KR102486473B1 - 차량용 스캐닝 라이다 광학계 및 그를 포함하는 차량용 스캐닝 라이다 - Google Patents

Abstract

본 발명은, 차량용 스캐닝 라이다 광학계 및 그를 포함하는 차량용 스캐닝 라이다에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 차량에 구비되어 물체를 식별하기 위한 차량용 스캐닝 라이다 광학계 및 그를 포함하는 차량용 스캐닝 라이다에 관한 것이다.
본 발명은, 광원(1)으로부터 출력되는 레이저를 스캔대상을 향해 송광하는 송광부(100)와; 상기 스캔대상으로부터 반사된 광을 수광하는 수광부(200)를 포함하는 차량용 스캐닝 라이다 광학계를 개시한다.

Description

차량용 스캐닝 라이다 광학계 및 그를 포함하는 차량용 스캐닝 라이다{Optical system and LIDAR sensor for vehicle having the same}

본 발명은, 차량용 스캐닝 라이다 광학계 및 그를 포함하는 차량용 스캐닝 라이다에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 차량에 구비되어 물체를 식별하기 위한 차량용 스캐닝 라이다 광학계 및 그를 포함하는 차량용 스캐닝 라이다에 관한 것이다.

최근들어 자율주행 자동차 및 스마트카 분야에서는 보행자의 갑작스런 출현이나 장애물 사전 감지, 전조등 조명의 약화로 인한 장애물 감지와 같은 운전자와 보행자의 안전을 위협하는 상황을 사전에 확인하여 돌발상황에 대한 차량의 능동적 대처기능을 강화할 것을 요구하고 있다.

이에 대해, 차량의 전방에 설치되어 차량이 움직이는 경우 전방의 물체를 확인하여 사전에 운전자에게 경고함은 물론, 차량 스스로가 정지 또는 회피하는데 기초가 되는 영상을 획득하는 것을 스캐너라고 한다.

종래 스캐너로서는, 레이더 장비가 사용되어 마이크로파(극초단파) 정도의 전자기파를 물체에 발사시켜 그 물체에서 반사되는 전자기파를 수신하여 물체와의 거리, 방향, 고도 등을 알아냈으나, 가격이 고가이므로 다양한 차종에 보급이 용이하지 않은 문제점이 있다.

이를 위해, 라이다 방식의 스캐너가 개발되고 있으나, 라이다는 펄스 레이저광을 발사해 반사체 또는 산란체를 이용하여 거리 또는 대기현상 등을 측정하는 장비로서, 차량 탑재용으로 360도 라이다가 개발 중에 있다.

한편, 차량용 스캐닝 라이다의 경우, 고출력 레이저 다이오드로부터 출력되는 확산 빔을 렌즈를 통해 세로 시트빔으로 구현하고, 구현된 시트빔을 회전하는 미러에 반사시켜 물체를 좌우로 스캐닝한다.

이 경우, 레이저 다이오드 광원을 세로 시트빔으로 구현하여야 하는데, 기존의 대칭렌즈를 적용하는 경우 세로 시트빔의 구현이 어려운 문제점이 있다.

이러한 문제점을 극복하기 위하여 종래에는 레이저 다이오드 광원을 세로 시트빔으로 구현하기 위하여 복수의 원통형 렌즈를 사용하여 가로축 화각과 세로축 화각을 별개로 조절하였으나, 이 경우 복수의 렌즈 사용으로 인해 비용이 증가하고, 모듈의 부피가 커지는 문제점이 있다.

특히, 차량의 자율주행을 위한 라이다 스캐너의 경우, 차량의 헤드램프 또는 그보다 작은 구조에의 적용이 필요한 바, 복수의 원통형 렌즈를 사용하는 경우 부피가 커져 적용이 불가능한 문제점이 있다.

또한, 반사미러를 이용한 라이다 스캐너의 경우, 송광부로부터 발산되는 레이저가 반사미러를 통해 스캔대상으로 전달되지 못하고, 곧바로 반사되어 수광부로 입사함으로써, 스캔대상의 위치를 오인하는 문제점이 있다.

본 발명의 목적은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여, 부피가 작으면서도 정밀한 스캔대상에 대한 스캔이 가능한 차량용 스캐닝 라이다 광학계 및 그를 포함하는 차량용 스캐닝 라이다를 제공하는 데 있다.

본 발명은, 상기와 같은 본 발명의 목적을 달성하기 위하여 창출된 것으로서, 본 발명은, 차량용 스캐닝 라이다 광학계로서, 광원(1)으로부터 출력되는 레이저를 스캔대상을 향해 송광하는 송광부(100)와; 상기 스캔대상으로부터 반사된 광을 수광하는 수광부(200)를 포함하는 차량용 스캐닝 라이다 광학계를 개시한다.

상기 송광부(100)와 상기 수광부(200)는 서로 인접하여 배치될 수 있다.

상기 송광부(100)를 통해 출사되는 상기 레이저와 상기 수광부(200)를 통해 입사되는 상기 반사된 광은 서로 다른 광학축을 가질 수 있다.

상기 송광부(100)는, 내부공간을 형성하며, 상기 내부공간의 일단에 상기 광원(1)이 설치되는 송광부하우징(110)과; 상기 송광부하우징(110)의 타단에 설치되어, 상기 광원(1)으로부터 출력되는 레이저를 상기 스캔대상을 향해 송광하는 송광렌즈(120)를 포함할 수 있다.

