KR102038533B1

KR102038533B1 - 레이저 레이더 시스템 및 목표물 영상 획득 방법

Info

Publication number: KR102038533B1
Application number: KR1020130052336A
Authority: KR
Inventors: 민봉기; 오명숙; 김기수; 심재식; 권용환; 남은수
Original assignee: 한국전자통신연구원
Priority date: 2012-06-14
Filing date: 2013-05-09
Publication date: 2019-10-31
Also published as: US20140240691A1; US9234964B2; KR20130140554A

Abstract

본 발명은 레이저 레이더 시스템 및 목표물 영상 획득 방법에 관한 것으로서, 레이저 빔을 조사하는 광원과; 상기 광원과 상기 목표물 사이에 배치되며, 상기 광원에서 조사된 레이저 빔이 시간의 경과에 따라 상기 목표물의 다른 위치에 조사되도록 하는 광편향기와; 상기 광편향기의 조사에 따라 상기 목표물로부터 반사되는 레이저 빔을 검출하는 광검출기를 포함하고, 상기 광검출기는, 수학식 Sqrt(2) x P_RBS + 2 x D_RBS ≤ D_DA ≤ 2 x D_lens 및 수학식 (4/π) x wavelength x F_number < D_RBS < D_lens 를 만족하는 직경 D_DA를 갖는 수광 검출면을 구비하는 것을 특징으로 한다.
여기서, P_RBS는 수신 레이저 빔 스폿 간의 간격, D_RBS는 수신 레이저 빔 스폿의 직경, D_DA는 수광 검출면의 직경, D_lens는 수신 광학계의 동공 직경, wavelength는 레이저의 파장, F_number는 수신 광학계의 직경과 포커싱에 따른 F 번호.

Description

레이저 레이더 시스템 및 목표물 영상 획득 방법{Laser Radar System and Method for Acquiring Target Image}

본 발명은 삼차원 이미지 및 영상을 얻기 위한 레이저 레이더 시스템 및 목표물 영상 획득 방법에 관한 것이다.

삼차원 영상 시스템은 삼차원 디스플레이 TV 등과 같은 제품에 사용될 뿐만 아니라, 멀리 있는 군사목표물에 대한 삼차원 영상, 산사태 등의 자연환경을 감시하기 위한 삼차원 영상 및 무인 자율 주행차량의 운행에 필요한 다양한 차량 주변의 삼차원 영상을 확보하기 위해 사용될 수 있다.

열악한 품질의 삼차원 영상이라 하더라도 일부 영역에서 그 역할을 할 수 있었지만, 최근 들어 응용영역이 확대됨에 따라 다양한 환경에서도 우수한 품질의 삼차원 영상을 요구하고 있으며, 이를 위한 레이저 레이더 시스템(Laser Radar System)이 각광받고 있다.

삼차원 이미지 및 영상을 얻기 위한 종래기술의 레이저 레이더 시스템은 전방향 스캔 라이다(PSL : Panoramic Scan LADAR)와 전방 관측 라이다(FLL : Forward Looking LADAR)가 있다. 전방향 스캔 라이다(PSL)는 미국 공개특허 제 2011-0216304호(발명의 명칭 : HIGH DEFINITION LIDAR SYSTEM)[이하, '종래기술1'이라 함]에 개시되어 있으며, 전방 관측 라이다(FLL)는 미국 등록특허 제 6414746호(발명의 명칭 : 3-D imaging multiple target laser radar) [이하, '종래기술2'라 함]에 개시되어 있다.

종래기술1은 다수의 레이저 발생모듈과 다수의 광 검출기, 예를 들어 4개의 레이저 발생모듈과 '4 X 1'의 광 검출기 어레이를 포함한다. 종래기술1의 구동은 레이저 발생모듈과 광 검출기 어레이가 서로 다른 시간에 동작하도록 구성되거나 같은 시간에 동작하도록 구성될 수 있다.

그런데, 종래기술1은 다수의 레이저 발생모듈과 광 검출기 어레이가 하나의 라인 형태 또는 미리 정해진 형태로 스캔될 수 있도록 각 레이저 발생모듈과 이에 대응되는 각각의 광 검출기 쌍을 정렬하는 데 어려움이 있다. 즉, 광 검출기 각각에서 검출된 신호가 공간적으로 어떤 관찰범위를 가지는지를 검사하고, 또 스펙에 맞도록 다수의 레이저 발생모듈과 광 검출기 어레이의 배치를 수정하는 작업이 필요하다. 이러한 과정은 모듈의 단가에 영향을 미치고, 대량생산에 불리할 수 있다.

또한, 종래기술1은 모듈의 회전없이 2차원 영상(보통은 수직 방향의 라인에 대한 거리정보)을 확보할 수 있는데, 3차원 영상을 얻기 위해서 다수의 레이저 발생모듈과 광 검출기 어레이를 포함하는 전체 송수신 모듈이 회전해야 한다.

종래기술2는 하나의 레이저 발생모듈에서 발생된 광신호를 넓은 영역에 조사한 후 목표물에 대해 반사되어 되돌아오는 광을 검출하는 다수의 광 검출기, 즉 'M X N'의 광 검출기 어레이로 구성된다. 구체적으로, 짧은 펄스를 생성하는 펄스 레이저 발생장치는 디퓨저 등을 통해 일정한 발산 각도로 레이저를 넓은 면에 고르게 조사한다. 이 경우 거리에 따라서 조사 영역이 늘어나는 특징이 있고, 반복되는 광 펄스 조사면이 발생한다. 이 광 펄스 조사면은 목표물에 맞아 반사되고, 반사된 광신호는 수광 렌즈를 통해 모아지며, 모아진 광신호는 광 검출기 어레이를 통해 검출된다. 이때 광 검출기 어레이 각각의 검출기는 각기 개별적으로 동작하고, 각 픽셀의 위치마다 시간 차이 및 반사된 광신호의 크기를 측정하며, 이러한 정보를 모아서 광신호를 반사시킨 물체의 삼차원 이미지를 형성할 수 있다.

그런데, 종래기술2는 상대적으로 높은 레이저 펄스 파워를 요구하기 때문에, 높은 반복률을 가진 펄스 레이저 모듈을 구현하기 어렵고, 이로 인하여 높은 프레임률(Frame Rate)을 확보하기 어렵다.

또한, 종래기술2는 광 검출기 어레이를 구현하는 데 있어서 각각의 광 검출기의 신호를 주변 검출기의 영향을 받지 않고 검출하기 위해, 픽셀별 신호로 독립적으로 물체에 반사되어 입사되는 광신호를 검출하는 등의 처리를 하는 픽셀별 리드아웃(Readout) 회로가 필요하고, 이러한 픽셀별 리드아웃 회로 부분을 2차원 어레이 형태로 배열하며, 이들 외곽에 픽셀 내부에서 발생한 신호를 외부로 전달 및 처리하는 부분을 두어, 최종적으로는 칩의 가장자리 부근에 위치한 인터페이스 패드를 통해 외부로 전송할 수 있는 ROIC(Readout IC)가 필요하다.

이러한 방식의 ROIC에는 디지털과 아날로그가 동시에 존재한다. ROIC는 좁은 픽셀 영역에서도 충분한 신호대잡음비를 확보하여야 하기 때문에 구현이 까다롭고, 단가가 비싼 특징이 있다. 또한, ROIC와 광 검출기 어레이는 일반적으로 서로 다른 기판을 이용하여 구현되기 때문에 한꺼번에 만들지 못하고, 비교적 고비용의 플립칩 방식으로 서로 연결된다. 결과적으로 이러한 복잡한 구조의 영상 시스템은 넓은 면에 짧은 레이저 펄스를 사용하기 때문에 고속으로 움직이는 물체(예를 들면, 헬리곱터의 회전날개)에 대해 정지된 영상을 얻을 수 있는 특징(Flash 영상)이 있어, 군사용으로 이용되고 있으나, 일반적으로는 시스템의 전체 제작비용이 높아 대중화하는 데 어려움이 있다.

