KR102639046B1 - LiDAR 시스템용 광학 배열체, LiDAR 시스템, 및 작동 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은, (ｉ) 부분적으로 동축인 빔 경로들(31, 61)을 구비하도록 형성된 수신기 광학 수단(30) 및 송신기 광학 수단(60); (ⅱ) 특히 기본이 되는 LiDAR 시스템의 시야(50)의 영역에 형성되어 있는 선형 배향(65-2)을 갖는 선형 광원(65-1); 및 (ⅲ) 수신기 광학 수단(30)의 빔 경로(31)의 검출기 측 영역의 2축 분기를 위해 하나의 공통 동축 영역으로부터, 수신기 광학 수단(30) 및 송신기 광학 수단(60)의 빔 경로들(31, 61)의 분리된 2축 영역으로의 천이 영역에 있는 편향 유닛(80);을 갖는, LiDAR 시스템(1)용 광학 배열체(10)에 관한 것이다. 편향 유닛(80)은, 세로 연장 방향(84')으로는 더 큰 연장부(84)를 갖고 가로 연장 방향(85')으로는 더 작은 연장부(85)를 갖는 장공(83)을 구비한 홀 미러(81)를 구비하고, 장공(83)의 세로 연장 방향(84')은 선형 광원(65-1)의 선형 배향(65-2)에 수직으로 정렬되어 있다.

Description

LiDAR 시스템용 광학 배열체, LiDAR 시스템, 및 작동 장치

본 발명은, LiDAR 시스템용 광학 배열체, LiDAR 시스템 그 자체, 그리고 작동 장치 및 특히 차량에 관한 것이다.

작동 장치들, 차량들 그리고 여타 기계들 및 설비들을 사용하는 경우에는, 작동 주변 환경을 검출하기 위한 센서 배열체들 또는 작동 지원 시스템들이 점점 더 많이 사용되고 있다. 레이더 기반 시스템들 또는 초음파 기반 시스템들 외에, 광 기반 검출 시스템, 예컨대 소위 LiDAR 시스템(LiDAR: light detection and ranging)들도 점점 더 많이 사용되고 있다.

공지된 LiDAR 시스템들 및 이 시스템들의 광학 배열체들에서는, 송신기 광학 수단 및 수신기 광학 수단의 빔 경로들이 동축인 경우에 빔 출력 측 또는 빔 입력 측에서 종래 방식에 따라 빔 스플리터가 사용되는데, 이 빔 스플리터는 LiDAR 시스템의 확대된 설치 공간으로 선형 조명이 이루어지는 경우에 수신 애퍼처를 축소시키며 그리고/또는 빔 출구에서의 빔 직경을 감소시킨다는 단점이 있다.

종래 기술에 비하여, 청구항 제1항의 특징부들을 갖는 LiDAR 시스템용의 본 발명에 따른 광학 배열체는, 설치 공간 확대 없는 선형 조명의 경우, LiDAR 시스템의 빔 출구에서 빔 직경이 큰 경우에는 수신 애퍼처의 축소 없이 선형 조명 빔이 방출될 수 있다는 장점을 갖는다. 이와 같은 장점은 본 발명에 따라 청구항 제1항의 특징부들에 의하여, (ｉ) 부분적으로 동축인 빔 경로들을 구비하는 수신기 광학 수단 및 송신기 광학 수단; (ⅱ) 특히 기본이 되는 LiDAR 시스템의 시야에 형성되어 있는 선형 배향을 갖는 선형 광원; 및 (ⅲ) 수신기 광학 수단의 빔 경로의 검출기 측 영역의 2축 분기를 위해 (특히 송신기 광학 수단의 빔 출구 측에 또는 수신기 광학 수단의 빔 입구 측에 있는) 하나의 공통 동축 영역으로부터, (특히 검출기 측에 또는 소스 측에 있는) 수신기 광학 수단 및 송신기 광학 수단의 빔 경로들의 분리된 2축 영역으로의 천이 영역에 있는 빔 스플리터 유닛으로서의 편향 유닛;을 갖도록 형성된, LiDAR 시스템용 광학 배열체가 제공됨으로써 달성된다.

이 경우, 편향 유닛은 본 발명에 따라, 특히 선형 광원으로부터 유래하는 1차 광을 통과시키기 위해 세로 연장 방향으로는 더 큰 연장부를 갖고 가로 연장 방향으로는 더 작은 연장부를 갖는 장공을 구비한 홀 미러를 구비한다. 또한, 장공의 세로 연장 방향은 본 발명에 따라 기본이 되는 선형 광원의 선형 배향에 수직으로 정렬되어 있다.

본 발명과 관련하여, 편향 유닛은 각각 동의어로서 또한 전향 유닛으로, 빔 스플리터 유닛으로 또는 빔 스플리터로도 지칭될 수 있다.

본 발명과 관련하여, 소위 레이저 라인은 바람직한 방식으로 광원 유닛으로부터 소정의 거리를 두고서 그리고 원하는 품질의 편향 유닛을 갖는 영역을 통과한 후에 비로소 형성되는데, 다시 말하자면 광원 유닛에 의해 사전 설정된 그리고 편향 유닛에 의해 추가로 구현된 선형 배향을 구비하여 형성된다.

종속 청구항들은 본 발명의 바람직한 개선예들을 보여준다.

LiDAR 시스템용의 본 발명에 따른 광학 배열체의 바람직한 일 실시예에서, 개별 편향 유닛의 세로 방향 연장부와 가로 방향 연장부는 서로에 대해 그리고/또는 송신기 광학 수단 및 수신기 광학 수단의 애퍼처 및 또 다른 기하학적 특성에 대해 적합한 방식으로 비례 설정된다.

