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KR102446123B1 - 위치 추적 시스템 및 방법 - Google Patents

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KR102446123B1
KR102446123B1 KR1020177015839A KR20177015839A KR102446123B1 KR 102446123 B1 KR102446123 B1 KR 102446123B1 KR 1020177015839 A KR1020177015839 A KR 1020177015839A KR 20177015839 A KR20177015839 A KR 20177015839A KR 102446123 B1 KR102446123 B1 KR 102446123B1
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앨런 예이츠
제레미 셀란
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밸브 코포레이션
앨런 예이츠
제레미 셀란
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Abstract

가상 현실(VR)/증강 현실(AR) 어플리케이션에 사용될 수 있는 광 위치 추적 시스템이 개시된다. 예시적인 구현 예들은 하나 이상의 수신기 및 하나 이상의 송신기를 포함한다. 예시적인 송신기들은 각각 팬형(fan-shaped) 레이저 빔을 방출하는 2 개의 직교 회전자(rotor)를 포함한다. 각 빔은 회전자가 일정한 속도로 회전하면서 스위핑된다. 예시적인 광 수신기들은 비교적 작을 수 있고, VR 디스플레이상의 편리한 위치에 장착될 수 있다. 이러한 수신기들은 헤드-마운트 VR 디스플레이에 장착 할 수 있는 소형 광학 검출기로 구성된다. 예시적인 시스템들은 각각의 스윕 빔(swept beam)이 각각의 수신기/검출기를 가로지르는 시간을 측정함으로써 위치를 결정한다.

Description

위치 추적 시스템 및 방법{POSITIONAL TRACKING SYSTEMS AND METHODS}
본 출원은 2006 년 11 월 10 일자로 출원된 임시출원일련번호 제62/077,374 호 및 2015 년 2 월 27 일자로 출원된 제62/126,358호의 이익을 향유하며, 이들 출원의 내용은 그 전체가 본 명세서에 참조로 포함된다.
본 발명은 일반적으로 위치 추적에 관한 것으로, 개선된 특징 및 특성을 갖는 가상 현실 및/또는 증강 현실 응용을 위한 광학 기반 위치 추적 시스템 및 방법에 관한 것이다.
추적 정밀도, 추적 볼륨, 추적 마커(markers), 제조 비용 및 사용자 설정의 복잡성과 같은 파라미터를 변화시키는 다양한 위치 추적 시스템 및 방법이 당업계에 공지되어 있다. 현재의 한 세대의 데스크톱 가상현실 ("VR") 경험은 고정된 컴퓨터 (개인용 컴퓨터 ("PC"), 랩탑 또는 게임 콘솔(console)과 같이)에 테더될(tethered) 수 있는 헤드-마운트 디스플레이(HMD, head-mounted display) 또는 독립식(self-contained)을 이용하여 생성된다. 또한, 데스크톱 VR 경험은 일반적으로 완전히 몰입하여 사용자의 감각이 주변 환경에서 끊긴다. 이러한 기술 공간에서 다양한 응용 프로그램에 대한 추적 요구 사항은, 일반적으로 약 2 입방 미터로 제한된 추적 볼륨에서 여러 강체 (예, HMD, 입력 막대, 데스크톱 기하학적 구조)의 6 자유도("6DOF") 위치를 추적하는 시스템에 의해 충족될 수 있다. 그러나, 보다 몰입형 VR 경험을 생성하기 위해, 추적 시스템은 매우 낮은 레이턴시 (예를 들어, 동작과 응답 사이에서 약 1 밀리초 지연)를 유지하면서 정밀 (예를 들어, 1 밀리미터 및 1도 정밀도까지 내려감)할 것이 요구된다. 또한, 추적 기술은 상대적으로 설치가 용이해야 하고 일반 가정 사용자가 구입하기 쉬워야 한다.
당해 기술 분야에 현재 알려진 어느 위치 추적 시스템은 완전히 또는 부분적으로 객체에 부착된 마커를 추적하고 표시된 객체를 추적한다. 이러한 시스템에서, 추적된 객체는 일반적으로 큰 규모의 객체들만 추적될 수 있도록 여러 비트의 데이터를 인코딩할 수 있는 대규모 추적 마커들로 커버되어야 한다. 이러한 이유로 "PTAM/SLAM 시스템"(각각 Positional Tracking and Mapping for Small AR Workspaces 및 Simultaneous Localization and Mapping의 약어)으로 알려진 대부분의 시스템은 HMD에 카메라를 배치하고 주위 환경의 벽에 추적 마커를 설치한다. 이 접근법에는 몇 가지 단점이 있다. 예를 들어, 일반적으로 VR 사용자는 대규모 추적 마커로 모든 시야 방향을 커버해 자신의 환경의 모습을 크게 수정해야 할 필요가 있다. 일반적으로 사용자는 환경을 매핑하기 위해 복잡한 조정 단계를 수행해야 할 필요가 있다. 또한, HMD에 부착된 추적 카메라는 일반적으로 정밀한 추적을 위해 양호한 렌즈를 필요로 하며, 이로 인해 일반적으로 HMD의 중량이 크게 증가한다. 추적 마커는 일반적으로 이러한 구현에서 설계가 복잡하기 때문에, HMD 또는 주변의 온보드 프로세서 대신 PC에서 일반적으로 디코딩을 수행하므로 이는 일반적으로 카메라에서 컴퓨터로 전송되는 데이터의 양과 추적 대기 시간을 증가시킨다.
컴퓨터 비전 알고리즘의 발전으로 자연스러운 이미지/장면 기능을 대신 사용하여 제한된 시나리오에서 마커 추적을 없앨 수 있다. 안타깝게도 자연 이미지 기능에 의존하는 현재 추적 알고리즘은, 일반적으로 투명하고 반짝이는 및/또는 질감이없는 객체가 포함된 많은 가정 환경에서 일관되게 작동할 만큼 강인하고/정밀하지 않다. 이미지로부터 자연적 특징을 추출하고 식별하는 것은 또한 계산상에서 비용이 많이 든다.
이 기술 분야의 현재의 한계를 해소하는 것이 바람직하다.
본 실시예에서 이제 비례하지 않는 첨부 도면들이 참조될 것이다.
도 1은 본 발명의 실시예들의 양태들을 구현하는데 사용될 수 있는 컴퓨팅 장치의 예시적인 다이어그램이다.
도 2는 본 발명의 실시예들의 양태들을 구현하는데 사용될 수 있는 위치 추적 시스템의 예시적인 다이어그램이다.
도 3은 본 발명의 실시예들의 양태들을 구현하는데 사용될 수 있는 위치 추적 시스템의 기지국 하드웨어 구성의 예시적인 다이어그램이다.
도 4는 본 발명의 실시예들의 양태들을 구현하는데 사용될 수 있는 위치 추적 시스템의 기지국 펌웨어 구성의 예시적인 다이어그램이다.
도 5는 본 발명의 실시예들의 양태들을 구현하는데 사용될 수 있는 위치 추적 시스템의 센서 구성의 예시적인 다이어그램이다.
도 6은 본 발명의 실시예들의 양태들을 구현하는데 사용될 수 있는 위치 추적 시스템의 수신기 구성의 예시적인 다이어그램이다.
도 7은 본 발명의 실시예들의 양태들을 구현하는데 사용될 수 있는 위치 추적 시스템에서의 유선 동기 구성의 예시적인 다이어그램이다.
도 8은 본 발명의 실시예들의 양태들을 구현하는데 사용될 수 있는 위치 추적 시스템에서의 광 동기화 구성의 예시적인 다이어그램이다.
도 9는 본 발명의 실시예들의 양태들을 구현하는데 사용될 수 있는 직교 이중-회전자(dual-rotor) 광 송신기의 예시적인 다이어그램 (정면도)이다.
도 10은 본 발명의 실시예들의 양태들을 구현하는데 사용될 수 있는 광학 수신기들 및 센서들을 포함하는 헤드-마운트 가상 현실 장치를 착용한 인간 사용자의 예시적인 다이어그램이다.
도 11은 본 발명의 실시예들의 양태들을 구현하는데 사용될 수 있는 직교 이중-회전자 광 송신기의 예시적인 다이어그램 (정면도)이다.
도 12는 본 발명의 실시예들의 양태들을 구현하는데 사용될 수 있는 직교 이중-회전자 광 송신기의 예시적인 다이어그램 (배면도)이다.
