KR20230155523A

KR20230155523A - 레이저 레이더

Info

Publication number: KR20230155523A
Application number: KR1020237034094A
Authority: KR
Inventors: 펭 리앙; 지에 첸; 샤오칭 시앙
Original assignee: 헤사이 테크놀로지 씨오., 엘티디.
Priority date: 2021-04-25
Filing date: 2021-12-15
Publication date: 2023-11-10
Also published as: WO2022227609A1; JP2024514846A; CN115327551A; EP4310537A4; US20240053444A1; MX2023012471A; EP4310537A1; DE112021007126T5

Abstract

본 발명은 레이저 레이더를 제공하는 바, 제1 감지 레이저 빔 및 제2 감지 레이저 빔을 각각 방출하여 목표물을 감지하도록 구성되는 제1 방출 유닛 및 제2 방출 유닛; 방출단 광학 어셈블리가 방출 렌즈를 포함하고, 수신단 광학 어셈블리가 수신 렌즈를 포함하는 방출단 광학 어셈블리 및 수신단 광학 어셈블리; 제1 감지 레이저 빔 및 제2 감지 레이저 빔이 목표물에 의해 반사된 제1 에코 및 제2 에코를 각각 수신하고 전기 신호로 전환하도록 구성되는 제1 수신 유닛 및 제2 수신 유닛을 포함하며; 제1 감지 레이저 빔 및 제2 감지 레이저 빔은 제1 방출 유닛 및 제2 방출 유닛으로부터 각각 출사된 후 상이한 광학 거리를 통과한 후 방출 렌즈에 도달하고, 제1 에코 및 제2 에코는 수신 렌즈로부터 각각 상이한 광학 거리를 통과한 후 제1 수신 유닛 및 제2 수신 유닛에 도달한다.

Description

레이저 레이더

본 개시는 광전 감지 기술분야에 관한 것으로, 특히 원거리 측정 및 근거리 측정 성능을 겸비할 수 잇는 레이저 레이더에 관한 것이다.

레이저 레이더는 레이저 빔을 방출하여 목표의 위치, 속도 등 특징량을 감지하는 레이더 시스템으로서, 레이저 기술과 광전 감지 기술을 결합한 첨단 감지 방식이다. 레이저 레이더는 고해상도, 우수한 은폐성, 능동 간섭에 대한 강한 저항성, 우수한 저고도 감지 성능, 작은 부피 및 가벼운 무게 등의 장점으로 인해, 자율주행, 지능형 교통, 드론, 지능형 로봇, 자원 탐사 등 분야에서 널리 사용된다.

현재 자율주행을 위한 레이저 레이더는 두 가지 대표적인 적용 시나리오가 있는데, 첫 번째는 원거리 작은 수직 시야각(FOV) 측정으로, 일반적으로 중, 원거리 장애물의 정밀 감지를 위한 150m 이상, 15°-40° 수직 FOV의 물체를 감지해야 하는 경우이다. 다른 하나는 큰 근거리 수직 FOV 측정으로, 일반적으로 사각지대 감지를 위한 감지 거리 15m-50m, 80°-105°의 수직 FO를 감지하는 경우이다. 이 두 가지 응용은 일반적으로 도 1에 도시된 바와 같이, 두 가지 레이저 레이더로 독립적으로 구현한 후, 함께 자율주행 차량 등 플랫폼에 설치되어 원, 근거리 및 사각지대 감지를 구현한다.

이 두 가지 탐지 요구 사항이 하나의 레이더에서 구현할 수 있다면 매우 유용할 것이다. 그러나 이 두 가지 감지 요구 사항은 완전히 다른 레이더 설계가 필요하다. 가능한 먼 감지 거리를 구현하려면 감지기의 광 경로를 긴 초점 거리로 설계해야 하다. 넓은 시야각을 구현하려면 짧은 초점 거리가 필요하다.

원거리 측정 레이더(도 2a에 도시된 바와 같이 긴 초점 거리 광 경로)에 도 3a에 도시된 바와 같이 수직 FOV를 직접 추가하면, 감지기의 수신 표면 높이가 크게 증가하여 레이저 레이더의 높이가 상당히 증가하여 레이더의 집적도의 향상에 불리하다. 근접 레이더(도 2b에 도시된 바와 같이 짧은 초점 거리 광 경로)에 도 3b에 도시된 바와 같이 중앙 영역 빔(원거리 측정의 해상도를 보장하기 위한)을 추가하면, 한편으로는 단일 감지기 크기 제한으로 인해 중앙 영역의 빔을 늘리기 어렵고, 다른 한편으로는 짧은 초점 거리의 광 경로에서 원거리 측정 능력을 높이기 어렵다.

배경기술 부분의 내용은 단지 출원인이 알고 있는 기술일 뿐이며, 당업계의 종래 기술을 대변하는 것은 아니다.

종래 기술의 적어도 하나의 결함을 감안하여, 본 발명은 레이저 레이더를 제공하는 바,

제1 감지 레이저 빔 및 제2 감지 레이저 빔을 각각 방출하여 목표물을 감지하도록 구성되는 제1 방출 유닛 및 제2 방출 유닛;

방출단 광학 어셈블리가 방출 렌즈를 포함하고, 수신단 광학 어셈블리가 수신 렌즈를 포함하는 방출단 광학 어셈블리 및 수신단 광학 어셈블리;

상기 제1 감지 레이저 빔 및 상기 제2 감지 레이저 빔이 목표물에 의해 반사된 제1 에코 및 제2 에코를 각각 수신하고 전기 신호로 전환하도록 구성되는 제1 수신 유닛 및 제2 수신 유닛을 포함하며;

상기 제1 감지 레이저 빔 및 상기 제2 감지 레이저 빔은 상기 제1 방출 유닛 및 상기 제2 방출 유닛으로부터 각각 출사된 후 상이한 광학 거리를 통과한 후 상기 방출 렌즈에 도달하고, 상기 제1 에코 및 상기 제2 에코는 상기 수신 렌즈로부터 각각 상이한 광학 거리를 통과한 후 상기 제1 수신 유닛 및 상기 제2 수신 유닛에 도달한다.

본 발명의 일 측면에 따르면, 상기 제1 방출 유닛 및 상기 제2 방출 유닛은 각각 상기 방출 렌즈로부터 상이한 위치에 구비되고, 상기 제1 수신 유닛 및 상기 제2 수신 유닛은 각각 상기 수신 렌즈로부터 상이한 위치에 구비된다.

본 발명의 일 측면에 따르면, 상기 제1 방출 유닛은 제1 레이저 장치 어레이를 포함하고, 상기 제1 레이저 장치 어레이는 상기 방출 렌즈의 초점면에 구비되며; 상기 제2 방출 유닛은 제2 레이저 장치 어레이를 포함하고, 상기 제2 레이저 장치 어레이와 상기 방출 렌즈 사이의 거리가 상기 방출 렌즈의 초점 거리보다 작으며; 상기 제1 수신 유닛은 제1 감지기 어레이를 포함하고, 상기 제1 감지기 어레이는 상기 수신 렌즈의 초점면에 구비되며; 상기 제2 수신 유닛은 제2 감지기 어레이를 포함하고, 상기 제2 감지기 어레이와 상기 수신 렌즈 사이의 거리가 상기 수신 렌즈의 초점 거리보다 작다.

본 발명의 일 측면에 따르면, 상기 제2 방출 유닛은 방출단 줌 렌즈를 포함하고, 상기 방출단 줌 렌즈는 상기 제2 레이저 장치 어레이와 상기 방출 렌즈 사이에 구비되며, 상기 제2 감지 레이저 빔은 상기 방출단 줌 렌즈와 상기 방출 렌즈를 통과한 후 레이저 레이더의 외부로 출사되며; 상기 제2 수신 유닛은 수신단 줌 렌즈를 포함하고, 상기 수신단 줌 렌즈는 상기 제2 감지기 어레이와 상기 수신 렌즈 사이에 구비되며, 상기 제2 에코는 상기 수신 렌즈 및 상기 수신단 줌 렌즈를 통과한 후 상기 제2 감지기 어레이에 입사된다.

본 발명의 일 측면에 따르면, 상기 레이저 레이더는 하나 이상의 방출단 반사 거울 및 하나 이상의 수신단 반사 거울을 더 포함하며, 상기 제1 감지 레이저 빔은 상기 방출단 반사 거울에 의해 반사된 후 상기 방출 렌즈를 통해 출사되고, 상기 제1 에코는 상기 수신단 반사 거울에 의해 반사된 후 상기 제1 감지기 어레이에 입사된다.

본 발명의 일 측면에 따르면, 상기 방출단 반사 거울은 개구를 갖는 방출단 반사 거울을 포함하며, 상기 제1 감지 레이저 빔은 상기 개구를 갖는 방출단 반사 거울에 의해 반사된 후 상기 방출 렌즈를 통해 출사되고, 상기 제2 감지 레이저 빔은 상기 개구를 통과하여 상기 방출 렌즈를 통해 출사되며; 상기 수신단 반사 거울은 개구를 갖는 수신단 반사 거울을 포함하며, 상기 제1 에코는 개구를 갖는 상기 수신단 반사 거울에 의해 반사된 후 상기 제1 감지기 어레이에 입사되고, 상기 제2 에코는 상기 개구를 통과하여 상기 제2 감지기 어레이에 입사된다.

