KR102436936B1 - 거리 측정 장치 및 그 방법 - Google Patents

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Abstract

거리 측정 장치 및 그 방법에 관한 것이다. 본 거리 측정 장치는, 대상체에서 반사된 광을 검출하여 전기 신호로 변환하고, 전기 신호 중 기준값 이상의 전기 신호를 포화 신호로 출력하며, 포화 신호를 이용하여 피크를 검출하고, 피크를 이용하여 상기 대상체까지의 거리를 측정한다.

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(D) 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 측정 장치는, 대상체에서 반사된 광을 검출하여 전기 신호로 변환하는 광수신부; 상기 전기 신호 중 기준값 이상의 전기 신호를 포화 신호로 출력하는 포화 회로; 상기 포화 회로에서 출력된 신호를 이용하여 피크를 검출하는 피크 검출기; 및 상기 피크를 이용하여 상기 대상체까지의 거리를 측정하는 프로세서;를 포함한다.
그리고, 상기 포화 회로는, 상기 전기 신호가 상기 기준값 미만이면, 상기 전기 신호의 크기에 대응하여 크기가 변하는 가변 신호를 출력하고, 상기 전기 신호가 상기 기준값 이상이면, 일정한 크기의 상기 포화 신호를 출력한다.
또한, 상기 포화 회로는 연산 증폭기; 및 상기 연산 증폭기와 병렬로 연결된 하나 이상의 다이오드;를 포함할 수 있다.
그리고, 상기 연산 증폭기의 반전입력단은 상기 다이오드의 일단과 연결되고, 상기 연산 증폭기의 출력단은 상기 다이오드의 타단과 연결될 수 있다.
또한, 상기 포화 회로는, 일단은 상기 광수신부에 연결되고 타단은 상기 연산 증폭기의 반전 입력단 및 상기 다이오드의 일단과 연결된 저항;을 더 포함할 수 있다.
그리고, 상기 광수신부와 상기 포화 회로 사이에 배치되면서 상기 저항과 직렬로 연결된 커패시터;를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 기준값은, 상기 다이오드의 순방향 전압의 크기와 동일할 수 있다.
그리고, 상기 다이오드는 제너 다이오드일 수 있다.
또한, 상기 포화 회로는, 상기 전기 신호 중 제1 기준값 이상의 전기 신호를 제1 포화 신호로 출력하고, 상기 전기 신호 중 제2 기준값 미만의 전기 신호를 제2 포화 신호로 출력할 수 있다.
그리고, 상기 제1 기준값은 상기 제너 다이오드의 순방향 전압이고, 상기 제2 기준값은 상기 제너 다이오드의 제너 전압일 수 있다.
또한, 상기 다이오드는, 상기 연산 증폭기와 병렬로 연결된 제1 다이오드; 및 상기 연산 증폭기 및 상기 제1 다이오드와 병렬로 연결되고, 상기 제1 다이오드의 극성과 반대인 제2 다이오드;를 포함할 수 있다.
그리고, 상기 포화 신호의 크기는 상기 기준값의 크기와 동일할 수 있다.
또한, 상기 기준값은 1V이하일 수 있다.
그리고, 상기 광수신부는, 수신된 광에 대응하는 전류를 출력하는 광검출기; 및 상기 전류를 전압으로 변환하여 상기 전기 신호로서 상기 전압을 출력하는 전류-전압 변환기;를 포함할 수 있다.
또한, 상기 광검출기는, 애벌런치 포토 다이오드(APD) 중 싱글 포토 애벌런치 다이오드(SPAD)를 포함할 수 있다.
그리고, 상기 피크 검출기는, CFD(Constant fraction discriminator) 방식으로 피크를 검출할 수 있다.
또한, 상기 피크 검출기는 입력된 신호를 기준값과 비교하여 펄스 신호로 출력하는 비교기;를 더 포함할 수 있다.
