KR101922046B1

KR101922046B1 - 편광 변조 포켈스 셀과 마이크로 편광자 카메라를 사용하는 고 해상도 및 거리정밀도를 갖는 3차원 플래시 라이다 시스템

Info

Publication number: KR101922046B1
Application number: KR1020170005928A
Authority: KR
Inventors: 공홍진; 조성은; 방효충
Original assignee: 한국과학기술원
Priority date: 2017-01-13
Filing date: 2017-01-13
Publication date: 2018-11-27
Also published as: KR20180083983A

Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 라이다 시스템은, 반복하여 레이저 펄스(laser pulse)를 출력하는 펄스 광원; 상기 펄스 광원의 레이저 펄스를 제공받아 스펙클을 제거하는 스페클 제거부; 목표물에서 반사 또는 후방 산란된 레이저 회귀 펄스를 제공받아 상기 목표물과 상기 펄스 광원 사이의 비행 시간에 따라 편광 상태를 변조하는 편광 변조부; 상기 편광 변조부의 후단에 배치된 측정 선형 편광판 어레이; 상기 측정 선형 편광판 어레이의 후단에 배치된 광센서 어레이; 및 상기 광원의 레이저 펄스와 상기 편광 변조부에 인가되는 구동 전압 사이의 편광 변조 지연 시간을 조절하는 지연 펄스 발생기;를 포함한다. 상기 편광 변조부는, 상기 목표물에서 반사 또는 후방 산란된 레이저 회귀 펄스에 선형 편광을 제공하는 기준 선형 편광판; 상기 기준 선형 편광판의 후단에 배치되어 상기 펄스 광원에 동기화된 트리거 신호로부터 상기 편광 변조 지연 시간을 가진 상기 구동 전압에 따라 편광 방향을 회전시키는 편광 회전부(polarization rotator);및 상기 편광 회전부(polarization rotator)의 후단에 배치된 1/4 파장판;을 포함한다.

Description

편광 변조 포켈스 셀과 마이크로 편광자 카메라를 사용하는 고 해상도 및 거리정밀도를 갖는 3차원 플래시 라이다 시스템 {high range precision and spatial resolution flash LIDAR system using a polarization modulating Pockels cell and a micro-polarizer camera}

본 발명은 플래시 라이다 시스템에 관한 것으로, 더 구체적으로 편광 변조 방식을 이용한 비행 시간 방식의 플래시 라이다 시스템에 관한 것이다.

라이다(LIDAR)는 물체와 시스템 사이의 거리를 측정하는데 사용되고 많은 적용분야에 이용된다. 많은 적용분야에 사용되기 위해서는 공간 높은 공간 분해능과 거리 정밀도가 필요하며 짧은 시간 내에 고 해상도 3차원 영상을 측정해야만 한다.

3 차원 이미징 LIDAR 시스템은 표적과 시스템 사이의 측정 범위뿐만 아니라 표적 인식 및 표적 식별에도 중요한 기술이 되었다. 시스템은 관심있는 장면 범위를 측정하고 3 차원 데이터를 생성한다. 이러한 데이터로, LIDAR 시스템은 지형 매핑, 자동 표적 인식, 자율 안전 착륙 등을 위해 사용될 수 있다. 이러한 종류의 임무를 완수하기 위해 거리 정밀도와 공간 해상도가 모두 LIDAR 시스템의 중요한 매개 변수이다.

간섭계, TOF (time-of-flight) 및 삼각 측량과 같은 광학 거리 측정에 사용되는 다양한 기법이 있다. 장거리 측정과 실외에서 작업하는 경우 TOF 방법이 많은 LIDAR 시스템에서 사용된다. 기존 TOF LIDAR 시스템은 레이저 펄스 (시작 신호)를 전송하여, 시간 디지털 변환기 (time to digital converter; TDC)를 트리거한다. 전송된 레이저 펄스는 목표물에서 반사된다. 레이저 회구 펄스 (정지 신호)는 APD (avalanche photodiode)에 의해 검출된다. APD는 전기 신호를 생성하여 상기 TDC를 정지시킵니다. 시작 신호와 정지 신호 사이의 시간 간격은 거리로 변환된다.

TOF LIDAR 시스템이 일반적으로 3차원 영상을 획득하는데 두 가지 측정 방법이 있다. 스캐닝 LIDAR 시스템은 하나 또는 몇 개의 픽셀로 구성된 검출기와 스캐너를 사용하여 3D 이미지를 수집한다. 레이저 펄스는 레이저 시스템에서 제공받고, 각 레이저 펄스는 스캐너를 통해 대상의 다른 지점으로 보내진다. 단일 검출기 픽셀을 사용하여 각 목표 지점에 대한 비행 시간 (TOF)을 얻는다. 스캐닝 LIDAR 시스템은 시스템이 각 포인트를 스캔해야하기 때문에 고해상도 3D 이미지를 획득하는 데 많은 시간이 소요된다. 즉, 시스템은 더 높은 해상도의 3D 이미지를 얻기 위해서는 더 많은 시간이 소요된다.

반면에 플래시 LIDAR 시스템은 2D 어레이 검출기와 단일 레이저 펄스를 사용하여 전체 관심 장면을 조명하여 3D 이미지를 수집한다. 움직이는 목표물의 실시간 이미지를 얻으려면 단일 레이저 펄스로 3D 이미지를 얻을 필요가 있다. 플래시 LIDAR 시스템은 단 하나의 레이저 펄스만으로 이미지를 얻을 수 있으므로 움직이는 목표물의 3D 이미지를 얻을 수 있다. 플래시 LIDAR 시스템 만이 움직이는 목표물이나 시스템이 움직이는 경우에도 측정이 가능한 요구 사항을 충족시킬 수 있다.

일반적으로 플래시 LIDAR 시스템에는 두 가지 대표적인 유형의 애벌런치 포토 다이오드 (APD) 검출기가 사용됩니다. 하나의 검출기는 128 x 128 픽셀 어레이를 갖는 선형 모드 APD 초점면 배열 (focal plane array; FPA)이다. 다른 검출기는 256 x 256 픽셀 배열을 갖는 가이거(Geiger) 모드 APD FPA이다. 어레이 크기로 인해 이러한 상업용 센서를 사용할 때 공간 해상도 또는 시야 (field of view; FOV)가 제한된다. 큰 장면이나 높은 공간 해상도의 3D 이미지를 얻으려면 상용 시스템에 추가 스캐너가 필요할 수 있다. 또한 각 픽셀은 TOF를 측정하기 위해 고유한 높은 대역폭 타이밍 회로가 필요하다. 고성능 검출기 및 타이밍 회로를 사용하여 APD 어레이의 픽셀 수를 늘리는 것은 기술적으로 어렵다.

90 년대 초반 공군은 LIMARS(Laser Imaging and Ranging System) 이라는 프로젝트를 진행했다. 편광 상태를 검출하고 범위 정보를 얻기 위해 두 개의 카메라와 편광 판별기가 사용되었다. 두 회사인 TetraVue와 General Atomics는 이 편광 방법을 기반으로 한 플래시 LIDAR 시스템을 연구하고 개발했다. TetraVue는 수 밀리미터의 높은 범위 정밀도뿐만 아니라 3D 이미지를 위한 높은 프레임 속도를 제공한다. CMOS는 편광 상태를 검출하기 위해 사용되므로, 높은 공간 해상도의 3D 이미지를 얻을 수 있다. 그러나 이 시스템은 편광 상태를 검출하기 위해 두 개의 카메라와 편광 판별기가 필요하며, 두 카메라의 픽셀이 같은 지점을 바라보도록 정렬하기가 어렵다. 또한, 2 대의 카메라와 편광 판별기를 사용하는 시스템은 복잡하고 부피가 크다.

LIDAR 시스템의 거리 정밀도는 레이저 펄스 폭, APD의 타이밍 분해능, TDC의 타이밍 분해능 및 전자회로에 의해 생성된 타이밍 불안정을 포함하는 여러 요소에 따라 달라진다. 이러한 요소 때문에 범위 정밀도에는 한계가 있다. 이 제한은 단일 측정 결과와 비교하여 평균 1 / √ (평균 결과 수)에 비례 한 개선을 가지고 평균화함으로써 극복 할 수 있다. 그러나 같은 조건에서 여러 번 반복 측정 은 시간이 오래 걸린다. 그렇지 않으면, 높은 범위의 정밀도를 얻기 위해서는 높은 대역폭의 APD와 높은 타이밍 분해능의 TDC가 필요하다.

일부 애플리케이션은 높은 공간 분해능과 범위 정밀도를 모두 갖춘 3D 이미지를 요구하며, 본 발명에서, 이러한 요구 사항을 해결하기 위해 혁신적인 플래시 LIDAR 시스템이 제안된다. 이 플래시 LIDAR 시스템은 고해상도의 3D 이미지를 높은 정밀도로 생성할 수 있다.

본 발명에서는 포켈스 셀과 광센서 어레이를 사용하여 높은 거리정밀도를 갖는 3차원 영상 플래시 라이다 시스템을 제공한다. 또한 고 해상도 및 거리정밀도를 갖는 3차원 영상을 촬영할 수 있는 획기적인 플래시 라이다 시스템(Flash LIDAR System)이 제안된다. 이 시스템은 포켈스 셀(Pockels cell)과 광센서 어레이를 사용하며 일반적인 시스템 보다 높은 거리 정밀도를 갖는다. 레이저 펄스의 에너지만을 측정하기 때문에 고성능의 검출기와 신호처리기를 필요로 하지 않는다. 게다가 CCD 카메라의 많은 픽셀 수로 고 해상도 3차원 영상을 측정할 수 있다.

본 발명의 해결하고자 하는 과제는 간단한 구성으로 높은 분해능을 가진 라이다 시스템을 제공하는 것이다.

본 발명의 일 실시예에 따른 라이다 시스템은, 반복하여 레이저 펄스(laser pulse)를 출력하는 펄스 광원; 상기 펄스 광원의 레이저 펄스를 제공받아 스펙클을 제거하는 스페클 제거부; 목표물에서 반사 또는 후방 산란된 레이저 회귀 펄스를 제공받아 상기 목표물과 상기 펄스 광원 사이의 비행 시간에 따라 편광 상태를 변조하는 편광 변조부; 상기 편광 변조부의 후단에 배치된 측정 선형 편광판 어레이; 상기 측정 선형 편광판 어레이의 후단에 배치된 광센서 어레이; 및 상기 광원의 레이저 펄스와 상기 편광 변조부에 인가되는 구동 전압 사이의 편광 변조 지연 시간을 조절하는 지연 펄스 발생기;를 포함한다. 상기 편광 변조부는, 상기 목표물에서 반사 또는 후방 산란된 레이저 회귀 펄스에 선형 편광을 제공하는 기준 선형 편광판; 상기 기준 선형 편광판의 후단에 배치되어 상기 펄스 광원에 동기화된 트리거 신호로부터 상기 편광 변조 지연 시간을 가진 상기 구동 전압에 따라 편광 방향을 회전시키는 편광 회전부(polarization rotator);및 상기 편광 회전부(polarization rotator)의 후단에 배치된 1/4 파장판;을 포함한다. 상기 측정 선형 편광판 어레이는 복수의 픽셀을 포함하고, 상기 광센서 어레이는 복수의 픽셀을 포함하고, 상기 측정 선형 편광판 어레이의 픽셀 각각은 복수의 서로 다른 선형 편광 방향을 가지는 서브 픽셀을 포함한다. 상기 측정 선형 편광판 어레이의 상기 서브 픽셀은 상기 광 센서 어레이의 서브 픽셀과 정렬된다.

본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 스펙클 제거부는 한 쌍의 렌즈 및 상기 한 쌍의 렌즈 사이에 배치된 회전 확산판을 포함한다.

본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 펄스 광원의 상기 레이저 펄스를 상기 목표물에 제공하고 상기 레이저 회귀 펄스를 상기 기준 선형 편광판에 제공하는 전달 광학계를 더 포함한다. 상기 전달 광학계는, 상기 레이저 펄스를 제공받아 최대의 에너지를 전달하도록 정렬된 제1 반파장판; 상기 제1 반파장판을 투과한 광을 최대로 투과시키어 상기 목표물 방향으로 전달하는 제1 편광 빔분할기; 상기 제1 편광 빔분할기에서 반사된 레이저 펄스를 검출하여 상기 트리거 신호를 생성하고 상기 트리거 신호를 상기 지연 펄스 발생기에 전달하는 광검출기; 상기 제1 편광 빔분할기를 투과한 광의 세기를 조절하는 제2 반파장판 및 제2 편광 빔분할기; 및 상기 레이저 회귀 펄스가 상기 제2 편광 빔분할기에서 반사하도록 상기 레이저 펄스와 상기 레이저 회귀 펄스의 편광 상태를 변경시키는 1/4 파장판;을 포함한다.

