WO2019112164A1 - 3차원 라이다 장치 및 거리측정 방법 - Google Patents

3차원 라이다 장치 및 거리측정 방법 Download PDF

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WO2019112164A1
WO2019112164A1 PCT/KR2018/011925 KR2018011925W WO2019112164A1 WO 2019112164 A1 WO2019112164 A1 WO 2019112164A1 KR 2018011925 W KR2018011925 W KR 2018011925W WO 2019112164 A1 WO2019112164 A1 WO 2019112164A1
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laser beam
laser
channel
irradiated
optical system
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PCT/KR2018/011925
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박기환
황성의
장준환
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광주과학기술원
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    • G01S17/00—Systems using the reflection or reradiation of electromagnetic waves other than radio waves, e.g. lidar systems
    • G01S17/02—Systems using the reflection of electromagnetic waves other than radio waves
    • G01S17/06—Systems determining position data of a target
    • G01S17/08—Systems determining position data of a target for measuring distance only
    • G—PHYSICS
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    • G01J1/42—Photometry, e.g. photographic exposure meter using electric radiation detectors
    • G01J1/44—Electric circuits
    • G01J2001/4446—Type of detector
    • G01J2001/446—Photodiode

Definitions

  • the present invention relates to a three dimensional Lidar apparatus and a distance measuring method for measuring a distance.
  • LIDAR Light Detection And Ranging
  • LD laser diode
  • PD photodiode
  • Contact type distance measuring sensor based on a time of flight method for measuring a delay time with a predetermined time and obtaining a distance value.
  • Raida acquires distance and shape information of surrounding environment such as civil engineering, construction, air traffic, security, factory automation, automobile, drone, robot and everyday life, Field. Especially, it has better resolving power than existing ultrasonic, radar, and camera sensors to automate and unmanned devices for mobile platforms such as autonomous vehicles, unmanned drones, and service robots.
  • the three-dimensional Lada can be configured by selectively combining a laser transmission / reception optical system, a laser signal transmitter, a laser signal receiver, and a scanner capable of changing the traveling direction of the laser beam.
  • Three - dimensional scanning is largely classified into three - dimensional scanning and flash scanning according to the configuration.
  • the conventional 3D scanning method can acquire wide spatial 3 - D spatial information with high spatial resolution.
  • the use of a mechanical motor scanner has a large volume, and there is a problem of durability and reliability degradation due to mechanical parts friction and vibration.
  • the spatial resolution is determined by the limited number of channels of the area array PD
  • the flash Lidar has a disadvantage in that the spatial resolution is lower than that of the scanning ladder unless many photodiodes are constructed have.
  • a multi-channel receiver composed of a high-resolution area array photodiode and a signal processing are required, but the configuration cost generally increases.
  • the light intensity of the light source per unit area is low, and the distance measurement is short.
  • Patent Document 1 Korean Patent Laid-Open Publication No. 10-2017-0071523 (published on June 23, 2017)
  • an embodiment of the present invention provides a three-dimensional (3D) Ladi apparatus and a distance measuring method capable of rapidly switching a multi-channel laser emitter.
  • embodiments of the present invention provide a three-dimensional laddering device and a distance measuring method capable of measuring a long distance by increasing the light intensity of a light source per unit area using a line laser beam form or a concentrated spot laser beam form.
  • embodiments of the present invention provide a three-dimensional Ladders device and a distance measuring method that can improve spatial resolution without using a high-resolution area array photodiode using switching of a line array photodiode and a multi-channel laser signal transmitter do.
  • a three-dimensional (3D) Ldar apparatus including: a multi-channel laser signal transmitter having channels arranged to form a plurality of layers for emitting laser beams; A laser delivery optical system positioned in a laser beam delivery path of the multichannel laser signal emitter for allowing a laser beam emitted from the channel to pass therethrough and to be irradiated to a target object in the form of a line laser beam or a spot laser beam; A laser receiving optical system which is located in a moving path of a reflected laser beam irradiated on the object to be irradiated and diffusely reflected, the laser receiving optical system concentrating the reflected laser beam; And a multichannel laser signal receiver positioned in a movement path of the laser beam passing through the laser reception optical system, the multichannel laser signal receiver receiving the condensed laser beam condensed by the laser reception optical system; . ≪ / RTI >
  • the outgoing laser beam can be sequentially transmitted from each of a plurality of channels.
  • the laser beam emitted from the selected first channel among the channels arranged to form a plurality of layers is irradiated to the object to be irradiated in the form of a line laser beam and the laser beam emitted from the next selected channel is irradiated onto the line
  • the laser beam is irradiated to the object to be irradiated in the form of a line laser beam at an interval from the laser beam and the laser beam irradiated to the object can be irradiated sequentially in the form of a line laser beam with intervals in the vertical direction .