상기 실시예에서는, 특히 편향 유닛 상에서 가로 방향 연장부 대 세로 방향 연장부의 비율이 적어도 2:1의 값, 바람직하게는 적어도 3:1의 값, 그리고 더욱 바람직하게는 적어도 4:1의 값을 갖는 것이 제안되었다.

LiDAR 시스템용의 본 발명에 따른 광학 배열체의 다른 추가적인 또는 대안적인 일 실시예에서는, 송신기 광학 수단의 빔 경로의 애퍼처의 직경 또는 편향 유닛 상의 세로 방향 연장부가, 수신기 광학 수단의 빔 경로의 애퍼처에 대한 비율에서 대략 1:14 내지 대략 1:7의 범위 내에 있는 값을 갖는다.

편향 유닛을 구성하는 경우 그리고 장공의 상응하는 기하 구조를 선택하는 경우에는, 수신기 광학 수단 및 송신기 광학 수단의 개별적인 적용예 및 기하 구조에 매칭되는 다양한 기하학적 구성들이 제공된다.

따라서, LiDAR 시스템용의 본 발명에 따른 광학 배열체의 바람직한 일 개선예에 따르면, 편향 유닛의 장공은 편향 유닛에 대한 평면도 상으로 볼 때에 직사각형 형상, 양면이 볼록한 타원 형상, 양면이 오목한 형상 또는 이중 메니스커스(meniscus) 형상을 갖는다.

LiDAR 시스템용의 본 발명에 따른 광학 배열체의 다른 바람직한 일 실시예에서는, 송신기 광학 수단 및 수신기 광학 수단이, 송신기 광학 수단의 빔 출구 측에 그리고/또는 수신기 광학 수단의 빔 입구 측에 적어도 부분적으로 또는 섹션별로 서로 동축인 빔 경로들을 갖도록 형성되어 있다.

상기 실시예에서는, 편향 유닛이 송신기 광학 수단의 광원 유닛의 측에서 그리고 수신기 광학 수단의 검출기 배열체의 측에서 적어도 부분적으로 또는 섹션별로 2축인 빔 경로를 형성하는 경우가 특히 장점이 된다.

본 발명에 따른 광학 배열체의 특히 콤팩트한 구성에 도달하기 위해, 다른 바람직한 일 실시예에 따라, 수신기 광학 수단이, 특히 편향 유닛의 부분이거나 편향 유닛을 형성하는 2개 또는 3개의 보조 미러(secondary mirror)들, 즉 하나의 입력 측 제1 보조 미러와, 오목한 미러로서의 하나 또는 복수의 보조 미러와, 그리고/또는 반사 작용을 하는 특히 평탄한 형상의 대역 통과 필터의 유형에 따른 보조 미러들 중 하나를 갖는, 여러 번 접힌 빔 경로를 구비하는 것이 소개되어 있다.

또한, 본 발명은, 특히 작동 장치 및/또는 차량을 위한, 시야의 광학적 검출을 위한 LiDAR 시스템과도 관련이 있다. LiDAR 시스템은, 본 발명에 따른 광학 배열체를 구비하도록 형성되어 있다.

더 나아가, 본 발명은, 본 발명에 따른 LiDAR 시스템을 구비하도록 형성되고 시야의 광학적 검출을 위해 형성된 작동 장치 및 특히 차량과도 관련이 있다.

첨부된 도면들을 참조하여, 본 발명의 실시예들이 상세하게 기술된다.
도 1은 본 발명에 따른 LiDAR 시스템의 일 실시예와 관련된 본 발명에 따른 광학 배열체의 일 실시예를 개략적으로 도시하는 블록 회로도이며,
도 2 내지 도 4는 장공을 갖는 홀 미러를 갖춘 편향 유닛을 구비하는 본 발명에 따라 구성된 LiDAR 시스템용의 본 발명에 따른 광학 배열체의 일 실시예의 개략적이고 부분적으로 절단된 측면도들을 도시하고,
도 5 내지 도 7은 LiDAR 시스템용의 본 발명에 따른 광학 배열체의 실시예에서 사용될 수 있는 편향 유닛들에 대한 개략적인 평면도들을 도시하며, 그리고
도 8 내지 도 10은 접힌 수신기 광학 수단을 갖는 본 발명에 따라 구성된 LiDAR 시스템에 대한 개략적이고 부분적으로 절단된 측면도들을 도시한다.

이하에서는, 도 1 내지 도 10을 참조하여, 본 발명의 실시예들 및 기술적인 배경이 상세하게 기술된다. 동일하고 동등한 그리고 동일하거나 동등한 작용을 하는 요소들 및 구성 요소들은 동일한 참조 부호로써 지시된다. 지시된 요소들 및 구성 요소들에 대한 상세한 설명은 이들 요소들 및 구성 요소들이 출현하는 모든 경우에 재현되지는 않는다.

도시된 특징부들 및 또 다른 특성들은, 본 발명의 핵심을 벗어나지 않으면서 임의의 형태로 상호 분리될 수 있고 임의로 서로 조합될 수 있다.

도 1은, 본 발명에 따른 광학 배열체(10)의 일 실시예를 사용해서, 본 발명에 따른 LiDAR 시스템(1)의 일 실시예를 개략적인 블록 회로도의 형태로 보여준다.

도 1에 따른 LiDAR 시스템(1)은, 광원 유닛(65)에 의해 예컨대 선형 배향(65-2)을 갖는 선형 광원(65-1)으로서의 레이저가 공급되고, 1차 광(57)을 생성하며, 이 1차 광을 [필요에 따라서는 빔 성형 광학 수단(66)을 통과한 후에] 무대(53) 및 그곳에 있는 대상물(52)을 검출 및/또는 검사하기 위해 시야(50) 내로 방출하는 송신기 광학 수단(60)을 구비한다.

