KR102435908B1 - 2차원 및 3차원 광 조사 광학계 - Google Patents

2차원 및 3차원 광 조사 광학계 Download PDF

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Abstract

본 개시의 기술적 사상의 일측면에 따른 2차원 광 시트 및 3차원 확산 광을 생성하기 위한 2/3 차원 광 조사 광학계에 있어서, 광 시트를 생성하기 위한 광 시트 생성부 및 광 시트 생성부에서 생성된 광 시트가 입사되고, 광 시트의 일부를 굴절시켜 2차원 광 시트를 생성하고, 광 시트의 나머지 일부를 굴절 또는 확산시켜 3차원 확산 광을 생성하는 2/3 차원 광 방사 렌즈를 포함할 수 있다.

Description

2차원 및 3차원 광 조사 광학계{OPTICAL SYSTEM FOR EXPOSING 2D LIGHT SHEET AND 3D LIGHT DIFFUSION}
본 개시의 기술적 사상은 2차원 및 3차원 광 조사 광학계에 관한 것으로 상세하게는 단일 광학계 내에서 광 경로를 변화시켜 2차원 광 시트를 생성하고, 3차원 확산 광을 방사하는 것을 특징으로 하는 2차원 및 3차원 광 조사 광학계에 관한 것이다.
라이다(LIDAR; light detection and ranging)는 레이저 빔을 표적에 조사하고, 이에 따라 반사되는 반사광을 탐지하여 표적에 대한 거리를 측정하는 장치이다.
라이다가 거리를 측정하는 방식 중에는 광원부에서 출력된 빛이 목표지점에 도달 후 반사되어 검출부에 도달하는데 걸리는 시간을 측정하여 거리를 계산하는 방식(TOF, Time Of Flight), 광원부와 검출부의 거리차이와 시차를 이용하여 삼각법으로 레이저의 도달 거리를 계산하는 방식(Triangulation)등이 있다.
최근 차량 및 로봇의 자율주행, 산업 안전을 위한 영역 탐지, 교통량 탐지 등의 다양한 분야에서 거리 측정에 대한 수요가 커지고 있음에 따라, 라이다는 지능형 이동 로봇, 드론, 무인자동차 등 다양한 분야에서 거리 감지 기능을 구현하기 위해 활발하게 사용되고 있다.
특히 라이다는 전방 또는 측방의 장애물 등에 의한 위험 상황이 발생할 경우 운전자에게 경고하거나 자동차의 속도를 조절하는 조치를 자동적으로 수행할 수 있게 하는 운전 보조용 애플리케이션이나, 운전자 없이 운행하는 트랙터와 같은 자동 운전장치로 그 적용 분야가 확대되고 있다.
이와 같이 고속으로 무인 운행하는 자동차나 로봇의 전방환경인식을 위한 용도로 라이다 시스템을 적용하기 위해서는 3차원으로 넓은 시야각(field of view)을 갖는 정보를 얻을 수 있어야 한다.
이에 따라 주변 지형 지물 판별을 위한 2차원 장거리 측정 센서와 충돌 방지를 위한 3차원 단거리 측정 센서가 결합된 형태의 라이다가 개발되고 있고, 이에 대한 수요 또한 지속적으로 증가하고 있다.
종래에는 해당 센서들의 광 송신부가 2가지로 나뉘어져, 2차원 장거리 측정을 위한 광 시트 방사 광학 시스템과 3차원 단거리 측정을 위한 광 방사 광학 시스템이 독립적이거나 시스템의 일부분만 공유하도록 디자인 되어있다. 이러한 종래의 라이다는 두 광학 시스템이 분리되어 있기에 소형화하는 것에 한계가 있고, 복수의 광원 및 광학 부품을 구비해야 하기 때문에 부품의 증가로 인해 광학 부품의 정렬이 어려운 단점이 있다.
한국 특허 출원 10-2016-0002772을 참고하면, 종래에는 광원부 근처에 반사경(회전 거울이라고도 함)을 부착하여, 상기 반사경을 고속으로 회전시켜 레이저 광원이 굴절되도록 함으로써, 2차원 또는 3차원 스캐닝을 가능하게 하는 기술이 있다. 그러나, 이러한 반사경 방식이 적용된 장치의 경우, 외전을 위해 들어가는 기계적인 구성은 제조 단가를 증가시키고, 라이다의 소형화를 방해하며 라이다의 구조가 복잡해져서 라이다의 제작이 어려운 단점이 있다.
