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KR101951242B1 - 라이다 장치 및 이를 포함하는 라이다 시스템 - Google Patents

라이다 장치 및 이를 포함하는 라이다 시스템 Download PDF

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KR101951242B1
KR101951242B1 KR1020170062296A KR20170062296A KR101951242B1 KR 101951242 B1 KR101951242 B1 KR 101951242B1 KR 1020170062296 A KR1020170062296 A KR 1020170062296A KR 20170062296 A KR20170062296 A KR 20170062296A KR 101951242 B1 KR101951242 B1 KR 101951242B1
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light
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전자부품연구원
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Abstract

실시예는 광신호인 제1 신호를 조사하는 송신부; 상기 제1 신호를 평행광으로 변환시키는 제1 렌즈부; 상기 변환된 제1 신호의 방향을 조절하는 반사부; 상기 제1 반사부의 반사 각도의 변동에도 상기 조절된 제1 신호가 동일 초점면을 갖게하는 제2 렌즈부; 상기 제2 렌즈부를 통과한 제1 신호를 평행광으로 변환시키는 제3 렌즈부; 상기 제3 렌즈부를 통과한 제1 신호의 각도를 증가시키는 제4 렌즈부; 및 상기 제4 렌즈부를 통과한 광이 피사체로부터 반사되고, 반사된 제2 신호를 수신하는 수신부;를 포함하는 스캐닝 장치를 개시한다.

Description

라이다 장치 및 이를 포함하는 라이다 시스템{LIDAR DEVICE AND SYSTEM COMPRISING THE SAME}
실시예는 라이다 장치 및 이를 포함하는 라이다 시스템에 관한 것이다.
LIDAR(Light Detection and Ranging)는 피사체에 빛, 예를 들어 레이저를 조사한 후, 피사체로부터 반사된 빛을 분석하여 피사체의 물성, 예를 들어 거리, 방향, 속도, 온도, 물질 분포 및 농도 특성 등을 측정할 수 있는 원격 탐지 장치 중 하나이다. LIDAR는 높은 에너지 밀도와 짧은 주기를 가지는 펄스 신호를 생성할 수 있는 레이저의 장점을 활용하여 보다 정밀하게 피사체의 물성을 측정할 수 있다.
LIDAR는 특정 파장의 레이저 광원 또는 파장 가변이 가능한 레이저 광원을 광원으로 사용하여 3차원 영상 획득, 기상 관측, 피사체의 속도 또는 거리 측정, 자율 주행 등과 같은 다양한 분야에서 사용되고 있다. 예를 들어, LIDAR는 항공기, 위성 등에 탑재되어 정밀한 대기 분석 및 지구 환경 관측에 활용되고 있으며, 우주선 및 탐사 로봇에 장착되어 피사체까지의 거리 측정 등 카메라 기능을 보완하기 위한 수단으로 활용되고 있다.
또한, 지상에서는 원거리 측정, 자동차 속도 위반 단속 등을 위한 간단한 형태의 라이다 센서 기술들이 상용화되고 있다. 최근에는 레이저 스캐너 또는 3D 영상 카메라로 활용되어 3D 리버스 엔지니어링이나 무인 자동차 등에 사용되고 있다.
최근에는 360도 회전에 따라 공간 정보를 인지하는 라이다가 개발되고 있다. 하지만, 모터 등의 기계적 회전에 따른 라이다 장치는 마모, 유격 등의 기계적 결함이 존재한다는 한계점이 있어, 사람의 생명과 직접적인 관련성이 있는 자율 주행에 적용되는데 어려움이 존재한다.
실시예는 차량 및 모바일에 적용 가능한 라이다 장치를 제공한다.
또한, 광 효율이 향상된 라이다 장치 및 라이다 시스템을 제공한다.
또한, 소형, 경량이며 내구성이 개선된 라이다 장치를 제공한다.
또한, 기계적인 회전이 없이 광학적인 구성만으로 공간을 스캐닝하는 라이다 장치를 제공한다.
