KR20170104879A - 광 수신기 및 이를 포함한 레이저 레이더 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 목표물에서 반사된 광신호를 전기신호로 변환하여 출력하는 복수의 광 검출 영역, 상기 복수의 광 검출 영역의 출력 신호를 합하는 신호 결합기, 상기 복수의 광 검출 영역 각각과 상기 신호 결합기 사이의 복수의 스위치 및 상기 목표물에서 반사된 광신호의 입력 유무를 근거로 상기 복수의 광 검출 영역 각각이 선택적으로 상기 신호 결합기와 연결되도록 상기 복수의 스위치를 제어하는 컨트롤러를 포함하는 광 수신기 및 이를 포함하는 레이저 레이더를 구현하여 소형화가 가능하고 안정성 및 신뢰성이 향상되고 신호 대 잡음비가 우수하다.

Description

광 수신기 및 이를 포함한 레이저 레이더 {OPTICAL RECEIVER AND LASER RADAR HAVING THE SAME}
본 발명은 광 수신기 및 이를 포함한 레이저 레이더에 관한 것이다.
레이저 레이더, 라이다, 삼차원 영상 센서 등으로 불리는 영상획득 장치들은 펄스 레이저를 송광하는 광 송신기 및 송광된 레이저가 목표물 또는 원거리 물체에서 반사되어 되돌아오는 레이저 신호를 검출하는 광 수신기를 포함한다. 이 광 송신기와 광 수신기를 하나의 모듈에 놓고 회전 또는 이동시켜 공간을 스캔하면 주변 물체의 삼차원 영상을 획득할 수 있다.
이러한 방식은 광 송신기와 광 수신기를 모두 움직여야 하므로 모듈의 크기가 크고, 상당히 큰 모듈의 기계적인 움직임에 따라 신뢰성 및 안정성이 저하되는 문제점이 있었다.
본 발명의 일 실시예는, 기계적인 움직임 없이 수광 영역을 변경하여 모듈의 소형화, 신뢰성과 안정성의 향상 및 신호 대비 잡음비 개선이 가능한 광 수신기 및 이를 포함한 레이저 레이더를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 일 실시예로서, 목표물에서 반사된 광신호를 전기신호로 변환하여 출력하는 복수의 광 검출 영역, 상기 복수의 광 검출 영역의 출력 신호를 합하는 신호 결합기, 상기 복수의 광 검출 영역 각각과 상기 신호 결합기 사이의 복수의 스위치 및 상기 목표물에서 반사된 광신호의 입력 유무를 근거로 상기 복수의 광 검출 영역 각각이 선택적으로 상기 신호 결합기와 연결되도록 상기 복수의 스위치를 제어하는 컨트롤러를 포함하는 광 수신기가 제공될 수 있다.
일 실시예로서, 상기 목표물에서 반사된 광신호가 입력되는 광 검출 영역은 상기 목표물로 조사되는 빔의 스캔 동작 조건을 근거로 기결정될 수 있다. 그리고 상기 컨트롤러는, 상기 목표물에서 반사된 광신호가 입력되는 것으로 기결정된 광 검출 영역은 상기 신호 결합기와 연결되고 나머지 광 검출 영역은 상기 신호 결합기와 연결이 차단되도록 상기 복수의 스위치를 제어할 수 있다.
일 실시예로서, 상기 복수의 스위치 각각의 전단 및 후단 중 적어도 하나에 연결되는 복수의 증폭기를 더 포함할 수 있다.
일 실시예로서 상기 신호 결합기는, 동시에 상기 복수의 광 검출 영역으로 입사되는 광신호의 수만큼의 전기신호를 출력할 수 있다.
한편 본 발명의 일 실시예로서 광신호를 조사하여 목표물의 단위 영역들을 스캔하는 광 송신기 및 상기 목표물의 각 단위 영역에서 반사된 광신호를 검출하는 광 수신기를 포함하는 레이저 레이더가 제공될 수 있다.
일 실시예로서 상기 광 수신기는, 상기 목표물의 각 단위 영역에서 반사된 광신호를 전기신호로 변환하여 출력하는 복수의 광 검출 영역, 상기 복수의 광 검출 영역의 출력 신호를 합하는 신호 결합기, 상기 복수의 광 검출 영역 각각과 상기 신호 결합기 사이의 복수의 스위치 및 상기 목표물의 각 단위 영역에서 반사된 광신호의 입력 유무를 근거로 상기 복수의 광 검출 영역 각각이 선택적으로 상기 신호 결합기와 연결되도록 상기 복수의 스위치를 제어하는 컨트롤러를 포함할 수 있다.
일 실시예로서 상기 광 송신기는 스캔 동작에 따라 상기 목표물의 단위 영역들을 순차로 조사하고, 상기 목표물에서 반사된 광신호가 입력되는 광 검출 영역은 상기 스캔 동작 조건을 근거로 기결정될 수 있다. 그리고 상기 컨트롤러는, 상기 목표물에서 반사된 광신호가 입력되는 것으로 기결정된 광 검출 영역은 상기 신호 결합기와 연결되고 나머지 광 검출 영역은 상기 신호 결합기와 연결이 차단되도록 상기 복수의 스위치를 제어할 수 있다.
일 실시예로서 상기 스캔 동작 조건은, 스캔 방향, 스캔 속도 및 상기 목표물의 단위 영역들로 동시에 조사되는 광신호의 개수 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
일 실시예로서 상기 광 수신기는, 상기 복수의 스위치 각각의 전단 및 후단 중 적어도 하나에 연결되는 복수의 증폭기를 더 포함할 수 있다.
일 실시예로서 상기 복수의 광 검출 영역 각각은, 포토 다이오드를 포함할 수 있다.
일 실시예로서, 상기 광 송신기는 복수의 광신호를 동시에 출력하여 상기 목표물의 단위 영역들을 스캔하고, 상기 광 결합기는 상기 광 송신기에서 동시에 출력되는 광신호의 수만큼의 전기신호를 출력할 수 있다.
일 실시예로서 상기 복수의 광신호는 제1 광신호 및 제2 광신호를 포함하고, 상기 광 결합기는 상기 제1 광신호에 대한 출력신호를 합하는 제1 결합기 및 상기 제2 광신호에 대한 출력신호를 합하는 제2 결합기를 포함할 수 있다.
그리고 상기 복수의 광 검출 영역 중 적어도 하나의 광 검출 영역은 시간 차이를 두고 제1 광신호와 제2 광신호가 입력될 수 있다.
일 실시예로서 상기 복수의 스위치는, 상기 적어도 하나의 광 검출 영역과 상기 광 결합기 사이의 적어도 하나의 스위치를 포함할 수 있다.
