KR20220080350A - 라이다 센서용 광학계 - Google Patents

Abstract

본 발명은 라이다 센서용 광학계에 관한 것이다.
본 발명에 따른 라이다 센서용 광학계는, 광 송신부와, 상기 광 송신부와 동축 상에 배치되는 광 수신부와, 상기 광 송신부의 광을 물체를 향하여 송출되도록 하고, 상기 물체에 의해 반사된 광이 상기 광 수신부로 수신되도록 하는 반사미러모듈을 포함하고, 상기 반사미러모듈은, 일면에 제 1 반사면이 형성되고 대향면에 제 2 반사면이 형성된 제 1 반사미러와, 상기 제 1 반사미러로부터 소정 거리 이격되어 배치되어 상기 제 1 반사미러에 대해 소정 각도로 경사지게 배치된 제 2 반사미러와, 상기 제 2 반사미러로부터 소정 거리 이격되어 배치되고 상기 제 2 반사미러에 대해 소정 각도로 경사지게 배치된 제 3 반사미러를 포함하고, 상기 광 송신부로부터 방출된 광은 상기 제 1 반사미러의 제 1 반사면에 의해 반사되고, 상기 제 1 반사면에 의해 반사된 광은 상기 제 2 반사미러에 의해 반사된 후, 상기 제 3 반사미러에 의해 반사되어, 상기 광 송신부와 광 수신부의 중심축에서 소정 거리 벗어난 위치에서 상기 제 1 반사미러에 형성된 윈도우를 통해 외부로 송출되며, 상기 물체에 의해 반사된 광은 상기 제 1 반사미러의 제 2 반사면에 의해 반사된 후 상기 광 수신부에 수신되도록 하는 것을 특징으로 한다.

Description

라이다 센서용 광학계 {OPTICAL SYSTEM FOR LIDAR SENSOR}

본 발명은 광 송신부와 광 수신부를 동축 구조로 하면서 광 수신부에 수신되는 광 신호 강도 저하를 현저하게 줄일 수 있을 뿐 아니라, 180도 이상의 광각 스캔이 가능하고 라이다 센서를 컴팩트하게 구성할 수 있는 광학계에 관한 것이다.

라이다(LIDAR - Light Detection And Ranging) 또는 레이다(LADAR -Laser Detection And Ranging)로 불리는 3차원 영상센서는 목표물을 향해 펄스 레이저광을 방출한 후 목표물에 반사되어 돌아오는 빛 에너지를 광 수신소자(Photo Detector)를 사용하여 포착하고 이를 전기적 신호로 변환함으로써, 목표물까지의 거리나 목표물의 이동속도 등을 산출할 수 있는 시스템이다.

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

이러한 라이다 센서에 사용되는 광학계를 구성함에 있어서, 광각의 회전스캔을 위하여 광 송신부와 광 수신부를 동일축 동일방향 위치구조(광원으로부터 회전하는 반사미러까지의 출력광원의 송광축과 수신 미러로부터 광검출부까지의 반사광원의 수광축이 일치되는 구조)가 되도록 형성할 경우, 광 수신부의 중심 부분에 반사되는 들어오는 광의 강도가 가장 강한 영역이 광 송신부에 의해 간섭이 발생하여 반사광의 수신 강도가 약해져 원거리 검출이 어려워지는 문제점이 발생한다.

이를 해결하기 위해 광 송신부의 광 출력을 높이는 방법을 통해 원거리 센싱을 할 수도 있으나 이 경우 라이다 센서의 제조 비용을 크게 높여 다양한 분야에의 적용을 어렵게 한다. 또한, 광 수신부의 면적을 넓게 할 경우 라이다 센서의 부피가 커져 컴팩트한 구성이 어려워지는 문제점이 있다. 또한, 종래의 라이다 센서의 광학계는 구조가 복잡하여 제조가 용이하지 않은 문제점도 있었다.

등록특허공보 제10-1665938호 공개특허공보 제2020-0033373호

본 발명의 목적은 광 송신부와 광 수신부를 동축으로 구성하더라도, 원거리 센싱이 가능할 정도로 수신되는 반사광의 강도를 유지할 수 있고, 180도 이상의 광각 스캔이 가능하며, 전체적인 시스템을 컴팩트하게 만들 수 있는 라이다 센서용 광학계를 제공하는데 있다.

