KR101947721B1 - 라이다 장비의 광학계 - Google Patents

Abstract

레이저 광을 송신 및 수신 받는 라이다 장치에 포함되는 광학계로서, 라이다 장비의 광학계가 개시된다. 본 발명의 실시 예에 따른 라이다 장비의 광학계는, 회전축에 대해 소정의 각도로 기울어진 상태로 지지되며 도달하는 레이저 광을 일정 각도로 반사시키는 미러스캐너, 상기 미러스캐너의 상부에 배치되어, 상기 미러스캐너의 표면으로 평면 확산 레이저 광을 조사하는 송신부, 상기 송신부와 상기 미러 사이에 배치되고, 상기 평면 확산 레이저 광을 회전시켜 통과시키는 프리즘, 및, 상기 미러스캐너 상부에 배치되어, 측정대상으로부터 반사 또는 산란되어 돌아오는 레이저 광을 상기 미러스캐너의 반사를 통해 수광하는 수신부를 포함하고, 상기 미러는, 상기 회전축을 중심으로 회전하며 상기 프리즘을 통과한 상기 평면 확산 레이저 광을 상기 측정 대상을 향하여 반사시키고, 상기 반사된 평면 확산 레이저 광의 확산 방향은 일정하다.

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, 측정 대상에 도달하는 평면 확산 평면 레이저의 회전을 프리즘을 이용하여 방지하는 라이다 장비의 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.

구체적으로 도 1을 참고하면, 라이다(Light Detecting and Ranging)는, 레이저 다이오드(Laser Diode)에서 발사된 레이저 빔(t_LD)의 신호(110)로부터, 측정 대상에서 반사되어 포토 다이오드(Photo Diode)로 돌아온 레이저 빔(t_PD)의 신호(120)의 지연 시간(Δt)를 이용하여 라이다(Light Detecting and Ranging)와 측정 대상까지 와의 거리(d)를 측정하는 비행시간법(time of flight method) 기반의 비접촉식 거리 측정 센서이다.

라이다(Light Detecting and Ranging)는 중·장거리 정밀 거리측정이 가능하며 스캐너구조를 이용하면 넓은 영역의 형상(2차원 또는 3차원) 정보를 얻을 수 있다. 이와 같은 라이다(Light Detecting and Ranging)는 토목, 건축, 보안, 도로 교통, 무인 반송 차량 및 로봇 등의 다양한 산업분야에 사용 되고 있다.

또한 최근에는 자율주행 자동차, 무인드론, 서비스 로봇과 같은 모바일 플랫폼에 라이다의 적용이 활발해 지고 있으며 그에 따라 고속 광역 스캐닝 및 중장거리 측정이 가능한 라이다에 관심이 집중되고 있다.

도 2를 참고하면, 보통 라이다는 레이저빔을 조사하는 송신부(210), 되돌아오는 레이저빔을 수광하는 수신부(220), 수신빔을 수신부로 집광시키는 집광렌즈(230)로 구성되며 크게 송신부과 수신부의 배치에 따라 구조가 나뉜다.

여기서 a는 송신부의 광축, b는 수신부의 광축, 211은 송신빔의 경로, 221은 수신빔의 경로를 의미한다.

도 2a에서 도시하는 바와 같이, 송신부(210)와 수신부(220)가 동일 축에 배치되는 co-axial 구조의 경우, 부피를 최소화 할 수 있는 장점이 있는데 반해, 수신빔의 경로(221) 상에 송신부(210)가 위치하고 있어 수신빔의 일부가 가려져 수광률이 저하되고 이로 인해 장거리 측정에 제한을 받는 문제점이 발생할 수 있다.

도 2b에서 도시하는 바와 같이, 송신부(210)와 수신부(220)가 나란히 배치된 bi-axial 구조의 경우, co-axial 구조에 비해 부피가 다소 증가하는 단점이 있는데 반해, 수신빔의 경로(221)가 송신부(210)에 의해 가려지지 않아 수광률을 최대화 할 수 있는 장점이 있다.

일반적으로 동일한 성능의 광학 소자 및 부품을 사용할 경우 bi-axial 구성이 co-axial 구성에 비해 장거리 측정에 유리하여 기존 장거리 측정 라이다에 많이 사용된다.

한편, 넓은 스캐닝 영역을 확보하기 위하여 송신빔 및 수신빔을 반사시키는 거울이 이용되고 있다. 구체적으로 거울을 회전시키면서 송신빔 및 수신빔을 반사시켜 레이저빔의 경로를 다양하게 변경함으로써, 다양한 스캐닝 영역을 확보할 수 있다.

이러한 경우, 거울의 회전에 따라 측정 대상에 도달하는 레이저빔 역시 회전하게 되는 문제점이 발생할 수 있다.

본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은 측정 대상에 도달하는 평면 확산 레이저의 회전을 프리즘을 이용하여 방지하는 라이다 장비의 광학계를 제공하기 위함이다.

