KR20090121609A

KR20090121609A - 멀티채널 레이저 거리측정 장치

Info

Publication number: KR20090121609A
Application number: KR1020080047589A
Authority: KR
Inventors: 류한권; 구본조; 양은정
Original assignee: 엘에스전선 주식회사
Priority date: 2008-05-22
Filing date: 2008-05-22
Publication date: 2009-11-26

Abstract

본 발명에 따르면 서로 다른 거리측정범위에 대응하는 서로 다른 파장의 레이저 광을 타겟으로 조사하는 적어도 둘 이상의 레이저 다이오드와, 각각의 레이저 다이오드에 대응하도록 설치되어 구동 제어기능을 제공하는 레이저 드라이버를 구비한 레이저 유닛; 상기 레이저 유닛에서 출사된 후 상기 타겟에 의해 반사되어 되돌아 온 레이저 광을 수신하는 광수신 유닛; 및 타겟이 놓여진 거리측정범위에 따라 사용 파장이 선택되어 상기 레이저 유닛에서 출사되는 레이저 광에 대한 스타트(Start) 신호를 파장별로 구분되게 획득하고, 상기 광수신 유닛으로부터 상기 레이저 광에 대한 스톱(Stop) 신호를 획득한 후 상기 스타트 신호와 스톱 신호 간의 시간차를 계산하여 상기 타겟까지의 거리를 산출하는 멀티채널 신호처리 유닛;을 포함하는 레이저 거리측정 장치가 개시된다.

LRF, 펄스 레이저 다이오드, 레이저 드라이버, APD, TDC

Description

멀티채널 레이저 거리측정 장치{MULTI CHANNEL LASER RANGE FINDER}

본 발명은 레이저 거리측정 장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 레이저 광을 이용하여 타겟(Target)까지의 거리를 측정하는 처리를 멀티(Multi) 광 채널을 통해 수행하는 구조를 가진 레이저 거리측정 장치에 관한 것이다.

기준지점으로부터 타겟까지의 거리를 측정하는 용도로 사용되는 레이저 거리측정 장치(LRF: Laser range finder)는 레이저 광을 스캔(Scan)하여 거리정보를 획득하는 구조를 가진 광학센서로서, TOF(Time of flight) 카메라, RF 레이더 등과 마찬가지로 공간인식센서의 범주에 포함된다.

레이저 공간인식센서를 상용화한 대표적인 기업으로는 독일의 Sick AG사와 일본의 Hokuyo사를 들 수 있다. 일반적으로 일본 Hokuyo사의 URG-04LX 센서는 Sick AG사의 공간인식센서에 비해 소형, 경량화되어 있으나 스캔거리가 대략 4미터(m) 이내로 짧고, 스캔속도도 10헤르츠(Hz) 수준으로 낮은 것으로 알려져 있다. Sick AG사의 공간인식센서는 센서의 크기가 크고 무게가 무거운 단점이 있으나, 스캔거리가 수십 미터(m)로 광범위하며 20헤르츠(Hz)까지 스캔속도를 높일 수 있는 것으로 알려져 있다.

RF나 초음파를 이용한 공간인식센서는 파(Wave)의 수렴성이 약하고 공간 분해능이 떨어져 주로 근거리의 공간인식용으로만 제한적으로 사용되는 데 반해 레이저 광원을 이용한 센서는 빔의 수렴성 조절이 용이하고 측정속도, 정밀도, 단위시간당 측정거리 등이 우수하여 고분해능, 원거리 측정, 고속측정이 요구되는 매우 다양한 분야에 다양한 방식으로 응용되고 있다.

레이저 공간인식센서와 관련된 공개문헌으로는 예컨대, 대한민국 특허공개 제1997-0048621호(레이저를 이용한 거리 측정장치), 대한민국 특허공개 제2001-0015537호(측정헤드), 대한민국 특허공개 제1997-0004170호(저가의 레이저 레인지 파인더 시스템 구조) 등을 들 수 있다.

상기와 같은 종래의 레이저 공간인식센서들은 단일 파장의 펄스 레이저를 단일 혹은 복수개의 어레이(array) 형태로 구비하여 타겟 방향으로 레이저 광을 스캔하고, 타겟에 의해 반사된 광을 포토 다이오드로 수광한 후 출사부터 반사까지의 시간차를 계산하여 타겟까지의 거리를 측정하도록 구성된다.

