WO2020067745A1 - 카메라 장치 - Google Patents

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장성하
박주언
주양현
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엘지이노텍 주식회사
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Abstract

본 발명의 실시예에 따른 카메라 장치는 객체에 조사되는 출력광 신호를 출력하는 광출력부; 상기 객체로부터 반사된 입력광 신호를 집광하는 렌즈부; 상기 렌즈부에 의하여 집광된 상기 입력광 신호로부터 전기 신호를 생성하는 이미지 센서; 및 상기 출력광 신호 및 상기 이미지 센서에 수신된 상기 입력광 신호 간 시간 차 및 위상 차 중 적어도 하나를 이용하여 상기 객체의 깊이 정보를 추출하는 영상 처리부;를 포함하고, 상기 렌즈부는, IR(InfraRed) 필터; 상기 IR 필터 상에 배치되는 복수 매의 고체 렌즈; 및 상기 복수 매의 고체 렌즈 상에 배치되거나, 상기 복수 매의 고체 렌즈 사이에 배치되는 액체 렌즈;를 포함하고, 상기 IR 필터 또는 상기 이미지 센서의 이동을 제어하는 제1 구동부; 및 상기 액체 렌즈의 곡률을 제어하는 제2 구동부;를 더 포함하고, 상기 제1 구동부 및 상기 제2 구동부 중 하나에 의하여 상기 입력광 신호의 광경로가 소정의 규칙에 따라 반복하여 쉬프트되고, 상기 제1 구동부 및 상기 제2 구동부 중 다른 하나에 의하여 상기 입력광 신호의 광경로가 소정의 제어 정보에 따라 쉬프트된다.

Description

카메라 장치
본 발명은 깊이 정보를 추출하는 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. TOF 방식에 따르면, 비행 시간, 즉 빛을 쏘아서 반사되어 오는 시간을 측정함으로써 물체와의 거리를 계산한다. ToF 방식의 가장 큰 장점은 3차원 공간에 대한 거리정보를 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.
이에 따라, TOF 방식을 생체 인증에 이용하고자 하는 시도가 있다. 예를 들어, 손가락 등에 퍼진 정맥의 모양은 태아 때부터 일생 동안 변하지 않고, 사람마다 다르다고 알려져 있다. 이에 따라, TOF 기능이 탑재된 카메라 장치를 이용하여 정맥 패턴을 식별할 수 있다. 이를 위하여, 손가락을 촬영한 후, 손가락의 색과 형상을 기반으로 배경을 제거하여 각 손가락을 검출할 수 있으며, 검출된 각 손가락의 색 정보로부터 각 손가락의 정맥 패턴을 추출할 수 있다. 즉, 손가락의 평균 색깔, 손가락에 분포된 정맥의 색깔, 및 손가락에 있는 주름의 색깔은 서로 상이할 수 있다. 예를 들어, 손가락에 분포된 정맥의 색깔은 손가락의 평균 색깔에 비하여 적색이 약할 수 있으며, 손가락에 있는 주름의 색깔은 손가락의 평균 색깔에 비하여 어두울 수 있다. 이러한 특징을 이용하여 픽셀 별로 정맥에 근사한 값을 계산할 수 있으며, 계산한 결과를 이용하여 정맥 패턴을 추출할 수 있다. 그리고, 추출된 각 손가락의 정맥 패턴과 미리 등록된 데이터를 대비하여 개인을 식별할 수 있다.
다만, TOF 기능이 탑재된 카메라 장치가 정맥 패턴을 추출하기 위하여, 근거리에 있는 손가락을 정밀하게 촬영할 필요가 있으며, 높은 해상도로 촬영될 필요가 있다. 특히, 한 손의 정맥 패턴을 촬영하기 위하여, 다른 한 손만으로 카메라 장치를 들고 조작하여야 하는 경우가 있으므로 손떨림에 의한 흔들림이 발생할 가능성이 크다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 TOF 방식을 이용하여 깊이 정보를 추출하는 카메라 장치를 제공하는데 있다.
본 발명의 실시예에 따른 카메라 장치는 객체에 조사되는 출력광 신호를 출력하는 광출력부; 상기 객체로부터 반사된 입력광 신호를 집광하는 렌즈부; 상기 렌즈부에 의하여 집광된 상기 입력광 신호로부터 전기 신호를 생성하는 이미지 센서; 및 상기 출력광 신호 및 상기 이미지 센서에 수신된 상기 입력광 신호 간 시간 차 및 위상 차 중 적어도 하나를 이용하여 상기 객체의 깊이 정보를 추출하는 영상 처리부;를 포함하고, 상기 렌즈부는, IR(InfraRed) 필터; 상기 IR 필터 상에 배치되는 복수 매의 고체 렌즈; 및 상기 복수 매의 고체 렌즈 상에 배치되거나, 상기 복수 매의 고체 렌즈 사이에 배치되는 액체 렌즈;를 포함하고, 상기 IR 필터 또는 상기 이미지 센서의 이동을 제어하는 제1 구동부; 및 상기 액체 렌즈의 곡률을 제어하는 제2 구동부;를 더 포함하고, 상기 제1 구동부 및 상기 제2 구동부 중 하나에 의하여 상기 입력광 신호의 광경로가 소정의 규칙에 따라 반복하여 쉬프트되고, 상기 제1 구동부 및 상기 제2 구동부 중 다른 하나에 의하여 상기 입력광 신호의 광경로가 소정의 제어 정보에 따라 쉬프트된다.
상기 소정의 규칙에 따르면, 상기 입력광 신호의 광경로가 제1 주기 동안 제1 방향으로 상기 이미지 센서의 0 픽셀보다 크고 1 픽셀보다 작은 서브 픽셀 단위로 쉬프트되고, 제2 주기 동안 상기 제1 방향에 대하여 수직인 제2 방향으로 상기 서브 픽셀 단위로 쉬프트되고, 제3 주기 동안 상기 제2 방향에 대하여 수직인 제3 방향으로 상기 서브 픽셀 단위로 쉬프트되고, 제4 주기 동안 상기 제3 방향에 대하여 수직인 제4 방향으로 상기 서브 픽셀 단위로 쉬프트되고, 상기 소정의 제어 정보는 OIS(Optical Image Stabilization)를 위한 제어 정보를 포함할 수 있다.
상기 제2 구동부에 의하여 상기 입력광 신호의 광 경로가 AF(autofocusing)를 위한 제어 정보에 따라 더 쉬프트될 수 있다.
상기 OIS를 위한 제어 정보는 상기 카메라 장치의 움직임 정보 및 자세 정보 중 적어도 하나로부터 추출될 수 있다.
상기 제1 구동부에 의하여 상기 입력광 신호의 광 경로가 상기 소정의 규칙에 따라 쉬프트되고, 상기 제2 구동부에 의하여 상기 입력광 신호의 광 경로가 상기 OIS를 위한 제어 정보에 따라 쉬프트될 수 있다.
상기 제1 구동부는 상기 IR 필터 또는 상기 이미지 센서가 광축에 대하여 수직인 평면에 대하여 소정 각도로 규칙적으로 기울어지도록 제어할 수 있다.
상기 제1 구동부에 의하여 상기 입력광 신호의 광 경로가 상기 OIS를 위한 제어 정보에 따라 쉬프트되고, 상기 제2 구동부에 의하여 상기 입력광 신호의 광 경로가 상기 소정의 규칙에 따라 쉬프트될 수 있다.
상기 제1 구동부는 상기 IR 필터 또는 상기 이미지 센서가 광축에 대하여 수직인 방향으로 이동하도록 제어할 수 있다.
