KR20120043843A - 3차원 영상화 펄스 레이저 레이더 시스템 및 이 시스템에서의 자동 촛점 방법 - Google Patents

3차원 영상화 펄스 레이저 레이더 시스템 및 이 시스템에서의 자동 촛점 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 3차원 영상화 펄스 레이저 레이더 시스템의 자동 촛점(Autofocus, 이하 AF라 칭함) 방법에 관한 것으로서, 더 상세하게는 3차원 영상화 펄스 레이저 레이더 시스템에서 GmAPD FPA(Geiger-mode Avalanche Photo-Diode Focal Plane Array)를 이용하여 자동으로 촛점을 제어하는 방법에 관한 것이다.
본 발명에 따르면, 결상 광학계의 유효 촛점 거리 (effective focal length)를 변조하거나 GmAPD FPA의 위치를 이동시킴으로써 3차원 영상화 펄스 레이저 레이더 시스템에서 자동 촛점 기능을 구현하는 것이 가능하다.

Description

3차원 영상화 펄스 레이저 레이더 시스템 및 이 시스템에서의 자동 촛점 방법{The three-dimensional imaging pulsed laser radar system using Geiger-mode avalanche photo-diode focal plane array and Auto-focusing method for the same}
본 발명은 3차원 영상화 펄스 레이저 레이더 시스템 및 이 시스템에서의 자동 촛점(Autofocus, 이하 AF라 칭함) 방법에 관한 것으로서, 더 상세하게는 3차원 영상화 펄스 레이저 레이더 시스템에서 GmAPD FPA(Geiger-mode Avalanche Photo-Diode Focal Plane Array)를 이용하여 자동으로 촛점을 제어하는 시스템 및 방법에 관한 것이다.
3차원 영상획득 레이저 레이더 기술은 우주, 군사, 산업, 보안, 의료등 다양한 분야에서 활용되고 있다. 3차원 영상획득 레이저 레이더 기술의 일반적인 개념을 보여주는 도면이 도 1에 도시된다. 즉, 도 1은 일반적인 스캐닝 3차원 영상화 펄스 레이저 레이더 시스템의 구성도로서, 이 펄스 레이저 레이더 시스템은, 펄스 레이저부(110), 송수신 광학계(120), 신호 검출부(140), 신호 처리부(150) 및 3차원 영상 신호 구현부로서 영상 처리부(160)로 구성되어 있다.
펄스 레이저부(110)에서 레이저 펄스를 송수신 광학계(120)를 이용하여 목표물(130)에 조사하고, 목표물(130)에서 산란된 레이저 펄스의 일부는 수신 광학계를 통하여 수집된다. 수집된 레이저 펄스들은 신호 검출부(140)에서 전기 신호로 변환되어 신호처리부(150)로 전달된다.
신호처리부(150)에서는 레이저 펄스의 왕복 시간을 내장된 시간-디지털 변환기(미도시)를 통하여 측정하게 된다. 영상 처리부(160)는 측정된 시간 정보를 거리 정보로 변환하여 목표물(130)에 대한 3차원 영상을 구현하게 된다.
그런데, 이러한 종래의 스캐닝 3차원 영상화 펄스 레이저 레이더 시스템은 3차원 영상획득을 하기 위해 2차원에서 사용된 액티브 타입(active type)의 AF(Auto Focus) 기술을 적용하게 되므로 거리측정용 센서가 추가적으로 필요하게 된다.
또한, 원거리에서는 초음파나 적외선이 도달할 수 있는 거리에 한계가 있기 때문에 촛점을 맞출 수 없는 문제점이 야기된다.
또한, 이러한 종래의 스캐닝 3차원 영상화 펄스 레이저 레이더 시스템에서 패시부 타입(Passive type)의 AF 기술을 적용하는 것은 어렵다. 왜냐하면, 패시부 타입(Passive type)의 AF 기술은 2차원과 3차원에서 사용하는 촬상 소자 특성이 다르기 때문에 사용할 수 없다.
일반적으로, 2차원 촬상소자(CCD(Charge Coupled Devices), CMOS(Complementary Metal-Oxide Semiconductor)는 영상의 세기 정보를 획득하는데 이용되므로 2차원에 사용된 passive type의 AF 기술을 3차원에는 사용할 수 없는 문제점이 있다.
