KR20200112276A - 스캐닝 광학 장치 - Google Patents

Abstract

전면으로 연장하는 회전축을 구비하는 회전 미러를 이용하여 회전 미러의 전면 상에 위치하는 스캔 영역에 대하여 레이저광을 송수신하는 구조를 가지는 스캐닝 광학 장치가 개시된다. 스캐닝 광학 장치는, 제1 방향을 향하여 연장하는 회전축을 가지는 구동 모터, 및 회전축에 결합하여 회전하며 제1 방향을 중심축으로 하는 전면으로 레이저광을 반사하는 회전 미러를 포함한다. 여기서 회전 미러는 제1 방향과 직교하는 회전기준면을 기준으로 그리고 회전 미러에 조사되는 레이저광의 입사 지점 혹은 반사 지점을 기준으로 회전기준면에서 제1 방향으로의 돌출 높이 또는 단면 두께가 변하는 유선형 표면을 구비한다. 또한, 입사 지점에서 반사되는 레이저광은 회전 미러의 1회전시 스캔하고자 하는 스캔 영역 상에서 복수의 수평 스캔 라인들을 순차적으로 형성한다.

Description

스캐닝 광학 장치{SCANNING OPTICAL APPARATUS}

본 발명은 스캐닝 광학 장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 전면으로 연장하는 회전축을 구비하는 회전 미러를 이용하여 회전 미러의 전면 상에 위치하는 스캔 영역에 대하여 레이저광을 송수신하는 구조를 가지는 스캐닝 광학 장치에 관한 것이다.

최근 들어, 자동차 또는 이동형 로봇 등에서 주변의 지형 또는 물체를 감지하기 위하여 레이저(laser) 레이더 장치인 라이다(LIDAR: LIght Detection And Ranging)가 많이 사용되고 있다.

이러한 라이다는, 펄스 레이저광을 대기 중에 발사하고 대기 중의 반사체 또는 산란체로부터의 반사광을 이용하여 거리, 물체 또는 대기현상 등을 측정하는 장치로서 반사광의 시간을 클럭 펄스로 계산하며 통상 그 진동수 30㎒로 5m, 150㎒로 1m의 분해능을 가진다.

이와 같이 라이다는 주변 영역으로 레이저광을 조사하고 주변 물체 또는 지형에 반사되어 되돌아오는 반사광의 시간과 강도 등을 이용함으로써, 측정 대상물의 거리와 속도, 형상을 측정하거나 주변의 물체나 지형을 정밀하게 스캔한다.

이러한 라이다는 로봇 및 무인자동차의 전방 장애물 검출용 센서, 속도측정용 레이더 건, 항공 지오-맵핑장치, 3차원 지상조사, 수중 스캐닝 등 다양한 분야에서도 널리 적용되고 있다.

그런데, 기존의 라이다 장치의 스캐닝 광학 장치를 이용하는 장치의 일종으로서 화각에 상응하게 빔 폭이 넓은 레이저를 방출하고 화각 내의 모든 방향으로부터 동시에 반사광을 획득하여 반사체와의 거리를 획득하기 때문에, 출력이 매우 높은 레이저 모듈을 필요로 하며, 따라서 매우 가격이 비싸다는 문제점이 있다. 또한, 출력이 높은 레이저 모듈은 크기가 크고, 스캐닝 광학 장치의 전체적인 크기를 키우는 요인으로 작용하게 된다.

특히, 전방향 스캔(Panoramic Scanning) 기능을 구비한 스캐닝 광학 장치 대부분은 송신 광학계와 수신 광학계를 포함하여 장치 전체가 회전 동작하도록 구성된다. 그런데 장치 전체를 회전시키게 되는 경우 시스템 크기는 더욱 커지게 되는데, 이는 미관상으로도 좋지 않을 뿐만 아니라, 가격 및 소비전력 상승의 문제를 더욱 심화시키게 된다.

또한, 종래의 스캐닝 광학 장치의 경우, 레이저의 반사, 굴절각을 산란시키기 위해 반사 미러(Mirror)의 각도를 변경할 필요가 있다. 이러한 구조에 의해 종래의 스캐닝 광학 장치는 특정 관심영역에 대한 집중 스캔 성능이 좋지 않고, 다양한 레이저 패턴의 조사가 불가하며, 다수의 레이저 발광부 및 수광부의 사용으로 제조비용이 고가화되고, 구조가 복잡한 단점이 있다.

공개특허공보 제10-2019-0012340호(2019.02.11)

본 발명은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 전면으로 연장하는 회전축을 구비하는 회전 미러를 이용하여 회전 미러의 단순하고 안정적인 회전 동작만으로 회전 미러의 전면 상에 위치하는 스캔 영역에 대하여 레이저광을 송수신하는 구조를 가지는 스캐닝 광학 장치를 제공하는 데 있다.

본 발명의 다른 목적은 성능을 유지하면서 구조를 단순화하여 내구성 향상과 수명 연장에 유리한 스캐닝 광학 장치를 제공하는 데 있다.

