KR102499403B1 - 연속 펄스 측정을 위한 단일광자검출 장치 및 방법 - Google Patents

연속 펄스 측정을 위한 단일광자검출 장치 및 방법 Download PDF

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Abstract

연속 펄스 측정을 위한 단일광자검출 장치는 멀티 에코 신호인 수신 신호의 제1 펄스 신호에 대응하여 제1 단일광자 검출 신호를 출력하는 제1 단일광자검출기, 상기 제1 단일광자 검출 신호에 대응하여 트리거 신호를 출력하는 트리거 발생부, 및 상기 트리거 신호에 의해 변조된 바이어스 전압이 입력되면 가이거 모드 상태에서 선형 모드 상태로 변경되고, 상기 선형 모드 상태로 동작할 때 상기 수신 신호가 지연되어 입력되는 지연된 수신 신호의 제1 펄스 신호가 입력되고, 상기 선형 모드 상태에서 상기 가이거 모드 상태로 되돌아가 상기 지연된 수신 신호의 제2 펄스 신호에 대응하여 제2 단일광자 검출 신호를 출력하는 제2 단일광자검출기를 포함한다.

Description

연속 펄스 측정을 위한 단일광자검출 장치 및 방법{SINGLE PHOTON DETECTION APPARATUS AND METHOD FOR SUCCESSIVE PULSE MEASUREMENT}
본 발명은 연속 펄스 측정을 위한 단일광자검출 장치 및 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 단일광자검출기의 불감시간을 극복할 수 있는 연속 펄스 측정을 위한 단일광자검출 장치 및 방법에 관한 것이다.
물체 또는 지형의 3차원 정보를 획득하는 라이다(LIght Detection And Ranging, LIDAR)는 기준점에서 발사된 레이저가 특정 물체에 반사되어 되돌아오기까지 소요되는 시간(Time Of Flight. TOF) 정보를 활용하여 3차원 정보를 계산한다. 물체에 의하여 반사되는 레이저 신호의 세기는 송신 레이저의 출력, 대기의 특성, 광학 효율, 물체의 반사도 및 거리에 따라 수십 밀리 와트(milli Watt)에서 수 나노 와트(nano Watt)에 이르기까지 넓은 동적 범위(Dynamic range)를 갖는다. 특히, 제한된 레이저 출력으로 먼 거리의 3차원 정보를 얻는 경우에는 나노 와트 이하의 미세한 신호가 검출되며, 이를 위해 고감도 광검출기가 필요하다.
가이거 모드(Geiger mode) 아발란치 포토다이오드(Avalanche Photodiode, APD)는 대표적인 고감도 광검출기로서, 민감도가 매우 높아 단일광자 수준의 신호도 검출할 수 있기 때문에 단일광자검출기(single photon avalanche diode, SPAD)라고도 한다. 단일광자검출기는 APD에 항복전압 이상의 바이어스 전압을 인가해 가이거 모드 상태에서 동작시켜 이론적으로 무한대의 이득을 확보할 수 있으며, 단일광자 수준의 입력에서도 디지털 출력 신호를 발생시키는 검출기이다.
단일광자검출기에 빛이 들어오게 되면 높은 바이어스 전압에 의해 아발란치 항복이 발생하고 수많은 전자와 정공이 생성되어 큰 전류가 생성된다. 큰 전류가 연속적으로 흐르면 다이오드가 훼손될 수 있으므로, 이를 방지하기 위해 빠른 시간 내에 소자가 항복 상태로부터 복구되어야 한다. ??칭(Quenching) 회로는 단일광자검출기의 바이어스 전압을 강제적으로 낮춰 아발란치 항복 현상에서 벗어나도록 하며, 단일광자검출기는 다시 가이거 모드 동작을 위한 준비를 한다. 이러한 일련의 과정은 약간의 시간(수 ns~ 수십 ns)이 필요하며, 이 시간동안 단일광자검출기는 어떠한 신호도 검출할 수 없으므로 이 시간을 불감시간(Dead Time)이라고 한다.
물체에 의하여 반사되는 레이저 신호는 물체의 형상이나 스캐닝 방식에 따라 하나의 레이저 송신신호에 대해 두 개 이상의 수신 펄스 신호(멀티 에코, Multi echo)가 발생할 수 있으며, 일반적으로 이 경우의 수신 펄스 신호의 간격은 수 ns 내지 수십 ns로 매우 짧다. 하지만, 단일광자검출기의 경우 ??칭 및 가이거 모드 동작 준비를 위한 불감시간으로 인해 첫 번째 이후의 연속된 수신 펄스가 검출되지 않는 문제가 발생한다.
