KR20180031926A - 기계적 스캐닝이 없는 360° lidar 시스템 - Google Patents

Abstract

LIDAR 시스템을 개시한다. LIDAR 시스템은 기계적 스캐닝이 없는 360° LIDAR 시스템으로, pulse광 출력 광원부; 광원과 광학계를 연결해 주고 beam steering이 가능한 커플링 광학계; 출력광의 360° 조사가 가능하도록 곡면 거울을 사용한 초광각 조사 광학계; 전방위에서 산란되어 오는 빛을 수광 가능하도록 곡면 거울을 사용한 초광각 수광 광학계; 수광된 빛을 검출하는 검출부;로 구성되며 기계적 스캐닝 없이 beam steering의 조정을 이용하여 전방위 측정 가능하다.

Description

기계적 스캐닝이 없는 360° LIDAR 시스템{Non-mechanical movement 360° LIDAR system}

본 발명은 360° 전방위 스캐닝이 가능한 LIDAR 시스템에 관한 것이다.

드론과 같은 소형 무인 로봇 기술이 실생활에 도입될 것으로 기대되면서 이와 같은 장치의 자율 주행을 가능하게 하는 거리 측정 장비의 장착은 필수적이다.

거리 측정 장비는 모터 등 기계적 움직임이 포함된 장치를 사용하여 전체 혹은 일부 시스템을 회전시켜 스캐닝하거나 여러개의 LIDAR 시스템을 사용해서 각각의 사각을 보완하는 방식으로 360° 스캐닝을 하였다.

그러나, 기계적 장치를 사용하여 회전시킬 경우 진동 등의 요소로 인하여 전체 시스템의 안정성을 유지하기 위한 추가 설계가 필요하고 마찰 등으로 인한 내구도 감소 등의 문제가 있으며, 여러 개의 LIDAR 시스템을 사용하는 경우 사용 개수에 비례하여 전체 가격이 올라가는 문제점이 있다.

본 발명은 기계적 장치를 사용하지 않고 360° 전방위 스캐닝이 가능한 LIDAR 시스템을 제공한다.

본 발명에 따른 LIDAR 시스템은 기계적 스캐닝이 없는 360° LIDAR 시스템으로, pulse광 출력 광원부; 광원과 광학계를 연결해 주고 beam steering이 가능한 커플링 광학계; 출력광의 360° 조사가 가능하도록 곡면 거울을 사용한 초광각 조사 광학계; 전방위에서 산란되어 오는 빛을 수광 가능하도록 곡면 거울을 사용한 초광각 수광 광학계; 수광된 빛을 검출하는 검출부;로 구성되며 기계적 스캐닝 없이 beam steering의 조정을 이용하여 전방위 측정 가능하다.

본 발명에 따른 LIDAR 시스템은 MEMS 등의 기계적 움직임 없는 소자를 사용하여 beam steering을 조절하고 곡면 스캔 광학계를 사용하여 광 경로를 변경해 360° 전방위 스캐닝을 구현할 수 있으며, 곡면 수광 광학계를 사용하여 기계적 움직임 없이 전방위의 빛을 수광하며 ToF 방식을 이용하여 반사 및 산란된 대상까지의 거리를 측정한다.

도 1은 출력 pulse 광을 beam steering 광학계를 이용하여 방향을 조정하고 곡률이 다른 두 개의 곡면 거울을 사용해 광학계를 구성하여 스캔 및 수광을 하고 집광 광학계를 통해 검출부에 집광하며 광원부와 검출부가 같은 방향으로 구성된 기계적 움직임이 없는 LIDAR 시스템을 나타내는 도면이다.
도 2는 출력 pulse 광을 beam steering 광학계를 이용하여 방향을 조정하고 곡률이 다른 두 개의 곡면 거울을 사용해 광학계를 구성하여 스캔 및 수광을 하고 집광 광학계를 통해 검출부에 집광하며 광원부와 검출부가 반대 방향으로 구성된 기계적 움직임이 없는 LIDAR 시스템을 나타내는 도면이다.
도 3은 곡면 거울을 사용한 집광 광학계 구성을 나타내는 도면이다.
도 4는 Fresnel lens를 사용한 집광 광학계 구성을 나타내는 도면이다.
도 5는 waveguide splitter를 이용한 다채널 형성 LIDAR 시스템을 나타내는 도면이다.

