KR101162177B1

KR101162177B1 - 광학측정장치의 아발란치 포토 다이오드 이득 보상 장치

Info

Publication number: KR101162177B1
Application number: KR20100075518A
Authority: KR
Inventors: 차근호; 유종욱; 정중연
Original assignee: (주)이오시스템
Priority date: 2010-08-05
Filing date: 2010-08-05
Publication date: 2012-07-04
Also published as: KR20120013515A

Abstract

본 발명의 포토 다이오드 이득 보상 장치는 중앙 처리 장치에서 레이저 다이오드 구동 신호를 입력받아 다이오드 트리거 신호를 출력하는 다이오드 구동부, 레이저 다이오드에서 출력된 광을 입사받아 아날로그 전기 신호를 발생시키는 아발란치 포토 다이오드, 아발란치 포토 다이오드에서 출력된 아날로그 신호를 증폭하는 광대역 증폭기, 광대역 증폭기에서 출력된 아날로그 신호의 피크를 검출하는 피크 검출부, 피크 검출부에서 검출된 피크 신호를 디지털 신호로 변환하는 아날로그-디지털 컨버터, 아날로그-디지털 컨버터에서 출력된 디지털 신호를 저장된 기준 전압의 디지털 값과 비교하여 보상된 디지털 전압신호를 출력하는 전압 비교부, 전압 비교부에서 출력된 신호를 입력받아 디지털 전압신호를 아날로그 전압 신호로 변환하는 디지털-아날로그 컨버터, 및 디지털-아날로그 컨버터에서 출력된 보상 전압 신호와 보상 전 전압 신호의 차이를 아날로그 전압신호를 생성하는 OP 증폭기를 포함한다.

Description

광학측정장치의 아발란치 포토 다이오드 이득 보상 장치{Device for compensating gain of avalanche photo diode in optic measuring device}

이 발명은 아발란치 포토 다이오드를 포함하는 광학 측정 장치에 관한 것으로서, 특히 주변 온도 변화에 이득을 보상하는 아발란치 포토 다이오드의 이득을 보상하는 장치를 포함하는 아발란치 포토 다이오드 장치에 관한 것이다.

전자 광학 측정 장치는 일반적으로 광파 광학 측정기라고도 불린다. 전자 광학 측정 장치에서는 가시광선 또는 적외선을 이용하여, 측정 대상과 전자 광학 측정 장치 사이의 거리 간격을 송신 신호와 수신 신호사이의 위상차(Phase shift) 또는 송신 신호의 비행 시간(TOF:Time of Flight)을 측정하는 방법이 일반적으로 사용된다.

위상차 방법은 사인 파형과 같이 주기적인 크기 변화를 가지는 레이저 신호를 연속해서 송신하여, 측정 대상(반사 프리즘 등)에 반사되어 돌아온 수신 레이저 신호를 취득, 송신 레이저 신호와의 위상차를 산출하여 거리를 측정하는 방법이다. 비행시간 측정 방법은 레이저 펄스를 송신하여, 송신 레이저 펄스가 반사되어 돌아 올 때까지의 시간 간격을 측정하여, 거리를 측정하는 방법이다.

위상차 방법은 비행시간 방식보다 정밀한 광학 측정이 가능하지만, 측정 가능 거리 간격이 짧은 것이 특징이다. 반대로, 비행시간 방식은 측정 가능 거리 간격이 길어, 수 km 이상의 광학 측정에 사용되어진다.

비행시간 방법은 수 km까지의 거리 간격을 측정하기 위하여 일반적으로 905nm 파장의 적외선을 이용하여 거리를 측정하고 있다.

일반적인 거리측정원리인 TOF(Time Of Flight) 방법을 살펴보면 다음과 같다. 도 1에 도시된 바와 같이, 거리측정유닛(1)에서 일정한 주기 신호를 발생하여 에미터(2)에서 공기, 동선, 광섬유와 같은 매질을 통과하는 펄스 신호, 예를 들어 광신호, 전자기파신호, 음파신호등을 발생시키고, 발신부(4)에서 신호출발시각(t_E)를 측정하고, 송신된 신호가 매질을 통과하여 목표물(6)에서 반사된 후, 다시 매질을 통과하여 펄스 신호가 되돌아 와서 수신부(5)에서 신호도착시각(t_R)이 측정된다. 다시 말하면, 도 2에 도시된 거리측정신호의 타이밍차트(timing chart)에 도시된 바와 같이, 측정신호를 발생하기 위하여 일정한 주파수를 갖는 신호 클록을 발생시켜 일정시간 지연 후 시각(t_E)에서 발신신호가 송출되고 목표물에 반사되어 되돌아온 신호를 시각(t_R)에서 수신한다. 이에 따라 거리측정신호가 매질을 통과하여 왕복하는 시간은 t_R-t_E이고, 여기에 매질의 신호전달속도(v)를 곱하면 목표물까지의 왕복거리가 된다. 따라서, 거리측정장치와 목표물 사이의 거리는 다음과 같이 계산된다.

