KR20190044995A - 이동성 거울을 이용한 광 송수신기, 3차원 거리 측정 장치, 및 이동체 - Google Patents

이동성 거울을 이용한 광 송수신기, 3차원 거리 측정 장치, 및 이동체 Download PDF

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Abstract

본 실시예들은 (i) 광원으로부터 출사된 광을 통과시키는 홀을 포함하며 곡면으로 형성된 반사면에 반사된 광선이 모이는 초점을 갖는 제1 거울 및 (ii) 제1 거울의 홀을 통과한 광을 대상체로 반사하고 대상체로부터 반사된 광을 수신하여 제1 거울로 반사하며 수직 방향으로 움직이는 제2 거울을 포함함으로써, 어레이 타입을 사용하지 않으면서 제품의 크기 및 비용을 최소화하고, 고성능으로 핀 포인트를 측정할 수 있는 광 송수신기, 3차원 거리 측정 장치, 및 이동체를 제공한다.

Description

이동성 거울을 이용한 광 송수신기, 3차원 거리 측정 장치, 및 이동체 {Optical Transceiver Using Movable Mirror, Three Dimensional Distance Measuring Apparatus, and Moving Object}
본 실시예가 속하는 기술 분야는 이동성 거울을 이용한 광 송수신기, 3차원 거리 측정 장치, 및 이동체에 관한 것이다.
이 부분에 기술된 내용은 단순히 본 실시예에 대한 배경 정보를 제공할 뿐 종래기술을 구성하는 것은 아니다.
3차원 거리 측정 시스템은 CCD(Charge Coupled Device) 이미지 센서, CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor) 이미지 센서, 초음파 센서, 레이저 센서 등 다양한 센서를 이용하여 공간의 거리를 측정한다.
통상의 3차원 거리 측정 시스템은 센서의 중심을 포함한 평면을 스캔하는 2차원 거리 센서를 회전시켜 공간을 스캔한다. 이러한 2차원 거리 센서를 이용한 장치는 비용, 크기, 및 샘플링 레이트를 제한하지 않기 때문에, 연구 목적이 아닌 상용제품으로 생산하는 데 한계가 있다.
2차원 광 다이오드 어레이(Photodiode Array)가 적용된 장치는 구조광(Structure Light) 또는 비행시간(Time of Flight)을 이용하여 거리를 측정한다. 구조광은 고유 패턴을 투사하고 대응점을 검출하여 깊이를 계산하는 방식이고, 비행시간은 시간차 또는 위상차를 측정하여 거리로 변환하는 방식이다. 2차원 광 다이오드 어레이가 적용된 장치는 화각을 넓히기 어렵고, 픽셀마다 갖는 3차원 정보가 많아 핀 포인트 측정이 곤란한 문제가 있다.
1차원 광 다이오드 어레이가 적용된 거리 측정 장치는 광 다이오드 어레이 및 레이저 다이오드 어레이(또는 레이저 다이오드와 디퓨저)를 포함한다. 광 다이오드 어레이는 실리콘 결정 위에 직선형으로 수백 내지 수천 개의 광 다이오드를 배열한 구조를 갖는다. 1차원 광 다이오드 어레이가 적용된 거리 측정 장치는 화각을 넓히기 어렵고, 구현에 필요한 고효율의 디퓨저(Diffuser), 센서 어레이, 멤스 거울(Mems Mirror) 등의 모듈들이 고가이므로 상용제품으로 생산하는 데 곤란한 문제가 있다.
본 발명의 실시예들은 (i) 광원으로부터 출사된 광을 통과시키는 홀을 포함하며 곡면으로 형성된 반사면에 반사된 광선이 모이는 초점을 갖는 제1 거울 및 (ii) 제1 거울의 홀을 통과한 광을 대상체로 반사하고 대상체로부터 반사된 광을 수신하여 제1 거울로 반사하며 수직 방향으로 움직이는 제2 거울을 포함함으로써, 어레이 타입을 사용하지 않으면서 제품의 크기 및 비용을 최소화하고, 고성능으로 핀 포인트를 측정하는 데 발명의 주된 목적이 있다.
본 발명의 명시되지 않은 또 다른 목적들은 하기의 상세한 설명 및 그 효과로부터 용이하게 추론할 수 있는 범위 내에서 추가적으로 고려될 수 있다.
본 실시예의 일 측면에 의하면, 광을 출사하는 광원, 상기 출사된 광을 통과시키는 홀을 포함하는 제1 거울, 상기 제1 거울의 상기 홀을 통과한 광을 대상체로 반사하고, 상기 대상체로부터 반사된 광을 수신하여 상기 제1 거울로 반사하는 제2 거울, 및 상기 제2 거울로부터 반사된 광을 수신하여 전기 신호로 변환하는 광 다이오드를 포함하는 광 송수신기를 제공한다.
본 실시예의 다른 측면에 의하면, 시작 제어 신호에 의해 대상체로 광을 출사하고 상기 대상체에 반사된 광을 수신하여 전기 신호로 변환하는 광 송수신기, 상기 전기 신호를 변환하여 정지 제어 신호를 생성하고, 상기 시작 제어 신호 및 상기 정지 제어 신호의 시간차를 기반으로 비행시간을 산출하여 거리를 측정하는 거리 측정기를 포함하며, 상기 광 송수신기는, 광을 출사하는 광원, 상기 출사된 광을 통과시키는 홀을 포함하며, 곡면으로 형성된 반사면에 반사된 광선이 모이는 초점을 갖는 제1 거울, 상기 제1 거울의 상기 홀을 통과한 광을 상기 대상체로 반사하고, 상기 대상체로부터 반사된 광을 수신하여 상기 제1 거울로 반사하는 제2 거울, 상기 제1 거울의 초점에 위치하며 상기 제1 거울로부터 반사된 광을 수신하여 반사시키는 반사체, 상기 반사체로부터 반사된 광을 수신하여 전기 신호로 변환하는 광 다이오드, 및 상기 광원, 상기 제1 거울, 상기 제2 거울, 상기 반사체, 및 상기 광 다이오드를 회전축을 기준으로 회전시키는 회전부를 포함하는 것을 특징으로 하는 거리 측정 장치를 제공한다.
본 실시예의 또 다른 측면에 의하면, 이동체에 있어서, 상기 이동체 및 대상체 간의 비행시간을 산출하여 상기 대상체까지의 거리를 측정하는 거리 측정 장치, 및 상기 대상체까지의 거리를 기반으로 상기 이동체를 이동하도록 구현된 이동 장치를 포함하며, 상기 거리 측정 장치는, 시작 제어 신호에 의해 대상체로 광을 출사하고 상기 대상체에 반사된 광을 수신하여 전기 신호로 변환하는 광 송수신기, 상기 전기 신호를 변환하여 정지 제어 신호를 생성하고, 상기 시작 제어 신호 및 상기 정지 제어 신호의 시간차를 기반으로 비행시간을 산출하여 거리를 측정하는 거리 측정기를 포함하며, 상기 광 송수신기는, 광을 출사하는 광원, 상기 출사된 광을 통과시키는 홀을 포함하며, 곡면으로 형성된 반사면에 반사된 광선이 모이는 초점을 갖는 제1 거울, 상기 제1 거울의 상기 홀을 통과한 광을 상기 대상체로 반사하고, 상기 대상체로부터 반사된 광을 수신하여 상기 제1 거울로 반사하는 제2 거울, 상기 제1 거울의 초점에 위치하며 상기 제1 거울로부터 반사된 광을 수신하여 반사시키는 반사체, 상기 반사체로부터 반사된 광을 수신하여 전기 신호로 변환하는 광 다이오드, 및 상기 광원, 상기 제1 거울, 상기 제2 거울, 상기 반사체, 및 상기 광 다이오드를 회전축을 기준으로 회전시키는 회전부를 포함하는 것을 특징으로 하는 이동체를 제공한다.
