KR102429969B1 - Optical transmitter for lidar - Google Patents

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KR102429969B1
KR102429969B1 KR1020220015310A KR20220015310A KR102429969B1 KR 102429969 B1 KR102429969 B1 KR 102429969B1 KR 1020220015310 A KR1020220015310 A KR 1020220015310A KR 20220015310 A KR20220015310 A KR 20220015310A KR 102429969 B1 KR102429969 B1 KR 102429969B1
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forming lens
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sheet forming
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KR1020220015310A
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정인교
손영빈
송병호
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주식회사 하이보
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Abstract

According to one aspect of the technical idea of the present disclosure, provided is an optical transmission unit, which includes a light source generating light, and an optical sheet forming lens disposed on one side of the light source, adjusting a vertical axis (Y) direction spreading angle of light incident from the light source through the inner surface within a first angle range, and generating an optical sheet by adjusting the spreading angle in the horizontal axis (X) direction through the outer surface within a second angle range.

Description

라이다용 광 송신부{OPTICAL TRANSMITTER FOR LIDAR}Optical transmitter for lidar

본 개시의 기술적 사상은 라이다용 광 송신부에 관한 것으로 상세하게는 단일한 렌즈로 이루어진 광시트형성렌즈를 포함하여 광 시트를 형성할 수 있는 것을 특징으로 하는 라이다용 광 송신부에 관한 것이다.The technical idea of the present disclosure relates to a light transmitting unit for lidar, and more particularly, to a light transmitting unit for lidar, characterized in that it can form a light sheet including a light sheet forming lens made of a single lens.

라이다는 레이저 광을 이용해 거리를 측정하는 센서로서, 주변 환경의 인식과 장애물의 위치를 측정할 수 있게 한다. 이에 따라, 라이다는 지능형 이동 로봇, 드론, 무인자동차 등 다양한 분야에서 거리 감지 기능을 구현하기 위해 활발하게 사용되고 있다. LiDAR is a sensor that measures distance using laser light, enabling recognition of the surrounding environment and measuring the location of obstacles. Accordingly, lidar is being actively used to implement a distance sensing function in various fields such as intelligent mobile robots, drones, and unmanned vehicles.

한편, 라이다가 거리를 측정하는 방식 중에는 광 송신부에서 출력된 빛이 목표지점에 도달 후 반사되어 광 수신부에 도달하는데 걸리는 시간을 측정하여 거리를 계산하는 방식(TOF, Time Of Flight), 광 송신부와 광 수신부의 거리 차이와 시차를 이용하여 삼각법으로 레이저의 도달 거리를 계산하는 방식(Triangulation) 등이 있다.On the other hand, among the methods of measuring the distance by the lidar, the method of calculating the distance by measuring the time it takes for the light output from the light transmitter to reach the target point and then to reach the light receiver (TOF, Time Of Flight), the light transmitter There is a method (triangulation) that calculates the arrival distance of the laser by triangulation using the distance difference and parallax of the light receiver.

이러한 라이다의 광 송신부는 광 조사 광학계로 이루어져있으며, 광 조사 광학계는 다수의 굴절면을 이용하여 광원에서 나온 광이 광 수신부의 화각에 특정 분포를 가지도록 설계된다. The light transmitting unit of the lidar consists of a light irradiation optical system, and the light irradiation optical system is designed so that the light emitted from the light source has a specific distribution in the field of view of the light receiving unit using a plurality of refracting surfaces.

종래 2차원 거리 측정에 사용된 광 송신부의 광 조사 광학계는 광원에서 나오는 광을 한 점으로 모으고, 이를 다시 다수의 굴절면을 통과 시켜 광 시트를 형성하였다. 이 때 다수의 굴절면을 통과하면서 굴절 과정에서 발생한 반사로 인해 광 손실이 크게 발상하였고, 이에 따라 라이다가 측정할 수 있는 거리가 제한되는 문제가 있다.The light irradiation optical system of the light transmitter used for conventional two-dimensional distance measurement collects the light emitted from the light source at one point and passes it through a plurality of refracting surfaces to form a light sheet. At this time, light loss occurred due to reflection generated during the refraction process while passing through a number of refracting surfaces, and thus there is a problem in that the distance that the lidar can measure is limited.

또한, 다수의 굴절면 중 일부 또는 전체가 광 조사 광학계에서 탈락되는 경우 강한 세기의 빛이 한 방향으로 방사되어 라이다를 사용하는 사용자의 신체의 일부, 특히 안구의 망막 및 각막에 손상을 입힐 위험이 존재하는 사용상의 문제가 있다.In addition, if some or all of the plurality of refracting surfaces are removed from the light irradiation optical system, strong light is emitted in one direction and there is a risk of damaging the part of the user's body using the lidar, especially the retina and cornea of the eyeball. There are usability problems that exist.

광 손실을 최소화하고 사용 안전상의 문제를 해소하기 위해 기존의 광 송신부의 광 조사 광학계와는 다른 방식으로 광 시트를 형성할 수 있는 방식이 요구되고 있다. In order to minimize the loss of light and solve the problem of safety in use, a method capable of forming the light sheet in a different way from the conventional light irradiation optical system of the light transmitter is required.

본 개시의 기술적 사상이 해결하려는 과제는 광 시트를 형성하기 위해 다수의 굴절면을 통과하는 굴절 과정에서 반사되는 빛으로 인한 광 손실을 줄이고, 광 시트를 형성하는 광 조사 광학계를 구성하는 일부 구성요소가 탈락되어도 빛이 한 방향으로 집속되어 방사되지 않는 광 시트 조사 광학계를 제공하는 데 있다. The problem to be solved by the technical idea of the present disclosure is to reduce light loss due to light reflected in the process of refraction passing through a plurality of refracting surfaces to form a light sheet, and some components constituting the light irradiation optical system forming the light sheet An object of the present invention is to provide a light sheet irradiation optical system in which light is focused in one direction and is not emitted even if it is dropped.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 개시의 기술적 사상의 일측면에 따른 라이다용 광 송신부에 있어서, 광을 발생하는 광원 및 상기 광원의 일측에 배치되고, 상기 광원으로부터 입사되는 광을 내측면을 통해 수직축 방향 퍼짐각을 제1 각도 범위 내로 조절하고, 외측면을 통해 수평축 방향의 퍼짐각을 제2 각도 범위 내로 조절하여 광 시트를 생성하는 광시트형성렌즈를 포함할 수 있다.In order to achieve the above object, in the light transmitting unit for lidar according to an aspect of the technical idea of the present disclosure, a light source for generating light and a light source disposed on one side of the light source, the inner surface of the light incident from the light source It may include a light sheet forming lens for generating a light sheet by adjusting the vertical axis direction spread angle within the first angular range, and by adjusting the horizontal axis direction spread angle through the second angular range.

상기 광시트형성렌즈는, 상기 내측면과 상기 외측면으로 이루어진 굴절면을 갖는 단일한 렌즈로 이루어질 수 있다.The optical sheet forming lens may be formed of a single lens having a refractive surface composed of the inner surface and the outer surface.

상기 광시트형성렌즈의 내측면은, 상기 광원으로부터 입사되는 광을 굴절시켜 수직축 방향의 퍼짐각이 0°이상 10°이하 범위가 되도록 조절할 수 있다.The inner surface of the optical sheet-forming lens may be adjusted to refract the light incident from the light source so that the spread angle in the vertical axis direction is in the range of 0° or more and 10° or less.

상기 광시트형성렌즈의 외측면은, 상기 광시트형성렌즈에서 외부로 방출되는 광을 굴절시켜 수평축 방향의 퍼짐각이 0°이상 200°이하의 범위가 되도록 조절할 수 있다.The outer surface of the optical sheet-forming lens can be adjusted to refract the light emitted to the outside from the optical sheet-forming lens so that the spreading angle in the horizontal axis direction is in the range of 0° or more and 200° or less.

상기 광시트형성렌즈의 내측면은, 광축-수직축 평면에 대한 단면이 볼록 렌즈의 형상으로 형성될 수 있다.The inner surface of the optical sheet-forming lens may be formed in the shape of a convex lens in cross section with respect to the optical axis-vertical axis plane.

광축-수직축 평면에 대한 상기 광시트형성렌즈의 내측면의 단면은, 수평축-광축 평면 상의 원 또는 타원과 같은 곡선에 접하는 형상으로 형성될 수 있다.The cross-section of the inner surface of the optical sheet forming lens with respect to the optical axis-vertical axis plane may be formed in a shape tangent to a curve such as a circle or an ellipse on the horizontal axis-optical axis plane.

상기 광시트형성렌즈의 내측면은, 광축-수직축 평면에 대해 광축에서 벗어난 거리(r)에 따라 상기 내측면의단면과 z(r)거리를 갖도록 아래 [수학식 1]을 기초로, 상기 내측면의 단면은 아래 [수학식 1]을 기초로 계산된 기준면에 대한 상기 광시트형성렌즈 내측면의 단면과의 거리 z(r)를 형성하면서 일 지점이 서로 연결된 형태를 갖을 수 있다.The inner surface of the optical sheet forming lens has a z (r) distance with the cross section of the inner surface according to the distance (r) deviating from the optical axis with respect to the optical axis-vertical axis plane, based on the following [Equation 1], The cross-section of the side may have a shape in which one point is connected to each other while forming a distance z(r) from the cross-section of the inner surface of the optical sheet forming lens to the reference plane calculated based on Equation 1 below.

