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KR101746499B1 - 다이내믹 레인지 삼차원 영상 시스템 - Google Patents

다이내믹 레인지 삼차원 영상 시스템 Download PDF

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KR101746499B1
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Abstract

본 발명에 의하면, 광증폭 이득을 제어할 수 있는 이득 제어 터미널을 구비한 광 검출기, 광 검출기의 출력을 수신하여 영상(image)을 구성하기 위한 픽셀 신호를 검출하기 위한 픽셀 검출 모듈, 픽셀 검출 모듈에서 검출한 픽셀 신호에 기초하여 픽셀 신호의 포화 정도를 나타내는 신호를 생성하고 픽셀 신호를 결합하여 다이내믹 레인지 영상을 얻기 위한 HDR(High Dynamic Range) 발생 모듈, 및 픽셀 신호의 포화 정도를 나타내는 신호의 크기에 기초하여 광 검출기의 이득 제어 터미널에 필요 전압을 공급하기 위한 출력 신호를 발생시키는 이득 제어 신호 발생 모듈을 포함하는 다이내믹 레인지 삼차원 영상 시스템이 제공된다.

Description

다이내믹 레인지 삼차원 영상 시스템 {System of Dynamic Range Three-dimensional Image}
본 발명은 삼차원 이미지 및 영상을 얻기 위한 전자 장치에 관한 것이다. 더욱 구체적으로, 본 발명은 광증폭 기능이 있는 검출기를 이용하여 높은 다이내믹 레인지를 가진 삼차원 이미지 및 영상을 획득하는 방법 및 시스템에 관한 것이다.
삼차원 이미지 및 영상은 삼차원 디스플레이 TV 등과 같은 사용 제품뿐만 아니라, 멀리 있는 군사 목표물에 대한 삼차원 영상확보, 산사태 등 자연 환경을 감시하기 위한 삼차원 영상 확보, 무인 자율 주행 차량의 운행에 필요한 다양한 차량 주변의 삼차원 환경을 확보하기 위해 점차 용도 및 중요성이 커지고 있다.
종래에는 열악한 품질의 삼차원 영상으로도 일부 영역에서 그 역할을 할 수 있었지만, 최근 들어 응용 영역이 확대됨에 따라 다양한 환경에서도 우수한 품질의 삼차원 영상을 얻는 것이 중요해지고 있다.
삼차원 영상을 얻기 위한 방법은 다양한 방식으로 구현될 수 있는데, 변조된 광신호의 반사파를 얻는 방식이 아닌, 광의 반사파의 지연 시간(time of flight)을 측정함으로써 얻을 수 있는 방식이 많이 사용되고 있다. 상기 방식은 측정 가능한 범위를 매우 넓게 설정할 수 있고, 펄스의 인식이 간단한 특징이 있다. 또 다른 방식으로는 광 신호를 송신할 때 변조시켜서 되돌아 오는 신호와 그 시간에 출력되는 신호의 특성 차이를 이용하여 반사정보를 얻는 방식이 있다. 이 방식은 광의 반사파의 지연 시간(time of flight) 방식에 비하여 시스템 구조가 복잡해지고, 변조 특성에 따라 측정거리의 제한이 따르지만, 보다 높은 SNR 특성을 가질 수 있어 일부분 이용되고 있다.
이외에도 다양한 삼차원 영상 획득 방법이 있지만, 공통적인 문제점은 영상의 다이내믹 레인지를 확보하는 것이 용이하지 않다는 것이다. 이미지에서는 다이내믹 레인지, 즉 제일 밝은 곳과 어두운 곳의 광 세기 차이(optical intensity difference)를 최대로 하지 않을 경우, 밝은 곳은 너무 밝아서 물체를 분간하기 어렵고, 어두운 곳은 너무 어두워서 물체를 분간하기 어렵게 된다. 삼차원 영상의 경우, 이와 같이 충분한 다이내믹 레인지를 얻지 못한 영역은 단순한 영상 손실 또는 해당 부분의 SNR 감소만 발생하는 것이 아니라, 확보해야 될 삼차원 영상의 형태를 잃어버리는 문제점이 있다.
특히, 삼차원 영상이 필요한 곳은 어두운 곳뿐만 아니라, 태양과 같이 밝은 배경의 광신호가 있는 경우도 포함하고 있고, 반사체의 광 반사율도 대상 물체의 종류와 반사 각도에 따라 매우 다양하게 변경될 수 있으므로, 높은 다이내믹 레인지 수신 구조는 이러한 환경에서 매우 필수적인 요소라고 말할 수 있다.
기존의 일반 영상의 경우 다이내믹 레인지를 높이기 위해 소자의 특성 개선 이외에도 광 신호를 모으는 수광 시간에 해당하는 적분 시간(Integration Time), 또는 조리개 시간 등을 조정하여 다양한 노출조건에서 영상을 얻을 수 있으며, 이를 이용하여 높은 다이내믹 영상을 확보할 수 있다.
즉, 광 검출 시간에 구애받지 않고, 비교적 동일한 세기(intensity)로 픽셀에 들어오는 광신호를 우수한 감광 능력이 있는 검출 소자를 이용하여 다양한 조건(조리개 시간, 검출소자의 구동시간 및 방법)등을 변경하면서 높은 다이내믹 레인지 영상을 얻을 수 있는 것이다.
