KR20220106646A - 직접 tof 측정 기반 거리 센서를 위한 가변 펄스 생성기 - Google Patents

직접 tof 측정 기반 거리 센서를 위한 가변 펄스 생성기 Download PDF

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KR20220106646A
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최재혁
서형석
조기환
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삼성전자주식회사
성균관대학교산학협력단
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Abstract

라이다 장치 및 거리 측정 방법이 개시된다.
라이다 장치는 광을 송신하는 광 송신부와, 각각이 광 검출 요소를 포함하는 복수의 서브 수광영역을 구비하는 적어도 하나의 수광영역을 포함하며, 대상체에서 반사되는 광을 수신하는 광 수신부와, 광의 비행 시간을 계산하는 신호 처리부를 포함한다. 신호 처리부는, 광 수신부에서 광을 수신하여 생성된 검출 신호를 처리하며, 측정 조건에 따라 시간 분해능을 가변하여 광의 비행 시간을 계산하도록 마련된다.

Description

직접 TOF 측정 기반 거리 센서를 위한 가변 펄스 생성기{Adaptive pulse shaper for direct time-of-flight depth sensors}
라이다 장치 및 거리 측정 방법에 관한 것이다.
라이다(LiDAR; Light Detection and Ranging) 시스템은 다양한 분야, 예를 들어, 우주항공, 지질학, 3차원 지도, 자동차, 로봇, 드론 등에 응용되고 있다.
라이다 시스템은 기본 동작 원리로 광의 왕복 비행시간 측정법(Time Of Flight, 이하 TOF라 한다)을 이용한다. 즉, 광원을 이용하여 대상체를 향해 광을 송신하고 다시 센서에서 이를 수신하며, 고속 전기회로를 이용하여 광의 비행 시간을 계측한다. 라이다 장치는 광의 비행 시간으로부터 대상체까지의 거리를 계산하고, 대상체의 각 위치 별로 계산된 거리를 이용하여 대상체에 대한 깊이 영상을 생성할 수 있다.
이러한 광의 비행 시간(ToF)은 히스토그램(histogram)의 통계적 분석을 통해 계산될 수 있다. 즉, 일정한 펄스 폭을 가지는 레이저 광을 송출하고, 펄스폭과 같거나 작은 타임-윈도우를 이용하여 여러 번의 측정 싸이클을 이용하여 얻어진 정보를 이용하여 히스토그램의 통계적 분석을 하여 광의 비행 시간을 계산할 수 있다.
그런데, 정확도를 확보하기 위해서는 히스토그램 횟수를 크게 높여야 하며, 또한, 태양광이 많은 외부 환경이나 원거리에 있는 대상체에서 반사되는 반사 신호는 방출한 레이저 펄스 폭보다 작기 때문에, 근거리와 동일한 펄스 폭을 적용하면, 광의 비행 시간에 측정 오차가 발생할 수 있다.
측정 오차를 줄여 광의 비행 시간의 측정 정확도를 향상하고 히스토그램 횟수를 줄여 시스템의 동작 속도를 향상시킬 수 있는 라이다 장치 및 거리 측정 방법을 제공한다.
일 유형에 따른 라이다 장치는, 광을 송신하는 광 송신부와; 각각이 광 검출 요소를 포함하는 복수의 서브 수광영역을 구비하는 적어도 하나의 수광영역을 포함하며, 대상체에서 반사되는 광을 수신하는 광 수신부와; 상기 광 수신부에서 광을 수신하여 생성된 검출 신호를 처리하며, 측정 조건에 따라 시간 분해능을 가변하여 광의 비행 시간을 계산하는 신호 처리부;를 포함한다.
상기 측정 조건은 대상체까지의 거리 및 사용 환경의 조도 중 적어도 어느 하나일 수 있다.
상기 신호 처리부는, 대상체까지의 거리가 멀거나 사용 환경의 조도가 클 때 제1시간 빈, 대상체까지의 거리가 가깝거나 사용 환경의 조도가 작을 때 상기 제1시간 빈보다 큰 제2시간 빈을 적용하도록 시간 분해능을 가변할 수 있다.
상기 신호 처리부는, 상기 대상체까지의 거리에 따른 시간 분해능 가변은 상기 광 송신시 발생하는 시작 신호에 대해, 상기 광 수신시 발생하는 정지 신호의 시간 지연 정도에 따라 이루어질 수 있다.
상기 광 검출 요소는 싱글 포톤 애벌런치 다이오드를 포함할 수 있다.
상기 신호 처리부는, 상기 광 수신부에서 광을 수신하여 생성된 검출 신호에 대해 폭을 가지는 펄스 신호를 생성하는 펄스 생성기;를 포함하며, 상기 펄스 생성기는, 상기 광 수신부의 복수의 서브 수광영역의 각 광 검출 요소에 의해 생성된 전기 신호를 기준 전압과 비교하여 펄스 신호를 생성하는 비교기와; 상기 비교기에서 출력되는 펄스 신호의 지연을 선택적으로 조절하여 펄스 폭을 가변함으로써 시간 분해능을 가변하는 펄스 성형기;를 포함할 수 있다.
상기 펄스 성형기는 펄스 신호와 지연된 펄스 신호의 논리곱에 의해 펄스 폭을 가변하도록 마련될 수 있다.
상기 펄스 성형기는, 딜레이 신호(Vdelay)에 따라 펄스 신호의 지연을 조절하는 딜레이부와; 펄스 신호와 지연된 펄스 신호의 논리곱을 구하는 게이트 소자;를 포함하며, 상기 딜레이 신호(Vdelay)를 조절하여, 게이트 소자에서 출력되는 펄스의 폭을 가변할 수 있다.
상기 딜레이 신호(Vdelay)는 대상체까지의 거리가 멀거나 사용 환경의 조도가 클 때 제1시간 빈(time bin)을 적용하도록 펄스 폭이 가변되고, 대상체까지의 거리가 가깝거나 사용 환경의 조도가 작을 때 제1시간 빈보다 큰 제2시간 빈을 적용하도록 펄스 폭이 가변되어 시간 분해능을 가변하도록 조절될 수 있다.
상기 딜레이부는, 제1 및 제2인버터와; 상기 제1 및 제2인버터 사이에서 분기되도록 연결되는 제1트랜지스터와; 상기 제1트랜지스터와 게이트 소자 사이에서 분기되도록 연결되는 제2트랜지스터와; 상기 제1 및 제2트랜지스터 각각과 직렬로 연결되는 제1 및 제2커패시터;를 포함하며, 상기 딜레이 신호(Vdelay)는 상기 제1 및 제2트랜지스터에 입력되며, 상기 딜레이부는, 상기 딜레이 신호(Vdelay)에 따라 상기 제1 및 제2인버터의 출력 커패시턴스를 조절하여 펄스 신호의 딜레이를 조절할 수 있다.
상기 제1 및 제2트랜지스터는 NMOS 트랜지스터를 포함할 수 있다.
상기 딜레이 신호(Vdelay)은 램프 신호로 입력될 수 있다.
상기 딜레이 신호(Vdelay)는 0.6 ~ 1.5V의 범위일 수 있다.