본 개시의 기술적 사상이 해결하려는 과제는 단일한 광학계 내에서 장거리 측정을 위한 2차원 광 시트를 생성하고, 단거리 측정을 위한 3차원 확산 광을 생성하는 2차원 및 3차원 광 조사 광학계를 제공하는 데 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 개시의 기술적 사상의 일측면에 따른 2차원 광 시트 및 3차원 확산 광을 생성하기 위한 2/3 차원 광 조사 광학계 에 있어서, 광 시트를 생성하기 위한 광 시트 생성부 및 상기 광 시트 생성부에서 생성된 상기 광 시트가 입사되고, 상기 광 시트의 일부를 굴절시켜 2차원 광 시트를 생성하고, 상기 광 시트의 나머지 일부를 굴절 또는 확산시켜 3차원 확산 광을 생성하는 2/3 차원 광 방사 렌즈를 포함할 수 있다.
상기 2/3 차원 광 방사 렌즈는, 상기 광 시트 생성부에서 방사된 광이 입사되는 내측면과 상기 내측면으로 입사된 광이 상기 2/3차원 광 방사 렌즈에서 외부로 방출되는 외측면으로 이루어진 단일 렌즈로 형성될 수 있다.
상기 내측면과 상기 외측면 중 적어도 하나는, 상기 광 시트 생성부로부터 입사된 상기 광 시트의 광을 굴절 또는 확산시키기 위한 3차원 방사면 및 상기 광 시트 생성부로부터 입사된 상기 광 시트의 광을 굴절시켜 통과시키는 2차원 광 시트 굴절면을 포함할 수 있다.
상기 3차원 방사면은, 곡선이 연결된 물결 형상으로 형성될 수 있다.
상기 3차원 방사면은, 직선이 연결된 톱날 형상으로 형성될 수 있다.
상기 3차원 방사면은, 마이크로 렌즈 어레이, 광 확산제 등과 같이 광을 확산시킬 수 있는 소재로 이루어질 수 있다.
2차원 광 시트 굴절면은, 광축-수평축과 나란한 평면으로 자른 단면이 일정하도록 형성될 수 있다.
2차원 광 시트 굴절면은, 입력된 광 시트가 굴절되어 기 설정된 광 밀도 분포를 갖는 광 시트로 출력되도록 곡선 형상으로 형성될 수 있다.
상기 3차원 방사면 및 상기 2차원 광 시트 굴절면은 복수로 구비되고, 교대로 적층되는 다층 구조로 형성될 수 있다.
하단에 상기 3차원 방사면이 형성되고, 상기 3차원 방사면의 상부에 상기 2차원 광 시트 굴절면이 형성되고, 상기 2차원 광 시트 굴절면의 상부에 상기 3차원 방사면이 형성되는 3단 적층 구조로 형성될 수 있다.
본 발명의 예시적 실시 예에 따른 2차원 및 3차원 광 조사 광학계는 일 지점을 향해 나아가는 레이저 빔을 광각으로 굴절시켜 기계적인 움직임 없이도 2차원 광 시트 및 3차원 확산 광을 생성하여 넓은 범위의 공간을 감지할 수 있다.
또한 본 발명의 예시적 실시 예에 따른 2차원 및 3차원 광 조사 광학계는 2/3 차원 광 방사 렌즈를 통해 2차원 광 시트 및 3차원 확산 광을 생성할 수 있어 종래의 광 조사 광학계에 비해 단순한 구조적 특징을 가져 라이다의 소형화를 이룰 수 있고, 이에 따라 저렴한 비용으로 간편하게 제작될 수 있다.
도 1은 본 개시의 예시적 실시 예에 따른 2차원 및 3차원 광 조사 광학계가 적용된 라이다의 구성도이다.
도 2는 본 개시의 예시적 실시 예에 따른 송신부의 분해사시도이다.
3은 본 개시의 예시적 실시 예에 따른 2/3 차원 광 방사 렌즈에 입사되는 광 시트가 두께별 영역에 따라 굴절 또는 확산되어 2차원의 광시트 및 3차원의 확산 광을 생성하는 모습을 설명하기 위한 도면이다.
도 4a는 본 개시의 예시적 실시 예에 따른 2/3 차원 광 방사 렌즈의 전면사시도이다.
도 4b는 본 개시의 예시적 실시 예에 따른 2/3 차원 광 방사 렌즈의 후면사시도이다.
도 4c는 도 4a에 도시된 C-C를 따라 절단한 단면도이다.
도 5a는 본 개시의 다른 예시적 실시 예에 따른 2/3 차원 광 방사 렌즈의 전면사시도이다.
도 5b는 본 개시의 다른 예시적 실시 예에 따른 2/3 차원 광 방사 렌즈의 후면사시도이다.
도 5c는 도 5a에 도시된 C-C를 따라 절단한 단면도이다.
도 6a는 본 개시의 또 다른 예시적 실시 예에 따른 2/3 차원 광 방사 렌즈의 전면사시도이다.