그러나, 삼차원 영상의 경우, 높은 거리 분해능을 얻기 위하여 매우 짧은 광신호, 즉 1~10 nsec 수준의 펄스폭을 가진 광신호를 이용하여 반사파를 검출해야 되고, 검출시간도 이 시간만큼 짧은 시간에 이루어져야 하기 때문에, 기존의 일반 영상에서 사용하던 적분 시간을 길게 하거나 소자의 구동 시간을 변경하는 방식으로는 문제 해결을 할 수 없다.
따라서, 단순한 적분 시간 변경을 통한 다이내믹 레인지 증가가 불가능한 상황에서 삼차원 이미지 또는 영상에 대한 다이내믹 레인지 증가방법이 필요한데, 종래 기술에 따르면 아발란치 포토다이오드(APD, Avalanche PhotoDiode) 등의 광 검출기 뒷단에서 발생하는 신호 포화(Signal Saturation)를 막기 위해 TIA(Trans-Impedance Amplifier)와 같은 증폭기의 이득을 조절할 수 있도록 AGC(Automatic Gain Control) 회로를 배치하는 방법이 존재한다.
본 발명은 상기의 문제점을 해결하기 위해 창안된 것으로서, 삼차원 영상을 얻을 때 보다 높은 다이내믹 레인지를 확보하기 위한 시스템과 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 종래 기술의 소극적인 신호 포화(signal saturation) 방지 방법이 아닌, 삼차원 이미지 또는 영상의 다이내믹 레인지 개선을 달성하기 위해 광검출기 다음 단에서 이득을 조절하는 방식이 아닌 광검출기 단에서 이득을 조절하는 방식을 적용하여 상기의 문제점을 해결하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 반사율이 높은 물질, 태양광, 반사 각도 등에 상관없는 높은 다이내믹 레인지 이미지 또는 영상을 얻고, 이로 인하여 보다 빠르고 안정적으로 목표물에 대한 삼차원 영상을 얻을 수 있는 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.
이를 위하여, 본 발명의 일 측면에 따르면, 본 발명에 따른 다이내믹 레인지 삼차원 영상 시스템은 광증폭 이득을 제어할 수 있는 이득 제어 터미널을 구비한 광 검출기, 광 검출기의 출력을 수신하여 영상(image)을 구성하기 위한 픽셀 신호를 검출하기 위한 픽셀 검출 모듈, 픽셀 검출 모듈에서 검출한 픽셀 신호에 기초하여 픽셀 신호의 포화 정도를 나타내는 신호를 생성하고 픽셀 신호를 결합하여 다이내믹 레인지 영상을 얻기 위한 HDR(High Dynamic Range) 발생 모듈, 및 픽셀 신호의 포화 정도를 나타내는 신호의 크기에 기초하여 광 검출기의 이득 제어 터미널에 필요 전압을 공급하기 위한 출력 신호를 발생시키는 이득 제어 신호 발생 모듈을 포함한다.
본 발명에 따르면, 다양한 환경과 조건에서도 보다 고품질의 삼차원 영상을 얻을 수 있는 효과가 있다.
특히, 야외의 밝은 태양이 있는 조건과 다양한 반사체의 재질, 또는 반사체의 반사각도 등에 대하여도 안정적으로 삼차원 영상 획득이 가능하며, 더불어 삼차원 영상으로 물체 인식 알고리즘을 적용할 경우, 목표물에 대한 안정적이면서 빠른 인식을 제공할 수 있는 효과가 있다.
나아가 보행자 등의 안전을 담보로 하고 있는 무인 자율 차량의 경우에도 금속면, 유리, 거울 등의 다양한 반사체에 의하여 삼차원 영상의 획득에 제한이 발생할 수 있으나, 본 발명의 기술을 적용할 경우보다 안정적인 삼차원 영상을 확보할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 광 신호의 반사시간을 활용한 삼차원 이미지 및 영상을 얻는 시스템의 구성을 개략적으로 도시한 블록도.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 삼차원 이미지 및 영상을 얻는 시스템의 수신 모듈을 나타낸 구조도.
도 3은 APD의 전압-전류 파형 및 이득 특성을 나타낸 도면.
도 4a는 본 발명의 일 실시예에 따른 광대역 다이내믹 레인지 삼차원 이미지 및 영상 시스템의 구조를 개략적으로 도시한 블록도.
도 4b은 도 2의 실시예에서 여러 장의 서로 다른 조건의 광증폭율을 가진 광 검출기를 이용해 이미지를 형성하기 위한 타이밍도.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 둘 이상의 검출픽셀을 가진 시스템에서 높은 다이내믹 레인지 이미지 및 영상을 보여주기 위한 실시예를 도시한 도면.
도 6는 본 발명의 일 실시예에 따른 8x8 어레이 구조의 검출픽셀의 구조에서 높은 다이내믹 레인지 이미지 및 영상을 보여주기 위한 실시예를 도시한 도면.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 실시 예를 상세하게 설명한다. 본 발명의 구성 및 그에 따른 작용 효과는 이하의 상세한 설명을 통해 명확하게 이해될 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 광 신호의 반사시간을 활용한 삼차원 이미지 및 영상을 얻는 시스템의 구성을 개략적으로 도시한 블록도이다.
