KR930000084Y1 - 이산화탄소 레이저 거리 측정기의 광 검출회로 - Google Patents

Abstract

내용 없음.

Description

이산화탄소 레이저 거리 측정기의 광 검출회로

제1도는 종래의 광검출회로의 블럭도.

제2도는 본 고안에 따른 광검출회로의 일실시예의 구체회로도.

제3도는 제2도중 광검출기(12)의 1차 등가에 의한 등가회로도.

제4도는 제2도중 대역여파부(30)의 전달함수 회로망도.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

10 : 광검출부 12 : 광검출기

20 : 증폭부 22, 24 : 제1, 제2증폭기

30 : 대역여파부 40 : 임계치 검출부

42 : 비교기 C11-C16 : 캐패시터

R11-R19 : 저항 ZD11 : 제너다이오드

D11-D12 : 다이오드 Q11 : 트랜지스터

본 고안은 레이저(Laser) 거리 측정기의 광검출회로에 관한 것으로, 특히 이산화탄소(CO₂) 레이저를 이용한 거리 측정기의 수신장치에 있어서 광검출기와 거리 측정을 위한 시스템(System)간의 대역폭(Bandwidth)의 차로 인하여 발생하는 이득저하를 보상하여 측정의 정확도를 향상시키는 광검출회로에 관한 것이다.

일반적으로 레이저를 이용한 거리 측정기는 레이저빔(Laser Beam)을 대상 물체를 향하여 송출한 후부터 대상물체에 의해 반사되어진 레이저빔이 수광될때까지의 레이저빔 왕복시간을 체크하여 체크된 레이저빔 왕복 시간에 의해 대상물체까지의 거리를 산출하는 장치이다. 상기 레이저 거리 측정기에는 통상적으로 에너지 효율이 높고 수십와트(W)에서 부터 수십 킬로와트(KW)까지의 대출력을 가지는 이산화탄소 레이저가 사용된다. 상기 이산화탄소 레이저는 10.6㎛ 파장의 적외선영역에서 동작한다.

그리고 레이저 거리 측정기의 수신장치에 있어서 일반적인 광검출회로는 제1도와 같이 구성되어진다. 상기 제1도의 회로에서 레이저빔이 광검출기(1)에 수광되면, 광검출기(1)는 이를 검출하여 검출신호를 전류신호로서 출력한다. 상기 광검출기(1)에서 출력된 검출신호는 필터(Filter)(3)를 거쳐 제1, 제2증폭기(5, 7)에서 증폭된 후 임계치(Threshold) 검출기(9)에 입력된다. 상기 임계치 검출기(9)는 입력되는 신호의 전압을 미리 설정된 기준전압과 비교함으로써 기준전압보다 큰 전압의 신호가 입력될때 레이저 빔이 검출됨을 나타내는 신호를 출력한다. 이에따라 거리 측정기에서 거리 측정 시스템은 상기 임계치 검출기(9)의 출력신호를 입력하여 계산 시작 신호 또는 계산종료신호로 사용함으로써 대상물체까지의 거리를 산출하게 된다. 이때 광검출기(1)는 이산화탄소 레이저의 파장인 10.6㎛에 대해서 최대의 응답도를 가지는 수은 카드뮴 테르(HgCdTe)검출기를 사용하고, 필터(3)는 능동 또는 수동 필터가 사용되어지며, 제1, 제2증폭기(5, 7)는 고이득의 OP앰프(Operational Amplifier) 또는 비디오(Video)앰프가 사용되어지며, 임계치 검출기(9)는 비교기가 사용된다.

한편 거리 측정기에 있어서 거리 측정 시스템에서 요구되는 레이저의 펄스폭에 대한 대역폭은 최소 20MHz이나, 광검출기(1)로서 사용되는 수은 카드뮴 테르(HgCdTe) 검출기의 컷오프(Cut Off) 주파수는 800KHz 정도로서 이에 못 미치고 있다. 이에따라 상기한 바와같이 광검출기(1)의 검출신호를 제1, 제2증폭기(5, 7)로서 증폭하고 있으나 필터(3)를 바로 광검출기(1)의 컷오프 주파수에 맞는 필터를 사용함에 따라 광검출기(1)에서 출력되는 검출신호의 펄스(Pulse)폭이 길어지게 된다.

따라서 상기한 바와 같은 종래의 광검출회로는 광검출기에서 검출된 신호를 바로 광검출기의 컷오프 주파수에 맞는 출력 필터를 사용할 경우 신호의 펄스폭이 길어지므로 임계치 검출기에서 어느 시점을 검출하는가에 따라 측정거리의 오차가 커지게 되는 문제점이 있었다. 또한 다수의 증폭기를 사용하여 신호를 증폭함으로써 증폭기의 이득이 커야하고 증폭기의 이득이 크게 되면 회로 자체의 발진 위험이 크게되어 실현하기가 어려운 문제점이 있었다.