본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 광센서 어레이의 노출 시간의 종료 시각은 상기 구동 전압의 상승 구간의 종료 시각과 일치하도록 설정될 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 구동 전압의 상승 구간은 일정한 변조 시간(Tm)을 가지고, 상기 광원의 레이저 펄스와 상기 구동 전압 사이의 상기 편광 변조 지연 시간은 반복되는 레이저 펄스에 대하여 변조 시간의 정수배로 증가할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 편광 변조 지연 시간에 따른 상기 광센서 어레이의 강도 영상들을 상기 편광 변조 지연 시간에 따른 TOF 영상들로 각각 변환하는 처리부를 더 포함할 수 있다. 상기 처리부는 상기 강도 영상들을 편광 회전 영상들로 각각 변경하고, 상기 처리부는 상기 구동 전압에 따른 편광 방향의 회전 각도와 비행 시간의 관계를 이용하여 상기 편광 회전 영상들을 비행 시간 영상들로 각각 변환하고, 상기 처리부는 상기 비행 시간 영상들에서 일정한 값 이상을 가지는 관심 영역을 조합하여 최종 비행 시간 영상을 산출할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 구동 전압에 따른 편광 방향의 회전 각도와 비행 시간의 관계는 픽셀 별로 계산될 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 비행 시간 영상들에서 관심 영역은 상기 강도 영상 중에서 90도 편광 방향을 가진 서브 픽셀들에 기초하여 추출될 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 구동 전압의 변조 시간은 반복되는 레이저 펄스에 따라 가변되고, 상기 변조 시간의 가변 범위는 9 ns 내지 32 ns 일 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 편광 회전부는, 포켈스 셀; 및 상기 포켈스 셀에 고전압의 상기 구동 전압을 제공하는 고전압 신호 발생부를 포함할 수 있다. 상기 고전압 신호 발생부는, 고전압 전원에서 분기되어 병렬 연결된 제1 고정 저항 및 제2 고정 저항; 상기 제1 고정 저항과 접지 사이에 배치된 제1 스위치; 상기 제2 고정 저항과 접지 사이에 배치된 제2 스위치; 상기 제1 고정 저항과 상기 제1 스위치의 제1 접속단과 상기 포켈스 셀의 일단 사이에 배치된 제1 가변 저항; 및 상기 제2 고정 저항과 상기 제2 스위치의 제2 접속단과 상기 포켈스 셀의 타단 사이에 배치된 제2 가변 저항;을 포함할 수 있다. 상기 제1 가변 저항 또는 상기 제2 가변 저항의 값을 변경한 경우, 상기 포켈스 셀의 양단에 인가되는 상기 구동 전압의 기울기는 변경되고, 상기 구동 전압의 상기 변조 시간이 제어될 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 1/4 파장판과 상기 측정 선형 편광판 어레이 사이에 배치되어 상기 목표물을 이미지 평면에 결상하는 결상 렌즈를 더 포함할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 펄스 광원과 상기 스펙클 제거부 사이에 배치되는 전달 광학계를 더 포함할 수 있다. 상기 전달 광학계는, 상기 레이저 펄스를 제공받아 반사시키고 일부를 투과시키는 거울; 및 상기 거울의 후단에 배치되어 상기 거울을 투과한 광을 검출하여 트리거 신호를 생성하는 광검출기를 포함할 수 있다. 상기 트리거 신호는 상기 지연 펄스 발생기에 제공되고, 상기 기준 선형 편광판 및 상기 편광 회전부의 중심축은 상기 목표물을 바라보도록 상기 레이저 펄스의 진행 방향에서 기울어질 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 라이다 영상 측정 방법은, 펄스 광원으로부터 레이저 펄스를 목표물에 제공하는 단계; 상기 펄스 광원의 레이저 펄스(pulse beam)를 제공받아 스펙클을 제거하는 단계; 상기 목표물에 반사된 레이저 회귀 펄스를 기준 선형 편광판, 구동 전압(V(t))이 인가되는 편광 회전부, 및 1/4 파장판(QWP)를 포함하는 편광 변조부에 제공하는 단계; 상기 펄스 광원의 레이저 펄스와 상기 구동 전압(V(t)) 사이에 편광 변조 지연 시간을 가지도록 상기 구동 전압(V(t))을 인가하는 단계; 상기 편광 변조부를 통과한 상기 레이저 회귀 펄스를 결상 렌즈를 통하여 집속하는 단계; 상기 구동 전압(V(t))에 따라 편광 상태가 변조된 상기 레이저 회귀 펄스를 서로 다른 선형 편광 방향을 가지는 0도, 45도, 90도, 및 135도 선형 편광판들로 구성된 측정 선형 편광판 어레이를 통과시키고, 상기 측정 선형 편광판 어레이에 정렬된 광 센서 어레이를 이용하여 상기 레이저 회귀 펄스의 강도 영상을 측정하는 단계; 및 상기 강도 영상을 이용하여 상기 편광 변조부의 편광 회전 각도(φ)을 상기 강도 영상의 픽셀마다 산출하고, 상기 편광 회전 각도(φ)와 비행 시간(TOF) 사이의 관계식을 이용하여 상기 펄스 광원과 상기 광센서 어레이 사이의 비행 시간(TOF) 영상을 산출하는 단계를 포함한다.

본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 편광 변조 지연 시간을 변경하는 단계를 더 포함할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 편광 변조 지연 시간에 따른 상기 비행 시간 영상들에서 관심 영역을 조합하여 최종 비행 시간 영상을 생성하는 단계를 더 포함할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 광센서 어레이는 매트릭스 형태로 배열된 복수의 픽셀을 포함하고, 상기 광센서 어레이의 각 픽셀은 제1 내지 제4 서브 픽셀을 포함하고, 상기 광센서 어레이의 상기 서브 픽셀은 0도, 45도, 90도, 및 135도 선형 편광판들에 각각 정렬될 수 있다. 상기 광센서 어레이의 각 픽셀의 상기 비행 시간은 상기 픽셀 내의 서브 픽셀들의 강도들 이용하여 계산되고, 추가 비행시간은 서로 이웃한 한 쌍의 픽셀 중에서 서로 이웃한 4개의 서브 픽셀을 이용하여 계산되될 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 라이다 시스템은 간단한 구성으로 2차원적 거리 영상을 얻을 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 라이다 시스템은 포켈스 셀과 CCD 카메라를 사용하며 일반적인 시스템 보다 높은 거리 정밀도를 갖는다. 레이저 펄스의 에너지만을 측정하기 때문에 고성능의 검출기와 신호처리기기를 필요로 하지 않는다. 게다가 CCD 카메라의 많은 픽셀 수로 고 해상도 3차원 영상을 측정할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 라이다 시스템은 지연 펄스 발생기를 사용하여 순차적으로 깊이 스캔을 수행하여 복수의 프레임을 형성한 후, 각 프레임에서 관심 영역을 추출하여 최종 비행시간 영상을 생성할 수 있다.

도 1 및 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 PMPC(Polarization Modulating Pockels cell) 및 MCCD(micro-polarizer CCD) 카메라를 사용한 플래시 LIDAR 시스템의 개략도들이다.
도 3은 포켈스 셀에 인가된 구동 전압과 상기 구동 전압과 펄스 광의 지연 시간을 나타내는 타이밍도이다.
도 4는 도 1의 MCCD(micro-polarizer CCD)를 설명하는 개념도이다.
도 5는 MCCD의 픽셀을 설명하는 도면이다.
도 6은 원본과 감소된 레이저 스펙클의 비교를 나타낸다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 펄스 광원을 나타낸다.
도 8은 편광 회전부로서 사용된 포켈스 셀의 전기 회로를 보여준다.
도 9는 A 점 전압, B점 전압, 및 A와 B 사이의 전압차를 보여준다.
도 10은 도 8의 포켈스 셀의 양단에 각각 배치된 제1 가변 저항에 따른 점 A와 B 사이의 전압 차이를 나타내는 그래프이다.
도 11은 본 발명의 다른 실시예에 따른 플래시 LIDAR 시스템의 측정에 대한 개략도를 보여준다.
도 12는 400 화소 (20 × 20 화소)에 대한 편광 상태와 TOF 사이의 관계를 도시한다.
도 13은 목표물로써 비너스 석고상 (Venus plaster figure)이다.
도 13을 참조하면, 목표물의 크기는 대략 60 cm x 30 cm이었다.
도 14는 본 발명의 일 실시예에 따른 플래시 LIDAR 시스템을 사용하여 얻은 3D 이미지를 보여준다.
도 15는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 라이다 시스템의 측정 방법을 설명하는 개념도이다.
도 16은 도 15의 라이다 시스템의 타이밍 차트이다.
도 17은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 라이다 시스템의 측정 방법을 설명하는 개념도이다.
도 18은 도 17의 라이다 시스템의 타이밍 차트이다.
도 19는 강도 영상들, 편광 회전 각도 영상, 및 TOF 영상들을 나타내는 도면이다.
도 20은 TOF 영상들을 이용하여 최종 TOF 영상을 생성하는 것을 설명하는 개념도이다.
도 21은 도 17의 라이다 시스템의 측정 방법을 설명하는 흐름도이다.

본 발명자는 한국 등록특허 10-1424665에서 거리 측정 장치를 제안한 바 있다. 본 발명은 종래의 발명에 비하여 1) 레이저 스펙클에 의한 노이즈를 제거하기 위하여 회전 확산판(rotating diffuser)를 추가하였으며, 2) 측정 가능 영역의 중심 위치를 조절하기 위하여 지연 펄스 발생기(delayed pulse generator)를 추가하였으며, 3) 포켈스 셀 회로 설계를 통하여 측정 가능 영역의 범위를 조절할 수 있으며, 4) 고해상도를 위해 거리를 구할 때, m x n 픽셀 어레이를 중첩하여 계산할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 플래시 LIDAR 시스템은 PMPC (Polarization Modulating Pockels cell)를 사용하여 기존의 측정 방법에서 높은 범위 정밀도에 필수적인 고성능 APD FPA 및 TDC 없이도 높은 범위 정밀도를 달성한다. 또한 제안된 플래시 LIDAR 시스템은 1024 x 1024 픽셀을 갖는 마이크로 편광판(micro-polarizer) CCD 카메라 (MCCD)를 사용할 수 있다. 마이크로 편광판 CCD 카메라(MCCD)의 많은 수의 픽셀은 높은 공간 해상도 3D 이미지를 제공 할 수 있다. 포켈스 셀은 레이저 펄스가 시스템에서 방출 된 후 시간에 대해 편광 상태를 변경한다. 레이저 회귀( laser-return) 펄스의 편광 상태는 도달 시간에 의존한다. 상기 MCCD는 범위를 제공하는 편광 상태를 계산하기 위해 회귀 펄스(return laser pulse)의 강도를 측정한다. 이 실험 결과에 따르며, 각각 0.12 mrad와 16 m에서 5.2 mm의 공간 해상도와 범위 정밀도(spatial resolution and range precision)가 얻어졌다.

이하, 첨부된 도면을 참조로 본 발명의 바람직한 실시예들에 대하여 보다 상세히 설명한다. 이하의 도면들에서 동일한 참조부호는 동일한 구성요소를 지칭하며, 도면상에서 각 구성요소의 크기는 설명의 명료성과 편의상 과장되어 있을 수 있다.

[시변 편광 변조 및 범위 측정]

도 1 및 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 PMPC(Polarization Modulating Pockels cell) 및 MCCD(micro-polarizer CCD) 카메라를 사용한 플래시 LIDAR 시스템의 개략도들이다.

도 3은 포켈스 셀에 인가된 구동 전압과 상기 구동 전압과 펄스 광의 지연 시간을 나타내는 타이밍도이다.

도 4는 도 1의 MCCD(micro-polarizer CCD)를 설명하는 개념도이다.

도 5는 MCCD의 픽셀을 설명하는 도면이다.

