KR102140307B1 - 레이저 레이더 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명의 실시 예에 따른 레이저 레이더 시스템은, 제 1 시야 범위의 복수 위치에 제 1 레이저 빔을 순차적으로 조사하고 반사광을 수신하는 제 1 송수신 유닛, 그리고 제 2 시야 범위의 복수 위치에 제 2 레이저 빔을 순차적으로 조사하고 반사광을 수신하는 제 2 송수신 유닛을 포함하되, 상기 제 1 송수신 유닛과 상기 제 2 송수신 유닛 각각은 탑재체에 고정되어 상기 제 1 시야 범위 및 상기 제 2 시야 범위에 대한 탐색을 독립적으로 수행한다.

Description

레이저 레이더 시스템{LASER LADER SYSTEM}

본 발명은 레이저 레이더 시스템에 관한 것으로서, 특히 삼차원 이미지 및 영상을 획득하기 위한 레이저 레이더 시스템에 관한 것이다.

삼차원 영상 시스템은 삼차원 디스플레이 TV 등에 의해서 표시되는 영상 콘텐츠를 확보하기 위해 사용된다. 이뿐 아니라, 삼차원 영상 시스템은 장거리의 군사 목표물, 산사태 등의 자연환경을 감시하고, 무인 자율 주행 차량의 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 응용 영역이 급격히 확대됨에 따라 다양한 환경에서도 우수한 품질의 삼차원 영상을 요구하는 추세이다. 고품질의 삼차원 영상을 구현하기 위해 최근 레이저 레이더 시스템(Laser Radar System)이 각광받고 있다.

하지만, 높은 해상도나 프레임율의 3차원 영상을 확보하기 위해서는 고비용의 제작 단가가 소요되는 레이저 레이더 시스템이 필요한 것이 현실이다. 본 발명에서는 저비용으로 탐색 범위를 다양하게 변경 가능하고, 요구 해상도나 프레임율을 용이하게 변경할 수 있는 레이저 레이더 시스템이 제공될 것이다.

본 발명의 목적은 삼차원 영상을 얻을 때 필요한 최적의 성능을 확보하기 위한 송 광 경로와 수광 경로 사이의 광경로 정렬 등과 같은 노력을 최소화하고, 전체 구현비용을 줄일 수 있으며, 대량생산에 적합한 레이저 레이더 시스템을 제공하는 데 있다.

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

본 발명의 또 다른 목적은 목표물에 관하여 넓은 면적 또는 넓은 각도에 대해 구동이 가능한 레이저 레이더 시스템을 제공하는 데 있다.

본 발명의 또 다른 목적은 삼차원 영상 데이터의 해상도를 영역별로 다르게 설정할 수 있는 레이저 레이더 시스템을 제공하는 데 있다.

본 발명의 또 다른 목적은 좁은 각도에 대해서는 높은 SNR 모드를 제공하는 원거리 데이터와 넓은 각도에 대해서는 낮은 SNR 모드를 제공하는 근거리 데이터를 동시에 복합적으로 분석을 하여 삼차원 영상을 제공하는 데 있다. 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 시스템 및 그것의 목표물 영상 획득 방법을 제공하는 데 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시 예에 따른 레이저 레이더 시스템은, 제 1 시야 범위의 복수 위치에 제 1 레이저 빔을 순차적으로 조사하고 반사광을 수신하는 제 1 송수신 유닛, 그리고 제 2 시야 범위의 복수 위치에 제 2 레이저 빔을 순차적으로 조사하고 반사광을 수신하는 제 2 송수신 유닛을 포함하되, 상기 제 1 송수신 유닛과 상기 제 2 송수신 유닛 각각은 탑재체에 고정되어 상기 제 1 시야 범위 및 상기 제 2 시야 범위에 대한 탐색을 독립적으로 수행한다.

본 발명의 레이저 레이더 시스템에 따르면, 탑재체의 특성에 따라 다양한 위치와 시야 범위에 대한 3차원 영상을 제공할 수 있다.

또한, 본 발명의 레이저 레이더 시스템에 따르면 송광부의 조합을 통해서 복수의 조사 범위를 구현할 수 있어 동시에 넓은 영역에 대한 탐색이 가능하다.

또한, 본 발명의 레이저 레이더 시스템은 차량이나 다양한 응용 시스템을 구현하는 데 있어서 차량의 후드나 시스템의 일부에 가려져 검출되지 않는 사각 지대를 줄이거나 없앨 수 있다.

또한, 본 발명의 레이저 레이더 시스템은 광각 특성이 다른 적어도 하나 이상의 수광 렌즈를 포함하는 레이저 레이더 시스템을 제공함으로써, 상대적으로 좁은 각도에 대한 높은 SNR 모드의 원거리 데이터와 상대적으로 낮은 각도에 대한 낮은 SNR 모드의 삼차원 영상을 동시에 획득할 수 있다.

또한, 본 발명의 레이저 레이더 시스템은 적어도 하나 이상의 수광부를 통해 수신한 신호를 하나의 신호처리 모듈에서 처리할 수 있는 간단한 구조를 제공할 수 있다. 따라서, 본 발명의 레이저 레이더 시스템은 구현 비용 측면에서 매우 유리하다.

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

도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 레이저 레이더 시스템을 보여주는 도면이다.
도 2는 본 발명에 따른 레이저 레이더 시스템을 구성하는 송수신 유닛을 예시적으로 보여주는 도면이다.
도 3은 본 발명에서 제시하는 송광부가 목표물에 대해 시간에 따라 다른 위치를 조사하여 고정된 수광부가 검출하는 기법을 예시적으로 도시한 도면이다.
도 4는 본 발명의 대면적 광검출기를 예시적으로 도시한 도면이다.
도 5는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 레이저 레이더 시스템을 도시한 도면이다.
도 6은 도 5의 반사기의 구성을 예시적으로 보여주는 도면이다.
도 7은 도 6에서 도시된 레이저 레이더 시스템(200)의 송수신 영역을 예시적으로 나타내는 도면이다.
도 8은 본 발명의 제 3 실시 예에 따른 레이저 레이더 시스템에서 구성되는 송신 및 수신 시야 범위(ROI)를 보여주는 도면이다.
도 9는 본 발명의 제 4 실시 예에 따른 레이저 레이더 시스템에서 구성되는 송신 및 수신 시야 범위를 보여주는 도면이다.
도 10은 도 9의 레이저 레이더 시스템의 송수신 광들을 시간 영역에서 예시적으로 보여주는 타이밍도이다.
도 11은 본 발명의 제 5 실시 예에 따른 레이저 레이더 시스템에서 구성되는 송신 및 수신 시야 범위를 보여주는 도면이다.
도 12는 본 발명의 제 6 실시 예에 따른 레이저 레이더 시스템을 보여주는 도면이다.
도 13은 도 12에 도시된 하나의 레이저 펄스를 적어도 2개의 빔으로 분리하는 송광부의 구성을 예시적으로 보여주는 도면이다.
도 14는 도 13의 수광부에서 감지하는 섹션들의 구성 예를 보여준다.
도 15은 도 14의 섹션들을 절단선(A-A')으로 자른 단면을 보여주는 도면이다.
도 16은 레이저 레이더 시스템의 송광부의 다른 실시 예를 보여주는 도면이다.
도 17은 도 16의 섹션들을 절단선(B-B')으로 자른 단면을 보여주는 도면이다.
도 18a 및 도 18b는 본 발명의 레이저 레이더 시스템을 차량용 애플리케이션으로 적용하는 경우 멀티 섹션 동작을 보여주는 도면이다.
도 19a 및 도 19b는 본 발명의 레이저 레이더 시스템을 차량용 애플리케이션의 다른 실시 예에 따른 멀티 섹션 동작을 보여주는 도면이다.
도 20은 본 발명의 레이저 레이더 시스템을 차량용 애플리케이션으로 적용하는 다른 실시 예를 보여주는 도면이다.
도 21은 도 20의 섹션들을 단면을 간략히 보여주는 도면이다.
도 22는 차량용 레이저 레이더 시스템의 또 다른 실시 예에 따라 섹션들을 구성하는 방법을 보여주는 도면이다.

앞의 일반적인 설명 및 다음의 상세한 설명들은 모두 청구된 발명의 부가적인 설명을 제공하기 위한 예시적인 것이다. 그러므로 본 발명은 여기서 설명되는 실시 예에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 여기서 소개되는 실시 예는 개시된 내용이 철저하고 완전해 질 수 있도록 그리고 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이다.

본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 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.

다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가진다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가진 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.

본 명세서에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 포함한다고 언급되는 경우에, 이는 그 외의 다른 구성요소를 더 포함할 수도 있다는 것을 의미한다. 또한, 여기에서 설명되고 예시되는 각 실시 예는 그것의 상보적인 실시 예도 포함한다. 이하, 본 발명의 실시 예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.

이하, 본 발명에 따른 바람직한 실시 예를 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 하기의 설명에서는 본 발명에 따른 동작을 이해하는데 필요한 부분만이 설명되며 그 이외 부분의 설명은 본 발명의 요지를 모호하지 않도록 하기 위해 생략될 것이라는 것을 유의하여야 한다.

도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 레이저 레이더 시스템을 보여주는 도면이다. 도 1을 참조하면, 본 발명의 레이저 레이더 시스템(100)은 서로 다른 시야 범위 또는 관찰 영역(Region of Interest: 이하, ROI)를 갖는 제 1 송수신 유닛(110)과 제 2 송수신 유닛(120)을 포함한다.

제 1 송수신 유닛(110)은 레이저 빔을 시간의 경과에 따라 순차적으로 조사한다. 제 1 송수신 유닛(110)에 포함되는 송광부(미도시됨)는 제 1 송신 시야 범위(ROI1_TX)에 해당하는 방향으로 레이저 펄스를 조사한다. 즉, 제 1 송수신 유닛(110)은 제 1 송신 시야 범위(ROI1_TX)에 포함되는 조사면(Radition Field)을 순차적으로 스캔하기 위한 레이저 펄스를 좌우 또는 상하 방향으로 순차적으로 조사할 것이다.

제 1 송수신 유닛(110)은 송광부에서 조사되어 목표물에 반사되는 반사 레이저 광을 수신한다. 제 1 송수신 유닛(110)은 제 1 수신 시야 범위(ROI1_RX)에 대응하는 영역의 반사광을 수신하는 수광부(미도시됨)를 포함할 것이다. 특히, 수광부는 순차적으로 입사되는 반사 레이저광을 검출하기 위한 대면적 광검출기를 포함할 수도 있다. 하지만, 수광부를 구성하는 광검출기의 종류는 여기에 국한되지 않으며 단일 광검출기, 분할형 광검출기, 어레이형 광검출기 등으로 다양하게 구성할 수 있음을 잘 이해될 것이다. 대면적 광검출기에서 검출된 반사광의 반사 시간 또는 세기를 참조하여 제 1 송수신 유닛(110)은 제 1 수신 시야 범위(ROI1_RX)에 대응하는 영역의 3차원 영상을 구성할 수 있을 것이다. 여기서, 제 1 수신 시야 범위(ROI1_RX)는 제 1 송신 시야 범위(ROI1_TX)보다 상대적으로 넓게 설정될 수 있다. 제 1 송수신 유닛(110)의 구성은 후술하는 도면들에서 보다 상세히 설명될 것이다.

