KR102527537B1 - 광학 tof 측정을 위한 광원 동작 장치 - Google Patents

광학 tof 측정을 위한 광원 동작 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 펄스 신호 시퀀스에 따라 광 펄스를 방출하도록 구성되는 광원 (2, 21); 및 상기 광원 (2, 21)의 전류 신호 또는 전압 신호에 기초하여 상기 광원 (2, 21)에 의해 방출되는 광 출력을 모니터링하기 위한 모니터링 회로 (3, 22)을 포함하는 광학 TOF (time-of-flight)를 위한 광원 (2, 21) 동작 장치 (1, 20)와 연관된 것이다.

Description

광학 TOF 측정을 위한 광원 동작 장치
본 발명은 일반적으로 광학 TOF(time-of-flight) 측정을 위한 광원 동작 장치에 관한 것이다.
이른바 TOF(time-of-flight) 원리에 기초하여 광학 TOF 측정을 위한 다양한 방법들이 알려져 있으며, 이 경우 물체에 의해 방출되거나 반사되는 광신호의 TOF가 TOF에 기초하여 물체까지의 거리를 결정하기 위해 측정된다.
이른바 LIDAR(light detection and ranging) 원리(광 검출 및 거리 측정)에 기초하는 센서들은 특히 차량 분야에서 사용되며, 이 경우 주변 영역을 스캐닝하기 위해 주기적으로 펄스들이 방출되거나, 반사되는 펄스들이 검출된다. 이에 대응되는 방법 및 장치는 예를 들어 WO 2017/081294로부터 알려져 있다.
US 8,497,478 B2는 광학 센서 시스템에서 광원을 제어하기 위한 고전압 공급 회로를 설명한다.
WO 2018/050897 A1은 TOF 센서를 위한 전자 회로를 설명한다.
US 2005/0201435 A1은 물체 감지 유닛을 개시한다.
광학 거리 측정을 위한 솔루션들이 종래로부터 알려져 있더라도, 본 발명의 목적은 광학 TOF를 위한 광원 동작 장치를 제공하는 것이다.
청구항 1에 따른 장치는 이러한 목적을 해결한다.
제1 양상에 따르면, 본 발명은 다음을 포함하는 광학 TOF를 위한 광원 동작 장치를 제공한다.
펄스 신호 주파수에 따라 광 펄스들을 방출하도록 구성되는 광원; 및
상기 광원의 전류 신호 및/또는 전압 신호에 기초하여 상기 광원으로부터 방출되는 광 출력을 모니터링하기 위한 모니터링 회로;
삭제
본 발명에 따르면, 광학 TOF 측정을 위한 광원 동작 장치가 제공될 수 있다.
도 1은 광학 TOF 측정을 위한 광원 동작 장치의 제1 예시적인 실시예를 도시한 것이다.
도 2는 광학 TOF 측정을 위한 광원 동작 장치의 제2 예시적인 실시예를 도시한 것이다.
상술한 바와 같이, 일부 예시적인 실시예들은 다음을 포함하는 광학 TOF 측정을 위한 광원 동작 장치에 관한 것이다.
펄스 신호 주파수에 따라 광 펄스들을 방출하도록 설정되는 광원; 및
상기 광원의 전류 신호 및/또는 전압 신호에 기초하여 상기 광원으로부터 방출되는 광 출력을 모니터링하기 위한 모니터링 회로;
이 장치는 일반적으로 LIDAR 시스템 등에 사용될 수 있으며, 예를 들어 차량 분야에서 사용될 수 있으나, 본 발명은 이러한 경우들에 제한되지 않는다. 일부 예시적인 실시예들의 경우, 이 장치는 또한 예를 들어 SPAD(single avalanche photo diode) 기술, CPAD(current assisted photo diode) 기술, CMOS (complementary metal oxide semiconductor) 기술, 등에 기초하여 광원으로부터 방출되거나 물체로부터 반사된 광 펄스들을 검출하기 위한 대응되는 검출기 또는 센서를 포함한다. 이 장치는 따라서 방출된 광펄스들의 TOF를 결정하도록 추가로 구성될 수 있으며, 이에 기초하여, 예를 들어 장치 물체 간 거리, 물체 등의 3차원 이미지를 결정하도록 구성될 수 있다.
광원은 하나 또는 여러 레이저 요소들, 예를 들어 레이저 다이오드, VCSEL (vertical surface emitting laser) 등을 포함할 수 있거나, 또한 LED (light emitting diode) 기술 등에 기초할 수 있다.
일부 예시적인 실시예들의 경우, 광원은 일부 광원, 특히 레이저에 대해서도 필요할 수 있으므로, 눈에 안전(“눈 안전”)해야 한다. 눈 안전은 예를 들어 방출된 평균 출력이 밀리초, 또는 10초, 등과 같은 다른 시간 스케일의 경우 특정 값을 초과하지 않아야하는 것을 요구할 수 있다.
