KR20200033068A - 라이다 시스템 - Google Patents

Abstract

라이다 시스템이 제공된다. 라이다 시스템은 복수의 발광 소자를 발광 단위별로 구동시켜 목표물의 서로 다른 위치로 빛을 조사하는 송광부와, 복수의 수광 영역을 통해 상기 목표물의 서로 다른 위치에서 반사되어 서로 다른 수광 위치로 입사되는 빛을 검출하는 수광부를 포함한다.

Description

라이다 시스템{Lidar system}

본 발명은 라이다(Lidar) 시스템에 관한 것이다.

빛(레이저)을 쏜 이후에 전방의 목표물에 반사되는 빛(레이저)을 분석하여 전방의 목표물에 대한 정확한 정보를 제공하는 라이다(일명, 레이저 레이다라고도 명명됨)는 3차원 영상을 얻는 가장 효율적인 수단이다. 빛(레이저)를 이용할 경우, 에너지를 발생시키고 이 에너지를 집중하여 송광하는 것이 다른 마이크로웨이브 등을 이용하는 기존 기술에 비하여 매우 작은 크기로 구현이 되기 때문에, 라이다는 빛(레이저)를 이용한 3차원 영상센서로 가장 주목을 받고 있다.

3차원 영상을 획득하기 위해서 다양한 방법으로 빛(레이저)를 조사하고 반사된 빛(레이저)를 수신하는 방식에 따라 라이다는 예를 들어, 회전형 방식과 어레이형 방식으로 분류될 수 있다.

회전형 방식은 둘 이상의 측정지점을 가진 구조체를 회전함으로써 주변의 3차원 영상을 획득한다. 어레이형 방식은 송광빔을 퍼트리는 방식으로 송광한 후 반사되는 빛의 시간 차이를 어레이형 센서를 통하여 측정함으로써 3차원 영상을 획득하며, 플래쉬 방식이라고도 한다.

회전형 방식은 그 구조의 간단함으로 인하여 상업화가 가장 빠르게 추진이 되었지만, 모터의 회전 자체의 모션으로 상당한 부피를 차지할 수밖에 없으며, 회전 자체로부터 발생되는 다양한 문제점 극복에 한계를 가져 결과적으로 내구성을 우수하게 만들기 어렵다. 또한, 설치하는 지점에서 360도 영상보다 120도 정도의 광각의 3차원 영상을 얻고자 하는 경우에도, 회전의 특성으로 인해 수신 구조에서 360도 회전을 없앨 수 없는 구조 자체의 문제가 존재한다. 결과적으로 회전형 방식은 내구성 관점, 소형화 관점, 수신구조의 다양성 관점에서 유리하지 않은 특성이 있다.

어레이형 방식은 어떠한 물리적인 구동 없이 빛을 퍼트린 이후에 이를 어레이 형태의 검출기를 통해서 검출하는 방식이므로 내구성 관점에서 가장 이상적인 구조로 보여진다. 그러나 빛을 퍼트리는 방식은 반사 지점의 단위면적당 반사 광량을 현격하게 떨어트리고, 결과적으로 반사되는 빛을 수신 광량은 매우 작게 만드는 요인으로 작용한다. 이러한 이유로 빛(레이저)의 펄스 첨두 파워를 수 메가와트 급으로 매우 크게 하는 방식이 활용되는데, 이러한 고출력의 광원을 사용할 경우, 고출력 레이저의 송광 및 수광과정에서 센서 전체의 내구성이 좋지 않게 되며, 또한 고출력의 레이저는 반복율(PRF: Pulse Repetition Frequency)이 제한되게 된다. 이러한 반복율의 제한은 고속 프레임의 3차원 영상을 제공하지 못하는 단점이 있다.

또한, 어레이 방식의 라이다에서는 분해능을 높이기 위해서는 픽셀의 간격, 즉 피치(pitch)를 줄일 필요가 있는데, 이를 위해서는 2차원 광검출기와 플립칩(flip-chip)되는 ROIC(Read-out IC)의 픽셀 크기도 줄여야 한다. 보통 검출회로는 구현될 수 있는 면적에 의하여 적용될 수 있는 회로 기법이 크게 차이가 나는데, 작은 면적에 개별 펄스의 검출 정보까지 저장해야 하므로, 우수한 특성의 픽셀을 만들기 어렵고, 이로 인하여 좀 더 큰 출력의 레이저 광수신을 필요로 하고, 결국은 보다 높은 레이저 출력이 필요하게 되는 문제점이 있다.

이러한 회전형 방식과 어레이형 방식은 오래 동안 활용된 방식이지만, 최근 라이다의 추세인 소형화, 내구성 강화, 저가격화 등의 트렌드에는 적합하지 않은 요소를 가지고 있다.

최근의 트렌드에 따라, 비기계식 광스캐닝 방식인 광학 어레이(OPA, Optical Phased Array) 방식이 있다. 이 방식은 빛(레이저)를 퍼트리지 않고 모아서(Colimated) 보내며, 빛(레이저)를 전송하는 매질을 변경하여 빛(레이저)이 나가는 면에서 다양한 위상의 광출력을 보내는 방식이다. 이 경우, 다양한 위상의 광출력의 제어를 통하여 정해진 방향으로 빛을 모아 출력할 수 있으며, 이에 따라 기계적인 움직임이 없이 빛의 방향을 바꾸는 방식으로 라이다의 송광부를 구성할 수 있다.

그러나 이러한 방식은 크게 세 가지 문제를 유발한다. 첫번째는 매질을 변경하는 방식이 대부분 온도에 의하여 제어를 하는데, 그 제어를 일정하게 안정적으로 유지하는 것이 쉽지가 않은 문제가 있다. 외부의 온도의 변경이 동작에 민감하게 영향을 주기 때문에, 이를 보정하는 제어를 하는데 어려움을 겪게 된다. 두번째는, 위상이 서로 다른 빛을 모아 하나의 방향으로 전파를 시킬 수 있지만, 어쩔 수 없이 고조파(harmonics)가 발생하여 주요 방향 이외의 방향으로 빛(레이저)이 출력되는 사이드 빔이 존재하는 문제가 있다. 빛(레이저)를 송광한 이후에 빛(레이저)를 수신하는 액티브(active) 방식에서는 거리에 따라 다르지만, 적어도 사이드 빔의 상대적인 출력을 크게 줄여야 하는데, 이 또한 쉽지 않다. 예를 들면 1m 검출과 100m 검출을 동시에 하기 위해서는 사이드 빔의 크기가 적어도 40dB 이하로 제어가 되어야 하는데, 이러한 제어가 어렵다. 따라서 대부분 OPA 방식의 라이다의 경우 최대 탐지거리를 높이기 어려운 문제가 있다. 세 번째는, 앞서 설명한 이유로 인하여 출력되는 빛(레이저)의 크기를 키우기 힘들기 때문에 탐지거리를 늘이기 위해서는 수신 광검출기의 감도를 매우 높여야 하는 문제가 있다. 빛(레이저)의 크기를 키우기 어려운 핵심적인 이유는 위상을 조절하는 매질의 특성에 기인하며, 이로 인하여 작은 레이저 출력으로 먼 거리를 탐지하기 위해서는 매우 민감함 광검출기를 활용해야 한다. 예를 들면, 이러한 문제를 해결하기 위해 빛(레이저)의 조사시간 정보가 있으므로 이를 활용한 TCSPC(Time Correlated Single Phothon Counting) 등의 기법이 활용된다. 이 방식의 문제점은 태양광 등의 조도의 변화에 민감하고, 또 이러한 문제점을 극복하기 위해서는 고가의 광학필터에 의존하기도 한다.

본 발명이 해결하고자 하는 과제는 기계적인 구동이 없이, 빔을 퍼트리지 않고 일정한 방향의 영역을 스캔하는 라이더 시스템을 제공하는 것이다.

또한, 본 발명이 해결하고자 하는 과제는 기계적인 구동 없이, 목표물에 스캔되어 반사되는 빛을 수신하는 구조를 가지는 라이더 시스템을 제공하는 것이다.

또한, 본 발명이 해결하고자 하는 과제는 송광빔의 위치에 따라 수광부의 스위칭을 다르게 하여 효율적으로 동작하는 라이더 시스템을 제공하는 것이다.