본 발명의 한 실시예에 따른 카메라 장치의 영상 처리 방법은 출력광 신호를 출력하여 객체에 조사하는 단계, 상기 객체로부터 반사된 후 렌즈부에 의해 집광되어 이미지 센서에 도달하는 입력광 신호의 광경로를 쉬프트시키는 단계, 그리고 상기 출력광 신호 및 상기 이미지 센서에 수신된 상기 입력광 신호 간 시간 차 및 위상 차 중 적어도 하나를 이용하여 상기 객체의 깊이 정보를 추출하는 단계를 포함하고, 상기 쉬프트시키는 단계는, 상기 입력광 신호의 광경로를 소정의 규칙에 따라 반복하여 쉬프트시키는 단계, 그리고 상기 입력광 신호의 광경로를 소정의 제어 정보에 따라 쉬프트시키는 단계를 포함한다.
상기 소정의 제어 정보는 상기 카메라 장치의 움직임 정보 및 자세 정보 중 적어도 하나로부터 추출되는 OIS(Optical Image Stabilization)를 위한 제어 정보를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 카메라 장치는 SR 기능과 OIS 기능을 동시에 수행할 수 있으므로, 높은 해상도 및 고품질의 깊이 정보를 얻을 수 있다. 특히, SR 기능과 OIS 기능이 별도의 구동부에 의하여 수행되므로, SR 기능과 OIS 기능 각각이 보다 정밀하게 수행될 수 있다
도 1은 본 발명의 한 실시예에 따른 카메라 장치의 블록도이다.
도 2는 출력광 신호의 주파수를 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 전기 신호 생성 과정을 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 이미지 센서를 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 카메라 장치로부터 얻은 4개의 위상에 대한 로우(raw) 영상이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 카메라 장치로부터 얻은 앰플리튜드 영상(amplitude image)이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 카메라 장치로부터 얻은 깊이 영상이다.
도 8은 본 발명의 한 실시예에 따른 카메라 장치의 블록도이다.
도 9는 본 발명의 한 실시예에 따른 카메라 장치의 측면도이다.
도 10은 본 발명의 한 실시예에 따른 카메라 장치의 일부의 단면도이다.
도 11은 본 발명의 다른 실시예에 따른 카메라 장치의 일부의 단면도이다.
도 12는 본 발명의 한 실시예에 따른 카메라 장치에 포함되는 액체 렌즈의 한 예이다.
도 13은 본 발명의 한 실시예에 따른 카메라 장치에 포함되는 액체 렌즈의 다른 예이다.
도 14는 제1 구동부에 의한 입력광 신호의 광경로 변경을 설명하기 위한 도면이다.
도 15 및 도 16은 본 발명의 실시예에 따른 SR 기법을 설명하기 위한 도면이다.
도 17은 본 발명의 실시예에 따른 픽셀값 배치 과정을 설명하기 위한 도면이다.
도 18 내지 도 19는 IR 필터의 기울기 제어에 따라 이미지 센서 상에 입력되는 영상 프레임이 쉬프트되는 효과를 설명하기 위한 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.
도 1은 본 발명의 한 실시예에 따른 카메라 장치의 블록도이다.
도 1을 참조하면, 카메라 장치(100)는 광출력부(110), 렌즈부(120), 이미지 센서(130) 및 영상 처리부(140)를 포함한다.
광출력부(110)는 출력광 신호를 생성한 후 객체에 조사한다. 이때, 광출력부(110)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 장치(100)는 광출력부(110)로부터 출력된 출력광 신호와 객체로부터 반사된 후 카메라 장치(100)로 입력된 입력광 신호 사이의 위상 차를 검출할 수 있다. 본 명세서에서, 출력광은 광출력부(110)로부터 출력되어 객체에 입사되는 광을 의미하고, 입력광은 광출력부(110)로부터 출력되어 객체에 도달하여 객체로부터 반사된 후 카메라 장치(100)로 입력되는 광을 의미할 수 있다. 객체의 입장에서 출력광은 입사광이 될 수 있고, 입력광은 반사광이 될 수 있다.
광출력부(110)는 생성된 출력광 신호를 소정의 노출주기 동안 객체에 조사한다. 여기서, 노출주기란 1개의 프레임 주기를 의미한다. 복수의 프레임을 생성하는 경우, 설정된 노출주기가 반복된다. 예를 들어, 카메라 장치(100)가 20 FPS로 객체를 촬영하는 경우, 노출주기는 1/20[sec]가 된다. 그리고 100개의 프레임을 생성하는 경우, 노출주기는 100번 반복될 수 있다.
광출력부(110)는 서로 다른 주파수를 가지는 복수의 출력광 신호를 생성할 수 있다. 광출력부(110)는 서로 다른 주파수를 가지는 복수의 출력광 신호를 순차적으로 반복하여 생성할 수 있다. 또는, 광출력부(110)는 서로 다른 주파수를 가지는 복수의 출력광 신호를 동시에 생성할 수도 있다.
도 2는 출력광 신호의 주파수를 설명하기 위한 도면이다. 본 발명의 실시예에 따르면, 광출력부(110)는 도 2에서와 같이 노출주기의 첫 절반은 주파수 f1인 출력광 신호가 생성되도록 제어하고, 나머지 절반의 노출주기는 주파수 f2인 출력광 신호가 생성되도록 제어할 수 있다.
다른 실시예에 따르면, 광출력부(110)는 복수의 발광 다이오드 중 일부 발광 다이오드는 주파수 f1인 출력광 신호가 생성되도록 제어하고, 나머지 발광 다이오드는 주파수 f2인 출력광 신호가 생성되도록 제어할 수도 있다.
이를 위하여, 광출력부(110)는 빛을 생성하는 광원(112)과 빛을 변조하는 광변조부(114)를 포함할 수 있다.
우선, 광원(112)은 빛을 생성한다. 광원(112)이 생성하는 빛은 파장이 770 내지 3000nm인 적외선 일 수 있으며, 파장이 380 내지 770 nm인 가시광선 일 수도 있다. 광원(112)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(112)은 유기 발광 다이오드(Organic light emitting diode, OLED)나 레이저 다이오드(Laser diode, LD)를 포함할 수도 있다. 또는, 광원(112)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 사용할 수 있다.
광원(112)은 일정 시간 간격으로 점멸(on/off)을 반복하여 펄스파 형태나 지속파 형태의 출력광 신호를 생성한다. 일정 시간 간격은 출력광 신호의 주파수일 수 있다. 광원의 점멸은 광변조부(114)에 의해 제어될 수 있다.
광변조부(114)는 광원(112)의 점멸을 제어하여 광원(112)이 지속파나 펄스파 형태의 출력광 신호를 생성하도록 제어한다. 광변조부(114)는 주파수 변조(frequency modulation)나 펄스 변조(pulse modulation) 등을 통해 광원(112)이 지속파나 펄스파 형태의 출력광 신호를 생성하도록 제어할 수 있다.
한편, 렌즈부(120)는 객체로부터 반사된 입력광 신호를 집광하여 이미지 센서(130)에 전달한다.
이미지 센서(130)는 렌즈부(120)를 통해 집광된 입력광 신호를 이용하여 전기 신호를 생성한다.
이미지 센서(130)는 광출력부(110)의 점멸 주기와 동기화되어 입력광 신호를 흡수할 수 있다. 구체적으로 이미지 센서(130)는 광출력부(110)로부터 출력된 출력광 신호와 동상(in phase) 및 이상(out phase)에서 각각 빛을 흡수할 수 있다. 즉, 이미지 센서(130)는 광원이 켜져 있는 시간에 입사광 신호를 흡수하는 단계와 광원이 꺼져 있는 시간에 입사광 신호를 흡수하는 단계를 반복 수행할 수 있다.
