KR102105310B1 - High-performance rorationless scanning lidar apparatus - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 라이다 장치에 관한 것이다.The present invention relates to a lidar device.
좀 더 구체적으로, 본 발명은 하나의 발광 소자와 제 1 반사부 및 하나의 제 2 반사부와 하나의 광 감지부를 사용하되, 상기 하나의 발광 소자에서 방출된 레이저 광이 상기 제 2 반사부에 의해 반사된 후 상기 광 감지기에 수직으로 입사되도록 상기 레이저 광의 반사 방향을 연속적으로 변경하는 상기 제 1 반사부 및 상기 제 2 반사부의 각각의 동작을 동기 방식으로 제어하여 광 감지기로 입사되는 노이즈의 양을 현저하게 감소시켜 수광 효율(신호대 잡음비(SNR))이 크게 향상되고, 피사체의 특정 단일 지점 또는 영역의 스캐닝 각도가 크게 확장 가능한 고효율 무회전 라이다 장치에 관한 것이다.More specifically, the present invention uses one light emitting element and a first reflecting portion and one second reflecting portion and one light sensing portion, wherein laser light emitted from the one light emitting element is applied to the second reflecting portion. The amount of noise incident to the optical sensor by controlling the operation of each of the first and second reflectors continuously changing the reflection direction of the laser light so as to be incident perpendicularly to the light detector after being reflected by the The present invention relates to a high-efficiency non-rotating lidar device in which light reception efficiency (signal-to-noise ratio (SNR)) is significantly improved by significantly reducing and a scanning angle of a specific single point or region of a subject is greatly expandable.
라이다(LIDAR: Light Detection and Ranging)는 피사체에 빛, 예를 들어 레이저를 조사한 후, 피사체로부터 반사된 빛을 분석하여 피사체의 물성, 예를 들어 거리, 방향, 속도, 온도, 물질 분포 및 농도 특성 등을 측정할 수 있는 원격 탐지 장치 중 하나이다. 라이다는 높은 에너지 밀도와 짧은 주기를 가지는 펄스 신호를 생성할 수 있는 레이저의 장점을 활용하여 보다 정밀하게 피사체의 물성을 측정할 수 있다.LIDAR: Light Detection and Ranging (LIDAR) irradiates the subject with light, for example, a laser, and then analyzes the light reflected from the subject, thereby analyzing the subject's physical properties, such as distance, direction, speed, temperature, material distribution and concentration. It is one of the remote detection devices that can measure characteristics. Lida can measure the physical properties of a subject more precisely by utilizing the advantage of a laser capable of generating a pulse signal having a high energy density and a short period.
또한, 라이다는 특정 파장의 레이저 광원 또는 파장 가변이 가능한 레이저 광원을 광원으로 사용하여 3차원 영상 획득, 기상 관측, 피사체의 속도 또는 거리 측정, 자율 주행 등과 같은 다양한 분야에서 사용되고 있다. 예를 들어, 라이다는 항공기, 위성 등에 탑재되어 정밀한 대기 분석 및 지구 환경 관측에 활용되고 있으며, 우주선 및 탐사 로봇에 장착되어 피사체까지의 거리 측정 등 카메라 기능을 보완하기 위한 수단으로 활용되고 있다.In addition, riders are used in various fields such as acquiring 3D images, weather observation, measuring the speed or distance of a subject, autonomous driving, etc. by using a laser light source of a specific wavelength or a laser light source having a variable wavelength as a light source. For example, riders are mounted on aircraft, satellites, etc., and are used for precise atmospheric analysis and observation of the global environment. They are mounted on spacecrafts and exploration robots and used as a means to supplement camera functions, such as measuring the distance to a subject.
또한, 지상에서는 원거리 측정, 자동차 속도 위반 단속 등을 위한 간단한 형태의 라이다 센서 기술들이 상용화되고 있다. 최근에는 레이저 스캐너 또는 3D 영상 카메라로 활용되어 3D 리버스 엔지니어링이나 무인 자동차 등에 사용되고 있다.In addition, on the ground, simple types of lidar sensor technologies for distance measurement and vehicle speed control are being commercialized. Recently, it has been used as a laser scanner or 3D imaging camera, and is used in 3D reverse engineering and driverless cars.
최근에는 360도 회전에 따라 공간 정보를 인지하는 라이다가 개발되고 있다. 하지만, 모터 등의 기계적 회전에 따른 라이다 장치는 마모, 유격 등의 기계적 결함이 존재한다는 한계점이 있어, 사람의 생명과 직접적인 관련성이 있는 자율 주행에 적용되는데 어려움이 존재한다.Recently, a lidar that recognizes spatial information according to a 360 degree rotation has been developed. However, the lidar device according to the mechanical rotation of the motor has a limitation in that there are mechanical defects such as wear and play, and it is difficult to apply to autonomous driving that is directly related to human life.
상술한 종래 기술의 라이다 장치의 문제점을 해결하기 위한 방안으로, 본 발명자들은 2017년 5월 19일 및 10월 20일자에"라이다 장치 및 이를 포함하는 라이다 시스템"이라는 발명의 명칭으로 각각 대한민국 특허 출원 제 10-2017-0062296호(미공개: 이하 "296 출원"이라 함) 및 10-2017-0136198호(미공개: 이하 "198 출원"이라 함)로 출원한 바 있다. 이러한 296 출원 및 198 출원에서는, 복잡한 다수의 광학계 또는 광학장치를 사용하여 공축(coaxial: 296 출원) 및 2축(biaxial: 198 출원) 라이다 장치를 구현할 수 있음을 개시하고 있다. 이들 296 출원 및 198 출원의 개시 내용은 본 발명의 명세서에 참조되어 본 발명의 일부를 이룬다.As a method for solving the problems of the above-described prior art lidar device, the present inventors respectively named the invention of "Lida device and lidar system including the same" on May 19 and October 20, 2017, respectively. Korea Patent Application No. 10-2017-0062296 (unpublished: hereinafter referred to as "296 application") and 10-2017-0136198 (unpublished: hereinafter referred to as "198 application"). In these 296 and 198 applications, it is disclosed that a coaxial (296 application) and a biaxial (biaxial: 198 application) lidar device can be implemented using a large number of complex optical systems or optical devices. The disclosures of these 296 and 198 applications are incorporated into the present specification and form part of the invention.
상술한 296 출원 및 198 출원에 개시된 라이다 장치는 1) MEMS 미러로 구현될 수 있는 반사부가 무회전 상태로 넓은 레이저 스캐닝 범위의 감지가 가능하고, 2) 수광 효율이 향상되며, 3) 소형, 경량이고 및 향상된 내구성을 갖는다는 장점이 달성되지만, 여전히 복잡한 광학계 또는 광학장치의 사용이 요구된다는 문제점을 갖는다.The Lida device disclosed in the above-mentioned 296 and 198 applications is 1) the reflecting part which can be implemented as a MEMS mirror is capable of detecting a wide laser scanning range in a non-rotating state, 2) the light receiving efficiency is improved, 3) small, The advantage of being lightweight and having improved durability is achieved, but still has the problem that the use of complex optical systems or optics is required.
따라서, 상술한 종래 기술들의 문제점을 해결하기 위한 새로운 방안이 요구된다.Therefore, a new method for solving the above-mentioned problems of the prior art is required.
본 발명에 개시된 실시예는 상술한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 하나의 발광 소자와 제 1 반사부 및 하나의 제 2 반사부와 하나의 광 감지부를 사용하되, 상기 하나의 발광 소자에서 방출된 레이저 광이 상기 제 2 반사부에 의해 반사된 후 상기 광 감지기에 수직으로 입사되도록 상기 레이저 광의 반사 방향을 연속적으로 변경하는 상기 제 1 반사부 및 상기 제 2 반사부의 각각의 동작을 동기 방식으로 제어하여 광 감지기로 입사되는 노이즈의 양을 현저하게 감소시켜 수광 효율(신호대 잡음비(SNR))이 크게 향상되고, 피사체의 특정 단일 지점 또는 영역의 스캐닝 각도가 크게 확장 가능한 고효율 무회전 라이다 장치를 제공하기 위한 것이다.The embodiment disclosed in the present invention is for solving the above-mentioned problems of the prior art, and uses one light emitting element, a first reflecting portion, and a second reflecting portion and one light sensing portion, in the one light emitting element. The operation of each of the first reflector and the second reflector to continuously change the reflection direction of the laser light so that the emitted laser light is reflected by the second reflector and is incident on the photo sensor vertically. A high-efficiency non-rotating lidar device capable of significantly improving the light-receiving efficiency (signal-to-noise ratio (SNR)) by significantly reducing the amount of noise incident to the photodetector and greatly expanding the scanning angle of a specific single point or area of the subject It is intended to provide.