본 발명에 따르면, 모니터링 회로는 광원에 의해 방출된 광 출력을 모니터링하고, 여기서 광원은 예를 들어 일부 예시적인 실시예들의 경우, 방출된 광 출력이 임계값을 초과할 때나, 눈 안전이 더 이상 보장되지 않는 경우, 비활성화되거나 또는 첫번째 장소에서 활성화되지 않는다.
광원이 광 펄스를 방출한다는 사실로 인해, 일부 예시적인 실시예들의 경우 방출된 광 출력을 모니터하기 위해 방출된 광 에너지를 각각 통합하거나 합산하는 것이 필요하다.
따라서, 일부 예시적인 실시예들의 경우, 광원의 온-타임(on-time)뿐만 아니라, 광원이 동작하기 위해 필요한 전류 또는 전압 각각을 모니터하는 것이 필요하다.
일부 예시적인 실시예들의 경우, 펄스 시퀀스(예, 레이저 다이오드)에 기초하여 광원이 동작하는 전류 펄스는 2 내지 10 나노초 범위의 길이를 가지나, 이로 인해 본 발명을 제한하지는 않는다. 따라서, 전류 신호를 디지털화하려면 기존의 아날로그-디지털 컨버터(converter) 또는 트랜듀서(transducer)가 1GHz 내지 5GHz의 범위에서 필요하며, 이로 인해 이러한 컨버터들은 일반적으로 고가이고 고출력(예, 500밀리와트, 즉 0.5와트를 초과)을 필요로한다는 것도 인식되었으며, 따라서 일부 예시적인 실시예들의 경우에는 다른 수단이 사용되며, 이는 또한 아래에서 설명될 것이다.
일부 예시적인 실시예들의 경우, 거리의 결정은 특히 LIDAR에 기초한 예시적인 실시예들의 경우에 이른바 TCSPC (time correlated single photon counting) 측정 원리에 기초한다.
일부 예시적인 실시예들의 경우, 광원은 예를 들어 300 미터 범위에서 2 마이크로 초마다의 고주파의 경우에 광 펄스를 주기적으로 방출 할 수 있으며, 본 발명은 이러한 특정 예로 제한되지 않는다.
이 장치는 펄스 신호를 생성하기 위한 (시작) 펄스 생성기를 포함할 수 있으며, 여기서 펄스 신호는 측정을 위한 시작 펄스로 작용할 수 있으며 또한 펄스 신호 시퀀스의 생성을 위한 기초로 작용할 수 있다.
상술한 바와 같이, 광 펄스는 측정을 위해 5 내지 20 나노초의 길이를 가질 수 있고, 일부 예시적인 실시예들에서, 펄스 시퀀스는 예를 들어 16 비트 슈도-랜덤(pseudo-random) 비트 시퀀스인 비트 시퀀스를 나타내며, 예를 들어 길이가 5 나노초인 펄스 시퀀스는 16 비트를 나타내고, 여기서, 예를 들어 값이 "1"인 각 비트는 광원이 활성 상태임을 의미하고, "0"은 광원이 비활성 상태임을 의미한다 (또는 그 반대).
일부 예시적인 실시예들의 경우, 모니터링 회로는 광원의 연속적인 스위치-온(switch-on) 시간이 특정 스위치-온 시간 임계값보다 작은 지 여부를 모니터링하도록 구성된 온-타임 모니터를 포함한다. 이를 위해, 온-타임 모니터는 예를 들어 광원이 활성화되면 특정 값을 갖고 광원이 활성화되지 않을 때 값이 없거나 더 낮은 값을 갖는 광원의 전압 신호를 분석 할 수 있다. 스위치-온 시간은 각각 방출된 광 에너지 또는 광 출력에 비례 할 수 있다.
일부 예시적인 실시예들의 경우, 모니터링 회로는 광 펄스의 듀티 인자가 지정된 듀티 인자 임계값 보다 작은 지 여부를 모니터하도록 구성된 듀티 인자 모니터를 포함한다. 전류/전압 신호를 통해 듀티 인자 모니터는 펄스 열의 모든 활성 광 펄스가 고려되도록 펄스 시퀀스를 기반으로 생성되는 광 펄스의 펄스 열을 통합 할 수 있다. 이는 광원이 활성화 된 경우 (예, 값이 "1" 또는 "0"인 모든 비트) 펄스 시퀀스의 모든 비트가 결정된다는 점에서 발생할 수 있다. 예를 들어, 듀티 인자 임계값은 광원이 8 비트 주기 (예, 80ns) 이하 동안 활성화되었음을 지정하도록 선택될 수 있다.
일부 예시적인 실시예들의 경우, 모니터링 회로는 광원이 펄스 시퀀스 외부에서 활성화되는지 여부를 모니터링하도록 구성된 윈도우 모니터를 포함한다. 예를 들어, 광원이 펄스 시퀀스 후에 비활성화되지 않거나 더 이상 올바르게 반응하지 않는 경우 광원의 오작동이 결정될 수 있다.
일부 예시적인 실시예들의 경우, 장치는 예를 들어 펄스 신호에 기반하여, 펄스 신호 시퀀스를 생성하도록 구성되는 펄스 시퀀스 생성기를 포함한다.
