KR102353365B1 - 컬러천이 레이저의 중심파장 별 전파 각도 전환을 이용하는 대상물의 각도에 따른 거리 측정 장치 - Google Patents

컬러천이 레이저의 중심파장 별 전파 각도 전환을 이용하는 대상물의 각도에 따른 거리 측정 장치 Download PDF

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김창석
장한솔
김정원
정다운
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부산대학교 산학협력단
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Abstract

본 발명은 시간에 따라 중심파장이 변화하는 컬러천이 레이저를 이용하여 공간 상 다양하게 위치한 측정 대상물의 전파 각도 별 거리 정보를 획득할 수 있도록 한 컬러천이 레이저의 중심파장 별 전파 각도 전환을 이용하는 대상물의 각도에 따른 거리 측정 장치에 관한 것으로, 시간에 따라 중심파장이 연속적으로 변화하는 광을 출력하는 컬러천이 레이저부;상기 컬러천이 레이저부로부터 전달된 광의 중심파장에 따라 각도를 달리하여 공간상에서 전파되도록 하는 컬러각도 전환부;상기 전파되는 광이 측정하고자 하는 대상물로부터 반사되어 되돌아온 광 세기 신호를 상기 시간에 따라 전기 세기 신호로 변환하는 광검출부;를 포함하고, 상기 광검출부에서 변환된 전기 세기 신호에서 상기 대상물의 거리 정보를 추출함으로써 전파되는 광의 중심파장에 대응하는 전파 각도에 따라 위치하는 대상물의 거리를 측정하는 것이다.

Description

컬러천이 레이저의 중심파장 별 전파 각도 전환을 이용하는 대상물의 각도에 따른 거리 측정 장치{Device for Measuring Distance According to the Angle of the Object using the Conversion of the Propagation Angle for Each Center Wavelength of the Color Shift Laser}
본 발명은 광학 계측에 관한 것으로, 구체적으로 시간에 따라 중심파장이 변화하는 컬러천이 레이저를 이용하여 공간 상 다양하게 위치한 측정 대상물의 전파 각도 별 거리 정보를 획득할 수 있도록 한 컬러천이 레이저의 중심파장 별 전파 각도 전환을 이용하는 대상물의 각도에 따른 거리 측정 장치에 관한 것이다.
원거리에 위치한 물체의 거리를 측정하기 위해 레이더 (RADAR), 초음파, 광학적 계측 기술 등이 이용되고 있으며, 그 중에 광학적 계측 기술은 특히나 높은 분해능 및 성능으로 다양한 방면에서 이용되고 있다.
일반적으로 물체의 거리를 측정하기 위한 용도로 이용되는 광학적 계측 기술들을 라이다(LiDAR; Light Detection and Ranging)라 칭하며, 측정하고자 하는 파라메터 및 원리에 따라 크게 주파수 변조된 연속광파 방식(FMCW), 비행시간 방식(time-of flight), 세기 변조된 연속광파 방식(AMCW)으로 나뉜다.
주파수 변조된 연속광파 방식의 라이다 기술의 경우 연속적으로 주파수가 변화하는 레이저 광원을 이용하며, 물체와 기준단 사이의 광경로차가 시간지연을 일으키고, 이에 따라 발생하는 간섭 신호의 주파수를 검출함으로써 목표물까지의 거리를 도출해낸다.
비행시간 및 세기 변조된 연속광파 방식의 경우 각각 펄스 출력을 갖는 광과 주기성을 지닌 형태로 세기 변조된 광을 이용하며, 전자의 경우 물체와 기준단으로부터 각각 획득된 펄스 신호의 시간차를 측정, 후자의 경우 두 신호의 위상차를 측정함으로써 목표물까지의 거리를 도출할 수 있다.
최근, 자율주행차량과 더불어 라이다 기술이 대두되고 있다.
전방위에 걸친 실시간 주시가 요구되는 자율주행차량의 특성 상 입체적인 공간정보 확보를 위해서 거리를 측정하는 레이저 광이 도달하는 공간 상의 전파(forward propagation) 경로가 좌우 및 상하로 이동하도록 전파 각도 스캐닝 기술을 포함하는 라이다 장치들이 개발 및 적용되고 있다.
전파 각도 스캔을 위해서는 입사되는 광이 반사되어 전파될 때에 각도가 기계적 회전 방향에 따라 바뀌도록 하는 회전거울(rotating mirror)이 많이 이용되며, 목적성에 따라 갈바노 스캐너(galvo scanner), Risley 프리즘, 다면체 거울 스캐너(polygon mirror scanner)를 이용하는 등 대부분 기계적 스캐닝 소자들이 사용되고 있다.
하지만, 이와 같은 기계적 스캐닝 소자들은 상대적으로 진동과 같은 외부적 노이즈에 취약해 성능이 열화 되거나 오랜 반복된 구동에 따라 수명이 단축되는 등의 문제를 보이고 있다.
이와 같은 문제점을 해결하기 위해 전기 신호에 따라 전파되는 각도를 바꾸는 등의 비기계적인 스캐닝 기술들이 연구되고 있다.
전광 편향기(electro-optic deflector) 또는 음향 광학 편향기(acousto-optic deflector)는 대표적인 비기계적 스캐닝 장치로써 기계적 거동 없이 전기 신호에 따라서 전파되는 광의 각도를 변경시킬 수 있는 기술이다.
