KR102387976B1 - 라이다 센서 장치 및 제어 방법 - Google Patents

Abstract

본 개시는 라이다 센서 장치 및 제어 방법에 관한 것이다. 구체적으로, 라이다 센서 장치는, 광을 방출하는 광 방출부와, 광 방출부로부터 방출되는 광을 확대시키는 광원확장부와, 광원확장부에서 확대된 광을 투과하며, 투과한 광의 파형 형태를 변경시키기 위해 독립적 제어가 가능한 복수 개의 셀을 포함하는 제어용 액정부와, 제어용 액정부를 투과한 광을 설정된 감지영역으로 송출하는 렌즈부와, 감지영역에 존재하는 객체로부터 반사되는 반사광을 수신하는 수광부 및 수신된 반사광을 이용하여 객체의 방향정보 및 거리정보를 산출하는 제어부를 포함하는 라이다 센서 장치 및 제어 방법을 제공한다.

Description

라이다 센서 장치 및 제어 방법 {METHOD AND APPARATUS FOR LiDAR SENSOR}

본 개시는 라이다 센서 장치 및 제어 방법에 관한 것이다. 보다 상세하게는, 광을 이용하여 객체에 대한 다양한 정보를 획득하는 장치 및 제어 방법에 관한 것이다.

라이다(LiDAR: Light Detection and Ranging)란 종종 LADAR(Laser Detection And Ranging)나 ToF(Time of Flight), 레이저 스캐너, 레이저 레이더 등으로 불리기도 하는 고출력의 펄스레이저를 이용하여 물체에 반사되어 돌아오는 레이저 빔의 시간을 측정하여 거리정보를 획득하는 기술로 자율주행자동차, 지구환경 관측, 대기분석 및 무인기기 등 다양한 분야에 활용되고 있다.

다만, 기존의 라이다 장치가 모터를 활용하는 회전식 거울을 이용하거나 빔의 방향을 바꾸는 복잡한 제어를 적용하는 방식으로 구성이 되어 있어,이러한 기계적인 부속장치로 인해 내구성이 떨어지고, 작동에 필요한 에너지가 많이 소모되는 문제점이 있다.

전술한 배경에서, 본 개시는 LiDAR를 이용하되, 렌즈와 액정 장치를 활용하여 특정한 파형을 송출하도록 제어하고 이를 수신하여 방향에 따른 반사거리를 측정, 3D 공간을 구성하는 라이다 센서 장치 및 제어방법을 제공할 수 있다.

전술한 과제를 해결하기 위한 본 개시는, 일 측면에서, 본 실시예들은 특정 주파수를 가진 광을 방출하는 광 방출부와 광 방출부의 전방에 배치되며, 광 방출부로부터 방출되는 광을 확대시키는 광원확장부와 광원확장부에서 확대된 광을 투과하며, 특정 주파수를 가진 광의 파형 형태를 변경시키기 위해 독립적 제어가 가능한 복수 개의 셀을 포함하는 제어용 액정부와 제어용 액정부를 투과한 광을 설정된 감지영역으로 송출하는 렌즈부와 감지영역에 존재하는 객체로부터 반사되는 반사광을 수신하는 수광부 및 수신된 반사광을 이용하여 상기 객체의 방향정보 및 거리정보를 산출하는 제어부를 포함하는 라이다 센서 장치를 제공할 수 있다.

다른 측면에서, 본 실시예들은 특정 주파수를 가진 광을 설정하여 방출하는 단계와 광을 방출하는 광 방출부의 전방에 배치되며, 광 방출부로부터 방출되는 광을 확대시키는 단계와 확대된 광을 투과하며, 특정 주파수를 가진 광의 파형의 형태를 변경시키기 위해 복수 개의 셀을 포함하는 액정의 셀을 독립적으로 제어 하는 단계와 투과된 광을 설정된 감지영역으로 송출하는 단계와 감지영역에 존재하는 객체로부터 반사되는 반사광을 수신하는 단계 및 상기 수신된 반사광을 이용하여 상기 객체의 방향정보 및 거리정보를 산출하는 단계를 포함하는 라이다 센서 장치의 제어 방법을 제공한다.

본 실시예들에 의하면, 액정 장치와 렌즈를 활용하여 각 광이 특정한 형태의 파형을 가지도록 하고, 이를 통해 수신된 신호를 분석하여 위상을 산출하도록 함으로써, 각 파형의 광의 반사거리를 산출하여 3D 공간을 구성하는 라이다 센서 장치를 제공할 수 있다.

도 1은 종래 라이다 장치의 문제점을 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 본 개시의 일 실시예에 따른 라이다 센서 장치의 구성을 설명하기 위한 블록도이다.
도 3은 본 개시의 일 실시예에 따른 라이다 센서 장치가 객체와의 반사거리를 측정하는 방식을 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 본 개시의 일 실시예에 따른 라이다 센서 장치의 광을 방출하고 파형의 형태를 변경하는 부분의 전체 구조를 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 본 개시의 일 실시예에 따른 라이다 센서 장치의 제어용 액정부가 동작하는 방식을 설명하기 위한 도면이다.
도 6은 본 개시의 일 실시예에 따른 라이다 센서 장치의 제어용 액정부를 이용한 파형의 형태를 변경하는 방식을 설명하기 위한 도면이다.
도 7은 본 개시의 일 실시예에 따른 라이다 센서 장치의 제어용 액정부가 객체의 해당 방향에 따라 동작하는 방식을 설명하기 위한 도면이다.
도 8은 본 개시의 일 실시예에 따른 라이다 센서 장치의 제어용 액정부의 외형을 설명하기 위한 도면이다.
도 9는 본 개시의 일 실시예에 따른 라이다 센서 장치의 오목렌즈를 이용한 파형의 방향을 변경하는 방식을 설명하기 위한 도면이다.
도 10은 본 개시의 다른 실시예에 따른 라이다 센서 장치의 제어 방법의 동작을 설명하기 위한 흐름도이다.

