KR102061040B1 - 레이저 거리 측정 및 스캐너 장치 - Google Patents

레이저 거리 측정 및 스캐너 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 레이저 비가시형 파장을 사용하는 거리 즉정기(Laser Range Finder)와 2차원 또는 3차원의 레이저 스캐너(Laser Scanner)에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 레이저 발진기로부터 생성된 다수의 레이저 출력 펄스 신호를 단일 모드의 광섬유와 광 방향성 결합기를 사용하여 하나의 광섬유 내에 혼합하여 동일한 광학계통을 통해 레이저빔을 투사함으로써, 레이저 빔이 동일 목표지점에 도달하는 것이 가능하므로, 장치의 설계가 간단하면서도 측정 오차나 작동 오류를 근본적으로 방지할 수 있는 레이저 거리 측정 및 스캐너 장치에 관한 것이다.

Description

레이저 거리 측정 및 스캐너 장치{Invisible LiDAR or Laser Scanning Apparatus}
본 발명은 레이저 비가시형 파장을 사용하는 거리 즉정기(Laser Range Finder)와 2차원 또는 3차원의 레이저 스캐너(Laser Scanner)에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 레이저 발진기로부터 생성된 다수의 레이저 출력 펄스 신호를 단일 모드의 광섬유와 광 방향성 결합기를 사용하여 하나의 광섬유 내에 혼합하여 동일한 광학계통을 통해 레이저빔을 투사함으로써, 레이저 빔이 동일 목표지점에 도달하는 것이 가능하므로, 장치의 설계가 간단하면서도 측정 오차나 작동 오류를 근본적으로 방지할 수 있는 레이저 거리 측정 및 스캐너 장치에 관한 것이다.
일반적으로 레이저 거리측정기 및 레이저 스캐너는 레이저 다이오드에서 발생시킨 송출 신호인 레이저 빔(beam)을 목표물(target)에 투사하여 거기에서 반사되어 온 레이저 빔이 도착하는 시간을 측정하여 레이저 거리 측정기와 목표물 사이의 거리를 계산해 내는 장치이다.
상기 레이저 스캐너는 레이저 거리측정기를 1차원 또는 2차원으로 기계적으로 스캔을 행하여 수많은 목표지점으로부터의 레이저 반사파 빔의 도착 시간을 알아내고 각 목표지점들의 거리를 계산하여 이를 각 레이저 반사 화소점(point cloud)의 데이터로 저장하거나 이를 디스플레이 화면상에 표현함으로써, 스캔을 행한 방향각과 함께 거리정보를 조합하여 각기 2차원 또는 3차원의 이미지 정보를 얻게 된다.
이러한 레이저 거리측정기와 레이저 스캐너는 400nm~700nm 파장의 가시광 스펙트럼 내의 가시광선 레이저를 사용하는 저급품의 일부 가시형(visible)을 제외하고는 거의 모두 비가시형(invisible)으로 보통은 800nm 이상인 가시광선 대역보다 긴 파장의(낮은 주파수의) 적외선(infrared) 대역의 레이지 빔을 사용한다. 그 이유는 인간의 눈에 직접 예민하게 반응하는 가시광 대역을 사용하는 경우의 위해성 문제와 이로 인한 출력의 제한으로 인한 도달거리 한계 문제 및 군사용 등 및 감시 및 보안을 위한 산업용의 경우에 레이저 사용 사실이 노출되지 않고 은밀하거나 비밀리에 수행하기 위한 목적 때문이다.
한편, 이러한 비가시형 레이저 장치들은 당연히 인간의 눈에 레이저 빔이 보이지 않기 때문에 장치를 사용할 때에 실제로 레이저가 도달하여 반사되는 목표물이 어느 지점인지를 정확히 확인하거나 인식할 수 없다.
따라서, 레이저가 도달하는 목표지점을 장치 사용자에게 알려주기 위해서 거리 측정용 레이저 광선 방생용 레이저 다이오드와는 별도로 레이저 빔의 도달 지점을 표시해 주는 표적물 포인터(target pointer)로서 보통 610~660nm 파장 범위의 빨간색 가시광 레이저 다이오드를 따로 설치하고 이 레이저가 비치는 지점을 목표지점으로 인식하게 한다.
그러나 일반적으로 두 레이저 다이오드는 근본적으로 그 설치위치가 다르고 렌즈 등 광학계의 부품이 상이하기 때문에 정확히 두 빔의 위치를 일치시키는 것은 설계상 어렵고, 제작과정에서 정밀한 조정(alignment)이 필요하고 사실상 실제 측정용 레이저빔의 도달위치와 표적 포인터의 도달지점의 위치 사이에는 오차가 발생하게 된다.