일 실시예로서 상기 컨트롤러는, 상기 적어도 하나의 광 검출 영역에 상기 제1 광신호가 입사하는 경우 출력신호가 상기 제1 결합기로 입력되고 상기 적어도 하나의 광 검출 영역에 상기 제2 광신호가 입사하는 경우 출력신호가 상기 제2 결합기로 입력되도록 상기 적어도 하나의 스위치를 제어할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 기계적 움직임에 따른 안정성 및 신뢰성 저하의 염려가 없고 신호 대비 잡음비가 우수하며 인접한 다른 레이저 레이더의 반사광에 따른 간섭의 우려도 없다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 광 수신기 및 이를 포함한 레이저 레이더의 구성도이고,
도 2는 도 1의 실시예의 광 수신기에 구비되는 신호처리기의 구성도이고,
도 3은 도 1의 실시예에 구비되는 광 검출부의 일 실시예를 도시한 정면도이고,
도 4는 다른 실시예에 따른 신호처리기의 구성도이고,
도 5는 도 1의 실시예의 레이저 레이더의 작동 상태도이고,
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 광 수신기 및 이를 포함한 레이저 레이더의 구성도이고,
도 7은 도 6의 실시예의 광 수신기에 구비되는 신호처리기의 구성도이고,
도 8은 다른 실시예의 신호처리기의 구성도이고,
도 9는 도 6의 실시예의 광 송신기의 작동 상태도이고,
도 10은 도 6의 실시예의 광 수신기의 작동 상태도이고,
도 11은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 레이저 레이더의 구성도이고,
도 12는 도 11의 실시예의 상면도이다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 이하의 설명에서 어떤 부분이 다른 부분과 연결되어 있다고 할 때 이는 직접적으로 연결되어 있는 경우 뿐 아니라 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 전기적으로 연결되어 있는 경우도 포함한다. 또한 도면에서 본 발명과 관계없는 부분은 본 발명의 설명을 명확하게 하기 위하여 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 동일한 도면부호를 붙였다.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 쉽게 실시할 수 있도록 실시예들을 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 광 수신기 및 이를 포함한 레이저 라이더의 개략적인 구성도이고, 도 2는 도 1의 광 수신기에 구비되는 신호 처리기의 구성도이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 광 수신기(150, 160, 170)는 목표물(10)에서 반사된 광 신호(2)를 수신한다. 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 레이더(100)는 목표물(10)의 복수의 단위 영역에 레이저 빔(1)을 조사하는 광 송신기(110, 120, 130) 및 상기 광 수신기(150, 160, 170)를 포함한다.
도 1에서 목표물(10)의 단위 영역들은 9개로 분할되어 있으나 이는 예시적인 것이고, 필요에 따라 복수의 단위 영역의 개수는 가감될 수 있다. 또한, 도 1에서 목표물(10)의 단위 영역들은 3×3으로 배열되어 있으나 이는 예시적인 것이고, 필요에 따라 행과 열에 각각 나열되는 단위 영역의 개수는 가감될 수 있다.
상기 광 송신기(110, 120, 130)는 복수로 분할된 단위 영역(11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19)에 대해서 차례로 레이저 빔(1)을 조사할 수 있다. 상기 광 송신기(110, 120, 130)는 광원(110), 상기 광원(110)에서 출력된 레이저 빔의 폭을 제어하는 모듈(120) 및 광신호 편향기(130)를 포함한다.
상기 광원(110)은 펄스 레이저일 수 있다. 그러나 이에 한정되는 것은 아니고 상기 광원(110)에서 출력된 광신호는 연속파일 수도 있다. 그리고 상기 모듈(120)은 적어도 하나의 렌즈를 포함하는 광학계이거나, 디퓨저(diffuser)일 수 있다. 또는 필요에 따라 상기 모듈(120)은 생략될 수도 있다. 본 실시예에서 상기 광원(110)은 하나 구비되나 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다. 상기 광원은 복수로 구비될 수 있다.
상기 광원(110)에서 출력되어 상기 모듈(120)을 통과한 레이저 빔(1)은 상기 광신호 편향기(130)에 의해 순차로 상기 복수의 단위 영역(11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19)에 조사된다. 상기 광신호 편향기(130)는 x축을 중심으로 회전하는 제1 미러(131)와 y축을 중심으로 회전하는 제2 미러(136)를 포함한다. 상기 광신호 편향기(130)에 의해 목표물(10)의 2차원 스캔이 가능하다.
상기 제1 미러(131)는 x축에 나란한 제1 회전축(133)을 구비한 미러(132)가 반복적으로 회전하면서 상기 제2 미러(136)를 향해 레이저 빔을 조사한다. 그리고 상기 제2 미러(136)는 y축에 나란한 제2 회전축(138)을 구비한 미러(137)가 반복적으로 회전하면서 상기 제1 미러(131)에서 입사된 레이저 빔을 상기 목표물(10)의 복수의 단위 영역들로 차례로 반사한다. 미도시되었으나, 상기 광신호 편향기(130)는 상기 제1 미러(131)와 상기 제2 미러(136)를 각각 회전시키는 구동부를 더 포함한다.
상기 광 송신기는 상기 제1 및 제2 미러(131, 136)의 동작을 제어하는 컨트롤러(미도시)를 더 포함할 수 있다. 상기 광 송신기는 상기 광신호 편향기(130)의 동작 제어와 관련된 정보들을 입력받는 입력부(미도시)를 더 포함할 수 있다.
도 1에 도시한 상기 광신호 편향기(130)는 일 실시예일 뿐 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다. 상기 광신호 편향기는 상기 광원(110)에서 출력된 레이저 빔을 반사시켜 상기 목표물(10)을 2차원 또는 3차원 스캔할 수 있는 어떠한 구성이어도 좋다.
상기 광 수신기는 수광 광학계(150), 상기 목표물(10)에서 반사된 광신호를 전기 신호로 변환하여 출력하는 신호 처리기(160), 상기 신호 처리기(160)의 복수의 스위치(70)를 제어하는 컨트롤러(170)를 포함한다.
상기 수광 광학계(150)는 넓은 각도로 입사하는 광신호(2)를 상기 신호 처리기(160)로 집속한다. 상기 수광 광학계(150)의 초점 거리에 상기 신호 처리기(160)의 광 검출부(60)가 위치할 수 있다. 본 실시예에서 상기 수광 광학계(150)는 하나의 볼록 렌즈이나 이는 예시적인 것으로 본 발명이 이에 한정되지는 않는다.
상기 신호 처리기(160)는 상기 목표물(10)의 복수의 단위 영역에서 순차로 반사되어 복수의 광 검출 영역(61, 62, 63, 64)으로 입력된 광 신호(2)들을 각각 전기 신호로 변환하고 합하여 하나의 전기신호로 출력한다.
본 실시예에서 상기 광원(110)이 하나 구비되므로 상기 신호 처리기(160)에서 출력되는 전기신호도 하나지만, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다. 상기 광원의 개수에 따라 상기 신호 처리기의 출력 신호의 개수가 결정된다. 예를 들어, 광 송신기의 광원이 두 개이면 상기 신호 처리기에서 출력되는 전기 신호도 두 개이다.
상기 신호 처리기(160)는 상기 목표물(10)에서 반사된 광신호(2)들이 입사하여 전기 신호로 변환되는 광 검출부(60), 상기 광 검출부(60)에서 출력된 복수의 전기 신호를 더하는 신호 결합기(Signal Combiner, 90), 상기 광 검출부(60)의 복수의 광 검출 영역(61, 62, 63, 64) 각각과 상기 신호 결합기(90)를 선택적으로 연결하기 위한 복수의 스위치(70)를 포함한다.
상기 광 검출부(60)는 입력된 광신호를 전기신호로 변환하는 복수의 광 검출 영역(61, 62, 63, 64) 및 상기 복수의 광 검출 영역(61, 62, 63, 64)에 각각 구비되는 복수의 광 검출 출력포트(66, 67, 68, 69)를 포함한다.
상기 복수의 광 검출 영역은, 제1 채널 광 검출 영역(61), 제2 채널 광 검출 영역(62)부터 제 N-1 채널 광 검출 영역(63), 제 N 채널 광 검출 영역(64)까지 N 개의 광 검출 영역을 포함할 수 있다. 여기서 N은 정수이다.
