KR102511118B1 - 라이다 광학 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 하나의 레이저 다이오드에서 조사되는 레이저 광을 서로 다른 경로로 편광 굴절시키고, 이를 다시 멤스미러를 사용하여 목표물에 스캔 조사하는 라이다 광학 장치에 관한 것으로, 특정 주파수대의 펄스 레이저 광을 출력하여 발신하는 적어도 하나의 레이저 발광부와 수신되는 레이저 광을 검출하는 적어도 하나 이상의 레이저 수광부로 구성되는 레이저 모듈, 레이저 다이오드에서 발신되는 레이저 광을 굴절률의 차이로 인한 2개의 경로로 분기 생성하는 복굴절 렌즈, 상기 복굴절 렌즈에서 분기된 2개의 레이저 광의 반사 경로를 형성하기 위한 2개의 반사 거울이 일정 거리에 각각 배치되는 미러 모듈 및 상기 미러 모듈의 일정 선단에서 반사되는 각각의 레이저 광을 수평축과 수직축으로 일정 경사각의 회전 운동에 따라 발산 각도를 조절하면서 스캔 주사시키는 2개의 멤스미러를 구비한다.

Description

라이다 광학 장치{LIDAR OPTICAL APPARATUS}

본 발명은 라이다 광학 장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 하나의 레이저 다이오드에서 조사되는 레이저 광을 서로 다른 경로로 편광 굴절시키고, 이를 다시 멤스미러를 사용하여 목표물에 스캔 조사하는 라이다 광학 장치에 관한 것이다.

최근 들어, 자동차 또는 이동형 로봇 등에서 주변의 지형 또는 물체를 감지하기 위하여 레이저(laser) 레이더 장치인 라이다(LIDAR: LIght Detection And Ranging) 광학 장치가 많이 사용되고 있다.

이러한 라이다 광학 장치는, 펄스 레이저광을 대기 중에 발사하고 대기 중의 반사체 또는 산란체로부터의 반사광을 이용하여 거리, 물체 또는 대기현상 등을 측정하는 장치로서 반사광의 시간을 클럭 펄스로 계산하며 통상 그 진동수 30㎒로 5m, 150㎒로 1m의 분해능을 가진다.

이와 같이 라이다 광학 장치는 주변 영역으로 레이저광을 조사하고 주변 물체 또는 지형에 반사되어 되돌아오는 반사광의 시간과 강도 등을 이용함으로써, 측정 대상물의 거리와 속도, 형상을 측정하거나 주변의 물체나 지형을 정밀하게 스캔한다.

이러한 라이다 광학 장치는 로봇 및 무인자동차의 전방 장애물 검출용 센서, 속도측정용 레이더 건, 항공 지오-맵핑장치, 3차원 지상조사, 수중 스캐닝 등 다양한 분야에서도 널리 적용되고 있다.

그런데, 종래의 라이다 광학 장치의 발광부에서는 단지 적어도 하나의 레이저 다이오드에서 발진하는 레이저 광을 평행하게 집광시키는 렌즈만을 구비하고, 집광된 레이저 광을 반사 미러등을 통하여 외부로 조사하는 구조를 취하고 있다. 이러한 하나의 레이저 다이오드에서 발생되는 레이저 광 채널이 하나의 채널로만 형성됨으로서 고해상도를 갖는 라이다 스캔 성능을 발휘하기에는 한계가 있으며, 사용되는 레이저 다이오드의 수를 절감하는 것에도 한계가 있을 수 있다.

특히, 전방향 스캔(Panoramic Scanning) 기능을 구비하는 라이다 장치 대부분은 송신 광학계와 수신 광학계를 포함하여 장치 전체가 회전 동작하도록 구성된다. 그런데 장치 전체를 회전시키게 되는 경우 시스템 크기는 더욱 커지게 되는데, 이는 미관상으로도 좋지 않을 뿐만 아니라, 가격 및 소비전력 상승의 문제를 더욱 심화시키게 된다.

또한, 하나의 다각형 미러를 적용할 경우 광이 평행 입사할 경우 미러 면이 커져야 하며 이는 회전 속도에 제약을 두게 된다. 이러한 속도 한계를 극복하고, 고속 대응시 발생되는 스핀들 모터의 소음을 제거하고, 광주사 유닛의 크기를 줄이기 위해, 스핀들 모터 및 다각형 미러를 대체할 수 있는 새로운 기구물이 요구되고 있다.

이에 멤스(MEMS, micro electro-mechanical system) 구조물을 이용한 광주사 유닛과 같이 다각형 미러를 사용하는 광주사 유닛을 대체할 수 있는 멤스미러가 개발되고 있다.

그러므로 상술되어진 문제점들을 해결하기 위한 종래의 기술로서는 대한민국 공개특허공보 제10-2017-0078031(2017.07.07.)에 스캐닝 수직 영역이 가변되는 스캐닝 라이다에 관한 것이 공지되어 있다.

상기 배경기술은 스캐닝 수직 영역이 가변되는 스캐닝 라이다에 관한 것으로서, 측정 타겟으로 진행하는 펄스 레이저를 반사하는 반사미러를 모터를 통해 360도 회전을 제어함과 동시에, 단일 혹은 소수의 레이저와 수신부 및 수직 방향으로 미러가 회전하는 구조를 통하여, 수직 영역이 확장된 넓은 영역에 대한 스캔을 수행하여 3차원 공간정보 획득에 기반을 둔 안전성을 확보할 수 있는 스캐닝 수직 영역이 가변되는 스캐닝 라이다를 제공하는 데 있다.