본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는 단일광자검출기의 불감시간을 극복할 수 있는 연속 펄스 측정을 위한 단일광자검출 장치 및 방법을 제공함에 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 연속 펄스 측정을 위한 단일광자검출 장치는 멀티 에코 신호인 수신 신호의 제1 펄스 신호에 대응하여 제1 단일광자 검출 신호를 출력하는 제1 단일광자검출기, 상기 제1 단일광자 검출 신호에 대응하여 트리거 신호를 출력하는 트리거 발생부, 및 상기 트리거 신호에 의해 변조된 바이어스 전압이 입력되면 가이거 모드 상태에서 선형 모드 상태로 변경되고, 상기 선형 모드 상태로 동작할 때 상기 수신 신호가 지연되어 입력되는 지연된 수신 신호의 제1 펄스 신호가 입력되고, 상기 선형 모드 상태에서 상기 가이거 모드 상태로 되돌아가 상기 지연된 수신 신호의 제2 펄스 신호에 대응하여 제2 단일광자 검출 신호를 출력하는 제2 단일광자검출기를 포함한다.
상기 단일광자검출 장치는 상기 수신 신호를 지연시켜 상기 지연된 수신 신호를 상기 제2 단일광자검출기에 전달하는 광섬유 지연기, 및 상기 수신 신호를 상기 제1 단일광자검출기에 연결되는 제1 광섬유와 상기 광섬유 지연기에 연결되는 제2 광섬유로 분기하는 광섬유 커플러를 더 포함할 수 있다.
상기 단일광자검출 장치는 상기 광섬유 지연기에 의한 제1 단일광자 검출 신호와 상기 제2 단일광자 검출 신호 사이에 존재하는 지연시간을 보상하는 지연보상기를 더 포함할 수 있다.
상기 수신 신호의 제1 펄스 신호는 첫 번째 펄스 신호이고, 상기 수신 신호의 제2 펄스 신호는 두 번째 펄스 신호이고, 상기 수신 신호의 제1 펄스 신호와 제2 펄스 신호의 간격은 상기 제1 단일광자검출기의 불감시간 이내일 수 있다.
상기 트리거 발생부는, 상기 제1 단일광자 검출 신호를 기반으로 특정 펄스폭을 갖는 상기 트리거 신호를 생성하는 고속펄스 발생기, 및 상기 트리거 신호의 변화폭이 상기 제2 단일광자검출기를 상기 선형 모드 상태로 바꿀 수 있는 특정 전압보다 크게 상기 트리거 신호를 출력하는 고속 증폭기를 포함할 수 있다.
상기 고속펄스 발생기는, 상기 제1 단일광자 검출 신호가 특정 임계치 이상일 때 하이 레벨의 비교기 신호를 출력하는 고속비교기, 상기 하이 레벨의 비교기 신호가 입력됨에 따라 하이 레벨의 플립플롭 신호를 출력하는 D-플립플롭, 및 상기 하이 레벨의 플립플롭 신호를 특정 시간만큼 지연하여 상기 D-플립플롭의 리셋 입력단에 입력하는 시간지연기를 포함할 수 있다.
상기 트리거 신호의 펄스폭은 상기 수신 신호의 한 펄스 신호의 펄스폭보다 크고 측정하고자 하는 상기 멀티 에코 신호의 펄스 신호의 최소간격보다 작을 수 있다.
상기 단일광자검출 장치는 상기 제2 단일광자검출기의 DC 바이어스 전압에 상기 트리거 신호를 더하여 상기 변조된 바이어스 전압을 생성하는 바이어스 결합기를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 제1 단일광자검출기 및 제2 단일광자검출기를 포함하는 단일광자검출 장치에 의한 연속 펄스 측정을 위한 단일광자검출 방법은, 상기 제1 단일광자검출기를 이용하여 수신 신호의 제1 펄스 신호에 대응하는 제1 단일광자 검출 신호를 출력하는 단계, 상기 제1 단일광자 검출 신호에 대응하여 상기 제2 단일광자검출기로 트리거 신호를 출력하는 단계, 상기 트리거 신호에 의해 변조된 바이어스 전압이 입력되어 상기 제2 단일광자검출기가 가이거 모드 상태에서 선형 모드 상태로 변경되어 동작하는 동안 상기 수신 신호가 지연되어 입력되는 지연된 수신 신호의 제2 펄스 신호가 입력되는 단계, 및 상기 제2 단일광자검출기가 상기 선형 모드 상태에서 상기 가이거 모드 상태로 되돌아가 상기 지연된 수신 신호의 제2 펄스 신호에 대응하는 제2 단일광자 검출 신호를 출력하는 단계를 포함한다.
상기 트리거 신호는 상기 제1 단일광자 검출 신호의 출력 시점부터 제1 지연시간 이후에 출력될 수 있다.
