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KR102673812B1 - 라이다 장치 및 거리 측정 방법 - Google Patents

라이다 장치 및 거리 측정 방법 Download PDF

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KR102673812B1
KR102673812B1 KR1020160094827A KR20160094827A KR102673812B1 KR 102673812 B1 KR102673812 B1 KR 102673812B1 KR 1020160094827 A KR1020160094827 A KR 1020160094827A KR 20160094827 A KR20160094827 A KR 20160094827A KR 102673812 B1 KR102673812 B1 KR 102673812B1
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periodic
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Abstract

본 개시에 따른 라이다 장치는 레이저 펄스를 대상체에 조사하는 광원, 대상체로부터 반사된 레이저 펄스를 수광하는 수광부, 광원이 레이저 펄스를 조사할 때 제 1 주기파를 형성하고, 수광부가 레이저 펄스를 수광할 때, 제 2 주기파를 형성하는 제 1 주기파 생성부와 제 1 주기파 생성부로부터 생성된 제 1 주기파와 제 2 주기파의 위상을 서로 비교하는 제 1 비교부를 포함할 수 있다. 라이다 장치는 제 1 비교부로부터 비교된 위상을 바탕으로 대상체까지의 거리를 도출할 수 있다.

Description

라이다 장치 및 거리 측정 방법{Lidar device and method for measuring distance by using thereof}
본 개시는 라이다 장치 및 거리 측정 방법에 관한 것이다.
3차원 카메라는 일반적인 영상의 촬영 기능 이외에 피사체 표면 상의 다수의 점들로부터 3차원 카메라까지의 거리를 측정하는 기능을 포함한다. 피사체와 3차원 카메라 사이의 거리를 측정하기 위한 다양한 알고리즘들이 제안되고 있는데, 통상적으로 광시간비행법(Time-of-Flight; TOF)이 주로 사용된다. TOF 방식은 조명광을 피사체에 조사한 후, 피사체로부터 반사되는 조명광이 수광부에서 수광되기까지 비행시간을 측정하는 방법이다.
본 개시는 라이다 장치 및 거리 측정 방법을 제공하고자 한다.
일 실시예에 따른 라이다 장치는 레이저 펄스를 대상체에 조사하는 광원; 대상체로부터 반사된 레이저 펄스를 수광하는 수광부; 상기 광원이 레이저 펄스를 조사할 때 제 1 주기파를 형성하고, 상기 수광부가 레이저 펄스를 수광할 때, 상기 제 1 주기파와 동일한 주파수의 제 2 주기파를 형성하는 제 1 주기파 생성부; 및 상기 제 1 주기파 생성부로부터 생성된 상기 제 1 주기파와 상기 제 2 주기파의 위상을 서로 비교하는 제 1 비교부;를 포함하고, 상기 제 1 비교부에서 비교된 위상을 바탕으로 대상체까지의 거리를 도출한다.
상기 수광부는 애벌런치 포토 다이오드(APD) 또는 싱글 포토 애벌런치 다이오드(SPAD)를 포함할 수 있다.
상기 광원은 레이저 다이오드 일 수 있다.
상기 레이저 펄스의 비행시간 동안 상기 제 1 주기파가 몇 주기 생성되는지를 계수하는 카운터;를 더 포함할 수 있다.
상기 광원이 레이저 펄스를 조사할 때 상기 제 1 주기파와 상이한 주파수의 제 3 주기파를 형성하고, 상기 수광부가 레이저 펄스를 수광할 때 상기 제 3 주기파와 동일한 주파수의 제 4 주기파를 형성하는 제 2 주기파 생성부; 및 상기 제 2 주기파 생성부로부터 생성된 제 3 주기파와 제 4 주기파의 위상을 서로 비교하는 제 2 비교부;를 더 포함하고, 상기 제 2 비교부에서 비교된 위상과 상기 제 1 비교부에서 비교된 위상을 바탕으로 대상체까지의 거리를 도출할 수 있다.
상기 제 1 비교부에서 비교된 위상을 연산하여 대상체까지의 거리를 도출하는 제어부;를 더 포함할 수 있다.
상기 레이저 펄스의 비행시간 동안 상기 제 1 주기파가 몇 주기 생성되는지를 계수하는 카운터;를 더 포함하고, 상기 제어부는 상기 카운터로부터 전달받은 상기 레이저 펄스의 비행시간 동안 생성된 제 1 주기파 주기의 개수 n과 상기 제 1 비교부로부터 전달받은 제 1 주기파와 제 2 주기파의 위상 차이인 φ1을 바탕으로, 실제 위상 차이 Φ = 2 * π * n + φ1 을 연산하여 대상체까지의 거리를 도출할 수 있다.
상기 수광부는 2차원 어레이 배열되는 복수의 수광소자를 포함하고, 상기 복수의 수광소자 각각은 픽셀에 대응될 수 있다.
