KR20220126049A - 스캔 성능이 향상된 광위상 배열 라이다 - Google Patents

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Abstract

개시되는 발명은 광위상 배열 라이다에 관한 것으로서, 레이저 광을 발생하는 발광소자;와, 상기 발광소자에서 발생한 레이저 광을 입력받아 상기 레이저 광의 출사 각도를 조절하는 광위상 배열 소자;와, 상기 광위상 배열 소자에서 출사되는 레이저 광의 반사 각도를 조절하는 멤스 거울;과, 상기 멤스 거울에서 반사된 레이저 광이 통과하는 평면-오목 렌즈;와, 대상체에서 반사된 반사광을 수집하는 수광 렌즈;와, 상기 수광 렌즈에서 수집한 반사광을 전기신호로 변환하는 수광소자; 및 상기 발광소자 및 광위상 배열 소자의 구동과, 상기 멤스 거울의 각도 조절과, 상기 수광소자의 전기신호를 처리하는 제어부;를 포함한다.

Description

스캔 성능이 향상된 광위상 배열 라이다{Optical phase array LiDAR having improved scan performance}
본 발명은 라이다에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 멤스 거울(MEMS Mirror)을 포함하는 광학계의 설게를 통해 광위상 배열 라이다가 스캔할 수 있는 각도를 증폭하는 광위상 배열 라이다에 관한 것이다.
라이다는 레이저 펄스를 발사하고, 그 빛이 주위의 대상 물체에서 반사되어 돌아오는 것을 받아 물체까지의 거리 등을 측정함으로써 주변의 모습을 정밀하게 그려내는 장치이다. 라이다라는 명칭은 전파 대신에 빛을 쓰는 레이다를 뜻하는 것으로서, 라이다는 전통적인 레이다와 원리가 같으나 그 사용하는 전자기파의 파장이 다르므로 실제 이용 기술과 활용 범위는 다르다.
라이다는 대상 물체까지의 거리 뿐 아니라 움직이는 속도와 방향, 온도, 주변의 대기 물질 분석 및 농도 측정 등에 쓰인다. 자외선, 가시광선, 근적외선 등을 사용하여 금속성인 아닌 바위나 구름, 빗방울, 에어로졸 등을 감지할 수 있어서 기상 관측에 이용되고, 지형을 정밀하게 그려내거나, 비행체의 착륙 유도나 자율 주행차의 주변 인식 장치로 사용되기도 한다, 또한, 최근 들어 라이다는 3차원 영상을 구현하기 위해 필요한 정보를 습득하는 센서의 핵심 기술로 등장하여 그 활용범위는 더욱 확장되고 있다.
라이다 스캐닝 방법은 레이저를 통해 광원을 출사하고, 대상에서 일부 반사된 빛을 인식하여 스캐닝 하는 방법이다. 넓은 범위를 스캔하기 위해서는 광원이 일정 각도로 출사 되어야 하는데, 일정 각도를 출사하기 위한 방법은 레이저가 자체적으로 각도를 변화하며 출사하는 방법과 멤스 거울(MEMS Mirror)과 같은 기구물을 이용해 각도를 변화시켜 출사하는 방법이 있다.
그런데, 레이저를 자체적으로 회전하여 각도를 변화시키는 시스템은 구조가 복잡하고 레이저 다이오드를 다중으로 사용하여야 하므로 비용이 높아진다는 문제가 있다. 따라서, 이에 대한 대안으로서 레이저를 고정하고 멤스 거울을 이용하여 각도를 조절하는 시스템이 제안되었으나, 고정형 멤스 거울은 ±5° 이상의 각도와 1m 이상의 거리를 확보하기 어려운 단점이 있다. 각도의 변화량이 클수록 스캔 거리나 스캔 범위가 넓어지게 되므로, 라이다의 성능향상을 위해 기존 멤스 거울 방식의 라이다를 개선할 필요가 있다.