다음으로, 이미지 센서(130)는 서로 다른 위상차를 가지는 복수의 참조 신호(reference signal)를 이용하여 각 참조 신호에 대응하는 전기 신호를 생성할 수 있다. 참조 신호의 주파수는 광출력부(110)로부터 출력된 출력광 신호의 주파수와 동일하게 설정될 수 있다. 따라서, 광출력부(110)가 복수의 주파수로 출력광 신호를 생성하는 경우, 이미지 센서(130)는 각 주파수에 대응하는 복수의 참조 신호를 이용하여 전기 신호를 생성한다. 전기 신호는 각 참조 신호에 대응하는 전하량이나 전압에 관한 정보를 포함할 수 있다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 전기 신호 생성 과정을 설명하기 위한 도면이다.
도 3에 나타난 바와 같이, 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(130)는 입력광 신호와 각 참조 신호를 각각 믹싱(mixing)한다. 그러면, 이미지 센서(130)는 도 3의 음영 부분에 대응하는 전기 신호를 각 참조 신호별로 생성할 수 있다.
다른 실시예로, 노출 시간 동안 복수의 주파수로 출력광 신호가 생성된 경우, 이미지 센서(130)는 복수의 주파수에 따른 입력광 신호를 흡수한다. 예를 들어, 주파수 f1과 f2로 출력광 신호가 생성되고, 복수의 참조 신호는 90도의 위상차를 가진다고 가정한다. 그러면, 입사광 신호 역시 주파수 f1과 f2를 가지므로, 주파수가 f1인 입력광 신호와 이에 대응하는 4개의 참조 신호를 통해 4개의 전기 신호가 생성될 수 있다. 그리고 주파수가 f2인 입력광 신호와 이에 대응하는 4개의 참조 신호를 통해 4개의 전기 신호가 생성될 수 있다. 따라서, 전기 신호는 총 8개가 생성될 수 있다.
이미지 센서(130)는 복수의 픽셀이 그리드 형태로 배열된 구조로 구성될 수 있다. 이미지 센서(130)는 CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor) 이미지 센서일 수 있으며, CCD(Charge Coupled Device) 이미지 센서일 수도 있다. 또한, 이미지 센서(130)는 피사체에 반사되는 적외선 광을 받아들여 시간 또는 위상 차를 이용해 거리를 측정하는 ToF 센서를 포함할 수 있다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 이미지 센서를 설명하기 위한 도면이다. 예를 들어, 도 4에서와 같이 320x240 해상도의 이미지 센서(130)의 경우 76,800개의 픽셀이 그리드 형태로 배열된다. 이때, 복수의 픽셀 사이에는 도 4의 음영 부분과 같이 일정한 간격이 형성될 수 있다. 본 발명의 실시예에서는 픽셀에 인접한 일정 간격을 포함하여 1 픽셀로 설명하도록 한다.
본 발명의 실시예에 따르면, 각 픽셀(132)은 제1 포토 다이오드 및 제1 트랜지스터를 포함하는 제1 수광부(132-1)와 제2 포토 다이오드 및 제2 트랜지스터를 포함하는 제2 수광부(132-2)를 포함할 수 있다.
제1 수광부(132-1)는 출력광의 파형과 동일 위상에서 입력광 신호를 수신한다. 즉, 광원이 켜진 시간에, 제1 포토 다이오드는 턴온(turn-on)되어 입력광 신호를 흡수한다. 그리고, 광원이 꺼진 시간에, 제1 포토 다이오드는 턴오프(turn-off)되어 입력광 흡수를 중단한다. 제1 포토 다이오드는 흡수한 입력광 신호를 전류로 변환하여 제1 트랜지스터에 전달한다. 제1 트랜지스터는 전달받은 전류를 전기 신호로 변환하여 출력한다.
제2 수광부(132-2)는 출력광의 파형과 반대 위상에서 입력광 신호를 수신한다. 즉, 광원이 켜진 시간에, 제2 포토 다이오드는 턴오프되어 입력광 신호를 흡수한다. 그리고, 광원이 꺼진 시간에, 제2 포토 다이오드는 턴온되어 입력광 흡수를 중단한다. 제2 포토 다이오드는 흡수한 입력광 신호를 전류로 변환하여 제2 트랜지스터에 전달한다. 제2 트랜지스터는 전달받은 전류를 전기 신호로 변환한다.
이에 따라, 제1 수광부(132-1)는 In Phase 수신 유닛이라 할 수 있고, 제2 수광부(132-2)는 Out Phase 수신 유닛이라 할 수 있다. 이와 같이, 제1 수광부(132-1) 및 제2 수광부(132-2)가 시간 차를 두고 활성화되면, 객체와의 거리에 따라 수신되는 광량에 차이가 발생하게 된다. 예를 들어, 객체가 카메라 장치(100) 바로 앞에 있는 경우(즉, 거리=0인 경우)에는 조명부(110)로부터 광이 출력된 후 객체에서 반사되어 오는데 걸리는 시간이 0이므로, 광원의 점멸 주기는 그대로 광의 수신 주기가 된다. 이에 따라, 제1 수광부(132-1)만이 빛을 수신하게 되고, 제2 수광부(132-2)는 빛을 수신하지 못하게 된다. 다른 예로, 객체가 카메라 장치(100)와 소정 거리 떨어져 위치하는 경우, 조명부(110)로부터 광이 출력된 후 객체에서 반사되어 오는데 시간이 걸리므로, 광원의 점멸 주기는 광의 수신 주기와 차이가 나게 된다. 이에 따라, 제1 수광부(132-1)와 제2 수광부(132-2)가 수신하는 빛의 양에 차이가 발생하게 된다. 즉, 제1 수광부(132-1)와 제2 수광부(132-2)에 입력된 광량의 차를 이용하여 객체의 거리가 연산될 수 있다. 다시 도 1을 참조하면, 영상 처리부(140)는 이미지 센서(130)로부터 수신한 전기신호를 이용하여 출력광과 입력광 사이의 위상차를 계산하고, 위상차를 이용하여 객체와 카메라 장치(100) 사이의 거리를 계산한다.
구체적으로, 영상 처리부(140)는 전기신호의 전하량 정보를 이용하여 출력광과 입력광 사이의 위상차를 계산할 수 있다.
상기에서 살펴본 바와 같이, 출력광 신호의 주파수마다 전기신호는 4개가 생성될 수 있다. 따라서, 영상 처리부(140)는 아래의 수학식 1을 이용하여 출력광 신호와 입력광 신호 사이의 위상차(td)를 계산할 수 있다.
Figure PCTKR2019012548-appb-M000001
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, 영상 처리부(140)는 출력광 신호와 입력광 신호의 위상차를 이용하여 객체와 카메라 장치(100) 사이의 거리를 계산할 수 있다. 이때, 영상 처리부(140)는 아래의 수학식 2를 이용하여 객체와 카메라 장치(100) 사이의 거리(d)를 계산할 수 있다.
Figure PCTKR2019012548-appb-M000002
여기서, c는 빛의 속도이고, f는 출력광의 주파수이다.
본 발명의 실시예에 따르면, 카메라 장치(100)로부터 ToF IR 영상 및 깊이(depth) 영상을 얻을 수 있다. 이에 따라, 본 발명의 실시예에 따른 카메라 장치는 ToF 카메라 장치 또는 ToF 카메라 모듈이라 지칭될 수도 있다.
이와 관련하여 더욱 구체적으로 설명하면, 도 5에 예시된 바와 같이 본 발명의 실시예에 따른 카메라 장치(100)로부터 4개의 위상에 대한 로우(raw) 영상을 얻을 수 있다. 여기서, 4개의 위상은 0°, 90°, 180°, 270°일 수 있으며, 각 위상에 대한 로우 영상은 위상 별로 디지털화된 픽셀 값으로 이루어진 영상일 수 있고, 위상 영상, 위상 IR 영상 등과 혼용될 수 있다.
