KR102240887B1 - 라이다 시스템 - Google Patents

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Abstract

라이다 시스템을 개시한다.
본 실시예는 다중면(Multi Facet)을 갖는 회전형 폴리곤 미러의 측면각을 다변화하여 측면에서 굴절되는 레이저 빔의 각도를 변화시킴으로써 동시에 복수의 수직선을 센싱할 수 있도록 하는 라이다 시스템을 제공하며, 다중면(Multi Facet)을 갖는 회전형 폴리곤 미러와 웨지 프리즘의 회전에 따라 발진되는 레이저 빔의 패턴으로 다변화하여 원형 패턴, 원형 매트릭스(Matrix) 패턴, 라인 매트릭스(Line Matrix) 패턴으로 대상체를 센싱할 수 있도록 하는 라이다 시스템을 제공한다.

Description

라이다 시스템{LiDAR System}
본 실시예는 라이다 시스템에 관한 것이다.
이하에 기술되는 내용은 단순히 본 실시예와 관련되는 배경 정보만을 제공할 뿐 종래기술을 구성하는 것이 아니다.
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.
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.
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.
최근, 모바일 플랫폼을 위한 주변 형상 측정용 센서로서 라이다가 각광받고 있다. 모바일 플랫폼 중 자율 주행 차량 및 무인 이동체를 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.
또한, 차량의 주행 환경에는 100km 이상 고속으로 주행하는 대상체들이 많으므로 라이다의 측정 속도도 빨라야 대상체들을 검지할 수 있다.
종래의 라이다 시스템에서는 수직 채널을 증가하려면 갈바노 미터(Galvanometer) 또는 멤스 스캐너(MEMS Scanner)를 사용하거나 빔을 복수 개로 나눌 수 있는 회절광학소자(DOE: Diffractive Optical Element) 프리즘 등을 사용해야 하는 문제가 있다.
본 실시예는 다중면(Multi Facet)을 갖는 회전형 폴리곤 미러의 측면각을 다변화하여 측면에서 굴절되는 레이저 빔의 각도를 변화시킴으로써 동시에 복수의 수직선을 센싱할 수 있도록 하는 라이다 시스템을 제공하는 데 목적이 있다.
본 실시예는 다중면(Multi Facet)을 갖는 회전형 폴리곤 미러와 웨지 프리즘의 회전에 따라 발진되는 레이저 빔의 패턴으로 다변화하여 원형 패턴, 원형 매트릭스(Matrix) 패턴, 라인 매트릭스(Line Matrix) 패턴으로 대상체를 센싱할 수 있도록 하는 라이다 시스템을 제공하는 데 목적이 있다.
본 실시예의 일 측면에 의하면, 기 설정된 파장(Wavelength)을 갖는 제1 레이저(Laser) 빔을 발생하는 제1 레이저 발생기; 상기 제1 레이저 빔과 상이한 파장을 갖는 제N 레이저 빔을 발생하는 제N 레이저 발생기; 상기 제1 레이저 빔과 상기 제N 레이저 빔을 결합한 컴바인 레이저 빔을 발생하는 빔 컴바이너(Beam Combiner); 상기 레이저 빔이 상기 레이저 발생기부터 직접 입사되면 기 형성된 다중 면(Multi Facet)을 갖는 폴리곤 형상의 미러가 회전하면서 상기 다중 면의 기 설정된 각도로 상기 레이저 빔을 반사시켜서 수직(Vertical) 방향으로 상기 레이저 빔이 발사되도록 하는 회전형 폴리곤 미러; 360˚로 회전 또는 정지하면서 상기 회전형 폴리곤 미러로부터 입사된 상기 레이저 빔을 통과시키는 웨지 프리즘(Wedge Prism); 상기 웨지 프리즘로부터 투과된 상기 레이저 빔을 기 설정된 일방향으로 반사시키서 원형 패턴, 원형 매트릭스(Matrix) 패턴, 라인 매트릭스(Line Matrix) 패턴 중 어느 하나의 패턴으로 상기 레이저 빔이 발사되도록 하는 제1 반사미러; 상기 레이저 빔이 발광된 영역에 위치한 대상체로부터 상기 원형 패턴, 상기 원형 매트릭스 패턴, 상기 라인 매트릭스 패턴 중 어느 하나의 패턴에 대응하는 리턴 레이저 빔을 수광하여 집광하는 수광렌즈; 및 상기 수광렌즈로부터 집광된 상기 리턴 레이저 빔을 기 설정된 일방향으로 반사시키는 반사미러부; 상기 반사미러부로부터 반사된 상기 리턴 레이저 빔의 광량을 측정하거나 상기 리턴 레이저 빔에 대한 파장의 이미지(Image of Waveform)를 측정하거나 상기 리턴 레이저 빔의 속도를 이용하여 상기 대상체에 대한 거리를 측정하는 센싱 광학 마운트를 포함하는 것을 특징으로 하는 라이다 시스템을 제공한다.
