KR101946870B1 - 패턴의 회전 현상을 개선한 라이다 발광 시스템 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 레이저를 조사하는 레이저 광원; 상기 레이저 광원으로부터 조사되는 레이저를 평행광으로 변환시키는 콜리메이터 렌즈; 상기 콜리메이터 렌즈를 통과한 레이저가 꼭지점과 그 주위의 미러 면에 입사되어 반사됨으로써 전방위(全方位)에 걸쳐서 방사되도록 하는 다각뿔 미러; 및 상기 다각뿔 미러로부터 방사되는 레이저의 경로 상에 위치하도록 상기 다각뿔 미러의 둘레에 다수로 배열되는 마이크로 렌즈 어레이;를 포함하도록 한 패턴의 회전 현상을 개선한 라이다 발광 시스템에 관한 것이다.
본 발명에 따르면, 피치(dx,dy)를 다르게 할 수 있기 때문에 출력하는 패턴이 정사각형 뿐만 아니라 직사각형을 이루도록 할 수 있고, 수직방향의 화각이 크게 요구되지 않기 때문에 일부 줄이게 되면 광이용 효율이 상대적으로 좋아지며, 마이크로 렌즈 어레이의 렌즈 어레이 형태와 다각뿔 미러의 반사면이 이루는 각도에 무관하게 패턴이 회전하는 것을 방지할 수 있다.
본 발명에 따르면, 피치(dx,dy)를 다르게 할 수 있기 때문에 출력하는 패턴이 정사각형 뿐만 아니라 직사각형을 이루도록 할 수 있고, 수직방향의 화각이 크게 요구되지 않기 때문에 일부 줄이게 되면 광이용 효율이 상대적으로 좋아지며, 마이크로 렌즈 어레이의 렌즈 어레이 형태와 다각뿔 미러의 반사면이 이루는 각도에 무관하게 패턴이 회전하는 것을 방지할 수 있다.
Description
본 발명은 라이다 발광 시스템에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 마이크로 렌즈 어레이의 렌즈 어레이 형태와 다각뿔 미러의 반사면이 이루는 각도에 무관하게 패턴이 회전하는 것을 방지할 수 있도록 하는 패턴의 회전 현상을 개선한 라이다 발광 시스템에 관한 것이다.
일반적으로, 라이다 시스템(LIDAR system; Light Detection And Ranging system)은 레이저를 사물에 조사하고. 사물에 의해 산란되어 돌아오는 빛을 분석해서 사물까지의 거리, 방향, 속도, 온도, 물질 분포 및 농도 특성 등을 감지할 수 있는 시스템이다.
이러한 라이다 시스템은 기상 관측이나, 거리 측정 등의 용도를 위해 활용되다가, 최근에는 자율 주행 차량, 위성을 이용한 기상 관측, 무인 로봇 센서 및 3차원 영상 모델링을 위한 기술 등에 사용되고 있다. 또한 라이다 시스템은 전방위에 걸친 사물의 감지를 위하여, 레이저를 발사하는 부분이 회전하도록 설계된 회전 방식이 사용되고 있는데, 회전 운동을 하는 회전체에 레이저가 발생되는 광원이 설치되어 있다.
종래의 라이다 시스템과 관련된 기술로는, 한국공개특허 제10-2016-0034719호의 “라이다 시스템”이 개시된 바 있다. 이러한 종래 기술은 베이스; 상기 베이스에 일측이 회전 가능하게 연결된 회전부; 상기 베이스로부터 상기 회전부의 타측까지 연장하며, 상기 회전부의 상기 타측을 회전 가능하게 지지하는 지지부; 상기 베이스에 설치되며 상기 회전부를 향해 광을 방사하는 광발생부; 상기 회전부에 설치되며 상기 광발생부의 광을 상기 회전부의 외측을 향하여 안내하는 광학부; 외부에서 반사되어 상기 회전부로 유입된 반사광을 수신하여 전기신호로 변환하는 수신부; 상기 회전부의 상기 타측과 상기 지지부의 사이에 설치되어 상기 회전부를 회전 가능하게 지지하며 상기 수신부에 신호를 전달하는 신호 전달부; 상기 지지부에 설치되어 상기 베이스와 상기 신호 전달부를 전기적으로 연결하는 배선부; 상기 베이스에 설치되어 상기 회전부를 회전시키는 구동부; 및 상기 베이스에 설치되며 상기 광발생부와 상기 구동부와 상기 배선부와 전기적으로 연결되어 상기 광발생부와 상기 구동부와 상기 수신부를 제어하는 제어부;를 구비한다.
그러나, 이와 같은 종래 기술은 다수의 레이저 광발생부를 구비하여야 하고, 레이저의 360도 방사를 위해 회전부를 회전시키기 위한 모터 등의 구동부를 구비하여야 함으로써, 제조 비용을 증가시킬 뿐만 아니라, 구조적으로 복잡해지며, 본격적인 상용화에 어려움을 초래하는 문제점을 가지고 있었다.