[수학식 1][Equation 1]

Figure 112022013220286-pat00001
Figure 112022013220286-pat00001

(여기서, r는 광축에서 벗어난 거리, R는 r=0인 지점에서의 곡률 반경,

Figure 112022013220286-pat00002
는 원뿔 상수(comic comstamt),
Figure 112022013220286-pat00003
n는 비구면 계수).(where r is the distance off the optical axis, R is the radius of curvature at the point where r = 0,
Figure 112022013220286-pat00002
is the conic constant,
Figure 112022013220286-pat00003
n is the aspheric coefficient).

상기 광시트형성렌즈의 외측면은, 상기 광시트형성렌즈의 내측면을 통과한 광의 광축-수평축 상에 투영된 각도(

Figure 112022013220286-pat00004
)에 따른 빛의 세기(
Figure 112022013220286-pat00005
)와 상기 외측면을 통해 굴절되어 방출되는 각도(
Figure 112022013220286-pat00006
)에 따른 빛의 세기(
Figure 112022013220286-pat00007
)가 아래 수학식 2의 조건을 만족하도록, 아래 수학식 3을 기초로 계산된 입사각에 해당하는 지점에서의 곡면 기울기
Figure 112022013220286-pat00008
를 형성하면서 각각의 일 지점이 서로 연결된 형태를 갖을 수 있다. The outer surface of the optical sheet-forming lens, the optical axis of the light passing through the inner surface of the optical sheet-forming lens - the angle projected on the horizontal axis (
Figure 112022013220286-pat00004
) according to the light intensity (
Figure 112022013220286-pat00005
) and the angle refracted and emitted through the outer surface (
Figure 112022013220286-pat00006
) according to the light intensity (
Figure 112022013220286-pat00007
) to satisfy the condition of Equation 2 below, the slope of the curved surface at a point corresponding to the angle of incidence calculated based on Equation 3 below.
Figure 112022013220286-pat00008
Each point may have a shape connected to each other while forming.

[수학식 2][Equation 2]

Figure 112022013220286-pat00009
Figure 112022013220286-pat00009

(여기서,

Figure 112022013220286-pat00010
은 내측면을 통과해 나온 빛의 광축-수평축 상에 투영된 빛의 각도,
Figure 112022013220286-pat00011
Figure 112022013220286-pat00012
에 따른 빛의 세기,
Figure 112022013220286-pat00013
는 외측면을 통해 굴절되어 방출되는 빛의 각도,
Figure 112022013220286-pat00014
Figure 112022013220286-pat00015
에 대해 요구되는 빛의 세기)(here,
Figure 112022013220286-pat00010
is the angle of the light projected on the optical axis-horizontal axis of the light passing through the inner surface,
Figure 112022013220286-pat00011
Is
Figure 112022013220286-pat00012
light intensity according to
Figure 112022013220286-pat00013
is the angle of the light that is refracted and emitted through the outer surface,
Figure 112022013220286-pat00014
Is
Figure 112022013220286-pat00015
light intensity required for

[수학식 3][Equation 3]

Figure 112022013220286-pat00016
Figure 112022013220286-pat00016

(여기서,

Figure 112022013220286-pat00017
Figure 112022013220286-pat00018
에 해당하는 지점에서의 각 곡면의 기울기).(here,
Figure 112022013220286-pat00017
silver
Figure 112022013220286-pat00018
the slope of each surface at a point corresponding to ).

본 개시의 예시적 실시 예에 따른 라이다용 광 송신부는 단일한 광시트형성렌즈를 구비하여 광 시트 형성 중 굴절 과정에서 반사되는 빛으로 인한 광 손실을 최소화할 수 있고, 광 신호 송신시 빛의 손실을 최소화하여 송신부가 적용된 라이다가 측정할 수 있는 거리를 늘릴 수 있다.The light transmission unit for LiDAR according to an exemplary embodiment of the present disclosure includes a single light sheet forming lens to minimize light loss due to light reflected in the process of refraction during light sheet formation, and By minimizing the loss, it is possible to increase the distance that the lidar to which the transmitter is applied can measure.

본 개시의 예시적 실시 예에 따른 라이다용 광 송신부는 광 조사 광학계의 구조를 단순화하고 부품의 수를 최소화하여 조립공정을 간소화할 수 있고, 제조 비용을 절감할 수 있다.The light transmitter for lidar according to an exemplary embodiment of the present disclosure may simplify the assembly process by simplifying the structure of the light irradiation optical system and minimizing the number of parts, and may reduce manufacturing costs.

본 개시의 예시적 실시 예에 따른 라이다용 광 송신부는 단일 렌즈로 이루어진 광시트형성렌즈를 통해 광 시트를 생성하므로 기존의 광 시트 조사 광학계를 이루는 구성요소가 탈락되어 빛이 한 방향으로 집속되어 발생하는 문제를 방지하고, 사용자의 안전을 확보할 수 있다.Since the light transmitting unit for LiDAR according to an exemplary embodiment of the present disclosure generates a light sheet through a light sheet forming lens made of a single lens, the components constituting the existing light sheet irradiation optical system are dropped and light is focused in one direction. It can prevent problems from occurring and ensure user safety.

도 1은 본 개시의 예시적 실시 예에 따른 광 시트 조사 광학계가 적용된 라이다의 구성도이다.
도 2는 본 개시의 예시적 실시 예에 따른 광 시트 조사 광학계의 광축-수평축에 대한 구성도이다.
도 3은 본 개시의 예시적 실시 예에 따른 광시트형성렌즈의 전면 사시도이다.
도 4는 본 개시의 예시적 실시 예에 따른 내측면을 설명하기 위한 내측면 단면을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 5는 본 개시의 예시적 실시 예에 따른 내측면을 설명하기 위해 광축-수직축 평면 상에 내측면 단면을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 6은 본 개시의 예시적 실시 예에 따른 광시트형성렌즈의 후면 사시도이다.
도 7은 본 개시의 예시적 실시 예에 따른 외측면의 기울기를 설명하기 위한도면이다.
도 8a는 본 개시의 예시적 실시 예에 따른 광시트형성렌즈를 통과한 광을 수직축-광축에 대해 나타낸 도면이고, 도 8b는 본 개시의 예시적 실시 예에 따른 광시트형성렌즈를 통과한 광을 수평축-광축에 대해 나타낸 도면이다.
도 9는 본 개시의 예시적 실시 예에 따른 광시트형성렌즈를 통과한 광의 수평축 방향 퍼짐각에 따른 수평축 방향 출력 광의 세기를 도시한 그래프이다.
1 is a configuration diagram of a lidar to which a light sheet irradiation optical system according to an exemplary embodiment of the present disclosure is applied.
2 is a configuration diagram of an optical axis-horizontal axis of a light sheet irradiation optical system according to an exemplary embodiment of the present disclosure.
3 is a front perspective view of a lens for forming an optical sheet according to an exemplary embodiment of the present disclosure.
4 is a diagram schematically illustrating a cross-section of an inner surface for explaining an inner surface according to an exemplary embodiment of the present disclosure.
5 is a diagram schematically illustrating a cross-section of an inner surface on an optical axis-vertical axis plane to describe an inner surface according to an exemplary embodiment of the present disclosure.
6 is a rear perspective view of a lens for forming an optical sheet according to an exemplary embodiment of the present disclosure.
7 is a view for explaining an inclination of an outer surface according to an exemplary embodiment of the present disclosure.
8A is a view showing the vertical axis-optical axis of light passing through the light sheet forming lens according to an exemplary embodiment of the present disclosure, and FIG. 8B is light passing through the light sheet forming lens according to an exemplary embodiment of the present disclosure. is a diagram showing the horizontal axis-optical axis.
9 is a graph illustrating the intensity of output light in the horizontal axis direction according to the horizontal axis direction spreading angle of light passing through the optical sheet forming lens according to an exemplary embodiment of the present disclosure.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 개시의 실시 예에 대해 상세히 설명한다. 본 발명의 실시 예는 당 업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위하여 제공되는 것이다. 본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 특정 실시 예들을 도면에 예시하고 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조 부호를 유사한 구성요소에 대해 사용한다. 첨부된 도면에 있어서, 구조물들의 치수는 본 발명의 명확성을 기하기 위하여 실제보다 확대하거나 축소하여 도시한 것이다.Hereinafter, embodiments of the present disclosure will be described in detail with reference to the accompanying drawings. The embodiments of the present invention are provided to more completely explain the present invention to those of ordinary skill in the art. Since the present invention may have various changes and may have various forms, specific embodiments will be illustrated in the drawings and described in detail. However, this is not intended to limit the present invention to the specific disclosed form, it should be understood to include all modifications, equivalents and substitutes included in the spirit and scope of the present invention. In describing each figure, like reference numerals are used for like components. In the accompanying drawings, the dimensions of the structures are enlarged or reduced than the actual size for clarity of the present invention.