장치는 또한 펄스 신호에 기초하여 펄스 윈도우를 생성하는 펄스 윈도우 생성기를 더 포함 할 수 있으며, 여기서 예를 들어 펄스 신호를 수신할 때 펄스 윈도우의 시작이 생성되고 펄스 윈도우의 끝이 생성되고, 펄스 윈도우의 끝은 펄스 열의 끝에 생성된다. 펄스 윈도우 자체는 예를 들어 해당 신호로 표시될 수 있으며 광원의 활성 시간 (펄스 트레인 기반)을 나타낸다.
일부 예시적인 실시예들의 경우에, 모니터링 회로는 광원으로부터의 전류 신호의 시간 상관 스캐닝을 위한 (및 대응하는 스캐닝되고 디지털화된 전류 신호를 출력하기위한) 제 1 트랜듀서를 포함한다.
빠른 시간-디지털 트랜듀서는 잘 알려져있고, 예를 들어 500 피코초 이상의 시간 분해능을 가질 수 있다.
따라서 전류 신호는 비용 효율적인 방식과 높은 시간 분해능으로 광원에 의해 디지털화될 수 있다.
일부 예시적인 실시예들의 경우, 모니터링 회로는 광원으로부터의 전압 신호의 시간 상관 스캐닝을 위한 (및 대응하는 스캐닝되고 디지털화된 전압 신호를 출력하기 위한) 제 2 트랜듀서를 포함한다.
전류 신호 또는 전압 신호의 아날로그 파형은 각각 순차적으로 스캔될 수 있는데, 이는 일부 예시적인 실시예들의 경우 TCSPC 측정 사이클에 동기적이고 주기적이기 때문이다.
일부 예시적인 실시예들의 경우, 모니터링 회로는 전기 에너지 값 및 그에 기초하여 전류 신호 및/또는 전압 신호에 기초하여 (예를 들어, 각각 제 1 또는 제 2 트랜듀서에 의해 각각 스캔된 전류 또는 전압 신호에 기초) 총 광 출력 또는 펄스 에너지를 계산하도록 구성되는 에너지 계산기를 포함한다. 예를 들어, 에너지 계산기는 전압 값 U와 전류 값 I의 곱셈을 통해 에너지를 쉽게 계산할 수 있으며, 여기서 전류 값 I는 제 1 트랜듀서에서 발생하는 전류 신호의 적분에 의해 결정되며, 전압 값 U는 특정 상수일 수 있는 모델 기반 값 (예, 전류 값 I와의 선형 연결을 기반으로 결정되거나 전압 값 U와 전류 값 I 간의 연결에 대한 명확한 함수를 나타내는 단조 증가 함수를 기반으로 결정됨)이거나, 또는 제2 트랜듀서에서 발생하는 전압 신호의 적분에 의해 결정될 수 있다.
일부 예시적인 실시예들의 경우, 장치는 광원의 전기 에너지 값 및 동작 온도 값에 기초하여 방출된 광 출력을 보정하도록 구성되는 온도 보상기를 더 포함한다. 방출된 광 출력은 일반적으로 온도와 상관될 수 있으며, 예를 들어 효율은 온도의 증가에 따라 감소하므로 광원을 통해 흐르는 더 높은 전류가 반드시 더 높은 방출 된 광학 에너지를 수반하지는 않는다. 즉, 동일한 방출된 광 에너지에 필요한 온도 상승과 관련하여 필요한 전기 에너지가 증가 할 수 있다. 온도 보상기는 예를 들어 전류 및/또는 전압 신호를 기반으로 발생하는 광 출력을 현재 온도에 따라 보정하거나, 또는 예를 들어 에너지 계산기에 의해 결정된 전기 에너지가 비교되는 기준 값을 보정하는데 이 효과를 고려할 수 있다.
따라서, 일부 예시적인 실시예들의 경우, 광원은 광원의 동작 온도 값을 온도 보상기로 출력하는 온도 센서를 포함한다.
일부 예시적인 실시예들의 경우, 장치는 광원의 전류 신호에 기초하여 전압 스캐닝 신호를 출력하는 측정 저항 (예를 들어, 션트(shunt) 저항)을 포함한다. 측정 저항의 전압 스캐닝 신호를 증폭하는 차동 증폭기가 추가로 제공 될 수 있다. 더욱이, 장치는 전압 스캐닝 신호를 기준 값과 비교하고 그에 기초하여 광원의 상태 신호를 모니터링 회로에 출력하는 비교기를 포함 할 수 있다. 예를 들어 상태 신호는 "광원 켜짐"신호일 수 있으며, 이는 광원이 활성 상태임을 나타낸다.
일부 예시적인 실시예들의 경우, 모니터링 회로는 광원에 의해 방출된 광 출력의 모니터링에 기초하여 광원을 비활성화하도록 구성된 오류 로직(error logic)을 포함한다.