  • the laser-sending optical system may further include: a first laser beam adjusting lens positioned in a path for transmitting the laser beam corresponding to each of the plurality of channels; And a second laser beam adjusting lens positioned in a path for feeding the laser beam through the first laser beam adjusting lens;
  • the first laser beam adjusting lens adjusts a vertical optical axis of a laser beam emitted from each channel and the second laser beam adjusting lens adjusts a horizontal optical axis of a laser beam emitted from each channel.
  • the multi-channel laser signal receiver may be a photodiode.
  • the photodiodes may be formed in a line array form.
  • a three-dimensional Lidar apparatus and a distance measuring method include: (S1) sending a laser beam toward an object to be irradiated sequentially from each channel of a multi-channel laser signal transmitter; (S2) measuring a laser signal irradiated to and reflected from the object to be examined through a multi-channel laser signal receiver; And (S3) converting a laser signal measured through the multi-channel laser signal receiver into an electric signal for each channel, detecting a delay time corresponding to a measurement distance for each channel through a timing detector, and obtaining a distance value; . ≪ / RTI >
  • the multi-channel laser signal transmitter, the multi-channel laser signal receiver, and the timing detector may be controlled by an integrated controller.
  • the multi-channel laser signal emitter can be controlled through a switching algorithm and a switching device.
  • switching element control and measurement distance data processing may be performed in an integrated controller.
  • the 3-D Lidar apparatus and the distance measuring method since a line laser beam form or a concentrated spot laser beam form is used for 3-dimensional spatial information measurement, ), The light intensity of the light source per unit area can be used, which is advantageous for long distance measurement.
  • spatial resolution can be improved by using switching of line array photodiodes (PDs) and multi-channel laser signal emitters.
  • PDs line array photodiodes
  • FIG. 1 is a diagram illustrating a configuration of a three-dimensional Laydrix device according to a preferred embodiment of the present invention.
  • FIG. 1 is a diagram illustrating a configuration of a three-dimensional Laydrix device according to a preferred embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a diagram illustrating a process of sequentially irradiating a laser beam for each channel according to an embodiment of the present invention.
  • FIG 3 is a view illustrating a distance measuring process according to a preferred embodiment of the present invention.
  • a three-dimensional (3-D) Lidar apparatus includes a multi-channel laser signal emitter 20 for emitting a laser beam toward an object 100, A laser sending optical system 30 for causing the object 100 to be irradiated in the form of a laser beam or a spot laser beam, a laser receiving optical system 40 for condensing a reflected laser beam which is irregularly reflected from the object 100, And a multi-channel laser signal receiver 50 for receiving the beam.
  • the multichannel laser signal transmitter 20 comprises a plurality of channels 21.
  • the channels 21 are arranged in a plurality of layers.
  • the laser beam can be transmitted individually for each of the channels 21 constituted by a plurality of channels.
  • the channel 21 may be composed of a plurality of four or more or four or less.
  • the laser beam emitted from the multichannel laser signal emitter 20 is irradiated onto the object 100 in the form of a line laser beam or a concentrated spot laser beam while passing through the laser delivery optical system 30.
  • the line laser beam has a wide irradiation width, which is advantageous for wide-area measurement.
  • the spot laser beam has a high light intensity of a light source per unit area, which is advantageous for long distance measurement.
  • the outgoing laser beam B1 can be adjusted in the form of a line laser beam or a concentrated spot laser beam through adjustment of the distance of the laser emitting optical system 30.
  • the laser transmitting optical system 30 when the laser transmitting optical system 30 is moved away from the multichannel laser signal emitter 20, the focal distance becomes farther, and the emitted laser beam is irradiated in the form of a spot laser beam.
  • the laser transmitting optical system 30 when the laser transmitting optical system 30 is moved toward the multichannel laser signal transmitter 20, the focal distance approaches and the emitted laser beam is irradiated in the form of a line laser beam.
  • the laser sending optical system 30 includes a first laser beam adjusting lens 31 and a second laser beam adjusting lens 32.
  • the first laser beam adjusting lens 31 is located in the laser beam delivery path in front of the multi-channel laser signal emitter 20.
  • the first laser beam adjusting lens 31 is configured to have a plurality of layers.
  • the first laser beam adjusting lens 31 is provided corresponding to each of the plurality of channels 21.
  • the vertical axis of the outgoing laser beam B1 can be adjusted through the first laser beam adjusting lens 31.
  • the second laser beam adjusting lens 32 is located in the laser beam emitting path after passing through the first laser beam adjusting lens 31.
  • the second laser beam adjusting lens 32 may be an integral structure.
  • the height of the second laser beam adjusting lens 32 may be a height corresponding to the total height of the plurality of first laser beam adjusting lenses 31.
  • the width of the second laser beam adjusting lens 32 may be a width corresponding to the width of the first laser beam adjusting lens 31.
  • the horizontal axis of the outgoing laser beam B1 can be adjusted through the second laser beam adjusting lens 32.
  • the first laser beam adjusting lens 31 and the second laser beam adjusting lens 31 are indispensable components for adjusting the vertical optical axis and the horizontal optical axis of the laser beam emitted from the channel 21.
