1. ToF(Time-of-Flight) 센서란 무엇입니까?

비행시간측정 카메라란 무엇일까요? 비행기의 비행 궤적을 촬영하는 카메라일까요? 비행기와 관련이 있을까요? 사실 전혀 그렇지 않습니다!

ToF(시간차측정)는 물체, 입자 또는 파동이 특정 거리를 이동하는 데 걸리는 시간을 측정하는 방법입니다. 박쥐의 초음파 탐지 시스템이 어떻게 작동하는지 알고 계셨나요? ToF 시스템은 이와 유사한 원리로 작동합니다!

시간차 측정 센서에는 여러 종류가 있지만, 대부분은 시간차 측정 카메라와 레이저 스캐너이며, 이들은 라이다(광 검출 및 거리 측정)라는 기술을 사용하여 적외선을 이미지에 비춰 이미지 내 여러 지점의 깊이를 측정합니다.

ToF 센서를 사용하여 생성 및 수집된 데이터는 보행자 감지, 얼굴 특징 기반 사용자 인증, SLAM(동시 위치 추정 및 지도 작성) 알고리즘을 사용한 환경 매핑 등 다양한 용도로 활용될 수 있어 매우 유용합니다.

이 시스템은 실제로 로봇, 자율주행차, 심지어 이제는 여러분의 모바일 기기에도 널리 사용되고 있습니다. 예를 들어, 화웨이 P30 Pro, 오포 RX17 Pro, LG G8 ThinQ 등을 사용하고 있다면, 여러분의 휴대폰에도 ToF 카메라가 탑재되어 있을 겁니다!

ToF 카메라

2. 비행시간 측정 센서는 어떻게 작동합니까?

이제, 시간차 측정 센서가 무엇이며 어떻게 작동하는지 간략하게 소개하겠습니다.

ToF센서는 미세한 레이저를 사용하여 적외선을 방출하고, 이 빛은 물체에 반사되어 센서로 돌아옵니다. 빛이 방출된 시점과 물체에 반사되어 센서로 돌아오는 시점 사이의 시간 차이를 이용하여 센서는 물체와 센서 사이의 거리를 측정할 수 있습니다.

오늘은 ToF(시간차측정법)가 전파 시간을 이용하여 거리와 깊이를 측정하는 두 가지 방법, 즉 타이밍 펄스를 이용하는 방법과 진폭 변조파의 위상 변화를 이용하는 방법을 살펴보겠습니다.

타이밍 펄스를 사용하십시오.

예를 들어, 이 기술은 레이저로 목표물을 비추고, 스캐너로 반사된 빛을 측정한 다음, 빛의 속도를 이용하여 물체의 이동 거리를 추정하고 정확하게 계산하는 방식으로 작동합니다. 또한, 레이저 반사 시간과 파장의 차이를 이용하여 목표물의 정확한 디지털 3D 이미지와 표면 특징을 생성하고, 개별 특징을 시각적으로 매핑합니다.

위 그림에서 보시는 것처럼 레이저 광선이 발사되어 물체에 반사되어 센서로 돌아옵니다. ToF 카메라는 레이저 반사 시간을 이용하여 빛의 속도를 고려했을 때 짧은 시간 안에 정확한 거리를 측정할 수 있습니다. (ToF는 반사된 빛을 거리로 변환합니다.) 다음은 분석가가 물체의 정확한 거리를 계산하는 데 사용하는 공식입니다.

(광속 x 비행시간) / 2

ToF는 거리로 변환합니다.

보시다시피, 불이 꺼져 있는 동안 타이머가 시작되고, 수신기가 반사된 빛을 수신하면 타이머는 시간을 반환합니다. 두 시간을 빼면 빛의 "비행 시간"을 얻을 수 있으며, 빛의 속도는 일정하므로 위의 공식을 사용하여 거리를 쉽게 계산할 수 있습니다. 이와 같은 방법으로 물체 표면의 모든 지점을 측정할 수 있습니다.

AM파의 위상차를 이용하세요

다음으로,ToF또한 연속파를 사용하여 반사광의 위상 변화를 감지함으로써 깊이와 거리를 측정할 수 있습니다.

AM파를 이용한 위상차

진폭을 변조함으로써 알려진 주파수를 가진 정현파 광원을 생성하고, 검출기는 다음 공식을 사용하여 반사광의 위상 변화를 측정할 수 있습니다.

여기서 c는 빛의 속도(c = 3 × 10^8 m/s), λ는 파장(λ = 15 m), f는 주파수이며, 센서의 각 지점은 깊이를 쉽게 계산할 수 있습니다.

우리가 빛의 속도로 작업하기 때문에 이 모든 일들이 매우 빠르게 일어납니다. 센서가 얼마나 정밀하고 빠르게 측정할 수 있는지 상상해 보세요. 예를 들어, 빛은 초당 30만 킬로미터의 속도로 이동합니다. 만약 물체가 여러분으로부터 5미터 떨어져 있다면, 카메라에서 나간 빛이 돌아오는 데 걸리는 시간 차이는 약 33나노초, 즉 0.000000033초에 불과합니다! 정말 놀랍죠! 게다가, 캡처된 데이터는 이미지의 모든 픽셀에 대한 정확한 3D 디지털 표현을 제공합니다.

어떤 원리를 사용하든, 장면 전체를 비추는 광원을 제공하면 센서가 모든 지점의 깊이를 측정할 수 있습니다. 이렇게 얻은 결과는 각 픽셀이 장면 내 해당 지점까지의 거리를 나타내는 거리 맵입니다. 다음은 ToF 거리 그래프의 예입니다.

ToF 범위 그래프의 예

ToF 센서의 작동 원리를 알았으니, 이제 ToF 센서가 왜 좋은지, 왜 사용해야 하는지, 어떤 용도로 유용한지 알아볼까요? 걱정하지 마세요. ToF 센서 사용에는 많은 장점이 있지만, 물론 몇 가지 한계점도 있습니다.

3. 비행시간 센서 사용의 이점

정확하고 빠른 측정

초음파나 레이저와 같은 다른 거리 센서와 비교했을 때, ToF(Time-of-Flight) 센서는 장면의 3D 이미지를 매우 빠르게 구성할 수 있습니다. 예를 들어, ToF 카메라는 이를 한 번밖에 수행할 수 없습니다. 뿐만 아니라, ToF 센서는 짧은 시간 안에 물체를 정확하게 감지할 수 있으며 습도, 기압, 온도에 영향을 받지 않아 실내외 모두에서 사용하기에 적합합니다.