상기 목적을 달성하기 위해 본 발명은, 광 송신부와, 상기 광 송신부와 동축 상에 배치되는 광 수신부와, 상기 광 송신부와 광 수신부 사이에 배치되어 상기 광 송신부의 광을 물체를 향하여 송출되도록 하고 상기 물체에 의해 반사된 광이 상기 광 수신부로 수신되도록 하는 반사미러모듈을 포함하고, 상기 반사미러모듈은, 일면에 제 1 반사면이 형성되고 대향면에 제 2 반사면이 형성된 제 1 반사미러와, 상기 제 1 반사미러로부터 소정 거리 이격되어 배치되는 제 2 반사미러와, 상기 제 2 반사미러로부터 소정 거리 이격되어 배치되는 제 3 반사미러를 포함하고, 상기 광 송신부로부터 방출된 광은 상기 제 1 반사미러의 제 1 반사면에 의해 반사되고, 상기 제 1 반사면에 의해 반사된 광은 상기 제 2 반사미러에 의해 반사되고, 상기 제 3 반사미러에 의해 반사되어, 상기 광 송신부와 광 수신부의 중심축에서 소정 거리 벗어난 위치에서 상기 제 1 반사미러에 형성된 제 1 윈도우를 통해 외부로 송출되며, 외부로 송출되어 상기 물체에 의해 반사된 광은 상기 제 1 반사미러의 제 2 반사면에 의해 반사된 후 상기 광 수신부에 수신되도록 하는, 라이다 센서용 광학계를 제공한다.

이러한 구조를 갖는 라이다 센서용 광학계는, 광 송신부와 광 수신부를 동축에 구성하여 광각 스캔이 용이하면서도, 상기 광 송신부와 광 수신부의 중심축에서 소정 거리 벗어난 위치에서 상기 제 1 반사미러에 형성된 제 1 윈도우를 통해 외부로 송출되고 수신되는 광이 광의 수신 강도가 가장 강한 광 수신부의 중심 영역에서 송신되는 광과 간섭이 발생하지 않도록 형성되어 있기 때문에, 광 수신부에 수신되는 광 신호 강도 저하를 종래에 비해 현저하게 줄일 수 있게 된다.

또한, 본 발명에 따른 라이다 센서용 광학계에 있어서, 상기 반사미러모듈을 회전 구동시키는 구동모듈을 더 포함할 수 있다. 이때, 상기 구동모듈은 상기 광학 수단을 90도 이상, 바람직하게는 180도 이상, 더 바람직하게는 270도 이상, 가장 바람직하게는 360도 회전이 가능하게 구동시킬 수 있다. 이를 통해, 90도 이하는 물론 180도 이상의 광각 스캔이 가능한 라이다 센서용 광학계를 구현할 수 있다.

또한, 본 발명에 따른 라이다 센서용 광학계에 있어서, 상기 구동모듈은 중공축 모터를 포함할 수 있다. 이러한 중공축 모터를 통해 컴팩트하게 광 송신부와 광 수신부를 동축 상에 배치될 수 있게 된다.

또한, 본 발명에 따른 라이다 센서용 광학계에 있어서, 상기 반사미러모듈은 지지대를 더 포함하고, 상기 제 1 반사미러, 제 2 반사미러 및 제 3 반사미러는 상기 지지대에 부착되어 있을 수 있다. 이와 같이, 지지대에 제 1 반사미러, 제 2 반사미러 및 제 3 반사미러를 부착하는 방식을 통해, 광학계의 제조 공정을 쉽게 만들 수 있다.

또한, 본 발명에 따른 라이다 센서용 광학계에 있어서, 상기 지지대는 측면에서 볼 때, 일단이 길게 연장하는 'ㄷ'자 형상을 이루고, 중심을 따라 연장하는 슬릿이 형성되어 있으며, 상기 'ㄷ'자 형상을 이루는 3개의 외측면 중, 제 1 외측면에 상기 제 1 반사미러가 부착되고, 제 2 외측면에 제 2 반사미러가 부착되며, 제 3 외측면에 제 3 반사미러가 부착될 수 있다.

이러한 구조를 가지는 지지대는 예를 들어 플라스틱 사출 성형을 통해 일체 성형이 가능하여 상기 구동모듈에 가하는 하중 부담을 줄일 수 있고 전체적으로 광학계를 구성하는 부품 수를 줄일 수 있어, 광학계를 보다 저비용으로 컴팩트하게 만들 수 있게 한다.

또한, 본 발명에 따른 라이다 센서용 광학계에 있어서, 상기 제 1 반사미러에는 추가로 상기 광 송신부와 광 수신부의 중심축에서 소정 거리 벗어난 위치에 제 2 윈도우가 형성되어 있고, 상기 제 1 반사미러와 광 송신부 사이에는 제 4 반사미러가 추가로 배치되고, 상기 제 4 반사미러는 다이크로익미러(dichroic mirror)로 이루어져, 상기 광 송신부에서 송신되는 광의 파장에 따라 반사시키거나 투과시키며, 상기 제 4 반사미러에 의해 반사된 광은 상기 제 2 윈도우를 통해 외부로 송출되고, 상기 제 4 미러에 의해 투과된 광은 상기 제 1 반사미러의 제 1 반사면에 의해 반사되고, 상기 제 1 반사면에 의해 반사된 광은 상기 제 2 반사미러에 의해 반사되고, 상기 제 3 반사미러에 의해 반사되어, 상기 광 송신부와 광 수신부의 중심축에서 소정 거리 벗어난 위치에서 상기 제 1 반사미러에 형성된 제 2 윈도우를 통해 외부로 송출될 수 있다.

