KR20210158007A

KR20210158007A - 라이다 장치

Info

Publication number: KR20210158007A
Application number: KR1020200076229A
Authority: KR
Inventors: 문명일
Original assignee: 문명일
Priority date: 2020-06-23
Filing date: 2020-06-23
Publication date: 2021-12-30
Also published as: KR102656294B1; WO2021261809A1

Abstract

본 발명은 상부케이스와 하부케이스를 구비하는 하우징의 내측으로 하부케이스의 바닥면에 지지되면서 레이저빔을 발신하는 레이저 송신부와 레이저빔을 수신하는 레이저 수신부가 각각 상단과 하단으로 결합되어진 레이저모듈 어셈블리 및 상기 레이저모듈 어셈블리와 일정간격 이격되어 상부케이스의 천장면에서 지지되는 모터에 의해 회전하면서 레이저빔을 반사하는 미러가 결합되어 구성되는 미러 회전부를 포함하여, 레이저빔의 발신과 수신을 통한 주변의 물체나 지형을 스캔하는 3차원 라이다 장치에 관한 것이다.

Description

라이다 장치{LIDAR APPARATUS}

본 발명은 라이다 장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 레이저광을 발사하고 반사체 또는 산란체로부터 반사되는 반사광을 수신하여 물체까지의 거리와 형상 등을 3차원적으로 파악할 수 있는 라이다 장치에 관한 것이다.

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

이러한 라이다 장치는, 펄스 레이저광을 발사하고 반사체 또는 산란체로부터의 바사되는 반사광을 이용하여 물체까지의 거리와 물체의 형상 등을 파악하는 장치로서 반사광의 시간을 클럭 펄스로 계산하며 통상 그 진동수 30㎒로 5m, 150㎒로 1m의 분해능을 가진다.

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

특히, 전방향 스캔(Panoramic Scanning) 기능을 구비하는 라이다 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.

상술되어진 요구사항을 해결하기 위한 종래의 기술로서는 대한민국 공개특허공보 제10-2017-0078031(2017.07.07.)에 스캐닝 수직 영역이 가변되는 스캐닝 라이다에 관한 것이 공지되어 있다.

상기 배경기술은 스캐닝 수직 영역이 가변되는 스캐닝 라이다에 관한 것으로서, 측정 타겟으로 진행하는 펄스 레이저를 반사하는 반사미러를 모터를 통해 360도 회전을 제어함과 동시에, 단일 혹은 소수의 레이저와 수신부 및 수직 방향으로 미러가 회전하는 구조를 통하여, 수직 영역이 확장된 넓은 영역에 대한 스캔을 수행하여 3차원 공간정보 획득에 기반을 둔 스캐닝 수직 영역이 가변되는 스캐닝 라이다를 제공하는 데 있다.

본 발명은 전술한 종래기술의 문제점을 해결하기 위해 도출된 것으로, 본 발명의 목적은, 미러를 결합하는 미러프레임을 모터의 케이스와 일체화시키되 모터의 외부 아래측으로 연장되도록 하여 모터는 크기가 제한되지 않게 위치할 수 있고, 미러프레임 상에서 서로 마주하여 대응하는 미러 간격의 폭을 축소할 수 있는 라이다 장치를 제공하며, 미러 유닛을 회전력이 발생하는 모터의 하부 측에 구성하도록 함으로써, 회전하는 미러 유닛의 질량이 중력 방향으로 발생하여 회전 밸런스의 불균일에 따른 흔들림을 최소화할 수 있도록 하는 라이다 장치를 제공하고자 하는 것이다.

또한, 본 발명은 레이저 송신부에서 레이저빔을 발신할 때, 레이저빔의 방출 각도를 달리하기 위하여, 하나 이상의 레이저 다이오드(LD)를 상하 위치의 차이를 가진 일정거리 이격되게 서로 다른 높이로 적층 배치하여 서로 다른 레이저빔에 따른 광 채널이 형성되도록 하는 라이다 장치를 제공하고자 하는 것이다.

또한, 본 발명은 레이저 송신부의 전면 상에서 레이저빔을 반사하여 외부 목표물로 조사하게 하는 미러의 두 측면이 서로 다른 경사각을 갖도록 하여 레이저빔의 발산 범위를 확장할 수 있는 라이다 장치를 제공하고자 하는 것이다.

