KR20220039631A - Laser Optical System for LiDAR - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 3차원 인식센서인 라이다(LiDAR: Light Detection & Ranging)용 스캐너를 포함하는 라이다용 레이저 광학계에 관한 것이다.The present invention relates to a laser optical system for LiDAR including a scanner for LiDAR (Light Detection & Ranging), which is a three-dimensional recognition sensor.
라이다(LiDAR; Laser Detection And Ranging)는 자율주행 등의 핵심센서로서 3차원 측정이 가능하다. 주요 성능에는 해상도, 측정 범위, 측정 거리, 영상속도(frame rate) 등이 있으며, 그 밖에 크기 및 가격도 매우 중요하다. 측정원리로는 목표물(target)에서 반사된 레이저 펄스(laser pulse)가 검출기(detector)에 돌아오는데 걸리는 시간을 거리로 환산하는 신호처리부를 포함한 ToF(Time of Flight) 방식이 가장 많이 사용되고 있다 (도 1). LiDAR (Laser Detection And Ranging) is a core sensor for autonomous driving, etc., and can measure three-dimensionally. The main performance includes resolution, measurement range, measurement distance, frame rate, etc. In addition, size and price are also very important. As a measurement principle, the Time of Flight (ToF) method including a signal processing unit that converts the time it takes for the laser pulse reflected from the target to return to the detector into a distance is the most used (Fig. One).
3차원 라이다 이미지를 얻으려면 목표물을 레이저로 2차원 스캔을 해야 한다 (방식 A). 도 1은 수직방향으로 고속 스캐너를 사용하고, 수평방향은 저속 회전형 모터(motor)를 사용하는 2차원 스캔방식을 보여준다. 이 방식은 수평방향으로 360도를 측정할 수 있으나, 부품의 조립(assembly) 공정으로 제작된 모터를 사용하기 때문에 충격에 약하고, 대량 생산에서의 가격 인하가 어렵다(비특허문헌 1 참조). To obtain a three-dimensional lidar image, a two-dimensional scan of the target with a laser is required (Method A). 1 shows a two-dimensional scanning method using a high-speed scanner in a vertical direction and a low-speed rotating motor in a horizontal direction. This method can measure 360 degrees in the horizontal direction, but since it uses a motor manufactured by an assembly process of parts, it is weak to shock, and it is difficult to reduce the price in mass production (see Non-Patent Document 1).
다른 2차원 스캔 방법으로는 도 2에 보인 바와 같이, 수평축은 스캐너를 이용하고 수직방향은 1차원 레이저 array와 2차원 검출기 array를 사용할 수 있다 (방식 B)(비특허문헌 2 참조).As another two-dimensional scanning method, as shown in FIG. 2 , a scanner may be used for the horizontal axis and a one-dimensional laser array and a two-dimensional detector array may be used for the vertical direction (Method B) (see Non-Patent Document 2).
한편, 라이다의 광학적 구성에는 송신과 수신의 광축이 일치하는 동축 또는 공축(co-axial) 방식과 일치하지 않는 이축(bi-axial) 방식이 있으며, 일반적으로 광학적 구성과 스캔 방식은 독립적으로 선택할 수 있다. On the other hand, in the optical configuration of LIDAR, there is a coaxial or co-axial scheme in which the optical axes of transmission and reception coincide, and a bi-axial scheme in which the optical axis is not identical. In general, the optical configuration and the scanning scheme can be independently selected can
공축 방식의 광학적 구성은 간단하지만 좋은 성능의 광학계 설계가 어렵다는 특성이 있다. 도 1의 예를 들면, 고속축(fast-axis)의 수직 스캐너와 저속축(slow-axis)의 수평 스캐너가 포함된 공축 광학계에서 수직방향의 구동속도를 높이기 위하여 미러(mirror)를 작게 만드는 경우가 있다. 그러나 송신에서의 레이저빔(laser beam)의 직경은 일반적으로 작기 때문에 스캐너 미러 및 렌즈 직경이 작아도 문제가 없다. 그러나, 이와 같은 공축에서 송신과 수신이 공유된 광학계로는 수신광을 충분히 받을 수 없다는 문제가 있다. 공축 방식의 최종 단계에서는 수신광을 분리하여 검출기로 보내야 하며, 이를 위하여 레이저 광원과 스캐너 사이에 PBS(Polarizing Beam Splitter)를 사용하는 경우가 많다. 그러나 고가의 PBS 사용은 비용 상승의 원인이며, 광축의 정렬과정도 매우 까다로운 편이다.Although the optical configuration of the coaxial method is simple, it has a characteristic that it is difficult to design an optical system with good performance. For example, in the case of making a small mirror in order to increase the driving speed in the vertical direction in a coaxial optical system including a fast-axis vertical scanner and a slow-axis horizontal scanner there is However, since the diameter of the laser beam in transmission is generally small, there is no problem even if the diameter of the scanner mirror and lens is small. However, there is a problem in that the received light cannot be sufficiently received in the optical system in which transmission and reception are shared in such a coaxial manner. In the final stage of the coaxial method, the received light must be separated and sent to the detector. For this purpose, a Polarizing Beam Splitter (PBS) is often used between the laser light source and the scanner. However, the use of expensive PBS causes an increase in cost, and the alignment process of the optical axis is also very difficult.
또한 도 2의 이축 방식은 송신광학계가 수신을 공유하지 않기 때문에 수신광학계의 구경을 크게 함으로써 감도를 향상시킬 수 있다. 그러나 수직방향의 해상도를 높이려면 여러 개의 레이저 및 검출기가 필요하여 시스템이 복잡해진다는 단점이 있다. In addition, in the biaxial method of FIG. 2 , since the transmission optical system does not share reception, the sensitivity can be improved by increasing the aperture of the reception optical system. However, there is a disadvantage that the system becomes complicated because several lasers and detectors are needed to increase the resolution in the vertical direction.
도 3은 360도 측정을 위하여 두 거울면 (51, 52)이 동일한 방향으로 회전되는 방법을 이용한다 (방법 C1). 여기서 여러 개의 레이저를 사용하는 경우, 수직방향으로도 영상을 취득할 수 있지만, 회전 모터 안쪽에 검출기를 위치시켜야 하므로 구조가 복잡해진다(특허문헌 1 참조).3 uses a method in which two
도 4는 도 3을 변형한 실시예로서, 여러 개의 레이저 대신에 수직방향으로 1축 스캐너를 사용하고, 수평방향 스캔은 polygon 미러를 사용한다 (방법 C2). 이 방법은 수평방향으로 360도 범위 전체를 측정할 수는 없으나, polygon 미러만 회전시킴으로써 개선된 영상속도로 3차원 영상을 얻을 수 있다. 여기서 목표물과의 거리 (최대 150 m)는 두 스캐너의 간격(~cm)보다 많이 크기 때문에 목표물을 오가는 송신 및 수신광 경로는 목표물이 가까운 경우를 제외하고는 실제로는 거의 평행하다는 가정이 가능하다(특허문헌 2 참조). Fig. 4 is a modified embodiment of Fig. 3, in which a uniaxial scanner is used in the vertical direction instead of multiple lasers, and a polygon mirror is used for the horizontal scan (Method C2). Although this method cannot measure the entire 360 degree range in the horizontal direction, it is possible to obtain a 3D image at an improved image speed by rotating only the polygon mirror. Here, since the distance to the target (up to 150 m) is much larger than the distance (~cm) between the two scanners, it can be assumed that the transmit and receive light paths to and from the target are practically almost parallel except when the target is close ( See Patent Document 2).
