KR20160113794A - 전방향 라이다 장치 - Google Patents

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Abstract

각 방향에 대하여 레이저 빔을 스캐닝 방식으로 방출하고 반사광을 획득하여 반사체까지의 거리를 계산하는 라이다 장치.
본 발명의 라이다 장치는 소스광을 발생하는 광원과, 회전거울, 상부거울, 광 검출부, 수신거울, 및 연산부를 구비한다. 회전거울은 소스광의 광경로 상에 2축 방향으로 회전가능하게 설치되어 그 반사면의 방향이 시간적으로 가변되며, 상기 소스광을 시간적으로 방향을 달리하여 스캔광으로써 상방으로 반사시킨다. 상부거울은 상기 회전거울의 상부에 설치되어, 스캔광을 측하방으로 반사시키고 상기 스캔광이 외부 반사체에 의해 반사되어 귀환하는 수신광을 하방으로 반사시킨다. 수신거울은 상기 회전거울의 앞에 설치되고, 상부거울에 의해 반사된 수신광을 광 검출부 방향으로 반사시키며, 회전거울에 입사되는 소스광과 회전거울에서 출사되는 스캔광의 광경로가 차단되지 않도록 회전거울과 대향하는 위치에 광 투과부가 형성되어 있다. 광 검출부는 수신광을 검출하고, 연산부는 소스광이 발생된 후 수신광이 검출되기까지의 비행시간을 토대로 외부 반사체까지의 거리를 계산한다.
고속으로 그리고 효율적으로 스캔할 수 있음과 아울러, 콤팩트하고, 화각 내의 모든 방향으로 동시에 레이저를 방출하는 종래의 장치에 비하여 소요되는 레이저 출력이 현저히 감소되며, 제작비가 적고 운용비용이 저렴하다는 이점이 있다.

Description

전방향 라이다 장치{Omnidirectional LIDAR Apparatus}
본 발명은 측정 장치에 관한 것으로서, 특히, 광학적 수단을 사용하여 측정 대상물까지의 거리와 측정대상물의 형태를 측정하는 장치에 관한 것이다.
라이다(LIDAR: Light Detection And Ranging)는 빛을 이용하여 대상물을 검출하고 대상물까지의 거리를 측정하는 것을 말한다. 라이다는 기능에 있어서 레이더(RADAR: Radio Detection And Ranging)와 유사하지만, 전파를 이용하는 레이다와 달리 빛을 이용한다는 차이가 있으며, 이러한 점에서 '영상 레이더'라고 칭해지기도 한다. 빛과 마이크로파 간의 도플러 효과 차이로 인하여, 라이다는 레이더에 비하여 방위 분해능, 거리 분해능 등이 우수하다는 특징을 가진다.
라이다 장치는 위성이나 항공기에서 레이저 펄스를 방출하고, 대기중의 입자에 의해 후방 산란되는 펄스를 지상관측소에서 수신하는 항공 라이다가 주류를 이루어왔으며, 이러한 항공 라이다는 바람 정보와 함께 먼지, 연기, 에어로졸, 구름 입자 등의 존재와 이동을 측정하고, 대기중의 먼지입자의 분포 또는 대기 오염도를 분석하는데 사용되어왔다. 그런데, 최근에는 송신계와 수신계가 모두 지상에 설치되어 장애물 탐지, 지형 모델링, 대상물까지의 위치 획득 기능을 수행하는 지상 라이다도 감시정찰로봇, 전투로봇, 무인수상함, 무인헬기 등의 국방분야나, 민수용 이동로봇, 지능형자동차, 무인자동차 등의 민수용 분야에 대한 적용을 염두에 두고 활발히 연구가 이루어지고 있다.
지상 라이다 장치는, 통상적으로, 레이저 펄스를 방출하는 송신광학계와, 외부의 객체의 의해 반사되는 반사광을 수신하는 수신광학계와, 상기 객체의 위치를 결정하는 분석부로 구성된다. 여기서 분석부는 반사광에 대하여 송수신에 소요된 시간을 결정하여 반사된 객체까지의 거리를 계산하고, 특히 각 방향으로부터 수신되는 반사광에 대하여 거리를 계산함으로써 화각(FOV: Field of View)에 상응한 영상 내에서 거리맵을 작성할 수도 있다.
그런데, 종래의 지상 라이다 장치는 화각에 상응하게 빔 폭이 넓은 레이저를 방출하고 화각 내의 모든 방향으로부터 동시에 반사광을 획득하여 반사체와의 거리를 획득하기 때문에, 출력이 매우 높은 레이저 모듈을 필요로 하며 따라서 매우 가격이 비싸다는 문제점이 있다. 또한, 출력이 높은 레이저 모듈은 크기가 크고, 라이다 장치의 전체적인 크기를 키우는 요인으로 작용하게 된다.
특히, 전방향 스캔(Panoramic Scanning) 기능을 구비하는 라이다 장치의 경우, 송신광학계와 수신광학계를 포함하여 장치 전체가 회전하여 동작한다. 이러한 장치의 예들이 미국 공개특허공보 2011/0216304호, 2012/0170029호, 2014/0293263호, 미국특허공보 8,836,922호에 기재되어 있다. 그런데 이와 같은 장치 전체를 회전시키게 되는 경우 시스템 크기는 더욱 커지게 되는데, 이는 미관상으로도 좋지 않을 뿐만 아니라, 가격 및 소비전력 상승의 문제를 더욱 심화시키게 된다.
