KR102589289B1 - 센서 모듈 - Google Patents

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엘지이노텍 주식회사
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Abstract

실시 예는 광을 출사하는 광원과 상기 광원 상부에 배치되는 제1 렌즈부를 포함하는 출광부; 상기 광원에서 출사된 광이 피사체에 반사되어 전달되는 광을 검출하는 수광소자와 상기 수광소자 상부에 배치되는 제2 렌즈부를 포함하는 수광부; 상기 출광부의 상기 광원과 제1 렌즈부 중 적어도 하나의 움직임을 제어하는 제1 구동부; 및 상기 수광부의 제2 렌즈부와 수광소자 중 적어도 하나의 움직임을 제어하는 제2 구동부를 포함하는 센서 모듈을 제공한다.

Description

센서 모듈{SENSOR MODULE}
실시 예는 센서 모듈에 관한 것으로, 상세하게는 빛 탐지 및 분류(Light Detection and Ranging, 이하 'LiDAR'라 함) 장치에 관한 것이다.
라이다(LIDAR - Light Detection And Ranging) 또는 레이다(LADAR - Laser Detection And Ranging)로 불리는 3차원 영상 센서는 목표물을 향해 펄스 레이저 광를 방출한 후, 목표물에 반사되어 돌아오는 빛 에너지를 광 수신소자(element)를 사용하여 포착하고 이를 전기적 신호로 변환함으로써, 목표물까지의 거리나 목표물의 이동속도 등을 산출할 수 있는 장치이다.
이러한 라이다 모듈은 로봇 및 무인자동차의 전방 장애물 검출용 센서, 속도 측정용 레이더 건, 항공 지오-맵핑 장치, 3차원 지상조사, 수중 스캐닝 등 다양한 분야에서 널리 적용되고 있다.
라이다 모듈은 송신 광학계와 수신 광학계가 분리되어 별도의 시스템으로 구성된 분리형과, 송신 광학계와 수신 광학계가 분리되어 구성된 일체형으로 나누어진다.
분리형 라이다 모듈은 내부 산란광에 의하여 측정 오차가 발생할 수 있고, 따라서 일정 영역에서 광 검출이 불가한 데드 존(dead zone)이 발생할 수 있으며, 복잡한 내부 장치들의 얼라인(align)이 필요하여 생산성이 저하될 수 있다.
또한, 송신 광학계와 수신 광학계가 분리되어 별도의 시스템으로 구성되어 있어서 기계적으로 안정성이 부족하였으므로 시스템을 장시간 가동할 수가 없다. 또한, 안구를 통과하여 시신경에 도달하는 빛에너지의 세기를 조정하여 관측자의 시력을 보호하기 위한 방편으로 송신 빔의 단위 면적당 빛의 세기를 낮추어야 했는데, 이 때 송신 광학계가 과도하게 커지는 문제점이 있다.
일체형 라이다 모듈의 경우 송신 광학계와 수신 광학계가 별도로 구비되어 광학계의 사이즈가 증가할 수 있다. 그리고, 광검출부에 사용되는 수광소자의 사이즈가 증가하여 제조 비용이 증가할 수 있다.
실시 예는 광효율이 우수하면서도 수광소자의 사이즈가 증가하지 않으며, 내부 광에 의한 신호 에러가 없는 라이다 모듈을 제공하고자 한다.
실시 예는 광을 출사하는 광원과 상기 광원 상부에 배치되는 제1 렌즈부를 포함하는 출광부; 상기 광원에서 출사된 광이 피사체에 반사되어 전달되는 광을 검출하는 수광소자와 상기 수광소자 상부에 배치되는 제2 렌즈부를 포함하는 수광부; 상기 출광부의 상기 광원과 제1 렌즈부 중 적어도 하나의 움직임을 제어하는 제1 구동부; 및 상기 수광부의 제2 렌즈부와 수광소자 중 적어도 하나의 움직임을 제어하는 제2 구동부를 포함하는 센서 모듈을 제공한다.