여기서 송신과 수신에 사용하는 다면체(polygon) 미러 표면이 90도 각도 차이가 있는 경우에 송신된 레이저빔의 수평위치에 관계없이 레이저의 반대편에 있는 검출기에 수신광이 전달될 수 있다. 여기서 유의할 점은, 거리가 먼 경우에는 두 미러 표면의 회전각에 관계없이 수신광이 검출기 표면에 수직으로 입사하여 효율적인 검출이 가능하지만, 거리가 가까운 경우에는 입사각 오차로 인하여 수신광이 검출기에 수직으로 들어가지 못하거나 또는 광학계 설계에 따라 한쪽으로 편향(off-set)된다는 단점이 있다.Here, when the surface of a polygon mirror used for transmission and reception has a 90 degree angle difference, the received light can be transmitted to the detector opposite to the laser regardless of the horizontal position of the transmitted laser beam. It should be noted here that, when the distance is long, the received light is incident perpendicular to the detector surface regardless of the rotation angle of the two mirror surfaces, so that efficient detection is possible. There is a disadvantage in that it cannot enter into the optical system or it is deflected to one side (off-set) depending on the design of the optical system.
한편, 이 방식은 이축광학계(bi-axial optical system)를 이용하기 때문에 큰 수신용 렌즈를 사용할 수 있으며, 이에 따라 수신 광량이 높아지면서 감도를 높일 수 있다. 또한 수직방향에 대해서는 1차원 검출기 어레이(array)를 사용하여 선택성을 높임으로써 신호잡음비를 개선할 수 있다. 그러나 도 1의 로터(rotor)와 유사한 회전 모터를 사용하므로 충격에 약하고, 대량 생산에서의 가격 인하가 어려워진다.On the other hand, since this method uses a bi-axial optical system, a large receiving lens can be used, and thus the sensitivity can be increased as the amount of received light increases. In addition, in the vertical direction, the signal-to-noise ratio can be improved by increasing the selectivity by using a one-dimensional detector array. However, since a rotation motor similar to the rotor of FIG. 1 is used, it is weak to shock, and it is difficult to reduce the price in mass production.
이 문제를 해결하기 위하여 수직 스캔에 대하여 반도체 기반의 실리콘(Si) MEMS(MicroElectroMechanical System) 기술을 이용한 초소형 스캐너를 사용할 수 있으며, 이 경우에 미러를 포함한 구동체의 회전관성질량이 매우 작으므로 회전 속도를 높일 수 있다. 도 5는 독립된 2축 MEMS 스캐너 2개를 이용한 라이다 광학계로서, 좌우대칭으로 배열된 두 스캐너가 동기화(synchronization)되어 구동된다 (방식 D). 해당 특허의 명세서 및 청구항에는 “선결정된 동기화(predetermined synchronization)”로 추상적으로 기술되어 있으나, 동일 위상(in-phase)으로 구동되어야 수신광이 검출기에 정상적으로 전달된다는 것을 알 수 있다(특허문헌 3 참조). To solve this problem, a micro-scanner using semiconductor-based silicon (Si) MEMS (MicroElectroMechanical System) technology can be used for vertical scanning. In this case, the rotational speed of the actuator including the mirror is very small, so can increase 5 is a lidar optical system using two independent two-axis MEMS scanners, in which the two scanners arranged symmetrically are synchronized and driven (Method D). Although it is abstractly described as “predetermined synchronization” in the specification and claims of the patent, it can be seen that the received light is normally transmitted to the detector only when driven in the same phase (see Patent Document 3) ).
도 6은 두 개의 2축 MEMS 스캐너를 같은 평면에 배열한 것으로 도 5와 유사하게 동기화된 상태로 스캐너를 구동한다. 도 5 및 6에 사용된 라이다용 MEMS 스캐너는 유사 정적 모드(quasi-static mode)에서 구동하는 경우 구동각이 작고 구동 속도도 낮은 경우가 많다. 따라서 구동각과 구동주파수를 크게 하려면, 공진모드에서 구동하는 것이 바람직하다(비특허문헌 3 참조). 6 shows two 2-axis MEMS scanners arranged on the same plane, and similarly to FIG. 5, the scanners are driven in a synchronized state. When the MEMS scanner for lidar used in FIGS. 5 and 6 is operated in a quasi-static mode, the driving angle is small and the driving speed is often low. Therefore, in order to increase the driving angle and the driving frequency, it is preferable to drive in the resonance mode (see Non-Patent Document 3).
이와 같이 2개의 MEMS 스캐너를 공진주파수로 구동하는 경우, 효율적인 동기화 구동을 위해서는 공진주파수가 서로 동일하거나 또는 매우 가까운 스캐너를 사용해야 한다. 그 이유는 도 7에 보인 바와 같이 공진주파수가 약간 다른 2개의 스캐너를 사용할 때, 어느 한 공진주파수에서 구동하면 (노란 점선) 다른 스캐너는 구동각 손실(dA)이 크기 때문이다. 한편, 공진주파수 근처에서는 위상차가 주파수에 민감하게 반응하므로 df만큼 위상차가 발생하여 동일 위상으로 구동하기 어려우며, 이를 해소하기 위해서는 위상제어 회로가 별도로 필요하다.In this way, when two MEMS scanners are driven at a resonant frequency, scanners having the same resonant frequency or very close to each other must be used for efficient synchronized driving. The reason is that, when two scanners having slightly different resonant frequencies are used as shown in FIG. 7 , when driven at one resonant frequency (yellow dotted line), the other scanner has a large driving angle loss (dA). Meanwhile, in the vicinity of the resonance frequency, since the phase difference responds sensitively to the frequency, it is difficult to drive in the same phase because the phase difference occurs by df, and a separate phase control circuit is required to solve this problem.
지금까지 서술한 바와 같이 라이다에서 레이저 스캔을 위하여 회전모터를 사용하는 경우, 360도를 측정할 수 있다는 장점이 있으나, 부피가 크고, 속도가 느리며, 양산에서 가격 저하가 어려워 실제 상용화의 걸림돌이 되고 있다.As described so far, when a rotary motor is used for laser scanning in lidar, it has the advantage of being able to measure 360 degrees, but it is bulky, slow, and it is difficult to lower the price in mass production. is becoming
또한 동기화된 기존 스캐너의 경우, 고속의 수직스캐너가 저속의 수평 스캐너 안쪽에 배치된 2축 스캐너를 사용하기 때문에 수직방향의 구동 속도와 검출기의 센싱 감도를 동시에 개선하기 어렵다는 문제가 있다.In addition, in the case of a synchronized scanner, since a high-speed vertical scanner uses a two-axis scanner placed inside a low-speed horizontal scanner, there is a problem in that it is difficult to simultaneously improve the vertical driving speed and the sensing sensitivity of the detector.
본 발명은 부피가 작고, 고속스캔이 가능하며, MEMS 기술을 이용하여 대량생산이 가능한 MEMS 스캐너를 포함하는 라이다용 레이저 광학계를 제공하는 것을 목적으로 한다.An object of the present invention is to provide a laser optical system for lidar including a MEMS scanner that is small in volume, can perform high-speed scanning, and can be mass-produced using MEMS technology.
또한, 본 발명은 MEMS 스캐너의 수평방향 회전관성질량을 감소시켜 구동속도를 향상시키고 외부 진동의 영향을 적게 받을 수 있는 라이다용 레이저 광학계를 제공하는 것을 목적으로 한다.Another object of the present invention is to provide a laser optical system for lidar that can reduce the horizontal rotational inertia mass of the MEMS scanner to improve the driving speed and to be less affected by external vibrations.
