KR20240065641A - 원근거리 통합 센싱이 가능한 광원 모듈 및 이를 포함하는 라이다 시스템 - Google Patents

원근거리 통합 센싱이 가능한 광원 모듈 및 이를 포함하는 라이다 시스템 Download PDF

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Abstract

본 실시예는 반사광을 수신하여 피사체의 거리를 측정하는 광원 모듈에 있어서, 기판에 배치되고, 복수 개의 광출력라인을 통해 광을 출력하는 광원; 상기 기판에 배치되어 반사광을 수신하는 광학센서; 및상기 광원 또는 상기 광학센서의 동작을 제어하는 제어장치를 포함하고, 상기 제어장치는 상기 광원의 광출력라인 중 일부를 동작시키는 제1 구동모드 및 상기 광원의 광출력라인 중 전부를 동작시키는 제2 구동모드로 상기 광원을 동작시키는, 광원 모듈울 제공할 수 있다.

Description

원근거리 통합 센싱이 가능한 광원 모듈 및 이를 포함하는 라이다 시스템 {A Light Source Module Capable of Integrating Long-Range and Short-Range Sensing and A Lidar System including the same.}
본 실시예는 원근거리 통합 센싱이 가능한 광원 모듈 및 이를 포함하는 라이다 시스템에 관한 것이다.
3차원 정보를 파악하기 위한 방법으로 스테레오 비전(Stereo Vision) 방식, 구조광(Structured Light) 방식, 비행시간(Time of Flight) 방식이 대표적으로 활용되고 있다.
스테레오 비전(Stereo Vision) 방식은, 하나의 사물에 대해 서로 다른 장소에서 촬영한 두 이미지를 활용하여 3차원 정보를 계산하는 방식이다. 삼각측량 방식이라고도 하며, 2차원 이미지를 사용하여 3차원 깊이 정보를 파악한다는 특징이 있다.
구조광(Structured Light) 방식은, 구조화된 광 패턴을 물체에 투영시킨 후 물체의 표면에서 패턴의 굴곡을 인식하여 3차원 정보를 계산하는 방식이다. 스테레오 비전 방식과 달리, 물체에 빔을 주사하기 위하여 프로젝터를 사용한다는 특징이 있다.
비행시간(TOF, Time of Flight) 방식은, 일정한 펄스를 가진 레이저를 반복적으로 발생시키고 물체에 반사되어 되돌아오는 펄스의 도착 시간을 계산하여 거리를 측정하는 방식이다. 구조광 방식과 마찬가지로 물체에 빔을 주사하기 위한 프로젝터가 요구된다. 송신부에서 송출된 펄스가 물체에서 반사되어 수신부까지 돌아오는 시간을 직접 계산하는 직접측정 방식과 수신된 펄스의 위상 차이를 계산하는 간접측정 방식이 있으나, 간접측정 방식이 널리 활용되고 있다.
앞서 언급한 3차원 정보를 파악하기 위한 방법들 중 구조광(Structured Light) 방식과 비행시간(Time of Flight) 방식은 스테레오 비전(Stereo Vision) 방식과 달리 송신부에서 나온 빔을 물체에 주사하는 과정이 추가적으로 수행되므로 광원이 구성에 포함된다. 또한 광원에서 나온 광을 물체에 적절하게 도달시키기 위해서는 일정한 각도로 빔을 방사시켜야 하는데, 광 다양한 확산장치가 제시되고 있다. 구체적으로, 광 확산장치로서 디퓨저(Diffuser) 또는 프리즘(Prism) 등이 널리 사용되고 있으나, 이를 포함하여 다양한 광 확산장치를 활용하여 빔의 각도를 적절하게 조절할 수 있다.
그런데, 종래의 광원 모듈은 원거리 깊이정보 획득 및 근거리 깊이정보 획득을 위해서 별도의 광원을 구비하여야 하므로 카메라 모듈의 소형화가 어렵게 된다.
이러한 배경에서, 본 실시예의 목적은, 일 측면에서, 전술한 문제점을 해결할 수 있고 광원 모듈의 사이즈를 최소화할 수 있는 광원 모듈을 제공하는 것이다.
또한, 본 실시예의 목적은, 일 측면에서, 수직 또는 수평으로 광학렌즈 또는 광학필터가 이동하여 기능적으로 원하는 라인 빔 및 표면 빔을 구현할 수 있다.
전술한 목적을 달성하기 위하여, 일 실시예는, 반사광을 수신하여 피사체의 거리를 측정하는 광원 모듈에 있어서, 기판에 배치되고, 복수 개의 광출력라인을 통해 광을 출력하는 광원; 상기 기판에 배치되어 반사광을 수신하는 광학센서; 및 상기 광원 또는 상기 광학센서의 동작을 제어하는 제어장치를 포함하고, 상기 제어장치는 상기 광원의 광출력라인 중 일부를 동작시키는 제1 구동모드 및 상기 광원의 광출력라인 중 전부를 동작시키는 제2 구동모드로 상기 광원을 동작시키는, 광원 모듈을 제공할 수 있다.
광원 모듈에서 상기 제어장치는 상기 제1 구동모드에는 상기 광원의 광출력라인을 순차적으로 동작시킬 수 있다.
광원 모듈에서 상기 제어장치는 상기 제2 구동모드에는 상기 광원의 광출력라인을 동일한 타이밍에 턴온시킬 수 있다.
광원 모듈에서 상기 제어장치는 상기 광출력라인의 온오프 타이밍을 정의하여 듀티비를 조절할 수 있다.
광원 모듈에서 상기 광학센서는 제1 파장영역대의 광 및 제2 파장영역대의 광을 센싱할 수 있다.
