KR100335597B1 - Apparatus and method for measuring optical distance - Google Patents

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Abstract

PURPOSE: An apparatus and a method are provided to achieve improved accuracy of measurement and prevent error by accurately sensing the light emitting time and abnormality of laser diodes. CONSTITUTION: An apparatus comprises a control unit(10); a laser diode driving circuit unit(20) for receiving laser diode driving signals from the control unit; a laser diode(30) for emitting laser beams by the operation of the laser diode driving circuit; a first photo diode(40) for directly receiving laser beams emitted from the laser diode and performing a photoelectric conversion; a received signal processing unit(50) for receiving the signal from the first photo diode, and amplifying and processing the received signal; a comparing unit(60) for receiving signals from the received signal processing unit, comparing the received signal with the minimum and maximum threshold voltages, and inputting signals to the control unit; a second photo diode(70) for receiving the light reflected from an object and performing a photoelectric conversion; a received signal processing and distance measuring unit(80) for receiving, amplifying and processing the signal output from the second photo diode, converting the signal output from the received signal processing unit into a distance value, and inputting the distance value to the control unit; and a display unit(90) for displaying the distance value and state of the laser diode in accordance with the signal output from the control unit.

Description

광학식 거리 측정 장치 및 방법Optical distance measuring device and method

본 발명은 광학식 거리 측정 장치에 관한 것으로, 특히 레이저 다이오드의 발광 시점을 감지하는 동시에 레이저 다이오드의 이상 유/무를 파악 할 수 있도륵 하는 광학식 거리 측정 장치 및 방법에 관한 것이다.The present invention relates to an optical distance measuring apparatus, and more particularly, to an optical distance measuring apparatus and a method for detecting an emission point of a laser diode and at the same time identifying a laser diode.

일반적으로 레이저를 이용한 광학식 거리 측정 장치에 있어서 거리를 측정하는 방법은 레이저를 발/수광하여 광이 이동한 시간을 측정하고 측정된 이동 시간과 광속을 이용하여 거리를 계산한다.In general, in the optical distance measuring apparatus using a laser, the distance measuring method measures the time the light travels by emitting / receiving a laser and calculates the distance using the measured travel time and the light beam.

이와 같은 일반적인 거리 측정 장치 및 방법에 있어서, 측정 거리의 정밀도틀 결정하는 것은 광이 이동한 시간을 얼마나 정확하게 측정하는가 하는 것인데, 광은 1[nsec]동안에 30cm를 이동하므로 광이 이동한 거리를 정확히 측정하는 것은 매우 어려운 일이다.In such a general distance measuring device and method, determining the precision of the measurement distance is how accurately the time the light traveled is measured. Since the light travels 30 cm in 1 [nsec], the distance the light traveled is precisely determined. It is very difficult to measure.

즉, 광학식 거리 측정기에서와 같이 광을 발사하여 목표물에서 반사되는 반사광을 광전변환 및 증폭하여 변환된 전기적 신호를 이용하여 광의 이동시간을 측정하는 장치에서는, 레이저 다이오드의 발광 시작시점 및 포토다이오드의 수광시점을 정확히 감지할 수 있어야 만이 정확한 광의 이동시간을 계산하여 거리를 측정할 수 있는 것이다.That is, in an apparatus for measuring light travel time using an electrical signal converted by a photoelectric conversion and amplification of reflected light reflected from a target by emitting light as in an optical range finder, a light emitting start time of a laser diode and a light receiving of a photodiode are received. Only when the point of view can be accurately detected can the distance be measured by calculating the exact travel time of the light.

그러나, 제어부의 레이저 다이오드 구동 신호가 레이저 다이오드 구동회로에 인가되면 레이저 다이오드 구동 회로는 통상적으로 레이저 다이오드를 구동시키기 위한 고압 발생 회로와 발광을 위한 동작을 수행하므로, 제어부의 레이저 다이오드 구동 신호 발생 시점과 실제 발광 시점과는 차이가 나게되며, 이러한 시간 지연은 통상적인 경우에 거의 동일하기 때문에 이 지연 시간을 고려하여 발/수광 시간을 측정하면 시간 지연에 따른 오차를 극소화하여 거리를 측정할 수 있지만, 시스템의 온도가 변하게 되는 경우에는 지연 시간이 통상적인 지연 시간과 오차가 생기게 되어 발광시점이 변하므로 이때에는 통상적인 지연 시간을 고려하여 발/수광 시간을계산하였더라도 많은 오차가 발생하게 되는 문제가 있다.However, when the laser diode driving signal of the controller is applied to the laser diode driving circuit, the laser diode driving circuit typically performs an operation for generating a high voltage and a light emitting circuit for driving the laser diode, and thus, This time delay is different from the actual light emission time, and since this time delay is almost the same in a normal case, when measuring the emission / reception time in consideration of this delay time, the distance can be measured by minimizing the error due to the time delay. When the temperature of the system is changed, the delay time is different from the normal delay time, and thus the emission time is changed. In this case, there is a problem that many errors occur even when the emission / reception time is calculated in consideration of the normal delay time. .