  • the distance between the horizontal axis laser beam adjusting lens 31 and the second laser beam adjusting lens 32 can be narrowed or distanced so as to send the outgoing laser beam B1 in the form of a line laser beam or a concentrated spot laser beam .
  • the laser beam emitted from the selected first channel 21 among the channels 21 arranged to form a plurality of layers is irradiated to the irradiation target object 100 in the form of a line laser beam.
  • the laser beam emitted from the next selected second channel 21 is irradiated to the object 100 in the form of a line laser beam at an interval from the line laser beam irradiated from the first channel 21.
  • the laser beam emitted from the next selected third channel 21 is irradiated to the object 100 in the form of a line laser beam at an interval from the line laser beam irradiated from the second channel 21.
  • the laser beam emitted from the fourth selected channel 21 is irradiated to the object 100 in the form of a line laser beam at an interval from the line laser beam irradiated from the third channel 21.
  • the laser beams irradiated to the object 100 are irradiated in the form of line laser beams at intervals in the vertical direction.
  • the laser beams irradiated on the object 100 in each channel 21 are sequentially irradiated with a time lag by the channel 21.
  • the laser beams irradiated on the irradiation target object 100 in the respective channels 21 do not overlap each other.
  • the reflected laser beam B2 that is irradiated on the object 100 and is irregularly reflected is condensed by the laser receiving optical system 40.
  • the laser receiving optical system 40 is located in the moving path of the reflected laser beam B2 before the reflected laser beam B2 is received by the multi-channel laser signal receiver 50.
  • the laser beam condensed by the laser receiving optical system 40 is received by the multichannel laser signal receiver 50.
  • the multi-channel laser signal receiver 50 may be a photodiode 51 that receives the condensed laser beam.
  • the photodiode 51 may be composed of a plurality of photodiodes.
  • the photodiode 51 may be configured as a line array so as to receive a laser beam sequentially irradiated in each of the channels 21.
  • Step S1 The laser beam sending step
  • the multichannel laser signal emitter 20 is controlled through a switching algorithm and a switching element 10.
  • the laser beams are sequentially transmitted from the respective channels 21 constituting the multichannel laser signal transmitter 20 toward the object 100 to be irradiated.
  • the laser beam transmitted through each channel 21 of the multichannel laser signal transmitter 20 passes through the laser-sending optical system 30 while being in the form of a line laser beam (hereinafter referred to as a line laser beam form) Ray beam.
  • a line laser beam form a line laser beam
  • the laser beams are sequentially emitted from the respective channels 21.
  • the laser beams can be transmitted in the order of t1, t2, t3, t4, etc. for each channel 21 (see Figs. 2 (a) to 2 (d)).
  • the laser beams can be transmitted in the order of t4, t3, t2, t1, and so on for each channel 21.
  • the laser beams can be sequentially transmitted for each channel 21 regardless of the arrangement order such as t2, t4, t1, t3, and the like.
  • t means time, and the number given to t means the order of the laser beam emitted from each channel 21.
  • Step S2 The reflected laser beam signal measurement step
  • the laser signals reflected and reflected by the object 100 to be irradiated at every moment t1, t2, t3, t4, ... tn are measured through the multichannel laser signal receiver 50.
  • Step S3 Step of acquiring distance value
  • a laser beam signal measured through the multi-channel laser signal receiver 50 is converted into an electric signal for each channel 21, a delay time corresponding to a measurement distance for each channel 21 is detected through a timing detector 60, (See Fig. 3).
  • the multichannel laser signal emitter 20, the multichannel laser signal receiver 50 and the timing detector 60 may be controlled by the integrated controller 1.
  • the control of the switching element 10 and the processing of the measured distance data can be done in the integrated controller 1.
  • the multi-channel laser signal emitter 20 transmits the laser beam.
  • the transmitted laser beam is transmitted toward the object 100 in the form of a line laser beam or a spot laser beam while passing through the laser transmitting optical system 30.
  • the outgoing laser beam B1 fits onto the object 100 and is irregularly reflected.
  • the reflected laser beam B2 is passed through the laser receiving optical system 40 to be condensed.
  • the condensed laser beam is received by the multi-channel laser signal receiver 50.
  • the data received by the multi-channel laser signal receiver 50 is converted into an electric signal, and a delay value corresponding to a measurement distance for each channel 21 is detected through a timing detector 60 to obtain a distance value.
  • the integrated controller 1 processes the switching element 10 control and measurement distance data.
  • the three-dimensional Ladder apparatus and the distance measuring method according to the present invention use a line laser beam form or a concentrated spot laser beam form for measuring three-dimensional spatial information, It is possible to use the light intensity of the light source per unit area higher than that of the same area type laser beam, which is advantageous for long distance measurement.
  • Switching of line array photodiodes and multichannel laser signal emitters can also be used to improve spatial resolution without the need for mechanical scanners, such as conventional 3D Lidar devices, and high resolution area array photodiodes.

