KR20210009119A - 차량용 라이다 장치 - Google Patents

Abstract

차량용 라이다 장치에 대한 발명이 개시된다. 본 발명의 차량용 라이다 장치는: 측정광을 조사하는 광원부와, 광원부에서 조사된 측정광을 측정대상체로 반사시키거나 측정대상체에서 들어오는 측정광을 반사시키며 측정광에 접하는 부분이 곡면으로 이루어지는 스캐너부 및 스캐너부를 통해 반사된 측정광을 수신받는 검출부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

차량용 라이다 장치{LIDAR APPARATUS FOR VEHICLE}

본 발명은 차량용 라이다 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 부품수를 줄일 수 있고, 소형화할 수 있는 차량용 라이다 장치에 관한 것이다.

일반적으로, 라이다(LIDAR, Light Detection and Ranging) 센서는 레이저와 같은 빛을 활용하여 거리를 측정하고 물체를 감지하는 센서이다.

라이다는 레이더와 비슷한 원리를 가지고 있다. 레이더는 전자기파를 외부로 조사한 후 수신되는 광선을 이용해 대상 물체의 거리 및 방향 등을 확인한다. 그리고 라이다는 레이더 대비 펄스 레이저를 조사한다는 차이점이 있다. 즉, 라이다는 레이더 대비 파장이 짧은 레이저를 사용하므로 정밀도 및 해상도가 높고, 사물에 따라 입체적 파악이 가능한 장점이 있다.

이러한 라이다 센서는 차량의 범퍼에 장착되어 차량의 전방과 후방을 센싱하여 사물이나 구조물 등을 감지한다.

종래의 라이다 센서는, 입사되는 광을 반사하기 위한 평면 형상의 스캔미러와, 스캔미러를 통과한 광이 검출기에 모아지도록 광의 이동을 안내하는 수신렌즈가 설치되므로 부품수가 증가되는 문제점이 있다. 따라서 이를 개선할 필요성이 요청된다.

본 발명의 배경기술은 대한민국 공개특허공보 제10-2019-0014314호(2019.02.12. 공개, 라이다 센서 모듈)에 개시되어 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 개선하기 위해 창출된 것으로, 본 발명의 목적은 부품수를 줄일 수 있고, 소형화할 수 있는 차량용 라이다 장치를 제공하는 것이다.

본 발명에 따른 차량용 라이다 장치는: 측정광을 조사하는 광원부와, 광원부에서 조사된 측정광을 측정대상체로 반사시키거나 측정대상체에서 들어오는 측정광을 반사시키며 측정광에 접하는 부분이 곡면으로 이루어지는 스캐너부 및 스캐너부를 통해 반사된 측정광을 수신받는 검출부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한 스캐너부는, 측정광에 접하는 부분이 오목한 형상으로 곡면이 형성되는 것을 특징으로 한다.

또한 스캐너부는, 검출부와 마주하는 위치에 설치되며 오목한 형상으로 반사면을 형성하는 스캔미러 및 스캔미러에 연결되며 스캔미러를 회전시키는 동력을 공급하는 구동부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한 스캔미러에서 반사되어 검출부를 향하여 이동되는 측정광은 검출부에 초점을 형성하는 것을 특징으로 한다.

또한 측정광은 레이저인 것을 특징으로 한다.

또한 본 발명은, 광원부와 마주하는 위치에 설치되며, 광원부에서 조사된 측정광을 스캐너부를 향한 방향으로 반사시키는 반사부재를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 차량용 라이다 장치는, 곡면형상의 반사면을 구비하는 스캐너부가 종래 스캐너와 수신렌즈의 기능을 동시에 할 수 있으므로 부품수를 감소시켜 생산비와 유지보수 비용을 절감할 수 있다.

또한 본 발명에 따르면, 수신렌즈를 별도로 설치하지 않아도 되므로 제품의 크기가 감소되어 제품을 소형화할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 차량용 라이다 장치가 차량에 설치된 상태를 도시한 평면도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 차량용 라이다 장치가 차량에 설치된 상태를 도시한 정면도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 광원부에서 조사된 측정광이 이동되는 경로를 도시한 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 광원부에서 조사된 측정광과, 검출부로 이동되는 측정광이 이동되는 경로를 도시한 도면이다.

이하 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 차량용 라이다 장치를 설명한다. 이 과정에서 도면에 도시된 선들의 두께나 구성요소의 크기 등은 설명의 명료성과 편의상 과장되게 도시되어 있을 수 있다.