상기 수광부(200)는, 내부공간을 형성하는 수광부하우징(210)과; 상기 내부공간의 일단에 설치되어, 상기 스캔대상으로부터 반사된 광을 전기신호로 변환하는 광검출부(220)와; 상기 내부공간의 타단에 설치되어, 상기 스캔대상으로부터 반사된 광을 수광하여 상기 광검출부(220)로 전달하는 수광렌즈(230)를 포함할 수 있다.

상기 수광부(200)는, 상기 수광부하우징(210)에 구비되어, 상기 수광렌즈(230)를 통과한 반사된 광을 반사시켜 상기 광검출부(220)에 전달하는 반사부(240)를 추가로 포함할 수 있다.

상기 송광부하우징(110)은, 평면 상 상기 송광렌즈(120)를 통해 출사되는 상기 레이저의 중심과 상기 수광렌즈(230)를 통해 입사되는 상기 반사된 광의 중심이 얼라인하도록 상기 수광부하우징(210)의 상면에 구비될 수 있다.

상기 송광렌즈(120)는, 단일의 렌즈일 수 있다.

상기 수광렌즈(230)는, 화각이 5도 이상 40도 미만일 수 있다.

또한 본 발명은, 광학계(3)와; 상기 송광부(100)로부터 출력되는 레이저를 상기 스캔대상을 향하여 반사하여 전달하고, 상기 스캔대상으로부터 반사되는 광을 상기 수광부(200)를 향해 반사하여 전달하는 반사미러(4)를 포함하는 차량용 스캐닝 라이다를 개시한다.

상기 반사미러(4)는, 회전 및 진동 중 적어도 어느 하나가 가능할 수 있다.

본 발명에 따른 스캐닝 라이다 광원모듈용 렌즈 및 그가 설치된 광원모듈은, 단렌즈를 통해서 회전 또는 상하좌우로 진동하는 미러 방식의 라이다 스캐닝을 위한 세로 또는 가로시트빔을 구현할 수 있는 이점이 있다.

또한, 본 발명에 따른 스캐닝 라이다 광원모듈용 렌즈 및 그가 설치된 광원모듈은, 단렌즈를 이용하여 라이다 스캐닝을 위한 세로 또는 가로시트빔을 구현함으로써, 컴팩트하고 부피가 작은 광원모듈의 적용이 가능하여 차량용 라이다 센서로서 적용이 가능한 이점이 있다.

또한, 본 발명에 따른 스캐닝 라이다 광원모듈용 렌즈 및 그가 설치된 광원모듈은, 단렌즈를 이용하여 라이다 스캐닝을 위한 세로 또는 가로시트빔을 구현함으로써, 복수의 렌즈의 배치 및 얼라인에 따라 빔이 달리지는 문제점을 최소화하고 안정적인 세로 시트빔의 구현이 가능한 이점이 있다.

또한, 본 발명에 따른 따른 차량용 스캐닝 라이다 광학계 및 그를 포함하는 차량용 스캐닝 라이다는, 단렌즈를 이용하여 광원모듈의 전체적인 제작비용이 감소하고 내구성이 뛰어난 이점이 있다.

또한, 본 발명에 따른 차량용 스캐닝 라이다 광학계 및 그를 포함하는 차량용 스캐닝 라이다는, 수광부와 송광부의 적절한 배치 및 수광렌즈의 적절한 형상을 적용함으로써, 반사미러를 통한 물체의 스캔의 왜곡을 최소화할 수 있는 이점이 있다.

도 1은, 본 발명에 따른 차량용 스캐닝 라이다의 모습을 보여주는 개략도이다.
도 2는, 도 1에 따른 차량용 스캐닝 라이다 중 광학계의 일 실시예를 보여주는 측단면도이다.
도 3은, 도 1에 따른 차량용 스캐닝 라이다 중 광학계의 다른 실시예를 보여주는 측면도이다.
도 4는, 도 3에 따른 차량용 스캐닝 라이다 중 광학계의 다른 실시예를 보여주는 평단면도이다.
도 5는, 본 발명에 따른 스캐닝 라이다용 광원모듈의 모습을 보여주는 개략도이다.
도 6a 및 도 6b는, 도 5의 스캐닝 라이다용 광원모듈 중 렌즈의 일 실시예를 보여주는 도면들로서, 각각 횡축방향 단면도와 종축방향 단면도이다.
도 7a 및 도 7b는, 도 5의 스캐닝 라이다용 광원모듈 중 렌즈의 다른 실시예를 보여주는 도면들로서, 각각 횡축방향 단면도와 종축방향 단면도이다.
도 8a 및 도 8b는, 도 5의 스캐닝 라이다용 광원모듈 중 렌즈의 다른 실시예를 보여주는 도면들로서, 각각 횡축방향 단면도와 종축방향 단면도이다.
도 9는, 종래 실시예에 따른 레이저 펄스신호의 종축방향 및 횡축방향의 화각을 보여주는 그래프이다.
도 10은, 도 5에 따른 스캐닝 라이다용 광원모듈의 레이저 펄스신호의 종축방향 및 횡축방향의 화각을 보여주는 그래프이다.

