KR102673029B1 - Lidar optical apparatus - Google Patents

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Abstract

본 발명은 라이다 광학 장치에 관한 것으로서, 다각형 미러 블록(Polygon Mirror)과, 레이저 모듈 어셈블리와, 다각형 미러 블록의 회전속도 및 회전위치를 정확하게 감지하며 레이저 모듈 어셈블리의 정밀한 위치조정을 위한 기능을 위하여 상기 다각형 미러 블록의 내부 중공부에 삽입되어 다각형 미러 블록을 회전시키는 회전유닛과, 회전유닛의 중심부를 관통하도록 배치되는 회전축의 하부로 연장되는 종단에서 다각형 미러 블럭의 회전속도 및 회전위치를 감지하기 위한 마그네틱 엔코더 및 레이저 모듈 어셈블리의 하부에 결합되고 하부케이스에 고정되어 레이저 모듈 어셈블리와 다각형 미러 블록 간의 위치조정을 위한 정렬 기능을 수행하는 레이저 어드저스터를 포함한다.The present invention relates to a lidar optical device, which accurately detects the rotational speed and rotational position of a polygon mirror block (polygon mirror), a laser module assembly, and the polygon mirror block, and has a function for precise positioning of the laser module assembly. Detecting the rotational speed and rotational position of the polygonal mirror block at the end extending to the lower part of the rotation unit that is inserted into the inner hollow part of the polygonal mirror block and rotates the polygonal mirror block, and the rotation axis disposed to penetrate the center of the rotation unit. It includes a magnetic encoder for the laser module assembly and a laser adjuster that is coupled to the lower part of the laser module assembly and fixed to the lower case to perform an alignment function for position adjustment between the laser module assembly and the polygonal mirror block.

Description

라이다 광학 장치{LIDAR OPTICAL APPARATUS}LIDAR OPTICAL APPARATUS}

본 발명은 라이다 광학 장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 회전하는 다각형 미러 블록(Polygon Mirror)의 회전속도 및 회전위치를 감지 기능 및 레이저 모듈 어셈블리의 위치조정을 위한 기능을 갖도록 하는 라이다 광학 장치에 관한 것이다.The present invention relates to a LiDAR optical device, and more specifically, to a LiDAR optical device that has a function for detecting the rotational speed and rotational position of a rotating polygon mirror block and for adjusting the position of the laser module assembly. It's about.

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.Recently, LIDAR (LIght Detection And Ranging) optical devices, which are laser radar devices, have been widely used to detect surrounding terrain or objects in cars or mobile robots.

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.This LiDAR optical device is a device that emits pulsed laser light into the atmosphere and uses reflected light from reflectors or scatterers in the atmosphere to measure distances, objects, or atmospheric phenomena. It calculates the time of the reflected light as a clock pulse and is usually used as a clock pulse. It has a resolution of 5m at a frequency of 30MHz and 1m at a frequency of 150MHz.

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.In this way, the LiDAR optical device irradiates laser light into the surrounding area and uses the time and intensity of the reflected light that is reflected by surrounding objects or terrain to measure the distance, speed, and shape of the object or surrounding objects or terrain. Scan precisely.

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.These LiDAR optical devices are widely applied in various fields such as sensors for detecting obstacles in front of robots and unmanned vehicles, radar guns for speed measurement, aerial geo-mapping devices, 3D ground surveys, and underwater scanning.

이에 라이다 광학 장치에서는 수발신하는 레이저빔을 정확한 위치에서 정확한 타이밍에 반사하기 위하여 고속회전으로 동작하는 미러 블록의 회전속도 및 회전위치와 같은 상태를 감지할 필요성이 요구되어진다. 또한, 고속 회전 시에도 회전속도 및 회전위치의 인식을 위한 고분해능 센서 구현이 이루어져야 할 필요가 있다.Accordingly, in LiDAR optical devices, it is necessary to detect conditions such as the rotational speed and rotational position of the mirror block that rotates at high speed in order to reflect the transmitted and received laser beam at the correct location and timing. In addition, there is a need to implement a high-resolution sensor to recognize rotation speed and rotation position even during high-speed rotation.

추가적으로 라이다 광학 장치에서는 스캔성능의 향상을 위하여 레이저빔을 수발신 하는 레이저 모듈과 미러 블록 간의 정밀한 위치조정을 위한 정렬 기능이 요구된다.Additionally, in order to improve scanning performance, LiDAR optical devices require an alignment function for precise positioning between the laser module that receives and transmits the laser beam and the mirror block.

상술되어진 요구사항을 해결하기 위한 종래의 기술로서는 대한민국 공개특허공보 제10-2017-0078031(2017.07.07.)에 스캐닝 수직 영역이 가변되는 스캐닝 라이다에 관한 것이 공지되어 있다.As a conventional technology to solve the above-mentioned requirements, a scanning lidar with a variable scanning vertical area is known in Korean Patent Publication No. 10-2017-0078031 (July 7, 2017).

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.The above background technology relates to a scanning lidar with a variable scanning vertical area, which controls the 360-degree rotation of a reflective mirror that reflects a pulse laser traveling toward a measurement target through a motor, and simultaneously uses a single or a few lasers, a receiver, and Through a structure in which the mirror rotates in the vertical direction, a scanning lidar with a variable scanning vertical area is provided that can secure safety based on the acquisition of 3D spatial information by scanning a wide area with an expanded vertical area. It lies in doing it.