그리고, 상기 대상체에 레이저 펄스 형태의 광을 조사하는 광원;을 더 포함할 수 있다.
한편, 일 실시예에 따른 거리 측정 방법은, 대상체에서 반사된 광을 검출하여 전기 신호로 변환하는 단계; 상기 전기 신호 중 기준값 이상의 전기 신호를 포화 신호로 출력하는 단계; 상기 포화 신호를 이용하여 피크를 검출하는 단계; 및 상기 피크를 이용하여 상기 대상체까지의 거리를 측정하는 단계;를 포함할 수 있다.
그리고, 상기 포화 신호를 출력하는 단계는, 상기 전기 신호가 상기 기준값 미만이면, 상기 전기 신호의 크기에 대응하여 크기가 변하는 가변 신호를 출력하고, 상기 전기 신호가 상기 기준값 이상이면, 일정한 크기의 상기 포화 신호를 출력할 수 있다.
대상체의 거리 측정시 검출 오차를 줄여 분해능을 향상시킬 수 있다.
도 1은 일 실시예에 따른 거리 측정 장치를 나타내는 블럭도이다.
도 2는 일 실시예에 따른 포화 회로를 나타내는 도면이다.
도 3는 광수신부에서 출력된 신호를 나타내는 참조도면이다.
도 4는 CFD 회로가 도 3의 신호를 입력받아 출력한 결과를 나타내는 참조 도면이다.
도 5는 일 실시예에 따른 거리 측정 장치(100)의 동작 방법을 설명하는 흐름도이다.
도 6은 다른 실시예에 따른 거리 측정 장치를 나타내는 도면이다
도 7는 일 실시예에 따른 포화 회로가 출력한 신호를 나타내는 참조도면이다.
도 8은 일 실시예에 따른 피크 검출기의 일종인 CFD 회로가 출력한 신호를 나타내는 참조 도면이다.
도 9는 다른 실시예에 따른 포화 회로를 도시한 도면이다.
도 10은 또 다른 실시예에 따른 포화 회로를 도시한 도면이다.
도 11 및 도 12는 또 다른 실시예에 따른 포화 회로를 도시한 도면이다.
이하, 실시예들에 따른 거리 측정 장치 및 그 방법을 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다. 도 1은 일 실시예에 따른 거리 측정 장치(100)를 나타내는 블럭도이다. 도 1를 참조하면, 거리 측정 장치(100)는 대상체에 광을 방출하는 광원(110), 대상체에서 반사된 광을 검출하여 전기 신호로 변환하는 광수신부(120), 전기 신호 중 기준값 이상의 신호를 포화 신호로 출력하는 포화 회로(130), 포화 회로(130)에서 출력된 신호로부터 피크를 검출하는 피크 검출기(140) 및 피크를 이용하여 대상체까지의 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(D)(Laser Diode) 일 수 있다. 광원(110)은 일 실시예에 따른 거리 측정 장치(100)에 하나의 하드웨어로 구성될 필요는 없다.
광수신부(120)는 대상체에서 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) 및 광검출기(122)에서 출력된 전류를 전압으로 변환하는 전류-전압 변환 회로(124)를 포함할 수 있다. 이외에도 광수신부(120)는 대상체에서 반사된 광을 집광하는 렌즈 등을 더 포함할 수 있다.
광검출기(122)는 수광 소자일 수 있다. 광검출기(122)는 바이어스 전압이 인가된 상태에서 동작하는 수광 소자일 수 있다. 예를 들어, 광검출기(122)는 애벌런치 포토 다이오드(D)(Avalanche Photo Diode;APD) 또는 싱글 포톤 애벌런치 다이오드(D)(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.