제2 렌즈부는 복수 개의 렌즈로 이루어지고, 상기 제2 구동부를 상기 제2 렌즈부 중 일부의 렌즈만을 구동할 수 있다.
제2 구동부는 상기 제2 렌즈부 또는 상기 광검출부를 병진 구동할 수 있다.
제2 구동부는 상기 제2 렌즈부 또는 광검출부를 회전 구동할 수 있다.
제2 구동부는 상기 제2 렌즈부 또는 광검출부를 VCM 또는 모터를 사용하여 구동할 수 있다.
제2 렌즈부로 입사되는 광의 광축에 대한 각도는, 상기 광원으로부터 출사되는 광의 출사각도와 동일할 수 있다.
각도는 80도 이내이고, 상기 제2 구동부는 상기 제2 렌즈부를 병진구동하고, 상기 병진 구동 거리는 상기 제2 렌즈부 내의 렌즈의 크기의 10배 이하일 수 있다.
각도는 80도 이내이고, 상기 제2 구동부는 상기 제2 렌즈부를 회전 구동하고, 상기 회전 구동의 각도는 80도 이내일 수 있다.
실시 예에 따른 라이다 모듈은, 수고아부로 입사되는 광의 입사 각도가 달라질 때 렌즈부나 광검출부가 병진 구동 또는 회전 구동하여 광검출부를 이루는 수광소자 등의 사이즈를 증가시키지 않고도 광을 충분한 세기로 검출할 수 있다.
또한, 실시예에 따른 라이다 모듈은 출광부와 수광부가 광학계를 공통으로 사용하지 않으므로 신호 에러를 줄일 수 있다.
도 1은 실시예에 따른 라이다 모듈의 블럭도이고,
도 2는 도 1의 출광부를 나타낸 도면이고,
도 3a는 도 1의 수광부의 제1 실시예를 나타낸 도면이고,
도 3b는 도 1의 수광부의 제2 실시예를 나타낸 도면이고,
도 3c는 도 1의 수광부의 제3 실시예를 나타낸 도면이고,
도 4는 도 1의 수광부에 입사되는 광이 렌즈부에 이루는 각도와, 렌즈부의 변위를 나타낸 도면이고,
도 5a 내지 도 5e는 비교예와 실시예에 따른 렌즈부와 광검출부의 이동에 따른, 광 경로를 나타낸 도면이다.
이하, 본 발명을 구체적으로 설명하기 위해 실시 예를 들어 설명하고, 발명에 대한 이해를 돕기 위해 첨부도면을 참조하여 상세하게 설명하기로 한다. 그러나, 본 발명에 따른 실시 예들은 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래에서 상술하는 실시 예들에 한정되는 것으로 해석되지 않아야 한다. 본 발명의 실시 예들은 당 업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다.
또한, 이하에서 이용되는 "제1" 및 "제2," "상/상부/위" 및 "하/하부/아래" 등과 같은 관계적 용어들은, 그런 실체 또는 요소들 간의 어떠한 물리적 또는 논리적 관계 또는 순서를 반드시 요구하거나 내포하지는 않으면서, 어느 한 실체 또는 요소를 다른 실체 또는 요소와 구별하기 위해서만 이용될 수도 있다.
도 1은 실시예에 따른 라이다 모듈의 블럭도이다.
실시 예에 따른 라이다 모듈은 피사체(Target) 방향으로 광을 출사하는 출광부(100, Tx)와, 상기 피사체로부터 반사되어 전달되는 광을 검출하는 수광부(200)를 포함하여 이루어진다.
도 2는 도 1의 출광부를 나타낸 도면이다.
출광부는 광출사부(110)와 제1 광학계(120)와 제1 구동부(130)를 포함하여 이루어질 수 있다. 광출사부(110)는 측정하고자 하는 피사체를 향하여 광을 방출하는 광원일 수 있는데, 특히 적외선 파장 영역의 광을 방출할 수 있다.