하지만 이들 기술은 대부분 단가가 비싼 점, 높은 전압의 전기 신호가 필요한 점, 제한적인 좁은 화각만이 확보 가능한 점 등이 해결해야 할 문제로써 남아있다.
따라서, 외부 노이즈에 강인하고, 공간 상 다양하게 위치한 측정 대상물의 전파 각도 별 거리 정보를 획득할 수 있도록 하는 광학적 계측 기술의 개발이 요구되고 있다.
대한민국 공개특허 제10-2009-0089684호 대한민국 등록특허 제10-2101743호 대한민국 공개특허 제10-2009-0079671호
본 발명은 종래 기술의 광학 계측 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 시간에 따라 중심파장이 변화하는 컬러천이 레이저를 이용하여 공간 상 다양하게 위치한 측정 대상물의 전파 각도 별 거리 정보를 획득할 수 있도록 한 컬러천이 레이저의 중심파장 별 전파 각도 전환을 이용하는 대상물의 각도에 따른 거리 측정 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명은 비기계적 스캐닝으로 진동과 같은 외부적 노이즈에 의한 성능 열화 및 반복 구동에 따라 수명이 단축되는 문제를 해결할 수 있도록 한 컬러천이 레이저의 중심파장 별 전파 각도 전환을 이용하는 대상물의 각도에 따른 거리 측정 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명은 기계적 거동 없이 전기 신호에 따라서 전파되는 광의 각도를 변경시켜 정밀한 거리 측정을 하는 비 기계적 스캐닝 장치를 낮은 제조 비용으로 구현할 수 있도록 한 컬러천이 레이저의 중심파장 별 전파 각도 전환을 이용하는 대상물의 각도에 따른 거리 측정 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명은 컬러천이 레이저부의 고정된 파장 선폭에 의해 결정되는 화각 분해능 이상으로 컬러 가변에 의한 화각 스캔이 이루어지도록 하여 화각 제한 문제를 해결할 수 있도록 한 컬러천이 레이저의 중심파장 별 전파 각도 전환을 이용하는 대상물의 각도에 따른 거리 측정 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명은 레이저 컬러천이에 의해 발생하는 각도 변화를 레이저의 파장 선폭으로 인한 분산 각도보다 크게 하여 정밀한 거리 측정이 가능하도록 한 컬러천이 레이저의 중심파장 별 전파 각도 전환을 이용하는 대상물의 각도에 따른 거리 측정 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명의 다른 목적들은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 컬러천이 레이저의 중심파장 별 전파 각도 전환을 이용하는 대상물의 각도에 따른 거리 측정 장치는 시간에 따라 중심파장이 연속적으로 변화하는 광을 출력하는 컬러천이 레이저부;상기 컬러천이 레이저부로부터 전달된 광의 중심파장에 따라 각도를 달리하여 공간상에서 전파되도록 하는 컬러각도 전환부;상기 전파되는 광이 측정하고자 하는 대상물로부터 반사되어 되돌아온 광 세기 신호를 상기 시간에 따라 전기 세기 신호로 변환하는 광검출부;를 포함하고, 상기 광검출부에서 변환된 전기 세기 신호에서 상기 대상물의 거리 정보를 추출함으로써 전파되는 광의 중심파장에 대응하는 전파 각도에 따라 위치하는 대상물의 거리를 측정하는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 컬러천이 레이저부에서 컬러정지하여 출력되는 광이 가지는 파장 선폭에 의하여 원거리 전파 분산에 대응하는 대상물의 횡방향 위치 폭보다, 상기 컬러천이 레이저부의 컬러천이되어 출력되는 광의 중심파장 변화가 일으키는 각도 변화에 대응하는 원거리 대상물의 횡방향 위치 변화가 더 큰 경우에, 대상물의 횡방향 위치 변화에 따라 더 작은 단위의 횡방향 위치 폭으로 나누어 거리의 구분이 가능한 것을 특징으로 한다.
그리고 상기 컬러천이 레이저부에서 전달된 광을 특정 비율로 나누어 주는 광분배부와, 기준이 되는 광 신호를 형성하는 기준 반사부와. 대상물로부터 반사되어 되돌아온 광 세기 신호를 시간에 따라 전기 세기 신호로 변환하는 광검출부에서 측정된 전기 세기 신호를 분석하여 대상물의 공간 상 정보로 변환시키는 신호 처리부를 더 포함하고, 상기 광검출부에서 변환된 전기 세기 신호에서 상기 대상물의 거리 정보를 추출함으로써 전파되는 광의 중심파장에 대응하는 전파 각도에 따라 위치하는 대상물의 거리를 측정하는 것을 특징으로 한다.
그리고 상기 컬러천이 레이저부에서 전달된 광을 특정 비율로 나누어 주는 광분배부와,분배된 광을 특정 포트로 전달하고, 되돌아온 광을 제3의 포트로 전달하는 광순환부1 및 분배된 또다른 광을 특정 포트로 전달하고, 되돌아온 광을 제3의 포트로 전달하는 광순환부2와,기준이 되는 광 신호를 형성하는 기준 반사부와,상기 두 개의 광순환부1,2로부터 전달된 광을 결합시키는 광결합부와,광결합부로부터의 광 세기 신호를 시간에 따라 전기 세기 신호로 변환하는 광검출부에서 측정된 전기 세기 신호를 분석하여 대상물의 공간 상 정보로 변환시키는 신호 처리부를 더 포함하고, 상기 광검출부에서 변환된 전기 세기 신호에서 상기 대상물의 거리 정보를 추출함으로써 전파되는 광의 중심파장에 대응하는 전파 각도에 따라 위치하는 대상물의 거리를 측정하는 것을 특징으로 한다.