여기에서 논의된 장치는 예를 들어 LIDAR 측정 장치와 같은 TOF 측정 장치에 통합될 수 있으며, 이는 차례로 차량 또는 다른 장치에 통합되거나 제공 될 수 있다. 설명된 장치는 자율적으로 작동하는 (모터) 차량에서도 사용될 수 있다.
상술한 또는 본 개시에서 각각 설명된 방법 단계는 또한 예를 들어 본 개시에서 설명된 장치에 의해 TOF 측정 (또는 각각의 LIDAR 측정 장치 등을 작동하기 위한)을 위해 광원을 동작하는 방법의 대상이 될 수 있다.
일부 예시적인 실시예들은 또한 명령어를 수신하는 (컴퓨터) 프로그램에 관한 것으로, 이는 프로세서 또는 컴퓨터에서 실행될 때 본 개시에 설명된 방법이 실행되도록 한다.
일부 예시적인 실시예들은 또한 프로그램 또는 명령을 각각 수신하는 컴퓨터 판독 가능 매체에 관한 것으로, 프로세서 또는 컴퓨터에서 실행될 때 본 개시에 설명된 프로그램 또는 방법이 각각 수행된다.
요약하면, 일부 예시적인 실시예들의 경우 눈 안전의 중요한 파라미터의 모니터링이 제공된다. 눈 안전과 관련된 파라미터의 위반이 감지되면 해당 신호를 통해 광원이 스위치 오프될 수 있다. 시작 펄스 신호는 광원 (예, 레이저)의 온-타임을 모니터링하는 데 사용될 수 있다. 일부 예시적인 실시예들의 경우, 스위치 온-시간 (예를 들어, 7 또는 5 나노초 펄스의 "t_on_max")이 초과 될 때 광원이 스위치 오프될 수 있다. 광원이 펄스 윈도우 외부에서 활성화되거나 펄스 시퀀스가 듀티 인자 임계값을 초과 할 때 광원이 스위치 오프 될 수도 있다. 일부 예시적인 실시예들의 경우, 광원의 평균 및 피크 전류 값은 또한 예를 들어, 히스토그램을 사용하여 TDC 회로를 기반으로 모니터링되며, 여기서 전류 값은 해당 시간 기반의 전류 값 코스(course)를 획득하기 위해 히스토그램에 채워진다.
이제 본 발명의 예시적인 실시예들이 첨부된 도면을 참조하여 예시적인 방식으로 설명될 것이다.
도 1은 광학 TOF 측정을 위한 광원 동작 장치의 제1 예시적인 실시예를 도시한 것이다.
도 2는 광학 TOF 측정을 위한 광원 동작 장치의 제2 예시적인 실시예를 도시한 것이다.
도 1은 레이저 다이오드 (2)의 동작의 눈 안전을 모니터링하기 위한 모니터링 회로 (3)를 포함하는 광학 TOF 측정을 위한 레이저 다이오드 (2)를 동작시키기 위한 장치 (1)의 제 1 예시적인 실시예의 회로도를 도시한다.
장치 (1)의 시작 펄스 생성기 (4)는 LIDAR 펄스 측정, 예를 들어 TCSPC주기 내의 개별 측정, 을 시작하기 위해 주기적인 트리거 신호를 출력한다.
주기적 트리거 신호 또는 펄스 신호는 펄스 시퀀스 생성기 (5)에 의해 수신되며, 이에 대한 반응으로 펄스 시퀀스를 생성하며, 이는 주기적 펄스 신호를 예를 들어 “0” 및 “1”의 16 비트일 수 있는 펄스 시퀀스로 변환하고, 여기서 "1"은 레이저 (레이저 다이오드) (2)의 스위치-온 또는 활성화를 야기하여, 레이저 (2)가 펄스 시퀀스에 따라 광 펄스를 방출하도록 한다. 펄스 시퀀스는 10ns 비트 주기로 직렬화된다. 본 실시 예에서 광 신호의 펄스 열 길이는 160ns이다.
펄스 열은 일반적으로 "1"에 대한 특정 경계 조건과 함께 "1"과 "0"의 조합을 가질 수 있고, 후자는 레이저 (2)의 온-타임을 결정하므로, 펄스 주파수와 함께 "1"의 총 개수는 평균 레이저 출력을 정의한다. 다른 예시적인 실시예들의 경우, 펄스 열은 또한 단일 광 펄스만을 가질 수 있다.
펄스 시퀀스 생성기 (5)는 레이저 다이오드 (2)를 작동시키기 위해 펄스 시퀀스를 고전류 신호로 변환하는 레이저 드라이버 (6)로 펄스 시퀀스를 출력한다.
레이저 드라이버 (6)는 레이저 공급 전압 (+ Vls)이 인가되는 레이저 스위치 (7)에 연결되고, 레이저 스위치 (7)가 스위치 온 될 때 레이저 드라이버 (6)에 공급된다.