미국공개특허 제2020-0343683호 (2020.10.29 공개)
본 발명은 광위상 배열 소자와 멤스 거울, 그리고 레이저 광의 경로와 빔 사이드를 조절하는 광하계의 유기적인 설계를 통해 스캔 범위와 거리를 향상시키는 라이다 센서를 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명은 광위상 배열 라이다에 관한 것으로서, 레이저 광을 발생하는 발광소자;와, 상기 발광소자에서 발생한 레이저 광을 입력받아 상기 레이저 광의 출사 각도를 조절하는 광위상 배열 소자;와, 상기 광위상 배열 소자에서 출사되는 레이저 광의 반사 각도를 조절하는 멤스 거울;과, 상기 멤스 거울에서 반사된 레이저 광이 통과하는 평면-오목 렌즈;와, 대상체에서 반사된 반사광을 수집하는 수광 렌즈;와, 상기 수광 렌즈에서 수집한 반사광을 전기신호로 변환하는 수광소자; 및 상기 발광소자 및 광위상 배열 소자의 구동과, 상기 멤스 거울의 각도 조절과, 상기 수광소자의 전기신호를 처리하는 제어부;를 포함한다.
여기서, 상기 멤스 거울이 중립 위치일 때 레이저 광은 상기 평면-오목 렌즈의 중앙을 통과하여 광 경로에 변화가 없고, 상기 멤스 거울의 각도가 조정되어 상기 레이저 광이 상기 평면-오목 렌즈의 주변을 통과하면 광 경로가 발산하여 상기 레이저 광의 출사 각도가 증폭된다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 평면-오목 렌즈는, 주변부에서 발생하는 수차를 보정하기 위한 비구면 렌즈인 것이 바람직할 수 있다.
그리고, 상기 광위상 배열 소자와 멤스 거울 사이의 거리를 단축하도록, 상기 광위상 배열 소자에 대해 상기 멤스 거울의 반사면이 경사를 이룰 수 있다.
그리고, 상기 멤스 거울과 평면-오목 렌즈 사이에 배치되는 평면-볼록 렌즈를 더 포함하고, 상기 평면-볼록 렌즈는 상기 멤스 거울에서 반사된 레이저 광의 빔 사이즈를 축소한다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 평면-볼록 렌즈는, 상기 광위상 배열 소자에서 출사되는 레이저 광의 가우시안 빔 형태를 보정하기 위한, X축과 Y축의 곡률반경이 다른 애너모픽 렌즈일 수 있다.
그리고, 상기 평면-오목 렌즈와 평면-볼록 렌즈는, 각 렌즈의 평면이 서로 마주보도록 배열될 수 있다.
그리고, 상기 발광소자는 레이저 다이오드이고, 상기 수광소자는 포토 다이오드일 수 있다.
상기와 같은 구성을 가진 본 발명의 광위상 배열 라이다에 의하면, 광위상 배열 소자를 통해 1차적으로 레이저 광의 스캔 범위와 각도를 확장하고, 광위상 배열 소자가 허용하는 범위를 초과해서는 멤스 거울의 반사면을 조정하고 평면-오목 렌즈를 통해 레이저 광의 스캔 범위를 증폭할 수 있다. 따라서, 본 발명의 광위상 배열 라이다는 컴팩트한 사이즈에서도 라이다 센서의 스캔 거리와 각도를 크게 향상할 수 있다.
또한, 본 발명의 광위상 배열 라이다는 평면-볼록 렌즈를 통해 선행적으로 레이저 광의 빔 사이즈를 축소함으로써 라이다 센서의 해상도를 향상하게 된다.
본 발명의 효과들은 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 아래의 상세한 설명으로부터 통상의 기술자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 광위상 배열 라이다의 전체적인 구성을 도시한 도면.
도 2는 도 1의 광위상 배열 라이다를 구성하는 출사부의 구성을 도시한 도면.
도 3은 도 2의 출사부에서 일어나는 레이저 광의 경로를 도시한 도면.
도 4는 광위상 배열 소자에서 출사하는 레이저 광의 형태를 보여주는 도면.
도 5는 도 2에 도시된 평면-볼록 렌즈에 의해 레이저 광의 빔 사이즈가 축소되는 효과를 도시한 도면.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 상세히 설명한다. 본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시 예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 게시되는 실시 예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시 예들은 본 발명의 게시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.
다른 정의가 없다면, 본 명세서에서 사용되는 모든 용어(기술 및 과학적 용어를 포함)는 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 공통적으로 이해될 수 있는 의미로 사용될 수 있을 것이다. 또 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 용어들은 명백하게 특별히 정의되어 있지 않는 한 이상적으로 또는 과도하게 해석되지 않는다. 본 명세서에서 사용된 용어는 실시 예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다.
