KR102430850B1 - 바이코엑시얼 구조를 갖는 스캐닝 라이다 - Google Patents

Abstract

본 발명은 바이코엑시얼 구조를 갖는 스캐닝 라이다에 관한 것으로, 수광효율이 떨어지는 문제를 최소화하고, 송광축과 수광축의 정렬 공정을 생략하기 위한 것이다. 본 발명에 따른 송수광 모듈은 본체, 수광 거울, 송광 거울 및 송광빔 안내관을 포함한다. 본체는 수광 거울 설치면, 광로 슬롯 및 송광 거울 설치면을 포함한다. 수광 거울 설치면은 경사면으로 형성된다. 광로 슬롯은 수광 거울 설치면의 중심 부분에서 수직 방향으로 형성되어 송광빔의 광로로 사용된다. 송광 거울 설치면은 광로 슬롯의 바닥면에 형성되며, 수광 거울 설치면과 동일한 경사각으로 형성된다. 이때 송광 거울과 수광 거울이 설치되는 면은 기계가공을 통해서 동일한 각도를 갖도록 순차적으로 형성된다. 그리고 송광빔 안내관은 송광 거울에 설치되며, 송광빔이 송광 거울로 입사되어 반사되는 경로에 대응되게 설치된다.

Description

바이코엑시얼 구조를 갖는 스캐닝 라이다{Scanning LiDAR with bi-coaxial structure}

본 발명은 스캐닝 라이다에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 송광과 수광이 분리된 바이코엑시얼 구조를 갖는 스캐닝 라이다에 관한 것이다.

스캐닝 라이다(scanning LiDAR)는 주변의 지형, 물체, 장애물 등과 같은 객체(타겟)를 측정하는 데 사용되고 있다. 이러한 스캐닝 라이다는 펄스 레이저를 이용하여 객체에서 반사되어 돌아오는 시간을 측정하여 객체에 대한 정보를 획득한다. 스캐닝 라이다를 통해서 획득하는 객체에 대한 정보는 객체의 존재 여부, 객체의 종류, 객체까지의 거리 등에 대한 정보를 포함할 수 있다.

스캐닝 라이다는 자동차, 이동형 로봇, 선박, 보안시스템, 조립라인, 무인비행기, 드론(drone) 등과 같은 여러 분야에서 활용되고 있으며, 그 활용 분야도 다방면으로 확대되고 있다.

이와 같은 스캐닝 라이다는 고출력 레이저 다이오드로부터 출력되는 확산 빔을 콜리메이션 렌즈(송광 렌즈)를 통해서 평행광으로 집광하여 송출하고, 객체에서 반사된 광을 대구경 수광 렌즈(수광 렌즈)를 통해서 광검출기로 검출하는 광학계 구조를 갖는다.

이러한 스캐닝 라이다는 송수광 방식에 따라 코엑시얼(coaxial) 타입과 바이엑시얼(biaxial) 타입으로 나눌 수 있다.

코엑시얼 타입의 스캐닝 라이다는 하나의 반사 거울을 이용하여 송수광을 함께 수행한다. 코엑시얼 타입은 송광축과 수광축이 일치하기 때문에 수광효율이 높고 스캐닝 라이다의 크기를 작게 제작할 수 있는 이점이 있다.

하지만 코엑시얼 타입은 송수광이 입출되는 커버에서 발생되는 후방 산란(back reflection)으로 인한 노이즈가 수광부로 수광되는 문제점을 안고 있다.

바이엑시얼 타입의 스캐닝 라이다는 송광과 수광을 별도로 마련된 송광 거울과 수광 거울을 통하여 독립적으로 수행한다. 바이엑시얼 타입은 송광축과 수광축이 분리되어 있기 때문에, 커버에서 발생되는 후방 산란으로 인한 문제를 해소할 수 있다.

하지만 바이엑시얼 타입은 송광 거울과 수광 거울을 별도로 구비하기 때문에 스캐닝 라이다의 크기가 코엑시얼 타입에 비해서 크게 제작되고, 송광축과 수광축이 분리되어 있기 때문에, 코엑시얼 타입에 비해서는 수광효율이 떨어지는 문제점을 안고 있다. 송광 거울과 수광 거울이 분리되어 있기 때문에, 송광축과 수광축을 정렬하는 작업을 별도로 진행해 주어야 한다.

일본등록특허 제5861532호 (2016.01.08. 등록)

따라서 본 발명의 목적은 수광효율이 떨어지는 문제를 최소화할 수 있는 바이코엑시얼 구조를 갖는 스캐닝 라이다를 제공하는 데 있다.

본 발명의 다른 목적은 송광축과 수광축의 정렬 공정을 생략할 수 있는 바이코엑시얼 구조를 갖는 스캐닝 라이다를 제공하는 데 있다.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 경사면으로 형성된 수광 거울 설치면, 상기 수광 거울 설치면의 중심 부분에서 수직 방향으로 형성되어 송광빔의 광로로 사용되는 광로 슬롯, 및 상기 광로 슬롯의 바닥면에 형성되며, 상기 수광 거울 설치면과 동일한 경사각으로 형성된 송광 거울 설치면을 구비하는 본체; 상기 수광 거울 설치면에 설치되며 중심 부분에 송광빔이 통과하는 관통 구멍이 형성된 수광 거울; 상기 송광 거울 설치면에 설치되며, 상기 관통 구멍을 통하여 상기 광로 슬롯으로 입사된 송광빔을 상기 광로 슬롯을 통하여 외부로 반사하는 송광 거울; 및 상기 송광 거울에 설치되며, 상기 송광빔이 상기 송광 거울로 입사되어 반사되는 경로에 대응되게 설치되는 송광빔 안내관;을 포함하는 바이엑시얼 구조를 갖는 스캐닝 라이다용 송수광 모듈을 제공한다.