본 발명의 제 1 특징에 따른 라이다 장치는 레이저 광을 방출하는 발광 소자, 상기 발광 소자의 동작을 제어하는 구동 장치, 상기 발광 소자에서 방출된 상기 레이저 광을 시준하는 콜리메이팅 렌즈, 상기 시준된 레이저 광의 반사 방향을 소정 각도 범위 내에서 연속적으로 변경하여 피사체의 소정 영역을 연속적으로 스캐닝하는 제 1 반사부 포함하는 발광부; 상기 피사체의 소정 영역에서 반사된 상기 레이저 광을 상기 소정 각도 범위 내에서 연속적으로 변경하여 반사시키는 제 2 반사부, 상기 제 2 반사부에 의해 반사된 상기 레이저 광을 감지하는 광 감지기, 및 상기 광 감지기에서 감지된 상기 레이저 광을 판독하는 판독 부재를 포함하는 수광부; 및 상기 발광부 및 상기 수광부의 각각의 동작을 제어하는 제어 장치를 포함하되, 상기 제어 장치는 상기 제 2 반사부에 의해 반사된 상기 레이저 광이 상기 광 감지기에 수직으로 입사되도록 상기 레이저 광의 반사 방향을 연속적으로 변경하는 상기 제 1 반사부 및 상기 제 2 반사부의 각각의 동작을 동기 방식으로(synchronously) 제어하는 것을 특징으로 한다.The lidar device according to the first aspect of the present invention includes a light emitting device that emits laser light, a driving device that controls the operation of the light emitting device, a collimating lens that collimates the laser light emitted from the light emitting device, and the collimated device. A light emitting unit including a first reflecting unit continuously changing a reflection direction of the laser light within a predetermined angular range to continuously scan a predetermined area of the subject; A second reflector for continuously changing and reflecting the laser light reflected from a predetermined area of the subject within the predetermined angular range, a photo sensor for sensing the laser light reflected by the second reflector, and the light A light receiving unit including a reading member for reading the laser light detected by the detector; And a control device that controls the operation of each of the light emitting part and the light receiving part, wherein the control device reflects the direction of the laser light so that the laser light reflected by the second reflecting part is perpendicular to the light sensor. It characterized in that the operation of each of the first and second reflectors continuously changing the synchronously (synchronously) control.
본 발명의 제 2 특징에 따른 라이다 장치는 레이저 광을 방출하는 발광 소자, 상기 발광 소자의 동작을 제어하는 구동 장치, 상기 발광 소자에서 방출된 상기 레이저 광을 시준하는 콜리메이팅 렌즈, 상기 시준된 레이저 광의 반사 방향을 소정 각도 범위 내에서 연속적으로 변경하여 피사체의 소정 영역을 연속적으로 스캐닝하는 제 1 반사부 포함하는 발광부; 상기 피사체의 소정 영역에서 반사된 상기 레이저 광을 상기 소정 각도 범위 내에서 연속적으로 변경하여 반사시키는 제 2 반사부, 상기 제 2 반사부에 의해 반사된 상기 레이저 광을 감지하는 광 감지기, 및 상기 광 감지기에서 감지된 상기 레이저 광을 판독하는 판독 부재를 포함하는 수광부; 및 상기 발광부 및 상기 수광부의 각각의 동작을 제어하는 제어 장치를 포함하되, 상기 제어 장치는 상기 제 2 반사부에 의해 반사된 상기 레이저 광이 상기 광 감지기에 수직으로 입사되도록 상기 레이저 광의 반사 방향을 연속적으로 변경하는 상기 제 1 반사부 및 상기 제 2 반사부의 각각의 동작을 동기 방식으로 제어하는 것을 특징으로 한다.The lidar device according to the second aspect of the present invention includes a light emitting device that emits laser light, a driving device that controls the operation of the light emitting device, a collimating lens that collimates the laser light emitted from the light emitting device, and the collimated lens. A light emitting unit including a first reflecting unit continuously changing a reflection direction of the laser light within a predetermined angular range to continuously scan a predetermined area of the subject; A second reflector for continuously changing and reflecting the laser light reflected from a predetermined area of the subject within the predetermined angular range, a photo sensor for sensing the laser light reflected by the second reflector, and the light A light receiving unit including a reading member for reading the laser light detected by the detector; And a control device for controlling the operation of each of the light emitting part and the light receiving part, wherein the control device reflects the direction of the laser light so that the laser light reflected by the second reflecting part is incident on the photo sensor perpendicularly. It characterized in that for controlling the operation of each of the first and second reflectors continuously changing the synchronously.
본 발명의 제 3 특징에 따른 라이다 장치는 레이저 광을 방출하는 발광 소자, 상기 발광 소자의 동작을 제어하는 구동 장치, 상기 발광 소자에서 방출된 상기 레이저 광을 시준하는 콜리메이팅 렌즈, 상기 시준된 레이저 광의 반사 방향을 소정 각도 범위 내에서 연속적으로 변경하여 피사체의 소정 영역을 연속적으로 스캐닝하는 제 1 반사부를 포함하는 발광부; 상기 피사체의 소정 영역에서 반사된 상기 레이저 광을 상기 소정 각도 범위 내에서 연속적으로 변경하여 반사시키는 복수의 제 2 반사부, 상기 복수의 제 2 반사부에 의해 각각 반사된 상기 레이저 광을 각각 수광하는 복수의 수광 렌즈, 상기 복수의 수광 렌즈를 각각 통과한 상기 레이저 광을 각각 감지하는 복수의 광 감지기, 및 상기 복수의 광 감지기에서 각각 감지된 상기 레이저 광을 판독하는 복수의 판독 부재를 포함하는 복수의 수광부로 구성되는 수광부 유닛; 및 상기 발광부 및 상기 복수의 수광부의 각각의 동작을 제어하는 제어 장치를 포함하되, 상기 제어 장치는 상기 복수의 제 2 반사부에 의해 각각 반사된 상기 레이저 광이 상기 복수의 광 감지기에 각각 수직으로 입사되도록 상기 레이저 광의 반사 방향을 연속적으로 변경하는 상기 제 1 반사부 및 상기 복수의 제 2 반사부의 각각의 동작을 동기 방식으로 제어하는 것을 특징으로 한다.The lidar device according to the third aspect of the present invention includes a light emitting device that emits laser light, a driving device that controls the operation of the light emitting device, a collimating lens that collimates the laser light emitted from the light emitting device, and the collimated device. A light emitting unit including a first reflecting unit that continuously changes a reflection direction of the laser light within a predetermined angular range to continuously scan a predetermined area of the subject; A plurality of second reflecting units for continuously changing and reflecting the laser light reflected in a predetermined area of the subject within the predetermined angular range, respectively receiving the laser light reflected by the plurality of second reflecting units A plurality of light-receiving lenses, a plurality of light detectors for sensing the laser light passing through the plurality of light-receiving lenses, respectively, and a plurality of reading members for reading the laser light respectively detected by the plurality of light-sensors A light receiving unit consisting of a light receiving unit; And a control device that controls the operation of each of the light emitting part and the plurality of light receiving parts, wherein the control device has the laser light reflected by the plurality of second reflecting parts perpendicular to the plurality of light detectors, respectively. It characterized in that to control the operation of each of the first reflector and the plurality of second reflectors continuously changing the reflection direction of the laser light so as to be incident.
본 발명의 제 4 특징에 따른 라이다 장치는 레이저 광을 방출하는 발광 소자, 상기 발광 소자의 동작을 제어하는 구동 장치, 상기 발광 소자에서 방출된 상기 레이저 광을 시준하는 콜리메이팅 렌즈, 상기 시준된 레이저 광의 반사 방향을 소정 각도 범위 내에서 연속적으로 변경하여 피사체의 소정 영역을 연속적으로 스캐닝하는 제 1 반사부를 포함하는 발광부; 상기 피사체의 소정 영역에서 반사된 상기 레이저 광을 상기 소정 각도 범위 내에서 연속적으로 변경하여 반사시키는 복수의 제 2 반사부가 배열된 반사부 어레이, 상기 반사부 어레이에 배열된 상기 복수의 제 2 반사부에 의해 각각 반사된 상기 레이저 광을 수광하는 수광 렌즈, 상기 수광 렌즈를 통과한 상기 레이저 광을 감지하는 광 감지기, 및 상기 광 감지기에서 각각 감지된 상기 레이저 광을 판독하는 판독 부재를 포함하는 수광부; 및 상기 발광부 및 상기 수광부의 각각의 동작을 제어하는 제어 장치를 포함하되, 상기 제어 장치는 상기 반사부 어레이에 배열된 상기 복수의 제 2 반사부에 의해 각각 반사된 상기 레이저 광이 상기 광 감지기에 각각 수직으로 입사되도록 상기 각각의 레이저 광의 반사 방향을 연속적으로 변경하는 상기 제 1 반사부 및 상기 복수의 제 2 반사부의 각각의 동작을 동기 방식으로 제어하는 것을 특징으로 한다.The lidar device according to the fourth aspect of the present invention includes a light emitting device that emits laser light, a driving device that controls the operation of the light emitting device, a collimating lens that collimates the laser light emitted from the light emitting device, and the collimated lens. A light emitting unit including a first reflecting unit that continuously changes a reflection direction of the laser light within a predetermined angular range to continuously scan a predetermined area of the subject; An array of reflectors arranged with a plurality of second reflectors arranged to continuously change and reflect the laser light reflected from a predetermined area of the subject within the predetermined angle range, and the plurality of second reflectors arranged in the array of reflectors A light-receiving unit including a light-receiving lens for receiving the laser light reflected by each, a light sensor for sensing the laser light passing through the light-receiving lens, and a reading member for reading the laser light sensed by the light sensor, respectively; And a control device for controlling the respective operations of the light emitting part and the light receiving part, wherein the control device includes the laser light reflected by the plurality of second reflectors arranged in the reflector array, respectively. It characterized in that to control the operation of each of the first reflecting unit and the plurality of second reflecting unit to continuously change the reflection direction of each of the laser light so as to be incident perpendicular to each.