본 개시에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 개시에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성 요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다. 본 개시에서 사용한 "제1~", "제2~" 와 같은 서수적인 표현은 "제1~"이 "제2~"보다 앞선 것임을 한정하지 않으며, 유사한 구성을 달리 구분하여 표현하기 위한 것으로 이해되어야 한다.Terms used in the present disclosure are used only to describe specific embodiments, and are not intended to limit the present invention. The singular expression includes the plural expression unless the context clearly dictates otherwise. In the present disclosure, terms such as “comprise” or “have” are intended to designate that a feature, number, step, operation, component, part, or combination thereof described in the specification is present, but one or more other features It is to be understood that it does not preclude the possibility of the presence or addition of numbers, steps, operations, components, parts, or combinations thereof. Ordinal expressions such as "first ~" and "second ~" used in the present disclosure do not limit that "first ~" precedes "second ~", and are understood to be expressed differently in similar configurations. should be

다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 갖는다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.Unless defined otherwise, all terms used herein, including technical or scientific terms, have the same meaning as commonly understood by one of ordinary skill in the art to which this invention belongs. Terms such as those defined in commonly used dictionaries should be interpreted as having a meaning consistent with the meaning in the context of the related art, and should not be interpreted in an ideal or excessively formal meaning unless explicitly defined in the present application. does not

도 1은 본 개시의 예시적 실시 예에 따른 광 시트 조사 광학계가 적용된 라이다의 구성도이다.1 is a configuration diagram of a lidar to which a light sheet irradiation optical system according to an exemplary embodiment of the present disclosure is applied.

도 1을 참조하면, 본 개시의 예시적 실시 예에 따른 라이다(1)는 레이저 광을 이용하여 목표 물체(200)에 대한 정보를 생성할 수 있는 센서이다. 라이다(1)는 광 송신부(100) 및 광 수신부(10)를 포함한다. 본 발명의 실시 예에 따른 라이다(1)는 광 송신부(100)에서 발생한 광 신호를 목표 물체(200)로 송신할 수 있다. 목표 물체(200)에 의하여 반사된 광 신호는 광 수신부(10)로 수신될 수 있다. Referring to FIG. 1 , a lidar 1 according to an exemplary embodiment of the present disclosure is a sensor capable of generating information on a target object 200 using laser light. The lidar 1 includes a light transmitter 100 and a light receiver 10 . The lidar 1 according to an embodiment of the present invention may transmit an optical signal generated by the optical transmitter 100 to the target object 200 . The optical signal reflected by the target object 200 may be received by the optical receiver 10 .

본 발명의 실시 예에 따른 라이다(1)는 광 송신부(100)에서 송신된 레이저 광 신호가 물체에서 반사되고, 반사된 광 신호가 광 수신부(10)에서 감지되는 왕복 시간을 이용하여 거리를 탐지하는 ToF(Time-of-Fight) 방식의 라이다일 수 있다. 다만, 이에 한정하지 않고, 라이다(1)는 삼각법으로 거리를 계산하는 방식(Triangulation), 위상 변화량을 측정하여 거리를 계산하는 방식(Phase-shift) 등 다양한 방식으로 거리를 측정할 수 있다.The lidar 1 according to an embodiment of the present invention determines the distance by using a round trip time in which the laser light signal transmitted from the light transmitter 100 is reflected from the object, and the reflected light signal is detected by the light receiver 10 . It may be a Time-of-Fight (ToF) type lidar that detects. However, the present invention is not limited thereto, and the lidar 1 may measure the distance in various ways, such as a method of calculating the distance using a triangulation method (Triangulation) and a method of calculating the distance by measuring the amount of phase change (Phase-shift).

광 송신부(100)는 레이저 광을 발생시켜 목표 물체(200)로 송출하는 구성이다. 이때, 광 송신부(100)는 레이저 광을 발생시키는 광원(110)과, 광원(110)으로부터 입사되는 레이저 광의 경로를 조절하는 광 조사 광학계를 포함할 수 있다. 본 개시의 예시적 실시 예에 따른 라이다용 광 송신부(100)는 광시트형성렌즈로 이루어진 광 조사 광학계를 구비할 수 있다. The light transmitter 100 is configured to generate laser light and transmit it to the target object 200 . In this case, the light transmitter 100 may include a light source 110 for generating laser light and a light irradiation optical system for controlling a path of laser light incident from the light source 110 . The light transmission unit 100 for lidar according to an exemplary embodiment of the present disclosure may include a light irradiation optical system made of a light sheet forming lens.

광 송신부(100)는 광시트를 형성하기 위한 특수한 형상의 단일렌즈인 광시트형성렌즈(130)를 포함할 수 있다. 광시트형성렌즈(130)는 기존의 광시트를 형성하기 위한 광학계 대비 적은 수의 구성요소로 광각(수평 방향 180° 이상)의 광시트를 형성할 수 있다. The light transmitting unit 100 may include a light sheet forming lens 130 that is a single lens having a special shape for forming a light sheet. The light sheet forming lens 130 can form a light sheet having a wide angle (180° or more in the horizontal direction) with a small number of components compared to an optical system for forming an existing light sheet.

본 발명에 따른 라이다(1)의 광 송신부(100)는 광 신호 발생시 광의 굴절 과정을 최소화하는 단일한 렌즈로 이루어진 광시트형성렌즈(130)를 광 조사 광학계로 구비하여 굴절 과정에서 반사되는 빛으로 인한 광 손실을 방지함으로써 라이다(1)의 측정 거리를 향상시킬 수 있다. The light transmission unit 100 of the lidar 1 according to the present invention includes a light sheet forming lens 130 made of a single lens that minimizes the process of refraction of light when an optical signal is generated as a light irradiation optical system, so that light reflected in the process of refraction It is possible to improve the measurement distance of the lidar (1) by preventing the light loss due to the.

본 발명의 실시 예에 따른 광 송신부(100)의 자세한 구성은 이하에서 설명한다.A detailed configuration of the optical transmitter 100 according to an embodiment of the present invention will be described below.

광 수신부(10)는 목표 물체(200)로부터 반사된 레이저 광을 수신하는 구성이다. 예를 들어, 광 수신부(10)는 포토다이오드(photodiode) 등과 같은 광전 변환 소자를 이용하여 목표 물체(200)로부터 반사 수신된 광을 전기적인 신호(전류 등)로 변환할 수 있다. 광 수신부(10)는 반사 수신된 광의 경로를 조절하는 광 수신 광학계를 포함할 수 있다. 예를 들어, 광 수신 광학계는 각종 렌즈, 또는 거울 등을 포함할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.The light receiving unit 10 is configured to receive the laser light reflected from the target object 200 . For example, the light receiver 10 may convert light reflected and received from the target object 200 into an electrical signal (eg, current) using a photoelectric conversion element such as a photodiode. The light receiving unit 10 may include a light receiving optical system that adjusts the path of the reflected received light. For example, the light receiving optical system may include various lenses or mirrors, but is not limited thereto.

도 2는 본 개시의 예시적 실시 예에 따른 광 시트 조사 광학계의 광축(Z)-수평축(X)에 대한 구성도이고, 도 3은 본 개시의 예시적 실시 예에 따른 광시트형성렌즈의 전면 사시도이다.2 is a configuration diagram of the optical axis (Z)-horizontal axis (X) of the optical sheet irradiation optical system according to an exemplary embodiment of the present disclosure, and FIG. 3 is the front surface of the optical sheet forming lens according to an exemplary embodiment of the present disclosure. is a perspective view.

도 2 및 도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 라이다용 광 송신부(100)는 광원(110), 광시트형성렌즈(130)를 포함할 수 있다. 2 and 3 , the light transmission unit 100 for lidar according to an embodiment of the present invention may include a light source 110 and a light sheet forming lens 130 .

광원(110)은 일정한 시간 간격으로 펄스 광을 방출하도록 구성될 수 있다. 또한, 광원(110)은 사람의 눈에는 보이지 않는 적외선 대역의 광을 방출하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 광원(110)은 약 800 nm 내지 약 2,000 nm 대역 중에서 선택된 일부 파장 대역을 갖는 광을 방출하도록 구성될 수 있다. The light source 110 may be configured to emit pulsed light at regular time intervals. In addition, the light source 110 may be configured to emit light in an infrared band invisible to the human eye. For example, the light source 110 may be configured to emit light having a partial wavelength band selected from a band of about 800 nm to about 2,000 nm.

광원(110)은 펄스 레이저 광원일 수 있지만 반드시 이에 한정되지는 않는다. 공차 범위 내에서 발광 파장을 제어할 수 있다면 광원(110)은 레이저 다이오드, 발광 다이오드 등의 전기 에너지를 광으로 변환해주는 광전자 소자 또는 이와 유사한 광 조사 분포를 가진 소자를 광원(110)으로서 사용할 수 있다. 이러한 소자들은 추가적인 광학계의 결합이 없는 상태에서 방출되는 광이 퍼지는 입체각이 0이 아닌 소자를 의미한다.The light source 110 may be a pulse laser light source, but is not limited thereto. If the emission wavelength can be controlled within the tolerance range, the light source 110 may use an optoelectronic device that converts electrical energy such as a laser diode or a light emitting diode into light or a device having a similar light irradiation distribution as the light source 110. . These devices refer to devices in which the solid angle through which the emitted light spreads is not 0 in a state where there is no coupling of an additional optical system.

