KR102479831B1 - Cmos를 이용한 차량용 차등 흡수 라이다 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 CMOS 이미지센서를 이용한 차량용 차등 흡수 라이다 장치에 관한다.
본 발명에 따른 차량용 차등 흡수 라이다 장치는 서로 다른 파장의 레이저 광원을 공기 중으로 방출하여 역-산란(Back Scattering)에 의해 CMOS 이미지센서로 흡수되는 레이저 광원들의 세기를 측정함으로써 오염물질의 농도를 측정하는 것을 특징으로 한다. 본 발명에 따르면 단일 CMOS 이미지센서로 다양한 파장의 레이저 빔을 측정할 수 있으므로 종래 기술에 비해 저비용 저전력으로 차등 흡수 라이다 장치를 구성할 수 있는 효과가 있다.

Description

CMOS를 이용한 차량용 차등 흡수 라이다 장치{DIFFERENTIAL ABSORPTION LiDAR FOR VEHICLE USING CMOS}

본 발명은 자동차의 센서에 관한 것으로, 특히 공기 중 특정 물질의 농도를 측정하기 위한 라이다 장치를 이용한 센서에 관한 것이다.

인공지능 기술에 대한 관심이 높아지면서 이를 자동차에 적용하기 위한 연구도 활발히 진행되고 있다. 인공지능 기술을 활용한 운전보조시스템(ADAS: Advanced Driver Assistance System)뿐 아니라 완전한 자율주행 기술 등이 그 예이다. 자율주행이나 운전보조를 위해서는 자동차 주변의 상황을 판단하기 위한 센서기술이 필수적이다.

센서기술 중 대표적으로 라이다(LiDAR: Light Detection and Ranging) 는 고출력의 레이저 펄스가 물체에 반사되어 돌아오는 시간을 측정하여 거리 정보를 획득하는 기술이다. 라이다 기술 중 하나인 차등 흡수(Differential Absorption)방식은 서로 다른 두 개 이상의 파장을 가진 레이저를 이용하여 대기 속 에어로졸에 의한 역-산란(Back-Scattering)을 측정함으로써 광 경로 내의 떠다니는 분자 흡수 정도를 측정할 수 있고, 흡수 정도에 따라 기체의 농도 분포를 측정하여 대기오염의 수준을 알 수 있는 것이다.

최근 미세먼지에 의한 대기오염의 정도가 심각한 날이 많아지는 추세였고, 미세먼지에 의한 호흡기 질환 등에 대한 관심과 함께 공기청정기의 판매량도 함께 증가하는 현상이 나타났다. 뿐만 아니라 자동차도 하나의 생활공간으로 인식됨에 따라 차량용 공기청정기에 대한 관심도 나날이 높아지고 있다. 따라서 공기중의 미세먼지나 오염물의 농도를 측정하는 연구는 더욱 중요해질 것임은 의심할 여지가 없다.

종래의 차등 흡수 라이다 기술은 서로 다른 두 개 이상의 파장을 흡수해야 한다. 따라서 한 개의 광 디텍터(APD: Avalanche Photo Detector)로 두 개 이상의 넓은 스펙트럼을 가지는 파장의 레이저를 수신하게 되면 서로간의 간섭이 발생하므로 수신 감도가 약해지고 결과적으로 수신성능의 악화를 초래한다.종래의 차등 흡수 라이다 기술에는 역-산란 현상에 의해 반사되는 레이저 빔을 측정하기 위해 광 디텍터(APD: Avalanche Photo Detector)가 사용되었다. APD는 단독으로 사용되는 것이 아니라 보다 높은 감도를 위해 어레이(Arrary) 형태로 배열되어 사용되는 것이 일반적이다. 그런데 이렇게 어레이 형태로 여러 개의 APD를 사용하면 시스템의 가격상승 요인이 될 뿐만 아니라 소비전력 또한 높아지는 문제가 있었다.