포화 회로(130)는 광수신부(120)로부터 입력된 전기 신호 중 기준값 이상의 신호를 포화 신호로 출력할 수 있다. 예를 들어, 입력된 전기 신호가 기준값 미만이면, 포화 회로(130)는 입력된 전기 신호의 크기에 대응하여 크기가 변하는 가변 신호를 출력하고, 입력된 전기 신호가 기준값 이상이면, 포화 회로(130)는 일정한 크기의 포화 신호를 출력할 수 있다. 여기서 포화 신호의 절대값은 기준값과 동일할 수 있으며, 부호는 반대일 수 있다. 그리고, 기준값의 크기는 약 1V이하일 수 있다.
도 2는 일 실시예에 따른 포화 회로(130)를 나타내는 도면이다. 도 2를 참조하면, 포화 회로(130)는 연산 증폭기(132) 및 연산 증폭기(132)와 병렬로 연결된 다이오드(D)를 포함할 수 있다. 다이오드(D)는 PN 접합을 기본으로 한 다이오드(D)일 수 있다. 예를 들어, 다이오도는 PN 다이오드, 제너 다이오드 등일 수 있다.
연산 증폭기(132)의 입력단은 반전 입력단(-) 및 비반전 입력단(+)를 포함할 수 있다. 연산 증폭기(132)의 반전 입력단(-)는 광수신부(120)의 출력단과 연결되고, 연산 증폭기(132)의 비반전 입력단(+)는 접지될 수 있으며, 연산 증폭기(132)의 출력단은 피크 검출기(140)의 입력단에 연결될 수 있다. 그리고, 다이오드(D)의 일단은 광수신부(120)의 출력단 및 연산 증폭기(132)의 반전 입력단(-)에 연결되고, 스위치 소자의 타단은 연산 증폭기(132)의 출력단 및 피크 검출기(140)의 입력단에 연결될 수 있다.
포화 회로(130)는 일단은 상기 광수신부(120)에 연결되고 타단은 연산 증폭기(132)의 반전 입력단 및 다이오드(D)의 일단과 연결된 저항(R)을 더 포함할 수 있다. 상기한 저항(R)의 크기는 출력하고자 하는 포화 신호의 크기에 의해 결정될 수 있다.
포화 회로(130)에 입력된 전기 신호의가 기준값 미만이면, 포화 회로(130)는 입력된 전기 신호의 크기에 대응하여 크기가 변하는 가변 신호를 출력할 수 있다. 가변 신호의 크기는 입력된 전기 신호, 저항(R) 및 다이오드(D)의 내부 저항(R)에 의해 결정되며, 구체적으로, 입력된 전기 신호 및 다이오드(D)의 내부 저항(R)의 크기에 비례하며, 저항(R)의 크기에는 반비례할 수 있다. 또한, 연산 증폭기(132)는 반전 증폭기(132)로 동작하기 때문에 입력된 전기 신호와 가변 신호의 부호는 서로 반대일 수 있다.
포화 회로(130)에 입력된 전기 신호가 기준값 이상이면, 포화 회로(130)는 순방향 전압 강하에 의해 입력된 전기 신호의 크기에 상관없이 일정한 크기의 포화 신호, 예를 들어, 일정한 크기의 전압을 출력할 수 있다. 여기서 기준값은 다이오드(D)의 순방향 전압(Forward Voltage)(Vd)일 수 있다. 포화 신호의 절대값은 순방향의 전압과 같고, 부호는 서로 반대일 수 있다.
피크 검출기(140)는 포화 회로(130)로부터 인가된 전기 신호에서 피크를 검출할 수 있다. 피크 검출기(140)는 전기 신호의 상승 에지 및 하강 에지를 검출함으로써 피크를 검출할 수 있다. 피크 검출기(140)는 포화 회로(130)부터 출력된 신호, 즉 가변 신호와 포화 신호가 조합된 신호를 복수 개의 신호로 나눈 후 일부 신호를 반전 및 시간 지연시키고 나머지 신호와 결합하여 0을 지나는 지점(zero cross point)를 검출하는 CFD(Constant Fraction Discriminator) 방식을 이용하여 피크를 검출할 수 있다. 상기한 CFD 방식을 이용한 회로를 CFD 회로라고 할 수 있다. 피크 검출기(140)는 비교기를 더 포함하며, 검출된 피크를 펄스 신호로 출력할 수 있다. 또는 피크 검출기는 포화 회로에서 출력된 포화 신호를 하이 레벨 신호로 출력하는 비교기만으로도 구성될 수 있다.