상기 복수의 광 검출 영역(61, 62, 63, 64)에서 변환된 전기 신호는 상기 복수의 광 검출 출력포트(66, 67, 68, 69)를 통해 상기 신호 결합기(90)로 입력된다.
상기 복수의 광 검출 영역(61, 62, 63, 64)은 상기 목표물(10)에서 반사되는 광 신호(2)의 입사 영역 전체를 N개로 분할한 단위 검출 영역이다. 광 검출 영역을 복수로 분할하는 경우 출력 커패시턴스의 증가 없이 넓은 영역을 스캔할 수 있어 짧은 레이저 펄스의 검출이 가능하다. 상기 복수의 광 검출 영역(61, 62, 63, 64)의 개수는 상기 목표물(10)의 단위 영역들과 일대 일로 대응될 필요는 없다.
상기 복수의 광 검출 영역(61, 62, 63, 64) 각각은 실질적으로 단위 광 검출기일 수 있다. 예를 들어 상기 복수의 광 검출 영역(61, 62, 63, 64) 각각은 포토 다이오드일 수 있다.
도 3은 상기 광 검출부(60)에 4개의 광 검출 영역이 구비되는 경우를 예시로 도시한 정면도이다. 도 3의 광 검출부(60)는 기판(65) 상에 4개의 광 검출 영역(61, 62, 63, 64)이 구비된다. 상기 4개의 광 검출 영역(61, 62, 63, 64)은 원형의 수광 영역이 4등분으로 분할되고 2×2로 배열된 형태이다. 각 광 검출 영역(61, 62, 63, 64)의 외곽에는 광 검출 출력 포트들(66, 67, 68, 69)이 배치된다.
도 3의 광 검출부(60)는 일 실시예일 뿐 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다. 복수의 광 검출 영역을 모두 더한 전체 수광 영역의 크기나 형상은 영상을 획득하고자 하는 목표물의 형상에 따라 다양하게 변형될 수 있다. 또한 복수의 광 검출 영역 각각의 면적, 형상, 개수 및 배열 방법은 변형 가능하다.
상기 신호 결합기(90)는 상기 N개의 광 검출 출력포트(66, 67, 68, 69)에 각각 대응되는 N개의 입력포트(76, 77, 78, 79)를 통해 복수의 광 검출 영역(61, 62, 63, 64)의 출력 신호들을 입력받으며, 입력된 복수의 전기 신호들을 합하여 하나의 전기 신호로 출력한다. 상기 N 개의 광 검출 출력 포트(66, 67, 68, 69)와 상기 N개의 입력 포트(76, 77, 78, 79)는 각각 N 개의 와이어(151, 152, 153, 154)에 의해 전기적으로 연결될 수 있다.
상기 복수의 스위치(70)는 상기 N 개의 입력포트(76, 77, 78, 79)마다 구비되어 상기 N 개의 광 검출 영역(61, 62, 63, 64)을 각각 선택적으로 상기 신호 결합기(90)에 연결한다. 상기 복수의 스위치(70)는 제1 채널 스위치(71), 제2 채널 스위치(72) 내지 제 N-1 채널 스위치(73) 및 제 N 채널 스위치(74)를 포함한다.
상기 컨트롤러(170)는 상기 N 개의 스위치(70)를 각각 제어하여 상기 복수의 광 검출 영역 각각의 출력 신호가 선택적으로 상기 신호 결합기(90)에 입력되도록 한다. 예를 들어 상기 컨트롤러(170)는 상기 제1 채널 스위치(71)는 닫고 나머지 채널의 스위치들(72, 73, 74)은 열어 상기 제1 채널 광 검출 영역(61)의 출력 신호만을 상기 신호 결합기(90)에 입력시킬 수 있다. 또는 상기 컨트롤러(170)는 상기 제1 채널 및 제2 채널 스위치(61, 62)는 닫고 나머지 스위치는 열어 제1 채널 광 검출 영역(61)의 출력 신호와 제2 채널 광 검출 영역(62)의 출력 신호를 상기 신호 결합기(90)에 입력시킬 수 있다.
상기 컨트롤러(170)는 상기 목표물(10)에서 반사된 광신호(2)의 입력 유무를 근거로 상기 복수의 스위치(70)를 제어한다. 상술한 바와 같이 상기 광 송신기(110, 120, 130)는 광신호 편향기(130)에 의해 목표물(10)을 2차원 스캔하게 되는데 상기 제1 미러(131)와 상기 제2 미러(136) 각각의 회전에 따라 레이저 빔(1)의 조사 위치가 달라지게 된다. 따라서 시간 경과에 따라 상기 복수의 광 검출 영역 중 실질적으로 목표물(10)에서 반사된 광신호(2)가 입력되는 광 검출 영역이 변한다. 상기 컨트롤러(170)는 이러한 광 송신기의 스캔 동작에 따라 달라지는 광신호(2) 입사 영역의 위치를 근거로 실질적으로 광 신호(2)가 입력되는 광 검출 영역은 상기 신호 결합기(90)에 연결되고 광 신호(2)가 입력되지 않는 광 검출 영역은 상기 신호 결합기(90)에 연결되지 않도록 상기 복수의 스위치(70)를 제어한다.
상기 목표물(10)에서 반사된 광 신호(2)가 입사되는 광 검출 영역은 시간 경과에 따라 바뀌며 상기 광 송신기의 스캔 방향이나 스캔 속도에 따라 결정되므로 상기 컨트롤러(170)는 상기 광신호 편향기(130)의 스캔 동작 조건을 근거로 상기 복수의 스위치(70)를 제어할 수 있다.
구체적으로, 상기 제1 미러(131)의 회전 속도, 회전 방향 및 회전 반경과 상기 제2 미러(136)의 회전 속도, 회전 방향 및 회전 반경을 근거로 상기 광 송신기의 스캔 방향, 스캔 범위 및 스캔 속도가 결정될 수 있다. 그리고 상기 광 송신기의 스캔 방향, 스캔 범위 및 스캔 속도를 근거로 상기 목표물(10)에서 반사된 광신호(2)의 입사 위치가 시간대별로 기결정될 수 있다.
상기 컨트롤러(170)는 이렇게 기결정된 광신호(2)의 입사 위치를 근거로 간접적으로 상기 목표물(10)에서 반사된 광 신호(2)가 실질적으로 입사되는 광 검출 영역을 그렇지 않은 광 검출 영역과 구별할 수 있다. 이를 바탕으로 상기 컨트롤러(170)는 시간 경과에 따라 해당 채널의 스위치를 닫고 그 외의 채널의 스위치를 열어 광 신호(2)가 입사되는 광 검출 영역의 출력 신호만을 상기 신호 결합기(90)로 입력시킬 수 있다.
상기 기결정된 광신호(2)의 입사위치에 대응되는 광 검출 영역의 채널은 시간대별로 기결정될 수 있고, 이를 근거로 결정된 복수의 스위치의 제어방법이 상기 컨트롤러(170)에 기입력될 수 있다. 또는 상기 컨트롤러(170)는 상기 광 송신기의 하나 이상의 스캔 모드 및 각 스캔 모드별로 기결정된 광신호(2)의 입사위치에 따른 복수의 스위치의 제어방법들이 저장된 메모리로부터 복수의 스위치의 제어방법을 입력받을 수도 있다. 상기 광 송신기의 스캔 모드가 결정되면 상기 컨트롤러의 복수의 스위치의 제어방법도 따라서 결정된다. 또는 상기 컨트롤러(170)는 실시간으로 상기 복수의 광 검출 영역 각각에 대해서 광신호(2)의 입사 유무를 판단하여 해당 채널의 광 검출 영역만을 상기 신호 결합기(90)와 연결할 수 있다. 이러한 다양한 방식으로 상기 복수의 광 검출영역으로의 상기 목표물(10)에서 반사된 광신호(2)의 입력 유무가 판단될 수 있다.