따라서, 차원 영상화 펄스 레이저 레이더 시스템에서 3차원 영상획득을 하기 위해 2차원에서 사용된 active type의 AF 기술을 적용할 경우 거리측정용 센서가 추가적으로 필요하며 원거리에서는 초음파나 적외선이 도달할 수 있는 거리에 한계가 있기 때문에 촛점을 맞출 수 없는 문제점이 야기된다.
본 발명은 종래기술에 따른 문제점을 극복하기 위해, 3차원 영상획득 레이저 레이더 시스템 및 이 시스템에서의 자동 촛점 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명은 위에서 제기된 과제를 해결하기 위해 3차원 영상화 펄스 레이저 레이더 시스템을 제공한다. 상기 3차원 영상화 펄스 레이저 레이더 시스템은, 레이저 펄스를 생성하는 펄스 레이저부(110); 상기 레이저 펄스를 송신하거나 상기 레이저 펄스가 목표물(130)로부터 산란된 경우 산란된 레이저 펄스를 수신하는 송수신 광학계(120); 상기 산란된 레이저 펄스를 수신하여 수집하는 결상 광학계(200); 수집된 레이저 펄스를 전기 신호로 변환하는 신호 검출부(140); 상기 펄스 레이저부(110)로부터 발사된 시간 정보와 변환된 전기 신호의 시간차 정보를 이용하여 상기 레이저 펄스의 왕복 비행시간(TOF) 정보를 측정하고, 상기 목표물(130)에 의한 신호와 노이즈에 의한 신호를 구별해서 상기 목표물(130)에 의해 상기 산란된 레이저 펄스만 획득하는 신호 처리부(150); 및 상기 측정된 레이저 펄스의 왕복 비행시간(TOF) 정보를 이용하여 상기 목표물(130)까지의 거리 정보를 획득하여 상기 거리 정보에 따른 3차원 영상 신호를 생성하는 영상 처리부(160)를 포함한다.
한편으로, 본 발명의 다른 실시예에 따르면, 3차원 영상화 펄스 레이저 레이더 시스템에서의 자동 촛점 방법을 제공한다. 상기 자동 촛점 방법은, 펄스 레이저부(110)가 레이저 펄스를 생성하는 레이저 펄스 생성 단계; 송수신 광학계(120)가 상기 레이저 펄스를 송신하거나 상기 레이저 펄스가 목표물(130)로부터 산란된 경우 산란된 레이저 펄스를 수신하는 레이저 펄스 송수신 단계; 결상 광학계(200)가 상기 산란된 레이저 펄스를 수신하여 수집하는 산란된 레이저 펄스 수신 단계; 신호 검출부(140)가 수집된 레이저 펄스를 전기 신호로 변환하는 전기 신호 변환 단계; 신호 처리부(150)가 상기 펄스 레이저부(110)로부터 발사된 시간 정보와 변환된 전기 신호의 시간차 정보를 이용하여 상기 레이저 펄스의 왕복 비행시간(TOF) 정보를 측정하고, 상기 목표물(130)에 의한 신호와 노이즈에 의한 신호를 구별해서 상기 목표물(130)에 의해 상기 산란된 레이저 펄스만 획득하는 측정 및 획득 단계 ; 및 영상 처리부(160)가 상기 측정된 레이저 펄스의 왕복 비행시간(TOF) 정보를 이용하여 상기 목표물(130)까지의 거리 정보를 획득하여 상기 거리 정보에 따른 3차원 영상 신호를 생성하는 영상 신호 생성 단계를 포함한다.
이때, 상기 신호 검출부(140)는 GmAPD FPA(Geiger-mode Avalanche Photo-Diode Focal Plane Array)이 되는 것을 특징으로 할 수 있다.
이때, 상기 송수신 광학계(120)는 상기 펄스 레이저부(110)로부터 발사된 상기 레이저 펄스의 빔 크기를 조절하는 빔 크기 조절 장치(300)를 포함하는 것을 특징으로 한다.
이때, 상기 신호 처리부(150)는 시간 상관 단광자 검출법(TCSPC: Time Correlated Single Photon Counting)을 이용하여 상기 산란된 레이저 펄스만 획득하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 신호 처리부(150)는, 상기 결상 광학계(200)의 유효 촛점 거리(effective focal length)를 변조하거나 GmAPD FPA(340-1 내지 340-n)의 위치를 이동시킴으로써 검출된 레이저 펄스를 통해 상기 GmAPD FPA(340-1 내지 340-n)의 목표물(130) 검출 확률을 구하고 목표물 검출 확률 분포에 대한 표준편차 값을 구하여 상기 표준편차 값을 최소로 유지하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 결상 광학계의 유효 촛점 거리 (effective focal length)를 변조하거나 GmAPD FPA의 위치를 이동시킴으로써 3차원 영상화 펄스 레이저 레이더 시스템에서 자동 촛점 기능을 구현하는 것이 가능하다.
