KR20160114445A - 라이다 시스템 - Google Patents

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KR20160114445A
KR20160114445A KR1020150040962A KR20150040962A KR20160114445A KR 20160114445 A KR20160114445 A KR 20160114445A KR 1020150040962 A KR1020150040962 A KR 1020150040962A KR 20150040962 A KR20150040962 A KR 20150040962A KR 20160114445 A KR20160114445 A KR 20160114445A
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light
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정영대
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한화테크윈 주식회사
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    • H03H7/12—Bandpass or bandstop filters with adjustable bandwidth and fixed centre frequency

Abstract

본 발명의 일 실시예에 따르면, 제1 파장의 적외광을 방출하는 복수 개의 제1 레이저 광원, 상기 제1 레이저 광원에 인접하게 배치되며, 상기 제1 파장과 다른 제2 파장의 적외광을 방출하는 복수 개의 제2 레이저 광원, 상기 제1 레이저 광원에 의해 방출된 후 대상체로부터 반사된 광을 수신하여 전기 신호로 변환하는 제1 검출기, 및 상기 제1 검출기에 인접하게 배치되며, 상기 제2 레이저 광원에 의해 방출된 후 상기 대상체로부터 반사된 광을 수신하여 전기 신호로 변환하는 제2 검출기를 포함하는, 라이다 시스템을 개시한다.

Description

라이다 시스템 {Lidar system}
본 발명은 라이다 시스템에 관한 것으로, 상세하게는 각각 서로 다른 파장의 광을 방출하는 복수 개의 레이저를 이용한 라이다 시스템에 관한 것이다.
라이다 시스템(LIDAR system; Light Detection And Ranging System)은 레이저를 목표물을 향하여 조사하고 목표물로부터 반사된 광을 수신함으로써, 사물까지의 거리, 방향, 속도, 온도, 물질 분포 및 농도 특성 등을 감지할 수 있는 시스템이다.
라이다 시스템은 기상 관측이나 거리 측정 등의 용도를 위해 활용되다가, 최근에는 위성을 이용한 기상 관측, 무인 로봇 센서, 무인 주행차, 및 3차원 영상 모델링을 위한 기술을 위하여 연구되고 있다.
미국 등록특허 7,969,558 (2011.06.28)
그러나, 라이다 시스템는 서로 인접한 복수 개의 검출기를 포함할 수 있으며, 일 검출기에 입사되도록 의도된 광이 인접한 검출기에도 입사되는 문제가 발생한다. 즉, 하나의 검출기에 입사되도록 의도된 광과 의도하지 않은 광 사이에 간섭이 발생하여, 라이다 시스템의 측정 정밀도가 저하되는 문제가 발생한다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 포함하여 여러 문제점들을 해결하기 위한 것으로서, 검출기에 의도하지 않는 광이 입사되지 않도록 하여 측정 정밀도를 개선한 라이다 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.
또, 각각 서로 다른 파장의 광을 방출하는 복수 개의 레이저를 사용함으로써 다양한 종류의 가스 등을 검출할 수 있는 라이다 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.
그러나, 이러한 과제는 예시적인 것으로, 이에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 제1 파장의 적외광을 방출하는 복수 개의 제1 레이저 광원; 상기 제1 레이저 광원에 인접하게 배치되며, 상기 제1 파장과 다른 제2 파장의 적외광을 방출하는 복수 개의 제2 레이저 광원; 상기 제1 레이저 광원에 의해 방출된 후 대상체로부터 반사된 광을 수신하여 전기 신호로 변환하는 제1 검출기; 및 상기 제1 검출기에 인접하게 배치되며, 상기 제2 레이저 광원에 의해 방출된 후 상기 대상체로부터 반사된 광을 수신하여 전기 신호로 변환하는 제2 검출기;를 포함하는, 라이다 시스템을 개시한다.