본 발명의 실시예에 따른 라이다 장치를 사용하면 다음과 같은 효과가 달성된다.The following effects are achieved when using a lidar device according to an embodiment of the present invention.
1. 자율 주행 차량 및 다수의 응용 분야(구체적으로, 피사체의 특정 단일 지점 또는 영역의 거리 측정 및 감지가 요구되는 골프장, 자율비행 드론, 창고 및 물류센터의 자동화 로봇, 로봇 청소기 등)에 적용 가능한 형태로 구현할 수 있다.1. Applicable to autonomous vehicles and a number of applications (specifically, golf courses, autonomous flying drones, automated robots in warehouses and distribution centers, robot cleaners, etc. that require distance measurement and detection of a specific single point or area of the subject) It can be implemented in the form.
2. 광 감지부로 입사되는 노이즈의 양을 현저하게 감소시켜 수광 효율(신호대 잡음비(SNR))가 향상되고, 스캐닝 각도가 크게 확장 가능한 고효율 무회전 라이다 장치를 제작할 수 있다. 2. The light-receiving efficiency (signal-to-noise ratio (SNR)) is improved by significantly reducing the amount of noise incident to the light sensing unit, and a high-efficiency non-rotating lidar device capable of greatly extending the scanning angle can be manufactured.
3. 소형 및 경량이며 고성능/저가격의 고효율 무회전 라이다 장치를 제작할 수 있다. 3. Small size and light weight, high performance / low price and high efficiency non-rotating lidar device can be manufactured.
4. 기계적인 회전이 없이 광학적인 구성만으로 특정 단일 지점 또는 영역을 스캐닝하여 기계적인 결함 등을 보완하는 고효율 무회전 라이다 장치를 제작할 수 있다. 4. It is possible to manufacture a highly efficient non-rotating lidar device that compensates for mechanical defects by scanning a specific single point or area with only an optical configuration without mechanical rotation.
본 발명의 추가적인 장점은 동일 또는 유사한 참조번호가 동일한 구성요소를 표시하는 첨부 도면을 참조하여 이하의 설명으로부터 명백히 이해될 수 있다.Additional advantages of the present invention can be clearly understood from the following description with reference to the accompanying drawings in which identical or similar reference numerals indicate identical components.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 라이다 장치를 도시한 도면이다.
도 2는 도 1에 도시된 본 발명의 제 1 실시예에 따른 라이다 장치의 블록도이다.
도 3은 도 1에 도시된 본 발명의 제 1 실시예에 따른 라이다 장치의 발광부를 도시한 도면이다.
도 4는 도 1에 도시된 본 발명의 제 1 실시예에 따른 라이다 장치의 수광부를 도시한 도면이다.
도 5는 도 1에 도시된 본 발명의 제 1 실시예에 따른 라이다 장치의 수광부의 동작을 상세히 도시한 도면이다.
도 6a는 도 1에 도시된 본 발명의 제 1 실시예에 따른 라이다 장치의 수광부에서 파장 필터가 추가로 사용되는 것을 도시한 도면이다.
도 6b는 도 1에 도시된 본 발명의 제 1 실시예에 따른 라이다 장치의 수광부에서 피사체로부터 반사된 레이저 광이 파장 필터에 수직 입사하지 못하는 경우의 필터링 상태를 설명하기 위한 도면이다.
도 7은 본 발명의 제 2 실시예에 따른 따른 라이다 장치의 수광부를 도시한 도면이다.
도 8a는 본 발명의 제 3 실시예에 따른 라이다 장치를 도시한 도면이다.
도 8b는 8a에 도시된 본 발명의 제 3 실시예에 따른 라이다 장치에 사용되는 수광부 유닛의 변형 실시예를 도시한 도면이다.
도 8c는 본 발명의 제 4 실시예에 따른 라이다 장치에 사용되는 수광부를 도시한 도면이다.1 is a view showing a lidar device according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a block diagram of a lidar device according to a first embodiment of the present invention shown in FIG. 1.
FIG. 3 is a view showing a light emitting unit of a lidar device according to a first embodiment of the present invention shown in FIG. 1.
FIG. 4 is a view showing a light-receiving unit of a lidar device according to a first embodiment of the present invention shown in FIG. 1.
5 is a view showing in detail the operation of the light receiving unit of the lidar device according to the first embodiment of the present invention shown in FIG.
FIG. 6A is a view showing that a wavelength filter is additionally used in a light receiving unit of a lidar device according to a first embodiment of the present invention shown in FIG. 1.
FIG. 6B is a view for explaining a filtering state when laser light reflected from an object in the light receiving unit of the rider apparatus according to the first embodiment of the present invention shown in FIG. 1 is not vertically incident on the wavelength filter.
7 is a view showing a light receiving unit of a lidar device according to a second embodiment of the present invention.
8A is a view showing a lidar device according to a third embodiment of the present invention.
8B is a diagram showing a modified embodiment of the light receiving unit used in the lidar device according to the third embodiment of the present invention shown in 8A.
8C is a view showing a light receiving unit used in a lidar device according to a fourth embodiment of the present invention.
이하에서 본 발명의 실시예 및 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 기술한다.Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to examples and drawings of the present invention.
도 1은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 라이다 장치를 도시한 도면이고, 도 2는 도 1에 도시된 본 발명의 제 1 실시예에 따른 라이다 장치의 블록도이며, 도 3 도 1에 도시된 본 발명의 제 1 실시예에 따른 라이다 장치의 발광부를 도시한 도면이고, 도 4는 도 1에 도시된 본 발명의 제 1 실시예에 따른 라이다 장치의 수광부를 도시한 도면이다.1 is a view showing a lidar device according to a first embodiment of the present invention, Figure 2 is a block diagram of a lidar device according to a first embodiment of the present invention shown in Figure 1, Figure 3 Figure 1 FIG. 4 is a view showing a light emitting part of a lidar device according to a first embodiment of the present invention, and FIG. 4 is a view showing a light receiving part of a lidar device according to a first embodiment of the present invention shown in FIG. 1. .
