ToF 센서의 장단점과 작동 방식은 어떻게 될까요?

ToF 센서의 장단점과 작동 방식은 어떻게 될까요?

ToF 센서의 의미

ToF는 Time of Flight, 즉 비행시간의 약어로 물체나 입자 또는 파동 등이 거리를 이동하는 데 걸리는 시간을 측정하는 것입니다. 박쥐의 음파 탐지 시스템이 작동하는 것과 유사합니다. 이런 비행시간 센서는 다양한 종류가 있지만, 주로 적외선 조명으로 이미지의 다양한 지점의 깊이를 측정하는 라이다(Lidar)라는 기술을 사용하는 비행시간 카메라와 레이저 스캐너를 사용하는 경우가 많습니다. ToF 센서로 생성 및 캡처된 데이터는 보행자 감지, 얼굴 특징에 따른 사용자 인증, SLAM(동시 로컬라이제이션 및 매핑) 알고리즘을 사용한 환경 매핑 등을 제공할 수 있어 매우 유용합니다. 이 시스템은 실제로 로봇이나 자율 주행 자동차뿐만 아니라 휴대폰에도 널리 사용되고 있습니다.

ToF 센서의 장단점

ToF 센서를 사용했을 때의 이점은 첫째로 정확하고 빠른 측정이 가능하다는 점입니다. 초음파나 레이저와 같은 다른 거리 센서에 비해 비행시간 센서는 장면의 3D 이미지를 매우 빠르게 구성할 수 있습니다. 그뿐만 아니라 ToF 센서는 짧은 시간 안에 물체를 정확하게 감지할 수 있고 습도, 기압, 온도의 영향을 받지 않기 때문에 실외와 실내에서 사용하기에도 적합합니다. 다음으로는 장거리 사용이 가능합니다. ToF 센서는 레이저를 사용하기 때문에 먼 거리도 매우 정밀하게 측정할 수 있습니다. 이 덕분에 ToF 센서는 다양한 모양과 크기의 가까운 물체나 먼 물체를 감지할 수 있어 유연합니다. 또한 이미터 및 수신기 유형과 렌즈를 선택하여 원하는 시야를 확보할 수 있는 최적의 성능을 위해 시스템의 광학을 사용자 정의할 수 있으므로 유연하게 이용 가능합니다. 그다음으로는 안전합니다. ToF 센서에서 나오는 레이저가 눈에 해를 끼칠까 봐 걱정될 수도 있지만, 현재 많은 ToF 센서가 저전력 적외선 레이저 광원을 사용해서 변조 펄스로 구동합니다. 이걸 사용한 센서는 사람의 눈에 안전을 보장하는 1등급의 레이저 안전 표준에도 맞습니다. 그리고 비용이 저렴한 편입니다. 구조화된 조명 카메라 시스템이나 레이저 거리 감지기와 같은 다른 3D 스캐닝 기술에 비해 ToF 센서는 상대적으로 훨씬 저렴합니다. 이렇게 ToF에게는 여러 가지 장점이 있지만 그만큼 한계도 있습니다.

그러나 단점도 존재하는데 ToF의 단점은 우선 첫 번째로 산란광이라는 점입니다. 매우 밝은 표면이 ToF 센서 근처에 있는 경우 수신기로 너무 많은 빛을 산란시켜 인공물과 원치 않는 반사를 일으킬 수 있습니다. 다음으로는 다중 반사입니다. 모서리 및 오목한 모양에 ToF 센서를 사용할 경우 빛이 여러 번 반사되어 측정이 왜곡될 수 있으므로 원치 않는 반사를 일으킬 수 있습니다. 그다음으로는 주변 조명의 영향을 받는다는 점입니다. 햇빛이 밝은 야외에서 ToF 카메라를 사용할 경우 실외에서 사용하기 어려울 수 있습니다. 이는 높은 일조 강도로 인해 물체에 반사된 실제 빛을 감지할 수 없는 센서 픽셀이 빠르게 포화될 수 있기 때문입니다.

ToF의 작동 방식

그렇다면 이런 비행시간 센서는 어떻게 작동할까요?

ToF 센서는 작은 레이저를 사용하여 적외선을 발사하는데, 여기서 생성된 빛은 어떤 물체에서도 튀어나와 반사되어 다시 센서로 돌아갑니다. 이렇게 물체에 반사된 빛과 반사된 후에 센서로 되돌아오는 빛의 시간 차이를 바탕으로 센서는 물체와 센서 사이의 거리를 측정할 수 있습니다. 그럼 이제부터 ToF가 이동 시간을 이용하여 거리와 깊이를 결정하는 두 가지 방법을 알아보도록 하겠습니다. 첫 번째 방법은 타이밍 설정 펄스입니다. 타이밍 설정 펄스는 레이저 빛으로 대상을 먼저 비추고 빛의 속도로 물체의 거리를 추론하는 스캐너로 반사광을 측정해 정확히 이동한 거리를 계산하는 방식입니다. 또한 레이저 복귀 시간과 파장의 차이를 사용하여 대상의 정확한 디지털 3D 표현과 표면 특성을 만들고 개별 특징을 시각적으로 매핑합니다. 레이저 복귀 시간을 통해 ToF 카메라는 빛이 이동하는 속도를 고려할 때 단시간에 정확한 거리를 측정할 수 있습니다. 두 번째 방법은 진폭 변조 파형의 위상 편이를 사용하는 것입니다. ToF는 연속파를 사용하여 반사광의 위상편이를 감지하여 깊이와 거리를 결정할 수도 있습니다. 진폭을 변조하여 알려진 주파수로 사인파 형태의 광원을 생성하며, 이를 통해 검출기는 반사광의 위상 편이를 결정할 수 있습니다.