이상에서 설명한 바와 같이 본 발명의 실시예들에 의하면, (i) 광원으로부터 출사된 광을 통과시키는 홀을 포함하며 곡면으로 형성된 반사면에 반사된 광선이 모이는 초점을 갖는 제1 거울 및 (ii) 제1 거울의 홀을 통과한 광을 대상체로 반사하고 대상체로부터 반사된 광을 수신하여 제1 거울로 반사하며 수직 방향으로 움직이는 제2 거울을 포함함으로써, 어레이 타입을 사용하지 않으면서 제품의 크기 및 비용을 최소화하고, 고성능으로 핀 포인트를 측정할 수 있는 효과가 있다.
여기에서 명시적으로 언급되지 않은 효과라 하더라도, 본 발명의 기술적 특징에 의해 기대되는 이하의 명세서에서 기재된 효과 및 그 잠정적인 효과는 본 발명의 명세서에 기재된 것과 같이 취급된다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 이동체를 예시한 블록도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 이동체를 예시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 거리 측정 장치를 예시한 블록도이다.
도 4 및 도 5는 본 발명의 다른 실시예들에 따른 광 송수신기를 예시한 블록도이다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 광 송수신기의 구조 및 광의 이동 경로를 예시한 도면이다.
도 7 및 도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 광 송수신기의 이동성 거울의 이동 방식을 예시한 도면이다.
도 9 및 도 10은 본 발명의 실시예들에 따른 거리 측정 장치가 획득한 3차원 정보를 예시한 도면이다.
이하, 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지기능에 대하여 이 분야의 기술자에게 자명한 사항으로서 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략하고, 본 발명의 일부 실시예들을 예시적인 도면을 통해 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 이동체를 예시한 블록도이다.
도 1에 도시한 바와 같이, 이동체(1)는 거리 측정 장치(10) 및 이동 장치(20)를 포함한다. 이동체(1)는 도 1에서 예시적으로 도시한 다양한 구성요소들 중에서 일부 구성요소를 생략하거나 다른 구성요소를 추가로 포함할 수 있다. 예컨대, 이동체는 청소부를 추가로 포함할 수 있다.
이동체(1)는 미리 정의된 방식에 따라 특정 위치에서 다른 위치로 이동 가능하도록 설계된 장치를 의미하며, 바퀴, 레일, 보행용 다리 등과 같은 이동 수단을 이용하여, 특정 위치에서 다른 위치로 이동할 수 있다. 이동체(1)는 센서 등을 이용하여 외부의 정보를 수집한 후 수집된 정보에 따라서 이동할 수도 있고, 사용자에 의해 별도의 조작 수단을 이용하여 이동할 수 있다.
이동체(1)의 일례로는 로봇 청소기, 장난감 자동차, 산업용 또는 군사용 목적 등으로 이용 가능한 이동 로봇 등이 있을 수 있으며, 이동체(1)는 바퀴를 이용하여 주행하거나, 하나 이상의 다리를 이용하여 보행하거나, 이들의 조합 등으로 구현될 수 있다.
로봇 청소기는 청소 공간을 주행하면서 바닥에 쌓인 먼지 등의 이물질을 흡입함으로써 청소 공간을 자동으로 청소하는 장치이다. 일반적인 청소기가 사용자에 의한 외력으로 이동하는 것과 달리, 로봇 청소기는 외부의 정보 또는 미리 정의된 이동 패턴을 이용하여 이동하면서 청소 공간을 청소한다.
로봇 청소기는 미리 정의된 패턴을 이용하여 자동적으로 이동하거나, 또는 감지 센서에 의해 외부의 장애물을 감지한 후, 감지된 바에 따라 이동할 수도 있고, 사용자에 의해 조작되는 원격 제어 장치로부터 전달되는 신호에 따라 이동 가능하다.
감지 센서는 라이다(LIDAR)로 구현될 수 있다. 라이다는 레이저 신호를 쏘고 반사되어 돌아오는 시간을 측정하고, 빛의 속도를 이용하여 반사체의 거리를 측정하는 장치이다. 레이저 신호는 포토 다이오드를 통하여 전기적인 신호로 변경된다. 레이저 신호는 기 설정된 파장 대역을 가질 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 이동체를 예시한 도면이다.
도 2를 참조하면, 이동체 및 대상체 간의 비행시간을 산출하여 상기 대상체까지의 거리를 측정하는 거리 측정 장치(10)가 본체의 상단부에 위치하고 있으나, 이는 예시일 뿐이며 이에 한정되는 것은 아니고 구현되는 설계에 따라 적합한 위치에서 하나 이상으로 구현될 수 있다.
거리 측정 장치(10)는 한 쌍의 광원 및 광 다이오드를 이용하여 광을 송수신하며, 이동성 거울 및 회전체를 이용하여 주변을 3차원 스캐닝한다.
거리 측정 장치(10)는 타임 오브 플라이트(Time of Flight, TOF) 방식으로 동작할 수 있다. 타임 오브 플라이트 방식은 레이저가 펄스 또는 구형파 신호를 방출하여 측정 범위 내에 있는 물체들로부터의 반사 펄스 또는 구형파 신호들이 수신기에 도착하는 시간을 측정함으로써, 측정 대상과 거리 측정 장치 사이의 거리를 측정한다.
이동 장치(20)는 대상체까지의 거리를 기반으로 주행 경로를 산출하거나 장애물을 검출하여 이동체를 이동시킨다. 이동 장치(20)는 인공표식의 상대 위치를 기반으로 이동체를 이동시킬 수 있다. 이동 장치(20)는 바퀴, 레일, 보행용 다리 등과 같은 이동 수단으로 구현될 수 있다.
이하에서는 도 3을 참조하여 이동체에 구현되거나 독립적으로 동작하는 거리 측정 장치를 설명하기로 한다.
도 3은 거리 측정 장치를 예시한 블록도이다. 도 3에 도시한 바와 같이, 거리 측정 장치(10)는 광 송수신기(100) 및 거리 측정기(200)를 포함한다. 거리 측정 장치(10)는 도 3에서 예시적으로 도시한 다양한 구성요소들 중에서 일부 구성요소를 생략하거나 다른 구성요소를 추가로 포함할 수 있다. 예컨대, 거리 측정 장치(10)는 인터페이스를 추가로 포함할 수 있다.