도 3에 도시된 바와 같이, 전자 광학 측정 장치의 구성은 크게 광학계와 전자계로 구성된다.

광학계는 레이저 펄스를 송신하는 레이저 송신부와 목표물에 반사되어 돌아오는 레이저 펄스를 수신하는 레이저 수신부 및 측정 목표물에 전자 광학 측정 장치를 시준하는 시준 망원경 등으로 구성되어 있다.

전자계는 송신 레이저 펄스를 생성하는 레이저 다이오드, 레이저 수신부로 수신된 레이저 펄스를 전기 신호로 변환하기 위한 아발란치 포토 다이오드(APD:Avalanche Photo diode), 수신된 레이저 펄스의 해석 및 시간 측정, 거리 산출을 담당하는 중앙 처리 장치(예를 들어, ARM7), 시간-디지털 컨버터(TDC: Time to Digital Convertor) 및 주변 장치로 구성된다.

고정밀 광학 측정 장치는 고도각, 수평각 및 거리등을 관측하여 두 지점의 공간적 관계를 측정하는 장치로서, 그 중 아발란치 포토 다이오드는 두 지점의 공간적 관계를 측정하기 위하여 광학적 신호를 전기적 신호로 변경하는 소자이다.

아발란치 포토 다이오드는 빠른 속도, 높은 응답 특성을 갖는 포토 다이오드로서, 내부적으로 역전압(reverse voltage)의 변화에 따른 증폭비를 조정하여 전기적 신호를 생성한다.

아발란치 포토 다이오드는 수광하지 않은 상태에서도 미세전류를 발생하는 데, 이를 암전류(Dark current)라 부르며, 역전압에 의하여 0.8pA~400pA 까지 변동한다. 암전류를 수식으로 나타내면 식(2)와 같다.

Id : 암전류

Ids : 증폭되지 않는 암전류 성분

Idg : 증폭되는 암전류 성분

M : 증폭비(이득)

한편, 아발란치 포토 다이오드는 역전류 값에 따라 증폭비(이득)이 변화되는 특징을 갖는다.

도 4에 도시된 바와 같이, 역전압 값을 높게 하면 높은 증폭비를 가진다. 하지만 아발란치 포토 다이오드는 허용 최대 전압값을 가지고 있어 그 한계치를 넘어가면 전압 증폭비가 기하급수적으로 커져 아발란치 포토 다이오드 소자가 타버리는 현상이 발생된다.

또한, 아발란치 포토 다이오드는 온도에 따라 증폭비가 변화된다. 온도에 의해 증폭비가 변경되는 이유는 아발란치 포토 다이오드의 격자 구조가 진동을 하면서 온도가 상승이 되고 이때 캐리어들이 증가하게 되어 이온화현상에 의해 에너지레벨이 이동하게 된다. 이 현상으로 동일한 역전압인 경우에도 온도에 의하여 증폭비가 변화되는 것이다.

증폭비가 변화됨에 따라 아발란치 포토 다이오드의 응답특성이 변화되어 동일 광량을 아발란치 포토 다이오드에 입사하는 경우에도 측정 시간이 변화한다.

현재 가장 많이 사용되고 있는 APD온도 제어하는 구조는 열 전기 냉각(TEC: Thermo electric Cooler)장치이다. 이 장치는 순방향 전류, 역방향 전류를 통해 IC 자체의 발열 및 냉각 기능을 갖고 있으며, 제어기를 통해 제어가 가능한 온도 제어 장치이다. 아발란치 포토 다이오드의 온도변화를 방지하여 증폭비를 일정하게 유지한다.

그러나, 열 전기 냉각장치는 부착하기 위한 특별한 공간과 순간적인 온도변화에 대한 응답을 할 수 없으며 많은 전력소모를 요구하고 이를 구동하기 위한 하드웨어 구성이 복잡하다.

본 발명은 상기한 종래기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 주변 온도 변화에 따라 아발란치 포토 다이오드의 이득을 보상할 수 있는 아발란치 포토 다이오드 이득 보상 장치 및 이를 포함하는 광학 측정 장치를 제공하는 데 그 목적이 있다.