이러한 문제점을 개선하기 위하여, 본 출원인은 한국특허등록 제10-1687994호의 "라이다 발광 시스템"을 제시한 바 있는데, 이는 레이저를 조사하는 레이저 광원; 상기 레이저 광원으로부터 조사되는 레이저를 평행광으로 변환시키는 콜리메이터 렌즈; 상기 콜리메이터 렌즈를 통과한 레이저의 경로 상에 설치되는 마이크로 렌즈 어레이; 상기 마이크로 렌즈 어레이를 통과한 레이저가 꼭지점과 그 주위의 미러 면에 입사되어 반사됨으로써 전방위(全方位)에 걸쳐서 방사되도록 하는 다각뿔 미러; 상기 마이크로 렌즈 어레이에 입사되는 레이저의 빔 정형을 위해 상기 마이크로 렌즈 어레이의 전단에 설치되는 빔 쉐이핑 프리즘을 포함하고, 상기 다각뿔 미러는, 꼭지점의 각도에 따라 외부로의 레이저 방사 방향에 수직을 이루는 레이저의 방사 각도를 조절하고, 상기 다각뿔 미러는, 아래의 식에 의해 산출되는 개수의 미러 면을 가지는, 라이다 발광 시스템.
여기서, n은 미러 면의 개수, FOV는 마이크로 렌즈 어레이의 Field of view이다.
그러나, 종래의 라이다 발광 시스템은 다각뿔 미러와 마이크로 렌즈 어레이가 도 1에서와 같이 배치되어 있으므로, 피치(dx, dy)가 같은 경우에만 적용할 수 있고, 이로 인해 출력되는 패턴도 정사각형만을 이루게 되며, 마이크로 렌즈 어레이의 렌즈 어레이 형태와 다각뿔 미러의 반사면이 이루는 각도에 따라 도 2에서와 같이, 패턴이 회전하게 되고, 이로 인해 감지의 신뢰성을 현저하게 저하시키는 문제점을 가지고 있었다. 즉, 다각뿔 미러에서 반사가 이루어진 각도를 따라 좌표계가 형성되고, 그 좌표계에서 바라볼 때 마이크로 렌즈 어레이에 의한 형태가 틀어져 있기 때문에 출력 패턴의 회전이 불가피하고, 이는 감지의 신뢰성 저하 원인이 되고 있다.
상기한 바와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명은 회전구동부를 사용하지 않고서 단일의 레이저 광원을 이용하여, 레이저를 360도 전방위(全方位)에 걸쳐서 방사하도록 할 뿐만 아니라, 레이저가 외부로 방사되는 방향에 수직을 이루는 방사 각도를 적절하게 조절할 수 있고, 레이저의 간섭에 의한 발산광을 효율적으로 사용하도록 하며, 구조적인 복잡함을 해소함으로써 시스템의 크기를 줄일 뿐만 아니라, 제조 비용을 줄이고, 상용화가 용이하도록 하는데 목적이 있다.
또한, 본 발명은 출력하는 패턴이 정사각형 뿐만 아니라 직사각형을 이루도록 할 수 있고, 수직방향의 화각이 크게 요구되지 않기 때문에 일부 줄이게 되면 광이용 효율이 상대적으로 좋아지며, 마이크로 렌즈 어레이의 렌즈 어레이 형태와 다각뿔 미러의 반사면이 이루는 각도에 무관하게 패턴이 회전하는 것을 방지할 수 있도록 하여 감지의 신뢰도를 높이는데 목적이 있다.
본 발명의 다른 목적들은 이하의 실시례에 대한 설명을 통해 쉽게 이해될 수 있을 것이다.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위해, 본 발명의 일측면에 따르면, 레이저를 조사하는 레이저 광원; 상기 레이저 광원으로부터 조사되는 레이저를 평행광으로 변환시키는 콜리메이터 렌즈; 상기 콜리메이터 렌즈를 통과한 레이저가 꼭지점과 그 주위의 미러 면에 입사되어 반사됨으로써 전방위(全方位)에 걸쳐서 방사되도록 하는 다각뿔 미러; 및 상기 다각뿔 미러로부터 방사되는 레이저의 경로 상에 위치하도록 상기 다각뿔 미러의 둘레에 다수로 배열되는 마이크로 렌즈 어레이;를 포함하는, 패턴의 회전 현상을 개선한 라이다 발광 시스템이 제공된다.
상기 다각뿔 미러에 입사되는 레이저의 빔 정형을 위해 상기 다각뿔 미러의 전단에 설치되는 빔 쉐이핑 프리즘을 더 포함할 수 있다.
상기 다각뿔 미러에 입사되는 레이저의 빔 정형을 위해 상기 다각뿔 미러의 전단에 설치되는 아나모픽 렌즈를 더 포함할 수 있다.
상기 마이크로 렌즈 어레이는, 상기 다각뿔 미러에 다수로 마련되는 미러 면 각각에 대응하도록 설치될 수 있다.
상기 마이크로 렌즈 어레이는, 서로 나란하게 배치되는 제 1 및 제 2 마이크로 렌즈 어레이로 이루어지고, 서로 반대되는 면에 실린더 구조의 마이크로 렌즈가 다수로 배열되도록 각각 형성되되, 상기 제 1 마이크로 렌즈 어레이의 마이크로 렌즈와 상기 제 2 마이크로 렌즈 어레이의 마이크로 렌즈가 서로 직교하는 방향으로 배치되도록 형성될 수 있다.