이상에서 설명한 바와 같이 본 실시예에 의하면, 다중면(Multi Facet)을 갖는 회전형 폴리곤 미러의 측면각을 다변화하여 측면에서 굴절되는 레이저 빔의 각도를 변화시킴으로써 동시에 복수의 수직선을 센싱할 수 있도록 하는 라이다 시스템을 제공하는 효과가 있다.
도 1a,1b는 본 실시예에 따른 라이다 시스템을 나타낸 도면이다.
도 2는 본 실시예에 따른 레이저 빔 패턴을 나타낸 도면이다.
도 3은 본 실시예에 따른 회전형 폴리곤 미러를 나타낸 도면이다.
도 4는 본 실시예에 따른 회전형 폴리곤 미러의 측면각을 다변화하여 측면에서 굴절되는 레이저 빔을 나타낸 도면이다.
도 5는 본 실시예에 따른 제1,2 레이저 빔을 결합을 설명하기 위한 도면이다.
도 6은 본 실시예에 따른 라이다 시스템을 개략적으로 나타낸 블럭 구성도이다.
이하, 본 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
도 1a,1b는 본 실시예에 따른 라이다 시스템을 나타낸 도면이다.
라이다 시스템(100)은 레이저 빔을 발사하고 동축상으로 반사된 레이저 신호를 수신해야 한다. 라이다 시스템(100)은 회전체를 회전시키면서 레이저 빔을 발사한다. 발사된 빛은 동축상에서 반사되어 리시버 단의 포토 센서(Photo Sensor)로 수신된다. 라이다 시스템(100)은 데이터를 축적한 후 GPS 위치 정보를 디버깅한다.
라이다 시스템(100)에서 레이저 빔 한 개를 보내고 받는 것을 1채널이라 하며, 서로 레이저 빔 두 개를 보내고 받는 것을 2채널이라 하며, 채널은 N채널까지 사용되고 있다.
일반적인 라이다 시스템에서는 한 개의 레이저 빔을 16개 또는 2개로 분기하면. 1/2, 1/16로 에너지가 줄어들게 되며, 회전체로 레이저 빔을 분기하는 것을 스캐닝한다. 레이저랑 펄스는 분기에 맞게 출력된다.
일반적인 라이다 시스템에 탑재된 회전체는 스캐닝하는 방법과 모터를 이용하는 방식이 존재한다. 일반적인 라이다 시스템에서 수평 방향의 스캐닝은 가능하나 수직 방향의 스캐닝은 불가능하다.
일반적인 라이다 시스템은 수평 방향으로 모터에 연결된 회전체가 회전하는 방식을 이용하여 레이저를 발사하고 반사 신호를 수신하는 다양한 방식이 존재한다. 하지만, 특정 물체를 스캐닝하기 위해 수직 방향으로 펄스를 발사해야 하는데, 수직 방향으로 레이저를 발상하기 위해서는 레이저 빔을 분기해야 한다.
일반적인 라이다 시스템에서 레이저 빔 소스 한 개를 분기하기 위해서는 회절소자(DOE) 또는 프리즘을 이용하여 매우 복잡한 구조를 이용하여 레이저 빔을 분기해야 하는데, 본 실시예에서는 회절소자(DOE) 또는 프리즘을 이용하지 않고 한 개의 레이저 빔 소스를 수직 방향으로 스캐닝한다.
본 실시예에 따른 라이다 시스템(100)은 제1 레이저 발생기(112), 제2 레이저 발생기(114), 반사미러(122), 빔 컴바이너(124), 센서(125), 제1 반사미러(132), 제2 반사미러(134), 제3 반사미러(136), 회전형 폴리곤 미러(142), 웨지 프리즘(Wedge Prism)(220), 수광렌즈(160), 웨지 프리즘(Wedge Prism)(220), 제1 필터(233), 제2 필터(235), 제3 필터(243), 제1 광전자 증배관(PMT1)(232), 제2 광전자 증배관(PMT2)(234), 애벌랜치 광검출기(APD)(242)를 포함한다. 라이다 시스템(100)에 포함된 구성요소는 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.
제1 레이저 발생기(112)는 기 설정된 파장(Wavelength)을 갖는 제1 레이저(Laser) 빔을 발생한다. 제1 레이저 발생기(112)는 905 nm, 1064 nm, 1550 nm의 파장을 갖는 제1 레이저 빔을 발생한다. 제2 레이저 발생기(114)는 제1 레이저 빔과 상이한 파장을 갖는 제2 레이저 빔을 발생한다. 제2 레이저 발생기(114)는 532 nm의 파장을 갖는 제2 레이저 빔을 발생한다. 제1 레이저 발생기(112)와 제2 레이저 발생기(114)는 서로 다른 제1 레이저 빔과 제2 레이저 빔이 동시 또는 시간차를 두고 펄스를 보내도록 한다.