본 발명의 실시예에 따른 스캐닝 장치는 광신호인 제1 신호를 조사하는 송신부; 상기 제1 신호를 평행광으로 변환시키는 제1 렌즈부; 상기 변환된 제1 신호의 방향을 조절하는 반사부; 상기 제1 반사부의 반사 각도의 변동에도 상기 조절된 제1 신호가 동일 초점면을 갖게하는 제2 렌즈부; 상기 제2 렌즈부를 통과한 제1 신호를 평행광으로 변환시키는 제3 렌즈부; 상기 제3 렌즈부를 통과한 제1 신호의 각도를 증가시키는 제4 렌즈부; 및 상기 제4 렌즈부를 통과한 광이 피사체로부터 반사되고, 반사된 제2 신호를 수신하는 수신부;를 포함한다.
제1 신호 및 제2 신호는, 상기 제1 반사부와 상기 제2 렌즈부 사이, 그리고 상기 제3 렌즈부와 상기 피사체 사이에서 평행광일 수 있다.
상기 제2 신호는 상기 반사부와 상기 제4 렌즈부 사이의 제1 신호와 동일한 광 경로를 가질 수 있다.
상기 반사부와 상기 수신부 사이에 배치되는 제5 렌즈부를 더 포함하고, 상기 제5 렌즈부는, 상기 수신부로 광을 집광할 수 있다.
상기 동일 초점면에 위치하는 위치하는 초점 렌즈;를 더 포함할 수 있다.
상기 반사부는 상기 동일 초점면과 상기 제3 렌즈부 사이의 초점 변위에 따른 광학 수차를 보상할 수 있다.
상기 반사부는 상기 반사 각도의 조절을 제어하여 상기 광학 수차를 보상할 수 있다.
상기 반사부는 MEMS(Micro Electro Mechanical system) 미러를 포함할 수 있다.
상기 제1 신호와 상기 제2 신호는 적어도 일부 영역에서 중첩될 수 있다.
상기 반사부와 상기 제1 렌즈부 사이에 제1 신호의 빔 크기를 제어하는 광 확산부를 더 포함할 수 있다.
실시예에 따르면, 라이다 장치를 차량 및 모바일에 적용 가능한 형태로 구현할 수 있다.
또한, 광 효율이 향상되고 스캔 각도가 개선된 라이다 장치를 제작할 수 있다.
또한, 소형, 경량이며 내구성이 개선된 라이다 장치를 제작할 수 있다.
또한, 기계적인 회전이 없이 광학적인 구성만으로 공간을 스캐닝하여 기계적인 결함 등을 보완하는 라이다 장치를 제작할 수 있다.
본 발명의 다양하면서도 유익한 장점과 효과는 상술한 내용에 한정되지 않으며, 본 발명의 구체적인 실시형태를 설명하는 과정에서 보다 쉽게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 실시예에 따른 라이다 장치의 분해 사시도이고,
도 2는 실시예에 따른 라이다 장치가 송광 시 단면도이고,
도 3은 실시예에 따른 라이다 장치가 수광 시 단면도이고,
도 4는 다양한 실시예에 따른 라이다 장치의 송신부와 제1 렌즈부를 도시한 도면이고,
도 5는 실시예에 따른 라이다 장치의 반사부, 제2 렌즈부 및 제3 렌즈부를 도시한 도면이고,
도 6은 실시예에 따른 초점 렌즈와 제4 렌즈부를 도시한 도면이고,
도 7은 실시예에 따른 라이다 시스템을 도시한 도면이고,
도 8은 본 발명의 한 실시예에 따른 라이다 장치가 차량에 장착된 예를 나타낸다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
제2, 제1 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되지는 않는다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제2 구성요소는 제1 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제1 구성요소도 제2 구성요소로 명명될 수 있다. 및/또는 이라는 용어는 복수의 관련된 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함한다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 실시예를 상세히 설명하되, 도면 부호에 관계없이 동일하거나 대응하는 구성 요소는 동일한 참조 번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
도 1은 실시예에 따른 라이다 장치의 분해 사시도이고, 도 2는 실시예에 따른 라이다 장치가 송광 시 단면도이며, 도 3은 실시예에 따른 라이다 장치가 수광 시 단면도이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 실시예에 따른 라이다 장치(10)는 송신부(110), 제1 렌즈부(120), 제1 미러(121), 제5 렌즈부(130), 반사부(140), 제2 렌즈부(150), 초점 렌즈(160), 제3 렌즈부(170), 제4 렌즈부(180), 수신부(200)를 포함할 수 있다.
