KR20170135415A - 송수광 단일렌즈 광학계 구조를 가지는 스캐닝 라이다 - Google Patents

송수광 단일렌즈 광학계 구조를 가지는 스캐닝 라이다 Download PDF

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Abstract

본 발명의 일 실시 예에 따른 송수광 단일렌즈 광학계 구조를 가지는 스캐닝 라이다는 수평면과 소정의 제1 각도를 이루도록 배치되고, 반사면을 구비하는 반사미러, 상기 반사면의 반대면을 향하도록 배치되고, 상기 반사미러의 상단 끝부분과 이격되어 형성되는 송광 경로를 따라 펄스 레이저를 출력하는 광원, 상기 펄스 레이저가 측정 타겟으로 진행하도록 콜리메이트 빔(collimated beam) 또는 다이버전스 빔(divergence beam)을 생성하고, 상기 측정 타겟에서 반사된 광을 수광하여 상기 반사미러에 전달하는 송수광 단일렌즈, 및 상기 반사면을 향하도록 배치되고, 상기 반사면에서 반사된 광을 전기신호로 변환하는 광검출부를 포함할 수 있다.

Description

송수광 단일렌즈 광학계 구조를 가지는 스캐닝 라이다{SCANNING LIDAR HAVING OPTICAL STRUCTURES WITH TRANSMISSION RECEIVING SINGLE LENS}
본 발명은 송수광 단일렌즈 광학계 구조를 가지는 스캐닝 라이다에 관한 것이다.
최근, 지능형 자동차 및 스마트카 분야에서는 돌발상황에 대한 차량의 능동적 대처기능을 요구하고 있다. 즉, 보행자의 급작스런 출현을 인지하거나, 어두운 야간에 조명의 범위를 벗어난 곳에 대한 장애물을 사전에 감지하거나, 우천시 전조등 조명의 약화로 인한 장애물을 감지하거나, 또는 도로 파손을 사전에 감지하는 등, 운전자와 보행자의 안전을 위협하는 상황을 사전에 확인할 필요가 있다.
이러한 요구에 대해, 윈드실드 또는 차량의 전방에 설치되어, 자체 출사광을 기반으로 차량이 움직이는 경우 전방의 물체를 확인하여 사전에 운전자에게 경고함을 물론, 차량 스스로가 정지 또는 회피하는데 기초가 되는 영상을 차량의 전자제어유닛(electronic control unit; ECU)에 전달하고, ECU는 이 영상을 이용하여 각종 제어를 수행하게 되는데, 이러한 영상을 획득하는 것을 스캐너(scanner)라 한다.
종래 스캐너로서는, 레이더(radio detection and ranging; RADAR) 장비가 사용되었다. 레이더는 마이크로파(극초단파, 10cm 내지 100cm 파장) 정도의 전자기파를 물체에 발사시켜 그 물체에서 반사되는 전자기파를 수신하여 물체와의 거리, 방향, 고도 등을 알아내는 무선감시장치로서, 차량용 스캐너에 이용되고 있으나, 가격이 고가이므로 다양한 차종에 보급이 용이하지 않은 문제점이 있다.
이와 같은 문제점을 해결하기 위해, 라이다(light detection and ranging; LiDAR)를 이용한 스캐너가 개발되고 있다. 라이다는, 펄스 레이저광을 대기중에 발사해 그 반사체 또는 산란체를 이용하여 거리 또는 대기현상 등을 측정하는 장치로서, 레이저 레이더라고도 한다. 반사광의 시간측정은 클럭펄스로 계산하며, 그 진동수 30㎒로 5m, 150㎒로 1m의 분해능을 가진다.
현재, 차량에 탑재되는 라이다(LiDAR)로서, 360도 라이다(LiDAR)가 개발되고 있으나, 종래의 스캐닝 라이다 기술은 고출력 레이저 다이오드로부터 출력되는 확산 빔을 i) 콜리메이션 렌즈를 통하여 평행광으로 집광하여 송출하고, 물체에서 반사된 광 신호는 대구경 ii) 집광렌즈를 통하여 초점거리에 검출기를 위치시키는 광학계 구조로서, 최소 2개 이상의 복수의 렌즈를 요구한다.
스캐닝 라이다에 있어서 광학계의 미세한 정렬 작업은 필수적이며, 이러한 정렬 작업은 스캐닝 라이다에 포함된 렌즈의 수가 증가할수록 정렬대상이 늘어나기 때문에, 스캐닝 라이다의 가격을 높이는 요인이 된다.