상기 수광 거울 설치면, 상기 광로 슬롯 및 상기 송광 거울 설치면은 기계가공을 통해서 순차적으로 깎아서 일괄적으로 형성되어 상기 수광 거울 설치면과 상기 송광 거울 설치면이 동일한 각도를 갖는다.

상기 본체는, 제1 상부면과, 상기 제1 상부면에 반대되는 제1 하부면을 가지며, 상기 제1 하부면에 상기 송광 거울 설치면이 형성된 베이스; 및 상기 베이스와 일체로 형성되며, 상기 송광 거울 설치면을 중심으로 양쪽에 일정 높이로 형성되어 중심에 광로 슬롯을 형성하고, 제2 하부면에 상기 수광 거울 설치면이 분할되어 형성되는 한 쌍의 수광 거울 설치대;를 포함할 수 있다.

본 발명에 따른 바이엑시얼 구조를 갖는 스캐닝 라이다용 송수광 모듈은, 상기 베이스의 제1 상부면 중심에 연결되게 설치되며, 상기 본체를 회전시키는 모터;를 더 포함할 수 있다.

상기 송광빔 안내관은, 한 쪽이 송광부의 송광부 출력관에 연결되고, 상기 한 쪽과 연결된 다른 쪽이 상기 관통 구멍을 통하여 상기 광로 슬롯으로 삽입되어 상기 송광빔을 상기 송광 거울로 입사시키는 입사 안내관; 및 상기 입사 안내관에 연결되어 상기 송광 거울에서 반사된 송광빔을 외부로 출력시키는 출력 안내관;을 포함한다.

상기 입사 안내관은 상기 송광 거울의 반사면에 입사되는 송광빔에 평행하게 상기 송광 거울의 회전축 방향에 설치된다.

상기 출력 안내관은 상기 송광 거울의 반사면에서 반사되는 송광빔에 평행하게 설치된다.

본 발명은 또한, 바이엑시얼 구조로 송광 거울과 수광 거울이 분리되어 설치되며, 회전하며 송수광을 수행하는 상기 송수광 모듈; 상기 송광 거울로 송광빔을 출력하는 송광부; 및 상기 송광부가 설치된 쪽에 설치되며, 상기 수광 거울로부터 반사된 광을 수광 렌즈로 집광하여 광검출기로 검출하여 출력하는 수광부;를 포함하는 바이엑시얼 구조를 갖는 스캐닝 라이다를 제공한다.

상기 송광부는 상기 수광 렌즈의 중심을 관통하여 상기 수광 렌즈의 일측에서 타측으로 돌출되게 설치되며, 송광빔을 발생시켜 상기 수광 렌즈의 타측으로 출력한다.

상기 수광부는, 상기 수광 렌즈; 상기 수광 거울과 마주보게 상기 수광 렌즈의 일측에 경사지게 설치되며, 상기 수광 렌즈에서 수광된 광을 반사하는 수광용 반사 거울; 및 상기 수광용 반사 거울에서 반사된 광을 검출하는 상기 광 검출기;를 포함하다.

상기 송광부는, 상기 수광용 반사 거울의 뒤쪽에서 송광빔을 발생시켜 상기 송광 거울로 출력하는 광원 모듈; 및 상기 송광빔이 출력되는 상기 광원 모듈의 일단부에 연결되고, 상기 일단부에 연결된 타단부가 상기 수광용 반사 거울 및 상기 수광 렌즈를 관통하여 상기 수광 렌즈의 타측으로 돌출되고, 상기 타단부가 상기 송광빔 안내관에 연결되는 송광빔 출력관;을 포함한다.

그리고 상기 송광빔 출력관은 상기 수광 렌즈의 타측에서 상기 송광빔 안내관에 중첩되게 설치되되, 회전하는 상기 송광빔 안내관과 간섭하지 않도록 일정 간격 이격되게 설치될 수 있다.

본 발명에 따른 바이코엑시얼 구조를 갖는 스캐닝 라이다는 송광빔 안내관을 회전 거울에 설치하되, 송광빔이 회전 거울로 입사되어 커버로 반사되는 경로에 대응되게 송광빔 안내관을 설치함으로써, 송광빔에 의한 커버에서 발생되는 후방 산란으로 인한 노이즈가 수광부로 수광되는 것을 억제할 수 있다.

송광빔을 출력하는 레이저 광원을 포함하는 송광부는 수광 거울과 수광 렌즈를 관통하여 송광빔 안내관으로 직접 송광빔을 전달하도록 설치함으로써, 수광 렌즈를 통한 수광 효율이 떨어지는 것을 억제할 수 있다.

본 발명에 따른 바이엑시얼 구조의 송수광 모듈은 본체에 송광 거울과 수광 거울이 설치되는 면이 기계가공을 통해서 동일한 각도를 갖도록 순차적으로 형성되기 때문에, 송광 거울과 수광 거울이 동일한 각도로 설치가 가능하다. 이로 인해 수광 거울과 송광 거울의 설치면에 각도에 오차가 발생하더라도 동일하게 발생하기 때문에, 항상 같은 결과값을 얻을 수 있다.

따라서 본 발명에 따른 바이엑시얼 구조의 송수광 모듈은 송수광 각도를 일치시킬 수 있고, 송광축과 수광축 간의 차이를 최소화할 수 있기 때문에, 코엑시얼 구조와 비교해서 수광효율이 떨어지는 문제를 최소화할 수 있다.