그리고 상기 측정 대상물로부터 반사되어 되돌아온 광과 상기 기준 반사부로부터 되돌아온 광이 가지는 광경로차로 인해 시간차가 발생하고, 발생한 시간차로 인해 서로 다른 파장의 광이 동시에 광검출부로 전달되어, 전달된 서로 다른 파장의 광 사이의 간섭 현상을 통해 정보를 계측하는 것을 특징으로 한다.
그리고 상기 컬러천이 레이저부는, 외부 공진기 다이오드 레이저 또는 반송파 이송되는 반도체 레이저 또는 희소 금속 도핑 광섬유를 기반으로 하는 것을 특징으로 한다.
그리고 공통 노이즈를 억제하여 측정된 간섭신호의 품질을 향상시키기 위해 균형광을 검출하기 위한 광검출부는, 전달된 광을 서로 반파장만큼 위상이 다른 두 개의 광신호로 나누어 전달하는 위상광 분할부와, 시간에 따라 전달되는 광 세기 신호를 전기 세기 신호로 변환하는 광검출기들을 포함하며, 서로 반파장만큼 위상이 다른 두 개의 광신호를 동시에 측정하는 것을 특징으로 한다.
그리고 시간에 따라 중심파장이 연속적으로 변화하는 광을 출력하는 컬러천이 레이저부의 광을 특정 포트로 전달하고, 되돌아온 광을 제3의 포트로 전달하는 광순환부와,광 세기 신호를 시간에 따라 전기 세기 신호로 변환하는 광검출부에서 측정된 전기 세기 신호를 분석하여 대상물의 공간 상 정보로 변환시키는 신호 처리부를 포함하고, 광검출부에서 변환된 전기 세기 신호에서 상기 대상물의 거리 정보를 추출함으로써 전파되는 광의 중심파장에 대응하는 전파 각도에 따라 위치하는 대상물의 거리를 측정하는 것을 특징으로 한다.
그리고 시간에 따라 중심파장이 연속적으로 변화하는 광을 출력하는 컬러천이 레이저부에서 전달된 광을 특정 비율로 나누어 주는 광분배부와, 광 세기 신호를 시간에 따라 전기 세기 신호로 변환하는 광검출부에서 측정된 전기 세기 신호를 분석하여 대상물의 공간 상 정보로 변환시키는 신호 처리부를 포함하고, 상기 광검출부에서 변환된 전기 세기 신호에서 상기 대상물의 거리 정보를 추출함으로써 전파되는 광의 중심파장에 대응하는 전파 각도에 따라 위치하는 대상물의 거리를 측정하는 것을 특징으로 한다.
그리고 측정 대상물로부터 반사되어 되돌아온 광과 기준 반사부로부터 되돌아온 광이 가지는 광경로차로 인해 발생하는 시간차를 측정함으로써 정보를 계측하는 것을 특징으로 한다.
그리고 상기 컬러천이 레이저부는 모드 잠금 파장가변 레이저 또는 세기 변조기를 포함하는 파장가변 레이저인 것을 특징으로 한다.
그리고 측정 대상물로부터 반사되어 되돌아온 광과 기준 반사부로부터 되돌아온 광이 가지는 광경로차로 인해 시간차가 발생하고, 시간차에 의해 발생하는 세기 변조된 신호의 위상차이를 측정함으로써 정보를 계측하는 것을 특징으로 한다.
그리고 기준이 되는 광 신호를 형성하는 기준 반사부를 더 포함하고, 기준 반사부는 광경로 길이를 맞추어 조정함으로써 기준 광경로차를 보상하는 광경로 변화부와,상기 광경로 변화부로부터 전달된 광을 반사시켜 되돌리는 반사부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
그리고 광경로차에 의해 발생하는 시간지연이 주기적으로 반복되어 출력되는 레이저의 중심파장 간격 주기 또는 출력되는 펄스 간 간격 주기 또는 출력되는 세기 변조된 신호의 간격 주기보다 길어, 대상과의 거리가 레이저의 가간섭거리보다 가깝고 반사신호의 세기가 잡음신호의 세기보다 높음에도 불구하고 측정이 불가능한 문제를 극복하기 위해, 상기 광경로 변화부를 통해 시간지연을 발생시켜 광경로차에 의해 발생하는 시간지연을 출력되는 레이저의 간격 주기보다 짧게 줄이는 것을 특징으로 한다.
이상에서 설명한 바와 같은 본 발명에 따른 컬러천이 레이저의 중심파장 별 전파 각도 전환을 이용하는 대상물의 각도에 따른 거리 측정 장치는 다음과 같은 효과가 있다.
첫째, 시간에 따라 중심파장이 변화하는 컬러천이 레이저를 이용하여 공간 상 다양하게 위치한 측정 대상물의 전파 각도 별 거리 정보를 효율적으로 획득할 수 있도록 한다.
둘째, 비기계적인 스캐닝으로 진동과 같은 외부적 노이즈에 의한 성능 열화 및 반복 구동에 따라 수명이 단축되는 문제를 해결할 수 있도록 한다.
셋째, 기계적 거동 없이 전기 신호에 따라서 전파되는 광의 각도를 변경시켜 정밀한 거리 측정을 하는 비기계적 스캐닝 장치를 낮은 제조 비용으로 구현할 수 있도록 한다.