이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 상세히 설명할 것이다. 그러나 본 발명의 기술적 사상은 여기서 설명되는 실시 예에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화 될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시 예는 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이다.

본 명세서에서, 어떤 구성요소가 다른 구성요소 상에 있다고 언급되는 경우에 그것은 다른 구성요소 상에 직접 형성될 수 있거나 또는 그들 사이에 제 3의 구성요소가 개재될 수도 있다는 것을 의미한다. 또한, 도면들에 있어서, 막 및 영역들의 두께는 기술적 내용의 효과적인 설명을 위해 과장된 것이다.

또한, 본 명세서의 다양한 실시 예 들에서 제1, 제2, 제3 등의 용어가 다양한 구성요소들을 기술하기 위해서 사용되었지만, 이들 구성요소들이 이 같은 용어들에 의해서 한정되어서는 안 된다. 이들 용어들은 단지 어느 구성요소를 다른 구성요소와 구별시키기 위해서 사용되었을 뿐이다. 따라서, 어느 한 실시 예에 제 1 구성요소로 언급된 것이 다른 실시 예에서는 제 2 구성요소로 언급될 수도 있다. 여기에 설명되고 예시되는 각 실시 예는 그것의 상보적인 실시 예도 포함한다. 또한, 본 명세서에서 '및/또는'은 전후에 나열한 구성요소들 중 적어도 하나를 포함하는 의미로 사용되었다.

명세서에서 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한 복수의 표현을 포함한다. 또한, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 구성요소 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징이나 숫자, 단계, 구성요소 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 배제하는 것으로 이해되어서는 안 된다. 또한, 본 명세서에서 "연결"은 복수의 구성 요소를 간접적으로 연결하는 것, 및 직접적으로 연결하는 것을 모두 포함하는 의미로 사용된다.

또한, 하기에서 본 발명을 설명함에 있어 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략할 것이다.

본 발명의 일 실시 예에 따른 LIDAR 시스템은 광원에서 출력된 pulse 레이저 광은 커플링 광학계에 입사되어 MEMS mirror와 같은 기계적 움직임 없이 전기적 신호로 조절되는 소자를 통해 반사되어 곡면 거울을 사용한 초광각 조사 광학계에 입사된다.

MEMS mirror에 가해준 전기적 신호에 따라 반사광의 beam steering이 조정되며 입사 방향에 따라 초광각 조사 광학계에서 반사되어 나가는 방향이 결정된다.

Beam steering에 따라 반사 방향을 360° 전방으로 조사 가능하다. 360° 전방향에서 반사 및 산란되어 돌아오는 빛은 곡면 거울을 사용한 초광각 수광 광학계에서 수광되어 검출기 방향으로 집광되며 검출계 광학계를 통해 검출기의 한 점에 모여 신호를 획득한다. 획득한 시간에 대한 신호를 time of flight (ToF) 방법으로 처리하여 거리에 대한 신호로 변환하며 시간에 따라 pulse 광 출력과 beam steering을 조절하여 360° 전방의 2D 거리 정보를 획득한다.

본 발명의 다른 실시 예에 따른 LIDAR 시스템은 기계적 스캐닝이 없는 360° LIDAR 시스템으로, pulse광 출력 광원부, 광원과 광학계를 연결해 주고 beam steering이 가능한 커플링 광학계, 출력광의 360° 조사가 가능하도록 곡면 거울을 사용한 초광각 조사 광학계, 전방위에서 산란되어 오는 빛을 수광 가능하도록 곡면 거울을 사용한 초광각 수광 광학계, 수광된 빛을 검출하는 검출부를 포함하며, 기계적 스캐닝 없이 beam steering의 조정을 이용하여 전방위 측정이 가능하다.

또한, 상기 초광각 조사 및 수광 광학계로 한 개 이상의 곡면 거울을 이용하여 입사광의 beam steering에 따라 초광각 조사가 가능하며 전방위에서 산란되어 들어오는 빛을 수광 가능하다.

또한, 상기 초광각 조사 광학계로 곡률이 작은 axicon mirror, hemisphere mirror 등을 이용하여 입사된 빛의 작은 방향 변화에 따라 조사 방향을 크게 바꾸어 줄 수 있다.