그리고 본 발명에 따른 바이엑시얼 구조의 송수광 모듈은 송수광 각도를 일치시킬 수 있기 때문에, 송광축과 수광축의 정렬 공정을 생략할 수 있다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 바이엑시얼 구조를 갖는 스캐닝 라이다를 보여주는 개략도이다.
도 2는 도 1의 정면도이다.
도 3은 도 1의 A 부분의 확대도로서, 송광빔 안내관과 송광빔 출력관이 연결된 부분을 보여주는 확대도이다.
도 4는 도 1의 송광빔 안내관의 입사 안내관이 수광 렌즈에 설치된 상태를 보여주는 도면이다.
도 5는 도 1의 수광 거울의 회전에 따라 입사 안내관에 의해 수광 렌즈의 빛 가림이 발생되는 부분을 도시한 도면이다.
도 6은 도 1의 송수광 모듈을 보여주는 분해 사시도이다.
도 7은 도 1의 송수광 모듈을 보여주는 사시도이다.
도 8 내지 도 10은 본체의 기계가공에 따른 각 단계를 보여주는 도면들이다.

하기의 설명에서는 본 발명의 실시예를 이해하는데 필요한 부분만이 설명되며, 그 이외 부분의 설명은 본 발명의 요지를 벗어나지 않는 범위에서 생략될 것이라는 것을 유의하여야 한다.

이하에서 설명되는 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념으로 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 따라서 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 바람직한 실시예에 불과할 뿐이고, 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 보다 상세하게 설명하고자 한다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 바이엑시얼 구조를 갖는 스캐닝 라이다를 보여주는 개략도이다. 도 2는 도 1의 정면도이다. 그리고 도 3은 도 1의 A 부분의 확대도로서, 송광빔 안내관과 송광빔 출력관이 연결된 부분을 보여주는 확대도이다.

도 1 내지 도 3을 참조하면, 본 실시예에 따른 바이엑시얼 구조를 갖는 스캐닝 라이다(100; 이하 '스캐닝 라이다'라고 함)는 송수광 모듈(10), 송광부(40) 및 수광부(50)를 포함한다. 송수광 모듈(10)은 바이엑시얼 구조로 송광 거울(26)과 수광 거울(27)이 분리되어 설치되며, 회전하며 송수광을 수행한다. 송광부(40)는 송광 거울(26)로 송광빔(91)을 출력한다. 그리고 수광부(50)는 송광부(40)가 설치된 쪽에 설치되며, 수광 거울(27)로부터 반사된 반사광(93)을 수광 렌즈(51)로 집광하여 광검출기(57)로 검출하여 출력한다.

그 외 본 실시예에 따른 스캐닝 라이다(100)는 송수광 모듈(10), 수광부(50) 및 케이스부(70)를 더 포함한다. 케이스부(70) 중에서, 송수광 모듈(10)을 둘러싸는 커버(71)를 통하여 송광빔(91)이 외부로 출력되거나 타겟으로부터 반사된 반사광(93)이 입력된다.

여기서 송수광 모듈(10)은 본체(20), 수광 거울(27), 송광 거울(26) 및 송광빔 안내관(30)을 포함한다.

본체(20)는 수광 거울 설치면(23), 광로 슬롯(24) 및 송광 거울 설치면(25)을 구비한다. 수광 거울 설치면(23)은 경사면으로 형성된다. 광로 슬롯(24)은 수광 거울 설치면(23)의 중심 부분에서 수직 방향으로 형성되어 송광빔(91)의 광로로 사용된다. 그리고 수광 거울 설치면(23)은 광로 슬롯(24)의 바닥면에 형성되며, 수광 거울 설치면(23)과 동일한 경사각으로 형성된다.

수광 거울(27)은 수광 거울 설치면(23)에 설치되며 중심 부분에 송광빔(91)이 통과하는 관통 구멍(27a)이 형성되어 있다.

송광 거울(26)은 송광 거울 설치면(25)에 설치되며, 관통 구멍(27a)을 통하여 광로 슬롯(24)으로 입사된 송광빔(91)을 광로 슬롯(24)을 통하여 외부로 반사한다.

그리고 송광빔 안내관(30)은 송광 거울(26)에 설치되며, 송광빔(91)이 송광 거울(26)로 입사되어 반사되는 경로에 대응되게 설치된다.

여기서 수광 거울 설치면(23), 광로 슬롯(24) 및 송광 거울 설치면(25)은 기계가공을 통해서 순차적으로 깎아서 일괄적으로 형성되어 수광 거울 설치면(23)과 송광 거울 설치면(25)이 동일한 각도를 갖도록 형성된다. 예컨대 수광 거울 설치면(23)과 송광 거울 설치면(25)이 Z축 방향으로 상하로 배치될 때, 수광 거울 설치면(23)과 송광 거울 설치면(25)은 Z축 방향에 대해서 45도로 형성될 수 있다.

그 외 송수광 모듈(10)은 모터(28)를 더 포함할 수 있다.

모터(28)는 본체(20)를 회전시킨다. 모터(28)는 수광 거울(27) 및 송광 거울(26)이 설치되는 쪽에 반대되는 쪽의 본체(20)에 연결된다. 예컨대 모터(28)는 본체(20)를 Z축 방향으로 회전시킨다. 모터(28)의 회전에 의해 수광 거울(27)과 송광 거울(26)이 함께 Z축 방향을 축으로 회전하게 된다.

본체(20)에 대해서 송광부(40) 및 수광부(50)는 분리되어 있기 때문에, 모터(28)가 회전하더라도 송광부(40) 및 수광부(50)는 회전하지 않는다.

한편 본체(20)는 회전축인 Z축 방향에 대해서 비대칭 구조를 갖기 때문에, 모터(28)에 의한 회전이 진동이 발생될 수 있다. 따라서 본체(20)의 회전 시 진동이 발생하지 않도록, 본체(20)에 회전 밸런스 추를 추가할 수 있다. 회전 밸런스 추는 모터(28)가 연결되는 본체(20) 부분에 설치하는 것이 바람직하다.