상기 컨트롤러(170)는 상기 복수의 스위치(70)를 제어하여 시간 경과에 따라 광신호(2)가 입사되는 하나 이상의 광 검출 영역을 상기 신호 결합기(90)에 연결한다. 예를 들어, 상기 광원(110)에서 레이저 빔(1)이 출력된 후 t 초가 경과되었을 때까지는 모든 광 검출 영역(61, 62, 63, 64)에 광신호(2)가 입력되지 않을 수 있다. 이때 상기 컨트롤러(170)는 모든 스위치(71, 72, 73, 74)를 열어 신호 결합기(90)로 신호가 입력되지 않도록 한다.
상기 광원(110)에서 레이저 빔(1)이 출력된 후 t 초가 경과된 후부터 α초 동안은 상기 제1 채널 광 검출 영역(61)으로만 광신호(2)가 입력될 수 있다. 이때 상기 컨트롤러(170)는 상기 α초 동안은 상기 제1 채널 스위치(71)는 닫고 나머지 스위치들(72, 73, 74)은 열어 상기 제1 채널 광 검출 영역(61)의 출력 신호만이 상기 신호 결합기(90)로 입력되도록 한다.
상기 광원(110)에서 레이저 빔(1)이 출력된 후 t+α초가 경과된 후부터 β초 동안은 상기 제1 채널 및 제2 채널 광 검출 영역(61, 62)으로 동시에 광 신호(2)가 입력될 수 있다. 이러한 방식으로 어느 시점에는 여러 채널의 광 검출 영역에 동시에 광신호(2)가 입사되는 경우가 있을 수 있다. 또는 상기 제2 채널 광 검출 영역(62)으로만 광 신호(2)가 입력될 수도 있다. 이때 상기 컨트롤러(170)는 광 신호(2)가 입력되는 하나 이상의 광 검출 영역에 대해서 해당 채널의 스위치를 닫고 나머지 채널의 스위치를 열어 해당 채널의 광 검출 영역의 출력 신호만이 상기 신호 결합기(90)로 입력되도록 한다.
상술한 바와 같이 복수의 광 검출 영역의 개수나 배열은 다양하므로, 시간대별로 동시에 광신호(2)가 입사되는 광 검출 영역의 개수나 위치 역시 다양하다.
상기 신호 처리기(160)는 상기 N 개의 스위치(70) 각각의 출력단과 상기 신호 결합기(90) 사이에 구비되는 N 개의 후단 증폭기(80)를 더 포함할 수 있다. 상기 N 개의 후단 증폭기(80)는 제1 채널 후단 증폭기(81), 제2 채널 후단 증폭기(82) 내지 제 N-1 채널 후단 증폭기(83) 및 제N 채널 후단 증폭기(84)를 포함한다.
상기 복수의 후단 증폭기(80)는 대응되는 스위치가 닫혔을 때 상기 신호 결합기(90)로 입력되는 전기 신호를 증폭한다. 상기 복수의 후단 증폭기(80)에 의해 상기 신호 결합기(90)로 신호가 입력되지 않고 반사되거나 왜곡(distortion)되는 것이 방지되며 고감도의 광 수신기 구현이 가능하다. 상기 복수의 후단 증폭기(80) 각각은 저잡음 증폭기일 수 있다. 다만 상기 복수의 후단 증폭기(80)는 필요에 따라 생략될 수도 있다.
도 4는 다른 실시예에 따른 신호 처리기(160')를 도시한 구성도이다. 다른 실시예에 따른 신호 처리기(160')는 도 2의 신호 처리기(160)의 채널별 입력포트(76, 77, 78, 79)와 N 개의 스위치(70) 각각의 입력단 사이에 전기적으로 연결된 N개의 전단 증폭기(85)를 더 포함한다. 상기 스위치(70)에 의해 노이즈가 증가할 수 있는데 상기 전단 증폭기(85)를 추가함으로서 신호 대 잡음비를 개선할 수 있다.
상기 N 개의 전단 증폭기(85)는 상기 N 개의 채널 입력포트(76, 77, 78, 79)로 각각 입력되는 전기신호를 증폭한다. 상기 복수의 전단 증폭기(85) 각각은 저잡음 증폭기(low noise amplifier)일 수 있다. 상기 복수의 전단 증폭기(85)는 상기 복수의 스위치(70)에 의해 증가된 커패시턴스를 감소시킨다.
다만 도 4의 실시예에서 상기 복수의 전단 증폭기(85)와 후단 증폭기(80)는 필요에 따라 모두 생략될 수도 있다. 또는 필요에 따라 상기 복수의 전단 증폭기(85)는 구비되고 후단 증폭기(80)는 생략될 수도 있다.
도 5를 참조하여 도 1의 실시예의 레이저 레이더의 작동 상태를 상세하게 설명한다. 도 1의 실시예의 광 수신기는 이해의 편의를 위해서 수광 광학계(150)와 광 검출부(60)만을 도시하였다. 상기 광 검출부(60)는 N개의 광 검출 영역을 포함하나 이해의 편의를 위해 그 중 4개의 광 검출 영역(53, 54, 55, 56)만을 도시하였다. 도 5의 광 검출부에 도시된 4개의 광 검출 영역을 제 M-3 채널 광 검출 영역(53), 제 M-2 채널 광 검출 영역(54), 제 M-1 채널 광 검출 영역(55) 및 제 M 채널 광 검출 영역(56)으로 지칭하기로 한다. 여기서 M은 4보다는 크고 N보다는 작은 임의의 정수이다.
상기 광원(110)에서 출력된 레이저 빔은 광신호의 폭을 제어하는 모듈(120)을 통과하여 광신호 편향기(130)의 제1 미러(131)로 입사된다. 상기 제1 미러(131)로 입사된 레이저 빔은 상기 제2 미러(136)로 반사되어 목표물(20)로 조사된다. 상기 목표물(20)이 2열로 배열된 복수의 단위 영역들로 이루어진다고 가정할 때, 상기 광신호 편향기(130)를 제어하여 하단 열의 제1 내지 제8 단위 영역(21, 22, 23, 24, 25, 26, 27, 28)과 상단 열의 제1 내지 제8 단위 영역(31, 32, 33, 34, 35, 36, 37, 38)을 순차로 스캔할 수 있다.
도 5를 참조하면, 임의의 시점에서 상기 광 송신기의 광신호 편향기(130)를 통과한 레이저 빔(1)이 하단 열의 제5 단위 영역(25)으로 조사된다. 상기 하단 열의 제5 단위 영역(25)에서 반사되는 광신호들(S)이 입사되는 광 검출 영역은 제 M-2채널 광 검출 영역(54)이며, 이때 제 M-3 채널, 제 M-1 채널 및 제M 채널의 광 검출 영역들(53, 55, 56)로는 광신호가 입사되지 않는다. 따라서, 상기 컨트롤러(170)는 상기 광 송신기에서 출력된 레이저 빔(1)이 상기 목표물(20)의 하단 열의 제5 단위 영역(25)에 입사되는 동안은 상기 제 M-2 채널 스위치는 닫고 나머지 채널의 스위치는 열어 상기 제M-2 채널 광 검출 영역(54)에서 출력된 전기 신호만이 상기 신호 결합기(90)에 입력될 수 있다.