본 발명은 상기 문제점을 해결하기 위하여 안출한 것으로, 정확한 발광시점을 감지하기 위하여 레이저 다이오드에서 발사 되는 광의 경로 측면에 수광 포토 다이오드와는 별도의 포토 다이오드를 설치하여 레이저 다이오드에서 발사된 광을 발사와 동시에 수광토록 하고, 이 포토 다이오드에서 수광된 광을 이용하여 보다 정확한 발광 시점을 감지토록 하고 레이저 다이오드의 출력에 이상 유무를 비교하여 표시부에 표시함을 특징으로 한다.The present invention has been made in order to solve the above problems, in order to detect the exact light emitting point, by installing a photodiode separate from the receiving photodiode on the side of the path of the light emitted from the laser diode to emit light emitted from the laser diode At the same time, it is possible to receive the light, and to detect the light emission time more accurately by using the light received from the photodiode, and to compare the presence or absence of abnormality in the output of the laser diode, characterized in that the display unit.

이하 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명하면 다음과 같다.Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

제 1 도는 본 발명의 전체 구성도로, 전체 시스템을 총괄 제어하는 제어부(10)와; 상기 제어부(10)의 레이저 다이오드 구동신호를 받아서 구동하는 레이저 다이오드 구동 회로부(20)와; 상기 레이저 다이오드 구동 회로부(20)의 구동에 의해 레이저 광을 발광하는 레이저 다이오드(30)와; 상기 레이저 다이오드(30)에서 발사된 광을 직접 수광하여 광전 변환하는 제 1 포토 다이오드(40)와: 상기 제 1 포토 다이오드(40)에 수광되어 광전 변환된 신호를 받아 적절한 증폭을 거쳐 신호 처리하는 수신 신호 처리부(50)와; 상기 수신 신호 처리부(50)의 출력 신호를 받아서 기 설정된 최소 및 최대 한계 전압과 비교하여 레이저 다이오드 저출력 및 고출력 신호를 제어부에 입력 시키는 비교부(60)와; 물체에 맞고 반사된 광을 수광하여 광전 변환하는 제 2 포토 다이오드(70)와; 상기 제 2 포토 다이오드(70)에서 광전 변환된 출력 신호를 받아 증폭을 하고 수신 신호 처리하며, 상기 수신 신호 처리부(50)의 출력 신호인 발광 시점 신호(A)를 받아서 발광 시점부터 물체에 맞고반사되어 수광된 시간까지의 시간을 이용하여 거리로 변환하고 이 거리값을 상기 제어부(10)에 입력시키는 수신 신호 처리 및 거리 측정부(80)와; 그리고 상기 제어부(10)의 제어 신호에 의해 거리값 및 상기 레이저 다이오드(30)의 이상 상태를 표시하는 표시부(90)를 포함하여 구성한다.1 is an overall configuration diagram of the present invention, comprising: a control unit 10 for overall control of the entire system; A laser diode driving circuit unit 20 for receiving and driving a laser diode driving signal of the controller 10; A laser diode (30) which emits laser light by driving the laser diode driving circuit unit (20); A first photodiode 40 for directly receiving and photoelectrically converting light emitted from the laser diode 30; receiving the photoelectrically converted signal received by the first photodiode 40 and performing amplification to perform signal processing A reception signal processing unit 50; A comparator 60 which receives the output signal of the received signal processor 50 and compares the minimum and maximum threshold voltages with each other and inputs a laser diode low and high output signal to the controller; A second photodiode 70 for receiving photoelectric conversion by receiving light reflected from an object; The second photodiode 70 receives the photoelectrically converted output signal, amplifies the received signal, processes the received signal, receives the emission point signal A, which is the output signal of the reception signal processor 50, and hits the object from the emission point. A received signal processing and distance measuring unit 80 for converting the distance into a distance using the time until the received time and inputting the distance value to the controller 10; And a display unit 90 for displaying a distance value and an abnormal state of the laser diode 30 according to a control signal of the controller 10.

