KR20140001299A - 광 검출기 어레이를 이용한 3차원 정보 획득 장치 - Google Patents

광 검출기 어레이를 이용한 3차원 정보 획득 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 3차원 영상 측정을 위한 레이저 레이다의 광이 목표로 하는 물체에서 반사되어 수광 렌즈를 통해 광 검출기에 입사되어 3차원 영상을 측정함에 있어, 광 검출기를 어레이하여 넓은 영역의 정보를 검출하는 3차원 정보 획득 장치에 관한 것으로, 상기 3차원 정보 획득 장치는 일정 파장 대역의 광 신호를 발생시키는 광원부; 상기 광 신호의 경로 상에 마련되어 상기 광원으로부터 출력된 상기 광 신호를 평행 또는 일정 각으로 발산 시키는 송광 광학 렌즈부; 상기 송광 광학 렌즈로부터 출력된 광을 측정하고자 하는 물체면에 주사하는 광 주사부; 상기 물체면에서 반사된 광을 집광하는 수광 광학 렌즈부; 및 하나 이상의 광 검출기를 수광 부분이 중심에 모이도록 어레이하여 집광된 광 신호를 각각의 전류 신호로 변환하는 광 검출부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

광 검출기 어레이를 이용한 3차원 정보 획득 장치{LASER Radar system for 3D image detection with Photo-detectors array}
본 발명은 광 검출기 어레이를 이용한 3차원 정보 획득 장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 3차원 영상 측정을 위한 레이저 레이다의 광이 목표로 하는 물체에서 반사되어 수광 렌즈를 통해 광 검출기에 입사되어 3차원 영상을 측정함에 있어, 광 검출기를 어레이하여 넓은 영역의 정보를 검출하는 3차원 정보 획득 장치에 관한 것이다.
일반적으로 레이저 레이다는 근적외선 대역의 파장을 사용하여 먼 거리의 임의 물체에서 반사되거나 산란된 빛을 집광하기 위해 망원경 구조의 광학 렌즈계와 수신 광 검출기를 사용하여 광 신호를 검출한다. 이때, 보다 넓은 면적을 주사하기 위해 송, 수신 광학계가 동일한 축상에 배열하기도 하는데, 동일 축으로 송, 수신 광학계를 구성할 경우 넓은 영역을 주사할 수 있다는 장점은 있으나, 중심축으로 들어오는 빛은 신호로 검출되지 않고 손실을 야기한다는 문제점이 있다.
반면, 송, 수신 광학계가 동축에 있지 않도록 구성할 경우에는 두 광축의 차이로 말미암아 측정거리가 제한되는 단점이 있다. 또한, 광 검출기의 수광 면적을 늘리게되면 수신 대역이 낮아지게 되어, 펄스 광원과 같이 변조된 광신호를 사용하는 경우 큰 제한 요인이 된다는 문제가 있다.
본 발명은 상기의 문제점을 해결하기 위해 창안된 것으로서, 송신광 축과 수신 광축이 다른 경우 측정 가능한 물체의 영역이 좁다는 단점을 해결하기 위해 광 검출기를 어레이하여 수신 면적을 확장시켜 측정 영역을 넓히도록 하였다.
이를 위하여, 본 발명의 제1 측면에 따르면, 본 발명에 따른 3차원 정보 획득 장치는, 일정 파장 대역의 광 신호를 발생시키는 광원부와, 상기 광 신호의 경로 상에 마련되어 상기 광원으로부터 출력된 상기 광 신호를 평행 또는 일정 각으로 발산 시키는 송광 광학 렌즈부와, 상기 송광 광학 렌즈로부터 출력된 광을 측정하고자 하는 물체면에 주사하는 광 주사부와, 상기 물체면에서 반사된 광을 집광하는 수광 광학 렌즈부 및 하나 이상의 광 검출기를 수광 부분이 중심에 모이도록 어레이하여 집광된 광 신호를 각각의 전류 신호로 변환하는 광 검출부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 3차원 정보 획득 장치는, 상기 수광 광학 렌즈의 앞 또는 뒤에 위치하고, 입사되는 광의 잡음을 제거하는 광 대역 필터를 포함 할 수 있다.
상기 각각의 광 검출기 어레이는 수광 면적이 중심에 모이도록 배열되는 것을 특징으로 한다.
또한, 3차원 정보 획득 장치는, 상기 광 검출부로부터 출력된 신호를 처리하여 상기 광 신호의 송광 시점부터 수광 시점까지의 시간 또는 상기 물체로부터 반사된 광 신호의 세기를 측정하는 신호처리부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 광 검출기를 어레이로 배열하는 경우 송·수신 광 축이 다른 상태에서 주사하는 경우 보다 넓은 영역의 물체에 관한 3차원 정보를 검출하게 하는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 3차원 영상 검출을 위한 레이저 레이다의 개략적인 구성도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 레이다의 광 검출기 어레이를 도시한 도면이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 실시 예를 상세하게 설명한다. 본 발명의 구성 및 그에 따른 작용 효과는 이하의 상세한 설명을 통해 명확하게 이해될 것이다. 본 발명의 상세한 설명에 앞서, 동일한 구성요소에 대해서는 다른 도면 상에 표시되더라도 가능한 동일한 부호로 표시하며, 공지된 구성에 대해서는 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 구체적인 설명은 생략하기로 함에 유의한다.
