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KR102163117B1 - 3차원 레이저 스캐닝 장치 및 이를 포함하는 3차원 레이저 스캐닝 시스템 - Google Patents

3차원 레이저 스캐닝 장치 및 이를 포함하는 3차원 레이저 스캐닝 시스템 Download PDF

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KR102163117B1
KR102163117B1 KR1020160023595A KR20160023595A KR102163117B1 KR 102163117 B1 KR102163117 B1 KR 102163117B1 KR 1020160023595 A KR1020160023595 A KR 1020160023595A KR 20160023595 A KR20160023595 A KR 20160023595A KR 102163117 B1 KR102163117 B1 KR 102163117B1
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KR
South Korea
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laser
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문연국
박호영
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한국전자기술연구원
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Abstract

본 발명은 레이저를 이용한 3차원 스캐닝 기술에 관한 것으로, 레이저 광원에서 출력된 레이저 광을 360°전방향으로 출력하는 레이저 출력기; 및
상기 레이저 출력기의 상부 또는 하부에 형성되고, 상기 레이저 출력기에서 출사된 광의 진행 경로 상에 위치하는 물체에 의해 반사된 레이저 광을 수신하는 레이저 수신기를 포함한다.

Description

3차원 레이저 스캐닝 장치 및 이를 포함하는 3차원 레이저 스캐닝 시스템{3-DIMMENSIONAL LASER SCANNING APPARATUS AND 3-DIMMENSIONAL LASER SCANNING SYSTEM COMPRISING THE SAME}
본 발명은 레이저를 이용한 3차원 스캐닝 기술에 관한 것으로, 보다 상세하게는 레이저 광원으로 360도 전방향을 스캐닝할 수 있는 3차원 레이저 스캐닝 장치 및 이를 포함하는 3차원 레이저 스캐닝 시스템에 관한 것이다.
LIDAR(Light Detection And Ranging)는 타겟 물체에 빛(예를 들어, 레이저)을 조사하고 해당 물체에서 반사된 빛을 분석하여 해당 물체에 대한 거리, 방향, 속도, 온도, 물질 분포 및 농도 특성 등을 측정할 수 있는 원격 탐지 장치의 하나이다. LIDAR는 높은 에너지 밀도와 짧은 주기를 가지는 펄스 신호를 생성할 수 있는 레이저의 장점을 활용하여 보다 정밀하게 물체의 물성(온도, 물질 분포 및 농도 특성 등) 및 거리, 방향, 속도 등을 측정할 수 있다.
LIDAR는 특정 파장의 레이저 광원 또는 파장 가변이 가능한 레이저 광원을 광원으로 사용하여 3차원 영상 획득, 기상 관측, 객체의 속도 또는 거리 측정, 자율 주행 등과 같은 다양한 분야에서 사용되고 있다. 예를 들어, LIDAR는 항공기, 위성 등에 탑재되어 정밀한 대기 분석 및 지구환경 관측에 활용되고 있으며, 우주선 및 탐사 로봇에 장착되어 물체까지의 거리 측정 등 카메라 기능을 보완하기 위한 수단으로 활용되고 있다. 또한, 지상에서는 원거리 거리 측정, 자동차 속도 위반 단속 등을 위한 간단한 형태의 라이다 센서 기술들이 상용화되고 있다. 최근에는 Laser Scanner 또는 3D 영상 카메라로 활용되어 3D 리버스 엔지니어링(reverse engineering)이나 무인자동차 등에 사용되고 있다.
최근에 널리 사용되고 있는 3D Laser Scanner 타입의 LIDAR는 복수의 레이저 출력기와 복수의 레이저 센서를 구비하는 헤드를 포함하고, 모터를 이용하여 기계적으로 헤드를 회전시킨다. 그러나, 이러한 형태의 LIDAR는 복수의 레이저 출력기와 복수의 레이저 센서가 사용되어 고가이고, 헤드의 회전 속도에 따라 가시 영역 업데이트(view update) 주기가 의존되는 한계가 있다.