광 송수신기(100)는 레이저 신호를 송신하고 반사된 신호를 수신한다. 광 송수신기(100)는 시작 제어 신호에 의해 대상체로 광을 출사하고 대상체에 반사된 광을 수신하여 전기 신호로 변환한다. 광 송수신기(100)는 기 설정된 검출 시간 동안 전기 신호를 출력한다.
광 송수신기(100)는 빛을 전류나 전압으로 변환하는데, 광 다이오드의 출력을 버퍼링하고 스케일링하기 위한 회로가 필요하다. 예컨대, 광 다이오드에 트랜스 임피던스 증폭기(Trans Impedance Amplifier, TIA)가 연결될 수 있다. 트랜스 임피던스 증폭기는 광 다이오드의 전류를 증폭하고 전압으로 변환하여 출력한다. 트랜스 임피던스 증폭기는 R-TIA(Resistive Feedback TIA) 및 C-TIA(Capacitive Feedback TIA)로 구분될 수 있다.
광 송수신기(100)는 신호 변환부를 포함할 수 있다. 광 송수신기(100)의 광 다이오드에 신호 변환부가 연결되고, 신호 변환부에 트랜스 임피던스 증폭기가 연결될 수 있다.
광원은 기 설정된 샘플링 주기에 기반하여 대상체로 광을 출사한다. 샘플링 주기는 거리 측정 장치(10)의 제어부에 의해 설정될 수 있다. 샘플링 주기는 시작 제어 신호에 따라 광 송수신기(100)가 광을 출사하고 반사된 광을 수신하고 광을 전기 신호로 변환하기까지의 시간이다. 광 송수신기(100)는 다음 샘플링 주기에서 이러한 동작들을 반복하여 수행할 수 있다.
광 다이오드는 대상체에 반사된 광을 수신하여 전기 신호로 변환한다. 광 다이오드는 PN 접합 광 다이오드, PIN 광 다이오드, 애벌란시 광 다이오드(Avalanche Photo Diode, APD) 등으로 구현될 수 있다. 광 다이오드는 광캐리어가 소멸할 때까지 전기 신호를 출력한다. 게다가, 출력 신호의 크기가 커질수록 신호가 소멸되기까지 소요되는 시간이 증가한다.
신호 변환부는 출력 신호의 소멸 시간에 제한되지 않도록, 샘플링 주기 중에서 검출 시간 동안 상기 전기 신호를 출력한다. 신호 변환부는 저항, 스위치, 및 커패시터를 포함할 수 있다.
저항은 광 다이오드에 연결된다. 저항의 일단은 광 다이오드에 연결되고 저항의 타단은 접지에 연결된다. 저항은 광 다이오드의 양극 또는 음극에 연결될 수 있다.
저항 값이 작으면 광이 광 다이오드를 통과하는 시간과 유사한 시간 동안 파형이 0아닌 값을 갖지만 출력 신호의 크기가 작은 문제가 있다. 따라서, 저항에 대해 기 설정된 값보다 큰 값을 갖는 저항을 사용하여 전기 신호의 크기를 증폭시킬 필요가 있다. 이러한 경우 신호의 뒤끌림 현상이 발생하게 된다.
신호의 뒤끌림 현상을 해결하기 위해 스위치를 통하여 전기 신호의 전달 경로를 변경한다. 광 송수신기(100)는 전기 신호의 크기가 감소하는 영역의 일부가 제거된 신호를 출력할 수 있다. 전기 신호의 후단을 제거하더라도, 거리 측정 장치(10)는 거리를 측정할 수 있다. 신호 판별기가 전기 신호의 종료 시점을 검출하지 않고, 전기 신호의 시작 시점 및 최대 크기 시점을 검출하여 상승 에지 및 하강 에지를 출력하기 때문이다.
스위치는 저항에 병렬로 연결되어 전기 신호의 전달 경로를 변경한다. 예컨대, 스위치는 트랜지스터 등으로 구현될 수 있다.
스위치는 (i) 샘플링 주기(Ts) 중에서 검출 시간(Td) 동안 전기 신호를 제1 경로로 전달하고, (ii) 샘플링 주기(Ts) 중에서 차단 시간(Tc) 동안 전기 신호를 제2 경로로 전달한다. 제1 경로는 신호가 커패시터를 통해 전달되는 경로이고, 제2 경로는 신호가 스위치를 통해 접지로 전달되는 경로이다.
거리 측정 장치(10)는 광 다이오드(140)에서 출력된 전기 신호가 뒤끌림 현상에 의해 신호 소멸 시간(T1, T2, T3)이 소요되더라도, 신호가 소멸될 때까지 대기할 필요없이 샘플링 주기에 따라 신호를 처리할 수 있다.
거리 측정 장치(10)는 샘플링 주기를 조절하고, 샘플링 주기에 따라 적절한 검출 시간을 산출하여 설정하고, 스위치(152)의 온오프 동작을 제어한다. 거리 측정 장치(10)의 제어부는 샘플링 주기, 검출 시간, 차단 시간, 출사한 광의 파형, 광원의 온오프 시간 간격, 시작 제어 신호의 펄스 폭, 정지 제어 신호의 펄스 폭, 광 송수신기의 회전 속도, 신호 판별기 및 시간 산출기의 신호 처리 및 대기 시간 등을 참조하여 스위치의 온오프 동작을 제어할 수 있다.
커패시터는 광 다이오드 및 저항이 연결된 지점에 연결되어 전기 신호를 출력한다. 커패시터는 전기 신호의 DC성분을 제거하는 기능을 한다. 커패시터의 후단에는 비반전 증폭기 회로가 연결될 수 있다.
거리 측정기(200)는 전기 신호를 변환하여 정확한 시점을 측정하고 정지 제어 신호를 출력하는 하나 이상의 신호 판별기를 포함할 수 있다.
거리 측정기(200)는 신호 판별기를 이용하여 최대 신호 크기를 갖는 신호 지점을 기 설정된 크기를 갖도록 상기 전기 신호를 변환하고, 변환된 전기 신호의 크기를 조절하고, 기 설정된 크기를 갖는 시점을 검출한다. 신호 판별기는 전기 신호를 변환하여 정지 제어 신호를 생성한다.
신호 판별기는 광 다이오드 또는 트랜스 임피던스 증폭기로부터 전기 신호를 수신한다. 수신한 전기 신호, 즉, 입력 신호는 반사된 광에 의해 상승하고 하강하는 형태를 갖는다. 신호 판별기는 입력 신호에 대해 목적하는 시점을 정확하게 측정하여 전기 신호를 출력한다.
입력 신호의 형태에 따라 입력 신호는 전단 시점(Tfront), 설정된 임계치와 만나는 목표 시점(T1, T2), 피크 시점(Tmax)을 갖는다. 신호 판별기는 전단 시점(Tfront) 및 피크 시점(Tmax)에 가장 근접한 시점을 검출하기 위해 2단계 변환 과정을 수행한다. 변환한 신호는 전단 시점(Tfront), 설정된 임계치와 만나는 상승 시점(Trising1, Trising2), 설정된 임계치와 만나는 하강 시점(Tfalling1, Tfalling2), 후단 시점(Tend)을 갖는다. 후단 시점(Tend)은 변환 전의 신호의 피크 시점(Tmax)과 동일한 시점이다.