상기 펄스 폭은 2~4 ns로 조절될 수 있다.
일 유형에 따른 거리 측정 방법은, 대상체에 광을 조사하는 단계; 상기 대상체에서 반사된 광을 각각이 광 검출 요소를 포함하는 복수의 서브 수광영역을 구비하는 적어도 하나의 수광영역을 포함하는 광 수신부로 수신하는 단계; 상기 광 수신부에서 광을 수신하여 생성된 검출 신호를 처리하며, 측정 조건에 따라 시간 분해능을 가변하여 광의 비행 시간을 계산하는 단계;를 포함한다.
상기 측정 조건은 대상체까지의 거리 및 사용 환경의 조도 중 적어도 어느 하나일 수 있다.
상기 시간 분해능은, 대상체까지의 거리가 멀거나 사용 환경의 조도가 클 때 제1시간 빈, 대상체까지의 거리가 가깝거나 사용 환경의 조도가 작을 때 상기 제1시간 빈보다 큰 제2시간 빈을 적용하도록 가변될 수 있다.
상기 시간 분해능 가변은, 상기 광 수신부의 복수의 서브 수광영역의 각 광 검출 요소에 의해 생성된 전기 신호를 기준 전압과 비교하여 펄스 신호를 생성하고, 펄스 신호의 지연을 선택적으로 조절하여 펄스 폭을 가변함으로써 얻어질 수 있다.
실시예에 따른 라이다 장치 및 거리 측정 방법에 따르면, 가변하는 시간 분해능을 적용함으로써, 측정 오차를 줄여서 비행 시간(ToF) 측정의 정확도를 향상할 수 있으며, 신호 대 잡음비가 향상되어 신호 감지 특성이 향상될 수 있으며, 이에 따라 감지 거리가 증대될 수 있다.
도 1은 실시예에 따른 라이다 장치에서, 시간 분해능(Time-Window)을 가변하는 방식을 예시적으로 보여준다.
도 2는 실시예에 따른 라이다 장치의 구성을 개략적으로 보인 블록도이다.
도 3은 도 2의 광 수신부의 일 수광영역을 형성하는 복수의 서브 수광영역의 2차원 배열을 예시적으로 보여준다.
도 4는 실시예에 따른 라이다 장치의 신호 처리부의 주요 구성을 개략적으로 보여준다.
도 5는 실시예에 따른 라이다 장치의 신호 처리부의 펄스 생성기를 예시적으로 보여준다.
도 6은 일 광 검출 요소(SPAD)에 의해 생성된 검출 신호를 처리하기 위한 도 5의 펄스 생성기의 주요 구성을 개략적으로 보여준다.
도 7은 도 5의 펄스 생성기의 펄스 성형기의 회로 구성을 예시적으로 보여준다.
도 8은 광 수신부의 각 픽셀이 16개의 서브 픽셀을 포함하는 경우, 도 5의 펄스 생성기의 가중치 논리 회로부의 일예를 보여준다.
도 9는 실시예에 따른 라이다 장치에서, 펄스 생성기의 각 단계에서의 신호 변화를 예시적으로 보여준다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 예시적인 실시예들에 대해 상세히 설명한다. 이하의 도면들에서 동일한 참조부호는 동일한 구성요소를 지칭하며, 도면상에서 각 구성요소의 크기는 설명의 명료성과 편의상 과장되어 있을 수 있다. 이하에서 설명되는 실시예들은 단지 예시적인 것으로, 이러한 실시예들로부터 다양한 변형이 가능하다.
이하에서, "상부" 나 "상"이라고 기재된 것은 접촉하여 바로 위에 있는 것뿐만 아니라 비접촉으로 위에 있는 것도 포함할 수 있다. 제 1, 제 2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 이러한 용어들은 구성 요소들의 물질 또는 구조가 다름을 한정하는 것이 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 또한 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다. “상기”의 용어 및 이와 유사한 지시 용어의 사용은 단수 및 복수 모두에 해당하는 것일 수 있다.
방법을 구성하는 단계들에 대하여 명백하게 순서를 기재하거나 반하는 기재가 없다면, 이러한 단계들은 적당한 순서로 행해질 수 있으며, 반드시 기재된 순서에 한정되는 것은 아니다.
또한, "...부", "모듈" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어 또는 소프트웨어로 구현되거나 하드웨어와 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.
도면에 도시된 구성 요소들 간의 선들의 연결 또는 연결 부재들은 기능적인 연결 및/또는 물리적 또는 회로적 연결들을 예시적으로 나타낸 것으로서, 실제 장치에서는 대체 가능하거나 추가의 다양한 기능적인 연결, 물리적인 연결, 또는 회로 연결들로서 나타내어질 수 있다.
모든 예들 또는 예시적인 용어의 사용은 단순히 기술적 사상을 상세히 설명하기 위한 것으로서 청구범위에 의해 한정되지 않는 이상 이런 예들 또는 예시적인 용어로 인해 범위가 한정되는 것은 아니다.
실시예에 따른 라이다 장치는 시간 분해능(Time-Window)에 입사하는 포톤의 양을 히스토그램(Histogram) 방식으로 중첩하여 포톤 세기(Photon internsity) 정보를 얻어 대상체까지의 시간 정보를 이용하여 거리를 계산한다.
이때, 사용 환경의 조도나 검출 신호의 시간 지연에 따라 시간 분해능(time window)을 가변할 수 있다.
예를 들어, 사용 환경의 조도가 큰 경우, 예컨대, 태양광이 많은 외부 환경 이나, 원거리에 있는 대상체에서 반사되는 반사 신호가 기준 전압 이상을 나타내는 펄스 폭은 광 송신부에서 출력되는 광의 펄스 폭보다 작기 때문에, 근거리와 동일한 펄스 폭을 적용하는 경우, 비행 시간(ToF)의 측정 오차가 증가할 수 있다.
실시예에 따른 라이다 장치는, 대상체까지의 거리가 멀어 검출 신호의 시간 지연이 크거나 사용 환경의 조도가 클 때, 상대적으로 작은 제1시간 빈의 시간 분해능을 적용하며, 대상체까지의 거리가 가까워 검출 신호의 시간 지연이 작거나 사용 환경의 조도가 작을 때 상대적으로 큰 제2시간 빈의 시간 분해능을 적용하여 광의 비행 시간을 계산할 수 있다. 이때, 제1시간 빈 및 제2시간 빈은 라이다 장치의 광 송신부에서 출력되는 펄스 광의 펄스 폭보다 작은 폭에 해당할 수 있다.
이러한 실시예에 따른 라이다 장치에 따르면, 공간적 또는 시간적으로 가변하는 시간 분해능을 적용하여, 검출 신호의 시간 지연과 조도에 따라 가변하는 펄스 폭(시간 빈)을 가지는 히스토그램 방식으로 광의 비행 시간(ToF)을 측정하므로, 측정 오차를 줄여서 비행 시간(ToF) 측정의 정확도를 향상할 수 있으며, 한번의 계측 시간 동안 시간 분해능의 가변이 이루어지므로, 히스토그램 정보를 얻기 위한 계측 횟수를 줄일 수 있어, 라이다 장치의 동작 속도를 향상시킬 수 있다.
