KR20180095659A - 라이다 스캐닝 장치 및 라이다 스캐닝 장치 시스템 - Google Patents

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KR20180095659A
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Abstract

본 발명은 자동차에서의 이용을 위한 라이다 스캐닝 장치에 관한 것이며, 상기 라이다 스캐닝 장치는, 객체 상으로 광을 방출하기 위한 광원과; 객체로부터 반사된 광을 수신하기 위한 광 검출기와; 객체와 광 검출기 사이의 광로 내 복수의 광학 촬상 요소를; 포함한다.

Description

라이다 스캐닝 장치 및 라이다 스캐닝 장치 시스템
본 발명은 라이다 스캐닝 장치(LIDAR scanning device)에 관한 것이다. 특히 본 발명은 자동차에서의 이용을 위한 라이다 스캐닝 장치에 관한 것이다.
라이다 스캐닝 장치는 광원과 광 검출기(light detector)를 포함한다. 광원은 기결정된 관측 영역 이내에 광을 방출하며, 광 검출기는, 방출되어 관측 영역 내의 객체(object)에서 반사된 광을 수신한다. 검출되는 반사된 광을 기반으로, 예컨대 객체의 치수 및/또는 거리가 결정될 수 있다.
상이한 목적들을 위해서는 상이한 관측 영역들이 바람직하다. 자동차가 예컨대 고속도로에서 주행한다면, 선행 자동차는, 작은 개구 각도(opening angle) 및 큰 도달범위(coverage)를 갖는 관측 영역 내에서 검출될 수 있다. 이와 반대로 자동차가 저속으로 주행한다면, 근접 영역은 향상된 방식으로 큰 개구 각도 및 작은 도달범위로 스캐닝될 수 있다.
통상, 객체와 광 검출기 사이의 광로 내에는, 관측 영역을 결정하는 광학 촬상 요소(optical imaging element)가 제공된다. 이 경우, 광학 촬상 요소는 고정 선택되며, 그럼으로써 라이다 스캐닝 장치는 통상 하나의 목적, 또는 유사한 이용들의 하나의 그룹에 고정 할당되게 된다.
본 발명의 과제는, 향상된 라이다 스캐닝 장치 및 라이다 스캐닝 장치 시스템을 제공하는 것에 있다.
본 발명의 과제는 독립 청구항들의 대상들에 의해 해결된다. 종속 청구항들은 바람직한 실시형태들을 반영한 것이다.
자동차에서의 이용을 위한 라이다 스캐닝 장치는, 객체 상으로 광을 방출하기 위한 광원과; 객체로부터 반사된 광을 수신하기 위한 광 검출기와; 객체와 광 검출기 사이의 광로 내 복수의 광학 촬상 요소를; 포함한다.
하나의 촬상 요소뿐만 아니라 복수의 촬상 요소의 이용을 통해, 동일한 라이다 스캐닝 장치는 상이한 목적들을 위해 이용될 수 있다. 예컨대 자동차의 보드(board) 상에 있는 상이한 운전자 보조 시스템들은 라이다 스캐닝 장치에 접근할 수 있다.
광학 촬상 요소는 테이퍼 광학계(Taper optical system), 굴절 요소, 또는 회절 요소를 포함할 수 있다. 테이퍼 광학계는 통상 입사면의 광을 출사면에 촬상하는 복수의 광전도 섬유로 형성된다. 섬유들은 바람직하게는 단일 모드(monomode)이며, 그리고 효과적으로 중실 블록이 형성되는 방식으로 기밀하게 다발화(bundling)될 수 있다. 굴절 요소는 광 굴절을 기반으로 하며, 그리고 예컨대 하나의 렌즈 또는 하나의 프리즘을 포함할 수 있다. 회절 요소는 광 회절을 기반으로 하며, 그리고 예컨대 미세 구조를 이용하여 작동할 수 있다. 본 발명은, 동일한 유형이거나, 또는 상이한 광학 촬상 요소들을 서로 조합하는 것을 허용한다.
