KR20180080383A - 곡면 거울을 갖는 회전형 스캐닝 라이다 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 곡면 거울을 갖는 회전형 스캐닝 라이다에 관한 것이다. 본 발명에 따른 회전형 스캐닝 라이다는 회전 거울부를 중심으로 한쪽에 함께 송광부와 곡면 거울을 구비하는 송광부가 배치되거나, 한쪽에 송광부가 배치되고 다른 쪽에 곡면 거울을 구비하는 송광부가 배치된 구조를 갖는다. 곡면 거울을 통하여 수광부의 초점 거리를 줄임으로써, 광이 송수광되는 광축과 스캐닝 라이다의 중심축 간의 거리를 줄이거나 일치시켜 스캐닝 라이의 크기를 줄일 수 있다.

Description

곡면 거울을 갖는 회전형 스캐닝 라이다{Rotational scanning LiDAR comprising curved reflective mirror}
본 발명은 회전형 스캐닝 라이다에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 객체(측정 타겟)에서 반사되어 돌아오는 반사광을 수광부로 집광하는 곡면 거울을 갖는 회전형 스캐닝 라이다에 관한 것이다.
스캐닝 라이다(scanning LiDAR)는 주변의 지형, 물체, 장애물 등과 같은 객체(측정 타겟)를 측정하는 데 사용되고 있다. 이러한 스캐닝 라이다는 펄스 레이저를 이용하여 객체에서 반사되어 돌아오는 시간을 측정하여 객체에 대한 정보를 획득한다. 스캐닝 라이다를 통해서 획득하는 객체에 대한 정보는 객체의 존재 여부, 객체의 종류, 객체까지의 거리 등에 대한 정보를 포함할 수 있다.
스캐닝 라이다는 자동차, 이동형 로봇, 선박, 보안시스템, 조립라인, 무인비행기, 드론(drone) 등과 같은 여러 분야에서 활용되고 있으며, 그 활용 분야도 다방면으로 확대되고 있다.
스캐닝 라이다는 고출력 레이저 다이오드로부터 출력되는 확산 빔을 콜리메이션 렌즈(송광렌즈)를 통해서 평행광으로 집광하여 송출하고, 객체에서 반사된 광을 대구경 집광렌즈(수광렌즈)를 통해서 광검출기로 검출하는 광학계 구조를 갖는다.
이로 인해 기존의 스캐닝 라이다는 최소 2개 이상의 렌즈가 필요하다. 따라서 기존의 스캐닝 라이다에 있어서, 광학계의 미세한 정렬 작업은 필수적이다. 이러한 정렬 작업은 스캐닝 라이다에 포함된 렌즈의 수가 증가할수록 정렬대상이 늘어나기 때문에, 스캐닝 라이다의 가격을 높이는 요인이 되고 있다.
수광부는 수광렌즈에서 집광된 광을 반사 거울을 통하여 반사시켜 광검출기로 검출하는 구성을 갖는다. 이로 인해 수광부는 수광렌즈, 반사 거울 및 광검출기가 필요하다. 또한 수광부는 광검출기를 통하여 안정적으로 광을 검출하기 위해서, 수광렌즈, 반사 거울 및 광검출기 간의 초점 거리를 확보할 필요가 있기 때문에, 스캐닝 라이다의 크기를 줄이는 데는 한계가 있다.
또한 스캐닝 라이다에 있어서, 전방의 물체 또는 지형을 탐지하기 위해서, 회전 거울을 회전시킴으로써 수평 시야각을 확보하고 있다. 회전 거울을 구비하는 스캐닝 라이다는 한쪽에 송수광부가 설치되고 다른 쪽에 회전 거울이 설치된 구조를 갖기 때문에, 광이 송수광되는 광축(OA; optical axis)과 스캐닝 라이다의 중심축(SA; system axis) 간에 거리가 크다. 이로 인해 회전 거울을 구비하는 스캐닝 라이다는 제품의 크기를 줄이는 데 한계가 있다.
일본등록특허 특허제5861532호(2016.01.08. 등록)
따라서 본 발명의 목적은 광학계의 구조를 단순화하고 부품의 수를 줄여 소형화할 수 있는 곡면 거울을 갖는 회전형 스캐닝 라이다를 제공하는 데 있다.
본 발명의 다른 목적은 수광부의 초점 거리를 줄여 소형화할 수 있는 곡면 거울을 갖는 회전형 스캐닝 라이다를 제공하는 데 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 광축과 스캐닝 라이다의 중심축의 거리를 줄이거나 일치시켜 소형화할 수 있는 곡면 거울을 갖는 회전형 스캐닝 라이다를 제공하는 데 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 펄스 레이저를 출력하는 송광부; 상기 송광부와 마주보게 설치되며, 상기 송광부에서 출력된 펄스 레이저를 회전하면서 반사시켜 객체로 송출하는 송광 회전 거울과, 상기 송광 회전 거울의 회전축 상에 설치되어 상기 송광 회전 거울과 함께 회전하며, 송출한 송출광 중에서 객체에서 반사된 반사광을 수광부로 반사하는 수광 회전 거울을 구비하는 회전 거울부; 및 상기 수광 회전 거울과 마주보게 설치되며, 상기 수광 회전 거울에서 반사된 반사광을 수광하여 집광하는 곡면 거울과, 상기 수광 회전 거울과 상기 곡면 거울 사이에 배치되어 상기 곡면 거울로부터 집광된 광을 수신하여 전기신호로 변환하는 광검출기를 구비하는 수광부;를 포함하는 곡면 거울을 갖는 회전형 스캐닝 라이다를 제공한다.