따라서 본 고안의 목적은 이산화탄소 거리측 측정기의 광검출회로에 있어서, 광검출기에 의해 검출된 신호를 바로 증폭하고 이득보상을 하여 광검출기와 거리 측정을 위한 시스템간의 대역폭의 차로 인하여 발생하는 이득 저하를 보상할 수 있는 광검출회로를 제공함에 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 고안은 수광되는 레이저빔을 검출하는 광검출부와, 상기 검출된 신호를 증폭하는 증폭부와, 상기 증폭된 신호를 대역여파하여 이득을 보상하는 대역여파부와, 상기 이득이 보상된 신호를 설정된 기준전압과 비교하여 기준전압보다 높을때 검출신호를 출력하는 임계치 검출부로 구성하는 것을 특징으로 한다.

이하 본 고안을 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

제2도는 본 고안에 따른 일실시예의 회로도로서, 수광되는 레이저빔을 검출하여 전기적 신호로 변환하는 광검출부(10)와, 상기 광검출부(10)에서 검출된 신호를 증폭하는 증폭부(20)와, 상기 증폭부(20)에서 증폭된 신호를 대역여파하여 이득보상을 하는 대역여파부(30)와, 상기 대역여파부(30)에서 이득보상된 신호를 설정된 기준전압과 비교하여 기준전압보다 높을때 검출신호를 출력하는 임계치 검출부(40)로 구성된다.

상기 제2도의 구성중 광검출부(10)는 광검출기(12)와, 상기 광검출기(12)의 바이어스(Bias)를 위한 제너다이오드(ZD11)와 캐패시터(C11)와 저항(R11-R12) 및 트랜지스터(Q11)로 구성된다.

증폭부(20)는 상기 광검출부(10)에서 검출된 신호를 커플링(Couplling)하는 커플링 캐패시터(C12)와, 상기 커플링된 신호를 증폭하는 제1증폭기(22)와, 상기 제1증폭기(22)의 입력단을 보호하기 위한 다이오드(D11-D12)와, 상기 제1증폭기 (22)에서 출력되는 신호를 커플링하는 캐패시터(C13-C14) 및 저항(R13-R14)과, 상 기 제1증폭기(22)에서 1차 증폭된 신호를 다시 증폭하는 제2증폭기(24)로 구성된다.

대역여파부(30)는 상기 증폭부(20)의 출력단과 상기 임계치 검출부(4O)의 입력단 사이에 직렬접속된 캐패시터(C15) 및 저항(R15)과, 상기 임계치 검출부(40)의 입력단과 접지 사이에 직렬접속된 캐패시터(C16) 및 저항(R16)으로 구성된다.

임계치 검출부(40)는 전원전압(Vcc)을 일정분압하여 기준전압(V_T)을 설정하는 저항(R17-R16)과 상기 대역여파부(30)의 출력을 제1입력 단자(IN1)에 입력하여 제2입력단자(IN2)에 입력되는 상기 저항(R17-R18)에 의해 설정된 기준전압(V_T)과 비교하는 비교기(42)와, 상기 비교기(42)의 단자(ST1, ST2)에 전원전압(Vcc)을 인가하기 위한 저항(R19)으로 구성된다.

제3도는 상기 제2도중 광검출기(12)의 1차 등가에 의한 등가회로도로서, 광전도 적외선 검출기의 광자 입력에 대한 저항성분 R_D와 용량성분 R_D의 등가회로를 나타낸 것이다.

제4도는 상기 제2도중 이득보상을 위한 대역여파부(30)의 전달함수 G(_S)의 회로망도로서, 입력신호(Vi)에 대한 출력신호(V_O)의 이득을 보상하기 위한 전달함수 G(_S)의 회로망 구성을 나타낸다.

이하 본 고안에 따른 제2도의 동작예를 제3도 및 제4도를 참조하여 상세히 설명한다.

먼저 광증폭기를 구성할때는 각종 광학적 현상을 바탕으로 광검출기의 노이즈(Noise)를 산출하여 SNR(Signal to Noise Ratio)및 TNR(Threshold to Noise Ratio)를 산출한다. 본 고안에서는 예를들어 SNR=7.87, TNR=5.47로 선정하여 노이즈 검출확률 0.01%를 목표로 광 검출회로를 구성한다. 여기서 상기 노이즈 검출확률이라함은 거리측정기가 레이저가 대기에서의 각종 산란, 반사로 인하여 감쇄되어 거리측정기에 수광될때 거리측 정기에서 오인식하는 정도를 말한다. 그러므로 노이즈 검출확률 0.01%는 예를들어 동일한 거리를 10,000번을 측정할때 잘못된 거리를 1번 나타낸다는 의미이다.

