KR20240058475A - 플래시 라이다 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명에 따른 플래시 라이다 장치는, 소정 파장 대역의 광을 상기 플래시 라이다 장치의 측방으로 방출하는 측방 광 방출부; 상기 플래시 라이다 장치의 측방에 위치하는 반사체에 의해 반사되는 광을 하방으로 반사하는 수신 미러; 상기 수신 미러의 하측에 위치하며, 상기 수신 미러에 의해 하방으로 반사된 광을 상방으로 반사하는 반사 미러; 및 상기 수신 미러의 상측에 위치하는 거리 영상 획득부를 포함한다. 본 발명에 의하면 플래시 라이다 장치의 측방에 위치하는 반사체를 검출할 수 있고, 상기 수신 미러에는 수신 미러 광 투과부가 마련되어 있기 때문에 반사 미러에 의해 상방으로 반사되는 광의 경로를 별도로 마련할 필요가 없으며 이로 인해 플래시 라이다 장치의 소형화가 가능하다.

Description

플래시 라이다 장치{FLASH LIDAR APPARATUS}
본 발명은 광 방출부에서 방출되는 광을 이용하여 외부 반사체를 검출하는 플래시 라이다 장치에 관한 것이다.
라이다(LIDAR: light detection and ranging)는 기능에 있어서는 레이다(RADAR: radio detection and ranging)와 유사하지만, 전파를 이용하는 레이다와 달리 광을 이용한다는 점에서 레이다와 차이가 있으며, 이러한 점에서 라이다를 '영상 레이다'라 칭하기도 한다.
그동안은 위성이나 항공기에 탑재되어 광을 방출하고, 대기 중의 입자에 의해 산란되는 광을 지상 관측소에서 수신하는 항공 라이다 장치가 주류를 이루어 왔다. 이러한 항공 라이다 장치는 바람 정보와 함께, 먼지, 연기, 에어로졸, 구름 입자 등의 존재와 이동을 측정하고, 대기 중 먼지입자의 분포 또는 대기 오염도를 분석하는 데에 사용되어 왔다. 그런데 최근에는 송신 광학계와 수신 광학계가 모두 지상에 배치되어, 장애물 탐지, 지형 모델링, 반사체의 위치 획득 등 다양한 기능을 수행하는 지상 라이다 장치에 대한 연구가 활발히 이루어지고 있다.
라이다 장치는 통상적으로 외부로 광을 방출하는 송신 광학계, 외부에 위치하는 반사체에 의해 반사되는 광을 수신하는 수신 광학계, 그리고 라이다 장치로부터 반사체까지의 거리를 계산하는 분석부로 이루어진다. 여기서, 분석부는 송신 광학계로부터 방출된 광을 수신 광학계가 수신하기까지 소요되는 시간차 등을 통해 라이다 장치로부터 반사체까지의 거리를 계산하고, 나아가 여러 방향으로부터 수신되는 광을 이용하여 각 방향에 따른 거리를 계산함으로써 화각(FOV: field of view)에 상응하는 거리맵을 작성하기도 한다.
종래의 라이다 장치 중에는 스캔 타입의 라이다 장치와 플래시 라이다 장치가 있다.
스캔 타입의 라이다 장치 중에서 2D 스캔 타입의 라이다 장치는 단일의 레이저와 단일의 수신 소자로 구성되며, 통상적으로 수신 미러를 회전시키는 방식을 이용하여 광의 진행 방향을 포함하는 2차원 평면에서의 영상을 획득한다. 또한, 스캔 타입의 라이다 장치 중에서 3D 스캔 타입의 라이다 장치는 다수의 레이저와 다수의 수신 소자로 구성되며, 수신 미러를 회전시키는 방식을 이용하여 광의 진행 방향을 포함하는 3차원 공간에서의 영상을 획득한다. 이와 같이 스캔 타입의 라이다 장치는 수신 미러의 회전 방식을 이용하기 때문에 수신 미러의 회전을 위한 모터가 라이다 장치에 반드시 구비되어 있어야만 한다. 또한, 스캔 타입의 라이다 장치는 펄스 형태의 광을 스캔하고, 상기 스캔에 따른 광을 외부 반사체를 향해 방출하기 때문에 광의 도달 거리는 비교적 길지만, 해상도는 다소 낮다는 문제점이 있다.
이와 대비하여, 플래시 라이다 장치는 일반적으로 빔 폭이 넓은 광을 방출하고, 외부 반사체에 의해 반사되는 광을 획득하는 방법을 통해 라이다 장치로부터 반사체까지의 거리를 계산한다. 플래시 라이다 장치를 구현하기 위해서는 소비 전력이 매우 높은 광원을 필요로 하며, 여러 방향으로 광을 송신함과 동시에 여러 방향으로부터의 광을 수신하기 위해 송신 광학계 및 수신 광학계의 구조가 비교적 복잡한 편에 속한다.
최근 들어서는 라이다 장치를 드론에 장착하여 정찰, 감시, 물품 배송 등 다양한 용도로 활용하려는 시도가 나타나고 있다. 라이다 장치가 장착된 드론이 주어진 임무를 안정적으로 수행하기 위해서는 라이다 장치의 측방에 위치하는 반사체를 검출할 수 있어야 하며, 나아가 드론의 착륙이나 충전 등을 위해서 라이다 장치의 하방에 위치하는 반사체 또한 검출할 수 있어야 한다. 또한, 드론이 라이다 장치를 구비한 상태에서 오랜 시간 임무를 수행하기 위해서는 동일한 전력 조건 하에서 오랜 시간 비행이 가능해야 하고, 이를 위해서는 라이다 장치의 소형화가 선행되어야 한다.
한국 등록특허공보 제10-2209500호(2021.01.25.)
본 발명은 측방에 위치하는 반사체를 검출할 수 있고, 이와 함께 소형화가 가능한 플래시 라이다 장치를 제공하는 것에 그 목적이 있다.
또한, 본 발명은 측방에 위치하는 반사체와 하방에 위치하는 반사체를 동시에 검출할 수 있으며, 이와 함께 소형화가 가능한 플래시 라이다 장치를 제공하는 것에 그 목적이 있다.
다만, 본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는 상술한 과제만으로 한정되는 것은 아니며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래에 기재된 발명의 설명으로부터 통상의 기술자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 플래시 라이다 장치는, 소정 파장 대역의 광을 상기 플래시 라이다 장치의 측방으로 방출하는 측방 광 방출부; 상기 플래시 라이다 장치의 측방에 위치하는 반사체에 의해 반사되는 광을 하방으로 반사하는 수신 미러; 상기 수신 미러의 하측에 위치하며, 상기 수신 미러에 의해 하방으로 반사된 광을 상방으로 반사하는 반사 미러; 및 상기 수신 미러의 상측에 위치하는 거리 영상 획득부를 포함할 수 있으며, 상기 수신 미러에는 수신 미러 광 투과부가 마련될 수 있고, 상기 반사 미러에 의해 상방으로 반사되는 광은 상기 수신 미러 광 투과부를 투과할 수 있으며, 상기 거리 영상 획득부는, 상기 수신 미러의 상측에 위치하며, 상기 반사 미러에 의해 상방으로 반사된 뒤 상기 수신 미러 광 투과부를 투과하는 광 중에서, 상기 소정 파장 대역의 광을 검출하여, 상기 측방에 위치하는 반사체의 거리에 기반한 영상을 획득할 수 있다.
상기 플래시 라이다 장치는, 상기 수신 미러의 상측에 위치하며, 상기 반사 미러에 의해 상방으로 반사된 뒤 상기 수신 미러 광 투과부를 투과하는 광 중에서, 상기 소정 파장 대역의 광은 반사하고 상기 소정 파장 대역 이외의 광은 투과하는 제1 미러를 더 포함할 수 있으며, 상기 제1 미러에 의해 반사되는 소정 파장 대역의 광은 상기 거리 영상 획득부로 전달될 수 있다.
상기 플래시 라이다 장치는, 상기 수신 미러의 상측에 위치하며, 상기 반사 미러에 의해 상방으로 반사된 뒤 상기 수신 미러 광 투과부를 투과하는 광 중에서, 상기 소정 파장 대역 이외의 광을 검출하여, 상기 측방에 위치하는 반사체의 형상에 기반한 영상을 획득하는 형상 영상 획득부를 더 포함할 수 있다.
상기 플래시 라이다 장치는, 상기 수신 미러의 상측에 위치하며, 상기 반사 미러에 의해 상방으로 반사된 뒤 상기 수신 미러 광 투과부를 투과하는 광 중에서, 상기 소정 파장 대역의 광은 투과하고 상기 소정 파장 대역 이외의 광은 반사하는 제2 미러를 더 포함할 수 있으며, 상기 제2 미러에 의해 반사되는 소정 파장 대역 이외의 광은 상기 형상 영상 획득부로 전달될 수 있다.