본 발명은 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 삼차원 영상을 얻을 때 필요한 광 경로 정렬 등과 같은 노력을 최소화하고, 전체 구현비용을 줄일 수 있으며, 대량생산에 적합한 레이저 레이더 시스템을 제공하는 데 그 목적이 있다.

본 발명의 다른 목적은 전체 센서모듈의 회전 등의 움직임이 필요한 구동부를 없애거나 크게 줄일 수 있어 안정성이 높고, 고속 동작이 가능하며, 적용 제품의 디자인을 해치지 않으면서 동시에 고가의 광 검출기 어레이, FPA(Focal Plane Array) 및 이를 구동하기 위해 복잡한 구도의 픽셀별 구동이 필요한 ROIC(Readout IC)를 필요로 하지 않고, 보다 간단한 구도로 구현이 가능한 레이저 레이더 시스템을 제공한다.

본 발명의 다른 목적은 차량 등에 장착되는 경우에 검출되지 않는 사각지대를 비교적 손쉽게 없애거나 줄이는 것이 가능한 레이저 레이더 시스템을 제공한다.

본 발명의 다른 목적은 목표물에 관하여 넓은 면적에 대해 구동이 가능한 레이저 레이더 시스템을 제공한다.

본 발명의 다른 목적은 삼차원 영상 데이터의 해상도를 영역별로 다르게 설정할 수 있는 레이저 레이더 시스템을 제공한다.

본 발명의 또 다른 목적은 좁은 각도에 대해서는 높은 SNR 모드를 제공하는 원거리 데이터와 넓은 각도에 대해서는 낮은 SNR 모드를 제공하는 근거리 데이터를 포함하는 삼차원 영상을 동시에, 또는 경우에 따라서 일부를 조건적으로 구동하는 방식을 이용하여 관심이 있는 영역에 대해서는 먼 거리의 데이터를 획득 가능하고, 그 외의 영역에 대해서는 넓은 영역의 데이터를 조건적으로 획득 가능한 레이저 레이더 시스템을 제공한다.

이와 같은 목적을 달성하기 위한, 본 발명의 시스템은 레이저 빔을 이용하여 목표물의 영상을 획득하는 레이저 레이더 시스템에 있어서, 레이저 빔을 조사하는 광원과; 상기 광원과 상기 목표물 사이에 배치되며, 상기 광원에서 조사된 레이저 빔이 시간의 경과에 따라 상기 목표물의 다른 위치에 조사되도록 하는 광편향기와; 상기 광편향기의 조사에 따라 상기 목표물로부터 반사되는 레이저 빔을 검출하는 광검출기를 포함하며, 상기 광검출기는, 다음의 [수학식 1] 및 [수학식 2]를 만족하는 직경 D_DA를 갖는 수광 검출면을 구비하는 것을 특징으로 한다.

[수학식 1]

Sqrt(2) x P_RBS + 2 x D_RBS ≤ D_DA ≤ 2 x D_lens

여기서, P_RBS는 수신 레이저 빔 스폿 간의 간격, D_RBS는 수신 레이저 빔 스폿의 직경, D_DA는 수광 검출면의 직경, D_lens는 수신 광학계의 동공 직경.

[수학식 2]

(4/π) x wavelength x F_number < D_RBS < D_lens

여기서, wavelength는 레이저의 파장, F_number는 수신 광학계의 직경과 포커싱에 따른 F 번호.

한편, 본 발명의 방법은 레이저 레이더 시스템에서 레이저 빔을 이용하여 목표물의 영상을 획득하는 방법에 있어서, 상기 목표물에 대해 조사할 레이저 빔을 생성하는 단계; 상기 생성한 레이저 빔을 시간의 경과에 따라 상기 목표물의 다른 위치에 조사하는 단계; 상기 조사 결과로 상기 목표물로부터 반사되는 레이저 빔을 광검출기로 검출하는 단계; 상기 조사하는 단계에서 사용한 시간 경과에 따른 목표물의 다른 위치 정보를 이용하여 상기 검출한 레이저 빔을 판독하는 단계를 포함하며, 상기 광검출기는, 다음의 [수학식 1] 및 [수학식 2]를 만족하는 직경 D_DA를 갖는 수광 검출면을 구비하는 것을 특징으로 한다.

[수학식 1]

Sqrt(2) x P_RBS + 2 x D_RBS ≤ D_DA ≤ 2 x D_lens

[수학식 2]

(4/π) x wavelength x F_number < D_RBS < D_lens

이상에서 설명한 바와 같이 본 발명에 의하면, 송광부가 목표물에 대해 시간에 따라 다른 위치를 조사하여 고정된 수광부로 검출하는 "대면적 광 검출기(일명 : 고정된 통합 검출기(STUD : Static Unified Detector)) 기반 레이저 레이더"를 제공함으로써 실시간적으로 고해상도의 삼차원 이미지 및 영상을 얻을 수 있는 효과가 있다.

또한, 본 발명은 큰 부피를 가지는 센서헤드 등의 회전이 불필요하고, 검출기 어레이의 개별 검출이 아닌 하나로 통합된 단일 검출 방식으로 구현된 레이저 레이더 시스템을 제공함으로써, 삼차원 영상을 얻을 때 광 경로 정렬 등과 같은 노력을 최소화할 수 있고, 고가의 검출기 어레이 또는 FPA(Focal Plane Array)를 필요로 하지 않고, 이 FPA를 구동하는 고가의 ROIC를 필요로 하지 않아 구현비용을 줄일 수 있으며, 대량생산에 적합한 레이저 레이더 시스템을 제공할 수 있다.

또한, 하나의 송광부와 적어도 하나 이상의 송광부를 포함하는 레이저 레이더 시스템을 제공함으로써, 차량이나 다양한 응용시스템을 구현하는 데 있어서 차량의 후드나 시스템의 일부에 가려져 검출되지 않는 영역 즉, 검출불가영역을 줄이거나 없앨 수 있다.

또한, 광각 특성이 다른 적어도 하나 이상의 수광 렌즈를 포함하는 레이저 레이더 시스템을 제공함으로써, 높은 SNR 모드의 원거리 데이터와 낮은 SNR 모드의 넓은 각도의 삼차원 영상을 동시에 획득할 수 있다.

또한, 적어도 하나 이상의 수광부를 통해 수신한 신호를 하나의 신호처리 모듈에서 처리하는 레이저 레이더 시스템을 제공함으로써, 픽셀별로 반사신호를 분석해야 하는 기존 ROIC 구도에 비해 매우 간단한 방식이므로, 구현 비용 측면에서 매우 유리하다.

또한, 서로 다른 시간대에 동작하는 적어도 하나 이상의 송광부를 이용하는 레이저 레이더 시스템을 제공함으로써, 보다 넓은 면적의 스캔, 효율적인 사각지대 해소, 필요에 따라 영역별로 서로 다른 해상도를 제공하는 시스템을 구현할 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 레이저 레이더 시스템의 구성도.
도 2는 본 발명에서 제시하는 송광부가 목표물에 대해 시간에 따라 다른 위치를 조사하여 고정된 수광부가 검출하는 기법의 설명도.
도 3a 및 도 3d는 본 발명의 목표물에 대해 시간에 따라 다른 위치를 조사하는 다양한 방식의 설명도.
도 4a 및 도 4b는 본 발명의 대면적 광검출기의 개념과 수광 검출면의 직경을 보여주는 설명도.
도 4c는 본 발명의 대면적 광검출기의 예시도.
도 5는 본 발명의 제1 실시예에 따른 레이저 레이더 시스템의 구성도.
도 6은 본 발명의 제2 실시예에 따른 레이저 레이더 시스템의 구성도.
도 7은 본 발명의 제3 실시예에 따른 레이저 레이더 시스템의 구성도.
도 8은 본 발명의 제4 실시예에 따른 레이저 레이더 시스템의 구성도.
도 9는 본 발명의 제5 실시예에 따른 레이저 레이더 시스템의 구성도.
도 10a 및 도 10b는 본 발명의 레이저 레이더 시스템이 적용되는 다양한 어플리케이션의 설명도.