상기 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 측면에 따른 스캐닝 광학 장치는, 제1 방향을 향하여 연장하는 회전축을 가지는 구동 모터; 및 상기 회전축에 결합하여 회전하며 상기 제1 방향을 중심축으로 하는 전면으로 레이저광을 반사하는 회전 미러를 포함한다. 여기서 상기 회전 미러는 상기 제1 방향과 직교하는 회전기준면을 기준으로 그리고 상기 회전 미러에 조사되는 레이저광의 입사 지점 혹은 반사 지점을 기준으로 상기 회전기준면에서 상기 제1 방향으로의 돌출 높이 또는 단면 두께가 변하는 유선형 표면을 구비한다. 또한, 상기 입사 지점에서 반사되는 레이저광은 상기 회전 미러의 1회전시 스캔하고자 하는 스캔 영역 상에서 복수의 수평 스캔 라인들을 순차적으로 형성한다.

일실시예에서, 상기 회전 미러는 상기 레이저광의 입사 지점에서의 돌출 높이 또는 단면 두께가 상기 회전기준면의 회전 중심점과 이루는 각도가 제1 각도인 제1 미러와 상기 레이저광의 입사 지점에서의 돌출 높이 또는 단면 두께가 상기 제1 각도와 다른 제2 각도를 가지는 제2 미러를 구비하며, 상기 제1 미러와 상기 제2 미러는 상기 회전 미러의 전면을 2등분할 수 있다.

일실시예에서, 상기 회전 미러는 상기 레이저광의 입사 지점에서의 돌출 높이 또는 단면 두께가 상기 회전기준면의 회전 중심점과 이루는 각도가 제1 각도인 제1 미러와, 상기 레이저광의 입사 지점에서의 돌출 높이 또는 단면 두께가 상기 제1 각도보다 큰 제2 각도를 가지는 제2 미러와, 상기 레이저광의 입사 지점에서의 돌출 높이 또는 단면 두께가 상기 제2 각도보다 큰 제3 각도를 가지는 제3 미러를 구비하고, 상기 제1 미러, 상기 제2 미러 및 상기 제3 미러는 상기 회전 미러의 전면을 3등분하고 상기 회전 미러의 회전 방향으로 배치될 수 있다.

일실시예에서, 스캐닝 광학 장치는, 상기 제1 미러와 상기 제2 미러의 경계에는 상기 회전기준면과 평행하거나 상기 유선형 표면과 다른 평평한 표면의 경계부를 더 구비할 수 있다.

일실시예에서, 상기 회전 미러는, 상기 회전 미러는 상기 레이저광의 입사 지점에서의 돌출 높이 또는 단면 두께가 상기 회전기준면의 회전 중심점과 이루는 각도가 제1 각도인 제1 미러와, 상기 레이저광의 입사 지점에서의 돌출 높이 또는 단면 두께가 상기 제1 각도와 다른 제2 각도를 가지는 제2 미러와, 상기 회전 미러의 회전중심으로부터의 방사상 방향에서 상기 제1 미러와 상기 회전중심 사이에 배치되는 제5 미러와, 상기 회전 미러의 회전중심으로부터의 방사상 방향에서 상기 제2 미러와 상기 회전중심 사이에 배치되는 제6 미러를 구비할 수 있다.

일실시예에서, 상기 유선형 표면은 두께 혹은 높이 방향에서의 회전 방향에 따른 곡면 단면을 평면에 투영한 투영 단면에서 반사면이 좌우 대칭형의 볼록한 형태를 가지거나 일측으로 편향된 볼록한 형태를 구비할 수 있다.

일실시예에서, 스캐닝 광학 장치는, 상기 회전 미러의 미리 설정된 입사 지점으로 레이저광을 송신하고, 상기 회전 미러에서 반사되는 레이저광을 수신하는 레이저 모듈을 더 포함할 수 있다.

상기 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명의 다른 측면에 따른 스캐닝 광학 장치는, 제1 방향을 향하여 연장하는 회전축을 가지는 구동 모터; 상기 회전축에 결합하여 회전하며 상기 제1 방향을 중심축으로 하는 전면으로 레이저광을 반사하는 회전 미러; 및 상기 회전 미러에서 반사되는 레이저광을 상기 제1 방향의 중심축과 직교하는 어느 한 방향을 다른 중심축으로 하는 제2 방향측으로 반사하는 고정 미러를 포함한다. 상기 회전 미러는 상기 제1 방향과 직교하는 회전기준면을 기준으로 그리고 상기 회전 미러에 조사되는 레이저광의 입사 지점 혹은 반사 지점을 기준으로 상기 회전기준면에서 상기 제1 방향으로의 돌출 높이 또는 단면 두께가 변하는 유선형 표면을 구비한다. 상기 입사 지점에서 반사되는 레이저광은 상기 회전 미러의 1회전시 스캔하고자 하는 스캔 영역 상에서 복수의 수평 스캔 라인들을 순차적으로 형성한다.

일실시예에서, 상기 구동 모터는 상기 구동 모터의 회전축을 중력 방향과 평행한 방향 또는 대지와 직교하는 방향으로 향하도록 설치될 수 있다.

