WO2018056516A1 - 광학계 모듈 및 그를 갖는 스캐닝 라이다 - Google Patents

광학계 모듈 및 그를 갖는 스캐닝 라이다 Download PDF

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WO2018056516A1
WO2018056516A1 PCT/KR2016/013764 KR2016013764W WO2018056516A1 WO 2018056516 A1 WO2018056516 A1 WO 2018056516A1 KR 2016013764 W KR2016013764 W KR 2016013764W WO 2018056516 A1 WO2018056516 A1 WO 2018056516A1
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reflection mirror
circuit board
printed circuit
light source
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PCT/KR2016/013764
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최현용
조현창
최철준
이승주
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전자부품연구원
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    • G02B27/30—Collimators

Definitions

  • the present invention relates to scanning lidar, and more particularly, to an optical system module having an optical system structure sharing a light-receiving lens and a scanning lidar having the same.
  • Scanning LiDARs are used to measure objects (targets) such as surrounding terrain, objects, obstacles, etc.
  • the scanning lidar obtains information about the object by measuring a time of returning from the object by using a pulse laser.
  • the information on the object obtained through the scanning lidar may include information about the existence of the object, the type of the object, the distance to the object, and the like.
  • Scanning riders are used in many fields, such as automobiles, mobile robots, ships, security systems, assembly lines, drones, and drones.
  • Such a scanning lidar collects and transmits a diffusion beam output from a high-power laser diode into parallel light through a collimation lens (transmission lens), and transmits the light reflected from the object to a photodetector through a large-diameter condenser lens (reception lens). It has an optical system structure to detect.
  • the conventional scanning lidar has a high power laser diode and a photodetector disposed on a space other than the same plane, a printed circuit board on which the high power laser diode and the photodetector are installed is separately required.
  • the conventional scanning lidar has a plurality of lenses, a high power laser diode and a photodetector arranged in a space, and thus the structure is complicated and there is a limit in miniaturization.
  • an object of the present invention is to provide an optical system module and a scanning lidar having the same, which can simplify the structure of the optical system and reduce the number of components.
  • Another object of the present invention is to provide an optical module having an optical system structure sharing a light-receiving lens and a scanning lidar having the same.
  • the present invention is a reflection mirror for reflecting the received light to the light detection unit located below;
  • a light source for outputting a pulsed laser forward from below the reflective mirror;
  • a transmission / reception lens disposed in front of the reflection mirror and the light source to transmit the pulse laser incident from the light source to a scan area, and receive and reflect light reflected from the scan area from the transmitted light to the reflection mirror;
  • the frame includes: an optical frame fixed to the printed circuit board, wherein the light source is installed at a position capable of irradiating a pulsed laser to the light-receiving lens and electrically connecting the light source to the printed circuit board; A mirror frame connected to the optical frame and disposed on an upper portion of the optical frame, wherein the reflective mirror is installed below; And a lens frame connected to the mirror frame and fixed to the printed circuit board, wherein the transmitting and receiving lens faces the light source and the reflecting mirror.
  • the transmitting / receiving lens may convert the pulse laser incident from the light source into a collimated beam or a divergence beam and transmit the light to the scan area.
  • the reflective mirror may be installed at an angle to transmit the reflected light to the light detector provided between the optical frame and the lens frame.
  • the optical system module for scanning lidar according to the present invention may further include a scattering prevention unit for blocking the pulse laser output from the light source from entering light due to diffuse reflection or scattering.
  • the scattering preventing unit may be installed in the optical frame under the light source through which the pulse laser is output, and may protrude toward the transmitting / receiving lens.
  • the present invention also provides a reflective mirror for reflecting down the received light;
  • a light source for outputting a pulsed laser forward from below the reflective mirror;
  • a transmission / reception lens disposed in front of the reflection mirror to transmit the pulse laser incident from the light source to a scan area, and receive and reflect the light reflected from the scan area from the transmitted light to the reflection mirror;
  • a light detector disposed under the reflection mirror to convert light reflected from the reflection mirror into an electrical signal;
  • the invention also provides a printed circuit board; The optical system module installed on the printed circuit board; And a light detecting unit installed on the printed circuit board in the optical system module and converting the received light into an electrical signal.
  • the scanning rider according to the present invention is installed to be spaced apart from the light-receiving lens, and transmits the light passing through the light-receiving lens to the scan area while rotating, and transmits the light reflected from the scan-area to the light-receiving lens while rotating. It may further include a rotating reflection mirror unit for reflecting.
  • the rotating reflection mirror may be rotatably installed on the printed circuit board spaced apart from the light transmitting and receiving lens.
  • the rotating reflection mirror unit, the rotation motor is installed on the printed circuit board; And installed to face the transmitting and receiving lens connected to the rotating motor, and transmits the light passing through the transmitting and receiving lens to the scan area while rotating according to the rotation of the rotating motor, and reflects the light from the scanned area. It may include a; and a rotation reflection mirror for reflecting the reflected light to the light-receiving lens.
  • the rotating reflection mirror may be installed perpendicular to the surface of the printed circuit board.
  • the rotating reflection mirror may be installed to be tilted at a predetermined angle ⁇ on the surface of the printed circuit board.
  • the predetermined angle ⁇ may be 5 degrees or less.
  • the rotation reflection mirror unit may further include a rotation amount detection sensor unit detecting a rotation amount of the rotation reflection mirror.
  • the rotation amount detection sensor unit may include: a detection tip formed below the rotation reflection mirror; And a detection sensor installed on the printed circuit board on the rotation radius of the detection tip, and detecting whether the rotation of the rotation reflection mirror passes through the detection tip of the rotation reflection mirror to detect the amount of rotation of the rotation reflection mirror.
  • the present invention is installed on the platform screen door scanning lidar for scanning, printed circuit board; A reflection mirror disposed on the printed circuit board and reflecting the received light onto the printed circuit board; A light source installed in the printed circuit board and outputting a pulse laser forward from below the reflective mirror; It is installed on the printed circuit board, generates and transmits a collimated beam or divergence beam so that the pulse laser proceeds to the scan area of the platform screen door, and receives the light reflected from the scan area from the transmitted light to reflect A light-receiving lens for transmitting to the mirror; Rotation is rotatably installed on the printed circuit board, the collimated beam or divergence beam passing through the light receiving lens is reflected to the scan area while rotating, reflecting the light reflected from the scan area to the light receiving lens Reflective mirrors; And a light detector disposed on the printed circuit board under the reflective mirror and converting the light reflected by the reflective mirror into an electrical signal.
  • the scanning lidar according to the present invention transmits and receives light with a light receiving lens
  • the structure of the optical system can be simplified and the number of parts can be reduced in size compared with a conventional scanning lidar having a light transmitting lens and a light receiving lens separately. have.
  • the scanning lidar according to the present invention has a structure in which an optical system is installed on one printed circuit board, the scanning lidar can be miniaturized by simplifying the structure of the optical system and reducing the number of components.
  • the scanning lidar according to the present invention also has an advantage of simplifying the assembly process.
  • FIG. 1 is a view showing a scanning lidar having an optical system module according to a first embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a diagram illustrating the optical system module of FIG. 1.
  • FIG 3 is a view illustrating a rotating reflection mirror unit installed on a printed circuit board.
  • FIG. 4 and 5 are views illustrating a region in which a pulse laser beam is transmitted and scanned according to the rotation of the rotating reflection mirror of FIG. 1.
  • FIG. 6 is a view showing an example in which the scanning lidar is installed in the platform screen door according to the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 7 is a view showing a scanning lidar having an optical system module according to a second embodiment of the present invention.
  • FIG. 8 is a view showing an optical system module for scanning lidar according to a third embodiment of the present invention.
  • FIG. 1 is a view showing a scanning lidar having an optical system module according to a first embodiment of the present invention.
  • the scanning lidar 200 has a structure in which an optical system is installed on one printed circuit board 10. That is, the scanning lidar 200 receives light received by being installed on the printed circuit board 10, the optical module 20 installed on the printed circuit board 10, and the printed circuit board 10 in the optical system module 20. It includes a light detection unit 70 for converting into an electrical signal.
  • the optical system module 20 includes a reflection mirror 40 which reflects the received light to the photodetector 70 positioned below, a light source 50 that outputs a pulse laser forward from below the reflection mirror 40, and reflections.
  • a pulse laser disposed in front of the mirror 40 and the light source 50 and transmitted from the light source 50 is transmitted to the scan area, and the light reflected from the scan area is received from the transmitted light and transmitted to the reflection mirror 40.
