KR102020038B1

KR102020038B1 - LiDAR sensor module

Info

Publication number: KR102020038B1
Application number: KR1020170097951A
Authority: KR
Inventors: 정지성; 장준환; 김동규; 황성의; 원범식
Original assignee: 주식회사 에스오에스랩
Priority date: 2017-08-02
Filing date: 2017-08-02
Publication date: 2019-09-10
Also published as: KR20190014314A

Abstract

본 발명은 대상체와의 거리에 따라 수광부로 수신되는 반사 레이저빔의 투과율이 조절되어 다중 영역에 대해 정밀한 측정을 수행할 수 있는 라이다 센서 모듈에 관한 것으로,
본 발명의 실시예에 따른 라이다 센서 모듈은,
레이저빔을 발광하는 발광부; 상기 발광부에서 발광되어 대상체에 의해 반사된 반사 레이저빔을 수신하는 수광부; 및, 상기 수광부로 수신되는 반사 레이저빔의 투과율을 조절하는 광학 필터부를 포함한다.The present invention relates to a lidar sensor module that can perform a precise measurement for multiple areas by adjusting the transmittance of the reflected laser beam received by the light receiving unit according to the distance to the object,
Lidar sensor module according to an embodiment of the present invention,
Light emitting unit for emitting a laser beam; A light receiving unit which receives the reflected laser beam emitted from the light emitting unit and reflected by the object; And, an optical filter for adjusting the transmittance of the reflected laser beam received by the light receiving portion.

Description

Lidar sensor module {LiDAR sensor module}

본 발명은 라이다 센서 모듈에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 대상체와의 거리에 따라 수광부로 수신되는 반사 레이저빔의 투과율이 조절되어 다중 영역에 대해 정밀한 측정을 수행할 수 있는 라이다 센서 모듈에 관한 것이다. The present invention relates to a lidar sensor module, and more particularly, to a lidar sensor module capable of performing precise measurement on multiple regions by adjusting transmittance of a reflected laser beam received by a light receiving unit according to a distance from an object. will be.

레이저(Light Amplification by the Stimulated Emission of Radiation, LASER)는 빛의 유도방출(stimulated emission)을 일으켜 증폭해서 레이저 광을 조사한다.A laser (Light Amplification by the Stimulated Emission of Radiation, LASER) generates a stimulated emission of light and amplifies the laser light.

라이다(Light Detection and Ranging, LiDAR)는 레이저를 이용하여 거리를 측정하는 기술로써, 3차원 GIS(Geographic Information System) 정보 구축을 위한 지형 데이터를 구축하고, 이를 가시화하는 형태로 발전되어 건설, 국방 등의 분야에 응용되고 있다.LiDAR (Light Detection and Ranging, LiDAR) is a technology that measures the distance using a laser. It is developed in the form of constructing topographical data for visualizing 3D Geographic Information System (GIS) information and visualizing it. It is applied to such fields.

도 1은 종래 기술에 따른 라이다 센서 모듈이 도시된 도면이다.1 is a view showing a lidar sensor module according to the prior art.

도 1에 도시된 바와 같이, 종래 기술에 따른 라이다 센서 모듈은 발광부(10)와 수광부(20)를 포함한다. 발광부(10)는 레이저빔을 발광하는 레이저 다이오드(11)와, 발광된 레이저빔을 집광하여 평행빔으로 변환하는 콜리메이팅 렌즈(12)를 포함하고, 수광부(20)는 장애물(A)에서 반사된 레이저빔을 집광하는 집광 렌즈(21)와 집광 렌즈(21)에서 집광된 레이저빔을 수광하는 이미지센서(22)를 포함한다. 집광 렌즈(21)와 이미지센서(22) 사이에는 발광부(10)에서 송출된 파장대의 반사 레이저빔만 투과되도록 하고, 다른 파장대의 빔은 투과되지 않도록 하는 밴드패스 필터(23)가 배치된다.As shown in FIG. 1, the lidar sensor module according to the related art includes a light emitting unit 10 and a light receiving unit 20. The light emitting unit 10 includes a laser diode 11 for emitting a laser beam, and a collimating lens 12 for condensing the converted laser beam and converting the light into a parallel beam, and the light receiving unit 20 is disposed at an obstacle A. And a condenser lens 21 for condensing the reflected laser beam and an image sensor 22 for receiving the laser beam condensed by the condenser lens 21. A band pass filter 23 is disposed between the condenser lens 21 and the image sensor 22 so that only the reflected laser beam transmitted by the light emitting part 10 is transmitted, and the beams of other wavelength bands are not transmitted.