본 명세서에서 사용되는 "포함한다 (comprises)" 및/또는 "포함하는 (comprising)"은 언급된 구성 요소, 단계, 동작 및/또는 소자는 하나 이상의 다른 구성 요소, 단계, 동작 및/또는 소자의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.
도 1은 본 발명에 따른 광위상 배열 라이다(10)의 전체적인 구성을 도시한 도면이다. 첨부된 도면을 참조하면, 본 발명의 광위상 배열 라이다(10)는 크게 나누어 출사부(100)와 수광부(200), 그리고 제어부(300)를 포함한다.
출사부(100)는 라이다 스캔을 위해, 광 경로가 조절된 레이저 광이 출사되는 일체의 구성요소를 포함한다. 출사부(100)는 레이저 광을 발생하는 발광소자(110), 예를 들어 레이저 다이오드를 구비하며, 발광소자(110)에서 발생한 레이저 광은 다음과 같은 방식으로서 광 경로가 조절 및 제어된다.
발광소자(110)에서 발생한 레이저 광은 광위상 배열 소자(120)로 입력된다. 광위상 배열 소자(120)는 전기적으로 빛의 방향을 조절할 수 있는 소자로서, 근래에 개발되는 실리콘 기반의 광위상 배열 소자는 크기는 작고 내구성이 높으며, 기존의 반도체 칩 생산설비를 이용할 수 있어 대량생산이 가능한다. 본 발명에서 광위상 배열 소자(120)는 발광소자(110)에서 발생한 레이저 광을 입력받아 그 출사 각도를 조절하며, 이를 통해 라이다 스캔의 범위와 각도가 1차적으로 제어된다.
그리고, 광위상 배열 소자(120)에서 출사되는 레이저 광의 반사 각도는 멤스 거울(130)에 의해 다시 조절된다. 그리고, 멤스 거울(130)에서 반사된 레이저 광은 평면-오목 렌즈(140)를 통과하게 된다.
도 2는 출사부(100)의 구성을 도시한 도면이고, 도 3은 도 2의 출사부(100)에서 일어나는 레이저 광의 경로를 도시한 도면이다. 전술한 바와 같이, 레이저 광은 광위상 배열 소자(120)를 거쳐 멤스 거울(130)에서 반사되고, 반사된 레이저 광은 평면-오목 렌즈(140)를 통과한다.
이때, 멤스 거울(130)이 중립 위치일 때 레이저 광은 평면-오목 렌즈(140)의 중앙을 통과하게 되며, 평면-오목 렌즈(140)의 중앙에서는 굴절이 일어나지 않기 때문에 레이저 광의 경로에는 변화가 생기지 않는다. 즉, 광위상 배열 소자(120)에서 조절된 방향 그대로 레이저 광은 출사부(100)에서 대상체(400)를 향하게 된다.
반면, 멤스 거울(130)의 각도가 중립 위치에서 벗어나게 되면, 멤스 거울(130)에서 반사된 레이저 광은 평면-오목 렌즈(140)의 중앙을 지나지 못하고 평면-오목 렌즈(140)의 주변을 통과하게 된다. 평면-오목 렌즈(140)는 발산형 렌즈이므로, 평면-오목 렌즈(140)의 주변을 통과하는 레이저 광의 각도는 최초 광위상 배열 소자(120)에서 조절된 방향보다 더 크게 출사 각도가 증폭된다. 다시 말해, 멤스 거울(130)의 각도를 조정함으로써, 레이저 광의 스캔 범위가 확장되는 것이다.
멤스 거울(130)의 반사면 조정은 보통 광위상 배열 소자(120)에서 담당할 수 있는 스캔 범위를 초과하는 경우에 이루어질 수 있으며, 이와 같이 본 발명은 광위상 배열 소자(120)와 멤스 거울(130), 그리고 평면-오목 렌즈(140)의 유기적 조합을 통해 라이다 센서의 스캔 능력을 향상하게 된다.
그리고, 본 발명의 일 실시형태에 따르면, 평면-오목 렌즈(140)는, 렌즈의 주변부에서 발생하는 수차를 보정하기 위한 비구면 렌즈인 것이 바람직할 수 있다. 비구면 렌즈로 평면-오목 렌즈(140)를 설계하면, 평면-오목 렌즈(140)의 중앙에서 벗어날수록 굴절률이 커지기 때문에 레이저 광의 스캔 범위를 증폭하는데 유리하다.