도 1 내지 도 4를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 라이다 장치(100)는 레이저 광을 방출하는 발광 소자(112), 상기 발광 소자(112)의 동작을 제어하는 구동 장치(driver: 116), 상기 발광 소자(112)에서 방출된 상기 레이저 광을 시준하는 콜리메이팅 렌즈(114), 상기 시준된 레이저 광의 반사 방향을 소정 각도 범위 내에서 연속적으로 변경하여 피사체(object)의 소정 영역(FOV)을 연속적으로 스캐닝하는 제 1 반사부(118)를 포함하는 발광부(110); 상기 피사체의 소정 영역에서 반사된 상기 레이저 광을 상기 소정 각도 범위 내에서 연속적으로 변경하여 반사시키는 제 2 반사부(128), 상기 제 2 반사부(128)에 의해 반사된 상기 레이저 광을 수광하는 수광 렌즈(124), 상기 수광 렌즈(124)를 통과한 상기 레이저 광을 감지하는 광 감지기(122), 및 상기 광 감지기(122)에서 감지된 상기 레이저 광을 판독하는 판독 부재(126)를 포함하는 수광부(120); 및 상기 발광부(110) 및 상기 수광부(120)의 각각의 동작을 제어하는 제어 장치(controller: 130)를 포함하되, 상기 제어 장치(130)는 상기 제 2 반사부(128)에 의해 반사된 상기 레이저 광이 상기 광 감지기(122)에 수직으로 입사되도록 상기 레이저 광의 반사 방향을 연속적으로 변경하는 상기 제 1 반사부(118) 및 상기 제 2 반사부(128)의 각각의 동작을 동기 방식으로(synchronously) 제어하는 것을 특징으로 한다.1 to 4, the
이하에서는 본 발명의 실시예에 따른 라이다 장치(100)의 구체적인 구성 및 동작을 상세히 기술한다.Hereinafter, a detailed configuration and operation of the
다시 도 1 내지 도 4를 참조하면, 본 발명의 제 1 실시예에 따른 라이다 장치(100)는 발광부(110); 수광부(120); 및 상기 발광부(110) 및 상기 수광부(120)의 각각의 동작을 제어하는 제어 장치(130)를 포함한다.Referring to FIGS. 1 to 4 again, the
상기 라이다 장치(100)의 발광부(110)는 레이저 광을 방출하는 발광 소자(112)를 포함한다. 발광 소자(112)는 단일 LD(laser diode) 또는 단일 PLD(single pulsed laser diode)로 구현될 수 있으며, 구체적으로 905nm 파장을 방출하는 PLD로 구현될 수 있다. 이를 위해 제어 장치(300)은 펄스 발생 장치(134)를 포함할 수 있으며(도 2 참조), 이러한 펄스 발생 장치(134)에 의해 발생된 펄스(예를 들어, 905nm 파장 펄스)가 PLD로 구현될 수 있는 발광 소자(112)에 전달되고, 발광 소자(112)는, 예를 들어, 905nm 파장의 레이저 광을 방출할 수 있다. 이 경우, 발광 소자(112)의 동작은 구동 장치(116)에 의해 제어된다. 구체적으로, 구동 장치(116)은 발광 소자(112)의 출력 시점 및 출력 특성을 제어하고, 또한 펄스 폭을 짧게 유지시키기 위한 전류 구동기(current driver)로 구현될 수 있다. 발광 소자(112)는 온도에 매우 민감한 장치이므로, 작동 시 온도를 일정 값으로 고정하여 반도체의 열 특성에 기인한 출력 감소 및 레이저 공진기의 중심 파장의 변화를 억제하도록 제어하기 위해 열전 쿨러(thermo-electric cooler: 113), 냉각 팬(115), 및 온도 센서(미도시) 등을 추가로 포함할 수 있다.The
또한, 발광 소자(112)는 방출된 레이저 광을 시준하는 콜리메이팅 렌즈(114)를 일체로 구비할 수 있다. 콜리메이팅 렌즈(114)에 의해 시준된 레이저 광은 제 1 반사부(118)로 진행하여 반사된다. 이 경우, 제 1 반사부(118)는 제어 장치(130)에 포함된 동기 구동부(136)에 의해 상기 시준된 레이저 광의 반사 방향을 소정 각도 범위 내에서 연속적으로 변경하여 피사체(object)의 소정 영역을 연속적으로 스캐닝한다. 여기서, 제 1 반사부(118) 및 후술하는 제 2 반사부(118,128)는 각각, 예를 들어, 공지의 MEMS 미러로 구현될 수 있으며, 이 경우 미러의 사이즈는 대략 직경이 1 내지 5 mm의 범위를 갖는 것이 바람직하지만, 이에 제한되는 것은 아니라는 점에 유의하여야 한다.Further, the
상기 동기 구동부(136)에 의해 반사부(118)가 시준된 레이저 광의 반사 방향을 연속적으로 변경하는 소정 각도 범위는 대략 최대 ±20도(즉, 40도)이고, 평균적으로 ±15도(즉, 30도)이다. 도 3 및 도 4에서는 이러한 소정 각도 범위가 ±15도(즉, 30도)인 것으로 예시적으로 도시되어 있다. 즉, 동기 구동부(136)는 의해 반사부(118)를 ±15도의 범위(즉, 30도) 내에서 연속적으로 회전시켜 반사부(118)에 입사되는 하나의 시준된 레이저 광의 반사 방향을 30도 범위 내에서 변경할 수 있다.The predetermined angle range for continuously changing the reflection direction of the laser light collimated by the
본 발명의 제 1 실시예에 따른 라이다 장치(100)는 피사체(object)의 소정 영역(FOV)은 종래 기술과는 달리 피사체의 특정 단일 지점(영역)의 스캐닝(구체적으로, 가능한 한 좁은 범위의 시야각(FOV)을 갖는 특정 단일 지점(영역)의 스캐닝)에 적용하기 위한 것이라는 점에 유의하여야 한다.In the
한편, 상기 라이다 장치(100)의 수광부(120)는 제 2 반사부(128)를 포함한다. 이러한 제 2 반사부(128)는 상기 피사체의 소정 영역에서 반사된 상기 레이저 광을 상기 소정 각도 범위 내에서 연속적으로 변경하여 반사시킨다. 구체적으로, 제 2 반사부(128)는 제어 장치(130)의 동기 구동부(136)에 의해 피사체의 소정 영역에서 반사되어 제 2 반사부(128)로 향하는 레이저 광의 반사 방향을 연속적으로 변경하도록, 예를 들어, ±15도의 범위 내에서 연속적으로 회전시켜 30도 범위 내에서 제 2 반사부(128)에 입사되는 복수의 레이저 광의 반사 방향을 변경할 수 있다. 이 경우, 동기 구동부(136)는 제 1 반사부(118) 및 제 2 반사부(128)의 회전 각도를 동기 방식으로 제어한다. 구체적으로, 동기 구동부(136)는 제 1 반사부(118) 및 제 2 반사부(128)의 회전 동작을 시간 오차 없이(즉, 광속으로) 동기화하여 동시에 제어하도록 병렬 전압 제어 구조를 갖도록 구현될 수 있다. 그 결과, 발광 소자(112)에서 방출된 하나의 시준된 레이저 광이 연속적으로 회전하는 제 1 반사부(118)에서 반사되어 피사체의 소정 영역(FOV)을 향하여 진행한다. 그 후, 피사체의 소정 영역(FOV)에서 반사된 복수의 레이저 광이 제 1 반사부(118)와 동기 방식으로 연속적으로 회전하는 제 2 반사부(128)에서 반사되어, 도 1 및 도 4에 도시된 바와 같이 수광 렌즈(124)를 통해 광 감지기(122)에 수직으로 입사된다. 수광 렌즈(124)는, 예를 들어, 제 2 반사부(128)에서 반사된 복수의 레이저 광을 시준하기 위한 콜리메이팅 렌즈로 구현되는 것이 바람직하지만, 수광 렌즈(124)를 통과한 복수의 레이저 광이 광 감지기(122)의 표면 상에 수광 초점이 형성되도록 해주는 집광 렌즈(condensing lens)로 구현될 수도 있다는 점에 유의하여야 한다.Meanwhile, the
광 감지기(122)에 수신된 레이저 광은 아날로그 광신호로 판독 부재(126)에 의해 디지털 광신호로 변환된 후 판독 및 저장된다. 판독 부재(126)는, 예를 들어, 판독 집적회로(Readout Integrated Circuits: ROIC)로 구현될 수 있으며, 광 감지기(122)와 일체로 구현될 수 있다. 이러한 광 감지기(122)는, 예를 들어, 단일 APD(Avalanche Photodiode)로 구현될 수 있다. 광 감지기(122)를 일체로 포함한 판독 부재(126)는 예를 들어 단광자 검출기(SPD) 모듈 또는 실리콘 광증배기(silicon photomultiplier: SiPM) 모듈로 지칭될 수 있다. 이 경우, 단일 APD로 구현될 수 있는 광 감지기(122)가 단광자(single photon) 수준의 민감도(sensitivity)를 가지며, 그에 따라 수광 렌즈(124)를 통과하여 판독 집적회로(ROIC)로 구현될 수 있는 판독 부재(126)의 기판 표면에 도달하는 노이즈 또는 판독 부재(126)의 내부에서 산란된 노이즈를 수신하여 감지할 수 있다. 따라서, 이러한 노이즈의 수신을 방지하기 위해 판독 부재(126)와 일체로 제공되는 광 감지기(122)의 표면을 제외한 판독 부재(126)의 기판 표면 상에 광 흡수제(127)를 코팅하는 것이 바람직하다. 광흡수제는, 예를 들어, 공지의 실리콘계 광흡수 재질(예를 들어, 단결정 Si 또는 다결정 Si 재질의 결정계 광흡수 재질, 또는 a-Si 박막 또는 μ c-Si/a-Si 적층 구조의 박막형 광흡수 재질), 화합물계 광흡수 재질(예를 들어, CIS/CdTe 화합물 또는 CIGS/CdTe 화합물 재질의 화합물 박막형 광흡수 재질), 유기계 광흡수 재질(예를 들어, 금속착화물계 염료 재질의 염료감응형 광흡수 재질)이 사용될 수 있지만, 이에 제한되는 것은 아니다.The laser light received by the
상술한 판독 부재(126)에서 판독된 디지털 광신호는 제어 장치(300)의 TDC(Time to Digital converter) 회로(138)로 입력되어 라이다 장치(100)와 피사체 사이를 비행한 레이저 광의 비행 시간이 측정(계산)된다. 그 후, 측정된 비행 시간 정보가 제어 장치(300)의 제어 및 신호 처리 장치(132)로 전송되어 라이다 장치(100)와 피사체 간의 거리의 산출 및 오차 보정 신호 처리가 이루어진다. 도 2에 도시된 전원부(power supply: 140)는 제어 장치(300)의 구성요소인 제어 및 신호 처리 장치(132), 펄스 발생 장치(134), 동기 구동부(136), 및 TDC 회로(138)의 각각의 동작을 위한 전원을 공급한다.The digital optical signal read from the above-described