본 발명은 이와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 각 방향에 대하여 레이저 빔을 스캐닝 방식으로 방출하고 반사광을 획득하여 반사체까지의 거리를 계산함으로써, 고속으로 그리고 효율적으로 스캔할 수 있음과 아울러, 소요되는 레이저 출력이 매우 낮고, 콤팩트한 크기를 가지며, 제작비가 적고 운용비용이 저렴한 라이다 장치를 제공하는 것을 기술적 과제로 한다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 라이다 장치는 예컨대 군 초소와 같은 고정체의 상부에 설치되거나, 로봇, 차량 등과 같은 이동체의 상부에 설치되어, 주변에 있는 대상물을 탐지하고 탐지된 대상물까지의 거리를 획득하는데 적합한 것으로서, 광원, 회전거울, 상부거울, 광 검출부, 수신거울, 및 연산부를 구비한다. 상기 광원은 소스광을 발생한다. 회전거울은 소스광의 광경로 상에 2축 방향으로 회전가능하게 설치되어 그 반사면의 방향이 시간적으로 가변되며, 상기 소스광을 시간적으로 방향을 달리하여 스캔광으로써 상방으로 반사시킨다. 상부거울은 상기 회전거울의 상부에 설치되어, 스캔광을 측하방으로 반사시키고 상기 스캔광이 외부 반사체에 의해 반사되어 귀환하는 수신광을 하방으로 반사시킨다. 광 검출부는 상기 수신광을 검출한다. 수신거울은 상기 회전거울의 앞에 설치되고, 상부거울에 의해 반사된 수신광을 광 검출부 방향으로 반사시키며, 상기 회전거울에 입사되는 소스광과 상기 회전거울에서 출사되는 스캔광의 광경로가 차단되지 않도록 회전거울과 대향하는 위치에 광 투과부가 형성되어 있다. 연산부는 소스광이 발생된 후 수신광이 검출되기까지의 비행시간을 토대로 외부 반사체까지의 거리를 계산한다.
일 실시예에 있어서, 라이다 장치는 상기 수신거울에 의해 반사된 상기 수신광을 집속하는 집광렌즈를 더 구비하여, 광 검출부가 집광렌즈에 의해 집속된 수신광을 검출하게 된다. 또한, 라이다 장치는 광원으로부터 방출되는 상기 소스광을 상기 회전거울 방향으로 반사시키는 광원거울을 더 구비하는 것이 바람직하다.
다른 실시예에 있어서, 라이다 장치는 상기 수신거울에 의해 반사된 상기 수신광을 집속하는 오목 거울을 더 구비하며, 광 검출부가 오목 거울에 의해 집속된 상기 수신광을 검출하게 된다. 이와 같은 실시예에 따른 라이다 장치는 상기 오목 거울에 의해 집속된 수신광을 광 검출부 방향으로 반사시키는 검출기 거울을 더 구비하는 것이 바람직하다. 또한, 상기 광원으로부터 방출되는 소스광을 회전거울 방향으로 반사시키는 광원거울을 추가적으로 구비하는 것이 바람직하다. 이와 같은 경우 상기 검출기 거울과 상기 광원거울은 서로 다른 방향의 반사면을 가지면서 일체로 되어 있는 것이 바람직하다.
또 다른 실시예에 있어서, 라이다 장치는 경사면과, 상기 상부거울을 향하도록 배치되는 제1 측면과, 상기 제1 측면과 직교하는 제2 측면을 구비하며, 상기 경사면에 상기 제1 측면과 평행한 소스 입사면을 구비하는 광 투입부가 형성되어 있는 프리즘을 구비한다. 이러한 경우, 회전거울은 상기 소스 입사면의 외측에 배치되고, 상기 경사면의 내측면이 수신거울로 작용하게 된다. 바람직한 실시예에 있어서, 상기 프리즘의 광 투입부는 상기 경사면으로부터 외측으로 돌출된 돌출부 또는 상기 경사면으로부터 상기 프리즘 내측으로 만입된 요홈으로 되어 있다.
상기 상부거울은 꼭지점이 아래에 위치한 콘 형태의 거울로 되어 있거나, 반사면이 아래로 볼록한 볼록 거울로 되어 있는 것이 바람직하다.
상부거울은 모든 수평방향에 대하여 동일한 반사각 특성을 가지도록 대칭적으로 되어 있을 수도 있고, 모든 수평방향 중 적어도 일부 방향에 대하여 다른 반사각 특성을 가지도록 비대칭적으로 되어 있을 수도 있다.
본 발명에 따르면, 레이저 모듈로부터 출사되는 좁은 빔폭의 레이저를 고속으로 회전하는 마이크로 미러에 의해 화각내의 모든 방향에 대하여 고속으로 주사, 방출하게 되기 때문에, 화각 내의 모든 방향으로 동시에 레이저를 방출하는 종래의 장치에 비하여 소요되는 레이저 출력이 현저히 감소되는 효과가 있다.
이에 따라, 라이다 장치의 제조비가 크게 절감될 수 있고, 레이저 모듈의 크기와 장치의 전체적인 크기가 크게 감소되어 콤팩트해진다. 아울러, 감소되는 레이저 출력에 상응하여 장치 운용 과정에서의 소비전력도 크기 감소된다는 이점이 있다. 나아가, 광 송출 광학계와 수신광학계가 일체화되어 있기 때문에 장치의 크기가 현저하게 작게 된다. 특히, 장치 내부에서 마이크로 미러만이 회전할 뿐 장치 전체가 회전하는 것이 아니기 때문에, 회전을 위한 메커니즘이 불필요하게 되어 매우 소형으로 제작될 수 있고 미감을 향상시키는 것이 가능해진다.