따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 감안하여 안출한 것으로, 본 발명의 목적은 레이저 발진기로부터 생성된 다수의 레이저 출력 펄스 신호를 단일 모드의 광섬유와 광 방향성 결합기를 사용하여 하나의 광섬유 내에 혼합하여 동일한 광학계통을 통해 레이저빔을 투사함으로써, 레이저 빔이 동일 목표지점에 도달하는 것이 가능하므로, 장치의 설계가 간단하면서도 측정 오차나 작동 오류를 근본적으로 방지할 수 있는 레이저 거리 측정 및 스캐너 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은, 레이저 거리 측정 및 스캐너 장치에서의 측정용 레이저 투사지점과 이를 확인하고 인식해주는 표적 포인터의 위치를 정확히 일치시켜 줄 수 있으므로, 레이저 거리 측정 및 스캐너 장치의 설계를 간단하게 할 수 있으며, 장치를 사용하는 경우 발생하는 측정오차나 작동오류를 근본적으로 방지할 수 있고, 부수적으로 설계의 간략화와 제조공정상의 생산성을 높이고 제품의 정확성과 정밀성을 제고할 수 있는 레이저 거리 측정 및 스캐너 장치를 제공하는 것이다.
상기 목적들을 달성하기 위한 본 발명에 의한 레이저 거리 측정 및 스캐너 장치는, 다수의 레이저 출력 펄스를 통해 외부 물체와의 거리를 측정하고 이미지 정보를 획득하기 위한 레이저 거리 측정 및 스캐너 장치로서, 다수의 레이저 출력 펄스 신호를 생성하는 레이저 발진기; 상기 레이저 발진기로부터 생성된 다수의 레이저 출력 펄스 신호를 제 1 및 제 2 광섬유 사이에서 혼합하는 광 방향성 결합기;상기 광 방향성 결합기를 통해 혼합된 송신 신호를 외부의 물체를 향해 방사하는 송신단; 상기 물체에서 반사되는 반사 신호를 수신하는 수신단; 상기 수신단으로 수신된 반사 신호를 제 3 광섬유를 통해 검출하는 광 검출기; 및 상기 광 검출기로부터 검출된 반사 신호로부터 데이터를 처리하는 데이터 처리부를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 목적들을 달성하기 위한 본 발명의 다른 실시예에 의한 레이저 거리 측정 및 스캐너 장치는, 다수의 레이저 출력 펄스를 통해 외부 물체와의 거리를 측정하고 이미지 정보를 획득하기 위한 레이저 거리 측정 및 스캐너 장치로서, 비가시형 레이저 출력 펄스 신호를 생성하는 제 1 레이저 발진기; 가시형 레이저 출력 펄스 신호를 생성하는 제 2 레이저 발진기; 상기 제 1 및 제 2 레이저 발진기로부터 생성된 비가시형 레이저 출력 펄스 신호 및 가시형 레이저 출력 신호를 제 4 및 제 5 광섬유와 제 6 광섬유 사이에서 혼합하는 광 방향성 결합기; 상기 광 방향성 결합기를 통해 혼합된 송신 신호를 외부의 물체를 향해 방사하는 송신단; 상기 물체에서 반사되는 반사 신호를 수신하는 수신단; 상기 수신단으로 수신된 반사 신호를 검출하는 광 검출기; 및 상기 광 검출기로부터 검출된 반사 신호로부터 데이터를 처리하는 데이터 처리부를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 다수의 레이저 출력 펄스는 측정 거리용 레이저 출력 펄스 및 표적물 포인터용 출력 펄스인 것이 바람직하다.
또한, 상기 레이저 발진기 또는 제 1 레이저 발진기는 그 전단에 제어 논리회로가 연결되어 트리거(trigger) 펄스신호를 생성하며, 상기 레이저 발진기 또는 제 1 레이저 발진기는 상기 트리거 펄스 신호로부터 일정 주기로 반복되는 구형파를 발생함이 바람직하다.
또한, 상기 레이저 발진기의 후단에는 변조기 및 DFB 레이저가 형성되어 레이저 다이오드(LD: Laser Diode)에 변조를 행하여 전기신호에서 다수의 광 출력 펄스 신호를 생성함이 바람직하다.
또한, 상기 제 1 레이저 발진기의 후단에는 변조기 및 비가시형 레이저 다이오드가 형성되어 레이저 다이오드(LD: Laser Diode)에 변조를 행하여 전기신호에서 비가시형 광 출력 펄스 신호를 생성함이 바람직하다.
또한, 상기 제 2 레이저 발진기의 전단에는 표적확인용 레이저 스위치(target pointer laser switch)가 설치되어 상기 제 2 레이저 발진기의 온오프 동작이 조절됨이 바람직하다.
또한, 상기 제 2 레이저 발진기의 후단에는 가시형 레이저 다이오드가 설치되어 가시형 레이저 다이오드(LD: Laser Diode)를 통해 상기 제 2 레이저 발진기로부터 출력된 바이어스 전류가 순방향으로 출력됨이 바람직하다.