상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일실시예에 따른 포토 다이오드 이득 보상 장치는 중앙 처리 장치; 상기 중앙 처리 장치에서 레이저 다이오드 구동 신호를 입력받아 다이오드 트리거 신호를 출력하는 다이오드 구동부; 상기 다이오드 구동부에서 출력된 트리거 신호에 의하여 구동되는 레이저 다이오드; 상기 레이저 다이오드에서 출력된 광을 입사받아 아날로그 전기 신호를 발생시키는 아발란치 포토 다이오드; 상기 아발란치 포토 다이오드에서 출력된 아날로그 신호를 증폭하는 광대역 증폭기; 상기 광대역 증폭기에서 출력된 아날로그 신호의 피크를 검출하는 피크 검출부; 상기 피크 검출부에서 검출된 피크 신호를 디지털 신호로 변환하는 아날로그-디지털 컨버터; 상기 아날로그-디지털 컨버터에서 출력된 디지털 신호를 저장된 기준 전압의 디지털 값과 비교하여 보상된 디지털 전압신호를 출력하는 전압 비교부; 상기 전압 비교부에서 출력된 신호를 입력받아 디지털 전압신호를 아날로그 전압 신호로 변환하는 디지털-아날로그 컨버터; 및 상기 디지털-아날로그 컨버터에서 출력된 보상 전압 신호와 보상 전 전압 신호의 차이를 아날로그 전압신호를 생성하는 OP 증폭기를 포함한다.

본 발명의 일실시예에 따른 포토 다이오드 이득 보상 장치는 상기 OP 증폭기에서 출력된 신호에 의하여 상기 아발란치 포토 다이오드에 보상된 전압을 인가하는 DC-DC 컨버터를 더 포함한다.

상기 광대역 증폭기는 아날로그 신호를 증폭 후 미분하여 다시 증폭한다.

상기 피크 검출부는 영전위 이하의 신호는 차단하고 영전위 이상의 전압을 적분한다.

본 발명의 실시예에 따른 광학 측정 장치는 광원 유닛; 투영 광축을 구비하여 상기 광원 유닛으로부터 측정 물체에 광학 측정 광을 외부 광경로로 투영하는 투영 광학계; 광 검출 광축을 구비하고 측정물체로부터 광학 측정 광을 입사받는 광 검출 광학계; 상기 광원 유닛으로부터 상기 광 검출 광학계로 광학 측정 광을 내부 광경로를 안내하는 내부 기준 광학계; 및 상기 투영 광학계를 투영된 광학 측정 광이 상기 광 검출 광학계로 수신되는 외부 광경로에 의한 목표물까지의 왕복 시간과 상기 내부 기준 광학계의 내부 광경로의 시간을 측정하여 목표물의 거리를 측정하는 광학 측정부를 포함하고, 상기 광 검출 광학계는 주변 온도에 따라 이득을 보상하는 포토 다이오드 이득 보상 장치를 포함하고, 중앙 처리 장치에서 레이저 다이오드 구동 신호를 입력받아 다이오드 트리거 신호를 출력하는 다이오드 구동부; 레이저 다이오드에서 출력된 광을 입사받아 아날로그 전기 신호를 발생시키는 아발란치 포토 다이오드; 상기 아발란치 포토 다이오드에서 출력된 아날로그 신호를 증폭하는 광대역 증폭기; 상기 광대역 증폭기에서 출력된 아날로그 신호의 피크를 검출하는 피크 검출부; 상기 피크 검출부에서 검출된 피크 신호를 디지털 신호로 변환하는 아날로그-디지털 컨버터; 상기 아날로그-디지털 컨버터에서 출력된 디지털 신호를 저장된 기준 전압의 디지털 값과 비교하여 보상된 디지털 전압신호를 출력하는 전압 비교부; 상기 전압 비교부에서 출력된 신호를 입력받아 디지털 전압신호를 아날로그 전압 신호로 변환하는 디지털-아날로그 컨버터; 및 상기 디지털-아날로그 컨버터에서 출력된 보상 전압 신호와 보상 전 전압 신호의 차이를 아날로그 전압신호를 생성하는 OP 증폭기를 포함한다.

본 발명의 온도 보상 장치는 간단한 전자 회로를 통해 온도변화에 따라 즉각적으로 아발란치 포토 다이오드의 이득을 조절할 수 있다. 이에 따라, 아발란치 포토 다이오드와 전자회로에서 발생되는 온도 변화를 보상하여 정밀한 거리 측정이 가능하다.

또한, 본 발명의 온도 보상 장치는 아발란치 포토 다이오드의 이득을 광범위한 온도 범위에서 조정할 수 있어 온도가 다른 여러 환경이나 지역에서 사용이 가능하다.

