KR20100005397A

KR20100005397A - 거리 측정 장치 및 방법

Info

Publication number: KR20100005397A
Application number: KR1020080065416A
Authority: KR
Inventors: 정중연
Original assignee: (주)이오시스템; 대한측량협회
Priority date: 2008-07-07
Filing date: 2008-07-07
Publication date: 2010-01-15
Also published as: KR101021175B1

Abstract

본 발명에 따른 거리 측정 장치는 목표물까지 거리를 측정하는 거리 계산 유닛, 거리 계산 유닛으로부터 제1 스타트 신호를 받아서 광 신호를 발생시키는 제1 송신부, 제1 송신부로부터 출력된 광신호를 분리하여 서로 다른 경로로 전송하는 제1 빔 스플리터, 제1 빔 스플리터와 매질을 통과하여 목표물에 반사된 광 신호를 지연시키는 제1 광 지연소자, 제1 광 지연 소자를 통과한 광 신호와 제1 빔 스플리터에서 출력된 광 신호를 수신하는 제1 광 혼합기, 거리 계산 유닛으로부터 제2 스타트 신호를 받아서 광 신호를 발생시키는 제2 송신부, 제2 송신부에서 출력된 광 신호를 분리하여 서로 다른 경로로 전송하는 제2 빔 스플리터, 제2 빔 스플리터에서 출력된 광 신호를 지연시키는 제2 광 지연소자; 제2 광 지연 소자를 통과한 광 신호와 제2 빔 스플리터에서 출력된 광 신호를 수신하는 제2 광 혼합기; 및 제1 광 혼합기와 제2 광 혼합기에서 출력된 광 신호를 받아 전기 신호로 변환하는 수신부를 포함한다.

거리 측정 장치, 타이밍 발생기, 중앙처리유닛, 러프 카운터, 파인 카운터

Description

거리 측정 장치 및 방법{Device and method for measuring distance}

이 발명은 거리 측정 장치 및 방법에 관한 것으로서, 특히 온도, 습도, 전압등의 주위환경 변화에 따른 전자회로소자의 시간측정오차를 보상하여 거리를 정밀하게 측정할 수 있는 거리 측정 장치 및 방법에 관한 것이다.

일반적인 거리 측정 원리인 TOF(Time Of Flighting) 방법을 살펴보면 다음과 같다. 도1에 도시된 바와 같이, 거리측정유닛(1)에서 일정한 주기 신호를 발생하여 에미터(2)에서 공기, 동선, 광섬유와 같은 매질을 통과하는 펄스 신호, 예를 들어 광신호, 전자기파신호, 음파신호등을 발생시키고, 발신부(4)에서 신호 출발 시각(t_E)를 측정하고, 송신된 신호가 매질을 통과하여 목표물(6)에서 반사된 후, 다시 매질을 통과하여 펄스 신호가 되돌아 와서 수신부(5)에서 신호 도착 시각(t_R)이 측정된다. 다시 말하면, 도2에 도시된 거리측정신호의 타이밍 차트(timing chart)에 도시된 바와 같이, 측정 신호를 발생하기 위하여 일정한 주파수를 갖는 신호 클록을 발생시켜 일정시간 지연 후 시각(t_E)에서 발신 신호가 송출되고 목표물에 반사되어 되돌아온 신호를 시각(t_R)에서 수신한다. 이에 따라 거리측정신호가 매질을 통 과하여 왕복하는 시간은 t_R-t_E이고, 여기에 매질의 신호 전달 속도(v)를 곱하면 목표물까지의 왕복 거리가 된다. 따라서, 거리 측정 장치와 목표물 사이의 거리는 다음과 같이 계산된다.

거리 측정 장치가 목표물까지 거리를 정밀하게 측정하기 위해서는 식1에서 매질의 속도가 일정한 경우 신호 왕복 시간(t_R-t_E)를 정밀하게 측정해야만 한다.

예를 들어, 신호가 레이저 빔과 같은 빛인 경우, 빛의 속도가 3× 10⁸m이고 거리 측정 장치에서 신호 왕복 시간을 측정하기 위한 클록의 주파수가 15MHz라고 하면, 거리 측정 분해능은 d = 3× 10⁸m/2(15× 10⁶)=10m가 된다.

따라서, 1mm 단위거리를 측정하는 경우 시간 측정 단위가 약 6.6 psec[1mm=(3×10⁸m×6.6×10^-12m)/2]가 되어야 하므로, 시간 측정 클록의 주파수는 약 10,000배 높은 150GHz를 사용하여야 한다. 이러한 클록을 사용하여 시간을 측정하는 구성은 현재 반도체 기술로는 불가능하다.

도1의 거리 측정 장치의 거리 계산 유닛(1), 송신부(2) 및 수신부(3)은 전기 신호 처리하는 전자회로로 구성되고 이러한 전자회로의 여러 소자들은 주위 온도나 전원 상태에 따라 동작 속도가 달라지고 이러한 영향으로 신호 왕복 시간(t_R-t_E)이 변하여 거리 측정 정밀도에 영향을 준다. 특히, 수십 psec를 정확하게 측정하기는 매우 어려워 mm이하의 거리 분해능을 확보하기 위해서 전자 회로의 주위 환경에 따른 변화를 보정할 수 있어야 한다.

도 3에 도시된 바와 같이, 거리 계산 유닛(11)에서 스타트 신호를 발생시키고 송신 유닛(12)에서 전기 신호를 광 신호로 변환하고 광 신호 제어기(13)에서 광신호를 목표물(14)에서 반사된 후 광 신호 혼합기(15)를 통과하여 수신 유닛(16)에 도달하여 전기적 신호로 변환하여 목표물의 왕복 시간(t_out)을 측정한다.

한편, 거리 계산 유닛는 광 신호 제어기를 제어하여 거리 측정 장치의 내부로 빛의 방향을 변경하고 광 신호 혼합기(15)을 통과한 빛을 수신 유닛(16)에서 수신한 후 전기적 신호로 변환하여 내부 광 경로 시간(t_inner)를 측정한다.