또한, 본 발명은 레이저 송신부의 전단에서 회전 운동에 따른 상하 수직으로 발산각이 분할되도록 제어할 수 있는 멤스미러를 구비하여 스캐닝 영역의 확장을 위한 라이다 장치를 제공하고자 하는 목적이 있다.

상기 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 측면에 따른 라이다 장치는 상부케이스와 하부케이스를 구비하는 하우징, 상기 하우징의 내측으로 하부케이스의 바닥면에 지지되면서 레이저빔을 발신하는 레이저 송신부와 레이저빔을 수신하는 레이저 수신부가 각각 상단과 하단으로 결합되어진 레이저모듈 어셈블리 및 상기 레이저모듈 어셈블리와 일정간격 이격되어 상부케이스의 천장면에서 지지되는 모터에 의해 회전하면서 레이저빔을 반사하는 미러가 결합되어 구성되는 미러 회전부를 포함하는 특징이 있다.

또한, 본 발명의 상기 레이저 송신부는 하나 이상의 레이저 다이오드(LD)를 상하 위치의 차이를 가진 일정거리 이격되게 서로 다른 높이로 적층 배치하고, 상기 레이저 다이오드의 어느 하나 이상에 대하여 발산 각도, 조사 주기 또는 타이밍을 서로 다르게 조절하여 서로 다른 레이저빔에 따른 광 채널이 형성되도록 함으로써, 스캔 영역의 확장 및 특정 영역의 스캔이 중복 가능하도록 하는 특징이 있다.

또한, 본 발명의 상기 미러 회전부는 상부케이스의 천장면에 결합되는 원형의 상부플레이트, 상기 상부플레이트에 체결수단에 의해 고정 결합되는 모터, 상기 모터의 중앙부를 수직 관통하면서 상하로 길게 형성되는 지지축, 상기 모터의 회전하는 아우터로터의 외주면으로 결합되어 형성되는 미러프레임 및 상기 미러프레임에 결합되는 하나 이상의 미러(Mirror)를 포함하여 이루어지는 특징이 있다.

또한, 본 발명의 상기 모터는 외주면이 회전하는 아우터로터(Outer Rotor)형 브러쉬리스디씨(Brushless Direct Current, BLDC) 모터인 특징이 있다.

또한, 본 발명의 상기 지지축은 상측 일단과 하측 일단에 회전 베어링이 구비되는 특징이 있다.

또한, 본 발명의 상기 미러프레임은 모터의 외주면 상에서 결합되는 직사각형 모양의 기둥 구조로, 모터의 아래측에서 다시 폭이 좁아지면서 연장되는 형태로 이루어지는 특징이 있다.

또한, 본 발명의 상기 미러프레임은 발신되는 레이저빔을 반사하여 외부 목표물로 조사하게 하는 상부미러와 목표물에 반사되어 돌아오는 레이저빔을 반사하는 하부미러가 분할되어 결합되는 형태로 이루어지는 특징이 있다.

또한, 본 발명의 상기 상부미러는 일측면 및 일측면과 평행하는 타측면이 서로 동일 방향으로 수직축에 대하여 일정 각도 기울어진 반사면으로 형성하여 스캐닝 각도를 확장할 수 있는 특징이 있다.

또한, 본 발명의 상기 미러프레임은 상부미러와 하부미러가 분할되는 지점에서 일정 길이로 돌출되는 아치(Arch) 형상의 분할리브가 형성되는 특징이 있다.

또한, 본 발명의 상기 레이저모듈 어셈블리는 레이저 송신부의 전단에서 수평축을 중심으로 일정 경사각의 회전 운동에 따라 입사되는 레이저 빔이 상하로 발산각이 분할되도록 조정하는 멤스미러를 구비하는 특징이 있다.

전술한 라이다 장치에 의한 본 발명은 회전하는 미러 유닛이 모터의 아래측으로 폭이 좁아지는 형태로 연장되는 미러프레임 부분에 위치시킴으로써, 모터의 크기가 제한되지 않고, 미러프레임 상에서 서로 마주하여 대응하는 미러 간격의 폭을 축소할 수 있음으로써, 제품사이즈를 더욱 작게 만들 수 있는 효과가 있다.

또한, 본 발명은 회전력을 발생하는 모터를 상부케이스의 천장면에서 지지되도록 하고 회전하는 미러 유닛을 모터의 하부 측에 구성하도록 함으로써, 회전하는 미러 유닛의 질량이 중력 방향 즉 수직으로 발생하여 회전 밸런스의 불균일에 따른 흔들림을 최소화하는 효과가 있다.

