KR20180031929A - Curved mirror optics LIDAR system - Google Patents

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KR20180031929A
KR20180031929A KR1020160120414A KR20160120414A KR20180031929A KR 20180031929 A KR20180031929 A KR 20180031929A KR 1020160120414 A KR1020160120414 A KR 1020160120414A KR 20160120414 A KR20160120414 A KR 20160120414A KR 20180031929 A KR20180031929 A KR 20180031929A
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light
optical system
curved mirror
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lidar system
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KR1020160120414A
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한영근
유광욱
심영보
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한양대학교 산학협력단
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    • GPHYSICS
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Abstract

A curved mirror optics 360° LIDAR system is disclosed. The curved mirror optics 360° LIDAR system includes a pulse light output optical source unit, a coupling optical system which connects an optical source to an optical system to remove light interruption due to a component like an electric line and can output a single channel or multi-channel output, the optical system composed by using one or more curved mirrors so as to receive scattered light and emit output light, a rotating device which can perform 360° scanning by using a motor, etc., and dose not interrupt a light path, and a detection unit for detecting the received light. The 360° scanning can be performed by minimizing a light transmitting type element.

Description

곡면 거울 광학계 360° LIDAR 시스템{Curved mirror optics LIDAR system}Curved mirror optics 360 ° LIDAR system {Curved mirror optics LIDAR system}

본 발명은 곡면 거울 광학계 360° LIDAR 시스템에 관련된 것이다.The present invention relates to a curved mirror optics 360 ° LIDAR system.

드론과 같은 소형 무인 로봇 기술이 실생활에 도입될 것으로 기대되면서 이와 같은 장치의 자율 주행을 가능하게 하는 LIDAR 시스템의 장착은 필수적이다.It is expected that small unmanned robot technology such as drone will be introduced in real life, and it is essential to install LIDAR system which enables autonomous driving of such a device.

기존의 LIDAR 시스템은 lens를 이용한 광학계 구성을 통하여 집광 및 beam divergence 보정을 수행하였으나, lens와 같은 투과형 광학계는 표면에서 반사에 의한 손실 및 투과에 의한 손실이 존재하며 파장에 따른 색수차 및 표면 형상에 의한 구면수차로 인하여 오차가 발생할 수 있고, 반사형 소자에 비해 무게가 커서 전체 시스템의 무게가 증가하여 소형화 장비에 장착하기에 어려움이 있다.In the conventional LIDAR system, condensation and beam divergence correction were performed by using an optical system composed of a lens. However, a transmissive optical system such as a lens has loss due to reflection and transmission due to reflection on the surface, and chromatic aberration due to wavelength and surface shape An error may occur due to spherical aberration, and the weight of the entire system is increased due to the weight of the reflective type device, which makes it difficult to mount the device in a miniaturized device.

본 발명은 투과형 광학계를 최소화하고 반사형 광학계를 사용하여 투과 손실 및 수차에 의한 신호 왜곡이 없이 신호의 스캔 및 수광이 가능하며, 360도 회전을 통하여 360도 스캐닝이 가능한 LIDAR 시스템을 제공한다.The present invention provides a LIDAR system capable of scanning and receiving a signal without minimizing a transmission type optical system and using a reflection type optical system without transmission loss and signal distortion due to aberration and performing 360 degree scanning through 360 degree rotation.

본 발명에 따른 곡면 거울 광학계 360° LIDAR 시스템은 pulse광 출력 광원부, 전선 등의 부품에 의한 광 차단이 없도록 광원과 광학계를 연결해 주며 단일채널 혹은 다채널 출력이 가능한 커플링 광학계, 출력광의 조사가 및 산란되어 오는 빛을 수광할 수 있도록 하나 이상의 곡면 거울을 이용하여 구성된 광학계, 모터 등을 사용하여 360° 스캔이 가능하도록 하며 빛의 경로를 차단하지 않는 회전 장치, 수광된 빛을 검출하는 검출부를 포함하며, 투과형 소자를 최소화하여 360° 스캔이 가능하다.According to the present invention, a 360 ° LIDAR system is a coupling optical system that connects a light source and an optical system so that there is no light interruption due to a pulse light output light part or a wire, and can perform a single channel or multi-channel output, A rotating device that can scan 360 ° using an optical system or a motor configured by using one or more curved mirrors to receive scattered light, a rotation device that does not block the path of light, and a detector that detects received light And it is possible to scan 360 ° by minimizing the transmission type device.

본 발명에 따르면, 곡면 거울을 사용한 LIDAR 시스템을 사용하여 lens를 사용한 LIDAR 시스템에 비해 가벼워서 드론과 같은 소형 무인 로봇 장비의 주행에 영향을 주지 않으면서 2D 정보를 획득할 수 있다. According to the present invention, by using the LIDAR system using the curved mirror, it is light in comparison with the LIDAR system using the lens, so that the 2D information can be obtained without affecting the running of the small unmanned robot equipment such as the drone.