이 방식은 광 신호의 경로를 제어하여 시간차(t_out-t_inner)로서 거리 측정 장치의 내부 광 경로에 따른 시간을 보정하여 실제 빛이 목표물까지 왕복한 거리를 측정한다.

그러나, 도3에 도시된 종래의 거리 측정 장치는 광 경로를 변경하여 기준거리를 측정하여 실제거리 측정시 거리 측정 장치의 송신부와 수신부를 구성하는 전자회로에서 지연시간을 보상하고 거리를 여러 번 측정하여 통계적으로 측정 데이터를 보정하여 거리를 측정하는 데 적합하지만, 거리 계산 유닛를 구성하는 전자 회로에 의한 시간 측정 오차를 보정할 수 없고 고속으로 거리를 측정하는 데 적합하 지 않다.

도4에 도시한 바와 같이, 종래 기술에 따른 또 다른 방식의 거리 측정 장치는 거리 계산 유닛(4)에서 스타트 신호를 발생시키고 송신부(22)에서 전기 신호를 광 신호로 변환하고 광 분배기(22)에서 광 신호의 일부를 광 혼합기(25)에 보내어 수신부(26)에서 전기 신호로 변환한 다음 거리 계산 유닛(21)에서 시작 시간(t_E)을 측정한다. 나머지 광신호는 목표물(24)에서 반사되어 광 지연 소자(27)와 광 혼합기(25)를 통과한 후 수신부(26)에 도달한다. 수신부(26)는 목표물에서 반사된 광 신호를 전기 신호로 변화하여 거리 계산 유닛(21)에 출력하고 거리 계산 유닛(21)는 수신부(26)에서 출력된 전기 신호를 입력받아 목표물 왕복 시간(t_R)을 측정한다. 거리 계산 유닛(21)는 도 2에 도시된 바와 같이 t_R-t_E로서 거리 측정 장치의 내부 광 경로에 의한 오차를 제거하여 거리를 측정한다. 여기서 광 지연 소자(27)은 최소거리 측정시 시간 t_E과 겹치지 않도록 펄스 신호 폭이상으로 지연시키고 이에 따른 시간 지연은 거리 계산 유닛(21)에 의하여 보정된다.

도4에 도시된 종래의 거리 측정 장치는 빔 스플리터를 사용하여 송신광을 바로 측정하여 송신부의 전자 회로 지연 시간에 관계없이 t_E를 측정하고 동시에 목표물까지의 시간(t_E)을 측정할 경우 송신시간과 수신 시간이 수신부에서 곧 바로 측정되므로 송신부와 수신부를 구성하는 전자 회로의 지연 영향을 최소화할 수 있다.

그러나, 도4에 따른 거리 측정 장치는 거리 계산 유닛 내부의 전자 회로에 따른 시간 오차를 보상할 수는 없다.

본 발명은 상기한 종래기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 온도, 전압등 주위환경에 따라 영향을 받는 전자 소자에 따른 시간 오차를 보상하여 정확히 거리를 측정할 수 있는 거리 측정 장치 및 방법을 제공하는 데 그 목적이 있다.

상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일실시예에 따른 거리 측정 장치는 목표물까지 거리를 측정하는 거리 계산 유닛; 상기 거리 계산 유닛으로부터 제1 스타트 신호를 받아서 광 신호를 발생시키는 제1 송신부; 상기 제1 송신부로부터 출력된 광신호를 분리하여 서로 다른 경로로 전송하는 제1 빔 스플리터; 상기 제1 빔 스플리터와 매질을 통과하여 상기 목표물에 반사된 광 신호를 지연시키는 제1 광 지연소자; 상기 제1 광 지연 소자를 통과한 광 신호와 상기 제1 빔 스플리터에서 출력된 광 신호를 수신하는 제1 광 혼합기; 상기 거리 계산 유닛으로부터 제2 스타트 신호를 받아서 광 신호를 발생시키는 제2 송신부; 상기 제2 송신부에서 출력된 광 신호를 분리하여 서로 다른 경로로 전송하는 상기 제2 빔 스플리터; 상기 제2 빔 스플리터에서 출력된 광 신호를 지연시키는 제2 광 지연소자; 상기 제2 광 지연 소자를 통과한 광 신호와 상기 제2 빔 스플리터에서 출력된 광 신호를 수신하는 제2 광 혼합기; 및 상기 제1 광 혼합기와 상기 제2 광 혼합기에서 출력된 광 신호를 받아 전기 신호로 변환하는 수신부를 포함한다.

상기 거리 계산 유닛은 거리 측정과 관련된 디지털 신호를 발생하고 처리하는 중앙 처리 유닛; 상기 중앙처리 유닛의 명령에 의하여 거리 계산을 하는 거리 계산 프로그램; 상기 중앙 처리 유닛의 명령에 의하여 시간 및 거리 계산 데이터를 저장하는 메모리; 상기 중앙 처리 유닛의 명령을 받아 기준 클록을 발생시키는 기준 클록 발생기; 상기 중앙 처리 유닛의 명령에 따라 상기 제1 스타트 신호와 상기 제2 스타트 신호를 발생하고 상기 수신부로 전기 신호를 받아 제1 스톱 신호, 제2 스톱 신호, 제3 스톱 신호 및 제4 스톱 신호를 발생하는 타이밍 발생기; 및 상기 타이밍 발생기에서 발생된 상기 제1 스타트 신호, 상기 제2 스타트 신호와 상기 제1 내지 제4 스톱 신호에 의하여 시간을 계산하여 디지털 신호로 변환하는 시간-디지털 변환기를 포함한다.