또한, 두 스캐너의 위상제어를 통하여 본 발명은 검출기의 수신 감도 및 잡음 특성을 개선한 라이다용 레이저 광학계를 제공하는 것을 목적으로 한다.In addition, an object of the present invention is to provide a laser optical system for lidar in which the reception sensitivity and noise characteristics of a detector are improved through phase control of two scanners.
또한, 본 발명은 광 스캔 범위와 검출범위의 각 데드존을 최소화하여 측정 범위를 최대화할 수 있다.In addition, the present invention can maximize the measurement range by minimizing each dead zone of the optical scan range and the detection range.
본 발명에 따른 라이다용 레이저 광학계는 레이저광을 송수신하는 라이다용 레이저 광학계로서, 레이저 광원; 2차원 레이저 스캔이 가능한 2개의 송신 스캐너; 목표물에서 반사된 레이저광을 받기 위한 2개의 수신 스캐너; 및 상기 수신 스캐너에서 반사된 레이저광을 받아 전기신호를 만들어내는 검출기; 를 포함한다.A laser optical system for lidar according to the present invention is a laser optical system for lidar that transmits and receives laser light, comprising: a laser light source; Two transmit scanners capable of two-dimensional laser scanning; two receiving scanners for receiving laser light reflected from the target; and a detector that receives the laser beam reflected from the receiving scanner and generates an electrical signal. includes
또한, 본 발명에 따른 라이다용 레이저 광학계의 상기 레이저 광원 및 상기 검출기 앞에는 렌즈가 포함될 수 있다.In addition, a lens may be included in front of the laser light source and the detector of the laser optical system for lidar according to the present invention.
또한, 상기 송신 스캐너 및 상기 수신 스캐너는 동일한 위상을 가지면서 회전될 수 있다.Also, the transmitting scanner and the receiving scanner may be rotated while having the same phase.
또한, 상기 송신 스캐너 및 상기 수신 스캐너의 위상이 연계되어 회전할 수 있도록, 두 스캐너의 스프링 사이에 스프링 연계전극을 추가할 수 있다.In addition, a spring-connected electrode may be added between the springs of the two scanners so that the phases of the transmitting scanner and the receiving scanner are linked and rotated.
또한, 상기 송신 스캐너 및 상기 수신 스캐너의 위상이 연계되어 회전할 수 있도록, 두 스캐너의 미러 사이에 미러 연계전극을 추가할 수 있다.In addition, a mirror linkage electrode may be added between the mirrors of the two scanners so that the phases of the transmitting scanner and the receiving scanner are linked and rotated.
또한, 상기 송신 스캐너 및 상기 수신 스캐너의 위상이 연계되어 회전할 수 있도록, 두 스캐너의 각 미러에 형성된 윙과 이웃하는 구동전극 사이에 윙 연계전극을 추가할 수 있다.In addition, a wing linkage electrode may be added between a wing formed in each mirror of the two scanners and a neighboring driving electrode so that the phases of the transmitting scanner and the receiving scanner are linked and rotated.
또한, 상기 송신 스캐너 및 상기 수신 스캐너의 위상이 연계되어 회전할 수 있도록, 두 스캐너의 스프링 사이에 스프링 연계레버 및 힌지를 추가할 수 있다.In addition, a spring link lever and a hinge may be added between the springs of the two scanners so that the phases of the transmitting scanner and the receiving scanner are linked and rotated.
또한, 상기 송신 스캐너 및 상기 수신 스캐너의 위상이 연계되어 회전할 수 있도록, 두 스캐너의 미러 사이에 미러 연계레버 및 힌지를 추가할 수 있다.In addition, a mirror linkage lever and a hinge may be added between the mirrors of the two scanners so that the phases of the transmitting scanner and the receiving scanner are linked and rotated.
또한, 상기 송신 스캐너 및 상기 수신 스캐너의 스프링 사이에 있는 상기 스프링 연계전극의 양쪽에 단차가 있는 콤구조가 형성될 수 있다. In addition, a comb structure having a step difference may be formed on both sides of the spring-connected electrode between the springs of the transmitting scanner and the receiving scanner.
이 경우, 상기 송신 스캐너 및 상기 수신 스캐너의 각 스프링에 형성된 접지전극은 상기 스프링 연계전극에 이웃하고 있으며, 상기 접지전극 양쪽에는 서로 단차가 없는 콤전극이 형성되어 있고, 상기 접지전극에 이웃하는 구동전극과 상기 접지전극 사이에는 단차가 형성될 수 있다. In this case, the ground electrode formed on each spring of the transmitting scanner and the receiving scanner is adjacent to the spring-connected electrode, and comb electrodes having no step difference are formed on both sides of the ground electrode, and driving adjacent to the ground electrode A step may be formed between the electrode and the ground electrode.
대안으로, 상기 송신 스캐너 및 상기 수신 스캐너의 각 스프링에 형성된 접지전극은 상기 스프링 연계전극에 이웃하고 있으며, 상기 접지전극의 양쪽에는 서로 단차가 있는 콤전극이 형성되어 있고, 상기 접지전극에 이웃하는 구동전극과 상기 접지전극 사이에도 서로 단차가 존재할 수 있다.Alternatively, the ground electrode formed on each spring of the transmitting scanner and the receiving scanner is adjacent to the spring-connected electrode, and comb electrodes having a step difference are formed on both sides of the ground electrode, and adjacent to the ground electrode A step may also exist between the driving electrode and the ground electrode.
또한, 상기 송신 스캐너 및 상기 수신 스캐너의 윙 연계전극 양쪽에는 서로 단차가 없는 콤전극이 형성되어 있고, 상기 윙 연계전극에 이웃하는 구동전극과 상기 윙 연계전극 사이에는 단차가 형성될 수 있다.In addition, comb electrodes having no step difference are formed on both of the wing linkage electrodes of the transmitting scanner and the receiving scanner, and a step may be formed between the driving electrode adjacent to the wing linkage electrode and the wing linkage electrode.
또한, 상기 송신 스캐너 및 상기 수신 스캐너의 윙 연계전극 양쪽에는 서로 단차가 있는 콤전극이 형성되어 있고, 상기 윙 연계전극에 이웃하는 구동전극과 상기 윙 연계전극 사이에는 단차가 형성될 수 있다.In addition, a comb electrode having a step difference is formed on both of the wing linkage electrodes of the transmitting scanner and the receiving scanner, and a step may be formed between the driving electrode adjacent to the wing linkage electrode and the wing linkage electrode.
또한, 상기 송신 스캐너 및 상기 수신 스캐너를 각각의 공진주파수 중간에서 구동하며, 그 위상차는 구동을 위한 입력전압에서 보상할 수 있다.In addition, the transmitting scanner and the receiving scanner are driven in the middle of their respective resonant frequencies, and the phase difference may be compensated for by an input voltage for driving.
또한, 관심있는 측정 방향 및 거리에 맞추어, 송신광학계에 초점 가변렌즈를 사용할 수 있다.In addition, according to the measurement direction and distance of interest, a variable focus lens can be used in the transmission optical system.
또한, 상기 수신 스캐너는 상기 송신 스캐너에 대하여 광송수신 거리로 인한 시간영역의 위상차를 보상하여 구동할 수 있다.In addition, the reception scanner may be driven by compensating for a phase difference in the time domain due to the optical transmission/reception distance with respect to the transmission scanner.
또한, 상기 수신 스캐너는 상기 송신 스캐너에 대하여 시선 오차로 인한 공간영역의 위상차를 보상하여 구동할 수 있다.Also, the receiving scanner may be driven by compensating for a phase difference in a spatial domain due to a gaze error with respect to the transmitting scanner.
