KR20230119878A - 단일 파장 레이저와 파장 필터를 이용한 형상 및 분광 정보 동시 측정 시스템 및 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 단일 파장 레이저와 파장 필터를 이용한 형상 및 분광 정보 동시 측정 시스템 및 방법에 관한 것이다. 본 발명에 따른 측정 시스템은, 레이저 광원을 구비하여 레이저광을 스캔 모듈에 송신하며, 레이저광을 송신하는 시점에 스타트 펄스 신호를 신호처리 모듈에 송신하는 송광 모듈, 레이저광을 대상체에 조사하며, 대상체에서 수신한 반사광을 수광 모듈에 송신하는 스캔 모듈, 반사광에 대하여 파장에 따른 세기(intensity) 정보를 생성하고, 반사광의 수신 시점에 스톱 펄스 신호를 신호처리 모듈에 송신하는 수광 모듈 및 스타트 펄스 신호의 수신 시점과 스톱 펄스 신호의 수신 시점 간의 시간 차에 기초하여 대상체까지의 거리 정보를 생성하고, 파장에 따른 세기 정보를 취합하여 대상체에 관한 분광 정보를 생성하며, 거리 정보와 분광 정보를 동기화하는 신호처리 모듈을 포함한다.
Description
본 발명은 형상 및 분광 정보 측정 시스템 및 방법에 관한 것이다.
라이다(LiDAR)는 Light Detection And Ranging의 약자이며, 빛으로 탐지하고 거리를 측정한다는 뜻이다. 광원(레이저)을 목표물에 비춤으로써 사물까지의 거리, 방향, 속도, 온도, 물질분포 및 농도 특성 등을 감지할 수 있는 기술이다. 라이다 센서는 일반적으로 높은 에너지 밀도와 짧은 주기를 가지는 펄스 신호를 생성할 수 있는 레이저의 장점을 활용하여 보다 정밀한 대기 중의 물성 관측 및 거리 측정 등에 활용이 된다.
라이다 센서 기술은 탐조등 빛의 산란 세기를 통하여 상공에서의 공기 밀도 분석 등을 위한 목적으로 1930년대 처음 시도되었으나, 1960년대 레이저의 발명과 함께 비로소 본격적인 개발이 가능하였다. 1970년대 이후 레이저 광원 기술의 지속적인 발전과 함께 다양한 분야에 응용 가능한 라이다 센서 기술들이 개발되었다.
항공기, 위성 등에 탑재되어 정밀한 대기 분석 및 지구환경 관측을 위한 중요한 관측 기술로 활용되고 있으며, 또한 우주선 및 탐사 로봇에 장착되어 사물까지의 거리 측정 등 카메라 기능을 보완하기 위한 수단으로 활용되고 있으며, 최근에는 자율주행 차량의 핵심 기술로 활용되면서 그 활용성과 중요성이 점차 증가되고 있다.
그런데, 종래의 라이다는 태양광 등의 반사광은 수광부에서 필터링하고, 대상체를 향해 송신한 레이저의 반사광을 이용하여 ToF 등의 기법을 통해 거리를 측정하는 방식이 일반적이다. 따라서, 종래의 라이다는 거리 정보만을 얻을 수 있을 뿐, 대상체의 속성 정보(예: 색상)를 획득할 수 없었다. 따라서 대상체에 대한 거리 정보와 속성 정보를 동시에 측정하기 위해서는 추가적인 카메라가 필요하며, 라이다를 통해 얻은 거리 정보와 카메라를 통해 얻은 영상 정보를 동기화시키는 교정 작업(calibration)이 요구되므로, 복잡한 정보 처리 프로세스로 인해 처리 시간이 증가된다는 문제점이 있다.
본 발명은 단일 파장 레이저와 수광부의 파장 필터를 이용하여 사물의 거리(형상 정보)와 분광 정보를 동시에 측정하고 사물의 속성을 파악할 수 있는 형상 및 분광 정보 동시 측정 시스템 및 방법을 제공하는 것을 그 목적으로 한다.
본 발명의 목적은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 거리 정보 및 분광 정보 동시 측정 시스템은, 송광 모듈, 스캔 모듈, 수광 모듈 및 신호처리 모듈을 포함한다. 상기 송광 모듈은 레이저 광원을 구비하여 레이저광을 상기 스캔 모듈에 송신하며, 상기 레이저광을 송신하는 시점에 스타트 펄스 신호를 상기 신호처리 모듈에 송신하고, 상기 스캔 모듈은 상기 레이저광을 대상체에 조사하며, 상기 대상체에서 수신한 반사광을 상기 수광 모듈에 송신하고, 상기 수광 모듈은 상기 반사광에 대하여 파장에 따른 세기(intensity) 정보를 생성하고, 상기 반사광의 수신 시점에 스톱 펄스 신호를 상기 신호처리 모듈에 송신하며, 상기 신호처리 모듈은 상기 스타트 펄스 신호의 수신 시점과 상기 스톱 펄스 신호의 수신 시점 간의 시간 차에 기초하여 상기 대상체까지의 거리 정보를 생성하고, 상기 세기(intensity) 정보를 취합하여 상기 대상체에 관한 분광 정보를 생성하며, 상기 거리 정보와 상기 분광 정보를 동기화한다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 레이저광은 일정한 파장을 가질 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 송광 모듈은, 상기 레이저광을 펄스 형태로 송신할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 스캔 모듈은, 2D 스캐너를 포함할 수 있다. 이 경우 상기 2D 스캐너는 상기 대상체에서 반사광을 수신한다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 스캔 모듈은, 빔 스플리터 및 광 커플러 중 어느 하나의 광 분배기를 포함할 수 있다. 이 경우 상기 광 분배기는 상기 대상체에서 수신된 반사광을 상기 수광 모듈에 송신한다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 수광 모듈은, 분광 요소(dispersive element) 및 선형 감지기(linear detector)를 포함할 수 있다. 이 경우, 상기 분광 요소는 상기 반사광을 파장에 따라 분리하고, 상기 선형 감지기는 상기 분리된 반사광을 기초로 상기 반사광에 대한 파장 대역별 세기(intensity) 정보를 생성한다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 분광 요소는, 프리즘 및 회절 격자 중 어느 하나일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 수광 모듈은, 튜너블 필터 및 광 검출기를 포함할 수 있다. 이 경우, 상기 튜너블 필터는 시간에 따라 다른 파장의 반사광을 투과시켜 상기 광 검출기에 전달하고, 상기 광 검출기는 상기 투과된 반사광의 광량을 측정하며, 상기 측정된 광량을 기초로 파장별 세기(intensity) 정보를 생성한다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 수광 모듈은, RF 송신기를 더 포함할 수 있다. 상기 RF 송신기는 트리거링 신호의 수신 시점을 기준으로 시간의 경과에 따라 RF 신호의 주파수를 변화시키면서 상기 RF 신호를 상기 튜너블 필터에 송신하고, 상기 튜너블 필터는 상기 RF 신호에 대응되는 파장에 해당하는 반사광을 투과시킨다. 이 경우, 상기 송광 모듈은 상기 레이저광의 송신을 시작하는 시점에 상기 트리거링 신호를 상기 RF 송신기에 송신한다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 튜너블 필터는, AOTF(Acousto-Optic Tunable Filter) 및 MFPI(Mems Fabry-Perot Interferometer) 중 어느 하나일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 신호처리 모듈은, 상기 분광 정보를 기초로 상기 대상체의 속성 정보를 생성할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 신호처리 모듈은, 상기 거리 정보를 기초로 상기 대상체의 형상 정보를 생성할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 신호처리 모듈은, 상기 형상 정보를 기초로 상기 대상체를 분류할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 스캔 모듈은, 상기 레이저광을 확산시켜 상기 대상체의 표면에 조사하고, 상기 대상체의 표면에서 수신한 반사광을 상기 수광 모듈에 송신할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 스캔 모듈은, 광확산기 및 렌즈를 포함할 수 있다. 