도 5는 도 1에 도시된 본 발명의 제 1 실시예에 따른 라이다 장치의 수광부의 동작을 상세히 도시한 도면이다. 도 5에서는 피사체에서 반사된 복수의 레이저 광이 제 2 반사부(128)을 통과하여 수광부(120)를 구성하는 수광 렌즈(124)를 통해 광 감지기(122)로 수광되는 것으로 도시되어 있지만, 이는 설명의 편의를 위한 것으로 실제로는 제 2 반사부(128)에서 반사되어 수광부(120)를 구성하는 수광 렌즈(124)를 통해 광 감지기(122)로 수광된다는 점에 유의하여야 한다. 이는 도 5와 동일 또는 유사한 라이다 장치의 수광부의 동작을 도시하고 있는 도 6b 및 도 7의 경우에도 동일하게 적용된다. 5 is a view showing in detail the operation of the light receiving unit of the lidar device according to the first embodiment of the present invention shown in FIG. In FIG. 5, the plurality of laser lights reflected from the subject pass through the
도 5를 도 1 내지 도 4와 함께 참조하면, 본 발명의 제 1 실시예에 따른 라이다 장치(100)의 수광부(110) 중 제 2 반사부(128)가 대략 1 내지 5mm의 지름을 갖는 MEMS 미러(이하"초소형 MEMS 미러(128)"라 함)로 구현될 수 있으며, 그에 따라 피사체의 소정 영역(FOV)에서 소정 각도 범위(예를 들어, ±15도(즉, 30도)) 내에서 반사된 복수의 레이저 광이 연속적으로 회전하는 초소형 MEMS 미러(128)에 의해 반사되어 수광 렌즈(124)를 통해 광 감지기(122) 표면 상으로 수광된다. 이 경우, 피사체의 소정 영역(FOV) 이외의 영역에서 반사되는 태양광 또는 자연광에 의해 배경 노이즈(background noise)를 발생시키는 태양광 또는 기타 광원에 기인한 주변광(ambient light: 129)은 초소형 MEMS 미러(128)에서 반사된 후 수광 렌즈(129)를 벗어나서 진행하므로 광 감지기(122)를 일체로 포함하는 판독 부재(126)의 표면 상에 도달하지 않는다. 그에 따라, 광 감지기(122)의 외부 및 내부에서 주변광에 기인한 노이즈 발생이 제거 또는 최소화된다. 즉, 본 발명의 제 1 실시예에 따른 라이다 장치(100)는 초소형 MEMS 미러로 구현되는 제 1 및 제 2 반사부(128)를 사용하여, 좁은 범위의 시야각(FOV)을 갖는 특정 단일 지점(영역)을 스캐닝하고, 그에 따라 특정 단일 지점(영역) 이외의 영역에서 반사되는 주변광에 기인한 노이즈를 제거 또는 최소화함으로써 광 감지기(122)에 수광된 레이저 광의 신호대 잡음비(SNR)를 크게 향상시킬 수 있다는 장점이 달성된다. Referring to FIG. 5 together with FIGS. 1 to 4, the second reflecting
반면에, 종래 기술의 라이다 장치(미도시)에서는, 미러를 사용하지 않는 경우, 넓은 각도로 입사되는 피사체에서 반사된 복수의 레이저 광이 카메라와 같은 큰 사이즈의 넓은 개구를 갖는 수광부에서 수신되고, 그에 따라 주변광 노이즈도 커지게 된다. 또한, 종래 기술의 라이다 장치(미도시)에서는, 미러를 사용하는 경우에도, 상대적으로 상당히 큰 사이즈(예를 들어, 직경이 대략 3 내지 5cm)의 미러를 사용하므로 피사체의 소정 영역(FOV)에서 반사된 복수의 레이저 광이 큰 사이즈의 미러에 의해 반사되므로 수광 렌즈(예를 들어, 도 5의 수광 렌즈(128))을 통과하는 레이저 광의 양이 상대적으로 크게 증가한다. 그에 따라, 종래 기술에서는 광 감지기(122)에서의 레이저 광의 수광량을 크게 증가시켜 SNR을 높이는 방식을 사용한다. 그러나, 이러한 종래 기술에서는 레이저 광의 수광량이 크게 증가하는 대신 주변광도 동시에 수광되어 노이즈가 크게 증가하여 실질적으로 높은 SNR을 얻는 것이 어렵거나 불가능하다. 따라서, 상술한 바와 같이, 본 발명의 제 1 실시예에 따른 라이다 장치(100)는 종래 기술의 라이다 장치의 문제점을 해결할 수 있다. On the other hand, in a prior art lidar device (not shown), when a mirror is not used, a plurality of laser lights reflected from an object incident at a wide angle are received at a light receiving unit having a large sized wide opening like a camera , As a result, ambient light noise also increases. Further, in the prior art lidar device (not shown), even when a mirror is used, a relatively large sized mirror (for example, approximately 3 to 5 cm in diameter) is used, so a predetermined area of the subject (FOV) Since the plurality of laser lights reflected by the mirror is reflected by a large size mirror, the amount of laser light passing through the light receiving lens (for example, the
도 6a는 도 1에 도시된 본 발명의 제 1 실시예에 따른 라이다 장치의 수광부에서 파장 필터가 추가로 사용되는 것을 도시한 도면이고, 도 6b는 도 1에 도시된 본 발명의 제 1 실시예에 따른 라이다 장치의 수광부에서 피사체로부터 반사된 레이저 광이 파장 필터에 수직 입사하지 못하는 경우의 필터링 상태를 설명하기 위한 도면이다.FIG. 6A is a diagram showing that a wavelength filter is additionally used in the light receiving unit of the LIDAR device according to the first embodiment of the present invention shown in FIG. 1, and FIG. 6B is a first embodiment of the present invention shown in FIG. 1 It is a view for explaining the filtering state when the laser light reflected from the subject in the light receiving unit of the lidar device according to the example does not vertically enter the wavelength filter.
먼저, 도 6a를 참조하면, 본 발명의 제 1 실시예에 따른 라이다 장치(100)의 수광부(120)는 제 2 반사부(128)와 수광 렌즈(124) 사이에 제공되는 파장 필터(127)를 추가로 포함할 수 있다. 도 6a의 예시에서는, 파장 필터(127)가 제 2 반사부(128)와 수광 렌즈(124) 사이에 제공되는 것으로 도시되어 있지만, 당업자라면 파장 필터(127)가, 예를 들어, 광 감지기(122) 표면 상에 코팅되어 제공될 수 있다는 점을 충분히 이해할 수 있을 것이다. 이러한 파장 필터(127)는, 예를 들어, 905nm의 파장을 기준으로 ±25nm 범위의 파장을 필터링하는 제 1 파장 필터, 905nm의 파장을 기준으로 ±10nm 범위의 파장을 필터링하는 2개의 파장 필터(제 2 및 제 3 필터)가 적층된 형태로 제공될 수 있다. 여기서, 905nm의 파장은 태양광의 파장 스펙트럼 중 노이즈가 가장 적은 파장이다. 상기 3개의 적층형 파장 필터(127)를 사용하면, 주변광에 기인한 노이즈가 추가로 제거되어, 도 6a의 그래프에서 알 수 있는 바와 같이, 실질적으로 노이즈가 없는 대략 900 내지 910nm 파장 범위의 레이저 광이 광 감지기(122)에서 수광될 수 있다. 상술한 파장 필터(127)의 사용은 선택사양으로 반드시 사용되어야 하는 것은 아니라는 점에 유의하여야 한다. First, referring to FIG. 6A, the
한편, 도 6b를 참조하면, 본 발명의 제 1 실시예에 따른 라이다 장치(100)의 수광부(120)에서 제 2 반사부(128)에서 반사된 레이저 광이 파장 필터(127)에 수직 입사하지 못하는 경우, 파장 필터(127)의 투과 영역이 넓어지면서 동시에 다른 영역(즉, 필터링 영역이 도 6a에 도시된 바와 같이 대략 899 내지 910nm 범위의 영역에서 도 6b에 도시된 바와 같이 대략 888 내지 907nm 범위의 영역)으로 이동한다. 그에 따라, 주변광과 동일한 노이즈가 발생할 수 있을 뿐만 아니라, 광 감지기(122)에 수신되는 수신광의 광량이 현저하게 감소된다. 따라서, 상술한 바와 같이, 레이저 광이 파장 필터(127)에 수직 입사하지 못하는 경우 발생하는 파장 필터(127)의 투과 영역이 넓어지면서 동시에 다른 영역으로 이동하는 문제점을 해결하기 위해서는, 파장 필터(127)의 설계를 변경하여야 하고 그에 따른 비용이 증가하게 되므로 바람직하지 않다. 따라서, 도 6a에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제 1 실시예에 따른 라이다 장치(100)에서는 수광부(120)를 구성하는 제 2 반사부(128)에서 반사된 레이저 광이 파장 필터(127) 및/또는 광 감지기(122)에 수직으로 입사하도록 구현함으로써, 광 감지기(122)에서의 수광 효율 및 SNR이 현저하게 향상된다는 장점이 달성될 수 있다.Meanwhile, referring to FIG. 6B, laser light reflected from the
도 7은 본 발명의 제 2 실시예에 따른 따른 라이다 장치의 수광부를 도시한 도면이다. 7 is a view showing a light receiving unit of a lidar device according to a second embodiment of the present invention.