또한 제 2 도는 상기 비교부(60)의 상세한 구성도로, 상기 수신 신호 처리부(50)의 출력 신호를 받아 피크 홀드하는 피크 홀드부(61)와, 상기 피크 홀드부(61)의 출력 신호를 받아서 기설정된 최소 한계 전압과 비교하여 최소 한계 전압 보다 작을 경우에는 레이저 다이오드 저출력 신호를 제어부(10)에 입력 시키는 제 1 비교기(62)와, 그리고 상기 피크 홀드부(61)의 출력 신호를 받아서 기설정된 최대 한계 전압과 비교하여 최대 한계 전압 보다 클 경우에는 레이저 다이오드 고출력 신호를 제어부(10)에 입력 시키는 제 2 비교기(63)를 포함하여 구성한다.FIG. 2 is a detailed configuration diagram of the comparator 60. The peak hold part 61 for peak holding by receiving the output signal of the received signal processor 50 and the output signal of the peak hold part 61 are received. When it is smaller than the minimum threshold voltage compared to the preset minimum threshold voltage, the first comparator 62 which inputs the laser diode low output signal to the controller 10 and the output signal of the peak hold part 61 are received. The second comparator 63 for inputting the laser diode high power signal to the control unit 10 is configured to be larger than the maximum limit voltage in comparison with the maximum limit voltage.

제 3 도는 본 발명 제어부의 처리 순서도를 나타내는 것으로, 처음 시작하여 시스템의 초기화를 행한후 레이저 다이오드를 구동시키는 계 1 단계(S1)와; 제 1 단계(S1) 수행후, 비교부의 출력 상태를 검사하여 만일 비교부의 출력 신호가 레이저 다이오드 저출력 신호 또는 레이저 다이오드 고출력 신호로 출력 되면 레이저 다이오드의 이상 상태를 표시하여 주는 제 2 단계(S2)와; 제 2 단계(S2) 수행후, 상기 제 2 단계(S2)의 과정이 연속으로 기 설정된 회수 이상으로 검출되면 시스템 동작 중지 표시를 한후 동작을 중지시키며, 정상 상태인 경우에는 다시 상기 제 1 단계(S1)로 들어 가는 계 3 단계(S3)와; 상기 제 2 단계(S2) 수행후, 비교부의 출력신호가 레이저 다이오드 저출력 또는 고출력 신호가 아니라고 판단되면, 거리값을 취득하고 표시한후 다시 상기 제 1 단계(S1)로 들어 가는 제 4 단계(S4)를 포함하여 순차 동작한다.3 is a flowchart illustrating a process of the controller of the present invention, which includes a first step (S1) of driving the laser diode after initializing the system for the first time; After performing the first step S1, the output state of the comparator is inspected. If the output signal of the comparator is output as the laser diode low output signal or the laser diode high output signal, the second step S2 indicating an abnormal state of the laser diode and ; After performing the second step S2, if the process of the second step S2 is detected more than a predetermined number of consecutive times, the system operation stop indication is displayed and the operation is stopped. System 3 step (S3) entering S1); After performing the second step S2, if it is determined that the output signal of the comparator is not a laser diode low or high output signal, the fourth step S4 of obtaining and displaying a distance value and then entering the first step S1 again. ), And it operates sequentially.

이하 제 1 도 내지 제 3 도를 참조하여 본 발명의 전반적인 동작 설명 및 효과를 설명하기로 한다.Hereinafter, an overall operation description and effects of the present invention will be described with reference to FIGS. 1 to 3.