이와 같이, 실시예에 따른 라이다 장치에 따르면, 사용 환경의 조도나 검출 신호의 시간 지연에 따라 시간 분해능(time window)을 가변하면서, 대상체까지의 시간 정보를 이용하여 거리를 계산하므로, 향상된 정확도로 광의 비행 시간 정보를 얻을 수 있다. 이때, 시간 분해능을 가변하면서 광의 비행 시간을 계측하는 과정은, 시간적인 방식과 공간적인 방식으로 이루어질 수 있다.
도 1은 실시예에 따른 라이다 장치에서, 시간 분해능(Time-Window)을 가변하는 방식을 예시적으로 보여준다.
도 1을 참조하면, 일정한 펄스폭(Pulse Width) 예컨대, 5ns의 펄스폭을 가지는 펄스 광을 라이다 장치의 광 송신부로부터 출력(Output)하고, 대상체(OBJ)로부터 반사되어 펄스 광 형태로 입력(Input)되는 광을 라이다 장치의 광 수신부에서 검출할 때, 한번의 계측 시간(a measurement cycle) 동안에도 시간 지연에 따라 시간 분해능(Time-Window)을 가변할 수 있다. 이때, 시간 분해능은 광 송신시의 펄스폭보다 같거나 작을 수 있다. 도 1에서는 비행 시간 측정을 위해, 5ns의 펄스폭을 가지는 펄스 광을 이용할 때, 시간 지연에 따라 시간 분해능을 약 1.5ns~ 5ns 범위 내에서 가변하는 예를 보여준다.
이와 같이, 실시예에 따른 라이다 장치에 따르면, 시간 지연에 따라 시간 분해능을 가변하면서 여러 번의 계측 시간(M:1 ~M:n) 동안, 대상체(OBJ)로부터 반사된 광을 검출하고 신호 처리하여 히스토그램을 얻을 수 있다. 또한, 이와 같이 얻어진 히스토그램을 이용하여 광의 비행 시간(ToF)을 계산할 수 있다. 도 1의 우 하단의 히스토그램 그래프에서, 'Start'는 광 송신시 시작 신호의 시작점을 나타낸다. 광의 비행 시간(ToF)은 광 송신시 시작 신호를 기준으로 계측될 수 있다.
실시예에 따른 라이다 장치에 따르면, 시간 분해능을 가변하면서 여러 번의 계측을 수행하면서 얻어진 히스토그램에 의해, 향상된 정확도로 광의 비행 시간 정보를 얻을 수 있다. 이때, 시간 분해능을 가변하면서 광의 비행 시간을 계측하는 과정은, 시간적인 방식과 공간적인 방식으로 이루어질 수 있다.
예를 들어, 사용 환경의 조도가 큰 경우, 예컨대, 태양광이 많은 외부 환경 이나, 원거리에 있는 대상체에서 반사되는 반사 신호가 기준 전압 이상을 나타내는 펄스 폭은 광 송신부에서 출력되는 광의 펄스 폭보다 작기 때문에, 근거리와 동일한 펄스 폭을 적용하는 경우, 비행 시간(ToF)의 측정 오차가 증가할 수 있다.
반면에, 실시예에 따른 라이다 장치에 따르면, 공간적 또는 시간적으로 가변하는 시간 분해능을 적용하므로, 측정 오차를 줄여서 비행 시간(ToF) 측정의 정확도를 향상할 수 있으며, 한번의 계측 시간 동안 시간 분해능의 가변이 이루어지므로, 히스토그램 정보를 얻기 위한 계측 횟수를 줄일 수 있어, 라이다 장치의 동작 속도를 향상시킬 수 있다.
도 2는 실시예에 따른 라이다 장치(100)의 구성을 개략적으로 보인 블록도이다. 도 3은 도 2의 광 수신부의 일 수광영역(125)을 형성하는 복수의 서브 수광영역의 2차원 배열을 예시적으로 보여준다.
도 2 및 도 3을 참조하면, 라이다 장치(100)는 광을 송신하는 광 송신부(110), 대상체에서 반사되는 광을 수신하여 전기 신호를 생성하는 광 수신부(120), 광 수신부(120)에 의해 광을 검출함으로써 생성된 전기 신호를 처리하여 광의 비행 시간을 계산하는 신호처리부(130)를 포함할 수 있다. 라이다 장치(100)는 제어부(140)를 더 구비할 수 있다. 라이다 장치(100)에는 도 2에 도시된 구성요소들 외에 다른 구성요소들이 더 포함될 수 있다.
광 송신부(110)는 적어도 하나의 발광소자(111)를 포함할 수 있다. 또한, 광 송신부(110)는 발광소자(111)를 구동하기 위한 구동부(115)를 더 포함할 수 있다. 광송신부(110)의 발광소자(111)는 대상체의 위치, 형상 분석에 사용할 광을 출사할 수 있다. 광 송신부(110)의 발광소자(111)는 대상체의 위치, 형상 분석에 적합한 파장 대역의 광을 출사할 수 있다. 예를 들어, 발광소자(111)는 적외선 영역의 광을 출사할 수 있다. 적외선 영역의 광을 이용할 경우 가시광 영역의 자연광과 혼합되는 것이 방지될 수 있다. 다만, 이에 반드시 제한되는 것은 아니며, 광 송신부(110)의 발광소자(111)는 다양한 파장 대역의 광을 조사하는 발광소자를 포함할 수 있다.
광 송신부(110)의 발광소자(111)는 레이저 다이오드(laser diode: LD), 측면 발광 레이저(Edge emitting laser), 수직 공진형 표면 발광 레이저(Vertical-cavity surface emitting laser; VCSEL), 분포궤환형 레이저(Distributed feedback laser), 발광 다이오드(light emitting diode: LED), 슈퍼 발광 다이오드 (super luminescent diode SLD) 등을 포함할 수 있다.
광 송신부(110)는 발광소자(111)로부터 펄스광 또는 연속광을 대상체(OBJ)를 향해 조사할 수 있다. 또한, 광 송신부(110)는 대상체(OBJ)를 향해 광을 복수 회 송신할 수 있다.
이와 같이, 광 송신부(110)는 발광소자(111) 및 구동부(115)를 포함할 수 있으며, 구동부(115)의 구동에 따라 발광소자(111)에서 광을 출사하여 대상체(OBJ)를 향해 조사할 수 있다. 예를 들어, 광 송신부(110)는 발광소자(111)에서 출사되는 광의 조사 방향 또는 조사 각도를 설정할 수 있다. 또한, 광 송신부(110)는 발광소자(111)에서 출사되는 광의 송신 횟수 등을 설정할 수 있다.
한편, 광 송신부(110)는 하나의 발광소자 또는 복수의 발광소자를 포함할 수 있다. 또한, 광 송신부(110)는 발광소자(111)로부터 출사되는 광의 진행 경로를 변경시키는 소정의 구성을 더 포함할 수 있다. 또한, 광 송신부(110)는 대상체(OBJ)의 소정 영역을 스캐닝하도록 마련될 수 있다.
