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KR20190005377A - 거리 측정 장치 및 그 방법 - Google Patents

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KR20190005377A
KR20190005377A KR1020170085926A KR20170085926A KR20190005377A KR 20190005377 A KR20190005377 A KR 20190005377A KR 1020170085926 A KR1020170085926 A KR 1020170085926A KR 20170085926 A KR20170085926 A KR 20170085926A KR 20190005377 A KR20190005377 A KR 20190005377A
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윤희선
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Abstract

거리 측정 장치 및 그 방법에 관한 것이다. 본 거리 측정 장치는, 대상체에서 반사된 광을 검출하여 전기 신호를 출력하고, 전기 신호와 기준값을 비교하여 전기 신호의 포화 여부를 검출하며, 포화 여부 검출 결과를 이용하여 전기 신호의 크기를 조절하고, 전기 신호를 이용하여 대상체까지의 거리를 산출한다.

Description

거리 측정 장치 및 그 방법{Distance measuring device and method for measuring distance by using thereof}
개시된 실시예들은 대상체의 거리를 측정하는 장치 및 그 방법에 관한 것이다.
최근에 사물의 거리 정보를 촬영하는 3D 카메라 또는 LIDAR(Light Detection And Ranging)기술이 연구 중에 있는데, 그 중 하나가 빛의 왕복시간 측정법(Time Of Flight, 이하 TOF라 한다)으로서 촬상 장치와 피사체 간의 거리(이하 깊이 영상(Depth)라 한다)를 측정하는 기능을 갖는다.
TOF 방법은 기본적으로 특정 파장의 빛, 예를 들면 근 적외선(850nm)을 LED 또는 LD를 이용하여 피사체로 투사하고, 피사체로부터 반사된 동 파장의 빛을 포토 다이오드 또는 카메라에서 측정 또는 촬영하고 깊이 영상을 추출하는 프로세싱을 거치게 된다. 이러한 광 처리 과정 즉, 광 투사, 피사체 반사, 광 변조, 촬영, 프로세싱의 일련의 과정에 대한 다양한 TOF 방법이 소개되고 있다. 대상체까지의 거리를 정확하게 측정하는 방법에 대한 논의도 계속 진행되고 있다.
일 실시예는 광을 이용하여 보다 정확하게 거리를 측정할 수 있는 거리 측정 장치 및 그 거리 측정 방법을 제공한다.
일 측면(aspect)에 따르는 거리 산출 장치는, 대상체에서 반사된 광을 검출하여 전기 신호를 출력하는 광수신부; 상기 전기 신호로부터 피크를 검출하는 피크 검출기; 상기 전기 신호와 기준값을 비교하여 상기 전기 신호의 포화 여부를 검출하는 포화 검출기; 및 상기 피크를 이용하여 상기 대상체까지의 거리를 산출하고, 피크 검출 결과, 포화 검출 결과 및 거리 산출 결과 중 적어도 하나를 이용하여 상기 전기 신호의 크기를 조절하는 프로세서;를 포함한다.
그리고, 상기 프로세스는, 상기 전기 신호의 크기가 상기 기준값 이상이면, 상기 전기 신호의 크기를 작게 조절할 수 있다.
또한, 상기 광수신부는, 바이어스 전압이 인가된 상태에서, 상기 광을 검출하는 광검출기;를 포함할 수 있다.
그리고, 상기 프로세서는, 상기 바이어스 전압을 제어하여 상기 전기 신호의 크기를 조절할 수 있다.
또한, 상기 전기 신호의 크기는 상기 바이어스 전압의 크기에 비례할 수 있다.
그리고, 상기 광검출기는, 애벌런치 포토 다이오드(APD) 중 싱글 포토 애벌런치 다이오드(SPAD)를 포함할 수 있다.
또한, 상기 광수신부는, 상기 전기 신호의 진폭을 증폭시키는 증폭기;를 더 포함할 수 있다.
그리고, 상기 프로세서는, 상기 증폭기의 게인을 제어하여 상기 전기 신호의 크기를 조절할 수 있다.
또한, 광을 상기 대상체에 조사하는 광원;를 더 포함할 수 있다.
그리고, 상기 프로세서는, 상기 광원의 구동 신호를 제어하여 상기 전기 신호를 조절할 수 있다.
또한, 상기 프로세서는, 상기 전기 신호의 크기는 상기 구동 신호의 크기에 비례할 수 있다.
그리고, 상기 피크 검출기가 일정 시간 동안 상기 피크를 검출하지 않으면, 상기 프로세서는 상기 전기 신호의 크기를 크게 조절할 수 있다.
또한, 상기 일정 시간은, 상기 광을 방출하는 광원의 광 방출 주기보다 클 수 있다.