이하, 본 발명에 따른 차량용 스캐닝 라이다 광학계 및 그를 포함하는 차량용 스캐닝 라이다에 관하여 첨부된 도면을 참조하여 설명하면 다음과 같다.

본 발명에 따른 차량용 스캐닝 라이다는, 도 1에 도시된 바와 같이, 광학계(3)와; 상기 송광부(100)로부터 출력되는 레이저를 상기 스캔대상을 향하여 반사여 전달하고, 상기 스캔대상으로부터 반사되는 광을 상기 수광부(200)를 향해 반사하여 전달하는 반사미러(4)를 포함한다.

여기서 본 발명에 따른 차량용 스캐닝 라이다는, 차량에 구비되어 실시간으로 레이저 펄스 신호를 방출함으로써, 측정 범위 내에 있는 스캔대상으로부터의 반사 펄스 신호들이 도착하는 시간을 측정함으로써 거리를 측정할 수 있다.

이를 통해, 자동차의 자율주행에서 요구되는 수준의 물체 식별이 가능하도록 할 수 있다.

한편, 종래의 차량용 스캐닝 라이다는, 식별범위를 적절히 조절하기 위하여 렌즈를 포함하는 광학모듈이 포함되며, 이때의 광학모듈이 전체 부피를 증가시키는 요인으로 작용한다.

특히, 레이저 펄스 신호를 송광하는 구성은 적절한 식별범위를 확보하고 최적의 스캔대상의 스캐닝을 위하여 화각을 조절할 필요성이 있으나, 이를 위해서는 렌즈의 부피가 커지거나 개수가 증가하는 문제점이 있다.

이러한 문제점을 극복하기 위하여, 본 발명에 따른 차량용 스캐닝 라이다는 자동차의 헤드램프에 장착이 가능할 정도로 부피가 작고 컴팩트한 구성으로 구비될 수 있다.

본 발명에 따른 핵심 구성인 광학계(3)에 대해서는 후술한다.

상기 반사미러(4)는, 송광부(100)로부터 출력되는 레이저를 스캔대상을 향하여 반사하여 전달하고, 스캔대상으로부터 반사되는 광을 수광부(200)를 향해 반사하여 전달하는 구성으로서, 다양한 구성이 가능하다.

즉, 상기 반사미러(4)는, 광학계(3)로부터 출력되는 레이저를 스캔대상으로 전달할 수 있으며, 스캔대상으로부터 반사되어 전달되는 광을 광학계(3)로 전달하는 역할을 수행할 수 있다.

이때, 상기 반사미러(4)는, 광학계(3)과 스캔대상의 사이에 배치되어 360도 회전 가능한 구성으로서, 이를 통해 송광부(100)로부터 출력되는 레이저를 스캔대상에 전달하고, 스캔대상으로부터 반사되는 광을 수광부(200)에 전달할 수 있다.

예를 들면, 상기 반사미러(4)는, 2개의 반사면을 구비하는 평면미러일 수 있으며, 스캔범위 및 대상에 따라 회전속도 및 반사각도가 변경되도록 할 수 있다.

또한, 상기 반사미러(4)는, 회전 뿐만 아니라 상하 및 좌우로 진동 가능할 수 있다.

보다 구체적으로, 상기 반사미러(4)는, 회전이 가능하거나 진동이 가능하거나 회전 및 진동이 모두 가능한 구성일 수 있으며, 이때의 진동은 상하 또는 좌우로의 진동을 의미할 수 있다.

상기 광학계(3)는, 차량용 스캐닝 라이다에 적용되는 광학계로, 스캔대상에 레이저 펄스 신호를 출력하고 반사되는 광을 수광하여 검출하는 구성으로서, 다양한 구성일 수 있다.

예를 들면, 상기 광학계는, 광원(1)으로부터 출력되는 레이저를 스캔대상을 향해 송광하는 송광부(100)와, 스캔대상으로부터 반사된 광을 수광하는 수광부(200)를 포함할 수 있다.

여기서 상기 광원(1)은, 스캔대상으로 출력되는 레이저 펄스 신호를 출력하는 구성으로서, 다양한 구성이 가능하다.

예를 들면, 상기 광원(1)은, 레이저 다이오드로서, 송광경로에 따라 후술하는 송광렌즈(110)로 레이저 펄스 신호를 출력할 수 있다.

상기 송광부(100)는, 광원(1)으로부터 출력되는 레이저를 스캔대상을 향해 송광하는 구성으로서, 다양한 구성이 가능하다.

예를 들면, 상기 송광부(100)는, 내부공간을 형성하며, 상기 내부공간의 일단에 상기 광원(1)이 설치되는 송광부하우징(110)과; 상기 송광부하우징(110)의 타단에 설치되어, 상기 광원(1)으로부터 출력되는 레이저를 상기 스캔대상을 향해 송광하는 송광렌즈(120)를 포함할 수 있다.

상기 송광부하우징(110)은, 내부공간을 형성하는 구성이면, 어떠한 구성도 적용 가능하다.

예를 들면, 상기 송광부하우징(110)은, 도 2 내지 도 4에 도시된 바와 같이, 정육면체 형상으로 내부공간을 가지는 구성일 수 있으며, 내부공간에 송광경로가 형성될 수 있다.