반사미러(122)는 제2 레이저 발생기(114)로부터 출력된 제2 레이저 빔을 빔 컴바이너(124)로 반사시킨다. 빔 컴바이너(Beam Combiner)(124)는 제1 레이저 빔과 제2 레이저 빔을 결합한 컴바인 레이저 빔을 발생한다. 빔 컴바이너(124)는 펄스 폭이 각각 다른 제1 레이저 빔과 제2 레이저 빔을 결합하여 동축상에 송수신하는 채널을 형성하도록 한다.
센서(125)는 렌즈를 통과하는 레이저 빔의 광량의 시간을 측정한다. 빔 컴바이너124)에서 출력한 컴바인 레이저 빔은 윈도우를 경유하여 셔터(126)로 입사된다. 셔터(Shutter)(126)는 빔 컴바이너(124)와 제1 반사미러(132) 사이의 존재하며, 빔 컴바이너(124)로부터 발광된 컴바인 레이저 빔이 제1 반사미러(132)로 입사되는 것을 조절한다.
회전형 폴리곤 미러(142)는 컴바인 레이저 빔이 셔터(126)로부터 입사되면 기 형성된 다중 면(Multi Facet)을 갖는 폴리곤 형상의 미러가 회전하면서 다중 면의 기 설정된 각도로 컴바인 레이저 빔을 반사시켜서 수직(Vertical) 방향으로 컴바인 레이저 빔이 발사되도록 한다.
회전형 폴리곤 미러(142)에 기 형성된 다중 면(Multi Facet)마다 동일한 각도 또는 서로 상이한 각도가 형성된다. 대상체의 종류에 따라 중공형 모터(180)의 회전이 필요하다고 판단되는 경우, 회전형 폴리곤 미러(142)에 기 형성된 다중 면의 측면 각도를 서로 균일하게 설정한다. 대상체의 종류에 따라 중공형 모터의 회전이 필요하지 않다고 판단되는 경우, 회전형 폴리곤 미러(142)에 기 형성된 다중 면의 측면 각도를 서로 다르게 설정한다.
미러용 모터(미도시)는 회전형 폴리곤 미러(다중 면을 갖는 폴리곤 형상의 미러)(142)를 회전시킨다.
웨지 프리즘(220)은 360˚로 회전 또는 정지하면서 회전형 폴리곤 미러(142)로부터 입사된 레이저 빔을 구비된 프리즘(Prism) 통과시킨다. 중공형 모터(180)는 회전 광학 마운트(190)를 수평 방향으로 회전시킨다.
회전 광학 마운트(190)는 360˚로 회전하면서 컴바인 레이저 빔을 수평(Horizontal) 방향으로 발사되도록 한다. 회전 광학 마운트(190)는 제1 반사미러(132), 수광렌즈(160), 제2 반사미러(134), 제3 반사미러(136)를 포함한다.
제1 반사미러(132)는 웨지 프리즘(220)으로부터 투과된 레이저 빔을 기 설정된 일방향으로 반사시키서 원형 패턴, 원형 매트릭스(Matrix) 패턴, 라인 매트릭스(Line Matrix) 패턴 중 어느 하나의 패턴으로 레이저 빔이 발사되도록 한다.
다시 말해, 제1 반사미러(132)는 회전형 폴리곤 미러(142) 및 웨지 프리즘(220)의 회전에 따라 레이저 빔이 원형 패턴, 원형 매트릭스 패턴, 라인 매트릭스 패턴 중 어느 하나의 패턴으로 레이저 빔이 발사되도록 한다.
수광렌즈(160)는 레이저 빔이 발광된 영역에 위치한 대상체로부터 원형 패턴, 원형 매트릭스 패턴, 라인 매트릭스 패턴 중 어느 하나의 패턴에 대응하는 리턴 레이저 빔을 수광하여 집광한다. 수광렌즈(160)는 비구면 렌즈(Asphere Lens) 또는 프레넬 렌즈(Fresnel Lens)가 적용될 수 있다.
제2 반사미러(134)는 수광렌즈(160)로부터 집광된 리턴 레이저 빔을 기 설정된 일방향으로 반사시킨다. 제3 반사미러(136)는 제2 반사미러(134)로부터 반사된 리턴 레이저 빔이 기 설정된 영역으로 반사시킨다.
센싱 광학 마운트(230)는 제3 반사미러(136)로부터 반사된 리턴 레이저 빔의 광량을 측정하거나 리턴 레이저 빔에 대한 파장의 이미지(Image of Waveform)를 측정하거나 리턴 레이저 빔의 속도를 이용하여 대상체에 대한 거리를 측정한다.
센싱 광학 마운트(230)는 제1 스플리터(Splitter1)(252), 제2 스플리터(Splitter2)(254), 반사미러(256), 애벌랜치 광검출기(APD)(242), 제1 광전자 증배관(PMT1)(232), 제2 광전자 증배관(PMT2)(234), 제1 필터(233), 제2 필터(235), 제3 필터(243)를 포함한다.
