KR20140054546A - 거리측정 및 영상획득 장치 - Google Patents

Abstract

레이저 펄스를 이용하여 거리측정과 영상획득을 동시에 할 수 있는 장치가 개시된다. 일실시예에 따른 거리측정 및 영상획득 장치는, 목표물까지의 거리를 측정하기 위한 제1 레이저 펄스 및 상기 목표물에 대한 영상을 획득하기 위한 제2 레이저 펄스를 생성하여 상기 제1 및 2 레이저 펄스를 시간차를 두고 상기 목표물에 발사하는 레이저 발생부, 상기 제1 레이저 펄스가 상기 목표물에 반사되어 생성되는 제1 신호 펄스를 수신하는 광검출기, 상기 제1 레이저 펄스 및 상기 제1 신호 펄스 간의 지연시간을 이용하여 상기 목표물까지의 거리를 계산하는 계산부 및 상기 제2 레이저 펄스가 상기 목표물에 반사되어 생성되는 제2 신호 펄스를 수신하여 영상화하는 이미지센서를 포함할 수 있다.

Description

거리측정 및 영상획득 장치{DEVICE FOR MEASURING DISTANCE AND OBTAINING IMAGE}

이하의 설명은 거리측정 및 영상획득 장치에 관한 것이다.

기존의 영상획득 장치는 서치라이트 또는 LED를 조명으로 사용하여 주간뿐만 아니라 야간에도 목표물에 대한 영상을 획득하였다. 그러나, 이러한 방식에 의하면 야간의 경우에는 영상 획득 작업 간에 쉽게 타인에게 노출될 수 있다는 문제점이 있었다.

이를 극복하기 위해 눈에 감지되지 않는 레이저를 이용하여 영상을 획득하는 방법이 고안되었고, 이러한 레이저 조명 방식의 영상획득 장치는 주로 1 km 이내의 근거리 내에서 30 cm x 30 cm 정도의 물체를 구분하는 용도로 사용되고 있다. 또한, 이러한 장치는 레이저의 파장과 이미지센서의 특성에 따라 영상의 선명도가 좌우된다. 보통, 800 nm - 980 nm 파장의 레이저가 이용되고, 이미지센서로는 CCD가 이용되고 있다. 이와 같이 구성되는 이유는, 위의 파장대의 레이저 발생기가 비교적 가격이 저렴하고, CCD 이미지센서의 문턱값이 1100 nm 이내이기 때문이다.

그러나, 위와 같은 파장대를 가지는 레이저를 사용할 경우, 안구에 치명적인 위험을 가할 수 있다.

또한, 영상을 획득하는 것과 동시에 목표물까지의 거리를 측정해야 할 경우가 있는데, 양자를 동시에 수행하는 장치에 대한 개발은 아직까지 없는 실정이고, 상술한 영상취득 장치와 레이저를 이용한 거리측정 장치를 별도로 이원화하여 사용하고 있다.

장치의 소형화 및 경량화를 이루고, 전체적인 비용의 절감을 위해서, 영상획득과 거리측정을 동시에 수행할 수 있는 장치에 대한 연구가 필요하다.

대한민국 공개특허공보 제2005-0087174호 대한민국 공개특허공보 제2009-0124455호

이하의 실시예는 레이저 펄스를 이용하여 거리측정과 영상획득을 동시에 할 수 있는 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

또한, 인간의 안구에 위험이 없는 거리측정 및 영상획득 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

일실시예에 따른 거리측정 및 영상획득 장치는, 목표물까지의 거리를 측정하기 위한 제1 레이저 펄스 및 상기 목표물에 대한 영상을 획득하기 위한 제2 레이저 펄스를 생성하여 상기 제1 및 2 레이저 펄스를 시간차를 두고 상기 목표물에 발사하는 레이저 발생부, 상기 제1 레이저 펄스가 상기 목표물에 반사되어 생성되는 제1 신호 펄스를 수신하는 광검출기, 상기 제1 레이저 펄스 및 상기 제1 신호 펄스 간의 지연시간을 이용하여 상기 목표물까지의 거리를 계산하는 계산부 및 상기 제2 레이저 펄스가 상기 목표물에 반사되어 생성되는 제2 신호 펄스를 수신하여 영상화하는 이미지센서를 포함할 수 있다.

