KR101927130B1 - 광 검출기 손상방지를 위한 보호회로 - Google Patents

Abstract

본 발명은 광 검출기의 손상을 방지할 수 있는 보호회로에 관한 것이다. 본 발명에 따른 광 검출기 손상방지를 위한 보호회로는, 광 검출기에 인가될 바이어스 전압을 생성하는 바이어스 회로; 및 검출하고자 하는 빛이 발사된 시점으로부터 시간의 변화에 따라, 상기 바이어스 전압을 가변시키기 위한 신호를 발생시키는 신호 발생부;를 포함한다.

Description

광 검출기 손상방지를 위한 보호회로{THE PROTECTION CIRCUIT TO PHOTODETECTOR FROM DAMAGE}

본 발명은 광 검출기의 손상을 방지할 수 있는 보호회로에 관한 것이다.

물체 또는 지형의 3차원 정보를 획득하는 LIDAR(LIght Detection And Ranging), 또는 현재 위치와 특정 지점간의 거리를 측정하는데 사용되는 LRF(Laser Range Finder)는, 거리를 측정하기 위하여 일반적으로 물체 또는 특정 공간에 발사한 레이저가 반사되어 되돌아오기까지 소요되는 시간을(TOF: Time Of Flight) 측정하는 방식을 사용하고 있다.

물체에 의하여 반사되는 레이저 신호의 세기는, 물체의 반사도 및 거리에 의하여 세기가 수십 Watt에서 수 nano Watt에 이르기까지 Dynamic range가 매우 넓다. 이러한 반사 신호를 검출하는데 사용되는 APD(Avalanche Photo Diode) 검출기는 빛이 입사되면 내부에 1차적으로 광전류가 생성된다.

이러한 1차 광전류는 검출기에 인가된 고전압 바이어스에 의해 내부에 형성된 강력한 전계에 의하여 가속된 후 검출기 격자와 충돌을 일으켜 2차 전류를 발생시키게 된다.

즉, 고전압 바이어스에 의해 전류가 증폭되고 결과적으로 APD 검출기는 일반 광검출기에 비하여 10배 이상의 고감도를 갖는다. 그러나 이러한 동작 메커니즘은 강한 빛이 입력되는 경우(수백 mW 수준), 생성되는 전류를 이에 비례하여 증가시켜 결과적으로 검출기 및 뒷단에 연결된 초단증폭기 입력회로를 손상시키게 된다.

본 발명은 전술한 문제 및 다른 문제를 해결하는 것을 목적으로 한다. 또 다른 목적은, APD에서 생성되는 전류의 양에 큰 영향을 미치는 바이어스 전압을 시간에 따라 가변시킴으로서, 레이저 발사 후 초기에 입력되는 강한 반사광에 의한 과전류 생성을 억제하여 검출기 및 관련회로를 보호할 수 있도록 하는 광 검출기 손상방지를 위한 보호회로를 제공하는 것을 그 목적으로 한다.

상기 또는 다른 목적을 달성하기 위해 본 발명의 일 측면에 따르면, 광 검출기에 인가될 바이어스 전압을 생성하는 바이어스 회로 및 검출하고자 하는 빛이 발사된 시점으로부터 시간의 변화에 따라, 상기 바이어스 전압을 가변시키기 위한 신호를 발생시키는 신호 발생부를 포함하는 광 검출기 손상방지를 위한 보호회로를 제공한다.

실시 예에 있어서, 상기 신호 발생부는, 제1 시간구간(T1) 동안, 바이어스 전압을 상기 빛이 발사된 시점에서의 최소치에서 최대치까지, 소정 기울기로 증가시키기 위한 신호를 발생시킬 수 있다.

또 다른 실시 예에 있어서, 상기 신호 발생부는, 상기 제1 시간구간(T1)에 이어지는 제2 시간구간(T2) 동안, 바이어스 전압을 상기 최대치로 유지시키기 위한 신호를 발생시킬 수 있다.