광원(110)에서 광이 방출되는 광 방출면 중심을 지나며 광 방출면에 수직한 축을 광축(Z)으로 정의한다. 또한, 광 방출면 중심을 지나며 광축(Z)에 수직한 임의 방향을 수평축(X), 광 방출면 중심을 지나며 광축(Z)과 수평축(X)에 서로 수직한 축을 수직축(Y)으로 정의한다. 여기서, 복사 강도의 분포가 광축(Z)을 중심으로 한 회전 대칭 형상이 아닐 경우, 복사 강도 분포를 기준으로 측정한 퍼짐각이 가장 넓은 방향을 수평축(X), 수평축(X)과 광축(Z)에 서로 수직한 방향을 수직축(Y)으로 설정할 수 있다.An axis passing through the center of the light emission surface through which light is emitted from the light source 110 and perpendicular to the light emission surface is defined as the optical axis Z. In addition, an arbitrary direction passing through the center of the light emission plane and perpendicular to the optical axis (Z) is defined as the horizontal axis (X), and an axis passing through the center of the light emission plane and perpendicular to the optical axis (Z) and the horizontal axis (X) is defined as the vertical axis (Y). . Here, when the distribution of the radiation intensity is not rotationally symmetrical about the optical axis (Z), the horizontal axis (X), the horizontal axis (X) and the optical axis (Z) are the directions with the widest spread angle measured based on the radiation intensity distribution. ) can be set as the vertical axis (Y) in a direction perpendicular to each other.

광시트형성렌즈(130)는 광원(110)으로부터 발생하여 광시트형성렌즈(130)로 입사되는 광의 경로를 조절하여 광시트(135)를 형성할 수 있다.The light sheet forming lens 130 may form the light sheet 135 by adjusting the path of light generated from the light source 110 and incident to the light sheet forming lens 130 .

한편, 광원(110), 광시트형성렌즈(130)는 하우징에 의해 고정되거나 결합되는 형상으로 형성될 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다. 또한 광원(110), 광시트형성렌즈(130)는 동일한 광축(Z)을 갖도록 차례대로 배열될 수 있다. 광축(Z)이란 렌즈의 굴절률과는 무관하게 빛이 같은 방향으로 진행할 수 있도록 하는 축을 의미한다.On the other hand, the light source 110 and the light sheet forming lens 130 may be formed in a shape fixed or coupled by the housing, but is not limited thereto. In addition, the light source 110 and the optical sheet forming lens 130 may be sequentially arranged to have the same optical axis Z. The optical axis Z refers to an axis that allows light to travel in the same direction regardless of the refractive index of the lens.

광시트형성렌즈(130)는 광시트(135)로 구현되는 광 신호를 목표 물체(200)에 보내기 위하여 광원(110)에서 방출된 레이저 광(115)을 굴절시켜 수직축(Y) 방향 광의 퍼짐각(θ1, 도 8a 참조)이 제1 각도 범위 내로 조절되고, 수평축(X) 방향 광의 퍼짐각(θ2, 도 8b 참조)이 제2 각도 범위 내로 조절된 광 시트를 출력할 수 있다. The optical sheet forming lens 130 refracts the laser light 115 emitted from the light source 110 in order to send the optical signal implemented by the optical sheet 135 to the target object 200, so that the vertical axis (Y) direction light spread angle A light sheet in which (θ1, see FIG. 8A ) is adjusted within the first angle range and the horizontal axis (X) direction light spread angle (θ2, see FIG. 8B ) is adjusted within the second angle range may be output.

여기서, 퍼짐각은 광축(Z) 및 수평축(X), 광축(Z) 및 수직축(Y)이 이루는 평면에서 각도에 따른 빛의 세기를 반치전폭을 기준으로 측정한 각도를 의미한다.Here, the spreading angle means an angle measured based on the full width at half maximum in terms of the light intensity according to the angle in the plane formed by the optical axis (Z), the horizontal axis (X), the optical axis (Z), and the vertical axis (Y).

광시트형성렌즈(130)는 광원(110)에서 나온 레이저 광(115)이 광시트형성렌즈(130)로 굴절되어 들어가는 내측면(131)과 광시트형성렌즈(130)로부터 굴절되어 외부로 방출되는 외측면(133)을 구비할 수 있다. The optical sheet forming lens 130 is refracted from the inner surface 131 into which the laser light 115 emitted from the light source 110 is refracted into the optical sheet forming lens 130 and the optical sheet forming lens 130 and emitted to the outside. It may be provided with an outer surface 133 that is.

광원(110)은 내측면(131) 방향에 배치될 수 있고, 내측면(131)은 외측면(133)과 마주한 위치에 배치될 수 있다. The light source 110 may be disposed in the direction of the inner surface 131 , and the inner surface 131 may be disposed at a position facing the outer surface 133 .

광시트형성렌즈(130)는 단일 렌즈로 형성되어 광시트(135)를 형성하기 위해 광이 굴절되는 굴절 과정을 최소화할 수 있다. 광시트형성렌즈(130)는 광을 굴절시키는 굴절면을 내측면(131)과 외측면(133)으로 나누어 정의할 수 있다.The light sheet forming lens 130 may be formed as a single lens to minimize the refraction process in which light is refracted to form the light sheet 135 . The optical sheet forming lens 130 may define a refracting surface for refracting light by dividing the inner surface 131 and the outer surface 133 .

광시트형성렌즈(130)는 내측면(131), 외측면(133)으로 구성되는 굴절면 이외에 기계적인 고정을 위한 형상을 가질 수 있다.The optical sheet forming lens 130 may have a shape for mechanical fixing in addition to the refractive surface composed of the inner surface 131 and the outer surface 133 .

본 개시의 일 실시예에 따른 라이다용 광 송신부(100)는 광 시트를 형성하기 위해 단일 렌즈로 구성된 광시트형성렌즈(130)를 구비하는 바, 광 조사 광학계의 구조를 단순화하고 부품의 수를 최소화하여 전체 광 송신부의 소형화가 가능하고, 조립공정을 간소화할 수 있어 제조 비용도 절감할 수 있다.The light transmitting unit 100 for lidar according to an embodiment of the present disclosure includes a light sheet forming lens 130 composed of a single lens to form a light sheet, simplifying the structure of the light irradiation optical system and the number of parts It is possible to miniaturize the entire optical transmitter by minimizing

또한 본 개시의 일 실시예에 따른 라이다용 광 송신부(100)는 단일한 렌즈로 이루어진 광시트형성렌즈(130)를 통해 내측면(131)과 외측면(133) 두번의 굴절만으로 광시트(135)를 송신할 수 있어 기존에 광 시트를 형성하기 위해 다수의 굴절면을 통과하여 광시트를 송신하던 광 조사 광학계 대비 굴절 과정을 최소화할 수 있다. 본 개시의 일 실시예에 따른 라이다용 광 송신부(100)는 굴절면을 최소화한 광시트형성렌즈(130)를 구비함에 따라 굴절 과정에서 일어나는 반사로 인한 광 손실을 줄일 수 있고, 이러한 광 송신부(100)를 구비한 라이다(1)는 더 먼 거리의 측정이 가능한 이점이 있다.In addition, the light transmitting unit 100 for LiDAR according to an embodiment of the present disclosure is a light sheet (with only two refractions of the inner surface 131 and the outer surface 133) through the light sheet forming lens 130 made of a single lens. 135), it is possible to minimize the refraction process compared to the light irradiation optical system that transmits the light sheet through a plurality of refracting surfaces to form the light sheet. As the light transmitting unit 100 for lidar according to an embodiment of the present disclosure includes the optical sheet forming lens 130 with a minimized refractive surface, it is possible to reduce light loss due to reflection occurring in the refraction process, and this light transmitting unit ( Lidar (1) with 100) has the advantage that it is possible to measure a greater distance.