최근 기술동향에 따르면, 레이저 공간인식센서 기술을 적용하고 있는 로봇업계에서는 로봇의 기동시 근거리 탐지의 곤란성 해소에 대한 요구가 강하고, 차량 안전시스템에서는 원거리 탐지에 대한 요구뿐만 아니라 예측 불가능한 근거리탐지에 대한 요구가 강한 것으로 나타나고 있다.

하지만, 현재 상용화되어 있는 제품이나 종래의 공개문헌에서 개시하고 있는 레이저 공간인식센서는 단일 파장의 레이저 광을 사용하여 스캔을 수행하는 한계에서 벗어나지 못하고 있으며, 상기와 같은 요구들을 해소하기 위해 하드웨어적인 방 법보다는 TDC(Time to Digital Converter) 모듈에 의한 소프트웨어적인 측면의 연구에 주력하고 있는 실정이다. 이와 관련하여 도 1에는 TDC 모듈(15)을 사용하는 레이저 거리측정 장치의 주요 구성이 도시되어 있다. 도 1에 나타난 바와 같이 레이저 거리측정 장치는 특정 단일 파장의 레이저 광을 출사렌즈(12)를 통해 타겟(1)으로 조사하는 펄스 레이저 다이오드(11) 및 이를 구동하는 레이저 드라이버(Laser driver)(10)와, 펄스 레이저 다이오드(10)에서 출사된 후 타겟(A)에 의해 반사되어 되돌아 온 레이저 광을 입사렌즈(13)를 통해 수신하는 애벌런치 포토 다이오드(Avalanche photodiode: APD)(14)와, 타겟(A)까지의 거리 산출에 활용될 레이저 광의 송,수신 시간차를 계산하는 TDC 모듈(15)을 포함한다.

TDC 모듈(15)은 펄스 레이저 다이오드에서 출사되는 레이저 광에 대한 스타트 신호(Start Signal)를 획득하는 한편, 애벌런치 포토 다이오드(14)로부터 레이저 광의 스톱 신호(Stop Signal)를 획득하여 스타트 신호와 스톱 신호 간의 시간차를 계산한다. 측정 거리 약 10미터(m)를 측정하기 위해서는 수십 나노초(ns) 안팎의 짧은 시간 계측이 가능해야 하며, 물체가 10미터(m) 이내에 있다면 수십 피코초(ps) 단위의 시간 계측이 가능해야 한다. 그러나 현재 개발되고 있거나 상용화 단계에 진입하고 있는 펄스 레이저 다이오드의 최소 발진 시간은 약 수십 나노초(ns) 단위로 제한받고 있으며, 따라서 현재의 TDC 모듈 설계 방식은 근거리 측정을 위하여 신호 처리 단계에서 인위적으로 스톱 처리 신호가 전달되는 배선의 길이를 늘여 신호지연(Signal delay)을 만들어 적용하고 있다.

그러나, 인위적인 신호지연를 이용한 신호 처리 방식은 근거리 측정에는 유 리할 수 있으나 수십 미터 이상의 중,장거리 측정에서는 바람직하지 못하여 범용성이 떨어지는 것으로 알려져 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 고려하여 창안된 것으로서, 거리측정범위별로 서로 다른 신호처리 채널이 부여되어 단거리와, 중,장거리의 측정 신호를 분할 처리할 수 있는 구조를 가진 멀티채널 레이저 거리측정 장치를 제공하는 데 그 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위해 본 발명은 서로 다른 파장의 레이저 다이오드들을 단일의 패키지에 집적화하고, 거리측정범위별로 사용 파장을 달리하여 거리측정을 분할처리하는 멀티채널 레이저 거리측정 장치를 개시한다.