제 2 송수신 유닛(120)은 제 1 송수신 유닛(110)에 비해서 다른 시야 범위(ROI2_TX, ROI2_RX)를 스캐닝하고 검출한다. 제 2 송수신 유닛(120)은 특히, 제 1 송수신 유닛(110)의 다른 시간에 제 2 송신 시야 범위(ROI2_TX)에 레이저 빔을 조사할 것이다. 그리고 제 2 송수신 유닛(120)은 제 2 수신 시야 범위(ROI2_RX)에 대응하는 영역의 반사 레이저광을 수신하고 검출할 것이다. 제 2 송수신 유닛(120)은 시간의 경과에 따라 순차적으로 제 2 송신 시야 범위(ROI2_TX)에 대응하는 영역에 레이저 빔을 조사한다. 제 2 송수신 유닛(120)의 구성은 제 1 송수신 유닛(110)의 구성과 동일할 수 있다.

제 1 및 제 2 송수신 유닛(110, 120)은 장착되는 탑재체에 고정된 방향으로 설치될 수 있다. 예컨대, 제 1 및 제 2 송수신 유닛(110, 120)의 시야 범위의 중심은 각각 고정 각도(K)의 차이를 갖도록 탑재체에 장착될 수 있다. 이것이 가능한 이유는 제 1 및 제 2 송수신 유닛(110, 120)은 각각 회전하지 않고도 높은 해상도의 3차원 영상을 검출할 수 있는 송신부 및 대면적 광검출기를 포함하기 때문이다. 이러한 구조는 후술하는 도 2 내지 도 4에서 상세히 설명될 것이다. 그리고 제 1 송신 시야 범위(ROI1_TX) 또는 제 2 송신 시야 범위(ROI2_TX)는 탑재체를 기준으로 좌우 비대칭 형태로 구성될 수 있다. 또한, 제 1 송신 시야 범위(ROI1_TX) 또는 제 2 송신 시야 범위(ROI2_TX)는 탑재체를 중심으로 하는 원형 형태의 부채꼴로 구성될 수 있지만, 비원형으로 구성될 수도 있다. 즉, 특정 각도에서 상대적으로 펄스 레이저의 파워를 증가시키거나 감소시킴으로써, 제 1 송신 시야 범위(ROI1_TX) 또는 제 2 송신 시야 범위(ROI2_TX)의 형태는 탑재체를 중심으로 비원형이 되는 것이다.

더불어, 레이저 레이더 시스템(100)이 서로 다른 시간 슬롯에 레이저 빔을 조사하는 두 개의 제 1 및 제 2 송수신 유닛(110, 120)이 구비되는 것으로 설명되었으나 본 발명은 여기에 국한되지 않는다. 제 1 및 제 2 송수신 유닛(110, 120)과는 서로 다른 시간 슬롯에 레이저 빔을 조사하고 반사광을 검출하는 제 3 송수신 유닛이 더 구비될 수 있을 것이다. 그리고 제 3 송수신 유닛의 송수신 시야 범위는 제 1 및 제 2 송수신 유닛(110, 120)의 송수신 시야 범위와 중첩되거나 중첩되지 않도록 구성할 수 있을 것이다. 검출 사각 지대를 해소하기 위해서 제 1 내지 제 3 송수신 유닛들에 의한 송수신 시야 범위가 중첩되도록 구성하는 것이 바람직하다.

게다가, 레이저 레이더 시스템(100)은 제 1 및 제 2 송수신 유닛(110, 120) 각각의 검출 신호를 참조하여 3차원 영상을 구성하기 위한 제어부(미도시)를 더 포함할 수 있다. 제어부는 수신 시야 범위들(ROI1_RX, ROI2_RX) 각각에 대응하는 반사광들의 검출 신호와, 검출한 반사 시간 또는 반사광의 세기를 참조하여 3차원 영상 좌표 또는 반사 영상 정보를 합성할 수 있을 것이다. 더불어, 제어부는 탑재체의 주행 방향, 주행 각도, 주행 속도, 주행 정보, 상기 탑재체 주변의 기상 정보, 먼지, 상기 제 1 내지 제 2 송수신 유닛들(110, 120)의 탑재체에서 설치 위치에 근거하여, 제 1 송신 시야 범위(ROI1_TX) 또는 제 2 송신 시야 범위(ROI2_TX), 스캔 속도, 스캔하는 포인트 수, 레이저 파워 중 적어도 하나를 가변적으로 제어할 수도 있다.

도 2는 본 발명에 따른 레이저 레이더 시스템을 구성하는 송수신 유닛을 예시적으로 보여주는 도면이다. 도 2를 참조하면, 제 1 송수신 유닛(110)은 송광부와 수광부를 포함할 수 있다. 여기서, 제 1 송수신 유닛(110)에 대해서만 개략적으로 설명되었으나 제 2 송수신 유닛(120)도 동일하게 구성될 수 있을 것이다. 따라서, 제 2 송수신 유닛(120)에 대한 구체적인 구조에 대한 설명은 생략하기로 한다.

펄스 레이저 발생기(111)에서 출력된 레이저 펄스는 송광 광학계(112)를 경유한다. 송광 광학계(112)에서 나온 빛은 광편향기(113)를 통해 목표물(114)의 원하는 영역, 즉 시간에 따라 서로 다른 영역에 조사된다. 여기서, 송광 광학계(112)는 애플리케이션에 따라 생략될 수도 있고, 디퓨저(Diffuser)를 이용하여 일정한 발산각을 가지도록 구성될 수도 있다. 송광 광학계(112)와 광편향기(113)는 하나의 형태로 구현될 수 있으며, 순서가 바뀌어 구현될 수도 있다. 이렇게 특정 영역으로 조사된 레이저 광은 목표물(114)에 입사되고, 반사된다.

목표물(114)로부터 반사된 레이저 빛은 다른 노이즈 광을 차단하는 고정된 광 필터(115)를 통과한 후, 촛점이 맺어지도록 하기 위한 고정된 수광 렌즈(116)를 지나 대면적 광검출기(117)에 도달하게 된다. 여기서 광 필터(115)와 수광 렌즈(116)의 순서는 서로 바뀌어도 무방하며, 광 필터(115)는 선택적 구성 요소이다.

본 발명에서 수광부는 고정된 수광 렌즈(116) 및 광검출기(117)를 포함하는 의미일 수 있다. 이 고정된 수광부는 목표물(114)에 대해 반사되는 모든 또는 일부의 레이저 빔을 모은다. 그리고 모인 광을 단일 또는 대면적 또는, 분할된 또는 어레이형 광검출기(117)를 통해 검출한다. 또한, 수광부에는 온도에 따라 특성이 민감하게 변경되는 광검출기(117)의 성능을 일정하게 유지하기 위하여 온도를 제어하거나 온도에 따라 검출모듈의 성능을 변경할 수 있는 모듈이 더 구비될 수 있을 것이다. 본 발명의 수광부는 추가적으로 적어도 하나의 광증폭기를 구비하고 각각의 광증폭기의 출력을 더하는 모듈(예를 들면, RF combiner)을 포함할 수 있다. 이러한 모듈을 통해서 광증폭기의 출력은 하나의 신호로 제공될 수 있다.

광편향기(113, 또는 반사기)는 펄스 레이저(111)에서 조사된 광원과 목표물(114) 사이에 배치될 수 있다. 광편향기(113)는 펄스 레이저(111)에서 조사된 레이저 빔이 시간의 경과에 따라 목표물(114)의 다른 위치에 조사되도록 한다.

본 발명의 레이저 레이더 시스템(110)은 광편향기(113)에서 시간의 경과에 따라 서로 다른 위치에 레이저 빔이 조사될 수 있다. 따라서, 시간 경과에 따라 서로 다른 위치에서 반사되는 반사광을 대면적 광검출기(117)가 검출할 수 있다. 그리고 레이저 레이더 시스템(110)은 대면적 광검출기(117)에서 검출된 레이저 빔을 판독하는 신호 판독부(미도시됨)를 더 포함할 수 있다.

또한, 본 발명의 레이저 레이더 시스템은 신호 판독부에서 판독한 레이저 빔 정보를 이용하여 목표물(114)까지 각각의 관측 지점의 거리 또는/및 반사광 세기 정보를 산출하고, 이 각각의 지점까지 산출한 거리 또는/및 반사광 세기 정보를 이용하여 목표물(114)의 3차원 영상을 결정하는 영상 처리부를 더 포함할 수 있다.

본 발명의 레이저 레이더 시스템에서는 3차원 영상 결정에 있어 거리 또는/및 반사광 세기 정보를 이용한다. 즉, 항공기에서 바라보았을 때 아스팔트 포장 도로와 바로 옆의 흙으로 된 지면은 같은 높이로 거리 정보가 검출될 것이다. 따라서, 정확한 3차원 영상 결정을 위해 포장도로와 흙 지면을 서로 다른 반사율로 구분하기 위해 반사광 세기 정보도 사용하는 것이 바람직하다.

또한, 본 발명의 레이저 레이더 시스템(110)은 목표물(114)의 2차원 영상을 획득하는 카메라를 더 포함할 수 있다. 이러한 경우에 영상 처리부는 3차원 영상과 카메라에서 획득한 2차원 영상을 보정 또는 합성하는 기능도 수행할 수 있다.

수광부는 온도에 민감한 광검출기를 동일한 특성을 가질 수 있도록 일정한 온도로 유지하기 위한 장치(예를 들면, TEC, temperature controller)와 함께 구현될 수 있다. 더불어, 레이저 레이더 시스템(110)은 수광부에서 발생한 아날로그 신호에서 반사된 레이저의 시간 차이, 또는 반사된 레이저의 크기 등을 프로세싱할 수 있는 신호 처리 모듈을 더 구비할 수 있다. 이후, USB 및 기가비트 이더넷(Gigabit Ethernet) 등의 다양한 통신 프로토콜을 이용한 연결 케이블을 통해 데이터를 전송하고 디스플레이하는 분석 장치에서 최종적으로 3차원 영상이 구성될 수 있다.

즉, 영상 처리부가 시간에 따라서 다른 위치를 계산하고, 그때 입사된 레이저 빛을 분석하여 거리 또는/및 반사광 세기 정보를 계산한다. 이러한 거리 또는/및 반사광 세기 정보 계산 결과를 이용하여 3차원 이미지 및 영상이 얻어진다. 여기서, 디스플레이하는 분석 장치까지 설명을 하였지만, 프로세싱 보드까지만 처리가 되고, 이후는 실제 애플리케이션(차량 및 로봇 등 삼차원 영상을 바로 인식하여 처리할 수 있는 경우)에서 바로 받아서 처리하는 경우도 가능하다.

도 2에서 송광부의 광경로와 수광부의 광경로가 다르게 표현되어 있는데, 이를 이중축(Dual Axis 또는 Bi-axial) 구조라 한다. 다른 예시로 본 발명은 송광부의 광경로와 수광부의 광경로가 동일한 경우[단일축(Single-axis 또는 Uni-axial) 구조]로도 구현될 수 있음은 잘 이해될 것이다.

도 3은 본 발명에서 제시하는 송광부가 목표물에 대해 시간에 따라 다른 위치를 조사하여 고정된 수광부가 검출하는 기법을 예시적으로 도시한 도면이다. 도 3을 참조하면, 펄스 레이저(111), 광편향기(113), 목표물(114), 수광 렌즈(116), 및 광검출기(117)를 포함하는 레이저 레이더 시스템(110)이 나타나 있다.

