KR102363318B1 - Miniaturized Lidar Optical System - Google Patents

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KR102363318B1
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Abstract

실시예에 따른 무회전 360도 라이다 광학 시스템 및 라이다 광학 시스템의 무회전 360도 스캐닝 방법은 레이저 장치 자체의 회전이 아닌, 반사면을 갖는 4면 입방체로 구성된 스캐닝 기구인 비구면 반사체를 회전시켜 360도 주변을 스캐닝 한다. 이로써, 라이다 광학 시스템에 동력을 공급하지 않더라도 비구면 반사체 및 빔스플리터에 의한 반사광에 의해 360도 주변 모두를 스캐닝 할 수 있다.The non-rotational 360-degree lidar optical system and the non-rotational 360-degree scanning method of the lidar optical system according to the embodiment rotate the aspherical reflector, which is a scanning mechanism composed of a four-sided cube having a reflective surface, rather than rotating the laser device itself. It scans around 360 degrees. Accordingly, it is possible to scan all around 360 degrees by the light reflected by the aspherical reflector and the beam splitter even without powering the lidar optical system.

Description

소형화 라이다 광학 시스템 {Miniaturized Lidar Optical System}Miniaturized Lidar Optical System

무회전 360도 라이다 광학 시스템 및 라이다 광학 시스템의 무회전 360도 스캐닝 방법에 관한 것으로 구체적으로, 광학 시스템 레이저 장치 자체의 회전 없이도 반사체를 회전시켜 360도로 주변을 스캐닝 하는 무회전 360도 라이다 광학 시스템에 관한 것이다. It relates to a non-rotational 360-degree lidar optical system and a non-rotational 360-degree scanning method of the lidar optical system. Specifically, a non-rotational 360-degree lidar that rotates a reflector without rotating the optical system laser device itself to scan the surroundings by 360 degrees It relates to optical systems.

본 명세서에서 달리 표시되지 않는 한, 이 섹션에 설명되는 내용들은 이 출원의 청구항들에 대한 종래 기술이 아니며, 이 섹션에 포함된다고 하여 종래 기술이라고 인정되는 것은 아니다.Unless otherwise indicated herein, the material described in this section is not prior art to the claims of this application, and inclusion in this section is not an admission that it is prior art.

라이다(Lidar)는 레이저 펄스를 발사하고, 그 빛이 주위의 대상 물체에서 반사되어 돌아오는 것을 받아 물체까지의 거리 등을 측정함으로써 주변의 모습을 정밀하게 그려내는 장치이다. 라이다는 대상 물체까지의 거리뿐만 아니라 움직이는 속도와 방향, 온도, 주변의 대기 물질 분석 및 농도 측정 등에 쓰인다. 자외선, 가시광선, 근적외선 등을 사용하여 금속성인 아닌 바위나 구름, 빗방울, 에어로졸 등을 감지할 수 있어서 기상 관측에 이용되고, 지형을 정밀하게 그려내거나, 비행체의 착륙 유도나 자율 주행차의 주변 인식 장치로 사용되며, 분자마다 잘 산란시키는 빛의 파장이 다른 현상을 이용하여 공기 중에 섞여 있는 기체의 화학적 조성을 알아내는데 쓰이기도 한다.Lidar is a device that precisely draws out the surroundings by emitting a laser pulse, receiving the light reflected from the surrounding target object, and measuring the distance to the object. LiDAR is used for not only the distance to the target, but also the speed and direction of movement, temperature, and analysis and concentration of surrounding atmospheric substances. It can detect non-metallic rocks, clouds, raindrops, aerosols, etc. using ultraviolet, visible light, and near-infrared rays, so it can be used for weather observation, to accurately draw terrain, to guide the landing of an aircraft, or to recognize the surroundings of an autonomous vehicle. It is used as a device and is also used to find out the chemical composition of a gas mixed in the air by using the phenomenon that the wavelength of light that scatters well for each molecule is different.

최근 들어 라이다는 3차원 영상을 구현하기 위해 필요한 정보를 습득하는 센서의 핵심 기술로 등장하였다. 라이다를 항공기에 장착하고 비행하면서 레이저 펄스를 지표면에 발사해서 돌아오는 시간을 측정함으로써 반사 지점의 공간 위치를 분석하여 지형을 측량하면, 구조물에 따라 반사되어 돌아오는 시간이 다르므로 이로부터 광학영상으로는 얻기 어려운 3차원 모델을 얻을 수 있다. 또한, 지상 라이다는 여기에 GPS로 얻은 위치 좌표를 결합하여 정밀한 데이터를 얻기도 한다.Recently, lidar has emerged as a core technology of a sensor that acquires information necessary to implement a three-dimensional image. If the topography is surveyed by analyzing the spatial location of the reflection point by measuring the return time by firing laser pulses on the ground while flying with the lidar mounted on the aircraft, the reflection and return time varies depending on the structure, so the optical image is obtained from this. It is possible to obtain a 3D model that is difficult to obtain with In addition, the ground lidar can obtain precise data by combining the position coordinates obtained by GPS with this.

3차원 모델 획득을 위해 라이다 시스템은 스캐너와 수신장치를 포함하여 구성되는 것이 일반적이다. 스캐너는 주위를 재빠르게 훑어서 정보를 얻도록 하는 부분이고, 스캔을 위해 여러 가지 형태의 거울들이 응용되고 있다. 수신기는 돌아오는 빛을 감지하는 부분으로, 수신기가 가지는 빛에 대한 민감도는 라이다의 성능을 좌우하는 주요한 요인이다. 근본적으로 수신기는 광자를 감지하여 이를 증폭하는 역할을 한다. 위치 확인 시스템은 3차원 영상을 구현하기 위해서 수신기가 놓여 있는 위치 좌표와 방향을 확인하는 부분이다.In order to obtain a 3D model, it is common for a lidar system to include a scanner and a receiver. The scanner is a part that allows you to quickly scan the surroundings to obtain information, and various types of mirrors are used for scanning. The receiver is a part that detects the returning light, and the sensitivity of the receiver to the light is a major factor influencing the performance of the lidar. Essentially, the receiver detects photons and amplifies them. The positioning system is a part that confirms the position coordinates and direction where the receiver is placed in order to implement a 3D image.