도 13은 본 발명의 실시예들의 양태들을 구현하는데 사용될 수 있는 직교 이중-회전자 광 송신기의 세부적 예시적인 다이어그램 (정면도)이다.
도 14는 본 발명의 실시예들의 양태를 구현하는데 사용될 수 있는 회전자/송신기 구성 세부 사항의 예시적인 블록도이다.
도 15는 본 발명의 실시예들의 양태들을 구현하는데 사용될 수 있는 수신기 의 예시적인 다이어그램(정면도)이다.
도 16은 본 발명의 실시예들의 양태들을 구현하는데 사용될 수 있는 수신기 의 예시적인 다이어그램(배면도)이다.
도 17은 본 발명의 실시예들의 양태들을 구현하는데 사용될 수 있는 수신기 구성 세부 사항의 예시적인 블록도이다.
도 18은 본 발명의 실시예들의 양태들을 구현하는데 사용될 수 있는 신호 프로세서 보드의 예시적인 다이어그램이다.
도 19는 본 발명의 실시예들의 양태들을 구현하는데 사용될 수 있는 신호 프로세서 구성의 예시적인 블록도이다.
도 20은 본 발명의 실시예들의 양태를 구현하는데 사용될 수 있는 직교 이중-회전자 광 송신기의 예시적인 도면으로서, 전형적인 실시 예에서 종래의 12 온스 음료 캔과 비교하여 그 상대적인 크기를 나타낸다.
도 21은 본 발명의 실시예들의 양태들을 구현하는데 사용될 수 있는 광학 위치 추적 시스템에서의 송신기/수신기 구성의 예시적인 다이어그램이다.
도 22는 본 발명의 실시예들의 양태들을 구현하는데 사용될 수 있는 4 개의 광 수신기들을 갖는 헤드-마운트 가상 현실 디스플레이의 예시적인 다이어그램이다.
도 23은 단일 회전자 구현의 일 실시 예의 양태를 도시한다.
도 24는 단일 회전자 구현의 일 실시 예의 양태를 도시한다.
도 25는 본 발명의 양태에 따른 회전자 좌표 시스템의 일 실시 예의 양태를 도시한다.
도 26은 본 발명의 양태에 따른 빔 위상 각과 관련된 일 실시 예의 양태를 도시한다.
도 27은 본 발명의 양태에 따른 빔 틸트(tilt)각에 관한 일 실시 예의 양태를 도시한다.
도 28a 및 도 28b는 본 발명의 양태에 따른 동기화 펄스 및 광 빔 펄스에 관한 일 실시 예의 양태를 도시한다.
도 29는 본 발명의 일 실시 예의 양태를 도시한다.
도 30은 본 발명의 일 실시 예의 양태를 도시한다.
도 31은 본 발명의 일 실시 예의 양태를 도시한다.
도 32는 본 발명의 일 실시 예의 양태를 도시한다.
도 33은 본 발명의 일 실시 예의 양태를 도시한다.
당업자는 본 발명의 다음의 설명이 단지 예시적인 것이며 특정 방식으로 제한하는 것이 아님을 알 수 있을 것이다. 본 발명의 다른 실시 예는 본 개시의 이점을 갖는 당업자에게 용이하게 제안될 것이며, 본 명세서에 정의된 일반적인 원리는 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않고 다른 실시 예 및 응용에 적용될 수 있다. 따라서, 본 발명은 도시된 실시 예들에 한정되는 것으로 의도되지 않고, 본 명세서에 개시된 원리들 및 특징들에 부합하는 가장 넓은 범위에 따른다. 이제 첨부된 도면에 도시된 바와 같이 본 발명의 특정 구현 예들을 상세하게 참조할 것이다. 동일한 참조 번호들은 동일 부분 또는 유사한 부분을 지칭하기 위해 도면 및 다음의 설명 전체에 걸쳐 사용될 것이다.
이 상세한 설명에서 기술된 데이터 구조 및 코드는, 전형적으로 컴퓨터 시스템에 의해 사용하기 위한 코드 및/또는 데이터를 저장할 수 있는 임의의 장치 또는 매체일 수 있는, 컴퓨터가 판독 가능한 저장 매체에 저장된다. 여기에는 디스크 드라이브, 자기 테이프, CD(compact discs) 및 DVD (digital versatile discs or digital video discs)와 같은 자기 및 광학 저장 장치, 및 전송 매체(신호가 변조되는 캐리어의 유무 관계없이)에 내장된 컴퓨터 명령 신호 등이 포함된다. 예를 들어, 전송 매체는 인터넷과 같은 통신 네트워크를 포함할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예들의 양태들을 구현하는데 사용될 수 있는 컴퓨팅 장치 100의 예시적인 다이어그램이다. 컴퓨팅 장치 100는, 버스 101, 하나 이상의 프로세서(processor) 105, 메인 메모리(main memory) 110, ROM(read-only memory) 115, 저장 장치(storage device) 120, 하나 이상의 입력 장치(input devices) 125, 하나 이상의 출력 장치(output devices) 130, 통신 인터페이스(communication interface) 135를 포함할 수 있다. 버스 101는 컴퓨팅 장치 100의 컴포넌트들 간의 통신을 허용하는 하나 이상의 컨덕터들(conductors)을 포함 할 수 있다. 프로세서 105는 명령을 해석하고 실행하는 임의의 유형의 종래 프로세서, 마이크로 프로세서 또는 프로세싱 로직을 포함할 수 있다. 메인 메모리 110는 RAM(random-access memory) 또는 프로세서 105에 의한 실행을 위한 정보 및 명령어를 저장하는 다른 유형의 동적 저장 장치를 포함할 수 있다. ROM 115은 종래 ROM 장치 또는 프로세서 105에 의한 사용을 위한 정적 정보 및 명령어를 저장하는 다른 유형의 정적 저장 장치를 포함할 수 있다. 저장 장치 120는 자기 및/또는 광학 기록 매체 및 그 대응하는 드라이브를 포함할 수 있다. 입력 장치(들) 125는 사용자가 키보드, 마우스, 펜, 스타일러스(stylus), 필기 인식(handwriting recognition), 음성 인식, 생체 인식(biometric) 메카니즘 등과 같은 컴퓨팅 장치 100에 정보를 입력할 수 있게 하는 하나 이상의 종래 메커니즘을 포함할 수 있다. 출력 장치(들) 130은 디스플레이, 프로젝터, A / V 수신기, 프린터, 스피커 등과 같이 사용자에게 정보를 출력하는 하나 이상의 종래의 메카니즘을 포함할 수 있다. 통신 인터페이스 135는 컴퓨팅 장치/서버 100가 다른 장치 및/또는 시스템들과 통신할 수 있게 하는 임의의 트랜시버(transceiver)와 유사한 메커니즘을 포함할 수 있다. 컴퓨팅 장치 100는, 데이터 저장 장치 120와 같은 다른 컴퓨터가 판독가능한 매체로부터, 또는 통신 인터페이스 135를 통해 다른 장치로부터, 메모리 110로, 판독 가능한 소프트웨어 명령에 기초한 동작을 수행할 수 있다. 메모리 110에 포함된 소프트웨어 명령은 프로세서 105가 후술하는 처리를 수행하게 한다. 다르게는, 본 발명에 따른 프로세스를 구현하기 위해 하드 와이어드 회로(hardwired circuitry)가 소프트웨어 명령어 대신에 또는 조합하여 사용될 수 있다. 따라서, 다양한 구현 예는 하드웨어 회로 및 소프트웨어의 특정 조합으로 제한되지 않는다.
특정 실시 예에서, 메모리 110는 DRAM, SRAM, DDR RAM 또는 다른 랜덤 액세스 솔리드 스테이트 메모리 장치(random access solid state memory devices)와 같은 고속 랜덤 액세스 메모리를 제한없이 포함할 수 있으며, 하나 이상의 자기 디스크 저장 장치, 광학 디스크 저장 장치, 플래시 메모리 장치 또는 다른 비 휘발성 고체 저장 장치와 같은 비휘발성 메모리를 제한없이 포함할 수 있다. 메모리 110는 선택적으로 프로세서(들) 105로부터 원격 위치된 하나 이상의 저장 장치를 포함할 수 있다. 메모리 110, 또는 메모리 110 내의 하나 이상의 저장 장치들 (예를 들어, 하나 이상의 비휘발성 저장 장치들)은, 컴퓨터가 판독가능한 저장 매체를 포함할 수 있다. 특정 실시 예에서, 메모리 110 또는 메모리 110의 컴퓨터 판독 가능 저장 매체는 다음의 프로그램들, 모듈들 및 데이터 구조들 중 하나 이상을 저장할 수 있다: 다양한 기본 시스템 서비스들을 처리하고 하드웨어 종속적인 작업을 수행하는 절차를 포함하는 운영 체제; 하나 이상의 통신 네트워크 인터페이스 및 인터넷, 다른 광역 네트워크, 로컬 영역 네트워크, 대도시 네트워크 등과 같은 하나 이상의 통신 네트워크를 통해 컴퓨팅 장치 100를 다른 컴퓨터들에 접속하기 위해 사용되는 네트워크 통신 모듈; 사용자가 컴퓨팅 장치 100와 상호 작용할 수 있게 하는 클라이언트 어플리케이션.