도 5에서는 목표물의 하나의 단위 영역에 한 채널의 광 검출 영역이 대응되는 것으로 설명하였으나 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다. 실제로 목표물의 복수의 단위 영역에서 반사된 광신호가 동시에 한 채널의 광 검출 영역으로 입력될 수도 있고, 목표물의 하나의 단위 영역에서 반사된 광신호가 동시에 여러 채널의 광 검출 영역들로 입력될 수도 있다. 이러한 방식으로 광 송신기의 스캔 동작을 근거로 각 채널의 스위치를 제어하여 실질적으로 광 신호가 입사되는 광 검출 영역의 출력 신호만이 신호 결합기로 입력될 수 있다.
상술한 구성에 의해서, 실질적으로 광신호가 입력되지 않는 채널의 스위치를 열어 광신호가 입력되지 않는 채널의 광 검출 영역의 출력 신호를 차단함으로써 신호 대 잡음비가 우수해진다. 또한 전기적 스위칭에 의해 수광영역(목표물에서 반사된 광신호가 실질적으로 입사되는 영역)이 변경되므로 광 수신기를 기계적으로 이동시킬 필요가 없어 기계적 움직임에 따른 안정성 및 신뢰성 저하의 우려가 없다.
넓은 영역의 빠른 스캔을 위해서 복수의 광 송신기와 복수의 광 수신기를 배치하여 레이저 레이더를 구성할 수도 있다. 예를 들어 도 5의 광 송신기(110, 120, 130)는 도 5의 목표물(20)을 스캔하고 다른 광 송신기(미도시)는 도 5의 목표물(20) 왼쪽 영역을 스캔하도록 배치될 수 있다. 이러한 경우 인접한 스캔영역에서 반사되는 광신호가 동시에 복수의 광 검출부(60)에 입력될 가능성이 있으나 상술한 전기적 스위칭에 의해서 다른 광 송신기에 의한 광신호를 차단할 수 있다.
예를 들어 첫번째 광 송신기(110, 120, 130)에 의해 도 5의 하단 제5 단위 영역(25)에 레이저 빔(1)이 조사되는 동안 상기 제M-2 채널 광 검출 영역(54)의 출력신호만 신호 결합기에 입력되고 나머지 광 검출 영역들(53, 55, 56)은 신호 결합기와의 연결이 차단되므로 두번째 광 송신기(미도시)의 레이저 빔이 목표물(20)의 하단 제1 단위 영역(21)으로 조사되는 경우에도 반사광에 의한 신호가 신호 결합기로 입력되지 않는다. 따라서, 여러 대의 광 송신기와 광 수신기가 배치되는 경우에도 서로 간섭받지 않고 넓은 영역을 빠르게 스캔할 수 있으므로 처리속도가 빠르면서도 신뢰성이 향상된다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 광 수신기 및 이를 포함하는 레이저 레이더의 구성도이고, 도 7은 도 6의 광 수신기에 구비되는 신호 처리기의 구성도이다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 광 수신기(150, 180, 190)는 목표물(40)에서 반사된 광 신호를 수신한다. 본 발명의 다른 실시예에 따른 레이저 레이더(200)는 목표물(40)의 복수의 단위 영역에 2 개의 레이저 빔(5, 7)을 조사하는 광 송신기(110, 120, 130, 140) 및 상기 광 수신기(150, 180, 190)를 포함한다.
도 6에서는 2개의 레이저 빔(5, 7) 중 하나의 레이저 빔(5)이 목표물(40)의 단위 영역에서 반사되어 광 수신기(150, 180, 190)로 입력되는 것으로 표시되어 있으나 이는 본 발명의 구성 설명을 위해서 빔을 간략하게 도시한 것일 뿐 실제로 제2 레이저 빔(7)이 목표물(40)의 단위 영역에서 반사된 광신호도 광 수신기(150, 180, 190)로 입력됨을 이해할 수 있을 것이다. 이하에서 상세하게 설명한다.
도 6의 광 송신기(110, 120, 130, 140)는 도 1의 광 송신기(110, 120, 130)에 광 분할기(140)가 더 포함된 것이다. 광원(110), 모듈(120) 및 광신호 편향기(130)의 구체적인 구성은 상술하였으므로 상세한 설명을 생략한다.
상기 광신호 편향기(130)의 제1 및 제2 미러(131, 136)를 거친 레이저 빔은 상기 광 분할기(140)에 의해 2 개의 레이저 빔(5, 7)으로 분할되어 목표물(40)의 두 개의 단위 영역에 동시에 조사된다. 도 9에서 상기 광 분할기(140)에 의해 분할되어 2 개의 레이저 빔(5, 7)으로 분리되는 모습을 더욱 상세하게 도시하였다.
도 9를 참조하면, 상기 광신호 편향기(130)의 스캔 동작에 의해 시간 경과에 따라 상기 광 분할기(140)의 다른 위치로 레이저 빔이 조사된다. 상기 광 분할기(140)에서 2개로 분할된 레이저 빔(5, 7)은 스캔 방향을 따라 함께 움직이면서 목표물(40)의 각 단위 영역들(41, 42, 43, 46, 47, 78)을 2차원 스캔하게 된다.
본 실시예에서 상기 광 분할기(140)는 입사된 하나의 레이저 빔을 두 개의 레이저 빔(5, 7)으로 분할한다. 그러나 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니고, 상기 광 분할기는 입사된 레이저 빔을 두 개 이상으로 분할하여 조사할 수 있는 어떠한 구성이어도 좋다. 상기 광 분할기는 빔 스플리터(beam splitter) 또는 DBS(Dichroic Beam Splitter) 또는 이와 유사한 기능의 다른 광학 모듈일 수 있다.
상기 광 수신기(150, 180, 190)는 수광 광학계(150), 상기 목표물(40)에서 반사된 광신호를 전기신호로 변환하여 출력하는 신호 처리기(180), 상기 신호 처리기의 복수의 스위치(270)를 제어하는 컨트롤러(190)를 포함한다.
도 10에서는 상기 목표물(40)의 각 단위 영역들(41, 42, 43, 44, 45, 46)에서 반사된 광신호(6, 8)가 광 검출부(260)로 입력되는 모습을 상세하게 도시하였다. 상기 광신호(6, 8)는 도 9의 광 수신기에서 조사된 레이저 빔(5, 7)이 동시에 상기 목표물(40)에 조사되어 반사된 신호들이다. 설명의 편의상 도 9에서 목표물(40)로 조사되는 2개의 레이저 빔을 각각 제1 조사광(5)과 제2 조사광(7)이라고 지칭한다. 그리고 도 10에서 목표물(40)로부터 반사된 2 개의 광신호를 각각 제1 반사광(6)과 제2 반사광(8)이라고 지칭한다. 상기 제1 반사광(6)은 상기 제1 조사광(5)이 목표물(40)의 각 단위 영역에서 반사된 신호이며, 상기 제2 반사광(8)은 상기 제2 조사광(7)이 목표물(40)의 각 단위 영역에서 반사된 신호이다.
