KR20190020543A - 거리에 따른 물체감지를 위한 360도 스캔 bi-axial LiDAR 시스템 - Google Patents

Abstract

거리에 따른 물체감지를 위한 360도 스캔 bi-axial LiDAR 시스템이 개시된다. 360도 스캔 bi-axial LiDAR 시스템은 광원; 상기 광원의 광축과 평행한 bi-axial 광축을 형성하는 광검출기; 광원에서 나온 빛의 발산각을 최소화시키기 위한 평행광 광학계; 평행광을 전방으로 보내기 위한 스캔 거울; 스캔거울을 회전시켜 360도 전방으로 송광하기 위한 베어링 결합 기어홀더; 목표물에서 반사 혹은 산란된 빛 중 광원의 파장영역만 투과시켜 외부 노이즈를 억제하는 파장선택 필터; 광검출기의 광 검출 효율을 높이기 위해 수광렌즈를 사용하는 수광부; 거리정보를 획득하기 위한 신호처리부를 포함한다.

Description

거리에 따른 물체감지를 위한 360도 스캔 bi-axial LiDAR 시스템{360-degree scanning bi-axial LiDAR system for distance detection}

본 발명은 라이다 시스템에 관련된 것으로, 보다 상세하게는 물체의 거리에 따른 신호를 획득하기 위한 360도 스캔가능한 bi-axial LiDAR에 관한 것이다.

기존에 사용되던 RADAR(Radio detection and ranging) 기술은 마이크로파를 발생시켜 전자기파를 물체에 반사시키고 이를 수신하여 거리, 방향, 고도 등을 알아내는 장치를 주로 사용하였으나, 가격이 고가이므로 다양한 차종에 보급이 용이하지 않는 문제점이 있었다. 또한 현재 LiDAR 기술들은 다수의 렌즈를 사용함에 따라 수차로 인해 작은 크기의 평행광 형성에 어렵고 반사 광학계에서는 산란광 발생으로 소형화 및 거리측정에 어려움이 있다.

기존의 레이저를 사용한 거리계에서 소형화에 따라 소자에서 발생하는 scattering 광들 또한 신호로 획득되어 문제가 발생하였다. 따라서 이를 보완하기 위해 광소자를 단순화하고 scattering 광을 제어가능한 구조를 획득할 뿐만 아니라, 파장선택 필터를 사용하여 SNR(Signal to noise ratio)을 높여 LiDAR 신호 획득에 용이한 기술을 개발하였다.

본 발명은 정밀한 360도 스캐닝이 가능하며, 진동에 의한 노이즈 발생률을 저감시킬 수 있는 360도 라이다 시스템을 제공한다.

본 발명에 따른 360도 스캔 bi-axial LiDAR 시스템은 광원; 상기 광원의 광축과 평행한 bi-axial 광축을 형성하는 광검출기; 광원에서 나온 빛의 발산각을 최소화시키기 위한 평행광 광학계; 평행광을 전방으로 보내기 위한 스캔 거울; 스캔거울을 회전시켜 360도 전방으로 송광하기 위한 베어링 결합 기어홀더; 목표물에서 반사 혹은 산란된 빛 중 광원의 파장영역만 투과시켜 외부 노이즈를 억제하는 파장선택 필터; 광검출기의 광 검출 효율을 높이기 위해 수광렌즈를 사용하는 수광부; 거리정보를 획득하기 위한 신호처리부를 포함한다.

드론, 자율주행차량 등 자율주행 시스템에 가장 필요한 것은 거리 측정 장비이다. 전 세계적으로 자율주행시장의 발전에 주목하고 있다. 본 발명을 통해 모터에 따른 각도분해능, 검출기의 광 펄스에 대한 검출 분해능을 이용하여, 정밀한 360도 스캐닝 라이다 시스템을 획득이 가능하다. 또한 기존의 360도 회전방식은 전체적인 모듈회전 방식을 가지고 있어, 단점으로는 광학부품의 안정성, 진동에 의한 높은 노이즈 발생률, 회로제작의 어려움 등이 있다. 따라서 전체적인 부품을 고정시키고 미러만 회전시킴으로써, 진동에 취약한 360도 라이다 시스템을 보완하였다.

