KR102263183B1 - 라이다 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 라이다 장치에 관한 것으로, 상기 라이다 장치는 레이저 빔을 출력하는 레이저 출력부; 회전축을 따라 회전하면서 상기 레이저 출력부로부터 출력된 레이저 빔을 대상체를 향해 반사하는 스캐닝부; 및 상기 대상체로부터 반사되는 레이저 빔을 상기 스캐닝부를 통해 수신하는 레이저 수신부;를 포함하고, 상기 스캐닝부는, 상기 레이저 출력부로부터 출력된 레이저 빔을 대상체를 향해 반사하는 송신 미러, 및 상기 대상체로부터 반사된 레이저 빔을 획득하되, 획득된 레이저 빔의 수광 경로를 그 내부에서 변경시켜 상기 레이저 수신부를 향해 반사하는 수신 미러를 포함한다.

Description

라이다 장치{LIDAR DEVICE}
본 발명은 레이저 빔을 이용하여 대상체의 거리를 획득하는 라이다 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 360도 회전하며 주변 영역을 스캔하는 라이다 장치에 관한 것이다.
근래에, 자율주행자동차 및 무인자동차에 대한 관심과 함께 라이다 (LiDAR: Light Detection and Ranging)가 각광받고 있다. 라이다는 레이저를 이용하여 주변의 거리 정보를 획득하는 장치로서, 정밀도 및 해상도가 뛰어나며 사물을 입체로 파악할 수 있다는 장점 덕분에, 자동차뿐만 아니라 드론, 항공기 등 다양한 분야에 적용되고 있는 추세이다.
한편, 라이다 장치의 정밀도를 향상시키기 위해서는 햇빛과 같은 외부 노이즈 및 라이다 장치 내부에서 반사되다가 곧바로 센서로 입사되는 내부 노이즈에 대한 처리가 필요하다.
본 발명의 일 과제는, 360도 2차원 스캔이 가능한 라이다 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 일 과제는, 필터 모듈을 통해 라이다 장치의 측정 가능 거리를 높이는 것이다.
본 발명의 또 다른 일 과제는, 최소한의 전력으로 원거리에 위치하는 대상체를 감지하는 것이다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제가 상술한 과제로 제한되는 것은 아니며, 언급되지 아니한 과제들은 본 명세서 및 첨부된 도면으로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명의 일 양상에 따르면, 레이저 빔을 출력하는 레이저 출력부; 회전축을 따라 회전하면서 상기 레이저 출력부로부터 출력된 레이저 빔을 대상체를 향해 반사하는 스캐닝부; 및 상기 대상체로부터 반사되는 레이저 빔을 상기 스캐닝부를 통해 수신하는 레이저 수신부;를 포함하고, 상기 스캐닝부는, 상기 레이저 출력부로부터 출력된 레이저 빔을 대상체를 향해 반사하는 송신 미러, 및 상기 대상체로부터 반사된 레이저 빔을 획득하되, 획득된 레이저 빔의 수광 경로를 그 내부에서 변경시켜 상기 레이저 수신부를 향해 반사하는 수신 미러를 포함하고, 상기 수신 미러는 제1 반사 영역 및 제2 반사 영역을 포함하고, 상기 제1 반사 영역은 상기 대상체로부터 반사된 레이저 빔을 수광하고, 상기 수광된 레이저 빔의 비행 경로를 변경하고, 상기 제2 반사 영역은 상기 제1 반사 영역으로부터 레이저 빔을 수광하고, 상기 레이저 수신부를 향해 상기 수광된 레이저 빔을 반사하며, 상기 제2 반사 영역이 상기 제1 반사 영역으로부터 반사되는 레이저 빔을 가능한 많이 수광하고, 상기 수광된 레이저 빔을 상기 수광부를 향해 반사하도록, 상기 제1 반사 영역과 상기 제2 반사 영역은 상기 수신 미러의 중심축을 기준으로 대칭되는 라이다 장치가 제공될 수 있다.
본 발명의 다른 일 양상에 따르면, 레이저 빔을 출력하는 레이저 출력부; 회전축을 따라 회전하면서 상기 레이저 출력부로부터 출력된 레이저 빔을 대상체를 향해 반사하는 스캐닝부; 및 상기 대상체로부터 반사되는 레이저 빔을 상기 스캐닝부를 통해 수신하는 레이저 수신부;를 포함하고, 상기 스캐닝부는, 상기 레이저 출력부로부터 출력된 레이저 빔을 대상체를 향해 반사하는 송신 미러, 상기 대상체로부터 반사된 레이저 빔을 획득하되 획득된 레이저 빔의 수광 경로를 그 내부에서 변경시켜 상기 레이저 수신부를 향해 반사하는 수신 미러, 및 상기 수신 미러와 결합되어 상기 대상체로부터 반사된 레이저 빔의 일부 파장 성분을 필터링하는 필터 모듈을 포함하고, 상기 수신 미러는 상기 대상체로부터 반사된 레이저 빔을 수광하고, 상기 수광된 레이저 빔의 비행 경로를 변경하는 제1 반사 영역, 및 상기 제1 반사 영역으로부터 레이저 빔을 수광하고, 상기 레이저 수신부를 향해 상기 수광된 레이저 빔을 반사는 제2 반사 영역을 포함하는 라이다 장치가 제공될 수 있다.
본 발명의 과제의 해결 수단이 상술한 해결 수단들로 제한되는 것은 아니며, 언급되지 아니한 해결 수단들은 본 명세서 및 첨부된 도면으로부터 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
일 실시예에 따르면, 라이다 장치를 통해 360도 2차원 스캔할 수 있다.
다른 일 실시예에 따르면, 필터 모듈을 통해 라이다 장치의 측정 가능 거리를 높일 수 있다.
또 다른 일 실시예에 따르면, 최소한의 전력으로 원거리에 위치하는 대상체를 감지할 수 있다.
본 발명의 효과가 상술한 효과들로 제한되는 것은 아니며, 언급되지 아니한 효과들은 본 명세서 및 첨부된 도면으로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확히 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 일 실시예에 따른 라이다 장치를 설명하기 위한 블록도이다.
도 2는 일 실시예에 따른 라이다 장치를 설명하기 위한 블록도이다.
도 3은 일 실시예에 따른 라이다 장치를 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 일 실시예에 따른 라이다 장치를 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 다른 일 실시예에 따른 라이다 장치를 설명하기 위한 도면이다.
도 6은 일 구현예에 따른 라이다 장치를 나타내는 사시도이다.
도 7은 일 구현예에 따른 라이다 장치를 나타내는 사시도이다.
도 8은 또 다른 일 실시예에 따른 라이다 장치를 설명하기 위한 도면이다.
도 9은 필터 모듈에 따른 효과를 설명하기 위한 그래프이다.
도 10는 입사각에 따른 필터 모듈의 중심 파장 변화의 예시를 나타내는 그래프이다.
도 11은 일 구현예에 따른 라이다 장치를 나타내는 사시도이다.
본 명세서에 기재된 실시예는 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명의 사상을 명확히 설명하기 위한 것이므로, 본 발명이 본 명세서에 기재된 실시예에 의해 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 범위는 본 발명의 사상을 벗어나지 아니하는 수정예 또는 변형예를 포함하는 것으로 해석되어야 한다.
본 명세서에서 사용되는 용어는 본 발명에서의 기능을 고려하여 가능한 현재 널리 사용되고 있는 일반적인 용어를 선택하였으나 이는 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자의 의도, 관례 또는 새로운 기술의 출현 등에 따라 달라질 수 있다. 다만, 이와 달리 특정한 용어를 임의의 의미로 정의하여 사용하는 경우에는 그 용어의 의미에 관하여 별도로 기재할 것이다. 따라서 본 명세서에서 사용되는 용어는 단순한 용어의 명칭이 아닌 그 용어가 가진 실질적인 의미와 본 명세서의 전반에 걸친 내용을 토대로 해석되어야 한다.