도 1에서는 삼차원 영상을 얻는 과정을 설명하기 위해 광반사 신호를 기준으로 도시하였으나, 광변조 방식의 삼차원 영상에도 시스템 구성이 동일하게 적용될 수 있다.
우선 거리를 측정하기 위한 펄스레이저(110)에서 나온 레이저는 송광 광학계(120)를 거쳐서 출력된다. 그리고 송광 광학계(120)에서 나온 빛은 원하는 영역에 조사되기 위하여 광학 스캐너(130)를 통해 목적한 영역으로 조사된다. 이 때 사용되는 광학 스캐너(130)로서 스텝핑 모터(Stepping motor), 브러쉬리스 DC 모터(brushless DC motor), 회전 미러(rotating mirror), 갈바노 미러(Galvano mirror) 등이 사용될 수 있다. 송광 광학계(120)와 광학 스캐너(130)은 하나의 형태로 구현될 수도 있으며, 송광 광학계(120)와 광학 스캐너(130) 간의 순서가 바뀌어 구현될 수도 있다. 광학 스캐너(130)를 통하여 원하는 특정 영역으로 조사된 레이저 빛은 목표물(140)에 반사되어 되돌아 온다. 도 1에서는 송광 레이저의 광로와 수광 레이저의 광로가 다르게 표현되어 있는데, 이를 듀얼 축(dual axis) 구조라고 한다. 이와 다르게, 송광 레이저의 광로와 수광 레이저의 광로가 같은 경우(도시하지 않음)도 가능하며, 이와 같은 구조를 싱글-축(Single-axis) 또는 단축(Uni-axial) 구조라고 한다.
목표물(140)에서 반사되어 돌아온 레이저 빛은 다른 노이즈 광을 차단하기 위한 광필터(150)를 통과하도록 하고, 이후 초점을 맺기 위한 수광 렌즈(155)를 통과하여 수신 모듈(170)에 도달하게 된다. 여기에서 광필터(150)와 수광 렌즈(155)는 서로 순서가 바뀌어도 무방하다.
수신 모듈(170)은 모듈의 온도를 제어하기 위한 온도 제어 모듈(180)를 구비할 수 있고, 발생된 데이타의 출력을 위해서 인터페이스 보드(175)를 구비할 수 있다. 인터페이스 보드(175)는 USB, 기가비트 이더넷(Gigabit Ethernet) 등 다양한 통신 프로토콜을 이용하여 연결 케이블(195)를 통해서 데이터를 분석 장치(190)로 전송할 수 있다. 분석 장치(190)는 수신된 데이터를 프로세싱하고 디스플레이하여 최종 삼차원 영상을 얻을 수 있다. 수신 모듈(170)에 대한 구체적인 구조는 이하에서 도 2를 참조하여 상세히 설명한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 도 1의 수신 모듈(170)을 보다 상세하게 나타내기 위한 구조도이다.
수신 모듈(170)은 입사되는 빛을 검출할 수 있는 패키지 모듈(220)과 이 모듈의 일부분 또는 전체의 온도를 제어하기 위해 하부에 온도 제어 모듈(180)을 포함할 수 있다. 패키지 모듈(220)의 경우 온도가 낮아짐에 따라서 내부의 수분 등이 검출 성능의 저하를 가져올 수 있으므로 밀폐형(Hermatic) 패키지로 구현될 수 있다. 온도 제어 모듈(180)은 자체적으로 발생하는 열을 분산하기 위한 히트 싱크(heat-sink)를 포함할 수 있다.
수신 모듈(170)의 상단 부분은 패키지용 유리막(222)를 구비할 수 있고, 이 부분을 통과해서 들어온 빛은 마이크로 렌즈(210)를 통과하여 광 검출기 셀(212)에 들어온다. 광 검출기(212)는 어레이(array) 형태로 구성될 수 있으며, 이득 제어 터미널은 적어도 하나의 그룹으로 묶여서 구성될 수 있다. 일반적으로 광 검출기 셀(212)은 어레이 형태로 구현이 되므로, 각각의 광 검출기 셀(212)은 고유의 출력 노드가 있고, 이 노드를 프로세싱하기 위한 ROIC(Readout IC)(216)에 연결하기 위해 별도의 패키지 구조인 범프(bump) 기술을 활용하여 플립칩 연결 패드(214)를 구비할 수 있다. 이와 같은 구조를 통해 광 검출기 셀(212)에서 검출한 광신호는 ROIC(216)를 통해서 원하는 형태로 프로세싱되고, 이 처리 결과는 수신 모듈(170)의 외부핀(230)에 연결되기 위해서 와이어 본딩(224)을 통해서 연결되는 구조를 가지고 있다.
도 2에서 제시된 수신 모듈(170)의 구조는 하나의 실시예일뿐 다양하게 변형된 형태로 구현될 수도 있다. 본 발명은 이 수신 모듈(170) 내부에 있는 광 검출기 셀(212)의 구동을 ROIC(216)의 결과에 따라서 변경함으로써 최종적으로 수신 모듈(170)에서 얻을 수 있는 이미지 또는 영상의 다이내믹 레인지를 최대화할 수 있다.
보다 설명을 용이하기 위해 광증폭 이득을 제어할 수 있는 이득 제어 터미널을 구비한 광 검출기의 일 실시예로 APD(Avalanche Photodiode)를 이용하는 경우를 도 3에 도시한다.
