KR102628751B1 - 변형 거울을 이용하는 라이다 장치 및 이의 운용 방법 - Google Patents

Abstract

본 실시예들은 적어도 하나의 광 송신신호를 송신하는 광원 모듈, 광 송신신호 중 스캔영역 상에 위치하는 대상체에 의해 반사된 광인 광 수신신호를 검출하는 광 검출부, 적어도 하나의 광 송신신호를 전달받아 송신 반사부를 통해 송신 범위를 조절하여 대상체를 향해 송신하는 광 송신부, 광원 모듈과 송신 반사부 사이에 구비되어, 적어도 하나의 광 송신신호의 형상을 변형하여 송신 반사부에 반사하는 변형 반사부, 대상체에 의해 반사된 광 수신신호를 수신하며, 수신 반사부를 통해 광 수신신호의 수신 각도를 조절하여 상기 광 검출부에 전달하는 광 수신부 및 광 검출부의 검출 결과를 이용하여 대상체에 대한 거리 정보를 획득하는 신호 처리부를 포함하는 라이다 장치를 제안한다.

Description

변형 거울을 이용하는 라이다 장치 및 이의 운용 방법{LIDAR APPARATUS USING DEFORMABLE MIRROR AND OPERATING METHOD THEREOF}

본 발명은 변형 거울을 이용하는 라이다 장치 및 이의 운용 방법에 관한 것으로, 특히 변형 거울을 이용하여 광 송신신호의 변형을 보상하는 라이다 장치 및 이의 운용 방법에 관한 것이다.

이 부분에 기술된 내용은 단순히 본 실시예에 대한 배경 정보를 제공할 뿐 종래기술을 구성하는 것은 아니다.

라이다(LIDAR, Light Detection and Ranging)는 피사체에 빛, 예를 들어 레이저를 조사한 후, 피사체로부터 반사된 빛을 분석하여 피사체의 물성, 예를 들어 거리, 방향, 속도, 온도, 물질 분포 및 농도 특성 등을 측정할 수 있는 원격 탐지 장치 중 하나이다.

종래의 라이다 시스템은 넓은 스캔 각도와 높은 분해능을 목표로 개발되고 있으나, 스캔 각도가 광각으로 넓어짐에 따라 수신부의 광학계 구성 및 레이저 검출부 성능에 의해 3차원 영상정보 측정거리 및 공간 분해능과 같은 라이다 시스템 성능이 저하되는 문제가 있다. 또한, 종래의 라이다 시스템은 넓은 스캔 각도를 수광하기 위하여 어레이 검출부를 사용하거나, 회전을 통하여 표적의 반사광을 수광한다. 그러나, 어레이 검출부는 단소자 검출부보다 응답시간이 길어서 측정거리가 짧아지고, 각도 분해능이 저하되는 문제가 있으며, 회전형 방식은 기계적 구동방식에 의해 신뢰성 문제가 있다. 또한, 송신부와 수신부가 분리되어 있을 경우 송신 레이저 빔과 수신광학계의 시야(FOV, Field of View)가 겹쳐지지 않는 영역은 표적 거리를 측정할 수 없는 문제가 있다.

라이다 시스템의 분해능은 레이저의 펄스 반복률과 회전구동부의 스캔 주파수, 어레이 검출부의 소자수 등에 의해 결정된다. 이러한 파라미터 성능은 제작 구현이 가능한 물리적 한계를 갖기 때문에 라이다 시스템의 분해능 성능을 높이기 위해서는 성능 최적화가 필요하다.

본 발명의 실시예들은 라이다의 넓은 스캔 각도에 따른 송신 레이저의 변형을 보상하기 위해 변형 거울을 사용함에 따라, 스캔 각도 별 송신 레이저의 형상을 균일하게 보정하는데 발명의 주된 목적이 있다.

본 발명의 명시되지 않은 또 다른 목적들은 하기의 상세한 설명 및 그 효과로부터 용이하게 추론할 수 있는 범위 내에서 추가적으로 고려될 수 있다.

본 실시예의 일 측면에 의하면, 본 발명은 적어도 하나의 광 송신신호를 송신하는 광원 모듈; 상기 광 송신신호 중 스캔영역 상에 위치하는 대상체에 의해 반사된 광인 광 수신신호를 검출하는 광 검출부; 상기 적어도 하나의 광 송신신호를 전달받아 송신 반사부를 통해 송신 범위를 조절하여 상기 대상체를 향해 송신하는 광 송신부; 상기 광원 모듈과 상기 송신 반사부 사이에 구비되어, 상기 적어도 하나의 광 송신신호의 형상을 변형하여 상기 송신 반사부에 반사하는 변형 반사부; 상기 대상체에 의해 반사된 광 수신신호를 수신하며, 수신 반사부를 통해 상기 광 수신신호의 수신 각도를 조절하여 상기 광 검출부에 전달하는 광 수신부; 및 상기 광 검출부의 검출 결과를 이용하여 상기 대상체에 대한 거리 정보를 획득하는 신호 처리부를 포함하는 라이다 장치를 제안한다.

바람직하게는, 상기 광원 모듈은, 상기 변형 반사부를 제어하기 위한 제1 광 송신신호를 송신하는 제1 광원; 및 상기 대상체와의 거리를 측정하기 위한 제2 광 송신신호를 송신하는 제2 광원을 포함한다.

바람직하게는, 상기 광 송신부는, 상기 제1 광 송신신호 및 상기 제2 광 송신신호가 평행광이 되도록 하는 송신부재; 상기 제1 광 송신신호는 반사하고, 상기 제2 광 송신신호는 투과하도록 구현되어, 상기 제1 광 송신신호 및 상기 제2 광 송신신호가 동일한 경로로 이동하도록 제어하는 빔 스플리터; 및 상기 제1 광 송신신호 및 상기 제2 광 송신신호를 상기 대상체를 향해 반사하고, 기 설정된 구동 각도에 따라 구동되어 상기 대상체를 스캔하는 스캔 영역을 조정하는 송신 반사부를 포함한다.

바람직하게는, 상기 제1 광 송신신호 및 상기 제2 광 송신신호의 파장대역을 투과하는 성능을 형성하는 광학창을 더 포함하고, 상기 광학창은, 상기 송신 반사부 및 상기 수신 반사부의 전면에 구비되는 것을 특징으로 한다.

바람직하게는, 상기 송신 반사부는, 수평 또는 수직 방향으로 틸트 구동을 수행하여 상기 수평 또는 수직 방향의 시야(Field of View, FOV)를 조절하여 스캔하며, 상기 구동 각도에 따라 스캔 각도의 범위가 결정되고, 초기 제어값을 기반으로 틸트 구동이 수행되는 것을 특징으로 한다.

바람직하게는, 상기 변형 반사부는, 상기 송신 부재를 통해 평행광으로 형성되는 상기 제2 광 송신신호의 형상을 변형하여 상기 송신 반사부에 반사하고, 상기 제2 광 송신신호의 형상의 변형량은 상기 스캔 각도를 고려하여 설정되는 것을 특징으로 한다.

바람직하게는, 상기 변형 반사부는, 상기 변형 반사부의 후단에 조립되어, 상기 수평 또는 수직 방향으로 틸트 구동을 수행하는 복수의 구동부; 및 상기 복수의 구동부의 동작을 제어하는 기판을 더 포함하고, 상기 복수의 구동부는, 상기 제2 광 송신신호의 초기 형상을 기반으로 계산된 구동량에 따라 상기 제1 광 송신신호가 기 설정된 형상을 유지하도록 각각 구동되는 것을 특징으로 한다.

바람직하게는, 상기 광 수신부는, 상기 광 수신신호를 수신하며, 상기 송신 반사부와 동기화되어 상기 송신 반사부와 동일한 각도로 틸트 구동을 수행하는 수신 반사부; 및 상기 수신 반사부와 상기 광 검출부 사이에 구비되며, 상기 수신 반사부에 반사된 광 수신신호를 집속하여 상기 광 검출부에 전달하는 수신부재를 포함한다.

바람직하게는, 상기 광 검출부는, 광섬유로 연결되며, 상기 수신부재에서 집속된 상기 광 수신신호가 상기 광섬유에 집속되어, 상기 광섬유를 통해 상기 광 수신신호가 전달되는 것을 특징으로 한다.