또한, 본 발명은 레이저 송신부에서 레이저빔을 발신할 때, 레이저빔의 방출 각도를 달리하기 위한 다양한 구조적 설계를 제공함에 있어, 제공되는 다양한 구조적 설계를 서로 조합하거나 복합적으로 구성하여 구현함으로써 스캐닝 각도의 확장 및 스캔 영역의 조절 등으로 인한 공간 스캔 성능을 극대화할 수 있는 라이다 장치를 제공하는 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 라이다 장치의 외관을 보여주는 사시도.
도 2는 본 발명의 일실시예 따른 라이다 장치의 상부 케이스를 제거한 상태를 나타낸 사시도.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 라이다 장치의 미러 회전부의 절단면을 도시하는 정면도.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 레이저 송신부가 하나 이상의 레이저빔 발신부를 구비한 라이다 장치의 사시도.
도 5는 도 4에 따른 레이저모듈 어셈블리의 단면도.
도 6은 상기 도3의 미러 회전부의 다른 실시예를 보여주는 예시도.
도 7은 상기 도3의 미러 회전부의 또 다른 실시예를 보여주는 예시도.
도 8은 본 발명의 다른 실시예로서, 레이저 송신부의 전단에 멤스미러가 구비되는 라이다 장치의 사시도.
도 9는 상기 도 8의 멤스미러가 상하 회전각을 가지며 회전 동작하는 예시도.
도 10은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 하나 이상의 레이저빔 발신부와 서로 다른 스캔 각도로 반사되는 미러회전부를 적용하여 이루어진 라이다 장치의 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 발명의 일실시예에 따른 라이다 장치의 외관을 보여주는 사시도이고, 도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 라이다 장치의 상부 케이스를 제거한 상태를 나타낸 사시도이며, 도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 라이다 장치의 미러 회전부의 A-B 측에서 바라본 정면도이다.

도시와 같이 본 실시예에 따른 라이다 장치(10)는 상부케이스(Upper Case)(11)와 하부케이스(Lower case)(12)를 구비하는 하우징으로 이루어진다. 여기서 상부케이스(11)와 하부케이스(12)는 사선으로 엇갈리게 체결되는 구조를 갖을 수 있다. 즉 하부케이스(12)는 하단면과 뒷면을 형성하는 구조이고, 상부케이스(11)는 상단면을 형성하며, 전단의 일면에는 발광되는 레이저빔(Beam)이 외부로 조사되고 외부에서 반사되어 돌아온 레이저빔이 내부로 관통하도록 광투과성 부재로 이루어진 윈도우(13)를 구비하는 구조이다.

그리고 라이다 장치(10)는, 하부케이스(13)의 바닥면에 지지되어 레이저 광을 방출하고 수신하는 레이저모듈 어셈블리(Assembly)(100)와 상부케이스(11)의 천장면에서 지지되는 모터에 의해 회전하는 미러들이 결합되어 구성되는 미러 회전부(200)를 포함하여 이루어진다.

상기 레이저모듈 어셈블리(100)는 미러 회전부(200)에 구성되는 미러(Mirror)를 향하여 특정 주파수대의 펄스 레이저빔을 발신하는 적어도 하나 이상의 레이저 다이오드(LD)와 레이저빔을 수신하는 적어도 하나 이상의 포토 다이오드(PD)가 결합되어 이루어진 레이저 송수신 유닛(Unit)이라 할 수 있다. 여기서, 레이저 다이오드(LD)는 레이저 송신부(Send)(110)에 대응하고, 포토 다이오드(PD)는 레이저 수신부(Receiver)(120)에 대응한다.

레이저 수신부(120)는 최종적으로 목표물에 조사된 후 다시 반사되는 레이저 광을 수광하여 광전 효과를 전류로 변환하는 고감도 애벌런치 포토다이오드(APD, Avalanche photodiode)이거나, 포토 셀(photocell), 전하 결합 소자(CCD)와 같은 이미징 센서 및 유사한 포토다이오드 디바이스를 포함하는 광 검출부로서, 통상적으로 사용되고 있는 검출 방법을 사용할 수 있으므로 자세한 설명은 생략한다.

이때, 레이저 송신부(110)는 레이저모듈 어셈블리(100)의 상단부로 형성되고, 레이저 수신부(120)는 레이저모듈 어셈블리(100)의 하단부로 형성된다. 즉, 레이저모듈 어셈블리(100)의 상단부에서 발광되는 레이저빔이 반사되어 하단부로 수신되는 구조이다.