본 발명의 실시예에 따른, 레이저 광을 송신 및 수신 받는 라이다 장치에 포함되는 광학계로서의 라이다 장비의 광학계는, 회전축에 대해 소정의 각도로 기울어진 상태로 지지되며 도달하는 레이저 광을 일정 각도로 반사시키는 미러스캐너, 상기 미러스캐너의 상부에 배치되어, 상기 미러스캐너의 표면으로 평면 확산 레이저 광을 조사하는 송신부, 상기 송신부와 상기 미러 사이에 배치되고, 상기 평면 확산 레이저 광을 회전시켜 통과시키는 프리즘, 및, 상기 미러스캐너 상부에 배치되어, 측정대상으로부터 반사 또는 산란되어 돌아오는 레이저 광을 상기 미러스캐너의 반사를 통해 수광하는 수신부를 포함하고, 상기 미러는, 상기 회전축을 중심으로 회전하며 상기 프리즘을 통과한 상기 평면 확산 레이저 광을 상기 측정 대상을 향하여 반사시키고, 상기 반사된 평면 확산 레이저 광의 확산 방향은 일정하다.

이 경우 상기 반사된 평면 확산 레이저 광의 확산 방향은,

상기 회전축의 방향과 동일할 수 있다.

이 경우 상기 반사된 평면 확산 레이저 광의 확산 방향 및 상기 회전축의 방향은 수직일 수 있다.

한편, 상기 프리즘은, 상기 회전축과 평행한 제2 회전축을 중심으로 회전할 수 있다.

이 경우 상기 프리즘의 회전 각속도는, 상기 미러의 회전 각속도의 절반일 수 있다.

한편 상기 프리즘은, 도브 프리즘일 수 있다.

한편 본 발명의 실시 예에 따른 라이다 장비의 광학계는, 구동력을 발생시키는 모터, 상기 미러스캐너의 중심에 결합되어 상기 미러스캐너를 지지하고, 상기 모터에 연결되어 회전하는 제1 샤프트, 제2 샤프트, 상기 제1 샤프트와 상기 제2 샤프트를 연결하여 상기 제2 샤프트를 회전시키는 제1 연결부재, 및, 상기 제2 샤프트와 상기 프리즘을 연결하여 상기 프리즘을 회전시키는 제2 연결부재를 포함할 수 있다.

도 1은 라이다 시스템을 개략적으로 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 라이다 장비의 수신부 및 수신부의 구조를 설명하기 위한 도면이다.
도 3 내지 도 4는, 라이다의 송, 수신부의 광축과 수직한 방향으로 회전축을 가지는 거울 스캐너를 포함하는 라이다의 수직 스캐너 구조를 도시한 도면이다
도 5 내지 도 6은, 라이다의 송, 수신부의 광축과 평행한 회전축을 가지는 거울 스캐너를 포함하는 라이다의 수직 스캐너 구조를 도시한 도면이다.
도 7은 본 발명의 실시 예에 따른, 라이다 장비의 광학계를 도시한 사시도이다.
도 8은 본 발명의 실시 예에 따른, 라이다 장비의 광학계를 도시한 단면도이다.
도 9 내지 도 10은 본 발명의 실시 예에 따른, 하나의 모터를 이용하여 프리즘 및 미러스캐너가 회전할 수 있는 라이다 장비의 광학계를 도시한 단면도이다.
도 11은 본 발명의 라이다 장비의 광학계에 따른 스캐닝 영역을 도시한 도면이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 명세서에 개시된 실시 예를 상세히 설명하되, 도면 부호에 관계없이 동일하거나 유사한 구성요소는 동일한 참조 번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 이하의 설명에서 사용되는 구성요소에 대한 접미사 "모듈" 및 "부"는 명세서 작성의 용이함만이 고려되어 부여되거나 혼용되는 것으로서, 그 자체로 서로 구별되는 의미 또는 역할을 갖는 것은 아니다. 또한, 본 명세서에 개시된 실시 예를 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 명세서에 개시된 실시 예의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다. 또한, 첨부된 도면은 본 명세서에 개시된 실시 예를 쉽게 이해할 수 있도록 하기 위한 것일 뿐, 첨부된 도면에 의해 본 명세서에 개시된 기술적 사상이 제한되지 않으며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

제1, 제2 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되지는 않는다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.

어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.

단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함한다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

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 3 내지 도 6에서는, 라이다 장비를 구성하는 다양한 형태의 광학계를 소개하고, 발생할 수 있는 문제점에 대하여 설명한다.

도 3 내지 도 4는, 라이다의 송, 수신부의 광축과 수직한 방향으로 회전축을 가지는 거울 스캐너를 포함하는 라이다의 수직 스캐너 구조를 도시한 도면이다.

도 3에 따르면, 라이다 장비의 광학계는, 레이저 빔을 조사하는 송신부(210); 측정 대상으로부터 반사 또는 산란되어 되돌아오는 레이저 빔을 수광하는 수신부(220), 상기 되돌아오는 레이저 빔을 수신부로 집광시키는 집광렌즈(230), 송신부(210)의 광축(a) 및 수신부(220)의 광축(b)과 수직인 방향의 회전축(z)을 중심으로 회전하는 거울 스캐너(240)를 포함할 수 있다.

이와 같이 거울 스캐너(240)를 사용하는 경우, 송신부(210) 및 수신부(220)의 회전 없이도 레이저빔의 경로를 바꿀 수 있기 때문에, 넓은 수평축 스캐닝 영역(HA)를 확보할 수 있는 장점이 있다.

한편, 도 3에서 도시하는 바와 같은 점 형태(예를 들어, 레이저빔의 단면이 원인 형태)의 레이저빔을 사용하는 경우 에는 넓은 수직축 스캐닝 영역을 확보하기가 어렵다.