또한, 관심있는 측정 방향 및 거리에 맞추어, 수신 스캐너의 회전각에 시간영역 및 공간영역에서 발생하는 위상차를 보상할 수 있다.In addition, according to the measurement direction and distance of interest, it is possible to compensate for the phase difference occurring in the time domain and the spatial domain to the rotation angle of the receiving scanner.
또한, 상기 레이저 광원과 상기 검출기를 양쪽으로 마주보도록 배치하고, 상기 송신 스캐너 및 상기 수신 스캐너를 90도 위상차로 구동할 수 있다.In addition, the laser light source and the detector may be disposed to face each other, and the transmitting scanner and the receiving scanner may be driven with a 90 degree phase difference.
또한, 관심있는 측정 거리에 맞추어, 거리의 제곱에 반비례하여 레이저 출력을 조정하거나 또는 펄스 반복율(pulse rate)을 선형적으로 증가시킬 수 있다.Also, depending on the measurement distance of interest, one can adjust the laser power in inverse proportion to the square of the distance or increase the pulse rate linearly.
상기와 같이 구성되는 본 발명은 MEMS 기술을 이용하여 라이다용 레이저 광학계의 MEMS 스캐너를 제작함으로써 부피가 작고, 고속스캔이 가능하며, 대량생산이 가능하다.The present invention configured as described above uses MEMS technology to manufacture a MEMS scanner of a laser optical system for LiDAR, so that the volume is small, high-speed scanning is possible, and mass production is possible.
또한, 수직 스캐너와 수평 스캐너를 별개로 분리하여 수평방향의 회전관성질량을 감소시켜 구동속도를 향상할 수 있고, 외부 진동의 영향을 적게 받을 수 있다.In addition, by separately separating the vertical scanner and the horizontal scanner, the rotational inertia mass in the horizontal direction can be reduced to improve the driving speed and can be less affected by external vibration.
또한, 수평 방향에는 큰 미러가 포함된 이축광학계로 구성하고 수평 스캐너를 송신용 및 수신용의 2개로 분리하되 동일 위상으로 구동함으로써 검출기의 수신 감도 및 잡음 특성을 개선할 수 있다.In addition, it is possible to improve the reception sensitivity and noise characteristics of the detector by configuring a biaxial optical system including a large mirror in the horizontal direction and separating the horizontal scanner into two for transmitting and one for receiving, but driving them in the same phase.
또한, 수신광이 검출기에 들어올 때 수직으로 입사하도록 수신 스캐너의 회전각을 맞추도록 구성하여 광 스캔범위 및 검출범위의 각 데드존을 최소화하여 측정 범위를 최대화할 수 있다.In addition, it is possible to maximize the measurement range by minimizing each dead zone of the light scan range and the detection range by configuring the rotation angle of the receiving scanner to be vertically incident when the received light enters the detector.
도 1 내지 도 6은 종래 라이다용 스캐너의 구조 및 작동원리를 나타내는 도,
도 7은 종래 공진형 스캐너의 구동 특성을 도시한 그래프,
도 8은 레이저와 검출기 특성에 따른 측정범위를 도시한 도,
도 9 내지 도 12는 본 발명의 일실시예에 따른 라이다용 광학계의 구조를 도시한 도,
도 13은 본 발명에 따른 라이다용 광학계의 다른 실시예를 도시한 도,
도 14는 정전력으로 연계된 1축 스캐너 2개가 배열된 구조를 도시한 도,
도 15는 도 14의 구조에 가해지는 구동전압을 설명하기 위한 도,
도 16 내지 도 17은 정전력으로 연계된 1축 스캐너 2개가 배열된 다른 구조를 도시한 도,
도 18 및 도 19는 레버로 연계된 1축 스캐너 2개가 배열된 구조를 도시한 도,
도 20은 힌지 스프링으로 구성된 레버의 구조를 도시한 도,
도 21은 1축 스캐너 2개가 상하방향으로 배열된 구조를 도시한 도,
도 22는 2개의 스캐너에서 발생하는 시간 영역의 위상차를 도시한 도,
도 23은 2개의 스캐너에서 발생하는 공간 영역의 위상차를 도시한 도,
도 24는 90도 위상차를 갖는 라이다용 광학계를 도시한 도이다.1 to 6 are diagrams showing the structure and operating principle of a conventional lidar scanner;
7 is a graph showing the driving characteristics of a conventional resonant scanner;
8 is a view showing a measurement range according to the characteristics of a laser and a detector;
9 to 12 are diagrams showing the structure of an optical system for lidar according to an embodiment of the present invention;
13 is a view showing another embodiment of the optical system for lidar according to the present invention;
14 is a diagram showing a structure in which two uniaxial scanners linked by electrostatic force are arranged;
15 is a diagram for explaining a driving voltage applied to the structure of FIG. 14;
16 to 17 are diagrams showing another structure in which two uniaxial scanners linked by electrostatic force are arranged;
18 and 19 are diagrams showing a structure in which two uniaxial scanners linked by a lever are arranged;
20 is a view showing the structure of a lever composed of a hinge spring;
21 is a diagram showing a structure in which two single-axis scanners are arranged in the vertical direction;
22 is a diagram showing the phase difference in the time domain occurring in two scanners;
23 is a diagram illustrating a phase difference in a spatial domain generated by two scanners;
24 is a diagram illustrating an optical system for lidar having a phase difference of 90 degrees.
이하에서는, 도 8 내지 도 24를 참조하여 본 발명의 실시예를 자세히 설명한다.Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described in detail with reference to FIGS. 8 to 24 .
먼저, 도 8에는 레이저 광원(11)과 검출기(18) 사이의 간격인 기준 거리(L), 레이저 스캔 범위로 결정되는 광스캔 범위 (FoI: Field of Illumination; θ1) 및 검출기의 수용 각도(acceptance angle)로부터 결정되는 검출 범위 (FoV: Field of view; θ2)가 도시되어 있다. 바람직하게는 기준 거리(L)를 0, 그리고 광스캔 범위(θ1)와 검출 범위(θ2)를 서로 일치시킴으로써 측정범위를 극대화할 수 있다. 그러나 기준 거리(L)의 존재 및 광스캔 범위(θ1)와 검출 범위(θ2)의 차이로부터 목표물 측정이 불가능한 범위인 데드존(dead zone)이 존재하며, 이외의 영역으로 두 범위가 겹치는 영역이 측정 범위에 해당한다.First, in FIG. 8, the reference distance L, which is the interval between the
본 발명의 라이다 광학계의 기본 구조는 도 9 내지 도 12와 같다. 도 9 내지 도 12에 보인 바와 같이, 레이저 광원(11)에서 나온 레이저광 (붉은색)은 송신용 MEMS 수직 스캐너(51)의 미러를 통하여 수직(y방향)으로 스캔되며, 이어 송신용 MEMS 수평 스캐너(52)의 수평방향 미러에서 반사되면서 수평(x방향)으로 스캔되어 2차원 스캔이 완성된다.The basic structure of the lidar optical system of the present invention is shown in FIGS. 9 to 12 . 9 to 12, the laser light (red) emitted from the
목표물(24)에서 반사된 레이저광의 에너지는 초기에 비하여 상당히 작은 값을 가지며, 이 수신 광(노란색)은 수신용 MEMS 수평 스캐너(52a)의 미러에서 먼저 반사되고, 이어 수신용 MEMS 수직 스캐너(51a)의 미러를 통하여 검출기에 입력된다. 도 11의 정면도와 도 12의 측면도에서 매우 근접한 선은 실제로는 거의 중복되지만, 도를 자세히 보여주기 위하여 편의상 약간 분리하여 도시한 것이다. The energy of the laser light reflected from the
수직 스캔용 미러 2개는 추가적인 조립(assembly) 및 광정렬 공정이 필요하지 않도록 동일 평면상의 한 개의 실리콘 칩(Si chip) 위에 제작된다. 수평스캔용 미러 2개도 동일 평면상에 존재하며, 수직 및 수평 스캐너는 동기화되어 동일 위상으로 구동될 수 있다. 다른 실시예로, 수직스캔용 미러는 1개만 사용할 수 있으며, 이 경우 수직방향의 동기화는 필요하지 않다.Two mirrors for vertical scanning are manufactured on a single silicon chip (Si chip) on the same plane so that additional assembly and optical alignment processes are not required. Two mirrors for horizontal scanning are also present on the same plane, and the vertical and horizontal scanners can be synchronized and driven in the same phase. In another embodiment, only one mirror for vertical scanning may be used, and in this case, synchronization in the vertical direction is not required.