상기 측방 광 방출부는, 상기 소정 파장 대역의 광을 상기 플래시 라이다 장치의 측방으로 방출하는 다수 개의 측방 발광 엘리먼트를 포함할 수 있으며, 상기 다수 개의 측방 발광 엘리먼트는 상기 수신 미러의 외부 둘레를 따라 배치될 수 있다.
상기 플래시 라이다 장치는, 상기 소정 파장 대역의 광을 상기 플래시 라이다 장치의 하방으로 방출하는 하방 광 방출부를 더 포함할 수 있으며, 상기 반사 미러에는 반사 미러 광 투과부가 마련될 수 있고, 상기 플래시 라이다 장치의 하방에 위치하는 반사체에 의해 반사되는 광은 상기 반사 미러 광 투과부 및 상기 수신 미러 광 투과부를 투과할 수 있으며, 상기 거리 영상 획득부는, 상기 플래시 라이다 장치의 하방에 위치하는 반사체에 의해 반사된 뒤 상기 반사 미러 광 투과부 및 상기 수신 미러 광 투과부를 투과하는 광 중에서, 상기 소정 파장 대역의 광을 추가적으로 검출하여, 상기 하방에 위치하는 반사체의 거리에 기반한 영상을 획득할 수 있다.
상기 플래시 라이다 장치는, 상기 플래시 라이다 장치의 하방에 위치하는 반사체에 의해 반사된 뒤 상기 반사 미러 광 투과부 및 상기 수신 미러 광 투과부를 투과하는 광 중에서, 상기 소정 파장 대역 이외의 광을 추가적으로 검출하여 상기 하방에 위치하는 반사체의 형상에 기반한 영상을 획득하는 형상 영상 획득부를 더 포함할 수 있다.
상기 하방 광 방출부는 상기 수신 미러로부터 측방으로 일정 거리 이격된 곳에 위치할 수 있으며, 상기 하방 광 방출부로부터 방출되는 소정 파장 대역의 광은 상기 수신 미러 및 상기 반사 미러에 입사되지 않은 채 상기 플래시 라이다 장치의 하방으로 직접적으로 진행할 수 있다.
상기 측방 광 방출부는, 상기 소정 파장 대역의 광을 상기 플래시 라이다 장치의 하방으로 방출하는 발광 엘리먼트; 및 상기 발광 엘리먼트로부터 방출되는 소정 파장 대역을 반사하여, 상기 소정 파장 대역의 광 경로를 상기 플래시 라이다 장치의 측방으로 변환하는 경로 변환 미러를 포함할 수 있다.
상기 경로 변환 미러에는 오목한 반사면이 마련될 수 있으며, 상기 발광 엘리먼트에서 방출되는 소정 파장 대역의 광은 상기 경로 변환 미러의 오목한 반사면에 입사할 수 있다.
상기 측방 광 방출부는, 상기 경로 변환 미러에 의해 경로 변환된 소정 파장 대역의 광의 화각을 변경시키는 측방 화각 변경 렌즈를 더 포함할 수 있다.
상기 측방 광 방출부는, 상기 발광 엘리먼트로부터 하방으로 방출되는 소정 파장 대역의 광을 평행광으로 변환하는 측방 콜레메이팅 렌즈를 더 포함할 수 있으며, 상기 측방 화각 변경 렌즈에는 상기 측방 콜레메이팅 렌즈에 의해 평행광으로 변환된 소정 파장 대역의 광이 입사할 수 있다.
상기 하방 광 방출부는 상기 수신 미러의 상측에 위치할 수 있으며, 상기 하방 광 방출부로부터 방출되는 소정 파장 대역의 광은 상기 플래시 라이다 장치의 하방으로 직접적으로 진행하여 상기 수신 미러 광 투과부 및 상기 반사 미러 광 투과부를 투과할 수 있다.
상기 플래시 라이다 장치는, 상기 하방 광 방출부로부터 하방으로 방출되는 소정 파장 대역의 광의 화각을 변경시키는 하방 화각 변경 렌즈를 더 포함할 수 있다.
상기 하방 화각 변경 렌즈는 상기 반사 미러 광 투과부 내에 또는 상기 반사 미러 광 투과부의 하측에 배치될 수 있다.
상기 하방 광 방출부는, 상기 소정 파장 대역의 광을 상기 플래시 라이다 장치의 하방으로 방출하는 하방 발광 엘리먼트; 및 상기 하방 발광 엘리먼트로부터 하방으로 방출되는 소정 파장 대역의 광을 평행광으로 변환하는 하방 콜레메이팅 렌즈를 포함할 수 있으며, 상기 하방 화각 변경 렌즈에는 상기 하방 콜레메이팅 렌즈에 의해 평행광으로 변환된 소정 파장 대역의 광이 입사할 수 있다.
본 발명은 플래시 라이다 장치의 측방에 위치하는 반사체에 의해 반사되는 광을 하방으로 반사하는 수신 미러와, 상기 수신 미러에 의해 하방으로 반사된 광을 상방으로 반사하는 반사 미러를 통해, 플래시 라이다 장치의 측방에 위치하는 반사체를 검출할 수 있다. 나아가, 본 발명에 의하면, 상기 수신 미러에 수신 미러 광 투과부가 마련되어 있기 때문에, 반사 미러에 의해 상방으로 반사되는 광은 상기 수신 미러 광 투과부를 투과하여 영상 획득부로 전달될 수 있다. 이러한 본 발명에 의하면, 반사 미러에 의해 상방으로 반사되는 광의 경로를 별도로 마련할 필요가 없으며, 이로 인해 플래시 라이다 장치의 소형화가 가능하다.
또한, 본 발명은 수신 미러 광 투과부가 마련된 수신 미러 및 반사 미러 광 투과부가 마련된 반사 미러를 통해, 플래시 라이다 장치의 측방에 위치하는 반사체와 하방에 위치하는 반사체를 동시에 검출할 수 있다. 나아가, 본 발명에 의하면, 상기 반사 미러에 반사 미러 광 투과부가 마련되어 있기 때문에, 플래시 라이다 장치의 하방에 위치하는 반사체에 의해 반사되는 광은 반사 미러 광 투과부 및 수신 미러 광 투과부를 순차적으로 투과하여 영상 획득부로 전달될 수 있다. 이러한 본 발명에 의하면, 플래시 라이다 장치의 하방에 위치하는 반사체에 의해 반사되는 광의 경로를 별도로 마련할 필요가 없으며, 이로 인해 플래시 라이다 장치의 소형화가 가능하다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 플래시 라이다 장치의 개략도이다.
도 2는 도 1의 광 방출부 지지대 및 수신 미러의 평면도이자, 도 1의 측방 광 방출부가 소정 파장 대역의 광을 플래시 라이다 장치의 측방으로 방출하는 모습을 도시한 도면이다.
도 3은 도 2의 측방 광 방출부가 소정 파장 대역의 광을 플래시 라이다 장치의 측방으로 방출한 결과, 외부 광이 플래시 라이다 장치로 들어오는 모습을 도시한 도면이다.
도 4는 도 1의 하방 광 방출부가 소정 파장 대역의 광을 플래시 라이다 장치의 하방으로 방출하는 모습, 및 외부 광이 플래시 라이다 장치로 들어오는 모습을 도시한 도면이다.
도 5a는 도 1에 따른 플래시 라이다 장치의 거리 영상 획득부가 획득하는 거리 기반 영상을 예시적으로 도시한 도면이다.
도 5b는 도 1에 따른 플래시 라이다 장치의 형상 영상 획득부가 획득하는 형상 기반 영상을 예시적으로 도시한 도면이다.
도 6은 본 발명의 제2 실시예에 따른 플래시 라이다 장치의 개략도이다.
도 7은 도 6의 측방 광 방출부가 소정 파장 대역의 광을 플래시 라이다 장치의 측방으로 방출하는 모습, 및 외부 광이 플래시 라이다 장치로 들어오는 모습을 도시한 도면이다.
도 8은 도 6의 하방 광 방출부가 소정 파장 대역의 광을 플래시 라이다 장치의 하방으로 방출하는 모습, 및 외부 광이 플래시 라이다 장치로 들어오는 모습을 도시한 도면이다.
도 9는 도 6의 하방 화각 변경 렌즈가 반사 미러 광 투과부의 하측에 배치된 모습을 도시한 도면이다.
도 10은 도 6에 따른 플래시 라이다 장치에 측방 화각 변경 렌즈 및 측방 콜리메이팅 렌즈가 추가된 모습을 도시한 도면이다.
도 11은 도 10의 측방 광 방출부가 소정 파장 대역의 광을 플래시 라이다 장치의 측방으로 방출하는 모습, 및 외부 광이 플래시 라이다 장치로 들어오는 모습을 도시한 도면이다.