그러나 상기 종래 기술을 가지고는 고해상도를 갖는 라이다 스캔 성능을 발휘하기에는 한계가 있으며, 사용되는 레이저 다이오드의 수를 절감하는 것에도 한계가 있을 뿐 아니라, 레이저 광의 반사 및 산란 각도를 효과적으로 제어하면서 라이다 광학 장치의 공간 스캔 성능의 향상을 제공하는데에는 한계가 있다.

본 발명은 전술한 종래기술의 문제점을 해결하기 위해 도출된 것으로, 본 발명의 목적은, 라이다 광학 장치에 있어서 레이저 다이오드에서 발생되는 레이저 광을 서로 다른 굴절률로 이중 주사하는 복굴절 렌즈를 구비함으로서 적어도 한 개의 레이저 다이오드로 이중 주사를 하는 두 개의 레이저 광 채널을 제공하고자 하는 것이다.

또한, 본 발명의 다른 목적은 수평축과 수직축으로 일정 경사각의 회전 운동에 따라 발산 각도를 제어 조절하면서 스캔 주사시키는 멤스미러를 사용하여 레이저 광의 반사 및 산란 각도를 효과적으로 제어하면서 라이다 광학 장치의 공간 스캔 성능의 향상을 제공하고자 하는 것이다.

상기 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 측면에 따른 라이다(LIDAR: light detection and ranging radar) 광학 장치는 특정 주파수대의 펄스 레이저 광을 출력하여 발신하는 적어도 하나의 레이저 발광부와 수신되는 레이저 광을 검출하는 적어도 하나 이상의 레이저 수광부로 구성되는 레이저 모듈, 상기 레이저 발광부에서 발신되는 레이저 광을 굴절률의 차이로 인한 2개의 경로로 분기 생성하는 복굴절 렌즈, 상기 복굴절 렌즈에서 분기된 2개의 레이저 광의 반사 경로를 형성하기 위한 2개의 반사 거울이 일정 거리에 각각 배치되는 미러 모듈 및 상기 미러 모듈의 일정 선단에서 반사되는 각각의 레이저 광을 수평축과 수직축으로 일정 경사각의 회전 운동에 따라 발산 각도를 조절하면서 스캔 주사시키는 2개의 멤스미러(MEMS Mirrors)를 구비하는 것을 특징으로 할 수 있다.

이때 본 발명의 상기 복굴절 렌즈는 상기 레이저 발광부의 광 방출 선단의 일면 상에 위치하여 출력되는 레이저 광을 상기 2개의 반사 거울 각각으로 분기시켜 발신하는 것을 특징으로 할 수 있다.

또한, 본 발명의 상기 복굴절 렌즈는 상기 미러 모듈의 일면 상에 위치하여 레이저 발광부에서 출력되어 입사되는 레이저 광을 상기 2개의 반사 거울 각각으로 분기시켜 발신하는 것을 특징으로 할 수 있다.

또한, 본 발명은, 상기 반사거울과 상기 레이저 발광부 사이에 위치하는 빔스플리터를 더 포함하며, 상기 빔스플리터는 목표물에서 수신되는 레이저 광을 상기 반사거울을 통해 받고 경로를 변경하여 상기 레이저 발광부와 분리되어 있는 상기 레이저 수광부로 전달하는 것을 특징으로 할 수 있다.

또한, 본 발명은, 상기 반사거울과 멤스미러 사이에 위치하는 빔스플리터를 더 포함하며, 상기 빔스플리터는 목표물에서 수신되는 레이저 광을 상기 멤스미러를 통해 받고 경로를 변경하여 상기 레이저 발광부와 분리되어 있는 상기 레이저 수광부로 전달하는 것을 특징으로 할 수 있다.

또한, 본 발명의 상기 멤스미러는 플레이트 형상의 지지몸체, 상기 지지몸체의 중심 개구부에서 수직회전축을 중심으로 회동하는 수평회전몸체, 및 상기 수평회전몸체의 중심 개구부에 배치되고 상기 수평회전몸체의 양측 수직 프레임에 연결되는 수평회전축을 중심으로 회동하는 수직회전미러를 구비하는 것을 특징으로 할 수 있다.

또한, 본 발명은, 상기 레이저 모듈, 상기 미러 모듈 및 상기 멤스미러를 지지하고 수납하는 하우징을 더 포함하고, 상기 하우징의 하부 하우징 상에 상기 레이저 발광부에서 전면으로 방출되는 레이저빔은 상기 미러 모듈에서 반사되어 후면으로 진행하고 상기 멤스미러에서 반사되어 다시 전면으로 조사되는 광조사경로를 구비하는 것을 특징으로 할 수 있다.

또한, 본 발명의 상기 광조사경로는 상기 레이저 발광부의 발광점과 상기 2개의 반사 거울의 중간점을 포함하는 수직면에 대하여 대칭 배치되는 것을 특징으로 할 수 있다.

전술한 라이다 광학 장치에 의하면, 본 발명은 레이저 모듈의 발광부에 복굴절 렌즈를 추가적으로 구비하여 한 개의 레이저 다이오드에서 발생되는 레이저 광이 이중 채널로 경로가 생성할 수 있도록 함으로서, 레이저 다이오드의 개수를 줄일 수 있는 효과를 제공할 수 있다.