광 수신부(120)는 대상체(OBJ)를 향해 조사된 광의 반사광을 수신할 수 있다. 이를 위하여 광 수신부(120)는 적어도 하나의 수광영역(125)을 포함할 수 있으며, 적어도 하나의 수광영역(125)은 각각이 광 검출 요소를 포함하는 복수의 서브 수광영역을 구비할 수 있다. 예를 들어, 광 수신부(120)는 복수의 픽셀(PX1, PX2, PX3, … PXn)로 구획된 복수의 수광영역 어레이(121)를 포함할 수 있다. 복수의 픽셀(PX1, PX2, PX3, … PXn) 각각에는 복수의 서브 픽셀(서브 수광영역)을 구성하도록 복수의 광 검출 요소가 배치될 수 있다.
복수의 수광영역 어레이(121)는 2차원 배열을 가질 수 있다. 즉, 광 수신부(120)의 복수의 수광영역 어레이(121)는 복수의 픽셀(PX1, PX2, PX3, … PXn)이 2차원으로 배열된 구조로 이루어질 수 있다. 또한, 각 픽셀에는 복수의 서브 수광영역 즉, 복수의 서브 픽셀이 2차원으로 배열될 수 있으며, 각 서브 수광영역(서브 픽셀)에 광 검출 요소가 배치될 수 있다. 이에 따라, 광 수신부(120)는 2차원으로 배열된 복수의 수광영역(픽셀)을 포함할 수 있으며, 각 수광영역(픽셀)에는 복수의 서브 수광영역(서브 픽셀)을 형성하도록 복수의 광 검출 요소가 2차원으로 배열될 수 있다.
예를 들어, 광 수신부(120)의 각 수광영역(125)은 도 3에 예시적으로 보인 바와 같이, 복수의 서브 수광영역(SA1~SA16)을 구비할 수 있다. 수광영역(125)은 하나의 픽셀에 대응될 수 있으며, 수광영역(125)을 복수의 서브 수광영역(SA1~SA16)으로 구획하는 것은, 하나의 픽셀을 복수의 서브 픽셀로 구획하는 것과 같다. 복수의 서브 수광영역(SA1~SA16) 각각에는 광 검출 요소가 배열될 수 있다. 도 3에서는 하나의 수광영역(125)이 16개의 서브 수광영역(SA1~SA16)으로 이루어지는 경우를 예시적으로 보여주는데, 실시예가 이에 한정되는 것은 아니다. 광 수신부(120)는 적어도 하나의 수광영역(125)을 포함하며, 수광영역(125)은 n x m 배열된 복수의 서브 수광영역을 포함할 수 있다. 이때, n, m은 각각 2 이상의 자연수이다. 예를 들어, 각 수광영역은 2차원으로 배열된 4개, 9개, 16개, 25개의 서브 수광영역을 포함할 수 있다.
광 수신부(120)의 복수의 광 검출 요소들은 광을 검출할 수 있는 센서로서, 예를 들어, 광 에너지에 의해 전기 신호를 발생시키는 수광 소자일 수 있다.
본 실시예에 따른 광 수신부(120)에 있어서, 적어도 하나의 수광영역(125)의 복수의 서브 수광영역에 마련되는 광 검출 요소는 예를 들어, 센싱 감도가 높은 싱글 포톤 애벌런치 다이오드(Single Photon Avalanche Diode: SPAD)일 수 있다.
예를 들어, 광 수신부(120)의 적어도 하나의 수광영역(125)을 이루는 복수의 서브 수광영역에는 각각 광 검출 요소가 구비되며, 이때, 서브 수광영역의 광 검출 요소는 싱글 포톤 애벌런치 다이오드(SPADs)일 수 있다.
광 송신부(110)에서 출사되어 대상체(OBJ)로 향하고, 대상체(OBJ)에 의해 반사된 광은 광 수신부(120)의 수광영역(125)의 적어도 일부 서브 수광영역에서 검출될 수 있다. 대상체(OBJ)에 의해 반사된 광은 수광영역(125)의 복수의 서브 수광영역 전체에 걸쳐 검출될 수도 있다.
한편, 광 수신부(120)는 대상체(OBJ)를 향해 조사된 광의 반사광을 소정 픽셀에 모으기 위한 광학 요소를 더 포함할 수 있다.
광 수신부(120)는 반사광을 수신한 경우, 반사광을 정지 신호로 변환할 수 있다. 정지 신호는 광 송신부(110)에서 광 송신시 발생하는 시작 신호와 함께 광의 비행 시간(Time of Flight: ToF) 연산에 사용될 수 있다.
한편, 광 수신부(120)는 적어도 하나의 수광영역(125)의 복수의 서브 수광영역에 각각 마련된 광 검출 요소와 일대일로 대응되게 전류-전압 신호 변환기, 밴드 패스 필터 등을 포함하는 회로를 포함할 수 있다. 전류-전압 신호 변환기는 광 검출 요소에서 광을 수신하여 생성되는 전류 신호를 전압 신호로 변환한다. 밴드 패스 필터는 광 송신부(110)에서 출사된 광에 대한 검출 신호는 통과시키면서, 외광에 의한 오프셋 노이즈는 제거하도록 마련될 수 있다. 밴드 패스 필터는 예를 들어, 고주파 필터(HPF)를 포함할 수 있다. 광 수신부(120)의 회로는 광 검출 요소와 일대일로 대응되게 증폭기 등을 더 포함할 수도 있다. 증폭기는 밴드 패스 필터와 일체화되거나, 별도로 마련될 수 있다.
광 수신부(120)에 전류-전압 신호 변환기 등의 회로를 구비함으로써, 광 수신부(120)에서 광을 검출하여 생성된 전기 신호 즉, 검출 신호는 전압 신호로서 광 수신부(120)로부터 출력될 수 있다. 이때, 광 수신부(120)에서 출력되는 검출 신호는 아날로그 신호일 수 있다.
한편, 광 검출 요소가 싱글 포톤 애벌런치 다이오드(이하, SPAD)를 포함하는 경우, 센싱 감도가 높은 반면 노이즈 역시 증가될 수 있다. 이에 따라 SPAD를 이용하여 신뢰성 있는 광의 비행 시간을 연산하기 위해서는, 대상체(OBJ)를 향해 여러 번 광을 조사하고, 대상체(OBJ)로부터 반사된 광의 검출신호들의 히스토그램(histogram)을 시간 분해능(time window)를 적용하여 생성한 후, 히스토그램을 통계적으로 분석하는 과정을 사용한다.
이를 위해, 실시예에 따른 라이다 장치에 따르면, 신호 처리부(130)는 복수의 서브 수광영역의 각 광 검출 요소에 의해 광을 검출하여 생성된 검출 신호를 처리하며, 측정 조건에 따라 시간 분해능을 가변하여 광의 비행 시간을 계산하도록 마련될 수 있다. 이때, 측정 조건은 대상체까지의 거리 및 사용 환경의 조도 중 적어도 어느 하나일 수 있다. 대상체까지의 거리는 대상체(OBJ)로부터 반사되어 광 수신부(120)에 수신되는 광 검출 신호의 시간 지연으로 표현될 수 있다.
