KR20200037382A - 비행-시간 시스템을 교정하는 방법 및 비행-시간 시스템 - Google Patents

Abstract

커버 플레이트(CP) 뒤에 위치된 비행-시간 센서를 갖는 비행-시간 시스템을 교정하기 위한 방법이 제시된다. 상기 방법은 제어 신호(CS1)의 각각의 트리거 펄스에 응답하여 광의 다수의 송신 펄스(EP)를 방출하는 단계, 및 광의 수신 펄스(RP, RP')를 검출하는 단계를 포함한다. 상기 송신 펄스(EP) 중 하나와 상기 수신 펄스(RP, RP') 중 하나 사이의 시간 주기를 나타내는 각각의 차분값이 결정된다. 상기 차분값은 적어도 하나의 히스토그램의 다수의 빈(1,..., N) 내에 축적된다. 상기 방법은 상기 히스토그램의 적어도 하나의 누화 응답(CTP)을 소정 범위의 빈(1,..., M) 내에 기록하는 단계, 및 상기 기록된 누화 응답(CTP)을 사용하여 상기 히스토그램을 교정하는 단계를 추가로 포함한다. 마지막으로, 상기 교정된 히스토그램의 평가에 기초하여 비행-시간을 나타내는 출력 신호(OS)가 발생된다.

Description

비행-시간 시스템을 교정하는 방법 및 비행-시간 시스템

본 발명은 비행-시간(time-of-flight) 시스템을 교정하는 분야에 관한 것이다.

비행-시간 센서는, 예를 들어 근접 검출(proximity detection), 디지털 카메라의 자동 초점 지원, 다중-영역 자동 초점, 제스처 검출, 또는 3D 카메라 용도를 포함하여, 거리 측정과 관련된 많은 용도를 갖고 있다. 비행-시간(time-of-flight)(ToF)은, 전자기 방사선의 펄스를 방출하여 물체로부터의 반사를 검출함으로써 결정될 수 있다. 이런 기술은, 더욱 많은 데이터를 수집하여 신호 대 노이즈 비율을 개선하기 위해, 다중 주기에 걸쳐 다중 펄스를 활용할 수 있다. 반사는 센서와 물체 사이의 거리를 나타내는 시간 지연으로 검출된다. 이하의 시간 지연 또는 비행-시간(t_D)은 다음과 같이 계산될 수 있다.

여기서 D 는 센서와 물체 사이의 거리를 나타내며, c 는 공기 중에서의 광속을 나타낸다.

이런 기술의 도전적인 양태 중 하나는 광학 누화(optical crosstalk)와 관련이 있다. 커버(cover) 뒤에 위치된 비행-시간 센서의 구현은, 종종 모바일 디바이스 또는 카메라의 유리 상의 얼룩과 같은, 커버 상의 오염으로 고통을 받고 있다. 결과적으로, 이는 종종 왜곡(distortion) 및 정확도 저하로 나타난다.

전형적인 구현에 있어서, 수직-공동 표면-방출 레이저(vertical-cavity surface-emitting laser)(VCSEL)와 같은 레이저 다이오드 또는 표면 방출기(surface emitter)는, 전자기 방사선의 펄스를 방출하기 위한 방출기(emitter)로서 사용된다. 펄스 폭은 넓으며, 그리고 반사 펄스는 상당한 거리를 커버한다. 위에서 논의된 바와 같이, 물체까지의 거리는 복귀 펄스의 지연으로부터 결정된다. 그러나 방출된 펄스와 반사된 펄스 모두는 상기 커버를 횡단하며, 또한 커버 표면 상의 임의의 오염에 영향을 받을 수 있다. 예를 들어, 커버 상에 얼룩이 있을 때는 조기에 더 많은 광 복귀(light return)를 제공할 수 있다. 일부 ToF 방법은 거리에 대해 평균을 내어, 평균 거리 측정값(mean distance measurement)을 제공한다. 그러면 오염이 상기 센서에 매우 가까운 물체로 나타날 수 있어서, 더 짧은 거리로 편향된 측정값으로 나타난다. 따라서 측정값은 실제 거리보다 더 짧은 거리를 나타낸다.

이러한 시스템에서는, 상기 커버로 인한 누화를 제거하기 위해 복잡한 교정이 필요해질 수 있다. 또한, 보상이 가능하도록, 추가적인 시스템 누화가 매우 낮아야 한다. 이런 교정은 추가적인 단계이며, 이는 전체 시스템 제조 프로세스에서 복잡성을 추가시킨다. 그러나 초기 교정 후, 추가 누화가 언제 발생했는지 알기가 어렵거나 심지어는 불가능하다. 따라서 상기 추가 누화를 조정하기 위해 시스템을 동적으로 교정할 방법이 없다. 과도한 누화가 존재하는지의 여부를 결정하기 위한 방법이 도입되었지만, 그러나 작동 중 추가 누화의 영향을 제거할 개념이 부족하다.

따라서 비행-시간 시스템에 대해, 또한 덜 복잡하면서도 개선된 정확성을 허용하는 비행-시간 시스템을 교정하기 위한 방법에 대해, 개선된 개념을 제공하는 것이 목적이다.

상기 목적은 독립항의 주제에 의해 달성된다. 추가적인 구현 및 실시예는 종속항의 주제이다.

임의의 일 실시예와 관련하여 이하에 기재되는 임의의 특징은 단독으로 사용될 수 있거나 또는 이하에 기재되는 다른 특징과 조합하여 사용될 수 있으며, 또한 대안으로서 명시적으로 기재되지 않는 한, 임의의 다른 실시예 또는 임의의 다른 실시예의 임의의 조합의 하나 또는 그 이상의 특징과 조합하여 사용될 수 있다. 또한, 이하에 기재되지 않은 등가물 및 변형예들은 첨부의 청구범위에 정의된 비행-시간 시스템 및 상기 비행-시간 시스템을 교정하는 방법으로부터의 일탈 없이 이용될 수도 있다.

상기 개선된 개념은, 예를 들어 모바일 디바이스 또는 디지털 카메라에 내장되어 있는 커버 플레이트 뒤에 위치된 비행-시간, 즉 ToF, 시스템에 관한 것이다. 상기 ToF 시스템은 비행-시간 센서에 기초하고 있다. 이러한 ToF 센서는 송신 펄스가 외부 목표물로부터 반사되어 다시 ToF 센서에 도달하는 데 걸리는 시간을 측정하도록 배치된다. 상기 센서는, 더 많은 데이터를 수집하여 신호 대 노이즈 비율을 개선하기 위해, 다중 시간 주기에 걸쳐 다중 송신 펄스를 활용할 수 있다. 상기 데이터는 송신 펄스의 방출과 반사된 펄스의 검출 사이의 시간 주기를 나타내는 차분값(差分値: difference value)을 포함한다. 이들 값은 하나 또는 그 이상의 히스토그램에 수집되어, 비행-시간값을 결정하고 거리를 도출하도록 프로세싱된다.

상기 개선된 개념의 일 양태는 송신 펄스의 좁은 펄스 폭을 사용하는 것이며, 이는 상기 ToF 센서 위의 커버 플레이트를 포함하여 히스토그램의 관심 있는 다중 물체의 검출을 허용한다. 상기 좁은 펄스는, 외부의 관심 물체로부터의 반사가 검출되기 전에, 상기 커버 플레이트로부터의 반사가 종료될 수 있음을 의미한다. 예를 들어, 500 ps 송신 펄스의 경우, 펄스 폭은 약 75 mm의 거리를 커버한다. 가장 가까운 관심 물체가 200 mm를 초과하여 위치되었다면, 이는 많은 카메라 시스템에서는 일반적이기에, 상기 커버 플레이트로부터의 반사가 물체로부터의 반사와 간섭하지 않을 수 있다.

근접 검출과 같은 다른 경우에는, 예를 들어 ToF 센서의 출력 신호로부터 교정값 또는 누화 응답을 감산함으로써, 상기 커버 플레이트로부터의 누화가 교정될 수 있다. 그러나 이는, 예를 들어 물체가 가까운 거리에 있거나 거리가 제로일 때, 가까운 근접 이벤트를 결정하는 능력에 영향을 끼칠 수 있다. 또한, 상기 개선된 개념은 상기 ToF 센서의 출력 신호를 동적으로 조정하는 수단을 제공한다. 동적 조정이 이점을 갖는 일례로는 상기 커버 플레이트가 환경에 노출되는 상황을 포함한다. 예를 들어, 휴대폰 또는 카메라에서는, 상기 커버 플레이트가 사용자의 손 또는 얼굴과 접촉하며, 이에 따라 상기 센서 위의 플레이트 상에 먼지, 지문, 화장(makeup) 등을 축적시킬 수 있다. 이는 누화를 증가시킬 수 있는 반투명 코팅으로 센서에 나타날 수 있다. 이전 시스템에서는, 반투명 코팅이 거리 측정의 정확도를 감소시킨다. 그러나 상기 개선된 개념은 반투명 코팅의 영향을 제거하는 수단을 제거하여, 높은 정확도를 유지하면서 누화를 감소시킨다.

적어도 일 실시예에 있어서, 상기 비행-시간 시스템은 커버 플레이트 뒤에 위치된 비행-시간 센서를 갖는다. 상기 커버 플레이트는 유리, 또는 플라스틱과 같은 임의의 다른 투명한 재료일 수 있다.