또한, 본 발명에 따르면, 광학적인 신호의 왜곡이 없어서 정밀한 2D 데이터를 획득할 수 있어 소형 무인 로봇 등에 활용도가 있을 것으로 기대된다.Further, according to the present invention, since there is no distortion of the optical signal, accurate 2D data can be obtained, and it is expected to be utilized in a small unmanned robot or the like.

도1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 곡면 거울을 사용한 LIDAR 시스템을 나타내는 도면이다.
도 2는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 곡면 거울을 사용한 LIDAR 시스템을 나타내는 도면이다.
도 3은 waveguide splitter를 이용한 다채널 형성 LIDAR 시스템을 나타내는 도면이다.
도 4는 Fresnel lens를 사용한 집광 광학계를 포함하는 LIDAR 시스템을 나타내는 도면이다.
도 5는 곡면 광학계를 사용한 집광 광학계를 포함하는 LIDAR 시스템을 나타내는 도면이다.
1 is a diagram illustrating a LIDAR system using a curved mirror according to an embodiment of the present invention.
2 is a diagram illustrating an LIDAR system using a curved mirror according to another embodiment of the present invention.
3 is a diagram illustrating a multi-channel forming LIDAR system using a waveguide splitter.
4 is a diagram showing a LIDAR system including a condensing optical system using a Fresnel lens.
5 is a diagram showing an LIDAR system including a condensing optical system using a curved optical system.

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.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. However, the technical spirit of the present invention is not limited to the embodiments described herein but may be embodied in other forms. Rather, the embodiments disclosed herein are provided so that the disclosure can be thorough and complete, and will fully convey the scope of the invention to those skilled in the art.

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. In this specification, when an element is referred to as being on another element, it may be directly formed on another element, or a third element may be interposed therebetween. Further, in the drawings, the thicknesses of the films and regions are exaggerated for an effective explanation of the technical content.

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.Also, while the terms first, second, third, etc. in the various embodiments of the present disclosure are used to describe various components, these components should not be limited by these terms. These terms have only been used to distinguish one component from another. Thus, what is referred to as a first component in any one embodiment may be referred to as a second component in another embodiment. Each embodiment described and exemplified herein also includes its complementary embodiment. Also, in this specification, 'and / or' are used to include at least one of the front and rear components.

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. The singular forms "a", "an", and "the" include plural referents unless the context clearly dictates otherwise. It is also to be understood that the terms such as " comprises "or" having "are intended to specify the presence of stated features, integers, Should not be understood to exclude the presence or addition of one or more other elements, elements, or combinations thereof. Also, in this specification, the term "connection " is used to include both indirectly connecting and directly connecting a plurality of components.

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.In the following description of the present invention, a detailed description of known functions and configurations incorporated herein will be omitted when it may make the subject matter of the present invention rather unclear.

본 발명의 실시 예들에 따른 LIDAR 시스템은 lens와 같은 투과형 소자가 아닌 곡면거울과 같은 반사형 소자를 사용하여 광학계를 구성하여 파장에 따라 굴절률이 달라 발생하는 색수차 왜곡을 근본적으로 제거할 수 있으며 무게가 무겁고 부피가 큰 lens를 사용하지 않아 소형, 경량의 LIDAR 시스템을 구성할 수 있다.The LIDAR system according to the embodiments of the present invention can fundamentally eliminate chromatic aberration distortion caused by different refractive indexes according to wavelengths by constituting an optical system using a reflective element such as a curved mirror instead of a transmissive element such as a lens, A compact, lightweight LIDAR system can be constructed without heavy and bulky lenses.

본 발명에 따른 곡면 거울 광학계 360° LIDAR 시스템은 pulse광 출력 광원부, 전선 등의 부품에 의한 광 차단이 없도록 광원과 광학계를 연결해 주며 단일채널 혹은 다채널 출력이 가능한 커플링 광학계, 출력광의 조사가 및 산란되어 오는 빛을 수광할 수 있도록 하나 이상의 곡면 거울을 이용하여 구성된 광학계, 모터 등을 사용하여 360° 스캔이 가능하도록 하며 빛의 경로를 차단하지 않는 회전 장치, 수광된 빛을 검출하는 검출부를 포함하며, 투과형 소자를 최소화하여 360° 스캔이 가능하다.According to the present invention, a 360 ° LIDAR system is a coupling optical system that connects a light source and an optical system so that there is no light interruption due to a pulse light output light part or a wire, and can perform a single channel or multi-channel output, A rotating device that can scan 360 ° using an optical system or a motor configured by using one or more curved mirrors to receive scattered light, a rotation device that does not block the path of light, and a detector that detects received light And it is possible to scan 360 ° by minimizing the transmission type device.

또한, 상기 커플링 광학계 구성에서 거울 등을 이용해 광 경로를 조정하여 pulse 출력광 및 수광된 빛의 경로를 차단하지 않도록 설계할 수 있다.Further, in the coupling optical system, it is possible to design the optical path so as not to block the path of the pulse output light and the received light by adjusting the optical path using a mirror or the like.