일 실시예에 있어서, 상기 제1 레이저 광원, 제2 레이저 광원, 제1 검출기, 및 제2 검출기를 내부에 수납하는 하우징; 및 상기 제1 레이저 광원 및 제2 레이저 광원에 의해 동시에 발광되어 상기 대상체로부터 반사된 후 상기 제1 검출기 및 제2 검출기에 의해 수신되어 전기 신호로 변환된 광으로부터, 상기 하우징의 외부 대기의 분포 및 상기 대상체까지의 거리를 결정하는 처리부;를 더 포함하며, 상기 제1 레이저 광원 및 제2 레이저 광원은 상기 하우징의 외부로 광을 방출하며, 상기 제1 검출기 및 제2 검출기는 상기 하우징의 외부로부터 반사되어 상기 하우징으로 유입된 광을 수신하여 전기 신호로 변환할 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 복수 개의 제1 레이저 광원과 상기 복수 개의 제2 레이저 광원은 교대로 또는 체크무늬 형태(checkered shape)로 배치될 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 제1 검출기 및 상기 제2 검출기의 전방에 각각 배치된 제1 밴드 패스 필터 및 제2 밴드 패스 필터를 더 포함할 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 제1 레이저 광원 및 상기 제2 레이저 광원에 인접하게 배치되며, 상기 제1 파장 및 상기 제2 파장과 다른 제3 파장의 적외광을 방출하는 복수 개의 제3 레이저 광원; 및 상기 제1 검출기 및 상기 제2 검출기에 인접하게 배치되며, 상기 제3 레이저 광원에 의해 방출된 후 상기 대상체로부터 반사된 광을 수신하여 전기 신호로 변환하는 제3 검출기;를 더 포함할 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 제1 내지 제3 레이저 광원은 각각 펄스형 레이저 광원(pulsed laser source)이며, 상기 제1 파장, 제2 파장, 및 제3 파장은 각각 950 nm, 1550 nm 및 800 nm일 수 있다.
전술한 것 외의 다른 측면, 특징, 이점은 이하의 발명을 실시하기 위한 구체적인 내용, 특허청구범위 및 도면으로부터 명확해질 것이다.
상기한 바와 같이 이루어진 본 발명의 일 실시예에 따르면, 검출기에 의도하지 않는 광이 입사되지 않도록 하여 측정 정밀도를 개선한 라이다 시스템을 제공할 수 있다. 또, 각각 서로 다른 파장의 광을 방출하는 복수 개의 레이저를 사용함으로써 다양한 종류의 대기 성분 등을 검출할 수 있는 라이다 시스템을 제공할 수 있다. 물론 이러한 효과에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 라이다 시스템을 개략적으로 나타낸 구성도이다.
도 2의 본 발명의 다른 실시예에 따른 라이다 시스템을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 3a 및 도 3b는 각각 도 2의 A 영역 및 B 영역을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 라이다 시스템을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 5는 파장에 따른 물질의 흡수율을 나타낸 그래프이다.
본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시 예를 가질 수 있는 바, 특정 실시 예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변환, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 상세히 설명하기로 하며, 도면을 참조하여 설명할 때 동일하거나 대응하는 구성 요소는 동일한 도면부호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
이하의 실시예에서, 제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 구성요소들은 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
이하의 실시예에서 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. 이하의 실시예에서, "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.
도면에서는 설명의 편의를 위하여 구성 요소들이 그 크기가 과장 또는 축소될 수 있다. 예컨대, 도면에서 나타난 각 구성의 크기 및 두께는 설명의 편의를 위해 임의로 나타내었으므로, 본 발명이 반드시 도시된 바에 한정되지 않는다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 라이다 시스템을 개략적으로 나타낸 구성도이다.
도 1을 참조하면, 일 실시예에 따른 라이다 시스템(1)은 제1 파장의 적외광을 방출하는 복수 개의 제1 레이저 광원(111), 제1 레이저 광원(111)에 인접하게 배치되며, 제1 파장과 다른 제2 파장의 광을 방출하는 복수 개의 제2 레이저 광원(112), 제1 레이저 광원(111)에 의해 방출된 후 대상체로부터 반사된 광을 수신하여 전기 신호로 변환하는 제1 검출기(121) 및 제1 검출기(121)에 인접하게 배치되며, 제2 레이저 광원(112)에 의해 방출된 후 대상체로부터 반사된 광을 수신하여 전기 신호로 변환하는 제2 검출기(122)를 포함할 수 있다.
상기 제1 및 제2 레이저 광원(111, 112)으로부터 방출된 광은, 제1 광학계(150)를 투과하여 라이다 시스템(1)의 외부로 방출될 수 있다. 상기 제1 광학계(150)는 제1 및 제2 레이저 광원(111, 112)으로부터 방출된 광을 평행광으로 변환하는 콜리메이터(collimator)일 수 있다.