도 6b는 본 개시의 또 다른 예시적 실시 예에 따른 2/3 차원 광 방사 렌즈의 후면사시도이다.
도 7a는 본 개시의 또 다른 예시적 실시 예에 따른 2/3 차원 광 방사 렌즈의 전면사시도이다.
도 7b는 본 개시의 또 다른 예시적 실시 예에 따른 2/3 차원 광 방사 렌즈의 후면사시도이다.
도 7c는 도 7a에 도시된 C-C를 따라 절단한 단면도이다.
도 8은 본 개시의 예시적 실시예에 따른 2차원 및 3차원 광 조사 광학계의 광 방출 분포를 나타낸 도면이다.
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.
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.
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.
도 1은 본 개시의 예시적 실시 예에 따른 2차원 및 3차원 광 조사 광학계가 적용된 라이다의 구성도이다.
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.
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.
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 광학계(150)를 포함할 수 있다. 광 조사 광학계(150)는 광 시트와 확산광이 결합된 형태의 광 방사 패턴을 방출할 수 있다.
광 송신부(100)는 2차원의 광 시트와 3차원의 확산광이 결합된 광 방사 패턴을 형성하기 위한 2/3 차원 광 방사 렌즈(150)를 포함할 수 있다.
종래에는 2차원 광시트와 3차원 확산광을 형성하기 위해 광 송신부는 2가지로 나뉘어져 2차원 장거리 측정용 광 조사 광학계와 3차원 단거리 측정용 광 조사 광학계가 독립적으로 구비되어 이를 포함하는 라이다의 소형화에 한계가 있었다. 또한, 복수의 광 조사 광학계를 구비함에 따라 복수의 광원, 광학 부품을 탑재해야하기 때문에 부품의 증가로 인해 광학 부품의 정렬이 어려운 문제가 있었다.
이에 대해, 본 발명의 예시적 실시예에 따른 광 송신부(100)는 2/3 차원 광 방사 렌즈(150)를 포함한 2차원 및 3차원 광 조사 광학계(120)를 구비하여 2차원 장거리 측정용 광 시트 조사 광학계와 3차원 단거리 측정용 확산광 조사 광학계가 분리되어 발생하는 문제를 해결할 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따른 광 송신부(100)의 자세한 구성은 이하에서 설명한다.
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.
도 2는 본 개시의 예시적 실시 예에 따른 송신부의 분해사시도이다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 예시적 실시예에 따른 광 송신부(100)는 광원(110), 2차원 및 3차원 광 조사 광학계(120)를 포함할 수 있다.
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.
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.
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.
여기서, 퍼짐각은 광축(Z) 및 수평축(X), 광축(Z) 및 수직축(Y)이 이루는 평면에서 각도에 따른 빛의 세기를 반치전폭을 기준으로 측정한 각도를 의미한다.
2차원 및 3차원 광 조사 광학계(120)는 광 시트 생성부(130) 및 2/3 차원 광 방사 렌즈(150)을 포함할 수 있다.
광 시트 생성부(130)는 광원(110)으로부터 발생하여 광 시트 생성부(130)로 입사되는 광의 경로를 조절하여 광 시트(135)를 형성할 수 있다.
광 시트 생성부(130)는 광 시트(135)를 2/3 차원 광 방사 렌즈(150)에 보내기 위하여 광원(110)에서 방출된 레이저 광을 굴절시켜 수직축(Y) 방향으로 광의 퍼짐이 없도록 모아주고, 수평축(X) 방향으로 광이 퍼지도록 굴절시켜 출력광이 광 시트를 형성할 수 있다.
구체적으로, 광 시트 생성부(130)는 광 시트(135)로 구현되는 광 신호를 생성하기위해 광원(110)에서 방출된 레이저 광을 굴절시켜 수직축(Y) 방향 광의 퍼짐각(θ1)이 제1 각도 범위 내로 조절되고, 수평축(X) 방향 광의 퍼짐각(θ2)이 제2 각도 범위 내로 조절된 광 시트를 출력할 수 있다.
여기서, 퍼짐각은 광축(Z) 및 수평축(X), 광축(Z) 및 수직축(Y)이 이루는 평면에서 각도에 따른 빛의 세기를 반치전폭을 기준으로 측정한 각도를 의미한다.
구체적으로, 광 시트(135)는 수직축(Y) 방향 광의 퍼짐각(θ1)이 0°이상 10°이하로 형성되고, 수평축(X) 방향 광의 퍼짐각(θ2)이 0°이상 200°이하로 형성될 수 있다.