이하, 본 발명의 일실시예를 첨부된 도면들을 참조하여 상세히 설명한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.

본 발명에서는 송광부가 목표물에 대해 시간에 따라 다른 위치를 조사하여 고정된 수광부, 즉 대면적 수광 검출면을 구비한 광검출기로 검출하는 "대면적 광검출기 기반 레이저 레이더"를 제시한다. 이러한 본 발명의 레이저 레이더를 일명 "고정된 통합 검출기(STUD : Static Unified Detector) 기반 레이저 레이더"라고도 지칭하기로 한다.

본 발명의 레이저 레이더 시스템은 송광부가 짧은 레이저 펄스(short pulse)를 반복적으로 생성하여 목표물에 대해 시간에 따라 다른 위치를(다른 방향으로) 조사하며[공간에 차례대로 뿌림], 고정된 수광부가 목표물에 대해 반사되는 모든 또는 일부의 레이저 빔을 모아 이 모아진 빛을 하나 이상의 조각으로 구성된(통합된) 대면적 광검출기(Single or divided Large-area detector)를 통해 검출하며, 제어부가 시간에 따라서 다른 위치를 계산하고, 그 때 입사된 레이저 빛을 분석하여 거리 또는/및 반사광세기 정보를 계산한다. 이러한 거리 또는/및 반사광세기 정보 계산 결과를 이용하여 삼차원 이미지 및 영상을 얻는다.

도 1은 본 발명에 따른 레이저 레이더 시스템의 구성도이고, 도 2는 본 발명에서 제시하는 송광부가 목표물에 대해 시간에 따라 다른 위치를 조사하여 고정된 수광부가 검출하는 기법의 설명도이다.

펄스 레이저(110)에서 나온 레이저는 송광 광학계(120)를 거쳐 출력된다. 송광 광학계(120)에서 나온 빛은 목표물(140)에 대해 시간에 따라 광편향기(130)를 통해 원하는 영역, 즉 서로 다른 영역에 조사된다. 송광 광학계(120)는 어플리케이션에 따라 생략될 수도 있고, 디퓨저(Diffuser)를 이용하여 일정한 발산각을 가지도록 구성될 수도 있다. 송광 광학계(120)와 광편향기(130)는 하나의 형태로 구현될 수 있으며, 순서가 바뀌어 구현될 수도 있다. 이렇게 특정영역으로 조사된 레이저 빛은 목표물(140)에 맞아 되돌아온다.

목표물(140)로부터 반사된 레이저 빛은 다른 노이즈 광을 차단하기 위한 고정된 광 필터(150)를 통과하고, 이후 촛점을 맺기 위한 고정된 수광 렌즈(160)를 지나 대면적 광검출기(170)에 도달하게 된다. 여기서 광 필터(150)와 수광 렌즈(160)의 순서는 서로 바뀌어도 무방하며, 광 필터(150)는 선택적 구성요소이다.

본 발명에서 고정된 수광부라 하면 고정된 수광 렌즈(160) 및 광검출기(170)를 포함하는 것으로 이해하면 된다. 이 고정된 수광부는 목표물에 대해 반사되는 모든 또는 일부의 레이저 빔을 모아 이 모아진 빛을 단일 또는 분할된 또는 어레이형 광검출기(170)를 통해 검출한다. 아울러, 본 발명의 수광부는 온도에 따라 특성이 민감하게 변경되는 광검출기(170)의 성능을 일정하게 유지하기 위하여 온도를 제어하는 모듈을 더 구비할 수 있다.

본 발명의 광편향기(130)는 레이저 빔을 조사하는 광원(110)과 목표물(140) 사이에 배치되어, 광원(110)에서 조사된 레이저 빔이 시간의 경과에 따라 목표물(140)의 다른 위치에 조사되도록 한다.

또한, 본 발명의 레이저 레이더 시스템은 광편향기(130)에서 사용한 시간 경과에 따른 목표물의 다른 위치 정보를 이용하여, 광검출기(170)에서 검출한 레이저 빔을 판독하는 신호판독부를 더 포함한다.

또한, 본 발명의 레이저 레이더 시스템은 신호판독부에서 판독한 레이저 빔 정보를 이용하여 목표물(140)까지 각각의 관측지점의 거리 또는/및 반사광세기 정보를 산출하고, 이 각각의 지점까지 산출한 거리 또는/및 반사광세기 정보를 이용하여 목표물(140)의 3D 영상을 결정하는 영상처리부를 더 포함한다. 본 발명에서 3D 영상 결정에 있어 거리 또는/및 반사광세기 정보를 이용한다. 즉, 항공기에서 바라 보았을 때 아스팔트 포장도로와 바로 옆의 흙으로 된 지면은 같은 높이로 거리 정보가 검출되기 때문에 정확한 3D 영상 결정을 위해 포장도로와 흙 지면을 서로 다른 반사율로 구분하기 위해 반사광세기 정보도 사용하는 것이 바람직하다.

또한, 본 발명의 레이저 레이더 시스템은 목표물(140)의 2D 영상을 획득하는 카메라를 더 포함할 수 있다. 이러한 경우에 영상처리부는 3D 목표물 영상과 카메라에서 획득한 2D 목표물 영상을 보정 또는 합성하는 기능도 수행한다.

본 발명의 수신부는 온도에 민감한 광검출기를 동일한 특성을 가질 수 있도록 일정한 온도로 유지하기 위한 장치(예를 들면, TEC, temperature controller)와 함께 구현될 수 있고, 수신부에서 발생한 아날로그 신호에서 반사된 레이저의 시간 차이, 또는 반사된 레이저의 크기 등을 프로세싱할 수 있는 신호처리모듈을 더 구비할 수 있다. 이후, USB 및 기가비트 이더넷(Gigabit Ethernet) 등의 다양한 통신프로토콜을 이용한 연결 케이블을 통해 데이터를 전송하고 디스플레이하는 분석장치에서 최종적으로 삼차원 영상이 얻어질 수 있다. 즉, 제어부가 시간에 따라서 다른 위치를 계산하고, 그 때 입사된 레이저 빛을 분석하여 거리 또는/및 반사광세기 정보를 계산한다. 이러한 거리 또는/및 반사광세기 정보 계산 결과를 이용하여 삼차원 이미지 및 영상을 얻는다. 여기서, 디스플레이하는 분석장치까지 설명을 하였지만, 프로세싱 보드까지만 처리가 되고, 이후는 실제 어플리케이션(차량 및 로봇 등 삼차원 영상을 바로 인식하여 처리할 수 있는 경우)에서 바로 받아서 처리하는 경우도 가능하다.

도 1에서 송광부의 광로와 수광부의 광로가 다르게 표현되어 있는데, 이를 이중축(Dual Axis 또는 Bi-axial) 구조라 한다. 다른 예시로 본 발명은 송광부의 광로와 수광부의 광로가 동일한 경우[단일축(Single-axis 또는 Uni-axial) 구조]로도 구현될 수 있다.