신호 판별기는 입력 신호를 미분하거나 입력 신호를 일정 분율 판별(Constant Fraction Discriminator, CFD)을 이용하여 변환한다. 일정 분율 판별은 원 신호를 지연시킨 신호와 일정 크기 비율만큼 조절한 신호가 같아지는 시점이 최대 크기의 일정 비율이 되는 시점을 찾는 방식이다.
신호 판별기는 상승하고 하강하는 전기 신호에서 정확한 시점을 측정하여 신호를 출력한다. 신호 판별기는 전기 신호를 변환하고 기 설정된 기준 크기를 갖는 시점을 검출하여 정지 제어 신호를 생성한다. 최대 신호 크기를 갖는 신호 지점을 기 설정된 크기를 갖도록 입력 신호의 기울기를 변환하면, 상승 시점(Trising1, Trising2)은 전단 시점(Tfront)에 가까워지고 하강 시점(Tfalling1, Tfalling2)은 후단 시점(Tend)에 가까워진다.
신호 판별기는 변환된 입력 신호의 크기를 조절한다. 신호 판별기는 변환된 입력 신호의 크기를 N(상기 N은 자연수)차 증폭시킨다. 신호 판별기는 복수의 증폭 과정을 거쳐 신호의 기울기가 수직에 가깝도록 변환한다. 기울기가 크기 때문에, 단순히 비교기만으로 회로를 구현하더라도 정확한 시점을 획득할 수 있다.
신호 판별기는 입력 신호에서 최대 신호 크기를 갖는 신호 지점을 기 설정된 크기를 갖도록 입력 신호를 변환한다. 예컨대, 신호의 크기가 제로가 되도록 변환한다. 거리 측정기(200)는 최대 크기를 갖는 시점을 제로로 변환하여 문턱치를 비교함으로써, 최대 크기를 갖는 시점으로부터 가까운 시점을 검출할 수 있다.
신호 판별기는 크기가 조절된 입력 신호로부터 기 설정된 기준 크기를 갖는 적어도 하나의 시점을 검출하여 신호를 출력한다. 여기서, 출력 신호는 두 개의 유형일 수 있다. 예컨대, 거리 측정기(200)는 상승 에지 및 하강 에지를 출력할 수 있다.
거리 측정기(200)는 타임 오브 플라이트 방식으로 시간 및 거리를 측정한다. 거리 측정기(200)는 시작 제어 신호 및 정지 제어 신호의 시간차를 기반으로 비행시간을 산출하여 거리를 측정한다. 거리 측정기(200)는 빛의 속도를 이용하여 시간으로부터 거리를 산출한다.
거리 측정기(200)는 두 시간의 차이를 디지털 값으로 변환하는 하나 이상의 시간 디지털 변환기를 포함할 수 있다. 시간 디지털 변환기의 입력 신호는 동일 신호원의 펄스 형태가 될 수도 있고, 다른 신호원의 에지가 될 수도 있다. 예컨대, 거리 측정 장치(10)는 시작 제어 신호의 상승 에지 또는 하강 에지, 정지 제어 신호의 상승 에지 또는 하강 에지를 기준으로 시간차를 산출할 수 있다.
시간 디지털 변환기는 시간 지연 소자 및 플립플롭으로 구성될 수 있다. 시간 지연 소자는 인버터를 이용한 디지털 소자 또는 전류원을 이용한 아날로그 소자로 구현될 수 있다. 시간 디지털 변환기는 위상 편차 방식, 고해상도 클럭을 이용한 방식, 등가 시간 샘플링 방식 등 다양한 방식이 적용될 수 있다.
시간 디지털 변환기는 (i) 보통 카운터(Coarse Counter) 및 정밀 카운터(Fine Counter)가 카운팅한 개수(N1, N2)와 (ii) 보통 카운터의 큰 클록과 정밀 카운터의 작은 클록을 이용하여 시간을 측정한다. 보통 카운터의 큰 클록 및 정밀 카운터의 작은 클록 간의 시간차가 시간 디지털 변환기의 분해능을 결정된다.
시간 디지털 변환기는 큰 클록을 발생시키는 느린 오실레이터(Slow Oscillator) 및 작은 클록을 발생시키는 빠른 오실레이터(Fast Oscillator)를 포함한다. 위상 검출기(Phase Detector)가 큰 클록 및 작은 클록이 동기화된 시점을 검출한다.
기존의 시간 디지털 변환기는 느린 오실레이터 및 빠른 오실레이터는 버퍼의 개수를 조절하여 클록 폭을 조절한다. 기존의 시간 디지털 변환기는 버퍼 자체의 신호 지연 시간으로 인하여, 80 피코 초(ps) 정도의 분해능을 갖는다.
시간 디지털 변환기는 느린 오실레이터 및 빠른 오실레이터를 회로 상에서 게이트들의 위치 및 신호 경로를 변경하여 클록 폭을 조절한다. 예컨대, 느린 오실레이터 및 빠른 오실레이터는 동일한 게이트로 조합될 수 있다. 본 실시예에 따른 시간 디지털 변환기의 느린 오실레이터 및 빠른 오실레이터는 게이트들의 위치 및 신호 경로를 변경함으로써, 시간 디지털 변환기는 10 피코 초(ps) 정도의 분해능을 갖는다.
시간 디지털 변환기는 상승 에지와 하강 에지를 함께 처리하기 때문에, 느린 오실레이터 또는 빠른 오실레이터를 공유하여 설계할 수 있다.
인터페이스는 다른 장치(또는 호스트)와 정보를 송수신하는 통신 경로이다. 다른 장치는 인터페이스를 통해 거리 측정 장치(10)에 접속하여 파라미터를 설정할 수 있다. 거리 측정 장치(10)는 인터페이스를 통해 측정한 시간 및 거리를 다른 장치로 전송할 수 있다.
거리 측정 장치(10)가 신호의 기울기를 변환하는 과정에서 RC회로로 구현된 미분 방식을 적용하면, 거리 변화에 따른 신호의 주파수 특성이 변화하여 시간 오차를 발생한다. 신호의 기울기를 변환하는 과정에서 일정 분율 판별 방식을 적용하면, 신호의 기울기가 달라서 비교기의 커패시터의 충전 시간이 다르게 되고 비교기의 응답시간이 달라져서 시간 오차를 발생시킨다. 따라서, 거리 측정 장치(10)는 시간 오차를 보정하는 과정을 수행한다.
거리 측정기(200)는 정지 제어 신호의 펄스 폭을 이용하여 비행시간을 보정한다. 일반적인 광 다이오드의 출력 신호는 펄스 폭의 변화가 심하기 때문에, 펄스 폭 대 워크에러가 1 대 N으로 매칭하여 가까운 영역이 아니면 사용하기 곤란한 문제가 있다. 본 실시예는 신호를 변환하는 과정을 거쳤기 때문에, 펄스 폭 대 워크에러 간의 관계를 간단하게 모델링할 수 있다.