종래 라이다 시스템은 360도 주변 스캔을 위해 라이다를 방사하는 스캐너의 회전 등 동적 움직임이 필요로 한다. 하지만 레이저 방사 장치 자체를 회전시킬 경우, 큰 회전 동력이 필요하기 때문에 모터 등 동력을 공급하는 구성에 의해 라이다 시스템의 집적 효율이 떨어지는 문제가 있다. The conventional lidar system requires dynamic movement such as rotation of a scanner that emits lidar for 360-degree peripheral scanning. However, when the laser radiation device itself is rotated, since a large rotational power is required, there is a problem in that the integration efficiency of the lidar system is lowered by the configuration that supplies power such as a motor.

1. 한국 특허공개공보 10-2019-0083145호(2019.07.11)1. Korean Patent Publication No. 10-2019-0083145 (2019.07.11)

실시예에 따른 무회전 360도 라이다 광학 시스템 및 라이다 광학 시스템의 무회전 360도 스캐닝 방법은 레이저 장치 자체의 회전이 아닌, 반사면을 갖는 4면 입방체로 구성된 스캐닝 기구인 비구면 반사체를 회전시켜 360도 주변을 스캐닝 한다. 이로써, 라이다 광학 시스템에 동력을 공급하지 않더라도 비구면 반사체 및 빔스플리터에 의한 반사광에 의해 360도 주변 모두를 스캐닝 할 수 있다.The non-rotational 360-degree lidar optical system and the non-rotational 360-degree scanning method of the lidar optical system according to the embodiment rotate the aspherical reflector, which is a scanning mechanism composed of a four-sided cube having a reflective surface, rather than rotating the laser device itself. It scans around 360 degrees. Accordingly, it is possible to scan all around 360 degrees by the light reflected by the aspherical reflector and the beam splitter even without powering the lidar optical system.

실시예에 따른 무회전 360도 라이다 광학 시스템은 3차원 환경 스캐닝을 위해 레이저를 방사하는 VCSEL(Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser); 회전장치와 연결되고 VCSEL로부터 방사된 레이저를 반사하는 비구면 반사체; 비구면 반사체로부터 반사된 반사광을 수집하는 빔스플리터(Beam Splitter); 빔스플리터에서 반사된 반사광을 수신하는 광수신부; 를 포함하고 비구면 반사체, 빔스플리터 및 VCSEL은 비구면 반사체의 중심축인 광축을 기준으로 정렬된다.A non-rotating 360-degree lidar optical system according to an embodiment includes: a Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser (VCSEL) emitting a laser for scanning a three-dimensional environment; an aspherical reflector connected to the rotating device and reflecting the laser emitted from the VCSEL; a beam splitter for collecting reflected light reflected from an aspherical reflector; a light receiving unit for receiving the reflected light reflected from the beam splitter; and the aspherical reflector, the beam splitter, and the VCSEL are aligned with respect to the optical axis, which is the central axis of the aspherical reflector.

다른 실시예에 따른 VCSEL, 비구면 반사체, 빔스플리터, 광수신부를 포함하는 라이다 광학 시스템의 무회전 360도 스캐닝 방법은 (A) VCSEL(Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser)에서 3차원 환경 스캐닝을 위해 레이저를 방사하는 단계; (B) 회전장치와 연결된 비구면 반사체에서 VCSEL로부터 방사된 레이저를 반사하는 단계; (C) 빔스플리터(Beam Splitter)에서 비구면 반사체로부터 반사된 반사광을 수집하는 단계; (D) 광수신부에서 빔스플리터에서 반사된 반사광을 수신하는 단계; 를 포함하고, 비구면 반사체, 빔스플리터 및 VCSEL은 비구면 반사체의 중심축인 광축을 기준으로 정렬된다.A non-rotational 360-degree scanning method of a lidar optical system including a VCSEL, an aspherical reflector, a beam splitter, and a light receiver according to another embodiment (A) For three-dimensional environment scanning in a VCSEL (Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser) radiating a laser; (B) reflecting the laser emitted from the VCSEL in the aspherical reflector connected to the rotating device; (C) collecting the reflected light reflected from the aspherical reflector in the beam splitter (Beam Splitter); (D) receiving the reflected light reflected from the beam splitter in the light receiving unit; including, the aspherical reflector, the beam splitter, and the VCSEL are aligned with respect to an optical axis that is a central axis of the aspherical reflector.

이상에서와 같은 무회전 360도 라이다 광학 시스템 및 라이다 광학 시스템의 무회전 360도 스캐닝 방법은 레이저 장치 자체의 회전이 필요 없으므로 시스템 내에 동력을 공급하는 기술구성 없이도 주변 스캐닝이 가능하여, 스캐닝 속도를 향상시키고, 라이다 광학 시스템의 회로 집적 효율을 향상시킬 수 있다. 또한, 실시예에 따른 스캐닝 기구인 비구면 반사체를 보다 적은 힘으로 빠른 속도로 회전 시킬 수 있기 때문에 반사체의 회전 횟수와 스캐닝 횟수를 늘림으로써, 주변 물체의 움직임 변화를 단시간에 더욱 정밀하게 파악할 수 있다.The non-rotational 360-degree lidar optical system and the non-rotational 360-degree scanning method of the lidar optical system as described above do not require rotation of the laser device itself, so peripheral scanning is possible without a technical configuration that supplies power to the system, and the scanning speed and improve the circuit integration efficiency of the lidar optical system. In addition, since the aspherical reflector, which is the scanning mechanism according to the embodiment, can be rotated at a high speed with less force, by increasing the number of rotations and scanning of the reflector, it is possible to more precisely grasp the change in movement of the surrounding object in a short time.

또한, 라이다 광학 시스템의 소형화가 가능하여, 크기가 작은 로봇이나 소형장비에 적용할 수 있다.In addition, since the lidar optical system can be miniaturized, it can be applied to a small robot or small equipment.

본 발명의 효과는 상기한 효과로 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 상세한 설명 또는 특허청구범위에 기재된 발명의 구성으로부터 추론 가능한 모든 효과를 포함하는 것으로 이해되어야 한다.It should be understood that the effects of the present invention are not limited to the above-described effects, and include all effects that can be inferred from the configuration of the invention described in the detailed description or claims of the present invention.