센싱 광학 마운트(230)는 지상과 항공에 적용되는 LiDAR 센서로 이용될 수 있다.
제1 스플리터(252)는 리턴 레이저 빔을 제1 필터(233)를 경유하여 광전자 증배관(PMT1)(232)로 분배한다. 제2 스플리터(254)는 리턴 레이저 빔을 제2 필터(235)를 경유하여 광전자 증배관(PMT2)(234)로 분배한다. 반사미러(256)는 리턴 레이저 빔을 제3 필터(243)를 경유하여 애벌랜치 광검출기(APD)(242)로 분배한다.
애벌랜치 광검출기(APD: Aavalanche PhotoDetector)(242)는 제3 필터(243)를 경유하여 반사미러(256)로부터 입사된 리턴 레이저 빔에 포함된 제1 레이저 빔에 해당하는 파장을 검출한다. 여기서, 제1 레이저 빔에 해당하는 파장은 1064nm 파장으로서 지상을 통과한 파장이 될 수 있다.
제1 광전자 증배관(PMT1: Photo Multiplier Tube)(232)는 제1 스플리터(252)로부터 분배된 리턴 레이저 빔에 포함된 제2 레이저 빔에 해당하는 파장을 검출한다. 여기서, 제2 레이저 빔에 해당하는 파장은 532nm 파장으로서 수심을 통과한 파장이 될 수 있다.
제2 광전자 증배관(PMT1: Photo Multiplier Tube)(234)는 제2 스플리터(235)로부터 분배된 리턴 레이저 빔에 포함된 제2 레이저 빔에 해당하는 파장을 검출한다. 여기서, 제2 레이저 빔에 해당하는 파장은 532nm 파장으로서 수심을 통과한 파장이 될 수 있다.
제1 필터(233)는 제1 광전자 증배관(PMT1)(232)와 제1 스플리터(252) 사이에 배치된다. 제1 필터(233)는 제1 스플리터(254)로부터 분배된 리턴 레이저 빔에서 제2 레이저 빔에 해당하는 532nm 파장만 통과하도록 필터링을 수행한다.
제2 필터(235)는 제2 광전자 증배관(PMT2)(234)와 제2 스플리터(235) 사이에 배치된다. 제2 필터(235)는 제2 스플리터(235)로부터 분배된 리턴 레이저 빔에서 제2 레이저 빔에 해당하는 532nm 파장만 통과하도록 필터링을 수행한다.
제3 필터(243)는 애벌랜치 광검출기(APD)(242)와 반사미러(256) 사이에 배치된다. 제3 필터(243)는 반사미러(256)로부터 분배된 리턴 레이저 빔에서 제1 레이저 빔에 해당하는 1064nm 파장만 통과하도록 필터링을 수행한다.
도 2는 본 실시예에 따른 레이저 빔 패턴을 나타낸 도면이다.
회전형 폴리곤 미러(142)는 정지한 상태에서 웨지 프리즘(220)이 회전할 때 도 2의 (a)에 도시된 원형 패턴으로 레이저 빔이 발사된다. 회전형 폴리곤 미러(142)가 회전하는 상태에서 웨지 프리즘(220)이 회전할 때 도 2의 (b)에 도시된 원형 매트릭스 패턴으로 레이저 빔이 발사된다. 회전형 폴리곤 미러(142)가 회전하는 상태에서 웨지 프리즘(220)이 정지한 상태일 때 도 2의 (c)에 도시된 라인 매트릭스 패턴으로 레이저 빔이 발사된다.
도 3은 본 실시예에 따른 회전형 폴리곤 미러를 나타낸 도면이다.
본 실시예에 따른 라이다 시스템(100)은 다중면(Multi Facet)을 갖는 회전형 폴리곤 미러(142)를 구성하여 수직 채널 수를 가변, 스팟(spot)의 간격을 임의로 조정할 수 있도록 하는 광학계를 구비한다. 라이다 시스템(100)은 멀티(Multi) 파장 결합하여 동축상에 송수신하는 서로 다른 광학구를 이용한다.
본 실시예에 따른 라이다 시스템(100)은 다중 면을 갖는 회전형 폴리곤 미러(142)를 이용하여 회전 광학 마운트(190)에서 수직방향으로 레이저 빔을 분기하도록 한다. 다중 면을 갖는 회전형 폴리곤 미러(142)는 한 개의 레이저 빔 소스를 입력받는다. 다중 면을 갖는 회전형 폴리곤 미러(142)는 회전하면서, 한 개의 레이저 소스를 수직 방향으로 발사한다. 즉, 다중 면을 갖는 회전형 폴리곤 미러(142)로 인해 한 개의 레이저 소스는 분기되는 것이 아니라 한 개의 레이저 펄스가 100% 그대로 수직 방향으로 순차적으로 발사되는 것이다.