또한, 본 발명의 다른 효과로서는 기존의 시스템에서 빔의 크기를 조정과 목표물 확률 분포의 표준편차 값을 이용해 AF 기술을 매우 효과적으로 구현해 낼 수 있다는 점을 들 수 있다.
도 1은 종래기술에 따른 3차원 영상화 펄스 레이저 레이더 시스템의 구성도이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 GmAPD FPA(Geiger-mode Avalanche PhotoDiode Focal Plane Array)를 운용하는 3차원 영상화 펄스 레이저 레이더 시스템의 구성도이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 자동 촛점 방법을 설명하기 위한 개념도이다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 GmAPD FPA를 운용하는 3차원 영상화 펄스 레이저 레이더 시스템에서, 목표물(130)에 의해 산란되어 신호 검출부(140)에 도달하는 레이저 펄스와 노이즈에 의해 발생하는 1차 전자(primary electron)의 평균 생성률의 시간에 따른 그래프이다.
도 5의 (a) 내지 (c)는 본 발명의 일실시예에 따라 레이저 빔의 크기를 작게 만들어 목표물(130)에 조사하고, 목표물(130)로부터 산란된 레이저 빔이 신호 검출부(140)의 GmAPD FPA에 결상되었을 때, 촛점이 맞지 않을 경우와 촛점이 맞을 경우 형성된 빔 분포를 설명하기 위한 개념도이다.
도 6의 (a) 내지 (c)는 본 발명의 일실시예에 따른 자동 촛점 방법에서 촛점이 맞을 경우와 맞지 않을 경우에 대한 물체 검출 확률의 분포를 설명하기 위한 그래프이다.
도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 자동 촛점 방법에서 촛점이 맞을 경우와 맞지 않을 경우에 대한 물체 검출 확률의 표준편차 변화를 설명하기 위한 그래프이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다.
제 1, 제 2등의 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. 및/또는 이라는 용어는 복수의 관련된 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함한다.
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 명세서에서 사용되는 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 "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.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 일실시예에 따른 3차원 영상화 펄스 레이저 레이더 시스템의 자동 촛점 방법을 설명한다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 GmAPD FPA(Geiger-mode Avalanche PhotoDiode Focal Plane Array)를 운용하는 3차원 영상화 펄스 레이저 레이더 시스템의 구성도이다. 이 3차원 영상화 펄스 레이저 레이더 시스템은, 레이저 펄스를 생성하는 펄스 레이저부(110), 이 레이저 펄스를 송신하거나 이 레이저 펄스가 목표물(130)로부터 산란된 경우 산란된 레이저 펄스를 수신하는 송수신 광학계(120), 산란된 레이저 펄스를 수신하여 수집하는 결상 광학계(200), 수집된 레이저 펄스를 전기 신호로 변환하는 신호 검출부(140), 펄스 레이저부(110)로부터 발사된 시간 정보와 신호 검출부(140)에 의해 변환된 전기 신호의 시간차 정보를 이용하여 레이저 펄스의 왕복 비행시간 정보를 생성하는 신호 처리부(150) 및 이 왕복 비행시간 정보를 이용하여 3차원 영상 신호를 생성하는 영상 처리부(160)를 포함한다.
원거리 3차원 영상을 획득하기 위해서 펄스 레이저부(110)에서는 레이저 펄스의 사용이 필요하며 신호 검출부(140)에서는 단일 광자를 검출 할 수 있는 고감도 검출기인 GmAPD(Geiger-mode Avalanche Photo-Diode)가 사용된다.
더 나아가 실시간 3차원 영상 획득을 위해서는 배열형태로 된 GmAPD FPA가 사용될 수 있다. 물론, GmAPD FPA를 운용하는 경우 결상 광학계(200)가 수반되며, 이때 유한한 촛점 심도 (Depth of focus)가 발생한다.
GmAPD FPA를 사용하는 경우, 촛점 심도 안에 GmAPD FPA를 위치하여야 하므로 자동 초점(AutoFocus) 기능을 할 수 있는 방법이 필요하다.
일반적으로 자동 초점(Autofocus) 기술은 카메라 렌즈의 위치를 조정하여 피사체를 촬상소자에 자동으로 촛점을 맞추는 것이다. 2차원 영상을 획득 하는 경우, AF 기술은 크게 액티브 타입(active type)과 패시부 타입(passive type)으로 나뉜다.