본 명세서에 첨부된 도면은 본 발명을 용이하게 설명하기 위한 것으로 도면에 도시된 형상은 본 발명의 이해를 돕기 위하여 필요에 따라 과장되어 표시된 것일 수 있으므로 본 발명이 도면에 의해 한정되는 것은 아니다.
본 명세서에서 본 발명에 관련된 공지의 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에 이에 관한 자세한 설명은 필요에 따라 생략하기로 한다.
일 실시예에 따르면, 레이저 빔을 출력하는 레이저 출력부; 회전축을 따라 회전하면서 상기 레이저 출력부로부터 출력된 레이저 빔을 대상체를 향해 반사하는 스캐닝부; 및 상기 대상체로부터 반사되는 레이저 빔을 상기 스캐닝부를 통해 수신하는 레이저 수신부;를 포함하고, 상기 스캐닝부는, 상기 레이저 출력부로부터 출력된 레이저 빔을 대상체를 향해 반사하는 송신 미러, 및 상기 대상체로부터 반사된 레이저 빔을 획득하되, 획득된 레이저 빔의 수광 경로를 그 내부에서 변경시켜 상기 레이저 수신부를 향해 반사하는 수신 미러를 포함하고, 상기 수신 미러는 제1 반사 영역 및 제2 반사 영역을 포함하고, 상기 제1 반사 영역은 상기 대상체로부터 반사된 레이저 빔을 수광하고, 상기 수광된 레이저 빔의 비행 경로를 변경하고, 상기 제2 반사 영역은 상기 제1 반사 영역으로부터 레이저 빔을 수광하고, 상기 레이저 수신부를 향해 상기 수광된 레이저 빔을 반사하며, 상기 제2 반사 영역이 상기 제1 반사 영역으로부터 반사되는 레이저 빔을 가능한 많이 수광하고, 상기 수광된 레이저 빔을 상기 수광부를 향해 반사하도록, 상기 제1 반사 영역과 상기 제2 반사 영역은 상기 수신 미러의 중심축을 기준으로 대칭되는 라이다 장치가 제공될 수 있다.
여기서, 상기 송신 미러는 회전축을 기준으로 360도 회전할 수 있다.
여기서, 상기 수신 미러는 상기 송신 미러와 일체로 회전할 수 있다.
여기서, 상기 라이다 장치는 상기 수신 미러로부터 반사되는 레이저 빔을 상기 레이저 수신부로 안내하는 집광 렌즈를 더 포함하고, 상기 집광 렌즈의 중심축은 상기 회전축과 일치할 수 있다.
여기서, 상기 레이저 수신부는 상기 회전축상에 배치될 수 있다.
여기서, 상기 제1 반사 영역은, 상기 레이저 출력부로부터 출력된 후 상기 송신 미러로 입사되는 레이저 빔으로부터 연장되는 가상의 선과 수직인 가상면과 제1 각도를 이루도록 배치되고, 상기 제2 반사 영역은, 상기 가상면과 제2 각도를 이루도록 배치되고, 상기 제1 각도 및 상기 제2 각도의 합은 90도일 수 있다.
여기서, 상기 제1 각도는 적어도 상기 제2 각도의 두배보다 클 수 있다.
여기서, 상기 수신 미러의 중심축은 상기 회전축과 45도 경사질 수 있다.
여기서, 상기 수신 미러는 원뿔대 형상을 가질 수 있다.
다른 일 실시예에 따르면, 레이저 빔을 출력하는 레이저 출력부; 회전축을 따라 회전하면서 상기 레이저 출력부로부터 출력된 레이저 빔을 대상체를 향해 반사하는 스캐닝부; 및 상기 대상체로부터 반사되는 레이저 빔을 상기 스캐닝부를 통해 수신하는 레이저 수신부;를 포함하고, 상기 스캐닝부는, 상기 레이저 출력부로부터 출력된 레이저 빔을 대상체를 향해 반사하는 송신 미러, 상기 대상체로부터 반사된 레이저 빔을 획득하되 획득된 레이저 빔의 수광 경로를 그 내부에서 변경시켜 상기 레이저 수신부를 향해 반사하는 수신 미러, 및 상기 수신 미러와 결합되어 상기 대상체로부터 반사된 레이저 빔의 일부 파장 성분을 필터링하는 필터 모듈을 포함하고, 상기 수신 미러는 상기 대상체로부터 반사된 레이저 빔을 수광하고, 상기 수광된 레이저 빔의 비행 경로를 변경하는 제1 반사 영역, 및 상기 제1 반사 영역으로부터 레이저 빔을 수광하고, 상기 레이저 수신부를 향해 상기 수광된 레이저 빔을 반사는 제2 반사 영역을 포함하는 라이다 장치가 제공될 수 있다.
여기서, 상기 필터 모듈은 상기 수신 미러로 입사되거나 상기 수신 미러로부터 출사되는 레이저 빔의 일부 파장 성분을 필터링할 수 있다.
여기서, 상기 필터 모듈은 상기 수신 미러의 중심축과 수직을 이루도록 배치될 수 있다.
여기서, 상기 필터 모듈로 입사되는 레이저 빔이 45도 각도로 입사되는 경우, 상기 필터 모듈을 통과한 레이저 빔의 세기가 최대가 되는 지점은 905nm 대역일 수 있다.
여기서, 상기 레이저 출력부로부터 출력된 레이저 빔의 반치전폭(FWHM)은 상기 레이저 수신부가 획득하는 레이저 빔의 반치전폭보다 클 수 있다.
라이다(LiDAR: Light Detection And Ranging)란 레이저를 이용하여 대상체를 감지하는 장치이다.
라이다의 측정 방법으로는, 비행시간 측정법(TOF: Time Of Flight), 삼각 측량법(Triangulation method), 간섭계 방법(Interferometry method) 등이 있다. 이하에서는 설명의 편의상 상기 비행시간 측정법을 중심으로 설명하며, 후술하는 라이다 장치는 기타 다른 방법에 기초하여 대상체를 감지할 수 있음은 물론이다.
도 1은 일 실시예에 따른 라이다 장치를 설명하기 위한 블록도이다.
도 1을 참조하면, 라이다 장치(1000)는 레이저 출력부(100), 스캐닝부(200), 레이저 수신부(300) 및 제어부(400)를 포함할 수 있다. 레이저 출력부(100)에서 출력된 레이저 빔은 스캐닝부(200)를 통해 대상체로 조사되며, 상기 대상체로부터 반사되는 레이저 빔은 레이저 수신부(300)를 통해 수신될 수 있다. 제어부(400)는 레이저 출력부(100), 스캐닝부(200) 및 레이저 수신부(300)의 각 동작을 제어할 수 있다.
이하에서는 라이다 장치의 각 구성에 대하여 상세히 설명한다.
레이저 출력부(100)는 레이저 빔을 출사 또는 출력할 수 있다.
레이저 출력부(100)는 레이저 다이오드(Laser Diode), 빅셀(VCSEL: Vertical Cavity Surface Emitting Laser), 또는 벡셀(VECSEL: Vertical External Cavity Surface Emitting Laser)로 제공될 수 있다.
레이저 출력부(100)는 다양한 형태로 제공될 수 있다. 예를 들어, 레이저 출력부(100)는 1차원 또는 2차원의 어레이 형태로 배열되는 복수의 레이저 소자를 포함할 수 있다. 또는, 레이저 출력부(100)는 불규칙한 형태로 배열될 수 있다. 레이저 출력부(100)는 복수개로 제공될 수 있다.
레이저 출력부(100)는 다양한 파장의 레이저 빔을 출력할 수 있다. 예를 들어, 레이저 출력부(100)는 905nm 또는 1550nm 대역의 레이저 빔을 출력할 수 있다. 레이저 출력부(100)가 복수의 레이저 소자를 포함하는 경우, 상기 복수의 레이저 소자 중 일부는 905nm 대역의 레이저 빔을 출력하되, 다른 일부는 1550nm 대역의 레이저 빔을 출력할 수 있다.
스캐닝부(200)는 레이저 빔의 비행 경로를 변경할 수 있다. 예를 들어, 스캐닝부(200)는 레이저 출력부(100)로부터 출력된 레이저 빔을 대상체로 안내할 수 있다. 또는, 스캐닝부(200)는 상기 대상체로부터 반사되는 레이저 빔을 레이저 수신부(300)로 안내할 수 있다.