본 발명의 특정 실시 예들은 가상 현실 설치에 사용하기 위한 광학 추적 시스템을 포함한다. 특히, 특정 실시 예들은 고해상도, 고정밀, 룸-스케일(room-scale) 다중 사용자 객체 위치 및 방향 결정 ("추적")에 적합한 공간 코딩 광학 추적 기술을 포함한다. 특정 구현 예들은 시변 방식으로 공간적으로 변조된 광 신호를 방송하는 하나 이상의 비콘 송신기를 포함하며, 조사된(illuminated) 볼륨에 위치한 하나 이상의 센서 유닛이 각 비콘 송신기에 대한 그들의 평면 방위(planar bearing)을 결정할 수 있도록 한다. 1 개의 비콘은 하나의 평면 방위를 센서에 제공할 수 있다. 다수의 비콘은 단일 센서의 3차원 위치 결정에 사용될 수 있고, 고정된 추적 객체 상의 다중 센서의 배열은 그 방향 결정을 허용한다. 광학적으로 결정된 위치 신호는 관성 측정과 융합되어 대기 시간을 줄이고 위치 결정의 업데이트 속도를 높인다. 제한없이, 특정 실시 예들의 양태들을 구현하는데 사용될 수 있는 헤드-마운트 디스플레이 ("HMD")는 고정된 컴퓨터 (개인용 컴퓨터("PC"), 랩탑 또는 게임 콘솔과 같은)에 테더될 수 있으며, 또는 독립식 예, 단일 헤드-마운트 장치에 일부 또는 모든 감각 입력, 제어기들/컴퓨터들, 및 출력들이 모두 수용되어 있음)일 수도 있다.
특정 실시 예들은 룸-스케일 볼륨 이상 다수의 객체(HMD들, 제어기들 등)에 대한 고해상도 위치 및 방향 결정을 가능하게 한다. 특정 구현 예에서, 시스템은 추적 볼륨에 대해 광 신호를 스위핑하는 하나 이상의 기지국 유닛으로 구성된다. 추적된 객체의 광 수신기는 이 신호를 해석하여 기지국(들)과 관련된 위치 및 방향을 계산한다. 단일 기지국이 6 자유도(degree-of-freedom) 추적을 위해 충분하지만, 일부 실시 예에서는 헤드셋 및 주변 장치를 위한 견고한 룸-스케일 추적을 제공하기 위해 다수의 기지국이 필요할 수 있다. 특정 실시 예들에서, 광 수신기들은 저 지연 센서 융합을 지원하기 위해 각각의 추적된 장치상의 가속도계 및 자이로스코프 관성 측정 유닛 (IMU)과 페어링된다(paired).
도 2는 본 발명의 특정 실시 예들의 양태들을 구현하는데 사용될 수 있는 위치 추적 시스템 200의 예시적인 다이어그램이다.
도 3은 본 발명의 특정 실시 예들의 양태들을 구현하는데 사용될 수 있는 위치 추적 시스템의 기지국 마이크로콘트롤러 기반 ("MCU 기반") 하드웨어 구성 300의 예시적인 다이어그램이다.
도 4는 본 발명의 특정 실시 예들의 양태들을 구현하는데 사용될 수 있는 위치 추적 시스템의 기지국 펌웨어 구성 400의 예시적인 다이어그램이다.
도 5는 본 발명의 특정 실시 예들의 양태들을 구현하는데 사용될 수 있는 위치 추적 시스템의 센서 구조 500의 예시적인 다이어그램이다.
도 6은 본 발명의 특정 실시 예들의 양태들을 구현하는데 사용될 수 있는 위치 추적 시스템의 수신기 구성 600의 예시적인 다이어그램이다.
도 7은 본 발명의 특정 실시 예들의 양태들을 구현하는데 사용될 수 있는 위치 추적 시스템 내의 유선 동기 구성 700의 예시적인 다이어그램이다.
도 8은 본 발명의 특정 실시 예들의 양태들을 구현하는데 사용될 수 있는 위치 추적 시스템 내의 단일 기지국 광 동기화 구성 800의 예시적인 다이어그램이다.
도 9는 본 발명의 특정 실시 예들의 양태들을 구현하는데 사용될 수 있는 직교 이중-회전자 광 송신기 910의 예시적인 다이어그램 (정면도)이다. 도 9에 도시된 바와 같이, 송신기 910는 수평 회전자 (920) 및 수직 회전자 (930)를 포함한다. 따라서, 특정 실시 예들에 따른 각각의 기지국은 직교 축상에서 현장(scene)을 가로 질러 선형 빔을 스위핑하는 2 개의 회전자를 포함한다. 각 스윕(sweep) 사이클의 시작에서, 특정 실시 예들에 따른 기지국은 모든 센서에 대해 가시적인 무지향성(omni-directional) 광 펄스를 방출한다. 따라서, 각 센서는 동기 신호와 빔 신호 사이의 지속 시간을 타이밍함으로써 스윕 볼륨(volume)에서 고유한 각도 위치를 계산한다. 센서 거리와 방향은 단일 강체에 부착된 여러 센서를 사용하여 해결된다.
본 발명의 특정 실시 예들은 카메라-기반 광학 추적 시스템과 비교하여 큰 시야각(FOV, field of view)를 갖는다. 특정 실시 예들에 따른 기지국은, 카메라가 일반적으로 90o 내지 120o 미만으로 광학적으로 제한되는 동안, 모든 방향으로 서비스를 제공하는 근거리 무지향성 신호를 방출할 수 있다. 이러한 증가된 FOV는 본 발명의 실시 예가 주어진 공간에서 유용한 추적 볼륨을 최대화할 수 있게 하며, 이는 룸-스케일 볼륨에 중요하다. 또한, 특정 실시 예들은 공간 코딩 시스템의 경우 상대적으로 확장성이 높고 방송 신호가 많기 때문에 여러 사용자와 객체가 동시에 위치와 방향을 계산하는 데 사용할 수 있다.
특정 실시 예들에 따른 송신기에서 회전자/비콘(rotor/beacon)에 의해 방출된, 코드화된 및/또는 공간적으로 시변하는 신호는, 다양한 구성에 의해 생성될 수 있다. 하나의 그러한 구성은 일정한 속도로 회전자 축 평면 주위로 반경 방향으로 스위핑되는 단일의 좁은 라인의 광이다. 이는 회전 거울 및 라인 발생기 광학 장치 또는 회전 라인 소스(line source)를 사용하여 특정 실시 예에서 구현된다. 방사선은 원칙적으로 임의의 파장을 포함할 수 있지만, 전형적인 시스템의 스케일에 있어서, 가시광 또는 근적외광이 특정 실시 예에서 바람직하다.
본 발명의 실시 예들에 따른 시스템의 정확도는 광 신호의 공간 변조의 정밀도에 의존한다. 작은 시간 스케일을 고정밀도로 측정하는 것이 상대적으로 쉽기 때문에, 각도 분해능은 빔이 센서를 스위핑할 때 회전자로부터의 광 펄스의 센서에서 감지 시간을 측정하는 것을 기반으로 한다. 이러한 시간 측정은 빔의 방향을 알았을 때 회전자 송신기에서의 특정 기준 시간과 관련하여 이루어진다. 회전 거울 각속도 및 회전 위상의 정밀 제어와 결합될 때, 상대 각도의 상대적으로 정확한 측정이 취해질 수 있다.