이와 같이 다이크로익미러를 사용할 경우 파장대별로 다이크로익미러에 의해 반사되거나 투과되도록 조절할 수 있기 때문에, 파장대별로 광 경로를 다르게 조절할 수 있어, 1개의 레이저 소스로 2채널의 레이저 광 방출이 가능하게 되어, 2채널 라이다를 저비용으로 구현할 수 있게 된다. 이때, 상기 제 1 윈도우와 제 2 윈도우를 통해 송출되는 광의 송출각도가 서로 상이하게 하는 것이 바람직하다.

또한, 본 발명에 따른 라이다 센서용 광학계에 있어서, 상기 제 1 윈도우 및/또는 제 2 윈도우의 송출면에는 제 1 윈도우 및/또는 제 2 윈도우로부터 소정 길이까지 송출되는 광이 상기 라이다 센서의 구조물에 반사되지 않도록 관(tube) 형상의 가이드 관이 부착되어 있는 것이 바람직하다.

상기 제 1 반사미러에 형성된 제 1 윈도우 및/또는 제 2 윈도우에서 송출되는 광의 일부가 라이다 구조물에 의해 반사되어 수광될 경우 노이즈로 작용하게 되므로, 이를 방지하기 위하여 제 1 윈도우 및/또는 제 2 윈도우의 송출면에서 반사가 일어나지 않는 소정 거리까지 관(tube) 형상의 가이드관을 부착할 경우, 송출광의 라이다 구조물에 의한 반사를 막을 수 있어 보다 바람직하다.

또한, 본 발명에 따른 라이다 센서용 광학계에 있어서, 상기 광 수신부는, 상기 제 1 반사미러의 제 2 반사면에 의해 반사된 광을 집속하는 집속렌즈와, 상기 집속렌즈로부터 집속된 광으로부터 전기신호를 생성하는 신호생성부를 포함할 수 있다.

본 발명에 따른 라이다 센서용 광학계는, 광 송신부와 광 수신부를 동축에 구성하면서도, 수광되는 광이 광의 수신 강도가 가장 강한 광 수신부의 중심 영역에서 간섭이 발생하지 않도록 형성되어 있기 때문에, 광 수신부에 수신되는 광 신호 강도 저하를 종래에 비해 현저하게 줄일 수 있고, 180도 이상의 광각 스캔이 가능하며, 컴팩트한 장치 구현이 가능하게 된다.

도 1은 본 발명의 실시예 1에 따른 라이다 센서용 광학계의 측단면도이다.
도 2은 본 발명의 실시예 1에 따른 라이다 센서용 광학계를 구성하는 반사미러모듈의 사시도이다.
도 3은 본 발명의 실시예 1에 따른 라이다 센서용 광학계를 포함하는 라이다 센서의 사시도이다.
도 4는 본 발명의 실시예 1에 따른 라이다 센서용 광학계의 광 수신부에 수신된 반사광을 처리하는 과정을 설명하는 개략도이다.
도 5는 본 발명의 실시예 1에 따른 라이다 센서용 광학계의 광 경로를 나타낸 것이다.
도 6은 본 발명의 실시예 2에 따른 라이다 센서용 광학계의 측단면도이다.
도 7은 본 발명의 실시예 2에 따른 라이다 센서용 광학계의 광 경로를 나타낸 것이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 기초로 본 발명을 상세히 설명하기로 한다.

또한, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이고 사전적인 의미로 해석되어서는 아니 되며, 발명자들은 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 바람직한 실시예에 불과할 뿐이고, 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형 예들이 있을 수 있으며 본 발명의 범위가 다음에 기술하는 실시예에 한정되는 것은 아니다.

[실시예 1]

도 1은 본 발명의 실시예 1에 따른 라이다 센서용 광학계의 측단면도이고, 도 2은 본 발명의 실시예 1에 따른 라이다 센서용 광학계를 구성하는 반사미러모듈의 사시도이고, 도 3은 본 발명의 실시예 1에 따른 라이다 센서용 광학계를 포함하는 라이다 센서의 사시도이고, 도 4는 본 발명의 실시예 1에 따른 라이다 센서용 광학계의 광 수신부에 수신된 반사광을 처리하는 과정을 설명하는 개략도이고, 도 5는 본 발명의 실시예 1에 따른 라이다 센서용 광학계의 광 경로를 나타낸 것이다.

도 1 내지 도 5를 참조하면, 본 발명의 실시예 1에 따른 라이다 센서용 광학계(10)는, 광 송신부(100)와, 상기 광 송신부와 동축 구조(광원으로부터 회전하는 반사미러까지의 출력광원의 송광축과 수신 미러로부터 광검출부까지의 반사광원의 수광축이 일치되는 구조)이면서 광 송신부와 서로 마주보도록 배치된 광 수신부(200)와, 상기 광 송신부의 광을 반사시켜 물체를 향하여 송출되도록 하고, 상기 물체에 의해 반사된 광이 상기 광 수신부로 수신되도록 반사시키는 반사미러모듈(300)과, 반사미러모듈(300)을 회전 구동시키는 구동모듈(400)을 포함하여 이루어진다.