이와 같이, 종래의 라이다 스캐너는 최소 2개 이상의 복수의 렌즈가 필요하고, 그에 따라 레이저와 송광렌즈 및 수광렌즈와 검출기 등으로 구성되는 다수의 정렬점이 존재하게 된다. 또한, 다수 렌즈의 적용에 따른 코팅비용 등으로 인한 제조 비용이 요구되어, 제조단가의 하락에 한계가 있었다.
본 발명의 목적은 가격의 고가로 인해 수요에 따른 보급이 용이하지 않은 문제점을 해결하고자, 제조비용을 절감할 수 있는 송수광 단일렌즈 광학계 구조를 가지는 스캐닝 라이다를 제공하는 데 있다.
본 발명의 다른 목적은 광학계의 구조를 단순화하고 부품의 수를 최소화하여, 소형이면서 저가로 공급이 가능한 송수광 단일렌즈 광학계 구조를 가지는 스캐닝 라이다를 제공하는 데 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 송수광학계 일체형의 단일렌즈를 공유하는 구조로서, 조립공정이 간소화되는 송수광 단일렌즈 광학계 구조를 가지는 스캐닝 라이다를 제공하는 데 있다.
상기와 같은 기술적 과제를 해결하기 위해, 본 발명의 일 실시 예에 따른 송수광 단일렌즈 광학계 구조를 가지는 스캐닝 라이다는 수평면과 소정의 제1 각도를 이루도록 배치되고, 반사면을 구비하는 반사미러, 상기 반사면의 반대면을 향하도록 배치되고, 상기 반사미러의 상단 끝부분과 이격되어 형성되는 송광 경로를 따라 펄스 레이저를 출력하는 광원, 상기 펄스 레이저가 측정 타겟으로 진행하도록 콜리메이트 빔(collimated beam) 또는 다이버전스 빔(divergence beam)을 생성하고, 상기 측정 타겟에서 반사된 광을 수광하여 상기 반사미러에 전달하는 송수광 단일렌즈, 및 상기 반사면을 향하도록 배치되고, 상기 반사면에서 반사된 광을 전기신호로 변환하는 광검출부를 포함할 수 있다.
실시 예에 있어서, 상기 광원에서 출력되는 펄스 레이저가 난반사 또는 산란으로 인해서 상기 반사된 광이 상기 광검출부로 진행하는 수광 경로에 진입하는 것을 방지하는 산란 방지부를 더 포함할 수 있다.
실시 예에 있어서, 적어도 1이상의 반사면을 구비하고, 상기 송수광 단일렌즈 및 상기 측정 타겟 사이에 배치되어 360도 회전하고, 상기 360도 회전을 통하여, 상기 콜리메이트 빔 또는 다이버전스 빔을 반사시켜 상기 측정 타겟에 전달하고, 상기 측정 타겟에서 반사된 광을 반사시켜 상기 송수광 단일렌즈에 전달하는 회전미러를 더 포함할 수 있다.
실시 예에 있어서, 상기 회전미러는 1개의 반사면을 구비하고, 상기 수평면과 소정의 45도의 각도를 이루는 평면미러일 수 있다.
실시 예에 있어서, 상기 회전미러는 2개의 반사면을 구비하고, 상기 수평면과 수직을 이루는 평면미러일 수 있다.
실시 예에 있어서, 상기 회전미러는 적어도 3이상의 반사면을 구비하고, 상기 적어도 3이상의 반사면이 옆면을 구성하는 다면체, 각기둥 또는 각뿔대 형태의 입체미러일 수 있다.
실시 예에 있어서, 상기 입체미러는 상기 적어도 3이상의 반사면에서 반사되는 적어도 3이상의 반사각이 서로 동일할 수 있다.
실시 예에 있어서, 상기 입체미러는 상기 적어도 3이상의 반사각 중 적어도 1이상의 반사각이 다른 반사각과 상이할 수 있다.
실시 예에 있어서, 상기 광원과 상기 송수광 단일렌즈와의 거리를 조정하고, 그에 따라 평행(collimation) 또는 발산(divergence)을 제어하여, 단채널 혹은 다채널의 반사된 광을 수광할 수 있다.