상기 마이크로 렌즈 어레이는, 단일로 이루어지고, 양측면에 실린더 구조의 마이크로 렌즈가 다수로 배열되도록 각각 형성되되, 일측면의 마이크로 렌즈와 타측면의 마이크로 렌즈가 서로 직교하는 방향으로 배치되도록 형성될 수 있다.
상기 마이크로 렌즈 어레이는, 서로 나란하게 배치되는 제 3 및 제 4 마이크로 렌즈 어레이로 이루어지고, 서로 반대되는 면에 사각형의 마이크로 렌즈가 2차원적으로 다수로 배열되도록 각각 형성될 수 있다.
상기 마이크로 렌즈 어레이는, 단일로 이루어지고, 양측면에 사각형의 마이크로 렌즈가 2차원적으로 다수로 배열되도록 각각 형성될 수 있다.
상기 마이크로 렌즈 어레이는, 서로 나란하게 배치되는 제 5 및 제 6 마이크로 렌즈 어레이로 이루어지고, 각각의 동일한 면에 실린더 구조의 마이크로 렌즈가 다수로 배열되도록 각각 형성되되, 상기 제 5 마이크로 렌즈 어레이의 마이크로 렌즈와 상기 제 6 마이크로 렌즈 어레이의 마이크로 렌즈가 서로 직교하는 방향으로 배치되도록 형성될 수 있다.
상기 마이크로 렌즈 어레이는, 서로 나란하게 배치되는 제 7 및 제 8 마이크로 렌즈 어레이로 이루어지고, 각각의 양측면에 실린더 구조의 마이크로 렌즈가 동일한 방향으로 다수로 배열되도록 각각 형성되되, 상기 제 7 마이크로 렌즈 어레이의 마이크로 렌즈와 상기 제 8 마이크로 렌즈 어레이의 마이크로 렌즈가 서로 직교하는 방향으로 배치되도록 형성될 수 있다.
상기 다각뿔 미러는, 아래의 식에 의해 산출되는 개수의 미러 면을 가질 수 있다.
여기서, n은 미러 면의 개수, FOV는 마이크로 렌즈 어레이의 Field of view이다.
상기 다각뿔 미러는, 꼭지점의 각도에 따라 외부로의 레이저 방사 방향에 수직을 이루는 레이저의 방사 각도를 조절할 수 있다.
본 발명에 따른 패턴의 회전 현상을 개선한 라이다 발광 시스템에 의하면, 회전구동부를 사용하지 않고서 단일의 레이저 광원을 이용하여, 레이저를 360도 전방위(全方位)에 걸쳐서 방사할 수 있고, 이러한 레이저에 대해서 외부로 방사되는 방향에 수직을 이루는 방사 각도를 적절하게 조절할 수 있으며, 레이저의 간섭에 의한 발산광을 효율적으로 사용할 수 있도록 하고, 구조적인 복잡함을 해소함으로써 시스템의 크기를 줄일 뿐만 아니라, 제조 비용을 줄일 수 있으며, 상용화가 용이하도록 한다.
또한 본 발명에 따른 패턴의 회전 현상을 개선한 라이다 발광 시스템에 의하면, 피치(dx,dy)를 다르게 할 수 있기 때문에 출력하는 패턴이 정사각형 뿐만 아니라 직사각형을 이루도록 할 수 있고, 수직방향의 화각이 크게 요구되지 않기 때문에 일부 줄이게 되면 광이용 효율이 상대적으로 좋아지며, 마이크로 렌즈 어레이의 렌즈 어레이 형태와 다각뿔 미러의 반사면이 이루는 각도에 무관하게 패턴이 회전하는 것을 방지하여, 감지의 신뢰도를 높일 수 있다.
도 1은 종래의 기술에 따른 라이다 발광 시스템에서 다각뿔 미러와 마이크로 렌즈 어레이의 배치를 나타낸 도면이다.
도 2는 종래의 기술에 따른 라이다 발광 시스템의 문제점을 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시례에 따른 패턴의 회전 현상을 개선한 라이다 발광 시스템을 도시한 구성도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시례에 따른 패턴의 회전 현상을 개선한 라이다 발광 시스템을 도시한 평면도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시례에 따른 패턴의 회전 현상을 개선한 라이다 발광 시스템의 사용례를 도시한 측면도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시례에 따른 패턴의 회전 현상을 개선한 라이다 발광 시스템의 사용례를 도시한 평면도이다.
도 7은 본 발명의 일 실시례에 따른 패턴의 회전 현상을 개선한 라이다 발광 시스템에서 마이크로 렌즈 어레이의 작용을 설명하기 위한 도면이다.
도 8은 본 발명의 일 실시례에 따른 패턴의 회전 현상을 개선한 라이다 발광 시스템에서 마이크로 렌즈 어레이의 간섭 무늬 예를 나타낸 이미지이다.