Abstract

본 발명의 실시예에 따른 3차원 라이다 장치 및 거리측정 방법은, 레이저빔을 송출하는 채널이 복수의 층을 이루도록 배열되는 다채널 레이저 신호 송출기; 상기 채널에서 송출되는 송출 레이저빔이 통과하면서 라인 레이저빔 형태 또는 스폿 레이저빔 형태로 조사대상물체에 조사되게 하는 레이저 송출광학계; 반사 레이저빔을 집광하는 레이저 수신 광학계; 및 상기 레이저 수신 광학계에 의해 집광된 집광 레이저빔을 수신하는 다채널 레이저 신호 수신기; 를 포함한다.

Description

3차원 라이다 장치 및 거리측정 방법
본 발명은 거리를 측정하는 3차원 라이다 장치 및 거리측정 방법에 관한 것이다.
일반적으로 라이다(LIDAR: Light Detection And Ranging)는 레이저 신호 송출기(LD: laser diode)에서 발사된 레이저빔과 물체에 맞고 레이저 신호 수신기의 포토다이오드(PD: photo diode)로 반사되어 돌아오는 레이저빔과의 지연시간을 측정하여 거리 값을 획득하는 비행시간법(time of flight method) 기반의 비접촉식 거리 측정 센서이다. 라이다는 토목, 건축, 항공, 도로교통, 보안, 공장 자동화, 자동차, 드론, 로봇 및 일상생활 등에 주변 환경의 거리 정보 및 형상 정보를 획득하여 단순 거리 측정부터 주변 환경인식, 형상 모델링 등의 다양한 분야에 적용될 수 있다. 특히 자율주행 자동차, 무인드론, 서비스 로봇 등의 모바일 플랫폼에 해당하는 기기들의 자동화 및 무인화를 위해 기존 초음파, 레이더(Radar), 카메라 센서들에 비해 공간 분해능(resolving power)이 좋고 고속으로 3차원 공간 정보 획득이 가능한 3차원 라이다를 가장 중요한 센서 중의 하나로 활용하고 있다. 3차원 라이다는 레이저 송·수신 광학계, 레이저 신호 송출기, 레이저 신호 수신기 및 레이저빔의 진행방향을 변경할 수 있는 스캐너를 선택적으로 조합하여 구성할 수 있다. 3차원 라이다는 구성에 따라 크게 3차원 스캐닝 라이다 및 플래시 라이다로 분류할 수 있다.
그런데 기존 3차원 스캐닝 라이다는 높은 공간분해능의 광역 3차원 공간정보 획득이 가능하지만 기계식 모터 스캐너를 사용함에 따라 부피가 크고 기계부 마찰과 진동에 의한 내구성 및 신뢰도 저하 문제가 있다. 또한, 플래시 라이다(flash Lidar)는 에어리어 어레이 포토다이오드(area array PD)의 제한된 채널 수에 의해 공간 분해능이 결정되기 때문에 많은 포토다이오드를 구성하지 않는 한 스캐닝 라이다에 비해 공간 분해능이 낮은 단점이 있다. 공간 분해능을 높이기 위해서는 높은 해상도의 에어리어 어레이 포토다이오드로 구성된 다채널 수신기 및 신호처리가 필요하나 일반적으로 구성비용이 높아지는 단점이 있다. 그뿐만 아니라 단위 면적당 광원의 광 강도가 낮아 거리 측정이 짧은 단점이 있다.
[선행기술문헌]
[특허문헌]
(특허문헌 1) 대한민국 공개특허공보 제10-2017-0071523호(2017.06.23. 공개)
전술한 문제를 해결하기 위하여, 본 발명의 실시예는 다채널 레이저 송출기를 빠르게 스위칭할 수 있는 3차원 라이다 장치 및 거리측정 방법을 제공하고자 한다.
또한, 본 발명의 실시예는 라인 레이저빔 형태 또는 집중된 스폿 레이저빔 형태를 사용하여 단위 면적당 광원의 광 강도를 높여 장거리 측정이 가능한 3차원 라이다 장치 및 거리측정 방법을 제공하고자 한다.
또한, 본 발명의 실시예는 라인 어레이 포토다이오드 및 다채널 레이저 신호 송출기의 스위칭을 사용하여 높은 해상도의 에어리어 어레이 포토다이오드 없이도 공간 분해능을 향상시킬 수 있는 3차원 라이다 장치 및 거리측정 방법을 제공하고자 한다.
전술한 목적을 이루기 위해 본 발명의 실시예에 따른 3차원 라이다 장치는 레이저빔을 송출하는 채널이 복수의 층을 이루도록 배열되는 다채널 레이저 신호 송출기; 상기 다채널 레이저 신호 송출기의 레이저빔 송출경로에 위치하는 것으로서, 상기 채널에서 송출되는 송출 레이저빔이 통과하면서 라인 레이저빔 형태 또는 스폿 레이저빔 형태로 조사대상물체에 조사되게 하는 레이저 송출광학계; 상기 조사대상물체에 조사되어 난반사되는 반사 레이저빔의 이동 경로에 위치하는 것으로서, 반사 레이저빔을 집광하는 레이저 수신 광학계; 및 상기 레이저 수신 광학계를 지나서 레이저빔의 이동 경로에 위치하는 것으로서, 상기 레이저 수신 광학계에 의해 집광된 집광 레이저빔을 수신하는 다채널 레이저 신호 수신기; 를 포함할 수 있다.