한국등록특허 제10-1417431호는 ＬＩＤＡＲ센서를 이용한 3차원 공간정보 생성시스템에 관한 것으로써, 차량 휠의 외측 중심에 장착되어 휠과 함께 회전되는 2차원 LIDAR 센서부, 상기 차량 휠의 회전각을 측정하는 각도센서 및 상기 LIDAR 센서부에서 측정된 2차원 정보에 각도센서에서 측정된 회전각을 반영함으로써 3차원 공간정보를 생성하는 가공부를 포함하는 LIDAR센서를 이용한 3차원 공간정보 생성시스템을 제공한다.
한국등록특허 제10-1417431호 (2014.07.01)
본 발명의 일 실시예는 레이저 광원으로 360도 전방향을 스캐닝할 수 있는 3차원 레이저 스캐닝 장치 및 이를 포함하는 3차원 레이저 스캐닝 시스템을 제공하고자 한다.
본 발명의 일 실시예는 기계적인 회전없이 360도 전방향을 스캐닝할 수 있는 3차원 레이저 스캐닝 장치 및 이를 포함하는 3차원 레이저 스캐닝 시스템을 제공하고자 한다.
본 발명의 일 실시예는 성능의 저하 없이 제작 비용을 줄일 수 있는 3차원 레이저 스캐닝 장치 및 이를 포함하는 3차원 레이저 스캐닝 시스템을 제공하고자 한다.
실시예들 중에서, 3차원 레이저 스캐닝 장치는 레이저 광원에서 출력된 레이저 광을 360°전방향으로 출력하는 레이저 출력기; 및 상기 레이저 출력기의 상부 또는 하부에 형성되고, 상기 레이저 출력기에서 출사된 광의 진행 경로 상에 위치하는 물체에 의해 반사된 레이저 광을 수신하는 레이저 수신기를 포함한다.
일 실시예에서, 상기 레이저 수신기는 상기 물체에 의해 반사된 레이저 광을 수집하는 수광 렌즈; 및 상기 수광 렌즈를 통해 수집된 레이저 광을 수신하는 수광부를 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 수광부는 상기 레이저 광을 전기적 신호로 변환하는 수광소자 및 상기 수광소자로부터 전기적 신호를 읽고 신호처리하는 리드아웃부를 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 수광소자는 다수의 수광소자가 초점면 배열(Focal Plane Array) 될 수 있다.
일 실시예에서, 상기 수광소자는 수평 시야각이 360도가 되도록 실린더 형으로 형성될 수 있다.
일 실시예에서,상기 수광 렌즈는 다른 크기를 갖는 복수의 수광 렌즈들이 상기 수광부에 집광할 수 있도록 배치될 수 있다.
일 실시예에서, 상기 수광소자와 리드아웃부를 연결하는 메탈라인을 더 포함하며, 상기 수광소자와 메탈라인은 1:1로 대응될 수 있다.
일 실시예에서, 상기 메탈라인은 상기 수광소자의 활성영역 및 상기 리드아웃부에 연결되는 제 1 메탈라인과 수광소자의 활성영역 상부에 형성되는 제2 메탈라인을 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 상기 제2 메탈라인은 입사되는 광의 간섭이 발생하지 않는 간격으로 형성될 수 있다.
실시예들 중에서, 3차원 레이저 스캐닝 시스템은 레이저 광원에서 출력된 레이저 광을 360°전방향으로 출력하는 레이저 출력기 및 상기 레이저 출력기의 상부 또는 하부에 형성되고, 상기 레이저 출력기에서 출사된 광의 진행 경로 상에 위치하는 물체에 의해 반사된 레이저 광을 수신하는 레이저 수신기를 포함하는 3차원 레이저 스캐닝 장치 및 상기 3차원 레이저 스캐닝 장치에서 수신된 신호를 기초로 상기 물체와의 거리를 측정하는 컴퓨팅 장치를 포함한다.
일 실시예에서, 상기 컴퓨팅 장치는 상기 수신된 레이저 광의 ToF(Time of Flight)를 기초로 상기 물체와의 거리를 측정할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 레이저 스캐닝 장치 및 이를 포함하는 3차원 레이저 스캐닝 시스템은 레이저 광원으로 360도 전방향을 스캐닝할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 레이저 스캐닝 장치 및 이를 포함하는 3차원 레이저 스캐닝 시스템은 기계적인 회전없이 360도 전방향을 스캐닝할 수 있으며, 가시 영역 업데이트(view update) 주기의 문제를 근본적으로 해결할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 레이저 스캐닝 장치 및 이를 포함하는 3차원 레이저 스캐닝 시스템은 성능의 저하 없이 제작 비용을 줄일 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 레이저 스캐닝 시스템을 설명하는 도면이다.