이 경우, 상기 광확산기는 상기 레이저광을 확산시켜 상기 확산된 레이저광을 상기 대상체의 표면에 조사하고, 상기 렌즈는 상기 대상체의 표면에서 수신한 반사광을 상기 수광 모듈에 송신한다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 수광 모듈은, 다중 스펙트럼 필터(multi-spectral filter) 및 2D 어레이 칩(2D array chip)을 포함할 수 있다. 이 경우, 상기 다중 스펙트럼 필터는 복수의 셀로 구성되고, 각 셀을 투과한 반사광을 상기 2D 어레이 칩에 전달하고, 상기 2D 어레이 칩은 상기 각 셀에 대한 분광 정보(셀별 분광 정보)를 생성한다. 그리고, 상기 셀은 투과되는 파장 대역을 서로 달리하는 복수의 픽셀로 구성될 수 있다. 또한, 상기 신호처리 모듈은, 상기 셀별 분광 정보를 취합하여 상기 대상체에 관한 분광 정보를 생성할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 수광 모듈은, 다중 스펙트럼 필터(multi-spectral filter)와 2D 어레이 칩(2D array chip)을 포함할 수 있다. 이 경우, 상기 다중 스펙트럼 필터는 복수의 셀로 구성되고, 각 셀을 투과한 반사광을 상기 2D 어레이 칩에 전달하고, 상기 2D 어레이 칩은 상기 각 셀을 투과한 반사광의 수신 시점에 스톱 펄스 신호(셀별 스톱 펄스 신호)를 발생시키고, 상기 셀별 스톱 펄스 신호를 상기 신호처리 모듈에 송신한다. 그리고, 상기 신호처리 모듈은, TDC(Time-to-Digital Converter)와 프로세서를 포함할 수 있다. 이 경우, 상기 TDC는 상기 스타트 펄스 신호의 수신 시점과 상기 셀별 스톱 펄스 신호의 수신 시점에 기초하여 셀별 시간 차 정보를 생성하고, 상기 프로세서는 상기 셀별 시간 차 정보를 취합하고, 상기 취합된 셀별 시간 차 정보를 기초로 상기 대상체의 각 지점까지의 거리 정보를 산출한다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 2D 어레이 칩은, 상기 각 셀을 투과한 반사광이 상기 레이저광의 파장과 동일한 대역을 가지는 경우에 한하여 상기 각 셀을 투과한 반사광의 수신 시점에 상기 셀별 스톱 펄스 신호를 상기 신호처리 모듈에 송신할 수 있다.
그리고, 본 발명의 일 실시예에 따른 거리 정보 및 분광 정보 동시 측정 방법은, 레이저광을 출력하면서 스타트 펄스 신호를 발생시키고, 상기 출력된 레이저광을 대상체에 조사하는 송광 단계; 상기 대상체에서 반사광을 수신하고, 상기 반사광의 수신 시점에 스톱 펄스 신호를 발생시키며, 상기 반사광에 대하여 파장에 따른 세기(intensity) 정보를 생성하는 수광 단계; 및 상기 스타트 펄스 신호의 발생 시점과 상기 스톱 펄스 신호의 발생 시점 간의 시간 차에 기초하여 상기 대상체까지의 거리 정보를 생성하고, 상기 세기(intensity) 정보를 취합하여 상기 대상체에 관한 분광 정보를 생성하며, 상기 거리 정보와 상기 분광 정보를 동기화하는 신호처리 단계;를 포함한다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 송광 단계는, 일정한 파장을 가지는 펄스 형태의 레이저광을 출력하는 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 수광 단계는, 상기 반사광을 파장에 따라 분리하고, 상기 분리된 반사광을 기초로 파장 대역별 세기(intensity) 정보를 생성하는 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 수광 단계는, 상기 반사광이 상기 레이저광의 파장과 동일한 대역을 가지는 경우에 한하여 상기 반사광의 수신 시점에 상기 스톱 펄스 신호를 발생시킬 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 신호처리 단계는, 상기 분광 정보를 기초로 상기 대상체의 속성 정보를 생성하는 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 신호처리 단계는, 상기 거리 정보를 기초로 상기 대상체의 형상 정보를 생성하는 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 신호처리 단계는, 상기 형상 정보를 기초로 상기 대상체를 분류하는 것일 수 있다.
본 발명에 따르면, 기존에 분광 카메라와 라이다를 결합하여 사용하는 형태의 시스템에서 요구되는 교정 기능이 필요하지 않아 보다 간단하고 빠르게 사물의 분광 정보와 형상을 동시에 측정할 수 있다는 효과가 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 사물의 위치 및 속도 정보뿐만 아니라 분광 정보를 통해 사물의 색상은 물론이고, 재질 등 사물이 고유하게 가지고 있는 다양한 속성을 파악함으로써 보다 많은 정보를 획득할 수 있으므로, 본 발명에 따른 측정 시스템이 자율주행을 위한 센서로 활용되는 경우, 일반 카메라에서 구분되지 않는 블랙아이스(black ice) 및 등신대, 광고판에 표시된 사람 등의 객체를 인식할 수 있어서 인식 성능이 향상되는 효과가 있다.
본 발명에서 얻을 수 있는 효과는 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1a는 본 발명의 일 실시예에 따른 형상 및 분광 정보 동시 측정 시스템의 구성을 나타낸 블록도이다.
도 1b는 본 발명의 일 실시예에 따른 형상 및 분광 정보 동시 측정 시스템의 구성요소 간 관계를 나타낸 참고도이다.
도 2a 및 도 2b는 펄스 형태의 단일 파장 레이저의 특성을 나타낸 참고도이다.
도 3a은 본 발명의 일 실시예에 따른 형상 및 분광 정보 동시 측정 시스템의 구성을 나타낸 블록도이다.
도 3b는 본 발명의 일 실시예에 따른 형상 및 분광 정보 동시 측정 시스템의 동작을 나타낸 참고도이다.
도 4a은 본 발명의 일 실시예에 따른 형상 및 분광 정보 동시 측정 시스템의 구성을 나타낸 블록도이다.
도 4b는 본 발명의 일 실시예에 따른 형상 및 분광 정보 동시 측정 시스템의 동작을 나타낸 참고도이다.
도 5a은 본 발명의 일 실시예에 따른 형상 및 분광 정보 동시 측정 시스템의 구성을 나타낸 블록도이다.
도 5b는 본 발명의 일 실시예에 따른 형상 및 분광 정보 동시 측정 시스템의 동작을 나타낸 참고도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 형상 및 분광 정보 동시 측정 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
도 1b는 본 발명의 일 실시예에 따른 형상 및 분광 정보 동시 측정 시스템의 구성요소 간 관계를 나타낸 참고도이다.
도 2a 및 도 2b는 펄스 형태의 단일 파장 레이저의 특성을 나타낸 참고도이다.