레이저 스위치 (7)는 예를 들어 레이저 드라이버 (6)가 오작동하거나, 결함이 있거나, 레이저 다이오드(2)가 영구적으로 광 (펄스)을 방출하도록 허용하는 단락 상황이 발생할 때 레이저 다이오드 (2)를 끌 수 있으며, 이는 눈 안전과 관련하여 매우 중요하고, 레이저 드라이버 (6)에 더하여, 레이저 스위치 (7)는 또한 레이저 다이오드 (2)를 스위치 오프할 수 있기 때문에 이는 또한 중복 제어 경로를 나타낸다. 레이저 스위치 (7)는 또한 아래에서 더 상세히 설명되는 바와 같이 모니터링 회로 (3)로부터 대응하는 스위치-오프 신호를 수신 할 수 있다.
레이저 다이오드 (2)를 통해 흐르는 전류는 레이저 다이오드 (2)에 연결된 션트 저항 (8)을 통한 전압 강하에 의해 측정된다. 스캔된 전압은 작은 스캐닝 전압 신호를 증폭하고 이를 비교기 (10)로 출력하는 차동 증폭기 (9)에 공급된다.
비교기 (10)는 증폭된 전압 스캐닝 신호를 기준 값과 비교하고 레이저 다이오드 (2)가 온 (기준 값 보다 큰 전압 스캐닝 신호) 또는 오프 (기준 값 보다 작은 전압 스캐닝 신호)를 나타내는지 여부를 지시하는 대응 레이저 상태 신호를 출력한다.
본 개시의 예시적인 실시예에서, 비교기 (10)에 의해 출력되는 신호는 레이저-온(laser-on) 신호이고, 이 신호의 첫 번째 상승 에지는 TOF 측정을 위한 TDCs를 시작하는데 사용될 수 있다.
시작 펄스 생성기 (4)는 또한 펄스 윈도우 생성기 (11)에 펄스 신호를 공급하여 시작 펄스 생성기 (4)가 펄스 윈도우 생성기 (11)를 트리거하도록 한다. 펄스 윈도우 생성기 (11)는 시작 펄스가 수신되자마자 "high"(윈도우의 시작)로 설정된 윈도우 신호를 출력하고, 이 예시적인 실시예의 펄스 열의 길이에 대응되는 펄스 열의 최대 시간 이후, 즉, 예를 들어, 160ns 이후에, “low”(윈도우의 끝)로 설정된 윈도우 신호를 출력한다.
비교기 (10)의 레이저-온 신호는 3 개의 모니터, 즉 온-타임 모니터 (12), 듀티 인자 모니터 (13) 및 윈도우 모니터 (14)를 갖는 모니터링 회로 (3)에 공급된다.
온-타임 모니터 (12)는 레이저 다이오드 (2)의 연속 스위치-온 시간 (중단없이)이 미리 정의된 스위치-온 시간 임계값을 초과하는지 여부를 확인한다. 예를 들어, 레이저 다이오드 (2)는 두 개의 연속 펄스, 여기서 예를 들어 펄스 시퀀스의 연속된 두 개의 "1" 보다 더 오래 활성화되어서는 안된다. 따라서 온-타임 모니터 (12)는 이 예시적인 실시예에서 스위치-온 시간 또는 활성화 시간이 22ns의 스위치-온 시간 임계값보다 위에 있을 때 오류 신호를 오류 로직 (15)에 출력하고, 여기서 22ns는 2ns의 추가 공차를 가진 2 개의 펄스에 대해 20ns의 스위치-온 시간으로부터 도출된 것이다.
듀티 인자 모니터 (13)는 펄스 윈도우 생성기 (11)에 의해 공급되는 펄스 열 창에 의해 정의되는 주기 내에서 레이저 다이오드 (2)의 온-타임을 축적하거나 통합한다. 이 예시적인 실시예에서, 듀티 인자 모니터 (13)는 레이저 다이오드 (2)가 펄스 시퀀스 내에서 8 비트 구간 (= 80ns = 듀티 인자 임계값) 이상 동안 활성화 될 때 오류 로직 (15)에 오류를 출력한다 (본 발명은 이 특정 예로 제한하지 않음).
윈도우 모니터 (14)는 펄스 윈도우 생성기 (11)에 의해 공급되는 펄스 시퀀스 윈도우 (윈도우 신호) 외부에서 레이저 다이오드 (2)가 각각 작동 또는 활성화되지 않았는지 확인한다. 시스템의 오작동은 다음과 같은 경우, 예를 들어, 레이저 드라이버 (6)가 오작동, 결함 등이 있고, 예를 들어 펄스 시퀀스의 끝에서 스위치 오프되지 않는 경우 감지될 수 있다. 윈도우 모니터 (14)는 이 경우에도 마찬가지로 오류 신호를 오류 로직 (15)에 출력한다.
오류 로직 (15)은 모니터들 (12 내지 14)로부터 수신하는 오류 신호를 결합하고, 오류가 발생하면 대응 스위치-오프 신호를 레이저 스위치 (7)에 전송하고, 스위치-오프 신호에 반응하여 레이저 다이오드 (2)를 스위치 오프한다. 또한, 오류 로직 (15)은 대응하는 오류 보고를 주요한 제어로 전송할 수도 있다.