도 2는 도 1에 있는 3차원 레이저 스캐닝 장치의 구성을 나타내는 블록도이다.
도 3A는 수광부와 복수의 수광 렌즈를 나타내는 예이다.
도 3B는 수광부와 복수의 수광 렌즈를 나타내는 다른 예이다.
도 4A는 수광부의 일 실시 예를 나타내는 도면이다.
도 4B는 수광부의 다른 실시 예를 나타내는 도면이다.
도 5는 수광부의 또 다른 실시 예를 나타내는 도면이다.
도 6은 수광부의 초점면 배열(Focal Plane Array) 센서를 설명하는 도면이다.
도 7은 초점면 배열 센서의 리드아웃 회로를 설명하는 도면이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 리드아웃 라인의 배치 방법을 나타낸 도면이다.
본 발명에 관한 설명은 구조적 내지 기능적 설명을 위한 실시예에 불과하므로, 본 발명의 권리범위는 본문에 설명된 실시예에 의하여 제한되는 것으로 해석되어서는 아니 된다. 즉, 실시예는 다양한 변경이 가능하고 여러 가지 형태를 가질 수 있으므로 본 발명의 권리범위는 기술적 사상을 실현할 수 있는 균등물들을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 또한, 본 발명에서 제시된 목적 또는 효과는 특정 실시예가 이를 전부 포함하여야 한다거나 그러한 효과만을 포함하여야 한다는 의미는 아니므로, 본 발명의 권리범위는 이에 의하여 제한되는 것으로 이해되어서는 아니 될 것이다.
한편, 본 출원에서 서술되는 용어의 의미는 다음과 같이 이해되어야 할 것이다.
"제1", "제2" 등의 용어는 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하기 위한 것으로, 이들 용어들에 의해 권리범위가 한정되어서는 아니 된다. 예를 들어, 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어"있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결될 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어"있다고 언급된 때에는 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다. 한편, 구성요소들 간의 관계를 설명하는 다른 표현들, 즉 "~사이에"와 "바로 ~사이에" 또는 "~에 이웃하는"과 "~에 직접 이웃하는" 등도 마찬가지로 해석되어야 한다.
단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한 복수의 표현을 포함하는 것으로 이해되어야 하고, "포함하다"또는 "가지다" 등의 용어는 실시된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이며, 하나 또는 그 이상의 다른 특징이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
각 단계들에 있어 식별부호(예를 들어, a, b, c 등)는 설명의 편의를 위하여 사용되는 것으로 식별부호는 각 단계들의 순서를 설명하는 것이 아니며, 각 단계들은 문맥상 명백하게 특정 순서를 기재하지 않는 이상 명기된 순서와 다르게 일어날 수 있다. 즉, 각 단계들은 명기된 순서와 동일하게 일어날 수도 있고 실질적으로 동시에 수행될 수도 있으며 반대의 순서대로 수행될 수도 있다.
본 발명은 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체에 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드로서 구현될 수 있고, 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록 매체는 컴퓨터 시스템에 의하여 읽혀질 수 있는 데이터가 저장되는 모든 종류의 기록 장치를 포함한다. 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록 매체의 예로는 ROM, RAM, CD-ROM, 자기 테이프, 플로피 디스크, 광 데이터 저장 장치 등이 있으며, 또한, 캐리어 웨이브(예를 들어 인터넷을 통한 전송)의 형태로 구현되는 것도 포함한다. 또한, 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록 매체는 네트워크로 연결된 컴퓨터 시스템에 분산되어, 분산 방식으로 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드가 저장되고 실행될 수 있다.
여기서 사용되는 모든 용어들은 다르게 정의되지 않는 한, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가진다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미를 지니는 것으로 해석될 수 없다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 3차원 레이저 스캐닝 시스템을 설명하는 도면이다.
도 1을 참조하면, 3차원 레이저 스캐닝 시스템(100)은 3차원 레이저 스캐닝 장치(110) 및 컴퓨팅 장치(120)를 포함한다.