본 발명의 특징에 따른 라이다 시스템은, 복수의 발광 소자를 발광 단위별로 구동시켜 목표물의 서로 다른 위치로 빛을 조사하는 송광부; 및 복수의 수광 영역을 통해 상기 목표물의 서로 다른 위치에서 반사되어 서로 다른 수광 위치로 입사되는 빛을 검출하는 수광부를 포함한다.

상기 송광부는 상기 복수의 발광 소자를 포함하는 2차원 배열의 발광 소자 어레이를 포함하고, 상기 수광부는 상기 복수의 수광 영역에 대응하는 복수의 광 검출기 셀을 포함할 수 있다.

상기 발광 소자 어레이에서 상기 발광 단위별로 구동된 발광 소자의 위치를 토대로, 상기 복수의 수광 영역 중 어느 수광 영역을 통해 반사되는 빛을 검출할지를 나타내는 수광 위치가 결정될 수 있다.

상기 하나의 수광 영역은 적어도 하나의 광검출기 셀을 포함하고, 상기 결정된 수광 위치에 따라 해당 수광 영역의 광검출기 셀이 동작하여 입사되는 빛에 대응하는 전기적인 신호를 출력할 수 있다.

상기 발광 단위는 상기 발광 소자 어레이의 수평 라인 또는 수직 라인일 수 있으며, 상기 발광 소장 어레이의 수평 라인별로 또는 수직 라인별로 발광 소자들이 발광하여 수평 방향 또는 수직 방향의 선형의 빛이 조사될 수 있다.

한편, 상기 송광부는 상기 발광 소자로부터의 빛을 송광하는 송광 광학부를 더 포함할 수 있으며, 상기 수광부는 입사되는 빛을 집광하여 상기 복수의 광 검출기 셀로 제공하는 수광 광학부를 더 포함할 수 있다.

상기 송광 광학부는 상기 발광 소자로부터의 빛을 장방향으로 확대하여 선형의 빛으로 송광하는 광학계를 포함할 수 있다.

한편, 상기 복수의 발광 소자는 발광 단위별로 순차적으로 구동되고, 상기 수광부는 상기 순차적으로 구동되는 발광 소자에 대응하여 서로 다른 복수의 수광 영역을 통해 입사되는 빛을 검출할 수 있다.

상기 송광부는 상기 복수의 발광 소자로부터 출력되는 빛을 서로 다른 주파수로 광변조하여 출력하는 광변조부를 더 포함할 수 있으며, 상기 수광부는 입사되는 빛을 서로 다른 주파수에 따른 복조를 수행하여 상기 복수의 광 검출기 셀로 제공하는 광복조부를 더 포함할 수 있다.

상기 발광 소자 어레이를 구성하는 모든 발광 소자들이 동시에 구동되어 상기 모든 발광 소자로부터의 빛이 상기 광변조부에 의해 서로 다른 주파수로 변조되어 송광될 수 있다. 상기 복수의 광 검출기 셀이 모두 구동되며, 상기 광복조부를 통한 서로 다른 주파수에 따른 복조에 의해 주파수별 빛 검출이 이루어질 수 있다.

한편, 상기 발광부와 수광부의 구성요소들에 의하여 발생된 오정렬과 그로 인하여 데이터의 왜곡이 발생되는 경우, 별도의 과정을 거쳐서 획득한 오정렬 보정 데이터를 기반으로, 실시간으로 획득된 데이터에 대하여 왜곡 정보를 보정할 수 있다.

본 발명의 실시 예에 따르면, 송광부가 기계적인 구동없이 발광 소자 어레이를 발광 단위별로 선택적으로 구동시켜 빔을 퍼트리지 않고 일정한 방향으로 스캔하고, 수광부가 기계적인 구동없이 복수의 광 검출기 셀을 통해 소정 조사 위치에서 반사되는 빛을 수신할 수 있다. 이에 따라 기계적인 구동 수단 없이 송광부과 수광부를 유기적으로 구동시켜 라이다 시스템의 구조를 최소화하면서 소형 경량화시킬 수 있으며, 저비용의 내구성이 강한 라이다 시스템을 구현할 수 있다.

또한, 수광부가 전기적인 스위칭에 의해 기계적인 움직임 없이 수광 영역을 변경할 수 있다. 따라서, 기계적 움직임에 따른 안정성 및 신뢰성 저하의 염려가 없다.

또한, 송광부와 수광부가 회전하면서 360도에 대하여 탐지하는 방식이 아니고 일정 각도의 전방을 탐지하는 방식이기 때문에, 차량 전면 또는 차량 전후 측면과 같이 360가 필요하지 않는 다양한 위치 등에도 효율적으로 배치하여 활용이 가능하다.

탐지 방향에 따라서 수광부의 발광 소자 어레이가 구동되는 패턴 및 수광부의 복수의 광검출기 셀을 통한 수광 위치를 스위칭하는 동작에 의해 구동이 되기 때문에, 탐지방향에 따라서 탐지거리를 다르게 구성할 수 있으며, 특정 방향(예를 들면 차량의 전방)에 대하여 최대 탐지거리를 늘이도록 구성할 수 있는 장점이다.

또한, 광수신 경로를 제어하는 방식이 기존 어레이형 광검출기의 ROIC처럼 2차원의 ROIC 픽셀 구조로 인하여 픽셀의 가로, 세로 높이가 제한받는 방식이 아니고, 1차원 배열형태의 ROIC 픽셀 구조이므로, 상대적으로 넓은 면적의 광수신칩으로 구성이 가능하여 상대적으로 우수한 광검출이 가능하도록 ROIC를 구성할 수 있다.

도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 라이다 시스템의 구조를 나타낸 도이다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 송광부에서 하나의 발광 소자가 구동되는 경우를 나타낸 예시도이다.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 송광부에서 복수의 발광 소자가 구동되는 경우를 나타낸 예시도이다.
도 4는 본 발명의 실시 예에 따라 발광 소자 어레이에서 발광 소자를 구동시키는 예를 나타낸 도이다.
도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 송광부에서 단일 셀 모드에서 선형 빔을 생성하는 경우를 나타낸 예시도이다.
도 6은 본 발명의 실시 예에 따른 송광부가 멀티 셀 모드에서 선형 빔을 생성하는 경우를 나타낸 예시도이다.
도 7은 도 6에 도시된 발광 소자 어레이를 구동시키는 예를 나타낸 도이다.
도 8은 본 발명의 실시 예에 따른 수광부의 구조를 나타낸 도이다.
도 9는 본 발명의 실시 예에 따른 광 검출부를 예시적으로 나타낸 도이다.
도 10은 본 발명의 실시 예에 따른 송광부와 수광부에 의해 목표물에 조사된 빛에 해당하는 광학 조사면과 빛을 수광할 수 있는 수광 영역을 나타낸 도이다.
도 11은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 라이더 시스템의 구조도이다.
도 12는 도 11에 도시된 라이더 시스템의 광 변조부와 광 복조부의 구조 및 동작 상태를 나타낸 도이다.

아래에서는 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시 예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시 예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.

명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성 요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.

본 명세서에서 단수로 기재된 표현은 "하나" 또는 "단일" 등의 명시적인 표현을 사용하지 않은 이상, 단수 또는 복수로 해석될 수 있다.

또한, 본 발명의 실시 예에서 사용되는 제 1, 제 2 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 구성 요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 구성 요소들은 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 용어들은 하나의 구성 요소를 다른 구성 요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제 1 구성 요소는 제 2 구성 요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제 2 구성 요소도 제 1 구성 요소로 명명될 수 있다.

이하, 도면을 참조하여 본 발명의 실시 예에 따른 라이다 시스템에 대하여 설명한다.

본 발명의 실시 예에서는 빔을 퍼트리지 않고 일정한 방향으로 스캔하는 라이더 시스템을 제공한다.

도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 라이다 시스템의 구조를 나타낸 도이다.

본 발명의 실시 예에 따른 라이다 시스템(1)은 도 1에서와 같이, 목표물(object)(2)에 빛(또는 레이저)을 조사하는 송광부(10), 목표물(2)에 의해 반사되는 빛을 수신하는 수광부(20), 그리고 통합 제어부(30)를 포함한다.