스캐닝부(200)는 레이저 빔을 굴절 또는 반사함으로써 상기 레이저 빔의 비행 경로를 변경할 수 있다. 예를 들어, 스캐닝부(200)는 레이저 출력부(100)로부터 출력된 레이저 빔을 대상체를 향해 반사할 수 있다. 또는, 스캐닝부(200)는 상기 대상체로부터 반사되는 레이저 빔을 레이저 수신부(300)를 향해 반사할 수 있다.
스캐닝부(200)는 다양한 광학 수단들을 포함할 수 있다. 예를 들어, 스캐닝부(200)는 렌즈(lens), 프리즘(prism), 미러(mirror) 등을 포함할 수 있다. 스캐닝부(200)는 마이크로렌즈(micro lens), 액체 렌즈(Microfluidie lens), 광 위상 배열(OPA), 다면 미러(polygonal mirror), 멤스 미러(MEMs mirror), 갈바노 미러(galvano mirror), 메타 표면(metasurface) 등을 포함할 수 있다. 또는, 스캐닝부(200)는 필터 부재를 포함할 수 있다.
스캐닝부(200)는 레이저 빔의 광 특성을 변경할 수 있다. 예를 들어, 스캐닝부(200)는 레이저 빔의 위상을 변조할 수 있다. 또는, 스캐닝부(200)는 레이저 빔의 스펙트럼 특성을 변경할 수 있다. 예를 들어, 스캐닝부(200)는 레이저 빔의 중심 파장을 변경할 수 있다. 스캐닝부(200)는 레이저 출력부(100)로부터 출력된 레이저 빔의 중심 파장을 제외한 다른 광을 차단 또는 차폐할 수 있다.
스캐닝부(200)는 복수의 서브 스캐닝부를 포함할 수 있다. 예를 들어, 스캐닝부(200)는 렌즈로 제공되는 제1 서브 스캐닝부 및 미러로 제공되는 제2 서브 스캐닝부를 포함할 수 있다.
레이저 수신부(300)는 레이저 빔을 감지 또는 수신할 수 있다. 예를 들어, 레이저 수신부(300)는 대상체로부터 반사되는 레이저 빔을 감지할 수 있다. 또는, 레이저 수신부(300)는 대상체로부터 반사된 후 스캐닝부(200)로부터 반사된 레이저 빔을 감지할 수 있다.
레이저 수신부(300)는 광 신호를 전기 신호로 변환할 수 있다.
레이저 수신부(300)는 변환된 전기 신호에 기초하여 레이저 빔을 감지할 수 있다. 예를 들어, 레이저 수신부(300)는 미리 정해진 문턱값과 변환된 전기 신호의 크기를 비교하여 수신되는 레이저 빔을 감지할 수 있다.
레이저 수신부(300)는 다양한 광학 수단들을 포함할 수 있다. 예를 들어, 레이저 수신부(300)는 센서, 렌즈, 광학 필터등을 포함할 수 있다.
레이저 수신부(300)는 다양한 센서 소자를 포함할 수 있다. 예를 들어, 레이저 수신부(300)는 APD(Avalanche Photodiode), SPAD(Single-photon avalanche diode), SiPM(Silicon PhotoMultipliers), CMOS(Complementary metal-oxide-semiconductor), CCD(charge coupled device)를 포함할 수 있다.
레이저 수신부(300)는 상술한 센서 소자들 중 하나로 제공되거나, 복수의 센서 소자가 조합되어 제공될 수 있다.
제어부(400)는 레이저 출력부(100), 스캐닝부(200) 및 레이저 수신부(300)의 각 동작을 제어할 수 있다.
이하에서는 상기 구성들에 대한 제어부(400)의 제어 동작을 설명한다.
제어부(400)는 레이저 출력부(100)의 동작을 제어할 수 있다. 예를 들어, 제어부(400)는 레이저 출력부(100)로부터 출사되는 레이저 빔의 출사 시점을 제어할 수 있다. 제어부(400)는 상기 출사되는 레이저 빔의 출사 주기를 제어할 수 있다. 또는, 제어부(400)는 상기 출사되는 레이저 빔의 세기를 제어할 수 있다. 또는, 레이저 출력부(100)가 복수의 레이저 출력 소자를 포함하는 경우, 제어부(400)는 상기 복수의 레이저 출력 소자 중 어느 소자를 동작시킬 지 판단할 수 있다.
제어부(400)는 스캐닝부(200)의 동작을 제어할 수 있다. 예를 들어, 스캐닝부(200)가 회전하는 미러로 제공되는 경우, 제어부(400)는 스캐닝부(200)의 회전 속도를 제어할 수 있다. 또는, 제어부(400)는 레이저 출력부(100)의 레이저 빔 출사 타이밍을 고려하여 스캐닝부(200)의 회전하는 타이밍을 조절할 수 있다.
제어부(400)는 레이저 수신부(300)의 동작을 제어할 수 있다. 예를 들어, 레이저 수신부(300)가 복수의 센서 소자를 포함하는 경우, 제어부(400)는 상기 복수의 센서 소자 중 어느 소자를 동작시킬 지 판단할 수 있다.
도 2는 일 실시예에 따른 라이다 장치를 설명하기 위한 블록도이다.
도 2를 참조하면, 라이다 장치(1000)는 레이저 출력부(100), 스캐닝부(200), 레이저 수신부(300) 및 제어부(400)를 포함할 수 있다. 라이다 장치(1000)는 라이다 장치(1000)로부터 대상체(Ob)까지의 거리를 감지 또는 산출할 수 있다.
이하에서는 라이다 장치(1000)의 동작에 대해 설명한다.
제어부(400)는 레이저 빔 출사 신호를 생성할 수 있다. 상기 생성된 신호에 기초하여 레이저 출력부(100)는 레이저 빔을 출사 또는 출력할 수 있다.
제어부(400)는 레이저 빔의 출사 시점을 획득할 수 있다.
스캐닝부(200)는 레이저 출력부(100)로부터 출사 또는 출력되는 레이저 빔을 대상체(Ob)로 안내할 수 있다. 예를 들어, 스캐닝부(200)는 상기 출사 또는 출력되는 레이저 빔을 굴절 또는 반사시킴으로써 대상체(Ob)로 안내할 수 있다.
스캐닝부(200)는 상기 출사 또는 출력되는 레이저 빔의 형태를 바꿀 수 있다. 예컨대, 레이저 출력부(100)가 점 광원 형태의 레이저 빔을 출사하는 경우, 스캐닝부(200)는 상기 점 광원 형태의 레이저 빔을 라인 형태의 레이저 빔으로 변환할 수 있다. 또는, 스캐닝부(200)는 상기 점 광원 형태의 레이저 빔을 2차원 평면 형태의 레이저 빔으로 변환할 수 있다. 또는, 레이저 출력부(100)가 라인 형태의 레이저 빔을 출사하는 경우, 스캐닝부(200)는 상기 라인 형태의 레이저 빔을 2차원 평면 형태의 레이저 빔으로 변환할 수 있다.
스캐닝부(200)는 대상체(Ob)로부터 반사되는 레이저 빔을 획득할 수 있다.
스캐닝부(200)는 상기 획득되는 레이저 빔을 레이저 수신부(300)로 안내할 수 있다. 예를 들어, 스캐닝부(200)는 상기 획득되는 레이저 빔을 굴절 또는 반사시킴으로써 레이저 수신부(300)로 안내할 수 있다.
제어부(400)는 레이저 수신부(300)가 레이저 빔을 수신하는 수신 시점을 획득할 수 있다.
제어부(400)는 상기 출사 시점 및 상기 수신 시점에 기초하여 레이저 빔의 비행 시간을 획득할 수 있다. 제어부(400)는 상기 비행 시간에 기초하여 상기 레이저 빔의 비행 거리를 획득할 수 있다. 제어부(400)는 상기 비행 거리에 기초하여 라이다 장치(1000)로부터 대상체까지의 거리를 획득할 수 있다.