도 1은 본 발명에 따른 360도 스캔 bi-axial LiDAR 시스템 구조 및 지표 설명도이다.
도 2는 본 발명에 따른 광원의 송광 각도에따른 예상거리 그래프이다.
도 3은 본 발명에 따른 biaxial 구성 시 렌즈간 거리에 따른 예상거리 그래프이다.
도 4는 본 발명에 따른 수광렌즈 크기에 따른 예상거리 그래프이다.
도 5는 본 발명에 따른 360도 스캔 bi-axial LiDAR 시스템 원리 설명도이다.
도 6은 본 발명에 따른 FOV 360도 스캔 bi-axial LiDAR의 파장가변 필터 위치 교체 설명도이다.
도 7은 본 발명에 따른 접속용 광섬유 콜리메이터 사용 시 360도 스캔 bi-axial LiDAR 시스템 구성도이다.
도 8은 본 발명에 따른 광원 노이즈를 차단하기 위한 미러 위치 설명도이다.
도 9는 본 발명에 따른 수광렌즈의 단점을 제거하며 노이즈를 차단하기위한 곡면 미러를 응용 설명도이다.
도 10은 본 발명에 따른 멀티채널을 구성하기 위한 행열 정렬방식 광학소자 구성도이다.
도 11은 본 발명에 따른 멀티채널을 구성하기 위한 회전 정렬방식 광학소자 구성도이다.
도 12는 본 발명에 따른 멀티채널을 구성하기 위한 일대일 대응 멀티렌즈 배열방식 광학소자 구성도이다.

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 발명에 따른 360도 스캔 bi-axial LiDAR 시스템은 광원과 광검출기의 광축이 평행한 축을 형성하는 bi-axial 구조를 가지며; 광원에서 나온 빛의 발산각을 최소화시키기 위한 평행광 광학계; 평행광을 전방으로 보내기 위한 스캔 거울; 스캔거울을 회전시켜 360도 전방으로 송광하기 위한 베어링 결합 기어홀더; 목표물에서 반사 혹은 산란된 빛 중 광원의 파장영역만 투과시켜 외부 노이즈를 억제하는 파장선택 필터; 광검출기의 광 검출 효율을 높이기 위해 수광렌즈를 사용하는 수광부; 거리정보를 획득하기 위한 신호처리부;로써, 스캔미러 회전을 통해 회전 진동을 최소화하여 부품에 대한 안정성을 확보하고 bi-axial 구조를 사용하여 간단한 구조를 갖는다.

물체 감지를 위한 광원과 광검출기의 구조로 광원과 광검출기의 시야각을 겹쳐 광원에서 나와 반사 혹은 산란된 신호를 동일하지 않은 축 상에 배치된 광 검출기를 이용하여 획득할 수 있다.

드론 및 차량 등의 자율주행 안전거리(L) 확보를 위해서 두 소자의 시야각을 겹치기위한 광원과 광검출기의 구조로써 유도된 수식으로는,

을 만족할 수 있다.

여기서, θ : 광원의 각도, d : 렌즈간 거리, D : 수광렌즈의 크기, L1 : 광원부터 미러까지 거리, L2 : 물체부터 미러(라이다)까지 거리

광원의 파장영역은 수분의 흡수 파장영역을 제외한 근적외선 광원, 중적외선 광원 등을 사용하며, 광원의 평행광 광학계 설계 방법으로는 렌즈, 접속용 광섬유(pigtail) 등의 소자를 사용할 수 있다.

시야각을 겹치는 방법으로써 거울, 빔스플리터 등을 틸트 혹은 디센터를 사용할 수 있다.

광원으로 인한 노이즈를 제거하기 위한 방법으로써, 파장선택 필터를 사용하여 외부의 노이즈를 제거하고 미러를 사용하여 광신호를 반사시켜 송광신호를 사전 차단할 수 있다.

미러를 곡면 거울을 사용하여 광검출기 앞의 렌즈를 제거하고 광검출기 면에 초점을 형성하여 효율적으로 수광이 가능하다.

360도 회전을 시키는 방법으로는 기어와 베어링을 결합하여 모터로 회전시키며 그 각도를 측정하여 신호처리 할 수 있다.