여기서, 스캐닝되는 형태를 도시하기 위해, 레이저 레이더 시스템이 평면에 1차원(선의 형태)으로 스캐닝하고 있지만, 실제로는 2차원 평면으로 전방을 스캐닝하는 것으로 이해되어야 한다. 이때, 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 구동 신호를 인가함에 따라 구현 가능하고, 3차원 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 관측 지점을 조사하는 것이며, 시간에 따라 모든 관측지점 조사가 누적되면 임의의 영역을 정기적으로 스캔하는 것이다. 여기서, 광 스캐너는 광 미러나 빔스플리터 등의 광학 모듈들과 함께 사용될 수 있음은 잘 이해될 것이다.

덧붙여, 도 3의 에는 펄스 레이저(111)와 광편향기(113) 사이에 송광 광학계(112)[예; 콜리미네이터(Colliminator) 등]와 같은 구성들이 더 포함될 수 있고, 목표물(114)과 수광 렌즈(116) 사이에 도 2의 광 필터(115) 등이 더 포함될 수 있다.

더불어, 목표물(114)에 대해 시간에 따라 다른 위치를 조사하는 방식은 다양하게 변경되거나 설계 변경하여 적용할 수 있다. 예를 들면, 광편향기(113)는 모터 구동 방식의 갈바노 미러(Galvano Mirror)를 사용하여 시간에 따라 목표물(114)의 복수의 위치에 순차적으로 레이저 펄스를 조사할 수 있을 것이다. 또는, 광편향기(113)는 모터에 의해서 구동되는 회전 다면경(Polygonal Rotating Mirror)에 의해서 광경로를 제어할 수 있다. 또는, 광편향기(113)는 전기-광학 스캐너(Electro-Optic Scanner)에 의해서 구현될 수도 있을 것이다. 전기-광학 스캐너(Electro-Optic Scanner)는 입사되는 광의 방향을 전극에 인가되는 전기 신호에 의해서 제어하는 광도파로의 일종이다. 또는, 광편향기(113)는 광섬유 어레이 레이저(Fiber Array Laser)를 사용하여 구현될 수 있다. 광섬유 어레이 레이저는 AWG(Arrayed Waveguide Grating)으로 구현할 수 있다. 이 광섬유 어레이 레이저는 입사되는 레이저 빔을 AWG로 광 지연시키거나 다른 파장을 갖게 하여 서로 다른 방향을 바라보는 복수의 광섬유 팁(Fiber Tips)을 통해 목표물로 조사할 수 있다. 그에 따라 서로 다른 파장 또는 서로 다른 시간 차이로 광 스캐닝이 가능하다. 전기-광학 스캐너(Electro-Optic Scanner) 또는 광섬유 어레이 레이저(Fiber Array Laser)로 구현되는 광편향기(113)는 물리적인 구동부가 존재하지 않는 장점이 있다. 따라서, 이 경우 충격에 강하며, 진동 및 소음이 적다는 이점이 있다.

본 발명의 광편향기(113)는, 스테핑 모터(Stepping Motor), BLDC 모터(Brushless DC Motor), 회전 미러(Rotating Mirror), 전자석 방식의 갈바노 미러, 음향광학 편향기, 2축 구동 스캔 미러, MEMS 스캐너, MEMS 리플렉터들 중 적어도 하나에 의해서 구현될 수 있다. 그리고 동종 또는 이종의 스캐너 조합을 통해서 2차원 스캐닝을 위한 광편향기(113)가 구현될 수 있다. 덧붙여, 본 발명의 송광 광학계(112)를 포함하는 송광부는 광 펄스의 빔 폭을 제어하기 위한 구성(이하, '광 펄스 빔폭 제어기')를 더 구비할 수 있다. 광 펄스 빔폭 제어기는 콜리미네이터(Colliminator), 빔 확장기(Beam Expander) 및 렌즈 등으로 구성되거나, 이들의 하나 또는 둘 이상의 조합으로 구성될 수 있다.

도 4는 본 발명의 대면적 광검출기를 예시적으로 도시한 도면이다. 도 4를 참조하면, 본 발명의 광검출기(117, 도 2 참조)는 단일의 수광 검출면 또는 적어도 2개 이상으로 분할된 수광 검출면을 구비할 수 있다. 여기서, 사각형의 광검출기를 예로 들었으나 본 발명에서는 육각형, 원형, 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 발명에서 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 반사 신호가 들어오는 위치가 변경되기 때문이다.

일반적으로 레이저 펄스의 폭이 수 ns 및 수십 ns 수준이 되므로, 이를 검출하기 위해서는 광검출기의 동작 속도가 빨라야 하는데, 수광 영역을 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 복수의 단위(Unit) 광검출기로 구성될 수 있다. 즉, 본 발명에 따른 대면적 광검출기는 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 기상 조건에서도 동작할 수 있는 것이다. 즉, 본 발명의 스캔 동작에 따라 하나의 레이저 빔 펄스 조사에 대응하여 목표물 내 둘 이상의 위치로부터 레이저 빔이 반사될 수 있기 때문에 이 둘 이상의 반사 레이저 빔을 검출하여 둘 이상의 좌표 정보를 생성하는 것이다.

대면적 광검출기(117)는 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 광검출기(117)를 사용하는데 반해, 종래기술에서는 광검출기 어레이가 사용되었다. 종래기술의 경우에는 들어가는 빛이 다른 시간 정보를 갖게 구동되므로 광검출기인 APD(avalanche photo-diode, 아발란치 포토다이오드) 하나 하나가 서로 다른 시간 차이를 가지고 있게 된다. 즉, 픽셀 하나 하나가 시간 정보를 가지며 픽셀별로 독립적으로 해석하는 ROIC 구현이 어렵다. 이에 반해 본 발명에서는 예를 들어 2개의 APD에 들어온 빛에 대한 TOF(Time of Flight, 시간 정보)가 동일하기 때문에 이를 해석하기 위해 ROIC 및 신호처리모듈의 회로 구성이 복잡하지 않아도 되는 이점이 있다.

즉, 본 발명의 대면적 광검출기(117)를 사용함으로써 하나의(단일) 광검출기의 출력을 처리하는 신호처리모듈이나, 분할된 둘 이상의 광검출기의 출력을 처리하는 신호처리모듈의 회로 및 처리방식을 동일하게 구현해도 무방하다. 다만, 각각의 광검출기의 출력이 시간적으로 동일한 것을 전제로 각각의 광검출기 출력을 하나의 출력으로 더하는 과정(예를 들면 RF combiner 또는 RF 결합기)이 추가되어야 한다. 이후로는 하나의 광검출기(Single APD)로 나온 신호이든지, 여러 개의 단위 광검출기(Unit APD)로부터 나온 신호인지는 중요하지 않으며, 통합적으로 처리할 수 있다. 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), 복수의 단위 광검출기, 그리고 어레이형 광검출기(array APD) 모두를 포함하는 것으로 이해하는 것이 바람직하다.

도 5는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 레이저 레이더 시스템을 도시한 도면이다. 도 5를 참조하면, 레이저 레이더 시스템(200)은 하나의 반사기(230, 또는 스캐너)를 통해서 서로 다른 시간에 출력되는 레이저 빔을 서로 다른 송신 시야 범위(ROI_TX)에 조사할 수 있다.

제 1 광원(210)과 제 2 광원(220)은 각각 서로 다른 시간 프레임에 레이저 펄스를 생성하여 출력한다. 제 1 광원(210) 및 제 2 광원(220)에서 생성되는 레이저 펄스는 예시적으로 이븐 펄스(LE)와 오드 펄스(LO)로 구분될 수 있다. 이븐 펄스(LE)와 오드 펄스(LO)는 동일한 주기를 갖지만, 펄스 위치, 펄스 폭, 펄스의 세기 중 적어도 하나가 다른 레이저 펄스로 구성될 수 있다. 또는, 이븐 펄스(LE)와 오드 펄스(LO)는 서로 다른 주기의 레이저 펄스로 구성될 수도 있음은 잘 이해될 것이다. 도시되지는 않았지만, 제 1 광원(210)과 제 2 광원(220) 각각은 레이저 펄스 발생기와 광편향기를 포함할 수 있다. 추가적으로 광미러(Mirror) 및 빔스플리터(Beam splitter) 등의 광학 모듈을 배치할 수 있다.

제 1 광원(210)과 제 2 광원(220)은 각각 MOPA(Master Oscillator Power Amplifier), DPSSL(Diode Pumped Solid State Laser) 그리고 광직접 변조기 등의 광원을 하나 이상 포함하도록 구현될 수 있다. 또한, 제 1 광원(210)과 제 2 광원(220)은 높은 반복율(PRF: Pulse Repetition Frequency)을 갖도록 구성될 수 있다. 제 1 광원(210)과 제 2 광원(220) 각각은 높은 반복율을 이용하여 서로 다른 섹션(Section)을 스캔함으로써 더 넓은 각도의 시야 범위(ROI)에 대한 삼차원 영상을 제공할 수 있다. 또한, 중복된 영역 또는 같은 영역에 대하여 둘 이상의 섹션을 구성하면, 그 공간에 대해서 다른 공간에 비하여 상대적으로 높은 프레임율(Frame rate)을 확보할 수 있다.

일반적으로 QVGA(320x240) 영상을 30fps(frame per second)로 스캔하기 위해서는 최소 230KHz 이상의 반복율이 필요하고, 이는 MOPA로 쉽게 구현될 수 있다. 종래기술 중에서 빔을 퍼트려서 공간을 인식하는 방식의 경우, 매우 높은 레이저 펄스 파워(수 mJ/pulse)를 필요로 하기 때문에 반복율이 수Hz 수준인 반면, 본 발명에 따른 레이저 레이더 시스템은, 레이저 펄스가 넓은 면적을 한번에 조사하는 방식이 아니므로, 훨씬 적은 레이저 파워를 필요로 하고, 따라서 높은 반복율을 가진 고속 레이저 펄스를 만들 수 있다.

반사기(230)는 제 1 광원(210)과 제 2 광원(220)으로부터 제공되는 이븐 펄스(LE)와 오드 펄스(LO)를 서로 다른 시야각으로 반사한다. 반사기(230)는 이븐 펄스(LE)를 반사하여 제 1 송신 시야 범위(ROI1_TX) 내의 어느 한 시점으로 조사한다. 이어서, 반사기(230)는 오드 펄스(LO)를 반사하여 제 2 송신 시야 범위(ROI2_TX) 내의 어느 한 시점으로 조사한다. 그리고 반사기(230)가 특정 각도로 회전한 시점에서 이븐 펄스(LE)와 오드 펄스(LO)가 순차적으로 제 1 송신 시야 범위(ROI1_TX)와 제 2 송신 시야 범위(ROI2_TX)에 조사된다. 이러한 방식으로 하나의반사기(230)에 의해서 서로 다른 시간 프레임을 갖는 제 1 광원(210)과 제 2 광원(220)이 서로 다른 송신 시야 범위(ROI)에 스캐닝될 수 있다.