또한, 레이저 빔의 폭이 감소됨에 따라 각 스캐닝 방향으로 출사되는 레이저 광의 출력을 크게 증가시키는 것이 가능해지며, 이에 따라 거리 분해능을 매우 높일 수 있게 되고 정밀한 거리맵 작성과, 거리 및 형상 측정이 가능해진다는 장점이 있다.
이와 같은 본 발명의 라이다 장치는 감시정찰로봇, FA용 반송로봇, 무인선박, 민수용 무인헬기 등의 민수용 이동로봇에 적용이 가능하고, 지능형자동차나 미래의 무인자동차에도 활용할 수 있다. 나아가, 본 발명의 장치는 감시정찰로봇이나 전투로봇 등 국방로봇이나, 무인수상함, 무인헬기, 무인정찰기 등의 무기체계에 적용되어 장비의 정밀도를 높이고 군 전력을 크게 증강시킬 수 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명한다. 도면에서 동일하거나 대응하는 부재에 대해서는 동일한 참조번호를 부여하기로 한다. 도면 중,
도 1은 본 발명에 의한 라이다 장치의 제1 실시예에 따른 송수신광학계 구성을 보여주는 도면;
도 2는 도 1의 라이다 장치에서 송신광의 광경로를 보여주는 도면;
도 3은 도 1의 라이다 장치에서 수신광의 광경로를 보여주는 도면;
도 4는 도 1의 라이다 장치의 전기적 구성을 보여주는 블록도;
도 5는 본 발명에 의한 라이다 장치의 제2 실시예에 따른 송수신광학계 구성을 보여주는 도면;
도 6은 도 5의 라이다 장치에서 송신광의 광경로를 보여주는 도면;
도 7은 도 5의 라이다 장치에서 수신광의 광경로를 보여주는 도면;
도 8은 본 발명에 의한 라이다 장치의 제3 실시예에 따른 송수신광학계 구성을 보여주는 도면;
도 9는 도 8의 라이다 장치에서 송신광의 광경로를 보여주는 도면;
도 10은 도 8의 라이다 장치에서 수신광의 광경로를 보여주는 도면;
도 11은 도 8에 도시된 삼각 프리즘의 변형된 실시예를 보여주는 도면;
도 12는 본 발명의 다른 실시예에 따른 프리즘의 형태를 보여주는 도면; 그리고
도 13은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 프리즘의 형태를 보여주는 도면이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 제1 실시예에 따른 라이다 장치는 광원(100)과, 광원(100)의 상부에 배치되는 광원거울(120)과, 광원거울(120)의 측방향에 배치되는 수신거울(130) 및 마이크로 미러(140)와, 수신거울(130)의 상방에 위치하는 상부거울(160)과, 광원거울(120)을 기준으로 수신거울(130)의 반대측에 위치하는 집광렌즈(170) 및 광 검출부(180)를 구비한다.
광원(100)은 거리측정 대상물을 스캐닝하기 위한 소스 레이저 광(이하, '소스광'이라 함)을 발생하여 방출한다. 상기 소스광은 펄스 레이저인 것이 바람직하다. 광원거울(120)은 사각형 또는 원형으로 되어 있으며, 광원(100)에서 방출된 소스광을 마이크로 미러(140) 방향으로 반사시킨다.
마이크로 미러(140)는 광원거울(120)에 의해 반사된 소스광을 재반사시켜서, 재반사된 레이저 광(이하, '스캔광'이라 함)이 상부거울(160) 방향으로 진행되도록 한다. 마이크로 미러(140)는 그 전면을 기준으로 좌우방향 및 상하방향으로 회전할 수 있게 되어 있으며, 주기적으로 상하방향으로 움직이고 다시 상방으로 복귀하기를 반복함과 아울러, 향하는 방향이 상방에서 하방으로 1회 변경되는 동안에 좌우방향으로 다수 회전하게 되어 잇다. 이에 따라, 마이크로 미러(140)에서 반사되는 빛은 일정 패턴으로 화각 내부의 각 방향을 주사하게 되며, 라이다 장치로부터 출사되는 스캔광은 화각의 범위에서 전방을 주기적으로 스캐닝할 수 있게 된다.
마이크로 미러(140)로는 MEMS 반도체 상에 미러가 설치된 MEMS 미러가 사용되는 것이 바람직한데, 이에 한정되는 것은 아니다. MEMS 미러는 예컨대 등록특허공보 10-0682955호의 도면에 자세히 표시되어 있고, 본 발명이 속하는 기술분야의 당업자가 본 명세서를 토대로 용이하게 구현할 수 있는 것이므로, 이에 대한 자세한 설명은 생략한다.
상부거울(160)은 마이크로 미러(140)로부터 입사되는 스캔광을 라이다 장치의 측방향 또는 측하방으로 반사시킨다. 또한, 상부거울(160)은 측방향 또는 측하방으로부터 유입되는 빛을 하방으로 반사시키며, 이에 따라 라이다 장치에서 출사된 후 외부 반사체에 의해 반사 또는 산란(이하, '반사'라 약칭함)된 후 귀환되는 수신광을 광 검출부(180) 방향으로 반사시키게 된다.
본 실시예에 있어서, 상부거울(160)은 꼭지점이 아래에 위치한 콘 형태로 되어 있다. 그렇지만, 변형된 실시예에 있어서는 상부거울(160)이 반사면이 아래로 볼록한 볼록 거울에 의해 구현될 수도 있다. 한편, 도시된 실시예에서는, 상부거울(160)이 모든 수평방향에 대하여 동일한 반사각 특성을 가지도록 대칭적으로 가공되어 있지만, 다른 실시예에서는 비대칭적으로 가공되어 특정 방향을 중심으로 스캔이 되게할 수도 있다.