라이다 시스템(1)의 외부에는 다양한 기체 성분을 포함하는 대기 및/또는 특정 또는 불특정 대상체가 배치될 수 있으며, 제1 및 제2 레이저 광원(111, 112)으로부터 방출된 광은 상기 대기 등에 의해 일부 흡수된 후 상기 대상체에 의해 반사되어 라이다 시스템(1)에 재입사될 수 있다.
상기 제1 검출기(121) 및 제2 검출기(122)는 각각 제1 레이저 광원(111) 및 제2 레이저 광원(112)으로부터 방출되어 대상체로부터 반사된 광을 수신하도록 정렬될 수 있으며, 상기 제1 검출기(121) 및 제2 검출기(122)의 전방, 즉 광이 입사되는 방향에는 각각 제1 밴드 패스 필터(131) 및 제2 밴드 패스 필터(132)가 배치될 수 있다. 상기 제1 밴드 패스 필터(131) 및 제2 밴드 패스 필터(132)는 각각 제1 파장 및 제2 파장의 광만을 투과시키고 나머지 파장의 광은 차단하는 광학 소자일 수 있다.
상기 제1 검출기(121) 및 제2 검출기(122)의 전방에는 또한, 제2 광학계(160)가 배치될 수 있으며, 상기 제2 광학계(160)는 대상체로부터 반사되어 라이다 시스템(1)에 입사되는 광을 집속시키는 집속 렌즈(focusing lens)일 수 있다.
도 1에서는, 하나의 제1 광학계(150) 및 제2 광학계(160)가 복수 개의 제1 및 제2 레이저 광원(111, 112) 및 복수 개의 제1 및 제2 검출기(121, 122)를 모두 커버하는 것으로 도시하고 있지만, 본 발명은 이에 제한되지 않으며 제1 광학계(150) 및 제2 광학계(160)는 제1 및 제2 레이저 광원(111, 112) 및 제1 및 제2 검출기(121, 122) 각각에 대응되도록 복수 개 배치될 수도 있다.
상기 제1 및 제2 레이저 광원(111, 112)은 동시에 광을 방출할 수 있으며, 동시에 방출된 광은 대상체로부터 반사되어 실질적으로 동시에 제1 검출기(121) 및 제2 검출기(122)에 각각 입사될 수 있다.
상기 제1 및 제2 레이저 광원(111, 112)으로부터 방출된 광은 하나의 대상체의 서로 다른 영역, 또는 서로 다른 대상체로부터 반사될 수 있으며, 복수 개의 제1 및 제2 검출기(122)에 수신된 광은 전기 신호로 변환된 후 처리부(170)에 의해 처리될 수 있다. 일 실시예에 따른 라이다 시스템(1)은 상기 신호 처리 단계를 거쳐 상기 대상체의 깊이(depth) 정보를 제공할 수 있다.
그러나, 서로 인접하게 배치된 제1 및 제2 레이저 광원(111, 112)이 서로 동일한 파장을 갖는 경우, 제1 레이저 광원(111)으로부터 방출되어 대상체로부터 반사된 광은 제1 검출기(121)로 입사되어야 하나, 의도하지 않게 제1 검출기(121)에 인접하게 배치된 제2 검출기(122)에도 일부의 광이 입사될 수 있다. 마찬가지로, 제2 레이저 광원(112)으로부터 방출되어 대상체로부터 반사된 광은 제2 검출기(122)로 입사되어야 하나, 일부의 광이 의도하지 않게 제1 검출기(121)에 입사될 수 있다.
따라서, 제1 및 제2 검출기(122)에 입사되는 광 사이에 간섭이 발생하게 되며, 이러한 제1 및 제2 검출기(122)에 입사된 광을 토대로 얻어진 대상체에 대한 정보에도 오차가 발생할 수 있다. 즉, 대상체 측정에 대한 정밀도가 저하될 수 있다.
그러나, 본 발명의 일 실시예에 따른 라이다 장치(1)에 포함된 제1 및 제2 레이저 광원(111, 112)은 서로 다른 파장의 광을 방출하므로, 제1 레이저 광원(111)에서 방출된 광이 제2 검출기(122) 방향으로 진행하더라도 제2 밴드 패스 필터(132)에 의해 차단되어 제2 검출기(122)에 입사될 수 없으며, 마찬가지로 제2 레이저 광원(112)에서 방출된 광이 제1 검출기(121) 방향으로 진행하더라도 제1 밴드 패스 필터(131)에 의해 차단되어 제1 검출기(121)에 입사될 수 없다.