또한, 본 발명은 복굴절 렌즈를 통한 이중 주사를 가능하게 함으로서, 레이저 광의 반사 및 산란 각도를 효과적으로 제어하면서 라이다 광학 장치의 스캔 영역을 확장하여 공간 스캔 성능을 극대화할 수 있는 효과를 제공할 수 있다.

또한, 본 발명은 수평 수직축으로 회전(rotate)하는 멤스미러를 사용하여 라이다 광학 장치를 구성함으로서, 종래의 다각형 미러에 의한 주사속도나 소형화 등에 한계와 소음발생의 문제점을 해소할 수 있는 효과가 있다.

또한, 본 발명의 멤스미러는 수평 수직 양방향 주사 및 고속 주사가 가능하고, 내부의 열 발생이 최소화되어 내구성이 향상될 수 있으며, 반도체 공정에 의해 초소형으로 제작될 수 있으므로 라이다 광학 장치의 대량 생산 및 가격 경쟁력을 갖게 하는 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 라이다 광학 장치의 외부 사시도이고,
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 라이다 광학 장치의 내부 구조를 나타내는 예시도이다.
도 3a는 본 발명의 일실시예에 따른 복굴절 렌즈를 포함하는 레이저 발광부의 구성을 보여주는 예시도이고,
도 3b는 도 3a의 레이저 발광부의 작동 원리를 설명하기 위한 도면이다.
도 4a은 본 발명의 일실시예에 따른 멤스미러가 X축 경사각을 갖도록 회전하는 예시도이고,
도 4b는 본 발명의 일실시예에 따른 멤스미러의 Y축 경사각으로의 회전 예시도이다.
도 5는 본 발명의 제1 실시예에 따른 라이다 광학 장치의 레이저 광 수신과 발신 사이에서 이루어지는 경로 구조를 예시하는 구성도이고,
도 6은 본 발명의 제2 실시예에 따른 라이다 광학 장치의 레이저 광 수신과 발신 사이에서 이루어지는 경로 구조를 예시하는 구성도이고,
도 7은 본 발명의 제3 실시예에 따른 라이다 광학 장치의 레이저 광 수신과 발신 사이에서 이루어지는 경로 구조를 예시하는 구성도이다.
도 8은 본 발명의 제4 실시예에 따른 라이다 광학 장치의 레이저 광 수신과 발신 사이에서 이루어지는 경로 구조를 예시하는 구성도이다.

본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 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 가장 바람직한 일 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 본 발명의 바람직한 실시예를 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 라이다 광학 장치의 외부 사시도이고, 도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 라이다 광학 장치의 내부 구조를 나타내는 예시도이다.

도시를 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 라이다 광학 장치(1)는 도 1 및 도 2에 도시한 바와 같이 상부케이스(10)와 하부케이스(30)를 구비하고, 상부케이스(10)의 적어도 일면부에 배치되어 내부의 레이저 광을 외부로 전달하고 외부에서 반사되는 레이저 광을 내부에 전달하는 윈도우(20)를 구비한다. 상부케이스(10)와 하부케이스(30)는 각각 하우징의 일부로 지칭될 수 있다.

하부케이스(30)는 바닥 플레이트와 바닥 플레이트에 수직으로 세워져 하부가 개방된 상자 형태의 상부케이스(10)의 내측에 삽입되도록 설치되는 벽 프레임을 구비한다. 벽 프레임은 사각 판 형상의 바닥 플레이트의 네 측면 가장자리에 세워지고, 그 중에 윈도우(20) 측에 세워지는 벽 프레임은 대부분 제거되어 장치 내부가 윈도우(20)를 통해 외부에 투영되도록 설치된다.

이에 본 발명의 라이다 광학 장치(1)는, 하부케이스(30) 상에 설치되는 레이저 모듈(100), 미러 모듈(200) 및 멤스미러(300)를 포함하여 구성된다.

레이저 모듈(100)은 펄스 레이저 광을 발생하는 적어도 하나의 레이저 다이오드(111)와 적어도 한 개 이상의 포토 다이오드(미도시)로 구비될 수 있다. 여기서, 레이저 다이오드(111)는 레이서 발광부(110)에 대응하고, 포토 다이오드는 레이저 수광부(120)에 대응한다.

이때 본 발명의 레이저 발광부(110)는 특정 주파수대의 펄스 레이저 광을 출력하는 적어도 하나 이상의 레이저 다이오드(111)와 상기 레이저 다이오드(111)의 선단에서 발신되는 레이저 광을 평행하게 집광시키는 기능을 위한 콜리메이팅 렌즈(112)(Collimating lens)를 포함한다.

콜리메이팅 렌즈(112)는 지향성을 갖는 광원에서 출사된 광을 고효율로 집광시켜 집광효율을 높이는 기능을 수행하는 광학 렌즈이다.

또한, 레이저 수광부(120)는 최종적으로 목표물에 조사된 후 다시 반사되는 레이저 광을 수광하여 광전 효과를 전류로 변환하는 고감도 애벌런치 포토다이오드(APD, Avalanche photodiode)이거나, 포토 셀(photocell), 전하 결합 소자(CCD)와 같은 이미징 센서 및 유사한 포토다이오드 디바이스를 포함하는 광 검출부로서, 통상적으로 사용되고 있는 검출 방법을 사용할 수 있으므로 자세한 설명은 생략한다.

