KR20210085406A - 라이다 광학 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명의 레이저 광을 발신 및 수신하는 라이다 광학 장치는 일정 높이의 원형 기둥 형상을 갖는 본체하우징과 상기 본체하우징의 내부에서 고정되어 동작하는 고정부와 회전하며 동작하는 회전부로 이루어지되, 상기 회전부에는 일자형 경통 구조의 형상을 갖는 레이저 송신부와 레이저 수신부가 결합 배치되는 레이저 모듈이 구비되어 회전하면서 레이저 광이 발신되고, 목표물에 반사되어 돌아오는 레이저 광을 수신하는 것을 특징으로 하며, 상기 레이저 송신부는 다수의 어레이(Array)에 의한 광 채널이 형성되도록 하는 수직 공진 표면발광 레이저(VCSEL)에 의해서 수직한 방향으로 방출된 레이저가 상부 표면에 형성되는 VCSEL 어레이 렌즈를 통과하여 일정한 도트 패턴(Dot)의 레이저 광이 면 발광으로 방출되도록 하는 레이저 광 발신 모듈을 구비하여 레이저 광의 출력을 향상시키고, 일정 범위의 좁은 빔 각도와 지향성이 좋은 특성으로 인한 우수한 정밀도, 전력 효율, 안구 안전 및 장거리 전송의 효과를 제공하는 라이다 광학 장치에 관한 것이다.

Description

라이다 광학 장치{LIDAR OPTICAL APPARATUS}

본 발명은 라이다 광학 장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 모터에 의해 회전하는 회전부에 수직 캐비티 표면 광방출 레이저(VCSEL) 방식의 레이저 발신 모듈이 적용된 라이다 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 레이저 광을 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 레이저 광을 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 라이다는 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, 라이다 장치의 전체적인 크기를 키우는 요인으로 작용하게 된다.

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

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

그러므로 상대적으로 복잡도가 낮은 구동 제어 장치와 알고리즘을 사용하여 효율을 향상시킬 수 있으며, 장치를 단순화하려는 라이다 광학 장치가 요구되어진다.

상술되어진 종래의 기술로서는 대한민국 등록특허공보 10-1977315(2019.05.20.)호에서 라이다 장치가 개시되어 있다.

상기 종래의 기술은 레이저를 출사하는 레이저 출력부; 그 내부에 관통홀이 형성되는 다면 기둥 형상을 가지고, 회전축을 따라 회전하며 상기 레이저 출력부로부터 출사된 레이저를 대상체를 향해 반사하는 회전 다면 미러; 상기 레이저 출력부로부터 발생하는 열의 방열에 이용되며 상기 관통홀을 통과하는 기류를 생성하되, 상기 회전 다면 미러에 설치되는 쿨링팬; 및 상기 쿨링팬에 회전력을 제공하는 구동부;를 포함하고, 상기 쿨링팬은 상기 제공되는 회전력으로 회전하되, 상기 회전 다면 미러와 결합되어, 상기 회전 다면 미러의 회전축을 따라 상기 회전 다면 미러와 일체로 회전하는 라이다 장치를 제공하고 있다.

이에 본 발명은 종래의 기술과 달리 360도 회전하며 동작하는 회전체를 구성하여 라이다 장치의 성능을 향상시키면서, 레이저 광 발신 모듈로 수직 공진 표면발광 레이저(VCSEL)를 적용하여 보다 진보된 라이다 광학 장치를 제공하는데 있다.

본 발명은 전술한 종래기술의 문제점을 해결하기 위해 도출된 것으로, 본 발명의 목적은, 본체하우징의 내부에서 고정되어 동작하는 고정체와 모터 회전자에 따라 360도 회전하며 동작하는 회전체를 구성하여 라이다 장치의 성능을 향상시키면서, 그 구조와 구동을 단순화할 수 있는 라이다 광학 장치를 제공하는데 있다.

또한, 본 발명은 회전하며 동작하는 수직 공진 표면발광 레이저(Vertical-Cavity Surface Emitting Laser, VCSEL)를 적용하여 발신되는 레이저 광의 출력을 향상시키고, 일정 범위의 좁은 빔 각도와 지향성이 좋은 특성으로 인한 우수한 정밀도, 전력 효율, 안구 안전 및 장거리 전송의 장점을 갖는 라이다 광학 장치를 제공하는데 있다.