레이저 다이오드들에 의해 생성된 간섭성 광은 빠른 변조를 위한 발산, 밝기 및 용량이 낮기 때문에 특정 실시 예에 따른 회전자의 방사빔 소스에 바람직하다. 다른 구현 예들 중에서, 비간섭성 광 (incoherent light)이 또한 사용될 수 있다. 숙련된 기술자들이 쉽게 인식할 수 있는 바와 같이, 종래의 발광 다이오드들 ("LEDs")은 다소 복잡한 광학 장치와 함께 사용될 수도 있다.
도 10은 특정 실시 예의 양태들을 구현하는데 사용될 수 있는 광학 수신기들 및 센서들 (1030a, 1030b, 1030c 등)을 포함하는 헤드-마운트 가상 현실 장치 (1020)를 착용하고 있는 인간 사용자 (1010)에 대한 예시적인 다이어그램이다.
도 11은 본 발명의 특정 실시 예의 양태들을 구현하는데 사용될 수 있는 직교 이중-회전자 광 송신기 (1130)의 예시적인 다이어그램 (정면도)이다. 도 9에 도시된 바와 같이, 송신기 (1130)는 수평 회전자 (1120) 및 수직 회전자 (1140)를 포함한다. 레이저 다이오드들 (1110, 1150) 또는 다른 적절한 광학 소스는 각각의 회전하는 회전자 (1120, 1140) 내에 위치한 거울로 빛을 방출한다.
도 12는 본 발명의 특정 실시 예의 양태를 구현하는데 사용될 수 있는 직교 이중-회전자 광 송신기 (1130)의 예시적인 다이어그램 (배면도)이며, 기지국 전자 회로 기판 (1210)의 위치 및 전체 레이아웃은 특정 실시 예에 대해 이 문서 전반에 걸쳐 설명된 기능을 구현하는 데 사용된다.
도 13은 본 발명의 특정 실시 예의 양태들을 구현하는데 사용될 수 있는 직교 이중-회전자 광 송신기의 세부적인 예시적 다이어그램 (정면도)이다. 도 13에 도시 된 아이템들은 도 11 및 도 12를 참조하여 보다 상세하게 앞서 설명된 아이템들의 확대 버전을 포함한다.
도 14는 본 발명의 특정 실시 예의 양태들을 구현하는데 사용될 수 있는 회전자/송신기 구성 세부 사항들 (1400)의 예시적인 블록도이다.
도 15는 본 발명의 특정 실시 예의 양태들을 구현하는데 사용될 수 있는 수신기 (정면도) (1500)의 예시적인 도면이며, 예시적인 전면 측 수신기 회로 하이-레벨 보드 레이아웃을 도시한다.
도 16은 본 발명의 특정 실시 예의 양태들을 구현하는데 사용될 수 있는 수신기 (후면) (1600)의 예시적인 도면이며, 예시적인 후면 측 수신기 회로 하이-레벨 보드 레이아웃을 도시한다.
도 17은 본 발명의 특정 실시 예의 양태들을 구현하는데 사용될 수 있는 수신기 구성 세부 사항들 (1700)의 예시적인 블록도이다.
도 18은 본 발명의 특정 실시 예의 양태들을 구현하는데 사용될 수 있는 신호 프로세서 보드 레이아웃 (1800)의 예시적인 다이어그램이다.
도 19는 본 발명의 특정 실시 예의 양태들을 구현하는데 사용될 수 있는 신호 프로세서 구성 (1900)의 예시적인 블록도이다.
도 20은 본 발명의 특정 실시 예의 양태를 구현하는데 사용될 수 있는 직교 이중-회전자 광 송신기 (2120)의 예시적인 도면으로서, 예시적인 실시 예에서 종래의 12-온스 음료 캔 (2130)과 비교하여 그 상대적인 크기를 나타낸다. 도 20은 송신기 (2120)로부터 방출되는 수평 광학 빔 (2121) 및 수직 광학 빔 (2122)의 개념화된 도면을 포함한다. 본 발명의 양태들을 구현하기 위해 포함될 수 있는 하나 이상의 광 빔들의 타이밍 및 동기화는 각 특정 구현의 특정 요구 사항들에 의존한다.
도 21은 본 발명의 특정 실시 예의 양태들을 구현하는데 사용될 수 있는 광학 위치 추적 시스템의 송신기/수신기 구성의 예시적인 다이어그램이다. 도 21에 도시 된 바와 같이, 예시적인 광학 위치 추적 시스템은 추적 볼륨에 대해 광 신호 (2110)를 스윕하는 기지국 (2120)을 포함한다. 각각의 특정 구현 예에 따라, 하나 이상의 기지국이 통합될 수 있고, 각각의 기지국은 하나 이상의 광 신호를 생성할 수 있다. 예를 들어, 단일 기지국은 일반적으로 6 자유도 추적을 위해 충분하지만, 일부 실시 예에서는 헤드셋 및 주변 장치를 위한 견고한 룸-스케일 추적을 제공하기 위해 다수의 기지국이 필요할 수 있다. 광 수신기 (예를 들어, 1030)는 헤드-마운트 가상 현실 장치 (1020) 또는 다른 추적된 객체들에 통합된다. 특정 실시 예에서, 낮은 레이턴시 센서 융합을 지원하기 위해 각각의 추적된 장치 상의 가속도계 및 자이로스코프 관성 측정 유닛 ("IMU")과 페어링된다. 도 21에 도시된 바와 같이, 표준 12-온스 소다 또는 맥주 캔(2130 )은 규모의 감지를 제공하기 위해 도시되어 있다.
특정 실시 예에 따른 각각의 기지국 (2120)은 직교 축상에서 화면(scene) 앞으로 선형 빔 (2110)을 스위핑하는 2 개의 회전자를 포함한다. 각각의 스윕 사이클의 시작에서, 특정 실시 예에 따른 기지국 (2120)은 모든 센서들에 무지향성 광 펄스 ("동기 신호(sync signal)")를 방출한다. 따라서, 각 센서는 동기 신호와 빔 신호 사이의 시간에 대한 타이밍에 의해 스윕 볼륨 내의 고유한 각도 위치를 계산한다. 센서의 거리와 방향은 단일 강체에 견고하게 부착된 여러 센서를 사용하여 해결된다.
도 22는 본 발명의 특정 실시 예의 양태들을 구현하는데 사용될 수 있는 4 개의 광학 수신기들 (1030a, 1030b, 1030c, 1030d)을 갖는 헤드-마운트 가상 현실 디스플레이 (1020)의 예시적인 다이어그램이다.
특정 실시 예에 따른 센서는 회전자로부터 변조된 광을 검출할 수 있는 광전자 장치(optoelectronic device)를 포함한다. 가시광 또는 근적외선 (NIR) 광에 대하여, 특정 실시 예에서 실리콘 포토다이오드 및 적절한 증폭기/검출기 회로가 바람직하다. 환경은 기지국 신호 (광학 잡음)와 유사한 파장을 갖는 정적 및 시변 신호를 포함 할 수 있기 때문에, 간섭 신호로부터 쉽게 구별할 수 있도록 기지국 광을 변조하는 것이 도움이 되며, 및/또는 기지국 신호의 파장 이외의 임의의 파장의 방사광으로부터 센서를 필터링하는 것이 바람직하다.
특정 실시 예에서, 조사된(illuminated) 볼륨은 객체 및 표면을 반사하는 것이 거의 없을 것이라고 가정한다. 반사는 센서 시스템에 대해 스퓨리어스(spurious) 신호를 유발할 수 있다. 특정 실시 예에서, 1차 반사의 영향은 기지국에서 원형 편광(circularly polarized) 방사선 소스 및 센서에서 적합한 정합(matched) 원형 편광 필터를 사용함으로써 감소되거나 제거될 수 있다.
특정 실시 예에 따른 간단한 센서 구현 예는 포토다이오드, 증폭기, 이산 포락선(discrete envelope) 검출기 및 상대적으로 작은 양의 히스테리시스(hysteresis)를 갖는 고속 비교기이다. 예를 들어, 도 5와 17을 참조할 수 있다. 이러한 구현은 기지국으로부터의 빔(beam)이 센서를 지나 스위핑할 때마다 다운-스트림(down-stream) 수신기 회로에 디지털 펄스를 전달한다.