비행-시간 시스템을 교정하기 위한 방법은, 제어 신호의 각각의 트리거 펄스에 응답하여 광의 다수의 송신 펄스를 방출하는 단계를 포함한다. 결과적으로, 예를 들어 외부 물체에서의 반사에 의해 또는 상기 커버 플레이트에서의 반사에 의해, 광의 수신 펄스가 검출된다. 상기 송신 펄스 중 하나와 상기 수신 펄스 중 하나 사이의 시간 주기를 나타내는 각각의 차분값이 결정된다. 상기 차분값은 적어도 하나의 히스토그램의 다수의 빈(bin) 내에 축적된다.

상기 히스토그램에는, 적어도 하나의 누화 응답이 기록된다. 상기 누화 응답은 소정 범위의 빈 내에 상주한다. 그 후, 기록된 누화 응답을 사용하여, 상기 히스토그램이 교정된다. 마지막으로, 상기 교정된 히스토그램의 평가에 기초하여, 비행-시간 센서의 출력 신호가 생성되어, 비행-시간을 나타낸다.

히스토그램의 기록된 누화 응답을 기록함으로써, 예를 들어 누화 피크(peak)를 식별함으로써, 상기 시스템은 커버 플레이트로부터의, 또한 커버 플레이트 상의 얼룩과 같은 반투명 코팅으로부터의, 누화의 영향을 감소시키거나 또는 심지어 제거할 수도 있으며, 또한 오염의 영향을 덜 받는 정확도로, 즉 반투명 코팅이 존재하는 경우에도 ToF 시스템이 외부 물체까지의 거리를 측정할 수 있게 한다. 상기 시스템은 오염이 존재하는 환경에서도 견고하다. 상기 시스템은 거리의 정확한 측정값으로서 TOF 센서로부터의 결과에 의존할 수 있다. 또한, 예를 들어 초기 제조 프로세스에서 ToF 시스템을 교정하는 것이 훨씬 간단하다

상기 누화는 제로 거리(zero distance)(또는 일부는 매우 작은 거리)에 있을 수 있는, 상기 비행 거리 센서 위의 커버 플레이트로부터 비롯된 것으로 가정된다. 따라서 송신 펄스가 상기 비행-시간 센서에 즉시 재반사될 수 있다. 히스토그램 빈 크기(histogram bin size)가 상기 송신 펄스의 펄스 폭과 동일하고 그리고 펄스가 구형 펄스(square pulse)라면, 상기 커버 플레이트에서의 반사로 인한 수신 펄스는 대부분 소정 범위의 빈 내에, 예를 들어 상기 히스토그램의 제1 또는 제1 빈의 커플 내에, 떨어질 수 있다. 대부분의 용도에 있어서, 누화 응답은 몇 개의 제1 빈 내에 떨어질 수 있다. 펄스 폭이 좁고 히스토그램이 넓을수록, 상기 커버 플레이트에서의 반사로 인한 수신 펄스는 히스토그램의 다음 빈에 영향을 끼치지 않을 가능성이 높다.

적어도 일 실시예에 있어서, 상기 히스토그램은 누화 응답을 무시함으로써 교정된다. 상기 출력 신호는, 빈에서 또는 소정 범위의 빈 이외의 빈 범위에서, 상기 히스토그램의 피크 또는 피크들의 비행-시간을 나타낸다. 예를 들어, 상기 비행-시간 시스템은 디지털 카메라의 자동 초점 시스템에 사용될 수 있다. 카메라 렌즈는 렌즈의 광학 설계에 의해 가장 짧은 초점 길이를 갖는다. 주어진 초점 길이는 히스토그램에서 빈 위치(bin position)를 결정한다. 상기 누화 응답이 더 작은 빈의 위치에 기록되었다면, 상기 자동 초점을 지원하기 위한 비행-시간을 결정하는 데 영향을 끼치지 않을 수 있으므로, 이는 평가 중에는 무시될 수 있다.

적어도 일 실시예에 있어서, 상기 히스토그램은 소정 범위의 빈 이외의 더 높은 빈 또는 빈 번호에 대해서만 히스토그램을 평가함으로써 교정된다. 예를 들어, 커버 플레이트에서의 반사로부터 비롯된 누화 빈은, 상기 비행-시간 시스템이 분해할 수 있는 가장 가까운 거리를 결정할 수 있다. 따라서 임의의 관심 물체는 전형적으로 더 먼 거리에 있고, 그 차분값은 결정된 누화 응답과 비교했을 때 더 높은 빈 내에만 축적될 수 있다.

적어도 일 실시예에 있어서, 히스토그램은 상기 히스토그램으로부터 누화 응답을 감산함으로써 교정된다. 상기 누화 응답은 스케일링 계수(scaling factor)를 곱함으로써 다중화될 수 있다. 상기 스케일링 계수는, 예를 들어 1을 포함하여 임의의 수일 수 있다. 예를 들어, 근접 검출과 같은 용도에 있어서, 관심 거리는 커버 플레이트까지의 제로 거리를 포함할 수 있다. 그 후, 예를 들어 소정 범위의 빈에서 누화 응답으로 표시되는 누화의 양은, 그 후 히스토그램으로부터 감산하여 관심 출력 신호만을 나타낼 수 있도록 기록되어야 한다. 단일 히스토그램의 각각의 누화 응답은 평균화되며, 공통 누화 응답으로서 기록될 수 있다.

적어도 일 실시예에 있어서, 다수의 송신 펄스의 방출, 수신 펄스의 검출, 및 각각의 차분값의 결정이 반복되어, 일련의 히스토그램이 차분값으로 축적된다. 예를 들어, 상기 다수의 송신 펄스의 방출은 여러 개의 펄스로부터 수천 또는 수백만 개의 송신 펄스까지 반복될 수 있다. 수신 펄스를 검출하여 차분값을 결정하는 후속 단계는, 유사하거나 또는 동일한 방식으로 반복될 수 있다. 또한, 주어진 히스토그램의 축적은 여러 개의 펄스로부터 수천 심지어 수백만 개의 송신 펄스까지 상기 인용된 단계들의 반복 단계를 포함할 수도 있다. 각각의 히스토그램 또는 일련의 히스토그램에 대한 실제 반복 횟수는 용도에 따라, 예를 들어 원하는 신호 대 노이즈 비율에 의해 결정된다.

적어도 일 실시예에 있어서, 일련의 히스토그램에서는, 즉 상기 히스토그램의 각각에서 또는 일부 히스토그램에서는, 하나 또는 그 이상의 추가 피크가 결정된다. 결정된 추가 피크는 일련의 히스토그램에서 모니터링된다. 마지막으로, 하나 또는 그 이상의 모니터링된 피크가 소정 범위의 빈 내로 이동했다면, 일련의 히스토그램 중 하나 또는 그 이상의 히스토그램이 교정된다.

상기 추가 피크를 모니터링하는 하나의 방법은 그 각각의 차분값을 결정하여 메모리에 기록하는 것이다. 이런 방식으로, 추가 피크는 누화 응답과 구별될 수 있다. 예를 들어, 추가 피크는 근접 센서 용도에서 외부 물체의 거리를 나타낼 수 있다. 이러한 용도에서는, 외부 물체가 상기 커버 플레이트와 접촉하는, 제로 거리를 검출할 수 있는 것이 바람직할 수 있다. 이런 경우에, 상기 물체가 커버 플레이트에 접근할 때는, 누화 응답 및 제로 거리를 나타내는 추가 피크가 구별될 수 없거나 또는 중첩될 수 있다. 그러면, 모니터링이 이런 상태를 결정할 방법을 제공한다.

적어도 일 실시예에서는, 히스토그램 축적이 반복되고 또한 중간 결과가 외부 물체의 이동을 기록하기에 충분히 빠른 속도로 저장되도록, 일련의 히스토그램이 축적된다.

적어도 일 실시예에 있어서, 교정값은 상기 비행-시간 시스템의 시동 시 예비-교정 모드(pre-calibration mode)에서 결정된다. 상기 예비-교정 모드는 정의된 교정 상태를 포함한다. 이러한 상태 중 하나는 커버 플레이트(CP) 이외의 다른 물체가 없는 상태로 정의될 수 있다. 이런 방법에 의해, 히스토그램의 임의의 응답은, 예를 들어 상기 커버 플레이트에서의 반사에만 기인한다. 다른 상태는 센서에 대해 정의된 거리에 위치된 외부 물체를 포함할 수 있으며, 이는 누화와 물체 기여를 구별하는 것을 허용한다. 추가적으로 또는 대안적으로, 상기 시동은 제조 시의 초기 시동이거나 또는 상기 비행-시간 시스템이 내장된 디바이스의 시동일 수 있다. 상기 교정값은 누화 응답 및/또는 추가 피크를 모니터링함으로써 동적으로 조정된다.

예를 들어, 근접 용도를 위해 상기 예비-교정 모드를 구현하는 하나의 방법은, 상기 누화 히스토그램이 수집되어 평균화되는 초기 기준선 교정(initial baseline calibration)을 가질 것이다. 이런 기준선은 샷 노이즈(shot noise)를 고려하기 위해 배율로 조정될 수 있으며, 또한 상기 커버 플레이트에서의 반사로 인한 누화를 감소시키거나 또는 제거하기 위해, 정상 작동 모드 중 기록된 임의의 미래 히스토그램으로부터 감산될 수 있다. ToF 센서에 대한 근접 거리 또는 밀접 거리는, 히스토그램에서는 전형적으로 피크로 나타난다. 이러한 피크는, 누화 응답 및 누화 영향이 히스토그램으로부터 적어도 감소되거나 또는 심지어 제거될 수 있도록 훨씬 높아야 한다.