도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 레이저 송신부가 하나 이상의 레이저빔 발신부를 구비한 라이다 장치의 사시도이고, 도 5는 도 4에 따른 레이저모듈 어셈블리의 단면도이다.

도 4 내지 도 5에서와 같이, 레이저 송신부(110)는 하나 이상의 레이저 다이오드(LD)를 상하 위치의 차이를 가진 일정거리 이격되게 서로 다른 높이로 적층 배치하여 이루어질 수 있다. 예를 들어 상기 레이저 송신부(110)는 하나 이상의 레이저빔 발신부(111)로 구성될 수 있으며, 이를 레이저빔 A부 B부, C부 또는 그 이상으로 구분할 수 있다.

이에 하나 이상의 레이저빔 발신부(111)의 레이저빔 A부 B부, C부 중의 어느 하나 이상에 대하여 발산 각도, 조사 주기 또는 타이밍을 서로 다르게 제어할 수 있게 구현하면, 서로 다른 레이저빔에 따른 광 채널이 형성될 수 있다.

이러한 구성의 레이저빔 발신부(111)를 가동시키면 서로 다른 지점에서 방출되는 레이저빔의 광채널이 미러프레임(240)의 상부미러(241)를 향하여 조사되고, 이후 목표물에 반사되어 오는 전방 영역을 입체적으로 스캐닝할 수 있게 된다.

또한, 특정 광채널의 발산 각도를 서로 상이하게 조절하거나 또는 특정 영역을 지향하는 각도에서 서로 겹치게 함으로써, 스캐닝 영역의 확장 및 특정 영역의 스캐닝 성능을 더욱 높일 수 있는 구현이 가능하다.

본 발명의 미러 회전부(200)는 상부케이스(11)의 천장면에 결합되는 원형의 상부플레이트(210), 상기 상부플레이트(210)에 고정 결합되는 모터(220), 상기 모터(10) 중앙부를 수직 관통하면서 상하로 길게 형성되는 지지축(230), 상기 모터의 회전하는 아우터로터의 외주면으로 결합되어 형성되는 미러프레임(240) 및 상기 미러프레임에 결합되는 하나 이상의 미러(Mirror)를 포함하여 이루어진다.

상기 모터(220)는 회전자(rotor)로 동작하는 모터회전부와 고정자(stator)로 동작하는 모터고정부로 이루어진다.

일실시예로 상기 모터(220)는 외주면이 회전하는 아우터로터(Outer Rotor)형 브러쉬리스디씨(Brushless Direct Current, BLDC) 모터일 수 있다. 즉 회전하는 모터회전부로 아우터로터(Outer Rotor)형 구조를 적용함으로써 모터의 외주면에서 회전하는 회전 구동체를 구현할 수 있다.

상기 모터(220)는 상측으로 볼트와 너트 등의 체결수단(211)으로 상부플레이트(210)와 고정되도록 결합된다. 즉 모터의 고정자(stator)로 동작하는 모터고정부를 연장하면서 이루어진 지지기판이 상부에서 연장되도록 하여 상부플레이트(210)와 결합되는 구조를 갖게 하였다.

여기서 상부플레이트(210)는 상부케이스(11)의 천장면에 결합되는 구조이므로, 이때 모터(220)는 미러 회전부(200)의 상측에서 지지되면서 회전 동작하는 형태로서의 위치를 갖게 됨을 알 수 있다.

상기 미러프레임(240)은 모터(220)의 외주면으로 형성되는 모터케이스와 결합되거나 또는 모터케이스(yoke)와 일체형 구성으로 이루어지며, 4면을 형성하는 직사각형 형상의 기둥 구조로 이루어진다.

이를 다시 설명하면, 모터(220)는 회전하는 외주면이 원형 형상으로 이루어질 수 있으나, 원형의 외주면을 연장하여 이루어지는 사각형의 모터케이스를 결합시킴으로써, 모터케이스와 일체형으로 이루어지는 미러프레임(240)이 사각 기둥 형상으로 이루어지도록 할 수 있는 것이다.

이때 본 발명의 미러프레임(240)은 직사각형 모양의 기둥 구조로 이루어지나, 모터의 아래측에서 다시 폭이 좁아지는 형태로 이루어진다.