실시 예에 있어서, 상기 광원과 상기 송수광 단일렌즈의 초점거리를 조정하여 발산되는 빔을 생성하고, 상기 광검출부는 복수의 광검출기를 구비하고, 상기 복수의 광검출기를 통하여 서로 상이한 입사각을 가지는 복수의 반사된 광을 수광할 수 있다.
실시 예에 있어서, 상기 광검출부의 위치를 변화시켜 상기 반사면에서 반사된 광의 초점 크기를 제어하여, 다채널의 반사된 광을 단일 광검출기를 통하여 검출할 수 있다.
실시 예에 있어서, 상기 소정의 제1 각도는 45도 이고, 상기 45도의 각도로 인해서, 상기 송수광 단일렌즈에서 수광되어 상기 반사미러의 반사면에 전달되는 광은 타원의 형상으로 상기 반사미러에 도달할 수 있다.
실시 예에 있어서, 상기 송광 경로는 상기 송수광 단일렌즈의 중심축을 포함하고, 상기 수광 경로는 상기 중심축의 하단 영역을 포함할 수 있다.
실시 예에 있어서, 상기 송수광 단일렌즈는 상기 중심축 및 상기 중심축의 하단 영역만을 포함하여, 측면 형상이 타원에서 상단이 제거된 형태일 수 있다.
본 발명에 따른 송수광 단일렌즈 광학계 구조를 가지는 스캐닝 라이다의 효과에 대해 설명하면 다음과 같다.
본 발명의 실시 예들 중 적어도 하나에 의하면, 가격의 고가로 인해 수요에 따른 보급이 용이하지 않은 문제점을 해결하고자, 제조비용을 절감할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시 예들 중 적어도 하나에 의하면, 광학계의 구조를 단순화하고 부품의 수를 최소화하여, 소형이면서 저가로 공급이 가능할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시 예들 중 적어도 하나에 의하면, 송수광학계 일체형의 단일렌즈를 공유하는 구조로서, 조립공정이 간소화될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 송수광 단일렌즈 광학계 구조를 가지는 스캐닝 라이다의 송광학계 및 수광학계를 나타내는 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 송수광 단일렌즈 광학계 구조를 가지는 스캐닝 라이다에 평면미러가 포함된 예를 나타내는 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 송수광 단일렌즈 광학계 구조를 가지는 스캐닝 라이다에서, 송광빔 및 수광빔이 통과하는 영역만을 사용하는 렌즈의 형상을 나타내는 도면이다.
도 4는 본 발명의 다른 일 실시 예들에 따른 송수광 단일렌즈 광학계 구조를 가지는 스캐닝 라이다에 다중각도 미러가 포함된 예를 나타내는 도면이다.
도 5는 본 발명의 다른 일 실시 예들에 따른 송수광 단일렌즈 광학계 구조를 가지는 스캐닝 라이다에 포함되는 다중각도 미러의 측면도 및 평면도를 나타내는 도면이다.
도 6은 본 발명의 또 다른 일 실시 예들에 따른 송수광 단일렌즈 광학계 구조를 가지는 스캐닝 라이다에 45도 미러가 포함된 예를 나타내는 도면이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 명세서에 개시된 실시 예를 상세히 설명하되, 도면 부호에 관계없이 동일하거나 유사한 구성요소는 동일한 참조 번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 이하의 설명에서 사용되는 구성요소에 대한 접미사 "모듈" 및 "부"는 명세서 작성의 용이함만이 고려되어 부여되거나 혼용되는 것으로서, 그 자체로 서로 구별되는 의미 또는 역할을 갖는 것은 아니다. 또한, 본 명세서에 개시된 실시 예를 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 명세서에 개시된 실시 예의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다. 또한, 첨부된 도면은 본 명세서에 개시된 실시 예를 쉽게 이해할 수 있도록 하기 위한 것일 뿐, 첨부된 도면에 의해 본 명세서에 개시된 기술적 사상이 제한되지 않으며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
제1, 제2 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되지는 않는다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.
단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.
본 출원에서, "포함한다" 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.
이하, 도면들을 참조하여 본 발명의 실시 예에 대해 상세히 설명하기로 한다. 본 발명은 본 발명의 정신 및 필수적 특징을 벗어나지 않는 범위에서 다른 특정한 형태로 구체화될 수 있음은 당업자에게 자명하다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 송수광 단일렌즈 광학계 구조를 가지는 스캐닝 라이다의 송광학계 및 수광학계를 나타내는 도면이다.