상기 수신 신호가 제2 지연시간만큼 지연된 상기 지연된 수신 신호가 상기 제2 단일광자검출기에 입력될 수 있다.
상기 단일광자검출 방법은 상기 제1 단일광자 검출 신호와 상기 제2 단일광자 검출 신호 사이에 존재하는 상기 제2 지연시간을 보상하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 제2 지연시간은 상기 제1 지연시간보다 크고, 상기 제1 지연시간과 상기 트리거 신호의 펄스폭합에서 상기 수신 신호의 한 펄스의 펄스폭을 뺀 값보다 작을 수 있다.
상기 트리거 신호의 펄스폭은 상기 수신 신호의 한 펄스의 펄스폭보다 크고 펄스 신호의 최소간격보다 작을 수 있다.
상기 트리거 신호의 변화폭은 상기 제2 단일광자검출기를 상기 가이거 모드 상태에서 상기 선형 모드 상태로 바꿀 수 있는 특정 전압보다 클 수 있다.
상기 제2 단일광자검출기의 DC 바이어스 전압에 상기 트리거 신호를 더하여 상기 변조된 바이어스 전압을 생성할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 연속 펄스 측정을 위한 단일광자검출 장치 및 방법은 여러 개의 단일광자검출기를 캐스캐이드(cascade) 구조로 동작시켜 단일광자검출기의 불감시간 내의 광신호를 검출할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연속 펄스 측정을 위한 단일광자검출 장치를 나타내는 블록도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 도 1의 고속펄스 발생기를 나타내는 블록도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 연속 펄스 측정을 위한 단일광자검출 방법을 나타내는 타이밍도이다.
이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예들에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예들에 한정되지 않는다.
본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조 부호를 붙이도록 한다.
또한, 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함" 한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
이하, 도 1 및 2를 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 연속 펄스 측정을 위한 단일광자검출 장치에 대하여 설명하고, 도 3을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 연속 펄스 측정을 위한 단일광자검출 방법에 대하여 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 연속 펄스 측정을 위한 단일광자검출 장치를 나타내는 블록도이다. 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 도 1의 고속펄스 발생기를 나타내는 블록도이다.
도 1 및 2를 참조하면, 연속 펄스 측정을 위한 단일광자검출 장치(100)는 광분할 지연부(110), 단일광자검출부(120), 트리거 발생부(130) 및 신호처리부(140)를 포함한다.
광분할 지연부(110)는 광섬유에 의해 집속된 수신 신호(광신호)(R)를 분기하고 지연(delay)시킬 수 있다. 광분할 지연부(110)는 광섬유 커플러(111) 및 광섬유 지연기(112)를 포함할 수 있다.
광섬유 커플러(111)는 수신 신호(R)를 제1 광섬유와 제2 광섬유로 분기할 수 있다. 제1 광섬유는 후술하는 제1 단일광자검출기(121)에 연결되고, 제2 광섬유는 광섬유 지연기(112)에 연결될 수 있다.
광섬유 지연기(112)는 제2 광섬유를 통해 진행하는 수신 신호를 지연시켜 지연된 수신 신호(Rdelay)를 후술하는 제2 단일광자검출기(122)에 전달할 수 있다. 광섬유 지연기(112)는 제2 지연시간(Toptdelay)만큼 광신호를 지연시켜 지연된 수신 신호(Rdelay)를 제2 단일광자검출기(122)에 전달할 수 있다.
단일광자검출부(120)는 제1 단일광자검출기(121), 제2 단일광자검출기(122) 및 바이어스 결합기(123)를 포함할 수 있다. 제1 단일광자검출기(121) 및 제2 단일광자검출기(122)는 단일광자 아발란치 다이오드(single photon avalanche diode, SPAD)일 수 있다. 제1 단일광자검출기(121) 및 제2 단일광자검출기(122)는 DC 바이어스 전압(Vhv)을 인가받아 가이거 모드 상태에서 동작하여 디지털 신호인 단일광자 검출 신호를 출력할 수 있다.
제1 단일광자검출기(121)는 제1 광섬유를 통해 수신 신호(R)가 입력되면 제1 단일광자 검출 신호(VSPAD1)를 출력할 수 있다. 수신 신호(R)가 두 개의 펄스 신호를 포함하는 멀티 에코 신호일 때, 제1 단일광자검출기(121)는 멀티 에코 신호의 첫 번째 펄스 신호에 대응하여 제1 단일광자 검출 신호(VSPAD1)를 출력할 수 있다. 제1 단일광자 검출 신호(VSPAD1)는 후술하는 고속펄스 발생기(131) 및 지연보상기(141)에 전달될 수 있다. 멀티 에코 신호의 첫 번째 펄스 신호를 제1 펄스 신호라고 할 수 있다.