이는 미러를 회전시키기 위해, 미러가 결합되어 이루어진 미러프레임(240)이 모터케이스(yoke)와 함께 조립되는 경우에 있어서, 미러프레임(240)의 내측으로 모터가 직접적으로 삽입되는 구조로 이루어질 시, 모터의 크기가 제한되어 모터 성능 구현에 한계가 있을 수 있으며, 미러프레임 상에서 서로 마주하여 대응하는 미러의 간격을 축소하는데 한계가 있을 수 있기 때문이다.

이에 따라 본 발명은 모터를 미러프레임(240)의 내측에서 직접적으로 위치시키는 것이 아닌, 모터(220)가 미러프레임(240)에 결합되어 이루어질 때, 미러들의 외부 바깥 측으로 위치하여 구성될 수 있도록 한 것이다.

즉 미러프레임(240)에 결합되는 미러들은 모터의 아래측으로 폭이 좁아지는 형태로 연장되는 미러프레임 부분에 위치시킴으로써, 모터의 크기가 제한되지 않고, 미러프레임 상에서 서로 마주하여 대응하는 미러 간격의 폭을 축소할 수 있음으로써, 제품사이즈를 작게 만들 수 있도록 할 수가 있다.

또한, 상기 미러프레임(240)은 모터(220)의 아래측에서 연장되는 구조로 회전할 시, 상기 모터(10) 중앙부를 수직 관통하면서 상하로 길게 형성되는 지지축(230)에 구비되는 회전 베어링(231, 232)에 의하여 실질적인 요동없이 안정적으로 회전 운동할 수 있도록 하였다.

상기 베어링은 모터(220)의 하측의 일정 거리에서 지지축(230)에 구비되어 미러프레임(240)의 일단과 접촉되는 제1베어링(231)과 지지축의 하부 일단에 구비되는 제2베어링(232)으로 이루어진다.

이상과 같은 모터(220)와 미러프레임(240)의 결합에 있어서, 모터를 하단 또는 하부 플레이트에 고정하고 회전하는 미러 유닛을 모터의 상측으로 구성하는 종래기술의 경우, 회전하는 미러 유닛의 질량에 의해 회전 밸런스가 불균일하여 흔들림이 발생하는 문제점이 있을 수 있으나, 본 발명은 모터(220)를 상부 플레이트에 결합하여 미러 회전부(200)의 상측에서 지지되면서 회전 동작하도록 위치시키고, 회전하는 미러 유닛이 모터의 하부 측에 구성하도록 함으로써, 회전하는 미러 유닛의 질량이 중력 방향 즉, 수직으로 발생하여 회전 밸런스의 불균일에 따른 흔들림을 최소화할 수 있게 하는 장점이 있다.

또한, 도 6은 상기 도3의 미러 회전부의 다른 실시예를 보여주는 예시도로서, 미러프레임(240)이 모터의 아래측에서 폭이 좁아지는 형태로 이루어질 때, 미러프레임(240)에 장착되는 미러가 상기 회전 베어링(231, 232)이 조립되는 내 측면 사이에 위치시켜, 서로 마주하여 대응하는 미러 간격의 폭을 더욱 최소화할 수 있으며, 이러한 구조에 의하여 제품 사이즈를 더욱 작게 만들 수 있다.

그리고 미러프레임(240)은 레이저 송신부(110)의 전면 상에서 레이저빔을 반사하여 외부 목표물로 조사하게 하는 상부미러(241)와 목표물에 반사되어 돌아오는 레이저빔을 레이저 수신부(120)로 반사하는 하부미러(242)가 분리되어서 결합되는 형태로 이루어진다.

상부미러(241)와 하부미러(242)는 반사 거울로서, 사각 평판 형태를 가지나 이에 한정하지는 않으며, 또한, 상기 미러프레임(240)의 표면에 부착되거나, 표면에 코팅된 구조로 배치될 수 있다.

즉, 미러프레임(240)은 모터(220)의 하측으로 연장되는 사각 기둥 형상으로 이루어지며, 미러프레임(240)에서 서로 마주하는 두 측면의 상단에는 상부미러(241)가 서로 마주하고, 하단에는 하부미러(242)가 서로 마주하여 대응하는 구조로 형성될 수 있으나, 이를 한정하는 것은 아니며, 상부미러(241)와 하부미러(242)는 사각 기둥 형상의 4 측면 상에 모두 미러를 배치하여 이루어질 수 있다.