또한, 도 1에 따른 LiDAR 시스템(1)은, 광 및 특히 시야(50) 내의 대상물(52)로부터 반사된 2차 광(58)으로서의 광을 1차 광학 수단으로서의 대물부(34)를 통해 수신하고, 2차 광학 수단으로서의 검출기 광학 수단(35)을 통해 검출기 요소 또는 센서 요소(22)를 갖는 검출기 배열체(20)로 전송하는 수신기 광학 수단(30)을 구비한다.

광원 유닛(65)의 그리고 검출기 배열체(20)의 제어는, 제어 및 평가 유닛(40)을 이용하여 제어 라인들(42 또는 41)을 통해서 이루어진다.

시야 측의 공통 편향 광학 수단(62)은, 수신기 광학 수단(30)의 1차 광학 수단(34)의 부분으로서 간주될 수 있고, 도 1에 순전히 개략적으로 도시되어 있는 상응하는 편향 유닛(80)을 갖는 광학 배열체(10)의 본 발명에 따른 구성을 갖는다.

선택적으로 그리고 바람직하게, 애퍼처 광학 수단(70)을 시야 측에 제공하는 것은, 1차 광(57)을 적합하게 출력하기 위함이고, 2차 광(58)을 다발(bundle) 형태로 수신하기 위함이다.

검출기 배열체(20)는, 또한 선형 검출기의 유형에 따라 선형 광원(65-1)의 선형 배향(65-2)에 상응하게 배열될 수도 있는 하나 또는 복수의 센서 요소(22)를 구비하도록 형성될 수 있다.

광학 배열체(10)는, 특히 작동 장치, 차량 등을 위한, 시야(50)의 광학적 검출을 위한 LiDAR 시스템(1)을 위해 형성되어 있고, 송신 광 신호를 시야(50) 내로 방출하기 위한 송신기 광학 수단(60), 검출기 배열체(20), 및 검출기 배열체(20) 상에 시야(50)를 광학적으로 결상하기 위한 수신기 광학 수단(30)을 구비하도록 형성되어 있다.

수신기 광학 수단(30) 및 송신기 광학 수단(60)은, 실질적으로 동축인 광학 축들을 시야 측에 구비하도록 형성되어 있고, 공통의 편향 광학 수단(62)를 구비한다.

수신기 광학 수단(30)은 검출기 측에 2차 광학 수단(35)을 구비하며, 2차 광학 수단은, 시야(50)로부터 편향 광학 수단(62)을 통해 입사되는 광을 내재적으로 검출기 배열체(20)로 향하게 하도록 형성되어 있고, 이와 같은 형성을 위한 수단을 포함한다.

광학 배열체(10)에서, 송신기 광학 수단(60)은 일반적으로 형성되어 있고, 시야(50) 내로 1차 광(57)을 방출하기 위한 수단을 구비한다.

또한, 광학 배열체(10)에서, 수신기 광학 수단(30)은 시야(50)를 검출기 배열체(20) 상에 광학적으로 결상하도록 형성되어 있고, 이와 같은 형성을 위한 수단을 구비한다.

도 2 내지 도 4는, 장공(83)을 갖는 홀 미러(81)를 갖춘 편향 유닛(80)을 구비하는, 본 발명에 따라 구성된 LiDAR 시스템(1)용의 본 발명에 따른 광학 배열체(10)의 일 실시예의 개략적인 그리고 부분적으로 절단된 측면도들을 보여준다.

상응하는 빔 경로(61)를 갖는 송신기 광학 수단(60)은, 예컨대 도 2에 도시된 배열 상태에서 예컨대 투영면 내로 배향되어 있는 선형 배향(65-2)을 갖는 선형 레이저 형태의, 선형 광원(65-1)을 갖는 광원 유닛(65)을 포함한다. 송신기 광학 수단(60)의 빔 경로(61) 내에서는, 제1 시준기 광학 수단(66-1) 및 제2 시준기 광학 수단(66-2)을 갖는 빔 성형 광학 수단(66)이 접속된다.

작동 중에 선형 광원(65-1)에 의해 생성되고 방출된 1차 광(57)은 도 2에 도시된 광학 배열체(10) 내에서, 미러 바디(82) 및 장공(83)을 갖는 홀 미러(81)를 갖춘 편향 유닛(80)으로 향하므로, 1차 광(57)은 장공(83)을 통과하게 된다. 1차 광(57)의 빔은 장공(83)을 통과하고, 다시 말해 장공으로부터 투과되지만, 이 경우 빔 특성은 변경되지 않는다. 바람직한 방식으로, 1차 광(57)은 상응하게 장공(83)의 평면에 포커싱 되어 있다. 이와 같은 상황은 도면들에 순전히 개략적으로만 도시되어 있다.

1차 광(57)이 편향 유닛(80)을 통과한 후에, 1차 광(57)은 수신기 광학 수단(30) 및 송신기 광학 수단(60)을 위한 동축 빔 경로들(31 및 61)을 따라서 자신의 전파를 이어가고, 최종적으로 본 도면에 다만 개략적으로만 도시된 시야(50) 방향으로 광학 배열체(10)를 벗어난다.

자체 빔 경로(31)를 갖는 수신기 광학 수단(30)은, 편향 유닛(80)의 홀 미러(81)의 미러 바디(82)의 비교적 큰 면적에 걸쳐 시야(50)로부터의 2차 광(58)을 수신한다.

