KR20230116374A - 수신광학계를 이용하여 광 검출기에 입사되는 광의 입사각을 일정하게 하는 라이다 장치 및 이의 운용 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명의 다양한 실시 예에 따르면, 제1 광을 방출하는 광원; 상기 제1 광 중 스캔영역 상에 위치하는 대상체에 의해 반사된 광인 제2 광을 검출하는 광 검출기; 상기 방출된 제1 광을 수신하여 상기 스캔영역을 향해 반사하고, 상기 대상체에서 반사된 제2 광을 수신하고, 상기 제2 광이 상기 광 검출기에 입사되는 각도가 일정하도록 제어하고, 상기 제2 광을 상기 광 검출기를 향해 송신하는 스캐닝부; 및 상기 광 검출기의 검출 결과를 이용하여 상기 대상체에 대한 거리 정보를 획득하는 신호처리부;를 포함하는 라이다 장치가 개시된다.
본 발명의 다양한 실시 예에 따르면, 광축 조정 광학계를 이용하는 라이다 장치를 적용함으로써 성능 저하 없이 넓은 영역의 각도 범위를 스캔할 수 있고, 수 미터 이내의 근거리 범위도 측정할 수 있다.

Description

수신광학계를 이용하여 광 검출기에 입사되는 광의 입사각을 일정하게 하는 라이다 장치 및 이의 운용 방법{LIDAR APPARATUS FOR UNIFORM INCIDENCE ANGLE OF LIGHT INCIDENT ON PHOTODETECTOR USING RECEIVING OPTICAL SYSTEM AND METHOD FOR OPERATING THE SAME}

본 발명은 라이다 장치 및 이의 운용 방법에 관한 것이다.

LIDAR(Light Detection and Ranging)는 피사체에 빛, 예를 들어 레이저를 조사한 후, 피사체로부터 반사된 빛을 분석하여 피사체의 물성, 예를 들어 거리, 방향, 속도, 온도, 물질 분포 및 농도 특성 등을 측정할 수 있는 원격 탐지 장치 중 하나이다. LIDAR는 높은 에너지 밀도와 짧은 주기를 가지는 펄스 신호를 생성할 수 있는 레이저의 장점을 활용하여 보다 정밀하게 피사체의 물성을 측정할 수 있다.

LIDAR는 특정 파장의 레이저 광원 또는 파장 가변이 가능한 레이저 광원을 광원으로 사용하여 3차원 영상 획득, 기상 관측, 피사체의 속도 또는 거리 측정, 자율 주행 등과 같은 다양한 분야에서 사용되고 있다. 예를 들어, LIDAR는 항공기, 위성 등에 탑재되어 정밀한 대기 분석 및 지구 환경 관측에 활용되고 있으며, 우주선 및 탐사 로봇에 장착되어 피사체까지의 거리 측정 등 카메라 기능을 보완하기 위한 수단으로 활용되고 있다.

또한, 지상에서는 원거리 측정, 자동차 속도 위반 단속 등을 위한 간단한 형태의 라이다 센서 기술들이 상용화되고 있다. 최근에는 레이저 스캐너 또는 3D 영상 카메라로 활용되어 3D 리버스 엔지니어링이나 무인 자동차 등에 사용되고 있다.

대한민국 등록특허공보 제10-2299264호(2021.09.01.) 대한민국 등록특허공보 제10-2263182호(2021.06.03.)

본 발명이 이루고자 하는 목적은, 성능 저하 없이 넓은 영역의 각도 범위를 스캔할 수 있고, 수 미터 이내의 근거리 범위도 측정할 수 있는 라이다 장치를 제공하는데 있다.

본 발명의 명시되지 않은 또 다른 목적들은 하기의 상세한 설명 및 그 효과로부터 용이하게 추론할 수 있는 범위 내에서 추가적으로 고려될 수 있다.

상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시 예에 따른 라이다 장치에 있어서, 제1 광을 방출하는 광원; 상기 제1 광 중 스캔영역 상에 위치하는 대상체에 의해 반사된 광인 제2 광을 검출하는 광 검출기; 상기 방출된 제1 광을 수신하여 상기 스캔영역을 향해 반사하고, 상기 대상체에서 반사된 제2 광을 수신하고, 상기 제2 광이 상기 광 검출기에 입사되는 각도가 일정하도록 제어하고, 상기 제2 광을 상기 광 검출기를 향해 송신하는 스캐닝부; 및 상기 광 검출기의 검출 결과를 이용하여 상기 대상체에 대한 거리 정보를 획득하는 신호처리부;를 포함한다.

여기서, 상기 스캐닝부는, 상기 방출된 제1 광을 상기 대상체를 향해 반사하고, 상기 대상체로부터 반사된 상기 제2 광을 상기 광 검출기를 향해 반사하고, 스캔영역을 조절하도록 구성된 반사부; 및 상기 반사부와 연결되어 상기 반사부를 구동시키는 구동부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

여기서, 상기 반사부는, 상기 스캔영역의 수직 시야(field of view: FOV)를 조절하는 제1 미러부; 상기 스캔영역의 수평 시야(field of view: FOV)를 조절하는 제2 미러부; 및 상기 제1 미러부의 기울임 각도를 이용하여 상기 제2 광이 상기 광 검출기에 입사되는 각도가 일정하도록 제어하는 제3 미러부;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

여기서, 상기 제1 미러부와 상기 제3 미러부는, MEMS(Micro Electro Mechanical Systems) 거울이고, 상기 제2 미러부는, 폴리곤 거울인 것을 특징으로 한다.

여기서, 상기 신호처리부는, 상기 구동부를 이용하여 상기 MEMS 거울을 수직 방향으로 기울임 구동하고, 상기 폴리곤 거울을 수평 방향으로 회전 구동하는 방식으로 상기 스캔영역을 조절하는 것을 특징으로 한다.

여기서, 상기 스캐닝부에서 획득되어 상기 스캔영역을 향해 반사되는 제1 광 및 상기 대상체에서 반사되어 상기 스캐닝부에서 획득되는 제2 광을 투과시키기 위한 광학창(Optical window)을 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

여기서, 상기 광학창은, 상기 스캐닝부에서 획득되어 상기 스캔영역을 향해 반사되는 제1 광 및 상기 대상체에서 반사되어 상기 스캐닝부에서 획득되는 제2 광을 투과시키는 윈도우부; 상기 윈도우부가 고정되기 위한 구조를 제공하는 프레임부; 및 상기 제1 광을 반사하도록 상기 프레임부에 고정되는 적어도 두 개의 광 반사거울;을 포함하는 것을 특징으로 한다.

여기서, 상기 제2 미러부는, 상기 제1 미러부로부터 반사된 제1 광을 상기 대상체를 향해 반사하고, 상기 대상체에 의해 반사된 제2 광을 상기 제3 미러부를 향해 반사하기 위한 적어도 세 개의 면을 포함하는 것을 특징으로 한다.

여기서, 상기 적어도 두 개의 광 반사거울은, 상기 제2 미러부의 일면으로부터 반사된 제1 광을 반사하는 제1 반사면; 및 상기 제1 반사면으로부터 반사된 제1 광을 상기 제2 미러부의 타면으로 반사하는 제2 반사면;을 포함하고, 상기 제2 미러부의 타면은, 상기 제2 반사면으로부터 반사된 제1 광을 상기 제3 미러부를 향해 반사하는 것을 특징으로 한다.