다른 실시예에 따르면, 상기 제1 및 2 레이저 펄스는 1510 nm 이상 1800 nm 이하의 파장을 가질 수 있다.

이 때, 상기 이미지센서는 InGaAs 이미지센서일 수 있다.

또 다른 실시예에 따르면, 상기 제1 레이저 펄스는 상호 인접한 복수의 펄스로 구성될 수 있다.

또 다른 실시예에 따르면, 상기 제1 레이저 펄스의 폭은 1 ns 이하일 수 있다.

또 다른 실시예에 따르면, 상기 이미지센서 전방에 제공되며 상기 제2 신호 펄스가 수신될 때 개방되는 셔터가 더 포함될 수 있다.

위와 같은 실시예에 의하면, 레이저 펄스를 이용하여 거리측정과 영상획득을 동시에 할 수 있는 장치를 제공할 수 있다.

또한, 인간의 안구에 위험이 없는 거리측정 및 영상획득 장치를 제공할 수 있다.

도 1은 일실시예에 따른 거리측정 및 영상획득 장치의 구성을 나타낸 개략도.
도 2는 일실시예에 따른 발사 레이저, 반사 레이저 및 셔터의 시간에 따른 변화를 나타낸 도면.

이하, 거리측정 및 영상획득 장치에 관한 여러 실시예들을 첨부된 도면에 의거하여 상세하게 설명하기로 한다.

도 1은 일실시예에 따른 거리측정 및 영상획득 장치(100)의 구성을 나타낸 개략도이고, 도 2는 일실시예에 따른 발사 레이저(10), 반사 레이저(20) 및 셔터(140)의 시간에 따른 변화를 나타낸 도면이다. 도시된 바와 같이, 일실시예에 따른 거리측정 및 영상획득 장치(100)는 레이저 발생부(110), 광검출기(120), 계산부(미도시) 및 이미지센서(130)를 포함할 수 있다.

레이저 발생부(110)는 구체적으로 레이저 펄스 발생기(111), 레이저 펄스 제어 모듈(112) 및 레이저 증폭 모듈(113)로 구성될 수 있다. 레이저 발생부(110)에서는 후술할 제1 및 2 레이저 펄스(11, 13)가 생성되며, 이러한 제1 및 2 레이저 펄스(11, 13)는 목표물(1)을 향해 발사된다. 즉, 레이저 발생부(110)는 펄스 형태의 발사 레이저(10)를 생성하여 목표물(1)에 발사함으로써 거리측정과 영상획득을 가능케 한다.

광검출기(120)는 발사 레이저(10)가 목표물(1)에서 반사되어 생성되는 반사 레이저(20)를 수신하며, 수신된 반사 레이저(20)를 전기적 신호로 변환한다. 이 때, 광검출기(120)로는 광다이오드(high speed photo diode)가 사용될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.

계산부는 거리측정 및 영상획득 장치(100)의 일측에 마련되어 발사 및 반사되어 수신된 레이저(10, 20)의 시간차와 빛의 속도를 이용하여 목표물(1)까지의 거리(2)를 계산하게 된다.

이미지센서(130)는 반사 레이저(20)를 수신하여 목표물(1)에 대한 영상화 작업을 수행한다. 이러한 이미지센서(130)로는 CMOS, CCD 등 다양한 이미지센서가 사용될 수 있으며, 어느 하나에 한정되는 것은 아니다.

위와 같은 구성을 가지는 본 실시 예에 따른 거리측정 및 영상획득 장치(100)의 구체적인 작동을 도 2를 중점적으로 참조하여 설명하기로 한다. 우선, 상술한 바와 같이, 레이저 발생부(110)는 거리측정과 영상획득을 위해 발사 레이저(10)를 생성하여 목표물(1)을 향해 발사한다.

이 때, 발사 레이저(10)에는 목표물(1)까지의 거리(2)를 측정하기 위한 제1 레이저 펄스(11)와, 목표물(1)에 대한 영상을 획득하기 위한 제2 레이저 펄스(13)가 포함될 수 있다. 즉, 한 번에 두 가지 종류의 펄스(11, 13)를 생성하여 시간차(12)를 두고 발사함으로써 거리측정과 영상획득이 일거에 이루어질 수 있다.