또한, 본 발명의 다른 목적은, 회전부와 고정부 간의 전원을 안정되게 공급하기 위한 무접점 방식의 전원 전달 수단을 제공할 뿐만 아니라 회전부와 고정부 간에 데이터 통신 환경을 제공할 수 있는 무접점 전력공급 및 데이터통신 장치 및 이를 이용하는 시스템 또는 응용장치를 제공하는 데 있다.

상기 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 측면에 따른 레이저 광을 발신 및 수신하는 라이다 광학 장치는 일정 높이의 원형 기둥 형상을 갖는 본체하우징과 상기 본체하우징의 내부에서 고정되어 동작하는 고정부와 회전하며 동작하는 회전부로 이루어지되, 상기 회전부에는 일자형 경통 구조의 형상을 갖는 레이저 송신부와 레이저 수신부가 결합 배치되는 레이저 모듈이 구비되어 회전하면서 레이저 광이 발신되고, 목표물에 반사되어 돌아오는 레이저 광을 수신하는 특징이 있다.

또한, 본 발명의 상기 레이저 송신부는 다수의 어레이(Array)에 의한 광 채널이 형성되도록 하는 수직 공진 표면발광 레이저(VCSEL)에 의해서 수직한 방향으로 방출된 레이저가 상부 표면에 형성되는 VCSEL 어레이 렌즈를 통과하여 일정한 도트 패턴(Dot)의 레이저 광이 면 발광으로 방출되도록 하는 레이저 광 발신 모듈을 구비하는 것을 특징으로 할 수 있다.

또한, 본 발명의 상기 레이저 수신부는 PIN 포토다이오드, 애벌런치 포토다이오드(APD, Avalanche photodiode) 또는 실리콘 광전자 증배기(SiPM, Silicon photomultiplier) 중의 어느 하나의 수광 센서를 포함하는 특징이 있다.

또한, 본 발명의 상기 고정부는 상기 본체하우징의 내부 하측에 고정되어 전원 및 데이터 처리를 위한 고정기판과 상기 고정기판의 상부 둘레를 따라 형성되어 회전 자기장을 생성하는 고정부 페라이트 코어가 구비되는 모터 고정자를 포함하여 이루어지고, 상기 회전부는 상기 모터 고정자의 회전 자기장에 의하여 회전 동력을 생성하는 회전부 페라이트 코어를 구비하는 모터 회전자, 상기 모터 회전자와의 결합에 의하여 360도 회전하며 상기 고정기판과 신호 연동하는 회전기판으로 이루어지는 것을 특징으로 할 수 있다.

또한, 본 발명은 상기 고정부의 고정기판에 고정되어 있는 아우터코일과 상기 회전부의 회전기판에서 회전하는 이너코일에 의한 유도전류의 발생으로 상기 고정부에서 회전부로 무접점 방식으로 전원을 공급하는 것을 특징으로 할 수 있다.

또한, 본 발명은 상기 고정부의 고정기판과 상기 회전부의 회전기판과의 데이터 신호를 송수신하기 위하여, 상기 고정기판의 중앙부와 일치하는 상기 회전기판의 중앙부에 광통신 송수신 모듈이 구비되는 것을 특징으로 할 수 있다.

또한, 본 발명은 상기 고정부의 고정기판과 상기 회전부의 회전기판과의 데이터 신호를 송수신하기 위하여, 블루투스(Bluetooth) 방식 또는 지그비(Zigbee) 방식 중의 어느 하나를 이용하는 근거리 저전력 무선 통신 송수신 모듈이 구비되는 것을 특징으로 할 수 있다.

전술한 본 발명의 라이다 광학 장치에 의하며, 본 발며은 고정부와 회전부로 이루어진 모터 구성의 원리를 적용함으로서 라이다 장치를 단순화하고, 상대적으로 복잡도가 낮은 구동 제어 알고리즘을 사용할 수 있고 그에 의해 효율을 향상시킬 수 있는 장점이 있다.

또한, 본 발명은 레이저 광 발신 모듈로서 수직 공진 표면발광 레이저(Vertical-Cavity Surface Emitting Laser, VCSEL)를 적용하여 레이저 광의 출력을 향상시키면서 다수의 어레이 채널이 형성되며, 일정 범위의 좁은 빔 각도와 지향성이 좋은 특성으로 인한 우수한 정밀도, 전력 효율, 안구 안전 및 장거리 전송의 장점을 갖는 효과가 있다.