상기 시간-디지털 변환기는 상기 기준 클록 발생기로부터 기준 클록을 받고 상기 타이밍 발생기로부터 스타트 신호 또는 스톱 신호를 받아 기준 클록의 수를 측정하는 러프 카운터; 상기 기준 클록 발생기로부터 기준 클록을 받고 상기 타이밍 발생기로부터 스타트 신호 또는 스톱 신호를 받아 정밀 시간을 측정하는 파인 카운터; 및 상기 러프 카운터로부터 기준 클록 수와 상기 파인 카운터로부터 스타트 신호에 의한 제1 파인 클록 시간과 스톱 신호에 의한 제2 파인 클록 시간을 전송받아 시간을 보정하여 계산하는 시간 계산부를 포함한다.

상기 파인 카운터는 일정한 전압을 공급하는 전압원; 상기 전압원의 전압을 일정한 전류로 변환하는 제1 정전류원; 제1 정전류원에 의하여 일정한 전압으로 충전되는 캐패시터; 상기 기준 클록 발생기로부터 기준 클록과 타이밍 발생기로부터 스타트 신호 또는 스톱 신호를 받아 일정한 펄스 폭을 갖는 파인 클록을 발생시키는 파인 클록 발생부; 상기 파인 클록 발생부로부터 출력된 파인 클록을 받아 개폐되는 스위치; 상기 스위치가 접촉되어 방전되는 상기 캐패시터의 전하를 일정한 전류로 변환하는 제2 정전류원을 포함한다.

본 발명의 일실시예에 따른 거리 측정 방법은 제1 송신부에서 제1 스타트 신호에 의하여 광 신호를 발생시키는 단계; 상기 제1 송신부로부터 출력된 광신호를 분리하여 목표물과 거리 측정 장치 내부 광 경로로 전송하는 단계; 상기 목표물에 반사된 광 신호를 받아 제1 스톱 신호를 생성하는 단계; 상기 거리 측정 장치 내부 광 경로를 통과한 광 신호를 받아 제2 스톱 신호를 생성하는 단계; 제2 송신부에서 제2 스타트 신호에 의하여 광 신호를 발생시키는 단계; 상기 제2 송신부에서 출력된 광 신호를 분리하여 서로 다른 내부 광 경로로 광 신호를 전송하는 단계; 서로 다른 내부 광 경로를 통과한 상기 제2 송신부의 광 신호를 받아 제3 스톱 신호와 제4 스톱 신호를 각각 생성하는 단계; 및 스타트 신호와 스톱 신호사이에 발생한 기준 클록 수를 계산하는 단계; 스타트 신호 후 첫 기준 클록사이 제1 파인 클록 시간과 스톱 신호 후 첫 기준 클록 사이의 제2 파인 클록 시간을 계산하는 단계; 상기 기준 클록 수와 상기 제1 파인 클록 시간과 상기 제2 파인 클록에 의하여 거리 측정을 위한 시간을 계산하는 단계; 제1 스타트 신호와 제2 스타트 신호 및 제1 내지 제4 스톱 신호에 의하여 목표물까지 거리를 계산하는 단계를 포함한다.

상기 제1 파인 클록 시간과 상기 제2 파인 클록 시간은 일정한 전압을 공급하는 전압원; 상기 전압원의 전압을 일정한 전류로 변환하는 제1 정전류원; 제1 정 전류원에 의하여 일정한 전압으로 충전되는 캐패시터; 상기 기준 클록 발생기로부터 기준 클록과 타이밍 발생기로부터 스타트 신호 또는 스톱 신호를 받아 일정한 펄스 폭을 갖는 파인 클록을 발생시키는 파인 클록 발생부; 상기 파인 클록 발생부로부터 출력된 파인 클록을 받아 개폐되는 스위치; 상기 스위치가 접촉되어 방전되는 상기 캐패시터의 전하를 일정한 전류로 변환하는 제2 정전류원을 포함하여, 상기 파인 클록이 펄스 폭(Δt) 동안 온 상태인 경우 캐패시터가 일정한 전압(V0)에서 방전되고 상기 파인 클록이 오프 상태인 경우 다시 일정한 전압(V0)으로 충전된 시간을 Δt'라면 아래 식에 의하여 파인 클록의 펄스 폭으로 측정한다.

Δt=Δt'×I2/I1

Δt: 파인 클록 펄스 폭

Δt': 캐패시터의 방전 및 충전 시간

I1: 제1 정전류

I2: 제2 정전류

상기 시간을 계산하는 단계는 스톱 신호와 스타트 신호사이의 기준 클록수와 제1 파인 클록 시간과 제2 파인 클록 시간에 의하여 스타트 신호와 스톱 신호 사이의 시간(T)을 아래 식에 의하여 계산한다.

T = 기준 클록 시간 × [기준 클록수 + (제1 파인 클록 시간 - 제2 파인 클록 시간)]

상기 시간 계산부는 상기 거리 계산 유닛 내부의 측정 오차를 다음 식으로 보정하는 단계를 더 포함한다.

Tcom = (T1-T2)[1 + Scale]

T1-T2: 제1 스타트 신호와 제1 스톱 신호사이의 시간과 제1 스타트 신호와 제2 스톱 신호사이의 시간의 차이

Scale = (Treal - Tref)/Tref

Treal: 실제 측정 환경에서 T3-T4

Tref: 표준 환경에서 T3-T4

상기 거리를 계산하는 단계는 상기 목표물까지의 실제 거리(Dreal)를 다음 식에 의하여 계산한다.

Dreal = [Tcom/2- 광 지연소자 보정값]×v

본 발명의 일실시예에 따르면, 송신부와 수신부를 구성하는 전자 회로의 지연 영향을 최소화하고 거리 계산 유닛 내부의 전자 회로에 따른 시간 오차를 보상할 수 있다.

이하, 본 발명의 일 실시예에 따른 거리 측정 장치 및 방법을 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 거리 측정 장치를 개략적인 구성을 나타내는 블록도이다.