또한, 상기 광 방향성 결합기는 입력 포트, 입력 및 출력 포트, 및 출력 포트를 포함하여 이루어지며, 상기 제 1 광섬유를 통해 상기 입력 포트로 입력되는 다수의 광 출력 펄스 신호는 상기 광 방향성 결합기에서 다중 파장의 광출력 펄스 신호로 혼합되어 상기 입력 및 출력 포트를 통해 혼합된 송신 신호를 발생하여 상기 송신단으로 전송하며, 상기 수신단으로 수신된 반사 신호는 상기 출력 포트를 통해 상기 제 3 광섬유를 경유하여 상기 광 검출기로 전달됨이 바람직하다.
또한, 상기 광 방향성 결합기는 2개의 제 1 입력 포트 및 제 2 입력 포트와 하나의 출력 포트를 포함하여 이루어지며, 상기 제 4 광섬유를 통해 상기 제 1 입력 포트로 입력되는 비가시형 출력 펄스 신호와 상기 제 5 광섬유를 통해 제 2 입력 포트로 입력되는 가시형 출력 펄스 신호를 상기 광 방향성 결합기에서 혼합되어 상기 하나의 출력 포트를 통해 혼합된 송신 신호를 상기 제 6 광섬유를 통해 상기 송신단으로 전송함이 바람직하다.
또한, 상기 제 1 내지 제 3 광섬유와 상기 제 4 내지 제 6 광섬유는 단일 보드 형태로 제작됨이 바람직하다.
또한, 상기 송신단 및 상기 수신단은 송수신 전용 광학계로서 단일의 송수신단을 이루는 것이 바람직하다.
또한, 상기 광 검출기는 APD, PIN, PD을 사용하여 광 다이오드에 전류가 흐르게 되어 광 신호가 전류 신호로 변경되어 검출됨이 바람직하다.
또한, 상기 데이터 처리부는 상기 광 검출기로부터 검출된 반사 신호인 전류 신호로부터 데이터를 처리하여 외부 물체와의 거리를 측정하고 이미지 정보를 획득함이 바람직하다.
또한, 상기 데이터 처리부는 검출된 반사 신호인 전류 신호를 토대로 펄스형성(pulse shaping), 문턱 레벨 설정(threshold) 및 변별(discrimination)의 펄스 신호처리 과정을 거쳐 데이터를 처리함이 바람직하다.
또한, 상기 데이터 처리부의 전단에는 증폭기가 설치되어 전기 신호를 필요한 진폭 레벨로 증폭하고, 상기 데이터 처리부는 상기 펄스 신호처리 과정을 거친 다음 펄스의 진폭성분을 처리하는 인텐시티 처리부와 송수신 펄스 사이의 간격 성분을 처리하는 TDC(time-to-digital conversion)를 더 포함함이 바람직하다.
또한, 상기 데이터 처리부를 통해 처리된 외부 물체와의 거리를 측정하고 이미지 정보를 메모리에 저장하고 그 결과를 디스플레이부를 통해 출력함이 바람직하다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 거리 측정 및 스캐너 장치에 따르면, 레이저 발진기로부터 생성된 다수의 레이저 출력 펄스 신호를 단일 모드의 광섬유와 광 방향성 결합기를 사용하여 하나의 광섬유 내에 혼합하여 동일한 광학계통을 통해 레이저빔을 투사함으로써, 레이저 빔이 동일 목표지점에 도달하는 것이 가능한 효과가 있다.
또한, 레이저 거리 측정 및 스캐너 장치에서의 측정용 레이저 투사지점과 이를 확인하고 인식하게 해 주는 표적 포인터의 위치를 정확히 일치시켜 줄 수 있으므로, 레이저 거리 측정 및 스캐너 장치의 설계를 간단하게 할 수 있으며, 장치를 사용하는 경우 발생하는 측정오차나 작동오류를 근본적으로 방지할 수 있고, 부수적으로 설계의 간략화와 제조공정상의 생산성(생산 시간 단축 및 비용 절감)을 높이고 제품의 정확성과 정밀성을 제고할 수 있는 장점도 있다.
또한, 레이저 거리 측정 및 스캐너 장치를 설계할 때에 레이저 다이오드의 위치를 임의로 자유롭게 배치할 수 있고, 설계가 용이한 장점이 있을 뿐만 아니라, 두 레이저 빔의 투사경로가 동일해 지고 목표물도 정확하게 일치되어 레이저를 이용한 측정이 정확하고 정밀해지는 장점도 있다.