프로세서(150)는 피크 검출기(140)에 검출된 피크를 이용하여 대상체(10)까지의 거리를 측정할 수 있다. 예를 들어, 프로세서(150)는 피크 검출기(140)에서 검출된 피크의 검출 시간과 광원(110)에서 방출된 광의 방출 시간을 이용하여 대상체에 대한 거리를 측정할 수 있다. 피크를 이용한 거리 측정 방법은 통상의 기술인 바, 자세한 설명은 생략한다.
광수신부(120)는 광원(110)에서 방출되는 광의 크기, 대상체까지의 거리, 대상체의 반사율 등에 의해 다양한 크기의 광을 수신할 수 있다. 그리하여, 광수신부(120)는 다양한 크기의 전기 신호를 출력할 수 있다.
도 3는 광수신부에서 출력된 신호를 나타내는 참조도면이고, 도 4는 CFD 회로가 도 3의 신호를 입력받아 출력한 결과를 나타내는 참조 도면이다. 도 3에 도시된 바와 같이, 광수신부(120)에서 출력되는 전기 신호의 크기는 다양할 수 있다. 그에 따라 전기 신호의 피크에 대한 크기는 다양할 수 있다. 그리고 피크(P)를 기준으로 전기 신호들의 편차는 피크(P)로 갈수록 커짐을 확인할 수 있다. 또한 전기 신호들의 하강 곡선은 전기 신호들의 상승 곡선보다 편차가 큼을 확인할 수 있다.. 그럼에도 불구하고, 전기 신호의 피크 지점은 거의 동일함을 확인할 수 있다.
CFD 회로는 도 3에 도시된 전기 신호들, 즉 피크로 갈수록 편차가 큰 전기 신호들이 입력되면, 도 4와 같은 결과를 출력하였다. CFD 회로는 입력된 신호를 복수 개의 신호로 나눈 후 일부 신호를 반전 및 시간 지연시키고 나머지 신호와 결합하여 0을 지나는 지점(zero cross point)를 검출하는 CFD(Constant Fraction Discriminator) 방식을 이용하여 피크를 검출하는 회로이다. 그런데, 피크로 갈수록 편차가 큰 전기 신호들이 입력되면, 도 4에 도시된 바와 같이, O를 지나는 지점의 범위(410)가 커짐을 확인할 수 있다. 이는 피크 검출의 오차를 유발한다. 즉 실제 피크 지점은 거의 동일하다 하더라도 전기 신호의 크기가 다양할수록 정확한 피크 검출이 어려울 수 있다.
한편, 도 3에 도시된 바와 같이, 전기 신호들의 편차는 피크로부터 멀어질수록 작아짐을 확인할 수 있다. 따라서, 편차가 작은 전기 신호들을 이용하여 피크를 검출하게 되면 피크 검출의 오차를 줄일 수 있다. 일 실시예에 따른 포화 회로(130)는 크기가 0근처인 전기 신호들을 이용할 수 있도록 기준값 이상의 전기 신호를 포화 신호로 출력할 수 있다.