또한 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서, 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 이러한 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 차량용 라이다 장치가 차량에 설치된 상태를 도시한 평면도이며, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 차량용 라이다 장치가 차량에 설치된 상태를 도시한 정면도이며, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 광원부에서 조사된 측정광이 이동되는 경로를 도시한 도면이며, 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 광원부에서 조사된 측정광과, 검출부로 이동되는 측정광이 이동되는 경로를 도시한 도면이다.

도 1 내지 도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 차량용 라이다 장치(1)는, 측정광(10)을 조사하는 광원부(30)와, 광원부(30)에서 조사된 측정광(10)을 측정대상체(20)로 반사시키거나 측정대상체(20)에서 들어오는 측정광(10)을 반사시키며 측정광(10)에 접하는 부분이 곡면으로 이루어지는 스캐너부(40) 및 스캐너부(40)를 통해 반사된 측정광(10)을 수신받는 검출부(50)를 포함한다.

차량용 라이다 장치(1)는 파장이 짧은 펄스 레이저를 사용하므로 정밀도 및 해상도가 높고, 측정대상체(20)에 따라 입체적 파악까지 가능한 장점이 있다. 이러한 차량용 라이다 장치(1)는 차량(80)의 범퍼에 장착되어, 차량(80)의 전방과 후방을 센싱하며 사물이나 구조물과 같은 측정대상체(20)를 감지한다.

측정광(10)은 레이저인 것을 특징으로 하며, 광원부(30)에서 조사되어 측정대상체(20)를 향하여 조사되는 송신광(12)과, 측정대상체(20)에서 반사되어 검출부(50)를 향하여 이동하는 수신광(14)을 포함한다.

송신광(12)은 광원부(30)에서 조사된 후 반사부재(60)와 스캐너부(40)에서 반사되어 측정대상체(20)로 이동한다. 수신광(14)은 측정대상체(20)에서 스캐너부(40)로 이동된 후 검출부(50)로 이동한다.

측정대상체(20)와 스캐너부(40)의 사이에는 윈도우부재(도시생략)가 더 설치될 수 있다. 윈도우부재는 전방이나 후방을 향하여 한방향으로만 곡률이 있을 수 있다. 또한 윈도우부재는 수평방향과 수직방향의 곡률이 다를 수 있다.

윈도우부재는 일직선의 평면 형상으로 설치될 수 있으며, 곡률을 구비한 형상으로 설치될 수 있는 등 다양한 변형 실시가 가능하다. 또한 윈도우부재는 광의 반사를 방지하도록 AR 코팅(anti-reflective coating)에 의해 형성되는 무반사층이 더 구비될 수 있다.

광원부(30)는 측정대상체(20)를 감지하기 위한 측정광(10)을 조사하는 기술사상 안에서 다양한 종류의 광원장치가 사용될 수 있다. 일 실시예에 따른 광원부(30)는, 반복하여 레이저 펄스를 출력한다.

스캐너부(40)는, 광원부(30)에서 조사된 측정광(10)을 측정대상체(20)로 반사시키거나, 측정대상체(20)에서 들어오는 측정광(10)을 반사시키며 측정광(10)에 접하는 부분이 곡면으로 이루어지는 기술사상 안에서 다양한 형상으로 변형이 가능하다.

넓은 영역의 3차원 데이터를 얻기 위한 스캐너부(40)는, 측정대상체(20)에 맞고 돌아오는 수신광(14)을 모아주는 수신렌즈의 기능도 겸한다. 이를 위하여 스캐너부(40)는 곡면형상의 스캔미러(42)를 구비하므로 종래 스캐너와 수신렌즈의 기능을 동시에 구현할 수 있다.

또한 스캐너부(40)는 윈도우부재에 의해 발생한 광 손실을, 스캔미러(42)의 설계에 반영하여 광 손실을 최소화 할 수 있으며, 종래 스캐너와 수신렌즈의 조합을 스캔미러(42)로 대체하므로 제품의 사이즈를 감소시킬 수 있다.

일 실시예에 따른 스캐너부(40)는, 측정광(10)에 접하는 부분이 오목한 형상으로 곡면이 형성되는 기술사상 안에서 다양한 변형이 가능하다. 이러한 스캐너부(40)는 스캔미러(42)와 구동부(46)를 포함한다.

스캔미러(42)는 검출부(50)와 마주하는 위치에 설치되며, 오목한 형상으로 반사면(44)을 형성한다. 스캔미러(42)에서 반사되어 검출부(50)를 향하여 이동되는 측정광(10)은 검출부(50)에 초점을 형성한다.