수신거울(130)은 상부거울(160)로부터 입사되는 수신광을 광 검출부(180) 방향으로 반사시킨다. 수신거울(130)은 사각형 또는 원형으로 되어 있으며, 대략 중앙에 위치에 관통공(132)이 형성되어 있다. 상기 마이크로 미러(140)는 수신거울(130)의 관통공(132) 뒤에 설치되어, 마이크로 미러(140)에 입사되는 소스광과 마이크로 미러(140)로부터 출사되는 스캔광이 관통공(122)을 통과하여 진행할 수 있게 되어 있다. 즉, 수신거울(130)은 수신광을 광 검출부(180) 방향으로 반사시키면서, 소스광과 스캔광의 광경로가 차단되지 않도록 하게 된다.
바람직한 실시예에 있어서, 수신거울(130) 및 마이크로 미러(140) 조립체와 상부거울(160) 사이에는 광각렌즈(150)와 필터(152)가 추가적으로 마련될 수 있다. 광각렌즈(150)는 스캔광이 출사되는 각도를 확장시켜 화각을 넓혀준다. 필터(152)는 광원(100)이 발생하는 파장 대역의 빛만을 통과시켜서 다른 대역의 빛이 잡음으로 혼입되는 것을 방지하고, 물이나 먼지 등 이물질이 유입되는 것을 차단하여 라이다 장치의 내부를 보호함과 아울러, 스캔광과 수신광이 광각렌즈(150)에 의해 반사되는 것을 방지한다. 상기 필터(152)는 광각렌즈(150)에 대한 코팅으로써 구현될 수 있다.
집광렌즈(170)는 상부거울(160)에 의해 반사된 후 광각렌즈(150)에 의해 굴절되고 수신거울(130)에 의해 재반사되는 수신광을 집속한다. 광 검출부(180)는 집속된 수신광을 검출한다. 광 검출부(180)로는 예컨대 하나 이상의 애벌랜치 포토 다이오드(APD) 어레이가 사용될 수 있다.
본 실시예에 따른 라이다 장치에서, 송신광과 수신광은 다음과 같이 진행한다.
도 2에 도시된 바와 같이, 광원(100)에서 방출되는 소스광은 광원거울(120)에 의해 반사되어 마이크로 미러(140)에 입사된다. 소스광은 회전하는 마이크로 미러(140)에 의해 재반사된 후, 광각렌즈(150)에 의해 굴절된다. 광각렌즈(150)에 의해 굴절된 스캔광은 상부거울(160)에 의해 반사되어 라이다 장치의 측방향 또는 측하방으로 전파된다.
한편, 도 3에 도시된 바와 같이, 외부 반사체에 의해 반사된 후 귀환되는 수신광은 상부거울(160)에 의해 하방으로 반사되고 광각렌즈(150)에 의해 굴절된 후, 수신거울(130)에 입사된다. 수신거울(130)에 의해 재반사되는 수신광은 집광렌즈(170)에 의해 집속된 후 광 검출부(180)에 의해 전기적 신호로 변환된다.
도 4는 도 1에 도시된 라이다 장치의 전기적 구성을 보여준다. 라이다 장치는 전기적으로 시스템 제어부(200), 광 송출부(202), 미러 구동부(204), 상기 광 검출부(180), 및 절대거리 측정부(206)를 포함한다.
시스템 제어부(200)는 라이다 장치의 전체적인 동작을 제어한다.
광 송출부(202)는 도 1에 도시된 광원(100)을 포함하며, 제어부(200)의 제어 하에 레이저를 발생하고, 발생된 소스 레이저 광을 도 1에 도시된 광학계를 통해 출력한다.
미러 구동부(204)는, 시스템 제어부(200)의 제어 하에, 마이크로 미러(140)의 수평회전 및 수직회전을 구동하기 위한 미러 구동신호를 발생하여 출력한다. 바람직한 실시예에 있어서, 미러 구동신호에 따른 마이크로 미러(140)의 수평회전 및 수직회전량에 대한 정보는 룩업 테이블(미도시됨)에 저장되어 있으며, 미러 구동부(204)는 응용분야에 따라 시스템 제어부(200)에 사전에 설정되어 있는 스캔영역 범위 정보를 참조하여 룩업 테이블에 저장된 정보를 토대로 미러 구동신호를 발생하게 된다. 상기 스캔영역 범위 정보는 사용자의 설정에 따라 달라질 수도 있다.
광 검출부(180)는 앞에서 설명한 바와 같이 집광렌즈(170)에 의해 집속된 수신광을 검출한다. 절대거리 측정부(206)는 광 신호의 비행시간(TOF: Time of Flight) 즉, 광 송출부(202)에 의해 소스광이 발생된 시점부터 수신광이 광 검출부(180)에 의해 검출되는 시점까지의 시간을 토대로, 반사체까지의 거리를 계산한다. 앞서 설명한 바와 같이, 바람직한 실시예에 있어서 광 검출부(180)는 다수의 애벌랜치 포토 다이오드(APD)를 구비하는 APD 어레이를 사용하여 구현된다. 이러한 실시예에서, 절대거리 측정부(206)는 각 APD 단위로 반사체까지의 거리를 계산한다. 특히, 바람직한 실시예에 있어서, 절대거리 측정부(206)는 각 APD에 대하여 계산된 거리를 하나의 픽셀로 표시하는 거리맵 영상을 구성한다. 절대거리 측정부(206)는 거리 데이터 및/또는 거리맵 영상을 시스템 제어부(200)에 제공한다.
위와 같은 라이다 시스템은 다음과 같이 동작한다.