또한, 제어부(400)는 상술한 바와 같이 레이저 출력부(100), 스캐닝부(200) 및 레이저 수신부(300)의 각 동작을 제어할 수 있다.
도 3은 일 실시예에 따른 라이다 장치를 설명하기 위한 도면이다.
도 3을 참조하면, 라이다 장치(1000)는 레이저 출력부(100), 스캐닝부(200) 및 레이저 수신부(300)를 포함할 수 있다. 라이다 장치(1000)는 레이저 출력부(100)로부터 출사된 후 대상체(Ob)로부터 반사되는 레이저 빔을 수신하여 라이다 장치(1000)로부터 대상체(Ob)까지의 거리를 획득할 수 있다.
레이저 출력부(100)는 일 방향으로 레이저 빔을 출사 또는 출력할 수 있다. 예를 들어, 레이저 출력부(100)는 y축 방향을 따라 스캐닝부(200)를 향해 레이저 빔을 출사할 수 있다.
스캐닝부(200)는 콜리메이터(210, collimator), 송신 미러(220), 수신미러(230) 및 집광 렌즈(240)를 포함할 수 있다.
이하에서는 스캐닝부(200)의 각 구성에 대하여 상세히 설명한다.
스캐닝부(200)는 일 측으로부터 제공되는 레이저 빔을 평행빔으로 변환하는 콜리메이터(210)를 포함할 수 있다. 콜리메이터(210)는 레이저 출력부(100)로부터 출사되는 레이저 빔을 송신 미러(220)로 안내할 수 있다. 콜리메이터(210)는 상기 출사되는 레이저 빔을 평행빔으로 변환하여 송신 미러(220)로 안내할 수 있다. 콜리메이터(210)는 렌즈로 제공될 수 있다.
송신 미러(220)는 일측으로부터 제공되는 레이저 빔을 획득할 수 있다. 송신 미러(220)는 상기 획득되는 레이저 빔을 대상체(Ob)로 안내할 수 있다.
예를 들어, 송신 미러(220)는 레이저 출력부(100)로부터 출사되는 레이저 빔을 대상체로 안내할 수 있다. 또는, 송신 미러(220)는 콜리메이터(210)를 통과한 레이저 빔을 대상체(Ob)로 안내할 수 있다. 송신 미러(220)는 상기 출사 또는 안내되는 레이저 빔을 반사시킴으로써 상기 레이저 빔을 대상체(Ob)로 안내할 수 있다.
송신 미러(220)는 다양한 각도로 상기 획득되는 레이저 빔을 굴절시킬 수 있다. 예를 들어, 송신 미러(220)는 상기 획득되는 레이저 빔을 90도만큼 굴절시킬 수 있다. 송신 미러(220)는 y축 방향으로 입사되는 레이저 빔을 x축 방향으로 굴절시킬 수 있다.
송신 미러(220)는 일 축을 기준으로 소정의 각도로 회전할 수 있다. 예를 들어, 송신 미러(220)는 y축을 기준으로 360도 회전할 수 있다. 또는, 송신 미러(220)는 x축 방향으로 미리 정해진 범위에서 반복 구동할 수 있다.
송신 미러(220)의 회전 방향은 라이다 장치(1000)의 시야 범위(FOV: Field Of View)와 관련 있을 수 있다. 예를 들어, 송신 미러(220)의 x축 기준 회전은 수직 FOV와 관련되고, 송신 미러(220)의 y축 기준 회전은 수평 FOV와 관련될 수 있다.
송신 미러(220)는 다양한 형태를 가질 수 있으며, 적어도 하나의 반사면을 포함할 수 있다. 상기 반사면의 형상은 다양할 수 있다. 예를 들어 상기 반사면은 평판 형태로 제공되거나, 곡면 형태로 제공될 수 있다. 상기 반사면은 원형의 형상을 갖거나 타원형의 형상을 가질 수 있다.
송신 미러(220)는 다양한 종류의 미러로 제공될 수 있다. 예를 들어, 송신 미러(220)는 고정된 미러로 제공되거나, 반복 구동되는 멤스 미러 또는 갈바노 미러로 제공될 수 있다.
송신 미러(220)는 다양한 위치에 배치될 수 있다. 예를 들어, 송신 미러(220)는 레이저 출력부(100)로부터 출사되어 대상체로 향하는 레이저 빔의 광 경로 상에 배치될 수 있다. 송신 미러(220)는 레이저 출력부(100)를 포함하는 y축 상에 배치될 수 있다.
송신 미러(220)로부터 대상체로 조사되는 레이저 빔은 상기 대상체에 반사된 후 수신 미러(230)에 의해 획득될 수 있다.
수신 미러(230)는 상기 대상체로부터 반사되는 레이저 빔을 획득할 수 있다. 수신 미러(230)는 상기 획득되는 레이저 빔을 레이저 수신부(300)로 안내할 수 있다. 예를 들어, 수신 미러(230)는 상기 획득되는 레이저 빔을 적어도 1회 이상 반사시킴으로써 레이저 수신부(300)로 안내할 수 있다.
수신 미러(230)는 제1 반사 영역(231) 및 제2 반사 영역(232)을 포함할 수 있다.
제1 반사 영역(231)은 대상체로부터 반사되는 레이저 빔을 획득할 수 있다. 제1 반사 영역(231)은 상기 획득되는 레이저 빔을 제2 반사 영역(232)을 안내할 수 있다. 제1 반사 영역(231)은 상기 획득되는 레이저 빔을 제2 반사 영역(232)을 향해 반사할 수 있다. 제1 반사 영역(231)은 상기 획득되는 레이저 빔의 비행 경로를 변경할 수 있다.
제1 반사 영역(231)은 x축 또는 y축으로부터 경사지게 배치될 수 있다. 예를 들어, 제1 반사 영역(231)은 x축으로부터 상방으로 제1 각도(
Figure 112019079276577-pat00001
)만큼 경사지게 배치될 수 있다. 이에 따라, 제1 반사 영역(231)은 상기 획득되는 레이저 빔을 하방으로 굴절시킬 수 있다. 또는, 제1 반사 영역(231)은 레이저 출력부(100)로부터 출력된 후 송신 미러(220)로 입사되는 레이저 빔의 입사 방향을 따라 연장되는 가상의 선과 수직인 가상면과 제1 각도(
Figure 112019079276577-pat00002
)를 이루도록 배치될 수 있다. 상기 가상면은 x축을 따라 형성될 수 있다. 상기 가상면은 제1 반사 영역(231)의 일단과 만날 수 있다. 도 3에서, 상기 가상면은 점선으로 표시될 수 있다.
제2 반사 영역(232)은 제1 반사 영역(231)으로부터 안내되거나 반사되는 레이저 빔을 획득할 수 있다. 제2 반사 영역(232)은 상기 획득되는 레이저 빔을 레이저 수신부(300)로 안내할 수 있다. 제2 반사 영역(232)은 상기 획득되는 레이저 빔을 레이저 수신부(300)를 향해 반사할 수 있다. 제2 반사 영역(232)은 상기 획득되는 레이저 빔의 비행 경로를 변경할 수 있다.
제2 반사 영역(232)은 x축 또는 y축으로부터 경사지게 배치될 수 있다. 예를 들어, 제2 반사 영역(232)은 x축으로부터 하방으로 제2 각도(
Figure 112019079276577-pat00003
)만큼 경사지게 배치될 수 있다. 이에 따라, 제2 반사 영역(232)은 상기 획득되는 레이저 빔을 상방으로 굴절시킬 수 있다. 제2 반사 영역(232)은 상기 가상면과 제2 각도(
Figure 112019079276577-pat00004
)를 이루도록 배치될 수 있다.
수신 미러(230)는 다양한 형상을 가질 수 있다. 예를 들어, 수신 미러(230)는 일 축을 기준으로 제1 반사 영역(231) 및 제2 반사 영역(232)이 대칭인 형상을 가질 수 있다.