도 5는 일 실시예에 따른 거리 측정 장치(100)의 동작 방법을 설명하는 흐름도이다. 도 5를 참조하면, 광수신부(120)는 대상체에서 반사된 광을 수신한다(S510). 광원(110)은 일정 시간 간격으로 광을 대상체에 방출할 수 있다. 광원(110)은 일정 시간 간격으로 레이저 펄스 파형을 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(S520). 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. 광검출기(122)는 수광 소자로서, 바이어스 전압이 인가된 상태에서 동작할 수 있다. 그러나 이에 한정되지 않는다. 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 회로(130)는 광수신부(120)로부터 입력된 전기 신호의 크기를 기준값과 비교한다(S530). 그리고, 입력된 전기 신호가 기준값 이상이면(S530-YES), 입력된 전기 신호의 크기에 상관없이 일정한 크기를 갖는 포화 신호를 출력할 수 있다(S540).
또는 입력된 전기 신호가 기준값 미만이면(S530-NO), 입력된 전기 신호의 크기에 대응하여 크기가 변하는 가변 신호를 출력할 수 있다(S550). 기준값은 포화 회로(130)에 포함된 다이오드(D)의 순방향 전압의 크기일 수 있으며, 약 1V 이하일 수 있다. 그리고, 포화 신호의 절대값은 기준값과 동일하며, 부호는 반대일 수 있다.
상기한 포화 회로(130)는 연산 증폭기(132) 및 연산 증폭기(132)와 병렬로 연결된 다이오드(D)를 포함할 수 있다. 다이오드(D)는 PN 접합을 기본으로 한 다이오드(D)일 수 있다. 예를 들어, 다이오도는 PN 다이오드, 제너 다이오드등일 수 있다. 연산 증폭기(132)의 입력단은 반전 입력단(-) 및 비반전 입력단(+)를 포함할 수 있다. 연산 증폭기(132)의 반전 입력단(-)는 광수신부(120)의 출력단과 연결되고, 연산 증폭기(132)의 비반전 입력단(+)는 접지될 수 있으며, 연산 증폭기(132)의 출력단은 피크 검출기(140)의 입력단에 연결될 수 있다. 그리고, 다이오드(D)의 일단은 광수신부(120)의 출력단 및 연산 증폭기(132)의 반전 입력단(-)에 연결되고, 스위치 소자의 타단은 연산 증폭기(132)의 출력단 및 피크 검출기(140)의 입력단에 연결될 수 있다.
포화 회로(130)는 일단은 상기 광수신부(120)에 연결되고 타단은 연산 증폭기(132)의 반전 입력단 및 다이오드(D)의 일단과 연결된 저항(R)을 더 포함할 수 있다. 상기한 저항(R)의 크기는 출력하고자 하는 포화 신호의 크기에 의해 결정될 수 있다.
피크 검출기(140)는 포화 회로(130)로부터 입력된 신호에서 피크를 검출할 수 있다(S560). 피크 검출기(140)는 포화 회로(130)부터 입력된 신호, 즉 가변 신호와 포화 신호가 조합된 신호에서 상승 에지 및 하강 에지를 검출함으로써 피크를 검출할 수 있다. 또는, 포화 회로(130)부터 입력된 신호를 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. 상기한 CFD 방식을 이용한 회로를 CFD 회로라고 할 수 있다. 피크 검출기(140)는 비교기를 더 포함하며, 검출된 피크를 펄스 신호로 출력할 수 있다. 또는 피크 검출기(140)는 포화 신호를 하이 레벨의 신호를 출력하는 비교기만으로도 구성될 수 있다.
프로세서(150)는 피크 검출 시간을 이용하여 대상체의 거리를 측정할 수 있다(S570). 예를 들어, 프로세서(150)는 피크 검출 시간과 광원(110)에서의 광 방출 시간의 시간 차를 이용하여 대상체의 거리를 측정할 수 있다. 피크를 이용한 거리 측정 방법은 통상의 기술인 바, 자세한 설명은 생략한다.