광원 모듈에서 상기 광학센서는 상기 제1 구동모드인 경우 제1 파장영역대의 광을 수신하고, 상기 제2 구동모드인 경우 제2 파장영역대의 광을 센싱할 수 있다.
광원 모듈에서 상기 광학센서는 특정 파장영역대의 광을 선택적으로 필터링하는 광학필터를 투과한 광을 센싱할 수 있다.
광원 모듈에서 상기 광학필터는 적외선을 투과시키는 제1 영역 및 가시광선을 투과시키는 제2 영역을 포함할 수 있다.
광원 모듈에서 코일 및 전자석의 상호작용에 의해 상기 광학필터의 공간상 움직임을 발생시키는 액추에이터를 더 포함할 수 있다.
광원 모듈에서 적외선 센싱모드인 경우에 반사광이 상기 제1 영역을 투과하도록 제어하고, 가시광선 센싱모드인 경우에 반사광이 상기 제2 영역을 투과하도록 상기 광학필터의 움직임을 제어할 수 있다.
광원 모듈에서 상기 광학센서는 상기 반사광을 빔스플리터에 의해 분리하여 유효센싱영역을 통해 수신하는 이미지센서 및 거리센서를 더 포함할 수 있다.
광원 모듈에서 상기 스플리터와 상기 이미지센서와의 거리 및 상기 스플리터와 상기 거리센서의 거리는 서로 다르고, 상기 이미지센서 및 상기 거리센서는 상기 반사광을 서로 다른 평면에서 수신하도록 배치될 수 있다.
광원 모듈에서 상기 제어장치는, 제1 시구간에 상기 광원은 4개의 서로 다른 위상을 가지는 광을 출력하고, 제2 시구간에 상기 광원은 출력이 중단되고, 상기 광학센서는 반사광을 센싱하도록 제어할 수 있다.
광원 모듈에서 상기 제어장치는, 제1 시구간에 상기 광원은 하나의 펄스를 가지는 광을 출력하고, 제2 시구간에 상기 광원은 출력이 중단되고, 상기 광학센서는 반사광을 센싱하도록 제어할 수 있다.
광원 모듈에서 상기 제1 구동모드는 원거리 구동모드이고, 상기 제2 구동모드는 근거리 구동모드이고, 상기 제1 구동모드 및 상기 제2 구동모드는 순차적으로 동작하고, 상기 광학센서는 원거리 사물인식 및 근거리 사물인식을 동시에 수행할 수 있다.
광원 모듈에서 상기 광학센서가 수신한 복수의 파장 영역대의 광을 비교하여 사물을 판단하는 프로세서를 더 포함할 수 있다.
광원 모듈에서 렌즈를 통해 상기 광학센서로 입사된 가시광선 파장 영역대의 이미지 및 근적외선 파장 영역대의 이미지를 비교하여 무채색의 사물을 판단하는 프로세서를 더 포함할 수 있다.
이상에서 설명한 바와 같이 본 실시예에 의하면, 광원 모듈의 패키징 공정을 통한 제품 사이즈를 효과적으로 감소시킬 수 있고, 이미지 및 거리 측정의 정확도를 높일 수 있다.
도 1은 원근거리 거리 센싱을 위한 분리 형태의 광원을 예시한 도면이다.
도 2는 일반적인 광원 모듈의 형태를 예시한 도면이다.
도 3는 라인 빔 출력을 위한 광원 모듈의 동작 방법을 설명하는 도면이다.
도 4는 광원의 구조를 설명하는 도면이다.
도 5는 원거리 모드 및 근거리 모드에 따른 광원 출력 제어 방법을 설명하는 도면이다.
도 6은 광학필터의 공간상 움직임을 예시하는 도면이다.
도 7은 광원 모듈의 패키징 구조를 예시하는 도면이다.
도 8은 광원 모듈의 렌즈 배치를 예시하는 도면이다.
도 9는 본 실시예에 따른 광원 모듈의 광학센서의 배치를 예시하는 제1 예시 도면이다.
도 10은 본 실시예에 따른 광원 모듈의 광학센서의 배치를 예시하는 제2 예시 도면이다.
도 11은 본 실시예에 따른 광원 모듈의 광원 및 광학센서 구동 타이밍을 설명하는 제1 예시 도면이다.
도 12는 본 실시예에 따른 광원 모듈의 광원 및 광학센서 구동 타이밍을 설명하는 제2 예시 도면이다.
도 13은 본 실시예에 따른 광원 모듈의 광원 및 광학센서 구동 타이밍을 설명하는 제3 예시 도면이다.
이하, 본 발명의 일부 실시예들을 예시적인 도면을 통해 상세하게 설명한다. 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의하여야 한다. 또한 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 그 상세한 설명을 생략한다.
또한, 본 발명의 구성요소를 설명하는데 있어서, 제1, 제2, a, b 등의 용어를 사용할 수 있다. 이러한 용어는 그 구성요소를 다른 구성요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성요소의 본질이나 차례 또는 순서 등이 한정되지 않는다. 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결", "결합" 또는 "접속"된다고 기재된 경우, 그 구성요소는 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되거나 또는 접속될 수 있지만, 각 구성요소 사이에 또 다른 구성요소가 "연결", "결합" 또는 "접속"될 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.
본 발명의 구성요소 중 "광" 또는 "빔"은 발명의 본질을 해하지 않는 범위 내에서 동일한 의미로 해석될 수 있다.
또한 본 발명의 구성요소 중 "광원", "광원부" 또는 "레이저부"는 발명의 본질을 해하지 않는 범위 내에서 동일한 의미로 해석될 수 있다.
또한 본 발명의 구성요소 중 "광 확산장치" 또는 "확산부"는 발명의 본질을 해하지 않는 범위 내에서 동일한 의미로 해석될 수 있다.