또한, 본 발명은 레이저 광 발신 모듈로서 수직 공진 표면발광 레이저(VCSEL)의 적용에 따라 소형 크기, 낮은 에너지 수요 및 높은 신뢰성을 갖는 라이다 광학 장치를 제공할 수 있는 효과가 있다.

또한, 본 발명은 회전부와 고정부 간의 무접점 방식의 전력 전달 및 데이터 통신 환경을 제공하여 보다 단순한 구성으로 전원을 안정되게 공급하며, 광통신 소자를 페라이트 코어에 형성된 관통홀의 중심부에 구비하여 장애물 없이 무선 광통신이 가능하도록 하는 효과가 있다.

도 1은 본 발명에 따른 라이다 광학 장치의 외관의 형상을 보여주는 사시도이고,
도 2는 본 발명에 따른 라이다 광학 장치의 내부 구성을 보여주는 사시도이며,
도 3은 본 발명에 따른 레이저 수발신 모듈의 구성 및 동작 상태를 보여주는 예시도이다.
도 4a는 본 발명의 일실시예에 따른 VCSEL의 어레이 형태를 나타내는 예시도이고,
도 4b는 상기 도 4a의 VCSEL에 따른 A-A 단면과 VCSEL 어레이에 따른 광 발신을 묘사하는 예시도이다.
도 4b는 상기 도 4a의 VCSEL에 따른 A-A 단면과 VCSEL 렌즈를 투과하여 형성되는 광 발신 경로를 나타내는 예시도이다.

본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 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.

따라서 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.

이하 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하면 아래와 같다.

도 1은 본 발명에 따른 라이다 광학 장치의 외관의 형상을 보여주는 사시도이다.

도 1에서와 같이 본 발명의 라이다 광학 장치는, 일정 높이의 원형 기둥 형상을 갖는 본체하우징(100)과 상기 본체하우징(100)의 측면을 따라 일정 면적으로 360˚ 형성되는 윈도우(110)를 구비한다.

상기 윈도우(110)는 라이다 광학 장치의 내외부로 레이저 광 투과를 용이하게 하고 상기 본체하우징(100)을 보호하기 위한 광투과성 부재로 이루어질 수 있다.

도 2는 본 발명에 따른 라이다 광학 장치의 내부 구성을 보여주는 사시도로서, 도시에서와 같이 본 발명의 라이다 광학 장치는 상기 본체하우징(100)의 내부에서 고정되어 동작하는 고정부(200)와 회전하면서 동작되는 회전부(300)로 이루어진다.

이를 기계 기구적으로 설명하면 상기 회전부(300)는 모터 등의 회전구동유닛에 의해 회전하는 부분을 지칭하고, 상기 고정부(200)는 회전부(300)와 마주하며 이격 배치되는 부분을 지칭하는 것이다.

이에 상기 고정부(200)는 상기 본체하우징(100)의 내부 하측에 고정되어 전원 및 데이터 처리를 위한 고정기판과 상기 고정기판의 상부 둘레를 따라 형성되어 회전 자기장을 생성하는 고정부 페라이트 코어가 구비되는 모터 고정자(Stator)를 포함하여 이루어지는 것이고, 상기 회전부(300)는 상기 모터 고정자의 회전 자기장에 의하여 회전 동력을 생성하는 회전부 페라이트 코어를 구비하는 모터 회전자(Rotor)가 구비되어, 상기 모터 회전자와의 결합에 의하여 360도 회전하며 상기 고정기판과 신호 연동하는 회전기판으로 이루어진다.

본 발명에서의 상기 고정기판은 고정부(200)를 제어하는 고정부 제어기판이고, 상기 회전기판은 회전부(300)를 컨트롤하는 회전부 제어기판의 역할을 수행하는 것을 의미한다.

또한, 상기 회전부(300) 측과 고정부(200) 측 간에 데이터 송수신을 수행할 수 있는 무접점 전원공급 및 데이터통신 수단이 구비될 수 있다.

상기 무접점 전원공급 수단으로는 상기 고정부(200)의 고정기판에 고정되어 있는 아우터코일(Outer Coil)과 상기 회전부(300)의 회전기판에서 회전하는 이너코일(Inner Coil)에 의한 유도전류의 발생으로 상기 고정부에서 회전부로 무접점 방식으로 전원을 공급하는 방식을 의미한다.

