KR101861433B1 - 라이다 장비의 광학계 - Google Patents

Abstract

실시예는 레이저 광을 송신 및 수신받는 라이다 장치에 포함되는 광학계로서, 회전축에 대해 소정의 각도로 기울어진 송신용 미러, 상기 송신용 미러를 지지하는 제1 샤프트, 레이저 광을 상기 송신용 미러를 통해 측정대상으로 방사하는 송신부, 상기 송신용 미러와 평행한 회전축을 갖는 수신용 미러, 상기 수신용 미러를 지지하는 제2 샤프트, 측정대상으로부터 돌아오는 레이저 광을 상기 수신용 미러를 통해 입력받는 수신부, 상기 제2 샤프트를 회전시키는 모터 및 상기 제2 샤프트와 상기 제1 샤프트를 연결하여 상기 모터의 회전에 의해 상기 제1 및 제2 샤프트를 동일한 회전각으로 회전시키는 연결부재를 포함하여 구성될 수 있다.

Description

라이다 장비의 광학계{Optical System for Transmitting and Receiving Laser}

본 발명은 라이다 장비의 광학계에 관한 것으로, 보다 상세하게는 레이저의 비행 시간법을 이용한 라이다 장비에서 레이저 광을 송수신하는 구조를 변경한 라이다 장비에 포함되는 광학계에 관한 것이다.

라이다(Light Detecting and Ranging)는 레이저의 비행시간법을 이용하여 대상체와의 거리 또는 형상을 측정하는 장비로서, 최근 이슈가 되고 있는 자율 주행 시스템, 지능형 교통 시스템, 지리 정보 시스템 등의 여러 산업 분야에서 활용되고 있다. 도 1은 이러한 라이다 장비의 일반적인 구성을 나타낸 단면도이다.

도 1을 참조하면, 라이다 장비는 송신빔을 내보내는 송신부(10), 되돌아오는 수신빔을 받는 수신부(11), 송신빔 및 수신빔을 반사시키는 단면 미러(12), 수신빔을 수신부(11)로 집광시키는 볼록한 형태의 집광렌즈(13), 단면 미러(12)를 회전시키는 모터(14)로 구성될 수 있다. 이러한 구조의 라이다 장비는 송신빔과 수신빔이 동일축 상에서 형성되며, 모터(14)가 단면 미러(12)를 회전시켜 송신빔의 반사 방향을 바꾸어 주면서 넓은 영역을 측정할 수 있으나, 도시된 바와 같이 수신빔의 경로 상에 송신부(10)가 위치하고 있어 수신빔의 일부가 가려져 수광률이 감소되고 최대 측정 거리가 짧아지는 문제점이 있다.

도 2에 개시된 라이다 장비는 도 1에서와 같이 수신빔이 송신부에 의해 가려지는 것을 방지하기 위해 송신용 단면 미러(12a)와 수신용 단면 미러(12b)를 독립적으로 배치하고, 그 사이에 모터(14)를 마련하여 송신빔의 방향을 변화시킬 수 있는 구조이다. 이러한 구조의 라이다 장비는 송신부(10)와 수신부(11)가 서로 마주보며 송신부(10)가 수신빔을 가리지 않아 수광률은 확보할 수 있으나 도 1에 개시되는 라이다 장비에 비해 전체적인 길이가 늘어나며, 두개의 미러(12a, 12b)를 구동시키기 위한 특수 모터를 사용해야 하는 단점이 있다.

본 발명은 종래 라이다 장비의 송신부와 수신부의 배치상태에 의해 수광률이 저하되거나 라이다 장비의 크기가 커지는 것을 방지할 수 있는 라이다 장비의 광학계를 제공하는데 그 목적이 있다.

본 발명의 실시예는 레이저 광을 송신 및 수신받는 라이다 장치에 포함되는 광학계로서, 회전축에 대해 소정의 각도로 기울어진 송신용 미러; 상기 송신용 미러를 지지하는 제1 샤프트; 레이저 광을 상기 송신용 미러를 통해 측정대상으로 방사하는 송신부; 상기 송신용 미러와 평행한 회전축을 갖는 수신용 미러; 상기 수신용 미러를 지지하는 제2 샤프트; 측정대상으로부터 돌아오는 레이저 광을 상기 수신용 미러를 통해 입력받는 수신부; 상기 제2 샤프트를 회전시키는 모터; 및 상기 제2 샤프트와 상기 제1 샤프트를 연결하여 상기 모터의 회전에 의해 상기 제1 및 제2 샤프트를 동일한 회전각으로 회전시키는 연결부재;를 포함할 수 있다. 실시예는 송신부에서 발생되는 레이저 광이 수신빔으로 되돌아올 때, 수신용 미러를 통해 수신부로 모두 집광될 수 있어 수광률을 향상시킬 수 있다.