이와 같이 구성되는 종래 기술의 라이다 센서 모듈의 경우, 근거리에서 반사된 레이저빔과 원거리에서 반사된 레이저빔의 광량 차이가 크고 이에 따라 다음과 같은 문제가 발생한다.In the case of the conventional lidar sensor module configured as described above, the light amount difference between the laser beam reflected at a short distance and the laser beam reflected at a long distance is large, and thus, the following problem occurs.

원거리 측정이 가능하도록 광량을 증가시킨 경우, 근거리에서 반사된 레이저빔의 세기가 너무 커서 측정 에러(이미지 센서에서 포화됨)가 발생한다.In the case where the amount of light is increased to allow the long distance measurement, the intensity of the laser beam reflected at a short distance is too large, causing a measurement error (saturation in the image sensor).

또한, 근거리 측정이 잘되도록 광량을 감소시킨 경우, 원거리에서 반사된 레이저빔의 세기가 너무 약해서 이미지 센서에서 측정이 안되는 문제가 발생한다.In addition, when the amount of light is reduced so that short-range measurement is well performed, a problem occurs that the intensity of the laser beam reflected from a long distance is too weak to be measured by the image sensor.

1. 대한민국 특허 등록번호 제10-1296780호1. Republic of Korea Patent Registration No. 10-1296780 2. 대한민국 특허 등록번호 제10-1491289호2. Korean Patent Registration No. 10-1491289

본 발명은 대상체와의 거리에 따라 수광부로 수신되는 반사 레이저빔의 투과율이 조절되어 다중 영역에 대해 정밀한 측정을 수행할 수 있는 라이다 센서 모듈을 제공하는 것을 목적으로 한다.An object of the present invention is to provide a lidar sensor module that can perform a precise measurement for multiple areas by adjusting the transmittance of the reflected laser beam received by the light receiving unit according to the distance to the object.

본 발명의 실시예에 따른 라이다 센서 모듈은,Lidar sensor module according to an embodiment of the present invention,

레이저빔을 발광하는 발광부; 상기 발광부에서 발광되어 대상체에 의해 반사된 반사 레이저빔을 수신하는 수광부; 및, 상기 수광부로 수신되는 반사 레이저빔의 투과율을 조절하는 광학 필터부를 포함한다.Light emitting unit for emitting a laser beam; A light receiving unit which receives the reflected laser beam emitted from the light emitting unit and reflected by the object; And, an optical filter for adjusting the transmittance of the reflected laser beam received by the light receiving portion.

본 발명의 일 양상에 의하면, 상기 광학 필터부는 기설정된 크기 및 형상을 갖는 광학 필름이며, 상기 발광부와 상기 대상체 사이의 거리에 따라 투과율이 조절되도록 상기 광학 필름의 표면에는 투과율 기울기가 형성된 것을 특징으로 한다. According to an aspect of the present invention, the optical filter unit is an optical film having a predetermined size and shape, the transmittance gradient is formed on the surface of the optical film so that the transmittance is adjusted according to the distance between the light emitting unit and the object. It is done.

본 발명의 일 양상에 의하면, 상기 광학 필름의 중앙의 투과율이 가장 높고, 상기 광학 필름의 중앙에서 외곽으로 갈수록 점진적으로 투과율이 감소하는 것을 특징으로 한다. According to an aspect of the present invention, the transmittance of the center of the optical film is the highest, characterized in that the transmittance gradually decreases from the center of the optical film to the outer.