본 발명의 라이다 광학계는 수직방향의 고속 스캐너와 수평 방향의 저속 스캐너를 별개로 분리하므로 수평방향의 관성질량이 작아져서 공진주파수를 높일 수 있다. 이에 따라 수평 스캐너는 외란에 의한 영향을 줄일 수 있으며 또한 구동속도를 높여 영상속도를 올릴 수 있다.Since the LIDAR optical system of the present invention separates the high-speed scanner in the vertical direction and the low-speed scanner in the horizontal direction separately, the inertia mass in the horizontal direction is reduced, so that the resonance frequency can be increased. Accordingly, the horizontal scanner can reduce the effect of disturbance and increase the image speed by increasing the driving speed.
또한, 검출기의 수신 감도 및 잡음 특성을 개선하기 위하여 수평방향에는 큰 미러를 사용한 이축광학계로 구성한다. 즉, 수평 스캐너를 송신용 및 수신용의 2개로 분리하되, 동일 위상으로 구동한다. In addition, in order to improve the reception sensitivity and noise characteristics of the detector, it is composed of a biaxial optical system using a large mirror in the horizontal direction. That is, the horizontal scanner is divided into two for transmitting and one for receiving, but driven in the same phase.
즉, 라이다의 고속화, 소형화 및 저가격화를 위한 Si MEMS 스캐너를 사용하되, 검출기의 출력 신호를 개선하기 위하여 수평 스캔과 수직 스캔이 구분된 1축 스캐너 2개를 사용한다. In other words, a Si MEMS scanner for speeding up, downsizing, and low-cost LiDAR is used, but two single-axis scanners with separate horizontal and vertical scans are used to improve the output signal of the detector.
도 11에 본 발명의 라이다 광학계의 구조를 보였으며, 레이저 광원(11), 검출기(18), 고속의 수직 스캐너 2개(51, 51a), 저속의 수평 스캐너 2개(52, 52a)로 구성되어 있다.11 shows the structure of the LIDAR optical system of the present invention, and consists of a
수평방향 구동에서 주파수 선택이 상대적으로 자유로운 유사 정적 모드에서 스캐너를 사용하는 경우, 2개의 수평 스캐너를 동일 위상으로 구동하기 위한 제어를 수행할 수 있다.When the scanner is used in a pseudo-static mode in which frequency selection is relatively free in horizontal driving, control for driving two horizontal scanners in the same phase may be performed.
광원에서 수직 스캐너에 도달하는 레이저빔은 움직이지 않으므로 수직 스캐너의 미러 형상과 크기는 빔단면의 형상과 유사하되, 약간 크게 만든다. 그러나 수평 스캐너의 미러는 수직 미러의 움직임에 따른 스캔 길이가 반영되어야 하므로 세로방향으로 긴 타원형으로 만들 수 있다. 수평 스캐너의 미러 크기는 상대적으로 크지만, 타원의 장축이 회전중심이기 때문에 회전관성이 작아 구동속도가 크게 저하되지 않는다.Since the laser beam reaching the vertical scanner from the light source does not move, the mirror shape and size of the vertical scanner are similar to that of the beam cross-section, but slightly larger. However, the mirror of the horizontal scanner can be made into a long oval in the vertical direction because the scan length according to the movement of the vertical mirror must be reflected. Although the mirror size of the horizontal scanner is relatively large, since the long axis of the ellipse is the center of rotation, the rotational inertia is small and the driving speed is not significantly reduced.
송신용 레이저빔에서 일정한 직경 유지(collimation)를 위하여 레이저 광원(11)과 송신용 MEMS 수직 스캐너(51) 사이에 송신용 광학계를 추가할 수 있다. 마찬가지로, 검출기(18)가 많은 광량을 받을 수 있도록 수신용 MEMS 수직 스캐너(51a)와 검출기(18) 사이에 수신용 광학계를 추가할 수 있다. 수신용 광학계가 볼록렌즈 특성을 가지고 있으면 광축(on-axis)에 있지 않은 수신광은 검출기 위치에서 거리이동(shift)이 나타날 수 있다. 이를 해결하기 위해서는 큰 수신면적을 갖는 검출기를 사용해야 하나 전술한 바와 같이, 잡음이 커지고 응답속도가 낮아진다는 문제가 있다.An optical system for transmission may be added between the
한편, 도 13에 도시한 바와 같이, 구동각 확대를 위하여 송신용 수평 스캐너(52)를 지나 구동각 확대 렌즈(56)를 사용할 수 있다. 또한 수신 광량을 높여 집광효율을 개선하기 위하여 수신용 수평 스캐너(52a) 전에 광각 렌즈(57)를 추가적으로 사용할 수 있으며, 이 경우에 검출기(18) 앞에 있는 광학계와 연계되어 검출기(18)의 수용각에 맞게 설계되는 것이 바람직하다.On the other hand, as shown in FIG. 13 , the driving
도 14, 도 16 및 도 17은 위상이 연계된 상태로 구동이 가능한 MEMS 스캐너의 구조를 보여준다. 14, 16, and 17 show the structure of a MEMS scanner that can be driven in a state in which the phases are linked.