그리고, 상기 피크 검출기는, CFD(Constant fraction discriminator) 방식을 이용하여 상기 피크를 검출할 수 있다.
또한, 상기 프로세스는, 산출된 거리에 비례하게 상기 전기 신호의 크기를 조절할 수 있다.
한편, 일 실시예에 따른 거리 산출 방법은, 대상체에서 반사된 광을 검출하여 전기 신호를 출력하는 단계; 상기 전기 신호와 기준값을 비교하여 상기 전기 신호의 포화 여부를 검출하는 단계; 포화 여부 검출 결과를 이용하여 상기 전기 신호의 크기를 조절하는 단계; 및 상기 전기 신호를 이용하여 상기 대상체까지의 거리를 산출하는 단계;를 포함한다.
그리고, 상기 크기를 조절하는 단계는, 상기 전기 신호의 크기가 상기 기준값 이상이면, 상기 전기 신호의 크기를 작게 조절할 수 있다.
또한, 상기 거리를 산출하는 단계는, 상기 전기 신호로부터 피크를 검출하여 상기 대상체까지의 거리를 산출하는 단계; 및 일정 시간 동안 상기 피크가 검출되지 않으면, 상기 전기 신호의 크기를 크게 조절하는 단계;를 포함한다.
그리고, 상기 전기 신호의 크기는 상기 광을 검출하는 광검출기에 인가되는 바이어스 전압의 크기에 의해 조절될 수 있다.
또한, 상기 전기 신호의 크기는, 상기 광을 방출하는 광원의 구동 신호의 크기에 의해 조절될 수 있다.
대상체의 거리 측정시 검출 오차를 줄여 분해능을 향상시킬 수 있다.
도 1은 일 실시예에 따른 거리 측정 장치를 나타내는 블럭도이다
도 2a는 포화되지 않는 신호의 예를 도시한 그래프이고,
도 2b는 포화 신호의 예를 도시한 그래프이다.
도 3은 대상체의 거리에 따라 인가된 바이어스 전압의 크기의 일 예를 나타내는 그래프이다.
도 4 및 도 5는 일 실시예에 따른 거리 측정 장치의 동작 방법을 설명하는 흐름도이다.
도 6은 일 실시예에 따른 거리 측정 장치의 신호 파형을 설명하는 참조도면이다.
도 7은 일 실시예에 따른 포화 검출에 따른 광원의 구동 신호를 조절하는 신호 파형을 도시한 참조도면이다.
도 8 및 도 9는 바이어스 전압에 따른 피크 검출 결과를 시뮬레이션한 결과이다.
이하, 실시예들에 따른 거리 측정 장치 및 그 방법을 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다. 첨부된 도면에 도시된 층이나 영역들의 폭 및 두께는 명세서의 명확성 및 설명의 편의성을 위해 다소 과장되어 있을 수 있다. 상세한 설명 전체에 걸쳐 동일한 참조번호는 동일한 구성요소를 나타낸다.
도 1은 일 실시예에 따른 거리 측정 장치(100)를 나타내는 블럭도이다. 도 1를 참조하면, 거리 측정 장치(100)는 대상체(10)에 광을 방출하는 광원(110), 대상체(10)에서 반사된 광을 검출하여 전기 신호로 변환하는 광수신부(120), 전기 신호로부터 피크를 검출하는 피크 검출기(130), 전기 신호와 기준값을 비교하여 상기 전기 신호의 포화 여부를 검출하는 포화 검출기(140) 및 피크를 이용하여 상기 대상체(10)까지의 거리를 측정하는 프로세서(150)를 포함할 수 있다.
광원(110)은 광을 방출하는 장치일 수 있다. 예를 들어, 광원(110)은 적외선 영역의 광을 방출할 수 있다. 적외선 영역의 광을 사용하면 태양광을 비롯한 가시광선 영역의 자연광과 혼합되는 것을 방지할 수 있다. 그러나 반드시 적외선 영역에 한정되는 것은 아니며 다양한 파장 영역의 빛을 방출 할 수 있다. 이러한 경우 혼합된 자연광의 정보를 제거하기 위한 보정이 요구될 수 있다. 예를 들어, 광원(110)은 레이저 광원일 수 있으며 특정한 예시에 한정되지 않는다. 광원(110)은 측면 발광 레이저 (Edge emitting laser), 수직캐비티 표면 광방출 레이저 (Vertical-cavity surface emitting laser;VCSEL), 분포궤환형 레이저 (Distributed feedback laser) 중 어느 하나일 수 있다. 예를 들어, 광원(110) 은 레이저 다이오드(Laser Diode) 일 수 있다.