전술한 본 발명의 스캐닝 광학 장치를 사용하는 경우에는, 전면으로 연장하는 회전축을 구비하는 회전 미러를 이용하여 회전 미러의 전면 상에 위치하는 스캔 영역에 대하여 레이저광을 송수신하는 구조를 통해 성능을 유지하면서 구조를 단순화하여 내구성 향상과 수명 연장을 유리한 스캐닝 광학 장치를 제공할 수 있다.

또한, 본 발명에 의하면, 회전 미러의 전면 상에서 스캔 영역을 형성하는 단순 구조를 이용함으로써 상대적으로 복잡도가 매우 낮은 구동 제어 알고리즘을 사용할 수 있고 그에 의해 장치의 동작 신뢰도와 효율을 향상시킬 수 있는 장점이 있다.

또한, 본 발명에 의하면, 레이저 발광모듈과 레이저 수광모듈을 단일 칩 어레이 타입으로 형성함으로써 라이다(LIDAR: light detection and ranging radar) 장치, 청소기 등의 제품의 소형화 및 제조 원가의 절감 효과를 얻을 수 있다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 스캐닝 광학 장치에 대한 사시도이다.
도 2는 도 1의 스캐닝 광학 장치에서 상부 케이스를 제거한 상태를 나타낸 사시도이다.
도 3은 도 2의 회전 미러를 설명하기 위한 부분 정면도이다.
도 4는 도 3의 A-A선에 의한 회전 미러의 부분 곡면 단면에 대한 평면 투영 단면도들로서 회전 미러의 회전 동작에 따른 레이저광 반사 동작을 나타낸 도면이다.
도 5는 도 3의 B-B선에 의한 회전 미러의 종단면도이다.
도 6은 도 1의 스캐닝 광학 장치의 구동 모터에 채용할 수 있는 감속 기어의 작동원리를 설명하기 위한 개략적인 측면도들이다.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 스캐닝 광학 장치에 채용할 수 있는 회전 미러의 부분 곡면 단면에 대한 평면 투영 단면도이다.
도 8은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 스캐닝 광학 장치에 채용할 수 있는 회전 미러의 부분 곡면 단면에 대한 평면 투영 단면도이다.
도 9는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 스캐닝 광학 장치에 대한 사시도이다.
도 10은 도 9의 스캐닝 광학 장치에 채용할 수 있는 회전 미러의 부분 횡단면도이다.
도 11은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 스캐닝 광학 장치에 채용할 수 있는 회전 미러의 부분 횡단면도이다.
도 12는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 스캐닝 광학 장치를 설명하기 위한 사시도이다.

이하 본 발명의 바람직한 실시예를 도면을 참조하여 설명하기로 한다.

본 명세서에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 또한, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 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.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 스캐닝 광학 장치에 대한 사시도이다. 도 2는 도 1의 스캐닝 광학 장치에서 상부 케이스를 제거한 상태를 나타낸 사시도이다. 도 3은 도 2의 회전 미러를 설명하기 위한 부분 정면도이다. 도 4는 도 3의 A-A선에 의한 회전 미러의 부분 곡면 단면에 대한 평면 투영 단면도들로서 회전 미러의 회전 동작에 따른 레이저광 반사 동작을 나타낸 도면이다. 도 5는 도 3의 B-B선에 의한 회전 미러의 종단면도이다. 그리고 도 6은 도 1의 스캐닝 광학 장치의 구동 모터에 채용할 수 있는 감속 기어의 작동원리를 설명하기 위한 개략적인 측면도들이다.

도 1을 참조하면, 본 실시예에 따른 스캐닝 광학 장치(100)는 하부케이스(10)와 상부케이스(20)를 구비한다. 상부케이스(20)는 적어도 일면에 배치되어 내부의 레이저광(B)을 외부로 전달하고 외부에서 반사되어 들어오는 레이저광을 내부에 전달하는 윈도우(30)를 구비한다.

하부케이스(10)는 바닥 플레이트와 바닥 플레이트 상부면에 수직으로 세워져 수납 공간을 형성하는 벽 프레임을 구비한다. 벽 프레임은 사각 판 형상의 바닥 플레이트의 주면 상에 설치되고 평면상에서 볼 때 대략 4각형의 내부 공간을 갖도록 사각 링 형태로 설치될 수 있다.

또한, 스캐닝 광학 장치(100)는, 도 2에 도시한 바와 같이, 하부케이스(10) 상에 설치되고, 하부케이스(10)와 상부케이스(20)로 이루어지는 케이스 내에 수납되는 제1 지지프레임(30), 구동 모터(40), 회전 미러(50), 제2 지지프레임(60), 기판(70) 및 레이저 모듈(80)을 구비한다.

구체적으로, 제1 지지프레임(30)은 하부케이스(10)에 고정되어 하부케이스(10) 상에 배치되는 구동 모터(40)를 지지한다.

구동 모터(40)는 회전축이 하부케이스(10)의 바닥면에 평행한 제1 방향으로 연장하도록 배치된다.