광 시트 생성부(130)는 광원에서 방출된 광의 경로를 조절하여 광 시트를 형성하는 광학계를 포함할 수 있다. 광 시트 생성부(130)는 단일 렌즈 또는 다수의 굴절 및 반사를 수행하는 광학계로 이루어질 수 있다. 예를 들어, 광 시트 생성부(130)는 각종 렌즈, 또는 거울 등을 포함할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
2/3 차원 광 방사 렌즈(150)는 광 시트 생성부(130)로부터 발생한 광 시트의 광 분포를 조절하여 2차원 광 시트 및 3차원 확산광을 형성할 수 있다.
2/3 차원 광 방사 렌즈(150)는 2차원 광 시트 및 3차원 확산광으로 구현되는 광 신호를 목표 물체(200)에 보내기 위하여 광 시트 생성부(130)에서 방출된 광 시트(135)의 일부를 굴절시켜 2차원 광 시트를 생성하고, 광 시트(135)의 나머지 일부를 굴절 또는 확산시켜 3차원 확산광을 생성할 수 있다. 2/3 차원 광 방사 렌즈(150)는 2차원 광 시트와 3차원 확산광이 결합된 광 분포를 출력할 수 있다.
광원(110), 광 시트 생성부(130), 2/3 차원 광 방사 렌즈(150)는 동일한 광축(Z)을 갖도록 차례대로 배열될 수 있다. 여기서, 광축(Z)이란 렌즈의 굴절률과는 무관하게 빛이 같은 방향으로 진행할 수 있도록 하는 축을 의미한다. 한편, 광원(110), 광 시트 생성부(130), 2/3 차원 광 방사 렌즈(150)는 하우징에 의해 고정되거나 결합되는 형상으로 형성될 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다.
도 3은 본 개시의 예시적 실시 예에 따른 2/3 차원 광 방사 렌즈에 입사되는 광 시트가 두께별 영역에 따라 굴절 또는 확산되어 2차원의 광시트 및 3차원의 확산 광을 생성하는 모습을 설명하기 위한 도면이다.
도 3을 참조하면, 광 시트 생성부(130)에서 방출된 광 시트(135)는 수직축(Y) 방향 광의 퍼짐각(θ1)이 0°이상 10°이하로 형성될 수 있다. 다만, 실질적으로 광원(110)의 유한한 크기로 인해 수직축(Y) 방향 광의 퍼짐각(θ1)이 0°로 형성될 수 없기 때문에 수직축 방향으로 0이 아닌 두께를 가질 수 있다.
즉, 광 시트(135)는 유한한 두께를 갖도록 형성될 수 있다.
2/3 차원 광 방사 렌즈(150)는 유한한 두께를 갖는 광 시트(135)를 이용하여 2차원 광 시트 및 3차원 확산광을 출력할 수 있다.
2/3 차원 광 방사 렌즈(150)는 광 시트(135)를 구성하는 광 분포 중 일부를 3차원으로 확산시키기 위해 광 시트 두께 방향에 대해 광 시트 일부(t1)를 굴절시켜 2차원 광 시트로 출력하고, 광 시트 두께 방향에 대해 광 시트 나머지 일부(t2)를 굴절 또는 확산시켜 3차원 확산 광으로 출력할 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따른 2/3 차원 광 방사 렌즈(150)의 자세한 구조는 이하에서 설명한다.
도 4a는 본 개시의 예시적 실시 예에 따른 2/3 차원 광 방사 렌즈의 전면사시도이고, 도 4b는 본 개시의 예시적 실시 예에 따른 2/3 차원 광 방사 렌즈의 후면사시도이고, 도 4c는 도 4a에 도시된 C-C를 따라 절단한 단면도이다.
도 4a 내지 도 4c를 참조하면, 2/3 차원 광 방사 렌즈(150)는 광 시트 생성부(130)에서 방사된 광이 입사되는 내측면(151)과, 내측면(151)으로 입사된 광이 2/3 차원 광 방사 렌즈(150)에서 외부로 방출되는 외측면(153)으로 이루어질 수 있다.
2/3 차원 광 방사 렌즈(150)는 내측면(151)과 외측면(153) 중 적어도 어느 하나의 면 일부에 3차원 방사면(171)을 포함할 수 있다. 도 4에서 설명하는 본 개시의 예시적 실시 예에 따른 2/3 차원 광 방사 렌즈(150)는 내측면(151) 일부에 3차원 방사면(171)을 포함할 수 있다.
2/3 차원 광 방사 렌즈(150)는 내측면(151)에 광 시트 생성부(130)로부터 입사된 광 시트(135)를 굴절 또는 확산시켜 확산광을 형성하는 3차원 방사면(171) 및 광 시트 생성부(130)로부터 입사된 광 시트(135)를 굴절 통과시켜 2차원 광 시트를 형성하는 2차원 광 시트 굴절면(173)을 포함할 수 있다.