한편, 멀티 에코 신호의 첫 번째 펄스 신호와 두 번째 펄스 신호의 간격(Tinterval)이 매우 짧아서 두 번째 펄스 신호가 제1 단일광자검출기(121)의 불감시간(Tdead) 이내에 도달하는 경우에는 제1 단일광자검출기(121)는 신호를 생성하지 않는다. 멀티 에코 신호의 두 번째 펄스 신호를 제1 펄스 신호보다 늦은 제2 펄스 신호라고 할 수 있다. 제2 펄스 신호는 제1 펄스 신호보다 늦은 펄스 신호를 포함할 수 있다.
트리거 발생부(130)는 제1 단일광자 검출 신호(VSPAD1)에 대응하여 제2 단일광자검출기(122)로 트리거 신호(Vtrig)를 출력할 수 있다. 트리거 발생부(130)는 제1 단일광자 검출 신호(VSPAD1)의 출력 시점부터 일정한 제1 지연시간(Tinherent) 이후에 트리거 신호(Vtrig)를 출력할 수 있다. 트리거 발생부(130)는 고속펄스 발생기(131) 및 고속 증폭기(132)를 포함할 수 있다.
고속펄스 발생기(131)는 제1 단일광자 검출 신호(VSPAD1)를 기반으로 특정 임계치(threshold) 이상의 신호가 수신될 때 특정 펄스폭을 갖는 펄스(트리거 신호)를 생성할 수 있다. 고속펄스 발생기(131)는 고속비교기(1311), D-플립플롭(1312) 및 시간지연기(1313)를 포함할 수 있다.
고속비교기(1311)는 제1 단일광자 검출 신호(VSPAD1)를 입력받고, 입력 신호가 특정 임계치 이상일 때 하이 레벨의 비교기 신호(Vcmp)를 출력할 수 있다. 비교기 신호(Vcmp)는 D-플립플롭(1312)의 클록 입력단(CLK)에 입력된다.
D-플립플롭(1312)의 데이터 입력단(DATA)에는 하이 레벨 전압이 입력되고, D-플립플롭(1312)은 하이 레벨의 비교기 신호(Vcmp)가 입력됨에 따라 하이 레벨의 플립플롭 신호(VQ)를 출력한다. 플립플롭 신호(VQ)는 고속 증폭기(132) 및 시간지연기(1313)로 입력된다.
시간지연기(1313)는 하이 레벨의 플립플롭 신호(VQ)를 특정 시간(Ttrig)만큼 지연하여 지연된 플립플롭 신호(VQ_delay)를 출력할 수 있다. 지연된 플립플롭 신호(VQ_delay)는 D-플립플롭(1312)의 리셋 입력단(RESET)에 입력되어 D-플립플롭(1312)의 초기화 신호로써 활용된다. 지연된 플립플롭 신호(VQ_delay)가 리셋 입력단(RESET)에 입력되면 플립플롭 신호(VQ)는 로우 레벨로 초기화된다. 즉, D-플립플롭(1312)은 특정 시간(Ttrig) 동안 하이 레벨의 플립플롭 신호(VQ)를 출력할 수 있다.
고속펄스 발생기(131)는 D-플립플롭(1312)에서 출력되는 플립플롭 신호(VQ)를 반전하여 출력할 수 있다. 이를 통해, 고속펄스 발생기(131)는 특정 시간(Ttrig) 동안 로우 레벨을 갖는 펄스 신호를 생성할 수 있다. 특정 시간(Ttrig)은 트리거 신호(Vtrig)의 펄스폭(Ttrig)에 해당할 수 있다. 즉, D-플립플롭(1312)의 반전 출력이 특정 시간(Ttrig) 동안 로우 레벨을 갖는 트리거 신호(Vtrig)로써 사용될 수 있다.
고속 증폭기(132)는 고속펄스 발생기(131)의 펄스 신호를 증폭하여 트리거 신호(Vtrig)를 생성할 수 있다. 트리거 신호(Vtrig)는 바이어스 결합기(123)로 출력된다.
이때, 트리거 신호(Vtrig)의 펄스폭(Ttrig)은 다음의 조건을 만족하도록 설계될 수 있다.
Figure 112022056384464-pat00001
여기서, TPW는 수신 신호(R)의 한 펄스의 펄스폭이고, Min(Tinterval)은 측정하고자 하는 멀티 에코 신호의 펄스 신호의 최소간격을 나타낸다. 즉, 트리거 신호(Vtrig)의 펄스폭(Ttrig)은 수신 신호(R)의 한 펄스 신호의 펄스폭(TPW)보다 크고 펄스 신호의 최소간격보다 작게 설계될 수 있다.