거리 측정기(200)는 워크에러 및 펄스 폭 간의 함수를 모델링하고, 보정 팩터를 미리 측정한다. 거리 측정기(200)는 펄스 폭에 반비례하는 보정 팩터를 적용하여 비행시간을 보정한다. 반사 신호의 세기가 약하여 펄스 폭이 좁아지면 워크에러가 커지므로, 거리 측정기(200)는 보정 팩터를 크게 설정한다. 반사 신호의 세기가 강하여 펄스 폭이 넓어지면 워크에러가 작아지므로, 거리 측정기(200)는 보정 팩터를 작게 설정한다.
거리 측정기(200)는 정지 제어 신호의 상승 에지 또는 하강 에지를 기준으로 펄스 폭을 산출하고, 펄스 폭 대 워크에러의 함수에 적용한 팩터 값을 보정 전의 비행시간에 가산한다. 거리 측정 장치(10)는 반사 신호의 펄스 폭을 이용하여 비행시간을 보정함으로써, 정확한 비행시간을 산출할 수 있다.
이하에서는 도 4 내지 도 8을 참조하여, 3차원 스캐닝이 가능한 광 송수신기의 구조를 설명하기로 한다.
도 4를 참조하면, 광 송수신기(100)는 광원(110), 제1 거울(120), 제2 거울(130), 및 광 다이오드(140)를 포함한다. 광 송수신기(100)는 도 4에서 예시적으로 도시한 다양한 구성요소들 중에서 일부 구성요소를 생략하거나 다른 구성요소를 추가로 포함할 수 있다. 도 5를 참조하면, 광 송수신기(100)는 반사체(150), 회전부(160), 포인트 조절부(112), 기준 각도 조절부(132), 이동 각도 조절부(134), 수직 주파수 조절부(136), 수평 주파수 조절부(162), 또는 이들의 조합을 추가로 포함할 수 있다.
광원(110)은 광을 출사하는 장치이며, 레이저 다이오드(Laser Diode, LD) 등으로 구현될 수 있다. 광원은 나노 초 단위의 레이저 펄스 신호를 발생시킬 수 있다. 레이저 신호는 기 설정된 파장 대역을 가질 수 있다. 광원(110)에는 기 설정된 샘플링 주기에 기반하여 광원이 출사하는 속도를 조절하여 단위시간당 획득하는 점군 데이터 수를 조절하는 포인트 조절부(112)가 연결될 수 있다. 예컨대, 포인트 조절부(112)는 초당 10K 포인트를 획득하도록 광원(110)의 출사 속도를 설정할 수 있다.
제1 거울(120)은 출사된 광을 통과시키는 홀을 포함한다. 즉, 반사면을 관통하는 홀이 형성되어 있다. 광 송수신기(100)는 제1 거울(120)을 통과하도록 광의 이동 경로를 형성함으로써, 광원(110)으로부터 제2 거울(130)까지 광의 직진 경로를 유지하면서 광 송수신기(100)의 크기를 최소화할 수 있다. 제1 거울(120)의 반사면은 광의 일부를 투과하는 투웨이 미러(Two Way Mirror) 또는 하프 미러(Half Mirror)와 같은 광학부품들은 일반적으로 감도를 낮추므로 채용하지 않고, 거울의 중앙 부위에 구멍을 내고 수 mm의 광이 통과시켜 제2 미러(130)로 광의 이동 경로를 형성한다.
제1 거울(120)은 곡면으로 형성되어 제1 거울(120)의 반사면에 반사된 광선이 모이는 초점을 갖는다. 제1 거울(120)의 반사면의 크기는 움직이는 제2 거울(130)의 각도에 따라 반사하는 광의 분포에 기반하여 적절한 크기를 갖는다. 제1 거울(120)은 파라볼릭 반사거울(렌즈와 거울을 하나로 구현한 형태)을 이용하여 집광 및 반사 기능을 수행한다. 즉, 제2 거울(130)을 통해서 다시 반사된 광을 모아서 반사체(150)로 보낸다.
제1 거울(120)의 곡면에 의한 초점에는 반사체(150)가 위치한다. 반사체(150)는 제1 거울(120)로부터 반사된 광을 수신하여 광 다이오드(140)로 광을 반사시킨다. 제1 거울(120)의 곡면에 의한 반사 광선들을 광 다이오드(140)가 직접 수신할 수도 있으나, 반사체(150)를 거치면 제1 거울(120)의 곡면에 의한 반사 광선들이 광 다이오드(140)에 수직 방향으로 이동할 수 있다. 즉, 반사 광선들은 광 다이오드(140)에 입사하기 전에, 평행한 직선 경로 또는 하나의 직선 경로를 형성할 수 있다. 광 다이오드(140)는 제1 거울(120)의 초점을 지나는 가상의 직선 경로 상에 위치한다.
제2 거울(130)는 제1 거울의 홀을 통과한 광을 대상체로 반사하고, 대상체로부터 반사된 광을 수신하여 제1 거울로 반사한다. 제2 거울(130)는 기 설정된 주기로 움직여서 제2 거울의 법선의 기울기를 변화시킨다. 제2 거울(130)은 이동성 거울이며, 휨 운동, 떨림 운동, 왕복 운동, 시소 운동, 회전 운동, 또는 이들의 조합으로 움직일 수 있다. 예컨대, 스윙 거울로 구현될 수 있다.
제2 거울(130)에는 제2 거울(130)이 설치된 각도를 조절하는 기준 각도 조절부(132)가 연결될 수 있다. 예컨대, 기준 각도 조절부(132)는 제2 거울(130)의 법선을 지면의 수평면을 기준으로 -55도로 설정하여, 제2 거울(130)이 45도로 경사지게 설정할 수 있다.
제2 거울(130)에는 제2 거울(130)이 움직이는 각도를 변화시키는 이동 각도 조절부(134)가 연결될 수 있다. 예컨대, 이동 각도 조절부(134)는 제2 거울(130)이 +/- 10도로 스윙하도록 설정할 수 있다.
제2 거울(130)에는 제2 거울(130)이 수직 방향으로 움직이는 주기를 변화시키는 수직 주파수 조절부(136)가 연결될 수 있다. 예컨대, 수직 주파수 조절부(136)는 제2 거울(130)이 200 Hz로 진동(Oscillation)하도록 설정할 수 있다.
광 다이오드(140)는 제2 거울(130) 또는 반사체 등으로부터 반사된 광을 수신하여 전기 신호로 변환하는 장치이다. 광 다이오드(140)는 광자 에너지의 빛이 다이오드를 타격하면 이동전자와 양의 전하 정공이 생겨 전자가 활동하는 원리가 적용될 수 있다. 광 다이오드(140)는 PN 접합 광 다이오드, PIN 광 다이오드, 애벌란시 광 다이오드(Avalanche Photo Diode, APD) 등으로 구현될 수 있다.