도 1을 참조하면, 송수광 단일렌즈 광학계 구조를 가지는 스캐닝 라이다는 광원(110), 광검출부(120), 반사미러(130), 송수광 단일렌즈(140) 및 산란 방지부(150)를 포함할 수 있다.
그리고 도 2 내지 도 6에 도시된 바와 같이 회전미러(rotation mirror)를 추가적으로 포함할 수 있다. 회전미러(rotation mirror)와 관련된 구체적인 설명은 도 2 내지 도 6을 통하여 후술하고, 여기서는 도 1을 참조하여 송광학계 및 수광학계를 구체적으로 설명한다.
다만, 도 1 내지 도 6을 통하여 설명되는 송수광 단일렌즈 광학계 구조를 가지는 스캐닝 라이다는, 본 발명에 따른 특징적인 기능을 소개함에 있어서, 필요한 구성요소만이 도시된 것으로서, 그 외 다양한 구성요소가 송수광 단일렌즈 광학계 구조를 가지는 스캐닝 라이다에 포함될 수 있음은, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 자명하다.
먼저, 광원(110)은 펄스 레이저(160)를 출력할 수 있는 구성으로, 구체적으로 광원(110)은 반사미러(130)에 구비된 반사면의 반대면을 향하도록 배치될 수 있고, 특히 반사미러(130)의 상단 끝부분 위로 펄스 레이저(160)를 출력할 수 있다.
보다 상세히 설명하면, 광원(110)은 펄스 레이저(160)를 반사미러(130)의 상단 끝부분과 이격된 공간으로 출력할 수 있다. 즉, 이렇게 출력되는 펄스 레이저(160)의 광 경로(송광 경로)는 도 2에서 도시된 바와 같이, 반사미러(130)의 상단 끝부분과 이격되어 형성될 수 있다.
한편, 본 발명에 포함되는 광원(110)은 서로 다른 채널에 해당하는 적어도 2 이상의 펄스 레이저(160)를 출력하는 다채널 광원이 될 수 있지만, 특히, 본 발명에 따른 스캐닝 라이다는 광원(110)과 송수광 단일렌즈(140)와의 거리를 조정하고, 그에 따라 평행광(collimation) 또는 발산(divergence)을 제어할 수 있다. 그 결과, 광검출부(120)가 단채널 혹은 다채널의 반사된 광(170)을 수광할 수 있도록 구현될 수 있다.
구체적으로, 광원(110)과 송수광 단일렌즈(140)의 초점거리를 조정하여 발산되는 빔을 생성할 수 있고, 이러한 경우, 광검출부(120)는 복수의 광검출기를 구비하고, 해당 복수의 광검출기를 통하여 서로 상이한 입사각을 가지는 복수의 반사된 광(170)을 수광할 수 있게 된다.
광검출부(120)는 반사미러(130)의 반사면을 향하도록 배치될 수 있으며, 측정 타겟에서 반사되어 돌아오는 광(170)이 송수광 단일렌즈(140)를 통과한 후, 반사미러(130)의 반사면에 도달하여 해당 반사면에서 반사된 광(170)을 수신하여 전기신호로 변환할 수 있다. 그리고, 광검출부(120)는 이렇게 변환한 전기신호를 외부 기기로 출력할 수 있다.
반사미러(130)는 반사면을 구비하여 입사되는 광을 반사시키는 구성으로, 광원(110)에서 출력된 펄스 레이저(160)가 상단 끝부분 위로 이격되어 형성되는 송광 경로를 따라 송수광 단일렌즈(140)에 전달되도록, 펄스 레이저(160)의 출사 영역의 하단에 위치할 수 있다. 그리고, 측정 타겟에서 반사되어 송수광 단일렌즈(140)를 통과한 반사광(170)을 구비된 반사면으로 반사시켜 광검출부(120)에 전달할 수 있다.
한편, 반사미러(130)는 수평면과 소정의 제1각도를 이루도록 배치될 수 있는데, 여기서, 소정의 제1각도는 45도가 될 수 있으며, 해당 소정의 제1각도로 인해서, 측정 타겟에서 반사된 광(170)이 송수광 단일렌즈(140)에서 수광되어 반사미러(130)에 전달될 때, 그 전달되는 반사광(170)의 형상은 타원의 형상이 될 수 있다.