도 1 내지 도 5를 참조하면, 라이다 시스템(100)은, 반복하여 레이저 펄스(laser pulse; 1)를 출력하는 펄스 광원(110); 상기 펄스 광원(100)의 상기 레이저 펄스를 제공받아 스펙클을 제거하는 스페클 제거부(126); 목표물(10)에서 반사 또는 후방 산란된 레이저 회귀 펄스(2)를 제공받아 상기 목표물과 상기 펄스 광원 사이의 비행 시간에 따라 편광 상태를 변조하는 편광 변조부(140); 상기 편광 변조부의 후단에 배치된 측정 선형 편광판 어레이(153); 상기 측정 선형 편광판 어레이의 후단에 배치된 광센서 어레이(154); 및 상기 광원의 레이저 펄스와 상기 편광 변조부에 인가되는 구동 전압 사이의 편광 변조 지연 시간(τ)을 조절하는 지연 펄스 발생기(161);를 포함한다. 상기 편광 변조부(140)는, 상기 목표물에서 반사 또는 후방 산란된 레이저 회귀 펄스(2)에 선형 편광을 제공하는 기준 선형 편광판(141); 상기 기준 선형 편광판(141)의 후단에 배치되어 상기 펄스 광원에 동기화된 트리거 신호(TRG)로부터 상기 편광 변조 지연 시간(τ)을 가진 상기 구동 전압 V(t)에 따라 편광 방향을 회전시키는 편광 회전부(polarization rotator; 142); 및 상기 편광 회전부(polarization rotator)의 후단에 배치된 1/4 파장판(143);을 포함한다. 상기 측정 선형 편광판 어레이(153)는 복수의 픽셀(151)을 포함하고, 상기 광센서 어레이(154)는 복수의 픽셀(152)을 포함한다. 상기 측정 선형 편광판 어레이(153)의 픽셀(151) 각각은 복수의 서로 다른 선형 편광 방향을 가지는 서브 픽셀(151a~151d)을 포함하고, 상기 측정 선형 편광판 어레이(153)의 상기 서브 픽셀(151a~151d)은 상기 광 센서 어레이(154)의 서브 픽셀(152a~152d)과 정렬된다.

상기 편광 회전부(142)는 포켈스 셀일 수 있다. 레이저 펄스(1)가 펄스 광원(110)에서 전달 광학계(101)를 통하여 상기 목표물(10)에 전송되고, 레이저 펄스(1)가 전달 광학계(102)를 통과하여 지연 펄스 발생기(161)를 트리거할 수 있다. 상기 지연 펄스 발생기(161)는 특정 지연 시간 (τ)에 편광 회전부(142)을 트리거하고, 변조 시간 Tm 동안 편광 회전부(142)에 시변 구동 전압 V(t)가 적용되기 시작한다. 구동 전압 V(t)은 시간 경과에 따라 변화하기 때문에, 편광 회전부(142)의 위상 지연 φ(t)은 시간에 따라 달라진다. 위상 지연 φ(t)은 구동 전압 V(t)에 비례한다. 위상 지연은 다음과 같이 표현 될 수 있다.

[수학식 1]

여기서, φ(t)는 위상 지연이고, n₀는 통상의 굴절률이며, r₆₃은 포켈스 셀 매체의 전기 광학 계수이고, V(t)는 포켈스 셀에 인가되는 구동 전압이고, λ는 레이저의 파장이며, V_π는 포켈스 셀의 반파 전압(half-wave voltage)이다. 목표물(10)로부터의 후방 산란된 펄스(backscattered pulse)는 기준 선형 편광자(141), 편광 회전부(142) 및 1/4 파장판(143)으로 구성된 편광 변조부(140)를 통해 MCCD(150)에 의해 검출된다. 레이저 회귀 펄스(laser-return pulse)가 상기 편광 변조부(140)를 따라 진행하면, 위상 지연 φ(t)이 발생하고, 편광 상태는 φ_T만큼 회전한다. 이에 따라, 구동 전압 또는 위상 지연에 대응하는 비행 시간(TOF)이 산출된다. 상기 편광 변조부(140)를 진행하는 광선들은 위치에 따라 서로 다른 위상 지연을 가지므로, MCCD(150)는 공간적인 위상 지연 영상을 획득할 수 있다.

구동 전압 V(t)의 파형에 의하여, 위상 지연과 시간 사이의 관계가 명확하게 결정되기 때문에, TOF는 레이저 회귀 펄스(laser-return pulse)의 편광 회전각 φ(t)로부터 얻어질 수 있다. 상기 편광 회전부(142)가 트리거되면, 상기 편광 회전부(142)에 인가된 구동 전압 V(t)이 반파장 전압으로 변경되기 시작한다. 구동 전압이 반파장 전압에 도달하는 데는 일반적으로 수 나노초(nsec) 내지 수십 나노초(nsec)의 시간이 걸린다. 즉, 전압 변화는 상승 시간을 갖는다. 상승 시간 동안, 편광 변조부(140)는 편광 상태를 변화시킨다. 따라서 상승 시간은 편광 변조 시간(polarization modulation time; Tm)에 해당하는 범위 게이트(range gate)를 결정한다. 9ns의 편광 변조 시간에 대응하는 범위 게이트는 약 1.5 m이다. 거리측정의 시작 위치는 편광 변조 지연 시간에 의하여 결정되며, 편광 변조 시간에 대응하는 범위 게이트의 범위에 있는 물체의 깊이 정보가 추출될 수 있다.

전송된 레이저 펄스(1)가 상기 목표물(10)로 향하고 산란되면, 광학 시스템의 시야 (FOV)에서 산란된 광은 편광 변조부(140)를 통해 MCCD(150)에 수집된다. 회구 레이저 펄스(2)가 상기 편광 변조부를 통과하는 동안 편광 상태가 회전한다. 상기 목표물로부터의 회귀 레이저 펄스(2)가 상기 편광 변조부(140)를 통과할 때, 상기 회귀 레이저 펄스의 편광은 비행 시간에 따라 특정 편광 상태로 변경된다. 이 변경된 편광 상태는 회귀 레이저 펄스의 도달 시간에 따라 상이하다. 즉, 회귀 레이저 펄스의 편광 상태는 상기 목표물이 위치한 곳에 따라 다르다. 결과적으로, 편광 상태는 또한 표적의 범위와 관련된다. 이어서, MCCD(150)가 회귀 레이저 펄스에서 서로 다른 편광 방향을 가진 측정 선형 편광판 어레이 및 광센서 어레이를 통하여 강도 영상을 측정한다. 처리부는 회귀 레이저 펄스의 편광 상태(또는 편광 회전 각도)를 픽셀 별로 계산한다. 상기 편광 변조부에 기인한 편광 회전각도(φ)와 TOF (또는 거리) 사이의 함수가 이미 알려져 있다면, 계산된 편광 회전 상태(또는 편광 회전 각도)는 상기 함수를 사용하여 TOF (또는 거리)로 픽셀 별로 변환될 수 있다. 이에 따라, 소정의 범위 게이트 내의 TOF 영상 또는 거리 영상이 얻어진다.

거리측정의 시작 위치를 변경하기 위하여, 편광 변조 지연 시간(τ)이 변경될 수 있다. 이를 위하여, 지연 펄스 발생기(161)가 사용된다. 상기 지연 펄스 발생기(161)의 편광 변조 지연 시간(τ)은 측정 시작 위치를 결정할 수 있도록 범위 게이트(range gate)의 위치를 제어한다. 이 범위 게이트는 목표 범위를 얻기 위해 지연 시간(τ)을 변경하여 깊이(거리)에서 스캔할 수 있다.

예를 들어, 편광 변조 지연 시간(τ)를 조절하여 측정 범위의 시작점을 조절한다. 상기 편광 변조 지연 시간(τ)를 변화시켜 깊이 방향의 스캔이 가능하다. 필요에 따라 시간에 따른 전압 변화(V(t))의 기울기를 조절하면, 측정 가능 범위 또는 변조 시간(T_m)가 조절된다. 상기 구동 전압(V(t))의 기울기가 작으면 측정가능 범위는 넓어지지만 거리 정밀도는 감소한다. 반면에 기울기가 높으면 측정가능 범위는 좁아지지만 거리 정밀도는 증가한다.

상기 목표물의 위치를 모르는 경우, 변조 시간(T_m)을 최대값으로 설정한 다음, 목표물의 대략적인 위치를 산출하고, 상기 변조 시간(T_m)을 감소시키고, 편광 변조 지연 시간(τ)을 조절하여 깊이 방향으로 스캔하여 물체의 위치 및 형상을 측정한다.

측정한 물체의 정밀한 3차원 형상을 측정하기 위하여 물체를 측정할 수 있게 편광 변조 지연 시간(τ)를 설정하고 변조 시간(T_m)을 감소시켜 측정한다. 보다 더 정밀한 3차원 영상을 측정할 때에는 변조 시간(T_m)을 최소로 설정한 다음 측정한다. 필요하다면 편광 변조 지연 시간(τ)를 조절하여 깊이 방향으로 스캔한다. 높은 깊이 분해능을 가진 복수의 TOF 영상들에서 잡음 이상의 값을 가진 관심 영역들을 추출하여, 추출된 관심 영역들을 조합하여 최종 TOF 영상을 생성할 수 있다.

구체적으로, 상기 편광 회전부로써 포켈스 셀이 사용된 경우, 포켈스 셀과 1/4 파장판(143)의 빠른 축(fast axes)은 각각 45도와 0도이다. 본 발명에서, 1024 x 1024 CCD 배열을 갖는 MCCD가 사용되었다. MCCD(150)는 측정 선형 편광판 어레이(153)로 마이크로 편광판 어레이와 광센서 어레이(154)를 포함한다. 상기 측정 선형 편광판 어레이(153)는 복수의 픽셀(151)을 포함하고, 각 픽셀(151)은 편광 축이 0 도, 45도, 90도 및 135도인 4 개의 선형 편광자 세트로 구성된다. 선형 편광자 세트를 통과한 회귀 레이저 펄스는 동일한 픽셀 내에서 서브 픽셀 별로 서로 다른 세기를 가진다. 상기 광센서 어레이는 회귀 레이저 펄스의 강도를 서브 픽셀 별로 측정한다.

존스 매트릭스(Jones calculus)를 사용하여, 각 광학 요소를 통과 할 때 광의 편광 상태가 수학적으로 설명된다. 포켈스 셀과 1/4 파장판(143)의 빠른 축(fast axes)은 각각 45도와 0도인 경우, 선형 편광판(141), 편광 회전부(142)과 1/4 파장판(143)를 통과하는 출력 광선의 Jones 벡터는 다음과 같이 계산할 수 있다.

[수학식 2]

여기서 φ는 편광 회전부(142)로써 포켈스 셀의 구동 전압 V(t)에 직접 비례하는 편광 상태(polarization state) 또는 편광 회전각이다. PC는 포켈스 셀이며, P는 기준 선형 편광판이다. 편광되지 않은 광을 설명하는 Jones 벡터는 존재하지 않으므로, 입사광은 시스템의 y축 방향으로 향하는 선형 편광이 있다고 가정한다. 출력 빔은 편광 상태의 변화에 따라 회전하여 선형적으로 편광된다. 포켈스 셀이 트리거되면, 포켈스 셀에 인가된 구동 전압 V(t)이 시간에 따라 변경되기 시작한다. 이것은 편광 변조부(140)가 시간에 대해 편광 상태를 변화시킨다는 것을 의미한다.

측정 선형 편광판 어레이(153)의 각 픽셀은 축이 시계 방향으로 0도, 45도, 90도 및 135도인 평광판 서브 픽셀(151a~151d)를 포함한다. 각 편광판 서브 픽셀을 통과한 후의 강도는 다음과 같다.

[수학식 3]

[수학식 4]

[수학식 5]

[수학식 6]

여기서, I는 회귀 레이저 펄스의 원래 세기이고, I₀, I₄₅, I₉₀ 및 I₁₃₅는 축이 각각 0도, 45도, 90도 및 135도 인 편광판을 통과한 후의 세기이다. I₀, I₄₅, I₉₀ 및 I₁₃₅는 광센서 어레이에 의하여 전기 신호로 변환되어 메모리에 저장된다. φ의 값은 다음과 같이 수학식 3 내지 5로부터 구할 수 있다.

[수학식 7]

광선세 어레이(154)의 각 픽셀(152)은 4개의 서브 픽셀(152a~152d)을 가지고, 각 픽셀(152)은 4 개의 강도(I₀, I₄₅, I₉₀ 및 I₁₃₅)를 측정하고, 회귀 레이저 펄스의 편광 상태(φ)는 수학식 (7)을 사용하여 픽셀 별로 계산된다.

도 5를 참조하면, 제1 사각형(21)의 네 가지 강도( I₀, I₄₅, I₉₀ 및 I₁₃₅)는 P(i,j) (픽셀 좌표점 i, j)의 위상 지연(φ(i,j))을 계산하는 데 사용할 수 있으며, TOF 또는 해당 범위는 이 값에서 얻을 수 있다. P(i,j+1/2) (픽셀 좌표점 i, j + 1/2)에서 위상 지연(φ(i,j+1/2))은 제2 사각형(22)의 4 가지 강도( I₄₅(i,j), I₀(i,j+1), I₁₃₅(i,j+1) 및 I₉₀(i,j))로 계산된다. 이에 따라, 이웃한 픽셀들 사이의 좌표에서, 위상 지연이 산출되어, 공간 해상도가 증가할 수 있다.