여기서, 상기 적어도 두 개의 광 반사거울은, 상기 프레임부 좌측 가장자리에 위치하는 제1 반사거울; 및 상기 프레임부 우측 가장자리에 위치하는 제2 반사거울을 포함하고, 상기 신호처리부는, 상기 제2 미러부가 미리 결정된 제1 구동범위로 회전한 경우, 상기 제1 반사거울을 이용하여 상기 제3 미러부의 구동각도를 제어하고, 상기 제2 미러부가 미리 결정된 제2 구동범위로 회전한 경우, 상기 제2 반사거울을 이용하여 상기 제3 미러부의 구동각도를 제어하는 것을 특징으로 한다.

여기서, 상기 신호처리부는, 상기 스캔영역 중에서 상기 제1 광이 상기 광학창의 중심부를 기준으로 일측에 해당하는 제1 스캔영역을 좌측으로 벗어나도록 조사된 경우, 상기 제1 반사거울을 이용하여 상기 제1 광이 상기 광 검출기에 입사되도록 하는 제3 미러부의 기울임 각도인 제1 각도를 획득하고, 상기 스캔영역 중에서 상기 제1 광이 상기 광학창의 중심부를 기준으로 상기 일측의 반대인 타측에 해당하는 제2 스캔영역을 우측으로 벗어나도록 조사된 경우, 상기 제2 반사거울을 이용하여 상기 제1 광이 상기 광 검출기에 입사되도록 하는 제3 미러부의 기울임 각도인 제2 각도를 획득하고, 상기 제3 미러부가 상기 제1 각도와 상기 제2 각도 사이 범위 내에서 기울임 구동하도록 제어하는 것을 특징으로 한다.

여기서, 상기 스캐닝부는, 상기 광원으로부터 입사된 상기 제1 광이 평행광이 되도록 조정하는 송신부재; 및 상기 제2 광을 집광시켜 상기 광 검출기로 입사시키는 수신 부재;를 포함하고, 상기 광 검출기는, InGaAs 계열의 PIN 타입, APD 타입 또는 SPAD 타입으로 구성되는 것을 특징으로 한다.

상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시 예에 따른 광원, 광 검출기, 스캐닝부 및 신호처리부를 포함하는 라이다 장치에서 수행되는 라이다 장치 운용 방법에 있어서, 광원, 광 검출기, 스캐닝부 및 신호처리부를 포함하는 라이다 장치에서 수행되는 라이다 장치 운용 방법은, 상기 광원이, 제1 광을 방출하는 단계; 상기 스캐닝부가, 상기 방출된 제1 광을 수신하여 상기 스캔영역을 향해 반사하고, 상기 대상체에서 반사된 제2 광을 수신하고, 상기 제2 광이 상기 광 검출기에 입사되는 각도가 일정하도록 제어하고, 상기 제2 광을 상기 광 검출기를 향해 송신하는 단계; 상기 광 검출기가, 상기 제1 광 중 스캔영역 상에 위치하는 대상체에 의해 반사된 광인 제2 광을 검출하는 단계; 및 상기 신호처리부가, 상기 광 검출기의 검출 결과를 이용하여 상기 대상체에 대한 거리 정보를 획득하는 단계;를 포함한다.

이상에서 설명한 바와 같이 본 발명의 일 실시 예에 따르면, 광축 조정 광학계를 이용하는 라이다 장치를 적용함으로써 성능 저하 없이 넓은 영역의 각도 범위를 스캔할 수 있고, 수 미터 이내의 근거리 범위도 측정할 수 있다.

여기에서 명시적으로 언급되지 않은 효과라 하더라도, 본 발명의 기술적 특징에 의해 기대되는 이하의 명세서에서 기재된 효과 및 그 잠정적인 효과는 본 발명의 명세서에 기재된 것과 같이 취급된다.

도 1 내지 도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 라이다 장치를 설명하기 위한 도면이다.
도 3 내지 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 라이다 장치를 자세히 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 라이다 장치의 광학창을 설명하기 위한 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시 예에 따른 라이다 장치의 제2 미러부를 설명하기 위한 도면이다.
도 7은 본 발명의 일 실시 예에 따른 광학창의 반사거울을 설명하기 위한 도면이다.
도 8 내지 도 9는 본 발명의 일 실시 예에 따른 라이다 장치가 제2 미러부의 구동각도에 대응하여 제1 반사거울을 이용하거나 제2 반사거울을 이용하는 것을 설명하기 위한 도면이다.
도 10은 본 발명의 일 실시 예에 따른 라이다 장치가 대상체의 정보를 획득하는 것을 설명하기 위한 도면이다.
도 11은 본 발명의 일 실시 예에 따른 라이다 장치의 동작 과정을 설명하기 위한 도면이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 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 예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시 예들은 본 발명의 게시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 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 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다, 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "가진다", "가질 수 있다", "포함한다" 또는 "포함할 수 있다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다. 제2, 제1 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소 들은 상기 용어들에 의해 한정되지는 않는다.

상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제2 구성요소는 제1 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제1 구성요소도 제2 구성요소로 명명될 수 있다. 및/또는 이라는 용어는 복수의 관련된 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함한다.

본 명세서에서 각 단계들에 있어 식별부호(예를 들어, a, b, c 등)는 설명의 편의를 위하여 사용되는 것으로 식별부호는 각 단계들의 순서를 설명하는 것이 아니며, 각 단계들은 문맥상 명백하게 특정 순서를 기재하지 않는 이상 명기된 순서와 다르게 일어날 수 있다. 즉, 각 단계들은 명기된 순서와 동일하게 일어날 수도 있고 실질적으로 동시에 수행될 수도 있으며 반대의 순서대로 수행될 수도 있다.

또한, 본 명세서에 기재된 '~부'라는 용어는 소프트웨어 또는 FPGA(field-programmable gate array) 또는 ASIC과 같은 하드웨어 구성요소를 의미할 수 있으며, '~부'는 어떤 역할들을 수행한다. 그렇지만 '~부'는 소프트웨어 또는 하드웨어에 한정되는 의미는 아니다. '~부'는 어드레싱할 수 있는 저장 매체에 있도록 구성될 수도 있고 하나 또는 그 이상의 프로세서들을 재생시키도록 구성될 수도 있다. 따라서, 일 예로서 '~부'는 소프트웨어 구성요소들, 객체지향 소프트웨어 구성요소들, 클래스 구성요소들 및 태스크 구성요소들과 같은 구성요소들과, 프로세스들, 함수들, 속성들, 프로시저들, 서브루틴들, 프로그램 코드의 세그먼트들, 드라이버들, 펌웨어, 마이크로코드, 회로, 데이터 구조들 및 변수들을 포함할 수 있다. 구성요소들과 '~부'들 안에서 제공되는 기능은 더 작은 수의 구성요소들 및 '~부'들로 결합되거나 추가적인 구성요소들과 '~부'들로 더 분리될 수 있다.

이하에서 첨부한 도면을 참조하여 본 발명에 따른 라이다 장치의 다양한 실시 예에 대해 상세하게 설명한다.

본 명세서에 기재된 실시 예들은 로봇 및 무인자동차의 장애물 검출용 센서, 속도측정용 레이더 건, 항공 지오-맵핑 장치, 3차원 지상조사, 수중 스캐닝 등 다양한 분야에서도 널리 적용될 수 있다.

도 1 내지 도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 라이다 장치를 설명하기 위한 도면이다.

도 1 내지 도 2를 참조하면, 라이다 장치(10)는 광원(100), 스캐닝부(200), 광 검출기(300) 및 신호처리부(400)를 포함할 수 있다.

광원(100)은 광을 방출하는 장치일 수 있다. 예를 들어, 광원(100)은 적외선 영역의 광을 방출할 수 있다. 적외선 영역의 광을 사용하면 태양광을 비롯한 가시광선 영역의 자연광과 혼합되는 것을 방지할 수 있다. 그러나 반드시 적외선 영역에 한정되는 것은 아니며 광원(100)은 다양한 파장 영역의 광을 방출 할 수 있다. 이러한 경우 혼합된 자연광의 정보를 제거하기 위한 보정이 요구될 수도 있다.