도 3은 APD의 전압-전류 파형 및 이득 특성을 나타낸 도면이다.
도 3은 빛이 조사되는 조건에서 측정한 포토 전류(310)와 완전히 어두운 조건에서 측정하는 암전류(320)에 대한 그래프를 표시한다. 그래프 각각의 X축과 Y축은 각각 역방향으로 가해지는 전압과 그 때 흐르는 전류를 나타낸다.
도시된 바와 같이, 펀치-스루(punch-through) 전압(Vp)보다 큰 전압이 걸리는 경우, 빛이 조사되는 조건에서 측정한 포토 전류(310)의 조건에는 펀치-스루(Punch-through) 전류가 흐르게 되고, 빛이 완전히 없는 암전류(320)의 조건에는 큰 변화가 발생하지 않는다. 반면, 항복(Breakdown) 전압(VBR)보다 큰 전압이 걸리는 경우 빛이 있는 조건이나 빛이 없는 조건이나 모두 큰 항복(Breakdown) 전류가 흐르도록 되어 있다. 이 때 본 발명이 이용하려고 하는 것은 바이어스 전압에 따른 이득(330)인데, VP와 VBR사이의 전압에서 이득이 급격하게 변화하는 성질을 이용하는 것이다.
도 3을 통해서 알 수 있는 것은 광전하 증폭이득이 높은 구간은 바이어스 전압이 크게 걸리는 구간이고, 이 때의 암전류(320)가 크다는 것을 알 수 있다. 즉, 이때 광전하 증폭 이득은 높지만, 기본적으로 샷 노이즈(shot noise)가 크게 발생할 수 있는 조건에 해당하여 SNR(Signal-to-noise ratio)에 기여하는 노이즈 성분이 커진다는 것을 의미한다. 반면에 광전하 증폭이득이 낮은 구간에서는 암전류(320)가 크지 않으므로, 샷 노이즈(shot noise)가 작고 따라서 SNR에 기여하는 노이즈 성분이 적어져 유리한 것을 의미한다. 물론 광전하 증폭 이득이 있으므로, 최종 SNR 계산은 좀 더 복잡할 수 있지만, 전체적인 범위에서 위와 같은 설명은 타당하고, 신호가 최대값에서 포화(saturation)되는 조건에 있어서는 이러한 포화를 피하면서 SNR에 기여하는 노이즈 성분을 줄일 수 있는 방법을 제공하는 것이 매우 유리한 방법인 것을 알 수 있다.
도 4a는 본 발명의 일실시예에 따른 광대역 다이내믹 레인지 삼차원 이미지 및 영상 시스템의 구조를 개략적으로 도시한 블록도이다.
도 4a는 도 3을 참조하여 설명한 원리를 바탕으로 하여 구현한 시스템 구성의 일 실시예이다.
먼저, 입력되는 입사광(411)은 광증폭 이득을 제어할 수 있는 이득 제어 터미널을 구비한 광 검출기(410)를 통하여 입사되고, 발생된 광신호는 픽셀 검출 모듈(420)로 전달된다. 이때 전달되는 광신호는 일정량 증폭이 된 상태인데, 이때 증폭률은 또 다른 입력인 이득 제어 터미널로 들어오는 이득 제어 신호 발생 모듈(430)의 출력 신호(412)에 의하여 제어된다. 광 검출기(410)의 이득 제어 터미널은 광 검출기(410)를 형성하는 다이오드의 바이어스 전압을 가하는 노드를 이용하여 형성될 수 있다.
픽셀 검출 모듈은(420)은 광 검출기(410)의 출력을 수신하여 삼차원 이미지를 구성하기 위한 픽셀 신호를 생성한다. 픽셀 검출 모듈(420)은 기본적으로 광 검출기(410)에서 검출된 광신호를 증폭하고, 원하는 신호 성분을 찾아내고, 이를 처리하는 역할 등을 수행한다. 예컨대, 픽셀 검출 모듈은 TOF(time of flight)를 기반으로 거리 정보를 측정할 수 있다.
픽셀 검출 모듈(420)의 다음 블록인 HDR(High Dynamic Range) 발생 모듈(440)에서는 픽셀 검출 모듈(420)로부터 수신한 신호에 기초하여 픽셀 신호의 포화(saturation) 정도를 파악하고 픽셀 신호의 포화 정도를 나타내는 신호(422)를 생성하여 제공하는 역할을 한다.
이와 같이 생성된 픽셀 신호의 포화 정도를 나타내는 신호(422)가 이득 제어 신호 발생 모듈(430)에 제공되어 필요한 이득을 발생시키는 전압 신호와 같은 출력 신호(412)를 발생시킨다. 또한, 픽셀 신호의 포화 정도를 나타내는 신호(422)의 일부는 픽셀 검출 모듈(420)에 제공되어 이득을 추가적으로 조절하는 기능을 한다.