수광부(200)는 대상체(400)에서 반사된 레이저 광을 수집하고, 이를 전기신호로 변환하기 위한 구성이다. 수광부(200)는 디지털 광학기기에 일반적으로 구비되는 구성으로서, 대상체(400)에서 반사된 반사광을 집약하여 수집하는 수광 렌즈(210)와, 수광 렌즈(210)에서 수집한 반사광을 전기신호로 변환하는 수광소자(220)를 포함한다. 수광소자(220)에서 출력하는 전기신호를 처리함으로써 대상체(400)에 대한 정보를 얻어낼 수 있다. 본 발명의 일 실시형태에서, 수광소자(220)는 포토 다이오드일 수 있다.
여기서, 광위상 배열 소자(120)와 멤스 거울(130) 사이의 거리를 단축하도록, 광위상 배열 소자(120)에 대해 멤스 거울(130)의 반사면이 경사를 이룰 수 있다.
수광소자(220)의 전기신호를 이미지 처리할 때는 레이저 광의 빔 사이즈가 한 픽셀의 크기가 되므로, 라이다 센서의 각해상도를 높이기 위해서는 빔 사이즈를 가능한 최소화하는 것이 중요하다. 빔 사이즈의 최소화 측면에서 광위상 배열 소자(120)와 멤스 거울(130)은 최대한 근접하는 것이 유리하므로, 광학적 왜곡이 일어나지 않는 한도에서 멤스 거울(130)의 반사면에 대해 광위상 배열 소자(120)를 비스듬하게 배치함으로써 그 거리를 줄일 수 있다. 본 발명의 일 실시형태에서는, 이러한 목적으로 8° 각도로 멤스 거울(130)을 기울였다.
그리고, 제어부(300)는 발광소자(110) 및 광위상 배열 소자(120)의 구동과, 멤스 거울(130)의 각도 조절과, 수광소자(220)의 전기신호를 처리하는 역할을 한다. 제어부(300)는 마이크로프로세서를 포함할 수 있으며, 소자의 제어에 관한 구성은 공지된 기술이기에 여기서는 상세한 설명을 생략한다.
한편, 전술한 바와 같이, 라이다 센서의 해상도를 높이기 위해서는 빔 사이즈의 크기를 작게하는 것이 유리한다. 본 발명은 이를 위해, 멤스 거울(130)의 반사면에 대해 광위상 배열 소자(120)를 비스듬하게 배치하는 것 외에, 멤스 거울(130)과 평면-오목 렌즈(140) 사이에 배치되는 평면-볼록 렌즈(150)를 더 포함할 수 있다. 평면-볼록 렌즈(150)는 수렴형 렌즈로서, 멤스 거울(130)에서 반사된 레이저 광의 빔 사이즈를 축소하게 된다.
여기서, 레이저 광의 출사 경로를 기준으로 할 때, 평면-볼록 렌즈(150)는 평면-오목 렌즈(140) 앞에 위치한다. 이는 발산형 렌즈인 평면-오목 렌즈(140)를 거쳐 출사 각도가 증폭된 레이저 광의 빔 사이즈를 조정하는 것은 어렵기도 하고 광학계의 크기를 키우기 때문에 좋지 못하기 때문이다.
그리고, 평면-오목 렌즈(140)와 평면-볼록 렌즈(150)는, 각 렌즈의 평면이 서로 마주보도록 배열됨으로써 광학계 정렬이 정확하면서 단순하도록 효과적으로 설계될 수 있다.
한편, 도 4는 광위상 배열 소자(120)에서 출사하는 레이저 광의 형태를 보여주는 도면이다. 도면에 나타나 바와 같이, 광위상 배열 소자(120)에서 나오는 광원의 형태는 수직과 수평방향의 발산도가 다른 가우시안 빔의 형태를 이루고 있다. 가우시안 빔의 형태는 라이다 신호를 왜곡하기 때문에 보정하는 것이 바람직하다. 이를 위해, 평면-볼록 렌즈(150)는, 광위상 배열 소자(120)에서 출사되는 레이저 광의 가우시안 빔 형태를 보정하기 위해, X축과 Y축의 곡률반경이 다른 애너모픽 렌즈로 설계되는 것이 바람직하다.