도 14는 2개의 1축 MEMS 스캐너가 옆으로 배열된 상태에서, 두 스캐너의 구동 전극 사이에 스프링 연계전극(66)을 추가한 것이다. 여기서 2, 4 번째 위치하는 미러 전극은 접지전극(61)으로서 이 전극에는 접지가 연결될 수 있으며, 3 번째 위치하는 스프링 연계 전극(66)에 구동 전압을 인가할 수 있으며, 이에 따라 2개의 스캐너 구동각에 위상차가 발생하는 경우 이를 억제할 수 있다.14 is a state in which two uniaxial MEMS scanners are arranged sideways, and a spring-connected
한편, 스프링 연계전극(66)에 전압을 인가하지 않은 상태에서 1, 5 번째 전극인 구동전극(62)에 구동전압을 인가함으로써 미러의 구동각을 증대시킬 수 있다(도 15 참조). 이 경우, 도 14의 단면도에 보인 바와 같이, 3 번째 전극인 연계전극(66)의 양쪽에 있는 콤전극(63)에 단차(G)(두 전극의 높이 차이)가 존재하지만, 2번째 및 4번째 전극의 양쪽에 있는 콤전극(63)에는 단차가 존재하지 않고, 다른 이웃하는 구동전극 사이(1번째 전극과 2번째 전극, 2번째 전극과 3번째 전극, 3번째 전극과 4번째 전극, 4번째 전극과 5번째 전극)에는 단차를 형성하는 것이 바람직하다. On the other hand, the driving angle of the mirror can be increased by applying a driving voltage to the driving
도 14의 다른 실시예로, 미러의 구동전압을 낮추기 위하여, 2번째 전극과 4번째 전극의 양쪽에 있는 콤전극(63)에는 단차가 존재하며, 다른 이웃하는 구동전극 사이(1번째 전극과 2번째 전극, 2번째 전극과 3번째 전극, 3번째 전극과 4번째 전극, 4번째 전극과 5번째 전극)에는 단차가 형성될 수 있다.14, in order to lower the driving voltage of the mirror, there is a step difference between the
도 16은 도 14의 두 미러에서 가장 가까운 위치에 미러 연계전극(67)을 추가한 것으로 도 14와 유사한 효과를 얻을 수 있다. 이 때 2번째 및 4번째 전극에는 서로 다른 전압을 인가할 수 있다.In FIG. 16, an effect similar to that of FIG. 14 can be obtained by adding the
도 17은 두 미러에 윙(68)을 형성하고 이 윙(68)에 콤구조의 윙 연계전극(69)을 형성하여 이웃하는 구동전극(62)의 콤구조와 매칭되게 하여 구동될 수 있는 실시예를 나타낸다. 상기 윙 연계전극(69)에 연결되어 있는 콤구조의 단차는 스프링 연계전극(66)의 경우와 유사하게 적용될 수 있다.17 is an embodiment that can be driven by forming
도 18 및 도 19는 위상이 연계된 상태로 구동이 가능한 MEMS 스캐너로서 도 14, 도 16 및 도 17과 다른 실시예를 보여준다. 도 18은 2개의 스캐너 스프링 사이에 추가된 스프링 연계레버(71)는 두 스캐너가 동일 위상으로 동작하도록 유도한다. 도 20은 스프링 또는 미러 사이에 연결된 힌지(76)와 스프링 연계레버(71)의 자세한 구조를 보여준다. 일반적으로 이 구조물의 두께는 전체적으로 균일하고, 가장 좁은 폭을 가진 부분을 힌지라고 하며, 다른 부분보다 큰 비틀림 변형이 발생한다. 따라서 도 18에 보인 바와 같이, 스프링 연계레버(71)의 길이가 길고 또한 힌지(76)의 비틀림 변형이 쉽게 일어나기 때문에 연계레버의 왕복 회전운동이 가능해진다. 이와 같은 연계레버의 움직임은 두 미러가 동일 위상으로 구동되도록 유도한다.18 and 19 show an embodiment different from FIGS. 14, 16 and 17 as a MEMS scanner that can be driven in a state in which the phases are linked. 18 shows that the
도 19는 2개의 미러 사이에 미러 연계레버(72)를 추가한 것으로서, 두 스캐너가 반대 위상으로 동기화할 필요가 있는 경우에 대비하여 다른 실시예로서 스캐너를 구성한 것이다. 이 경우, 미러 연계레버(72)의 길이가 짧기 때문에 동일 위상으로 구동하기에는 너무 큰 변형이 요구된다. 따라서 두 미러의 구동 자유도는 반대 위상으로만 존재한다고 볼 수 있으며, 이 때 3 번째에 있는 구동 전극에 연결된 양쪽 콤구조의 단차 방향은 서로 동일한 것이 바람직하다.19 shows that a
도 21은 2개의 1축 MEMS 스캐너가 상하방향으로 배열된 구조를 보여주며, 두 미러의 구동축이 동일하기 때문에 동일 위상 구동은 매우 용이하다. 여기에 맞는 라이다 광학계는 좌우가 아닌 상하방향으로 배치될 수 있으며, 위에서 설명한 방법이 유사하게 적용될 수 있다.21 shows a structure in which two uniaxial MEMS scanners are arranged in the vertical direction, and since the driving axes of the two mirrors are the same, co-phase driving is very easy. The lidar optical system suitable for this may be arranged in the vertical direction instead of left and right, and the method described above may be similarly applied.
또한 거리에 따른 최적의 이미지 해상도를 유지하기 위하여, 관심있는 측정 방향 및 거리에 맞추어 송신광학계에 초점 가변렌즈(tunable lens)를 이용할 수 있다.In addition, in order to maintain optimal image resolution according to distance, a tunable lens may be used in the transmission optical system according to the measurement direction and distance of interest.
한편, 수신 스캐너의 위상이 송신용과 완전히 일치하는 경우, 검출기에 들어오는 수신광의 입사각이 수직이 아니거나 또는 수신광학계를 통과하면서 편차가 발생하여 이미지가 나빠질 수 있다.On the other hand, when the phase of the receiving scanner completely coincides with that for transmission, the angle of incidence of the received light entering the detector is not perpendicular or a deviation occurs while passing through the receiving optical system, and thus the image may be deteriorated.
따라서 이미지를 개선할 수 있는 방법으로 수신 스캐너의 위상을 송신용과 약간 다르게 변화시키는 유사 위상일치(quasi-synchronization) 방법을 제안한다.Therefore, as a way to improve the image, we propose a quasi-synchronization method in which the phase of the receiving scanner is slightly different from that of the transmitting one.
즉, 도 22에 보인 바와 같이, 2개의 스캐너를 동기화된 상태로 작동하는 경우, 레이저빔을 송신할 때의 회전각 (붉은색 실선)을 기준으로 볼 때, 레이저빔이 목표물을 왕복한 후 레이저빔을 수신할 때의 회전각 (노란색 점선)이 달라진다. 이와 같은 시간 영역의 위상차(Φt)는 아래 식과 같이 표현되며, 이 때문에, 수신광(노란색 점선)이 검출기(18)에 들어오지 못하는 수신광 편차가 발생하거나 또는 좋은 신호를 얻을 수 없게 된다.That is, as shown in FIG. 22 , when two scanners are operated in a synchronized state, based on the rotation angle (solid red line) when transmitting the laser beam, the laser beam reciprocates to and from the target. The rotation angle (yellow dotted line) when receiving the beam is different. The phase difference Φt in the time domain is expressed by the following equation, and for this reason, a received light deviation that does not allow the received light (yellow dotted line) to enter the
광경로의 길이 L = zp + (zp+b)Length of light path L = z p + (z p +b)
시간 지연 td = L / c (c: 광속)time delay t d = L / c (c: speed of light)
시간영역 위상차 Φt = 360°·td / f (f: 스캐너의 구동주파수)Time domain phase difference Φ t = 360° t d / f (f: scanner driving frequency)
또한 도 23에 보인 바와 같이, 목표물이 가깝고 광축(on-axis)의 옆 방향으로 멀어질수록 아래 식과 같은 시차 오류 (line-of-sight error)가 커지며, 이로 인한 공간 영역의 위상차가 발생하며 이로 인하여 수신광 편차가 생긴다. Also, as shown in FIG. 23, as the target is closer and further away in the lateral direction of the on-axis, the line-of-sight error as shown in the following equation increases, resulting in a phase difference in the spatial domain. As a result, the received light deviation occurs.
공간영역 위상차 Φs = α - βSpatial phase difference Φ s = α - β
Φs = tan-1 (xp/zp) -tan-1 {(xp-a)/(zp+b)} Φ s = tan-1 (x p /z p ) -tan-1 {(x p -a)/(z p +b)}
이와 같은 시간 및 공간영역의 위상차로 인하여 유효 해상도 (effective resolution)가 낮아질 수 있으며, 이를 개선하기 위하여 면적이 큰 검출기를 사용할 수 있으나, 이 방법은 잡음이 커지고 반응속도가 느려진다는 단점이 있다.Due to the phase difference in the temporal and spatial domains, effective resolution may be lowered, and a detector having a large area may be used to improve this, but this method has a disadvantage in that noise increases and reaction speed becomes slow.