상기 제 1 주기파 생성부는 상기 복수의 수광소자가 레이저 펄스를 수광할 때마다 각각 제 2 주기파를 형성하고, 상기 제 1 비교부는 제 1 주기파의 위상과 상기 복수의 수광소자가 레이저 펄스를 수광할 때마다 각각 형성된 제 2 주기파의 위상을 서로 비교하여 각 픽셀별로 대상체의 까지의 거리를 각각 도출할 수 있다.
상기 레이저 펄스가 상기 복수의 수광소자에 각각 수광될 때까지의 비행시간 동안 상기 제 1 주기파가 몇 주기 생성되는지를 계수하는 복수의 카운터를 포함하고, 상기 복수의 카운터 각각은 상기 복수의 수광소자 각각과 일대일 연결되는 카운터 어레이;를 더 포함할 수 있다.
일 실시예에 따른 거리 측정 방법은 대상체를 향해 제 1 시점에 레이저 펄스를 조사하고, 제 1 시점에 제 1 주기파를 생성하는 단계; 대상체로부터 반사되는 레이저 펄스를 수광하는 제 2 시점에 상기 제 1 주기파와 동일한 주파수를 가지는 제 2 주기파를 생성하는 단계;및 상기 제 1 주기파와 상기 제 2 주기파의 위상을 비교하여 대상체까지의 거리를 도출하는 단계;를 포함한다.
상기 대상체까지의 거리를 도출하는 단계는, 상기 제 1 주기파의 위상과 상기 제 2 주기파의 위상의 차이를 도출하는 단계; 제 1 시점과 제 2 시점 동안 생성된 제 1 주기파의 주기의 개수를 도출하는 단계; 및 상기 위상의 차이 및 상기 주기의 개수를 바탕으로 실제 위상 차이를 연산하여 대상체까지의 거리를 도출하는 단계;를 포함할 수 있다.
상기 제 1 주기파의 주기의 개수 n은 카운터에 의해 도출될 수 있다.
상기 제 1 주기파를 생성하는 단계는, 서로 다른 주파수를 가지는 복수의 제 1 주기파를 제 1 시점에서 생성하는 단계;를 포함하고, 상기 제 2 주기파를 생성하는 단계는, 상기 복수의 제 1 주기파와 각각 동일한 주파수를 가지는 복수의 제 2 주기파를 제 2 시점에 생성하는 단계;를 포함할 수 있다.
상기 거리를 도출하는 단계는, 상기 복수의 제 1 주기파와 상기 복수의 제 2 주기파 중 서로 주파수가 동일한 주기파끼리 위상을 비교하여 복수의 위상차이를 도출하는 단계; 및 상기 복수의 위상차이로부터 실제 위상 차이 Φ를 도출하여 대상체까지의 거리를 도출하는 단계;를 포함할 수 있다.
본 개시에 따른 라이다 장치 및 거리 측정 방법은 레이저 펄스 방식을 이용하여 원거리에 위치한 대상체의 거리 측정이 가능하다. 또한 라이다 장치는 레이지 펄스의 송신시와 수신시에 생성된 주기파의 위상을 비교함으로써, 기가헤르츠 급의 높은 시간 분해능의 TDC(Time-digital-counter)없이도, 정밀한 분해능을 얻을 수 있다.
대상체부터 라이다 장치까지의 거리가 주기파의 1주기 거리를 넘음으로써 생기는 위상모호성은 서로 다른 주파수를 가지는 복수의 주기파를 생성하여 이들의 위상을 비교하여 실제 위상 차이를 도출할 수 있다. 또는, 위상모호성은 레이저 펄스의 비행시간 동안 생성된 주기 개수를 카운트하여 실제 위상 차이를 도출할 수 있다.
도 1은 일 실시예에 따른 라이다 장치를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 2는 다른 실시예에 따른 라이다 장치를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 3은 또 다른 실시예에 따른 라이다 장치를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 4는 또 다른 실시예에 따른 라이다 장치를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 5는 또 다른 실시예에 따른 라이다 장치를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 6은 일 실시예에 따른 거리 측정 방법을 개략적으로 나타내는 플로우 챠트이다.
도 7은 다른 실시예에 따른 거리 측정 방법을 개략적으로 나타내는 플로우 챠트이다.
도 8은 또 다른 실시예에 따른 거리 측정 방법을 개략적으로 나타내는 플로우 챠트이다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여, 라이다 장치 및 거리 측정 방법에 대해 상세하게 설명한다.