기본적으로 이득 제어 신호 발생 모듈(430)에서 출력되는 출력 신호(412)는, 도 3을 참조하여 전술한 바와 같이 펀치-스루(punch-through) 전압(VP)보다는 높고 항복 전압(VBR)보다는 낮은 전압을 가져야 한다. 또한, 광 검출기(410)의 광신호가 포화되면 될수록 이득 제어 신호 발생 모듈(430)의 출력 신호(412)는 작은 값을 가져야 하고, 동시에 광 검출기(410)의 광신호가 포화되지 않는 범위에서 최대한 높은 이득 제어 신호 발생 모듈(430)의 출력 신호(412)를 생성하여야 한다. 또한, 픽셀 신호가 너무 약해서 서로 분간이 어려울 정도로 노이즈 레벨에 가까운 경우, 즉 픽셀 신호의 포화 정도가 일정 기준보다 작은 경우에는 이득 제어 신호 발생 모듈(430)의 출력되는 출력 신호(412)를 높이는 방향으로 전압을 생성하여, 광 검출기(410)의 광이득을 높이는 방법으로 다이내믹 레인지를 개선할 수 있다.
예컨대, 이득 제어 신호 발생 모듈(430)의 출력 신호(412)는 펀치-스루(punch-through) 전압(VP)과 HDR 발생 모듈(440)로부터 발생된 픽셀 신호의 포화 정도를 나타내는 값의 역수에 비례하는 전압을 더하는 방식으로 생성될 수 있다. 이와 같은 경우에, 광신호가 포화되면 될수록 이득 제어 신호 발생 모듈(430)의 출력 신호(412)는 작은 값을 갖고, 동시에 광신호가 포화되지 않는 범위에서 최대한 높은 이득 제어 신호 발생 모듈(430)의 출력 신호(412)를 생성할 수 있으며, 어느 경우에나 펀치-스루(punch-through) 전압(VP) 이상의 전압을 제공할 수 있다.
도 4b은 도 2의 실시예에서 여러 장의 서로 다른 조건의 광증폭율을 가진 광 검출기를 이용해 이미지를 형성하기 위한 타이밍도이다.
도 4b는, 도 4a를 참조하여 설명한 원리를 이용하여 하나의 광 검출기를 3번의 반복 측정 조건에서 서로 다른 이득 제어 신호 발생 모듈(430)의 출력 신호(412)에서 동작시키는 것을 설명하기 위한 참고도이다. 예컨대, 반복 측정 조건은 영상의 프레임마다 상이하게 생성될 수 있고, 영상 측정 순간마다 상이하게 생성될 수 있다.
현재 이득 제어 신호 발생 모듈(430)의 출력 신호(412)는 각각 V1, V2, V3에서 서로 다른 시간인 t1, t2, t3에서 픽셀 신호를 검출을 하고 있는 구조이며, 동일한 이미지라는 조건에서 얻을 측정값은 서로 다른 다이내믹 레인지 정보를 가지고 있으므로 이를 서로 결합하여 합성할 경우 매우 높은 다이내믹 레인지 이미지 또는 영상을 얻을 수 있다.
도 4b에서는 서로 인접한 시간 t1, t2, t3에서 신호를 측정한 것을 예시하고 있지만, 서로 인접하지 않은 시간에서의 신호를 이용할 수도 있다. 또한, 도 4b에서는 3번의 반복 측정을 예시하고 있지만, 이 외에도 다양한 유형의 반복 패턴을 가질 수 있다. 예컨대, 측정 횟수도 임의로 조정하고 또 각각의 반복 횟수에 적용되는 각각의 이득 제어 신호 발생 모듈(430)의 출력 전압 신호(412)도 변경하여 원하는 다이내믹 레인지 이미지 및 영상신호를 얻을 수도 있다.
또한, 현재의 도 4b에는 이득 제어 신호 발생 모듈(430)에서 발생되는 출력 신호(412)가 레이저 펄스와 같은 광신호가 들어오는 시간 이외의 구간에도 서로 연결된 계단 모양의 파형을 이용하고 있지만, 이에 한정되지 않는다. 예컨대, t1, t2, t3에서 광신호가 들어오는 시간 동안에만 해당 바이어스 전압이 가해지고 다음 바이어스 전압이 가해지기 이전까지 바이어스 전압이 제공되지 않음으로써 불연속적인 바이어스 전압을 제공하는 것도 가능하다. 즉, 계단 형태가 아닌 임펄스 방식의 바이어스 전압을 가함으로써 위와 동일한 효과를 얻을 수 있다.
이와 같이, 이득 제어 신호 발생 모듈(430)의 출력 전압 신호(412)를 제어함으로써 광 검출기(410)의 이득 제어 터미널은 반복 패턴을 갖도록 구성되거나, 미리 정해진 패턴의 펄스가 2회 이상 반복하여 가해지도록 구성될 수 있다.
상기의 구조로부터 HDR 발생 모듈(440)은 동일한 또는 비슷한 이미지/영상에 대하여 다양한 광증폭 조건의 이미지/영상을 얻고, 이를 높은 다이내믹 레인지를 얻기 위해서 이미지 합성 등과 같은 프로세싱을 통해서 높은 다이내믹 레인지를 가지는 고품질 이미지를 얻을 수 있다.