이렇듯, 본 발명에 따른 송수광 단일렌즈 광학계 구조를 가지는 스캐닝 라이다에서, 광검출부(120)에 도달하기 직전 단계인 반사미러(130)에 도달하는 반사광이 타원의 형상으로 반사미러(130)의 반사면에 도달하기 때문에, 반사미러(130)의 크기가 송수광 단일렌즈(140)의 크기보다 작더라도 그 손실의 크기는 크지 않게 된다.
송수광 단일렌즈(140)는 반사미러(130)의 반사면과 회전미러(rotation mirror)의 사이에 배치될 수 있다. 그리고, 측정 타겟으로 진행하는 펄스 레이저(160)가 측정 타겟으로 지향성 있게 진행하도록, 펄스 레이저를 집광하여 콜리메이트 빔(collimated beam)을 생성하거나 또는 다이버전스 빔(divergence beam)을 생성할 수 있다. 그리고, 측정 타겟에서 반사된 광(170)을 수광하여 반사미러(130)에 전달하는 기능을 수행한다. 즉, 본 발명은 기존의 스캐닝 라이다에서 별개의 렌즈인 콜리메이션 렌즈 및 집광 렌즈를 통하여 개별적으로 수행되는 기능이 송수광 단일렌즈(140)인 하나의 렌즈를 통하여 수행될 수 있도록 한다.
한편, 본 발명에 따른 스캐닝 라이다는 산란 방지부(150)를 포함하는데, 여기서 산란 방지부(150)는 도 1에서 도시된 바와 같이 광원(110)과 광검출부(120) 사이에 배치될 수 있다. 그리고, 산란 방지부(150)는 광원(110)에서 출력되는 펄스 레이저(160)가 난반사 또는 산란으로 인해서 송수광 단일렌즈(140)에 입사되지 않고, 측정 타겟에서 반사된 광(170)이 광검출부(120)로 진행하는 수광 경로에 진입하는 것을 방지할 수 있다.
그 결과, 본 발명에 따르면, 광학계의 정렬점이 기존의 스캐닝 라이다와 비교하여 감소하게 되고, 미세한 정렬 작업의 공정 및 렌즈 코팅 공정 등이 감소하게 되어, 제조비용이 절감될 수 있으며, 조립 공정 또한 간소화될 수 있게 된다.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 송수광 단일렌즈 광학계 구조를 가지는 스캐닝 라이다에 평면미러가 포함된 예를 나타내는 도면이다.
도 2를 참조하면, 앞서 설명한 회전미러(210)가 2개의 반사면을 구비하는 평면미러인 것을 확인할 수 있다. 여기서, 평면미러는 송수광 단일렌즈(140) 및 측정 타겟 사이에 배치되어 360도 회전할 수 있다.
그리고, 이러한 360도 회전을 통하여, 평면미러(210)는 송수광 단일렌즈(140)에서 출력되는 콜리메이트 빔 또는 다이버전스 빔을 반사시켜 측정 타겟에 전달할 수 있고, 해당 측정 타겟에서 반사된 광을 반사시켜 다시 송수광 단일렌즈(140)에 전달할 수 있다.
한편, 도 2의 평면미러(210)는 수평면과 직각의 각도를 이루는 중심축이 회전하는 구성으로 도시되고, 입출력(송수신)되는 펄스 레이저(160) 또는 반사된 광(170)이 꺾여진(굽어진) 경로로 도시되어 있지만, 이는 평면미러(210)의 회전에 따라 반사되는 입출력 광을 시각적으로 편리하게 설명하기 위한 것으로, 본 발명이 도 2에 도시된 평면미러 및 꺾여진 경로에 한정되는 것은 아니다.
그리고, 앞서 설명한 광원(110), 광검출부(120), 반사미러(130), 송수광 단일렌즈(140) 및 산란 방지부(150)는 도 1을 통하여 설명된 구성들과 동일하므로, 반복되는 설명은 생략한다.
도 3는 본 발명의 일 실시 예에 따른 송수광 단일렌즈 광학계 구조를 가지는 스캐닝 라이다에서, 송광빔 및 수광빔이 통과하는 영역만을 사용하는 렌즈의 형상을 나타내는 도면이다.
도 2와 함께 도 3을 참조하면, 송수광 단일렌즈(140)는 렌즈의 중심축 영역을 통하여 펄스 레이저(160)가 측정 타겟으로 진행하도록 콜리메이트 빔 또는 다이버전스 빔으로 생성한다. 다시 말해서, 광원(110)에서 출력되는 펄스 레이저(160)의 송광 경로가 송수광 단일렌즈(140)의 중심축을 포함할 수 있다.