도 5에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일실시예에 따른 거리 측정 장치는 거리측정에 필요한 타이밍과 광 신호가 목표물에 반사되어 돌아온 시간을 측정하여 실제의 거리를 측정하는 거리 계산 유닛(100)와 거리 계산 유닛로부터 제1 스타트 신호를 받아서 광 신호를 발생시키는 제1 송신부(101)와 제1 송신부(101)로부터 출력된 광신호를 분리하여 서로 다른 경로로 전송하는 제1 빔 스플리터(102), 제1 빔 스플리터(102)와 매질을 통과하여 목표물(104)에 반사된 광 신호를 지연시키는 제1 광 지연소자(105), 제1 광 지연 소자(105)를 통과한 광 신호와 제1 빔 스플리터(102)에서 출력된 광 신호를 수신하는 제1 광 혼합기(106)과, 거리 계산 유닛으로부터 제2 스타트 신호를 받아서 광 신호를 발생시키는 제2 송신부(107), 제2 송신부(107)에서 출력된 광 신호를 분리하여 서로 다른 경로로 전송하는 제2 빔 스플리터(108)와 제2 빔 스플리터(108)에서 출력된 광 신호를 지연시키는 제2 광 지연소자(109), 제2 광 지연 소자(109)를 통과한 광 신호와 제2 빔 스플리터(108)에서 출력된 광 신호를 수신하는 제2 광 혼합기(110), 상기 제1 또는 제2 광 혼합기(106, 110)에서 출력된 광 신호를 수신하는 제3 광 혼합기(111), 제3 광 혼합기(111)에서 출력된 광 신호를 받아 전기적 신호로 변환하는 수신부(112)를 포함한다.

본 발명의 다른 실시예로서, 제3 광혼합기(111)를 구비하지 않고 제1 광 혼합기(110)와 제2 광 혼합기를 수신부(112)에 직접 연결하거나 제2 광 혼합기(110)과 제3 광 혼합기(111)를 구비하지 않고 제1 광 혼합기(106)를 공통적으로 사용하는 것이 바람직하다.

거리 계산 유닛(100)은 거리 측정과 관련된 디지털 신호를 발생하고 처리하는 중앙 처리 유닛(120), 거리 계산을 위한 프로그램이 저장된 거리 계산 프로그 램(121), 시간 및 거리 계산 데이터를 저장하는 메모리(122)와 중앙 처리 유닛(120)의 명령을 받아 기준 클록을 발생시키는 기준 클록 발생기(123), 중앙처리유닛(120)의 명령에 따라 스타트 신호와 수신부(112)로부터 전기 신호를 입력받아 스톱신호를 발생하는 타이밍 발생기(124), 스타트 신호와 스톱 신호에 의하여 시간을 디지털 신호로 변환하는 시간-디지털 변환기(TDC: Time to Digital Converter)(125)를 포함한다.

본 발명의 일실시예에 따른 거리 측정 장치의 거리 계산 과정을 살펴보면 다음과 같다.

도 5에 도시된 바와 같이, 타이밍 발생기(124)는 중앙처리유닛(120)의 명령을 받아 제1 스타트 신호를 제1 송신부(101)와 시간-디지털 변환기(125)에 전송한다. 제1 송신부(101)에서 전기신호인 제1 스타트 신호를 광신호로 변환하여 일부 광신호는 거리 측정 장치의 내부로 직접 제1 빔 스플리터(102)를 통과한 후 제1 및 제2 광 혼합기(106, 111)를 통과하여 수신부(112)로 전송된다. 또 다른 일부 광신호는 제1 빔 스플리터(102)를 통과한 후 매질을 통하여 목표물(104)에 전송, 반사되어 다시 거리 측정 장치로 수신된다. 수신된 광신호는 제1 광 지연 소자(105)를 통과한 후 제1 및 제2 광 혼합기(106, 111)를 거쳐 수신부(112)에 전송된다.

수신부(112)는 목표물에서 반사된 광 신호를 수신받아 전기 신호로 변환하여 타이밍 발생기(124)로 출력하고 거리 측정 장치의 내부를 통과한 광 신호를 수신받아 전기 신호로 변화하여 타이밍 발생기(124)로 전송한다.

타이밍 발생기(124)는 수신부(112)로부터 전기 신호를 전송받아 제1 스톱 신 호를 출력하여 시간-디지털 변환기(125)로 전송한다.

또한, 수신부(112)는 거리 측정 장치의 내부 광 경로를 통과한 광 신호를 수신받아 전기 신호로 변환하여 타이밍 발생기(124)로 전송한다. 타이밍 발생기(124)는 제1 송신부(101)과 수신부(112) 내부의 전자 회로에 의한 시간 오차를 보정하기 위한 기준 신호인 제2 스톱 신호를 출력하여 시간-디지털 변환기(125)에 전송한다.

시간-디지털 변환기(125)는 스타트 신호와 제1 스톱 신호와 제2 스톱 신호를 입력받아 제1 스타트 신호와 제1 스톱 신호의 시간차인 T1를 측정하고 스타트 신호와 제2 스톱 신호의 시간차인 T2를 측정한다. T1-T2는 제1 송신부(101)와 수신부(112)의 영향에 의한 오차는 제거될 수 있으나, 광신호가 실제 목표물을 왕복한 시간과 광신호가 중첩되지 않도록 광신호를 지연시키는 제1 광 지연 소자(105)에 의한 지연시간 및 거리 계산 유닛(100) 내부의 전자 회로에 의하여 발생된 오차를 포함하고 있다. 제1 스톱 신호와 제2 스톱 신호의 거리 계산 프로그램(121)은 이러한 제1 광 지연 소자(105)에 의한 지연 시간을 옵셋으로 차감한다.