내측면(151)의 일부 영역은 광 시트(135)의 광을 굴절 또는 확산시키는 3차원 방사면(171)으로 이루어질 수 있고, 내측면(151)의 나머지 영역은 광 시트)의 광을 굴절시켜 통과시키는 2차원 광 시트 굴절면(173)으로 이루어질 수 있다.
3차원 방사면(171)은 광 시트 생성부(130)로부터 입사된 광 시트(135)의 두께 일부에 해당하는 광을 굴절 또는 확산시켜 확산광을 형성하기 위한 것으로 입사된 광을 굴절 또는 확산 시키는 면으로 형성될 수 있다.
도 4에서 설명하는 본 개시의 예시적 실시 예에 따른 3차원 방사면(171)은 입사된 광 시트의 일부를 굴절시켜 3차원 확산광을 형성할 수 있다.
3차원 방사면(171)은 광 시트의 일부가 입사되면 광축의 일 지점으로부터 소정 각도 범위 내의 방향으로 광 시트의 일부를 굴절시켜 확산광을 형성할 수 있다. 이 때, 3차원 방사면(171)은 광 시트의 일부가 3차원 방사면(171)에 입사되도록 배치될 수 있다.
3차원 방사면(171)은 광축에 평행하게 입사되는 광 시트의 일부를 광축으로부터 소정의 각도가 굴절되어 투사되도록 각도를 갖는 형상으로 형성될 수 있다.
구체적으로, 3차원 방사면(171)은 곡선이 연결된 물결 형상으로 형성될 수 있다. 3차원 방사면(171)은 원 또는 타원의 단면이 연결된 형태로 형성될 수 있다.
3차원 방사면(171)은 물결 모양으로 형성되어 입사되는 광 시트가 3차원 방사면(171)에 맞닿는 각도에 따라 굴절되는 정도의 차이를 발생시켜 확산된 광을 출력할 수 있다.
광 시트 생성부(130)에서 생성된 광 시트의 일부는 물결 모양으로 형성된 3차원 방사면(171)에 입사되고, 입사된 일 지점으로부터 기 설정된 각도 범위 내의 특정 방향으로 굴절되어 확산 광을 형성할 수 있다.
또한, 3차원 방사면(171)은 광축-수직축 평면에 대한 단면이 볼록 렌즈의 형상으로 이루어질 수 있다. 3차원 방사면(171)의 광축-수직축 평면에 대한 단면은 광축-수평축 평면 상의 원 또는 타원과 같은 곡선에 접하는 형상으로 형성될 수 있다.
2차원 광 시트 굴절면(173)은 2/3 차원 광 방사 렌즈(150)의 내측면(151) 영역 중에서 3차원 방사면(171)이 형성된 영역 이외의 나머지 영역으로 정의될 수 있다.
2차원 광 시트 굴절면(173)은 광 시트 생성부(130)에서 생성된 광 시트의 일부를 굴절시켜 다시 광 시트로 출력시킬 수 있다. 2차원 광 시트 굴절면(173)을 통해 출력된 광 시트는 입사된 광 시트와 유사하게 수직축 방향으로 퍼짐이 없도록 형성될 수 있다. 이를 위해 2차원 광 시트 굴절면(173)은 광축-수평축 평면으로 자른 단면이 일정한 형태로 형성될 수 있다.
또한, 2차원 광 시트 굴절면(173)은 입력된 광 시트의 광 밀도 분포가 2차원 광 시트 굴절면(173)을 통과하여 기 설정된 출력 광 시트의 광 밀도 분포를 달성하도록 형성될 수 있다.
2/3 차원 광 방사 렌즈(150)는 광을 굴절시키는 굴절면을 3차원 방사면(171)과 2차원 광 시트 굴절면(173)으로 나누어 정의할 수 있다.
2/3 차원 광 방사 렌즈(150)는 3차원 방사면(171), 2차원 광 시트 굴절면(173)으로 구성되는 굴절면 이외에 기계적인 고정을 위한 형상을 가질 수 있다.
2/3 차원 광 방사 렌즈(150)는 3차원 방사면(171)이 복수 영역으로 형성되어, 2차원 광 시트 굴절면(173)과 교대로 적층된 형상으로 형성될 수 있다. 구체적으로, 3차원 방사면(171), 2차원 광 시트 굴절면(173), 3차원 방사면(171)이 순착적으로 적층된 3단 구조 형상으로 형성될 수 있다. 이 경우 3차원 방사면(171)이 2/3 차원 광 방사 렌즈(150)의 하단부 및 상단부에 위치함에 따라 3차원 확산광이 더 넓은 범위까지 방출될 수 있는 이점이 있다.