때문에 도 4에서 도시하는 바와 같이 평면 확산 레이저빔이 사용될 수 있다.

평면 확산 레이저 빔은 확산 방향(W1, W2)을 가질 수 있다.

구체적으로 평면 확산 레이저 빔은, 레이저 빔이 진행하면서 두 방향으로 점점 확산될 수 있다. 여기서 두 방향은 광의 진행방향에 직교하는 방향이며, 서로 반대되는 방향일 수 있다.

예를 들어 평면 확산 레이저빔이 수직 방향으로 확산되는 경우, 평면 확산 레이저빔은 수평면에 90도인 제1 방향 및 수평면에 -90도인 제2방향으로 확산될 수 있으며, 레이저빔이 더 많이 진행한 경우의 확산 폭이 레이저빔이 조금 진행한 경우의 확산 폭 보다 더욱 클 수 있다. 여기서 제1 방향 및 제2 방향을 확산 방향이라 통칭할 수 있다.

이와 같이 수직 방향의 평면 확산 레이저빔을 사용하는 경우, 측정대상에도 수직 방향으로 확산된 레이저빔(411)이 도달하게 된다. 따라서 수평축 스캐닝 영역(HA)뿐만 아니라 수직축 스캐닝 영역(VA)까지 확보할 수 있는 장점이 있다.

다만, 도 3 내지 도 4에서 설명하는 라이다 장비의 광학계는, 최대 180도의 수평축 스캐닝 영역을 확보할 수 있을 뿐, 그 이상의 광역 스캐닝 영역을 확보하지 못한다는 문제점이 발생할 수 있다.

상술한 문제점은, 거울 스캐너의 회전축이 라이다의 송, 수신부의 광축과 평행한 구조를 가짐으로써 해결될 수 있다.

도 5 내지 도 6은, 라이다의 송, 수신부의 광축과 평행한 회전축을 가지는 거울 스캐너를 포함하는 라이다의 수직 스캐너 구조를 도시한 도면이다.

도 5에서 도시하는 바와 같이 거울 스캐너(240)의 회전축(c)이 송신부(210)의 광축(a) 및 수신부(220)의 광축(b)과 평행하고, 거울 스캐너(240)가 기울어진 형태인 경우, 거울 스캐너(240)가 회전축(c)을 중심으로 360도 회전함에 따라, 360도의 수평축 스캐닝 영역(HA)를 확보할 수 있는 장점이 있다.

한편, 도 5에서 도시하는 바와 같은 점 형태(예를 들어, 레이저빔의 단면이 원인 형태)의 레이저빔을 사용하는 경우 에는, 수평축 스캐닝 영역(HA)은 360도 확보할 수 있으나, 넓은 수직축 스캐닝 영역을 확보하기가 어렵다.

따라서 넓은 수직축 스캐닝 영역을 확보하기 위하여, 도 4에서와 마찬가지로 평면 확산 레이저 빔을 사용할 수 있다. 이는 도 6에서 도시하였다.

도 4에서는, 송신부(210)에서 조사된 레이저 빔의 확산 방향(W1)이 거울 스캐너(240)의 회전축(Z)의 방향과 동일하기 때문에, 레이저 빔이 거울 스캐너(240)에서 반사되기 전의 확산 방향(W1)과 레이저 빔이 거울 스캐너(240)에서 반사된 후의 확산 방향(W2)이 서로 동일하게 되며, 거울 스캐너(240)의 회전에도 불구하고 확산 방향은 항상 동일하게 된다.

따라서 송신부(210)에서 조사된 레이저빔이 수직 방향의 확산 방향을 가지고 있는 경우, 측정 대상에 도달하는 레이저 빔(411) 역시 항상 수직 방향을 가지게 되기 때문에, 넓은 수직축 스캐닝 영역을 확보할 수 있다.

다만 도 6에서는, 거울 스캐너(240)의 회전축(c)이 송신부(210)의 광축(a) 및 수신부(220)의 광축(b)과 평행하고, 거울 스캐너(240)가 기울어진 형태이다. 따라서, 송신부(210)에서 조사된 레이저빔의 확산 방향(W1)은 항상 동일하나, 거울 스캐너(240)에서 반사된 레이저 빔의 확산 방향(W2)은 거울 스캐너(240)가 회전함에 따라 레이저 빔의 진행 방향(d)을 회전축으로 하여 회전하게 된다.

따라서 측정 대상에 도달하는 레이저 빔(412, 413) 역시 거울 스캐너(240)의 회전 정도에 따라 수직이 되거나 기울어 지거나 수평이 되기 때문에, 넓은 수직축 스캐닝 영역을 안정되게 확보할 수 없는 문제가 발생되며, 이러한 문제의 해결이 필요하다.

도 7은 본 발명의 실시 예에 따른, 라이다 장비의 광학계를 도시한 사시도이다.

도 8은 본 발명의 실시 예에 따른, 라이다 장비의 광학계를 도시한 단면도이다.

도 7 내지 도 8에 따르면, 본 발명의 실시 예에 따른 라이다 장비의 광학계는, 레이저 광을 송신 및 수신 받는 라이다 장치에 포함되는 광학계로서, 송신부(610), 수신부(620), 집광 렌즈(630), 미러스캐너(640) 및 프리즘(650)을 포함할 수 있다.