또한, 상기 송출 레이저빔은 복수로 구성되는 각 채널에서 순차적으로 송출될 수 있다.
또한, 복수의 층을 이루도록 배열되는 채널들 중 선택된 최초 채널에서 송출되는 레이저빔은 조사대상물체에 라인 레이저빔 형태로 조사되고, 그 다음 선택된 채널에서 송출되는 레이저빔은 상기 최초 채널에서 조사된 라인 레이저빔과 간격을 두고 조사대상물체에 라인 레이저빔 형태로 조사되며, 상기 조사대상물체에 조사되는 레이저빔은 라인 레이저빔 형태로 수직방향으로 간격을 두고 채널별 시차를 두고 순차적으로 조사될 수 있다.
또한, 상기 레이저 송출광학계는 복수로 구성되는 각 채널에 대응하여 레이저빔의 송출경로에 위치하는 제1 레이저빔 조절렌즈; 및 상기 제1 레이저빔 조절렌즈를 지나 레이저빔의 송출경로에 위치하는 제2 레이저빔 조절렌즈; 를 포함하며, 상기 제1 레이저빔 조절렌즈는 각 채널에서 송출되는 레이저빔의 수직 광축을 조절하고, 상기 제2 레이저빔 조절렌즈는 각 채널에서 송출되는 레이저빔의 수평 광축을 조절할 수 있다.
또한, 상기 다채널 레이저 신호 수신기는 포토다이오드일 수 있다.
또한, 상기 포토다이오드는 라인 어레이 형태로 구성될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 3차원 라이다 장치 및 거리측정 방법은, (S1) 다채널 레이저 신호 송출기의 각 채널에서 순차적으로 조사대상물체를 향하여 레이저빔을 송출하는 단계; (S2) 상기 조사대상물체에 조사되어 반사되는 레이저 신호를 다채널 레이저 신호 수신기를 통해 측정하는 단계; 및 (S3) 상기 다채널 레이저 신호 수신기를 통해 측정한 레이저 신호를 채널별로 전기신호로 변환하여 타이밍 검출기를 통해 채널별 측정거리에 해당하는 지연시간을 검출하여 거리 값을 획득하는 단계; 를 포함할 수 있다.
또한, 상기 다채널 레이저 신호 송출기, 다채널 레이저 신호 수신기 및 타이밍 검출기는 통합 제어기에 의해 제어될 수 있다.
또한, 상기 다채널 레이저 신호 송출기는 스위칭 알고리즘 및 스위칭 소자를 통해 제어될 수 있다.
또한, 상기 스위칭 소자 제어 및 측정거리 데이터 처리는 통합 제어기에서 이루어질 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 3차원 라이다 장치 및 거리측정 방법에 의하면 3차원 공간정보 측정에 있어 라인(line) 레이저빔 형태 또는 집중된 스폿(spot) 레이저빔 형태를 사용하기 때문에 에어리어 타입(area type)의 레이저빔보다 높은 단위 면적당 광원의 광 강도를 사용할 수 있어 장거리 측정에 유리하다.
또한, 라인 어레이 포토다이오드(line array PD) 및 다채널 레이저 신호 송출기의 스위칭을 사용하여 공간 분해능을 향상시킬 수 있다.
또한, 3차원 라이다 구성에 있어 부피가 크고 기계부 마찰과 진동에 의한 내구성 및 신뢰도 저하 문제의 원인이 되는 기계식 스캐너가 필요 없다.
또한, 공간 분해능을 높이기 위한 높은 해상도의 에어리어 어레이 포토다이오드(area array PD)가 필요 없다.
도 1은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 3차원 라이다 장치의 구성을 나타내는 도면이다.
도 2는 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 채널별 순차적으로 레이저빔을 조사하는 과정을 나타내는 도면이다.
도 3은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 거리측정 과정을 나타내는 도면이다.
*부호의 설명*
1:통합 제어기
10:스위칭 소자
20:다채널 레이저 신호 송출기
21:채널
30:레이저 송출광학계
31:제1 레이저빔 조절렌즈
32:제2 레이저빔 조절렌즈
40:레이저 수신 광학계
50:다채널 레이저 신호 수신기
51:포토다이오드
60:타이밍 검출기
B1:송출 레이저빔
B2:반사 레이저빔
100:조사대상물체
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면들을 참조하여 상세히 설명한다. 우선 각 도면의 구성 요소들에 참조 부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성 요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 이하에서 본 발명의 바람직한 실시예를 설명할 것이나, 본 발명의 기술적 사상은 이에 한정하거나 제한되지 않고 당업자에 의해 변형되어 다양하게 실시될 수 있음은 물론이다.