특히 바람직하게는, 광학 촬상 요소들은 상이한 관측 영역들을 보유한다. 그 결과, 라이다 스캐닝 장치는 향상된 방식으로 상이한 목적들에 이용될 수 있다.
일 변형예에서, 관측 영역들은 개구 각도 또는 도달범위에서 서로 구분된다. 다른 변형예에서, 관측 영역들은 자신들의 경계들의 정렬 방향(alignment)에서 서로 구분된다. 달리 표현하면, 관측 영역들은, 자동차의 방향설정(orientation)과 관련되는 자신들의 개구 각도 또는 자신들의 도달범위와 관련하여, 그리고/또는 자신들의 방향과 관련하여 서로 구분된다. 변형예들은 서로 조합될 수 있으며, 그럼으로써 예컨대 제1 관측 영역은 주행 방향에서 전방으로 지향되고 협폭의 개구 각도를 보유하며, 그에 반해 제2 관측 영역은 측면(lateral)으로 방향 설정되고 큰 개구 각도를 보유한다. 이런 식으로, 예컨대 충돌방지 보조장치 및 주차 보조장치는 각각 할당된 관측 영역을 갖는 라이다 스캐닝 장치를 이용할 수 있다.
바람직한 실시형태에서, 촬상 요소들은 광 검출기의 상이한 영역들에 촬상한다. 그 결과, 관측 영역들은 또한 공동 작용(concurrent) 방식으로, 다시 말해 동시에 이용될 수 있다.
또 다른 실시형태에서, 촬상 요소들이 촬상하는 광 검출기의 영역들은 서로 중첩되며, 그리고 바람직하게는 관측 영역들 중 하나의 관측 영역의 차광을 위한 제어 가능한 조리개가 제공된다. 조리개는, 특히 관측 영역들 중 하나를 제외한 모든 관측 영역을 차광하도록 제어될 수 있다. 이를 위해, 개별적으로 제어 가능한 2개의 조리개 또는 하나의 공통 조리개가 제공될 수 있다. 공통 조리개는 특히 단순한 핀홀 구경(pinhole aperture)을 보유할 수 있으며, 이런 핀홀 구경은, 자신의 구멍이 자신에 할당된 관측 영역이 이용되어야 하는 광로 내에 위치하도록 변위될 수 있다. 그 결과, 각각 전체 광 검출기를 이용할 수 있는 상이한 관측 영역들이 시간상 차례로 이용될 수 있다.
재차 또 다른 실시형태에서, 촬상 요소들의 광로들 내에는 각각 하나의 광학 대역통과필터가 제공되며, 대역통과필터들의 대역폭들 및/또는 평균 파장들은 서로 상이하다. 바람직하게는, 대역통과필터의 대역폭 및/또는 평균 파장은 할당된 관측 영역에 매칭된다. 특히 개구 각도 또는 도달범위와 관련한 매칭이 수행될 수 있다. 개구 각도가 점점 더 작아질수록, 대역통과필터의 대역폭도 더욱더 작아지며, 그럼으로써 향상된 신호 대 잡음비(SNR; Signal to Noise Ratio)가 달성될 수 있게 된다.
라이다 스캐닝 시스템은, 객체 상으로 광을 방출하기 위한 광원과; 객체로부터 반사된 광을 수신하기 위한 광 검출기와; 그 중 하나가 객체와 광 검출기 사이의 광로 내에 배치될 수 있는 복수의 광학 촬상 요소를; 포함한다.
광학 촬상 요소는, 촬상 요소를 이용하는 것을 통해 발생하는 라이다 스캐닝 장치의 계획된 이용에 따라서 선택될 수 있다. 특히 바람직하게는, 앞에서 더 구체적으로 기재한 것처럼, 복수의 광학 촬상 요소들이 동시에 광로 내에 배치될 수 있다.