수광부(50)는 Z축 방향으로 본체(20)의 아래쪽에 배치된다. 이러한 수광부(50)는 타겟에서 반사되어 수광 거울(27)로 입사되어 반사되는 반사광(93)을 수광하여 검출한다. 이러한 수광부(50)는 수광 렌즈(51), 수광용 반사 거울(53) 및 광 검출기(55)를 포함하며, 수광 렌즈(51), 수광용 반사 거울(53) 및 광 검출기(55)는 프레임 조립체(60)에 설치될 수 있다.

프레임 조립체(60)은 렌즈 프레임(61), 거울 프레임(63) 및 검출기 프레임(65)을 포함한다.

렌즈 프레임(61)에는 수광 렌즈(51)가 지면에 수평하게 설치된다. 수광 렌즈(51)에는 지면에 수직한 방향으로 중심에 렌즈 관통 구멍(52)이 형성되어 있다. 렌즈 관통 구멍(52)에는 송광부(60)의 송광빔 출력관(69)이 관통되게 결합된다.

본 실시예에 따른 수광 렌즈(51)는 수광용으로만 사용되기 때문에, 송수광 겸용으로 사용되는 렌즈에 비해서는 수광 효율을 높일 수 있다.

거울 프레임(63)은 수광용 반사 거울(53)이 설치되는 부분으로서, 렌즈 프레임(61)의 일측에 연결되며 수광 렌즈(51)의 아래에 수광용 반사 거울(53)이 위치할 수 있도록 설치된다. 거울 프레임(63)은 지면에 대해서 일정 각도, 예컨대 45도 각도로 수광용 반사 거울(53)이 설치되는 설치면을 제공한다.

수광용 반사 거울(53)은 수광 렌즈(51)로 입사된 반사광(93)을 수광용 반사 거울(53)과 마주보게 설치된 광 검출기(55)로 반사한다.

그리고 검출기 프레임(65)은 광 검출기(55)가 설치되는 부분으로서, 거울 프레임(63)이 연결된 쪽에 반대쪽에 광 검출기(55)가 위치할 수 있도록 설치된다. 검출기 프레임(65)에 설치된 광 검출기(55)는 수광용 반사 거울(53)에서 반사된 광을 검출할 수 있도록 수광용 반사 거울(53)과 마주보게 설치된다. 광 검출기(55)는 수광용 반사 거울(53)에 의해 반사되는 광이 포커싱되는 지점에 배치하는 것이 바람직하다.

한편 본 실시예에서는 검출기 프레임(65)이 렌즈 프레임(61)에 연결되게 설치된 예를 개시하였지만 이것에 한정되는 것은 아니다. 예컨대 검출기 프레임(65)은 거울 프레임(63)에 연결되게 설치되거나, 렌즈 프레임(61) 및 거울 프레임(63)에 연결되게 설치될 수 있다.

이러한 렌즈 프레임(61), 거울 프레임(63) 및 검출기 프레임(65)은 플라스틱 수지를 이용한 사출 성형으로 일체로 형성될 수 있다. 렌즈 프레임(61), 거울 프레임(63) 및 검출기 프레임(65) 중 적어도 두 개가 사출 성형으로 일체로 형성될 수 있다. 또는 렌즈 프레임(61), 거울 프레임(63) 및 검출기 프레임(65)이 각각 사출 성형으로 형성한 후 조립하여 프레임 조립체(60)으로 제조될 수 있다.

본 실시예에서는 렌즈 프레임(61) 및 거울 프레임(63)이 사출 성형으로 일체로 형성되고, 별도로 제작된 검출기 프레임(65)이 렌즈 프레임(61)에 연결된 예를 개시하였다.

검출기 프레임(65)은 수광용 반사 거울(53)과 마주보는 면에 광 검출기(55)가 형성된 배선기판일 수 있다.

거울 프레임(63)과 수광용 반사 거울(53)에는 수광 렌즈(51)의 중심에 대응되게 지면에 수직한 Z축 방향으로 프레임 관통 구멍(67) 및 거울 관통 구멍(54)이 형성되어 있다. 프레임 관통 구멍(67) 및 거울 관통 구멍(54)은 렌즈 관통 구멍(52)과 지면에 대해서 수직한 동일 축, 즉 Z축 상에 형성된다. 프레임 관통 구멍(67)과 거울 관통 구멍(54)에 송광부(40)의 광원 모듈(41) 및 송광빔 출력관(49)이 설치된다. 송광빔 출력관(49)의 상단부는 수광 렌즈(51)의 렌즈 관통 구멍(52)을 통과하여 수광 렌즈(51)의 상부로 돌출된다.

송광부(40)는 광원 모듈(41) 및 송광빔 출력관(49)을 포함하고, 광원 모듈(41)은 광원용 배선기판(43)에 설치될 수 있다. 광원 모듈(41)은 수광용 반사 거울(53)의 뒤쪽에서 송광빔(91)을 발생시켜 송광 거울(26)로 출력한다. 송광빔 출력관(49)은 송광빔(91)이 출력되는 광원 모듈(41)의 일단부에 연결되고, 일단부에 연결된 타단부가 수광용 반사 거울(53) 및 수광 렌즈(51)를 관통하여 수광 렌즈(51)의 타측으로 돌출되고, 타단부가 송광빔 안내관(30)에 연결된다.

광원용 배선기판(43)은 거울 프레임(63)의 하부면에 고정 설치되며, 상부면의 일단부에 광원 모듈(41) 및 송광빔 출력관(49)이 설치된다. 광원용 배선기판(43)의 상부면에 광원 모듈(41)이 실장된다. 송광빔 안내관(30)은 하단부가 광원 모듈(41)을 덮도록 결합된다. 이때 송광빔 출력관(49)은 하단부가 광원 모듈(41)의 외측면에 결합될 수도 있고, 광원용 배선기판(43)에 결합될 수 있다.