또한, 본 발명에 따른 라이다 센서용 광학계(10)를 포함하는 라이다 센서에는 추가로 상기 광학계의 광 송신부(100)와 광 수신부(200), 상기 구동모듈(400)을 제어하는 제어부(20)와 상기 구성 요소들을 보호하기 위한 커버(30)가 포함된다.

상기 광 송신부(100)는 물체까지의 거리를 측정한 점군 데이터를 통해 3차원 영상을 획득하기 위한 펄스 레이저광을 외부로 방출하기 위한 것으로, 레이저 광원(110)과, 상기 레이저 광원(110)의 선단부에는 방출된 레이저광이 분산되지 않고 집속되어 방출되도록 하는 콜리메이트(120)가 부착되어 있다.

상기 광 송신부(100)를 구성하는 레이저 광원(110)의 위치는, 도 1에 도시된 것과 같이, 라이다 센서의 하부 하우징의 중심부에 배치되어 그 송광축이 상기 광 수신부(200)의 수광축과 동축을 이룬다. 상기 광 송신부(100)에는 라이다 센서를 구성하는 하부 하우징(130)에 배치된 전원부(미도시)로부터 제공된다.

또한, 상기 광 송신부(100)는 1개의 레이저 광원으로 이루어질 수 있으나, 해상도가 높은 입체 영상을 얻기 위하여 다채널(즉, 2개 이상의 레이저 광원)로 이루어질 수도 있다.

상기 콜리메이트(120)는 상기 레이저 광원의 방출부에 인접하여 배치되는 FAC(Fast Axis Collimator)와 FAC에 인접하여 배치되는 SAC(Slow Axis Collimaotr)를 포함하여 이루어질 수 있다. 이러한 콜리메이트를 통해 레이저 광원에서 방출된 광의 형태를 대략 직사각형의 집속된 광 형태로 만들 수 있다.

상기 광 수신부(200)는, 상기 광 송신부(100)를 통해 방출된 펄스 레이저광이 외부의 물체에 반사되어 돌아오는 반사광을 수신하는 것으로, 적어도 1개의 광집속렌즈(210)를 포함하고, 상기 광집속렌즈(210)로부터 집속된 광은 광신호처리기(220)를 통해 전기적 신호로 변환되어 3차원 영상의 형태로 만들어진다.

상기 광신호처리기(220)는, 도 4에 도시된 것과 같이, 방출된 레이저광이 아닌 태양광과 같은 외부신호의 영향을 최소화하기 위해 각각 특정 주파수 이하의 성분이나 특정 주파수 이상의 성분을 제거하고 입력하는 밴드패스 필터와, 상기 밴드패스필터를 통과한 광을 전기적 신호로 변환하는 포토다이오드와 상기 포토다이오드의 전기적 신호를 증폭시키는 증폭기와, 상기 증폭기를 통과한 전기 신호로부터 수신 레이저광의 피크를 검출하는 피크 검출기와, 상기 피크 검출기의 검출신호로부터 반사광의 강도를 구하는 ADC(아날로그-디지털 변환기)와, 상기 증폭기를 통과하여 증폭된 신호로부터 반사광의 입력시간을 결정하기 위한 시간 판별기와 상기 시간 판별기의 정보로부터 펄스레이저광 출력시간과 반사레이저 입력시간의 차이를 측정하는 TDC(시간-디지털 변환기)를 포함한다.

상기 반사미러모듈(300)은, 지지대(310)와, 상기 지지대(310)에 부착된 제 1 반사미러(320), 제 2 반사미러(330), 제 3 반사미러(340)을 포함하여 이루어진다.

상기 지지대(310)는, 도 1 및 도 2에 도시된 것과 같이, 측면에서 볼 때, 일단이 길게 연장하는 'ㄷ'자 형상을 이루고, 'ㄷ'자 형상의 타단은 수직으로 연장하는 형상을 이루고 하부에는 상기 'ㄷ' 형상으로부터 연장하는 양 단부를 연결하며, 상기 구동모듈(400)에 체결될 수 있는 구조로 이루어져 있다. 또한 상기 지지대(310)의 하부에는 상기 광 송신부(100)로부터 방출되는 광을 통과시킬 수 있는 구멍이 형성되어 있다.

상기 지지대(310)의 중심을 따라서는 소정 폭을 갖는 슬릿(311)이 상기 'ㄷ'자 형상에 의해 형성되는 제 1 면(312), 제 2 면(313) 및 제 3 면(314)에 연속되게 형성되어 있다. 한편, 본 발명의 실시예 1에서는 광 경로 형성을 위하여 슬릿(311)을 형성하였으나, 각각 분리되거나 합쳐진 구멍 형태로 형성할 수도 있다.