바람직하게는, 라이다 스캐닝 장치의 관측 영역의 도달범위 및/또는 개구 각도는 적합한 광학 촬상 요소의 상응하는 선택을 통해 이산 가변될 수 있다. 특히 도달범위는 기결정된 개구 각도 이내에서 이산 매칭될 수 있다. 센서 하우징은, 향상된 방식으로, 이용되는 광학 촬상 요소에 매칭될 수 있다. 관측 영역은 추가 촬상 요소, 특히 테이퍼 광학계, 굴절 요소, 또는 회절 요소를 부가하는 것을 통해 확장될 수 있다. 복수의 이산 광 검출기를 포함하는 광 검출기 어레이는 이산 개별 검출기들을 통해 대체될 수 있다. 각각의 개별 검출기에는 하나의 광학 촬상 요소가 할당될 수 있다. 이산 개별 검출기들은 상대적으로 더 비용 효과적이고, 그리고/또는 상대적으로 더 견고할 수 있다. 광학 촬상 요소들은, 관측 영역들이 서로 중첩됨으로써 스캐닝이 예컨대 오염 또는 다른 간섭들에 대해 상대적으로 더 견고할 수 있는 방식으로 선택될 수 있다. 또한, 복수의 관측 영역들이 서로 중첩됨으로써 하나의 영역이 결정될 수 있으며, 그럼으로써 특히 관심을 끄는 상기 영역(관심 영역, ROI: Region of Interest)에서는 중복 스캐닝(redundant scanning)이 가능하다. 그 결과, 라이다 스캐닝 장치의 ASIL 능력은 향상될 수 있다.
이제, 본 발명은 첨부한 도면들을 참조하여 더 구체적으로 기재된다.
도 1은 자동차에서의 이용을 위한 라이다 스캐닝 장치를 도시한 도면이다.
도 2는 도 1에 따른 라이다 스캐닝 장치의 상이한 관측 영역들을 도시한 도면이다.
도 3은 도 1의 라이다 스캐닝 장치의 이용을 위한 상이한 대역통과필터들을 나타낸 그래프이다.
도 1에는, 특히 자동차에서의 이용을 위한 라이다 스캐닝 장치(100)의 도면이 도시되어 있다. 스캐닝 장치(100)는 광원(105)과 광 검출기(110), 그리고 바람직하게는 복수의 광학 촬상 요소(115)를 포함한다. 스캐닝 장치(100)는 객체(120)를 광학적으로 스캐닝하도록 구성된다. 이를 위해, 광원(105)은, 객체(120) 상에서 반사되어 광 검출기(110)로 투사될 수 있는 광을 방출한다. 일 실시형태에서, 광원(105) 및 광 검출기(110)는 서로 통합되어 형성되며, 그럼으로써 이 둘은 실질적으로 동일한 광로를 서로 공유하게 된다. 광원(105)은 바람직하게는 레이저를 포함하며, 이 레이저의 광은 일 실시형태에서 행(line)의 형태로, 또는 행 및 열(column)의 형태로 기결정된 영역에 걸쳐서 안내될 수 있다. 광 검출기(110)는 하나의 이산 요소를 포함하거나, 또는 이산 센서 요소들의 1차원 또는 2차원 어레이를 포함한다. 광학 촬상 요소(115)는 객체(120)와 광 검출기(110) 사이의 광로 내에 배치되며, 그리고 자신을 통해 입사되는 광을 기결정된 방식으로 집속하거나 확산하도록 구성된다. 광학 촬상 요소(115)는 특히 테이퍼 광학계, 굴절 요소, 회절 요소 또는 이들의 조합구성을 포함할 수 있다.
광이 촬상 요소(115)를 통해 광 검출기(110) 상으로 입사될 수 있는 출처가 되는 관측 영역(125)은 통상 주로 촬상 요소(115)의 광학 특성들을 통해 결정된다. 특히 개구 각도(130), 또는 이 개구 각도(130)의 경계(135)의 정렬 방향은 촬상 요소(115)를 통해 정의될 수 있다.