제2도에서 광검출기(12)는 가장 일반적이고 고성능인 J15D12 계열의 수은 카드뮴 테르(HgCdTe) 광검출기 중에서 미합중국 EG＆G Judson사의 J15D12-M2O4-S100U를 사용하며, 이의 응답도 R^*은 하기식과 같다.

여기서 응답도 R^*는 광검출기(12)의 성능을 나타내는 지수로서, 특정 파장을 가지는 1W의 레이저빔이 수광될때 몇 V의 신호전압이 출력되는 가를 나타낸다. 그러므로 본 고안에서 사용한 광검출기(12)의 응답도 R^*가 상기 (1)식과 같으므로 1W의 레이저빔이 수광될때 20,OOOV의 신호전압이 출력되게 된다. 통상적으로 거리측 정기에서 광검출기에 수광되는 레이저 빔은 수십 nW정도이다.

한편 제3도는 대역여파부(30)의 이득보상회로를 설명하기 위한 광검출기(12)의 등가회로를 나타낸 것으로서 일반적인 광전도 적외선 검출기의 1차 등가에 의한 등가회로를 나타내고 있다.

그러므로 광검출기(12)는 응답도 R^*을 갖는 이상적인 광검출기와 -20dB/dec의 컷오프 특성을 갖는 1계(First Order)저역 여파기로 구성된다고 할 수 있다. 이때 컷오프 주파수 fc는 하기식과 같다.

상기 (1)식에서 τ_D는 광검출기(12)의 응답시간 즉, 시정수(Time Constant)로저 τ_D=R_DC_D이다. 여기서 본 고안에서 사용한 광검출기(12)의 τ_D는 400ns로 주어진다.

여기서 제3도에서 수광되는 레이저빔에 의한 광자입력에 따른 검출신호전압을 R^*·Vi라 하면, 광검출기(12)의 전달함수 D(_S)는 하기와 같이 결정된다. 우선,

상기 (3)식에서 R_DC_D는 상기한 바와같이 τ_D이므로 상기 (3)식을 다시 쓰면,

가 된다.

여기서 전달함수 D(_S)는 V_O(_S)/Vi이므로 상기 (4)식은 하기식으로 다시 정리된다.

또한 제2도에서 증폭부(20)는 시스템에서 요구되는 20MHZ의 대역폭을 충분히 포함하는 것으로 선정하여 자체의 주파수 특성은 평탄한 것으로 해야 한다. 그러므로 증폭부(20)에서 충분히 광신호를 증폭하고 대역여파부(30)를 통해 임계치 검출부(40)에 공급하여 시스템에서 요구하는 대역폭을 갖게할 수 있는 것이다.

이때 광검출기(12)의 전달함수가 상기한 바와 같이 D(_S)이고, 증폭부(20)의 이득을 A라 하고 대역여파부(30)의 전달함수를 G(_S)라고 할때 제2도에서 전체 시스템의 전달함수 H(_S)는 광검출기(12)의 전달함수 D(_S)와 대역여파부(30)의 전달함수 G(_S)와 증폭부(20)의 이득 A의 곱으로 나타내어 지므로 하기식과 같이 된다.

상기 (6)식에서 D(_S)는 상기 (5)식과 같으므로 상기(5)식을 상기 (6)식에 대입하면 하기식과 같이 된다.

한편 시스템의 3dB 컷오프 주파수를 20MHz로 하기 위한 대역여파부(30)의 전달함수 G(_S)는 하기와 같이 구해진다. 우선 상기 (5)식과 같이 대역여파부(30)의 입력 I(_S)와 출력 O(_S)를 구하면 각각 하기식과 같이 된다.

상기 (8)식과 (9)식에서 α와 β는 상수이다. 그러므로 상기 (8)식과 (9)식으로 부터 대역여파부(30)의 전달함수 G(_S)를 구하면 하기식으로 나타내어진다.

상기 (10)식에서 β/α를 K라 하면,

상기 (11)식에서 τ_P1은 레이저에 의해 송신된 펄스폭이며 τ_P2는 상기 τ_D와 동일하다. 그리고 일반식으로 거리측정용 레이저의 펄스폭에 대해서 τ_P1은 19ns이다.

따라서 상기(11)식을 상기 (7)식에 대입하면,

가 된다.

또한편 이때의 전달함수 G(_S)의 회로망 구성은 제4도와 같으며 상기 제4도에서 G(_S)=Vi/Vo이므로 전달함수 G(_S)는 하기식과 같이 된다.

따라서 상기(11)식과 (13)식으로 부터,

K=C1/(C1+C2),, τ_P2=C2R2가 된다.