여기서, 이븐 펄스(LE)와 오드 펄스(LO) 각각을 제 1 송신 시야 범위(ROI1_TX)와 제 2 송신 시야 범위(ROI2_TX)에 서로 다른 지점에 조사하기 위한 방법은 다양하게 변형될 수 있다. 예를 들면, 제 1 광원(210)과 제 2 광원(220)에 구비되는 광편향기의 제어를 통해서 이븐 펄스(LE)와 오드 펄스(LO)의 시간에 따른 조사각의 변경이 가능하다. 또는, 제 1 광원(210)과 제 2 광원(220)에 구비되는 광편향기의 조정없이 반사기(230)의 위치 조정만으로도 제 1 송신 시야 범위(ROI1_TX)와 제 2 송신 시야 범위(ROI2_TX)를 구성할 수 있다. 물론, 제 1 광원(210)과 제 2 광원(220)에 구비되는 광편향기와 반사기(230)의 조합된 동작으로 제 1 송신 시야 범위(ROI1_TX)와 제 2 송신 시야 범위(ROI2_TX)를 구성하는 것도 가능하다.

여기서, 이븐 펄스(LE)에 대응하는 레이저 빔(FLB)의 빔폭(BW1)을 조정하기 위한 빔폭 제어기의 구성이 제 1 광원(210)에 더 포함될 수 있다. 예를 들면, 콜리미네이터(Colliminator), 빔 확장기(Beam Expander), 렌즈 중 적어도 하나의 구성이 제 1 광원(210)에 포함되어 이븐 펄스(LE)에 대응하는 레이저 빔의 빔폭(BW1)을 정의할 것이다. 마찬가지로, 오드 펄스(LO)에 대응하는 레이저 빔(SLB)의 빔폭(BW2)을 조정하기 위한 빔폭 제어기의 구성이 제 2 광원(220)에 포함될 수 있다.

더불어, 제 1 송신 시야 범위(ROI1_TX)와 제 2 송신 시야 범위(ROI2_TX) 사이에는 중첩 영역(SPA)이 존재할 수 있다. 그러나 이러한 중첩 영역은 실질적으로 서로 다른 시간 프레임에 이븐 펄스(LE)와 오드 펄스(LO)가 조사됨을 고려할 때, 크게 문제되지 않는다. 중첩 영역(SPA)은 제 1 광원(210)과 제 2 광원(220)의 광편향기나 이븐 펄스(LE)와 오드 펄스(LO)의 반사기(230)로의 입사각 조정을 통해서 최소화할 수도 있을 것이다. 경우에 따라서는 보이지 않는 구간이 있어도 크게 문제되지 않는다면, 서로 중첩되는 영역이 없도록 구성이 가능하다.

이상에서 설명된 레이저 레이더 시스템(200)에서는 수광부에 대해서는 구체적으로 도시되거나 설명되지 않았다. 하지만, 수광부는 각각 앞서 설명된 수광 렌즈와 광검출기를 포함하는 제 1 및 제 2 수광부를 포함할 수 있을 것이다. 제 1 수광부는 이븐 펄스(LE)의 반사광을 수신하기 위한 수신 시야 범위를 갖도록 구성될 것이다. 그리고 제 2 수광부는 오드 펄스(LO)에 대한 반사광을 수신하기 위한 수신 시야 범위(ROI)를 갖도록 설정될 수 있다. 제 1 수광부와 제 2 수광부에 의해서 구성되는 수신 시야 범위는 중첩되어도 무방하다.

더불어, 하나의 수광부를 통해서 제 1 송신 시야 범위(ROI1_TX) 및 제 2 송신 시야 범위(ROI2_TX)의 반사광을 수신하는 것도 가능하다. 하나의 수광부는 실제로는 하나의 광검출기일 수도 있다. 혹은 하나의 수광부는 스터드(STUD) 방식의 둘 이상의 광검출기와, 둘 이상의 광검출기 각각의 출력을 증폭하는 증폭기들의 출력을 하나로 병합한 광검출기 유닛으로 볼 수도 있을 것이다.

도 6은 도 5의 반사기의 구성을 예시적으로 보여주는 도면이다. 도 6을 참조하면, 반사기(230)는 서로 다른 각도로 입사되는 이븐 펄스(LE)와 오드 펄스(LO)를 반사하여 이븐 섹션(Even Section: 이하, ES)과 오드 섹션(Odd Section: 이하, OS)에 대응하는 송신 시야 범위(ROI)를 구성할 수 있다.

반사기(230)는 예를 들면 하나의 반사 평면을 가지는 미러(Mirror, 235)를 포함할 수 있다. 미러(235)는 회전축을 중심으로 특정 각도 범위로 회전할 수 있다. 미러(235)의 시간에 따른 회전에 의해서 이븐 펄스(LE)와 오드 펄스(LO)는 각각 이븐 섹션(ES)과 오드 섹션(OS)의 범위에 조사될 수 있다. 물론, 이븐 섹션(ES)과 오드 섹션(OS)은 중첩 영역(SPA)을 포함할 수도 있고 포함되지 않을 수도 있다. 하지만, 서로 다른 시간에 조사되는 이븐 펄스(LE)와 오드 펄스(LO)에 의해서 상호 영향은 무시해도 된다. 물론, 이븐 섹션(ES)과 오드 섹션(OS)은 송신 영역을 나타낸다. 따라서, 수신 영역을 나타내는 이븐 섹션(ES)과 오드 섹션(OS)은 송신 영역보다 각각 더 넓게 구성될 것이다. 바람직하게는 송신 영역의 이븐 섹션(ES)과 오드 섹션(OS)은 중첩 영역(SPA)이 존재하지 않도록 이븐 펄스(LE)와 오드 펄스(LO)의 입사각(A) 또는 미러(235)의 회전각이 제어될 수 있을 것이다.

반사기(230)에는 이븐 펄스(LE)와 오드 펄스(LO)의 빔들이 각도(A)만큼의 차이로 입사된다. 반사기(230)를 구성하는 미러(235)가 회전하더라도, 반사기(235)에서 반사되는 이븐 펄스(LE)와 오드 펄스(LO)의 빔들은 반사기(230)가 평면 미러인 경우 여전히 각도(A)를 유지하게 될 것이다. 실제로는 반사기(230)로 곡면 미러를 사용할 수 있으며, 이 경우 각도(A)는 반사 지점에 따라 가변될 수 있다. 하나의 반사기(230)를 공유하는 구조를 사용하면, 이븐 펄스(LE)와 오드 펄스(LO)의 입사각(A)만을 조정하여 스캔 영역의 설정이 가능하다. 따라서, 레이저 레이더 시스템(200)의 송광부의 구성을 간략화할 수 있고, 부피도 감소할 수 있을 것이다. 또한, 반사기(230)로 곡면 미러로 채용하는 경우, 이븐 섹션(ES)과 오드 섹션(OS)의 범위는 미러의 곡률 반경에 의해서 설정될 수도 있을 것이다.

여기서, 수광부의 구성은 도시되지 않았지만, 도 2 내지 4에서 설명한 대면적 광검출기로 용이하게 구성될 수 있다. 따라서, 수광부의 구성이나 기능에 대한 자세한 설명은 생략하기로 한다.

도 7은 도 6에서 도시된 레이저 레이더 시스템(200)의 송수신 영역을 예시적으로 나타내는 도면이다. 도 7을 참조하면, 시간적으로 분리된 2개의 레이저 펄스를 하나의 스캐너를 통해서 서로 다른 섹션에 조사하고, 각각의 섹션에 대한 반사광을 수신할 수 있음을 보여준다.

이븐 펄스(LE)가 하나 이상의 스캐너(또는, 반사기)를 통해서 조사되는 영역의 범위를 나타내는 송신 섹션은 도면의 좌측 점선으로 도시된 섹션(TX_E)으로 나타낼 수 있다. 그리고 오더 펄스(LO)가 하나의 스캐너를 통해서 조사되는 영역의 범위를 나타내는 송신 섹션은 도면의 우측 점선으로 도시된 섹션(TX_O)으로 나타낼 수 있다. 여기서, 송신 섹션들(TX_E, TX_O)은 서로 중첩되지 않도록 표시되어 있지만, 앞서 설명된 바와 같이 중첩되어도 무방하다.

반사광의 수신 영역을 나타내는 수신 섹션들도 서로 중첩될 수 있다. 이븐 펄스(LE)에 대한 반사광을 수신하기 위한 수신 섹션은 도면의 좌측 실선으로 도시된 섹션(RX_E)으로 나타낼 수 있다. 그리고 오더 펄스(LO)에 대한 반사광을 수신하기 위한 수신 영역의 범위를 나타내는 수신 섹션은 도면의 우측 실선으로 도시된 섹션(RX_O)으로 나타낼 수 있다. 여기서, 수신 섹션들(RX_E, RX_O)은 상호 중첩되어도 무방하다. 실질적으로 수신 섹션들(RX_E, RX_O) 각각에 대응하는 반사광들은 서로 다른 시간에 대면적 광검출기에 입사되기 때문이다.

도 8은 본 발명의 제 3 실시 예에 따른 레이저 레이더 시스템에서 구성되는 송신 및 수신 시야 범위(ROI)를 보여주는 도면이다. 도 8을 참조하면, 본 발명의 레이저 레이더 시스템은 360° 전방향에 대해서 스캐닝이 가능하다. 예시적으로 제 3 실시 예에 따른 레이저 레이더 시스템에 의한 시야 범위는 이븐 샷(Even shot)에 의해서 구성되는 송수신 시야 범위들(T1/R1, T3/R3, T5/R5)과 오드 샷(Odd shot)에 의해서 구성되는 송수신 시야 범위들(T2/R2, T4/R4, T6/R6)로 구성될 수 있다. 여기에서 360°에 대하여 실시 예로 설명하고 있지만, 120°, 180°, 270° 등과 같은 광각 내에서 송수신 시야 범위들이 동일하게 구성될 수 있다.

이븐 샷(Even shot)에 의해서 구성되는 송신 시야 범위들(T1, T3, T5)은 각각 탑재체를 중심으로부터 120°차이를 두고 스캐닝을 수행하도록 구성될 수 있다. 더불어, 수신 시야 범위들(R1, R3, R5)도 탑재체를 중심으로부터 120°차이를 두고 반사광을 검출하도록 구성될 수 있다. 하지만, 수신 시야 범위들(R1, R3, R5)은 대응하는 송신 시야 범위들(T1, T3, T5)보다는 넓은 광각을 가질 수 있다. 여기서, 송수신 시야 범위(T1/R1)는 하나의 광원, 광편향기, 그리고 광검출기 유닛을 통해서 구성될 수 있다. 이 경우, 송수신 시야 범위(T3/R3)와 송수신 시야 범위(T5/R5) 각각도 하나의 광원, 광편향기, 그리고 광검출기로 구성되는 송수신 유닛으로 구성할 수 있을 것이다. 이때, 송수신 유닛들 각각의 광원은 동일한 레이저 펄스 위상을 갖도록 제어되어야 할 것이다. 즉, 독립적으로 구성되는 송수신 유닛들 각각의 광원에서 생성되는 펄스 레이저의 동기화가 동반되어야 할 것이다.

변형된 실시 예에서, 송신 시야 범위들(T1, T3, T5) 각각은 하나의 광원과 광편향기로부터 출력되는 레이저 펄스를 광분리기(Optical Splitter)에 의해서 3개의 방향으로 분리함으로써 구성될 수도 있을 것이다.