광수신부(120)는 대상체(10)에서 반사 또는 산란된 광을 전기 신호, 예를 들어 전압으로 변환할 수 있다. 광수신부(120)는 광에 대응하는 전기 신호, 예를 들어 전류를 출력하는 광검출기(122),광검출기(122)에서 출력된 전류를 전압으로 변환하는 전류-전압 변환 회로(124) 및 전압의 진폭을 증폭시키는 증폭기(126)를 포함할 수 있다. 이외에도 광수신부(120)는 대상체(10)에서 반사된 광을 집광하는 렌즈 및 특정 주파수의 전기 신호를 필터링하는 필터, 예를 들어, 하이패스 필터를 더 포함할 수 있다. 증폭기(126)는 전압의 진폭을 증폭시킨다고 하였으나, 이에 한정되지 않는다. 증폭기(126)는 광검출기(122)와 전류-전압 변환 회로(124) 사이에 배치되어 전류의 진폭을 증폭시킬 수도 있고, 전류-전압 변화 회로(124)와 함께 하나의 회로로 구현될 수도 있다.
광검출기(122)는 수광 소자일 수 있다. 광검출기(122)는 바이어스 전압(Vbias)이 인가된 상태에서 동작하는 수광 소자일 수 있다. 예를 들어, 광검출기(122)는 애벌런치 포토 다이오드(Avalanche Photo Diode;APD) 또는 싱글 포톤 애벌런치 다이오드(Single Photon Avalanche Diode;SPAD)를 포함할 수 있다. 광수신부(120)는 APD 또는 SPAD중 어떤 수광소자를 포함하는지에 따라 AFE(Analog Front End), TDC(Time Digital Counter) 등의 구체적 회로 구성을 다르게 가질 수 있다. 이러한 구체적인 회로 구성은 통상의 기술일 수 있으므로, 자세한 설명은 생략한다.
피크 검출기(130)는 광수신부(120)로부터 인가된 전기 신호에서 피크를 검출할 수 있다. 피크 검출기(130)는 전기 신호의 중심 위치를 검출함으로써 피크를 검출할 수 있다. 또는 피크 검출기(130)는 아날로그적으로 전기 신호의 폭을 검출함으로써 피크를 검출할 수 있다. 또는 피크 검출기(130)는 전기 신호를 디지털 신호로 변환한 다음 디지털 신호의 상승 에지 및 하강 에지를 검출함으로써 피크를 검출할 수 있다. 또는 피크 검출기(130)는 복수 개의 신호로 나누고, 일부 신호를 반전 및 시간 지연시킨 후 나머지 신호와 결합하여 0을 지나는 지점(zero cross point)를 검출하는 CFD(Constant Fraction Discriminator) 방식을 이용하여 피크를 검출할 수 있다. CFD 방식으로 피크를 검출하는 회로를 CFD 회로라고 칭할 수 있다. 피크 검출기(130)는 비교기를 더 포함하여, 검출된 피크를 펄스 신호로 출력할 수 있다.
프로세서(150)는 피크 검출기(130)에 검출된 피크를 이용하여 대상체(10)에 대한 거리를 측정할 수 있다. 예를 들어, 프로세서(150)는 피크 검출기(130)에서 검출된 피크의 검출 시간과 광원(110)에서 방출된 광의 방출 시간을 이용하여 대상체(10)에 대한 거리를 측정할 수 있다. 피크를 이용한 거리 측정 방법은 통상의 기술인 바, 자세한 설명은 생략한다.
한편, 반사율이 큰 물체 또는 거리 측정 장치(100)와 가까이 있는 물체에 광을 방출하면, 반사된 광의 크기는 광수신부(120)의 다이나믹 레인지(dynamic range)를 초과할 수 있다. 그리하여, 광수신부(120)는 일정 크기의 전기 신호 즉, 포화 신호를 출력할 수 있다. 도 2a는 포화되지 않는 신호의 예를 도시한 그래프이고, 도 2b는 포화 신호의 예를 도시한 그래프이다. 광수신부(120)가 포화 신호를 출력하고 나서 원래의 상태로 회복하는데 일정한 시간이 소요되어, 광수신부(120)는 실제 신호와 다른 특성의 신호를 출력할 수 있다. 또한, 광수신부(120)가 어떤 경우에는 포화 신호를 출력하고, 어떤 경우에는 포화되지 않는 신호를 출력하게 되면 피크 검출시 오차가 발생될 수 있다.
일 실시예에 따른 거리 측정 장치(100)는 광수신부(120)에서 출력되는 전기 신호를 기준값과 비교하여 전기 신호의 포화 여부를 검출하는 포화 검출기(140)를 더 포함할 수 있다.