광 송수신기(100)는 움직이는 제2 거울(130)을 이용하여 광의 이동 경로 및 각도를 조절하여, 수직 시야각(Vertical Field of View)를 확보함으로써, 기존의 단일렌즈 및 광 다이오드 어레이(Photodiode Array)로 구현된 장치와는 달리 핀 포인트 측정이 가능하다.
광 송수신기(100)는 송신 광학부 및 수신 광학부를 포함할 수 있다. 송신 광학부 및 수신 광학부는 레이저 신호의 경로이고, 경통 구조로 형성될 수 있다. 광 송수신기(100)는 복수의 거울의 각도를 상이하게 설정하여 수평 방향과 지면 방향의 장애물을 동시에 검출할 수 있다. 송신 광학부 및 수신 광학부에 거울을 각각 연결하고, 송신 광학부 및 수신 광학부를 회전시켜 전방향으로 장애물을 검출할 수 있다. 예컨대, 스캔라인은 각각 45도와 60도로 설정될 수 있고, 2개 이상으로 구성될 수도 있다.
광 송수신기(100)는 회전부(160)를 포함할 수 있다. 광 송수신기(100)는 회전부(160)를 통하여 수평 스캐닝(Horizontal Scanning)을 수행한다. 회전부(160)는 광원(110), 제1 거울(120), 제2 거울(130), 및 광 다이오드(140)를 회전축을 기준으로 회전시킨다. 광원(110) 및 광 다이오드(140)는 지지대에 설치되며 지지대에 연결된 모터 등의 구동장치를 동작시킨다.
회전부(160)에는 회전부(160)가 회전하는 속도를 조절하는 수평 주파수 조절부(162)가 연결될 수 있다. 예컨대, 수평 주파수 조절부(162)는 회전부(160) 5 Hz로 회전(Rotation)하도록 설정할 수 있다.
도 6을 참조하면, 광원(110)으로부터 출사된 광은 ①부터 ⑥까지의 이동 경로를 형성할 수 있다.
① 광원(110)으로부터 출사된 광은 제1 거울(120)의 홀을 지나 제2 거울(130)로 직선 경로로 이동한다. 광원(110)에서 출사된 광은 시준기(Collimator)를 통하여 콜리메이팅될 수 있다. 시준기(Collimator)는 입사 광선을 평행하게 만든다.
② 움직이는 제2 거울(130)로부터 반사된 광은 제2 거울(130)의 각도에 따라 대상체(2)로 이동한다.
③ 대상체(2)로부터 반사된 광은 제2 거울(130)로 직선 경로로 이동한다.
④ 움직이는 제2 거울(130)로부터 반사된 광은 제1 거울(120)로 이동한다.
⑤ 제1 거울(120)에서 모인 광은 반사체(150)로 이동한다.
⑥ 반사체(150)로부터 반사된 광은 광 다이오드(140)로 직선 경로로 이동한다.
도 6에 도시된 바와 같이, 제1 거울의 홀, 제2 거울, 반사체, 광 다이오드를 배치하여 광의 이동 경로를 조절함으로써, 광원과 광 다이오드를 인접하게 위치시켜, 광 송수신기(100) 및 회전체의 크기를 최소화하고, 회전체(160)의 회전 반경을 최소화할 수 있다.
도 7 및 도 8은 광 송수신기의 이동성 거울의 이동 방식을 예시한 도면이다.
도 7을 참조하면, 이동성 거울인 제2 거울(130)은 자석 및 코일에 의한 전자기력을 이용하여 움직일 수 있다. 거울의 중앙부위에는 부드러운 힌지가 있고 양 끝단에는 영구자석이 위치한다. 반사면의 후면의 끝단(또는 끝단에 가까운 지점)에 코일을 위치시킨다. 코일에 주기적으로 방향을 달리하여 전류를 흘려주면 제2 거울은 흔들리게 된다. 여기에서 자석과 코일에 의해서 생기는 힘은 작기 때문에, 제2 거울(130) 또는 제2 거울(130)의 법선(135)이 높은 주파수로 움직이려면, 힌지가 부드럽게 움직일 수 있는 소재를 사용할 필요가 있다. 힌지의 장력(Tension)이 강할수록, 제2 거울(130)이 적은 힘으로도 움직일 수도 있지만 고주파의 움직임을 만들기 어렵다.
이동성 거울은 멤스(MEMS) 기술을 사용하거나 초음파 모터(Piezo Motor)를 사용할 수도 있고, 가성비를 고려하여 도 7과 같은 구조로 동작하는 것이 바람직하다.
도 7과 같은 구조는 수직 스캐닝 속도(Vertical Scanning Speed)가 낮을 수 있어, 다면체를 모터에 연결하여 회전하는 방식이 적용될 수도 있다. 도 8에서는 이동성 거울인 제2 거울(130)은 다각형 기둥으로 형성되어 회전축을 회전하며 움직일 수 있는 구조가 도시되어 있다. 광 송수신기는 제2 거울(130)의 회전 속도와 광원의 출사 속도의 관계를 조절하여 주기적인 시점마다 반사면의 법선의 기울기를 상이하게 조절할 수 있다.
거리 측정 장치(10)는 FPGA 등으로 구현된 제어부를 통해 제2 거울의 수직 스캐닝 움직임을 조절한다. 제어부는 주기적으로 +/- 시그널을 송신하여, 제2 거울을 스윙시킨다. 시그널이 주기파형이면, 주기적인 시점에 따라 거울의 각도가 일정하다. 필요에 따라서는 거울의 후면에 PSD 센서를 장착하여 각도를 측정할 수 있다.
거리 측정 장치(10)는 FPGA 등으로 구현된 제어부를 통해 수평 회전 움직임을 조절한다. 제어부는 회전부의 회전 속도를 제어하고 회전체 내부 또는 외부에 있는 엔코더를 통해서 회전 각도를 측정한다.
제2 거울의 수직 스캐닝 움직임을 조절하는 제어부 및 수평 회전 움직임을 조절하는 제어부는 각각 독립된 모듈로 구현될 수 있다.
거리 측정기(200)는 제2 거울의 수직 스캐닝 움직임을 조절하는 제어부로부터 수직 각도를 수신하고, 수평 회전 움직임을 조절하는 제어부로부터 수평 각도를 수신하여, 수직 각도와 수평 각도를 저장한다.
거리 측정 장치(10)는 광원에서 출사된 광을 광 다이오드에서 수신하여, 비행기간(ToF)을 산출한다. 거리 측정 장치(10)는 인터페이스를 통하여 호스트로 수직 각도, 수평 각도, 및 비행시간을 전달한다. 비행기간은 보정 또는 캘리브레이션될 수 있다. 거리 측정 장치(10)는 수직 각도, 수평 각도, 및 비행시간 중에서 적어도 하나에 대해 노이즈를 제거하는 필터링을 수행한 후 호스트로 데이터를 전송할 수 있다.
도 9 및 도 10은 거리 측정 장치가 획득한 3차원 정보를 예시한 도면이다. 도 9 및 도 10에 도시된 점군 데이터의 위치 단위는 미터이다.