먼저, 송신부(110)는 레이저 펄스 광을 출력할 수 있으며, 송신부(110)는 LD(laser diode)를 포함할 수 있다. 또한, 송신부(110)는 다양한 파장을 갖는 광을 송출할 수 있다. 예시적으로, 송신부(110)가 송출하는 광은 RF(Radio Frequency)보다 파장이 작을 수 있다. 이러한 구성에 의하여, 송신부(110)는 높은 광 에너지를 출사하므로 수신부는 높은 에너지를 갖는 반사된 광을 수신할 수 있다. 이에, 높은 해상도의 공간 정보를 얻을 수 있으므로, 3차원 공간 정보 활용에 라이다 장치가 이용될 수 있다. 이하에서, 송신부(110)에서 송출된 광을 제1 신호라 한다.
제1 렌즈부(120)는 송신부(110)로부터 제1 신호(R1)를 평행광으로 변환할 수 있다. 예컨대, 제1 렌즈부(120)는 콜리메이터 렌즈(Collimator lens)를 포함할 수 있다. 그리고 평행광은 광 경로 상의 광의 다발이 서로 평행한 광을 말한다. 따라 제1 렌즈부(120)는 제1 렌즈부(120)에서 광이 조사되는 광 경로 상에 배치될 수 있다. 다만, 이러한 위치에 한정되는 것은 아니며, 제1 렌즈부(120)는 송신부(110)와 제1 렌즈부(120) 사이에 반사 부재를 추가하여 반사 부재에 의해 변환된 광 경로 상에 배치될 수 있다(도 4b 참조).
제1 미러(121)는 제1 렌즈부(120)를 통과한 평행광의 광 경로상에 배치될 수 있다. 제1 미러(121)의 크기는 송신부(110)로부터 출사된 레이저 광의 조사 면적 또는 제1 렌즈부(120)에서 변환된 평행광의 조사 면적과 동일하거나 클 수 있으나, 이에 한정되지 않는다.
제1 미러(121)는 제1 렌즈부(120)에서 평행광으로 변환된 제1 신호가 반사부(140)를 향해 광이 지나가도록 광 경로를 변경할 수 있다. 또한, 제1 미러(121)는 반사된 평행광의 광축과 수신부(200) 및 제6 렌즈부(190)로 입사되는 광의 광축이 동일하도록 위치할 수 있다.
제1 미러(121)는 제6 렌즈부(190)와 일부 중첩되는 영역을 가지도록 배치될 수 있다. 또한, 제1 미러(121)는 반사부(140)를 향해 평행광을 반사하고, 제1 미러(121)에서 반사된 제1 신호는 제1 미러(121)에 입사되는 광과 동일한 평행광일 수 있다.
제5 렌즈부(130)는 제1 미러(121)에서 반사된 제1 신호가 반사부(140)로 입사되는 광 경로 상에 배치될 수 있다. 예컨대, 제5 렌즈부(130)는 제1 미러(121)와 반사부(140) 사이에 배치될 수 있다.
일예로, 제5 렌즈부(130)는 제5-1 렌즈(131)와 제5-2 렌즈(132)를 포함할 수 있다. 제5-1 렌즈(131)와 제5-2 렌즈(132)는 이격 배치될 수 있다. 제5 렌즈부(130)에 입사된 평행광은 제5-1 렌즈(131)를 통과하면서 굴절되어 제5-1 렌즈(131)와 제 5-2 렌즈(132) 사이에 초점을 가질 수 있다.
이 때, 초점에서 제5-1 렌즈(131) 사이의 거리는 초점에서 제5-2 렌즈(132) 사이의 거리보다 클 수 있다. 이러한 구성에 의하여, 광은 입사 면적이 더욱 작아져 반사부(140)에 대부분 입사할 수 있다. 즉, 제5-2 렌즈(132)에 입사되는 광이 제 5-1 렌즈(131)를 통과하는 광보다 집광된 형태일 수 있다. 이로써, 집광된 광이 반사부로 온전히 전달될 수 있어 에너지 손실을 저감할 수 있다. 또한, 집광으로 인해 반사부의 크기는 작을 수 있다. 이에, 실시예에 따른 라이다 장치(10)는 광 손실이 감소시켜 광 효율을 개선할 수 있다.
