광의 전달 시간 측정 방법 document_id A220623108379

많은 적용 분야에 있어서, 다른 물체들까지의 기준 물체(reference object)의 거리가 결정되어야만 한다. 그러한 적용 분야 중 하나는 가장 두드러지게는 예를 들어 자동차 산업 또는 로봇 공학의 분야에 있어 카메라 시스템이다. 이 점에 있어서, 종래 기술에는 다음의 문제점이 발생한다. 예컨대 펄스 전압이 광다이오드(light diode)에 인가되면, 상술한 광다이오드는 이 인가된 전압의 주기로 발광된다. 반사하는 물체는 바람직하게 상기 송신하는 LED 근처의 포토다이오드(photodiode)에 상기 방사된 발광능(luminous power)을 반사시킬 수 있다. 상기 반사된 신호의 크기는 상기 LED의 송신 전력, 상기 물체의 반사율 및 상기 송신하는 LED로부터 상기 물체까지의 거리에 의존한다. 예컨대 손(hand)과 같은 반사하는 물체의 예를 들어 1 미터의 거리로, 예컨대 100mA 펄스 전류, 예컨대 15°의 개구각(aperture angle) 및 상업적으로 이용가능한 낮은 가격의 포토다이오드를 갖는 상업적으로 이용가능한 LED, 예컨대 BPW 34 Osram의 이용은, 상기 손에서의 반사에 의해 야기된 예컨대 몇 ㎂의 광전류(photocurrent)를 상기 포토다이오드에 야기한다. 이 광전류는 상기 반사하는 물체의 거리에 따라 자연스럽게 변하여, 1m 이상의 거리로는 상기 포토다이오드에서 오직 몇 pA에 달할 수 있다. 상기 반사하는 물체의 거리를 측정하기 위해, 송신 신호와 수신 신호 사이의 전달 시간의 측정이 가능하나, 상기 포토다이오드내의 상기 언급한 매우 작은 수신 전류로는 정확한 도착 시간을 결정하는 것이 매우 어렵다. 다른 복잡한 요인은, 포토다이오드 또는 상기 연결된 증폭기에 들어오는 신호는 그것이 송신되는 때의 에지 경사(edge steepness)를 야기하지 않는다는 것이다. 상기 포토다이오드는 특히 감광도(sensitivity)를 증가시키도록 큰 크기(넓은 수신 면적)가 선택되는 경우 저역통과(lowpass)로서의 역할을 한다. 광의 전달 시간은 약 15cm의 거리에서 1ns이다. 상기 수신된 신호의 상승 시간은 상기 상술한 포토다이오드 및 전치증폭기(pre-amplifier)의 저역통과 작용으로 확실히 10㎲에 달할 수 있다. 상기 송신 LED도 두드러진 상승 시간을 가지나, 낮은 가격의 포토다이오드의 저역통과 작용보다 10배수(by orders of magnitude) 아래이다. 따라서, 상기 반사 신호의 정확한 도착 시간 검출은 상당한 어려움을 야기하고, 실제로 많은 특허 출원이 상기 반사 신호의 정확한 도착 시간 검출을 향상시키는 것을 다루고 있다. 비교적 큰 반사 거리, 예컨대 몇 10 내지 100m를 이런 방법으로 결정하는 것은 더 쉬운 것으로 일반적으로 알려지고 있다. 더욱이, 약 3m 내지 250m로부터의 측정은 ns 정확도로 실행되어야만 하여 GHz 범위의 증폭기 및 포토다이오드를 필요로 하는 0 내지 3m 근처 부근에서의 측정보다 쉽다. 더 복잡한 요인은 측정되는 물체의 개별 반사율, 온도, 외부광이다. 이들 파라미터는 대개 거리 측정에 상당한 영향을 준다. 그러나, 이 관점에서, 꽤 상당한 송신 전력(예컨대, 10W 펄스 레이저)이 실행에 이용된다. 