편향 유닛(80)은, 검출기 배열체(20)에 할당되어 있고 시야(50)로부터 다른 쪽을 향하는 수신기 광학 수단(30)의 빔 경로(31)의 영역이, 송신기 광학 수단(60)의 빔 경로(61)에 그리고 시야(50) 쪽을 향하는 수신기 광학 수단(30)의 빔 경로(31)의 영역에 수직으로 배향되어 있도록 기울기를 갖는다.

검출기 광학 수단으로도 지칭될 수 있는 2차 광학 수단(35)에 의해서는, 2차 광(58)이 검출기 배열체(20) 상으로 투사되고 검출을 위해 공급된다.

도 5 내지 도 7은, LiDAR 시스템(1)용의 본 발명에 따른 광학 배열체(10)의 실시예들에서 사용될 수 있는 편향 유닛들(80)의 개략적인 평면도들을 보여준다.

도 5 내지 도 7의 실시예들에서, 편향 유닛(80)은 미러 바디(82) 및 장공(83)을 갖는 홀 미러(81)를 각각 구비한다. 각각의 장공(83)은, 세로 연장 방향(84')으로 세로 방향 연장부(84)와, 가로 연장 방향(85')으로 가로 방향 연장부(85)를 갖는다. 가로 방향 연장부(85)는 세로 방향 연장부(84)보다 작으므로, 미러 본체(82) 내의 홀(83)은 장공으로서, 슬릿으로서 또는 슬롯으로서 보이게 된다. 개별 세로 연장 방향(84')은, 기본이 되는 선형 광원(65-1)의 선형 배향(65-2)에 수직으로 형성되어 있다. 도 5 내지 도 7의 경우에, 가로 연장 방향(85')은 세로 연장 방향(84')에 수직으로 그리고 선형 배향(65-2)에 평행하게 형성되어 있다.

도 5에 따른 편향 유닛(80)의 실시예의 장공(83)은 직사각형 형상을 갖는다. 이 경우, 직사각형의 긴 변은 세로 연장 방향(84')에 평행하게 정렬되어 있다. 직사각형의 짧은 변은 가로 연장 방향(85')에 평행하게 정렬되어 있다.

도 6에 따른 편향 유닛(80)의 실시예의 장공(83)은, 세로 연장 방향(84')에 평행한 장반축의 배향을 갖는 타원의 형상을 갖는다. 타원의 단반축은 가로 연장 방향(85')에 평행하게 정렬되어 있다.

도 7에 따른 편향 유닛(80)의 실시예의 장공(83)은, 평면도 상으로 볼 때 이중으로 오목한 형상 또는 이중 메니스커스의 형상을 갖는다. 이와 같은 형상은, 장공(83)의 단부들에서의 가로 방향 연장부(85)가 장공(83)의 중심 영역에서의 가로 연장 방향(85")보다 크다는 것을 의미한다.

도 8 내지 도 10은, 접힌 수신기 광학 수단(30)을 갖는, 본 발명에 따라 구성된 LiDAR 시스템(1)에 대한 개략적인 그리고 부분적으로 절단된 단면도들을 보여준다.

수신기 광학 수단(30)의 개별 빔 경로들(31)은 도 8 내지 도 10에 따른 실시예들에서 접힌 형상으로 존재하는데, 다시 말해 도 8에 따른 실시예에서는 2개 이상의 보조 미러들(91, 92)의 사용에 의해서 그리고 바람직하게는 도 9 및 도 10에 따른 실시예들에서는 3개의 보조 미러들(91, 92, 93)의 사용에 의해서 접힌 형상으로 존재한다.

광 입구 측 및 광 출구 측을 기준으로 제1의 개별 보조 미러(91)는 본 발명의 의미에서 편향 유닛(80)을 동시에 형성하고, 장공(83)을 갖는 홀 미러(81)로서 구성되어 있다. 이 경우, 장공(83)은, 무대(53) 및 그곳에 포함된 대상물(52)을 조명하기 위해 시야(50) 내로 방출하기 위한 1차 광(57)의 통과 및 빔 성형을 위해 형성되어 있다.

1차 광(57)은, 각각 광원 유닛(65)의 부분으로서의, 선형 배향(65-2)을 갖는 선형 광원(65-1)에 의해 생성되고, 제1 시준기 광학 수단(66-1) 및 제2 시준기 광학 수단(66-2)을 갖는 빔 성형 광학 수단(66)을 통해 그리고 편향 광학 수단(62)의 미러(63)를 통해, 제1 보조 미러(91)로서의 편향 유닛(80)인, 홀 미러(81)의 장공(83) 방향으로 향하게 된다.

본 발명에 따른 LiDAR 시스템(1)의 전체 광학 배열체(10)는, 상응하는 메커니즘에 의해서 회전축(100)을 중심으로 회전될 수 있고, 이 경우에는 회전시에 효과적인 직경(101)을 갖는다.

도 8에 따른 광학 배열체(10)에서 빔 경로(31)를 갖는 수신기 광학 수단(30)은, 제1 보조 미러(91) 외에 제2 보조 미러(92)를 구비하며, 이 제2 보조 미러는 제1 보조 미러(91)로부터 2차 광(58)을 수신하고, 이 광을 필터(23)의 통과를 위해 검출기 배열체(20)로 향하게 한다. 본 실시예에서, 제1 및 제2 보조 미러(91 및 92)는 오목한 만곡형 미러로서 형성되어 있다.

도 9에 따른 광학 배열체(10)에서 빔 경로(31)를 갖는 수신기 광학 수단(30)은, 제1 보조 미러(91) 외에 오목한 만곡형 미러 형상의 제2 및 제3 보조 미러(92 및 93)를 구비한다. 제2 보조 미러(92)는 제1 보조 미러(91)로부터 2차 광(58)을 수신하고, 이 광을 제3 보조 미러(93)로 전달하며, 제3 보조 미러는 자신의 측에서 2차 광(58)이 필터(23)를 통과하여 검출기 배열체(20) 상에 결상되도록 보장해준다.