특정 실시 예에 따른 수신기는, 센서로부터의 신호 및 기지국으로부터의 타이밍 기준 데이터를 취하고, 신호 전이(signal transitions)에 대한 시간기록(timestamp)을 위해 내부의 고정밀 클럭을 사용하는 신호 처리 시스템이다. 이 타이밍 데이터는 IMU의 관성 신호와 결합되어, 적절한 인터페이스 버스 (예: 범용 직렬 버스 또는 USB)를 통해, 또는 무선 링크를 통해 호스트 컴퓨터로 전송되므로, 기지국/센서 방위 각도 정보가 추출될 수 있고, 센서/수신기 어셈블리의 위치 및 방향을 결정하는데 이용될 수 있다. 예를 들어 도 6과 19를 참조할 수 있다.
특정 실시 예에서, 수신기가 또한 시스템에서 회전자의 절대 위상을 알고 있는 경우, 센서에서 관찰되고 수신기에 의해 디코딩된 광 펄스는 방위 결정을 위해서만 사용될 수 있다. 기지국 송신기와 수신기 사이의 동기화를 유지하기 위해, 각각의 특정 구현의 요구 사항에 따라 많은 메커니즘이 사용될 수 있다.
특정 실시 예에 따른 그러한 메커니즘 중 하나는, 기지국 송신기 및 수신기를 결합하는 와이어들을 포함한다. 예를 들어, 도 7을 참조한다. 이 예시적인 동기화 메카니즘은, 각각의 회전자가 전송하는 시간베이스(timebase)에 대한 회전자의 위치를 제어하는데 사용되는 절대 위상 기준 검출기를 이미 갖고 있기 때문에 구현하기가 비교적 쉽다. 그러나, 이 메커니즘은 각 회전자의 기준 신호들이 시스템의 각 수신기로 퍼져야하기 때문에 상대적으로 확장성이 떨어진다(즉, "nxm" 배선 토폴로지 사용 시에, 여기서 "n"은 회전자의 수를 나타내며 "m"는 수신기 수를 나타낸다.). 동기화된 기지국 송신기를 사용하는 경우에도 회전자 위상의 작은 변화는 일반적으로 제어 루프(controlloops)에 의해 완전히 보정될 수 없기 때문에, 각 개별 회전자의 실제 절대 위상 흔들림을 수신기에 전달해야 한다. 시간베이스 클럭(clock)을 하나의 와이어로 전달하면, 일부 실시 예에서는 서비스 품질이 떨어지게 되지만, 일부 어플리케이션에서는 허용될 수 있다.
또 다른 예시적인 동기화 메커니즘 구현은 동기화 정보를 수신기들과 무선으로 통신한다. 예를 들어, 도 8을 참조한다. 특정 실시 예에 따른 수신기가 이미 다수의 광학 센서를 포함하기 때문에, 이들 센서는 추가적인 하드웨어 없이 동기화를 위해 이용될 수 있다(예를 들어, RF 수신기/트랜시버 없이). 기본 폭-코딩된 무지향성 방송 캐리어-펄스-열 플래시 시스템(carrier-pulse-train flash system)은 특정 실시 예에서 단일 기지국 시스템에 적합하다. 특정 실시 예에서 기지국으로부터의 기준 신호는 동기 버스트를 직접 트리거할 수 있고(절대 회전자 위상에서), 수신기는 펄스 폭의 관측을 통해 어느 회전자 기준이 표시되는지를 결정할 수 있다. 이 구현은 유선 동기 구현보다 훨씬 복잡하지 않으며 특정 실시 예에서 동일한 제한 사항 중 일부가 될 수 있다. 예를 들어, 이 구현 예는 특정 실시 예에서 2 개 이상의 회전자의 절대 위상(absolute phase)을 통신할 수 없으며, 적어도 비교적 큰 데이터 레이트가 아닌 어떠한 추가 정보도 통신할 수 없다.
특정 실시 예에 따른 다중 기지국 시스템에서, 각 회전자의 절대 위상은 수신기에 전달되어 회전자 위상 흔들림(wander)/노이즈뿐만 아니라 추적 좌표계에 대한 기지국의 구성 및 비콘 기능의 비이상적인 측면을 모델링하는 교정 데이터를 보정한다.
특정 실시 예는 하나의 케이싱(casing) 내에 직각으로 장착된 2 개의 회전하는 미러 회전자(mirror rotors)를 포함하는 기지국을 포함한다. 미러들은 마이크로콘트롤러에 구현된 정밀 위상 고정 루프로 제어되는 광학 위치 검출 기능이 있는 3상 가변 주파수 브러시리스(brushless) DC 모터로 구동된다. 또한 마이크로콘트롤러는 레이저 인에이블 신호를 관리한다. 레이저들은 수 MHz에서 진폭 변조되어 센서들이 기지국으로부터의 신호들 이외의 신호들을 거부할 수 있게 한다. 각각의 기지국에는 각각의 회전자의 각주파수(angular frequency)가 고정되는 정밀 클록이 포함된다. 2개의 회전자는 180도 위상차로 스캔하여 교대로 추적 영역을 조사한다.
특정 실시 예에 따른 광 센서들은 중간 규모 실리콘 포토 다이오드를 포함하고, 그 출력 신호가 이산 바이폴라 접합 송신기 ("BJT") 증폭기에 의해 증폭된다. 특정 실시 예에 따르면, 회전자 빔이 스윕할 때 수신기에서 보여진 신호는 서브 캐리어 RF 변조의 가우샨 버스트(Gaussian burst)이다. 이 RF 펄스 트레인은 포락선 검출되고, 모양이 만들어지며, 레벨 비교기를 통과하여 센서가 빔에 의해 조사된 시간에 걸쳐 펄스를 추출하도록 한다. 에지(edge) 위치가 빔 소스에 대한 센서의 방향에 관계없이 빔의 통과를 정확하게 나타낼 수 있도록, 회로가 조심스럽게 설계된다.
특정 실시 예에 따른 수신기는 센서 채널로부터 오는 에지들 및 기지국에서 시작하는 기준 신호들을 정확하게 시간 기록하는 고속 디지털 로거(logger)를 포함한다. 이는 소형 FPGA (field-programmable gate array)와 마이크로콘트롤러를 사용하여 구현된다. 마이크로콘트롤러는 고속 FPGA 프론트 엔드 및 관성 유닛을 관리하고, 처리를 위한 적절한 인터페이스 버스 (예를 들어, USB)를 통해 호스트 컴퓨터에 전달하기 위해 데이터 스트림을 패키징한다.
특정 실시 예에서, 시스템의 다양한 부품들은 시스템의 성능에 비교적 큰 영향을 미친다. 시스템의 대부분은, 특별한 정밀도가 중요하지 않은, 상업적으로 이용 가능한 상용 부품을 포함할 수 있지만, 조심스럽게 조립되어 시스템 비용 대비 높은 성능을 얻을 수 있다.
특정 실시 예에서, 기지국 송신기들은 가장 정밀한 부품을 포함한다. 특정 실시 예에 따른 회전 미러 및 라인 발생기 광학 어셈블리는, 정밀한 스캐닝 속도 제어를 용이하게 하기 위해 큰 관성 모멘트로 비교적 무겁게 만들어진 주문 가공된 (custom-machined) 부품을 포함한다. 특정 실시 예에서 라인 발생기 광학은 사출 성형된 폴리머부를 포함하지만 1 밀리 라디안 ("1 mrad") 발산 및 120도 팬(fan) 각도를 달성한다. 특정 실시 예에 따른 전환기(diverter) 미러는 제1 표면 미러를 포함하지만, 상대적으로 낮은 표면 품질(즉, 수 개의 파장)을 나타낸다. 특정 실시 예에 따른 회전자 어셈블리는, 상대적으로 높은 기계적 정밀도를 갖는 상용 하드 디스크 스핀들 모터에 의해 구동된다. 특정 실시 예에 따른 광학 회전자 위치 감지 시스템은, 종래의 슬롯-인터럽터(slot-interrupter) 센서를 포함한다. 이러한 위치 감지 시스템의 반복성은 마이크로콘트롤러에서의 디지털 처리 전에 아날로그 신호 처리의 신중한 설계에 의해 특정 실시 예에서 개선된다. 특정 실시 예에서 다상 모터 드라이버들은 우수한 성능을 위해 선택되지만, 종래의 부품을 포함할 수 있다. 특정 실시 예에서의 레이저 다이오드는 보통의 전력 (예를 들면, 150 mW)을 포함하지만, 특히 고성능을 나타낼 필요는 없으며, 상용 광학 장치를 포함할 수 있다.