또한, 도 7은 상기 도3의 미러 회전부의 또 다른 실시예를 보여주는 예시도이다.

이때, 미러프레임(240)은 상부미러(241)만 단독적으로 서로 다른 스캔 각도로 반사되도록 반사각을 달리하여 이루어질 수도 있으며, 상부미러(241) 및 하부미러(242) 모두에 대하여 비스듬하게 서로 다른 각도로 이루어지도록 설계되어 레이저빔을 산란시키거나 수신할 수 있도록 구현할 수 있다.

이는 도 7에서와 같이 레이저빔을 산란시키기 위한 상부미러(241)가 일측면 및 일측면과 평행하는 타측면이 서로 동일 방향으로 수직축에 대하여 일정 각도 기울어진 반사면으로 형성되었고, 상부미러(241)와 같은 연장방향으로 하부미러(242)도 일정 각도 기울어진 반사면이 형성됨을 알 수 있다.

이에 미러프레임(240)의 미러는 일측면이 수직축에 대하여 내측으로 예각(A1)을 이루고, 이에 대응하는 반대편의 타측면이 수직축에 대하여 내측으로 둔각(A2)을 형성하게 이루어져, 일측과 타측이 서로 평행하면서도 비스듬히 기울어진 형상의 반사면을 가진 사각 기둥 형태로 구현되며, 이때 상기의 예각(A1)과 둔각(A2)의 합은 180°가 된다.

일례로, 일측면의 미러(A1)는 89°의 예각으로 기울어진 반사면으로 형성되고, 반대편 타측면의 미러(A2)는 91°의 둔각으로 기울어진 반사면으로 형성될 수 있다는 것이다.

이러한 두 측면이 서로 다른 경사각을 갖는 미러의 쌍으로 인하여, 회전하는 미러프레임(240)에 의해 레이저빔이 반사될 때, 서로 다른 각도로 레이저빔이 발산됨으로써, 스캔 영역이 서로 다른 각도에 의해 범위가 확장되어 넓혀지는 효과를 제공할 수 있다.

또한, 상기 미러프레임(240)은 상부미러(241)와 하부미러(242)가 분리되는 지점에 단면과 직각으로 설치되는 구조로서, 상부미러(241)와 하부미러(242) 사이에서 일정 길이로 돌출되는 아치(Arch) 형상의 분할리브(Separation Rib)(243)를 구비할 수 있다.

상기 분할리브(243)에 의하여 레이저 송신부(110)에서 발신되어 상부미러(241)에 의하여 반사되는 레이저빔의 광원과 하부미러(242)로 입사되어 수신되는 레이저빔의 광원이 효과적으로 분리됨으로써, 광원의 불필요한 누광을 제거하는 효과를 제공할 수 있다.

도 8은 본 발명의 또 다른 실시예로서, 레이저 송신부의 전단에 멤스미러가 구비되는 라이다 장치의 사시도이고, 도 9는 상기 도 8의 멤스미러가 수평축을 중심으로 상하 회전각을 갖으며 회전 동작하는 예시도이다.

도 8에 따른 본 발명의 실시예에 의하면, 라이다 장치(10)는 레이저모듈 어셈블리(100)에 구비되는 레이저 송신부(110)의 전단에서 멤스미러(MEMS MIRROR)(130)를 더 구비할 수 있다.

멤스(MEMS, Micro Electro Mechanical System) 미러란 입사되는 레이저 빔을 목표 지점에 도달하도록 할 때, 주사 거울에 의해 상하 또는 좌우로 정확하게 편향되도록 조정할 수 있도록 스캐닝 기능을 제공하는 미러라 할 수 있다.

상기 멤스미러(130)는 플레이트 형상의 지지몸체, 상기 지지몸체의 중심 개구부에서 수평회전축을 중심으로 회동하는 주사 거울을 구비한다.

그러므로 도시에 따른 본 발명은 레이저 송신부(110)에서 발신되는 레이저빔이 직접적으로 상부미러(241)로 향하지 않고, 멤스미러(130)에서 한번 반사되고, 반사된 레이저빔이 다시 상부미러(2410를 향하는 광경로가 형성될 수 있도록 한다.

이때 레이저 송신부(110)의 선단에 위치하는 멤스미러(130)가 수평축을 중심으로 일정 경사각의 회전 운동을 함에 따라 레이저빔의 상하 수직 발산각이 분할되도록 제어될 수 있으며, 이렇게 제어된 레이저빔이 상부미러(241)를 향하여 발신되도록 구현되는 것이다.