넷째, 컬러천이 레이저부의 고정된 파장 선폭에 의해 결정되는 화각 분해능 이상으로 컬러 가변에 의한 화각 스캔이 이루어지도록 하여 화각 제한 문제를 해결할 수 있다.
다섯째, 레이저 컬러천이에 의해 발생하는 각도 변화를 레이저의 파장 선폭으로 인한 분산 각도보다 크게하여 정밀한 거리 측정이 가능하다.
도 1은 본 발명에 따른 컬러천이 레이저의 중심파장 별 전파 각도 전환을 이용하는 대상물의 각도에 따른 거리 측정 장치의 구성도
도 2는 본 발명에 따른 분산 각도 특성을 나타낸 구성도
도 3은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 거리 측정 장치의 구성도
도 4는 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 거리 측정 장치의 구성도
도 5는 FMCW 원리를 나타낸 구성도
도 6은 균형광 검출 특성 및 이를 위한 거리 측정 장치의 일 예를 나타낸 구성도
도 7은 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 거리 측정 장치의 구성도
도 8은 ToF 원리를 나타낸 구성도
도 9는 AMCW 원리를 나타낸 구성도
도 10은 기준 반사부의 상세 구성도
도 11a 내지 도 11c는 광경로차 시간지연에 따른 거리 측정 장치들의 측정 특성을 나타낸 구성도
이하, 본 발명에 따른 컬러천이 레이저의 중심파장 별 전파 각도 전환을 이용하는 대상물의 각도에 따른 거리 측정 장치의 바람직한 실시 예에 관하여 상세히 설명하면 다음과 같다.
본 발명에 따른 컬러천이 레이저의 중심파장 별 전파 각도 전환을 이용하는 대상물의 각도에 따른 거리 측정 장치의 특징 및 이점들은 이하에서의 각 실시 예에 대한 상세한 설명을 통해 명백해질 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 컬러천이 레이저의 중심파장 별 전파 각도 전환을 이용하는 대상물의 각도에 따른 거리 측정 장치의 구성도이다.
본 발명에 따른 컬러천이 레이저의 중심파장 별 전파 각도 전환을 이용하는 대상물의 각도에 따른 거리 측정 장치는 시간에 따라 중심파장이 변화하는 컬러천이 레이저를 이용하여 공간 상 다양하게 위치한 측정 대상물의 전파 각도 별 거리 정보를 획득할 수 있도록 한 것이다.
이를 위하여, 본 발명은 컬러천이 레이저부의 고정된 파장 선폭에 의해 결정되는 화각 분해능 이상으로 컬러 가변에 의한 화각 스캔이 이루어지도록 하여 화각 제한 문제를 해결하기 위한 구성을 포함할 수 있다.
본 발명은 레이저 컬러천이에 의해 발생하는 각도 변화를 레이저의 파장 선폭으로 인한 분산 각도보다 크게하여 정밀한 거리 측정이 가능하도록 하는 구성을 포함할 수 있다.
컬러천이 레이저는 시간에 따라 중심파장이 변화하는 레이저 광원으로, 주로 주파수 영역 광 결맞음 프로파일로미터(frequency-domain optical coherence profilometry), 광 결맞음 단층 영상(optical coherence tomography) 등 표면 형상 또는 단층과 같은 짧은 근거리 측정 기술에 이용되어 왔다.
본 발명은 컬러천이 레이저를 입사되는 광의 컬러를 뜻하는 중심 파장만 의존하여 전파되는 광의 각도가 수동적으로 바꾸는 소자를 적용하는 것으로, 파장 영역(wavelength-domain)을 각도 영역(angular-domain)으로 전환이 가능하며 이는 색분산소자를 기반으로 구현 가능하다.
색분산소자는 프리즘, 회절격자와 같은 수동소자(passive component)로, 전광 편향기나 음향 광학 편향기와 같은 능동소자(active component)에 비해 추가적인 전기 신호가 필요하지 않고 경제적으로 구현 가능하다는 장점을 지닌다.
따라서, 공간 상 다양하게 위치한 측정 대상물의 전파 각도 별 거리 정보를 획득하기 위해서는, 수동적 전파 각도 스캐닝 소자를 기반으로 원거리 물체의 거리 정보를 확보 가능한 컬러천이 레이저를 이용한 천이 파장 별 각도 변화 거리 측정 기술을 활용할 수 있다.
본 발명에 따른 컬러천이 레이저의 중심파장 별 전파 각도 전환을 이용하는 대상물의 각도에 따른 거리 측정 장치는 도 1에서와 같이, 시간에 따라 중심파장이 연속적으로 변화하여 출력하는 컬러천이 레이저부(10)와, 상기 컬러천이 레이저부(10)로부터 전달된 광의 중심파장에 따라 각도를 달리하여 공간상에서 전파되도록 하는 컬러각도 전환부(20)와, 상기 전파되는 광이 측정하고자 하는 대상물로부터 반사되어 되돌아온 광 세기 신호를 상기 시간에 따라 전기 세기 신호로 변환하는 광검출부(30)를 포함하고, 상기 광검출부(30)에서 변환된 전기 세기 신호에서 상기 대상물의 거리 정보를 추출함으로써 전파되는 광의 중심파장에 대응하는 전파 각도에 따라 위치하는 대상물의 거리를 측정하는 것이다.