한편, 상기 송광부하우징(110)은, 후술하는 수광부하우징(210)에 인접하여 구비될 수 있으며, 보다 바람직하게는 수광부하우징(210)의 상면에 배치될 수 있다.

보다 구체적으로, 상기 송광부하우징(110)은, 도 4에 도시된 바와 같이, 수광부하우징(210)의 상면에 수광부하우징(210)에 구비되는 수광렌즈(230)와 송광렌즈(120)가 평면상 정렬되는 위치에 구비될 수 있다.

즉, 상기 송광부하우징(110)은, 평면 상 송광렌즈(120)를 통해 출사되는 레이저의 중심과 수광렌즈(230)를 통해 입사되는 반사된 광의 중심이 얼라인하도록 수광부하우징(210)의 상면에 구비될 수 있다.

이때, 상기 송광부하우징(110)은, 일단에 광원(1)이 설치될 수 있으며, 타단에 광원(1)으로부터 출력되는 레이저를 스캔대상을 향해 송광하는 송광렌즈(120)가 설치될 수 있다.

이로써, 상기 송광부하우징(110)은, 내부공간에 송광경로가 형성될 수 있다.

상기 송광렌즈(120)는, 송광부하우징(110)의 타단에 설치되어, 광원(1)으로부터 출력되는 레이저를 스캔대상을 향해 송광하는 구성으로서, 다양한 구성이 가능하다.

상기 송광렌즈(120)는, 송광부하우징(110)에 구비되는 단일의 렌즈로서, 송광렌즈(120)를 단일의 렌즈로 구비함으로써 자동차의 헤드램프에 설치 가능한 수준의 컴팩트하고 작은 부피의 광학계를 이룰 수 있다.

한편, 상기 송광렌즈(120)에 대한 상세한 설명은 후술한다.

상기 수광부(200)는, 스캔대상으로부터 반사된 광을 수광하는 구성으로서, 다양한 구성이 가능하다.

즉, 상기 수광부(200)는, 광원(1)으로부터 출력된 레이저 펄스 신호가 송광부(100) 및 반사미러(4)를 거쳐 스캔대상에 도달한 상태에서 반사되는 광이 다시 반사미러(4)를 거쳐 도달되는 구성일 수 있다.

예를 들면, 상기 수광부(200)는, 내부공간을 형성하는 수광부하우징(210)과;내부공간의 일단에 설치되어, 스캔대상으로부터 반사된 광을 전기신호로 변환하는 광검출부(220)와; 내부공간의 타단에 설치되어, 스캔대상으로부터 반사된 광을 수광하여 광검출부(220)로 전달하는 수광렌즈(230)를 포함할 수 있다.

또한, 상기 수광부(200)는, 수광부하우징(210)에 구비되어 수광렌즈(230)를 통과한 반사된 광을 반사시켜 광검출부(220)에 전달하는 반사부(240)를 추가로 포함할 수 있다.

상기 수광부하우징(210)은, 내부공간을 형성하는 구성이면 어떠한 구성도 적용 가능하다.

예를 들면, 상기 수광부하우징(210)은, 도 2에 도시된 바와 같이, 전술한 송광부하우징(110)과 같이 정육면체로서 일단에 수광렌즈(230)가 구비되고 타단에 광검출부(220)가 구비되는 형상일 수 있다.

한편, 다른 예로서, 상기 수광부하우징(210)은, 도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이, 평면 상 사각형을 형성하며 끝단에 수광렌즈(230)가 구비되는 전단부(211)와, 반대측 끝단에 광검출부(220)가 구비되는 후단부(213)과 전단부(211)와 후단부(213)를 수광렌즈(230)와 광검출부(220)가 직각이 되도록 연결하는 연결부(212)를 포함할 수 있다.

이 경우, 상기 수광부하우징(210)은, 연결부(212)의 일측이 전단부(211)와 후단부(213)를 잇도록 직각으로 구비되고, 타측이 전단부(211)와 후단부(213)를 잇도록 평면상 대각선으로 구비될 수 있으며, 평면상 대각선인 부분에 전술한 반사부(240)가 구비되어 수광경로를 형성할 수 있다.

이로써, 상기 수광부하우징(210)은, 전단부(211)의 수광렌즈(230)를 통해 입사된 광이 연결부(212)의 반사부(240)를 통해 반사되어 후단부(213)의 광검출부(220)에 전달되는 경로로서 수광경로를 형성할 수 있다.

상기 광검출부(220)는, 내부공간의 일단에 설치되어 스캔대상으로부터 반사된 광을 전기신호로 변환하는 구성으로서, 다양한 구성이 가능하다.

즉, 상기 광검출부(220)는, 스캔대상으로부터 반사된 광을 검출하여 전기신호로 변환함으로써, 광원(1)으로부터 출력된 레이저 펄스 신호가 도달하기까지의 시간을 측정할 수 있도록 하여, 스캔대상의 위치와 거리를 측정하도록 할 수 있다.

예를 들면, 상기 광검출부(220)는, 복수의 광검출기를 구비하고 복수의 광검출기를 통하여 서로 상이한 입사각을 가지는 복수의 반사된 광을 수광할 수 있다.

또한, 상기 광검출부(220)는, 반사된 광의 도달을 전기신호로 변환하여 외부의 프로세서로 전달할 수 있으며, 이로써 스캔대상의 위치를 판단하도록 할 수 있다.