기존의 광 시트 생성을 위한 광학계는 볼록렌즈를 이용해 수평 및 수직 방향으로 광을 모아주고, 이후 수평 방향에 대해 다시 빛을 확산시키는 방법으로 광 시트를 형성하였다. 이러한 기존의 광 시트 생성을 위한 광학계는 구성요소 일부가 탈락되는 경우 강한 세기의 빛이 한 방향으로 방사되어 신체의 일부, 특히 안구의 망막 및 각막에 손상을 입힐 위험이 존재한다. 이에 반해, 본 개시의 일 실시예에 따른 광시트형성렌즈(130)는 단일한 렌즈로 이루어져 구성요소 일부가 탈락되는 문제가 발생하지 않기 때문에 본 개시의 일 실시예에 따른 광 송신부(100)가 적용된 라이다의 사용 안전성을 높일 수 있다. 또한, 본 개시의 일 실시예에 따른 광시트형성렌즈(130) 자체가 탈락되더라도 광원(110)은 평행하게 나아가는 레이저 광(115)을 투사하기 때문에 한 방향으로 집속된 강한 세기의 광이 방출되지 않는 점에서 종래의 광 조사 광학계가 강한 세기의 빛이 한 방향으로 방사하여 생기는 안전상의 문제를 방지할 수 있다. In the conventional optical system for generating a light sheet, a light sheet is formed by collecting light in the horizontal and vertical directions using a convex lens, and then diffusing the light again in the horizontal direction. In the conventional optical system for generating a light sheet, when a component is partially removed, light of strong intensity is emitted in one direction, and there is a risk of damaging a part of the body, particularly the retina and cornea of the eye. On the other hand, since the optical sheet forming lens 130 according to an embodiment of the present disclosure is made of a single lens, a problem in which a part of the components is dropped does not occur, so the light transmitting unit 100 according to an embodiment of the present disclosure It is possible to increase the safety of use of the applied lidar. In addition, even if the optical sheet forming lens 130 itself according to an embodiment of the present disclosure is removed, the light source 110 projects the laser light 115 traveling in parallel, so that light of strong intensity focused in one direction is not emitted. In this respect, it is possible to prevent safety problems caused by emitting light of strong intensity in one direction in the conventional light irradiation optical system.

구체적으로 광시트형성렌즈(130)의 내측면(131)은 광원(110)으로부터 입사된 레이저 광(115)을 굴절시켜 수직축(Y) 방향의 광을 집속시키고, 광시트형성렌즈(130)의 외측면(133)은 광시트형성렌즈(130)로부터 외부로 방출되는 광을 굴절시켜 수평축(X) 방향의 광을 확산시키도록 형성될 수 있다.Specifically, the inner surface 131 of the optical sheet forming lens 130 refracts the laser light 115 incident from the light source 110 to focus the light in the vertical axis (Y) direction, and The outer surface 133 may be formed to refract light emitted to the outside from the optical sheet forming lens 130 to diffuse the light in the horizontal axis (X) direction.

광시트형성렌즈(130)의 내측면(131)은 광원(110)이 투사한 레이저 광(115)이 광축(Z)과 평행하게 입사되면 수직축(Y) 방향으로 퍼짐각이 제1 각도 범위로 모아지도록 수평축(X) 방향의 광을 집속시킬 수 있다. When the laser light 115 projected by the light source 110 is incident on the inner surface 131 of the optical sheet forming lens 130 in parallel to the optical axis Z, the spreading angle in the vertical axis Y direction is in the first angle range. The light in the horizontal axis (X) direction may be focused so as to be collected.

본 개시의 일 실시예에 따른 광시트형성렌즈(130)는 내측면(131)이 수직 방향의 광을 모아주기 때문에 광 시트를 형성하기 위해 별도의 볼록렌즈를 구비하지 않아도 되어 광 조사 광학계를 단순화할 수 있다.Since the optical sheet forming lens 130 according to an embodiment of the present disclosure collects light in the vertical direction on the inner surface 131, it is not necessary to provide a separate convex lens to form the light sheet, thereby simplifying the light irradiation optical system. can do.

광시트형성렌즈(130)의 내측면(131)을 통과하는 광은 집속되어 수직축(Y) 방향의 광의 퍼짐각이 제1 각도 범위 내로 모아질 수 있다. 여기서, 제1 각도 범위는 0°이상 10°이하의 범위를 나타낸다.The light passing through the inner surface 131 of the optical sheet forming lens 130 may be focused so that a spreading angle of the light in the vertical axis (Y) direction may be collected within the first angle range. Here, the first angle range represents a range of 0° or more and 10° or less.

즉, 광원(110)에서 방출된 레이저 광(115)은 광시트형성렌즈(130)의 내측면(131)을 통과하면서 굴절되어 수직축(Y)의 퍼짐각이 0°이상 10°이 되도록 집속될 수 있다.That is, the laser light 115 emitted from the light source 110 is refracted while passing through the inner surface 131 of the optical sheet forming lens 130 to be focused so that the spreading angle of the vertical axis Y is 0° or more and 10°. can

이를 위해, 광시트형성렌즈(130)의 내측면(131)은 수직축(Y)-광축(Z) 평면에 대한 단면이 볼록 렌즈의 형상으로 형성될 수 있다. 다만, 이에 한정되는 것은 아니며 평행하게 입사하는 빛을 집속시킬 수 있는 다양한 형태로 형성될 수 있다.To this end, the inner surface 131 of the optical sheet forming lens 130 may be formed in the shape of a convex lens cross-section with respect to the vertical axis (Y)-optical axis (Z) plane. However, the present invention is not limited thereto and may be formed in various shapes capable of focusing parallel incident light.

광시트형성렌즈(130)의 외측면(133)은 내측면(131)을 통과한 광이 외부로 방출되면 수평축(X) 방향으로 퍼짐각이 제2 각도 범위로 퍼지도록 수평축(X) 방향의 광을 확산시킬 수 있다. The outer surface 133 of the optical sheet forming lens 130 has a horizontal axis (X) direction so that when the light passing through the inner surface 131 is emitted to the outside, the spreading angle in the horizontal axis (X) direction spreads to a second angle range. light can be diffused.

광시트형성렌즈(130)의 외측면(133)을 통과하는 광은 확산되어 수평축(X) 방향의 광의 퍼짐각이 제2 각도 범위로 퍼질 수 있다. 여기서, 제2 각도 범위는 0°이상 200°이하의 범위를 나타낸다.The light passing through the outer surface 133 of the optical sheet forming lens 130 may be diffused so that the spreading angle of the light in the horizontal axis (X) direction may be spread in the second angle range. Here, the second angle range represents a range of 0° or more and 200° or less.

즉, 광시트형성렌즈(130)에서 외부로 방출되는 광인 광시트(135)는 광시트형성렌즈(130)의 외측면(133)을 통과하면서 굴절되어 수평축(X)의 퍼짐각이 0°이상 200°이 되도록 확산될 수 있다.That is, the light sheet 135 , which is light emitted to the outside from the light sheet forming lens 130 , is refracted while passing through the outer surface 133 of the light sheet forming lens 130 so that the spreading angle of the horizontal axis X is 0° or more It can be diffused to be 200°.

이때 광시트형성렌즈(130)의 외측면(133)은 수평축(X)-광축(Z) 평면에 대한 단면이 평행하게 입사하는 빛을 확산시킬 수 있는 다양한 형태로 형성될 수 있다.At this time, the outer surface 133 of the optical sheet forming lens 130 may be formed in various shapes that can diffuse incident light in parallel with a cross section with respect to the horizontal axis (X)-optical axis (Z) plane.

기존의 광 시트 생성 광학계는 볼록렌즈 등을 이용하여 광원에서 방출된 레이저 광을 수평 방향 및 수직 방향으로 광을 모아주고, 이후 다수의 굴절면을 구비한 확산렌즈를 이용하여 수평 방향의 광을 확산시켜 광 시트 생성을 위한 구성요소가 복잡하고, 굴절 과정이 많은 문제가 있었다. 이에 반해 본 개시의 일 실시예에 따른 광시트형성렌즈(130)는 광원(110)에서 방출된 레이저 광(115)을 내측면(131)이 수직 방향의 광을 모아주고, 외측면(133)이 수평 방향의 광을 확산시켜 광 시트(135)를 생성할 수 있는 점에서 광 조사 광학계를 단순화할 수 있고 이로 인해 굴절 과정에서 손실되는 광을 최소화할 수 있는 이점이 있다.The existing optical sheet generating optical system collects the laser light emitted from the light source in the horizontal and vertical directions using a convex lens, and then spreads the light in the horizontal direction using a diffusion lens having a plurality of refracting surfaces. The components for generating the light sheet are complex, and there are many problems with the refraction process. In contrast, in the optical sheet forming lens 130 according to an embodiment of the present disclosure, the inner surface 131 collects the light in the vertical direction of the laser light 115 emitted from the light source 110 , and the outer surface 133 . The light irradiation optical system can be simplified in that the light sheet 135 can be generated by diffusing the light in the horizontal direction, thereby minimizing light lost in the refraction process.

한편, 본 개시의 예시적 실시 예에 따른 단일렌즈만으로 광 시트를 형성할 수 있는 광시트형성렌즈(130)는 필요시 추가적인 굴절 및 반사 광학계와 결합할 수 있다. 광 송신부(100)는 광시트형성렌즈(130)로부터 방출된 광 시트의 광의 경로를 변화시킬 수 있는 광학계를 더 포함할 수 있다. 일 예로, 광시트형성렌즈(130)에 추가 확산 렌즈를 결합하여 광시트형성렌즈(130)로부터 생성된 광 시트의 퍼짐각을 늘릴 수 있고, 추가 반사 거울을 결합하여 광시트형성렌즈(130)로부터 생성된 광 시트의 각도를 바꿀 수 있다. On the other hand, the optical sheet forming lens 130 capable of forming a light sheet with only a single lens according to an exemplary embodiment of the present disclosure may be combined with an additional refractive and reflective optical system if necessary. The light transmitter 100 may further include an optical system capable of changing the path of the light of the light sheet emitted from the light sheet forming lens 130 . For example, by combining an additional diffusion lens with the optical sheet-forming lens 130, the spreading angle of the light sheet generated from the optical sheet-forming lens 130 can be increased, and the optical sheet-forming lens 130 by combining an additional reflective mirror. You can change the angle of the light sheet generated from

도 4는 본 개시의 예시적 실시 예에 따른 내측면을 설명하기 위해 광축(Z)-수직축(Y) 평면 상에 내측면 단면을 개략적으로 도시한 도면이고, 도 5는 본 개시의 예시적 실시 예에 따른 내측면을 설명하기 위한 내측면 단면을 개략적으로 도시한 도면이다.4 is a diagram schematically illustrating an inner surface cross-section on an optical axis (Z)-vertical axis (Y) plane to describe an inner surface according to an exemplary embodiment of the present disclosure, and FIG. 5 is an exemplary embodiment of the present disclosure; It is a diagram schematically showing a cross-section of an inner surface for explaining an inner surface according to an example.