또한, 광이 피사체(O)로부터 반사, 산란되어 수신부(200)로 입사되는 경우, 광은 제5 렌즈부(130)에서 넓은 입사 면적을 가져, 송신부(110)로부터 송출된 제1 신호의 광 경로와 중첩되는 영역 최소화할 수 있다. 이에, 광 효율이 개선될 수 있다. 그리고 제5-2 렌즈(132)를 통과한 제1 신호는 평행광이며, 반사부(140)로 입사된다.
반사부(140)는 제5 렌즈부(130)를 통과한 제1 신호의 광 경로 상에 배치되어, 제1 신호의 광 경로를 조절할 수 있다. 반사부(140)는 제5 렌즈부(130)를 통과한 제1 신호가 입사된 방향에 대해 수직한 방향으로 제1 신호를 반사할 수 있다. 다만, 이러한 반사 각도에 한정되는 것은 아니며, 실시예에 따른 라이다 장치(10)가 적용되는 환경에 따라 다양한 반사 각도를 가질 수 있다.
반사부(140)로 입사된 광과 반사되어 출력된 광은 모두 평행광일 수 있다. 반사부(140)는　마이크로 전자 기계적 시스템(MEMS)　미러를 포함할 수 있다. 예컨대, 반사부(140)는 미러판(141)과 구동부(142)를 포함할 수 있다.
미러판(141)은 소정의 각도로 틸팅될 수 있다. 미러판(141)은 제5 렌즈부(130)를 통과한 제1 신호의 광 경로 상에 배치되어 제1 신호를 틸팅 각도에 따라 다양한 방향으로 반사할 수 있다. 미러판(141)은 1㎜2 내지 25㎜2의 크기를 가질 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 또한, 미러판(141)의 틸팅 각도는 최대 20도 정도일 수 있다. 이 때, 미러판(141)에 평행광이 입사되어 광의 송출/수광에서 광의 발산이 차단되어 광 효율이 개선될 수 있다.
반사부(140)는 구동부(142)의 동작으로 미러판(141)이 소정의 각도로 틸팅될 수 있다. 반사부(140)는 구동부(142)에 의해 평행 광들의 광 경로를 다양하게 변경할 수 있다.
미러판(141)은 기계적 방식이 아니라 전자기력에 의해 틸팅될 수 있다. 미러판(141)은 시간에 대해 사인파의 형태로 틸팅하므로, 제4 렌즈부(180)에서 발생되는 사인형의 구면 수차를 시간축에서 보상할 수 있다.
제2 렌즈부(150)는 반사부(140)로부터 반사된 광 경로 상에 배치될 수 있다. 제2 렌즈부(150)는 동일 초점면을 갖도록 반사부(140)에서 반사된 제1 신호를 굴절 시킬 수 있다. 일예로, 제2 렌즈부(150)는 에프 세타 렌즈(F-theta lens)를 포함할 수 있다.
제2 렌즈부(150)는 평행광을 굴절시켜 초점을 형성시킬 수 있다. 그리고 제2 렌즈부(150)를 통과한 광은 평행광은 아닐 수 있으나, 평행한 광경로를 가질 수 있다.
제2 렌즈부(150)는 반사부(140)로부터 반사된 다양한 경로의 광이 동일한 평면 상의 초점을 갖도록 할 수 있다.
예컨대, 제2 렌즈부(150)는 동일 평면 상에 스캔 각도 별 이격된 초점을 형성할 수 있다.
즉, 제2 렌즈부(150)로 입사된 제1 신호는 반사부(140)에서 반사된 광으로 광 면적이 반사부(140)의 크기만큼 작아 평행광으로 스캔 각도를 크게 하기 전까지 광 효율은 매우 높은 상태로 유지될 수 있다. 그리고 제2 렌즈부(150)는 반사부(140)를 통과한 제1 신호의 피사체에 대한 스캔 각도가 증가시키면서 높은 광 효율이 유지되도록 스캔 각도 별 이격된 초점거리를 형성할 수 있다. 즉, 반사부(140)의 각도에 따라 제2 렌즈부(150)를 통과한 광이 일정 영역에 집중되지 않아 광손실 없이 서로 다른 변위에 형성될 수 있다.