그러나 상기 종래 기술은 반사 미러를 360도 회전시키는 모터, 상기 반사 미러를 수직 방향으로 틸팅(tilting)되도록 제어하는 각도 조정부를 포함하는 구성을 개시하고는 있으나, 고속회전으로 동작하는 미러 블록의 회전속도 및 회전위치를 인식하고 이를 감지할 수 있는 센서 구현 기능 및 스캔성능의 향상을 위하여 레이저빔을 수발신 하는 레이저 모듈과 미러 블록 간의 정밀한 위치조정을 위한 정렬 성능을 향상시키는 것과는 차이가 있다.However, the prior art discloses a configuration including a motor that rotates the reflective mirror 360 degrees and an angle adjuster that controls the reflective mirror to be tilted in the vertical direction, but the rotation speed of the mirror block operating at high speed There is a difference between recognizing the rotational position and implementing a sensor that can detect it and improving alignment performance for precise positioning between the laser module that receives and transmits the laser beam and the mirror block to improve scanning performance.

본 발명은 전술한 종래기술의 문제점을 해결하기 위해 도출된 것으로, 본 발명의 목적은, 라이다 광학 장치에 있어서 고속회전으로 동작하는 미러 블록의 회전속도 및 회전위치를 인식하고 이를 감지할 수 있는 센서 구현 기능 및 스캔성능의 향상을 위하여 레이저빔을 수발신 하는 레이저 모듈과 미러 블록 간의 정밀한 위치조정을 위한 정렬 성능을 제공하고자 하는 것이다.The present invention was derived to solve the problems of the prior art described above, and the purpose of the present invention is to recognize and detect the rotational speed and rotational position of a mirror block operating at high speed in a lidar optical device. In order to improve the sensor implementation function and scanning performance, the aim is to provide alignment performance for precise positioning between the laser module that receives and transmits the laser beam and the mirror block.

본 발명의 다른 목적은 자석이 회전할 때 발생하는 자기장의 흐름에 따라 저항 값이 변하는 원리를 이용하여 위치를 검출하는 수단 및 레이저빔의 정밀한 위치조정을 위하여 레이저 모듈 어셈블리와 결합되어 위치조정을 할 수 있는 수단으로 이루어진 단순한 구조의 고성능 라이다 광학 장치를 제공하는데 있다.Another object of the present invention is to detect the position using the principle that the resistance value changes according to the flow of the magnetic field generated when the magnet rotates, and to adjust the position by combining it with the laser module assembly for precise position adjustment of the laser beam. The goal is to provide a high-performance lidar optical device with a simple structure made up of capable means.

상기 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 측면에 따른 라이다(LIDAR: light detection and ranging radar) 광학 장치는 레이저 발신과 수신 동작을 수행하는 레이저 모듈 어셈블리, 상기 레이저 모듈 어셈블리의 전면 상에서 상기 레이저 발신과 수신에 반사 경로를 형성하는 다각형 미러 블록, 상기 다각형 미러 블록의 내부 중공부에 삽입되어 다각형 미러 블록을 회전시키는 회전유닛을 포함하며, 상기 회전유닛의 중심부를 관통하도록 배치되는 회전축의 하부로 연장되는 종단에서 다각형 미러 블럭의 회전속도 및 회전위치를 감지하기 위한 마그네틱 엔코더 및 레이저 모듈 어셈블리의 하부에 결합되고 하부케이스에 고정되어 레이저 모듈 어셈블리와 다각형 미러 블록 간의 위치조정을 위한 정렬 기능을 수행하는 레이저 어드저스터를 포함하여 구성될 수 있다.A LIDAR (light detection and ranging radar) optical device according to an aspect of the present invention for solving the above technical problem includes a laser module assembly that performs laser transmission and reception operations, and a laser module assembly that transmits the laser on the front of the laser module assembly. It includes a polygonal mirror block that forms a reflection path for reception and a rotation unit that is inserted into an internal hollow portion of the polygon mirror block to rotate the polygon mirror block, and extends to the lower part of a rotation axis disposed to penetrate the center of the rotation unit. A magnetic encoder to detect the rotational speed and rotational position of the polygon mirror block at the end of the beam is coupled to the bottom of the laser module assembly and fixed to the lower case to perform an alignment function for position adjustment between the laser module assembly and the polygon mirror block. It may be configured to include an adjuster.

본 발명의 상기 마그네틱 엔코더는 일정 길이의 원주 형태로서 내측에 일정 간극을 가지며 마주보도록 복수개의 N극과 S극이 서로 교차하도록 구성되어 회전하는 것을 특징으로 할 수 있다.The magnetic encoder of the present invention has a cylindrical shape of a certain length and may be configured to rotate with a plurality of N poles and S poles facing each other with a certain gap on the inside.

또한, 본 발명의 상기 마그네틱 엔코더는 상측에 자계 강도에 따른 저항 변화를 감지하기 위한 전자회로 이루어진 엔코더 PCB가 결합되어지고, 상기 엔코더 PCB에는 홀 센서를 포함하여 구성될 수 있다.In addition, the magnetic encoder of the present invention is coupled to an encoder PCB consisting of an electronic circuit for detecting resistance changes according to magnetic field intensity on the upper side, and the encoder PCB may be configured to include a Hall sensor.

또한, 본 발명의 상기 레이저 어드저스터는 상기 레이저 모듈 어셈블리를 길이 방향으로 위치 이동할 수 있는 슬라이더와 상기 레이저 모듈 어셈블리의 회전 위치를 조정할 수 있는 회전 로터로 구성되어, 회전 및 길이 방향의 이동을 제어할 수 있다.In addition, the laser adjuster of the present invention is composed of a slider that can move the laser module assembly in the longitudinal direction and a rotating rotor that can adjust the rotational position of the laser module assembly to control rotation and longitudinal movement. You can.

이에 상기 레이저 어드저스터는 보드 프레임에서 양 측면에 레일부를 구성하여 상기 슬라이더가 상기 레일부를 따라 길이 방향 이동을 조정할 수 있도록 구성되는 것을 특징으로 할 수 있다.Accordingly, the laser adjuster may be configured to have rail portions on both sides of the board frame so that the slider can adjust longitudinal movement along the rail portions.