이를 해소하기 위해서는 넓은 스펙트럼을 가지는 각 파장의 광을 검출하기 위한 APD를 여러 개 써서 어레이(Array) 형태로 배열해야 하나 이렇게 여러 개의 APD를 사용하면 가격상승의 요인이 되고 전력소비가 높아지는 문제가 있다.

본 발명의 발명자들은 이러한 종래 기술의 APD 어레이가 가지고 있는 문제점들을 해결하기 위해 연구 노력해 왔고, 한 번에 여러 개의 파장을 수용하면서도 저비용 저전력인 CMOS 를 이용하여 차량용 차등 흡수 라이다 장치를 구현하는 발명을 완성하기에 이르렀다.

본 발명의 목적은 종래의 라이다 기술이 복수의 APD 로 구성된 센서 어레이를 사용함으로써 비용 및 전력사용량이 높은 문제를 해결할 수 있는 라이다 장치를 제안함에 있다.

CMOS 이미지센서는 복수의 픽셀 센서로 이루어지면서도 다양한 파장의 빛을 흡수할 수 있기 때문에 하나의 CMOS 센서를 이용하여 복수의 APD 어레이를 사용한 것과 같은 효과를 얻을 수 있다. 따라서 본 발명은 CMOS 이미지센서를 이용한 라이다 장치를 구현하여 종래기술의 라이다 장치보다 저비용, 저전력의 라이다 장치를 구현하는 것을 목적으로 한다.

한편, 본 발명의 명시되지 않은 또 다른 목적들은 하기의 상세한 설명 및 그 효과로부터 용이하게 추론 할 수 있는 범위 내에서 추가적으로 고려될 것이다.

본 발명은 라이다 장치에 관한 것으로,

본 발명에 따른 CMOS 이미지센서를 이용한 차량용 차등 흡수 라이다 장치는,

서로 다른 파장을 가지는 적어도 둘 이상의 광원을 생성하여 공기중으로 방출하는 광원부;

상기 광원부에서 생성된 광원을 공기중으로 반사하고 공기중에서 산란되어 되돌아오는 광원을 이미지센서로 반사하는 복수의 거울로 구성된 반사거울부;

상기 산란되어 거울에 반사된 광원을 수집하는 CMOS 이미지센서로 구성된 이미지센서부; 및

상기 서로 다른 파장을 가지는 광원들이 상기 이미센서부에서 수집되어 전압값으로 변환되면 각 파장 별 광원의 세기 차이를 이용하여 공기중의 오염물질의 농도 분포를 계산하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 광원은 셋 이상의 광원을 동시에 생성하여 방출하며, 상기 제어부는 상기 셋 이상의 광원 중 기준이 되는 광원의 세기와 나머지 광원의 세기를 비교하여 둘 이상의 오염물질의 농도 분포를 동시에 계산하는 것을 특징으로 한다.

위와 같은 본 발명의 과제해결수단에 의해서 본 발명은 CMOS 이미지센서로 라이다를 구성함으로써 저비용 저전력 라이다 장치를 구현할 수 있는 효과가 있다.

또한 CMOS 이미지센서가 복수의 픽셀 센서를 포함하고 있고, 각 픽셀은 다양한 파장을 수용할 수 있으므로 하나의 CMOS 이미지센서로 다양한 파장을 흡수하여 차등 흡수 라이다 장치를 구현할 수 있는 장점도 있다.

한편, 여기에서 명시적으로 언급되지 않은 효과라 하더라도, 본 발명의 기술적 특징에 의해 기대되는 이하의 명세서에서 기재된 효과 및 그 잠정적인 효과는 본 발명의 명세서에 기재된 것과 같이 취급됨을 첨언한다.

도 1은 본 발명의 바람직한 어느 실시예에 따른 차등 흡수 라이다 장치의 개략적인 구조도이다.
도 2는 본 발명의 바람직한 어느 실시예에 따른 차등 흡수 라이다 장치에 사용되는 CMOS 이미지센서의 개략적인 구조도이다.
도 3은 본 발명의 바람직한 어느 실시예에 따른 차등 흡수 라이다 장치에 사용되는 CMOS 이미지센서에서 광원을 차등 흡수하여 디지털 신호로 변환하는 과정의 흐름도이다.
※ 첨부된 도면은 본 발명의 기술사상에 대한 이해를 위하여 참조로서 예시된 것임을 밝히며, 그것에 의해 본 발명의 권리범위가 제한되지는 아니한다.