도 9 내지 도 14는 본 발명의 일 실시례에 따른 패턴의 회전 현상을 개선한 라이다 발광 시스템의 마이크로 렌즈 어레이에 대한 여러 실시례를 도시한 도면이다.
도 15는 본 발명의 일 실시례에 따른 패턴의 회전 현상을 개선한 라이다 발광 시스템의 다각뿔 미러를 도시한 사시도이다.
도 16은 본 발명의 일 실시례에 따른 패턴의 회전 현상을 개선한 라이다 발광 시스템에서 다각뿔 미러에 의한 수평 및 수직 광분포 조사 원리를 도시한 사시도이다.
도 17은 본 발명의 일 실시례에 따른 패턴의 회전 현상을 개선한 라이다 발광 시스템에서 다각뿔 미러의 꼭지각에 의한 수직 광분포의 각도 조절을 나타낸 도면이다.
도 18은 본 발명의 일 실시례에 따른 패턴의 회전 현상을 개선한 라이다 발광 시스템에서 레이저 광원의 원시야상(far field pattern)을 나타낸 그래프이다.
도 19는 본 발명의 일 실시례에 따른 패턴의 회전 현상을 개선한 라이다 발광 시스템에서 빔 쉐이핑의 구조를 나타낸 도면이다.
도 20은 본 발명의 일 실시례에 따른 패턴의 회전 현상을 개선한 라이다 발광 시스템에 의해서 회전 현상이 크게 개선된 패턴의 이미지이다.
도 2는 종래의 기술에 따른 라이다 발광 시스템의 문제점을 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시례에 따른 패턴의 회전 현상을 개선한 라이다 발광 시스템을 도시한 구성도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시례에 따른 패턴의 회전 현상을 개선한 라이다 발광 시스템을 도시한 평면도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시례에 따른 패턴의 회전 현상을 개선한 라이다 발광 시스템의 사용례를 도시한 측면도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시례에 따른 패턴의 회전 현상을 개선한 라이다 발광 시스템의 사용례를 도시한 평면도이다.
도 7은 본 발명의 일 실시례에 따른 패턴의 회전 현상을 개선한 라이다 발광 시스템에서 마이크로 렌즈 어레이의 작용을 설명하기 위한 도면이다.
도 8은 본 발명의 일 실시례에 따른 패턴의 회전 현상을 개선한 라이다 발광 시스템에서 마이크로 렌즈 어레이의 간섭 무늬 예를 나타낸 이미지이다.
도 9 내지 도 14는 본 발명의 일 실시례에 따른 패턴의 회전 현상을 개선한 라이다 발광 시스템의 마이크로 렌즈 어레이에 대한 여러 실시례를 도시한 도면이다.
도 15는 본 발명의 일 실시례에 따른 패턴의 회전 현상을 개선한 라이다 발광 시스템의 다각뿔 미러를 도시한 사시도이다.
도 16은 본 발명의 일 실시례에 따른 패턴의 회전 현상을 개선한 라이다 발광 시스템에서 다각뿔 미러에 의한 수평 및 수직 광분포 조사 원리를 도시한 사시도이다.
도 17은 본 발명의 일 실시례에 따른 패턴의 회전 현상을 개선한 라이다 발광 시스템에서 다각뿔 미러의 꼭지각에 의한 수직 광분포의 각도 조절을 나타낸 도면이다.
도 18은 본 발명의 일 실시례에 따른 패턴의 회전 현상을 개선한 라이다 발광 시스템에서 레이저 광원의 원시야상(far field pattern)을 나타낸 그래프이다.
도 19는 본 발명의 일 실시례에 따른 패턴의 회전 현상을 개선한 라이다 발광 시스템에서 빔 쉐이핑의 구조를 나타낸 도면이다.
도 20은 본 발명의 일 실시례에 따른 패턴의 회전 현상을 개선한 라이다 발광 시스템에 의해서 회전 현상이 크게 개선된 패턴의 이미지이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고, 여러 가지 실시례를 가질 수 있는 바, 특정 실시례들을 도면에 예시하고, 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니고, 본 발명의 기술 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 식으로 이해되어야 하고, 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 하기 실시례에 한정되는 것은 아니다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 실시례를 상세히 설명하며, 도면 부호에 관계없이 동일하거나 대응하는 구성요소에 대해서는 동일한 참조 번호를 부여하고, 이에 대해 중복되는 설명을 생략하기로 한다.
도 3은 본 발명의 일 실시례에 따른 패턴의 회전 현상을 개선한 라이다 발광 시스템을 도시한 구성도이고, 도 4는 본 발명의 일 실시례에 따른 패턴의 회전 현상을 개선한 라이다 발광 시스템을 도시한 평면도이다.
도 3 및 도 4를 참조하면, 본 발명의 일 실시례에 따른 패턴의 회전 현상을 개선한 라이다 발광 시스템(100)은 레이저 광원(110), 콜리메이터 렌즈(collimator lens; 120), 다각뿔 미러(140) 및 마이크로 렌즈 어레이(Micro Lens Array; MLA)(150)를 포함할 수 있다.