회전 미러(50)는 회전축에 결합하여 회전축의 회전에 따라 회전하도록 설치된다. 회전 미러(50)는 레이저 모듈(80)에서 나오는 레이저광을 반사하여 제1 방향을 중심축으로 하는 전면 상으로 레이저광을 반사하거나 전면 측에서 들어오는 레이저광을 반사하여 레이저 모듈(80)로 전달한다.

제2 지지프레임(60)은 하부케이스(10) 상에 레이저 모듈 어셈블리를 지지한다. 레이저 모듈 어셈블리는 기판(70)과 기판(70)상에 실장되는 레이저 모듈(80)을 포함할 수 있다. 기판(70)은 인쇄회로기판으로서 레이저 모듈(80) 외에 제어모듈, 통신모듈, 입출력 인터페이스 모듈, 또는 이들의 조합 모듈을 더 구비할 수있다.

레이저 모듈(80)은 레이저 발광모듈과 레이저 수광모듈이 일방향에서 일렬로 배치되거나 혹은 수직방향에서 상하로 배치된 단일 칩 어레이(one chip array) 구조를 구비할 수 있다. 이러한 단일 칩 어레이 구조의 레이저 모듈(80)을 이용하면, 제품의 소형화 및 제조 원가의 절감 효과를 얻을 수 있다.

본 실시예에서, 회전 미러(50)는 도 2 내지 도 5에 도시한 바와 같이 회전축의 연장 방향에 대응하는 제1 방향과 직교하는 회전기준면을 기준으로 그리고 회전 미러(50)에 조사되는 레이저광의 입사 지점(Bp1) 혹은 반사 지점을 기준으로 회전기준면에서 제1 방향으로의 돌출 높이(h1, h3) 또는 단면 두께(t1)가 변하는 유선형 표면을 구비한다. 여기서, 입사 지점(Bp1)에서 반사되는 레이저광은 회전 미러(50)의 1회전시 스캔하고자 하는 스캔 영역 상에서 복수의 수평 스캔 라인들을 순차적으로 형성할 수 있다.

즉, 회전 미러(50)의 제1 미러(51)에 레이저광이 조사되는 동안 제1 수평 스캔 라인(이하 'Sh1'이라고도 함)에 대응하는 제1 스캐닝 동작을 수행하고, 제1 미러(51)에 이어서 회전 미러(50)의 제2 미러(52)에 레이저광이 조사되는 동안 제1 수평 스캔 라인(Sh1)의 바로 위 수평 라인(제2 수평 스캔 라인, Sh2)에 대응하는 제2 스캐닝 동작을 수행할 수 있다. 또한, 제2 미러(52)에 이어서 회전 미러(50)의 제3 미러(53)에 레이저광이 조사되는 동안 제2 수평 스캔 라인(Sh2)의 바로 위 수평 라인(제3 수평 스캔 라인)에 대응하는 제3 스캐닝 동작을 수행하고, 제3 미러(53)에 이어서 회전 미러(50)의 제4 미러(54)에 레이저광이 조사되는 동안 제3 수평 스캔 라인(이하 'Sh3'이라고도 함)의 바로 위 수평 라인(제4 수평 스캔 라인; 이하 'Sh4'라고도 함)에 대응하는 제4 스캐닝 동작을 수행할 수 있다.

이와 같이, 본 실시예에 의하면, 회전 미러(50)의 1회전 동작 동안에 4개의 수평 스캔 라인들에 대한 스캐닝 동작을 수행할 수 있다.

이를 위해 제1 미러 내지 제4 미러 각각은 회전 미러(50) 상에 조사되는 레이저광의 입사 지점(Bp1)에서 회전기준면으로부터의 그 돌출 높이 또는 단면 두께(t1)가 점진적으로 혹은 단계적으로 감소하는 유선형 표면을 구비할 수 있다.

이러한 유선형 표면은 도 3에 도시한 바와 같이, 회전 미러(50)의 곡면 단면을 평면에 투영한 투영 단면에서 타원형 또는 원호 형상을 구비하며 투명 단면에서 반사면에 대응하는 면 상의 변곡점(V1)에서 좌우 대칭 형태를 구비할 수 있다.

다시 말해, 상기의 유선형 표면은 두께 혹은 높이 방향에서의 회전 방향에 따른 곡면 단면을 평면에 투영한 투영 단면에서 반사면이 좌우 대칭형의 볼록한 형태를 가지거나 일측으로 편향된 볼록한 형태를 구비할 수 있다.

또한, 일례로써, 회전 미러(50)는 레이저광의 입사 지점에서의 돌출 높이 또는 단면 두께가 회전기준면의 회전 중심점과 이루는 각도가 제1 각도인 제1 미러(예컨대, 도 3의 51과 52의 영역들에 설치됨)와 레이저광의 입사 지점에서의 돌출 높이 또는 단면 두께가 상기 제1 각도와 다른 제2 각도를 가지는 제2 미러(예컨대, 도 3의 53과 54의 영역들에 설치됨)를 구비하며, 그 경우 제1 미러와 제2 미러는 회전 미러(50)의 전면을 2등분하도록 설치될 수 있다(도 3 및 도 5 참조).

