제2장
비행시간(Time-of-Flight)은 가장 널리 채택된 능동형 깊이 센싱 기술로, 빛이 센서에서 물체까지 갔다가 되돌아오는 데 걸리는 시간을 계산하여 거리를 측정한다. 이 장에서는 간접 방식(iToF)과 직접 방식(dToF) 아키텍처를 모두 살펴보고, 그 물리적 원리, 구현상의 과제, 상용 응용 사례를 다룬다.
비행시간 센싱의 핵심 개념은 명쾌할 만큼 단순하다. 빛은 일정한 속도(진공에서 초당 약 299,792,458미터)로 이동하므로, 광 펄스의 왕복 시간을 측정하면 반사 물체까지의 거리를 곧바로 얻을 수 있다. 그러나 이 단순한 원리를 실용적이고 소형이며 저비용이고 전력 효율적인 센서로 구현하려면 광학, 전자공학, 신호 처리 전반에 걸친 정교한 엔지니어링이 필요하다.
거리, 시간, 빛의 속도 사이의 기본 관계는 수식으로 다음과 같이 표현된다.
여기서 c는 빛의 속도이고 t는 왕복 시간이다. 2로 나누는 것은 빛이 물체까지 갔다가 되돌아와야
한다는 사실을 반영한 것이다. 예를 들어 1미터의 거리를 측정하려면 빛은 총 2미터를 이동해야 하며, 이는 약 6.67나노초가 걸린다.
이처럼 극히 짧은 시간 간격 때문에 ToF 시스템에는 매우 정밀한 타이밍 전자 장치가 필요하다.
간접 ToF 센서는 연속파(CW) ToF 센서라고도 하며, 직접적인 시간 측정 대신 진폭 변조를 사용한다. iToF 센서는 개별 펄스를 방출하고 그 복귀 시간을 측정하는 대신, 특정 주파수(일반적으로 10-100 MHz)로 연속 변조된 빛을 방출하고 방출 신호와 수신 신호 사이의 위상 변이를 측정한다.
조명 광원(일반적으로 850nm 또는 940nm 파장의 근적외선 LED 어레이)은 사인파 또는 구형파 패턴으로 변조된다. 이 변조된 빛이 물체에서 반사되어 센서로 돌아오면, 이동한 거리에 비례하는 위상 지연을 갖게 된다. 센서는 이 위상 변이를 측정하여 거리를 계산할 수 있다.
여기서 f는 변조 주파수이다. 이를 거리에 대해 정리하면 다음과 같다.
이 방식의 결정적인 한계는 최대 비모호 거리로, 이는 변조 주파수에 의해 결정된다. 위상 변이가 360도(2π 라디안)에 도달하면 모호성이 생긴다. 즉 370도의 위상은 10도와 구별할 수 없다. 최대 비모호 거리는 다음과 같다.
변조 주파수가 100 MHz일 때 최대 비모호 거리는 약 1.5미터이다. 이 거리를 확장하기 위해 iToF 센서는 일반적으로 서로 다른 두 개 이상의 변조 주파수로 측정하고, 각 주파수의 위상을 함께 풀어내는 다중 주파수 위상 언래핑(phase unwrapping)으로 더 먼 거리에서의 모호성을 해소한다.
최신 iToF 센서는 여러 핵심 구성 요소를 단일 칩에 집적한다.
직접 ToF 센서는 매우 짧은 광 펄스(나노초 단위 지속 시간)를 방출하고 반사된 펄스가 돌아오는 시점을 정밀하게 측정함으로써 실제 비행시간을 직접 측정한다. 이 방식은 위상 기반 측정의 모호성 한계를 피하며, 더 높은 정확도와 더 긴 최대 거리를 달성할 수 있다.
dToF 센서는 짧은 광 펄스(일반적으로 지속 시간 1-10나노초)를 방출하고, 고정밀 타이밍 전자 장치를 사용하여 반사된 펄스의 광자가 각 픽셀에 도달하는 시점을 측정한다. 가장 진보한 dToF 센서는 단일 광자 애벌랜치 다이오드(SPAD) 어레이를 사용하며, 여기서 각 픽셀은 수십에서 수백 피코초의 타이밍 분해능으로 개별 광자를 검출할 수 있다.