전술한 라이다 광학 장치에 의하면, 고속회전으로 동작하는 미러 블록의 회전속도 및 회전위치를 인식하고 이를 감지할 수 있는 센서 구성을 통하여 다각형 미러 블록의 분해능 및 감지 성능 향상을 제공하는 효과가 있다.According to the above-described lidar optical device, there is an effect of providing improvement in resolution and detection performance of the polygonal mirror block through a sensor configuration that can recognize and detect the rotational speed and rotational position of the mirror block that rotates at high speed.

또한, 본 발명은 레이저 모듈과 미러 블록 간의 정밀한 위치조정을 위한 정렬 성능을 제공함으로서, 레이저 모듈들과 미러 블럭과 회전유닛의 결합 구조에 의해 레이저빔의 반사 및 산란 각도를 효과적으로 제어하면서 공간적인 데이터를 확보할 수 있는 공간 스캔 성능을 극대화할 수 있는 효과를 제공할 수 있다.In addition, the present invention provides alignment performance for precise positioning between the laser module and the mirror block, effectively controlling the reflection and scattering angles of the laser beam through the combined structure of the laser modules, mirror block, and rotation unit, and spatial data. It can provide the effect of maximizing spatial scanning performance that can secure .

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 라이다 광학 장치의 외관을 보여주는 사시도이다.
도 2는 도 1의 라이다 광학 장치에서 외부 케이스를 제거한 상태를 나타낸 사시도이다.
도 3은 도 1의 라이다 광학 장치에서 외부 케이스를 제거한 상태의 평면도이다.
도 4는 도 3에서의 B-B 단면에서 미러회전부를 개략적으로 나타낸 단면도이다.
도 5는 도 4에서의 미러회전부와 인코더 마그넷의 결합관계를 보여주는 사시도이다.
도 6은 인코더 마그넷의 N극과 S극의 구성을 보여주는 사시도이다.
도 7은 도 3에서의 A-A 단면에서 레이저 모듈을 개략적으로 나타낸 단면도이다.
도 8은 도 6에서의 레이저 모듈과 결합된 레이저 어드저스터를 나타내는 저면도이다.
Figure 1 is a perspective view showing the appearance of a lidar optical device according to an embodiment of the present invention.
Figure 2 is a perspective view showing the lidar optical device of Figure 1 with the external case removed.
Figure 3 is a plan view of the lidar optical device of Figure 1 with the external case removed.
Figure 4 is a cross-sectional view schematically showing the mirror rotating portion in the BB cross-section of Figure 3.
Figure 5 is a perspective view showing the coupling relationship between the mirror rotating part and the encoder magnet in Figure 4.
Figure 6 is a perspective view showing the configuration of the N pole and S pole of the encoder magnet.
FIG. 7 is a cross-sectional view schematically showing the laser module taken along AA in FIG. 3.
FIG. 8 is a bottom view showing the laser adjuster combined with the laser module in FIG. 6.

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.Terms or words used in this specification and claims should not be construed as limited to their common or dictionary meanings, and the inventor may appropriately define the concept of terms in order to explain his or her invention in the best way. It must be interpreted with meaning and concept consistent with the technical idea of the present invention based on the principle that it is.

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.Therefore, the embodiments described in this specification and the configuration shown in the drawings are only one of the most preferred embodiments of the present invention and do not represent the entire technical idea of the present invention, and therefore, various equivalents that can replace them at the time of filing the present application It should be understood that variations and variations may exist.

이하 본 발명의 바람직한 실시예를 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 라이다 광학 장치의 외관을 보여주는 사시도이고, 도 2는 도 1의 라이다 광학 장치에서 외부 케이스를 제거한 상태를 나타낸 사시도이며, 도 3은 도 1의 라이다 광학 장치에서 외부 케이스를 제거한 상태의 평면도이다.Figure 1 is a perspective view showing the appearance of a LiDAR optical device according to an embodiment of the present invention, Figure 2 is a perspective view showing the external case removed from the LiDAR optical device of Figure 1, and Figure 3 is a LiDAR optical device of Figure 1. This is a top view of the optical device with the external case removed.

본 실시예에 따른 라이다 광학 장치(100)는 도 1 내지 도 3에 도시한 바와 같이 상부케이스(110)와 하부케이스(130)를 구비하고, 상부케이스(110)의 적어도 일면부에 배치되어 내부의 레이저빔을 외부로 전달하고 외부에서 반사되는 레이저빔을 내부에 전달하는 윈도우(120)를 구비한다.The lidar optical device 100 according to this embodiment includes an upper case 110 and a lower case 130, as shown in FIGS. 1 to 3, and is disposed on at least one surface of the upper case 110. It is provided with a window 120 that transmits the internal laser beam to the outside and transmits the laser beam reflected from the outside to the inside.

또한, 라이다 광학 장치(100)는, 하부케이스(130) 상에 설치되는 레이저 모듈 어셈블리(10), 다각형 미러 블럭(20) 및 회전유닛(30)을 구비한다.In addition, the lidar optical device 100 includes a laser module assembly 10, a polygonal mirror block 20, and a rotation unit 30 installed on the lower case 130.