이와 같은 구성을 갖는 본 발명에 따른 컬러천이 레이저의 중심파장 별 전파 각도 전환을 이용하는 대상물의 각도에 따른 거리 측정 장치의 분산 각도 특성은 다음과 같다.
도 2는 본 발명에 따른 분산 각도 특성을 나타낸 구성도이다.
본 발명에 따른 컬러천이 레이저의 중심파장 별 전파 각도 전환을 이용하는 대상물의 각도에 따른 거리 측정 장치는 컬러천이 레이저부(10)에서 컬러정지하여 출력되는 광이 가지는 파장 선폭에 의하여 원거리 전파 분산에 대응하는 대상물의 횡방향 위치 폭보다, 상기 컬러천이 레이저부(10)의 컬러천이되어 출력되는 광의 중심파장 변화가 일으키는 각도 변화에 대응하는 원거리 대상물의 횡방향 위치 변화가 더 큰 경우에, 대상물의 횡방향 위치 변화에 따라 더 작은 단위의 횡방향 위치 폭으로 나누어 거리의 구분이 가능하다.
레이저의 파장 선폭(
Figure 112020091780955-pat00001
)으로 인해 분산 각도(
Figure 112020091780955-pat00002
)를 갖는다. 레이저 컬러천이(
Figure 112020091780955-pat00003
)에 의해 발생하는 각도 변화(
Figure 112020091780955-pat00004
)는 분산 각도보다 더 커야 한다.(
Figure 112020091780955-pat00005
)
도 3은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 거리 측정 장치의 구성도이다.
도 3은 본 발명에 따른 거리 측정 장치를 FMCW 마이켈슨 구조에 적용한 것으로, 시간에 따라 중심파장이 연속적으로 변화하여 출력하는 컬러천이 레이저부(10)와, 컬러천이 레이저부(10)에서 전달된 광을 특정 비율로 나누어 주는 광분배부(40)와, 광의 중심파장에 따라 각도를 달리하여 공간상에서 전파되도록 하는 컬러각도 전환부(20)와, 기준이 되는 광 신호를 형성하는 기준 반사부(60)와, 대상물로부터 반사되어 되돌아온 광 세기 신호를 시간에 따라 전기 세기 신호로 변환하는 광검출부(30)와, 측정된 전기 세기 신호를 분석하여 대상물의 공간 상 정보로 변환시키는 신호 처리부(50)를 포함하고, 상기 광검출부(30)에서 변환된 전기 세기 신호에서 상기 대상물의 거리 정보를 추출함으로써 전파되는 광의 중심파장에 대응하는 전파 각도에 따라 위치하는 대상물의 거리를 측정하는 것이다.
도 4는 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 거리 측정 장치의 구성도이다.
도 4는 본 발명에 따른 거리 측정 장치를 FMCW 마하젠더 구조에 적용한 것으로, 시간에 따라 중심파장이 연속적으로 변화하여 출력하는 컬러천이 레이저부(10)와, 컬러천이 레이저부(10)에서 전달된 광을 특정 비율로 나누어 주는 광분배부(40)와, 분배된 광을 특정 포트로 전달하고, 되돌아온 광을 제3의 포트로 전달하는 광순환부1(61)와, 분배된 또다른 광을 특정 포트로 전달하고, 되돌아온 광을 제3의 포트로 전달하는 광순환부2(62)와, 광의 중심파장에 따라 각도를 달리하여 공간상에서 전파되도록 하는 컬러각도 전환부(20)와, 기준이 되는 광 신호를 형성하는 기준 반사부(60)와, 상기 두 개의 광순환부1,2(61)(62)로부터 전달된 광을 결합시키는 광결합부(64)와, 광결합부(64)로부터의 광 세기 신호를 시간에 따라 전기 세기 신호로 변환하는 광검출부(30)와, 측정된 전기 세기 신호를 분석하여 대상물의 공간 상 정보로 변환시키는 신호 처리부(50)를 포함하고, 상기 광검출부(30)에서 변환된 전기 세기 신호에서 상기 대상물의 거리 정보를 추출함으로써 전파되는 광의 중심파장에 대응하는 전파 각도에 따라 위치하는 대상물의 거리를 측정하는 것이다.
도 5는 FMCW 원리를 나타낸 구성도이다.
대상물로부터 반사되어 되돌아온 광과 상기 기준 반사부(60)로부터 되돌아온 광이 가지는 광경로차로 인해 시간차가 발생하고, 발생한 시간차로 인해 서로 다른 파장의 광이 동시에 광검출부(30)로 전달되며, 전달된 서로 다른 파장의 광 사이의 간섭 현상을 통해 정보를 계측할 수 있다.
즉, 레이저의 중심파장이 주기적으로 변화하며 출력되며, 기준 반사단과 물체로부터 반사되어 돌아온 신호가 시간차 (
Figure 112020091780955-pat00006
)를 갖는다.
시간차에 의해 두 신호 사이에 간섭이 발생하며, 간섭 주파수 (
Figure 112020091780955-pat00007
)를 측정함으로써 물체까지의 거리를 측정할 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에서 컬러천이 레이저부(10)는 외부 공진기 다이오드 레이저 또는 반송파 이송되는 반도체 레이저 또는 희소 금속 도핑 광섬유를 기반으로 할 수 있고, 이로 제한되지 않는다.
도 6은 균형광 검출 특성 및 이를 위한 거리 측정 장치의 일 예를 나타낸 구성도이다.