예를 들어, 신호 처리부(130)는, 대상체까지의 거리가 멀거나 사용 환경의 조도가 클 때 제1시간 빈(time bin), 대상체까지의 거리가 가깝거나 사용 환경의 조도가 작을 때 상기 제1시간 빈보다 큰 제2시간 빈(time bin)을 적용하도록 시간 분해능을 가변할 수 있다. 이때, 대상체까지의 거리에 따른 시간 분해능 가변은 광 송신시 발생하는 시작 신호에 대해, 광 수신시 발생하는 정지 신호의 시간 지연 정도에 따라 이루어질 수 있다.
따라서, 신호 처리부(130)는, 사용 환경의 조도나 검출 신호의 시간 지연에 따라 시간 분해능(Time-Window)을 가변할 수 있으며, 대상체(OBJ)까지의 거리가 멀어 검출 신호의 시간 지연이 크거나 사용 환경의 조도가 클 때, 상대적으로 작은 제1시간 빈(time bin)의 시간 분해능을 적용하며, 대상체까지의 거리가 가까워 검출 신호의 시간 지연이 작거나 사용 환경의 조도가 작을 때 상대적으로 큰 제2시간 빈의 시간 분해능을 적용하여 광의 비행 시간을 계산할 수 있다. 이때, 제1시간 빈 및 제2시간 빈은 광 송신부(110)에서 출력되는 펄스 광의 펄스 폭보다 작은 폭에 해당할 수 있다.
예를 들어, 광 송신부(110)로부터 예컨대, 약 5ns의 펄스폭을 가지는 펄스 광을 출력(Output)하고, 대상체(OBJ)로부터 반사되어 펄스 광 형태로 입력(Input)되는 광을 광 수신부(120)에서 검출할 때, 한번의 계측 시간(a measurement cycle) 동안에도 시간 지연에 따라 시간 분해능(Time-Window)을 가변할 수 있다. 이때, 시간 분해능은 광 송신시의 펄스폭보다 같거나 작을 수 있다. 예를 들어, 비행 시간 측정을 위해, 5ns의 펄스폭을 가지는 펄스 광을 이용할 때, 시간 지연에 따라 시간 분해능을 약 1.5ns~ 5ns 범위 내에서 가변할 수 있다.
이와 같이, 실시예에 따른 라이다 장치(100)에 따르면, 시간 지연에 따라 시간 분해능을 가변하면서 여러 번의 계측 시간 동안, 대상체(OBJ)로부터 반사된 광을 검출하고 신호 처리부(130)에서 신호 처리하여 히스토그램을 얻을 수 있다. 또한, 이와 같이 얻어진 히스토그램을 이용하여 신호 처리부(130)에서 광의 비행 시간(ToF)을 계산할 수 있다. 이때, 광의 비행 시간(ToF)은 광 송신시 시작 신호를 기준으로 계측될 수 있다.
실시예에 따른 라이다 장치(100)에 따르면, 시간 분해능을 가변하면서 여러 번의 계측을 수행하면서 얻어진 히스토그램에 의해, 향상된 정확도로 광의 비행 시간 정보를 얻을 수 있다. 이때, 시간 분해능을 가변하면서 광의 비행 시간을 계측하는 과정은, 시간적인 방식과 공간적인 방식으로 이루어질 수 있다.
예를 들어, 사용 환경의 조도가 큰 경우, 예컨대, 태양광이 많은 외부 환경 이나, 원거리에 있는 대상체에서 반사되는 반사 신호가 기준 전압 이상을 나타내는 펄스 폭은 광 송신부(110)에서 출력되는 광의 펄스 폭보다 작기 때문에, 근거리와 동일한 펄스 폭을 적용하는 경우, 비행 시간(ToF)의 측정 오차가 증가할 수 있다.
반면에, 실시예에 따른 라이다 장치(100)에 따르면, 공간적 또는 시간적으로 가변하는 시간 분해능을 적용하므로, 측정 오차를 줄여서 비행 시간(ToF) 측정의 정확도를 향상할 수 있으며, 한번의 계측 시간 동안 시간 분해능의 가변이 이루어지므로, 히스토그램 정보를 얻기 위한 계측 횟수를 줄일 수 있어, 라이다 장치(100)의 동작 속도를 향상시킬 수 있다.
도 4는 실시예에 따른 라이다 장치(100)의 신호 처리부(130)의 주요 구성을 개략적으로 보여준다.
도 4를 참조하면, 신호 처리부(130)는, 펄스 생성기(pulse generator:150)와 타임-디지털 변환기(Time to Digital Converter(TDC): 190)를 포함할 수 있다. 이외에도 신호 처리부(130)는, 공간적 또는 시간적으로 가변하는 시간 분해능을 적용하면서 히스토그램 방식으로 광의 비행 시간(ToF)을 측정하기 위한 추가적인 구성을 더 포함할 수 있다.
펄스 생성기(150)는, 광 수신부(120)에서 광을 수신하여 생성된 검출 신호에 대해 폭을 가지는 펄스 신호를 생성할 수 있다. 펄스 생성기(150)는 예를 들어, 공간적으로 가변하는 시간 분해능을 적용하여 펄스 신호를 생성하도록 마련될 수 있다.
타임-디지털 변환기(190)는, 펄스 생성기(150)에서 생성된 펄스 신호를 이용하여 히스토그램을 생성하여, 광 송신부(110)에 의한 광 조사 시점에 생성된 시작 신호에 대해 클락 신호(clock signal)가 몇 주기 생성되었는지를 계산하여, 광의 비행 시간을 측정할 수 있다. 시작 신호는 광의 비행 시간(Time of Flight: ToF) 연산을 위해 사용될 수 있다.
도 5는 신호 처리부(130)의 펄스 생성기(150)를 예시적으로 보여준다. 도 5에서는 공간적으로 시간 분해능을 가변하는 방식으로 우연 감지(Coincidence detection) 방식을 적용하여, 하나의 픽셀이 복수의 서브 픽셀로 구성되고, 입사하는 포톤에 의해 반응하는(firing)하는 서브 픽셀의 수에 따라 신호의 유무를 판단하는 방식을 예시적으로 보여준다. 도 6은 일 광 검출 요소(SPAD)에 의해 생성된 검출 신호를 처리하기 위한 도 5의 펄스 생성기(150)의 주요 구성을 개략적으로 보여준다.
도 5를 참조하면, 펄스 생성기(130)는 광 수신부(120)의 광 검출 요소 예컨대, 싱글 포톤 애벌런치 다이오드(SPAD)의 소멸(Quenching) 속도와 무관하게 발생 시점에 일정 폭의 펄스를 만들고, 이웃한 픽셀에서 발생한 펄스 신호와 중첩(coincidence detection)하여 사용할 수 있다.
펄스 생성기(130)에서 생성되는 펄스 폭은 한번의 계측시간(a measurement period) 동안, 실시간으로 광량과 검출 신호의 지연 시간(time delay)에 따라 가변되며, 광량이 크거나 검출 신호의 지연 시간이 증가할 수록 펄스 폭은 작아질 수 있다.