본 발명의 일 양상에 의하면, 상기 수광부는 상기 반사 레이저빔을 집광하는 집광 렌즈와, 상기 집광 렌즈에서 집광된 레이저빔을 수광하는 이미지센서를 포함하고, 상기 광학 필터부는 상기 집광 렌즈와 상기 이미지 센서 사이에 형성되는 것을 특징으로 한다. According to an aspect of the present invention, the light receiving unit includes a condenser lens for condensing the reflective laser beam, and an image sensor for receiving the laser beam condensed by the condensing lens, and the optical filter unit is configured to receive the condenser lens and the image sensor. It is characterized in that formed between.

본 발명의 일 양상에 의하면, 상기 수광부는 상기 반사 레이저빔을 집광하는 집광 렌즈와, 상기 집광 렌즈에서 집광된 레이저빔을 수광하는 이미지센서와, 상기 집광 렌즈와 이미지센서 사이에 형성된 밴드패스 필터를 포함하고, 상기 광학 필터부는 상기 밴드패스 필터의 표면 또는 상기 이미지 센서의 표면에 코팅되어 형성되는 것을 특징으로 한다. According to an aspect of the present invention, the light receiving unit includes a condenser lens for condensing the reflective laser beam, an image sensor for receiving a laser beam condensed by the condensing lens, and a band pass filter formed between the condenser lens and the image sensor. And the optical filter part is coated on the surface of the band pass filter or the surface of the image sensor.

본 발명의 일 양상에 의하면, 상기 광학 필터부는 상기 밴드패스 필터의 표면 또는 상기 이미지 센서의 표면 중앙 부분에는 투과율이 가장 높도록 코팅 물질이 코팅되고, 외곽으로 갈수록 점진적으로 투과율이 감소하도록 코팅 물질이 코팅되어 형성되는 것을 특징으로 한다.According to an aspect of the present invention, the optical filter unit is coated on the surface of the bandpass filter or the central portion of the surface of the image sensor is coated with a coating material so as to have the highest transmittance, the coating material so that the transmittance gradually decreases toward the outside Characterized in that the coating is formed.

기타 본 발명의 다양한 측면에 따른 구현예들의 구체적인 사항은 이하의 상세한 설명에 포함되어 있다.Other specific details of embodiments according to various aspects of the present invention are included in the following detailed description.

본 발명의 실시 형태에 따르면, According to an embodiment of the invention,

대상체와의 거리에 따라 수광부로 수신되는 반사 레이저빔의 투과율이 조절되어 다중 영역에 대해 정밀한 측정을 수행할 수 있다. The transmittance of the reflected laser beam received by the light receiving unit is adjusted according to the distance to the object, thereby making it possible to perform precise measurement on multiple regions.

즉, 이미지센서에 의해 수광되는 레이저빔의 광량은 대상체의 거리에 따른 차이가 최소화되어 일정 수준으로 균일하게 유지할 수 있게 되어, 근거리 영역, 원거리 영역 모두에 대해 정밀한 측정을 수행할 수 있게 된다.That is, the light quantity of the laser beam received by the image sensor can be maintained uniformly at a predetermined level by minimizing the difference according to the distance of the object, it is possible to perform a precise measurement for both near and far areas.

도 1은 종래 기술에 따른 라이다 센서 모듈이 도시된 도면이다.
도 2 및 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 라이다 센서 모듈이 도시된 도면이다.
도 4 및 도 5는 광학 필터부가 예시된 도면이다.1 is a view showing a lidar sensor module according to the prior art.
2 and 3 is a view showing a lidar sensor module according to an embodiment of the present invention.
4 and 5 are views illustrating an optical filter unit.

본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예를 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변환, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.As the invention allows for various changes and numerous embodiments, particular embodiments will be illustrated and described in detail in the detailed description. However, this is not intended to limit the present invention to specific embodiments, it should be understood to include all transformations, equivalents, and substitutes included in the spirit and scope of the present invention.