도 10에 따른 광학 배열체(10)에서 빔 경로(31)를 갖는 수신기 광학 수단(30)은 도 9의 배열체와 유사한 구조를 갖지만, 제2의 오목한 보조 미러(92)는 평탄한 대역 통과 필터(36)로 대체되어 있다.

바람직한 방식으로, 도 8 내지 도 10에 따른 본 발명에 따른 LiDAR 시스템의 실시예들에서는, 미러 또는 마이크로 미러(63)의 초점 및 이로써 1차 광(57)의 빔의 초점이, 빔 스플리터 유닛으로서 기능하는 편향 유닛(80)의 보조 미러(91)로서의 홀 미러(81)의 개별 홀(83)의 평면에 놓여 있다. 이와 같은 상황은 도 8 내지 도 10에 개략적으로 도시되어 있다.

본 발명의 상기와 같은 그리고 또 다른 특징부들 및 특성들은 하기 내용들을 참조하여 계속 설명된다:

LiDAR 시스템(1)에서, 공간 해상도는 하나의 더 큰 영역, 예컨대 하나의 라인의 동시적인 또는 순차적인 조명에 의해서, 그리고 결상용 광학 수단 및 검출기 어레이 또는 검출기 행을 이용한 수신 측 구별에 의해서 실현될 수 있다.

이 경우에는, 특히 공간 절약적인 방식으로 그리고 적은 비용으로써, 서로 동축인 출력 측 및 입력 측 실시예들이 구성될 수 있으며, 이와 같은 실시예들에서는 출력 측 송신 경로(61) 및 입력 측 수신 경로(31)가 부분적으로 일치한다.

본 발명에 따라 소개된 바와 같은 동축 구성은, 도 2 내지 도 7과 관련하여 개략적으로 도시되어 있는 바와 같이, 한 편으로는 빔 스플리터(80)의 제공을 토대로 하고, 다른 한 편으로는 홀 미러(81)를 갖춘 빔 스플리터의 구성을 토대로 한다.

홀 미러(81)의 경우, 미러 바디(82) 내의 개구(83)는, 송신 빔을 1차 광(57)으로서 통과시키기 위해 그리고 주변으로부터 반사된 2차 광(58)의 의미에서의 신호를 미러 바디(82)의 나머지 미러 표면을 통해 수신하기 위해 사용된다. 이와 같은 상황도 도 2 내지 도 7에 개략적으로 도시되어 있다.

이 목적을 위해, 예컨대 시준된 레이저 빔이 1차 광(57)으로서 방사된다. 일반적으로는 큰 빔 직경을 방출하는 것이 유리한데, 그 이유는 이와 같은 방식이 안구 안전성의 이유에서 바람직하고, 더 나아가서는 주어진 빔 품질에서 더 적은 빔 발산을 가능하게 하기 때문이다. 더욱이, 큰 측정 거리에서 충분히 높은 신호 강도를 얻기 위하여, 타깃 또는 대상물(52)에서 반사된 광(58)의 검출을 위해 이용할 수 있는 면을 가급적 많이 갖는 것도 바람직하다.

이와 같은 두 가지 요구 사항들의 조합이 LiDAR 시스템을 위한 종래의 배열 상태에서는 모순이 되는데, 그 이유는 더 큰 빔의 방출이 수신 애퍼처를 축소시키기 때문이다.

본 발명에 따라, 이제부터는, 동축 LiDAR 시스템(1)에서, 수신 애퍼처를 크게 축소시키지 않는 동시에 상기 시스템의 출구 표면에서의 큰 빔 직경을 보장하는 선형 조명 빔(플래시 라인 또는 라인 플래시)이 빔 스플리터(80)로서의 미러(81) 내에 있는 개구(83)를 통해 어떻게 방출될 수 있는지에 대한 절차가 기술된다.

그에 상응하게, 본 발명의 주요 특징부들은 다음과 같다:

- 동축 LiDAR 시스템(1)을 형성하는 단계,

- 다시 말해, 1차 광(57)으로서의 빔이 전파 방향에 수직인 제1 방향으로는 시준되며, 전파 방향에 수직이고 특히 또한 제1 방향에도 수직인 제2 방향으로는 발산된 상태로 성형됨으로써, 하나의 라인을 형성하는 단계,

- 홀 미러(81) 형상의 빔 스플리터(80)로서의 수신 미러 내의 개구(83)를 통해 1차 광(57)으로서의 레이저 빔을 안내하는 단계,

- 홀 미러(81)의 미러 홀(83)로서의 슬릿 상으로 또는 그 슬릿 가까이에, 특히 미러 바디(82) 내에 있는 개구(83)의 좁은 측 상으로 또는 하나의 좁은 측 상으로 또는 하나의 좁은 측 내로 또는 그 좁은 측 내로 발산 축을 포커싱하는 단계,

- 미러 바디(82)의 개구(83)의 긴 변에 상응하게, 비-발산 축을 시준하는 단계,

- 미러 바디(82)의 개구(83)의 긴 측을, 미러 바디(82)의 개구(83)의 좁은 측에 비해 2배 이상만큼 형성하는 단계, 및/또는

- 편향 유닛(80)의 미러 바디(82) 내에 있는 미러 홀(83)에 의해서 형성되는 슬릿의 배향과 비교하여 파 필드(far field)에서의 라인의 회전을 달성하는 단계.

다음과 같은 사항들이 장점으로서 나타난다:

- 치수가 작은 동축 레이저 시스템이 사용될 수 있으며, 이 경우에는 장치 애퍼처의 대부분이 신호 검출을 위해 사용할 수 있다.