다시 active type은 고전적 방식과 적외선 방식으로 나뉘게 된다. 고전적 방식은 초고주파를 방출하여 되돌아오는 시간을 계산하여 렌즈를 제어하는 방식이고, 적외선 방식은 수m 이내의 거리에 있는 피사체에 적용 가능한 방식으로 적외선을 방출하고 돌아오는 시간을 측정해 렌즈를 제어하는 방식이다.
일반적으로, Passive type은 촬상 소자로 부터 얻은 2차원 영상정보의 콘트라스트(contrast) 검출이나 위상차 검출 방식을 이용한 자동 촛점 기술이다.
도 2를 계속 참조하면, 펄스 레이저부(110)는 광원으로 레이저 펄스를 이용한다. 펄스 레이저부(110)에서 레이저 펄스가 발진이 되면 신호 처리부(150)로 전기적인 신호를 보내게 된다. 발진된 레이저 펄스는 송수신 광학계(120)를 지나 목표물(130)에 조사되어 산란이 된다.
목표물(130)에 의해 산란된 레이저 펄스 에너지의 일부는 결상 광학계(200)에 의해 수집되며, 이 수집된 레이저 펄스는 신호 검출부(140)로 보내진다. 이 수집된 레이저 펄스는 신호 검출부(140)에서 전기 신호로 변환되어 신호 처리부(150)로 전달된다.
신호 처리부(150)는 펄스 레이저부(110)에서 레이저 펄스가 발진 되었을 때 신호 처리부(150)로 전송된 전기적 신호와 신호 검출부(140)에서 보내온 전기적 신호의 시간차이를 계산하여 레이저 펄스의 비행시간을 측정하게 된다. 이 측정된 데이터를 time-of-flight (TOF) 정보라고 부른다. TOF 정보는 레이저 펄스의 왕복 비행시간이므로, TOF에 빛의 속도를 곱한 뒤 2로 나누면 목표물(130)의 거리정보를 획득하게 된다. 이를 식으로 표현하면 다음과 같이 표현이 된다.
Figure pat00001
여기서 D는 레이저 레이더 시스템과 목표물(130) 사이의 거리이고, c는 3×108m/s이다.
측정된 레이저 펄스의 TOF 정보는 영상 처리부(160)로 전달되며, 영상처리 과정을 거쳐 3차원 영상으로 보여 진다.
물론, 위에서 기술한 TOF 정보 획득과 영상처리 과정은 이해를 위한 것으로, 결상 광학계(200)와 GmAPD FPA를 고려하지 않은 것이다.
이 결상 광학계(200)와 GmAPD FPA를 사용하는 경우, GmAPD FPA의 각 픽셀별로 측정된 TOF 정보들은 픽셀이 보고 있는 목표물(130)의 위치에 해당하는 부분의 거리 정보를 획득 하게 되며 영상처리과정을 거쳐 3차원 영상으로 표현된다. 이를 설명한 도면이 도 3에 도시된다. 즉, 도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 자동 촛점 방법을 설명하기 위한 개념도이다.
도 3을 참고 해서 설명하면, 펄스 레이저부(110)로부터 발사된 레이저 펄스의 빔 크기를 조절하는 빔 크기 조절 장치(300)를 이용하여 목표물(130)에 조사될 레이저 펄스의 빔 크기를 작게 만들어 목표물(130)에 조사를 한다. 부연하면, 빔 크기 조절 장치(300)를 이용하여 레이저 빔의 크기를 제어하여 목표물(130)에 조사하고 결상된 양자 분포(photon distribution)의 표준편차 값을 이용하여 자동 촛점 기능을 구현한다.
이때 레이저 펄스의 세기 조절이 중요하다. 그 이유는 다음과 같다.
신호 검출부(140)의 GmAPD FPA(340-1 내지 340-n)는 고감도 검출기이므로 산란되어 돌아오는 레이저 펄스의 세기를 측정할 수 없다. 그러므로 촛점면에서 빛의 세기 분포를 알아내기 위해 다음과 같은 이론적인 접근을 한다.