도 4를 참조하면, 광시트형성렌즈(130)의 내측면(131)은 수직축(Y) 방향으로 광의 퍼짐각을 줄이도록 형성될 수 있다. 이를 위해 내측면(131)은 광축(Z)-수직축(Y) 평면에 대한 단면(C)이 볼록 렌즈의 형상으로 이루어질 수 있다. 내측면(131)의 광축(Z)-수직축(Y) 평면에 대한 단면(C)은 구면, 비구면, 또는 자유형 렌즈의 하기의 [수학식 1] 형태로 나타낼 수 있다.Referring to FIG. 4 , the inner surface 131 of the optical sheet forming lens 130 may be formed to reduce the light spread angle in the vertical axis (Y) direction. To this end, the inner surface 131 may be formed in the shape of a convex lens having a cross-section (C) with respect to the optical axis (Z)-vertical axis (Y) plane. The cross-section (C) of the inner surface 131 with respect to the optical axis (Z)-vertical axis (Y) plane may be expressed in the form of the following [Equation 1] of a spherical surface, an aspherical surface, or a free-form lens.

광시트형성렌즈의 내측면(131)은 광축(Z)-수직축(Y) 평면에 대해 광축(Z)에서 벗어난 거리(r)에 따라 내측면(131)의 단면(C)과 z(r)거리를 갖도록 형성될 수 있다. 내측면(131)의 광축(Z)-수직축(Y) 평면에 대한 단면(C)은 아래 [수학식 1]을 기초로 계산된 기준면에 대한 거리 z(r)를 형성하면서 일 지점이 서로 연결된 형태를 갖도록 형성될 수 있다.The inner surface 131 of the optical sheet forming lens has a cross-section (C) and z (r) of the inner surface 131 according to a distance (r) deviating from the optical axis (Z) with respect to the optical axis (Z)-vertical axis (Y) plane It may be formed to have a distance. The optical axis (Z) of the inner surface 131 - the cross section (C) with respect to the vertical axis (Y) plane forms a distance z (r) to the reference plane calculated based on [Equation 1] below, while one point is connected to each other It may be formed to have a shape.

[수학식 1][Equation 1]

Figure 112022013220286-pat00019
Figure 112022013220286-pat00019

여기서, r는 광축(Z)에서 벗어난 거리, R는 r=0인 지점에서의 곡률 반경,

Figure 112022013220286-pat00020
는 원뿔 상수(comic comstamt),
Figure 112022013220286-pat00021
n는 비구면 계수를 의미한다.where r is the distance away from the optical axis (Z), R is the radius of curvature at the point where r = 0,
Figure 112022013220286-pat00020
is the conic constant,
Figure 112022013220286-pat00021
n means an aspherical coefficient.

수학적으로, 내측면(131)이 구면으로 형성된 경우에는 하나의 계수를 시뮬레이션에 사용할 수 있다. 내측면(131)이 비구면으로 형성된 경우에는 상기 수학식 1에 나타난 파라미터들을 계수의 일부(

Figure 112022013220286-pat00022
에서
Figure 112022013220286-pat00023
까지를 시뮬레이션에 사용)를 시뮬레이션에 사용할 수 있고, 내측면(131)이 자유형 렌즈로 형성된 경우에는 광축(Z)에서 거리 r 값에 따른 거리
Figure 112022013220286-pat00024
을 임의의 수식 혹은 포인트 별 데이터 값으로 사용할 수 있다. 구면<비구면<자유형의 순으로 곡면의 형상을 나타내는 파라미터의 수가 늘어난다. 내측면(131)의 곡면의 형상에 따라 즉, 구면<비구면<자유형 순으로 내측면(131)의 퍼짐각 조절 범위가 커질 수 있다.Mathematically, when the inner surface 131 is formed as a spherical surface, one coefficient may be used for simulation. When the inner surface 131 is formed as an aspherical surface, the parameters shown in Equation 1 are part of the coefficient (
Figure 112022013220286-pat00022
at
Figure 112022013220286-pat00023
up to) can be used for the simulation, and when the inner surface 131 is formed of a free-form lens, the distance according to the distance r value from the optical axis (Z)
Figure 112022013220286-pat00024
can be used as an arbitrary formula or data value for each point. The number of parameters representing the shape of the curved surface increases in the order of spherical <aspheric <freestyle. According to the shape of the curved surface of the inner surface 131 , that is, the range of adjusting the spreading angle of the inner surface 131 may be increased in the order of spherical <aspheric <freestyle.

도 5를 참조하면, 내측면(131)의 광축(Z)-수직축(Y) 평면에 대한 단면(C)은 도 5에 점선으로 도시된 광축(Z)-수평축(X) 평면 상의 원 또는 타원과 같은 곡선에 접하는 형상으로 형성될 수 있다. Referring to FIG. 5 , the cross section C of the inner surface 131 with respect to the optical axis (Z)-vertical axis (Y) plane is a circle or ellipse on the optical axis (Z)-horizontal axis (X) plane shown by a dotted line in FIG. 5 . It may be formed in a shape tangent to a curve such as

도 6은 본 개시의 예시적 실시 예에 따른 광시트형성렌즈의 후면 사시도이고, 도 7은 본 개시의 예시적 실시 예에 따른 외측면의 기울기를 설명하기 위한도면이다.6 is a rear perspective view of a lens for forming a light sheet according to an exemplary embodiment of the present disclosure, and FIG. 7 is a view for explaining an inclination of an outer surface according to an exemplary embodiment of the present disclosure.

도 6 및 도 7을 참조하면, 광시트형성렌즈(130)의 외측면(133)은 수평축(X) 방향으로 광의 퍼짐각을 조절하도록 형성될 수 있다. 6 and 7 , the outer surface 133 of the optical sheet forming lens 130 may be formed to adjust the spreading angle of light in the horizontal axis (X) direction.

광시트형성렌즈(130)의 외측면(133)은 [수학식 2] 및 [수학식 3]을 통해 구해진 곡면의 기울기(

Figure 112022013220286-pat00025
)를 갖는 각각의 일 지점이 서로 연결된 형태로 형성될 수 있다.The outer surface 133 of the optical sheet forming lens 130 is the slope of the curved surface obtained through [Equation 2] and [Equation 3] (
Figure 112022013220286-pat00025
) may be formed in a form in which each point having a point is connected to each other.

내측면(131)을 통과해 나온 광이 광축(Z)-수평축(X) 상에 투영된 광의 각도

Figure 112022013220286-pat00026
에 따른 세기를
Figure 112022013220286-pat00027
이라 하고, 외측면(133)을 통해 굴절되어 방출되는 광의 각도
Figure 112022013220286-pat00028
에 대해 요구되는 빛의 세기를
Figure 112022013220286-pat00029
이라 할 때, 각도
Figure 112022013220286-pat00030
과 각도
Figure 112022013220286-pat00031
은 다음 [수학식 2]을 만족한다.The angle of the light that has passed through the inner surface 131 is projected on the optical axis (Z)-horizontal axis (X)
Figure 112022013220286-pat00026
century according to
Figure 112022013220286-pat00027
The angle of the light refracted and emitted through the outer surface 133
Figure 112022013220286-pat00028
the required light intensity for
Figure 112022013220286-pat00029
When , the angle
Figure 112022013220286-pat00030
and angle
Figure 112022013220286-pat00031
satisfies the following [Equation 2].

[수학식 2][Equation 2]

Figure 112022013220286-pat00032
Figure 112022013220286-pat00032

여기서,

Figure 112022013220286-pat00033
은 내측면을 통과해 나온 빛의 광축(Z)-수평축(X) 상에 투영된 빛의 각도,
Figure 112022013220286-pat00034
Figure 112022013220286-pat00035
에 따른 빛의 세기,
Figure 112022013220286-pat00036
는 외측면을 통해 굴절되어 방출되는 빛의 각도,
Figure 112022013220286-pat00037
Figure 112022013220286-pat00038
에 대해 요구되는 빛의 세기를 나타내고,
Figure 112022013220286-pat00039
Figure 112022013220286-pat00040
에 해당하는 지점에서의 곡면의 기울기를 나타낸다.here,
Figure 112022013220286-pat00033
is the angle of the light projected on the optical axis (Z)-horizontal axis (X) of the light passing through the inner surface,
Figure 112022013220286-pat00034
Is
Figure 112022013220286-pat00035
light intensity according to
Figure 112022013220286-pat00036
is the angle of the light that is refracted and emitted through the outer surface,
Figure 112022013220286-pat00037
Is
Figure 112022013220286-pat00038
represents the required light intensity for
Figure 112022013220286-pat00039
silver
Figure 112022013220286-pat00040
It represents the slope of the curved surface at the point corresponding to .