또한, 상기 초광각 수광 광학계로 곡률이 큰 axicon mirror, hemisphere mirror 등을 이용하여 전방위에서 오는 size가 큰 빛을 한 방향으로 수광 가능하다.

또한, 상기 초광각 조사 및 수광 광학계로 하나의 곡면 거울을 이용하여 조사 및 수광이 가능하다.

또한, 상기 초광각 조사 및 수광 광학계로 두 개 이상의 곡률이 다른 거울을 이용하여 조사 및 수광이 가능하다.

또한, 상기 초광각 조사 및 수광 광학계로 거울의 위치에 따라 곡률이 다르도록 만들어 하나의 거울을 이용해 조사 및 수광이 가능하다.

또한, 상기 광학계 구성에서 광원과 검출기의 위치에 따라 초광각 조사 광학계와 초광각 수광 광학계 곡률의 방향 및 위치를 조정하며 광 경로를 차단하지 않도록 구멍을 만들어 제공할 수 있다.

또한, 상기 광학계 구성에서 곡면으로 인한 beam divergence를 보상할 수 있는 렌즈를 사용하여 스캔 광이 평행광이 될 수 있다.

또한, 상기 커플링 광학계로 MEMS 등을 이용하여 beam steering을 조정할 수 있다.

또한, 상기 커플링 광학계에서 다채널 형성을 위한 구성으로 하나의 광원에서 출력된 빛을 coupler, waveguide splitter, grating 등을 이용하여 다채널 광을 형성해 다채널 출력이 가능할 수 있다.

또한, 상기 커플링 광학계에서 다채널 형성을 위한 구성으로 불연속적인 beam steering을 통하여 시간에 따른 다채널 광을 형성해 다채널 출력이 가능할 수 있다.

또한, 상기 커플링 광학계에서 거울 등을 사용해 광 경로를 조정하여 pulse 출력광 및 수광된 빛의 경로가 구조물 등에 차단되지 않도록 광학계를 구성할 수 있다.

또한, 상기 검출계 광학계로 렌즈나 거울 등을 이용하여 수광된 빛을 집광시키고 APD 등의 감광 소자를 이용하여 빛을 검출할 수 있다.

또한, 상기 검출부 광학계 구성에서 holographic lens, Fresnel lens 등을 이용하여 검출부 광학계의 크기를 줄일 수 있다.

또한, 상기 검출부 광학계 구성에서 평면 혹은 곡면 거울을 이용해 광 경로를 조절하여 검출부 광학계 크기를 줄일 수 있다.

또한, 상기 광학계 구성에서 입사광과 수광된 빛의 광축을 다르게 하여 광원부와 검출부가 같은 평면상에 위치할 수 있다.

이상, 본 발명을 바람직한 실시 예를 사용하여 상세히 설명하였으나, 본 발명의 범위는 특정 실시 예에 한정되는 것은 아니며, 첨부된 특허청구범위에 의하여 해석되어야 할 것이다. 또한, 이 기술분야에서 통상의 지식을 습득한 자라면, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않으면서도 많은 수정과 변형이 가능함을 이해하여야 할 것이다.

1: pulse광 출력 광원부
2: beam divergence 보정 렌즈
3: beam steering 광학계
4: 경로 차단 회피 거울
5: 초광각 스캔 광학계
6: 초광각 수광 광학계
7: 집광 렌즈
8: 검출기
9: 집광 곡면 렌즈
10: 집광 Fresnel 렌즈
11: waveguide splitter

Claims (1)

1. 기계적 스캐닝이 없는 360° LIDAR 시스템으로,
   pulse광 출력 광원부;
   광원과 광학계를 연결해 주고 beam steering이 가능한 커플링 광학계;
   출력광의 360° 조사가 가능하도록 곡면 거울을 사용한 초광각 조사 광학계;
   전방위에서 산란되어 오는 빛을 수광 가능하도록 곡면 거울을 사용한 초광각 수광 광학계;
   수광된 빛을 검출하는 검출부;
   로 구성되며 기계적 스캐닝 없이 beam steering의 조정을 이용하여 전방위 측정 가능한 LIDAR 시스템.

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