제1 각도(
Figure 112019079276577-pat00005
) 및 제2 각도(
Figure 112019079276577-pat00006
)의 합은 90도가 될 수 있다.
제1 각도(
Figure 112019079276577-pat00007
)의 크기는 제2 각도(
Figure 112019079276577-pat00008
)의 크기보다 클 수 있다. 이에 따라, 수신 미러(230)는 대상체로부터 반사되는 레이저 빔을 상방으로 안내할 수 있다.
제1 반사 영역(231)의 일 단 및 제2 반사 영역(232)의 일 단은 x축과 평행한 가상의 선에 놓일 수 있다. 상기 가상의 선을 기준으로, 제1 방향에는 제1 반사 영역(231)이 위치하고, 상기 제1 방향과 반대 방향인 제2 방향에는 제2 반사 영역(232)이 위치할 수 있다.
이는 대상체로부터 반사되는 레이저 빔이 x축과 평행하게 수신 미러(230)로 입사된다고 가정할 때, 제1 반사 영역(231)의 길이가 도 3에서보다 더 커지면, 제2 반사 영역(232)으로부터 레이저 수신부(300)를 향해 비행하는 레이저 빔이 제1 반사 영역(231)에 의해 차단 또는 차폐될 수 있기 때문이다. 또는, 제2 반사 영역(232)의 길이가 도 3에서보다 더 커지면, 대상체로부터 제1 반사 영역(231)을 향해 비행하는 레이저 빔이 제2 반사 영역(232)에 의해 차단 또는 차폐될 수 있다.
제1 각도(
Figure 112019079276577-pat00009
)의 크기는 제2 각도(
Figure 112019079276577-pat00010
)의 크기보다 적어도 2배 이상 클 수 있다. 이는 대상체로부터 반사되는 레이저 빔의 획득량을 확보하기 위함일 수 있다.
제1 반사 영역(231) 및 제2 반사 영역(232)은 대상체로부터 반사되는 레이저 빔이 수신 미러(230)에 반사된 후 y축 방향을 따라 비행하도록 배치될 수 있다.
한편, 수신 미러(230)는 일 축을 따라 회전하며 대상체로부타 반사되는 레이저 빔을 획득할 수 있다. 예를 들어, 수신 미러(230)는 y 축을 기준으로 360도 회전할 수 있다.
수신 미러(230) 및 송신 미러(220)는 동일한 회전축을 따라 회전할 수 있다.
수신 미러(230)는 송신 미러(220)와 일체로 회전할 수 있다. 수신 미러(230)는 송신 미러(220)와 일체로 형성될 수 있다.
수신 미러(230)의 회전 방향은 라이다 장치(1000)의 시야 범위(FOV: Field Of View)와 관련 있을 수 있다. 예를 들어, 수신 미러(230)의 x축 기준 회전은 수직 FOV와 관련되고, 수신 미러(230)의 y축 기준 회전은 수평 FOV와 관련될 수 있다.
라이다 장치(1000)는 수신 미러(230)로부터 반사되는 레이저 빔을 레이저 수신부(300)로 안내하는 집광 렌즈(240)를 포함할 수 있다.
집광 렌즈(240)는 수신 미러(230)로부터 반사되는 레이저 빔을 획득할 수 있다. 집광 렌즈(240)는 상기 획득되는 레이저 빔을 레이저 수신부(300)로 안내할 수 있다. 예를 들어, 집광 렌즈(240)는 상기 획득되는 레이저 빔을 굴절시킴으로써 레이저 수신부(300)로 안내할 수 있다. 또는, 집광 렌즈(240)는 상기 획득되는 레이저 빔을 레이저 수신부(300)상의 하나의 지점으로 포커싱할 수 있다.
집광 렌즈(240)는 수신 미러(230) 및 레이저 수신부(300) 사이에 배치될 수 있다. 예를 들어, 집광 렌즈(240)는 수신 미러(230)의 회전축 상에 놓이되, 수신 미러(230) 및 레이저 수신부(300) 사이에 배치될 수 있다. 집광 렌즈(240)의 중심축은 수신 미러(230)의 회전축과 중첩하게 형성될 수 있다. 즉, 집광 렌즈(240)의 중심축은 수신 미러(230)의 회전축과 동일할 수 있다.
집광 렌즈(240)는 소정의 직경(d)을 가질 수 있다. 상기 직경(d)은 x축 방향에 따른 제2 반사 영역(232)의 길이에 대응될 수 있다. 상기 직경(d)은 x축 방향에 따른 제2 반사 영역(232)의 길이와 같거나 상기 길이보다 작을 수 있다.
라이다 장치(1000)는 집광 렌즈(240)에 의해 안내되는 레이저 빔을 획득하는 레이저 수신부(300)를 포함할 수 있다. 상술한 바와 같이, 레이저 수신부(300)는 상기 획득되는 레이저 빔을 감지할 수 있으며, 이에 대한 상세한 설명은 생략하도록 한다.
레이저 수신부(300)는 스캐닝부(200)를 기준으로 레이저 출력부(100)와 반대측에 위치할 수 있다.
레이저 출력부(100), 스캐닝부(200) 및 레이저 수신부(300)는 동일한 축상에 위치하도록 배치될 수 있다. 예를 들어, 스캐닝부(200)의 회전축은 레이저 수신부(300)의 중심축과 일치할 수 있다. 레이저 출력부(100)의 중심축은 스캐닝부(200)의 회전축과 일치할 수 있다.
레이저 출력부(100)로부터 출사되는 레이저 빔의 출사 방향은 스캐닝부(200)의 회전축과 평행할 수 있다. 상기 출사되는 레이저 빔은 스캐닝부(200)의 회전축을 따라 비행할 수 있다.
또는, 레이저 출력부(100)로부터 출사된 후 송신 미러(220)로 입사되는 레이저 빔의 출사 방향은 스캐닝부(200)의 회전축과 평행할 수 있다. 상기 입사되는 레이저 빔은 스캐닝부(200)의 회전축을 따라 비행할 수 있다.
도 4는 일 실시예에 따른 라이다 장치를 설명하기 위한 도면이다.
도 3에서 설명한 바와 같이, 라이다 장치(1000)는 레이저 출력부(100), 스캐닝부(200) 및 레이저 수신부(300)를 포함할 수 있으며, 스캐닝부(200)는 콜리메이터(210), 송신 미러(220), 수신 미러(230) 및 집광 렌즈(240)를 포함할 수 있다. 상기 각 구성들의 동작에 대한 설명은 도 3을 참조하도록 하고, 이에 대한 상세한 설명은 생략하도록 한다.
수신 미러(230)는 회전축(a)을 기준으로 회전할 수 있다.
레이저 출력부(100), 콜리메이터(210), 송신 미러(220), 수신 미러(230), 집광 렌즈(240) 및 레이저 수신부(300)는 상기 회전축(a) 상에 배치될 수 있다.
수신 미러(230)는 중심축(b)을 가질 수 있다. 제1 반사 영역(231) 및
제2 반사 영역(232)은 중심축(b)을 기준으로 서로 대칭일 수 있다.
수신 미러(230)는 상기 중심축(b)이 상기 회전축(a)과 경사지도록 배치될 수 있다. 중심축(b)은 회전축(a)으로부터 제3 각도(
Figure 112019079276577-pat00011
)만큼 경사지도록 배치될 수 있다. 예를 들어, 제3 각도(
Figure 112019079276577-pat00012
)는 45도가 될 수 있다.
수신 미러(230)는 소정의 무게 중심을 가질 수 있다. 회전축(a)은 상기 무게 중심을 지나지 않을 수 있다.
상기 회전축(a) 및 상기 중심축(b)의 교차점이 형성될 수 있다. 상기 교차점은 제1 반사 영역(231)의 일단 및 제2 반사 영역(232)의 일단을 연장하는 가상의 선 상에 위치할 수 있다.
도 5는 다른 일 실시예에 따른 라이다 장치를 설명하기 위한 도면이다.