그리고, 상기 수신용 미러와 상기 송신용 미러는 각각의 회전축에 대해 동일한 각도로 기울어져 있으며 반사면이 동일한 평면을 갖도록 형성될 수 있다.

그리고, 상기 수신용 미러의 회전축과 상기 송신용 미러의 회전축은, 상기 수신용 미러를 통해 반사되는 수신빔의 경로에 상기 송신부가 배치되지 않도록 소정의 거리만큼 이격될 수 있다.

그리고, 상기 수신용 미러를 통해 반사되는 수신빔을 상기 수신부로 집광시키는 집광렌즈를 더 포함할 수 있다.

그리고, 상기 송신용 미러는 상기 제1 샤프트의 회전으로 인해 수평면에 대해 360도의 범위로 송신빔의 방향을 변경시키며, 상기 송신용 미러와 수신용 미러의 반사면은 서로 동일한 방향을 바라보도록 회전될 수 있다.

그리고, 상기 연결부재는 상기 제1 샤프트와 제2 샤프트의 외주면을 둘러싸는 고리 형태의 벨트로 형성될 수 있다.

그리고, 상기 연결부재는 상기 제1 샤프트와 제2 샤프트의 회전각을 동일하게 하는 기어박스로 형성될 수 있다. 상기 기어박스는 상기 제1 샤프트에 끼워지는 제1 기어, 상기 제2 샤프트에 끼워지는 제2 기어, 상기 제1 기어와 제2 기어 사이에 마련되는 제3 기어를 포함할 수 있으며, 상기 제1 기어와 상기 제3 기어가 포함하는 돌기의 개수는 동일하게 형성되는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 실시예에 따르면, 라이다 장비에 마련되는 송신부가 수신빔을 가리지 않는 구조로 형성되므로 수신빔의 수광률을 향상시킬 수 있고, 이에 측정 대상의 정보를 더욱 정확히 파악할 수 있다.

본 발명의 실시예에 따르면, 라이다 장비에 마련되는 송신부 및 수신부가 하나의 구동수단으로 동일한 각도로 회전될 수 있어 특수한 모터의 사용이 필요하지 않으며, 라이다 장비의 부피를 종래에 비해 크게 설계하지 않고도 수신빔의 수광률을 확보할 수 있다.

도 1은 종래의 라이다 장비의 일례를 나타낸 도면
도 2는 종래의 라이다 장비의 다른 예를 나타낸 도면
도 3은 실시예에 따른 라이다 장비의 광학계를 나타낸 단면도
도 4는 실시예에 따른 라이다 장비의 광학계를 나타낸 사시도
도 5는 실시예에 따른 라이다 장비의 광학계에서 모터의 회전시에 광학경로의 변경을 나타낸 도면
도 6은 다른 실시예에 따른 라이다 장비의 광학계를 나타낸 단면도
도 7은 다른 실시예에 따른 라이다 장비의 광학계를 나타낸 사시도

이하 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 실시예들을 상세하게 설명하지만, 본 발명의 실시예에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다. 본 발명을 설명함에 있어서, 공지된 기능 혹은 구성에 대해 구체적인 설명은 본 발명의 요지를 명료하게 하기 위해 생략될 수 있다.

라이다(Light Detection And Ranging)는 레이저를 발사하여 산란되거나 반사되는 레이저가 돌아오는 시간과 강도, 주파수의 변화, 편광 상태의 변화 등으로부터 측정 대상물의 거리와 농도, 속도, 형상 등의 물리적 성질을 측정하는 장비를 말한다. 실시예는 상기와 같은 라이다 장비에 포함되는 광학계의 구조에 관한 것이다.

도 3은 실시예에 따른 라이다 장비의 광학계를 나타낸 단면도이다.

도 3에 도시된 바와 같이 실시예에 따른 라이다 장비의 광학계는 회전축에 대해 소정의 각도로 기울어진 송신용 미러(24), 상기 송신용 미러를 지지하는 제1 샤프트(29), 레이저 광(송신빔)을 상기 송신용 미러를 통해 측정대상으로 방사하는 송신부(22), 상기 송신용 미러와 평행한 회전축을 갖는 수신용 미러(23), 상기 수신용 미러(23)를 지지하는 제2 샤프트(28), 측정대상으로부터 돌아오는 레이저 광(수신빔)을 상기 수신용 미러를 통해 입력받는 수신부(21), 상기 제2 샤프트(28)를 회전시키는 모터(26) 및 상기 제2 샤프트(28)와 상기 제1 샤프트(29)를 연결하여 상기 모터(26)의 회전에 의해 상기 제1 및 제2 샤프트를 동일한 회전각으로 회전시키는 연결부재(27)를 포함하여 구성될 수 있다.