도 1은 원근거리 거리 센싱을 위한 분리 형태의 광원을 예시한 도면이다.
도 1을 참조하면, 광원 모듈(1)은 기판(10), 제1 광원(20-1), 제2 광원(20-2), 광학센서(30) 등을 포함할 수 있다.
제1 광원(20-1)는 원거리 깊이거리 정보 획득을 위한 광을 출력하는 광원일 수 있다. 제1 광원(20-1)은 원거리 3D의 깊이거리 정보를 취득용 라이다 센서를 이용해 주변 환경의 대한 정확한 지도를 작성하는 작업인 SLAM을 하기 위한 광원일 수 있다.
제2 광원(20-2)는 근거리의 사물인식을 위한 깊이거리 정보 획득을 위한 광을 출력하는 광원일 수 있다.
제1 광원(20-1) 및 제2 광원(20-2)는 서로 다른 파장 영역대의 광을 출력하거나, 서로 다른 화각의 광, 또는 서로 다른 세기의 광을 출력할 수 있다.
광학센서(30)는 제1 광원(20-1) 또는 제2 광원(20-2)에서 피사체로 전달되는 광이 반사된 반사광을 센싱할 수 있다.
광원 모듈(1)은 제1 광원(20-1) 및 제2 광원(20-2)이 분리된 형태를 가지도록 설정하여, 제1 광원(20-1)은 라임빔을 송출할 수 있고, 제2 광원(20-2)(면광원)으로 고정 설정하여 하나의 센서 수광부로 입사된 광입자를 교차 수집하여, 제1광원은 SLAM 원거리, 제2광원은 사물인식용으로 사용하는 적외선 카메라를 구현할 수 있다.
도 2는 일반적인 광원 모듈의 형태를 예시한 도면이다.
도 2를 참조하면, 광원 모듈은 기판(110), 광원(120), 광학센서(130) 등을 포함할 수 있다.
광원 모듈에서 광원(120)에서 출사된 광은 렌즈(150-1)을 통과하여 물체로 광을 전달하고, 광학센서(130)는 렌즈(150-2)를 통해 반사광을 수신하여 원근거리 정보를 획득할 수 있다.
종래의 광원 모듈에서 하나의 단일 기판(110)에 광원(120) 및 광학센서(130)가 별도의 영역에 배치되어 있고, 렌즈(150-1, 150-2)가 광원(120)과 광학센서(130)의 광학 스펙에 따라 별도로 설계 및 배치되어 있어야 하므로 공정 비용의 증가 및 카메라 모듈의 사이즈가 커지는 문제점이 있다.
광원(120)이 빅셀(VCSEL: Vertical Cavity Surface Emitting Lasor) 등인 경우에 복수의 어퍼처 중 일부가 하나의 라인으로 정의될 수 있고, 광원(120)은 복수의 라인의 전부 또는 일부를 선택적으로 또는 동시에 구동할 수 있다.
도 3는 라인 빔 출력을 위한 광원 모듈의 동작 방법을 설명하는 도면이다.
도 3을 참조하면, 광원(120)은 복수의 광출력채널(CH 1~16)에 의해 광을 순차적으로 또는 동시에 출력할 수 있다.
광원(120)은 멀티 어드레서블 빅셀(Multi Addressible VCSEL)일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
광원(120)는 라인 빔 생성 목적으로, 복수의 광출력채널 중 일부-예를 들어, 1개 또는 2개의 채널-의 출력을 턴온(Turn-on)시키고, 나머지 광출력채널을 턴오프(Trun-off)시킬 수 있다.
광원(120)은 제어장치(미도시) 등에 의해 멀티 채널을 빠르게 순차 동작시키고, 필요에 따라 중간 위치-예를 들어, 제8 채널(CH 8)의 채널이 턴온 되었을 때 라인 빔을 취득할 수 있다.
도 3과 같이 광원(120)의 채널은 16개일 수 있지만, 이에 제한되지 않고, 5개, 10개 미만의 멀티 채널을 가질 수 있고, 필요에 따라 56 채널 등의 다수의 채널을 보유할 수 있다.
도 4는 광원의 구조를 설명하는 도면이다.
도 4를 참조하면, 광원(120)에서 광이 출력되는 영역은 일부 영역으로 정의될 수 있다.
광원(120)은 원거리 깊이거리 측정을 위한 라인 빔 영역(Line Beam)으로 정의되는 중앙부 영역을 순차적으로 턴온 및 턴오프하여 라인빔을 생성할 수 있다.
광원(120)은 라인 빔 영역과 동일한 영역에서 출력되는 라인의 개수를 증가시킴으로써 면 광원을 형성할 수 있다.
예를 들어, 광원(120)는 근거리 깊이거리 측정을 위한 표면 빔 영역(Surface Beam)을 구현하기 위하여, 복수의 광출력채널을 동시에 동작시켜 하나의 단일한 빅셀(VCSEL)로 활용할 수 있다. 이러한 방법으로 광원(120)의 제어에 의해 복수의 광원을 구비하지 않고, 광출력채널(CH1~16)의 동작 제어를 통해 라인 빔 및 표면 빔을 모두 구현할 수 있다.
또한, 광원(120)은 광출력채널(CH1~16)의 턴온 및 턴오프 타이밍을 조절하여, 듀티비를 설정 및 제어할 수 있고, 이러한 방법으로 반복적인 턴온 및 턴오프를 통해 사용자 또는 센서에 대해서 하나의 빅셀로 인식되도록 할 수 있다.
또한, 광원 모듈은 이러한 광원(120)의 동작에 대응하여 광학필터 및 광학센서를 제어할 수 있다.