상기 레이저 모듈 어셈블리(10)는 제1 레이저 모듈과 제2 레이저 모듈을 구비한다. 제1 레이저 모듈과 제2 레이저 모듈은 다각형 미러 블럭(20)의 상부에 배치되는 제1 미러들의 서로 다른 영역에 레이저를 조사하도록 설치된다. 제1 레이저 모듈과 제2 레이저 모듈은, 발광점을 일치시킬 때, 서로 평행하거나 서로 예각을 이루며 다각형 미러 블럭(20)의 표면상의 적어도 어느 하나의 미러를 향해 레이저 광을 방출하도록 설치된다.The laser module assembly 10 includes a first laser module and a second laser module. The first laser module and the second laser module are installed to radiate laser to different areas of the first mirrors disposed on the upper part of the polygonal mirror block 20. The first laser module and the second laser module are installed to emit laser light toward at least one mirror on the surface of the polygonal mirror block 20 while being parallel to each other or at an acute angle to each other when their emission points are aligned.

제1 또는 제2 레이저 모듈은 펄스 레이저빔을 방출하는 적어도 하나 이상의 레이저 다이오드와 적어도 하나 이상의 복수의 포토 다이오드를 구비한다. 여기서, 레이저 다이오드는 레이서 송신모듈에 대응하고, 포토 다이오드는 레이저 수신모듈에 대응한다.The first or second laser module includes at least one laser diode and at least one photo diode that emits a pulsed laser beam. Here, the laser diode corresponds to the laser transmitting module, and the photo diode corresponds to the laser receiving module.

다각형 미러 블럭(20)은 미러 블럭 몸체의 외측면 표면에 방사 방향으로 배치되는 복수의 미러들을 구비한다. 복수의 미러들은 제1 레이저 모듈 및 제2 레이저 모듈의 전면 상에서 제1 레이저 모듈의 제1 레이저빔과 제2 레이저 모듈의 제2 레이저빔을 반사하여 신호 송출과 신호 수신을 위한 레이저빔의 반사를 담당한다. 복수의 미러들 각각은 다각형 기둥 형태의 측면들의 각 표면상에 부착되거나 코팅된 구조로 배치될 수 있다.The polygonal mirror block 20 includes a plurality of mirrors arranged in a radial direction on the outer surface of the mirror block body. The plurality of mirrors reflects the first laser beam of the first laser module and the second laser beam of the second laser module on the front surfaces of the first laser module and the second laser module to reflect the laser beam for signal transmission and signal reception. In charge. Each of the plurality of mirrors may be disposed in a structure attached or coated on each surface of the sides of the polygonal pillar shape.

또한, 도시한 바와 같이 복수의 미러들이 어느 하나의 미러 예컨대 제1 미러에서 반시계 방향으로 기재된 순서대로 순차적으로 배치되는 제2 내지 제8 미러를 구비한다고 할 때, 제1 내지 제8 미러들 각각은 사각 평판 형태를 구비하고, 수평선과 직교하며 제1 내지 제8 미러들 각각을 관통하는 수직 방향에 대하여 상기 제1 내지 제8 미러들 각각의 반사면이 서로 다른 경사각을 가지며, 상기 제1 미러에서 제8 미러까지의 각 반사면의 경사각들이 회전유닛(30)에 의한 다각형 미러 블록(20)의 회전축을 중심으로 하는 반시계 방향으로 단계적으로 작아지거나 커지도록 배치된다. 이러한 구성에서 제1 내지 제8 미러들의 배치는 반시계 방향으로 한정되지 않고, 시계 방향으로 배치될 수 있음은 물론이다.In addition, as shown, when a plurality of mirrors includes one mirror, for example, second to eighth mirrors sequentially arranged in the order described in a counterclockwise direction from the first mirror, each of the first to eighth mirrors has a square plate shape, and the reflecting surfaces of each of the first to eighth mirrors have different inclination angles with respect to a vertical direction that is perpendicular to the horizon and passes through each of the first to eighth mirrors, and the first mirror The inclination angles of each reflective surface from to the eighth mirror are arranged to gradually decrease or increase in a counterclockwise direction centered on the rotation axis of the polygonal mirror block 20 by the rotation unit 30. In this configuration, the arrangement of the first to eighth mirrors is not limited to counterclockwise, and of course, they can be arranged clockwise.

그러므로 다각형 미러 블럭(20)은 사각 평판 형태의 8개 미러들을 구비하는 것으로 한정되지 않고, 5각 기둥 형태나 20각 기둥 형태 등과 같은 다각형 기둥 형태의 각 외부 측면의 평평한 표면에 부착되는 복수의 미러들을 구비할 수 있다.Therefore, the polygonal mirror block 20 is not limited to having eight mirrors in the form of a square plate, but a plurality of mirrors attached to the flat surface of each outer side in the form of a polygonal pillar, such as a pentagonal pillar or a 20-gonal pillar. can be provided.

위의 설명에서, 복수의 미러들이 설치되는 다각형 미러 블럭(20)은 다각 기둥 형태의 미러 블럭으로 지칭될 수 있다. 이러한 다각형 미러 블럭(20)은 그 내부 중공부를 구비하고, 내부 중공부에 삽입되어 나사, 너트, 볼트 등의 체결수단에 의해 결합되는 회전유닛(30)에 의해 회전하도록 설치된다. 전술한 구성에 의하면, 단일 모터 등의 회전유닛(30)을 통해 다각형 미러 블럭(20)을 회전하는 것만으로 간단하게 라이다 광학 장치를 구성할 수 있으므로 장치의 부품을 줄이고 구조를 단순화할 수 있다.In the above description, the polygonal mirror block 20 on which a plurality of mirrors are installed may be referred to as a mirror block in the form of a polygonal pillar. This polygonal mirror block 20 has an internal hollow part and is installed to rotate by a rotation unit 30 that is inserted into the internal hollow part and coupled with a fastening means such as a screw, nut, or bolt. According to the above-described configuration, a lidar optical device can be constructed simply by rotating the polygonal mirror block 20 through the rotation unit 30, such as a single motor, so the parts of the device can be reduced and the structure can be simplified. .