이하, 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명에 따른 플래시 라이다 장치에 대해 상세히 설명한다. 첨부한 도면들은 통상의 기술자에게 본 발명의 기술적 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위하여 어디까지나 예시적으로 제공되는 것이며, 본 발명은 이하 제시되는 도면들로 한정되지 않고 다른 형태로 얼마든지 구체화될 수 있다. 본 명세서에서 '직접적으로 진행'이라 함은, 진행 경로 상에 존재하는 어떤 구성요소에 의해 반사되지 않고 그대로 직진하는 것을 의미한다. 또한, 본 명세서에서 외부 광은 플래시 라이다 장치(1000)의 외부에 위치하는 반사체(10)에 의해 반사되는 광으로서, 소정 파장 대역의 광 및 소정 파장 대역 이외의 광을 포함한다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 플래시 라이다 장치(1000: 1000-1)의 개략도이다. 도 2는 도 1의 광 방출부 지지대(130) 및 수신 미러(200)의 평면도이자, 도 1의 측방 광 방출부(110)가 소정 파장 대역의 광을 플래시 라이다 장치(1000-1)의 측방으로 방출하는 모습을 도시한 도면이다. 도 3은 도 2의 측방 광 방출부(110)가 소정 파장 대역의 광을 플래시 라이다 장치(1000-1)의 측방으로 방출한 결과, 외부 광이 플래시 라이다 장치(1000-1)로 들어오는 모습을 도시한 도면이다. 도 4는 도 1의 하방 광 방출부(120)가 소정 파장 대역의 광을 플래시 라이다 장치(1000-1)의 하방으로 방출하는 모습, 및 외부 광이 플래시 라이다 장치(1000-1)로 들어오는 모습을 도시한 도면이다.
도 1 내지 도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제1 실시예에 따른 플래시 라이다 장치(1000-1)는 측방 광 방출부(110), 수신 미러(200), 반사 미러(300) 및 거리 영상 획득부(410)를 포함할 수 있다.
측방 광 방출부(110)는 광 방출부 지지대(130)에 의해 지지될 수 있으며, 도 2에 도시된 바와 같이 소정 파장 대역의 광(예를 들어, 적외선 파장 대역에 속하는 광)을 플래시 라이다 장치(1000-1)의 측방으로 방출한다. 도 2에서는 측방 광 방출부(110)가 방출하는 소정 파장 대역의 광을 한 가닥의 점선으로 표시하였으나, 실제로 측방 광 방출부(110)는 3차원 공간에서 특정 화각을 갖는 소정 파장 대역의 광을 방출한다.
측방 광 방출부(110)는 소정 파장 대역의 광을 플래시 라이다 장치(1000-1)의 측방으로 방출하는 하나의 측방 발광 엘리먼트(111)만을 포함할 수 있다. 상기 측방 발광 엘리먼트(111)는 LED(light emitting diode) 또는 VCSEL(vertical-cavity surface-emitting laser)로 이루어질 수 있다. 다만, 측방 광 방출부(110)가 하나의 측방 발광 엘리먼트(111)만을 포함할 경우에는 플래시 라이다 장치(1000-1)의 측방에 대한 감지 영역이 비교적 좁을 수밖에 없다. 따라서, 측방 광 방출부(110)는 소정 파장 대역의 광을 플래시 라이다 장치(1000-1)의 측방으로 방출하는 다수 개의 측방 발광 엘리먼트(111)를 포함하는 것이 바람직하다.
방출부 지지대(130)는 측방 광 방출부(110)를 지지하기 위해 수신 미러(200)의 외부 둘레를 따라 배치될 수 있다.
측방 광 방출부(110)가 하나의 측방 발광 엘리먼트(111)만을 포함할 경우, 그 하나의 측방 발광 엘리먼트(111)는 방출부 지지대(130)의 측부(133)에 배치될 수 있다.
측방 광 방출부(110)가 다수 개의 측방 발광 엘리먼트(111)를 포함할 경우, 그 다수 개의 측방 발광 엘리먼트(111)는 방출부 지지대(130)의 측부(133)에 서로 동일한 각도만큼 이격 배치될 수 있다. 이와 같이 다수 개의 측방 발광 엘리먼트(111)가 방출부 지지대(130)의 측부(133)에 배치된 결과, 다수 개의 측방 발광 엘리먼트(111)는 수신 미러(200)의 외부 둘레를 따라 배치되게 된다. 도 2에서는 측방 발광 엘리먼트(111)의 개수가 9개(서로 40°만큼 이격 배치되어 있음)인 것으로 도시하였으나, 이의 개수는 얼마든지 변경 실시 가능하다.
다수 개의 측방 발광 엘리먼트(111)가 수신 미러(200)의 외부 둘레를 따라 배치되면, 플래시 라이다 장치(1000-1)의 측방에 대한 감지 영역을 넓힐 수 있고, 플래시 라이다 장치(1000-1)의 소형화 또한 가능해진다.
방출부 지지대(130)는 수신 미러(200)의 외부 둘레 중 상측 둘레를 적어도 부분적으로 커버하는 형태로 배치될 수 있다. 보다 구체적으로, 방출부 지지대(130)의 탑부(top portion)(131)는 수신 미러(200)의 탑부(201)와 동일 면상에 위치할 수 있다. 또는, 방출부 지지대(130)의 탑부(131)는 수신 미러(200)의 탑부(201)보다 상측에 위치할 수도 있고, 하측에 위치할 수도 있다.
이와 달리, 방출부 지지대(130)는 수신 미러(200)의 상측에 위치하되, 수신 미러(200)의 탑부(201)가 상측으로 연장된, 수신 미러(200)의 가상의 외부 둘레를 커버하는 형태로 배치될 수도 있다. 이때 방출부 지지대(130)의 저부(bottom portion)(132)는 수신 미러(200)의 탑부(201)보다 상측에 위치할 수 있다.
광 방출부 지지대(130) 및 측방 광 방출부(110)는 거리 영상 획득부(410), 형상 영상 획득부(420), 미러 지지대(500), 제1 미러(510), 제2 미러(520), 제1 렌즈부(610) 및 제2 렌즈부(620)보다 하측에 위치하는 것이 바람직하다. 이는 거리 영상 획득부(410) 및 형상 영상 획득부(420)로 전달되는 외부 광의 경로에 광 방출부 지지대(130) 및 측방 광 방출부(110)가 존재하지 않도록 함으로써, 영상 획득부(410, 420)가 반사체(10)를 검출하는 효율 저하를 방지하기 위함이다.
측방 광 방출부(110)가 소정 파장 대역의 광을 플래시 라이다 장치(1000-1)의 측방으로 방출할 경우, 플래시 라이다 장치(1000-1)의 측방에 위치하는 반사체(10)는 상기 소정 파장 대역의 광뿐만 아니라 상기 소정 파장 대역 이외의 광 또한 반사할 수 있으며, 상기 반사체(10)에 의해 반사되는 광은 플래시 라이다 장치(1000-1)로 들어오게 된다.
수신 미러(200)는 플래시 라이다 장치(1000-1)의 측방에 위치하는 반사체(10)에 의해 반사되는 광을 하방으로 반사한다. 즉, 플래시 라이다 장치(1000-1)의 측방에 위치하는 반사체(10)가 반사하는 광은 수신 미러(200)의 반사면(210)에 의해 하방으로 반사된다. 이때 수신 미러(200)가 반사하는 광(즉, 외부 광)에는, 측방 광 방출부(110)가 방출한 뒤 반사체(10)에 의해 반사되는 소정 파장 대역의 광(예를 들어, 적외선 파장 대역의 광)뿐만 아니라, 상기 소정 파장 대역 이외의 광(예를 들어, 가시광선 파장 대역의 광)도 포함될 수 있다.
수신 미러(200)는 플래시 라이다 장치(1000-1)의 측방에 위치하는 반사체(10)에 의해 반사되는 광을 하방으로 반사하기 위해 콘(cone) 형상으로 설계될 수 있다. 이때 콘 형상의 수신 미러(200)는 이의 수직 중심축을 기준으로 좌우가 대칭이며, 상측에서 하측으로 갈수록 외경이 점점 작아지는 형상일 수 있다. 다만, 수신 미러(200)는 그 외에도 측방 광 방출부(110)가 방출하는 소정 파장 대역의 광의 화각에 따라 다양한 형상으로 설계될 수 있다. 수신 미러(200)의 반사면(210)은 플래시 라이다 장치(1000-1)의 측방에 위치하는 반사체(10)에 의해 반사되는 광을 하방으로 반사하기 위해 기 설정된 설계 함수를 갖도록 설계된 것일 수 있다. 또한, 수신 미러(200)는 경우에 따라서 다이크로익 미러(dichroic mirror)로 구성될 수 있다.