본 발명에 따라서, 객체(120)와 광 검출기(110) 사이의 광로 내에 적어도 2개의 광학 촬상 요소(115)를 동시에 제공하는 점이 제안된다. 도 1의 도면에서 알 수 있는 것처럼, 각각의 촬상 요소(115)에는 하나의 관측 영역(125)이 할당될 수 있으며, 라이다 스캐닝 장치(100)의 전체 관측 영역(125)은 두 관측 영역(125)의 조합으로 형성될 수 있다.
선택적으로, 하나의 조리개(140) 및/또는 하나의 대역통과필터(145)가 객체(120)와 광 검출기(110) 사이의 광로 내에 제공된다. 바람직하게는, 각각의 촬상 요소(115)에는 하나의 고유의 대역통과필터(145)가 할당된다. 또한, 할당된 조리개들(140) 또는 하나의 공통 조리개 역시도 두 촬상 요소(15)를 위해 이용될 수 있다. 일 실시형태에서, 조리개(140)는, 광학 촬상 요소들(115) 중 단 하나의 광학 촬상 요소와 광 검출기(110) 사이의 광로를 허용하고 다른 광로는 차광하도록 구성되는 단순한 핀홀 구경을 포함한다. 재차 또 다른 실시형태에서, 하나 또는 복수의 아이리스(Iris) 조리개가 핀홀 구경과 함께 상기 조리개(140)를 나타낼 수 있다.
바람직하게는, 관측 영역들(125)은 자신들의 정렬 방향, 자신들의 개구 각도(130) 및/또는 자신들의 도달범위와 관련하여 서로 구분된다. 이 경우, 관측 영역들(125)은 서로 중첩될 수 있거나, 또는 서로 분리될 수 있다. 관측 영역의 정렬 방향은, 경계들(135) 사이에서 연장되는 개구 각도(130)의 각도 이등분선을 통해 정해질 수 있다. 상이한 실시형태들에서, 관측 영역들(125)은 서로 다를 수 있거나, 또는 서로 중첩될 수 있다. 또 다른 실시형태들에서, 관측 영역들(125)은 서로 동일할 수도 있고, 또는 관측 영역들(125) 중 일측 관측 영역이 타측 관측 영역(125)의 일부분일 수 있다.
각각의 광학 촬상 요소(115)는, 광 검출기(110)의 기결정되고 할당된 검출 영역(150)에 광을 촬상하도록 구성된다. 관측 영역들(125)의 상대 위치와 무관하게, 검출 영역들(150)은 서로 중첩되거나, 서로 동일하거나, 또는 서로 분리될 수 있거나, 또는 일측 검출 영역(150)이 타측 검출 영역(150)의 일부분을 형성할 수 있다. 일 실시형태에서, 두 검출 영역(150)은 동일한 광 검출기(110) 상에 위치하며, 다른 실시형태에서는 2개의 이산 광 검출기(110)가 제공되고, 이들 각각은 하나의 고유의 검출 영역(150)을 보유한다.
관측 영역들(125)과 검출 영역들(150)을 서로 매칭시키는 다양한 가능성들을 통해, 각각 적합한 광학 촬상 요소(115)의 선택을 통해, 여타의 경우 동일할 수 있는 구성요소들을 포함하는 복수의 상이한 실시형태가 수반될 수 있다.
라이다 스캐닝 장치 시스템(160)은 복수의 광학 촬상 요소(115)를 포함하며, 이들 중 하나 이상, 그러나 바람직하게는 2개 이상이 앞에서 기재한 라이다 스캐닝 장치(100)를 형성하기 위해 이용된다. 본원의 시스템(160)에 의해, 키트(kit)의 유형에 따라서, 목표한 바대로 복수의 상이한 목적에 매칭될 수 있는 라이다 스캐닝 장치(100)가 구성될 수 있다. 또 다른 실시형태에서, 3개 또는 그보다 많은 광학 촬상 요소(115)가 라이다 스캐닝 장치(100) 내에 제공되며, 상술한 설명내용이 그에 상응하는 방식으로 적용된다.
