KR102221864B1 - LiDAR scanning device - Google Patents

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Abstract

본 발명은 레이저 빔을 대상체에 조사하고 대상체에 의해 반사되어 돌아오는 레이저 빔을 분석해서 대상체까지의 거리, 방향, 속도 등을 측정하는 라이다 스캐닝 장치에 관한 것으로,
본 발명의 실시예에 따른 라이다 스캐닝 장치는,
레이저 빔을 조사하는 복수개의 레이저 다이오드를 포함하는 송신부; 상기 복수개의 레이저 다이오드로부터 조사되는 복수개의 레이저 빔을 여러 방향으로 반사시키는 미러 스캐너; 상기 미러 스캐너로부터 반사된 레이저 빔을 대상체에 조사시키고 대상체에서 반사된 레이저 빔을 수신하는 다면 미러; 상기 다면 미러에서 반사된 레이저 빔을 수신하는 수신부; 상기 다면 미러를 회전시키는 회전 모터를 포함한다.The present invention relates to a lidar scanning device that measures a distance, direction, speed, etc. to an object by irradiating a laser beam onto an object and analyzing the laser beam reflected by the object and returning,
A lidar scanning device according to an embodiment of the present invention,
A transmitter including a plurality of laser diodes for irradiating a laser beam; A mirror scanner for reflecting a plurality of laser beams irradiated from the plurality of laser diodes in various directions; A multi-faceted mirror that irradiates the laser beam reflected from the mirror scanner to the object and receives the laser beam reflected from the object; A receiver configured to receive the laser beam reflected from the multi-faceted mirror; And a rotation motor that rotates the multi-faceted mirror.

Description

라이다 스캐닝 장치 {LiDAR scanning device}LiDAR scanning device

본 발명은 레이저 빔을 대상체에 조사하고 대상체에 의해 반사되어 돌아오는 레이저 빔을 분석해서 대상체까지의 거리, 방향, 속도 등을 측정하는 라이다 스캐닝 장치에 관한 것이다.The present invention relates to a lidar scanning apparatus for measuring a distance, direction, speed, etc. to an object by irradiating a laser beam onto an object and analyzing a laser beam reflected by the object and returning.

일반적으로, 라이다 시스템(LIDAR system; Light Detection And Ranging system)은 레이저를 대상체에 조사하고, 대상체에 의해 반사되어 돌아오는 레이저 빔을 분석해서 대상체까지의 거리, 방향, 속도 등을 측정 감지할 수 있는 시스템이다.In general, the LIDAR system (Light Detection And Ranging system) irradiates a laser to an object and analyzes a laser beam that is reflected and returned by the object to measure and detect the distance, direction, and speed to the object. There is a system.

이러한 라이다 시스템은 기상 관측이나, 거리 측정 등의 용도를 위해 활용되다가, 최근에는 자율 주행 차량, 위성을 이용한 기상 관측, 무인 로봇 센서 및 3차원 영상 모델링을 위한 기술 등에 사용되고 있다. Such a lidar system has been used for weather observation or distance measurement, but recently, it has been used for autonomous vehicles, weather observation using satellites, unmanned robot sensors, and technologies for 3D image modeling.

레이저 빔은 측정방법에 따라 사인파, 펄스파 등으로 조사될 수 있고, 2D 맵핑이나 3D 형상 측정시 레이저 빔의 측정점을 옮기기 위해서는 모터나 미러 등으로 구성된 라이다 스캐닝 장치가 필요하다. Depending on the measurement method, the laser beam can be irradiated with a sine wave or a pulse wave, and a lidar scanning device composed of a motor or a mirror is required to move the measurement point of the laser beam during 2D mapping or 3D shape measurement.

최근, 모바일 플랫폼을 위한 주변 형상 측정용 센서로서 라이다가 각광받고 있다. 모바일 플랫폼 중 자율 주행 차량 및 무인 이송체를 예로 들자면, 일반적으로 차량은 지면을 따라 달리므로 측정이 필요한 대상체는 주로 지면에 있다. 따라서, 자율주행 차량용 라이다는 수직 방향으로는 넓은 측정 각도가 필요하지 않으나, 수평 방향으로는 넓은 측정 영역이 필요하다. Recently, LiDAR is in the spotlight as a sensor for measuring the surrounding shape for mobile platforms. For example, an autonomous vehicle and an unmanned transport vehicle among mobile platforms are generally used as vehicles run along the ground, and thus objects that need to be measured are mainly on the ground. Accordingly, a lidar for an autonomous vehicle does not need a wide measurement angle in the vertical direction, but needs a wide measurement area in the horizontal direction.

또한, 차량의 주행 환경에는 100km 이상 고속으로 주행하는 대상체들이 많으므로 라이다의 측정 속도도 빨라야 이러한 대상체들을 검지할 수 있다.In addition, since there are many objects traveling at a high speed of 100 km or more in the driving environment of the vehicle, such objects can be detected only when the LiDAR measurement speed is also high.

도 1은 종래 기술에 따른 라이다 스캐닝 장치가 도시된 사시도이고, 도 2는 도 1의 라이다 스캐닝 장치의 측정 영역이 도시된 도면이다. 도 1의 종래 기술은 미국 공개특허 US2014293263A1에 개시된 라이다 스캐닝 장치이다.1 is a perspective view illustrating a conventional LiDAR scanning device, and FIG. 2 is a diagram illustrating a measurement area of the LiDAR scanning device of FIG. 1. The prior art of FIG. 1 is a lidar scanning device disclosed in U.S. Patent Publication No. US2014293263A1.

도 1에 도시된 라이다 스캐닝 장치(A)는, 송신부(35)와 수신부(40), 제1 축 스캐닝 모터(20), 다면 미러(10’), 회전 테이블(50), 제2 축 스캐닝 모터(미도시) 등을 포함한다. 여기서, 제1 축은 수직 방향을 스캐닝하기 위한 수평 회전축이고, 제2 축은 수평 방향을 스캐닝하기 위한 수직 회전축이다. The lidar scanning device A shown in FIG. 1 includes a transmitter 35 and a receiver 40, a first axis scanning motor 20, a multi-faceted mirror 10', a rotary table 50, and a second axis scanning. Includes a motor (not shown) and the like. Here, the first axis is a horizontal rotation axis for scanning in the vertical direction, and the second axis is a vertical rotation axis for scanning in the horizontal direction.

송신부(35)에서 송신된 빔은, 제1 축을 중심축으로 회전하는 다면 미러에 의해 여러 고도의 수직 방향으로 송신되고, 회전 테이블(50)이 제2 축을 중심으로 회전하면서 다면 미러에서 반사된 빔은 수직 및 수평 방향으로 송신된다. 이후, 송신된 빔은 대상체에서 반사되고, 대상체에서 반사된 빔은 다시 다면 미러에서 반사되어 수신부에서 수신된다.The beam transmitted from the transmission unit 35 is transmitted in several highly vertical directions by a multi-faceted mirror rotating about the first axis, and the beam reflected from the multi-faceted mirror while the rotating table 50 rotates around the second axis. Are transmitted in the vertical and horizontal directions. Thereafter, the transmitted beam is reflected by the object, and the beam reflected by the object is reflected again by a multi-faceted mirror and received by the receiver.

이와 같은 라이다 스캐닝 장치(A)는, 도 2와 같이 수평 방향으로는 360도를 측정할 수 있고, 수직 방향으로는 다면 미러의 설계에 따라 10 내지 170도까지 측정 가능하다는 장점이 있다. Such a lidar scanning device (A) has the advantage of being capable of measuring 360 degrees in the horizontal direction as shown in FIG. 2 and measuring up to 10 to 170 degrees in the vertical direction according to the design of the multi-faceted mirror.

그러나, 종래의 라이다 스캐닝 장치(A)는 제1 축 및 제2 축 회전을 위해 2개의 모터를 사용하고 있기에, 스캐닝 속도가 수십 Hz 정도로 낮아서, 고속 스캐닝에 적합하지 않다는 문제가 있다. However, since the conventional lidar scanning apparatus A uses two motors to rotate the first axis and the second axis, the scanning speed is as low as several tens of Hz, and thus there is a problem that it is not suitable for high-speed scanning.

또한, 수평 방향 스캐닝시에, 회전 테이블(50) 자체가 회전하므로, 회전 테이블(50) 상부에 배치된 송신부(35), 수신부(40), 제1 축 스캐닝 모터(20), 다면 미러(10’) 및 각종 회로 전체가 회전에 따른 원심력을 지속적으로 받게 되므로 이들 부품들의 내구성에 악영향을 미치는 문제가 있고, 이로 인해 수평 방향 스캐닝 속도에는 한계가 있다는 문제가 있다.In addition, when scanning in the horizontal direction, since the rotary table 50 itself rotates, the transmitting unit 35, the receiving unit 40, the first axis scanning motor 20, and the multi-faceted mirror 10 disposed on the rotary table 50 are rotated. ') and various circuits continue to receive centrifugal force due to rotation, so there is a problem that adversely affects the durability of these parts, and thus, there is a problem that there is a limit to the horizontal scanning speed.