- 1차 광으로서의 방출된 빔(57)은 빔 출구의 위치에서 이미 큰 빔 직경을 가지며, 이와 같은 사실은 안구 안전성을 위해 중요하다.

- 이 경우에는 시준된 빔도 마찬가지로 큰 빔 직경을 가지며, 이로 인해 발산이 적은 빔의 방출이 가능해진다.

기본적인 구조는 도 2에 도시되어 있다.

광원 유닛(65)의 광원(65-1)으로서의 레이저로부터 방출된 1차 광(57)으로서의 빔은, 예컨대 2개의 원통형 렌즈들(66-1, 66-2) 또는 하나의 대칭 렌즈를 갖는 적합한 광학 수단, 특히 빔 성형 광학 수단(66)의 도움으로 성형된다. 이 경우, 레이저(65-1)는, 추후에 라인의 좁은 측을 나타내는 축 내에서, 도 4와 관련하여 도시된 바와 같이 적은 발산이 나타나도록 성형된다.

이 경우에는, 1차 광(57)의 빔의 시준이 특히 바람직하다. 이 경우, 1차 광(57)의 빔의 발산은 빔 직경에 좌우되는데, 다시 말하자면 빔 허리 또는 빔 웨이스트(beam waist)로서도 지칭되는 최소 빔 직경, 및 빔(57)의 빔 품질에 좌우된다.

빔 직경이 클수록, 발산은 그만큼 더 적어진다.

일반적으로는, 매우 적은 발산이 요구되며, 이로 인해서는 이러한 공간 방향으로의 큰 빔 직경이 바람직하다. 다른 공간 방향으로는, LiDAR 시스템으로부터 소정의 거리 뒤에서 선형의 광 분포 또는 선형상에 따른 조명이 나타나도록, 빔이 비교적 큰 발산을 가지게 된다.

본 발명에 따르면, 이러한 발산은, 도 3과 관련하여 도시된 바와 같이, 미러(81)의 개구(83) 가까이에 있는 중간 초점을 통해서 발생된다.

이미 언급된 바와 같이, 미러(81)는 미러 바디(82) 내에 개구(83)를 갖고, 이 개구는 높이보다 2배 이상만큼 더 넓은 폭 또는 더 긴 길이를 가지며[이러한 축 내에서 빔(57)은 시준되어 있음], 여기에 발산 축의 초점이 있다.

이 경우, 방출된 빔은, 미러에 의해 영향을 받지 않으면서, 빔 스플리터(80)로서의 홀 미러(81)의 미러 바디(82)의 개구(83)를 1차 광(57)으로서 통과한다. 수신된 빔만이 2차 광(58)으로서 미러 바디(82)의 미러 표면을 통해 결상용 광학 수단(대물부) 및 검출기 배열체(20) 상으로 편향된다.

본 발명에 따른 LiDAR 시스템(1)의 바람직한 일 변형예에서, 빔 스플리터(80)로서의 편향 미러와 시스템(1)으로부터의 출구 표면 사이에는 빔을 대폭 변경시키는 또 다른 광학 수단이 없다.

구체적인 계산 예:

원형 수신 애퍼처의 직경은 25㎜이다. 따라서, 491㎟의 총 면적이 나타난다. 방출을 위한 슬릿은, 선형 조명의 경우에 다만 15㎜ x 1㎜, 다시 말해 15㎟이어야 한다. 따라서, 다만 사용 가능한 장치 애퍼처의 일 부분만, 다시 말해 대략 3%만 수신 영역으로서 사용되지 않고, 대략 97%가 그러한 목적을 위해 이용될 수 있다.

LiDAR 시스템(1)의 출구 표면에서는, 제1 근거리에서 안구 안전성을 위해 표준적이고, 시준된 축의 직경 및 발산 축의 직경으로 구성되는 빔 출구 표면이 나타난다. 시준된 축의 직경은 개구(83)의 개구 직경보다 약간 더 작다. 발산 축의 빔 직경은, 적게는 개구(83)의 치수에 의해서 결정되고, 실질적으로는 빔 발산과, 시스템(1)으로부터 빔을 배출하기 위한 미러 개구의 거리에 의해서 결정된다.

빔 발산이 15°이고, 미러 개구부(83)로부터 빔 출구까지의 거리가 50㎜인 경우에는, 예를 들어 이미 13㎜ 이상의 빔 직경이 나타난다.

상기 값은, 안구 안전성 평가에서 이미 큰 장점을 가져다줄 수 있는데, 그 이유는 이와 같은 평가에서는 7㎜의 표준 동공이 (이 영역 내로는 동시에 방사선이 입사될 수 있음) 추정되기 때문이다.

주변 환경 이미지를 생성하기 위하여, 마지막으로 전체 시스템 또는 빔 편향 광학 수단이 회전된다.

이하의 대안적인 실시예들이 고려될 수 있고, 임의로 서로 조합될 수도 있다:

- 편향 요소(80)로서의 홀 미러(81)의 바디(82)의 개구(83), 다시 말해 미러 홀은, 도 5 내지 도 7과 관련하여 개략적으로 도시된 바와 같이 모든 형상, 예컨대 직사각형 형상, 타원 형상 또는 자유 형상을 취할 수 있다. 이 경우에는, 에지 영역에서 초점까지의 더 큰 거리를 보상하기 위하여, 외부로 가면서 점차 더 높아지는 형상이 특히 바람직하다.

- 편향 유닛(80)으로서의 미러는 상이한 지점들에 복수의 개구들(83)을 가질 수 있다.

- LiDAR 시스템으로부터의 빔 배출 전에, 1차 광(57)의 빔은 여러 번 편향 및/또는 접힐 수 있다. 이와 같은 상황은 도 8 내지 도 10과 관련하여 도시되어 있다.