도 5는 평면-볼록 렌즈(150)에 의해 레이저 광의 빔 사이즈가 축소되는 효과를 도시한 도면이다. 도 5의 (a)는 평면-볼록 렌즈(150) 없이, 평면-오목 렌즈(140)만 구비된 경우의 빔 사이를 보여주는데, 기준거리에서 수평방향으로 8㎝, 수직방향으로 1.5㎝의 빔 사이즈를 나타내고 있다.
이에 비해, 도 5의 (b)는 빔 사이즈를 줄이고 가우시안 형태를 보정하기 위한 애너모픽 렌즈 형태의 평면-볼록 렌즈(150)가 부가된 경우의 빔 사이즈를 도시하고 있다. 동일한 거리에서, 빔 사이즈는 수평방향으로 1.2㎝, 수직방향으로 1.0㎝의 크기를 나타내고 있다.
따라서, 애너모픽 렌즈 형태의 평면-볼록 렌즈(150)를 구비함으로써 빔 사이즈의 크기가 크게 축소되면서 수평/수직방향의 불균일성이 현저히 개선되었으며, 이는 곧 본 발명의 광위상 배열 라이다(10)의 해상도가 향상되었음을 나타내는 것이다.
이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시 예들을 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시 예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.
10: 광위상 배열 라이다
100: 출사부 110: 발광소자
120: 광위상 배열 소자 130: 멤스 거울
140: 평면-오목 렌즈 150: 평면-볼록 렌즈
200: 수광부 210: 수광 렌즈
220: 수광소자 300: 제어부
400: 대상체

Claims (8)

  1. 레이저 광을 발생하는 발광소자;
    상기 발광소자에서 발생한 레이저 광을 입력받아 상기 레이저 광의 출사 각도를 조절하는 광위상 배열 소자;
    상기 광위상 배열 소자에서 출사되는 레이저 광의 반사 각도를 조절하는 멤스 거울;
    상기 멤스 거울에서 반사된 레이저 광이 통과하는 평면-오목 렌즈;
    대상체에서 반사된 반사광을 수집하는 수광 렌즈;
    상기 수광 렌즈에서 수집한 반사광을 전기신호로 변환하는 수광소자; 및
    상기 발광소자 및 광위상 배열 소자의 구동과, 상기 멤스 거울의 각도 조절과, 상기 수광소자의 전기신호를 처리하는 제어부;
    를 포함하는 광위상 배열 라이다.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 멤스 거울이 중립 위치일 때 레이저 광은 상기 평면-오목 렌즈의 중앙을 통과하여 광 경로에 변화가 없고,
    상기 멤스 거울의 각도가 조정되어 상기 레이저 광이 상기 평면-오목 렌즈의 주변을 통과하면 광 경로가 발산하여 상기 레이저 광의 출사 각도가 증폭되는 것을 특징으로 하는 광위상 배열 라이다.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 평면-오목 렌즈는, 주변부에서 발생하는 수차를 보정하기 위한 비구면 렌즈인 것을 특징으로 하는 광위상 배열 라이다.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 광위상 배열 소자와 멤스 거울 사이의 거리를 단축하도록, 상기 광위상 배열 소자에 대해 상기 멤스 거울의 반사면이 경사를 이루는 것을 특징으로 하는 광위상 배열 라이다.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 멤스 거울과 평면-오목 렌즈 사이에 배치되는 평면-볼록 렌즈를 더 포함하고,
    상기 평면-볼록 렌즈는 상기 멤스 거울에서 반사된 레이저 광의 빔 사이즈를 축소하는 것을 특징으로 하는 광위상 배열 라이다.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 평면-볼록 렌즈는,
    상기 광위상 배열 소자에서 출사되는 레이저 광의 가우시안 빔 형태를 보정하기 위한, X축과 Y축의 곡률반경이 다른 애너모픽 렌즈인 것을 특징으로 하는 광위상 배열 라이다.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 평면-오목 렌즈와 평면-볼록 렌즈는, 각 렌즈의 평면이 서로 마주보도록 배열되는 것을 특징으로 하는 광위상 배열 라이다.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 발광소자는 레이저 다이오드이고,
    상기 수광소자는 포토 다이오드인 것을 특징으로 하는 광위상 배열 라이다.
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