반사 미러(300)는 수신 미러(200)의 하측에 위치하며, 수신 미러(200)에 의해 하방으로 반사된 광을 상방으로 반사한다. 즉, 수신 미러(200)가 하방으로 반사하는 광은 반사 미러(300)의 반사면(310)에 의해 상방으로 반사된다. 반사 미러(300)가 상기 광을 상방으로 반사하는 이유는, 플래시 라이다 장치(1000-1)의 측방에 위치하는 반사체(10)에 의해 반사되는 광이 수신 미러(200)의 상측에서 검출될 수 있도록 하기 위함이다.
반사 미러(300)는 수신 미러(200)에 의해 하방으로 반사되는 광을 상방으로 반사하기 위해 평면 형상으로 설계되는 것이 바람직하다. 다만, 반사 미러(300)는 평면 형상 이외에도 측방 광 방출부(110)가 방출하는 소정 파장 대역의 광의 화각 또는 수신 미러(200)의 반사면(210)이 갖는 설계 함수에 따라 다양한 형상으로 설계될 수 있다. 또한, 반사 미러(300)는 경우에 따라서 다이크로익 미러로 구성될 수 있다.
수신 미러(200)에는 수신 미러 광 투과부(220)가 마련될 수 있다. 수신 미러(200)에 수신 미러 광 투과부(220)가 마련되어 있는 이유는, 플래시 라이다 장치(1000-1)의 측방 및 하방에 위치하는 반사체(10)에 의해 반사되는 광이 수신 미러 광 투과부(220)를 투과하도록 함으로써, 상기 광이 수신 미러(200)의 상측에서 검출될 수 있도록 하기 위함이다.
수신 미러 광 투과부(220)는 수신 미러(200)의 대략 중앙의 위치에 마련될 수 있으며, 수신 미러(200)를 관통하는 관통공일 수 있다. 또는, 수신 미러 광 투과부(220)는 글래스에 미러 코팅이 이루어져 있는 반사면(210)과 달리, 글래스에 미러 코팅이 이루어지지 않은 부분일 수 있다.
반사 미러(300)에 의해 상방으로 반사되는 광은 수신 미러 광 투과부(220)를 투과하여 수신 미러(200)의 상측으로 진행하게 된다.
수신 미러(200)의 상측에는 미러 지지대(530)에 의해 지지되고 있는 제1 미러(510) 및 제2 미러(520)가 위치할 수 있다.
제1 미러(510)는 수신 미러(200)의 상측에 위치하며, 반사 미러(300)에 의해 상방으로 반사된 뒤 수신 미러 광 투과부(220)를 투과하는 광 중에서, 상기 소정 파장 대역의 광은 반사하고, 상기 소정 파장 대역 이외의 광은 투과하는 역할을 한다. 이를 위해 제1 미러(510)는 다이크로익 미러 또는 일체화된 다이크로익 프리즘으로 구성될 수 있다.
제2 미러(520)는 수신 미러(200)의 상측에 위치하며, 반사 미러(300)에 의해 상방으로 반사된 뒤 수신 미러 광 투과부(220)를 투과하는 광 중에서, 상기 소정 파장 대역의 광은 투과하고, 상기 소정 파장 대역 이외의 광은 반사하는 역할을 한다. 이를 위해 제2 미러(510) 역시 다이크로익 미러 또는 일체화된 다이크로익 프리즘으로 구성될 수 있다.
도 1 등에 도시된 바와 같이 제1 미러(510)와 제2 미러(520)는 교차하는 형태로 배치될 수 있지만, 이와 달리 제1 미러(510)와 제2 미러(520)는 상하방향으로 서로 다른 곳에 위치함으로써 상호 간에 교차하지 않는 형태로 배치될 수도 있다.
제1 미러(510)에 의해 반사되는 상기 소정 파장 대역의 광은 거리 영상 획득부(410)로 전달되고, 제2 미러(520)에 의해 반사되는 상기 소정 파장 대역 이외의 광은 형상 영상 획득부(420)로 전달된다.
제1 렌즈부(610)는 제1 미러(510)와 거리 영상 획득부(410) 사이에 배치되며, 제1 미러(510)에 의해 반사되는 소정 파장 대역의 광을 집속하여 거리 영상 획득부(410)로 전달하는 역할을 한다. 또한, 제2 렌즈부(620)는 제2 미러(520)와 형상 영상 획득부(420) 사이에 배치되며, 제2 미러(520)에 의해 반사되는 소정 파장 대역 이외의 광을 집속하여 형상 영상 획득부(420)로 전달하는 역할을 한다.
거리 영상 획득부(410)는 수신 미러(200)의 상측에 위치하며, 반사 미러(300)에 의해 상방으로 반사된 뒤 수신 미러 광 투과부(220)를 투과하는 광 중에서, 상기 소정 파장 대역의 광을 검출하여, 플래시 라이다 장치(1000-1)의 측방에 위치하는 반사체(10)의 거리에 기반한 영상을 획득한다. 거리 영상 획득부(410)는 거리 측정용 2D TOF(time of flight) 센서로 이루어지거나, 단일 광 수신소자(예를 들어, 포토다이오드, 애벌런치 포토다이오드 등)가 2차원으로 배열된 형태로 이루어질 수 있다. 거리 영상 획득부(410)는 상기 측방에 위치하는 반사체(10)의 거리에 기반한 영상을 통해, 플래시 라이다 장치(1000-1)로부터 상기 측방에 위치하는 반사체(10)까지의 거리를 파악할 수 있다.
형상 영상 획득부(420)는 수신 미러(200)의 상측에 위치하며, 반사 미러(300)에 의해 상방으로 반사된 뒤 수신 미러 광 투과부(220)를 투과하는 광 중에서, 상기 소정 파장 대역 이외의 광을 검출하여, 플래시 라이다 장치(1000-1)의 측방에 위치하는 반사체(10)의 형상에 기반한 영상을 획득한다. 형상 영상 획득부(420)는 영상 센서(예를 들어, CCD, RGB-IR 등)로 이루어질 수 있으며, 상기 측방에 위치하는 반사체(10)의 형상에 기반한 영상을 통해, 상기 측방에 위치하는 반사체(10)의 형상을 파악할 수 있다.
한편, 본 발명의 제1 실시예에 따른 플래시 라이다 장치(1000-1)는 하방 광 방출부(120)를 추가적으로 포함할 수 있다. 하방 광 방출부(120)는 광 방출부 지지대(130)에 의해 지지될 수 있으며, 도 4에 도시된 바와 같이 소정 파장 대역의 광을 플래시 라이다 장치(1000-1)의 하방으로 방출한다.
하방 광 방출부(120)가 방출하는 광의 파장 대역은 측방 광 방출부(110)가 방출하는 광의 파장 대역과 동일할 수 있다. 도 4에서는 하방 광 방출부(120)가 방출하는 소정 파장 대역의 광을 한 가닥의 점선으로 표시하였으나, 실제로 하방 광 방출부(120)는 3차원 공간에서 특정 화각을 갖는 소정 파장 대역의 광을 방출한다.
본 발명의 제1 실시예에 따르면, 하방 광 방출부(120)는 수신 미러(200)로부터 측방으로 일정 거리 이격된 곳에 위치하며, 하방 광 방출부(120)로부터 방출되는 소정 파장 대역의 광은 수신 미러(200) 및 반사 미러(300)에 입사되지 않은 채 플래시 라이다 장치(1000-1)의 하방으로 직접적으로 진행한다. 이 경우 하방 광 방출부(120)로부터 방출되는 소정 파장 대역의 광이 수신 미러(200)의 내부면에 입사할 가능성이 없거나 매우 적기 때문에, 영상 획득부(410, 420)가 플래시 라이다 장치(1000-1)의 하방에 위치하는 반사체(10)를 검출하는 효율 저하를 방지할 수 있게 된다.
하방 광 방출부(120)는 소정 파장 대역의 광을 플래시 라이다 장치(1000-1)의 하방으로 방출하는 하나의 하방 발광 엘리먼트(121)만을 포함할 수 있으며, 상기 하방 발광 엘리먼트(121)는 LED 또는 VCSEL로 이루어질 수 있다. 다만, 하방 광 방출부(120)가 하나의 하방 발광 엘리먼트(121)만을 포함할 경우에는 플래시 라이다 장치(1000-1)의 하방에 대한 감지 영역이 비교적 좁을 수밖에 없다. 따라서, 하방 광 방출부(120)는 소정 파장 대역의 광을 플래시 라이다 장치(1000-1)의 하방으로 방출하는 다수 개의 하방 발광 엘리먼트(121)를 포함하는 것이 바람직하다.
하방 광 방출부(120)가 하나의 하방 발광 엘리먼트(121)만을 포함할 경우, 그 하나의 하방 발광 엘리먼트(121)는 방출부 지지대(130)의 저부(132)에 배치될 수 있다.