한편, 이 경우 상기 광검출부(220)는, 수광부하우징(210)의 실시예에 따라, 수광렌즈(230)로부터 직선거리의 대향지점에 배치되어 수광렌즈(230)를 통과한 반사된 광을 검출할 수 있으며, 다른 예로서, 수광렌즈(230)로부터 반사부(240)를 통해 반사된 광을 검출할 수 있다.

상기 수광렌즈(230)는, 내부공간의 타단에 설치되어 스캔대상으로부터 반사된 광을 수광하여 광검출부(220)로 전달하는 구성으로서, 다양한 구성이 가능하다.

예를 들면, 상기 수광렌즈(230)는, 후술하는 송광렌즈(120)와 같이 아몰퍼스 면을 가지고 종축방향 또는 횡축방향으로 일부 왜곡, 즉 굴절이 서로 다르게 이루어 지도록 구비되는 렌즈가 사용될 수 있다.

다른 예로서, 상기 수광렌즈(230)는, 대칭의 구면렌즈가 활용될 수 있으며, 스캔대상으로부터 반사미러(4)를 거쳐 입사되는 광이 광검출부(220)에 안정적으로 전달되도록 할 수 있다.

또한, 상기 수광렌즈(230)는, 평면 상 원, 사각 또는 다각형일 수 있으며, 구면, 비구면, 원통형 타입 등 어떠한 형태의 렌즈도 적용 가능하다.

한편, 이 경우, 상기 수광렌즈(230)는, 단일의 렌즈로서 구비될 수 있으며, 화각이 5도 이상 40도 미만이 적용될 수 있다.

이때, 상기 수광렌즈(230)는, 글래스, 플라스틱, 실리콘 등의 재질이 적용될 수 있으며, 이러한 재질 구성은 후술하는 송광렌즈(120)도 동일하게 적용될 수 있다.

한편, 상기 수광렌즈(230)는, 전술한 광검출부(220)의 복수의 광검출기 중 하나의 빔 스팟이 하나의 광검출기, 즉 하나의 채널에 맺힘으로써 해상도를 유지할 수 있다.

만약, 수광렌즈(230)를 통과한 반사된 광의 이미지 상인 빔 스팟의 면적이 커져 광검출부(220)의 하나의 채널 면적보다 커지는 경우, 해상도가 저해되는 문제점이 있다.

이를 위하여, 상기 수광렌즈(230)는, 렌즈의 출사면으로부터 상까지의 거리 T와 유효 초점거리 f 사이의 비인 f/T 값이 0.9 이상이고 1.27 이하일 수 있다.

즉, 렌즈의 출사면으로부터 상까지의 거리 T와 렌즈의 유효 초점거리 f 사이의 비인 f/T 값이 0.9 미만이거나 1.27 초과하는 경우, 수광렌즈(230)를 통과한 반사된 광의 상인 빔 스팟의 면적이 커져 해상도가 저해될 수 있다.

상기 반사부(240)는, 수광부하우징(210)에 구비되어 수광렌즈(230)를 통과한 반사된 광을 반사시켜 광검출부(220)에 전달하는 구성으로서, 다양한 구성이 가능하다.

예를 들면, 상기 반사부(240)는, 전술한 바와 같이 수광부하우징(210)의 전단부(211)와 후단부(213)를 잇는 연결부(212)의 대각선 배치 부분에 배치됨으로써, 수광경로를 형성할 수 있으며, 이로써 수광렌즈(230)를 통과한 반사된 광이 광검출부(220)에 안정적으로 전달되도록 할 수 있다.

한편, 본 발명에 따른 광학계의 송광부(100)와 수광부(200)는, 서로 인접하여 배치될 수 있다.

즉, 단일의 광학계로서 송광부(100)와 수광부(200)를 구비하도록 송광부(100)와 수광부(200)는 서로 인접하여 배치될 수 있으며, 이로써 부피를 줄이고 컴팩트하게 구성되는 이점이 있다.

한편, 이 경우, 상기 송광부(100)를 통해 출사되는 레이저와 수광부(200)를 통해 입사되는 반사된 광은 서로 다른 광학축을 가지게 되고, 일예로, 송광부(100)의 광학축이 수광부(200)의 광학축에 비해 상단에 위치하도록 배치될 수 있다.

이하, 본 발명에 따른 레이저를 출력하는 광원(1)으로부터 출력된 레이저를 송광하는 스캐닝 라이다 광원모듈용 렌즈 및 그가 설치된 광원모듈에 대하여 첨부된 도면을 참조하여 설명한다.

본 발명에 따른 광원모듈은, 도 5에 도시된 바와 같이, 레이저를 출력하는 광원(1)과, 광원(1)으로부터 출력된 레이저를 송광하는 렌즈(2)를 포함할 수 있다.

한편, 이때 적용되는 렌즈(2)는, 전술한 송광렌즈(120)의 구성과 동일한 구성이므로, 전술한 송광렌즈(120)의 구성에 동일하게 적용될 수 있음은 물론이다.

또한, 상기 광원(1)은 전술한 바와 같으므로, 자세한 설명은 생략한다.

