이 세상은 3차원입니다. 어쩌면 너무 당연한 말이라서 대부분의 사람들은 그 이유조차 궁금해 하지 않습니다. 하지만 사실 우리 눈은 마치 카메라처럼 평면의 이미지를 포착합니다. 두 개의 평면 이미지에서 3차원으로 인식을 만들어 내는 마법을 부리는 것은 우리의 뇌입니다.
오늘날에는 제스처 컨트롤 해석, 안면 인식, 자동차 오토파일럿 명령 등, 디지털 시스템과 3차원 세상의 상호작용에 대한 수요가 증가하고 있습니다. 이런 작업을 수행하려면 디지털 시스템에게 깊이를 인식하는 사람의 능력을 좀 나눠줄 필요가 있습니다.
깊이 센싱
3D(깊이) 센싱에서 사용되는 두 가지 기본 접근법은 삼각 측량법(triangulation)과 ToF(time-of-flight) 측정법입니다. 이 기술들을 조합해서 사용되는 경우도 많습니다.
삼각 측량법의 기초는 기하학입니다. 삼각 측량법의 한 형태인 양안 시야는 사람의 3차원(입체) 시야가 작동하는 방식과 같습니다. 사람은 수평으로 분리된 두 개의 눈을 갖고 있습니다. 따라서 각 눈이 약간 다른 각도에서 세상을 보게 됩니다. 이 시각의 차이가 시차를 만들어 내는데, 이것은 어느 쪽의 눈으로 보고 있느냐에 따라서 배경과 관련하여 어떤 물체의 위치가 변한다는 걸 뜻합니다. 우리 뇌는 이 시차 정보를 사용해 시야에 있는 물체의 깊이(거리)를 감지한 후 세상을 보는 단일하면서도 통일된 3차원 인식을 만들어냅니다.
하지만 스테레오 비전은 조명 환경에 따라 달라질 수 있고 특정한 질감을 가진 표면을 필요로 합니다. 이러한 조건들 때문에 안정적으로 구현하기가 어렵습니다. 반면, 컴퓨터 비전 시스템은 ‘구조화된 빛’에 의존하는 다른 형태의 삼각 측량법을 활용합니다. 그럴싸하게 들리는 용어이지만 이것은 물체에 어떤 패턴(여러 개의 선 또는 여러 점의 빛)을 투사하고 이 패턴의 왜곡을 약간 다른 각도에서 분석하는 일입니다. 진정한 양안 시야를 재현하는 것보다 처리량이 덜 들고 컴퓨터가 빠른 속도로 깊이 정보를 계산하여 3차원 장면을 재구성할 수 있습니다.
또 한 형태의 삼각 측량법에서는 구조화된 빛 패턴의 깊이를 감지한 것이 장면에 투사되고, 이미징 시스템에서 이 패턴의 왜곡을 분석하여 조명된 영역의 깊이 정보가 도출됩니다.
삼각 측량법은 고해상도의 표면 매핑의 측면에서 우수합니다. 이 방법은 짧은 거리에서 가장 잘 작동하므로 안면 인식과 같은 작업에 매우 유용합니다.
ToF(Time-of-Flight) 이미징은 두 가지 형태가 있습니다. ‘직접 ToF(direct Time-of-Flight, dToF)’에서는 장면이 빛의 펄스로 조명되면 시스템에서 반사된 빛 펄스가 되돌아오는 시간을 측정합니다. 빛의 속도를 알 수 없으므로 이 반환 시간은 바로 거리로 변환될 수 있습니다. 이 계산을 통해 이미지의 각 픽셀에 독립적으로 수행되면 장면의 각 시점에서의 깊이 값을 얻을 수 있습니다.
두 번째 형태의 ToF는 "간접 ToF(indirect Time-of-Flight, iToF)"입니다. 이 때, 조명은 연속적이고 변조된 신호입니다. 시스템은 반환된 빛의 변조에서 위상 변이를 측정합니다. 이렇게 하면 물체의 거리를 계산하는 데 사용된 데이터를 얻을 수 있습니다.
ToF 기술은 넓은 영역과 거리를 빠른 속도로 측정할 수 있는 능력을 자랑합니다. 가상 현실 헤드셋에서 공간 스캔이나 로봇 내비게이션을 위한 장애물 감지와 같은 작업에 적합한 기술입니다.
직접 ToF 센싱은 빛 펄스의 왕복에 걸리는 시간을 측정하여 시간 간격을 거리 측정치로 변환합니다.
3D 센싱 광원 요구 사항
이 광원의 특성은 삼각 측량법과 ToF 3D 센싱 기법의 효율성과 정확성을 판단할 때 매우 중요한 역할을 합니다. 응용 분야마다 요건이 다르지만 특정한 공통 요건도 있습니다.