  • the light-receiving lens 60, the reflection mirror 40, the light source 50, and the light-receiving lens 60 are fixedly installed, and the fixed reflection mirror 40, the light source 50, and the light-receiving lens 60 are fixed. Includes a frame 30 mounted on the printed circuit board 10.
  • the scanning lidar 200 may further include a rotation reflection mirror 90.
  • the rotation reflection mirror unit 90 is installed to be spaced apart from the light receiving lens 60, and transmits the light passing through the light receiving lens 60 to the scan area while rotating, and transmits the light reflected from the scan area while rotating. Reflected by the lens 60.
  • the scanning lidar 200 may provide an optical system on one printed circuit board 10 to simplify the structure and reduce the number of components to realize miniaturization.
  • elements constituting the scanning lidar 200 such as a printed circuit board 10, an optical system module 20, a photodetector 70, a rotation reflection mirror 90, and a rotation amount detection sensor All of the portions 95 may be embedded in the housing 130 of FIG. 6 to be protected from the external environment.
  • the scanning lidar 200 according to the first embodiment will be described in detail with reference to FIGS. 1 to 6 as follows.
  • optical system module 20 will be described with reference to FIGS. 1 and 2 as follows. 2 is a view showing the optical system module 20 of FIG.
  • the optical system module 20 may include a reflection mirror 40, a light source 50, a light receiving lens 60, and a frame 30, and may further include a scattering preventing unit 80. .
  • the reflective mirror 40 has a reflective surface to reflect the incident light, and the pulse laser output from the light source 50 is transmitted to the light-receiving lens 60 along a transmission path formed by being spaced below the lower end. To be delivered, it is installed in the frame 30 so that it can be located above the exit area of the pulse laser.
  • the reflection mirror 40 reflects the reflected light reflected from the measurement target present in the scan area and passed through the light-receiving lens 60 to the reflective surface and transmitted to the light detecting unit 70.
  • the reflective mirror 40 may be disposed to have a first angle with an upper surface of the printed circuit board 10, that is, a horizontal surface.
  • the first angle may be 45 degrees, and when the light reflected from the measurement target present in the scan area is transmitted through the light-receiving lens 60 to the reflection mirror 40 due to the first angle, the transmission
  • the shape of the reflected light may have an elliptic shape.
  • the reflected light reaching the reflective mirror 40 which is just before reaching the photodetector 70 has an elliptical shape.
  • the loss of the reflected light can be minimized even if the size of the reflective mirror 40 is smaller than that of the light receiving lens 60.
  • the light source 50 is installed in the frame 30 and outputs a pulsed laser to the light-receiving lens 60 from below the reflective mirror 40.
  • the light source 50 is positioned behind the reflective surface of the reflective mirror 40, but is installed in the frame 30 to be positioned below the reflective mirror 40. That is, the light source 50 outputs the pulse laser forward from below the lower end of the reflective mirror 40.
  • the light source 50 a short channel or a multi channel light source for outputting one or more pulse lasers corresponding to one or more channels may be used.
  • the distance between the light source 50 and the light-receiving lens 60 By adjusting the distance between the light source 50 and the light-receiving lens 60, the conversion of the pulsed laser to a collimated beam or a divergence beam can be controlled.
  • the photodetector 70 may be configured to receive the reflected light of the short channel or the multi channel.
  • an incident pulse laser may be converted into a divergence beam by adjusting a focal length between the light source 50 and the light receiving lens 60.
  • the photodetector 70 may include a plurality of photodetectors, and may receive a plurality of reflected light having different incidence angles through the plurality of photodetectors.
  • the light transmitting / receiving lens 60 is installed in the frame 30 so as to be located between the reflection surface of the reflection mirror 40 and the rotation reflection mirror 93.
  • the light-receiving lens 60 may condense the pulsed laser and convert it into a collimated beam or a divergence beam so that the pulsed laser traveling to the measurement target is directed to the measurement target.
  • the transmitting and receiving lens 60 converts a pulsed laser incident from the light source 50 into a collimated beam or a divergence beam and transmits it to a scan area where a measurement target may exist.
  • the light-receiving lens 60 receives the light reflected from the measurement target and transmits the light to the reflection mirror 40. That is, in the conventional scanning lidar 200, a function performed separately through the collimation lens and the condenser lens, which are separate lenses, may be performed through one lens that is the light receiving lens 60.
  • the optical system and the alignment point is reduced compared to the conventional scanning lidar 200, the process of fine alignment operation and the lens coating process is reduced, manufacturing cost can be reduced.
  • the assembly process can also be simplified.
  • the frame 30 is a skeleton in which the reflective mirror 40, the light source 50, and the light-receiving lens 60 are installed, and the reflection mirror 40, the light source 50, and the light-receiving lens 60 are one module.
  • the frame 30 may provide the reflection mirror 40, the light source 50, and the light transmission / reception lens 60 as one module to simplify the assembly process to the printed circuit board 10.
  • the frame 30 includes an optical frame 31, a mirror frame 33 and a lens frame 35.
  • a material of the frame 30 a hard plastic material may be used.
  • the optical frame 31 is fixed on the printed circuit board 10, the light source 50 is installed at a position where the pulse laser can be irradiated with the light-receiving lens 60, and the light source 50 is connected to the printed circuit board 10. Electrical connection.
  • the mirror frame 33 is connected to the optical frame 31 and is disposed above the optical frame 31, and the reflective mirror 40 is installed below.
  • the lens frame 35 is connected to the mirror frame 33 and fixed to the printed circuit board 10, and the light receiving lens 60 is installed to face the light source 50 and the reflection mirror 40.
  • the optical frame 31 has a connector connected to the light source 50 so that the light source 50 can be connected to the printed circuit board 10 at the bottom.
  • the lens frame 35 has a connection member formed at a lower portion thereof to be inserted or surface mounted on the printed circuit board 10.
  • the mirror frame 33 and the lens frame 35 are connected to be rotatable in a predetermined angle range.
  • the reflective mirror 40 is formed at an angle capable of transmitting the reflected light to the photodetector 70 provided between the optical frame 31 and the lens frame 35. It is installed at the bottom.
  • the light-receiving lens 60 may convert the pulsed laser to a collimated beam or divergence beam through the central axis region of the lens so that the pulse laser travels to the measurement target.
  • the transmission path of the pulse laser output from the light source 50 may include the central axis of the transmission and reception lens 60.
  • the reflected light may include a region in which the light receiving path is located above the central axis of the light receiving lens 60.
  • the light receiving lens 60 may be in the shape of an intact ellipse when viewed from the side, but may have a shape including only the central axis and the upper region of the central axis of the light receiving lens 60.
  • the shape of the light-receiving lens 60 may have a shape in which the lower region is removed from the ellipse when viewed from the side.
  • the light-receiving light sharing lens can be used.
  • a conversion lens for converting the pulsed laser output from the light source 50 into a collimated beam or a divergence beam before being received by the light receiving lens 60 is required.
  • the conversion lens is installed to be located between the light source 50 and the light-receiving lens 60.
  • the conversion lens may be installed in the optical frame 31 in proximity to the light source 50.
  • the scattering preventing unit 80 is installed between the light source 50 and the light detecting unit 70, and the light emitted from the light source 50 due to the diffuse reflection or scattering enters the light detecting unit 70. Block it. That is, the scattering preventing unit 80 does not enter the light-receiving lens 60 due to diffuse reflection or scattering of the pulse laser output from the light source 50, and receives the light reflected from the measurement target to the light detecting unit 70. It is possible to prevent entering the path.
  • the scattering preventing unit 80 may be installed in the optical frame 31 under the light source 50 through which the pulse laser is output, and may protrude toward the transmitting and receiving lens 60.
  • the light detector 70 is installed on the printed circuit board 10 in the optical system module 20 to convert the received light into an electrical signal.
  • the photodetector 70 may be disposed to face the reflective surface of the reflective mirror 40. After the light reflected from the measurement target passes through the transmissive lens 60, half of the reflective mirror 40 may be disposed. It reaches the slope and receives the light reflected from the reflective surface and converts it into an electrical signal.
  • the photodetector 70 may output the converted electric signal to an external device.
  • FIGS. 1 and 3 is a view illustrating a rotation reflection mirror unit 90 installed on the printed circuit board 10.
  • the rotation reflection mirror unit 90 is installed to be spaced apart from the light receiving lens 60, and transmits the light passing through the light receiving lens 60 to the scan area while rotating, and transmits the light reflected from the scan area while rotating. Reflected by the lens 60.
  • the rotation reflection mirror unit 90 is rotatably installed on the printed circuit board 10 spaced apart from the light receiving lens 60.
  • the rotation reflection mirror unit 90 may include a rotation motor 91 and a rotation reflection mirror 93, and may further include a rotation detection sensor unit 95.