적어도 일 실시예에 있어서, 상기 교정값은 소정 범위의 빈 내로 이동한 상기 모니터링된 피크로부터 결정된다. 이런 경우에, 상기 모니터링된 피크는 교정 피크(calibration peak)를 정의한다. 추가적으로 또는 대안적으로, 상기 교정값은 누화 응답과 상기 소정 범위의 빈 내로 이동한 상기 모니터링된 피크의 비교에 의해 결정된다. 추가적으로 또는 대안적으로, 상기 교정값은 누화 응답과 상기 소정 범위의 빈 내로 이동한 상기 모니터링된 피크 모두를 포함하는 조합된 누화 응답으로부터 결정된다.

예를 들어, 커버 플레이트 상에 쌓인 얼룩 또는 먼지와 같은 오염은, 물체에 접근하거나 또는 물체로부터 멀어지는 것과 관련된 추가 피크를 모니터링함으로써 설명될 수 있다. 물체가 목표물로부터 멀어졌을 때, 상기 누화 응답이 증가되었거나 또는 감소되었다면, 예를 들어 얼룩이나 먼지와 같은 오염에 의해 유발된 추가적인 누화의 추가 또는 감산을 설명하기 위해, 상기 교정값을 동적으로 변경하도록 필터가 적용될 수 있다.

적어도 일 실시예에 있어서, 상기 교정값은 시간 평균화 필터(time averaging filter)를 사용하여 상기 조합된 누화 응답으로부터 결정된다. 상기 필터는 느린 공격(slow attack)을 가지며, 이는 상기 조합된 누화 응답의 신호 진폭이 증가함에 따라 평균화되는 느린 시간이다. 상기 필터는 빠른 감쇠를 가지며, 이는 상기 조합된 누화 응답의 신호 진폭이 감소함에 따른 빠른 평균화이다.

적어도 일 실시예에 있어서, 상기 제어 신호는 트리거 펄스의 시컨스로 생성된다. 후속 트리거 펄스들 사이의 시간 주기는 상기 비행-시간 센서의 원하는 최대 검출 범위에 의해 결정된다. 예를 들어, 시간 주기는 샘플 레이트(sample rate)에 대응한다. 비행-시간 시스템은 상기 트리거 펄스에 의해 결정된 주기 내에서만 반사 펄스를 구별할 수 있다. 더 먼 거리로부터의 반사는, 상기 히스토그램 또는 출력 신호에서 추가적인 누화 또는 앨리어싱(aliasing)으로 이어질 수 있다.

적어도 일 실시예에 있어서, 상기 송신 펄스의 펄스 폭은 비행-시간 센서의 최소 검출 범위를 나타내는 차분값과 동일하거나 또는 이보다 더 작다. 예를 들어, 송신 펄스의 펄스 폭은 상기 시간 주기의 1/10 또는 1/120과 같은 후속 트리거 펄스들 사이의 시간 주기의 1/3 이거나 또는 이 보다 더 작을 수 있다. 상기 펄스 폭은 10 ns, 1 ns, 500 ps, 250 ps 또는 100 ps와 동일하거나 또는 이보다 더 작을 수 있다.

"좁은 펄스"는 펄스가 전술한 시간 주기 또는 샘플 주기보다 훨씬 더 작은 펄스 폭을 갖는 펄스로 간주될 수 있는 펄스이다. 이는 누화가 소정 범위의 빈에, 예를 들어 히스토그램의 몇 개의 제1 빈에, 떨어지는 것을 허용한다. 이는 예를 들어 샘플 주기의 1/4 부터 훨씬 더 작은 빈 크기까지 어디라도 있을 수 있다. 1/4 인 예에 있어서, 누화 모두가 제1 빈에 떨어졌다면, 제2 빈, 제3 빈, 및 제4 빈에 대한 히스토그램의 평가는 유리 상의 추가 얼룩에 의해서는 영향을 받지 않을 것이다. 더 작은 펄스 폭에 대해서도 마찬가지이다. 관심 거리가 소정 범위의 빈을 벗어났다면, 예를 들어 상기 히스토그램의 몇 개의 제1 빈을 벗어났다면, 이들 빈은 비행-시간의 결정 시 무시될 수 있으며, 오직 더 큰 빈만 거리를 결정하는 데 사용될 수 있다.

적어도 일 실시예에 있어서, 히스토그램의 범위는 원하는 최대 검출 범위에 의해 결정된다. 상기 히스토그램의 빈 크기는 송신 펄스의 펄스 폭과 동일하거나 또는 이보다 더 작게 배치된다. 예를 들어, 500 ps의 펄스 폭에 대해, 상기 빈 크기는 1 ns, 5 ns, 또는 1 ns의 폭일 수 있다.

상기 히스토그램은 다수의 빈으로 구성된다. 각각의 빈의 크기는 충분한 분해능(resolution)을 제공하기 위해, 예를 들어 검출될 실제 물체와 관련된 피크와 같은 다른 기여물(contributions)로부터 누화 응답을 구별하기 위해, 상기 펄스 폭과 동일하거나 또는 이보다 더 작아야 한다. 종래 기술의 펄스형 간접 비행 시간 시스템에 있어서, VCSEL 펄스는 샘플 주기의 절반을 점유하며, 수신된 광은 2개의 시간 주기로 수집된다. 이는 히스토그램에 단지 2개의 빈이 있는 직접 비행 시간 시스템과 동일하다. 히스토그램 기반 시스템의 이점 중 하나는, 정보가 펄스 폭의 다중 주기 동안 수집되는 한, 송신 펄스의 펄스 폭이 상기 샘플 주기의 절반보다 더 작을 수 있다는 점이다. 상기 차분값이 적어도 펄스 폭만큼 빨라지는 것을 결정하기 위해, 시간-디지털 변환기(time-to-digital converter)(TDC)가 사용될 수 있다.

적어도 일 실시예에 있어서, 상기 송신 펄스의 펄스 폭, 후속 트리거 펄스 및/또는 다수의 송신 펄스 사이의 시간 주기는, 조정 가능하거나 또는 프로그램 가능하다.

적어도 일 실시예에 있어서, 비행-시간 시스템은 상기 커버 플레이트 뒤에 위치된 비행-시간 센서를 포함한다. 상기 비행-시간 센서는, 제어 신호의 각각의 트리거 펄스에 응답하여 광의 다수의 송신 펄스를 방출하도록 구성된 광학 방출기를 포함한다. 상기 검출기는 광의 수신 펄스를 검출하도록 구성된다. 측정 블록은 송신 펄스 중 하나와 수신 펄스 중 하나 사이의 시간 주기를 나타내는 각각의 차분값을 결정하도록 구성된다.

히스토그램 블록은 상기 차분값을 히스토그램의 다수의 빈 내에 축적하도록 구성된다. 또한, 프로세싱 회로(processing circuit)는 히스토그램의 적어도 하나의 누화 응답을 소정 범위의 빈 내에 기록하도록 구성된다. 또한, 상기 프로세싱 회로는 상기 기록된 누화 응답을 사용하여 히스토그램을 교정하고, 상기 교정된 히스토그램의 평가에 기초하여 비행-시간을 나타내는 출력 신호를 발생하도록 구성된다. 마지막으로, 제어 유닛은 일련의 트리거 펄스로 상기 제어 신호를 발생하도록 구성된다.

적어도 일 실시예에 있어서, 상기 비행-시간 시스템은 디지털 카메라의 모바일 디바이스 및/또는 자동 초점 시스템에 내장된다. 비행-시간 센서는 근접 센서 및/또는 거리 측정기(range finder)이다.

적어도 일 실시예에 있어서, 상기 비행-시간 센서는 트리거 펄스의 시컨스에 따라 상기 방출기를 구동하도록 배치된 드라이버를 포함한다. 상기 드라이버는 송신 펄스의 펄스 폭이 시간적으로 좁아지도록 상기 방출기를 구동하도록 배치된다. 상기 송신 펄스의 좁은 펄스 폭은 송신 펄스 중 하나와 커버 플레이트에서 반사된 수신 펄스 중 하나 사이의 시간 주기를 나타내는 차분값과 동일하거나 또는 이보다 더 작다. 예를 들어, 송신 펄스의 펄스 폭은 상기 시간 주기의 1/10 또는 1/120과 같은 후속 트리거 펄스들 사이의 시간 주기의 1/3 이거나 또는 이 보다 더 작을 수 있다. 상기 펄스 폭은 10 ns, 1 ns, 500 ps, 250 ps, 또는 100 ps와 동일하거나 또는 이보다 더 작을 수 있다.

상기 비행-시간 시스템의 추가적인 구현은, 방법의 다양한 구현 및 실시예로부터 쉽게 도출될 수 있으며, 그 반대인 경우도 마찬가지이다.

상기 개선된 개념의 추가적인 양태는 이하의 양태와 관련이 있다.

적어도 일 실시예에 있어서, 상기 방출기는 레이저 다이오드 또는 VCSEL 과 같은 표면 방출 레이저 다이오드를 포함한다.