포화 검출기(140)는 전기 신호가 기준값 이상이면, 포화되었다는 신호, 예를 들어, '1' 값을 출력할 수 있고, 전기 신호가 기준값 미만이면 포화되지 않았다는 신호, 예를 들어, '0'값을 출력할 수 있다.
프로세서(150)는 포화 검출기(140)에서 출력된 포화 결과를 이용하여 전기 신호의 크기를 조절할 수 있다. 예를 들어, 프로세서(150)는 광수신부(120), 예를 들어, 광검출기(122)에 인가되는 바이어스 전압(Vbias)의 크기를 조절함으로써 전기 신호의 크기를 조절할 수 있다. 또는, 프로세서(150)는 광원(110)에 인가되는 구동 신호, 예를 들어, 구동 전류(Id)의 크기를 조절함으로써 전기 신호의 크기를 조절할 수 있다.
바이어스 전압(Vbias)은 광검출기(122)가 동작하도록 전원 공급기(미도시)에서 걸어주는 전위차로서, 광검출기(122)에서 출력되는 전기 신호의 크기는 검출된 광의 크기에 의존할 뿐만 아니라, 바이어스 전압(Vbias)의 크기에 의존할 수 있다.
바이어스 전압(Vbias)의 크기는 대상체(10)의 위치, 광검출기(122)의 광민감도, 거리 측정 장치(100)의 전력량 등에 의해 조절될 수 있다. 도 3은 대상체의 거리에 따라 인가된 바이어스 전압(Vbias)의 크기의 일 예를 나타내는 그래프이다. 도 3에 도시된 바와 같이, 프로세서(150)는 대상체의 거리에 따라 광검출기(122)에 바이어스 전압(Vbias)의 크기를 다르게 인가할 수 있다. 예를 들어, 약 20m 이내에 위치한 대상체의 거리를 측정하고자 하는 경우, 프로세서(150)는 대상체의 거리에 비례한 크기의 바이어스 전압(Vbias)을 인가함으로써 거리를 보다 정확히 측정할 수 있다. 그리고, 20m 이상의 거리에 대상체가 위치한 경우, 프로세서(150)는 최대 바이어스 전압(Vbias), 예를 들어, 100V를 광검출기(122)에 인가할 수 있다. 상기와 같이, 거리에 따라 바이어스 전압(Vbias)을 다르게 인가하는 이유는 광검출기(122)에서 출력되는 전기 신호가 바이어스 전압(Vbias)의 크기에 의존하기 때문이다. 즉, 바이어스 전압(Vbias)의 크기가 작으면 광검출기(122)에서 출력되는 전기 신호의 크기가 작고, 바이어스 전압(Vbias)의 크기가 크면 광검출기(122)에서 출력되는 전기 신호의 크기도 크다. 즉 바이어스 전압(Vbias)는 광검출기의 게인을 제어한다.
한편, 대상체(10)가 가까운 거리에 있거나 반사율이 큰 경우, 광수신부(120)는 다이나믹 레인지를 초과한 전기 신호, 즉 포화 신호를 출력할 수 있고, 포화 검출기(140)는 전기 신호와 기준값과 비교하여 포화 여부를 검출할 수 있다. 예를 들어, 포화 검출기(140)는 포화 신호를 검출하면 하이 레벨의 펄스 신호를 출력할 수 있다. 그러면, 프로세서(150)는 바이어스 전압(Vbias)의 크기를 작게 조절할 수 있다. 그리하여, 광수신부(120)는 크기가 작은 전기 신호, 즉 포화되지 않는 신호를 출력할 수 있다. 예를 들어, 프로세서(150)는 바이어스 전압(Vbias)의 크기를 조절전 크기의 70%보다 작게 조절할 수 있다.
또는, 프로세서(150)는, 광원(110)의 구동 신호, 예를 들어, 구동 전류(Id)의 크기를 조절함으로써 전기 신호의 크기를 조절할 수 있다. 대상체(10)에서 반사된 광의 크기는 대상체(10)의 반사율에 비례할 뿐만 아니라 광원(110)에서 방출되는 광의 크기에도 비례할 수 있다. 그리고, 광검출기(122)에서 출력되는 전기 신호는 광검출기(122)가 수광한 광의 크기에 비례할 수 있다. 그리하여, 광검출기(122)에서 출력되는 전기 신호의 크기는 광원(110)의 구동 신호의 크기에 비례할 수 있다. 프로세서(150)는 포화 검출기(140)로부터 포화 결과를 수신하면, 광원(110)의 구동 신호의 크기를 작게 조절할 수 있다. 그러면, 크기가 작은 광이 대상체(10)에 방출되고, 반사된 광의 크기도 작기 때문에 광검출기(122)에서 출력되는 전기 신호의 크기도 작아지게 되어 광수신부(120)는 포화되지 않는 전기 신호를 출력할 수 있다. 예를 들어, 프로세서(150)는 구동 신호의 크기를 조절전 크기의 70%보다 작게 할 수 있다.