이를 해결하기 위한 방법으로 면적이 작은 검출기를 사용하되, 목표물에서 반사된 신호를 정확하게 받기 위하여 수신 스캐너의 회전각 b(t)를 아래 식과 같이 보상함으로써 시간영역 및 공간영역에서 발생하는 위상차를 줄일 수 있다. As a method to solve this problem, a detector with a small area is used, but in order to accurately receive the signal reflected from the target, the phase difference occurring in the time domain and the spatial domain can be reduced by compensating the rotation angle b(t) of the receiving scanner as shown in the following equation. there is.
송신 회전각 α(t) = A sin (2πf t) (A: 구동각의 1/2)transmission rotation angle α(t) = A sin (2πf t) (A: 1/2 of the driving angle)
xp(t) = zp tan {α(t)} x p (t) = z p tan {α(t)}
위상차의 합 Φts(t) = Φt + Φs(t)Sum of phase difference Φ ts (t) = Φ t + Φ s (t)
수신 회전각 β(t) = A sin {2πf t - Φts(t)}Receive rotation angle β(t) = A sin {2πf t - Φ ts (t)}
이 방법은 목표물의 위치 및 거리를 아는 경우에 적용될 수 있으므로, 필요에 따라 3차원 공간상의 관심 영역이 변경되는 경우 여기에 맞추어 적용이 가능하다. Since this method can be applied when the location and distance of the target are known, it can be applied accordingly when the ROI in the 3D space is changed as needed.
도 24에 보인 바와 같이, 레이저 광원(11)과 검출기(18)를 양쪽에서 마주보도록 배치할 필요가 있을 때에는 두 개의 미러를 90도 위상차로 구동할 수 있으며, 지금까지 설명한 위상과 관련된 발명의 내용은 여기에도 적용할 수 있다.24, when it is necessary to arrange the
또한 지금까지 기술한 발명의 내용은 수직 또는 수평 스캐너 모두에 적용될 수 있으며, 미러가 아닌 렌즈 스캐너 또는 위상배열 (phased array) 개념의 레이저 광원에도 적용될 수 있다.In addition, the contents of the present invention described so far can be applied to both vertical and horizontal scanners, and can also be applied to a non-mirror lens scanner or a laser light source of a phased array concept.
한편, 가까운 목표물에서 반사되어 돌아오는 광량은 상대적으로 매우 커서 검출기가 포화될 수 있다. 따라서 관심있는 측정 범위가 결정되면 그 거리의 제곱에 반비례하여 레이저 출력을 조정함으로써 가까운 거리에 대한 측정 범위를 넓힐 수 있으며, 또한 펄스 반복율(pulse rate)을 증가시켜 영상속도를 개선할 수 있다.On the other hand, the amount of light reflected back from a nearby target is relatively large, which may saturate the detector. Therefore, when the measurement range of interest is determined, the measurement range for a close distance can be expanded by adjusting the laser power in inverse proportion to the square of the distance, and the image speed can be improved by increasing the pulse rate.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정, 변경 및 치환이 가능할 것이다. 따라서 본 실시예는 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.The above description is merely illustrative of the technical spirit of the present invention, and various modifications, changes and substitutions will be possible without departing from the essential characteristics of the present invention by those skilled in the art to which the present invention pertains. . Accordingly, the present embodiment is intended to explain, not to limit the technical spirit of the present invention, and the scope of the technical spirit of the present invention is not limited by these embodiments. The protection scope of the present invention should be construed by the following claims, and all technical ideas within the scope equivalent thereto should be construed as being included in the scope of the present invention.
11: 레이저 광원
18: 검출기
24: 목표물
L: 기준길이
θ1: 광스캔 범위
θ2: 검출 범위
51, 51a: MEMS 수직 스캐너
52, 52a: MEMS 수평 스캐너
56: 확대 렌즈
57: 광각 렌즈
60: 수평미러
61: 접지전극
62: 구동전극
63: 콤전극
64: 스캐너 스프링
66: 스프링 연계전극
67: 미러 연계전극
68: 윙
69: 윙 연계전극
O: 중심회전
G: 단차
r: 회전반경
71: 스프링 연계레버
72: 미러 연계레버
76: 힌지
78: 힌지 고정체
80: 관심영역
81: 송신시 송신 스캐너
82: 수신시 송신 스캐너
83: 송신시 수신 스캐너
84: 수신시 수신 스캐너
a: x축 기준거리
b: z축 기준거리
xp: 목표물의 x축 위치
zp: 목표물의 z축 위치
89: 시간 위상차
92: 공간 위상차
94: 수신광 편차11: laser light source
18: detector
24: target
L: standard length
θ 1 : optical scan range
θ 2 : detection range
51, 51a: MEMS vertical scanner
52, 52a: MEMS horizontal scanner
56: magnifying lens
57: wide angle lens
60: horizontal mirror
61: ground electrode
62: driving electrode
63: comb electrode
64: scanner spring
66: spring-connected electrode
67: mirror connection electrode
68: wing
69: wing linkage electrode
O: center rotation
G: step
r: turning radius
71: spring link lever
72: mirror linkage lever
76: hinge
78: hinge fixture
80: region of interest
81: send scanner when sending
82: send scanner when receiving
83: Receive scanner when sending
84: receive scanner when receiving
a: x-axis reference distance
b: z-axis reference distance
x p : the x-axis position of the target
z p : the z-axis position of the target
89: time phase difference
92: spatial phase difference
94: received light deviation
Claims (20)
레이저 광원;
2차원 레이저 스캔이 가능한 2개의 송신 스캐너;
목표물에서 반사된 레이저광을 받기 위한 2개의 수신 스캐너; 및
상기 수신 스캐너에서 반사된 레이저광을 받아 전기신호를 만들어내는 검출기;
를 포함하는 것을 특징으로 하는 라이다용 레이저 광학계.In the laser optical system for lidar that transmits and receives laser light,
laser light source;
Two transmit scanners capable of two-dimensional laser scanning;
two receiving scanners for receiving laser light reflected from the target; and
a detector that receives the laser beam reflected from the receiving scanner and generates an electrical signal;
Laser optical system for lidar, characterized in that it comprises a.
상기 레이저 광원 및 상기 검출기 앞에 렌즈가 포함된 것을 특징으로 하는 라이다용 레이저 광학계.According to claim 1,
A laser optical system for lidar, characterized in that a lens is included in front of the laser light source and the detector.
상기 송신 스캐너 및 상기 수신 스캐너는 동일한 위상을 가지면서 회전되는 것을 특징으로 하는 라이다용 레이저 광학계.The method of claim 1,
The laser optical system for lidar, characterized in that the transmitting scanner and the receiving scanner are rotated while having the same phase.
상기 송신 스캐너 및 상기 수신 스캐너의 위상이 연계되어 회전할 수 있도록, 두 스캐너의 스프링 사이에 스프링 연계전극을 공유한 것을 특징으로 하는 라이다용 레이저 광학계.4. The method of claim 3,
A laser optical system for lidar, characterized in that a spring-connected electrode is shared between the springs of the two scanners so that the phases of the transmitting scanner and the receiving scanner are linked and rotated.
상기 송신 스캐너 및 상기 수신 스캐너의 위상이 연계되어 회전할 수 있도록, 두 스캐너의 미러 사이에 미러 연계전극이 추가된 것을 특징으로 하는 라이다용 레이저 광학계.4. The method of claim 3,
A laser optical system for lidar, characterized in that a mirror linkage electrode is added between the mirrors of the two scanners so that the phases of the transmitting scanner and the receiving scanner are linked and rotated.