목표물(130)로부터 산란되어 GmAPD FPA(340-1 내지340-n)에 도달하는 레이저 펄스에 의해 발생하는 평균 1차 전자(primary electrons)의 생성률과 노이즈들에 의해 발생하는 평균 1차 전자(primary electrons)의 생성률을 나타내면 도 4와 같다고 가정을 하자. 여기서, 도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 GmAPD FPA를 운용하는 3차원 영상화 펄스 레이저 레이더 시스템에서, 목표물(도 3의 130 참조)에 의해 산란되어 신호 검출부(도 3의 140 참조)에 도달하는 레이저 펄스와 노이즈에 의해 발생하는 1차 전자(primary electron)의 평균 생성률의 시간에 따른 그래프이다.
이때 목표물(130)에서 산란된 신호는 시간축(400)상의 j번째 time bin(계급)에만 존재하고, 노이즈에 의해 발생하는 신호는 일정하다고 가정을 한다. SPE(420)는 GmAPD FPA(340-1 내지 340-n)에서 목표물(130)에 의해 산란된 레이저 펄스에 의하여 발생하는 평균 1차 전자(Primary electrons)의 생성률, NPE는 노이즈들에 의하여 발생하는 평균 Primary electrons의 생성률, RPE(410)는 전체 평균 1차 전자(primary electrons)의 생성률이다. 이들의 관계식은 다음과 같이 나타낼 수 있다.
Figure pat00002
2003년에 Applied Optics, Vol. 42, Issue 27, pp. 5388-5398 에 등재된 논문"Detection and false-alarm probabilities for laser radars that use Geiger-mode detectors" 에 의하면 GmAPD의 전기 신호 발생 확률은 근사적으로 Poisson statistics를 따른다.
그러므로 i번째 time bin에서 Primary electron이 생성될 확률은 2010년에 Japanese Journal of Applied Physics, Vol. 49, 026601에 등재된 논문"Time-of-Flight Analysis of Three-Dimensional Imaging Laser Radar Using A Geiger-Mode Avalanche Photodiode"에 의해 다음과 같이 나타낼 수 있다.
Figure pat00003
위의 식에서 목표물(도 3의 130참조)이 j번째 time bin에 위치하고 있는 도 4의 상황을 적용하면, 목표물 검출 확률은 다음과 같다
Figure pat00004
그러므로 목표물에 의해 산란된 레이저 펄스로 인해 생성된 전체 Primary electron의 개수
Figure pat00005
에 대해 정리하면 다음과 같은 관계를 가진다.
Figure pat00006
여기서,
Figure pat00007
: 양자 효율(quantum efficiency),
Figure pat00008
: GmAPD에 충돌한 레이저 반사 펄스의 에너지(the energy of the laser-return pulse impinging on the GmAPD),
Figure pat00009
: 프랑크 상수(Plank constant),
Figure pat00010
: 광 주파수(optical frequency), τbin: 시간축(400)의 계급 크기(단위는 nano-second, pico-second가 됨)이다.
Figure pat00011
은
Figure pat00012
의 함수로서 2010년에 Current Applied Physics, Vol. 10에 등제된 논문 "Systematic experiments for proof of Poisson statistic on direct-detection laser radar using Geiger mode avalanche photodiode"에 따르면,
Figure pat00013
범위 내에서 크게 변한다.
그러므로,
Figure pat00014
와
Figure pat00015
가 주어진다면,
Figure pat00016
범위 내에서는
Figure pat00017
값이 조금만 변해도
Figure pat00018
의 변화폭이 커진다.
그래서, 레이저 펄스 에너지 조정을 통해,
Figure pat00019
범위 안에 들어야만 촛점면에서 빛의 세기 변화를 알아보기 쉬울 뿐만 아니라, 목표물 검출 확률을 이용해 빛의 세기 분포까지 확인 할 수 있다.
도 3을 계속 참조하면, 다음 과정은 GmAPD FPA(340-1 내지 340-n)를 광축 방향으로 이동하면서 TOF를 측정 하여 목표물(130)에 의한 신호만 획득하는 것이다. 측정된 TOF 정보에서 목표물(130)에 의한 신호와 노이즈에 의한 신호를 구별하는 방법으로 시간 상관 단광자 검출법(TCSPC: Time Correlated Single Photon Counting)을 사용한다.
이 시분해 레이저 분광법은 많은 수의 레이저 펄스를 목표물에 조사하여 왕복 비행시간들을 측정하고, 왕복 비행시간 히스토그램으로 변환하여 발생 빈도수를 비교함으로써, 목표물에 의한 신호와 노이즈에 의한 신호를 구별하는 방법이다.