도 1은 종래의 광학 측정 장치를 개략적으로 도시한 구성 블록도,
도 2는 종래의 광학 측정 장치의 광학 측정을 위한 송수신 레이저 펄스를 나타내는 타이밍 차트,
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 광학 측정 장치를 개략적으로 도시한 구성 블록도,
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 아발란치 포토 다이오드의 특성을 나타내는 그래프,
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 광학 측정 장치의 광 경로를 선택하는 구성을 나타내는 블록도,
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 아발란치 포토 다이오드의 온도변화에 따른 이득 보상 장치에 대한 개략적인 블록도,
도 7은 아발란치 포토 다이오드에서 출력된 신호를 1차 증폭하여 변환된 신호를 나타내는 그래프,
도 8은 1차 증폭된 신호를 미분한 후 2차 증폭된 신호를 나타내는 그래프,
도 9는 본 발명의 다른 실시예에 따른 이득 보상 장치에 의하여 아발란치 포토 다이오드에 인가되는 보상 전압을 나타내는 그래프를 도시한 도면이다.

이하, 본 발명의 일 실시예에 따른 광학 측정 장치 및 방법을 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

도 5는 본 발명의 일실시예 따른 광학 측정 장치의 광학계의 개략적 구성을 나타내는 구성 블록도이다. 도 5에 도시된 바와 같이, 본 실시예에서 광학 측정 장치는 광원 유닛(100), 투영 광학계(200), 내부 기준 광학계(300), 광 검출 광학계(400), 접안 광학계(500) 및 광학 측정 연산부를 포함하고 있다.

우선, 광원 유닛(100)을 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 5에 도시된 바와 같이, 광원은 예를 들어 905nm의 레이저 광을 출사하는 제1 레이저 다이오드(8)가 될 수 있다. 광원, 예를 들어 제1 레이저 다이오드(8)에서 방사된 레이저는 광축(30)을 따라 진행한다. 광 경로 선택 수단(11)이 수평위치에 놓여 있는 경우, 레이저는 한 쌍의 커플링 렌즈(9)와 원주형 렌즈(10)에 의하여 커플링과정을 거쳐 광파이버(12)의 일단에 입사하게 된다. 입사된 레이저는 광파이버(12)의 타단에서 방사되어 투영 렌즈계(200)를 통하여 목표물까지 도달된다.

광 파이버(12)로 입사된 레이저는 광 파이버(12) 내부에서 레이저 다이오드(8)에 의해 방사될 때의 스폿의 크기나 방사각도에 대한 성분이 모두 섞이며, 단지 광파이버(12)가 갖는 코아의 크기와 발산각을 갖고 재방사된다. 이렇게 방사된 레이저는 정확한 원형을 이루며 원거리를 진행하더라도 레이저 스폿의 모양은 변하지 않아 거리측정에 유리하다.

광 경로 선택 수단(11)은 한 쌍의 커플링 렌즈(9) 사이에 위치하여 레이저를 광 경로를 투영 광학계(100)로 향하게 하거나 내부 기준 광학계(300)로 향하게 선택한다. 광 경로 선택 수단(11)은 광학 측정 시 일정한 시간 간격으로 경사 위치와 수평 위치로 회동 가능하다. 광 경로 선택 수단(11)이 수평 위치에 놓인 경우, 레이저가 광파이버(12)로 입사하여 목표물의 거리를 측정하도록 투영 광학계(100)로 방사되고 광 경로 선택 수단(11)이 경사 위치에 놓인 경우, 내부 광파이버(16)으로 레이저가 입사되어 광 경로 오차를 측정할 수 있다.

한편, 광원유닛(100)은 근거리 물체 측정시, 관측자가 광학 측정시 주간 광학계를 이용하지 않더라도 쉽게 시준할 수 있도록 제2 레이저 다이오드(21)를 포함한다. 제2 레이저 다이오드(21)는 예를 들어, 685nm의 파장을 갖는 눈에 보이는 레이저를 방사하며, 방사된 레이저 역시 제1 광 경로 굴절 수단(14)과 제2 광 경로 굴절 수단(15)에 의해 주간 광학계가 갖는 광축과 일치하게 되며, 관측자가 목표로 하는 물체까지 정확하게 도달하여 조준 물체를 식별할 수 있게 된다. 눈에 보이는 레이저(685nm)는 측정 물체에 반사되어 대물렌즈로 재입사되더라도 관측자의 눈을 보호하기 위하여 차단된다.

다음으로 투영 광학계(200)에 대하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

광 파이버(12)에서 방사된 레이저는 컨버전스 렌즈(13)와 대물 렌즈(1)를 통과하여 원거리까지 적은 발산각을 가지고 진행하게 된다. 레이저는 관측자가 주간 광학계를 통해 시준한 목표물까지 정확히 도달할 수 있도록 주간 광학계가 갖는 광축(40)과 일치하게 정렬되어 있는 제1 광 경로 굴절 수단(14)과 제2 광 경로 굴절 수단(15)에 의해 반사되어 대물 렌즈에 입사하게 된다. 대물 렌즈(1)는 레이저를 평행광으로 방사하여 측정 목표물까지 도달하게 한다.