본 발명의 실시예 1과 같이 슬릿(311)으로 형성할 경우, 지지대(310)의 재료를 절감하고 무게를 줄일 수 있어 상기 구동모듈(400)을 저출력의 모터를 사용하더라도 회전 구동이 가능하여 광학계의 제조비용을 절감할 수 있어 보다 바람직하다.

상기 지지대(310)는 성형이 가능한 다양한 재료로 만들어질 수 있으나, 가벼운 플라스틱 재료를 사용하여 사출 성형법을 통해 만들어지는 것이 가장 바람직하다.

상기 지지대(310)의 제 1 면(312) 상에는 해당 영역의 슬릿(311)을 커버할 수 있는 형상의 제 1 반사미러(320)가 부착되고, 상기 제 2 면(313) 상에는 해당 영역의 슬릿(311)을 커버할 수 있는 형상의 제 2 반사미러(330)이 부착되고, 상기 제 3 면(314) 상에는 해당 영역의 슬릿(311)을 커버할 수 있는 형상의 제 3 반사미러(340)가 부착되어 있다.

본 발명의 실시예 1에서 상기 제 1 반사미러(320), 제 2 반사미러(330) 및 제 3 반사미러(340)가 모두 사각형 형상으로 이루어져 있으나, 그 형상에 특별한 제한은 없으며, 원형, 타원형 등 다양한 형상으로 형성될 수 있다.

상기 제 1 반사미러(320)에는 그 중심에서 벗어난 상부에 상기 광 송신부(100)로부터 방출된 레이저 광이 외부로 송출될 수 있도록 제 1 윈도우(321)가 형성되어 있다. 또한 상기 제 1 반사미러(320)의 하면에는 상기 레이저 광을 반사시킬 수 있는 제 1 반사면(322)이 형성되어 있고, 상기 제 1 반사미러(320)의 상면에는 물체에 반사되어 온 반사광을 상기 광 수신부(200)을 향하여 반사킬 수 있도록 제 2 반사면(323)이 형성되어 있다.

상기 제 2 반사미러(330)에는 상기 지지대(310)의 내측을 향하는 면에는, 제 1 반사면(322)에 의해 반사된 레이저 광이 소정 각도로 반사될 수 있도록 제 3 반사면(331)이 형성되어 있다.

상기 제 3 반사미러(340)에는 상기 지지대(310)의 내측을 향하는 면에는, 제 3 반사면(331)에 의해 반사된 레이저 광이 소정 각도로 반사될 수 있도록 제 4 반사면(341)이 형성되어 있다.

상기 구동모듈(400)은, 상기 반사미러모듈(300)을 회전 구동시켜 소정 각도, 예를 들어 90°, 180°, 270°, 360°와 같은 각도로 스캔하기 위한 장치로, 중공축 모터(410)를 포함하여 이루어진다.

상기 중공축 모터(410)로의 전원은 하부 하우징(130)을 통해 외부의 전원(예를 들어, 24V 전원)을 인가받아, 전기로 작동하는 각종 장치에 전력을 공급한다. 상기 중공축 모터(410)는 그 하부에 배치되는 레이저 광원(110)이 중공축 모터(410)를 통해 상부에 배치되는 반사미러모듈(300)로 광 송출이 이루어지도록 하기 위한 것으로, 광 송신부(100)와 광 수신부(200)를 동축으로 배치하기 위해 필요한 모터이다.

상기 제어부(20)는, 본 발명의 실시예 1에 따른 라이다 센서용 광학계(10)를 포함하는 스캐닝 시스템의 각종 구성을 제어하기 위한 제어회로와 3차원 영상데이터 처리모듈을 포함한다.

상기 제어부(20)는 상기 중공축 모터(410), 레이저 광원(110)을 제어하기 위한 제 1 제어부(21)과, 상기 광 수신부(200)를 제어하기 위한 제 2 제어부(22)를 포함하여 이루어진다.

상기 커버(30)는 도 2에 도시된 바와 같이, 합성수지나 금속으로 관(tube) 형태로 가공된 것으로, 일 측에는 상기 레이저 광원(110)에서 생성된 펄스 레이저광을 방출하고 반사된 광을 수광하기 위한 제 1 윈도우(31)가 형성되어 있다.

본 발명에 따른 라이다 센서용 광학계(10)는 레이저 광원이 방출되는 위치와 수광되는 위치가 실질적으로 동일하므로 상기 커버(210)에 발광용과 수광용의 윈도우를 각각 형성하지 않고 하나의 윈도우만을 형성한다.

상기 윈도우(31)는 스캔되는 각도에 맞추어 형성될 수 있다. 예를 들어, 180° 스캔이 필요할 경우, 전체 둘레에서 절반 정도에 윈도우가 형성되고, 360° 스캔이 필요할 경우 전체 둘레에 윈도우가 형성될 수 있다.

다음으로 실시예 1에 따른 광학계를 포함하는 라이다 센서의 동작에 대해 상세하게 설명한다.