제1 광학계(120)는 광출사부(110)로부터 방출된 광을 피사체 방향으로 전달하는데 제1 렌즈부라고 할 수 있고, 광출사부(110)에서 방출된 광을 평행광으로 변환하는 시준기(collimator)를 포함할 수 있으며, 상기 평행광을 포커싱시키는 집광렌즈를 포함할 수도 있고 기타 렌즈나 미러(mirror)를 포함할 수 있다.
제1 구동부(130)는 광출사부(110) 및/또는 제1 광학계(120)의 구동을 조절할 수 있다. 상세하게는 출광부 또는 광출사부(110)에서 출사되는 광의 출사 방향을 조절할 수 있다. 또한, 제1 구동부(130)는 제1 광학계(120)를 구성하는 렌즈의 일부를 조절하여 광출사부(110)에서 방출되는 광이 타겟(target) 방향으로 전달되게 제어할 수 있다.
수광부(200)는 피사체로부터 전달되는 광의 경로를 변환하는 렌즈부(220)와, 렌즈부(220)로부터 광이 전달되어 검출되는 광검출부(210)와, 광검출부(210)를 구동하는 제2-1 구동부(230)와 렌즈부(220)를 구동하는 제2-2 구동부(240)를 포함할 수 있다. 렌즈부(220)를 상술한 제1 렌즈부와 구별하여 제2 렌즈부라고 할 수 있다.
제2-1 구동부(230)와 제2-2 구동부(240)를 포함하여 '제2 구동부'라고 할 수 있다. 제2 구동부는 제2-1 구동부(230)와 제2-2 구동부(240)를 모두 포함하지 않을 수도 있는데, 즉 제2 구동부는 제2-1 구동부(230) 또는 제2-2 구동부(240) 중 선택적으로 하나만을 포함할 수 있다.
그리고, 제2 구동부는 상술한 제1 구동부(130)과 동기화될 수 있다. 여기서, 동기화된다는 의미는, 제1 구동부(130)에서 제어하는 광출사부(110)의 구동에 따라 제2 구동부(230)에서 광검출부(210) 및/또는 렌즈부(220)를 구동할 수 있음을 뜻하며, 반드시 제1 구동부(130)와 제2 구동부(230)의 구동 신호가 시계열적으로 일치해야 함을 뜻하지는 않는다.
또한, 제2 구동부와 제1 구동부가 동기화 된다는 의미는 제1 구동부의 구동과 제1 구동부의 구동이 상호 관련성이 있게 구동하는 것을 의미할 수 있다. 예를들어 제1구동부가 출광부로부터 출사되는 광을 제1방향으로 광경로를 유도한 경우, 제2구동부는 제1방향상의 타겟으로부터 반사된 광을 보다 많이 수광할 수 있도록 동기화 되어 구동할 수 있다.
제2 구동부는 VCM(voice coil motor)를 이용하거나 스텝 모터(step motor) 등의 모터를 이용하거나, 또는 피에조(piezo)를 이용하여, 렌즈부(220)나 광검출부(210)를 구동할 수 있다.
그리고, 도시되지는 않았으나 제2 구동부는 상술한 VCM이나 스텝 모터 등의 구동 유닛 외에 광출사부의 구동하는 제1 구동부의 구동 신호를 수신하는 피드백 회로부를 포함할 수도 있다.
렌즈부(220)는 단일 렌즈 또는 복수 개의 렌즈로 이루어질 수 있으며, 렌즈부(220)가 복수 개의 렌즈로 이루어질 때 제2 구동부에서는 렌즈부(220)를 이루는 복수 개의 렌즈 중 일부의 렌즈만을 구동할 수 있다. 렌즈부(220)를 제2 광학계라고 할 수도 있다.
렌즈는 PC(polycarbonate)나 PMMA(methyl methacrylate) 또는 글래스(glass) 등으로 이루어질 수 있다.