또는, 프로세서(150)는, 증폭기(126)의 게인을 조절함으로써 전기 신호의 크기를 조절할 수 있다. 광수신부(120)에서 출력되는 전기 신호의 크기는 증폭기(126)의 게인의 크기에 비례할 수 있다. 따라서, 광수신부(120)으로부터 포화 결과를 수신하면, 프로세서(150)은 증폭기(126)에 대한 게인의 크기를 작게 조절할 수 있다.
포화 검출기(140)로부터 포화되지 않았다는 신호, 예를 들어, 로우 레벨의 신호를 수신하면, 프로세서(150)는 전기 신호의 크기를 조절하지 않을 수 있다. 이에 한정되지 않는다. 프로세서(150)는 측정된 거리에 따라 전기 신호의 크기를 적절히 조절할 수 있음도 물론이다. 즉, 포화 검출기(140)로부터 포화되지 않았다는 신호를 수신한다 하더라도, 프로세서(150)는 측정된 거리에 비례하여 전기 신호의 크기를 조절할 수 있다. 예를 들어, 프로세서(150)는 측정된 거리가 이전에 측정된 거리보다 작은 경우 전기 신호의 크기를 작게 조절할 수 있고, 측정된 거리가 이전에 측정된 거리보다 큰 경우 전기 신호의 크기를 크게 조절할 수 있다. 상기한 전기 신호의 크기 조절 범위는 거리와 전기 신호의 크기와의 상관 관계를 나타내는 룩업 테이블을 이용할 수 있다. 한편, 피크 검출기(130)는 일정 시간 동안 전기 신호로부터 피크를 검출하지 않을 수 있다. 여기서 일정 시간은 광원(110)에서 광 방출 주기보다 클 수 있다. 예를 들어, 일정 시간은 광 방출 주기의 약 2 내지 3배일 수도 있다. 광수신부(120)에서 출력된 전기 신호의 크기가 너무 작은 경우, 피크 검출기(130)는 피크를 검출할 수 없다. 그러면, 프로세서(150)는 전기 신호의 크기를 크게 조절할 수 있다. 프로세서(150)는 광수신부(120), 예를 들어, 광검출기(122)에 인가되는 바이어스 전압(Vbias)의 크기를 크게 조절함으로써 전기 신호의 크기를 크게 조절할 수 있다. 예를 들어, 프로세서(150)는 바이어스 전압(Vbias)의 크기를 조절전 크기의 130%보다 크게 조절할 수 있다. 바이어스 전압(Vbias)의 크기가 커지면 광수신부(120)에서 출력되는 전기 신호의 크기도 커지게 된다.
또는, 프로세서(150)는 광원(110)의 구동 신호, 예를 들어, 구동 전류(Id)의 크기를 크게 조절함으로써 전기 신호의 크기를 크게 조절할 수 있다. 예를 들어, 프로세서(150)는 구동 신호의 크기를 기인가된 크기의 130% 보다 크게 할 수 있다. 구동 신호의 크기가 크면 광원(110)에서 방출되는 광의 크기도 크고, 대상체(10)에서 반사된 광의 크기도 커지게 된다. 그리고, 광수신부(120)도 크기가 큰 전기 신호를 출력할 수 있고, 피크 검출기(130)는 수신된 전기 신호로부터 피크를 검출할 수 있다.
또는, 프로세서(150)는, 증폭기(126)에 대한 게인의 크기를 크게 조절함으로써 전기 신호의 크기를 크게 조절할 수 있다.
도 4 및 도 5는 일 실시예에 따른 거리 측정 장치의 동작 방법을 설명하는 흐름도이고, 도 6은 일 실시예에 따른 거리 측정 장치의 신호 파형을 설명하는 참조도면이다.
도 4를 참조하면, 광수신부(120)는 대상체에서 반사된 광을 수신한다. 광원(110)은 일정 시간 간격으로 광을 대상체에 방출할 수 있다(S410). 도 6의 (a)에 도시된 바와 같이, 광원(110)은 일정 시간 간격으로 광, 예를 들어, 레이저 펄스(610)를 방출할 수 있다. 광원(110)에서 방출된 광은 대상체에서 반사되고, 반사된 일부의 광은 광수신부(120)에 수신될 수 있다. 광원(110)은 측면 발광 레이저 (Edge emitting laser), 수직캐비티 표면 광방출 레이저 (Vertical-cavity surface emitting laser;VCSEL), 분포궤환형 레이저 (Distributed feedback laser) 중 어느 하나일 수 있다. 예를 들어, 광원(110)은 레이저 다이오드(Laser Diode) 일 수 있다.