제1 및 제2 레이저 광원(111, 112)은 각각 복수 개일 수 있으며, 복수 개의 제1 및 제2 레이저 광원(111, 112)은 교대로 배치될 수 있다. 한정된 공간에서 많은 수의 레이저 광원을 배치하는 경우 레이저 광원 사이의 간격이 좁아질 수 밖에 없다. 그러나, 서로 다른 파장의 광을 방출하는 레이저 광원들을 교대로 배치함으로써 동일한 파장의 광을 방출하는 레이저 광원들 사이의 간격을 상대적으로 넓일 수 있다.
즉, 서로 인접한 제1 레이저 광원(111) 및 제2 레이저 광원(112) 사이의 간격이 d1이라면, 복수 개의 제1 레이저 광원(111) 사이의 거리는 d1의 약 2배인 d2일 수 있다. 따라서, 복수 개의 제1 검출기(121) 중 어느 하나에 입사되도록 의도된 광이 다른 제1 검출기(121)에 입사될 확률은 낮아질 수 있으며, 이에 따라 라이다 시스템(1)의 측정 정밀도를 높일 수 있다.
상기 제1 레이저 광원(111) 및 제2 레이저 광원(112)은 각각 거리 측정이 가능하도록, 연속파형 레이저 광원(continuous wave laser source)이 아닌 변조된 펄스형 레이저 광원(modulated pulsed laser source)으로 구성될 수 있다. 또한, 상기 제1 및 제2 레이저 광원(111, 112)은 각각 약 950 nm 및 약 1550 nm의 적외광을 방출할 있으나 이에 제한되진 않는다.
일 실시예에 따른 라이다 시스템(1)은 라이다 시스템(1)의 외부 대기를 구성하는 물질의 종류 및 분포 상태 등을 측정할 수 있다. 즉, 제1 레이저 광원(111) 및 제2 레이저 광원(112)으로부터 방출된 광은 외부 대기를 통과하면서, 대기를 구성하는 특정 물질들에 의해 흡수될 수 있으며, 대상체로부터 반사되어 제1 검출기(121) 및 제2 검출기(122)에 수광된 광으로부터 레이저 광이 얼마나 흡수됐는지를 분석함으로써 외부 대기 상태를 알 수 있다. 상기 대상체는 광의 일부를 흡수하는 대기를 구성하는 물질 자체일 수도 있고 상기 물질을 투과하여 진행되는 광의 경로에 존재하는 다른 대상체일 수도 있다.
대기를 구성하는 물질들은 각각 서로 다른 파장의 광을 흡수할 수 있으며, 따라서, 서로 다른 파장의 광을 방출하는 제1 레이저 광원(111) 및 제2 레이저 광원(112)을 이용하는 경우, 다양한 종류의 물질의 분포 상태를 알 수 있다.
또한, 특정 파장의 광에 대한 흡수율이 높은 물질이 대기 상에 높은 밀도로 분포하는 경우, 특정 파장의 광이 모두 상기 물질에 의해 흡수되어 라이다 시스템(1)에 되돌아오지 않을 수 있다. 그러나, 제1 레이저 광원(111) 및 제2 레이저 광원(112)은 서로 다른 파장의 광을 방출하므로, 하나의 파장의 광이 모두 특정 물질에 의해 흡수되더라도 다른 파장의 광은 흡수되지 않을 것이므로, 대상체에 의해 반사된 후 라이다 시스템(1)에 재입사될 수 있다. 따라서, 일부의 광이 라이다 시스템(1)에 재입사되지 않는 경우에도 대상체까지의 거리 등을 측정할 수 있다.
일 실시예에 따른 라이다 시스템(1)은 처리부(170)를 포함할 수 있으며, 복수 개의 제1 검출기(121) 및 제2 검출기(122)에 의해 수광되어 전기 신호로 변환된 데이터를 처리하여, 라이다 시스템(1)의 외부 대기의 분포 및 대상체까지의 거리 등을 결정할 수 있다.