도 2에는, 도 1에 따른 라이다 스캐닝 장치(100)의 상이한 예시적인 관측 영역들(125)이 도시되어 있다. 상부 영역에는, 관측 영역들(125)의 상면도가 도시되어 있고, 하부 영역에는 관측 영역들(125)의 측면도가 도시되어 있다.
제1 광학 촬상 요소(115.1)에 할당되는 제1 관측 영역(125.1)은 작은 제1 개구 각도(130.1)를 보유한다. 도달범위는 상대적으로 크며, 그리고 제1 관측 영역(125.1)은 수평 및 수직으로 주행 방향(205)에 대해 대칭으로 정렬된다.
제2 관측 영역(125.2)은 제2 광학 촬상 요소(115.2)에 할당된다. 제2 개구 각도(130.2)는 제1 개구 각도(130.1)보다 더 작으며, 그리고 제2 관측 영역(125.2)의 정렬 방향은 수평 방향으로 주행 방향(205)과 소정의 각도를 취하며, 그에 반해 제2 관측 영역(125.2)은 수직 방향으로 주행 방향(205)에 대해 평행하게 연장된다.
제3 관측 영역(125.3)은 제3 광학 촬상 요소(115.3)에 할당된다. 할당된 제3 개구 각도(130.3)는 제2 개구 각도(130.2)보다 더 크며, 그리고 제3 관측 영역(125.3)의 수평 정렬 방향은, 수평 방향으로, 제2 관측 영역(125.2)보다 주행 방향(205)과 더 큰 각도를 취한다. 수직 방향으로, 제3 관측 영역(125.3)은 주행 방향(205)에 대해 평행하게 정렬된다.
촬상 요소들(115.1, 115.2 및 115.3)은, 관측 영역들(125.1, 125.2 또는 125.3)을 스캐닝하기 위해, 동시에, 또는 차례로 이용될 수 있다. 바람직하게는, 모든 촬상 요소(115)는 각각 동일한 라이다 스캐닝 장치(100)의 부분이며, 그럼으로써 동일한 스캐닝 장치(100)에 의해 상이한 스캐닝들이 실행될 수 있다.
도 3에는, 도 1의 라이다 스캐닝 장치(100)에서의 이용을 위한 상이한 대역통과필터들(145)의 그래프가 도시되어 있다. 상부 영역에는 제1 그래프(305)가 도시되어 있고 하부 영역에는 제2 그래프(310)가 도시되어 있다. 제1 그래프(305)는, 제1 관측 영역(125)에 할당되어 있는 제1 대역통과필터(145)에 할당되며, 그리고 제2 그래프(310)는, 제2 관측 영역(125)에 할당되어 있는 제2 대역통과필터(145)에 할당된다(도 1 참조). 대역통과필터들(145)은 일 실시형태에서 각각 할당된 광학 촬상 요소들(115)을 포함하여 통합 형성될 수 있다.
두 그래프(305, 310)에서 수평 방향으로 파장이 명시되어 있고, 수직 방향으로는 투과율, 다시 말해 각각의 대역통과필터(145)의 투과도가 명시되어 있다.