한편, 레이저 수광부(120)에서 나오는 신호가 아날로그 형태인 경우, 아날로그-디지털 컨버터(ADC, Analog to Digital Converter)에 의해서 디지털 신호로 변환할 수 있다.

본 발명에서는 레이저 다이오드(111)에서 발신되어 콜리메이팅 렌즈(112)에서 집광된 레이저 광이 입사되면 굴절률의 차이로 인한 2개의 경로를 갖는 레이저 광을 분기 생성하는 복굴절 렌즈(130)를 사용한다.

또한, 멤스미러(300)는 플레이트 형상의 지지몸체, 상기 지지몸체의 중심 개구부에서 수직회전축을 중심으로 회동하는 수평회전몸체, 및 상기 수평회전몸체의 중심 개구부에 배치되고 상기 수평회전몸체의 양측 수직 프레임에 연결되는 수평회전축을 중심으로 회동하는 수직회전미러를 구비할 수 있다.

또한, 레이저 모듈, 미러 모듈 및 멤스미러를 지지하고 수납하는 하우징의 내부 광경로에 있어서, 하부케이스 또는 하부하우징 상의 레이저 발광부에서 전면으로 방출되는 레이저빔은 미러 모듈에서 반사되어 후면으로 진행하고 멤스미러에서 반사되어 다시 전면으로 조사되는 광조사경로를 가질 수 있다. 이러한 광조사경로는 레이저 발광부의 발광점과 2개의 반사 거울의 중간점을 포함하는 수직면에 대하여 대칭 형태를 구비할 수 있다.

이에 도 3a는 본 발명의 일실시예에 따른 복굴절 렌즈를 포함하는 레이저 발광부의 구성을 보여주는 예시도이고, 도 3b는 도 3a의 레이저 발광부의 작동 원리를 설명하기 위한 도면이다.

도 3a와 도 3b에서 보여주는 복굴절 렌즈는 레이저 발광부(110) 또는 레이저 다이오드(111)의 광 방출 선단의 일면 상에 위치하고 있음을 알 수 있다. 한편, 본 발명은 그러한 구성으로 한정하지 않는다. 본 발명의 다른 실시예로서 복굴절 렌즈(130)는 레이저 모듈(100)에서의 광 방출 선단 상에 있는 미러 모듈(200)의 일면 상에 위치할 수 있다.

일반적으로 레이저 발광부(110)가 단지 하나의 레이저 다이오드에서 발진하는 레이저 광을 평행하게 집광시키는 렌즈만으로 구성되므로, 레이저 다이오드에서 발생되는 레이저 광 채널이 하나의 채널로만 형성되게 된다. 이러한 구조에서는 고해상도를 갖는 라이다 스캔 성능을 발휘하기에는 한계가 있으며, 사용되는 레이저 다이오드의 수를 절감하는 것에 한계가 있으므로, 라이다 광학 장치의 소형화에 한계가 있을 수 있다.

그러므로 종래 기술을 사용하는 레이저 모듈은 수발신되는 4개의 레이저 광 채널을 형성하기 위해서 적어도 2개의 레이저 다이오드를 포함하는 레이저 발광부로 이루어져야 하는 측면이 있다.

그러나 본 발명과 같이 복굴절 렌즈(130)을 이용하면 한 개의 레이저 다이오드로 수발신되는 4개의 레이저 광 채널을 형성할 수 있다. 이는 종래의 레이저 발광부가 한 개의 레이저 다이오드에서 단지 한 개의 레이저 광 채널만을 형성하는 것과는 차이가 있는 것이다.

이에 복굴절이란 빛이 어떤 소재를 통과할 때 이 빛은 두 개의 광선으로 분리되어 서로 다른 속도로 진행할 수 있는데, 이때 이들 두 광선은 상기 소재를 통과하면서 서로 다른 각으로 굴절되는 것으로서, 투명한 상기 소재를 사용하여 투명한 렌즈를 제조하면 하나의 광원에서 굴절률이 상이한 두 개의 광원을 생성할 수 있는 것이다.

이러한 소재로서 방해석, 소듐, 질산염, 석영, 토말라이트(tourmalite)와 같은 복굴절 특성을 갖는 소재 가운데 어느 하나가 사용될 수 있다. 그러나 이에 한정하는 것은 아니며, 화학적인 분자 구조를 이용하는 광학 필름 소재나 편광 필름을 사용하여 복굴절 렌즈를 구현할 수도 있다.

이때 상기 방해석은 불투명하게 투명하며 인광 또는 형광을 때때로 나타낼 수 있는데, 아이슬란드 스파링(Iceland spar)이라는 투명한 품종이 광학 목적으로 복굴절 렌즈를 구현하는데 사용될 수 있다.

또한, 상기 복굴절 렌즈(130)은 렌즈 두께와 레이저 광 입사각을 적절히 변화시킴으로써, 굴절률의 변화를 줄 수 있으며 이중 굴절되어 주사되는 레이저 광 사이의 수직거리(d)를 조절 가능하도록 할 수 있다. 복굴절렌즈(130)로부터 서로 다른 굴절률에 의하여 생성되는 레이저 광을 제1 레이저 광과 제2 레이저 광으로 구분한다.

미러 모듈(200)은 레이저 광의 발신과 수신에 따른 레이저 광의 반사 경로를 형성하도록 상기 레이저 모듈(100)의 선단에서 인접하게 배치된다.