제어부(10)의 레이저 다이오드 구동 신호가 레이저 다이오드 구동회로부(20)에 인가 되면 이 레이저 다이오드 구동회로부(20)는 고압을 발생하고 발광을 위한 동작을 수행하여 레이저 다이오드(30)를 구동시킨다. 상기 레이저 다이오드(30)에서 물체를 향해 발사된 레이저 광은 레이저 광의 경로 측면에 설치한 제 1 포토 다이오드(40)에 의해 발광과 동시에 직접 수광되고, 이 수광된 광은 수신 신호 처리부(50)에 의해 신호 처리되고 이 신호 처리된 신호는 비교부(60)와 수신신호처리및 거리측정부(80)에 입력된다. 상기 비교부(60)에 인가된 신호는 피크홀드하여 기 설정된 최소 한계전압 및 최대 한계전압과 비교되어 최소 한계전압보다 작은 경우에는 레이저 다이오드 저출력으로 신호가 나오고 최대 한계 전압보다 큰 경우에는 레이저 고출력으로 인식되어 이 비교부(60)의 출력 신호가 제어부(10)로 입력되며, 상기 제어부(10)는 레이저 다이오드(30)의 이상 상태를 표시부(90)에 표시하여 준다. 또한 물체에 맞고 반사되어 돌아온 레이저 광은 제 2 포토 다이오드(70)에 수광되고 광전 변환 및 증폭을 거쳐 수신신호처리및 거리측정부(80)에 인가되며, 상기 수신신호 처리및 거리측정부(80)는 상기 수신 신호 처리부(50)로 부터 입력 받은 발광 시점 신호(A)와 제 2 포토 다이오드(70)로 부터 입력 받은 수광 신호를 이용하여 발광 시점부터 반사 되어 돌아오는데 까지의 시간을 구하고 거리를 측정한다. 측정된 거리는 제어부(10)를 통하여 표시부(90)에 표시된다.When the laser diode driving signal of the controller 10 is applied to the laser diode driving circuit unit 20, the laser diode driving circuit unit 20 generates a high voltage and performs an operation for emitting light to drive the laser diode 30. The laser light emitted toward the object from the laser diode 30 is directly received at the same time as the light is emitted by the first photodiode 40 installed on the path side of the laser light, and the received light is received by the received signal processor 50. The signal processed by the signal is input to the comparator 60 and the received signal processing and distance measuring unit 80. The signal applied to the comparator 60 is peak-held to be compared with the predetermined minimum and maximum threshold voltages, and the signal is output to the laser diode low output when the signal is smaller than the minimum threshold voltage. The output signal of the comparator 60 is recognized and input to the controller 10, and the controller 10 displays the abnormal state of the laser diode 30 on the display unit 90. In addition, the laser light hit by the object and reflected back is received by the second photodiode 70 and applied to the received signal processing and distance measuring unit 80 through photoelectric conversion and amplification, and the received signal processing and distance measuring unit 80. ) Calculates the distance from the time of light emission to the return using the light emission time signal A received from the reception signal processor 50 and the light reception signal received from the second photodiode 70, and calculates a distance. Measure The measured distance is displayed on the display unit 90 through the controller 10.

이상과 같이 본 발명은 레이저 다이오드의 정확한 발광 시점 및 이상 유무를 감지할 수 있으므로, 정확한 거리 측정을 가능토륵 하고 에러를 방지하는 효과가 있다.As described above, the present invention can detect the exact time of light emission and abnormality of the laser diode, thereby enabling accurate distance measurement and preventing an error.

제 1 도는 본 발명의 전체 구성도,1 is an overall configuration diagram of the present invention,

제 2 도는 본 발명 비교부의 상세 구성도,2 is a detailed configuration diagram of the comparison unit of the present invention,

제 3 도는 본 발명 제어부의 처리 순서도이다.3 is a process flowchart of the control unit of the present invention.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *Explanation of symbols on the main parts of the drawings

10 : 제어부 20 : 레이저 다이오드 구동 회로부10: control unit 20: laser diode driving circuit unit

30 : 레이저 다이오드 40 : 제 1 포토 다이오드30: laser diode 40: first photodiode

50 : 수신 신호 처리부 60 : 비교부50: reception signal processing unit 60: comparison unit

70 : 제 2 포토 다이오드70: second photodiode

80 : 수신 신호 처리 및 거리 측정부80: receiving signal processing and distance measuring unit

90 : 표시부90 display unit

Claims (3)