오드 펄스(Odd shot)에 의해서 구성되는 송신 시야 범위들(T2, T4, T6)은 각각 송신 시야 범위들(T1, T3, T5)에 대해서 60°회전한 영역에 구성될 수 있다. 그리고 수신 시야 범위들(R2, R4, R6) 각각은 송신 시야 범위들(T1, T3, T5) 각각보다 넓은 영역을 구성할 것이다. 여기서, 각각의 송수신 시야 범위쌍들(T2/R2, T4/R4, T6/R6)은 각각 하나의 송수신 유닛들에 의해서 구성되거나, 광분리기에 의해서 하나의 레이저 펄스가 분리됨으로써 구성될 수도 있다. 앞서 설명된 바와 같이 동일한 위상에 해당하는 송수신 시야 범위쌍들(T2/R2, T4/R4, T6/R6)과 동일한 위상에서 동작하는 다른 하나의 송수신 시야 범위쌍들(T1/R1, T3/R3, T5/R5)는 서로 중첩이 존재할 수 있다. 하지만, 수신 시야 범위쌍들(T1/R1, T3/R3, T5/R5)과 송수신 시야 범위쌍들(T2/R2, T4/R4, T6/R6)의 레이저 펄스를 서로 다른 시간대에 할당함으로써 검출되는 반사 신호의 위치에 대한 모호성을 제거할 수 있다.

본 발명의 레이저 레이더 시스템에 의해서 구성되는 송수신 시야 범위의 구성에 의해서 사각지대 없이 360° 전방위에 대한 스캐닝이 가능하다. 더불어, 송신 시야 범위들(T1, T3, T5)과 송신 시야 범위들(T2, T4, T6)은 서로 다른 각도의 시야를 갖도록 설정되거나, 서로 다른 탐색 거리를 갖도록 조정될 수 있을 것이다. 또한, 송신 시야 범위들(T1, T3, T5) 각각의 위상 및 송신 시야 범위들(T2, T4, T6) 각각의 위상도 120°가 아닌 임의의 각도로 조정될 수 있을 것이다.

도 9는 본 발명의 제 4 실시 예에 따른 레이저 레이더 시스템에서 구성되는 송신 및 수신 시야 범위를 보여주는 도면이다. 도 9를 참조하면, 송수신 유닛(250)은 서로 다른 시간(예를 들면, Even pulse와 Odd pulse)에 레이저 펄스를 조사하는 적어도 2개의 송광부와 하나의 수광부를 포함할 것이다. 레이저 레이더 시스템에 의한 시야 범위는 이븐 샷(Even shot)에 의해서 구성되는 제 1 송신 시야 범위(ROI_TX1)와 제 2 송신 시야 범위(ROI_TX2)를 포함한다. 제 1 송신 시야 범위(ROI_TX1)는 이븐 샷(Even shot)에 대응하는 레이저 펄스에 의해서 구성될 것이다. 제 1 송신 시야 범위(ROI_TX1)는 송수신 유닛(250)의 제 1 송광부에 의해서 상대적으로 넓은 시야각을 갖도록 구성될 수 있다. 제 2 송신 시야 범위(ROI_TX2)는 송수신 유닛(250)의 제 2 송광부에서 조사되는 오드 샷(Odd shot)에 의해서 구성될 것이다. 제 2 송신 시야 범위(ROI_TX2)는 상대적으로 좁은 시약각을 갖도록 구성될 수 있다. 그리고 제 1 송신 시야 범위(ROI_TX1)와 제 2 송신 시야 범위(ROI_TX2)는 상호 중첩되는 일부 시야 범위을 가질 수 있다. 그러나 서로 다른 시간에 조사되는 레이저 펄스에 의해서 반사 신호의 식별이 용이하기 때문에 중첩되는 시야 범위는 전혀 문제되지 않는다.

수신 시야 범위(ROI_RX)는 적어도 하나의 수광부를 통해서 제 1 송신 시야 범위(ROI_TX1)와 제 2 송신 시야 범위(ROI_TX2)를 커버할 수 있도록 구성된다. 즉, 송수신 유닛(250)의 수광부는 이븐 샷(Even shot)과 오드 샷(Odd shot) 각각에 대한 반사광을 모두 수신할 수 있다. 이븐 샷(Even shot)과 오드 샷(Odd shot) 각각의 반사광들은 서로 다른 시간 슬롯에서 수신되기 때문에 용이하게 식별이 가능하다. 따라서, 제 1 송신 시야 범위(ROI_TX1)와 제 2 송신 시야 범위(ROI_TX2) 각각에 대한 검출 결과도 쉽게 구분될 수 있다.

도 10은 도 9의 레이저 레이더 시스템의 송수신 광들을 시간 영역에서 예시적으로 보여주는 타이밍도이다. 도 10을 참조하면, 제 1 송신 시야 범위(ROI_TX1)를 구성하는 이븐 펄스(Even Pulse), 제 2 송신 시야 범위(ROI_TX2)를 구성하는 오드 펄스(Odd Pulse), 그리고 각각의 송신광에 대해 수신되는 반사광이 예시적으로 도시되어 있다.

이븐 펄스(Even Pulse)의 레이저 빔은 시점들(T1, T3, T5, …) 각각에서 제 1 송신 시야 범위(ROI_TX1)의 어느 하나의 지점으로 조사된다. 반면, 오드 펄스(Odd Pulse)의 레이저 빔은 시점들(T2, T4, …) 각각에서 제 2 송신 시야 범위(ROI_TX2)의 어느 하나의 지점으로 조사된다. 결국, 제 1 송신 시야 범위(ROI_TX1)와 제 2 송신 시야 범위(ROI_TX2)는 서로 다른 시간 슬롯에서 조사되는 레이저 빔에 의해서 구성될 것이다.

더불어, 수광부에서는 서로 다른 시간 슬롯에서 입사되는 반사광을 검출하게 될 것이다. 예를 들면, 시점(T1)에 조사된 이븐 펄스(Even Pulse)에 대한 반사광들은 오드 펄스(Odd Pulse)가 조사되는 시점(T2) 이전에 모두 수신될 것이다. 즉, 이븐 펄스(Even Pulse)와 오드 펄스(Odd Pulse)에 할당되는 시간 슬롯의 크기는 모든 반사광들이 수신될 수 있는 시간 간격으로 제공될 것이다. 이러한 시간 슬롯의 구성은 시점들(T2, T3) 사이에서도 동일하게 구성된다.

도 11은 본 발명의 제 5 실시 예에 따른 레이저 레이더 시스템에서 구성되는 송신 및 수신 시야 범위를 보여주는 도면이다. 도 11을 참조하면, 본 발명의 레이저 레이더 시스템은 3개의 위상차를 갖는 레이저 펄스를 통해서 360°전방향에 대해서 스캐닝이 가능하다. 예시적으로 제 4 실시 예에 따른 레이저 레이더 시스템에 의한 시야 범위는 1/3 위상 펄스에 의해서 구성되는 송수신 시야 범위들(T1/R1, T2/R2)과 2/3 위상 펄스에 의해서 구성되는 송수신 시야 범위들(T3/R3, T4/R4)과 그리고 3/3 위상 펄스에 의해서 구성되는 송수신 시야 범위들(T5/R5, T6/R6)로 구성될 수 있다.

여기서, 송신 시야 범위들(T1, T2)은 각각 탑재체를 중심으로부터 180°차이를 두고 스캐닝을 수행하도록 구성될 수 있다. 더불어, 수신 시야 범위들(R1, R2)도 대응하는 송신 시야 범위들(T1, T2)과 유사한 형태로 구성될 것이다. 여기서, 1/3 위상 펄스에 의해서 구성되는 송수신 시야 범위(T1/R1)는 하나의 광원, 광편향기, 그리고 광검출기 유닛을 통해서 구성될 수 있다. 그리고 1/3 위상 펄스에 의해서 구성되는 송수신 시야 범위(T2/R2)도 하나의 광원, 광편향기, 그리고 광검출기 유닛으로 구성할 수 있을 것이다. 또는, 송신 시야 범위들(T1, T2) 각각은 하나의 광원과 광편향기로부터 출력되는 1/3 위상의 레이저 펄스를 광분리기에 의해서 2개의 방향으로 분리함으로써 구성될 수도 있을 것이다. 이러한 방식의 송수신 유닛 구성은 송수신 시야 범위들(T3/R3, T4/R4)과 송수신 시야 범위들(T5/R5, T6/R6)에 대해서도 적용될 수 있을 것이다.

다만, 제 3 실시 예 내지 제 5 실시 예에 따른 레이저 레이더 시스템의 구성은 탐지 대상이나 탑재체의 특성, 그리고 다양한 목적에 따라 사용자에 의해서 선택 및 변경 가능할 것이다.

도 12는 본 발명의 제 6 실시 예에 따른 레이저 레이더 시스템을 보여주는 도면이다. 도 12를 참조하면, 레이저 레이더 시스템(300)은 하나의 스캐너를 공유하고도 복수의 섹션에 대한 광검출이 가능한 구조를 도시하고 있다.

제 1 광원(310)은 이븐 펄스(LE)를 생성한다. 제 1 광원(310)에서 생성된 이븐 펄스(LE)는 광편향기(320)에 의해서 편향되어 광분리기(330)에 입사된다. 광분리기(330)에 의해서 분리된 이븐 펄스(LE) 중 하나는 제 1 섹션(Section 1)에 해당하는 조사면으로 조사된다. 그리고 광분리기(330)에 의해서 분리된 복수의 이븐 펄스(LE) 중 다른 하나는 미러(335)에 의해서 제 3 섹션(Section 3)에 해당하는 영역으로 조사된다. 경우에 따라서는 별도의 미러(335)를 사용하지 않고 바로 제 3 섹션(Section 3)으로 조사될 수도 있다.

제 1 섹션(Section 1)의 목표물에 조사된 이븐 펄스(LE)의 반사광은 제 1 수광부(340)에 의해서 검출된다. 그리고 제 3 섹션(Section 3)의 목표물에 조사된 이븐 펄스(LE)의 반사광은 제 3 수광부(345)에 의해서 검출된다. 여기서, 제 1 수광부(340) 및 제 3 수광부(345)는 각각 대면적 광검출기를 포함할 수 있다. 더불어, 제 1 수광부(340) 및 제 3 수광부(345)는 각각은 수광 렌즈나 광필터를 더 포함할 수 있다.

제 2 광원(350)은 오드 펄스(LO)를 생성한다. 제 2 광원(350)에서 생성된 오드 펄스(LO)는 광편향기(360)에 의해서 편향되어 광분리기(370)에 입사된다. 광분리기(370)에 의해서 분리된 오드 펄스(LO) 중 하나는 제 4 섹션(Section 4)에 해당하는 영역으로 조사된다. 그리고 광분리기(370)에 의해서 분리된 복수의 오드 펄스(LO) 중 다른 하나는 미러(375)에 의해서 제 2 섹션(Section 2)에 해당하는 영역으로 조사된다. 더불어, 광분리기(370)에 의해서 분리된 오드 펄스(LO) 중 다른 하나는 별도의 미러(375)를 사용하지 않고 바로 제 2 섹션(Section 3)으로 조사될 수도 있다.

제 2 섹션(Section 2)의 목표물에 조사된 오드 펄스(LO)의 반사광은 제 2 수광부(380)에 의해서 검출된다. 그리고 제 4 섹션(Section 4)의 목표물에 조사된 오드 펄스(LO)의 반사광은 제 4 수광부(385)에 의해서 검출된다. 여기서, 제 2 수광부(380) 및 제 4 수광부(385)는 각각 대면적 광검출기를 포함할 수 있다. 더불어, 제 2 수광부(380) 및 제 4 수광부(385)는 각각은 수광 렌즈나 광필터를 더 포함할 수 있다.