본 개시는 라이다 센서 장치 및 제어 방법에 관한 것이다.

이하, 본 개시의 일부 실시예들을 예시적인 도면을 참조하여 상세하게 설명한다. 각 도면의 구성 요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성 요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가질 수 있다. 또한, 본 실시예들을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 기술 사상의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략할 수 있다. 본 명세서 상에서 언급된 "포함한다", "갖는다", "이루어진다" 등이 사용되는 경우 "~만"이 사용되지 않는 이상 다른 부분이 추가될 수 있다. 구성 요소를 단수로 표현한 경우에 특별한 명시적인 기재 사항이 없는 한 복수를 포함하는 경우를 포함할 수 있다.

또한, 본 개시의 구성 요소를 설명하는 데 있어서, 제1, 제2, A, B, (a), (b) 등의 용어를 사용할 수 있다. 이러한 용어는 그 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성 요소의 본질, 차례, 순서 또는 개수 등이 한정되지 않는다.

구성 요소들의 위치 관계에 대한 설명에 있어서, 둘 이상의 구성 요소가 "연결", "결합" 또는 "접속" 등이 된다고 기재된 경우, 둘 이상의 구성 요소가 직접적으로 "연결", "결합" 또는 "접속" 될 수 있지만, 둘 이상의 구성 요소와 다른 구성 요소가 더 "개재"되어 "연결", "결합" 또는 "접속"될 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 여기서, 다른 구성 요소는 서로 "연결", "결합" 또는 "접속" 되는 둘 이상의 구성 요소 중 하나 이상에 포함될 수도 있다.

구성 요소들이나, 동작 방법이나 제작 방법 등과 관련한 시간적 흐름 관계에 대한 설명에 있어서, 예를 들어, "~후에", "~에 이어서", "~다음에", "~전에" 등으로 시간적 선후 관계 또는 흐름적 선후 관계가 설명되는 경우, "바로" 또는 "직접"이 사용되지 않는 이상 연속적이지 않은 경우도 포함할 수 있다.

한편, 구성 요소에 대한 수치 또는 그 대응 정보(예: 레벨 등)가 언급된 경우, 별도의 명시적 기재가 없더라도, 수치 또는 그 대응 정보는 각종 요인(예: 공정상의 요인, 내부 또는 외부 충격, 노이즈 등)에 의해 발생할 수 있는 오차 범위를 포함하는 것으로 해석될 수 있다.

라이다 센서 장치의 라이다(LIDAR: Light Detection And Ranging)는 광을 이용하여 대상물을 검출하고 대상물까지의 거리를 측정하는 것을 말하는 것으로 기능에 있어서 레이더(RADAR: Radio Detection And Ranging)와 유사하지만, 전파를 이용하는 레이더와 달리 광을 이용한다는 차이가 있으며, 이러한 점에서 '영상 레이더'라고 칭해지기도 한다. 다만, 본 명세서의 라이다 센서 장치의 라이다는 광을 이용하는 펄스 레이저의 개념이나 전자기파를 사용하는 레이더 등을 포함하는 개념일 수 있다. 이하에서는 라이다에 대해 광을 이용한 펄스 레이저를 위주로 기술한다.

이하의 설명에서 전방은 광의 방출 진행 방향을 의미하고, 후방은 광의 방출 진행의 반대 방향을 의미한다. 또한 액정의 좌측은 광의 방출 진행 방향의 좌측을 의미하고, 액정의 우측은 광의 방출 진행 방향의 우측을 의미한다.

본 명세서에서의 파형의 변경은 주파수와 형태를 변경하는 것을 의미한다. 자세히 설명하면, 파형의 주파수는 1초당 반복되는 펄스의 수로 하나의 펄스를 보내고 다음 펄스를 보내기 전까지의 시간간격(펄스반복주기)과 역수 관계에 있는 것을 의미하고, 파형의 형태의 변경은 일정한 구간 동안의 펄스 모양을 기준으로 펄스 모양반복주기를 형성한 것으로 단순한 사각파 형태에서 변경된 것을 의미한다.

이하, 감지영역의 객체를 어떠한 종류로 한정하지 않았으나, 장애물 또는 벽과 같은 다양한 물체가 될 수 있다.

도 1은 종래 라이다 센서 장치의 간략한 내부 구조를 통해 문제점을 설명하기 위한 도면이다.

라이다 센서 장치는 다채널 광원 및 모터를 활용하는 회전식 거울을 이용하거나 빔의 방향을 바꾸는 복잡한 제어를 적용하는 방식으로 구성이 되어 있어, 이러한 기계적인 부속장치로 인해 내구성이 떨어지고, 작동에 필요한 에너지가 많이 소모될 뿐 아니라 제어가 어렵다는 문제점이 있다.

도 1을 참조하면, 라이다 센서 장치는 광을 제공하는 레이저 소스와 광원에서 생성된 광을 반사하여 감지영역으로 제공하는 틸팅 미러와 회전을 위한 모터를 구비한다. 따라서, 넓은 감지영역을 감지하기 위해서 라이다 장치는 모터가 특정 각도(ex, 360도)로 회전함과 동시에 틸팅 미러가 상하 감지 각도를 변경한다. 이와 같이, 다채널 광원 및 모터를 활용하는 회전식 거울을 이용하거나 빔의 방향을 바꾸는 복잡한 제어를 적용하는 방식으로 구성이 되어 있어, 이러한 기계적인 부속장치로 인해 내구성이 떨어지고, 작동에 필요한 에너지가 많이 소모될 뿐 아니라 제어가 어렵다는 문제점이 있다.