도 7을 참조하면, 도 1에 도시된 본 발명의 제 1 실시예에 따른 라이다 장치(100)의 수광부(120)에서 수광 렌즈(124)가 사용되지 않는다는 점을 제외하고는 제 1 실시예에 따른 라이다 장치(100)와 실질적으로 동일하다는 점에 유의하여야 한다.Referring to FIG. 7, the first embodiment except that the
좀 더 구체적으로, 도 7을 도 1 내지 도 4와 함께 참조하면, 본 발명의 제 2 실시예에 따른 라이다 장치(100)는 레이저 광을 방출하는 발광 소자(112), 상기 발광 소자(112)의 동작을 제어하는 구동 장치(116), 상기 발광 소자(112)에서 방출된 상기 레이저 광을 시준하는 콜리메이팅 렌즈(114), 상기 시준된 레이저 광의 반사 방향을 소정 각도 범위 내에서 연속적으로 변경하여 피사체(object)의 소정 영역(FOV)을 연속적으로 스캐닝하는 제 1 반사부(118)를 포함하는 발광부(110); 상기 피사체의 소정 영역에서 반사된 상기 레이저 광을 상기 소정 각도 범위 내에서 연속적으로 변경하여 반사시키는 제 2 반사부(128), 상기 제 2 반사부(128)에 의해 반사된 상기 레이저 광을 감지하는 광 감지기(122), 및 상기 광 감지기(122)에서 감지된 상기 레이저 광을 판독하는 판독 부재(126)를 포함하는 수광부(120); 및 상기 발광부(110) 및 상기 수광부(120)의 각각의 동작을 제어하는 제어 장치(130)를 포함하되, 상기 제어 장치(130)는 상기 제 2 반사부(128)에 의해 반사된 상기 레이저 광이 상기 광 감지기(122)에 수직으로 입사되도록 상기 레이저 광의 반사 방향을 연속적으로 변경하는 상기 제 1 반사부(118) 및 상기 제 2 반사부(128)의 각각의 동작을 동기 방식으로(synchronously) 제어하고, 상기 수광부(120)는 상기 제 2 반사부(128)와 상기 광 감지기(122) 사이에 제공되거나 또는 상기 광 감지기(122)의 표면 상에 코팅되어 제공되는 광학 필터(127)을 선택적으로 포함하는 것을 특징으로 한다.More specifically, referring to FIG. 7 together with FIGS. 1 to 4, the
도 7에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제 2 실시예에 따른 라이다 장치(100)에서는, 광 감지기(122)의 표면 사이즈는 지름이 1 내지 5mm의 초소형 MEMS 미러로 구현될 수 있는 제 2 반사부(128)의 사이즈와 실질적으로 동일한 사이즈(지름 또는 한 변이 대략 1 내지 5mm인 원형 또는 정사각형 타입의 표면)을 갖도록 구현될 수 있다. 그에 따라, 피사체의 소정 영역(FOV)에서 반사된 복수의 레이저 광이 제 2 반사부(128)에서 반사된 후 도 1에 도시된 수광 렌즈(124)를 사용하지 않고도 광 감지기(122) 상에서 수광될 수 있다. 도 7의 실시예에서도, 파장 필터(127)의 사용이 선택사양이라는 점에 유의하여야 한다. As shown in FIG. 7, in the
도 8a는 본 발명의 제 3 실시예에 따른 라이다 장치를 도시한 도면이고, 8b는 8a에 도시된 본 발명의 제 3 실시예에 따른 라이다 장치에 사용되는 수광부 유닛의 변형 실시예를 도시한 도면이다. 도 8a 및 도 8b의 실시예에서는, 도 1에 본 발명의 제 1 실시예에 따른 라이다 장치(100)의 제어 장치(130)의 도시가 생략되어 있다는 점에 유의하여야 한다. 8A is a view showing a lidar device according to a third embodiment of the present invention, and 8B is a modified embodiment of a light receiving unit used in a lidar device according to a third embodiment of the present invention shown in 8A. It is one drawing. It should be noted that, in the embodiments of FIGS. 8A and 8B, the illustration of the
다시 도 8a를 도 1 내지 도 4와 함께 참조하면, 본 발명의 제 3 실시예에 따른 라이다 장치(100)에서는, 수광부(120)가 도 1에 도시된 수광부(120)와 동일한 복수의 수광부(120a,120b)를 사용한다는 점을 제외하고는 도 1에 도시된 본 발명의 제 1 실시예에 따른 라이다 장치(100)와 실질적으로 동일하다. 이 경우, 도 8a의 실시예에서는 복수의 수광부(120a,120b)가 2개인 것으로 예시적으로 도시되어 있지만, 당업자라면 복수의 수광부(120a,120b)가 3개 이상으로 제공될 수 있다는 있다는 것을 충분히 이해할 수 있을 것이다. Referring again to FIG. 8A together with FIGS. 1 to 4, in the
좀 더 구체적으로, 본 발명의 제 3 실시예에 따른 라이다 장치(100)는 레이저 광을 방출하는 발광 소자(112), 상기 발광 소자(112)의 동작을 제어하는 구동 장치(116), 상기 발광 소자(112)에서 방출된 상기 레이저 광을 시준하는 콜리메이팅 렌즈(114), 상기 시준된 레이저 광의 반사 방향을 소정 각도 범위 내에서 연속적으로 변경하여 피사체(object)의 소정 영역(FOV)을 연속적으로 스캐닝하는 제 1 반사부(118)를 포함하는 발광부(110); 상기 피사체의 소정 영역에서 반사된 상기 레이저 광을 상기 소정 각도 범위 내에서 연속적으로 변경하여 반사시키는 복수의 제 2 반사부(128a,128b), 상기 복수의 제 2 반사부(128a,128b)에 의해 각각 반사된 상기 레이저 광을 각각 수광하는 복수의 수광 렌즈(124a,124b), 상기 복수의 수광 렌즈(124a,124b)를 각각 통과한 상기 레이저 광을 각각 감지하는 복수의 광 감지기(122a,122b), 및 상기 복수의 광 감지기(122a,122b)에서 각각 감지된 상기 레이저 광을 판독하는 복수의 판독 부재(126a,126b)를 포함하는 복수의 수광부(120a,120b)로 구성되는 수광부 유닛(120); 및 상기 발광부(110) 및 상기 복수의 수광부(120a,120b)의 각각의 동작을 제어하는 제어 장치(130)를 포함하되, 상기 제어 장치(130)는 상기 복수의 제 2 반사부(128a,128b)에 의해 각각 반사된 상기 레이저 광이 상기 복수의 광 감지기(122a,122b)에 각각 수직으로 입사되도록 상기 제 1 반사부(118) 및 상기 복수의 제 2 반사부(128a,128b)가 각각 상기 레이저 광의 반사 방향을 연속적으로 변경하는 동작을 동기 방식으로(synchronously) 제어하는 것을 특징으로 한다. 여기서, 수광부 유닛(120)을 구성하는 복수의 수광부(120a,120b)의 각각의 구성 및 동작은 상술한 바와 같은 도 1에 도시된 수광부(120)의 구성 및 동작과 동일하므로 그 자세한 설명은 생략하기로 한다.More specifically, the
8b는 8a에 도시된 본 발명의 제 3 실시예에 따른 라이다 장치에 사용되는 수광부 유닛의 변형 실시예를 도시한 도면이다.8B is a view showing a modified embodiment of the light receiving unit used in the lidar device according to the third embodiment of the present invention shown in 8A.