스캔미러(42)의 반사면(44)이 오목한 형상의 곡면을 형성하며, 검출부(50)를 향하여 수신광(14)의 초점을 형성하므로, 검출부(50)의 크기가 작아도 수신광(14)의 검출이 충분히 이루어질 수 있다. 따라서 검출부(50)의 크기가 소형화되어 제품의 크기도 작아지게 되며, 유지보수 비용도 절감할 수 있다.

스캔미러(42)에도 광반사 효율을 향상시키도록 반사층이 형성된다. 스캔미러(42)는 오목한 형상의 곡면을 형성하는 반사면(44)이 기울어진 상태로 설치되며, 측정대상체(20)와 검출부(50)가 스캔미러(42)의 오목한 면을 마주하도록 스캔미러(42)의 기울어진 각도를 세팅할 수도 있다.

구동부(46)는 스캔미러(42)에 연결되며, 스캔미러(42)를 회전시키는 동력을 공급하므로 스캔미러(42)를 설정된 각도로 회전시킬 수 있다. 구동부(46)가 스캔미러(42)를 회전시키므로, 스캔미러(42)의 각도에 따라 송신광(12)과 수신광(14)의 반사 각도가 변경될 수 있다.

구동부(46)로 모터부가 사용될 수 있으며, 이러한 모터부에 엔코더가 포함되거나 엔코더와 연결될 수 있다. 엔코더가 모터부의 회전수, 회전속도, 회전각도 등을 측정하여 제어부(도시생략)로 전달한다.

이러한 스캐너부(40)를 사용하는 차량용 레이다 장치는, 측정광(10)을 보내고 받으며 라이다 시스템의 관측시야(FOV: Field of view)(85) 내 데이터를 각도별로 획득할 수 있다.

검출부(50)는 스캐너부(40)를 통해 반사된 측정광(10)을 수신받는 기술사상 안에서 다양한 형상으로 변형이 가능하다. 일 실시예에 따른 검출부(50)는 간섭현상을 이용하여 특정 파장의 파동을 걸러내는 간섭필터부(interference filter)를 더 포함할 수 있다.

또한 검출부(50)는 스캔미러(42)와 마주하는 위치에 설치되어 스캔미러(42)에서 반사된 수신광(14)을 전달받는다.

반사부재(60)는 광원부(30)와 마주하는 위치에 설치되며, 광원부(30)에서 조사된 측정광(10)을 스캐너부(40)를 향한 방향으로 반사시킨다. 또한 반사부재(60)와 광원부(30)의 사이에는 송신렌즈(70)가 설치된다. 송신렌즈(70)는 광원부(30)에서 반사부재(60)를 향하여 측정광(10)이 조사되는 경로 상에 위치한다.

측정대상체(20)와 스캐너부(40)의 사이에는 윈도우부재가 설치되며, 윈도우부재를 기준으로 수평방향 축을 X축이라 정의하며, 수직방향 축을 Y축이라 정의한다. 윈도우부재가 x축 또는 y축으로만 곡률이 있는 경우 또는 양축에 대해 곡률이 있지만 각각 곡률이 서로 다를 경우에는 검출부(50)로 광선을 모아주는 수신렌즈 설계시 고려 사항이 되어야 한다.

수신렌즈에 윈도우 형상을 고려한 설계가 반영될 경우, 각 축의 곡률에 맞는 실린더 렌즈의 설계가 추가되어야 한다.

실린더 렌즈는 중심축이 있으므로, 윈도우부재와 수신렌즈가 고정되어 있는 상태에서 스캐너부(40)가 회전을 하게 되면 축이 일치되지 않아서 하나의 스캔각도를 제외한 나머지 각도에서는 효과를 보지 못한다.

이러한 문제점을 극복하기 위해 스캐너부(40)의 스캔미러(42)를 곡면미러로 대체하여, 수신렌즈를 스캐너부(40)에 포함하게 되면, 모든 각도에 대해서 윈도우부재의 형상을 고려한 설계의 효과를 볼 수 있다.

이를 다시 상세히 설명하면, 윈도우부재의 수평방향(x방향)과 수직방향(y방향)의 곡률이 다를 수 있다. 윈도우부재가 x방향으로만 곡률이 있는 경우, 수신렌즈(도시생략)에는 x방향으로 빔을 모아주는 실린더 렌즈 설계가 추가될 수 있으며, 이러한 실린더 렌즈는 중심축이 존재한다.