도 1은 실시예에 따른 무회전 360도 라이다 광학 시스템을 나타낸 도면
도 2는 실시예에 따른 무회전 360도 라이다 광학 시스템의 입사광, 반사광 및 시스템 구성을 보다 자세히 설명하기 위한 도면
도 3은 실시예에 따른 무회전 360도 라이다 광학 시스템의 구성요소를 나타낸 도면
도 4는 실시예에 따른 VCSEL의 추가 구성을 나타낸 도면
도 5는 실시예에 따른 라이다 광학 시스템의 무회전 360도 스캐닝 방법의 데이터 처리 흐름을 나타낸 도면
도 6은 실시예에 따른 무회전 360도 라이다 광학 시스템의 이용 예를 나타낸 도면
1 is a view showing a non-rotating 360 degree lidar optical system according to an embodiment;
2 is a view for explaining in more detail the incident light, reflected light, and the system configuration of the non-rotation 360 degree lidar optical system according to the embodiment;
3 is a view showing components of a non-rotating 360 degree lidar optical system according to an embodiment;
4 is a diagram showing an additional configuration of a VCSEL according to an embodiment;
5 is a diagram illustrating a data processing flow of a 360-degree non-rotational scanning method of a lidar optical system according to an embodiment;
6 is a view showing an example of use of a non-rotating 360 degree lidar optical system according to an embodiment

본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시 예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시 예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시 예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 도면부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.Advantages and features of the present invention, and a method for achieving them will become apparent with reference to the embodiments described below in detail in conjunction with the accompanying drawings. However, the present invention is not limited to the embodiments disclosed below, but may be implemented in various different forms, and only these embodiments allow the disclosure of the present invention to be complete, and common knowledge in the technical field to which the present invention belongs It is provided to fully inform the possessor of the scope of the invention, and the present invention is only defined by the scope of the claims. Like reference numerals refer to like elements throughout.

본 발명의 실시 예들을 설명함에 있어서 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다. 그리고 후술되는 용어들은 본 발명의 실시 예에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.In describing the embodiments of the present invention, if it is determined that a detailed description of a well-known function or configuration may unnecessarily obscure the gist of the present invention, the detailed description thereof will be omitted. In addition, the terms to be described later are terms defined in consideration of functions in an embodiment of the present invention, which may vary according to intentions or customs of users and operators. Therefore, the definition should be made based on the content throughout this specification.

도 1은 실시예에 따른 무회전 360도 라이다 광학 시스템을 나타낸 도면이다.1 is a view showing a non-rotating 360 degree lidar optical system according to an embodiment.

도 1을 참조하면, 실시예에 따른 무회전 360도 라이다 광학 시스템은 VCSEL(Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser)(100), 비구면 반사체(600), 빔스플리터(300), 광수신부(500) 및 정렬감지센서(61,62,63,64)를 포함하여 구성될 수 있다.Referring to FIG. 1 , a non-rotational 360-degree lidar optical system according to an embodiment includes a Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser (VCSEL) 100 , an aspherical reflector 600 , a beam splitter 300 , and a light receiver 500 . and alignment detection sensors 61 , 62 , 63 and 64 may be configured.

VCSEL(Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser)(100)은 3차원 환경 스캐닝을 위해 레이저(조사광)를 방사한다. 실시예에서 VCSEL(100)은 상부 표면에 수직한 방향으로 레이저를 방출하는 반도체 레이저 다이오드의 일종이다.The VCSEL (Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser) 100 emits a laser (irradiation light) for 3D environment scanning. In an embodiment, the VCSEL 100 is a kind of semiconductor laser diode that emits a laser in a direction perpendicular to the upper surface.

비구면 반사체(600)는 비구면 반사체의 반사면(60a-1)을 회전시키는 회전장치(610) 연결되고 VCSEL(100)로부터 방사된 레이저를 반사한다.The aspherical reflector 600 is connected to a rotating device 610 that rotates the reflective surface 60a-1 of the aspherical reflector and reflects the laser emitted from the VCSEL 100 .

실시예에서 비구면 반사체(600)의 좌우측 반사면에는 비구면 반사체와 VCSEL의 정렬을 파악하는 정렬감지센서(61,62,63,64)가 설치될 수 있다. 예컨대, 정렬감지센서(61,62,63,64)는 비구면 반사체(600) 반사면(61a-1)의 좌측과 우측에 각각 설치되어 센서의 온오프 관계 또는 레이저가 입사하는 반사면의 위치와 각 센서로의 레이저 입사량을 파악하여 VCSEL(100)과 비구면 반사체(600)의 정렬관계를 산출할 수 있다.Alignment detection sensors 61, 62, 63, and 64 for detecting alignment of the aspherical reflector and the VCSEL may be installed on the left and right reflective surfaces of the aspherical reflector 600 in the embodiment. For example, the alignment detection sensors 61, 62, 63, and 64 are installed on the left and right sides of the reflective surface 61a-1 of the aspherical reflector 600, respectively, in relation to the on-off relationship of the sensor or the position of the reflective surface on which the laser is incident. The alignment relationship between the VCSEL 100 and the aspherical reflector 600 may be calculated by determining the amount of laser incident to each sensor.

구체적으로, VCSEL(100)과 비구면 반사체(600)의 정렬이 완전한 경우, 실시예에서는 좌측 정렬감지센서(61,63) 사이의 중심 및 우측 정렬감지 센서(62,64) 사이의 중심으로 VCSEL(100)에서 출력된 레이저가 입사하여, 좌측 정렬감지 센서(61,63)과 우측 정렬감지센서(62,64)가 모두 오프 상태를 나타낸다.Specifically, when the alignment of the VCSEL 100 and the aspherical reflector 600 is perfect, in the embodiment, the center between the left alignment detection sensors 61 and 63 and the center between the right alignment detection sensors 62 and 64 VCSEL ( The laser output from 100) is incident, and both the left alignment detection sensors 61 and 63 and the right alignment detection sensors 62 and 64 show an off state.