송광부(10)는 인가되는 제어 신호에 따라 구동 신호를 출력하는 구동부(11), 구동 신호에 따라 발광 소자들이 개별적으로 발광하는 발광부(12), 발광되는 빛을 집광하여 송광하는 송광 광학부(13)를 포함한다.

발광부(12)는 복수의 발광 소자(대표 번호로 121를 부여함)를 포함하며, 각각의 발광 소자(121)는 구동부(11)로부터 인가되는 구동 신호에 따라 개별적으로 동작한다. 발광 소자(121)는 레이저 다이오드, LED(light emitting diode), 광섬유 등 빛을 발생시키는 다양한 소자를 포함하며, 위에 기술된 것에 한정되지 않는다. 발광부(12)는 발광 소자(121)가 집적화된 모듈 형태로 구현될 수 있다. 도 1에서는 위 또는 옆에서 바라본 단면도로 도시되어, 발광 소자(121)가 일렬로 배열되어 있는 것으로 도시되어 있지만, 발광 소자(121)들이 2차원 배열로 구성된 발광 소자 어레이로 구성될 수 있다. 복수의 발광 소자를 발광 소자 어레이라고 명명한다.

구동부(11)는 통합 제어부(30)로부터 인가되는 제어 신호에 따라 발광부(12)의 발광 소자(121)들을 개별적으로 구동시키기 위한 구동 신호를 출력한다. 하나의 구동 신호에 따라 이에 대응하는 하나의 발광 소자가 구동되어 발광될 수 있으며, 복수의 구동 신호에 따라 복수의 발광 소자가 동시에 구동될 수 있다. 어떠한 발광 소자에 구동 신호를 가하는지에 따라서 송광되는 빔의 방향을 결정하거나 변경할 수 있다.

송광 광학부(13)는 발광부(12)의 발광 소자(121)로부터 발광되는 빛을 집광하여 소정의 방향으로 송광한다. 이를 위해, 본 발명의 실시 예에 따른 송광 광학부(13)는 발광부(12)의 발광 소자(121)로부터 발광되는 빛을 집광하는 제1 송광 광학계(131) 및 집광되는 빛을 송광하는 제2 송광 광학계(132)를 포함한다. 예를 들어, 제1 송광 광학계(131)는 주로 콜리메이터(collimator) 등으로 광을 집광하는 역할을 하는 부분으로 이루어질 수 있으며, 제2 송광 광학계(132)는 렌즈, 미러 등을 포함하여 빔의 경로를 결정하는 역할을 할 수 있다. 제1 송광 광학계(131)와 제2 송광 광학계(132)는 하나의 광학계로 구현될 수도 있다.

본 발명은 위에 기술된 것에 한정되지 않으며, 송광 광학부(13)는 도 1에 도시된 바와 같이 두 개의 광학계를 포함하는 구조로 이루어지거나 또는 하나의 광학계를 포함하는 구조로 이루어질 수 있으며, 또는 두 개 이상의 광학계를 포함하는 구조로 이루어질 수도 있다.

이러한 구조로 이루어지는 송광부(10)에 의해 송광되는 빛 즉, 송광빔은 목표물(2)에 조사된다. 도 1에서는 하나의 발광 소자에 의해 발광되어 송광된 빛이 목표물(2)에 조사되어 반사되는 것만을 도시하였으나, 둘 이상의 발광 소자에 의해 발광되어 송광되는 빛이 목표물에 조사될 수 있으며, 구동되는 발광 소자에 따라 빛이 목표물(2)에 조사되는 위치가 달라진다.

발광 소자 어레이는 발광 단위로 구동되며, 발광 단위는 적어도 하나의 발광 소자를 포함한다. 예를 들어, 2차원 어레이로 구성된 발광 소자 어레이에서 수평 방향별로(또는 수직 방향별로) 일렬로 배치된 발광 소자들을 하나의 발광 단위로 하는 그룹화를 하고, 발광 단위로 발광 소자들을 순차적으로 구동시킨다. 수평 방향 또는 수직 방향으로 일렬로 배치된 발광 소자들이 구동됨에 따라, 선형의 빛이 출력되어 목표물에 조사된다. 발광 단위로 구동되는 발광 소자들에 의해 목표물에 빛이 조사되는 위치가 달라지며, 그 결과 기계적인 수단을 이용한 스캔을 이용하지 않아도, 목표물을 스캔할 수 있다. 본 발명의 발광 단위는 위에 기술된 것에 한정되지 않으며, 발광 소자 어레이에서 적어도 하나의 발광 소자를 포함하는 다양한 형태로 구성될 수 있다. 여기서 발광 단위를 구성하는 발광 소자의 개수, 발광 단위별로 구동시키는 순서, 구동 속도 등을 조절하여, 빛의 형태 및 목표물(2)에 빛이 조사되는 범위, 방향, 속도 등을 조절할 수 있다.

한편, 수광부(20)는 송광부(10)에 의해 목표물(2)에 조사된 다음에 목표물에 의해 반사되는 빛을 수신하는 수광 광학부(21), 수광 광학부(21)에 의해 수신되는 빛에 해당하는 전기적인 신호를 출력하는 광 검출부(22), 광 검출부(22)로부터 출력되는 신호를 처리하여 통합 제어부(30)로 출력하는 신호 처리부(23)를 포함한다.

수광 광학부(21)는 반사되어 입사되는 빛을 수광한다. 이를 위해, 본 발명의 실시 예에 따른 수광 광학부(21)는 반사되어 입사되는 빛을 수광하는 제1 수광 광학계(211) 및 수광된 빛을 집광하여 출력하는 제2 수광 광학계(212)를 포함한다. 제1 수광 광학계(211)와 제2 수광 광학계(212)는 하나의 광학계로 구현될 수도 있다.

그러나 본 발명은 이에 한정되지 않으며, 수광 광학부(21)는 도 1에 도시된 바와 같이 두 개의 광학계를 포함하는 구조로 이루어지거나 또는 하나의 광학계를 포함하는 구조로 이루어질 수 있으며, 또는 두 개 이상의 광학계를 포함하는 구조로 이루어질 수도 있다.

광 검출부(22)는 복수의 광 검출기(221)를 포함하며, 각각의 광 검출기(221)는 개별적으로 수광 광학부(21)로부터 출력되는 빛을 검출하여 해당하는 전기적인 신호를 출력한다.

신호 처리부(23)는 광 검출부(22)의 각각의 광 검출기(221)로부터 출력되는 신호를 수신 및 처리하여 통합 제어부(30)로 전달한다. 예를 들어, 신호 처리부(23)는 수신되는 신호들을 통합 처리하여 통합 제어부(30)로 전달할 수 있다.

이를 위해, 신호 처리부(23)는 각각의 광 검출기(221)로부터 출력되는 신호를 더하는 신호 결합기(Signal Combiner)를 포함할 수 있으며, 신호 결합기는 별도의 스위치를 통해 각각의 광 검출기(221)와 연결될 수 있다. 구체적으로 각각의 광 검출기(221)와 신호 결합기 사이에 개별적으로 동작하는 스위치가 위치되어, 각각의 스위치 동작에 따라 해당 스위치에 연결된 광 검출기(221)로부터의 신호가 신호 결합기로 제공될 수 있다. 따라서 스위치의 선택적 동작에 따라 특정 광 검출기(221)로부터의 신호가 신호 처리부(23)의 신호 결합기에 의해 선택적으로 입력될 수 있다. 이러한 스위치들의 동작은 통합 제어부(30)에 의해 제어될 수 있다.

또한, 신호 처리부(23)는 신호에 대해 노이즈 제거, 증폭 등의 처리를 수행하여 통합 제어부(30)로 전달할 수 있다.

이러한 구조의 수광부(20)에 의해 수광된 빛을 토대로 하는 정보들은 통합 제어부(30)로 전달되어, 목표물에 대한 3차원 좌표를 획득하는데 활용된다. 통합 제어부(30)는 송광부(10)의 각각의 발광 소자를 개별적으로 구동시키는 제어 신호를 생성하여 송광부(10)의 구동부(11)로 제공한다. 통합 제어부(30)는 구동 패턴에 따라 제어 신호를 생성할 수 있다. 구동 패턴은 발광 소자 어레이에서 발광 단위를 구성하는 발광 소자의 개수, 발광 단위별로 구동시키는 순서, 구동 속도 등을 포함한다.