다각형 미러 블럭(20)의 복수의 미러들은 미러 블럭 몸체의 외주면의 종단면에 대응하는 원에 내접하거나 외접하도록 배치되는 5개 이상 내지 20개 이하의 미러들을 구비할 수 있으며, 8개 내지 12개의 미러들을 구비하는 것이 바람직하다.The plurality of mirrors of the polygonal mirror block 20 may include 5 or more to 20 mirrors arranged to be inscribed or circumscribed in a circle corresponding to the longitudinal cross-section of the outer peripheral surface of the mirror block body, and 8 to 12 mirrors. It is desirable to have them.

제1 미러들이나 제2 미러들 중 적어도 하나는 평면, 곡면 또는 비구면 형태를 가질 수 있다. 제1 미러들 및 제2 미러들의 반사면의 형태에 따라 레이저 모듈들의 배치나 레이저 광의 발광 각도가 조절될 수 있다.At least one of the first mirrors or the second mirrors may have a flat, curved, or aspherical shape. The arrangement of the laser modules or the emission angle of the laser light can be adjusted depending on the shape of the reflecting surfaces of the first mirrors and the second mirrors.

회전유닛(30)은 도 5 내지 7에 도시한 바와 같이 하부케이스(130)의 바닥 플레이트 상에 중첩되는 지지판과 지지판상에서 수직 상부로 연장하는 모터지지부(31)를 구비한다. 모터지지부(31)는 다각형 미러 블럭(20)의 내부 중공부에서 모터 등의 회동유닛 혹은 회전유닛(30)을 안착시켜 지지하도록 구성된다.As shown in FIGS. 5 to 7, the rotation unit 30 includes a support plate overlapping the bottom plate of the lower case 130 and a motor support portion 31 extending vertically upward from the support plate. The motor support portion 31 is configured to seat and support a rotation unit such as a motor or a rotation unit 30 in the internal hollow portion of the polygonal mirror block 20.

회전유닛(30)의 상부에 돌출되는 회전축(32)는 다각형 미러 블럭(20)의 중심부를 관통하도록 배치된다. 이때, 모터지지부(31)의 일부는 회전유닛(30)을 포위하여 지지하며 다각형 미러 블럭(20) 상부 내측까지 연장되고, 체결 수단에 의해 미러 유닛(20)과 밀착 고정된다. 이러한 구성에 의하면, 다각형 미러 블럭(20)은 회전유닛(30)의 회전축(32)에 결합하여 실질적인 요동없이 안정적으로 회전 운동할 수 있게 된다.The rotation axis 32 protruding from the top of the rotation unit 30 is arranged to penetrate the center of the polygonal mirror block 20. At this time, a portion of the motor support portion 31 surrounds and supports the rotation unit 30, extends to the inner upper part of the polygonal mirror block 20, and is closely fixed to the mirror unit 20 by a fastening means. According to this configuration, the polygonal mirror block 20 is coupled to the rotation axis 32 of the rotation unit 30 and can rotate stably without substantial shaking.

이에 본 발명에서는 다각형 미러 블럭(20)의 회전속도 및 회전위치를 정확하게 감지하기 위하여 회전유닛(30)의 회전축(32)이 하부로 연장되는 종단에 회전하는 마그네틱 엔코더(33)를 구성한다.Accordingly, in the present invention, in order to accurately detect the rotational speed and rotational position of the polygonal mirror block 20, a magnetic encoder 33 is constructed that rotates at the end where the rotation axis 32 of the rotation unit 30 extends downward.

도 4는 도 3에서의 B-B 단면에서 미러회전부를 개략적으로 나타낸 단면도이고, 도 5는 도 4에서의 미러회전부와 인코더 마그넷의 결합관계를 보여주는 사시도이며, 도 6은 인코더 마그넷의 N극과 S극의 구성을 보여주는 사시도이다.Figure 4 is a cross-sectional view schematically showing the mirror rotating part in the B-B cross section of Figure 3, Figure 5 is a perspective view showing the coupling relationship between the mirror rotating part and the encoder magnet in Figure 4, and Figure 6 is the N and S poles of the encoder magnet. This is a perspective view showing the composition.

이는 도시한 바와 같이 다각형 미러 블록(20)의 내측에서 연장되는 회전축(32)의 하부 끝단에 일정 길이의 원주 형태로서 내측에 일정 개수의 N극과 S극으로 이루어진 원형상의 마그네틱 엔코더(33)를 위치시킨다.As shown, there is a circular magnetic encoder 33 in the form of a cylinder with a certain length at the lower end of the rotation axis 32 extending from the inside of the polygonal mirror block 20, and consisting of a certain number of N and S poles on the inside. Position it.

또한, 마그네틱 엔코더(33)의 상측면에는 자계 강도에 따른 저항 변화를 감지하기 위한 전자회로 이루어진 엔코더 PCB(35)가 결합되어지고, 상기 엔코더 PCB(35)에는 홀 센서(34)를 포함하여 구성되어진다. 상기 홀 센서(34)는 마그네틱 저항 센서이다.In addition, an encoder PCB (35) consisting of an electronic circuit for detecting resistance changes according to magnetic field intensity is coupled to the upper side of the magnetic encoder (33), and the encoder PCB (35) includes a Hall sensor (34). It is done. The Hall sensor 34 is a magnetic resistance sensor.

마그네틱 엔코더(33)란 자석이 회전할 때 발생하는 자기장의 흐름에 따라 홀 센서(34)의 저항 값이 변하는 원리를 이용하여 위치를 검출하는 장치이다.The magnetic encoder 33 is a device that detects the position using the principle that the resistance value of the Hall sensor 34 changes according to the flow of the magnetic field generated when the magnet rotates.