도 3은 종래 기술에 따른 라이다 스캐닝 장치가 도시된 도면이고, 도 4는 도 3의 라이다 스캐닝 장치의 측정 영역이 도시된 도면이다. 도 3의 종래 기술은 “Design and characterization of a 256x64-pixel single-photon imager in CMOS for a MEMS based laser scanning time-of-flight sensor” (OSA Publishing,Vol. 20, Issue 11, pp. 11863-11881 (2012))에 개시된 라이다 스캐닝 장치이다.3 is a diagram illustrating a conventional lidar scanning device, and FIG. 4 is a diagram illustrating a measurement area of the lidar scanning device of FIG. 3. The prior art of FIG. 3 is “Design and characterization of a 256x64-pixel single-photon imager in CMOS for a MEMS based laser scanning time-of-flight sensor” (OSA Publishing, Vol. 20, Issue 11, pp. 11863-11881 (2012)).

도 3에 도시된 라이다 스캐닝 장치(B)는, 송신부(1), 수신부(2), 2축 MEMS 스캐너(3)를 포함한다. 도 3의 라이다 스캐닝 장치(B)는 측정 영역을 넓히기 위해 복수개의 레이저로 구성된 송신부(1)를 이용한다. 송신부(1)에서 송신된 빔은 2축 MEMS 스캐너(3)에 의해 수직 및 수평 방향으로 반사되면서 대상체를 검출한다. The lidar scanning device B shown in FIG. 3 includes a transmitting unit 1, a receiving unit 2, and a two-axis MEMS scanner 3. The lidar scanning device B of FIG. 3 uses a transmitter 1 composed of a plurality of lasers to widen the measurement area. The beam transmitted from the transmitter 1 is reflected in the vertical and horizontal directions by the 2-axis MEMS scanner 3 to detect an object.

도 3의 라이다 스캐닝 장치(B)에서는, 2축 MEMS 스캐너(3)에 의해 송신빔이 조사되는 방향이 달라지면서, 대상체에서 반사되는 수신빔이 집광렌즈(4)를 통과한 후, 맺히는 초점의 위치가 매번 달라진다. 이에, 수신부(2)는 조사되는 방향에 따라 모두 구분하여 수신할 수 있도록 M×N 다채널 수신소자 또는 이미지 센서로 구성된다.In the lidar scanning device (B) of FIG. 3, the direction in which the transmission beam is irradiated by the two-axis MEMS scanner 3 is changed, and the received beam reflected from the object passes through the condensing lens 4 and then the focus is formed. The position of the is changed every time. Accordingly, the receiving unit 2 is composed of an M×N multi-channel receiving device or an image sensor so that all of them can be classified and received according to the irradiated direction.

이와 같은 라이다 스캐닝 장치(B)는 모터를 사용하지 않으므로, 송신부(1)의 출력을 수십 kHz 정도로 높일 수 있어서 고속 스캐닝이 가능한 장점이 있다. 이에 따라 전술한 라이다 스캐닝 장치(A)의 문제점을 해결할 수 있다.Since such a lidar scanning device B does not use a motor, the output of the transmitter 1 can be increased to about several tens of kHz, thereby enabling high-speed scanning. Accordingly, it is possible to solve the above-described problem of the lidar scanning device A.

그러나, 이러한 종래의 라이다 스캐닝 장치(B)는, 도 4에 도시된 바와 같이, 2축 MEMS 스캐너(3)의 각도 한계로 인해 넓은 수평 측정 각도를 가지기 어려우며, 가로/세로 다수의 채널(M×N 픽셀)을 가진 수신부가 필요하므로 비용이 증가하고 구성이 복잡하다는 문제가 있다.However, such a conventional lidar scanning device (B) is difficult to have a wide horizontal measurement angle due to the angular limit of the two-axis MEMS scanner 3, as shown in Figure 4, a number of horizontal / vertical channels (M Since a receiving unit having ×N pixels) is required, there is a problem that the cost is increased and the configuration is complicated.

미국 공개특허 US2014293263A1US published patent US2014293263A1

Design and characterization of a 256x64-pixel single-photon imager in CMOS for a MEMS based laser scanning time-of-flight sensor (OSA Publishing,Vol. 20, Issue 11, pp. 11863-11881 (2012))Design and characterization of a 256x64-pixel single-photon imager in CMOS for a MEMS based laser scanning time-of-flight sensor (OSA Publishing, Vol. 20, Issue 11, pp. 11863-11881 (2012))

본 발명은 전술한 종래 기술들의 문제점을 해결할 수 있는 라이다 스캐닝 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.An object of the present invention is to provide a lidar scanning device capable of solving the problems of the prior art.

본 발명의 실시예에 따른 라이다 스캐닝 장치는,A lidar scanning device according to an embodiment of the present invention,

레이저 빔을 조사하는 복수개의 레이저 다이오드를 포함하는 송신부; 상기 복수개의 레이저 다이오드로부터 조사되는 복수개의 레이저 빔을 여러 방향으로 반사시키는 미러 스캐너; 상기 미러 스캐너로부터 반사된 레이저 빔을 대상체에 조사시키고 대상체에서 반사된 레이저 빔을 수신하는 다면 미러; 상기 다면 미러에서 반사된 레이저 빔을 수신하는 수신부; 상기 다면 미러를 회전시키는 회전 모터를 포함한다.A transmitter including a plurality of laser diodes for irradiating a laser beam; A mirror scanner for reflecting a plurality of laser beams irradiated from the plurality of laser diodes in various directions; A multi-faceted mirror that irradiates the laser beam reflected from the mirror scanner to the object and receives the laser beam reflected from the object; A receiver configured to receive the laser beam reflected from the multi-faceted mirror; And a rotation motor that rotates the multi-faceted mirror.

본 발명의 실시예에 따른 라이다 스캐닝 장치에 있어서, 상기 복수개의 레이저 다이오드는 레이저 조사 방향이 상기 미러 스캐너 방향이 되도록 상기 미러 스캐너의 중심선을 기준으로 이격되어 형성될 수 있다.In the lidar scanning apparatus according to an embodiment of the present invention, the plurality of laser diodes may be formed to be spaced apart from the center line of the mirror scanner so that the laser irradiation direction is the mirror scanner direction.

본 발명의 실시예에 따른 라이다 스캐닝 장치에 있어서, 상기 미러 스캐너는 기설정된 각도 범위에서 반복적으로 회전할 수 있다.In the lidar scanning apparatus according to an embodiment of the present invention, the mirror scanner may repeatedly rotate in a preset angle range.

본 발명의 실시예에 따른 라이다 스캐닝 장치에 있어서, 상기 미러 스캐너는 회전 각도가 가변되고, 가변된 각도 범위에서 반복적으로 회전할 수 있다.In the lidar scanning apparatus according to an embodiment of the present invention, the mirror scanner has a variable rotation angle and may repeatedly rotate within a variable angle range.

본 발명의 실시예에 따른 라이다 스캐닝 장치에 있어서, 상기 미러 스캐너는, 일정한 각도 범위에서 반복 구동하는 액츄에이터 기반 미러 스캐너일 수 있다.In the lidar scanning apparatus according to an embodiment of the present invention, the mirror scanner may be an actuator-based mirror scanner that repeatedly drives in a certain angle range.

본 발명의 실시예에 따른 라이다 스캐닝 장치에 있어서, 상기 미러 스캐너는, 공진스캐너, MEMS 미러, VCM(voice coil motor), Optical Phase Array 중 어느 하나일 수 있다.In the lidar scanning apparatus according to an embodiment of the present invention, the mirror scanner may be any one of a resonance scanner, a MEMS mirror, a voice coil motor (VCM), and an optical phase array.

본 발명의 실시예에 따른 라이다 스캐닝 장치에 있어서, 상기 다면 미러는, 기울기가 상이한 복수개의 반사 미러를 포함할 수 있다.In the lidar scanning apparatus according to an embodiment of the present invention, the multi-faceted mirror may include a plurality of reflective mirrors having different inclinations.

본 발명의 실시예에 따른 라이다 스캐닝 장치에 있어서, 상기 복수개의 반사 미러는, 상기 복수개의 반사 미러에 의한 측정 고도가 부분적으로 겹칠 수 있다.In the lidar scanning apparatus according to an embodiment of the present invention, the plurality of reflective mirrors may partially overlap with each other in elevations measured by the plurality of reflective mirrors.

본 발명의 실시예에 따른 라이다 스캐닝 장치에 있어서, 상기 수신부는, 단일 픽셀로 이루어진 단일 채널 수신부 또는 픽셀이 N×1 개로 배열된 다채널 수신부일 수 있다.In the lidar scanning apparatus according to an embodiment of the present invention, the receiving unit may be a single channel receiving unit composed of a single pixel or a multi-channel receiving unit in which N×1 pixels are arranged.

본 발명의 실시예에 따른 라이다 스캐닝 장치에 있어서, 상기 수신부는 단일 채널 수신부이고, 상기 수신부는 상기 다면 미러에서 반사되는 레이저 빔을 집광하는 집광 렌즈를 더 포함하며, 상기 송신부와 상기 수신부와 상기 미러 스캐너는 동기화되어 상기 미러 스캐너의 반사 각도를 이용하여 측정 고도를 측정할 수 있다.In the lidar scanning apparatus according to an embodiment of the present invention, the receiving unit is a single channel receiving unit, the receiving unit further comprises a condensing lens for condensing the laser beam reflected from the multi-faceted mirror, the transmitting unit, the receiving unit and the The mirror scanner can be synchronized to measure the measurement altitude using the reflection angle of the mirror scanner.