바람직하게는, 상기 광 검출부는, InGaAs 계열의 PIN 타입, APD 타입 또는 SPAD 타입으로 구성되는 것을 특징으로 한다.

바람직하게는, 상기 제1 광원에서 출력되는 제1 광 송신신호의 형상을 통해 상기 제1 광 송신신호의 패턴을 획득하는 촬영부를 더 포함하고, 상기 촬영부 및 상기 제2 광원은, 상기 변형 반사부를 최초로 구동하여 구동 데이터를 획득하는 경우에만 사용하며, 상기 제1 광 송신신호가 기 설정된 형상을 형성하는 경우 구동이 정지되는 것을 특징으로 한다.

바람직하게는, 상기 신호 처리부는, 상기 광원 모듈의 제2 광원의 출력 및 펄스 반복률, 상기 송신 반사부의 구동 각도, 상기 수신 반사부의 구동 각도, 상기 변형 반사부의 변형량을 제어하며, 상기 광 송신신호 및 상기 광 수신신호를 통해 상기 대상체에 대한 거리 정보를 계산하는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 실시예의 또 다른 측면에 의하면, 본 발명은 라이다 장치에 의한 라이다 장치 운용 방법에 있어서, 제1 광원을 통해 송신한 제1 광 송신신호가 송신 반사부를 통해 대상체를 향해 반사되며, 상기 제1 광 송신신호의 빔 형상을 촬영부를 통해 획득하여, 상기 빔 형상을 기반으로 변형 반사부의 구동량을 계산하는 단계; 상기 구동량을 상기 변형 반사부에 적용하여 상기 변형 반사부를 구동하고, 상기 제1 광 송신신호가 기 설정된 형상을 형성하는지 확인하는 단계; 상기 제1 광 송신신호가 기 설정된 형상을 형성하는 경우, 제2 광원을 통해 제2 광 송신신호를 송신하는 단계; 상기 송신 반사부와 동일한 각도로 수신 반사부의 틸트 구동이 수행되도록 상기 수신 반사부와 상기 송신 반사부의 동기화를 점검하는 단계; 상기 동기화되는 경우, 상기 수신 반사부를 통해 광 수신신호를 수신하여 검출부를 통해 상기 광 수신신호를 검출하는 단계; 및 신호 처리부가, 상기 광 검출부의 검출 결과를 이용하여 상기 대상체에 대한 거리 정보를 획득하는 단계를 포함하는 라이다 장치 운용 방법을 제안한다.

이상에서 설명한 바와 같이 본 발명의 실시예들에 의하면, 본 발명은 표적에 조사하는 송신 레이저 빔의 각도에 따른 편차를 제거하여 라이다 시스템 분해능 성능을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.

또한, 본 발명은 시스템의 성능 저하 없이 넓은 영역의 각도 범위를 스캔할 수 있는 효과가 있다.

여기에서 명시적으로 언급되지 않은 효과라 하더라도, 본 발명의 기술적 특징에 의해 기대되는 이하의 명세서에서 기재된 효과 및 그 잠정적인 효과는 본 발명의 명세서에 기재된 것과 같이 취급된다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 변형 거울을 이용하는 라이다 장치를 나타내는 블록도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 변형 거울을 이용하는 라이다 장치를 나타내는 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 라이다 장치의 변형 거울을 나타내는 도면이다.
도 4 및 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 변형 거울을 이용하는 라이다 장치의 빔 형상을 나타내는 도면이다.
도 6 내지 도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 변형 거울을 이용하는 라이다 장치의 운용 방법을 나타내는 흐름도이다.
도 9 및 도 10은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 변형 거울을 이용하는 라이다 장치를 나타내는 도면이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시 예를 상세히 설명한다. 본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시 예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 게시되는 실시 예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시 예들은 본 발명의 게시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.

다른 정의가 없다면, 본 명세서에서 사용되는 모든 용어(기술 및 과학적 용어를 포함)는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 공통적으로 이해될 수 있는 의미로 사용될 수 있을 것이다. 또 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 용어들은 명백하게 특별히 정의되어 있지 않는 한 이상적으로 또는 과도하게 해석되지 않는다.

본 출원에서 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 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

제2, 제1 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되지는 않는다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제2 구성요소는 제1 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제1 구성요소도 제2 구성요소로 명명될 수 있다. 및/또는 이라는 용어는 복수의 관련된 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함한다.

본 발명은 변형 거울을 이용하는 라이다 장치 및 이의 운용 방법에 관한 것이다.

종래의 라이다 광학계는 기계적인 회전을 통해 레이저를 송수신하여 넓은 영역을 스캔할 수 있는 장점을 가지고 있으나, 기계적인 내구성에 문제가 있다. 이를 해결하기 위해 MEMS 거울을 이용하여 기계적인 회전부를 해결할 수 있으나, 수신부 광학계와 검출기로 인하여 측정 거리가 짧아지는 문제가 있다. 따라서, 종래의 라이다 광학계는 송수신 광학계와 어레이 검출기 사용에 의해 측정 거리가 짧은 문제, 기계적인 회전부를 이용한 시스템의 내구성 문제, 송수신 광학계가 분리되어 있음으로써 1 m 이내의 근거리 측정 불가 문제, 수신 광학계에 의한 스캔 거리 제한 문제 등을 가지고 있다.

라이다(LIDAR, Light Detection and Ranging)는 높은 에너지 밀도와 짧은 주기를 가지는 펄스 신호를 생성할 수 있는 레이저의 장점을 활용하여 보다 정밀하게 피사체의 물성을 측정할 수 있다. LIDAR는 특정 파장의 레이저 광원 또는 파장 가변이 가능한 레이저 광원을 광원으로 사용하여 3차원 영상 획득, 기상 관측, 피사체의 속도 또는 거리 측정, 자율 주행 등과 같은 다양한 분야에서 사용되고 있다. 예를 들어, LIDAR는 항공기, 위성 등에 탑재되어 정밀한 대기 분석 및 지구 환경 관측에 활용되고 있으며, 우주선 및 탐사 로봇에 장착되어 피사체까지의 거리 측정 등 카메라 기능을 보완하기 위한 수단으로 활용되고 있다.

또한, 지상에서는 원거리 측정, 자동차 속도 위반 단속 등을 위한 간단한 형태의 라이다 센서 기술들이 상용화되고 있다. 최근에는 레이저 스캐너 또는 3D 영상 카메라로 활용되어 3D 리버스 엔지니어링이나 무인 자동차 등에 사용되고 있다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 변형 거울을 이용하는 라이다 장치(10)는 거리 측정 장치 또는 이동체에 적용될 수 있다. 예를 들어, 라이다 장치(10)는 거리 측정이 필요한 장치 또는 드론, 자동차 등의 이동체에 적용이 가능하며, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다. 라이다 장치(10)는 레이저 신호를 쏘고 반사되어 돌아오는 시간을 측정하고, 빛의 속도를 이용하여 반사체의 거리를 측정하는 장치이다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 변형 거울을 이용하는 라이다 장치를 나타내는 블록도이다.

도 1을 참조하면, 라이다 장치(10)는 광원 모듈(100), 광 송신부(200), 변형 반사부(300), 광 수신부(400), 광 검출부(500) 및 신호 처리부(600)를 포함한다. 라이다 장치(10)는 도 1에서 예시적으로 도시한 다양한 구성요소들 중에서 일부 구성요소를 생략하거나 다른 구성요소를 추가로 포함할 수 있다.

광원 모듈(100)은 적어도 하나의 광 송신신호를 송신할 수 있다.

광원 모듈(100)은 제1 광원(110) 및 제2 광원(120)을 포함한다.

제1 광원(110)은 변형 반사부(300)를 제어하기 위한 제1 광 송신신호를 송신할 수 있다.

제2 광원(120)은 대상체와의 거리를 측정하기 위한 제2 광 송신신호를 송신할 수 있다.

광 송신부(200)는 적어도 하나의 광 송신신호를 전달받아 송신 반사부(230)를 통해 송신 범위를 조절하여 대상체를 향해 송신할 수 있다.

광 송신부(200)는 송신부재(210), 빔 스플리터(220) 및 송신 반사부(230)를 포함한다.

송신부재(210)는 제1 광 송신신호 및 제2 광 송신신호가 평행광이 되도록 할 수 있다.