예를 들어, 광원 모듈은 광학센서가 센싱하는 파장 영역대를 구별하여 별도의 이미지센서 및 거리센서를 구현할 수 있고, 하나의 센서를 기준으로 이미지 및 거리 측정을 가능하도록 할 수 있다.
예를 들어, 광원 모듈에서 광원은 하나이고 원거리, 근거리 용도에 맞게 VCM 및 OIS 등의 액추에이터를 추가 구성하고, 수직 또는 수평으로 광학렌즈, 광학필터 등이 이동하여 기능적으로 원하는 라인 빔(Line Beam)과 표면 빔(Surface Beam)을 구현할 수 있다.
광원(120)의 가로 길이(D1) 및 세로 길이(D2)는 필요한 광량 및 광 패턴에 따라 적절하게 변경될 수 있다.
도 5는 원거리 모드 및 근거리 모드에 따른 광원 출력 제어 방법을 설명하는 도면이다.
도 5를 참조하면, 광원 모듈의 출력제어방법(200)은 구동모드 선택 단계(S210), 근거리 모드 설정 단계(S220), 라인 빔 구동 단계(S230), 원거리 모드 설정 단계(S240), 표면 빔 구동 단계(S250) 등을 포함할 수 있다.
광원 모듈은 기판에 배치되고, 복수 개의 광출력라인을 통해 광을 출력하는 광원, 기판에 배치되어 반사광을 수신하는 광학센서, 광원 또는 광학센서의 동작을 제어하는 제어장치 등을 포함할 수 있다.
구동모드 선택 단계(S210)는 광원의 광출력라인 동작을 제어하기 위해 제어장치가 구동모드를 선택하는 단계일 수 있다.
제어장치에서 제1 구동모드는 광원의 광출력라인 중 일부를 동작시키는 구동모드일 수 있고, 제2 구동모드는 광원의 광출력라인 중 전부를 동작시키는 구동모드일 수 있다.
근거리 모드 설정 단계(S220)는 기 설정된 구동기준에 따라 광원 모듈을 근거리 모드로 설정하는 단계이다. 이 경우 표면 빔(Surface Beam) 구동을 수행할 수 있다.
표면 빔 구동 단계(S230)는 광원의 복수의 광출력라인 중 전부를 동작시키는 단계일 수 있다. 제어장치는 광출력라인의 전부를 동일한 타이밍에 턴온시키거나, 턴오프시킬 수 있다.
원거리 모드 설정 단계(S240)는 기 설정된 구동기준에 따라 광원 모듈을 원거리 모드로 설정하는 단계이다. 이 경우 라인 빔 구동을 수행할 수 있다.
라인 빔 구동 단계(S250)는 광원의 복수의 광출력라인 중 일부를 동작시키는 단계일 수 있다. 제어장치는 광출력라인을 위치에 따라 순차적으로 동작시킬 수 있고, 기 설정된 조건에 따라 2개 이상의 광출력라인에서 광을 출력시킬 수 있다.
제어장치는 광출력라인의 온오프 타이밍을 정의하여 듀티비를 조절할 수 있다. 이러한 방법으로 반복적인 턴온 및 턴오프에 의한 광출력의 평균값을 계산하거나, 하나의 싱글 빅셀에 의한 광출력에 의한 거리 측정이 가능하게 될 수 있다.
광원의 위와 같은 출력에 대응하여 광학센서는 광원의 광의 전부 또는 일부를 센싱할 수 있다.
광학센서는 제1 파장영역대의 광 및 제2 파장영역대의 광을 센싱할 수 있고, 필요에 따라 광학센서는 제1 구동모드인 경우 제1 파장영역대의 광을 수신하고, 제2 구동모드인 경우 제2 파장영역대의 광을 센싱하여 구동모드별 센싱 파장의 영역대를 변경할 수 있다.
광학센서의 센싱 파장 변경은 특정 파장영역대의 광을 선택적으로 필터링하는 광학필터를 투과한 광을 센싱함으로써 이루어질 수 있다.
광학필터는 적외선을 투과시키는 제1 영역 및 가시광선을 투과시키는 제2 영역을 포함할 수 있고, 광원 모듈은 코일 및 전자석의 상호작용에 의해 광학필터의 공간상 움직임을 발생시키는 액추에이터를 더 포함할 수 있다.
광원 모듈은 적외선 센싱모드인 경우에 반사광이 제1 영역을 투과하도록 제어하고, 가시광선 센싱모드인 경우에 반사광이 제2 영역을 투과하도록 상기 광학필터의 움직임을 제어할 수 있다.
도 6은 광학필터의 공간상 움직임을 예시하는 도면이다.
도 6을 참조하면, 종래의 광원 모듈은 하나의 광학필터를 사용하여 투과되는 파장의 범위가 제한되고, 이에 따라 광학센서에서 센싱할 수 있는 파장의 범위가 제한되는 기술적 문제점을 해결하기 위해 본 실시예에 따른 광원 모듈은 광학필터의 공간상 움직임을 발생시킬 수 있다.
광원 모듈(300)은 광학센서(320), 광학필터(330) 등을 포함할 수 있다.
광학센서(320)는 이미지 센서일 수 있고, 예를 들어, 포토다이오드(PD: Photo Diode), 전하결합소자(CCD: Charged Coupled Device), 상보형금속산화반도체(CMOS: Complementary Metal-Oxide Semiconductor) 등일 수 있다. 또한, 광학센서(미도시)은 포토디텍터(PD: Photo Detector) 등의 광을 센싱할 수 있는 장치일 수 있다.
광원 모듈(300)의 수신부에 배치된 광학필터(330)는 공간상에서 움직임-예를 들어, 공간상 x축, y축, z축 중 하나 이상의 축방향의 움직임-을 발생시킬 수 있고, 피사체(390)의 일 영역(391)에서 반사되는 광을 수신할 수 있다.