본 발명에서 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 발명에서, '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. 이하, 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 라이다 센서 모듈을 설명한다.The terminology used herein is for the purpose of describing particular example embodiments only and is not intended to be limiting of the present invention. Singular expressions include plural expressions unless the context clearly indicates otherwise. In the present invention, the terms 'comprise' or 'have' are intended to indicate that there is a feature, number, step, operation, component, part, or combination thereof described in the specification, and one or more other features. It is to be understood that the present invention does not exclude the possibility of the presence or the addition of numbers, steps, operations, components, components, or a combination thereof. Hereinafter, a lidar sensor module according to an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.

도 2 및 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 라이다 센서 모듈이 도시된 도면이고, 도 4 및 도 5는 광학 필터부가 예시된 도면이다.2 and 3 are views illustrating a lidar sensor module according to an embodiment of the present invention, and FIGS. 4 and 5 are views illustrating an optical filter unit.

도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 라이다 센서 모듈은, 발광부(100), 수광부(200), 광학 필터부(300)를 포함한다.As shown in FIG. 2 and FIG. 3, the lidar sensor module according to the embodiment of the present invention includes a light emitting unit 100, a light receiving unit 200, and an optical filter unit 300.

발광부(100)는 레이저빔을 발광한다. 발광부(100)는 레이저빔을 발생하는 레이저 다이오드(110)와, 제1 콜리메이팅 렌즈(collimating lens, 120)를 포함하여 이루어진다.The light emitter 100 emits a laser beam. The light emitter 100 includes a laser diode 110 that generates a laser beam, and a first collimating lens 120.

레이저 다이오드(110)는 레이저빔을 발생시키는 광학 소자이고, 제1 콜리메이팅 렌즈(120)는 레이저 다이오드(110)를 통해 발생된 레이저빔을 평행빔으로 변환시키는 광학 렌즈로, 레이저 다이오드(110)의 후방에 위치한다.The laser diode 110 is an optical element for generating a laser beam, the first collimating lens 120 is an optical lens for converting the laser beam generated through the laser diode 110 into a parallel beam, the laser diode 110 Located in the rear of the.

수광부(200)는 대상체(또는 장애물)에 의해 반사된 레이저빔을 집광하는 집광 렌즈(210)와 집광 렌즈(210)에서 집광된 레이저빔을 수광하는 이미지센서(220)를 포함한다. 또한, 집광 렌즈(210)와 이미지센서(220) 사이에는 발광부(100)에서 송출된 파장대의 반사 레이저빔만 투과되도록 하고, 다른 파장대의 빔은 투과되지 않도록 하는 밴드패스 필터(230)를 포함한다.The light receiver 200 includes a condenser lens 210 for condensing the laser beam reflected by the object (or obstacle) and an image sensor 220 for receiving the laser beam condensed by the condenser lens 210. In addition, a band pass filter 230 is disposed between the condenser lens 210 and the image sensor 220 so that only the reflected laser beam transmitted from the light emitting unit 100 is transmitted, and other beams of the other wavelength band are not transmitted. do.

물체의 동일한 면적에 조사되는 레이저 빔의 광량은 물체의 거리 제곱에 반비례 한다. 물체의 거리에 따라 이미지 센서(220)에 수광되는 위치와 입사 각도를 예측할 수 있으므로, 이를 기반으로 거리에 따라 일정한 광량을 수광할 수 있도록 광학 필터부(300)의 투과율을 설계할 수 있다.The amount of light of the laser beam irradiated onto the same area of the object is inversely proportional to the square of the distance of the object. Since the position and the angle of incidence received by the image sensor 220 may be predicted according to the distance of the object, the transmittance of the optical filter unit 300 may be designed to receive a constant amount of light according to the distance.