시분해 레이저 분광법을 이용해 목표물(130)에서 산란된 신호만 획득하고, 목표물 검출 확률을 구한다. 최종적으로, GmAPD FPA(340-1 내지 340-n)에 대한 목표물 검출 확률의 표준편차 값이 최소가 되도록 결상 광학계(200)의 유효 촛점 거리(effective focal length)를 변조하거나 GmAPD FPA(340-1 내지 340-n)의 위치를 이동시킴으로써 자동 촛점 조정 기능이 구현된다.
도 5의 (a) 내지 (c)는 본 발명의 일실시예에 따라 레이저 빔의 크기를 작게 만들어 목표물(130)에 조사하고, 목표물(130)로부터 산란된 레이저 빔이 신호 검출부(140)의 GmAPD FPA(340-1 내지 340-n)에 결상되었을 때, 촛점이 맞지 않을 경우와 촛점이 맞을 경우 형성된 빔 분포를 설명하기 위한 개념도이다.
예를 들어, n개의 픽셀을 가지는 GmAPD FPA(도 3의 340-1 내지 340-n 참조)에서 도 5의 (a)는 촛점(500)이 GmAPD FPA(도 3의 340-1라고 가정)을 지나게 되어 결상되지 않은 경우를 나타낸다.
또한, 도 5의 (b)는 초점이 정확하게 GmAPD FPA(340-1)에 결상된 경우를 나타낸다. 도 5의 (c)는 촛점(510)이 GmAPD FPA(340-1)에 도달되지 않아 결상되지 않은 경우를 나타낸다.
도 6의 (a) 내지 (c)는 본 발명의 일실시예에 따른 자동 촛점 방법에서 촛점이 맞을 경우와 맞지 않을 경우에 대한 물체 검출 확률의 분포를 설명하기 위한 그래프이다. 도 6을 참조하면, X축(600)은 GmAPD FPA의 픽셀 개수를 나타내고, Y축(610)은 목표물 검출 확률을 나타낸다.
따라서, 도 6의 (a)에서, 목표물 검출 확률 분포 그래프(620)의 표준 편차(σ)(621)는 완만한 활 형상이 된다. 즉, 도 5의 (a)와 대응한다.
도 6의 (b)에서, 목표물 검출 확률 분포 그래프(620)의 표준 편차(σ)는 펄스파형과 같이 위쪽이 급격한 경사를 지는 형태가 된다. 즉, 도 5의 (b)와 대응한다.
도 6의 (c)에서, 목표물 검출 확률 분포 그래프(620)의 표준 편차(σ)(621)는 완만한 활 형상이 된다. 즉, 도 6의 (c)와 대응한다.
도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 자동 촛점 방법에서 촛점이 맞을 경우와 맞지 않을 경우에 대한 물체 검출 확률의 표준편차 변화를 설명하기 위한 그래프이다. 즉, 도 6의 (a) 내지 (c)를 이용해 표준편차(σ)를 구하면 도 7과 같을 것이다. 그러므로, 도 7에서 X축(700)은 신호 검출부(도 3의 140)는 픽셀 형태인 GmAPD FPA(도 3의 340-1 내지 340-n)이며 이 GmAPD FPA의 위치((a),(b),(c))를 나타내며, Y축(710)은 표준편차 값(σ)이 된다.
따라서, 가장 작은 (b)와 같이 되도록 결상 광학계(도 3의 200)의 유효 촛점 거리를 변조하거나 GmAPD FPA(도 3의 340-1 내지 340-n)의 위치를 이동시킴으로써 자동 촛점 기능을 구현한다.
이해하기 쉽게 본 발명의 일실시예를 설명하면, 본 발명의 일실시예는 빔 크기 조절 장치(도 3의 300)를 이용하여 목표물(도 3의 130)에서의 레이저 빔의 크기를 조정하는 과정과, 목표물(130)의 거리에 따라 레이저 펄스의 세기를 조정하는 과정이 있다. 그리고, GmAPD FPA의 각 픽셀별(도 3의 340-1 내지 340-n)로 레이저 펄스의 왕복시간(TOF)을 측정하는 과정과, 목표물(130)에 의한 신호와 노이즈에 의한 신호를 구별해서 목표물(130)에 의해 산란된 레이저 펄스 신호만 획득하는 시간 상관 단광자 검출법(TCSPC: Time Correlated Single Photon Counting)을 이용하는 과정과, 검출된 레이저 펄스 신호를 통해 각 픽셀의 목표물 검출 확률을 구하는 과정과 목표물 검출 확률 분포의 표준편차 값을 구하는 과정을 통해 그 값이 최소가 되는 위치를 촛점면으로 생각하여 촛점위치를 찾아가는 과정을 포함한다.