이 경우, 상기 광원모듈은, 레이저를 출력하는 광원(1)과 출력된 레이저를 스캔대상으로 송광하는 렌즈(2)의 입사면(10) 까지의 거리(G)가 0.3mm 이상 9.5mm 이하일 수 있다.

보다 구체적으로, 본 발명에 따른 렌즈는, 횡축화각을 0.5도 이하로 구현하기 위하여 횡축방향에 대하여는 평행광이 구현되야 하는 바, 평행광의 구현을 위해서는 광원과 렌즈 사이의 거리, 즉 광원(1)과 입사면(10) 까지의 거리(G)가 매우 중요한 요소이다.

만약 거리(G)가 0.3mm 미만인 경우 렌즈의 횡축화각이 원하는 목표치인 0.5도를 초과하여 넓어지는 문제점이 발생하고, 거리(G)가 9.5mm 이상일 경우 또한 마찬가지로 횡축화각이 원하는 목표치인 0.5도를 초과하여 넓어지고 통과 후 광 효율 또한 10% 이상 떨어지므로, 적정 범위인 0.3mm 이상 9.5mm 이하의 거리 내에 배치될 수 있다.

한편, 본 발명에 따른 스캐닝 라이다 광원모듈용 렌즈는, 단일 렌즈를 통해서 종축화각과 횡축화각을 달리하여 시트빔을 형성할 수 있으므로, 종래 복수의 원통형 렌즈를 적용한 광원모듈에 비해 부피가 작아져 그 활용도가 뛰어나고 특히, 차량의 헤드램프에 설치 가능한 수준의 사이즈의 적용이 가능한 이점이 있다.

이를 위하여, 본 발명에 따른 스캐닝 라이다 광원모듈용 렌즈는, 도 5에 도시된 바와 같이, 광원(1)으로부터 출력된 레이저를 송광하는 구성으로서, 상기 광원(1)으로부터 출력된 상기 레이저가 입사되는 입사면(10)과; 상기 입사면(10)과 함께 렌즈를 형성하며, 상기 광원(1)의 상기 레이저를 발산시키는 출사면(20)을 포함한다.

또한, 본 발명에 따른 스캐닝 라이다 광원모듈용 렌즈는, 입사면(10)과 출사면(20)의 사이에서 렌즈의 측면을 이루는 측면부(30)를 포함할 수 있다.

이때, 본 발명에 따른 스캐닝 라이다 광원모듈용 렌즈는, 어떠한 형상의 렌즈도 적용 가능하며, 예를 들면, 평면상 형상이 원, 타원 또는 다각형 중 어느 하나의 형상일 수 있다.

또한, 입사면(10)의 평면상 형상과 출사면(20)의 평면상 형상이 동일하거나 또는 상이할 수 있다.

한편, 본 발명에 따른 스캐닝 라이다 광원모듈용 렌즈는, 발산되는 레이저가 종축방향으로 길이를 가지는 시트빔으로 형성될 수 있다.

즉, 본 발명에 따른 렌즈를 통해 출력되는 레이저는 종축방향으로 길이를 가지고 횡축방향으로 종축방향에 비해 상대적으로 작은 화각을 가지는 시트빔으로 형성될 수 있다.

이때, 출력되는 레이저는, 횡축화각이 0.2도 종축화각이 10도를 갖는 시트빔으로 구현될 수 있다.

다른 예로서, 본 발명에 따른 렌즈를 통해 출력되는 레이저는 전술한 바와 같이 횡축방향으로 길이를 가지고 종축방향으로 횡축방향에 비해 상대적으로 작은 화각을 가지는 시트빔으로 형성될 수 있다.

이때, 출력되는 레이저는, 횡축화각이 10도, 종축화각이 0.2도를 갖는 시트빔으로 구현될 수 있다.

이를 위하여 상기 본 발명에 따른 렌즈는, 출사면(20)이 횡축방향의 굴절과 종축방향의 굴절 정도가 서로 상이하도록 아나몰픽 면으로 형성될 수 있다.

이에 대하여는 출사면(20)을 설명하면서 상세히 후술한다.

상기 입사면(10)은, 광원(1)으로부터 출력된 레이저가 입사되는 구성으로서, 후술하는 출사면(20)과 함께 렌즈를 형성할 수 있다.

예를 들면, 상기 입사면(10)은, 광원(1)으로부터 출력된 레이저가 입사되도록 평면 형상으로 구비될 수 있다.

다른 예로서, 상기 입사면(10)은, 종축방향을 기준으로 중심이 출사면(20)을 향해 오목하게 형성되는 오목부(11)와 오목부(11)의 양 끝단에서 수평하게 확장되는 확장부(12)를 포함할 수 있다.

즉, 상기 입사면(10)이 종축방향으로 중심을 기준으로 대칭으로 출사면(20)을 향해 오목하게 형성되는 오목부(11)를 포함할 수 있으며, 오목부(11)의 양 끝단에서 수평하게 확장되는 확장부(12)를 포함할 수 있다.

이 경우, 오목부(11)와 확장부(12) 사이에는 단차가 형성될 수 있으며, 보다 구체적으로는 확장부(12)가 하측으로 돌출되어 단차가 구비될 수 있다.

한편, 이 경우, 상기 입사면(10)은, 횡축방향으로는 수평을 유지하도록 할 수 있다.