상기 곡면 거울은 오목 거울(concave mirror)과 포물선 거울(parabolic mirror)을 포함한다.
상기 수광 회전 거울의 상부에 상기 송광 회전 거울이 설치될 수 있다.
상기 수광 회전 거울의 반사면이 상기 송광 회전 거울의 반사면 보다는 크다.
상기 회전 거울부는, 상기 송광 회전 거울과 상기 수광 회전 거울 사이에 개재되어 송출광이 상기 수광 회전 거울로 입사되는 것을 차단하는 송출광 차단판; 및 상기 수광 회전 거울에 연결되어 상기 수광 회전 거울을 회전시키는 회전 모터;를 더 포함할 수 있다.
상기 수광부의 상부에 상기 송광부가 설치될 수 있다. 이때 상기 송광 회전 거울과 상기 수광 회전 거울은 반사면이 동일면에 위치할 수 있다.
상기 송광 회전 거울 및 상기 수광 회전 거울을 중심으로 한쪽에 상기 송광부가 배치되고, 반대쪽에 상기 수광부가 배치될 수 있다. 이때 상기 송광 회전 거울과 상기 수광 회전 거울은 반사면이 서로 직각을 이루도록 배치될 수 있다.
상기 수광 회전 거울의 수평 시야각의 외측에 상기 송광부 및 상기 수광부가 배치될 수 있다.
상기 곡면 거울은, 상기 수광 회전 거울의 회전축과 상기 곡면 거울의 중심을 잇는 가상의 직선을 중심으로, 상기 수광 회전 거울의 수평 시야각을 형성하는 쪽을 향하는 부분이 반대쪽을 향하는 부분에 비해서 길이가 짧을 수 있다.
상기 곡면 거울은, 반사면이 반타원면의 형태에서, 상기 수광 회전 거울의 회전축과 상기 곡면 거울의 중심이 잇는 가상의 직선을 중심으로, 상기 수광 회전 거울의 수평 시야각을 형성하는 쪽을 향하는 부분이 일부 잘려진 형태를 가질 수 있다.
본 발명에 따른 회전형 스캐닝 라이다는, 상기 송광부, 상기 회전 거울부 및 상기 수광부가 위치할 수 있는 내부 공간을 제공하여 외부 환경으로 보호하는 케이스;를 더 포함할 수 있다.
상기 케이스는, 광이 송수광되는 쪽에 설치되며, IR 통과 필터가 설치되는 전면 케이스; 및 상기 광이 송수광되는 쪽의 반대쪽에 위치하며, 상기 전면 케이스와 연결되어 상기 송광부, 상기 회전 거울부 및 상기 수광부가 위치할 수 있는 내부 공간을 형성하는 후면 케이스;를 포함할 수 있다.
그리고 상기 후면 케이스의 내부에 상기 수광 회전 거울의 회전축이 위치하고, 상기 전면 케이스의 내부가 상기 수광 회전 거울의 회전 반경을 포함할 수 있다.
본 발명은 또한, 인쇄회로기판; 상기 인쇄회로기판 위에 설치되며, 펄스 레이저를 출력하는 송광부; 상기 송광부와 마주보게 상기 인쇄회로기판 위에 설치되며, 상기 송광부에서 출력된 펄스 레이저를 회전하면서 반사시켜 객체로 송출하는 송광 회전 거울; 상기 송광 회전 거울의 회전축 상에 설치되어 상기 송광 회전 거울과 함께 회전하며, 송출한 송출광 중에서 객체에서 반사된 반사광을 곡면 거울로 반사하는 수광 회전 거울; 상기 수광 회전 거울과 마주보게 상기 인쇄회로기판 위에 설치되며, 상기 수광 회전 거울에서 반사된 반사광을 수광하여 집광하는 곡면 거울; 및 상기 수광 회전 거울과 상기 곡면 거울 사이의 상기 인쇄회로기판 위에 배치되어 상기 곡면 거울로부터 집광된 광을 수신하여 전기신호로 변환하는 광검출기;를 포함하는 곡면 거울을 갖는 회전형 스캐닝 라이다를 제공한다.
본 발명에 따르면, 수광부는 객체에서 반사된 광을 집광하여 광검출기로 전달하는 곡면 거울을 구비하기 때문에, 수광부의 초점 거리를 줄일 수 있다. 이로 인해 본 발명에 따른 회전형 스캐닝 라이다의 크기를 소형화할 수 있다.
본 발명의 제1 실시예에 따른 회전형 스캐닝 라이다는 한쪽에 송광부와 곡면 거울을 구비하는 수광부가 배치되고 다른 쪽에 회전 거울부가 배치된 구조를 갖고, 곡면 거울을 통하여 수광부의 초점 거리를 줄임으로써, 광이 송수광되는 광축과 스캐닝 라이다의 중심축 간의 거리를 줄일 수 있다. 이로 인해 제1 실시예에 따른 스캐닝 라이다의 크기를 줄일 수 있다.