시스템 제어부(200)의 제어 하에 광원(100)에서 소스광이 발생되어 방출되면, 이 소스광은 광원거울(120)에 의해 반사되어 마이크로 미러(140)에 입사된다.
미러 구동부(204)의 구동에 따라 마이크로 미러(140)는 주기적으로 좌우방향 및 상하방향으로 회전하게 되며, 이에 따라 마이크로 미러(140)에 입사되는 반사 광은 마이크로 미러(140)에 의해 지속적으로 가변되는 방향으로 반사되고, 반사된 스캔광은 광각렌즈(150)에 의해 굴절된 후 상부거울(160)에 의해 반사되어 라이다 장치의 측방향 또는 측하방으로 출사된다.
출사된 스캔광은 외부 반사체에 의해 반사 또는 산란된 후 귀환하게 된다. 귀환되는 수신광은 상부거울(160)에 의해 하방으로 반사되고 광각렌즈(150)에 의해 굴절된 후, 수신거울(130)에 입사된다. 수신거울(130)에 의해 반사된 수신광은 집광렌즈(170)에 의해 집속되어 광 검출부(180)의 APD에 결상된다. 그리고 광 검출부(180)의 각 APD는 결상된 수신광을 전기적 신호로 변환된다.
절대거리 측정부(206)는 각 APD 단위로 반사체까지의 거리를 계산하고, 거리맵 영상을 구성한다. 여기서, 거리맵 영상이라 함은 각 반사체 반사지점까지의 거리에 따라 영상 내에서 해당 반사지점에 대응하는 화소의 휘도 및/또는 색상을 달리하여 구성한 영상을 말한다.
도 1에 도시된 광학계에 따르면, 수신거울(130) 상에서 관통공(132)이 형성되어 있는 부위에서는 수신광이 반사될 수 없기 때문에, 거래맵 영상에서 이에 대응하는 부분에 대해서는 정보가 존재하지 않을 수 있다. 그렇지만 이와 같은 미검출 영역은 관통공(132)의 크기를 광 경로를 차단하지 않는 범위 내에서 최소한으로 작게 함으로써 충분히 축소시킬 수 있다. 일 실시예에 있어서, 마이크로 미러(140)의 거울면의 지름은 대략 1 밀리미터(mm)이며, 관통공(132)의 지름은 수 mm의 값을 가진다.
도 5는 본 발명에 의한 라이다 장치의 제2 실시예를 보여준다.
본 실시예에 따른 라이다 장치는 광원(100)과, 광원(100)의 상부에 배치되는 광원거울(120)과, 광원거울(120)의 측방향에 배치되는 수신거울(130) 및 마이크로 미러(140)와, 수신거울(130)의 상방에 위치하는 상부거울(160)과, 광원거울(120)을 기준으로 수신거울(130)의 반대측에 위치하는 오목형 반사거울(360)과, 상기 오목형 반사거울(360)의 전방에 배치되는 검출기 거울(362)과, 상기 검출기 거울(362)의 상방에 마련되는 광 검출부(180)를 구비한다. 광 검출부(180) 전면에는 별도의 집광렌즈(170)가 추가적으로 마련될 수 있다. 아울러, 본 실시예에서도 제1 실시예와 마찬가지로 수신거울(130) 및 마이크로 미러(140) 조립체와 상부거울(160) 사이에 광각렌즈(150)와 필터(152)가 추가적으로 마련될 수 있다.
광원(100), 광원거울(120), 수신거울(130), 마이크로 미러(140), 광각렌즈(150), 필터(152), 집광렌즈(170), 및 광 검출부(180)의 구성과 기능은 도 1에 도시된 제1 실시예와 동일하므로 이에 대한 자세한 설명은 생략한다. 또한, 도 2에 도시된 전기적 구성은 본 실시예에도 동일하게 적용될 수 있다.
도 5를 참조하면, 오목형 반사거울(360)은 상부거울(160)에 의해 반사된 후 광각렌즈(150)에 의해 굴절되고 수신거울(130)에 의해 재반사되는 수신광을 집속한다. 검출기 거울(362)은 오목형 반사거울(360)에 의해 집속된 수신광을 광 검출부(180) 방향으로 반사시킨다. 바람직한 실시예에 있어서, 검출기 거울(362)은 광원거울(120)과 일체로 되어 있으며, 따로 제작되어 서로 반대방향을 향하도록 배면을 서로 부착하거나, 하나의 부재의 양면을 거울코팅함으로써 제작된다. 집광렌즈(170)는 검출기 거울(362)에 의해 재반사된 수신광을 집속하여, 수신광이 광 검출부(180)의 좁은 센서면 내부로 입사될 수 있게 해준다.
본 실시예에 따른 라이다 장치에서, 송신광과 수신광은 다음과 같이 진행한다.
도 6에 도시된 바와 같이, 광원(100)에서 방출되는 소스광은 광원거울(120)에 의해 반사되어 마이크로 미러(140)에 입사된다. 소스광은 회전하는 마이크로 미러(140)에 의해 재반사된 후, 광각렌즈(150)에 의해 굴절된다. 광각렌즈(150)에 의해 굴절된 스캔광은 상부거울(160)에 의해 반사되어 라이다 장치의 측방향 또는 측하방으로 전파된다.
한편, 도 7에 도시된 바와 같이, 외부 반사체에 의해 반사된 후 귀환되는 수신광은 상부거울(160)에 의해 하방으로 반사되고 광각렌즈(150)에 의해 굴절된 후, 수신거울(130)에 입사된다. 수신거울(130)에 의해 재반사되는 수신광은 오목형 반사거울(360)에 의해 집속된다. 오목형 반사거울(360)에 의해 집속된 수신광은 검출기 거울(362)에 의해 다시 반사되어 광 검출부(180) 방향으로 향하게 되며, 집광렌즈(264)에 의해 굴절되어 집속된 후 광 검출부(180)에 결상된다.