광원(100)은 제1 광(L1)을 방출할 수 있다. 본 발명의 일 실시 예에 따르면, 광원(100)은 광섬유 레이저일 수 있다. 광섬유 레이저는 1.5 내지 1.7um 대역의 레이저 파장, kW급의 첨두 파워(peak power), MHz급의 레이저 펄스 반복률의 성능을 갖도록 구현될 수 있다.

스캐닝부(200)는 방출된 제1 광(L1)을 수신하여 스캔영역을 향해 반사하고, 대상체(20)에서 반사된 제2 광(L2)을 수신하고, 제2 광(L2)이 광 검출기에 입사되는 각도가 일정하도록 제어하고, 제2 광(L2)을 광 검출기(300)를 향해 송신할 수 있다.

제2 광(L2)이 광 검출기(300)에 입사되는 각도가 일정하도록 제어하는 것은 제2 광(L2)이 광 검출기(300)에 입사되는 광경로가 일정하도록 제어하는 것일 수 있다.

스캐닝부(200)에 대해서는 도 3 내지 도 4에서 보다 상세하게 설명한다.

광 검출기(300)는 제1 광(L1) 중 스캔영역 상에 위치하는 대상체(20)에 의해 반사(또는 산란)된 광인 제2 광(L2)을 검출할 수 있다.

광 검출기(300)는 제1 광(L1) 중 대상체(20)에서 반사 또는 산란된 제2 광(L2)을 전기 신호, 예를 들어 전류로 변환할 수 있다. 광원(100)에서 방출된 제1 광(L1)은 대상체(20)에 조사되고, 대상체(20)에 의해 반사 또는 산란될 수 있다. 제1 광(L1) 중 대상체(20)에 의해 반사 또는 산란된 광을 제2 광(L2)이라고 한다. 제1 광(L1)과 제2 광(L2)은 파장이 실질적으로 동일하고 세기가 다를 수 있다.

본 발명의 일 실시 예에 따르면, 광 검출기(300)는 단소자 광 검출기일 수 있다. 단소자 광 검출기는 광섬유로 연결되어 있다. 후술될 수신부재(230)에서 집속된 레이저 스팟은 광섬유에 집속되고, 광섬유는 레이저 빔을 단소자 광 검출기에 전달할 수 있다. 여기서, 단소자 광 검출기는 InGaAs 계열의 PIN 타입, APD 타입 또는 SPAD 타입일 수 있다.

광 검출기(300)는 출력된 전류를 전압으로 변환하는 전류-전압 변환 회로 및 전압의 진폭을 증폭시키는 증폭기(미도시)를 더 포함할 수 있다. 이외에도 광 검출기(300)는 특정 주파수의 전기 신호를 필터링하는 필터, 예를 들어, 하이패스 필터를 더 포함할 수 있다.

광섬유 연결 단소자 광 검출기는 일반적인 라이다에 사용되는 어레이형 광 검출기보다 감응도와 응답속도가 높아 고속으로 레이저 신호를 수신할 수 있기 때문에 일반적인 라이다보다 3차원 영상정보의 해상도를 향상 시킬 수 있다.

신호처리부(400)는 광 검출기(300)의 검출 결과를 이용하여 대상체(20)에 대한 거리 정보를 획득할 수 있다. 신호처리부(400)는 검출한 제2 광(L2)에 기초하여 라이다 장치(10)로부터 스캔영역 상에 위치하는 대상체(20)까지의 거리를 판단할 수 있다. 신호처리부(400)는 광원(100)의 광 방출 시간과 광 검출기(300)의 광 검출 시간을 기초로 대상체(20)의 거리를 산출할 수 있다.

또한, 신호처리부(400)는 광원(100), 스캐닝부(200), 광 검출기(300) 등 라이다 장치(10)의 각 구성요소의 동작을 제어할 수 있다.

보다 상세하게는, 신호처리부(400)는 광원(100)의 출력 및 펄스반복률을 제어할 수 있고, 후술될 제1 반사부(241)와 제2 반사부(242)의 회전 각도를 제어할 수 있다. 신호처리부(400)는 제2 광(L2)을 수신하여 3차원 좌표에 대한 대상체(20)의 거리 정보를 계산할 수 있다.

본 발명의 일 실시 예에 따르면, 신호처리부(400)는 임계치와 가중치에 기초하여 제1 광(L1)의 신호 세기를 조정할 수 있다.

보다 상세하게는, 신호처리부(400)는 광 검출기(300)가 수신한 제2 광(L2)의 신호 세기가 제1 임계치보다 낮은 경우, 송신한 제1 광(L1)의 신호 세기와 제1 가중치(예를 들어, 1.3)를 곱한 값만큼의 신호세기를 가지도록 광원(100)에 의하여 방출되는 제1 광(L1)의 신호 세기를 조정할 수 있다.

신호처리부(400)는 광 검출기(300)가 수신한 제2 광(L2)의 신호 세기가 제1 임계치 보다 크고, 제2 임계치보다는 작은 경우, 송신한 제1 광(L1)의 신호 세기와 제2 가중치(예를 들어, 1.1)를 곱한 값만큼의 신호세기를 가지도록 광원(100)에 의하여 방출되는 제1 광(L1)의 신호 세기를 조정할 수 있다.

신호처리부(400)는 광 검출기(300)가 수신한 제2 광(L2)의 신호 세기가 제2 임계치보다 큰 경우, 송신한 제1 광(L1)의 신호 세기와 제3 가중치(예를 들어, 0.8)를 곱한 값만큼의 신호세기를 가지도록 광원(100)에 의하여 방출되는 제1 광(L1)의 신호 세기를 조정할 수 있다.

신호처리부(400)는 광 검출기(300)가 수신한 제2 광(L2)의 신호 세기가 제1 임계치와 같은 값을 가지게 되는 경우, 송신한 제1 광(L1)의 신호 세기와 제1 가중치(예를 들어, 1.3)와 제2 가중치(예를 들어, 1.1)의 평균값(상기 예시의 경우, 1.2)를 곱한 값만큼의 신호세기를 가지도록 광원(100)에 의하여 방출되는 제1 광(L1)의 신호 세기를 조정할 수 있다.

신호처리부(400)는 광 검출기(300)가 수신한 제2 광(L2)의 신호 세기가 제2 임계치와 같은 값을 가지게 되는 경우, 송신한 제1 광(L1)의 신호 세기와 제2 가중치(예를 들어, 1.1)와 제3 가중치(예를 들어, 0.8)와 의 평균값(상기 예시의 경우, 0.95)를 곱한 값만큼의 신호세기를 가지도록 광원(100)에 의하여 방출되는 제1 광(L1)의 신호 세기를 조정할 수 있다.

라이다 시스템은 넓은 스캔 각도와 높은 분해능을 목표로 개발되고 있으나, 스캔 각도가 광각으로 넓어짐에 따라 수신부의 광학계 구성 및 레이저 검출기 성능에 의해 3차원 영상정보 측정거리 및 공간 분해능과 같은 라이다 시스템 성능이 저하된다.

기존 라이다 시스템은 넓은 스캔 각도를 수광하기 위하여 어레이 검출기를 사용하거나, 회전을 통하여 표적의 반사광을 수광한다. 그러나, 어레이 검출기는 단소자 검출기보다 응답시간이 길어서 측정거리가 짧아지고, 각도 분해능이 저하되는 단점을 가지고 있다.