삼각 측정법은 일관된 광원을 사용할 때 이점이 있습니다. 이렇게 하면 패턴을 더 유연한 범위에서 생성할 수 있습니다. 또한 보다 해상도가 높은 구조화된 패턴을 형성하고 더 먼 거리까지 패턴을 온전하게 유지할 수 있습니다.
삼각 측량법의 광원은 또한 안정된 빔 포인팅 특성을 가져야 합니다. 안정되지 않으면 깊이 측정이 정확하지 않을 수 있습니다.
ToF 시스템은 짧고 정확한 빛의 펄스(dToF)를 방출하거나 고주파수에서 변조될 수 있는 연속 출력을 할 수 있는 광원을 필요로 합니다. 펄스 타이밍의 정밀도와 상승 및 하강 시간이 짧은 변조 주파수는 정확한 거리를 측정하기 위해 무엇보다 중요한 요소입니다.
ToF 시스템, 특히 넓은 영역이나 장거리에 사용하기 위해 투광 조명을 사용하는 시스템은 보통 삼각 측량 시스템보다 더 큰 출력 전력을 필요로 합니다. 이렇게 하면 반환되는 빛의 세기가 감지하기에 충분하게 되고 시스템이 높은 수준의 주변광에서도 잘 작동합니다.
출력 전력이 높아질수록 전력 효율성(입력 전력에 대한 광출력 전력의 비율)의 요구가 더 중요해집니다. 효율성은 특히 휴대용 기기(배터리 작동)와 관련성이 많습니다.
더 나은 깊이 센싱을 위한 레이저
다이오드 레이저는 다른 어떤 광원보다 삼각 측량법 및 ToF 센싱의 요건에 더 잘 부합합니다. 발광 다이오드(Light emitting diode, LED)는 이미 사용 가능하고 비교적 적은 비용이기 때문에 과거 일부 3D 센싱용으로 사용되었습니다. 그런데 3D 센싱 시스템의 성능과 효율성의 수요가 높아지자, LED로는 충분하지 못했습니다.
한 가지 이유는 다이오드 레이저가 좁은 스펙트럼 출력, 일관성 및 밝기라는 특별한 조합을 자랑하기 때문입니다. 이 조합은 정밀하고 고대비이며 안정적인 구조화된 빛 패턴을 생성하는 데 이상적입니다.
레이저의 좁은 스펙트럼 출력은 또한 감지 시스템에서 주변광을 여과하는 것을 훨씬 쉽게 해 줍니다. 밝은 자연광이나 다른 밝게 조명된 장면에서 모든 유형의 센싱 시스템의 성능을 향상시켜 줍니다.
다이오드 레이저의 밝기가 높을수록 반환 신호의 세기가 더 향상됩니다. 특히 ToF 응용 분야에서 이 기능은 더 짧은 셔터 시간과 더 높은 프레임 속도를 실현하고, 잘 반사되지 않는 물체를 더 잘 볼 수 있도록 해 주며, 또 조명이 잘 된 장면에서 더 향상된 성능을 보여줍니다. 더 낮은 세기를 가진 LED는 같은 수준의 디테일과 깊이 해상도를 내기 어렵습니다.
나아가 다이오드 레이저는 전력 소모와 그 규모에서 LED보다 현저한 이점을 자랑합니다. 소형 폼 팩터로부터 강한 신호를 방출할 수 있으므로 콤팩트한 배터리로 작동되는 기기에 사용하기에 이상적입니다.
마지막으로, 다이오드 레이저는 LED보다 더 빠른 속도로 전환하거나 변조할 수 있습니다. 이 빠른 변조는 고급 ToF 기술을 사용할 수 있어 더 향상된 정확도를 제공할 수 있습니다.
3D 센싱 분야에서 빛나는 Coherent
Coherent는 3D 센싱용 광원 분야에서 세계 최고이며, 이미 20억 개 이상의 유닛을 납품했습니다! Coherent 포트폴리오에는 레이저, 광학 및 조명 모듈 일체가 포함되어 있습니다.
Coherent 광원은 수직 캐비티 표면 방출 레이저(vertical cavity surface emitting laser, VCSEL), VCSEL 어레이, 단면 발광 레이저(edge-emitting diode laser, EEL)로 구성됩니다.