즉, 본 발명에 따른 멀티채널 레이저 거리측정 장치는, 서로 다른 거리측정범위에 대응하는 서로 다른 파장의 레이저 광을 타겟으로 조사하는 적어도 둘 이상의 레이저 다이오드와, 각각의 레이저 다이오드에 대응하도록 설치되어 구동 제어기능을 제공하는 레이저 드라이버를 구비한 레이저 유닛; 상기 레이저 유닛에서 출사된 후 상기 타겟에 의해 반사되어 되돌아 온 레이저 광을 수신하는 광수신 유닛; 및 타겟이 놓여진 거리측정범위에 따라 사용 파장이 선택되어 상기 레이저 유닛에서 출사되는 레이저 광에 대한 스타트(Start) 신호를 파장별로 구분되게 획득하고, 상기 광수신 유닛으로부터 상기 레이저 광에 대한 스톱(Stop) 신호를 획득한 후 상 기 스타트 신호와 스톱 신호 간의 시간차를 계산하여 상기 타겟까지의 거리를 산출하는 멀티채널 신호처리 유닛;을 포함한다.

상기 레이저 유닛은 1100~1600㎚ 파장의 레이저 다이오드를 포함하는 것이 바람직하다.

바람직하게, 상기 레이저 유닛은 1310㎚, 1490nm 또는 1550nm 파장의 레이저 다이오드를 포함할 수 있다.

대안으로, 상기 레이저 유닛은 1480㎚, 1510nm 또는 1570nm 파장의 레이저 다이오드를 포함할 수 있다.

본 발명에 따른 레이저 거리측정 장치는 서로 다른 파장의 레이저 광을 분할 처리하는 멀티채널 신호처리를 통해 10m 이내 정도의 근거리 측정은 물론, 수십 미터 이상의 중,장거리 측정에서는 사용될 수 있으므로 범용성이 뛰어난 장점이 있다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.

도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 레이저 거리측정 장치의 구성을 도시한 블록도이다.

도 2를 참조하면, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 레이저 거리측정 장치는 타겟 방향으로 레이저 광을 스캔하는 레이저 유닛(T)과, 레이저 유닛(T)에서 출사된 후 타겟(A,B)에 의해 반사되어 되돌아 온 레이저 광을 수신하는 광수신 유닛(R)과, 레이저 광의 송,수신 시간차를 계산하여 타겟까지의 거리를 산출하는 멀티채널 신호처리 유닛(107)을 포함한다.

레이저 유닛(T)은 서로 다른 거리측정범위에 대응하는 서로 다른 파장의 레이저 광을 방출하는 적어도 둘 이상의 레이저 다이오드를 구비한다. 이하에서는 듀얼(Dual) 타입의 레이저 다이오드를 구비한 구성을 중심으로 본 발명을 설명하기로 한다.

레이저 유닛(T)은 서로 다른 파장을 갖는 제1 레이저 다이오드(101) 및 제2 레이저 다이오드(103)와, 상기 제1 레이저 다이오드(101)와 제2 레이저 다이오드(103)에 각각 대응하여 연결되어 전원 온(On)/오프(Off), 펄스 제어 등의 구동제어를 담당하는 제1 레이저 드라이버(100) 및 제2 레이저 드라이버(102)를 포함한다. 제1 레이저 다이오드(101)와 제2 레이저 다이오드(103)는 동일 패키지 내에 배치되어 집적화되는 것이 바람직하다.

제1 레이저 다이오드(101)와 제2 레이저 다이오드(103)로는 1100~1600㎚의 파장 범위 내에서 서로 다른 파장의 레이저 광을 출사렌즈(104)를 통해 조사하는 펄스 레이저 다이오드가 채용된다. 이와 같은 파장 범위는 인간의 시신경에 대한 영향이 미비한 장파장 영역이므로 안정성을 확보할 수 있고 상용화된 통상의 애벌런치 포토 다이오드(APD)(106) 하나로 신호처리가 가능한 파장대이기 때문이다(KSC IEC 60825-1 레이저 제품의 안전성 규정, "위험기계 방호장치에 적용되는 레이저에 관한 연구" 산업안전보건연구원 2002 논문 참조). 바람직하게, 제1 레이저 다이오드(101)와 제2 레이저 다이오드(103)는 1310㎚, 1490nm 혹은 1550nm의 파장대를 갖는 제품이 채용될 수 있다. 대안으로는 1480㎚, 1510nm 혹은 1570nm의 파장대를 갖는 제품이 채용될 수도 있다.