광펄스의 반복 주기는 광펄스 레이저의 펄스 반복율(PRF, Pulse Repetition Frequency)에 의하여 결정되는데, 이와 관련하여 다음과 같은 특징이 있다. 현재 삼차원 영상은 크게 단일 검출기를 다양한 스캐너 기술을 활용하여 삼차원 이미지 또는 영상을 얻는 방식과 검출기 자체를 어레이로 형성하여 초점면 어레이로 활용하여 스캐너의 사용을 하지 않거나 최소화하는 플래쉬 라이더(Flash LIDAR, Flash Light Detection and Ranging) 방식을 이용하여 삼차원 영상을 얻는 방식을 사용한다. 상기 두 가지 방식에는 광송신계의 큰 차이가 있는데, 넓은 면에서 들어오는 삼차원 영상을 받도록 하기 위해서는 펄스 레이저의 파워가 커야 하고, 큰 펄스 레이저를 출력할 경우, 펄스 반복율(PRF)이 수십 Hz 정도로 작을 수 밖에 없다. 즉, 플래쉬 라이더(Flash LIDAR)의 경우에는 펄스 반복율(PRF)이 낮아서 APD의 바이어스를 변경할 수 있는 시간이 상대적으로 길고, 따라서 안정적으로 필요한 APD 바이어스 조건을 각각의 펄스 조건에서 원하는 대로 지정할 수 있다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 둘 이상의 검출 픽셀을 가진 시스템에서 높은 다이내믹 레인지 이미지 및 영상을 보여주기 위한 실시예를 도시한 도면으로서, 도 4a의 설명을 광 검출기 어레이로 설명하기 위한 실시예이다.
즉, 다수의 광 검출기(510), 예를 들면 1x128이나, 32x32의 형태의 128개 및 1024개의 광 검출기가 있을 경우에 해당한다. 어떤 포맷으로 다수의 광 검출기(510)로 구현되어 있더라고 하더라도, 도 5에서 예시된 구조를 따를 수 있다. 즉, 각각의 광 검출기 셀(510)은 각각을 담당하는 픽셀 검출 모듈(520)에 출력을 증폭 등의 처리를 하여 내보내게 되고, 각각의 픽셀 검출 모듈(520)에서 발생한 신호는 다음 블록인 HDR 발생 모듈(540)에 그 검출 신호를 전달하게 된다. HDR 발생 모듈(540)은 각각의 픽셀에서 발생된 결과를 취합하여 높은 다이내믹 레인지 이미지 및 화상을 만드는 역할을 하며, 현재 이미지의 포화(saturation) 상태를 파악하고, 그 결과 포화 정도를 나타내는 신호(522)를 발생시킨다. 이 발생된 신호(522)는 이득 제어 신호 발생 모듈(530)에 제공되고, 발생된 신호(522)의 일부는 픽셀 검출 모듈(520)에 인가되어 내부의 증폭이득 등을 제어하는데도 사용될 수 있다. 이 때 이득 제어 신호 발생 모듈(530)의 출력 신호(512)는 도 4a에서의 조건과 동일하다. 즉, 기본적으로 이득 제어 신호 발생 모듈(530)에서 발생하는 출력 신호(512)는, 앞서 설명한 바와 같이 VP보다는 높고 VBR보다는 낮은 전압을 가져야 하고, 광 검출기가 포화되면 될수록 이득 제어 신호 발생 모듈(530)에서 발생하는 신호(512)는 작은 값을 가져야 하고, 광 검출기가 포화되지 않는 범위에서 최대한 높은 이득 제어 신호 발생 모듈(530)의 출력 신호(512)를 생성하는 방식이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 광 검출기(도면에서는 포토 다이오드로 표현)가 8x8의 형태 FPA(Focal Plane Array, 610)로 구현되어 있을 경우의 실시예를 도시한 도면이다. 각각의 광 검출기는 위에서 보았을 경우(612)와 단면을 보았을 경우(613)로 볼 수 있는데, 모두 각각의 광 검출기를 담당하는 픽셀 검출 모듈이 위에서 보았을 경우(614)와 단면으로 보았을 경우(615)로 나타낼 수 있다. 각각의 광 검출기를 해당 픽셀 검출기 모듈로 연결하기 위한 플립칩 범프(bump)(616)는 광 검출기와 픽셀 검출기 사이에 위치하여 서로를 연결하는 역할을 한다. 픽셀 검출기는 광 검출기 아래뿐만 아니라, 광 검출기의 외곽부분까지 확장되어 구현될 수 있는데, 이런 영역을 통해 프로세싱된 이미지 및 영상신호는 외부 인터페이스핀(622)을 통해서 출력될 수 있다. 또한 프로세싱된 이미지 및 영상신호의 포화 정도를 나타내는 출력 신호는 도 4a 및 도 5에서와 같이 이득 제어 신호 발생 모듈(630)에 공급되고, 도 4a 및 도 5와 같은 방식으로 출력을 발생시킨다. 이때 이득 제어 신호 발생 모듈(630)의 출력 신호(612)는 도 4a에서의 조건과 동일하다. 즉, 기본적으로 이득 제어 신호 발생 모듈(630)에서 발생하는 신호(631)는 앞서 설명한 바와 같이 VP보다는 높고 VBR보다는 낮은 전압을 가져야 하고, 광 검출기가 포화되면 될수록 이득 제어 신호 발생 모듈(630)에서 발생하는 신호(631)는 작은 값을 가져야 하고, 광 검출기가 포화되지 않는 범위에서 최대한 높은 이득 제어 신호 발생 모듈(630)의 출력 신호(631)를 생성하는 방식이다.