빔 스플리터(220)는 제1 광 송신신호는 반사하고, 제2 광 송신신호는 투과하도록 구현되어, 제1 광 송신신호 및 제2 광 송신신호가 동일한 경로로 이동하도록 제어할 수 있다.

송신 반사부(230)는 제1 광 송신신호 및 제2 광 송신신호를 대상체를 향해 반사하고, 기 설정된 구동 각도에 따라 구동되어 대상체를 스캔하는 스캔 영역을 조정할 수 있다.

송신 반사부(230)는 수평 또는 수직 방향으로 틸트 구동을 수행하여 수평 또는 수직 방향의 시야(Field of View, FOV)를 조절하여 스캔하며, 구동 각도에 따라 스캔 각도의 범위가 결정되고, 초기 제어값을 기반으로 틸트 구동이 수행될 수 있다.

변형 반사부(300)는 광원 모듈(100)과 송신 반사부(230) 사이에 구비되어, 적어도 하나의 광 송신신호의 형상을 변형하여 송신 반사부(230)에 반사할 수 있다.

변형 반사부(300)는 송신 부재(210)를 통해 평행광으로 형성되는 제2 광 송신신호의 형상을 변형하여 송신 반사부(230)에 반사할 수 있다. 이때, 제2 광 송신신호의 형상의 변형량은 송신 반사부(230)의 스캔 각도를 고려하여 설정될 수 있다.

변형 반사부(300)는 복수의 구동부(310) 및 기판(320)을 더 포함할 수 있다.

복수의 구동부(310)는 변형 반사부(300)의 후단에 조립되어, 수평 또는 수직 방향으로 틸트 구동을 수행할 수 있다.

기판(320)은 복수의 구동부(310)의 동작을 제어할 수 있다.

복수의 구동부(310)는 제2 광 송신신호의 초기 형상을 기반으로 계산된 구동량에 따라 제1 광 송신신호가 기 설정된 형상을 유지하도록 각각 구동될 수 있다.

광 수신부(400)는 대상체에 의해 반사된 광 수신신호를 수신하며, 수신 반사부(410)를 통해 광 수신신호의 수신 각도를 조절하여 광 검출부(500)에 전달할 수 있다.

광 수신부(400)는 수신 반사부(410) 및 수신부재(420)를 포함한다.

수신 반사부(410)는 광 수신신호를 수신하며, 송신 반사부(230)와 동기화되어 송신 반사부(230)와 동일한 각도로 틸트 구동을 수행할 수 있다.

수신부재(420)는 수신 반사부(410)와 광 검출부(500) 사이에 구비되며, 수신 반사부(410)에 반사된 광 수신신호를 집속하여 광 검출부에 전달할 수 있다.

광 검출부(500)는 광 송신신호 중 스캔영역 상에 위치하는 대상체에 의해 반사된 광인 광 수신신호를 검출할 수 있다.

광 검출부(500)는 광섬유로 연결되며, 수신부재(420)에서 집속된 광 수신신호가 광섬유에 집속되어, 광섬유를 통해 광 수신신호가 전달될 수 있다.

광 검출부(500)는 InGaAs 계열의 PIN 타입, APD 타입 또는 SPAD 타입으로 구성될 수 있다.

신호 처리부(600)는 광 검출부의 검출 결과를 이용하여 상기 대상체에 대한 거리 정보를 획득할 수 있다.

신호 처리부(600)는 광원 모듈의 제2 광원의 출력 및 펄스 반복률, 송신 반사부(230)의 구동 각도, 수신 반사부(410)의 구동 각도, 변형 반사부(300)의 변형량을 제어하며, 광 송신신호 및 광 수신신호를 통해 대상체에 대한 거리 정보를 계산할 수 있다.

라이다 장치(10)는 광학창(700)을 더 포함한다.

광학창(700)는 제1 광 송신신호 및 제2 광 송신신호의 파장대역을 투과하는 성능을 형성할 수 있다.

광학창(700)는 송신 반사부(230) 및 수신 반사부(410)의 전면에 구비될 수 있다. 구체적으로, 광학창(700)은 제1 광 송신신호가 송신 반사부(230)에 의해 반사되어 대상체를 향해 송신하는 위치에 구현되며, 대상체에 반사되어 수신되는 광 수신신호가 수신 반사부(410)에 의해 수신되어 반사되는 위치에 구현될 수 있다.

라이다 장치(10)는 촬영부(800)를 더 포함한다.

촬영부(800)는 제1 광원에서 출력되는 제1 광 송신신호의 형상을 통해 제1 광 송신신호의 패턴을 획득할 수 있다.

촬영부(800) 및 제2 광원(120)은 변형 반사부(300)를 최초로 구동하여 구동 데이터를 획득하는 경우에만 사용하며, 제1 광 송신신호가 기 설정된 형상을 형성하는 경우 구동이 정지될 수 있다.

라이다 장치(10)는 디스플레이부(900)를 더 포함할 수 있다.

디스플레이부(900)는 촬영부(800)에 의해 촬영된 영상 및 신호 처리부(600)를 통해 출력된 대상체(20)의 정보를 전시할 수 있다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 변형 거울을 이용하는 라이다 장치를 나타내는 도면이다.

도 2를 참고하면, 광원 모듈(100)은 제1 광원(110) 및 제2 광원(120)을 포함한다.

제1 광원(110)은 제1 광 송신신호를 송신할 수 있다. 이때, 제1 광 송신신호는 제1 송신부재(210a)를 통과함에 따라 평행광을 형성하며, 빔 스플리터(220)에 의해 반사되어 변형 반사부(300)로 전달될 수 있다.

제2 광원(120)은 제2 광 송신신호를 송신할 수 있다. 이때, 제2 광 송신신호는 제2 송신부재(210b)를 통과함에 따라 평행광을 형성하며, 빔 스플리터(220)에 의해 투과되어 변형 반사부(300)로 전달될 수 있다.

도 2를 참고하면, 제1 광 송신신호는 빔 스플리터(220)에 의해 반사되고, 제2 광 송신신호는 빔 스플리터(220)에 의해 투과되어 변형 반사부(300)에 전달되는 것을 도시하였으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니며, 제1 광 송신신호는 빔 스플리터(220)에 의해 투과되고, 제2 광 송신신호는 빔 스플리터(220)에 의해 반사되어 변형 반사부(300)에 전달되도록 구현될 수도 있다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 제1 광원(110)은 촬영부(800)와 함께 동작되도록 구현될 수 있으며, 제1 광 송신신호의 형상을 확인하기 위해 동작할 수 있다. 따라서, 광원 모듈(100)은 제1 광원(110)을 통해 광 송신신호의 형상을 확인하고, 이를 보정한 형상을 확인할 수 있으며, 제1 광 송신신호를 통해 기 설정된 형상을 형성하는 것을 확인하면 제1 광원(110)의 동작을 멈추고, 대상체와의 거리를 측정하기 위한 제2 광원(120)이 동작하도록 형성될 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 제1 광원(110)은 광섬유 레이저로 구현될 수 있다. 예를 들어, 제1 광원(110)은 1.3 um 내지 1.7 um 대역의 레이저 파장, kW급의 첨두 파워(Peak power), MHz급의 레이저 펄스반복률의 성능을 갖도록 구현될 수 있으며, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다. 바람직하게는, 제1 광원(110)은 1.5 um 대역의 레이저 파장으로 구현될 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 제2 광원(120)은 가이드 레이저로 구현될 수 있다. 예를 들어, 제2 광원(120)은 변형 반사부(300)를 제어하기 위한 가시광 파장대역으로 구현될 수 있으며, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.

송신부재(210)는 제1 광원(110) 및 제2 광원(120)에서 출력되는 제1 광 송신신호 및 제2 광 송신신호를 평행광이 되도록 할 수 있다. 예를 들어, 송신부재(210)는 광학렌즈로 구현될 수 있으며, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.

빔 스플리터(220)는 제1 광 송신신호와 제2 광 송신신호가 동일한 광 경로를 통해 변형 반사부(300)로 조사되도록 구현될 수 있다. 이에, 제1 광 송신신호는 반사되고, 제2 광 송신신호는 통과되도록 구현될 수 있으며, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.

송신 반사부(230)는 수평/수직 방향으로 기울이는 틸트(tilt) 구동을 하여 수평/수직 시야(FOV, Field of View)를 스캔하며, 구동 각도에 따라 스캔 각도 범위가 결정될 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 송신 반사부(230)는 2D MEMS 거울로 구현될 수 있으며, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다. 초소형 정밀기계 기술(MEMS, Micro-Electro Mechanical Systems)은 2D 방식으로 회전 가능하도록 구현되며, 모터 방식보다 높은 해상도를 확보할 수 있다.