이러한 무접점 동력 전달 방식으로 공급된 전원은 상기 상부 회전기판의 레이서 모듈(400)에 전달되어 레이저 수신부(420)와 레이저 송신부(410)의 동력으로 사용될 수 있다.

또한, 상기 회전부(300) 측과 고정부(200) 측 간에 데이터통신을 수행하기 위하여, 상기 고정부(200)의 고정기판의 중앙부와 일치하는 상기 회전부(300)의 상부 회전기판의 중앙부에 광통신 송수신 모듈이 구비되거나, 또는 회전부(300)와 고정부(200) 측의 일정 위치에 저전력 무선 통신 송수신 모듈이 구비될 수 있다.

이때 상기 광통신 송수신 모듈로서는 광 신호를 송수신하는 적외선(IR) 방식의 송수신센서를 장착하여 회전하는 상기 상부 회전기판과 고정부(200)의 고정기판 간에 회전하면서도 상호 데이터가 연동될 수 있도록 할 수 있게 된다.

즉 상기 회전부(300) 측의 광통신 모듈과 고정부(200) 측의 광통신 모듈은 회전부 페라이트 코어에 형성된 관통홀 및 고정부 페라이트 코어에 형성된 관통홀의 중심부를 통하여 광 전송을 수행하여, 회전부(300) 측의 회전기판 상의 부가 장치들을 제어하거나 고정부(200) 측의 부가 장치와 서로 연동될 수 있는 것이다.

또한, 상기 저전력 무선 통신 송수신 모듈로서는 블루투스(Bluetooth) 방식 또는 지그비(Zigbee) 방식 중의 어느 하나를 이용하는 근거리 저전력 무선 통신 송수신 모듈이 구비될 수도 있다.

전술한 구성을 통해, 본 발명의 라이다 광학 장치는 고정부(200)에 공급되는 전력을 전자기 유도하여 회전부(300)로 전력을 공급하며, 회전부(300)에 유도된 전류에 의해 레이저 모듈(400)의 발신 및 수신 동작에 필요한 전력을 공급하거나 회전부 제어기판이나 모터에 전력을 공급하고, 또한, 회전부 제어기판의 제어 기능을 위한 신호 및 데이터를 전달하거나 모터의 동작을 제어하기 위한 제어신호를 전달할 수 있다.

또한, 레이저 모듈(400)이 결합하는 회전부 제어기판이나 고정부 제어기판에는 광통신 모듈이 구비되어 회전부 페라이트 코어에 형성된 관통홀 및 고정부 페라이트 코어에 형성된 관통홀의 중심부를 통하여 장애물 없이 광통신을 수행할 수 있다.

그러므로 본 발명의 라이다 광학 장치는 고정부(200)로부터 유도된 전류를 회전부(300)의 레이저 모듈(400)에 공급하여 레이저의 발신 및 수신을 수행하면서 회전부 제어기판과 고정부 제어기판 간의 쌍방향 통신을 지원하여 회전부 제어기판에서 신호처리를 통해 레이저 모듈의 발신 및 수신을 제어하도록 할 수 있다.

이상에서 살핀 바와 같이, 본 실시예에 따른 라이다 광학 장치에 탑재되는 무접점 전력공급 및 데이터통신 수단은 고정부(200)에 공급되는 전력을 자기유도 방식으로 회전부(300)에 공급하며, 회전부(300)와 고정부(200)가 광통신 모듈에 의해 신호 및 데이터를 송수신할 수 있는 다양한 구조의 장치, 응용장치 또는 시스템에 효과적으로 적용될 수 있다.

본 발명은 도 2에서와 같이 상기 회전부(300)의 상단에는 레이저 광의 발신 수신을 위한 레이저 모듈(400)이 구비되며, 상기 레이저 모듈(400)은 일단부에서 볼트 및 너트 등의 체결수단에 의해 무접점 전력공급 및 데이터통신 수단과 결합될 수 있다.

상기 레이저 모듈(400)은 외부에서 보기에 경통형 구조로 이루어진 레이저 송신부(410)와 또 하나의 경통형 구조로 이루어진 레이저 수신부(420)로 분리되어 이루어지는 구조를 갖으며, 상기 레이저 수신부(420)와 레이저 송신부(410)는 서로 나란히 배열되어 위치하도록 구비된다.