또 다른 실시 예에 있어서, 상기 신호 발생부는, 상기 제2 시간구간(T2)에 이어지는 제3 시간구간(T3) 동안, 바이어스 전압을 상기 최대치에서 상기 최소치까지, 소정 기울기로 감소시키기 위한 신호를 발생시킬 수 있다.

또 다른 실시 예에 있어서, 상기 신호 발생부는, 표적으로부터의 거리를 고려하여 상기 제1 시간구간(T1)을 산출할 수 있다.

또 다른 실시 예에 있어서, 상기 신호 발생부는, 상기 광 검출기의 손상 임계값을 고려하여 상기 제2 시간구간(T2)을 산출할 수 있다.

또 다른 실시 예에 있어서, 상기 신호 발생부는, 측정하고자 하는 최대 거리를 왕복하는데 소요되는 시간을 고려하여 상기 제3 시간구간(T3)을 산출할 수 있다.

본 발명에 따른 광 검출기 손상방지를 위한 보호회로의 효과에 대해 설명하면 다음과 같다.

본 발명의 실시 예들 중 적어도 하나에 의하면, LIDAR나 LRF에 사용되는 APD 검출기는 다른 재질이나 Si 재질의 검출기에 비하여 매우 고가이며 고장 시 이를 교체하기 위해서는 고도의 정밀 작업이 필요하다.

본 발명 적용 시, 고가의 부품 교체 및 정렬과 같은 수리를 위한 비용 절감 효과가 발생하게 된다. 또한, 높은 신뢰성이 요구되는 군용장비의 경우, 작전운용 시간 증대와 같은 효과가 발생할 수 있다는 장점이 있다.

본 발명의 적용 가능성의 추가적인 범위는 이하의 상세한 설명으로부터 명백해질 것이다. 그러나 본 발명의 사상 및 범위 내에서 다양한 변경 및 수정은 당업자에게 명확하게 이해될 수 있으므로, 상세한 설명 및 본 발명의 바람직한 실시 예와 같은 특정 실시 예는 단지 예시로 주어진 것으로 이해되어야 한다.

도 1은 기존의 APD 검출기 바이어스 회로의 실시 예를 설명하기 위한 개념도이다.
도 2는 본 발명에 따른 광 검출기 손상방지를 위한 보호회로의 실시 예를 설명하기 위한 개념도이다.
도 3은 Ramp 신호 Timing Diagram의 실시 예를 설명하기 위한 그래프이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 명세서에 개시된 실시 예를 상세히 설명하되, 도면 부호에 관계없이 동일하거나 유사한 구성요소에는 동일한 참조 번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 이하의 설명에서 사용되는 구성요소에 대한 접미사 "모듈" 및 "부"는 명세서 작성의 용이함만이 고려되어 부여되거나 혼용되는 것으로서, 그 자체로 서로 구별되는 의미 또는 역할을 갖는 것은 아니다. 또한, 본 명세서에 개시된 실시 예를 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 명세서에 개시된 실시 예의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다. 또한, 첨부된 도면은 본 명세서에 개시된 실시 예를 쉽게 이해할 수 있도록 하기 위한 것일 뿐, 첨부된 도면에 의해 본 명세서에 개시된 기술적 사상이 제한되지 않으며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

제1, 제2 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되지는 않는다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.

어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.

단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.

본 출원에서, "포함한다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 더욱 상세하게 기술할 것이다. 이하의 설명에서 본 발명의 모든 실시형태가 개시되는 것은 아니다. 본 발명은 매우 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 여기에 개시되는 실시형태에 한정되는 것으로 해석되어서는 안 된다. 본 실시형태들은 출원을 위한 법적 요건들을 충족시키기 위해 제공되는 것이다. 동일한 구성요소에는 전체적으로 동일한 참조부호가 사용된다.

본 발명은 전술한 문제 및 다른 문제를 해결하는 것을 목적으로 한다. 또 다른 목적은, APD에서 생성되는 전류의 양에 큰 영향을 미치는 바이어스 전압을 시간에 따라 가변시킴으로서, 레이저 발사 후 초기에 입력되는 강한 반사광에 의한 과전류 생성을 억제하여 검출기 및 관련회로를 보호할 수 있도록 하는 광 검출기 손상방지를 위한 보호회로를 제공하는 것을 그 목적으로 한다.