3차원 레이저 스캐닝 장치(110)는 레이저 출력기(112) 및 레이저 수신기(114)를 포함한다. 3차원 레이저 스캐닝 장치(110)는 해당 3차원 레이저 스캐닝 장치(110)를 중심으로 360도 주변 전 방향으로 레이저 광을 출력하고, 주변에 위치한 물체(130)에 의해 반사된 레이저 광을 수신한다. 일 실시예에서, 3차원 레이저 스캐닝 장치(110)는 LIDAR(Light Detection And Ranging)에 해당할 수 있다. 3차원 레이저 스캐닝 장치(110)는 수신된 레이저 광에 대응되는 전기 신호를 생성하여 컴퓨팅 장치(120)에 전송한다.
레이저 출력기(112)는 레이저 광원에서 출력된 레이저 광을 확산시키고, 확산된 레이저 광을 실린더형 회절 격자의 내부에서 측면 외부 방향으로 통과시켜서 실린더형 회절 격자의 측면 전 방향으로 균일하게 분산된 복수의 레이저 광을 출력한다. 즉, 레이저 출력기(112)는 해당 3차원 레이저 스캐닝 장치(110)를 중심으로 360도 주변 전 방향으로 균일하게 분산된 복수의 레이저 광을 출력한다.
레이저 수신기(114)는 기 설정된 위치에 위치하며, 레이저 출력기(112)에서 출력된 복수의 레이저 광 가운데 진행 경로 상에 위치하는 물체(130)에 의해 반사된 레이저 광을 수신한다. 레이저 수신기(114)는 수신된 레이저 광에 대응되는 전기 신호를 생성하여 컴퓨팅 장치(120)에 전송한다.
컴퓨팅 장치(120)는 3차원 레이저 스캐닝 장치(110)에서 수신된 신호를 기초로 3차원 레이저 스캐닝 장치(110)와 물체(130) 사이의 거리를 측정한다. 일 실시예에서, 컴퓨팅 장치(120)는 수신된 레이저 광의 ToF(Time of Flight)를 기초로 물체와의 거리를 측정할 수 있다. 일 실시예에서, 컴퓨팅 장치(120)는 3차원 레이저 스캐닝 장치(110)에서 수신된 신호를 기초로 물체(130)의 방향을 측정할 수도 있다.
도 2는 도 1에 있는 3차원 레이저 스캐닝 장치의 구성을 나타내는 블록도이다.
도 2를 참조하면, 3차원 레이저 스캐닝 장치(110)는 레이저 출력기(210)와 레이저 수신기(230)를 포함하여 구성된다.
상기 레이저 출력기(310)는 레이저 광을 출력하는 광원(212), 굴절렌즈(214) 및 원뿔형 미러(216)을 포함하여 구성될 수 있다. 상기 광원에서 출력된 광원 굴절렌즈(214)를 통해 균등하게 확산되어 원뿔형 미러(216)로 입사된다. 원뿔형 미러로 입사된 광은 360°전방향으로 방사된다. 본 실시예에서는 광원에서 출사된 빛을 360°방사시키는 광학 장치로 굴절렌즈(214)와 원뿔형 미러(216)가 사용되었으나 이에 한정되지는 않는다.
상기 레이저 출력기(210)에서 출력된 레이저 광은 물체(220a, 220b)에서 반사되고, 레이저 수신기(230)로 물체(220a, 220b)에서 반사된 레이저 광을 수신한다.
상기 레이저 수신기(230)는 수광렌즈(240a, 240b)와 수광부(250)를 포함한다.
상기 수광렌즈는 물체(220a, 220b)에 의해 반사된 레이저 광을 수집하고, 상기 수광부(250)는 수광 렌즈(240a, 240b)를 통해 수집된 레이저 광을 수신한다.
일 실시예에서, 수광 렌즈(240a, 240b)는 레이저 수신기의 주변 360도 전 방향으로부터 레이저 광을 수신할 수 있도록 수광부(250)의 주변에 위치할 수 있다. 구현 예에 따라 수광부(250)의 주변에는 복수의 수광 렌즈가 위치할 수 있다.
도 3 내지 도 5는 레이저 수신기의 다양한 실시예를 도시한 것이다.