광원 모듈(300)은 피사체(390)의 각 영역으로 광을 순차적으로 조사할 수 있다. 광원 모듈(300)은 송신부(미도시)의 공간상 움직임을 통해 광의 경로 또는 방향을 조절할 수 있고, 피사체(390)의 각 영역별로 광조사영역(391)을 구분하여 광을 전달할 수 있다.
광원 모듈(300)의 프로세서(미도시)는 송신부(미도시)의 코일 또는 전자석의 상호작용을 발생시키고, 공간상 움직임을 제어하여 피사체(390)에 도달하는 광을 제어할 수 있다.
특히, 광원 모듈(300)이 근거리모드 또는 원거리 모드로 구분되어 화각을 변경하거나, 광 조사 영역을 변경하는 과정에서 광을 분할하여 조사하는 것을 통해 광 효율을 개선하고, 획득되는 광량을 증가시킬 수 있다.
예를 들어, 광원 모듈(300)은 피사체(390)의 전체 영역을 한번에 센싱하지 않고, 피사체(390)의 송신부(미도시)는 각 영역(A', B', C', D', E', F', G', H', I')에 순차적으로 광을 전달하여 각 영역별 측정되는 광량을 증가시킬 수 있다.
광원 모듈(300)의 센싱부는 광학필터(330)-예를 들어, 렌즈-의 각 영역(A, B, C, D, E, F, G, H, I)을 분할하여 특정 파장 영역대의 광을 투과시키는 영역을 정의할 수 있다. 이는 광필터링영역(335)으로 정의될 수 있다.
광학필터(330)의 패턴은 광학센서(320)의 특성 또는 광학센서(320)가 센싱하고자 하는 광 파장 영역대에 대응되도록 설정될 수 있다. 예를 들어, 광학필터(330)의 제1 영역은 800~900nm 파장의 광을 투과시키고, 제2 영역은 900~1000nm 파장의 광을 투과시키고, 제3 영역은 1000~1200nm의 광을 투과시킬 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
광원 모듈(300)의 센싱부의 움직임-예를 들어, 광학필터(330)의 움직임-에 기초하여 광학센서(320)으로 전달되는 광의 경로 및 파장 등이 정의될 수 있다. 이 경우 광학센서(320)의 모든 영역을 사용하지 않고, 광학센서(320)의 특정 영역을 사용할 수 있고, 이를 통해 광학센서(320)를 소형화할 수 있다.
도 6은 광학필터(330)의 움직임에 기초하여 하나의 광학필터(330)를 사용하여 복수의 파장 영역대의 광을 투과시키는 방법을 예시한 것으로서, 광원 모듈(300)은 피사체 전체로 광을 전달하고, 피사체 전체 영역의 반사광을 수신하는 동작을 수행할 수 있다.
또한, 광학필터(330)의 분할된 9개의 영역에 제한되지 않고, 필요에 따라 다양한 개수의 영역으로 분할될 수 있다.
본 실시예에 따르면, 필요한 파장별로 광학 필터의 투과영역을 조절하여 투과되는 광의 파장(wavelength)를 늘리거나 줄이는 가변 필터링 동작을 수행할 수 있고, 3차원 공간상의 움직임(x축, y축, z축) 구현을 통해 멀티 샷 기반으로 동일 광학센서(320)를 사용하면서도 다양한 파장의 광 영역대를 통합하거나, 선택적을 수신 및 연산할 수 있다.
도 6은 광학필터의 움직임을 설명하기 위한 것으로서, 광원 모듈(300)은 광학필터의 공간상 움직임 없이 단일 영역의 필터를 이용한 하나의 깊이거리 센서를 구현할 수 있다. 광원 모듈(300)은 원거리 3D의 깊이거리 정보와 근거리 3D 깊이거리 정보를 취득할 수 있다.
광원 모듈(300)은 하나 이상의 RGB 센서를 추가하여 동일한 렌즈를 통하여 입사된 가시광선 400-700nm 파장의 이미지와 근적외선 800~1000nm 파장의 피사체에 반사되어 입사된 이미지를 비교분석하여 사물인식이 어려운 무채색의 물과 같은 사물을 인식가능할 수 있다.
거리깊이를 인식하기 위해서는 취득된 이미지로 픽셀당 입사된 광전류를 측정하여 깊이거리를 연산하지만, 일반 가시광선의 RGB 카메라와 같이 거리깊이 연산이 필요없이 이미지를 흑백으로 취득하여 가시광선 이미지와 투과율이 높은 근적외선 이미지를 비교분석하여 사물의 수분정도 및 기타 정보를 추가로 취득 하기 위한 프로세서(미도시)를 더 포함할 수 있다.
또한, 광원 모듈(300)은 하나 이상의 RGB 센서를 추가하여 별도의 구비된 렌즈를 통하여 입사된 가시광선 400-700nm 파장의 이미지와 근적외선 800~1000nm 파장의 피사체에 반사되어 입사된 이미지를 비교분석하여 사물인식이 어려운 무채색의 물과 같은 사물을 인식하기 위한 프로세서(미도시)를 더 포함할 수 있다.
또한, 광원 모듈(300)은 추가로 거리깊이 인식을 위한 근적외선 광원이 포함되어 하나의 렌즈로 출사되고 동일한 렌즈로 피사체에 반사되어 입사된 근적외선 광원을 분석하고 광원의 출사광 외, 렌즈로 유입되는 가시광선의 입사광을 비교 분석하여 사물인식에 더 많은 정보를 취득할 수 있는 광원 및 프로세서가 포함된 모듈로 구현될 수 있다.