본 발명의 제2 실시예에 따른 회전형 스캐닝 라이다는 회전 거울부를 중심으로 한쪽에 송광부가 배치되고 다른 쪽에 곡면 거울을 구비하는 수광부가 배치된 구조를 갖기 때문에, 광이 송수광되는 광축과 스캐닝 라이다의 중심축을 일치시킬 수 있다. 이로 인해 제2 실시예에 따른 회전형 스캐닝 라이다는 좌우의 대칭 구조로 구현할 수 있다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 곡면 거울을 갖는 회전형 스캐닝 라이다를 보여주는 평면도이다.
도 2는 도 1의 정면도이다.
도 3은 도 1의 송수광 회전 거울을 보여주는 분해 사시도이다.
도 4는 도 3의 송수광 회전 거울을 보여주는 사시도이다.
도 5는 도 4의 송수광 회전 거울로 송수광되는 광의 경로를 보여주는 도면이다.
도 6은 곡면 거울의 사시도이다.
도 7은 도 1의 전면 케이스를 보여주는 부분 단면도이다.
도 8은 본 발명의 제2 실시예에 따른 곡면 거울을 갖는 회전형 스캐닝 라이다를 보여주는 평면도이다.
도 9는 도 8의 정면도이다.
도 10은 도 9의 송수광 회전 거울을 보여주는 분해 사시도이다.
도 11은 도 10의 송수광 회전 거울을 보여주는 사시도이다.
도 12는 도 11의 송수광 회전 거울로 송수광되는 광의 경로를 보여주는 도면이다.
하기의 설명에서는 본 발명의 실시예를 이해하는데 필요한 부분만이 설명되며, 그 이외 부분의 설명은 본 발명의 요지를 흩트리지 않는 범위에서 생략될 것이라는 것을 유의하여야 한다.
이하에서 설명되는 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념으로 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 따라서 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 바람직한 실시예에 불과할 뿐이고, 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 보다 상세하게 설명하고자 한다.
[제1 실시예]
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 곡면 거울을 갖는 회전형 스캐닝 라이다를 보여주는 평면도이다. 그리고 도 2는 도 1의 정면도이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 제1 실시예에 따른 곡면 거울(41)을 갖는 회전형 스캐닝 라이다(100)는 송광부(20), 회전 거울부(30) 및 수광부(40)를 포함한다. 여기서 송광부(20)는 펄스 레이저를 송광 회전 거울(31)로 송출한다. 회전 거울부(30)는 송광 회전 거울(31)과 수광 회전 거울(33)을 포함한다. 송광 회전 거울(31)은 송광부(20)와 마주보게 설치되며, 송광부(20)에서 출력된 펄스 레이저를 회전하면서 반사시켜 객체로 송출한다. 수광 회전 거울(33)은 송광 회전 거울(31)의 회전축 상에 설치되어 송광 회전 거울(31)과 함께 회전하며, 송출한 송출광(61) 중에서 객체에서 반사된 반사광(63)을 수광부(40)로 반사한다. 수광부(40)는 곡면 거울(41)과 광검출기(43)를 포함한다. 곡면 거울(41)은 수광 회전 거울(33)과 마주보게 설치되며, 수광 회전 거울(33)에서 반사된 반사광(63)을 수광하여 광검출기(43) 쪽으로 집광한다. 그리고 광검출기(43)는 수광 회전 거울(33)과 곡면 거울(41) 사이에 배치되며, 곡면 거울(41)로부터 집광된 광을 수신하여 전기신호로 변환한다.
이와 같은 제1 실시예에 따른 회전형 스캐닝 라이다(100)는 한쪽에 회전 거울부(30)가 배치되고, 다른 쪽에 송광부(20)와 수광부(40)가 배치된 구조를 갖는다. 송광부(20)가 수광부(40) 위에 적층된 형태로 배치된 구조를 갖는다.
송광부(20) 및 수광부(40)에 의해 수광 회전 거울(33)의 수평 시야각(θ)이 좁아지는 것을 방지하기 위해서, 수광 회전 거울(33)의 수평 시야각(θ)의 외측에 송광부(20)와 수광부(40)가 배치된다. 즉 수광 회전 거울(33)이 형성하는 수평 시야각(θ)의 뒤쪽에 송광부(20)와 수광부(40)가 배치된다.
수광부(40)는 객체에서 반사된 반사광(63)을 집광하여 광검출기(43)로 전달하는 곡면 거울(41)을 구비하기 때문에, 수광부(40)의 초점 거리를 줄여 제1 실시예에 따른 회전형 스캐닝 라이다(100)를 소형화할 수 있다.
한편 제1 실시예에 따른 회전형 스캐닝 라이다(100)는 인쇄회로기판(10)과 케이스(50)를 더 포함할 수 있다.
이와 같은 제1 실시예에 따른 회전형 스캐닝 라이다(100)에 대해서 도 1 내지 도 7을 참조하여 구체적으로 설명하면 다음과 같다.