한편, 도 5 및 도 6에서와 같이, 본 발명의 일 실시례에 따른 패턴의 회전 현상을 개선한 라이다 발광 시스템(100)은 차량(10)의 상부에 설치될 수 있고, 회전구동부를 사용하지 않고서 단일의 레이저 광원(110)을 이용하여, 레이저를 360도 전방위(全方位) 영역, 예컨대 수평발광 영역(도 6 참조)에 걸쳐서 방사할 수 있고, 이러한 레이저에 대해서 외부로 방사되는 방향에 수직을 이루는 방사 각도, 예컨대 수직발광 영역(도 5 참조)을 적절하게 조절할 수 있도록 한다.
도 3을 참조하면, 레이저 광원(110)은 레이저를 조사하도록 하고, 일례로 레이저 다이오드(LD)가 사용될 수 있으며, 단일로 이루어질 수 있다.
콜리메이터 렌즈(120)는 레이저 광원(110)으로부터 조사되는 레이저를 평행광으로 변환시키도록 레이저 광원(110)의 후단에 설치되는데, 레이저 광원(110)으로부터 직접 조사되는 레이저의 경로 상에 설치되거나, 레이저 광원(110)으로부터 조사되어 광경로 전환부재 등에 의해 광경로가 전환된 레이저의 경로 상에 설치될 수 있다.
도 3, 도 15 및 도 16에서와 같이, 다각뿔 미러(140)는 콜리메이터 렌즈(120)를 통과한 레이저가 꼭지점과 그 주위의 미러 면(141)에 입사되어 반사됨으로써 전방위(全方位)에 걸쳐서 방사되도록 한다. 여기서 다각뿔은 예컨대 다각형의 각 변을 밑변으로 하고, 다각형의 평면 밖에 위치하는 한 점을 공통의 꼭지점으로 하는 여러 개의 삼각형으로 둘러싸인 다면체일 수 있다. 또한 레이저는 본 실시례에서처럼 다각뿔 미러(140)에서 꼭지점을 중심으로 하여, 꼭지점에 수직방향으로 조사될 수 있다.
다각뿔 미러(140)는 아래의 수학식 1에 의해 산출되는 개수의 미러 면(141)을 가질 수 있다.
여기서, n은 미러 면의 개수, FOV는 마이크로 렌즈 어레이의 Field of view이다.
예를 들면, 다각뿔 미러(140)에서 수평 360도 조사는 12개의 미러 면(141)에 의해 전방위 레이저 조사를 가능하도록 할 수 있다. 이러한 다각뿔 미러(140)의 미러 면(141) 개수는 마이크로 렌즈 어레이(150)의 FOV에 따라 달라진다. 만약 FOV가 20도라면, 필요한 미러 면(141)의 개수는 360도/20도 = 18개가 된다.
도 17에서와 같이, 다각뿔 미러(140)는 꼭지점의 각도에 따라 외부로의 레이저 방사 방향에 수직을 이루는 레이저의 방사 각도를 조절할 수 있다. 다각뿔 미러(140)의 꼭지점 각도를 적절히 구현하면, 외부로의 레이저 방사 방향에 수직을 이루는 레이저의 방사 각도 조절에 의해 수직 조사광의 광분포를 원하는 각도만큼 하향시킬 수 있다. 차량용 패턴의 회전 현상을 개선한 라이다 발광 시스템의 경우, 상향보다는 하향쪽 정보가 더 중요하므로, 하향쪽으로 치우지게 조사하는 것이 좋다. 따라서 꼭지각이 90도일 경우, 상하방향으로 균등하게 조사하지만, 꼭지각을 102도로 변경하면 상향 3도, 하향 27도의 분포를 만들게 된다.
도 3을 참조하면, 콜리메이터 렌즈(120)와 다각뿔 미러(140) 사이에는 빔 쉐이핑 프리즘(beam shaping prism; 130)과 아나모픽 렌즈(anamorphic lens; 미도시) 중 어느 하나 또는 모두가 설치될 수 있다.
빔 쉐이핑 프리즘(130)은 다수, 예컨대 2개가 설치될 수 있는데, 다각뿔 미러(140)로 입사되는 레이저의 빔 정형을 위해 다각뿔 미러(140)의 전단에 설치될 수 있다. 도 18에서와 같이, 레이저 광원(110)은 원시야상(far field pattern)이 비대칭적인 구조의 광분포를 가지는데, 예컨대 2:1에서 4:1의 비율로 활성층과 수직인 방향으로 더 많이 퍼진다. 따라서 레이저의 광분포를 보다 고르게 하기 위해서는 빔 정형이 필요할 수 있다. 빔 정형은 수직/수평 방향의 광분포가 균형(대략 1:1)을 이루도록 하는 것으로, 도 19에서와 같이 본 발명에서와 같은 빔 쉐이핑 프리즘(130)을 이용하거나, 다른 예로서 아나모픽 렌즈(미도시) 등을 이용할 수 있다. 도 19에서는 삼각형의 각도가 30도, 60도, 90도인 프리즘 2개를 이용해서 빔 정형을 하는 것으로 수직/수평의 비율은 각각의 빔 쉐이핑 프리즘(130)의 각도에 따라 달라질 수 있다.