송신부(610)는 레이저 광을 발생시키는 광원으로 레이저 광(송신빔)을 조사할 수 있다.

이 경우 송신부(610)는 미러스캐너(640)의 상부에 배치되어, 미러스캐너(640)의 표면으로 레이저 광을 조사할 수 있다.

여기서 조사되는 레이저 광은 평면 확산 레이저 광일 수 있으며, 송신부(610)는 고정될 수 있다. 이에 따라, 미러스캐너(640)의 회전에도 불구하고, 평면 확산 레이저광의 확산 방향은 일정할 수 있다.

미러스캐너(640)는 소정 길이의 가로, 세로, 두께를 가지는 직육면체 형태의 반사 부재일 수 있으나 이에 한정되지 아니하며, 모든 형상으로 제작될 수 있다.

미러스캐너(640)가 직육면체로 형성되는 경우에 가로 방향의 길이는 집광 렌즈의 직경일 수 있고, 세로 방향의 길이는 집광 렌즈(630)의 직경과 송신부(610)의 폭을 합친 값으로 설정될 수 있다.

그리고, 미러스캐너(640) 상부에는 송신부(610)와 수신부(620)가 배치될 수 있다. 이 경우 송신부(610)의 광축(X3)과 수신부(620)의 광축(X1)은 서로 평행할 수 있다.

여기서 송신부(610)의 광축(X3)은 송신부(610)로부터 조사된 레이저 광이 진행하는 방향 또는 경로를 의미할 수 있으며, 수신부(X1)의 광축은 레이저 광이 측정 대상에서 반사되거나 산란되어 되돌아와 미러스캐너(640)에서 반사된 경우 반사된 레이저 광이 진행하는 방향 또는 경로를 의미할 수 있다.

실시예는 도시된 바와 같이 수신빔이 지나가는 광학 경로에 송신부(610) 및 프리즘(650)가 배치되지 않기 때문에 수신빔의 수광률을 더욱 향상시킬 수 있다.

상술한 바와 같은 광학계 구조에서 송신부(620)의 광축(X3)은 미러스캐너(640)의 회전축(X2)과 일치하지 않게 형성된다. 라이다 장비 내부에서 송신부(620)의 위치는 고정되어 있기 때문에, 측정 방향을 변경하기 위해 미러스캐너(640)를 회전시키게 되면, 송신빔이 미러스캐너(640)의 표면 위로 조사되는 지점의 위치가 연속적으로 변경될 수 있다.

미러스캐너(640)는 송신부(610)에서 조사된 레이저 광을 측정대상으로 반사시키거나, 측정 대상에서 반사 또는 산란되어 되돌아오는 레이저 광을 반사시켜 수신부(620)로 이동하게 하는 역할을 할 수 있다.

미러스캐너(640)와 수신부(620) 사이에는 집광 렌즈(630)가 마련될 수 있으며, 집광 렌즈(630)는 미러스캐너(640)의 넓은 영역에서 반사되는 수신광을 집광하여 정보의 손실이 일어나지 않도록 할 수 있다.

미러스캐너(640)는 송신빔이 반사되는 영역과 수신빔이 반사되는 영역을 포함하도록, 집광 렌즈(640)에 의해 수광되는 영역에서부터 송신빔이 반사되는 영역만큼 연장되어 형성될 수 있다.

미러스캐너(640) 중심의 하면에는 제1 샤프트(661)가 결합되어, 미러스캐너(640)는 제1 샤프트(661)에 의해 지지될 수 있다.

또한 미러스캐너(640)의 회전축(X2)은 미러스캐너(640)의 중심을 통과할 수 있으며 제1 샤프트(661)의 회전축과 동일할 수 있다.

이에 따라 제1 샤프트(661)가 회전하게 되면, 미러스캐너(640)는 회전축(X2)을 중심으로 360도 회전할 수 있다.

또한 미러스캐너(640)의 회전축(X2)은, 송신부(610)의 광축(X3)과 평행할 수 있다.

미러스캐너(640)는 레이저 광의 전달 경로를 변경해주기 위하여 소정의 각도로 기울어지도록 형성될 수 있다.

구체적으로 미러스캐너(640)는, 회전축(X2)에 대해 소정의 각도로 기울어진 상태로 형성될 수 있으며, 바람직하게는 수신빔 또는 송신빔이 90도로 꺽일 수 있도록 수평면에 대해 45도만큼 기울어져 형성될 수 있다.

미러스캐너(640)는 미러스캐너(640)에 도달하는 레이저 광을 일정 각도로 반사시킬 수 있다.

구체적으로 송신부(610)에서 조사된 레이저 광이 프리즘(650)을 통과하여 미러스캐너(640)에 도달하면, 미러스캐너(640)는 도달한 레이저 광을 측정 대상을 향해 반사시킬 수 있다.

또한 미러스캐너(640)는 측정 대상으로부터 반사 또는 산란되어 돌아오는 레이저 광을 반사시킬 수 있다. 이 경우 반사된 레이저 광은 집광 렌즈(630)에서 집광되어 수신부(620)에서 수광될 수 있다.

실시예는 미러스캐너(640)가 한 개로 형성되어 송신광과 수신광을 동시에 반사시키는 구조이지만, 반사되는 영역은 상이하게 형성된다.

라이다 장비 광학계는, 수신부(620)의 광축과 송신부(610)의 광축이 서로 상이하게 형성될 수 있다.