상기 외부 전원을 공급받아 상기 제어부(500)에 구비된 제어회로에 의해 상기 레이저 광원(110)과 중공축 모터(410)에 작동 전원 및 신호가 제공된다.

먼저, 상기 중공축 모터(410)를 구동시키면, 상기 중공축 모터(410)에 연결된 지지대(310)가 회전 구동된다. 그러나, 상기 광 수신부(200) 및 상기 커버(30)는 상기 지지대(310)의 회전에 연동되지 않게 체결되어 있어 회전 구동되지 않는다. 이에 따라, 상기 중공축 모터(410)가 회전 구동시켜야 하는 부품의 수를 반사미러모듈(300)로 제한할 수 있게 되어, 종래에 비해 저출력 모터를 사용하여도 광각 스캔이 가능하게 된다.

이와 함께, 상기 레이저 광원(110)에서 펄스 레이저를 생성하면, 도 5에 도시된 것과 같이, 생성된 펄스 레이저는 콜리메이터(120)를 통해 집속되어 방출된 후, 먼저 상기 반사미러모듈(300)의 제 1 반사미러(320)의 하면에 형성된 제 1 반사면(322)에 반사되고, 제 1 반사면(322)에 반사된 펄스 레이저는 제 2 반사미러(330)의 제 3 반사면(331)에 반사되고, 제 3 반사미러(340)의 제 4 반사면(341)에 반사된 후, 제 1 반사미러(320)에 형성된 제 1 윈도우(321)을 통해 외부로 방출된다.

이와 같이 방출된 펄스 레이저가 외부의 물체에 도달하여 반사되면, 반사된 펄스 레이저 중 일부는 상기 커버(30)에 형성된 윈도우(31)를 통해 라이다 센서 내로 들어오며, 들어온 반사 펄스 레이저는 상기 반사렌즈모듈(300)의 제 1 반사미러(320)에 형성된 제 2 반사면(323)에 의해 반사되어, 상기 광 수신부(200)로 보내진다.

상기 광 수신부(200)로 입사되는 반사 펄스 레이러는 집속렌즈(210)에 의해 모아져 광신호처리기(220)로 보내진다. 광신호처리기(220)에서는 수신된 펄스 레이저를 밴드패스필터를 통해 각각 특정 주파수 이하의 성분이나 특정 주파수 이상의 성분을 제거하고, 상기 밴드패스필터를 통과한 광을 포토다이드를 통해 전기적 신호로 변환하며, 변환된 전기적 신호를 증폭기를 통해 증폭하고, 피크 검출기를 통해 증폭된 전기신호로부터 특정 피크를 검출한 후, ADC를 사용하여 검출신호로부터 반사된 펄스 레이저의 강도를 구하고, 동시에 시간 판별기 및 TDC를 통해 증폭된 신호로부터 반사광의 시간을 구하여, 점군 데이터를 생성한다. 이와 같이 생성된 점군 데이터는 3차원 영상을 형성하기 위한 연산장치에 제공된다.

이상과 같이, 본 발명에 따른 라이다 센서용 광학계는, 광 송신부(100)와 광 수신부(200)가 제 1 반사미러(320)를 중심에 둔 상태에서 상호 반대면에 동축으로 배치되어 있기 때문에, 제 1 반사미러(320)를 포함하는 반사미러모듈(300)만을 회전시킴으로써 최대 360도까지 주위로 레이저 광을 방출하고 산란된 레이저 광을 수광할 수 있게 된다. 즉, 본 발명에 따른 광학계는, 90도 이하의 좁은 각도는 물론, 180도 이상, 바람직하게 270도 이상, 더 바람직하게 360도의 광각 스캔이 가능하게 된다.

또한, 본 발명에 따른 광학계 구조에서는, 광 송신부(100)에서 방출되는 레이저 광과 물체에 의해 산란되어 되돌아오는 레이저 광이 제 1 반사미러(320)에서 짧은 거리만큼만 옵셋(offset)을 가지고 평행하게 송,수신이 이루어지게 되므로, 근거리 검출에 있어서도 전혀 제약을 받지 않는다.

또한, 제 1 반사미러(320)의 제 2 반사면(323)의 중심부에는 물체에 의해 산란되어 되돌아오는 레이저 광을 간섭하는 구조가 없기 때문에, 가장 강도가 높은 제 2 반사면(323)의 중심 부분에 입사되는 반사광을 그대로 광 수신부(200)에 이용할 수 있어, 동일한 광 출력을 사용하더라도 보다 먼 거리의 물체 검출이 가능하게 된다.

또한, 본 발명에 따른 광학계 구조에서는, 제 1 반사미러(320)를 포함하는 반사미러모듈(300)을 회전시키는 구동모듈(400)은 중심에 작은 크기의 중공홀이 있는 중공축 모터(410)를 사용함으로써, 광 송신부(100)에서 방출하는 펄스광을 그대로 광 반사모듈로 입사되게 할 수 있으므로, 방출되는 레이저 빔을 집속하기 위한 콜리메이션 렌즈를 상기 중공홀에 취부할 경우, 라이다 센서를 보다 컴팩트하게 구성할 수 있게 된다.