도 5의 4 개의 위상 영상을 이용하여 수학식 3과 같이 연산하면, 도 6의 ToF IR 영상인 앰플리튜드 영상(amplitude image)을 얻을 수 있다.
Figure PCTKR2019012548-appb-M000003
여기서, Raw(x0)은 phase 0°에서 센서가 받아들이는 픽셀 별 데이터 값이고, Raw(x90)은 phase 90°에서 센서가 받아들이는 픽셀 별 데이터 값이며, Raw(x180)은 phase 180°에서 센서가 받아들이는 픽셀 별 데이터 값이고, Raw(x270)은 phase 270°에서 센서가 받아들이는 픽셀 별 데이터 값일 수 있다.
또는, 도 5의 4개의 위상 영상을 이용하여 수학식 4와 같이 연산하면, 다른 ToF IR 영상인 인텐시티 영상(intensity image)을 얻을 수도 있다.
Figure PCTKR2019012548-appb-M000004
여기서, Raw(x0)은 phase 0°에서 센서가 받아들이는 픽셀 별 데이터 값이고, Raw(x90)은 phase 90°에서 센서가 받아들이는 픽셀 별 데이터 값이며, Raw(x180)은 phase 180°에서 센서가 받아들이는 픽셀 별 데이터 값이고, Raw(x270)은 phase 270°에서 센서가 받아들이는 픽셀 별 데이터 값일 수 있다.
이와 같이, ToF IR 영상은 4 개의 위상 영상 중 2개씩 서로 빼주는 과정을 통하여 생성되는 영상으로, 이러한 과정에서 외부 광(background light)이 제거될 수 있다. 이에 따라, ToF IR 영상에는 광원이 출력한 파장대의 신호만 남게 되어, 객체에 대한 IR 감도가 높아지고, 노이즈가 현저하게 줄어들 수 있다.
본 명세서에서, ToF IR 영상은 앰플리튜드(amplitude) 영상 또는 인텐시티(intensity) 영상을 의미할 수 있으며, 인텐시티 영상은 컨피던스(confidence) 영상과 혼용될 수 있다. 도 6에 도시된 바와 같이, ToF IR 영상은 그레이 영상일 수 있다.
한편, 도 5의 4 개의 위상 영상을 이용하여 수학식 5 및 수학식 6과 같이 연산하면, 도 7의 깊이 영상도 얻을 수 있다.
Figure PCTKR2019012548-appb-M000005
Figure PCTKR2019012548-appb-M000006
한편, 본 발명의 실시예에서는 깊이 영상의 해상도를 높이기 위하여, 슈퍼 레졸루션(Super Resolution, SR) 기법을 이용하고자 한다. SR 기법은 복수의 저해상 영상으로부터 고해상 영상을 얻는 기법으로, SR 기법의 수학적 모델은 수학식 7과 같이 나타낼 수 있다.
Figure PCTKR2019012548-appb-M000007
여기서, 1≤k≤p이고, p는 저해상 영상의 개수이며, yk는 저해상 영상(=[yk,1, yk,2, ..., yk,M]T, 여기서, M=N1*N2) Dk는 다운 샘플링(down sampling) 매트릭스, Bk는 광학 흐림(blur) 매트릭스, Mk는 영상 왜곡(warping) 매트릭스, x는 고해상 영상(=[x1, x2, ..., xN]T, 여기서, N=L1N1*L2N2), nk는 노이즈를 나타낸다. 즉, SR 기법에 따르면, yk에 추정된 해상도 열화 요소들의 역함수를 적용하여 x를 추정하는 기술을 의미한다. SR 기법은 크게 통계적 방식과 멀티프레임 방식으로 나뉠 수 있으며, 멀티프레임 방식은 크게 공간 분할 방식과 시간 분할 방식으로 나뉠 수 있다. 깊이 이미지 획득을 위하여 SR 기법을 이용하는 경우, 수학식 1의 Mk의 역함수가 존재하지 않기 때문에, 통계적 방식이 시도될 수 있다. 다만, 통계적 방식의 경우, 반복 연산 과정이 필요하므로, 효율이 낮은 문제가 있다.
깊이 정보 추출에 SR 기법을 적용하기 위하여, 영상 처리부(140)는 이미지 센서(130)로부터 수신한 전기신호를 이용하여 복수의 저해상 서브프레임을 생성한 후, 복수의 저해상 서브프레임을 이용하여 복수의 저해상 깊이 정보를 추출할 수 있다. 그리고 복수의 저해상 깊이 정보의 픽셀값을 재배열하여 고해상 깊이 정보를 추출할 수 있다.
여기서, 고해상이라 함은 저해상보다 높은 해상도를 나타내는 상대적인 의미이다.
여기서, 서브프레임이란 어느 하나의 노출 주기 및 참조 신호에 대응한 전기 신호로부터 생성되는 이미지 데이터를 의미할 수 있다. 예를 들어, 제1 노출 주기, 즉 하나의 영상 프레임에서 8개의 참조 신호를 통해 전기 신호가 생성되는 경우, 8개의 서브프레임이 생성될 수 있으며, 시작 프레임(start of frame)이 1개 더 생성될 수 있다. 본 명세서에서, 서브프레임은 이미지 데이터, 서브프레임 이미지 데이터 등과 혼용될 수 있다.
또는, 깊이 정보 추출에 본 발명의 실시예에 따른 SR 기법을 적용하기 위하여, 영상 처리부(140)는 이미지 센서(130)로부터 수신한 전기신호를 이용하여 복수의 저해상 서브프레임을 생성한 후, 복수의 저해상 서브프레임의 픽셀값을 재배열하여 복수의 고해상 서브프레임을 생성할 수 있다. 그리고, 고해상 서브프레임을 이용하여 고해상 깊이 정보를 추출할 수 있다.
이를 위하여, 픽셀 쉬프트(pixel shift) 기술을 이용할 수 있다. 즉, 픽셀 쉬프트 기술을 이용하여 서브프레임 별로 서브픽셀만큼 쉬프트된 여러 장의 이미지 데이터를 획득한 후, 서브프레임 별로 SR 기법을 적용하여 복수의 고해상 서브프레임 이미지 데이터를 획득하며, 이들을 이용하여 고해상의 깊이 이미지를 추출할 수 있다.
한편, 본 발명의 실시예에 따른 카메라 장치(100)가 고품질의 영상 촬영이 필요한 애플리케이션에 적용되는 경우, 예를 들어 생체 인증 등과 같은 정밀한 영상이 요구되는 애플리케이션에 적용되는 경우나 사용자가 한 손만을 이용하여 카메라 장치(100)를 조작하고 촬영해야 하는 애플리케이션에 적용되는 경우, 손떨림에 의한 영상의 흔들림을 방지하거나 보정하는 기술도 필요하다. 영상의 흔들림을 방지하거나 보정하는 기술을 OIS(Optical Image Stabilizer) 기법이라 지칭할 수 있으며, OIS 기법에서는 광축을 Z축이라 할 때 광축과 수직하는 X 축 및 Y 축의 방향으로 카메라 장치(100) 내 구조물, 예를 들어 렌즈 등을 이동시키는 방법을 이용하여 영상의 흔들림을 방지하거나 보정할 수 있다.
카메라 장치(100)가 SR 기능 및 OIS 기능을 가지기 위하여, 본 발명의 실시예에 따른 카메라 장치(100)는 내부의 구조물을 이동시키는 구동부를 더 포함할 수 있다.
도 8은 본 발명의 한 실시예에 따른 카메라 장치의 블록도이고, 도 9는 본 발명의 한 실시예에 따른 카메라 장치의 측면도이며, 도 10은 본 발명의 한 실시예에 따른 카메라 장치의 일부의 단면도이며, 도 11은 본 발명의 다른 실시예에 따른 카메라 장치의 일부의 단면도이다. 여기서, 설명의 편의를 위하여, 도 1 내지 7과 동일한 내용은 중복된 설명을 생략한다.