MCCD(150)의 픽셀 피치가 시판되는 APD 어레이의 픽셀 피치보다 작고, MCCD의 픽셀 수가 상용 APD 어레이의 픽셀 수보다 훨씬 크기 때문에, MCCD로 더 높은 해상도의 3D 이미지를 얻을 수 있다. 즉, 비행 시간 정보는 MCCD의 픽셀 마다 산출되며, 이웃한 한 쌍의 픽셀들을 사용하여, 추가 비행 시간 정보가 산출될 수 있다. 따라서, MCCD가 nxm 개의 픽셀을 가진 경우, (2n-1)x(2m-1) 개의 비행 시간 정보가 산출될 수 있다. 이에 따라, 해상도가 증가할 수 있다.

도 1 내지 도 5를 참조하면, 레이저 펄스가 펄스 광원(110)에 의해 방출되고, 레이저 펄스가 전달 광학계(101)를 통과하면 트리거 신호를 생성하고, 상기 트리거 신호는 상기 지연 펄스 발생기(161)를 트리거한다. 또는, 상기 트리거 신호는 펄스 광원(110)에서 생성하여 상기 지연 펄스 발생기(161)에 직접 제공할 수 있다.

이어서, 지연 펄스 발생기(161)는 일정한 편광 변조 지연 시간 (τ)에 전기광학 변조 트리거 신호(EOM-TRG)를 생성하여 상기 고전압 신호 발생부(144)를 트리거한다. 상기 고전압 신호 발생부(144)는 상기 전기광학 변조 트리거 신호(EOM-TRG)를 제공받아 변조 시간 (Tm) 동안 시변 구동 전압(V(t))을 생성하여 상기 편광 변조부에 인가한다. 상기 고전압 신호 발생부(144)은 수 나노초 수준의 자체 지연 시간을 가질 수 있다. 상기 자체 지연 지연은 상기 편광 변조 지연 시간(τ)에 포함된다. 상기 구동 전압은 상승 구간을 이용하기 때문에, 변조 시간(Tm)이 제한된다. 측정 가능한 구간은 변조 시간(Tm)에 의해 결정된다. 본 발명의 일 실시예에 따른 상승 구간을 이용한 상기 변조 시간(Tm)은 9ns 내지 100 ns이고, 바람직하게는 9ns 내지 32ns이다. 광센서 어레이의 검출 신호(OSA)는 상기 회귀 레이저 펄스가 상기 광센서 어레이에 도달하면 발생한다.

레이저 펄스의 강도가 MCCD(150)에 의해 검출되기에 충분하다면, 범위 정보를 획득하기 위해 단지 하나의 회귀 펄스가 측정될 수 있다. 따라서 MCCD(150)의 노출 시간이 매우 짧아질 수 있습니다. 그러나 레이저 펄스의 강도가 측정하기에 충분하지 않은 경우, MCCD(150)의 노출 시간은 일정한 주기로 반복되는 레이저 펄스에 기인한 광전 신호를 축적하기 위해 길어질 수 있다. 예를 들어, 상기 광센서 어레이의 노출시간은 수 내지 수백 개의 레이저 펄스에 대응할 수 있다. 한편, 잡광에 의한 노이즈를 제거하기 위하여, 상기 레이저 펄스의 파장만을 선택적으로 투과하는 밴드 패스 광필터가 상기 편광 변조부 상에 배치될 수 있다.

레이저 펄스(1)의 펄스 폭은 상기 변조 시간(Tm)보다 충분히 작을 수 있다. 예를 들어, 상기 레이저 펄스(1)의 펄스 폭은 수백 ps이하 이고, 상기 변조 시간은 수 ns 내지 수십 ns일 수 있다. 상기 레이저의 파장은 상기 광센서 어레이가 검출할 수 있는 영역에서 선택된다. 상기 레이저 펄스의 반복률은 상기 편광 회전부의 최대 작동률보다 낮게 설정된다. 예를 들어, 상기 레이저의 반복률은 1kHz이고, 상기 편광 회전부의 반복률은 5 kHz일 수 있다. 상기 레이저 펄스의 세기는 물체의 반사율과 거리를 고려하여, 측정 범위 내에 조절될 수 있다.

시변 구동 전압 V(t)의 변조 시간(Tm)은 시간에 따라 전압이 증가하는 상승 구간일 수 있다. 시변 구동 전압 V(t)를 생성하는 전자회로의 특성에 기안하여, 상기 시변 전압 V(t)는 변조 시간(Tm) 경과 이후에도 값을 가질 수 있다. 따라서, 상기 변조 시간(Tm) 이후에 상기 편광 회전부(142)에 입사하는 회귀 레이저 펄스는 노이즈로 기능할 수 있다. 상기 변조 시간(Tm) 이후에 발생한 신호를 제거하기 위하여, 상기 광센서 어레이의 노출시간의 종료시점은 상기 변조 시간(Tm)의 종료시점과 일치할 수 있다.

한편, 상기 변조 시간(Tm) 이전에 발생한 신호는 편광 변조되지 않는다. 따라서, 상기 광센서 어레이가 상기 변조 시간의 시작 시각 이전에 광신호를 감지한 경우에도, 이 광신호의 편광 회전 각도는 영으로, TOF 영상에서 제거된다. 따라서, 상기 광센서 어레이의 노출시간의 시작 시각은 상기 구동 신호의 시작 시작과 일치될 필요가 없다.

결상 렌즈(155)는 상기 편광 변조부(140)와 상기 측정 선형 편광판 어레이(153) 사이에 배치된다. 상기 결상 렌즈의 이미지 평면에 상기 측정 선형 편광판 어레이와 상기 광센서 어레이가 배치된다. 상기 결상 렌즈와 상기 광센서 어레이 사이의 거리는 상기 목표물의 거리에 따라 조절될 수 있다.

[레이저 스펙클 감소(Laser speckle reduction)]

플래시 LIDAR 시스템은 2D 광센서 어레이(154)와 단일 레이저 펄스를 사용하여 전체 관심 장면을 조명하여 3D 이미지를 수집한다. 따라서, 레이저 빔은 전체 관심 장면을 비출 만큼 충분히 커야한다. 빔 확장기(beam expander)는 레이저 빔의 크기를 제어할 수 있다. 상기 빔 확장기는 공초점 구조를 가진 한 쌍의 볼록 렌즈로 구성될 수 있다.

레이저 스페클은 거친 표면에서 레이저 펄스가 산란된 경우 제한된 구경(limited aperture)을 가진 검출기로 측정 할 때 발생한다. 이미지 평면상의 이미지는 검출기 해상도 스폿(detector resolution spot)과 동일한 크기의 작은 영역으로 양자화된다. 측정된 스폿 강도는 가장 낮은 것에서부터 가장 높은 것으로 무작위로 변경된다. 이 스폿-투-스폿 강도 변동(spot-to-spot intensity fluctuation)은 레이저 스페클(laser speckle)로서 표현된다.

본 발명의 일 실시예에 따른 플래시 LIDAR 시스템에서, TOF ( 또는 범위)는 레이저 펄스의 강도를 측정하여 얻어진다. 제안된 시스템의 원리를 작동시키기 위해, 세기는 편광 상태로 인해서 만 변화된다. 그러나, 레이저 스페클이 발생하면 강도에 영향을 준다. 그러므로, 레이저 스펙클이 제거되면, 강도는 TOF에만 의존하여 변경된다.

레이저 스펙클 감소는 검출기의 공간 및 시간 해상도 내에서 N 개의 독립적 스펙클 구성을 평균하는 것에 기반한다. 스펙클을 평균화하기 위해, 스펙클 제거부(126)가 사용된다. 상기 스펙클 제거부(126)는 한 쌍의 렌즈로 구성된 빔 확장기(beam expander)와 빔 확장기(beam expander)의 공초점에 위치한 회전 확산판(rotating diffuser)을 포함한다. 빔 발산(beam divergence)을 방지하기 위해, 회전 확산판은 한 쌍의 렌즈로 구성된 빔 확장기(beam expander)의 초점에 위치한다. 회전 확산판(rotating diffuser)은 고속으로 회전하는 확산판일 수 있다.

도 6은 원본과 감소된 레이저 스펙클의 비교를 나타낸다.

도 6을 참조하면, 회전 확산판(rotating diffuser)이 사용된 경우, 레이저 스펙클이 현저히 감소하였다. 상기 스펙클 제거부를 사용하지 않은 경우, 측정 불가한 상태이나, 상기 스펙클 제거부를 사용하지 하면, 양호한 비행시간 영상(또는 거리 영상)을 획득할 수 있다.

[펄스 광원]

본 발명의 일 실시예에 따르면, 펄스 광원은 서브 나노초 펄스 폭(Sub-nanosecond pulse width)을 갖는 레이저 펄스를 출력할 수 있다. 상기 펄스 광원은 수 kHz의 반복 속도(repetition rate)에서 10 내지 100μJ의 에너지를 방출하는 다이오드 펌핑 수동적 Q- 스위칭 마이크로칩 레이저(diode-pumped passively Q-switched microchip lasers)일 수 있다.

본 발명에서는 제안된 플래시 LIDAR 시스템을 위해 수 kHz 반복률에서 높은 펄스 에너지를 갖는 서브 나노초 펄스를 생성하는 레이저가 사용된다.

도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 펄스 광원을 나타낸다.

도 7을 참조하면, 펄스 광원(110)은 시드 광원(110a); 입사한 광을 편광 상태에 따라 반사시키는 상기 편광 빔 분할기(35); 상기 편광 빔 분할기(35)의 우측에 배치된 반파장판(36); 상기 반파장판의 우측에 배치된 제1 파라데이 회전자(37); 상기 파라테이 회전자의 우측에 배치되고 45도로 기울어진 상태로 정렬된 제1 박막 편광판(38); 상기 제1 박막 편광판을 통하여 광을 제공받는 공진 케비티(110b); 상기 편광 빔분기의 우측에 배치된 고조파 발생부(48); 및 상기 고조파 발생부로부터 광을 제공받는 이색성 미러(49)를 포함할 수 있다. 상기 반파장판(36)은 편광 각도를 조절할 수 있다. 상기 편광 빔 분할기(35)는 편광된 빔을 반사시키나 통과시킬 수 있다.

상기 시드 광원(110a)은 상기 공진 케비티(110b)에 시드 펄스를 제공하고, 상기 공진 케비티(110b)는 일정한 반복률을 가진 예비 레이저 펄스를 출력한다. 상기 예비 레이저 펄스는 상기 고조파 발생부(48)에 의하여 기본 주파수의 2배의 고조파 레이저 펄스를 생성한다. 상기 이색성 미러(49)는 상기 고조파 발생부(48)의 출력에서 고조파 레이저 펄스만을 선택하여 레이저 펄스(1)를 생성한다.

상기 시드 광원(110a)은 시더(seeder; 31); 광섬유(31a); 광섬유 콜리메이터(32); 아이솔레이터(33); 및 미러(34)를 포함할 수 있다. 상기 시더(31)는 DFB 다이오드 레이저일 수 있다. 상기 광섬유(31a)는 Yb-첨가 광섬유 증폭기(Yb-doped fiber amplifier)일 수 있다. 1064nm에서의 서브 나노초 시드 펄스(sub nanosecond seed pulses)는 이득-스위치 DFB 다이오드 레이저 펄스(gain-switched DFB diode laser pulse)가 Yb-첨가 광섬유 증폭기(Yb-doped fiber amplifier)를 통해 증폭되는 다이오드-광섬유 하이브리드 레이저(diode-fiber hybrid laser; )에 의해 생성된다. 펄스 레이저 광원(110)의 출력 펄스 폭이 시드 광원(110a)의 펄스 폭으로 조정될 수 있도록 제어될 수 있다. 상기 광섬유 콜리메이터(32)는 광섬유의 출력광을 평행광으로 변환한다. 상기 미러는 상기 광섬유 콜리메이터(32)의 출력광을 반사하여 상기 공진 케비티(110b)에 제공한다.

상기 공진 케비티(110b)는 상기 제1 박막 편광판(38)의 하측에 배치되고 45도로 기울어진 상태로 정렬된 제2 박막 편광판(39); 상기 제2 박막 편광판의 우측에 배치된 포켈스 셀(40); 상기 포켈스 셀의 우측에 배치된 1/4 파장판(41); 상기 1/4 파장판의 우측에 배치된 제1 케비티 미러(42); 상기 제2 박막 편광판의 좌측에 배치된 이득 모듈(43); 상기 이득 모듈(43)의 좌측에 배치된 제2 파라데이 회전자(44); 상기 파라데이 회전자의 좌측에 배치된 어퍼쳐(45); 상기 어퍼쳐의 우측에 배치된 제2 케비티 미러(46); 상기 제2 필름 편광판(47)의 하부에 배치된 제3 케비티 미러(47)를 포함한다. 상기 포켈스 셀(40)은 고전압 인가시 편광을 45도 회전시키고, 공진기에서 진행하는 레이저 펄스를 원하는 타이밍에 상기 제2 필름 편광판(39)에서 반사되도록 조절해서 레이저 펄스 출력을 생성할 수 있다. 상기 제1 필름 편광판(38) 및 상기 제2 필름 편광판(39)은 편광된 빔을 반사시키거나 투과시킬 수 있다. 제1 케비티 미러(42), 제2 케비티 미러(46), 및 제3 케비티 미러(47)는 공진기 미러이다. 상기 어퍼쳐(45)는 TEM₀₀ 모드를 제공할 수 있다. 상기 제1 파라데이 회전자(37) 및 상기 제2 파라데이 회전자(44)는 편광을 45도 회전시킬 수 있다. 상기 1/4 파장판(41)은 선편광을 원편광으로 변환할 수 있다. 상기 이득 모듈(43)은 빔 증폭을 수행할 수 있다.