인쇄회로기판(10)은 송광부(20), 회전 거울부(30) 및 수광부(40)가 설치될 수 있는 설치 영역을 제공한다. 인쇄회로기판(10)은 설치된 송광부(20), 회전 거울부(30) 및 수광부(40)의 구동에 필요한 신호와 전원을 공급한다. 인쇄회로기판(10)은 설치된 송광부(20), 회전 거울부(30) 또는 수광부(40)와 외부기기 간의 신호 입출력을 매개할 수 있다.
송광부(20)는 송광 회전 거울(31)로 펄스 레이저를 출력할 수 있도록 인쇄회로기판(10) 상에 배치된다. 수광부(40)는 수광 회전 거울(33)로부터 반사광(63)을 집광할 수 있도록 인쇄회로기판(10) 상에 배치된다.
송광부(20)는 광원(21), 광원구동기(23) 및 광조절기(25)를 포함한다. 광원(21)은 광원구동기(23)의 제어에 의해 펄스 레이저를 출력한다. 광조절기(25)는 펄스 레이저가 출력되는 광원(21)의 앞단에 설치되어, 광원(21)에서 출력되는 펄스 레이저를 콜리메이트 빔 또는 다이버전스 빔으로 변환하여 출력한다. 이러한 송광부(20)는 하나 이상의 채널에 해당하는 하나 이상의 펄스 레이저를 출력할 수 있다.
송광부(20)는 인쇄회로기판(10)에 전기적으로 연결되며, 곡면 거울(41)의 상부에 탑재된 형태로 설치될 수 있다.
회전 거울부(30)는, 도 1 내지 도 4에 도시된 바와 같이, 송광 회전 거울(31)과 수광 회전 거울(33)을 포함하며, 송출광 차단판(35)과 회전 모터(37)를 더 포함할 수 있다. 여기서 도 3은 도 1의 송수광 회전 거울(31,33)을 보여주는 분해 사시도이다. 도 4는 도 3의 송수광 회전 거울(31,33)을 보여주는 사시도이다. 이하 송광 회전 거울(31) 및 수광 회전 거울(33)을 통칭할 때 송수광 회전 거울(31,33)이라 한다.
송수광 회전 거울(31,33)은 인쇄회로기판(10)의 상부에 설치되며, 송광 회전 거울(31)이 수광 회전 거울(33)의 상부에 설치된다.
송광 회전 거울(31)은 송광부(20)에서 출력되는 펄스 레이저가 안정적으로 입사될 수 있도록, 송광부(20)의 광조절기(25)와 마주볼 수 있는 위치에 배치된다.
수광 회전 거울(33)은 수광부(40)와 마주볼 수 있는 위치에 배치된다. 수광 회전 거울(33)은 객체에서 반사된 반사광(63)을 충분히 받을 수 있도록, 송광 회전 거울(31) 보다는 반사면이 크게 형성된다.
송광부(20)가 안정적으로 펄스 레이저를 송광 회전 거울(31)로 송출할 수 있도록, 송광부(20)의 광조절기(25)는 수광 회전 거울(33)의 상부로 도출되게 형성될 수 있다. 물론 수광 회전 거울(33)의 상부로 돌출된 광조절기(25)는 수광 회전 거울(33)의 회전에 간섭하지 않도록, 수광 회전 거울(33)의 상부에서 이격되게 설치된다.
송수광 회전 거울(31,33)은 반사면이 동일면에 위치하게 형성된다. 즉 송수광 회전 거울(31,33)은 일체로 형성할 수 있다. 이때 송수광 회전 거울(31,33)은 2개의 반사면을 구비하는 평면 거울일 수 있다. 송수광 회전 거울(31,33)은 회전 모터(37)의 구동에 의해 360도 회전할 수 있다.
송광 회전 거울(31)은 360도 회전을 통해서 송광부(20)에서 송출되는 콜리메이트 빔 또는 다이버전스 빔을 반사시켜 측정 타겟이 존재할 수 있는 스캔 영역으로 송광한다. 수광 회전 거울(33)은 360도 회전을 통해서 해당 측정 타겟에서 반사된 광을 수광부(40)로 반사시킨다. 이때 수광 회전 거울(33)의 수평 시야각(θ)은 최대 160도를 확보할 수 있다.
송출광 차단판(35)은 송광 회전 거울(31)과 수광 회전 거울(33) 사이에 개재되어 송출광(61)이 수광 회전 거울(33)로 입사되는 것을 차단한다. 즉 송출광 차단판(35)이 없는 경우, 송광 회전 거울(31)에 반사된 송출광(61) 중 난반사 또는 산란으로 인해서 발생되는 광이 수광 회전 거울(33)로 직접 입사되는 문제가 발생될 수 있기 때문이다.
이러한 송출광 차단판(35)은 송광 회전 거울(31) 아래의 수광 회전 거울(33)을 덮을 수 있는 크기로 형성된다. 송출광 차단판(35)은 중심 부분에 송광 회전 거울(31)을 끼울 수 있는 결합구멍(36)이 형성되어 있다. 결합구멍(36)으로 끼워진 송광 회전 거울(31)은 송출광 차단판(35)의 상부로 돌출된다.