도 6에서와 같이, 광분배부를 통과한 광신호는 서로 위상이 180도 다른 두 개의 신호로 나누어지고, 균형광 검출부에서는 두 신호를 서로 다른 두 개의 광검출기로 측정하며, 이 때 균형광 검출부에서 공통으로 가지고 있는 전기적 노이즈에 대한 억제가 이루어진다.
도 7은 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 거리 측정 장치의 구성도이다.
도 7은 ToF, AMCW 전기신호 기준으로 거리 측정 장치를 나타낸 것으로, 시간에 따라 중심파장이 연속적으로 변화하여 출력하는 컬러천이 레이저부(10)와, 광을 특정 포트로 전달하고, 되돌아온 광을 제3의 포트로 전달하는 광순환부(70)와, 광의 중심파장에 따라 각도를 달리하여 공간상에서 전파되도록 하는 컬러각도 전환부(20)와, 광순환부(70)로부터의 광 세기 신호를 시간에 따라 전기 세기 신호로 변환하는 광검출부(30)와, 측정된 전기 세기 신호를 분석하여 대상물의 공간 상 정보로 변환시키는 신호 처리부(50)를 포함하고, 상기 광검출부(30)에서 변환된 전기 세기 신호에서 대상물의 거리 정보를 추출함으로써 전파되는 광의 중심파장에 대응하는 전파 각도에 따라 위치하는 대상물의 거리를 측정하는 것이다.
도 3을 참고하여 ToF, AMCW 광신호 기준으로 거리 측정 장치를 설명하면, 전달된 광을 특정 비율로 나누어 주는 광분배부와, 측정된 전기 세기 신호를 분석하여 대상물의 공간 상 정보로 변환시키는 신호 처리부를 포함하고, 광검출부에서 변환된 전기 세기 신호에서 대상물의 거리 정보를 추출함으로써 전파되는 광의 중심파장에 대응하는 전파 각도에 따라 위치하는 대상물의 거리를 측정하는 것으로 설명할 수 있다.
도 8은 ToF 원리를 나타낸 구성도이다.
레이저의 중심파장이 주기적으로 변화하며 출력됨과 동시에 세기 또한 펄스 형태로 변조되어 출력된다. 기준 반사단과 물체로부터 반사되어 돌아온 신호가 시간차 (
Figure 112020091780955-pat00008
)를 지니며, 이를 통해 물체와의 거리를 측정하는 것이다.
즉, 측정 대상물로부터 반사되어 되돌아온 광과 기준 반사부로부터 되돌아온 광이 가지는 광경로차로 인해 발생하는 시간차를 측정함으로써 정보를 계측하는 것이다.
ToF 구조의 거리 측정 장치에서 컬러천이 레이저부는 모드 잠금 파장가변 레이저 또는 세기 변조기를 포함하는 파장가변 레이저일 수 있고, 이로 제한되지 않는다.
도 9는 AMCW 원리를 나타낸 구성도이다.
측정 대상물로부터 반사되어 되돌아온 광과 기준 반사부로부터 되돌아온 광이 가지는 광경로차로 인해 발생하는 시간차가 발생하고, 시간차에 의해 발생하는 세기 변조된 신호의 위상차이를 측정함으로써 정보를 계측하는 것이다.
AMCW 구조의 거리 측정 장치에서 컬러천이 레이저부는 모드 잠금 파장가변 레이저 또는 세기 변조기를 포함하는 파장가변 레이저일 수 있고, 이로 제한되지 않는다.
도 10은 기준 반사부의 상세 구성도이다.
기준 반사부는 광경로 길이를 맞추어 조정함으로써 기준 광경로차를 보상하는 광경로 변화부(60a)와, 상기 광경로 변화부(60a)로부터 전달된 광을 반사시켜 되돌리는 반사부(60b)를 포함하는 것이다.
광경로 변화부(60a)는 사전에 미리 알고 있는 시간지연을 발생시켜 기준 광경로차를 보상하는 광경로차 소자이다.
도 11a 내지 도 11c는 광경로차 시간지연에 따른 거리 측정 장치들의 측정 특성을 나타낸 구성도이다.
도 11a는 FMCW 구조의 거리 측정 장치, 도 11b는 ToF 구조의 거리 측정 장치, 도 11c는 AMCW 구조의 거리 측정 장치의 광경로차 시간지연이 간격주기보다 클때의 특성을 나타낸 것이다.
레이저의 반복주기(
Figure 112020091780955-pat00009
)보다 광경로차에 의한 실제 지연시간(
Figure 112020091780955-pat00010
)이 커지면 대상까지의 거리가 레이저의 가간섭거리보다 짧고 반사신호 세기가 잡음신호의 세기보다 크더라도 거리측정 불가하다.
광경로 변화부는 가간섭거리를 최대한 활용할 수 있도록 광경로차를 추가하여 보상시간 (
Figure 112020091780955-pat00011
)을 제공하고, 보상시간으로 인해 보상 시간지연(
Figure 112020091780955-pat00012
)이 실제 지연시간보다 감소하여 측정 가능하도록 한다.
즉, 광경로차에 의해 발생하는 시간지연이 주기적으로 반복되어 출력되는 레이저의 중심파장 간격 주기 또는 출력되는 펄스 간 간격 주기 또는 출력되는 세기 변조된 신호의 간격 주기보다 길어, 대상과의 거리가 레이저의 가간섭거리보다 가깝고 반사신호의 세기가 잡음신호의 세기보다 높음에도 불구하고 측정이 불가능한 문제를 극복하기 위해, 상기 광경로 변화부를 통해 의도적으로 시간지연을 발생시킴으로써 광경로차에 의해 발생하는 시간지연을 출력되는 레이저의 간격 주기보다 짧게 줄임으로써 해결하는 것이다.