도 6과 같은 구조를 갖는 광 송수신기를 이용하여 획득한 점군 데이터가 도 9에 도시되어 있다. (i) 이동성 거울의 법선을 지면의 수평면을 기준으로 -55도로 설정하여, 이동성 거울이 45도로 경사지게 설정하고, (ii) 회전부를 5 Hz로 회전하도록 설정하고, (iii) 이동성 거울을 +/- 10도 각도로 스윙하며 200 Hz로 진동하도록 설정하고, (iv) 초당 10K 포인트를 획득하도록 광원의 출사 속도 또는 거리 측정 장치의 샘플링 레이트를 설정하면, 거리 측정 장치는 도 9에 도시된 3차원의 점군 데이터를 획득할 수 있다.
바닥면을 함께 측정해야만 하는 어플리케이션은 도 10과 같은 점군 데이터를 획득할 수 있다. (i) 이동성 거울의 법선을 지면의 수평면을 기준으로 -55도로 설정하고, (ii) 회전부를 10 Hz로 회전하도록 설정하고, (iii) 이동성 거울을 +/- 10도 각도로 스윙하며 800 Hz로 진동하도록 설정하고, (iv) 초당 10K 포인트를 획득하도록 광원의 출사 속도 또는 거리 측정 장치의 샘플링 레이트를 설정하고, (v) 광 송수신기의 높이를 0.1 미터로 설정하면, 거리 측정 장치는 도 10에 도시된 3차원의 점군 데이터를 획득할 수 있다.
포인트 조절부(112), 기준 각도 조절부(132), 이동 각도 조절부(134), 수직 주파수 조절부(136), 및 수평 주파수 조절부(162)가 설정하는 수치는 구현되는 설계에 따라 적합한 수치가 사용될 수 있다.
거리 측정 장치 및 광 송수신기에 포함된 구성요소들이 도 3 내지 도 5에서는 분리되어 도시되어 있으나, 복수의 구성요소들은 상호 결합되어 적어도 하나의 모듈로 구현될 수 있다. 구성요소들은 장치 내부의 소프트웨어적인 모듈 또는 하드웨어적인 모듈을 연결하는 통신 경로에 연결되어 상호 간에 유기적으로 동작한다. 이러한 구성요소들은 하나 이상의 통신 버스 또는 신호선을 이용하여 통신한다.
거리 측정 장치 및 거리 측정기는 하드웨어, 펌웨어, 소프트웨어 또는 이들의 조합에 의해 로직회로 내에서 구현될 수 있고, 범용 또는 특정 목적 컴퓨터를 이용하여 구현될 수도 있다. 장치는 고정배선형(Hardwired) 기기, 필드 프로그램 가능한 게이트 어레이(Field Programmable Gate Array, FPGA), 주문형 반도체(Application Specific Integrated Circuit, ASIC) 등을 이용하여 구현될 수 있다. 또한, 장치는 하나 이상의 프로세서 및 컨트롤러를 포함한 시스템온칩(System on Chip, SoC)으로 구현될 수 있다.
거리 측정 장치 및 거리 측정기는 하드웨어적 요소가 마련된 컴퓨팅 디바이스에 소프트웨어, 하드웨어, 또는 이들의 조합하는 형태로 탑재될 수 있다. 컴퓨팅 디바이스는 각종 기기 또는 유무선 통신망과 통신을 수행하기 위한 통신 모뎀 등의 통신장치, 프로그램을 실행하기 위한 데이터를 저장하는 메모리, 프로그램을 실행하여 연산 및 명령하기 위한 마이크로프로세서 등을 전부 또는 일부 포함한 다양한 장치를 의미할 수 있다.
본 실시예들에 따른 동작은 다양한 컴퓨터 수단을 통하여 수행될 수 있는 프로그램 명령 형태로 구현되어 컴퓨터 판독 가능한 매체에 기록될 수 있다. 컴퓨터 판독 가능한 매체는 실행을 위해 프로세서에 명령어를 제공하는 데 참여한 임의의 매체를 나타낸다. 컴퓨터 판독 가능한 매체는 프로그램 명령, 데이터 파일, 데이터 구조 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다. 예를 들면, 자기 매체, 광기록 매체, 메모리 등이 있을 수 있다. 컴퓨터 프로그램은 네트워크로 연결된 컴퓨터 시스템 상에 분산되어 분산 방식으로 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드가 저장되고 실행될 수도 있다. 본 실시예를 구현하기 위한 기능적인(Functional) 프로그램, 코드, 및 코드 세그먼트들은 본 실시예가 속하는 기술분야의 프로그래머들에 의해 용이하게 추론될 수 있을 것이다.
본 실시예들은 본 실시예의 기술 사상을 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 실시예의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 실시예의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 실시예의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
1: 이동체 10: 거리 측정 장치
20: 이동 장치 100: 광 송수신기
110: 광원 120: 제1 거울
130: 제2 거울 140: 광 다이오드
150: 반사체 160: 회전부
200: 거리 측정기

Claims (16)

  1. 광을 출사하는 광원;
    상기 출사된 광을 통과시키는 홀을 포함하는 제1 거울;
    상기 제1 거울의 상기 홀을 통과한 광을 대상체로 반사하고, 상기 대상체로부터 반사된 광을 수신하여 상기 제1 거울로 반사하는 제2 거울; 및
    상기 제2 거울로부터 반사된 광을 수신하여 전기 신호로 변환하는 광 다이오드를 포함하는 광 송수신기.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 거울은 곡면으로 형성되어 상기 제1 거울의 반사면에 반사된 광선이 모이는 초점을 갖는 것을 특징으로 하는 광 송수신기.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 초점에 위치하며 상기 제1 거울로부터 반사된 광을 수신하여 상기 광 다이오드로 광을 반사시키는 반사체를 추가로 포함하는 광 송수신기.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제2 거울은 기 설정된 주기로 움직여서 상기 제2 거울의 법선의 기울기를 변화시키는 것을 특징으로 하는 광 송수신기.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 제2 거울은 휨 운동, 떨림 운동, 왕복 운동, 시소 운동, 회전 운동, 또는 이들의 조합으로 움직이는 것을 특징으로 하는 광 송수신기.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 제2 거울은 자석 및 코일에 의한 전자기력을 이용하여 움직이는 것을 특징으로 하는 광 송수신기.
  7. 제4항에 있어서,
    상기 제2 거울은 다각형 기둥으로 형성되어 회전하며 움직이는 것을 특징으로 하는 광 송수신기.
  8. 제4항에 있어서,
    상기 제2 거울이 설치된 각도를 조절하는 기준 각도 조절부를 추가로 포함하는 광 송수신기.
  9. 제4항에 있어서,
    상기 제2 거울이 움직이는 각도를 변화시키는 이동 각도 조절부를 추가로 포함하는 광 송수신기.
  10. 제4항에 있어서,
    상기 제2 거울이 수직 방향으로 움직이는 주기를 변화시키는 수직 주파수 조절부를 추가로 포함하는 광 송수신기.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 광원, 상기 제1 거울, 상기 제2 거울, 및 상기 광 다이오드를 회전축을 기준으로 회전시키는 회전부를 추가로 포함하는 광 송수신기.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 회전부가 회전하는 속도를 조절하는 수평 주파수 조절부를 추가로 포함하는 광 송수신기.