한편, 도 4에서 2/3 차원 광 방사 렌즈(150)는 3차원 방사면(171), 2차원 광 시트 굴절면(173)이 3단 구조로 적층된 것으로 도시하였으나 이에 한정하지 않고, 2/3 차원 광 방사 렌즈(150)는 3차원 방사면(171), 2차원 광 시트 굴절면(173)이 적층된 2단 적층 구조로 형성될 수 있다. 이 경우 도 4에서 설명된 3단 적층 구조보다 구조가 간단하여 용이하게 제조될 수 있는 이점이 있다.
또한, 2/3 차원 광 방사 렌즈(150)는 복수의 3차원 방사면(171), 복수의 2차원 광 시트 굴절면(173)이 순착적으로 적층된 다층 구조의 형상으로도 형성될 수 있다.
2/3 차원 광 방사 렌즈(150)는 단일 렌즈로 형성되어 단일한 광학계 내에서 광시트 및 확산광이 결합된 광 분포를 형성할 수 있다.
본 발명의 예시적 실시 예에 따른 2차원 및 3차원 광 조사 광학계는 일 지점을 향해 나아가는 레이저 빔을 광각으로 굴절시켜 기계적인 움직임 없이도 2차원 광 시트 및 3차원 확산 광을 생성하여 넓은 범위의 공간을 감지할 수 있다.
또한, 본 발명의 예시적 실시예에 따른 2/3차원 광 조사 광학계는 기존에 광 시트 및 확산광을 형성하기 위해 각각의 독립적인 광학계를 구비하여야 하는 종래의 광 조사 광학계에 비해 광원, 광학계를 구성하는 광학 부품의 수를 줄일 수 있다.
구체적으로, 본 개시의 예시적 실시예에 따른 2/3 차원 광 조사 광학계(120)는 광 시트 및 확산광을 형성하기 위해 단일 렌즈로 구성된 2/3 차원 광 방사 렌즈(150)를 구비하는 바, 광 조사 광학계의 구조를 단순화하고 부품의 수를 최소화하여 전체 광 송신부의 소형화가 가능하고, 조립공정을 간소화하여 제조 비용도 절감할 수 있다.
도 5a는 본 개시의 다른 예시적 실시 예에 따른 2/3 차원 광 방사 렌즈의 전면사시도이고, 도 5b는 본 개시의 다른 예시적 실시 예에 따른 2/3 차원 광 방사 렌즈의 후면사시도이고, 도 5c는 도 5a에 도시된 C-C를 따라 절단한 단면도이다.
도 5a 내지 도 5b에 있어서, 본 개시의 다른 예시적 실시 예에 따른 2/3 차원 광 방사 렌즈(250)는 도 1 내지 도 4의 2/3 차원 광 방사 렌즈(150)와 유사한 구성을 가질 수 있다. 다만, 3차원 방사면(271)의 형상이 톱날 형상으로 형성된 점에서 차이가 있다. 이하에서 차이가 있는 3차원 방사면(271) 형상에 대해 구체적으로 설명하고, 동일한 구성에 대한 상세한 설명을 생략한다.
도 5a 내지 도 5b를 참조하면, 3차원 방사면(271)은 광 시트 생성부(130)로부터 입사된 광 시트(135)를 굴절시켜 확산광을 형성하기 위한 것으로 입사된 광을 굴절시키기 위한 구조로 형성될 수 있다.
3차원 방사면(271)은 광 시트의 일부가 입사되면 광축의 일 지점으로부터 소정 각도 범위 내의 방향으로 입사된 광을 굴절시켜 3차원의 확산광을 형성할 수 있다. 이 때, 3차원 방사면(271)은 광 시트의 일부가 3차원 방사면(271)에 입사되도록 배치될 수 있다.
3차원 방사면(271)은 광축에 평행하게 입사되는 광 시트의 일부를 광축으로부터 소정의 각도가 굴절되어 투사되도록 각도를 갖는 형상으로 형성될 수 있다.
구체적으로, 3차원 방사면(271)은 직선이 연결된 톱날 형상으로 형성될 수 있다. 3차원 방사면(271)은 삼각형의 단면이 연결된 형태로 형성될 수 있다.
3차원 방사면(271)은 톱날 모양으로 형성되어 입사되는 광 시트가 3차원 방사면(271)에 맞닿는 각도에 따라 굴절되는 정도의 차이를 발생시켜 확산된 광을 출력할 수 있다.
광 시트 생성부(130)에서 생성된 광 시트의 일부는 톱날 모양으로 형성된 3차원 방사면(271)에 입사되고, 입사된 일 지점으로부터 기 설정된 각도 범위 내의 특정 방향으로 굴절되어 확산 광을 형성할 수 있다.