한편, 타이밍 발생기(124)는 중앙 처리 유닛(120)의 명령을 받아 제2 스타트 신호를 제2 송신부(107)와 시간-디지털 변환기(125)에 전송한다. 제2 송신부(107)에서 전기신호인 제2 스타트 신호를 광 신호로 변환하여 일부 광 신호는 거리 측정 장치의 내부로 제2 빔 스플리터(108)를 통과한 후, 제2 및 제3 광 혼합기(110, 111)를 통과하여 수신부(108)로 전송된다. 또 다른 일부 광신호는 제2 빔 스플리터(108), 제2 광 지연 소자(109) 및 제2 및 제3 광 혼합기(110, 111)를 통과하여 수신부(112)에 전송된다.

수신부(112)는 제2 빔 스플리터(108), 제2 광 지연 소자(109) 및 광 혼합기(110, 111)를 순차적으로 통과한 광 신호를 수신받아 전기 신호로 변환하여 타이밍 발생기(124)로 출력한다. 타이밍 발생기(124)는 수신부(112)로부터 전기 신호를 전송받아 제3 스톱 신호를 출력하여 시간-디지털 변환기(125)에 전송한다.

또한, 수신부(112)는 제2 빔 스플리터(108)와 제2 및 제3 광 혼합기(110, 111)를 통과한 광 신호를 수신받아 전기 신호로 변환하여 타이밍 발생기(124)로 출력한다. 타이밍 발생기(124)는 제2 송신부(107)와 수신부(112)에 의한 시간 오차를 보정하기 위한 기준 신호인 제4 스톱 신호를 출력하여 시간-디지털 변환기(125)에 전송한다.

시간-디지털 변환기(125)는 스타트 신호와 제3 스톱 신호와 제4 스톱 신호를 입력받아 제2 스타트 신호와 제3 스톱 신호의 시간인 T3를 측정하고 제2 스타트 신호와 제4 스톱 신호의 시간인 T4를 측정한다. T3-T4는 제2 송신부(107)와 수신부(112)의 영향에 의한 오차는 제거될 수 있으나, 광 신호는 거리 측정 장치 내부의 광 경로를 왕복한 시간과 광신호가 중첩되지 않도록 광 신호를 지연시키는 제2 제2 광 지연 소자(109)에 의한 지연 시간 및 거리 계산 유닛(100) 내부의 전자 회로에 의하여 발생된 오차를 포함하고 있다. 거리 계산 프로그램(121)은 제2 광 지연 소자(109)에 의한 지연 시간을 옵셋으로 차감한다.

거리 계산 유닛(100) 내부의 전자 회로에 의한 오차는 T1-T2와 T3-T4의 관계에 의하여 제거될 수 있다. 이에 대한 설명은 나중에 상세히 설명하기로 한다.

제1 스타트 신호와 제2 스타트 신호의 시간 차이가 짧을 수록 온도, 전압, 습도와 같은 주변 환경의 변화가 적어, 거리 계산 유닛(100)와 수신부(112)의 전자 회로에 의한 시간 오차를 최소화될 수 있다. 따라서, 도 6에 도시된 바와 같이, 스톱 신호들이 중첩되지 않는 한도 내에서 타이밍 발생기(124)는 제1 스타트 신호와 제2 스타트 신호를 발생시킨다. 한편, 도 6에 도시된 바와 다르게 제1 스타트 신호보다 먼저 제2 스타트 신호를 발생시키는 것도 가능하다.

시간 측정을 위한 시간-디지털 변환기(125)의 구성과 동작을 살펴보면 다음과 같다.

도 7에 도시한 바와 같이, 시간-디지털 변환기(125)는 기준 클록 발생기(123)로부터 기준 클록을 받고 타이밍 발생기(124)로부터 스타트 신호 또는 스톱 신호를 받아 기준 클록의 수를 측정하는 러프 카운터(rough counter)(130), 기준 클록 발생기(123)로부터 기준 클록을 받고 타이밍 발생기(124)로부터 스타트 신호 또는 스톱 신호를 받아 정밀 시간을 측정하는 파인 카운터(fine counter)(131) 및 러프 카운터(130)와 파인 카운터(131)의 측정값으로 거리 측정을 위한 시간을 보정하여 계산하는 시간 계산부(132)를 포함한다.

일반적으로 1mm을 측정하기 위하여 빛의 속도가 3×10⁸m인 경우 3×10⁸m/2F=1mm에서 클록 주파수(F)는 150GHz가 필요하다. 그러나, 이렇게 높은 클록 주파수를 사용하여 시간을 측정하는 전자회로 구성이 어렵기 때문에 낮은 클록으로도 정밀한 거리를 측정할 수 있는 시간 연장법(Time stretching method)을 사용한다.

이러한 시간 연장법을 구현하기 위하여 파인 카운터(131)는, 도 9에 도시된 바와 같이, 파인 클록 신호(fine clock signal)를 발생시키는 일정한 전압을 공급하는 전압원(Vcc)(200), 전압원(200)의 전압을 일정한 전류(I2)로 변환하는 제1 정전류원(201), 제1 정전류원(201)에 의하여 일정한 전압(V0)으로 충전되는 캐패시터(C)(202), 기준 클록 발생기(123)로부터 기준 클록과 타이밍 발생기(124)로부터 스타트 신호 또는 스톱 신호를 받아 파인 클록을 발생시키는 파인 클록 발생부(203), 파인 클록 발생부(203)로부터 출력된 파인 클록을 받아 개폐되는 스위치(S)(204), 스위치(204)가 접촉되어 캐패시터에 충전된 전하에 의하여 일정한 전류(I1)로 변환하는 제2 정전류원(205)을 포함한다.

먼저, 도 6, 도 7 및 도 8에 도시된 바와 같이, 시간-디지털 변환기(125)는 타이밍 발생기(124)로부터 스타트 신호를 받은 후, 기준 클록 발생기(123)로부터 기준 클록을 받아 러프 카운터(130)에서 기준 클록이 낮은 레벨에서 높은 레벨로 변화하는 기준 클록 시작점부터 클록을 계수한다. 도 8에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일실시예는 기준 클록과 스타트 신호가 동기되지 않은 것을 예시하고 있으나, 기준 클록과 스타트 신호가 동기될 수도 있다.