상기 송신부(22)는 레이저 광을 발생시키는 광원의 역할을 하며, 상기 수신부(21)는 측정물체로부터 반사된 레이저 광을 수신하는 렌즈, 수신된 광을 전기적인 신호로 변환하는 부재를 포함할 수 있다.

상기 송신용 미러(24)는 상기 송신부(22)에서 발생되는 레이저 광(송신광)의 경로를 바꿔주기 위한 구성으로서, 전달되는 광을 모두 반사시키는 단면 미러로 형성될 수 있고, 상기 송신용 미러의 반사면은 상기 송신부에서 전송되는 광의 방향과 소정의 각도를 갖도록 기울어지게 형성될 수 있다. 바람직하게는 송신광의 경로가 90도로 변경되도록 상기 반사면은 수평면에 대해 45도만큼 기울어지도록 형성될 수 있으나 이에 한정되지는 않는다.

상기 송신용 미러(24) 하부면에는 이를 지지하기 위한 제1 샤프트(29)가 마련되며, 상기 제1 샤프트(29)의 회전에 따라 상기 송신용 미러(24)가 회전하며 송신빔의 방향을 수평면에 대해 360도 반경으로 변화시킬 수 있다.

상기 수신용 미러(23)는 상기 송신용 미러(24)를 통해 측정 대상으로 방사된 송신빔이 측정 대상을 거쳐 반사되거나 산란되어 되돌아오는 수신빔의 경로를 바꾸어주는 구성으로서, 수신되는 광을 모두 반사시키는 단면 미러로 형성될 수 있다.

상기 수신용 미러(23)의 반사면은 상기 송신용 미러(24)의 반사면과 같이 소정의 각도를 갖도록 기울어질 수 있으며, 바람직하게 상기 수신용 미러(23)와 상기 송신용 미러(24)의 반사면은 각각의 회전축에 대해 동일한 각도로 기울어지도록 형성될 수 있다. 상기 수신용 미러의 반사면은 수평면에 대해 45도만큼 기울어질 수 있다. 실시예는 송신용 미러와 수신용 미러가 서로 평행한 회전축을 가지면서 서로 분할되어 형성되기 때문에, 수신빔이 지나가는 광학 경로에는 송신부와 같은 구성이 수신빔을 차단하지 않도록 형성될 수 있다.

상기 수신용 미러(23)의 하부면에는 이를 지지하기 위한 제2 샤프트(28)가 마련되며, 상기 제2 샤프트(28)의 회전에 따라 상기 수신용 미러(23)가 회전하며, 송신용 미러(24)와 동일한 각도로 회전하여 송신빔에 의해 되돌아오는 수신빔을 수신할 수 있다.

또한, 상기 수신용 미러(23)와 상기 송신용 미러(24)의 반사면은 동일한 평면을 갖도록 형성될 수 있으며, 이를 위해 상기 송신용 미러(24)를 지지하는 제1 샤프트(29)의 길이는 상기 수신용 미러(23)를 지지하는 제2 샤프트의 길이보다 길게 형성될 수 있다. 그러나, 도시된 도면은 하나의 예시이며, 송신용 미러가 왼편에 수신용 미러가 송신용 미러가 오른편에 위치하여 수신용 미러를 지지하는 제2 샤프트의 길이가 더 길게 형성될 수도 있다.

실시예는 송신용 미러(24)와 수신용 미러(23)가 서로 독립적인 미러로 형성될 수 있으며, 수신용 미러(23)의 회전축(X₁)과 송신용 미러(24)의 회전축(X₂)은 서로 평행할 수 있으며, 상기 수신용 미러(23)를 통해 반사되는 수신빔의 경로에 상기 송신부가 배치되지 않도록 소정의 거리만큼 이격될 수 있다.

따라서, 실시예는 수신용 미러(23)와 수신부(21) 사이에 송신부(22)가 배치되지 않아, 수신부로 입사되는 수신빔을 가리지 않으므로 수광률을 향상시킬 수 있다. 상기 수신용 미러(23)와 수신부(21) 사이에는 수신용 미러(23)를 통해 반사되는 수신빔을 상기 수신부(21)로 집광시키는 집광렌즈(25)를 더 포함할 수 있다.