  • the rotation motor 91 is installed on the printed circuit board 10 to rotate the rotation reflection mirror 93.
  • the rotating motor 91 may be installed at the lower portion of the printed circuit board 10
  • the rotating reflection mirror 93 may be installed at the upper portion of the printed circuit board 10.
  • the rotation reflection mirror 93 is connected to the rotation motor 91 so as to face the transmission / reception lens 60.
  • the rotation reflection mirror 93 transmits the light passing through the light-receiving lens 60 to the scan area while rotating in accordance with the rotation of the rotary motor 91, and transmits the light reflected from the scan area from the light-transmitted light beam ( 60).
  • the rotating reflection mirror 93 may be a planar mirror having two reflecting surfaces.
  • the rotation reflection mirror 93 may be disposed between the transmission and reception lens 60 and the measurement target to rotate 360 degrees by driving the rotation motor 91.
  • the rotation reflection mirror 93 reflects the collimated beam or divergence beam output from the light-receiving lens 60 through 360-degree rotation, and transmits the light to the scan area where the measurement target may exist, and transmits the light reflected from the measurement target. The light may be reflected and transmitted to the light-receiving lens 60 again.
  • the rotation reflection mirror 93 may be installed to be tilted at an angle ⁇ with respect to the surface of the printed circuit board 10, that is, the horizontal surface.
  • the reason why the rotation reflection mirror 93 is tilted at a predetermined angle ⁇ is to form two scan regions around the scanning lidar 200, as shown in FIGS. 4 and 5.
  • the distance between the two scan areas (d in FIG. 6) may be determined according to the size of the predetermined angle ⁇ .
  • 4 and 5 are views illustrating a region in which a pulse laser beam is transmitted and scanned according to the rotation of the rotation reflection mirror 93 of FIG. 1.
  • the rotational reflection mirror 93 rotates, as shown in FIG. 4, in the rotational reflection mirror 93, the first reflection surface forming the ⁇ angle faces the light-receiving lens 60.
  • the rotational reflection mirror 93 rotates, as shown in FIG. 5, in the rotational reflection mirror 93, the second reflection surface forming the + ⁇ angle faces the light-receiving lens 60.
  • the rotational reflection mirror 93 is spaced from both sides with respect to the reference scan area according to the tilted - ⁇ and + ⁇ angles, based on the reference scan area when the transmitting / receiving lens 60 is installed perpendicular to the horizontal plane. Form a scan area.
  • the predetermined angle ⁇ may be appropriately selected and used depending on the installation position and purpose of the scanning lidar 200.
  • the predetermined angle ⁇ may be set to 5 degrees or less, but is not limited thereto.
  • the rotation amount detection sensor unit 95 detects the rotation amount of the rotation reflection mirror 93.
  • the rotation amount detection sensor unit 95 is installed on the detection tip 97 formed below the rotation reflection mirror 93 and the printed circuit board 10 on the rotation radius of the detection tip 97 and rotates the rotation reflection.
  • a detection sensor 99 that detects whether the mirror 93 passes through the detection tip 97 and detects an amount of rotation of the rotation reflection mirror 93.
  • the scanning lidar 200 according to the first embodiment may be installed in the platform screen door 300 as shown in FIG. 6.
  • 6 is a view illustrating an example in which the scanning lidar 200 according to the first embodiment of the present invention is installed in the platform screen door 300.
  • the scanning lidar 200 may be installed on an upper portion of the platform screen door 300 to form a scan area on the lower portion of the platform screen door 300.
  • the platform screen door 300 may include a door frame forming an entrance and a screen door opening and closing the door of the door frame, and the scanning rider may be installed in the door frame.
  • the scanning lidar 200 forms scan regions on both sides of the scanning lidar 200. As a result, the scanning lidar 200 may scan whether the measurement target such as an object or a person entering or exiting the platform screen door 300 exists on both sides of the platform screen door 300.
  • the scanning lidar 200 is disclosed in the upper portion of the platform screen door 300, but is not limited thereto.
  • the scanning lidar 200 may be installed on at least one of the top, bottom, left, and right sides of the platform screen door 300.
  • the scanning lidar 200 according to the first embodiment has disclosed an example in which the rotating reflection mirror 93 is installed at a predetermined angle, the scanning lidar 200 is not limited thereto. As shown in FIG. 7, the rotation reflection mirror 93 may be installed perpendicular to the horizontal plane.
  • FIG. 7 is a diagram illustrating a scanning lidar 400 having an optical system module 20 according to a second embodiment of the present invention.
  • the scanning lidar 400 according to the second embodiment of the present invention is the first embodiment except that the rotation reflection mirror 93 is installed perpendicular to the upper surface of the printed circuit board 10, that is, the horizontal surface. Since it has the same structure as the scanning lidar 200 according, repeated description thereof will be omitted.
  • one scan area may be formed.
  • the scanning lidar 200 has disclosed an example in which the photodetector 70 is provided on the printed circuit board 10 separately from the optical system module 20, the scanning liner 200 is not limited thereto.
  • the optical system module 120 may further include a light detector 70.
  • FIG. 8 is a view illustrating an optical system module 120 for a scanning lidar according to a third embodiment of the present invention.
  • the optical system module 120 includes a reflection mirror 40, a light source 50, a light transmission / reception lens 60, a light detector 70, and a frame 30.
  • An anti-scattering part 80 may be further included.
  • the structure in which the reflection mirror 40, the light source 50, the light-receiving lens 60, and the scattering preventing unit 80 are provided in the frame 30 is the first embodiment. Since it is the same as the example, repeated description will be omitted, and the photodetector 70 will be described based on the configuration installed in the frame 30.
  • the frame 30 includes an optical frame 31, a mirror frame 33, and a lens frame 35, and further includes a light detecting frame 37 on which the light detecting unit 70 is installed.
  • Both sides of the light detecting frame 37 are installed to be connected to the optical frame 31 and the lens frame 35.
  • the photodetecting frame 37 may have a structure in which one side is connected to the optical frame 31 and the other side is detachably connected to the lens frame 35.
  • the photodetecting frame 37 has a structure in which the photodetecting unit 70 is installed on an upper surface facing the mirror frame 33.
  • the photodetector frame 37 may have a connector connected to the photodetector 70 so that the photodetector 70 may be connected to the printed circuit board 10.
  • the optical system module 20 since the optical system module 20 according to the third embodiment includes the reflection mirror 40, the light source 50, the light-receiving lens 60, and the light detecting unit 70, the optical system module 20 is applied to the printed circuit board 10. There is an advantage to further simplify the assembly process.

Abstract

본 발명에 따른 스캐닝 라이다는 인쇄회로기판, 인쇄회로기판 위에 설치되는 광학계 모듈, 및 광학계 모듈 내의 인쇄회로기판에 설치되어 수광되는 광을 전기신호로 변환하는 광검출부를 포함한다. 광학계 모듈은 수광되는 광을 아래에 위치하는 광검출부로 반사하는 반사 미러, 반사 미러의 아래에서 전방으로 펄스 레이저를 출력하는 광원, 반사 미러와 광원의 전방에 배치되어 광원으로부터 입사되는 펄스 레이저를 스캔 영역으로 송광하고, 송광한 광 중에서 스캔 영역에서 반사된 광을 수광하여 반사 미러로 전달하는 송수광 렌즈, 및 반사 미러, 광원 및 송수광 렌즈가 고정 설치되며, 고정 설치된 반사 미러, 광원 및 송수광 렌즈를 인쇄회로기판 위에 실장하는 프레임을 포함한다.

Description

광학계 모듈 및 그를 갖는 스캐닝 라이다
본 발명은 스캐닝 라이다에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 송수광 렌즈를 공유하는 광학계 구조를 갖는 광학계 모듈 및 그를 갖는 스캐닝 라이다에 관한 것이다.
스캐닝 라이다(scanning LiDAR)는 주변의 지형, 물체, 장애물 등과 같은 객체(타겟)를 측정하는 데 사용되고 있다. 이러한 스캐닝 라이다는 펄스 레이저를 이용하여 객체에서 반사되어 돌아오는 시간을 측정하여 객체에 대한 정보를 획득한다. 스캐닝 라이다를 통해서 획득하는 객체에 대한 정보는 객체의 존재 여부, 객체의 종류, 객체까지의 거리 등에 대한 정보를 포함할 수 있다.
스캐닝 라이다는 자동차, 이동형 로봇, 선박, 보안시스템, 조립라인, 무인비행기, 드론(drone) 등과 같은 여러 분야에서 활용되고 있으며, 그 활용 분야도 다방면으로 확대되고 있다.