구동 패턴에 따라 송광부(10)의 발광 소자들의 구동 상태가 달라짐으로써, 목표물(2)에서 반사된 빛이 수광부(20)로 입사되는 입사 위치가 달라질 수 있으며, 또한 시간대별로 입사되는 입사 위치가 달라질 수 있다.

이러한 구조로 이루어지는 본 발명의 실시 예에 따른 라이다 시스템에서, 통합 제어부(30)에서 소정 방향으로 빛을 조사하기 위한 제어 신호를 출력함에 따라, 구동부(11)가 해당 발광 소자(121)를 구동시키기 위한 구동 신호를 출력하며, 이에 따라 발광부(12)의 해당 발광 소자가(121)가 발광한다. 발광 소자(121)의 발광에 따라 생성된 빛은 제1 송광 광학계(131)와 제2 송광 광학계(132)를 통해 소정 방향으로 송광되어, 목표물(2)에 조사된다.

목표물(2)에 조사된 빛은 목표물(2)에 의해 반사되며, 수광부(20)는 반사되는 빛을 수광한다. 수광부(20)의 제1 수광 광학계(211) 및 제2 수광 광학계(212)를 통해 수광된 빛은 광 검출부(22)의 광 검출기(221)를 통해 전기적인 신호로 출력된다. 이렇게 수광된 신호는 신호 처리부(23)에 의해 처리되어 통합 제어부(30)로 전달되어, 목표물(2)에 대한 3차원 좌표를 획득하는데 활용된다.

이와 같이 동작하는 본 발명의 실시 예에 따른 라이다 시스템에서, 송광부(10)는 기계적인 수단(예를 들어, 모터 등)을 포함하지 않는 비기계식 송광 모듈이다. 본 발명의 실시 예에 따른 송광부(10)는 빛을 퍼트리지 않고 일정한 방향으로 스캔하며, 이를 위한 발광 소자의 구성 및 동작에 대해 보다 구체적으로 설명하기로 한다.

도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 송광부에서 하나의 발광 소자가 구동되는 경우를 나타낸 예시도이다.

송광부의 발광부에서 하나의 발광 소자를 구동시키는 단일 셀 모드에서(발광부가 하나의 발광 소자를 포함하는 구조인 경우도 포함), 첨부한 도 2에서와 같이, 발광 소재면(12a)에 발광 위치(12b)가 표시될 수 있다.

여기서, 발광 소재면(12a)은 발광 소자를 포함하는 소재면으로, 발광부에 대응한다. 발광 소재면(12a)에서 빛이 발광하는 위치인 발광 위치(12b)가 형성된다. 발광 위치(12b)는 발광 소자의 위치에 대응하며, 하나의 발광 소자의 구동에 대응하여 하나의 발광 위치(12b)가 표시된다.

이러한 발광 소재면(12a)의 발광 방향에 해당하는 앞부분에 광학 소재(13a)가 위치되며, 광학 소재(13a)는 송광 광학부에 대응한다. 발광 위치(12b)에서 발생한 빛의 발산 특징을 제어하기 위한 광학 소재(13a)의 광학 파트(13b)를 도 2와 같이 나타낼 수 있다. 광학 파트(13b)는 발광 위치(12b)에서 발생한 빛이 광학 소재(13a)에서 제어되는 부분을 나타낸다.

일반적으로 빛을 멀리 보내기 위해서는, 발광 소재면(12a)의 발광 위치(12b)에서 발산되는 빛의 각도보다, 광학 소재(13a)의 광학 파트(13b)를 통과한 후의 빛의 발산 각도가 작도록 설계된다. 이렇게 발산된 빛은 목표물에 조사되어, 광학 조사면(31)이 형성된다. 광학 조사면(31)은 빛이 목표물에 조사되고 반사되는 영역을 나타낸다.

광학 파트(13b)를 통과한 빛은 거리에 따라 발산이 되므로, 거리가 멀수록 광학 조사면(31)의 크기는 거리에 비례하여 커지며, 반사되는 빛의 단위 면적당 세기는 거리의 제곱에 반비례한다. 목표물에 조사된 빛은 반사 위치의 반사율 및 그 외 다양한 요인으로 감쇄되어 반사된다.

도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 송광부에서 복수의 발광 소자가 구동되는 경우를 나타낸 예시도이다.

송광부의 발광부에서 복수의 발광 소자가 구동되는 멀티 셀 모드에서, 첨부한 도 3에서와 같이, 복수의 발광 소자의 발광에 따라 발광 소재면(12a)에 복수의 발광 위치(12c)가 표시된다. 발광 소자 어레이에 대응하는 복수의 발광 위치(12c)를 발광 위치 어레이라고 명명한다.

발광 위치 어레이(12c)에서 발생한 빛의 발산 특징을 제어하기 위한 광학 소재(13a)의 광학 파트(13c)를 도 3과 같이 나타낼 수 있다. 복수의 발광 위치에 대응하여 복수의 광학 파트(13c)가 형성되며, 복수의 광학 파트(13c)는 광학 파트 어레이(13c)라고 명명한다.

일반적으로 빛을 멀리 보내기 위해서, 발광 소재면(12a)의 발광 위치 어레이(12c)에서 발산되는 빛의 각도보다, 광학 소재(13a)의 광학 파트 어레이(13c)를 통과한 후의 빛의 발산 각도가 작도록 설계된다. 이렇게 발산된 빛은 목표물에 조사되어, 복수의 광학 조사면(32)이 형성된다. 복수의 광학 조사면(32)을 광학 조사면 어레이(32)라고 명명한다.

광학 파트 어레이(13c)를 통과한 빛은 거리에 따라 발산이 되므로, 거리가 멀수록 광학 조사면 어레이(32)에서 하나의 빔의 크기는 거리에 비례하여 커지며, 반사되는 빛의 단위 면적당 세기는 거리의 제곱에 반비례한다. 목표물에 조사된 빛은 반사 위치의 반사율 및 그 외 다양한 요인으로 감쇄되어 반사된다.

이와 같이 송광부의 발광부가 멀티 셀 모드로 구동되는 발광 소자 어레이는 구동 패턴에 따라 다양한 형태로 구동될 수 있다. 예를 들어, 2차원 어레이로 구성된 발광 소자 어레이에서 수평 방향별로(또는 수직 방향별로) 일렬로 배치된 발광 소자들이 하나의 발광 단위를 구성하고, 발광 단위별로 발광 소자들을 구동시킨다. 수평 방향으로 일렬로 배치된 발광 소자들이 구동됨에 따라, 선형의 빛이 출력되어 목표물에 조사된다. 이와 같이, 발광 단위로 구동되는 발광 소자들에 의해 목표물에 빛이 조사되는 위치가 달라지며, 그 결과 기계적인 수단을 이용한 스캔을 이용하지 않아도, 목표물을 스캔할 수 있다.

복수의 발광 소자를 발광 단위로 그룹화하여 선택적으로 구동시키는 것을 통해 목표물에 대한 3차원 포인트 클라우드를 획득할 수 있다. 이때, 수광부와의 연동을 통해 3차원 포인트 클라우드를 획득하며, 이에 대해서는 추후에 보다 구체적으로 설명하기로 한다.

도 4는 본 발명의 실시 예에 따라 발광 소자 어레이에서 발광 소자를 구동시키는 예를 나타낸 도이다.

첨부한 도 4의 (a) 및 (b)에 예시된 바와 같이, 발광 소자 어레이를 구성하는 모든 발광 소자를 모두 구동시켜 발광이 이루어지도록 하여 복수의 송광 빔을 생성할 수 있으며, 또는 발광 소자들을 행 단위의 발광 단위로 그룹화하고, 특정 행에 위치된 발광 소자들을 구동시켜 송광 빔을 생성할 수 있다. 여기서는 수평 방향의 선형의 송광 빔을 생성하는 것을 예로 도시하였지만, 수직 방향의 선형의 송광 빔을 생성할 수도 있다. 예를 들어, 발광 소자들을 열 단위로 그룹화하고, 특정 열에 위치된 발광 소자들을 구동시켜 수직 방향의 송광 빔을 생성할 수 있다. 여기서는 선형의 송광 빔을 생성하는 것을 예시하였으나, 본 발명은 이에 한정되지 않으며, 복수의 발광 소자를 구동시켜 형성할 수 있는 다양한 형태의 송광 빔을 생성할 수 있다.