또한, 하나의 광 방향성 결합기와 동일한 종류의 광학 송수신 전용 광학계인 송수신단을 사용해서 두 개 이상의 파장을 가진 다중 파장의 레이저 광 출력 펄스를 송출하기 때문에 모든 파장의 레이저 빔들이 정확히 동일한 목표지점이 투사될 수 있어 종래와 같은 정밀한 설계와 제품조정의 필요 없이 간단한 제품 설계가 가능하고, 여러 개의 레이저 파장을 다중화하여 동시에 송출할 수 있어 현대의 광통신에서 사용되는 DWDM(Dense Wavelength Division Multiplex), CWDM(Coarse Wavelength Division Multiplex) 등의 여러 응용에 유용하게 적용할 수 있는 장점도 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 거리 측정 및 스캐너 장치의 개략 블록도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 거리 측정 및 스캐너 장치의 개략 회로 구성도이다.
도 3은 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 레이저 거리 측정 및 스캐너 장치의 개략 블록도이다.
도 4는 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 레이저 거리 측정 및 스캐너 장치의 개략 회로 구성도이다.
본 발명은 그 기술적 사상 또는 주요한 특징으로부터 벗어남이 없이 다른 여러가지 형태로 실시될 수 있다. 따라서, 본 발명의 실시예들은 모든 점에서 단순한 예시에 지나지 않으며 한정적으로 해석되어서는 안된다.
제 1, 제 2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다.
상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제 1 구성요소는 제 2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제 2 구성요소도 제 1 구성요소로 명명될 수 있다.
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.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.
본 출원에서, "포함하다" 또는 "구비하다", "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, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 상세히 설명하기 위하여, 본 발명의 가장 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조로 하여 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 거리 측정 및 스캐너 장치의 개략 블록도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 거리 측정 및 스캐너 장치의 개략 회로 구성도이다.
도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 거리 측정 및 스캐너 장치(100)는 다수의 레이저 출력 펄스를 통해 외부 물체와의 거리를 측정하고 이미지 정보를 획득하기 위한 레이저 거리 측정 및 스캐너 장치로서, 크게 레이저 발진기(10), 광 방향성 결합기(20), 송신단(송신 전용 광학계)(30), 수신단(수신 전용 광학계)(40), 광 검출기(50), 및 데이터 처리부(60)를 포함하여 이루어진다.
상기 레이저 발진기(10)는 다수의 레이저 출력 펄스 신호를 생성한다. 여기서, 상기 다수의 레이저 출력 펄스는 측정 거리용 레이저 출력 펄스 및 표적물 포인터용 출력 펄스 등일 수 있다.
상기 레이저 발진기(10)의 전단에는 제어 논리회로(11)가 형성되어 트리거(trigger) 펄스신호를 생성하며, 상기 레이저 발진기(10)는 생성된 트리거 펄스 신호로부터 일정 주기로 반복되는 폭이 매우 좁은 구형파를 발생하게 된다.
상기 제어 논리회로(11)의 트리거 펄스 신호는 데이터 처리부(60) 및 제어부(70)로 제공될 수 있다.
상기 레이저 발진기(10)의 후단에는 변조기(12) 및 DFB 또는 YAG 반도체 레이저(13) 등이 형성되어 레이저 다이오드(LD: Laser Diode)에 변조를 행하여 전기신호에서 다수의 광 출력 펄스 신호를 생성하게 된다.
상기 광 방향성 결합기(20)는 상기 레이저 발진기로부터 생성된 다수의 레이저 출력 펄스 신호를 즉, 변조기(12) 및 DFB 또는 YAG 반도체 레이저(13) 등을 통해 변조된 다수의 광 출력 펄스 신호를 3개의 제 1 내지 제 3 광섬유(21, 22, 23)를 개재하여 혼합하는 역할을 수행한다.
즉, 제 1 광섬유(21)를 통해 입력 포트(B)로 입력되는 다수의 광 출력 펄스 신호는 광 방향성 결합기(20)에서 다중 파장의 광 출력 펄스 신호로 혼합되어 입력 및 출력 포트(A)를 통해 혼합된 송신 신호를 발생하게 된다.
여기서, 상기 제 1 내지 제 3 광섬유(21, 22, 23)는 단일 보드 형태로 제작됨이 바람직하다.
또한, 상기 광 방향성 결합기(20)의 출력 포트(C)는 반사 신호가 출력되도록 되어 있다.
즉, 광 방향성 결합기(20)는 입력 포트(B)의 광 출력은 거의 모두가 출력 포트(A)로만 진행하고, 출력 포트(C)로는 거의 결합되지 않아 아주 높은 결합손실을 갖는 송신 포트이고, 수신단(40)에서 입력 및 출력 포트(A)로 들어오는 수신 신호는 입력 포트(B)로는 거의 결합되지 않고 출력 포트(C)로만 결합되는 구조로 되어 이른바 duplexer 또는 diplexer로 작동되어 단일의 송수신단(30, 40)을 이용할 수 있는 장점이 있다.