송신 반사부(230)는 일측면이 광 송신신호가 반사되는 반사면을 형성하며, 반대측면이 수평/수직 방향으로 움직이는 구동부를 형성할 수 있다.

송신 반사부(230)는 기 설정된 수평 방향 회전 및 수직 방향 회전을 통해 광 송신신호를 대상체(20)로 송신한다. 광 송신신호는 소정의 스캔 영역 내에서 물결 모양 파형(예: 사인 파형)의 스캔 경로에 따라 송신될 수 있다. 여기서, 송신 반사부(230)의 수평 방향 회전 및 수직 방향 회전에 대한 각도 및 속도에 따라 광 송신 신호의 스캔 경로는 진폭, 파장, 주기 등에 대한 크기가 변경될 수 있다.

변형 반사부(300)는 송신부재(210)를 통해 평행광으로 나오는 제1 광 송신신호 및 제2 광 송신신호의 형상을 변형하여 송신 반사부(230)에 반사할 수 있다. 이때, 제1 광 송신신호 및 제2 광 송신신호의 형상의 보정을 위한 변형 반사부(300)의 변형량은 송신 반사부(230)의 스캔 각도에 따라 다르게 구현될 수 있다.

라이다 장치(10)는 제1 광 송신신호, 제2 광 송신신호 및 광 수신신호를 투과시키기 위한 광학창(Optical window)(700)을 더 포함할 수 있다.

광학창(700)은 제1 광원(110) 및 제2 광원(120)의 파장대역을 투과하는 성능을 갖도록 구현될 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 광학창(700)은 고정되기 위한 구조를 제공하는 프레임부(미도시)를 더 포함하도록 구현될 수 있다.

수신 반사부(410)는 송신 반사부(230)와 동기화되어, 송신 반사부(230)와 동일한 각도로 기울이는 틸트(tilt) 구동을 수행하여 광 검출부(500)로 광 수신신호를 전달할 수 있다.

라이다 장치(10)는 수신 반사부(410)를 사용함으로써, 광 검출부(500)에 입사되는 광 수신신호의 각도가 일정하게 유지되어 광 검출부(500)를 적용할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 수신 반사부(410)는 2D MEMS 거울로 구현될 수 있으며, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다. 초소형 정밀기계 기술(MEMS, Micro-Electro Mechanical Systems)은 2D 방식으로 회전 가능하도록 구현되며, 모터 방식보다 높은 해상도를 확보할 수 있다.

수신부재(420)는 대상체에서 반사되는 광 수신신호를 집속하여 광 검출부(500)에 전달될 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 수신부재(420)는 반사렌즈 및 광학렌즈로 구현될 수 있다. 예를 들어, 수신부재(420)는 수신 반사부(410)를 통해 반사된 광 수신신호를 반사하는 반사렌즈와, 반사렌즈를 통해 반사된 광 수신신호를 집속하는 광학렌즈로 구현될 수 있으며, 이를 통해 수신 반사부(410)를 통해 반사된 광 수신신호가 반사렌즈와 광학렌즈를 통과하여 광 검출부(500)로 전달될 수 있다.

광 검출부(500)는 단소자 광 검출부로 구현될 수 있으며, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다. 단소자 광 검출부는 일반적인 라이다에 사용되는 어레이형 광 검출부보다 감응도와 응답속도가 높아 고속으로 레이저 신호를 수신할 수 있기 때문에 일반적인 라이다보다 3차원 영상정보의 해상도를 향상 시킬 수 있다.

광 검출부(500)는 광섬유로 연결 되어 있다. 수신부재(420)에서 집속된 광 수신신호의 레이저 스팟은 광섬유에 집속되고, 광섬유는 광 수신신호를 광 검출부(500)에 전달할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 광 검출부(500)는 InGaAs 계열의 PIN 타입, APD 타입 또는 SPAD 타입으로 구성될 수 있으며, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.

신호 처리부(600)는 제2 광원(120)의 출력 및 펄스반복률, 송신 반사부(230)의 구동 각도, 수신 반사부(410)의 구동 각도, 변형 반사부(300)의 변형량을 제어할 수 있다.

신호 처리부(600)는 제2 광 송신신호와, 대상체에서 반사된 광 수신신호를 수신하여 3차원 좌표에 대한 표적 거리 정보를 계산할 수 있다.

촬영부(800)는 제1 광 송신신호의 빔 형상을 영상으로 확인하기 위한 용도의 카메라로 구현될 수 있으며, 가시광 파장대역의 제1 광 송신신호의 빔 패턴을 획득할 수 있다.

디스플레이부(900)는 신호 처리부(600)를 통해 출력되는 3차원 표적 영상 정보를 전시할 수 있다.

따라서, 라이다 장치(10)는 제1 광원(110) 및 제2 광원(120)를 사용하여 빔 스플리터(220)를 통해 송신 반사부(230)에 광 송신신호를 전달하고, 탐지 범위를 스캔할 때 내부의 촬영부(800)를 사용하여 광 송신신호의 형상을 측정할 수 있다. 변형 반사부(300)를 구동하여 라이다 장치(10)가 탐지 범위를 스캔할 때 광 송신신호의 빔 형상을 보정하기 위한 구동량을 측정하여 저장할 수 있다.

변형 반사부(300)의 구동량에 따른 데이터는 최초 전원인가 시에 획득하고, 라이다 장치(10) 동작 시 저장된 값을 활용할 수 있다. 제1 광원(110)과 촬영부(800)는 최초 변형 반사부(300)의 구동량에 따른 데이터 획득 시에만 사용하며, 라이다 장치(10)가 스캔 영역 탐지 시에는 사용하지 않는다.

본 발명의 또 다른 일 실시 예에 따르면, 라이다 장치(10)는 구동각 카운팅부(미도시)를 더 포함할 수 있고, 디스플레이부(900)는 램프(미도시)를 포함할 수 있다.

구동각 카운팅부(미도시)는 송신 반사부(230) 또는 수신 반사부(410) 각각의 구동각의 총합을 각각 계산할 수 있다. 예를 들어, 송신 반사부(230) 또는 수신 반사부(410) 각각의 1회차 구동시 15도의 각도만큼 구동하고, 2회차 구동시 12도의 각도만큼 구동하고, 3회차 구동시 22도의 각도만큼 구동한 경우, 구동각 카운팅부(미도시)는 송신 반사부(230) 또는 수신 반사부(410) 각각이 총 49도만큼 구동했다고 계산할 수 있다.

램프는 구동각 카운팅부가 산출한 구동각의 총합이 미리 결정된 제1 임계값 이상인 경우, 점등하는 방식으로 사용자에게 송신 반사부(230) 또는 수신 반사부(410)를 구동시키기 위해 구동부와 연결된 구동부재의 교체주기가 경과했음을 알릴 수 있다.

송신 반사부(230) 또는 수신 반사부(410)는 라이다 장치(10) 운용 과정에서 필연적으로 자주 회전 구동 또는 기울임 구동을 수행하므로, 송신 반사부(230) 또는 수신 반사부(410)를 라이다 장치(10)에 고정시키는 부재 및 구동부와 연결된 구동부재에 필연적으로 손상 및 마모가 발생하는데, 이는 라이다 장치(10)가 출력하는 대상체(20)의 거리 데이터의 오차를 야기시킬 수 있다.

라이다 장치(10)는 사용자에게 구동각 카운팅부 및 램프를 통하여 구동부와 연결된 구동부재의 교체주기를 알림으로써, 구동부와 연결된 구동부재를 사용자가 교체하도록 함으로써, 이러한 라이다 장치(10)가 출력하는 대상체(20)에 대한 거리 데이터의 오차를 방지할 수 있다.