본 발명의 일 측면에 따르면, 상기 레이저 레이더는 회전축과 상기 회전축을 중심으로 회전 가능한 광학 기계 로터를 구비하고, 상기 광학 기계 로터는 상기 제1 방출 유닛 및 상기 제2 방출 유닛, 방출단 광학 어셈블리 및 수신단 광학 어셈블리, 제1 수신 유닛 및 상기 제2 수신 유닛을 포함하며, 상기 광학 기계 로터는 상기 회전축 위에 구비되거나 상기 회전축은 상기 광학 기계 로터를 관통한다.

본 발명의 일 측면에 따르면, 상기 방출단 광학 어셈블리는 제1 방출 렌즈 및 제2 방출 렌즈를 포함하고, 상기 수신단 광학 어셈블리는 제1 수신 렌즈 및 제2 수신 렌즈를 포함하며, 상기 제1 감지 레이저 빔은 상기 제1 방출 렌즈를 통해 출사되고, 상기 제2 감지 레이저 빔은 상기 제2 방출 렌즈를 통해 출사되며; 상기 제1 에코는 상기 제1 수신 렌즈를 통해 상기 제1 감지 유닛에 수렴되고, 상기 제2 에코는 상기 제2 수신 렌즈를 통해 상기 제2 감지 유닛에 수렴된다.

본 발명의 일 측면에 따르면, 상기 레이저 레이더는 회전축을 구비하며, 상기 제1 방출 렌즈 및 상기 제2 방출 렌즈는 상기 회전축을 중심으로 서로 약 180도 반대 방향으로 구비되며, 상기 제1 수신 렌즈 및 상기 제2 수신 렌즈는 상기 회전축을 중심으로 서로 약 180도 반대 방향으로 구비된다.

본 발명의 일 측면에 따르면, 상기 제1 방출 렌즈와 제1 수신 렌즈는 텔레센트릭 렌즈 그룹을 포함한다.

본 발명의 일 측면에 따르면, 상기 제1 감지 레이저 빔과 상기 제2 감지 레이저 빔은 레이저 레이더의 상이한 수직 시야각 범위에 대응한다.

본 발명의 일 측면에 따르면, 상기 제1 감지 레이저 빔의 에너지가 상기 제2 감지 에너지 빔보다 높다.

본 발명의 일 측면에 따르면, 상기 제1 방출 유닛 및 상기 제2 방출 유닛은 모두 복수의 레이저 장치 및 다중 채널 구동 칩을 포함하며, 상기 복수의 레이저 장치 및 다중 채널 구동 칩은 동일한 PCB 기판 상에 구비되며; 상기 제1 수신 유닛 및 상기 제2 수신 유닛은 모두 복수의 감지기 및 다중 채널 구동 칩 전단 칩을 포함하며, 상기 복수의 감지기 및 상기 다중 채널 구동 칩 전단 칩은 동일한 PCB 기판 상에 구비된다.

본 발명의 일 측면에 따르면, 상기 레이저 레이더는 데이터 처리 유닛을 더 포함하며, 상기 데이터 처리 유닛은 상기 제1 방출 유닛 및 상기 제2 방출 유닛과 상기 제1 수신 유닛 및 상기 제2 수신 유닛에 결합되고, 상기 제1 감지 레이저 빔 및 상기 제2 감지 레이저 빔의 감지 결과를 융합하여 포인트 클라우드를 생성한다.

본 발명의 실시예는 작은 FOV 원거리 측정과 큰 FOV 근거리 측정을 융합할 수 있는 방안을 제시하며, 본 발명의 실시예에 따른 레이저 레이더는 긴밀한 구조를 확보하면서 근거리 큰 수직 시야각 감지 및 원거리 작은 수직 시야각 감지를 구현할 수 있다.

본 개시의 일부를 구성하는 도면은 본 개시를 더욱 잘 이해하기 위한 것으로서, 본 개시의 예시적 실시예 및 그 설명들은 본 개시를 설명하기 위한 것이며, 본 개시를 부적절하게 한정하는 것이 아니다. 도면에서,
도 1은 종래의 원거리 측정을 위한 레이저 레이더와 근거리 측정을 위한 레이저 레이더를 조합 사용하는 도면을 도시한다.
도 2a는 작은 수직 FOV 원거리 측정을 위한 레이저 레이더의 긴 초점 거리 광 경로 도면을 도시한다.
도 2b는 큰 수직 FOV 근거리 측정을 위한 레이저 레이더의 짧은 초점 거리 광 경로 도면을 도시한다.
도 3a는 큰 수직 FOV가 원거리 측정 근거리 측정을 겸비한 레이저 레이더의 긴 초점 거리 광 경로 도면을 도시한다.
도 3b는 큰 수직 FOV가 원거리 측정 근거리 측정을 겸비한 레이저 레이더의 짧은 초점 거리 광 경로 도면을 도시한다.
도 4a는 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 레이더의 방출 측의 광 경로 구조의 도면을 도시한다.
도 4b는 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 레이더의 방출 측의 광 경로 구조의 도면을 도시한다.
도 4c는 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 레이더의 수신 측의 광 경로 구조의 도면을 도시한다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 이중 초점 거리 구조를 갖는 레이저 레이더의 조감도를 도시한다.
도 6은 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 복수의 반사 거울을 구비한 레이저 레이더의 도면을 도시한다.
도 7a는 비 관통형 레이저 레이더의 도면을 도시한다.
도 7b는 관통형 레이저 레이더의 도면을 도시한다.
도 8은 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 레이저 레이더 도면을 도시한다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 레이더를 위한 텔레센트릭 렌즈 그룹을 도시한다.
도 10a는 본 발명의 일 실시예에 따른 방출 유닛을 도시한다.
도 10b는 본 발명의 일 실시예에 따른 수신 유닛을 도시한다.

이하에서는 단지 일부 예시적인 실시예만을 간단하게 설명한다. 본 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 정신 또는 범위를 벗어나지 않고 상술한 실시예들을 다양한 방식으로 수정할 수 있음을 자명할 것이다. 따라서, 첨부된 도면 및 설명은 본질적으로 예시적인 것이고, 한정적인 것이 아님을 알 수 있다.

본 발명의 설명에서, 이해해야 할 것은, "중심", "세로", "가로", "길이", "폭", "두께", "상", "하", "앞", "뒤", "좌", "우", "수직", "수평", "상부", "저부", "내", "외", "시계 방향", "역시계 방향" 등의 용어가 나타내는 방향 또는 위치 관계는 도면에 도시된 방향 또는 위치 관계에 기초하며, 단지 본 발명의 설명을 용이하게 하고 설명을 단순화하기 위한 것일 뿐, 언급되는 장치 또는 소자가 반드시 특정 방향을 가져야 하거나 특정 방향으로 구성 및 동작되어야 함을 나타내거나 암시하는 것이 아니므로, 본 발명을 제한하는 것으로 이해해서는 안 된다. 또한, "제1" 및 "제2"라는 용어는 설명의 목적으로만 사용될 뿐, 상대적 중요성을 나타내거나 암시, 또는 기술적 특징의 수를 암시적으로 지정하는 것으로 이해해서는 안 된다. 따라서, "제1", "제2"로 한정된 특징은 상기 특징 중의 하나 또는 그 이상을 명시적으로 또는 암시적으로 포함할 수 있다. 본 발명의 설명에서, "복수의"는 달리 명확하게 한정하지 않는 한, 둘 또는 그 이상을 의미한다.

본 발명의 설명에서, 설명해야 할 것은, 달리 명확하게 규정 및 한정하지 않은 한, "설치", "접속", "연결" 등 용어는 넓은 의미로 이해되어야 하는데, 예를 들면 고정 연결 또는 착탈 가능한 연결일 수도 있고, 기계적 연결, 전기적 연결 또는 상호 통신 가능한 연결과 같은 일체적인 연결일 수도 있으며, 직접 연결 또는 매개를 통한 간접 연결일 수도 있고, 두 요소 내의 연통 또는 두 요소의 상호작용 관계일 수도 있다. 본 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 구체적인 상황에 따라 상기 용어들의 본 발명에서의 구체적인 의미를 이해할 수 있다.

본 발명에서, 달리 명확하게 규정 및 한정하지 않은 한, 제1 특징이 제2 특징 "상" 또는 "하"에 위치하는 것은 제1 특징과 제2 특징이 직접적으로 접촉하는 것을 포함할 수도 있고, 제1 특징과 제2 특징이 직접적으로 접촉하지 않고 그 사이에 있는 다른 특징을 통해 접촉하는 것을 포함할 수도 있다. 또한, 제1 특징이 제2 특징 "상", "위" 및 "상부"에 위치하는 것은 제1 특징이 제2 특징의 바로 상부에 위치하는 것과 비스듬히 상부에 위치하는 것을 포함하거나, 또는 단순히 제1 특징의 수평 높이가 제2 특징보다 높음을 나타낼 수 있다. 제1 특징이 제2 특징 "하", "아래" 및 "하부"에 위치하는 것은 제1 특징이 제2 특징의 바로 하부에 위치하는 것과 비스듬히 하부에 위치하는 것을 포함하거나, 또는 단순히 제1 특징의 수평 높이가 제2 특징보다 낮음을 나타낼 수 있다.