도 2의 본 발명의 다른 실시예에 따른 라이다 시스템을 개략적으로 나타낸 도면이고, 도 3a 및 도 3b는 각각 도 2의 A 영역 및 B 영역을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 2, 도 3a 및 도 3b를 참조하면, 일 실시예에 따른 라이다 시스템(2)은 제1 파장의 적외광을 방출하는 복수 개의 제1 레이저 광원(211), 제1 레이저 광원(211)에 인접하게 배치되며, 제1 파장과 다른 제2 파장의 광을 방출하는 복수 개의 제2 레이저 광원(212), 제1 레이저 광원(211)에 의해 방출된 후 대상체로부터 반사된 광을 수광하도록 배치된 제1 검출기(221) 및 제1 검출기(221)에 인접하게 배치되며, 제2 레이저 광원(212)에 의해 방출된 후 대상체로부터 반사된 광을 수광하도록 배치된 제2 검출기(222)를 포함할 수 있다.
상기 제1 및 제2 레이저 광원(211, 212) 및 제1 및 제2 검출기(221, 222)는 하우징(280)의 내부에 수납될 수 있다. 상기 하우징(280)은 제1 영역(281) 및 제1 영역(281)에 대하여 회전 가능하게 지지된 제2 영역(282)을 포함할 수 있다.
상기 제2 영역(282)의 내부에는 제1 및 제2 레이저 광원(211, 212)이 배치된 영역(A) 및 제1 및 제2 검출기(221, 222)가 배치된 영역(B)이 존재할 수 있으며, 제2 영역(282)은 하우징(280)의 외부로 광이 방출되는 통로인 제1 개구(282a) 및 외부로부터 반사된 광이 하우징(280)의 내부로 유입되는 통로인 제2 개구(282b)를 포함할 수 있다.
즉, 제1 레이저 광원(211) 및 제2 레이저 광원(212)은 하우징(280)의 외부로 광을 방출하며, 제1 검출기(221) 및 제2 검출기(222)는 하우징(280)의 외부로부터 반사되어 하우징(280)으로 유입된 광을 수신하여 전기 신호로 변환할 수 있다.
상기 라이다 시스템(2)은 제1 검출기(221) 및 제2 검출기(222)에 의해 수신되어 전기 신호로 변환된 광으로부터, 하우징(280)의 외부 대기의 분포 및 대상체까지의 거리를 결정하는 처리부(270)를 포함할 수 있으며, 일 실시예에 따르면, 상기 처리부(270)는 하우징(280)의 제1 영역(281)에 배치될 수 있다.
상기 처리부(270)는 예를 들어 반도체칩과 회로를 포함하는 회로기판으로 제작되거나, 반도체칩에 내장되는 회로 또는 소프트웨어나, 또는 컴퓨터에서 실행될 수 있는 소프트웨어와 같이 다양한 형태로 구현될 수 있다.
도시하진 않았지만, 라이다 시스템(2)은 하우징(280)의 제2 영역(282)이 제1 영역(281)에 대하여 회전할 수 있는 동력을 제공하는 구동부(미도시)를 더 포함할 수 있다.
상기 하우징(280)의 제2 영역(282)은 제1 영역(281)에 대하여 회전 가능하며, 따라서, 일 실시예에 따른, 라이다 시스템(2)은 라이다 시스템(2)을 중심으로 전 방향에 대한 대기 분포 및 대상체까지의 거리 등을 측정할 수 있다.
도 2의 A 영역에는 체크무늬 형태(checkered shape)로 배치된 복수 개의 제1 레이저 광원(211) 및 제2 레이저 광원(212)이 배치될 수 있다. 일 실시예에 따른 라이다 시스템(2)은 한 번에 일 점이 아닌 소정의 면적에 대응되는 영역에 대한 측정을 수행하기 위하여 단일의 레이저 광원이 아닌, 복수 개의 레이저 광원을 포함할 수 있다.
복수 개의 레이저 광원은, 서로 다른 파장의 광을 방출하는 제1 및 제2 레이저 광원(211, 212)을 포함할 수 있다. 한정된 공간에서 많은 수의 레이저 광원을 배치하는 경우 레이저 광원 사이의 간격이 좁아질 수 밖에 없다. 그러나, 서로 다른 파장의 광을 방출하는 레이저 광원들을 체크무늬 형태(checkered shape)로 배치함으로써 동일한 파장의 광을 방출하는 레이저 광원들 사이의 간격을 상대적으로 넓일 수 있다.