송신부(610)의 광축(X3)와 수신부(620)의 광축(X1)은 서로 평행하면서, 소정의 거리만큼 이격되어 형성될 수 있다. 다시 말하면, 송신부(610)에서 나오는 송신빔과 수신부(620)로 들어가는 수신빔의 경로가 서로 평행하도록 송신부(610)와 수신부(620)가 정렬되어 배치될 수 있다.

한편, 송신부(610)는, 송신부(610)에서 조사되는 송신빔이 미러스캐너(640)에 조사될 수 있도록, 수신부(620)로부터 소정 거리만큼 이격되어 형성될 수 있다.

또한, 미러스캐너(640)의 상부에는 수신광을 집광하기 위한 집광 렌즈(630)가 배치되는데, 송신부(610)는 송신빔이 집광 렌즈(630)에 조사되는 영역이 생기지 않도록 집광 렌즈(630)의 측면에 배치될 수 있다.

수신부(620)는 측정물체로부터 반사 또는 산란된 레이저 광을(수신빔) 수신하는 렌즈, 수신된 광을 전기적인 신호로 변환하는 부재를 포함할 수 있다.

측정 물체로부터 반사 또는 산란된 레이저 광(수신빔)은 미러스캐너(640)에서 반사된 후 미러스캐너(640)의 상부에 배치된 집광 렌즈(630)에서 집광될 수 있다. 그리고 수신부(620)는 미러스캐너(640)의 상부, 그리고 집광 렌즈(630)의 상부에 배치되어, 집광된 레이저 광을 수광하여 전기적 신호로 변환할 수 있다.

프리즘(650)은, 송신부(610)와 미러스캐너(640) 사이에 배치될 수 있다. 구체적으로 프리점(650)은 송신부(610)의 하부 및 미러스캐너(640)의 상부에 배치될 수 있다.

프리즘(650)은 송신부(610)에서 조사된 레이저 광을 송신부(610)에서 조사된 레이저 광의 광축을 기준으로 회전시켜 통과시킬 수 있다.

예를 들어, 송신부(610)에서 조사된 레이저 광은, 프리즘(650)을 통과하면서 송신부(610)의 광축(X3)을 기준으로 회전될 수 있다.

여기서 프리즘(650)은 직각 프리즘의 꼭지 부분을 자른 사다리꼴의 형태를 취하는 도브(dove) 프리즘일 수 있다.

송신부(610)에서 조사된 레이저 광은 도브 프리즘에 입사될 수 있다.

이 경우 도브 프리즘은 입사된 레이저 광을 굴절시킬 수 있다.

구체적으로 도브 프리즘의 입사면에 입사된 레이저 광은 프리즘 내부의 전반사를 통하여 회전되어, 도브 프리즘의 출사면으로 출사될 수 있다.

한편 본 발명의 실시 예에 따른 라이다 장비의 광학계에서는, 송신부(610)에서 조사되어 프리즘(650)을 통과한 평면 확산 레이저 광이 미러스캐너(640)에서 반사되는 경우, 미러스캐너(640)에서 반사된 평면 확산 레이저 광의 확산 방향(W)은 일정할 수 있다.

구체적으로, 도브 프리즘이 회전하는 경우, 도브 프리즘에 입사된 레이저 광은 프리즘 내부의 전반사를 통하여 도브 프리즘의 회전 각도의 두배에 해당되는 각도로 회전되어, 도브 프리즘으로부터 출사될 수 있다.

이와 같은 특성을 이용하여, 미러스캐너(640)가 회전함에도 불구하고, 미러스캐너(640)에서 반사된 평면 확산 레이저 광의 확산 방향(W)이 항상 일정하도록 프리즘(650)이 회전될 수 있다.

구체적으로 프리즘(650)은 미러스캐너(640)의 회전축(661)과 평행한 제2 회전축을 중심으로 회전할 수 있다. 여기서 제2 회전축은, 송신부(610)의 광축과 평행하거나 일치하며, 송신부(610)로부터 조사된 레이저 광은 프리즘(650)의 입사면에 입사될 수 있다.

또한 프리즘(650)의 회전 각속도는 미러스캐너(640)의 회전 각속도의 절반일 수 있다.

구체적으로, 미러스캐너(640)가 회전하는 경우, 프리즘(650)은 미러스캐너(640)의 회전 방향과 동일한 방향으로, 그리고 미러스캐너(640)의 회전 속도의 절반의 속도로 회전할 수 있다.

도 6에서는 미러스캐너가 회전함에 따라, 평면 확산 레이저 광의 확산 반향 역시 회전하는 것으로 설명한 바 있다.

또한 도브 프리즘에 입사된 레이저 광은 도브 프리즘의 회전 각도의 두배에 해당하는 각도로 회전하는 것으로 설명한 바 있다.

따라서, 프리즘(650)이 미러스캐너(640)의 회전 속도의 절반의 속도로 회전하면, 미러스캐너(640)의 회전에도 불구하고, 프리즘(650)을 통과하여 미러스캐너(640)에서 반사된 평면 확산 레이저 광의 확산 방향(W)은 항상 동일할 수 있다.

이 경우 미러스캐너(640)에서 반사된 평면 확산 레이저 광의 확산 방향(W)은, 미러스캐너(640)의 회전축(X2)의 방향과 동일할 수 있다.