상기 홀 센서(34)는 자기저항 효과를 이용한 센서로 강자성 금속을 주성분으로 하는 합금박막이 외부 자계 강도에 따라 저항치가 변화는 성질을 이용한다. The Hall sensor 34 is a sensor using the magnetoresistance effect and utilizes the property that the resistance value of an alloy thin film mainly composed of a ferromagnetic metal changes depending on the intensity of an external magnetic field.

이때 발생하는 저항 변화는 상기 엔코더 PCB(35)를 이용하여 sin 신호와 cos 신호와 같은 정현파 신호를 얻을 수 있으며, 이를 삼각함수법(Trigonometry), 테이블 보상법 (Table Compensation), ATO (Angle Tracking Observe)와 같은 방법에 적용하여 회전 속도 및 회전 방향을 검출 할 수 있다.The resistance change that occurs at this time can be obtained as a sinusoidal signal such as a sin signal and a cos signal using the encoder PCB (35), which can be obtained using trigonometry, table compensation, and ATO (Angle Tracking Observe). The rotation speed and direction can be detected by applying the same method.

또한, 고속 회전을 요하는 다각형 미러 블록(20)의 분해능 및 감지 성능 향상을 위하여 본 발명의 마그네틱 엔코더(33)에는 일정 간극을(GAP)을 가지며 마주보도록 N극과 S극이 다수 교차하도록 구성된다.In addition, in order to improve the resolution and detection performance of the polygonal mirror block 20 that requires high-speed rotation, the magnetic encoder 33 of the present invention is configured to have multiple N and S poles that face each other with a certain gap (GAP). do.

또한, 출력 신호는 홀 센서(34) 자체 오차 및 외부 자기장에 의한 오차가 포함되기 때문에 이를 보상하는 과정이 추가될 수 있다.Additionally, since the output signal includes errors caused by the Hall sensor 34 itself and an external magnetic field, a process for compensating for these may be added.

도 7은 도 3에서의 A-A 단면에서 레이저 모듈을 개략적으로 나타낸 단면도이고, 도 8은 도 6에서의 레이저 모듈과 결합된 레이저 어드저스터를 나타내는 저면도이다.FIG. 7 is a cross-sectional view schematically showing the laser module along the line A-A in FIG. 3, and FIG. 8 is a bottom view showing the laser adjuster combined with the laser module in FIG. 6.

도시한 바와 같이 본 발명에서는 레이저 모듈 어셈블리(10)와 다각형 미러 블록(20)의 위치조정을 위한 정렬(Alignment) 기능을 수행하기 위하여 추가적으로 레이저 어드저스터(40) 보드를 상기 레이저 모듈 어셈블리(10)의 하측에 결합시키며, 하부케이스(130)에 결합되어 고정되게 구성한다.As shown, in the present invention, in order to perform an alignment function for positioning the laser module assembly 10 and the polygon mirror block 20, a laser adjuster 40 board is additionally installed in the laser module assembly 10. It is coupled to the lower side of and is coupled to the lower case 130 to be fixed.

레이저 모듈 어셈블리(10)는 레이저빔을 전송하는 제1 및 제2 레이저 발신모듈들과 라이다 광학 장치에서 반사되어 오는 레이저빔을 수신하는 제1 및 제2 레이저 수신모듈들을 구비하도록 구성함으로써, 스캔 범위를 확장하거나 스캔 속도를 향상시킬 수 있다.The laser module assembly 10 is configured to include first and second laser transmitting modules that transmit a laser beam and first and second laser receiving modules that receive the laser beam reflected from the lidar optical device, thereby performing scanning. You can extend the range or improve scanning speed.

이에 레이저 모듈 어셈블리(10)가 다각형 미러 블록(20)과의 레이저빔 스캔을 위하여 정밀한 위치조정을 할 필요가 있으며, 이를 위하여 레이저 모듈 어셈블리(10)와 결합되어 위치조정을 할 수 있는 레이저 어드저스터(40)를 구성하는 것이다.Accordingly, it is necessary to precisely adjust the position of the laser module assembly 10 in order to scan the laser beam with the polygonal mirror block 20, and for this purpose, a laser adjuster is combined with the laser module assembly 10 to adjust the position. It constitutes (40).

상기 레이저 어드저스터(40)는 레이저 모듈 어셈블리(10)를 길이 방향으로 위치 이동할 수 있는 슬라이더(41)와 레이저 모듈 어셈블리(10)의 회전 위치를 조정할 수 있는 회전 로터(Rotor)(42)로 구성되며, 상기 레이저 어드저스터(40)의 길이 방향 위치를 조정할 수 있도록 프레임 상의 내측에서 슬라이더와 연결되도록 레일(Rail)부(43)를 구성할 수 있다. 이에 상기 슬라이더(41)가 레일부(43)를 따라 길이 방향으로 위치가 이동할 수 있게 제어될 수 있다.The laser adjuster 40 consists of a slider 41 that can move the laser module assembly 10 in the longitudinal direction and a rotating rotor 42 that can adjust the rotational position of the laser module assembly 10. In order to adjust the longitudinal position of the laser adjuster 40, a rail portion 43 can be configured to be connected to the slider on the inside of the frame. Accordingly, the slider 41 can be controlled to move in the longitudinal direction along the rail portion 43.

그러므로 레이저 어드저스터(40)는 레이저 모듈 어셈블리(10)의 하부 중앙에서 회전 로터(42)와 결합되고, 상기 회전 로터(42)는 슬라이더(41)와 동일 평면상에서 결합되며, 슬라이더(41)의 양측부가 레일부(43)와 연결되어 전체적으로 레이저 모듈 어셈블리(10)가 회전 및 길이 방향의 정밀한 움직임을 제공할 수 있게 되는 것이다.Therefore, the laser adjuster 40 is coupled to the rotating rotor 42 at the lower center of the laser module assembly 10, and the rotating rotor 42 is coupled to the slider 41 on the same plane. Both sides are connected to the rail portion 43, allowing the laser module assembly 10 as a whole to provide precise rotation and longitudinal movement.