또한, 광원 모듈(300)은 파장 분리 목적의 BS 없이 사물인식용 근거리 TX 면광원, 그리고 원거리 라인빔 TX 모듈을 구비하고, 중간에 깊이거리 인식용 카메라 모듈이 별도로 존재하여 근거리/원거리 광원모듈이 일정비율로 순차 동작하고, 센서가 구비된 깊이거리 인식용 카메라가 렌즈를 통하여 피사체에 반사된 입사광원을 분석하여 주변 환경의 대한 정확한 지도를 위한 원거리 사물인식과 근거리의 사물인식을 동시에 수행할 수 있다.
도 7은 광원 모듈의 패키징 구조를 예시하는 도면이다.
도 7을 참조하면, 광원모듈(400)은 기판(410), 광원(420), 광학센서(430), 프레임(440), 광학장치(450), 전자부품(460) 등을 포함할 수 있다.
기판(410)은 복수의 기판 또는 레이어(L1, L2, L3, L4) 등이 적층되어 형성된 기판 일 수 있고, 광원(420), 광학센서(430), 프레임(440), 광학장치(450), 전자부품(460) 등이 배치될 수 있다.
기판(410)은 제1 전도성 기판(411) 및 제2 전도성 기판(412)를 형성하여 광원(420) 및 광학센서(430)과 전기적으로 연결될 수 있고, 비아홀에 의해 신호를 송수신할 수 있다.
광원(420) 및 광학센서(430)는 기판(410)의 내부에 배치되어 패키징 과정의 광원 모듈(400)의 부피를 최소화할 수 있고, 광 출력 및 센싱의 정확도 향상을 위해서 광경로가 일치하도록 수직 방향으로 배치될 수 있다.
프레임(440)는 기판(410)의 상부에 배치되어 광학장치(450) 등을 지지할 수 있다. 프레임(440)은 액추에이터(미도시)에 배치되어 광학장치(450)의 움직임을 발생시킬 수 있다.
광학장치(450)는 마이크로렌즈어레이(MLA), 광학회절요소(DOE), 배럴 렌즈 등이 사용될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
전자부품(460)은 기판(410)의 내부에 배치될 수 있고, 이로 인해 광원 모듈(400)의 패키징 사이즈를 감소시킬 수 있다. 전자부품(460)은 광량을 기초로 이미지 및 거리를 계산하는 연산을 수행하고, 광원(420), 광학센서(430)의 동작을 제어하는 프로세서 등일 수 있으나, MLCC 등의 구성요소일 수 있다.
도 8은 광원 모듈의 렌즈 배치를 예시하는 도면이다.
도 8을 참조하면, 광원 모듈(500)은 광원(520), 광학센서(530), 제1 광학장치(550-1), 제2 광학장치(550-2) 등을 포함할 수 있다.
광원(520)에서 출사된 광은 광학센서(530), 제1 광학장치(550-1), 제2 광학장치(550-2)으로 순차적으로 통과하여 물체로 전달될 수 있고, 물체의 반사광은 광학센서(530)로 전달될 수 있다.
제1 광학장치(550-1)는 광원에서 전달된 광을 통과시키고, 반사광을 상기 광학센서로 전달하는 마이크로렌즈어레이일 수 있다. 제1 광학장치(550-1)는 마이크로렌즈어레이의 일부인 마이크로렌즈일 수 있고, 반사광을 집광시켜 광학센서(530)의 유효센싱영역으로 전달할 수 있다.
제2 광학장치(550-2)는 IR 필터 등으로서 특정 광의 파장을 필터링하는 구성일 수 있다. 필요에 따라 제2 광학장치(550-2)는 광원(520)의 출사광이 통과하는 하면의 패턴과 반사광이 통과하는 상면의 패턴을 다르게 설정할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
광원(520) 및 광학센서(530)에서 제1 광학장치(550-1)를 공유함에 따라 광학 설계의 문제가 발생할 수 있다. 제1 광학장치(550-1)과 광원(520) 사이의 거리 및 광학 특성과, 제1 광학장치(550-1)과 광학센서(530) 사이의 거리 및 광학 특성이 달라짐에 따라 원하는 광학 성능을 가지기 위해서는 세밀한 광학 설계가 필요하다.
광원(520)에서 전달되는 광은 디포커싱되는 플로드(Flood) 타입의 광이 물체에 전달되어야 하므로, 제1 광학장치(550-1)과 광원(520)의 사이의 거리(D1)는 디포커싱 거리로 설정되어야 한다.
광학센서(530)에 전달되는 광은 유효센싱영역으로 전달되기 위하여 포커싱 되어야 하므로, 제1 광학장치(550-1)과 광학센서(530)의 사이의 거리(D2)는 포커싱 거리로 설정되어야 한다.
광원(520) 및 광학센서(530)에서 제1 광학장치(550-1)를 공유하는 경우에는 제1 광학장치(550-1)과 광원(520)의 사이의 거리(D1)는 디포커싱 거리 및 제1 광학장치(550-1)과 광학센서(530)의 사이의 거리(D2)는 포커싱 거리를 모두 만족하도록 설계되어야 한다.
이를 위해 제1 광학장치(550-1)는 광원(520)에서 전달하는 출사광을 디포커싱시키는 위치에 배치되고, 및 이와 동시에 광학센서(530)로 전달되는 반사광을 유효센싱영역에 집광하는 포커싱 거리를 만족시키는 위치에 배치될 수 있다.
광원(520)에서 전달되는 광은 광학장치가 디포커싱 또는 포커싱 시키는 위치에 배치되어 광원(VCSEL)과의 거리에 따라 근거리의 면광원, 원거리의 점광원으로 선택가능할 수 있다.
도 8의 구성요소들의 사이즈는 광 경로를 예시하기 위한 것으로 실제 사이즈는 이에 제한되지 않는다.