또한, 송신부와 수신부가 분리되어 있을 경우 송신 레이저 빔과 수신광학계의 FOV(field of view)가 겹쳐지지 않는 영역은 표적 거리를 측정할 수 없고, 1 미터 이내의 근거리는 측정이 불가능하다는 문제점이 있다. 이와 같은 단점을 보완하기 위하여 수신광학계를 이용하여 광 검출기(300)에 입사되는 광의 입사각을 일정하게 하는 라이다 장치 및 이의 운용 방법을 제안한다.

도 1 내지 도 2에 도시된 모든 블록이 필수 구성요소는 아니며, 다른 실시 예에서 라이다 장치(10)와 연결된 일부 블록이 추가, 변경 또는 삭제될 수 있다.

도 2에서는 스캐닝부(200)와 대상체(20) 사이에 제1 광(L1)의 경로와 제2 광(L2)의 경로가 일치하는 것으로 도시되어 있으나 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.

도 3 내지 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 라이다 장치를 자세히 설명하기 위한 도면이다.

도 3 내지 도 4를 참조하면, 라이다 장치(10)는 광학창(500) 및 디스플레이부(700)를 더 포함할 수 있다.

또한, 스캐닝부(200)는 송신부재(210), 수신부재(230), 반사부(240) 및 구동부(250)를 포함할 수 있다.

스캐닝부(200)는 광원(100)으로부터 입사된 제1 광(L1)이 평행광이 되도록 조정하는 송신부재(210)를 포함할 수 있다. 송신부재(210)는 광원(100)의 빔전송 광섬유에서 출력되는 제1 광(L1)이 평행광이 되도록 광학렌즈로 형성될 수 있다.

스캐닝부(200)는 광축 조정부(220)의 반사면으로부터 반사된 제2 광(L2)을 집광시켜 광 검출기(300)로 입사시키는 수신 부재(230)을 포함할 수 있다. 수신 부재(230)는 대상체(20)에서 반사되는 제2 광(L2)을 집속하여 광 검출기(300)에 전달되도록 광학렌즈로 형성될 수 있다.

스캐닝부(200)는 방출된 제1 광(L1)을 대상체(20)를 향해 반사하고, 대상체(20)로부터 반사된 제2 광(L2)을 광 검출기(300)를 향해 반사하고, 스캔영역을 조절하도록 구성된 반사부(240)를 포함할 수 있다.

스캐닝부(200)는 반사부(240)와 연결되어 반사부(240)를 구동시키는 구동부(250)를 포함할 수 있다.

반사부(240)는 스캔영역의 수직 시야(field of view: FOV)를 조절하는 제1 미러부(241), 스캔영역의 수평 시야(field of view: FOV)를 조절하는 제2 미러부(242) 및 제1 미러부(241)의 기울임 각도를 이용하여 제2 광(L2)이 광 검출기(300)에 입사되는 각도가 일정하도록 제어하는 제3 미러부(243)를 포함할 수 있다.

본 발명의 일 실시 예에 따르면, 신호처리부(400)는 제3 미러부(243)의 기울임 각도가 제1 미러부(241)의 기울임 각도와 동일하도록 구동부(250)를 제어하여 제3 미러부(243)의 기울임 각도를 조정할 수 있다.

예를 들어, 신호처리부(400)는 제1 미러부(241)의 기울임 각도가 25도 인 경우, 제3 미러부(243)의 기울임 각도도 25도가 되도록 구동부(250)를 제어하여 제3 미러부(243)의 기울임 각도를 조정할 수 있다. 이 경우, 제1 미러부(241)와 제3 미러부(243)가 기울임 구동하는 방향은 기울임 각도의 크기와 별개로, 도 4에 도시된 바와 같이 서로 마주보는 방향일 수 있다.

이러한 방식을 통하여 광 검출기(300)에 입사되는 제2 광(L2)의 각도가 일정하게 유지되어 단소자 광 검출기를 광 검출기(300)로 사용할 수 있다.

본 발명의 일 실시 예에 따르면, 제1 미러부(241) 및 제3 미러부(243)는 MEMS (Micro Electro Mechanical Systems)거울일 수 있다.

종래의 라이다 광학계는 기계적인 회전을 통하여 레이저를 송수신하여 넓은 영역을 스캔할 수 있는 장점을 가지고 있으나, 기계적인 내구성에 문제가 있다. 이를 해결하기 위하여 MEMS 거울을 이용하여 기계적인 회전부를 해결할 수 있다.

MEMS 거울은 수직 방향으로 기울임 (tilt) 구동을 하여 수직 FOV (Field of View)를 스캔하며, MEMS(Micro Electro Mechanical Systems) 거울의 구동 각도에 따라 라이다 장치(10)의 스캔 각도 범위가 결정될 수 있다.

본 발명의 일 실시 예에 따르면, 제2 미러부(242)는 폴리곤 거울일 수 있다.

폴리곤 거울은 수평 방향으로 회전 구동하여 수평 FOV (Field of View)를 스캔하며, 폴리곤 거울의 형태는 도 4에 도시한 형태로 한정되지 않고 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 폴리곤 거울의 거울 면 개수에 따라 라이다 장치(10)의 스캔 각도 범위가 결정될 수 있다.

신호처리부(400)는 구동부(250)를 이용하여 MEMS 거울을 수직 방향으로 기울임 구동하고 폴리곤 거울을 수평 방향으로 회전 구동하는 방식으로 스캔영역을 조절할 수 있다.

제1 미러부(241)는 기 설정된 수직 방향 회전(틸트 구동)을 수행하고, 제2 미러부(242)는 송신 광을 기 설정된 수평 방향 회전을 수행하여 송신 광(제1 광)을 대상체(20)로 송신한다. 송신 광은 소정의 스캔 영역 내에서 물결 모양 파형(예를 들어, 사인 파형)의 스캔 경로에 따라 송신될 수 있다.

여기서, 제1 미러부(241) 및 제2 미러부(242)는 스캔 경로를 형성하기 위하여 서로 동기화될 수 있다. 다시 말해, 제1 미러부(241) 및 제2 미러부(242)는 동기화를 통해 수평 방향 회전 및 수직 방향 회전에 대한 각도 및 속도를 맞추어 송신 빔의 스캔 경로를 형성할 수 있다. 여기서, 제1 미러부(241) 및 제2 미러부(242)의 수평 방향 회전 및 수직 방향 회전 각각에 대한 각도 및 속도의 설정에 따라 송신 빔의 스캔 경로는 진폭, 파장, 주기 등에 대한 크기가 변경될 수 있다.

라이다 장치(10)는 스캐닝부(200)에서 획득되어 스캔영역을 향해 반사되는 제1 광(L1) 및 대상체(20)에서 반사되어 스캐닝부(200)에서 획득되는 제2 광(L2)을 투과시키기 위한 광학창(Optical window)(500)을 더 포함할 수 있다.

광학창(500)은 스캐닝부(200)에서 획득되어 스캔영역을 향해 반사되는 제1 광(L1) 및 대상체(20)에서 반사되어 스캐닝부(200)에서 획득되는 제2 광(L2)을 투과시키는 윈도우부(510), 윈도우부(510)가 고정되기 위한 구조를 제공하는 프레임부(520) 및 제1 광(L1)을 반사하도록 프레임부(520)에 고정되는 적어도 두 개의 광 반사거울(531, 532)를 포함할 수 있다.

적어도 두 개의 광 반사거울은 프레임부(520)의 좌측 가장자리에 위치하는 제1 반사거울(531) 및 프레임부(520)의 우측 가장자리에 위치하는 제2 반사거울(532)을 포함할 수 있다.

디스플레이부(700)는 라이다 시스템(10)에서 출력되는 3차원 대상체 영상정보를 전시할 수 있다.