먼저, 본 발명의 실시예에 따른 3차원 라이다 장치의 구성을 설명한다.
도 1에 도시된 바와 같이 본 발명의 실시예에 따른 3차원 라이다 장치는 조사대상물체(100)를 향하여 레이저빔을 송출하는 다채널 레이저 신호 송출기(20), 송출 레이저빔(B1)이 라인 레이저빔 형태 또는 스폿 레이저빔 형태로 조사대상물체(100)에 조사되게 하는 레이저 송출광학계(30), 조사대상물체(100)에서 난반사되는 반사 레이저빔을 집광하는 레이저 수신 광학계(40) 및 집광 레이저빔을 수신하는 다채널 레이저 신호 수신기(50)를 포함한다.
구체적으로 다채널 레이저 신호 송출기(20)는 복수의 채널(21)로 구성된다. 채널(21)은 층을 이루도록 복수로 배열된다. 복수로 구성되는 각 채널(21)마다 개별적으로 레이저빔을 송출할 수 있다.
도 1에는 채널(21)이 4개로 도시되어 있으나 이에 한정되는 것을 결코 아니다. 예컨대, 채널(21)은 4개 이상 또는 4개 이하의 복수로 구성될 수 있다.
다채널 레이저 신호 송출기(20)에서 송출된 레이저빔은 레이저 송출광학계(30)를 통과하면서 라인 레이저빔 형태 또는 집중된 스폿 레이저빔 형태로 조사대상물체(100)에 조사된다.
라인 레이저빔은 조사 폭이 넓어 광역 측정에 유리하다. 스폿 레이저빔은 단위 면적당 광원의 광 강도가 높아 장거리 측정에 유리하다.
레이저 송출광학계(30)의 거리조절을 통해 송출 레이저빔(B1)을 라인 레이저빔 형태 또는 집중된 스폿 레이저빔 형태로 조절할 수 있다.
일례로서, 다채널 레이저 신호 송출기(20)와 멀어지도록 레이저 송출광학계(30)를 이동시키면 초점거리가 멀어져 송출 레이저빔이 스폿 레이저빔 형태로 조사된다. 반대로 다채널 레이저 신호 송출기(20) 쪽으로 레이저 송출광학계(30)를 이동시키면 초점거리가 가까워져 송출 레이저빔이 라인 레이저빔 형태로 조사된다.
레이저 송출광학계(30)는 제1 레이저빔 조절렌즈(31) 및 제2 레이저빔 조절렌즈(32)를 포함한다.
제1 레이저빔 조절렌즈(31)는 다채널 레이저 신호 송출기(20) 앞의 레이저빔 송출경로에 위치한다. 제1 레이저빔 조절렌즈(31)는 복수로 층을 이루도록 구성된다. 제1 레이저빔 조절렌즈(31)는 복수로 구성되는 각 채널(21)에 대응하여 구비된다. 제1 레이저빔 조절렌즈(31)를 통해 송출 레이저빔(B1)의 수직축을 조절할 수 있다.
제2 레이저빔 조절렌즈(32)는 제1 레이저빔 조절렌즈(31)를 지나 레이저빔 송출경로에 위치한다. 제2 레이저빔 조절렌즈(32)는 일체형 구조일 수 있다. 제2 레이저빔 조절렌즈(32)의 높이는 복수로 구성되는 제1 레이저빔 조절렌즈(31) 전체 높이에 부합하는 높이로 형성될 수 있다. 제2 레이저빔 조절렌즈(32)의 가로 폭은 제1 레이저빔 조절렌즈(31)의 가로 폭에 부합하는 폭으로 형성될 수 있다. 제2 레이저빔 조절렌즈(32)를 통해 송출 레이저빔(B1)의 수평축을 조절할 수 있다. 제1 레이저빔 조절렌즈(31)와 제2 레이저빔 조절렌즈(31)는 채널(21)에서 송출되는 레이저빔의 수직 광축과 수평 광축을 조절하기 위해 반드시 있어야 하는 필수 구성이다.
송출 레이저빔(B1)을 라인 레이저빔 형태 또는 집중된 스폿 레이저빔 형태로 송출하기 위해 수평축 레이저빔 조절렌즈(31)와 제2 레이저빔 조절렌즈(32) 사이의 거리를 좁히거나 멀어지게 할 수 있다.
복수의 층을 이루도록 배열되는 채널(21)들 중 선택된 최초 채널(21)에서 송출되는 레이저빔은 조사대상물체(100)에 라인 레이저빔 형태로 조사된다. 그 다음 선택된 두 번째 채널(21)에서 송출되는 레이저빔은 최초 채널(21)에서 조사된 라인 레이저빔과 간격을 두고 조사대상물체(100)에 라인 레이저빔 형태로 조사된다. 그 다음 선택된 세 번째 채널(21)에서 송출되는 레이저빔은 두 번째 채널(21)에서 조사된 라인 레이저빔과 간격을 두고 조사대상물체(100)에 라인 레이저빔 형태로 조사된다. 그 다음 선택된 네 번째 채널(21)에서 송출되는 레이저빔은 세 번째 채널(21)에서 조사된 라인 레이저빔과 간격을 두고 조사대상물체(100)에 라인 레이저빔 형태로 조사된다.