이와 같은 스캐닝 라이다는 고출력 레이저 다이오드로부터 출력되는 확산 빔을 콜리메이션 렌즈(송광렌즈)를 통해서 평행광으로 집광하여 송출하고, 객체에서 반사된 광을 대구경 집광렌즈(수광렌즈)를 통해서 광검출기로 검출하는 광학계 구조를 갖는다.
이로 인해 종래의 스캐닝 라이다는 최소 2개 이상의 렌즈가 필요하다. 따라서 종래의 스캐닝 라이다에 있어서 광학계의 미세한 정렬 작업은 필수적이다. 이러한 정렬 작업은 스캐닝 라이다에 포함된 렌즈의 수가 증가할수록 정렬대상이 늘어나기 때문에, 스캐닝 라이다의 가격을 높이는 요인이 되고 있다.
그리고 종래의 스캐닝 라이다는 고출력 레이저 다이오드 및 광검출기가 동일 평면이 아닌 공간 상에 배치되기 때문에, 고출력 레이저 다이오드와 광검출기가 설치되는 인쇄회로기판이 별도로 필요하다.
이로 인해 종래의 스캐닝 라이다는 복수의 렌즈와, 공간 상에 배치된 고출력 레이저 다이오드와 광검출기를 구비하기 때문에, 구조가 복잡하고 소형화하는 데 한계가 있다.
[선행기술문헌]
[특허문헌]
한국공개특허 제10-2016-0078043호(2016.07.04.)
따라서 본 발명의 목적은 광학계의 구조를 단순화하고 부품의 수를 줄여 소형화할 수 있는 광학계 모듈 및 그를 갖는 스캐닝 라이다를 제공하는 데 있다.
본 발명의 다른 목적은 송수광 렌즈를 공유하는 광학계 구조를 가지는 광학계 모듈 및 그를 갖는 스캐닝 라이다를 제공하는 데 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 하나의 인쇄회로기판 상에 광학계를 설치하여 구조를 단순화한 광학계 모듈 및 그를 갖는 스캐닝 라이다를 제공하는 데 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 수광되는 광을 아래에 위치하는 광검출부로 반사하는 반사 미러; 상기 반사 미러의 아래에서 전방으로 펄스 레이저를 출력하는 광원; 상기 반사 미러와 상기 광원의 전방에 배치되어 상기 광원으로부터 입사되는 상기 펄스 레이저를 스캔 영역으로 송광하고, 송광한 광 중에서 상기 스캔 영역에서 반사된 광을 수광하여 상기 반사 미러로 전달하는 송수광 렌즈; 및 상기 반사 미러, 광원 및 송수광 렌즈가 고정 설치되며, 고정 설치된 상기 반사 미러, 광원 및 송수광 렌즈를 인쇄회로기판 위에 실장하는 프레임;을 포함하는 스캐닝 라이다용 광학계 모듈을 제공한다.
상기 프레임은, 상기 인쇄회로기판 위에 고정되며, 펄스 레이저를 상기 송수광 렌즈로 조사할 수 있는 위치에 상기 광원이 설치되며, 상기 광원을 상기 인쇄회로기판에 전기적으로 연결하는 광프레임; 상기 광프레임과 연결되어 상기 광프레임의 상부에 배치되며, 하부에 상기 반사 미러가 설치되는 미러프레임; 및 상기 미러프레임과 연결되어 상기 인쇄회로기판 위에 고정되며, 상기 송수광 렌즈가 상기 광원과 상기 반사 미러를 바라보게 설치되는 렌즈프레임;을 포함할 수 있다.
상기 송수광 렌즈는 상기 광원으로부터 입사되는 상기 펄스 레이저를 콜리메이트 빔 또는 다이버전스 빔으로 변환하여 상기 스캔 영역으로 송광할 수 있다.
상기 송수광 렌즈에 대해서 상기 반사 미러는 상기 광프레임과 상기 렌즈프레임 사이에 설치되는 상기 광검출부로 상기 반사된 광을 전달할 수 있는 각도로 설치될 수 있다.
본 발명에 따른 스캐닝 라이다용 광학계 모듈은, 상기 광원에서 출력되는 펄스 레이저가 난반사 또는 산란으로 인해서 발생되는 광이 상기 광검출부로 진입하는 것을 차단하는 산란 방지부;를 더 포함할 수 있다.
상기 산란 방지부는 펄스 레이저가 출력되는 상기 광원 아래의 상기 광프레임에 설치되며, 상기 송수광 렌즈를 향하여 돌출되게 형성될 수 있다.
본 발명은 또한, 수광되는 광을 아래로 반사하는 반사 미러; 상기 반사 미러의 아래에서 전방으로 펄스 레이저를 출력하는 광원; 상기 반사 미러의 전방에 배치되어 상기 광원으로부터 입사되는 상기 펄스 레이저를 스캔 영역으로 송광하고, 송광한 광 중에서 상기 스캔 영역에서 반사된 광을 수광하여 상기 반사 미러에 전달하는 송수광 렌즈; 상기 반사 미러의 하부에 배치되어 상기 반사 미러에서 반사된 광을 전기신호로 변환하는 광검출부; 및 상기 반사 미러, 광원, 송수광 렌즈 및 광검출부가 고정 설치되며, 고정 설치된 상기 반사 미러, 광원, 송수광 렌즈 및 광검출부를 인쇄회로기판 위에 실장하는 프레임;를 포함하는 스캐닝 라이다용 광학계 모듈을 제공한다.
본 발명은 또한, 인쇄회로기판; 상기 인쇄회로기판 위에 설치되는 상기 광학계 모듈; 및 상기 광학계 모듈 내의 상기 인쇄회로기판에 설치되어 수광되는 광을 전기신호로 변환하는 광검출부;를 포함하는 스캐닝 라이다를 제공한다.
본 발명에 따른 스캐닝 라이다는 상기 송수광 렌즈와 이격되게 설치되며, 회전하면서 상기 송수광 렌즈를 통과한 광을 스캔 영역으로 송광하고, 회전하면서 상기 스캔 영역에서 반사된 광을 상기 송수광 렌즈로 반사하는 회전 반사 미러부;를 더 포함할 수 있다.
상기 회전 반사 미러부는 상기 송수광 렌즈와 이격된 상기 인쇄회로기판 상에 회전 가능하게 설치될 수 있다.
상기 회전 반사 미러부는, 상기 인쇄회로기판에 설치되는 회전모터; 및 상기 회전모터에 연결되어 상기 송수광 렌즈를 바라보게 설치되며, 상기 회전모터의 회전에 따라 회전하면서 상기 송수광 렌즈를 통과한 광을 스캔 영역으로 송광하고, 송광한 광 중에서 상기 스캔 영역에서 반사된 광을 상기 송수광 렌즈로 반사하는 회전 반사 미러;를 포함할 수 있다.
상기 회전 반사 미러는 상기 인쇄회로기판의 면에 수직하게 설치될 수 있다. 또는 상기 회전 반사 미러는 상기 인쇄회로기판의 면에 일정 각도(θ)로 틸트되게 설치될 수 있다. 상기 일정 각도(θ)는 5도 이하일 수 있다.
상기 회전 반사 미러부는, 상기 회전 반사 미러의 회전량을 검출하는 회전량 검출 센서부;를 더 포함할 수 있다.
상기 회전량 검출 센서부는, 상기 회전 반사 미러의 하부에 형성된 검출 팁; 및 상기 검출 팁의 회전 반경 상의 상기 인쇄회로기판에 설치되며, 회전하는 상기 회전 반사 미러의 검출 팁의 통과 여부를 감지하여 상기 회전 반사 미러의 회전량을 검출하는 검출 센서;를 포함할 수 있다.
그리고 본 발명은 플랫폼 스크린 도어에 설치되어 스캐닝하는 스캐닝 라이다로서, 인쇄회로기판; 상기 인쇄회로기판 위에 설치되며, 수광되는 광을 상기 인쇄회로기판 위로 반사하는 반사 미러; 상기 인쇄회로기판에 설치되며, 상기 반사 미러의 아래에서 전방으로 펄스 레이저를 출력하는 광원; 상기 인쇄회로기판에 설치되며, 상기 펄스 레이저가 상기 플랫폼 스크린 도어의 스캔 영역으로 진행하도록 콜리메이트 빔 또는 다이버전스 빔을 생성하여 송광하고, 송광한 광 중에서 상기 스캔 영역에서 반사된 광을 수광하여 상기 반사 미러에 전달하는 송수광 렌즈; 상기 인쇄회로기판에 회전 가능하게 설치되며, 상기 송수광 렌즈를 통과한 콜리메이트 빔 또는 다이버전스 빔을 회전하면서 상기 스캔 영역으로 반사하고, 상기 스캔 영역에서 반사된 광을 상기 송수광 렌즈로 반사하는 회전 반사 미러; 및 상기 반사 미러 하부의 인쇄회로기판에 배치되고, 상기 반사 미러에서 반사된 광을 전기신호로 변환하는 광검출부;를 포함하는 스캐닝 라이다를 제공한다.