상기 수광 광학계(150)는 상기 제1 및 제2 반사광(6, 8)을 신호 처리기(180)로 집속한다. 상기 수광 광학계(150)는 도 1의 실시예에 구비되는 수광 광학계(150)와 기본적으로 동일하므로 상세한 설명을 생략한다.
상기 신호 처리기(180)는 상기 목표물(40)의 복수의 단위 영역에서 순차로 반사되어 복수의 광 검출 영역(261~268)으로 입력된 광 신호들을 각각 전기신호로 변환하고 합하여 상기 광 분할기(140)에 의해 분할된 수만큼의 전기신호로 출력한다. 본 실시예에서 상기 광 분할기(140)는 조사광을 두 개로 분할하므로 상기 신호 처리기(180)에서 2개의 전기신호(296, 297)가 출력된다.
상기 신호 처리기(180)는 상기 목표물(40)에서 반사된 제1 및 제2 반사광(6, 8)들이 입사하여 전기 신호로 변환되는 광 검출부(260), 상기 광 검출부(260)에서 출력된 복수의 전기 신호를 더하는 신호 결합기(Signal Combiner, 290), 상기 광 검출부(260)의 복수의 광 검출 영역(261, 262, 263, 264, 265, 266, 267, 268) 각각과 상기 신호 결합기(290)를 선택적으로 연결하기 위한 복수의 스위치(270)를 포함한다.
상기 광 검출부(260)는 입력된 광신호를 전기신호로 변환하는 복수의 광 검출 영역(261, 262, 263, 264, 265, 266, 267, 268) 및 상기 복수의 광 검출 영역에 각각 구비되는 복수의 광 검출 출력포트(251, 252, 253, 254, 255, 256, 257, 258)를 포함한다.
상기 복수의 광 검출 영역은, 제1 채널 광 검출 영역(261), 제2 채널 광 검출 영역(262), 제3 채널 광 검출 영역(263)부터 제 M-1 채널 광 검출 영역(264), 제 M 채널 광 검출 영역(265)부터 제 N-2 채널 광 검출 영역(266), 제 N-1 채널 광 검출 영역(267) 및 제 N 채널 광 검출 영역(268)까지 N 개의 광 검출 영역을 포함할 수 있다. 여기서 N은 정수이고 M은 N보다 작은 정수이다.
본 실시예에서 상기 복수의 광 검출 영역은 8개 이상으로 도시되었으나 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다. 상기 광 검출 영역의 개수는 필요에 따라 가감될 수 있다.
상기 복수의 광 검출 영역(261~268)은 상기 목표물(40)에서 반사되는 광 신호(6, 8)의 입사 영역 전체를 N개로 분할한 단위 검출 영역이다. 광 검출 영역을 복수로 분할하는 경우 출력 커패시턴스의 증가 없이 넓은 영역을 스캔할 수 있어 짧은 레이저 펄스의 검출이 가능하다. 상기 복수의 광 검출 영역(261~268)의 개수는 상기 목표물(40)의 단위 영역들과 일대 일로 대응될 필요는 없다.
상기 복수의 광 검출 영역(261~268) 각각은 실질적으로 단위 광 검출기일 수 있다. 예를 들어 상기 복수의 광 검출 영역(261~268) 각각은 포토 다이오드일 수 있다.
상기 복수의 광 검출 영역을 제1 반사광(6)이 입력되는 영역들과 제2 반사광(8)이 입력되는 영역들로 분류할 수 있다. 예를 들어, 제1 채널 내지 제 M 채널의 광 검출 영역(261, 262, 263, 264, 265)은 제1 반사광(6)이 입력되는 영역에 배치되고, 상기 제 M-1 채널 내지 제 N 채널의 광 검출 영역(264, 265, 266, 267, 268)은 제2 반사광(8)이 입력되는 영역에 배치될 수 있다. 이때 제 M-1 채널 광 검출 영역(264)과 제 M 채널 광 검출 영역(265)은 제1 반사광(6)의 입사영역과 제2 반사광(8)의 입사영역의 경계에 위치할 수 있으며, 시간차이를 두고 제1 반사광(6)과 제2 반사광(8)이 모두 입력될 수 있다.
상기 복수의 광 검출 영역(261~268)에서 변환된 전기 신호는 상기 복수의 광 검출 출력포트(251~258)를 통해 상기 신호 결합기(290)로 입력된다. 상기 신호 결합기(290)는 제1 반사광(6)에 따른 전기 신호를 합하여 출력하는 제1 결합기(291) 및 제2 반사광(8)에 따른 전기 신호를 합하여 출력하는 제2 결합기(292)를 포함한다.
상술한 바와 같이 제1 반사광(6)의 입사영역과 제2 반사광(8)의 입사영역의 경계에 위치하는 광 검출 영역들(264, 265)에는 시간차를 두고 제1 반사광(6)과 제2 반사광(8)이 모두 입력될 수 있다. 따라서 상기 제 M-1 채널 광 검출 영역(264)과 제 M 채널 광 검출 영역(265)은 상기 제1 결합기(291)와 상기 제2 결합기(292)에 모두 연결된다. 상기 제 M-1 채널 광 검출 영역(264)과 제 M 채널 광 검출 영역(265) 각각의 출력 신호가 제1 반사광(6)에 따른 신호인 경우 제1 결합기(291)로 입력되고 제2 반사광(8)에 따른 신호인 경우 제2 결합기(292)로 입력된다.
상기 신호 결합기(290)는 상기 N개의 광 검출 출력포트(251, 252, 253, 254, 255, 256, 257, 258)에 각각 대응되는 N개의 입력포트(211, 212, 213, 214, 215, 216, 217, 218)를 통해 복수의 광 검출 영역(261, 262, 263, 264, 265, 266, 267, 268)의 출력 신호들을 입력받는다. 상기 N 개의 광 검출 출력 포트와 상기 N개의 입력 포트는 각각 N 개의 와이어(201, 202, 203, 204, 205, 206, 207, 208)에 의해 전기적으로 연결될 수 있다.
상기 복수의 스위치(270)는 상기 N 개의 입력포트(211, 212, 213, 214, 215, 216, 217, 218)마다 구비되어 상기 N 개의 광 검출 영역을 각각 선택적으로 상기 신호 결합기(290)에 연결한다. 상기 복수의 스위치(270)는 제1 채널 스위치(271), 제2 채널 스위치(272), 제3 채널 스위치(273) 내지 제 M-1 채널 스위치(274) 및 제 M 채널 스위치(275) 내지 제 제 N-2 채널 스위치(276), 제 N-1 채널 스위치(277) 및 제 N 채널 스위치(278)를 포함한다.
상기 제1 반사광(6)이 입력되는 채널의 스위치들은 해당 채널의 광 검출 영역들과 상기 제1 결합기(291) 사이를 전기적으로 연결하거나 차단하고, 상기 제2 반사광(8)이 입력되는 채널의 스위치들은 해당 채널의 광 검출 영역들과 상기 제2 결합기(292) 사이를 전기적으로 연결하거나 차단한다.
다만, 상술한 바과 같이 상기 제 M 채널 광 검출 영역(265)에는 시간차를 두고 제1 반사광(6)과 제2 반사광(8)이 모두 입력되므로 상기 제 M 채널 스위치(275)는 상기 제M 채널 광 검출 영역(265)과 제1 및 제2 결합기(291, 292) 사이를 각각 전기적으로 연결하거나 차단한다. 예를 들어, 상기 제 M 채널 스위치(275)는 하나의 입력단과 두 개의 출력단을 갖는 2로(two way) 스위치일 수 있다. 상기 제 M-1 채널 스위치(274)의 경우도 이와 마찬가지이다.