미러 모듈(200)에는 레이저 광의 발신과 수신에 따른 레이저 광의 반사 경로를 형성하도록 몸체의 일정 측면 표면에 반사 거울(미러)이 배치된다. 반사 거울은 레이저 모듈의 전면 상에서 레이저 광의 송출과 수신을 위한 레이저 광의 반사를 담당한다.

이에 반사 거울은 사각 평판 형태를 가지나 이에 한정하지는 않으며, 또한, 상기 미러 모듈(200)의 표면에 부착되거나, 미러 모듈(200)의 표면에 코팅된 구조로 배치될 수 있다.

본 발명의 반사 거울은 복굴절 렌즈로 인하여 서로 다른 경로로 입사되는 제1 레이저 광과 제2 레이저 광을 반사시키기 위하여, 2 개의 레이저 광의 서로 다른 경로 상에 각각 위치된다. 이를 편의상 제1 반사거울(210)과 제2 반사거울(220)로 표기하기로 한다.

도 2에서와 같이 복굴절 렌즈(130)에 의하여 형성되는 제1 레이저 광을 반사시키는 제1 반사거울이 대응되고, 제2 레이저 광을 반사시키기 위한 제2 반사거울이 서로 대응된다.

또한, 본 발명에서는 반사 거울에서 반사되는 각각의 레이저 광을 외부로 스캔 주사하고, 외부에서 반사되는 돌아오는 레이저 광을 내부로 전달하기 위하여 2개의 멤스미러(300)를 구비한다. 이를 편의상 제1 멤스미러(310)와 제2 멤스미러(320)로 표기하기로 한다.

멤스(MEMS, Micro Electro Mechanical System)미러란 입사되는 레이저 빔(laser beam)을 목표 지점에 도달하도록 주사 거울에 의해 정확하게 편향되도록 조정될 수 있으며, 이를 멤스 스캐닝 미러라고도 한다.

이에 본 발명의 멤스미러는 X축과 Y축, 즉 수평축과 수직축으로 일정 경사각의 회전 운동에 따라 발산 각도를 제어 조절하면서 스캔 주사시키는 2개의 멤스미러를 구비한다.

멤스미러는 외력에 의해 공진되어 시소 진동하는 구조를 갖는데, 이러한 멤스미러는 정전기 구동 방식 또는 압전 구동 방식으로 구동될 수 있으며, 전자기적으로 구동되는 멤스미러는 작고, 낮은 전압으로 구동되며, 전력 소모가 적은 장점이 있다.

그러므로 멤스미러는 단결정 실리콘 상에 금속 코일을 형성하고, MEMS 처리에 의해 코일 내부에 미러를 형성하고, 미러의 아래쪽에 자석을 배치하며, 상기 자석에 의해 생성된 전자기장 또는 자기장을 이용한 액추에이터로 구현될 수 있으며, 자기장 내에서 미러를 감싸고 있는 코일에 흐르는 전류의 플레밍 유도 법칙에 근거한 로렌츠 힘을 발생시켜 거울 경사각을 유도할 수 있다. 그러므로 거울 표면에 입사되는 레이저 광의 경로는 이러한 방식으로 주사 및 투영될 수 있게 된다.

그러나 본 발명은 이에 한정하지 않으며, 1 차원 또는 2 차원의 마이크로 크기 모터에 의해 작동되는 작은 솔리드 스테이트 미러(칩상의 미러)를 적용할 수도 있다.

그러므로 상기 복굴절렌즈에 의하여 형성되는 제1 레이저광은 제1 반사거울에 의하여 반사되고, 반사된 제1 레이저 광은 다시 제1 멤스미러로의 반사 방향을 갖도록 형성되어, 제1 멤스미러의 수평축과 수직축으로 회전하는 주사 거울에 의해 스캔 주사되어 외부로 발신된다.

또한, 상기 복굴절렌즈에 의하여 형성되는 제2 레이저광은 제2 반사거울에 의하여 반사되고, 반사된 제2 레이저 광은 다시 제2 멤스미러로의 반사 방향을 갖도록 형성되어, 제2 멤스미러의 수평축과 수직축으로 회전하는 주사 거울에 의해 스캔 주사되어 외부로 발신될 수 있다.

도 4a은 본 발명의 일실시예에 따른 멤스미러가 X축 경사각을 갖도록 회전하는 예시도이고, 도 4b는 본 발명의 일실시예에 따른 멤스미러의 Y축 경사각으로의 회전 예시도이다.

또한, 멤스미러에는 FPCB(Flexible Printed circuit board), PCB(Printed circuit board) 등의 회로기판이 연결될 수 있으며, 회로기판에는 멤스미러에서 반사되어 발신 및 수신되는 레이저 광이 기설정된 범위에서 레이저 광의 스캔 범위를 커버하도록 멤스미러의 수평측과 수직축으로의 경사각과 회전 범위를 제한하고, 외부 목표물 상에 자동으로 얼라인(align)할 수 있게 하는 멤스미러 제어 모듈로서, 멤스미러 제어 드라이버를 포함할 수 있다.

이러한 멤스미러 제어 모듈에 의하여 멤스미러는 도 4a에서와 같이 멤스미러의 수평축을 중심으로 상하로 일정 경사각의 회전 운동에 따른 동작할 수 있으며, 도 4B에서와 같이 수직축을 중심으로 좌우로 일정 경사각의 회전 운동에 따른 동작을 할 수 있다.