이하의 도면들에서 동일한 참조부호는 동일한 구성요소를 지칭하며, 도면상에서 각 구성요소의 크기는 설명의 명료성과 편의상 과장되어 있을 수 있다. 제 1, 제 2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 구성요소들은 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 또한 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
도 1은 일 실시예에 따른 라이다 장치(100)를 개략적으로 나타낸 도면이다. 도 1을 참조하면, 라이다 장치(100)은 광원(light source;110), 수광부(light receiver;120), 주기파 생성부(periodic wave generator;130) 및 비교부(comparator;140)을 포함할 수 있다.
광원(110)은 광을 조사하는 광원 장치일 수 있다. 예를 들어, 광원(110)은 적외선 영역의 광을 조사할 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 조사 할 수 있다. 이러한 경우 혼합된 자연광의 정보를 제거하기 위한 보정이 요구될 수 있다. 예를 들어, 광원(110)은 레이저 광원 일 수 있으며 특정한 예시에 한정되지 않는다. 예를 들어, 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.
수광부(120)는 레이저 펄스를 수광하여 전기 신호를 내보내는 수광소자일 수 있다. 예를 들어, 수광부(120)는 애벌런치 포토 다이오드(Avalanche Photo Diode;APD) 또는 싱글 포톤 애벌런치 다이오드(Single Photon Avalanche Diode;SPAD)를 포함할 수 있다. 수광부(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 구체적 회로 구성은 통상의 기술일 수 있으므로, 자세한 설명은 생략한다.
주기파 생성부(130)은 주기파를 생성할 수 있다. 예를 들어, 주기파 생성부(130)는 생성하는 주기파의 주파수, 진폭, 파형을 다양하게 조절할 수 있다. 예를들어, 주기파는 사인파를 비롯한 정현파, 삼각파를 포함할 수 있고, 나아가, 일정 주파수 성분을 가지는 임의의 파형도 포함할 수 있다.
주기파 생성부(130)는 광원(110)과 연결되어, 광원(110)이 레이저펄스를 대상체(OB)로 조사할 때, 주기파를 생성할 수 있다. 주기파 생성부(130)는 수광부(120)와 연결되어, 수광부(120)가 대상체(OB)로부터 반사된 레이저펄스를 수광할 때, 주기파를 생성할 수 있다. 예를 들어, 제 1 시점(t=a)에 광원(110)이 레이저펄스를 대상체(OB)로 조사하면, 주기파 생성부(130)는 제 1 시점(t=a)에 주파수 f1 을 가지는 제 1 주기파(Pa)를 생성할 수 있다. 예를 들어, 제 2 시점(t=b)에 수광부(120)가 레이저펄스를 수광하면, 주기파 생성부(130)는 제 2 시점(t=b)에 주파수 f1 을 가지는 제 2 주기파(Pb)를 생성할 수 있다.
주기파 생성부(130)는 생성한 제 1 주기파(Pa)와 제 2 주기파(Pb)를 비교부(140)으로 전달할 수 있다. 주기파 생성부(130)는 제 1 시점(t=a)부터 생성하는 제 1 주기파(Pa)를 적어도 제 2 시점(t=b)까지는 계속해서 비교부(140)로 전달할 수 있다. 이는 비교기(140)로 하여금 제 1 주기파(Pa)와 제 2 주기파(Pb)의 위상을 비교하여 거리 정보를 도출하도록 하기 위함일 수 있다.
비교부(140)는 제 1 주기파(Pa)와 제 2 주기파(Pb)의 위상을 비교하여 위상 차이 ΔΦ 를 도출할 수 있다. 라이다 장치(100)부터 대상체(OB)까지의 거리가 레이저 펄스의 1 주기 이하에 해당하는 거리일 경우, 위상 차이 ΔΦ 는 실제 위상 차이 Φ 에 해당할 수 있다. 만약, 라이다 장치(100)부터 대상체(OB)까지의 거리가 레이저 펄스의 1 주기를 초과하는 거리일 경우, 위상모호성으로 인해 위상 차이 ΔΦ 는 실제 위상 차이 Φ와는 다를 수 있다. 이때는, 라이다 장치(100)부터 대상체(OB)까지의 거리에 레이저 펄스의 몇 개의 주기가 포함되는지를 측정하여 위상모호성을 제거하거나, 여러 주파수의 위상 차이 ΔΦ 를 비교하여 위상모호성을 제거할 수 있다. 자세한 내용은 도 2 및 도 3에서 후술한다.
라이다 장치(100)는 비교부(140)에서 연산된 실제 위상 차이 Φ 정보를 바탕으로 라이다 장치(100)에서 대상체(OB)까지의 거리를 도출할 수 있다. 라이다 장치(100)에서의 거리 도출은 비교부(140)에서 직접 수행되거나, 또는 별도의 제어부(미도시)에서 수행될 수 있다. 예를 들어, 거리 도출은 아래의 수학식 1을 통해 도출할 수 있다.
여기서, l은 대상체(OB)부터 라이다 장치(100)까지의 거리, c는 광속, Φ는 실제 위상 차이, f는 주기파 생성부(130)에서 생성된 주기파의 주파수이다.
