KR20180117901A

KR20180117901A - 근거리 원거리 겸용 라이다 센서

Info

Publication number: KR20180117901A
Application number: KR1020170051016A
Authority: KR
Inventors: 정종택; 윤재준; 정태원
Original assignee: 정종택
Priority date: 2017-04-20
Filing date: 2017-04-20
Publication date: 2018-10-30
Also published as: KR101990447B1

Abstract

본 발명은 단순한 구조의 반사 광학계인 포물 반사경을 이용하여 광경로를 단순화하면서도 평행광 중 일부를 분할하여 근거리 원거리 모두 감지할 수 있는 라이다 센서에 관한 것으로서, 본 발명에 다른 원거리 근거리 겸용 라이다 센서는, 하측으로 방추형 빔을 발산하는 레이저 다이오드; 상기 레이저 다이오드의 하측에 설치되며, 상기 레이저 다이오드에 의하여 발산되는 빔을 평행광으로 변환하여 전방으로 조사하는 포물 반사경; 상기 포물 반사경의 전방에 상기 포물 반사경에 의하여 평행광으로 전환되어 조사되는 레이저빔의 하측 일부만이 통과할 높이로 설치되며, 상기 레이저빔을 하측으로 기울어지도록 굴절시킴과 동시에 좌우 방향으로 다수개의 라인빔으로 분할하는 근거리 감지용 빔 분할부; 상기 포물 반사경 및 근거리 감지용 빔 분할부의 하측에 설치되며, 상기 포물 반사경에 의하여 조사된 레이저빔 중 전방에 존재하는 물체에 의하여 반사되는 빔을 수광하여 상기 물체와의 거리를 감지하는 수광부;를 포함한다.

Description

근거리 원거리 겸용 라이다 센서{A RIDAR FOR SENSING MULTI-DISTANCE POINT}

본 발명은 근거리 원거리 겸용 라이다 센서에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 단순한 구조의 반사 광학계인 포물 반사경을 이용하여 광경로를 단순화하면서도 평행광 중 일부를 분할하여 근거리 원거리 모두 감지할 수 있는 라이다 센서에 관한 것이다.

일반적으로 빔을 멀리 전송하기 위해서는 발산 빔을 평행광원으로 변환해야 하는 바, 라이다를 구성하는 기존 평행광원 구현 광학계는 굴절 광학계(렌즈 이용 방식)가 대부분이다. 이 굴절 광학계는 렌즈의 곡률이 작을수록 구면 수차가 커져 전송거리가 멀어질수록 빔의 확산이 급격히 커져서 원거리 감지용 광원으로 부적합하다.

또한 입사 광량을 늘리고자 렌즈 구경을 크게 할 경우에는 렌즈 가장자리에서 구면 수차가 발생하여 다량의 수광 빔이 렌즈에 도달하더라도 수광 센서에 초점 형성이 이루어지지 않거나 다초점이 형성되거나 또는 초점 심도가 커져 수광 효율이 낮은 문제점이 있다.

한편 근거리와 원거리를 모두 감지하기 위해서는 종래에 2가지 이상의 라이다 센서를 별도로 구비하여야 하므로 부피가 커지고 제작이 복잡하고 단가가 높아지는 문제점도 있다.

본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는 단순한 구조의 반사 광학계인 포물 반사경을 이용하여 광경로를 단순화하면서도 평행광 중 일부를 분할하여 근거리 원거리 모두 감지할 수 있는 라이다 센서를 제공하는 것이다.

전술한 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명에 다른 원거리 근거리 겸용 라이다 센서는, 하측으로 방추형 빔을 발산하는 레이저 다이오드; 상기 레이저 다이오드의 하측에 설치되며, 상기 레이저 다이오드에 의하여 발산되는 빔을 평행광으로 변환하여 전방으로 조사하는 포물 반사경; 상기 포물 반사경의 전방에 상기 포물 반사경에 의하여 평행광으로 전환되어 조사되는 레이저빔의 하측 일부만이 통과할 높이로 설치되며, 상기 레이저빔을 하측으로 기울어지도록 굴절시킴과 동시에 좌우 방향으로 다수개의 라인빔으로 분할하는 근거리 감지용 빔 분할부; 상기 포물 반사경 및 근거리 감지용 빔 분할부의 하측에 설치되며, 상기 포물 반사경에 의하여 조사된 레이저빔 중 전방에 존재하는 물체에 의하여 반사되는 빔을 수광하여 상기 물체와의 거리를 감지하는 수광부;를 포함한다.