이러한 오퍼레이션이 가능하도록, 펄스 생성기(150)는 예를 들어, 광 수신부(120)의 광 검출 요소에 의해 생성된 검출 신호를 기준 전압과 비교하여 펄스 신호를 생성하는 비교기(151)와, 펄스 폭을 가변함으로써 시간 분해능을 가변하는 펄스 성형기(pulse shaper: 160)를 포함할 수 있다. 또한, 펄스 생성기(150)는, 이벤트 발생 여부를 결정하는 가중치 논리 회로부(155)를 더 포함할 수 있다.
비교기(151)는, 광 수신부(120)의 적어도 하나의 수광영역(125)의 복수의 서브 수광영역의 각 광 검출 요소 예컨대, 싱글 포톤 애벌런치 다이오드(SPAD)에 의해 생성된 검출 신호를 기준 전압과 비교하여 펄스 신호를 생성할 수 있다. 비교기(151)는 복수의 서브 수광영역의 각 광 검출 요소와 일대일로 대응되게 마련될 수 있다. 도 5에서는 광 수신부(120)의 일 수광영역(125)이 16개의 서브 수광영역을 포함하도록, 한 픽셀에 16개의 광 검출 요소가 4x4 배열을 이루도록 배치된 경우를 예시적으로 보여준다. 또한, 도 5에서는 편의상 4개의 비교기(151)만을 도시하였는데, 비교기(151)는 복수의 서브 수광영역의 각 광 검출 요소와 일대일로 대응되게 마련될 수 있다. 예를 들어, 16개의 광 검출 요소에 대응되게 16개의 비교기(151)가 마련될 수 있다.
비교기(151)는 도 6에 예시적으로 보인 바와 같이, 서브 픽셀의 각 광 검출 요소 예컨대, 싱글 포톤 애벌런치 다이오드(SPAD)에 일대일로 대응되게 마련될 수 있다.
펄스 성형기(160)는 비교기(151)에서 출력되는 펄스 신호의 지연을 선택적으로 조절하여 펄스 폭을 가변함으로써 시간 분해능을 가변하도록 마련될 수 있다. 펄스 성형기(160)는 도 6에 예시적으로 보인 바와 같이, 비교기(151)와 일대일로 대응되게 마련될 수 있다.
예를 들어, 펄스 성형기(160)는 지연된 펄스 신호를 생성하고, 펄스 신호와 지연된 펄스 신호의 논리곱에 의해 펄스 폭을 가변함으로써 시간 분해능을 가변하도록 마련될 수 있다.
이를 위해, 펄스 성형기(160)는 예를 들어, 도 6에서와 같이, 딜레이 신호(Vdelay)에 따라 펄스 신호의 지연을 조절하여 지연된 펄스 신호를 생성하는 딜레이부(170)와, 펄스 신호와 지연된 펄스 신호의 논리곱을 구하는 게이트 소자(165)를 포함할 수 있다. 게이트 소자(165)에서 출력되는 펄스의 폭은 딜레이부(170)에 입력되는 딜레이 신호(Vdelay)를 조절함에 의해 가변될 수 있다.
하나의 광 검출 요소가 반응하여 비교기(151)의 출력이 1이 되면, 펄스 성형기(160)의 출력 또한 1이 되며, 이후, 딜레이부(170)에 의해 일정 딜레이가 지난후, 비교기(151)의 출력이 0이 되기 전에 0으로 폴링(falling) 될 수 있다.
이때, 펄스 성형기(160)의 출력이 0으로 폴링되는 시간은 딜레이부(170)에 입력되는 딜레이 신호(Vdelay)에 따라 달라지므로, 입력되는 딜레이 신호(Vdelay)에 따라 펄스 폭이 가변될 수 있다.
딜레이 신호(Vdelay)는 측정 조건에 따라 시간 분해능을 가변하도록 조절될 수 있다. 이때, 측정 조건은 대상체까지의 거리 및 사용 환경의 조도 중 적어도 어느 하나일 수 있다.
예를 들어, 딜레이 신호(Vdelay)는 대상체까지의 거리가 멀거나 사용 환경의 조도가 클 때 제1시간 빈(time bin)을 적용하도록 펄스 폭이 가변되고, 대상체까지의 거리가 가깝거나 사용 환경의 조도가 작을 때 제1시간 빈보다 큰 제2시간 빈을 적용하도록 펄스 폭이 가변되어, 시간 분해능을 가변하도록 조절될 수 있다.
도 7은 펄스 성형기(160)의 회로 구성을 예시적으로 보여준다.
도 7을 참조하면, 펄스 성형기(160)의 딜레이부(170)는 예를 들어, 2개의 인터버(171,175)와 2개의 트랜지스터(172,176), 커패시터(173,177)를 포함할 수 있다. 이때, 트랜지스터(172,176)는 예를 들어, NMOS 트랜지스터를 구비할 수 있다.
예를 들어, 펄스 성형기(160)의 딜레이부(170)는, 제1 및 제2인버터(171)(175)와, 제1 및 제2인버터(171)(175) 사이에서 분기되도록 연결되는 제1트랜지스터(172)와, 제1트랜지스터(172)와 게이트 소자(165) 사이에서 분기되도록 연결되는 제2트랜지스터(176)와, 제1 및 제2트랜지스터(172)(176) 각각과 직렬로 연결되는 제1 및 제2커패시터(173)(177)를 포함할 수 있다. 제1 및 제2트랜지스터(172)(176)는 예를 들어, NMOS 트랜지스터일 수 있다.
딜레이 신호(Vdelay)는 제1 및 제2트랜지스터(172)(176)에 각각 입력될 수 있다. 딜레이부(170)는, 딜레이 신호(Vdelay)에 따라 제1 및 제2인버터(171)(175)의 출력 커패시턴스를 조절하여 펄스 신호의 딜레이를 조절할 수 있다.
비교기(151)의 출력(Comp. Output) 즉, 펄스 신호가 펄스 성형기(160)로 입력되면, 펄스 신호는 딜레이부(170)를 거치도록 분기되며, 이에 따라, 게이트 소자(165)에는 비교기(151)의 출력에 해당하는 펄스 신호와, 딜레이부(170)를 거쳐 지연된 펄스 신호가 입력될 수 있다. 게이트 소자(165)는 펄스 신호와 지연된 펄스 신호의 논리곱에 해당하는 펄스 신호를 출력할 수 있다.
한편, 실시예에 따른 펄스 성형기(160)는, 도 7에서와 같이, 딜레이부(170)와 게이트 소자(165) 사이에 추가적으로 제3인버터(167)를 더 포함할 수 있으며, 필요에 따라 추가적인 회로 구성을 더 포함할 수도 있다.
도 7에서와 같이, 딜레이부(170)는 2개의 인버터(171,175)와 2개의 NMOS 트랜지스터(172,176), 커패시터(173,177) 등을 포함하도록 구성될 수 있으며, 딜레이 신호(Vdelay)의 크기에 따라 인터버(171,175)의 출력 커패시턴스를 조절하여 풀-업, 풀-다운 딜레이를 조절할 수 있다. 딜레이 신호(Vdelay)는 오프-칩에서 램프 신호(ramp signal)를 입력해주고, 라이다 장치(100)의 광 송신부(110)에서 광을 조사할 때부터 최대 측정거리에 도달할 때까지 일정하게 감소할 수 있다. 이러한 딜레이 신호(Vdelay)로 인해 예를 들어, 펄스 성형기(160)에서 출력되는 펄스 폭이 점점 감소할 수 있다. 도 7의 딜레이부(170) 구조를 이용하는 라이다 장치(100)에서, 딜레이 신호(Vdelay)의 범위는 예를 들어, 약 0.6 ~ 1.5V 일 수 있으며, 이에 따라 펄스 폭은 2~4 ns로 조절될 수 있다.
