Improving measurement range of infrared proximity sensor using multiple exposure output and HDR technique

다중노출 출력과 HDR 기법을 이용한 적외선 근접센서 측정 범위 향상 방법

Abstract

This paper proposes a method to improve the performance of low cost infrared distance sensor. Infrared distance sensor measures the intensity of reflected light and converts it into distance. The proposed method improves the sensing distance of the sensor and makes it operate robustly in various lighting environments. This is achieved by extracting the characteristic curves of the sensor and applying the HDR (High Dynamic Range) technique. The output value of the sensor was obtained by varying the intensity of the infrared input and the exposure time, and the characteristic curve of the sensor was extracted from it.

본 논문에서는 저가형 적외선 거리 센서의 성능을 개선하는 방법을 제안한다. 적외선 거리 센서는 반사광의 강도를 측정하여 거리로 환산한다. 제안하는 방법은 센서의 감지 거리를 개선하고 다양한 조명환경에서도 강인하게 동작하도록 한다. 이는 센서의 특성곡선을 추출하고 이를 바탕으로 HDR(High Dynamic Range) 기법을 적용함으로써 가능해졌다. 적외선 입력의 세기와 노출 시간을 다양하게 변화시켜서 센서의 출력값을 획득하였고 이로부터 센서의 특성곡선을 추출하였다.

Fig. 1. Low cost 1D displacement sensors(Infrared reflection, Infrared triangulation, Ultrasonic, Laser TOF). 그림 1. 저가 1차원 거리 센서(적외선 반사식, 적외선 삼각 측량식, 초음파, 레이저 ToF)

Fig. 2. Schematic of the light emitting part and the light receiving part of the infrared sensor module. 그림 2. 적외선 센서 모듈의 발광부와 수광부 회로도

Fig. 3. Phototransistor output waveform by reflected light intensity. The output waveform of the phototransistor was obtained by varying the distance between the infrared sensor module and the object in the absence of external light. 그림 3. 반사광 세기별 포토트랜지스터 출력 파형. 외부 조명이 없는 상태에서 적외선 센서 모듈과 물체 사이의 거리를 달리하여 포토트랜지스터의 출력파형을 얻었다.

Fig. 4. Phototransistor output waveform by external illumination intensity. The distance between the infrared sensor module and the object was fixed, and the output waveform of the phototransistor was obtained by varying the distance between the external light and the object. 그림 4. 외부조명 세기별 포토트랜지스터 출력 파형. 적외선 센서 모듈과 물체 사이의 거리는 고정하고 외부 조명과 물체 사이의 거리를 달리하여 포토트랜지스터의 출력파형을 얻었다.

Fig. 5. Characteristic curve of phototransistor. 그림 5. 포토트랜지스터의 특성곡선

Fig. 6. Estimated Radiance by Exposure time. 그림 6. 노출 시간에 따른 반사광 세기 추정치

Fig. 7. Sensor output variation with external illumination. 그림 7. 외부 조명에 따른 센서 출력 변화

Fig. 8. Output of phototransistor according to measurement distance. 그림 8. 측정거리에 따른 포토트랜지스터의 출력

Table 1. Low cost 1D displacement sensors. 표 1. 저가 1차원 거리 센서

Table 2. Distance detection range according to exposure time. 표 2.노출 시간에 따른 거리 감지 범위