본 발명의 또 다른 일 실시 예에 따르면, 신호 처리부(600)가 라이다 장치(10) 내부의 광원 모듈(100)과 광학창(700) 사이의 광경로의 길이를 산출하는 것은 광원 모듈(100)과 광학창(700)의 제1 측 사이의 거리인 제1 광경로와 광원 모듈(100)과 광학창(700)의 제1 측과 대각선 상에서 대칭되는 제2 측 사이의 거리인 제2 광경로의 평균값을 구하는 것일 수 있다. 여기서, 광학창이 사각으로 구현되는 경우, 제1 측은 좌측 상단의 모서리를 나타낼 수 있으며, 제2 측은 우측 하단의 모서리를 나타낼 수 있으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다. 신호 처리부(600)가 라이다 장치 내부의 광원 모듈(100)과 광학창(700) 사이의 광경로의 길이를 산출하는 것은, 적어도 두 개의 광 반사거울을 이용하여 산출한 라이다 시스템 내부의 광원 모듈(100)과 광학창(700) 사이의 광경로의 길이에서 사용자에 의하여 미리 결정된 가중치(예를 들어, 1.002 ~ 1.005)를 곱하는 것일 수 있다. 예를 들어, 신호 처리부(600)가 라이다 장치 내부의 광원 모듈(100)과 광학창(700) 사이의 광경로의 길이를 산출하는 것은, 상술한 제1 광경로와 제2 광경로의 평균값에서 미리 결정된 가중치를 곱한 값을 산출하는 것일 수 있다. 미리 결정된 가중치는 광학창부(700)의 재질과 라이다 장치(10)가 운용되는 환경(예를 들어, 온도 및 습도)에 따라 달라질 수 있다.

라이다 장치(10)는 수신 광량 확인부(미도시)를 추가로 포함할 수 있다. 여기서, 수신 광량 확인부는 수신측의 수신 광량을 측정한다. 여기서, 수신 광량 확인부는 광학창(700), 수신 반사부(410) 등과 연동하여 대상체(20)로부터 반사되는 수신 광량을 측정하는 모듈로 구현될 수 있으나 반드시 이에 한정되는 것은 아니며, 광 검출부(500)에 연동되거나 광 검출부(500) 내에 포함된 하드웨어 또는 광검출기 내에 설치된 프로그램 형태로 구현될 수도 있다.

신호 처리부(600)는 측정된 수신 광량을 기 설정된 기준 광량과 비교하여 송신 광량, 송신 반사부(230)의 회전각도, 송신 반사부(230)의 회전속도 등을 조정할 수 있다.

구체적으로, 신호 처리부(600)는 측정된 수신 광량이 기준 광량 미만인 경우 송신 광량, 송신 반사부(230)의 회전각도, 송신 반사부(230)의 회전속도 중 적어도 하나를 조정할 수 있다.

신호 처리부(600)는 제1 조정값, 제2 조정값 및 제3 조정값 등 중 하나를 이용하여 수신 광량을 기준 광량 이상으로 조정할 수 있다.

신호 처리부(600)는 기존 송신 광량에 제1 조정값을 적용하여 송신 광량을 조정한 후 측정된 수신 광량이 기준 광량 이상인 경우 송신 광량을 조정된 송신 광량으로 갱신할 수 있다. 또한, 신호 처리부(600)는 기존 송신 반사부(230)의 회전각도에 제2 조정값을 적용하여 송신 반사부(230)의 회전각도를 조정한 후 측정된 수신 광량이 기준 광량 이상인 경우 송신 반사부(230)의 회전각도를 조정된 회전 각도로 갱신할 수 있다. 또한, 신호 처리부(600)는 기존 송신 반사부의 회전속도에 제3 조정값을 적용하여 송신 반사부(230)의 회전속도를 조정한 후 측정된 수신 광량이 기준 광량 이상인 경우 송신 반사부(230)의 회전속도를 조정된 회전 속도로 갱신할 수 있다.

한편, 신호 처리부(600)는 제1 조정값, 제2 조정값 및 제3 조정값 등 중 하나를 이용한 경우에도 측정된 수신 광량이 기준 광량 미만인 경우 제1 조정값, 제2 조정값 및 제3 조정값 각각을 순차적으로 적용하여 수신 광량을 기준 광량 이상으로 조정할 수 있다.

예를 들어, 신호 처리부(600)는 우선적으로 제1 조정값을 적용하여 송신 광량을 조정하고, 제2 조정값 및 제3 조정값을 각각 순차적으로 적용하여 송신 반사부(230)의 회전각도 및 송신 반사부의 회전속도를 조정할 수 있다. 여기서, 조정값을 적용하는 순서는 설정에 따라 변경될 수 있다.

한편, 신호 처리부(600)는 제1 조정값, 제2 조정값 및 제3 조정값 등 중 하나 또는 순차적으로 모두 적용한 경우에도 측정된 수신 광량이 기준 광량 미만인 경우 일부 조정값의 조합으로 조건을 조정하여 수신 광량을 기준 광량 이상으로 조정할 수 있다.

구체적으로, 신호 처리부(600)는 제1 조정값, 제2 조정값 및 제3 조정값 등 중 적어도 하나의 조정값들을 적용하여 수신 광량을 기준 광량 이상으로 조정할 수 있다.

예를 들어, 신호 처리부(600)는 제1 조정값 및 제2 조정값을 조합하여 송신 광량 및 송신 반사부(230)의 회전각도 각각을 조정할 수 있다. 여기서, 신호 처리부(600)는 제1 조정값 및 제2 조정값 각각의 비율을 서로 다르게 반영하여 조합할 수 있다. 즉, 신호 처리부(600)는 제1 조정값 및 제2 조정값에 서로 다른 가중치를 부여한 조합으로 송신 광량 및 송신 반사부(230)의 회전각도 각각을 조정할 수 있다.

신호 처리부(600)는 제1 조정값, 제2 조정값 및 제3 조정값을 통해 조합 가능한 다양한 조건으로 변형하여 조합한 후 이를 적용하여 수신 광량을 기준 광량 이상으로 조정할 수 있다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 라이다 장치의 변형 거울을 나타내는 도면이다.

라이다 장치(10)는 변형 반사부(300), 송신 반사부(230), 수신 반사부(410) 및 광 검출부(500)를 사용하는 광학계 구조로 구현될 수 있다.

송신 반사부(230) 및 수신 반사부(410)는 틸트(Tilt) 구동을 통해 넓은 영역을 스캔할 경우 반사되는 스캔 각도에 따라 제2 광원(120)에서 최초 출력되는 형상 대비 최종 송신 레이저 빔 형상이 변형되며, 이로 인해 라이다 시스템의 분해능 성능이 저하될 수 있다. 따라서, 라이다 장치(10)는 변형 반사부(300)를 더 적용하여 송신하는 광 송신신호의 형상을 보정하여 최종 출력 형상의 변형을 최소화하여 출력하여 성능을 향상시킬 수 있다.

변형 반사부(300)는 하단에 복수의 구동부(310) 및 기판(320)을 포함한다. 구체적으로, 변형 반사부(300)는 기판(320)을 통해 변형 반사부(300)의 뒷면에 배치된 복수의 구동부(310)를 각각 구동하여 변형 반사부(300)의 면을 변형시켜 광 송신신호의 형상을 보정할 수 있다.

수신 반사부를 사용하지 않는 경우, 어레이 검출부를 사용해야 하며, 어레이 검출부를 사용하면 라이다 장치의 측정거리 성능이 저하된다. 이에, 본 발명의 라이다 장치(10)는 수신 반사부(410)를 사용하여 수신부재(420)와 광 검출부(500)에 전달되는 광 수신신호가 송신 스캔 각도가 변화하더라도 일정하게 유지될 수 있다. 이에 따라, 수신부재(420)에 입사되는 광 수신신호의 각도가 일정하여 광섬유가 연결된 광 검출부(500)를 사용할 수 있다.

따라서, 변형 반사부(300)는 송신부재(210)와 빔 스플리터(220)를 통과한 광 송신신호의 형상을 도 3의 (b)와 같이 보정할 수 있다.

신호 처리부(600)는 학습부를 더 포함할 수 있다.

학습부는 (i) 촬영부(800)를 통해 획득한 제1 광 송신신호의 형상을 포함하는 제1 데이터를 제1 입력 영상으로 입력하고, (ii) 제1 입력 영상을 컨볼루션 연산에 따라 필터링하여 제1 입력 영상에 대한 원형 영상을 생성할 수 있다. 이때, 제1 광 송신신호의 형상은 원형화된 형상으로서, 이하에서 제1 광 송신신호의 형상은 원형 노이즈로 나타낸다.