만일, VCSEL(100)와 비구면 반사체(600)의 정렬이 흐트러져 비구면 반사체가 좌측으로 편향된 경우, 비구면 반사체 좌측 정렬감지 센서(61,63) 중 좌측에 위치한 정렬감지센서(61)는 온상태가 되고, 좌측 정렬감지 센서(61, 63)중 우측에 위치한 정렬감지 센서(63)는 오프상태가 된다. 실시예에서는 비구면 반사체의 동일한 측면에 설치된 센서의 온오프 상태가 다르거나, 센서에서 감지된 레이저 입사 량이 정렬상태의 입사 량과 다른 경우, 비구면 반사체(600)와 VCSEL의 정렬관계가 어긋난 것으로 판단하고, 정렬감지 센서(61,62,63,64) 각각에 입사된 레이저 광량에 따라 정렬이 어긋난 방향과 정도를 파악할 수 있다. If the alignment of the VCSEL 100 and the aspherical reflector 600 is disturbed and the aspherical reflector is deflected to the left, the left alignment sensor 61 located on the left of the aspherical reflector left alignment detecting sensors 61 and 63 is turned on , the left alignment detection sensor (63) located on the right of the left alignment detection sensors (61, 63) is turned off. In the embodiment, when the on-off state of the sensor installed on the same side of the aspherical reflector is different, or the laser incident amount detected by the sensor is different from the incident amount in the alignment state, it is determined that the alignment relationship between the aspherical reflector 600 and the VCSEL is out of alignment, , it is possible to determine the direction and degree of the misalignment according to the amount of laser light incident on each of the alignment detection sensors 61, 62, 63, and 64.

또한, VCSEL(100)과 비구면 반사체(600)의 정렬이 흐트러져 비구면 반사체가 우측으로 편향된 경우, 비구면 반사체 우측 정렬감지 센서(62,64) 중 보다 우측에 위치한 정렬감지센서(62)는 온상태가 되고, 우측 정렬감지 센서(62, 64)중 좌측에 위치한 정렬감지 센서(64)는 오프상태가 된다. 실시예에서는 비구면 반사체의 동일한 측면에 설치된 센서의 온오프 상태가 다르거나, 센서에서 감지된 레이저 입사 량이 완전한 정렬상태의 입사 량과 다른 경우, 비구면 반사체(600)와 VCSEL의 정렬관계가 어긋난 것으로 판단하고, 정렬감지 센서(61,62,63,64) 각각에 입사된 레이저 광량에 따라 정렬이 어긋난 방향과 정도를 파악하고 이를 알릴 수 있도록 한다.
빔스플리터(Beam Splitter)(300)에는 비구면 반사체(600)로부터 반사된 반사광이 유입되도록 배치된다. 빔스플리터(300)는 입사 광선속을 입사면과 반사면으로 진입시키는 장치로서, 광학 소자, 간섭계 등에 쓰인다. 실시예에서 빔스플리터(300)는 입사면과 반사면을 포함하고, 반투명 거울로 구성될 수 있다.
빔스플리터(300)는 비구면 반사체(600)로부터 유입되는 반사광을 광수신부(500)로 진행되도록 반사한다.
In addition, when the alignment of the VCSEL 100 and the aspherical reflector 600 is disturbed and the aspherical reflector is deflected to the right, the alignment detecting sensor 62 located on the right side of the aspherical reflector right alignment detecting sensors 62 and 64 is turned on. and the left alignment detection sensor 64 among the right alignment detection sensors 62 and 64 is turned off. In the embodiment, when the on-off state of the sensor installed on the same side of the aspherical reflector is different, or the laser incident amount detected by the sensor is different from the incident amount in the perfect alignment state, it is determined that the alignment relationship between the aspherical reflector 600 and the VCSEL is out of alignment And, according to the amount of laser light incident on each of the alignment detection sensors 61, 62, 63, 64, the direction and degree of misalignment can be identified and notified.
The beam splitter 300 is disposed so that the reflected light reflected from the aspherical reflector 600 is introduced. The beam splitter 300 is a device for entering an incident light beam into an incident surface and a reflective surface, and is used for an optical element, an interferometer, and the like. In the embodiment, the beam splitter 300 includes an incident surface and a reflective surface, and may be configured as a semi-transparent mirror.
The beam splitter 300 reflects the reflected light introduced from the aspherical reflector 600 to proceed to the light receiver 500 .

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광수신부(500)는 빔스플리터에서 반사된 반사광을 수신한다.The light receiver 500 receives the reflected light reflected from the beam splitter.

도 2는 실시예에 따른 무회전 360도 라이다 광학 시스템의 입사광, 반사광 및 시스템 구성을 보다 자세히 설명하기 위한 도면이다.2 is a view for explaining in more detail incident light, reflected light, and system configuration of the non-rotational 360 degree lidar optical system according to the embodiment.

도 2에 도시된 바와 같이, 실시예에 따른 무회전 360도 라이다 광학 시스템의 비구면 반사체(600), 빔스플리터(300) 및 VCSEL(100)은 비구면 반사체의 중심축인 광축(c)으로 정렬되어 무회전 360도 라이다 광학 시스템을 구성한다. As shown in FIG. 2, the aspherical reflector 600, the beam splitter 300, and the VCSEL 100 of the non-rotational 360 degree lidar optical system according to the embodiment are aligned with the optical axis c, which is the central axis of the aspherical reflector. It forms a non-rotating 360 degree lidar optical system.