아나모픽 렌즈(미도시)는 다각뿔 미러(140)에 입사되는 레이저의 빔 정형을 위해 다각뿔 미러(140)의 전단에 설치될 수 있다.
마이크로 렌즈 어레이(150)는 다각뿔 미러(140)로부터 방사되는 레이저의 경로 상에 위치하도록 다각뿔 미러(140)의 둘레에 다수로 배열되도록 한다.
도 7 및 도 8을 참조하면, 마이크로 렌즈 어레이(150)는 적절한 영역에 걸쳐서 간섭 무늬를 형성할 수 있다. 간섭 무늬는 특정한 영역에 에너지가 집중되기 때문에 레이저를 효율적으로 이용할 수 있다. 이 간섭 무늬의 간격이 좁을수록 해상도가 높고, 마이크로 렌즈 어레이(150)의 초점거리와 피치(d)에 의해 레이저의 조사 영역이 결정되고, 간섭 무늬의 간격도 정해지는데, 이를 수학식 2 및 수학식 3으로 나타낼 수 있다.
여기서, D는 Flat-top width이다.
여기서, p는 Interference period이다.
예를 들어, 사용 파장이 905nm(일반적으로 사람 눈에 보이지 않는 NIR 광원을 사용한다.)이고, 필드 렌즈(field lens)의 초점거리가 10m(또는 필드 렌즈가 없고 마이크로 렌즈 어레이와 10m 떨어진 거리에서의 영역과 간섭 무늬), 마이크로 렌즈 어레이의 피치(pitch)가 0.3mm, 초점거리가 0.56mm인 경우, 조사영역은 5.4m X 5.4m가 되고, 간섭 무늬의 주기는 대략 30mm가 된다. 이를 FOV(Field of view)로 환산하면, 약 30도가 되어 가로/세로 30도의 영역을 조사하고, 간섭 무늬의 피치는 각각 0.17도 정도가 된다.
마이크로 렌즈 어레이(150)는 필드 렌즈와 함께 또는 자신만의 단독으로 구성하여, 원하는 조사영역과 해상도를 만족시킬 수 있다. 위의 예는 수직 30도의 영역을 약 170 여개의 간섭 무늬로 구성하여, 0.17도의 해상도를 갖게 된다.
도 4 및 도 15를 참조하면, 마이크로 렌즈 어레이(150)는 다각뿔 미러(140)에 다수로 마련되는 미러 면(141) 각각에 대응하도록 설치될 수 있다. 따라서, 마이크로 렌즈 어레이(150)는 미러 면(141)의 개수에 상응하는 개수를 이루어질 수 있는데, 이는 모든 실시례에서 적용될 수 있다. 따라서, 이러한 마이크로 렌즈 어레이(150)의 배치에 의해 레이저의 전방위 조사 영역에 대한 균일성 향상에 기여할 수 있다.
도 9를 참조하면, 마이크로 렌즈 어레이(150)는 서로 나란하게 배치되는 제 1 및 제 2 마이크로 렌즈 어레이(151,152)로 이루어질 수 있고, 서로 반대되는 면에 실린더 구조의 마이크로 렌즈(151a,152a)가 다수로 배열되도록 각각 형성되되, 제 1 마이크로 렌즈 어레이(151)의 마이크로 렌즈(151a)와 제 2 마이크로 렌즈 어레이(152)의 마이크로 렌즈(152a)가 서로 직교하는 방향으로 배치되도록 형성될 수 있다.
도 10을 참조하면, 다른 실시례의 마이크로 렌즈 어레이(250)는 단일로 이루어질 수 있고, 양측면에 실린더 구조의 마이크로 렌즈(251,252)가 다수로 배열되도록 각각 형성되되, 일측면의 마이크로 렌즈(251)와 타측면의 마이크로 렌즈(252)가 서로 직교하는 방향으로 배치되도록 형성될 수 있다.
도 11을 참조하면, 또 다른 실시례의 마이크로 렌즈 어레이(350)는 서로 나란하게 배치되는 제 3 및 제 4 마이크로 렌즈 어레이(351,352)로 이루어질 수 있고, 서로 반대되는 면에 사각형의 마이크로 렌즈(351a,352a)가 2차원적으로 다수로 배열되도록 각각 형성될 수 있다.
도 12를 참조하면, 또 다른 실시례의 마이크로 렌즈 어레이(450)는 단일로 이루어질 수 있고, 양측면에 사각형의 마이크로 렌즈(451,452)가 2차원적으로 다수로 배열되도록 각각 형성될 수 있다.
도 13을 참조하면, 또 다른 실시례의 마이크로 렌즈 어레이(550)는 서로 나란하게 배치되는 제 5 및 제 6 마이크로 렌즈 어레이(551,552)로 이루어지고, 각각의 동일한 면(동일한 전면 또는 동일한 후면)에 실린더 구조의 마이크로 렌즈(551a,552a)가 다수로 배열되도록 각각 형성되되, 제 5 마이크로 렌즈 어레이(551)의 마이크로 렌즈(551a)와 제 6 마이크로 렌즈 어레이(552)의 마이크로 렌즈(552a)가 서로 직교하는 방향으로 배치되도록 형성될 수 있다.