제1 레이저 다이오드(101)과 제2 레이저 다이오드(103)는 타겟이 놓여진 거리측정범위에 따라 구분되게 사용된다. 예를 들어, 제1 레이저 다이오드(101)의 파장이 1490nm이고, 제2 레이저 다이오드(103)의 파장이 1310nm인 경우, 제1 레이저 다이오드(101)는 수십 내지 수백 미터(m) 떨어진 중, 장거리 측정용으로 사용되고, 제2 레이저 다이오드(103)는 10 미터(m) 이내의 근거리 측정용으로 사용될 수 있을 것이다.

광수신 유닛(R)은 레이저 유닛(T)에서 출사된 후 타겟에 의해 반사되어 되돌아 온 레이저 광을 입사렌즈(105)를 통해 수신한다. 광수신 유닛(R)은 광검출 민감도가 상대적으로 높은 소자인 애벌런치 포토 다이오드(106)를 구비하는 것이 바람직하다. 애벌런치 포토 다이오드(106)로는 1100~1600㎚의 파장 범위의 레이저 광을 안정적으로 수광처리할 수 있는 상용화된 소자가 채용되는 것이 바람직하다.

멀티채널 신호처리 유닛(107)은 제1 레이저 드라이버(100)와 제2 레이저 드라이버(102)로부터 레이저 광의 출사 시점을 알려주는 스타트(Start) 신호를 파장별로 구분되게 획득하고, 광수신 유닛(R)으로부터 상기 레이저 광의 도착 시점을 알려주는 스톱(Stop) 신호를 획득한 후 스타트 신호와 스톱 신호 간의 시간차를 계산하여 타겟(A,B)까지의 거리를 산출한다.

멀티채널 신호처리 유닛(107)은 제1 레이저 드라이버(100)와 제2 레이저 드라이버(102)로부터 각각 독립적으로 신호를 전달받도록 구성된다. 여기서, 제1 레이저 드라이버(100)와 제2 레이저 드라이버(102)는 서로 다른 파장의 레이저 다이오드의 구동을 담당하므로 결과적으로 멀티채널 신호처리 유닛(107)은 스타트(Start) 신호를 파장별로 구분되게 획득한다고 할 수 있다. 여기서, 제1 레이저 드라이버(100)와 제2 레이저 드라이버(102)는 측정모드에 따라 둘 중 어느 하나 또는 양쪽 모두가 동시에 활성화되어 작동될 수 있다.

도 3에는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 멀티채널 레이저 거리측정 장치에 의해 수행되는 거리측정 과정의 예가 도시되어 있다.

본 발명의 바람직한 실시예에 따른 멀티채널 레이저 거리측정 장치의 사용 시, 사용자는 먼저 타겟을 선택하고(단계 S100), 선택된 타겟이 속한 거리측정범위가 수 미터(m) 정도의 근거리인지, 그보다 멀리 떨어진 중거리나 장거리인지 여부를 대략적으로 판단하여 측정모드를 설정해야 한다(단계 S110).

중거리나 장거리에 위치한 타겟 B에 대한 거리를 측정하는 모드의 경우에는 예컨대, 1490nm 파장의 펄스 레이저 광을 제공하는 제1 레이저 다이오드(101)가 사용되고, 근거리에 위치한 타겟 A에 대한 거리를 측정하는 경우에는 예컨대, 1310nm 파장의 펄스 레이저 광을 제공하는 제2 레이저 다이오드(103)가 사용된다.

구체적으로, 중,장거리에 위치한 타겟 B에 대한 거리를 측정하는 경우에는 제1 레이저 드라이버(100)가 구동되고(단계 S120), 멀티채널 신호처리 유닛(107)은 제1 레이저 드라이버(102)로부터 스타트 신호 1(Start Signal 1)를 획득하는 한편(단계 S121), 타겟 B에 의해 반사되어 되돌아온 레이저 광에 대한 스톱 신호 1(Stop Signal 1)를 애벌런치 포토 다이오드(106)로부터 획득한다(단계 S122).

이후 멀티채널 신호처리 유닛(107)은 스타트 신호 1(Start Signal 1)과 스톱 신호 1(Stop Signal 1) 간의 시간차 t_p1을 계산한 후 그 계산결과를 아래의 수학식 1에 적용하여 레이저 거리측정 장치로부터 타겟 B까지의 거리(D₁)를 산출한다(단계 S123 및 단계 S124). 여기서, C는 광속(Velocity of light)을 나타낸다.