레이저 수신기는 다수의 수광렌즈(240)와 수광부(250)로 구성되어 있으며, 아래 기재된 바와 다양한 형상으로 구현될 수 있다. 상기 레이저 수신기는 레이저 출력기의 상부 또는 하부에 수직 형태로 설치되는 것이 바람직하다.
도 3A는 복수의 수광 렌즈(240)와 실린더형 형상의 수광부(250)를 나타내는 예이다.
도 3A를 참조하면, 수광부(250)의 주변에는 복수의 수광 렌즈(240)들이 배치되어 있다. 수광 렌즈(240)들은 해당 위치에 수신되는 레이저 광을 수집하여 해당 위치에 대응되는 수광부(250)의 센서로 집광할 수 있다. 수광 렌즈(240)의 렌즈 특성(굴절 각도, 초점 거리 등)은 레이저 광이 해당 위치에 대응되는 수광부(250)의 센서로 집광될 수 있도록 설계될 수 있다.
수광 렌즈(240)의 크기는 구현 예에 따라 달라질 수 있다. 일 실시예에서, 수광 렌즈는 복수의 센서에 대응되는 크기를 가질 수 있다. 예를 들어, 하나의 수광 렌즈가 복수의 센서 영역을 커버하는 크기를 갖는 경우, 해당 수광 렌즈는 복수의 센서에 대해 집광할 수 있다.
다른 실시예에서, 수광 렌즈는 하나의 센서에 대응되는 크기를 가질 수 있다. 예를 들어, 하나의 수광 렌즈가 하나의 센서 영역을 커버하는 크기를 갖는 경우, 해당 수광 렌즈는 해당 센서에 대해 집광할 수 있다.
도 3B는 수광부와 복수의 수광 렌즈를 나타내는 다른 예이다.
도 3B를 참조하면, 수광부(250)의 주변에 다른 크기를 갖는 복수의 수광 렌즈(240)들이 배치될 수 있다. 예를 들어, 제1 크기의 제1 수광 렌즈(272)들이 배치되고, 제2 크기의 제2 수광 렌즈(274)들이 제1 수광 렌즈(272)들 사이에 배치될 수 있다. 제2 수광 렌즈(274)는 제1 수광 렌즈(272)들 사이에 위치하는 센서에 대응될 수 있다.
일 실시예에서, 제1 수광 렌즈(272)는 복수의 센서에 대응되어, 해당 대응되는 복수의 센서에 대해 집광할 수 있다. 제2 수광 렌즈(274)는 하나의 센서에 대응되어, 해당 대응되는 센서에 대해 집광할 수 있다. 제1 수광 렌즈(272)와 제2 수광 렌즈(274)의 렌즈 특성(굴절 각도, 초점 거리 등)은 레이저 광이 해당 위치에 대응되는 수광부(250)의 센서로 집광될 수 있도록 각각 설계될 수 있다.
도 3A 내지 도 3B의 경우, 실린더형 수광부를 기준으로 설명하였으나, 수광부의 형태는 구현 예에 따라 달라질 수 있다.
도 4는 수광부(250)의 상부면과 하부면의 직경이 다른 예를 나타낸 것이다.
도 4A는 수광부(250)의 상부면의 직경이 큰 경우를 도시한 것이다.
레이저 수신기는 물체에서 반사된 레이저 광이 용이하게 수신될 수 있는 위치에 위치할 수 있고, 수광부는 레이저 광이 용이하게 수신될 수 있는 형태를 가질 수 있다.
예를 들어, 레이저 수신기가 레이저 출력기의 상부에 위치하는 경우, 수광부(250)는 도 4A와 같이 상부의 직경이 하부의 직경보다 큰 마름모 형태의 실린더의 형태를 가질 수 있다. 실린더 측면에는 수광 렌즈(240)가 위치하며, 수광부(250)는 측면이 하부 방향으로 기울어져 있어 하부 측면 방향으로부터 수신되는 레이저 광을 용이하게 수신할 수 있다.
도 4B는 수광부(250)의 하부면의 직경이 큰 경우를 나타내는 도면이다.