이하, 본 발명의 서로 다른 구조를 구현하기 위해서는 다양한 실시형태 또는 예시를 제공한다. 본 발명의 개시를 단순화하기 위해, 이하에서는 특정 예시의 부재 및 설정에 대해 설명하기로 한다. 물론, 이들은 단지 예시일 뿐, 본 발명을 한정하기 위한 것이 아니다. 또한, 본 발명은 다양한 실시예에서 참조 숫자 및/또는 참조 문자를 반복할 수 있으며, 이러한 반복은 단순화 및 명확성을 위한 것일 뿐, 논의되는 다양한 실시형태 및/또는 설정 간의 관계를 지시하는 것이 아니다. 또한, 본 발명에서는 다양한 특정 공정 및 재료의 예시를 제공하였으나, 본 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 다른 공정의 적용 및/또는 다른 재료의 사용을 구현할 수 있다.

본 발명의 발명자들은 종래의 광전 장치(레이저 장치, 감지기)에 기초하여, 레이저 레이더의 높이를 크게 증가시키지 않으면서도 원거리 측정 및 근거리 측정을 모두 겸비하게 하기 위해, 레이저 레이더에 복수의 방출 유닛과 복수의 수신 유닛, 예를 들어 두 개의 방출 유닛과 두 개의 수신 유닛을 구비할 수 있는 바, 여기서 방출 유닛과 수신 유닛 중 하나는 작은 FOV의 목표물 원거리 감지에 사용되고, 방출 유닛과 수신 유닛 중 다른 하나는 큰 FOV의 목표물 근거리 탐지에 사용되며, 아울러 방출 렌즈와 수신 렌즈를 구비하고, 복수의 방출 유닛이 방출하는 상이한 감지 레이저 빔은 상이한 광학 거리를 통과하여 방출 렌즈에 도달하고, 방출 렌즈를 통과한 후 주변 환경으로 출사되며, 목표물에서 생성된 에코는 상기 수신 렌즈로부터 각각 상이한 광학 거리를 통과하여 상이한 수신 렌즈에 도달하는 바, 즉 하나의 방출 유닛과 하나의 수신 유닛으로 구성된 송수신 쌍과 다른 방출 유닛과 다른 수신 유닛으로 구성된 송수신 쌍이 상이한 초점 거리에 대응하여, 본 발명의 실시예에 따른 레이저 레이더는 큰 FOV 근거리 탐지와 작은 FOV의 원거리 탐지의 기능을 동시에 직접할 수 있다.

아래 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하며, 여기서 설명되는 바람직한 실시예는 본 발명을 설명하고 해석하기 위한 것일 뿐 본 발명을 한정하기 위한 것이 아니다.

도 4a, 도 4b 및 도 4c는 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 레이더(100)의 원리도를 도시한 것으로서, 여기서 도 4a 및 도 4b는 레이저 레이더의 방출 측의 광 경로 구조를 도시하고, 도 4c는 레이저 레이더의 수신 측의 광 경로 구조를 도시하며, 이하 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

도 4a에 도시된 바와 같이, 레이저 레이더(100)는 방출 측에서 제1 방출 유닛(101) 및 제2 방출 유닛(102)을 포함하되, 여기서 제1 방출 유닛(101)은 제1 감지 레이저 빔(L1)을 방출하기 위해 회로 기판 상에 구비된 제1 레이저 장치 어레이를 포함하고, 제2 방출 유닛(102)은 마찬가지로 제2 감지 레이저 빔(L2)을 방출하기 위해 회로 기판 상에 구비된 제2 레이저 장치 어레이를 포함한다. 상기 제1 레이저 장치 어레이 및 제2 레이저 장치 어레이의 레이저 장치는 수직 캐비티 표면 방출 레이저 장치(VCSEL) 또는 에지 방출 레이저 장치(EEL)를 포함할 수 있다.

레이저 레이더(100)는 제1 감지 레이저 빔(L1) 및 제2 감지 레이저 빔(L2)에 대해 예를 들어 시준 등 변조를 수행한 후, 목표물을 감지하기 위해 레이저 레이더 주위의 환경으로 출사되게 하기 위한 방출단 광학 어셈블리를 더 포함한다. 도 4a에 도시된 바와 같이, 방출단 광학 어셈블리는 방출 렌즈(103)를 포함하며, 방출 렌즈(103)는 제1 감지 레이저 빔(L1) 및 제2 감지 레이저 빔(L2)을 시준하도록 구성된다. 도 4a에 도시된 바와 같이, 제1 감지 레이저 빔(L1) 및 제2 감지 레이저 빔(L2)은 각각 상기 제1 방출 유닛(101) 및 제2 방출 유닛(102)에서 출사된 후, 상이한 광학 거리를 통과한 후 방출 렌즈(103)에 도달하되, 여기서 제1 감지 레이저 빔(L1)이 통과한 광학 거리는 예를 들어 제2 감지 레이저 빔(L2)이 통과한 광학 거리보다 크다.

제1 감지 레이저 빔(L1) 및 제2 감지 레이저 빔(L2)이 상이한 광학 거리를 갖도록 하기 위해, 예를 들어 상기 제1 방출 유닛(101) 및 상기 제2 방출 유닛(102)이 각각 상기 방출 렌즈(103)로부터 상이한 위치에 구비되게 하는 것이 가능하다. 바람직하게는, 상기 제1 방출 유닛(101)의 제1 레이저 장치 어레이는 상기 방출 렌즈(103)의 초점면에 구비되고, 상기 제2 방출 유닛(102)의 제2 레이저 장치 어레이와 상기 방출 렌즈(103) 사이의 거리는 상기 방출 렌즈(103)의 초점 거리보다 작다.

본 발명의 일 바람직한 실시예에 따르면, 도 4a에 도시된 바와 같이, 상기 레이저 레이더는 방출단 줌 렌즈(104)를 더 포함하고, 상기 방출단 줌 렌즈(104)는 상기 제2 방출 유닛(102)의 제2 레이저 장치 어레이와 상기 방출 렌즈(103) 사이에 구비되며, 제2 감지 레이저 빔(L2)은 상기 방출단 줌 렌즈(104)와 상기 방출 렌즈(103)를 통과한 후 레이저 레이더의 외부로 출사된다. 도 4a에 도시된 바와 같이, 제2 감지 레이저 빔(L2)은 방출단 줌 렌즈(104)를 통과한 후, 방향 또는 발산도에 변화가 발생하며, 그 후 방출 렌즈(103)에 입사되어 레이저 레이더의 외부로 출사된다. 바람직하게는, 상기 제2 방출 유닛(102)의 제2 레이저 장치 어레이는 방출 줌 렌즈(104)와 방출 렌즈(103)가 구성하는 렌즈 그룹의 초점면에 위치하며, 방출 줌 렌즈(104)와 방출 렌즈(103)가 구성하는 렌즈 그룹의 등가 초점 거리는 방출 렌즈(103)의 초점 거리보다 작다.

또한, 도 4a, 도 4b 및 도 4c는 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 레이더(100)의 원리도일 뿐만 아니라, 도 4a 및 도 4b는 또한 방출 측의 제1 방출 유닛(101) 및 제2 방출 유닛(102)의 동축 배치, 즉 제1 방출 유닛(101) 및 제2 방출 유닛(102) 모두가 방출 렌즈(103)의 광축(OO)을 따라 배치된 도면이기도 하다. 서로 다른 방식에 의해 제1 방출 유닛(101)과 제2 방출 유닛(102)의 동축 배치를 구현할 수 있다. 예를 들어, 제2 방출 유닛(102)의 회로 기판에 개구를 형성하고, 제1 감지 레이저 빔(L1)이 통과하게 하기 위해 방출단 줌 렌즈(104)의 중앙에 개구를 형성하여, 제1 감지 레이저 빔(L1)이 방출단 줌 렌즈(104)에 의해 변조되지 않도록 하는 것이 가능하다. 이 경우, 제1 방출 유닛(101)의 제1 레이저 장치 어레이는 회로 기판의 대체로 중간 위치에 보다 조밀하게 구비될 수 있으며; 제2 방출 유닛(102)의 제2 레이저 장치 어레이는 회로 기판의 대체로 가장자리 위치에 성기게 구비될 수 있다. 추가적 또는 대안적으로, 도 4b에 도시된 바와 같이, 제2 방출 유닛(102)은 또한 상하 서로 이격된 두 부분으로 분할될 수 있고, 방출단 줌 렌즈(104)도 서로 이격된 두 부분으로 분할될 수 있으며, 제2 방출 유닛(102)의 중간에서 이격된 영역 및 방출단 줌 렌즈(104)의 중간에서 이격된 영역은 제1 감지 레이저 빔(1)이 통과하게 할 수 있다. 또한, 상기 실시예들을 조합할 수 있는 바, 예를 들어 제2 방출 유닛(102)의 회로 기판의 중앙에 개구를 형성하고, 방출단 줌 렌즈(104)를 두 부분으로 분할하거나, 그 반대로 구현할 수 있다.