또한, 본 발명은 빔스플리터(140)(Beam splitter)를 사용한다. 빔스프리터는 입사광을 지정된 비율에 따라 두 개의 빔으로 분리하거나, 두 개의 다른 빔을 단일 빔으로 결합할 수 있는 데 사용되는 광학 부품이다. 본 발명에서의 빔스플리터(140)는 적어도 하나 이상을 사용할 수 있다.

본 발명의 복굴절 렌즈(130)와 빔스플리터(140), 멤스미러(300)를 포함하는 본 발명의 라이다 광학 장치의 실시예들을 도시와 같이 설명하면 다음과 같다.

먼저 도 5는 본 발명의 제1 실시예에 따른 라이다 광학 장치의 레이저 광 수신과 발신 사이에서 이루어지는 경로 구조를 예시하는 구성도이다.

레이버 모듈(100)의 레이저 발광부(110)에서 레이저 광(Beam)이 출력된다. 상기 레이저 발광부(110)는 하나의 레이저 다이오드를 구비하며, 1개의 레이저 광이 발신되는 것이다. 레이저 광은 레이저 모듈의 전면에 구성된 복굴절 렌즈(130)를 통과한다. 이때 상기 복굴절 렌즈(130)에 입력된 하나의 레이저 광은 복굴절 현상에 의해 2개의 굴절광으로 분기되어 생성된다.

복굴절 렌즈(130)에 의하여 굴절률의 차이로 분기된 2개의 레이저 광은 빔스플리터(140)를 통과하여 미러 모듈(200)에 구비된 제1 반사거울(210)과 제2 반사거울(220)로 입사된다. 상기 미러 모듈(200)의 선단의 좌/우로는 멤스미러(300)가 구비되고, 상기 제1 반사거울(210)에서 반사된 제1 레이저 광은 제1 멤스미러(310)에 의하여 전방으로 발신된다. 또한, 복굴절 렌즈(130)에서 생성된 제2 레이저 광은 제2 반사거울(220)에서 반사되고 제2 멤스미러(320)에 의하여 외부로 발신된다.

이후 외부 목표물에서 반사되어 수신되는 레이저 광은 각각의 멤스미러에 의하여 다시 각각의 반사거울로 입시될 수 있다. 이후 빔스플리터(140)에 의하여 레이저 수광부(120) 쪽으로 반사되어 수신될 수 있는 것이다.

본 실시예에 의하면, 라이다 광학 장치는 반사거울과 레이저 발광부 사이에 위치하는 빔스플리터를 더 포함할 수 있다. 빔스플리터(140)는 목표물에서 수신되는 레이저 광을 반사거울을 통해 받고 경로를 변경하여 레이저 발광부와 분리되어 있는 레이저 수광부(120)로 전달할 수 있다.

또한, 도 6은 본 발명의 제2 실시예에 따른 라이다 광학 장치의 레이저 광 수신과 발신 사이에서 이루어지는 경로 구조를 예시하는 구성도이다.

도 6을 참조하면, 복굴절 렌즈(130)는 미러 모듈(200)의 일면 상에 위치된다. 이러한 구성에 의하면, 레이저 모듈(100)의 레이저 발광부(110)에서 레이저 광(Beam)이 출력되고, 레이저 광은 레이저 모듈(100)의 전면에 구성된 빔스플리터(140)를 통과하여 미러 모듈(200)에 구성된 복굴절 렌즈(130)를 통과한다. 이때 상기 복굴절 렌즈(130)에 입력된 하나의 레이저 광은 복굴절 현상에 의해 2개의 굴절광으로 분기되어 생성되고, 분기된 제1 레이저 광은 제1 반사거울(210)에서 반사되어 제1 멤스미러(310)로 입시되고, 제1 멤스미러(310)는 수평/수직 회전 운동하며 제1 레이저 광의 발산각도를 조절하면서 전방으로 발신한다. 복굴절 렌즈(130)에서 분기된 제2 레이저 광은 제2 멤스미러(320)에 의하여 전방 목표물로 발신될 수 있다.

이후 전방에서 반사되어 돌아오는 레이저 광은 미러 모듈(200)의 전단에 구비된 복굴절 렌즈(130)를 통과하는데, 이때는 2개의 레이저광이 다시 하나의 레이저 광으로 역으로 합쳐질 수 있으며, 이는 빔스플리터(140)를 통하여 레이저 수광부(120) 쪽으로 반사되어 수신될 수 있는 것이다.

도 7은 본 발명의 제3 실시예에 따른 라이다 광학 장치의 레이저 광 수신과 발신 사이에서 이루어지는 경로 구조를 예시하는 구성도이다.

도 7에서의 복굴절 렌즈(130)는 도 3a와 같이 레이저 다이오드의 선단에 배치되고, 빔스플리터(140)는 미러 모듈(200)과 멤스미러(300)의 사이에 배치된다.

레이저 모듈(100)의 레이저 발광부(110)에서 출력되는 하나의 레이저 광(Beam)은 복굴절 렌즈(130)의 복굴절 현상에 의해 2개의 굴절광으로 분기된다.