여기서 전술한 바와같이 τ_P1=19ns, τ_P2=τ_D=400ns로 주어지므로 K＜1/21이 되고, K를 크게 하기 위해서 R1×1O=R2로 취하면 K=10/(21×11)=0.043이 되고 C1=C2/22가 된다.

그러므로 시스템 구성시의 특성 및 열잡음을 고려하면, 상기의 식들로 부터 이득보상을 위한 대역여파부(30)에서 캐패시터(C15)는 18pF, 캐패시터(C16)는 390pF, 저항(R15)은 102Ω, 저항(R16)은 1KΩ로 설정할 수 있다.

상기와 같은 이득보상에 따라 구성한 제2도에서 광검출기(12)에 레이저빔이 수광되면, 상기 광검출기(12)에서는 광전도 현상에 의해 신호가 발생된다. 이때 상기 광검출기(12)에 바이어스를 공급하기 위한 전류 I는 제너 다이오드(ZD11)와 캐패시터(C11)과 저항(R12)및 트랜지스터(Q11)에 의해 하기식으로 결정된다.

즉, 저항(R12)은 제너다이오드(ZD11)에 바이어스를 공급하고 저항(R11)은 광검출기(12)에 공급되는 전류를 제어한다.

그러므로 상기 광검출기(13)에서 검출된 신호는 커플링 캐패시터(C12)를 통하여 제1증폭기(22)에서 1차 증폭된후, 캐패시터(C13-Cl4)및 저항(R13-R14)에 의해 커플링되어 제2증폭기(24)에 의해 다시 증폭된다. 여기서 제1, 제2증폭기(22, 24)는 범용의 비디오 앰프인 μA733을 사용한 예이다.

상기 증폭부(20)에서 증폭된 신호는 대역여파부(30)에서 이득이 보상된후 임계치 검출부(40)의 비교기(42)의 제1입력단(IN1)에 입력된다. 그러면 비교기(42)는 제1입력단자(IN1)에 입력된 신호를 제2입력단자(IN2)에 인가되고 있는 저항(R17-R18)에 의해 결정된 기준전압(V_T)과 비교하여 기준전압(V_T)보다 높을때 검출신호를 출력단자(OUT1)를 통하여 출력한다. 여기서 상기 비교기(42)는 범용의 비교기인 LM161을 사용한 예이다.

상술한 바와같이 본 고안은 이산화탄소 레이저 거리 측정의 광검출 회로광검출기에 있어서, 검출된 신호를 바로 증폭하고 이득보상을 하여 검출하는 광검출회로로서 광검출기와 시스템의 대역폭의 차이를 보상함으로서 시스템을 안정되게 하여 거리 측정의 정확도를 향상시킬 수 있는 잇점이 있다. 또한 광증폭기의 이득을 크게하지 않아도 되므로 발진현상을 억제할 수 있어 용이하게 실현할 수 있는 잇점이 있다.

Claims (3)

1. 이산화탄소 레이저 거리 측정기의 광검출회로에 있어서, 수광되는 레이저 광을 검출하여 전기적 신호로 변환하는 광검출부(10)와, 상기 광검출부(10)에서 검출된 신호를 증폭하는 증폭부(20)와, 상기 증폭부(20)에서 증폭된 신호의 이득을 보상하는 대역여파부(30)와, 상기 대역여파부(30)에서 이득보상된 신호를 설정된 기 준전압과 비교하여 기준전압보다 높을때 검출신호를 출력하는 임계치 검출부(40)로 구성하는 것을 특징으로 하는 이산화탄소 레이저 거리 측정기의 광검출회로.
2. 제1항에 있어서, 상기 증폭부(20)가 상기 광검출부(10)에서 검출된 신호률 커플링하는 커플링 캐패시터(C1)와, 상기 커플링된 신호를 증폭하는 제1증폭기(22)와, 상기 제1증폭기(22)의 입력단을 보호하기 위한 다이오드(D11-D12)와, 상기 제1증폭기(22)에서 출력되는 신호를 커플링하는 캐패시터(C13-C14)및 저항(R13-R14)과, 상기 제1증폭기(22)에서 1차 증폭된 신호를 다시 증폭하는 제2증폭기(24)로 구성하는 것을 특징으로 하는 이산화탄소 레이저 거리 측정기의 광검출회로.
3. 제1항에 있어서, 상기 대역여파부(30)가 상기 증폭부(20)의 출력단과 상기 임계치 검출부(40)의 입력단 사이에 직렬접속된 캐패시터(C15) 및 저항(R15)과, 상기 임계치 검출부(40)의 입력단과 접지 사이에 직렬접속된 캐패시터(C16) 및 저항(R16)으로 구성하는 것을 특징으로 하는 이산화탄소 레이저 거리 측정기의 광검출회로.