또한, 본 발명에 따른 광학계 구조에서는, 반사미러모듈(320)에 부착되는 제 1 반사미러(320)과 수광 렌즈(210)의 크기를 크게 하지 않고도 원거리 검출이 가능한 라이다 센서를 구현할 수 있다.

[실시예 2]

도 6은 본 발명의 실시예 2에 따른 라이다 센서용 광학계의 측단면도이고, 도 7은 본 발명의 실시예 2에 따른 라이다 센서용 광학계의 광 경로를 나타낸 것이다.

도 6에 도시된 것과 같이, 본 발명의 실시예 2에 따른 라이다 센서용 광학계는 실시예 1에 따른 광학계에서 추가로 다이크로익미러로 이루어진 제 4 반사미러(350)과, 상기 제 1 반사미러(320)에 추가로 제 2 윈도우(324)가 형성되어 있고, 제 1 윈도우(321)와 제 2 윈도우(324)의 송출면의 표면으로부터 소정 거리까지 연장하는 가이드관(325)이 형성되어 있는 점에서 차이가 있다. 실시예 2에 설치된 가이드관(325)은 선택적인 구성으로 필요할 경우 실시예 1에도 설치할 수 있다.

따라서, 이하에서는 실시예 1과 동일한 구성에 대한 설명을 생략한다.

상기 제 4 반사미러(350)는 지지대(310)에 부착되어 상기 광 송신부(100)의 광 송출경로와 상기 제 1 반사미러(320)의 사이로 소정 각도로 경사지게 돌출 배치되어 있다. 제 4 반사미러(350)는 다이크로익미러로 이루어져 있는데, 다이크로익미러는 광을 투과시키는 유리와 같은 모재 상에 특정 파장영역을 반사시키는 물질이 코팅된 구조로 이루어져 있다.

상기 가이드관(325)는 상기 제 1 반사미러에 형성된 제 1 윈도우 및/또는 제 2 윈도우에서 송출되는 광의 일부가 라이다 구조물에 의해 반사되어 노이즈를 생성하는 것을 막기 위한 것으로 반드시 설치되어야 하는 것은 아니다. 상기 관(325)의 단면 형상은 특별히 제한되지 않으면, 원형, 타원형, 다각형 등 다양하게 형성될 수 있다.

또한, 상기 제 4 반사미러(350)에 의해 반사되는 광 경로 상에 위치하는 제 1 반사미러(320)에는 광이 외부로 송출될 수 있도록 하는 제 2 윈도우(324)가 형성되어 있다.

다음으로 실시예 2에 따른 광학계를 포함하는 라이다 센서의 동작에 대해 상세하게 설명한다.

상기 레이저 광원(110)에서 펄스 레이저를 생성하면, 도 7에 도시된 것과 같이, 생성된 펄스 레이저는 콜리메이터(120)를 통해 집속되어 방출된 후, 상기 제 4 반사미러(350)의 다이크로익미러 코팅면에 의해 펄스 레이저의 파장영역에 따라 반사(점선 표시) 또는 투과(실선 표시)가 된다. 예를 들어 가시광 중에서 청색영역대는 반사되고, 녹색 또는 적색영역대는 투과될 수 있다.

상기 펄스 레이저에서 방출된 광의 파장이 제 4 반사미러(350)에 의해 반사되는 광(점선 표시)일 경우, 제 4 반사미러(350)에 의해 반사되어 상기 제 2 윈도우(324)를 통해 외부로 송출된다.

또한, 상기 펄스 레이저에서 방출된 광의 파장이 제 4 반사미러(350)에 의해 투과되는 광(실선 표시)일 경우, 제 4 반사미러(350)을 투과하여 제 1 반사미러(320)의 하면에 형성된 제 1 반사면(322)에 반사되고, 제 1 반사면(322)에 반사된 펄스 레이저는 제 2 반사미러(330)의 제 3 반사면(331)에 반사되고, 제 3 반사미러(340)의 제 4 반사면(341)에 반사된 후, 제 1 반사미러(320)에 형성된 제 1 윈도우(321)을 통해 외부로 송출된다.

이와 같이 외부로 송출된 펄스 레이저가 외부의 물체에 도달하여 반사되면, 반사된 펄스 레이저 중 일부는 상기 커버(30)에 형성된 윈도우(31)를 통해 라이다 센서 내로 들어오며, 들어온 반사 펄스 레이저는 상기 반사렌즈모듈(300)의 제 1 반사미러(320)에 형성된 제 2 반사면(323)에 의해 반사되어, 상기 광 수신부(200)로 보내진다. 이후의 과정은 실시예 1과 동일하다.