제 1 내지 제 4 수광부(340, 345, 380, 385)에 의해서 검출된 신호는 제어부(390)에 의해서 처리되어 3 차원 영상으로 구성될 수 있다. 제어부(390)는 제 1 수광부(340) 및 제 3 수광부(345)에 의해서 검출된 신호를 처리하기 위한 이븐 유닛(Even Unit)과 제 2 수광부(380) 및 제 4 수광부(385)에 의해서 검출된 신호를 처리하는 오드 유닛(Odd Unit)으로 구분될 수 있다. 각각의 섹션들에 대한 수신광은 대면적 광검출기에 의해서 검출된다. 그리고 조사 시간과 위치 정보를 기반으로 제어부(390)에 의해서 각각의 섹션들에 대한 통합된 3차원 영상 정보로 처리될 수 있을 것이다.

이상에서는 하나의 스캐너(광원, 광편향기)를 사용하여 적어도 두 개의 섹션을 구성하는 레이저 레이더 시스템의 구성이 설명되었다. 하지만, 하나의 스캐너를 사용하여 중첩되지 않는 적어도 3개의 섹션을 구성할 수도 있음은 잘 이해될 것이다. 즉, 광분리기에 의해서 하나의 레이저 펄스의 광로를 적어도 3개의 다른 각도로 조사할 수 있을 것이다. 또한, 섹션의 순서 등은 다양하게 변경될 수 있다.

도 13은 도 12에 도시된 하나의 레이저 펄스를 적어도 2개의 빔으로 분리하는 송광부의 구성을 예시적으로 보여주는 도면이다. 도 13을 참조하면, 이븐 펄스(LE)를 분리하여 서로 다른 방향으로 조사하는 송광부는 제 1 광원(310), 광편향기(320), 광분리기(330), 그리고 미러(335)를 포함한다. 여기서, 미러(335)나 광분리기(330)는 생략 가능하다.

제 1 광원(310)은 이븐 펄스(LE)를 생성하는 펄스 레이저(Pulse Laser)로 구성될 수 있다. 여기서, 이븐 펄스(LE)와 오드 펄스(LO)의 두 개의 시간 프레임을 갖는 레이저 레이더 시스템을 예시적으로 도시하였으나, 본 발명은 여기에 국한되지 않는다. 송광부는 3개 이상의 시간 프레임으로 레이저 펄스를 시분할하여 복수의 섹션으로 조사하는 방식으로도 구현될 수 있다.

광편향기(320)는 제 1 광원(310)에서 생성된 이븐 펄스(LE)를 광분리기(330)로 조사한다. 광편향기(320)와 제 1 광원(310) 사이에는 생성된 빔의 발산각을 제어하기 위한 디퓨저(Diffuser)나 콜리미네이터(Colliminator)를 포함할 수 있다. 광편향기(320)로부터 출력되는 광은 광분리기(330)에 입사된다.

광분리기(330)는 광편향기(320)에서 제공되는 이븐 펄스(LE)를 2개의 광경로로 분리한다. 광분리기(330)에서 투과되는 이븐 펄스(LE)는 제 1 섹션(Section 1)에 해당하는 영역으로 조사될 것이다. 그리고 광분리기(330)에 의해서 반사된 이븐 펄스(LE)는 미러(335)에 의해서 다시 반사된다. 미러(335)에 의해서 이븐 펄스(LE)는 제 3 섹션(Section 3)에 대응하는 영역으로 조사될 것이다. 따라서, 하나의 레이저 빔이 2개 이상의 섹션으로 조사될 수 있음이 설명되었다. 여기서, 광분리기(330)와 미러(335)의 구성을 추가하여 하나의 레이저 빔을 3개 이상의 섹션으로 조사할 수 있음은 잘 이해될 것이다. 앞서 설명한 바와 같이, 미러(335)나 광분리기(330)는 생략 가능하다.

도 14는 도 13의 수광부에서 감지하는 섹션들의 구성 예를 보여준다. 도 14를 참조하면, 제 1 내지 제 4 수광부(340, 345, 380, 385)에 의해서 감지되는 제 1 섹션(Section 1) 내지 제 4 섹션(Section 4)의 형태가 예시적으로 도시되어 있다.

송광부에서 조사된 이븐 펄스(LE)의 반사광을 수신하기 위한 제 1 수광부(340) 및 제 3 수광부(345)는 제 1 섹션(Section 1)과 제 3 섹션(Section 3)에 해당하는 반사광을 수신한다. 그리고 송광부에서 조사된 오드 펄스(LO)의 반사광을 수신하기 위한 제 2 수광부(380) 및 제 4 수광부(385)는 제 2 섹션(Section 2)과 제 4 섹션(Section 4)에 해당하는 반사광을 수신한다.

여기서, 제 1 섹션(Section 1)과 제 2 섹션(Section 2)에는 중첩 영역이 존재할 수 있다. 하지만, 제 1 섹션(Section 1)의 반사광은 이븐 펄스(LE)에 대한 반사광이고, 제 2 섹션(Section 2)의 반사광은 오드 펄스(LO)의 반사광이다. 따라서, 서로 다른 시간 프레임의 반사광이기에 상호 간섭의 영향은 무시할 수 있다. 이러한 중첩 영역은 제 2 섹션(Section 2)과 제 3 섹션(Section 3) 사이, 그리고 제 3 섹션(Section 3)과 제 4 섹션(Section 4) 사이에도 존재할 수 있다. 하지만, 각각의 인접한 섹션들은 서로 다른 시간 프레임을 갖기 때문에 반사광의 수신 성능에는 전혀 문제가 없다.

도 15는 도 14의 섹션들을 절단선(A-A')으로 자른 단면을 보여주는 도면이다. 도 15를 참조하면, 각각의 섹션들은 이븐 펄스(EVEN)와 오드 펄스(ODD)가 번갈아 할당됨에 따라, 공간적으로 중첩되는 영역이 존재하더라도 시간 프레임에서는 중첩되지 않는다.

제 1 섹션(Section 1)은 송신 섹션(TS1)과 수신 섹션(RS1)을 포함할 것이다. 송신 섹션(TS1)은 점선으로 도시되어 있으며, 수신 섹션(RS1)은 실선으로 표시되어 있다. 송신 섹션(TS1)은 도 10에서 도시된 송광부에서 조사되는 이븐 펄스(LE) 의해서 구성되고, 수신 섹션(RS1)은 도 10의 수광부에 의해서 구성될 것이다. 제 2 섹션(Section 2)은 송신 섹션(TS2)과 수신 섹션(RS2)을 포함할 것이다. 송신 섹션(TS2)은 점선으로 도시되어 있으며, 수신 섹션(RS1)은 실선으로 표시되어 있다. 여기서, 송신 섹션들(TS1, TS2)은 중첩되지 않도록 표시되어 있지만, 실제 응용에서는 바람직하게는 중첩되는 것이 미검출 구간을 제거하는 방법이 될 수 있다. 하지만, 송신 섹션들(TS1, TS2)이 중첩되더라도, 서로 다른 시간 프레임에 빔이 조사되고, 반사광이 수신될 수 있기 때문에 크게 문제될 것은 없다. 더불어, 수신 섹션들(RS1, RS2)은 서로 중첩되더라도 반사광의 수신 시점이 다르기 때문에 광검출기에 수신되는 반사광의 수신 시점도 달라진다. 따라서, 인접한 수신 섹션들이 중첩되더라도 시간 프레임이 다른 레이저 펄스가 수신되기 때문에 구분이 가능하다.

이상의 제 1 섹션(Section 1)과 제 2 섹션(Section 2)의 관계는 제 2 섹션(Section 2)과 제 3 섹션(Section 3), 그리고 제 3 섹션(Section 3)과 제 4 섹션(Section 4)에 동일하게 적용될 수 있다. 이러한 두 개의 시간 프레임으로 구동되는 레이저 레이더 시스템에서 복수의 스캔 영역들의 구성을 예시적으로 살펴 보았다. 하지만, 송광부 및 수광부의 배치를 일직선이 아니라 2차원적으로 구성할 수도 있고, 시간 프레임을 3개 이상으로 설정할 수 있으며, 섹션들의 형태를 정사각형, 정육각형 또는 다양한 형태로 설정할 수 있을 것이다.

도 16은 레이저 레이더 시스템의 송광부의 다른 실시 예를 보여주는 도면이다. 도 16을 참조하면, 광시작점(OSP)에서 조사된 이븐 펄스(LE)와 오드 펄스(LO)는 광분리기들(410, 420)에 의해서 2개의 시간 프레임을 갖는 4개의 섹션들로 분리될 수 있다. 여기에서는 미러를 배치하지 않았지만, 광경로를 추가적으로 변경하기 위해 미러가 사용될 수 있다.

광시작점(OSP)에서 원(CL1) 또는 원(CL2)의 중심을 향해서 출력된 이븐 펄스(LE)와 오드 펄스(LO)는 광분리기(420)에서 반사 또는 투과된다. 광분리기(420)에서 반사되는 이븐 펄스(EVEN)에 의해서 A 섹션(Section A)이 구성된다. 그리고 광분리기(420)에서 반사되는 오드 펄스(ODD)에 의해서 B 섹션(Section B)이 구성된다. 여기서, A 섹션(Section A)과 B 섹션(Section B)은 상호 중첩 영역이 존재할 수도 있음은 잘 이해될 것이다.

광분리기(420)에서 투과되는 이븐 펄스(EVEN)와 오드 펄스(ODD)는 광분리기(410)에 의해서 반사된다. 광분리기(410)에서 반사된 이븐 펄스(EVEN)에 의해서 C 섹션(Section C)이 구성된다. 그리고 광분리기(410)에서 반사된 오드 펄스(ODD)에 의해서 D 섹션(Section D)이 구성된다. 여기서, B 섹션(Section B)과 C 섹션(Section C) 사이, 그리고 C 섹션(Section C)과 D 섹션(Section D) 사이에 상호 중첩 영역이 존재할 수도 있음은 잘 이해될 것이다.

도 17은 도 16의 섹션들을 절단선(B-B')으로 자른 단면을 보여주는 도면이다. 도 17을 참조하면, 각각의 섹션들은 이븐 펄스(EVEN)와 오드 펄스(ODD)가 번갈아 할당됨에 따라, 공간적으로 중첩되는 영역이 존재하더라도 시간 프레임에서는 중첩되지 않는다.

A 섹션(Section A)은 송신 섹션(TS_A)과 수신 섹션(RS_A)을 포함할 것이다. 송신 섹션(TS_A)은 점선으로 도시되어 있으며, 수신 섹션(RS_A)은 실선으로 표시되어 있다. 송신 섹션(TS_A)은 송광부에서 조사되는 이븐 펄스(LE) 의해서 구성되고, 수신 섹션(RS_A)은 수광부의 설정에 의해서 구성될 것이다. B 섹션(Section B)은 송신 섹션(TS_B)과 수신 섹션(RS_B)을 포함할 것이다. 송신 섹션(TS_B)은 점선으로 도시되어 있으며, 수신 섹션(RS_B)은 실선으로 표시되어 있다. 여기서, 송신 섹션들(TS_B, TS_B)은 중첩되지 않도록 설정될 수 있다. 하지만, 송신 섹션들(TS_A, TS_B)이 중첩되더라도, 서로 다른 시간 프레임에 빔이 조사되고, 반사광이 수신될 수 있기 때문에 크게 문제될 것은 없다. 더불어, 수신 섹션들(RS_A, RS_B)은 서로 중첩되더라도 반사광의 수신 시점이 다르기 때문에 광검출기에 수신되는 반사광의 수신 시점도 달라진다. 따라서, 인접한 수신 섹션들이 중첩되더라도 시간 프레임이 다른 레이저 펄스가 수신되기 때문에 구분이 가능하다. 검출되는 영역을 완전히 없애기 위해서는 중첩되는 것이 바람직하다.