또한, 상기 입사면(10)이 횡축방향으로는 오목부(11)보다는 작은 곡률의 오목한 형상으로 구비될 수 있음은 또한 물론이다.

이때, 상기 입사면(10)은, 후술하는 출사면(20)과 대응되어, 출사면(20)이 횡축방향으로 볼록하게 형성되는 경우에는 입사면(10)이 종축방향으로 오목하게 형성될 수 있다.

즉, 입사면(10)과 출사면(20)은 횡축방향 또는 종축방향의 방향을 서로 달리하여 각각 오목하게 형성되고 볼록하게 형성될 수 있다.

상기 출사면(20)은, 단일의 렌즈를 통해 차량용 스캐닝 라이다에 적용되는 시트빔을 형성하기 위하여, 횡축방향의 굴절과 종축방향의 굴절 정도가 서로 상이하도록 아나몰픽 면으로 형성될 수 있다.

한편, 본 명세서에서 서술하는 횡축방향과 종축방향의 특징은 이에 한정되는 것은 아니고 일예에 불과하며 서로 반대의 특징을 가질 수도 있음은 또한 물론이다.

상기 출사면(20)은, 발산되는 레이저의 횡축방향의 화각이 종축방향의 화각보다 작도록 형성될 수 있으며, 보다 구체적으로는 횡축방향의 화각이 0.5도, 종축방향의 화각이 10도를 가지는 시트빔을 형성할 수 있다.

이를 위하여, 상기 출사면(20)은, 횡축방향의 곡률(Cx)과 종축방향의 곡률(Cy)의 비(Cx/Cy)가 6 보다 크도록 형성될 수 있다.

즉, 본 발명에 따른 목표치인 횡축화각과 종축화각의 비율이 1:5, 보다 바람직하게는 횡축화각과 종축화각의 비율이 1:20 이상이 되도록 하기 위해서는 횡축방향의 곡률(Cx)과 종축방향의 곡률 (Cy)의 비인 (Cx/Cy)가 6보다 커야하고, 6이하인 경우에는 세로방향의 시트빔을 구현할 수 없는 문제점이 있다.

따라서, 상기 출사면(20)은, 횡축방향의 곡률(Cx)과 종축방향의 곡률(Cy)의 비(Cx/Cy)가 6 보다 크도록 형성될 수 있으며, 보다 구체적으로는 6.31 이상의 값을 가질 수 있다.

한편 다른 예로서, 가로방향의 시트빔을 구현하기 위하여 횡축화각과 종축화각의 비율이 5:1, 보다 바람직하게는 횡축화각과 종축화각의 비율이 20:1 이상이 되도록 하기 위해서는 종축방향의 곡률(Cy)과 횡축방향의 곡률(Cx)의 비인 (Cy/Cx)가 6보다 크도록 형성되며, 보다 구체적으로는 6.31 이상의 값을 가질 수 있다.

상기 출사면(20)은, 중심이 횡축방향을 기준으로 대칭되어 볼록하게 형성될 수 있으며, 이때, 종축방향으로는 수평을 유지하도록 형성될 수 있다.

한편, 다른 예로서, 중심이 횡축방향을 기준으로 대칭되어 볼록하게 형성되면서 종축방향으로는 곡률을 달리하고 볼록하게 형성될 수 있음은 또한 물론이다.

이때, 종축방향으로의 곡률은 횡축방향으로의 곡률보다 작다.

한편, 상기 출사면(20)은, 다른 예로서, 발산되는 레이저의 종축방향의 화각이 횡축방향의 화각보다 작도록 형성될 수 있다.

즉, 상기 출사면(20)은, 송광부(100)를 통과하여 출사되는 레이저가 전술한 세로방향이 아닌 가로방향의 시트빔을 가지도록 발산되는 레이저의 종축방향의 화각이 횡축방향의 화각보다 작도록 형성될 수 있다.

이로써, 발산되는 레이저가 횡축방향으로 길이를 가지는 시트빔으로 형성될 수 있다.

이를 위해서, 상기 출사면(20)은, 전술한 바와 같이 횡축방향의 곡률과 종축방향의 곡률이 서로 다를 수 있으며, 보다 구체적으로는 종축방향의 곡률(Cy)과 횡축방향의 곡률(Cx)의 비(Cy/Cx)가 6보다 크도록 형성될 수 있다.

즉, 상기 출사면(20)은, 전술한 세로방향의 시트빔을 가로방향의 시트빔으로 형성하기 위하여 전술한 조건의 횡축방향과 종축방향의 조건이 반대로 적용될 수 있다.

이하 본 발명에 따른 광원모듈을 이용한 경우의 효과에 대하여 첨부된 도면을 참조하여 설명하면 다음과 같다.

종래 레이저 다이오드를 통해 레이저를 출력하는 경우, 도 9에 도시된 바와 같으며, 이때 파란색 선은 종축방향의 화각을 나타내고 초록색 선은 횡축방향의 화각을 나타낸다.

이 경우, 종축방향으로 11도의 화각을 가지고 횡축방향으로 25도의 화각을 가지는 이미지가 형성되어 세로방향의 시트빔을 형성하지 못하는 바 차량용 스캐닝 라이다에 적용할 수 없는 문제점이 있다.