10: 광학계
20: 제어부
30: 커버
100: 광 송신부
200: 광 수신부
300: 반사미러모듈
400: 구동모듈

Claims (11)

1. 광 송신부와, 상기 광 송신부와 동축 상에 배치되는 광 수신부와, 상기 광 송신부와 광 수신부 사이에 배치되어 상기 광 송신부의 광을 물체를 향하여 송출되도록 하고 상기 물체에 의해 반사된 광이 상기 광 수신부로 수신되도록 하는 반사미러모듈을 포함하고,
   상기 반사미러모듈은, 일면에 제 1 반사면이 형성되고 대향면에 제 2 반사면이 형성된 제 1 반사미러와, 상기 제 1 반사미러로부터 소정 거리 이격되어 배치되는 제 2 반사미러와, 상기 제 2 반사미러로부터 소정 거리 이격되어 배치되는 제 3 반사미러를 포함하고,
   상기 광 송신부로부터 방출된 광은 상기 제 1 반사미러의 제 1 반사면에 의해 반사되고, 상기 제 1 반사면에 의해 반사된 광은 상기 제 2 반사미러에 의해 반사되고, 상기 제 3 반사미러에 의해 반사되어, 상기 광 송신부와 광 수신부의 중심축에서 소정 거리 벗어난 위치에서 상기 제 1 반사미러에 형성된 제 1 윈도우를 통해 외부로 송출되고,
   외부로 송출되어 상기 물체에 의해 반사된 광은 상기 제 1 반사미러의 제 2 반사면에 의해 반사된 후 상기 광 수신부에 수신되도록 하는, 라이다 센서용 광학계.
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 반사미러모듈을 회전 구동시키는 구동모듈을 더 포함하는, 라이다 센서용 광학계.
3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
   상기 반사미러모듈은, 일체로 성형된 지지대를 더 포함하고, 상기 제 1 반사미러, 제 2 반사미러 및 제 3 반사미러는 상기 지지대에 부착되어 있는, 라이다 센서용 광학계.
4. 제 3 항에 있어서,
   상기 지지대는 측면에서 볼 때, 일단이 길게 연장하는 'ㄷ'자 형상을 이루고, 중심을 따라 연장하는 슬릿이 형성되어 있으며, 상기 'ㄷ'자 형상을 이루는 3개의 면 중, 제 1 면에 상기 제 1 반사미러가 부착되고, 제 2 면에 제 2 반사미러가 부착되며, 제 3 면에 제 3 반사미러가 부착되는, 라이다 센서용 광학계.
5. 제 1 항에 있어서,
   상기 제 1 반사미러에는 추가로 상기 광 송신부와 광 수신부의 중심축에서 소정 거리 벗어난 위치에 제 2 윈도우가 형성되어 있고,
   상기 제 1 반사미러와 광 송신부 사이에는 제 4 반사미러가 추가로 배치되고,
   상기 제 4 반사미러는 다이크로익 미러(dichroic mirror)로 이루어져, 상기 광 송신부에서 송신되는 광의 파장에 따라 반사시키거나 투과시키며,
   상기 제 4 반사미러에 의해 반사된 광은 상기 제 2 윈도우를 통해 외부로 송출되고,
   상기 제 4 미러에 의해 투과된 광은 상기 제 1 반사미러의 제 1 반사면에 의해 반사되고, 상기 제 1 반사면에 의해 반사된 광은 상기 제 2 반사미러에 의해 반사되고, 상기 제 3 반사미러에 의해 반사되어, 상기 광 송신부와 광 수신부의 중심축에서 소정 거리 벗어난 위치에서 상기 제 1 반사미러에 형성된 제 1 윈도우를 통해 외부로 송출되는, 라이다 센서용 광학계.
6. 제 5 항에 있어서,
   상기 제 1 윈도우와 제 2 윈도우를 통해 송출되는 광의 송출각도가 서로 상이한, 라이다 센서용 광학계.
7. 제 1 항에 있어서,
   상기 제 1 윈도우의 송출면에는 제 1 윈도우로부터 소정 길이까지 송출되는 광이 상기 라이다 센서의 구조물에 반사되지 않도록 관(tube) 형상의 가이드 관이 부착되어 있는, 라이다 센서용 광학계.
8. 제 5 항에 있어서,
   상기 제 2 윈도우의 송출면에는 제 2 윈도우로부터 소정 길이까지 송출되는 광이 상기 라이다 센서의 구조물에 반사되지 않도록 관(tube) 형상의 가이드 관이 부착되어 있는, 라이다 센서용 광학계.
9. 제 2 항에 있어서,
   상기 구동모듈은 상기 광학 수단을 180도 이상 회전 구동시키는, 라이다 센서용 광학계.
10. 제 2 항에 있어서,
    상기 구동모듈은 중공축 모터를 포함하는, 라이다 센서용 광학계.
11. 제 1 항에 있어서,
    상기 광 수신부는, 상기 제 1 반사미러의 제 2 반사면에 의해 반사된 광을 집속하는 집속렌즈와, 상기 집속렌즈로부터 집속된 광으로부터 전기신호를 생성하는 신호생성부를 포함하는, 레이저 스캐닝 시스템용 광학계.

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