광검출부(220)는 수광소자로 이루어질 수 있으며, 수광소자는 포토 다이오드(photo diode)나 PMT(photo multipling tube)일 수 있으며, 포토 다이오드는 예를 들면 APD(Avalanche Photo Diode)나 SPAPD 또는 SAPD(Single Photon Avalanche Photo Diode)나 QWP(Quantum Well Photodiode) 등일 수 있다.
도 3a는 도 1의 광검출부의 제1 실시예를 나타낸 도면이고, 도 3b는 도 1의 광검출부의 제2 실시예를 나타낸 도면이고, 도 3c는 도 1의 광검출부의 제3 실시예를 나타낸 도면이다.
도 3a에서는 단일의 렌즈로 이루어진 렌즈부(220)가 도시되고 있으며, 타겟(미도시)에서 반사 등의 방법으로 전달되는 광이 렌즈부(220)를 통과하여 광검출부(210)로 전달될 수 있다.
광검출부(210)와 렌즈부(220)에는 제2-1 구동부(230)과 제2-2 구동부(240)가 각각 구비되어, 광검출부(210)와 렌즈부(220)의 구동을 각각 제어할 수 있다.
이때, 제2-1 구동부(230)과 제2-2 구동부(240)는 광검출부(210)와 렌즈부(220)를, 병진 구동하거나 회전 구동할 수 있다.
예를 들어 서로 수직한 x축과 y축으로 이루어진 평면상에서 병진 구동할 수가 있고, x축과 y축으로 이루어진 평면상에서 이루어지는 병진운동에 x축과 y축에 수직인 z축으로의 구동을 포함하여 3축으로 병진운동을 할 수 있다. 따라서 x축과 y축의 평면 상에서 병진운동을 할 수 있고, x축과 y축 그리고 z축을 포함한 공간상에서 3축방향으로 병진운동을 할 수 있다.
또한 회전 구동의 경우 렌즈 또는 광검출부의 광축이 변경되는 경우일 수 있고, 특정 축을 기준으로 회전하는것 일 수 있다.
도 3b의 실시예는 광검출부(210)의 구동을 나타낸다.
3개의 렌즈(221~223)로 렌즈부(220)가 이루어지고, 타겟(미도시)으로부터 전달되는 광은 렌즈(221~223)를 통과한 광의 초점에 광검출부(210)가 위치하도록, 제2-1 구동부(230)가 광검출부(210)의 위치를 제어할 수 있다. 도 3b에서 광검출부(210)의 병진 구동이 도시되나, 회전 구동할 수 있음은 상술한 바와 같다.
도 3c의 실시예는 렌즈부를 이루는 복수 개의 렌즈(221~224) 중 일부, 상세하게는 2개의 렌즈(222, 223)만이 병진 구동하고 있다. 광 경로를 도시하지는 않았으나, 외부의 타겟(미도시)으로부터 방출된 광이 4개의 렌즈(222, 223)를 통과하여 광검출부(210)에 초점이 위치할 수 있도록, 제2-1 구동부(230)에서 광검출부(210)를 구동하거나, 2개의 제2-2 구동부에서 각각 렌즈(222, 223)를 구동할 수 있다.
상술한 제2 구동부는 상술한 광출사부를 구동하는 제1 구동부의 신호를 확인하여, 그에 따라 광검출부(210) 및/또는 렌즈부(220)의 구동을 제어할 수 있다. 예를 들면, 제1 구동부의 신호를 통하여, 광출사부에서 방출되는 광의 출사각에 따라 광검출부(210) 및/또는 렌즈부(220)의 구동을 제어할 수 있다.
도 4는 도 1의 광검출부에 입사되는 광이 렌즈부에 이루는 각도와, 렌즈부의 변위를 나타낸 도면이다.
렌즈부는 6개의 제1 내지 제6 렌즈(221~226)로 이루어지고, 광검출부(210)의 중앙 영역과 제1 렌즈(221)의 중심을 지나는 가상의 선을 광축(light axis)이라고 할 수 있다.