상기 컨트롤러(190)는 상기 N 개의 스위치(270)를 각각 제어하여 상기 복수의 광 검출 영역 각각의 출력 신호가 선택적으로 상기 신호 결합기(290)의 해당 결합기에 입력되도록 연결시킨다. 상기 컨트롤러(190)는 상기 목표물(20)에서 반사된 광신호의 입력 유무를 근거로 상기 복수의 스위치(270)를 제어한다.
도 9를 참조하면, 상기 광원(110)에서 출력된 레이저 빔은 상기 광 분할기(140)에 의해 제1 조사광(5)과 제2 조사광(7)으로 분할되어 상기 목표물(40)의 제2 단위 영역(42)과 제6 단위 영역(47)에 동시에 조사될 수 있다. 도 10을 참조하면, 상기 목표물(40)의 제2 단위 영역(42)과 제6 단위 영역(47) 각각에서 반사된 제1 및 제2 반사광은 각각 제2 채널 광 검출 영역(262)과 제 N-1 채널 광 검출 영역(267)에 입력될 수 있다.
상기 컨트롤러(190)는 상기 제2 채널 스위치(272)를 닫아 상기 제2 채널 광 검출 영역(262)의 출력 신호를 상기 제1 결합기(291)에 입력시키고 상기 제 N-1 채널 스위치(277)를 닫아 상기 제 N-1 채널 광 검출 영역(267)의 출력 신호를 상기 제2 결합기(292)에 입력시킬 수 있다. 그리고 상기 컨트롤러(190)는 나머지 스위치들(271, 273, 274, 275, 276, 278)을 열어 나머지 채널의 광 검출 영역(261, 263, 264, 265, 266, 268)의 출력 신호는 상기 제1 및 제2 결합기(291, 292)로 입력되지 않도록 한다.
상술한 바와 같이 제 M-1 및 제 M 채널 광 검출 영역들(264, 265)에는 시간차를 두고 제1 반사광(6)과 제2 반사광(8)이 모두 입력될 수 있다. 상기 컨트롤러(190)는 상기 제 M-1 채널 광 검출 영역(264)에 제1 반사광(6)이 입력되는 경우 그 출력신호가 상기 제1 결합기(291)로 입력되고 제2 반사광(8)이 입력되는 경우 그 출력신호가 상기 제2 결합기(292)로 입력되도록 상기 제 M-1 스위치(274)를 제어한다. 물론 상기 제 M-1 채널 광 검출 영역(264)으로 제1 반사광(6)과 제2 반사광(8)이 모두 입력되지 않는 경우에는 상기 제 M-1 채널 스위치(274)를 열어 제1 및 제2 결합기(291, 292) 모두와 연결되지 않도록 한다. 상기 컨트롤러(190)는 상기 제 M 채널 스위치(275)도 이와 마찬가지로 제어한다.
상기 광신호 편향기(130)의 스캔 동작에 따른 컨트롤러(190)의 스위치 제어는 도 1의 실시예의 컨트롤러(170)의 경우와 동일하므로 상세한 설명을 생략한다. 또한 상술한 바와 마찬가지로 상기 목표물(40)의 하나의 단위 영역에서 반사된 제1 반사광(5)이 인접한 복수의 광 검출 영역에 입력될 수도 있고 상기 목표물(40)의 여러 단위 영역에서 스캔 방향에 따라 순차로 반사된 제1 반사광(5)이 하나의 광 검출 영역에 입력될 수도 있다. 이는 상기 제2 반사광(7)에 대해서도 동일하다.
상기 신호 처리기(180)는 상기 복수의 스위치(270) 각각의 출력단과 상기 신호 결합기(290) 사이에 구비되는 복수의 후단 증폭기(280)를 더 포함할 수 있다. 상기 복수의 후단 증폭기(280)는 제1 채널 후단 증폭기(281), 제2 채널 후단 증폭기(282), 제3 채널 후단 증폭기(283) 내지 제 M-1 채널 후단 증폭기(284A, 284B), 제 M 채널 후단 증폭기(285A, 285B) 내지 제 N-2 채널 후단 증폭기(286), 제 N-1 채널 후단 증폭기(287) 및 제N 채널 후단 증폭기(288)를 포함한다. 상기 제 M-1 채널과 제 M 채널의 경우 상술한 바와 같이 제1 및 제2 광신호(6, 8)가 모두 입력될 수 있으므로 채널별로 제1 결합기(291)의 전단과 제2 결합기(292)의 전단에 각각 증폭기가 하나씩 구비된다.
상기 복수의 후단 증폭기(280)는 대응되는 스위치가 닫혔을 때 상기 신호 결합기(290)로 입력되는 전기 신호를 증폭한다. 상기 복수의 후단 증폭기(280)에 의해 상기 신호 결합기(290)로 신호가 입력되지 않고 반사되거나 왜곡(distortion)되는 것이 방지되며 고감도의 광 수신기 구현이 가능하다. 상기 복수의 후단 증폭기(280) 각각은 저잡음 증폭기일 수 있다. 다만 상기 복수의 후단 증폭기(280)는 필요에 따라 생략될 수도 있다.
도 8은 다른 실시예에 따른 신호 처리기(180')를 도시한 구성도이다. 다른 실시예에 따른 신호 처리기(180')는 도 7의 신호 처리기(180)의 복수의 입력포트(211, 212, 213, 214, 215, 216, 217, 218)와 복수의 스위치(270) 각각의 입력단 사이에 전기적으로 연결된 복수의 전단 증폭기(220)를 더 포함한다. 상기 스위치(270)에 의해 노이즈가 증가할 수 있는데 상기 전단 증폭기(220)를 추가함으로서 신호 대 잡음비를 개선할 수 있다.
상기 복수의 전단 증폭기(220)는 상기 복수의 입력포트로 각각 입력되는 전기신호를 증폭한다. 상기 복수의 전단 증폭기(220) 각각은 저잡음 증폭기일 수 있다. 상기 복수의 전단 증폭기(220)는 상기 복수의 스위치(270)에 의해 증가된 커패시턴스를 감소시킨다.
다만 도 8의 실시예에서 상기 복수의 전단 증폭기(220)와 후단 증폭기(280)는 필요에 따라 모두 생략될 수도 있다. 또는 필요에 따라 상기 복수의 전단 증폭기(220)는 구비되고 후단 증폭기(280)는 생략될 수도 있다.
도 11과 도 12는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 레이저 레이더를 도시한 구성도이다. 도 11은 옆에서 바라본 도면이고 도 12는 위에서 바라본 도면이다. 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 레이저 레이더(200')는 광 송신기 및 광 수신기(150, 180, 190)를 포함한다. 상기 광 수신기(150, 180, 190)는 도 6 내지 도 10을 참조하여 상술하였으므로 상세한 설명을 생략한다.
상기 광 송신기는 수광 광학계(114), 복수의 광원(115) 및 회전하는 하우징(116)을 포함한다. 상기 하우징(116)은 상기 복수의 광원(115)을 수납하고 상기 수광 광학계(114)가 고정된다. 상기 복수의 광원(115)은 상하로 일렬로 배열된 제1 광원(111) 및 제2 광원(112)을 포함한다. 상기 복수의 광원(115)은 상기 수광 광학계(114)를 통해 목표물(30)로 복수의 레이저 빔(3)을 조사한다.