다음으로, 도 8과 도 9에 도시된 바와 같이, 파인 카운터(131)의 파인 클록 발생부(203)는 기준 클록 발생기(123)로부터 기준 클록과 타이밍 발생기(124)로부터 스타트 신호를 전송받아 스타트 신호 후 처음으로 나타나는 기준 클록의 시작점과 스타트 신호 시작점 사이에 의하여 정의되는 제1 파인 클록(133)을 발생시킨다. 또한, 파인 클록 발생부(203)는 기준 클록 발생기(123)로부터 기준 클록과 타이밍 발생기(124)로부터 스톱 신호를 전송받아 스톱 신호와 스톱 신호 후 처음으로 나타나는 기준 클록의 시작점 사이에 의하여 정의되는 제2 파인 클록(134)을 발생시킨다.

도 9에 도시된 바와 같이, 스위치(204)는 파인 클록 발생부(203)로부터 제1 파인 클록 또는 제2 파인 클록을 받아 제1 파인 클록 또는 제2 파인 클록이 낮은 레벨에서 높은 레벨로 변화할 때 온(on) 상태로 되어 캐패시터(202)의 전압을 방전시켜 제2 정전류원(205)에 정전류(I1)를 흐르게 한다. 다음으로, 제1 파인 클록 또는 제2 파인 클록이 높은 레벨에서 낮은 레벨로 변화할 때 스위치(204)가 오프(off) 상태로 되고 전압원(200)에 의하여 제1 정전류원(201)에 정전류(I2)가 흐르게 되어 캐패시터(202)에 일정한 전압(V0)이 충전된다.

제1 파인 클록 또는 제2 파인 클록의 펄스 폭이 Δt인 경우, 파인 클록이 펄스 폭 동안 온 상태인 경우 스위치(204)가 접촉되어 캐패시터(202)가 일정한 전압(V0)에서 방전되고 파인 클록이 오프 상태인 경우 다시 일정한 전압(V0)으로 충전된 시간을 Δt'라면 펄스 확대비(K)는 다음과 같은 식을 만족한다.

K=Δt'/Δt=I1/I2 --------- 식(2)

Δt: 파인 클록 펄스 폭

Δt': 캐패시터의 방전 및 충전 시간

I1: 제1 정전류

I2: 제2 정전류

파인 카운터(131)는 식(1)에 의하여 기준 클록이 낮은 클록 주파수인 경우에도 매우 짧은 시간인 파인 클록 시간(Δt)를 측정할 수 있게 된다.

다음으로, 도8에 도시된 바와 같이, 시간 계산부(132)는 러프 카운터(130)로부터 스타트 신호와 스톱 신호 사이의 기준 클록수를 전송받고 파인 카운터(131)로부터 제1 파인 클록 시간과 제2 파인 클록 시간을 전송받아 스타트 신호와 스톱 신호 사이의 시간을 다음 식에 의하여 계산한다.

T = 기준 클록 시간 × [기준 클록수 + (제1 파인 클록 시간 - 제2 파인 클록 시간)] ---------------- 식(3)

기준 클록수: 스타트 신호의 시작점 이후 첫 기준 클록으로부터 스톱 신호의 시작점 이후 첫 기준 클록까지 기준 클록수

제1 파인 클록 시간: 스타트 신호와 그 이후 첫 기준 클록까지의 시간

제2 파인 클록 시간: 스톱 신호와 그 이후 첫 기준 클록까지의 시간

시간 계산부(132)는 식(3)에 의하여 상기 시간 계산부는 제1 스타트 신호와 제1 스톱 신호사이의 시간(T1), 제1 스타트 신호와 제2 스톱 신호사이의 시간(T2), 제2 스타트 신호와 제3 스톱 신호사이의 시간(T3) 및 제2 스타트 신호와 제4 스톱 신호사이의 시간(T4)를 각각 계산한다.

또한, 시간 계산부(132)는 식(3)에 의하여 T1, T2, T3 및 T4를 계산한 후, 목표물까지 왕복시간와 광 지연소자의 지연시간을 포함하는 T1-T2와 거리 측정 장치의 내부의 광 지연소자의 지연시간을 포함하는 T3-T4를 계산한다.

또한, 시간 계산부(132)는 T1-T2와 T3-T4에 의하여 거리 계산 유닛(100) 내부의 전자회로에 의한 측정 오차를 T3-T4에 의하여 보상한다.

실제 측정 환경에서 제2 스타트 신호에 의하여 거리 측정 장치 내부의 광경로를 통과하여 발생된 제3 스톱 신호와 제4 스톱 신호에 의하여 측정된 시간 T3-T4를 Treal이라고 하고, 표준 환경(예를 들면 25℃, 3.3V 전압)에서 제3 스톱 신호와 제4 스톱 신호에 의하여 측정된 시간을 Tref라 하면, 시간 계산부(132)는 그 변화율을 다음 식으로 계산한다.

Scale = (Treal - Tref)/Tref ---------- 식(4)

시간 계산부(132)는 거리 계산 유닛(100) 내부의 측정 오차를 보정한 시간을 다음 식으로 계산한다.

Tcom = (T1-T2)[1 + Scale] --------- 식(5)

다음으로, 중앙처리유닛(120)은 보정 시간(Tcom) 데이터를 읽어서 메모리(122)에 저장한다. 거리 계산 프로그램(121)은 중앙처리유닛(120)의 명령에 의하여 목표물까지의 거리(Dreal)를 다음 식에 의하여 계산한다.

Dreal = [Tcom/2 - 광 지연소자 보정값]×v -------- 식(6)

이제까지 본 발명에 대한 바람직한 실시예들을 중심으로 살펴보았다. 이 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 이 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 이 발명이 구현될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 개시된 실시예는 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 이해되어야 한다. 이 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 이 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.