또한, 당업자는 마이크로 렌즈 어레이(MLA)에 의해 상기 방출단 줌 렌즈(104)를 구현할 수 있는 바, 예를 들어 상기 제2 방출 유닛(102)의 제2 레이저 장치 어레이의 각 레이저 장치의 광 경로의 하류에 마이크로 렌즈를 설치함으로써, 제2 감지 레이저 빔(L2)이 마이크로 렌즈에 의해 변조된 후 방출 렌즈(103)에 투사될 수 있다. 이에 부가하여, 다른 설정도 가능하며, 이는 이하 실시예에서 상세히 설명한다.

도 4a 및 도 4b의 구조에서, 방출 렌즈(103)는 원거리 측정을 위한 초점 거리가 큰 일반적인 레이저 레이더의 설계를 사용할 수 있으며, 제1 방출 유닛(101)의 제1 레이저 장치 어레이는 방출 렌즈(103)의 초점면에 직접 구비되어 있어 작은 FOV 범위에서 높은 빔 고해상도를 쉽게 구현할 수 있다. 제2 방출 유닛(102)에 하나의 방출 줌 렌즈(104)가 추가되고, 방출 줌 렌즈(104)와 방출 렌즈(103)가 구성하는 렌즈 그룹의 초점 거리는 방출 렌즈(103)의 초점 거리보다 작아서, 큰 FOV의 근거리 감지 스캐닝을 구현하는 동시에 레이저 장치의 방출면 높이가 그리 높지 않아, 긴밀한 구조를 구현할 수 있다. 바람직하게는, 제1 감지 레이저 빔(원거리 측정 광)과 제2 감지 레이저 빔(근거리 측정 광)은 수직 시야에서 중첩되지 않으며, 근거리 측정 및 원거리 측정을 위한 레이저 장치의 출사광은 상이한 에너지를 갖는다. 본 발명의 일 바람직한 실시예에 따르면, 원거리 측정을 위한 제1 감지 레이저 빔(L1)의 에너지는 근거리 측정을 위한 제2 감지 레이저 빔(L2)의 에너지보다 높다.

도 4c에 도시된 바와 같이, 레이저 레이더(100)는 수신 측에서 제1 수신 유닛(105) 및 제2 수신 유닛(106)을 포함하며, 상기 제1 수신 유닛(105)은 제1 감지기 어레이를 포함하고, 상기 제2 수신 유닛(106)은 제2 감지기 어레이를 포함하며, 상기 제1 감지기 어레이 및 제2 감지기 어레이는 애벌랜치 광전 다이오드(APD), 단일 광전 애벌랜치 다이오드(SPAD) 또는 실리콘 광전 증배관(SiPM)고 같은 다양한 유형의 광 감지기를 포함할 수 있다, 제1 감지 레이저 빔(L1) 및 제2 감지 레이저 빔(L2)은 목표물에서 난반사된 후, 각각 제1 에코(L1') 및 제2 에코(L2')를 생성하고 레이저 레이더로 리턴하여, 수신 렌즈(107)에 의해 제1 수신 유닛(105) 및 제2 수신 유닛(106)으로 수렴되고, 제1 수신 유닛(105) 및 제2 수신 유닛(106)은 각각 제1 에코(L1') 및 제2 에코(L2')를 수신하여 전기 신호로 전환하여, 후속 회로가 신호 처리 및 분석을 수행하도록 구성된다. 여기서, 제1 에코(L1') 및 제2 에코(L2')는 각각 상기 수신 렌즈(107)로부터 상이한 광학 거리를 통과하여 상기 제1 수신 유닛(105) 및 제2 수신 유닛(106)에 도달하며, 여기서, 제1 에코(L1')가 통과하는 광학 거리는 예를 들어 제2 에코(L2')가 통과하는 광학 거리보다 크다.

제1 에코(L1') 및 제2 에코(L2')가 상이한 광학 거리를 통과해 각각 상기 제1 수신 유닛(105) 및 상기 제2 수신 유닛(106)에 도달하도록 하기 위해, 상기 제1 수신 유닛(105) 및 상기 제2 수신 유닛(106)을 상기 수신 렌즈(107)와 상이한 위치에 각각 구비하는 것이 가능하다. 예를 들어, 상기 제1 수신 유닛(105)의 제1 감지기 어레이를 상기 수신 렌즈(107)의 초점면에 구비하고, 상기 제2 수신 유닛(106)의 제2 감지기 어레이와 상기 수신 렌즈(107) 사이의 거리를 상기 수신 렌즈(107)의 초점 거리보다 작게 설정하는 것이 가능하다.

본 발명의 일 바람직한 실시예에 따르면, 도 4c에 도시된 바와 같이, 상기 레이저 레이더(100)는 수신 측에서 수신단 줌 렌즈(108)를 더 포함하고, 상기 수신단 줌 렌즈(108)는 상기 제2 수신 유닛(106)의 제2 레이저 장치 어레이와 상기 수신 렌즈(107) 사이에 구비되며, 제2 감지 레이저 빔(L2’)은 상기 수신 렌즈(107)와 상기 수신단 줌 렌즈(108)를 통과한 후 상기 제2 감지기 어레이에 입사된다. 도 4c에 도시된 바와 같이, 제2 에코(L2’)는 수신단 줌 렌즈(108)를 통과한 후, 방향 또는 발산도에 변화가 발생하며, 그 후 상기 제2 감지기 어레이에 입사된다. 바람직하게는, 상기 제2 수신 유닛(106)의 제2 감지기 어레이는 수신 줌 렌즈(108)와 수신 렌즈(107)가 구성하는 렌즈 그룹의 초점면에 위치하며, 수신 줌 렌즈(108)와 수신 렌즈(107)가 구성하는 렌즈 그룹의 등가 초점 거리는 수신 렌즈(107)의 초점 거리보다 작다.

또한, 당업자는 마이크로 렌즈 어레이(MLA)에 의해 상기 수신단 줌 렌즈(108)를 구현할 수 있는 바, 예를 들어 제2 수신 유닛(106)의 제2 감지기 어레이의 각 감지기의 광 경로의 상류에 마이크로 렌즈를 설치함으로써, 제2 에코(L2’)를 변조한다.

또한, 도 4a, 도 4b 및 도 4c는 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 레이더(100)의 원리도일 뿐만 아니라, 도 4c는 또한 수신 측의 제1 수신 유닛(105) 및 제2 수신 유닛(106)의 동축 배치, 즉 제1 수신 유닛(105) 및 제2 수신 유닛(106) 모두가 수신 렌즈(107)의 광축(O’O’)을 따라 배치된 도면이기도 하다. 마찬가지로, 서로 다른 방식에 의해 제1 수신 유닛(105)과 제2 수신 유닛(106)의 동축 배치를 구현할 수 있다. 예를 들어, 제2 수신 유닛(106)의 회로 기판에 개구를 형성하고, 제1 에코(L1’)가 통과하게 하기 위해 수신단 줌 렌즈(108)의 중앙에 개구를 형성하여, 제1 에코(L1’)가 수신단 줌 렌즈(108)에 의해 변조되지 않도록 하는 것이 가능하다. 이 경우, 제1 수신 유닛(105)의 제1 감지기 어레이는 회로 기판의 대체로 중간 위치에 보다 조밀하게 구비될 수 있으며; 제2 수신 유닛(106)의 제2 감지기 어레이는 회로 기판의 대체로 가장자리 위치에 성기게 구비될 수 있다.

추가적 또는 대안적으로, 제2 수신 유닛(106)은 또한 상하 서로 이격된 두 부분으로 분할될 수 있고, 수신단 줌 렌즈(108)도 서로 이격된 두 부분으로 분할될 수 있으며, 제2 수신 유닛(106)의 중간에서 이격된 영역 및 수신단 줌 렌즈(108)의 중간에서 이격된 영역은 제1 감지 레이저 빔(1)이 통과하게 할 수 있다. 또한, 상기 실시예들을 조합할 수 있는 바, 예를 들어 제2 수신 유닛(106)의 회로 기판의 중앙에 개구를 형성하고, 수신단 줌 렌즈(108)를 두 부분으로 분할하거나, 그 반대로 구현할 수 있다.

또한, 당업자는 마이크로 렌즈 어레이(MLA)에 의해 상기 수신단 줌 렌즈(108)를 구현할 수 있는 바, 예를 들어 제2 수신 유닛(106)의 제2 감지기 어레이의 각 감지기의 광 경로의 상류에 마이크로 렌즈를 설치함으로써, 수신 렌즈(107)를 통과한 제2 에코(L2’)가 마이크로 렌즈 변조의 변조 후 감지기에 입사되게 한다. 이에 부가하여, 다른 설정도 가능하며, 이는 이하 실시예에서 상세히 설명한다.