도 2는 다른 실시예에 따른 라이다 장치(200)를 개략적으로 나타낸 도면이다. 도 2를 참조하면, 라이다 장치(200)는 복수의 주기파 생성기(231,232,233)를 포함하는 주기파 생성부(230)와 복수의 비교기(241,242,243)을 포함하는 비교부(240)를 포함할 수 있다.
주기파 생성부(230)는 복수의 주기파 생성기(periodic wave generation element)(231,232,233)을 포함할 수 있다. 주기파 생성기(231)은 주파수 f1 인 제 1 주기파(Pa-1)과 제 2 주기파(Pb-1)을 생성할 수 있다. 주기파 생성기(232)는 주파수 f2인 제 1 주기파(Pa-2)와 제 2 주기파(Pb-2)를 생성할 수 있다. 주기파 생성기(233)은 주파수 fn인 제 1 주기파(Pa-n)와 제 2 주기파(Pb-n)을 생성할 수 있다.
예를 들어, 주기파 생성기(231)는 광원(110)이 레이저 펄스를 대상체(OB)로 조사하는 때인 제 1 시점(t=a)에 제 1 주기파(Pa-1)를 생성할 수 있다. 주기파 생성기(231)는 수광부(120)가 레이저 펄스를 수광하는 때인 제 2 시점(t=b)에 제 2 주기파(Pb-1)를 생성할 수 있다. 예를 들어, 주기파 생성기(232)는 광원(110)이 레이저 펄스를 대상체(OB)로 조사하는 때인 제 1 시점(t=a)에 제 1 주기파(Pa-2)를 생성할 수 있다. 주기파 생성기(232)는 수광부(120)가 레이저 펄스를 수광하는 때인 제 2 시점(t=b)에 제 2 주기파(Pb-2)를 생성할 수 있다. 예를 들어, 주기파 생성기(233)는 광원(110)이 레이저 펄스를 대상체(OB)로 조사하는 때인 제 1 시점(t=a)에 제 1 주기파(Pa-n)를 생성할 수 있다. 주기파 생성기(233)는 수광부(120)가 레이저 펄스를 수광하는 때인 제 2 시점(t=b)에 제 2 주기파(Pb-n)를 생성할 수 있다.
비교부(240)은 복수의 비교기(comparison element)(241,242,243)을 포함할 수 있다. 예를 들어, 비교기(241)은 주기파 생성기(231)로부터 주파수 f1 인 제 1 주기파(Pa-1)과 제 2 주기파(Pb-1)을 전달받아 위상 차이 ΔΦ1 를 생성할 수 있다. 예를 들어, 비교기(242)은 주기파 생성기(232)로부터 주파수 f2 인 제 1 주기파(Pa-2)과 제 2 주기파(Pb-2)을 전달받아 위상 차이 ΔΦ2 를 생성할 수 있다. 예를 들어, 비교기(243)은 주기파 생성기(233)로부터 주파수 fn 인 제 1 주기파(Pa-n)과 제 2 주기파(Pb-n)을 전달받아 위상 차이 ΔΦn 를 생성할 수 있다.
본 개시에 따른 라이다 장치(200)은 대상체(OB)까지의 거리가 레이저 펄스의 1 주기를 초과하는 거리라 하여도, 실제 위상 차이 Φ를 도출할 수 있다. 라이다 장치(200)는 비교부(240)에서 생성된 복수의 위상 차이인 ΔΦ1 , ΔΦ2 , … , ΔΦn 를 비교하여, 실제 위상 차이 Φ를 도출할 수 있다. 예를 들어, 실제 위상 차이 Φ 는 비교부(240)에서 직접 도출될 수도 있다. 예를 들어, 라이다 장치(200)는 별도의 제어부(미도시)를 포함하여, 비교부(240)로부터 전달받은 위상 차이인 ΔΦ1 , ΔΦ2 , … , ΔΦn 를 바탕으로 실제 위상 차이 Φ를 도출하여 대상체(OB)와 라이다 장치(200)의 거리를 도출할 수 있다.
도 3은 또 다른 실시예에 따른 라이다 장치(300)를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 3을 참조하면, 라이다 장치(300)은 카운터(350)을 포함할 수 있다. 이외의 구성요소는 라이다 장치(도 1의 100)에서 설명된바 중복된 설명은 생략한다.
카운터(350)는 레이저 펄스의 비행시간 동안 제 1 주기파(Pa)가 몇 주기 생성되는지를 계수할 수 있다. 예를 들어, 카운터는 레이저 펄스의 송수신간의 시간 차이를 직접 측정하여 제 1 주기파(Pa)의 주기의 개수를 카운트할 수 있다. 이는 전술한바와 같이 라이다 장치(100)부터 대상체(OB)까지의 거리가 레이저 펄스의 1 주기를 초과하는 거리일 경우, 위상 차이 ΔΦ1 부터 실제 위상 차이 Φ를 도출하기 위함이다. 구체적으로는 수학식 2에 의해 도출될 수 있다.