송출광 차단판(35)은 송수광 회전 거울(31,33)과 함께 회전하기 때문에, 회전 시 진동이 발생되는 것을 억제하기 위해서, 회전축을 중심으로 좌우로 대칭되게 형성하는 것이 바람직하다. 제1 실시예에서는 송출광 차단판(35)을 원판 형태로 형성한 예를 개시하였지만, 그 외 다양한 형태로 구현이 가능함은 물론이다.
이와 같은 제1 실시예에 따른 송수광 회전 거울(31,33)로 송수광되는 광의 경로는, 도 5에 도시된 바와 같이, 송광 회전 거울(31)에서 송출광(61)이 반사되는 각도와 동일한 각도로 수광 회전 거울(33)로 객체에서 반사된 반사광(63)이 입사된다. 즉 송광 회전 거울(31)과 수광 회전 거울(33)의 반사면이 동일면을 향하기 때문이다.
그리고 회전 모터(37)는 인쇄회로기판(10)에 설치되어 송수광 회전 거울(31,33)을 회전시킨다. 이때 회전 모터(37)는 인쇄회로기판(10)의 하부에 설치되고, 회전 모터(37)의 구동축이 인쇄회로기판(10)의 상부에 설치된 수광 회전 거울(33)의 회전축 상에 연결된다.
수광부(40)는, 도 1, 도 2 및 도 6에 도시된 바와 같이, 곡면 거울(41)과 광검출기(43)를 포함한다. 여기서 도 6은 곡면 거울(41)의 사시도이다.
수광부(40)는 송수광 회전 거울(31,33)에 인접한 인쇄회로기판(10)의 상부에 설치된다.
곡면 거울(41)은 기존의 회전형 스캐닝 라이다의 집광 렌즈와 수광 거울의 기능을 함께 수행한다. 곡면 거울(41)은 수광부(40)의 초점 거리를 줄여 제1 실시예에 따른 회전형 스캐닝 라이다(100)를 소형화에 기여한다.
곡면 거울(41)은 송광 회전 거울(31)을 통해서 송출된 송출광(61) 중에서 측정 타겟에서 반사된 반사광(63)을 수광하여 집광한다. 곡면 거울(41)은 측정 타겟에서 반사된 반사광(63)을 수광하여 하나 이상의 초점을 형성할 수 있도록 집광할 수 있다.
곡면 거울(41)은 안쪽으로 오목한 곡면의 반사면(45)을 구비하고, 구비된 반사면(45)이 수광 회전 거울(33)을 향하게 배치된다. 여기서 곡면 거울(41)은 오목 거울(concave mirror)과 포물선 거울(parabolic mirror)을 포함할 수 있다.
여기서 오목 거울은 포물선 거울 대비 넓은 수광각을 가지나, 초점의 변화가 있다. 포물선 거울은 초점의 변화를 보정하기 위해서, 오목 거울 보다는 좀 더 안쪽으로 굽은 형태로서 수광 범위가 오목 거울 보다는 좁지만 초점이 일정한 장점이 있다. 제1 실시예와 같이 송수광 회전 거울(31,33)이 회전하므로 수광 범위가 항상 일정하기 때문에, 곡면 거울(41)로 초점을 정확히 가져갈 수 있는 포물선 거울을 사용하는 것이 바람직할 수 있다.
곡면 거울(41)의 상부에 송광부(20)가 설치될 수 있다. 즉 회전 거울부(30)의 한쪽에 송광부(20)와 수광부(40)가 설치되고, 곡면 거울(41) 위에 송광부(20)가 적층된 형태로 설치될 수 있다. 이와 같이 배치한 이유는, 수광 회전 거울(33)의 상부에 송광 회전 거울(31)이 배치된 구조를 갖기 때문에, 수광 회전 거울(33)과 마주보게 곡면 거울(41)을 배치하고, 수광 회전 거울(33)과 마주보게 송광부(20)를 배치하기 위해서이다.
곡면 거울(41)은 수광 회전 거울(33)의 회전축과 곡면 거울(41)의 중심을 잇는 가상의 직선을 중심으로, 수광 회전 거울(33)의 수평 시야각(θ)을 형성하는 쪽을 향하는 부분이 반대쪽을 향하는 부분에 비해서 길이가 짧게 형성된다. 이와 같이 형성하는 이유는, 곡면 거울(41)의 반사면(45)을 반타원면으로 형성할 경우, 수광 회전 거울(33)의 수평 시야각(θ)을 제한할 수 있기 때문이다. 따라서 곡면 거울(41)은, 반사면(45)이 반타원면의 형태에서, 수광 회전 거울(33)의 회전축과 곡면 거울(41)의 중심이 잇는 가상의 직선을 중심으로, 수광 회전 거울(33)의 수평 시야각(θ)을 형성하는 쪽을 향하는 부분이 일부 잘려진 형태를 가질 수 있다.
그리고 수광부(40)는 수광 회전 거울(33)과 곡면 거울(41) 사이의 인쇄회로기판(10) 위에 배치되며, 곡면 거울(41)로부터 집광된 광을 수신하여 전기신호로 변환하다. 수광부(40)는 변환한 전기신호를 외부 기기로 출력할 수 있다.