즉, 서로 인접한 제1 레이저 광원(211) 및 제2 레이저 광원(212) 사이의 간격이 d3이라면, 복수 개의 제1 레이저 광원(211) 사이의 거리는 d3의 약 배인 d4일 수 있다. 따라서, 복수 개의 제1 검출기(221) 중 어느 하나에 입사되도록 의도된 광이 다른 제1 검출기(221)에 입사될 확률은 낮아질 수 있으며, 이에 따라 라이다 시스템(2)의 측정 정밀도를 높일 수 있다.
도 2의 B 영역에는 체크무늬 형태(checkered shape)로 배치된 복수 개의 제1 검출기(221) 및 제2 검출기(222)가 배치될 수 있다. 제1 검출기(221) 및 제2 검출기(222)는 각각 제1 레이저 광원(211) 및 제2 레이저 광원(212)으로부터 방출되어 하우징(280)의 외부에서 반사되어 하우징(280)의 내부로 입사된 광을 수신할 수 있도록 정렬될 수 있다.
도시하진 않았지만, 상기 제1 및 제2 레이저 광원(211, 212)의 전방에는 제1 광학계가 배치될 수 있으며, 제1 및 제2 검출기(221, 222)의 전방에는 제2 광학계 및 밴드 패스 필터가 배치될 수 있다.
도 4는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 라이다 시스템을 개략적으로 나타낸 도면이고, 도 5는 파장에 따른 물질의 흡수율을 나타낸 그래프이다.
도 4를 참조하면, 일 실시예에 따른 라이다 시스템(3)은 제1 파장의 적외광을 방출하는 복수 개의 제1 레이저 광원(311), 제1 레이저 광원(311)에 인접하게 배치되며 제1 파장과 다른 제2 파장의 광을 방출하는 복수 개의 제2 레이저 광원(312), 제1 및 제2 레이저 광원(311, 312)에 인접하게 배치되며 제1 및 제2 파장과 다른 제3 파장의 광을 방출하는 제3 레이저 광원(313), 제1 레이저 광원(311)에 의해 방출된 후 대상체로부터 반사된 광을 수광하도록 배치된 제1 검출기(321), 제1 검출기(321)에 인접하게 배치되며 제2 레이저 광원(312)에 의해 방출된 후 대상체로부터 반사된 광을 수광하도록 배치된 제2 검출기(322), 및 제1 및 제2 검출기(321, 322)에 인접하게 배치되며 제3 레이저 광원(313)에 의해 방출된 후 대상체로부터 반사된 광을 수광하도록 배치된 제3 검출기(323)를 포함할 수 있다.
상기 제1 내지 제3 레이저 광원(311, 312, 313)으로부터 방출된 광은, 제1 광학계(350)를 투과하여 라이다 시스템(3)의 외부로 방출될 수 있다. 상기 제1 광학계(350)는 제1 내지 제3 레이저 광원(311, 312, 313)으로부터 방출된 광을 평행광으로 변환하는 콜리메이터(collimator)일 수 있다
라이다 시스템(3)의 외부에는 다양한 기체 성분을 포함하는 대기 및/또는 특정 또는 불특정 대상체가 배치될 수 있으며, 제1 내지 제3 레이저 광원(311, 312, 313)으로부터 방출된 광은 상기 대기 등에 의해 일부 흡수된 후 상기 대상체에 의해 반사되어 라이다 시스템(3)에 재입사될 수 있다.
상기 제1 내지 제3 검출기(321, 322, 323)는 각각 제1 내지 제3 레이저 광원(311, 312, 313)으로부터 방출되어 대상체로부터 반사된 광을 수신하도록 정렬될 수 있으며, 상기 제1 내지 제3 검출기(321, 322, 323)의 전방, 즉 광이 입사되는 방향에는 각각 제1 밴드 패스 필터(331), 제2 밴드 패스 필터(332), 및 제3 밴드 패스 필터(333)가 배치될 수 있다. 상기 제1 내지 제3 밴드 패스 필터(331, 332, 333)는 각각 제1 파장, 제2 파장, 및 제2 파장의 광만을 투과시키고 나머지 파장의 광은 차단하는 광학 소자일 수 있다.