광원 모듈(41)과 송광빔 출력관(49)은 거울 프레임(63)의 하부면을 통하여 프레임 관통 구멍(67)에 삽입될 수 있다.

광원 모듈(41)은 송광빔(91)으로 레이저 광을 콜리메이션한 레이저 빔을 출력할 수 있다. 이러한 광원 모듈(41)은 레이저 광을 발생시켜 출력하는 광원(45)과, 광원(45)의 앞쪽에 배치되어 출력되는 레이저 광을 콜리메이션하여 출력하는 콜리메이션 렌즈(47)를 포함한다.

송광빔 출력관(49)은 프레임 관통 구멍(67), 거울 관통 구멍(54) 및 렌즈 관통 구멍(52)을 통하여 수광 렌즈(51)의 상부로 돌출된다. 송광빔 출력관(49)은 양쪽이 개방된 직선관의 형태를 갖는다.

이로 인해 광원 모듈(41)에서 발생된 송광빔(91)은 송광빔 출력관(49)을 통하여 송광 거울(26)로 직접 입사된다.

광원 모듈(41)에서 발생된 송광빔(91)이 송광빔 출력관(49)을 통하여 송광빔 안내관(30)으로 안정적으로 전달될 수 있도록, 송광빔 출력관(49)의 상단부는 송광빔 안내관(30)의 하단부에 연결된다. 예컨대 수광 렌즈(51)의 상부로 돌출된 송광빔 출력관(49)의 상단부는, 도 3에 도시된 바와 같이, 송광빔 안내관(30)의 하단부에 중첩되게 설치되되, 회전하는 송광빔 안내관(30)과 간섭하지 않도록 일정 간격 이격되게 설치될 수 있다. 또는 송광빔 출력관(49)의 상단부와 송광빔 안내관(30)의 하단부가 서로 근접하되, 일정 간격 이격되게 설치될 수 있다.

이와 같이 본 실시예에 따른 스캐닝 라이다(100)는 수광 렌즈(51)에 임베딩되게 송광부(40)가 설치되기 때문에, 광학계 구조를 단순화시킬 수 있다. 광학계 구조를 단순화함으로써, 본 실시예에 따른 스캐닝 라이다(100)는 광학계 정렬을 쉽게 수행할 수 있다.

그리고 송광빔 안내관(47)은 관 형으로 한 쪽으로 들어온 송광빔(91)이 다른 쪽으로 출력될 수 있도록 양쪽이 개방되어 있다.

송광빔 안내관(47)은 송광 거울(26)의 반사면에 설치되어 송광부(40)에서 출력된 송광빔(91)이 안정적으로 송광 거울(26)로 입사될 수 있도록 안내한다. 또한 송광빔 안내관(30)은 송광 거울(26)에서 반사된 송광빔(91)을 커버(71)를 통하여 외부로 출력될 수 있도록 안내한다.

이러한 송광빔 안내관(30)은 송광 거울(26)의 반사면에 설치된다. 송광빔 안내관(30)은 송광빔 출력관(49)에 연결되어 송광빔(91)을 송광 거울(26)로 입사시키는 입사 안내관(31)과, 입사 안내관(31)에 연결되어 송광 거울(26)에서 반사된 송광빔(91)을 출력시키는 출력 안내관(33)을 포함한다.

입사 안내관(31)은 송광 거울(26)의 반사면에 입사되는 송광빔(91)에 평행하게 송광 거울(26)의 회전축 방향, 즉 Z축 방향에 설치된다. 즉 입사 안내관(31)은 한 쪽이 송광빔(91)이 출력되는 송광부(40)의 송광부 출력관(49)에 연결되고, 한 쪽과 연결된 다른 쪽이 관통 구멍(27a)을 통하여 광로 슬롯(24)으로 삽입되어 송광빔(91)을 송광 거울(26)로 안내한다. 그리고 출력 안내관(33)은 송광 거울(26)의 반사면에서 반사되는 송광빔(91)에 평행하게 설치된다. 이러한 송광빔 안내관(30)은 송광 거울(26)의 반사면에 영문자 "L"자형으로 설치될 수 있다. 이로 인해 입사 안내관(31)과 출력 안내관(33)이 만나는 부분에 송광 거울(26)의 반사면이 위치하여 입사 안내관(31)으로 입사된 송광빔(91)을 출력 안내관(33)으로 반사한다.

이와 같이 송광부(40)에서 발생된 송광빔(91)은 송광빔 출력관(49)과 송광빔 안내관(30)을 통과한 후 송광 거울(26)에 반사되어 타겟으로 출력되기 때문에, 기존의 송광빔을 송수광 렌즈 및 송광 거울을 거처 타겟으로 출력되는 과정에서 발생되는 후방 산란으로 인한 노이즈가 수광 거울을 거쳐 수광부로 수광되는 것을 억제할 수 있다.

그리고 케이스부(70)는 송수광 모듈(10), 송광부(40) 및 수광부(50)를 덮어서 외부 환경으로 보호한다. 케이스부(70)는 본체(20)를 둘러싸며, 송광빔(91)과 반사광(93)이 입출되는 커버(71)를 포함한다. 케이스부(70)에서 커버(71)를 제외한 부분은 광투과성이 없는 플라스틱 또는 금속 소재로 제조될 수 있다.

송광빔(91)에 의한 커버(71)에서 발생되는 후방 산란으로 인한 노이즈가 수광부(50)로 수광되는 것을 억제할 수 있도록, 출력 안내관(33)의 송광빔(91)이 출력되는 단부는 커버(71)의 내측면에 근접하게 설치될 수 있다.