도 5를 참조하면, 라이다 장치(1000)는 레이저 출력부(100), 스캐닝부(200) 및 레이저 수신부(300)를 포함할 수 있으며, 스캐닝부(200)는 콜리메이터(210), 송신 미러(220), 수신 미러(230) 및 집광 렌즈(240)를 포함할 수 있다.
라이다 장치(1000)는 도 3에 따른 라이다 장치와 유사하게 동작할 수 있다. 이하에서는 이에 대한 상세한 설명은 생략하고, 도 3에 따른 라이다 장치와 차별되는 점을 중심으로 설명한다.
레이저 출력부(100)는 x축 방향으로 레이저 빔을 출사할 수 있다.
라이다 장치(1000)는 레이저 출력부(100)로부터 출사되는 레이저 빔을 송신 미러(220)로 안내하는 가이드 미러(250)를 포함할 수 있다.
가이드 미러(250)는 x축 방향을 따라 출사되는 레이저 빔을 y축 방향으로 굴절시킬 수 있다. 이에 따라, 송신 미러(220)로 입사되는 레이저 빔은 y축 방향으로 비행할 수 있다.
가이드 미러(250)는 다양한 형태를 가질 수 있다. 예를 들어, 가이드 미러(250)는 평면 형태의 미러면을 포함할 수 있다.
가이드 미러(250)는 스캐닝부(200)의 회전축 상에 배치될 수 있다.
가이드 미러(250)는 레이저 출력부(100)로부터 출사되는 레이저 빔의 출광 경로 상에 배치될 수 있다. 여기서, 상기 출광 경로는 레이저 출력부(100)로부터 대상체(Ob)까지의 레이저 광 경로를 의미할 수 있다.
상기 출광 경로 상에는 가이드 미러(250)가 복수개 배치될 수 있다.
한편, 이상에서는 가이드 미러(250)가 상기 출광 경로상에 배치되는 것으로만 설명하였으나, 이에 한정되는 것은 아니며, 가이드 미러(250)는 수광 경로상에 배치될 수 있다. 여기서, 상기 수광 경로는 대상체(Ob)로부터 레이저 수신부(300)까지의 레이저 광 경로를 의미할 수 있다.
콜리메이터(210)는 레이저 출력부(100)로부터 출력된 레이저 빔으로부터 평행빔을 생성할 수 있다.
콜리메이터(210)는 상기 출력된 레이저 빔을 가이드 미러(250)로 안내할 수 있다.
콜리메이터(210)는 레이저 출력부(100)와 가이드 미러(250)사이에 배치될 수 있다.
도 6은 일 구현예에 따른 라이다 장치를 나타내는 사시도이며, 도 7은 일 구현예에 따른 라이다 장치를 나타내는 사시도이다.
도 6 및 도 7에 따른 라이다 장치는 도 3에 따른 라이다 장치와 유사하게 동작할 수 있다. 따라서, 상술한 설명들과 중복되는 부분에 대해서는 상세한 설명을 생략한다.
송신 미러(220) 및 수신 미러(230)는 일체로 결합되어 형성되며, 동일한 축을 기준으로 회전할 수 있다.
수신 미러(230)는 다양한 형상을 가질 수 있다. 예를 들어, 수신 미러(230)는 육면체 형상을 가질 수 있다. 또는, 수신 미러(230)는 원뿔대 형상을 가질 수 있다.
수신 미러(230)는 육면체 형상의 구조체를 포함할 수 있다. 상기 구조체는 내부가 빈 육면체 형상을 가질 수 있다. 다만, 이에 한정되는 것은 아니며 상기 구조체는 원뿔대, 원기둥과 같은 기타 다른 형상을 가질 수 있다.
상기 구조체는 적어도 하나 이상의 반사 영역 또는 반사 미러를 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 구조체의 내면에는 평판 형태의 반사 미러가 형성될 수 있다.
제1 반사 영역(231) 및 제2 반사 영역(232)은 상기 구조체의 내면의 적어도 일부에 형성될 수 있다. 제1 반사 영역(231)은 d축의 양의 방향에 위치할 수 있다. 제2 반사 영역(232)은 d축의 음의 방향에 위치할 수 있다. 상기 d축은 c축과 수직이며, c축은 수신 미러(230)의 중심축(b)과 일치할 수 있다.
제1 반사 영역(231) 및 제2 반사 영역(232)은 c축을 포함하되 d축과 수직인 가상의면을 기준으로 서로 대칭일 수 있다. 제1 반사 영역(231) 및 제2 반사 영역(232)은 서로 마주보도록 배치될 수 있다.
대상체(Ob)로부터 반사되는 레이저 빔은 상기 구조체의 내면에 적어도 2회 이상 반사된 후 레이저 수신부(300)에 의해 수집될 수 있다. 상기 반사되는 레이저 빔은 제1 반사 영역(231) 및 제2 반사 영역(232)에 차례로 반사될 수 있다.
대상체(Ob)로부터 반사되는 레이저 빔은 수신 미러(230)의 내부에서 적어도 2회 이상 그 비행 경로가 변경될 수 있다.
제1 반사 영역(231) 및 제2 반사 영역(232)에는 각각 반사 미러가 배치될 수 있다. 예를 들어, 제1 반사 영역(231)에는 제1 반사 미러가 배치되고, 제2 반사 영역(232)에는 제2 반사 미러가 배치될 수 있다.
상기 반사 미러는 다양한 형상을 가질 수 있다. 예를 들어, 상기 반사 미러는 도 6에 도시된 바와 같이 평판 형태의 형상을 가질 수 있으며, 도 7에 도시된 바와 같이 원판 형태의 형상을 가질 수 도 있으나, 그 외에도, 상기 반사 미러는 원형, 사각형 등 다양한 형상을 가질 수 있다.
상기 반사 미러의 크기는 집광 렌즈(240)의 크기와 관련 있을 수 있다. 상기 반사 미러의 크기는 집광 렌즈(240)의 크기와 비레할 수 있다. 이는, 집광 렌즈(240)의 크기를 모두 커버하기 위해서는 그에 대응되는 면적을 갖는 반사 미러가 필요하기 때문이다. 상기 반사 미러는 대상체(Ob)로부터 반사되는 레이저 빔을 최대한 많이 수신하여 집광 렌즈(240)로 전달할 수 있다.
도 8은 또 다른 일 실시예에 따른 라이다 장치를 설명하기 위한 도면이다.
도 8에 따른 라이다 장치는 도 3에 따른 라이다 장치와 유사하게 동작할 수 있다. 따라서, 상술한 설명들과 중복되는 부분에 대해서는 상세한 설명을 생략하고, 차별점을 중심으로 설명한다.
일 실시예에 따른 스캐닝부(200)는 필터 모듈(260)을 포함할 수 있다.
필터 모듈(260)은 광 신호의 일부 파장 대역의 성분을 차단할 수 있다. 예를 들어, 필터 모듈(260)은 905nm 파장을 제외한 그 주변 파장 대역의 성분을 차단할 수 있다. 여기서 차단이라 함은 필터 모듈(260)은 통과한 후 신호의 세기가 통과 전 신호의 세기에 비해 소정의 범위 이하로 감소되는 것을 의미할 수 있다.
필터 모듈(260)은 중심 파장을 가질 수 있다. 필터 모듈(260)을 통과한 후 광의 성분 중 상기 중심 파장 대역의 성분의 세기가 나머지 파장 대역의 성분의 세기보다 클 수 있다.
필터 모듈(260)은 일측으로부터 제공되는 레이저 빔을 획득할 수 있다. 필터 모듈(260)은 상기 획득되는 레이저 빔의 일부 파장 성분의 세기를 낮출 수 있다.
레이저 출력부(100)는 제1 광(L1)을 출력할 수 있다. 제1 광(L1)은 가우시안 형태의 스펙트럼 특성을 가질 수 있다. 예를 들어, 제1 광(L1)은 중심 파장이 905nm인 가우시안 형태의 스펙트럼 특성을 가질 수 있다.
제1 광(L1)은 송신 미러(220)에 반사된 후 대상체(Ob)에 조사될 수 있다.