본 발명의 일 실시 예에 따르면, 라이다 장치(10)는 수신 광량 확인부(미도시)를 추가로 포함할 수 있다.

수신 광량 확인부는 수신측의 수신 광량을 측정한다. 수신 광량 확인부는 광학창(500), 반사부(240) 등과 연동하여 대상체(20)로부터 반사되는 수신 광량을 측정하는 모듈로 구현될 수 있으나 반드시 이에 한정되는 것은 아니며, 광 검출기(300)에 연동되거나 광 검출기(300) 내에 포함된 하드웨어 또는 광 검출기(300) 내에 설치된 프로그램 형태로 구현될 수도 있다.

신호 처리부(400)는 측정된 수신 광량을 기 설정된 기준 광량과 비교하여 송신 광량, 반사부(240)의 회전각도, 반사부(240)의 회전속도 등을 조정할 수 있다.

구체적으로, 신호 처리부(400)는 측정된 수신 광량이 기준 광량 미만인 경우 송신 광량, 반사부(240)의 회전각도, 반사부(240)의 회전속도(예를 들어, 제1 미러부(241), 제2 미러부(242) 및 제3 미러부(243)의 구동각도와 구동속도) 중 적어도 하나를 조정할 수 있다.

신호 처리부(400)는 제1 조정값, 제2 조정값 및 제3 조정값 등 중 하나를 이용하여 수신 광량을 기준 광량 이상으로 조정할 수 있다.

신호 처리부(400)는 기존 송신 광량에 제1 조정값을 적용하여 송신 광량을 조정한 후 측정된 수신 광량이 기준 광량 이상인 경우 송신 광량을 조정된 송신 광량으로 갱신할 수 있다. 또한, 신호 처리부(400)는 기존 반사부(240)의 회전각도에 제2 조정값을 적용하여 반사부(240)의 회전각도를 조정한 후 측정된 수신 광량이 기준 광량 이상인 경우 반사부(240)의 회전각도를 조정된 회전 각도로 갱신할 수 있다. 또한, 신호 처리부(400)는 기존 반사부(240)의 회전속도에 제3 조정값을 적용하여 반사부(240)의 회전속도를 조정한 후 측정된 수신 광량이 기준 광량 이상인 경우 반사부(240)의 회전속도를 조정된 회전 속도로 갱신할 수 있다.

한편, 신호 처리부(400)는 제1 조정값, 제2 조정값 및 제3 조정값 등 중 하나를 이용한 경우에도 측정된 수신 광량이 기준 광량 미만인 경우 제1 조정값, 제2 조정값 및 제3 조정값 각각을 순차적으로 적용하여 수신 광량을 기준 광량 이상으로 조정할 수 있다.

예를 들어, 신호 처리부(400)는 우선적으로 제1 조정값을 적용하여 송신 광량을 조정하고, 제2 조정값 및 제3 조정값을 각각 순차적으로 적용하여 반사부(240)의 회전각도 및 반사부(240)의 회전속도를 조정할 수 있다. 여기서, 조정값을 적용하는 순서는 설정에 따라 변경될 수 있다.

한편, 신호 처리부(400)는 제1 조정값, 제2 조정값 및 제3 조정값 등 중 하나 또는 순차적으로 모두 적용한 경우에도 측정된 수신 광량이 기준 광량 미만인 경우 일부 조정값의 조합으로 조건을 조정하여 수신 광량을 기준 광량 이상으로 조정할 수 있다.

구체적으로, 신호 처리부(400)는 제1 조정값, 제2 조정값 및 제3 조정값 등 중 적어도 하나의 조정값들을 적용하여 수신 광량을 기준 광량 이상으로 조정할 수 있다.

예를 들어, 신호 처리부(400)는 제1 조정값 및 제2 조정값을 조합하여 송신 광량 및 반사부(240)의 회전각도 각각을 조정할 수 있다. 여기서, 신호 처리부(400)는 제1 조정값 및 제2 조정값 각각의 비율을 서로 다르게 반영하여 조합할 수 있다. 즉, 신호 처리부(400)는 제1 조정값 및 제2 조정값에 서로 다른 가중치를 부여한 조합으로 송신 광량 및 반사부(240)의 회전각도 각각을 조정할 수 있다.

신호 처리부(400)는 제1 조정값, 제2 조정값 및 제3 조정값을 통해 조합 가능한 다양한 조건으로 변형하여 조합한 후 이를 적용하여 수신 광량을 기준 광량 이상으로 조정할 수 있다.

도 3 내지 도 4에 도시된 모든 블록이 필수 구성요소는 아니며, 다른 실시 예에서 라이다 장치(10)와 연결된 일부 블록이 추가, 변경 또는 삭제될 수 있다.

도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 라이다 장치의 광학창을 설명하기 위한 도면이다.

광학창(Optical window)(500)은 스캐닝부(200)에서 획득되어 스캔영역을 향해 반사되는 제1 광(L1) 및 대상체(20)에서 반사되어 스캐닝부(200)에서 획득되는 제2 광(L2)을 투과시킬 수 있다.

광학창(500)은 스캐닝부(200)에서 획득되어 스캔영역을 향해 반사되는 제1 광(L1) 및 대상체(20)에서 반사되어 스캐닝부(200)에서 획득되는 제2 광(L2)을 투과시키는 윈도우부(510), 윈도우부(510)가 고정되기 위한 구조를 제공하는 프레임부(520) 및 제1 광(L1)을 반사하도록 프레임부(520)에 고정되는 적어도 두 개의 광 반사거울(531, 532)를 포함할 수 있다.

프레임부(520)는 라이다 장치(10)가 스캔 동작하여 제1 광(L1) 또는 제2 광(L2)이 프레임부(520)에 반사되어 되돌아 올 경우 발생할 수 있는 오류를 방지하기 위하여 레이저 흡수제로 형성되거나, 레이저를 흡수할 수 있는 물질이 도포될 수 있다.

적어도 두 개의 광 반사거울(531, 532)은 프레임부(520)의 좌측 가장자리에 위치하는 제1 반사거울(531) 및 프레임부(520)의 우측 가장자리에 위치하는 제2 반사거울(532)을 포함할 수 있다.

신호처리부(400)는 프레임부(520)에 위치한 제1 반사거울(531)과 제2 반사거울(532)을 이용하여 제3 미러부(243)를 제1 미러부(241)에 동기화시킬 수 있다.

여기서, 동기화는 제 1 미러부(241)와 제2 미러부(242)의 구동 각도에 대응하여 제2 광(L2)이 광 검출기(300)에 입사되는 각도가 일정하도록 제3 미러부(243)의 수직 구동 각도를 조정하는 것을 의미할 수 있다.

제1 반사거울(531) 또는 제2 반사거울(532)에 대해서는 도 7에서 보다 상세하게 설명한다.

도 6은 본 발명의 일 실시 예에 따른 라이다 장치의 제2 미러부를 설명하기 위한 도면이다.

제2 미러부(242)는 제1 미러부(241)로부터 반사된 제1 광(L1)을 대상체(20)를 향해 반사하고, 대상체(20)에 의해 반사된 제2 광(L2)을 제3 미러부(243)를 향해 반사하기 위한 적어도 세 개의 면(245,246, 247)을 포함할 수 있다.

도 6을 참조하여 보다 상세하게 설명하면, 광원(100)으로부터 방출된 제1 광(L1)은 제1 미러부(241)에 의하여 반사되어 제2 미러부(242)의 제 1면(245)에 도달할 수 있다. 이어서, 제1 면(245)에 도달한 제1 광(L1)은 제2 미러부(242)의 제1 면(245)에 의하여 대상체(20)를 향해 반사된다.