이때 피사체(미도시)에서 제1 렌즈(221)로 입사되는 광(실선으로 표시됨)이 광축과 이루는 각도를 θ라고 하고, 제3 렌즈(223)가 광축으로부터 이격된 거리를 제1 거리(d1)라 하며, 제4 렌즈(224)가 광축으로부터 이격된 거리를 제2 거리(d2)라고 할 수 있다.
그리고, 각도 θ는 상술한 광출사부에서 광이 출사되는 각도와 동일할 수 있다.
이때, 상술한 각도 θ를 80도(°) 이내라고 할 때, 제3 렌즈(223)와 제4 렌즈(224)가 병진 운동하는 제1 거리(d1)와 제2 거리(d2)는 각각 제3 렌즈(223)와 제4 렌즈(224)의 크기의 10배 이내일 수 있으며, 회전 운동하는 경우 80도(°) 이내의 각도로 회전할 수 있다.
상세하게는 렌즈의 병진 운동 거리 d와 상술한 각도 θ는 아래의 수학식 1을 만족할 수 있다.
<수학식 1>
d=F(x)×θ
그리고, 상술한 함수 F(x)는 상술한 각도 θ에 대한 상수일 수 있고, 또한 다양한 주기 함수 예를 들면 사인(sin) 함수나 코사인(cos) 함수 또는 탄젠트(tan) 함수일 수 있으며, 아래의 수학식 2를 만족할 수 있다.
<수학식 2>
F(x)=∑∑anxn+bmx1 /m, 여기서 n은 0을 포함한 정수이고 m은 0을 제외한 정수이다.
그리고, 상술한 병진 운동 거리 d와 시간 t의 관계는 아래의 수학식 3을 만족할 수 있다.
<수학식 3>
d=G(t)=G(t+c)
즉, 수학식 3에서 시간에 따른 함수 G(t)는 주기 c를 가질 수 있다.
아래의 표 1은 수광부에 입사하는 광의 광축에 대한 입사 각도에 따른, 비교예와 실시예에 따른 라이다 모듈의 효율을 나타낸 것이다.
광축에 대한 입사 각도(°) 비교예 실시예 효율
0 3.24E-09 3.24E-08 1000%
45 2.25E-09 3.55E-08 1578%
70 3.09E-08 3.09E-08 2835%
표 1에서 비교예는 수광부에서 렌즈부나 광검출부가 구동하지 않는 경우이고, 실시예는 렌즈부와 광검출부가 회전 구동 및/또는 병진 구동하는 경우이며, 광출사부에서 1와트(W)의 광이 출력되고 광검출부의 단면적이 1mm2 인 경우이다.
각각의 입사 각도에 대하여 실시예에 따른 라이다 모듈이 비교예에 따른 라이다 모듈보다 10배 이상의 광효율을 나타내고 있으며, 즉 광검출부에서 측정되는 광의 세기가 10배 이상일 수 있다.
5a 내지 도 5e는 비교예와 실시예에 따른 렌즈부와 광검출부의 이동에 따른, 광 경로를 나타낸 도면이다.
도 5a에서 렌즈부로 입사되는 광의 입사 각도를 달리할 때, 하부의 광검출부로 입사되는 광의 초점이 변화하여, 모든 입사 각도에서 입사되는 광을 검출하기 위하여 대면적의 광검출부가 필요할 수 있다.
도 5b 내지 도 5d에서, 광의 입사 각도가 달라질 때 렌즈부가 화살표 방향으로 병진 구동하여 광축의 중심으로 광의 초점을 이동시키고 있다. 또한, 도 5e에서 렌즈부가 화살표 방향으로 회전 구동하여 광축의 중심으로 광의 초점을 이동시키고 있다.
