[테크월드=선연수 기자] 요즘 출시되는 대부분의 스마트폰과 카메라에는 이미지센서가 탑재된다. 처음에는 흑백 센서가 주로 장착됐으며, 이후 다양한 색을 감지하는 컬러 센서, 거리를 알아내는 3D 센서까지 도입되기 시작했다. 사람의 눈은 원근감을 직관적으로 받아들일 수 있지만, 카메라로 거리를 알아내기 위해서는 3D 센서가 필요하다.
3D 센서로 심도를 더 정확하게
물론 일반 RGB 카메라로도 심도(Depth)를 알아낼 수 있지만 정확성이 매우 떨어진다. 이 정확도를 높여주는 기술에는 크게 3가지가 있다. 3D센서는 크게 스테레오, 구조광, ToF 방식으로 나뉜다. 스테레오 방식은 사람의 눈처럼 2개의 센서가 작동해 거리를 알아내는 방식이다. 구조광 방식은 센서의 역할만큼 소프트웨어의 역할이 큰데, 축적한 광량으로 심도를 측정하고 알고리즘을 활용해 거리를 정확하게 도출해낸다. ToF 센서는 빛의 시간차를 이용해 거리를 알아낸다.
세 가지 방식 모두 거리를 측정하기 위해 빛을 쏜 후 반사되는 것을 측정해야 하기 때문에 적외선(IR , Infrared Ray) 프로젝터를 공통적으로 필요로 한다. 광원 기술에는 LED 레이저 다이오드나 빅셀(VCSEL) 등이 이용된다. 이번 글에서는 3D 센서 중 제일 많이 활용되는 ToF 센서의 작동 원리에 대해 알아보자.
이중 리셉터로 작동하는 ToF
ToF 센서의 픽셀은 2개의 포토다이오드가 1개의 픽셀로 구성되는 방식을 취하고 있다[그림 1]. 2개의 포토다이오드, 즉 리셉터는 센서의 빛이 켜지고 꺼질 때(스위칭) 각각 따로 작동하며, 각 리셉터에 모인 전하량의 비율을 통해 피사체의 거리를 구할 수 있다. 2개가 아닌 4개의 리셉터가 하나의 픽셀을 구성하는 방식도 적용되는데, 이는 심도를 더욱 정밀하게 측정할 수 있다.
2개의 포토다이오드로 픽셀이 구성되는 ToF의 작동 원리를 설명하기 위해 센서가 켜졌을 때(On) 빛을 받아 전하를 생성하는 In Phase 리셉터를 리셉터 A, 꺼졌을 때(Off) 전하를 생성하는 Out of Phase 리셉터를 리셉터 B로 지칭하겠다.
먼저, 적외선 프로젝터는 피사체에 빛을 쏘는데, 이는 빠르게 스위칭하며 주기적인 빛(파장)을 내보낸다. 보통 850nm, 940nm 두 종류의 빛을 사용하며, 최근 태양광과의 간섭을 줄이기 위해 더 긴 파장인 940nm을 채택하는 경우가 늘고 있다. 이렇게 보낸 빛은 피사체에 맞고 되돌아오는데, 이때 보내는 빛의 파장과 위상차가 발생한다. 거리가 0m라면, 위상차는 발생하지 않으며, On 상태일 때 작동하는 리셉터 A에 전하가 생성될 것이다.
피사체가 센서와 30cm 떨어져 있다고 가정해보자. 이 경우 내보낸 빛과 들어온 빛 간 시간차가 생기게 되는데, 센서의 스위칭 속도에 맞춰 리셉터 A, B가 번갈아 작동하게 된다. [그림 2]를 보면, 리셉터 A가 작동할 때(센서가 On 상태일 때)는 돌아오는 광원의 ①만큼을 받아들이게 되고, 이를 전하로 변환시킨다. 이후 센서가 꺼지면, 리셉터 B가 동작을 시작하며, ②만큼의 빛을 받아들여 전하로 변환시킨다. 이 때 거리가 달라지면, 리셉터 A, B의 작동 시간이 달라져 각 셀에 쌓이는 전하의 양에 차이가 발생한다. 센서는 이 전하량의 차이를 계산해 피사체와의 거리를 알아낸다.
근거리용 iToF와 원거리용 dToF
ToF는 스위칭(On/Off 반복)하는 속도에 따라 iToF(Indirect ToF)와 dToF(Direct ToF)로 나눌 수 있다. iToF는 20~100MHz의 변조 주파수를 가지며, 연속적인 파장을 보낸다. 이를 통해 가까이는 30~50cm를, 멀게는 10m 정도의 비교적 근거리를 감지한다. 근거리일수록 스위칭 속도가 빨라지며, 20~100MHz는 ns(나노초)의 시간으로 환산된다.
dToF는 200~300MHz의 변조 주파수를 가지며, 끊어진 단파장을 내보낸다. 더 먼거리를 측정하기 때문에, 외부 광원의 간섭으로부터 빛을 유지해내기 위해서 더 강한 적외선 광원이 적용된다.
간섭문제는 ToF 센서의 단점이기도 하다. dToF보다 약한 광원을 이용하는 iToF는 야외에서 태양광의 간섭에 더욱 약하다. 이를 보완해 자연광과의 간섭을 최소화하기 위해 센서 내에서 감도를 높이기 위한 개발도 진행되고 있다. dToF의 경우 센서를 구성하기 위해 SPADs와 같은 탐지기(Detector)를 사용해야 하는데, 이는 제작이 어렵고 단가가 높아 아직 많이 사용되지 않고 있다.
- 이 글은 테크월드가 발행하는 월간 <EPNC 電子部品> 2020년 4월 호에 게재된 기사입니다.
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