되는 지연제어코드가 나타내는 시간지연값을 객체와의 거리 계산시 반영하여 객체와의 거리를 계산하고, 그 계산값을 이용해 사전 설정된 객체와의 거리에 따른 ToF 센서의 센싱 깊이값을 보정함을 특징으로 한다.

상술한 구성을 포함하는 3D 센싱 시스템의 깊이값 보정장치에 있어서, 상기 프로세서는 객체와의 이격거리와, 그 이격거리에 대응하는 시간지연값 및 지연제어코드가 매칭되어 있는 저장부를 포함함을 특징으로 하며,

더 나아가 상기 프로세서는 테스트 모드에서 객체와의 이격거리를 순차적으로 가변시키기 위한 지연제어코드를 상기 프로그래머블 딜레이 라인으로 출력함을 특징으로 한다.

한편 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 센싱 깊이값 보정방법은 광원과 ToF 센서를 포함하되, 객체와의 거리에 따른 ToF 센서의 센싱 깊이값이 설정되어 있는 3D 센싱 시스템에서 실행 가능한 방법으로서,

상기 광원을 구동시키기 위해 변조된 저전압 차등신호(LVDS)를 객체와의 이격거리에 대응하는 시간지연값 만큼 지연시키기 위한 지연제어코드를 신호 지연수단으로 출력하는 단계와;

광원에서 방출되는 광신호와 객체에서 반사되는 광신호간의 시간차 혹은 위상차와, 상기 시간지연값을 이용해 객체와의 거리를 계산하는 단계와;

상기 계산된 객체와의 거리 정보로부터 객체와의 거리에 따른 ToF 센서의 센싱 깊이값을 보정하는 단계;를 포함하되,

객체와의 이격거리를 변경 설정하기 위해 상기 지연제어코드를 순차 변경하면서 상기 객체와의 거리 각각에 따른 ToF 센서의 센싱 깊이값을 보정함을 특징으로 하며,

더 나아가 상술한 상기 단계들은 ToF 센서의 세트 장착후의 테스트 모드에서 수행됨을 특징으로 한다.

상술한 기술적 과제 해결 수단에 따르면, 본 발명의 실시예에 따른 3D 센싱 시스템의 센싱 깊이값 보정장치는 세트의 테스트 과정에서 객체의 이동배치 없이도 ToF 센서의 거리에 따른 센싱 깊이값을 편리하고도 신속하게 보정할 수 있는 장점이 있다.

도 1은 일반적인 3D 센싱 시스템의 간략 구성 예시도.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 센싱 깊이값 보정장치를 포함하는 3D 센싱 시스템의 간략 구성 예시도.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 신호 파형 예시도.

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. 또한, 각각의 개시된 실시예 내의 개별 구성요소의 위치 또는 배치는 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않으면서 변경될 수 있음이 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. 아울러 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 기능, 예를 들면 3D 센싱 시스템의 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략하기로 한다. 더 나아가 하기에서 설명할 본 발명의 실시예는 ToF 방식과 iToF 방식을 채용한 3D 센싱 시스템 모두에 적용 가능하다.

우선 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 센싱 깊이값 보정장치를 포함하는 3D 센싱 시스템의 간략 구성도를 예시한 것이다.

본 발명의 실시예에 따른 3D 센싱 시스템은 도 2에 도시한 바와 같이 레이저 다이오드의 하나인 VCSEL을 통해 광신호를 객체로 방출하고, 객체로부터 반사되어 오는 광신호를 감지해 객체 간의 거리를 감지한다. 이러한 3D 센싱 시스템은 광원으로서 VCSEL과 그 광원 구동기(120), 저전압 차등신호(LVDS)를 증폭하는 증폭기(105)를 포함하는 트랜스미터(100)를 기본적으로 포함한다.

본 발명의 구현을 위해 상기 트랜스미터(100)는 시간지연값의 정확도(Delay accuracy & linearity)를 높이기 위해 세트 기준클럭(Reference Clock)에 고정된 클럭펄스를 생성 출력하는 지연 동기 루프(Delay Locked Loop,115)와,

광원을 구동시키기 위해 변조된 저전압 차등신호(LVDS)를 입력받아 상기 클럭펄스에 동기시켜 광원 구동기(120)로 출력하되, 입력되는 지연제어코드(Delay Control D)에 따라 상기 저전압 차등신호를 지연 출력하는 프로그래머블 딜레이 라인(Programmable Delay Line,110)을 더 포함한다. 이러한 프로그래머블 딜레이 라인(110)은 인버터 체인으로 구현될 수 있다.

한편, 3D 센싱 시스템은 상술한 트랜스미터(100) 외에 리시버(200)와 프로세서(205)를 포함한다. 설명의 편의상 도 2에서는 프로세서(205)가 리시버(200) 내에 포함되는 것으로 도시하였으나, 프로세서(205)는 별도 모듈로 존재할 수 있다.