또한, 상기 [수학식 2] 에서부터

Figure 112022013220286-pat00041
의 관계를 함수
Figure 112022013220286-pat00042
를 얻을 수 있고, 이를 이용해
Figure 112022013220286-pat00043
에 해당하는 지점에서의 각 곡면의 기울기(
Figure 112022013220286-pat00044
)를 하기 [수학식 3]을 통해 찾을 수 있다.In addition, from the above [Equation 2]
Figure 112022013220286-pat00041
the relationship of the function
Figure 112022013220286-pat00042
can be obtained, and using
Figure 112022013220286-pat00043
The slope of each surface at the point corresponding to (
Figure 112022013220286-pat00044
) can be found through the following [Equation 3].

[수학식 3][Equation 3]

Figure 112022013220286-pat00045
Figure 112022013220286-pat00045

광시트형성렌즈(130)의 외측면(133)의 형상은 [수학식 3]을 이용해 구해진 곡면의 기울기(

Figure 112022013220286-pat00046
)를 갖는 각각의 일 지점이 서로 연결된 형태로 형성될 수 있다.The shape of the outer surface 133 of the optical sheet forming lens 130 is the slope of the curved surface obtained using [Equation 3] (
Figure 112022013220286-pat00046
) may be formed in a form in which each point having a point is connected to each other.

외측면(133)에서 조절하는 수평 방향의 퍼짐각은 [수학식 2]에서 사용된 방출 각도

Figure 112022013220286-pat00047
에 따른 빛의 세기 함수
Figure 112022013220286-pat00048
에 포함된다. 예를 들어
Figure 112022013220286-pat00049
에서 빛의 세기가 0이 아닌 각도를
Figure 112022013220286-pat00050
가 되도록
Figure 112022013220286-pat00051
의 함수 값을 설정해주면,
Figure 112022013220286-pat00052
Figure 112022013220286-pat00053
의 관계가 함수
Figure 112022013220286-pat00054
와 같이 계산이 될 수 있다. 이러한 수식을 만족시키기 위한 외측면(133)의 기울기(
Figure 112022013220286-pat00055
))는 [수학식 3]을 통해서 계산될 수 있다.The horizontal spread angle controlled by the outer surface 133 is the emission angle used in [Equation 2]
Figure 112022013220286-pat00047
light intensity function according to
Figure 112022013220286-pat00048
included in for example
Figure 112022013220286-pat00049
At an angle where the light intensity is non-zero
Figure 112022013220286-pat00050
to become
Figure 112022013220286-pat00051
If you set the function value of
Figure 112022013220286-pat00052
class
Figure 112022013220286-pat00053
the relationship of the function
Figure 112022013220286-pat00054
can be calculated as The slope of the outer surface 133 to satisfy this formula (
Figure 112022013220286-pat00055
)) can be calculated through [Equation 3].

도 8a는 본 개시의 예시적 실시 예에 따른 광시트형성렌즈를 통과한 광을 수직축(Y)-광축(Z)에 대해 나타낸 도면이고, 도 8b는 본 개시의 예시적 실시 예에 따른 광시트형성렌즈를 통과한 광을 수평축(X)-광축(Z)에 대해 나타낸 도면이다.8A is a view showing light passing through the optical sheet forming lens according to an exemplary embodiment of the present disclosure with respect to the vertical axis (Y)-optical axis (Z), and FIG. 8B is a light sheet according to an exemplary embodiment of the present disclosure. It is a view showing the light passing through the forming lens with respect to the horizontal axis (X)-optical axis (Z).

도 8a 및 도 8b를 참조하면, 본 개시의 일 실시 예에 따른 광시트형성렌즈(130)로부터 방출되는 광시트(135)는 수직축(Y) 방향에서의 퍼짐각(θ1)이 제1 각도 범위 내로 모아지고, 수평축(X) 방향에서의 퍼짐각(θ2)이 제2 각도 범위로 퍼질 수 있다.Referring to FIGS. 8A and 8B , in the light sheet 135 emitted from the light sheet forming lens 130 according to an embodiment of the present disclosure, the spreading angle θ1 in the vertical axis Y direction is the first angle range. , and a spreading angle θ2 in the horizontal axis (X) direction may spread in the second angle range.

수직축(Y)-광축(Z) 평면에서, 광시트형성렌즈(130)로 입사된 광은 내측면(131)에 의해 집광되도록 굴절되어 수직축(Y) 방향 퍼짐각(θ1)이 제1 각도 범위를 갖는 광시트(135)를 형성할 수 있다. 여기서, 제1 각도 범위는 0°이상 10°이하의 범위를 나타낸다.In the vertical axis (Y)-optical axis (Z) plane, light incident on the optical sheet forming lens 130 is refracted to be condensed by the inner surface 131 , so that the vertical axis (Y) direction spread angle θ1 is in the first angle range It is possible to form a light sheet 135 having a. Here, the first angle range represents a range of 0° or more and 10° or less.

수직축(Y)-광축(Z) 평면에서 광축(Z) 기준으로 90°회전된 수평축(X)-광축(Z) 평면에서, 광시트형성렌즈(130)에서 외부로 방출되는 광은 외측면(133)에 의해 확산되도록 굴절되어 수평축(X) 방향 퍼짐각(θ2)이 제2 각도 범위를 갖는 광시트(135)를 형성할 수 있다. 여기서, 제2 각도 범위는 0°이상 200°이하의 범위를 나타낸다.In the horizontal axis (X)-optical axis (Z) plane rotated by 90° with respect to the optical axis (Z) in the vertical axis (Y)-optical axis (Z) plane, the light emitted from the optical sheet forming lens 130 to the outside is the outer surface ( 133) to form a light sheet 135 having a horizontal axis (X) direction spread angle θ2 having a second angle range. Here, the second angle range represents a range of 0° or more and 200° or less.

일 예시로, 광시트(135)는 수직축(Y) 방향 퍼짐각(θ1)이 0°가 되고, 수평축(X) 방향 퍼짐각(θ2)이 110°로 형성될 수 있다. As an example, the light sheet 135 may have a vertical axis (Y) direction spread angle θ1 of 0°, and a horizontal axis (X) direction spread angle θ2 may be formed of 110°.

도 9는 본 개시의 예시적 실시 예에 따른 광시트형성렌즈를 통과한 광의 수평축(X) 방향 퍼짐각에 따른 수평축(X) 방향 출력 광의 세기를 도시한 그래프이다.9 is a graph illustrating the intensity of output light in the horizontal axis (X) direction according to the horizontal axis (X) direction spreading angle of light passing through the optical sheet forming lens according to an exemplary embodiment of the present disclosure.

도 9를 참조하면, 본 개시의 예시적 실시 예에 따른 광시트형성렌즈(130)가 형성한 광시트의 광 세기 분포를 살펴보면, 수평 방향의 퍼짐각인 -50° 이상 +50°이하 범위 내에서 광 신호가 방출되고 있다. 이에 따라, 광시트형성렌즈(130)는 수평방향의 퍼짐각이 100°인 광시트(135)를 형성할 수 있고, 광시트형성렌즈(130)의 형상에 따라 광 신호의 수직축(Y) 또는 수평축(X) 방향의 퍼짐각을 조절할 수 있다.Referring to FIG. 9 , looking at the light intensity distribution of the light sheet formed by the light sheet forming lens 130 according to an exemplary embodiment of the present disclosure, the horizontal spread angle is within the range of -50° or more and +50° or less. An optical signal is being emitted. Accordingly, the optical sheet forming lens 130 may form the optical sheet 135 having a horizontal spreading angle of 100°, and depending on the shape of the optical sheet forming lens 130 , the vertical axis Y of the optical signal or The spreading angle in the horizontal axis (X) direction can be adjusted.

이상에서와 같이 도면과 명세서에서 예시적인 실시 예들이 개시되었다. 본 명세서에서 특정한 용어를 사용하여 실시 예들을 설명되었으나, 이는 단지 본 개시의 기술적 사상을 설명하기 위한 목적에서 사용된 것이지 의미 한정이나 청구범위에 기재된 본 개시의 범위를 제한하기 위하여 사용된 것은 아니다. 그러므로 본 기술분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시 예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 개시의 진정한 기술적 보호범위는 첨부된 청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.Exemplary embodiments have been disclosed in the drawings and specification as described above. Although embodiments have been described using specific terms in the present specification, these are used only for the purpose of explaining the technical spirit of the present disclosure and not used to limit the meaning or the scope of the present disclosure described in the claims. Therefore, those skilled in the art will understand that various modifications and equivalent other embodiments are possible therefrom. Accordingly, the true technical protection scope of the present disclosure should be defined by the technical spirit of the appended claims.