적어도 일 실시예에 있어서, 상기 드라이버는 레이저 다이오드 또는 VCSEL 과 같은 표면 방출 레이저 다이오드를 위한 드라이버 회로를 포함한다. 상기 드라이버는 레이저 다이오드 또는 표면 방출 레이저 다이오드를 구동하여, 상기 송신 펄스를 피코초(picosecond) 범위로 방출하도록 배치된다.

적어도 일 실시예에 있어서, 상기 검출기는 단일 광자 애벌랜치 다이오드(single photon avalanche diode)(SPAD) 또는 SPAD 의 어레이와 같은 광자 센서를 포함한다.

적어도 일 실시예에 있어서, 상기 측정 블록은 예를 들어 하나 또는 그 이상의 링 발진기(ring oscillator)를 추가로 포함하는 시간-디지털 변환기(TDC)를 포함한다. 상기 시간-디지털 변환기 또는 여러 개의 시간-디지털 변환기는, 하나 또는 이상의 히스토그램에서 차분값을 결정하도록 구성된다.

적어도 일 실시예에 있어서, 상기 프로세싱 회로는 마이크로 프로세서 또는 CPU 를 포함한다. 상기 프로세싱 회로는 비행-시간 시스템이 내장된 모바일 디바이스 또는 디지털 카메라와 같은 대형 디바이스의 일부일 수 있다.

적어도 일 실시예에 있어서, 상기 송신 펄스의 펄스 폭은 히스토그램에서 다수의 최저 빈에 의해 결정된 최소 거리보다 더 좁다.

적어도 일 실시예에 있어서, 다수의 제1 최저 빈이 메모리에 기록된다.

적어도 일 실시예에 있어서, 상기 기록된 제1 빈, 즉 그 대응 차분값은 물체에 대응하는 거리가 상기 제1 빈 내에 있는지의 여부를 결정하기 위해, 예를 들어 제로 거리를 결정하기 위해, 상기 히스토그램으로부터 산란된다.

적어도 일 실시예에 있어서, 변경된 누화는 상기 커버 플레이트 상의 오염을 나타내는 것으로 보고된다.

히스토그램과 결합된 짧은 VCSEL 펄스를 사용함으로써, 상기 시스템은 커버 상의 얼룩과 같은 오염의 영향을 감소시킬 수 있으며, 심지어 반투명 코팅이 존재하더라도 ToF 센서로 하여금 정확한 거리를 측정할 수 있게 한다. 이를 달성하기 위해서는 히스토그램의 초기 빈을 무시하는 단계, 상기 히스토그램의 누화 응답을 나타내는 초기 피크를 기록하는 단계, 및 진행 중인 값으로부터 각각의 차분값을 감산하는 단계를 포함하는, 여러 방법들이 있다. 또한, 교정은 상기 커버 플레이트로부터 반투명 코팅의 추가 또는 감산을 동적으로 보상하는 단계를 포함할 수 있다. 2개의 물체와 같은 추가 피크가 보고되는 경우에, 상기 방법은 하나의 피크가 누화에 의한 것이고, 다른 피크가 외부 물체에 기인한, 예를 들어 이동하는 외부 물체에 기인한 것인지의 여부를 결정할 수 있다.

이하에는, 도면을 참조하여 예시적인 구현의 도움을 받아, 상기 개선된 개념이 상세히 설명된다. 기능적으로 동일하거나 또는 동일한 효과를 갖는 구성 요소는, 동일한 도면부호로 표시될 수 있다. 동일한 구성 요소 및/또는 동일한 효과를 갖는 구성 요소는 이들이 처음으로 발생하는 도면에 대해서만 기재될 수 있으며, 후속 도면에서는 그 기재가 반드시 반복될 필요는 없다.

도 1은 개선된 개념에 따른 커버 뒤에 있는 비행-시간 센서의 예시적인 구현을 도시하고 있다.
도 2는 개선된 개념에 따른 비행-시간 센서의 예시적인 구현을 도시하고 있다.
도 3은 개선된 개념에 따른 비행-시간 센서의 또 다른 예시적인 구현을 도시하고 있다.
도 4a는 단일 물체의 측정 프로세스의 개략적인 예를 도시하고 있다.
도 4b는 단일 물체의 측정 프로세스의 개략적인 히스토그램을 도시하고 있다.
도 5a는 물체 및 커버의 측정 프로세스의 개략적인 예를 도시하고 있다.
도 5b는 물체 및 커버의 측정 프로세스의 개략적인 히스토그램을 도시하고 있다.

도 1은 개선된 개념에 따른 커버 뒤에 있는 비행-시간 센서의 예시적인 구현을 도시하고 있다. 특히, 상기 도면은 광학 센서 모듈로서 구현된, 예를 들어 비행-시간 시스템의 일부로서 구현된, 비행-시간 센서의 측면도를 도시하고 있다. 상기 모듈은 캐리어(CA), 및 상기 캐리어 상에 배치된 불투명 하우징을 포함한다. 하우징은 상기 하우징을 제1 및 제2 챔버(C1, C2)로 분할하는 광학 장벽(light barrier)(LB)을 포함한다. 상기 제1 및 제2 챔버(C1, C2)는 하우징에 배치된 프레임 본체(FB)에 의해 횡방향으로 더욱 한정된다. 커버 섹션(CS)은 상기 캐리어(CA)에 대향하여 위치되며, 이에 따라 챔버(C1, C2)를 커버한다. 상기 커버 섹션(CS)은 본질적으로 캐리어(CA)의 주 표면에 평행한 주 표면(MS)을 갖는다.

상기 커버 섹션(CS), 프레임 본체(FB), 및 광학 장벽(LB)은 예를 들어 몰드 재료와 같은 재료의 연속적인 부재로 제조될 수 있다. 상기 캐리어(CA)는 광학 센서 모듈에 통합된 전자 부품에 대한 기계적 지원 및 전기적 접속성을 제공한다. 예를 들어, 상기 캐리어(CA)는 인쇄 회로 기판(PCB)을 포함한다. 그러나 다른 실시예(도시되지 않음)에 있어서, 캐리어(CA)는 상기 언급된 재료, 예를 들어 몰드 재료의 연속적인 부재의 섹션으로서, 하우징의 일부일 수도 있으며, 전자 부품이 상기 하우징 내에 내장된다.

제1 챔버(C1)의 내측에는 광학 방출기(OE)가 위치된다. 이런 특정한 실시예에 있어서, 상기 광학 방출기(OE)는 캐리어(CA) 상에, 예를 들어 PCB 상에 위치되어, 이에 전기적으로 접속된다. 상기 광학 방출기(OE)는 VCSEL 또는 VECSEL 과 같은 레이저 다이오드이다. 이들 타입의 레이저는, 예를 들어 전자기 스펙트럼의 적외선 부분에서 광을 방출하도록 구성된다.

주 검출기(MD) 및 기준 검출기(RD)는, CMOS 프로세스에서 제조된 단일의 반도체 집적 회로와 같은 단일의 검출기 다이에 통합된다. 상기 주 검출기(MD)가 제2 챔버(C2)의 내측에 위치되고 또한 상기 기준 검출기(RD)가 방출기(OE)와 함께 상기 제1 공동(C1)의 내측에 위치되도록, 상기 검출기는 광학 장벽(LB)에 의해 광학적으로 그리고 공간적으로 분리된다. 검출기(MD, RD)는 단일의 SPAD 또는 SPAD 어레이로서 구현될 수 있다. 이들은 광학 기준 신호 및 측정 신호(아래 참조)의 측정에 각각 사용된다.

상기 커버 섹션(CS) 내에는, 제1 및 제2 조리개(A1, A2)가 배치된다. 상기 제1 및 제2 조리개(A1, A2)는 광학 방출기(OE) 및 주 검출기(MD) 위에 각각 위치된다. 실제로, 상기 조리개(A1, A2)는 광학 방출기(OE)의 방출 원추부(cone) 내에 그리고 주 검출기(MD)의 시야 내에 각각 놓인다. 거기에서, 상기 방출 원추부는, 적어도 이론적으로는, 예를 들어 광학 센서 모듈 내에서의 고정형 방출기 위치 및 배향을 위해 상기 광학 방출기(OE)에 의해 조명될 수 있는 공간의 모든 지점을 포함한다. 유사하게, 상기 주 검출기(MD)의 시야는, 적어도 이론적으로, 상기 광학 센서 모듈 내의 고정형 검출기 위치 및 배향을 위해, 외부 목표물(TG)에서의 반사 후의 광이 상기 주 검출기(MD)를 향해 횡단할 수 있는 공간의 모든 지점을 포함한다.

선택적으로, 상기 제1 및 제2 조리개(A1, A2)에는 제1 및 제2 렌즈(도시되지 않음)가 배치될 수도 있다. 상기 렌즈는 구형 또는 원통형 형상과 같은 광학 렌즈 형상을 갖는다. 상기 렌즈는 오목 렌즈 및/또는 볼록 렌즈(또는 그 조합)로서 동작할 수 있으며, 또한 방출되거나 반사된 광을 목표물(TG) 및/또는 주 검출기(MD)에 초점을 맞출 수 있다. 또한, 상기 커버 섹션(CS)의 주 표면(MS)은 광학 모듈을 그 환경으로부터 밀봉하기 위해, 투명 또는 반투명 커버(도시되지 않음)로 커버될 수 있다. 상기 렌즈는 커버와 일체적인 부분이거나, 또는 상기 커버에 연결될 수 있다.