도 8을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 카메라 장치(100)는 제1 구동부(150) 및 제2 구동부(160)를 더 포함한다.
도 8 내지 11을 참조하면, 이미지 센서부(130)는 인쇄회로기판(900) 상에 배치될 수 있으며, 영상 처리부(140)는 인쇄회로기판(900) 내에서 구현될 수 있다. 송신측(Tx), 즉 광출력부(110)는 인쇄회로기판(900) 상에서 수신측(Rx)의 측면에 배치될 수 있다.
카메라 장치(100)의 수신측(Rx)의 단면도인 도 10 내지 11을 참조하면, 렌즈부(120)는 IR(InfraRed) 필터(122), IR 필터 상에 배치되는 복수 매의 고체 렌즈(124) 및 복수 매의 고체 렌즈(124) 상에 배치되거나, 복수 매의 고체 렌즈(124) 사이에 배치되는 액체 렌즈(126)를 포함한다. 액체 렌즈(126-1)가 복수 매의 고체 렌즈(124) 상에 배치되는 방식을 애드온 방식이라 하고, 액체 렌즈(126-2)가 복수 매의 고체 렌즈(124) 사이에 배치되는 방식을 애드인 방식이라 할 수 있다. 애드온 방식인 경우, 액체 렌즈(126-1)는 렌즈부(120) 외부의 셰이퍼(미도시) 등에 의하여 지지되고, 틸팅될 수 있다.
액체 렌즈(126)는 도 12에 도시된 멤브레인 방식의 액체 렌즈 또는 도 13에 도시된 Y 렌즈 방식의 액체 렌즈일 수 있으나, 이로 제한되는 것은 아니며, 인가되는 전압에 따라 그 형상이 달라지는 가변 렌즈를 의미할 수 있다. 예를 들어, 도 12에 도시된 바와 같이, 액체 렌즈(126)는 멤브레인 내에 액체가 채워진 형태일 수 있으며, 액체가 채워진 멤브레인(1000)의 가장자리를 둘러싸는 링(1002)에 인가되는 전압에 따라 액체가 채워진 멤브레인의 형상이 볼록해지거나, 평평해지거나, 오목해질 수 있다. 다른 예로, 도 13에 도시된 바와 같이, 액체 렌즈(126)는 서로 다른 성질을 가지는 두 가지 종류의 액체(예, 전도성 액체 및 비전도성 액체)를 포함할 수 있으며, 두 가지 종류의 액체 사이에는 계면(1100)이 형성될 수 있고, 인가되는 전압에 따라 계면의 굴곡, 경사도 등이 변화될 수 있다.
복수의 고체 렌즈(124) 및 액체 렌즈(126)는 중심축을 기준으로 정렬하여 광학계를 형성할 수 있다. 여기서, 중심축은 광학계의 광축(Optical axis)과 동일할 수 있으며, 본 명세서에서 Z 축이라 지칭할 수 있다.
렌즈부(120)는 렌즈 배럴(128)을 더 포함할 수 있으며, 렌즈 배럴(128)의 내부에는 렌즈의 적어도 일부를 수용할 수 있는 공간이 마련될 수 있다. 렌즈 배럴(128)은 하나 또는 복수의 렌즈와 회전 결합될 수 있으나, 이는 예시적인 것이며, 접착제(예를 들어, 에폭시(epoxy) 등의 접착용 수지)를 이용한 방식 등 다른 방식으로 결합될 수 있다.
렌즈 홀더(미도시)는 렌즈 배럴(128)과 결합되어 렌즈 배럴(128)을 지지하고, 이미지 센서(130)가 탑재된 인쇄회로기판(미도시)에 결합될 수 있다. 렌즈 홀더(미도시)에 의하여 렌즈 배럴(126) 하부에 IR 필터(122)가 부착될 수 있는 공간이 형성될 수 있다. 렌즈 홀더의 내주면에는 나선형 패턴이 형성될 수 있고, 이와 마찬가지로 외주면에 나선형 패턴이 형성된 렌즈 배럴(128)과 회전 결합할 수 있다. 그러나, 이는 예시적인 것이며, 렌즈 홀더와 렌즈 배럴(128)은 접착제를 통해 결합되거나, 렌즈 홀더와 렌즈 배럴(128)이 일체형으로 형성될 수도 있다.
다만, 이러한 예시는 일 실시예에 불과하며, 렌즈부(120)의 렌즈 배럴 및 렌즈 홀더는 카메라 장치(100)로 입사되는 입력광 신호를 집광하여 이미지 센서부(130)에 전달할 수 있는 다양한 구조로 구성될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 제1 구동부(150)는 IR 필터(122) 또는 이미지 센서(130)의 이동을 제어하고, 제2 구동부(160)는 액체 렌즈(126)의 곡률을 제어한다. 여기서, 제1 구동부(150)는 IR 필터(122) 또는 이미지 센서(130)와 직접 또는 간접으로 연결되는 액추에이터(actuator)를 포함할 수 있으며, 액추에이터는 MEMS(Micro Electro Mechanical Systems), VCM(Voice Coil Motor) 및 압전 소자 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 그리고, 제2 구동부(160)는 액체 렌즈(126)와 직접 또는 간접으로 연결되며, 액체 렌즈(126)에 전압을 직접 인가하거나, 액체 렌즈(126)에 인가되는 전압을 제어함으로써 액체 렌즈(126)의 곡률을 제어할 수 있다.
제1 구동부(150) 및 제2 구동부(160) 중 하나에 의하여 입력광 신호의 광경로가 소정의 규칙에 따라 반복하여 쉬프트되고, 제1 구동부(150) 및 제2 구동부(160) 중 다른 하나에 의하여 입력광 신호의 광경로가 소정의 제어 정보에 따라 쉬프트될 수 있다.
입력광 신호의 광경로가 소정의 규칙에 따라 반복하여 쉬프트되면, 쉬프트된 광경로를 이용하여 SR 기능을 수행할 수 있다. 그리고, 입력광 신호의 광경로가 소정의 제어 정보에 따라 쉬프트되면, 쉬프트된 광경로를 이용하여 OIS 기능을 수행할 수 있다. 예를 들어, 소정의 제어 정보는 카메라 장치(100)의 움직임 정보, 자세 정보 등으로부터 추출된 OIS를 위한 제어 정보를 포함할 수 있다.
이하, 제1 구동부(150)에 의하여 SR 기능이 수행되고, 제2 구동부(160)에 의하여 OIS 기능이 수행되는 실시예를 먼저 설명하고자 한다.
전술한 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 카메라 장치(100)는 픽셀 쉬프트(pixel shift) 기술을 이용하여 SR 기법을 수행할 수 있다.
픽셀 쉬프트를 위하여, 제1 구동부(150)는 IR 필터(122) 또는 이미지 센서(130)의 기울기를 이동시킬 수 있다. 즉, 제1 구동부(150)는 IR 필터(122) 또는 이미지 센서(130)가 광축(Z축)에 대하여 수직하는 평면인 XY 평면에 대하여 소정의 기울기를 가지도록 틸팅(tilting)시킬 수 있다. 이에 따라, 제1 구동부(150)는 입력광 신호 중 적어도 하나의 광경로를 이미지 센서(130)의 서브 픽셀 단위로 변경할 수 있다. 여기서, 서브 픽셀은 0 픽셀보다 크고 1 픽셀보다 작은 단위일 수 있다.
제1 구동부(150)는 영상 프레임 별로 입력광 신호 중 적어도 하나의 광경로를 변경한다. 상기에서 설명한 바와 같이, 하나의 노출주기마다 1개의 영상 프레임이 생성될 수 있다. 따라서, 제1 구동부(150)는 하나의 노출주기가 종료되면 출력광 신호 또는 입력광 신호 중 적어도 하나의 광경로를 변경한다.