다른 구현예에서, 회전 미러(50)는 도면에 도시하지는 않았지만, 레이저광의 입사 지점에서의 돌출 높이 또는 단면 두께가 회전기준면의 회전 중심점과 이루는 각도가 제1 각도인 제1 미러와, 레이저광의 입사 지점에서의 돌출 높이 또는 단면 두께가 제1 각도보다 큰 제2 각도를 가지는 제2 미러와, 레이저광의 입사 지점에서의 돌출 높이 또는 단면 두께가 제2 각도보다 큰 제3 각도를 가지는 제3 미러를 구비하도록 이루어질 수 있다. 그 경우, 제1 미러, 제2 미러 및 제3 미러는 회전 미러(50)의 전면을 3등분하고 회전 미러(50)의 회전 방향으로 순차적으로 배치될 수 있다.

또 다른 구현예에서, 회전 미러(50)는 레이저광의 입사 지점에서의 돌출 높이 또는 단면 두께가 회전기준면의 회전 중심점과 이루는 각도가 제1 각도인 제1 미러(51)와, 레이저광의 입사 지점에서의 돌출 높이 또는 단면 두께가 제1 각도보다 작은 제2 각도를 가지는 제2 미러(52)와, 레이저광의 입사 지점에서의 돌출 높이 또는 단면 두께가 제2 각도보다 작은 제3 각도를 가지는 제3 미러(53)와, 레이저광의 입사 지점에서의 돌출 높이 또는 단면 두께가 제3 각도보다 작은 제4 각도를 가지는 제4 미러(54)를 구비하도록 이루어질 수 있다. 그 경우, 제1 미러 내지 제4 미러(51 내지 54)는 회전 미러(50)의 전면을 4등분하고 회전 미러(50)의 회전 방향으로 순차적으로 배치될 수 있다(도 3 및 도 5 참조).

또한, 회전 미러(50)는 인접한 미러들 사이의 경계 부분에서 유선형 표면이 단절되어 유선형과 비교할 때 수평선와 같이 평평한 경계 표면(F1)을 구비할 수 있다(도 4의 (b) 참조). 경계 표면(F1)은 경계부로서 지칭될 수 있다. 이러한 경계 표면(F1)을 채용하면, 인접한 미러들 사이의 경계에서 레이저광이 산란하는 것을 방지하여 레이저광의 수신에 따른 신호 검출 시 노이즈가 크게 증가하는 것을 방지할 수 있다.

본 실시예에 의하면, 스캐닝 광학 장치(100)는 회전 미러(50)의 각 미러의 유선형 표면의 돌출 높이에 따라 약 98° 내지 약 120°의 수평 스캔 각도를 가지는 복수의 수평 스캐닝 동작을 효과적으로 수행할 수 있다.

또한, 본 실시예에 따른 스캐닝 광학 장치에서는, 도 6에 도시한 바와 같이 구동 모터(40)가 모터 본체(42)의 회전축(46)에 결합하는 회전 미러(50)를 수직 방향에서 약간 기울여 회전시킴으로써 복수의 수평 스캐닝 동작을 상하 방향 또는 수직 방향에서 이동(혹은 확장)시켜 스캐닝 동작을 수행할 수 있다.

즉, 구동 모터(40)의 본체(42)에는 회전축(46)에 대하여 직교 평면(회전기준면에 대응함)에 대하여 경사져 회전하는 유동플레이트(44)가 구비될 수 있다. 유동플레이트(44)는 제어부나 제어모듈의 제어에 따라 구동 모터(40)의 하부측보다 상측부에 가까워지도록 경사지거나(도 6의 (b) 참조), 구동 모터(40)의 상부측보다 하측부에 가까워지도록 경사지거나(도 6의 (c) 참조), 모터 본체(42)의 일단에 상부측과 하부측의 거리가 동일하거나 유사한 노멀 상태(도 6의 (a) 참조)로 회전 동작하도록 설치될 수 있다. 이러한 유동플레이트(44)는 감속 기어 형태를 구비할 수 있으나, 이에 한정되지는 않는다.

전수한 본 실시예의 구성에 의하면, 구동 모터(40)를 통해 회전 미러(50)의 회전기준면 자체가 기울어지도록 회전 미러(50)에 결합되는 유동플레이트(44)를 기존 회전기준면에 대하여 수직 방향에서 약간 기울임으로써 회전 미러(50)의 전방 측에 위치하는 스캔 대상 영역에 대하여 수직 방향의 스캐닝 동작을 확작하고 그에 의해 수평 및 수직 스캐닝 동작을 효과적으로 수행할 수 있다.

도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 스캐닝 광학 장치에 채용할 수 있는 회전 미러의 부분 곡면 단면에 대한 평면 투영 단면도이다.

도 7을 참조하면, 본 실시예에 따른 스캐닝 광학 장치는 회전 미러의 부분 곡면 단면(A1)에 대응하는 투영 단면의 유선형 표면의 돌출 높이를, 입사 지점에서의 회전기준면을 기준으로, 좀더 높게 설계함으로써 수평 스캐닝 동작 범위(B°)를 좀더 크게 할 수 있다. 다른 측면에서, 유선형 표면의 곡률 반경을 일정 범위 내에서 상대적으로 작게, 예컨대 도 4의 대응 구성부의 곡률 반경에 비해 작게 형성함으로써 수평 스캐닝 동작 범위를 더 크게 할 수 있다.