이에 따라 상기 고정부(200)의 전자기 유도에 의하여 상기 회전부(300)와 상부에 결합되는 레이저 모듈(400)이 회전하게 된다. 즉 본 발명에서는 상기 레이저 송신부(410)와 레이저 수신부(420)가 함께 회전하도록 형성되는 것임을 알 수 있다.

이에 상기 레이저 송신부(410)는 일단에서 레이저 광(Beam)을 발신하는 레이저 광 발신 모듈(411)이 구비되고, 상기 레이저 광 경로 상의 일정 거리 끝단에서 송신부 경통 렌즈(412)가 구비되어 이루어져 레이저 광의 경로가 형성되게 하는 밀폐된 일자형 경통 구조의 형상을 갖는다.

본 실시예에 따른 레이저 광 발신 모듈(411)은 수직 공진 표면발광 레이저(Vertical-Cavity Surface Emitting Laser, 이하 VCSEL)에서 발신되는 레이저를 다수의 도트(dot) 형태의 볼록 렌즈들의 어레이(Array)에 의해 수평 방향으로 다중 채널을 가질 뿐만 아니라 수직 방향으로 다수의 채널을 형성하도록 이루어지는 것을 특징으로 한다.

상기 VCSEL은 수직 공진 표면발광 레이저, 수직 캐비티 표면 광방출 레이저, 수직 공진기면 발광 레이저, 수직 구멍 표면 방출 레이저 또는 빅셀 등 다양한 표현으로 불리는 반도체 레이저 다이오드이다.

본 발명의 상기 VCSEL은 수직한 방향으로 방출된 레이저가 상부 표면에 형성되는 미세한 어레이 렌즈(Micro Lens Array 또는 VCSEL Lens)를 통과하여 일정한 패턴(Dot)의 레이저 광으로 고르게 면 발광으로 방출하도록 이루어진다.

이는 통상적으로 사용하는 레이저 발신 모듈인 보통에 칩에 가장자리 끝에서 빛이 나오는 에지 방출 레이저 다이오드(Edge-emitting laser diode) 또는 LED(발광 다이오드, light emitting diode)가 빔 각도가 넓고 반사로 인한 광 손실과 무지향성으로 인한 낮은 정확도를 갖는 단점이 있으며, 이를 보완하기 위해 LED가 높은 전력을 소모하는 단점이 있는데, 이를 해결하기 위하여 본 발명에서는 보다 더 나은 솔루션으로 VCSEL을 적용하고자 하는 것이다.

이러한 VCSEL은 일반적인 측면발광 레이저와는 달리 에피웨이퍼(Epitaxial wafer)의 표면에 수직 방향으로 빛을 방출하는 레이저로서, 일정 범위의 좁은 빔 각도와 지향성이 좋은 특성으로 인한 우수한 정밀도, 전력 효율, 안구 안전 및 장거리 전송의 장점을 갖게 된다.

또한, VCSEL의 이러한 면발광 특성은 어레이 및 다른 반도체 부품과의 집적화가 가능하며, 제조 공정 및 패키징 과정에 여러 가지 장점으로 작은 크기의 공진기 및 활성영역 덕분에 문턱전류를 낮출 수 있고, 낮은 전류에서의 고속 동작이 가능한 특성이 있다.

또한, 상기 레이저 수신부(420)는 내측으로 목표물에 반사되어 돌아오는 레이저 광을 수신하기 위한 포토다이오드(PD)(421)가 일단에 배치되는 일자 경통형 구조로서, 상기 포토다이오드(421)의 일정 거리 전단에는 수신부 경통 렌즈(422), 즉 레이저 렌즈가 구비되어 레이저 광의 수신 경로를 형성한다.

이에 상기 포토다이오드(421)는 하나의 셀(Cell) 방식의 포토다이오드 또는 다수의 어레이 셀로 이루어진 수광 센서 중의 어느 하나를 사용하여 구현될 수 있다.

즉 상기 포토다이오드(421)는 일정 지름을 갖는 TO(Transistor Outline) 캡 타입의 캔(CAN) 패키지로 이루어진 하나의 포토 셀에 의하여 레이저 광이 수신되는 구조, 또는 기판 실장형(SMD)의 타입으로 이루어진 복수의 포토다이오드를 적용한 것으로서 복수의 포토 셀에 의하여 레이저 광이 수신되는 구조, 또는 복수의 포토다이오드를 마이크로셀(Micro cell) 어레이(Array) 형태로 구성하여 레이저 광이 수신되는 구조 중의 어느 하나의 타입을 적용하는 패키지로 이루어 질 수 있다.