제1 구동부(150)는 이미지 센서(130)를 기준으로 서브픽셀 단위만큼 출력광 신호 또는 입력광 신호 중 적어도 하나의 광경로를 변경한다. 이때, 제1 구동부(150)는 현재 광경로를 기준으로 입력광 신호 중 적어도 하나의 광경로를 상, 하, 좌, 우 중 어느 하나의 방향으로 변경한다.
도 14는 제1 구동부에 의한 입력광 신호의 광경로 변경을 설명하기 위한 도면이다.
도 14의 (a)에서 실선으로 표시된 부분은 입력광 신호의 현재 광경로를 나타내고, 점선으로 표시된 부분은 변경된 광경로를 나타낸다. 현재 광경로에 대응하는 노출주기가 종료되면, 제1 구동부(150)는 입력광 신호의 광경로를 점선과 같이 변경할 수 있다. 그러면, 입력광 신호의 경로는 현재 광경로에서 서브픽셀만큼 이동된다. 예를 들어, 도 14의 (a)에서와 같이, 제1 구동부(150)가 현재 광경로를 0.173도 우측으로 이동시키면, 이미지 센서(130)에 입사되는 입력광 신호는 우측으로 0.5 픽셀(서브 픽셀)만큼 이동할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 제1 구동부(150)는 기준 위치에서 시계방향으로 입력광 신호의 광경로를 변경할 수 있다. 예를 들어, 도 14의 (b)에 나타난 바와 같이, 제1 구동부(150)는 제1 노출주기가 종료된 후, 제2 노출주기에 입력광 신호의 광경로를 이미지 센서(130) 기준 0.5 픽셀만큼 우측으로 이동시킨다. 그리고 제1 구동부(150)는 제3 노출주기에 입력광 신호의 광경로를 이미지 센서(130) 기준 0.5 픽셀만큼 아래측으로 이동시킨다. 그리고 제1 구동부(150)는 제4 노출주기에 입력광 신호의 광경로를 이미지 센서(130) 기준 0.5 픽셀만큼 좌측으로 이동시킨다. 그리고 제1 구동부(150)는 제5 노출주기에 입력광 신호의 광경로를 이미지 센서(130) 기준 0.5 픽셀만큼 윗측으로 이동시킨다. 즉, 4개 노출주기로 제1 구동부(150)는 입력광 신호의 광경로를 원위치로 이동시킬 수 있다. 이는 출력광 신호의 광경로를 이동시킬 때도 동일하게 적용될 수 있는바, 상세한 설명은 생략하도록 한다. 또한 광경로의 변경 패턴이 시계방향인 것은 일례에 불과하며, 반시계 방향일 수도 있다.
한편, 서브픽셀은 0픽셀보다 크고 1픽셀보다 작을 수 있다. 예를 들어, 서브픽셀은 0.5 픽셀의 크기를 가질 수 있으며, 1/3 픽셀의 크기를 가질 수도 있다. 서브픽셀의 크기는 당업자에 의해 설계변경이 가능하다.
도 15 및 도 16은 본 발명의 실시예에 따른 SR 기법을 설명하기 위한 도면이다.
도 15를 참조하면, 영상 처리부(140)는 동일한 노출 주기, 즉 동일한 프레임에서 생성된 복수의 저해상 서브프레임을 이용하여 복수의 저해상 깊이 정보를 추출할 수 있다. 그리고, 영상 처리부(140)는 복수의 저해상 깊이 정보의 픽셀값을 재배치하여 고해상 깊이 정보를 추출할 수 있다. 여기서 복수의 저해상 깊이 정보에 대응하는 출력광 신호 또는 입력광 신호의 광경로는 서로 상이할 수 있다.
예를 들어, 영상 처리부(140)는 복수의 전기신호를 이용하여 1-1 내지 4-8의 저해상 서브프레임을 생성할 수 있다. 저해상 서브프레임 1-1 내지 1-8은 제1 노출 주기에서 생성된 저해상 서브프레임이다. 저해상 서브프레임 2-1 내지 2-8은 제2 노출 주기에서 생성된 저해상 서브프레임이다. 저해상 서브프레임 3-1 내지 3-8은 제3 노출 주기에서 생성된 저해상 서브프레임이다. 저해상 서브프레임 4-1 내지 4-8은 제4 노출 주기에서 생성된 저해상 서브프레임이다. 그러면, 영상 처리부(140)는 각 노출 주기에서 생성된 복수의 저해상 서브프레임에 깊이 정보 추출 기법을 적용하여 저해상 깊이 정보 LRD-1 내지 LRD-4를 추출한다. 저해상 깊이 정보 LRD-1은 서브프레임 1-1 내지 1-8을 이용하여 추출된 저해상 깊이 정보이다. 저해상 깊이 정보 LRD-2는 서브프레임 2-1 내지 2-8을 이용하여 추출된 저해상 깊이 정보이다. 저해상 깊이 정보 LRD-3은 서브프레임 3-1 내지 3-8을 이용하여 추출된 저해상 깊이 정보이다. 저해상 깊이 정보 LRD-4은 서브프레임 4-1 내지 4-8을 이용하여 추출된 저해상 깊이 정보이다. 그리고, 영상 처리부(140)는 저해상 깊이 정보 LRD-1 내지 LRD-4의 픽셀값을 재배치하여 고해상 깊이 정보 HRD을 추출한다.
또는, 전술한 바와 같이, 영상 처리부(140)는 동일한 참조 신호에 대응하는 복수의 서브프레임의 픽셀값을 재배치하여 고해상 서브프레임을 생성할 수 있다. 이때, 복수의 서브프레임은 대응하는 출력광 신호 또는 입력광 신호의 광경로가 상이하다. 그리고, 영상 처리부(140)는 복수의 고해상 서브프레임을 이용하여 고해상 깊이 정보를 추출할 수 있다.
예를 들어, 도 16에서, 영상 제어부(150)는 복수의 전기신호를 이용하여 1-1 내지 4-8의 저해상 서브프레임을 생성한다. 저해상 서브프레임 1-1 내지 1-8은 제1 노출 주기에서 생성된 저해상 서브프레임이다. 저해상 서브프레임 2-1 내지 2-8은 제2 노출 주기에서 생성된 저해상 서브프레임이다. 저해상 서브프레임 3-1 내지 3-8은 제3 노출 주기에서 생성된 저해상 서브프레임이다. 저해상 서브프레임 4-1 내지 4-8은 제4 노출 주기에서 생성된 저해상 서브프레임이다. 여기서, 저해상 서브프레임 1-1, 2-1, 3-1, 4-1는 동일한 참조 신호 C1에 대응하되, 서로 다른 광경로에 대응한다. 그러면, 영상 처리부(140)는 저해상 서브프레임 1-1, 2-1, 3-1, 4-1의 픽셀값을 재배치하여 고해상 서브프레임 H-1을 생성할 수 있다. 픽셀값 재배치를 통해, 고해상 서브프레임 H-1 내지 H-8이 생성되면, 영상 제어부는 고해상 서브프레임 H-1 내지 H-8에 깊이 정보 추출 기법을 적용하여 고해상 깊이 정보 HRD를 추출할 수 있다.
도 17은 본 발명의 실시예에 따른 픽셀값 배치 과정을 설명하기 위한 도면이다.
여기서, 4개의 4x4 크기의 저해상 영상을 이용하여 1개의 8x8 크기의 고해상 영상을 생성하는 것을 가정한다. 이때, 고해상 픽셀 그리드는 8x8의 픽셀을 가지며, 이는 고해상 영상의 픽셀과 동일하다. 여기서 저해상 영상은 저해상 서브프레임 및 저해상 깊이 정보를 포함하는 의미일 수 있고, 고해상 영상은 고해상 서브프레임 및 고해상 깊이 정보를 포함하는 의미일 수 있다.