혼합 과정(mixing procedure)에 있어 위상 편이(phase shift)는 IF 주파수를 획득하도록 유지되는 것으로 알려진다. 이 방법이 상기 전달 시간 및 거리 측정을 위해 선택된다면, 10MHz 범위 내의 변조 주파수를 갖는 강도 변조된 광이 수신되고 혼합되며, 이는 빠른 포토다이오드 및 전치증폭기를 필요로 한다. 고주파수를 동시에 갖는 고증폭은 제한된 범위까지만 가능하다. 이런 이유로, 상기 수신 경로에서 가능한 한 빨리 혼합하는 것이 좋다. 그러나, 통상적인 혼합기는 상기 광전류로 작동하지 않는다. 따라서, 독일 특허 출원 DE 199 02 612 A1은, 광선에 의해 포토다이오드 내에 발생된 광전류가 진폭 변조된 전압과 혼합되도록, 상기 진폭 변조된 전압이 인가되는 두 개의 분리된 전극들을 갖는 상기 포토다이오드로 이루어진 광전자 혼합기를 공개한다. 이 혼합기는 특히, 측정되는 물체에 진폭 변조된 광 신호를 광 송신기가 전송하고, 상기 물체로부터 되돌아오는 상기 반사된 광 신호를 광 센서가 검출하고, 상기 송신된 광 신호와 상기 되돌아오는 광 신호 사이에 위상 편이를 평가 유닛(evaluation unit)이 결정하는, 거리 측정 장치에 이용될 수 있는 것으로 나타난다. 이런 점에서, 상기 전기 광학 혼합기는 광대역 전기 증폭이 아직 발생하지 않은 신호 경로 내의 한 지점에서의 더 낮은 주파수 범위 내로의 고 진폭 변조 주파수의 변환을 허용한다. DE 100 06 493 A1은 광전자(optoelectronic) 거리 측정을 위한 방법 및 장치, 눈금 측정을 위해 이용되는 두 개의 포토다이오드 수신기 및 두 개의 발광 장치(light emitter)를 공개한다. 주된 발광 장치로부터의 상기 변조된 전력 중 일부는 측정되기 위해 상기 물체에 도달하고, 상기 주된 포토 수신기 상으로 산란된 광의 형태로 그곳으로부터 통과하고 상기 주된 발광 장치로부터의 상기 전력의 다른 일부는 기준 포토 수신기 상에 바로 도달하지만, 상기 기준 발광 장치로부터의 상기 변조된 전력의 일부는 상기 주된 포토 수신기 상에 바로 가이드되고 다른 일부는 상기 기준 포토 수신기 상에 바로 가이드된다. 상기 수신된 신호의 시간이 정확하게 결정될지라도, 다른 바람직하지 못한 효과가 발생한다. 상기 포토다이오드 내의 추가적인 외부광이 상기 수신된 신호의 상승 시간 및 진폭을 약간 변화시켜, 거리 측정은 외부 광에 의해서도 영향을 받을 수 있다. DE 103 22 552 A1으로부터 추가적인 송신기 또는 보상 광원으로부터 기원한 제2 광 경로로부터의 발광 방사(luminous radiation)뿐만 아니라 물체에서 반사된 발광 방사를 상기 수신기에 평행하거나 동일한 각으로 인도하는 것이 알려진다. 즉, 한쪽의 광원으로부터의 앞쪽으로부터 광이 상기 포토다이오드 내로 방사되고 추가적인 광원으로부터 측면으로 결합되면, 상기 상승 시간은 상기 광 신호 내에 펄스 전류와 측면 결합으로 크게 증가한다. 따라서, 외부 광은 측면 결합의 경우에 충분히 큰 영향을 준다. 상기 광 강도 광전류 특성 상에 완전 보상으로 발생한 무한점(dimensionless point)은, 상기 포토다이오드의 특성 상에서, 외부 광 영향에 종속적인 경로가 된다. 따라서, 상기 수신된 신호 및 상기 보상 신호에 있어 동일한 입사각이 실제로 최적이다.