다음으로 내부 기준 광학계(300)를 설명하면 다음과 같다.

제 1 레이저 다이오드(8)에서 방사된 레이저(905nm)는 광축(30)을 진행하다가 경사 위치에 놓인 광 경로 선택수단(11)에 의하여 반사되어 내부 광파이버(16)로 입사하게 되며, 입사된 레이저는 내부 광파이버(16)의 반대편에서 재방사되어 수신 프리즘(17)으로 입사된다. 수신 프리즘(17)에 입사된 레이저는 다시 수신 프리즘(17)에 의해 반사되어, 905nm 파장의 레이저의 세기를 조절하는 ND 필터(Neutral Density filter)(18)를 거쳐, 아발란치 포토 다이오드(19)로 입사된다. 아발란치 포토 다이오드(19)는 입사된 레이저를 전기 신호로 전환하여 중앙 처리 장치로 전달한다.

다음으로, 광 검출 광학계(400)를 설명한다.

투영 광학계(200)에서 방사시킨 레이저는 목표물에서 반사되어 대물렌즈(1)까지 도달하게 된다. 도달된 레이저는 광축(40)을 따라 대물렌즈(1)와 제2 광 경로 굴절 수단(15)을 관통한 후, 다이크로익 프리즘(2)에서 반사되어 진행 경로를 전환하여 수신 프리즘(17)으로 입사된다. 수신 프리즘(17)으로 입사된 레이저는 다시 수신 프리즘(17)에 의해 반사되어, 태양광내 존재하는 다른 파장의 빛들을 차단하고 실제 거리측정에 사용되는 905nm 파장의 레이저만 필터링하는 ND필터(18)를 거쳐, 아발란치 포토 다이오드(19)로 입사된다. 아발란치 포토 다이오드(19)는 입사된 레이저를 전기 신호로 변환하여 중앙 처리 장치를 포함하는 연산부(50)로 전달한다.

다음으로 접안 광학계(500)를 설명한다.

도 4에 도시된 바와 같이, 접안 광학계는 광축(40)을 갖고 광축(40)은 다이크로익 렌즈(2)를 관통하여 대물렌즈(1) 광축의 연장선과 정렬되어 있다. 접안 광학계는 광축(40)을 따라 이동 가능하게 배열되는 초점 렌즈(31), 이미지를 직립 이미지로 변환하는 직립 프리즘(4), 콜리메이션 라인(collimation line)을 갖는 콜리메이션 판(5), 및 접안 렌즈(7)를 포함한다.

제 2 레이저 다이오드(21)에서 방사된 가시 레이저는 빔 스플리터(20)에 의하여 반사된다. 빔 스플리터(20)에 의하여 반사된 가시 레이저는 관측자가 주간 광학계를 통해 시준한 목표물까지 정확히 도달할 수 있도록 주간 광학계가 갖는 광축(40)과 일치하게 정렬되어 있는 제1 광 경로 굴절 수단(14)과 제2 광 경로 굴절 수단(15)에 의해 반사되어 대물 렌즈에 입사하게 된다. 대물 렌즈(1)는 가시 레이저를 평행광으로 방사하여 측정 목표물까지 도달하게 한다.

레이저 광학 측정 장치는 레이저가 목표물까지 도달했다가 다시 되돌아오는 시간을 가지고 거리를 계산해 내는 장비이므로, 레이저가 방사되는 시간이 정확해야 한다. 그러나 레이저를 방사시킬 때 사용하는 하드웨어 부품들 간의 시간 지연 현상과 광학 측정 장치 장비 내에서 진행되는 레이저 광 경로의 차가 존재하므로, 정확한 거리측정이 어렵다. 이 문제점을 해결하기 위해 광학 측정 장치 내부에서 발생되는 지연된 시간을 측정하여 광학 측정 시 발생하는 거리오차를 보정할 필요가 있다.

한편, 아발란치 포토 다이오드는 역전류 값과 온도에 따라 이득이 변화되는 특징을 갖고 있어 온도 변화에 따른 이득을 보상해야 정확한 측정 시간을 얻을 수 있다.

도 6은 아발란치 포토 다이오드의 온도변화에 따른 이득 보상 장치에 대한 개략적인 블록도이다.

먼저, 중앙 처리 장치(610)는 레이저 다이오드 구동 신호를 다이오드 구동부(620)에 전송하고 다이오드 구동부(620)는 레이저 다이오드를 트리거하여 레이저 다이오드를 발진시킨다.