이러한 레이저 송신부(110)의 전단에 멤스미러(130)를 구비하는 구조에 의하여 하나의 레이저 다이오드에서 발신하는 레이저빔이 형성하는 광채널이 멤스미러(130)의 회전 운동에 따른 상하 수직 발산각이 분할되도록 제어됨으로써, 사용되는 레이저 다이오드의 수를 절감하면서 고해상도를 갖는 라이다 스캔 성능을 발휘할 수 있게 된다. 레이저 다이오드의 수가 절감됨으로써 장치를 소형화하기에도 유리한 장점이 있다.

도 10은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 하나 이상의 레이저빔 발신부와 서로 다른 스캔 각도로 반사되는 미러회전부를 적용하여 이루어진 라이다 장치의 예시도이다.

본 발명은 레이저 송신부에서 레이저빔을 발신할 때, 상술되어진 본 발명의 실시예들에 따른 다양한 구조적 설계를 조합하거나, 복합적으로 배치 적용함으로써, 스캐닝 각도의 확장으로 인한 공간 스캔 성능을 극대화할 수 있는 다양한 라이다 장치를 제공할 수 있게 된다.

이에 도 10은 본 발명에서 제공되는 다양한 실시예의 하나로서, 레이저모듈 어셈블리(100)의 레이저 송신부(110)는 하나 이상의 레이저빔 발신부(111)를 포함하도록 구성하고, 미러 회전부(200)의 미러프레임(240)은 서로 다른 경사각을 갖는 미러의 쌍으로 형성하여, 스캐닝 각도의 확장으로 인한 공간 스캔 성능을 극대화할 수 있는 효과를 제공할 수 있게 된다.

도 10은 하나 이상의 레이저빔 발신부(111)와 서로 다른 스캔 각도로 반사되는 미러프레임(240)를 적용하는 것을 예시하였으나, 레이저 송신부(110)의 전단에 멤스미러(130)를 구비하는 구조에 서로 다른 스캔 각도로 반사되는 미러프레임(240)을 적용할 수도 있고, 이에 따른 스캔 영역 및 스캔 성능을 향상시키는 3차원 라이다 장치를 제공할 수 있음은 자명하다.

또 한편으로, 전술한 실시예에서는 제어부에 대하여 특별히 언급하지 않았지만, 레이저모듈 어셈블리(100)의 일측에 제어부를 더 구비할 수 있다. 그 경우, 제어부는 미러 회전부(200)와 연동하도록 구성되어 레이저 송신부(110)에 구비되는 레이저빔 발신에 대한 발산 각도, 조사 주기 또는 타이밍을 서로 다르게 제어하는 기능을 수행할 수 있으며, 레이저빔 발신 타이밍에 따른 모터의 회전 및 속도를 제어할 수 있다. 또한, 멤스미러(130)의 회전 발산각을 제어하거나, 레이저 송수신 모듈의 발신 및 수신 동작의 타이밍을 동기화하는 기능을 수행한다. 또한, 제어부는 레이저 수신부(120)에서 수신된 신호를 외부의 장치에 전달하도록 구현될 수 있다.

전술한 제어부는 논리회로, 프로그래밍 로직 컨트롤러, 마이컴, 마이크로프로세서 등에서 선택되는 적어도 어느 하나의 장치로 구현될 수 있고, 통신모듈을 구비하거나 통신모듈에 결합할 수 있다. 통신모듈은 인트라넷, 인터넷, 차량 네트워크 등으로 통해 외부 장치와 통신하며, 레이저 스캐닝을 통해 감지한 타겟이나 타켓과의 거리 등과 관련된 신호 혹은 데이터를 외부 장치에 전송할 수 있다.

한편, 도면에 도시하지는 않았지만, 라이다 장치(10)는 전원 공급을 위한 배선이나 어댑터 또는 전원공급수단을 구비할 수 있으며, 전원공급수단은 내부전원 또는 재충전 가능한 전원장치로 이루어질 수 있다.

전술한 본 발명의 라이다 장치를 사용하면, 레이저 모듈에서 발신되는 레이저 광을 원하는 타겟 범위로 효과적으로 반사하여 방출할 수 있고, 외부에서 반사되어 오는 레이저 광을 효과적으로 수신하여 레이저 광에 의한 타겟 감지나 타겟 측정을 효과적으로 수행할 수 있다. 또한, 멤스미러를 통해 윈도우를 통해 방출되는 레이저빔의 발산각을 조정할 수 있도록 하여 효과적으로 레이저 스캐닝 동작을 수행할 수 있게 된다.