상기 송신단(30)은 상기 광 방향성 결합기(20)를 통해 혼합된 송신 신호를 외부의 물체를 향해 방사하는 역할을 수행한다.
즉, 상기 광 방향성 결합기(20)를 통해 혼합된 송신 신호는 입력 및 출력 포트(A)를 통해 상기 제 2 광섬유(22)를 경유하여 입력되어 외부의 물체를 향해 방사하게 되는 것이다.
상기 송신단(30)은 렌즈, 집속기(collimator), 및 필터 등으로 이루어진 송신 전용 광학계로 이루어짐이 바람직하다. 이러한 송신단의 구성은 널리 알려진 기술이므로 더 이상의 부연 설명은 생략하기로 한다.
상기 수신단(40)은 상기 물체에서 반사되는 반사 신호를 수신하는 역할을 수행한다.
여기서, 상기 송신단(30) 및 수신단(40)은 동일의 렌즈, 집속기, 필터 등으로 이루어진 송수신 전용 광학계를 사용하여 상술한 바와 같이, 단일의 송수신단을 이루어지는 것이 바람직하다.
즉, 단일의 송수신단(30, 40)의 후단에는 제 2 광섬유(22) 및 입력 및 출력 포트(A)를 통해 상기 광 방향성 결합기(20)가 연결되어 단일의 송수신단(30, 40)을 거친 반사 신호는 광 방향성 결합기(20)의 출력 포트(C)로 출력되는 구조로 되어 있다.
상기 광 검출기(50)는 상기 송수신단(30, 40)을 거친 반사 신호를 검출하는 역할을 수행한다.
즉, 상기 광 검출기(50)는 상기 송수신단(30, 40)과 제 2 광섬유(22)를 거쳐 광 방향성 결합기(20)의 입력 및 출력 포트(A)와 출력 포트(C)를 거쳐 출력되는 반사 신호를 제 3 광섬유(23)를 거쳐 검출하는 역할을 수행한다.
상기 광 검출기(50)는 APD, PIN, PD 등을 사용하여 광 다이오드에 전류가 흐르게 되어 광 신호가 전류 신호로 변경되어 검출된다.
이러한 광 검출기의 구성은 널리 알려진 기술이므로 추가적인 부연 설명은 생략하기로 한다.
상기 데이터 처리부(60)는 상기 광 검출기(50)로부터 검출된 반사 신호, 즉 전류 신호로부터 데이터를 처리하여 외부 물체와의 거리를 측정하고 이미지 정보를 획득하도록 한다.
즉, 상기 데이터 처리부(60)는 검출된 반사 신호, 즉 전류 신호를 토대로 펄스형성(pulse shaping), 문턱 레벨 설정(threshold) 및 변별(discrimination) 등의 펄스 신호처리 과정을 거쳐 데이터를 처리하게 된다.
한편, 상기 데이터 처리부(60)의 전단에는 증폭기(61)가 설치되어 미약한 전기 신호를 필요한 진폭 레벨로 증폭하게 된다. 상기 증폭기는 임피던스변환(transimpeadance) 증폭기 및 전압 증폭기를 포함할 수 있다.
또한, 상기 데이터 처리부(60)는 펄스형성(pulse shaping), 문턱 레벨 설정(threshold) 및 변별(discrimination) 등의 펄스 신호처리 과정을 거친 다음 펄스의 진폭성분을 처리하는 인텐시티(intensity) 처리부(62)와 송수신 펄스 사이의 간격 성분을 처리하는 TDC(time-to-digital conversion)(63)를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 거리 측정 및 스캐너 장치(100)는 상기 데이터 처리부(60)를 통해 처리된 외부 물체와의 거리를 측정하고 이미지 정보를 메모리(71)에 저장하고 그 결과를 디스플레이부(72)를 통해 출력할 수 있도록 되어 있다.
도 3은 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 레이저 거리 측정 및 스캐너 장치의 개략 블록도이고, 도 4는 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 레이저 거리 측정 및 스캐너 장치의 개략 회로 구성도이다.
도시된 바와 같이, 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 레이저 거리 측정 및 스캐너 장치(200)는 비가시형 및 가시형 레이저 출력 펄스를 통해 외부 물체와의 거리를 측정하고 이미지 정보를 획득하기 위한 레이저 거리 측정 및 스캐너 장치로서, 크게 제 1 및 제 2 레이저 발진기(110, 120), 광 방향성 결합기(130), 송신단(송신 전용 광학계)(140), 수신단(수신 전용 광학계)(150), 광 검출기(160), 및 데이터 처리부(170)를 포함하여 이루어진다.
상기 제 1 레이저 발진기(110)는 비가시형 레이저 출력 펄스 신호를 생성한다. 여기서, 상기 비가시형 레이저 출력 펄스는 육안으로 보이지 않는 700nm 이상의 파장을 가진 비가시형(invisible) 파장을 갖는 것이 바람직하다.