수신 미러(230) 또는 필터 모듈(260)은 제2 광(L2)을 획득할 수 있다. 제2 광(L2)은 제1 광(L1)및 노이즈 광을 포함할 수 있다. 상기 노이즈 광은 제1 광(L1)이 라이다 장치(1000)의 하우징 또는 윈도우 내부에서 반사된 후 수신 미러(230)로 곧바로 입사하는 백 스캐터링(back-scattering)에 의한 광을 포함할 수 있다. 또는, 상기 노이즈 광은 제1 광(L1)과는 무관한 라이다 장치(1000) 외부의 광으로서, 햇빛 노이즈 등을 포함할 수 있다.
필터 모듈(260)은 적어도 1회 이상 제2 광(L2)을 필터링할 수 있다. 여기서, 상기 필터링은 광의 일부 파장 성분의 세기를 저감시키는 동작을 의미할 수 있으며, 이는 이하에서도 동일하게 적용될 수 있다.
예를 들어, 필터 모듈(260)은 획득되는 제2 광(L2)을 제3 광(L3)으로 변환할 수 있다. 제3 광(L3)은 제2 광(L2)에 비해 노이즈가 저감된 광일 수 있다. 제3 광(L3)은 제2 광(L2)에 비해 주파수 선택도 또는 파장 선택도가 클 수 있다. 제3 광(L3)의 반치전폭(FWHM: Full Width at Half Maximum)은 제2 광(L2)의 반치전폭에 비하여 작을 수 있다.
이에 따라, 레이저 수신부(300)가 획득하는 광의 파장 선택도가 증가하고, 라이다 장치의 측정 가능 거리가 증가할 수 있다.
필터 모듈(260)은 수신 미러(230) 외부로부터 제공되는 광뿐만 아니라 수신 미러(230) 내부로부터 제공되는 광을 필터링할 수 있다. 필터 모듈(260)은 수신 미러(230) 내부에서 반사되는 광을 필터링할 수 있다.
필터 모듈(260)은 제3 광(L3)을 제4 광(L4)으로 변환할 수 있다. 제 4광(L4)은 레이저 수신부(300)에서 획득될 수 있다. 제4 광(L4)은 제3 광(L3)에 비해 노이즈가 저감된 광일 수 있다. 제4 광(L4)은 제3 광(L3)에 비해 주파수 선택도 또는 파장 선택도가 클 수 있다. 제4 광(L4)의 반치전폭(FWHM: Full Width at Half Maximum)은 제3 광(L3)의 반치전폭에 비하여 작을 수 있다. 이에 따라, 레이저 수신부(300)가 획득하는 광의 파장 선택도가 증가하고, 라이다 장치의 측정 가능 거리가 증가할 수 있다.
한편, 필터 모듈(260)을 통해 광 필터링이 반드시 2회 수행되는 것은 아니며, 1회만 수행될 수 있다. 예를 들어, 필터 모듈(260)은 제2 광(L2)을 제3 광(L3)으로 변환하는 동작 및 제3 광(L3)을 제4 광(L4)으로 변환하는 동작을 택일적으로 수행할 수도 있다.
필터 모듈(260)은 상기 수광 경로 상에 수신 미러(230) 및 대상체(Ob) 사이에 배치될 수 있다. 예를 들어, 필터 모듈(260)은 수신 미러(230)에 배치될 수 있다. 필터 모듈(260)은 수신 미러(230)와 일체로 형성될 수 있다. 필터 모듈(260)은 수신 미러(230)의 일 단에 연결될 수 있다.
필터 모듈(260)은 다양한 형태를 가질 수 있다. 예를 들어, 필터 모듈(260)은 평판 형태의 필터면을 포함할 수 있다. 또는, 필터 모듈(260)은 복수의 필터면을 가질 수 있다.
필터 모듈(260)은 수신 미러(230)의 회전축과 경사지게 배치될 수 있다. 예를 들어, 필터 모듈(260)은 상기 회전축과 45도 경사지게 배치될 수 있다. 이에 따라, 대상체(Ob)로부터 반사되는 레이저 빔은 45도 각도로 필터 모듈(260)로 입사할 수 있다.
필터 모듈(260)은 수신 미러(230)의 중심축과 수직이 되도록 배치될 수 있다. 또는, 필터 모듈(260)은 송신 미러(220)로부터 반사되는 레이저 빔과 45도 경사지게 배치될 수 있다.
도 9은 필터 모듈에 따른 효과를 설명하기 위한 그래프이다. 보다 구체적으로, 도 9은 파장에 따른 정규화된 광의 세기를 나타내는 그래프이다.
제1 신호(s1)는 제1 반치전폭(w1)을 가지며, 제2 신호(s2)는 제2 반치전폭(w2)을 가지며, 제3 신호(s3)는 제3 반치전폭(w3)을 가질 수 있다. 제1 반치전폭(w1)은 제2 반치전폭(w2) 이상이며, 제2 반치전폭(w2)은 제3 반치전폭(w3) 이상일 수 있다.
제1 내지 제3 신호(s1, s2, s3)는 중심파장이 905nm일 수 있다.
제1 신호(s1)는 도 8의 제1 광(L1) 또는 제2 광(L2)에 대응될 수 있다. 제2 신호(s2)는 도 8의 제3 광(L3)에 대응될 수 있다. 제 3신호(s3)는 도 8의 제4 광(L4)에 대응될 수 있다.
상술한 바와 같이, 필터 모듈(260)을 통과함에 따라 광의 노이즈 성분이 저감될 수 있다. 예를 들어, 중심파장인 905nm 파장 주변의 노이즈 광들이 저감될 수 있다. 레이저 수신부(300)가 획득하는 광의 파장 선택도가 증가하며, 반치전폭이 감소할 수 있다. 이에 따라, 라이다 장치의 측정 가능 거리가 증가할 수 있다.
한편, 필터 모듈(260)의 중심 파장은 필터 모듈(260)로 입사하는 광의 입사각에 따라 달라질 수 있다.
도 10는 입사각에 따른 필터 모듈의 중심 파장 변화의 예시를 나타내는 그래프이다.
제1 그래프(g1)는 광이 상기 필터 모듈로 미리 정해진 각도로 입사할 때의 파장에 따른 상기 필터 모듈의 투과율을 나타낼 수 있다. 제2 그래프(g2)는 광이 상기 필터 모듈로 상기 미리 정해진 각도와 다른 각도로 입사할 때의 파장에 따른 상기 필터 모듈의 투과율을 나타낼 수 있다. 도 10와 같이, 상기 필터 모듈로 입사되는 광의 입사각도에 따라서, 상기 필터 모듈의 중심 파장이 달라질 수 있다.
예를 들어, 상기 미리 정해진 각도는 45도일 수 있다. 이 경우, 도 8의 라이다 장치를 참조하면, 광이 상기 필터 모듈을 2회 통과하더라도 모두 45도에 근접하게 상기 필터 모듈로 입사될 수 있다. 이에 따라, 상기 필터 모듈이 필터링 동작을 2회 수행하더라도 광 손실이 크게 발생하지 않는 효과가 있다.
반면에, 광이 상기 필터 모듈을 2회 통과할 때, 첫번째 입사각과 두번째 입사각이 상이한 경우, 광 손실이 발생할 수 있다.
한편, 상기 필터 모듈에 따라 노이즈 광이 제거되면 라이다 장치의 측정 가능 거리가 증가할 수 있다. 상술한 바와 같이 상기 레이저 수신부는 레이저 빔을 감지할 때, 광 신호를 전기 신호로 변환할 수 있다. 이 때, 상기 레이저 수신부는 미리 정해진 문턱값을 이용하여 상기 전기 신호로부터 엣지를 검출하며, 상기 검출된 엣지를 이용하여 레이저 수신 시점이 산출될 수 있다.
예를 들어, 상기 미리 정해진 문턱값이 감소함에 따라 크기가 작은 광 신호도 검출 가능하며 이에 따라 라이다 장치의 측정 가능 거리가 증가할 수 있다. 이는, 노이즈 광이 제거됨에 따라 가능할 수 있다.