도 8b를 도 1 및 도 8a와 함께 참조하면, 본 발명의 제 3 실시예에 따른 라이다 장치(100)에 사용되는 수광부 유닛(120)에서는, 복수의 수광부(120a,120b)가 복수의 제 2 반사부(128a,128b)와 복수의 수광 렌즈(124a,124b) 사이에 제공되는 복수의 반사거울(127a,127b)을 추가로 포함하고 있다. 이러한 복수의 반사거울(127a,127b)에 의해 복수의 제 2 반사부(128a,128b)에서 반사된 복수의 레이저 광의 각각의 경로의 변경이 가능하므로, 복수의 수광부(120a,120b)를 구성하는 복수의 광 감지기(도면부호 미도시)의 배치 자유도가 증가할 수 있다는 장점이 달성될 수 있다. Referring to FIG. 8B together with FIGS. 1 and 8A, in the
도 8c는 본 발명의 제 4 실시예에 따른 라이다 장치에 사용되는 수광부를 도시한 도면이다. 도 8c의 실시예에서도, 도 1에 본 발명의 제 1 실시예에 따른 라이다 장치(100)의 제어 장치(130)의 도시가 생략되어 있다는 점에 유의하여야 한다. 8C is a view showing a light receiving unit used in a lidar device according to a fourth embodiment of the present invention. It should be noted that, even in the embodiment of FIG. 8C, the illustration of the
다시 도 8c를 도 1 내지 도 4와 함께 참조하면, 본 발명의 제 4 실시예에 따른 라이다 장치(100)에서는, 수광부(120)가 도 1에 도시된 하나의 제 2 반사부(128) 대신 동일한 복수의 제 2 반사부(128)가 배열된 반사부 어레이(128a)를 사용하고, 복수의 반사부(128)에서 반사된 복수의 레이저 광이 하나의 수광 렌즈(124)를 통과하여 하나의 광 수신기(122)에 수광된다는 점을 제외하고는 도 1에 도시된 본 발명의 제 1 실시예에 따른 라이다 장치(100)와 실질적으로 동일하다. Referring back to FIG. 8C together with FIGS. 1 to 4, in the
좀 더 구체적으로, 도 8c에 도시된 본 발명의 제 4 실시예에 따른 라이다 장치(100)는 레이저 광을 방출하는 발광 소자(112), 상기 발광 소자(112)의 동작을 제어하는 구동 장치(116), 상기 발광 소자(112)에서 방출된 상기 레이저 광을 시준하는 콜리메이팅 렌즈(114), 상기 시준된 레이저 광의 반사 방향을 소정 각도 범위 내에서 연속적으로 변경하여 피사체(object)의 소정 영역(FOV)을 연속적으로 스캐닝하는 제 1 반사부(118)를 포함하는 발광부(110); 상기 피사체의 소정 영역에서 반사된 상기 레이저 광을 상기 소정 각도 범위 내에서 연속적으로 변경하여 반사시키는 복수의 제 2 반사부(128)가 배열된 반사부 어레이(128a), 상기 반사부 어레이(128a)에 배열된 상기 복수의 제 2 반사부(128)에 의해 각각 반사된 상기 레이저 광을 수광하는 수광 렌즈(124), 상기 수광 렌즈(124)를 통과한 상기 레이저 광을 감지하는 광 감지기(122), 및 상기 광 감지기(122)에서 각각 감지된 상기 레이저 광을 판독하는 판독 부재(126)를 포함하는 수광부(120); 및 상기 발광부(110) 및 상기 수광부(120)의 각각의 동작을 제어하는 제어 장치(130)를 포함하되, 상기 제어 장치(130)는 상기 반사부 어레이(128a)에 배열된 상기 복수의 제 2 반사부(128)에 의해 각각 반사된 상기 레이저 광이 상기 광 감지기(122)에 각각 수직으로 입사되도록 상기 각각의 레이저 광의 반사 방향을 연속적으로 변경하는 상기 제 1 반사부(118) 및 상기 복수의 제 2 반사부(128)의 각각의 동작을 동기 방식으로 제어하는 것을 특징으로 한다. 여기서, 수광부(120)를 구성하는 반사부 어레이(128a)에 배열된 복수의 제 2 반사부(128)의 각각의 구성 및 동작은 상술한 바와 같은 도 1에 도시된 수광부(120)의 제 2 반사부(128)의 구성 및 동작과 동일하므로 그 자세한 설명은 생략하기로 한다.More specifically, the
상술한 도 8a 내지 도 8c에 도시된 본 발명의 제 3 또는 제 4 실시예에 따른 라이다 장치(100)에서는 수광 유닛(120)이 복수의 수광부(122a,122b)로 구현되거나 또는 복수의 제 2 반사부(128)가 배열된 반사부 어레이(128a)가 사용되므로, 수광 효율이 크게 증가한다는 장점이 달성된다.In the above-described third or fourth embodiment of the present invention shown in FIGS. 8A to 8C, in the
다양한 변형예가 본 발명의 범위를 벗어남이 없이 본 명세서에 기술되고 예시된 구성 및 방법으로 만들어질 수 있으므로, 상기 상세한 설명에 포함되거나 첨부 도면에 도시된 모든 사항은 예시적인 것으로 본 발명을 제한하기 위한 것이 아니다. 따라서, 본 발명의 범위는 상술한 예시적인 실시예에 의해 제한되지 않으며, 이하의 청구범위 및 그 균등물에 따라서만 정해져야 한다.Since various modifications can be made to the configurations and methods described and exemplified herein without departing from the scope of the present invention, all matters included in the above detailed description or shown in the accompanying drawings are exemplary and are intended to limit the present invention. It is not. Therefore, the scope of the present invention is not limited by the exemplary embodiments described above, and should be determined only according to the following claims and equivalents thereof.
100: 라이다 장치 110,110a,110b: 발광부
112,112a,112b,112c: 발광 소자 114,114a,114b,114c: 콜리메이팅 렌즈
116,116a,116b,116c: 구동 장치 118,118a,118b: 제 1 반사부
120,120a,120b: 수광부 122,122a,122b,122c: 광 감지기
124,124a,124b,124c: 수광 렌즈 126,126a,126b,126c: 판독 부재
128,128a,128b: 제 2 반사부 130: 제어 장치100: lidar device 110,110a, 110b: light emitting unit
112,112a, 112b, 112c: light-emitting element 114,114a, 114b, 114c: collimating lens
116,116a, 116b, 116c: drive unit 118,118a, 118b: first reflector
120,120a, 120b: light receiving unit 122,122a, 122b, 122c: light sensor
124,124a, 124b, 124c: light receiving lens 126,126a, 126b, 126c: reading member
128,128a, 128b: second reflector 130: control device
Claims (12)
레이저 광을 방출하는 발광 소자, 상기 발광 소자의 동작을 제어하는 구동 장치, 상기 발광 소자에서 방출된 상기 레이저 광을 시준하는 콜리메이팅 렌즈, 상기 시준된 레이저 광의 반사 방향을 소정 각도 범위 내에서 연속적으로 변경하여 피사체의 소정 영역을 연속적으로 스캐닝하는 제 1 반사부 포함하는 발광부;
상기 피사체의 소정 영역에서 반사된 상기 레이저 광을 상기 소정 각도 범위 내에서 연속적으로 변경하여 반사시키는 제 2 반사부, 상기 제 2 반사부에 의해 반사된 상기 레이저 광을 감지하는 광 감지기, 및 상기 광 감지기에서 감지된 상기 레이저 광을 판독하는 판독 부재를 포함하는 수광부; 및
상기 발광부 및 상기 수광부의 각각의 동작을 제어하는 제어 장치
를 포함하되,
상기 제어 장치는 상기 제 2 반사부에 의해 반사된 상기 레이저 광이 상기 광 감지기에 수직으로 입사되도록 상기 레이저 광의 반사 방향을 연속적으로 변경하는 상기 제 1 반사부 및 상기 제 2 반사부의 각각의 동작을 동기 방식으로 제어하는
라이다 장치.In the lidar device,
A light emitting device that emits laser light, a driving device that controls the operation of the light emitting device, a collimating lens that collimates the laser light emitted from the light emitting device, and a reflective direction of the collimated laser light continuously within a predetermined angle range A light emitting unit including a first reflecting unit to continuously scan a predetermined area of the subject by changing;
A second reflector for continuously changing and reflecting the laser light reflected from a predetermined area of the subject within the predetermined angular range, a photo sensor for sensing the laser light reflected by the second reflector, and the light A light receiving unit including a reading member for reading the laser light detected by the detector; And
A control device that controls the operation of each of the light emitting unit and the light receiving unit
Including,
The control device operates each of the first reflector and the second reflector to continuously change the reflection direction of the laser light so that the laser light reflected by the second reflector is incident perpendicularly to the light sensor. Synchronously controlled
Lidar device.
레이저 광을 방출하는 발광 소자, 상기 발광 소자의 동작을 제어하는 구동 장치, 상기 발광 소자에서 방출된 상기 레이저 광을 시준하는 콜리메이팅 렌즈, 상기 시준된 레이저 광의 반사 방향을 소정 각도 범위 내에서 연속적으로 변경하여 피사체의 소정 영역을 연속적으로 스캐닝하는 제 1 반사부 포함하는 발광부;
상기 피사체의 소정 영역에서 반사된 상기 레이저 광을 상기 소정 각도 범위 내에서 연속적으로 변경하여 반사시키는 제 2 반사부, 상기 제 2 반사부에 의해 반사된 상기 레이저 광을 수광하는 수광 렌즈, 상기 수광 렌즈를 통과한 상기 레이저 광을 감지하는 광 감지기, 및 상기 광 감지기에서 감지된 상기 레이저 광을 판독하는 판독 부재를 포함하는 수광부; 및
상기 발광부 및 상기 수광부의 각각의 동작을 제어하는 제어 장치
를 포함하되,
상기 제어 장치는 상기 제 2 반사부에 의해 반사된 상기 레이저 광이 상기 광 감지기에 수직으로 입사되도록 상기 레이저 광의 반사 방향을 연속적으로 변경하는 상기 제 1 반사부 및 상기 제 2 반사부의 각각의 동작을 동기 방식으로(synchronously) 제어하는
라이다 장치.In the lidar device,
A light emitting device that emits laser light, a driving device that controls the operation of the light emitting device, a collimating lens that collimates the laser light emitted from the light emitting device, and a reflective direction of the collimated laser light continuously within a predetermined angle range A light emitting unit including a first reflecting unit to continuously scan a predetermined area of the subject by changing;
A second reflecting unit for continuously changing and reflecting the laser light reflected from a predetermined area of the subject within the predetermined angle range, a light receiving lens for receiving the laser light reflected by the second reflecting unit, and the light receiving lens A light receiving unit including a light sensor for sensing the laser light passing through, and a reading member for reading the laser light sensed by the light sensor; And
A control device that controls the operation of each of the light emitting unit and the light receiving unit
Including,
The control device operates each of the first reflector and the second reflector to continuously change the reflection direction of the laser light so that the laser light reflected by the second reflector is incident perpendicularly to the light sensor. Controlled synchronously
Lidar device.