제1 레이저 펄스(11)는 목표물(1)에 의해 반사되어 제1 신호 펄스(21)로 광검출기(120)에 수신된다. 이 때, 상기 제1 레이저 펄스(11) 및 제1 신호 펄스(21) 간의 지연시간(t)을 이용하여 계산부는 목표물(1)까지의 거리(2)를 수학식 1과 같이 계산할 수 있다.

여기서 d는 목표물과의 거리, △t는 레이저 펄스의 왕복시간(지연시간), c는 빛의 속도 c = 3 x 10⁸[m/s] 이다.

제2 레이저 펄스(13)는 목표물(1)에 의해 반사되어 제2 신호 펄스(23)로 이미지센서(130)에 수신된다. 이미지센서(130)는 이러한 제2 신호 펄스(23)를 이용하여 목표물(1)에 대한 영상화 작업을 수행하며, 보다 뚜렷한 영상을 획득하기 위해 제2 레이저 펄스(13)는 제1 레이저 펄스(11)에 비해 그 폭이 비교적 크도록 함이 바람직하다.

이와 같은 원리, 즉 한 번의 발사 레이저(10)에 거리측정을 위한 제1 레이저 펄스(11)와 영상획득을 위한 제2 레이저 펄스(13)를 각각 시간차(12)를 두고 포함시킴으로써 거리측정과 영상획득을 동시에 할 수 있어, 장치의 소형화 및 경량화를 달성할 수 있고, 기존과 같이 별개의 장치를 이용해 별도로 측정하던 번거로움을 덜 수 있다. 또한, 이러한 방식의 장치(100)는 군사용, 심층 토굴용 등의 특수한 응용분야에서 유용하게 사용될 수 있다.

다른 실시예에 있어서, 제1 및 2 레이저 펄스(11, 13)은 1510 nm 이상 1800 nm 이하의 파장을 가질 수 있다. 위와 같은 파장 범위는 인간의 안구에 위험을 가하지 않는 소위 안구 안전 파장대로서, 거리측정 및 영상획득 작업 간에 발생할 수 있는 불의의 사고를 미연에 방지할 수 있다.

이 때, 이미지센서(130)는 InGaAs 이미지센서일 수 있다. InGaAs 이미지센서는 적외선 센서의 일종으로, 파장이 비교적 긴 광을 수신하여 영상화할 수 있다. 따라서, 상술한 안구 안전 파장대를 가지는 제2 레이저 펄스(13)를 수신하기 위해 InGaAs 이미지센서가 사용될 수 있다. 또한, InGaAs 이미지센서를 사용함으로써 거리측정 및 영상획득 장치(100)의 소형화가 가능하고, 비용을 더욱 절감할 수 있다.

또 다른 실시예에 있어서, 제1 레이저 펄스(11)는 상호 인접한 복수의 펄스로 구성될 수 있다. 이러한 모습을 도 2에 나타내었다. 비, 안개, 눈, 먼지, 황사와 같은 대기불안정 상태에서는 대기 중의 이물질, 즉 노이즈(noise)로 인해, 제1 레이저 펄스(11)가 목표물(1)에 의해 반사되어 제1 신호 펄스(13)의 형태로 복귀하는 과정에서 펄스의 크기가 작아질 수 있고, 심지어 크기가 0에 가깝게 줄어들어 정밀한 거리측정이 불가할 수 있다. 따라서, 최초에 레이저 발생부(110)에서 생성되어 발사되는 제1 레이저 펄스(11)는 도 2에 도시된 것과 같이 복수개의 상호 인접한 펄스로 구성되어 광검출기(120)의 수신 감도를 높임으로써 보다 정밀한 거리측정을 구현할 수 있다.

또 다른 실시예에 있어서, 제1 레이저 펄스(11)의 폭은 1 ns(nanosecond) 이하일 수 있다. 레이저 펄스를 이용하는 거리측정 방식에서, 레이저 펄스의 폭은 목표지점까지의 거리 계산에 오차 값을 나타낸다. 따라서, 거리측정의 오차를 줄이기 위해 제1 레이저 펄스(11)의 폭은 작은 것이 바람직하고, 구체적으로는 1 ns 이하일 경우 신뢰성이 담보된 오차범위 15cm이내 거리측정이 가능하다.