이러한 문제점을 해결하기 위해서 안출된 본 개시는 다채널 광원 및 모터를 사용하지 않고도 간단한 방법으로 방향에 따라 파형을 제어하고 저비용의 우수한 내구성을 갖춘 라이다를 개발하여 보급할 수 있을 것이다.

도 2는 본 개시의 일 실시예에 따른 라이다 센서 장치의 구성을 설명하기 위한 블록도이다.

도 2를 참조하면, 일 실시예에 따른 라이다 센서 장치(200)는 특정 주파수를 가진 광을 방출하는 광 방출부(210), 광 방출부의 전방에 배치되며, 광 방출부로부터 방출되는 광을 확대시키는 광원확장부(220), 광원확장부에서 확대된 광을 투과하며, 특정 주파수를 가진 광의 파형 형태를 변경시키기 위해 독립적 제어가 가능한 복수 개의 셀을 포함하는 제어용 액정부(230), 제어용 액정부를 투과한 광을 설정된 감지영역으로 송출하는 렌즈부(240), 감지영역에 존재하는 객체로부터 반사되는 반사광을 수신하는 수광부(250) 및 수신된 반사광을 이용하여 객체의 방향정보 및 거리정보를 산출하는 제어부(260)를 포함하여 구성될 수 있다.

예를 들어, 광 방출부(210)는 특정 주파수를 가지는 광을 방출하는 부분으로 라이다 센서 장치의 사용자가 방출되는 광의 주파수를 필요에 따라 변경하여 설정하면, 설정된 주파수로 광을 방출할 수 있다. 광 방출부(210)의 구성은 다양할 수 있는데 일 예로 발광 디바이스를 이용하는 경우에 있어서 특정 펄스 반복율을 가지기 위해서 전류 파형의 전류 오프(OFF)시간에 대한 전류 온(ON) 시간의 비율을 조정하여 주파수를 변경하는 구성을 포함할 수 있다. 외에도 방출 신호는 사용자의 작업 환경 및 상태에 따라 다양하게 발생될 수 있으며, 필요에 따라서는 잡음광이 되는 햇빛과 같은 외부광을 감소시키기 위해서 대역투과필터를 추가로 구성하여 사용할 수 도 있다. 따라서 본 개시에서는 방출 신호에 대한 한정은 없다.

또한, 광원확장부(220)는 광 방출부와 제어용 액정부사이에 렌즈를 배치하는 것으로 적어도 하나의 오목렌즈와 적어도 하나의 볼록렌즈를 포함할 수 있다. 적어도 하나의 오목렌즈와 적어도 하나의 볼록렌즈는 광 방출부(210)로부터 방출된 광을 발산하고 모으는 작용을 통해서, 광 방출부(210)의 광의 크기를 확대하는 역할을 수행할 수 있다. 오목렌즈는 렌즈 축에 나란하게 입사한 광을 굴절하여 렌즈의 허초점에서 나오는 것처럼 진행하는데 이를 이용해서 입사한 광보다 바깥방향으로 굴절하게 되면, 광의 범위를 넓혀 광의 크기를 확대할 수 있다. 그리고 볼록렌즈를 포함하는 구성을 통해 두 개 이상의 렌즈를 합쳐서 사용하는 구성이 되어 하나의 렌즈만 사용했을 때 감소시키지 못한 상의 뒤틀림이나 빛의 줄무늬 등 색수차를 감소시킬 수 있다. 광을 확대하는 역할을 수행하기 위해서 다양한 개수 및 배치로 오목렌즈와 볼록렌즈가 광원확장부(220)에 배치될 수 있으며, 그 제한은 없다. 나아가 광의 크기를 확대함으로써 다채널 발광부를 포함하지 않아도 넓은 범위의 광을 사용할 수 있다.

또한, 제어용 액정부(230)는 독립적으로 제어가 가능한 복수 개의 셀을 포함할 수 있다. 그리고 복수 개의 셀은 행렬 형태로 배열될 수 있고, 그 개수에는 제한이 없다. 제어용 액정부(230)의 외형은 특정 모양으로 한정되지 않고 광원확장부(220)를 통해 확대된 광을 투과시킬 수 있는 크기면 어떤 모양이든 사용할 수 있다. 또한 각각의 셀은 다양한 모양을 가질 수 있으며, 동일한 간격으로 배치할 수도 있다. 본 개시의 제어용 액정부(230)를 구성하는 복수 개의 셀은 독립적으로 개방과 차단 동작을 통해 광의 진행을 그대로 투과시키거나 반대로 차단할 수 있다.

또한, 렌즈부(240)는 제어용 액정부(230)를 투과한 광을 감지영역으로 확산하여 송출하기 위한 하나 이상의 오목렌즈를 포함하여 구성할 수 있다. 오목렌즈는 입사되는 위치에 따라 입사되는 광이 굴절되어 광의 방향을 변경시킬 수 있다. 즉, 오목렌즈의 축에 나란하게 입사한 광은 굴절하여 렌즈의 허초점에서 나오는 것처럼 진행하고, 렌즈의 중심으로 입사한 광은 직진하여 진행하고, 렌즈의 허초점을 향해 입사한 광은 굴절하여 렌즈의 축에 나란하게 진행할 수 있다. 즉, 오목렌즈를 통해 광이 입사되는 위치를 제어하면 입사한 광의 방향을 변경시키는 동작을 수행할 수 있다. 따라서 고정되어 전방에 배치된 것뿐만 아니라 더 넓은 영역으로의 광 확산을 송출하기 위해서 렌즈의 위치를 제어용 액정부(230) 전방에서 상하좌우로 이동하도록 제어하는 것도 포함할 수 있다.