상기 공진 케비티(110b)는 다이오드 펌핑 Nd : YAG 재생 앰프 (regenerative amplifier; RA) 캐비티일 수 있다. 이 조합은 연속파 다이오드 사이드 펌핑 Nd : YAG로드(continuous-wave diode side-pumped Nd:YAG rod)의 열 유도 복굴절(thermally induced birefringence)을 보상하기 위해 4 패스 증폭(Four-pass amplification)을 제공한다.

전체 공동 길이(total cavity length)는 2.4m이며, 포켈스 셀(40)의 스위칭 시간 ~ 7ns (2.1m)보다 길며, 시드 펄스(seed pulses)는 박막 편광판 (thin film polarizers; TFP)을 통해 공동(cavity)에 입력된다. 1064 nm의 기본 파장(fundamental wavelength)은 BBO(Beta Barium Borate) 결정을 통해 532 nm에서 2차 고조파(Second-harmonic) 파장으로 변환된다. 2mm 두께의 BBO 결정으로 약 15 %의 변환 효율을 얻었다. 이는 높은 변환 효율을 위해 완벽하게 정렬되지 않았다. 그러나 레이저 펄스 에너지를 제공하는 것은 제안된 플래시 LIDAR 시스템에 적합하다. Nd : YAG 재생 앰프의 출력 빔은 TEM₀₀에 가까운 좋은 빔 프로파일을 보여준다.

[편광 변조 포켈스 셀]

상기 편광 회전부(142)는 전기 광학 광 변조기(Electro-optic light modulators)일 수 있다. 상기 편광 회전부는 구동 전압 V(t)을 받는 결정을 통과하는 광의 편광을 제어한다. 결정을 통과하는 빛의 위상 지연( phase retardation)이 인가된 전기장에 정비례한다.

도 8은 편광 회전부로서 사용된 포켈스 셀의 전기 회로를 보여준다.

도 8을 참조하면, 상기 편광 회전부(142)는 포켈스 셀을 구비하고, 고전압 신호 발생부(144)는 상기 편광 회전부(142)에 고전압의 구동 전압 V(t)을 제공한다.

상기 고전압 신호 발생부(144)는, 고전압 전원(HV)에서 분기되어 병렬 연결된 제1 고정 저항(144a) 및 제2 고정 저항(144b); 상기 제1 고정 저항(144a)과 접지 사이에 배치된 제1 스위치(144c); 상기 제2 고정 저항(144b)과 접지 사이에 배치된 제2 스위치(144d); 및 상기 제1 고정 저항(144a)과 상기 제1 스위치(144c)의 제1 접속단(A)과 상기 포켈스 셀(142)의 일단 사이에 배치된 제1 가변 저항(144e)을 포함한다. 상기 제1 가변 저항(144e)의 값을 변경한 경우, 상기 포켈스 셀의 양단에 인가되는 상기 구동 전압의 상승 구간의 기울기는 변경되고, 상기 구동 전압의 상기 변조 시간이 제어된다.

기본적으로 회로의 두 스위치(144c.144d)가 열립니다. 따라서 높은 전압이 지점 A와 B에 인가된다. 상기 펄스 지연 발생기(161)는 편광 변조 트리거 신호(EOM-TRG)를 생성하여 상기 고전압 신호 발생기의 스위치(144c,144d)에 제공할 수 있다. 온 트리거 신호가 제1 스위치에 인가되면 제1 스위치가 닫힌다. 마찬가지로, 오프 트리거 신호가 제2 스위치에 인가되고, 제2 스위치가 닫힌다. 온/오프 트리거 신호는 100ns 지연 시간을 가지고 인가된다.

도 9는 A 점 전압, B점 전압, 및 A와 B 사이의 전압차를 보여준다.

도 9를 참조하면, 온 트리거 신호가 인가되면, A점에서 전압은 급격히 감소하고 점진적으로 증가한다. 반면, B 지점의 전압은 오프 트리거 신호를 인가한 후에 급격히 떨어진다. 점 A와 B 사이의 전압 차이는 포켈스 셀에 인가된 전압으로서 나타낸다. 구동 전압은 온 및 오프 트리거 신호가 인가될 때 상승 시간 및 하강 시간을 갖는다.

도 10은 도 8의 포켈스 셀의 양단에 각각 배치된 제1 가변 저항에 따른 점 A와 B 사이의 전압 차이를 나타내는 그래프이다.

도 10을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 플래시 LIDAR 시스템에서, 상승 시간은 변조 시간(Tm)으로 사용된다. 온 트리거 신호가 인가되면, 포켈스 셀에 인가된 전압은 제로 전압에서 반파장 전압으로 증가하기 시작한다. 일반적으로 반파장 전압을 얻는 데에는 수 나노초가 소요된다. 이 변조 시간 동안, 편광 변조부는 시간에 위상 지연 값을 변화시킨다. 따라서 변조 시간은 한 번의 측정에서 측정 가능한 섹션을 나타내는 범위 게이트의 길이를 결정한다. 측정 가능한 섹션의 길이는 포켈스 셀의 전기 회로에서 저항 또는 커패시터의 값을 변경하여 조정할 수 있습니다.

포켈스 셀의 원래 회로의 상승 시간은 약 9ns이다. 포켈스 셀의 회로에 1 kΩ의 저항(144e)을 삽입하면 상승 시간이 32 ns 증가한다. 100 kΩ을 삽입하는 경우 전압 변화는 거의 볼 수 없습니다. 따라서 포켈스 셀의 회로에 삽입 된 적절한 저항으로 변조 시간을 변경할 수 있다. 즉, 측정 가능한 섹션은 포켈스 셀의 전기 회로 설계로 제어 할 수 있다.

[마이크로 편광판 CCD 카메라]

마이크로-편광판 CCD 카메라(150)는 각 프레임의 다수의 편광 이미지를 동시에 포착한다. 마이크로-편광판은 센서에 광범위한 스펙트럼 응답(broad spectral response) 및 각도 대역폭(angular bandwidth), 높은 소광(high extinction) 및 낮은 누화(low cross-talk)를 제공한다. 마이크로 편광판 어레이는 초점 평면 구성의 분할을 제공하는 광센서 어레이에 직접 장착된다.

마이크로-편광판 어레이는 전체 어레이에 걸쳐 반복되는 4 개의 다른 편광 (0도, 45도, 90도 및 135도)을 갖는 편광판의 패턴을 생성한다. 마이크로 편광판의 크기와 간격은 광센서 어레이(예를 들어, CCD)의 크기와 피치와 일치하도록 선택된다. 4 개의 편광판 어레이는 선형 스톡스 파라미터(linear Stokes parameters)를 결정할 수 있게 한다. MCCD는 마이크로 편광판 어레이를 통해 레이저 펄스의 강도를 측정한다. MCCD의 픽셀 수는 1024 x 1024(9 마이크미터 픽셀)이다. 상기 지연 펄스 발생기(161)은 노출 트리거 신호(S-TRG)를 생성하여 상기 광센서 어레이에 제공할 수 있다. MCCD의 노출 시작 시각은 노출 트리거 신호(S-TRG)와 동기화되고, 노출 종료 시각은 구동 전압(V(t)의 변조 시간의 종료 시점과 동기화될 수 있다.

[광학 시스템]

전달 광학계(101)는 상기 펄스 광원의 상기 레이저 펄스를 상기 목표물에 제공하고 상기 레이저 회귀 펄스를 상기 기준 선형 편광판(142)에 제공한다. 상기 전달 광학계(101)는, 상기 레이저 펄스를 제공받아 최대의 에너지를 전달하도록 정렬된 제1 반파장판(123); 상기 제1 반파장판을 투과한 광을 최대로 투과시키어 상기 목표물 방향으로 전달하는 제1 편광 빔분할기(124); 상기 제1 편광 빔분할기에서 반사된 레이저 펄스를 검출하여 상기 트리거 신호를 생성하고 상기 트리거 신호를 상기 지연 펄스 발생기에 전달하는 광검출기(127); 상기 제1 편광 빔분할기(124)를 투과한 광의 세기를 조절하는 제2 반파장판(131) 및 제2 편광 빔분할기(132); 및 상기 레이저 회귀 펄스가 상기 제2 편광 빔분할기(132)에서 반사하도록 상기 레이저 펄스와 상기 레이저 회귀 펄스의 편광 상태를 변경시키는 1/4 파장판(133);을 포함한다.

레이저 펄스는 제1 렌즈(121) 및 제2 렌즈(121)에 의해 시준된다. 레이저 빔의 S- 편광은 제1 편광 빔분할기(Polarizing Beamsplitter, 124)에서 포토 다이오드(162)로 반사되어 트리거 신호(TRG)를 생성한다. 트리거 신호(TRG)는 상기 지연 펄스 발생기(161)의 트리거 소스로 사용될 수 있다. 편광 빔분할기(124) 이후의 선형 편광 때문에, 반파장 편광판(131)과 제2 편광빔 분할기(132)의 조합을 사용하여 레이저 펄스의 전송을 조정합니다. 제2 편광빔 분할기(132)의 후단에 1/4 파장판(133)이 배치된다. 상기 1/4 파장판(133)은 송수신 스위치로 사용된다.

처리부(163)는 컴퓨터일 수 있다. 상기 처리부는 상기 광센서 어레이(154)로부터 편광 변조 지연 시간(τ)에 따른 강도 영상 정보를 제공받는다. 상기 강도 영상 정보는 복수의 픽셀로 구성되고, 각 픽셀은 4개의 서로 다른 편광판을 통하여 강도 정보를 노출시간(ET) 동안 획득한다. 상기 처리부(163)는 상기 펄스 지연 발생기에 프레임에 따른 편광 지연 시간 및 광센서 어레이의 노출 시간에 필요한 정보(D-INF)를 전달할 수 있다.

상기 처리부(163)는 상기 편광 변조 지연 시간에 따른 상기 광센서 어레이의 강도 영상들(I(x,y;τ))을 상기 편광 변조 지연 시간에 따른 TOF 영상들로 각각 변환한다. 상기 처리부는 상기 강도 영상들(I(x,y;τ))을 편광 회전 영상들(φ(x,y;τ))로 각각 변환한다. 상기 처리부는 상기 구동 전압에 따른 편광 방향의 회전 각도와 비행 시간의 관계(TOF=f(φ))를 이용하여 상기 편광 회전 영상들(φ(x,y;τ))을 비행 시간 영상들(TOF(x,y;τ))로 각각 변환한다. 상기 구동 전압에 따른 편광 방향의 회전 각도와 비행 시간의 관계(TOF=f(φ(x,y)))는 픽셀 별로 계산된다.

도 11은 본 발명의 다른 실시예에 따른 플래시 LIDAR 시스템의 측정에 대한 개략도를 보여준다.

도 11을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 LIDAR 시스템(200)은, 반복하여 레이저 펄스(laser pulse; 1)를 출력하는 펄스 광원(110); 상기 펄스 광원(100)의 상기 레이저 펄스를 제공받아 스펙클을 제거하는 스페클 제거부(126); 목표물(10)에서 반사 또는 후방 산란된 레이저 회귀 펄스(2)를 제공받아 상기 목표물과 상기 펄스 광원 사이의 비행 시간에 따라 편광 상태를 변조하는 편광 변조부(140); 상기 편광 변조부의 후단에 배치된 측정 선형 편광판 어레이(153); 상기 측정 선형 편광판 어레이의 후단에 배치된 광센서 어레이(154); 및 상기 광원의 레이저 펄스와 상기 편광 변조부에 인가되는 구동 전압 사이의 편광 변조 지연 시간(τ)을 조절하는 지연 펄스 발생기(161);를 포함한다. 상기 편광 변조부(140)는, 상기 목표물에서 반사 또는 후방 산란된 레이저 회귀 펄스(2)에 선형 편광을 제공하는 기준 선형 편광판(141); 상기 기준 선형 편광판(141)의 후단에 배치되어 상기 펄스 광원에 동기화된 트리거 신호(TRG)로부터 상기 편광 변조 지연 시간(τ)을 가진 상기 구동 전압 V(t)에 따라 편광 방향을 회전시키는 편광 회전부(polarization rotator; 142); 및 상기 편광 회전부(polarization rotator)의 후단에 배치된 1/4 파장판(143);을 포함한다. 상기 측정 선형 편광판 어레이(153)는 복수의 픽셀(151)을 포함하고, 상기 광센서 어레이(154)는 복수의 픽셀(152)을 포함한다. 상기 측정 선형 편광판 어레이(153)의 픽셀(151) 각각은 복수의 서로 다른 선형 편광 방향을 가지는 서브 픽셀(151a~151d)을 포함하고, 상기 측정 선형 편광판 어레이(153)의 상기 서브 픽셀(151a~151d)은 상기 광센서 어레이(154)의 서브 픽셀(152a~152d)과 정렬된다.