특정 실시 예에 따른 수신기는 표준 카탈로그 아이템 부품으로 구현될 수 있다. 특정 실시 예에서의 센서는 또한 널리 이용 가능한 상용 부품으로 구현될 수 있다. 특정 실시 예에서 센서 포토 다이오드는 양호한 민감도 및 비축(off-axis) 성능을 위해 선택된다. 특정 실시 예들에서의 IMU는 평범하지만 합리적으로 고품질인 유닛인, 셀룰러 전화들에서 사용되는 전형적인 일종의 마이크로 전자 기계 시스템 ("MEMS") IMU 장치로서 구현될 수 있다.
단일 기지국이 추적을 위해 이용 될 수 있지만, 특정 실시 예에서, 특히 다중 사용자 시나리오에서, 다수의 기지국을 이용하는 것이 바람직하다. 서로 기지국들을 동기화하는 것은 특정 실시 예에서 추적 계산을 단순화한다. 하나의 동기화 솔루션은 유선 동기 신호를 포함하지만, 무선 솔루션이 특정 실시 예에서 더 바람직할 수 있다. 무지향성 광 신호는 이러한 이용 가능한 솔루션을 포함한다.
이미 기술된 바와 같이, 각각의 특정 구현의 요구 사항에 따라, 기지국 기준 신호들은 케이블링(cabling)을 통해 유선으로 추적 수신기에 전달될 수 있거나, 동기화 및 기준 데이터 전달은 무선으로 전달될 수도 있다.
수신기에서의 비콘 신호의 모호성 제거는, 예를 들어, 상이한 광학 파장, 상이한 진폭 변조 주파수 및/또는 상이한 일반 진폭/위상 변조를 사용하는 기지국에 의해, 각각의 특정 구현 예의 요구사항에 따라 영향을 받을 수 있다(기지국 ID 전송 및 광 신호의 현재 회전자 위상 정보를 포함).
광통신을 사용하면, 센서가 상대적으로 더 복잡해져 추적 목적을 위해 광 서브 캐리어 펄스의 포락선뿐만 아니라, 수신기가 광 데이터 버스트의 데이터를 복구하는 데 사용할 수 있는 데이터 분할된 디지털 스트림을 방출해야 할 수도 있다.
일단 센서들이 광학 서브 캐리어에 실린 데이터를 복조하면, 각 비콘에 특정한 코드로 비콘 회전자 레이저들을 변조함으로써 비콘 모호성 제거가 특정 실시 예에서 영향을 받을 수 있다. 이것은 짧고, 비콘의 스위핑 빔이 센서를 조사하는 작은 시간 윈도우(window) 내에 적합하도록 충분히 짧을 수 있다. 이는 시스템 잡음 제약과 상호 작용하는 방식으로 서브 캐리어 주파수 선택, 범위 및 빔 발산(divergence)/센서 영역을 제한할 수 있다. 이는 일부 비콘들이 시스템에 의해 차이가 명확해 지는 한, 대부분의 경우 수신기의 일반적인 위치가 결정할 수 있으며 이는 각 특정 구현의 요구 사항에 따라 충분할 수 있기 때문에, 이는 중요하지 않다.
특정 실시 예들에서 무지향성 동기 방출의 광학 범위는 회전자 스위핑과 동일한 영역을 커버할 수 있고 동일하거나 그보다 큰 범위를 갖기에 충분한 전력으로 이루어질 수 있다. 이 범위 요건은, 빔 구현 회전자 신호에 비해 무지향성 소스의 펄스 전력이 중요할 수 있으므로, 특정 구현 예에서는 제한적일 수 있다. 다행히 듀티 사이클은 일반적으로 낮기 때문에 사용될 비교적 경제적인 장치가 될 수 있다.
광학 데이터 버스트 동기화 시스템에 있어서, 특정 실시 예에서는 중앙 집중화된 동기화 허브 ( "동기화 허브")가 이용된다. 특정 실시 예들에서의 동기화 허브는 시스템 시간베이스(timebase)를 포함하고 시스템 내의 모든 비콘들이 그들의 회전자 위상들을 고정시키는 동기 신호를 생성한다. 특정 실시 예에서의 동기화 허브는, 또한 시스템 시간베이스에 대한 그들의 기준 신호들에 의해 지시된 실제 회전자 위상들을 측정하고, 교정(calibration) 및 배치(constellation) 구성 정보와 함께 광학 동기화 버스트의 일부로서 회전자 위상 보정 정보 (이전 1/2 프레임 동안)를 전송한다.
광학 동기화 펄스들이 다른 캐리어 주파수를 사용하고 센서들이 (캐리어 또는 코드 멀티플렉싱에 의해) 동기화 및 회전자 신호들을 분리하도록 설계되지 않은 경우, 동기화 펄스들은 비콘이 조사하는 각도 공간의 일부를 소비한다. 이 각도 비용은 특정 실시 예에서, 데이터 버스트가 짧은 한 작을 수 있다. 특정 실시 예들에서 대역외 통신 방법 (예를 들어, RF)을 사용하는 것은 센서들에서의 좁은 필터링 (narrow filtering)보다 구현하기에 더 간단하고 저렴할 수 있다. 광학 동기화 플래싱(flashing) 시스템의 심볼 간 간섭 경로 지연이 수신기에 존재할 수 있다. 오류 복구는 공간 리던던시(redundancy)에 의해 영향을 받을 수 있다.
특정 실시 예에서 각 기지국은 각 회전자의 각주파수가 고정되는 정밀 클록을 포함한다. 대안적으로, 다른 기지국 또는 동기화 허브에서 생성된 신호를 포함하는 외부 신호가 주입되어 여러 기지국을 함께 고정시킬 수 있다. 특정 실시 예에서 수신기에서의 모호성 제거의 단순화를 위해, 2개의 회전자는 180 도의 위상차로 스캔하여 교대로 추적 영역을 조사한다.
특정 실시 예에서 센서들은 중간 규모 실리콘 포토다이오드를 포함하고, 그 출력 신호는 이산 BJT 증폭기들에 의해 증폭된다. 특정 실시 예에서, 회전자 빔이 스위핑 될 때 수신기에서 보이는 신호는 서브 캐리어 RF 변조의 가우샨 버스트이다. 이 RF 펄스 열은, 특정 실시 예에서 포락선 검출되고, 모양이 만들어지며, 레벨 비교기를 통과하여 센서가 빔에 의해 조사되는 시간에 걸쳐 펄스를 추출하도록 한다. 그 회로는 특정 실시 예에서 빔 소스에 대한 센서의 방위에 상관없이 에지 위치들이 빔의 통과를 정확하게 나타내기 위해 설계된다.
특정 실시 예들에서 수신기는 센서 채널들로부터 오는 에지들 및 기지국들에서 시작하는 기준 신호들을 정확하게 시간 기록하는 고속 디지털 로거(logger)이다. 그것은 소형 FPGA와 마이크로콘트롤러를 사용하여 구현된다. 마이크로콘트롤러는 고속 FPGA 프론트-엔드(front-end)와 관성 유닛(inertial unit)을 관리하며, 처리를 위해 USB를 통해 호스트 컴퓨터로 다시 전달하기 위해 데이터 스트림을 패키징한다.
기계적으로 스캐닝된 비콘 회전자들은 특정 실시 예에서 잠재적으로 다른 기술로 대체될 수 있거나, 유사한 방식으로 기능할 수 있지만, 단일 스윕(swept) 빔보다 더 복잡한 신호를 방사할 수 있다.
특정 실시 예에서 스캐닝을 위한 MEMS 또는 회절 광학 소자는 기지국의 크기 및 전력 소비를 감소시키는 것을 도울 수 있지만, 단순성, 선형성 및 스캔 각도에서의 제약을 가질 수 있다. 단일 빔 대신에 공간 직교 코드를 사용하는 것은 특정 실시 예에서 센서/수신기에서 개별 비콘들의 보다 용이한 차별화를 허용한다. 제한없이, 이러한 코드는 기계적 스캐닝 또는 스위치 투영 소스(switched projection sources)를 사용하여 구현될 수 있다.
비콘으로부터의 거리는 광 변조 캐리어(반송파)의 위상 측정과 같은 여러 방법을 통해 탐지될 수 있다.