수광부(40)의 위치는 곡면 거울(41)이 집광한 광을 수신할 위치에 따라서 인쇄회로기판(10) 상의 설치 위치가 결정될 수 있다. 제1 실시예에서는 수광부(40)가 곡면 거울(41)의 안쪽에 배치한 예를 개시하였다. 이와 같이 배치한 이유는, 회전형 스캐닝 라이다(100)의 중심축(SA)과 광이 송수광되는 광축(OA) 간의 거리(d)를 줄이기 위해서이다. 물론 회전형 스캐닝 라이다(100)의 중심축(SA)과 광이 송수광되는 광축(OA) 간의 거리(d)가 좀 더 늘어나긴 하지만, 수광부(40)를 곡면 거울(41)의 외측에 배치할 수도 있다.
케이스(50)는, 도 7에 도시된 바와 같이, 인쇄회로기판(10), 송광부(20), 회전 거울부(30) 및 수광부(40)가 위치할 수 있는 내부 공간을 제공하여 외부 환경으로 보호한다. 여기서 도 7은 도 1의 전면 케이스(53)를 보여주는 부분 단면도이다.
이러한 케이스(50)는 전면 케이스(53)와 후면 케이스(51)를 포함할 수 있다.
전면 케이스(53)는 광이 송수광되는 쪽에 설치되며, IR 통과 필터(55)가 설치된다.
그리고 후면 케이스(51)는 광이 송수광되는 쪽의 반대쪽에 위치하며, 전면 케이스(53)와 연결되어 인쇄회로기판(10), 송광부(20), 회전 거울부(30) 및 수광부(40)가 위치할 수 있는 내부 공간을 형성한다.
이때 후면 케이스(51)의 내부에 수광 회전 거울(33)의 회전축이 위치한다. 전면 케이스(53)의 내부가 수광 회전 거울(33)의 회전 반경을 포함할 수 있다.
전면 케이스(53)에는 송출광(61)이 수광 회전 거울(33)로 입사되는 것을 차단하는 차단막(57)이 형성될 수 있다. 차단막(57)은 송출광 차단판(35)과 수광 회전 거울(33) 사이에 위치할 수 있다.
전면 케이스(53)에 차단막(57)이 형성된 경우, IR 통과 필터(55)는 차단막(57)을 중심으로 상부에 위치하는 상부 IR 통과 필터(55a)와, 하부에 위치하는 하부 IR 통과 필터(55b)를 포함할 수 있다. 상부 IR 통과 필터(55a)는 송광 회전 거울(31)과 마주보게 형성된다. 하부 IR 통과 필터(55b)는 수광 회전 거울(33)과 마주보게 형성된다.
이와 같이 제1 실시예에 따르면, 수광부(40)는 객체에서 반사된 광을 집광하여 광검출기(43)로 전달하는 곡면 거울(41)을 구비하기 때문에, 수광부(40)의 초점 거리를 줄여 제1 실시예에 따른 회전형 스캐닝 라이다(100)를 소형화할 수 있다.
그리고 제1 실시예에 따른 회전형 스캐닝 라이다(100)는 한쪽에 송광부(20)와 곡면 거울(41)을 구비하는 수광부(40)가 배치되고 다른 쪽에 회전 거울부(30)가 배치된 구조를 갖지만, 곡면 거울(41)을 통하여 수광부(40)의 초점 거리를 줄임으로써 광이 송수광되는 광축(OA)과 스캐닝 라이다(100)의 중심축(SA) 간의 거리(d)를 줄일 수 있다. 이로 인해 제1 실시예에 따른 스캐닝 라이다(100)의 크기를 줄일 수 있다.
[제2 실시예]
한편 제1 실시예에 따른 회전형 스캐닝 라이다(100)는 한쪽에 회전 거울부(30)가 배치되고 다른 쪽에 송광부(20) 및 수광부(40)가 배치된 구조를 개시하였지만 이것에 한정되는 것은 아니다. 예컨대 도 8에 도시된 바와 같이, 회전 거울부(30)를 중심으로 한쪽에 송광부(20)가 배치되고 다른 쪽에 수광부(40)가 배치된 구조로 구현될 수 있다.
도 8은 본 발명의 제2 실시예에 따른 곡면 거울(41)을 갖는 회전형 스캐닝 라이다(200)를 보여주는 평면도이다. 도 9는 도 8의 정면도이다.
도 8 및 도 9를 참조하면, 제2 실시예에 따른 회전형 스캐닝 라이다(200)는 송광부(20), 회전 거울부(30) 및 수광부(40)를 포함하되, 회전 거울부(30)를 중심으로 한쪽에 송광부(20)가 배치되고 다른 쪽에 수광부(40)가 배치된 구조를 갖는다.
즉 제1 실시예에서 한쪽에 배치되었던 송광부(20)와 수광부(40)를 회전 거울부(30)를 중심으로 양쪽에 배치한 것을 제외하면, 제2 실시예에 따른 회전형 스캐닝 라이다(200)는 제1 실시예에 따른 회전형 스캐닝 라이다(100)와 동일한 구성을 갖는다.
따라서 회전 거울부(30)를 중심으로 양쪽에 송광부(20)와 수광부(40)를 배치하는 구성을 중심으로 설명하겠다.
회전 거울부(30), 송광부(20) 및 수광부(40)는 인쇄회로기판(10) 위에 설치된다.