도 17에서 제1 내지 4 저해상 영상은 0.5 픽셀 크기의 서브 픽셀 단위로 광경로가 이동되어 촬영된 영상이다. 영상 처리부(140)는 광경로가 이동하지 않은 제1 저해상 영상을 기준으로 광경로가 이동한 방향에 따라 제2 내지 4 저해상 영상의 픽셀값을 고해상 영상에 맞게 배치한다.
구체적으로 제2 저해상 영상은 제1 저해상 영상으로부터 서브픽셀만큼 우측으로 이동한 영상이다. 그러므로, 제1 저해상 영상의 각 픽셀(A) 우측에 위치한 픽셀에는 제2 저해상 영상의 픽셀(B)이 배치된다.
제3 저해상 영상은 제2 저해상 영상으로부터 서브픽셀만큼 아래측으로 이동한 영상이다. 그러므로, 제2 저해상 영상의 각 픽셀(B) 아래에 위치한 픽셀에는 제3 저해상 영상의 픽셀(C)이 배치된다.
제4 저해상 영상은 제3 저해상 영으로부터 서브픽셀만큼 좌측으로 이동한 영상이다. 그러므로, 제3 저해상 영상의 픽셀(C) 좌측에 위치한 픽셀에는 제4 저해상 영상의 픽셀(D)이 배치된다.
고해상 픽셀 그리드에 제1 내지 제4 저해상 영상의 픽셀값이 모두 재배치되면, 저해상 영상보다 해상도가 4배 증가한 고해상 영상 프레임이 생성된다.
한편, 영상 처리부(140)는 배치되는 픽셀값에 가중치를 적용할 수 있다. 이때, 가중치는 서브픽셀의 크기나 광경로의 이동 방향에 따라 다르게 설정될 수 있으며, 각 저해상 영상 별로 다르게 설정될 수 있다.
한 실시예에 따르면, 제1 구동부(150)는 IR 필터 또는 이미지 센서의 기울기를 제어하는 방법으로 입력광 신호를 쉬프트시키며, 이에 따라 서브픽셀만큼 쉬프트된 데이터를 얻을 수 있다.
도 18 내지 도 19는 IR 필터의 기울기 제어에 따라 이미지 센서 상에 입력되는 영상 프레임이 쉬프트되는 효과를 설명하기 위한 도면이다. 도 19는 IR 필터의 두께가 0.21mm이고, IR의 굴절율이 1.5인 조건에서 틸팅 각도에 대한 쉬프트 거리를 시뮬레이션한 결과이다.
도 18 및 하기 수학식 8을 참조하면, IR 필터(122)의 기울기(θ1)와 쉬프트 거리는 다음의 관계를 가질 수 있다.
Figure PCTKR2019012548-appb-M000008
여기서, θ2는 수학식 9와 같이 나타낼 수 있다.
Figure PCTKR2019012548-appb-M000009
그리고, θ1는 IR 필터(122)의 기울기, 즉 틸팅 각도이고, ng는 IR 필터(122)의 굴절율이며, d는 IR 필터(122)의 두께이다. 예를 들어, 수학식 8 내지 9를 참조하면, 이미지 센서 상에 입력되는 영상 프레임을 7㎛만큼 쉬프트시키기 위하여 IR 필터(122)는 약 5 내지 6°만큼 틸팅될 수 있다. 이때, IR 필터(122)의 수직 변위는 약 175 내지 210㎛가 될 수 있다.
본 발명의 실시예에서, 제1 구동부(150)는 입력광 신호의 광경로를 소정의 규칙에 따라 반복하여 쉬프트시킬 수 있다. 예를 들어, 제1 구동부(150)는 소정의 규칙에 따라 입력광 신호의 광경로가 제1 주기 동안 제1 방향으로 이미지 센서부(130)의 0 픽셀보다 크고 1 픽셀보다 작은 서브픽셀 단위로 쉬프트시킨 후, 제2 주기 동안 제1 방향에 대하여 수직인 제2 방향으로 서브픽셀 단위로 쉬프트시키고, 다시 제3 주기 동안 제2 방향에 대하여 수직인 제3 방향으로 서브픽셀 단위로 쉬프트시킨 후 제4 주기 동안 제3 방향에 대하여 수직인 제4 방향으로 서브픽셀 단위로 쉬프트시키는 과정을 반복할 수 있다. 본 명세서에서, 서브픽셀은 0 픽셀보다 크고 1 픽셀보다 작은 단위를 의미할 수 있다. 본 명세서에서 제1 주기, 제2 주기, 제3 주기 및 제4 주기 각각 동안 제1 방향, 제2 방향, 제3 방향 및 제4 방향 각각으로 쉬프트된 정도를 서브픽셀 쉬프트 값 또는 쉬프트 값으로 표현할 수 있다. 예를 들어, 하나의 픽셀이 2*2의 4개의 서브픽셀을 포함하고, 하나의 서브픽셀 단위로 쉬프트되는 경우, 쉬프트 값은 1 서브픽셀 또는 0.5 픽셀 등으로 표현될 수 있다.
본 발명의 실시예에서, 영상 처리부(140)는 제1 주기 동안 추출된 데이터로부터 얻어진 제1 영상, 제2 주기 동안 추출된 데이터로부터 얻어진 제2 영상, 제3 주기 동안 추출된 데이터로부터 얻어진 제3 영상 및 제4 주기 동안 추출된 데이터로부터 얻어진 제4 영상 슈퍼레졸루션 기법으로 정합하여 하나의 깊이 정보를 얻을 수 있다. 여기서, 제1 주기, 제2 주기, 제3 주기 및 제4 주기는 제1 노출 주기, 제2 노출 주기, 제3 노출 주기 및 제4 노출 주기와 혼용될 수 있고, 제1 영상, 제2 영상, 제3 영상 및 제4 영상 각각은 전술한 저해상 서브프레임, 저해상 영상 등과 혼용될 수 있다.
이를 위하여, 제1 구동부(150)는 IR 필터(122) 또는 이미지 센서(130)가 광축(Z)에 수직인 평면(XY 평면)에 대하여 소정 각도로 규칙적으로 기울어지도록 제어할 수 있다.
다시 도 8 내지 도 13을 참조하면, 제2 구동부(160)는 OIS(Optical Image Stabilization)를 위한 제어 정보를 이용하여 액체 렌즈(126)의 곡률을 제어할 수 있다. 예를 들어, 카메라 장치(100)의 흔들림이 있는 경우, 입사광 신호의 광경로는 광축에 대하여 틀어질 수 있다. 이때, 카메라 장치(100)는 내부에 탑재된 각종 센서(미도시)에 의하여 카메라 장치(100)의 움직임 정보 또는 자세 정보를 감지할 수 있으며, 감지된 움직임 정보 또는 자세 정보를 이용하여 OIS를 위한 제어 정보를 추출할 수 있다. 그리고, 제2 구동부(160)는 OIS를 위한 제어 정보를 이용하여 액체 렌즈(126)의 곡률을 제어할 수 있으며, 이에 따라 입사광 신호의 광경로가 광축에 대하여 평행이 되도록 쉬프트될 수 있다. 예를 들어, 도 13에 도시된 바와 같이, 액체 렌즈(126)의 계면(1100)은 OIS를 위하여 왼쪽으로 틸트되거나, 오른쪽으로 틸트될 수 있다.