또한, 고속 증폭기(132)는 트리거 신호(Vtrig)의 변화폭(ΔV)이 가이거 모드 상태의 제2 단일광자검출기(122)를 선형 모드(linear mode) 상태로 바꿀 수 있는 특정 전압보다 크게 트리거 신호(Vtrig)를 출력할 수 있도록 증폭기 이득이 설계될 수 있다. 즉, 트리거 신호(Vtrig)는 가이거 모드 상태의 제2 단일광자검출기(122)를 가이거 모드 상태에서 선형 모드(linear mode) 상태로 바꿀 수 있는 변화폭(ΔV)을 가질 수 있다.
바이어스 결합기(123)는 제2 단일광자검출기(122)의 DC 바이어스 전압(Vhv)에 트리거 신호(Vtrig)를 더하여 변조된 바이어스 전압(Vbias)을 생성하여 제2 단일광자검출기(122)에 제공할 수 있다.
제2 단일광자검출기(122)는 변조된 바이어스 전압(Vbias)이 입력되면 가이거 모드 상태에서 선형 모드 상태로 변경되고, 트리거 신호(Vtrig)의 펄스폭(Ttrig)에 해당하는 특정 시간(Ttrig)이 지난 후 다시 가이거 모드로 되돌아간다.
제2 단일광자검출기(122)는 광섬유 지연기(112)로부터 제2 지연시간(Toptdelay)만큼 지연된 수신 신호(Rdelay)를 전달받는다. 이때, 제2 지연시간(Toptdelay)은 다음의 조건을 만족하도록 설계될 수 있다.
Figure 112022056384464-pat00002
즉, 제2 지연시간(Toptdelay)은 제1 지연시간(Tinherent)보다 크고, 제1 지연시간(Tinherent)과 트리거 신호(Vtrig)의 펄스폭(Ttrig)의 합에서 한 펄스 신호의 폭(TPW)을 뺀 값보다 작을 수 있다. 광섬유 지연기(112)는 트리거 신호(Vtrig)에 의해 변조된 바이어스 전압(Vbias)이 제2 단일광자검출기(122)에 제공되어 제2 단일광자검출기(122)가 선형 모드 상태로 동작할 때 지연된 수신 신호(Rdelay)의 첫 번째 펄스 신호가 제2 단일광자검출기(122)에 입력될 수 있도록 한다.
선형 모드 상태로 동작하는 제2 단일광자검출기(122)는 가이거 모드 상태에 비해 낮은 이득을 가지므로, 선형 모드 상태의 제2 단일광자검출기(122)는 지연된 수신 신호(Rdelay)의 첫 번째 펄스 신호에 대해 검출 신호를 출력하지 않거나 매우 작은 검출 신호를 출력하게 된다. 선형 모드 상태의 특성상 제2 단일광자검출기(122)는 불감시간 없이 가이거 모드 상태로 되돌아갈 수 있다.
가이거 모드로 되돌아간 제2 단일광자검출기(122)는 지연된 수신 신호(Rdelay)의 두 번째 펄스 신호에 대응하여 높은 세기의 제2 단일광자 검출 신호(VSPAD2)를 출력할 수 있다.
신호처리부(140)는 제1 단일광자 검출 신호(VSPAD1) 및 제2 단일광자 검출 신호(VSPAD2)를 입력받아 멀티 에코 신호의 첫 번째 펄스 신호와 두 번째 펄스 신호의 도착시간을 계산할 수 있다. 신호처리부(140)는 지연보상기(141) 및 거리계산기(142)를 포함할 수 있다.
지연보상기(141)는 광섬유 지연기(112)에 의한 제1 단일광자 검출 신호(VSPAD1)와 제2 단일광자 검출 신호(VSPAD2) 사이에 존재하는 제2 지연시간(Toptdelay)을 보상할 수 있다. 즉, 지연보상기(141)는 제1 단일광자 검출 신호(VSPAD1)를 입력받으면 제2 지연시간(Toptdelay)만큼 지연하여 제1 단일광자 검출 신호(VSPAD1)를 거리계산기(142)에 전달할 수 있다. 지연보상기(141)는 아날로그 또는 디지털 형태로 구현될 수 있으며, 지연보상기(141)의 형태는 제한되지 않는다.
거리계산기(142)는 멀티 에코 신호의 첫 번째 펄스 신호와 두 번째 펄스 신호의 도착시간을 계산하고, 이를 통해 물체로부터 반사되는 짧은 간격을 갖는 멀티 에코 신호로부터 최소 2개 이상의 비행시간 정보를 획득할 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 연속 펄스 측정을 위한 단일광자검출 장치(100)는 여러 개의 단일광자검출기(121, 122)를 캐스캐이드 구조로 동작시켜 단일광자검출기(121, 122)의 불감시간 내의 광신호를 검출할 수 있다.