송광부(20)는 송광 회전 거울(31)로 펄스 레이저를 출력할 수 있도록 인쇄회로기판(10)의 한쪽에 배치된다. 수광부(40)는 수광 회전 거울(33)로부터 반사광(63)을 집광할 수 있도록 인쇄회로기판(10)의 다른 쪽에 배치된다.
이로 인해 회전 거울부(30)의 회전축과 제2 실시예에 따른 회전형 스캐닝 라이다(200)의 시스템 축이 동일축 상에 위치할 수 있도록 구현할 수 있다.
회전 거울부(30)는, 도 8 내지 도 11에 도시된 바와 같이, 송광 회전 거울(31)과 수광 회전 거울(33)을 포함하며, 송출광 차단판(35)과 회전 모터(37)를 더 포함할 수 있다. 여기서 도 10은 도 9의 송수광 회전 거울(31,33)을 보여주는 분해 사시도이다. 도 11은 도 10의 송수광 회전 거울(31,33)을 보여주는 사시도이다.
회전 거울부(30)를 중심으로 한쪽에 송광부(20)가 배치되고 다른 쪽에 수광부(40)가 배치된 구조를 갖기 때문에, 송광 회전 거울(31)과 수광 회전 거울(33)은 반사면이 서로 직각을 이루도록 배치된다.
서로 직각을 이루도록 배치한 이유는, 송광 회전 거울(31)을 통하여 반사된 송출광(61)에 대한 반사광(63)을 수광 회전 거울(33)로 입사받기 위해서이다. 즉 송광부(20)와 수광부(40)가 서로 반대 방향에 위치하기 때문에, 제1 실시예와 같이 송광 회전 거울(31)과 수광 회전 거울(33)의 반사면이 동일면을 향하는 송수광 회전 거울(31,33)을 사용하는 경우, 송광 회전 거울(31)을 통하여 반사된 송출광(61)에 대한 반사광(63)은 수광 회전 거울(33)로 입사되지 않는다.
따라서 송광 회전 거울(31)과 수광 회전 거울(33)은 반사면이 서로 직각을 이루도록 배치함으로써, 도 12에 도시된 바와 같이, 송광 회전 거울(31)을 통하여 반사된 송출광(61)에 대한 반사광(63)이 수광 회전 거울(33)로 입사된다.
그리고 제2 실시예에 따른 회전형 스캐닝 라이다(200)는 회전 거울부(30)를 중심으로 한쪽에 송광부(20)가 배치되고 다른 쪽에 곡면 거울(41)을 구비하는 수광부(40)가 배치된 구조를 갖기 때문에, 광이 송수광되는 광축(OA)과 스캐닝 라이다(200)의 중심축(SA)을 일치시킬 수 있다. 이로 인해 제2 실시예에 따른 회전형 스캐닝 라이다(200)는 좌우의 대칭 구조로 구현할 수 있다.
송광부(20)와 수광부(40)가 서로 이격되어 있기 때문에, 수광부(40)에 작용하는 물리적 또는 전기적 간섭을 최소화하고, 이를 통해서 곡면 거울(41)로부터 집광된 광을 수신하여 전기신호로 변환하는 과정에서 발생할 수 있는 노이즈를 최소화할 수 있다.
한편, 본 명세서와 도면에 개시된 실시예들은 이해를 돕기 위해 특정 예를 제시한 것에 지나지 않으며, 본 발명의 범위를 한정하고자 하는 것은 아니다. 여기에 개시된 실시예들 이외에도 본 발명의 기술적 사상에 바탕을 둔 다른 변형예들이 실시 가능하다는 것은, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게는 자명한 것이다.
10 : 인쇄회로기판
20 : 송광부
21 : 광원
23 : 광원구동기
25 : 광조절기
30 : 회전 거울부
31 : 송광 회전 거울
33 : 수광 회전 거울
35 : 송출광 차단판
36 : 결합구멍
37 : 회전 모터
40 : 수광부
41 : 곡면 거울
43 : 광검출기
45 : 반사면
50 : 케이스
51 : 후면 케이스
53 : 전면 케이스
55 : IR 통과 필터
57 : 차단막
61 : 송출광
63 : 반사광
100, 200 : 회전형 스캐닝 라이다

Claims (16)

  1. 펄스 레이저를 출력하는 송광부;
    상기 송광부와 마주보게 설치되며, 상기 송광부에서 출력된 펄스 레이저를 회전하면서 반사시켜 객체로 송출하는 송광 회전 거울과,
    상기 송광 회전 거울의 회전축 상에 설치되어 상기 송광 회전 거울과 함께 회전하며, 송출한 송출광 중에서 객체에서 반사된 반사광을 수광부로 반사하는 수광 회전 거울을 구비하는 회전 거울부; 및
    상기 수광 회전 거울과 마주보게 설치되며, 상기 수광 회전 거울에서 반사된 반사광을 수광하여 집광하는 곡면 거울과,
    상기 수광 회전 거울과 상기 곡면 거울 사이에 배치되어 상기 곡면 거울로부터 집광된 광을 수신하여 전기신호로 변환하는 광검출기를 구비하는 수광부;
    를 포함하는 곡면 거울을 갖는 회전형 스캐닝 라이다.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 곡면 거울은 오목 거울(concave mirror)과 포물선 거울(parabolic mirror)을 포함하는 것을 특징으로 하는 곡면 거울을 갖는 회전형 스캐닝 라이다.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 수광 회전 거울의 상부에 상기 송광 회전 거울이 설치된 것을 특징으로 하는 곡면 거울을 갖는 회전형 스캐닝 라이다.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 수광 회전 거울의 반사면이 상기 송광 회전 거울의 반사면 보다는 큰 것을 특징으로 하는 곡면 거울을 갖는 회전형 스캐닝 라이다.