상기 제1 내지 제3 검출기(321, 322, 323)의 전방에는 또한, 제2 광학계(360)가 배치될 수 있으며, 상기 제2 광학계(360)는 대상체로부터 반사되어 라이다 시스템(3)에 입사되는 광을 집속시키는 집속 렌즈(focusing lens)일 수 있다.
상기 제1 내지 제3 레이저 광원(311, 312, 313)으로부터 동시에 방출된 광은 하나의 대상체의 서로 다른 영역, 또는 서로 다른 대상체로부터 반사될 수 있으며, 복수 개의 제1 내지 제3 검출기(321, 322, 323)에 수신된 광은 전기 신호로 변환된 후 처리부(370)에 의해 처리될 수 있다. 일 실시예에 따른 라이다 시스템(1)은 상기 신호 처리 단계를 거쳐 상기 대상체의 깊이(depth) 정보를 제공할 수 있다.
제1 내지 제3 레이저 광원(311, 312, 313)은 각각 복수 개일 수 있으며, 복수 개의 제1 내지 제3 레이저 광원(311, 312, 313)은 교대로(alternatively) 배치될 수 있다. 한정된 공간에서 많은 수의 레이저 광원을 배치하는 경우 레이저 광원 사이의 간격이 좁아질 수 밖에 없다. 그러나, 서로 다른 파장의 광을 방출하는 레이저 광원들을 교대로 배치함으로써 동일한 파장의 광을 방출하는 레이저 광원들 사이의 간격을 상대적으로 넓일 수 있다.
즉, 서로 인접한 제1 레이저 광원(311) 및 제2 레이저 광원(312) 사이의 간격이 d5라면, 복수 개의 제1 레이저 광원(311) 사이의 거리는 d5의 약 3배인 d6일 수 있다. 따라서, 복수 개의 제1 검출기(321) 중 어느 하나에 입사되도록 의도된 광이 다른 제1 검출기(321)에 입사될 확률은 낮아질 수 있으며, 이에 따라 라이다 시스템(3)의 측정 정밀도를 높일 수 있다.
상기 제1 내지 제3 레이저 광원(311, 312, 313)은 각각 거리 측정이 가능하도록, 연속파형 레이저 광원(continuous wave laser source)이 아닌 변조된 펄스형 레이저 광원(modulated pulsed laser source)으로 구성될 수 있다. 또한, 상기 제1 내지 제3 레이저 광원(311, 312, 313)은 각각 약 950 nm, 약 1550 nm, 및 약 800 nm의 적외광을 방출할 있으나 이에 제한되진 않는다.
일 실시예에 따른 라이다 시스템(3)은 라이다 시스템(3)의 외부 대기를 구성하는 물질의 종류 및 분포 상태 등을 측정할 수 있다. 즉, 제1 내지 제3 레이저 광원(311, 312, 313)으로부터 방출된 광은 외부 대기를 통과하면서, 대기를 구성하는 특정 물질들에 의해 흡수될 수 있으며, 대상체로부터 반사되어 제1 내지 제3 검출기(321, 322, 323)에 수광된 광으로부터 레이저 광이 얼마나 흡수됐는지를 분석함으로써 외부 대기 상태를 알 수 있다. 상기 대상체는 광의 일부를 흡수하는 대기를 구성하는 물질 자체일 수도 있고 상기 물질을 투과하여 진행되는 광의 경로에 존재하는 다른 대상체일 수도 있다.
도 5를 참조하면, 대기를 구성하는 물질들은 각각 서로 다른 파장의 광을 흡수할 수 있으며, 따라서, 서로 다른 파장의 광을 방출하는 제1 내지 제3 레이저 광원(311, 312, 313)을 이용하는 경우, 다양한 종류의 물질의 분포 상태를 알 수 있다.
또한, 특정 파장의 광에 대한 흡수율이 높은 물질이 대기 상에 높은 밀도로 분포하는 경우, 특정 파장의 광이 모두 상기 물질에 의해 흡수되어 라이다 시스템(3)에 되돌아오지 않을 수 있다. 그러나, 제1 내지 제3 레이저 광원(311, 312, 313)은 서로 다른 파장의 광을 방출하므로, 하나의 파장의 광이 모두 특정 물질에 의해 흡수되더라도 나머지 파장의 광은 흡수되지 않을 것이므로, 대상체에 의해 반사된 후 라이다 시스템(3)에 재입사될 수 있다. 따라서, 일부의 광이 라이다 시스템(3)에 재입사되지 않는 경우에도 대상체까지의 거리 등을 측정할 수 있다.