도 5에 도시된 라이다 장치의 동작과 다른 특징은 도 1에 도시된 장치와 동일하므로 구체적인 설명은 생략한다.
도 8은 본 발명에 의한 라이다 장치의 제3 실시예를 보여준다.
본 실시예에 따른 라이다 장치는 광원(100)과, 광원(100)의 상부에 배치되는 삼각 프리즘(400)과, 상기 삼각 프리즘(400)의 경사면(402) 외측에 배치되는 광원거울(420) 및 마이크로 미러(140)와, 상기 삼각 프리즘(400)의 제1 측면(404)의 상방에 위치하는 상부거울(160)과, 상기 삼각 프리즘(400)의 제2 측면(406)의 외측에 배치되는 집광렌즈(170) 및 광 검출부(180)를 구비한다. 또한, 본 실시예에서도 제1 실시예와 마찬가지로 삼각 프리즘(400)과 상부거울(160) 사이에 광각렌즈(150)와 필터(152)가 추가적으로 마련될 수 있다.
광원(100), 광원거울(120), 마이크로 미러(140), 광각렌즈(150), 필터(152), 집광렌즈(170), 및 광 검출부(180)의 구성과 기능은 도 1에 도시된 제1 실시예와 동일하거나 유사하므로 이에 대한 자세한 설명은 생략한다. 또한, 도 2에 도시된 전기적 구성은 본 실시예에도 동일하게 적용될 수 있다.
일 실시예에 있어서, 프리즘(400)은 경사면(402)과, 제1 측면(404) 및 제2 측면(406)을 구비하며, 삼각형 단면을 가지는 삼각 프리즘이다. 특히, 각 광학부품의 가공 및 조립을 용이하게 할 수 있도록, 상기 프리즘(400)은 제1 측면(404) 및 제2 측면(406)이 직교하는 직각 프리즘인 것이 바람직하다.
상기 프리즘(400)의 경사면(402)은 라이다 장치에서 출사된 후 외부 반사체에 의해 반사되어 귀환되는 수신광을 광 검출부(180) 방향으로 반사시키는 수신거울(130)의 기능을 수행한다. 일반적으로 프리즘(400)의 경사면(402)은 그 자체로서 충분한 반사 특성을 가지지만, 빛의 손실을 최소화할 수 있도록, 경사면(402)에는 반사면이 프리즘(400)의 내측을 향하도록 반사 코팅이 되어 있는 것이 바람직하다.
상기 프리즘(400)의 경사면(402)에는 외측으로 돌출된 돌출부(410)가 형성되어 있다. 상기 돌출부(410)는 상기 제1 측면(404)과 평행한 소스 입사면(412)과, 상기 제2 측면(406)과 평행하고 상기 소스 입사면(412)의 단부로부터 경사면(402)을 연결하는 수직면(414)을 구비한다.
광원거울(120)은 프리즘(400) 경사면(402)에서 돌출부(410)의 내측 모서리 근처에 부착된다. 상기 광원거울(120)은 프리즘(400)의 경사면(402)에 수신거울(130)을 구현하기 위한 반사 코팅을 행한 후, 상기 반사 코팅의 배면에 반사면이 외측을 향하도록 반사 코팅을 하거나 거울을 부착함으로써 구현될 수 있다. 광원거울(120)은 광원(100)에서 방출된 소스광을 마이크로 미러(140) 방향으로 반사시키는 기능을 수행한다. 본 실시예에서 광원(100)은 상기 광원거울(120) 하측에서 소스광이 광원거울(120)의 중심을 향하도록 배치된다.
마이크로 미러(140)는 돌출부(410)의 소스 입사면(412)의 하측에 설치되며, 특히, 정상 상태에서 상기 프리즘(400) 경사면(402)의 소스 입사면(412)과 상기 광원거울(120)의 사이를 향하도록 배치된다. 마이크로 미러(140)는 광원거울(120)에 의해 반사된 후 입사되는 소스광을 재반사시켜, 재반사된 스캔광이 프리즘(400)의 소스 입사면(412)과 제1 측면(404)을 통해서 상부거울(160) 방향으로 진행되도록 한다.
본 실시예에 따른 라이다 장치에서, 송신광과 수신광은 다음과 같이 진행한다.
도 9에 도시된 바와 같이, 광원(100)에서 방출되는 소스광은 광원거울(120)에 의해 반사되어 마이크로 미러(140)에 입사된다. 소스광은 회전하는 마이크로 미러(140)에 의해 재반사된 후, 프리즘(400) 돌출부(410)의 소스 입사면(412)을 통해 프리즘(400) 내부로 입사되고, 제1 측면(404)을 통해서 출사된다. 프리즘(400)으로부터 출사된 스캔광은 광각렌즈(150)에 의해 굴절된다. 광각렌즈(150)에 의해 굴절된 스캔광은 상부거울(160)에 의해 반사되어 라이다 장치의 측방향 또는 측하방으로 전파된다.
한편, 도 10에 도시된 바와 같이, 외부 반사체에 의해 반사된 후 귀환되는 수신광은 상부거울(160)에 의해 하방으로 반사되고 광각렌즈(150)에 의해 굴절된 후, 프리즘(400)의 제1 측면(404)를 통해 프리즘(400) 내부로 입사된다. 프리즘(400) 내부에서, 수신광은 경사면(402)에 의해 반사된 후 제2 측면(406)을 통해 출사되며, 집광렌즈(170)에 의해 집속된 후 광 검출부(180)에 의해 전기적 신호로 변환된다.