초점 렌즈(160)는 제2 렌즈부(150)를 통과한 광들이 형성하는 초점 상에 배치될 수 있다. 광은 초점 렌즈(160)로부터 다시 평행한 광경로를 가지면서 제3 렌즈부(170)로 조사될 수 있다. 초점 렌즈(160)는 제2 렌즈부(150)와 제3 렌즈부(170) 사이에 배치될 수 있으며, 제3 렌즈부(170)보다 제2 렌즈부(150)에 더 가깝게 위치할 수 있다. 이로써, 제3 렌즈부(170)로 입사되는 광의 전체 각도를 크게하여 스캔 각도를 개선할 수 있다.
제3 렌즈부(170)는 제2 렌즈부(150)를 통과한 제1 신호를 다시 평행광으로 변환시킬 수 있다. 이에, 제3 렌즈부(170)를 통과한 제1 신호는 평행광일 수 있다. 제3 렌즈부(170)는 텔레센트릭 렌즈(telecentric lens)를 포함할 수 있다.
앞서 설명한 바와 같이, 초점 렌즈(160)가 제3 렌즈부(170)보다 제2 렌즈부(150)에 가깝게 위치하여 제3 렌즈부(170)로 입사되는 제1 신호의 면적이 제2 렌즈부(150)에서 출사되는 제1 신호의 면적보다 클 수 있다.
이러한 구성에 의하여, 제2 렌즈부(150)로 입사된 광은 제3 렌즈부(170)로 입사된 광보다 입사 면적이 작다. 또한, 제2 렌즈부(150)로 입사된 광과 제3 렌즈부(170)를 통과한 광은 모두 평행광일 수 있으며, 제2 렌즈부(150)로 입사된 평행광은 제3 렌즈부(170)를 통과한 평행광보다 큰 광각을 가질 수 있다. 그리고 제3 렌즈부(170)를 통과한 광은 제4 렌즈부(180)를 통과하면서 광각이 커져 150° 이상의 스캔 각도를 이룰 수 있다.
제4 렌즈부(180)는 피사체(O)와 제3 렌즈부(170) 사이에 위치하며, 제3 렌즈부(170)를 지난 제1 신호의 광 경로 상에 배치될 수 있다. 제4 렌즈부(180)는 광각 렌즈(wide angle lens)일 수 있다. 이러한 구성에 의하여, 제4 렌즈부(180)는 광축을 기준으로 제1 신호의 각도를 증가시킬 수 있다.
즉, 광은 반사부(140)의 다양한 틸팅 각도에 따라 다양한 광 경로를 이루며, 다양한 광 경로를 이루는 광은 제4 렌즈부(180)를 지나 광각이 커져 넓은 스캔범위를 이룰 수 있다.
예시적으로, 제1-1 신호(R1-1)는 광축과 동일 축의 제1 신호(R1)일 수 있다. 제1-1 신호(R1-1)는 반사부(140)의 틸팅 각도가 0도일 때 피사체(O)로 출력되는 광일 수 있다. 또한, 제1-2 신호(R1-2)는 광축으로부터 가장 큰 각도를 갖는 제1 신호(R1)일 수 있다. 이 경우, 반사부(140)는 틸팅 각도 최대 크기를 가질 수 있다. 예시적으로, 제1-2 신호(R1-2)는 반사부(140)가
Figure 112017047864540-pat00001
도 틸팅된 경우에 라이다 장치(10)에서 피사체(O)로 출력되는 광일 수 있다.
도 3을 참조하면, 피사체(O)에서 산란 및 반사된 광은 피사체(O)로 조사된 광과 동일한 광 경로로 제4 렌즈부(180)로 입사될 수 있다. 이하에서 피사체(O)로부터 반사, 산란된 광 중 수신부(200)로 수신되는 광을 제2 신호(R2)라 한다.
제2 신호(R2)는 제4 렌즈부(180)로 입사되며, 평행광일 수 있다. 입사된 광은 제3 렌즈부(170)에서 굴절되어 초점 렌즈(160) 상에 초점을 형성할 수 있다. 제1 신호와 마찬가지로 스캔 각도에 따른 복수 개의 초점이 초점 렌즈(160) 상에 형성될 수 있다.
초점 렌즈(160)를 통과한 제2 신호(R2)는 제2 렌즈부(150)로 입사되고, 제2 렌즈부(150)는 제2 신호(R2)를 평행광으로 변환할 수 있다.