상기 광학 센서 모듈은, 예를 들어 유리 또는 플라스틱 재료로 제조된 광학적으로 투명한 또는 반투명한 커버 플레이트(CP)의 뒤에 위치된다. 상기 커버 플레이트(CP)는 광학 모듈의 일부가 아니라, 상기 광학 센서 모듈이 통합된 모바일 디바이스 또는 카메라와 같은 대형 디바이스일 수 있다. 상기 커버 플레이트(CP), 또는 축약하여 커버는, 상기 커버 섹션(CS)의 주 표면(MS)으로부터 거리를 두고 위치되며, 이는 이하에 에어 갭(air gap)으로서 표시될 것이다.

작동 시, 상기 광학 방출기(OE)는 IR 또는 UV/vis 에서 방출 파장 또는 방출 스펙트럼을 갖는 광을 방출한다. 많은 용도에서는, 사람의 눈에 보이지 않는 적외선 방출이 바람직하다. 상기 광학 방출기(OE)의 방출은 전형적으로 변조되며, 예를 들어 방출은 사인파 또는 구형파(square wave)와 같은 연속파에 의해 펄스화되거나 변조된다. 실제 변조 주파수는 센서가 자동 초점을 포함하는 근접 용도로, 또는 거리 측정기 용도로 사용되는지의 여부에 따르며, 예를 들어 비행-시간 범위를 결정한다.

상기 광학 방출기(OE)는, 방출된 광의 적어도 일부가 상기 제1 조리개(A1)를 통해 모듈을 떠나도록, 상기 하우징의 내측에 위치된다. 광의 이런 일부(측정 일부로 표시)는, 궁극적으로 외부 물체 또는 목표물(TG)에 의해 적어도 부분적으로 반사된다. 상기 주 검출기(MD)는, 반사된 광이 제2 조리개(A2)에 의해 제2 공동(C2)에 들어가고 그리고 이에 따라 상기 주 검출기(MD)에 의해 검출될 수 있도록, 상기 모듈에 위치된다. 상기 주 검출기(MD)는 검출된 광에 응답하여 측정 신호를 발생한다. 목표물(TG)에 의해 광학 방출기(OE)를 주 검출기(MD)에 연결하는 광로(optical path)는 측정 경로(P1)를 설정하며, 또한 상기 측정 경로(P1)를 따라 횡단하는 광은 광의 측정 비임을 형성한다.

그러나 다른 측정 경로(P2)(도면에는 화살표로 도시됨)가 상기 커버(CP)에 의해 설정될 수 있다. 예를 들어, 방출된 광의 일부는 커버(CP)에서 반사되어, 상기 에어 갭을 따라 안내되고, 궁극적으로 상기 주 검출기(MD)에 도달할 수 있다. 그 후, 상기 주 검출기(MD)는 커버(CP)에서 반사된 광에 응답하여 측정 신호를 발생할 수 있다. 상기 측정 경로(P2)를 따라 횡단하는 광은, 광의 또 다른 측정 비임을 형성한다.

또한, 기준 경로(P3)가 설정되어, 임의의 외부 목표물을 통하지 않고 상기 광학 방출기(OE)를 기준 검출기(RD)에 광학적으로 연결한다. 예를 들어, 상기 기준 경로(P3)는, 방출기(OE) 및 기준 검출기(RD)가 동일한 챔버의 내측에 상주함에 따라, 상기 제1 챔버(C1)의 내측에 유지된다. 그러나 상기 주 검출기 및 기준 검출기(MD, RD) 모두가 동일한 챔버에 배치되거나 또는 서로 근접하여 배치되는 경우에는 구현이 가능하여, 예를 들어 기준 경로(RP)가 제1 챔버와 제2 챔버 사이에 형성된다.

비행-시간 측정을 위해, 이하에 기준 일부(reference fraction)로 표시되는 다른 일부는 상기 기준 경로(P3)를 따라 횡단하여, 기준 광 비임을 형성한다. 기준 비임의 광은 기준 검출기(RD)에 의해 적어도 부분적으로 검출되고, 이는 다시 검출된 광에 기초하여 기준 신호를 발생한다.

측정 신호 및 기준 신호는 측정 경로(P1)의 비행-시간 특성의 측정값이며, 그리고 거리(모듈과 목표물 사이)로 전환될 수 있다. 그러나 측정 경로(P2)를 발생하는 커버(CP)에서의 반사된 광은 측정 신호에 기여한다. 이런 누화는 이하에 설명되는 바와 같이 전용 신호 프로세싱을 받게 된다.

신호 프로세싱 및 비행-시간 계산은, 도 2에서 논의되는 바와 같이, 주 검출기 및 기준 검출기(MD, RD)를 포함하는 동일한 칩 상에서 수행된다. 필요한 구성 요소는 동일한 반도체 다이(SD)로 제조된 집적 회로(IC)에 통합되며, 주 검출기 및 기준 검출기(MD, RD)를 포함한다.

도 2는 상기 개선된 개념에 따른 비행-시간 센서의 예시적인 구현을 도시하고 있다. 비행-시간 센서 배치는, 예를 들어 도 1에서 논의된 광학 센서 모듈로서 구현된다. 상기 집적 회로(IC)는 광학 방출기(OE)를 구동하기 위한 드라이버(DRV)를 포함한다. 그러나 전형적으로 방출기(OE)는, 전기적으로 접속되지만 그러나 상기 반도체 다이에 통합되지 않을 수 있는, 외부 구성 요소를 구성한다. 이런 실시예에서는, 오직 드라이버(DRV)만 집적 회로(IC)에 통합되고, 상기 방출기(OE)는 모듈의 캐리어(CA) 상에 배치되는 VCSEL 레이저 다이오드이다.

집적 회로(IC)는 주 검출기(MD) 및 기준 검출기(RD)를 추가로 포함한다. 주 검출기(MD)의 출력은 측정 블록(MB)에 결합된다. 상기 집적 회로(IC)는 측정 블록(MB) 및 프로세싱 회로(PRC)에 결합된 히스토그램 블록(HIST)을 추가로 포함한다. 제어 유닛(CTRL)은 프로세싱 회로(PRC) 및 측정 블록(MB)에 연결된다. 상기 제어 유닛(CTRL)은 제어 신호(CS1)를 드라이버(DRV)에 제공하여, 방출기(OE)를 구동시킨다.

도 2는 선택적인 비임 스플리터(beam splitter)(BS)[상기 기준 경로(RP)의 부분을 나타낼 수 있음], 선택적인 필터(F)뿐만 아니라, 집적 회로(IC)에 통합되지 않고 광학 모듈에 의해 포함되는 구성 요소인 제1 렌즈(L1) 및 제2 렌즈(L2)를 추가로 도시하고 있다. 도면은 또한 모듈 외측에 있는 외부 목표물(TG)을 도시하고 있다.

예를 들어, 상기 드라이버(DRV)는 제어 신호(CS1)에 따라 방출기(OE)를 구동하도록 구성된다. 그 결과, 방출기(OE)는 제어 신호의 각각의 트리거 펄스에 응답하여 전자기 방사선의 일련의 감지 펄스를 방출한다. 전형적으로, 상기 방출기(OE)는 제어 신호(CS1)에서 각각의 트리거 펄스에 대해 하나의 송신 펄스를 방출한다. 상기 전자기 방사선은 스펙트럼의 가시광선, IR, 또는 UV 부분으로부터의 파장을 갖는다.

상기 송신 펄스는 제1 조리개(A1)를 통해 안내되고, 이하에 방출 펄스(EP)로서 표시되는 측정 경로(P1, P2)를 따라 횡단한다. 반사된 펄스는 반사 펄스(RP, RP')로 표시된다. 궁극적으로, 상기 반사 펄스는 측정 검출기(MD)에 의해 검출된다. 제1 챔버(C1) 내측의 반사를 통해, 또는 상기 비임 스플리터(BS)에 의해, 상기 송신 펄스의 일부는 기준 검출기(RD)에 결합되며 그리고 시작 펄스(SP)로서 상기 기준 검출기로 지향될 수 있으며, 이는 송신 펄스의 방출 순간을 방출 펄스(EP)로 각각 광학적으로 나타낸다. 상기 시작 펄스(SP)의 검출에 따라, 기준 검출기(RD)는 펄스의 방출과 수신 사이의 시간 주기의 측정을 시작하기 위해 상기 측정 블록(MB)에 시작 신호를 제공한다. 결과적으로, 검출기(MD)는 수신 펄스의 검출에 따라 상기 측정 블록(MB)에 정지 신호를 제공한다. 상기 측정 블록(MB)은 송신 펄스와 수신 펄스 사이의 시간 주기를 나타내는 각각의 차분값을 결정한다.

본 기술분야의 숙련자라면 시작 신호 및 정지 신호의 사용은 상기 시간 주기를 결정할 수 있는 몇 개의 옵션 중 하나일 뿐이라는 것을 인식해야 한다. 예를 들어, 시작은 예를 들어 제어 신호(CS1)의 각각의 트리거 펄스에 의해 트리거될 수도 있다.