도 2는 본 발명에서 제시하는 송광부가 목표물에 대해 시간에 따라 다른 위치를 조사하여 고정된 수광부가 검출하는 본 발명의 동작을 보여주고 있다. 본 발명에서 광 스캐닝되는 형태를 도시하기 위해, 레이저 레이더 시스템이 평면에 1차원(선의 형태)으로 스캐닝하고 있지만, 실제로는 2차원 평면으로 전방을 스캐닝하는 것이 당연하다. 이때, 광 스캐닝되는 패턴은 동일한 간격의 2차원 평면 좌표뿐만 아니라, 원형 좌표나 서로 다른 간격의 기타 좌표 등에 다양하게 적용될 수 있다. 이러한 패턴은 광 스캐너에 적절한 구동신호를 인가함에 따라 구현 가능하고, 삼차원 영상의 품질을 결정할 수 있다. 즉, 본 발명의 스캐닝 동작은 레이저 빔을 스프레딩(spreading)하여 면을 뿌리는 방식이 아니라, 각각의 레이저 빔 펄스로 목표물에 대해 각각의 관측지점을 조사하는 것이며, 시간에 따라 모든 관측지점 조사가 누적되면 임의의 영역을 정기적으로 스캔하는 것이다.

덧붙여, 도 2에는 펄스 레이저(110)와 광편향기(130) 사이에 송광 광학계(120)[예; 콜리메이터(colliminator) 등] 등이 더 포함될 수 있고, 목표물(140)과 수광 렌즈(160) 사이에 광 필터(150) 등이 더 포함될 수 있다.

그리고, 본 발명의 목표물에 대해 시간에 따라 다른 위치를 조사하는 방식은 다양할 수 있다. 도 3a 내지 도 3d는 본 발명의 목표물에 대해 시간에 따라 다른 위치를 조사하는 다양한 방식의 설명도이다.

도 3a는 모터 구동 방식의 갈바노 미러(Galvano Mirror)를 보여주고 있다. 도 3b는 회전다면경을 보여주고 있다. 도 3c는 EO 스캐너(Electro-Optic Scanner)를 보여주고 있다. 도 3d는 파이버 어레이 레이저(fiber array laser)를 보여주고 있다.

도 3c에 도시된 EO 스캐너는 전기적인 신호로 빛의 방향을 바꾸는 광도파로형태인 것으로 편향기의 형태로 구현한 것이다. 도 3d에 도시된 파이버 어레이 레이저는 AWG(Arrayed Waveguide Grating)으로 구현할 수 있다. 이 파이버 어레이 레이저는 입력되는 레이저 빔을 AWG로 광 지연시키거나 다른 파장을 갖게 하여 서로 다른 방향을 바라보는 다수의 파이버 팁(fiber tips)을 통해 목표물로 출력하며, 그에 따라 서로 다른 파장 또는 서로 다른 시간차이로 스캔을 할 수 있는 것이다. 도 3c와 도 3d는 물리적인 구동부가 존재하지 않는 장점이 있으며, 이로 인하여 충격에 강하며, 진동 및 소음이 없다는 장점이 있다.

다른 예시로, 본 발명의 광편향기는 스테핑 모터(Stepping Motor) 또는 BLDC 모터(Brushless DC Motor) 또는 회전 미러(Rotating Mirror) 또는 전자석 방식의 갈바노 미러 또는 음향광학 편향기 또는 2축구동 스캔미러 또는 MEMS 스캐너 또는 MEMS 리플렉터 등 2D 스캔을 위하여 동종 또는 이종의 스캐너 조합 구조로도 구현될 수 있다.

덧붙여, 본 발명의 송광부는 광 펄스의 빔 폭을 제어하기 위한 구성요소(이하, '광 펄스 빔 폭 제어기')를 더 구비할 수 있다. 이 광 펄스 빔 폭 제어기는 콜리미네이터(Colliminator), 빔 확장기(Beam Expander) 및 렌즈 등으로 구성되거나, 이들의 하나 또는 둘 이상의 조합으로 구성될 수 있다.

다음으로, 본 발명의 대면적 광검출기에 대해 도 4a 내지 도 4c를 참조하여 설명하기로 한다. 도 4a 및 도 4b는 본 발명의 대면적 광검출기의 개념과 수광 검출면의 직경을 보여주는 설명도이고, 도 4c는 본 발명의 대면적 광검출기의 예시도이다.

도 4a에서, 송신부[펄스 레이저(110), 광편향기(130)]에서 목표물(140)에 대해 레이저 빔을 발사한다. 이때, 삼차원(3D) 해상도를 얻기 위한 정면 방향에서 바라보았을 때, 최소 해상도는 가로 2, 세로 2 군데의 좌표를 시간에 따라 스캔하는 조건으로, 설명을 위하여 4 군데의 다른 지점을 조사하여 발생한 반사지점을 시간에 따라 누적한 형태로 표시하였는데, 실제로는 각각의 지점을 차례로 스캔되는 방식으로 수행해야 한다. 도 4a에서 송광반사면 레이저 빔 스폿들(target beam spots)(141, 142, 143, 144) 중에서 사선 빗금쳐 진 송광반사면 레이저 빔 스폿(143)이 현재 시점에 조사되고 있는 영역을 의미한다. 여기서, P_TBS는 인접하는 송광반사면 레이저 빔 스폿 간의 간격(pitch of target beam spot)을 의미하며, D_TBS는 송광반사면 레이저 빔 스폿의 직경(diameter of target beam spot)을 의미한다.

레이저 빔을 원거리 목표물에 조사를 하면, 목표물에 맞을 때 생기는 송광반사면 레이저 빔 스폿의 직경(D_TBS)는 일반적으로 거리에 따라서 달라진다. 콜리메이트된(colliminated) 빔을 송광하거나, 빔의 초기 크기를 크게 하여 송광하면, 이렇게 거리에 따라서 달라지거나 증가하는 것을 어느 정도 억제하는 것도 가능하다. 또한 서로 다른 시간에 다른 위치의 원거리 목표물에 레이저 펄스를 조사할 때, 각각의 송광반사면 레이저 빔 스폿 간의 간격(P_TBS)은 광편향기의 구동조건에 따라서 달라지고, 동일 조건의 구동조건에서는 거리가 멀면 송광반사면 레이저 빔 스폿 간의 간격(P_TBS)은 선형적으로 증가하게 되어 있다. 이러한 P_TBS와 D_TBS의 조건으로 목표물에서 반사된 레이저 신호는 수광렌즈(160)를 통하여 광검출기의 수광 검출면(170)에 수신 레이저 빔 스폿 간의 간격(P_RBS : pitch of received beam spot)과 수신 레이저 빔 스폿의 직경 D_RBS : diameter of received beam spot)의 조건으로 변환시켜 표시할 수 있다.

도 4a의 수광검출면에는 목표물에서 반사된 레이저 신호가 수광렌즈(160)를 중심을 대칭으로 서로 다른 4군데의 위치의 수광검출면에 시간에 따라 다른 시간에 입사되는 것을 도시하였다. 즉, 전체 2x2의 최소 해상도로 스캔될 때 반사 레이저 빔이 집광되는 부분을 누적하여 표시한 것이다. 수신 레이저 빔 스폿들(171, 172, 173, 174) 중에서 사선 빗금쳐 진 수신 레이저 빔 스폿(173)이 현재 레이저 반사신호가 들어오는 위치를 나타낸다.

따라서, 본 발명에서는 모든 반사지점으로부터 오는 반사신호에 대하여 최대 SNR 확보가 가능하도록 대부분의 빔을 수신할 수 있는 최소 면적과 최대 면적을 갖는 대면적 광검출기의 수광 검출면을 도 4b와 같이 제안한다.