광수신부(120)는 대상체에서 반사 또는 산란된 광을 전기 신호, 예를 들어 전압으로 변환할 수 있다(S420). 대상체에서 반사된 광은 렌즈에 의해 집광되고, 광검출기(122)는 집광된 광에 대응하는 전류를 출력할 수 있다. 그리고, 전류-전압 변환 회로(124)는 전류를 전압으로 변환하여 출력할 수 있다. 광수신부(120)는 도 6의 (b)에 도시된 전기 신호(620)을 출력할 수 있다. 광검출기(122)는 수광 소자로서, 바이어스 전압(Vbias)이 인가된 상태에서 동작할 수 있다. 예를 들어, 광검출기(122)는 애벌런치 포토 다이오드(Avalanche Photo Diode;APD) 또는 싱글 포톤 애벌런치 다이오드(Single Photon Avalanche Diode;SPAD)를 포함할 수 있다.
포화 검출기(140)는 광수신부(120)에서 출력된 전기 신호가 포화되었는지 여부를 검출한다(S430). 광수신부(120)에서 출력된 전기 신호의 일부는 포화 검출기(140)로 인가되고 나머지 일부는 피크 검출기(130)로 인가될 수 있다. 포화 검출기(140)는 전기 신호의 크기와 기준값을 비교하여 전기 신호의 포화 여부를 펄스 파형으로 출력할 수 있다. 도 6의 (b)에 도시된 Vt는 기준값일 수 있다. 포화 검출기(140)는, 도 6의 (c)에 도시된 바와 같이, 기준값 이상의 전기 신호(620a)가 검출되면 포화 신호(630), 예를 들어, 하이 레벨의 펄스 신호(630)를 출력할 수 있다.
전기 신호가 포화된 것으로 판단되면(S430-Y), 프로세서(150)는 전기 신호의 크기를 크게 조절할 수 있다(S440). 프로세서(150)는 광수신부(120), 예를 들어, 광검출기(122)에 인가되는 바이어스 전압(Vbias)의 크기를 조절함으로써 전기 신호의 크기를 조절할 수 있다. 도 6의 (d)는 바이어스 전압(Vbias)의 파형을 나타낸다. 포화 신호(630)가 검출되면, 프로세서(150)는 바이어스 전압(Vbias)의 크기(640a)를 작게 조절할 수 있다. 이에 한정되지 않는다. 프로세서(150)는 광원(110)의 구동 신호를 작게 조절할 수 있음도 물론이다.
전기 신호가 포화된 것으로 판단되면(S430-N), 프로세서(150)는 전기 신호의 크기를 유지할 수 있다(S450). 이에 한정되지 않는다. 프로세서(150)는 측정된 거리에 따라 전기 신호의 크기를 적절히 조절할 수 있음도 물론이다.
한편, 도 5를 참조하면, 피크 검출기(130)는 광수신부(120)로부터 출력된 전기 신호에서 피크를 검출할 수 있다(S510). 피크 검출기(130)는 전기 신호의 중심 위치를 검출함으로써 피크를 검출할 수 있다. 또는 피크 검출기(130)는 아날로그적으로 전기 신호의 폭을 검출함으로써 피크를 검출할 수 있다. 또는 피크 검출기(130)는 전기 신호를 디지털 신호로 변환한 다음 디지털 신호의 상승 에지 또는 하강 에지를 검출함으로써 피크를 검출할 수 있다. 피크 검출기(130)는 CFD(Constant Fraction Discriminator) 방식으로 피크를 검출하고, 비교기를 이용하여 검출된 피크를 디지털 신호로 출력할 수 있다. 도 6의 (e)는 피크 검출기(130)에서 출력된 신호 파형을 나타낸다. 피크 검출기(130)는 피크가 검출되면, 그 결과, 예를 들어, 하이 레벨의 펄스(650)를 출력할 수 있다.
피크가 검출되면(S510-Y), 프로세서(150)는 피크 검출 시간을 이용하여 대상체까지의 거리를 측정할 수 있다(S520). 예를 들어, 프로세서(150)는 피크 검출 시간과 광원(110)에서의 광 방출 시간의 시간 차를 이용하여 대상체까지의 거리를 측정할 수 있다. 피크를 이용한 거리 측정 방법은 통상의 기술인 바, 자세한 설명은 생략한다.
한편, 피크가 검출되지 않으면(S510-N), 프로세서(150)는 전기 신호의 크기를 크게 조절할 수 있다(S530). 프로세서(150)는 일정 시간 동안 피크 검출기(130)가 피크를 검출하지 않으면, 전기 신호의 크기가 작은 것으로 판단하여 전기 신호의 크기를 크게 조절할 수 있다. 여기서 일정 시간은 광원(110)에서 광 방출 주기 이상일 수 있으며, 예를 들어, 일정 시간은 광 구동 주기의 약 2배 내지 3배일 수 있다.