송신부에서 발생된 레이저 광은 대상 물체를 거쳐 반사 또는 산란되어 다시 수신부로 평행하게 되돌아오게 되므로, 상기 송신용 미러(24)와 수신용 미러(23)의 반사면은 동일한 각도로 기울어져 있어야 한다. 실시예는 송신용 미러와 수신용 미러가 독립적으로 구성되어 있으므로, 측정 방향을 변경하는 경우 상기 송신용 미러와 수신용 미러가 동일한 회전각을 가지며 회전할 수 있도록 하는 연결부재(27)가 마련될 수 있다.

도 4는 실시예에 따른 라이다 장비의 광학계를 나타낸 사시도이다.

도 4를 참조하면, 실시예에 따른 라이다 장비의 광학계는 송신용 미러와 수신용 미러의 회전각을 동일하게 해주는 연결부재(27)가 개시된다. 상기 연결부재(27)는 상기 제1 샤프트(29)와 제2 샤프트(28)의 외주면과 접촉하는 고리 형태의 벨트로 형성될 수 있다. 상기 벨트는 상기 제1 샤프트(29)와 제2 샤프트(28)를 감싸고 있는 형태일 수 있다. 그리고, 상기 제2 샤프트의 하단에는 상기 제2 샤프트를 회전시키는 모터(26)가 마련될 수 있으며, 이는 제1 샤프트(29)에 형성될 수도 있다.

도 5는 실시예에 따른 라이다 장비의 광학계에서 모터의 회전시에 광학경로의 변경을 나타낸 도면이다.

도 5를 참조하면, 상기 제2 샤프트의 하부에 마련된 상기 모터(26)가 일방향으로 회전하면, 제2 샤프트(28)가 일정한 회전각으로 회전하게 되고, 상기 벨트(27)가 돌면서 상기 제1 샤프트(29)를 동일한 회전각으로 회전시킬 수 있다. 즉, 도시된 바와 같이 송신용 미러(24)와 수신용 미러(23)는 동일한 회전각으로 회전하게 되며, 송신부에서 발생되는 송신빔과 되돌아오는 수신빔의 경로가 평행하여 수신부로 들어오는 수광률을 높일 수 있다.

도 5에 개시된 바와 같이, 연결부재로 벨트를 사용하는 경우에는 제1 샤프트의 직경과 제2 샤프트의 직경이 동일해야 수신용 미러와 송신용 미러의 회전각이 동일하게 설정될 수 있다. 따라서, 제1 샤프트와 제2 샤프트의 직경이 다른 경우에는 각각의 샤프트에 링을 끼워 벨트가 접촉하는 직경이 동일하도록 하여 회전각이 동일해지도록 설정할 수 있다.

도 6은 다른 실시예에 따른 라이다 장비의 광학계를 나타낸 단면도이며, 도 7은 도 6에 대한 사시도를 나타낸 도면이다.

도 6을 참조하면, 다른 실시예에 따른 라이다 장비의 광학계는 다른 구성은 모두 동일하며 송신용 미러와 수신용 미러의 회전각을 동일하게 하기 위한 연결부재가 기어박스(30)로 형성될 수 있다. 구체적으로 상기 기어박스(30)는 제2 샤프트에 끼워지는 제1 기어(31), 제1 샤프트에 끼워지는 제2 기어(33) 및 제1 기어와 제2 기어 사이에 마련되는 제3 기어(32)를 포함할 수 있다.

제1 샤프트와 제2 샤프트의 회전각이 동일하게 설정되기 위해서, 도 7에 도시된 바와 같이 상기 제1 기어(31)와 제2 기어(33)에 마련되는 돌기(기어의 이)는 서로 같은 개수로 형성되는 것이 바람직하다. 이에, 모터의 회전에 의해 제2 샤프트가 회전하면, 제2 샤프트가 회전하는 만큼 제1 샤프트가 회전하게 되므로 송신용 미러와 수신용 미러의 반사면이 동일한 방향을 바라보도록 회전될 수 있다. 제 2기어(33)는 제1 샤프트와 제2 샤프트의 거리에 따라 그 크기 및 돌기의 수가 가변될 수 있다.

상술한 바와 같이 실시예는 송신빔과 수신빔이 평행한 bi-axial 배열의 광학계 구조를 이루고 있다. 실시예는 송신빔이 반사되는 송신용 미러와 수신빔이 반사되는 수신용 미러를 개별적으로 형성하였으며, 송신부와 수신부가 일직선상에 위치하지 않기 때문에 수신빔의 수광률을 향상시킬 수 있다.