3D 영상을 획득하기 위한 최소 해상도인 2x2 영상에서 입사된 반사 레이저 신호를 모두 수신하기 위한 조건을 계산하면, 광검출기에서 필요한 수광 검출면의 최소 크기가 광검출기에서 시간에 따라 모아진 레이저 수신광을 모두 포함하는 면적이 되어야 함을 의미한다. 즉, 수광 검출면의 최소 직경(D_DA _{_} _min : diameter of detecting area)은 "Sqrt(2) x P_RBS + 2 x D_RBS _"로 도출하였다. 여기서, 수신 레이저 빔 스폿 간의 간격(P_RBS)은 서로 다른 시간에 광검출기로 입사되는 광신호의 간격을 의미하며, 수신 레이저 빔 스폿의 직경(D_RBS)은 하나의 반사레이저 신호가 광검출기로 입사될 때 빔이 조사되는 크기를 의미한다. 물론, 수신 레이저 빔 스폿의 직경(D_RBS)은 수직, 수평 간격이 다를 수 있고, 반사되는 레이저 신호마다 다를 수 있지만, 본 발명에서는 최소값을 기준으로 표현한다.

광검출기에서 필요한 수광 검출면의 최대 크기를 도출하면 다음과 같다. 수광 렌즈(160)를 통해 입사되는 최대 빔의 크기와 일치한다고 볼 수 있으며, 스캔을 한다고 가정하여도 최대 빔의 크기에 2배 이상을 넘기 어려우므로 수광 검출면의 최대 직경(D_{DA_max})은 "2 x D_lens"로 도출하였다. 여기서, D_lens는 수광 렌즈(160)의 동공 직경(pupil diameter of the receiving lens)이다.

그리고, 3D 영상 획득을 위한 레이저 빔의 최소 및 최대 크기는 수광 렌즈를 통해서 들어오는 단일 반사 레이저 빔과 동일하다. 따라서 최소 빔 크기는 렌즈의 초점 크기(focused spot size)와 동일하며, 그 수식은 다음과 같다. 따라서 수신 레이저 빔 스폿의 최소 직경(D_{RBS_min})은 "(4/π) x wavelength x F_number"로 정의할 수 있다. 여기서, wavelength는 레이저의 파장, F_number는 수신 렌즈의 직경과 포커싱에 따른 F 번호를 의미한다. 그리고, 수신 레이저 빔 스폿의 최대 직경(D_RBS _{_} _max)은 수광 렌즈의 직경에 해당하므로 "D_lens"로 정의할 수 있다.

앞서 설명한 본 발명의 대면적 광검출기에 대해 수학식을 통해 정리하면 다음과 같다. 본 발명의 광검출기는 다음의 [수학식 1] 및 [수학식 2]를 만족하는 직경 D_DA를 갖는 수광 검출면을 구비한다.

[수학식 1]

Sqrt(2) x P_RBS + 2 x D_RBS ≤ D_DA ≤ 2 x D_lens

[수학식 2]

(4/π) x wavelength x F_number < D_RBS < D_lens

한편, 도 5 내지 도 9를 참조해 후술하겠지만, 본 발명의 레이저 레이더 시스템은 다수의 송신부 또는/및 다수의 수신부로 구성될 수 있다. 즉 본 발명에서 수신부는 서로 다른 수광 렌즈 특성이 적용된 둘 이상의 광검출기로 구성하거나, 서로 다른 방향을 바라보는 둘 이상의 광검출기로 구성될 수 있고, 도 4a 및 도 4b는 하나의 단위 광검출기 관점에서의 수광 검출면의 최대 크기를 의미하는 것으로 이해하는 것이 바람직하다.

도 4c에 도시된 바와 같이, 본 발명의 광검출기는 단일의 수광 검출면 또는 적어도 2개 이상으로 분할된 수광 검출면을 구비한다. 도 4c에서는 사각형의 광검출기를 예로 들었으나 본 발명에서는 육각형, 원형 및 타원형 등 다양한 형태로 광검출기를 구현할 수 있다.

본 발명의 대면적 광검출기는 일반적인 광통신용 검출기의 직경인 20~50um의 크기의 단일 검출기가 아니고, 송광부에 의해 보내진 레이저 펄스 신호가 물체에 반사되어 고정된 수광 렌즈를 통하여 들어오는 광신호 영역을 포함할 수 있는 수광면적을 가진 검출기이다. 본 발명에서 대면적이라 함은 예시적으로 100um 이상 1mm 미만의 크기를 의미하며, 경우에 따라서 1mm 이상의 크기를 의미할 수도 있다. 다시 말하면 본 발명의 대면적이라 함은 송광된 거의 대부분의 광신호를 검출할 수 있는 넓이를 갖는 것이라 이해하면 된다. 이는 목표물에 대해 송광부의 시간에 따른 서로 다른 조사 위치에 대응하여 수광부에 반사신호가 들어오는 위치가 변경되기 때문이다.

일반적으로 레이저 펄스의 폭이 수 ns 및 수십 ns 수준이 되므로, 이를 검출하기 위해서는 광검출기의 동작 속도가 빨라야 하는데, 수광영역을 크게 할 경우, 광검출기의 출력 커패시턴스가 증가하여 동작 속도가 느려지게 되고, 결국 짧은 레이저 펄스를 검출할 수 없는 문제가 발생한다. 이와 같은 문제점을 해결하기 위해, 대면적 광검출기는 단 하나의 광검출기의 형태로만 구성되는 것이 아니라, 다양한 구조로 설계된 광검출기로 구성될 수 있다. 예컨대, 대면적 광검출기는 기생 커패시턴스를 줄이기 위해 다수의 단위(unit) 광검출기로 구성될 수 있다. 즉, 본 발명에 따른 대면적 광 검출기는 둘 이상의 분할된 광검출기로 구성될 수도 있으며, 각각의 단위 픽셀이 모여서 하나의 대면적 광검출기를 구성하게 되는 것이다.

하나의 광 펄스가 둘 이상의 위치에서도 반사될 수 있으므로, 대면적 광검출기는 둘 이상의 광신호를 검출할 수 있다. 이는 하나의 광 펄스로 둘 이상의 삼차원 포인트 클라우드(Point Cloud)가 발생할 수 있음을 의미한다. 따라서, 본 발명에 따른 대면적 광검출기는 이러한 다중 검출(Multiple Detection) 기능을 이용하여 공기 중의 먼지 또는 눈, 비와 같은 기상조건에서도 동작할 수 있는 것이다. 즉, 본 발명의 스캔 동작에 따라 하나의 레이저 빔 펄스 조사에 대응하여 목표물 내 둘 이상의 위치로부터 레이점 빔이 반사될 수 있기 때문에 이 둘 이상의 반사 레이저 빔을 검출하여 둘 이상의 좌표정보를 생성하는 것이다.

대면적 광검출기는 다양한 방식으로 구현될 수 있는데, 실리콘 또는 InP 또는 반도체 기판을 기반으로 하는 PN 접합 포토다이오드, PIN 포토다이오드 및 APD 포토다이오드 등으로 구현될 수 있다.

위와 같이 본 발명에서는 대면적 광검출기를 사용하는데 반해, 종래기술은 광 검출기 어레이를 사용하는데, 이러한 종래기술은 들어가는 빛이 다른 시간 정보를 갖게 구동되므로 광 검출기인 APD(avalanche photo-diode, 아발란치 포토다이오드) 하나 하나가 서로 다른 시간 차이를 가지고 있다. 즉, 픽셀 하나 하나가 시간 정보를 가지며 픽셀별로 독립적으로 해석하는 ROIC 구현이 어렵다. 이에 반해 본 발명은 예를 들어 2개의 APD에 들어 온 빛에 대한 TOF(Time of Flight, 시간정보)가 동일하기 때문에 이를 해석하기 위해 ROIC 및 신호처리모듈의 회로 구성이 복잡하지 않아도 되는 이점이 있다.