본 발명에 따른 스캐닝 라이다는 송수광 렌즈로 송수광을 수행하기 때문에, 송광렌즈와 수광렌즈를 별도로 구비하는 종래의 스캐닝 라이다와 비교하여 광학계의 구조를 단순화하고 부품의 수를 줄여 소형화할 수 있다.
또한 본 발명에 따른 스캐닝 라이다는 하나의 인쇄회로기판 상에 광학계가 설치된 구조를 갖기 때문에, 광학계의 구조를 단순화하고 부품의 수를 줄여 소형화할 수 있다.
이로 인해 본 발명에 따른 스캐닝 라이다는 조립공정을 간소화할 수 있는 이점도 있다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 광학계 모듈을 갖는 스캐닝 라이다를 보여주는 도면이다.
도 2는 도 1의 광학계 모듈을 보여주는 도면이다.
도 3은 인쇄회로기판에 설치된 회전 반사 미러부를 보여주는 도면이다.
도 4 및 도 5는 도 1의 회전 반사 미러의 회전에 따라 펄스 레이저가 송광되어 스캔되는 영역을 보여주는 도면들이다.
도 6은 본 발명의 제1 실시예에 따른 스캐닝 라이다가 플랫폼 스크린 도어에 설치된 예를 보여주는 도면이다.
도 7은 본 발명의 제2 실시예에 따른 광학계 모듈을 갖는 스캐닝 라이다를 보여주는 도면이다.
도 8은 본 발명의 제3 실시예에 따른 스캐닝 라이다용 광학계 모듈을 보여주는 도면이다.
하기의 설명에서는 본 발명의 실시예를 이해하는데 필요한 부분만이 설명되며, 그 이외 부분의 설명은 본 발명의 요지를 흩트리지 않는 범위에서 생략될 것이라는 것을 유의하여야 한다.
이하에서 설명되는 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념으로 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 따라서 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 바람직한 실시예에 불과할 뿐이고, 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 보다 상세하게 설명하고자 한다.
[제1 실시예]
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 광학계 모듈을 갖는 스캐닝 라이다를 보여주는 도면이다.
도 1을 참조하면, 제1 실시예에 따른 스캐닝 라이다(200)는 하나의 인쇄회로기판(10) 상에 광학계가 설치된 구조를 갖는다. 즉 스캐닝 라이다(200)는 인쇄회로기판(10), 인쇄회로기판(10) 위에 설치되는 광학계 모듈(20), 및 광학계 모듈(20) 내의 인쇄회로기판(10)에 설치되어 수광되는 광을 전기신호로 변환하는 광검출부(70)를 포함한다. 여기서 광학계 모듈(20)은 수광되는 광을 아래에 위치하는 광검출부(70)로 반사하는 반사 미러(40), 반사 미러(40)의 아래에서 전방으로 펄스 레이저를 출력하는 광원(50), 반사 미러(40)와 광원(50)의 전방에 배치되어 광원(50)으로부터 입사되는 펄스 레이저를 스캔 영역으로 송광하고, 송광한 광 중에서 스캔 영역에서 반사된 광을 수광하여 반사 미러(40)로 전달하는 송수광 렌즈(60), 및 반사 미러(40), 광원(50) 및 송수광 렌즈(60)가 고정 설치되며, 고정 설치된 반사 미러(40), 광원(50) 및 송수광 렌즈(60)를 인쇄회로기판(10) 위에 실장하는 프레임(30)을 포함한다.
제1 실시예에 따른 스캐닝 라이다(200)는 회전 반사 미러부(90)를 더 포함할 수 있다. 회전 반사 미러부(90)는 송수광 렌즈(60)와 이격되게 설치되며, 회전하면서 송수광 렌즈(60)를 통과한 광을 스캔 영역으로 송광하고, 회전하면서 스캔 영역에서 반사된 광을 송수광 렌즈(60)로 반사한다.
이와 같이 제1 실시예에 따른 스캐닝 라이다(200)는 하나의 인쇄회로기판(10) 상에 광학계를 설치하여 구조를 단순화하고 부품의 수를 줄여 소형화를 구현할 수 있다.
도 1에 도시하진 않았지만, 스캐닝 라이다(200)를 구성하는 요소, 예컨대 인쇄회로기판(10), 광학계 모듈(20), 광검출부(70), 회전 반사 미러부(90) 및 회전량 검출 센서부(95)는 모두 하우징(도 6의 130)에 내장되어 외부환경으로부터 보호될 수 있다.
제1 실시예에 따른 스캐닝 라이다(200)에 대해서 도 1 내지 도 6을 참조하여 구체적으로 설명하면 다음과 같다.
광학계 모듈(20)에 대해서, 도 1 및 도 2를 참조하여 설명하면 다음과 같다. 여기서 도 2는 도 1의 광학계 모듈(20)을 보여주는 도면이다.
전술된 바와 같이, 광학계 모듈(20)은 반사 미러(40), 광원(50), 송수광 렌즈(60), 및 프레임(30)을 포함하며, 산란 방지부(80)를 더 포함할 수 있다.
반사 미러(40)는 반사면을 구비하여 입사되는 광을 반사시키는 구성으로, 광원(50)에서 출력된 펄스 레이저가 하단 끝부분 아래로 이격되어 형성되는 송광 경로를 따라 송수광 렌즈(60)에 전달되도록, 펄스 레이저의 출사 영역의 상부에 위치할 수 있도록 프레임(30)에 설치된다. 그리고 반사 미러(40)는 스캔 영역에 존재하는 측정 타겟에서 반사되어 송수광 렌즈(60)를 통과한 반사광을 반사면으로 반사시켜 광검출부(70)에 전달한다.
반사 미러(40)는 인쇄회로기판(10)의 상부면, 즉 수평면과 제1 각도를 이도록 배치될 수 있다. 예컨대 제1 각도는 45도가 될 수 있으며, 이러한 제1 각도로 인해서 스캔 영역에 존재하는 측정 타겟에서 반사된 광이 송수광 렌즈(60)를 통과하여 반사 미러(40)에 전달될 때, 그 전달되는 반사광의 형상이 타원 형상을 가질 수 있다.
이와 같이 제1 실시예에 따른 송수광 렌즈(60) 광학계 구조를 가지는 스캐닝 라이다(200)에 있어서, 광검출부(70)에 도달하기 직전 단계인 반사 미러(40)에 도달하는 반사광이 타원 형상으로 반사 미러(40)의 반사면에 도달하기 때문에, 반사 미러(40)의 크기가 송수광 렌즈(60)의 크기보다 작더라도 도달하는 반사광의 손실을 최소화할 수 있다.
광원(50)은 프레임(30)에 설치되어 반사 미러(40)의 아래에서 전방으로 펄스 레이저를 송수광 렌즈(60)로 출력한다. 광원(50)은 반사 미러(40)의 반사면의 후방에 위치하되, 반사 미러(40)의 아래에 위치할 수 있도록 프레임(30)에 설치된다. 즉 광원(50)은 반사 미러(40)의 하단 끝부분 아래에서 전방으로 펄스 레이저를 출력한다.
광원(50)으로는 하나 이상의 채널에 해당하는 하나 이상의 펄스 레이저를 출력하는 단채널 또는 다채널 광원이 사용될 수 있다. 광원(50)과 송수광 렌즈(60) 간의 거리를 조정함으로써, 펄스 레이저를 콜리메이트 빔 또는 다이버전스 빔으로 변환을 제어할 수 있다. 이로 인해 광검출부(70)가 단채널 또는 다채널의 반사된 광을 수광할 수 있도록 구현할 수 있다.
예컨대 광원(50)과 송수광 렌즈(60) 간의 초점거리를 조정하여 입사되는 펄스 레이저를 다이버전스 빔으로 변환할 수 있다. 이 경우 광검출부(70)는 복수의 광검출기를 구비하고, 해당 복수의 광검출기를 통하여 서로 상이한 입사각을 가지는 복수의 반사된 광을 수광할 수 있게 된다.