도 1은 기존의 APD 검출기 바이어스 회로의 실시 예를 설명하기 위한 개념도이다.

도 1을 참조하면, 기존의 APD 검출기 바이어스 회로에서는 고정된 전압을 인가하게 된다. 이때, 검출기에 인가되는 바이어스의 전압은 수동적으로 조절가능하다.

도 2는 본 발명에 따른 광 검출기 손상방지를 위한 보호회로의 실시 예를 설명하기 위한 개념도이다.

도 2를 참조하면, 기존의 방식처럼 고정된 전압을 인가하지 않고, 임의로 생성된 신호를 APD Bias Controller 회로(이하, 바이어스 회로)의 입력으로 하여 실제적으로 APD 검출기에 인가될 바이어스 전압을 생성할 수 있다.

이때, 상기 바이어스 회로는 구입이 가능한 제품을 활용할 수도 있고, 필요시 단일 소자를 이용하여 해당회로를 설계/제작할 수도 있다.

본 발명에 따른 광 검출기 손상방지를 위한 보호회로는, 광 검출기에 인가될 바이어스 전압을 생성하는 바이어스 회로 및 검출하고자 하는 빛이 발사된 시점으로부터 시간의 변화에 따라, 상기 바이어스 전압을 가변시키기 위한 신호를 발생시키는 신호 발생부를 포함할 수 있다.

실시 예에 있어서, 상기 신호 발생부는, 제1 시간구간(T1) 동안, 바이어스 전압을 상기 빛이 발사된 시점에서의 최소치에서 최대치까지, 소정 기울기로 증가시키기 위한 신호를 발생시킬 수 있다.

또 다른 실시 예에 있어서, 상기 신호 발생부는, 상기 제1 시간구간(T1)에 이어지는 제2 시간구간(T2) 동안, 바이어스 전압을 상기 최대치로 유지시키기 위한 신호를 발생시킬 수 있다.

또 다른 실시 예에 있어서, 상기 신호 발생부는, 상기 제2 시간구간(T2)에 이어지는 제3 시간구간(T3) 동안, 바이어스 전압을 상기 최대치에서 상기 최소치까지, 소정 기울기로 감소시키기 위한 신호를 발생시킬 수 있다.

또 다른 실시 예에 있어서, 상기 신호 발생부는, 표적으로부터의 거리를 고려하여 상기 제1 시간구간(T1)을 산출할 수 있다.

또 다른 실시 예에 있어서, 상기 신호 발생부는, 상기 광 검출기의 손상 임계값을 고려하여 상기 제2 시간구간(T2)을 산출할 수 있다.

또 다른 실시 예에 있어서, 상기 신호 발생부는, 측정하고자 하는 최대 거리를 왕복하는데 소요되는 시간을 고려하여 상기 제3 시간구간(T3)을 산출할 수 있다.

도 3은 Ramp 신호 Timing Diagram의 실시 예를 설명하기 위한 그래프이다.

도 3에서의 신호는, APD 검출기에 인가되는 바이어스 전압을 가변시키기 위한 임의신호로 정의될 수 있다.

도 3을 참조하면, 광이 발사되는 시점(T1)에서 최저였다가 점차 증가하도록 구성된다(T1~T2 구간).

일반적으로 LRF나 LIDAR에서 검출기에 입력되는 레이저 반사 신호의 세기(Ir)는 거리의 제곱에 반비례하며, 다음의 수학식 1과 같이 정의될 수 있다.

여기서, Io는 LRF 또는 LIDAR에서 발사되는 레이저의 초기 세기, γ는 LIDAR 또는 LRF의 설계에 따라 결정되는 Parameter 이며, r은 표적까지의 거리를 의미한다.

상기 수학식 1에서 보는 것처럼, 근거리에서 반사되어 검출기로 입사되는 경우 상대적으로 강한 빛이 돌아오게 된다. 본 발명에서는 이때 검출기에 인가되는 바이어스 전압을 낮게 함으로서, 검출기에서 과다 전류 생성을 억제하게 되고, 결과적으로 검출기 및 뒷단에 연결된 초단증폭기 입력회로를 보호하게 된다.