또한, 실시예는 어느 한 방향으로 회전하는 모터를 사용하여 제1 샤프트와 제2 샤프트를 동시에 회전시킬 수 있으며, 연결부재를 통해 동일한 회전각을 가지도록 회전시킬 수 있다. 즉, 실시예의 라이다 장비의 광학계는 종래와 같이 특수 모터를 사용하지 않고도 송신용 미러와 수신용 미러를 동시에 회전시킬 수 있어 비용적인 측면에서 유리하며, 수신빔의 경로에 송신부가 배치되지 않도록 광학 경로를 형성하였으므로, 수신빔의 수광률을 높일 수 있고 최대 측정 거리가 더욱 멀어질 수 있는 장점이 있다.

이상에서 본 발명에 대하여 그 바람직한 실시예를 중심으로 설명하였으나 이는 단지 예시일 뿐 본 발명을 한정하는 것이 아니며, 본 발명이 속하는 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성을 벗어나지 않는 범위에서 이상에 예시되지 않은 여러 가지의 변형과 응용이 가능함을 알 수 있을 것이다. 예를 들어, 본 발명의 실시예에 구체적으로 나타난 각 구성 요소는 변형하여 실시할 수 있는 것이다. 그리고 이러한 변형과 응용에 관계된 차이점들은 첨부된 청구 범위에서 규정하는 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

21: 수신부
22: 송신부
23: 수신용 미러
24: 송신용 미러
25: 집광 렌즈
26: 모터
27: 연결부재
28: 제2 샤프트
29: 제1 샤프트

Claims (10)

1. 레이저 광을 송신 및 수신받는 라이다 장치에 포함되는 광학계로서,
   회전축에 대해 소정의 각도로 기울어진 송신용 미러;
   상기 송신용 미러를 지지하는 제1 샤프트;
   레이저 광을 상기 송신용 미러를 통해 측정대상으로 방사하는 송신부;
   상기 송신용 미러와 평행한 회전축을 갖는 수신용 미러;
   상기 수신용 미러를 지지하는 제2 샤프트;
   측정대상으로부터 돌아오는 레이저 광을 상기 수신용 미러를 통해 입력받는 수신부;
   상기 제2 샤프트만을 회전시키는 모터; 및
   상기 제2 샤프트와 상기 제1 샤프트를 연결하여 상기 모터의 회전에 의해 상기 제2 샤프트가 회전하면 상기 제2 샤프트 회전에 동기하여 상기 제1 샤프트를 회전시키는 연결부재;를 포함하고,
   상기 연결부재의 회전에 따라 상기 송신용 미러의 반사면과 상기 수신용 미러의 반사면은 360도의 범위로 서로 동일한 방향을 바라보도록 회전되고,
   상기 수신용 미러와 상기 송신용 미러는 각각의 회전축에 대해 동일한 각도로 기울어져 있으며, 반사면이 동일한 평면을 갖도록 형성되며,
   상기 수신용 미러의 회전축과, 상기 송신용 미러의 회전축은, 상기 수신용 미러를 통해 반사되는 수신빔의 경로에 상기 송신부가 배치되지 않도록 소정의 거리만큼 이격되어 있는
   라이다 장비의 광학계.
2. 삭제
3. 삭제
4. 제 1항에 있어서,
   상기 수신용 미러를 통해 반사되는 수신빔을 상기 수신부로 집광시키는 집광렌즈를 더 포함하는 라이다 장비의 광학계.
5. 제 1항에 있어서,
   상기 송신용 미러는 상기 제1 샤프트의 회전으로 인해 수평면에 대해 360도의 범위로 송신빔의 방향을 변경시키는 라이다 장비의 광학계.
6. 삭제
7. 제 1항에 있어서,
   상기 연결부재는 상기 제1 샤프트와 제2 샤프트의 외주면을 둘러싸는 고리 형태의 벨트로 형성되는 라이다 장비의 광학계.
8. 제 1항에 있어서,
   상기 연결부재는 상기 제1 샤프트와 제2 샤프트의 회전각을 동일하게 하는 기어박스로 형성되는 라이다 장비의 광학계.
9. 제 8항에 있어서,
   상기 기어박스는 상기 제1 샤프트에 끼워지는 제1 기어, 상기 제2 샤프트에 끼워지는 제2 기어, 상기 제1 기어와 제2 기어 사이에 마련되는 제3 기어를 포함하는 라이다 장비의 광학계.
10. 제 9항에 있어서,
    상기 제1 기어와 상기 제3 기어가 포함하는 돌기의 개수는 동일하게 형성되는 라이다 장비의 광학계.

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