그리고 본 발명에서 상기 근거리 감지용 빔 분할부는, 상기 포물 반사경의 전방에 일정 간격 이격되어 설치되며, 상기 포물 반사경에 의하여 조사되는 평행광의 하측 일부만이 통과할 높이로 설치되는 도브형 프리즘이고, 상기 도브형 프리즘의 입사면은 경사면으로 이루어지는 것이 바람직하다.

또한 본 발명에 따른 근거리 원거리 겸용 라이다 센서에는, 상기 도브형 프리즘 전방에 일정 간격 이격되어 설치되며, 상기 도브형 프리즘에 의하여 다수개의 라인으로 분할된 레이저 빔들의 확산폭을 조정하는 빔폭 조정용 프리즘이 더 구비되는 것이 바람직하다.

또한 본 발명에서 상기 수광부는, 상기 빔폭 조정용 프리즘 하측에 상기 포물 반사경에 의하여 조사되는 평행광과 평행한 반사광의 광경로에 수직한 방향으로 설치되며, 상기 포물 반사경에 의하여 조사되는 레이저빔 중 전방의 물체에 의하여 반사되는 반사광을 집광하는 수광 렌즈; 상기 수광 렌즈의 전방 초점 거리에 설치되며, 상기 수광 렌즈에 의하여 집광된 레이저빔을 센싱하는 수광센서;를 포함하는 것을 특징으로 하는 것이 바람직하다.

또한 본 발명에 따른 근거리 원거리 겸용 라이다 센서에서는, 상기 레이저 다이오드를 하우징에 고정시키되, 상기 레이저 다이오드에서 발산되는 레이저빔의 발산 각도를 조정하는 빔 발산 각도 조정부;가 더 구비되는 것이 바람직하다.

본 발명의 근거리 원거리 겸용 라이다 센서에 의하면 단순한 구조의 반사 광학계인 포물 반사경과 도브형 프리즘을 이용하여 광경로를 단순화하면서도 평행광 중 일부를 분할하여 광손실없이 근거리 원거리 모두 정확하게 감지할 수 있는 장점이 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 근거리 원거리 겸용 라이다 센서의 사시도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 근거리 원거리 겸용 라이다 센서의 다른 방향에서의 사시도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 근거리 감지용 빔 분할부에 의한 광경로 변화를 도시하는 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 근거리 원거리 겸용 라이다 센서에 의한 근거리 감지용 빔과 원거리 감지용 빔의 조사 상태를 모식적으로 도시한 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 근거리 원거리 겸용 라이다 센서에서의 광 경로를 도시하는 도면이다.

이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 구체적인 실시예를 상세하게 설명한다.

본 실시예에 따른 근거리 원거리 겸용 라이다 센서(100)는 도 1, 2에 도시된 바와 같이, 레이저 다이오드(110), 포물 반사경(120), 근거리 감지용 빔 분할부(130), 수광부(140)를 포함하여 구성될 수 있다.

먼저 상기 레이저 다이오드(110)는 도 1, 2에 도시된 바와 같이, 하측으로 방추형 빔을 펄스 형태로 발산하는 구성요소이다. 상기 레이저 다이오드(110)는 직진성이 우수한 레이저를 발진할 수 있는 다른 구성요소로 대체될 수도 있을 것이다. 본 실시예에서 상기 레이저 다이오드(110)는 비가시광 영역인 905nm 파장을 가지는 레이저빔을 조사하는 레이저 다이오드를 사용할 수 있다.

한편 상기 레이저 다이오드(110)는 본 실시예에 따른 다채널형 라이다(100)의 전체적인 외형을 이루는 하우징(160)에 다양한 방식에 의하여 결합되어 설치되며, 빔 발산 각도를 조정할 수 있는 구조로 설치될 수도 있다.