대상체의 위치 등이 변경되지 않는 상태에서 피크가 검출되지 않는 것은 바이어스 전압(Vbias)이 작기 때문일 수 있다. 따라서, 프로세서(150)는 바이어스 전압(Vbias)의 크기를 크게 조절함으로써 전기 신호의 크기를 조절할 수 있다. 도 6의 (e)에서 피크(650a)가 검출되지 않으면, 프로세서(150)는 도 6의 (d)의 신호 파형과 같이 바이어스 전압(Vbias)의 크기(640b)를 크게 조절할 수 있다. 그러나, 이에 한정되지 않는다. 프로세서(150)는 광원(110)의 구동 신호를 크게 조절할 수도 있다.
도 7은 일 실시예에 따른 포화 검출에 따른 광원(110)의 구동 신호를 조절하는 신호 파형을 도시한 참조도면이다.
도 7을 참조하면, 포화 검출기(140)가 도 7의 (c)에 도시된 포화 신호(730a)를 검출하면, 프로세서(150)는, 도 7의 (a)에 도시된 바와 같이, 광원(110)의 구동 신호의 크기(710a) 작게 조절할 수 있다. 그리하여, 도 7의 (b)에 도시된 바와 같이, 광원(110)에서 방출되는 광의 크기(720a)가 작아진다. 크기가 작아진 광에 의해 광수신부(120)는 크기가 작은 전기 신호(730b)를 출력할 수 있다. 한편, 도 7의 (e)에 도시된 바와 같이, 일정 시간 동안 피크 검출기(130)가 피크(750a)를 검출하지 않으면, 프로세서(150)는 다시 광원(110)의 구동 신호의 크기(710b)를 크게 조절할 수 있다. 예를 들어, 프로세서(150)는 구동 신호의 크기를 원래의 크기로 조절할 수 있다.
도 8 및 도 9는 바이어스 전압(Vbias)에 따른 피크 검출 결과를 시뮬레이션한 결과이다. 도 8에 도시된 바와 같이, 도 8의 (a)에 도시된 파형과 같이, -154V의 바이어스 전압(Vbias)이 인가된 상태에서, 광검출기(122)는 도 8의 (b)에 도시된 포화 신호(810)을 출력하였다. 포화 신호를 수신한 피크 검출기(130)의 CFD 회로는 도 8의 (c)와 같은 신호 파형을 출력하였고, 피크 검출기(130)의 비교기는 도 8의 (d)와 같은 신호 파형을 출력할 수 있다. 도 8의 (d)의 신호 파형은 두 개의 하강 엣지(falling edge)(820)를 출력하기 때문에 프로세서(150)는 피크 시간을 결정하는데 오차가 발생할 수 있다.
한편, 도 9에 도시된 바와 같이, 바이어스 전압(Vbias)을 조절하여 -54V가 광 검출기에 인가되었다. 조절된 바이어스 전압(Vbias)의 크기는 조절전 바이어스 전압(Vbias)의 약 36%였다. 광수신부(120)에서 출력된 전기 신호(910)는 도 9의 (b)와 같이, 포화되지 않았다. 피크 검출기(130)의 CFD 회로는 도 9의 (c)와 같은 신호 파형을 출력하였고, 피크 검출기(130)의 비교기는 도 9의 (d)와 같은 신호 파형을 출력하였다. 도 9의 (d)의 신호 파형은 하나의 하강 엣지(falling edge)(920)를 출력하기 때문에 프로세서(150)는 피크 시간을 보다 정확하게 결정할 수 있다.
상기와 같이 광수신부(120)가 포화되지 않는 신호를 출력할 수 있도록 광수신부(120)의 전기 신호의 크기를 제어하기 때문에 포화 신호와 포화되지 않는 신호간의 오차를 줄일 수 있다.
지금까지 광수신부(120)의 전기 신호의 크기를 조절하기 위해 광검출기(122)의 바이어스 전압을 조절하거나, 광원의 구동 신호를 제어한다고 설명하였다. 그러나, 이에 한정되지 않는다. 전기 신호의 크기를 제어하기 위해 광수신부의 구성요소, 예를 들어, 증폭기(126)에 대한 게인의 크기를 제어할 수 있음도 물론이다.
이제까지 실시예들을 중심으로 살펴보았다. 본 실시예에 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 실시예의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형상으로 구현될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 개시된 실시예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다. 일 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.