한편, 대략 10m 이내의 근거리에 위치한 타겟 A에 대한 거리를 측정하는 경우에는 제2 레이저 드라이버(102)가 구동되고(단계 S130), 멀티채널 신호처리 유닛(107)은 제2 레이저 드라이버(102)로부터 스타트 신호 2(Start Signal 2)를 획득하는 한편(단계 S131), 타겟 A에 의해 반사되어 되돌아온 레이저 광에 대한 스톱 신호(Start Signal 2)를 애벌런치 포토 다이오드(106)로부터 획득한다(단계 S132).

이후 멀티채널 신호처리 유닛(107)은 스타트 신호 2(Start Signal 2)와 스톱 신호 2(Start Signal 2) 간의 시간차 t_p2를 계산한 후 그 계산결과를 아래의 수학식 2에 적용하여 레이저 거리측정 장치로부터 타겟 A까지의 거리(D₂)를 산출한다(단계 S133 및 단계 S134).

상술한 바와 같이 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 멀티채널 레이저 거리측정 장치는 타겟이 놓여진 거리측정범위에 따라 서로 다른 파장의 레이저 광을 스캔하고, 타겟까지의 거리를 산출하기 위한 신호를 파장별로 분할처리함으로써 근거리로부터 중,장거리까지의 거리측정에 범용성 있게 사용될 수 있다. 여기서, 서로 다른 거리측정범위에 속한 복수 개의 타겟이 존재하는 경우, 멀티채널 레이저 거리측정 장치는 서로 다른 파장의 레이저 광을 동시에 스캔하고, 각 광신호들을 분할처리하여 각각의 타겟까지의 거리를 동시에 산출하는 고속 측정기능을 제공하는 것도 가능하다.

이상에서 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내 에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.

본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 것이며, 상술한 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석되어서는 아니된다.

도 1은 종래기술에 따른 레이저 거리측정 장치의 구성을 도시한 블록도이다.

도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 레이저 거리측정 장치를 이용하여 거리측정을 수행하는 과정을 도시한 흐름도이다.

<도면의 주요 참조 부호에 대한 설명>

100: 제1 레이저 드라이버 101: 제1 레이저 다이오드

102: 제2 레이저 드라이버 103: 제2 레이저 다이오드

104: 출사렌즈 105: 입사렌즈

106: 애벌런치 포토 다이오드 107: 멀티채널 신호처리 유닛

T: 레이저 유닛 R: 광수신 유닛

Claims

서로 다른 거리측정범위에 대응하는 서로 다른 파장의 레이저 광을 타겟으로 조사하는 적어도 둘 이상의 레이저 다이오드와, 각각의 레이저 다이오드에 대응하도록 설치되어 구동 제어기능을 제공하는 레이저 드라이버를 구비한 레이저 유닛;

상기 레이저 유닛에서 출사된 후 상기 타겟에 의해 반사되어 되돌아 온 레이저 광을 수신하는 광수신 유닛; 및

타겟이 놓여진 거리측정범위에 따라 사용 파장이 선택되어 상기 레이저 유닛에서 출사되는 레이저 광에 대한 스타트(Start) 신호를 파장별로 구분되게 획득하고, 상기 광수신 유닛으로부터 상기 레이저 광에 대한 스톱(Stop) 신호를 획득한 후 상기 스타트 신호와 스톱 신호 간의 시간차를 계산하여 상기 타겟까지의 거리를 산출하는 멀티채널 신호처리 유닛;을 포함하는 멀티채널 레이저 거리측정 장치.
제1항에 있어서,

상기 레이저 유닛은 1100~1600㎚ 파장의 레이저 다이오드를 포함하는 것을 특징으로 하는 멀티채널 레이저 거리측정 장치.
제2항에 있어서,

상기 레이저 유닛은 1310㎚, 1490nm 또는 1550nm 파장의 레이저 다이오드를 포함하는 것을 특징으로 하는 멀티채널 레이저 거리측정 장치.
제2항에 있어서,

상기 레이저 유닛은 1480㎚, 1510nm 또는 1570nm 파장의 레이저 다이오드를 포함하는 것을 특징으로 하는 멀티채널 레이저 거리측정 장치.