도 3a은 본 발명의 일 실시예에 따른 형상 및 분광 정보 동시 측정 시스템의 구성을 나타낸 블록도이다.
도 3b는 본 발명의 일 실시예에 따른 형상 및 분광 정보 동시 측정 시스템의 동작을 나타낸 참고도이다.
도 4a은 본 발명의 일 실시예에 따른 형상 및 분광 정보 동시 측정 시스템의 구성을 나타낸 블록도이다.
도 4b는 본 발명의 일 실시예에 따른 형상 및 분광 정보 동시 측정 시스템의 동작을 나타낸 참고도이다.
도 5a은 본 발명의 일 실시예에 따른 형상 및 분광 정보 동시 측정 시스템의 구성을 나타낸 블록도이다.
도 5b는 본 발명의 일 실시예에 따른 형상 및 분광 정보 동시 측정 시스템의 동작을 나타낸 참고도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 형상 및 분광 정보 동시 측정 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
본 발명은 단일 레이저와 수광부의 파장 필터를 이용하여 사물의 분광 정보 및 형상을 동시에 측정함으로써 사물의 속성과 거리 정보를 함께 파악하는 것을 그 특징으로 한다. 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 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 한편, 본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함한다(comprises)" 및/또는 "포함하는(comprising)"은 언급된 구성소자, 단계, 동작 및/또는 소자는 하나 이상의 다른 구성소자, 단계, 동작 및/또는 소자의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.
본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
이하, 본 발명의 실시예를 첨부한 도면들을 참조하여 상세히 설명한다. 본 발명을 설명함에 있어 전체적인 이해를 용이하게 하기 위하여 도면 번호에 상관없이 동일한 수단에 대해서는 동일한 참조 번호를 사용하기로 한다.
도 1a는 본 발명의 일 실시예에 따른 형상 및 분광 정보 동시 측정 시스템(10)의 구성을 나타낸 블록도이며, 도 1b는 본 발명의 일 실시예에 따른 형상 및 분광 정보 동시 측정 시스템(10)의 구성요소 간 관계를 나타낸 참고도이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 형상 및 분광 정보 동시 측정 시스템(10)은 송광 모듈(100), 스캔 모듈(200), 수광 모듈(300) 및 신호처리 모듈(400)을 포함하여 구성된다.
송광 모듈(100)은 레이저 광원을 구비하여 레이저광을 스캔 모듈(200)에 송신하며, 레이저광을 송신하는 시점에 스타트 펄스 신호를 신호처리 모듈(400)에 송신한다. 송광 모듈(100)에서 출력하는 레이저는 펄스 형태의 단일 파장의 레이저(single-wavelength laser)라는 특징을 가진다(도 2a 및 도 2b 참조). 본 발명에서 단일 파장의 레이저를 사용하는 이유는 원거리의 사물을 측정하기 위함이며, 펄스형태의 레이저를 사용하는 이유는 ToF(Time-of-Flight) 측정방식을 통해 거리를 계산하기 위함이다.
스캔 모듈(200)은 송광 모듈(100)에서 수신한 레이저광을 대상체(20)에 조사하며, 대상체(20)에서 수신한 반사광을 수광 모듈(300)에 송신한다.
스캔 모듈(200)은 수광 모듈(300)의 특정한 구성요소에 반사광을 전달하거나 수광 모듈(300)의 복수의 구성요소에 반사광을 분배하는 역할을 하는 광 분배기를 포함할 수 있다. 광 분배기의 예시로는 빔 스플리터(beam splitter) 및 광 커플러(optical coupler) 등이 있으며, 자유공간 환경에서 또는 광섬유을 이용하여 태양광이나 레이저광의 경로를 목적지점까지 유도하는 형태로 구현될 수 있다.
스캔 모듈(200)는 2D 스캐너를 포함할 수 있다. 2D 스캐너는 대상체(20)의 각 지점에서 반사된 단일 파장의 레이저나 태양광(즉, 반사광)을 받아들이는 역할을 수행한다. 2D 스캐너는 반사경(거울)을 X축과 Y축 중심으로 소정의 주기와 속도 패턴에 따라 회전시키면서 궁극적으로 대상체(20)의 반사광이 투사된 평면의 X축 좌표와 Y축 좌표를 주기에 따라 이동하는 방식으로 동작한다. 또한, 스캔 모듈(200)은 반사광을 기초로 2D 스캐너를 통해 형상을 측정할 수도 있다. 2D 스캐너의 예시로는 MEMS(Micro-Electro-Mechanical Systems) 또는 검류계, 폴리곤 거울(polygon mirror) 등이 있으며 이들 장치는 자유공간 상에서 구현될 수 있다.
스캔 모듈(200)이 플래시 타입(flash type)에 따를 경우, 스캔 모듈(200)에 포함된 2D 스캐너 및 광 분배기는 광 확산기(optical diffuser) 및 렌즈로 대체될 수 있다.
수광 모듈(300)은 반사광에 대하여 파장에 따른 세기(intensity) 정보를 생성하고, 생성한 세기(intensity) 정보를 신호처리 모듈(400)에 송신하며, 반사광의 수신 시점에 스톱 펄스 신호를 신호처리 모듈(400)에 송신한다.
수광 모듈(300)은 수신되는 반사광(레이저 및 태양광)을 파장 별로 구분할 수 있는 파장 필터와 광 검출기를 포함하여 구성된다.
파장 필터의 예시로는 스캔 방식에 따라 프리즘, 회절 격자, AOTF(Acousto-Optic Tunable Filter), MFPI(Mems Fabry-Perot Interferometer), 다중 스펙트럼 필터(multi-spectral filter)가 있으며, 자유공간 환경에서 동작하는 방식 또는 광섬유를 이용하는 방식 등을 통해 구현될 수 있다.
파장 필터 형태에 따라 광 검출기의 형태가 정해질 수 있는데, 본 발명에서 수광 모듈(300)에 포함될 수 있는 파장 필터와 광 검출기의 조합에 관하여 표 1의 예시를 참조할 수 있다.
| 파장 필터 | 광 검출기 | |
| Case 1 | 프리즘 또는 회절격자 | 선형 감지기(line detector) |
| Case 2 | AOTF 또는 MFPI | 단일 광 검출기 |
| Case 3 | 다중 스펙트럼 필터 | 2D 어레이 칩(2D array chip) |
파장 필터에 의해 파장에 따라 구분된 반사광은 광 검출기로 전달되며, 광 검출기는 각 파장에 대한 광량을 측정하여, 파장별(또는 파장 대역별) 세기 정보를 생성한다. 즉, 본 발명에서 광량과 세기는 같은 의미로 사용된다.
신호처리 모듈(400)은 스타트 펄스 신호의 수신 시점과 스톱 펄스 신호의 수신 시점 간의 시간 차에 기초하여 대상체(20)까지의 거리 정보를 생성하고, 수광 모듈(300)에서 수신한 세기 정보를 취합하여 대상체(20)에 관한 분광 정보를 생성하며, 거리 정보와 분광 정보를 동기화한다.
본 발명에서 '분광 정보'란 파장 영역 전체에 대한 파장에 따른 세기(intensity) 정보를 의미하는데, 파장에 따른 연속적인 세기 정보일 수도 있고, 기 설정된 각 파장 영역별 세기 정보일 수도 있다.
신호처리 모듈(400)은 파장별(또는 파장 대역별) 세기 정보를 취합함으로써 사물의 분광 정보를 얻고 시간 영역에서 단일 파장 레이저가 송신 타이밍과 수신 타이밍 간의 시간 차이를 계산하여 이를 기초로 거리를 산출한다.