예를 들어 미러스캐너(640)의 회전축(X2)의 방향이 수직 방향인 경우, 미러스캐너(640)에서 반사된 평면 확산 레이저 광의 확산 방향(W) 역시 수직 방향일 수 있다.

한편 도시하지는 않았으나, 본 발명의 실시 예에 따른 라이다 장비의 광학계는, 프리즘(650)의 회전을 제어하는 제어부 및 프리즘(650)에 구동력을 전달하는 모터를 포함할 수 있다.

이 경우 제어부는, 미러스캐너(640)의 회전 각속도에 기초하여, 프리즘(650)이 미러스캐너(640)의 회전 각속도의 절반의 각속도로 회전하도록, 프리즘(650)에 구동력을 전달하는 모터를 제어할 수 있다.

한편, 미러스캐너(640)와 프리즘(650)이 하나의 모터에 의하여 회전하는 방식으로도 구현될 수 있다.

이와 관련해서는 도 9 내지 도 10를 참조하여 구체적으로 설명한다.

도 9 내지 도 10은 본 발명의 실시 예에 따른, 하나의 모터를 이용하여 프리즘 및 미러스캐너가 회전할 수 있는 라이다 장비의 광학계를 도시한 단면도이다.

라이다 장비의 광학계는, 모터(660), 제1 샤프트(661), 제2 샤프트(671), 제1 연결부재(910) 및 제2 연결부재(920)를 더 포함할 수 있다.

모터(660)는 구동력을 발생시켜 제1 샤프트(661)에 전달할 수 있다.

제1 샤프트(661)는 미러스캐너(640)의 중심의 하면에 결합되어 미러스캐너(640)를 지지하고, 모터(660)에 연결되어 제1 회전축(X2)을 중심으로 회전할 수 있다. 또한 제1 샤프트(661)가 회전함에 따라 미러스캐너(640) 역시 제1 회전축(X2)를 중심으로 회전할 수 있다. 이에 따라 송신빔의 방향은 제1 회전축(X2)을 중심으로 360도 회전할 수 있다.

한편 제2 샤프트(671)는 제1 샤프트(661)가 회전함에 따라 함께 회전할 수 있다.

구체적으로 제2 샤프트(671)는 제1 연결부재(910)를 통하여 제1 샤프트(661)와 연결되고, 제1 연결부재(910)를 통하여 제1 샤프트(661)의 회전력을 전달받을 수 있다. 즉 제1 연결부재(910)는 제1 샤프트(661)의 회전력을 제2 샤프트(671)에 전달하여 제2 샤프트(671)를 회전시킬 수 있다.

한편 제1 샤프트(661)가 제1 회전축(X2)을 중심으로 회전함에 따라, 제2 샤프트(671)는 제3 회전축(X4)를 중심으로 회전할 수 있다. 여기서 제1 회전축(X2) 및 제3 회전축(X4)은 서로 평행할 수 있다. 또한 제1 회전축(X2) 및 제3 회전축(X4)은 수신부(620)의 광축(X1) 및 송신부(610)의 광축과 평행할 수 있다.

한편 프리즘(650)는 제2 샤프트(671)가 회전함에 따라 함께 회전할 수 있다.

구체적으로 프리즘(650)는 제2 연결부재(920)를 통하여 제2 샤프트(671)와 연결되고, 제2 연결부재(920)를 통하여 제2 샤프트(671)의 회전력을 전달받을 수 있다. 즉 제2 연결부재(920)는 제2 샤프트(671)의 회전력을 프리즘(650)에 전달하여 프리즘(650)를 회전시킬 수 있다.

한편 제2 샤프트(671)가 제3 회전축(X4)을 중심으로 회전함에 따라, 프리즘(650)는 제2 회전축(X3)을 중심으로 회전할 수 있다. 프리즘(650)은 송신부(610)의 하부에 배치되기 때문에, 제2 회전축(X3)은 송신부(610)를 통과할 수 있다. 예를 들어 제2 회전축(X3)은 송신부(610)의 단면의 중심을 통과할 수 있다. 또한 제2 회전축(X3)은 프리즘(650)의 단면의 중심으로 통과할 수 있다. 또한 제2 회전축(X3)은 송신부(610)의 광축과 동일하거나 평행할 수 있다.

여기서 제2 회전축(X3) 및 제3 회전축(X4)은 서로 평행할 수 있다. 또한 제2 회전축(X3) 및 제3 회전축(X4)은 수신부(620)의 광축(X1)과 평행할 수 있다.

한편 제1 연결 부재(910)는, 제1 풀리(911), 제2 풀리(912) 및 제1 벨트(913)를 포함할 수 있다.

제1 풀리(911)의 중심은 제1 샤프트(661)에 연결될 수 있다. 이에 따라, 제1 풀리(911)는 제1 샤프트(661)의 제1 회전축(X2)과 동일한 회전축을 중심으로 제1 샤프트(661)와 함께 회전할 수 있다.

한편 제1 밸트(913)은 제1 풀리(911) 및 제2 풀리(912)의 외주면과 접촉하는 고리 형태의 밸트일 수 있다. 제1 밸트(913)는 제1 풀리(911) 및 제2 풀리(912)를 감싸고 있는 형태일 수 있다.