즉, 본 발명의 대면적 광검출기를 사용함으로써 하나의(단일) 광검출기의 출력을 처리하는 신호처리모듈이나, 분할된 둘 이상의 광검출기의 출력을 처리하는 신호처리모듈의 회로 및 처리방식을 동일하게 구현해도 무방하다는 이점이 있는 것이다. 다만, 각각의 광검출기의 출력이 시간적으로 동일한 정보를 가진다는 것을 알게 되면 각각의 광검출기 출력을 하나의 출력으로 더하는 과정(예를 들면 RF combiner 또는 RF 결합기)을 추가적으로 거치면, 이후로는 하나의 광검출기(single APD)로 나온 신호이든지, 여러 개의 단위 광검출기(unit APD)로부터 나온 신호인지가 중요하지 않고 통합적으로 처리할 수 있는 것이다. 따라서 본 발명이 종래기술과 같은 어레이형 광검출기(array APD) 구조를 사용하더라도 각각의 픽셀에서 나온 전기적인 신호를 모두 통합하여, 하나의 광검출기(single APD)로 나온 신호를 처리하는 방법과 같이 회로 구현이 쉬운 신호처리모듈을 구현하기만 하면 된다. 다시 말하면, 본 발명의 분할 광검출기는 단위 광검출기(unit APD), 다수의 단위 광 검출기, 그리고 어레이형 광검출기(array APD) 모두를 포함하는 것으로 이해하는 것이 바람직하다.

그럼, 본 발명의 다양한 실시예에 대해 도 5 내지 도 9를 참조해 설명하기로 하며, 앞서 도 1 내지 도 4c를 참조해 설명한 본 발명의 기술적 구성과 실시예들 간에 서로 동일한 기술적 구성에 대해서는 그 상세한 설명은 생략하기로 하며 대비되는 차이점을 중심으로 설명하기로 한다.

도 5는 본 발명의 제1 실시예에 따른 레이저 레이더 시스템의 구성도이고, 도 5는 대면적 단일 광검출기를 사용한 것이다. 도면부호 600은 물체의 정면도를 나타낸다.

광 펄스 발생기(612)는 MOPA(Master Oscillator Power Amplifier), DPSSL(Diode Pumped Solid State Laser) 및 광직접변조기 등으로 구현될 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 광 펄스 발생기(612)는 높은 반복율(PRF, Pulse Repetition Frequency)을 갖도록 구성될 수 있다. 광 펄스 발생기(612)는 높은 반복율을 이용하여 하나의 면을 스캔함으로써 높은 프레임률(Frame Rate)을 유지할 수 있다. 일반적으로 QVGA(320x240) 영상을 30fps(frame per second)로 스캔하기 위해서는 230KHz 이상의 반복율이 필요하고, 이는 MOPA로 쉽게 구현될 수 있다. 종래기술은 매우 높은 레이저 펄스 파워(수 mJ/pulse)를 필요로 하기 때문에 반복율이 수십 fps 정도인 반면, 본 발명에 따른 레이저 레이더 시스템은, 레이저 펄스가 넓은 면적을 조사하는 방식이 아니므로, 훨씬 적은 레이저 파워를 필요로 하고, 따라서 높은 반복율을 가진 고속 레이저 펄스를 만들 수 있다.

송광모듈(614)은 앞서 설명한 광편향기를 포함하며, 광 펄스의 빔 폭을 제어하기 위한 광 펄스 빔 폭 제어기를 더 포함할 수도 있다.

수광 렌즈(622)는 송광모듈(614)로부터 송광된 빔의 반사신호를 모으기 위해 고정되고, 넓은 각도로 들어오는 반사신호를 실제 신호를 검출하는 대면적 광검출기(624)에 모으는 역할을 한다. 수광 렌즈(622)는 어안 렌즈 및 사용자 설계 렌즈 등이 될 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 레이저 레이더 시스템은 수광 렌즈(622)와 함께 대면적 광검출기(624) 부근에 볼렌즈 및 마이크로렌즈 등과 같은 추가적인 광학계를 구비하여, 보다 넓은 각도의 빛이 광검출기(624)에 들어오게 할 수 있고, 구현 방식에 따라 신호대 잡음비를 개선할 수 있다.

도 6은 본 발명의 제2 실시예에 따른 레이저 레이더 시스템의 구성도이다.

본 발명의 제2 실시예에 따른 레이저 레이더 시스템은 하나의 송광부(710)와 두 개의 수광부(720, 730)를 포함한다. 차량이나 다양한 응용시스템을 구현하는 데 있어서 차량의 후드나 시스템의 일부에 가려져 검출되지 않는 영역(이하, '검출불가영역')이 있을 수 있는데, 이와 같이 레이저 레이더 시스템이 두 개의 수광부(720, 730)를 구비할 경우, 검출불가영역을 줄이거나 없앨 수 있다.

도 7은 본 발명의 제3 실시예에 따른 레이저 레이더 시스템의 구성도이다. 도 7은 서로 다른 광각 특성을 가지는 두 개의 수광 렌즈를 사용한 것이며, 이 경우는 2 개 이상의 서로 다른 광검출기가 서로 다른 특성을 가진 렌즈를 통해서 광을 수신하는 상황이다. 다른 예시로 그 내부 영역에서 서로 다른 광각 특성을 가지는 하나의 공통 렌즈를 사용할 수도 있으며, 이 경우는 두 개 이상의 서로 다른 광검출기가 서로 다른 광특성을 가진 수광 렌즈를 통하여 오는 광을 수신하는 상황이다.

도 7의 레이저 레이더 시스템에서는 서로 다른 광각 특성을 가지는 두 개의 수광 렌즈(722, 732)가 배치된다. 즉, 하나의 수광 렌즈(722)는 광각을 보는 용도로 사용되고, 또 다른 수광 렌즈(732)는 협각을 관찰하는 용도로 사용되어 광각에서는 측정되지 않는 상대적으로 먼 거리의 반사신호를 검출할 수 있다. 다시 말하면, 광각 특성이 다른 두 개의 수광 렌즈를 이용할 경우, 높은 SNR 모드의 원거리 데이터와 낮은 SNR 모드의 넓은 각도의 삼차원 영상을 동시에 획득할 수 있는 장점이 있다. 일반적으로 차량용 어플리케이션의 경우, 주행 차선 등에 해당하는 중앙 부분에 대해서는 먼 거리까지 탐지할 필요가 있고, 도로 등의 주변 환경에 대해서는 짧은 거리를 탐지하더라도 좀 더 넓은 관찰각을 필요로 하는 경우가 있는데, 본 발명에 따른 레이저 레이더 시스템은 좁은 각도의 높은 SNR 모드와 넓은 각도의 낮은 SNR 모드를 혼합하여 운용하기 때문에 이러한 요구사항을 만족시킬 수 있다.

도 6 및 도 7에서 두 개의 수광부(720, 730)를 통해 수신한 신호는 서로 더해져서 하나의 신호처리 모듈에서 처리될 수 있다. 왜냐하면 두 개의 수광부(720, 730)에서 나오는 신호는 반사 펄스의 시간차이가 거의 없는 유사한 신호이므로, 단순한 RF 결합기(Combiner) 등을 이용하여 신호를 더한 후(unified)에 하나의 신호출력을 구성할 수 있고, 이렇게 만들어진 하나의 신호출력은 하나의 신호처리 모듈을 이용하여 한꺼번에 반사신호를 분석하면 되기 때문이다. 다만 시스템의 요구사항에 따라 각각의 신호를 두 개의 신호처리 모듈에서 처리할 수 있는데, 이는 두 개의 수광부(720, 730)의 위치나 시스템 요구사항에 따라 결정될 수 있다. 하지만, 이 경우도 픽셀별로 반사신호를 분석해야 하는 기존 어레이형 ROIC 구도에 비해 매우 간단한 방식이므로, 구현 비용 측면에서 매우 유리하다.