이하, 도 1 및 2와 함께 도 3을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 연속 펄스 측정을 위한 단일광자검출 방법에 대하여 설명한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 연속 펄스 측정을 위한 단일광자검출 방법을 나타내는 타이밍도이다.
도 3을 참조하면, 단일광자검출 장치(100)는 둘 이상의 펄스 신호를 포함하는 멀티 에코 신호의 수신 신호(R)를 수신할 수 있다. 둘 이상의 펄스 신호의 간격(Tinterval)은 단일광자검출기(121, 122)의 불감시간(Tdead) 이내일 수 있다.
단일광자검출 장치(100)는 제1 단일광자검출기(121)를 이용하여 멀티 에코 신호의 첫 번째 펄스 신호에 대응하여 제1 단일광자 검출 신호(VSPAD1)를 출력할 수 있다.
단일광자검출 장치(100)는 제1 단일광자 검출 신호(VSPAD1)에 대응하여 제2 단일광자검출기(122)로 트리거 신호(Vtrig)를 출력할 수 있다. 트리거 신호(Vtrig)는 제1 단일광자 검출 신호(VSPAD1)의 출력 시점부터 일정한 제1 지연시간(Tinherent) 이후에 출력될 수 있다. 트리거 신호(Vtrig)의 펄스폭(Ttrig)은 수신 신호(R)의 한 펄스의 펄스폭(TPW)보다 크고 펄스 신호의 최소간격보다 작을 수 있다. 트리거 신호(Vtrig)의 변화폭(ΔV)은 가이거 모드 상태의 제2 단일광자검출기(122)를 선형 모드 상태로 바꿀 수 있는 특정 전압보다 클 수 있다.
단일광자검출 장치(100)는 제2 단일광자검출기(122)의 DC 바이어스 전압(Vhv)에 트리거 신호(Vtrig)를 더하여 변조된 바이어스 전압(Vbias)을 생성하여 제2 단일광자검출기(122)에 제공할 수 있다. 제2 단일광자검출기(122)는 변조된 바이어스 전압(Vbias)이 입력되면 가이거 모드 상태에서 선형 모드 상태로 변경되고, 트리거 신호(Vtrig)의 펄스폭(Ttrig)에 해당하는 특정 시간(Ttrig)이 지난 후 다시 가이거 모드로 되돌아간다.
단일광자검출 장치(100)는 멀티 에코 신호의 수신 신호(R)를 제2 지연시간(Toptdelay)만큼 지연하여 지연된 수신 신호(Rdelay)를 제2 단일광자검출기(122)에 입력할 수 있다. 이때, 제2 지연시간(Toptdelay)은 제2 단일광자검출기(122)가 변조된 바이어스 전압(Vbias)의 입력에 의해 선형 모드 상태로 동작하는 동안 멀티 에코 신호의 첫 번째 펄스 신호가 제2 단일광자검출기(122)에 입력될 수 있도록 한다. 선형 모드 상태의 제2 단일광자검출기(122)는 지연된 수신 신호(Rdelay)의 첫 번째 펄스 신호에 대해 검출 신호를 출력하지 않거나 매우 작은 검출 신호를 출력하게 된다. 가이거 모드로 되돌아간 제2 단일광자검출기(122)에 지연된 수신 신호(Rdelay)의 두 번째 펄스 신호가 입력되어 높은 세기의 제2 단일광자 검출 신호(VSPAD2)가 출력될 수 있다.
단일광자검출 장치(100)는 제1 단일광자 검출 신호(VSPAD1)와 제2 단일광자 검출 신호(VSPAD2) 사이에 존재하는 제2 지연시간(Toptdelay)을 보상하고, 멀티 에코 신호의 첫 번째 펄스 신호와 두 번째 펄스 신호의 도착시간을 계산할 수 있다. 이를 통해, 단일광자검출 장치(100)는 물체로부터 반사되는 짧은 간격을 갖는 멀티 에코 신호로부터 최소 2개 이상의 비행시간 정보를 획득할 수 있다.
지금까지 참조한 도면과 기재된 발명의 상세한 설명은 단지 본 발명의 예시적인 것으로서, 이는 단지 본 발명을 설명하기 위한 목적에서 사용된 것이지 의미 한정이나 특허청구범위에 기재된 본 발명의 범위를 제한하기 위하여 사용된 것은 아니다. 그러므로 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시 예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.