본 실시예에 따른 스캐닝 라이다(100)는 송광부(40) 및 수광부(50)가 프레임 조립체(60)에 설치되기 때문에, 제조 공정을 간소화할 수 있는 이점이 있다. 이유는 프레임 조립체(60)을 기초로 송광부(40) 및 수광부(50)를 모듈 형태로 제조할 수 있기 때문이다.

따라서 송광부(40) 및 수광부(50)가 설치된 프레임 조립체(60)과 송수광 모듈(10)을 각각 제조한 후, 케이스부(70)에 설치함으로써, 본 실시예에 따른 스캐닝 라이다(100)를 제조할 수 있다.

본 실시예에 따른 스캐닝 라이다(100)는 송광 거울(26)에 송광빔 안내관(30)이 설치된 구조를 갖기 때문에, 도 4 및 도 5에 도시된 바와 같이, 수광 렌즈(51)로 입사되는 광의 수광량이 일부 손실이 발생된다. 여기서 도 4는 도 1의 송광빔 안내관(30)이 수광 렌즈(51)에 설치된 상태를 보여주는 도면이다. 그리고 도 5는 도 1의 수광 거울(51)의 회전에 따라 송광빔 안내관(30)에 의해 수광 렌즈(51)의 빛 가림이 발생되는 부분을 도시한 도면이다.

도 1 및 도 4를 참조하면, 송수광 안내관(30)의 입사 안내관(31)은 수광 거울(51) 아래로 돌출되어 수광 렌즈(51)의 중심에 삽입되어 있다. 이로 인해 수광 거울(51)이 회전하면, 입사 안내관(31)은 Z축을 중심으로 제자리에서 회전한다.

송수광 안내관(30)의 출력 안내관(33)은 수광 거울(27)에 의해 가려지기 때문에, 수광 렌즈(51)에 대한 빛 가림을 발생시키지 않는다.

이러한 수광 거울(27)의 회전에 의해 수광 렌즈(51)로 입사되는 반사광(93)의 빛 가림은 도 5와 같이 발생된다.

도 1 및 도 5를 참조하면, 수광 거울(27)에 입사된 반사광(93)은 입사 안내관(31)에 의해 가려진 형태로 수광 렌즈(51)로 입사된다. 이때, 입사 안내관(31)은 수광 거울(27)의 반사면에 일자형으로 위치하기 때문에, 수광 렌즈(51)에서 입사 안내관(31)의 직경에 대응되는 폭을 갖는 일자 형태로 빛 가림 영역(31a)이 형성된다. 빛 가림 영역(31a)은 수광 렌즈(31)의 중심에서 수광 렌즈(31)의 원주면으로 뻗은 일자형이다. 빛 가림 영역(31a)은 회전 거울(21)의 회전에 따라서 회전하게 된다.

하지만 빛 가림 영역(31a)은 어느 방향에서는 일정하게 발생되기 때문에, 빛 가림 영역(31a)으로 인한 수광량이 떨어지는 것을 최소화할 수 있다.

이와 같이 본 실시예에 따른 스캐닝 라이다(100)는 송광빔 안내관(30)을 송광 거울(26)에 설치하되, 송광빔(91)이 송광 거울(26)로 입사되어 커버(71)로 반사되는 경로에 대응되게 송광빔 안내관(30)을 설치함으로써, 송광빔(91)에 의한 커버(71)에서 발생되는 후방 산란으로 인한 노이즈가 수광부(50)로 수광되는 것을 억제할 수 있다.

그리고 송광빔(91)을 출력하는 레이저 광원을 포함하는 송광부(40)는 수광용 반사 거울(53)과 수광 렌즈(51)를 관통하여 송광빔 안내관(30)으로 직접 송광빔(91)을 전달하도록 설치함으로써, 수광 렌즈(51)를 통한 수광 효율이 떨어지는 것을 억제할 수 있다.

이와 같은 본 실시예에 따른 송수광 모듈(10)에 대해서 도 6 및 도 7을 참조하여 설명하면 다음과 같다. 여기서 도 6은 도 1의 송수광 모듈을 보여주는 분해 사시도이다. 그리고 도 7은 도 1의 송수광 모듈을 보여주는 사시도이다.

전술된 바와 같이 송수광 모듈(10)은 본체(20), 수광 거울(27) 및 송광 거울(26)을 포함한다.

본체(20)는 베이스(21), 한 쌍의 수광 거울 설치대(22)를 포함한다. 베이스(21)는 제1 상부면과, 제1 상부면에 반대되는 제1 하부면을 가지며, 제1 하부면에 송광 거울 설치면(25)이 형성된다.

한 쌍의 수광 거울 설치대(22)는 베이스(21)와 일체로 형성되며, 송광 거울 설치면(25)을 중심으로 양쪽에 일정 높이로 형성되어 중심에 광로 슬롯(24)을 형성하고, 제2 하부면에 수광 거울 설치면(23)이 분할되어 형성된다.

이때 모터(28)가 베이스(21)의 제1 상부면 중심에 연결되게 설치되어 본체(20)를 회전시킨다.

수광 거울(27)은 분할된 수광 거울 설치면(23)에 설치된다. 수광 거울(27)은 원판 형태로 형성될 수 있다. 수광 거울(27)은 중심 부분에 광로 슬롯(24)과 연결되는 관통 구멍(27a)이 형성되어 있다.

그리고 송광 거울(26)은 광로 슬롯(24)의 바닥면에 설치된다. 송광 거울(26)은 직사각판 형태로 형성될 수 있다. 물론 송광 거울(26)은 수광 거울(27)에 비해서 면적이 작다.