도 2의 (a)는 실시예에 따른 무회전 360도 라이다 광학 시스템이 설치 완료된 것을 나타낸 도면이고, 도 2의 (b)는 (a)에 도시된 무회전 360도 라이다 광학 시스템을 내부를 확대한 도면이다.Figure 2 (a) is a view showing that the non-rotation 360 degree lidar optical system according to the embodiment is installed, (b) is a non-rotation 360 degree lidar optical system shown in (a) inside is an enlarged view of

도 2의 (a)를 참조하면, 실제 설치된 무회전 360도 라이다 광학 시스템은 연결장치(610), 반사체 부분(W1), 수신부분(W2)으로 구성될 수 있다. 반사체 부분(W1)은 화살표 방향으로 회전하는 비구면 반사체에 의한 조사광을 주변 객체로 방출하고 주변객체에서 반사된 반사광을 수집한다. 수신부분(W2)은 빔스플리터, VCSEL 및 광수신부를 포함하는 부분으로 빔스플리터에 의해 반사된 반사광을 광수신부에서 수집하여 360도 주변 환경을 파악할 수 있도록 한다.Referring to (a) of Figure 2, the actually installed non-rotation 360 degree lidar optical system may be composed of a connecting device 610, a reflector portion (W1), and a receiving portion (W2). The reflector portion W1 emits the irradiated light by the aspherical reflector rotating in the direction of the arrow to the surrounding object and collects the reflected light reflected from the surrounding object. The receiving part W2 is a part including a beam splitter, a VCSEL, and an optical receiver, and collects the reflected light reflected by the beam splitter in the optical receiver so that a 360-degree surrounding environment can be grasped.

이하 도 2의 (b)를 이용하여 광원의 경로를 보다 자세히 설명하도록 한다.Hereinafter, the path of the light source will be described in more detail with reference to FIG. 2B.

실시예에 따른 광원인 VCSEL(100)에서 비구면 반사체(600)으로 레이저를 조사하면 비구면 반사체는 회전하며 조사된 레이저를 통해 주변을 스캔하고, 스캐닝 된 주변 객체에 의해 반사된 반사광(물체광)은 빔스플리터로 들어간다. 빔스플리터의 반사면은 주변 객체에 의해 반사된 반사광을 다시 반사시켜 빔스플리터의 반사면에 의해 반사된 반사광은 광수신부에서 수집된다.
도 2를 참조하면, 실시예에 따른 무회전 360도 라이다 광학 시스템; 은 비구면 반사체, 빔스플리터 및 VCSEL의 정렬 관계와 중심선을 확인하는 콜리메이션(collimation) 렌즈부(400)를 더 포함할 수 있다.
콜리메이션 렌즈부(400)는 집속 렌즈인 콜리메이션 렌즈 및 다수의 APD (Avalanche Photo Diode) 어레이로 구성될 수 있다. 실시예에서 콜리메이션 렌즈(400)는 빔스플리터(300)와 광수신부(500) 사이에 빔스플리터 각도로 정렬될 수 있다. 콜리메이션 렌즈(400)는 전자 방사된 전자선을 다시 시료 면에 모으기 위해 사용하는 전자 렌즈이다. 실시예에서 콜리메이션(collimation) 렌즈(400)는 빔스플리터(300)에서 반사된 전자선을 광수신부(500)로 집속시킨다.
실시예에 따른 무회전 360도 라이다 광학 시스템은 비구면 반사체와 광축과의 정렬 관계를 파악하여 비구면 반사체가 일정 비율이상 기울어지는 등 한쪽방향으로 편향되는 경우, 이를 표시하고 보정되도록 한다.
실시예에서 광수신부(500)는 비구면 반사체의 중심축을 기준으로 VCSEL, 빔스플리터, 및 비구면 반사체의 광축 정렬이 틀어지거나 일정수준 이상 빗겨나 있는 경우의 정렬오차를 감지할 수 있다. 광수신부(500)는 감지된 정렬 오차의 방향과 수준에 따라 수신한 빛을 후 보정할 수 있다.
또한, 광수신부(500)는 오차량을 관리자에게 제공하여 VCSEL, 빔스플리터, 및 비구면 반사체이 다시 정렬되게 할 수 있다. 또한, 광수신부(500)는 오차량을 무회전 360도 라이다 광학시스템의 각 구성을 제어하는 제어부(미도시)에 전달하고, 제어부가 오차량에 따라, VCSEL, 빔스플리터, 및 비구면 반사체을 이동시켜 광축이 정렬되게 할 수 있다.
예컨대, VCSEL(100)이 오른쪽으로 치우친 경우 비구면 반사체에서 왼쪽보다 오른쪽으로 광이 더 많이 조사되므로, 광수신부(500)는 편향된 조사량을 센싱하여 무회전 360도 라이다 광학 시스템의 어떠한 구성요소가 얼만큼 틀어져 있는지 판단하고, 확인된 오차 량에 따라 틀어진 구성요소가 다시 정렬되도록 한다.
When the laser is irradiated from the VCSEL 100, which is the light source according to the embodiment, to the aspherical reflector 600, the aspherical reflector rotates and scans the surroundings through the irradiated laser, and the reflected light (object light) reflected by the scanned surrounding object is Enter the beamsplitter. The reflective surface of the beam splitter reflects the reflected light reflected by the surrounding object again, and the reflected light reflected by the reflective surface of the beam splitter is collected by the light receiver.
2 , a non-rotating 360 degree lidar optical system according to an embodiment; may further include a collimation lens unit 400 for checking an alignment relationship and a center line of the aspherical reflector, the beam splitter, and the VCSEL.
The collimation lens unit 400 may include a collimation lens that is a focusing lens and a plurality of Avalanche Photo Diode (APD) arrays. In an embodiment, the collimation lens 400 may be aligned at a beam splitter angle between the beam splitter 300 and the light receiver 500 . The collimation lens 400 is an electron lens used to collect the electron-emitted electron beam back to the sample surface. In the embodiment, the collimation lens 400 focuses the electron beam reflected from the beam splitter 300 to the light receiver 500 .
The non-rotating 360-degree lidar optical system according to the embodiment grasps the alignment relationship between the aspherical reflector and the optical axis, and when the aspherical reflector is tilted in one direction, such as tilted by a certain ratio, it is displayed and corrected.
In an embodiment, the light receiving unit 500 may detect an alignment error when the optical axis alignment of the VCSEL, the beam splitter, and the aspherical reflector is misaligned with the central axis of the aspherical reflector or is deviated by more than a certain level. The light receiver 500 may post-correction of the received light according to the direction and level of the detected alignment error.
Also, the light receiving unit 500 may provide an error amount to the manager so that the VCSEL, the beam splitter, and the aspherical reflector are aligned again. In addition, the light receiving unit 500 transmits the error amount to a controller (not shown) that controls each configuration of the non-rotational 360-degree lidar optical system, and the controller moves the VCSEL, the beam splitter, and the aspherical reflector according to the error amount. This allows the optical axis to be aligned.
For example, when the VCSEL 100 is biased to the right, since more light is irradiated to the right than to the left from the aspherical reflector, the light receiving unit 500 senses the deflected dose to determine which components of the non-rotational 360 degree lidar optical system freeze. It is judged whether there is a misalignment, and the misaligned components are rearranged according to the confirmed error amount.