이어서, 대상체(20)로부터 반사된 제2 광(L2)은 제2 미러부(242)의 제2 면(246)에 도달할 수 있다. 이어서, 제2 면(246)에 도달한 제2 광(L2)은 제2 면(246)에 의하여 제3 미러부(243) 또는 광 검출기(300)를 향해 반사될 수 있다.

도 7은 본 발명의 일 실시 예에 따른 광학창의 반사거울을 설명하기 위한 도면이다.

적어도 두 개의 광 반사거울(531, 532)은 제2 미러부(242)의 일면으로부터 반사된 제1 광(L1)을 반사하는 제1 반사면(535) 및 제1 반사면(535)으로부터 반사된 제1 광(L1)을 제2 미러부(242)의 타면으로 반사하는 제2 반사면(536)을 포함할 수 있다.

여기서, 제2 미러부(242)의 타면은, 제2 반사면(536)으로부터 반사된 제1 광(L1)을 제3 미러부(243)를 향해 반사할 수 있다.

본 발명의 일 실시 예에 따르면, 광 반사거울(531, 532)은 도 7에 도시된 바와 같이, 직육면체 형태에서 하나의 면이 직육면체의 안쪽으로 오목하고 두 개의 면을 형성하도록 깎인 형태(Corner Cube 형태)로 형성될 수 있다.

이 경우 광 반사거울(531, 532)는 총 7개의 면을 가지게 된다.

제2 반사거울(532)는 도 8 내지 도 9에 도시된 바와 같이, 제1 반사거울(531)와 그 크기와 형상이 일치하고, 광학창(500)의 중심축를 기준으로 좌우 대칭되도록 배치될 수 있다.

적어도 두 개의 광 반사거울(531, 532)을 이용하면, 제1 미러부(241)에 의한 제1 광(L1)의 스캔 각도를 보상할 수 있고, 제1 광(L1)의 광축과 제2 광(L2)의 광축을 동일하게 조정할 수도 있다.

도 8 내지 도 9는 본 발명의 일 실시 예에 따른 라이다 장치가 제2 미러부의 구동각도에 대응하여 제1 반사거울을 이용하거나 제2 반사거울을 이용하는 것을 설명하기 위한 도면이다.

신호처리부(400)는 제2 미러부(242)가 미리 결정된 제1 구동범위로 회전한 경우, 제1 반사거울(531)을 이용하여 제3 미러부(243)의 구동각도를 제어하고, 제2 미러부(242)가 미리 결정된 제2 구동범위로 회전한 경우, 제2 반사거울(532)을 이용하여 제3 미러부(243)의 구동각도를 제어할 수 있다.

도 8 내지 도 9를 참조하여, 보다 상세하게 설명하면, 신호처리부(400)는 제2 미러부(242)가 도 8과 같이 미리 결정된 제1 구동범위(예를 들어, 0도 ~ 45도)로 회전한 경우, 제1 반사거울(531)을 이용하여 제3 미러부(243)의 구동각도를 제어할 수 있다.

신호처리부(400)는 제2 미러부(242)가 도 9와 같이 미리 결정된 제2 구동범위(예를 들어, 0도 ~ -45도)로 회전한 경우, 제2 반사거울(532)을 이용하여 제3 미러부(243)의 구동각도를 제어할 수 있다.

상술한 두 경우에서, 신호처리부(400)가 제3 미러부(243)의 구동각도를 제어하는 것은, 도 8 내지 도 9에서 도시하고 있는 바와 같이 제2 미러부(242)의 일면(도 8의 경우 참조부호 245, 도 9의 경우 참조부호 247), 광 반사거울(531, 532)의 제1 반사면(535), 제2 반사면(536) 및 제2 미러부(242)의 타면(도 8의 경우 참조부호 246, 도 9의 경우 참조부호 245)을 차례로 거쳐 반사되는 제1 광(L1)이 광 검출기(300)를 향하여 일정한 각도로 입사되도록 제3 미러부(243)의 구동각도를 제어하는 것을 의미할 수 있다.

본 발명의 또 다른 일 실시 예에 따르면, 신호처리부(400)는, 스캔영역 중에서 제1 광(L1)이 광학창(500)의 중심부를 기준으로 일측에 해당하는 제1 스캔영역을 좌측으로 벗어나도록 조사된 경우, 제1 반사거울(531)을 이용하여 제1 광(L1)이 광 검출기(300)에 입사되도록 하는 제3 미러부(243)의 기울임 각도인 제1 각도를 획득하고, 스캔영역 중에서 제1 광(L1)이 광학창(500)의 중심부를 기준으로 일측의 반대인 타측에 해당하는 제2 스캔영역을 우측으로 벗어나도록 조사된 경우, 제2 반사거울(532)을 이용하여 제1 광(L1)이 광 검출기(300)에 입사되도록 하는 제3 미러부(243)의 기울임 각도인 제2 각도를 획득하고, 제3 미러부(243)가 획득된 제1 각도와 획득된 제2 각도 사이 범위 내에서 기울임 구동하도록 제어할 수 있다.

제1 광(L1)이 광학창(500)의 범위를 벗어나는 경우, 대상체(20)를 향하여 조사될 수 없으나, 이러한 경우에는 제1 반사거울(531)과 제2 반사거울(532)을 통하여 반사된 제1 광(L1)이 광 검출기(300)를 향하여 입사되는 각도가 일정하도록 하는 제3 미러부(243)의 기울임 각도인 제1 각도와 제2 각도를 획득할 수 있다.

따라서, 신호처리부(400)는 구동부(250)를 이용하여 제3 미러부(243)가 제1 각도와 제2 각도 사이 범위 내에서 기울임 구동 하도록 제어함으로써, 제1 광(L1)이 다시 광학창(500)의 범위 안으로 조사될 경우에 대비하여 준비동작을 수행할 수 있고, 보다 신속하게 기울임 구동하여, 신속하게 제2 광(L2)을 광 검출기(300)로 입사되도록 할 수 있다는 효과가 있다.

한편, 제1 각도와 제2 각도는 제1 미러부(241)와 제2 미러부(242)의 구동각도에 따라 달라질 수 있다.

신호처리부(400)는 제3 미러부(243)의 구동각도를 제어하는 것을 라이다 장치(10)가 동작할 때마다 수행할 수 있고, 라이다 장치(10)가 초기 동작을 수행하기 이전에 제3 미러부(243)의 구동각도를 제어할 수 있음은 당연하다.

신호처리부(400)는 제3 미러부(243)의 구동각도를 제어하는 것을 미리 결정된 단위 시간(예를 들어, 1초)마다 수행할 수도 있다.

라이다 장치(10)는 제1 광(L1)이 반사부(240)(예를 들어, MEMS 거울과 폴리곤 거울)에 따라 스캔 각도가 변화하더라도 수신부재(230)에 입사되는 제2 광(L2)의 각도가 항상 일정하여 광섬유가 연결된 광 검출기(300)(예를 들어, 광섬유가 연결된 단소자 광 검출기)를 사용할 수 있다.

본 발명의 또 다른 일 실시 예에 따르면, 라이다 장치(10)는 구동각 카운팅부(미도시)를 더 포함할 수 있고, 디스플레이부(20)는 제1 램프(미도시), 제2 램프(미도시) 및 제3 램프(미도시)를 포함할 수 있다.

구동각 카운팅부(미도시)는 제1 미러부(241), 제2 미러부(242) 및 제3 미러부(243)의 구동각의 총합을 각각 계산할 수 있다. 예를 들어, 제1 미러부(241)가 1회차 구동시 15도의 각도만큼 구동하고, 2회차 구동시 12도의 각도만큼 구동하고, 3회차 구동시 22도의 각도만큼 구동한 경우, 구동각 카운팅부(미도시)는 제1 미러부(241)가 총 49도만큼 구동했다고 계산할 수 있다.