이하, 도면을 참조하여 본 발명의 다양한 실시예가 안내하는 본 발명의 구성과 그 구성으로부터 비롯되는 효과에 대해 살펴본다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지기능에 대하여 이 분야의 기술자에게 자명한 사항으로서 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략한다.

도 1은 본 발명의 바람직한 어느 실시예에 따른 차등 흡수 라이다 장치의 개략적인 구조도를 나타낸다.

본 발명의 차등 흡수 라이다 장치(100)는 광원(110), 복수의 반사 거울(121, 122, 123, 124), CMOS 이미지센서(130) 및 제어부(140)를 포함하여 구성된다.

광원(110)은 파장차이가 아주 작은 둘 이상의 레이저 빔(111, 112)을 공기중으로 방출한다. 이때 사용되는 레이저 빔은 아주 짧은 펄스 형태의 레이저 빔을 사용한다. 광원(110)으로는 레이저 다이오드(LD: Laser Diode)가 사용될 수 있다.

광원(110)에서 방출된 서로 다른 파장의 레이저 빔(111, 112)은 반사거울들(121, 122)에 반사되어 공기중으로 방출된다. 공기중으로 방출된 레이저 빔들은 공기중의 물질들에 의해 산란되거나 흡수되는데, 이 중 일부 레이저 빔은 방출된 방향으로 다시 돌아오게 된다. 이를 역-산란 현상이라 한다.

역-산란에 의해 반사거울(122)로 돌아온 레이저 빔은 수신 망원경(123)과 또 다른 반사거울(124)에 의해 반사되어 CMOS 이미지센서(130)에 도달한다.

도 2는 CMOS 이미지센서(200)의 개략적인 구조도를 나타낸다.

CMOS 이미지센서(200)는 복수의 픽셀센서(210)들과 증폭기들(220) 및 아날로그-디지털 변환기(Analog to Digital Converter, 230)들로 구성된다.

각 픽셀센서(210)는 광원을 흡수하여 이를 전기신호로 바꿔주는 역할을 한다. 픽셀센서(210)에 흡수되는 광원의 RGB 값들을 전압 값으로 바꾸어주므로 이를 분석하여 광원의 파장을 분석할 수 있다.

픽셀센서(210)에 의해 광원이 전기신호로 바뀌면 그 크기가 아주 미약하기 때문에 증폭기(220)를 거쳐 인식할 수 있는 신호로 증폭된다.

증폭기(220)를 거친 신호는 아날로그-디지털 변환기(230)를 거침으로써 디지털 신호로 변환되어 제어부(140)에 전달된다.

도 3은 CMOS 이미지센서(130)에서 광원이 디지털신호로 변환되는 과정을 나타낸 흐름도이다.

레이저 빔은 광자(photon)형태로 각 픽셀센서(210)에 도달한다(S310). 픽셀센서는 도달한 광자를 전자(electron)로 변환하고(S320) 전자의 세기를 전압으로 변환한다(S330).

변환된 전압은 증폭(S340) 단계를 거친 후 아날로그-디지털 변환(S350) 단계를 거침으로써 디지털 신호로의 변환이 완료된다.

제어부(140)는 CMOS 이미지센서(130)에 의해 디지털 신호로 변환된 두 파장의 광원(111, 112)을 전달 받아 두 파장의 광원을 분석하여 공기중의 오염물질의 정도를 계산한다. 제어부(140)는 하나 이상의 프로세서와 메모리를 포함하여 구성될 수 있다.