여기에서, Φ는 실제 위상 차이, △Φ는 비교부(140)에서 획득한 위상 차이, n은 카운터(350)에서 측정된 제 1 주기파(Pa)의 주기의 개수를 나타낸다.
예를 들어, 이러한 카운터는 종래의 TDC 방식의 계수기일 수 있다. 다만, 종래의 TDC 방식의 계수기는 정밀한 분해능을 가지기 위해서 기가헤르츠급의 시간 분해능을 필요로했던것과는 달리, 본 개시에 따른 카운터(350)는 주기의 계수를 위해서는 대략적인 거리의 파악이 필요하므로 훨씬 낮은 시간 분해능으로도 제 1 주기파(Pa)의 주기를 카운트 할 수 있다.
도 4는 또 다른 실시예에 따른 라이다 장치(400)를 개략적으로 나타낸 도면이다. 도 4를 참조하면, 라이다 장치(400)는 광원부(410), 수광소자 어레이(421), 주기파 생성부 어레이(430) 및 비교부 어레이 (440)를 포함할 수 있다.
광원부(410)는 광원(411)과 광원(411)에서 출광되는 레이저 펄스광을 확산시키는 광학요소(412)를 포함할 수 있다. 예를 들어, 광학요소(412)는 확산기(diffuser), 빔 확장기(beam expander), 렌즈 등을 포함할 수 있다. 광원부(410)는 레이저 펄스광을 대상체(OB)에 고르게 조사하여, 대상체(OB)의 3차원 깊이 정보를 파악할 수 있다.
수광소자 어레이(421)는 2차원 어레이 배열되는 복수의 수광소자를 포함할 수 있다. 예를 들어, 수광소자 어레이(421)는 애벌런치 포토 다이오드나 싱글 포톤 애벌런치 다이오드가 2차원 어레이 된 구조를 가질 수 있다.
수광소자 어레이(421)를 구성하는 하나의 수광소자는 하나의 픽셀에 대응될 수 있다. 예를 들어, 대상체(OB)에서 전달되는 레이저 펄스는 대상체(OB)의 형상에 따라 수광소자 어레이(421)를 구성하는 수광소자에 각기 다른 시점에 수광될 수 있다. 각 수광소자 별로 수광되는 레이저 펄스의 비행시간 정보로부터 라이다 장치(400)는 3차원 깊이 정보를 파악할 수 있다.
렌즈부(422)는 수광소자 어레이(421)의 전면에 마련되어, 레이저 펄스를 집광시킬 수 있다. 예를 들어, 렌즈부(422)는 볼록 렌즈일 수 있다.
주기파 생성부 어레이(430)는 복수의 주기파 생성부를 포함할 수 있다. 예를 들어, 주기파 생성부 어레이(430)가 포함하는 각각의 복수의 주기파 생성부와 수광소자 어레이(421)가 포함하는 각각의 수광소자는 일대일로 대응될 수 있다. 요컨대, 각 수광소자가 레이저 펄스를 수광하는 순간에 그 수광소자와 대응하는 주기파 생성부는 제 2 주기파(Pb)를 생성할 수 있다.
비교부 어레이(440)는 복수의 비교부를 포함할 수 있다. 예를 들어, 비교부 어레이(440)가 포함하는 각각의 비교부와 주기파 생성부 어레이(430)가 포함하는 각각의 주기파 생성부는 일대일로 대응될 수 있다. 요컨대, 각 비교부는 해당 비교부와 대응되는 주기파 생성부에서 생성한 제 2 주기파(Pb)와 제 1 주기파(Pa)의 차이로부터 위상 차이를 획득할 수 있다. 광원(411)이 레이저 펄스를 조사하는 시점은 공통되므로 제 1 주기파(Pa)는 비교부 어레이(440)에 있어서 위상 비교의 기준이 될 수 있다. 수광소자 어레이(421)는 대상체(OB)로부터 반사된 레이저 펄스를 수광하는데, 대상체(OB)의 형상에 따라 레이저 펄스의 비행시간이 각기 다르므로 각 수광소자가 레이저 펄스를 수광하는 시점은 각기 상이할 수 있다. 따라서, 각 수광소자와 대응되는 각 주기파 생성부가 제 2 주기파(Pb)를 생성하는 시점은 각기 다르므로, 비교부 어레이(440)는 각기 다른 시점에 생성된 제 2 주기파(Pb)를 기준이 되는 제 1 주기파(Pa)와 각기 비교하여, 각 픽셀별 거리 정보가 반영된 라이다 영상을 얻을 수 있다.