그리고, 측정 타겟에서 반사되어 되돌아 오는 광(170)은 송수광 단일렌즈(140)의 중심축의 하단 영역을 통과하여 반사미러(130)에 전달된다. 즉, 반사된 광(170)의 수광 경로가 송수광 단일렌즈(140)의 중심축 하단에 위치하는 영역을 포함할 수 있다.
그 결과, 본 발명에 따른 스캐닝 라이다에 포함되는 송수광 단일렌즈(140)는 측면에서 보았을 때, 도 2에 도시된 바와 같은 온전한 타원의 형상이 될 수 있지만, 도 3에 도시된 바와 같이 앞서 설명한 중심축 및 중심축의 하단 영역만을 포함하는 형상이 될 수도 있다. 즉, 후자의 경우, 송수광 단일렌즈(140)의 형상은 측면에서 바라본 형상이 도 3에 도시된 바와 같이 타원에서 상단 영역이 제거된 형태가 될 수 있을 것이다.
도 4는 본 발명의 다른 일 실시 예들에 따른 송수광 단일렌즈 광학계 구조를 가지는 스캐닝 라이다에 다중각도 미러가 포함된 예를 나타내는 도면이다.
도 4에 도시된 송수광 단일렌즈 광학계 구조를 가지는 스캐닝 라이다는 도 2를 통하여 설명된 송수광 단일렌즈 광학계 구조를 가지는 스캐닝 라이다와 많은 부분 유사하지만, 설명한 회전미러(rotation mirror)가 적어도 3개의 반사면을 구비하는 입체미러를 포함한 예이다.
도 5와 함께 도 4를 참조하면, 앞서 설명한 회전미러(410)가 적어도 3이상의 반사면을 구비하는 입체미러인 것을 확인할 수 있다.
여기서, 입체미러(410)는 송수광 단일렌즈(140) 및 측정 타겟 사이에 배치되어 360도 회전할 수 있다. 그리고, 입체미러(410)는 적어도 3이상의 반사면이 옆면을 이루는 다면체, 각기둥 및 각뿔대 중 어느 하나의 형태일 수 있다.
그리고, 입체미러(410)는 이러한 360도 회전을 통하여, 입체미러는 송수광 단일렌즈(140)에서 출력되는 콜리메이트 빔 또는 다이버전스 빔을 반사시켜 측정 타겟에 전달할 수 있고, 해당 측정 타겟에서 반사된 광을 반사시켜 다시 송수광 단일렌즈(140)에 전달할 수 있다.
한편, 입체미러(410)는 적어도 3이상의 반사면에서 반사되는 적어도 3이상의 반사각이 서로 동일할 수 있지만, 도 5에 도시된 바와 같이 본 발명에 따른 스캐닝 라이다에 포함되는 입체미러(410)는 적어도 3이상의 반사각 중 적어도 1이상의 반사각이 다른 반사각과 상이하도록 구현될 수 있다.
이와 같이, 반사각이 서로 다른 복수의 반사면을 구비하는 입체미러(410)는 송수광 단일렌즈(140)에서 출력되는 콜리메이트 빔 또는 다이버전스 빔을 서로 다른 복수의 방향(각도)으로 출력(161, 162, 163, 164)할 수 있게 된다.
그 결과, 본 발명에 따른 스캐닝 라이다는 회전미러(rotation mirror)의 형태에 따라 측정 타겟에 전달되는 빔의 방사형태 및 측정 범위를 제어(변경)할 수 있게 된다. 여기서, 광검출부(120)는 그에 따라 반사미러(130)에서 반사되는 각도가 서로 다른 복수의 반사광을 수신할 수 있게 된다.
그리고, 광검출부(120)는 광검출부(120)의 위치를 변화시켜 반사미러(130)의 반사면에서 반사된 광의 초점 크기를 제어하여, 다채널의 반사된 광을 하나의 단일 광검출기를 통하여 검출할 수 있도록 구현될 수 있다.
한편, 도 4의 입체미러(410)는 수평면과 직각의 각도를 이루는 중심축이 회전하는 구성으로 도시되고, 입출력(송수신)되는 펄스 레이저(160, 다양한 복수의 색) 또는 반사된 광(170)이 꺾여진(굽어진) 경로로 도시되어 있지만, 이는 입체미러(410)의 회전에 따라 반사되는 입출력 광을 시각적으로 편리하게 설명하기 위한 것으로, 본 발명이 도 4에 도시된 입체미러 및 꺾여진 경로에 한정되는 것은 아니다.