도 8에 도시된 라이다 장치의 동작과 다른 특징은 도 1에 도시된 장치와 동일하므로 구체적인 설명은 생략한다.
도 8에 도시된 광학계에 따르면, 프리즘(400)의 돌출부(410)가 형성되어 있는 부위에서는 수신광이 반사될 수 없기 때문에, 거래맵 영상에서 이에 대응하는 부분에 대해서는 정보가 존재하지 않을 수 있다. 그렇지만 이와 같은 미검출 영역은 프리즘(400) 돌출부(410)의 크기를 광 경로를 차단하지 않는 범위 내에서 최소한으로 작게 함으로써 충분히 축소시킬 수 있다.
도 8의 실시예가 변형된 다른 실시예에서는 돌출부(410) 대신에 경사면(402)로부터 프리즘 내부로 만입된 요홈이 형성될 수도 있다. 도 11은 이와 같은 실시예에 따른 프리즘(400a)을 보여준다. 도 11의 실시예에 있어서, 프리즘(400a)은 경사면(402)에는 내측으로 만입된 요홈(420)이 형성되어 있고, 상기 요홈(420)은 상기 제1 측면(404)과 평행한 소스 입사면(422)과, 상기 제2 측면(406)과 평행하고 상기 소스 입사면(422)의 내측 단부로부터 경사면(402)을 연결하는 수직면(424)을 구비한다. 이와 같은 프리즘을 채택하는 라이다 장치의 동작은 위에서 설명한 것과 동일하므로 이에 대한 설명은 생략한다.
한편, 또 다른 실시예에서는, 도 8에 도시된 프리즘(400)과 광각렌즈(150)를 일체화할 수 있다. 도 12는 이와 같은 실시예에 따른 프리즘(440)의 일 예를 보여준다. 도 12의 실시예에 있어서, 프리즘(440)의 제1 측면(444)은 평면이 아니라 외측으로 볼록한 곡면으로 되어 있으며, 이에 따라 제1 측면(444)은 볼록렌즈의 기능을 겸하게 된다. 이와 같은 프리즘(440)을 채택하는 경우에는, 광각렌즈(150)를 별도로 마련할 필요가 없게 되기 때문에 광각렌즈(150)의 가공비용과 광각렌즈(150)의 조립과 정렬을 위한 공수가 크게 절감될 수 있다. 이와 같은 프리즘을 채택하는 라이다 장치의 동작은 위에서 설명한 것과 동일하므로 이에 대한 설명은 생략한다.
또 다른 실시예에서는, 도 1에 도시된 프리즘(400)과 집광렌즈(170)를 일체화할 수도 있다. 도 13은 이와 같은 실시예에 따른 프리즘(460)의 일 예를 보여준다. 도 10의 실시예에 있어서, 프리즘(460)의 제2 측면(466)은 평면이 아니라 외측으로 볼록한 곡면으로 되어 있으며, 이에 따라 제2 측면(466)은 볼록렌즈의 기능을 겸하게 된다. 이와 같은 프리즘(466)을 채택하는 경우에는, 집광렌즈(170)를 별도로 마련할 필요가 없게 되기 때문에 집광렌즈(170)의 가공비용과 집광렌즈(170)의 조립과 정렬을 위한 공수가 크게 절감될 수 있다. 이와 같은 프리즘을 채택하는 라이다 장치의 동작 역시 위에서 설명한 것과 동일하므로 이에 대한 설명은 생략한다.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시예를 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되지 않으며, 그 기술적 사상이나 필수적 특징을 변경하지 않고서 다양한 방식으로 변형될 수 있고 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다.
예컨대, 이상의 설명에서는 수신거울(130)에 광원거울(120)을 통해 입사되는 소스광과 마이크로 미러(140)에 의해 재반사된 스캔광의 광경로가 차단되지 않도록 관통공(132)가 형성되어 있는 것으로 기술하였지만, 이러한 관통공(132)을 형성하는 대신에, 수신거울(130)에서 거울코팅만을 제거하여 광이 투과될 수 있도록 하는 것만으도 족하다.
또한, 위에서 설명한 실시예에서는 마이크로 미러(140)가 수신거울(130)의 관통공(132) 뒤에 설치되는 것으로 기술되었지만, 변형된 실시예에서는 마이크로 미러(140)가 관통공(132) 내에 설치되거나 그 전방에 설치될 수도 있다. 특히, 마이크로 미러(140)가 관통공(132)의 전방에 설치되는 경우에는, 관통공(132)와 같은 광 투과부가 반드시 필요한 것은 아니며, 이와 같은 실시예에서는, 마이크로 미러(140)에 대한 전력선과 신호선만이 수신거울(130)을 통과할 수 있으면 된다.
다른 한편으로, 이상의 설명에서는 필터(152)가 광각렌즈(150)의 전방 또는 전면에 마련되는 것으로 설명하였지만, 다른 실시예에서는 필터(152)가 수신거울(130) 또는 집광렌즈(170)의 전방 또는 전면에 대한 코팅으로써 구현될 수도 있다.
그밖에도 이상에서 다수의 실시예에 대하여 설명하였지만, 각 실시예의 특징을 조합하여 구현하는 것이 가능함은 물론이다.