직접 시간 측정은 위상 기반 iToF 시스템에 비해 여러 장점을 제공한다. 첫째, 측정에 근본적인 모호성이 없다. 최대 거리는 변조 주파수가 아니라 신호 세기와 타이밍 정밀도에 의해서만 제한된다. 둘째, dToF는 센서가 먼저 돌아오는 광자(직접 경로)와 나중에 도착하는 광자(다중 경로)를 구별할 수 있으므로 본질적으로 다중 경로 간섭에 더 강하다. 다만 이를 위해서는 정교한 히스토그램 분석이 필요하다.
단일 광자 애벌랜치 다이오드는 광자 검출 기술의 획기적인 발전이다. 항복 전압 이상(가이거 모드)에서 동작시키면, SPAD에 단 하나의 광자가 입사하더라도 검출 가능한 펄스를 만드는 애벌랜치 전류를 촉발할 수 있다. 이는 비할 데 없는 감도를 제공하며, 이론적으로는 단일 광자의 검출이 가능하다.
dToF 센서의 각 SPAD 픽셀은 레이저 펄스 방출과 광자 검출 사이의 시간을 정밀하게 측정하는 시간-디지털 변환기(TDC)와 짝을 이룬다. 센서는 많은 측정값(일반적으로 깊이 프레임당 수천 개의 레이저 펄스)을 누적하여 광자 도착 시간의 히스토그램을 구성한다. 이 히스토그램의 피크가 물체까지의 실제 거리에 해당한다.
SPAD 센서의 히스토그램 기반 방식은 고유한 기능을 제공한다.
최신 dToF 센서는 다음을 집적한다.
Sony의 DepthSense IMX 시리즈에는 다양한 응용 분야를 위한 iToF 센서와 dToF 센서가 모두 포함된다. IMX556PLR iToF 센서는 0.2-5미터 범위에서 30 fps로 VGA 해상도(640x480)를 제공하며, 스마트폰과 로봇 응용 분야를 겨냥한다. Apple iPhone Pro의 LiDAR 스캐너용으로 개발된 Sony의 dToF 센서는 더 긴 거리 성능(Apple 발표 기준 최대 5미터)과 뛰어난 다중 경로 처리 능력을 제공한다.
Sony의 후면 조사형(BSI) 픽셀 아키텍처는 포토다이오드를 칩에서 입사광을 향하는 면에 배치하여 금속 배선에 의한 차폐를 없앰으로써 양자 효율(입사 광자 중 검출되는 광자의 비율)을 향상시킨다. 그 결과 특히 저조도 조건이나 먼 거리에서 깊이 정확도가 향상된다.
Samsung의 ISOCELL Vizion 33D는 VGA(640x480) 해상도의 iToF 센서로, 로봇, XR 기기, 모바일 기기의 깊이 센싱을 겨냥한다. 소형 광학 포맷과 낮은 전력 소비를 강조하며, 얼굴 인증, AR 효과, 깊이 기반 사진 향상 같은 응용을 목표로 한다. 광학 포맷과 소비 전력의 정확한 값은 제조사 데이터시트를 확인해야 한다.
Vizion 센서에는 Samsung의 ISOCELL 격리 기술이 적용되어 있는데, 이는 인접 픽셀 사이에 물리적 장벽을 두어 광학적 크로스토크를 줄인다. 각 픽셀이 서로 다른 변조 위상을 구별해야 하는 ToF 센서에서는 이러한 격리가 깊이 정확도에 결정적이다.
Infineon의 REAL3 제품군은 견고성과 신뢰성이 요구되는 자동차 및 산업 응용 분야를 겨냥한다. REAL3 센서는 pmd 방식의 픽셀에 배경광 억제(Suppression of Background Illumination, SBI) 회로를 집적하여 강한 햇빛 아래에서의 동작을 개선하므로, 차량 실내 모니터링과 실외 산업용으로 적합하다.