송수광 렌즈(60)는 반사 미러(40)의 반사면과 회전 반사 미러(93) 사이에 위치할 수 있도록 프레임(30)에 설치된다. 송수광 렌즈(60)는 측정 타겟으로 진행하는 펄스 레이저가 측정 타겟을 지향하도록, 펄스 레이저를 집광하여 콜리메이트 빔 또는 다이버전스 빔으로 변환할 수 있다. 송수광 렌즈(60)는 광원(50)으로부터 입사되는 펄스 레이저를 콜리메이트 빔 또는 다이버전스 빔으로 변환하여 측정 타겟이 존재할 수 있는 스캔 영역으로 송광한다. 송수광 렌즈(60)는 측정 타겟에서 반사된 광을 수광하여 반사 미러(40)에 전달한다. 즉 종래의 스캐닝 라이다(200)에서 별개로 렌즈인 콜리메이션 렌즈 및 집광 렌즈를 통하여 개별적으로 수행되는 기능이 송수광 렌즈(60)인 하나의 렌즈를 통하여 수행될 수 있다.
이로 인해 제1 실시예에 따르면, 광학계와 정렬점이 종래의 스캐닝 라이다(200)와 비교하여 감소하게 되고, 미세한 정렬 작업의 공정 및 렌즈 코팅 공정 등이 감소하게 되어, 제조비용이 절감될 수 있으며, 조립 공정 또한 간소화될 수 있게 된다.
그리고 프레임(30)은 반사 미러(40), 광원(50) 및 송수광 렌즈(60)가 설치되는 뼈대로서, 반사 미러(40), 광원(50) 및 송수광 렌즈(60)를 하나의 모듈로 인쇄회로기판(10)에 설치될 수 있도록 한다. 이와 같이 프레임(30)은 반사 미러(40), 광원(50) 및 송수광 렌즈(60)가 하나의 모듈로 제공하여 인쇄회로기판(10)으로의 조립 공정을 간소화할 수 있도록 한다.
이러한 프레임(30)은 광프레임(31), 미러프레임(33) 및 렌즈프레임(35)을 포함한다. 프레임(30)의 소재로는 경질의 플라스틱 소재가 사용될 수 있다.
광프레임(31)은 인쇄회로기판(10) 위에 고정되며, 펄스 레이저를 송수광 렌즈(60)로 조사할 수 있는 위치에 광원(50)이 설치되며, 광원(50)을 인쇄회로기판(10)에 전기적으로 연결한다. 미러프레임(33)은 광프레임(31)과 연결되어 광프레임(31)의 상부에 배치되며, 하부에 반사 미러(40)가 설치된다. 그리고 렌즈프레임(35)은 미러프레임(33)과 연결되어 인쇄회로기판(10) 위에 고정되며, 송수광 렌즈(60)가 광원(50)과 반사 미러(40)를 바라보게 설치된다.
이때 광프레임(31)은 하부에 광원(50)이 인쇄회로기판(10)에 접속될 수 있도록 광원(50)과 연결된 커넥터가 형성되어 있다. 렌즈프레임(35)은 하부에 인쇄회로기판(10) 위에 삽입 또는 면실장할 수 있는 연결부재가 형성되어 있다. 그리고 미러프레임(33)과 렌즈프레임(35)은 일정 각도 범위에서 회전이 가능하도록 연결된다.
송수광 렌즈(60)에 대해서 반사 미러(40)는 광프레임(31)과 렌즈프레임(35) 사이에 설치되는 광검출부(70)로 반사된 광을 전달할 수 있는 각도로 미러프레임(33)의 하부에 설치된다.
송수광 렌즈(60)는 렌즈의 중심축 영역을 통하여 펄스 레이저가 측정 타겟으로 진행하도록 콜리메이트 빔 또는 다이버전스 빔으로 변환할 수 있다. 다시 말해서 광원(50)에서 출력되는 펄스 레이저의 송광 경로가 송수광 렌즈(60)의 중심축을 포함할 수 있다.
측정 타겟에서 반사되어 돌아오는 광은 송수광 렌즈(60)의 중심축의 상부 영역을 통하여 반사 미러(40)에 전달된다. 즉 반사된 광은 수광 경로가 송수광 렌즈(60)의 중심축 상부에 위치하는 영역을 포함할 수 있다.
이로 인해, 송수광 렌즈(60)는 측면에서 보았을 때, 온전한 타원의 형상이 될 수 있지만, 송수광 렌즈(60)의 중심축과 중심축의 상부 영역만을 포함하는 형상이 될 수 있다. 후자의 경우, 송수광 렌즈(60)의 형상은, 측면에서 바라보았을 때, 타원에서 하부 영역이 제거된 형태가 될 수 있다.
한편 제1 실시예에서는 송수광 렌즈(60)로 송수광 단일렌즈를 사용하는 예를 개시하였지만, 송수광 공유렌즈를 사용할 수 있다. 송수광 렌즈(60)로 송수광 공유렌즈를 사용하는 경우, 광원(50)에서 출력되는 펄스 레이저가 송수광 렌즈(60)로 수광되기 전에 콜리메이트 빔 또는 다이버전스 빔으로 변환하는 변환 렌즈가 필요하다. 변환 렌즈는 광원(50)과 송수광 렌즈(60) 사이에 위치하도록 설치된다. 예컨대 변환 렌즈는 광원(50)에 근접하게 광프레임(31)에 설치될 수 있다.
산란 방지부(80)는 광원(50)과 광검출부(70) 사이에 설치되며, 광원(50)에서 출력되는 펄스 레이저가 난반사 또는 산란으로 인해서 발생되는 광이 광검출부(70)로 진입하는 것을 차단한다. 즉 산란 방지부(80)는 광원(50)에서 출력되는 펄스 레이저가 난반사 또는 산란으로 인해서 송수광 렌즈(60)에 입사되지 않고, 측정 타겟에서 반사된 광이 광검출부(70)로 진행되는 수광 경로에 진입하는 것을 방지할 수 있다.
이러한 산란 방지부(80)는 펄스 레이저가 출력되는 광원(50) 아래의 광프레임(31)에 설치되며, 송수광 렌즈(60)를 향하여 돌출되게 형성될 수 있다.
광검출부(70)는 광학계 모듈(20) 내의 인쇄회로기판(10)에 설치되어 수광되는 광을 전기신호로 변환한다. 이러한 광검출부(70)는 반사 미러(40)의 반사면을 향하도록 배치될 수 있으며, 측정 타겟에서 반사되어 돌아오는 광이 송수광 렌즈(60)를 통과한 후, 반사 미러(40)의 반사면에 도달하여 해당 반사면에서 반사된 광을 수광하여 전기신호로 변환한다. 광검출부(70)는 변환한 전기신호를 외부 기기로 출력할 수 있다.
다음으로 회전 반사 미러부(90)에 대해서, 도 1 및 도 3을 참조하여 설명하여 다음과 같다. 여기서 도 3은 인쇄회로기판(10)에 설치된 회전 반사 미러부(90)를 보여주는 도면이다.
회전 반사 미러부(90)는 송수광 렌즈(60)와 이격되게 설치되며, 회전하면서 송수광 렌즈(60)를 통과한 광을 스캔 영역으로 송광하고, 회전하면서 스캔 영역에서 반사된 광을 송수광 렌즈(60)로 반사한다. 회전 반사 미러부(90)는 송수광 렌즈(60)와 이격된 인쇄회로기판(10) 상에 회전 가능하게 설치된다.
이러한 회전 반사 미러부(90)는 회전모터(91)와 회전 반사 미러(93)를 포함하며, 회전량 검출 센서부(95)를 더 포함할 수 있다.
회전모터(91)는 인쇄회로기판(10)에 설치되어 회전 반사 미러(93)를 회전시킨다. 이때 회전모터(91)는 인쇄회로기판(10)의 하부에 설치되고, 회전 반사 미러(93)는 인쇄회로기판(10)의 상부에 설치될 수 있다.
회전 반사 미러(93)는 회전모터(91)에 연결되어 송수광 렌즈(60)를 바라보게 설치된다. 회전 반사 미러(93)는 회전모터(91)의 회전에 따라 회전하면서 송수광 렌즈(60)를 통과한 광을 스캔 영역으로 송광하고, 송광한 광 중에서 스캔 영역에서 반사된 광을 송수광 렌즈(60)로 반사한다.
회전 반사 미러(93)는 2개의 반사면을 구비하는 평면미러일 수 있다. 회전 반사 미러(93)는 송수광 렌즈(60) 및 측정 타겟 사이에 배치되어 회전모터(91)의 구동에 의해 360도 회전할 수 있다.
회전 반사 미러(93)는 360도 회전을 통해서 송수광 렌즈(60)에서 출력되는 콜리메이트 빔 또는 다이버전스 빔을 반사시켜 측정 타겟이 존재할 수 있는 스캔 영역으로 송광하고, 해당 측정 타겟에서 반사된 광을 반사시켜 다시 송수광 렌즈(60)에 전달할 수 있다.