이와 같은 본 실시예에 따른 본체(20)의 제조 방법에 대해서 도 8 내지 도 10을 참조하여 설명하면 다음과 같다. 여기서 도 8 내지 도 10은 본체의 기계가공에 따른 각 단계를 보여주는 도면들이다.

먼저 도 8에 도시된 바와 같이, 본체(20)로 제조할 본체 블록(20a)을 준비한다.

다음으로 도 9에 도시된 바와 같이, 본체 블록(20a)에 대한 기계가공을 통하여 깎아서 수광 거울 설치면(23)을 형성한다. 이때 본체 블록(20a)의 하부면 전체에 대해서 일정 각도로 경사면을 갖도록 기계가공을 수행한다.

그리고 도 10에 도시된 바와 같이, 이어서 수광 거울 설치면(23)을 형성한 각도와 동일한 각도로 기계가공을 통하여 깎아서 광로 슬롯(24)과 송광 거울 설치면(25)을 형성한다. 이때 도 8에서 형성된 수광 거울 설치면(23)의 중심 부분에 일정 폭으로 기계가공을 수행하여 광로 슬롯(24)과 송광 거울 설치면(25)을 함께 형성한다.

이와 같이 수광 거울 설치면(23), 광로 슬롯(24) 및 송광 거울 설치면(25)은 기계가공을 통해서 순차적으로 본체 블록(20a)을 깎아서 일괄적으로 형성되기 때문에, 수광 거울 설치면(23)과 송광 거울 설치면(25)이 동일한 각도를 갖도록 형성할 수 있다.

이와 같이 본 실시예에 따른 송수광 모듈(10)은 송수광 각도를 일치시킬 수 있고, 송광축과 수광축 간의 차이를 최소화할 수 있기 때문에, 코엑시얼 구조와 비교해서 수광효율이 떨어지는 문제를 최소화할 수 있다.

그리고 본 실시예에 따른 송수광 모듈(10)은 송수광 각도를 일치시킬 수 있기 때문에, 송광축과 수광축의 정렬 공정을 생략할 수 있다.

한편, 본 명세서와 도면에 개시된 실시예들은 이해를 돕기 위해 특정 예를 제시한 것에 지나지 않으며, 본 발명의 범위를 한정하고자 하는 것은 아니다. 여기에 개시된 실시예들 이외에도 본 발명의 기술적 사상에 바탕을 둔 다른 변형예들이 실시 가능하다는 것은, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게는 자명한 것이다.

10 : 송수광 모듈 20 : 본체
21 : 베이스 22 : 수광 거울 설치대
23 : 수광 거울 설치면 24 : 광로 슬롯
25 : 송광 거울 설치면 26 : 송광 거울
27 : 수광 거울 27a : 관통 구멍
28 : 모터 30 : 송광빔 안내관
31 : 입사 안내관 33 : 출력 안내관
40 : 송광부 41 : 광원 모듈
43 : 광원용 배선기판 45 : 광원
47 : 콜리메이션 렌즈 49 : 송광빔 출력관
50 : 수광부 51 : 수광 렌즈
52 : 렌즈 관통 구멍 53 : 수광용 반사 거울
54 : 거울 관통 구멍 55 : 광 검출기
60 : 프레임 조립체 61 : 렌즈 프레임
63 : 거울 프레임 65 : 검출기 프레임
67 : 프레임 관통 구멍 70 : 케이스부
71 : 커버 73 : 돌출부
91 : 송광빔 93 : 반사광
100 : 스캐닝 라이다

Claims (12)