한편 모터(660)가 구동하면 모터(660)에서 발생된 구동력은 제1 샤프트(661)에 전달되어, 제1 샤프트(661) 및 제1 샤프트(661)에 연결된 제1 풀리(911)가 제1 방향(S1)으로 회전할 수 있다. 이 경우 구동력은 제1 밸트(913)를 통하여 제2 풀리(912)로 전달될 수 있다. 이에 따라 제2 풀리(912)는 제1 방향(S1)으로 회전할 수 있다.

또한 제2 풀리(912)의 중심에는 제2 샤프트(671)가 연결될 수 있다. 그리고 제2 샤프트(671)는 제2 풀리(912)가 회전함에 따라 제1 방향(S1)으로 함께 회전할 수 있다. 이 경우 제2 샤프트(671)는 제2 풀리(912)의 회전축과 동일한 회전축인 제3 회전축(X4)를 중심으로 회전할 수 있다.

한편 제2 연결 부재(920)는, 제3 풀리(921), 제4 풀리(922) 및 제2 벨트(923)를 포함할 수 있다.

제3 풀리(921)의 중심은 제2 샤프트(671)에 연결될 수 있다. 이에 따라, 제3 풀리(921)는 제2 샤프트(671)의 제3 회전축(X4)과 동일한 회전축을 중심으로 제2 샤프트(671)와 함께 제1 방향(S1)으로 회전할 수 있다.

한편 제2 밸트(923)은 제3 풀리(921) 및 제4 풀리(922)의 외주면과 접촉하는 고리 형태의 밸트일 수 있다. 제2 밸트(923)는 제3 풀리(921) 및 제4 풀리(922)를 감싸고 있는 형태일 수 있다.

한편 제2 샤프트(671)가 회전하면 제2 샤프트(671)에 연결된 제3 풀리(921)가 회전할 수 있다. 이 경우 구동력은 제2 밸트(923)를 통하여 제4 풀리(922)로 전달될 수 있다. 이에 따라 제4 풀리(922)는 제1 방향(S1)으로 회전할 수 있다.

제4 풀리(922)는 프리즘(650)을 둘러싸는 형태로 프리즘(650)에 연결될 수 있다. 그리고 프리즘(650)은 제4 풀리(922)가 회전함에 따라 함께 회전할 수 있다. 이 경우 프리즘(650) 및 제4 풀리(922)는 제2 회전축(X3)을 중심으로 제1 방향(S1)으로 회전할 수 있다.

한편 제1 연결 부재(910) 및 제2 연결 부재(920)는 프리즘(650)의 회전 각속도가 미러스캐너(640)의 회전 각속도의 절반이 되도록 설계될 수 있다.

예를 들어 제1 풀리(911)의 직경(R1)은 제2 풀리(912)의 직경(R2)의 절반이고, 제3 풀리(921)의 직경(R3)과 제4 풀리(922)의 직경(R4)은 동일할 수 있다. 이 경우 제2 샤프트(671)는 제1 샤프트(661)의 각속도의 절반의 각속도로 회전하게 되며, 제2 샤프트(671)의 회전 각속도와 제4 풀리(922)의 회전 각속도는 동일할 수 있다. 또한 미러 스캐너(640)의 회전 각속도는 제1 샤프트(661)의 회전 각속도와 동일할 수 있으며, 프리즘(650)의 회전 각속도는 제4 풀리(922)의 회전 각속도와 동일할 수 있다. 이에 따라 프리즘(650)의 회전 각속도는 미러스캐너(640)의 회전 각속도의 절반이 될 수 있다.

한편 제1 풀리(911)의 직경(R1)은 제2 풀리(912)의 직경(R2)의 절반이고, 제3 풀리(921)의 직경(R3)과 제4 풀리(922)의 직경(R4)은 동일하다고 설명하였으나 이에 한정되지 않는다. 즉 프리즘(650)의 회전 각속도가 미러스캐너(640)의 회전 각속도의 절반이 되도록 할 수 있는 어떠한 설계도 가능하다.

또한 상술한 실시 예에서는 연결 부재가 풀리 및 밸트로 구성되는 것으로 설명하였으나 이에 한정되지 않는다,

구체적으로, 제1 연결 부재(910)는 제1 샤프트(661)에 연결되는 제1 기어 및 제2 샤프트(671)에 연결되고 제1 기어에 끼워지는 제2 기어를 포함할 수 있다. 또한 제2 연결 부재(920)는 제2 샤프트(671)에 연결되는 제3 기어 및 프리즘(650)을 둘러싸도록 프리즘(650)에 연결되고 제3 기어에 끼워지는 제4 기어를 포함할 수 있다.

이 경우에도 제1 연결 부재(910) 및 제2 연결 부재(920)는 프리즘(650)의 회전 각속도가 미러스캐너(640)의 회전 각속도의 절반이 되도록 설계될 수 있다.

예를 들어 제2 기어에 마련되는 돌기(기어의 이)의 수는 제1 기어에 마련되는 돌기의 수의 두배일 수 있으며, 제3 기어에 마련되는 돌기의 수와 제4 기어에 마련되는 돌기의 수는 동일할 수 있다.

한편 상술한 실시 예에서는 제1 샤프트 및 제2 샤프트에 구동력을 전달하는 모터가 제1 샤프트에 연결되는 것으로 설명하였으나 이에 한정되지 않는다. 구체적으로 모터(660)는 제2 샤프트(671)에 연결되어, 제2 샤프트(671), 제2 샤프트(671) 및 프리즘(650)에 구동력을 전달할 수 있다.