또한, 상기 커플링 광학계 구성에서 다채널 형성을 위한 구성으로 하나의 광원에서 출력된 빛을 coupler, waveguide splitter, grating 등을 이용하여 다채널 광원 출력이 가능하다.In addition, in the coupling optical system, a multi-channel light source can be output by using a coupler, a waveguide splitter, a grating,

또한, 상기 광학계 구성으로 곡면 거울을 이용하여 스캔 및 수광이 가능하도록 광학계를 구성할 수 있다.In addition, the optical system can be configured to scan and receive light using a curved mirror in the optical system configuration.

또한, 상기 곡면 거울로 parabolic mirror, hyperbolic mirror, spherical mirror, elliptical mirror와 같은 형태의 곡면 거울을 사용하며 곡면 거울의 초점이 광원과 검출부에 위치하도록 할 수 있다.In addition, a curved mirror such as a parabolic mirror, a hyperbolic mirror, a spherical mirror, or an elliptical mirror may be used as the curved mirror, and the focus of the curved mirror may be positioned at the light source and the detection unit.

또한, 상기 광학계를 모터 등을 사용하여 회전시켜 360° 스캐닝이 가능하도록 기계적 장치 구조를 설계할 수 있다.In addition, a mechanical device structure can be designed so that the optical system can be rotated by using a motor or the like to perform 360-degree scanning.

또한, 상기 광학계 구성에서 렌즈나 거울을 사용하여 곡면거울에 의한 발산광의 수차를 보정할 수 있다.In addition, in the optical system configuration, the aberration of the divergent light by the curved mirror can be corrected by using a lens or a mirror.

또한, 상기 광학계 구성에서 광 경로를 차단하지 않고 360° 스캔 및 수광이 가능하도록 기계적 장치 구조를 설계할 수 있다.In addition, the mechanical device structure can be designed so that the optical path can be scanned and received by 360 degrees without blocking the optical path.

또한, 상기 검출부 광학계 구성에서 holographic lens, Fresnel lens 등을 이용하여 검출부 광학계의 크기를 줄일 수 있다.Also, the size of the detector optical system can be reduced by using a holographic lens, a Fresnel lens, or the like in the optical system of the detection unit.

또한, 상기 검출부 광학계 구성에서 평면 혹은 곡면 거울을 이용해 광 경로를 중첩하여 검출부의 크기를 줄일 수 있다.In addition, the size of the detection unit can be reduced by superimposing the optical path using the plane or curved mirror in the detection optical system configuration.

또한, 상기 광원 및 수광부 구성에서 광원과 검출기의 광축을 다르게 하여 광원부와 검출부가 서로의 광 경로를 차단하지 않으며 같은 평면상에 위치할 수 있다.In addition, the optical axis of the light source and the detector may be different from each other in the light source and the light receiving unit, and the light source unit and the detection unit may be located on the same plane without blocking each other.

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.While the present invention has been particularly shown and described with reference to exemplary embodiments thereof, it is to be understood that the scope of the present invention is not limited to the disclosed exemplary embodiments. It will also be appreciated that many modifications and variations will be apparent to those skilled in the art without departing from the scope of the invention.

1: 광원부
2: 곡면거울 수차 보정 렌즈
3: 스캔 및 수광 곡면 거울
4: 광 경로 중첩 거울
5: 검출기
6: 회전 기계 장치
7: waveguide splitter
8: 집광 곡면 거울
9: 집광 Fresnel lens
1:
2: Curved mirror aberration correction lens
3: Scanning and receiving surface mirror
4: Optical path superposition mirror
5: Detector
6: Rotating mechanism
7: waveguide splitter
8: Convex surface mirror
9: Focused Fresnel lens

Claims (1)

pulse광 출력 광원부;
전선 등의 부품에 의한 광 차단이 없도록 광원과 광학계를 연결해 주며 단일채널 혹은 다채널 출력이 가능한 커플링 광학계;
출력광의 조사가 및 산란되어 오는 빛을 수광할 수 있도록 하나 이상의 곡면 거울을 이용하여 구성된 광학계;
모터 등을 사용하여 360° 스캔이 가능하도록 하며 빛의 경로를 차단하지 않는 회전 장치; 및
수광된 빛을 검출하는 검출부를 포함하며,
투과형 소자를 최소화하여 360° 스캔이 가능한 곡면 거울 광학계 360° LIDAR 시스템.
pulse light output light source unit;
A coupling optical system that connects a light source and an optical system so that there is no light interception due to components such as electric wires, and can perform a single channel or multi-channel output;
An optical system configured by using at least one curved mirror so that the output light can be irradiated and the scattered light can be received;
A rotating device that enables 360 ° scanning using a motor and does not block the path of light; And
And a detection unit for detecting the received light,
A 360 ° LIDAR system with curved mirror optics capable of scanning 360 ° with minimal transmission elements.
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