또한, 도 6 및 도 7에서는 하나의 송광부(710)가 두 개의 수광부(720, 730) 앞쪽에 배치되어 있지만 이에 한정되는 것은 아니며, 하나의 송광부(710)가 임의의 위치에 배치될 수 있다. 다만, 송광부(710)로부터 수광부(720, 730)로 직접 광신호가 들어가는 직접 반사 노이즈를 줄이기 위해, 송광부(710)의 송광표면은 수광부(720, 730)의 수광 렌즈(722, 732)의 입사표면 앞쪽에 배치되는 것이 바람직하다.

도 8은 본 발명의 제4 실시예에 따른 레이저 레이더 시스템의 구성도이다.

본 발명의 제4 실시예에 따른 레이저 레이더 시스템은 두 개의 송광부(910, 920)와 하나의 수광부(930)를 포함한다. 이와 같은 구성에 의해, 레이저 레이더 시스템은 하나의 수광부(930)를 이용하여 서로 다른 영역을 조사하는 송광부(910, 920)로부터 송신된 광신호의 반사신호를 검출할 수 있다.

또한, 하나의 송광부(910)에서 발생한 광 펄스는 다른 하나의 송광부(920)에 발생한 광 펄스와 서로 섞이지 않는다. 이를 위해, 두 개의 송광부(910, 920)는 서로 교대로 레이저를 발생시키는 시분할 방식을 사용할 수 있다. 이는, 수광부(910)가 광 펄스의 입사를 검출할 때 어느 송광부(910, 920)에서 출발한 광 펄스인지를 알 수 있어야 하기 때문이다.

도 9는 본 발명의 제5 실시예에 따른 레이저 레이더 시스템의 구성도이다.

도 8의 레이저 레이더 시스템에서는 두 개의 송광부(910, 920)가 나란히 배치되어 있지만, 도 9에 도시된 본 발명의 제5 실시예에 따른 레이저 레이더 시스템에서는 두 개의 송광부(910, 920)가 서로 다른 각도를 스캔하도록 배치된다. 예컨대, 하나의 송광부(910)는 수광부(930)의 중앙부분의 좁은 영역을 세밀하게 스캔하고, 또 다른 송광부(920)는 상대적으로 넓은 영역을 스캔한다. 이와 같이 레이저 레이더 시스템을 구성함으로써, 관찰하고자 하는 삼차원 영상에 대하여 영역별로 해상도를 손쉽게 변경할 수 있다. 또한, 도 9에서 두 개의 송광부(910, 920)의 중심이 다르게 표시되어 있지만 이에 한정되는 것은 아니며, 두 개의 송광부(910, 920)의 중심이 같을 수 있다. 또한, 도 9에서 광신호의 협각이 작게 표시되어 있는데, 광신호의 크기는 송광부의 구성에 따라 얼마든지 달라질 수 있다.

아울러, 도 8 및 도 9에서 두 개의 송광부(910, 920)가 하나의 수광부(930) 앞쪽에 배치되어 있지만 이에 한정되는 것은 아니며, 두 개의 송광부(910, 920)가 임의의 위치에 배치될 수 있다. 다만, 송광부(910, 920)로부터 수광부(930)로 직접 광신호가 들어가는 직접 반사 노이즈를 줄이기 위해, 송광부(910, 920)의 송광표면은 수광부(930)의 수광 렌즈(932)의 입사표면 앞쪽에 배치되는 것이 바람직하다.

따라서, 본 발명의 제4 및 제5 실시예에 따른 레이저 레이더 시스템은 서로 다른 시간대에 동작하는 두 개의 송광부(910, 920)를 이용하여 보다 넓은 면적의 스캔, 효율적인 사각지대 해소, 필요에 따라 영역별로 서로 다른 해상도를 제공하는 시스템을 구현할 수 있다.

도 6 및 도 7의 레이저 레이더 시스템은 하나의 송광부(710) 및 두 개의 수광부(720, 730)를 포함하고, 도 8 및 도 9의 레이저 레이더 시스템은 두 개의 송광부(910, 920) 및 하나의 수광부(930)를 포함하고 있지만 이에 한정되는 것은 아니며, 레이저 레이더 시스템은 둘 이상의 송광부 및 둘 이상의 수광부를 포함할 수 있다.

또한, 도면을 통해 설명한 본 발명에 따른 레이저 레이더 시스템은 모두 이중축 구조로 구성되어 있지만, 레이저 레이더 시스템은 단일축 구조로 구성될 수도 있다. 또한, 수광부와 송광부는 다양하게 배치 가능하고, 수광부와 송광부의 위치 또한 다양하게 설정 가능하다.

예컨대, 본 발명의 레이저 레이더 시스템을 자동차에 적용하는 경우에 송광부는 자동차의 후드 모서리 부분에 배치되고, 수광부는 자동차의 앞 유리 부분에 배치될 수 있다. 이와 같이, 본 발명에 따른 레이저 레이더 시스템은 광 정렬에 제약이 없으므로, 차량 등의 설계에 있어 자유도를 크게 증가시킬 수 있고, 차량의 디자인을 헤치지 않으면서 삼차원 영상 시스템 또는 센서로서 차량에 실장될 수 있다.

또한, 종래기술이 송광부와 수광부의 쌍이 함께 존재하는 모듈의 크기를 줄이는 데 한계가 있고, 이로 인해 회전속도에도 제약이 따르게 되는데 반해, 본 발명은 회전체를 위한 슬립링(Slip Ring)을 사용하지 않아도 된다. 이러한 슬립링은 크게 기계적인 접촉식과 수은과 같은 물질을 사용하는 액상접촉식이 있는데, 기계적인 접촉식은 내구성에서 매우 불리한 구도이고, 액상접속식의 경우 수은으로 인하여 환경오염 등의 이유로 사용을 꺼리고 있는 실정이다. 본 발명은 차량과 같은 어플리케이션에 적용될 때, 큰 부피의 회전체로 인하여 차량 고유의 디자인을 심각하게 훼손하지 않는다.

또한, 본 발명에 따른 레이저 레이더 시스템은 용이하게 정렬(Align)될 수 있다. 왜냐하면, 본 발명에 따른 레이저 레이더 시스템은 송광부에서 발생한 빔이 원하는 거리 범위에 일정한 크기로 조사될 수 있도록 하고, 수광부를 이용하여 반사된 광신호를 검출만 할 수 있으면 되기 때문이다. 특히, 본 발명은 종래기술과 같이 송수광부가 쌍으로 존재하는 것으로 다른 채널간 분리, 또는 같은 채널의 정렬을 위한 별도의 보정을 하지 않아도 된다. 또한 미리 보정하지 않은 채널간의 특성을 후속 과정에서 보정하는 후보정 과정을 거치지 않아도 되는 장점이 있다.

도 10a 및 도 10b는 본 발명의 레이저 레이더 시스템이 적용되는 다양한 어플리케이션의 설명도이다.

본 발명의 레이저 레이더 시스템(1000)은 자동차, 선박 등의 차량류(무인 주행 시스템, 안전운행 시스템(차선 감지, 인체/선행차량 충돌방지) 등), 우주항공/국방(헬리콥터, 탱크 등), 제품 검사(제품 표면 검사 등), 무인 경비시스템 등 다양한 어플리케이션에 탑재될 수 있다.