하방 광 방출부(120)가 다수 개의 하방 발광 엘리먼트(121)를 포함할 경우, 그 다수 개의 하방 발광 엘리먼트(121)는 방출부 지지대(130)의 저부(132)에 서로 동일한 각도만큼 이격 배치될 수 있다. 이와 같이 다수 개의 하방 발광 엘리먼트(121)가 방출부 지지대(130)의 저부(132)에 배치된 결과, 다수 개의 하방 발광 엘리먼트(121)는 수신 미러(200)의 외부 둘레를 따라 배치되게 된다. 도 2에서는 하방 발광 엘리먼트(121)의 개수가 2개(서로 180°만큼 이격 배치되어 있음)인 것으로 도시하였으나, 이의 개수는 얼마든지 변경 실시 가능하다.
하방 광 방출부(120)는 수신 미러(200)의 탑부(201)보다 하측 또는 상측에 위치할 수도 있고, 필요에 따라 수신 미러(200)의 탑부(201)와 동일 면상에 위치할 수도 있다.
하방 광 방출부(120)에서 방출하는 소정 파장 대역의 광은 플래시 라이다 장치(1000-1)의 하방으로 직접적으로 진행하며, 도 4에 도시된 지면과 같이 플래시 라이다 장치(1000-1)의 하방에 반사체(10)가 존재할 경우, 그 반사체(10)는 상기 소정 파장 대역의 광을 상방으로 반사한다.
반사 미러(300)에는 반사 미러 광 투과부(320)가 마련될 수 있다. 반사 미러(300)에 반사 미러 광 투과부(320)가 마련되어 있는 이유는, 플래시 라이다 장치(1000-1)의 하방에 위치하는 반사체(10)에 의해 상방으로 반사되는 광이 반사 미러 광 투과부(320)를 투과하도록 함으로써, 상기 광이 수신 미러(200)의 상측에서 검출될 수 있도록 하기 위함이다.
반사 미러 광 투과부(320)는 반사 미러(300)의 대략 중앙의 위치에 마련될 수 있으며, 반사 미러(300)를 관통하는 관통공일 수 있다. 또는, 반사 미러 광 투과부(320)는 글래스에 미러 코팅이 이루어져 있는 반사면(310)과 달리, 글래스에 미러 코팅이 이루어지지 않은 부분일 수 있다.
플래시 라이다 장치(1000-1)의 하방에 위치하는 반사체(10)에 의해 상방으로 반사되는 광은 반사 미러 광 투과부(320) 및 수신 미러 광 투과부(220)를 순차적으로 투과하여 수신 미러(200)의 상측으로 진행하게 된다.
이때 제1 미러(510)는 플래시 라이다 장치(1000-1)의 하방에 위치하는 반사체(10)에 의해 상방으로 반사된 뒤, 반사 미러 광 투과부(320) 및 수신 미러 광 투과부(220)를 순차적으로 투과하는 광 중에서, 상기 소정 파장 대역의 광은 반사하고, 상기 소정 파장 대역 이외의 광은 투과하는 역할을 한다.
또한, 제2 미러(520)는 플래시 라이다 장치(1000-1)의 하방에 위치하는 반사체(10)에 의해 상방으로 반사된 뒤, 반사 미러 광 투과부(320) 및 수신 미러 광 투과부(220)를 순차적으로 투과하는 광 중에서, 상기 소정 파장 대역의 광은 투과하고, 상기 소정 파장 대역 이외의 광은 반사하는 역할을 한다.
제1 미러(510)에 의해 반사되는 소정 파장 대역의 광은 제1 렌즈부(610)에 의해 집속된 뒤 거리 영상 획득부(410)로 전달될 수 있고, 제2 미러(520)에 의해 반사되는 소정 파장 대역 이외의 광은 제2 렌즈부(620)에 의해 집속된 뒤 형상 영상 획득부(420)로 전달될 수 있다.
거리 영상 획득부(410)는 플래시 라이다 장치(1000-1)의 하방에 위치하는 반사체(10)에 의해 상방으로 반사된 뒤, 반사 미러 광 투과부(320) 및 수신 미러 광 투과부(220)를 순차적으로 투과하는 광 중에서, 상기 소정 파장 대역의 광을 추가적으로 검출하여 상기 하방에 위치하는 반사체(10)의 거리에 기반한 영상을 획득한다. 이때 거리 영상 획득부(410)는 상기 하방에 위치하는 반사체(10)의 거리에 기반한 영상을 통해, 플래시 라이다 장치(1000-1)로부터 상기 하방에 위치하는 반사체(10)까지의 거리를 파악할 수 있다.
형상 영상 획득부(420)는 플래시 라이다 장치(1000-1)의 하방에 위치하는 반사체(10)에 의해 상방으로 반사된 뒤, 반사 미러 광 투과부(320) 및 수신 미러 광 투과부(220)를 순차적으로 투과하는 광 중에서, 상기 소정 파장 대역 이외의 광을 추가적으로 검출하여 상기 하방에 위치하는 반사체(10)의 형상에 기반한 영상을 획득한다. 이때 형상 영상 획득부(420)는 상기 하방에 위치하는 반사체(10)의 형상에 기반한 영상을 통해, 상기 하방에 위치하는 반사체(10)의 형상을 파악할 수 있다.
도 5a는 도 1에 따른 플래시 라이다 장치(1000-1)의 거리 영상 획득부(410)가 획득하는 거리 기반 영상을 도시한 도면이다.
구체적으로, 도 5a의 "A" 영역은 플래시 라이다 장치(1000-1)의 하방에 위치하는 반사체(10)의 거리에 기반한 영상이 획득되는 영역이고 ,"B" 영역은 플래시 라이다 장치(1000-1)의 측방에 위치하는 반사체(10)의 거리에 기반한 영상이 획득되는 영역이며, "C" 영역은 광 방출부(110, 120)의 화각을 벗어난 관계로 어떠한 영상도 획득되지 않는 영역이다. 도 5a에 의하면, 하나의 거리 영상 획득부(410)만으로도 플래시 라이다 장치(1000-1)의 측방 및 하방에 위치하는 반사체(10)의 거리를 동시에 검출할 수 있음을 알 수 있다.
도 5b는 도 1에 따른 플래시 라이다 장치(1000-1)의 형상 영상 획득부(420)가 획득하는 형상 기반 영상을 도시한 도면이다.
구체적으로, 도 5b의 "A" 영역은 플래시 라이다 장치(1000-1)의 하방에 위치하는 반사체(10)의 형상에 기반한 영상이 획득되는 영역이고 ,"B" 영역은 플래시 라이다 장치(1000-1)의 측방에 위치하는 반사체(10)의 형상에 기반한 영상이 획득되는 영역이며, "C" 영역은 광 방출부(110, 120)의 화각을 벗어난 관계로 어떠한 영상도 획득되지 않는 영역이다. 도 5b에 의하면, 하나의 형상 영상 획득부(420)만으로도 플래시 라이다 장치(1000-1)의 측방 및 하방에 위치하는 반사체(10)의 형상을 동시에 검출할 수 있음을 알 수 있다.
이와 같이 본 발명의 제1 실시예에 따른 플래시 라이다 장치(1000-1)에 의하면, 반사체(10)의 거리에 기반한 영상과 반사체(10)의 형상에 기반한 영상을 동시에 검출할 수 있기 때문에, 그 동시 검출된 영상들을 기초로 실사 이미지 기반의 3D 모델링에 활용이 가능하다.
나아가, 도 5a의 "A" 영역 및 도 5b의 "A" 영역은 종래의 라이다 장치에서 광이 송신되는 영역에 대응되는 영역이기 때문에, 영상 획득부(410, 420)로서는 어떠한 영상도 획득할 수 없는 음영 영역(shaded area)에 해당한다. 이에 반해, 본 발명에 따른 플래시 라이다 장치(1000-1)는 수신 미러 광 투과부(220)가 마련된 수신 미러(200) 및 반사 미러 광 투과부(320)가 마련된 반사 미러(300) 등의 구성요소를 구비함에 따라, 도 5a의 "A" 영역을 플래시 라이다 장치(1000-1)의 하방에 위치하는 반사체(10)의 거리에 기반한 영상 획득 영역으로 활용하고, 도 5b의 "A" 영역을 플래시 라이다 장치(1000-1)의 하방에 위치하는 반사체(10)의 형상에 기반한 영상 획득 영역으로 활용한다.
이러한 본 발명에 의하면, 플래시 라이다 장치(1000-1)의 측방 및 하방에 위치하는 반사체(10)의 거리를 동시에 검출하기 위하여 하나의 거리 영상 획득부(410)만을 구비하면 충분하고, 플래시 라이다 장치(1000-1)의 측방 및 하방에 위치하는 반사체(10)의 형상을 동시에 검출하기 위하여 하나의 형상 영상 획득부(420)만을 구비하면 충분하다. 따라서, 본 발명에 의하면, 플래시 라이다 장치(1000-1)의 소형화가 가능해지고, 장치의 제작 비용 또한 절감할 수 있게 된다.