기타 본 발명의 다양한 측면에 따른 구현예들의 구체적인 사항은 이하의 상세한 설명에 포함되어 있다.Other specific details of embodiments according to various aspects of the present invention are included in the detailed description below.

본 발명의 실시 형태에 따르면, According to an embodiment of the present invention,

다면 미러가 회전 모터에 의해 회전되면서 넓은 전방 각도로 레이저 빔을 방사시킬 수 있으므로, 수평 방향 측정 범위를 넓힐 수 있다.As the multi-faceted mirror is rotated by the rotating motor, the laser beam can be radiated at a wide front angle, so that the measurement range in the horizontal direction can be widened.

또한, 미러 스캐너가 소정의 각도 범위에서 반복 구동하면서 다면 미러의 다양한 수직축 위치로 레이저 빔을 반사시키므로, 수직 방향의 측정 고도를 높일 수 있다.In addition, since the mirror scanner repeatedly drives in a predetermined angular range and reflects the laser beam to various vertical axis positions of the multi-faceted mirror, it is possible to increase the measurement altitude in the vertical direction.

또한, 회전 모터는 다면 미러만을 회전시키고, 다른 구성 요소는 회전 모터에 의해 회전되지 않으므로, 라이다 스캐닝 장치의 내구성을 향상시킬 수 있다.In addition, since the rotation motor rotates only the multi-faceted mirror and other components are not rotated by the rotation motor, the durability of the lidar scanning device can be improved.

또한, 송신부에서 미러 스캐너로 수백 kHz 이상의 주기로 레이저 빔을 송신할 수 있으므로, 수직 방향에 대해서 고속으로 스캐닝할 수 있다.In addition, since the laser beam can be transmitted from the transmitter to the mirror scanner at cycles of several hundred kHz or more, scanning can be performed at high speed in the vertical direction.

또한, 측정 분해능은 동일하게 유지하면서 측정 범위를 확장시킬 필요가 있는 경우에 유용하다.In addition, it is useful when it is necessary to extend the measurement range while maintaining the same measurement resolution.

또한, 측정 범위는 동일하게 유지하면서 측정 분해능을 확장시킬 필요가 있는 경우에 유용하다.In addition, it is useful when it is necessary to extend the measurement resolution while keeping the measurement range the same.

도 1은 종래 기술에 따른 라이다 스캐닝 장치가 도시된 사시도이다.
도 2는 도 1의 라이다 스캐닝 장치의 측정 영역이 도시된 도면이다.
도 3은 종래 기술에 따른 라이다 스캐닝 장치가 도시된 도면이다.
도 4는 도 3의 라이다 스캐닝 장치의 측정 영역이 도시된 도면이다.
도 5는 본 발명의 제1 실시예에 따른 라이다 스캐닝 장치가 도시된 도면이다.
도 6은 본 발명의 제1 실시예에 따른 라이다 스캐닝 장치의 미러 스캐너의 일 예가 도시된 도면이다.
도 7은 본 발명의 제1 실시예에 따른 라이다 스캐닝 장치의 동작 상태가 도시된 평면도이다.
도 8은 다면 미러의 반사 미러 각각이 상이한 기울기로 형성된 경우의 측정 고도를 설명하는 도면이다.
도 9 및 도 10은 본 발명의 제1 실시예에 따른 라이다 스캐닝 장치의 동작 과정이 도시된 도면이다.
도 11 내지 도 13은 본 발명의 제1 실시예에 따른 라이다 스캐닝 장치의 측정 영역이 도시된 도면이다.
도 14는 본 발명의 제2 실시예에 따른 라이다 스캐닝 장치가 도시된 도면이다.
도 15는 단일의 레이저 다이오드를 이용한 라이다 스캐닝 장치의 측정 범위가 도시된 도면이다.
도 16 및 도 17은 본 발명의 제2 실시예에 따른 라이다 스캐닝 장치의 측정 범위가 도시된 도면이다.1 is a perspective view illustrating a conventional lidar scanning device.
FIG. 2 is a diagram illustrating a measurement area of the lidar scanning device of FIG. 1.
3 is a diagram illustrating a conventional lidar scanning device.
4 is a diagram illustrating a measurement area of the lidar scanning device of FIG. 3.
5 is a diagram illustrating a lidar scanning device according to a first embodiment of the present invention.
6 is a diagram illustrating an example of a mirror scanner of the lidar scanning device according to the first embodiment of the present invention.
7 is a plan view showing an operating state of the lidar scanning device according to the first embodiment of the present invention.
8 is a diagram for explaining a measurement altitude when reflecting mirrors of a multi-faceted mirror are formed with different inclinations.
9 and 10 are diagrams illustrating an operation process of the lidar scanning apparatus according to the first embodiment of the present invention.
11 to 13 are diagrams illustrating a measurement area of the lidar scanning device according to the first embodiment of the present invention.
14 is a diagram illustrating a lidar scanning device according to a second embodiment of the present invention.
15 is a diagram illustrating a measurement range of a lidar scanning device using a single laser diode.
16 and 17 are diagrams illustrating a measurement range of a lidar scanning device according to a second embodiment of the present invention.

본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예를 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변환, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.The present invention is intended to illustrate specific embodiments and to be described in detail in the detailed description, since various transformations may be applied and various embodiments may be provided. However, this is not intended to limit the present invention to a specific embodiment, it should be understood to include all conversions, equivalents, and substitutes included in the spirit and scope of the present invention.

본 발명에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 발명에서, '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. 이하, 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 라이다 스캐닝 장치를 설명한다.The terms used in the present invention are only used to describe specific embodiments, and are not intended to limit the present invention. Singular expressions include plural expressions unless the context clearly indicates otherwise. In the present invention, terms such as'include' or'have' are intended to designate the presence of features, numbers, steps, actions, components, parts, or a combination thereof described in the specification, but one or more other features. It is to be understood that the presence or addition of elements or numbers, steps, actions, components, parts, or combinations thereof does not preclude in advance. Hereinafter, a lidar scanning apparatus according to an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.

도 5는 본 발명의 제1 실시예에 따른 라이다 스캐닝 장치가 도시된 도면이다.5 is a diagram illustrating a lidar scanning device according to a first embodiment of the present invention.

도 5에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제1 실시예에 따른 라이다 스캐닝 장치는, 송신부(100), 미러 스캐너(200), 다면 미러(300), 수신부(400), 회전 모터(500)를 포함한다.As shown in FIG. 5, the lidar scanning apparatus according to the first embodiment of the present invention includes a transmission unit 100, a mirror scanner 200, a multi-faceted mirror 300, a reception unit 400, and a rotation motor 500. Includes.

송신부(100)는 미러 스캐너(200)의 상부에 일정 거리 이격되어 형성되며, 미러 스캐너(200)에 레이저 빔을 조사한다. 송신부(100)는, 예를 들어 레이저 다이오드(LD)가 사용될 수 있으며, 단일로 이루어질 수 있다.The transmitter 100 is formed on the mirror scanner 200 to be spaced apart by a predetermined distance, and irradiates a laser beam to the mirror scanner 200. The transmitter 100 may be, for example, a laser diode LD, and may be formed as a single unit.

미러 스캐너(200)는 레이저 빔을 조사하는 송신부(100)와 일정 거리 이격 형성되며, 송신부(100)로부터 조사되는 레이저 빔을 다면 미러(300) 방향으로 반사시킨다. The mirror scanner 200 is formed to be spaced apart from the transmitter 100 for irradiating the laser beam by a predetermined distance, and reflects the laser beam irradiated from the transmitter 100 in the direction of the multi-faceted mirror 300.

미러 스캐너(200)는 송신부(100)로부터 조사되는 레이저 빔이 여러 방향으로 반사되도록 기설정된 각도 범위에서 반복적으로 구동한다. 여기서, 반복 구동이라 함은, 예를 들어, 미러 스캐너가 일정한 각도 범위에서 축회전하는 것일 수 있다. 미러 스캐너(200)는 레이저 빔을 복수개의 수평 방향으로 반사되도록 회전할 수도 있으나, 수평 방향은 다면 미러(300)의 회전에 의해 스캐닝되므로, 복수개의 수직 방향으로 반사되도록 회전하는 것이 바람직하다. The mirror scanner 200 is repeatedly driven in a preset angle range so that the laser beam irradiated from the transmitter 100 is reflected in various directions. Here, the repetitive driving may mean that the mirror scanner rotates in a certain angular range, for example. The mirror scanner 200 may rotate to reflect the laser beam in a plurality of horizontal directions, but since the horizontal direction is scanned by the rotation of the multi-faceted mirror 300, it is preferable to rotate to reflect the laser beam in a plurality of vertical directions.

이러한 미러 스캐너(200)는, 예를 들어, 소형 액츄에이터 기반 미러 스캐너일 수 있다. 소형 액츄에이터 기반 미러 스캐너의 일 예로 공진스캐너, MEMS 미러, VCM(voice coil motor), Optical Phase Array 등이 있다.The mirror scanner 200 may be, for example, a small actuator-based mirror scanner. Examples of small actuator-based mirror scanners include resonance scanners, MEMS mirrors, voice coil motors (VCMs), and optical phase arrays.