수신 렌즈(107)는 원거리 측정을 위한 초점 거리가 큰 일반적인 레이저 레이더의 설계를 사용할 수 있으며, 제1 수신 유닛(105)의 제1 감지기 어레이는 수신 렌즈(107)의 초점면에 직접 구비되어 있어 작은 FOV 범위에서 높은 빔 고해상도를 쉽게 구현할 수 있다. 제2 수신 유닛(106)의 부근에 하나의 송신 줌 렌즈(108)가 추가되고, 수신 줌 렌즈(108)와 수신 렌즈(107)가 구성하는 렌즈 그룹의 초점 거리는 수신 렌즈(107)의 초점 거리보다 작아서, 큰 FOV를 구현하는 동시에 감지기의 수신면 높이가 그리 높지 않아, 긴밀한 구조를 구현할 수 있다. 본 발명의 일 바람직한 실시예에 따르면, 원거리 측정을 위한 제1 수신 유닛(105)의 제1 감지기 어레이의 감도는 근거리 측정을 위한 제2 수신 유닛(106)의 제2 감지기 어레이의 감도보다 높다.

본 발명의 도 4a, 도 4b 및 도 4c에 도시된 레이저 레이더는 이중 초점 거리 구조를 갖는 레이저 레이더로서, 레이저 레이더(100)가 큰 수직 FOV 근거리 측정과 작은 수직 FOV 원거리 측정의 기능을 동시에 구현할 수 있고, 레이저 레이더의 높이가 크게 증가하지 않는다. 구체적으로, 레이저 레이더의 방출 측에는 각각 제1 감지 레이저 빔(원거리 측정용)과 제2 감지 레이저 빔(근거리 측정용)을 방출하기 위한 두 개의 방출 유닛을 구비하고, 수신 측에는 제1 감지 레이저 빔과 제2 감지 레이저 빔이 생성하는 에코, 즉 각각 원거리 측정 및 근거리 측정을 위한 에코를 각각 수신하기 위한 두 개의 수신 유닛을 구비하며, 하나의 방출 유닛과 하나의 수신 유닛으로 구성된 송수신 쌍(원거리 측정용)과 다른 하나의 방출 유닛과 다른 하나의 수신 유닛으로 구성된 송수신 쌍(근거리 측정용)은 상이한 초점 거리에 대응하여, 긴밀한 구조로 레이저 레이더의 원거리 측정 및 근거리 측정 성능을 모두 겸비하였다.

도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 이중 초점 거리 구조를 갖는 레이저 레이더(100)의 조감도를 도시하는 바, 마찬가지로 이중 초점 거리 구조를 갖는다. 도 4a, 도 4b 및 도 4c와 달리, 도 5에서는 제1 방출 유닛(101) 및 제2 방출 유닛(102)이 비동축으로 배치되는 바, 즉 방출 렌즈(103)의 광축(OO)을 따라 배치되지 않고, 제1 수신 유닛(105) 및 제2 수신 유닛(106)이 비동축으로 배치되는 바, 즉 수신 렌즈(107)의 광축(O'O')을 따라 배치되지 않는다. 도 5에 도시된 바와 같이, 레이저 레이더(100)는 방출 측에서 제1 방출 유닛(101), 제2 방출 유닛(102), 방출 렌즈(103) 및 방출 줌 렌즈(104)를 포함하는 외, 방출단 반사 거울(109)을 더 포함하고, 방출단 반사 거울(109)는 제1 감지 레이저 빔(L1)을 수신하기 위해 제1 방출 유닛(101)과 방출 렌즈(103) 사이에 구비되며, 제1 감지 레이저 빔(L1)은 상기 방출단 반사 거울(109)에 의해 반사된 후, 상기 방출 렌즈(103)를 통해 출사된다. 제2 방출 유닛(102)이 방출하는 제2 감지 레이저 빔(L2)은 상기 방출 줌 렌즈(104)에 의해 변조된 후, 상기 방출 렌즈(103)를 통해 출사된다. 바람직하게는, 도 5에 도시된 바와 같이, 상기 제2 방출 유닛(102) 및 상기 방출 줌 렌즈(104)의 위치는 상기 제1 감지 레이저 빔(L1)의 전파 경로를 양보하도록 구비되고, 제1 감지 레이저 빔(L1) 및 제2 감지 레이저 빔(L2)은 모두 렌즈의 중심을 향하여 출사되며, 제1 감지 레이저 빔(L1) 및 제2 감지 레이저 빔(L2)은 수평 방향(도 5에서, 도 평면의 방향이 수평 방향이고, 도면에 수직인 방향이 수직 방향)에서 작은 각도차를 가지고(도 4a, 4b, 4c에서는 해당 각도차는 0), 도 4a, 4b, 4c의 실시예에 비해, 도 5의 실시예는 반사 거울(109)을 구비함으로써 레이저 레이더 방출 측의 구조를 보다 긴밀하게(높이가 더욱 낮게) 만들 수 있다.

유사하게, 수신 측에서, 레이저 레이더(100)는 제1 수신 유닛(105), 제2 수신 유닛(106), 수신 렌즈(107) 및 수신 줌 렌즈(108)를 포함하는 외, 수신단 반사 거울(110)를 더 포함하고, 수신단 반사 거울(110)는 제1 수신 유닛(105)과 수신 렌즈(107) 사이에 구비되어 제1 에코(L1')를 수신하며, 제1 에코(L1’)는 상기 수신단 반사 거울(110)에 의해 반사된 후 상기 제1 수신 유닛(105)에 입사된다. 제2 에코(L2')는 상기 수신 렌즈(107) 및 상기 수신 줌 렌즈(108)를 통과한 후 제2 수신 유닛(106)에 입사된다. 바람직하게는, 도 5에 도시된 바와 같이, 제2 수신 유닛(106) 및 수신 줌 렌즈(108)는 상기 제1 에코(L1')의 전파 경로를 양보하도록 구비된다. 반사 거울(110)을 구비함으로써, 레이저 레이더의 수신 측의 구조를 더욱 긴밀하게 만들 수 있다. 제1 수신 유닛(105)과 제2 수신 유닛(106)은 신호 처리 유닛을 공용할 수 있다.

도 5에 도시된 실시예에서, 레이저 레이더의 방출 측과 수신 측에 각각 하나의 반사 거울이 구비되어 있으며, 본 발명은 이에 한정되지 않고, 복수의 반사 거울이 구비될 수 있으며, 제2 감지 레이저 빔(L2) 및 제2 에코(L2')의 방향을 변경하기 위한 반사 거울이 추가로 구비될 수 있으며, 이들 모두 본 발명의 보호 범위 내에 속한다.

도 5에 도시된 실시예에서, 제1 방출 유닛(101)의 레이저 장치 어레이는 원거리 측정 광선을 방출하고, 방출단 반사 거울(109)에 의해 한 번 반사 및 반전된 후 방출 렌즈(103)(메인 방출 렌즈)를 통해 출사되고, 장애물에 의해 반사된 후의 원거리 측정 광선의 에코는 수신 렌즈(107)(메인 수신 렌즈)에 의해 수신된 후, 수신단 반사 거울(110)에 의해 한 번 반사 및 반전된 후 제1 수신 유닛(105)의 감지기 어레이에 의해 감지되며, 그 후 후속 처리 유닛에 의해 후속 처리되어 거리 측정 데이터를 얻는다. 상기 감지 과정은 원거리 작은 FOV 감지에 대응한다.

제2 방출 유닛(102)의 레이저 장치 어레이는 근거리 측정 광선을 방출하고, 방출단 줌 렌즈(104)를 통과한 후 방출 렌즈(103)를 통해 출사되고, 장애물에 의해 반사된 후의 근거리 측정 광선의 에코는 수신 렌즈(107)에 의해 수신된 후, 수신단 줌 렌즈(108)를 통과한 후 제2 수신 유닛(106)의 감지기 어레이에 의해 감지되며, 그 후 후속 처리 유닛에 의해 후속 처리되어 거리 측정 데이터를 얻는다. 상기 감지 과정은 근거리 큰 FOV 감지에 대응한다. 제1 수신 유닛(105)의 탐지기 어레이와 제2 수신 유닛(106)의 탐지기 어레이의 판독 신호는 신호 처리 유닛을 공용할 수 있다.