도 11은 본 발명의 라이다 장비의 광학계에 따른 스캐닝 영역을 도시한 도면이다.

도 10을 함께 참고하여 설명한다.

송신부(610)에서는 송신빔이 조사될 수 있으며, 송신부(610)는 고정되어 있기 때문에 송신빔의 확산 방향(W1)은 일정할 수 있다.

한편 송신부(610)에서 조사된 송신빔이 프리즘(650)을 통과하는 경우, 송신빔의 확산 방향(W2)은 프리즘(650)이 회전함에 따라 함께 회전할 수 있다. 이 경우 송신빔의 확산 방향(W2)은 프리즘(650)의 회전각도의 두배에 해당하는 각도로 송신부(610)의 광축을 기준으로 회전할 수 있다.

한편 프리즘(650)을 통과한 송신빔은 미러스캐너(640)에서 반사될 수 있다. 이 경우 미러스캐너(640)는 프리즘(650)을 통과한 송신빔의 확산 방향(W2)이 회전하는 각속도와 동일한 각속도로 회전할 수 있으며, 이에 따라 미러스캐너(640)에서 반사된 송신빔의 확산 방향(W3)은 항상 일정할 수 있다.

이 경우 송신빔의 확산 방향(W3)은 미러 스캐너(640)의 회전축(X2)의 방향과 동일할 수 있다. 예를 들어 미러 스캐너(640)가 수평으로 회전하는 경우, 송신빔의 확산 방향(W3)은 수직일 수 있다. 이에 따라 미러 스캐너(640)의 회전에도 불구하고 측정 대상에는 항상 수직 방향으로 확산된 송신빔(1110)이 도달할 수 있다.

결과적으로 본 발명에 따르면, 미러스캐너(640)가 수직 방향의 회전축(X2)을 기준으로 회전하는 경우, 360도의 수평축 스캐닝 영역을 확보할 수 있다. 또한 미러스캐너(640)의 회전에도 불구하고 미러스캐너(640)에서 반사된 송신빔의 확산 방향(W3)은 미러스캐너(610)의 회전축(X2)의 방향과 동일한 방향으로 고정되기 때문에, 평면 확산 레이저 광은 항상 수직 방향으로 확산되게 되며, 이에 따라 일정한 수직축 스캐닝 영역을 확보하게 된다.

이에 따라 본 발명은 360도의 광역 수평축 스캐닝 영역을 확보하면서도 일정 크기의 수직축 스캐닝 영역을 확보할 수 있는 장점이 있다. 이에 따라 본 구조를 이용하여 고속 광역 스캐닝이 가능한 소형 라이다를 개발할 수 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.

610: 송신부 620: 수신부
640: 미러스캐너 650: 프리즘

Claims (7)

1. 레이저 광을 송신 및 수신 받는 라이다 장치에 포함되는 광학계로서,
   회전축에 대해 소정의 각도로 기울어진 상태로 지지되며 도달하는 레이저 광을 일정 각도로 반사시키는 미러스캐너;
   상기 미러스캐너의 상부에 배치되어, 상기 미러스캐너의 표면으로 평면 확산 레이저 광을 조사하는 송신부;
   상기 송신부와 상기 미러스캐너 사이에 배치되고, 상기 평면 확산 레이저 광을 회전시켜 통과시키는 프리즘; 및
   상기 미러스캐너 상부에 배치되어, 측정대상으로부터 반사 또는 산란되어 돌아오는 레이저 광을 상기 미러스캐너의 반사를 통해 수광하는 수신부를 포함하고,
   상기 미러스캐너는,
   상기 회전축을 중심으로 회전하며 상기 프리즘을 통과한 상기 평면 확산 레이저 광을 상기 측정 대상을 향하여 반사시키고,
   상기 미러스캐너에서 반사된 평면 확산 레이저 광의 확산 방향은,
   상기 회전축을 중심으로 상기 미러스캐너가 회전하는 동안 상기 프리즘이 회전함에 따라, 상기 회전축의 방향과 동일하게 유지되는
   라이다 장비의 광학계.
2. 삭제
3. 제 1항에 있어서,
   상기 미러스캐너에서 반사된 평면 확산 레이저 광의 확산 방향 및 상기 회전축의 방향은 수직인
   라이다 장비의 광학계.
4. 제 1항에 있어서,
   상기 프리즘은,
   상기 회전축과 평행한 제2 회전축을 중심으로 회전하는
   라이다 장비의 광학계.
5. 제 4항에 있어서,
   상기 프리즘의 회전 각속도는,
   상기 미러스캐너의 회전 각속도의 절반인
   라이다 장비의 광학계.
6. 제 1항에 있어서,
   상기 프리즘은,
   도브 프리즘인
   라이다 장비의 광학계.
7. 제 1항에 있어서,
   구동력을 발생시키는 모터;
   상기 미러스캐너의 중심에 결합되어 상기 미러스캐너를 지지하고, 상기 모터에 연결되어 회전하는 제1 샤프트;
   제2 샤프트;
   상기 제1 샤프트와 상기 제2 샤프트를 연결하여 상기 제2 샤프트를 회전시키는 제1 연결부재; 및
   상기 제2 샤프트와 상기 프리즘을 연결하여 상기 프리즘을 회전시키는 제2 연결부재를 더 포함하는
   라이다 장비의 광학계.

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