100: 단일광자검출 장치 111: 광섬유 커플러
112: 광섬유 지연기 110: 광분할 지연부
120: 단일광자검출부 121: 제1 단일광자검출기
122: 제2 단일광자검출기 123: 바이어스 결합기
130: 트리거 발생부 131: 고속펄스 발생기
132: 고속 증폭기 140: 신호처리부
141: 지연보상기 142: 거리계산기
1311: 고속비교기 1312: D-플립플롭
1313: 시간지연기

Claims (16)

  1. 제1 펄스 신호 및 제2 펄스 신호를 포함하는 멀티 에코 수신 신호가 입력되면 상기 제1 펄스 신호에 대응하여 제1 단일광자 검출 신호를 출력하는 제1 단일광자검출기;
    상기 제1 단일광자검출기로부터 상기 제1 단일광자 검출 신호가 입력되면 특정 펄스폭을 갖는 트리거 신호를 출력하는 트리거 발생부; 및
    DC 바이어스 전압을 인가받아 가이거 모드 상태에서 동작하고, 상기 멀티 에코 수신 신호를 지연시켜 지연된 멀티 에코 수신 신호를 생성하는 광섬유 지연기를 통해 상기 지연된 멀티 에코 수신 신호를 입력받는 제2 단일광자검출기를 포함하고,
    상기 제2 단일광자검출기는 상기 트리거 신호에 의해 변조된 바이어스 전압이 입력되면 상기 가이거 모드 상태에서 선형 모드 상태로 변경되고, 상기 제2 단일광자검출기가 상기 선형 모드 상태로 동작하는 동안 상기 지연된 멀티 에코 수신 신호의 제1 펄스 신호가 입력되고, 상기 제2 단일광자검출기는 상기 트리거 신호의 펄스폭에 해당하는 특정 시간이 지난 후 상기 선형 모드 상태에서 상기 가이거 모드 상태로 되돌아가고,
    상기 가이거 모드 상태로 되돌아간 상기 제2 단일광자검출기에 상기 지연된 멀티 에코 수신 신호의 제2 펄스 신호가 입력되고, 상기 제2 단일광자검출기는 상기 지연된 멀티 에코 수신 신호의 제2 펄스 신호에 대응하여 제2 단일광자 검출 신호를 출력하는 연속 펄스 측정을 위한 단일광자검출 장치.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 멀티 에코 수신 신호를 상기 제1 단일광자검출기에 연결되는 제1 광섬유와 상기 광섬유 지연기에 연결되는 제2 광섬유로 분기하는 광섬유 커플러를 더 포함하는 연속 펄스 측정을 위한 단일광자검출 장치.
  3. 제2 항에 있어서,
    상기 광섬유 지연기에 의한 제1 단일광자 검출 신호와 상기 제2 단일광자 검출 신호 사이에 존재하는 지연시간을 보상하는 지연보상기를 더 포함하는 연속 펄스 측정을 위한 단일광자검출 장치.
  4. 제1 항에 있어서,
    상기 멀티 에코 수신 신호의 제1 펄스 신호는 첫 번째 펄스 신호이고, 상기 멀티 에코 수신 신호의 제2 펄스 신호는 두 번째 펄스 신호이고, 상기 멀티 에코 수신 신호의 제1 펄스 신호와 제2 펄스 신호의 간격은 상기 제1 단일광자검출기가 상기 제1 펄스 신호를 검출한 후 신호를 검출할 수 없는 시간인 불감시간 이내인 연속 펄스 측정을 위한 단일광자검출 장치.
  5. 제1 항에 있어서,
    상기 트리거 발생부는,
    상기 제1 단일광자 검출 신호를 기반으로 특정 펄스폭을 갖는 상기 트리거 신호를 생성하는 고속펄스 발생기; 및
    상기 트리거 신호의 변화폭이 상기 제2 단일광자검출기를 상기 선형 모드 상태로 바꿀 수 있는 특정 전압보다 크게 상기 트리거 신호를 출력하는 고속 증폭기를 포함하는 연속 펄스 측정을 위한 단일광자검출 장치.
  6. 제5 항에 있어서,
    상기 고속펄스 발생기는,
    상기 제1 단일광자검출기로부터 상기 제1 단일광자 검출 신호를 입력받고, 상기 제1 단일광자 검출 신호가 특정 임계치 이상일 때 하이 레벨의 비교기 신호를 출력하는 고속비교기;
    상기 고속비교기로부터 상기 하이 레벨의 비교기 신호를 입력받고, 상기 하이 레벨의 비교기 신호가 입력됨에 따라 하이 레벨의 플립플롭 신호를 출력하는 D-플립플롭; 및
    상기 D-플립플롭으로부터 상기 하이 레벨의 플립플롭 신호를 입력받고, 상기 하이 레벨의 플립플롭 신호를 특정 시간만큼 지연하여 상기 D-플립플롭의 리셋 입력단에 입력하는 시간지연기를 포함하고,
    상기 D-플립플롭은 상기 리셋 입력단에 상기 하이 레벨의 플립플롭 신호가 입력되면 로우 레벨의 플립플롭 신호를 출력하는 연속 펄스 측정을 위한 단일광자검출 장치.