또한, 제어부(260)는 제어용 액정부(230)를 제어하여 방출된 광의 파형의 형태를 변경시키고, 감지영역의 객체로부터 반사된 광의 신호를 수집하고 방향정보 및 거리정보를 산출하여 데이터를 송수신하는 프로세서를 포함할 수 있다.

일 예를 들어, 제어부(260)는 제어용 액정부(230)의 셀 동작이 개시되면, 제어용 액정부(230)를 구성하고 있는 복수 개의 셀 각각의 개방과 차단 동작의 반복을 통해 광원확장부(220)에서 확대된 광의 주파수와 파형의 형태를 변경하도록 제어할 수 있다. 또한 제어용 액정부(230)를 구성하고 있는 복수 개의 셀의 개방과 차단 동작을 동기화 시켜 제어할 수 있고, 셀 각각에 의해서 변경되는 파형의 형태가 전부 동일하게 변경할 수 있다. 복수 개의 셀의 개방과 차단 동작을 동기화 시키는 방법으로는 제어용 액정부(230)의 셀을 액정에서 중앙부에서 가장자리로 갈수록 더 많은 셀을 동시에 개방시킬 수 있도록 제어할 수도 있고, 감지영역에 관심 객체가 있는 경우 해당 방향에 대응하는 셀들을 중점적으로 동기화시켜 동작시키거나, 일정한 간격으로 배치된 셀들만을 동작하도록 제어할 수도 있다. 또한, 감지영역의 객체의 방향 정보에 기초하여, 제어용 액정부(230)를 투과하는 영역을 동적으로 제어하는 것을 포함할 수 있다. 예를 들면, 복수 개의 셀 중에서 객체의 방향 쪽에 위치하는 셀들을 위주로 개방과 차단 동작을 하도록 제어함으로써, 감지영역에 위치한 객체들의 방향에 따라 객체에 대한 정보를 검출하여 정밀하게 측정할 수 있다. 아울러, 제어부(260)는 감지 범위를 특정 부분으로 집중함으로써, 기타 불필요한 감지 영역의 측정을 최소화할 수 있다

또한, 수광부(250)는 광 방출부로부터 방출된 광을 확대하고 파형의 형태를 변경시켜 방출된 광이 감지영역의 객체로부터 반사된 반사광을 수신하는 부분이다. 라이다 센서 장치의 수광부(250)로부터 수신한 정보는 객체에 대한 데이터로 구성되므로, 라이다 센서 장치로부터 감지영역의 객체까지의 반사거리 데이터를 의미한다. 라이다 센서 장치의 수광부(250)에 의해 수신된 신호는 제어부(260)에서 수신된 신호를 처리하도록 동작할 수 있다.

일 예로, 수신된 신호는 제어부(260)에 포함되는 주파수 필터를 통한 특정 주파수의 파형을 검출할 수 있다. 주파수 필터에는 여러 종류가 있고, 그 중 대역 통과 필터(BPF)는 특정 주파수 범위에 있는 신호만 통과시키고 나머지 주파수 범위에 있는 신호는 차단시킬 수 있다. 즉, 제어부(260)에 포함되는 주파수 필터를 통해 제어용 액정부(230)에서 감지영역에 존재하는 객체의 반사거리를 측정하기 위해 사용한 광의 특정 주파수만을 선별하여 획득할 수 있다.

일 실시예에서, 제어부(260)는 획득한 특정 주파수의 파형에서 거리 측정을 하기 위한 프로세스를 포함할 수 있다. 이러한 프로세스에는 대표적으로 펄스의 왕복시간을 측정하는 pulsed TOF(time of flight), 신호의 위상 차를 통해 거리를 측정하는 위상변이(phase shift), 그리고 주파수에 변화를 준 후 주파수 차이를 통해 거리 정보를 추출하는 주파수 변조법(FMCW, frequency modulated continuous wave) 등과 같은 기술을 이용할 수 있다. 예를 들면, 진폭과 위상을 산출하기 위해 푸리에 분석 과정을 포함할 수 있다. 이러한 푸리에 분석과정에서 사용하는 방식 중 위상변이 라이다(Phase Shift LiDAR) 방식은 객체에서 반사되어 온 반사광의 파형의 주파수 변화량으로부터 거리를 환산하는 방법으로 위상을 검출하여 위상 차를 측정하고 이로부터 반사 거리를 산출 할 수 있다. 다만, 본 개시에서는 위상 변이 방식을 설명하였으나, 여기서 설명하는 방식의 용어 및 명칭은 예시적으로 개시한 것으로 이에 한정되지 않고 반사 거리를 산출할 수 있으면 다양한 방식을 사용할 수 있다.

본 개시에 의해 산출된 반사 거리는 제어부(260)의 프로세스를 이용하여 제어를 수행함으로써 감지영역의 객체의 3D 형상을 복원하는데 사용될 수 있다.

전술한 라이다 센서 장치의 각 구성에 대해서 아래에서는 도면을 참조하여 예시적으로 보다 상세하게 설명한다.

도 3은 본 개시의 일 실시예에 따른 라이다 센서 장치가 객체와의 반사거리를 측정하는 방식을 설명하기 위한 도면이다.

도 3을 참조하면, 라이다 센서 장치가 객체와의 반사거리를 측정하는 동안 광의 진행 순서의 일 예시를 도시한다. 예를 들어, 감지영역의 객체를 측정하기 위하여, 광 방출 및 변경 부분(300)은 특정한 주파수 및 파형을 가지는 광을 방출할 수 있다. 방출된 광이 도달한 감지영역의 객체(310)는 광을 반사시키고, 반사된 광은 수광부(350)를 통해 수신될 수 있다. 구체적으로 반사된 광은 객체에 입사된 광의 위상을 지연시킬 뿐 주파수와 파형은 입사된 광과 동일한 형태로 수신될 수 있다. 따라서 수광부(350)에서 수신된 신호 중 특정 방향으로 방출한 광과 동일한 주파수와 파형의 신호를 검출하여 방향에 따른 반사거리를 산출할 수 있다. 다만, 도3에서 도시된 각 부분의 구성은 일 실시예 중 하나로서, 감지영역의 객체는 하나 또는 하나 이상일 수도 있고, 반사된 신호는 방출된 광에 따라서 다양한 형태의 주파수 및 형태일 수도 있다.