1. 경사면으로 형성된 수광 거울 설치면,
   상기 수광 거울 설치면의 중심 부분에서 수직 방향으로 형성되어 송광빔의 광로로 사용되는 광로 슬롯, 및
   상기 광로 슬롯의 바닥면에 형성되며, 상기 수광 거울 설치면과 동일한 경사각으로 형성된 송광 거울 설치면을 구비하는 본체;
   상기 수광 거울 설치면에 설치되며 중심 부분에 송광빔이 통과하는 관통 구멍이 형성된 수광 거울;
   상기 송광 거울 설치면에 설치되며, 상기 관통 구멍을 통하여 상기 광로 슬롯으로 입사된 송광빔을 상기 광로 슬롯을 통하여 외부로 반사하는 송광 거울; 및
   상기 송광 거울에 설치되며, 상기 송광빔이 상기 송광 거울로 입사되어 반사되는 경로에 대응되게 설치되는 송광빔 안내관;을 포함하고,
   상기 본체는,
   제1 상부면과, 상기 제1 상부면에 반대되는 제1 하부면을 가지며, 상기 제1 하부면에 상기 송광 거울 설치면이 형성된 베이스; 및
   상기 베이스와 일체로 형성되며, 상기 송광 거울 설치면을 중심으로 양쪽에 일정 높이로 형성되어 중심에 상기 광로 슬롯을 형성하고, 제2 하부면에 상기 수광 거울 설치면이 분할되어 형성되는 한 쌍의 수광 거울 설치대;를 포함하고,
   상기 수광 거울 설치면, 상기 광로 슬롯 및 상기 송광 거울 설치면은 기계가공을 통해서 순차적으로 깎아서 일괄적으로 형성되어 상기 수광 거울 설치면과 상기 송광 거울 설치면이 동일한 각도를 갖는 것을 특징으로 하는 바이엑시얼 구조를 갖는 스캐닝 라이다용 송수광 모듈.
2. 삭제
3. 삭제
4. 제1항에 있어서,
   상기 베이스의 제1 상부면 중심에 연결되게 설치되며, 상기 본체를 회전시키는 모터;
   를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 바이엑시얼 구조를 갖는 스캐닝 라이다용 송수광 모듈.
5. 제4항에 있어서, 상기 송광빔 안내관은,
   한 쪽이 송광부의 송광부 출력관에 연결되고, 상기 한 쪽과 연결된 다른 쪽이 상기 관통 구멍을 통하여 상기 광로 슬롯으로 삽입되어 상기 송광빔을 상기 송광 거울로 입사시키는 입사 안내관; 및
   상기 입사 안내관에 연결되어 상기 송광 거울에서 반사된 송광빔을 외부로 출력시키는 출력 안내관;
   을 포함하는 것을 특징으로 하는 바이엑시얼 구조를 갖는 스캐닝 라이다용 송수광 모듈.
6. 제5항에 있어서,
   상기 입사 안내관은 상기 송광 거울의 반사면에 입사되는 송광빔에 평행하게 상기 송광 거울의 회전축 방향에 설치되고,
   상기 출력 안내관은 상기 송광 거울의 반사면에서 반사되는 송광빔에 평행하게 설치된 것을 특징으로 하는 바이엑시얼 구조를 갖는 스캐닝 라이다용 송수광 모듈.
7. 바이엑시얼 구조로 송광 거울과 수광 거울이 분리되어 설치되며, 회전하며 송수광을 수행하는 송수광 모듈;
   상기 송광 거울로 송광빔을 출력하는 송광부; 및
   상기 송광부가 설치된 쪽에 설치되며, 상기 수광 거울로부터 반사된 광을 수광 렌즈로 집광하여 광검출기로 검출하여 출력하는 수광부;를 포함하며,
   상기 송수광 모듈은,
   경사면으로 형성된 수광 거울 설치면,
   상기 수광 거울 설치면의 중심 부분에서 수직 방향으로 형성되어 송광빔의 광로로 사용되는 광로 슬롯, 및
   상기 광로 슬롯의 바닥면에 형성되며, 상기 수광 거울 설치면과 동일한 경사각으로 형성된 송광 거울 설치면을 구비하는 본체;
   상기 수광 거울 설치면에 설치되며 중심 부분에 송광빔이 통과하는 관통 구멍이 형성된 수광 거울;
   상기 송광 거울 설치면에 설치되며, 상기 관통 구멍을 통하여 상기 광로 슬롯으로 입사된 송광빔을 상기 광로 슬롯을 통하여 외부로 반사하는 송광 거울; 및
   상기 송광 거울에 설치되며, 상기 송광빔이 상기 송광 거울로 입사되어 반사되는 경로에 대응되게 설치되는 송광빔 안내관;을 포함하고,
   상기 본체는,
   제1 상부면과, 상기 제1 상부면에 반대되는 제1 하부면을 가지며, 상기 제1 하부면에 상기 송광 거울 설치면이 형성된 베이스; 및
   상기 베이스와 일체로 형성되며, 상기 송광 거울 설치면을 중심으로 양쪽에 일정 높이로 형성되어 중심에 상기 광로 슬롯을 형성하고, 제2 하부면에 상기 수광 거울 설치면이 분할되어 형성되는 한 쌍의 수광 거울 설치대;를 포함하고,
   상기 수광 거울 설치면, 상기 광로 슬롯 및 상기 송광 거울 설치면은 기계가공을 통해서 순차적으로 깎아서 일괄적으로 형성되어 상기 수광 거울 설치면과 상기 송광 거울 설치면이 동일한 각도를 갖는 것을 특징으로 하는 바이엑시얼 구조를 갖는 스캐닝 라이다.
8. 삭제
9. 제7항에 있어서,
   상기 송광부는 상기 수광 렌즈의 중심을 관통하여 상기 수광 렌즈의 일측에서 타측으로 돌출되게 설치되며, 송광빔을 발생시켜 상기 수광 렌즈의 타측으로 출력하고,
   상기 수광부는,
   상기 수광 렌즈;
   상기 수광 거울과 마주보게 상기 수광 렌즈의 일측에 경사지게 설치되며, 상기 수광 렌즈에서 수광된 광을 반사하는 수광용 반사 거울; 및
   상기 수광용 반사 거울에서 반사된 광을 검출하는 상기 광 검출기;
   를 포함하는 것을 특징으로 하는 바이엑시얼 구조를 갖는 스캐닝 라이다.
10. 제9항에 있어서, 상기 송광부는,
    상기 수광용 반사 거울의 뒤쪽에서 송광빔을 발생시켜 상기 송광 거울로 출력하는 광원 모듈; 및
    상기 송광빔이 출력되는 상기 광원 모듈의 일단부에 연결되고, 상기 일단부에 연결된 타단부가 상기 수광용 반사 거울 및 상기 수광 렌즈를 관통하여 상기 수광 렌즈의 타측으로 돌출되고, 상기 타단부가 상기 송광빔 안내관에 연결되는 송광빔 출력관;
    을 포함하는 것을 특징으로 하는 바이코엑시얼 구조를 갖는 스캐닝 라이다.
11. 제10항에 있어서, 상기 송광빔 안내관은,
    한 쪽이 송광부의 송광부 출력관에 연결되고, 상기 한 쪽과 연결된 다른 쪽이 상기 관통 구멍을 통하여 상기 광로 슬롯으로 삽입되어 상기 송광빔을 상기 송광 거울로 입사시키는 입사 안내관; 및
    상기 입사 안내관에 연결되어 상기 송광 거울에서 반사된 송광빔을 외부로 출력시키는 출력 안내관;
    을 포함하는 것을 특징으로 하는 바이엑시얼 구조를 갖는 스캐닝 라이다.
12. 제11항에 있어서,
    상기 송광빔 출력관은 상기 수광 렌즈의 타측에서 상기 송광빔 안내관에 중첩되게 설치되되, 회전하는 상기 송광빔 안내관과 간섭하지 않도록 일정 간격 이격되게 설치되는 것을 특징으로 하는 바이코엑시얼 구조를 갖는 스캐닝 라이다.

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