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또한, 빔스플리터(300)가 정렬 축에서 벗어나 틀어진 경우에는, 광수신부(500)로 입사하는 빛의 총량이 달라지거나, 반사면과 광수신부 사이의 거리가 달라져 이미지가 변형되어 실제의 정확한 형태와 다르거나 비례가 맞지 않는 왜곡현상이 발생하므로. 실시예에 따른 광수신부(500)는 광수신부(500)로 입사하는 빛의 양을 실시간으로 센싱하고 반사된 객체의 형태와 비례를 파악 후 VCSEL(100), 빔스플리터(300) 및 비구면 반사체(600) 정렬이 완전한 상태의 빛의 양과 반사된 객체의 형태 및 비례를 비교하여 빔스플리터의 정렬 오차량을 파악할 수 있다. 실시예에 따른 무회전 360도 라이다 광학 시스템은 정렬 오차량에 따라 확인하고, 빔스플리터를 다시 정렬시킬 수 있다.In addition, when the beam splitter 300 is misaligned from the alignment axis, the total amount of light incident to the light receiving unit 500 is changed or the distance between the reflective surface and the light receiving unit is changed, so that the image is deformed and the actual shape and Because different or out-of-proportion distortions occur. The light receiving unit 500 according to the embodiment senses the amount of light incident to the light receiving unit 500 in real time, and after determining the shape and proportion of the reflected object, the VCSEL 100, the beam splitter 300 and the aspherical reflector ( 600) The amount of light in a perfectly aligned state and the shape and proportion of the reflected object can be compared to determine the amount of alignment error of the beam splitter. The non-rotational 360-degree lidar optical system according to the embodiment may check according to the amount of alignment error and realign the beam splitter.

도 3은 실시예에 따른 무회전 360도 라이다 광학 시스템의 구성요소를 나타낸 도면이다. 3 is a view showing the components of the non-rotation 360 degree lidar optical system according to the embodiment.

도 3을 참조하면, 무회전 360도 라이다 광학 시스템의 비구면 반사체(a)는 회전장치의 회전력에 의해 360도 회전하고, VCSEL로부터 방사된 레이저를 반사하는 원뿔형의 반사면; 을 포함한다.Referring to FIG. 3, the aspherical reflector (a) of the non-rotating 360 degree lidar optical system rotates 360 degrees by the rotational force of the rotating device, and a conical reflective surface that reflects the laser emitted from the VCSEL; includes

빔스플리터(c)는 광선의 일부는 반사하고, 다른 부분은 투과하는 반사경 또는 기타의 광학 장치로서, 비구면 반사체로 들어온 반사광을 광수신부로 반사시킨다. 광수신부(b)는 포토다이오드와 APD 어레이로 구성될 수 있다. APD 어레이는 눈사태 현상(avalanche phenomenon)을 이용하여 광신호를 전기 신호로 변환한다. VCSEL(d)는 광원으로서 비구면 반사체에 레이저를 방사하고, VCSEL을 비구면 반사체에 조사하고, 주변 환경에 반사된 반사광을 빔스플리터를 통해 광수신부로 수신할 수 있다. 실시예에서 VCSEL(d)은 다수의 레이저 다이오드(Laser-diode) 와 MLD(multicast listener discovery)로 구성될 수 있고, MLD(multicast listener discovery)는 다이오드 레이어의 멀티캐스트를 행할 때 특정 그룹을 관리하는 프로토콜로 이용될 수 있다.The beam splitter (c) is a reflector or other optical device that reflects part of the light beam and transmits the other part, and reflects the reflected light entering the aspherical reflector to the light receiver. The light receiving unit b may include a photodiode and an APD array. The APD array converts an optical signal into an electrical signal using the avalanche phenomenon. The VCSEL(d) may radiate a laser to an aspherical reflector as a light source, irradiate the VCSEL to the aspherical reflector, and receive reflected light reflected in the surrounding environment through a beam splitter to a light receiver. In the embodiment, the VCSEL(d) may be composed of a plurality of laser diodes and multicast listener discovery (MLD), and the multicast listener discovery (MLD) is used to manage a specific group when performing multicast of the diode layer. protocol can be used.

도 4는 실시예에 따른 VCSEL의 추가 구성을 나타낸 도면이다.4 is a diagram illustrating an additional configuration of a VCSEL according to an embodiment.

실시예에서 따른 VCSEL은 비구면 반사체로 레이저를 더욱 넓은 영역으로 방사하기 위해, 렌즈와 마이크로 렌즈 어레이를 추가로 구성하여 레이저의 입사각을 확장 시킬 수 있다. The VCSEL according to the embodiment is an aspherical reflector, and in order to radiate a laser to a wider area, a lens and a microlens array may be additionally configured to extend the incident angle of the laser.

이하에서는 라이다 광학 시스템의 무회전 360도 스캐닝 방법에 대해서 차례로 설명한다. 실시예에 따른 라이다 광학 시스템의 무회전 360도 스캐닝 방법의 작용(기능)은 무회전 360도 라이다 광학 시스템상의 기능과 본질적으로 같은 것이므로 도 1 내지 도 4와 중복되는 설명은 생략하도록 한다. Hereinafter, a non-rotational 360-degree scanning method of the lidar optical system will be described in turn. Since the operation (function) of the 360-degree non-rotational scanning method of the lidar optical system according to the embodiment is essentially the same as the function on the non-rotational 360-degree lidar optical system, the description overlapping with FIGS. 1 to 4 will be omitted.

도 5는 실시예에 따른 라이다 광학 시스템의 무회전 360도 스캐닝 방법의 데이터 처리 흐름을 나타낸 도면이다. 5 is a diagram illustrating a data processing flow of a 360-degree non-rotational scanning method of a lidar optical system according to an embodiment.