도 8은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 스캐닝 광학 장치에 채용할 수 있는 회전 미러의 부분 곡면 단면에 대한 평면 투영 단면도이다.

도 8의 (a) 및 (b)에 도시한 바와 같이, 본 실시예에 따른 스캐닝 광학 장치는 회전 미러의 부분 곡면 단면(A1)에 대응하는 투영 단면의 유선형 표면에서, 입사 지점을 기준으로 상대적으로 곡률 반경이 작은 제1 곡률반경(r1)을 가진 제1 유선형 부분과 제1 곡률반경(r1)보다 큰 제2 곡률반경(r2)를 가진 제2 유선형 부분을 연결하여 양력을 받기에 적합한 항공기 날개의 단면 구조와 유사한 형태를 갖도록 함으로써 수평 스캐닝 동작 범위(C°)를 더욱 크게 확장할 수 있다.

도 9는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 스캐닝 광학 장치에 대한 사시도이다. 도 10은 도 9의 스캐닝 광학 장치에 채용할 수 있는 회전 미러의 부분 횡단면도이다.

도 9를 참조하면, 본 실시예에 따른 스캐닝 광학 장치는 회전 미러가 제1 내지 제4 미러 외에 제5 내지 제8 미러들(51a, 52a, 53a, 54b)을 더 구비하도록 이루어지는 점에 특징이 있다.

또한, 스캐닝 광학 장치는 제1 레이저 발광모듈(81), 제1 레이저 수광모듈(82), 제2 레이저 발광모듈(83) 및 제2 레이저 수광모듈(84)을 구비할 수 있다.

제1 레이저 발광모듈(81)은 제1 내지 제4 미러들의 유선형 표면 상의 미리 설정된 지점(입사 지점; Bp1)에 레이저광을 조사하도록 이루어진다. 제2 미러에서 반사된 레이저광은 가상의 스캔 영역 상의 특정 수평 스캔 라인(S1h2)에 대응하는 영역을 스캐닝하도록 회전 미러(50)의 전면 상에 뿌려진다. 제1 레이저 수광모듈(82)은 제1 내지 제4 미러들을 통해 반사되는 레이저광을 수신한다.

제2 레이저 발광모듈(83)은 제5 내지 제8 미러들(51a, 52a, 53a, 54a)의 유선형 표면 상의 입사 지점(Bp2)에 레이저광을 조사하도록 이루어진다. 제6 미러(52a)에서 반사된 레이저광은 가상의 스캔 영역 상의 특정 수평 스캔 라인(S2h2)에 대응하는 영역을 스캐닝하도록 회전 미러(50)의 전면 상에 뿌려진다. 제2 레이저 수광모듈(84)은 제5 내지 제8 미러들(51a, 52a, 53a, 54a)을 통해 반사되는 레이저광을 수신한다.

즉, 스캐닝 광학 장치의 회전 미러(50)는 제1 내지 제8 미러들(51~54, 51a~54a) 각각에 대응하는 영역들에 위치하는 유선형 표면이 단일 회전판 상에 형성되고, 도 10에 도시한 바와 같이 제1 미러(51)와 제5 미러(51a)의 유선형 표면상의 경계에서 원판 형태의 회전 미러(50)의 방사 방향에서의 절곡점(Bn1)을 구비할 수 있다. 절곡점(Bn1)을 기준으로, 미러가 평면 반사면을 가진다고 가정할 때 혹은 입사 지점을 포함하는 방사 방향의 표면이 대략 직선 성분 형태를 가진다고 할 때, 반사기준면을 기준으로 제1 미러(51)는 제1 경사각(E°)을 구비하고, 제2 미러(51a)는 제2 경사각(F°)을 구비할 수 있다.

상술한 절곡점을 구비하는 구성 혹은 방사 방향에서의 서로 다른 경사각을 가지는 미러 구조에 의하면, 단일 회전 미러(50)를 사용하여 서로 다른 스캔 영역들을 구현할 수 있다. 예를 들면, 제1 내지 제4 미러들을 사용하는 스캐닝 동작을 통해서는 전면의 상방 영역이나 상대적인 원거리 영역을 스캐닝하고, 제5 내지 제8 미러들(51a 내지 54a)을 사용하는 스캐닝 동작을 통해서는 전면의 하방 영역이나 상대적인 근거리 영역을 스캐닝할 수 있다.

도 11은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 스캐닝 광학 장치에 채용할 수 있는 회전 미러의 부분 횡단면도이다.

도 11을 참조하면, 본 실시예에 따른 스캐닝 광학 장치는 방사 방향에서의 서로 다른 경사각을 가지는 미러 구조에서 2개 이상의 절곡점들(Bn1, Bn2)을 가지는 회전 미러(50)를 채용할 수 있다. 회전 미러(50)의 특정 방사 방향에서 이 방사 방향 상의 3개의 미러들(51, 51a, 51b)에 대한 입사 지점이 있는 경우, 서로 다른 경사각은 31°, 17° 및 4°를 포함하며, 이러한 경사각들을 수평 스캔 라인들 간의 간격이나 수평 스캔 라인 그룹들 사이의 간격을 결정함으로써 설계될 수 있다.