도 4는 본 개시의 일 실시예에 따른 라이다 센서 장치의 광을 방출하고 파형의 형태를 변경하는 부분의 전체 구조를 설명하기 위한 도면이다.

도 4에서는 수광부를 제외한 광이 방출되어 감지영역의 객체까지 도달하기 전의 일 예시를 도시한다. 도 4을 참조하면, 라이다 센서 장치에는 광을 방출하는 기능, 광을 확대하는 기능, 광의 주파수와 파형을 변경하는 기능 등 다양한 기능이 구현될 수 있도록 광 방출 및 변경 부분(300)이 구성될 수 있다. 즉, 광을 방출하는 기능은 광 방출부(410), 광을 확대하는 기능은 광원 확장부(420), 광의 주파수와 파형을 변경하는 기능은 제어용 액정부(430), 광원의 방향을 변경하는 기능은 렌즈부(440)를 통해서 구현할 수 있다. 또한, 라이다 센서 장치가 전술한 기능들을 수행하기 위해서 다양하게 구성될 수 있다. 즉, 도 4에서 도시된 각 렌즈의 위치 및 종류는 여러 실시예 중 하나로서, 본 개시의 구성은 도 4에서 도시된 렌즈의 위치 및 종류에 한정되지 않고 광을 투과시키고 파형의 형태를 변경할 수 있으면 어느 것이든 사용될 수 있다.

도 5는 본 개시의 일 실시예에 따른 라이다 센서 장치의 제어용 액정부가 동작하는 방식을 설명하기 위한 도면이다.

도 5를 참조하면, 제어부(260)는 제어용 액정부(230)를 구성하고 있는 복수 개의 셀 중 적어도 하나 이상의 셀(510)의 동작을 제어함으로써 특정 주파수를 가진 광으로 변경할 수 있다. 예를 들어, 제어부(260)가 셀(510)을 개방하는 ON신호를 입력하면, 광 방출부(210)에서 방출되고 광원확장부(220)를 통해 범위가 확대되어 진행하고 있던 광은 제어용 액정부(230)의 셀(510)이 개방되어 투과할 수 있고, 반대로 제어부(260)가 셀(510)을 차단하는 OFF신호를 입력하면 진행하고 있던 광은 제어용 액정부(230)의 셀(510)이 차단되어 투과할 수 없다. 제어부(260)가 일정한 시간 간격으로 주기적으로 ON/OFF 신호를 입력하게 되면, 제어용 액정부(230)의 셀(510)은 개방과 차단 동작의 반복을 통해 일정 주파수를 가진 사각파 형태의 광(520)으로 변경할 수 있다.

도 6은 본 개시의 일 실시예에 따른 라이다 센서 장치의 제어용 액정부를 이용한 파형의 형태를 변경하는 방식을 설명하기 위한 도면이다.

제어용 액정부(230)의 복수 개의 셀이 투과시키는 광은 각각의 셀(510)에 따라 구분되어야 방향에 따른 객체로부터의 반사거리를 산출하는 것이 용이 할 수 있다. 따라서 제어부(260)는 제어용 액정부(230)의 복수 개의 셀의 동작을 제어함에 있어서 광 방출부(210)에서 방출한 광의 특정 주파수를 참고하여 파형의 모양을 단순한 사각파 형태에서 다양하게 변경할 수 있다.

구체적으로, 제어부(260)는 제어용 액정부(230)를 투과한 광의 파형의 형태를 방출한 광의 파형(600)의 주파수를 기준으로 투과율을 조정하기 위하여 셀(510)을 차단하는 OFF신호를 펄스반복주기보다 길게 입력하는 방식으로 기준 파형(600)보다 펄스가 반복되는 주기를 늘림으로써 주파수가 낮게 변경된 단순한 사각파 형태의 파형(620)으로 변경하거나, 일정한 펄스 반복 구간을 특정하여 특정 구간 동안은 셀(510)을 개방하는 ON신호를 입력하고 다른 일정 구간 동안은 셀(510)을 차단하는 OFF신호를 입력하는 방식으로, 방출한 광의 파형(600)의 모양을 일정한 사각파 형태가 아닌 특정 구간만 사각파 형태가 존재하는 다양한 모양의 파형(620)으로 변경하도록 제어할 수 있다. 본 실시예들에서는 기준 파형(600)의 주파수보다 낮은 주파수로 셀(510)의 ON/OFF 신호를 입력하는 것을 중심으로 설명하였으나, 더 높은 주파수 간격으로 셀(510)의 ON/OFF 신호를 입력하는 것도 포함할 수 있다.

도 7은 본 개시의 일 실시예에 따른 라이다 센서 장치의 제어용 액정부가 객체의 해당 방향에 따라 동작하는 방식을 설명하기 위한 도면이다.

도 7에서는 제어용 액정부(230)를 기준으로 감지영역의 객체가 상단 우측과 하단 좌측에 위치한 일 예시를 도시한다. 다만, 도 7에서 도시된 각 객체의 위치에 한정되지 않고 제어용 액정부(230)를 투과한 광이 도달할 수 있는 위치이면 어디든 측정할 수 있다.