이러한 문제점을 극복하기 위하여 본 발명에 따른 광원모듈을 시뮬레이션한 결과 도 10에 도시된 바와 같이, 종축화각이 9.8도를 유지하면서도 횡축화각이 0.15도를 가지는 세로방향의 시트빔을 구현할 수 있음을 확인하였다.

따라서 본 발명에 따른 스캐닝 라이다용 광원모듈은 최적의 스캐닝 라이다에 적용이 가능한 세로방향의 시트빔을 구현하면서도 단일의 렌즈를 적용하여 부피가 작고 컴팩트하여 차량용 헤드램프에 설치 가능한 이점이 있다.

이상은 본 발명에 의해 구현될 수 있는 바람직한 실시예의 일부에 관하여 설명한 것에 불과하므로, 주지된 바와 같이 본 발명의 범위는 위의 실시예에 한정되어 해석되어서는 안 될 것이며, 위에서 설명된 본 발명의 기술적 사상과 그 근본을 함께 하는 기술적 사상은 모두 본 발명의 범위에 포함된다고 할 것이다.

1: 광원 2: 렌즈
3: 광학계 4: 반사미러
10: 입사면 20: 출사면
100: 송광부 200: 수광부

Claims (11)

1. 차량용 스캐닝 라이다 광학계로서,
   광원(1)으로부터 출력되는 레이저를 스캔대상을 향해 송광하는 송광부(100)와;
   상기 스캔대상으로부터 반사된 광을 수광하는 수광부(200)를 포함하며,
   상기 송광부(100)는,
   내부공간을 형성하며, 상기 내부공간의 일단에 상기 광원(1)이 설치되는 송광부하우징(110)과;
   상기 송광부하우징(110)의 타단에 설치되어, 상기 광원(1)으로부터 출력되는 레이저를 상기 스캔대상을 향해 송광하는 송광렌즈(120)를 포함하며,
   상기 수광부(200)는,
   내부공간을 형성하는 수광부하우징(210)과;
   상기 내부공간의 일단에 설치되어, 상기 스캔대상으로부터 반사된 광을 전기신호로 변환하는 광검출부(220)와;
   상기 내부공간의 타단에 설치되어, 상기 스캔대상으로부터 반사된 광을 수광하여 상기 광검출부(220)로 전달하는 수광렌즈(230)를 포함하며,
   상기 수광부(200)는,
   상기 수광부하우징(210)에 구비되어, 상기 수광렌즈(230)를 통과한 반사된 광을 반사시켜 상기 광검출부(220)에 전달하는 반사부(240)를 추가로 포함하며,
   상기 송광부하우징(110)은,
   평면 상 상기 송광렌즈(120)를 통해 출사되는 상기 레이저의 중심과 상기 수광렌즈(230)를 통해 입사되는 상기 반사된 광의 중심이 얼라인하도록 상기 수광부하우징(210)의 상면에 구비되며,
   상기 수광부하우징(210)은,
   평면 상 사각형을 형성하며 끝단에 상기 수광렌즈(230)가 구비되는 전단부(211)와, 반대측 끝단에 상기 광검출부(220)가 구비되는 후단부(213)와, 상기 전단부(211)와 상기 후단부(213)를 상기 수광렌즈(230)와 상기 광검출부(220)가 직각이 되도록 연결하는 연결부(212)를 포함하며,
   상기 수광부하우징(210)은,
   상기 연결부(212)의 일측이 상기 전단부(211)와 상기 후단부(213)를 잇도록 직각으로 구비되고, 타측이 상기 전단부(211)와 상기 후단부(213)를 잇도록 평면상 대각선으로 구비되며, 평면상 대각선인 부분에 상기 반사부(240)가 구비되는 것을 특징으로 하는 차량용 스캐닝 라이다 광학계.
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 송광부(100)와 상기 수광부(200)는 서로 인접하여 배치되는 것을 특징으로 하는 차량용 스캐닝 라이다 광학계.
3. 청구항 2에 있어서,
   상기 송광부(100)를 통해 출사되는 상기 레이저와 상기 수광부(200)를 통해 입사되는 상기 반사된 광은 서로 다른 광학축을 가지는 것을 특징으로 하는 차량용 스캐닝 라이다 광학계.
4. 삭제
5. 삭제
6. 삭제
7. 삭제
8. 청구항 1에 있어서,
   상기 송광렌즈(120)는,
   단일의 렌즈인 것을 특징으로 하는 차량용 스캐닝 라이다 광학계.
9. 청구항 1에 있어서,
   상기 수광렌즈(230)는,
   화각이 5도 이상 40도 미만인 것을 특징으로 하는 차량용 스캐닝 라이다 광학계.
10. 청구항 제1항 내지 제3항, 제8항 및 제9항 중 어느 하나의 항에 따른 광학계(3)와;
    상기 송광부(100)로부터 출력되는 레이저를 상기 스캔대상을 향하여 반사하여 전달하고, 상기 스캔대상으로부터 반사되는 광을 상기 수광부(200)를 향해 반사하여 전달하는 반사미러를 포함하는 것을 특징으로 하는 차량용 스캐닝 라이다.
11. 청구항 10에 있어서,
    상기 반사미러는,
    회전 및 진동 중 적어도 어느 하나가 가능한 것을 특징으로 하는 차량용 스캐닝 라이다.

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