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.

10: 라이다 장치 11: 상부케이스
12: 하부케이스 13: 윈도우
100: 레이저모듈 어셈블리 110: 레이저 송신부
120: 레이저 수신부 130: 멤스미러
200: 미러 회전부 210: 상부플레이트
220: 모터 230: 지지축
231: 제1베어링 232: 제2베어링
240: 미러프레임 241: 상부미러
242: 하부미러 243: 분할리브

Claims

라이다 장치로서,
상부케이스와 하부케이스를 구비하는 하우징,
상기 하우징의 내측으로
하부케이스의 바닥면에 지지되면서 레이저빔을 발신하는 레이저 송신부와 레이저빔을 수신하는 레이저 수신부가 각각 상단과 하단으로 결합되는 레이저모듈 어셈블리 및
상기 레이저모듈 어셈블리와 일정간격 이격되어 상부케이스의 천장면에서 지지되는 모터에 의해 회전하면서 레이저빔을 반사하는 미러가 결합되어 구성되는 미러 회전부를 포함하는 것을 특징으로 하는 라이다 장치.
청구항 1에 있어서,
상기 레이저 송신부는 하나 이상의 레이저 다이오드(LD)를 상하 위치의 차이를 가진 일정거리 이격되게 서로 다른 높이로 적층 배치하고,
상기 레이저 다이오드의 어느 하나 이상에 대하여 발산 각도, 조사 주기 또는 타이밍을 서로 다르게 조절하여 서로 다른 레이저빔에 따른 광 채널이 형성되도록 함으로써, 스캔 영역의 확장 및 특정 영역의 스캔이 중복 가능하도록 하는 것을 특징으로 하는 라이다 장치.
청구항 1에 있어서,
상기 미러 회전부는
상부케이스의 천장면에 결합되는 원형의 상부플레이트,
상기 상부플레이트에 체결수단에 의해 고정 결합되는 모터,
상기 모터의 중앙부를 수직 관통하면서 상하로 길게 형성되는 지지축,
상기 모터의 회전하는 아우터로터의 외주면으로 결합되어 형성되는 미러프레임 및
상기 미러프레임에 결합되는 하나 이상의 미러(Mirror)를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 라이다 장치.
청구항 3에 있어서,
상기 모터는 외주면이 회전하는 아우터로터(Outer Rotor)형 브러쉬리스디씨(Brushless Direct Current, BLDC) 모터인 것을 특징으로 하는 라이다 장치.
청구항 3에 있어서,
상기 지지축은 상측 일단과 하측 일단에 회전 베어링이 구비되는 것을 특징으로 하는 라이다 장치.
청구항 3에 있어서,
상기 미러프레임은 모터의 외주면 상에서 결합되는 직사각형 모양의 기둥 구조로, 모터의 아래측에서 다시 폭이 좁아지면서 연장되는 형태로 이루어지는 것을 특징으로 하는 라이다 장치.
청구항 6에 있어서,
상기 미러프레임은 발신되는 레이저빔을 반사하여 외부 목표물로 조사하게 하는 상부미러와 목표물에 반사되어 돌아오는 레이저빔을 반사하는 하부미러가 분할되어 결합되는 형태로 이루어지는 것을 특징으로 하는 라이다 장치.
청구항 7에 있어서,
상기 상부미러는 일측면 및 일측면과 평행하는 타측면이 서로 동일 방향으로 수직축에 대하여 일정 각도 기울어진 반사면으로 형성하여 스캐닝 각도를 확장할 수 있는 것을 특징으로 하는 라이다 장치.
청구항 7에 있어서,
상기 미러프레임은 상부미러와 하부미러가 분할되는 지점에서 일정 길이로 돌출되는 아치(Arch) 형상의 분할리브가 형성되는 것을 특징으로 하는 라이다 장치.
청구항 1에 있어서,
상기 레이저모듈 어셈블리는 레이저 송신부의 전단에서 수평축을 중심으로 일정 경사각의 회전 운동에 따라 입사되는 레이저 빔이 상하로 발산각이 분할되도록 조정하는 멤스미러를 구비하는 것을 특징으로 하는 라이다 장치.