본 개시의 일 예로, 제어부(260)는, 감지영역의 객체가 제어용 액정부(230)를 기준으로 제어용 액정부(230)의 상단 우측에 존재하는 경우(710)에는 주로 제어용 액정부(230)의 상단 우측의 셀들이 개방과 차단 동작을 하도록 제어하여 객체에 대한 데이터를 수집할 수 있다. 또한 감지영역의 객체가 제어용 액정부(230)를 기준으로 제어용 액정부(230)의 하단 좌측에 존재하는 경우(720)에는 주로 제어용 액정부(230)의 하단 좌측의 셀들이 개방과 차단 동작을 하도록 제어하여 객체에 대한 데이터를 수집할 수 있다. 이를 통해서, 라이다 센서 장치의 제어용 액정부(230)는 감지영역에 위치한 객체들의 방향에 따라 정밀하게 측정할 수 있다. 아울러, 제어부(260)는 감지 범위를 특정 부분으로 집중함으로써, 기타 불필요한 감지 영역의 측정을 최소화할 수 있다

도 8은 본 개시의 일 실시예에 따른 라이다 센서 장치의 제어용 액정부의 외형을 설명하기 위한 도면이다.

도 8에서는 제어용 액정부(230)의 외형을 일 예시로 도시한다. 도 8을 참고하면, 제어용 액정부(230)는 사각형 또는 원형의 외형으로 구비될 수 있다. 다만, 도8에서 도시된 제어용 액정부(230)의 외형은 여러 실시예 중 하나로서, 도 8에서 도시된 각 액정 모듈의 모양에 한정되지 않고 광원확장부(220)를 통해 확대된 광을 투과시킬 수 있는 크기이면 어떤 모양이든 사용할 수 있다.

도 9는 본 개시의 일 실시예에 따른 라이다 센서 장치의 오목렌즈를 이용한 파형의 방향을 변경하는 방식을 설명하기 위한 도면이다.

도 9에서는 오목렌즈(440)에 입사한 광이 오목렌즈(440)를 통해 굴절하여 진행하는 예시를 도시한다. 다만, 도 9에서 도시된 오목렌즈(440)에 입사하는 광의 형태와 굴절각은 여러 실시예 중 하나로서, 본 개시의 오목렌즈(440)에 광이 입사되는 위치에 따라 굴절되어 광의 방향을 다양하게 변경시킬 수 있다. 또한, 일 실시예에서 오목렌즈(440)는 제어용 액정부(430) 전방에 배치되어 고정된 것을 중심으로 설명하였으나, 더 넓은 영역으로의 광 확산을 송출하기 위해서 렌즈의 위치를 제어용 액정부(430) 전방에서 상하좌우로 이동하도록 제어하는 것도 포함할 수 있다. 필요에 따라서는 다른 종류의 렌즈를 추가로 조합하여 사용할 수 있다.

도 9를 참조하면, 제어용 액정부(430)를 투과하여 진행하는 광이 전방에 배치된 오목렌즈(440)를 통해 굴절되어 더 넓은 범위의 감지영역에 해당하는 특정 방향으로 광의 방향을 변경할 수 있다. 즉, 오목렌즈(440)에 광이 입사되는 위치에 따라서 광의 굴절각도가 변경됨에 따라 광의 진행 방향이 변경되므로 제어용 액정부(430)를 통해 오목렌즈(440)에 입사되는 위치를 제어한다면, 원하는 방향으로 더 넓은 범위의 감지영역까지 측정할 수 있다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 개시에 따른 라이다 센서 장치는 제어용 액정 장치와 렌즈를 활용하여 감지영역의 객체로부터의 반사거리를 산출할 수 있는 효과를 제공할 수 있다.

아래에서는 도 1 내지 도 9를 참조하여 설명한 본 개시에 따른 라이다 센서 장치를 동작 관점에서 다시 한 번 설명하며, 아래에서 설명하는 각 단계의 설명은 전술한 라이다 센서 장치에 의해서 동작될 수 있다.

도 10은 본 개시의 다른 실시예에 따른 라이다 센서 장치의 제어 방법의 동작을 설명하기 위한 흐름도이다.

도 10을 참조하면, 본 개시의 라이다 센서 장치의 제어 방법은 특정 주파수를 가진 광을 설정하여 방출하는 광 방출단계를 포함할 수 있다(S1010).

예를 들어, 광 방출단계는 특정 주파수를 가지는 광을 방출하는 단계로 라이다 센서 장치의 사용자가 방출되는 광의 주파수를 필요에 따라 변경하여 설정하면, 설정된 주파수로 광을 방출할 수 있다. 광 방출단계는 다양한 광원으로 방출할 수 있으며, 레이저 광원, 주파수 가변 광원 등으로 그 광원에 제한 없이 방출할 수 있다.

또한, 라이다 센서 장치는 광을 방출하는 광 방출부의 전방에 배치되며, 광 방출부로부터 방출되는 광을 확대시키는 단계를 수행할 수 있다(S1020).

일 예시로, 광을 확대시키는 단계는 광을 방출하는 단계와 제어용 액정을 제어하는 단계 사이에서, 광을 발산시키는 작용을 하는 적어도 하나의 오목렌즈와 광을 모으는 작용을 하는 적어도 하나의 볼록렌즈를 포함하는 구성을 통해 광을 확대시키는 단계를 수행할 수 있고, 광을 확대시키는 단계를 구현하기 위한 구성에 대한 설명은 도4의 설명을 참조할 수 있다

또한, 라이다 센서 장치는 확대된 광을 투과하며, 특정 주파수를 가진 광의 파형의 형태를 변경시키기 위해 복수 개의 셀을 포함하는 제어용 액정의 셀을 독립적으로 제어 하는 단계를 수행할 수 있다(S1030).