제1 신호와 마찬가지로, 제2 신호(R2)는 제2 렌즈부(150)와 제3 렌즈부(170) 사이에서 평행한 광경로를 가지며, 제2 렌즈부(150)와 제3 렌즈부(170) 사이 이외의 광 경로에서 평행광이 될 수 있다.
제2 신호(R2)는 제1 신호와 마찬가지로 제5 렌즈부(130)까지 제1 신호와 동일한 광경로를 가질 수 있다. 또한, 앞서 언급한 바와 같이 제2 신호(R2)는 제1 신호와 제5 렌즈부(130)에서 피사체(O)까지 광 경로 상 동축(coxial)일 수 있다. 이러한 구성에 의하여, 광의 송출과 수광의 면적이 일정하도록 유지되어 광 효율이 개선될 수 있다.
제2 신호(R2)는 제5 렌즈부(130) 내에서 광 면적이 커질 수 있다. 이로써, 제1 미러(121)와 중첩되는 영역을 감소되고, 제2 신호가 제6 렌즈부(190)를 지나 수신부(200)로 집광되는 광 경로 상에서 제1 미러(121)에 의해 소실되는 광을 최소화할 수 있다.
제6 렌즈부(190)로 입사되는 제2 신호(R2)는 평행광이나 출력되는 제2 신호(R2)는 제6 렌즈부(190)에서 굴절되어 평행광이 아닐 수 있다. 예컨대, 제1 렌즈부(120)는 콜리메이터 렌즈(Collimator lens)를 포함할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 제6 렌즈부(190)을 통과한 제2 신호(R2)는 수신부(200)로 집광될 수 있다. 제2 신호(R2)는 최종적으로 수신부(200)로 입사될 수 있다.
수신부(200)는 송신부(110)에서 송출된 광이 피사체(O)에서 반사 또는 산란된 광을 수신할 수 있다. 수신부(200)는 송신부(110)와 인접 배치되어, 피사체(O)로부터 반사된 광은 송신부(110)에 도달하기 전까지 송신부(110)로부터 송출된 광과 최대한 동축(Coaxial)의 광경로를 가질 수 있다. 이로서, 실시예에 따른 라이다 장치(10)는 광 손실을 저감하여 광 효율을 개선할 수 있다.
수신부(200)는 수신한 레이저 광에 대응하는 신호를 컴퓨팅 장치(미도시됨)에 전송할 수 있다. 이를 위하여, 라이다 장치(10)는 수신한 레이저 광을 신호 처리하는 신호 처리부(미도시) 및 신호 처리부에서 처리된 신호를 컴퓨팅 장치(미도시됨)로 송신하는 통신부(미도시)를 더 포함할 수 있다.
컴퓨팅 장치(미도시됨)는 라이다 장치(10)로부터 수신한 신호를 이용하여 라이다 장치(10)와 피사체(O) 간의 거리를 계산한다. 한 예로, 컴퓨팅 장치(미도시됨)는 TOF(Time Of Flight) 방식에 따라, 송신부(110)가 레이저 광을 출력한 후, 피사체(O)로부터 반사되어 수신부(200)로 돌아오기까지 걸리는 시간을 이용하여 라이다 장치(10)와 피사체(O) 간의 거리를 계산할 수 있다. 또는, 컴퓨팅 장치(미도시됨)는 PS(Phase Shift) 방식에 따라, 송신부(110)가 특정 주파수를 가지고 연속적으로 변조되는 레이저 광을 방출한 후, 피사체(O)로부터 반사되어 수신부(200)로 돌아온 신호의 위상을 이용하여 라이다 장치(10)와 피사체(O) 간의 거리를 계산할 수 있다.
도 4는 다양한 실시예에 따른 라이다 장치(10)의 송신부(110)와 제1 렌즈부(120)를 도시한 도면이다.
도 4a를 참조하면, 송신부(110)는 출력되는 레이저 광의 광축이 제1 렌즈부(120) 및 제1 미러(121)와 동일 선상에 위치하도록 배치될 수 있다. 실시예로, 제1 렌즈부(120)를 지난 제1 신호(R3)는 평행광으로, 제1 미러(121)에서 반사되어 수직 방향으로 입사될 수 있다. 제1 미러(121)는 제1 신호(R4)를 평행광으로 제5 렌즈부(130) 또는 반사부(140)를 향해 반사시킬 수 있다. 제1 신호(R4)는 광축이 제1 미러(121), 제6 렌즈부(190)의 중심 축, 수신부(200)와 동일 축을 이룰 수 있다.