도 6은 본 발명의 제1 실시예에 따른 라이다 스캐닝 장치의 미러 스캐너의 일 예가 도시된 도면이다.6 is a diagram illustrating an example of a mirror scanner of the lidar scanning device according to the first embodiment of the present invention.

일 예에 따른 미러 스캐너(200)는, 도 6에 도시된 바와 같이, 한 쌍의 영구자석(210)과, 한 쌍의 영구자석 사이에 배치되는 전자석 미러(220)와 전자석 미러의 회전축 역할을 수행하는 토션 바아(230)를 포함할 수 있다. 전자석 미러(220)에는 코일이 형성되고, 코일을 흐르는 전류 방향의 변화에 따라 영구자석(210)과 전자석 미러(220) 사이의 자기장 관계가 변화하며, 변화된 자기장의 영향으로 전자석 미러(220)는 토션 바아(230)를 회전축으로 하여 소정 각도 범위로 회전하면서 송신부(100)로부터 조사되는 레이저 빔을 복수개의 수직 방향으로 반사시킨다.Mirror scanner 200 according to an example, as shown in Figure 6, a pair of permanent magnets 210, an electromagnet mirror 220 disposed between the pair of permanent magnets and the rotation axis of the electromagnet mirror. It may include a torsion bar 230 to perform. A coil is formed in the electromagnet mirror 220, and the magnetic field relationship between the permanent magnet 210 and the electromagnet mirror 220 changes according to a change in the direction of the current flowing through the coil, and the electromagnet mirror 220 is affected by the changed magnetic field. The laser beam irradiated from the transmitter 100 is reflected in a plurality of vertical directions while rotating in a predetermined angular range with the torsion bar 230 as a rotation axis.

본 발명의 실시예에서, 송신부(100), 수신부(400), 미러 스캐너(200)는 회전 모터(500)에 의해 회전되는 부품이 아니므로, 전술한 도 1 및 도 2에 따른 종래 기술과는 달리 원심력을 받지 않게 되어, 이들 부품의 내구성을 향상시킬 수 있게 된다. 나아가, 송신부(100)를 구성하는 레이저 다이오드는 수백 kHz 이상의 주기로 고속으로 레이저 빔을 송신할 수 있고, 미러 스캐너(200)는 이를 다면 미러(300)로 반사시켜서 대상체에 대한 고속 스캐닝을 수행할 수 있다. In the embodiment of the present invention, since the transmission unit 100, the reception unit 400, and the mirror scanner 200 are not parts that are rotated by the rotation motor 500, they are not Otherwise, it is not subject to centrifugal force, so that the durability of these parts can be improved. Further, the laser diode constituting the transmission unit 100 can transmit the laser beam at high speed with a cycle of several hundred kHz or more, and the mirror scanner 200 can reflect it to the multi-faceted mirror 300 to perform high-speed scanning of the object. have.

주행 중 장애물을 감지하는 것을 주요 목적으로 하는 모바일 플랫폼에서는, 전방의 도로와 차량, 사람 등의 장애물을 검지하는 것이 중요하다. 따라서, 드론, 무인 비행체에 비해 상대적으로 협소한 범위의 수직 방향을 고속으로 측정하는 것이 더 중요하므로, 수직 방향 고속 측정을 위해 소형 액츄에이터 기반 미러 스캐너(200)를 사용하는 것이 바람직하다. 물론, 필요한 경우, 더 넓은 수직 방향 고속 측정을 위해 미러 스캐너(200)의 구동 범위를 넓힐 수도 있다.In a mobile platform whose main purpose is to detect obstacles while driving, it is important to detect obstacles such as roads, vehicles, and people in front. Therefore, it is more important to measure the vertical direction in a relatively narrow range at high speed compared to drones and unmanned aerial vehicles, so it is preferable to use the small actuator-based mirror scanner 200 for high speed measurement in the vertical direction. Of course, if necessary, the driving range of the mirror scanner 200 may be widened for a wider vertical high-speed measurement.

한편, 송신부(100)와 미러 스캐너(200) 사이에는 콜리메이팅 렌즈(C1)가 적어도 하나 이상 형성될 수 있다. 콜리메이팅 렌즈(C1)는 송신부(100)를 구성하는 레이저 다이오드에서 발생된 레이저 빔을 집광시키는 광학 렌즈이다.Meanwhile, at least one collimating lens C1 may be formed between the transmission unit 100 and the mirror scanner 200. The collimating lens C1 is an optical lens that condenses a laser beam generated from a laser diode constituting the transmission unit 100.

다면 미러(300)는 미러 스캐너(200)로부터 반사된 레이저 빔을 조사시키고 대상체에서 반사된 레이저 빔을 수신한다. 다면 미러(300)는 소정 개수(n개)의 반사 미러로 형성된다. 예를 들어, 다면 미러(300)는 4개의 반사 미러로 형성될 수 있고, 각각의 반사 미러는 미러 스캐너(200)에서 반사된 레이저 빔을 반사시켜서 수평 및 수직 방향으로 조사시키는 반사 미러 기능을 수행한다.The multi-faceted mirror 300 irradiates the laser beam reflected from the mirror scanner 200 and receives the laser beam reflected from the object. The multi-faceted mirror 300 is formed of a predetermined number (n) of reflective mirrors. For example, the multi-faceted mirror 300 may be formed of four reflective mirrors, and each reflective mirror performs a reflective mirror function that reflects the laser beam reflected from the mirror scanner 200 and irradiates it in horizontal and vertical directions. do.

도 7은 본 발명의 제1 실시예에 따른 라이다 스캐닝 장치의 동작 상태가 도시된 평면도이고, 도 8은 다면 미러의 반사 미러 각각이 상이한 기울기로 형성된 경우의 측정 고도를 설명하는 도면이다. FIG. 7 is a plan view illustrating an operating state of the lidar scanning device according to the first embodiment of the present invention, and FIG. 8 is a diagram illustrating a measurement height when reflective mirrors of a multi-faceted mirror are formed with different inclinations.

도 7에 도시된 바와 같이, 회전 모터(500)의 회전에 의해 다면 미러(300)가 회전하면, 송신부(100)에서 조사되고 미러 스캐너(200)에서 반사된 레이저 빔은 다면 미러(300)에 의해 반사되어 소정 각도를 이루며 전방으로 진행된다. 도 7의 (c)와 같이, 다면 미러(300)의 회전에 따라 미러 스캐너(200) 방향으로 반사되는 레이저 빔은 노이즈 처리된다.As shown in FIG. 7, when the multi-faceted mirror 300 is rotated by the rotation of the rotating motor 500, the laser beam irradiated by the transmitter 100 and reflected by the mirror scanner 200 is transmitted to the multi-faceted mirror 300. It is reflected by a predetermined angle and proceeds forward. As shown in (c) of FIG. 7, the laser beam reflected in the direction of the mirror scanner 200 according to the rotation of the multi-faceted mirror 300 is subjected to noise processing.

다면 미러(300)의 미러 개수가 많을수록, 높은 해상도 또는 높은 측정 속도를 구현할 수 있다. 예를 들어, 도 5와 같이 4개의 반사 미러로 다면 미러(300)를 구성한 경우, 4개의 반사 미러에 대해 측정 시작점을 조금씩 다르게 하여 미러 스캐너(200)로부터 반사된 레이저 빔을 조사시키면 대상체에 대한 분해능은 4배가 되고, 4개의 반사 미러에 대한 측정 시작점을 동일하게 하여 레이저 빔을 조사시키면 대상체에 대한 측정 속도가 4배가 된다. 여기서 다른 측정 시작점의 개수는 미러 개수(n)와 동일하며 다른 시작점의 위치는 동일한 시작점에서 측정되었을 때 시스템이 갖는 수평축 각도 분해능의 1/n 만큼 이동된 위치가 될 수 있다.As the number of mirrors of the multi-faceted mirror 300 increases, a higher resolution or higher measurement speed may be implemented. For example, when the multi-faceted mirror 300 is configured with four reflecting mirrors as shown in FIG. 5, when the laser beam reflected from the mirror scanner 200 is irradiated with the starting points of measurement slightly different for the four reflecting mirrors, The resolution is increased by 4 times, and when the laser beam is irradiated with the same measurement starting points for the 4 reflecting mirrors, the measurement speed for the object is increased by 4 times. Here, the number of other measurement starting points is the same as the number of mirrors (n), and the position of the other starting point may be a position moved by 1/n of the horizontal angular resolution of the system when measured from the same starting point.

한편, 다면 미러(300)를 구성하는 반사 미러 각각은 상이한 기울기를 갖도록 할 수 있다. 여기서, 반사 미러의 기울기란, 다면 미러의 바닥면에 수직인 수직면과 반사 미러가 이루는 각도(θ)를 의미한다.Meanwhile, each of the reflective mirrors constituting the multi-faceted mirror 300 may have a different inclination. Here, the inclination of the reflection mirror means an angle (θ) between the reflection mirror and a vertical surface perpendicular to the bottom surface of the multi-faceted mirror.