도 9는 본 실시예에 따른 광원 모듈의 광학센서의 배치를 예시하는 제1 예시 도면이다.
도 10은 본 실시예에 따른 광원 모듈의 광학센서의 배치를 예시하는 제2 예시 도면이다.
도 9를 참조하면, 광원 모듈(600)은 광원(620) 및 광학센서(630-1, 630-2)를 포함할 수 있다.
광원(620)은 전술한 방법으로 거리센서(630-1) 또는 이미지센서(630-2)의 하면에 배치될 수 있다.
광원 모듈(600)이 3차원 거리를 측정하거나, 2차원 이미지를 측정하기 위해서는 거리센서(630-1) 및 이미지센서(630-2)를 모두 구비하여야 한다.
하나의 기판에 거리센서(630-1) 및 이미지센서(630-2)를 모두 구비하는 경우에는 패키징을 위한 공간이 증가하게 된다.
이러한 문제점을 해결하기 위해서는 스플리터(650)를 배치함으로써 반사광(601)을 수신하고, 이를 스플리팅하여 거리센서(630-1) 및 이미지센서(630-2) 각각에 전달하고 거리 정보를 획득하고, 이미지 정보를 획득할 수 있다.
그러나, 거리센서(630-1) 및 이미지센서(630-2)의 화소 특성이 상이하고, 유효센싱영역의 차이로 인하여 동일한 거리에 각 센서를 배치하는 경우 데이터의 부정합이 발생하게 된다. 이러한 문제점을 해결하기 위하여 광원 모듈(600)의 공간을 비대칭으로 형성하여, 스플리터(650)와 거리센서(630-1)의 거리 및 스플리터(650)와 이미지센서(630-2)의 거리를 서로 다르게 설정할 수 있다.
광학센서(630-1, 630-2)는 반사광을 스플리터(650)에 의해 분리하여 유효센싱영역을 통해 수신함으로써, 거리센서(630-1) 및 이미지센서(630-2)의 화소 특성에 대응하는 신호를 획득할 수 있다.
스플리터(650)와 거리센서(630-1)의 거리 및 스플리터(650)와 이미지센서(630-2)의 거리는 서로 다르고, 거리센서(630-1) 및 이미지센서(630-2)는 반사광을 서로 다른 평면에서 수신할 수 있다.
도 10을 참조하면, 빔 스플리터(650)는 표면 반사를 하기 때문에 복수개의 영역에 광학 특성에 맞게 기능성 코팅 설계를 하여 필요한 파장영역을 반사시킬 수 있다.
예를 들어, 스플리터(650)의 제1 면으로서 반사광의 수신 영역에서는 파장별 투과 반사를 위한 광학설계로서, RGB(450nm~650nm) 반사, IR(940nm) 투과를 수행할 수 있다.
또한, 스플리터(650)의 제2 면으로서 출사광의 통과 영역에서는 파장별 투과 반사를 위한 광학 설계로서, IR(940nm) 단일 광원 반사를 수행할 수 있다.
광원(620)의 위치는 도 15와 같이 거리센서(630-1)의 배면에 위치할 수 있고, 도 16과 같이, 이미지센서(630-2) 와 대칭되게 배치하여 제2 면에 코팅된 파장별 광학설계(반사 및 투과)를 하여 송신부(Tx) 광원(620)을 동일한 렌즈를 사용하여 특정한 빔을 투과 할 수 있다.
또한, 제2 면에 마이크로렌즈어레이(MLA) 레이어를 추가하여 면광원 및 점광원을 기능 목적에 맞게 활용할 수 있다.
도 11은 본 실시예에 따른 광원 모듈의 광원 및 광학센서 구동 타이밍을 설명하는 제1 예시 도면이다.
도 12는 본 실시예에 따른 광원 모듈의 광원 및 광학센서 구동 타이밍을 설명하는 제2 예시 도면이다.
도 13은 본 실시예에 따른 광원 모듈의 광원 및 광학센서 구동 타이밍을 설명하는 제3 예시 도면이다.
도 11을 참조하면, 광원 모듈의 광원 및 광학센서의 구동 타이밍은 서로 교번하여 반복할 수 있다.
예를 들어, 제1 시구간(T1)에서는 광원에서 광을 출력하고, 제2 시구간(T2)에서는 광학센서가 광을 센싱하고, 제3 시구간(T3)에서는 광원에서 광을 출력하고, 제4 시구간(T4)에서는 광학센서가 광을 센싱할 수 있다.
도 12를 참조하면, 광원 모듈의 광원 및 광학센서의 구동 타이밍은 서로 교번하여 반복할 수 있다.
광원 모듈은 간접(In-direct) TOF 측정 방법으로서 제1 시구간에 상기 광원은 4개의 서로 다른 상을 가지는 광(P1, P2, P3, P4)을 순차적으로 출력할 수 있다.
제2 시구간에 제2 시구간에 광원은 출력이 중단되고, 광학센서는 반사광을 센싱할 수 있다.
광원으로부터 출발하는 위상(Reference)과 대상체에 맞고 되돌아오는 위상(Reflected light) 에는 “위상 지연(Phase shift, φ)”이 발생하고 이때의 위상 지연을 비교하여 깊이 거리를 측정할 수 있다.
제1 시구간의 광원 동작 및 제2 시구간의 광학센서 동작의 시구간을 분리함에 따라 광 출력 및 광 센싱의 동시 동작에 따른 노이즈를 방지할 수 있고, 아이 세이프티의 기준을 만족시키기 위해 광원의 출력 동작의 듀티 비율을 효과적으로 제어할 수 있다.
도 13을 참조하면, 광원 모듈의 광원은 하나의 펄스를 가지는 광을 출력할 수 있다.