일 실시예에 따른 라이다 시스템(3)은 처리부(370)를 포함할 수 있으며, 복수 개의 제1 내지 제3 검출기(321, 322, 323)에 의해 수광되어 전기 신호로 변환된 데이터를 처리하여, 라이다 시스템(3)의 외부 대기의 분포 및 대상체까지의 거리 등을 결정할 수 있다.
상기한 바와 같이 이루어진 본 발명의 실시예에 따른 라이다 시스템(1, 2, 3)은 검출기에 의도하지 않는 광이 입사되지 않도록 하여 측정 정밀도를 개선할 수 있으며, 각각 서로 다른 파장의 광을 방출하는 복수 개의 레이저를 사용함으로써 다양한 종류의 대기 성분 등을 검출할 수 있다.
본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.
1, 2, 3: 라이다 시스템 111, 211, 311: 제1 레이저 광원
112, 212, 312: 제2 레이저 광원 313: 제3 레이저 광원
121, 221, 321: 제1 검출기 122, 222, 322: 제2 검출기
323: 제3 검출기 150, 350: 제1 광학계
160, 360: 제2 광학계 170, 270, 370: 처리부
280: 하우징

Claims (6)

  1. 제1 파장의 적외광을 방출하는 복수 개의 제1 레이저 광원;
    상기 제1 레이저 광원에 인접하게 배치되며, 상기 제1 파장과 다른 제2 파장의 적외광을 방출하는 복수 개의 제2 레이저 광원;
    상기 제1 레이저 광원에 의해 방출된 후 대상체로부터 반사된 광을 수신하여 전기 신호로 변환하는 제1 검출기; 및
    상기 제1 검출기에 인접하게 배치되며, 상기 제2 레이저 광원에 의해 방출된 후 상기 대상체로부터 반사된 광을 수신하여 전기 신호로 변환하는 제2 검출기;를 포함하는, 라이다 시스템.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 제1 레이저 광원, 제2 레이저 광원, 제1 검출기, 및 제2 검출기를 내부에 수납하는 하우징; 및
    상기 제1 레이저 광원 및 제2 레이저 광원에 의해 동시에 발광되어 상기 대상체로부터 반사된 후 상기 제1 검출기 및 제2 검출기에 의해 수신되어 전기 신호로 변환된 광으로부터, 상기 하우징의 외부 대기의 분포 및 상기 대상체까지의 거리를 결정하는 처리부;를 더 포함하며,
    상기 제1 레이저 광원 및 제2 레이저 광원은 상기 하우징의 외부로 광을 방출하며, 상기 제1 검출기 및 제2 검출기는 상기 하우징의 외부로부터 반사되어 상기 하우징으로 유입된 광을 수신하여 전기 신호로 변환하는, 라이다 시스템.
  3. 제1 항에 있어서,
    상기 복수 개의 제1 레이저 광원과 상기 복수 개의 제2 레이저 광원은 교대로 또는 체크무늬 형태(checkered shape)로 배치된, 라이다 시스템.
  4. 제1 항에 있어서,
    상기 제1 검출기 및 상기 제2 검출기의 전방에 각각 배치된 제1 밴드 패스 필터 및 제2 밴드 패스 필터를 더 포함하는, 라이다 시스템.
  5. 제1 항에 있어서,
    상기 제1 레이저 광원 및 상기 제2 레이저 광원에 인접하게 배치되며, 상기 제1 파장 및 상기 제2 파장과 다른 제3 파장의 적외광을 방출하는 복수 개의 제3 레이저 광원; 및
    상기 제1 검출기 및 상기 제2 검출기에 인접하게 배치되며, 상기 제3 레이저 광원에 의해 방출된 후 상기 대상체로부터 반사된 광을 수신하여 전기 신호로 변환하는 제3 검출기;를 더 포함하는, 라이다 시스템.
  6. 제5 항에 있어서,
    상기 제1 내지 제3 레이저 광원은 각각 펄스형 레이저 광원(pulsed laser source)이며, 상기 제1 파장, 제2 파장, 및 제3 파장은 각각 950 nm, 1550 nm 및 800 nm인, 라이다 시스템.
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