110: 펄스 레이저부 120: 송수신 광학계
130: 목표물 140: 신호 검출부
150: 신호 처리부 160: 영상 처리부
200: 결상 광학계 300: 빔 크기 조절 장치
340-1 내지 340-n: GmAPD FPA(Geiger-mode Avalanche Photo-Diode Focal Plane Array

Claims (10)

  1. 레이저 펄스를 생성하는 펄스 레이저부(110);
    상기 레이저 펄스를 송신하거나 상기 레이저 펄스가 목표물(130)로부터 산란된 경우 산란된 레이저 펄스를 수신하는 송수신 광학계(120);
    상기 산란된 레이저 펄스를 수신하여 수집하는 결상 광학계(200);
    수집된 레이저 펄스를 전기 신호로 변환하는 신호 검출부(140);
    상기 펄스 레이저부(110)로부터 발사된 시간 정보와 변환된 전기 신호의 시간차 정보를 이용하여 상기 레이저 펄스의 왕복 비행시간(TOF) 정보를 측정하고, 상기 목표물(130)에 의한 신호와 노이즈에 의한 신호를 구별해서 상기 목표물(130)에 의해 상기 산란된 레이저 펄스만 획득하는 신호 처리부(150); 및
    상기 측정된 레이저 펄스의 왕복 비행시간(TOF) 정보를 이용하여 상기 목표물(130)까지의 거리 정보를 획득하여 상기 거리 정보에 따른 3차원 영상 신호를 생성하는 영상 처리부(160)
    를 포함하는 3차원 영상화 펄스 레이저 레이더 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 신호 검출부(140)는 GmAPD FPA(Geiger-mode Avalanche Photo-Diode Focal Plane Array)인 3차원 영상화 펄스 레이저 레이더 시스템.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 송수신 광학계(120)는 상기 펄스 레이저부(110)로부터 발사된 상기 레이저 펄스의 빔 크기를 조절하는 빔 크기 조절 장치(300)를 포함하는 3차원 영상화 펄스 레이저 레이더 시스템.
  4. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 신호 처리부(150)는 시간 상관 단광자 검출법(TCSPC: Time Correlated Single Photon Counting)을 이용하여 상기 산란된 레이저 펄스만 획득하는 3차원 영상화 펄스 레이저 레이더 시스템.
  5. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 신호 처리부(150)는, 상기 결상 광학계(200)의 유효 촛점 거리(effective focal length)를 변조하거나 GmAPD FPA(340-1 내지 340-n)의 위치를 이동시킴으로써 검출된 레이저 펄스를 통해 상기 GmAPD FPA(340-1 내지 340-n)의 목표물(130) 검출 확률을 구하고 목표물 검출 확률 분포에 대한 표준편차 값을 구하여 상기 표준편차 값을 최소로 유지하는 3차원 영상화 펄스 레이저 레이더 시스템.
  6. 펄스 레이저부(110)가 레이저 펄스를 생성하는 레이저 펄스 생성 단계;
    송수신 광학계(120)가 상기 레이저 펄스를 송신하거나 상기 레이저 펄스가 목표물(130)로부터 산란된 경우 산란된 레이저 펄스를 수신하는 레이저 펄스 송수신단계;
    결상 광학계(200)가 상기 산란된 레이저 펄스를 수신하여 수집하는 산란된 레이저 펄스 수신 단계;
    신호 검출부(140)가 수집된 레이저 펄스를 전기 신호로 변환하는 전기 신호 변환 단계;
    신호 처리부(150)가 상기 펄스 레이저부(110)로부터 발사된 시간 정보와 변환된 전기 신호의 시간차 정보를 이용하여 상기 레이저 펄스의 왕복 비행시간(TOF) 정보를 측정하고, 상기 목표물(130)에 의한 신호와 노이즈에 의한 신호를 구별해서 상기 목표물(130)에 의해 상기 산란된 레이저 펄스만 획득하는 측정 및 획득 단계 ; 및
    영상 처리부(160)가 상기 측정된 레이저 펄스의 왕복 비행시간(TOF) 정보를 이용하여 상기 목표물(130)까지의 거리 정보를 획득하여 상기 거리 정보에 따른 3차원 영상 신호를 생성하는 영상 신호 생성 단계
    를 포함하는 3차원 영상화 펄스 레이저 레이더 시스템에서의 자동 촛점 방법 자동 촛점 방법.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 신호 검출부(140)는 GmAPD FPA(Geiger-mode Avalanche Photo-Diode Focal Plane Array)인 3차원 영상화 펄스 레이저 레이더 시스템에서의 자동 촛점 방법 자동 촛점 방법.