미러 스캐너(200)에서 반사된 레이저 빔은 기울기가 상이한 다수의 반사 미러에 의해 반사되어 여러 측정 고도를 측정할 수 있게 된다. 예를 들어, 도 8에 도시된 바와 같이, 기울기가 상이한 반사 미러가 4개인 경우, 다면 미러(300)가 1회전할 때마다, 4개의 측정 고도(H1 ~ H4)를 측정할 수 있게 된다.The laser beam reflected by the mirror scanner 200 is reflected by a plurality of reflecting mirrors having different inclinations, so that various measurement altitudes can be measured. For example, as illustrated in FIG. 8, when there are four reflective mirrors having different inclinations, four measurement altitudes (H1 to H4) can be measured each time the multi-faceted mirror 300 rotates once.

수신부(400)는 다면 미러(300)에서 반사된 레이저 빔을 수신한다. 수신부(400)는 픽셀이 N×1 개로 배열된 다채널 수신부 또는 하나의 픽셀로 이루어진 단일 채널 수신부일 수 있다.The receiving unit 400 receives the laser beam reflected from the multi-faceted mirror 300. The receiving unit 400 may be a multi-channel receiving unit in which N×1 pixels are arranged or a single channel receiving unit composed of one pixel.

도 9 및 도 10은 본 발명의 제1 실시예에 따른 라이다 스캐닝 장치의 동작 과정이 도시된 도면으로, 수신부(400)에서의 수신 위치에 대해 설명하는 도면이다. 도 9 및 도 10에서 수신부(400)는 N×1 다채널 수신부를 예시하고 있다.9 and 10 are diagrams illustrating an operation process of the lidar scanning apparatus according to the first embodiment of the present invention, and are views for explaining a reception position in the receiver 400. 9 and 10, the receiving unit 400 exemplifies an N×1 multi-channel receiving unit.

도 9에 도시된 바와 같이, 미러 스캐너(200)에서 반사된 레이저 빔이 가장 낮은 고도로 다면 미러(300)에 조사되어 대상체에서 반사된 후 다시 다면 미러(300)에서 반사되어 다채널 수신부(400)에서 수신되는 경우, 기하 광학적 원리에 의해 다채널 수신부(400)의 최상단 채널(픽셀)에 수신된다. 9, if the laser beam reflected from the mirror scanner 200 has the lowest altitude, it is irradiated to the mirror 300 and reflected from the object, and then reflected again from the multi-channel receiver 400. When received at, it is received in the uppermost channel (pixel) of the multi-channel receiver 400 according to the geometrical optical principle.

반대로, 도 10에 도시된 바와 같이, 레이저 빔이 가장 높은 고도로 다면 미러(300)에 조사되어 대상체에서 반사된 후 다시 다면 미러(300)에서 반사되어 다채널 수신부(400)에서 수신되는 경우, 다채널 수신부(400)의 최하단 채널에 수신된다. On the contrary, as shown in FIG. 10, when the laser beam is irradiated to the mirror 300 at the highest altitude and reflected from the object, and then reflected by the multi-channel mirror 300 and received by the multi-channel receiver 400, It is received on the lowest channel of the channel receiver 400.

이와 같이, 다면 미러(300)로 레이저 빔이 조사되는 위치와 다채널 수신부(400)에서 수신되는 위치는 서로 상반되는 관계이다.In this way, the position where the laser beam is irradiated by the multi-sided mirror 300 and the position received by the multi-channel receiver 400 are in opposite relations.

상기의 실시예에서, 수직 방향 측정 고도에 따라 수신빔이 맺히는 초점 위치가 달라지므로 N×1 다채널 수신부(400)를 사용하지만, 이에 한정되지 않고, 수신부(400)는 단일 채널 수신부로 이루어질 수 있다. 이 경우, 수신부(400)는 다면 미러(300)에서 반사되는 레이저 빔을 집광하는 집광 렌즈(C2)를 추가적으로 구비하며, 집광 렌즈(C2)의 적절한 설계를 통해 모든 측정 고도에서 수신되는 레이저 빔을 하나의 채널(픽셀)에 수신되도록 할 수 있다. In the above embodiment, since the focal position at which the reception beam is formed varies depending on the height measured in the vertical direction, the N×1 multi-channel receiving unit 400 is used, but the present invention is not limited thereto, and the receiving unit 400 may be formed of a single channel receiving unit. have. In this case, the receiving unit 400 additionally includes a condensing lens C2 for condensing the laser beam reflected from the multi-faceted mirror 300, and receives laser beams at all measurement altitudes through an appropriate design of the condensing lens C2. It can be received in one channel (pixel).

이때, 송신부(100)에서 레이저 빔은 펄스 형태로 송신되며 레이저 빔을 송신하는 시간과 수신부(400)에서 레이저 빔을 수신하는 시간을 동기화하고, 동 시간의 미러 스캐너(200)의 반사 각도를 내부 구동 신호 피드백을 이용하여 측정, 고도를 특정할 수 있게 된다. 그리고, 각 각도에서 측정된 레이저 빔의 시간 차이를 이용하여 대상체의 위치, 형상 등을 측정한다.At this time, the laser beam is transmitted in the form of a pulse from the transmitter 100, and the time to transmit the laser beam and the time to receive the laser beam from the receiver 400 are synchronized, and the reflection angle of the mirror scanner 200 at the same time is internally adjusted. Measurement and altitude can be specified using the drive signal feedback. Then, the position, shape, etc. of the object are measured using the time difference of the laser beam measured at each angle.

한편, 집광 렌즈(C2)는 단일 채널 수신부 뿐만 아니라, N×1 다채널 수신부(400)에도 적용될 수 있다.Meanwhile, the condensing lens C2 may be applied not only to the single channel receiver but also to the N×1 multichannel receiver 400.

다음으로, 상기와 같이 구성되는 본 발명의 제1 실시예에 따른 라이다 스캐닝 장치의 동작 과정을 설명한다.Next, an operation process of the lidar scanning apparatus according to the first embodiment of the present invention configured as described above will be described.

먼저, 송신부(100)에서 미러 스캐너(200)를 향해 레이저 빔을 송신한다. 레이저 빔은 펄스파, 연속파 등 여러 가지 형태를 가질 수 있으며, First, the transmission unit 100 transmits a laser beam toward the mirror scanner 200. The laser beam can have various forms such as pulsed wave and continuous wave,

미러 스캐너(200)는 송신부(100)로부터 조사되는 레이저 빔을 다면 미러(300) 방향으로 반사시킨다. 미러 스캐너(200)는 소정의 각도 범위에서 반복적으로 구동하면서 다면 미러(300)의 다양한 수직측 위치로 레이저 빔을 반사시킨다.The mirror scanner 200 reflects the laser beam irradiated from the transmitter 100 in the direction of the multi-faceted mirror 300. The mirror scanner 200 reflects the laser beam to various vertical positions of the multi-faceted mirror 300 while repeatedly driving in a predetermined angular range.

다면 미러(300)는 미러 스캐너(200)에서 반사되어 조사된 레이저 빔을 입사각/반사각 원리로 전방을 향해 조사시킨다. 다면 미러(300)는 회전 모터(500)에 의해 회전되면서 넓은 전방 각도로 레이저 빔을 조사시킬 수 있다. 예를 들어, 다면 미러(300)가 4개의 반사 미러로 구성되는 경우, 수평 방향의 측정 각도는 140도 이상이 될 수 있다.The multi-faceted mirror 300 irradiates the laser beam reflected by the mirror scanner 200 and irradiated toward the front on the basis of an angle of incidence/reflection angle. The multi-faceted mirror 300 may irradiate the laser beam at a wide front angle while being rotated by the rotation motor 500. For example, when the multi-faceted mirror 300 is composed of four reflective mirrors, the measurement angle in the horizontal direction may be 140 degrees or more.

다면 미러(300)를 구성하는 반사 미러는 면의 기울기가 일정할 수도 있고, 각각 다르도록 형성될 수도 있다.The reflective mirrors constituting the multi-faceted mirror 300 may have a constant inclination or may be formed to be different from each other.

반사 미러 각 면의 기울기가 일정한 경우, 대상체에 대한 측정 속도 또는 분해능을 높일 수 있다. 즉, 도 11에 도시된 바와 같이, 다면 미러(300)를 구성하는 반사 미러의 면수가 4개이고 기울기가 일정하며, 측정 시작점이 다른 경우, 각각의 반사 미러에 의해 측정된 측정점(P1 ~ P4)이 다르게 형성되므로, 대상체에 대한 수평축 측정 분해능을 높일 수 있고, 측정 시작점이 동일한 경우, 1회전 시에 동일한 측정점을 4번 측정하게 되므로 측정 속도를 높일 수 있다.When the inclination of each surface of the reflection mirror is constant, the measurement speed or resolution of the object can be increased. That is, as shown in FIG. 11, when the number of surfaces of the reflective mirrors constituting the multi-faceted mirror 300 is four and the slope is constant, and the measurement starting point is different, the measurement points P1 to P4 measured by each reflecting mirror Since this is formed differently, it is possible to increase the measurement resolution on the horizontal axis of the object, and if the measurement start point is the same, the same measurement point is measured four times per rotation, so that the measurement speed can be increased.