이때 분기되는 제 1 레이저 광은 제1 반사거울(210)에서 반사되고 빔스플리터(140)를 거처 제1 멤스미러(310)로 입사되며, 제2 레이저 광은 제2 반사거울(220)에서 반사되고 빔스플리터(140)를 거처 제2 멤스미러(320)로 입사되어, 멤스미러의 수평/수직 회전 운에 따라 전방으로 조사된다. 이후 전방에서 반사되어 돌아오는 레이저 광은 바로 빔스플리터(140)에서 반사되어 레이저 수광부(120)로 입사되어 광 검출이 되도록 할 수 있다.

본 실시예에 의하면, 라이다 광학 장치는 반사거울과 멤스미러 사이에 위치하는 빔스플리터를 더 포함한다. 빔스플리터(140)는 목표물에서 수신되는 레이저 광을 멤스미러를 통해 받고 경로를 변경하여 레이저 발광부(110)와 분리되어 있는 레이저 수광부(120)로 전달할 수 있다.

도 8은 본 발명의 제4 실시예에 따른 라이다 광학 장치의 레이저 광 수신과 발신 사이에서 이루어지는 경로 구조를 예시하는 구성도이다.

도 8에 도시한 제4 실시예에서는 반사거울을 포함하는 미러 모듈을 구비하지 않으며, 복굴절 렌즈는 도 3a와 같이 레이저 다이오드의 선단에 배치되고, 빔스플리터는 레이저 모듈과 멤스미러 사이에 구비된다.

이에 레이저 모듈의 레이저 발광부에서 출력되는 하나의 레이저 광(Beam)은 복굴절 렌즈의 복굴절 현상에 의해 제1 레이저 광과 제1 레이저 광의 2개의 굴절광으로 분기되고 바로 각각의 멤스미러에 의하여 외부로 발산됨을 알 수 있다.

또한, 전방에서 반사되어 돌아오는 레이저 광은 멤스미러를 거치고 빔스플리터에서 반사되어 레이저 수광부로 입사되면서 광 검출이 될 수 있음을 알 수 있다.

도 8에서 도시되고 있는 제어부 또는 멤스미러 제어모듈은 상술한 실시예에서도 동일하게 적용될 수 있다.

이와 같이, 본 실시예에 따른 라이다 광학 장치(1)는 어떤 소재를 통과할 때 빛이 두 개의 광선으로 분리되어 서로 다른 속도로 진행할 수 있는데, 이때 이들 두 광선은 상기 소재를 통과하면서 서로 다른 각으로 굴절되는 특성을 활용하여 한 개의 레이저 다이오드를 갖는 레이저 발광부로 구성된 레이저 모듈에서도 복굴절 소재를 적용한 복굴절 렌즈에 의하여 이중 굴절되는 두 개의 레이저 광 채널이 형성되도록 하여 공간 스캔 성능을 극대화할 수 있는 효과를 제공할뿐더러, 멤스미러를 통하여 일정 경사각을 갖고 수평 수직 양방향으로 회전하며 고속 주사가 가능한 멤스미러를 사용하여 라이다 광학 장치를 구성함으로서, 종래의 다각형 미러에 의한 주사속도나 소형화 등에 한계와 모터의 소음발생의 문제점을 해소할 수 있는 소형화된 라이다 광학 장치임을 알 수 있다.

또 한편으로, 전술한 실시예에서는 제어부에 대하여 특별히 언급하지 않았지만, 본 실시예에 따른 라이다 광학 장치 또는 이를 구비하는 라이다 장치(1)은 제어부를 더 구비할 수 있다. 그 경우, 제어부는 멤스미러의 회전 속도를 제어하거나, 레이저 모듈(100)의 발신 및 수신 동작을 제어하고, 수신된 신호를 외부의 장치에 전달하도록 구현될 수 있다. 그 경우, 제어부는 레이저 발신모듈의 레이저 광 발신 타이밍과 멤스미러의 회전 위치를 미리 설정된 위치와 타이밍으로 동기화하여 제어 동작을 수행하도록 이루어진다.

전술한 제어부는 논리회로, 프로그래밍 로직 컨트롤러, 마이컴, 마이크로프로세서 등에서 선택되는 적어도 어느 하나의 장치로 구현될 수 있고, 통신모듈을 구비하거나 통신모듈에 결합할 수 있다. 통신모듈은 인트라넷, 인터넷, 차량 네트워크 등으로 통해 외부 장치와 통신하며, 레이저 스캐닝을 통해 감지한 타겟이나 타켓과의 거리 등과 관련된 신호 혹은 데이터를 외부 장치에 전송할 수 있다. 이러한 제어부는 레이저 모듈(100)의 케이스 내에 탑재될 수 있으나, 이에 한정되지는 않는다.

한편, 도면에 도시하지는 않았지만, 라이다 광학 장치(1)는 전원 공급을 위한 배선이나 어댑터 또는 전원공급수단을 구비할 수 있다. 전원공급수단은 내부전원 또는 재충전 가능한 전원장치를 구비할 수 있고, 그 경우 라이다 장치는 착탈식 장치로 사용하도록 구현될 수 있다.

전술한 본 발명의 라이다 광학 장치를 사용하면, 레이저 모듈에서 발신되는 레이저 광을 원하는 타겟 범위로 효과적으로 반사하여 방출할 수 있고, 외부에서 반사되어 오는 레이저 광을 효과적으로 수신하여 레이저 광에 의한 타겟 감지나 타겟 측정을 효과적으로 수행할 수 있다. 즉, 멤스미러를 통해 외부케이스 내측에서 윈도우를 통해 방출되는 레이저 광의 입사각과 반사각을 효과적으로 조정할 수 있도록 하여 효과적으로 레이저 스캐닝 동작을 수행할 수 있게 된다.