도 6은 다른 실시예에 따른 거리 측정 장치(100)를 나타내는 도면이다. 도 1과 도 6을 참조하면, 도 6의 거리 측정 장치(100)는 광수신부(120)와 포화 회로(130)에 직렬로 연결된 커패시터(C)를 포함할 수 있다. 즉, 커패시터(C)의 일단은 광수신부(120)에 연결되어 있고, 타단은 포화 회로(130), 예를 들어, 포화 회로(130)의 저항(R)에 연결될 수 있다. 도 6에 도시된 커패시터(C)와 저항(R)은 하이 패스 필터(160)가 될 수 있다. 그리하여, 광수신부(120)로부터 출력된 전기 신호 중 특정 주파수 이상의 주파수를 갖는 전기 신호만 통과시킴으로서 전기 신호의 노이즈를 제거할 수 있다. 또한, 도 6에 도시된 커패시터(C)는 전기 신호들의 커브를 보다 완만하게 한다. 그리하여, 포화 회로(130)로 입력된 신호들의 편차를 줄일 수 있다.
도 7는 일 실시예에 따른 포화 회로(130)가 출력한 신호를 나타내는 참조도면이다. 도 7의 파형은 도 3에 도시된 신호가 하이 패스 필터(160)를 통과한 후 포화 회로(130)를 통과한 결과이다. 포화 회로(130)는 입력된 전기 신호 중 기준값 이상의 전기 신호를 일정한 크기의 포화 신호로 출력하고, 기준값 미만의 전기 신호를 크기가 변하는 가변 신호로 출력함을 확인할 수 있다. 도 7에 도시된 전기 신호의 상승 에지(710)가 기준값의 시작 시점임을 확인할 수 있다. 또한, 포화 회로(130)에서 출력된 신호들의 편차가 작기 때문에 피크 검출의 오차를 줄일 수 있다.
도 8은 일 실시예에 따른 피크 검출기(140)의 일종인 CFD 회로가 출력한 신호를 나타내는 참조 도면이다. CFD 회로에는 도 7의 전기 신호가 입력되었고, 출력된 신호는 도 8과 같았다. 복수 개의 신호들이 입력되더라도 편차가 작은 신호가 입력되었기 때문에 0을 지나는 지점의 범위(810)도 도 4에 비해서 훨씬 줄어듬을 확인할 수 있다.
도 9는 다른 실시예에 따른 포화 회로(130b)를 도시한 도면이다. 도 2와 도 9를 참조하면, 도 9에 도시된 포화 회로(130)는 복수 개의 다이오드(D1, D2)를 포함할 수 있다. 예를 들어, 도 9의 포화 회로(130)는 연산 증폭기(132)와 병렬로 연결되 제1 다이오드(D1) 및 연산 증폭기(132) 및 제1 다이오드(D1)와 병렬로 연결되면서 제1 다이오드(D1)와 극성이 반대로 연결된 제2 다이오드(D2)일 수 있다. 제1 및 제2 다이오드(D1, D2) 모두 PN 접합을 기본으로 한 다이오드일 수 있다. 제1 다이오드(D)와 제2 다이오드(D)의 순방향 전압은 동일할 수 있다. 그리하여, 전기 신호 중 절대값이 제1 기준값 이상인 전기 신호를 포화 신호로 출력하고, 절대값이 제1 기준값 미만인 전기 신호를 가변 신호로 출력할 수 있다. 제1 다이오드(D1)와 제2 다이오드(D2)의 순방향 전압은 동일하다고 하였으나, 이에 한정되지 않는다. 제1 다이오드(D1)와 제2 다이오드(D2)의 순방향 전압은 서로 다를 수도 있다. 도 2 및 도 9의 포화 회로(130)는 저항(R)을 포함하는 것으로 도시되어 있으나, 이에 한정되지 않는다. 포화 회로(130)는 저항(R)을 포함하지 않을 수도 있다.