펄스 광원(110)은 1kHz의 반복률을 가지고, 펄스당 에너지는 3.5 μJ일 수 있다. 상기 펄스 광원(110)은 1064nm의 파장을 가진 하이브리드 시드 레이저와 상기 하이브리드 시드 레이저로부터 공급받은 서브 나노 펄스로 동작하는 다이오드 사이드-펌프(diode side-pumped) Nd : YAG 재생 앰프(regenerative amplifier)를 포함할 수 있다. 상기 펄스 광원(110)은 1064nm의 기본 파장(fundamental wavelength)을 BBO 결정을 사용하여 2차 고조파 파장(second harmonic wavelength)으로 변환될 수 있다.

상기 펄스 광원(110)의 출력 광인 레이저 펄스의 대부분은 제1 미러(226)를 통하여 반사되고, 나머지는 상기 제1 미러(226)를 투과하여 포토다이오드(227)에 제공될 수 있다. 상기 포토 다이오드(227)는 출력 신호는 상기 지연 펄스 발생기(161)의 트리거 신호(TRG)로 사용된다.

전달 광학계(201)는 상기 펄스 광원과 상기 스펙클 제거부 사이에 배치된다. 상기 전달 광학계(201)는, 상기 레이저 펄스를 제공받아 반사시키고 일부를 투과시키는 거울(226); 및 상기 거울의 후단에 배치되어 상기 거울을 투과한 광을 검출하여 트리거 신호를 생성하는 광검출기(227)를 포함한다. 상기 트리거 신호는 상기 지연 펄스 발생기(161)에 제공되고, 상기 기준 선형 편광판(161) 및 상기 편광 회전부(142)의 중심축은 상기 목표물(10)을 바라보도록 상기 레이저 펄스(1)의 진행 방향에서 기울어진다.

상기 제1 미러(226)에서 반사된 광은 스페클 제거부(226)에 제공된다. 상기 스페클 제거부(220)는 상기 펄스 광원의 레이저 펄스(pulse beam)을 제공받아 스펙클을 제거한다. 상기 스펙클 제거부는 한 쌍의 렌즈(221,222) 및 상기 한 쌍의 렌즈 사이에 배치된 회전 확산판(225)을 포함한다. 또한, 상기 스페클 제거부(226)는 레이저 펄스의 직경을 확대할 수 있다.

상기 지연 펄스 발생기(161)는 상기 포토다이오드(227)가 생성한 트리거 신호(TRG)를 제공받아 일정한 지연 시간 (τ)을 가지고 전기광학 변조 트리거 신호(EOM-TRG)를 발생시킨다. 상기 전기광학 변조 트리거 신호(EOM-TRG)는 EOM 온 트리거 신호 및 EOM 오프 트리거 신호를 포함할 수 있다. 상기 EOM 오프 트리거 신호는 상기 EOM 온 트리거 신호에 비하여 약 100ns 의 시간 지연을 가질 수 있다.

고전압 신호 발생부(144)에 제공된 상기 EOM 트리거 신호는 스위치를 구동하여, 고전압의 구동 신호 V(t)를 생성할 수 있다. 상기 지연 펄스 발생기(161)는 상기 포토다이오드가 생성한 트리거 신호를 제공받아 EOM 온 트리거 신호 이후에 EOM 오프 트리거 신호를 생성하여, 상기 고전압 신호 발생부(144)의 스위치들을 구동할 수 있다.

상기 레이저 펄스(1)는 상기 목표물에서 반사되어 레이저 회귀 펄스(2)로 편광 변조부(140)에 전달될 수 있다. 상기 편광 변조부(140)는 기준 선형 편광판(141), 편광 회전부(142), 및 1/4 파장판(143)을 포함할 수 있다. 상기 편광 회전부(141)는 포켈스 셀일 수 있다. 상기 포켈스 셀은 상기 고전압 신호 발생부(144)가 생성한 구동 전압(V(t))을 제공받아 전압에 따른 편광 방향을 회전시킬 수 있다.

상기 편광 변조부(140)를 통과한 레이저 회귀 펄스는 결상 렌즈(145)에 의하여 상기 측정 선형 편광판 어레이(153) 또는 상기 광센서 어레이(154)에 이미지를 형성할 수 있다. 상기 측정 선형 편광판 어레이(153)는 결상 렌즈의 이미지 평면에 배치될 수 있다. 상기 결상 렌즈(145)와 상기 측정 선형 편광판 어레이(153) 사이의 거리는 상기 목표물(10)의 거리에 따라 조절될 수 있다.

상기 지연 펄스 발생기(161)는 상기 광센서 어레이(154)의 노출시간의 시작점과 종료점을 위하여 노출 트리거 신호(S-TRG)를 생성하여 상기 광센서 어레이(154)에 제공할 수 있다. 상기 광센서 어레이(154)는 가시광선 영역의 CCD 이미지 센서 또는 CIS 이미지 센서일 수 있다. 또한, 상기 광센서 어레이는 적외선용 이미지 센서 어레이일 수 있다. 상기 광 센서 어레이(154)의 노출 시간의 종료 시각은 상기 구동 전압의 종료 시각과 일치하도록 설정될 수 있다.

상기 기준 선형 편광판(141) 및 상기 편광 회전부(142)의 중심축은 상기 목표물(10)을 바라보도록 상기 레이저 펄스(1)의 진행 방향에서 기울어질 수 있다. 상기 편광 변조부를 동작시키지 않은 상태에서, 상기 기준 선형 편광판(141) 및 상기 편광 회전부(142)의 중심축은 상기 목표물에서 상기 레이저 펄스(1)가 반사되는 위치를 바라보도록 조절될 수 있다. 상기 편광 변조부(140)는 기계적인 조작을 통하여 상기 기울기를 조절하면서 최대의 레이저 회귀 펄스를 제공하는 기울기로 조절될 수 있다.

목표물에 대하여 상기 기울기가 선택된 경우, 상기 지연 펄스 발생기(161)의 편광 변조 지연 시간(τ)은 측정 시작 위치를 정밀하게 결정할 수 있도록 범위 게이트의 위치를 제어한다. 고정된 변조 시간(Tm)을 가지고, 이 범위 게이트는 목표 범위를 얻기 위해 편광 변조 지연 시간(τ)을 변경하여 깊이 스캔 할 수 있다. 또는, 고정된 편광 변조 지연 시간(τ)을 가지고, 변조 시간(Tm)을 변경하면서, 스캔할 수 있다. 상기 변조 시간(Tm)은 고전압 신호 발생기의 저항이나 정전용량을 변경하여 조절될 수 있다.

[Pockels 셀과 CCD 카메라를 이용한 범위 정밀도 및 공간 해상도]

도 12는 400 화소 (20 × 20 화소)에 대한 편광 상태와 TOF 사이의 관계를 도시한다.

도 12를 참조하면, 편광 상태는 TOF와의 관계를 알아내기 위해 0.15m 간격으로 14.8m와 17.35m 사이에 놓인 목표물로부터 얻어졌다. 각 범위의 편광 상태는 수학식 (7)을 사용하여 계산된다. 편광 상태 및 TOF의 관계는 각 픽셀 별로 산출되고, 각 데이터 세트는 큐빅 보간법 (cubic interpolation)으로 피팅하고, 그 피팅 곡선 (fit curve)은 편광 상태로부터 TOF 정보를 얻는데 사용된다.

범위 게이트의 길이는 제안된 시스템에서 약 1.5 m이며, 레이저 펄스가 방출 된 후 편광 변조 지연 시간(τ)에 측정을 시작한다. 즉, 1.5 m 범위의 물체를 한 번의 측정으로 측정 할 수 있으며, 범위 게이트의 시작 위치는 관심있는 대상의 위치에 따라 제어된다.

범위 정밀도를 확인하기 위해 평면 개체가 16m에 있다. 제안된 시스템을 이용한 거리 측정을 200 회 수행하였다. 각 프레임의 범위는 100 x 100 픽셀 이상이다. 100 x 100 픽셀 범위의 평균 표준 편차는 5.2 mm입니다 (시간 영역에서 약 35 ps). 범위의 표준 편차는 타이밍의 불안감으로 인해 발생한다고 판단된다.

가장 중요한 지터(jitter) 발생 원인 중 하나는 포켈스 셀을 트리거하는 데 사용되는 지연 펄스 발생기(161)의 출력 신호의 타이밍 지터이다.

본 발명의 일 실시예에 따른 라이다 시스템은 TOF가 아닌 레이저 펄스의 강도만을 측정하기 때문에 잡음이 적다. 또한 전압 변화량을 포켈스 셀의 반파장 전압으로 유지하면서, 편광 변조부(140)의 변조 시간 Tm을 줄이면, 편광 상태와 시간 간의 함수 기울기가 증가한다. 경사가 가파르면 얻을 수 있는 범위 정밀도가 높아진다.

단일 촬영(a single shot) 내에서 100 x 100 픽셀의 RMS 오류는 4.8mm이다. 본 발명의 일 실시예에 따른 LIDAR 시스템을 사용하여 200 x 200 픽셀의 3D 이미지를 획득했다. 제안된 시스템의 공간 해상도는 0.12 mrad이다.

도 13은 목표물로써 비너스 석고상 (Venus plaster figure)이다.

도 13을 참조하면, 목표물의 크기는 대략 60 cm x 30 cm이었다.

도 14는 본 발명의 일 실시예에 따른 플래시 LIDAR 시스템을 사용하여 얻은 3D 이미지를 보여준다.

도 14를 참조하면, 픽셀의 색상은 범위에 따라 다르다. 인접한 4 서브픽셀의 강도를 사용하여, 거리를 계산하면 4 서브픽셀에 대해 하나의 대표 값이 된다. 4 개의 인접한 서브 픽셀 내에서 이미지 내의 가장자리(edge)가 검출되면, 각도 분포로 인해 거리가 왜곡 될 수 있다. 결과적으로, 표면이 매끈한 부분은 명확하게 표시되어 있고, 석고 상의 가장자리는 왜곡되어 있다.

도 15는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 라이다 시스템의 측정 방법을 설명하는 개념도이다.

도 16은 도 15의 라이다 시스템의 타이밍 차트이다.

도 15 및 도 16을 참조하면, 라이다 시스템(100)은, 반복하여 레이저 펄스(laser pulse; 1)를 출력하는 펄스 광원(110); 상기 펄스 광원(100)의 상기 레이저 펄스를 제공받아 스펙클을 제거하는 스페클 제거부(126); 목표물(10)에서 반사 또는 후방 산란된 레이저 회귀 펄스(2)를 제공받아 상기 목표물과 상기 펄스 광원 사이의 비행 시간에 따라 편광 상태를 변조하는 편광 변조부(140); 상기 편광 변조부의 후단에 배치된 측정 선형 편광판 어레이(153); 상기 측정 선형 편광판 어레이의 후단에 배치된 광센서 어레이(154); 및 상기 광원의 레이저 펄스와 상기 편광 변조부에 인가되는 구동 전압 사이의 편광 변조 지연 시간(τ)을 조절하는 지연 펄스 발생기(161);를 포함한다. 상기 편광 변조부(140)는, 상기 목표물에서 반사 또는 후방 산란된 레이저 회귀 펄스(2)에 선형 편광을 제공하는 기준 선형 편광판(141); 상기 기준 선형 편광판(141)의 후단에 배치되어 상기 펄스 광원에 동기화된 트리거 신호(TRG)로부터 상기 편광 변조 지연 시간(τ)을 가진 상기 구동 전압 V(t)에 따라 편광 방향을 회전시키는 편광 회전부(polarization rotator; 142); 및 상기 편광 회전부(polarization rotator)의 후단에 배치된 1/4 파장판(143);을 포함한다. 상기 측정 선형 편광판 어레이(153)는 복수의 픽셀(151)을 포함하고, 상기 광센서 어레이(154)는 복수의 픽셀(152)을 포함한다. 상기 측정 선형 편광판 어레이(153)의 픽셀(151) 각각은 복수의 서로 다른 선형 편광 방향을 가지는 서브 픽셀(151a~151d)을 포함하고, 상기 측정 선형 편광판 어레이(153)의 상기 서브 픽셀(151a~151d)은 상기 광 센서 어레이(154)의 서브 픽셀(152a~152d)과 정렬된다.