상기 측정 블록은 이전에 결정된 차분값을 히스토그램 블록(HIST)에 제공하여, 상기 값을 히스토그램 내에 축적시킨다. 상기 프로세싱 회로(PRC)는 히스토그램의 평가에 기초하여 비행-시간을 나타내는 출력 신호(OS)를 발생하도록 구성된다. 상기 제어 유닛(CTRL)은 일련의 트리거 펄스로 제어 신호(CS1)를 발생하도록 구성된다. 이런 일련의 트리거 펄스는 제1 트리거 펄스, 및 다수의 후속 트리거 펄스를 포함한다. 상기 제어 신호(CS1)는 각각의 후속 트리거 펄스에 대해 각각의 선행 트리거 펄스 사이의 시간 주기가 동일하도록 발생된다. 그러나 상기 시간 주기는 앨리어싱 효과를 감소시키기 위해, 상기 트리거 펄스와 각각의 후속 트리거 펄스 사이의 다른 시간 주기와는 상이할 수도 있다.

도 3은 단일 물체의 측정 프로세스에 대한 개략적인 예를 도시하고 있다. 상기 측정 프로세스는 비행-시간값 및 이와 관련된 거리를 결정하는 것을 허용한다. 이런 예에 있어서, ToF 센서는 상기 예에서 사람으로 표시된 외부 물체(TG)와 카메라 사이의 거리를 측정하기 위해 카메라에 통합될 수 있다. 따라서 광의 송신 펄스는 펄스(EP)로서 방출되고, 물체(TG)에서 반사되어, 상기 ToF 센서에 수신 펄스(RP)로서 복귀된다. 비행-시간 센서를 포함하는 카메라와 물체 사이의 거리는, 펄스(EP, RP)의 비행-시간에 기초하여 결정될 수 있다. 이는 도 4b에서 논의되는 바와 같이 히스토그램을 평가함으로써 달성될 수 있다.

도면은 일련의 5개의 송신 펄스(EP1 내지 EP5), 물체(TG)로부터 반사된 관련의 반사 펄스(RP1, RP2), 및 노이즈 또는 배경 광의 단일 광자로부터 비롯된 추가적인 반사 펄스(RP3)를 구비한 신호 시간 다이어그램을 도시하고 있다. 또한, 모든 간격이 수신 펄스를 수신할 수 있는 것은 아님이 명백하다.

단지 예로서, 도 4a에 도시된 펄스의 펄스 폭은 약 500 피코초이거나 또는 이 보다 더 작고, 단일 방출 펄스 및 그 반사 펄스(RP)에 대한 비행-시간은 6 나노초의 일정한 값을 가지며, 이는 센서 배치와 물체(TG) 사이의 거리 0.9 m에 대응하며, 펄스의 광속(c)을 사용한다. 다시 도 1을 참조하면, 이는 제어 신호(CS1)에서의 각각의 트리거 펄스에 의해 달성된다.

도 4b는 단일 물체의 측정 프로세스에 대한 개략적인 히스토그램을 도시하고 있다. 도 2에 도시된 바와 같이, 차분값은 측정 블록(MB)에서 결정되어, 히스토그램 블록(HIST)의 히스토그램의 빈 내에 축적된다. 따라서 본 예에서는, 6 나노초의 시간값을 갖는 5개의 수신 펄스가 상기 히스토그램의 단일 빈으로 분류되거나 축적된다. 상기 빈은 1 부터 N 까지의 번호로 표시되며, 전형적으로는 동일한 빈 크기를 갖는다. 각각의 동일한 차분값은 동일한 빈으로 분류된다. 주어진 빈에서의 다수의 차분값은 발생 OCC 또는 이벤트 번호로 표시된다.

이런 예에서는, 500 피코초의 펄스 폭이 75 mm 또는 3 인치의 거리를 나타낸다. 상기 히스토그램은 약 4.8 m의 최대 거리를 나타내는 64개의 빈을 갖는다. 상기 물체는 0.9 m에 위치된다. 주변 광 또는 노이즈와 같은 배경 노이즈는 일정한 배경 레벨로서 나타날 것이다. 이러한 시스템의 이점 중 하나는, 활용된 펄스 폭 및 빈 크기에 의해 분해될 수 있는 거리만큼 물체가 분리되어 있는 한, 다중 물체를 검출할 수 있는 능력이다. 임의의 추가적인 반사 펄스 및 그 각각의 차분값은 별도의 빈으로 분류된다.

상기 프로세싱 회로(PRC)는 이제 히스토그램을 평가할 수 있다. 피크는 각각의 빈에서 더 높은 카운트에 의해, 예를 들어 평균 레벨 또는 배경 레벨보다 더 높은 카운트에 의해 결정된다. 상기 프로세싱 회로는 6 나노초에 대응하는 빈의 값을 출력 신호로서 출력할 수 있다. 이런 값은 시간값, 계산된 거리값, 또는 히스토그램 빈과 관련된 시간값으로부터 도출될 수 있는 임의의 다른 값의 형태일 수 있음이 명백하다.

예에 있어서는, 제어 신호(CS1)의 각각의 트리거 펄스에 의해 각각 트리거되는 5개의 송신 펄스만 사용된다. 그러나 펄스를 각각 송신하는, 이보다 더 많거나 또는 더 적은 수의 트리거 펄스가 사용될 수도 있다. 전형적으로, 비행-시간 시스템에 있어서, 펄스는 여러 번 반복되며, 최대 수백만 펄스까지 반복된다. 펄스는 하나 또는 그 이상의 히스토그램에 축적될 수 있다. 예를 들어, 상기 히스토그램은 목표 물체의 배경 광자 및 반사 광자를 기록한다. 또한, 펄스를 각각 전송하는 트리거 펄스들 사이의 타이밍은, 예를 들어 거리 측정값 중 원하는 최대 거리를 고려하여 조정될 수 있다. 따라서 도 4b의 다이어그램에서 모든 번호 및 값은 비 제한적인 예로서만 취해져야 한다.

도 5a는 물체 및 커버의 측정 프로세스의 개략적인 예를 도시하고 있다. 많은 시스템에 있어서, 상기 비행-시간 센서는 모바일 디바이스용 또는 카메라용 유리 커버와 같은 커버 플레이트 뒤에 가깝게 있어야만 한다. 이런 경우에, 상기 커버는 광학 방출기와 검출기 사이의 누화원(a source of crosstalk)일 수 있다. 얼룩 또는 먼지와 같은 이런 오염이 커버 상에 있다면, 이는 누화를 더욱 추가시킬 수 있다.

도면은 측정 경로(P1)를 따라 외부 물체(TG)를 향해 방출되는 송신 펄스(EP)를 도시하고 있다. 또한, 송신 펄스(EP)는 커버 플레이트(CP)를 향해 방출되어, 측정 경로(P2)를 따라 횡단한다. 반사된 펄스는 반사 펄스(RP, RP')로 표시되고, 상기 목표물(TG) 및 커버 플레이트(CP)에서 각각 반사된다. 또한, 도면은 히스토그램의 빈을 도시하고 있다(파선으로 도시되어 있고, 1 내지 12의 번호가 부여되어 있다). 수신 펄스(RP'), 즉 각각의 차분값은 빈(1)으로 분류되어, 커버 플레이트(CP)에서의 반사에 대응한다. 다른 수신 펄스(RP)는 빈(9)으로 분류되어, 물체(TG)에서의 반사에 대응한다. 도 5b는 물체 및 커버의 측정 프로세스의 개략적인 히스토그램을 도시하고 있다. 수신 펄스(RP')는 커버 플레이트(CP)에서의 반사로 인한 차분값의 범위를 발생한다. 이 범위는 누화 응답으로 표시된다. 이는 히스토그램의 빈(1)에서 피크임이 명백하다. 상기 피크는 이하에 누화 피크로 표시된다. 예를 들어, 상기 수신 펄스(RP)는 목표 물체(TG)에서의 반사로 인한 차분값을 발생한다. 상기 피크는 이하에 피크(PK1)로 표시된다. 비행-시간 시스템을 교정하기 위해서는, 실제 물체로부터의 거리를 나타내는 누화 응답이 식별되어, 피크(PK1)로부터 분리되어야만 한다.

히스토그램에서 차분값 표시의 이점 중 하나는, 피크의 식별을 촉진시킨다는 점이다. 예를 들어, 좁은 펄스 폭 및 작은 빈 크기를 사용함으로써, 누화 응답을 히스토그램의 제1 빈 또는 2개의 빈 내에 위치시키는 것이 가능하다. 일반적으로, 비행-시간 시스템의 설계, 및 특히 비행-시간 센서에 대한 커버 플레이트(CP)의 거리는, 커버 플레이트에서의 반사(및 각각의 차분값)가 기대되는 소정 범위의 빈(1,..., M)을 결정한다. 누화 응답의 높이 또는 발생은 상기 누화 피크로부터 도출될 수 있으며, 그 시간에 따른 변화는 누화 또는 커버 플레이트 상의 오염의 척도로서 사용될 수 있다. 누화 및 오염은 이하에 논의되는 바와 같은 다양한 방식으로 고려될 수 있다. 방법은 일반적으로 구현 및 제로 거리를 측정할 필요가 있는지의 여부에 달려 있다. 제로 거리에서 실제 물체로부터 비롯된 피크는 누화 응답과 중첩될 수 있으며, 따라서 추가적인 방법 단계 없이 서로 구별되지 않을 수 있다

먼저, 누화 응답을 나타내는 빈 또는 빈 범위를 무시함으로써, 히스토그램으로부터 누화가 제거될 수 있다. 예를 들어, 비행-시간 시스템이 디지털 카메라에 내장되어 있을 때는 자동 초점을 지원하는 데 사용될 수 있다. 전형적인 광학 렌즈는, 기본적으로 시스템의 최소 거리를 정의하는 가장 짧은 초점 거리를 갖는다. 더 작은 거리를 나타내는 빈 내에 축적된 모든 정보 또는 차분값들은, 이들이 상기 최소 거리보다 더 작은 거리를 나타내기 때문에 무시될 수 있다. 환언하면, 카메라 자동 초점 시스템은 최소 초점 거리를 가지며, 또한 제로까지의 거리를 알 필요가 없다. 예를 들어 150 mm의 최소 거리를 가지면, 히스토그램의 2개의 제1 빈을 무시하는 것이 허용될 수 있다.