레이저 수신기가 레이저 출력기의 하부에 위치하는 경우, 수광부(250)는 도 11b와 같이 하부의 직경이 상부의 직경보다 큰 마름모 형태의 실린더의 형태를 가질 수 있다. 실린더 측면에는 수광 렌즈(240)가 위치하며, 수광부(250)는 측면이 상부 방향으로 기울어져 있어 상부 측면 방향으로부터 수신되는 레이저 광을 용이하게 수신할 수 있다.
다른 실시예에서, 수광부(250)의 형태는 하부의 직경과 상부의 직경이 동일한 실린더 형태를 가질 수 있고, 수광 렌즈(240)들이 제어에 의해 방향이 조정될 수도 있다. 예를 들어, 레이저 수신기가 레이저 출력기의 상부에 위치하는 경우 수광 렌즈(240)들은 하부 측면 방향에 대향되도록 조정되고, 레이저 수신기가 레이저 출력기의 하부에 위치하는 경우 수광 렌즈(240)들은 상부 측면 방향에 대향되도록 조정될 수 있다.
도 5는 레이저 수신기의 수광부(250)가 다각형 형상인 경우를 나타내는 도면으로, 도 5(a)는 수광부의 사시도이고, 도 5(b)는 평면도이고, 도 5(c)는 전개도이다.
도 5에 도시된 바와 같이, 수광부(250)는 다각형으로 형성될 수 있으며, 본 실시예에서는 12각형인 경우를 나타내었다. 이러한 다각형 구조에 의해 수평 시야각 360°를 이루는 ToF 센서 어레이를 구현할 수 있다.
도 5(c)를 참조하면, 포토 다이오드(PD)가 빈틈없이 일렬로 붙어 있는 것처럼 배치되어 있다. 하나의 포토 다이오드는 원형의 시야각(290)을 가지는데, 빈틈없이 일렬로 붙어 있으면 수평 시야각은 360° 전방위를 커버할 수 있다. 포토 다이오드는 레이저 광을 감지하고 이를 전기적 신호로 변환하는 소자로써, 본 발명에서는 센서와 동일한 의미로 사용된다.
수광렌즈(240)는 ToF 센서의 수평/수직 시야각 확보를 위한 것으로, 수광부(250)의 각 면의 상부에 형성될 수 있으며, 수광부(250)에는 수광렌즈(240)에서 집광된 광을 수신하는 감지하는 수광소자(260)가 형성되어 있다. 상기 수광소자(260)로는 포토 다이오드(Photo Diode, PD)가 사용될 수 있으며, 초점면 배열((Focal Plane Array, FPA) 형태로 배열될 수 있다.
도 6은 수광소자(260)가 초점면 배열된 예를 도시한 것이다. 이하에서는 설명의 편의를 위해, 수광부(250)가 하부의 직경과 상부의 직경이 동일한 실린더 형태인 경우를 가정하여 설명하기로 한다.
도 6을 참조하면, 수광부(250)는 초점면 배열된 센서 어레이 (610) 및 리드아웃부(630)를 포함한다.
센서 어레이(610)는 수신된 광을 전기적 신호로 변경하는 센서를 포함하며, m×n 개의 센서가 매트릭스 형태로 센서 어레이(610)를 구성한다. 센서 어레이(610)는 연결 범프(Interconnect bump)(620)를 통해 리드아웃부(620)와 연결된다. 상기 센서로는 포토 다이오드가 사용될 수 있다.
리드아웃부(630)은 센서 어레이(610)의 각 센서로부터 전기적 신호를 읽고(readout), 이를 신호 처리하여 출력한다. 리드아웃부(630)는 센서에 이벤트 주도(event-driven) 방식으로 각 센서로부터 전기적 신호를 읽을 수 있다. 리드아웃부(630)에서 출력된 신호는 컴퓨팅 장치(120)로 전송될 수 있다.
도 7은 수광부의 상세 회로 구성을 설명하는 도면이다.
다수의 센서(610)가 매트릭스 형태로 배치되어있으며, 각각의 센서(610)는 리드아웃 라인(620)을 통해 리드아웃부(630)와 연결되어 있다.
리드아웃부(630)는 이벤트 주도(event-driven) 방식으로 각 센서로부터 전기적 신호를 읽는다.