구체적으로, (i) 제1 입력 영상에 대한 원형 영상의 추출은 (i-1)컨볼루션 레이어를 이용하여 제1 입력 영상에 대하여 컨볼루션 연산을 하여 제1 입력 영상에 포함된 원형 노이즈와 관련된 특징을 나타내는 피처맵으로 변환하고, (i-2) 피처맵을 입력 받아 원형 노이즈와 관련된 피처맵을 재구성하여 원형 형상을 생성할 수 있다.

(i-1) 상술한 컨볼루션 레이어를 이용하여 제1 입력 영상에 대하여 컨볼루션 연산을 하여 제1 입력 영상에 포함된 원형 노이즈와 관련된 특징을 나타내는 피처맵으로 변환하는 과정은 (i-1-1) 제1 입력 영상에 대하여 제1 컨볼루션 연산을 수행함에 따라 피처맵을 생성하고, (i-1-2) 제1 컨볼루션 연산의 값을 정규화하며, (i-1-3) 피처맵을 기 설정된 함수에 따라 매핑하여 피처맵을 원형화하여 활성화하고, (i-1-4) 기 설정된 함수에 따라 매핑된 피처맵의 크기를 조정하여, 원형 노이즈와 관련된 특징을 나타내는 피처맵으로 변환할 수 있다.

(i-2) 상술한 피처맵을 입력 받아 원형 노이즈와 관련된 피처맵을 재구성하여 원형 영상의 생성은 (i-2-1)피처맵에 대하여 제2 컨볼루션 연산을 수행함에 따라 원형 노이즈와 관련된 원형맵을 생성하고, (i-2-2) 제2 컨볼루션 연산의 값을 정규화하며 원형맵을 기 설정된 함수에 따라 매핑하여 원형맵을 원형화하여 활성화하며 기 설정된 함수에 따라 매핑된 원형맵의 크기를 제1 입력 영상의 크기와 일치하도록 조정하여 원형 영상을 생성할 수 있다.

상술한 과정을 통해 획득한 원형 영상은 제1 광 송신신호가 아닌 다른 배경 영상에 따른 노이즈를 제거하고, 제1 광 송신신호만을 추출할 수 있다. 또한, 손실 함수를 통해 오차를 최소화하기 위한 가중치를 설정하여 적용하는 과정을 더 수행할 수 있으며, 손실 함수는 제1 입력 영상과, 원형 영상을 기반으로 계산될 수 있다.

이에 따라, 신호 처리부(600)는 제1 입력 영상에 따른 원형 영상을 복수의 픽셀로 나눠 제1 데이터를 생성할 수 있다. 또한, 신호 처리부(600)는 복수의 구동부(310)의 구동의 높낮이를 조절함에 따라 변환되는 변형 반사부(300)의 구동 형상을 복수의 픽셀로 나눠 제2 데이터를 생성할 수 있으며, 송신 반사부(230)가 초기 제어값에 따라 구동되는 틸트에 따른 구동 높낮이에 따라 복수의 픽셀로 나눠 제3 데이터를 생성할 수 있다. 여기서, 제2 데이터 및 제3 데이터는 복수의 구동부(310)의 구동 높이가 높은 경우에는 낮은 경우보다 픽셀 별 영역의 색이 찐하게 나타날 수 있으며, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.

신호 처리부(600)는 학습부를 통해 복수의 대응되는 제1 데이터와 제2 데이터 및 제3 데이터를 포함하는 구동 데이터를 생성할 수 있으며, 이를 통해 송신 반사부(230)의 구동에 따른 제1 광원을 동작하여 촬영부(800)를 통해 획득한 영상을 기반으로 변형 반사부(230)를 구동하는 과정 없이, 목표하는 광 송신신호의 형상에 따라 복수의 구동부(310)를 구동하도록 할 수 있다.

따라서, 신호 처리부(600)는 상술한 딥러닝 학습 과정을 통해 획득한 광 송신신호의 원형 영상을 통해 왜곡이 개선된 정확한 광 송신신호의 형상을 도출할 수 있으며, 이를 바탕으로 목표하는 광 송신신호의 형상에 따른 복수의 구동부(310) 각각의 구동 값을 바탕으로 생성된 구동 데이터를 기반으로 변형 반사부(230)와 송신 반사부(230)의 구동을 수행할 수 있다.

도 4 및 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 변형 거울을 이용하는 라이다 장치의 빔 형상을 나타내는 도면이다.

도 4의 (a) 및 도 5의 (a)는 송신 반사부를 통해 대상체를 향상 반사한 광 송신신호의 형상을 나타내는 도면이다.

도 4의 (a) 및 도 5의 (a)를 참고하면, 송신 반사부(230) 만을 통해 광 송신신호를 대상체를 향해 반사하는 경우, 송신 반사부(230)의 구동 각도에 따라 광 송신신호의 형상이 달라짐을 확인할 수 있으며, 이에 따라 대상체의 전체 형상을 확인하기 어려운 문제가 있다.

도 4의 (b) 및 도 5의 (b)는 본 발명의 일 실시예에 따른 변형 반사부와 송신 반사부를 통해 대상체를 향상 반사한 광 송신신호의 형상을 나타내는 도면이다.

도 4의 (b) 및 도 5의 (b)를 참고하면, 송신 반사부(230)를 통해 광 송신신호가 반사되기 전, 변형 반사부(300)를 통해 광 송신신호의 형상을 변형하여 송신 반사부(230)로 전달하여 대상체를 향해 광 송신신호를 송신할 수 있다. 이에 따라, 송신 반사부(230)의 구동 각도가 달라져도 광 송신신호의 형상일 일정하게 형성되는 것을 확인할 수 있다.

따라서, 라이다 장치(10)는 변형 반사부(300)를 더 적용함에 따라 넓은 스캔 각도에 따른 광 송신신호의 변형을 보상하여, 스캔 각도별 광 송신신호의 형상을 균일하게 보정할 수 있다. 이를 통해 대상체에 조사하는 광 송신신호의 각도에 따른 편차를 제거하여 라이다 장치(10)의 분해능 성능을 향상시킬 수 있으며, 성능 저하 없이 넓은 영역의 각도 범위를 스캔할 수 있다.

도 6 내지 도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 변형 거울을 이용하는 라이다 장치의 운용 방법을 나타내는 흐름도이다. 라이다 장치의 운용 방법은 라이다 장치에 의해 수행되는 것으로, 상술한 도면에서의 라이다 장치와 중복되는 설명은 생략하기로 한다.

도 6을 참고하면, 라이다 장치의 운용 방법은 제1 광원을 통해 송신한 제1 광 송신신호가 송신 반사부를 통해 대상체를 향해 반사되며, 제1 광 송신신호의 빔 형상을 촬영부를 통해 획득하여, 빔 형상을 기반으로 변형 반사부의 구동량을 계산하는 단계(S610), 구동량을 변형 반사부에 적용하여 변형 반사부를 구동하고, 제1 광 송신신호가 기 설정된 형상을 형성하는지 확인하는 단계(S620), 송신 반사부와 동일한 각도로 수신 반사부의 틸트 구동이 수행되도록 수신 반사부와 송신 반사부의 동기화를 점검하는 단계(S630), 동기화되는 경우, 수신 반사부를 통해 광 수신신호를 수신하여 검출부를 통해 광 수신신호를 검출하는 단계(S640) 및 신호 처리부가, 광 검출부의 검출 결과를 이용하여 상기 대상체에 대한 거리 정보를 획득하는 단계(S650)를 포함한다.

라이다 장치의 운용 방법은 도 7 및 도 8을 참고하여 더 자세히 설명한다.

도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 광 송신신호를 송신하는 과정을 나타내는 블록도이고, 도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 광 수신신호를 수신하는 과정을 나타내는 블록도이다.

도 7을 참고하면, 광 송신신호를 송신하는 과정은, 초기 제어값을 전송하는 단계(S710), 송신 반사부를 구동하는 단계(S720), 제1 광원을 동작하는 단계(S730), 촬영부를 통해 영상을 획득하는 단계(S740), 변형 반사부의 구동량을 계산하는 단계(S750), 변형 반사부를 구동하는 단계(S760), 광 송신신호의 형상을 점검하는 단계(S770) 및 제2 광원을 동작하는 단계(S780)를 포함한다.

초기 제어값을 전송하는 단계(S710)는 송신 반사부를 통해 광 송신신호를 대상체를 향해 송신하도록 송신 반사부의 구동 각도를 초기 제어값으로 전송할 수 있으며, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.