전술한 다중 절곡점들을 이용하는 회전 미러 구조에서는 동일한 입사각의 레이저광에 대하여 서로 다른 반사각의 레이저광을 방출하여 서로 다른 영역들에 대하여 스캐닝 동작을 수행할 수 있다. 또한, 구현에 따라서 서로 다른 레이저 발광모듈들에서 나오는 레이저광들은 대응 미러에 대하여 서로 다른 입사각을 가질 수 있다. 이러한 동일 혹은 서로 다른 입사각은 스캔하고자 하는 대상과의 거리, 레이저 모듈의 출력 등에 따라 선택할 수 있으며, 이러한 구성은 서로 다른 영역을 스캐닝하는 스캐닝 광학 장치를 구현함에 있어 설계 자유도를 크게 높일 수 있는 장점이 있다.

도 12는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 스캐닝 광학 장치를 설명하기 위한 사시도이다.

도 12를 참조하면, 본 실시예에 따른 스캐닝 광학 장치는, 구동 모터(40), 회전 미러(50), 레이저 모듈(80) 및 고정 미러(90)를 포함하여 이루어진다.

구동 모터(40)는 하부케이스(10)의 일면 상에 배치되고 제2 방향을 향하여 연장하는 회전축을 구비한다. 구동 모터(40)는 그 회전축이 중력 방향과 평행한 방향 또는 대지와 직교하는 방향으로 향하도록 설치될 수 있다. 이러한 구성에 의하면, 스캐닝 광학 장치가 설치된 장소나 설비 혹은 장치에서 구동 모터의 회전축을 대략 중력 방향으로 연장하도록 배치함으로써 구동 모터의 동작에 따라 수반되는 진동에 의해 장치의 신뢰성과 수명에 악영향이 미치는 것을 실질적으로 차단하여 장치의 신뢰성과 수명을 연장할 수 있는 장점이 있다.

전술한 구동 모터(40)의 배치 구조를 위해, 구동 모터(40)의 회전축에 결합하는 회전 미러(50)의 전방 즉, 하부케이스(10)의 상방 혹은 장치 내부의 상방에는 회전 미러(50)가 반사한 레이저 모듈(80)의 레이저광을 다시 반사하는 고정 미러(90)가 배치된다.

고정 미러(90)는 하부케이스(10)의 상방으로 반사되는 레이저광을 다시 반사하여 장치 측방의 외부로 조사되는 레이저광을 형성할 수 있다. 물론, 고정 미러(90)는 장치 측방의 외부에서 입사되는 레이저광을 반사하여 회전 미러(50)를 통해 레이저 수신모듈에 레이저광이 전달되도록 기능할 수 있다.

회전 미러(50)는 제2 방향과 직교하는 회전기준면을 기준으로 그리고 회전 미러에 조사되는 레이저광의 입사 지점 혹은 반사 지점을 기준으로 회전기준면에서 제2 방향(상방)으로의 돌출 높이 또는 단면 두께가 변하는 유선형 표면을 구비한다. 회전 미러(50)의 입사 지점에서 반사되는 레이저광은 회전 미러(50)의 1회전시 고정 미러(90)를 경유하여 스캔하고자 하는 스캔 영역 상의 가상의 복수의 수평 스캔 라인들(Sh4 포함)에 순차적으로 조사될 수 있다.

전술한 회전 미러(50)의 나머지 구성이나 기능과 레이저 모듈(80)은 도 1 내지 도 6을 참조하여 앞서 설명한 실시예의 대응 구성요소와 실질적으로 동일하므로 그것들에 대한 상세 설명은 생략하기로 한다.

전술한 본 발명에 의하면, 장치에서 회전 유닛을 최소화하고 부품 개수를 줄여 구성을 단순화함으로써, 소형화, 경량화, 고성능화, 장수명화 면에서 우수하고, 저렴한 제조 비용을 장점을 가진 스캐닝 광학 장치나 이를 구비하는 스캐닝 광학 장치를 제공할 수 있다.

또한, 본 발명은 전술한 실시예 외에 다양한 변형이 가능함은 당연하다. 본 발명의 스캐닝 광학 장치는 차량, 로봇, 선박, 헬기, 드론, 청소기 등 이동이 가능한 이동체에 적용이 가능하고, 아울러 건물, 기둥, 탑 등의 이동이 제한된 고정체에도 제한 없이 적용될 수 있다. 스캐닝 광학 장치는 라이다 광학 장치로 적용될 수 있다.

전술한 바와 같이 본 발명의 상세한 설명에서는 바람직한 실시예들에 관하여 설명하였지만, 본 발명의 기술분야에서 통상의 지식을 가진 사람이라면 하기의 청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음은 이해할 수 있을 것이다.