상기 제 1 레이저 발진기(10)의 전단에는 제어 논리회로(111)가 형성되어 트리거(trigger) 펄스신호를 생성하며 상기 제 1 레이저 발진기(10)는 생성된 트리거 펄스 신호로부터 일정 주기로 반복되는 폭이 매우 좁은 구형파를 발생하게 된다.
상기 제어 논리회로(111)의 트리거 펄스 신호는 데이터 처리부(170) 및 제어부(180)로 제공될 수 있다.
상기 제 1 레이저 발진기(110)의 후단에는 변조기(112) 및 비가시형 레이저 다이오드(113)가 형성되어 레이저 다이오드(LD: Laser Diode)에 변조를 행하여 전기신호에서 비가시형 광 출력 펄스 신호를 생성하여 출력하게 된다.
상기 제 2 레이저 발진기(120)는 가시형 레이저 출력 펄스 신호를 생성한다. 여기서, 상기 가시형 레이저 출력 펄스는 물체에 레이저 펄스가 투사된 것을 확인하기 위한 표적물 포인터용 출력 펄스를 출력하는 발생기이다.
상기 제 2 레이저 발진기(120)의 전단에는 표적확인용 레이저 스위치(target pointer laser switch)(121)가 설치되어 상기 제 2 레이저 발진기(120)의 온오프 동작이 조절될 수 있도록 되어 있다.
또한, 상기 제 2 레이저 발진기(120)의 후단에는 가시형 레이저 다이오드(122)가 설치되어 가시형 레이저 다이오드(LD: Laser Diode)를 통해 상기 제 2 레이저 발진기(120)로부터 출력된 바이어스 전류가 순방향으로 출력될 수 있도록 한다.
상기 광 방향성 결합기(130)는 상기 제 1 및 제 2 레이저 발진기(110, 120)로부터 생성된 비가시형 레이저 출력 펄스 신호 및 가시형 레이저 출력 신호를 3개의 제 1 내지 제 3 광섬유(131, 132, 133)를 개재하여 혼합하는 역할을 수행한다.
즉, 제 1 광섬유(131)를 통해 입력 포트(B)로 입력되는 비가시형 출력 펄스 신호와 제 2 광섬유(132)를 통해 입력 포트(C)로 입력되는 가시형 출력 펄스 신호를 광 방향성 결합기(130)에서 혼합(다중 파장의 광출력 펄스 신호)되어 출력 포트(A)를 통해 혼합된 송신 신호를 발생하게 된다.
여기서, 상기 제 1 내지 제 3 광섬유(131, 132, 133)는 단일 보드 형태로 제작됨이 바람직하며, 상기 첫 번째 실시에에서는 제 3 광섬유(23)는 반사 신호를 검출하기 위한 용도이나, 본 실시예에서는 이러한 반사 신호를 전달하기 위한 광섬유는 존재하지 않는 것이 상이하다.
또한, 본 실시예에서는 광 방향성 결합기(130) 역시 A, B, C의 3개의 포트(port)를 갖고 있지만, 상기 첫 번째 실시예와 달리 B포트와 C포트 모두 송신용 입력 포트로 사용되고 A 포트는 출력용으로만 사용되는 출력되는 특성을 갖고 입력 포트(B) 및 입력 포트(C) 사이에는 분리(isolation) 되어 있어서 높은 감쇄를 갖는 것이 특징이다.
상기 송신단(140)은 상기 광 방향성 결합기(130)를 통해 혼합된 가시형 및 비가시형 송신 신호를 외부의 물체를 향해 방사하는 역할을 수행한다.
즉, 상기 광 방향성 결합기(130)를 통해 혼합된 송신 신호는 출력 포트(A)를 통해 상기 제 3 광섬유(133)를 경유하여 입력되어 외부의 물체를 향해 방사하게 되는 것이다.
상기 송신단(140)은 렌즈, 집속기, 및 필터 등으로 이루어진 송신 전용 광학계로 이루어짐이 바람직하다. 이러한 송신단의 구성은 널리 알려진 기술이므로 더 이상의 부연 설명은 생략하기로 한다.
상기 수신단(150)은 상기 물체에서 반사되는 반사 신호를 수신하는 역할을 수행한다.
여기서, 상기 송신단(140) 및 수신단(150)은 동일의 렌즈, 집속기, 및 필터 등으로 이루어진 송수신 전용 광학계를 사용하지만, 첫 번째 실시예와 달리 상호 분리된다. 그러나 동일의 송수신 전용 광학계를 사용할 수 있음은 물론이다.
상기 광 검출기(160)는 상기 수신단(150)을 거친 반사 신호를 검출하는 역할을 수행한다.
즉, 상기 광 검출기(160)는 상기 수신단(150)을 거쳐 출력되는 반사 신호를 검출하는 역할을 수행한다.