이와 같이, 본 실시예에 따른 라이다 광학 장치(100)는 점진적으로 커지거나 작아지는 경사각을 가진 복수의 미러들을 구비한 다각형 미러 블록(20)을 회전시켜 레이저의 반사 각도를 변경하여 하나의 수평 라인에 해당하는 주사선 상에서 레이저빔의 발신 및 수신을 수행하면서 서로 다른 레이저빔 방출 위치나 레이저빔 방출 각도를 가진 다수의 레이저 발신모듈을 이용함으로써 스캐닝의 각도 및 분해능을 변화시킬 수 있고 원하는 해상도를 효과적으로 얻을 수 있도록 하기 위하여, 다각형 미러 블록(20)의 회전속도 및 회전위치를 감지하기 위한 마그네틱 엔코더(33)를 통한 상태 인식과 및 레이저 모듈 어셈블리(10)와 다각형 미러 블록(20) 간의 위치조정을 위한 레이저 어드저스터(40)를 통한 정렬 기능을 수행함으로서 이루어질 수 있는 것이다.In this way, the lidar optical device 100 according to the present embodiment changes the reflection angle of the laser by rotating the polygonal mirror block 20 having a plurality of mirrors with gradually increasing or decreasing inclination angles to form one horizontal While transmitting and receiving laser beams on the scanning line corresponding to the line, the scanning angle and resolution can be changed by using multiple laser transmitting modules with different laser beam emission positions or laser beam emission angles, and the desired resolution can be effectively achieved. In order to achieve this, status recognition through a magnetic encoder (33) to detect the rotation speed and rotation position of the polygon mirror block (20) and position adjustment between the laser module assembly (10) and the polygon mirror block (20) are performed. This can be achieved by performing an alignment function through the laser adjuster 40.

또 한편으로, 전술한 실시예에서는 제어유닛에 대하여 특별히 언급하지 않았지만, 본 실시예에 따른 라이다 광학 장치 또는 이를 구비하는 라이다 장치(100)는 제어유닛을 더 구비할 수 있다. 그 경우, 제어유닛은 모터 등의 회전유닛(30)의 온오프 동작이나 회전 속도를 제어하거나, 레이저 모듈 어셈블리(10)의 발신 및 수신 동작을 제어하고, 수신된 신호를 외부의 장치에 전달하도록 구현될 수 있다. 그 경우, 제어유닛은 레이저 발신모듈의 레이저빔 발신 타이밍과 미러 블록(20)의 회전 위치를 미리 설정된 위치와 타이밍으로 동기화하여 제어 동작을 수행하도록 이루어진다.On the other hand, although the control unit was not specifically mentioned in the above-described embodiment, the LiDAR optical device according to this embodiment or the LiDAR device 100 including the same may further include a control unit. In that case, the control unit controls the on-off operation or rotation speed of the rotation unit 30, such as a motor, or controls the transmission and reception operations of the laser module assembly 10, and transmits the received signal to an external device. It can be implemented. In that case, the control unit performs a control operation by synchronizing the laser beam transmission timing of the laser transmission module and the rotational position of the mirror block 20 to a preset position and timing.

전술한 제어유닛은 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 제어유닛은 레이저 모듈 어셈블리(10)의 케이스 내에 탑재될 수 있으나, 이에 한정되지는 않는다.The above-mentioned control unit may be implemented with at least one device selected from a logic circuit, programming logic controller, microcomputer, microprocessor, etc., and may include a communication module or be coupled to a communication module. The communication module communicates with external devices through intranet, Internet, vehicle network, etc., and can transmit signals or data related to the target detected through laser scanning or the distance to the target to the external device. This control unit may be mounted within the case of the laser module assembly 10, but is not limited thereto.

한편, 도면에 도시하지는 않았지만, 라이다 장치(100)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.Meanwhile, although not shown in the drawing, the LiDAR device 100 may be provided with wiring, an adapter, or a power supply means for power supply. The power supply means may be provided with an internal power source or a rechargeable power supply, in which case the LiDAR device may be implemented to be used as a detachable device.

전술한 본 발명의 라이다 장치를 사용하면, 레이저 모듈에서 발신되는 레이저빔을 원하는 타겟 범위로 효과적으로 반사하여 방출할 수 있고, 외부에서 반사되어 오는 레이저빔을 효과적으로 수신하여 레이저빔에 의한 타겟 감지나 타겟 측정을 효과적으로 수행할 수 있다. 즉, 회전하는 미러 블럭은 미러 블럭 표면의 미러들을 통해 외부케이스 내측에서 윈도우를 통해 방출되는 레이저빔의 입사각과 반사각을 효과적으로 조정할 수 있도록 하며, 일정 각도 회전 운동하는 레이저 모듈들은 미러 블럭의 미러들의 서로 다른 영역을 이용하여 효과적으로 레이저 스캐닝 동작을 수행할 수 있게 된다.Using the lidar device of the present invention described above, the laser beam emitted from the laser module can be effectively reflected and emitted to the desired target range, and the laser beam reflected from the outside can be effectively received to detect the target by the laser beam. Target measurement can be performed effectively. In other words, the rotating mirror block effectively adjusts the angle of incidence and reflection of the laser beam emitted through the window from the inside of the outer case through the mirrors on the surface of the mirror block, and the laser modules that rotate at a certain angle adjust the mirrors of the mirror block to each other. It is possible to effectively perform laser scanning operations using different areas.