도 6은 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 레이저 레이더를 도시하며, 도 6에서는 제1 방출 유닛(101) 및 제2 방출 유닛(102)이 마찬가지로 비동축으로 배치되는 바, 즉 방출 렌즈(103)의 광축(OO)을 따라 배치되지 않고, 제1 수신 유닛(105) 및 제2 수신 유닛(106)이 역시 비동축으로 배치되는 바, 즉 수신 렌즈(107)의 광축(O'O')을 따라 배치되지 않는다. 도 5의 실시예와 달리, 도 6의 실시예의 레이저 레이더는 복수의 거울을 갖는다. 도 6에 도시된 바와 같이, 레이저 레이더(100)의 방출 측에서 제1 방출 유닛(101), 제2 방출 유닛(102), 방출 렌즈(103) 및 방출 줌 렌즈(104)를 포함하는 외, 제1 방출단 반사 거울(109) 및 제2 방출단 반사 거울(111)을 포함하고, 제1 방출단 반사 거울(109) 및 제2 방출단 반사 거울(111)은 순차적으로 제1 방출 유닛(101)과 방출 렌즈(103) 사이에 위치하여 제1 감지 레이저 빔(L1)을 반사하며, 제1 감지 레이저 빔(L1)은 순차적으로 상기 제1 방출단 반사 거울(109) 및 제2 방출단 반사 거울(111)에 의해 반사된 후, 상기 방출 렌즈(103)를 통해 출사된다. 제2 방출 유닛(102)이 방출하는 제2 감지 레이저 빔(L2)은 상기 방출 줌 렌즈(104)에 의해 변조된 후, 상기 방출 렌즈(103)를 통해 출사된다. 바람직하게는, 도 6에 도시된 바와 같이, 상기 제1 방출단 반사 거울(109)의 위치는 상기 제2 감지 레이저 빔(L2)의 전파 경로를 양보하도록 구비되고, 제2 방출단 반사 거울(111)는 상기 제2 감지 레이저 빔(L2)의 전파 경로에 구비되며, 제2 방출단 반사 거울(111)의 위에 개구가 형성되어 상기 제2 감지 레이저 빔(L2)이 이를 통과할 수 있게 하고, 제2 방출단 반사 거울(111)의 나머지 위치는 도 6에 도시된 바와 같이 제1 감지 레이저 빔(L1)을 반사하는 데 사용된다.

유사하게, 수신 측에서, 레이저 레이더(100)는 제1 수신 유닛(105), 제2 수신 유닛(106), 수신 렌즈(107) 및 수신 줌 렌즈(108)를 포함하는 외, 제1 수신단 반사 거울(110) 및 제2 수신단 반사 거울(112)을 더 포함하고, 제1 수신단 반사 거울(110) 및 제2 수신단 반사 거울(112)은 순차적으로 제1 수신 유닛(105)과 수신 렌즈(107) 사이에 구비되어 제1 에코(L1')를 반사하며, 제1 에코(L1’)는 순차적으로 제1 수신단 반사 거울(110) 및 제2 수신단 반사 거울(112)에 의해 반사된 후 상기 제1 수신 유닛(105)에 입사된다. 제2 에코(L2')는 상기 수신 렌즈(107) 및 상기 수신 줌 렌즈(108)를 통과한 후 제2 수신 유닛(106)에 입사된다. 바람직하게는, 도 6에 도시된 바와 같이, 상기 제1 수신단 반사 거울(110)의 위치는 상기 제2 에코(L2’)의 전파 경로를 양보하도록 구비되고, 제2 수신단 반사 거울(112)는 상기 제2 에코(L2’)의 전파 경로에 구비되며, 제2 수신단 반사 거울(112)의 위에 개구가 형성되어 상기 제2 에코(L2’)가 이를 통과할 수 있게 하고, 제2 수신단 반사 거울(112)의 나머지 위치는 도 6에 도시된 바와 같이 제1 에코(L1’)을 반사하는 데 사용된다.

본 발명의 일 바람직한 실시예에 따르면, 도 7에 도시된 바와 같이, 레이저 레이더는 회전축과 상기 회전축을 중심으로 회전 가능한 광학 기계 로터를 구비하고, 도 4a, 도 4b, 도 4c, 도 5 및 6에 도시된 레이저 레이더의 방출 측 및 수신 측의 광학 및 전자 장치는 모두 상기 광학 기계 로터에 직접되어 있다. 도 7a에 도시된 바와 같이, 광학 기계 로터는 상기 회전축 위에 구비되는 바, 즉 레이저 레이더의 회전축은 광학 기계 로터로부터 돌출되지 않는다. 이러한 비관통 구조에 의해, 회전축이 연장되어 광학 기계 로터에 진입하지 않으므로, 광학 기계 로터를 광학 및 전자 부품을 설치하기 위한 더 넓은 공간을 제공하거나, 동일한 장치의 경우 광학 기계의 부피 및 레이저 레이더의 부피를 줄일 수 있다. 물론, 본 발명은 비관통 구조의 레이저 레이더에 한정되는 것이 아니며, 레이저 레이더의 회전축은 도 7b에 도시된 바와 같이 상기 광학 기계 로터를 관통할 수도 있으며, 관통축 구조가 회전 안정성에 더 유리하며, 이들 모두 본 발명의 보호 범위 내에 속한다. 특히 바람직하게는, 도 5의 실시예의 레이저 레이더는 비관통축 구조를 가지고, 도 6의 실시예의 레이저 레이더는 관통축 구조를 갖는 것이다.

도 8은 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 레이저 레이더(200)를 도시하며, 도 8의 실시예에서, 레이저 레이더의 제1 방출 유닛 및 제2 방출 유닛이 방출하는 제1 감지 레이저 빔 및 제2 감지 레이저 빔은 상이한 방출 렌즈를 통과한 후 출사되고, 이에 대응하여, 제1 에코 및 제2 에코는 상이한 수신 렌즈를 통과하여 각각 제1 수신 유닛 및 제2 수신 유닛에 의해 수신되며, 마찬가지로, 제1 방출 유닛과 제1 수신 유닛으로 구성된 송수신 쌍(원거리 측정용)과 제2 방출 유닛과 제2 수신 유닛으로 구성된 송수신 쌍(근거리 측정용)은 상이한 초점 거리에 대응하여, 아래 도 8을 참조하여 상세히 설명하도록 한다.

도 8에 도시된 바와 같이, 레이저 레이더(200)는 방출 측에서 제1 감지 레이저 빔(L1) 및 제2 감지 레이저 빔(L2)을 각각 방출하여 목표물을 감지하도록 구성되는 제1 방출 유닛(201) 및 제2 방출 유닛(202)을 포함한다. 방출 광학 어셈블리는 제1 감지 레이저 빔(L1) 및 제2 감지 레이저 빔(L2)을 각각 변조한 후 레이저 레이더(200)의 외부로 방출되도록 하기 위한 제1 방출 렌즈(203-1) 및 제2 방출 렌즈(203-2)를 포함한다. 또한, 레이저 레이더(200)는 방출 측에서 제1 방출단 반사 거울(209) 및 제2 방출단 반사 거울(211)를 더 포함하고, 제1 방출단 반사 거울(209) 및 제2 방출단 반사 거울(211)은 순차적으로 제1 방출 유닛(201)와 제1 방출 렌즈(203-1) 사이에 구비되어 제1 감지 레이저 빔(L1)을 차례로 반사한다. 당업자들은 제1 방출단 반사 거울(209) 및 제2 방출단 반사 거울(211)이 반드시 필요한 것이 아니며, 광 경로의 요구 및 기계 구조의 배치 요구를 만족시키는 한 방출단 반사 거울을 구비하지 않거나 다른 수량의 방출단 반사 거울을 구비하는 것도 가능한 것을 이해할 것이다. 도 8에서, 제2 방출 유닛(202)이 방출하는 제2 감지 레이저 빔(L2)은 제2 방출 렌즈(203-2)에 직접 입사되고, 변조(예를 들어, 시준)된 후 출사된다. 또한, 제2 방출 유닛(202)과 제2 방출 렌즈(203-2) 사이에 하나 이상의 반사 거울을 구비하는 것도 가능하며, 이들 모두 본 발명의 보호 범위 내에 속한다. 도 8에 도시된 바와 같이, 상기 제1 방출 렌즈(203-1)와 제2 방출 렌즈(203-2)는 레이저 레이더의 회전축(도 8의 검은 원에 도시된 바와 같이)을 중심으로 서로 약 180도 반대 방향으로 구비된다. 도 8의 구조에서, 근거리 측정을 위한 광 경로 구조와 원거리 측정을 위한 광 경로 구조가 서로 독립적이며, 도 8의 구조는 전술한 실시예의 구조에 비해 장착 및 조정이 용이하다. 또한, 180도 반대 방향으로 구비되는 것은 설계 및 후속 신호 처리에 유리할 수 있으며, 근거리 측정 및 원거리 측정 데이터는 수평 방향에서 180도 각도 차이를 갖는다. 제1 방출 유닛(201)은 예를 들어 제1 방출 렌즈(203-1)의 초점면에 배치되고, 제2 방출 유닛(202)은 예를 들어 제2 방출 렌즈(203-2)의 초점면에 구비된다.