다시, 도 5를 참조하면, 펄스 생성기(150)는, 이벤트 발생 여부를 결정하는 가중치 논리 회로부(155)를 더 포함할 수 있다. 광 수신부(120)가 각 픽셀에 복수의 서브 픽셀을 포함하는 구조이고, 복수의 서브 픽셀에 마련되는 광 검출 요소로 싱글 포톤 애벌런치 다이오드를 적용할 때, 각 픽셀에서 이벤트가 발생하는 광 검출 요소의 개수가 임계치 이상인지를 판단하며, 이에 따라 각 픽셀에서 이벤트가 발생하는 광 검출 요소의 개수가 임계치 이상일 때, 신호가 있는 것으로 판단할 수 있다.
도 8은 광 수신부(120)의 각 픽셀이 16개의 서브 픽셀을 포함하는 경우, 도 5의 펄스 생성기(150)의 가중치 논리 회로부(155)의 일예를 보여준다.
도 8을 참조하면, 가중치 논리 회로부(155)에서는 이벤트가 발생하는 광 검출 요소 개수의 임계치를 설정할 수 있다. 각 픽셀 당 이벤트가 발생하는 광 검출 요소의 개수가 예를 들어 1-8개 범위 일 때, 가중치 논리 회로부(155)는 신호가 있는 것으로 판단하여, 트리거(TRIG)를 발생시킬 수 있다.
예를 들어, 복수의 서브 픽셀을 도 8에서와 같이, 4개의 서브 픽셀 그룹, P[0-3], P[4-7], P[8-11], P[12-15]으로 분류하고, 각 서브 픽셀 그룹에서 포톤에 의해 반응하는 서브 픽셀 수를 카운트할 수 있다. 도 8에서는 각 서브 픽셀 그룹에서 이벤트가 발생하는 광 검출 요소의 개수가 2개이고, 총 8개의 광 검출 요소에서 이벤트가 발생할 때, 즉, 가중치(Weight)값이 8일 때, 신호가 있는 것으로 판단하는 경우를 예시적으로 보여준다. 이벤트가 발생하는 광 검출 요소의 개수에 대한 임계치는 예를 들어, 1~8 범위 내에서 정해질 수 있다.
이와 같이, 펄스 생성기(150)는, 각 광 검출 요소에 의해 생성된 검출 신호를 기준 전압과 비교하여 펄스 신호를 생성하는 비교기(151)와, 펄스 신호의 지연을 선택적으로 조절하여 펄스 폭을 가변함으로써 시간 분해능을 가변하는 펄스 성형기(160)를 포함할 수 있다. 또한, 펄스 생성기(150)는 임계치 이상 개수의 광 검출 요소에서 이벤트 발생시 신호가 있는 것으로 판단하는 가중치 논리 회로부(155)를 더 포함할 수 있다.
상기와 같은 펄스 생성기(150)에 의해 생성되는 펄스 신호의 펄스 폭은 펄스 성형기(160)의 딜레이부(170)에 입력되는 딜레이 신호(Vdelay)의 조절에 의해, 측정 조건에 따라 시간 분해능을 가변하도록 조절될 수 있다. 이때, 측정 조건은 사용 환경의 조도 및 광 수신부의 검출 신호의 시간 지연(대상체까지의 거리) 중 적어도 어느 하나일 수 있다.
예를 들어, 딜레이 신호(Vdelay)는 대상체까지의 거리가 멀거나 사용 환경의 조도가 클 때 제1시간 빈(time bin)을 적용하도록 펄스 폭이 가변되고, 대상체까지의 거리가 가깝거나 사용 환경의 조도가 작을 때 제1시간 빈보다 큰 제2시간 빈을 적용하도록 펄스 폭이 가변되어 시간 분해능을 가변하도록 조절될 수 있다.
도 9는 실시예에 따른 라이다 장치에서, 펄스 생성기(150)의 각 단계에서의 신호 변화를 예시적으로 보여준다.
비교기(151)에서는 광 검출 요소에서 생성된 검출 신호를 기준 전압(VTH)과 비교하여 펄스 신호를 생성한다. 비교기(151) 단계에서, P'은 비교기(151)에서 생성되는 펄스 신호를 나타내며 광 검출 요소에서 검출된 신호에 대응한다. PD'는 펄스 성형기(160)에서의 딜레이에 대응하여 펄스 신호(P')를 지연시킨 펄스 신호를 나타내며, 광 검출 요소에서 검출된 신호의 지연에 대응할 수 있다.
펄스 성형기(160)에서는 비교기(151)에서 출력되는 펄스 신호에 대해 측정 조건 예컨대, 검출 신호의 지연 시간과 외부 환경의 조도에 따라 지연 정도를 가변시켜 지연된 펄스 신호를 생성하고, 펄스 신호와 지연된 펄스 신호의 논리곱에 의해, 측정 조건에 따라 가변되는 펄스 폭(시간 빈)을 가지는 펄스 신호를 생성한다. 펄스 성형기(160) 단계에서, P는 펄스 신호(P')에 대해 펄스 성형기(160) 단계에서 생성되는 지연되지 않은 신호를 나타내며, PD는 P에 대해 측정 조건 예컨대, 지연 시간과 조도에 따라 지연 정도가 달라진 지연된 신호를 나타내며, PV는 P와 PD는의 논리곱에 의해 얻어지는 가변하는 펄스 폭을 가지는 펄스 신호를 나타낸다.
펄스 성형기(160)에서 펄스 신호(Pv)를 출력하는 광 검출 요소의 개수가 임계치(NTH) 이상 일 때, 라이다 장치(100)는 대상체(OBJ)를 검출한 신호가 있는 것으로 판단할 수 있다. 도 9에서는 픽셀 당 4개의 서브 픽셀을 포함하는 경우를 예시적으로 보인 것으로, 이 경우 이벤트가 발생하는 광 검출 요소의 임계치(NTH)는 1-4 범위일 수 있다.
대상체(OBJ)를 검출한 신호가 있는 것으로 판단되면, 신호 처리부(130)의 타임-디지털 변환기(190)에서, 펄스 생성기(150)에서 생성된 펄스 신호를 이용하여 히스토그램을 생성하며, 광 송신부(110)에 의한 광 조사 시점으로부터 클락 신호(clock signal)가 몇 주기 생성되었는지를 계산하여, 광의 비행 시간을 측정할 수 있다.