송신 반사부를 구동하는 단계(S720)는 전송된 초기 제어값을 기반으로 구동할 수 있다.

제1 광원을 동작하는 단계(S730)는 제1 광 송신신호를 송신하여 변형 반사부와 송신 반사부에 반사되어 대상체를 향상 송신될 수 있다.

촬영부를 통해 영상을 획득하는 단계(S740)는 제1 광 송신신호의 형상을 나타내는 영상을 촬영부를 통해 획득할 수 있다.

변형 반사부의 구동량을 계산하는 단계(S750)는 촬영부를 통해 획득한 제1 광 송신신호의 형상을 기반으로, 변형 반사부의 구동량을 계산할 수 있다. 이때, 변형 반사부의 구동량은 제1 광 송신신호의 형상이 기 설정된 형상을 형성하도록 변형 반사부의 복수의 구동부가 각각 구동하는 구동량을 나타낼 수 있다.

변형 반사부를 구동하는 단계(S760)는 계산된 구동량을 기반으로 변형 반사부가 구동될 수 있다.

광 송신신호의 형상을 점검하는 단계(S770)는 광 송신신호의 형상이 기 설정된 형상을 형성하는 경우 단계 (S780)을 수행하며, 광 송신신호의 형상이 기 설정된 형상을 형성하지 않는 경우 변형 반사부의 구동량을 보정하는 단계(S772)를 다시 수행하여 단계 S750으로 돌아간다.

제2 광원을 동작하는 단계(S780)는 광 송신신호의 형상이 기 설정된 형상을 형성하는 경우 제2 광원을 통해 대상체를 향해 제2 광 송신신호를 송신한다.

도 8을 참고하면, 광 수신신호를 수신하는 과정은 수신 반사부를 구동하는 단계(S810), 송신 반사부 및 수신 반사부의 구동 각도를 수신하는 단계(S820), 송신 반사부 및 수신 반사부를 동기화하는 단계(S830), 동기화를 점검하는 단계(S840), 대상체 데이터를 수신하는 단계(S850), 대상체 거리를 계산하는 단계(S860) 및 대상체 데이터를 전시하는 단계(S870)를 포함한다.

수신 반사부를 구동하는 단계(S810)는 수신 반사부를 송신 반사부와 같도록 구동한다.

송신 반사부 및 수신 반사부의 구동 각도를 수신하는 단계(S820)는 송신 반사부 및 수신 반사부가 구동한 각도를 각각 수신하며, 이를 비교할 수 있다.

송신 반사부 및 수신 반사부를 동기화하는 단계(S830)는 송신 반사부 및 수신 반사부의 구동 각도가 동일하도록 동기화를 수행할 수 있다.

동기화를 점검하는 단계(S840)는 단계 S810 내지 단계 S830을 통해 동기화가 이루어졌는지를 확인하며, 동기화가 이루어지지 않은 경우, 수신 반사부의 동기화를 보정하는 단계(S842)를 수행한다.

동기화를 점검하는 단계(S840)는 동기화가 이루어진 경우, 대상체 데이터를 수신하는 단계(S850)를 수행한다.

대상체 데이터를 수신하는 단계(S850)는 광 수신신호를 통해 대상체의 데이터를 수신할 수 있다.

대상체 거리를 계산하는 단계(S860)는 광 수신신호를 기반으로 대상체와의 거리를 계산할 수 있다.

대상체 데이터를 전시하는 단계(S870)는 대상체와의 거리를 기반으로 대상체를 나타내는 데이터를 전시할 수 있다.

도 6 내지 도 8에서는 각각의 과정을 순차적으로 실행하는 것으로 개재하고 있으나 이는 예시적으로 설명한 것에 불과하고, 이 분야의 기술자라면 본 발명의 실시예의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 도 6 내지 도 8에 기재된 순서를 변경하여 실행하거나 또는 하나 이상의 과정을 병렬적으로 실행하거나 다른 과정을 추가하는 것으로 다양하게 수정 및 변형하여 적용 가능할 것이다.

도 9 및 도 10은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 변형 거울을 이용하는 라이다 장치를 나타내는 도면이다.

도 9 및 도10을 참조하면, 라이다 장치(10)는 광원 모듈(100), 스캐닝부(12), 광 검출부(500) 및 신호 처리부(600)를 포함한다. 여기서, 스캐닝부(12)는 광 송신부(200), 변형 반사부(300), 광 수신부(400)를 포함할 수 있다.

광원 모듈(100)은 광 송신신호를 방출하는 장치이다. 예를 들어, 광원 모듈(100)은 적외선 영역의 광을 방출할 수 있으며, 적외선 영역의 광을 사용하여 태양광을 비롯한 가시광선 영역의 자연광과 혼합되는 것을 방지할 수 있다. 그러나 반드시 적외선 영역에 한정되는 것은 아니며 광원 모듈(100)은 다양한 파장 영역의 광을 방출 할 수 있으며, 이러한 경우 혼합된 자연광의 정보를 제거하기 위한 보정이 요구될 수도 있다.

광원 모듈(100)은 제1 광 송신신호(L1) 및 제2 광 송신신호(L2)을 방출할 수 있다.

스캐닝부(12)는 방출된 제1 광 송신신호(L1) 및 제2 광 송신신호(L2)을 수신하여 스캔영역을 향해 반사하고, 대상체(20)에서 반사된 광 수신신호(L3)를 수신하고, 광 수신신호(L3)를 광 검출부(500)를 향해 송신할 수 있다.

광 검출부(500)는 제2 광 송신신호(L2) 중 스캔영역 상에 위치하는 대상체(20)에 의해 반사(또는 산란)된 광인 광 수신신호(L3)를 검출할 수 있다.

광 검출부(500)는 제2 광 송신신호(L2) 중 대상체(20)에서 반사 또는 산란된 광 수신신호(L3)를 전기 신호, 예를 들어 전류로 변환할 수 있다. 광원 모듈(100)에서 방출된 제2 광 송신신호(L2)는 대상체(20)에 조사되고, 대상체(20)에 의해 반사 또는 산란될 수 있다. 제2 광 송신신호(L2) 중 대상체(20)에 의해 반사 또는 산란된 광을 광 수신신호(L3)라고 한다. 제2 광 송신신호(L2)와 광 수신신호(L3)는 파장이 실질적으로 동일하고 세기가 다를 수 있다.

본 발명의 일 실시 예에 따르면, 광 검출부(500)는 단소자 광 검출부일 수 있으며, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.

광 검출부(500)는 출력된 전류를 전압으로 변환하는 전류-전압 변환 회로 및 전압의 진폭을 증폭시키는 증폭기(미도시)를 더 포함할 수 있다. 이외에도 광 검출부(500)는 특정 주파수의 전기 신호를 필터링하는 필터, 예를 들어, 하이패스 필터를 더 포함할 수 있다.

광섬유 연결 단소자 광 검출부는 일반적인 라이다에 사용되는 어레이형 광 검출부보다 감응도와 응답속도가 높아 고속으로 레이저 신호를 수신할 수 있기 때문에 일반적인 라이다보다 3차원 영상정보의 해상도를 향상 시킬 수 있다.

신호 처리부(600)는 광 검출부(500)의 검출 결과를 이용하여 대상체(20)에 대한 거리 정보를 획득할 수 있다. 신호 처리부(600)는 검출한 광 수신신호(L3)에 기초하여 라이다 장치(10)로부터 스캔영역 상에 위치하는 대상체(20)까지의 거리를 판단할 수 있다. 신호 처리부(600)는 광원 모듈(100)의 광 방출 시간과 광 검출부(500)의 광 검출 시간을 기초로 대상체(20)의 거리를 산출할 수 있다.

또한, 신호 처리부(600)는 광원(100), 스캐닝부(120), 광 검출부(500) 등 라이다 장치(10)의 각 구성요소의 동작을 제어할 수 있다.

보다 상세하게는, 신호 처리부(600)는 광원(100)의 출력 및 펄스반복률을 제어할 수 있고, 후술될 제1 반사부(241)와 제2 반사부(242)의 회전 각도 및 촬영부(800)을 제어할 수 있다. 신호 처리부(600)는 제2 광(L2)을 수신하여 3차원 좌표에 대한 대상체(20)의 거리 정보를 계산할 수 있다.