도 3a은 본 발명의 일 실시예에 따른 형상 및 분광 정보 동시 측정 시스템(10')의 구성을 나타낸 블록도이며, 도 3b는 형상 및 분광 정보 동시 측정 시스템(10')의 동작을 나타낸 참고도이다.
형상 및 분광 정보 동시 측정 시스템(10')은 송광 모듈(100'), 스캔 모듈(200'), 수광 모듈(300') 및 신호처리 모듈(400')을 포함하여 구성된다.
본 실시예에서 송광 모듈(100')은 레이저 광원(110) 및 시작신호 송신부(120)를 포함하며, 스캔 모듈(200')은 2D 스캐너(210) 및 광 분배기(220)를 포함하며, 수광 모듈(300')은 분광 요소(310, dispersive element) 및 선형 감지기(320,linear detector)를 포함하며, 신호처리 모듈(400')은 TDC(410, Time-to-Digital Converter) 및 프로세서(420)를 포함한다.
본 실시예에서 광 분배기(220)로서 빔 스플리터(BS, beam splitter)를 사용할 수 있으며, 분광 요소(310)로서 프리즘이나 회절 격자(diffraction grating)를 사용할 수 있다.
먼저, 송광 모듈(100')은 레이저 광원(110)을 통해 단일 파장의 레이저광을 2D 스캐너(210)에 송신한다. 상기 레이저광은 펄스 형태일 수 있다. 그리고 송광 모듈(100')의 시작신호 송신부(120)는 레이저광을 송신하는 시점에 스타트 펄스 신호를 신호처리 모듈(400')의 TDC(410)에 송신한다.
스캔 모듈(200')에 포함된 2D 스캐너(210)는 송광 모듈(100')에서 송신된 레이저광을 대상체(20)의 각 지점에 조사(照射)하고, 대상체(20)의 각 지점에서 반사된 반사광을 수신한다. 2D 스캐너(210)는 시간에 따라 대상체(20)의 지점을 달리하여 해당 지점에 레이저광을 조사(照射)할 수 있다. 형상 및 분광 정보 동시 측정 시스템(10')의 측정이 주간에 이루어지는 경우, 상기 반사광은 대상체(20)에 레이저광과 태양광이 반사된 것이 합쳐진 형태일 수 있다.
광 분배기(220)로서 빔 스플리터를 사용하는 경우, 빔 스플리터(220)는 2D 스캐너(210)에서 반사광을 수신하고, 수신한 반사광을 수광 모듈(300')의 분광 요소(310)에 송신한다.
수광 모듈(300')에 포함된 분광 요소(310)는 수신한 반사광을 파장에 따라 분산시킨다. 즉, 분광 요소(310)는 굴절의 원리를 이용하여 반사광을 나누어지도록(분리되도록) 한다. 본 실시예에서 분광 요소(310)는 프리즘이나 회절 격자일 수 있다.
선형 감지기(320, linear detector)는 분리된 반사광의 광량을 측정하여 파장 대역별 세기(intensity) 정보를 생성하고, 파장 대역별 세기 정보를 신호처리 모듈(400')의 프로세서(420)에 송신한다. 상기 파장 대역별 세기 정보에는 파장 대역에 관한 정보(파장 대역별 파장 범위)가 포함될 수 있다.
또한, 선형 감지기(320)는 분리된 반사광의 수신 시점에 스톱 펄스 신호를 발생시키고 스톱 펄스 신호를 TDC(410)에 송신한다.
신호처리 모듈(400')에 포함된 TDC(410)는 시작신호 송신부(120)가 송신한 스타트 펄스 신호를 수신한 시점과 선형 감지기(320)에서 송신한 스톱 펄스 신호를 수신한 시점 간의 시간 차를 계산하고 상기 시간 차 정보를 프로세서(420)에 전달한다.
프로세서(420)는 파장 대역별 세기 정보를 취합하여 대상체(20)에 관한 분광 정보를 생성한다. 또한, 프로세서(420)는 상기 시간 차 정보를 기초로 대상체(20)의 각 지점까지의 거리를 계산하여 거리 정보를 생성한다. 프로세서(420)는 거리를 계산할 때 ToF(Time of Flight) 기법을 사용할 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.
프로세서(420)는 분광 정보와 대상체(20)의 각 지점까지의 거리 정보를 동기화한다. 본 발명은 카메라와 같은 별도의 장치 없이도 분광 정보와 거리 정보를 모두 얻을 수 있으며, 별개의 장치에서 정보를 수집할 경우 요구되는 교정(calibration) 과정을 거치지 않고도 분광 정보와 거리 정보를 간단하게 동기화할 수 있다는 점을 특징으로 한다.
한편, 프로세서(420)는 분광 정보를 기초로 대상체(20)의 속성(색상, 재질 등)을 판단할 수 있다. 예를 들어, 프로세서(420)는 기 학습된 딥러닝 모델(속성 모델)에 분광 정보를 입력하여 대상체(20)의 속성 정보를 얻을 수 있다.
또한, 프로세서(420)는 대상체(20)의 각 지점까지의 거리 정보를 기초로 대상체(20)의 형상 정보를 생성할 수 있다. 그리고 형상 정보를 속성 정보와 동기화할 수 있다. 그리고 프로세서(420)는 형상 정보를 기 학습된 딥러닝 모델(객체 판단 모델)에 입력하여 대상체(20)를 식별(대상체(20)가 어떤 종류의 객체인지 판단)할 수 있다. 예를 들어, 프로세서(420)는 상술한 방법을 통해 일반 카메라에서 구분되지 않는 블랙아이스(black ice) 및 등신대, 광고판에 표시된 사람 등의 객체를 인식할 수 있다.
도 4a은 본 발명의 일 실시예에 따른 형상 및 분광 정보 동시 측정 시스템(10'')의 구성을 나타낸 블록도이며, 도 4b는 형상 및 분광 정보 동시 측정 시스템(10'')의 동작을 나타낸 참고도이다.
형상 및 분광 정보 동시 측정 시스템(10'')은 송광 모듈(100''), 스캔 모듈(200''), 수광 모듈(300'') 및 신호처리 모듈(400'')을 포함하여 구성된다.
본 실시예에서 송광 모듈(100'')은 레이저 광원(110) 및 시작신호 송신부(120')를 포함하며, 스캔 모듈(200'')은 2D 스캐너(210) 및 광 분배기(220')를 포함하며, 수광 모듈(300'')은 RF 송신기(330), 튜너블 필터(340), 제1 광 검출기(350) 및 제2 광 검출기(360)를 포함하며, 신호처리 모듈(400'')은 TDC(410) 및 프로세서(420')를 포함한다.
본 실시예에서 광 분배기(220')로서 빔 스플리터(BS, beam splitter)를 사용할 수 있으며, 튜너블 필터(340)로서 AOTF(Acousto-Optic Tunable Filter)나 MFPI(Mems Fabry-Perot Interferomter)를 사용할 수 있다.