추가적으로 도 6에서는 이득을 제어할 수 있는 이득 제어 터미널을 각각의 줄마다 뽑은 형태로 설명되어 있지만, 이는 임의의 구간으로 나누어 형성하거나 하나의 노드로 형성이 가능하며, 어느 상황이나 이득 제어 신호 발생 모듈(630)은 광대역 다이내믹 레인지 영상을 얻을 수 있도록 펄스를 발생하면 된다. 여러 개의 이득 제어 터미널 노드로 구성된 경우, 각각의 이득 제어 터미널에 해당하는 픽셀 그룹의 포화 정도는 HDR 발생 모듈(620)에서 얻을 수 있도록 구성된다.
지금까지의 설명은 이득 제어 신호 발생 모듈(630)의 출력 신호(631)가 HDR 발생 모듈(620)에 의하여 조정되는 경우를 설명했지만, 필요에 따라서는 HDR 발생 모듈(620)에 의해 입력되는 픽셀 신호 또는 이미지 정보와 상관없이 미리 정해진 순서와 방식대로 이득 제어 신호 발생 모듈(630)의 출력 신호(631)를 만들어 출력할 수도 있다. 이 경우, 미리 정해진 순서와 방식이라는 의미는 다양한 빛의 세기에서도 적절한 수준으로 신호가 나오도록 미리 이득 제어 터미널에 가해질 전압을 정해 놓고 이를 순차적으로 가하는 방식으로 구성된다는 의미이다.
예컨대, 이득 제어 신호 발생 모듈(630)의 출력 신호(631)는 반복 패턴을 갖도록 구성될 수 있다. 또한, 이득 제어 신호 발생 (630)의 출력 신호(631)는 미리 정해진 패턴의 펄스가 2회 이상 가해지도록 구성될 수 있다.
이때, HDR 발생 모듈(620)은 픽셀의 정보로부터가 아닌 미리 정해진 패턴, 순서 및 반복 횟수에 의하여 얻어지는 이미지로부터 높은 다이내믹 레인지 이미지/영상을 얻을 수도 있다.
본 발명에서 HDR 발생 모듈(620)이 높은 다이내믹 레인지 영상을 확보하기 위하여 여러 장의 이미지 또는 일련의 영상을 이용한다는 것은, 서로 광증폭이 다른 이미지/영상들을 합성하는 것으로, 그 중에는 어떤 부분은 너무 신호가 작아서 분별할 수 없는 영역도 있을 수 있고, 어떤 것은 일부 영역에서 신호가 너무 커서 포화된 상태를 나타낼 수도 있는 상황인데, 이러한 서로 다른 이미지를 상호 결합함으로써 반사파가 작은 어두운 부분과 반사파가 큰 부분에 대하여 정보를 얻고, 이를 합성하는 것을 의미하고, 이러한 과정을 거쳐 결국은 높은 다이내믹 레인지 이미지/영상을 얻을 수 있다.
또한, 각 실시예들에서 소개된 이득을 제어할 수 있는 이득 제어 터미널이 있는 광 검출기는 쉽게 아발란치 포토다이오드(APD)로 설명될 수 있는데, 이 경우 이득 제어 터미널은 바이어스 전압을 가하는 터미널에 해당한다. 또한 아발란치 포토다이오드(APD)는 화합물 또는 실리콘이나 그 밖의 다양한 재료나 공정에 의해서 형성될 수 있다. 또한 이득 제어 터미널이 있는 광 검출기로 화합물 아발란치 포토다이오드(APD)를 이용하는 경우, 예컨대 빛의 흡수는 InGaAs 소자가 하고, 빛의 증폭은 InAlAs 소자 또는 InP 소자를 이용하여 할 수 있다. 본 발명을 적용할 수 있는 광 검출기는 위의 설명에 나타난 아발란치 포토다이오드(APD)뿐만 아니라, 이득 제어 터미널을 구비하는 모든 광 검출기에 대해서 적용 및 구현될 수 있음은 자명하다.
본 발명은 픽셀별로 레이저 펄스의 왕복 시간(TOF: Time Of Flight)을 계산함으로써 3차원 영상을 획득할 수 있는 3차원 영상 라이더(LIDAR) 시스템을 기반으로 설명하였지만, 주파수 변조 방식과 같은 모듈레이션이 있는 방식에 대하여도 동일한 구조로 적용 및 구현이 가능하다.
본 발명의 명세서에 개시된 실시 예들은 본 발명을 한정하는 것이 아니다. 본 발명의 범위는 아래의 특허청구범위에 의해 해석되어야 하며, 그와 균등한 범위 내에 있는 모든 기술도 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석해야 할 것이다.