전체 시스템을 총괄 제어하는 제어부(10)와; 상기 제어부(10)의 레이저 다이오드 구동신호를 받아서 구동하는 레이저 다이오드 구동 회로부(20)와; 상기 레이저 다이오드 구동 회로부(20)의 구동에 의해 레이저 광을 발광하는 레이저 다이오드(30)와; 상기 레이저 다이오드(30)에서 발사된 광을 직접 수광하여 광전 변환하는 제 1 포토 다이오드(40)와; 상기 제 1 포토 다이오드(40)에 수광되어 광전 변환된 신호를 받아 적절한 증폭을 거쳐 신호 처리하는 수신 신호 처리부(50)와; 상기 수신 신호 처리부(50)의 출력 신호를 받아서 기 설정된 최소 및 최대 한계 전압과 비교하여 레이저 다이오드 저출력 및 고출력 신호를 제어부에 입력 시키는 비교부(60)와; 물체에 맞고 반사된 광을 수광하여 광전 변환하는 제 2 포토 다이오드(70)와; 상기 제 2 포토 다이오드(70)에서 광전 변환된 출력 신호를 받아 증폭을 하고 수신 신호 처리하며, 상기 수신 신호 처리부(50)의 출력 신호인 발광 시점 신호(A)를 인가 받아서 발광 시점부터 반사되어 수광된 시간까지의 시간을 이용하여 거리로 변환하고 이 거리값을 상기 제어부(10)에 입력시키는 수신 신호 처리 및 거리 측정부(80)와; 그리고 상기 제어부(10)의 제어 신호에 의해 거리값 및 상기 레이저 다이오드의 이상 상태를 표시하는 표시부(90)를 포함하여 구성하는 것을 특징으로 하는 광학식 거리 측정 장치.A controller 10 for overall control of the entire system; A laser diode driving circuit unit 20 for receiving and driving a laser diode driving signal of the controller 10; A laser diode (30) which emits laser light by driving the laser diode driving circuit unit (20); A first photodiode 40 for directly receiving the light emitted from the laser diode 30 and performing photoelectric conversion; A reception signal processor (50) which receives the photoelectrically converted signal received by the first photodiode (40) and performs signal processing through appropriate amplification; A comparator 60 which receives the output signal of the received signal processor 50 and compares the minimum and maximum threshold voltages with each other and inputs a laser diode low and high output signal to the controller; A second photodiode 70 for receiving photoelectric conversion by receiving light reflected from an object; The second photodiode 70 receives the photoelectrically converted output signal, amplifies the received signal, processes the received signal, receives the light emitting point signal A, which is the output signal of the received signal processor 50, is reflected from the light emitting point, and is received. A received signal processing and distance measuring unit 80 for converting the distance into a distance using the time up to a predetermined time and inputting the distance value to the controller 10; And a display unit (90) configured to display a distance value and an abnormal state of the laser diode by a control signal of the control unit (10). 제 1 항에 있어서,The method of claim 1, 상기 비교부(60)는 상기 수신 신호 처리부(50)의 출력 신호를 받아 피크 홀드하는 피크 홀드부(61)와, 상기 피크 홀드부(61)의 출력 신호를 받아서 기설정된 최소 한계 전압과 비교하여 최소 한계 전압 보다 작을 경우에는 례이저 다이오드 저출력 신호를 제어부(10)에 입력 시키는 제 1 비교기(62)와, 그리고 상기 피크 흘드부(61)의 출력 신호를 받아서 기설정된 최대 한계 전압과 비교하여 최대 한계 전압 보다 클경우에는 례이저 다이오드 고출력 신호를 제어부(10)에 입력 시키는 제 2 비교기(63)를 포함하여 구성한 것을 특징으로 하는 광학식 거리 측정 장치.The comparator 60 receives the output signal of the received signal processor 50 and peak-holds 61 for peak-holding, and compares the output signal of the peak-hold unit 61 with a predetermined minimum threshold voltage. If it is less than the minimum threshold voltage, the first comparator 62 for inputting the low diode signal of the example diode to the controller 10 and the output signal of the peak node 61 are received and compared with the preset maximum limit voltage. And a second comparator (63) for inputting the example diode high output signal to the controller (10) when the voltage is higher than the threshold voltage. 처음 시작하여 시스템의 초기화를 행한후 레이저 다이오드를 구동시키는 제 1 단계(S1)와; 제 1 단계(S1) 수행후, 비교부의 출력 상태를 검사하여 만일 비교부의 출력 신호가 레이저 다이오드 저출력 신호 또는 레이저 다이오드 고출력 신호로 출력 되면 레이저 다이오드의 이상 상태를 표시하여 주는 제 2 단계(S2)와; 제 2 단계(S2) 수행후, 상기 제 2 단계(S2)의 과정이 연속으로 기 설정된 회수 이상으로 검출되면 시스템 동작 중지 표시를 한후 동작을 중지시키며, 정상 상태인 경우에는 다시 상기 제 1 단계(S1)로 들어 가는 제 3 단계(S3)와; 상기 제 2 단계(S2) 수행후, 비교부의 출력신호가 레이저 다이오드 저출력 또는 고출력 신호가 아니라고 판단되면, 거리값을 취득하고 표시한후 다시 상기 제 1 단계(S1)로 들어 가는 제 4 단계(S4)를 포함하여 순차 동작함을 특징으로 하는 광학식 거리 측정 방법.A first step (S1) of driving the laser diode after initializing and initializing the system; After performing the first step S1, the output state of the comparator is inspected. If the output signal of the comparator is output as the laser diode low output signal or the laser diode high output signal, the second step S2 indicating an abnormal state of the laser diode and ; After performing the second step S2, if the process of the second step S2 is detected more than a predetermined number of consecutive times, the system operation stop indication is displayed and the operation is stopped. A third step S3 entering into S1); After performing the second step S2, if it is determined that the output signal of the comparator is not a laser diode low or high output signal, the fourth step S4 of obtaining and displaying a distance value and then entering the first step S1 again. Optical distance measuring method characterized in that it comprises a sequential operation.
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