멀티탭 병렬 복조 기반 고정밀 time-of-flight sensor

Abstract

3차원 거리 정보는 3차원 공간에서의 물체의 형상과 위치에 대한 정보로서 가정용/산업용 로봇 비전, VR/AR 장치, 자율 주행 자동차와 얼굴 인식 장치 등의 지능형 시스템에서 주변 대상 및 상황을 인식하기 위해 필요한 필수적인 정보이다. 3차원 거리 정보를 획득하는 방법 중 비행시간 측정법은 광원으로부터 투사된 빛이 측정 대상 물체로부터 반사되어 되돌아오는 동안의비행시간을 이용하여 거리를 측정하는 방법이다. 그 중 진폭 변조된 연속파형 측정법 (AMCW)이라고 불리는 간접 비행시간 측정법은 연속파형의 위상차이로부터 거리를 측정하므로 2π 모호성으로 인해 일반적으로 10 m 이내 측정만 가능하다는 한계가 있지만 다른 측정 방법에 비해 시스템 구성이 간단하여 소형화 관점에서 유리하며 비교적 정밀하여 실내 정밀 측정용 센서로서 각광받고 있다. 하지만, 기존의 간접 비행시간 측정 센서는 플래시 타입의 이축 광학계를 사용하므로SNR이 낮고, CMOS 소자의 리드아웃을 통해 복조를 수행하므로 고차 하모닉스에 의한 영향을 크게 받으며, 센서 어레이 내에서 픽셀 간의 상호 간섭 및 측정 장면에 따라 변하는 외란 신호의영향으로 측정 대상 물체의 반사율에 따라 측정되는 거리가 달라지는 문제가 있다. 본 논문에서는 제안된 센서에 대해 개발한 시뮬레이션 모델로 에러의 원인을 효과적으로 분석하고, 이를 활용한 연구의 결과로서 멀티탭 병렬 복조와 미광 제거 기법을 제안한다. 멀티탭 병렬 복조로 고차하모닉스에 의한 에러를 효과적으로 줄일 수 있으며, 미광 간섭 제거 기법을 통해 광학계 내부반사로 인한 미광의 간섭을 제거함으로써 동축(co-axial) 광학계의 단점은 보완하고 높은 광 수집효율을 갖는다는 장점은 살려, 낮은 조명 전력으로도 측정 물체의 반사율 변화에 강건하게 정확하고 정밀한 거리 측정이 가능하다. 본 연구의 결과로서, 수신 신호에 포함된 고차 하모닉스 성분의 영향을 받지 않고, 물체의 반사율과 색 변화에 강건하게 정확한 거리 측정을 가능하게 하여빈-피킹 로봇과 같이 정밀 측정이 필요한 다양한 응용 분야에 적용될 수 있다.