리시버(200)에는 렌즈, 포토-디텍터 어레이를 포함하는 ToF 센서(210), 저전압 차등신호(LVDS)를 출력하는 변조부, 시간-거리 변환부(Time-to-distance Converter)를 포함한다. 상기 시간-거리 변환부는 ToF 방식 혹은 iToF 방식에 따라 객체와의 거리를 계산하는 변환부를 지칭하는 것으로 가정할 수 있다.

상기 프로세서(205)는 광원인 VCSEL에서 방출되는 광신호와 객체(object)에서 반사되는 광신호간의 시간차 혹은 위상차를 이용해 객체와의 거리를 계산하는데 하기에서 설명할 시간지연값을 반영(가산, 감산)하여 계산한다. 아울러 프로세서(205)는 객체와의 이격거리에 대응하는 시간지연값을 상기 지연제어코드(Delay Control D)로서 출력하되, 상기 지연제어코드를 순차 가변시키면서 얻어지는 객체와의 거리정보로부터 사전 설정된 객체와의 거리에 따른 ToF 센서의 센싱 깊이값을 보정한다. 이를 위해 프로세서(205)는 객체와의 이격거리와, 그 이격거리에 대응하는 시간지연값 및 지연제어코드가 매칭되어 있는 저장부를 내부에 포함(예를 들어 객체와의 이격거리가 15cm일 때 시간지연값은 1ns, 객체와의 이격거리가 150cm일 때 시간지연값은 10ns와 같이)함으로써, 테스트 모드에서 객체와의 이격거리를 순차적으로 가변 설정하기 위한 지연제어코드를 프로그래머블 딜레이 라인(110)으로 출력해 객체와의 거리 각각에 따른 ToF 센서의 센싱 깊이값을 보정한다.

참고적으로 본 실시예에서 사용되는 용어인 "시간지연값"은 객체와의 이격거리가 n(n은 정수)일때 광이 방출되어 수신되기까지 소요되는 시간인 것으로 정의하기로 한다.

이하 상술한 구성들을 포함하는 3D 센싱 시스템의 센싱 깊이값 보정장치의 동작을 도 3을 참조하여 설명하기로 한다. 하기의 동작은 ToF 센서가 세트에 장착된 후의 테스트 모드에서 수행되며, 객체의 위치는 한 위치에 고정되어 테스트가 이루어진다.

우선 도 3은 본 발명의 실시예에 따른 신호 파형도를 예시한 것이다. 도 3에 도시한 바와 같이 프로세서(205)는 광원을 구동시키기 위해 변조된 저전압 차등신호(LVDS+)가 출력되도록 리시버(200)내 변조부를 제어한다. 이에 저전압 차등신호(LVDS+)의 펄스열은 증폭기를 통해 레벨 증폭되어 LVDS RX OUT과 같은 펄스 신호로 프로그래머블 딜레이 라인(110)으로 인가된다.

한편 프로세서(205)는 제조단계에서 사전 테스트에 의해 설정되어 있는 ToF 센서(210)의 객체와의 거리에 따른 ToF 센서의 센싱 깊이값을 보정하기 위해서, 객체와의 이격거리에 대응하는 시간지연값 만큼 광신호의 출력을 지연시키기 위한 지연제어코드(Delay Control D)를 프로그래머블 딜레이 라인(110)으로 출력한다. 예를 들어 프로세서(205)는 객체가 15cm에 위치한 경우를 가정하여 시간지연값이 1ns인 지연제어코드를 출력할 수 있으며, 다음 순서에서는 객체가 30cm에 위치한 경우를 가정하여 시간지연값이 2ns인 지연제어코드를 출력할 수 있는 것으로 가정한다.

한편 프로세서(205)에 의해 지연제어코드가 프로그래머블 딜레이 라인(110)으로 전달되면, 프로그래머블 딜레이 라인(110)은 광원을 구동시키기 위해 변조된 저전압 차등신호(LVDS RX OUT)를 지연 동기 루프(DLL,115)에서 출력되는 클럭펄스에 동기시켜 광원 구동기(120)로 출력하되, 도 3에서와 같이 입력되는 지연제어코드(Delay Control D)에 따라 상기 저전압 차등신호(LVDS RX OUT)를 N 스텝 지연 출력(Delay Line OUT)하게 된다.

이와 같이 지연제어코드에 따라 시간지연된 저전압 차등신호가 광원 구동부(120)에 인가되면 도 3에 도시한 바와 같이 초기전파지연(initial propagation)분이 추가 반영된 광원 구동전류(VCSEL Current)가 광원(VCSEL)에 인가되어 광신호가 객체를 향해 방출된다.

객체에 의해 광신호가 반사되면 ToF 센서(210)는 반사되는 광신호에 반응하는 반사신호 펄스를 출력함으로써, 프로세서(205)는 광원에서 방출되는 광신호와 객체에서 반사되는 광신호간의 시간차 혹은 위상차를 이용해 객체와의 거리를 계산한다. 다만 본 발명의 실시예에서는 객체의 이동없이 객체의 위치를 가상으로 변경 설정하여 미리 시간지연값을 부여해 준 것이기 때문에 그 시간지연값을 거리 계산시 시간차에 반영해야 한다.