이상에서 설명한 본 발명에 따른 컬러천이 레이저의 중심파장 별 전파 각도 전환을 이용하는 대상물의 각도에 따른 거리 측정 장치는 시간에 따라 중심파장이 변화하는 컬러천이 레이저를 이용하여 공간 상 다양하게 위치한 측정 대상물의 전파 각도 별 거리 정보를 획득할 수 있도록 한 것이다.
이상에서의 설명에서와 같이 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 본 발명이 구현되어 있음을 이해할 수 있을 것이다.
그러므로 명시된 실시 예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 하고, 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구 범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.
10. 컬러 천이 레이저부
20. 컬러각도 전환부
30. 광검출부

Claims (14)

  1. 시간에 따라 중심파장이 연속적으로 변화하는 광을 출력하는 컬러천이 레이저부;
    상기 컬러천이 레이저부로부터 전달된 광의 중심파장에 따라 각도를 달리하여 공간상에서 전파되도록 하는 컬러각도 전환부;
    상기 전파되는 광이 측정하고자 하는 대상물로부터 반사되어 되돌아온 광 세기 신호를 상기 시간에 따라 전기 세기 신호로 변환하는 광검출부;를 포함하고,
    상기 광검출부에서 변환된 전기 세기 신호에서 상기 대상물의 거리 정보를 추출함으로써 전파되는 광의 중심파장에 대응하는 전파 각도에 따라 위치하는 대상물의 거리를 측정하는 것을 특징으로 하는 컬러천이 레이저의 중심파장 별 전파 각도 전환을 이용하는 대상물의 각도에 따른 거리 측정 장치.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 컬러천이 레이저부에서 컬러정지하여 출력되는 광이 가지는 파장 선폭에 의하여 원거리 전파 분산에 대응하는 대상물의 횡방향 위치 폭보다,
    상기 컬러천이 레이저부의 컬러천이되어 출력되는 광의 중심파장 변화가 일으키는 각도 변화에 대응하는 원거리 대상물의 횡방향 위치 변화가 더 큰 경우에,
    대상물의 횡방향 위치 변화에 따라 더 작은 단위의 횡방향 위치 폭으로 나누어 거리의 구분이 가능한 것을 특징으로 컬러천이 레이저의 중심파장 별 전파 각도 전환을 이용하는 대상물의 각도에 따른 거리 측정 장치.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 컬러천이 레이저부에서 전달된 광을 특정 비율로 나누어 주는 광분배부와,
    기준이 되는 광 신호를 형성하는 기준 반사부와.
    대상물로부터 반사되어 되돌아온 광 세기 신호를 시간에 따라 전기 세기 신호로 변환하는 광검출부에서 측정된 전기 세기 신호를 분석하여 대상물의 공간 상 정보로 변환시키는 신호 처리부를 더 포함하고,
    상기 광검출부에서 변환된 전기 세기 신호에서 상기 대상물의 거리 정보를 추출함으로써 전파되는 광의 중심파장에 대응하는 전파 각도에 따라 위치하는 대상물의 거리를 측정하는 것을 특징으로 하는 컬러천이 레이저의 중심파장 별 전파 각도 전환을 이용하는 대상물의 각도에 따른 거리 측정 장치.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 컬러천이 레이저부에서 전달된 광을 특정 비율로 나누어 주는 광분배부와,
    분배된 광을 특정 포트로 전달하고, 되돌아온 광을 제3의 포트로 전달하는 광순환부1 및 분배된 또다른 광을 특정 포트로 전달하고, 되돌아온 광을 제3의 포트로 전달하는 광순환부2와,
    기준이 되는 광 신호를 형성하는 기준 반사부와,
    상기 두 개의 광순환부1,2로부터 전달된 광을 결합시키는 광결합부와,
    광결합부로부터의 광 세기 신호를 시간에 따라 전기 세기 신호로 변환하는 광검출부에서 측정된 전기 세기 신호를 분석하여 대상물의 공간 상 정보로 변환시키는 신호 처리부를 더 포함하고,
    상기 광검출부에서 변환된 전기 세기 신호에서 상기 대상물의 거리 정보를 추출함으로써 전파되는 광의 중심파장에 대응하는 전파 각도에 따라 위치하는 대상물의 거리를 측정하는 것을 특징으로 하는 컬러천이 레이저의 중심파장 별 전파 각도 전환을 이용하는 대상물의 각도에 따른 거리 측정 장치.
  5. 제 3 항 또는 제 4 항에 있어서, 상기 측정 대상물로부터 반사되어 되돌아온 광과 상기 기준 반사부로부터 되돌아온 광이 가지는 광경로차로 인해 시간차가 발생하고,
    발생한 시간차로 인해 서로 다른 파장의 광이 동시에 광검출부로 전달되어, 전달된 서로 다른 파장의 광 사이의 간섭 현상을 통해 정보를 계측하는 것을 특징으로 하는 컬러천이 레이저의 중심파장 별 전파 각도 전환을 이용하는 대상물의 각도에 따른 거리 측정 장치.