  7. 제5 항에 있어서,
    상기 트리거 신호의 펄스폭은 상기 멀티 에코 수신 신호의 한 펄스 신호의 펄스폭보다 크고 측정하고자 하는 멀티 에코 신호의 펄스 신호의 최소간격보다 작은 연속 펄스 측정을 위한 단일광자검출 장치.
  8. 제5 항에 있어서,
    상기 제2 단일광자검출기의 DC 바이어스 전압에 상기 트리거 신호를 더하여 상기 변조된 바이어스 전압을 생성하는 바이어스 결합기를 더 포함하는 연속 펄스 측정을 위한 단일광자검출 장치.
  9. 제1 단일광자검출기 및 제2 단일광자검출기를 포함하는 단일광자검출 장치에 의한 연속 펄스 측정을 위한 단일광자검출 방법에 있어서,
    상기 제1 단일광자검출기는 제1 펄스 신호 및 제2 펄스 신호를 포함하는 멀티 에코 수신 신호가 입력되면 상기 제1 펄스 신호에 대응하는 제1 단일광자 검출 신호를 출력하는 단계;
    상기 제1 단일광자 검출 신호에 대응하여 상기 제2 단일광자검출기로 특정 펄스폭을 갖는 트리거 신호를 출력하는 단계;
    DC 바이어스 전압을 인가받아 가이거 모드 상태에서 동작하고, 상기 멀티 에코 수신 신호를 지연시켜 지연된 멀티 에코 수신 신호를 생성하는 광섬유 지연기를 통해 상기 지연된 멀티 에코 수신 신호를 입력받는 상기 제2 단일광자검출기가 상기 트리거 신호에 의해 변조된 바이어스 전압을 입력받고, 상기 제2 단일광자검출기는 상기 변조된 바이어스 전압이 입력되면 상기 가이거 모드 상태에서 선형 모드 상태로 변경되고, 상기 제2 단일광자검출기가 상기 선형 모드 상태로 동작하는 동안 상기 지연된 멀티 에코 수신 신호의 제1 펄스 신호가 입력되는 단계; 및
    상기 제2 단일광자검출기가 상기 트리거 신호의 펄스폭에 해당하는 특정 시간이 지난 후 상기 선형 모드 상태에서 상기 가이거 모드 상태로 되돌아가고, 상기 가이거 모드 상태로 되돌아간 상기 제2 단일광자검출기에 상기 지연된 멀티 에코 수신 신호의 제2 펄스 신호가 입력되고, 상기 제2 단일광자검출기가 상기 지연된 멀티 에코 수신 신호의 제2 펄스 신호에 대응하는 제2 단일광자 검출 신호를 출력하는 단계를 포함하는 연속 펄스 측정을 위한 단일광자검출 방법.
  10. 제9 항에 있어서,
    상기 트리거 신호는 상기 제1 단일광자 검출 신호의 출력 시점부터 제1 지연시간 이후에 출력되는 연속 펄스 측정을 위한 단일광자검출 방법.
  11. 제10 항에 있어서,
    상기 멀티 에코 수신 신호가 제2 지연시간만큼 지연된 상기 지연된 멀티 에코 수신 신호가 상기 제2 단일광자검출기에 입력되는 연속 펄스 측정을 위한 단일광자검출 방법.
  12. 제11 항에 있어서,
    상기 제1 단일광자 검출 신호와 상기 제2 단일광자 검출 신호 사이에 존재하는 상기 제2 지연시간을 보상하는 단계를 더 포함하는 연속 펄스 측정을 위한 단일광자검출 방법.
  13. 제11 항에 있어서,
    상기 제2 지연시간은 상기 제1 지연시간보다 크고, 상기 제1 지연시간과 상기 트리거 신호의 펄스폭의 합에서 상기 멀티 에코 수신 신호의 한 펄스의 펄스폭을 뺀 값보다 작은 연속 펄스 측정을 위한 단일광자검출 방법.
  14. 제9 항에 있어서,
    상기 트리거 신호의 펄스폭은 상기 멀티 에코 수신 신호의 한 펄스의 펄스폭보다 크고 펄스 신호의 최소간격보다 작은 연속 펄스 측정을 위한 단일광자검출 방법.
  15. 제9 항에 있어서,
    상기 트리거 신호의 변화폭은 상기 제2 단일광자검출기를 상기 가이거 모드 상태에서 상기 선형 모드 상태로 바꿀 수 있는 특정 전압보다 큰 연속 펄스 측정을 위한 단일광자검출 방법.
  16. 제9 항에 있어서,
    상기 제2 단일광자검출기의 DC 바이어스 전압에 상기 트리거 신호를 더하여 상기 변조된 바이어스 전압을 생성하는 연속 펄스 측정을 위한 단일광자검출 방법.
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