리드아웃 라인(620)은 각 센서(610)마다 하나씩 연결될 수 있으며, 이벤트가 발생된 경우(예를 들어, 해당 센서에 레이저가 수신된 경우) 해당 센서에서 생성된 전기적 신호를 리드아웃부(630)로 전송한다.
하나의 리드아웃 라인(620)에 복수의 센서(610)가 연결되는 방식의 경우, 복수의 센서(610)로부터 동시에 전기적 신호를 읽을 수 없으므로, 초점면 배열 센서는 동시에 수신되는 복수의 레이저 광을 인식할 수 없다. 따라서, 리드아웃 회로를 각 센서(610)마다 리드아웃 라인(620)이 하나씩 연결되도록 구성하여, 초점면 배열 센서가 동시에 수신되는 복수의 레이저 광을 인식할 수 있도록 한다. 즉 수광소자(센서)와 리드아웃 라인은 1:1로 매칭된다.
리드아웃부(630)는 복수의 센서(610)로부터 전기적 신호를 읽는 것을 제어한다. 전기적 신호가 수신되는 경우, 리드아웃부(630)는 해당 전기적 신호가 수신된 센서를 식별하고, 해당 전기적 신호를 다음 신호 처리 장치(예를 들어, 증폭기 또는 AD 컨버터 등)로 전송한다. 신호 처리 장치(예를 들어, 증폭기 또는 AD 컨버터 등) 등에서 처리된 신호는 컴퓨팅 장치(120)로 전송될 수 있다.
하지만 이러한 방식으로 리드아웃 라인을 레이아웃 하는 경우에는 부피가 칩의 부피가 커지는 문제점이 있다. 리드아웃 라인(620)의 수가 센서(610)의 수와 동일하게 배치되어야 하기 때문에, 메탈 라인의 수가 증가하게 되고 결과적으로 부피가 커지는 문제점이 있다.
이러한 문제점을 해소하기 위해 메탈라인(리드아웃 라인)을 다층으로 적층하는 방법을 고려해 볼 수도 있다. 하지만, 메탈라인을 다층으로 적층할 경우 메탈라인의 포토 다이오드의 위 배치되기 때문에 포토 다이오드가 광을 제대로 수신하지 못하는 문제점이 있다.
도 8은 이러한 문제점을 해소하기 위한 리드아웃 라인(메탈라인, metal line)의 배치 방법을 도시한 것으로, 도 8A는 평면도를 도시한 것이고, 도 8B는 단면도를 도시한 것이다.
도 8에 도시된 것과 같이, 메탈라인(820)이 포토 다이오드(810)의 상부에 형성되어 메탈라인(820)이 배치되는 공간을 줄일 수 있다.
제1 메탈라인(M1)의 단부를 포토 다이오드(810)의 활성 영역(812) 및 리드아웃 회로(830)과 전기적으로 연결되도록 배치하고, 제2 메탈라인(M2)은 포토 다이오드(810)의 상부에 배치된다. 그리고 제1 메탈라인(M1)은 제1 컨택(822)을 통해 리드아웃부(830)와 전기적으로 연결되고, 제2 메탈라인(M2)은 제2 컨택(824)을 통해 제1 메탈라인(M1)과 전기적으로 연결된다.
이때 제2 메탈라인은 일정한 간격으로 배치되는데, 간격은 레이저 광의 파장에 따라 달라진다. 레이저 광은 고유의 파장이 있으므로, 제2 메탈라인 간격을 적절히 조절하여 간섭이 발생하지 않도록 할 수 있다. 간섭이 발생하지 않으면 제2 메탈라인이 포토 다이오드의 활성 영역 상부에 형성되더라도 메탈라인 사이의 간격을 통해 레이저 광을 수신할 수 있다.