이와 같이 구동되는 발광 소자 어레이에서, 발광 소자에서 발광되는 빛의 발산 특성으로 인해 인접한 발광 소자에서 발광된 빛의 오버랩핑(overlapping)될 수 있으며(도 4의 (a), 또한 발광 소자에서 발광된 빛의 오정렬(misalign)이 있을 수도 있다(도 4의 (b)). 오정렬된 정보는 추후 송수신 블럭에서 검출이 가능하며, 이를 정보를 활용하여 3차원 영상의 검출에 오정렬된 정보를 반영하여 자동적으로 보정된 정보를 수신할 수 있도록 활용할 수 있다.

보정을 위한 데이타를 획득하는 방법은 여러가지 있을 수 있다. 하나의 예로, 이미 알려져 있는 형태의 물체(예를 들면, 바둑판 모양의 패턴)를 기준으로 영상 정보를 획득할 경우, 보정하기 전에 획득된 데이터는 본 발명의 실시 예에 따른 구조(단위 광원의 위치 오차, 광학계 위치 오차 등)에 의하여 발생된 오차가 그대로 반영되어 왜곡된 형상의 데이터이다. 왜곡된 형상의 데이터를 이미 알려져 있는 형태의 물체가 되도록 만드는 파라미터가 바로 데이터 보정을 위한 보정 데이터이다. 결국, 송광 및 수광부의 오정렬된 정보가 보정 데이터에 저장되는 것이며, 한번 취득된 보정 데이터는 변경이 되지 않기 때문에, 이후 측정에서는 실시간으로 보정 데이터를 반영하여 이러한 왜곡을 최대한 줄인 데이트를 획득할 수 있다.

이와 같은 방법은 시간에 따라서 본 발명의 실시 예에 따른 구조에 의하여 발생된 오차는 크게 변하지 않는다는 점을 이용하고 있으며, 반면 입력되는 영상을 다양한 영상이 입력되고 있다는 점을 활용한 것이다.

도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 송광부에서 단일 셀 모드에서 선형 빔을 생성하는 경우를 나타낸 예시도이다.

송광부의 발광부가 하나의 발광 소자를 구동시키는 단일 셀 모드에서, 첨부한 도 5에서와 같이, 단일 발광 소자의 발광에 따라 발광 소재면(12a)에 하나의 발광 위치(12b)가 표시될 수 있다. 여기서는 발광 소자를 단일 모드(single mode) 광섬유 등과 같이, 빛(또는 레이저)의 품질이 우수한 광소자를 사용하거나, 발산각이 최적화된 레이저 다이오드를 사용할 수 있으며, 어레이 픽셀, 또는 어레이 광섬유 등의 다양한 수단이 사용될 수 있다.

특히, 광학 소재(13a)의 광학 파트(13b')를 통하여 발광 소자로부터의 빛을 도 5와 같이 장방향 또는 선형으로 확대할 수 있다. 여기서 설명의 편의상, 장방향 또는 선형으로 확대된 빛을 "선형 빔"이라고 명명한다.

일반적으로 빛을 멀리 보내기 위해 발광 소재면(12a)의 발광 위치(12b)에서 발산되는 빛의 각도보다, 광학 소재(13a)의 광학 파트(13b')를 통과한 후의 빛의 발산 각도가 작도록 설계되지만, 본 발명의 실시 예에서는, 장방향 또는 선형으로 빛을 확대하면서 원하는 종횡비(aspect ratio)를 가지도록, 광학 소재(13a)의 광학 파트(13b')를 최적화한다. 예를 들어, 광학 파트(13b')에 대응하는 송광 광학부가 빛을 장방향 또는 선형으로 확대시키는 광학부품(예를 들면 원통형 미러)로 구성될 수 있다. 특히 “선형 빔”을 구성하기 위해 수직방향과 수평방향에 대하여 광학 소재(13a)의 광학 파트(13b')의 발산각을 서로 다르게 구성할 수 있다.

이렇게 광학 소재(13a)의 광학 파트(13b')를 통해 확대된 선형 빔은 목표물에 조사되어, 광학 조사면(33)이 형성된다. 선형빔이 조사됨에 따라 도 5에서와 같이, 장방향 또는 선형의 광학 조사면(33)이 형성된다.

도 6은 본 발명의 실시 예에 따른 송광부가 멀티 셀 모드에서 선형 빔을 생성하는 경우를 나타낸 예시도이다.

송광부의 발광부가 복수의 발광 소자를 구동시키는 멀티 셀 모드에서, 첨부한 도 6에서와 같이, 발광 소재면(12a)에 복수의 발광 위치 즉, 발광 위치 어레이(12c)가 표시된다. 발광 소재면(12a)의 앞 부분에 발광 위치 어레이(12c)에서 발생한 빛의 발산 특징을 제어하기 위한 광학 소재(13a)에서 광학 파트 어레이(13c')가 형성된다.

여기서는 발광 소자 어레이를 구성하는 각 발광 소자를 단일 모드 광섬유 등과 같이, 빛(또는 레이저)의 품질이 우수한 광소자를 사용하거나, 발산각이 최적화된 레이저 다이오드를 사용할 수 있다. 이러한 발광 소자 어레이에 대응하는 발광 위치 어레이(12c)로부터의 빛이 광학 소재(13a)에 의해 확대되며, 특히, 광학 소재(13a)의 광학 파트 어레이(13c')를 통하여 발광 위치 어레이(12c)로부터의 빛이 도 6과 같이 장방향 또는 선형으로 확대된다.

일반적으로 빛을 멀리 보내기 위해 발광 소재면(12a)의 발광 위치 어레이(12c)에서 발산되는 빛의 각도보다, 광학 소재(13a)의 광학 파트 어레이를 통과한 후의 빛의 발산 각도가 작도록 설계되지만, 본 발명의 실시 예에서는, 장방향 또는 선형으로 빛을 확대하면서 원하는 종횡비를 가지도록, 광학 소재(13a)의 광학 파트 어레이(13c')를 최적화한다. 특히 “선형 빔”을 구성하기 위해 수직방향과 수평방향에 대하여 광학 소재(13a)의 광학 파트(13c')의 발산각을 서로 다르게 구성할 수 있다.

이렇게 광학 소재(13a)의 광학 파트 어레이(13c')를 통해 확대된 선형 빔들이 목표물에 조사되어, 광학 조사면 어레이(34)가 형성된다. 선형 빔이 조사됨에 따라 도 6에서와 같이, 장방향 또는 선형의 광학 조사면 어레이(34)가 형성된다.

여기서는 수평 방향의 선형 빔을 생성하는 것을 예로 도시하였지만, 수직 방향의 선형 빔을 생성할 수 있다. 예를 들어, 종횡비를 조절하여 발광 소자에 의해 발광된 빛이 수직 방향으로 선형으로 확대되도록 할 수 있다.

도 7은 도 6에 도시된 발광 소자 어레이를 구동시키는 예를 나타낸 도이다.

도 6과 같이 광학 파트 어레이를 통해 확대된 선형 빔들이 생성되는 구조에서, 첨부한 도 7의 (a) 및 (b)에 예시된 바와 같이, 발광 소자 어레이를 구성하는 모든 발광 소자를 모두 구동시켜 발광이 이루어지도록 하여 복수의 선형의 송광 빔을 생성할 수 있으며, 또는 발광 소자들을 행 단위의 발광 단위로 그룹화하고, 특정 행에 위치된 발광 소자들을 구동시켜 선형의 송광 빔을 생성할 수 있다. 여기서는 수평 방향의 선형의 송광 빔을 생성하는 것을 예로 도시하였지만, 수직 방향의 선형의 송광 빔을 생성할 수 있다.