- 개구는 광학 수단 내에 있을 수 있다.

- 예컨대 레이저 바(laser bar) 형상의 광원 유닛(65)의 광원(65-1)으로서의 복수의 개별 레이저 이미터들도 사용될 수 있다.

- 이 경우에는, 개별 레이저들(65-1)의 빔들이 개구(83)의 지점에서 중첩되는데, 이는 마찬가지로 포커싱에 상응한다.

- 제공된 미러는, 빔 성형을 위해 수신 측에서 사용될 수 있는 곡률을 가질 수 있다.

본 발명의 대안적인 관점에서, 본 발명의 기초가 되는 과제는, 안구에 안전한 송신 출력을 증가시키기 위해 송신 빔(57)의 가급적 큰 빔 확장을 가능하게 하는 회전 동축 LiDAR 센서를 위한 공간 절약적인 구조를 제공하는 데 있다.

전술된 배열체와 비교되는 차이점은, 수신 경로에 대한 포커싱이다.

이와 같은 대안적인 관점에 따른 본 발명의 주요 특징부들이 이하에 열거되어 있으며, 서로 임의 조합된 형태로 나타날 수 있다:

- 동축 LiDAR 시스템(1)을 제공하는 단계,

- 하나의 라인, 즉 일 방향으로 시준 되었고 일 방향으로 발산된 하나의 송신 빔(57)을 결상하는 단계,

- 편향 유닛(80)으로서의 수신 미러(81) 내에 있는 개구(83)를 통해 송신 빔(57)으로서의 레이저 빔을 안내하는 단계,

- 발산 축을 슬릿, 다시 말해 편향 유닛(80)으로서의 홀 미러(81)의 미러 바디(82) 내에 있는 개구(83)의 좁은 측 상에 또는 좁은 측 가까이에 포커싱 하는 단계,

- 비-발산 축을 홀 미러(81)의 미러 바디(82)의 개구(83)의 긴 측에 시준하는 단계,

- 긴 측 또는 세로 방향 연장부(84)를 좁은 측 또는 가로 방향 연장부(85)보다 2배 이상 더 크게 형성하는 단계,

- 홀 미러(81)의 미러 바디(82)의 슬릿 또는 개구(83)의 배향(84')에 대한 파 필드에서 선형 광원(65-1)의 라인을 꼬인 상태로 배향하는 단계,

- 수신 애퍼처를 나타내고 개구(83)를 포함하는 미러(81)를 만곡시키는 단계, 및/또는

- 복수의 만곡된 미러들을 사용함으로써 공간을 더욱 절약하기 위해 수신 빔 경로(31)를 접는 단계.

본 발명의 다음과 같은 장점들이 나타난다:

- 수신 애퍼처를 나타내고 개구(83)를 포함하는 미러(81)가 만곡되어 있다. 이로 인해, 렌즈가 절약된다.

- 수신 빔 경로(31)의 다중 빔 접힘으로 인해 그리고 동일한 구성 용적에서 송신 빔(57)과 수신 빔(58)의 중첩에 의해서 공간 절약이 나타난다.

- 미러 광학 수단의 사용에 의해서 감소된 중량이 나타난다. 이와 같은 상황은, 보행자 보호 기능을 개선하고, LiDAR 시스템(1)의 스캐너의 모터에 대한 요건이 낮아진다.

- 비용상 유리한 제조가 가능한데, 그 이유는 자유 형상 미러가 사출 성형 부품으로서 제조될 수 있고, 부분적으로는 복수의 미러들이 하나의 부품으로 결합될 수 있기 때문이다.

- 또한, 하나의 부품 내에서 복수의 미러들을 결합함으로써 조정 단계의 수가 줄어들 수 있다.

- 회전자 하우징과 미러의 결합에 의해 렌즈 고정 장치들이 절약될 수 있다.

- 특히 도 2 내지 도 7과 관련하여 앞에서 기술된 실시예와 비교하여, 회전 중심점으로부터 슬롯을 이동시킴으로써 최대 빔 확장이 나타난다.

상기 대안적인 관점에 따른 본 발명의 기본적인 구조는 도 8에 도시되어 있다. 송신 경로(61) 내에 있는 편향 유닛(80)으로서의 편향 미러를 제외하고, 송신 광학 수단(60) 그리고 광원(65-1)으로서의 레이저는 도 2 내지 도 7의 전술된 실시예들과 동일하다.

수신 경로(31)의 제1 미러는, 이 미러가 하나 이상의 슬롯 형상의 개구를 포함하고 만곡되어 있는 것을 특징으로 한다. 이제, 수신 경로(31)는 복수의 만곡된 미러를 사용함으로써 콤팩트한 용적 내부에서 접히고, 마지막으로 검출기 배열체(20) 상에 포커싱 또는 결상된다. 광학 대역 통과 필터는, 검출기 배열체(20) 바로 앞에 있거나 (이와 같은 배치는 더 작은 필터 면적의 장점을 가짐) 제1 수신 미러 앞에 있는데, 다시 말해 이와 같은 배치는 수신 광학 수단(30)의 조리개의 수가 작은 경우에 작은 입사각의 장점을 갖는다.

도 8은, 본 발명의 일 실시예의 개략도이며, 이 경우 송신 빔 경로(61)는 관통되어 있고, 수신 빔 경로(31)는 일점쇄선으로 도시되어 있다. 도면에 대한 개관을 개선하기 위해, 수신 빔(58)을 위해서는 다만 수평 빔만 도시되어 있다.