본 개시에서 라이다 센서 장치는 제어용 액정의 셀을 제어하는 단계에서 제어용 액정을 구성하는 복수 개의 셀 중 각각의 셀을 개방 및 차단 동작을 제어하여, 광을 확대시키는 단계를 통해 확대된 광의 파형 형태를 변경시킬 수 있다. 구체적으로, 제어용 액정의 셀을 제어하는 단계에서 라이다 센서 장치가 제어용 액정부의 셀을 개방하는 ON신호를 입력하도록 제어하면, 광 방출단계에서 방출되고 광을 확대시키는 단계를 통해 범위가 확대되어 진행하고 있던 광은 제어용 액정의 셀이 개방되어 투과할 수 있고, 반대로 제어용 액정의 셀을 차단하는 OFF신호를 입력하도록 제어하면 진행하고 있던 광은 제어용 액정의 셀이 차단되어 투과할 수 없다. 즉, 라이다 센서 장치는 일정한 시간 간격으로 주기적으로 ON/OFF 신호가 입력되도록 제어할 수 있고, 제어용 액정의 셀은 개방과 차단 동작의 반복을 통해 일정 주파수와 형태를 가진 광으로 변경할 수 있다. 제어용 액정을 이용한 주파수와 파형의 변경에 대한 설명은 도 5 및 도 6의 설명을 참조할 수 있다.

일 실시예에서, 라이다 센서 장치의 제어용 액정의 셀을 제어하는 단계에서는, 제어용 액정의 복수 개의 셀의 차단과 개방 동작을 동기화시켜 복수 개의 셀 각각에 의해서 변경되는 파형 형태가 동일하도록 제어할 수 있다.

본 개시에서 라이다 센서 장치는 제어용 액정의 셀을 제어하는 단계에서 감지영역의 객체의 방향 정보에 기초하여, 광을 확대시키는 단계를 통해 확대된 광이 상기 제어용 액정을 투과하는 영역을 제어용 액정의 복수 개의 셀 중 개방되는 셀에 의해서 동적으로 제어할 수 있다.

일 실시예에서, 감지영역의 객체가 제어용 액정을 기준으로 어느 위치에 존재하는지에 따라 제어용 액정의 복수 개의 셀 중 특정 방향의 셀들을 집중적으로 개방과 차단 동작을 하도록 제어하여 객체에 대한 데이터를 수집할 수 있다. 이를 통해서, 라이다 센서 장치의 제어용 액정은 감지영역에 위치한 객체들의 방향에 따라 정밀하게 측정하고, 기타 불필요한 감지 영역의 측정을 최소화할 수 있다.

또한, 라이다 센서 장치는 제어용 액정을 통해 투과된 광을 설정된 감지영역으로 송출하는 단계를 수행할 수 있다(S1040).

일 실시예에서, 설정된 감지영역으로 광을 송출하는 단계는 제어용 액정의 셀을 제어하는 단계를 통해 필요에 따라 파형이 변경된 광이 제어용 액정의 전방에 배치된 오목렌즈을 통해 굴절되어 더 넓은 범위의 감지영역에 해당하는 특정 방향으로 광의 방향을 변경할 수 있다. 즉, 오목렌즈는 광이 입사되는 위치에 따라서 광의 굴절각도가 변경되므로 제어용 액정을 통해 오목렌즈에 입사되는 위치를 제어하여, 원하는 방향으로 더 넓은 범위의 감지영역까지 광을 송출할 수 있다.

또한, 라이다 센서 장치는 감지영역에 존재하는 객체로부터 반사되는 반사광을 수신하는 단계를 수행할 수 있다(S1050).

반사광을 수신하는 단계는 방출된 광을 확대하고 파형의 형태를 변경시킨 광이 감지영역의 객체로부터 반사된 반사광을 수신하는 단계이다. 라이다 센서 장치가 반사광을 수신하는 단계로부터 획득한 정보는 객체에 대한 데이터로 구성되므로, 라이다 센서 장치로부터 감지영역의 객체까지의 반사거리 데이터를 의미한다.

또한, 라이다 센서 장치는 수신된 반사광을 이용하여 객체의 방향정보 및 거리정보를 산출하는 단계를 수행할 수 있다(S1060).

본 개시의 라이다 센서 장치의 객체와의 방향정보 및 거리정보를 산출하는 단계는 반사광을 수신하는 단계에서 수신된 반사광을 기반으로 감지영역의 객체와의 방향에 따른 반사거리를 산출하고, 산출된 객체와의 방향에 따른 반사거리를 기반으로 삼차원 형상을 복원할 수 있다.

일 실시예에서, 반사광을 수신하는 단계에서 수신된 신호는 주파수 필터를 통해 제어용 액정에서 감지영역에 존재하는 객체의 반사거리를 측정하기 위해 사용한 광의 특정 주파수만을 선별하여 획득할 수 있고, 검출된 특정 주파수의 파형에서 진폭과 위상을 산출하기 위해 푸리에 분석 과정을 통해 위상을 검출하여 위상 차를 획득하고 이로부터 반사 거리를 산출 할 수 있다. 나아가, 감지영역의 객체와의 방향에 따른 반사거리를 기반으로 삼차원 형상을 복원할 수 있다.