전술한 구성에 의하면, 라이다 장치에서 레이저 모듈들과 미러 블럭과 회전유닛의 결합 구조에 의해 레이저빔의 반사 및 산란 각도를 효과적으로 제어하면서 공간적인 데이터를 확보할 수 있는 공간 스캔 성능을 극대화할 수 있는 장점이 있다.According to the above-described configuration, it is possible to maximize spatial scanning performance to secure spatial data while effectively controlling the reflection and scattering angles of the laser beam by the combined structure of the laser modules, mirror block, and rotation unit in the LiDAR device. There is an advantage.

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.It is natural that the present invention can be modified in various ways other than the above-described embodiments. The LiDAR device of the present invention can generally be applied to vehicles, but the present invention is not limited to this. In other words, the lidar optical device according to the present invention and the lidar device equipped with the same can be applied to movable objects such as robots, ships, helicopters, and drones as well as vehicles, and can also be applied to buildings, pillars, towers, etc., where movement is restricted. It can also be applied to fixtures without limitation.

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.As described above, preferred embodiments of the present invention have been described in the detailed description of the present invention, but those skilled in the art will understand the present invention without departing from the spirit and scope of the present invention as set forth in the following claims. It will be understood that various modifications and changes can be made to the present invention.

100: 라이다 광학 장치 110: 상부케이스
120: 윈도우 130: 하부케이스
10: 레이저 모듈 어셈블리 20: 다각형 미러 블록
30: 회전유닛 31: 모터지지부
32: 회전축 33: 마그네틱 엔코더
43: 홀 센서 35: 엔코더 PCB
40: 레이저 어드저스터 41: 슬라이더
42: 회전 로터 43: 레일부
100: Lidar optical device 110: upper case
120: Window 130: Lower case
10: Laser module assembly 20: Polygon mirror block
30: rotation unit 31: motor support
32: rotation axis 33: magnetic encoder
43: Hall sensor 35: Encoder PCB
40: Laser adjuster 41: Slider
42: rotating rotor 43: rail part

Claims (5)

라이다(LIDAR: light detection and ranging radar) 광학 장치로서,
레이저 발신과 수신 동작을 수행하는 레이저 모듈 어셈블리,
상기 레이저 모듈 어셈블리의 전면 상에서 상기 레이저 발신과 수신에 반사 경로를 형성하는 다각형 미러 블록,
상기 다각형 미러 블록의 내부 중공부에 삽입되어 다각형 미러 블록을 회전시키는 회전유닛,
상기 회전유닛의 중심부를 관통하도록 배치되는 회전축의 하부로 연장되는 종단에서 다각형 미러 블럭의 회전속도 및 회전위치를 감지하기 위한 마그네틱 엔코더, 및
레이저 모듈 어셈블리의 하부에 결합되고 하부케이스에 고정되어 레이저 모듈 어셈블리와 다각형 미러 블록 간의 위치조정을 위한 정렬 기능을 수행하는 레이저 어드저스터를 포함하고,
상기 다각형 미러 블록은,
각각 사각 평판 형태의 제1 미러 내지 제8 미러를 포함하고,
상기 제1 미러 내지 제8 미러들의 각 반사면의 경사각들은,
상기 제1 미러 내지 제8 미러들의 수직 방향에 대하여 회전축을 중심으로 반시계 방향으로 단계적으로 작아지거나 커지도록 배치되고,
상기 마그네틱 엔코더는,
일정 길이의 원주 형태로서 내측에 일정 간극을 가지며 마주보도록 복수개의 N극과 S극이 서로 교차하도록 구성되어 회전하고, 상측에 자계 강도에 따른 저항 변화를 감지하기 위한 전자회로로 이루어진 엔코더 PCB가 결합되어지고, 상기 엔코더 PCB에는 홀 센서를 포함하여 구성되고,
상기 레이저 어드저스터는,
상기 레이저 모듈 어셈블리를 길이 방향으로 위치 이동할 수 있는 슬라이더와 상기 레이저 모듈 어셈블리의 회전 위치를 조정할 수 있는 회전 로터로 구성되어, 회전 및 길이 방향의 이동을 제어하고, 보드 프레임에서 양 측면에 레일부를 구성하여 상기 슬라이더가 상기 레일부를 따라 길이 방향 이동을 조정할 수 있도록 구성되는 것을 특징으로 하는 라이다 광학 장치.
As a LIDAR (light detection and ranging radar) optical device,
A laser module assembly that performs laser emission and reception operations,
A polygonal mirror block forming a reflection path for transmitting and receiving the laser on the front of the laser module assembly,
A rotation unit inserted into the inner hollow portion of the polygon mirror block to rotate the polygon mirror block,
A magnetic encoder for detecting the rotation speed and rotation position of the polygonal mirror block at the end extending below the rotation axis disposed to penetrate the center of the rotation unit, and
A laser adjuster is coupled to the lower part of the laser module assembly and fixed to the lower case to perform an alignment function for position adjustment between the laser module assembly and the polygonal mirror block,
The polygonal mirror block is,
Each includes first to eighth mirrors in the form of a square plate,
The inclination angles of each reflective surface of the first to eighth mirrors are,
The first to eighth mirrors are arranged to gradually become smaller or larger in a counterclockwise direction about a rotation axis in a vertical direction,
The magnetic encoder is,
It has a cylindrical shape of a certain length and rotates with a plurality of N and S poles facing each other with a certain gap on the inside, and an encoder PCB consisting of an electronic circuit to detect resistance changes according to magnetic field intensity is attached to the upper side. The encoder PCB includes a Hall sensor,
The laser adjuster is,
It consists of a slider that can move the laser module assembly in the longitudinal direction and a rotating rotor that can adjust the rotational position of the laser module assembly, controlling rotation and movement in the longitudinal direction, and forming rail sections on both sides of the board frame. A lidar optical device, characterized in that the slider is configured to adjust longitudinal movement along the rail portion.
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