다중 면을 갖는 폴리건 현상의 회전형 폴리곤 미러(142)는 각 면마다 기 설정된 각도(Angle)를 갖는다. 초당 만개, 10만개, 100만개의 펄스가 발사되는 경우, 다중 면을 갖는 회전형 폴리곤 미러(142)를 회전시키는 회전 RPM수와 다중 면을 갖는 회전형 폴리곤 미러(142)의 면 수에 따라서 채널 수가 결정(Synchronizer)된다.
예를 들어서, 수직 방향으로 발사하는 레이저 펄스의 영역이 협소한 영역인 경우, 발사 각도를 협소하게 설정해야 하므로, 2개의 채널만 사용할 수 있다. 수직 방향으로 발사하는 레이저 펄스의 영역이 일반 영역인 경우, 발사 각도를 협소한 영역보다 넓게 설정하게 설정해야 하므로, 3개의 채널을 사용할 수 있다.
전술한 바와 같이, 다중 면을 갖는 회전형 폴리곤 미러(142)를 회전시키는 회전 RPM수와 다중 면을 갖는 회전형 폴리곤 미러(142)의 면 수에 따라 채널 수를 결정할 때 외부 트리거로 조절 가능(Synchronizer)하다.
다중 면을 갖는 회전형 폴리곤 미러(142)는 상황에 따라 다양한 각도를 갖는 다중 면을 갖도록 설정할 수 있다. 다중 면을 갖는 회전형 폴리곤 미러(142)를 회전시키는 회전 RPM에 따라서 8개의 면을 갖는 폴리곤 형상의 미러는 8줄로 레이저 펄스를 수직 방향으로 발사할 수 있으며, 결과적으로 수직면을 스캐닝할 수 있다.
따라서, 본 실시예에 따른 라이다 시스템(100)은 회전 광학 마운트(190)를 수평 방향으로 회전시키는 중공형 모터(180), 다중 면을 갖는 회전형 폴리곤 미러(142)를 회전시키는 미러용 모터를 갖는다.
도 4는 본 실시예에 따른 회전형 폴리곤 미러의 측면각을 다변화하여 측면에서 굴절되는 레이저 빔을 나타낸 도면이다.
다중 면을 갖는 회전형 폴리곤 미러(142)는 수직 방향으로 1개(1대)에서 복수개(다중채널)로 보낼 수 있다. 회전형 폴리곤 미러(142)는 스팟(spot)과 스팟(spot) 사이의 피치(pitch)를 펄스 반복율 또는 스캐너 속도(speed)로 조절할 수 있다.
회전형 폴리곤 미러(142)는 다양하게 수직 각도를 조절하여 방사각을 선택할 수 있다. 회전형 폴리곤 미러(142)는 다중면(Multi Facet)을 갖는 원형 미러를 미러용 모터에 장착하여 회전하게 한다. 회전형 폴리곤 미러(142)에 형성된 각각의 면(facet)은 각각 동일한 각도를 유지하거나 각각 다른 각도를 형성하여 미러용 모터의 회전수에 의한 수직으로 방사되는 빔을 중첩하게 한다.
다중 면을 갖는 회전형 폴리곤 미러(142) 중앙에 형성된 홀로 레이저 빔 소스가 입사된다. 다중 면을 갖는 회전형 폴리곤 미러(142)는 다중 면 수에 맞게 회전하면서 레이저 빔이 수직으로 발사되도록 한다.
다중 면을 갖는 회전형 폴리곤 미러(142)에 형성되는 면은 초당 펄스 반복율에 따라 면은 4면 내지 90면까지 다양하게 형성 가능하다. 면과 다중 면을 갖는 회전형 폴리곤 미러(142)를 회전시키는 회전 RPM이 빨라질수록 스캐닝 속도가 빨라지므로, 획득되는 정보량이 많아 지므로, 정확도가 높아진다.
다중 면을 갖는 회전형 폴리곤 미러(142)에 형성되는 면과 RPM 속도를 조절하여 최대한 해상도를 높일 수 있다. 면마다 각도가 동일하거나 달라질 수 있다. 예컨대, 면이 팔면체, 육면체인 경우, 각 면인 정 팔면체이거나 정 육면체가 아니다.
입사되는 레이저 빔이 회전형 폴리곤 미러(142)에 형성된 다중 면에서 반사된다. 이때, 펄스 개수, 면의 개수, RPM에 따라 수직 피치가 결정된다. 예를 들어서, 사용하는 레이저의 사양에 따라 결정되거나, RPM을 조절하여 수직 피치를 결정할 수 있다. 펄스의 개수는 레이저의 반사율(rep rate) 펄스수 또는 RPM의 속도와 연계된다. 다중 면을 갖는 회전형 폴리곤 미러(142)에 한쪽 면을 통해서 수직 라인을 스캔한다.
회전형 폴리곤 미러(142)에 형성된 다중 면의 측면 각도를 서로 다르게 설정하면, 수직면에 대한 정도를 수집할 수 있다. 즉, 수평방향으로 회전 광학 마운트(190)를 회전시키지 않고, 회전형 폴리곤 미러만 회전시켜서 수직 정보만을 수집할 수 있다.