카운터 어레이(450)는 수광소자 어레이(421)의 각 픽셀 별로 제 1 주기파(Pa)가 몇 주기 생성되었는지를 카운트하여, 비교부 어레이(440)로 전달할 수 있다.
본 개시에 따른 라이다 장치(400)은 각 픽셀별 거리 정보의 연산 및 라이다 영상의 도출을 비교부(440)에서 직접 처리할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
도 5는 또 다른 실시예에 따른 라이다 장치(500)를 개략적으로 나타낸 도면이다. 도 5를 참조하면, 라이다 장치(500)는 제어부(560)를 포함할 수 있다. 이외의 구성요소는 도 4의 라이다 장치(400)에서 설명된 것과 동일하므로 중복되는 내용은 생략한다.
제어부(560)는 비교부 어레이(440)에서 각 픽셀 별로 측정된 위상 차이 정보를 바탕으로 각 픽셀 별 거리 정보를 도출할 수 있다. 제어부(560)는 각 픽셀 별 거리 정보를 바탕으로 라이다 영상을 도출할 수 있다. 예를 들어, 제어부(560)는 비교부 어레이(440)로부터 각 픽셀 별 위상 차이 △Φ를 전달받을 수 있다. 상술한 바와 같이 위상 차이 ΔΦ 만으로는 대상체(OB)와 라이다 장치(500)간의 거리가 제 1 주기파(Pa)를 기준으로 1주기 이상인 경우는 위상모호성으로 인해 실제 위상 차이 Φ를 구하기 어려울 수 있다. 이에 제어부(560)는 카운터 어레이(450)로부터 각 픽셀별 레이더 펄스의 비행시간 중에 생성된 제 1 주기파(Pa)의 주기의 개수 n을 전달받아, 실제 위상 차이 Φ를 도출할 수 있다. 또는 예를 들어, 주기파 생성부 어레이(430)에서 복수의 주파수를 생성하여 위상모호성을 극복하고 실제 위상 차이 Φ를 구할 수도 있다. 자세한 내용은 도 2 및 도 3에서 이미 서술한 바 중복되는 설명은 생략한다.
제어부(560)는 연산된 실제 위상 차이 Φ를 외부로 전송하거나, 라이다 영상을 외부로 전송할 수도 있다. 여기에서 외부는 퍼스널 컴퓨터, 핸드폰, 스마트폰, 서버 등 일체의 전자 장비를 의미할 수 있다.
도 6은 일 실시예에 따른 거리 측정 방법을 개략적으로 나타내는 플로우 챠트이다.
도 6을 참조하면, 우선 대상체를 향해 제 1 시점(t=a일때) 레이저 펄스를 조사할 수 있다(S601). 레이저 펄스의 조사는 짧은 시간 구간 동안에 높은 에너지를 포함하는 펄스를 조사하는 것이므로, 레이저 펄스는 인체의 눈 손상이 되지 않는 피크파워(peak power)의 한도 내에서 조사될 수 있다.
제 1 시점(t=a일때) 일정 주파수를 가지는 제 1 주기파를 생성할 수 있다(S602). 제 1 주기파는 적어도 레이저 펄스가 다시 라이다 장치에 수광되는 제 2 시점(t=b)까지는 지속적으로 형성되어야 할 수 있다. 예를 들어, 제 1 주기파의 형태는 사인형태의 파형일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니며 위상 차이를 구분할 수 있는 모든 종류의 파형을 포함할 수 있다.
대상체에서 반사된 레이저 펄스가 라이다 장치에서 제 2 시점(t=b일때) 수광될 수 있다(S603). 상술한 바와 같이 라이다 장치가 복수의 수광소자를 포함할 경우에는, 각 수광소자 별로 제 2 시점은 상이할 수 있다.
제 2 시점에 제 1 주기파와 동일한 주파수를 가지는 제 2 주기파를 생성할 수 있다(S604). 제 1 주기파의 위상과 제 2 주기파의 위상을 비교하여, 대상체까지의 거리를 측정하는 것이므로, 제 1 주기파와 제 2 주기파의 주파수는 서로 동일하고, 파형도 서로 동일한 것이 측정에 용이할 수 있다.
제 1 주기파와 제 2 주기파의 위상을 비교하여 대상체까지의 거리를 도출할 수 있다(S605).
도 7은 다른 실시예에 따른 거리 측정 방법을 개략적으로 나타내는 플로우 챠트이다.
도 7을 참조하면, 대상체를 향해 제 1 시점(t=a일때) 레이저 펄스를 조사할 수 있다(S701).
제 1 시점(t=a일때) 일정 주파수를 가지는 제 1 주기파를 생성할 수 있다(S702).
대상체에서 반사된 레이저 펄스가 라이다 장치에서 제 2 시점(t=b일때) 수광될 수 있다(S703).