더욱 구체적으로 조사대상물체(100)에 조사되는 레이저빔은 라인 레이저빔 형태로 수직방향으로 간격을 두고 조사된다. 각 채널(21)에서 조사대상물체(100)에 조사되는 레이저빔은 채널(21)별 시차를 두고 순차적으로 조사된다. 각 채널(21)에서 조사대상물체(100)에 조사되는 레이저빔은 서로 겹쳐지지 않는다.
조사대상물체(100)에 조사되어 난반사되는 반사 레이저빔(B2)은 레이저 수신 광학계(40)에 의해 집광된다. 레이저 수신 광학계(40)는 반사 레이저빔(B2)이 다채널 레이저 신호 수신기(50)로 수신되기 전 반사 레이저빔(B2)의 이동 경로에 위치한다.
레이저 수신 광학계(40)에 의해 집광된 레이저빔은 다채널 레이저 신호 수신기(50)로 수신된다. 다채널 레이저 신호 수신기(50)는 집광 레이저빔을 수신하는 포토다이오드(51)일 수 있다. 포토다이오드(51)는 복수로 구성될 수 있다. 포토다이오드(51)는 각 채널(21)에서 순차적으로 조사되는 레이저빔을 수신할 수 있도록 어레이 형태(line array)로 구성될 수 있다.
다음은 본 발명의 실시예에 따른 3차원 라이다 장치를 이용한 거리측정 방법을 도 2, 3을 참조하여 설명한다.
(단계 S1) 레이저빔 송출 단계
다채널 레이저 신호 송출기(20)는 스위칭 알고리즘 및 스위칭 소자(10)를 통해 제어된다. 다채널 레이저 신호 송출기(20)를 구성하는 각 채널(21)에서 순차적으로 조사대상물체(100)를 향하여 레이저빔을 송출한다.
구체적으로 다채널 레이저 신호 송출기(20)의 각 채널(21)을 통해 송출된 레이저빔은 레이저 송출광학계(30)를 통과하면서 라인 레이저빔 형태(이하 라인 레이저빔 형태에 한정하여 설명한다) 또는 스폿 레이빔 형태로 송출된다.
레이저빔은 각 채널(21)에서 순차적으로 송출된다. 일례로서, 레이저빔은 각 채널(21)별로 t1, t2, t3, t4 등과 같이 배열 순서대로 송출될 수 있다(도 2 (a) 내지 (d) 참조). 일례로서, 레이저빔은 각 채널(21)별로 t4, t3, t2, t1 등과 같이 배열 순서대로 송출될 수 있다. 일례로서, 레이저빔은 각 채널(21)별로 t2, t4, t1, t3 등과 같이 배열 순서에 관계없이 순차적으로 송출될 수 있다.
t1, t2, t3, t4에서 t는 시간을 의미하고, t에 부여되는 숫자는 각 채널(21)에서 송출되는 레이저빔의 순번을 의미한다.
(단계 S2) 반사 레이저빔 신호 측정 단계
매순간(t1, t2, t3, t4, …tn) 조사대상물체(100)에 맞고 반사된 레이저 신호를 다채널 레이저 신호 수신기(50)를 통해 측정된다.
(단계 S3) 거리 값 획득 단계
다채널 레이저 신호 수신기(50)를 통해 측정한 레이저빔 신호를 채널(21)별로 전기신호로 변환하여 타이밍 검출기(60)를 통해 채널(21)별 측정거리에 해당하는 지연시간을 검출하여 거리 값을 획득한다(도 3 참조).
다채널 레이저 신호 송출기(20), 다채널 레이저 신호 수신기(50) 및 타이밍 검출기(60)는 통합 제어기(1)에 의해 제어될 수 있다. 스위칭 소자(10) 제어 및 측정거리 데이터 처리는 통합 제어기(1)에서 이루어질 수 있다.
거리측정 과정을 다시 한 번 간략하게 정리하면 다음과 같다.
통합 제어기(1)에 의해 스위칭 소자(10)에 전원이 인가되면 다채널 레이저 신호 송출기(20)에서 레이저빔을 송출한다. 송출된 레이저빔은 레이저 송출 광학계(30)을 통과하면서 라인 레이저빔 형태 또는 스폿 레이저빔 형태로 조사대상물체(100)를 향해 송출된다. 송출 레이저빔(B1)은 조사대상물체(100)에 맞고 난반사된다. 반사 레이저빔(B2)은 레이저 수신 광학계(40)를 통행 집광된다. 집광 레이저빔은 다채널 레이저 신호 수신기(50)로 수신된다. 다채널 레이저 신호 수신기(50)로 수신된 데이터를 전기신호로 변환하여 타이밍 검출기(60)를 통해 각 채널(21)별 측정 거리에 해당하는 지연시간을 검출하여 거리 값을 획득한다. 통합 제어기(1)는 스위칭 소자(10) 제어 및 측정거리 데이터를 처리한다.