공심형 회전이 필요한 경우, 회전형 폴리곤 미러(142)에 형성된 다중 면의 측면 각도를 서로 균일하게 설정하여 공심형 회전하면서 측면으로 한라인 씩 수직면을 보기 위함이다. 공심형 회전이 필요하지 않은 경우, 측면 각도를 조절하여 면처럼 수직면을 보기 위함이다.
도 5는 본 실시예에 따른 제1,2 레이저 빔을 결합을 설명하기 위한 도면이다.
라이다 시스템(100)은 선택적으로 레이저 파장을 컨트롤할 수 있으며 동시 또는 시간차를 두고 레이저를 같이 발사할 수 있다. 제1 레이저 발생기(112)와 제2 레이저 발생기(114)는 서로 다른 두 파장의 레이저빔이 동시 또는 시간차를 두고 펄스를 보낸다.
본 실시예에 따른 라이다 시스템(100)은 용도에 따라서 2개 이상의 파장을 컴바인해서 송출한다. 예컨대, 서로 다른 2개의 파장을 컴바인하는 이유는 하천 또는 물이 있는 곳의 수심을 측정하기 위한 532 nm 파장과 수면을 측정하기 위한 IR(1064 nm, 905 nm, 1550 nm) 파장을 컴바인해서 송출한다. 예컨대, 가스를 측정하기 위해서는 532 nm파장과 미드 IR(2500 nm ~ 3000 nm) 파장을 컴바인해서 송출한다.
도 6은 본 실시예에 따른 라이다 시스템을 개략적으로 나타낸 블럭 구성도이다.
본 실시예에 따른 라이다 시스템(100)은 GPS(610), 통신모듈(620), MCM(630), 동기화부(640), 미러용 모터, 중공형 모터(180)를 포함한다. 라이다 시스템(100)에 포함된 구성요소는 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.
라이다 시스템(100)에 포함된 각 구성요소는 장치 내부의 소프트웨어적인 모듈 또는 하드웨어적인 모듈을 연결하는 통신 경로에 연결되어 상호 간에 유기적으로 동작할 수 있다. 이러한 구성요소는 하나 이상의 통신 버스 또는 신호선을 이용하여 통신한다.
도 6에 도시된 라이다 시스템(100)의 각 구성요소는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 소프트웨어적인 모듈, 하드웨어적인 모듈 또는 소프트웨어와 하드웨어의 결합으로 구현될 수 있다.
GPS(610)는 현재 위치에 대한 항법데이터를 수신하여 위치 정보를 생성한다. 통신모듈(620)은 외부 장치와 통신을 수행하는 모듈로서, 이동통신망(LTE, 5G 등), 인터넷망을 이용한다.
MCM(Main Controller Unit)(630)은 선택적으로 제1 레이저 빔 내지 제2 레이저 빔의 파장을 제어하며 동시 또는 시간차를 두고 제1 레이저 빔 내지 제2 레이저 빔을 발사하도록 한다.
MCM(630)은 리턴 레이저 빔의 광량, 리턴 레이저 빔에 대한 파장의 이미지, 대상체에 대한 거리를 위치 정보와 함께 결합하거나 디버깅(Debugging)한다.
동기화부(LIDAR Controller Unit and Synchronizer)(640)는 회전형 폴리곤 미러(142)를 회전시키는 회전 RPM, 회전형 폴리곤 미러(142)의 면 수에 따라 채널 수를 결정할 때 외부 트리거로 조절한다.
동기화부(640)는 회전형 폴리곤 미러의 RPM(Revolution Per Minute), 다중 면의 개수를 기반으로 수직 방향의 채널 수를 가변하거나 제1 레이저 빔 내지 제N 레이저 빔의 펄스 개수, 다중 면의 개수, 회전형 폴리곤 미러의 RPM(Revolution Per Minute)에 따라 수직 방향의 스팟(spot)과 스팟 사이의 간격(수직 피치(pitch))을 결정(임의로 조정)한다.
미러용 모터는 회전형 폴리곤 미러(142)에 연결되어 회전형 폴리곤 미러(다중 면을 갖는 폴리곤 형상의 미러)(142)를 회전시킨다. 중공형 모터(180)는 회전 광학 마운트(190)에 연결되어 회전 광학 마운트(190)를 수평 방향으로 회전시킨다.