전술한 구성에 의하면, 라이다 장치에서 레이저 모듈들과 미러 모듈과 멤스미러의 결합 구조에 의해 레이저 광의 반사 및 산란 각도를 효과적으로 제어하면서 공간적인 데이터를 확보할 수 있는 공간 스캔 성능을 극대화할 수 있는 장점이 있다.

본 발명은 전술한 실시예 외에 다양한 변형이 가능함은 당연하다. 본 발명의 라이다 장치는 일반적으로 차량에 적용될 수 있으나, 본 발명은 이에 한정하지 않는다. 즉, 본 발명에 따른 라이다 광학 장치와 이를 구비하는 라이다 장치는 차량뿐만 아니라 로봇, 선박, 헬기, 드론 등 이동이 가능한 이동체에 적용이 가능하고, 아울러 건물, 기둥, 탑 등의 이동이 제한된 고정체에도 제한 없이 적용될 수 있다.

전술한 바와 같이 본 발명의 상세한 설명에서는 바람직한 실시예들에 관하여 설명하였지만, 본 발명의 기술분야에서 통상의 지식을 가진 사람이라면 하기의 청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음은 이해할 수 있을 것이다.

1: 라이다 광학 장치 10: 상부케이스
20: 윈도우 30: 하부케이스
100: 레이저 모듈 200: 미러 모듈
210: 제1 반사거울 220: 제2 반사거울
300: 멤스미러 310: 제1 멤스미러
320: 제2 멤스미러 110: 레이저 발광부
120: 레이저 수광부 130: 복굴절 렌즈
140: 빔스플리터

Claims (8)

1. 레이저 광을 발신 및 수신하는 라이다(LIDAR: light detection and ranging radar)의 광학 장치로서,
   특정 주파수대의 펄스 레이저 광을 출력하여 발신하는 적어도 하나의 레이저 발광부와 수신되는 레이저 광을 검출하는 적어도 하나 이상의 레이저 수광부로 구성되는 레이저 모듈,
   상기 레이저 발광부에서 발신되는 레이저 광을 굴절률의 차이로 인한 2개의 경로로 분기 생성하는 복굴절 렌즈,
   상기 복굴절 렌즈에서 분기된 2개의 레이저 광의 반사 경로를 형성하기 위한 2개의 반사 거울이 일정 거리에 각각 배치되는 미러 모듈,
   상기 미러 모듈의 일정 선단에서 반사되는 각각의 레이저 광을 수평축과 수직축으로 일정 경사각의 회전 운동에 따라 발산 각도를 조절하면서 스캔 주사시키는 2개의 멤스미러, 및
   상기 레이저 모듈, 상기 미러 모듈 및 상기 멤스미러를 지지하고 수납하는 하우징을 포함하고,
   상기 하우징의 하부 하우징 상에 상기 레이저 발광부에서 전면으로 방출되는 레이저빔은 상기 미러 모듈에서 반사되어 후면으로 진행하고 상기 멤스미러에서 반사되어 다시 전면으로 조사되는 광조사경로를 구비하며,
   상기 광조사경로는 상기 레이저 발광부의 발광점과 상기 2개의 반사 거울의 중간점을 포함하는 수직면에 대하여 대칭 배치되는 것을 특징으로 하는 라이다 광학 장치.
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 복굴절 렌즈는 상기 레이저 발광부의 광 방출 선단의 일면 상에 위치하여 출력되는 레이저 광을 상기 2개의 반사 거울 각각으로 분기시켜 발신하는 것을 특징으로 하는 라이다 광학 장치.
3. 청구항 1에 있어서,
   상기 복굴절 렌즈는 상기 미러 모듈의 일면 상에 위치하여 레이저 발광부에서 출력되어 입사되는 레이저 광을 상기 2개의 반사 거울 각각으로 분기시켜 발신하는 것을 특징으로 하는 라이다 광학 장치.
4. 청구항 3에 있어서,
   상기 반사거울과 상기 레이저 발광부 사이에 위치하는 빔스플리터를 더 포함하며, 상기 빔스플리터는 목표물에서 수신되는 레이저 광을 상기 반사거울을 통해 받고 경로를 변경하여 상기 레이저 발광부와 분리되어 있는 상기 레이저 수광부로 전달하는 것을 특징으로 하는 라이다 광학 장치.
5. 청구항 1에 있어서,
   상기 반사거울과 멤스미러 사이에 위치하는 빔스플리터를 더 포함하며, 상기 빔스플리터는 목표물에서 수신되는 레이저 광을 상기 멤스미러를 통해 받고 경로를 변경하여 상기 레이저 발광부와 분리되어 있는 상기 레이저 수광부로 전달하는 것을 특징으로 하는 라이다 광학 장치.
6. 청구항 1에 있어서,
   상기 멤스미러는 플레이트 형상의 지지몸체, 상기 지지몸체의 중심 개구부에서 수직회전축을 중심으로 회동하는 수평회전몸체, 및 상기 수평회전몸체의 중심 개구부에 배치되고 상기 수평회전몸체의 양측 수직 프레임에 연결되는 수평회전축을 중심으로 회동하는 수직회전미러를 구비하는 것을 특징으로 하는 라이다 광학 장치.
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