제1 램프는 구동각 카운팅부가 산출한 제1 미러부(241)의 구동각의 총합이 미리 결정된 제1 임계값(예를 들어, 50,000) 이상인 경우, 점등하는 방식으로 사용자에게 제1 미러부(241)를 구동시키기 위해 구동부(250)와 연결된 구동부재의 교체주기가 경과했음을 알릴 수 있다.

제2 램프는 구동각 카운팅부가 산출한 제2 미러부(242)의 구동각의 총합이 미리 결정된 제2 임계값(예를 들어, 70,000) 이상인 경우, 점등하는 방식으로 사용자에게 제2 미러부(242)를 구동시키기 위해 구동부(250)와 연결된 구동부재의 교체주기가 경과했음을 알릴 수 있다.

제3 램프는 구동각 카운팅부가 산출한 제3 미러부(243)의 구동각의 총합이 미리 결정된 제3 임계값(예를 들어, 50,000) 이상인 경우, 점등하는 방식으로 사용자에게 제3 미러부(243)를 구동시키기 위해 구동부(250)와 연결된 구동부재의 교체주기가 경과했음을 알릴 수 있다.

제1 미러부(241), 제2 미러부(242) 및 제3 미러부(243)는 라이다 장치(10) 운용 과정에서 필연적으로 자주 회전 구동 또는 기울임 구동을 수행하므로, 제1 미러부(241), 제2 미러부(242) 및 제3 미러부(243)를 라이다 장치(10)에 고정시키는 부재 및 구동부(250)와 연결된 구동부재에 필연적으로 손상 및 마모가 발생하는데, 이는 라이다 장치(10)가 출력하는 대상체(20)의 거리 데이터의 오차를 야기시킬 수 있다.

라이다 장치(10)는 사용자에게 구동각 카운팅부, 제1 램프, 제2 램프 및 제3 램프를 통하여 구동부(250)와 연결된 구동부재의 교체주기를 알림으로써, 구동부(250)와 연결된 구동부재를 사용자가 교체하도록 함으로써, 이러한 라이다 장치(10)가 출력하는 대상체(20)에 대한 거리 데이터의 오차를 방지할 수 있다.

도 10은 본 발명의 일 실시 예에 따른 라이다 장치가 대상체의 정보를 획득하는 것을 설명하기 위한 도면이다.

도 10을 참조하면, 참조부호 540은 본 발명의 일 실시 예에 따른 라이다 장치(10)의 스캔 경로(540)를 나타낸다. 스캔 경로(540)를 보면, 윈도우부(510)의 좌측 상단 모서리에서 스캔이 시작되며, 윈도우부(510)의 우측 하단 모서리에서 스캔이 종료될 수 있다.

도 11은 본 발명의 일 실시 예에 따른 라이다 장치의 동작 과정을 설명하기 위한 도면이다.

S101 단계에서, 광원(100)이, 제1 광(L1)을 방출할 수 있다.

S102 단계에서, 스캐닝부(200)가, 상기 방출된 제1 광(L1)을 수신하여 상기 스캔영역을 향해 반사하고, 상기 대상체(20)에서 반사된 제2 광(L2)을 수신하고, 상기 제2 광이 상기 광 검출기(300)에 입사되는 각도가 일정하도록 제어하고, 상기 제2 광(L2)을 상기 광 검출기(300)를 향해 송신할 수 있다.

S103 단계에서, 광 검출기(300)가, 상기 제1 광(L1) 중 스캔영역 상에 위치하는 대상체(20)에 의해 반사된 광인 제2 광(L2)을 검출할 수 있다.

S104 단계에서, 신호처리부(400)가, 상기 광 검출기(300)의 검출 결과를 이용하여 상기 대상체(20)에 대한 거리 정보를 획득할 수 있다.

도 11에서는 각각의 과정을 순차적으로 실행하는 것으로 기재하고 있으나 이는 예시적으로 설명한 것에 불과하고, 이 분야의 기술자라면 본 발명의 실시 예의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 도 11에 기재된 순서를 변경하여 실행하거나 또는 하나 이상의 과정을 병렬적으로 실행하거나 다른 과정을 추가하는 것으로 다양하게 수정 및 변형하여 적용 가능할 것이다.

본 발명의 또 다른 일 실시 예에 따른 라이다 장치의 동작 과정은 이하와 같을 수 있다.

라이다 장치(10)는 구동부(250)를 이용하여 반사부(240)를 구동하는 방식으로, 광원(100)과 스캐닝부(200)를 점검할 수 있다.

신호처리부(400)는 초기 설정된 구동각에 기초하여 제2 미러부(242)를 구동하고, 제2 미러부(242)의 구동각이 미리 결정된 제1 구동범위와 제2 구동범위 중 어느 것에 해당하는지에 따라 광 반사거울(531, 532) 중 어느 하나를 이용하여 제3 미러부(243)를 구동할 수 있다.

또한, 제1 미러부(241)의 구동각도에 따라서, 제1 광(L1)의 광 검출기(300)를 향한 입사각이 달라질 수 있으므로, 신호처리부(400)는 제1 미러부(241)의 구동각도가 변경될 때마다, 제2 미러부(242)의 구동각이 미리 결정된 제1 구동범위와 제2 구동범위 중 어느 것에 해당하는지에 따라 광 반사거울(531, 532) 중 어느 하나를 이용하여 제3 미러부(243)를 구동할 수 있다.

또 한편으로, 전술한 실시 예에서는 제어유닛(미도시)에 대하여 특별히 언급하지 않았지만, 본 실시 예에 따른 라이다 장치(10)는 제어유닛을 더 구비할 수 있다. 그 경우, 제어유닛은 수신된 신호 또는 수신하여 처리된 신호를 외부의 장치에 전달하도록 구현될 수 있다.

전술한 제어유닛은 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 대상체(20)나 대상체(20)와의 거리 등과 관련된 신호 혹은 데이터를 외부 장치에 전송할 수 있다. 이러한 제어유닛은 라이다 장치(100)의 케이스 내에 간단히 탑재될 수 있다.

한편, 도면에 도시하지는 않았지만, 라이다 장치(10)는 전원 공급을 위한 배선이나 어댑터 또는 전원공급 수단을 구비할 수 있다. 전원공급수단은 내부전원 또는 재충전 가능한 전원장치를 구비할 수 있고, 그에 의해 라이다 장치(10)를 착탈식으로 사용할 수 있도록 기능하는 구성을 포함할 수 있다.

이상에서 설명한 본 발명의 실시 예를 구성하는 모든 구성요소들이 하나로 결합하거나 결합하여 동작하는 것으로 기재되어 있다고 해서, 본 발명이 반드시 이러한 실시 예에 한정되는 것은 아니다. 즉, 본 발명의 목적 범위 안에서라면, 그 모든 구성요소들이 하나 이상으로 선택적으로 결합하여 동작할 수도 있다. 또한, 그 모든 구성요소들이 각각 하나의 독립적인 하드웨어로 구현될 수 있지만, 각 구성요소들의 그 일부 또는 전부가 선택적으로 조합되어 하나 또는 복수개의 하드웨어에서 조합된 일부 또는 전부의 기능을 수행하는 프로그램 모듈을 갖는 컴퓨터 프로그램으로서 구현될 수도 있다. 또한, 이와 같은 컴퓨터 프로그램은 USB 메모리, CD 디스크, 플래쉬 메모리 등과 같은 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록 매체(Computer Readable Media)에 저장되어 컴퓨터에 의하여 읽혀지고 실행됨으로써, 본 발명의 실시 예를 구현할 수 있다. 컴퓨터 프로그램의 기록 매체로서는 자기기록매체, 광 기록매체 등이 포함될 수 있다.