이상의 설명은 본 실시예의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 실시예가 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 실시예의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 실시예들은 본 실시예의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 실시예의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 실시예의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 실시예의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
100: 라이다 시스템
112: 제1 레이저 발생기 114: 제2 레이저 발생기
122: 반사미러
124: 빔 컴바이너 125: 센서
126: 셔터
132: 제1 반사미러 134: 제2 반사미러
136: 제3 반사미러
142: 회전형 폴리곤 미러
160: 수광렌즈
180: 중공형 모터
190: 회전 광학 마운트
610: GPS 620: 통신모듈
630: MCM 640: 동기화부

Claims (21)

  1. 기 설정된 파장(Wavelength)을 갖는 제1 레이저(Laser) 빔을 발생하는 제1 레이저 발생기;
    상기 제1 레이저 빔과 상이한 파장을 갖는 제N 레이저 빔을 발생하는 제N 레이저 발생기;
    상기 제1 레이저 빔과 상기 제N 레이저 빔을 결합한 컴바인 레이저 빔을 발생하는 빔 컴바이너(Beam Combiner);
    상기 레이저 빔이 상기 레이저 발생기부터 직접 입사되면 기 형성된 다중 면(Multi Facet)을 갖는 폴리곤 형상의 미러가 회전하면서 상기 다중 면의 기 설정된 각도로 상기 레이저 빔을 반사시켜서 수직(Vertical) 방향으로 상기 레이저 빔이 발사되도록 하는 회전형 폴리곤 미러;
    360˚로 회전 또는 정지하면서 상기 회전형 폴리곤 미러로부터 입사된 상기 레이저 빔을 통과시키는 웨지 프리즘(Wedge Prism);
    상기 웨지 프리즘로부터 투과된 상기 레이저 빔을 기 설정된 일방향으로 반사시키서 원형 패턴, 원형 매트릭스(Matrix) 패턴, 라인 매트릭스(Line Matrix) 패턴 중 어느 하나의 패턴으로 상기 레이저 빔이 발사되도록 하는 제1 반사미러;
    상기 레이저 빔이 발광된 영역에 위치한 대상체로부터 상기 원형 패턴, 상기 원형 매트릭스 패턴, 상기 라인 매트릭스 패턴 중 어느 하나의 패턴에 대응하는 리턴 레이저 빔을 수광하여 집광하는 수광렌즈; 및
    상기 수광렌즈로부터 집광된 상기 리턴 레이저 빔을 기 설정된 일방향으로 반사시키는 반사미러부;
    상기 반사미러부로부터 반사된 상기 리턴 레이저 빔의 광량을 측정하거나 상기 리턴 레이저 빔에 대한 파장의 이미지(Image of Waveform)를 측정하거나 상기 리턴 레이저 빔의 속도를 이용하여 상기 대상체에 대한 거리를 측정하는 센싱 광학 마운트
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 라이다 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 반사미러, 제2 반사미러, 제3 반사미러 및 상기 수광렌즈를 포함하여 360˚로 회전하면서 상기 컴바인 레이저 빔을 수평(Horizontal) 방향으로 발사되도록 하는 회전 광학 마운트
    를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 라이다 시스템.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 회전 광학 마운트를 수평 방향으로 회전시키는 중공형 모터; 및
    상기 회전형 폴리곤 미러를 회전시키는 미러용 모터;
    를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 라이다 시스템.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 반사미러부는,
    상기 수광렌즈로부터 집광된 상기 리턴 레이저 빔을 기 설정된 일방향으로 반사시키는 제2 반사미러; 및
    상기 제2 반사미러로부터 반사된 상기 리턴 레이저 빔이 기 설정된 영역으로 반사시키는 제3 반사미러;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 라이다 시스템.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 빔 컴바이너는,
    펄스 폭이 각각 다른 상기 제1 레이저 빔과 상기 제N 레이저 빔을 결합하여 동축상에 송수신하는 채널을 형성하도록 하는 것을 특징으로 하는 라이다 시스템.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 제1 레이저 발생기와 상기 제N 레이저 발생기는 서로 다른 상기 제1 레이저 빔과 상기 제N 레이저 빔이 동시 또는 시간차를 두고 펄스를 보내도록 하는 것을 특징으로 하는 라이다 시스템.
  7. 제1항에 있어서,
    선택적으로 상기 제1 레이저 빔 내지 상기 제N 레이저 빔 의 파장을 제어하며 동시 또는 시간차를 두고 상기 제1 레이저 빔 내지 상기 제N 레이저 빔을 발사하도록 하는 MCM(Main Controller Unit)
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 라이다 시스템.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 회전형 폴리곤 미러를 회전시키는 회전 RPM, 상기 회전형 폴리곤 미러의 면 수에 따라 채널 수를 결정할 때 외부 트리거로 조절하는 동기화부(LIDAR Controller Unit and Synchronizer)
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 라이다 시스템.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 동기화부는,
    상기 회전형 폴리곤 미러의 RPM(Revolution Per Minute), 상기 다중 면의 개수를 기반으로 수직 방향의 채널 수를 가변하거나
    상기 제1 레이저 빔 내지 상기 제N 레이저 빔의 펄스 개수, 상기 다중 면의 개수, 상기 회전형 폴리곤 미러의 RPM(Revolution Per Minute)에 따라 수직 방향의 스팟(spot)과 스팟 사이의 간격을 결정하는 것을 특징으로 하는 라이다 시스템.