회전 반사 미러(93)는 인쇄회로기판(10)의 면, 즉 수평면에 대해서 일정 각도(θ)로 틸트되게 설치될 수 있다. 회전 반사 미러(93)를 일정 각도(θ)로 틸트되게 설치하는 이유는, 도 4 및 도 5에 도시된 바와 같이, 스캐닝 라이다(200)를 중심으로 두 개의 스캔 영역을 형성하기 위해서이다. 일정 각도(θ)의 크기에 따라 두 개의 스캔 영역 간의 거리(도 6의 d)가 결정될 수 있다. 여기서 도 4 및 도 5는 도 1의 회전 반사 미러(93)의 회전에 따라 펄스 레이저가 송광되어 스캔되는 영역을 보여주는 도면들이다.
즉 회전 반사 미러(93)의 회전에 따라서, 도 4에 도시된 바와 같이, 회전 반사 미러(93)는 -θ 각도를 형성하는 제1 반사면이 송수광 렌즈(60)를 바라보게 된다.
또한 회전 반사 미러(93)의 회전에 따라서, 도 5에 도시된 바와 같이, 회전 반사 미러(93)는 +θ 각도를 형성하는 제2 반사면이 송수광 렌즈(60)를 바라보게 된다.
이로 인해 송수광 렌즈(60)가 수평면에 수직하게 설치된 경우의 기준 스캔 영역을 기준으로, 회전 반사 미러(93)가 틸트된 -θ 각도 및 +θ 각도에 따라 기준 스캔 영역에 대해서 양쪽으로 이격되어 스캔 영역을 형성한다.
일정 각도(θ)는 스캐닝 라이다(200)의 설치 위치 및 목적에 따라서 적절히 선택하여 사용할 수 있다. 예컨대 일정 각도(θ)는 5도 이하로 설정될 수 있으며, 이것에 한정되는 것은 아니다.
그리고 회전량 검출 센서부(95)는 회전 반사 미러(93)의 회전량을 검출한다. 이러한 회전량 검출 센서부(95)는 회전 반사 미러(93)의 하부에 형성된 검출 팁(97)과, 검출 팁(97)의 회전 반경 상의 인쇄회로기판(10)에 설치되며, 회전하는 회전 반사 미러(93)의 검출 팁(97)의 통과 여부를 감지하여 회전 반사 미러(93)의 회전량을 검출하는 검출 센서(99)를 포함한다.
이와 같은 제1 실시예에 따른 스캐닝 라이다(200)는 도 6에 도시된 바와 같이 플랫폼 스크린 도어(300)에 설치될 수 있다. 여기서 도 6은 본 발명의 제1 실시예에 따른 스캐닝 라이다(200)가 플랫폼 스크린 도어(300)에 설치된 예를 보여주는 도면이다.
도 6을 참조하면, 제1 실시예에 따른 스캐닝 라이다(200)는 플랫폼 스크린 도어(300)의 상부에 설치되어 플랫폼 스크린 도어(300)의 하부에 스캔 영역을 형성할 수 있다. 예컨대 플랫폼 스크린 도어(300)는 출입구를 형성하는 도어틀과, 도어틀의 출입구를 개폐하는 스크린 도어로 구성될 수 있으며, 스캐닝 라이다는 도어틀에 설치될 수 있다.
스캐닝 라이다(200)는 스캐닝 라이다(200)를 중심으로 양쪽으로 스캔 영역을 형성한다. 이로 인해 스캐닝 라이다(200)는 플랫폼 스크린 도어(300)를 중심으로 양쪽에 플랫폼 스크린 도어(300)를 출입하는 물체 또는 사람과 같은 측정 타겟이 존재하는 지를 스캐닝할 수 있다.
한편 제1 실시예에서는 스캐닝 라이다(200)가 플랫폼 스크린 도어(300)의 상부에 설치된 예를 개시하였지만 이것에 한정되는 것은 아니다. 예컨대 스캐닝 라이다(200)는 플랫폼 스크린 도어(300)의 상하좌우 중에 적어도 하나에 설치될 수 있다.
제1 실시예에서는 스캐닝 라이다(200)가 플랫폼 스크린 도어(300)에 사용되는 예를 개시하였지만, 이것에 한정되는 것은 아니다.
[제2 실시예]
한편 제1 실시예에 따른 스캐닝 라이다(200)는 회전 반사 미러(93)가 일정 각도로 틸트되게 설치된 예를 개시하였지만 이것에 한정되는 것은 아니다. 도 7에 도시된 바와 같이, 회전 반사 미러(93)가 수평면에 수직하게 설치될 수 있다.
도 7은 본 발명의 제2 실시예에 따른 광학계 모듈(20)을 갖는 스캐닝 라이다(400)를 보여주는 도면이다.
도 7을 참조하면, 제2 실시예에 따른 스캐닝 라이다(400)는 회전 반사 미러(93)가 인쇄회로기판(10)의 상부면, 즉 수평면에 수직하게 설치된 것을 제외하면 제1 실시예에 따른 스캐닝 라이다(200)와 동일한 구조를 갖기 때문에, 반복되는 설명은 생략한다.
이와 같이 제2 실시예와 같이 회전 반사 미러(93)가 수평면에 수직하게 설치되는 경우, 하나의 스캔 영역을 형성할 수 있다.
[제3 실시예]
한편 제1 및 제2 실시예에 따른 스캐닝 라이다(200)는 광학계 모듈(20)과는 별도로 광검출부(70)가 인쇄회로기판(10)에 설치된 예를 개시하였지만, 이것에 한정되는 것은 아니다. 예컨대 도 8에 도시된 바와 같이, 광학계 모듈(120)은 광검출부(70)를 더 포함할 수 있다.
도 8은 본 발명의 제3 실시예에 따른 스캐닝 라이다용 광학계 모듈(120)을 보여주는 도면이다.
도 8을 참조하면, 제3 실시예에 따른 광학계 모듈(120)은 반사 미러(40), 광원(50), 송수광 렌즈(60), 광검출부(70) 및 프레임(30)을 포함하며, 산란 방지부(80)를 더 포함할 수 있다.
제3 실시예에 따른 광학계 모듈(20)에 있어서, 프레임(30)에 반사 미러(40), 광원(50), 송수광 렌즈(60) 및 산란 방지부(80)가 설치된 구성은 제1 실시예와 동일하기 때문에 반복되는 설명은 생략하고, 광검출부(70)가 프레임(30)에 설치된 구성을 중심으로 설명하도록 하겠다.
프레임(30)은 광프레임(31), 미러프레임(33) 및 렌즈프레임(35)을 포함하며, 광검출부(70)가 설치되는 광검출프레임(37)을 더 포함한다.
광검출프레임(37)은 양쪽이 광프레임(31)과 렌즈프레임(35)에 연결 가능하게 설치된다. 예컨대 광검출프레임(37)은 한 쪽이 광프레임(31)에 연결되고, 다른 쪽이 렌즈프레임(35)에 탈착식으로 연결 가능한 구조를 가질 수 있다. 광검출프레임(37)은 미러프레임(33)을 바라보는 상부면에 광검출부(70)가 설치된 구조를 갖는다.
이때 광검출프레임(37)은 하부에 광검출부(70)가 인쇄회로기판(10)에 접속될 수 있도록 광검출부(70)와 연결된 커넥터가 형성될 수 있다.
이와 같이 제3 실시예에 따른 광학계 모듈(20)은 반사 미러(40), 광원(50), 송수광 렌즈(60) 및 광검출부(70)를 구비하기 때문에, 인쇄회로기판(10)으로의 조립 공정을 더욱 간소화할 수 있는 이점이 있다.
한편, 본 명세서와 도면에 개시된 실시예들은 이해를 돕기 위해 특정 예를 제시한 것에 지나지 않으며, 본 발명의 범위를 한정하고자 하는 것은 아니다. 여기에 개시된 실시예들 이외에도 본 발명의 기술적 사상에 바탕을 둔 다른 변형예들이 실시 가능하다는 것은, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게는 자명한 것이다.