도 14를 참조하면, 또 다른 실시례에의 마이크로 렌즈 어레이(650)는 서로 나란하게 배치되는 제 7 및 제 8 마이크로 렌즈 어레이(651,652)로 이루어지고, 각각의 양측면에 실린더 구조의 마이크로 렌즈(651a,652a)가 동일한 방향으로 다수로 배열되도록 각각 형성되되, 제 7 마이크로 렌즈 어레이(651)의 마이크로 렌즈(651a)와 제 8 마이크로 렌즈 어레이(652)의 마이크로 렌즈(652a)가 서로 직교하는 방향으로 배치되도록 형성될 수 있다.
이와 같은 마이크로 렌즈 어레이(150,250,350,450,550,650)의 실시례들에 의해서, 레이저의 출력에 대한 왜곡을 없애거나 최소화하게 된다.
이와 같은 본 발명에 따른 패턴의 회전 현상을 개선한 라이다 발광 시스템에 따르면, 회전구동부를 사용하지 않고서 단일의 레이저 광원을 이용하여, 레이저를 360도 전방위(全方位)에 걸쳐서 방사할 수 있고, 이러한 레이저에 대해서 외부로 방사되는 방향에 수직을 이루는 방사 각도를 적절하게 조절할 수 있으며, 레이저의 간섭에 의한 발산광을 효율적으로 사용할 수 있다.
또한 본 발명에 따르면, 구조적인 복잡함을 해소함으로써 시스템의 크기를 줄일 뿐만 아니라, 제조 비용을 줄일 수 있으며, 상용화가 용이하도록 한다.
또한 본 발명에 따르면, 피치(dx,dy)를 다르게 할 수 있기 때문에 출력하는 패턴이 정사각형 뿐만 아니라 직사각형을 이루도록 할 수 있고, 수직방향의 화각이 크게 요구되지 않기 때문에 일부 줄이게 되면 광이용 효율이 상대적으로 좋아지며, 도 20에서와 같이, 마이크로 렌즈 어레이의 렌즈 어레이 형태와 다각뿔 미러의 반사면이 이루는 각도에 무관하게 패턴이 회전하는 것을 방지할 수 있다.
이와 같이 본 발명에 대해서 첨부된 도면을 참조하여 설명하였으나, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 이루어질 수 있음은 물론이다. 그러므로, 본 발명의 범위는 설명된 실시례에 한정되어서는 아니되며, 후술하는 특허청구범위뿐만 아니라 이러한 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
10 : 차량 110 : 레이저 광원
120 : 콜리메이터 렌즈 130 : 빔 쉐이핑 프리즘
140 : 다각뿔 미러 141 : 미러면
150 : 마이크로 렌즈 어레이 151 : 제 1 마이크로 렌즈 어레이
151a : 마이크로 렌즈 152 : 제 2 마이크로 렌즈 어레이
152b : 마이크로 렌즈 250 : 마이크로 렌즈 어레이
251,252 : 마이크로 렌즈 350 : 마이크로 렌즈 어레이
351 : 제 3 마이크로 렌즈 어레이 351a : 마이크로 렌즈
352 : 제 4 마이크로 렌즈 어레이 352a : 마이크로 렌즈
450 : 마이크로 렌즈 어레이 451,452 : 마이크로 렌즈
550 : 마이크로 렌즈 어레이 551 : 제 5 마이크로 렌즈 어레이
551a : 마이크로 렌즈 552 : 제 6 마이크로 렌즈 어레이
552a : 마이크로 렌즈 650 : 마이크로 렌즈 어레이
651 : 제 7 마이크로 렌즈 어레이 651a : 마이크로 렌즈
652 : 제 8 마이크로 렌즈 어레이 652a : 마이크로 렌즈
120 : 콜리메이터 렌즈 130 : 빔 쉐이핑 프리즘
140 : 다각뿔 미러 141 : 미러면
150 : 마이크로 렌즈 어레이 151 : 제 1 마이크로 렌즈 어레이
151a : 마이크로 렌즈 152 : 제 2 마이크로 렌즈 어레이
152b : 마이크로 렌즈 250 : 마이크로 렌즈 어레이
251,252 : 마이크로 렌즈 350 : 마이크로 렌즈 어레이
351 : 제 3 마이크로 렌즈 어레이 351a : 마이크로 렌즈
352 : 제 4 마이크로 렌즈 어레이 352a : 마이크로 렌즈
450 : 마이크로 렌즈 어레이 451,452 : 마이크로 렌즈
550 : 마이크로 렌즈 어레이 551 : 제 5 마이크로 렌즈 어레이
551a : 마이크로 렌즈 552 : 제 6 마이크로 렌즈 어레이
552a : 마이크로 렌즈 650 : 마이크로 렌즈 어레이
651 : 제 7 마이크로 렌즈 어레이 651a : 마이크로 렌즈
652 : 제 8 마이크로 렌즈 어레이 652a : 마이크로 렌즈
Claims (12)
- 레이저를 조사하는 레이저 광원;