상기 송신 스캐너 및 상기 수신 스캐너의 위상이 연계되어 회전할 수 있도록, 두 스캐너의 각 미러에 형성된 윙과 이웃하는 구동전극 사이에 윙 연계전극을 공유한 것을 특징으로 하는 라이다용 레이저 광학계.4. The method of claim 3,
A laser optical system for lidar, characterized in that a wing linkage electrode is shared between a wing formed in each mirror of the two scanners and a neighboring driving electrode so that the phases of the transmitting scanner and the receiving scanner are linked and rotated.
상기 송신 스캐너 및 상기 수신 스캐너의 위상이 연계되어 회전할 수 있도록, 두 스캐너의 스프링 사이에 스프링 연계레버 및 힌지를 공유한 것을 특징으로 하는 라이다용 레이저 광학계.4. The method of claim 3,
A laser optical system for lidar, characterized in that a spring-linked lever and a hinge are shared between the springs of the two scanners so that the phases of the transmitting scanner and the receiving scanner are linked and rotated.
상기 송신 스캐너 및 상기 수신 스캐너의 위상이 연계되어 회전할 수 있도록, 두 스캐너의 미러 사이에 미러 연계레버를 및 힌지를 공유한 것을 특징으로 하는 라이다용 레이저 광학계.4. The method of claim 3,
A laser optical system for lidar, characterized in that a mirror linkage lever and a hinge are shared between the mirrors of the two scanners so that the phases of the transmitting scanner and the receiving scanner are linked and rotated.
상기 송신 스캐너 및 상기 수신 스캐너의 스프링 사이에 있는 상기 스프링 연계전극의 양쪽에 단차가 있는 콤구조가 형성된 것을 특징으로 하는 라이다용 레이저 광학계.5. The method of claim 4,
Laser optical system for lidar, characterized in that a comb structure having a step difference is formed on both sides of the spring-connected electrode between the springs of the transmitting scanner and the receiving scanner.
상기 송신 스캐너 및 상기 수신 스캐너의 각 스프링에 형성된 접지전극은 상기 스프링 연계전극에 이웃하고 있으며, 상기 접지전극 양쪽에는 서로 단차가 없는 콤전극이 형성되어 있고, 상기 접지전극에 이웃하는 구동전극과 상기 접지전극 사이에는 단차가 형성된 것을 특징으로 하는 라이다용 레이저 광학계.10. The method of claim 9,
A ground electrode formed on each spring of the transmitting scanner and the receiving scanner is adjacent to the spring-connected electrode, and comb electrodes having no step difference are formed on both sides of the ground electrode, and the driving electrode adjacent to the ground electrode and the A laser optical system for lidar, characterized in that a step is formed between the ground electrodes.
상기 송신 스캐너 및 상기 수신 스캐너의 각 스프링에 형성된 접지전극은 상기 스프링 연계전극에 이웃하고 있으며, 상기 접지전극의 양쪽에는 서로 단차가 있는 콤전극이 형성되어 있고, 상기 접지전극에 이웃하는 구동전극과 상기 접지전극 사이에도 서로 단차가 존재하는 것을 특징으로 하는 라이다용 레이저 광학계.10. The method of claim 9,
A ground electrode formed on each spring of the transmitting scanner and the receiving scanner is adjacent to the spring-connected electrode, and a comb electrode having a step difference is formed on both sides of the ground electrode, and a driving electrode adjacent to the ground electrode and A laser optical system for lidar, characterized in that there is also a step difference between the ground electrodes.
상기 송신 스캐너 및 상기 수신 스캐너의 윙 연계전극 양쪽에는 서로 단차가 없는 콤전극이 형성되어 있고, 상기 윙 연계전극에 이웃하는 구동전극과 상기 윙 연계전극 사이에는 단차가 형성된 것을 특징으로 하는 라이다용 레이저 광학계.7. The method of claim 6,
A comb electrode having no step difference is formed on both of the wing linkage electrodes of the transmitting scanner and the receiving scanner, and a step is formed between the driving electrode adjacent to the wing linkage electrode and the wing linkage electrode. laser optics.
상기 송신 스캐너 및 상기 수신 스캐너의 윙 연계전극 양쪽에는 서로 단차가 있는 콤전극이 형성되어 있고, 상기 윙 연계전극에 이웃하는 구동전극과 상기 윙 연계전극 사이에는 단차가 형성된 것을 특징으로 하는 라이다용 레이저 광학계.7. The method of claim 6,
A comb electrode having a step difference is formed on both of the wing linkage electrodes of the transmitting scanner and the receiving scanner, and a step is formed between the driving electrode adjacent to the wing linkage electrode and the wing linkage electrode. laser optics.
상기 송신 스캐너 및 상기 수신 스캐너를 각각의 공진주파수 중간에서 구동하며, 그 위상차는 구동을 위한 입력전압에서 보상하는 것을 특징으로 하는 라이다용 레이저 광학계.According to claim 1,
A laser optical system for lidar, characterized in that the transmitting scanner and the receiving scanner are driven in the middle of their respective resonance frequencies, and the phase difference is compensated for by the input voltage for driving.
관심있는 측정 방향 및 거리에 맞추어, 송신광학계에 초점 가변렌즈를 사용하는 것을 특징으로 하는 라이다용 레이저 광학계.6. The method according to claim 4 or 5,
A laser optical system for lidar, characterized in that a variable focus lens is used in the transmission optical system according to the measurement direction and distance of interest.
상기 수신 스캐너는 상기 송신 스캐너에 대하여 광송수신 거리로 인한 시간영역의 위상차를 보상하여 구동하는 것을 특징으로 하는 라이다용 레이저 광학계.According to claim 1,
The laser optical system for LiDAR, characterized in that the receiving scanner is driven by compensating for a phase difference in the time domain due to the optical transmission/reception distance with respect to the transmitting scanner.
상기 수신 스캐너는 상기 송신 스캐너에 대하여 시선 오차로 인한 공간영역의 위상차를 보상하여 구동하는 것을 특징으로 하는 라이다용 레이저 광학계.According to claim 1,
The laser optical system for lidar, characterized in that the receiving scanner is driven by compensating for a phase difference in a spatial region due to a gaze error with respect to the transmitting scanner.
관심있는 측정 방향 및 거리에 맞추어, 수신 스캐너의 회전각에 시간영역 및 공간영역에서 발생하는 위상차를 보상하는 것을 특징으로 하는 라이다용 레이저 광학계.According to claim 1,
A laser optical system for lidar, characterized in that it compensates for the phase difference occurring in the temporal and spatial domains to the rotation angle of the receiving scanner according to the measurement direction and distance of interest.
상기 레이저 광원과 상기 검출기를 양쪽으로 마주보도록 배치하고, 상기 송신 스캐너 및 상기 수신 스캐너를 90도 위상차로 구동하는 것을 특징으로 하는 라이다용 레이저 광학계.According to claim 1,
A laser optical system for lidar, characterized in that the laser light source and the detector are arranged to face each other, and the transmitting scanner and the receiving scanner are driven with a phase difference of 90 degrees.
관심있는 측정 거리에 맞추어, 거리의 제곱에 반비례하여 레이저 출력을 조정하거나 또는 펄스 반복율(pulse rate)을 선형적으로 증가시키는 것을 특징으로 하는 라이다용 레이저 광학계.According to claim 1,
A laser optical system for lidar, characterized in that, according to the measurement distance of interest, the laser power is adjusted in inverse proportion to the square of the distance or the pulse rate is increased linearly.
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