360도 스캔 방법으로는 모터를 이용한 기어 외에 자기 회전식 구동 방법, 전기 회전식 구동 방법 등을 포함할 수 있다.

360도 스캔 미러는 45도의 평면 미러로 구성되어 목표를 향해 신호를 송수광할 수 있다.

스캔 미러 구성에 대해서 모터 이외에 MEMS, DLP를 사용하여 회전뿐만 아니라 각도를 미세 조정하여 목표물로 송수광할 수 있다.

송수광 렌즈로는 fresnel lens, objective lens 등을 포함한 모든 종류의 렌즈를 사용할 수 있다.

광원의 다중배열을 통해 시간차 신호를 송광함에 따라 time division multiplexing기술 등 멀티채널로 구성할 수 있다.

다중 광원을 배열하는 방법으로는 다중 레이저 소자, waveguide, multi-lens array 등을 사용하여 split하는 기술 등을 통해 멀티채널을 형성할 수 있다.

광검출기로써는 아발란치 포토다이오드(APD), 포토다이오드(PD) 등 pulse 광원을 측정가능한 모든 종류의 광검출기가 사용될 수 있다.

라이다를 멀티채널을 형성하는 방법으로써, 선형빔을 사용하고 APD array와 같은 어레이 형태의 광검출기를 사용하여, 수광함으로써 스캔정보 획득이 가능한 라인광 측정이 가능하다.

상술한 360도 스캔 bi-axial LiDAR 시스템을 이용하여, 펄스 레이저의 출력광을 통해 측정시간에 따른 광신호를 획득하여 광속도를 기반으로 t = 2L/C로 거리를 측정한다. 드론, 차량 등을 자율주행에 사용하기 위해서는 소형화가 필요하며 복잡한 광학계 구성 시에 발생하는 문제점은 scattering 광과 주변광의 신호들이 쉽게 광학계 구조상에 들어올 수 있다는 것이다. 따라서 bi-axial 구조로써 광학계를 단순화 시키고 광원은 발산각을 지니고 있으므로 광검출기의 시야각에 광원 신호가 들어올 수 있게 설계함으로써, 소형화, 저가형 라이다 구조에 유리하게 제작 가능하다. 또한 파장선택 필터를 통해 광원 고유의 파장에 대한 신호를 획득하여 SNR을 높여 더욱 먼 거리의 측정이 가능하다. 기어를 사용하여 미러를 회전시킴에 따라, 360도 스캔이 가능하여, 전방위 스캔이 가능한 구조로 360도 스캔 bi-axial LiDAR 시스템 구성이 가능하다.

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.

: 레이저 광원
2 : 콜리메이터 렌즈
3 : 스캔 거울
4 : 모터 기어
5 : 모터
6 : 스캔미러 베어링 결합기어
7 : 고정베어링 결합 구조체
8 : 수광 렌즈
9 : 파장필터
10 : 광검출 광검출기
11 : 신호처리 회로
12 : 기어구조체 설명도
13 : 고정베어링
14 : 유동 베어링
15 : 광섬유 콜리메이터
16 : 노이즈 필터미러
17 : 곡면 미러
18 : 행열정렬 렌즈 구조
19 : 회전정렬 렌즈 구조
20 : 멀티렌즈 배열방식 송광 광학계 구조
21 : 멀티렌즈 배열방식 수광 광학계 구조

Claims (1)

1. 광원;
   상기 광원의 광축과 평행한 bi-axial 광축을 형성하는 광검출기;
   광원에서 나온 빛의 발산각을 최소화시키기 위한 평행광 광학계;
   평행광을 전방으로 보내기 위한 스캔 거울;
   스캔거울을 회전시켜 360도 전방으로 송광하기 위한 베어링 결합 기어홀더;
   목표물에서 반사 혹은 산란된 빛 중 광원의 파장영역만 투과시켜 외부 노이즈를 억제하는 파장선택 필터;
   광검출기의 광 검출 효율을 높이기 위해 수광렌즈를 사용하는 수광부;
   거리정보를 획득하기 위한 신호처리부를 포함하는 360도 스캔 bi-axial LiDAR 시스템.

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