도 1은 종래 기술에 따른 거리 측정 장치를 개략적으로 도시한 구성도,

도 2은 도 2에 도시된 거리 측정 장치의 송, 수신 신호의 타이밍 차트,

도 3은 종래 기술에 따른 거리 측정 시간 오차를 보정하는 거리 측정 장치를 개략적으로 도시한 구성도,

도 4은 종래 기술에 따른 거리 측정 시간 오차를 보정하는 또 다른 거리 측정 장치를 개략적으로 도시한 구성도,

도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 거리 측정 장치를 개략적으로 도시한 구성도,

도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 거리 측정 장치의 스타트 신호와 스톱 신호의 타이밍 차트,

도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 시간-디지털 변환기를 개략적으로 도시한 구성도,

도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 타이밍 발생기의 타이밍 차트,

도 9는 본 발명의 일실시예에 따른 파인 카운터를 개략적으로 도시한 구성도이다.

< 도면의 주요 부분에 대한 부호의 간단한 설명 >

1, 11, 21, 100: 거리 계산 유닛 2: 송신부

2, 16, 26, 112: 수신부 101: 제1 송신부

102: 제1 빔 스플리터 105: 제1 광 지연 소자

106: 제1 광 혼합기 107: 제2 송신부

108: 제2 빔 스플리터 109: 제2 광 지연 소자

120: 중앙 처리 유닛 121: 거리 계산 프로그램

122: 메모리 123: 기준 클록 발생기

124: 타이밍 발생기 125: 시간-디지털 변환기

Claims

거리 측정 장치에 있어서,

목표물까지 거리를 측정하는 거리 계산 유닛;

상기 거리 계산 유닛으로부터 제1 스타트 신호를 받아서 광 신호를 발생시키는 제1 송신부;

상기 제1 송신부로부터 출력된 광신호를 분리하여 서로 다른 경로로 전송하는 제1 빔 스플리터;

상기 제1 빔 스플리터와 매질을 통과하여 상기 목표물에 반사된 광 신호를 지연시키는 제1 광 지연소자;

상기 제1 광 지연 소자를 통과한 광 신호와 상기 제1 빔 스플리터에서 출력된 광 신호를 수신하는 제1 광 혼합기;

상기 거리 계산 유닛으로부터 제2 스타트 신호를 받아서 광 신호를 발생시키는 제2 송신부;

상기 제2 송신부에서 출력된 광 신호를 분리하여 서로 다른 경로로 전송하는 상기 제2 빔 스플리터;

상기 제2 빔 스플리터에서 출력된 광 신호를 지연시키는 제2 광 지연소자; 상기 제2 광 지연 소자를 통과한 광 신호와 상기 제2 빔 스플리터에서 출력된 광 신호를 수신하는 제2 광 혼합기; 및

상기 제1 광 혼합기와 상기 제2 광 혼합기에서 출력된 광 신호를 받아 전기 신호로 변환하는 수신부를 포함하는 거리 측정 장치.
제1항에 있어서, 상기 거리 계산 유닛은

거리 측정과 관련된 디지털 신호를 발생하고 처리하는 중앙 처리 유닛;

상기 중앙처리 유닛의 명령에 의하여 거리 계산을 하는 거리 계산 프로그램; 상기 중앙 처리 유닛의 명령에 의하여 시간 및 거리 계산 데이터를 저장하는 메모리;

상기 중앙 처리 유닛의 명령을 받아 기준 클록을 발생시키는 기준 클록 발생기;

상기 중앙 처리 유닛의 명령에 따라 상기 제1 스타트 신호와 상기 제2 스타트 신호를 발생하고 상기 수신부로 전기 신호를 받아 제1 스톱 신호, 제2 스톱 신호, 제3 스톱 신호 및 제4 스톱 신호를 발생하는 타이밍 발생기; 및

상기 타이밍 발생기에서 발생된 상기 제1 스타트 신호, 상기 제2 스타트 신호와 상기 제1 내지 제4 스톱 신호에 의하여 시간을 계산하여 디지털 신호로 변환하는 시간-디지털 변환기를 포함하는 거리 측정 장치.
제2항에 있어서,

상기 시간-디지털 변환기는

상기 기준 클록 발생기로부터 기준 클록을 받고 상기 타이밍 발생기로부터 스타트 신호 또는 스톱 신호를 받아 기준 클록의 수를 측정하는 러프 카운터;

상기 기준 클록 발생기로부터 기준 클록을 받고 상기 타이밍 발생기로부터 스타트 신호 또는 스톱 신호를 받아 정밀 시간을 측정하는 파인 카운터; 및

상기 러프 카운터로부터 기준 클록 수와 상기 파인 카운터로부터 스타트 신호에 의한 제1 파인 클록 시간과 스톱 신호에 의한 제2 파인 클록 시간을 전송받아 시간을 보정하여 계산하는 시간 계산부를 포함하는 거리 측정 장치.
제3항에 있어서,

상기 파인 카운터는,

일정한 전압을 공급하는 전압원;

상기 전압원의 전압을 일정한 전류로 변환하는 제1 정전류원;

제1 정전류원에 의하여 일정한 전압으로 충전되는 캐패시터;

상기 기준 클록 발생기로부터 기준 클록과 타이밍 발생기로부터 스타트 신호 또는 스톱 신호를 받아 일정한 펄스 폭을 갖는 파인 클록을 발생시키는 파인 클록 발생부;

상기 파인 클록 발생부로부터 출력된 파인 클록을 받아 개폐되는 스위치;

상기 스위치가 접촉되어 방전되는 상기 캐패시터의 전하를 일정한 전류로 변환하는 제2 정전류원을 포함하는 거리 측정 장치.
제4항에 있어서,

상기 파인 카운터는

상기 파인 클록이 펄스 폭(Δt) 동안 온 상태인 경우 상기 스위치가 접촉되어 상기 캐패시터가 일정한 전압(V0)에서 방전되고 상기 파인 클록이 오프 상태인 경우 다시 일정한 전압(V0)으로 충전된 시간을 Δt'라면 다음 식에 의하여 파인 클록의 펄스 폭의 시간을 계산하는 거리 측정 장치.