또 다른 실시예에 따른 거리측정 및 영상획득 장치(100)는 셔터(high speed shutter, 140)를 더 포함할 수 있다. 셔터(140)는 이미지센서(130) 전방에 제공되고, 제2 신호 펄스(23)가 수신될 때에 맞춰 개방될 수 있다. 도 2를 참조하면, 제2 신호 펄스(23)가 수신되는 동안(33) 셔터(140)가 작동하여 개방됨으로써 제2 신호 펄스(23)를 이미지센서(130)로 안내함을 알 수 있다.

대기불안정 상태에서는 목표물(1)에 의해 반사된 제2 신호 펄스(23)뿐만 아니라, 대기 중의 이물질, 즉 눈, 비, 안개, 먼지 등에 의해 반사 및 산란된 광 또한 이미지센서(130)로 수신되어 영상화되기 때문에 영상의 선명도가 떨어질 수 있다. 따라서, 위와 같이, 목표물(1)에 의해 반사되는 제2 신호 펄스(23)가 수신되는 동안(33)만 셔터(140)를 개방하여, 이물질에 의해 반사 및 산란된 광이 아닌 관찰하고자 하는 목표물(1)에 대해서만 선택적으로 영상화 작업이 가능하게 된다.

이상에서 설명된 실시예는 본 발명의 일부 예를 설명한 것에 불과하고, 본 발명의 권리범위는 설명된 실시예에 한정되는 것은 아니며, 이 분야의 통상의 기술자에 의하여 본 발명의 기술적 사상과 특허청구범위 내에서의 다양한 변경, 변형 또는 치환이 가능할 것이며, 그와 같은 실시는 본 발명의 범위에 속하는 것으로 보아야 한다.

1: 목표물
2: 목표물까지의 거리
10: 발사 레이저
11: 제1 레이저 펄스
12: 제1 및 2 레이저 펄스의 시간차
13: 제2 레이저 펄스
20: 반사 레이저
21: 제1 신호 펄스
23: 제2 신호 펄스
33: 셔터 작동 시간
100: 거리측정 및 영상획득 장치
110: 레이저 발생부
120: 광검출기
130: 이미지센서
140: 셔터
150: 시스템 동기 및 펄스제어 신호처리 모듈

Claims (6)

1. 목표물까지의 거리를 측정하기 위한 제1 레이저 펄스 및 상기 목표물에 대한 영상을 획득하기 위한 제2 레이저 펄스를 생성하여 상기 제1 및 2 레이저 펄스를 시간차를 두고 상기 목표물에 발사하는 레이저 발생부;
   상기 제1 레이저 펄스가 상기 목표물에 반사되어 생성되는 제1 신호 펄스를 수신하는 광검출기;
   상기 제1 레이저 펄스 및 상기 제1 신호 펄스 간의 지연시간을 이용하여 상기 목표물까지의 거리를 계산하는 계산부; 및
   상기 제2 레이저 펄스가 상기 목표물에 반사되어 생성되는 제2 신호 펄스를 수신하여 영상화하는 이미지센서;
   를 포함하는 거리측정 및 영상획득 장치.
2. 제1항에 있어서,
   상기 제1 및 2 레이저 펄스는 1510 nm 이상 1800 nm 이하의 파장을 가지는 거리측정 및 영상획득 장치.
3. 제1항에 있어서,
   상기 제1 레이저 펄스는 상호 인접한 복수의 펄스로 구성되는 거리측정 및 영상획득 장치.
4. 제1항에 있어서,
   상기 제1 레이저 펄스의 폭은 1 ns 이하인 거리측정 및 영상획득 장치.
5. 제1항에 있어서,
   상기 이미지센서 전방에 제공되며, 상기 제2 신호 펄스가 수신될 때 개방되는 셔터를 더 포함하는 거리측정 및 영상획득 장치.
6. 제2항에 있어서,
   상기 이미지센서는 InGaAs 이미지센서인 거리측정 및 영상획득 장치.
   

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