본 발명은 3차원 영상 검출을 위한 레이저 레이다의 시스템 구성에 관한 것으로 근적외선 파장 대역의 광원을 사용하여 송광 렌즈와 스캐너를 이용하여 측정하고자 하는 물체에 광을 송신하여 물체에서 반사된 빛을 수광 렌즈에서 집광하여 물체에 대한 거리 등의 정보를 수집하기 위함이다.
또한, 본 발명은 수광 면적을 늘리므로 발생하는 수신 대역폭 감소라는 제약을 극복하기 위해 여러 개의 단일 광 검출기를 수광 부분이 중심으로 모이도록 배열하여 수광 면적이 넓어진 효과를 가져와 보다 넓은 영역의 측정 물체에 대한 정보를 검출하도록 하기 위함이다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 레이저 레이다의 개략적인 구성도이다. 본 레이저 레이다는 광원(100), 송광 광학 렌즈부(110), 광 주사부 (120), 수광 광학 렌즈부(140), 광 대역 필터(미도시), 광 검출기(160), 신호처리기(170)를 포함하여 구성된다.
광원(100)은 일정 파장 대역의 광 신호를 펄스 형태로 발생되거나 주파수 변조방식의 FMCW(Frequency-modulated continuous-wave)방식의 근 적외선 파장 대역의 광원이 바람직하다. 또한, 광원(100)은 고체 레이저 또는 반도체 레이저 등을 이용하여 광 신호를 발생시킬 수 있다.
송광 광학 렌즈부(110)는 상기 광원(100)으로부터 출력되는 상기 광 신호를 평행 또는 일정 각으로 발산 시키는 역할을 한다.
광 주사부(120)는 상기 송광 광학 렌즈부(110)로부터 발산된 광 신호를 측정을 원하는 영역에 주사하는 역할을 한다. 광 주사부(120)는 광 신호를 물체(101)의 한 점 또는 물체 면으로 입사시키기 위해 주사할 수 있다. 광 주사부(120)는 물체(101)의 넓은 영역을 스캔하기 위해 송광 광학 렌즈부(110)에서 발산된 광 신호를 조정하여 주사할 수 있다.
수광 광학 렌즈부(140)는 물체(101)로부터 반사된 광 신호의 초점을 검출부(160)의 하나 이상의 광 검출기 어레이의 수광 면적에 맞출 수 있다. 물체에서 반사된 신호를 집광하여 광 검출기에 집광하는 역할을 담당하는 수광 광학 렌즈부(140)는 적어도 하나 이상의 수광 광학 렌즈로 이루어질 수 있으며, 구형 렌즈 형태일 수 있다.
광 대역 필터부(미도시)는 상기 수광 광학 렌즈부(140)로부터 입사되는 광의 잡음을 제거하기 위해 미리 설정된 대역폭의 신호만을 통과시키는 역할을 한다. 광 대역 필터부는 수광 광학 렌즈부(140)의 전면 또는 후면에 위치할 수 있다. 후면에 위치하는 경우, 광 대역 필터부는 수광 광학 렌즈부(140)로부터 출력된 광 신호를 입력받아 대역 필터링한다. 반면, 전면에 위치하는 경우, 광 대역 필터부는 물체(101)로부터 반사된 광 신호를 입력받아 대역 필터링하고 대역 필터링한 광 신호를 수광 광학 렌즈부(140)로 전달할 수 있다.
광 검출부(160)는 하나 이상의 광 검출기가 어레이되어 형성되며, 상기 수광 광학 렌즈(140)로부터 집광된 빛을 검출하는 센서모듈을 이용하여 원하는 전기신호로 변환하는 역할을 한다. 광 검출부(160)에서 다양한 거리에 있는 물체를 측정하기 위해 센서 모듈에 집광되는 광 신호가 중앙에 초점이 맞추어져서 검출된다.
신호 처리부(170)는 광 검출부(160) 즉 어레이된 하나 이상의 광 검출기로부터 전환된 신호를 처리하여 광 신호의 송광 시점부터 수광 시점까지의 시간을 통해 측정거리(200) 또는 물체(101)로부터 반사된 광 신호의 세기를 측정할 수 있다.
하나 이상의 광 검출기가 어레이 되어 있는 광 검출부(160)는 도 2에 도시한 바와 같이, 수광 면적이 중심에 모이도록 어레이(160-1)하여 수광 면적이 넓어진 효과를 얻도록 구성된다. 도 2는 광 검출기 어레이의 일 예 일뿐 광 검출기가 수광 면적이 중심에 모이도록 어레이 된다면 다른 형태여도 좋다. 이때, 광 검출기 어레이는 단일소자의 배열을 통해 이루어지거나, 각각이 광학적으로 고립된 광 검출기 어레이로 이루어질 수 있다.
이상의 설명은 본 발명을 예시적으로 설명한 것에 불과하며, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술적 사상에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 변형이 가능할 것이다. 따라서 본 발명의 명세서에 개시된 실시 예들은 본 발명을 한정하는 것이 아니다. 본 발명의 범위는 아래의 특허청구범위에 의해 해석되어야 하며, 그와 균등한 범위 내에 있는 모든 기술도 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석해야 할 것이다.
100 : 광원 110 : 송광 광학 렌즈
120 : 스캐너 140 : 수광 광학 렌즈
160 : 광 검출기 또는 광 검출기 어레이
170 : 신호처리부