레이저 다이오드에서 발진된 레이저는 광 파이버에 집속되고 광 파이버에서 집속된 레이저 광신호는 아발란치 포토 다이오드에 인가된다. 아발란치 포토 다이오드는 인가받은 광 신호량만큼 아날로그 전기 신호로 변환하여 VHF(Video High Frequency) 광대역 증폭기(630)로 전송한다.

아발란치 포토 다이오드의 이득(Mopt)은 식(3)으로 표현되고 소정 이득을 얻기 위한 전압을 결정할 수 있다.

q : 전하량

I_L : M(이득)=1에서 광전류

I_dg : 암전류 성분

k : 볼쯔만 상수

T : 절대 온도

R_L : 저항

X : 초과 노이즈 지수

다음으로, 광 파이버에서 방출된 광은 아발란치 포토 다이오드에 예를 들어 8Khz 주기로 입사된다. 이 광 신호는 저항(R_L)에 따라 전압으로 전환되고 전압으로 전환된 신호는 광대역 증폭기(630)에 의하여 예를 들어 100배 증폭된다. 증폭된 광 신호는 피크 검출부(640)에서 아날로그 신호의 피크 값을 전압 값으로 변화되어 12 비트 아날로그-디지털 컨버터(ADC: Analog to Digital Convertor)(650)를 통해 디지털 신호롤 변환된다. 중앙 처리 장치(610)는 이 디지털 신호를 전달받아 메모리에 디지털 신호를 저장한다.

다음으로, 중앙 처리 장치(610)는 아날로그-디지털 컨버터(650)에서 출력된 신호와 기준 신호 대비 변화된 전압 값의 변화를 판단하여, 디지털-아날로그 컨버터(670)로 DC-DC 컨버터(680)의 전압 가변회로에 전압 값을 변동시켜 아발란치 포토 다이오드의 이득 값을 조정한다.

이하, 아발란치 포토 다이오드의 온도 보상을 상세히 설명하면 다음과 같다.

아발란치 포토 다이오드는 역전압에 따라 이득이 결정되고, 해당 파장에 광전 신호가 입력이 되면 해당 이득만큼 전류로 출력을 하게 된다. 이 때 옴의 법칙에 의해 저항값에 따라 전류를 전압으로 변화하여 그 출력 전압을 광대역 증폭기(630)에 제공한다. 광학 측정 장치에 사용되고 있는 광원의 파장은 일반적으로 905nm이다. 광원에서 출사된 905nm 파장의 레이저는 일정한 주기로 아발란치 포토 다이오드에 입사된다. 입사된 광량은 아발란치 포토 다이오드의 이득값에 따라 저항에 의해 전압으로 변화하게 된다.

한편, 아발란치 포토 다이오드의 출력 신호는 미세하기 때문에 그 신호를 이용하여 시간 측정이 어렵다. 광대역 증폭기(630)는 아발란치 포토 다이오드의 아날로그 신호를 예를 들어 10배로 증폭하고 저항에 의하여 아날로그 신호 전압값을 높인다. 다음으로, 광대역 증폭기(630)는 1차 증폭된 아날로그 신호를 미분하여 그 신호의 피크를 영점으로 설정하여 변환한 후 다시 미분된 신호를 예를 들어 10배 증폭시켜 출력한다.

도 7은 아발란치 포토 다이오드에서 출력된 신호를 1차 증폭하여 변환된 신호를 나타내고, 도 8은 1차 증폭된 신호를 미분한 후 2차 증폭된 신호를 나타낸다.

광대역 증폭기(630)에서 최종적으로 출력된 아날로그 전기 신호는 피크 검출부(640)에 전달된다.

피크 검출부(640)는 2차 증폭된 신호를 입력받아 이미터 전류 증폭기를 통해 증폭을 시킨 후 영전위 이하의 신호는 차단하고 영전위 이상의 전압을 적분하여 신호 상위 레벨만을 인턱턴스 저항에 에너지를 저장한 후 2배 증폭한 후 전압 레벨로 변환 시켜 아날로그-디지털 컨버터(650)에 전송한다.

2배를 증폭하는 이유는 광전 신호의 피크 전압 레벨의 미세 변화량을 확인하기 위한 것이다. 미분 신호에 상위 전압만 취득하는 이유는 아발란치 포토 다이오드의 광전신호의 출력이 좌우가 완전 대칭인 가우시안 분포를 따르지는 않지만 가우시안 분포와 유사한 출력이 발생되므로 신호의 상위만을 취득하여 전압을 측정한다. 아날로그-디지털 컨버터(650)가 전압을 예를 들어 12 비트 디지털 신호로 변환시키는 경우, 비트당 전압차는 식 (4)로 계산된다.