한편, 도 6은 본 발명의 제2 실시예에 따른 플래시 라이다 장치(1000: 1000-2)의 개략도이다. 도 7은 도 6의 측방 광 방출부(110)가 소정 파장 대역의 광을 플래시 라이다 장치(1000-2)의 측방으로 방출하는 모습, 및 외부 광이 플래시 라이다 장치(1000-2)로 들어오는 모습을 도시한 도면이다. 도 8은 도 6의 하방 광 방출부(120)가 소정 파장 대역의 광을 플래시 라이다 장치(1000-2)의 하방으로 방출하는 모습, 및 외부 광이 플래시 라이다 장치(1000-2)로 들어오는 모습을 도시한 도면이다. 도 9는 도 6의 하방 화각 변경 렌즈(700)가 반사 미러 광 투과부(320)의 하측에 배치된 모습을 도시한 도면이다.
본 발명의 제2 실시예에 따른 플래시 라이다 장치(1000-2)는 제1 실시예에 따른 플래시 라이다 장치(1000-1)와 비교해서, 측방 광 방출부(110)의 세부 구성요소 및 하방 광 방출부(120)의 세부 구성요소에 차이가 있고, 하방 화각 변경 렌즈(700)가 추가되어 있다는 점에서만 차이가 있다. 따라서, 이하에서는 그 차이가 있는 부분을 위주로 설명하기로 한다.
본 발명의 제2 실시예에 따른 측방 광 방출부(110)는 발광 엘리먼트(112) 및 경로 변환 미러(113)를 포함할 수 있다.
발광 엘리먼트(112)는 소정 파장 대역의 광을 플래시 라이다 장치(1000-2)의 하방으로 방출한다. 경로 변환 미러(113)는 발광 엘리먼트(112)로부터 방출되는 소정 파장 대역의 광을 반사하여, 상기 소정 파장 대역의 광 경로를 플래시 라이다 장치(1000-2)의 측방으로 변환한다.
발광 엘리먼트(112) 및 경로 변환 미러(113)는 플래시 라이다 장치(1000-2)의 하방으로 방출되는 소정 파장 대역의 광 경로와, 플래시 라이다 장치(1000-2)로 들어오는 광 경로 간에 간섭이 일어날 염려가 없거나 매우 적은 곳에 위치하는 것이 바람직하다. 이에 따라, 발광 엘리먼트(112) 및 경로 변환 미러(113)는 수신 미러(200)와 영상 획득부(410, 420)의 사이에 위치하거나, 영상 획득부(410, 420)의 상측에 위치하는 것이 바람직하다.
발광 엘리먼트(112)는 LED 또는 VCSEL로 이루어질 수 있다.
경로 변환 미러(113)는 발광 엘리먼트(112)로부터 방출되는 소정 파장 대역의 광 경로를 플래시 라이다 장치(1000-2)의 측방으로 변환하기 위해 콘 형상으로 설계될 수 있다. 이때 콘 형상의 경로 변환 미러(113)는 이의 수직 중심축을 기준으로 좌우가 대칭이며, 상측에서 하측으로 갈수록 외경이 점점 커지는 형상일 수 있다. 다만, 경로 변환 미러(113)는 콘 형상 이외에도 발광 엘리먼트(112)가 방출하는 소정 파장 대역의 광의 화각에 따라 다양한 형상으로 설계될 수 있다.
경로 변환 미러(113)에는 오목한 반사면(113-1)이 마련될 수 있으며, 이때 발광 엘리먼트(112)로부터 방출되는 소정 파장 대역의 광은 경로 변환 미러(113)의 오목한 반사면(113-1)에 입사하게 된다. 경로 변환 미러(113)에 오목한 반사면(113-1)이 마련될 경우, 발광 엘리먼트(112)로부터 방출되는 소정 파장 대역의 광 경로는 측방으로 변환됨과 동시에, 상기 소정 파장 대역의 광의 화각이 확장된다. 그 결과, 플래시 라이다 장치(1000-2)의 측방에 위치하는 반사체(10)의 검출 범위를 넓힐 수 있게 된다.
본 발명의 제2 실시예와 같이 경로 변환 미러(113)를 통해 소정 파장 대역의 광 경로를 플래시 라이다 장치(1000-2)의 측방으로 변환하게 되면, 플래시 라이다 장치(1000-2)의 측방에 위치하는 반사체(10)를 검출하기 위해 요구되는 발광 엘리먼트(112)의 개수를 대폭 줄일 수 있다. 예를 들어, 경로 변환 미러(113)가 콘 형상으로 설계되면, 발광 엘리먼트(112)로부터 방출되는 소정 파장 대역의 광은 경로 변환 미러(113)에 의해 수평 영역 전 범위(즉, 360°범위)로 경로 변환되어 플래시 라이다 장치(1000-2)의 측방으로 전달되게 된다. 따라서, 본 발명의 제2 실시예에 의하면, 제1 실시예에서와 같이 수신 미러(200)의 외부 둘레를 따라 배치되는 다수 개의 측방 발광 엘리먼트(111)를 구비하지 않아도 된다.
게다가, 경로 변환 미러(113)에 의해 경로 변환된 소정 파장 대역의 광은 특정 화각을 가진 채 플래시 라이다 장치(1000-2)의 측방으로 전달되기 때문에, 플래시 라이다 장치(1000-2)의 측방으로 전달되는 소정 파장 대역의 광의 화각을 조절하기 위한 별도의 구성요소를 채택하지 않아도 된다. 이러한 본 발명에 의하면, 플래시 라이다 장치(1000-2)의 소형화가 가능해지고, 장치의 제작 비용 또한 절감할 수 있게 된다.
도 10은 도 6에 따른 플래시 라이다 장치(1000-2)에 측방 화각 변경 렌즈(114) 및 측방 콜리메이팅 렌즈(115)가 추가된 모습을 도시한 도면이다. 그리고 도 11은 도 10의 측방 광 방출부(110)가 소정 파장 대역의 광을 플래시 라이다 장치(1000-2)의 측방으로 방출하는 모습, 및 외부 광이 플래시 라이다 장치(1000-2)로 들어오는 모습을 도시한 도면이다.
본 발명의 제2 실시예에 따른 측방 광 방출부(110)는 도 10 및 도 11에 도시된 바와 같은 측방 화각 변경 렌즈(114)를 더 포함할 수 있다. 여기서, 측방 화각 변경 렌즈(114)는 볼록렌즈, 오목렌즈, 또는 볼록렌즈와 오목렌즈의 조합으로 이루어질 수 있다.
도 11에 도시된 바와 같이, 경로 변환 미러(113)에 의해 경로 변환된 소정 파장 대역의 광은 측방 화각 변경 렌즈(114)에 입사될 수 있다. 이때 경로 변환 미러(113)에는 평탄한 반사면(113-2)이 마련될 수 있다. 경로 변환 미러(113)에 평탄한 반사면(113-2)이 마련될 경우, 발광 엘리먼트(112)로부터 방출되는 소정 파장 대역의 광 경로는 측방으로 변환되지만, 상기 소정 파장 대역의 광의 화각은 변경되지 않거나 변경 폭이 비교적 적다. 이와 달리, 도 11의 예에서도 경로 변환 미러(113)에는 상술한 바와 같은 오목한 반사면(113-1)이 마련될 수 있으며, 이 경우에는 상기 소정 파장 대역의 광의 화각이 비교적 큰 폭으로 확장되게 된다.
측방 화각 변경 렌즈(114)는 경로 변환 미러(113)에 의해 경로 변환된 소정 파장 대역의 광의 화각을 변경(즉, 확장 또는 축소)시킨다. 예를 들어, 측방 화각 변경 렌즈(114)가 경로 변환 미러(113)에 의해 경로 변환된 소정 파장 대역의 광의 화각을 확장시킬 경우, 플래시 라이다 장치(1000-2)의 측방에 대한 감지 영역을 더욱 넓힐 수 있게 된다. 이에 반해, 측방 화각 변경 렌즈(114)가 경로 변환 미러(113)에 의해 경로 변환된 소정 파장 대역의 광의 화각을 축소시킬 경우, 플래시 라이다 장치(1000-2)의 측방에 위치하는 반사체(10)를 더욱 정밀하게 검출할 수 있게 된다.