상기 광 검출기(160)는 APD, PIN, PD 등을 사용하여 광 다이오드에 전류가 흐르게 되어 광 신호가 전류 신호로 변경되어 검출된다.
상기 데이터 처리부(170)는 상기 광 검출기(160)로부터 검출된 반사 신호, 즉 전류 신호로부터 데이터를 처리하여 외부 물체와의 거리를 측정하고 이미지 정보를 획득하도록 한다.
즉, 상기 데이터 처리부(170)는 검출된 반사 신호, 즉 전류 신호를 토대로 펄스형성(pulse shaping), 문턱레벨 설정(threshold) 및 변별(discrimination) 등의 펄스 신호처리 과정을 거쳐 데이터를 처리하게 된다.
한편, 상기 데이터 처리부(170)의 전단에는 증폭기(171)가 설치되어 미약한 전기 신호를 필요한 진폭 레벨로 증폭하게 된다. 상기 증폭기는 임피던스변환(transimpeadance) 증폭기 및 전압 증폭기를 포함할 수 있다.
또한, 상기 데이터 처리부(170)는 펄스형성(pulse shaping), 문턱레벨 설정(threshold) 및 변별(discrimination) 등의 펄스 신호처리 과정을 거친 다음 펄스의 진폭성분을 처리하는 인텐시티 처리부(172)와 송수신 펄스 사이의 간격 성분을 처리하는 TDC(time-to-digital conversion)(173)를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 일 실시예에 따른 레이저 거리 측정 및 스캐너 장치(200)는 상기 데이터 처리부(170)를 통해 처리된 외부 물체와의 거리를 측정하고 이미지 정보를 메모리(181)에 저장하고 그 결과를 디스플레이부(182)를 통해 출력할 수 있도록 되어 있다.
이와 같이, 하나의 광 방향성 결합기(20, 130)과 동일한 종류의 광학 송수신 전용 광학계인 송수신단을 사용해서 두 개 이상의 파장을 가진 다중 파장의 레이저 광 출력 펄스를 송출하기 때문에 모든 파장의 레이저 빔들이 정확히 동일한 목표지점이 투사된다.
또한, 다중 레이저 펄스를 상이한 별도의 광학계를 통해 발사할 경우 거리가 가변이라면 이론상 절대로 레이저 투사지점이 일치할 수가 없으며, 이를 근접시키기 위하여는 정밀한 설계와 제품조정이 필요하다. 그러나 본 발명에서 구현한 방법으로는 이런 어려운 점들이 근원적으로 해결되는 것이다. 이뿐만 아니라 여러 개의 레이저 파장을 다중화하여 동시에 송출할 수 있다는 장점은 현대의 광통신에서 사용되는 DWDM(Dense Wavelength Division Multiplex), CWDM(Coarse Wavelength Division Multiplex) 등 이른바 파장분할다중화의 여러 응용에 유용할 것이다.
본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 상기 설명된 실시예에 한정되지 않으며, 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략되었다. 이상에서 본 발명의 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.
100, 200: 본 발명에 따른 레이저 거리 측정 및 스캐너 장치
10: 레이저 발진기
11: 제어 논리회로 12: 변조기
13: DFB 또는 YAG 반도체 레이저
20: 광 방향성 결합기
21, 22, 23, 131; 132, 133: 제 1 내지 제 3 광섬유
30: 송신단(송신 전용 광학계)
40: 수신단(수신 전용 광학계)
50: 광 검출기
60: 데이터 처리부
61: 증폭기 62: 인텐시티(intensity) 처리부
63: TDC(time-to-digital conversion)
70: 제어부
71: 메모리 72: 디스플레이부
110, 120: 제 1 및 제 2 레이저 발진기
111: 제어 논리회로 112: 변조기
113: DFB 또는 YAG 반도체 레이저
121: 표적확인용 레이저 스위치 122: 가시형 레이저 다이오드
130: 광 방향성 결합기
140: 송신단(송신 전용 광학계)
150: 수신단(수신 전용 광학계)
160: 광 검출기
170: 데이터 처리부
171: 증폭기 172: 인텐시티(intensity) 처리부
173: TDC(time-to-digital conversion)
180: 제어부
181: 메모리 1822: 디스플레이부

Claims (17)

  1. 삭제
  2. 다수의 레이저 출력 펄스를 통해 외부 물체와의 거리를 측정하고 이미지 정보를 획득하기 위한 레이저 거리 측정 및 스캐너 장치로서,
    비가시형 레이저 출력 펄스 신호를 생성하는 제 1 레이저 발진기;
    가시형 레이저 출력 펄스 신호를 생성하는 제 2 레이저 발진기;