도 10은 또 다른 실시예에 따른 포화 회로(130c)를 도시한 도면이다. 도 2와 도 10를 참조하면, 도 10에 도시된 포화 회로(130c)는 다이오드(Dz)로서 제너 다이오드를 포함할 수 있다. 제너 다이오드를 이용하면 복수 개의 포화 신호를 출력할 수 있다. 예를 들어, 포화 회로(130)에 입력된 전기 신호가 제1 기준값 이상이면, 포화 회로(130)는 순방향 전압 강하에 의해 입력된 전기 신호의 크기에 상관없이 일정한 크기의 제1 포화 신호를 출력할 수 있다. 여기서, 제1 기준값은 제너 다이오드(Dz)의 순방향 전압(Forward Voltage)일 수 있다. 제1 포화 신호의 절대값은 제너 다이오드(Dz)의 순방향 전압과 같고, 부호는 서로 반대일 수 있다. 그리고, 입력된 전기 신호가 제2 기준값 이하이면, 포화 회로(130)는 제너 항복(zener breakdown) 현상에 의해 입력된 전기 신호의 크기에 상관없이 일정한 크기의 제2 포화 신호를 출력할 수 있다. 여기서, 제2 기준값은 제너 다이오드(Dz)의 제너 전압(Zener Voltage)일 수 있다. 제2 포화 신호의 절대값은 제너 다이오드(Dz)의 제너 전압과 같고, 부호는 서로 반대일 수 있다.
또한, 입력된 전기 신호가 제1 기준값과 제2 기준값 사이이면, 포화 회로(130b)는 입력된 전기 신호의 크기에 대응하여 크기가 변하는 가변 신호를 출력할 수 있다.
도 11 및 도 12는 또 다른 실시예에 따른 포화 회로(130c, 130d)를 도시한 도면이다. 도 11 및 도 12에 도시된 바와 같이, 포화 회로(130c)는 연산 증폭기 없이 하나의 다이오드(D)만으로 구성될 수도 있다. 예를 들어, 도 11의 포화 회로(130c)는 일단은 광수신부(120) 및 피크 검출기(140)에 연결되고, 타탄은 접지된 다이오드(D)를 포함할 수 있다. 또는 도 12의 포화 회로(130d)는 포화 회로(130)는 일단은 광수신부(120) 및 피크 검출기(140)에 연결되고, 타탄은 접지된 제1 및 제2 다이오드(D1 및 D2)를 포함할 수 있다. 제1 및 제2 다이오드(D1, D2)는 반대 극성이 서로 연결될 수 있다. 그리하여, 도 11의 포화 회로(130c)는 하나의 포화 신호를 출력하는 반면 도 12의 포화 회로(130d)는 두 개의 포화 신호를 출력할 수도 있다.
일 실시예에 따른 거리 측정 장치(100)는 광수신부(120)에서 출력된 전기 신호 중 일정 조건을 충족한 신호는 크기가 일정한 포화 신호로 출력하기 때문에 피크 검출기(140)로 입력되는 신호들의 편차가 줄어들고, 피크 검출기(140)의 검출 속도가 빨라져서 검출시 오차를 줄일 수 있다.
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: 포화 회로
140: 피크 검출기
150: 프로세서

Claims (20)

  1. 대상체에서 반사된 광을 검출하여 전기 신호로 변환하는 광수신부;
    상기 전기 신호가 기준값 미만이면 상기 전기 신호의 크기에 대응하여 크기가 변하는 가변 신호를 출력하고, 상기 전기 신호가 상기 기준값 이상이면 일정한 크기의 포화 신호를 출력하는 포화 회로;
    상기 포화 회로에서 출력된 상기 가변 신호와 상기 포화 신호가 조합된 신호에서 상승 에지 및 하강 에지를 검출함으로써 피크를 검출하는 피크 검출기; 및
    상기 피크를 이용하여 상기 대상체까지의 거리를 측정하는 프로세서;를 포함하는 거리 측정 장치.
  2. 삭제
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 포화 회로는
    연산 증폭기; 및
    상기 연산 증폭기와 병렬로 연결된 하나 이상의 다이오드;를 포함하는 거리 측정 장치.