차등 흡수 라이다 장치는 파장의 차이가 미묘한 두 개의 레이저 빔을 이용하는데, 하나의 파장은 측정하고자 하는 물질에서 흡수가 크게 일어나는 파장으로 선택하고, 다른 하나의 파장은 흡수가 거의 일어나지 않는 파장으로 선택한다. 서로 다른 파장을 가지는 두 개의 레이저 빔을 공기 중으로 방출하여 역-산란되는 레이저 빔을 다시 측정하면, 오염물질에 흡수된 레이저 빔은 그렇지 않은 레이저 빔에 비해 그 강도가 약하게 된다. 따라서 두 개의 레이저 빔의 세기 차이를 비교하여, 그 차이가 클수록 레이저 빔의 흡수가 많이 된 것이고 이를 이용하여 공기중의 측정하고자 하는 물질의 농도를 계산할 수 있는 것이다.

제어부(140)는 디지털 신호로 변환된 두 파장의 광원(111, 112)의 세기 차이를 분석하여 측정하고자 하는 오염물질의 농도를 알 수 있는 것이다.

본 발명의 다른 실시예에 따르면, CMOS 이미지센서(200)는 복수의 픽셀센서들(210)을 가지기 때문에 광원(110)에서는 셋 이상의 레이저 빔을 방출하여 동시에 둘 이상의 오염물질의 농도를 측정하는 것도 가능하다.

세 개의 서로 다른 파장을 가지는 레이저 빔은 물질 1에 흡수되는 파장의 레이저, 물질 2에 흡수되는 파장의 레이저, 물질 1과 물질 2에 모두 흡수되지 않는 파장의 레이저 빔을 사용하고, CMOS 이미지 센서(200)의 복수의 픽셀센서들(210)을 이용하면 각 파장의 레이저 빔의 세기를 측정할 수 있으므로 이를 비교하여 물질 1과 물질 2의 농도를 동시에 측정할 수 있다. 이를 더 확장하면 셋 이상의 물질의 농도 또한 넷 이상의 서로 다른 파장을 가지는 레이저 빔에 의해 측정 가능하다.

본 발명의 보호범위가 이상에서 명시적으로 설명한 실시예의 기재와 표현에 제한되는 것은 아니다. 또한, 본 발명이 속하는 기술분야에서 자명한 변경이나 치환으로 말미암아 본 발명이 보호범위가 제한될 수도 없음을 다시 한 번 첨언한다.

Claims (2)

1. 차량에 설치되는 차등 흡수 라이다 장치로서:
   서로 다른 파장을 가지는 적어도 둘 이상의 광원을 생성하여 공기중으로 방출하는 광원부;
   상기 광원부에서 생성된 광원을 제2 반사거울(122)로 반사하는 제1 반사거울(121);
   상기 제1 반사거울(121)로부터 입사하는 광원을 공기중으로 반사하며, 또한 공기중에서 산란되어 되돌아오는 광원을 수신 망원경으로 보내는 제2 반사거울(122);
   상기 제2 반사거울(122)로부터 역산란에 의해 돌아온 광원을 수신하여 제3 반사거울(124)로 보내는 수신 망원경(123);
   상기 수신 망원경(123)에서 보내진 광원을 이미지센서로 반사하는 제3 반사거울(124);
   상기 제3 반사거울(124)에 반사된 광원을 수집하는 CMOS 이미지센서로 구성되며, 복수의 픽셀센서들을 가지는 이미지센서부; 및
   상기 서로 다른 파장을 가지는 광원들이 상기 이미지센서부에서 수집되어 전압값으로 변환되면 각 파장 별 광원의 세기 차이를 이용하여 공기중의 오염물질의 농도 분포를 계산하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는, CMOS 이미지센서를 이용한 차량용 차등 흡수 라이다 장치.
   
2. 제1항에 있어서,
   상기 광원은 셋 이상의 광원을 동시에 생성하여 방출하며, 상기 제어부는 상기 셋 이상의 광원 중 기준이 되는 광원의 세기와 나머지 광원의 세기를 비교하여 둘 이상의 오염물질의 농도 분포를 동시에 계산하는 것을 특징으로 하는, CMOS 이미지센서를 이용한 차량용 차등 흡수 라이다 장치.

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