반사 미러의 각 면의 기울기가 상이한 경우, 분해능은 상대적으로 낮으나, 넓은 측정 고도로 대상체를 측정할 수 있다. 즉, 도 12에 도시된 바와 같이, 다면 미러(300)를 구성하는 반사 미러의 면수가 4개이고 기울기가 상이한 경우, 다면 미러(300)가 1회전할 때마다, 4개의 측정 고도(H1 ~ H4)를 측정할 수 있게 된다.When the inclination of each surface of the reflective mirror is different, the resolution is relatively low, but the object can be measured with a wide measurement altitude. That is, as shown in FIG. 12, when the number of surfaces of the reflective mirrors constituting the multi-faceted mirror 300 is four and the inclination is different, each time the multi-faceted mirror 300 rotates, four measurement altitudes (H1 to H4) ) Can be measured.

한편, 반사 미러의 각 면의 기울기가 상이한 경우라도, 측정 고도가 일부 겹치도록 각 면의 기울기를 설계하면 넓은 측정 고도로 대상체를 측정하면서도 분해능을 높일 수 있다. 즉, 도 13에 도시된 바와 같이, 겹치는 측정 고도 부분(D)에서는 전술한 반사 미러 각 면의 기울기가 일정한 경우와 같이, 대상체에 대한 측정 속도 또는 분해능을 높일 수 있다.On the other hand, even when the inclination of each surface of the reflective mirror is different, if the inclination of each surface is designed so that the measurement altitude partially overlaps, it is possible to increase the resolution while measuring the object at a wide measurement altitude. That is, as illustrated in FIG. 13, in the overlapping measurement elevation portion D, the measurement speed or resolution of the object can be increased, as in the case where the inclination of each surface of the reflecting mirror is constant.

상기와 같은 본 발명의 제1 실시예에 따른 라이다 스캐닝 장치에 의하면, 다면 미러가 회전 모터에 의해 회전되면서 넓은 전방 각도로 레이저 빔을 조사시킬 수 있으므로, 수평 방향 측정 범위를 넓힐 수 있다.According to the lidar scanning apparatus according to the first embodiment of the present invention as described above, since the multi-faceted mirror is rotated by the rotation motor, the laser beam can be irradiated at a wide front angle, so that the measurement range in the horizontal direction can be widened.

또한, 미러 스캐너가 소정의 각도 범위에서 반복 구동하면서 다면 미러의 다양한 수직축 위치로 레이저 빔을 반사시키므로, 수직 방향의 측정 고도를 높일 수 있다.In addition, since the mirror scanner repeatedly drives in a predetermined angular range and reflects the laser beam to various vertical axis positions of the multi-faceted mirror, it is possible to increase the measurement altitude in the vertical direction.

또한, 회전 모터는 다면 미러만을 회전시키고, 다른 구성 요소는 회전 모터에 의해 회전되지 않으므로, 라이다 스캐닝 장치의 내구성을 향상시킬 수 있다.In addition, since the rotation motor rotates only the multi-faceted mirror and other components are not rotated by the rotation motor, the durability of the lidar scanning device can be improved.

또한, 송신부에서 미러 스캐너로 수백 kHz 이상의 주기로 레이저 빔을 송신할 수 있으므로, 수직 방향에 대해서 고속으로 스캐닝할 수 있다.In addition, since the laser beam can be transmitted from the transmitter to the mirror scanner at cycles of several hundred kHz or more, scanning can be performed at high speed in the vertical direction.

또한, 단일의 레이저 다이오드를 사용하고, 단일 채널 수신부 또는 N×1 다채널 수신부로도 고속 스캐닝을 수행할 수 있으므로, 구성을 간소화할 수 있으며, 제조 비용을 절감할 수 있다. In addition, since a single laser diode is used and high-speed scanning can be performed even with a single channel receiving unit or an N×1 multi-channel receiving unit, the configuration can be simplified and manufacturing cost can be reduced.

도 14는 본 발명의 제2 실시예에 따른 라이다 스캐닝 장치가 도시된 도면이다. 도 14에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제2 실시예에 따른 라이다 스캐닝 장치는, 송신부(100), 미러 스캐너(200), 다면 미러(300), 수신부(400), 회전 모터(500)를 포함한다.14 is a diagram illustrating a lidar scanning device according to a second embodiment of the present invention. As shown in FIG. 14, the lidar scanning apparatus according to the second embodiment of the present invention includes a transmission unit 100, a mirror scanner 200, a multi-faceted mirror 300, a reception unit 400, and a rotation motor 500. Includes.

본 발명의 제2 실시예에 따른 라이다 스캐닝 장치는 송신부(100)의 구성 및 미러 스캐너(200)의 동작이 상이할 뿐, 다면 미러(300), 수신부(400), 회전 모터(500)는 실질적으로 동일하므로, 이에 대한 반복 설명은 생략한다.In the lidar scanning apparatus according to the second embodiment of the present invention, only the configuration of the transmission unit 100 and the operation of the mirror scanner 200 are different, and the multi-faceted mirror 300, the reception unit 400, and the rotation motor 500 are Since it is substantially the same, repeated description thereof will be omitted.

본 발명의 제2 실시예에 의하면, 송신부(100)는 레이저 빔을 조사하는 복수개의 레이저 다이오드(110, 120)를 포함한다. 도 14에서는 2개의 레이저 다이오드(110, 120)를 예시하고 있으나, 이는 예시일 뿐, 이에 한정되는 것은 아니다.According to the second embodiment of the present invention, the transmission unit 100 includes a plurality of laser diodes 110 and 120 for irradiating a laser beam. In FIG. 14, two laser diodes 110 and 120 are illustrated, but this is only an example and is not limited thereto.

2개의 레이저 다이오드(110, 120)는 레이저 조사 방향이 미러 스캐너(200) 방향이 되도록 미러 스캐너(200)의 중심선(L)을 기준으로 소정 거리 이격되어 형성된다. 도 14에서는 2개의 레이저 다이오드(110, 120)가 중심선(L)을 기준으로 동일한 거리로 이격되어 있는 것을 예시하고 있으나, 이는 설명의 편의를 위한 것일 뿐, 반드시 동일한 거리로 이격될 필요는 없다.The two laser diodes 110 and 120 are formed to be spaced apart by a predetermined distance from the center line L of the mirror scanner 200 so that the laser irradiation direction is in the mirror scanner 200 direction. 14 illustrates that the two laser diodes 110 and 120 are separated by the same distance based on the center line L, but this is for convenience of description only, and does not necessarily need to be separated by the same distance.

만약, 송신부(100)가 3개의 레이저 다이오드로 이루어진 경우라면, 어느 하나의 레이저 다이오드는 미러 스캐너(200)의 중심선(L) 상에 배치되고, 나머지 2개의 레이저 다이오드는 미러 스캐너(200)의 중심선(L)을 기준으로 소정 거리 이격되어 형성되는 것이 바람직하다.If the transmission unit 100 is made of three laser diodes, one laser diode is disposed on the center line L of the mirror scanner 200, and the other two laser diodes are the center line of the mirror scanner 200. It is preferable that it is formed to be spaced apart by a predetermined distance based on (L).

미러 스캐너(200)는 복수개의 레이저 다이오드(110, 120)와 일정 거리 이격 형성되며, 복수개의 레이저 다이오드(110, 120)로부터 조사되는 복수개의 레이저 빔을 각각 다면 미러(300) 방향으로 반사시킨다. 본 실시예에서 미러 스캐너(200)는 회전 각도가 가변되면서 가변된 각도 범위에서 반복적으로 구동할 수 있다. The mirror scanner 200 is formed to be spaced apart from the plurality of laser diodes 110 and 120 by a predetermined distance, and reflects a plurality of laser beams irradiated from the plurality of laser diodes 110 and 120 in the direction of the multi-faceted mirror 300, respectively. In this embodiment, the mirror scanner 200 may be repeatedly driven in a variable angle range while the rotation angle is varied.

전술한 제1 실시예에서 미러 스캐너(200)는 일정한 각도 범위에서 반복 구동되는 것이나, 본 실시예에서 미러 스캐너(200)는 선택에 따라 회전 각도가 가변되고 가변된 각도 범위에서 반복 구동되는 것이다.In the above-described first embodiment, the mirror scanner 200 is repeatedly driven in a certain angular range, but in this embodiment, the mirror scanner 200 is driven repeatedly in a variable angular range with a rotation angle variable according to selection.

본 실시예에서도, 송신부(100), 수신부(400), 미러 스캐너(200)는 회전 모터(500)에 의해 회전되는 부품이 아니므로, 송신부(100)를 구성하는 복수개의 레이저 다이오드는 수백 kHz 이상의 주기로 고속으로 레이저 빔을 송신할 수 있고, 미러 스캐너(200)는 이를 다면 미러(300)로 반사시켜서 대상체에 대한 고속 스캐닝을 수행할 수 있다. Even in this embodiment, since the transmission unit 100, the reception unit 400, and the mirror scanner 200 are not parts that are rotated by the rotation motor 500, a plurality of laser diodes constituting the transmission unit 100 are several hundreds of kHz or more. The laser beam may be transmitted at high speed at a periodic time, and the mirror scanner 200 may reflect it to the multi-faceted mirror 300 to perform high-speed scanning of the object.