  10. 제7항에 있어서,
    현재 위치에 대한 항법데이터를 수신하여 위치 정보를 생성하는 GPS;
    외부와 통신하는 통신모듈
    을 추가로 포함하며,
    상기 MCM은 상기 리턴 레이저 빔의 광량, 상기 리턴 레이저 빔에 대한 파장의 이미지, 상기 대상체에 대한 거리를 위치 정보와 함께 결합하거나 디버깅(Debugging)하는 것을 특징으로 하는 라이다 시스템.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 회전형 폴리곤 미러에 기 형성된 다중 면(Multi Facet)마다 동일한 각도 또는 서로 상이한 각도가 형성되는 것을 특징으로 하는 라이다 시스템.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 제1 레이저 발생기는 905 nm, 1064 nm, 1550 nm의 파장을 갖는 상기 제1 레이저 빔을 발생하고,
    상기 제2 레이저 발생기는 532 nm의 파장을 갖는 상기 제2 레이저 빔을 발생하는 것을 특징으로 하는 라이다 시스템.
  13. 삭제
  14. 제4항에 있어서,
    상기 빔 컴바이너와 상기 제1 반사미러 사이의 존재하며, 상기 빔 컴바이너로부터 발광된 상기 컴바인 레이저 빔이 상기 제1 반사미러로 입사되는 것을 조절하는 셔터(Shutter)
    를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 라이다 시스템.
  15. 제1항에 있어서,
    상기 센싱 광학 마운트는,
    상기 리턴 레이저 빔을 분배하는 제1 스플리터(Beam Splitter);
    상기 제1 스플리터를 통과한 상기 리턴 레이저 빔을 분배하는 제2 스플리터;
    상기 제2 스플리터를 통과한 상기 리턴 레이저 빔을 분배하는 반사미러;
    상기 제1 스플리터로부터 분배된 리턴 레이저 빔에 포함된 제2 레이저 빔에 해당하는 파장을 검출하는 제1 광전자 증배관(PMT1: Photo Multiplier Tube)
    상기 제2 스플리터로부터 분배된 상기 리턴 레이저 빔에 포함된 제2 레이저 빔에 해당하는 파장을 검출하는 제2 광전자 증배관(PMT2);
    상기 반사미러로부터 분배된 상기 리턴 레이저 빔에 포함된 상기 제1 레이저 빔에 해당하는 파장을 검출하는 애벌랜치 광검출기(APD:Aavalanche PhotoDetector);
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 라이다 시스템.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 제1 광전자 증배관(PMT1)과 상기 제1 스플리터 사이에 배치되며, 상기 제1 스플리터로부터 분배된 상기 리턴 레이저 빔에서 상기 제2 레이저 빔에 해당하는 파장만 통과하도록 필터링을 수행하는 제1 필터;
    상기 제2 광전자 증배관(PMT2)과 상기 제2 스플리터 사이에 배치되며, 상기 제2 스플리터로부터 분배된 상기 리턴 레이저 빔에서 상기 제2 레이저 빔에 해당하는 파장만 통과하도록 필터링을 수행하는 제2 필터;
    상기 애벌랜치 광검출기(APD)와 상기 반사미러 사이에 배치되며, 상기 반사미러로부터 분배된 리턴 레이저 빔에서 제1 레이저 빔에 해당하는 파장만 통과하도록 필터링을 수행하는 제3 필터
    를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 라이다 시스템.
  17. 제1항에 있어서,
    상기 회전형 폴리곤 미러 및 상기 웨지 프리즘의 회전에 따라 상기 레이저 빔이 상기 원형 패턴, 상기 원형 매트릭스 패턴, 상기 라인 매트릭스 패턴 중 어느 하나의 패턴으로 상기 레이저 빔이 발사되도록 하는 것을 특징으로 하는 라이다 시스템.
  18. 제17항에 있어서,
    상기 회전형 폴리곤 미러는 정지한 상태에서 상기 웨지 프리즘이 회전할 때 상기 원형 패턴으로 상기 레이저 빔이 발사되도록 하는 것을 특징으로 하는 라이다 시스템.
  19. 제17항에 있어서,
    상기 회전형 폴리곤 미러가 회전하는 상태에서 상기 웨지 프리즘이 회전할 때 상기 원형 매트릭스 패턴으로 상기 레이저 빔이 발사되도록 하는 것을 특징으로 하는 라이다 시스템.
  20. 제17항에 있어서,
    상기 회전형 폴리곤 미러가 회전하는 상태에서 상기 웨지 프리즘이 정지한 상태일 때 상기 라인 매트릭스 패턴으로 상기 레이저 빔이 발사되도록 하는 것을 특징으로 하는 라이다 시스템.
  21. 제1항에 있어서,
    상기 수광렌즈는,
    비구면 렌즈(Asphere Lens) 또는 프레넬 렌즈(Fresnel Lens)인 것을 특징으로 하는 라이다 시스템.
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