비트당 전압차 = 기준 전압/4096 ---- 식(4)

예를 들어 기준 전압이 3V인 경우, 비트당 전압차는 0.732 mV가 된다. 아날로그-디지털 컨버터(650)는 전압을 디지털 신호로 변환하여 중앙 처리 장치(610)에 전송한다.

증폭된 아날로그 전기 신호를 받은 피크 검출부(640)는 적분기를 통해 미분된 신호 중 상위 신호의 면적을 아날로그 전압레벨로 변화하여 아날로그-디지털 컨버터(650)로 인가한다. 아날로그-디지털 컨버터(650)는 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하여 중앙 처리 장치(610)로 출력한다.

중앙 처리 장치(610)는 상기 디지털 신호를 전압 비교부(660)에 전송한다. 전압 비교부(660)는 저장된 기준 전압의 디지털 값과 전송받은 디지털 신호의 전압 값을 비교하여 보상된 디지털 전압신호를 중앙 처리 장치(610)에 출력한다.

측정된 신호의 디지털 전압 값이 기준 전압의 디지털 값보다 ±5단계(즉, 1.8mV)의 값이 차이가 나면 이를 보상하기 위한 루틴으로 들어간다.

만약 기준 값보다 -5단계 이상 작은 경우, 아발란치 포토 다이오드의 온도가 높아서 이득 값이 감소되어 있는 상태이고 만약 기준 값보다 +5단계 이상 큰 경우, 아발란치 포토 다이오드의 온도가 낮아 이득 값이 증가된 상태이다.

중앙 처리 장치(610)는 보상된 디지털 전압신호를 디지털-아날로그 컨버터(670)에 전송한다. 디지털-아날로그 컨버터(670)는 보상된 아날로그 전압신호를 OP 증폭기(680)로 출력한다.

OP 증폭기(680)는 현재 아발란치 포토 다이오드에 인가되는 전압과 보상된 아날로그 전압의 차이를 입력받아 전압신호를 출력한다.

DC-DC 컨버터(690)는 OP 증폭기(680)에서 출력된 전압신호를 받아 스텝 업(Step-up) 회로를 사용하여 피드 백 전압을 받아 기준 전압보다 낮으면 출력 전압을 증가시키고 기준 전압보다 높으면 출력 전압을 감소시킨다. DC-DC 컨버터(690)에서 변화된 전압값에 의하여 아발란치 포토 다이오드에 인가되는 전압을 변화시켜 이득 값을 조절한다. 현재 1mm의 정확한 제어를 위해 현재 디지털 신호 비트당 아발란치 포토 다이오드에 인가되는 전압을 0.23V 씩 조정할 수 있도록 하였다.

도 9에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일실시예에 따라 아발란치 포토 다이오드에 인가되는 전압이 50V ~ 270V로 변화되는 것을 알 수 있다.

본 발명의 실시예에 따른 온도 보상 장치는 간단한 전자 회로를 통해 온도변화에 따라 즉각적으로 아발란치 포토 다이오드의 이득을 조절할 수 있다.

이에 따라, 아발란치 포토 다이오드와 전자회로에서 발생되는 온도 변화를 보상하여 정밀한 거리 측정이 가능하다.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 온도 보상 장치는 아발란치 포토 다이오드의 이득을 광범위한 온도 범위에서 조정할 수 있어 온도가 다른 여러 환경이나 지역에서 사용이 가능하다.

이제까지 본 발명에 대한 바람직한 실시예들을 중심으로 살펴보았다. 이 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 이 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 이 발명이 구현될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 개시된 실시예는 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 이해되어야 한다. 이 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 이 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.

100: 광원 유닛 200: 투영 광학계
300: 내부 기준 광학계 400: 광 검출 광학계
500: 접안 광학계 1: 대물 렌즈
2: 다이크로익 프리즘 4: 직립 프리즘
5: 콜리메이션 판 7: 접안 렌즈
8: 제1 레이저 다이오드 9: 커플링 렌즈
10: 원주형 렌즈 11: 광 경로 선택 수단
12: 광파이버 13: 컨버전스 렌즈
14: 제1 광 경로 굴절 수단 15: 제2 광 경로 굴절 수단
16: 내부 광파이버 17: 수신프리즘
18: ND필터 19: 포토 다이오드
20: 빔 스플리터 21: 제2 레이저 다이오드
610: 중앙 처리 장치 620: 레이저 구동부
630: 광대역 증폭기 640: 피크 검출부
650: 아날로그-디지털 컨버터 660: 전압 비교부
670: 디지털-아날로그 컨버터 680: OP 앰프
690: DC-DC 컨버터