또한, 광원 모듈은 직접(Direct) TOF 측정 방법으로서 광원 모듈에서 제1 시구간에 상기 광원은 하나의 펄스를 가지는 광을 출력하고, 제2 시구간에 상기 광원은 출력이 중단되고, 상기 광학센서는 반사광을 센싱하도록 제어하는 제어장치를 더 포함할 수 있다.
제어장치는 개별 펄스들을 전송하고 반사되어서 되돌아오는 시간으로써 표적까지의 거리를 계산할 수 있다.
광원 모듈의 광원 및 광학센서의 구동 제어는 제어장치에 의해 수행될 수 있다. 제어장치는 프로세서, 컴퓨팅 장치 등의 연산을 수행하고 각 구성의 동작을 제어할 수 있는 장치이다.
본 실시예에 따른 광원의 출력 및 광학센서의 센싱 타이밍은 다양하게 정의될 수 있다.
예를 들어, 광원 모듈은 제1 주기에 제1 광 출력을 하지 않고 전체 4주기 중 제1주기를 제외한 나머지 주기에서 반사광의 위상 변화를 분석하는 제어장치를 더 포함할 수 있다.
이 경우, 광원 모듈은 특정 제1 주기가 아닌 다른 주기를 활용하여 거리를 측정할 수 있다.
또한, 광원 모듈의 제1 인식영역은 제 2 인식영역보다 수평 화각이 좁은 영역으로 한정하고 하나의 센서가 교차 광수집을 수행할 수 있다. 이 경우, 광원 모듈은 교차 광수집에 의해 시간적으로 겹치지 않으므로 독립적인 광 센싱을 수행할 수 있다.

Claims (17)

  1. 반사광을 수신하여 피사체의 거리를 측정하는 광원 모듈에 있어서,
    기판에 배치되고, 복수 개의 광출력라인을 통해 광을 출력하는 광원;
    상기 기판에 배치되어 반사광을 수신하는 광학센서; 및
    상기 광원 또는 상기 광학센서의 동작을 제어하는 제어장치를 포함하고,
    상기 제어장치는 상기 광원의 광출력라인 중 일부를 동작시키는 제1 구동모드 및 상기 광원의 광출력라인 중 전부를 동작시키는 제2 구동모드로 상기 광원을 동작시키는, 광원 모듈.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제어장치는 상기 제1 구동모드에는 상기 광원의 광출력라인을 순차적으로 동작시키는, 광원 모듈.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 제어장치는 상기 제2 구동모드에는 상기 광원의 광출력라인을 동일한 타이밍에 턴온시키는, 광원 모듈.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 제어장치는 상기 광출력라인의 온오프 타이밍을 정의하여 듀티비를 조절하는, 광원 모듈.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 광학센서는 제1 파장영역대의 광 및 제2 파장영역대의 광을 센싱하는, 광원 모듈.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 광학센서는 상기 제1 구동모드인 경우 제1 파장영역대의 광을 수신하고, 상기 제2 구동모드인 경우 제2 파장영역대의 광을 센싱하는, 광원 모듈.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 광학센서는 특정 파장영역대의 광을 선택적으로 필터링하는 광학필터를 투과한 광을 센싱하는, 광원 모듈.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 광학필터는 적외선을 투과시키는 제1 영역 및 가시광선을 투과시키는 제2 영역을 포함하는, 광원 모듈.
  9. 제 7 항에 있어서,
    코일 및 전자석의 상호작용에 의해 상기 광학필터의 공간상 움직임을 발생시키는 액추에이터를 더 포함하는, 광원 모듈.
  10. 제 7 항에 있어서,
    적외선 센싱모드인 경우에 반사광이 상기 제1 영역을 투과하도록 제어하고, 가시광선 센싱모드인 경우에 반사광이 상기 제2 영역을 투과하도록 상기 광학필터의 움직임을 제어하는, 광원 모듈.
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 광학센서는 상기 반사광을 빔스플리터에 의해 분리하여 유효센싱영역을 통해 수신하는 이미지센서 및 거리센서를 더 포함하는, 광원 모듈.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 스플리터와 상기 이미지센서와의 거리 및 상기 스플리터와 상기 거리센서의 거리는 서로 다르고,
    상기 이미지센서 및 상기 거리센서는 상기 반사광을 서로 다른 평면에서 수신하도록 배치된, 광원 모듈.
  13. 제 1 항에 있어서,
    상기 제어장치는,
    제1 시구간에 상기 광원은 4개의 서로 다른 위상을 가지는 광을 출력하고,
    제2 시구간에 상기 광원은 출력이 중단되고, 상기 광학센서는 반사광을 센싱하도록 제어하는, 광원 모듈.
  14. 제 1 항에 있어서,
    상기 제어장치는,
    제1 시구간에 상기 광원은 하나의 펄스를 가지는 광을 출력하고, 제2 시구간에 상기 광원은 출력이 중단되고, 상기 광학센서는 반사광을 센싱하도록 제어하는, 광원 모듈.
  15. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1 구동모드는 원거리 구동모드이고, 상기 제2 구동모드는 근거리 구동모드이고,
    상기 제1 구동모드 및 상기 제2 구동모드는 순차적으로 동작하고,
    상기 광학센서는 원거리 사물인식 및 근거리 사물인식을 동시에 수행하는, 광원 모듈.
  16. 제 1 항에 있어서,
    상기 광학센서가 수신한 복수의 파장 영역대의 광을 비교하여 사물을 판단하는 프로세서를 더 포함하는, 광원 모듈.
  17. 제 1 항에 있어서,
    렌즈를 통해 상기 광학센서로 입사된 가시광선 파장 영역대의 이미지 및 근적외선 파장 영역대의 이미지를 비교하여 무채색의 사물을 판단하는 프로세서를 더 포함하는, 광원 모듈.
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