먼저, 송광 모듈(100'')은 레이저 광원(110)을 통해 단일 파장의 레이저광을 2D 스캐너(210)에 송신한다. 상기 레이저광은 펄스 형태일 수 있다. 그리고 송광 모듈(100'')의 시작신호 송신부(120')는 레이저광을 송신하는 시점에 스타트 펄스 신호를 신호처리 모듈(400'')의 TDC(410)에 송신하며, 트리거링(triggering) 신호를 수광 모듈(300'')의 RF 송신기(330)에 송신한다. RF 송신기(330)은 상기 트리거링 신호를 수신하면 동작을 개시한다. 즉, RF 송신기(330)는 상기 트리거링 신호를 수신하면 튜너블 필터(340)에 파장과 매칭되어 있는 RF 신호를 송신한다. 예를 들어, RF 송신기(330)는 파장에 따라 다른 주파수를 가지는 RF 신호를 송신할 수 있다. 그리고, 튜너블 필터(340)가 투과시킬 파장과 RF 신호의 주파수 간의 관계는 테이블이나 함수의 형태로 구성되어 RF 송신기(330)나 튜너블 필터(340)가 활용할 수 있다.
스캔 모듈(200'')에 포함된 2D 스캐너(210)는 송광 모듈(100'')에서 송신된 레이저광을 대상체(20)의 각 지점에 조사(照射)하고, 대상체(20)의 각 지점에서 반사된 반사광을 수신한다. 2D 스캐너(210)는 시간에 따라 대상체(20)의 지점을 달리하여 해당 지점에 레이저광을 조사(照射)할 수 있다. 형상 및 분광 정보 동시 측정 시스템(10'')의 측정이 주간에 이루어지는 경우, 상기 반사광은 대상체(20)에 레이저광과 태양광이 반사된 것이 합쳐진 형태일 수 있다.
광 분배기(220')로서 빔 스플리터를 사용하는 경우, 빔 스플리터(220')는 2D 스캐너(210)에서 반사광을 수신하고, 수신한 반사광을 수광 모듈(300'')의 튜너블 필터(340) 및 제2 광 검출기(360)에 분배한다. 제2 광 검출기(360)는 반사광이 검출되는 시점에 스톱 펄스 신호를 신호처리 모듈(400'')의 TDC(410)에 송신한다.
튜너블 필터(340)는 RF 송신기(330)에서 송신하는 RF 신호에 매칭된 파장에 해당하는 반사광을 선택적으로 투과시킨다. 상술한 대로 RF 송신기(330)가 송신하는 RF 신호는 파장과 매칭되는데, RF 신호와 매칭되는 파장은 튜너블 필터(340)가 투과시키는 파장에 해당한다. 시간의 흐름에 따라 RF 송신기(330)가 송신하는 RF 신호는 달라지며, 그 결과 튜너블 필터(340)는 시간에 따라 다른 파장의 반사광을 투과시키게 된다. 튜너블 필터(340)에서 투과되는 반사광의 파장은 투과 대상이 되는 파장 범위 내에서 최초에 가장 긴 파장에서 마지막에 가장 짧은 파장의 순서로 진행되거나, 최초에 가장 짧은 파장에서 마지막에 가장 긴 파장의 순서로 진행될 수 있다. 또한, 튜너블 필터(340)에서 투과되는 반사광의 파장은 시간의 흐름에 따라 연속적으로 변화할 수 있다.
제1 광 검출기(350)는 튜너블 필터(340)에서 투과된 반사광의 광량을 측정하여 파장에 대한 세기(intensity) 정보를 생성하여 프로세서(420')에 전달한다. 사전에 정해진 시퀀스에 따라 튜너블 필터(340)에서 투과되는 파장이 변화하므로, 프로세서(420')가 파장과 세기(intensity) 정보를 매칭할 수 있다.
신호처리 모듈(400'')에 포함된 TDC(410)는 시작신호 송신부(120')가 송신한 스타트 펄스 신호를 수신한 시점과 제2 광 검출기(360)가 송신한 스톱 펄스 신호를 수신한 시점 간의 시간 차를 계산하고 상기 시간 차 정보를 프로세서(420')에 전달한다.
프로세서(420')는 파장에 따른 세기 정보를 취합하여 대상체(20)에 관한 분광 정보를 생성한다. 프로세서(420')는 도 4b에 도시한 대로, 파장에 따른 세기 정보를 기초로 파장에 따른 세기(intensity)의 연속 함수를 분광 정보로서 생성할 수 있다. 또한, 프로세서(420')는 상기 시간 차 정보를 기초로 대상체(20)의 각 지점까지의 거리를 계산하여 거리 정보를 생성한다. 프로세서(420')는 거리를 계산할 때 ToF(Time of Flight) 기법을 사용할 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.
프로세서(420')는 분광 정보와 대상체(20)까지의 거리 정보를 동기화한다. 프로세서(420')가 대상체(20)의 속성 정보, 형상 정보를 획득(생성)하는 과정과 대상체(20)를 식별(어떤 종류의 객체인지 판단)하는 과정과 그 결과물은 도 3(도 3a 및 도 3b)를 참조하여 설명한 실시예와 같다.
도 5a은 본 발명의 일 실시예에 따른 형상 및 분광 정보 동시 측정 시스템(10''')의 구성을 나타낸 블록도이며, 도 5b는 본 발명의 일 실시예에 따른 형상 및 분광 정보 동시 측정 시스템(10''')의 동작을 나타낸 참고도이다.
형상 및 분광 정보 동시 측정 시스템(10''')은 송광 모듈(100'''), 스캔 모듈(200'''), 수광 모듈(300''') 및 신호처리 모듈(400''')을 포함하여 구성된다.
본 실시예에서 송광 모듈(100''')은 레이저 광원(110') 및 시작신호 송신부(120)를 포함하며, 스캔 모듈(200''')은 광확산기(230, OD;Optical Diffuser) 및 렌즈(240)를 포함하며, 수광 모듈(300''')은 다중 스펙트럼 필터(370, multi-spectral filter) 및 2D 어레이 칩(380, 2D array chip)을 포함하며, 신호처리 모듈(400''')은 TDC(410') 및 프로세서(420'')를 포함한다.
먼저, 송광 모듈(100''')은 레이저 광원(110')을 통해 단일 파장의 레이저광을 광 확산기(230, OD)에 송신한다. 상기 레이저광은 펄스 형태일 수 있다. 그리고 송광 모듈(100''')의 시작신호 송신부(120)는 레이저광을 송신하는 시점에 스타트 펄스 신호를 신호처리 모듈(400''')의 TDC(410')에 송신한다.
스캔 모듈(200''')에 포함된 광 확산기(230)는 송광 모듈(100''')에서 송신된 레이저광을 확산시켜 대상체(20)가 위치한 영역에 조사(照射)한다. 렌즈(240)는 대상체(20)의 반사광을 수광 모듈(300''')의 다중 스펙트럼 필터(370)에 전달한다. 형상 및 분광 정보 동시 측정 시스템(10')의 측정이 주간에 이루어지는 경우, 상기 반사광은 대상체(20)에 레이저광과 태양광이 반사된 것이 합쳐진 형태일 수 있다.