도 2는 레이저 다이오드 (21)의 동작의 눈 안전을 모니터링하기 위한 모니터링 회로 (22)를 포함하는 광학 TOF 측정을 위한 레이저 다이오드 (21)를 동작시키기 위한 장치 (20)의 제 2 예시적인 실시예의 회로도를 도시한다.
이 예시적인 실시예는 TCSP LIDAR 측정 원리를 참조하고, 적어도 2 개의 펄스 또는 펄스 시퀀스가 변경없이 차례로 방출된다.
장치 (20)의 시작 펄스 생성기 (23)는 LIDAR 펄스 측정, 예를 들어 TCSPC 주기 내 개별적 측정, 을 시작하기 위해 주기적으로 트리거 신호를 출력한다.
주기적 트리거 신호 또는 펄스 신호는 펄스 시퀀스 생성기 (24)에 의해 수신되며, 이에 대한 반응으로 펄스 시퀀스를 생성하며, 이는 주기적 펄스 신호를 예를 들어 “0” 및 “1”의 16 비트일 수 있는 펄스 시퀀스로 변환하고, 여기서 "1"은 레이저 (레이저 다이오드) (21)의 스위치-온 또는 활성화를 야기하여, 레이저 (21)가 펄스 시퀀스에 따라 광 펄스를 방출하도록 한다. 펄스 시퀀스는 10ns 비트 주기로 직렬화된다. 본 실시 예에서 광 신호의 펄스 열 길이는 160ns이다.
펄스 열은 일반적으로 "1"에 대한 특정 경계 조건과 함께 "1"과 "0"의 조합을 가질 수 있고, 후자는 레이저 (21)의 온-타임을 결정하므로, 펄스 주파수와 함께 "1"의 총 개수는 평균 레이저 출력을 정의한다.
펄스 시퀀스 생성기 (24)는 레이저 다이오드 (21)를 동작시키기 위해 펄스 시퀀스를 고전류 신호로 변환하는 레이저 드라이버 (25)로 펄스 시퀀스를 출력한다.
레이저 드라이버 (25)는 레이저 공급 전압 (+ Vls)이 인가되는 레이저 스위치 (26)에 연결되고, 레이저 스위치 (26)가 스위치 온 될 때 레이저 드라이버 (25)에 공급된다.
레이저 스위치 (26)는 예를 들어 레이저 드라이버 (25)가 오작동하거나, 결함이 있거나, 레이저 다이오드(21)가 영구적으로 광 (펄스)을 방출하도록 허용하는 단락 상황이 발생할 때 레이저 다이오드 (21)를 끌 수 있으며, 이는 눈 안전과 관련하여 매우 중요하고, 레이저 드라이버 (25)에 더하여, 레이저 스위치 (26)는 또한 레이저 다이오드 (21)를 스위치 오프할 수 있기 때문에 이는 또한 중복 제어 경로를 나타낸다. 레이저 스위치 (26)는 또한 아래에서 더 상세히 설명되는 바와 같이 모니터링 회로 (22)로부터 대응하는 스위치-오프 신호를 수신 할 수 있다.
레이저 다이오드 (21)를 통해 흐르는 전류는 레이저 다이오드 (21)에 연결된 션트 저항 (27)을 통한 전압 강하에 의해 측정된다. 스캔된 전압은 작은 스캐닝 전압 신호를 증폭하고 이를 비교기 (29)로 출력하는 차동 증폭기 (28)에 공급된다.
비교기 (29)는 증폭된 전압 스캐닝 신호를 기준 값과 비교하고 레이저 다이오드 (21)가 온 (기준 값 보다 큰 전압 스캐닝 신호) 또는 오프 (기준 값 보다 작은 전압 스캐닝 신호)를 나타내는지 여부를 지시하는 대응 레이저 상태 신호를 출력한다.
본 예시적인 실시 예에서, 비교기 (29)에 의해 출력되는 신호는 레이저-온 신호이고, 이 신호의 첫 번째 상승 에지는 TOF 측정을 위한 TDCs를 시작하는데 사용될 수 있거나, 또는 모니터링 회로 (22)의 2 개의 TCADCs (30 및 31) (아래 참조)를 시작하는데 사용될 수 있다. 대안으로, 시작 펄스 생성기 (23)의 시작 펄스도 이 목적을 위해 사용될 수 있으며, 여기서 비교기 (29)의 출력 신호는 약간 지연되고 지터링(jittering)에 의해 레이저 드라이버 (25)에 의해 영향을 받지 않는다. TCADCs (30 및 31)는 예를 들어 독일 특허 출원 번호 102018220688.0에 개시된 방식으로 설계될 수 있으며, 그 내용은 여기에 참조로 완전히 포함된다.
본 예시적인 실시예에서, 모니터링 회로 (22)는 제 1 트랜듀서 (30)라고도 하는 제 1 TCADC (30) (시간 상관 아날로그-디지털 변환기) 및 제 2 트랜듀서 (31)라고도 하는 제 2 TCADC (31)를 갖는다.