  6. 제 3 항 또는 제 4항에 있어서, 상기 컬러천이 레이저부는,
    외부 공진기 다이오드 레이저 또는 반송파 이송되는 반도체 레이저 또는 희소 금속 도핑 광섬유를 기반으로 하는 것을 특징으로 하는 컬러천이 레이저의 중심파장 별 전파 각도 전환을 이용하는 대상물의 각도에 따른 거리 측정 장치.
  7. 제 3 항 또는 제 4항에 있어서, 공통 노이즈를 억제하여 측정된 간섭신호의 품질을 향상시키기 위해 균형광을 검출하기 위한 광검출부는,
    전달된 광을 서로 반파장만큼 위상이 다른 두 개의 광신호로 나누어 전달하는 위상광 분할부와,
    시간에 따라 전달되는 광 세기 신호를 전기 세기 신호로 변환하는 광검출기들을 포함하며, 서로 반파장만큼 위상이 다른 두 개의 광신호를 동시에 측정하는 것을 특징으로 하는 컬러천이 레이저의 중심파장 별 전파 각도 전환을 이용하는 대상물의 각도에 따른 거리 측정 장치.
  8. 제 1 항에 있어서, 시간에 따라 중심파장이 연속적으로 변화하는 광을 출력하는 컬러천이 레이저부의 광을 특정 포트로 전달하고, 되돌아온 광을 제3의 포트로 전달하는 광순환부와,
    광 세기 신호를 시간에 따라 전기 세기 신호로 변환하는 광검출부에서 측정된 전기 세기 신호를 분석하여 대상물의 공간 상 정보로 변환시키는 신호 처리부를 포함하고,
    광검출부에서 변환된 전기 세기 신호에서 상기 대상물의 거리 정보를 추출함으로써 전파되는 광의 중심파장에 대응하는 전파 각도에 따라 위치하는 대상물의 거리를 측정하는 것을 특징으로 하는 컬러천이 레이저의 중심파장 별 전파 각도 전환을 이용하는 대상물의 각도에 따른 거리 측정 장치.
  9. 제 1 항에 있어서, 시간에 따라 중심파장이 연속적으로 변화하는 광을 출력하는 컬러천이 레이저부에서 전달된 광을 특정 비율로 나누어 주는 광분배부와,
    광 세기 신호를 시간에 따라 전기 세기 신호로 변환하는 광검출부에서 측정된 전기 세기 신호를 분석하여 대상물의 공간 상 정보로 변환시키는 신호 처리부를 포함하고,
    상기 광검출부에서 변환된 전기 세기 신호에서 상기 대상물의 거리 정보를 추출함으로써 전파되는 광의 중심파장에 대응하는 전파 각도에 따라 위치하는 대상물의 거리를 측정하는 것을 특징으로 하는 컬러천이 레이저의 중심파장 별 전파 각도 전환을 이용하는 대상물의 각도에 따른 거리 측정 장치.
  10. 제 8 항 또는 제 9 항에 있어서, 측정 대상물로부터 반사되어 되돌아온 광과 기준 반사부로부터 되돌아온 광이 가지는 광경로차로 인해 발생하는 시간차를 측정함으로써 정보를 계측하는 것을 특징으로 하는 컬러천이 레이저의 중심파장 별 전파 각도 전환을 이용하는 대상물의 각도에 따른 거리 측정 장치.
  11. 제 8 항 또는 제 9 항에 있어서, 상기 컬러천이 레이저부는 모드 잠금 파장가변 레이저 또는 세기 변조기를 포함하는 파장가변 레이저인 것을 특징으로 하는 컬러천이 레이저의 중심파장 별 전파 각도 전환을 이용하는 대상물의 각도에 따른 거리 측정 장치.
  12. 제 8 항 또는 제 9 항에 있어서, 측정 대상물로부터 반사되어 되돌아온 광과 기준 반사부로부터 되돌아온 광이 가지는 광경로차로 인해 시간차가 발생하고,
    시간차에 의해 발생하는 세기 변조된 신호의 위상차이를 측정함으로써 정보를 계측하는 것을 특징으로 하는 컬러천이 레이저의 중심파장 별 전파 각도 전환을 이용하는 대상물의 각도에 따른 거리 측정 장치.
  13. 제 1 항에 있어서, 기준이 되는 광 신호를 형성하는 기준 반사부를 더 포함하고,
    기준 반사부는 광경로 길이를 맞추어 조정함으로써 기준 광경로차를 보상하는 광경로 변화부와,
    상기 광경로 변화부로부터 전달된 광을 반사시켜 되돌리는 반사부를 포함하는 것을 특징으로 하는 컬러천이 레이저의 중심파장 별 전파 각도 전환을 이용하는 대상물의 각도에 따른 거리 측정 장치.
  14. 제 13 항에 있어서, 광경로차에 의해 발생하는 시간지연이 주기적으로 반복되어 출력되는 레이저의 중심파장 간격 주기 또는 출력되는 펄스 간 간격 주기 또는 출력되는 세기 변조된 신호의 간격 주기보다 길어,
    대상과의 거리가 레이저의 가간섭거리보다 가깝고 반사신호의 세기가 잡음신호의 세기보다 높음에도 불구하고 측정이 불가능한 문제를 극복하기 위해,
    상기 광경로 변화부를 통해 시간지연을 발생시켜 광경로차에 의해 발생하는 시간지연을 출력되는 레이저의 간격 주기보다 짧게 줄이는 것을 특징으로 하는 컬러천이 레이저의 중심파장 별 전파 각도 전환을 이용하는 대상물의 각도에 따른 거리 측정 장치.
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