상기 레이저 수신부는 상기 전기 신호의 크기를 증폭시킬 수 있다. 이 경우, 증폭비가 증가됨에 따라 크기가 작은 광 신호도 검출될 수 있다. 이에 따라, 라이다 장치의 측정 가능 거리가 증가할 수 있다. 상기 증폭비가 증가하더라도, 상기 필터 모듈의 필터링 동작에 따라 노이즈 광이 감소하므로, 노이즈 광이 레이저 빔으로 검출되는 것이 방지될 수 있다.
도 11은 일 구현예에 따른 라이다 장치를 나타내는 사시도이다.
라이다 장치(1000)는 하우징(500) 및 윈도우(600)를 포함할 수 있다.
하우징(500)은 상술한 라이다 장치의 구성들을 외부 충격으로부터 보호할 수 있다.
하우징(500)은 다양한 형상을 가질 수 있다. 예를 들어, 하우징(500)은 육면체 형상을 가질 수 있다. 다만, 이에 한정되는 것은 아니며 그 외 기타 다양한 형상을 가질 수 있다.
상술한 레이저 출력부, 스캐닝부, 레이저 수신부, 제어부 등의 구성들은 하우징(500)내부에 구비될 수 있다.
라이다 장치(1000)는 하우징(500)과 결합되는 윈도우(600)를 포함할 수 있다.
윈도우(600)는 먼지나 이물질과 같은 외부 오염물이 라이다 장치(1000) 내부로 유입되는 것을 방지할 수 있다.
윈도우(600)는 다양한 형상으로 제공될 수 있으며, 곡면을 포함할 수 있다.
상기 레이저 출력부로부터 출력된 레이저 빔은 윈도우(600)를 통과한 후 대상체로 조사될 수 있다. 상기 대상체로부터 반사되는 레이저 빔은 윈도우(600)를 통과한 후 레이저 상기 수신 미러에 의해 획득될 수 있다.
이를 위해, 윈도우(600)은 투명한 물질로 구성될 수 있다.
윈도우(600)는 특정 파장 대역의 광의 세기를 저감시키는 필터를 포함할 수 있다. 예를 들어, 윈도우(600)는 가시광선 대역의 광의 세기를 저감시키는 필터를 포함할 수 있다. 상기 필터는 윈도우(600)에 코팅되는 코팅 부재가 될 수 있다.
상기에서는 본 발명에 따른 실시예를 기준으로 본 발명의 구성과 특징을 설명하였으나 본 발명은 이에 한정되지 않으며, 본 발명의 사상과 범위 내에서 다양하게 변경 또는 변형할 수 있음은 본 발명이 속하는 기술분야의 당업자에게 명백한 것이며, 따라서 이와 같은 변경 또는 변형은 첨부된 특허청구범위에 속함을 밝혀둔다.
1000: 라이다 장치
100: 레이저 출력부
200: 스캐닝부
210: 콜리메이터
220: 송신 미러
230: 수신 미러
231: 제1 반사 영역
232: 제2 반사 영역
240: 집광 렌즈
250: 가이드 미러
260: 필터 모듈
300: 레이저 수신부
400: 제어부
500: 하우징
600: 윈도우

Claims (14)

  1. 레이저 빔을 출력하는 레이저 출력부;
    회전축을 따라 회전하면서 상기 레이저 출력부로부터 출력된 레이저 빔을 대상체를 향해 반사하는 스캐닝부; 및
    상기 대상체로부터 반사되는 레이저 빔을 상기 스캐닝부를 통해 수신하는 레이저 수신부;를 포함하고,
    상기 스캐닝부는,
    상기 레이저 출력부로부터 출력된 레이저 빔을 대상체를 향해 반사하는 송신 미러, 및
    상기 대상체로부터 반사된 레이저 빔을 획득하되, 획득된 레이저 빔의 수광 경로를 그 내부에서 변경시켜 상기 레이저 수신부를 향해 반사하는 수신 미러를 포함하고,
    상기 수신 미러는 제1 반사 영역 및 제2 반사 영역을 포함하고,
    상기 제1 반사 영역은 상기 대상체로부터 반사된 레이저 빔을 수광하고, 상기 수광된 레이저 빔의 비행 경로를 변경하고,
    상기 제2 반사 영역은 상기 제1 반사 영역으로부터 레이저 빔을 수광하고, 상기 레이저 수신부를 향해 상기 수광된 레이저 빔을 반사하며,
    상기 제1 반사 영역과 상기 제2 반사 영역은 상기 수신 미러의 중심축을 기준으로 대칭되는
    라이다 장치.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 송신 미러는 회전축을 기준으로 360도 회전하는
    라이다 장치.
  3. 제2 항에 있어서,
    상기 수신 미러는 상기 송신 미러와 일체로 형성되는
    라이다 장치.
  4. 제2 항에 있어서,
    상기 수신 미러로부터 반사되는 레이저 빔을 상기 레이저 수신부로 안내하는 집광 렌즈를 더 포함하고,
    상기 집광 렌즈의 중심축은 상기 회전축과 일치하는
    라이다 장치.
  5. 제2 항에 있어서,
    상기 레이저 수신부는 상기 회전축상에 배치되는
    라이다 장치.
  6. 제1 항에 있어서,
    상기 제1 반사 영역은, 상기 레이저 출력부로부터 출력된 후 상기 송신 미러로 입사되는 레이저 빔으로부터 연장되는 가상의 선과 수직인 가상면과 제1 각도를 이루도록 배치되고,
    상기 제2 반사 영역은, 상기 가상면과 제2 각도를 이루도록 배치되고,
    상기 제1 각도 및 상기 제2 각도의 합은 90도인
    라이다 장치.
  7. 제6 항에 있어서,
    상기 제1 각도는 적어도 상기 제2 각도의 두배보다 큰 것을 특징으로 하는
    라이다 장치.
  8. 제2 항에 있어서,
    상기 수신 미러의 중심축은 상기 회전축과 45도 경사진 것을 특징으로 하는
    라이다 장치.
  9. 삭제
  10. 레이저 빔을 출력하는 레이저 출력부;
    회전축을 따라 회전하면서 상기 레이저 출력부로부터 출력된 레이저 빔을 대상체를 향해 반사하는 스캐닝부; 및
    상기 대상체로부터 반사되는 레이저 빔을 상기 스캐닝부를 통해 수신하는 레이저 수신부;를 포함하고,
    상기 스캐닝부는, 상기 레이저 출력부로부터 출력된 레이저 빔을 대상체를 향해 반사하는 송신 미러, 상기 대상체로부터 반사된 레이저 빔을 획득하되 획득된 레이저 빔의 수광 경로를 그 내부에서 변경시켜 상기 레이저 수신부를 향해 반사하는 수신 미러, 및 상기 수신 미러와 결합되어 상기 대상체로부터 반사된 레이저 빔의 일부 파장 성분을 필터링하는 필터 모듈을 포함하고,
    상기 수신 미러는 상기 대상체로부터 반사된 레이저 빔을 수광하고, 상기 수광된 레이저 빔의 비행 경로를 변경하는 제1 반사 영역, 및
    상기 제1 반사 영역으로부터 레이저 빔을 수광하고, 상기 레이저 수신부를 향해 상기 수광된 레이저 빔을 반사는 제2 반사 영역을 포함하는
    라이다 장치.
  11. 제10 항에 있어서,
    상기 필터 모듈은 상기 수신 미러로 입사되거나 상기 수신 미러로부터 출사되는 레이저 빔의 일부 파장 성분을 필터링하는
    라이다 장치.
  12. 제10 항에 있어서,
    상기 필터 모듈은 상기 수신 미러의 중심축과 수직을 이루도록 배치되는
    라이다 장치.
  13. 제12 항에 있어서,
    상기 필터 모듈은 45도로 입사되는 레이저 빔에 대하여, 905nm 를 중심파장으로 하는 투과 대역을 가지는
    라이다 장치.
  14. 제10 항에 있어서,
    상기 레이저 출력부로부터 출력된 레이저 빔의 반치전폭(FWHM)은 상기 레이저 수신부가 획득하는 레이저 빔의 반치전폭보다 큰
    라이다 장치.
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