1: 라이다 100: 광 송신부
110: 광원 130: 광시트형성렌즈
131: 내측면 133: 외측면
1: lidar 100: optical transmitter
110: light source 130: optical sheet forming lens
131: inner surface 133: outer surface

Claims (8)

라이다용 광 송신부에 있어서,
광을 발생하는 광원; 및
상기 광원의 일측에 배치되고, 상기 광원으로부터 입사되는 광을 내측면을 통해 수직축(Y) 방향 퍼짐각을 제1 각도 범위 내로 조절하고, 외측면을 통해 수평축(X) 방향의 퍼짐각을 제2 각도 범위 내로 조절하여 광 시트를 생성하는 광시트형성렌즈;를 포함하고,
상기 내측면은 입사되는 광이 광축(Z)과 평행하게 입사되면 수직축(Y) 방향으로 퍼짐각이 제1 각도 범위로 모아지도록 수평축(X) 방향의 광을 집속시키기 위해, 광축(Z)-수직축(Y) 평면에 대한 단면이 볼록 렌즈의 형상으로 형성된 것이고,
상기 외측면은, 상기 내측면을 통과한 광이 외부로 방출되면 수평축(X) 방향으로 퍼짐각이 제2 각도 범위로 퍼지도록 수평축(X) 방향의 광을 확산하기 위해, 광축(Z)-수평축(X) 평면에서 상기 중심 부분이 상기 외측면의 다른 부분 보다 상기 내측면에 보다 가까운 평면 형상으로 형성된 는 것을 특징으로 하는 라이다용 광 송신부.
In the light transmitter for lidar,
a light source for generating light; and
It is disposed on one side of the light source, adjusts the vertical axis (Y) direction spreading angle through the inner surface of the light incident from the light source within the first angle range, the horizontal axis (X) direction spread angle through the outer surface is a second Including; a light sheet forming lens for generating a light sheet by adjusting within the angle range;
When the incident light is incident parallel to the optical axis (Z) on the inner surface, the optical axis (Z)- A cross section with respect to the vertical axis (Y) plane is formed in the shape of a convex lens,
The outer surface, when the light passing through the inner surface is emitted to the outside, the optical axis (Z)- The light transmitter for lidar, characterized in that the central portion in the horizontal axis (X) plane is formed in a flat shape closer to the inner surface than the other portions of the outer surface.
제1항에 있어서,
상기 광시트형성렌즈는,
상기 내측면과 상기 외측면으로 이루어진 굴절면을 갖는 단일한 렌즈로 이루어진 것을 특징으로 하는 라이다용 광 송신부.
According to claim 1,
The optical sheet forming lens,
Light transmission unit for lidar, characterized in that it consists of a single lens having a refracting surface consisting of the inner surface and the outer surface.
제1항에 있어서,
상기 광시트형성렌즈의 내측면은,
상기 광원으로부터 입사되는 광을 굴절시켜 수직축(Y) 방향의 퍼짐각이 0°이상 10°이하 범위가 되도록 조절하는 것을 특징으로 하는 라이다용 광 송신부.
According to claim 1,
The inner surface of the optical sheet forming lens,
The light transmitting unit for lidar, characterized in that by refracting the light incident from the light source to adjust the spread angle in the vertical axis (Y) direction to be in the range of 0° or more and 10° or less.
제1항에 있어서,
상기 광시트형성렌즈의 외측면은,
상기 광시트형성렌즈에서 외부로 방출되는 광을 굴절시켜 수평축(X) 방향의 퍼짐각이 0°이상 200°이하의 범위가 되도록 조절하는 것을 특징으로 하는 라이다용 광 송신부.
According to claim 1,
The outer surface of the optical sheet forming lens,
A light transmitting unit for lidar, characterized in that by refracting the light emitted to the outside from the optical sheet forming lens to adjust the spreading angle in the horizontal axis (X) direction to be in the range of 0° or more and 200° or less.
삭제delete 제1항에 있어서,
광축(Z)-수직축(Y) 평면에 대한 상기 광시트형성렌즈의 내측면의 단면은,
수평축(X)-광축(Z) 평면 상의 원 또는 타원과 같은 곡선에 접하는 형상으로 형성되는 것을 특징으로 하는 라이다용 광 송신부.
According to claim 1,
The cross section of the inner surface of the optical sheet forming lens with respect to the optical axis (Z)-vertical axis (Y) plane is,
A light transmitter for lidar, characterized in that it is formed in a shape in contact with a curve such as a circle or an ellipse on the horizontal axis (X)-optical axis (Z) plane.
제1항에 있어서,
상기 광시트형성렌즈의 내측면은,
광축(Z)-수직축(Y) 평면에 대해 광축(Z)에서 벗어난 거리(r)에 따라 상기 내측면의 단면과 z(r)거리를 갖도록 아래 [수학식 1]을 기초로, 상기 내측면의 단면은 아래 [수학식 1]을 기초로 계산된 기준면에 대한 상기 광시트형성렌즈 내측면의 단면과의 거리 z(r)를 형성하면서 일 지점이 서로 연결된 형태를 갖는
[수학식 1]
Figure 112022013220286-pat00056

(여기서, r는 광축(Z)에서 벗어난 거리, R는 r=0인 지점에서의 곡률 반경,
Figure 112022013220286-pat00057
는 원뿔 상수(comic comstamt),
Figure 112022013220286-pat00058
n는 비구면 계수)
것을 특징으로 하는 라이다용 광 송신부.
According to claim 1,
The inner surface of the optical sheet forming lens,
Optical axis (Z) - Based on the following [Equation 1], the inner surface to have a z (r) distance from the cross section of the inner surface according to the distance r away from the optical axis (Z) with respect to the vertical axis (Y) plane The cross-section of has a form in which one point is connected to each other while forming a distance z(r) from the cross-section of the inner surface of the optical sheet forming lens to the reference plane calculated based on the following [Equation 1]
[Equation 1]
Figure 112022013220286-pat00056

(where r is the distance away from the optical axis (Z), R is the radius of curvature at the point where r = 0,
Figure 112022013220286-pat00057
is the conic constant,
Figure 112022013220286-pat00058
n is the aspheric coefficient)
Light transmitter for lidar, characterized in that.
제1항에 있어서,
상기 광시트형성렌즈의 외측면은,
상기 광시트형성렌즈의 내측면을 통과한 광의 광축(Z)-수평축(X) 상에 투영된 각도(
Figure 112022013220286-pat00059
)에 따른 빛의 세기(
Figure 112022013220286-pat00060
)와 상기 외측면을 통해 굴절되어 방출되는 각도(
Figure 112022013220286-pat00061
)에 따른 빛의 세기(
Figure 112022013220286-pat00062
)가 아래 수학식 2의 조건을 만족하도록, 아래 수학식 3을 기초로 계산된 입사각에 해당하는 지점에서의 곡면 기울기
Figure 112022013220286-pat00063
를 형성하면서 각각의 일 지점이 서로 연결된 형태를 갖는
[수학식 2]
Figure 112022013220286-pat00064

(여기서,
Figure 112022013220286-pat00065
은 내측면을 통과해 나온 빛의 광축(Z)-수평축(X) 상에 투영된 빛의 각도,
Figure 112022013220286-pat00066
Figure 112022013220286-pat00067
에 따른 빛의 세기,
Figure 112022013220286-pat00068
는 외측면을 통해 굴절되어 방출되는 빛의 각도,
Figure 112022013220286-pat00069
Figure 112022013220286-pat00070
에 대해 요구되는 빛의 세기)
[수학식 3]
Figure 112022013220286-pat00071

(여기서,
Figure 112022013220286-pat00072
Figure 112022013220286-pat00073
에 해당하는 지점에서의 각 곡면의 기울기)
것을 특징으로 하는 라이다용 광 송신부.
According to claim 1,
The outer surface of the optical sheet forming lens,
The angle projected on the optical axis (Z)-horizontal axis (X) of the light passing through the inner surface of the optical sheet forming lens (
Figure 112022013220286-pat00059
) according to the light intensity (
Figure 112022013220286-pat00060
) and the angle refracted and emitted through the outer surface (
Figure 112022013220286-pat00061
) according to the light intensity (
Figure 112022013220286-pat00062
) to satisfy the condition of Equation 2 below, the slope of the curved surface at a point corresponding to the angle of incidence calculated based on Equation 3 below.
Figure 112022013220286-pat00063
Each point has a shape connected to each other while forming
[Equation 2]
Figure 112022013220286-pat00064

(here,
Figure 112022013220286-pat00065
is the angle of the light projected on the optical axis (Z)-horizontal axis (X) of the light passing through the inner surface,
Figure 112022013220286-pat00066
Is
Figure 112022013220286-pat00067
light intensity according to
Figure 112022013220286-pat00068
is the angle of the light that is refracted and emitted through the outer surface,
Figure 112022013220286-pat00069
Is
Figure 112022013220286-pat00070
light intensity required for
[Equation 3]
Figure 112022013220286-pat00071

(here,
Figure 112022013220286-pat00072
silver
Figure 112022013220286-pat00073
slope of each surface at a point corresponding to )
Light transmitter for lidar, characterized in that.
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