A 섹션(Section A)과 B 섹션(Section B)의 관계는 B 섹션(Section B)과 C 섹션(Section C), 그리고 C 섹션(Section C)과 D 섹션(Section D)에 동일하게 적용될 수 있다. 이러한 두 개의 시간 프레임으로 구동되는 레이저 레이더 시스템에서 복수의 스캔 영역들의 구성을 예시적으로 살펴 보았다. 하지만, 송광부 및 수광부의 배치를 일직선이 아니라 2차원적으로 구성하는 것도 가능하고, 시간 프레임을 3개 이상으로 설정할 수 있으며, 섹션들의 형태를 정사각형, 정육각형 또는 다양한 형태로 설정할 수 있을 것이다.

도 18a 및 도 18b는 본 발명의 레이저 레이더 시스템을 차량용 애플리케이션으로 적용하는 경우 멀티 섹션 동작을 보여주는 도면이다.

도 18a를 참조하면, 레이저 레이더 시스템은 이븐 펄스(Even Pulse)를 5개의 영역으로 조사하고, 각각의 영역에 대한 반사광을 수신할 수 있다. 여기서, 레이저 레이더 시스템은 하나의 이븐 펄스를 광분리기를 사용하여 5개의 섹션으로 분리하거나, 동일한 시간 프레임을 갖는 5개의 개별적인 펄스 레이저를 통해서 구현될 수 있다. 여기서, 각각의 섹션들의 탐지 거리와 시야각이 동일하게 도시되었으나, 본 발명은 여기에 국한되지 않는다. 섹션들(#1, #3, #5, #7, #9) 각각은 서로 다른 탐지 거리와 시야각을 갖도록 조정될 수 있다. 즉, 섹션들(#1, #3, #5, #7, #9) 각각은 동일하거나 서로 다른 시야 범위(ROI)를 가질 수 있을 것이다.

도 18b를 참조하면, 레이저 레이더 시스템은 오드 펄스(Odd Pulse)를 4개의 영역으로 조사하고, 각각의 영역에 대한 반사광을 수신할 수 있다. 여기서, 레이저 레이더 시스템은 하나의 오드 펄스를 광분리기를 사용하여 4개의 섹션으로 분리하거나, 동일한 시간 프레임을 갖는 4개의 개별적인 펄스 레이저를 통해서 구현될 수 있다. 여기서, 섹션들(#2, #4, #6, #8) 각각은 동일하거나 서로 다른 시야 범위(ROI)를 가질 수 있다. 도 16a와 도 16b에 도시된 섹션들의 수는 각각 5개와 4개로 되어 있다. 하지만, 본 발명은 여기에 국한되지 않고 이들 중에 하나 그룹이 단일 섹션으로 구성될 수도 있고, 또 다른 개수로 구현이 될 수도 있다.

도 19a 및 도 19b는 본 발명의 레이저 레이더 시스템을 차량용 애플리케이션의 다른 실시 예에 따른 멀티 섹션 동작을 보여주는 도면이다.

도 19a를 참조하면, 레이저 레이더 시스템은 이븐 펄스(Even Pulse)를 전면 방향으로 한 개의 섹션(#1)으로 조사하고, 한 개의 섹션에서 반사광을 수신할 수 있다. 여기서, 레이저 레이더 시스템은 차량의 진행 방향으로 탐색하기 때문에 상대적으로 길고 좁은 시야 범위로 섹션(#1)을 구성할 수 있을 것이다. 이븐 펄스에 대응하는 섹션(#1) 상대적으로 좁은 시야각과 긴 거리(L1)의 목표물을 탐지하도록 설정될 수 있다.

도 19b를 참조하면, 레이저 레이더 시스템은 오드 펄스(Odd Pulse)를 조사하는 영역을 2개의 섹션(#2, #3)으로 구성할 수 있다. 섹션들(#2, #3) 각각은 섹션(#1)에 비해서 상대적으로 넓은 시야각과 짧은 거리(L2)의 시야 범위(ROI)를 갖도록 구성될 수 있다. 여기에서 도 19a와 도 19b는 각각 1개 및 2개의 섹션들이 포함되도록 구성되어 있지만, 섹션의 개수는 변경이 가능하다.

도 20은 본 발명의 레이저 레이더 시스템을 차량용 애플리케이션으로 적용하는 다른 실시 예를 보여주는 도면이다. 도 20을 참조하면, 레이저 레이더 시스템은 이븐 펄스(Even Pulse)를 하나의 섹션에 할당하고, 오드 펄스(Odd Pulse)를 2개의 섹션에 할당하도록 구성된다.

레이저 레이더 시스템은 하나의 이븐 펄스(Even Pulse)를 섹션(#1)으로 송신하고 그에 대한 반사광을 수신할 수 있다. 제 1 섹션(#1)은 차량의 진행 방향을 스캐닝하기 위한 구역이므로, 상대적으로 좁은 시야각을 갖고, 상대적으로 먼 거리의 목표물을 탐지하도록 구성될 수 있다.

레이저 레이더 시스템은 오드 펄스(Odd Pulse)를 2개의 섹션들(#2, #3)으로 조사하고, 각각의 영역에 대한 반사광을 수신할 수 있다. 여기서, 레이저 레이더 시스템은 하나의 펄스 레이저로 생성된 오드 펄스(Odd Pulse)를 광분리기를 사용하여 2개의 섹션으로 분리할 수 있다. 또는, 레이저 레이더 시스템은 동일한 시간 프레임을 갖는 2개의 개별적인 펄스 레이저를 생성하여 제 2 및 제 3 섹션들(#2, #3) 각각에 조사할 수도 있을 것이다.

여기서, 제 2 및 제 3 섹션들(#2, #3) 각각은 동일하거나 서로 다른 시야 범위(ROI)를 가질 수 있다. 도시된 도면에서는 제 3 섹션(#3)의 시야각이 제 2 섹션(#2)보다 더 크게 도시되어 있다. 즉, 운전자의 시야가 취약한 제 3 섹션(#3)에 대해서 상대적으로 더 넓은 시야 범위(ROI)를 제공하도록 오드 펄스(Odd Pulse)에 대응하는 섹션들(#2, #3)을 구성할 수 있다. 추가적으로 제 2 및 제 3 섹션들(#2, 3)은 하나의 섹션으로 구성될 수도 있음은 잘 이해될 것이다.

도 21은 도 20의 섹션들을 단면을 간략히 보여주는 도면이다. 도 21을 참조하면, 이븐 펄스(Even)에 대응하는 제 1 섹션(#1)을 사이에 두고, 오드 펄스(Odd)에 대응하는 제 2 및 제 3 섹션들(#2, #3)은 양측에 배치된다. 앞서 설명한 바와 마찬가지로 제 1 및 제 2 섹션들(#1, #2) 또는 제 1 및 제 3 섹션들(#1, #3) 사이에는 공간적으로 중첩되는 영역이 존재하더라도 시간 프레임에서는 중첩되지 않는다.

제 1 섹션(#1)은 송신 섹션(TS_1)과 수신 섹션(RS_1)을 포함할 것이다. 송신 섹션(TS_1)은 실선으로 도시되어 있으며, 수신 섹션(RS_1)은 점선으로 표시되어 있다. 송신 섹션(TS_1)은 송광부에서 조사되는 이븐 펄스(Even Pulse) 의해서 구성되고, 수신 섹션(RS_1)은 수광부에 의해서 구성될 것이다. 제 2 섹션(# 2)은 송신 섹션(TS_2)과 수신 섹션(RS_2)을 포함할 것이다. 송신 섹션(TS_2)은 실선으로 도시되어 있으며, 수신 섹션(RS_1)은 점선으로 표시되어 있다. 여기서, 송신 섹션들(TS_1, TS_2)은 중첩 영역이 존재하는 것으로 표시되어 있다. 하지만, 송신 섹션들(TS_1, TS_2)이 중첩되더라도, 서로 다른 시간 프레임에 빔이 조사되고, 반사광이 수신될 수 있기 때문에 크게 문제될 것은 없다. 더불어, 수신 섹션들(RS_1, RS_2)은 서로 중첩되더라도 반사광의 수신 시점이 다르기 때문에 광검출기에 수신되는 반사광의 수신 시점도 달라진다. 따라서, 인접한 수신 섹션들이 중첩되더라도 시간 프레임이 다른 레이저 펄스가 수신되기 때문에 구분이 가능하다.

이상의 제 1 섹션(#1)과 제 2 섹션(#2)의 관계는 제 1 섹션(#2)과 제 3 섹션(#3)에 동일하게 적용될 수 있다. 하지만, 앞서 설명한 바와 같이 제 3 섹션(#3)의 시야각은 제 2 섹션(#2)의 시야각에 비해서 상대적으로 더 넓게 구성할 수도 있을 것이다. 이러한 두 개의 시간 프레임으로 구동되는 레이저 레이더 시스템에서 복수의 스캔 영역들의 구성을 예시적으로 살펴 보았다. 하지만, 송광부 및 수광부의 배치를 일직선이 아니라 2차원적으로 구성할 수도 있고, 시간 프레임을 3개 이상으로 설정할 수 있으며, 섹션들의 형태를 정사각형, 정육각형 또는 다양한 형태로 설정할 수 있을 것이다.

도 22는 차량용 레이저 레이더 시스템의 또 다른 실시 예에 따라 섹션들을 구성하는 방법을 보여주는 도면이다. 도 18을 참조하면, 레이저 레이더 시스템의 송수신 유닛들이 담당하는 섹션들은 위치에 따라 다양한 시야 범위(ROI)를 갖도록 구성될 수 있다.

예를 들면, 차량의 진행 방향에 대응하는 전방에는 2개의 송수신 유닛들(500a, 500b)이 장착될 수 있다. 그리고 차량의 측방에는 각각 송수신 유닛들(500c, 500d)이 장착될 수 있다. 그리고 차량의 후측방에는 송수신 유닛들(500e, 500f)이 장착될 수 있다.

전방에 장착되는 2개의 송수신 유닛들(500a, 500b)은 서로 다른 시간 프레임을 갖는 레이저 펄스들(A, B)을 사용하여 목표물을 스캐닝할 수 있다. 게다가, 2개의 송수신 유닛들(500a, 500b)이 구성하는 섹션들(510, 520)은 서로 다른 시야 범위(ROI)를 갖도록 구성될 수 있다.

측방에 장착되는 2개의 송수신 유닛들(500c, 500d)은 서로 다르거나 또는 동일한 시간 프레임을 갖는 레이저 펄스들(C, D)을 사용하여 목표물을 스캐닝할 수 있다. 측방에 장착되는 송수신 유닛들(500c, 500d)이 구성하는 섹션들의 시야 범위(ROI)는 전방의 그것보다 상대적으로 짧은 거리에 넓은 시야각을 가질 수 있다.

또한, 후방 또는 후측방을 담당하는 송수신 유닛들(500e, 500f)은 서로 다르거나 또는 동일한 시간 프레임을 갖는 레이저 펄스들(E, F)을 사용하여 목표물을 스캐닝할 수 있다. 측방에 장착되는 송수신 유닛들(500e, 500f)이 구성하는 섹션들의 시야 범위(ROI)는 전방의 그것보다 상대적으로 짧은 거리에 넓은 시야각을 가질 수 있다.