Claims (9)

1. 제1 방향을 향하여 연장하는 회전축을 가지는 구동 모터; 및
   상기 회전축에 결합하여 회전하며 상기 제1 방향을 중심축으로 하는 전면으로 레이저광을 반사하는 회전 미러;
   를 포함하며,
   상기 회전 미러는 상기 제1 방향과 직교하는 회전기준면을 기준으로 그리고 상기 회전 미러에 조사되는 레이저광의 입사 지점 혹은 반사 지점을 기준으로 상기 회전기준면에서 상기 제1 방향으로의 돌출 높이 또는 단면 두께가 변하는 유선형 표면을 구비하고,
   상기 입사 지점에서 반사되는 레이저광은 상기 회전 미러의 1회전시 스캔하고자 하는 스캔 영역 상에서 복수의 수평 스캔 라인들을 순차적으로 형성하는,
   스캐닝 광학 장치.
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 회전 미러는 상기 레이저광의 입사 지점에서의 돌출 높이 또는 단면 두께가 상기 회전기준면의 회전 중심점과 이루는 각도가 제1 각도인 제1 미러와 상기 레이저광의 입사 지점에서의 돌출 높이 또는 단면 두께가 상기 제1 각도와 다른 제2 각도를 가지는 제2 미러를 구비하며, 상기 제1 미러와 상기 제2 미러는 상기 회전 미러의 전면을 2등분하는, 스캐닝 광학 장치.
3. 청구항 1에 있어서,
   상기 회전 미러는 상기 레이저광의 입사 지점에서의 돌출 높이 또는 단면 두께가 상기 회전기준면의 회전 중심점과 이루는 각도가 제1 각도인 제1 미러와, 상기 레이저광의 입사 지점에서의 돌출 높이 또는 단면 두께가 상기 제1 각도보다 큰 제2 각도를 가지는 제2 미러와, 상기 레이저광의 입사 지점에서의 돌출 높이 또는 단면 두께가 상기 제2 각도보다 큰 제3 각도를 가지는 제3 미러를 구비하고, 상기 제1 미러, 상기 제2 미러 및 상기 제3 미러는 상기 회전 미러의 전면을 3등분하고 상기 회전 미러의 회전 방향으로 배치되는, 스캐닝 광학 장치.
4. 청구항 3에 있어서,
   상기 제1 미러와 상기 제2 미러의 경계에는 상기 회전기준면과 평행하거나 상기 유선형 표면과 다른 평평한 표면의 경계부를 더 구비하는 스캐닝 광학 장치.
5. 청구항 1에 있어서,
   상기 회전 미러는,
   상기 회전 미러는 상기 레이저광의 입사 지점에서의 돌출 높이 또는 단면 두께가 상기 회전기준면의 회전 중심점과 이루는 각도가 제1 각도인 제1 미러와,
   상기 레이저광의 입사 지점에서의 돌출 높이 또는 단면 두께가 상기 제1 각도와 다른 제2 각도를 가지는 제2 미러와,
   상기 회전 미러의 회전중심으로부터의 방사상 방향에서 상기 제1 미러와 상기 회전중심 사이에 배치되는 제5 미러와,
   상기 회전 미러의 회전중심으로부터의 방사상 방향에서 상기 제2 미러와 상기 회전중심 사이에 배치되는 제6 미러를 구비하는, 스캐닝 광학 장치.
6. 청구항 1에 있어서,
   상기 유선형 표면은 두께 혹은 높이 방향에서의 회전 방향에 따른 곡면 단면을 평면에 투영한 투영 단면에서 반사면이 좌우 대칭형의 볼록한 형태를 가지거나 일측으로 편향된 볼록한 형태를 구비하는, 스캐닝 광학 장치.
7. 청구항 1에 있어서,
   상기 회전 미러의 미리 설정된 입사 지점으로 레이저광을 송신하고, 상기 회전 미러에서 반사되는 레이저광을 수신하는 레이저 모듈을 더 포함하는 스캐닝 광학 장치.
8. 제1 방향을 향하여 연장하는 회전축을 가지는 구동 모터;
   상기 회전축에 결합하여 회전하며 상기 제1 방향을 중심축으로 하는 전면으로 레이저광을 반사하는 회전 미러; 및
   상기 회전 미러에서 반사되는 레이저광을 상기 제1 방향의 중심축과 직교하는 어느 한 방향을 다른 중심축으로 하는 제2 방향측으로 반사하는 고정 미러;
   를 포함하며,
   상기 회전 미러는 상기 제1 방향과 직교하는 회전기준면을 기준으로 그리고 상기 회전 미러에 조사되는 레이저광의 입사 지점 혹은 반사 지점을 기준으로 상기 회전기준면에서 상기 제1 방향으로의 돌출 높이 또는 단면 두께가 변하는 유선형 표면을 구비하고,
   상기 입사 지점에서 반사되는 레이저광은 상기 회전 미러의 1회전시 스캔하고자 하는 스캔 영역 상에서 복수의 수평 스캔 라인들을 순차적으로 형성하는,
   스캐닝 광학 장치.
9. 청구항 8에 있어서,
   상기 구동 모터의 회전축을 중력 방향과 평행한 방향 또는 대지와 직교하는 방향으로 향하도록 상기 구동 모터가 설치되는 스캐닝 광학 장치.

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