이와 같이 구동되는 발광 소자 어레이에서, 발광 소자에서 발광되는 빛의 발산 특성으로 인해 인접한 발광 소자에서 발광된 빛의 오버랩핑될 수 있으며(도 7의 (a), 또한, 발광 소자에서 발광된 빛의 오정렬이 있을 수도 있다(도 7의 (b)). 오정렬된 정보는 추후 송수신 블럭에서 검출이 가능하며, 이를 정보를 활용하여 3차원 영상의 검출에 오정렬된 정보를 반영하여 자동적으로 보정된 정보를 수신할 수 있도록 활용할 수 있다. 보정을 위한 데이타를 획득하는 방법은 앞서 설명한 방식과 동일하며, 이러한 방식으로 보정 데이타를 획득하고, 이후에 이 보정데이타를 실시간으로 반영하여 왜곡이 없는 데이터를 획득할 수 있다.

위에 기술된 바와 같이 송광부가 발광 소자 어레이를 포함하고 발광 소자 어레이가 발광 단위별로 구동되는 경우, 본 발명의 실시 예에 따른 수광부가 다음과 같은 구조로 이루어질 수 있다.

도 8은 본 발명의 실시 예에 따른 수광부의 구조를 나타낸 도이다.

수광부(20)는 수광 광학부(21), 광 검출부(22), 신호 처리부(23)를 포함하고, 광 검출부(22)는 복수의 광 검출기(221')를 포함한다.

송광부의 발광 소자 어레이가 발광 단위별로 구동되는 경우, 위에서 살펴본 바와 같이, 발광 단위별로 송광된 빛에 의해 목표물에 광학 조사면 어레이(3)가 형성된다. 광학 조사면 어레이(3)의 각각의 광학 조사면에서 반사되는 빛이 특정 수광 영역을 통해 검출되도록, 광 검출부(22)는 복수의 수광 영역을 구비할 수 있다. 복수의 광 검출기를 셀 단위로 그룹화하여, 복수의 광 검출기 셀(221')을 구성한다. 하나의 수광 영역은 적어도 하나의 광 검출기셀로 구성될 수 있다. 여기서는 하나의 수광 영역이 하나의 광 검출기셀로 이루어지는 것을 예로 들어서 설명하나, 본 발명은 이에 한정되지 않는다.

도 9는 본 발명의 실시 예에 따른 광 검출부를 예시적으로 나타낸 도이다.

본 발명의 실시 예에 따른 광 검출부(22)는 도 9에서와 같이, 대면적 광 검출기를 분할하여 복수의 광 검출기셀을 구성할 수 있다.

예를 들어, 도 9의 (a) 및 (b)에서와 같이, 대면적 광 검출기를 수직 방향으로 분할하여 복수의 광 검출기셀을 구성할 수 있으며, 또는 도 9의 (c) 및 (d)에서와 같이, 대면적 광 검출기를 수평 방향으로 분할하여 복수의 광 검출기셀을 구성할 수 있다. 특히 도 9(b)는 출력 포트가 위아래에 배치될 수 있는데, 이 경우 ROIC는 윗쪽과 아래쪽에 배치될 수 있는 구조이며, 유사하게, 도 9(d)는 좌우에 ROIC가 배치될 수 있는 구조이다. 본 발명은 도 9에 예시된 것에 한정되지 않으며, 다양한 형태의 광검출기셀을 구현할 수 있다.

광 검출부(22)를 구성하는 광 검출기는 다양한 방식으로 구현될 수 있으며, 예를 들어, 실리콘 또는 InP 또는 반도체 기판을 기반으로 하는 PN 접합 포토다이오드, PIN 포토다이오드 및 APD 포토다이오드 등으로 구현될 수 있다.

도 8에서와 같이, 송광부의 발광 소자 어레이가 발광 단위별로 구동되고, 구동 패턴에 따라 목표물에 대한 조사 위치가 달라지며, 서로 다른 조사 위치에 대응하여 목표물에 반사된 빛이 수광부에 입사되는 위치가 변경된다. 이를 토대로, 광학 조사면 어레이(3)의 특정 광학 조사면(3a)에서 반사되는 빛이 수광부(20)의 특정 광 검출기 셀(221')을 통해 검출되며, 광검출기 셀(221')은 수신된 빛에 대응하는 전기적인 신호를 출력한다.

신호 처리부(23)는 각각의 광검출기 셀(221')로부터 출력되는 신호를 처리하여 출력하며, 예를 들어, 수신된 신호의 노이즈를 제거하고 증폭시켜 출력하는 처리를 수행하는 저잡음 증폭 모듈로 구성될 수 있다. 신호 처리부(23)는 처리된 신호를 출력 포트(231)를 통해 출력하며, 출력 포트(231)를 통해 출력된 신호는 통합 제어부(30)로 제공될 수 있다. 여기서 신호 처리부(23)에서 신호가 출력되는 출력 포트(231)가 하나로 표시되어 있지만, 본 발명은 이에 한정되지 않으며, 출력 포트(231)가 복수개로 구성될 수 있다.

한편, 본 발명의 실시 예에서, 효과적인 광신호 검출을 위해, 임의 광검출기셀로부터의 신호 이외에 인접한 적어도 하나의 광검출기 셀로부터의 신호를 추가적으로 이용하여, 광신호 검출이 수행될 수 있다. 또 다른 관점에서 보면, 특정 광학 조사면(3a)에 대응하는 빛을 하나의 광검출기(221')에 의해 검출하는 것이 아니라, 다수의 광검출기에 의해 검출되도록 구성할 수 있다.

예를 들어, 인접픽셀 구동 방식의 경우 특정 광학 조사면(3a)에서 반사되는 빛이 광검출기 셀(221')에서만 검출되지 않고, 다양한 이유로 인접 셀을 통해서도 검출될 수 있다. 이 경우, STUD(STatic Unitary Detector) 기법을 활용할 수 있다. 빛 즉, 광신호를 예를 들면 RF 결합기(combiner)와 같은 방식으로 인접 픽셀로 들어오는 신호를 손쉽게 모두 모을 수 있고, 이렇게 함으로써 높은 SNR(signal to noise ratio)의 신호 획득에 유리하다.

이를 위해, 신호 처리부(23)가 각각의 광 검출기 셀로부터 출력되는 신호를 더하는 신호 결합기를 포함할 수 있으며, 신호 결합기는 별도의 스위치를 통해 각각의 광 검출기 셀과 연결될 수 있다. 각각의 광 검출기 셀과 신호 결합기 사이에 개별적으로 동작하는 스위치가 각각 위치되는 경우, 각각의 스위치 동작에 따라 해당 스위치에 연결된 광 검출기 셀로부터의 신호가 신호 결합기로 제공될 수 있다. 예를 들어, 광검출기 셀(221')로부터의 신호를 검출하고자 하는 경우, 광검출기 셀(221')에 연결된 스위치뿐만 아니라, 광검출기 셀(221')에 인접한 적어도 하나의 다른 광검출기 셀에 연결된 스위치를 동작시켜, 해당 광출기 셀들로부터의 신호들이 신호 결합기로 제공되어 결합처리되도록 한다. 이러한 결합 처리에 따라 생성된 신호가, 특정 광학 조사면(3a)에서 반사되는 빛이 광검출기 셀(221')에 의해 검출된 광신호에 대응하는 정보로서 사용될 수 있다. 이에 따라, 검출되는 광신호의 SNR을 높일 수 있으며, 그 결과 우수한 성능의 라이다 수신부를 구성하는 것이 용이할 수 있다.

본 설명은 인접픽셀에 들어오는 빛에 대한 통합 수신에 대하여 설명했지만, 다수의 광검출기에 의해 하나의 광학 조사면(3a)에 대응하는 빛을 검출하는 경우에도, 동일하게 설명이 가능하다.

본 발명의 실시 예에서, 빔의 위치가 바뀌는 경우(스캔 방식)에도 광신호가 결합되는 그룹을 선택적인 스위치 구동에 의하여 선택적으로 이동시킬 수 있다.