송신 광학 수단 용어: SAC(Slow Axis Collimator), FAC(Fast Axis Collimator)

수신 경로(31) 내에서 3개의 만곡된 미러들이 사용되는 또 다른 일 실시예가 도 9에 도시되어 있다.

본 실시예의 장점은, 수신 빔 경로(31) 내에서 수차(aberration)를 보상하기 위한 증가된 수의 설계 자유도이다.

따라서, 도 9는 본 발명의 제2 실시예의 개략도이며, 이 경우 송신 빔 경로(61)는 관통되어 있고, 수신 빔 경로(31)는 일점쇄선으로 도시되어 있다.

도 8에 따른 배열체와의 중요한 차이점은, 수신 빔(58)이 3개의 만곡된 수신 미러들을 통해 접혀 있다는 것이며, 이와 같은 사실은 설치 공간을 확대시키지 않으면서 수차를 보상하기 위한 자유도의 수를 증가시킨다.

대안적으로는, 미러들 중 하나가 또한 도 10에 개략적으로 도시된 바와 같이 반사형 대역 통과 필터로 대체되어 있거나 대체될 수도 있다.

도 10은, 본 발명의 또 다른 일 실시예의 개략도이며, 이 경우 송신 빔 경로(61)는 관통되어 있고, 수신 빔 경로는 일점쇄선으로 도시되어 있다. 도 9의 도시와 다른 점은, 수신 미러들(92) 중 하나가 반사형 대역 통과 필터(36)로 대체되어 있다는 것이다.

Claims (8)

1. LiDAR 시스템(1)용 광학 배열체(10)이며, 상기 광학 배열체는
   - 부분적으로 동축인 빔 경로들(31, 61)을 구비하도록 형성된 수신기 광학 수단(30) 및 송신기 광학 수단(60);
   - LiDAR 시스템(1)의 시야(50) 내에 형성되어 있는 선형 배향(65-2)을 갖는 선형 광원(65-1); 및
   - 수신기 광학 수단(30)의 빔 경로(31)의 검출기 측 영역의 2축 분기를 위해 하나의 공통 동축 영역으로부터, 수신기 광학 수단(30) 및 송신기 광학 수단(60)의 빔 경로들(31, 61)의 분리된 2축 영역으로의 천이 영역에 있는 편향 유닛(80);을 갖는, LiDAR 시스템용 광학 배열체로서,
   - 편향 유닛(80)은, 세로 연장 방향(84')으로는 더 큰 연장부(84)를 갖고 가로 연장 방향(85')으로는 더 작은 연장부(85)를 갖는 장공(83)을 구비한 홀 미러(81)를 구비하고,
   - 장공(83)의 세로 연장 방향(84')은 선형 광원(65-1)의 선형 배향(65-2)에 수직으로 정렬되고,
   - 상기 수신기 광학 수단(30)은 2개 또는 3개의 보조 미러(91, 92, 93)을 갖는 여러 번 접힌 빔 경로(31)를 구비하며,
   - 입력 측 제1 보조 미러(91)는 상기 장공(83)을 구비한 상기 홀 미러(81)를 포함하고, 오목한 미러로서 형성되어 있는, LiDAR 시스템용 광학 배열체(10).
2. 제1항에 있어서, 편향 유닛(80) 상에서 세로 방향 연장부(84, 88) 대 가로 방향 연장부(85, 89)의 비율은 적어도 2:1, 또는 적어도 3:1, 또는 적어도 4:1인, LiDAR 시스템용 광학 배열체(10).
3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 송신기 광학 수단(60)의 빔 경로(61)의 애퍼처의 직경 또는 편향 유닛(80) 상의 세로 방향 연장부(84, 88)는, 수신기 광학 수단(30)의 빔 경로(31)의 애퍼처에 대한 비율에서 1:14 내지 1:7의 범위 내에 있는 값을 갖는, LiDAR 시스템용 광학 배열체(10).
4. 제1항 또는 제2항에 있어서, 편향 유닛(80)의 장공(83)은 편향 유닛(80)에 대한 평면도 상으로 볼 때에 직사각형 형상, 양면이 볼록한 타원 형상, 양면이 오목한 형상 또는 이중 메니스커스(meniscus) 형상을 갖는, LiDAR 시스템용 광학 배열체(10).
5. 제1항 또는 제2항에 있어서,
   - 송신기 광학 수단(60) 및 수신기 광학 수단(30)은, 송신기 광학 수단(60)의 빔 출구 측에 그리고/또는 수신기 광학 수단(30)의 빔 입구 측에 적어도 부분적으로 또는 섹션별로 서로 동축인 빔 경로들(31, 61)을 갖도록 형성되어 있으며, 그리고
   - 편향 유닛(80)은 송신기 광학 수단(60)의 광원 유닛(65)의 측에서 그리고 수신기 광학 수단(30)의 검출기 배열체(20)의 측에서 적어도 부분적으로 또는 섹션별로 2축인 빔 경로들(31, 61)을 형성하는, LiDAR 시스템용 광학 배열체(10).
6. 제1항 또는 제2항에 있어서,
   - 입력 측 제1 보조 미러(91)는 편향 유닛(80)의 부분이거나 편향 유닛(80)을 형성하며, 보조 미러들(91, 92, 93) 중 하나 또는 복수는 오목한 미러로서 형성되어 있고 그리고/또는 보조 미러들 중 하나(92)는 반사 작용을 하는 대역 통과 필터(36)로서 형성되어 있는, LiDAR 시스템용 광학 배열체(10).
7. 제1항 또는 제2항에 따른 광학 배열체(10)를 갖는, 시야(50)의 광학적 검출을 위한, LiDAR 시스템(1).
8. 시야(50)의 광학적 검출을 위한 제7항에 따른 LiDAR 시스템(1)을 갖는, 작동 장치.

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