상기 하우징(116)은 상하방향에 나란한 회전축(117)에 대해서 회전하도록 구성된다. 상기 하우징(116)의 외면에는 상기 수광 광학계(114)가 고정되어 상기 하우징(116)과 함께 회전한다. 상기 제1 및 제2 광원(111, 112)에서 각각 레이저 빔(3)이 출력되면 상기 하우징(116)이 회전하면서 수평방향을 따라 상기 목표물(30)을 2차원 스캔할 수 있다. 예를 들어, 도 12의 목표물(30)을 왼쪽에서 오른쪽으로 2차원 스캔이 가능하다.
상기 목표물(30)의 단위 영역들에서 반사된 광신호(4)는 수광 광학계(150)를 통해 상기 광 검출부(260)로 입사된다. 상기 컨트롤러(190)는 신호 처리기(180)의 복수의 스위치(270)를 제어하여 스캔 방향에 따라 변화하는 수광 영역에 해당하는 광 검출 영역에 대한 출력 신호만을 신호 결합기(290)에 입력시킨다. 광원이 복수이므로 신호 결합기에서 출력되는 전기신호도 복수이다. 동시에 복수의 반사광이 입사되는 경우의 광 수신기에서의 스위치 제어 방법은 도 6의 실시예에서 상세히 설명하였다.
상술한 구성에 의해서, 레이저 레이더(200')의 광 송신기가 목표물의 스캔을 위해 회전하는 경우에도 광 수신기는 전기적인 스위칭에 의해 기계적인 움직임 없이 수광 영역을 변경할 수 있다. 따라서 기계적 움직임에 따른 안정성 및 신뢰성 저하의 염려가 없고 신호 대비 잡음비가 우수하며 인접한 다른 레이저 레이더의 반사광에 따른 간섭의 우려도 없다.
종래의 회전형 라이다(LIDAR)의 경우 송신부와 수신부가 모두 하나의 회전하는 모듈에 조립되어 모듈의 전체 크기가 커지는 문제점이 있었다. 또한 종래의 회전형 라이다는 송신부의 조사빔 수와 이에 대응하는 수신부의 광 검출부의 개수를 증가시켜 수직 해상도를 높이게 되는데 모듈의 크기도 따라서 커지는 문제점이 있었다. 또한 송신부와 수신부를 여러 개 구비한 모듈의 경우 서로 광학적으로 정렬(optical alignment)할 필요가 있으므로 제조비용이 상승하는 문제점이 있었다.
본 발명은 상술한 구성에 의해 광 수신기와 광 송신기를 별개로 구성할 수 있고, 광 수신기가 기계적 움직임 없이 전기적 스위칭에 의해 수광 영역을 변경하므로 모듈의 소형화가 가능하다. 또한 광 송신부와 광 수신부를 광학적으로 정렬할 필요가 없으므로 제조비용이 절감된다.
도 11의 실시예에서는 광 송신기를 회전형으로 설명하였으나 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 광 송신기는 다른 어떠한 방법의 빔 스캔 구성이어도 좋다. 예를 들어 LC(liquid) 또는 OPA(optical phased array)와 같은 비기계식 스캔 방식을 적용하여 기계적 움직임이 필요없는 광 송신기의 구현이 가능하다.
100, 200: 레이저 레이더 110, 115: 광원
150: 수광 광학계 160, 180: 광 검출 및 신호처리기
170, 190: 컨트롤러 10, 20, 30, 40: 목표물

Claims (10)

  1. 목표물에서 반사된 광신호를 전기신호로 변환하여 출력하는 복수의 광 검출 영역;
    상기 복수의 광 검출 영역의 출력 신호를 합하는 신호 결합기;
    상기 복수의 광 검출 영역 각각과 상기 신호 결합기 사이의 복수의 스위치; 및
    상기 목표물에서 반사된 광신호의 입력 유무를 근거로 상기 복수의 광 검출 영역 각각이 선택적으로 상기 신호 결합기와 연결되도록 상기 복수의 스위치를 제어하는 컨트롤러를 포함하는
    광 수신기.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 목표물에서 반사된 광신호가 입력되는 광 검출 영역은 상기 목표물로 조사되는 빔의 스캔 동작 조건을 근거로 기결정되고,
    상기 컨트롤러는, 상기 목표물에서 반사된 광신호가 입력되는 것으로 기결정된 광 검출 영역은 상기 신호 결합기와 연결되고 나머지 광 검출 영역은 상기 신호 결합기와 연결이 차단되도록 상기 복수의 스위치를 제어하는 것을 특징으로 하는
    광 수신기.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 복수의 스위치 각각의 전단 및 후단 중 적어도 하나에 연결되는 복수의 증폭기를 더 포함하는
    광 수신기.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 신호 결합기는, 동시에 상기 복수의 광 검출 영역으로 입사되는 광신호의 수만큼의 전기신호를 출력하는 것을 특징으로 하는
    광 수신기.
  5. 광신호를 조사하여 목표물의 단위 영역들을 스캔하는 광 송신기; 및
    상기 목표물의 각 단위 영역에서 반사된 광신호를 검출하는 광 수신기;를 포함하고,
    상기 광 수신기는,
    상기 목표물의 각 단위 영역에서 반사된 광신호를 전기신호로 변환하여 출력하는 복수의 광 검출 영역;
    상기 복수의 광 검출 영역의 출력 신호를 합하는 신호 결합기;
    상기 복수의 광 검출 영역 각각과 상기 신호 결합기 사이의 복수의 스위치; 및
    상기 목표물의 각 단위 영역에서 반사된 광신호의 입력 유무를 근거로 상기 복수의 광 검출 영역 각각이 선택적으로 상기 신호 결합기와 연결되도록 상기 복수의 스위치를 제어하는 컨트롤러를 포함하는
    레이저 레이더.
  6. 제 5항에 있어서,
    상기 광 송신기는, 스캔 동작에 따라 상기 목표물의 단위 영역들을 순차로 조사하고,
    상기 목표물에서 반사된 광신호가 입력되는 광 검출 영역은 상기 스캔 동작 조건을 근거로 기결정되고,
    상기 컨트롤러는, 상기 목표물에서 반사된 광신호가 입력되는 것으로 기결정된 광 검출 영역은 상기 신호 결합기와 연결되고 나머지 광 검출 영역은 상기 신호 결합기와 연결이 차단되도록 상기 복수의 스위치를 제어하는 것을 특징으로 하는
    레이저 레이더.
  7. 제 6항에 있어서,
    상기 스캔 동작 조건은, 스캔 방향, 스캔 속도 및 상기 목표물의 단위 영역들로 동시에 조사되는 광신호의 개수 중 적어도 하나를 포함하는
    레이저 레이더.
  8. 제 5항에 있어서,
    상기 광 수신기는, 상기 복수의 스위치 각각의 전단 및 후단 중 적어도 하나에 연결되는 복수의 증폭기를 더 포함하는
    레이저 레이더.
  9. 제 5항에 있어서,
    상기 복수의 광 검출 영역 각각은, 포토 다이오드를 포함하는
    레이저 레이더.
  10. 제 5항에 있어서,
    상기 광 송신기는 복수의 광신호를 동시에 출력하여 상기 목표물의 단위 영역들을 스캔하고,
    상기 광 결합기는, 상기 광 송신기에서 동시에 출력되는 광신호의 수 만큼의 전기신호를 출력하는 것을 특징으로 하는
    레이저 레이더.
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