실시예에 따른 라이다 장치(100)에 따르면, 시간적 또는 공간적으로 가변하는 시간 분해능(Time-Window) 기법을 이용하므로, 태양광이 많은 외부 환경이나, 원거리에 있는 대상체 등, 사용 환경이나 대상체의 거리에 따른 측정 오차를 줄일 수 있으므로, 비행시간(ToF)의 측정 정확도를 향상할 수 있다. 또한, 픽셀당 복수의 서브 픽셀을 포함하는 광 수신부(120)를 적용하여, 임계치 이상 개수의 광 검출 요소에서 이벤트 발생시 신호가 있는 것으로 판단할 수 있으므로, 이에 따라 히스토그램 횟수를 줄일 수 있어, 라이다 장치(100)의 동작 속도를 향상시킬 수 있다.
상기한 실시예들은 예시적인 것에 불과한 것으로, 당해 기술분야의 통상을 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 것을 이해할 수 있다. 따라서, 예시적인 다양한 실시예에 따른 진정한 기술적 보호범위는 하기의 특허청구범위에 기재된 발명의 기술적 사상에 의해 정해져야만 할 것이다.
100: 라이다 장치 110: 광 송신부 120: 광 수신부
125: 수광영역 130: 신호 처리부 150: 펄스 생성기
151: 비교기 160: 펄스 성형기 170: 딜레이부

Claims (18)

  1. 광을 송신하는 광 송신부와;
    각각이 광 검출 요소를 포함하는 복수의 서브 수광영역을 구비하는 적어도 하나의 수광영역을 포함하며, 대상체에서 반사되는 광을 수신하는 광 수신부와;
    상기 광 수신부에서 광을 수신하여 생성된 검출 신호를 처리하며, 측정 조건에 따라 시간 분해능을 가변하여 광의 비행 시간을 계산하는 신호 처리부;를 포함하는 라이다 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 측정 조건은 대상체까지의 거리 및 사용 환경의 조도 중 적어도 어느 하나인 라이다 장치.
  3. 제2항에 있어서, 상기 신호 처리부는,
    대상체까지의 거리가 멀거나 사용 환경의 조도가 클 때 제1시간 빈, 대상체까지의 거리가 가깝거나 사용 환경의 조도가 작을 때 상기 제1시간 빈보다 큰 제2시간 빈을 적용하도록 시간 분해능을 가변하는 라이다 장치.
  4. 제2항에 있어서, 상기 신호 처리부는,
    상기 대상체까지의 거리에 따른 시간 분해능 가변은 상기 광 송신시 발생하는 시작 신호에 대해, 상기 광 수신시 발생하는 정지 신호의 시간 지연 정도에 따라 이루어지는 라이다 장치.
  5. 제1항에 있어서, 상기 광 검출 요소는 싱글 포톤 애벌런치 다이오드를 포함하는 라이다 장치.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 신호 처리부는,
    상기 광 수신부에서 광을 수신하여 생성된 검출 신호에 대해 폭을 가지는 펄스 신호를 생성하는 펄스 생성기;를 포함하며,
    상기 펄스 생성기는,
    상기 광 수신부의 복수의 서브 수광영역의 각 광 검출 요소에 의해 생성된 전기 신호를 기준 전압과 비교하여 펄스 신호를 생성하는 비교기와;
    상기 비교기에서 출력되는 펄스 신호의 지연을 선택적으로 조절하여 펄스 폭을 가변함으로써 시간 분해능을 가변하는 펄스 성형기;를 포함하는 라이다 장치.
  7. 제6항에 있어서, 상기 펄스 성형기는 펄스 신호와 지연된 펄스 신호의 논리곱에 의해 펄스 폭을 가변하도록 마련되는 라이다 장치.
  8. 제6항에 있어서, 상기 펄스 성형기는,
    딜레이 신호(Vdelay)에 따라 펄스 신호의 지연을 조절하는 딜레이부와;
    펄스 신호와 지연된 펄스 신호의 논리곱을 구하는 게이트 소자;를 포함하며,
    상기 딜레이 신호(Vdelay)를 조절하여, 게이트 소자에서 출력되는 펄스의 폭을 가변하는 라이다 장치.
  9. 제8항에 있어서, 상기 딜레이 신호(Vdelay)는 대상체까지의 거리가 멀거나 사용 환경의 조도가 클 때 제1시간 빈(time bin)을 적용하도록 펄스 폭이 가변되고, 대상체까지의 거리가 가깝거나 사용 환경의 조도가 작을 때 제1시간 빈보다 큰 제2시간 빈을 적용하도록 펄스 폭이 가변되어 시간 분해능을 가변하도록 조절되는 라이다 장치.
  10. 제8항에 있어서, 상기 딜레이부는
    제1 및 제2인버터와;
    상기 제1 및 제2인버터 사이에서 분기되도록 연결되는 제1트랜지스터와;
    상기 제1트랜지스터와 게이트 소자 사이에서 분기되도록 연결되는 제2트랜지스터와;
    상기 제1 및 제2트랜지스터 각각과 직렬로 연결되는 제1 및 제2커패시터;를 포함하며,
    상기 딜레이 신호(Vdelay)는 상기 제1 및 제2트랜지스터에 입력되며,
    상기 딜레이부는, 상기 딜레이 신호(Vdelay)에 따라 상기 제1 및 제2인버터의 출력 커패시턴스를 조절하여 펄스 신호의 딜레이를 조절하는 라이다 장치.
  11. 제10항에 있어서, 상기 제1 및 제2트랜지스터는 NMOS 트랜지스터를 포함하는 라이다 장치.
  12. 제8항에 있어서, 상기 딜레이 신호(Vdelay)은 램프 신호로 입력되는 라이다 장치.
  13. 제8항에 있어서, 상기 딜레이 신호(Vdelay)는 0.6 ~ 1.5V의 범위인 라이다 장치.
  14. 제8항에 있어서, 상기 펄스 폭은 2~4 ns로 조절되는 라이다 장치.
  15. 대상체에 광을 조사하는 단계;
    상기 대상체에서 반사된 광을 각각이 광 검출 요소를 포함하는 복수의 서브 수광영역을 구비하는 적어도 하나의 수광영역을 포함하는 광 수신부로 수신하는 단계;
    상기 광 수신부에서 광을 수신하여 생성된 검출 신호를 처리하며, 측정 조건에 따라 시간 분해능을 가변하여 광의 비행 시간을 계산하는 단계;를 포함하는 거리 측정 방법.
  16. 제15항에 있어서, 상기 측정 조건은 대상체까지의 거리 및 사용 환경의 조도 중 적어도 어느 하나인 거리 측정 방법.
  17. 제16항에 있어서, 상기 시간 분해능은, 대상체까지의 거리가 멀거나 사용 환경의 조도가 클 때 제1시간 빈, 대상체까지의 거리가 가깝거나 사용 환경의 조도가 작을 때 상기 제1시간 빈보다 큰 제2시간 빈을 적용하도록 가변되는 거리 측정 방법.
  18. 제15항 내지 제17항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 시간 분해능 가변은,
    상기 광 수신부의 복수의 서브 수광영역의 각 광 검출 요소에 의해 생성된 전기 신호를 기준 전압과 비교하여 펄스 신호를 생성하고, 펄스 신호의 지연을 선택적으로 조절하여 펄스 폭을 가변함으로써 얻어지는 거리 측정 방법.
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