ToF 시스템, 거리 측정과 물체 감지에 유용
10cm 미만부터 15m 미만 거리까지 측정 가능
측정 결과 왜곡 방지하는 솔루션의 보조 필요


거리 측정과 물체 감지는 공장 자동화, 로보틱스, 물류 등 다양한 애플리케이션에서 중요한 역할을 한다. 특히 안전 관련 애플리케이션은 특정 거리에서 물체나 사람을 감지하고 대응하는 기술이 필요할 수 있다. 예를 들면 작업자가 위험 구역 안에 들어갔을 때 로봇 팔을 즉시 멈춰야 하는 경우가 그렇다.

이러한 용도로 ToF(Time of Flight) 기술이 점점 더 많이 사용되고 있다. ToF 기술은 레이저 같은 변조 광원을 사용해서 빛을 쏜 후, 이 빛이 1개 또는 그 이상의 물체에 부딪혀서 되돌아오는 것을 센서나 카메라로 포착한다. 

빛이 방출된 시점과 반사된 빛이 수신되는 시점 사이의 시간 차이, ∆t를 알면 거리를 알 수 있다. 이 시간 지연은 카메라와 물체 사이의 거리의 2배(왕복 거리)다. 그러므로 깊이 d=(c×∆t)/2의 공식으로 거리 계산이 가능하다. 여기서 c는 빛의 속도다. ToF 카메라는 필요한 깊이 정보와 함께 2D 데이터를 출력한다. 

ToF는 이미지 전체를 단번에 포착해 1줄씩 스캔하거나, 센서와 대상 물체 간 상대적 움직임이 필요 없다. ToF는 라이다(Light Detection And Ranging, LiDAR)로 분류되나, 정확히는 ‘스캐닝’이 아닌 ‘플래시’ 라이다 기반 기법이다.

ToF를 사용해서 광 펄스의 비행시간을 측정하기 위해서는 기본적으로 두 가지 방법을 사용할 수 있다. CCD(Charge Coupled Device) 기술에 기반한 펄스 동작과, CW(Continuous Wave) 동작이다. 펄스 모드는 광 펄스를 방출하고 수신한 시점 사이에 지나간 시간을 측정하며, CW 모드는 방출된 변조 광 펄스와 수신된 변조 광 펄스 사이의 위상 편이를 계산한다. 두 방법은 나름의 장단점이 있다. 

펄스 모드는 큰 에너지와 짧은 펄스로 광원을 방출하며, 주변 빛에 대한 강건성이 좀 더 우수해 실외 애플리케이션용으로 더 적합하다. 반면 CW 모드는 구현하기 좀 더 쉽다. 광원이 극히 짧을 필요가 없고, 상승/하강 에지가 빠르기 때문이다. 하지만 높은 정밀도 요구로 고주파 변조 신호가 필요하면 구현하기 어려워진다.

기존 픽셀 크기에 따라 높은 칩 분해능이 가능하여 거리 측정뿐 아니라 물체와 동작까지 인식할 수 있다. 측정 거리는 수 cm 미만(<10cm)에서부터 수 m 미만(<15m) 미만까지 가능하다. 하지만 모든 물체를 동일한 수준으로 감지할 수 있는 것은 아니다. 물체의 상태, 반사도, 속도 등에 따라 측정 결과가 달라질 수 있다. 안개나 강한 햇빛 같은 환경 요인에 의해서도 측정 결과가 왜곡될 수 있다. 

아나로그디바이스(ADI)는 3D ToF 시스템의 신속한 구현을 지원하기 위해 포괄적인 3D ToF 솔루션을 제공한다. 이들 솔루션은 데이터 처리, 레이저 드라이버, 전원 관리, 소프트웨어/펌웨어를 단일 유닛에 통합하고 있다. 따라서 별도의 추가 부품으로 주파수 변조 광학 신호를 방출하기 위한 이미터와 반사 신호를 검출하기 위한 검출기만 요구한다. 아래 그림은 해당 솔루션의 블록 다이어그램이다.

깊이 계산 기능을 가진 아날로그 프론트 엔드(AFE)를 사용하면 이러한 시스템을 손쉽게 개발할 수 있다. ADI ‘ADDI9036’이 그런 제품으로, 레이저 다이오드 드라이버, 12bit ADC, 고정밀 클럭 발생기(CCD와 레이저를 위한 타이밍 발생)를 통합한 포괄적인 CCD ToF 신호 프로세서이다. ADDI9036은 VGA CCD 센서로부터의 원시 이미지 데이터를 처리해서 깊이/픽셀 데이터를 생성한다.

또한 ADI는 통합적인 모듈이나 개발 플랫폼을 제공하기 위해 설계 파트너들과 협력하고 있다. 사용자는 이러한 평가 시스템을 이용해 자신만의 특정한 알고리즘을 개발할 수 있으며, 이들 모듈과 플랫폼을 사용해 개발 시간을 줄일 수 있다. 이는 빠른 개발에 대한 압박이 커지고 있는 산업 설비 및 전장품 개발에 유용하다.



해당 기사는 아나로그디바이스(ADI)에서 근무하는 토마스 브랜드(Thomas Brand) FAE가 저술한 'ToF 시스템을 사용한 거리 측정과 물체 감지(Time of Flight System for Distance Measurement and Object Detection)'라는 제목의 글을 정리한 것입니다.

참고문헌, "3D Imaging with ADI Time of Flight Technology" ADI, 2020.