이상의 설명은 본 개시의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 개시가 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 기술 사상의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 또한, 본 실시예들은 본 개시의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이므로 이러한 실시예에 의하여 본 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 개시의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 개시의 권리 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

2OO: 라이다 센서 장치
210: 광 방출부
220: 광원 확장부
230: 제어용 액정부
240: 렌즈부
250: 수광부
260: 제어부

Claims (14)

1. 특정 주파수를 가진 광을 방출하는 광 방출부;
   상기 광 방출부의 전방에 배치되며, 상기 광 방출부로부터 방출되는 광을 확대시키는 광원확장부;
   상기 광원확장부에서 확대된 광을 투과하며, 상기 특정 주파수를 가진 광의 파형 형태를 변경시키기 위해 독립적 제어가 가능한 복수 개의 셀을 포함하는 제어용 액정부;
   상기 제어용 액정부를 투과한 광을 설정된 감지영역으로 송출하는 렌즈부;
   상기 감지영역에 존재하는 객체로부터 반사되는 반사광을 수신하는 수광부; 및
   상기 수신된 반사광을 이용하여 상기 객체의 방향정보 및 거리정보를 산출하는 제어부를 포함하되,
   상기 제어부는,
   상기 확대된 광의 상기 파형 형태를 변경시키기 위해 상기 복수 개의 셀 각각의 차단 및 개방 동작을 제어하며,
   주기적으로 상기 차단 및 개방 동작의 반복을 통해 상기 파형의 주파수를 변경시키거나, 상기 특정 주파수에 기초하여 특정 구간 동안 차단 신호 또는 개방 신호의 입력을 통해 상기 파형의 모양을 변경시키도록 제어하는 것을 특징으로 하는 라이다 센서 장치.
2. 제 1항에 있어서,
   상기 광원확장부는,
   상기 광 방출부와 상기 제어용 액정부 사이에 배치된 적어도 하나의 오목렌즈와 적어도 하나의 볼록렌즈를 포함하는 라이다 센서 장치.
3. 제 1항에 있어서,
   상기 제어용 액정부는,
   상기 복수 개의 셀이 행렬 형태로 배열된 라이다 센서 장치
4. 삭제
5. 제 1항에 있어서,
   상기 제어부는,
   상기 복수 개의 셀의 차단과 개방 동작을 동기화시켜 상기 복수 개의 셀 각각에 의해서 변경되는 상기 파형 형태가 동일하도록 제어하는 라이다 센서 장치.
6. 제 1항에 있어서,
   상기 제어부는,
   상기 객체의 방향 정보에 기초하여, 상기 확대된 광이 상기 제어용 액정부를 투과하는 영역을 동적으로 제어하되,
   상기 투과하는 영역은 상기 복수 개의 셀 중 개방되는 셀에 의해서 결정되는 라이다 센서 장치.
7. 제 1항에 있어서,
   상기 렌즈부는,
   상기 제어용 액정부를 투과한 광을 상기 감지영역으로 확산하여 송출하기 위한 하나 이상의 오목렌즈를 포함하여 구성되는 라이다 센서 장치.
8. 제 1항에 있어서,
   상기 제어부는 상기 수신된 반사광을 기반으로 상기 감지영역에 존재하는 객체와의 방향에 따른 반사거리를 산출하고 ,
   상기 산출된 객체와의 방향에 따른 반사거리를 기반으로 삼차원 형상을 복원하는 라이다 센서 장치.
9. 특정 주파수를 가진 광을 설정하여 방출하는 단계;
   광을 방출하는 광 방출부의 전방에 배치되며, 상기 광 방출부로부터 방출되는 광을 확대시키는 단계;
   상기 확대된 광을 투과하며, 상기 특정 주파수를 가진 광의 파형의 형태를 변경시키기 위해 복수 개의 셀을 포함하는 제어용 액정의 셀을 독립적으로 제어 하는 단계;
   상기 투과된 광을 설정된 감지영역으로 송출하는 단계;
   상기 감지영역에 존재하는 객체로부터 반사되는 반사광을 수신하는 단계; 및
   상기 수신된 반사광을 이용하여 상기 객체의 방향정보 및 거리정보를 산출하는 단계를 포함하되,
   상기 제어 하는 단계는,
   상기 확대된 광의 상기 파형 형태를 변경시키기 위해 상기 복수 개의 셀 각각의 차단 및 개방 동작을 제어하며,
   주기적으로 상기 차단 및 개방 동작의 반복을 통해 상기 파형의 주파수를 변경시키거나, 상기 특정 주파수에 기초하여 특정 구간 동안 차단 신호 또는 개방 신호의 입력을 통해 상기 파형의 모양을 변경시키도록 제어하는 것을 특징으로 하는 라이다 센서 장치의 제어 방법.
10. 제 9항에 있어서,
    상기 광을 확대시키는 단계는,
    상기 광 방출부와 상기 액정 사이에, 광을 발산시키는 작용을 하는 적어도 하나의 오목렌즈와 광을 모으는 작용을 하는 적어도 하나의 볼록렌즈를 포함하는 구성을 통해 상기 방출되는 광의 크기를 확대하는 라이다 센서 장치의 제어 방법.
11. 삭제
12. 제 9항에 있어서,
    상기 액정의 셀을 제어하는 단계는,
    상기 복수 개의 셀의 차단과 개방 동작을 동기화시켜 상기 복수 개의 셀 각각에 의해서 변경되는 상기 파형 형태가 동일하도록 제어하는 라이다 센서 장치의 제어 방법.
13. 제 9항에 있어서,
    상기 액정의 셀을 제어하는 단계는,
    상기 객체의 방향 정보에 기초하여, 상기 확대된 광이 상기 제어용 액정을 투과하는 영역을 동적으로 제어하되,
    상기 투과하는 영역은 상기 복수 개의 셀 중 개방되는 셀에 의해서 결정되는 라이다 센서 장치의 제어 방법.
14. 제 9항에 있어서,
    상기 감지영역에 존재하는 객체와의 방향정보 및 거리정보를 산출하는 단계는,
    상기 수신된 반사광을 기반으로 상기 객체와의 방향에 따른 반사거리를 산출하고,
    상기 산출된 객체와의 방향에 따른 반사거리를 기반으로 삼차원 형상을 복원하는 라이다 센서 장치의 제어 방법.
    

Images