각각의 그래프(305, 310)에서, 실선으로 제1 통과대역 곡선(315)이 표시되고, 파선으로는 제2 통과대역 곡선(320)이 표시되며, 그리고 각각의 포락 곡선(325)도 표시되어 있다. 여기서는 제1 그래프(305)의 대역통과필터(145)가 작은 개구 각도(130)를 갖는 관측 영역(125)에 할당되고 제2 그래프(310)는 상대적으로 더 큰 개구 각도(130)를 갖는 관측 영역(125)에 할당된다는 점이 상정된다. 제1 통과대역 곡선(315)은, 각각, 광이 개구 각도(130)의 각도 이등분선의 방향으로부터 입사될 때, 대역통과필터(145)를 통해 입사되는 광을 가리킨다. 이와 유사하게, 제2 대역통과 곡선(320)은, 경계들(135) 중 하나에 가까운 방향에서부터 대역통과필터(145)를 통해 입사되는 광을 가리킨다. 포락 곡선(325)은 두 대역통과필터(145)의 각각의 통과대역을 가리킨다. 여기서 확인되는 점은, 제1 그래프(305)에서는, 제2 그래프(310)에서보다 더 협폭인 포락 곡선(325)이 이용될 수 있다는 점이다. 달리 표현하면, 대역통과필터(145)의 포락 곡선(325)은 각각 할당된 관측 영역(125)의 개구 각도(130)에 따라서 선택될 수 있다. 이렇게, 도면에서 반의 높이에서 포락 곡선(125)의 폭에 상응하는 대역폭(반치전폭 = FWHM: Full Width at half Maximum)은 매칭되어 협폭으로 유지될 수 있다. 그 결과, 예컨대 햇빛 또는 다른 광원에서 기인하는 간섭광에 대한 향상된 보호가 달성될 수 있다.

Claims (10)

  1. 자동차에서의 이용을 위한 라이다 스캐닝 장치(100)에 있어서,
    라이다 스캐닝 장치(100)는
    - 객체(120) 상으로 광을 방출하기 위한 광원(105)과;
    - 객체(120)로부터 반사된 광을 수신하기 위한 광 검출기(110)와;
    - 객체(120)와 광 검출기(110) 사이의 광로 내 복수의 광학 촬상 요소(115)를; 포함하는, 라이다 스캐닝 장치(100).
  2. 제1항에 있어서, 광학 촬상 요소(115)는 테이퍼 광학계, 굴절 요소, 또는 회절 요소를 포함하는, 라이다 스캐닝 장치(100).
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 광학 촬상 요소들(115)은 상이한 관측 영역들(125)을 보유하는, 라이다 스캐닝 장치(100).
  4. 제3항에 있어서, 관측 영역들(125)은 개구 각도(130) 또는 도달범위에서 서로 구분되는, 라이다 스캐닝 장치(100).
  5. 제3항 또는 제4항에 있어서, 관측 영역들(125)은 자신들의 경계들(135)의 정렬 방향에서 서로 구분되는, 라이다 스캐닝 장치(100).
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 촬상 요소들(115)은 광 검출기(110)의 상이한 영역들(150)에 촬상하는, 라이다 스캐닝 장치(100).
  7. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 촬상 요소들(115)이 촬상하는 광 검출기(110)의 영역들(150)은 서로 중첩되며, 그리고 관측 영역들(125) 중 하나의 관측 영역의 차광을 위한 제어 가능한 조리개(140)가 제공되는, 라이다 스캐닝 장치(100).
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 촬상 요소들(115)의 광로들에는 각각 하나의 광학 대역통과필터(145)가 제공되며, 그리고 대역통과필터들(145)의 대역폭들 및/또는 평균 파장들은 서로 상이한, 라이다 스캐닝 장치(100).
  9. 자동차에서의 이용을 위한 라이다 스캐닝 장치 시스템(100)에 있어서,
    라이다 스캐닝 장치 시스템(100)은
    - 객체(120) 상으로 광을 방출하기 위한 광원(105)과;
    - 객체(120)로부터 반사된 광을 수신하기 위한 광 검출기(110)와;
    - 그 중 하나가 객체(120)와 광 검출기(110) 사이의 광로 내에 배치될 수 있는 복수의 광학 촬상 요소(115)를; 포함하는, 라이다 스캐닝 장치 시스템(100).
  10. 제9항에 있어서, 복수의 광학 촬상 요소들(115)이 동시에 광로 내에 배치될 수 있는, 라이다 스캐닝 장치 시스템(100).
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