  8. 제 6 항 또는 제 7 항에 있어서,
    상기 송수신 광학계(120)는 상기 펄스 레이저부(110)로부터 발사된 상기 레이저 펄스의 빔 크기를 조절하는 빔 크기 조절 장치(300)를 포함하는 3차원 영상화 펄스 레이저 레이더 시스템에서의 자동 촛점 방법 자동 촛점 방법.
  9. 제 6 항 또는 제 7 항에 있어서,
    상기 신호 처리부(150)는 시간 상관 단광자 검출법(TCSPC: Time Correlated Single Photon Counting)을 이용하여 상기 산란된 레이저 펄스만 획득하는 3차원 영상화 펄스 레이저 레이더 시스템에서의 자동 촛점 방법 자동 촛점 방법.
  10. 제 6 항 또는 제 7 항에 있어서,
    상기 신호 처리부(150)는, 상기 결상 광학계(200)의 유효 촛점 거리(effective focal length)를 변조하거나 GmAPD FPA(340-1 내지 340-n)의 위치를 이동시킴으로써 검출된 레이저 펄스를 통해 상기 GmAPD FPA(340-1 내지 340-n)의 목표물(130) 검출 확률을 구하고 목표물 검출 확률 분포에 대한 표준편차 값을 구하여 상기 표준편차 값을 최소로 유지하는 3차원 영상화 펄스 레이저 레이더 시스템에서의 자동 촛점 방법 자동 촛점 방법.
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Cited By (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2015178575A1 (ko) * 2014-05-21 2015-11-26 주식회사 더에스 3차원 시간 비행 이미지 획득 장치
US9389307B2 (en) 2013-01-11 2016-07-12 Hanwha Techwin Co., Ltd. Panoramic scan radar and panoramic laser scanning method
CN109407108A (zh) * 2018-12-17 2019-03-01 北京瑞特森传感科技有限公司 一种激光雷达系统和测距方法
US10594920B2 (en) 2016-06-15 2020-03-17 Stmicroelectronics, Inc. Glass detection with time of flight sensor
WO2021085773A1 (ko) * 2019-10-30 2021-05-06 엘지전자 주식회사 이동 단말기
CN112767284A (zh) * 2021-02-03 2021-05-07 哈尔滨工业大学 基于光子计数熵的激光三维成像云雾后向散射滤除方法及系统

Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR102038533B1 (ko) 2012-06-14 2019-10-31 한국전자통신연구원 레이저 레이더 시스템 및 목표물 영상 획득 방법
CN104483676B (zh) * 2014-12-04 2017-08-11 北京理工大学 一种3d/2d非扫描激光雷达复合成像装置

Family Cites Families (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH09178853A (ja) * 1995-12-25 1997-07-11 Hitachi Ltd イメージングレーザー測距装置
JPH09297014A (ja) * 1996-05-08 1997-11-18 Mitsubishi Heavy Ind Ltd レーザレーダ三次元形状計測装置
JP2000121332A (ja) 1998-10-14 2000-04-28 Fuji Xerox Co Ltd 三次元形状測定装置
JP2010164463A (ja) * 2009-01-16 2010-07-29 Mitsubishi Electric Corp レーザ３次元画像計測装置

Cited By (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US9389307B2 (en) 2013-01-11 2016-07-12 Hanwha Techwin Co., Ltd. Panoramic scan radar and panoramic laser scanning method
WO2015178575A1 (ko) * 2014-05-21 2015-11-26 주식회사 더에스 3차원 시간 비행 이미지 획득 장치
US10594920B2 (en) 2016-06-15 2020-03-17 Stmicroelectronics, Inc. Glass detection with time of flight sensor
CN109407108A (zh) * 2018-12-17 2019-03-01 北京瑞特森传感科技有限公司 一种激光雷达系统和测距方法
WO2021085773A1 (ko) * 2019-10-30 2021-05-06 엘지전자 주식회사 이동 단말기
CN112767284A (zh) * 2021-02-03 2021-05-07 哈尔滨工业大学 基于光子计数熵的激光三维成像云雾后向散射滤除方法及系统
CN112767284B (zh) * 2021-02-03 2024-03-08 哈尔滨工业大学 基于光子计数熵的激光三维成像云雾后向散射滤除方法及系统

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