본 발명의 실시 예에서, 픽셀은 광신호 검출이 이루어지는 단위를 나타내며, 물리적인 픽셀(예를 들어, 광신호를 검출하는 하나의 광 검출기)일 수도 있지만, STUD 방식에 의하여 광신호가 모아진 픽셀을 의미할 수 있다. 예를 들어, 임의 광검출기셀로부터의 신호 이외에 인접한 적어도 하나의 광검출기 셀로부터의 신호들이 결합되는 경우, 임의 광검출기 셀과 인접한 광검출기 셀들이 하나의 수광영역(3a)에 해당하는 픽셀이 될 수 있다.

스캔이 픽셀 단위로 수행될 수 있으며, 스캔을 할 경우에 바로 인접 픽셀로 한 칸 이동하는 방식으로 스캔이 되는 방식과 함께 0.5 픽셀 등과 같이 점진적으로(왜냐하면 STUD 방식의 수신부의 내부 서브 그룹으로 광검출기 셀이 존재할 수 있으므로) 스캔이 가능하다.

도 10은 본 발명의 실시 예에 따른 송광부와 수광부에 의해 목표물에 조사된 빛에 해당하는 광학 조사면(3a)과 빛을 수광할 수 있는 수광 영역(222)을 나타낸 도이다.

송광부(10)의 발광 소자 어레이를 발광 단위별로 구동시켜 발광 단위별로 송광빔이 목표물로 각각 조사됨에 따라 도 10에서와 같이, 복수의 광학 조사면 예를 들어, 4개의 서로 다른 조사 위치의 광학 조사면(3a)이 형성된다. 즉, 광학 조사면 어레이(3)가 형성되며, 광학 소자면 어레이(3)는 적어도 하나의 광학 조사면을 포함할 수 있다. 여기서는 송광부(10)의 발광 소자 어레이가 수평 라인별 발광 단위에 따라 구동되어 광학 조사면이 수평 라인의 형태로 되어 있지만, 본 발명은 이에 한정되지 않으며 다양한 형태(예를 들어, 몇 개의 점영역으로 형성되는 그룹 형태 등)로 구현될 수 있다.

수광부(20)는 서로 다른 검출기에 의하여 복수의 수광 영역(222)을 가지며, 예를 들어, 6개의 서로 다른 수광 영역(222)을 가지도록 구성된다. 수광 영역은 적어도 하나 이상이다. 여기서는 수광 영역(222)은 광 검출부(22)의 복수의 광 검출기 셀 중 하나의 광 검출기 셀이 빛을 검출하는 영역을 나타낸다. 또한, 수광 영역이 수직 라인의 형태로 되어 있지만, 본 발명은 이에 한정되지 않으며 다양한 형태(예를 들면 몇 개의 점영역으로 형성되는 그룹 형태 등)로 구현될 수 있다.

송광부(10)의 발광 소자 어레이가 발광 단위별로 구동하면서 서로 다른 조사 위치의 광학 조사면(3a)이 형성될 수 있으며, 임의 광학 조사면(3a)에서 반사된 빛이 수광부(20) 중에서 광검출기에 의하여 특정되는 임의 수광 영역(222)을 통하여 반사된 빛이 검출되는 구조이다.

송광부(10)의 발광 소자 어레이를 구성하는 발광 소자들을 발광 단위별로 구동시키는 구동 패턴을 가변적으로 할 수 있으며, 이를 통해 목표물에 대해 서로 다른 위치의 광학 조사면이 형성됨에 따라 기계적 구동 없이, 목표물에 대한 스캔이 이루어진다. 그리고 수광부(20)는 목표물로부터 반사되어 입사되는 빛을 어느 수광 영역을 통해 수광할 지를 결정할 수 있으며, 이를 설명의 편의상, 수광 위치를 결정한다고 명명할 수 있다. 복수의 광 검출기 셀 중에서 임의 광 검출기 셀을 동작시켜 수광 위치를 결정한다. 예를 들어, 신호 처리부(도 1의 23)가 각각의 광 검출기 셀에 연결되는 스위치들을 포함하는 형태로 구성되고, 임의 전기적인 스위치를 구동시켜 해당 광 검출기 셀을 동작시켜 수광 위치를 결정할 수 있다. 이러한 수광 위치 결정은 앞서, 도 1의 방식과 유사하게 통합 제어부(30)의 제어에 따라 수행될 수 있다. 한편, 송광부(10)의 발광 소자 어레이에서 발광 단위로 구동된 발광 소자들의 위치에 따라, 수광부(20)의 어느 수광 영역을 통해 수광할 지를 결정할 수 있다. 예를 들어, 도 10에서 수평 라인별로 발광 소자들이 구동되는 경우, 구동된 특정 수평 라인의 발광 소자들에 대응하여 수광 위치를 결정하여, 구동된 특정 수평 라인의 발광 소자들에 위해 발광된 빛에 의해 형성된 광학 조사면에서 반사된 빛이 결정된 수광 위치에 대응하는 특정 수광 영역을 통해 검출될 수 있다.

이러한 수광 위치의 스위칭을 통해 원하는 방향에 대한 목표물의 거리를 구할 수 있다. 또한, 송광부의 발광 소자 어레이를 발광 단위별로 순차적으로 구동시키고, 수광부의 각각의 광검출기 셀을 순차적으로 구동시켜 3차원 좌표를 획득할 수 있다. 이에 따라, 기계식 수단의 회전이나 움직임이 없이 3차원 영상을 위한 3차원 포인트 클라우드를 확보할 수 있다.

한편, 도 10에서 광학 조사면과 수광 영역이 직교된 형태를 예로 들었지만, 본 발명은 이에 한정되지 않으며, 예를 들어, 공간분해가 가능한 다른 방법(예를 들면, 공간 배치적인 측면에서는 송광부는 원형 패턴으로 송광을 하고, 수광부는 방사형으로 배치하게 되면 서로 직교하는 형태가 되므로, 공간분해능을 가질 수 있다. 또 다른 예를 들면, 다음에 설명하는 주파수 또는 다양한 변조 방식의 적용된 공간분해가 가능한 하나의 방법으로 설명할 수 있다.)도 가능함은 자명하다.

위의 실시 예에서는, 송광부의 발광 소자 어레이의 각각의 발광 단위를 개별적으로 구동시키고, 수광부의 각각의 광검출기 셀을 개별적으로 구동시켜 3차원 좌표를 획득하였지만, 발광 소자 어레이의 모든 발광 소자들을 동시에 구동시키고 수광부의 광검출기 셀을 모두 구동시키는 경우에도 3차원 좌표를 동시에 얻을 수도 있다.

도 11은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 라이더 시스템의 구조도이다.

본 발명의 다른 실시 예에 따른 라이더 시스템은 위의 실시 예와 동일하게 송광부(10), 수광부(20) 그리고 통합 제어부(30)를 포함하며, 송광부(10)는 구동부(11), 발광 소자 어레이로 구성되는 발광부(12), 송광 광학부(13)를 포함하고, 수광부(20)는 수광 광학부(21), 복수의 수광 영역을 구비하며, 이를 위해 복수의 광 검출기 셀로 이루어지는 광 검출부(22), 신호 처리부(23)를 포함한다. 위의 실시 예와는 달리, 송광부(10)는 발광부(12)의 발광 소자들로부터 발광되는 빛이 서로 다른 주파수로 변조되도록, 구동부(11)로부터 신호를 처리하여 발광부(12)로 제공하는 광 변조부(14)를 더 포함하고, 수광부(20)는 수광 광학부(21)를 통해 수광되는 빛이 서로 다른 주파수로 복조되도록, 광 검출부(22)로부터 전달되는 신호를 처리하여 신호 처리부(23)로 출력하는 광 복조부(24)를 더 포함한다. 위의 실시 예와 동일하게 동작하는 부분에 대해서는 상세한 설명을 생략한다. 여기서, 광변조부(14) 및 광복조부(24)는 다양한 형태로 구성될 수 있는데, 도 12에서 좀 더 자세하게 설명한다.

도 12는 도 11에 도시된 라이더 시스템의 광 변조부와 광 복조부의 구조 및 동작 상태를 나타낸 도이다.