수광 모듈(300''')에 포함된 다중 스펙트럼 필터(370)는 투과되는 파장 대역을 달리하는 복수의 픽셀로 구성되어 있으며, 상기 픽셀을 투과한 반사광을 2D 어레이 칩(380)에 전달한다. 다중 스펙트럼 필터(370)에서 파장 대역이 각각 다른 픽셀의 배열이 하나의 셀을 구성할 수 있다. 도 5b의 예시에 따를 때, 다중 스펙트럼 필터(370)가 필터링하는 파장 대역은 파장의 길이에 따라 6가지로 구분되며, 다중 스펙트럼 필터(370) 내의 각 픽셀은 6가지 파장 대역 중 어느 하나의 파장 대역에 대해 반사광을 투과시킬 수 있다. 또한, 각기 다른 파장 대역을 투과하는 픽셀 6개의 배열(가로 3개 x 세로 2개)이 하나의 셀을 형성한다. 2D 어레이 칩(380)은 셀 별로 투과된 반사광의 광량을 측정하여 각 셀에 대한 파장 대역별 세기(intensity) 정보(셀별 분광 정보)를 생성하고, 각 셀에 대한 파장 대역별 세기 정보를 프로세서(420'')에 송신한다. 상기 파장 대역별 세기 정보에는 파장 대역에 관한 정보(파장 대역별 파장 범위)가 포함될 수 있다.
또한, 2D 어레이 칩(380)은 다중 스펙트럼 필터(370)에서 투과된 반사광을 셀별로 수신(검출)하여 그 수신(검출) 시점에 스톱 펄스 신호를 발생시키고 스톱 펄스 신호를 TDC(410')에 송신한다. 이때 2D 어레이 칩(380)은, 레이저 광원(110')에서 송신되는 단일 파장 레이저의 파장이 포함되는 파장 대역을 가진 다중 스펙트럼 필터(370)의 픽셀을 투과하는 반사광의 수신(검출) 시점을 기준으로 스톱 펄스 신호를 발생시킬 수 있다.
신호처리 모듈(400''')에 포함된 TDC(410')는 시작신호 송신부(120)가 송신한 스타트 펄스 신호를 수신한 시점과 2D 어레이 칩(380)이 송신한 스톱 펄스 신호를 수신한 시점 간의 시간 차를 계산하고 상기 시간 차 정보를 프로세서(420'')에 전달한다. 이때 TDC(410')는 다중 스펙트럼 필터(370)의 각 셀 별로 스타트 펄스 신호의 수신 시점과 스톱 펄스 신호의 수신 시점 간의 시간 차를 계산한다. 즉, TDC(410')는 셀별 시간 차 정보를 생성한다.
프로세서(420'')는 다중 스펙트럼 필터(370)의 각 셀에 대한 파장 대역별 세기 정보(셀별 분광 정보)를 취합하여 대상체(20)에 관한 분광 정보를 생성한다.
또한, 프로세서(420'')는 TDC(410')에서 생성한 셀별 시간 차 정보를 취합하고, 취합된 시간 차 정보를 기초로 광 확산기(230)가 조사한 영역의 각 지점까지의 거리를 계산하여 거리 정보를 생성한다. 이 경우 프로세서(420'')는 거리를 계산할 때 ToF(Time of Flight) 기법을 사용할 수 있으나, 이에 제한되지 않는다. 상술한 대로, 광 확산기(230)가 조사한 영역에는 대상체가 위치한 영역이 포함되어 있다. 즉, 상기 거리 정보에는 대상체(20)의 각 지점까지의 거리 정보가 포함되어 있다. 프로세서(420'')는 상기 거리 정보를 2D 좌표 평면 상에 표현하여 거리가 시각적으로 표시된 이미지('거리 이미지')를 생성할 수 있다. 이때 거리 이미지는 거리에 따라 색상이나 명도를 달리하여 표현된 형태일 수 있다.
프로세서(420'')는 분광 정보와 거리 정보를 동기화한다.
한편, 프로세서(420'')는 분광 정보를 기초로 대상체(20)의 속성 정보(예를 들어 색상, 재질 등)를 얻을 수 있다. 즉, 프로세서(420'')는 분광 정보를 기초로 대상체(20)의 속성을 판단할 수 있다. 프로세서(420'')가 대상체(20)의 속성 정보를 얻는 과정은 도 3(도 3a 및 도 3b)를 참조하여 설명한 실시예와 같다.
또한, 프로세서(420'')는 거리 이미지에서 대상체(20)의 형상을 추출할 수 있다. 프로세서(420'')가 거리 이미지에서 대상체(20)의 형상을 추출함에 있어서 객체 윤곽선 추출 등 객체 식별에 관한 공지 기술이 활용될 수 있다. 그리고 프로세서(420'')는 거리 이미지 또는 거리 이미지를 기초로 생성한 형상 정보를 속성 정보와 동기화할 수 있다. 그리고 프로세서(420'')는 거리 이미지 또는 대상체(20)의 형상 정보를 기 학습된 딥러닝 모델(객체 판단 모델)에 입력하여 대상체(20)를 인식할 수 있다. 즉 프로세서(420'')는 거리 이미지 또는 대상체(20)의 형상 정보를 기초로 대상체(20)가 어떤 종류의 객체인지 판단할 수 있다. 예를 들어, 프로세서(420'')는 상술한 방법을 통해 일반 카메라에서 구분되지 않는 블랙아이스(black ice) 및 등신대, 광고판에 표시된 사람 등의 객체를 인식할 수 있다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 형상 및 분광 정보 동시 측정 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 형상 및 분광 정보 동시 측정 방법은 S510 단계 내지 S540 단계를 포함한다. 도 6을 참조한 실시예는 도 1(도 1a 및 도 1b)의 실시예에 따른 형상 및 분광 정보 동시 측정 시스템(10)을 기준으로 설명되지만, 도 3(도 3a 및 도 3b) 내지 도 5(도 5a 및 도 5c)의 실시예에 나타난 발명의 구성이 각 단계에서 활용될 수 있다.
S510 단계는 송광 단계이다. 송광 모듈(100)은 레이저 광원을 구비하여 레이저광을 스캔 모듈(200)에 송신한다. 그리고 송광 모듈(100)은 상기 레이저광을 송신하는 시점에 스타트 펄스 신호를 신호처리 모듈(400)에 송신한다. 스캔 모듈(200)은 상기 레이저광을 대상체(20)에 조사한다.
S520 단계는 스캔 단계이다. 스캔 모듈(200)은 대상체(20)에서 반사광을 수신한다. 그리고 스캔 모듈(200)은 수신한 반사광을 수광 모듈(300)에 송신한다.
S530 단계는 수광 단계이다. 수광 모듈(300)은 수신한 반사광에 대하여 파장에 따른 세기(intensity) 정보를 생성하고, 반사광의 수신 시점에 스톱 펄스 신호를 신호처리 모듈(400)에 송신한다.
S540 단계는 신호처리 단계이다. 신호처리 모듈(400)은 스타트 펄스 신호의 수신 시점과 스톱 펄스 신호의 수신 시점 간의 시간 차에 기초하여 상기 대상체(20)까지의 거리 정보를 생성하고, 반사광에 대한 파장에 따른 세기 정보를 취합하여 대상체(20)에 관한 분광 정보를 생성하며, 대상체(20)까지의 거리 정보와 분광 정보를 동기화한다. 또한, 신호처리 모듈(400)은 대상체(20)까지의 거리 정보에 기초하여 형상 정보를 생성할 수 있고, 분광 정보를 기초로 대상체(20)의 속성 정보(색상, 재질 등)를 생성할 수 있으며, 신호처리 모듈(400)이 생성한 정보(거리 정보, 분광 정보, 형상 정보, 속성 정보)를 동기화할 수 있다.