두 번째로, 누화 응답에 의해 정의된 정상-상태의 양 또는 발생은, 소정 범위의 빈 내의 빈으로부터 감산될 수 있다. 예를 들어, 누화 응답은 히스토그램의 상기 2개의 제1 빈으로부터 감산될 수 있다. 예를 들어, 기준선이 설정되어 히스토그램으로부터 감산될 수 있다.

비행-시간 시스템의 일부 구현에 있어서, 상기 비행-시간 센서는 근접 센서로서 사용되고 있다. 근접 센서에 대해서는 제로까지의 거리를 검출하는 것이 중요할 수 있으므로, 빈의 소정 범위에 있는 빈은 히스토그램의 평가 시 고려될 수 있는 차분값을 기록한다.

하나의 가능한 방법은 비행-시간 시스템의 제조 시에 또는 시동 시에 예비-교정에서 누화 응답의 검출을 포함하고, 또한 예를 들어 상기 예비-교정된 누화 응답을 히스토그램으로부터, 예를 들어 기준선에 의해 감산하는 것이다. 이런 추가 교정 및 감산은 CPU 또는 마이크로 컨트롤러와 같은 프로세싱 회로(PRC)를 사용하여 실시될 수 있다. 이러한 예비-교정을 수행하는 능력은, 디바이스가 초기에 시동되었을 때, 빈의 소정 범위에 있는 빈, 예를 들어 상기 2개의 제1 빈에 대한 교정값을 결정하는 데 사용될 수 있다. 이런 교정값은 누화로 예상되는 최소값을 나타낼 것이다.

근접 용도를 위해 사용될 수 있는 또 다른 구현은, 물체가 비행-시간 센서를 향해 이동할 때 동적 교정을 제공할 것이다. 예를 들어, 일련의 히스토그램 중 여러 개의 히스토그램을 기록함으로써 피크(PK1)가 모니터링될 수 있다. 상기 피크는 이동할 수 있으며, 이런 이동은 일련의 히스토그램에서 검출될 수 있다. 궁극적으로, 상기 피크는 소정 범위의 빈 내로, 그리고 제로 거리에 대응하는 빈 내로 이동한다. 이러한 경우에, 상기 피크(PK1) 및 누화 응답은 구별될 수 없다. 상기 예비-교정에 기록된 교정값은 커버에서의 반사로 인한 다수의 차분값, 및 소정 범위의 빈에서의 목표 물체로 인한 다수의 차분값을 결정하는 데 사용될 수 있다. 이들 값을 상기 측정된 피크와 비교함으로써, 커버 플레이트에 오염이 존재하는지의 여부 또는 심지어 상기 오염이 증가되었는지 또는 감소되었는지의 여부가 결정될 수 있다.

또한, 상기 물체[및 모니터링된 피크(PK1)]가 센서(또는 히스토그램의 빈)로부터 멀어졌을 때, 남아 있는 누화 응답은 새로운 교정값을 재교정하는 데 사용될 수 있다. 이런 방법은, 상기 누화 응답이 동일하게 유지되었는지의 여부, 또는 높이(또는 발생)가 증가되었는지 또는 감소되었는지의 여부가 확인할 수 있다. 상기 교정값의 변화는 상기 커버 플레이트의 오염의 표시를 제공한다. 또한, 각각의 빈에 축적된 값들은, 예를 들어 증가된 교정값으로 또는 감소된 교정값으로 조정될 수 있다.

또 다른 구현은, 2개 또는 그 이상의 물체 및 각각의 피크가 히스토그램에서 식별되었을 때, 즉 누화 응답 및 모니터링된 피크(PK1)를, 상기 비행-시간 시스템이 내장된 디바이스의 운영 체제에 보고할 것이다. 상기 시스템은 어떤 피크가 누화에 대응하는지를, 그리고 실제 물체에 대응하는지를 결정하도록 배치된다. 따라서 제안된 방법의 적어도 일부는 상기 디바이스의 운영 체제에 의해 실시되거나 보완될 수 있다.

예를 들어, 휴대폰 시스템에 있어서, 상기 비행-시간 센서는 카메라 자동 초점을 위한 근접 검출기와 그리고 거리 측정 시스템으로 모두 사용될 수 있다. 카메라 자동 초점으로서 작동하는 비행-시간 센서라면, 최소 초점 거리보다 더 작은 거리에 대응하는 것에 대해서는 무시할 수 있다. 그러나 상기 비행-시간 시스템이 다중 물체를 보고했다면, 상기 시스템은 가까운 물체는 무시하고, 그리고 상기 초점 범위 내의 물체에 대응하는 피크에만 초점을 맞출 수 있다. 다른 한편으로는, 근접 센서로서 사용될 비행-시간 센서라면, 상기 다중 물체는 히스토그램에서의 그 강도와 함께 기록될 수 있다(예를 들어, 차분값의 발생). 상기 시스템이 작동 조건에 대해 더 많은 지식을 갖고 있기 때문에, 물체가 커버 플레이트 상의 오염과 같은 실제 물체이거나 또는 일시적인 물체라면, 상기 강도의 감소 또는 강도의 증가에 관한 결정을 내리기 위해 더 많은 정보를 가질 수 있다.

또 다른 구현에 있어서, 상기 프로세싱 회로(PRC)는 누화 응답의 변화(예를 들어, 상이한 교정값으로 표시됨)를, 센서 오염의 표시로서 보고한다. 상기 센서가 카메라 시스템에 내장되어 카메라에 가깝게 위치되었다면, 상기 센서 상의 오염은 카메라의 오염을 나타낼 수도 있다. 예를 들어, 전용 출력 신호에 의한 오염의 보고는, 사용자에게 잠재적 오염을 알리고, 그리고 사용자가 카메라 서브시스템에 대해 상기 렌즈를 청소할 필요가 있다는 것을 납득시키는 데 사용될 수 있다.

A1: 조리개
A2: 조리개
BS: 비임 스플리터
C1: 챔버
C2: 챔버
CA: 캐리어
CS: 커버 섹션
CS1: 제어 신호
CTRL: 제어 유닛
CTP: 누화 피크
DRV: 드라이버
EP: 방출 펄스
EP1: 방출 펄스
EP2: 방출 펄스
EP3: 방출 펄스
EP4: 방출 펄스
EP5: 방출 펄스
FB: 프레임 본체
HIST: 히스토그램 블록
IC: 집적 회로
L1: 렌즈
L2: 렌즈
LB: 광 장벽
MB: 측정 블록
MD: 주 검출기
MS: 주 표면
OCC: 발생
OE: 광학 방출기
OS: 출력 신호
P1: 측정 경로
P2: 측정 경로
P3: 측정 경로
PK1: 피크
PRC: 프로세싱 회로
RD: 기준 검출기
RP: 반사 펄스
RP': 반사 펄스
RP": 반사 펄스
SP: 시작 펄스
TG: 목표물

Claims (18)