공간에서 이동 가능한 객체들의 위치 및 방향의 정확한 결정은, 헤드-마운트 가상 현실 디스플레이 및 움직임 감지(motion capture) 시스템을 포함하는 많은 컴퓨터 인터페이스 장치들의 중요한 측면이다. 본 명세서에 설명된 예시적인 시스템들은 추적될 객체 상에 위치된 광 센서 어레이에 대한 각도를 측정하기 위해 정밀하게 타이밍된 회전 레이저 라인 빔 프로젝터들을 사용한다. 특정 실시 예에서 이들 송신기 스테이션들 중 하나 이상으로부터의 각도 정보는, 작은 지연, 고해상도 및 고정밀도의 위치(및 움직임) 측정을 제공하기 위해 추적된 객체상의 광 센서 어레이와 공동 배치된 n개의 IMU로부터의 관성 측정치들과 선택적으로 융합된다. 특정 실시 예에서 송신기 스테이션들에 설치된 센서 유닛들은, 시스템이 자신의 구성을 결정할 수 있게 하고, 송신기와 추적된 객체 사이의 인-빔 시그널링(in-beam signaling) 및 대역외 (유선 또는 RF) 통신의 조합은 시스템을 부트스트래핑 (bootstrapping) 하게하고 교정을 단순화시킨다.
특정 실시 예에서 추적될 장치 상의 광 검출기들과 함께 공동 위치된 관성 센서들은 센서 융합 필터들이 임의의 시간 간격으로 고속 및 고품질 위치 추정들을 생성할 수 있게 한다.
추적된 볼륨에서 고반사 객체들로부터 반사들은(미러들과 같이), 시스템이 처리할 혼란스러운 비정상 신호들을 생성시킬 수 있다. 특정 실시 예에서 객체 자세를 해결하는데 사용되는 알고리즘은 대부분의 간섭 반사들을 거부하고, 특정 실시 예에서 반사된 신호들을 거부하는 주사 빔들 및 센서들의 원 편광(circular polarization)을 사용하면 이 문제의 크기를 줄일 수 있다. 그러나, 일반적으로, 여기에 설명된 예시적인 시스템들은 이미 그들의 기하학적 형상에 의해 간섭 반사들에 상당히 내성이 있다.
차폐(Occlusion)는 모든 광학 추적 기술들에 공통적인 문제이며, 추적 볼륨을 둘러싸는 추가적인 송신 스테이션들을 제공함으로써 특정 실시 예에서 가장 쉽게 관리된다. 특정 실시 예에서 스테이션 리던던시(redundancy)는 추적 수신기들의 더 나은 가시성을 제공할뿐만 아니라 과도하게 결정된 솔루션들에 대하여 추적 솔버(solver)에 더 많은 정보를 제공한다.
특정 실시 예에서 본 발명의 양태에 따른 시스템은 추적될 객체 상의 스캐닝 된 송신기 및 고정된 수신기 배치(constellation)를 이용하여 내부중심(inside-out) 방식으로(외부 중심(outside-in) 보다는) 구현될 수 있다. 또는, 고정 수신기의 시야를 스캔하고 무지향성 모바일 송신기를 탐지할 수 있다. 이러한 시스템-이중 접근법에는 관성, 부트스트래핑, 전력 및 링크 예산의 제약들이 있다.
각각의 특정 구현 예의 요구 사항에 따라, 주사된 광 빔은 다양한 방법으로 형성될 수 있다. 특정 실시 예들은 회전 미러/프리즘 및 라인-발생기 광학 요소(line-generator optical element)를 사용한다. 대체 접근법들은 MEMS 미러, 회전 다각형 미러, 격자 및 기타 홀로그램 기술을 사용한다. 특정 실시 예에서는 빔 방사가 간섭 성일 필요 없다. 빔 방사 파장은 거의 모든 색일 수 있지만, 보이지 않는 근적외선은 특정 실시 예에서 편리하며, 비교적 저렴하고 쉽게 상업적으로 이용 가능한 실리콘 광 검출기들의 피크 파장 민감도에 대응한다.
특정 실시 예에서, 동일한 2개의 각도 방위(angular bearings)를 계산하기 위해 단지 하나의 회전하는 회전자가 요구된다. 이는 투영 패턴을 사용하여 가능하다.
단일 회전자 구현의 방식1 (도 23 참조)에 따르면, 단일 빔을 투사하는 대신 단일 회전자 의해 "V"패턴으로 두 개의 사선(oblique lines)이 화면(scene) 앞에 전체적으로 투사된다. 따라서 단일 회전자의 각 스위핑에 대해 각 센서는 잠재적으로 2번 히트(hit)를 받는다 (이중-회전자 시스템에서와 같이 한번이 아닌). 회전자에 대한 수평각 성분 (theta)은 회전자 스위핑의 시작부터 회전자 히트의 중심까지의 지속 시간을 포착함으로써 계산된다. 회전자에 대한 수직 각도 성분(phi)은 두 회전자 히트 사이의 경과된 시간차를 측정하여 계산된다. "V"가 스위핑함에 따라, "V"패턴의 꼭지점 근처에서 두 개의 센서 히트는 시간상 서로 가깝게 위치하며, 반면 화면(scene) 반대쪽의 수직 높이에서 센서 두 개의 히트는 비례하여 더 멀어지게 된다. 따라서 히트와 히트 사이의 시간을 측정하는 것은(V 패턴의 각 "아암(arm)"으로부터), 수직 센서 위치의 내재적(implicit) 측정이다.
단일 회전자 구현의 방식 2는 단일 회전자의 여러 출력 포트에서 2개 이상의 선형 빔이 방출되는 회전자 설계를 활용한다(도 24 참조). 이 출력 포트가 서로에 대해 서로 기울어진 라인 빔을 투사하면, 센서에 대한 기지국의 두 각도 (phi，theta)는 평면 교차(plane intersections)를 사용하여 계산될 수 있다. 개념적으로, 이는, 하나의 회전자의 서로 마주보는 편들로부터 각각 방출될 때, V의 각 아암이 화면(scene) 앞으로 개별적으로 순차 투사된다는 것을 제외하고는 방식 1과 유사하다. 방식 2의 물리적 회전자 설계는 특정 구현 예에서 방식 1보다 쉽게 실현될 수 있다. 따라서, 빔이 일부 관련 상식에서 교차하여 왜곡되지 않는 한(즉, 빔들이 추적 좌표계를 기준으로 두 직교 요소에서 정보를 제공하기 위해 서로에 대해 충분히 경사지면), 특정 실시 예에서의 회전자의 수에 관계없이 광학 빔의 엄격한 직교성은 요구되지 않는다.
특정 실시 예에서, 레이저 다이오드 및 전자 장치는 회전자에 내장될 수 있고 로터리 변압기를 통해 전력이 공급될 수 있다.
특정 실시 예에서, 레이저 다이오드 다이(die)의 각 단부로부터 광을 방출하고 팬 렌즈(fan lens)와 보다 정확하게 정렬될 수 있는, 이중-출력 레이저 다이오드들이 통합될 수 있다.
특정 실시 예는 모호성을 제거하고 360도 커버리지를 허용하기 위해 0 및 180 도의 회전자 위상 사이의 빔 중심 각도를 구현한다.
특정 실시 예는 대역 내 광학 동기화와 관련될 수 있는 위상 공간에서 사각 지대를 제거하기 위해 당업자에게 알려진 다양한 방식을 사용하여 동기화 오프셋을 구현한다.
기지국 모호성 제거의 일 실시 예는 동기화 충돌을 방지하기 위해 약간의 위상 오프셋(가장 긴 동기화 펄스의 지속 시간보다 약간 큰)과 함께 2개 이상의 기지국을 고정시키고, 기지국들 간의 추적 볼륨의 레이저 스캐닝을 회전시킨다. 스캐닝의 각 프레임 내에서 모든 기지국들은, 수신기가 잠금을 유지하고 각 기지국에 대한 식별 및 교정 정보의 전송을 용이하게 하도록, 동기화 펄스를 전송한다. 그러나, 특정 실시 예에서, 임의의 특정 프레임 내에서 집단(collection) 내의 기지국들 중 하나만이 그것의 레이저로 추적 볼륨을 스위핑한다.
기지국들 간의 동기화의 일 실시 예는 광학적일 수 있다. 추적된 객체에 사용된 센서들과 동일한 다른 광학 센서가 슬레이브 기지국에 배치되면, 슬레이브 기지국들은 마스터 기지국의 동기화 펄스 방출을 감지하고 고정하여 자신의 시간 기준을 조정하여 일치시킬 수 있다. 이 방법은 앞에서 설명한 시간 대체 방법에서 활용하거나 보다 일반적인 시스템에서 사용할 수 있다.