참고적으로 광원에서 방출되는 광신호와 객체에서 반사되는 광신호간의 시간차(

)를 이용하여 거리 d를 계산하는 방법은 공지된 공개특허 10-2021-0042311호에 기재된 방법을 이용할 수 있다. 다만, 미리 선반영한 시간지연값을

에 가산(객체의 기준위치에 따라 감산을 적용할 수도 있음)해야 할 것이다.

이후 프로세서(205)는 계산된 객체와의 거리 정보로부터 객체와의 거리에 따른 ToF 센서의 센싱 깊이값을 보정한다.

이러한 보정 단계 이후 프로세서(205)는 다시 객체와의 이격거리를 변경 설정하기 위해 다른 시간지연값을 가지는 지연제어코드를 출력해 가면서 객체와의 거리 각각에 따른 ToF 센서의 센싱 깊이값을 보정함으로써, 각 ToF 센서가 세트에 장착되면서 발생하게 되는 센싱 깊이값 오차를 보정한다.

이상에서 설명한 바와 같이 본 발명의 실시예에 따른 3D 센싱 시스템의 센싱 깊이값 보정장치는 세트의 테스트 과정에서 객체의 이동배치 없이도 ToF 센서의 거리에 따른 센싱 깊이값을 편리하고도 신속하게 보정할 수 있는 장점이 있다.

이상 본 발명은 도면에 도시된 실시예들을 참고로 설명하였으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 첨부된 특허청구범위에 의해서만 정해져야 할 것이다.

Claims (5)

1. ToF 센서를 포함하는 3D 센싱 시스템의 센싱 깊이값 보정장치에 있어서,
   세트 기준클럭에 고정된 클럭펄스를 생성 출력하는 지연 동기 루프와;
   광원을 구동시키기 위해 변조된 저전압 차등신호(LVDS)를 상기 클럭펄스에 동기시켜 광원 구동기로 출력하되, 입력되는 지연제어코드에 따라 상기 저전압 차등신호를 지연 출력하는 프로그래머블 딜레이 라인과;
   광원에서 방출되는 광신호와 객체에서 반사되는 광신호간의 시간차 혹은 위상차를 이용해 객체와의 거리를 계산하는 프로세서;를 포함하되, 상기 프로세서는,
   객체와의 이격거리에 대응하는 시간지연값을 나타내는 지연제어코드를 가변시켜 출력하되, 출력되는 지연제어코드가 나타내는 시간지연값을 객체와의 거리 계산시 반영하여 객체와의 거리를 계산하고 그 계산값을 이용해 사전 설정된 객체와의 거리에 따른 ToF 센서의 센싱 깊이값을 보정함을 특징으로 하는 3D 센싱 시스템의 깊이값 보정장치.
2. 청구항 1에 있어서, 상기 프로세서는,
   객체와의 이격거리와, 그 이격거리에 대응하는 시간지연값 및 지연제어코드가 매칭되어 있는 저장부를 포함함을 특징으로 하는 3D 센싱 시스템의 깊이값 보정장치.
3. 청구항 1에 있어서, 상기 프로세서는,
   테스트 모드에서 객체와의 이격거리를 순차적으로 가변시키기 위한 지연제어코드를 상기 프로그래머블 딜레이 라인으로 출력함을 특징으로 하는 3D 센싱 시스템의 깊이값 보정장치.
4. 광원과 ToF 센서를 포함하되, 객체와의 거리에 따른 ToF 센서의 센싱 깊이값이 설정되어 있는 3D 센싱 시스템의 센싱 깊이값 보정방법에 있어서,
   상기 광원을 구동시키기 위해 변조된 저전압 차등신호(LVDS)를 객체와의 이격거리에 대응하는 시간지연값 만큼 지연시키기 위한 지연제어코드를 신호 지연수단으로 출력하는 단계와;
   광원에서 방출되는 광신호와 객체에서 반사되는 광신호간의 시간차 혹은 위상차와, 상기 시간지연값을 이용해 객체와의 거리를 계산하는 단계와;
   상기 계산된 객체와의 거리 정보로부터 객체와의 거리에 따른 ToF 센서의 센싱 깊이값을 보정하는 단계;를 포함하되,
   객체와의 이격거리를 변경 설정하기 위해 상기 지연제어코드를 순차 변경하면서 상기 객체와의 거리 각각에 따른 ToF 센서의 센싱 깊이값을 보정함을 특징으로 하는 3D 센싱 시스템의 깊이값 보정방법.
5. 청구항 4에 있어서, 상기 단계들은 상기 ToF 센서의 세트 장착후의 테스트 모드에서 수행됨을 특징으로 하는 3D 센싱 시스템의 깊이값 보정방법.

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