그리고, 앞서 설명한 광원(110), 반사미러(130), 송수광 단일렌즈(140) 및 산란 방지부(150)는 도 1을 통하여 설명된 구성들과 동일하므로, 반복되는 설명은 생략한다.
도 5는 본 발명의 다른 일 실시 예들에 따른 송수광 단일렌즈 광학계 구조를 가지는 스캐닝 라이다에 포함되는 다중각도 미러의 측면도 및 평면도를 나타내는 도면이다.
도 5를 참조하면, 도 4를 통하여 설명한 입체미러(410)가 각뿔대(사각뿔대)의 형태인 예를 확인할 수 있다. 그리고, 사각뿔대 형태인 입체미러(410)의 옆면을 구성하는 4개의 반사면(1면, 2면, 3면, 4면)이 존재하고, 해당 반사면이 수직면과 이루는 각도들(θ1, θ2, θ3, θ4)이 서로 다르고, 그에 따라 해당 4개의 반사면에서 반사되는 반사각들(θ1＇, θ2＇, θ3＇, θ4＇)이 서로 모두 다른 것을 확인할 수 있다.
그 결과, 도 5에 도시된 바와 같은 입체미러(410)를 포함하는 본 발명에 따른 스캐닝 라이다는 측정 타겟에 전달되는 빔의 방사형태 및 측정 범위를 제어(변경)할 수 있게 된다.
도 6은 본 발명의 또 다른 일 실시 예들에 따른 송수광 단일렌즈 광학계 구조를 가지는 스캐닝 라이다에 45도 미러가 포함된 예를 나타내는 도면이다.
도 6에 도시된 송수광 단일렌즈 광학계 구조를 가지는 스캐닝 라이다는 도 2 및 도 4를 통하여 설명된 송수광 단일렌즈 광학계 구조를 가지는 스캐닝 라이다와 많은 부분 유사하지만, 회전미러(610)가 수평면과 45도 각도를 이루고, 1개의 반사면을 구비한 예이다.
도 6을 참조하면, 앞서 설명한 회전미러(610)가 1개의 반사면을 구비하고, 해당 반사면이 송수광 단일렌즈(140)를 향하도록 배치되는 평면미러인 것을 확인할 수 있다.
여기서, 평면미러(610)는 송수광 단일렌즈(140)의 상부에 배치되어 360도 회전할 수 있다. 그리고, 평면미러(610)는 이러한 360도 회전을 통하여, 송수광 단일렌즈(140)에서 출력되는 콜리메이트 빔 또는 다이버전스 빔(160)을 반사시켜 측면에 위치하는 측정 타겟(620)에 전달할 수 있고, 해당 측정 타겟(620)에서 반사된 광(170)을 반사시켜 다시 송수광 단일렌즈(140)에 전달할 수 있다.
그리고, 앞서 설명한 광원(110), 반사미러(130), 송수광 단일렌즈(140) 및 산란 방지부(150)는 도 1을 통하여 설명된 구성들과 동일하므로, 반복되는 설명은 생략한다.
결국, 본 발명에 따른 송수광 단일렌즈 광학계 구조를 가지는 스캐닝 라이다는 제조비용을 절감하여 가격의 고가로 인해 수요에 따른 보급이 용이하지 않은 문제점을 해결할 수 있고, 광학계의 구조를 단순화하고 부품의 수를 최소화하여, 소형이면서 저가로 공급이 가능하며, 조립공정이 간소화될 수 있다.
따라서, 이상의 상세한 설명은 모든 면에서 제한적으로 해석되어서는 아니되고 예시적인 것으로 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 첨부된 청구항의 합리적 해석에 의해 결정되어야 하고, 본 발명의 등가적 범위 내에서의 모든 변경은 본 발명의 범위에 포함된다.