한편, 복수개의 레이저 다이오드(110, 120)와 미러 스캐너(200) 사이에는 콜리메이팅 렌즈(C21, C22)가 적어도 하나 이상 형성될 수 있다. 콜리메이팅 렌즈(C21, C22)는 송신부(100)를 구성하는 레이저 다이오드에서 발생된 레이저 빔을 집광시키는 광학 렌즈이다.Meanwhile, at least one collimating lens C21 and C22 may be formed between the plurality of laser diodes 110 and 120 and the mirror scanner 200. The collimating lenses C21 and C22 are optical lenses for condensing a laser beam generated from a laser diode constituting the transmission unit 100.

이하, 도 15 내지 도 17을 참조하여 본 발명의 제2 실시예에 따른 라이다 스캐닝 장치의 동작 과정을 설명한다. Hereinafter, an operation process of the lidar scanning apparatus according to the second embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 15 to 17.

도 15는 단일의 레이저 다이오드를 이용한 라이다 스캐닝 장치의 측정 범위가 도시된 도면이다. 도 15에 도시된 바와 같이, 단일의 레이저 다이오드(LD)를 이용하여 회전 각도 범위가 ±θ(회전각 2θ)인 미러 스캐너(200)로 조사할 경우, 광 편향 각도(optical deflection angle)는 ±2θ(회전각 4θ)가 된다. 즉, 단일의 레이저 다이오드(LD)를 이용할 경우, 측정 범위(측정 화각)는 4θ가 된다. (미러 스캐너의 회전 각도 범위 ±θ)15 is a diagram illustrating a measurement range of a lidar scanning device using a single laser diode. As shown in FIG. 15, when irradiating with a mirror scanner 200 having a rotation angle range of ±θ (rotation angle 2θ) using a single laser diode LD, the optical deflection angle is ± It becomes 2θ (rotation angle 4θ). That is, when a single laser diode LD is used, the measurement range (measurement angle of view) becomes 4θ. (Rotation angle range of mirror scanner ±θ)

도 16 및 도 17은 본 발명의 제2 실시예에 따른 라이다 스캐닝 장치의 측정 범위가 도시된 도면이다. 도 16은 미러 스캐너(200)의 회전 각도 범위가 ±θ인 경우이다. 2개의 레이저 다이오드(110, 120)는 미러 스캐너(200)의 중심선(L)을 기준으로 각도 2θ를 이루며 이격되어 있다. 16 and 17 are diagrams illustrating a measurement range of a lidar scanning device according to a second embodiment of the present invention. 16 is a case where the rotation angle range of the mirror scanner 200 is ±θ. The two laser diodes 110 and 120 are spaced apart at an angle of 2θ based on the center line L of the mirror scanner 200.

각각의 레이저 다이오드(110, 120)가 미러 스캐너(200)로 레이저 빔을 조사하면, 미러 스캐너(200)는 각각의 레이저 다이오드(110, 120)로부터 조사된 레이저 빔을 다면 미러(300) 방향으로 반사시킨다. When each of the laser diodes 110 and 120 irradiates a laser beam with the mirror scanner 200, the mirror scanner 200 directs the laser beam irradiated from each of the laser diodes 110 and 120 toward the multi-faceted mirror 300. Reflect.

미러 스캐너(200)는 소정의 각도 범위(±θ)에서 반복적으로 구동하면서 다면 미러(300)의 다양한 수직측 위치로 레이저 빔을 반사시킨다. 이때, 레이저 다이오드(110)에 의해 조사된 레이저 빔은 다면 미러(300)의 상측으로 4θ의 각도를 이루면서 반사되고, 레이저 다이오드(120)에 의해 조사된 레이저 빔은 다면 미러(300)의 하측으로 4θ의 각도를 이루면서 반사된다. The mirror scanner 200 reflects the laser beam to various vertical positions of the multi-faceted mirror 300 while repeatedly driving in a predetermined angular range (±θ). At this time, the laser beam irradiated by the laser diode 110 is reflected while forming an angle of 4θ toward the upper side of the multi-faceted mirror 300, and the laser beam irradiated by the laser diode 120 is directed to the lower side of the multi-faceted mirror 300. It is reflected at an angle of 4θ.

따라서, 2개의 레이저 다이오드(110, 120)에 의해 조사된 레이저 빔은 전체적으로 8θ의 각도를 이루면서 반사되므로, 도 15와 같은 단일의 레이저 다이오드를 이용한 경우보다, 측정 범위(측정 화각)을 2배로 확장시킬 수 있다. 마찬가지로, 레이저 다이오드가 n개인 경우, 측정 범위는 n배로 확장시킬 수 있다. 이때, 측정 분해능은 1개의 레이저 다이오드로 측정한 것과 동일하게 유지된다.Therefore, since the laser beam irradiated by the two laser diodes 110 and 120 is reflected while forming an angle of 8θ as a whole, the measurement range (measurement angle of view) is doubled compared to the case of using a single laser diode as shown in FIG. 15. I can make it. Likewise, when there are n laser diodes, the measurement range can be expanded by n times. At this time, the measurement resolution is maintained the same as that measured with one laser diode.

이러한 도 16의 동작 상태는 미러 스캐너(200)의 회전 각도가 일정한 각도로 한정되는 경우라도, 더 넓은 측정 범위를 획득할 수 있다. 즉, 측정 분해능은 동일하게 유지하면서 측정 범위를 확장시킬 필요가 있는 경우에 유용하다.In the operation state of FIG. 16, even when the rotation angle of the mirror scanner 200 is limited to a certain angle, a wider measurement range can be obtained. That is, it is useful when it is necessary to extend the measurement range while maintaining the same measurement resolution.

도 17은 도 16과 동일한 구성이면서, 미러 스캐너(200)의 회전 각도 범위가 ±θ/2로 가변된 경우이다. FIG. 17 is a case in which the rotation angle range of the mirror scanner 200 is changed to ±θ/2 while having the same configuration as that of FIG. 16.

각각의 레이저 다이오드(110, 120)가 미러 스캐너(200)로 레이저 빔을 조사하면, 미러 스캐너(200)는 각각의 레이저 다이오드(110, 120)로부터 조사된 레이저 빔을 다면 미러(300) 방향으로 반사시킨다. When each of the laser diodes 110 and 120 irradiates a laser beam with the mirror scanner 200, the mirror scanner 200 directs the laser beam irradiated from each of the laser diodes 110 and 120 toward the multi-faceted mirror 300. Reflect.

미러 스캐너(200)는 소정의 각도 범위(±θ/2)에서 반복적으로 구동하면서 다면 미러(300)의 다양한 수직측 위치로 레이저 빔을 반사시킨다. 이때, 레이저 다이오드(110)에 의해 조사된 레이저 빔은 다면 미러(300)의 상측으로 2θ의 각도를 이루면서 반사되고, 레이저 다이오드(120)에 의해 조사된 레이저 빔은 다면 미러(300)의 하측으로 2θ의 각도를 이루면서 반사된다. The mirror scanner 200 reflects the laser beam to various vertical positions of the multi-faceted mirror 300 while repeatedly driving in a predetermined angular range (±θ/2). At this time, the laser beam irradiated by the laser diode 110 is reflected while forming an angle of 2θ to the upper side of the multi-faceted mirror 300, and the laser beam irradiated by the laser diode 120 is directed to the lower side of the multi-faceted mirror 300. It is reflected while forming an angle of 2θ.

따라서, 2개의 레이저 다이오드(110, 120)에 의해 각각 θ의 각도로 조사된 레이저 빔은 전체적으로 ±2θ(4θ)의 각도를 이루면서 반사되므로, 도 15와 같은 단일의 레이저 다이오드를 이용한 경우와 동일한 측정 범위(측정 화각)를 갖는다. 그러나, 동일한 측정 시간동안 원래 펄스 레이저 하나가 측정했던 영역을 2개의 레이저 다이오드(110, 120)가 각각 반씩 나눠서 측정하게 되므로 같은 반복도를 갖는 펄스 레이저를 사용하게 되면 각 펄스 레이저에 할당된 측정 영역이 반으로 줄어들게 되고, 대상체에 입사되는 펄스 레이저의 측정 포인트와 포인트 간의 거리가 반으로 줄어들게 되어 해상도를 높일 수 있게 된다. Therefore, since the laser beam irradiated at each angle of θ by the two laser diodes 110 and 120 is reflected while forming an angle of ±2θ (4θ) as a whole, the same measurement as in the case of using a single laser diode as shown in FIG. 15 It has a range (measurement angle of view). However, since the two laser diodes (110, 120) measure the area that was originally measured by one pulse laser during the same measurement time, each of the two laser diodes (110, 120) is measured in half. This is reduced by half, and the distance between the measuring point and the point of the pulsed laser incident on the object is reduced by half, so that the resolution can be increased.

마찬가지로, 레이저 다이오드가 n개이고, 미러 스캐너(200)의 회전 각도가 1/n로 가변된 경우, 측정 해상도는 n배로 확장시킬 수 있다. 이때, 측정 범위는 1개의 레이저 다이오드로 측정한 것과 동일하게 유지된다.Similarly, when the number of laser diodes is n and the rotation angle of the mirror scanner 200 is changed to 1/n, the measurement resolution can be expanded by n times. At this time, the measurement range is maintained the same as that measured with one laser diode.