첨부한 도 12에서와 같이, 하나의 발광 소자 또는 복수의 발광 소자인 광원으로부터 출력되는 빛이 광 변조부(14)의 서로 다른 주파수(f1, f2, f3, f4)에 의하여 변조된 다음에 송광됨으로써, 서로 다른 주파수(f1, f2, f3, f4)로 변조된 빛에 대응하는 광학 조사면(3a1, 3a2, 3a3, 3a4)들이 형성된다. 이들 광학 조사면(3a1, 3a2, 3a3, 3a4)들에 대응하는 빛이 수광부(20)의 수광 광학부(21)를 통해 서로 다른 광 수광면(222a, 222b, 222c, 222d, 222e, 222f)에 의해 수신된다. 여기서 광 수광면(222a, 222b, 222c, 222d, 222e, 222f)은 광 검출부(22)의 수광 영역에 대응한다.

각각의 광 수광면을 통해 수신된 빛이 광 검출부(22)의 각 수광 영역으로 입력되고, 광 복조부(24)를 통해, 변조된 주파수(f1, f2, f3, f4)에 의해 복조된다. 이때, 동일한 광 수광면으로 수신된 빛이어도 광 복조에 의해 서로 다른 광학 조사면(3a1, 3a2, 3a3, 3a4)에 대응하는 것으로 분리를 할 수 있다. 따라서, 송광부(10)의 특정 주파수로 변조된 빛이 조사된 위치에서 반사되는 빛을 해당 주파수로 복조하여 획득함으로써, 2차원 배열에 대한 거리를 얻을 수 있어 3차원 영상을 얻을 수 있다.

예를 들면, 광 변조부(14)에 의해 주파수 f1으로 변조된 빛이 T1에 조사되어 광학 조사면(3a1)이 형성되고, 광학 조사면(3a1)으로부터 반사된 빛이 광 수광면(222a, 222b, 222c, 222d, 222e, 222f, 222g)에서 모두 수신이 되어도, f1로 변조된 신호만 광복조부(24)에 의해 선택되어 R1 위치에서 검출된다. 이와 유사하게, 주파수 f3로 변조된 빛이 T2에 조사되어 광학 조사면(3a3)이 형성되고, 광학 조사면(3a3)으로부터 반사된 빛이 광 수광면(222a, 222b, 222c, 222d, 222e, 222f, 222g)에서 모두 수신이 되어도, f3로 변조된 신호만 광변조부(24)에 의해 선택되어 R2 위치에서 검출된다.

이러한 구조의 라이다 시스템에서는, 발광 소자 어레이의 모든 발광 소자들을 동시에 구동시키고 수광부의 광검출기 셀을 모두 구동시키는 경우에도 특정 주파수로 변조되어 조사된 신호의 분리가 가능하여 3차원 좌표를 동시에 얻을 수도 있으므로, 3차원 영상을 획득할 수 있다.

또 다른 중요한 측면으로, 본 실시 예에서는 CW 신호의 주파수 변조 방식을 이용하고 있기 때문에 거리뿐만 아니라, 각 지점의 속도에 대한 정보도 얻을 수 있는 특징이 있다. 이는 FMCW(Frequency Modulated Continuous Wave) 레이다 기술에서 거리뿐만 아니라 속도도 동시에 얻을 수 있는 원리와 유사하다. 이와 같이 동작하는 라이더 시스템에서, 변조된 주파수에 의하여 특정 좌표에 대한 거리를 얻을 수도 있지만, 위상의 변화에 따라서 목표물의 속도까지 확보가 가능하여 보다 우수한 성능의 3차원 영상 센서를 구현하는 것이 가능하다.

한편, 도 11에서 광학 조사면과 광 수광면이 직교된 형태를 예로 들었지만, 본 발명은 이에 한정되지 않으며, 예를 들어, 공간분해가 가능한 다른 방법도 가능함은 자명하다.

또한, 본 실시 예에서는 직교하는(orthogonal) 정현(sinusoidal) 파형의 변조에 의하여 신호를 분리하는 방식을 예로 들었지만, 신호의 분리가 가능한 다른 방법(예를 들면 채널 분리가 가능한 디지털 변조 방식 등)을 이용할 수 있으며, 이 경우에도 동일한 효과가 있음은 자명하다.

또한, 본 발명에서 송광되는 신호에 대하여 특정하지 설명하지 않았지만, 송광 신호는 펄스(pulse), 펄스변조(pulse with modulation), 정현파(continuous-wave), FMCW(Frequency Modulated Continuous Wave) 등으로 다양하게 구현될 수 있으며, 이 경우 각 방식에 따라 수광부를 구성할 수 있는 것도 자명한 사실이다.

이상에서 본 발명의 실시 예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.

Claims (11)

1. 복수의 발광 소자를 발광 단위별로 구동시켜 목표물의 서로 다른 위치로 빛을 조사하는 송광부; 및
   복수의 수광 영역을 통해 상기 목표물의 서로 다른 위치에서 반사되어 서로 다른 수광 위치로 입사되는 빛을 검출하는 수광부
   를 포함하는 라이다 시스템.
2. 제1항에 있어서,
   상기 송광부는 상기 복수의 발광 소자를 포함하는 2차원 배열의 발광 소자 어레이를 포함하고,
   상기 수광부는 상기 복수의 수광 영역에 대응하는 복수의 광 검출기 셀을 포함하는, 라이다 시스템.
3. 제2항에 있어서,
   상기 발광 소자 어레이에서 상기 발광 단위별로 구동된 발광 소자의 위치를 토대로, 상기 복수의 수광 영역 중 어느 수광 영역을 통해 반사되는 빛을 검출할지를 나타내는 수광 위치가 결정되는, 라이다 시스템.
4. 제3항에 있어서,
   상기 하나의 수광 영역은 적어도 하나의 광검출기 셀을 포함하고, 상기 결정된 수광 위치에 따라 해당 수광 영역의 광검출기 셀이 동작하여 입사되는 빛에 대응하는 전기적인 신호를 출력하는, 라이다 시스템.
5. 제2항에 있어서,
   상기 발광 단위는 상기 발광 소자 어레이의 수평 라인 또는 수직 라인이며, 상기 발광 소장 어레이의 수평 라인별로 또는 수직 라인별로 발광 소자들이 발광하여 수평 방향 또는 수직 방향의 선형의 빛이 조사되는, 라이다 시스템.
6. 제2항에 있어서,
   상기 송광부는 상기 발광 소자로부터의 빛을 송광하는 송광 광학부를 더 포함하고,
   상기 수광부는 입사되는 빛을 집광하여 상기 복수의 광 검출기 셀로 제공하는 수광 광학부를 더 포함하는, 라이다 시스템.
7. 제6항에 있어서,
   상기 송광 광학부는 상기 발광 소자로부터의 빛을 장방향으로 확대하여 선형의 빛으로 송광하는 광학계를 포함하는, 라이다 시스템.
8. 제1항에 있어서,
   상기 복수의 발광 소자는 발광 단위별로 순차적으로 구동되고, 상기 수광부는 상기 순차적으로 구동되는 발광 소자에 대응하여 서로 다른 복수의 수광 영역을 통해 입사되는 빛을 검출하는, 라이다 시스템.
9. 제2항에 있어서,
   상기 송광부는 상기 복수의 발광 소자로부터 출력되는 빛을 서로 다른 주파수로 광변조하여 출력하는 광변조부를 더 포함하고,
   상기 수광부는 입사되는 빛을 서로 다른 주파수에 따른 복조를 수행하여 상기 복수의 광 검출기 셀로 제공하는 광복조부를 더 포함하는, 라이다 시스템.
10. 제9항에 있어서,
    상기 발광 소자 어레이를 구성하는 모든 발광 소자들이 동시에 구동되어 상기 모든 발광 소자로부터의 빛이 상기 광변조부에 의해 서로 다른 주파수로 변조되어 송광되고,
    상기 복수의 광 검출기 셀이 모두 구동되며, 상기 광복조부를 통한 서로 다른 주파수에 따른 복조에 의해 주파수별 빛 검출이 이루어지는, 라이다 시스템.
11. 제2항에 있어서,
    상기 발광부와 수광부의 구성요소들에 의하여 발생된 오정렬과 그로 인하여 데이터의 왜곡이 발생되는 경우, 별도의 과정을 거쳐서 획득한 오정렬 보정 데이터를 기반으로, 실시간으로 획득된 데이터에 대하여 왜곡 정보를 보정하는, 라이다 시스템.

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