한편 도 6을 참조한 설명에서, 각 단계는 본 발명의 구현예에 따라서, 추가적인 단계들로 더 분할되거나, 더 적은 단계들로 조합될 수 있다. 또한, 일부 단계는 필요에 따라 생략될 수도 있고, 단계 간의 순서가 변경될 수도 있다. 아울러, 기타 생략된 내용이라 하더라도 도 1 내지 도 5의 내용은 도 6의 내용에 적용될 수 있다. 또한, 도 6의 내용은 도 1 내지 도 5의 내용에 적용될 수 있다.
본 발명의 실시예에서 사용되는 '~부'라는 용어는 소프트웨어 또는 FPGA또는 ASIC과 같은 하드웨어 구성요소를 의미하며, '~부'는 어떤 역할들을 수행한다. 그렇지만 '~부'는 소프트웨어 또는 하드웨어에 한정되는 의미는 아니다. '~부'는 어드레싱할 수 있는 저장 매체에 있도록 구성될 수도 있고 하나 또는 그 이상의 프로세서들을 재생시키도록 구성될 수도 있다. 따라서, 일 예로서 '~부'는 소프트웨어 구성요소들, 객체지향 소프트웨어 구성요소들, 클래스 구성요소들 및 태스크 구성요소들과 같은 구성요소들과, 프로세스들, 함수들, 속성들, 프로시저들, 서브루틴들, 프로그램 코드의 세그먼트들, 드라이버들, 펌웨어, 마이크로코드, 회로, 데이터, 데이터베이스, 데이터 구조들, 테이블들, 어레이들, 및 변수들을 포함한다. 구성요소들과 '~부'들 안에서 제공되는 기능은 더 작은 수의 구성요소들 및 '~부'들로 결합되거나 추가적인 구성요소들과 '~부'들로 더 분리될 수 있다. 뿐만 아니라, 구성요소들 및 '~부'들은 디바이스 또는 보안 멀티미디어카드 내의 하나 또는 그 이상의 CPU들을 재생시키도록 구현될 수도 있다.
전술한 형상 및 분광 정보 동시 측정 방법은 도면에 제시된 흐름도를 참조로 하여 설명되었다. 간단히 설명하기 위하여 상기 방법은 일련의 블록들로 도시되고 설명되었으나, 본 발명은 상기 블록들의 순서에 한정되지 않고, 몇몇 블록들은 다른 블록들과 본 명세서에서 도시되고 기술된 것과 상이한 순서로 또는 동시에 일어날 수도 있으며, 동일한 또는 유사한 결과를 달성하는 다양한 다른 분기, 흐름 경로, 및 블록의 순서들이 구현될 수 있다. 또한, 본 명세서에서 기술되는 방법의 구현을 위하여 도시된 모든 블록들이 요구되지 않을 수도 있다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
10, 10', 10'', 10''': 형상 및 분광 정보 동시 측정 시스템
20: 대상체
100, 100', 100'', 100''': 송광 모듈
110, 110': 레이저 광원
120, 120': 시작신호 송신부
200, 200', 200'', 200''': 스캔 모듈
210: 2D 스캐너
220, 220': 광 분배기
230: 광 확산기
240: 렌즈
300, 300', 300'', 300''': 수광 모듈
310: 분광 요소
320:선형 감지기
330: RF 송신기
340: 튜너블 필터
350: 제1 광 검출기
360: 제2 광 검출기
370: 다중 스펙트럼 필터
380: 2D 어레이 칩
400, 400', 400'', 400''': 신호처리 모듈
410: TDC
420, 420', 420'': 프로세서
20: 대상체
100, 100', 100'', 100''': 송광 모듈
110, 110': 레이저 광원
120, 120': 시작신호 송신부
200, 200', 200'', 200''': 스캔 모듈
210: 2D 스캐너
220, 220': 광 분배기
230: 광 확산기
240: 렌즈
300, 300', 300'', 300''': 수광 모듈
310: 분광 요소
320:선형 감지기
330: RF 송신기
340: 튜너블 필터
350: 제1 광 검출기
360: 제2 광 검출기
370: 다중 스펙트럼 필터
380: 2D 어레이 칩
400, 400', 400'', 400''': 신호처리 모듈
410: TDC
420, 420', 420'': 프로세서
Claims (25)
- 송광 모듈;
스캔 모듈;
수광 모듈; 및
신호처리 모듈;
을 포함하고,
상기 송광 모듈은 레이저 광원을 구비하여 레이저광을 상기 스캔 모듈에 송신하며, 상기 레이저광을 송신하는 시점에 스타트 펄스 신호를 상기 신호처리 모듈에 송신하고,
상기 스캔 모듈은 상기 레이저광을 대상체에 조사하며, 상기 대상체에서 수신한 반사광을 상기 수광 모듈에 송신하고,
상기 수광 모듈은 상기 반사광에 대하여 파장에 따른 세기(intensity) 정보를 생성하고, 상기 반사광의 수신 시점에 스톱 펄스 신호를 상기 신호처리 모듈에 송신하며,
상기 신호처리 모듈은 상기 스타트 펄스 신호의 수신 시점과 상기 스톱 펄스 신호의 수신 시점 간의 시간 차에 기초하여 상기 대상체까지의 거리 정보를 생성하고, 상기 세기(intensity) 정보를 취합하여 상기 대상체에 관한 분광 정보를 생성하며, 상기 거리 정보와 상기 분광 정보를 동기화하는 것
인 거리 정보 및 분광 정보 동시 측정 시스템. - 제1항에 있어서,
상기 레이저광은 일정한 파장을 가지는 것
인 거리 정보 및 분광 정보 동시 측정 시스템. - 제1항에 있어서, 상기 송광 모듈은,
상기 레이저광을 펄스 형태로 송신하는 것
인 거리 정보 및 분광 정보 동시 측정 시스템. - 제1항에 있어서, 상기 스캔 모듈은,
2D 스캐너를 포함하며,
상기 2D 스캐너는 상기 대상체에서 반사광을 수신하는 것
인 거리 정보 및 분광 정보 동시 측정 시스템. - 제1항에 있어서, 상기 스캔 모듈은,
빔 스플리터 및 광 커플러 중 어느 하나의 광 분배기를 포함하며,
상기 광 분배기는 상기 대상체에서 수신된 반사광을 상기 수광 모듈에 송신하는 것
인 거리 정보 및 분광 정보 동시 측정 시스템. - 제1항에 있어서, 상기 수광 모듈은,
분광 요소(dispersive element) 및 선형 감지기(linear detector)를 포함하며, 상기 분광 요소는 상기 반사광을 파장에 따라 분리하고, 상기 선형 감지기는 상기 분리된 반사광을 기초로 상기 반사광에 대한 파장 대역별 세기(intensity) 정보를 생성하는 것
인 거리 정보 및 분광 정보 동시 측정 시스템. - 제6항에 있어서, 상기 분광 요소는,
프리즘 및 회절 격자 중 어느 하나
인 거리 정보 및 분광 정보 동시 측정 시스템. - 제1항에 있어서, 상기 수광 모듈은,
튜너블 필터 및 광 검출기를 포함하며, 상기 튜너블 필터는 시간에 따라 다른 파장의 반사광을 투과시켜 상기 광 검출기에 전달하고, 상기 광 검출기는 상기 투과된 반사광의 광량을 측정하며, 상기 측정된 광량을 기초로 파장별 세기(intensity) 정보를 생성하는 것
인 거리 정보 및 분광 정보 동시 측정 시스템. - 제8항에 있어서, 상기 수광 모듈은,