경로 변환 미러(113)에 의해 수평 영역 전 범위로 경로 변환되는 소정 파장 대역의 광의 화각을 변경시키기 위하여, 측방 화각 변경 렌즈(114) 다수 개가 경로 변환 미러(113)를 기준으로 수평 방향(즉, 도 11에 나타낸 상하 방향과 수직하는 방향)으로 빙 둘러서 배치될 수 있다. 이때 다수 개의 측방 화각 변경 렌즈(114)는 서로 동일한 각도만큼 이격 배치될 수 있다.
또는, 경로 변환 미러(113)에 의해 수평 영역 전 범위로 경로 변환되는 소정 파장 대역의 광의 화각을 변경시키기 위하여, 측방 화각 변경 렌즈(114)는 도넛 형상으로 설계된 것일 수 있다. 이때 도넛 형상의 측방 화각 변경 렌즈(114)의 중심에 경로 변환 미러(113)가 위치하는 것이 바람직하다. 경로 변환 미러(113)에 의해 경로 변환되는 소정 파장 대역의 광이 도넛 형상의 측방 화각 변경 렌즈(114)에 입사하게 되면, 상기 소정 파장 대역의 광의 화각은 수평 영역 전 범위로 변경되게 된다.
한편, 경로 변환 미러(113)에 의해 경로 변환된 소정 파장 대역의 광이 수신 미러(200)의 내부면에 입사할 경우에는, 수신 미러(200)의 내부면에서 반사되는 소정 파장 대역의 광이 영상 획득부(410, 420)로 전달되어, 영상 획득부(410, 420)가 반사체(10)를 검출하는 효율을 저하시킬 수 있다. 이에 따라, 발광 엘리먼트(112)의 하측에 측방 콜레메이팅 렌즈(115)를 배치하는 것이 바람직하다. 측방 콜레메이팅 렌즈(115)는 발광 엘리먼트(112)로부터 하방으로 방출되는 소정 파장 대역의 광을 평행광으로 변환하는 역할을 하며, 이에 따라 측방 화각 변경 렌즈(114)에는 측방 콜레메이팅 렌즈(115)에 의해 평행광으로 변환된 소정 파장 대역의 광이 입사하게 된다.
이러한 측방 콜레메이팅 렌즈(115)에 의하면, 발광 엘리먼트(112)가 하방으로 방출하는 소정 파장 대역의 광이 경로 변환 미러(113)에 의해 경로 변환된 후 플래시 라이다 장치(1000-2)의 측방으로 전달되는 과정에서, 상기 경로 변환된 소정 파장 대역의 광이 수신 미러(200)의 내부면에 입사하는 현상을 확실히 방지할 수 있다. 그 결과, 영상 획득부(410, 420)가 반사체(10)를 검출하는 효율 저하를 미연에 방지할 수 있게 된다.
본 발명의 제2 실시예에 따른 플래시 라이다 장치(1000-2) 역시 소정 파장 대역의 광을 플래시 라이다 장치(1000-2)의 하방으로 방출하는 하방 광 방출부(120)를 추가적으로 포함할 수 있다(도 8 및 도 9 참조). 여기서, 하방 광 방출부(120)는 수신 미러(200)의 상측에 위치하며, 하방 광 방출부(120)로부터 방출되는 소정 파장 대역의 광은 플래시 라이다 장치(1000-2)의 하방으로 직접적으로 진행하여 수신 미러 광 투과부(220) 및 반사 미러 광 투과부(320)를 투과한다.
이와 같이 수신 미러(200)의 상측에 하방 광 방출부(120)가 위치하는 제2 실시예에 의하면, 수신 미러(200)로부터 측방으로 일정 거리 이격된 곳에 하방 광 방출부(120)가 위치하는 제1 실시예와 비교해서, 플래시 라이다 장치(1000-2)의 너비를 감소시킬 수 있다.
하방 광 방출부(120)는 3차원 공간에서 특정 화각을 갖는 소정 파장 대역의 광을 방출하기는 하나, 그 소정 파장 대역의 광이 수신 미러(200)의 내부면에 입사하거나, 반사 미러(300)의 반사면(310)에 입사할 경우에는 영상 획득부(410, 420)의 반사체(10) 검출 효율을 저하시킬 수 있다. 따라서, 하방 광 방출부(120)가 하방으로 방출하는 소정 파장 대역의 광의 화각은 비교적 좁게 설계될 필요가 있다.
제2 실시예에 따른 플래시 라이다 장치(1000-2)는 하방 화각 변경 렌즈(700)를 더 포함할 수 있다. 여기서, 하방 화각 변경 렌즈(700)는 볼록렌즈, 오목렌즈, 또는 볼록렌즈와 오목렌즈의 조합으로 이루어질 수 있다.
도 8 및 도 9에 도시된 바와 같이, 하방 광 방출부(120)로부터 하방으로 방출되는 소정 파장 대역의 광은 하방 화각 변경 렌즈(700)에 입사될 수 있으며, 이때 하방 화각 변경 렌즈(700)는 상기 소정 파장 대역의 광의 화각을 변경(즉, 확장 또는 축소)시킬 수 있다. 하방 화각 변경 렌즈(700)가 하방 광 방출부(120)로부터 하방으로 방출되는 소정 파장 대역의 광의 화각을 확장시킬 경우, 플래시 라이다 장치(1000-2)의 하방에 대한 감지 영역을 더욱 넓힐 수 있게 된다. 이에 반해, 하방 화각 변경 렌즈(700)가 하방 광 방출부(120)로부터 하방으로 방출되는 소정 파장 대역의 광의 화각을 축소시킬 경우, 플래시 라이다 장치(1000-2)의 하방에 위치하는 반사체(10)를 더욱 정밀하게 검출할 수 있게 된다.
상술한 바와 같이, 하방 광 방출부(120)가 방출하는 소정 파장 대역의 광이 수신 미러(200)의 내부면에 입사하거나, 반사 미러(300)의 반사면(310)에 입사할 경우에는, 영상 획득부(410, 420)의 반사체(10) 검출 효율이 저하될 수 있다. 따라서, 하방 화각 변경 렌즈(700)는 도 8에 도시된 바와 같이 반사 미러 광 투과부(320) 내에 배치되거나, 도 9에 도시된 바와 같이 반사 미러 광 투과부(320)의 하측에 배치되는 것이 바람직하다. 여기서, 하방 화각 변경 렌즈(700)는 반사 미러 광 투과부(320)의 하측에 배치되는 것보다, 반사 미러 광 투과부(320) 내에 배치되는 것이 더 바람직하다. 이는 하방 화각 변경 렌즈(700)가 반사 미러 광 투과부(320) 내에 배치되는 것이, 반사 미러 광 투과부(320)의 하측에 배치되는 경우에 비해, 플래시 라이다 장치(1000-2)의 높이를 감소시키는 데 더 유리하기 때문이다.
하방 광 방출부(120)는 하방 발광 엘리먼트(121) 및 하방 콜레메이팅 렌즈(125)를 포함할 수 있다.
하방 발광 엘리먼트(121)는 소정 파장 대역의 광을 플래시 라이다 장치(1000-2)의 하방으로 방출하며, LED 또는 VCSEL로 이루어질 수 있다.
하방 발광 엘리먼트(121)가 플래시 라이다 장치(1000-2)의 하방으로 방출하는 소정 파장 대역의 광의 화각이 비교적 좁게 설계된다 하더라도, 하방 발광 엘리먼트(121)가 갖는 화각의 한계, 하방 발광 엘리먼트(121)의 배치, 수신 미러 광 투과부(220)의 크기 또는 반사 미러 광 투과부(320)의 크기에 따라, 상기 소정 파장 대역의 광은 수신 미러(200)의 내부면에 입사하거나, 반사 미러(300)의 반사면(310)에 입사할 수 있다.
이에 따라, 하방 발광 엘리먼트(121)의 하측에 하방 콜레메이팅 렌즈(125)를 배치하는 것이 바람직하다. 하방 콜레메이팅 렌즈(125)는 하방 발광 엘리먼트(121)로부터 하방으로 방출되는 소정 파장 대역의 광을 평행광으로 변환하는 역할을 하며, 이때 하방 화각 변경 렌즈(700)에는 하방 콜레메이팅 렌즈(125)에 의해 평행광으로 변환된 소정 파장 대역의 광이 입사하게 된다. 이와 같은 하방 콜레메이팅 렌즈(125)에 의하면, 하방 광 방출부(120)가 방출하는 소정 파장 대역의 광이 수신 미러(200)의 내부면에 입사하거나, 반사 미러(300)의 반사면(310)에 입사하는 현상을 더욱 확실히 방지할 수 있으며, 이에 따라 영상 획득부(410, 420)가 반사체(10)를 검출하는 효율 저하를 미연에 방지할 수 있게 된다.
이상과 같이 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 상기의 실시예만으로 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 따라서, 본 발명의 기술적 사상은 청구범위에 의해서만 파악되어야 하고, 이의 균등 또는 등가적 변형 모두는 본 발명의 기술적 사상의 범주 안에 속한다고 할 것이다.