도 4b를 참조하면, 수신부(200)로부터 송출된 제1 신호는 제2 미러(122)에 반사될 수 있다. 제2 미러(122)에서 반사된 제1 신호(R6)는 제1 렌즈부(120)(120)를 통과하여 평행광일 수 있다. 그리고 제1 신호(R6)는 제1 미러(121)에서 상기와 동일하게 반사되어 수직 방향으로 입사될 수 있다. 이러한 구성에 의하여, 수신부(200)와 송신부(110)는 동일 평면 상에 위치할 수 있어, 회로 연결에 용이할 수 있다.
도 5는 실시예에 따른 라이다 장치의 반사부, 제2 렌즈부 및 제3 렌즈부를 도시한 도면이다.
도 5a 내지 5c를 참조하면, 반사부(140)가 양의 방향으로 최대 틸팅된 경우(도 5a), 반사부(140)가 0도로 틸팅된 경우(도 5b), 반사부(140)가 음의 방향으로 최대 틸팅된 경우(5c)에 각각의 제1 신호의 광 경로를 나타낸다.
반사부(140)로 입사된 제1 신호(R7, R10, R13)는 반사부(140)의 틸팅으로 제2 렌즈부(150)를 향해 반사될 수 있다. 제2 렌즈부(150)로 입사되는 제1 신호(R8, R11, R14)는 제2 렌즈부(150)에 서로 다른 변위의 평행한 각도의 광 경로를 가질 수 있다. 또한, 제2 렌즈부(150)를 통과한 제1 신호(R9, R12, R15)는 동일한 거리의 초점을 갖도록 변환될 수 있다. 이러한 구성에 의하여, 반사부(140)에서 반사되는 광은 평행광을 유지한체 제2 렌즈부(150)에 서로 다른 변위로 입사될 수 있다. 또한, 제2 렌즈부(150)를 통과한 제1 신호는 초점 렌즈(160) 상에(동일 평면 상에) 제2 렌즈부(150)로부터 동일 거리를 가지면서, 반사부(140)의 각도에 따라 서로 다른 변위를 이룰 수 있다. 즉, 반사부(140)의 틸팅에 따라 상이한 변위를 갖는 복수 광이 형성되어, 스캔 각도가 향상될 수 있다.
도 6은 실시예에 따른 초점 렌즈와 제4 렌즈부를 도시한 도면이다.
도 6을 참조하면, 초점 렌즈는 제2 렌즈부를 통과하고 반사부의 틸팅 각도에 따라 다양한 제1 신호(R16, R17, R18, R19, R20)의 초점이 제1 축(C) 상에 상이한 변위를 갖도록 형성될 수 있다.
제1 신호(R16, R17, R18, R19, R20)는 제3 렌즈부를 지나 평행광으로 변환되고, 제4 렌즈부에서 제1 신호의 광각이 증가할 수 있다. 예시적으로, 반사부의 틸팅 각도가 -6도 내지 6도이고, 제4 렌즈부를 통과한 제1 신호가 피사체로 출력되는 전체 각도는 150도 이상일 수 있다. 이에, 스캔 각도(S)는 150도 이상일 수 있다. 이러한 구성에 의하여, 초소형의 MEMS 미러를 포함하는 반사부를 이용하여서 스캔 각도를 크게 개선할 수 있다. 또한, 제1 신호는 반사부에서의 반사 및 제4 렌즈부에서의 광각 시에도 평행광을 유지할 수 있어, 제1 신호와 제2 신호는 전반적으로 동축을 형성할 수 있다. 이로써, 실시예에 따른 라이다 장치는 광 효율이 크게 개선될 수 있다. 뿐만 아니라, 소형의 라이다 장치를 제조할 수 있으며, 기계적 회전이 없어 유격, 마모 등에 의한 오류를 제거할 수 있다.
도 7은 실시예에 따른 라이다 시스템을 도시한 도면이다.
도 7을 참조하면, 실시예에 따른 라이다 시스템(1000)은 복수 개의 라이다 장치(10-1, 10-2, 10-3)를 포함할 수 있다. 라이다 시스템(1000)은 라이다 장치(10-1, 10-2, 10-3)를 복수 개 포함하여, 360도 전방위를 스캐닝할 수 있다.