제 1 TCADC (30)는 시간 상관 방식으로 차동 증폭기 (28)에 의해 공급되는 아날로그 전류 신호를 스캔하고, TCSPC 사이클, 예를 들어 100 펄스 반복, 후 추가 처리를 위해 에너지 계산기 (32)에 공급되는 스캔된 전류 신호를 제공한다.
본 예시적인 실시예 (다른 경우 생략 가능)에서, 제 2 TCADC (31)는 레이저 다이오드 (21)의 "high side"의 아날로그 전압 신호를 시간 상관 방식으로 스캔하고, 제 2 TCADC (31)는 TCSPC 사이클 또는 예를 들어 100 펄스 반복 후에 추가 처리를 위해 마찬가지로 에너지 계산기 (32)에 공급되는 스캔된 전압 신호를 제공한다.
가용 가능한 즉시 (예를 들어, 100 펄스 반복 후), 에너지 계산기 (32)는 총 펄스 에너지 (레이저 다이오드 (21)를 통해 흘렀고 방출된 광 출력에 해당하는 총 전기 에너지)를 전압 신호에 대한 적분에 전류 신호에 대한 적분을 곱함으로써 제1 TCADC (30)로부터 디지털화된 전류 신호 및 제2 TCADC (31)의 디지털화된 전압 신호에 기초하여 계산한다.
제 2 TCADC (31)가 제공되지 않는 예시적인 실시예들의 경우, 전압 값은 상수로 가정 될 수 있거나, 또는 예를 들어 전류 신호와의 선형 (또는 위에서 명시된 바와 같이 단조로운) 컨텍스트(context)를 통해 유도될 수 있다.
총 펄스 에너지의 값 (여기서는 총 전기 에너지)은 비교기 (33)에 공급되고, 이는 총 펄스 에너지의 값을 기준 값과 비교하고, 기준 값을 초과하면 해당 오류 신호를 오류 로직 (34)에 출력하고, 여기서 오류 신호에 반응하여 오류 로직 (34)은 대응 스위치-오프 신호를 레이저 스위치 (26)에 출력하고, 이는 레이저 다이오드 (21)를 차단(shuts off)한다. 오류 로직 (34)은 또한 다른 오류 신호를 수신할 수 있다.
본 예시적인 실시예에서, 온도 센서 (35)는 레이저 다이오드 (21)에 제공되고, 이는 레이저 다이오드 (21)의 동작 온도를 결정하고 모니터링 회로 (22)의 온도 보상기 (36)에 대응 온도 신호를 공급한다.
온도 보상기 (36)는 수신된 온도 신호에 기초하여 레이저 다이오드 (21)의 온도를 모니터한다. 레이저 다이오드 (21)에 의해 소비되는 측정된 전기 에너지 (TCADCS (30 및 31)의 스캐닝에 의해, 그리고 에너지 계산기 (32)에 의해 계산되는)는 레이저 다이오드 (21)의 광학 효율을 통해 방출된 광 출력에 연결되고, 여기서 레이저 다이오드 (21)의 효율 또는 효율의 정도는 온도 의존적이므로, 특히 이 예시적인 실시예의 경우 60℃ 이상의 온도에서 온도가 증가함에 따라 효율이 감소한다.
그러나, 방출된 광 에너지 또는 광 출력은 각각 눈의 안전과 관련이 없으므로 눈의 안전과 연관하여 방출된 광 출력이 너무 높지 않은 상태에서 레이저 다이오드 (21)의 높은 동작 온도에 반응하여 전기 에너지를 증가시킬 수도 있다.
온도 보상기 (36)는 저장소에 방출된 광 출력과 동작 온도 사이의 연결을 저장하고, 따라서 비교기 (33)와 통신하여 현재 동작 온도를 기반으로 이에 저장된 기준 값을 적응시킬 수 있으므로, 허용되는 펄스 에너지 (상술한 바에 따른 전기적 에너지에 기초하는)를 위한 기준 값은 높은 동작 온도에 따라 증가한다.