RF 송신기를 더 포함하고, 상기 RF 송신기는 트리거링 신호의 수신 시점을 기준으로 시간의 경과에 따라 RF 신호의 주파수를 변화시키면서 상기 RF 신호를 상기 튜너블 필터에 송신하고, 상기 튜너블 필터는 상기 RF 신호에 대응되는 파장에 해당하는 반사광을 투과시키며,
상기 송광 모듈은 상기 레이저광의 송신을 시작하는 시점에 상기 트리거링 신호를 상기 RF 송신기에 송신하는 것
인 거리 정보 및 분광 정보 동시 측정 시스템. - 제8항에 있어서, 상기 튜너블 필터는,
AOTF(Acousto-Optic Tunable Filter) 및 MFPI(Mems Fabry-Perot Interferometer) 중 어느 하나
인 거리 정보 및 분광 정보 동시 측정 시스템. - 제1항에 있어서, 상기 신호처리 모듈은,
상기 분광 정보를 기초로 상기 대상체의 속성 정보를 생성하는 것
인 거리 정보 및 분광 정보 동시 측정 시스템. - 제1항에 있어서, 상기 신호처리 모듈은,
상기 거리 정보를 기초로 상기 대상체의 형상 정보를 생성하는 것
인 거리 정보 및 분광 정보 동시 측정 시스템. - 제12항에 있어서, 상기 신호처리 모듈은,
상기 형상 정보를 기초로 상기 대상체를 분류하는 것
인 거리 정보 및 분광 정보 동시 측정 시스템. - 제1항에 있어서, 상기 스캔 모듈은,
상기 레이저광을 확산시켜 상기 대상체의 표면에 조사하고, 상기 대상체의 표면에서 수신한 반사광을 상기 수광 모듈에 송신하는 것
인 거리 정보 및 분광 정보 동시 측정 시스템. - 제1항에 있어서, 상기 스캔 모듈은,
광확산기 및 렌즈를 포함하며, 상기 광확산기는 상기 레이저광을 확산시켜 상기 확산된 레이저광을 상기 대상체의 표면에 조사하고,
상기 렌즈는 상기 대상체의 표면에서 수신한 반사광을 상기 수광 모듈에 송신하는 것
인 거리 정보 및 분광 정보 동시 측정 시스템. - 제14항에 있어서, 상기 수광 모듈은,
다중 스펙트럼 필터(multi-spectral filter) 및 2D 어레이 칩(2D array chip)을 포함하고,
상기 다중 스펙트럼 필터는 복수의 셀로 구성되고, 각 셀을 투과한 반사광을 상기 2D 어레이 칩에 전달하고,
상기 2D 어레이 칩은 상기 각 셀에 대한 분광 정보(셀별 분광 정보)를 생성하고,
상기 셀은 투과되는 파장 대역을 서로 달리하는 복수의 픽셀로 구성되며,
상기 신호처리 모듈은,
상기 셀별 분광 정보를 취합하여 상기 대상체에 관한 분광 정보를 생성하는 것
인 거리 정보 및 분광 정보 동시 측정 시스템. - 제14항에 있어서, 상기 수광 모듈은,
다중 스펙트럼 필터(multi-spectral filter)와 2D 어레이 칩(2D array chip)을 포함하고,
상기 다중 스펙트럼 필터는 복수의 셀로 구성되고, 각 셀을 투과한 반사광을 상기 2D 어레이 칩에 전달하고,
상기 2D 어레이 칩은 상기 각 셀을 투과한 반사광의 수신 시점에 스톱 펄스 신호(셀별 스톱 펄스 신호)를 발생시키고, 상기 셀별 스톱 펄스 신호를 상기 신호처리 모듈에 송신하며,
상기 신호처리 모듈은,
TDC(Time-to-Digital Converter)와 프로세서를 포함하며,
상기 TDC는 상기 스타트 펄스 신호의 수신 시점과 상기 셀별 스톱 펄스 신호의 수신 시점에 기초하여 셀별 시간 차 정보를 생성하며,
상기 프로세서는 상기 셀별 시간 차 정보를 취합하고, 상기 취합된 셀별 시간 차 정보를 기초로 상기 대상체의 각 지점까지의 거리 정보를 산출하는 것
인 거리 정보 및 분광 정보 동시 측정 시스템. - 제17항에 있어서, 상기 2D 어레이 칩은,
상기 각 셀을 투과한 반사광이 상기 레이저광의 파장과 동일한 대역을 가지는 경우에 한하여 상기 각 셀을 투과한 반사광의 수신 시점에 상기 셀별 스톱 펄스 신호를 상기 신호처리 모듈에 송신하는 것
인 거리 정보 및 분광 정보 동시 측정 시스템. - 레이저광을 출력하면서 스타트 펄스 신호를 발생시키고, 상기 출력된 레이저광을 대상체에 조사하는 송광 단계;
상기 대상체에서 반사광을 수신하고, 상기 반사광의 수신 시점에 스톱 펄스 신호를 발생시키며, 상기 반사광에 대하여 파장에 따른 세기(intensity) 정보를 생성하는 수광 단계; 및
상기 스타트 펄스 신호의 발생 시점과 상기 스톱 펄스 신호의 발생 시점 간의 시간 차에 기초하여 상기 대상체까지의 거리 정보를 생성하고, 상기 세기(intensity) 정보를 취합하여 상기 대상체에 관한 분광 정보를 생성하며, 상기 거리 정보와 상기 분광 정보를 동기화하는 신호처리 단계;
를 포함하는 거리 정보 및 분광 정보 동시 측정 방법. - 제19항에 있어서, 상기 송광 단계는,
일정한 파장을 가지는 펄스 형태의 레이저광을 출력하는 것
인 거리 정보 및 분광 정보 동시 측정 방법. - 제19항에 있어서, 상기 수광 단계는,
상기 반사광을 파장에 따라 분리하고, 상기 분리된 반사광을 기초로 파장 대역별 세기(intensity) 정보를 생성하는 것
인 거리 정보 및 분광 정보 동시 측정 방법. - 제19항에 있어서, 상기 수광 단계는,
상기 반사광이 상기 레이저광의 파장과 동일한 대역을 가지는 경우에 한하여 상기 반사광의 수신 시점에 상기 스톱 펄스 신호를 발생시키는 것
인 거리 정보 및 분광 정보 동시 측정 방법. - 제19항에 있어서, 상기 신호처리 단계는,
상기 분광 정보를 기초로 상기 대상체의 속성 정보를 생성하는 것
인 거리 정보 및 분광 정보 동시 측정 방법. - 제19항에 있어서, 상기 신호처리 단계는,
상기 거리 정보를 기초로 상기 대상체의 형상 정보를 생성하는 것
인 거리 정보 및 분광 정보 동시 측정 방법. - 제24항에 있어서, 상기 신호처리 단계는,
상기 형상 정보를 기초로 상기 대상체를 분류하는 것
인 거리 정보 및 분광 정보 동시 측정 방법.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020220016182A KR102656429B1 (ko) | 2022-02-08 | 단일 파장 레이저와 파장 필터를 이용한 형상 및 분광 정보 동시 측정 시스템 및 방법 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020220016182A KR102656429B1 (ko) | 2022-02-08 | 단일 파장 레이저와 파장 필터를 이용한 형상 및 분광 정보 동시 측정 시스템 및 방법 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| KR20230119878A true KR20230119878A (ko) | 2023-08-16 |
| KR102656429B1 KR102656429B1 (ko) | 2024-04-12 |
Family
ID=
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