    상기 제 1 및 제 2 레이저 발진기로부터 생성된 비가시형 레이저 출력 펄스 신호 및 가시형 레이저 출력 신호를 제 4 및 제 5 광섬유와 제 6 광섬유 사이에서 혼합하는 광 방향성 결합기;
    상기 광 방향성 결합기를 통해 혼합된 송신 신호를 외부의 물체를 향해 방사하는 송신단;
    상기 물체에서 반사되는 반사 신호를 수신하는 수신단;
    상기 수신단으로 수신된 반사 신호를 검출하는 광 검출기; 및
    상기 광 검출기로부터 검출된 반사 신호로부터 데이터를 처리하는 데이터 처리부를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하며,
    상기 제 1 레이저 발진기는 그 전단에 제어 논리회로가 연결되어 트리거(trigger) 펄스신호를 생성하며, 상기 제 1 레이저 발진기는 상기 트리거 펄스 신호로부터 일정 주기로 반복되는 구형파를 발생하는 것을 특징으로 하며,
    상기 제 1 레이저 발진기의 후단에는 변조기 및 비가시형 레이저 다이오드가 형성되어 레이저 다이오드(LD: Laser Diode)에 변조를 행하여 전기신호에서 비가시형 광 출력 펄스 신호를 생성하여 출력하는 것을 특징으로 하고,
    상기 제 2 레이저 발진기의 전단에는 표적확인용 레이저 스위치(target pointer laser switch)가 설치되어 상기 제 2 레이저 발진기의 온오프 동작이 조절되는 것을 특징으로 하며,
    상기 제 2 레이저 발진기의 후단에는 가시형 레이저 다이오드가 설치되어 가시형 레이저 다이오드(LD: Laser Diode)를 통해 상기 제 2 레이저 발진기로부터 출력된 바이어스 전류가 순방향으로 출력되는 것을 특징으로 하며,
    상기 데이터 처리부는 상기 광 검출기로부터 검출된 반사 신호인 전류 신호로부터 데이터를 처리하여 외부 물체와의 거리를 측정하고 이미지 정보를 획득하는 것을 특징으로 하는 레이저 거리 측정 및 스캐너 장치.
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 삭제
  8. 삭제
  9. 삭제
  10. 제 2 항에 있어서,
    상기 광 방향성 결합기는 2개의 제 1 입력 포트 및 제 2 입력 포트와 하나의 출력 포트를 포함하여 이루어지며,
    상기 제 4 광섬유를 통해 상기 제 1 입력 포트로 입력되는 비가시형 출력 펄스 신호와 상기 제 5 광섬유를 통해 제 2 입력 포트로 입력되는 가시형 출력 펄스 신호를 상기 광 방향성 결합기에서 혼합되어 상기 하나의 출력 포트를 통해 혼합된 송신 신호를 상기 제 6 광섬유를 통해 상기 송신단으로 전송하는 것을 특징으로 하는 레이저 거리 측정 및 스캐너 장치.
  11. 제 2 항에 있어서,
    상기 제 4 내지 제 6 광섬유는 단일 보드 형태로 제작되는 것을 특징으로 하는 레이저 거리 측정 및 스캐너 장치.
  12. 제 2 항에 있어서,
    상기 송신단 및 상기 수신단은 송수신 전용 광학계로서 단일의 송수신단을 이루는 것을 특징으로 하는 레이저 거리 측정 및 스캐너 장치.
  13. 제 2 항에 있어서,
    상기 광 검출기는 APD, PIN, PD을 사용하여 광 다이오드에 전류가 흐르게 되어 광 신호가 전류 신호로 변경되어 검출되는 것을 특징으로 하는 레이저 거리 측정 및 스캐너 장치.
  14. 삭제
  15. 제 2 항에 있어서,
    상기 데이터 처리부는 검출된 반사 신호인 전류 신호를 토대로 펄스형성(pulse shaping), 문턱 레벨 설정(threshold) 및 변별(discrimination)의 펄스 신호처리 과정을 거쳐 데이터를 처리하는 것을 특징으로 하는 레이저 거리 측정 및 스캐너 장치.
  16. 제 15 항에 있어서,
    상기 데이터 처리부의 전단에는 증폭기가 설치되어 전기 신호를 필요한 진폭 레벨로 증폭하고, 상기 데이터 처리부는 상기 펄스 신호처리 과정을 거친 다음 펄스의 진폭성분을 처리하는 인텐시티 처리부와 송수신 펄스 사이의 간격 성분을 처리하는 TDC(time-to-digital conversion)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저 거리 측정 및 스캐너 장치.
  17. 제 2 항에 있어서,
    상기 데이터 처리부를 통해 처리된 외부 물체와의 거리를 측정하고 이미지 정보를 메모리에 저장하고 그 결과를 디스플레이부를 통해 출력하도록 된 것을 특징으로 하는 레이저 거리 측정 및 스캐너 장치.
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