그러므로, 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적인 것이 아닌 것으로서 이해해야만 한다. 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 등가개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
100: 광원
120: 광원거울
130: 수신거울, 132: 관통공
140: 마이크로 미러
150: 광각렌즈
152: 필터
160: 상부거울
170: 집광렌즈
180: 광 검출부
360: 오목형 반사거울, 362: 검출기 거울
400, 400a, 440, 460: 프리즘
402: 경사면, 404, 444: 제1 측면, 406, 466: 제2 측면
410: 돌출부, 412: 소스 입사면, 414: 수직면
420: 요홈, 422: 소스 입사면, 424: 수직면

Claims (19)

  1. 소스광을 발생하는 광원;
    상기 소스광의 광경로 상에 2축 방향으로 회전가능하게 설치되어 그 반사면의 방향이 시간적으로 가변되며, 상기 소스광을 시간적으로 방향을 달리하여 스캔광으로써 상방으로 반사시키는 회전거울;
    상기 회전거울의 상부에 설치되어, 상기 스캔광을 측하방으로 반사시키고 상기 스캔광이 외부 반사체에 의해 반사되어 귀환하는 수신광을 하방으로 반사시키는 상부거울;
    상기 수신광을 검출하는 광 검출부;
    상기 회전거울의 앞에 설치되고, 상기 상부거울에 의해 반사된 수신광을 상기 광 검출부 방향으로 반사시키며, 상기 회전거울에 입사되는 상기 소스광과 상기 회전거울에서 출사되는 상기 스캔광의 광경로가 차단되지 않도록 상기 회전거울과 대향하는 위치에 광 투과부가 형성되어 있는 수신거울; 및
    상기 소스광이 발생된 후 상기 수신광이 검출되기까지의 비행시간을 토대로 상기 외부 반사체까지의 거리를 계산하는 연산부;
    를 구비하는 라이다 장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 수신거울에 의해 반사된 상기 수신광을 집속하는 집광렌즈;
    를 더 구비하여 상기 광 검출부가 상기 집광렌즈에 의해 집속된 상기 수신광을 검출하는 라이다 장치.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 광원으로부터 방출되는 상기 소스광을 상기 회전거울 방향으로 반사시키는 광원거울;
    을 더 구비하는 라이다 장치.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 회전거울과 상기 상부거울 사이에 설치되어 상기 스캔광이 출사되는 각도를 확장시키는 광각렌즈;
    를 더 구비하는 라이다 장치.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 수신거울에 의해 반사된 상기 수신광을 집속하는 오목 거울;
    을 더 구비하며, 상기 광 검출부가 상기 오목 거울에 의해 집속된 상기 수신광을 검출하는 라이다 장치.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 오목 거울에 의해 집속된 상기 수신광을 상기 광 검출부 방향으로 반사시키는 검출기 거울;
    을 더 구비하는 라이다 장치.
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 광원으로부터 방출되는 상기 소스광을 상기 회전거울 방향으로 반사시키는 광원거울;
    을 더 구비하며,
    상기 검출기 거울과 상기 광원거울이 서로 다른 방향의 반사면을 가지면서 일체로 되어 있는 라이다 장치.
  8. 청구항 5에 있어서,
    상기 회전거울과 상기 상부거울 사이에 설치되어 상기 스캔광이 출사되는 각도를 확장시키는 광각렌즈;
    를 더 구비하는 라이다 장치.
  9. 청구항 1에 있어서,
    경사면과, 상기 상부거울을 향하도록 배치되는 제1 측면과, 상기 제1 측면과 직교하는 제2 측면을 구비하며, 상기 경사면에 상기 제1 측면과 평행한 소스 입사면을 구비하는 광 투입부가 형성되어 있는 프리즘;
    을 구비하며,
    상기 소스 입사면의 외측에 상기 회전거울이 배치되고,
    상기 경사면의 내측면이 상기 수신거울로 작용하는 라이다 장치.
  10. 청구항 9에 있어서,
    상기 프리즘의 상기 경사면의 외측에 설치되며, 상기 광원으로부터 방출되는 상기 소스광을 상기 회전거울 방향으로 반사시키는 광원거울;
    을 더 구비하는 라이다 장치.
  11. 청구항 9에 있어서, 상기 프리즘의 상기 광 투입부가 상기 경사면으로부터 외측으로 돌출된 돌출부로 되어 있는 라이다 장치.
  12. 청구항 9에 있어서, 상기 프리즘의 상기 광 투입부가 상기 경사면으로부터 상기 프리즘 내측으로 만입된 요홈으로 되어 있는 라이다 장치.
  13. 청구항 9에 있어서,
    상기 프리즘의 상기 경사면에 그 반사면이 상기 프리즘의 내측을 향하도록 반사 코팅이 되어 있는 라이다 장치.
  14. 청구항 9에 있어서,
    상기 제1 측면과 상기 상부거울 사이에 설치되어 상기 스캔광이 출사되는 각도를 확장시키는 광각렌즈;
    를 더 구비하는 라이다 장치.
  15. 청구항 9에 있어서,
    상기 프리즘의 상기 제1 및 제2 측면 중 적어도 하나가 외측으로 볼록한 곡면으로 되어 있는 라이다 장치.
  16. 청구항 1에 있어서,
    상기 상부거울이 꼭지점이 아래에 위치한 콘 형태의 거울로 되어 있는 라이다 장치.
  17. 청구항 1에 있어서,
    상기 상부거울이 반사면이 아래로 볼록한 볼록 거울로 되어 있는 라이다 장치.
  18. 청구항 16 또는 청구항 17에 있어서,
    상기 상부거울이 모든 수평방향에 대하여 동일한 반사각 특성을 가지도록 대칭적으로 되어 있는 라이다 장치.
  19. 청구항 16 또는 청구항 17에 있어서
    상기 상부거울이 모든 수평방향 중 적어도 일부 방향에 대하여 다른 반사각 특성을 가지도록 비대칭적으로 되어 있는 라이다 장치.
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