또한, 3차원 방사면(271)은 광축-수직축 평면에 대한 단면이 볼록 렌즈의 형상으로 이루어질 수 있다. 3차원 방사면(271)의 광축-수직축 평면에 대한 단면은 광축-수평축 평면 상의 원 또는 타원과 같은 곡선에 접하는 형상으로 형성될 수 있다.
도 6a는 본 개시의 또 다른 예시적 실시 예에 따른 2/3 차원 광 방사 렌즈의 전면사시도이고, 도 6b는 본 개시의 또 다른 예시적 실시 예에 따른 2/3 차원 광 방사 렌즈의 후면사시도이다.
도 6a 및 도 6b에 있어서, 본 개시의 또 다른 예시적 실시 예에 따른 2/3 차원 광 방사 렌즈(350)는 도 1 내지 도 5의 2/3 차원 광 방사 렌즈(150,250)와 달리 입사된 광 시트의 일부를 확산시켜 확산광을 형성하는 점에서 차이가 있다. 이하에서 차이가 있는 3차원 방사면(371)에 대해 구체적으로 설명하고, 동일한 구성에 대한 상세한 설명을 생략한다.
도 6a 및 도 6b를 참조하면, 3차원 방사면(371)은 입사된 광 시트의 일부를 확산시켜 3차원 확산광을 형성할 수 있다.
본 개시의 또 다른 예시적 실시 예에 따른 3차원 방사면(371)은 확산소재로이루어질 수 있다. 3차원 방사면(271)은 광 확산제 등 입사된 광을 확산시킬 수 있는 소재로 이루어질 수 있다.
구체적으로 3차원 방사면(371)은 마이크로 렌즈 어레이가 배치된 구조로 형성될 수 있다.
도 7a는 본 개시의 또 다른 예시적 실시 예에 따른 2/3 차원 광 방사 렌즈의 전면사시도이고, 도 7b는 본 개시의 또 다른 예시적 실시 예에 따른 2/3 차원 광 방사 렌즈의 후면사시도이고, 도 7c는 도 7a에 도시된 C-C를 따라 절단한 단면도이다.
도 7a 내지 도 7c에 있어서, 본 개시의 또 다른 예시적 실시 예에 따른 2/3 차원 광 방사 렌즈(450)는 도 1 내지 도 6의 2/3 차원 광 방사 렌즈(150,250, 350)와 달리 3차원 방사면(471)이 외측면(453)에 형성된 점에서 차이가 있다. 이하에서 차이가 있는 3차원 방사면(471)에 대해 구체적으로 설명하고, 동일한 구성에 대한 상세한 설명을 생략한다.
도 7a 내지 도 7c를 참조하면, 2/3 차원 광 방사 렌즈(450)는 내측면(451)으로 입사된 광이 2/3차원 광 방사 렌즈(450)에서 외부로 방출되는 외측면(453) 일부에 3차원 방사면(471)을 포함할 수 있다.
외측면(453)의 일부 영역은 광 시트(135)의 광을 굴절 또는 확산시키는 3차원 방사면(171)으로 이루어질 수 있고, 내측면(451)의 나머지 영역은 광 시트의 광을 굴절시켜 통과시키는 2차원 광 시트 굴절면(473)으로 이루어질 수 있다.
본 개시의 또 다른 예시적 실시 예에 따른 2/3 차원 광 방사 렌즈(450)는 3차원 방사면(471)은 광 시트 생성부(130)로부터 입사된 광 시트(135)의 두께 일부에 해당하는 광을 굴절시켜 확산광을 형성할 수 있다.
3차원 방사면(471)은 광축에 평행하게 입사되는 광 시트의 일부를 광축으로부터 소정의 각도가 굴절되어 투사되도록 각도를 갖는 형상으로 형성될 수 있다.
일 예시로 도 5에서 설명한 3차원 방사면(271)과 같이 직선이 연결된 톱날 형상된 3차원 방사면(471)으로 형성될 수 있다.
도 8은 본 개시의 예시적 실시예에 따른 2차원 및 3차원 광 조사 광학계의 광 방출 분포를 나타낸 도면이다.
도 8을 참조하면, 본 개시의 예시적 실시예에 따른 2/3 차원 광 조사 광학계(120)는 2차원의 광 시트 및 3차원의 확산 광이 결합된 분포를 갖는 광을 출력하는 것을 확인할 수 있다.
2/3 차원 광 방사 렌즈(150)는 광 시트(135)가 입사되면 2차원의 광 시트와 3차원의 확산 광을 투사할 수 있다. 이를 통해, 광각의 2차원 공간을 인식하면서, 멀티 채널 구성을 통해 3차원 공간을 인식할 수 있게 한다.