모든 기지국이 광 또는 무선 송수신기를 갖는 실시 예들에서, 이전에 설명 된 동기화 허브는, 모든 기지국이 중앙 집중식 동기화 허브 장치 및 관련 케이블링에 대한 필요없이 참여하는, 분산 방식으로 구현될 수 있다.
도 25는 본 발명의 양태에 따른 회전자 좌표 시스템 및 아키텍처 (2500)의 일 실시 예의 양태를 도시한다. 회전자 (2503)는 예를 들어 반시계 방향 (2505)으로 z축 (2501)을 중심으로 회전한다. 특정 실시 예에서 회전자는 2개의 광 출력 포트 (2504a, 2504b)를 포함하며, 각각은 다른 하나에 대해 경사진 광 빔을 방출한다. 전술한 바와 같이, 동기화 기준 신호 (2502)도 방출된다.
도 26은 본 발명의 양태에 따른 빔 위상 각과 관련된 일 실시 예 (2600)의 양태를 나타낸다. 도 26은 도 25에 도시된 실시 예의 평면도를 제공한다.
도 27은 본 발명의 양태에 따른 빔 경사각 (TL, 2715)에 관한 일 실시 예 (2700)의 양태를 나타낸다. 도 27은 도 25에 도시된 실시 예의 측면도를 제공한다.
도 28a 및 도 28b는 본 발명의 양태에 따른, 동기화 펄스들 및 광 빔 펄스들에 관한, 특정 실시 예 (2800a, 2800b)의 양태를 나타낸다. 도 28a 및 28b는 도 25에 도시된 실시 예에 의해 시간의 함수로서 방출되는 광 펄스들을 나타낸다.
도 29는 본 발명의 일 실시 예 (2900)의 양태를 나타낸다. 회전자 (2950)는 예를 들어 반시계 방향으로 회전한다. 레이저 소스 (2910)로부터 방출된 광학 빔은 회전자 (2950) 내에서 분할되고 방향전환되며, 2개의 빔/평면 (2930, 2960)은 회전자 (2950)상의 2개의 출력 포트 (2955a, 2955b)로부터 방출된다. 도 29에 도시된 바와 같이, 광학 빔 (2930, 2960)은 점 2935에서 교차한다.
도 30은 본 발명의 일 실시 예의 양태를 나타낸다. 일 실시 예 (3000a)에서, 회전자 (3001a)는 반시계 방향으로 회전하며, 동기 기준 마크 포트 (3020a) 및 수직하게 위치된 빔 출력 포트 (3010a 및 3010b)를 포함한다. 다른 실시 예 (3000b)에서, 회전자 (3001b)는 반시계 방향으로 회전하며, 동기 기준 마크 포트 (3020b) 및 대향 배치된 빔 출력 포트 (3030a, 3030b)를 포함한다.
도 31은 본 발명의 일 실시 예 (3100)의 측면을 도시하며, (도면의 상단에서) 입사광이 분할되어 회전자 상의 다중 출력 포트로 향하는 방법의 예시적인 버전(version)을 보여준다.
도 32는 본 발명의 일 실시 예 (3200)에서 회전 제어 신호 발생기 (3260)가 어떻게 회전자 (3230)의 회전에 영향을 미치는지를 나타내는 도면이며, 다수의 레이저 모듈들 (3210a, 3210b) 및 출력 포트들 (3201, 3220)을 포함한다.
도 33은 다수의 광학 빔 출력 포트를 갖는 회전자 (3340)를 보여주는 본 발명의 다른 실시 예(3300)의 양태를 나타낸다.
상기 설명은 많은 세부 사항들을 포함하고 특정 예시적인 실시 예들이 첨부 도면들에 기술되고 도시되었지만, 그러한 실시 예들은 단지 폭넓은 발명을 설명하기위한 것일뿐 본 발명을 제한하지는 않는다는 것이 이해되어야 한다. 또한, 전술한 바와 같이, 당업자에게 다양한 다른 변형이 발생할 수 있기 때문에, 도시되고 설명된 특정 구조 및 배열로 제한되어서는 않된다는 것도 이해되어야 한다. 본 발명은 여기에 개시된 상이한 종(species) 및/또는 실시 예로부터 요소들의 임의의 조합 또는 서브 조합을 포함한다.

Claims (14)

  1. 견고하게 부착된 복수의 광 센서들을 포함하는 이동 가능한 추적 객체; 및 하나 이상의 광 송신기를 포함하되, 각각의 송신기가 반복적인 스윕 사이클 동안 직교 축상의 추적 볼륨을 가로 질러 2개의 광 빔들을 스위핑하는 수평 회전자 및 수직 회전자를 포함하고,
    상기 각 송신기는 상기 스윕 사이클 각각의 시작 시에 상기 광 센서들에 의해 검출 가능한 무지향성 동기화 광 펄스를 방출하며,
    상기 광 센서들 각각은 상기 동기화 광 펄스를 검출하는 것과 상기 광 빔들을 검출하는 것 사이의 경과 시간을 계산함으로써 상기 추적 볼륨 내의 각도 위치를 계산하는 것을 특징으로 하는 광학 추적 시스템.
  2. 하나 이상의 견고하게 부착된 광 센서들을 포함하는 이동 가능한 추적 객체; 및
    하나 이상의 광 송신기를 포함하되,
    각각의 송신기가 하나의 회전자 및 상기 회전자 외부의 광학 소스를 포함하고, 상기 광학 소스는 상기 회전자 내에 배치된 하나 이상의 미러로 광빔을 방출하고, 상기 미러는 상기 회전자의 각각의 광 포트로부터 2개의 광빔을 방출하도록 광 빔을 분할 및 방향 전환하며, 상기 회전자는, 반복적인 스윕 사이클 동안 서로에 대해 경사진 축들 상에서 상기 2 개의 광빔들을 추적 볼륨을 가로질러 스위핑하고, 상기 각각의 송신기가 상기 스윕 사이클 각각의 시작 시에 상기 광 센서들에 의해 검출 가능한 무지향성 동기화 광 펄스를 방출하며,
    상기 광 센서들 각각은 상기 동기화 광 펄스를 검출하는 것과 상기 광 빔들을 검출하는 것 사이의 경과 시간을 계산함으로써 상기 추적 볼륨 내의 각도 위치를 계산하는 것을 특징으로 하는 광학 추적 시스템.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 이동 가능한 추적 객체는 관성 측정 유닛(IMU)을 더 포함하고, 상기 관성 측정 유닛(IMU)은 상기 이동 가능한 추적 객체의 위치 및 방향과 관련된 정보를 상기 광학 추적 시스템으로 제공하는 광학 추적 시스템.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    각각의 상기 회전자는 공간적으로 시변하는 신호를 방출하는 광학 추적 시스템.
  5. 제4항에 있어서,
    각각의 상기 공간적으로 시변하는 신호는, 일정한 속도로 해당 회전자의 회전자 축 평면 주위로 방사상으로 스위핑되는 라인의 광에 의해 생성되는 광학 추적 시스템.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 라인의 광은 근적외선 광을 포함하는 광학 추적 시스템.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 라인의 광은 가시광을 포함하는 광학 추적 시스템.
  8. 제4항에 있어서,
    각각의 상기 공간적으로 시변하는 신호는, 상기 추적 볼륨 내에서 간섭 신호들과의 구별을 용이하게 하도록 변조되는 광학 추적 시스템.
  9. 제4항에 있어서,
    각각의 상기 공간적으로 시변하는 신호는, 원형 편광 방사선 소스 및 상기 센서들 각각에서의 정합 편광 필터에 의해 생성되는 광학 추적 시스템.
  10. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    각각의 상기 광 송신기는 상기 회전자의 각 주파수가 고정되는 정밀 클록을 포함하는 광학 추적 시스템.
  11. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    시스템 시간베이스를 포함하고 상기 시스템의 모든 상기 광 송신기가 회전자 위상을 고정하는 동기화 신호를 생성하는 동기화 허브
    를 더 포함하는 광학 추적 시스템.
  12. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    각각의 상기 광 송신기는 복수의 광 신호를 생성하는 광학 추적 시스템.
  13. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    각각의 상기 회전자는 절대 위상 기준 검출기를 포함하는 광학 추적 시스템.
  14. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 광학 추적 시스템은 가상 현실 및/또는 증강 현실 응용을 위한 것을 특징으로 하는 광학 추적 시스템.
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