제 2 시점에 제 1 주기파와 동일한 주파수를 가지는 제 2 주기파를 생성할 수 있다(S704).
다음으로는 제 1 주기파의 위상과 제 2 주기파의 위상을 비교하여, 위상 차이 Φ1 을 도출할 수 있다(S705). 위상 차이 Φ1 는 위상모호성을 가지고 있으므로, 실제 위상 차이 Φ 와는 상이할 수도 있다.
이에 카운터로 레이저 펄스의 비행시간(t=a 부터 t=b사이의 시간) 동안 제 1 주기파의 주기 개수 n을 카운트할 수 있다(S706).
제 1 주기파의 주기 개수 n과 위상 차이 Φ1 을 바탕으로 실제 위상 차이 Φ 를 구하여 대상체까지의 거리를 도출할 수 있다(S707). 대상체까지의 거리는 전술한 수학식 2에 의해 도출될 수 있다.
도 8은 또 다른 실시예에 따른 거리 측정 방법을 개략적으로 나타내는 플로우 챠트이다.
도 8을 참조하면, 대상체를 향해 제 1 시점(t=a일때) 레이저 펄스를 조사할 수 있다(S801).
다음은, 주파수 f1 인 제 1 주기파(Pa-1)를 제 1 시점(t=a)에 생성하고(S802-1), 주파수 f2인 제 1 주기파(Pa-2)를 제 1 시점(t=a)에 생성하고(S802-2), 주파수 fn인 제 1 주기파(Pa-n) 를 제 1 시점(t=a)에 생성할 수 있다(S802-n).
다음은, 대상체에서 반사된 레이저 펄스가 라이다 장치에서 제 2 시점(t=b일때) 수광될 수 있다(S803).
다음은, 주파수 f1 인 제 2 주기파(Pb-1)를 제 2 시점(t=b)에 생성하고(S804-1), 주파수 f2 인 제 2 주기파(Pb-2)를 제 2 시점(t=b)에 생성하고(S804-2), 주파수 fn 인 제 2 주기파(Pb-n)를 제 2 시점(t=b)에 생성할 수 있다(S804-n).
다음은, 주파수 f1 인 제 1 주기파(Pa-1)과 제 2 주기파(Pb-1)을 비교하여 위상 차이 ΔΦ1 를 도출하고(S805-1), 주파수 f2 인 제 1 주기파(Pa-2)와 제 2 주기파(Pb-2)를 비교하여 위상 차이 ΔΦ2 를 도출하고(S805-2), 주파수 fn 인 제 1 주기파(Pa-n)와 제 2 주기파(Pb-n)를 비교하여 위상 차이 ΔΦn 를 도출할 수 있다(S805-3).
다음은, 복수의 위상 차이인 ΔΦ1 , ΔΦ2 , … , ΔΦn 를 비교하여, 위상모호성을 제거하고 실제 위상 차이 Φ를 도출할 수 있다(S806).
실제 위상 차이 Φ 로부터 대상체까지의 거리를 도출할 수 있다(S807).
본 개시에 따른 라이다 장치는, 종래의 레이저 펄스를 이용한 직접 ToF 방식에 비해 높은 시간 분해능의 TDC를 요구하지 않으면서도, 종래의 위상 변조 방식의 출력 부족에 따른 측정 거리의 한계를 뛰어 넘을 수 있다. 요컨대, 본 개시에 따른 라이다 장치는 직접 ToF 방식과 위상 변조 방식의 장점을 혼합한 형태의 라이다 장치로 근거리부터 원거리까지 넓은 레인지의 촬영 영역과 높은 분해능을 모두 만족할 수 있다.
지금까지, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 라이다 장치 및 거리 측정 방법에 대한 예시적인 실시예가 설명되고 첨부된 도면에 도시되었다. 그러나, 이러한 실시예는 단지 본 발명을 예시하기 위한 것이고 이를 제한하지 않는다는 점이 이해되어야 할 것이다. 그리고 본 발명은 도시되고 설명된 설명에 국한되지 않는다는 점이 이해되어야 할 것이다. 이는 다양한 다른 변형이 본 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 일어날 수 있기 때문이다.