상기에서는 본 출원의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 출원을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
100: 3차원 레이저 스캐닝 시스템
110: 3차원 레이저 스캐닝 장치
112: 레이저 출력기
114: 레이저 수신기
120: 컴퓨팅 장치

Claims (11)

  1. 레이저 광원에서 출력된 레이저 광을 360°전방향으로 출력하는 레이저 출력기; 및
    상기 레이저 출력기의 상부 또는 하부에 형성되고, 상기 레이저 출력기에서 출사된 광의 진행 경로 상에 위치하는 물체에 의해 반사된 레이저 광을 수신하는 레이저 수신기를 포함하고,
    상기 레이저 수신기는,
    상기 물체에 의해 반사된 레이저 광을 수집하는 수광 렌즈; 및
    상기 수광 렌즈를 통해 수집된 레이저 광을 수신하는 수광부를 포함하고,
    상기 수광부는,
    상기 레이저 광을 전기적 신호로 변환하는 수광소자 및 상기 수광소자로부터 전기적 신호를 읽고 신호처리하는 리드아웃부;
    상기 수광소자와 상기 리드아웃부를 연결하는 메탈라인을 더 포함하며,
    상기 수광소자와 상기 메탈라인은 1:1로 대응하되,
    상기 메탈라인은,
    상기 수광소자의 활성영역 또는 상기 리드아웃부에 연결되는 제1 메탈라인 및 수광소자의 활성영역 상부에 형성되는 제2메탈라인을 포함하고,
    상기 제2메탈라인은,
    상기 수광소자의 활성영역에 연결되는 제1메탈라인과 상기 리드아웃부에 연결되는 제1메탈라인을 서로 연결하는 것을 특징으로 하는 3차원 레이저 스캐닝 장치.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서,
    상기 수광소자는 다수의 수광소자가 초점면 배열(Focal Plane Array) 되어 있는 것을 특징으로 하는 3차원 레이저 스캐닝 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 수광소자는 수평 시야각이 360도가 되도록 실린더 형으로 형성된 것을 특징으로 하는 3차원 레이저 스캐닝 장치.
  6. 제1항에 있어서, 상기 수광 렌즈는
    다른 크기를 갖는 복수의 수광 렌즈들이 상기 수광부에 집광할 수 있도록 배치되는 것을 특징으로 하는 3차원 레이저 스캐닝 장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 수광부는,
    상부 및 하부 중 어느 하나의 직경이 나머지의 직경보다 큰 실린더 형태인 것을 특징으로 하는 3차원 레이저 스캐닝 장치.
  8. 삭제
  9. 제1항에 있어서,
    상기 제2 메탈라인은 입사되는 광의 간섭이 발생하지 않는 간격으로 형성되는 것을 특징으로 하는 3차원 레이저 스캐닝 장치.
  10. 레이저 광원에서 출력된 레이저 광을 360°전방향으로 출력하는 레이저 출력기 및 상기 레이저 출력기의 상부 또는 하부에 형성되고, 상기 레이저 출력기에서 출사된 광의 진행 경로 상에 위치하는 물체에 의해 반사된 레이저 광을 수신하는 레이저 수신기를 포함하는 3차원 레이저 스캐닝 장치; 및
    상기 3차원 레이저 스캐닝 장치에서 수신된 신호를 기초로 상기 물체와의 거리를 측정하는 컴퓨팅 장치를 포함하고,
    상기 레이저 수신기는,
    상기 물체에 의해 반사된 레이저 광을 수집하는 수광 렌즈; 및
    상기 수광 렌즈를 통해 수집된 레이저 광을 수신하는 수광부를 포함하고,
    상기 수광부는,
    상기 레이저 광을 전기적 신호로 변환하는 수광소자 및 상기 수광소자로부터 전기적 신호를 읽고 신호처리하는 리드아웃부;
    상기 수광소자와 상기 리드아웃부를 연결하는 메탈라인을 더 포함하며,
    상기 수광소자와 상기 메탈라인은 1:1로 대응하되,
    상기 메탈라인은,
    상기 수광소자의 활성영역 또는 상기 리드아웃부에 연결되는 제1메탈라인 및 수광소자의 활성영역 상부에 형성되는 제2 메탈라인을 포함하고,
    상기 제2메탈라인은,
    상기 수광소자의 활성영역에 연결되는 제1메탈라인과 상기 리드아웃부에 연결되는 제1메탈라인을 서로 연결하는 것을 특징으로 하는 3차원 레이저 스캐닝 시스템.
  11. 제10항에 있어서, 상기 컴퓨팅 장치는
    상기 수신된 레이저의 ToF(Time of Flight)를 기초로 상기 물체와의 거리를 측정하는 것을 특징으로 하는 3차원 레이저 스캐닝 시스템.

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