예시적으로, 라이다 시스템(1000)은 라이다 장치(10-1, 10-2, 10-3)를 3개 포함할 수 있다. 라이다 장치(10-1, 10-2, 10-3) 각각은 중첩되는 영역을 제외하고 120도의 각도(θ1 , θ2 , θ3)로 스캔할 수 있다. 이러한 구성에 의하여, 각각의 라이다 장치(10-1, 10-2, 10-3)를 단일 제어 및 신호처리할 수 있으며, 소형화, 저전력화 및 저비용화의 효과를 제공할 수 있다.
도 8은 본 발명의 한 실시예에 따른 라이다 장치가 차량에 장착된 예를 나타낸다.
도 8을 참조하면, 본 발명의 한 실시예에 따른 라이다 장치(300)는 차체의 상단에 장착될 수 있으며, 차량(1)의 전방뿐만 아니라 360˚ 전방향을 스캐닝하는 것이 가능하다.
이상에서 실시예를 중심으로 설명하였으나 이는 단지 예시일 뿐 본 발명을 한정하는 것이 아니며, 본 발명이 속하는 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 본 실시예의 본질적인 특성을 벗어나지 않는 범위에서 이상에 예시되지 않은 여러 가지의 변형과 응용이 가능함을 알 수 있을 것이다. 예를 들어, 실시예에 구체적으로 나타난 각 구성 요소는 변형하여 실시할 수 있는 것이다. 그리고 이러한 변형과 응용에 관계된 차이점들은 첨부된 청구 범위에서 규정하는 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims (10)

  1. 광신호인 제1 신호를 조사하는 송신부;
    상기 제1 신호를 평행광으로 변환시키는 제1 렌즈부;
    상기 변환된 제1 신호의 방향을 피사체를 향하도록 조절하는 반사부;
    상기 반사부의 반사 각도의 변동에도 상기 조절된 제1 신호가 동일 초점면을 갖게하는 제2 렌즈부;
    상기 제2 렌즈부를 통과한 제1 신호를 평행광으로 변환시키는 제3 렌즈부;
    상기 제3 렌즈부를 통과한 제1 신호의 각도를 증가시키는 제4 렌즈부;
    상기 제4 렌즈부를 통과한 제1 신호가 피사체로부터 반사되고, 반사된 제2 신호를 수신하는 수신부;를 포함하고,
    상기 제1 렌즈부와 상기 반사부 사이에 배치되는 제5 렌즈부; 및 상기 제5 렌즈부와 상기 수신부 사이에 배치되는 제6 렌즈부;를 더 포함하고,
    상기 제2 신호는 상기 제4 렌즈부, 상기 제3 렌즈부, 상기 제2 렌즈부, 상기 반사부, 상기 제5 렌즈부 및 상기 제6 렌즈부를 순차로 통과하고,
    상기 제1 렌즈부는 상기 제1 신호의 방향을 상기 반사부를 향하도록 조절하는 제1 미러를 포함하는 스캐닝 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    제1 신호 및 제2 신호는,
    상기 반사부와 상기 제2 렌즈부 사이, 그리고
    상기 제3 렌즈부와 상기 피사체 사이에서 평행광인 스캐닝 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제2 신호는 상기 반사부와 상기 제4 렌즈부 사이에서 제1 신호와 동일한 광 경로를 갖는 스캐닝 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제5 렌즈부는,
    상기 수신부로 광을 집광하는 스캐닝 장치.
  5. 제1항에 있어서
    상기 제2 렌즈부와 상기 제3 렌즈부 사이에서 상기 동일 초점면에 위치하는 초점 렌즈;를 더 포함하는 스캐닝 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 반사부는 상기 동일 초점면과 상기 제3 렌즈부 사이의 초점 변위에 따른 광학 수차를 보상하는 스캐닝 장치.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 반사부는 상기 반사 각도의 조절을 제어하여 상기 광학 수차를 보상하는 스캐닝 장치.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 반사부는 MEMS(Micro Electro Mechanical system) 미러를 포함하는 스캐닝 장치.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 제1 신호와 상기 제2 신호는 적어도 일부 영역에서 중첩되는 스캐닝 장치.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 제2 신호는 상기 제5 렌즈부 내에서 면적이 증가하는 스캐닝 장치.
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