도 8에 도시된 바와 같이, 레이저 레이더(200)는 수신 측에서 제1 감지 레이저 빔(L1) 및 제2 감지 레이저 빔(L2)이 목표물에 의해 반사된 제1 에코(L1’) 및 제2 에코(L2’)를 각각 수신하고 전기 신호로 전환하도록 구성되는 제1 수신 유닛(205) 및 제2 수신 유닛(206)을 포함한다. 수신단 광학 어셈블리는 제1 에코(L1') 및 제2 에코(L2')를 각각 수신하기 위한 제1 수신 렌즈(207-1) 및 제2 수신 렌즈(207-2)를 포함한다. 도 8에 도시된 바와 같이, 제1 수신 렌즈(207-1)는 제1 방출 렌즈(203-1) 옆에 구비될 수 있고, 제2 수신 렌즈(207-2)는 제2 방출 렌즈(203-2) 옆에 구비될 수 있다. 또한, 레이저 레이더(200)는 수신 측에서 제1 수신단 반사 거울(210) 및 제2 수신단 반사 거울(212)를 더 포함하고, 제1 수신단 반사 거울(210) 및 제2 수신단 반사 거울(212)은 순차적으로 제1 수신 유닛(205)와 제1 수신 렌즈(207-1) 사이에 구비되어 제1 에코(L1’)을 차례로 반사한다. 당업자들은 제1 수신단 반사 거울(210) 및 제2 수신단 반사 거울(212)이 반드시 필요한 것이 아니며, 광 경로의 요구 및 기계 구조의 배치 요구를 만족시키는 한 수신단 반사 거울을 구비하지 않거나 다른 수량의 수신단 반사 거울을 구비하는 것도 가능한 것을 이해할 것이다. 도 8에서, 제2 에코(L2')는 수신 렌즈(207-2)를 통과한 후 제2 수신 유닛(206)로 직접 수렴되어 전기 신호로 전환된다. 또한, 제2 수신 유닛(206)과 제2 수신 렌즈(207-2) 사이에 하나 이상의 반사 거울을 구비하는 것도 가능하며, 이들 모두 본 발명의 보호 범위 내에 속한다. 도 8에 도시된 바와 같이, 상기 제1 수신 렌즈(207-1)와 제2 수신 렌즈(207-2)는 레이저 레이더의 회전축(도 8의 중심의 검은 원에 도시된 바와 같이)을 중심으로 서로 약 180도 반대 방향으로 구비된다. 제1 수신 유닛(205)은 예를 들어 제1 수신 렌즈(207-1)의 초점면에 배치되고, 제2 수신 유닛(206)은 예를 들어 제2 수신 렌즈(207-2)의 초점면에 구비된다. 도 8에 도시된 레이저 레이더(200)는 관통축 구조이거나 비관통축 구조일 수 있으며, 바람직하게는 비관통축 구조이다.

도 8에 도시된 바와 같이, 제1 감지 레이저 빔(L1) 및 상기 제2 감지 레이저 빔(L2)은 상기 제1 방출 유닛(201) 및 상기 제2 방출 유닛(202)으로부터 각각 출사된 후 상이한 광학 거리를 통과한 후 상기 제1 방출 렌즈(203-1) 및 제2 방출 렌즈(203-2)에 도달하고, 상기 제1 에코 및 상기 제2 에코는 상기 수신 렌즈로부터 각각 상이한 광학 거리를 통과한 후 상기 제1 수신 유닛 및 상기 제2 수신 유닛에 도달한다.

도 8의 실시예에서, 제1 방출 렌즈(203-1)는 예를 들어 큰 초점 거리를 가지고, 제1 수신 렌즈(207-1)는 예를 들어 큰 초점 거리를 가지며, 제1 방출 유닛(201) 및 제1 수신 유닛(205)를 결합하여 원거리 작은 FOV 감지에 사용되며; 제2 방출 렌즈(203-2)는 예를 들어 작은 초점 거리를 가지고, 제2 수신 렌즈(207-2)는 예를 들어 작은 초점 거리를 가지며, 제2 방출 유닛(202) 및 제2 수신 유닛(206)를 결합하여 근거리 큰 FOV 감지에 사용한다.

본 발명의 일 바람직한 실시예에 따르면, 상기 제1 방출 유닛(201) 및 제2 방출 유닛(202)의 레이저 장치는 PCB 기판으로부터 수직으로 빛을 방출하도록 설정된 수직 캐비티 표면 방출 레이저 장치(VCSEL)를 포함하고, 상기 제1 수신 유닛(205) 및 제2 수신 유닛(206)의 감지기(어레이)는 예를 들어 단일 광자 감지기 SiPM 또는 SPAD 어레이를 포함할 수 있다. 또한, 근거리 측정을 위한 광전 장치와 원거리 측정을 위한 광전 장치는 회전 플랫폼을 공용할 수 있으며, 무선 방식으로 전력 공급 및 신호 전송을 수행할 수 있다. 바람직하게는, 도 8에 도시된 실시예에서, 레이저 레이더(200)는 근거리 측정 모듈 및 원거리 측정 모듈을 수용하기 위한 로터의 공간을 증가시키기 위해 레이저 레이더의 회전축이 로터로부터 돌출되지 않는 비관통축 구조(예를 들어 도 7a에 도시된 구조)이다.

본 발명의 일 바람직한 실시예에 따르면, 제1 방출 렌즈(203-1) 및 제1 수신 렌즈(207-1)는 예를 들어 도 9에 설명된 바와 같이, 전체 렌즈 높이를 감소시키고 구조를 보다 긴밀하게 할 수 있는 텔레센트릭 렌즈 그룹인 것이 바람직하다. 상기 제1 방출 렌즈(203-1)의 초점면 근처에 위치한 제1 방출 유닛(201)의 광 경로의 하류에 제1 필드 렌즈(213)를 구비할 수 있고, 상기 제1 수신 렌즈(207-1)의 초점면 근처에 위치한 제1 수신 유닛(205)의 광 경로의 상류에 제2 필드 렌즈(214)를 구비할 수 있다. 제1 필드 렌즈(213) 및 제2 필드 렌즈(214)를 구비함으로써, 광 경로를 광축으로 다시 당겨 올 수 있고, 동시에 원거리 측정을 위한 제1 전송 렌즈(203-1) 및 제1 수신 렌즈(207-1)의 초점 거리가 길고 수직 시야가 작은 반면, 근거리 측정을 위한 제2 전송 렌즈(203-2) 및 제2 수신 렌즈(207-2)의 초점 거리가 짧고 수직 시야가 커, 양자의 초점면의 높이는 비교적 가까울 수 있다. 따라서, 원거리 측정 및 근거리 측정을 위한 광 경로의 높이가 크게 차이가 나지 않아, 레이저 레이더의 전체 높이가 매우 긴밀하고 합리적이다.

또한 바람직하게는, 제1 방출 유닛(101, 201) 및 제2 방출 유닛(102, 202)의 각 레이저 장치 어레이의 구동 회로는 각각 칩(다중 채널 구동 칩)에 집적될 수 있는데, 예를 들어 레이저 장치 어레이가 8 개의 레이저 장치를 포함하고, 각 4 개의 레이저 장치의 구동 회로가 하나의 다중 채널 구동 칩에 집적되면, 레이저 장치 어레이가 2 개의 다중 채널 구동 칩과 대응하고, 복수의 레이저 장치 및 대응하는 다중 채널 구동 칩 드라이버 칩이 도 10a에 도시된 바와 같이 동일한 PCB 기판에 구비된다. 바람직하게는, 제1 수신 유닛(105, 205) 및 제2 수신 유닛(106, 206)의 감지기 어레이의 판독 회로들은 마찬가지로 칩(멀티채널 아날로그 전단 칩)에 직접되는데, 예를 들어 감지기 어레이가 32 개의 감지기를 포함하고, 각 16 개의 감지기의 판독 회로가 하나의 멀티채널 아날로그 전단 칩에 집적되면, 감지기 어레이가 2 개의 멀티채널 아날로그 전단 칩과 대응하고, 복수의 감지기 및 다중 채널 구동 칩 아날로그 프런트단 칩이 도 10b에 도시된 바와 같이 동일한 PCB 기판에 구비된다. 이러한 방식으로 로터에서 회로 부품이 차지하는 공간을 더욱 줄일 수 있어, 근거리 측정 및 원거리 측정 모듈을 수용하고 레이저 레이더 구조를 더욱 긴밀하게 하는데 유리하다.

본 발명의 레이저 레이더는 데이터 처리 유닛을 더 포함하며, 상기 데이터 처리 유닛은 상기 제1 방출 유닛 및 상기 제2 방출 유닛과 상기 제1 수신 유닛 및 상기 제2 수신 유닛에 결합되고, 상기 제1 감지 레이저 빔 및 상기 제2 감지 레이저 빔의 감지 결과를 융합하여 포인트 클라우드를 생성한다.

상기 실시예에서 알 수 있는 바와 같이, 본 발명은 이중 초점 분리 설계를 사용하고, 고해상도 작은 FOV의 원거리 측정과 저해상도 큰 FOV의 근거리 측정을 겸비하며, 아울러 레이저 장치와 감지기의 높이가 크게 증가하지 않고 구조가 긴밀하게 하여 차량에 레이저 레이더를 설치하는 데 유리하다.

본 발명의 실시예에 따른 레이저 레이더는 큰 FOV 근거리 측정 감지와 작은 FOV 원거리 측정 감지를 집적시킨다. 줌 구조를 사용함으로써, 큰 FOV 근거리 측정 감지기가 원거리 측정 감지기와 동일한 초점 거리에 있을 필요가 없으므로, 감지기 패널의 높이가 훨씬 작아진다. 메인 렌즈를 공용하는 방안에 있어서, 근거리 측정 및 원거리 측정의 광선이 동일 그룹의 송수신 메인 렌즈에서 방출되므로, 근거리 측정 및 원거리 측정의 수평 각도 차이가 매우 작고, 동일한 물체를 스캔하는 근거리 측정 및 원거리 측정 간의 시간 차이가 매우 작기 때문에 근거리 측정 및 원거리 측정의 포인트 클라우드가 더 쉽게 융합된다.