1 광학 TOF를 위한 레이저 다이오드 동작을 위한 장치
2 레이저 다이오드 (광원)
3 모니터링 회로
4 시작 펄스 생성기
5 펄스 시퀀스 생성기
6 레이저 드라이버
7 레이저 스위치
8 션트 저항 (측정 저항)
9 차동 증폭기
10 비교기
11 펄스 윈도우 생성기
12 온-타임 모니터
13 듀티 인자 모니터
14 윈도우 모니터
15 오류 로직
20 광학 TOF를 위한 레이저 다이오드 동작을 위한 장치
21 레이저 다이오드 (광원)
22 모니터링 회로
23 시작 펄스 생성기
24 펄스 시퀀스 생성기
25 레이저 드라이버
26 레이저 스위치
27 션트 저항 (측정 저항)
28 차동 증폭기
29 비교기
30 제1 TCADC (트랜듀서)
31 제2 TCADC (트랜듀서)
32 에너지 계산기
33 비교기
34 오류 로직
35 온도 센서
36 온도 보상기

Claims (15)

  1. 광학 TOF (time-of-flight)를 위한 광원 (2, 21) 동작 장치 (1, 20)에 있어서,
    펄스 신호 시퀀스에 따라 광 펄스를 방출하도록 구성되는 광원 (2, 21); 및
    상기 광원 (2, 21)의 전류 신호 또는 전압 신호에 기초하여 상기 광원 (2, 21)에 의해 방출되는 광 출력을 모니터링하기 위한 모니터링 회로 (3, 22)을 포함하고,
    상기 모니터링 회로 (3, 22)는 상기 방출되는 광 출력이 임계값을 초과할 때 상기 광원 (2, 21)을 비활성화하거나 활성화시키지 않도록 구성되고,
    상기 모니터링 회로 (22)는 상기 광원 (21)으로부터의 상기 전류 신호의 시간 상관 스캐닝을 위한 제1 트랜듀서 (30)를 포함하는 것을 특징으로 하는,
    광원 (2, 21) 동작 장치 (1, 20).
  2. 제1항에 있어서, 상기 모니터링 회로 (3)는 상기 광원 (2)의 연속 스위치-온(switch-on) 시간이 특정 스위치-온 시간 임계값 미만인지 여부를 모니터하도록 구성되는 온-시간(on-time) 모니터 (12)를 포함하는 것을 특징으로 하는,
    광원 (2, 21) 동작 장치 (1, 20).
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 모니터링 회로 (3)는 상기 광 펄스의 듀티(duty) 인자가 특정 듀티 인자 임계값 보다 작은지 여부를 모니터하도록 구성되는 듀티 인자 모니터 (13)를 포함하는 것을 특징으로 하는,
    광원 (2, 21) 동작 장치 (1, 20).
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 모니터링 회로 (3)는 상기 광원 (2)이 상기 펄스 시퀀스의 외부에서 활성화되는지 여부를 모니터하도록 구성되는 윈도우 모니터 (14)를 포함하는 것을 특징으로 하는,
    광원 (2, 21) 동작 장치 (1, 20).
  5. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 펄스 신호 시퀀스를 생성하도록 구성되는 펄스 시퀀스 생성기 (5, 24)를 더 포함하는,
    광원 (2, 21) 동작 장치 (1, 20).
  6. 제5항에 있어서, 펄스 신호에 기초하여 펄스 윈도우를 생성하는 펄스 윈도우 생성기 (11)를 더 포함하는,
    광원 (2, 21) 동작 장치 (1, 20).
  7. 제1항에 있어서, 상기 모니터링 회로 (22)는 상기 광원 (21)으로부터의 상기 전압 신호의 시간 상관 스캐닝을 위한 제2 트랜듀서 (31)를 포함하는 것을 특징으로 하는,
    광원 (2, 21) 동작 장치 (1, 20).
  8. 제1항에 있어서, 상기 모니터링 회로 (22)는 상기 광원 (21)의 상기 전류 신호 또는 상기 전압 신호에 기초하여 전기적 에너지 값을 계산하기 위해 구성되는 에너지 계산기 (32)를 포함하는 것을 특징으로 하는,
    광원 (2, 21) 동작 장치 (1, 20).
  9. 제8항에 있어서, 상기 전기적 에너지 값 및 상기 광원 (21)의 동작 온도 값에 기초하여 상기 방출된 광 출력을 보정하도록 구성되는 온도 보상기 (36)를 더 포함하는,
    광원 (2, 21) 동작 장치 (1, 20).
  10. 제9항에 있어서, 상기 광원 (21)은 상기 광원 (21)의 상기 동작 온도 값을 상기 온도 보상기 (36)에 출력하는 온도 센서 (35)를 포함하는,
    광원 (2, 21) 동작 장치 (1, 20).
  11. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 광원 (2, 21)의 전류 신호에 기초하여 전압 스캐닝 신호를 출력하는 측정 저항 (8, 27)을 더 포함하는,
    광원 (2, 21) 동작 장치 (1, 20).
  12. 제11항에 있어서, 상기 측정 저항 (8, 27)을 위한 상기 전압 스캐닝 신호를 증폭하는 차동 증폭기 (9, 28)을 더 포함하는,
    광원 (2, 21) 동작 장치 (1, 20).
  13. 제12항에 있어서, 상기 전압 스캐닝 신호를 기준 값에 비교하고, 이에 기초하여, 상기 광원 (2, 21)의 상태 신호를 상기 모니터링 회로 (3, 22)에 출력하는 비교기 (10, 29)를 더 포함하는,
    광원 (2, 21) 동작 장치 (1, 20).
  14. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 모니터링 회로 (3, 22)는 상기 광원 (2, 21)에 의해 방출되는 상기 광 출력의 모니터링에 기초하여 상기 광원 (2, 21)을 비활성화하도록 구성되는 오류 로직 (15, 34)을 포함하는 것을 특징으로 하는,
    광원 (2, 21) 동작 장치 (1, 20).
  15. 삭제
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