또한, 상기 포토다이오드(421)는 PIN(Positive-Intrinsic-Negative) 타입 포토다이오드, 고감도 애벌런치 포토다이오드(APD, Avalanche photodiode) 중의 어느 하나를 사용하여 구현될 수 있으며, SiPM(Silicon photomultiplier)으로 지칭 되는 실리콘 광전자 증배기로서, 실리콘 기판 상에 애벌랜치 포토다이오드로 구현된 SPAD(Single-photon Avalanche Diode)에 기초한 고체 단일 광자 감지 센서를 사용하여 어레이로 형성된 구조를 가질 수 있다.

도 3은 본 발명에 따른 레이저 수발신 모듈의 구성 및 동작 상태를 보여주는 예시도이고, 도 4a는 본 발명의 일실시예에 따른 VCSEL의 어레이 구조를 나타내는 전면 예시도이며, 도 4b는 상기 도 4a의 VCSEL에 따른 A-A 단면과 VCSEL 렌즈를 투과하여 형성되는 광 발신을 나타내는 예시도이다.

도면에 도시한 바와 같이 단위 도트(411a)가 볼록 렌즈와 같은 형태를 가지는 도트 배열(Dot Array)로 구성된 렌즈를 구비하는 VCSEL을 이용함으로써 다중 수평 채널 구조를 통해 수평 방향으로 회전하며 다중 수평 스캔을 수행하고, 다중 수평 스캔 구조를 수직 방향으로 다수개 배열한 어레이 구조를 통해 수직 방향에서의 스캔을 효과적으로 수행할 수 있다. 물론, 수직 면발광하는 VCSEL의 발광면에서의 도트 영역을 선택적으로 제어하거나 렌즈 상에서의 영역을 도트 단위로 제어함으로써 레이저 광을 순차적으로 발신하는 것도 가능하다.

이에 본 발명에서는 도시한 바와 같이 25개의 수직 어레이를 갖는 VCSEL을 적용하였으며, 또한 VCSEL 어레이 렌즈(Micro Lens Array 또는 VCSEL Lens)를 이용하여 수평 다중 스캔과 함께 수직 방향으로 동시에 혹은 순차적으로 25개의 수직 스캔을 구현할 수 있다.

이와 같이, VCSEL의 표면에서 수직 방향으로 발신된 레이저는 VCSEL 어레이 렌즈를 투과하여 수직/다중 채널로 레이저가 발신된다. 이때 상기 VCSEL 렌즈를 통하여 발신되는 레이저 광(Laser Beam)은 요구되는 각도로 발산 각도를 제어할 수 있게 된다. 이러한 순차적인 VCSEL의 레이저 광 발신이 수직/다중 채널로 형성되며, 회전부(300)에 의하여 레이저가 발신되면서 회전하는 구성을 이루는 것이다.

한편, 도면에 도시하지는 않았지만, 본 발명의 라이다 광학 장치는 전원 공급을 위한 배선이나 어댑터 또는 전원공급수단을 구비할 수 있다. 전원공급수단은 내부전원 또는 재충전 가능한 전원장치를 구비할 수 있고, 그에 의해 라이다 광학 장치에 착탈식하며 사용할 수 있도록 기능하는 구성을 포함할 수 있다.

또한, 라이다 광학 장치는 인트라넷, 인터넷, 차량 네트워크 등으로 통해 외부 장치와 통신하기 위한 통신모듈을 구비할 수 있다. 그 경우, 라이다 광학 장치는 감지된 타겟이나 감지된 타켓과의 거리 등에 대한 신호 혹은 정보를 외부 장치에 전송할 수 있다.

또한, 본 발명의 라이다 광학 장치는 VCSEL 어레이로 이루어진 레이저 광 발신 모듈(411)을 제어하고 레이저 송신부(410)와 레이저 수신부(420)의 위치와 동작에 따른 시간 및 위치 동기를 제어하는 제어모듈을 구비할 수 있다.

즉 상기 제어모듈 레이저 모듈(400)과 회전부(300)의 결합 구조에 의해 레이저빔의 반사 및 산란 각도를 효과적으로 제어하면서 공간적인 데이터를 확보하고 이를 해석하기 위한 프로세서 모듈이다.