Claims

포토 다이오드 이득 보상 장치에 있어서,
중앙 처리 장치;
상기 중앙 처리 장치에서 레이저 다이오드 구동 신호를 입력받아 다이오드 트리거 신호를 출력하는 다이오드 구동부;
상기 다이오드 구동부에서 출력된 트리거 신호에 의하여 구동되는 레이저 다이오드;
상기 레이저 다이오드에서 출력된 광을 입사받아 아날로그 전기 신호를 발생시키는 아발란치 포토 다이오드;
상기 아발란치 포토 다이오드에서 출력된 아날로그 신호를 증폭하는 광대역 증폭기;
상기 광대역 증폭기에서 출력된 아날로그 신호의 피크를 검출하는 피크 검출부;
상기 피크 검출부에서 검출된 피크 신호를 디지털 신호로 변환하는 아날로그-디지털 컨버터;
상기 아날로그-디지털 컨버터에서 출력된 디지털 신호를 저장된 기준 전압의 디지털 값과 비교하여 보상된 디지털 전압신호를 출력하는 전압 비교부;
상기 전압 비교부에서 출력된 신호를 입력받아 디지털 전압신호를 아날로그 전압 신호로 변환하는 디지털-아날로그 컨버터; 및
상기 디지털-아날로그 컨버터에서 출력된 전압 신호와 상기 아발란치 포토 다이오드에 인가되는 전압 신호를 입력받아 보정된 전압신호를 출력하는 OP 증폭기를 포함하는 포토 다이오드 이득 보상 장치.
제1항에 있어서,
상기 OP 증폭기에서 출력된 전압신호를 받아 상기 아발란치 포토 다이오드에 보상된 전압을 인가하는 DC-DC 컨버터를 더 포함하는 포토 다이오드 이득 보상 장치.
제2항에 있어서,
상기 광대역 증폭기는 아날로그 신호를 증폭 후 미분하여 다시 증폭하는 포토 다이오드 이득 보상장치.
제3항에 있어서,
상기 피크 검출부는 영전위 이하의 신호는 차단하고 영전위 이상의 전압을 적분하는 포토 다이오드 이득 보상장치.
광원 유닛;
투영 광축을 구비하여 상기 광원 유닛으로부터 측정 물체에 광학 측정 광을 외부 광경로로 투영하는 투영 광학계;
광 검출 광축을 구비하고 측정물체로부터 광학 측정 광을 입사받는 광 검출 광학계;
상기 광원 유닛으로부터 상기 광 검출 광학계로 광학 측정 광을 내부 광경로를 안내하는 내부 기준 광학계; 및
상기 투영 광학계를 투영된 광학 측정 광이 상기 광 검출 광학계로 수신되는 외부 광경로에 의한 목표물까지의 왕복 시간과 상기 내부 기준 광학계의 내부 광경로의 시간을 측정하여 목표물의 거리를 측정하는 광학 측정부를 포함하고,
상기 광 검출 광학계는 주변 온도에 따라 이득을 보상하는 포토 다이오드 이득 보상 장치를 포함하고,
중앙 처리 장치에서 레이저 다이오드 구동 신호를 입력받아 다이오드 트리거 신호를 출력하는 다이오드 구동부;
레이저 다이오드에서 출력된 광을 입사받아 아날로그 전기 신호를 발생시키는 아발란치 포토 다이오드;
상기 아발란치 포토 다이오드에서 출력된 아날로그 신호를 증폭하는 광대역 증폭기;
상기 광대역 증폭기에서 출력된 아날로그 신호의 피크를 검출하는 피크 검출부;
상기 피크 검출부에서 검출된 피크 신호를 디지털 신호로 변환하는 아날로그-디지털 컨버터;
상기 아날로그-디지털 컨버터에서 출력된 디지털 신호를 저장된 기준 전압의 디지털 값과 비교하여 보상된 디지털 전압신호를 출력하는 전압 비교부;
상기 전압 비교부에서 출력된 신호를 입력받아 디지털 전압신호를 아날로그 전압 신호로 변환하는 디지털-아날로그 컨버터; 및
상기 디지털-아날로그 컨버터에서 출력된 전압 신호와 상기 아발란치 포토 다이오드에 인가되는 전압 신호를 입력받아 보정된 전압신호를 출력하는 OP 증폭기를 포함하는 광학 측정 장치.
제5항에 있어서,
상기 포토 다이오드 이득 보상장치는 상기 OP 증폭기에서 출력된 전압신호를 받아 상기 아발란치 포토 다이오드에 보상된 전압을 인가하는 DC-DC 컨버터를 더 포함하는 광학 측정 장치.