Claims (4)

  1. 일정 파장 대역의 광 신호를 발생시키는 광원부;
    상기 광 신호의 경로 상에 마련되어 상기 광원으로부터 출력된 상기 광 신호를 평행 또는 일정 각으로 발산 시키는 송광 광학 렌즈부;
    상기 송광 광학 렌즈로부터 출력된 광을 측정하고자 하는 물체면에 주사하는 광 주사부;
    상기 물체면에서 반사된 광을 집광하는 수광 광학 렌즈부; 및
    하나 이상의 광 검출기를 수광 부분이 중심에 모이도록 어레이하여 집광된 광 신호를 각각의 전류 신호로 변환하는 광 검출부
    를 포함하는 3차원 정보 획득 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 수광 광학 렌즈의 앞 또는 뒤에 위치하고, 상기 입사하는 광 신호 중에서 기 설정된 대역폭 신호를 통과시키는 광 대역 필터
    를 더 포함하는 3차원 정보 획득 장치.
  3. 제1항에 있어서, 상기 광 검출부는 하나 이상의 광 검출기를 어레이하여 빛을 검출하지 못하는 부분이 최소화되도록 각각의 수광 부분이 중심에 모이도록 하는 것을 특징으로 하는 3차원 정보 획득 장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 광 검출부로부터 출력된 신호를 처리하여 상기 광 신호의 송광 시점부터 수광 시점까지의 시간 또는 상기 물체로부터 반사된 광 신호의 세기를 측정하는 신호처리부
    를 더 포함하는 3차원 정보 획득 장치.



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