도 10a는 본 발명의 레이저 레이더 시스템(1000)이 자동차에 탑재된 것을 보여주고 있다. 도 10b는 본 발명의 레이저 레이더 시스템(1000)이 헬기에 장착된 것을 보여주고 있다. 이러한 레이저 레이더 시스템을 통해 전선을 디텍팅하여 헬기 추락 사고를 방지할 수 있고, 랜딩 안내, 도킹 안내, 공중 주유 등에 사용될 수 있다.

본 발명의 명세서에 개시된 실시예들은 본 발명을 한정하는 것이 아니다. 본 발명의 범위는 아래의 특허청구범위에 의해 해석되어야 하며, 그와 균등한 범위 내에 있는 모든 기술도 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석해야 할 것이다.

110 : 펄스 레이저 130 : 광편향기
140 : 목표물 160 : 수광 렌즈
170 : 광검출기

Claims

레이저 빔을 이용하여 목표물의 영상을 획득하는 레이저 레이더 시스템에 있어서,
레이저 빔을 조사하는 광원과;
상기 광원과 상기 목표물 사이에 배치되며, 상기 광원에서 조사된 레이저 빔이 시간의 경과에 따라 상기 목표물의 다른 위치에 조사되도록 하는 광편향기와;
상기 광편향기의 조사에 따라 상기 목표물로부터 반사되는 레이저 빔을 검출하는 광검출기를 포함하며,
상기 광검출기는,
다음의 [수학식 1] 및 [수학식 2]를 만족하는 직경 D_DA를 갖는 수광 검출면을 구비하는 것을 특징으로 하는 레이저 레이더 시스템.
[수학식 1]
Sqrt(2) x P_RBS + 2 x D_RBS ≤ D_DA ≤ 2 x D_lens
여기서, P_RBS는 수신 레이저 빔 스폿 간의 간격, D_RBS는 수신 레이저 빔 스폿의 직경, D_DA는 수광 검출면의 직경, D_lens는 수신 광학계의 동공 직경.
[수학식 2]
(4/π) x wavelength x F_number < D_RBS < D_lens
여기서, wavelength는 레이저의 파장, F_number는 수신 광학계의 직경과 포커싱에 따른 F 번호.
제 1 항에 있어서,
상기 광편향기에서 사용한 시간 경과에 따른 목표물의 다른 위치 정보를 이용하여, 상기 광검출기에서 검출한 레이저 빔을 판독하는 신호판독부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저 레이더 시스템.
제 2 항에 있어서,
상기 신호판독부에서 판독한 레이저 빔 정보를 이용하여 상기 목표물의 거리 또는 반사광세기 정보를 산출하고, 상기 산출한 거리 또는 반사광세기 정보를 이용하여 상기 목표물의 3D 영상을 결정하는 영상처리부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저 레이더 시스템.
제 3 항에 있어서,
상기 목표물의 2D 영상을 획득하는 카메라를 더 포함하며,
상기 영상처리부는 상기 결정한 3D 목표물 영상과 상기 카메라에서 획득한 2D 목표물 영상을 보정 또는 합성하는 것을 특징으로 하는 레이저 레이더 시스템.
제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 광검출기는 단일의 수광 검출면 또는 적어도 2개 이상으로 분할된 수광 검출면을 구비하는 것을 특징으로 하는 레이저 레이더 시스템.
제 5 항에 있어서,
상기 적어도 2개 이상으로 분할된 수광 검출면을 구비한 광검출기에 있어, 서로 다른 분할된 수광 검출면에서 출력되는 복수의 신호를 결합하여 단일 출력 신호로 처리하는 것을 특징으로 하는 레이저 레이더 시스템.
제 5 항에 있어서,
상기 광편향기는 목표물에 대해 각각의 레이저 빔 펄스를 각각의 관측지점에 조사하며, 시간에 따라 모든 관측지점 조사가 누적되면 임의의 영역을 소정 주기로 스캔하는 것을 특징으로 하는 레이저 레이더 시스템.
제 5 항에 있어서,
각 레이저 빔 펄스 조사에 대응하여 목표물 내 적어도 하나 이상의 위치로부터 레이점 빔이 반사되는 경우에 상기 적어도 하나 이상의 반사 레이저 빔을 검출하여 적어도 하나 이상의 좌표정보를 생성하는 것을 특징으로 하는 레이저 레이더 시스템.
제 5 항에 있어서,
상기 광편향기는 복수의 광주사유닛을 포함하고,
상기 각각의 광주사유닛은 상기 목표물에 대해 서로 다른 조사 영역 또는 일부 중첩 영역 또는 서로 다른 각도로 레이저 빔을 조사하게 배치되는 것을 특징으로 하는 레이저 레이더 시스템.
제 9 항에 있어서,
상기 각각의 광주사유닛은 시분할 방식으로 레이저 빔을 조사하는 것을 특징으로 하는 레이저 레이더 시스템.
제 5 항에 있어서,
상기 광검출기는 다수 개이며,
상기 광검출기들의 일부 광검출기는 다른 광검출기에서 검출하지 못한 반사 레이저 빔을 검출하기 위해 평행 또는 경사 배치되는 것을 특징으로 하는 레이저 레이더 시스템.
제 11 항에 있어서,
상기 광검출기들은 서로 다른 광각 특성을 갖는 적어도 하나의 집광부를 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저 레이더 시스템.
제 5 항에 있어서,
상기 광편향기는
갈바노미러 또는 회전다면경 또는 음향광학 편향기 또는 2축구동 스캔미러 또는 MEMS 스캐너 또는 MEMS 리플렉터 중 적어도 어느 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저 레이더 시스템.
제 5 항에 있어서,
상기 광편향기는
EO 스캐너(Electro-Optic Scanner) 또는 파이버 어레이 레이저(fiber array laser)를 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저 레이더 시스템.
레이저 레이더 시스템에서 레이저 빔을 이용하여 목표물의 영상을 획득하는 방법에 있어서,
상기 목표물에 대해 조사할 레이저 빔을 생성하는 단계;
상기 생성한 레이저 빔을 시간의 경과에 따라 상기 목표물의 다른 위치에 조사하는 단계;
상기 조사 결과로 상기 목표물로부터 반사되는 레이저 빔을 광검출기로 검출하는 단계;
상기 조사하는 단계에서 사용한 시간 경과에 따른 목표물의 다른 위치 정보를 이용하여 상기 검출한 레이저 빔을 판독하는 단계를 포함하며,
상기 광검출기는,
다음의 [수학식 1] 및 [수학식 2]를 만족하는 직경 D_DA를 갖는 수광 검출면을 구비하는 것을 특징으로 하는 목표물 영상 획득 방법.
[수학식 1]
Sqrt(2) x P_RBS + 2 x D_RBS ≤ D_DA ≤ 2 x D_lens
여기서, P_RBS는 수신 레이저 빔 스폿 간의 간격, D_RBS는 수신 레이저 빔 스폿의 직경, D_DA는 수광 검출면의 직경, D_lens는 수신 광학계의 동공 직경.
[수학식 2]
(4/π) x wavelength x F_number < D_RBS < D_lens
여기서, wavelength는 레이저의 파장, F_number는 수신 광학계의 직경과 포커싱에 따른 F 번호.
제 15 항에 있어서,
상기 판독한 레이저 빔 정보를 이용하여 상기 목표물의 거리 또는 반사광세기 정보를 산출하는 단계;
상기 산출한 거리 또는 반사광세기 정보를 이용하여 상기 목표물의 영상을 결정하는 단계를 더 포함하는 목표물 영상 획득 방법.