살펴본 바와 같이 본 발명의 실시예에 따른 3차원 라이다 장치 및 거리측정 방법은, 3차원 공간정보를 측정에 있어 라인 레이저빔 형태 또는 집중된 스폿 레이저빔 형태를 사용하기 때문에 기존 3차원 라이다 장치와 같은 에어리어 타입의 레이저빔보다 높은 단위 면적당 광원의 광 강도를 사용할 수 있어 장거리 측정에 유리하다. 또한, 라인 어레이 포토다이오드 및 다채널 레이저 신호 송출기의 스위칭을 사용하여 기존 3차원 라이다 장치와 같은 기계식 스캐너와 높은 해상도의 에어리어 어레이 포토다이오드 없이도 공간 분해능을 향상시킬 수 있다.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 수정, 변경 및 치환이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예 및 첨부된 도면들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예 및 첨부된 도면에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims (10)

  1. 레이저빔을 송출하는 채널이 복수의 층을 이루도록 배열되는 다채널 레이저 신호 송출기;
    상기 다채널 레이저 신호 송출기의 레이저빔 송출경로에 위치하는 것으로서, 상기 채널에서 송출되는 송출 레이저빔이 통과하면서 라인 레이저빔 형태 또는 스폿 레이저빔 형태로 조사대상물체에 조사되게 하는 레이저 송출광학계;
    상기 조사대상물체에 조사되어 난반사되는 반사 레이저빔의 이동 경로에 위치하는 것으로서, 반사 레이저빔을 집광하는 레이저 수신 광학계; 및
    상기 레이저 수신 광학계를 지나서 레이저빔의 이동 경로에 위치하는 것으로서, 상기 레이저 수신 광학계에 의해 집광된 집광 레이저빔을 수신하는 다채널 레이저 신호 수신기;
    를 포함하는 3차원 라이다 장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 송출 레이저빔은,
    복수로 구성되는 각 채널에서 순차적으로 송출되는 것을 특징으로 하는 3차원 라이다 장치.
  3. 청구항 1에 있어서,
    복수의 층을 이루도록 배열되는 채널들 중 선택된 최초 채널에서 송출되는 레이저빔은 조사대상물체에 라인 레이저빔 형태로 조사되고, 그 다음 선택된 채널에서 송출되는 레이저빔은 상기 최초 채널에서 조사된 라인 레이저빔과 간격을 두고 조사대상물체에 라인 레이저빔 형태로 조사되며,
    상기 조사대상물체에 조사되는 레이저빔은 라인 레이저빔 형태로 수직방향으로 간격을 두고 채널별 시차를 두고 순차적으로 조사되는 것을 특징으로 하는 3차원 라이다 장치.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 레이저 송출광학계는,
    복수로 구성되는 각 채널에 대응하여 레이저빔의 송출경로에 위치하는 제1 레이저빔 조절렌즈; 및
    상기 제1 레이저빔 조절렌즈를 지나 레이저빔의 송출경로에 위치하는 제2 레이저빔 조절렌즈;
    를 포함하며,
    상기 제1 레이저빔 조절렌즈는 각 채널에서 송출되는 레이저빔의 수직 광축을 조절하고, 상기 제2 레이저빔 조절렌즈는 각 채널에서 송출되는 레이저빔의 수평 광축을 조절하는 것을 특징으로 하는 3차원 라이다 장치.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 다채널 레이저 신호 수신기는,
    포토다이오드인 것을 특징으로 3차원 라이다 장치.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 포토다이오드는,
    라인 어레이 형태로 구성되는 것을 특징으로 하는 3차원 라이다 장치.
  7. (S1) 다채널 레이저 신호 송출기의 각 채널에서 순차적으로 조사대상물체를 향하여 레이저빔을 송출하는 단계;
    (S2) 상기 조사대상물체에 조사되어 반사되는 레이저 신호를 다채널 레이저 신호 수신기를 통해 측정하는 단계; 및
    (S3) 상기 다채널 레이저 신호 수신기를 통해 측정한 레이저 신호를 채널별로 전기신호로 변환하여 타이밍 검출기를 통해 채널별 측정거리에 해당하는 지연시간을 검출하여 거리 값을 획득하는 단계;
    를 포함하는 거리측정 방법.
  8. 청구항 7에 있어서,
    상기 다채널 레이저 신호 송출기, 다채널 레이저 신호 수신기 및 타이밍 검출기는 통합 제어기에 의해 제어되는 것을 특징으로 하는 거리측정 방법.
  9. 청구항 8에 있어서,
    상기 다채널 레이저 신호 송출기는,
    스위칭 알고리즘 및 스위칭 소자를 통해 제어되는 것을 특징으로 하는 거리측정 방법.
  10. 청구항 9에 있어서,
    상기 스위칭 소자 제어 및 측정거리 데이터 처리는 통합 제어기에서 이루어지는 것을 특징으로 하는 거리측정 방법.
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