이때, 2/3 차원 광 방사 렌즈(150)는 광축에 평행하게 입사하는 광 시트(135)의 일부는 광축으로부터 소정의 각도가 굴절되어 투사되도록 소정의 각도를 갖는 3차원 방사면(171)을 구비할 수 있다.
본 발명의 예시적 실시예에 따른 라이다(1)는 2/3 차원 광 조사 광학계(120)를 통해 광 시트 및 확산광을 객체에 투사하고, 객체에 광 시트 및 확산광이 투영되면, 라이다의 카메라가 투영된 패턴을 촬영하여, 패턴 분석을 통해 거리 및 공간을 판별할 수 있다.
이처럼, 본 발명의 실시예에 따르면, 라이다가 2차원 또는 3차원의 공간을 인식하는 경우, 광 시트 및 3차원 확산광을 투사하는 2/3 차원 광 조사 광학계(120)를 통해 기계적인 움직임 없이도 넓은 범위의 공간을 감지할 수 있다.
이에 따라, 본 발명의 실시예는 라이다를 회전시키는 기계적인 구성을 제외시킴으로써 라이다의 소형화를 이루고, 동시에 적은 수의 구성요소로 이루어진 2/3 차원 광 조사 광학계(120)로 넓은 범위를 인식할 수 있게 하여 제조 비용을 대폭 절감시킬 수 있다.
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.
1: 라이다 100: 광 송신부
110: 광원 120: 광 조사 광학계
130: 광 시트 생성부 135: 광 시트
150: 2/3 차원 광 방사 렌즈

Claims (10)

  1. 2차원 광 시트 및 3차원 확산 광을 생성하기 위한 2/3 차원 광 조사 광학계에 있어서,
    광 시트를 생성하기 위한 광 시트 생성부; 및
    상기 광 시트 생성부에서 생성된 상기 광 시트가 입사되고, 상기 광 시트의 일부를 굴절시켜 2차원 광 시트를 생성하고, 상기 광 시트의 나머지 일부를 굴절 또는 확산시켜 3차원 확산 광을 생성하는 2/3 차원 광 방사 렌즈;를 포함하고,
    상기 2/3 차원 광 방사 렌즈는, 상기 광 시트 생성부에서 방사된 광이 입사되는 내측면;과 상기 내측면으로 입사된 광이 상기 2/3차원 광 방사 렌즈에서 외부로 방출되는 외측면;으로 이루어 진 단일 렌즈로 형성된 것이고,
    상기 내측면과 상기 외측면 중 적어도 하나는, 상기 광 시트 생성부로부터 입사된 상기 광 시트의 광을 굴절 또는 확산시키기 위한 3차원 방사면; 및 상기 광 시트 생성부로부터 입사된 상기 광 시트의 광을 굴절시켜 통과시키 는 2차원 광 시트 굴절면;을 포함하는 것을 특징으로 하는 2/3 차원 광 조사 광학계.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서,
    상기 3차원 방사면은,
    곡선이 연결된 물결 형상으로 형성되는 것을 특징으로 하는 2/3 차원 광 조사 광학계.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 3차원 방사면은,
    직선이 연결된 톱날 형상으로 형성되는 것을 특징으로 하는 2/3 차원 광 조사 광학계.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 3차원 방사면은,
    마이크로 렌즈 어레이, 광 확산제 등과 같이 광을 확산시킬 수 있는 소재로 이루어진 것을 특징으로 하는 2/3 차원 광 조사 광학계.
  7. 제1항에 있어서,
    2차원 광 시트 굴절면은,
    광축-수평축과 나란한 평면으로 자른 단면이 일정하도록 형성된 것을 특징으로 하는 2/3 차원 광 조사 광학계.
  8. 제1항에 있어서,
    2차원 광 시트 굴절면은,
    입력된 광 시트가 굴절되어 기 설정된 광 밀도 분포를 갖는 광 시트로 출력되도록 곡선 형상으로 형성되는 것을 특징으로 하는 2/3 차원 광 조사 광학계.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 3차원 방사면 및 상기 2차원 광 시트 굴절면은 복수로 구비되고, 교대로 적층되는 다층 구조로 형성되는 것을 특징으로 하는 2/3 차원 광 조사 광학계.
  10. 제9항에 있어서,
    하단에 상기 3차원 방사면이 형성되고, 상기 3차원 방사면의 상부에 상기 2차원 광 시트 굴절면이 형성되고, 상기 2차원 광 시트 굴절면의 상부에 상기 3차원 방사면이 형성되는 3단 적층 구조로 형성되는 것을 특징으로 하는 2/3 차원 광 조사 광학계.
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