특히, 일반적으로 940nm의 출력을 갖는 VCSEL 어레이는 오늘날 3D 센싱에서 주요 광원이 되었습니다. 여기에는 몇 가지 이유가 있습니다. 한 가지 이유는 광원이 EEL에서처럼 측면을 통하기보다는 디바이스의 위쪽에서 VCSEL로 빠져나가기 때문입니다. 때문에 다른 구성품이 함께 있는 회로 기판에 통합하기 쉽습니다. 또한, 3D 센싱용 전력 수준에서 VCSEL은 EEL보다 비용이 저렴합니다. 그 결과, 좋은 성능을 가진 VCSEL을 사용할 수 없을 때, EEL은 주로 더 긴 파장(>1200nm)에서만 사용됩니다. 긴 파장에 따른 주요 장점은 밝은 자연광(모든 자연광을 여과해 줌)에서 더 강력한 성능을 발휘하고 눈에 훨씬 더 안전하다는 점입니다(근적외선 파장에 비교해 10배 더 높은 강도 수준 가능).
Coherent는 6인치 GaA 웨이퍼를 기반으로 하는 VCSEL 및 EEL 제조에 적합한 완벽한 플랫폼을 보유하고 있습니다. Coherent는 이와 같이 양적 측면에서 해당 기술 분야를 선도하고 있고 뛰어난 신뢰성과 성능을 바탕으로 꾸준히 디바이스를 선보이고 있습니다.
3D 센싱용 광원은 보통 투광 조명 또는 패턴 프로젝터 중 하나로 구성됩니다. 투광 조명기는 특정 각도에서 조명 범위가 균일합니다. 이는 전체 시야에 걸쳐 광원 분포가 균일해야 측정값이 정확해지는 안면 인식, 제스처 감지와 같은 응용 분야에서 사용됩니다.
패턴 프로젝터는 삼각 측량법과 ToF 시스템에서 실제로 모두 사용되고 있습니다. 빛 패턴과 ToF 측정을 조합하면 신호 대 잡음비를 향상시키고 다중 경로로 인한 측정 오류를 줄일 수 있습니다. 이는 빛이 센서에 도달하기 전에 하나 이상의 표면에 반사할 때 발생하는 부정확한 오류입니다.
각 경우에, 응용 분야의 정확한 요건을 충족하기 위해 레이저 출력을 형성하고 변환하는 데 광학을 사용합니다. 투광 조명기는 보통 비교적 간단하고 저비용으로 성형 플라스틱 렌즈로 제조할 수 있습니다. 하지만 구조화된 광원에 대한 요구사항은 더 엄격합니다.
Coherent는 구조화된 빛 조명에 대한 요구 사항을 회절 광학 소자(diffractive optical element, DOE) 및메타 광학(meta-optics)으로 충족하고 있습니다. 메타 광학은 빛의 파장보다 작은 물리적 특징인 나노구조를 활용해 전파 특성을 변경합니다. 여기에는 빔 형태, 발산 각도 및 강도 분포를 변경하는 것뿐만 아니라 빔을 분할하여 구조화된 빛 패턴을 만드는 일도 포함될 수 있습니다.
Coherent 메타 광학의 한 가지 훌륭한 장점은 빔 시준 및 분할과 같은 다양한 광학 기능을 단 하나의 콤팩트한 소자로 결합할 수 있다는 점입니다. 이렇게 하면 광학 시스템의 크기와 복잡도를 줄일 수 있고 또한 3D 센싱 모듈의 전체 성능을 향상시킬 수 있습니다.
Coherent의 또 다른 중요한 차별화 요소는 전체 조명 모듈 솔루션을 엔지니어링하고 수직적으로 통합할 수 있는 능력입니다. 이러한 통합을 통해 광원, 광학, 드라이버 IC 및 패키징이 모두 원활하게 작동하도록 최적화하여 고객에게 가장 수요가 많은 응용 분야에서 대량 배포할 준비를 갖춘, 신뢰할 수 있는 고성능이면서도 비용효율적인 제품을 제공합니다.
Coherent는 투광 조명과 도트 프로젝션 모듈을 생산합니다.
예를 들면, Coherent의 3D 센싱용 조명 모듈은 전자적 기생(원치 않는 커패시턴스, 인덕턴스 또는 저항)을 최소화하도록 설계되었습니다. 이는 고정밀 ToF 센서가 의존하는 나노초 펄스 폭과 나노초 미만의 상승/하강 시간을 제공하기 위한 필수 요소입니다. 나아가, 우리는 눈 안전의 중요성을 강조합니다. 디바이스의 무결성과 출력 전력을 모니터링하는 기능을 통합하여 어떤 상황에서도 광출력이 항상 일정한 안전 수준을 유지하도록 합니다. 이는 소비자 디바이스의 필수 조건입니다.
이 모든 것을 종합해 볼 때, Coherent는 단순히 훌륭한 구성품 그 이상의 것을 선사합니다. 3D 센싱 기술의 정교함을 이해하고 디바이스의 성능을 향상시키는 완전하고 통합된 솔루션을 제공하며 사용자 안전을 보장하는 팀을 얻게 됩니다. Coherent와 협력하시면 탁월한 유산과 광학적 혁신의 지속적인 발전을 활용하실 수 있습니다.
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