상기 제어모듈은 논리회로, 프로그래밍 로직 컨트롤러, 마이컴, 마이크로프로세서 등에서 선택되는 적어도 어느 하나의 장치로 구현될 수 있다.

본 발명의 라이다 장치는 일반적으로 차량에 적용될 수 있으나, 본 발명은 이에 한정하지 않는다. 즉, 본 발명에 따른 라이다 광학 장치는 차량뿐만 아니라 로봇, 선박, 헬기, 드론 등 이동이 가능한 이동 장치에 적용이 가능하고, 아울러 건물, 기둥, 탑 등의 이동이 제한된 고정 장치에도 제한 없이 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.

100: 본체하우징 110: 윈도우
200: 고정부 300: 회전부
400: 레이저 모듈 410: 레이저 송신부
420: 레이저 수신부 411: 레이저 광 발신 모듈
412: 송신부 경통 렌즈 421: 포토다이오드
422: 수신부 경통 렌즈

Claims (7)

1. 레이저 광을 발신 및 수신하는 라이다 광학 장치에 있어서,
   일정 높이의 원형 기둥 형상을 갖는 본체하우징과 상기 본체하우징의 내부에서 고정되는 고정부와 상기 고정부에 대하여 회전하는 회전부로 이루어지되,
   상기 회전부에는 일자형 경통 구조의 형상을 갖는 레이저 송신부와 레이저 수신부가 결합 배치되는 레이저 모듈이 구비되고, 상기 레이저 모듈은 상기 회전부 상에서 레이저 광을 발신하고 목표물에 반사되어 돌아오는 레이저 광을 수신하는 것을 특징으로 하는 라이다 광학 장치.
   
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 레이저 송신부는 다수의 어레이(Array)에 의한 광 채널이 형성되도록 하는 수직 공진 표면발광 레이저(VCSEL)에 의해서 수직한 방향으로 방출된 레이저가 VCSEL의 발광면 상에 배치되는 VCSEL 어레이 렌즈를 통과하여 도트 배열(Dot array)의 레이저 광을 면 발광으로 방출하는 레이저 광 발신 모듈을 구비하는 것을 특징으로 하는 라이다 광학 장치.
   
3. 청구항 1에 있어서,
   상기 레이저 수신부는 PIN 포토다이오드, 애벌런치 포토다이오드(APD, Avalanche photodiode) 또는 실리콘 광전자 증배기(SiPM, Silicon photomultiplier) 중의 어느 하나로서 이루어진 수광 센서를 포함하는 것을 특징으로 하는 라이다 광학 장치.
   
4. 청구항 1에 있어서,
   상기 고정부는 상기 본체하우징의 내부 하측에 고정되어 전원 및 데이터 처리를 위한 고정기판과 상기 고정기판의 상부 둘레를 따라 형성되어 회전 자기장을 생성하는 고정부 페라이트 코어가 구비되는 모터 고정자를 포함하여 이루어지고,
   상기 회전부는 상기 모터 고정자의 회전 자기장에 의하여 회전 동력을 생성하는 회전부 페라이트 코어를 구비하는 모터 회전자, 상기 모터 회전자와의 결합에 의하여 360도 회전하며 상기 고정기판과 연동하는 회전기판으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 라이다 광학 장치.
   
5. 청구항 4에 있어서,
   상기 고정부의 고정기판에 고정되어 있는 아우터코일과 상기 회전부의 회전기판에서 회전하는 이너코일에 의한 유도전류의 발생으로 상기 고정부에서 회전부로 무접점 방식으로 전원을 공급하는 것을 특징으로 하는 라이다 광학 장치.
   
6. 청구항 4에 있어서,
   상기 고정부의 고정기판과 상기 회전부의 회전기판과의 데이터 신호를 송수신하기 위하여, 상기 고정기판의 중앙부와 일치하는 상기 회전기판의 중앙부에 광통신 송수신 모듈이 구비되는 것을 특징으로 하는 라이다 광학 장치.
   
7. 청구항 4에 있어서,
   상기 고정부의 고정기판과 상기 회전부의 회전기판과의 데이터 신호를 송수신하기 위하여, 블루투스(Bluetooth) 방식 또는 지그비(Zigbee) 방식 중의 어느 하나를 이용하는 근거리 저전력 무선 통신 송수신 모듈이 구비되는 것을 특징으로 하는 라이다 광학 장치.

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