[부호의 설명]
10 : 인쇄회로기판
20, 120 : 광학계 모듈
30 : 프레임
31 : 광프레임
33 : 미러프레임
35 : 렌즈프레임
37 : 광검출프레임
40 : 반사 미러
50 : 광원
60 : 송수광 렌즈
70 : 광검출부
80 : 산란 방지부
90 : 회전 반사 미러부
91 : 회전모터
93 : 회전 반사 미러
95 : 회전량 검출 센서부
97 : 검출 팁
99 : 검출 센서
130 : 하우징
200, 400 : 스캐닝 라이다
300 : 플랫폼 스크린 도어

Claims (18)

  1. 수광되는 광을 아래에 위치하는 광검출부로 반사하는 반사 미러;
    상기 반사 미러의 아래에서 전방으로 펄스 레이저를 출력하는 광원;
    상기 반사 미러와 상기 광원의 전방에 배치되어 상기 광원으로부터 입사되는 상기 펄스 레이저를 스캔 영역으로 송광하고, 송광한 광 중에서 상기 스캔 영역에서 반사된 광을 수광하여 상기 반사 미러로 전달하는 송수광 렌즈; 및
    상기 반사 미러, 광원 및 송수광 렌즈가 고정 설치되며, 고정 설치된 상기 반사 미러, 광원 및 송수광 렌즈를 인쇄회로기판 위에 실장하는 프레임;
    을 포함하는 스캐닝 라이다용 광학계 모듈.
  2. 제1항에 있어서, 상기 프레임은,
    상기 인쇄회로기판 위에 고정되며, 펄스 레이저를 상기 송수광 렌즈로 조사할 수 있는 위치에 상기 광원이 설치되며, 상기 광원을 상기 인쇄회로기판에 전기적으로 연결하는 광프레임;
    상기 광프레임과 연결되어 상기 광프레임의 상부에 배치되며, 하부에 상기 반사 미러가 설치되는 미러프레임; 및
    상기 미러프레임과 연결되어 상기 인쇄회로기판 위에 고정되며, 상기 송수광 렌즈가 상기 광원과 상기 반사 미러를 바라보게 설치되는 렌즈프레임;
    을 포함하는 스캐닝 라이다용 광학계 모듈.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 송수광 렌즈는 상기 광원으로부터 입사되는 상기 펄스 레이저를 콜리메이트 빔 또는 다이버전스 빔으로 변환하여 상기 스캔 영역으로 송광하는 스캐닝 라이다용 광학계 모듈.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 송수광 렌즈에 대해서 상기 반사 미러는 상기 광프레임과 상기 렌즈프레임 사이에 설치되는 상기 광검출부로 상기 반사된 광을 전달할 수 있는 각도로 설치되는 스캐닝 라이다용 광학계 모듈.
  5. 제2항에 있어서,
    상기 광원에서 출력되는 펄스 레이저가 난반사 또는 산란으로 인해서 발생되는 광이 상기 광검출부로 진입하는 것을 차단하는 산란 방지부;
    를 더 포함하는 스캐닝 라이다용 광학계 모듈.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 산란 방지부는 펄스 레이저가 출력되는 상기 광원 아래의 상기 광프레임에 설치되며, 상기 송수광 렌즈를 향하여 돌출되게 형성된 것을 스캐닝 라이다용 광학계 모듈.
  7. 수광되는 광을 아래로 반사하는 반사 미러;
    상기 반사 미러의 아래에서 전방으로 펄스 레이저를 출력하는 광원;
    상기 반사 미러의 전방에 배치되어 상기 광원으로부터 입사되는 상기 펄스 레이저를 스캔 영역으로 송광하고, 송광한 광 중에서 상기 스캔 영역에서 반사된 광을 수광하여 상기 반사 미러에 전달하는 송수광 렌즈;
    상기 반사 미러의 하부에 배치되어 상기 반사 미러에서 반사된 광을 전기신호로 변환하는 광검출부; 및
    상기 반사 미러, 광원, 송수광 렌즈 및 광검출부가 고정 설치되며, 고정 설치된 상기 반사 미러, 광원, 송수광 렌즈 및 광검출부를 인쇄회로기판 위에 실장하는 프레임;
    를 포함하는 스캐닝 라이다용 광학계 모듈.
  8. 인쇄회로기판;
    상기 인쇄회로기판 위에 설치되는 광학계 모듈; 및
    상기 광학계 모듈 내의 상기 인쇄회로기판에 설치되어 수광되는 광을 전기신호로 변환하는 광검출부;를 포함하고,
    상기 광학계 모듈은,
    수광되는 광을 아래에 위치하는 상기 광검출부로 반사하는 반사 미러;
    상기 반사 미러의 아래에서 전방으로 펄스 레이저를 출력하는 광원;
    상기 반사 미러와 상기 광원의 전방에 배치되어 상기 광원으로부터 입사되는 상기 펄스 레이저를 스캔 영역으로 송광하고, 송광한 광 중에서 상기 스캔 영역에서 반사된 광을 수광하여 상기 반사 미러로 전달하는 송수광 렌즈; 및
    상기 반사 미러, 광원 및 송수광 렌즈가 고정 설치되며, 고정 설치된 상기 반사 미러, 광원 및 송수광 렌즈를 상기 인쇄회로기판 위에 실장하는 프레임;
    을 포함하는 스캐닝 라이다.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 송수광 렌즈는 상기 광원으로부터 입사되는 상기 펄스 레이저를 콜리메이트 빔 또는 다이버전스 빔으로 변환하여 상기 스캔 영역으로 송광하는 스캐닝 라이다.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 송수광 렌즈와 이격되게 설치되며, 회전하면서 상기 송수광 렌즈를 통과한 광을 스캔 영역으로 송광하고, 회전하면서 상기 스캔 영역에서 반사된 광을 상기 송수광 렌즈로 반사하는 회전 반사 미러부;
    를 더 포함하는 스캐닝 라이다.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 회전 반사 미러부는 상기 송수광 렌즈와 이격된 상기 인쇄회로기판 상에 회전 가능하게 설치되는 스캐닝 라이다.
  12. 제11항에 있어서, 상기 회전 반사 미러부는,
    상기 인쇄회로기판에 설치되는 회전모터; 및
    상기 회전모터에 연결되어 상기 송수광 렌즈를 바라보게 설치되며, 상기 회전모터의 회전에 따라 회전하면서 상기 송수광 렌즈를 통과한 광을 스캔 영역으로 송광하고, 송광한 광 중에서 상기 스캔 영역에서 반사된 광을 상기 송수광 렌즈로 반사하는 회전 반사 미러;
    를 포함하는 스캐닝 라이다.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 회전 반사 미러는 상기 인쇄회로기판의 면에 수직하게 설치되는 스캐닝 라이다.
  14. 제12항에 있어서,
    상기 회전 반사 미러는 상기 인쇄회로기판의 면에 일정 각도(θ)로 틸트되게 설치되는 스캐닝 라이다.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 일정 각도(θ)는 5도 이하인 스캐닝 라이다.
  16. 제12항에 있어서, 상기 회전 반사 미러부는,
    상기 회전 반사 미러의 회전량을 검출하는 회전량 검출 센서부;
    를 더 포함하는 스캐닝 라이다.
  17. 제16항에 있어서, 상기 회전량 검출 센서부는,
    상기 회전 반사 미러의 하부에 형성된 검출 팁; 및
    상기 검출 팁의 회전 반경 상의 상기 인쇄회로기판에 설치되며, 회전하는 상기 회전 반사 미러의 검출 팁의 통과 여부를 감지하여 상기 회전 반사 미러의 회전량을 검출하는 검출 센서;
    를 포함하는 스캐닝 라이다.
  18. 플랫폼 스크린 도어에 설치되어 스캐닝하는 스캐닝 라이다로서,
    인쇄회로기판;
    상기 인쇄회로기판 위에 설치되며, 수광되는 광을 상기 인쇄회로기판 위로 반사하는 반사 미러;
    상기 인쇄회로기판에 설치되며, 상기 반사 미러의 아래에서 전방으로 펄스 레이저를 출력하는 광원;
    상기 인쇄회로기판에 설치되며, 상기 펄스 레이저가 상기 플랫폼 스크린 도어의 스캔 영역으로 진행하도록 콜리메이트 빔 또는 다이버전스 빔을 생성하여 송광하고, 송광한 광 중에서 상기 스캔 영역에서 반사된 광을 수광하여 상기 반사 미러에 전달하는 송수광 렌즈;
    상기 인쇄회로기판에 회전 가능하게 설치되며, 상기 송수광 렌즈를 통과한 콜리메이트 빔 또는 다이버전스 빔을 회전하면서 상기 스캔 영역으로 반사하고, 상기 스캔 영역에서 반사된 광을 상기 송수광 렌즈로 반사하는 회전 반사 미러; 및
    상기 반사 미러 하부의 인쇄회로기판에 배치되고, 상기 반사 미러에서 반사된 광을 전기신호로 변환하는 광검출부;
    를 포함하는 스캐닝 라이다.
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