그러나 윈도우부재와 수신렌즈는 고정된 상태로 설치되고, 스캐너부(40)는 회전 가능한 상태로 설치되는 경우, 수신광(14)을 안내하는 부재의 축이 서로 일치하지 않는 경우가 발생한다. 따라서 실린더 렌즈의 기능을 스캐너부(40)의 스캔미러(42)에 병합하므로, 스캐너부(40)의 회전에 의해 수신렌즈와 실린더 렌즈의 축을 일치시키는 작업이 필요없게 된다.

또한 스캔미러(42)를 향하여 수평방향으로 이동되는 수신광(14)은, 45도 각도로 경사지게 설치된 스캔미러(42)에 반사된 후 검출부(50)에 촛점을 형성한다. 따라서 회전되는 스캔미러(42)를 구비한 차량용 라이다 장치(1)는, 수신광(14)의 이동을 안내하기 위한 각 부품의 축을 맞출 필요가 없고, 스캔미러(42)가 회전되는 모든 각도에서 검출부(50)에 직접 촛점을 형성할 수 있다.

이하에서는 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 차량용 라이다 장치(1)의 작동상태를 상세히 설명한다.

광원부(30)에서 조사된 송신광(12)은, 송신렌즈(70)를 통해 반사부재(60)로 이동된 후 스캐너부(40)를 향한 방향으로 반사된다. 스캔미러(42)에 반사된 송신광(12)은 윈도우부재를 통과하여 측정대상체(20)로 이동한다.

측정대상체(20)에 반사된 수신광(14)은 윈도우부재를 통과하여 스캔미러(42)의 오목한 반사면(44)에 반사되어 검출부(50)에 초점을 형성한다.

검출부(50)는 스캔미러(42)에서 반사된 수신광(14)을 전달받아 전기신호로 변환한다. 검출부(50)는 변환된 전기신호를 제어부로 전달하며, 제어부는 전달받은 전기신호를 토대로 측정대상체(20)의 거리, 방향, 속도 등 측정대상체(20)의 정보를 검출한다.

상술한 바와 같이, 본 발명에 따르면 곡면형상의 반사면(44)을 구비하는 스캐너부(40)가 종래 스캐너와 수신렌즈의 기능을 동시에 할 수 있으므로 부품수를 감소시켜 생산비와 유지보수 비용을 절감할 수 있다. 또한 수신렌즈를 별도로 설치하지 않아도 되므로 제품의 크기가 감소되어 제품을 소형화할 수 있다.

본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 하여 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 아래의 특허청구범위에 의해서 정하여져야 할 것이다.

1: 차량용 라이다 장치
10: 측정광 12: 송신광
14: 수신광 20: 측정대상체
30: 광원부 40: 스캐너부
42: 스캔미러 44: 반사면
46: 구동부 50: 검출부
60: 반사부재 70: 송신렌즈
80: 차량 85: 관측시야

Claims (6)

1. 측정광을 조사하는 광원부;
   상기 광원부에서 조사된 측정광을 측정대상체로 반사시키거나, 상기 측정대상체에서 들어오는 측정광을 반사시키며, 측정광에 접하는 부분이 곡면으로 이루어지는 스캐너부; 및
   상기 스캐너부를 통해 반사된 측정광을 수신받는 검출부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 차량용 라이다 장치.
   
2. 제 1 항에 있어서, 상기 스캐너부는,
   상기 측정광에 접하는 부분이 오목한 형상으로 곡면이 형성되는 것을 특징으로 하는 차량용 라이다 장치.
   
3. 제 1 항에 있어서, 상기 스캐너부는,
   상기 검출부와 마주하는 위치에 설치되며, 오목한 형상으로 반사면을 형성하는 스캔미러; 및
   상기 스캔미러에 연결되며, 상기 스캔미러를 회전시키는 동력을 공급하는 구동부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 차량용 라이다 장치.
   
4. 제 3 항에 있어서,
   상기 스캔미러에서 반사되어 상기 검출부를 향하여 이동되는 측정광은 상기 검출부에 초점을 형성하는 것을 특징으로 하는 차량용 라이다 장치.
   
5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 측정광은 레이저인 것을 특징으로 하는 차량용 라이다 장치.
   
6. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 광원부와 마주하는 위치에 설치되며, 상기 광원부에서 조사된 측정광을 상기 스캐너부를 향한 방향으로 반사시키는 반사부재;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 차량용 라이다 장치.

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