100, 200, 300 : 라이다 장치
110, 210, 310 : 광원
120, 220, 320 : 수광부
130, 230, 330 : 주기파 생성기
140, 241, 242, 243, 440 : 비교기
350, 450 : 카운터
560 : 제어부

Claims (15)

  1. 레이저 펄스를 대상체에 조사하는 광원;
    상기 대상체로부터 반사된 레이저 펄스를 수광하는 수광부;
    상기 광원이 레이저 펄스를 조사할 때 제 1 주기파를 형성하고, 상기 수광부가 레이저 펄스를 수광할 때, 상기 제 1 주기파와 동일한 주파수의 제 2 주기파를 형성하는 제 1 주기파 생성부;
    상기 제 1 주기파 생성부로부터 전달받은 상기 제 1 주기파와 상기 제 2 주기파의 위상을 서로 비교하는 제 1 비교부;
    상기 제 1 비교부에서 비교된 위상을 연산하여 대상체까지의 거리를 도출하는 제어부; 및
    상기 레이저 펄스의 비행시간 동안 상기 제 1 주기파가 몇 주기 생성되는지를 계수하는 카운터; 를 포함하고,
    상기 제어부는,
    상기 제 1 비교부에서 비교된 위상과 상기 제 1 주기파 주기의 개수를 바탕으로 대상체까지의 거리를 도출하는 라이다 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 수광부는 애벌런치 포토 다이오드(APD) 또는 싱글 포토 애벌런치 다이오드(SPAD)를 포함하는 라이다 장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 광원은 레이저 다이오드인 라이다 장치.
  4. 삭제
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 광원이 레이저 펄스를 조사할 때 상기 제 1 주기파와 상이한 주파수의 제 3 주기파를 형성하고, 상기 수광부가 레이저 펄스를 수광할 때 상기 제 3 주기파와 동일한 주파수의 제 4 주기파를 형성하는 제 2 주기파 생성부; 및
    상기 제 2 주기파 생성부로부터 생성된 제 3 주기파와 제 4 주기파의 위상을 서로 비교하는 제 2 비교부;를 더 포함하고,
    상기 제어부는,
    상기 제 2 비교부에서 비교된 위상과 상기 제 1 비교부에서 비교된 위상과 상기 제 1 주기파 주기의 개수를 바탕으로 대상체까지의 거리를 도출하는 라이다 장치.
  6. 삭제
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 제어부는 상기 제 1 주기파 주기의 개수 n과 상기 제 1 비교부로부터 전달받은 제 1 주기파와 제 2 주기파의 위상 차이인 φ1을 바탕으로, 실제 위상 차이 Φ = 2 * π * n + φ1 을 연산하여 대상체까지의 거리를 도출하는 라이다 장치.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 수광부는 2차원 어레이 배열되는 복수의 수광소자를 포함하고, 상기 복수의 수광소자 각각은 픽셀에 대응되는 라이다 장치.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 제 1 주기파 생성부는 상기 복수의 수광소자가 레이저 펄스를 수광할 때마다 각각 제 2 주기파를 형성하고,
    상기 제 1 비교부는 제 1 주기파의 위상과 각각 형성된 상기 제 2 주기파의 위상을 서로 비교하여 각 픽셀별로 대상체까지의 거리를 도출하는 라이다 장치.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 카운터는 상기 레이저 펄스의 비행시간 동안 상기 제 1 주기파가 몇 주기 생성되는지를 각 픽셀별로 계수하도록 복수 개로 구성되며,
    상기 복수의 카운터 각각은 상기 복수의 수광소자 각각과 일대일 연결되는 카운터 어레이;를 더 포함하는 라이다 장치.
  11. 대상체를 향해 제 1 시점에 레이저 펄스를 조사하고, 제 1 시점에 서로 다른 주파수를 가지는 복수의 제 1 주기파를 생성하는 단계;
    대상체로부터 반사되는 레이저 펄스를 수광하는 제 2 시점에 상기 복수의 제 1 주기파와 동일한 주파수를 가지는 복수의 제 2 주기파를 생성하는 단계;및
    상기 제 1 주기파와 상기 제 2 주기파의 위상을 비교하여 대상체까지의 거리를 도출하는 단계;를 포함하는 라이다 장치를 이용한 거리 측정 방법.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 대상체까지의 거리를 도출하는 단계는,
    상기 복수의 제 1 주기파의 위상과 상기 복수의 제 2 주기파의 위상의 차이를 도출하는 단계;
    상기 제 1 시점과 상기 제 2 시점 동안 생성된 상기 복수의 제 1 주기파의 주기의 개수를 도출하는 단계; 및
    상기 위상의 차이 및 상기 주기의 개수를 바탕으로 실제 위상 차이를 연산하여 대상체까지의 거리를 도출하는 단계;를 포함하는 라이다 장치를 이용한 거리 측정 방법.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 복수의 제 1 주기파의 주기의 개수 n은 카운터에 의해 도출되는 라이다 장치를 이용한 거리 측정 방법.
  14. 삭제
  15. 제 11 항에 있어서,
    상기 거리를 도출하는 단계는,
    상기 복수의 제 1 주기파와 상기 복수의 제 2 주기파 중에서 서로 주파수가 동일한 주기파끼리 위상을 비교하여 복수의 위상차이를 도출하는 단계; 및
    상기 복수의 위상차이로부터 실제 위상 차이 Φ를 도출하여 대상체까지의 거리를 도출하는 단계;를 포함하는 라이다 장치를 이용한 거리 측정 방법.
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