따라서 본 실시예에서 상기 레이저 다이오드(110)는 빔발산 각도 고정부(도면에 미도시)에 의하여 상기 하우징(160)에 설치될 수도 있다. 상기 빔발산 각도 조정부는 상기 레이저 다이오드(110)를 하우징(160)에 고정시키되, 상기 레이저 다이오드(110)에서 발산되는 레이저빔의 발산 각도 즉, 상기 포물 반사경(120)에 입사하는 각도를 조정할 수 있도록, 상기 하우징(160)에 결합된 상태에서 회동 가능한 구조로 설치된다. 이는 포물 반사경(120)에 입사하는 빛의 입사각이 수직보다 큰 둔각이 되는 경우 변환되는 평행광의 성능이 개선되므로, 상기 레이저 다이오드(110)의 설치 방향으로 조정할 수 있도록 하는 것이다.

다음으로 상기 포물 반사경(120)은 도 1, 2에 도시된 바와 같이, 상기 레이저 다이오드(120)의 하측에 설치되며, 상기 레이저 다이오드(110)에 의하여 발산되는 빔을 평행광으로 변환하여 전방으로 조사하는 구성요소이다. 본 실시예에서 상기 포물 반사경(120)도 상기 하우징(160)에 결합되어 설치되며, 상기 레이저 다이오드(110)에서 확산광 형태로 발산되는 레이저빔을 집광하여 평행광 형태로 변형함과 동시에 조사 방향을 전방으로 전환하다. 따라서 상기 포물 반사경(120)의 반사면은 이에 적합한 포물 반사면을 가지며, 반사율이 100%로 가까운 소재 또는 경면 처리 또는 박막 코팅으로 이루어지는 것이 바람직하다.

다음으로 상기 근거리 감지용 빔 분할부(130)는 도 5에 도시된 바와 같이, 상기 포물 반사경(120)의 전방에 상기 포물 반사경(120)에 의하여 평행광으로 전환되어 조사되는 레이저빔의 하측 일부만이 통과할 높이로 설치되며, 상기 레이저빔을 하측으로 기울어지도록 굴절시킴과 동시에 좌우 방향으로 다수개의 라인빔으로 분할하는 구성요소이다. 따라서 상기 근거리 감지용 빔 분할부(130)에 의하여 상기 레이저 다이오드(110)에 의하여 하나의 빔으로 발생된 레이저빔을 도 5에 도시된 바와 같이, 근거리 감지용 빔(B1)과 장거리 감지용 빔(B2)으로 분할하는 것이다.

이를 위하여 본 실시예에서는 구체적으로 상기 근거리 감지용 빔 분할부(130)를 도 1, 2에 도시된 바와 같이, 도브형 프리즘으로 구성할 수 있다. 상기 도브형 프리즘(130)은 도 1, 2, 5에 도시된 바와 같이, 상기 포물 반사경(120)의 전방에 일정 간격 이격되어 설치되며, 상기 포물 반사경(120)에 의하여 조사되는 평행광의 하측 일부만이 통과할 높이로 설치된다. 따라서 상기 포물 반사경(120)에 의하여 조사되는 평행광 중 하측 절반 정도의 빔만이 상기 도브형 프리즘(130)을 통과하고 나머지 반 정도의 빔은 그대로 진행하다.

이때 상기 도브형 프리즘(130)의 입사면(132)은 도 1에 도시된 바와 같이, 경사면으로 이루어진다. 따라서 상기 도브형 프리즘(130)을 통과하는 평행광은 하측으로 굴절됨과 동시에 도 3에 도시된 바와 같이, 3개의 빔으로 분할된다.

그리고 본 실시예에 따른 근거리 원거리 겸용 라이다 센서(100)에는, 도 1, 2에 도시된 바와 같이, 빔폭 조정용 프리즘(150)이 더 구비되는 것이 바람직하다. 상기 빔폭 조정용 프리즘(150)은 도 3에 도시된 바와 같이, 상기 도브형 프리즘(130) 전방에 일정 간격 이격되어 설치되며, 상기 도브형 프리즘(130)에 의하여 다수개의 라인으로 분할된 레이저 빔들의 확산폭을 조정하는 구성요소이다.

이렇게 반사광학계와 프리즘을 이용하면 렌즈를 이용한 굴절 광학계보다 월등히 작은 확산각과 균일한 빔 분할을 구현할 수 있어서, 원거리에 도달한 빔 감쇄량이 매우 적어 원거리의 물체를 감지하는 수광 효율이 우수한 장점이 있다.