110: 측방 광 방출부 111: 측방 발광 엘리먼트
112: 발광 엘리먼트 113: 경로 변환 미러
114: 측방 화각 변경 렌즈 115: 측방 콜리메이팅 렌즈
120: 하방 광 방출부 121: 하방 발광 엘리먼트
125: 하방 콜레메이팅 렌즈 130: 광 방출부 지지대
200: 수신 미러 210: (수신 미러의) 반사면
220: 수신 미러 광 투과부 300: 반사 미러
310: (반사 미러의) 반사면 320: 반사 미러 광 투과부
410: 거리 영상 획득부 420: 형상 영상 획득부
510: 제1 미러 520: 제2 미러
530: 미러 지지대 610: 제1 렌즈부
620: 제2 렌즈부 700: 하방 화각 변경 렌즈
1000(1000-1, 100-2): 플래시 라이다 장치

Claims (16)

  1. 플래시 라이다 장치로서,
    소정 파장 대역의 광을 상기 플래시 라이다 장치의 측방으로 방출하는 측방 광 방출부;
    상기 플래시 라이다 장치의 측방에 위치하는 반사체에 의해 반사되는 광을 하방으로 반사하는 수신 미러;
    상기 수신 미러의 하측에 위치하며, 상기 수신 미러에 의해 하방으로 반사된 광을 상방으로 반사하는 반사 미러; 및
    상기 수신 미러의 상측에 위치하는 거리 영상 획득부를 포함하며,
    상기 수신 미러에는 수신 미러 광 투과부가 마련되어 있고,
    상기 반사 미러에 의해 상방으로 반사되는 광은 상기 수신 미러 광 투과부를 투과하며,
    상기 거리 영상 획득부는, 상기 수신 미러의 상측에 위치하며, 상기 반사 미러에 의해 상방으로 반사된 뒤 상기 수신 미러 광 투과부를 투과하는 광 중에서, 상기 소정 파장 대역의 광을 검출하여, 상기 측방에 위치하는 반사체의 거리에 기반한 영상을 획득하는 것을 특징으로 하는 플래시 라이다 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 플래시 라이다 장치는,
    상기 수신 미러의 상측에 위치하며, 상기 반사 미러에 의해 상방으로 반사된 뒤 상기 수신 미러 광 투과부를 투과하는 광 중에서, 상기 소정 파장 대역의 광은 반사하고 상기 소정 파장 대역 이외의 광은 투과하는 제1 미러를 더 포함하며,
    상기 제1 미러에 의해 반사되는 소정 파장 대역의 광은 상기 거리 영상 획득부로 전달되는 것을 특징으로 하는 플래시 라이다 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 플래시 라이다 장치는,
    상기 수신 미러의 상측에 위치하며, 상기 반사 미러에 의해 상방으로 반사된 뒤 상기 수신 미러 광 투과부를 투과하는 광 중에서, 상기 소정 파장 대역 이외의 광을 검출하여, 상기 측방에 위치하는 반사체의 형상에 기반한 영상을 획득하는 형상 영상 획득부를 더 포함하는 플래시 라이다 장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 플래시 라이다 장치는,
    상기 수신 미러의 상측에 위치하며, 상기 반사 미러에 의해 상방으로 반사된 뒤 상기 수신 미러 광 투과부를 투과하는 광 중에서, 상기 소정 파장 대역의 광은 투과하고 상기 소정 파장 대역 이외의 광은 반사하는 제2 미러를 더 포함하며,
    상기 제2 미러에 의해 반사되는 소정 파장 대역 이외의 광은 상기 형상 영상 획득부로 전달되는 것을 특징으로 하는 플래시 라이다 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 측방 광 방출부는,
    상기 소정 파장 대역의 광을 상기 플래시 라이다 장치의 측방으로 방출하는 다수 개의 측방 발광 엘리먼트를 포함하며,
    상기 다수 개의 측방 발광 엘리먼트는 상기 수신 미러의 외부 둘레를 따라 배치되는 것을 특징으로 하는 플래시 라이다 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 플래시 라이다 장치는,
    상기 소정 파장 대역의 광을 상기 플래시 라이다 장치의 하방으로 방출하는 하방 광 방출부를 더 포함하며,
    상기 반사 미러에는 반사 미러 광 투과부가 마련되어 있고,
    상기 플래시 라이다 장치의 하방에 위치하는 반사체에 의해 반사되는 광은 상기 반사 미러 광 투과부 및 상기 수신 미러 광 투과부를 투과하며,
    상기 거리 영상 획득부는, 상기 플래시 라이다 장치의 하방에 위치하는 반사체에 의해 반사된 뒤 상기 반사 미러 광 투과부 및 상기 수신 미러 광 투과부를 투과하는 광 중에서, 상기 소정 파장 대역의 광을 추가적으로 검출하여, 상기 하방에 위치하는 반사체의 거리에 기반한 영상을 획득하는 것을 특징으로 하는 플래시 라이다 장치.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 플래시 라이다 장치는,
    상기 플래시 라이다 장치의 하방에 위치하는 반사체에 의해 반사된 뒤 상기 반사 미러 광 투과부 및 상기 수신 미러 광 투과부를 투과하는 광 중에서, 상기 소정 파장 대역 이외의 광을 추가적으로 검출하여 상기 하방에 위치하는 반사체의 형상에 기반한 영상을 획득하는 형상 영상 획득부를 더 포함하는 플래시 라이다 장치.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 하방 광 방출부는 상기 수신 미러로부터 측방으로 일정 거리 이격된 곳에 위치하며,
    상기 하방 광 방출부로부터 방출되는 소정 파장 대역의 광은 상기 수신 미러 및 상기 반사 미러에 입사되지 않은 채 상기 플래시 라이다 장치의 하방으로 직접적으로 진행하는 것을 특징으로 하는 플래시 라이다 장치.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 측방 광 방출부는,
    상기 소정 파장 대역의 광을 상기 플래시 라이다 장치의 하방으로 방출하는 발광 엘리먼트; 및
    상기 발광 엘리먼트로부터 방출되는 소정 파장 대역을 반사하여, 상기 소정 파장 대역의 광 경로를 상기 플래시 라이다 장치의 측방으로 변환하는 경로 변환 미러를 포함하는 플래시 라이다 장치.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 경로 변환 미러에는 오목한 반사면이 마련되어 있으며,
    상기 발광 엘리먼트에서 방출되는 소정 파장 대역의 광은 상기 경로 변환 미러의 오목한 반사면에 입사하는 것을 특징으로 하는 플래시 라이다 장치.
  11. 제9항에 있어서,
    상기 측방 광 방출부는,
    상기 경로 변환 미러에 의해 경로 변환된 소정 파장 대역의 광의 화각을 변경시키는 측방 화각 변경 렌즈를 더 포함하는 플래시 라이다 장치.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 측방 광 방출부는,
    상기 발광 엘리먼트로부터 하방으로 방출되는 소정 파장 대역의 광을 평행광으로 변환하는 측방 콜레메이팅 렌즈를 더 포함하며,
    상기 측방 화각 변경 렌즈에는 상기 측방 콜레메이팅 렌즈에 의해 평행광으로 변환된 소정 파장 대역의 광이 입사하는 것을 특징으로 하는 플래시 라이다 장치.
  13. 제6항에 있어서,
    상기 하방 광 방출부는 상기 수신 미러의 상측에 위치하며,
    상기 하방 광 방출부로부터 방출되는 소정 파장 대역의 광은 상기 플래시 라이다 장치의 하방으로 직접적으로 진행하여 상기 수신 미러 광 투과부 및 상기 반사 미러 광 투과부를 투과하는 것을 특징으로 하는 플래시 라이다 장치.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 플래시 라이다 장치는,
    상기 하방 광 방출부로부터 하방으로 방출되는 소정 파장 대역의 광의 화각을 변경시키는 하방 화각 변경 렌즈를 더 포함하는 플래시 라이다 장치.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 하방 화각 변경 렌즈는 상기 반사 미러 광 투과부 내에 또는 상기 반사 미러 광 투과부의 하측에 배치되는 것을 특징으로 하는 플래시 라이다 장치.
  16. 제14항에 있어서,
    상기 하방 광 방출부는,
    상기 소정 파장 대역의 광을 상기 플래시 라이다 장치의 하방으로 방출하는 하방 발광 엘리먼트; 및
    상기 하방 발광 엘리먼트로부터 하방으로 방출되는 소정 파장 대역의 광을 평행광으로 변환하는 하방 콜레메이팅 렌즈를 포함하며,
    상기 하방 화각 변경 렌즈에는 상기 하방 콜레메이팅 렌즈에 의해 평행광으로 변환된 소정 파장 대역의 광이 입사하는 것을 특징으로 하는 플래시 라이다 장치.
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