본 발명은 작은 FOV 원거리 측정 및 큰 FOV 근거리 측정을 겸비한 방안을 제시하고, 큰 FOV 근거리 측정 감지기에 줌 구조를 사용하여 원거리 측정 감지기와 동일한 초점거리에 있을 필요가 없도록 함으로써, 큰 FOV 근거리 측정 감지기 패널의 높이를 크게 낮추어 레이저 레이더의 높이를 매우 높게 할 필요가 없도록 하고, 전체 구조의 긴밀성을 증가시킨다.

마지막으로 설명해야 할 것은, 이상은 본 발명의 바람직한 실시예일 뿐이고, 본 발명을 한정하려는 것이 아니다. 전술한 실시예를 참조하여 본 발명을 상세하게 설명하였으나, 본 기술분야에서 통상의 지식을 자진 자라면 전술한 각 실시예에 기재된 기술적 방안을 수정하거나, 일부 기술적 특징을 균등하게 대체할 수도 있다. 본 발명의 정신과 원칙 내에서 이루어진 임의의 수정, 균등한 대체, 개선 등은 모두 본 발명의 보호 범위 내에 포함되어야 한다.

Claims

레이저 레이더에 있어서,
제1 감지 레이저 빔 및 제2 감지 레이저 빔을 각각 방출하여 목표물을 감지하도록 구성되는 제1 방출 유닛 및 제2 방출 유닛;
방출단 광학 어셈블리가 방출 렌즈를 포함하고, 수신단 광학 어셈블리가 수신 렌즈를 포함하는 방출단 광학 어셈블리 및 수신단 광학 어셈블리;
상기 제1 감지 레이저 빔 및 상기 제2 감지 레이저 빔이 목표물에 의해 반사된 제1 에코 및 제2 에코를 각각 수신하고 전기 신호로 전환하도록 구성되는 제1 수신 유닛 및 제2 수신 유닛을 포함하며;
상기 제1 감지 레이저 빔 및 상기 제2 감지 레이저 빔은 상기 제1 방출 유닛 및 상기 제2 방출 유닛으로부터 각각 출사된 후 상이한 광학 거리를 통과한 후 상기 방출 렌즈에 도달하고, 상기 제1 에코 및 상기 제2 에코는 상기 수신 렌즈로부터 각각 상이한 광학 거리를 통과한 후 상기 제1 수신 유닛 및 상기 제2 수신 유닛에 도달하는 레이저 레이더.
제1항에 있어서,
상기 제1 방출 유닛 및 상기 제2 방출 유닛은 각각 상기 방출 렌즈로부터 상이한 위치에 구비되고, 상기 제1 수신 유닛 및 상기 제2 수신 유닛은 각각 상기 수신 렌즈로부터 상이한 위치에 구비되는 레이저 레이더.
제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 제1 방출 유닛은 제1 레이저 장치 어레이를 포함하고, 상기 제1 레이저 장치 어레이는 상기 방출 렌즈의 초점면에 구비되며; 상기 제2 방출 유닛은 제2 레이저 장치 어레이를 포함하고, 상기 제2 레이저 장치 어레이와 상기 방출 렌즈 사이의 거리가 상기 방출 렌즈의 초점 거리보다 작으며; 상기 제1 수신 유닛은 제1 감지기 어레이를 포함하고, 상기 제1 감지기 어레이는 상기 수신 렌즈의 초점면에 구비되며; 상기 제2 수신 유닛은 제2 감지기 어레이를 포함하고, 상기 제2 감지기 어레이와 상기 수신 렌즈 사이의 거리가 상기 수신 렌즈의 초점 거리보다 작은 레이저 레이더.
제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 제2 방출 유닛은 방출단 줌 렌즈를 포함하고, 상기 방출단 줌 렌즈는 상기 제2 레이저 장치 어레이와 상기 방출 렌즈 사이에 구비되며, 상기 제2 감지 레이저 빔은 상기 방출단 줌 렌즈와 상기 방출 렌즈를 통과한 후 레이저 레이더의 외부로 출사되며; 상기 제2 수신 유닛은 수신단 줌 렌즈를 포함하고, 상기 수신단 줌 렌즈는 상기 제2 감지기 어레이와 상기 수신 렌즈 사이에 구비되며, 상기 제2 에코는 상기 수신 렌즈 및 상기 수신단 줌 렌즈를 통과한 후 상기 제2 감지기 어레이에 입사되는 레이저 레이더.
제4항에 있어서,
하나 이상의 방출단 반사 거울 및 하나 이상의 수신단 반사 거울을 더 포함하며, 상기 제1 감지 레이저 빔은 상기 방출단 반사 거울에 의해 반사된 후 상기 방출 렌즈를 통해 출사되고, 상기 제1 에코는 상기 수신단 반사 거울에 의해 반사된 후 상기 제1 감지기 어레이에 입사되는 레이저 레이더.
제5항에 있어서,
상기 방출단 반사 거울은 개구를 갖는 방출단 반사 거울을 포함하며, 상기 제1 감지 레이저 빔은 상기 개구를 갖는 방출단 반사 거울에 의해 반사된 후 상기 방출 렌즈를 통해 출사되고, 상기 제2 감지 레이저 빔은 상기 개구를 통과하여 상기 방출 렌즈를 통해 출사되며;
상기 수신단 반사 거울은 개구를 갖는 수신단 반사 거울을 포함하며, 상기 제1 에코는 개구를 갖는 상기 수신단 반사 거울에 의해 반사된 후 상기 제1 감지기 어레이에 입사되고, 상기 제2 에코는 상기 개구를 통과하여 상기 제2 감지기 어레이에 입사되는 레이저 레이더.
제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 레이저 레이더는 회전축과 상기 회전축을 중심으로 회전 가능한 광학 기계 로터를 구비하고, 상기 광학 기계 로터는 상기 제1 방출 유닛 및 상기 제2 방출 유닛, 방출단 광학 어셈블리 및 수신단 광학 어셈블리, 제1 수신 유닛 및 상기 제2 수신 유닛을 포함하며, 상기 광학 기계 로터는 상기 회전축 위에 구비되거나 상기 회전축은 상기 광학 기계 로터를 관통하는 레이저 레이더.
제1항에 있어서,
상기 방출단 광학 어셈블리는 제1 방출 렌즈 및 제2 방출 렌즈를 포함하고, 상기 수신단 광학 어셈블리는 제1 수신 렌즈 및 제2 수신 렌즈를 포함하며, 상기 제1 감지 레이저 빔은 상기 제1 방출 렌즈를 통해 출사되고, 상기 제2 감지 레이저 빔은 상기 제2 방출 렌즈를 통해 출사되며; 상기 제1 에코는 상기 제1 수신 렌즈를 통해 상기 제1 감지 유닛에 수렴되고, 상기 제2 에코는 상기 제2 수신 렌즈를 통해 상기 제2 감지 유닛에 수렴되는 레이저 레이더.
제8항에 있어서,
상기 레이저 레이더는 회전축을 구비하며, 상기 제1 방출 렌즈 및 상기 제2 방출 렌즈는 상기 회전축을 중심으로 서로 약 180도 반대 방향으로 구비되며, 상기 제1 수신 렌즈 및 상기 제2 수신 렌즈는 상기 회전축을 중심으로 서로 약 180도 반대 방향으로 구비되는 레이저 레이더.
제8항 또는 제9항에 있어서,
상기 제1 방출 렌즈와 제1 수신 렌즈는 텔레센트릭 렌즈 그룹을 포함하는 레이저 레이더.
제1항, 제2항, 제8항 또는 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제1 감지 레이저 빔과 상기 제2 감지 레이저 빔은 레이저 레이더의 상이한 수직 시야각 범위에 대응하는 레이저 레이더.
제1항, 제2항, 제8항 또는 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제1 감지 레이저 빔의 에너지가 상기 제2 감지 에너지 빔보다 높은 레이저 레이더.
제1항, 제2항, 제8항 또는 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제1 방출 유닛 및 상기 제2 방출 유닛은 모두 복수의 레이저 장치 및 다중 채널 구동 칩을 포함하며, 상기 복수의 레이저 장치 및 다중 채널 구동 칩은 동일한 PCB 기판 상에 구비되며; 상기 제1 수신 유닛 및 상기 제2 수신 유닛은 모두 복수의 감지기 및 다중 채널 구동 칩 전단 칩을 포함하며, 상기 복수의 감지기 및 상기 다중 채널 구동 칩 전단 칩은 동일한 PCB 기판 상에 구비되는 레이저 레이더.
제1항, 제2항, 제8항 또는 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
데이터 처리 유닛을 더 포함하며, 상기 데이터 처리 유닛은 상기 제1 방출 유닛 및 상기 제2 방출 유닛과 상기 제1 수신 유닛 및 상기 제2 수신 유닛에 결합되고, 상기 제1 감지 레이저 빔 및 상기 제2 감지 레이저 빔의 감지 결과를 융합하여 포인트 클라우드를 생성하는 레이저 레이더.