자동차용 REAL3 제품은 AEC-Q100 인증과 넓은 동작 온도 범위를 갖추고, ISO 26262 기능 안전 개발을 지원하는 문서와 진단 기능을 제공한다. 등급과 온도 범위는 제품마다 다르므로 데이터시트로 확인한다. 이러한 수준의 인증은 운전자 모니터링이나 어린이 존재 감지와 같은 안전 필수 자동차 응용 분야에 필수적이다.
ST의 FlightSense 제품군에는 근접 센서(단일 지점 dToF)와 이미징 센서(어레이 기반 dToF)가 모두 포함된다. 예를 들어 VL53L5CX는 4x4 구역에서 최대 60 Hz, 8x8 구역에서 최대 15 Hz로 다중 구역 dToF 측정값을 제공하여 제스처 감지와 로봇 장애물 회피에 이상적이다.
ST의 근접 센서는 레이저 자동 초점과 근접 감지 용도로 스마트폰에 폭넓게 쓰인다. 극히 낮은 전력 소비(한 자릿수 밀리와트)와 소형 패키지 덕분에 상시 동작 응용 분야에 이상적이다.
| 파라미터 | iToF | dToF (SPAD) |
|---|---|---|
| 정확도 | ±5-15mm @ 2m | ±1-5mm @ 2m |
| 정밀도 | 5-10mm (1σ) | 1-5mm (1σ) |
| 최대 거리 | 5-10m (실내) | 10-20m (실외) |
| 프레임 속도 | 30-120 fps | 15-30 fps (일반적) |
| 해상도 | 일반적으로 VGA~QVGA | QVGA 이하 |
| 햇빛 아래 동작 | 제한적 (고출력 필요) | 양호 (히스토그램 필터링) |
| 다중 경로 처리 | 어려움 (알고리즘 보정) | 우수 (히스토그램 분석) |
| 전력 소비 | 일반적으로 300-800mW | 일반적으로 400-1200mW |
| 비용 | 낮음 (성숙한 기술) | 높음 (고급 SPAD) |
위 표의 값은 공개 문헌과 제품 자료에서 흔히 보이는 경향을 정리한 대표 범위이며, 표준이 정한 값이 아니다. 실제 성능은 조명 출력, 적분 시간, 대상 반사율, 처리 알고리즘에 따라 크게 달라지므로, 제품 비교는 제5장의 정확도 지표와 제8장의 인증 시험 조건으로 해야 한다.
| 센서 모델 | 유형 | 해상도 | 범위 | 비고 |
|---|---|---|---|---|
| Sony IMX556PLR | iToF | 640x480 (VGA) | 0.2-5m | Phase 1 센서 사양 예시에 사용된 모델 |
| Samsung ISOCELL Vizion 33D | iToF | 640x480 (VGA) | 데이터시트 참조 | 로봇·XR·모바일 겨냥 |
| Infineon REAL3 계열 | iToF | 제품별 상이(HQVGA~VGA급) | 데이터시트 참조 | 자동차 실내·산업용, SBI |
| ST VL53L5CX | dToF | 4x4 / 8x8 구역 | 최대 4m | 제스처, 장애물 회피 |
| Apple LiDAR 스캐너 | dToF SPAD | 비공개(ARKit 깊이 맵 256x192) | 최대 5m | AR 환경 메싱 |
정확도 값은 측정 거리, 대상, 시험 조건에 따라 달라 제조사 간 직접 비교가 어렵기 때문에 이 표에서는 싣지 않았다. WIA-SEMI-013은
이 문제를 해결하기 위해 Phase 1 센서 사양 스키마에서 정확도를 값·단위·측정 거리(at_distance)의 세 필드로 함께
기술하도록 요구한다.
iToF와 dToF 중 무엇을 선택할지는 응용 분야의 요구 사항에 따라 달라진다.
ToF 기술은 계속해서 빠르게 발전하고 있다. 주요 발전 방향은 다음과 같다.
iToF와 dToF를 별도 기술 값으로 구분하고, 정확도를 측정 거리와 함께 기술하게 한다.