이와 같이, 제1 구동부(150)가 SR 기능을 위하여 동작하고 제2 구동부(160)가 OIS 기능을 위하여 동작하는 경우, 제1 구동부(150)는 미리 설정된 소정의 규칙에 따라 자동으로 구동될 수 있으며, 제2 구동부(160)는 피드백 정보 또는 제어 정보에 따라 구동될 수 있다.
한편, 본 발명의 다른 실시예로, 제1 구동부(150)는 OIS 기능을 위하여 동작하고, 제2 구동부(160)는 SR 기능을 위하여 동작할 수도 있다.
즉, 제1 구동부(150)는 카메라 장치(100)의 움직임 정보 또는 자세 정보로부터 추출된 OIS를 위한 제어 정보에 따라 구동될 수 있으며, 이에 따라 IR 필터(122) 또는 이미지 센서(130)를 광축(Z축)에 대하여 수직인 방향, 즉 X 축 방향 및 Y 축 방향으로 이동하도록 제어할 수 있다. 그리고, 제2 구동부(160)는 액체 렌즈(126)의 계면의 형상 또는 곡률이 소정의 규칙에 따라 변경되도록 제어할 수 있다.
이와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 카메라 장치는 SR 기능과 OIS 기능을 동시에 수행할 수 있으므로, 높은 해상도 및 고품질의 깊이 정보를 얻을 수 있다. 특히, SR 기능과 OIS 기능이 별도의 구동부에 의하여 수행되므로, SR 기능과 OIS 기능 각각이 보다 정밀하게 수행될 수 있다.
한편, 본 발명의 실시예에 따른 카메라 장치(100)는 AF(Autofocusing) 기능을 더 수행할 수도 있다. 이를 위하여, 제2 구동부(160)는 AF를 위한 제어 정보에 따라 입력광 신호의 광 경로를 더 쉬프트시킬 수 있다. 예를 들어, 제2 구동부(160)는 AF를 위한 제어 정보에 따라 액체 렌즈(126)의 계면이 Z 축 방향으로 볼록해지거나, 오목해지도록 제어할 수 있다. AF를 위한 기능은 SR 기능 또는 OIS 기능과 함께 수행될 수도 있다. 예를 들어, 제2 구동부(160)가 SR 기능을 수행하는 경우, 제2 구동부(160)는 액체 렌즈(126)의 계면이 미리 정해진 규칙에 따라 자동으로 변경되도록 제어함과 동시에, AF를 위한 제어 정보에 따라 Z축 방향의 앞 또는 뒤로 더 이동하도록 제어할 수 있다. 또한, 제2 구동부(160)가 OIS 기능을 수행하는 경우, 제2 구동부(160)는 액체 렌즈(126)의 계면이 OIS를 위한 제어 정보에 따라 X축 및 Y 축 방향을 따라 틸트되도록 제어함과 동시에, AF를 위한 제어 정보에 따라 Z축 방향의 앞 또는 뒤로 더 이동하도록 제어할 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.
[부호의 설명]
100: 카메라 장치 110: 광출력부
120: 렌즈부 130: 이미지 센서부
140: 영상 처리부

Claims (10)

  1. 객체에 조사되는 출력광 신호를 출력하는 광출력부;
    상기 객체로부터 반사된 입력광 신호를 집광하는 렌즈부;
    상기 렌즈부에 의하여 집광된 상기 입력광 신호로부터 전기 신호를 생성하는 이미지 센서; 및
    상기 출력광 신호 및 상기 이미지 센서에 수신된 상기 입력광 신호 간 시간 차 및 위상 차 중 적어도 하나를 이용하여 상기 객체의 깊이 정보를 추출하는 영상 처리부;를 포함하고,
    상기 렌즈부는,
    IR(InfraRed) 필터;
    상기 IR 필터 상에 배치되는 복수 매의 고체 렌즈; 및
    상기 복수 매의 고체 렌즈 상에 배치되거나, 상기 복수 매의 고체 렌즈 사이에 배치되는 액체 렌즈;를 포함하고,
    상기 IR 필터 또는 상기 이미지 센서의 이동을 제어하는 제1 구동부; 및
    상기 액체 렌즈의 곡률을 제어하는 제2 구동부;를 더 포함하고,
    상기 제1 구동부 및 상기 제2 구동부 중 하나에 의하여 상기 입력광 신호의 광경로가 소정의 규칙에 따라 반복하여 쉬프트되고,
    상기 제1 구동부 및 상기 제2 구동부 중 다른 하나에 의하여 상기 입력광 신호의 광경로가 소정의 제어 정보에 따라 쉬프트되는 카메라 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 소정의 규칙에 따르면,
    상기 입력광 신호의 광경로가 제1 주기 동안 제1 방향으로 상기 이미지 센서의 0 픽셀보다 크고 1 픽셀보다 작은 서브 픽셀 단위로 쉬프트되고, 제2 주기 동안 상기 제1 방향에 대하여 수직인 제2 방향으로 상기 서브 픽셀 단위로 쉬프트되고, 제3 주기 동안 상기 제2 방향에 대하여 수직인 제3 방향으로 상기 서브 픽셀 단위로 쉬프트되고, 제4 주기 동안 상기 제3 방향에 대하여 수직인 제4 방향으로 상기 서브 픽셀 단위로 쉬프트되고,
    상기 소정의 제어 정보는 OIS(Optical Image Stabilization)를 위한 제어 정보를 포함하는 카메라 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 제2 구동부에 의하여 상기 입력광 신호의 광 경로가 AF(autofocusing)를 위한 제어 정보에 따라 더 쉬프트되는 카메라 장치.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 OIS를 위한 제어 정보는 상기 카메라 장치의 움직임 정보 및 자세 정보 중 적어도 하나로부터 추출되는 카메라 장치.
  5. 제2항에 있어서,
    상기 제1 구동부에 의하여 상기 입력광 신호의 광 경로가 상기 소정의 규칙에 따라 쉬프트되고,
    상기 제2 구동부에 의하여 상기 입력광 신호의 광 경로가 상기 OIS를 위한 제어 정보에 따라 쉬프트되는 카메라 장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 제1 구동부는 상기 IR 필터 또는 상기 이미지 센서가 광축에 대하여 수직인 평면에 대하여 소정 각도로 규칙적으로 기울어지도록 제어하는 카메라 장치.
  7. 제2항에 있어서,
    상기 제1 구동부에 의하여 상기 입력광 신호의 광 경로가 상기 OIS를 위한 제어 정보에 따라 쉬프트되고,
    상기 제2 구동부에 의하여 상기 입력광 신호의 광 경로가 상기 소정의 규칙에 따라 쉬프트되는 카메라 장치.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 제1 구동부는 상기 IR 필터 또는 상기 이미지 센서가 광축에 대하여 수직인 방향으로 이동하도록 제어하는 카메라 장치.
  9. 카메라 장치의 영상 처리 방법에 있어서,
    출력광 신호를 출력하여 객체에 조사하는 단계,
    상기 객체로부터 반사된 후 렌즈부에 의해 집광되어 이미지 센서에 도달하는 입력광 신호의 광경로를 쉬프트시키는 단계, 그리고
    상기 출력광 신호 및 상기 이미지 센서에 수신된 상기 입력광 신호 간 시간 차 및 위상 차 중 적어도 하나를 이용하여 상기 객체의 깊이 정보를 추출하는 단계를 포함하고,
    상기 쉬프트시키는 단계는,
    상기 입력광 신호의 광경로를 소정의 규칙에 따라 반복하여 쉬프트시키는 단계, 그리고
    상기 입력광 신호의 광경로를 소정의 제어 정보에 따라 쉬프트시키는 단계를 포함하는 영상 처리 방법.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 소정의 제어 정보는 상기 카메라 장치의 움직임 정보 및 자세 정보 중 적어도 하나로부터 추출되는 OIS(Optical Image Stabilization)를 위한 제어 정보를 포함하는 영상 처리 방법.
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