S100 단계에서는 VCSEL(Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser)에서 3차원 환경 스캐닝을 위해 레이저를 방사한다. S100 단계에서는 레이저를 사방으로 방사시키기 위해, 레이저를 렌즈 및 마이크로 렌즈 배열(Micro lens array)로 조사할 수 있다.In step S100, a VCSEL (Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser) emits a laser for 3D environment scanning. In step S100, in order to radiate the laser in all directions, the laser may be irradiated with a lens and a micro lens array.

S200 단계에서는 회전장치와 연결된 비구면 반사체에서 VCSEL로부터 방사된 레이저를 반사하고, S300 단계에서는 빔스플리터(Beam Splitter)에서 비구면 반사체로부터 반사된 반사광을 수집한다. S400 단계에서는 광수신부에서 빔스플리터에서 반사된 반사광을 수신한다.In step S200, the aspherical reflector connected to the rotating device reflects the laser emitted from the VCSEL, and in step S300, the reflected light reflected from the aspherical reflector in the beam splitter is collected. In step S400, the light receiver receives the reflected light reflected from the beam splitter.

실시예에서 S200 단계에서는 비구면 반사체(600)의 좌우측 반사면에는 비구면 반사체와 VCSEL의 정렬을 파악하는 정렬감지센서(61,62,63,64)에서 센서의 온오프 관계 또는 레이저가 입사하는 반사면의 위치와 각 센서로의 레이저 입사량을 파악하여 VCSEL(100)과 비구면 반사체(600)의 정렬관계를 산출할 수 있다.In the embodiment, in step S200, on the left and right reflective surfaces of the aspherical reflector 600, the on-off relationship of the sensors in the alignment detection sensors 61, 62, 63, and 64 for detecting the alignment of the aspherical reflector and the VCSEL or the reflective surface on which the laser is incident The alignment relationship between the VCSEL 100 and the aspherical reflector 600 may be calculated by grasping the position of and the amount of laser incident to each sensor.

실시예에 따른 라이다 광학 시스템의 무회전 360도 스캐닝 방법은 콜리메이션(collimation) 렌즈를 통해, 비구면 반사체, 빔스플리터 및 VCSEL의 정렬 관계와 중심선을 확인하는 단계를 더 포함할 수 있다. 실시예에서 콜리메이션 렌즈; 는 다수의 APD (Avalanche Photo Diode) 어레이로 구성될 수 있다. The 360-degree non-rotational scanning method of the lidar optical system according to the embodiment may further include confirming the alignment relationship and the center line of the aspherical reflector, the beam splitter, and the VCSEL through a collimation lens. collimation lenses in embodiments; may be composed of multiple Avalanche Photo Diode (APD) arrays.

또한, 실시예에 따른 S400 단계에서는 광수신부에서 비구면 반사체의 중심축을 기준으로 VCSEL, 빔스플리터, 및 비구면 반사체의 광축 정렬이 틀어지거나 일정수준 이상 빗겨나 있는 경우의 정렬오차를 감지하고, 감지된 정렬 오차의 방향과 수준에 따라 수신한 빛을 후 보정하거나 오차량에 따라 VCSEL, 빔스플리터, 및 비구면 반사체를 다시 정렬시킬 수 있다. 예컨대, VCSEL(100)이 오른쪽으로 치우친 경우 비구면 반사체에서 왼쪽보다 오른쪽으로 광이 더 많이 조사되므로, 편향된 조사량을 센싱하여 무회전 360도 라이다 광학 시스템의 어떠한 구성요소가 얼만큼 틀어져 있는지 확인하고, 확인된 오차 량에 따라 틀어진 구성요소를 다시 정렬시킬 수 있도록 한다.In addition, in the step S400 according to the embodiment, the optical axis alignment of the VCSEL, the beam splitter, and the aspherical reflector with respect to the central axis of the aspherical reflector in the light receiver is misaligned or the alignment error is detected when the alignment is off by more than a certain level. According to the direction and level of the error, the received light can be post-corrected, or the VCSEL, the beam splitter, and the aspherical reflector can be rearranged according to the error amount. For example, when the VCSEL 100 is biased to the right, more light is irradiated to the right than to the left from the aspherical reflector, so by sensing the deflected amount of irradiation, which components of the non-rotating 360-degree lidar optical system are misaligned by how much, Make it possible to realign the misaligned components according to the amount of error identified.

도 6은 실시예에 따른 무회전 360도 라이다 광학 시스템의 이용 예를 나타낸 도면이다.6 is a view showing an example of use of the non-rotation 360 degree lidar optical system according to the embodiment.

도 6은 실시예에 따른 무회전 360도 라이다 광학 시스템이 고가에 설치되어 지나가는 차선에 주행하는 차량을 모니터링 하는 용도로 이용되는 예를 나타낸다. 도 6을 참조하면, 실시예에서는 무회전 360도 라이다 광학 시스템의 반사체 부분과 연결된 회전장치가 고가에 설치되고 회전장치에 의해 비구면 반사체가 회전하며 주변을 360도 스캐닝 할 수 있다. 즉, 실시예에서는 레이저 장치 자체의 회전이 아닌, 반사면을 갖는 4면 입방체로 구성되는 스캐닝 기구를 회전시킬 수 있다. 이를 통해 실시예에 따른 무회전 360도 라이다 광학 시스템 및 라이다 광학 시스템의 무회전 360도 스캐닝 방법은 레이저 장치 자체의 회전이 필요 없으므로 시스템 내에 동력을 공급 없이도 주변 스캐닝이 가능하여, 스캐닝 속도를 향상시키고, 라이다 광학 시스템의 회로 집적 효율을 향상시킬 수 있다. 또한, 실시예에 따른 스캐닝 기구인 비구면 반사체를 적은 힘으로 빠른 속도로 회전 시킬 수 있기 때문에 스캐닝 횟수를 늘림으로써, 주변 물체의 움직임 변화를 단시간에 더욱 정밀하게 파악할 수 있다.6 shows an example in which the 360-degree non-rotational lidar optical system according to the embodiment is installed at an elevated price and used for monitoring a vehicle traveling in a passing lane. Referring to FIG. 6 , in the embodiment, a rotating device connected to the reflector part of the non-rotating 360 degree lidar optical system is installed at a high price, and the aspherical reflector is rotated by the rotating device, and the surroundings can be scanned 360 degrees. That is, in the embodiment, not the rotation of the laser device itself, but the rotation of the scanning mechanism composed of a tetrahedral cube having a reflective surface. Through this, the non-rotational 360-degree lidar optical system and the non-rotational 360-degree scanning method of the lidar optical system according to the embodiment do not require rotation of the laser device itself, so peripheral scanning is possible without supplying power to the system, thereby increasing the scanning speed. and improve the circuit integration efficiency of the lidar optical system. In addition, since the aspherical reflector, which is the scanning mechanism according to the embodiment, can be rotated at a high speed with a small force, by increasing the number of scanning, it is possible to more precisely grasp the change in the motion of the surrounding object in a short time.