Claims (14)

  1. 수평면과 소정의 제1 각도를 이루도록 배치되고, 반사면을 구비하는 반사미러
    상기 반사면의 반대면을 향하도록 배치되고, 상기 반사미러의 상단 끝부분과 이격되어 형성되는 송광 경로를 따라 펄스 레이저를 출력하는 광원;
    상기 펄스 레이저가 측정 타겟으로 진행하도록 콜리메이트 빔(collimated beam) 또는 다이버전스 빔(divergence beam)을 생성하고, 상기 측정 타겟에서 반사된 광을 수광하여 상기 반사미러에 전달하는 송수광 단일렌즈; 및
    상기 반사면을 향하도록 배치되고, 상기 반사면에서 반사된 광을 전기신호로 변환하는 광검출부를 포함하는 송수광 단일렌즈 광학계 구조를 가지는 스캐닝 라이다.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 광원에서 출력되는 펄스 레이저가 난반사 또는 산란으로 인해서 상기 반사된 광이 상기 광검출부로 진행하는 수광 경로에 진입하는 것을 방지하는 산란 방지부를 더 포함하는 송수광 단일렌즈 광학계 구조를 가지는 스캐닝 라이다.
  3. 제1항에 있어서,
    적어도 1이상의 반사면을 구비하고, 상기 송수광 단일렌즈 및 상기 측정 타겟 사이에 배치되어 360도 회전하고, 상기 360도 회전을 통하여, 상기 콜리메이트 빔 또는 다이버전스 빔을 반사시켜 상기 측정 타겟에 전달하고, 상기 측정 타겟에서 반사된 광을 반사시켜 상기 송수광 단일렌즈에 전달하는 회전미러를 더 포함하는 송수광 단일렌즈 광학계 구조를 가지는 스캐닝 라이다.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 회전미러는,
    1개의 반사면을 구비하고, 상기 수평면과 소정의 45도의 각도를 이루는 평면미러인 송수광 단일렌즈 광학계 구조를 가지는 스캐닝 라이다.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 회전미러는,
    2개의 반사면을 구비하고, 상기 수평면과 수직을 이루는 평면미러인 송수광 단일렌즈 광학계 구조를 가지는 스캐닝 라이다.
  6. 제3항에 있어서,
    상기 회전미러는,
    적어도 3이상의 반사면을 구비하고, 상기 적어도 3이상의 반사면이 옆면을 구성하는 다면체, 각기둥 또는 각뿔대 형태의 입체미러인 송수광 단일렌즈 광학계 구조를 가지는 스캐닝 라이다.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 입체미러는,
    상기 적어도 3이상의 반사면에서 반사되는 적어도 3이상의 반사각이 서로 동일한 송수광 단일렌즈 광학계 구조를 가지는 스캐닝 라이다.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 입체미러는,
    상기 적어도 3이상의 반사각 중 적어도 1이상의 반사각이 다른 반사각과 상이한 송수광 단일렌즈 광학계 구조를 가지는 스캐닝 라이다.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 광원과 상기 송수광 단일렌즈와의 거리를 조정하고, 그에 따라 평행(collimation) 또는 발산(divergence)을 제어하여, 단채널 혹은 다채널의 반사된 광을 수광하는 송수광 단일렌즈 광학계 구조를 가지는 스캐닝 라이다.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 광원과 상기 송수광 단일렌즈의 초점거리를 조정하여 발산되는 빔을 생성하고,
    상기 광검출부는,
    복수의 광검출기를 구비하고, 상기 복수의 광검출기를 통하여 서로 상이한 입사각을 가지는 복수의 반사된 광을 수광하는 송수광 단일렌즈 광학계 구조를 가지는 스캐닝 라이다.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 광검출부의 위치를 변화시켜 상기 반사면에서 반사된 광의 초점 크기를 제어하여, 다채널의 반사된 광을 단일 광검출기를 통하여 검출하는 송수광 단일렌즈 광학계 구조를 가지는 스캐닝 라이다.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 소정의 제1 각도는 45도 이고,
    상기 45도의 각도로 인해서, 상기 송수광 단일렌즈에서 수광되어 상기 반사미러의 반사면에 전달되는 광은 타원의 형상으로 상기 반사미러에 도달하는 송수광 단일렌즈 광학계 구조를 가지는 스캐닝 라이다.
  13. 제2항에 있어서,
    상기 송광 경로는,
    상기 송수광 단일렌즈의 중심축을 포함하고,
    상기 수광 경로는,
    상기 중심축의 하단 영역을 포함하는 송수광 단일렌즈 광학계 구조를 가지는 스캐닝 라이다.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 송수광 단일렌즈는,
    상기 중심축 및 상기 중심축의 하단 영역만을 포함하여, 측면 형상이 타원에서 상단이 제거된 형태인 송수광 단일렌즈 광학계 구조를 가지는 스캐닝 라이다.
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