이러한 도 17의 동작 상태는 고정된 측정 범위(측정 화각)에서 향상된 측정 분해능(또는 각도 분해능)을 획득할 수 있다. 즉, 측정 범위는 동일하게 유지하면서 측정 분해능을 확장시킬 필요가 있는 경우에 유용하다.The operation state of FIG. 17 can obtain improved measurement resolution (or angular resolution) in a fixed measurement range (measurement angle of view). That is, it is useful when it is necessary to extend the measurement resolution while keeping the measurement range the same.

한편, 본 제2 실시예에서도 전술한 제1 실시예에서와 같이, 다면 미러(300)를 구성하는 반사 미러는 면의 기울기가 일정할 수도 있고, 각각 다르도록 형성될 수도 있다. 또한, 도 11과 같이 반사 미러 각 면의 기울기가 일정한 경우, 대상체에 대한 측정 속도 또는 분해능을 높이거나, 도 12와 같이 반사 미러의 각 면의 기울기가 상이한 경우, 분해능은 상대적으로 낮으나, 넓은 측정 고도로 대상체를 측정할 수 있다. 또한, 도 13과 같이 반사 미러의 각 면의 기울기가 상이한 경우라도, 측정 고도가 일부 겹치도록 각 면의 기울기를 설계하면 넓은 측정 고도로 대상체를 측정하면서도 분해능을 높일 수 있다.Meanwhile, in the second embodiment, as in the above-described first embodiment, the reflective mirrors constituting the multi-faceted mirror 300 may have a constant inclination or may be formed to be different from each other. In addition, when the inclination of each surface of the reflective mirror is constant as shown in FIG. 11, the measurement speed or resolution of the object is increased, or when the inclination of each surface of the reflecting mirror is different as shown in FIG. 12, the resolution is relatively low, but the measurement is wide. It is possible to measure the subject highly. In addition, even when the inclinations of each surface of the reflective mirror are different as shown in FIG. 13, if the inclination of each surface is designed to partially overlap the measurement altitude, it is possible to increase the resolution while measuring the object at a wide measurement altitude.

또한, 수신부(400)는 단일 채널 수신부 또는 N×1 다채널 수신부를 적용할 수 있다. In addition, the receiving unit 400 may apply a single channel receiving unit or an N×1 multi-channel receiving unit.

이상, 본 발명의 실시예들에 대하여 설명하였으나, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서, 구성 요소의 부가, 변경, 삭제 또는 추가 등에 의해 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있을 것이며, 이 또한 본 발명의 권리범위 내에 포함된다고 할 것이다.In the above, the embodiments of the present invention have been described, but those of ordinary skill in the art will add, change, delete or add components within the scope not departing from the spirit of the present invention described in the claims. Various modifications and changes can be made to the present invention by means of the like, and it will be said that this is also included within the scope of the present invention.

100 : 송신부 200 : 미러 스캐너
300 : 다면 미러 400 : 수신부
500 : 회전 모터100: transmitter 200: mirror scanner
300: multi-faceted mirror 400: receiver
500: rotary motor

Claims (10)

레이저 빔을 조사하는 복수개의 레이저 다이오드를 포함하는 송신부- 상기 송신부는 제1 레이저 빔을 출력하는 제1 레이저 다이오드 및 제2 레이저 빔을 출력하는 제2 레이저 다이오드를 포함함 -;
제1 축을 기준으로 회전하며, 상기 복수개의 레이저 다이오드로부터 조사되는 복수개의 레이저 빔을 여러 방향으로 반사시키는 미러 스캐너;
상기 미러 스캐너로부터 반사된 레이저 빔을 대상체에 조사시키고 대상체에서 반사된 레이저 빔을 수신하는 다면 미러;
상기 다면 미러에서 반사된 레이저 빔을 수신하는 수신부;
상기 다면 미러를 상기 제1 축과 수직인 제2 축을 기준으로 회전시키는 회전 모터를 포함하고,
상기 미러 스캐너 및 상기 다면 미러를 통하여, 상기 제1 레이저 빔은 제1 측정 범위를 형성하고, 상기 제2 레이저 빔은 제2 측정 범위를 형성하고,
상기 제2 축 방향으로 측정 범위를 확장시키기 위하여 상기 제1 및 제2 측정 범위 중 어느 하나의 측정 범위의 위치가 다른 하나의 측정 범위의 위치보다 상기 제2 축 방향으로 큰 값을 갖도록, 상기 제1 및 제2 레이저 빔은 가상의 평면- 상기 가상의 평면은 상기 미러 스캐너의 일면과 만나되, 상기 제1 축과는 한 점에서 만남 -을 따라 상기 미러 스캐너에 조사되는
라이다 스캐닝 장치.
A transmission unit including a plurality of laser diodes for irradiating a laser beam-the transmission unit includes a first laser diode for outputting a first laser beam and a second laser diode for outputting a second laser beam;
A mirror scanner rotating about a first axis and reflecting a plurality of laser beams irradiated from the plurality of laser diodes in various directions;
A multi-faceted mirror that irradiates the laser beam reflected from the mirror scanner to the object and receives the laser beam reflected from the object;
A receiver configured to receive the laser beam reflected from the multi-faceted mirror;
And a rotation motor that rotates the multi-faceted mirror about a second axis perpendicular to the first axis,
Through the mirror scanner and the multi-faceted mirror, the first laser beam forms a first measurement range, the second laser beam forms a second measurement range,
In order to expand the measurement range in the second axis direction, the first and second measurement ranges may have a larger value in the second axis direction than that of the other measurement range. The first and second laser beams are irradiated to the mirror scanner along a virtual plane-the virtual plane meets one surface of the mirror scanner, but meets the first axis at a point.
Lida scanning device.
 청구항 1에 있어서,
상기 복수개의 레이저 다이오드는 레이저 조사 방향이 상기 미러 스캐너 방향이 되도록 상기 미러 스캐너의 중심선을 기준으로 이격되어 형성된 것을 특징으로 하는 라이다 스캐닝 장치.
The method according to claim 1,
Wherein the plurality of laser diodes are formed to be spaced apart from the center line of the mirror scanner so that the laser irradiation direction is the mirror scanner direction.
 청구항 1에 있어서,
상기 미러 스캐너는 기설정된 각도 범위에서 반복적으로 회전하는 것을 특징으로 하는 라이다 스캐닝 장치.
The method according to claim 1,
The mirror scanner is a lidar scanning device, characterized in that it rotates repeatedly in a predetermined angular range.
 청구항 3에 있어서,
상기 미러 스캐너는 회전 각도가 가변되고, 가변된 각도 범위에서 반복적으로 회전하는 것을 특징으로 하는 라이다 스캐닝 장치.
The method of claim 3,
The mirror scanner is a lidar scanning device, characterized in that the rotation angle is variable and repeatedly rotates in the variable angle range.
 청구항 3에 있어서, 상기 미러 스캐너는,
일정한 각도 범위에서 반복 구동하는 액츄에이터 기반 미러 스캐너인 것을 특징으로 하는 라이다 스캐닝 장치.
The method of claim 3, wherein the mirror scanner,
A lidar scanning device, characterized in that it is an actuator-based mirror scanner that repeatedly drives in a certain angular range.
 청구항 5에 있어서, 상기 미러 스캐너는,
공진스캐너, MEMS 미러, VCM(voice coil motor), Optical Phase Array 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 라이다 스캐닝 장치.
The method of claim 5, wherein the mirror scanner,
A lidar scanning device, characterized in that it is any one of a resonance scanner, a MEMS mirror, a voice coil motor (VCM), and an optical phase array.
 청구항 1에 있어서, 상기 다면 미러는,
기울기가 상이한 복수개의 반사 미러를 포함하는 것을 특징으로 하는 라이다 스캐닝 장치.
The method according to claim 1, wherein the multi-faceted mirror,
A lidar scanning apparatus comprising a plurality of reflective mirrors having different inclinations.
 청구항 7에 있어서, 상기 복수개의 반사 미러는,
상기 복수개의 반사 미러에 의한 측정 고도가 부분적으로 겹치는 것을 특징으로 하는 라이다 스캐닝 장치.
The method according to claim 7, wherein the plurality of reflection mirrors,
A lidar scanning device, characterized in that the elevations measured by the plurality of reflecting mirrors partially overlap.
 청구항 1에 있어서, 상기 수신부는,
단일 픽셀로 이루어진 단일 채널 수신부 또는 픽셀이 N×1 개로 배열된 다채널 수신부인 것을 특징으로 하는 라이다 스캐닝 장치.
The method according to claim 1, wherein the receiving unit,
A lidar scanning device, characterized in that it is a single-channel receiver made of a single pixel or a multi-channel receiver in which N×1 pixels are arranged.
 청구항 9에 있어서,
상기 수신부는 단일 채널 수신부이고,
상기 수신부는 상기 다면 미러에서 반사되는 레이저 빔을 집광하는 집광 렌즈를 더 포함하며,
상기 송신부와 상기 수신부와 상기 미러 스캐너는 동기화되어 상기 미러 스캐너의 반사 각도를 이용하여 측정 고도를 측정하는 것을 특징으로 하는 라이다 스캐닝 장치.The method of claim 9,
The receiving unit is a single channel receiving unit,
The receiving unit further includes a condensing lens for condensing the laser beam reflected from the multi-faceted mirror,
The transmitter, the receiver, and the mirror scanner are synchronized to measure a measurement altitude using a reflection angle of the mirror scanner.
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