이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 수정, 변경 및 치환이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시 예 및 첨부된 도면들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시 예 및 첨부된 도면에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구 범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

10: 라이다 장치
20: 대상체
100: 광원
200: 스캐닝부
210: 송신부재
230: 수신부재
240: 반사부
250: 구동부
300: 광 검출기
400: 신호처리부
500: 광학창
700: 디스플레이부

Claims (13)

1. 라이다 장치에 있어서,
   제1 광을 방출하는 광원;
   상기 제1 광 중 스캔영역 상에 위치하는 대상체에 의해 반사된 광인 제2 광을 검출하는 광 검출기;
   상기 방출된 제1 광을 수신하여 상기 스캔영역을 향해 반사하고, 상기 대상체에서 반사된 제2 광을 수신하고, 상기 제2 광이 상기 광 검출기에 입사되는 각도가 일정하도록 제어하고, 상기 제2 광을 상기 광 검출기를 향해 송신하는 스캐닝부; 및
   상기 광 검출기의 검출 결과를 이용하여 상기 대상체에 대한 거리 정보를 획득하는 신호처리부;를 포함하는 라이다 장치.
2. 제1항에 있어서,
   상기 스캐닝부는,
   상기 방출된 제1 광을 상기 대상체를 향해 반사하고, 상기 대상체로부터 반사된 상기 제2 광을 상기 광 검출기를 향해 반사하고, 스캔영역을 조절하도록 구성된 반사부; 및
   상기 반사부와 연결되어 상기 반사부를 구동시키는 구동부를 포함하는 것을 특징으로 하는 라이다 장치.
3. 제2항에 있어서,
   상기 반사부는,
   상기 스캔영역의 수직 시야(field of view: FOV)를 조절하는 제1 미러부;
   상기 스캔영역의 수평 시야(field of view: FOV)를 조절하는 제2 미러부; 및
   상기 제1 미러부의 기울임 각도를 이용하여 상기 제2 광이 상기 광 검출기에 입사되는 각도가 일정하도록 제어하는 제3 미러부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 라이다 장치.
4. 제3항에 있어서,
   상기 제1 미러부와 상기 제3 미러부는, MEMS(Micro Electro Mechanical Systems) 거울이고,
   상기 제2 미러부는, 폴리곤 거울인 것을 특징으로 하는 라이다 장치.
5. 제4항에 있어서,
   상기 신호처리부는,
   상기 구동부를 이용하여 상기 MEMS 거울을 수직 방향으로 기울임 구동하고, 상기 폴리곤 거울을 수평 방향으로 회전 구동하는 방식으로 상기 스캔영역을 조절하는 것을 특징으로 하는 라이다 장치.
6. 제3항에 있어서,
   상기 스캐닝부에서 획득되어 상기 스캔영역을 향해 반사되는 제1 광 및 상기 대상체에서 반사되어 상기 스캐닝부에서 획득되는 제2 광을 투과시키기 위한 광학창(Optical window)을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 라이다 장치.
7. 제6항에 있어서,
   상기 광학창은,
   상기 스캐닝부에서 획득되어 상기 스캔영역을 향해 반사되는 제1 광 및 상기 대상체에서 반사되어 상기 스캐닝부에서 획득되는 제2 광을 투과시키는 윈도우부;
   상기 윈도우부가 고정되기 위한 구조를 제공하는 프레임부; 및
   상기 제1 광을 반사하도록 상기 프레임부에 고정되는 적어도 두 개의 광 반사거울;을 포함하는 것을 특징으로 하는 라이다 장치.
8. 제7항에 있어서,
   상기 제2 미러부는,
   상기 제1 미러부로부터 반사된 제1 광을 상기 대상체를 향해 반사하고, 상기 대상체에 의해 반사된 제2 광을 상기 제3 미러부를 향해 반사하기 위한 적어도 세 개의 면을 포함하는 것을 특징으로 하는 라이다 장치.
9. 제8항에 있어서,
   상기 적어도 두 개의 광 반사거울은,
   상기 제2 미러부의 일면으로부터 반사된 제1 광을 반사하는 제1 반사면; 및
   상기 제1 반사면으로부터 반사된 제1 광을 상기 제2 미러부의 타면으로 반사하는 제2 반사면;을 포함하고,
   상기 제2 미러부의 타면은, 상기 제2 반사면으로부터 반사된 제1 광을 상기 제3 미러부를 향해 반사하는 것을 특징으로 하는 라이다 장치.
10. 제7항에 있어서,
    상기 적어도 두 개의 광 반사거울은,
    상기 프레임부 좌측 가장자리에 위치하는 제1 반사거울; 및
    상기 프레임부 우측 가장자리에 위치하는 제2 반사거울을 포함하고,
    상기 신호처리부는,
    상기 제2 미러부가 미리 결정된 제1 구동범위로 회전한 경우, 상기 제1 반사거울을 이용하여 상기 제3 미러부의 구동각도를 제어하고,
    상기 제2 미러부가 미리 결정된 제2 구동범위로 회전한 경우, 상기 제2 반사거울을 이용하여 상기 제3 미러부의 구동각도를 제어하는 것을 특징으로 하는 라이다 장치.
11. 제10항에 있어서,
    상기 신호처리부는,
    상기 스캔영역 중에서 상기 제1 광이 상기 광학창의 중심부를 기준으로 일측에 해당하는 제1 스캔영역을 좌측으로 벗어나도록 조사된 경우, 상기 제1 반사거울을 이용하여 상기 제1 광이 상기 광 검출기에 입사되도록 하는 제3 미러부의 기울임 각도인 제1 각도를 획득하고,
    상기 스캔영역 중에서 상기 제1 광이 상기 광학창의 중심부를 기준으로 상기 일측의 반대인 타측에 해당하는 제2 스캔영역을 우측으로 벗어나도록 조사된 경우, 상기 제2 반사거울을 이용하여 상기 제1 광이 상기 광 검출기에 입사되도록 하는 제3 미러부의 기울임 각도인 제2 각도를 획득하고,
    상기 제3 미러부가 상기 제1 각도와 상기 제2 각도 사이 범위 내에서 기울임 구동하도록 제어하는 것을 특징으로 하는 라이다 장치.
12. 제2항에 있어서,
    상기 스캐닝부는,
    상기 광원으로부터 입사된 상기 제1 광이 평행광이 되도록 조정하는 송신부재; 및
    상기 제2 광을 집광시켜 상기 광 검출기로 입사시키는 수신 부재;를 포함하고,
    상기 광 검출기는, InGaAs 계열의 PIN 타입, APD 타입 또는 SPAD 타입으로 구성되는 것을 특징으로 하는 라이다 장치.
13. 광원, 광 검출기, 스캐닝부 및 신호처리부를 포함하는 라이다 장치에서 수행되는 라이다 장치 운용 방법에 있어서,
    상기 광원이, 제1 광을 방출하는 단계;
    상기 스캐닝부가, 상기 방출된 제1 광을 수신하여 상기 스캔영역을 향해 반사하고, 상기 대상체에서 반사된 제2 광을 수신하고, 상기 제2 광이 상기 광 검출기에 입사되는 각도가 일정하도록 제어하고, 상기 제2 광을 상기 광 검출기를 향해 송신하는 단계;
    상기 광 검출기가, 상기 제1 광 중 스캔영역 상에 위치하는 대상체에 의해 반사된 광인 제2 광을 검출하는 단계; 및
    상기 신호처리부가, 상기 광 검출기의 검출 결과를 이용하여 상기 대상체에 대한 거리 정보를 획득하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 라이다 장치 운용 방법.

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