이제까지 본 발명에 대하여 그 바람직한 실시 예들을 중심으로 살펴보았다. 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 구현될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 개시된 실시 예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.

한편, 본 발명의 범위 또는 기술적 사상을 벗어나지 않고 본 발명의 구조가 다양하게 수정되거나 변경될 수 있음은 이 분야에 숙련된 자들에게 자명하다. 상술한 내용을 고려하여 볼 때, 만약 본 발명의 수정 및 변경이 아래의 청구항들 및 동등물의 범주 내에 속한다면, 본 발명이 이 발명의 변경 및 수정을 포함하는 것으로 여겨진다.

110 : 제 1 송수신 유닛
111 : 펄스 레이저
112 : 송광 광학계
113 : 광편향기
114 : 목표물
115 : 광필터
116 : 수광 렌즈
117 : 대면적 광검출기
210 : 제 1 광원
220 : 제 2 광원
230 : 반사기
235 : 미러
250 : 송수신 유닛
310, 350 : 광원
320, 360 : 광편향기
330, 370 : 광분리기
335, 375 : 미러
340 : 제 1 수광부
345 : 제 3 수광부
380 : 제 2 수광부
385 : 제 4 수광부
390 : 제어부
410, 420 : 광분리기

Claims (28)

1. 제 1 시야 범위의 제 1 복수 위치에 제 1 레이저 빔을 순차적으로 조사하고, 상기 제 1 복수의 위치로부터 반사된 상기 제 1 레이저 빔의 반사광을 수신하는 제 1 송수신 유닛; 그리고
   제 2 시야 범위의 제 2 복수 위치에 제 2 레이저 빔을 순차적으로 조사하고, 상기 제 2 복수의 위치로부터 반사된 상기 제 2 레이저 빔의 반사광을 수신하는 제 2 송수신 유닛을 포함하되,
   상기 제 1 송수신 유닛과 상기 제 2 송수신 유닛 각각은 탑재체에 고정되어 상기 제 1 시야 범위 및 상기 제 2 시야 범위에 대한 탐색을 독립적으로 수행하며,
   상기 제 1 송수신 유닛과 상기 제 2 송수신 유닛 각각은 송신 광경로와 수신 광경로가 다르고,
   상기 제 1 레이저 빔과 상기 제 2 레이저 빔은 각각 서로 다른 시간 슬롯에서 조사되는 레이저 레이더 시스템.
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 제 1 송수신 유닛은:
   상기 제 1 레이저 빔을 생성하는 제 1 광원;
   상기 제 1 광원으로부터 출력되는 상기 제 1 레이저 빔을 편향시켜 상기 제 1 시야 범위에 조사하는 제 1 반사기;
   상기 제 1 레이저 빔이 목표물로부터 반사되는 반사광을 수신하는 제 1 수광부를 포함하고,
   상기 제 2 송수신 유닛은:
   상기 제 2 레이저 빔을 생성하는 제 2 광원;
   상기 제 2 광원으로부터 출력되는 상기 제 2 레이저 빔을 편향시켜 상기 제 2 시야 범위에 조사하는 제 2 반사기;
   상기 제 2 레이저 빔이 목표물로부터 반사되는 반사광을 수신하는 제 2 수광부를 포함하는 레이저 레이더 시스템.
3. 삭제
4. 제 2 항에 있어서,
   상기 제 1 레이저 빔과 상기 제 2 레이저 빔이 조사되는 시간 슬롯은 교대로 할당되는 레이저 레이더 시스템.
5. 제 2 항에 있어서,
   상기 제 1 수광부 및 상기 제 2 수광부는 각각 수신되는 반사광들에 대한 검출 신호를 출력하는 광검출기를 포함하되, 상기 광검출기는 단일 구조 광검출기, 어레이형 광검출기, 대면적 광검출기, 분할형 광검출기들 중 적어도 하나를 포함하는 레이저 레이더 시스템.
6. 제 2 항에 있어서,
   상기 제 1 레이저 빔을 상기 제 1 시야 범위의 상기 제 1 복수 위치에 조사하기 위한 제 1 반사기와 상기 제 2 레이저 빔을 상기 제 2 시야 범위의 상기 제 2 복수 위치에 조사하기 위한 제 2 반사기는 하나의 공유 반사기로 형성되는 레이저 레이더 시스템.
7. 제 6 항에 있어서,
   상기 공유 반사기는 곡면 미러 또는 평면 미러로 형성되며, 상기 제 1 시야 범위와 상기 제 2 시야 범위는 상기 제 1 레이저 빔과 상기 제 2 레이저 빔의 입사각 또는 상기 곡면 미러의 곡률 반경에 의해서 정의되는 레이저 레이더 시스템.
8. 제 2 항에 있어서,
   상기 제 1 수광부 및 상기 제 2 수광부는 상기 제 1 및 제 2 송신 시야 범위 각각의 반사광을 수신하기 위한 하나의 공유 수광부로 형성되는 레이저 레이더 시스템.
9. 제 1 항에 있어서,
   상기 제 1 시야 범위는 상기 제 1 레이저 빔이 순차적으로 조사되는 제 1 송신 시야 범위를 포함하고, 상기 제 2 시야 범위는 상기 제 2 레이저 빔이 순차적으로 조사되는 제 2 송신 시야 범위를 포함하는 레이저 레이더 시스템.
10. 제 9 항에 있어서,
    상기 제 1 시야 범위는 상기 제 1 레이저 빔의 반사광을 수신하는 제 1 수신 시야 범위를 포함하고, 상기 제 2 시야 범위는 상기 제 2 레이저 빔의 반사광을 수신하는 제 2 수신 시야 범위를 포함하는 레이저 레이더 시스템.
11. 제 10 항에 있어서,
    상기 제 1 수신 시야 범위는 상기 제 1 송신 시야 범위보다 같거나 넓고, 상기 제 2 수신 시야 범위는 상기 제 2 송신 시야 범위보다 같거나 넓은 레이저 레이더 시스템.
12. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 송수신 유닛 및 상기 제 2 송수신 유닛에서 반사광의 검출에 따라 순차적으로 출력되는 검출 신호와 상기 검출한 반사 시간 또는 반사 강도를 참조하여 3차원 영상 좌표 또는 반사 영상 정보를 합성하는 제어부를 더 포함하는 레이저 레이더 시스템.
13. 제 12 항에 있어서,
    상기 제 1 시야 범위 또는 상기 제 2 시야 범위에 대한 2차원 영상을 획득하기 위한 카메라를 더 포함하고, 상기 제어부는 상기 2차원 영상과 상기 3차원 영상을 합성하거나 보정하는 레이저 레이더 시스템.
14. 제 12 항에 있어서,
    상기 제어부는 상기 탑재체의 주행 방향, 주행 각도, 주행 속도, 주행 정보, 상기 탑재체 주변의 기상 정보, 먼지, 상기 제 1 내지 제 2 송수신 유닛들의 상기 탑재체에서 설치 위치에 근거하여, 상기 제 1 내지 제 2 시야 범위, 스캔 속도, 스캔하는 포인트 수, 레이저 파워 중 적어도 하나를 가변적으로 제어하는 레이저 레이더 시스템.
15. 제 14 항에 있어서,
    상기 제어부는 상기 제 1 또는 제 2 송수신 유닛의 송신 파워를 가감하거나 차단하여 상기 제 1 내지 제 2 시야 범위를 조정하는 레이저 레이더 시스템.
16. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 레이저 빔을 상기 제 1 시야 범위의 상기 제 1 복수 위치에 조사하고, 상기 제 1 레이저 빔을 상기 제 1 시야 범위와 중첩되지 않는 제 3 시야 범위의 제 3 복수 위치에 조사하는 제 1 광분리기를 더 포함하는 레이저 레이더 시스템.
17. 제 16 항에 있어서,
    상기 제 2 레이저 빔을 상기 제 2 시야 범위의 상기 제 2 복수 위치에 조사하고, 상기 제 2 레이저 빔을 상기 제 2 시야 범위와 중첩되지 않는 제 4 시야 범위의 제 4 복수 위치에 조사하는 제 2 광분리기를 더 포함하는 레이저 레이더 시스템.
18. 제 17 항에 있어서,
    상기 제 1 광분리기로부터 분리된 상기 제 1 레이저 빔을 상기 제 3 시야 범위의 복수 위치로 반사시키는 제 1 반사 미러와, 상기 제 2 광분리기로부터 분리된 상기 제 2 레이저 빔을 상기 제 4 시야 범위의 상기 제 4 복수 위치로 반사시키는 제 2 반사 미러 중 적어도 하나를 포함하는 레이저 레이더 시스템,
19. 제 18 항에 있어서,
    상기 제 1 시야 범위와 상기 제 2 시야 범위 사이, 상기 제 2 시야 범위와 상기 제 3 시야 범위 사이, 그리고 상기 제 3 시야 범위와 상기 제 4 시야 범위 사이에는 중첩 영역을 포함하는 레이저 레이더 시스템.
20. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 시야 범위 또는 상기 제 2 시야 범위와 중첩 영역을 갖는 적어도 하나의 제 3 시야 범위에 제 3 레이저 빔을 조사하고 반사광을 수신하는 제 3 송수신 유닛을 더 포함하되, 상기 제 3 레이저 빔은 상기 제 3 시야 범위와 중복되는 영역에 조사되는 상기 제 1 및 제 2 레이저 빔과는 다른 시간 슬롯에서 조사되는 레이저 레이더 시스템.
21. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 송수신 유닛 그리고 상기 제 2 송수신 유닛 각각은 상기 탑재체의 진행 방향을 기준으로 전방, 측방, 그리고 후방 중 적어도 어느 하나의 영역을 담당하는 시야 범위를 가지는 것을 특징으로 하는 레이저 레이더 시스템.
22. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 시야 범위 및 상기 제 2 시야 범위는 검출 거리 또는 검출 각도가 다르게 설정되는 레이저 레이더 시스템.
23. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 시야 범위 및 상기 제 2 시야 범위는, 상기 탑재체를 기준으로 좌우 비대칭 또는 비원형인 것을 특징으로 하는 레이저 레이더 시스템.
24. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 시야 범위 및 상기 제 2 시야 범위 중에서 상기 탑재체에서 전방에 대응하는 시야 범위는 후방 또는 측방을 담당하는 시야 범위보다 검출 거리는 길거나, 검출 각도가 작은 레이저 레이더 시스템.
25. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 내지 제 2 시야 범위들 중에서 상기 탑재체의 측방을 담당하는 적어도 하나의 시야 범위는 전방을 담당하는 시야 범위보다 검출 거리가 짧거나, 검출 각도는 큰 것을 특징으로 하는 레이저 레이더 시스템.
26. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 내지 제 2 시야 범위들 중에서 상기 탑재체의 후방을 담당하는 적어도 하나의 시야 범위는 상기 탑재체의 측방을 담당하는 시야 범위보다 검출 거리는 짧은 것을 특징으로 하는 레이저 레이더 시스템,
27. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 내지 제 2 송수신 유닛들 중 적어도 어느 하나로부터 획득한 검출 정보를 이용하여 Simultaneous Localization and Mapping(SLAM)동작을 수행하는 제어부를 더 포함하는 레이저 레이더 시스템.
28. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 시야 범위는 상기 제 2 시야 범위와 중첩되는 영역을 포함하는 레이저 레이더 시스템.

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