상기 레이저 광원으로부터 조사되는 레이저를 평행광으로 변환시키는 콜리메이터 렌즈;
상기 콜리메이터 렌즈를 통과한 레이저가 꼭지점과 그 주위의 미러 면에 입사되어 반사됨으로써 전방위(全方位)에 걸쳐서 방사되도록 하는 다각뿔 미러;
상기 다각뿔 미러로부터 방사되는 레이저의 경로 상에 위치하도록 상기 다각뿔 미러의 둘레에 다수로 배열되는 마이크로 렌즈 어레이;
상기 다각뿔 미러에 입사되는 레이저의 빔 정형을 위해 상기 다각뿔 미러의 전단에 설치되는 빔 쉐이핑 프리즘;
상기 다각뿔 미러에 입사되는 레이저의 빔 정형을 위해 상기 다각뿔 미러의 전단에 설치되는 아나모픽 렌즈;
를 포함하고,
상기 마이크로 렌즈 어레이는,
상기 다각뿔 미러에 다수로 마련되는 미러 면 각각에 대응하도록 설치되는, 패턴의 회전 현상을 개선한 라이다 발광 시스템. - 삭제
- 삭제
- 삭제
- 청구항 1 에 있어서,
상기 마이크로 렌즈 어레이는,
레이저광 경로 상에서 앞뒤로 서로 나란하게 배치되는 제 1 및 제 2 마이크로 렌즈 어레이로 이루어지고, 서로 반대되는 면에 실린더 구조의 마이크로 렌즈가 다수로 배열되도록 각각 형성되되, 상기 제 1 마이크로 렌즈 어레이의 마이크로 렌즈와 상기 제 2 마이크로 렌즈 어레이의 마이크로 렌즈가 서로 직교하는 방향으로 배치되도록 형성되는, 패턴의 회전 현상을 개선한 라이다 발광 시스템. - 청구항 1 에 있어서,
상기 마이크로 렌즈 어레이는,
단일로 이루어지고, 양측면에 실린더 구조의 마이크로 렌즈가 다수로 배열되도록 각각 형성되되, 일측면의 마이크로 렌즈와 타측면의 마이크로 렌즈가 서로 직교하는 방향으로 배치되도록 형성되는, 패턴의 회전 현상을 개선한 라이다 발광 시스템. - 청구항 1 에 있어서,
상기 마이크로 렌즈 어레이는,
레이저광 경로 상에서 앞뒤로 서로 나란하게 배치되는 제 3 및 제 4 마이크로 렌즈 어레이로 이루어지고, 서로 반대되는 면에 사각형의 마이크로 렌즈가 2차원적으로 다수로 배열되도록 각각 형성되는, 패턴의 회전 현상을 개선한 라이다 발광 시스템. - 청구항 1 에 있어서,
상기 마이크로 렌즈 어레이는,
단일로 이루어지고, 양측면에 사각형의 마이크로 렌즈가 2차원적으로 다수로 배열되도록 각각 형성되는, 패턴의 회전 현상을 개선한 라이다 발광 시스템. - 청구항 1 에 있어서,
상기 마이크로 렌즈 어레이는,
레이저광 경로 상에서 앞뒤로 서로 나란하게 배치되는 제 5 및 제 6 마이크로 렌즈 어레이로 이루어지고, 각각의 동일한 면에 실린더 구조의 마이크로 렌즈가 다수로 배열되도록 각각 형성되되, 상기 제 5 마이크로 렌즈 어레이의 마이크로 렌즈와 상기 제 6 마이크로 렌즈 어레이의 마이크로 렌즈가 서로 직교하는 방향으로 배치되도록 형성되는, 패턴의 회전 현상을 개선한 라이다 발광 시스템. - 청구항 1 에 있어서,
상기 마이크로 렌즈 어레이는,
레이저광 경로 상에서 앞뒤로 서로 나란하게 배치되는 제 7 및 제 8 마이크로 렌즈 어레이로 이루어지고, 각각의 양측면에 실린더 구조의 마이크로 렌즈가 동일한 방향으로 다수로 배열되도록 각각 형성되되, 상기 제 7 마이크로 렌즈 어레이의 마이크로 렌즈와 상기 제 8 마이크로 렌즈 어레이의 마이크로 렌즈가 서로 직교하는 방향으로 배치되도록 형성되는, 패턴의 회전 현상을 개선한 라이다 발광 시스템. - 청구항 1 에 있어서,
상기 다각뿔 미러는,
아래의 식에 의해 산출되는 개수의 미러 면을 가지는, 패턴의 회전 현상을 개선한 라이다 발광 시스템.
여기서, n은 미러 면의 개수, FOV는 마이크로 렌즈 어레이의 Field of view이다. - 청구항 1 에 있어서,
상기 다각뿔 미러는,
꼭지점의 각도에 따라 외부로의 레이저 방사 방향에 수직을 이루는 레이저의 방사 각도를 조절하는, 패턴의 회전 현상을 개선한 라이다 발광 시스템.
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-
2017
- 2017-03-22 KR KR1020170036346A patent/KR101946870B1/ko active IP Right Grant
Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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