상기 편광 변조 지연 시간(τ)는 고정된 상태에서, 상기 구동 전압은 변조 시간(Tm)을 가지고, 상기 변조 시간(Tm)은 반복되는 레이저 펄스에 대한 프레임별로 변경될 수 있다. 이에 따라, 제1 목표물(10a)와 제2 목표물(10b)이 동시에 측정되도록 상기 변조 시간(Tm)이 설정될 수 있다.

도 17은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 라이다 시스템의 측정 방법을 설명하는 개념도이다.

도 18은 도 17의 라이다 시스템의 타이밍 차트이다.

도 19는 강도 영상들, 편광 회전 각도 영상, 및 TOF 영상들을 나타내는 도면이다.

도 20은 TOF 영상들을 이용하여 최종 TOF 영상을 생성하는 것을 설명하는 개념도이다.

도 21은 도 17의 라이다 시스템의 측정 방법을 설명하는 흐름도이다.

도 17 내지 도 21을 참조하면, 라이다 시스템(100)은, 반복하여 레이저 펄스(laser pulse; 1)를 출력하는 펄스 광원(110); 상기 펄스 광원(100)의 상기 레이저 펄스를 제공받아 스펙클을 제거하는 스페클 제거부(126); 목표물(10)에서 반사 또는 후방 산란된 레이저 회귀 펄스(2)를 제공받아 상기 목표물과 상기 펄스 광원 사이의 비행 시간에 따라 편광 상태를 변조하는 편광 변조부(140); 상기 편광 변조부의 후단에 배치된 측정 선형 편광판 어레이(153); 상기 측정 선형 편광판 어레이의 후단에 배치된 광센서 어레이(154); 및 상기 광원의 레이저 펄스와 상기 편광 변조부에 인가되는 구동 전압 사이의 편광 변조 지연 시간(τ)을 조절하는 지연 펄스 발생기(161);를 포함한다. 상기 편광 변조부(140)는, 상기 목표물에서 반사 또는 후방 산란된 레이저 회귀 펄스(2)에 선형 편광을 제공하는 기준 선형 편광판(141); 상기 기준 선형 편광판(141)의 후단에 배치되어 상기 펄스 광원에 동기화된 트리거 신호(TRG)로부터 상기 편광 변조 지연 시간(τ)을 가진 상기 구동 전압 V(t)에 따라 편광 방향을 회전시키는 편광 회전부(polarization rotator; 142); 및 상기 편광 회전부(polarization rotator)의 후단에 배치된 1/4 파장판(143);을 포함한다. 상기 측정 선형 편광판 어레이(153)는 복수의 픽셀(151)을 포함하고, 상기 광센서 어레이(154)는 복수의 픽셀(152)을 포함한다. 상기 측정 선형 편광판 어레이(153)의 픽셀(151) 각각은 복수의 서로 다른 선형 편광 방향을 가지는 서브 픽셀(151a~151d)을 포함하고, 상기 측정 선형 편광판 어레이(153)의 상기 서브 픽셀(151a~151d)은 상기 광 센서 어레이(154)의 서브 픽셀(152a~152d)과 정렬된다.

제1 목표물(10a)과 제2 목표물(10b)이 서로 다른 범위 게이트에 배치된다. 상기 범위 게이트는 약 1.5m 수준이다. 상기 펄스 광원(161)은 일정한 반복률을 가지고 레이저 펄스를 출력한다. 제1 레이저 펄스에 대하여, 상기 광센서 어레이는 제1 프레임을 추출한다. 제2 레이저 펄스에 대하여, 상기 광센서 어레이는 제2 프레임을 추출한다. 상기 제1 프레임은 제1 편광 변조 지연 시간(τ1)을 가지고, 일정한 변조 시간(Tm)의 구동 전압(V(t))을 가진다. 한편, 상기 제2 프레임은 제2 편광 변조 시간(τ2=τ1+Tm)을 가지고, 일정한 변조 시간(Tm)의 구동 전압(V(t))을 가진다. 즉, 상기 광원의 레이저 펄스와 상기 구동 전압 사이의 지연 시간은 반복되는 레이저 펄스에 대하여 변조 시간의 정수배로 증가한다.

제1 프레임에서, 상기 광센서 어레이(154)는 제1 이미지 신호(IS1)을 제1 비행시간(TOF1)에 발생시킨다. 상기 제1 이미지 신호(IS1)은 제1 목표물(10a)에 기인한 강도 영상을 구성하고, 상기 제1 목표물(10a)에 기인한 TOF 영상으로 변환된다.

제1 프레임에서 노출시간의 시작 시간은 펄스 레이저의 출발 시간과 동일하고, 노출시간의 종료시간은 상기 구동 전압(V(t))의 상승구간의 종료시간과 동일하다. 한편, 상기 제2 프레임에서 노출 시간의 시작 시간은 펄스 레이저의 출발 시간에서 일한 지연 시간(S-delay)을 가진 노출 트리거 신호(S-TRG)에 의하여 시작할 수 있으며, 상기 노출시간의 종료시간은 상기 구동 전압(V(t))의 상승 구간의 종료시간과 동일하다.

제2 프레임에서, 상기 광센서 어레이(154)는 제1 비행시간(TOF1)에 제2 이미지 신호(IS2)를 생성하고, 제2 비행시간(TOF2)에 제3 이미지 신호(IS3)를 생성한다. 상기 제2 이미지 신호(IS2)는 구동 신호(V(t))가 인가되지 않은 구간에서 발생한 신호로, 강도 영상을 구성하나, TOF 영상으로 변환된 경우에는 상기 제1 목표물(10a)의 비행시간에 대한 정보가 없다. 한편, 제3 이미지 신호(IS3)는 구동 신호(V(t))가 인가된 구간에서 발생한 신호로 강도 영상을 구성하고 TOF 영상으로 변환된 경우에 상기 제2 목표물(10a)에 대한 비행 시간 정보를 제공한다.

상기 구동 전압(V(t))의 상승 구간은 일정한 변조 시간(Tm)을 가지고, 상기 광원의 레이저 펄스와 상기 구동 전압 사이의 상기 편광 변조 지연 시간(τ)은 반복되는 레이저 펄스에 대하여 변조 시간의 정수배(τ= τ₀ + nㅧTm)로 증가한다. 여기서, n은 양의 정수이다.

처리부(163)는 상기 편광 변조 지연 시간(τ)에 따른 상기 광센서 어레이(154)의 강도 영상들(I(x,y;τ))을 상기 편광 변조 지연 시간(τ)에 따른 TOF 영상들(TOF(x,y;τ))로 각각 변환한다. 상기 처리부는 상기 강도 영상들(I(x,y;τ))을 편광 회전 영상들(φ(x,y;τ))로 각각 변경한다. 상기 처리부는 상기 구동 전압에 따른 편광 방향의 회전 각도(φ)와 비행 시간(TOF)의 관계(TOF=f(φ(x,y))를 이용하여 상기 편광 회전 영상들(φ(x,y;τ))을 비행 시간 영상들(TOF(x,y;τ))로 각각 변환한다. 상기 처리부는 상기 비행 시간 영상들(TOF(x,y;τ))에서 일정한 값 이상을 가지는 관심 영역을 조합하여 최종 비행 시간 영상(TOF_final(x,y)을 산출한다. 상기 구동 전압(V(t))에 따른 편광 방향의 회전 각도(φ)와 비행 시간((TOF)의 관계(TOF=f(φ(x,y))는 픽셀 별로 계산된다. 상기 비행 시간 영상들(TOF(x,y;τ))에서 관심 영역(ROI)은 상기 강도 영상(I(x,y;τ)) 중에서 90도 편광 방향을 가진 서브 픽셀들(I₉₀(x,y;τ))에 기초하여 추출될 수 있다.

본 발명의 라이다 영상 측정 방법은, 펄스 광원(110)으로부터 레이저 펄스를 목표물(10)에 제공하는 단계(S121); 상기 펄스 광원(110)의 레이저 펄스(pulse beam)를 제공받아 스펙클을 제거하는 단계(S122); 상기 목표물(10)에 반사된 레이저 회귀 펄스를 기준 선형 편광판(141), 구동 전압(V(t))이 인가되는 편광 회전부(142), 및 1/4 파장판(143)를 포함하는 편광 변조부(140)에 제공하는 단계(S123); 상기 펄스 광원의 레이저 펄스와 상기 구동 전압(V(t)) 사이에 편광 변조 지연 시간(τ)을 가지도록 상기 구동 전압(V(t))을 인가하는 단계(S124); 상기 편광 변조부(140)를 통과한 상기 레이저 회귀 펄스를 결상 렌즈(150)를 통하여 집속하는 단계(S125); 상기 구동 전압(V(t))에 따라 편광 상태가 변조된 상기 레이저 회귀 펄스를 서로 다른 선형 편광 방향을 가지는 0도, 45도, 90도, 및 135도 선형 편광판들(150a~151d)로 구성된 측정 선형 편광판 어레이(153)를 통과시키고, 상기 측정 선형 편광판 어레이(153)에 정렬된 광센서 어레이(154)를 이용하여 상기 레이저 회귀 펄스의 강도 영상(I(x,y;τ))을 측정하는 단계(S126); 상기 강도 영상(I(x,y;τ))을 이용하여 상기 편광 변조부(140)의 편광 회전 각도(φ)을 상기 강도 영상의 픽셀마다 산출하고, 상기 편광 회전 각도(φ)와 비행 시간 사이의 관계식(TOF=f(φ(x,y))을 이용하여 상기 펄스 광원과 상기 광센서 어레이 사이의 비행 시간 영상(TOF(x,y;τ))을 산출하는 단계(S127)를 포함한다.

라이다 영상 측정 방법은 초기값을 설정하는 단계(S110) 및 상기 편광 변조 지연 시간(τ)을 변경하는 단계(S111,S112)를 더 포함한다. 이에 따라, 상기 편광 변조 지연 시간(τ)에 따른 강도 영상(I(x,y;τ)) 및 비행시간 영상(TOF(x,y;τ))이 산출된다. 상기 편광 변조 지연 시간(τ)을 변경한 후, 상기 편광 변조 지연 시간(τ)에 따른 강도 영상(I(x,y;τ)) 및 비행시간 영상(TOF(x,y;τ))을 산출한다.

라이다 영상 측정 방법은 상기 편광 변조 지연 시간(τ)에 따른 상기 비행 시간 영상들(TOF(x,y;τ))에서 관심 영역을 조합하여 최종 비행 시간 영상(TOF_final(x,y))을 생성하는 단계(S128)를 더 포함한다.

상기 광센서 어레이(154)는 매트릭스 형태로 배열된 복수의 픽셀(152)을 포함하고, 상기 광센서 어레이의 각 픽셀(152)은 제1 내지 제4 서브 픽셀(152a~152d)을 포함한다. 상기 광센서 어레이의 상기 서브 픽셀은 0도, 45도, 90도, 및 135도 선형 편광판들(151a~151d)에 각각 정렬된다. 상기 광센서 어레이의 각 픽셀의 상기 비행 시간은 상기 픽셀 내의 서브 픽셀들의 강도들 이용하여 계산된다. 추가 비행시간은 서로 이웃한 한 쌍의 픽셀 중에서 서로 이웃한 4개의 서브 픽셀을 이용하여 계산된다.

다양한 임무를 성공적으로 수행하기 위해 플래시 LIDAR 시스템은 높은 범위의 정밀도와 공간 해상도를 필요로 한다. 그러나 레이저 펄스 폭, APD의 타이밍 분해능, TDC의 타이밍 분해능, 전자 회로에서 발생하는 샷 노이즈 및 타이밍 불안정으로 인해 기존의 플래시 LIDAR 시스템에서는 범위 정밀도가 제한된다. 또한 상업용 플래시 LIDAR 시스템의 픽셀 수가 적기 때문에 공간 해상도가 제한된다. 본 발명에 따르면, 편광 변조부와 MCCD로 구성된 새로운 플래시 LIDAR 시스템을 제안하고, 성공적으로 시연하였다. 편광 변조부의 편광 상태가 시간에 따라 변함에 따라 측정된 강도로부터 계산된 레이저 회귀 펄스의 위상 지연으로부터 범위를 얻을 수 있다.