  5. 제3항에 있어서, 상기 회전 거울부는,
    상기 송광 회전 거울과 상기 수광 회전 거울 사이에 개재되어 송출광이 상기 수광 회전 거울로 입사되는 것을 차단하는 송출광 차단판; 및
    상기 수광 회전 거울에 연결되어 상기 수광 회전 거울을 회전시키는 회전 모터;
    를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 곡면 거울을 갖는 회전형 스캐닝 라이다.
  6. 제3항에 있어서,
    상기 수광부의 상부에 상기 송광부가 설치된 것을 특징으로 하는 곡면 거울을 갖는 회전형 스캐닝 라이다.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 송광 회전 거울과 상기 수광 회전 거울은 반사면이 동일면에 위치하는 것을 특징으로 하는 곡면 거울을 갖는 회전형 스캐닝 라이다.
  8. 제3항에 있어서,
    상기 송광 회전 거울 및 상기 수광 회전 거울을 중심으로 한쪽에 상기 송광부가 배치되고, 반대쪽에 상기 수광부가 배치되는 것을 특징으로 하는 곡면 거울을 갖는 회전형 스캐닝 라이다.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 송광 회전 거울과 상기 수광 회전 거울은 반사면이 서로 직각을 이루도록 배치되는 것을 특징으로 하는 곡면 거울을 갖는 회전형 스캐닝 라이다.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 수광 회전 거울의 수평 시야각의 외측에 상기 송광부 및 상기 수광부가 배치되는 것을 특징으로 하는 곡면 거울을 갖는 회전형 스캐닝 라이다.
  11. 제10항에 있어서, 상기 곡면 거울은,
    상기 수광 회전 거울의 회전축과 상기 곡면 거울의 중심을 잇는 가상의 직선을 중심으로, 상기 수광 회전 거울의 수평 시야각을 형성하는 쪽을 향하는 부분이 반대쪽을 향하는 부분에 비해서 길이가 짧은 것을 특징으로 하는 곡면 거울을 갖는 회전형 스캐닝 라이다.
  12. 제11항에 있어서, 상기 곡면 거울은,
    반사면이 반타원면의 형태에서, 상기 수광 회전 거울의 회전축과 상기 곡면 거울의 중심이 잇는 가상의 직선을 중심으로, 상기 수광 회전 거울의 수평 시야각을 형성하는 쪽을 향하는 부분이 일부 잘려진 형태를 갖는 것을 특징으로 하는 곡면 거울을 갖는 회전형 스캐닝 라이다.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 송광부, 상기 회전 거울부 및 상기 수광부가 위치할 수 있는 내부 공간을 제공하여 외부 환경으로 보호하는 케이스;
    를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 곡면 거울을 갖는 회전형 스캐닝 라이다.
  14. 제13항에 있어서, 상기 케이스는,
    광이 송수광되는 쪽에 설치되며, IR 통과 필터가 설치되는 전면 케이스; 및
    상기 광이 송수광되는 쪽의 반대쪽에 위치하며, 상기 전면 케이스와 연결되어 상기 송광부, 상기 회전 거울부 및 상기 수광부가 위치할 수 있는 내부 공간을 형성하는 후면 케이스;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 곡면 거울을 갖는 회전형 스캐닝 라이다.
  15. 제13항에 있어서,
    상기 후면 케이스의 내부에 상기 수광 회전 거울의 회전축이 위치하고, 상기 전면 케이스의 내부가 상기 수광 회전 거울의 회전 반경을 포함하는 것을 특징으로 하는 곡면 거울을 갖는 회전형 스캐닝 라이다.
  16. 인쇄회로기판;
    상기 인쇄회로기판 위에 설치되며, 펄스 레이저를 출력하는 송광부;
    상기 송광부와 마주보게 상기 인쇄회로기판 위에 설치되며, 상기 송광부에서 출력된 펄스 레이저를 회전하면서 반사시켜 객체로 송출하는 송광 회전 거울;
    상기 송광 회전 거울의 회전축 상에 설치되어 상기 송광 회전 거울과 함께 회전하며, 송출한 송출광 중에서 객체에서 반사된 반사광을 곡면 거울로 반사하는 수광 회전 거울;
    상기 수광 회전 거울과 마주보게 상기 인쇄회로기판 위에 설치되며, 상기 수광 회전 거울에서 반사된 반사광을 수광하여 집광하는 곡면 거울; 및
    상기 수광 회전 거울과 상기 곡면 거울 사이의 상기 인쇄회로기판 위에 배치되어 상기 곡면 거울로부터 집광된 광을 수신하여 전기신호로 변환하는 광검출기;
    를 포함하는 곡면 거울을 갖는 회전형 스캐닝 라이다.
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