개시된 내용은 예시에 불과하며, 특허청구범위에서 청구하는 청구의 요지를 벗어나지 않고 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 다양하게 변경 실시될 수 있으므로, 개시된 내용의 보호범위는 상술한 특정의 실시예에 한정되지 않는다.The disclosed content is merely an example, and can be variously changed and implemented by those skilled in the art without departing from the gist of the claims claimed in the claims, so the protection scope of the disclosed content is limited to the specific It is not limited to an Example.

Claims (8)

무회전 360도 라이다 광학 시스템에 있어서,
3차원 환경 스캐닝을 위해 레이저를 방사하는 VCSEL(Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser);
회전장치와 연결되고 상기 VCSEL로부터 방사된 레이저를 반사하는 비구면 반사체;
상기 비구면 반사체로부터 반사된 반사광을 광수신부로 반사하는 빔스플리터(Beam Splitter);
상기 빔스플리터에서 반사된 반사광을 수신하는 상기 광수신부;
상기 비구면 반사체의 좌측 반사면에 설치되는 좌측 정렬감지센서;
상기 비구면 반사체의 우측 반사면에 설치되는 우측 정렬감지센서; 를 포함하고
상기 비구면 반사체, 빔스플리터 및 VCSEL은
비구면 반사체의 중심축인 광축을 기준으로 정렬되고,
상기 비구면 반사체;는
회전장치에 의해 360도 회전하고, VCSEL로부터 방사된 레이저를 반사하는 원뿔형의 반사면; 을 포함하고,
상기 좌측 및 우측 정렬감지센서는,
상기 VCSEL 및 비구면 반사체의 정렬이 정상인 경우, 오프 상태가 되고,
감지된 레이저 입사량과 상기 VCSEL 및 비구면 반사체의 정렬상태에서 입사량과 비교하여 서로 다른 경우, 정렬관계가 어긋난 것으로 판단하며,
상기 VCSEL 및 비구면 반사체의 정렬이 어긋난 경우,
좌측편향 시 상기 좌측 정렬감지센서가 온 상태 및 상기 우측 정렬감지센서가 오프 상태가 되고,
우측편향 시 상기 우측 정렬감지센서가 온 상태 및 상기 좌측 정렬감지센서가 오프 상태로 되는 것을 특징으로 하는 라이다 광학 시스템.
In the non-rotating 360 degree lidar optical system,
VCSELs (Vertical-Cavity Surface-Emitting Lasers) that emit lasers for scanning the three-dimensional environment;
an aspherical reflector connected to the rotating device and reflecting the laser emitted from the VCSEL;
a beam splitter for reflecting the reflected light reflected from the aspherical reflector to a light receiving unit;
the light receiving unit for receiving the reflected light reflected from the beam splitter;
a left alignment detection sensor installed on the left reflective surface of the aspherical reflector;
a right alignment sensor installed on the right reflective surface of the aspherical reflector; includes
The aspherical reflector, the beam splitter and the VCSEL are
aligned with the optical axis, which is the central axis of the aspherical reflector,
The aspherical reflector;
a conical reflective surface that rotates 360 degrees by a rotating device and reflects the laser emitted from the VCSEL; including,
The left and right alignment detection sensors,
When the alignment of the VCSEL and the aspherical reflector is normal, it is in an off state,
If the detected laser incident amount is different from the incident amount in the alignment state of the VCSEL and the aspherical reflector, it is determined that the alignment relationship is out of line,
When the VCSEL and the aspherical reflector are out of alignment,
When deflecting to the left, the left alignment detection sensor is in an on state and the right alignment detection sensor is in an off state,
LiDAR optical system, characterized in that the right alignment detection sensor is in an on state and the left alignment detection sensor is in an off state when deflecting to the right.
삭제delete 제 1항에 있어서, 상기 VCSEL은
비구면 반사체로의 입시각 확장을 위해, 레이저를 렌즈 및 마이크로 렌즈 배열(Micro lens array)로 조사하는 것을 특징으로 하는 무회전 360도 라이다 광학 시스템.
The method of claim 1, wherein the VCSEL is
A non-rotating 360 degree lidar optical system, characterized in that the laser is irradiated with a lens and a micro lens array to expand the angle of view of an aspherical reflector.
제 1항에 있어서, 상기 빔스플리터; 는
상기 VCSEL 과 비구면 반사체 사이에 배치되고,
레이저를 반사시키는 반사면과 레이저를 투과시키는 투과면을 포함하고,
상기 반사면은, 광축에 대해 미리 정해진 각도로 기울여져 상기 비구면 반사체에서 반사된 레이저가 광수신부로 진행되게 하고,
상기 투과면은, 광축에 대해 수직으로 배치되어 상기 VCSEL에서 방출되는 레이저가 상기 비구면 반사체로 진행되게 하는 것을 특징으로 하는 라이다 광학 시스템.

The apparatus of claim 1, further comprising: the beam splitter; Is
disposed between the VCSEL and the aspherical reflector,
It includes a reflective surface that reflects the laser and a transmissive surface that transmits the laser,
The reflective surface is inclined at a predetermined angle with respect to the optical axis so that the laser reflected from the aspherical reflector proceeds to the light receiving unit,
The transmissive surface is disposed perpendicular to the optical axis so that the laser emitted from the VCSEL proceeds to the aspherical reflector.

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