상기 제 1 반사부 및 상기 제 2 반사부는 각각 1 내지 5mm의 지름을 갖는 MEMS 미러로 구현되는 라이다 장치.The method according to claim 1 or 2,
The first reflector and the second reflector are each a lidar device implemented with a MEMS mirror having a diameter of 1 to 5mm.
상기 제 1 반사부 및 상기 제 2 반사부는 각각 상기 레이저 광의 반사 방향을 30도 범위 내에서 변경할 수 있는 라이다 장치.The method according to claim 1 or 2,
The first reflector and the second reflector may each change the reflection direction of the laser light within a range of 30 degrees.
상기 판독 부재는 그 표면 상에 코팅된 광 흡수제를 추가로 포함하는 라이다 장치.The method according to claim 1 or 2,
The readout member further comprises a light absorber coated on its surface.
상기 수광부는 상기 제 2 반사부와 수광 렌즈 사이에 제공되거나 또는 상기 광 감지기 표면 상에 코팅되어 제공되는 파장 필터를 추가로 포함하는 라이다 장치.The method according to claim 1 or 2,
The light receiving unit further includes a wavelength filter provided between the second reflection unit and the light receiving lens or coated on the surface of the light sensor.
레이저 광을 방출하는 발광 소자, 상기 발광 소자의 동작을 제어하는 구동 장치, 상기 발광 소자에서 방출된 상기 레이저 광을 시준하는 콜리메이팅 렌즈, 상기 시준된 레이저 광의 반사 방향을 소정 각도 범위 내에서 연속적으로 변경하여 피사체의 소정 영역을 연속적으로 스캐닝하는 제 1 반사부를 포함하는 발광부;
상기 피사체의 소정 영역에서 반사된 상기 레이저 광을 상기 소정 각도 범위 내에서 연속적으로 변경하여 반사시키는 복수의 제 2 반사부, 상기 복수의 제 2 반사부에 의해 각각 반사된 상기 레이저 광을 각각 수광하는 복수의 수광 렌즈, 상기 복수의 수광 렌즈를 각각 통과한 상기 레이저 광을 각각 감지하는 복수의 광 감지기, 및 상기 복수의 광 감지기에서 각각 감지된 상기 레이저 광을 판독하는 복수의 판독 부재를 포함하는 복수의 수광부로 구성되는 수광부 유닛; 및
상기 발광부 및 상기 복수의 수광부의 각각의 동작을 제어하는 제어 장치
를 포함하되,
상기 제어 장치는 상기 복수의 제 2 반사부에 의해 각각 반사된 상기 레이저 광이 상기 복수의 광 감지기에 각각 수직으로 입사되도록 상기 레이저 광의 반사 방향을 연속적으로 변경하는 상기 제 1 반사부 및 상기 복수의 제 2 반사부의 각각의 동작을 동기 방식으로 제어하는
라이다 장치.In the lidar device,
A light emitting device that emits laser light, a driving device that controls the operation of the light emitting device, a collimating lens that collimates the laser light emitted from the light emitting device, and a reflective direction of the collimated laser light continuously within a predetermined angle range A light emitting unit including a first reflecting unit to continuously scan a predetermined area of the subject by changing;
A plurality of second reflecting units for continuously changing and reflecting the laser light reflected in a predetermined area of the subject within the predetermined angular range, respectively receiving the laser light reflected by the plurality of second reflecting units A plurality of light-receiving lenses, a plurality of light detectors for sensing the laser light passing through the plurality of light-receiving lenses, respectively, and a plurality of reading members for reading the laser light respectively detected by the plurality of light-sensors A light receiving unit consisting of a light receiving unit; And
A control device for controlling the operation of each of the light emitting unit and the plurality of light receiving units
Including,
The control device includes the first reflector and the plurality of reflectors continuously changing the reflection direction of the laser light such that the laser light reflected by the plurality of second reflectors is incident to the plurality of light sensors, respectively. Controlling each operation of the second reflector in a synchronous manner
Lidar device.
상기 제 1 반사부 및 상기 복수의 제 2 반사부는 각각 1 내지 5mm의 지름을 갖는 MEMS 미러로 구현되는 라이다 장치.The method of claim 7,
The first reflector and the plurality of second reflectors are each a lidar device implemented as a MEMS mirror having a diameter of 1 to 5mm.
상기 수광부는 상기 복수의 제 2 반사부와 상기 복수의 수광 렌즈 사이에 제공되거나 또는 상기 복수의 광 감지기의 각각의 표면 상에 코팅되어 제공되는 복수의 파장 필터를 추가로 포함하는 라이다 장치.The method of claim 7 or 8,
The light receiving unit further includes a plurality of wavelength filters provided between the plurality of second reflecting units and the plurality of light receiving lenses or coated on respective surfaces of the plurality of light sensors.
레이저 광을 방출하는 발광 소자, 상기 발광 소자의 동작을 제어하는 구동 장치, 상기 발광 소자에서 방출된 상기 레이저 광을 시준하는 콜리메이팅 렌즈, 상기 시준된 레이저 광의 반사 방향을 소정 각도 범위 내에서 연속적으로 변경하여 피사체의 소정 영역을 연속적으로 스캐닝하는 제 1 반사부를 포함하는 발광부;
상기 피사체의 소정 영역에서 반사된 상기 레이저 광을 상기 소정 각도 범위 내에서 연속적으로 변경하여 반사시키는 복수의 제 2 반사부가 배열된 반사부 어레이, 상기 반사부 어레이에 배열된 상기 복수의 제 2 반사부에 의해 각각 반사된 상기 레이저 광을 수광하는 수광 렌즈, 상기 수광 렌즈를 통과한 상기 레이저 광을 감지하는 광 감지기, 및 상기 광 감지기에서 각각 감지된 상기 레이저 광을 판독하는 판독 부재를 포함하는 수광부; 및
상기 발광부 및 상기 수광부의 각각의 동작을 제어하는 제어 장치
를 포함하되,
상기 제어 장치는 상기 반사부 어레이에 배열된 상기 복수의 제 2 반사부에 의해 각각 반사된 상기 레이저 광이 상기 광 감지기에 각각 수직으로 입사되도록 상기 각각의 레이저 광의 반사 방향을 연속적으로 변경하는 상기 제 1 반사부 및 상기 복수의 제 2 반사부의 각각의 동작을 동기 방식으로 제어하는
라이다 장치.In the lidar device,
A light emitting device that emits laser light, a driving device that controls the operation of the light emitting device, a collimating lens that collimates the laser light emitted from the light emitting device, and a reflective direction of the collimated laser light continuously within a predetermined angle range A light emitting unit including a first reflecting unit to continuously scan a predetermined area of the subject by changing;
An array of reflectors arranged with a plurality of second reflectors arranged to continuously change and reflect the laser light reflected from a predetermined area of the subject within the predetermined angle range, and the plurality of second reflectors arranged in the array of reflectors A light-receiving unit including a light-receiving lens for receiving the laser light reflected by each, a light sensor for sensing the laser light passing through the light-receiving lens, and a reading member for reading the laser light sensed by the light sensor, respectively; And
A control device that controls the operation of each of the light emitting unit and the light receiving unit
Including,
The control device is configured to continuously change the reflection direction of each laser light such that the laser lights reflected by the plurality of second reflectors arranged in the array of reflectors are respectively incident perpendicularly to the optical sensor. Controlling the operation of each of the one reflector and the plurality of second reflectors in a synchronous manner
Lidar device.
상기 제 1 반사부 및 상기 복수의 제 2 반사부는 각각 1 내지 5mm의 지름을 갖는 MEMS 미러로 구현되는 라이다 장치.The method of claim 10,
The first reflector and the plurality of second reflectors are each a lidar device implemented as a MEMS mirror having a diameter of 1 to 5mm.
상기 수광부는 상기 복수의 제 2 반사부와 상기 복수의 수광 렌즈 사이에 제공되거나 또는 상기 광 감지기의 표면 상에 코팅되어 제공되는 파장 필터를 추가로 포함하는 라이다 장치.
The method of claim 10 or 11,
The light receiving unit further includes a wavelength filter provided between the plurality of second reflecting units and the plurality of light receiving lenses or coated on the surface of the light sensor.
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