종래의 플래시 LIDAR 시스템에서 높은 범위 정밀도를 달성하기 위해서는 더 높은 대역폭의 검출기 및 TDC가 필요하다. 한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 시스템은 레이저 펄스의 에너지만을 측정하기 때문에, 종래의 구성에 사용된 구성 요소를 요구하지 않는다. 따라서, 고성능 타이밍 회로는 제안된 시스템에서 불필요하다. 즉, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 레이저 펄스의 강도를 측정 할 수 있는 임의의 검출기는 타이밍 회로없이 범위 정보를 얻을 수 있다. 예를 들어, CCD, CMOS, 포토 다이오드 등을 플래시 LIDAR 시스템에 사용할 수 있다. 또한 포켈스 셀의 변조 시간을 줄임으로써 범위 정밀도를 더욱 향상시킬 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 플래시 LIDAR 시스템에 대해 측정된 평균 표준 편차와 RMS 오차는 각각 5.2 mm. 및 4.8 mm이다. 더 높은 공간 해상도의 3D 이미지를 얻기 위해 MCCD는 일반적으로 APD 어레이에 비해 수백만 픽셀을 가지고 있다. APD 어레이의 픽셀 수를 늘리는 것은 기술적으로 어렵다. 제안된 플래시 LIDAR 시스템의 공간 해상도는 0.12 mrad 이다. 이 제안된 플래시 LIDAR 시스템은 높은 정밀도를 필요로하는 많은 어플리케이션에 사용될 것으로 기대된다.

본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.

110: 펄스 광원
141:기준 선형 편광판
142: 편광 회전부
143: 1/4 파장판
153: 측정 선형 편광판 어레이
154: 광센서 어레이
161: 지연 펄스 방생기

Claims

반복하여 레이저 펄스(laser pulse)를 출력하는 펄스 광원;
상기 펄스 광원의 레이저 펄스를 제공받아 스펙클을 제거하는 스펙클 제거부;
목표물에서 반사 또는 후방 산란된 레이저 회귀 펄스를 제공받아 상기 목표물과 상기 펄스 광원 사이의 비행 시간에 따라 편광 상태를 변조하는 편광 변조부;
상기 편광 변조부의 후단에 배치된 측정 선형 편광판 어레이;
상기 측정 선형 편광판 어레이의 후단에 배치된 광센서 어레이; 및
상기 펄스 광원의 레이저 펄스와 상기 편광 변조부에 인가되는 구동 전압의 시작 시간 사이의 편광 변조 지연 시간을 조절하는 지연 펄스 발생기;를 포함하고,
상기 편광 변조부는:
상기 목표물에서 반사 또는 후방 산란된 레이저 회귀 펄스에 선형 편광을 제공하는 기준 선형 편광판;
상기 기준 선형 편광판의 후단에 배치되어 상기 펄스 광원에 동기화된 트리거 신호로부터 상기 편광 변조 지연 시간을 가진 상기 구동 전압에 따라 편광 방향을 회전시키는 편광 회전부(polarization rotator); 및
상기 편광 회전부(polarization rotator)의 후단에 배치된 1/4 파장판;을 포함하고,
상기 측정 선형 편광판 어레이는 복수의 픽셀을 포함하고,
상기 광센서 어레이는 복수의 픽셀을 포함하고,
상기 측정 선형 편광판 어레이의 픽셀 각각은 복수의 서로 다른 선형 편광 방향을 가지는 서브 픽셀을 포함하고,
상기 측정 선형 편광판 어레이의 상기 서브 픽셀은 상기 광 센서 어레이의 서브 픽셀과 정렬되고,
상기 편광 변조 지연 시간은 상기 펄스 광원의 레이저 펄스의 출발시간과 상기 편광 변조부에 인가되는 구동 전압의 시작 시간 사이의 차이를 나타내고,
상기 비행 시간은 상기 펄스 광원, 상기 목표물, 및 상기 광센서 어레이를 상기 레이저 펄스가 진행하는 송수신 시간을 나타내는 것을 특징으로 하는 라이다 시스템.
제1 항에 있어서,
상기 스펙클 제거부는 한 쌍의 렌즈 및 상기 한 쌍의 렌즈 사이에 배치된 회전 확산판을 포함하는 것을 특징으로 하는 라이다 시스템.
제1 항에 있어서,
상기 펄스 광원의 상기 레이저 펄스를 상기 목표물에 제공하고 상기 레이저 회귀 펄스를 상기 기준 선형 편광판에 제공하는 전달 광학계를 더 포함하고,
상기 전달 광학계는:
상기 레이저 펄스를 제공받아 최대의 에너지를 전달하도록 정렬된 제1 반파장판;
상기 제1 반파장판을 투과한 광을 최대로 투과시키어 상기 목표물 방향으로 전달하는 제1 편광 빔분할기;
상기 제1 편광 빔분할기에서 반사된 레이저 펄스를 검출하여 상기 트리거 신호를 생성하고 상기 트리거 신호를 상기 지연 펄스 발생기에 전달하는 광검출기;
상기 제1 편광 빔분할기를 투과한 광의 세기를 조절하는 제2 반파장판 및 제2 편광 빔분할기; 및
상기 레이저 회귀 펄스가 상기 제2 편광 빔분할기에서 반사하도록 상기 레이저 펄스와 상기 레이저 회귀 펄스의 편광 상태를 변경시키는 1/4 파장판;을 포함하는 것을 특징으로 하는 라이다 시스템.
제1 항에 있어서,
상기 광센서 어레이의 노출 시간의 종료 시각은 상기 구동 전압의 상승 구간의 종료 시각과 일치하도록 설정되는 것을 특징으로 하는 라이다 시스템.
제1 항에 있어서,
상기 구동 전압의 상승 구간은 일정한 변조 시간(Tm)을 가지고,
상기 펄스 광원의 레이저 펄스와 상기 구동 전압 사이의 상기 편광 변조 지연 시간은 반복되는 레이저 펄스에 대하여 상기 변조 시간의 정수배로 증가하는 것을 특징으로 하는 라이다 시스템.
제5 항에 있어서,
상기 편광 변조 지연 시간에 따른 상기 광센서 어레이의 강도 영상들을 상기 편광 변조 지연 시간에 따른 비행 시간 영상들로 각각 변환하는 처리부를 더 포함하고,
상기 처리부는 상기 강도 영상들을 편광 회전 영상들로 각각 변경하고,
상기 편광 회전 영상들을 구성하는 각 픽셀의 값은 상기 강도 영상들을 구성하는 각 픽셀의 상기 서브 픽셀들의 강도들을 이용하여 상기 구동 전압에 따른 편광 방향의 회전 각도로 주어지고,
상기 편광 회전 영상들은 상기 편광 변조 지연 시간 별로 구해지고,
상기 처리부는 상기 구동 전압에 따른 편광 방향의 회전 각도와 상기 비행 시간의 관계를 이용하여 상기 편광 회전 영상들을 상기 편광 변조 지연 시간 별 상기 비행 시간 영상들로 각각 변환하고,
상기 처리부는 상기 편광 변조 지연 시간 별 상기 비행 시간 영상들에서 일정한 값 이상을 가지는 관심 영역을 조합하여 최종 비행 시간 영상을 산출하는 것을 특징으로 하는 라이다 시스템.
제6 항에 있어서,
상기 구동 전압에 따른 편광 방향의 회전 각도와 상기 비행 시간의 관계는 픽셀 별로 계산되는 것을 특징으로 하는 라이다 시스템.
제6 항에 있어서,
상기 비행 시간 영상들에서 관심 영역은 상기 강도 영상 중에서 90도 편광 방향을 가진 서브 픽셀들에 기초하여 추출되는 것을 특징으로 하는 라이다 시스템.
제1 항에 있어서,
상기 구동 전압의 변조 시간은 가변되고,
상기 변조 시간의 가변 범위는 9 ns 내지 32 ns 인 것을 특징으로 하는 라이다 시스템.
제1 항에 있어서,
상기 편광 회전부는;
포켈스 셀; 및
상기 포켈스 셀에 고전압의 상기 구동 전압을 제공하는 고전압 신호 발생부를 포함하고,
상기 고전압 신호 발생부는:
고전압 전원에서 분기되어 병렬 연결된 제1 고정 저항 및 제2 고정 저항;
상기 제1 고정 저항과 접지 사이에 배치된 제1 스위치;
상기 제2 고정 저항과 접지 사이에 배치된 제2 스위치;
상기 제1 고정 저항과 상기 제1 스위치의 제1 접속단과 상기 포켈스 셀의 일단 사이에 배치된 제1 가변 저항; 및
상기 제2 고정 저항과 상기 제2 스위치의 제2 접속단과 상기 포켈스 셀의 타단 사이에 배치된 제2 가변 저항;을 포함하고,
상기 제1 가변 저항 또는 상기 제2 가변 저항의 값을 변경한 경우, 상기 포켈스 셀의 양단에 인가되는 상기 구동 전압의 상승 구간의 기울기는 변경되고, 상기 구동 전압의 변조 시간이 제어되는 것을 특징으로 하는 라이다 시스템.
제1 항에 있어서,
상기 1/4 파장판과 상기 측정 선형 편광판 어레이 사이에 배치되어 상기 목표물을 이미지 평면에 결상하는 결상 렌즈를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 라이다 시스템.
제1 항에 있어서,
상기 펄스 광원과 상기 스펙클 제거부 사이에 배치되는 전달 광학계를 더 포함하고,
상기 전달 광학계는:
상기 레이저 펄스를 제공받아 반사시키고 일부를 투과시키는 거울; 및
상기 거울의 후단에 배치되어 상기 거울을 투과한 광을 검출하여 트리거 신호를 생성하는 광검출기를 포함하고,
상기 트리거 신호는 상기 지연 펄스 발생기에 제공되고,
상기 기준 선형 편광판 및 상기 편광 회전부의 중심축은 상기 목표물을 바라보도록 상기 레이저 펄스의 진행 방향에서 기울어진 것을 특징으로 하는 라이다 시스템.
스펙클 제거부는 펄스 광원으로부터 레이저 펄스를 제공받아 스펙클을 제거하는 단계;
상기 스펙클 제거부에서 상기 스펙클이 제거된 레이저 펄스를 목표물에 제공하는 단계;
상기 목표물에 반사된 레이저 회귀 펄스를 기준 선형 편광판, 구동 전압(V(t))이 인가되는 편광 회전부, 및 1/4 파장판(QWP)를 포함하는 편광 변조부에 제공하는 단계;
상기 펄스 광원의 레이저 펄스와 상기 구동 전압(V(t)) 사이에 편광 변조 지연 시간을 가지도록 상기 구동 전압(V(t))을 인가하는 단계;
상기 편광 변조부를 통과한 상기 레이저 회귀 펄스를 결상 렌즈를 통하여 집속하는 단계;
상기 구동 전압(V(t))에 따라 편광 상태가 변조된 상기 레이저 회귀 펄스를 서로 다른 선형 편광 방향을 가지는 0도, 45도, 90도, 및 135도 선형 편광판들로 구성된 측정 선형 편광판 어레이를 통과시키고, 상기 측정 선형 편광판 어레이에 정렬된 광 센서 어레이를 이용하여 상기 레이저 회귀 펄스의 강도 영상을 측정하는 단계; 및
상기 강도 영상을 이용하여 상기 편광 변조부의 편광 회전 각도(*?*)을 상기 강도 영상의 픽셀마다 산출하고, 상기 편광 회전 각도(
)와 비행 시간(TOF) 사이의 관계식을 이용하여 상기 펄스 광원과 상기 광센서 어레이 사이의 비행시간을 나타내는 비행 시간(TOF) 영상을 산출하는 단계를 포함하고,
상기 편광 변조 지연 시간은 상기 펄스 광원의 레이저 펄스의 출발시간과 상기 편광 변조부에 인가되는 구동 전압의 시작 시간 사이의 차이를 나타내고,
상기 비행 시간은 상기 펄스 광원, 상기 목표물, 및 상기 광센서 어레이를 상기 레이저 펄스가 진행하는 송수신 시간을 나타내는 것을 특징으로 하는 라이다 영상 측정 방법.
제13 항에 있어서,
상기 강도 영상을 측정한 후 상기 편광 변조 지연 시간을 변경하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 라이다 영상 측정 방법.
제14 항에 있어서,
상기 편광 변조 지연 시간에 따른 상기 비행 시간 영상들에서 관심 영역을 조합하여 최종 비행 시간 영상을 생성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 라이다 영상 측정 방법.
제13 항에 있어서,
상기 광센서 어레이는 매트릭스 형태로 배열된 복수의 픽셀을 포함하고,
상기 광센서 어레이의 각 픽셀은 제1 내지 제4 서브 픽셀을 포함하고,
상기 광센서 어레이의 상기 서브 픽셀은 0도, 45도, 90도, 및 135도 선형 편광판들에 각각 정렬되고,
상기 광센서 어레이의 각 픽셀의 상기 비행 시간은 상기 픽셀 내의 서브 픽셀들의 강도들 이용하여 계산되고,
추가 비행시간은 서로 이웃한 한 쌍의 픽셀 중에서 서로 이웃한 4개의 서브 픽셀을 이용하여 계산되는 것을 특징으로 하는 라이다 영상 측정 방법.