1. 커버 플레이트(CP) 뒤에 위치된 비행-시간 센서를 갖는 비행-시간 시스템을 교정하기 위한 방법으로서:
   - 제어 신호(CS1)의 각각의 트리거 펄스에 응답하여, 광의 다수의 송신 펄스(EP)를 방출하는 단계;
   - 광의 수신 펄스(RP, RP')를 검출하는 단계;
   - 상기 송신 펄스(EP) 중 하나와 상기 수신 펄스(RP, RP') 중 하나 사이의 시간 주기를 나타내는 각각의 차분값을 결정하는 단계;
   - 상기 차분값을 적어도 하나의 히스토그램의 다수의 빈(1,..., N) 내에 축적하는 단계;
   - 상기 히스토그램의 적어도 하나의 누화 응답(CTP)을 소정 범위의 빈(1,..., M) 내에 기록하는 단계;
   - 상기 기록된 누화 응답(CTP)을 사용하여 상기 히스토그램을 교정하는 단계; 및
   - 상기 교정된 히스토그램의 평가에 기초하여, 비행-시간을 나타내는 출력 신호(OS)를 발생하는 단계를 포함하는, 비행-시간 시스템 교정 방법.
2. 청구항 1에 있어서,
   - 상기 히스토그램은 상기 누화 응답(CTP)을 무시함으로써 교정되며,
   - 상기 출력 신호(OS)는 빈에, 또는 소정 범위의 빈(1,..., M) 이외의 빈의 범위에, 상기 히스토그램의 피크 또는 피크들(PK1)의 비행-시간을 나타내는, 방법.
3. 청구항 2에 있어서,
   상기 히스토그램은 상기 소정 범위의 빈(1,..., M)보다 더 높은 빈에 대해서만 상기 히스토그램을 평가함으로써 교정되는, 방법.
4. 청구항 1에 있어서,
   상기 히스토그램은 스케일링 계수를 곱한 누화 응답(CTP)을 상기 히스토그램으로부터 감산함으로써 교정되는, 방법.
5. 청구항 1 내지 청구항 4 중 어느 한 항에 있어서,
   - 다수의 송신 펄스(EP)를 방출하는 단계, 수신 펄스(RP)를 검출하는 단계, 및 각각의 차분값을 결정하는 단계는, 일련의 히스토그램이 차분값으로 축적되고 및/또는 각각의 누화 응답이 평균화되어 누화 응답으로서 기록되도록 반복되는, 방법.
6. 청구항 5에 있어서,
   - 상기 일련의 히스토그램에서 하나 또는 그 이상의 추가 피크(PK1)를 결정하는 단계,
   - 상기 일련의 히스토그램 전체를 통해 적어도 상기 추가 피크(PK1)를 모니터링하는 단계, 및
   - 상기 모니터링된 피크(PK1) 중 하나 또는 그 이상이 상기 소정 범위의 빈(1,..., M) 내로 이동했다면, 상기 일련의 히스토그램 중 하나 또는 그 이상의 히스토그램이 교정되는 단계를 더 포함하는, 방법.
7. 청구항 1 내지 청구항 6 중 어느 한 항에 있어서,
   - 정의된 교정 조건에서 상기 비행-시간 시스템의 시동 시, 특히 상기 커버 플레이트(CP) 이외에는 물체가 존재하지 않는 경우에, 교정값이 예비-교정 모드에서 결정되며, 및/또는
   - 상기 교정값은 상기 누화 응답(CTP) 및/또는 상기 추가 피크(PK1)를 모니터링함으로써 동적으로 조정되는, 방법.
8. 청구항 6에 있어서,
   - 상기 교정값은 상기 소정 범위의 빈 내로 이동한 상기 모니터링된 피크(PK1)로부터 결정되며,
   - 상기 교정값은 상기 누화 응답(CTP)과 상기 소정 범위의 빈 내로 이동한 상기 모니터링된 피크(PK1)의 비교로부터 결정되며, 및/또는
   - 상기 교정값은 상기 누화 응답(CTP)과 상기 소정 범위의 빈 내로 이동한 상기 모니터링된 피크(PK1) 모두를 포함하는 조합된 누화 응답으로부터 결정되는, 방법.
9. 청구항 8에 있어서,
   상기 교정값은 시간 평균화 필터를 사용하여 상기 조합된 누화 응답으로부터 결정되고, 상기 시간 평균화 필터는,
   - 상기 조합된 누화 응답의 신호 진폭이 증가함에 따라 평균화되는 느린 시간인 느린 어택(slow attack), 및/또는
   - 상기 조합된 누화 응답의 신호 진폭이 감소됨에 따라 빠른 평균화인 빠른 감쇠를 갖는, 방법.
10. 청구항 1 내지 청구항 9 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제어 신호(CS1)는 일련의 트리거 펄스로 발생되며, 후속 트리거 펄스들 사이의 시간 주기는 상기 비행-시간 센서의 원하는 최대 검출 범위에 의해 결정되는, 방법.
11. 청구항 1 내지 청구항 10 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 송신 펄스(EP)의 펄스 폭은, 상기 비행-시간 센서의 최소 검출 범위를 나타내는 차분값과 동일하거나 또는 이보다 더 작은, 방법.
12. 청구항 11에 있어서,
    상기 히스토그램의 범위는 상기 원하는 최대 검출 범위에 의해 결정되고, 빈 크기는 상기 송신 펄스(EP)의 상기 펄스 폭과 동일하거나 또는 이보다 더 작게 배치되는, 방법.
13. 청구항 12에 있어서,
    상기 송신 펄스(EP)의 상기 펄스 폭, 후속 트리거 펄스 및/또는 다수의 송신 펄스(EP) 사이의 시간 주기는 조정 가능한, 방법.
14. 커버 플레이트(CP) 뒤에 위치된 비행-시간 센서를 포함하는 비행-시간 시스템으로서, 상기 비행-시간 센서는:
    - 제어 신호(CS1)의 각각의 트리거 펄스에 응답하여, 광의 다수의 송신 펄스(EP)를 방출하도록 구성된 광학 방출기(OE);
    - 광의 수신 펄스(RP)를 검출하도록 구성된 검출기(MD);
    - 상기 송신 펄스(EP) 중 하나와 상기 수신 펄스(RP) 중 하나 사이의 시간 주기를 나타내는 각각의 차분값을 결정하도록 구성된 측정 블록(MB);
    - 상기 차분값을 히스토그램의 다수의 빈(1,..., N) 내에 축적하도록 구성된 히스토그램 블록(HIST);
    - 상기 히스토그램의 평가에 기초하여 비행-시간을 나타내는 출력 신호(OS)를 발생하도록 구성되고, 상기 히스토그램의 적어도 하나의 누화 응답을 소정 범위의 빈(1,..., M) 내에 기록하도록 구성되며, 상기 기록된 누화 응답을 사용하여 상기 히스토그램을 교정하도록 구성되고, 및 상기 교정된 히스토그램에 기초하여 비행-시간을 나타내는 출력 신호(OS)를 발생하도록 구성되는, 프로세싱 회로(PRC);
    - 일련의 트리거 펄스로 상기 제어 신호(CS1)를 발생하도록 구성되는 제어 유닛(CTRL)을 포함하는, 비행-시간 시스템.
15. 청구항 14에 있어서,
    - 상기 비행-시간 시스템은 모바일 디바이스 및/또는 디지털 카메라의 자동 초점 시스템에 내장되며, 및
    - 상기 비행-시간 센서는 근접 센서 및/또는 거리 측정기인, 비행-시간 시스템.
16. 청구항 15에 있어서,
    - 상기 비행-시간 센서는 트리거 펄스의 시컨스에 따라 상기 방출기(EM)를 구동하기 위한 드라이버(DRV)를 포함하고,
    - 상기 드라이버(DRV)는 상기 송신 펄스의 펄스 폭이 좁도록 상기 방출기를 구동시키도록 배치되며,
    - 상기 송신 펄스의 좁은 펄스 폭은, 상기 송신 펄스(CP) 중 하나와 상기 커버 플레이트(CP)에서 반사된 상기 수신 펄스(RP, RP') 중 하나 사이의 시간 주기를 나타내는 차분값과 동일하거나 또는 이보다 더 작은, 비행-시간 시스템.
17. 커버 플레이트(CP) 뒤에 위치된 비행-시간 센서를 갖는 비행-시간 시스템을 교정하기 위한 방법으로서:
    - 제어 신호(CS1)의 각각의 트리거 펄스에 응답하여 광의 다수의 송신 펄스(EP)를 방출하는 단계;
    - 광의 수신 펄스(RP, RP')를 검출하는 단계;
    - 상기 송신 펄스(EP) 중 하나와 상기 수신 펄스(RP, RP') 중 하나 사이의 시간 주기를 나타내는 각각의 차분값을 결정하는 단계;
    - 상기 차분값을 적어도 하나의 히스토그램의 다수의 빈(1,..., N) 내에 축적하는 단계;
    - 상기 히스토그램의 적어도 하나의 누화 응답(CTP)을 소정 범위의 빈(1,..., M) 내에 기록하는 단계;
    - 상기 기록된 누화 응답(CTP)을 사용하여 상기 히스토그램을 교정하는 단계; 및
    - 상기 교정된 히스토그램의 평가에 기초하여 비행-시간을 나타내는 출력 신호(OS)를 발생하는 단계를 포함하며,
    - 다수의 송신 펄스(EP)를 방출하는 단계, 수신 펄스(RP)를 검출하는 단계, 및 각각의 차분값을 결정하는 단계는, 일련의 히스토그램이 차분값으로 축적되고 및/또는 각각의 누화 응답이 평균화되어 누화 응답으로서 기록되도록 반복되며, 또한 이하의 단계, 즉
    - 상기 일련의 히스토그램에서 하나 또는 그 이상의 추가 피크(PK1)를 결정하는 단계;
    - 상기 일련의 히스토그램 전체를 통해 적어도 상기 추가 피크(PK1)를 모니터링하는 단계를 더 포함하며,
    - 상기 모니터링된 피크(PK1) 중 하나 또는 그 이상이 상기 소정 범위의 빈(1,..., M) 내로 이동했다면, 상기 일련의 히스토그램 중 하나 또는 그 이상의 히스토그램이 교정되는, 비행-시간 시스템 교정 방법.
18. 청구항 17에 있어서,
    - 상기 교정값은 상기 소정 범위의 빈 내로 이동한 상기 모니터링된 피크(PK1)로부터 결정되고,
    - 상기 교정값은 상기 누화 응답(CTP)과 상기 소정 범위의 빈 내로 이동한 상기 모니터링된 피크(PK1)의 비교로부터 결정되며, 및/또는
    - 상기 교정값은 상기 누화 응답(CTP)과 상기 소정 범위의 빈 내로 이동한 상기 모니터링된 피크(PK1) 모두를 포함하는, 조합된 누화 응답으로부터 결정되는, 방법.

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