100: 거리 측정 장치
110: 광원
120: 광수신부
122: 광검출기
124:전류-전압 변환 회로
130: 피크 검출기
140: 포화 검출기
150: 프로세서

Claims (20)

  1. 대상체에서 반사된 광을 검출하여 전기 신호를 출력하는 광수신부;
    상기 전기 신호로부터 피크를 검출하는 피크 검출기;
    상기 전기 신호와 기준값을 비교하여 상기 전기 신호의 포화 여부를 검출하는 포화 검출기; 및
    상기 피크를 이용하여 상기 대상체까지의 거리를 산출하고, 피크 검출 결과, 포화 검출 결과 및 거리 산출 결과 중 적어도 하나를 이용하여 상기 전기 신호의 크기를 조절하는 프로세서;를 포함하는 거리 산출 장치.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 프로세스는,
    상기 전기 신호의 크기가 상기 기준값 이상이면, 상기 전기 신호의 크기를 작게 조절하는 거리 산출 장치.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 광수신부는,
    바이어스 전압이 인가된 상태에서, 상기 광을 검출하는 광검출기;를 포함하는 거리 산출 장치.
  4. 제 3항에 있어서,
    상기 프로세서는,
    상기 바이어스 전압을 제어하여 상기 전기 신호의 크기를 조절하는 거리 산출 장치.
  5. 제 4항에 있어서,
    상기 전기 신호의 크기는 상기 바이어스 전압의 크기에 비례하는 거리 산출 장치.
  6. 제 3항에 있어서,
    상기 광검출기는,
    애벌런치 포토 다이오드(APD) 중 싱글 포토 애벌런치 다이오드(SPAD)를 포함하는 거리 산출 장치.
  7. 제 1항에 있어서,
    상기 광수신부는,
    상기 전기 신호의 진폭을 증폭시키는 증폭기;를 더 포함하는 거리 산출 장치.
  8. 제 7항에 있어서,
    상기 프로세서는,
    상기 증폭기의 게인을 제어하여 상기 전기 신호의 크기를 조절하는 거리 산출 장치.
  9. 제 1항에 있어서,
    광을 상기 대상체에 조사하는 광원;를 더 포함하는 거리 산출 장치.
  10. 제 9항에 있어서,
    상기 프로세서는,
    상기 광원의 구동 신호를 제어하여 상기 전기 신호를 조절하는 거리 산출 장치.
  11. 제 10항에 있어서,
    상기 프로세서는,
    상기 전기 신호의 크기는 상기 구동 신호의 크기에 비례하는 거리 산출 장치.
  12. 제 1항에 있어서,
    상기 피크 검출기가 일정 시간 동안 상기 피크를 검출하지 않으면,
    상기 프로세서는 상기 전기 신호의 크기를 크게 조절하는 거리 산출 장치.
  13. 제 12항에 있어서,
    상기 일정 시간은,
    상기 광을 방출하는 광원의 광 방출 주기보다 큰 거리 산출 장치.
  14. 제 1항에 있어서,
    상기 피크 검출기는,
    CFD(Constant fraction discriminator) 방식을 이용하여 상기 피크를 검출하는 거리 산출 장치.
  15. 제 1항에 있어서,
    상기 프로세스는,
    산출된 거리에 비례하게 상기 전기 신호의 크기를 조절하는 거리 산출 장치.
  16. 대상체에서 반사된 광을 검출하여 전기 신호를 출력하는 단계;
    상기 전기 신호와 기준값을 비교하여 상기 전기 신호의 포화 여부를 검출하는 단계;
    포화 여부 검출 결과를 이용하여 상기 전기 신호의 크기를 조절하는 단계; 및
    상기 전기 신호를 이용하여 상기 대상체까지의 거리를 산출하는 단계;를 포함하는 거리 산출 방법.
  17. 제 16항에 있어서,
    상기 크기를 조절하는 단계는,
    상기 전기 신호의 크기가 상기 기준값 이상이면, 상기 전기 신호의 크기를 작게 조절하는 거리 산출 방법.
  18. 제 15항에 있어서,
    상기 거리를 산출하는 단계는,
    상기 전기 신호로부터 피크를 검출하여 상기 대상체까지의 거리를 산출하는 단계; 및
    일정 시간 동안 상기 피크가 검출되지 않으면, 상기 전기 신호의 크기를 크게 조절하는 단계;를 포함하는 거리 산출 방법.
  19. 제 15항에 있어서,
    상기 전기 신호의 크기는 상기 광을 검출하는 광검출기에 인가되는 바이어스 전압의 크기에 의해 조절되는 거리 산출 방법.
  20. 제 15항에 있어서,
    상기 전기 신호의 크기는,
    상기 광을 방출하는 광원의 구동 신호의 크기에 의해 조절되는 거리 산출 방법.
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