라이다 시스템은 넓은 스캔 각도와 높은 분해능을 목표로 개발되고 있으나, 스캔 각도가 광각으로 넓어짐에 따라 수신부의 광학계 구성 및 레이저 검출부 성능에 의해 3차원 영상정보 측정거리 및 공간 분해능과 같은 라이다 시스템 성능이 저하된다.

기존 라이다 시스템은 넓은 스캔 각도를 수광하기 위하여 어레이 검출부를 사용하거나, 회전을 통하여 표적의 반사광을 수광한다. 그러나, 어레이 검출부는 단소자 검출부보다 응답시간이 길어서 측정거리가 짧아지고, 각도 분해능이 저하되는 단점을 가지고 있다.

이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 수정, 변경 및 치환이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시 예 및 첨부된 도면들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시 예 및 첨부된 도면에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구 범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

10: 라이다 장치
100: 광원 모듈
110: 제1 광원
120: 제2 광원
200: 광 송신부
210: 송신부재
220: 빔 스플리터
230: 송신 반사부
300: 변형 반사부
400: 광 수신부
410: 수신 반사부
420: 수신부재
500: 광 검출부
600: 신호 처리부
700: 광학창
800: 촬영부
900: 디스플레이부
20: 대상체

Claims (13)

1. 적어도 하나의 광 송신신호를 송신하는 광원 모듈;
   상기 광 송신신호 중 스캔영역 상에 위치하는 대상체에 의해 반사된 광인 광 수신신호를 검출하는 광 검출부;
   상기 적어도 하나의 광 송신신호를 전달받아 송신 반사부를 통해 송신 범위를 조절하여 상기 대상체를 향해 송신하는 광 송신부;
   상기 광원 모듈과 상기 송신 반사부 사이에 구비되어, 상기 적어도 하나의 광 송신신호의 형상을 변형하여 상기 송신 반사부에 반사하는 변형 반사부;
   상기 대상체에 의해 반사된 광 수신신호를 수신하며, 수신 반사부를 통해 상기 광 수신신호의 수신 각도를 조절하여 상기 광 검출부에 전달하는 광 수신부; 및
   상기 광 검출부의 검출 결과를 이용하여 상기 대상체에 대한 거리 정보를 획득하는 신호 처리부를 포함하는 라이다 장치.
2. 제1항에 있어서,
   상기 광원 모듈은,
   상기 변형 반사부를 제어하기 위한 제1 광 송신신호를 송신하는 제1 광원; 및
   상기 대상체와의 거리를 측정하기 위한 제2 광 송신신호를 송신하는 제2 광원을 포함하는 라이다 장치.
3. 제2항에 있어서,
   상기 광 송신부는,
   상기 제1 광 송신신호 및 상기 제2 광 송신신호가 평행광이 되도록 하는 송신부재;
   상기 제1 광 송신신호는 반사하고, 상기 제2 광 송신신호는 투과하도록 구현되어, 상기 제1 광 송신신호 및 상기 제2 광 송신신호가 동일한 경로로 이동하도록 제어하는 빔 스플리터; 및
   상기 제1 광 송신신호 및 상기 제2 광 송신신호를 상기 대상체를 향해 반사하고, 기 설정된 구동 각도에 따라 구동되어 상기 대상체를 스캔하는 스캔 영역을 조정하는 송신 반사부를 포함하는 라이다 장치.
4. 제3항에 있어서,
   상기 제1 광 송신신호 및 상기 제2 광 송신신호의 파장대역을 투과하는 성능을 형성하는 광학창을 더 포함하고,
   상기 광학창은, 상기 송신 반사부 및 상기 수신 반사부의 전면에 구비되는 것을 특징으로 하는 라이다 장치.
5. 제3항에 있어서,
   상기 송신 반사부는,
   수평 또는 수직 방향으로 틸트 구동을 수행하여 상기 수평 또는 수직 방향의 시야(Field of View, FOV)를 조절하여 스캔하며, 상기 구동 각도에 따라 스캔 각도의 범위가 결정되고, 초기 제어값을 기반으로 틸트 구동이 수행되는 것을 특징으로 하는 라이다 장치.
6. 제5항에 있어서,
   상기 변형 반사부는,
   상기 송신 부재를 통해 평행광으로 형성되는 상기 제2 광 송신신호의 형상을 변형하여 상기 송신 반사부에 반사하고,
   상기 제2 광 송신신호의 형상의 변형량은 상기 스캔 각도를 고려하여 설정되는 것을 특징으로 하는 라이다 장치.
7. 제6항에 있어서,
   상기 변형 반사부는,
   상기 변형 반사부의 후단에 조립되어, 상기 수평 또는 수직 방향으로 틸트 구동을 수행하는 복수의 구동부; 및 상기 복수의 구동부의 동작을 제어하는 기판을 더 포함하고,
   상기 복수의 구동부는, 상기 제2 광 송신신호의 초기 형상을 기반으로 계산된 구동량에 따라 상기 제1 광 송신신호가 기 설정된 형상을 유지하도록 각각 구동되는 것을 특징으로 하는 라이다 장치.
8. 제1항에 있어서,
   상기 광 수신부는,
   상기 광 수신신호를 수신하며, 상기 송신 반사부와 동기화되어 상기 송신 반사부와 동일한 각도로 틸트 구동을 수행하는 수신 반사부; 및
   상기 수신 반사부와 상기 광 검출부 사이에 구비되며, 상기 수신 반사부에 반사된 광 수신신호를 집속하여 상기 광 검출부에 전달하는 수신부재를 포함하는 라이다 장치.
9. 제8항에 있어서,
   상기 광 검출부는,
   광섬유로 연결되며, 상기 수신부재에서 집속된 상기 광 수신신호가 상기 광섬유에 집속되어, 상기 광섬유를 통해 상기 광 수신신호가 전달되는 것을 특징으로 하는 라이다 장치.
10. 제9항에 있어서,
    상기 광 검출부는,
    InGaAs 계열의 PIN 타입, APD 타입 또는 SPAD 타입으로 구성되는 것을 특징으로 하는 라이다 장치.
11. 제2항에 있어서,
    상기 제1 광원에서 출력되는 제1 광 송신신호의 형상을 통해 상기 제1 광 송신신호의 패턴을 획득하는 촬영부를 더 포함하고,
    상기 촬영부 및 상기 제2 광원은, 상기 변형 반사부를 최초로 구동하여 구동 데이터를 획득하는 경우에만 사용하며, 상기 제1 광 송신신호가 기 설정된 형상을 형성하는 경우 구동이 정지되는 것을 특징으로 하는 라이다 장치.
12. 제1항에 있어서,
    상기 신호 처리부는,
    상기 광원 모듈의 제2 광원의 출력 및 펄스 반복률, 상기 송신 반사부의 구동 각도, 상기 수신 반사부의 구동 각도, 상기 변형 반사부의 변형량을 제어하며, 상기 광 송신신호 및 상기 광 수신신호를 통해 상기 대상체에 대한 거리 정보를 계산하는 것을 특징으로 하는 라이다 장치.
13. 라이다 장치에 의한 라이다 장치 운용 방법에 있어서,
    제1 광원을 통해 송신한 제1 광 송신신호가 송신 반사부를 통해 대상체를 향해 반사되며, 상기 제1 광 송신신호의 빔 형상을 촬영부를 통해 획득하여, 상기 빔 형상을 기반으로 변형 반사부의 구동량을 계산하는 단계;
    상기 구동량을 상기 변형 반사부에 적용하여 상기 변형 반사부를 구동하고, 상기 제1 광 송신신호가 기 설정된 형상을 형성하는지 확인하는 단계;
    상기 제1 광 송신신호가 기 설정된 형상을 형성하는 경우, 제2 광원을 통해 제2 광 송신신호를 송신하는 단계;
    상기 송신 반사부와 동일한 각도로 수신 반사부의 틸트 구동이 수행되도록 상기 수신 반사부와 상기 송신 반사부의 동기화를 점검하는 단계;
    상기 동기화되는 경우, 상기 수신 반사부를 통해 광 수신신호를 수신하여 광 검출부를 통해 상기 광 수신신호를 검출하는 단계; 및
    신호 처리부가, 상기 광 검출부의 검출 결과를 이용하여 상기 대상체에 대한 거리 정보를 획득하는 단계를 포함하는 라이다 장치 운용 방법.

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