  4. 제 3항에 있어서,
    상기 연산 증폭기의 반전입력단은 상기 다이오드의 일단과 연결되고, 상기 연산 증폭기의 출력단은 상기 다이오드의 타단과 연결된 거리 측정 장치.
  5. 제 4항에 있어서,
    상기 포화 회로는,
    일단은 상기 광수신부에 연결되고 타단은 상기 연산 증폭기의 반전 입력단 및 상기 다이오드의 일단과 연결된 저항;을 더 포함하는 거리 측정 장치.
  6. 제 5항에 있어서,
    상기 광수신부와 상기 포화 회로 사이에 배치되면서 상기 저항과 직렬로 연결된 커패시터;를 더 포함하는 거리 측정 장치.
  7. 제 3항에 있어서,
    상기 기준값은,
    상기 다이오드의 순방향 전압의 크기와 동일한 거리 측정 장치.
  8. 제 3항에 있어서,
    상기 다이오드는 제너 다이오드인 거리 측정 장치.
  9. 제 8항에 있어서,
    상기 포화 회로는,
    상기 전기 신호 중 제1 기준값 이상의 전기 신호를 제1 포화 신호로 출력하고,
    상기 전기 신호 중 제2 기준값 미만의 전기 신호를 제2 포화 신호로 출력하는 거리 측정 장치.
  10. 제 9항에 있어서,
    상기 제1 기준값은 상기 제너 다이오드의 순방향 전압이고,
    상기 제2 기준값은 상기 제너 다이오드의 제너 전압인 거리 측정 장치.
  11. 제 3항에 있어서,
    상기 다이오드는,
    상기 연산 증폭기와 병렬로 연결된 제1 다이오드; 및
    상기 연산 증폭기 및 상기 제1 다이오드와 병렬로 연결되고, 상기 제1 다이오드의 극성과 반대인 제2 다이오드;를 포함하는 거리 측정 장치.
  12. 제 1항에 있어서,
    상기 포화 신호의 크기는 상기 기준값의 크기와 동일한 거리 측정 장치.
  13. 제 1항에 있어서,
    상기 기준값은 1V이하인 거리 측정 장치.
  14. 제 1항에 있어서,
    상기 광수신부는,
    수신된 광에 대응하는 전류를 출력하는 광검출기; 및
    상기 전류를 전압으로 변환하여 상기 전기 신호로서 상기 전압을 출력하는 전류-전압 변환기;를 포함하는 거리 측정 장치.
  15. 제 14항에 있어서,
    상기 광검출기는,
    애벌런치 포토 다이오드(APD) 중 싱글 포토 애벌런치 다이오드(SPAD)를 포함하는 거리 측정 장치.
  16. 제 1항에 있어서,
    상기 피크 검출기는,
    CFD(Constant fraction discriminator) 방식으로 피크를 검출하는 거리 측정 장치.
  17. 제 1항에 있어서,
    상기 피크 검출기는
    입력된 신호를 기준값과 비교하여 펄스 신호로 출력하는 비교기;를 더 포함하는 거리 측정 장치.
  18. 제 1항에 있어서,
    상기 대상체에 레이저 펄스 형태의 광을 조사하는 광원;을 더 포함하는 거리 측정 장치.
  19. 대상체에서 반사된 광을 검출하여 전기 신호로 변환하는 단계;
    상기 전기 신호가 기준값 미만이면 상기 전기 신호의 크기에 대응하여 크기가 변하는 가변 신호를 출력하고, 상기 전기 신호가 상기 기준값 이상이면 일정한 크기의 포화 신호를 출력하는 단계;
    상기 가변 신호와 상기 포화 신호가 조합된 신호에서 상승 에지 및 하강 에지를 검출함으로써 피크를 검출하는 단계; 및
    상기 피크를 이용하여 상기 대상체까지의 거리를 측정하는 단계;를 포함하는 거리 측정 방법.
  20. 삭제
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