Claims (20)

  1. 광신호를 수신하고, 광증폭 이득을 제어할 수 있는 이득 제어 터미널을 구비한 광 검출기;
    상기 광 검출기의 출력을 수신하여 영상(image)을 구성하기 위한 픽셀 신호를 검출하기 위한 픽셀 검출 모듈;
    상기 픽셀 검출 모듈에서 검출한 상기 픽셀 신호에 기초하여 상기 픽셀 신호의 포화 정도를 나타내는 신호를 생성하고 상기 픽셀 신호를 결합하여 다이내믹 레인지 영상을 얻기 위한 HDR(High Dynamic Range) 발생 모듈; 및
    상기 픽셀 신호의 포화 정도를 나타내는 신호의 크기에 기초하여 상기 광 검출기의 상기 이득 제어 터미널에 필요 전압을 공급하기 위한 출력 신호를 발생시키는 이득 제어 신호 발생 모듈을 포함하고,
    상기 이득 제어 터미널은 상기 광 검출기를 형성하는 다이오드의 바이어스 전압을 가하는 노드를 포함하는 다이내믹 레인지 삼차원 영상 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 HDR 발생 모듈로부터 수신한 상기 픽셀 신호의 포화 정도를 나타내는 신호에 기초하여 상기 픽셀 신호가 포화 상태라고 판단한 경우, 상기 광 검출기의 이득을 낮추도록 상기 이득 제어 신호 발생 모듈의 출력 신호를 발생시키는 것을 특징으로 하는 다이내믹 레인지 삼차원 영상 시스템.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 HDR 발생 모듈로부터 수신한 상기 픽셀 신호의 포화 정도를 나타내는 신호에 기초하여 상기 픽셀 신호의 포화 정도가 미리 결정된 기준 이하라고 판단한 경우, 상기 광 검출기의 이득을 높이도록 상기 이득 제어 신호 발생 모듈의 출력 신호를 발생시키는 것을 특징으로 하는 다이내믹 레인지 삼차원 영상 시스템.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 이득 제어 신호 발생 모듈의 상기 출력 신호는 상기 광 검출기의 펀치-스루(punch-through) 전압보다 높고 상기 광 검출기의 항복 전압보다 작은 것을 특징으로 하는 다이내믹 레인지 삼차원 영상 시스템.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 이득 제어 신호 발생 모듈의 상기 출력 신호는 상기 광 검출기의 펀치-스루(punch-through) 전압에 상기 픽셀 신호의 포화 정도를 나타내는 신호의 역수에 비례하는 신호를 더하는 방식으로 발생되는 것을 특징으로 하는 다이내믹 레인지 삼차원 영상 시스템.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 픽셀 신호의 포화 정도를 나타내는 신호는 상기 이득 제어 신호 발생 모듈 및 상기 픽셀 검출 모듈로 전달되는 것을 특징으로 하는 다이내믹 레인지 삼차원 영상 시스템.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 이득 제어 터미널에 필요 전압을 공급하기 위한 출력 신호는 미리 정해진 패턴에 기초하여 생성되는 것을 특징으로 하는 다이내믹 레인지 삼차원 영상 시스템.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 HDR 발생 모듈은 상이한 광증폭 조건에서 측정한 상기 픽셀 신호를 합성하는 것을 특징으로 하는 다이내믹 레인지 삼차원 영상 시스템.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 광 검출기는 어레이(array) 형태로 구성되며, 상기 광 검출기의 상기 이득 제어 터미널은 적어도 하나의 그룹으로 묶여서 구성되는 것을 특징으로 하는 다이내믹 레인지 삼차원 영상 시스템.
  10. 삭제
  11. 제1항에 있어서,
    상기 광 검출기는 InGaAs를 포함하는 광흡수층과, InP 또는 InAlAs를 포함하는 광증폭층을 포함하는 아발란치 포토다이오드(APD)를 이용하는 것을 특징으로 하는 다이내믹 레인지 삼차원 영상 시스템.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 이득 제어 신호 발생 모듈의 출력 신호에 의해 상기 광 검출기의 상기 이득 제어 터미널로 공급되는 필요 전압은 측정 조건에 따라서 변하는 것을 특징으로 하는 다이내믹 레인지 삼차원 영상 시스템.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 필요 전압의 상기 측정 조건이 상기 영상의 프레임마다 상이하게 생성되는 것을 특징으로 하는 다이내믹 레인지 삼차원 영상 시스템.
  14. 제12항에 있어서
    상기 이득 제어 신호 발생 모듈은 동일한 픽셀 신호에 대해 측정 순간마다 상이한 출력 전압을 발생시키는 것을 특징으로 하는 다이내믹 레인지 삼차원 영상 시스템.
  15. 제1항에 있어서,
    상기 픽셀 검출 모듈은 TOF(time of flight)를 기반으로 거리 정보를 측정하는 것을 특징으로 하는 다이내믹 레인지 삼차원 영상 시스템.
  16. 제1항에 있어서,
    상기 픽셀 검출 모듈은 주파수 변조 방식을 기반으로 거리 정보를 측정하는 것을 특징으로 하는 다이내믹 레인지 삼차원 영상 시스템.
  17. 제1항에 있어서,
    상기 이득 제어 신호 발생 모듈에서 발생되는 출력 신호는 광신호가 들어오는 시간 이외의 구간에도 서로 연결된 형태를 가진 것을 특징으로 하는 다이내믹 레인지 삼차원 영상 시스템.
  18. 제1항에 있어서,
    상기 이득 제어 신호 발생 모듈에서 발생되는 출력 신호는 광신호가 들어오는 시간에만 발생하도록 하는 것을 특징으로 하는 다이내믹 레인지 삼차원 영상 시스템.
  19. 제1항에 있어서,
    상기 이득 제어 신호 발생 모듈의 출력 신호는 반복 패턴을 갖도록 구성되는 것을 특징으로 하는 다이내믹 레인지 삼차원 영상 시스템.
  20. 제1항에 있어서,
    상기 이득 제어 신호 발생 모듈의 출력 신호는 미리 정해진 패턴의 펄스가 2회 이상 가해지는 것을 특징으로 하는 다이내믹 레인지 삼차원 영상 시스템.
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