상술한 렌즈부의 회전 구동 또는 병진 구동에 의하여, 광검출부를 이루는 수광소자 등의 사이즈를 증가시키지 않고도 광을 충분한 세기로 검출할 수 있다. 또한, 출광부와 수광부가 광학계를 공통으로 사용하지 않으므로, 광 간섭에 의한 에러를 줄일 수 있다.
이상에서 실시 예를 중심으로 설명하였으나 이는 단지 예시일 뿐 본 발명을 한정하는 것이 아니며, 본 발명이 속하는 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 본 실시예의 본질적인 특성을 벗어나지 않는 범위에서 이상에 예시되지 않은 여러 가지의 변형과 응용이 가능함을 알 수 있을 것이다. 예를 들어, 실시예에 구체적으로 나타난 각 구성 요소는 변형하여 실시할 수 있는 것이다. 그리고 이러한 변형과 응용에 관계된 차이점들은 첨부된 청구 범위에서 규정하는 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
100: 출광부 110: 광출사부
120: 제1 광학계 130: 제1 구동부
200: 수광부 210: 광검출부
220: 렌즈부 221~226: 렌즈
230: 제2-1 구동부 240: 제2-2 구동부

Claims (8)

  1. 광을 출사하는 광원과 상기 광원 상부에 배치되는 제1 렌즈부를 포함하는 출광부;
    상기 광원에서 출사된 광이 피사체에 반사되어 전달되는 광을 검출하는 수광소자와 상기 수광소자 상부에 배치되는 제2 렌즈부를 포함하는 수광부;
    상기 출광부의 상기 광원과 제1 렌즈부 중 적어도 하나의 움직임을 제어하는 제1 구동부; 및
    상기 수광부의 제2 렌즈부와 수광소자 중 적어도 하나의 움직임을 제어하는 제2 구동부를 포함하고,
    상기 제2 렌즈부는 복수 개의 렌즈로 이루어지고, 상기 제2 구동부는 상기 제2 렌즈부 중 일부의 렌즈만을 구동하고,
    상기 제1 구동부와 상기 제2 구동부는 동기화되어, 상기 제1 구동부가 상기 출광부로부터 출사되는 광을 제 1방향으로 광경로를 유도하고 상기 제2 구동부에 의해 상기 수광소자는 상기 제 1방향 상의 타겟으로부터 반사된 광을 보다 많이 수광하는 센서 모듈.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 제2 구동부는 상기 제2 렌즈부 또는 상기 수광소자를 병진 구동하고,
    상기 제2 렌즈부 내의 렌즈의 병진 운동 거리 d와 상술한 각도 θ는 아래의 수학식 1을 만족하고,
    <수학식 1>
    d=F(x)×θ,
    상기 함수 F(x)는 상술한 각도 θ에 대한 상수이고,
    상기 렌즈의 병진 운동 거리 d와 시간 t의 관계는 아래의 수학식 3을 만족하는 센서 모듈,
    <수학식 3>
    d=G(t)=G(t+c).
  3. 제2 항에 있어서,
    상기 함수 F(x)는 주기함수로, 아래의 수학식 2를 만족하고,
    <수학식 2>
    F(x)=∑∑nxn+bmx1/m, 여기서 n은 0을 포함한 정수이고 m은 0을 제외한 정수인 센서 모듈.
  4. 제1 항에 있어서,
    상기 제2 구동부는 상기 제2 렌즈부 또는 수광소자를 VCM 또는 모터를 사용하여 구동하는 센서 모듈.
  5. 제1 항 내지 제4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제2 렌즈부로 입사되는 광의 광축에 대한 각도는, 상기 광원으로부터 출사되는 광의 출사각도와 동일하고,
    상기 각도는 80도 이내인 센서 모듈.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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JP2010032759A (ja) * 2008-07-29 2010-02-12 Casio Comput Co Ltd 撮影装置、及び光学装置
JP2014066724A (ja) * 2013-12-10 2014-04-17 Nikon Vision Co Ltd 測距装置

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