Δt=Δt'×I2/I1

Δt: 파인 클록 펄스 폭

Δt': 캐패시터의 방전 및 충전 시간

I1: 제1 정전류

I2: 제2 정전류
제5항에 있어서,

상기 시간 계산부는 상기 러프 카운터로부터 스톱 신호와 스타트 신호사이의 기준 클록수를 전송받고 상기 파인 카운터로부터 제1 파인 클록 시간과 제2 파인 클록 시간을 전송받아 스타트 신호와 스톱 신호 사이의 시간(T)을 다음 식에 의하여 계산하는 거리 측정 장치.

T = 기준 클록 시간 × [기준 클록수 + (제1 파인 클록 시간 - 제2 파인 클록 시간)]
제6항에 있어서,

상기 시간 계산부는 상기 거리 계산 유닛 내부의 측정 오차를 다음 식으로 보정하는 거리 측정 장치.

Tcom = (T1-T2)[1 + Scale]

T1-T2: 제1 스타트 신호와 제1 스톱 신호사이의 시간과 제1 스타트 신호와 제2 스톱 신호사이의 시간의 차이

Scale = (Treal - Tref)/Tref

Treal: 실제 측정 환경에서 T3-T4

Tref: 표준 환경에서 T3-T4
제7항에 있어서,

상기 거리 계산 프로그램은 상기 목표물까지의 실제 거리(Dreal)를 다음 식에 의하여 계산하는 거리 측정 장치.

Dreal = [Tcom/2- 광 지연소자 보정값]×v
거리 측정 방법에 있어서,

제1 송신부에서 제1 스타트 신호에 의하여 광 신호를 발생시키는 단계;

상기 제1 송신부로부터 출력된 광신호를 분리하여 목표물과 거리 측정 장치 내부 광 경로로 전송하는 단계;

상기 목표물에 반사된 광 신호를 받아 제1 스톱 신호를 생성하는 단계;

상기 거리 측정 장치 내부 광 경로를 통과한 광 신호를 받아 제2 스톱 신호를 생성하는 단계;

제2 송신부에서 제2 스타트 신호에 의하여 광 신호를 발생시키는 단계;

상기 제2 송신부에서 출력된 광 신호를 분리하여 서로 다른 내부 광 경로로 광 신호를 전송하는 단계;

서로 다른 내부 광 경로를 통과한 상기 제2 송신부의 광 신호를 받아 제3 스톱 신호와 제4 스톱 신호를 각각 생성하는 단계; 및

스타트 신호와 스톱 신호사이에 발생한 기준 클록 수를 계산하는 단계;

스타트 신호 후 첫 기준 클록사이 제1 파인 클록 시간과 스톱 신호 후 첫 기준 클록 사이의 제2 파인 클록 시간을 계산하는 단계;

상기 기준 클록 수와 상기 제1 파인 클록 시간과 상기 제2 파인 클록에 의하여 거리 측정을 위한 시간을 계산하는 단계;

제1 스타트 신호와 제2 스타트 신호 및 제1 내지 제4 스톱 신호에 의하여 목표물까지 거리를 계산하는 단계를 포함하는 거리 측정 방법.
제9항에 있어서,

상기 제1 파인 클록 시간과 상기 제2 파인 클록 시간은

일정한 전압을 공급하는 전압원;

상기 전압원의 전압을 일정한 전류로 변환하는 제1 정전류원;

제1 정전류원에 의하여 일정한 전압으로 충전되는 캐패시터;

상기 기준 클록 발생기로부터 기준 클록과 타이밍 발생기로부터 스타트 신호 또는 스톱 신호를 받아 일정한 펄스 폭을 갖는 파인 클록을 발생시키는 파인 클록 발생부;

상기 파인 클록 발생부로부터 출력된 파인 클록을 받아 개폐되는 스위치;

상기 스위치가 접촉되어 방전되는 상기 캐패시터의 전하를 일정한 전류로 변환하는 제2 정전류원을 포함하여,

상기 파인 클록이 펄스 폭(Δt) 동안 온 상태인 경우 캐패시터가 일정한 전압(V0)에서 방전되고 상기 파인 클록이 오프 상태인 경우 다시 일정한 전압(V0)으로 충전된 시간을 Δt'라면 다음 식에 의하여 파인 클록의 펄스 폭으로 측정하는 거리 측정 방법.

Δt=Δt'×I2/I1

Δt: 파인 클록 펄스 폭

Δt': 캐패시터의 방전 및 충전 시간

I1: 제1 정전류

I2: 제2 정전류
제10항에 있어서,

상기 시간을 계산하는 단계는 스톱 신호와 스타트 신호사이의 기준 클록수와 제1 파인 클록 시간과 제2 파인 클록 시간에 의하여 스타트 신호와 스톱 신호 사이의 시간(T)을 다음 식에 의하여 계산하는 거리 측정 방법.

T = 기준 클록 시간 × [기준 클록수 + (제1 파인 클록 시간 - 제2 파인 클록 시간)]
제11항에 있어서, 상기 시간 계산부는 상기 거리 계산 유닛 내부의 측정 오차를 다음 식으로 보정하는 단계를 더 포함하는 거리 측정 방법.

Tcom = (T1-T2)[1 + Scale]

T1-T2: 제1 스타트 신호와 제1 스톱 신호사이의 시간과 제1 스타트 신호와 제2 스톱 신호사이의 시간의 차이

Scale = (Treal - Tref)/Tref

Treal: 실제 측정 환경에서 T3-T4

Tref: 표준 환경에서 T3-T4
제12항에 있어서,

상기 거리를 계산하는 단계는 상기 목표물까지의 실제 거리(Dreal)를 다음 식에 의하여 계산하는 거리 측정 방법.

Dreal = [Tcom/2 - 광 지연소자 보정값]×v