바이어스 전압이 최대가 되는 시점(T2)은 APD 검출기의 Damage threshold 값이 가장 중요한 고려 요소이다. 이 시점에 돌아오는 빛의 세기는 충분히 작기 때문에, APD 검출기의 최대 바이어스 전압에서도 검출기 및 뒷단에 연결된 초단증폭기 입력회로가 안전하게 보호될 수 있다.

이 시점은 다음의 수학식 2를 만족시키는 거리를 왕복하는데 소요되는 시간에 의해 결정될 수 있다.

여기서, Id는 APD 검출기의 Damage threshold 값이다.

T3은 LIDAR나 LRF가 측정하고자 하는 최대 거리를 왕복하는데 소요되는 시간에 의하여 결정되고, 그 이후 다시 바이어스 전압 초기 상태로 돌아가게 된다.

본 발명에 따른 광 검출기 손상방지를 위한 보호회로의 효과에 대해 설명하면 다음과 같다.

본 발명의 실시 예들 중 적어도 하나에 의하면, LIDAR나 LRF에 사용되는 APD 검출기는 다른 재질이나 Si 재질의 검출기에 비하여 매우 고가이며 고장 시 이를 교체하기 위해서는 고도의 정밀 작업이 필요하다.

본 발명 적용 시, 고가의 부품 교체 및 정렬과 같은 수리를 위한 비용 절감 효과가 발생하게 된다. 또한, 고신뢰성이 요구되는 군용장비의 경우, 작전운용 시간 증대와 같은 효과가 발생할 수 있다는 장점이 있다.

상기의 상세한 설명은 모든 면에서 제한적으로 해석되어서는 아니되고 예시적인 것으로 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 첨부된 청구항의 합리적 해석에 의해 결정되어야 하고, 본 발명의 등가적 범위 내에서의 모든 변경은 본 발명의 범위에 포함된다.

Claims (7)

1. 광 검출기에 인가될 바이어스 전압을 생성하는 바이어스 회로; 및
   검출하고자 하는 빛이 발사된 시점으로부터 시간의 변화에 따라, 상기 바이어스 전압을 가변시키기 위한 신호를 발생시키는 신호 발생부;를 포함하는 것을 특징으로 하며,
   상기 신호 발생부는,
   제1 시간구간(T1) 동안, 바이어스 전압을 상기 빛이 발사된 시점에서의 최소치에서 최대치까지, 소정 기울기로 증가시키기 위한 신호를 발생시키며,
   표적으로부터의 거리를 고려하여 상기 제1 시간구간(T1)을 산출하는 것을 특징으로 하는 광 검출기 손상방지를 위한 보호회로.
2. 삭제
3. 제1항에 있어서,
   상기 신호 발생부는,
   상기 제1 시간구간(T1)에 이어지는 제2 시간구간(T2) 동안, 바이어스 전압을 상기 최대치로 유지시키기 위한 신호를 발생시키는 것을 특징으로 하는 광 검출기 손상 방지를 위한 보호회로.
4. 제3항에 있어서,
   상기 신호 발생부는,
   상기 제2 시간구간(T2)에 이어지는 제3 시간구간(T3) 동안, 바이어스 전압을 상기 최대치에서 상기 최소치까지, 소정 기울기로 감소시키기 위한 신호를 발생시키는 것을 특징으로 하는 광 검출기 손상방지를 위한 보호회로.
5. 삭제
6. 제3항에 있어서,
   상기 신호 발생부는,
   상기 광 검출기의 손상 임계값을 고려하여 상기 제2 시간구간(T2)을 산출하는 것을 특징으로 하는 광 검출기 손상방지를 위한 보호회로.
7. 제4항에 있어서,
   상기 신호 발생부는,
   측정하고자 하는 최대 거리를 왕복하는데 소요되는 시간을 고려하여 상기 제3 시간구간(T3)을 산출하는 것을 특징으로 하는 광 검출기 손상방지를 위한 보호회로.

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