  13. 제1항에 있어서,
    기 설정된 샘플링 주기에 기반하여 상기 광원이 출사하는 속도를 조절하여 단위시간당 획득하는 점군 데이터 수를 조절하는 포인트 조절부를 추가로 포함하는 광 송수신기.
  14. 시작 제어 신호에 의해 대상체로 광을 출사하고 상기 대상체에 반사된 광을 수신하여 전기 신호로 변환하는 광 송수신기;
    상기 전기 신호를 변환하여 정지 제어 신호를 생성하고, 상기 시작 제어 신호 및 상기 정지 제어 신호의 시간차를 기반으로 비행시간을 산출하여 거리를 측정하는 거리 측정기를 포함하며,
    상기 광 송수신기는,
    광을 출사하는 광원;
    상기 출사된 광을 통과시키는 홀을 포함하며, 곡면으로 형성된 반사면에 반사된 광선이 모이는 초점을 갖는 제1 거울;
    상기 제1 거울의 상기 홀을 통과한 광을 상기 대상체로 반사하고, 상기 대상체로부터 반사된 광을 수신하여 상기 제1 거울로 반사하는 제2 거울;
    상기 제1 거울의 초점에 위치하며 상기 제1 거울로부터 반사된 광을 수신하여 반사시키는 반사체;
    상기 반사체로부터 반사된 광을 수신하여 전기 신호로 변환하는 광 다이오드; 및
    상기 광원, 상기 제1 거울, 상기 제2 거울, 상기 반사체, 및 상기 광 다이오드를 회전축을 기준으로 회전시키는 회전부를 포함하는 것을 특징으로 하는 거리 측정 장치.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 제2 거울은 기 설정된 주기로 움직여서 상기 제2 거울의 법선의 기울기를 변화시키는 것을 특징으로 하는 거리 측정 장치.
  16. 이동체에 있어서,
    상기 이동체 및 대상체 간의 비행시간을 산출하여 상기 대상체까지의 거리를 측정하는 거리 측정 장치; 및
    상기 대상체까지의 거리를 기반으로 상기 이동체를 이동하도록 구현된 이동 장치를 포함하며,
    상기 거리 측정 장치는,
    시작 제어 신호에 의해 대상체로 광을 출사하고 상기 대상체에 반사된 광을 수신하여 전기 신호로 변환하는 광 송수신기;
    상기 전기 신호를 변환하여 정지 제어 신호를 생성하고, 상기 시작 제어 신호 및 상기 정지 제어 신호의 시간차를 기반으로 비행시간을 산출하여 거리를 측정하는 거리 측정기를 포함하며,
    상기 광 송수신기는,
    광을 출사하는 광원;
    상기 출사된 광을 통과시키는 홀을 포함하며, 곡면으로 형성된 반사면에 반사된 광선이 모이는 초점을 갖는 제1 거울;
    상기 제1 거울의 상기 홀을 통과한 광을 상기 대상체로 반사하고, 상기 대상체로부터 반사된 광을 수신하여 상기 제1 거울로 반사하는 제2 거울;
    상기 제1 거울의 초점에 위치하며 상기 제1 거울로부터 반사된 광을 수신하여 반사시키는 반사체;
    상기 반사체로부터 반사된 광을 수신하여 전기 신호로 변환하는 광 다이오드; 및
    상기 광원, 상기 제1 거울, 상기 제2 거울, 상기 반사체, 및 상기 광 다이오드를 회전축을 기준으로 회전시키는 회전부를 포함하는 것을 특징으로 하는 이동체.
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2023167492A1 (ko) * 2022-03-03 2023-09-07 주식회사 라이드로 스캐너 어셈블리 모듈 및 라이다 장치

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US11391822B2 (en) * 2018-11-30 2022-07-19 Seagate Technology Llc Rotating pyramidal mirror

Citations (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH0915333A (ja) * 1995-06-30 1997-01-17 Nikon Corp 光レーダ装置
KR19990018442A (ko) * 1997-08-27 1999-03-15 윤종용 레이저 스캐닝 광학 시스템
KR19990018444A (ko) * 1997-08-27 1999-03-15 윤종용 스캐닝 광학 시스템
KR20000060805A (ko) * 1999-03-19 2000-10-16 장경영 레이저 거리 측정 장치
KR20010002922A (ko) * 1999-06-18 2001-01-15 서평원 고속 위상검출기를 이용한 디지털 위상동기루프
KR20020067032A (ko) * 1999-09-22 2002-08-21 카네스타, 인코포레이티드 Ｃｍｏｓ-호환형 3차원 이미지 센서 ｉｃ
KR20090019338A (ko) * 2007-08-20 2009-02-25 삼성전자주식회사 광학 센서
KR20100107164A (ko) * 2009-03-25 2010-10-05 삼성전기주식회사 거리 측정 장치
WO2015155812A1 (ja) * 2014-04-11 2015-10-15 パナソニックＩｐマネジメント株式会社 ミラー駆動装置、ビーム照射装置およびレーザレーダ
JP2017049097A (ja) * 2015-09-01 2017-03-09 株式会社デンソーウェーブ レーザレーダ装置
JP2017062398A (ja) * 2015-09-25 2017-03-30 株式会社豊田中央研究所 回転角検出装置及びレーザレーダ装置

Patent Citations (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH0915333A (ja) * 1995-06-30 1997-01-17 Nikon Corp 光レーダ装置
KR19990018442A (ko) * 1997-08-27 1999-03-15 윤종용 레이저 스캐닝 광학 시스템
KR19990018444A (ko) * 1997-08-27 1999-03-15 윤종용 스캐닝 광학 시스템
KR20000060805A (ko) * 1999-03-19 2000-10-16 장경영 레이저 거리 측정 장치
KR20010002922A (ko) * 1999-06-18 2001-01-15 서평원 고속 위상검출기를 이용한 디지털 위상동기루프
KR20020067032A (ko) * 1999-09-22 2002-08-21 카네스타, 인코포레이티드 Ｃｍｏｓ-호환형 3차원 이미지 센서 ｉｃ
KR20090019338A (ko) * 2007-08-20 2009-02-25 삼성전자주식회사 광학 센서
KR20100107164A (ko) * 2009-03-25 2010-10-05 삼성전기주식회사 거리 측정 장치
WO2015155812A1 (ja) * 2014-04-11 2015-10-15 パナソニックＩｐマネジメント株式会社 ミラー駆動装置、ビーム照射装置およびレーザレーダ
JP2017049097A (ja) * 2015-09-01 2017-03-09 株式会社デンソーウェーブ レーザレーダ装置
JP2017062398A (ja) * 2015-09-25 2017-03-30 株式会社豊田中央研究所 回転角検出装置及びレーザレーダ装置

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2023167492A1 (ko) * 2022-03-03 2023-09-07 주식회사 라이드로 스캐너 어셈블리 모듈 및 라이다 장치

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