다음으로 상기 수광부(140)는 도 1, 2에 도시된 바와 같이, 상기 포물 반사경(120) 및 근거리 감지용 빔 분할부(130)의 하측에 설치되며, 상기 포물 반사경(120)에 의하여 조사된 레이저빔 중 전방에 존재하는 물체에 의하여 반사되는 빔을 수광하여 상기 물체와의 거리를 감지하는 구성요소이다.

이를 위하여 본 실시예에서는 상기 수광부(140)를 구체적으로 도 2, 5에 도시된 바와 같이, 수광 렌즈(142)와 수광 센서(144)로 구성할 수 있다. 여기에서 상기 수광 렌즈(142)는 상기 빔폭 조정용 프리즘(150) 하측에 상기 포물 반사경(120)에 의하여 조사되는 평행광과 평행한 반사광의 광경로에 수직한 방향으로 설치되며, 상기 포물 반사경(120)에 의하여 조사되는 레이저빔 중 전방의 물체에 의하여 반사되는 반사광을 집광하는 구성요소이다.

그리고 상기 수광 센서(144)는 상기 수광 렌즈(142)의 전방 초점 거리에 설치되며, 상기 수광 렌즈(142)에 의하여 집광된 레이저빔을 센싱하는 구성요소이다. 상기 수광 센서(144)는 일반적인 수광 센서를 채용할 수 있으며, 상기 하우징(160)에 고정된 상태로 설치된다.

100 : 본 발명의 일 실시예에 따른 근거리 원거리 겸용 라이다 센서
110 : 레이저 다이오드 120 : 포물 반사경
130 : 근거리 감지용 빔 분할부 140 : 수광부
150 : 빔폭 조정용 프리즘 160 : 하우징

Claims

하측으로 방추형 빔을 발산하는 레이저 다이오드;
상기 레이저 다이오드의 하측에 설치되며, 상기 레이저 다이오드에 의하여 발산되는 빔을 평행광으로 변환하여 전방으로 조사하는 포물 반사경;
상기 포물 반사경의 전방에 상기 포물 반사경에 의하여 평행광으로 전환되어 조사되는 레이저빔의 하측 일부만이 통과할 높이로 설치되며, 상기 레이저빔을 하측으로 기울어지도록 굴절시킴과 동시에 좌우 방향으로 다수개의 라인빔으로 분할하는 근거리 감지용 빔 분할부;
상기 포물 반사경 및 근거리 감지용 빔 분할부의 하측에 설치되며, 상기 포물 반사경에 의하여 조사된 레이저빔 중 전방에 존재하는 물체에 의하여 반사되는 빔을 수광하여 상기 물체와의 거리를 감지하는 수광부;를 포함하는 근거리 원거리 겸용 라이다 센서.
제1항에 있어서, 상기 근거리 감지용 빔 분할부는,
상기 포물 반사경의 전방에 일정 간격 이격되어 설치되며, 상기 포물 반사경에 의하여 조사되는 평행광의 하측 일부만이 통과할 높이로 설치되는 도브형 프리즘이고,
상기 도브형 프리즘의 입사면은 경사면으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 근거리 원거리 겸용 라이다 센서.
제2항에 있어서,
상기 도브형 프리즘 전방에 일정 간격 이격되어 설치되며, 상기 도브형 프리즘에 의하여 다수개의 라인으로 분할된 레이저 빔들의 확산폭을 조정하는 빔폭 조정용 프리즘이 더 구비되는 것을 특징으로 하는 근거리 원거리 겸용 라이다 센서.
제3항에 있어서, 상기 수광부는,
상기 빔폭 조정용 프리즘 하측에 상기 포물 반사경에 의하여 조사되는 평행광과 평행한 반사광의 광경로에 수직한 방향으로 설치되며, 상기 포물 반사경에 의하여 조사되는 레이저빔 중 전방의 물체에 의하여 반사되는 반사광을 집광하는 수광 렌즈;
상기 수광 렌즈의 전방 초점 거리에 설치되며, 상기 수광 렌즈에 의하여 집광된 레이저빔을 센싱하는 수광센서;를 포함하는 것을 특징으로 하는 것을 특징으로 하는 근거리 원거리 겸용 라이다 센서.
제1항에 있어서,
상기 레이저 다이오드를 하우징에 고정시키되, 상기 레이저 다이오드에서 발산되는 레이저빔의 발산 각도를 조정하는 빔 발산 각도 조정부;가 더 구비되는 것을 특징으로 하는 근거리 원거리 겸용 라이다 센서.