광학 필터부(300)는 대상체(A)와의 거리에 따라 수광부(200)로 수신되는 반사 레이저빔의 투과율이 조절되도록 한다. 광학 필터부(300)는 기설정된 크기 및 형상을 갖는 광학 필름으로 형성되거나 또는 밴드패스 필터(230)나 이미지센서(220)의 표면에 코팅되어 형성될 수 있다.The optical filter unit 300 adjusts the transmittance of the reflected laser beam received by the light receiving unit 200 according to the distance from the object A. FIG. The optical filter unit 300 may be formed of an optical film having a predetermined size and shape or coated on the surface of the bandpass filter 230 or the image sensor 220.

광학 필터부(300)가 광학 필름으로 형성되는 경우, 발광부(100)와 대상체 사이의 거리에 따라 투과율이 조절되도록 광학 필름의 표면에는 투과율 기울기가 형성된다. 즉, 광학 필름의 중앙(B)이 투과율이 가장 높고, 광학 필름의 중앙에서 외곽(C)으로 갈수록 점진적으로 투과율이 감소하도록 투과율 기울기가 형성된다. When the optical filter unit 300 is formed of an optical film, the transmittance gradient is formed on the surface of the optical film so that the transmittance is adjusted according to the distance between the light emitting unit 100 and the object. That is, the transmittance gradient is formed such that the center B of the optical film has the highest transmittance, and the transmittance gradually decreases from the center of the optical film toward the outer C.

광학 필터부(300)가 밴드패스 필터(230)나 이미지센서(220)의 표면에 코팅되어 형성되는 경우에도, 상기와 마찬가지로 투과율 기울기가 형성되도록 코팅 물질의 농도를 다르게 하여 코팅한다. 즉, 밴드패스 필터(230)나 이미지센서(220)의 표면 중앙 부분에는 투과율이 가장 높도록 코팅 물질이 코팅되고, 외곽으로 갈수록 점진적으로 투과율이 감소하도록 코팅 물질이 코팅된다.Even when the optical filter unit 300 is formed by coating the surface of the band pass filter 230 or the image sensor 220, the coating material is coated with a different concentration of the coating material so as to form a gradient of the transmittance as described above. That is, the coating material is coated on the central portion of the surface of the bandpass filter 230 or the image sensor 220 so as to have the highest transmittance, and the coating material is coated so that the transmittance gradually decreases toward the outside.

광학 필터부(300)는, 도 4와 같이, 라인 형태로 투과율 기울기가 형성되거나, 도 5와 같이, 동심원 형태로 투과율 기울기가 형성될 수 있다. 발광부(100)에서 송출되는 레이저빔이 라인빔인 경우, 광학 필터부(300)는, 도 4와 같은 라인 형태인 것이 바람직하고, 발광부(100)에서 송출되는 레이저빔이 포인트빔인 경우, 도 5와 같은 동심원 형태인 것이 바람직하다.As illustrated in FIG. 4, the optical filter unit 300 may have a transmittance gradient in the form of a line, or as illustrated in FIG. 5, the transmittance gradient may be formed in a concentric shape. When the laser beam transmitted from the light emitting unit 100 is a line beam, the optical filter unit 300 preferably has a line shape as shown in FIG. 4, and the laser beam transmitted from the light emitting unit 100 is a point beam. , Preferably in the form of a concentric circle as shown in FIG. 5.

상기와 같이 구성된 본 발명의 일 실시예에 따른 라이다 센서 모듈의 동작 과정을 설명한다.It describes the operation of the lidar sensor module according to an embodiment of the present invention configured as described above.

발광부(100)에서 레이저빔이 송출(발광)되면 송출된 레이저빔은 대상체(또는 장애물)에 의해 반사되고, 반사된 레이저빔은 집광 렌즈(210)에 의해 집광되며, 집광된 레이저빔은 이미지센서(220)에 의해 수광된다. 밴드패스 필터(230)는 발광부(100)에서 송출된 파장대의 반사 레이저빔만 투과되도록 한다.When the laser beam is emitted (emitted) from the light emitter 100, the emitted laser beam is reflected by the object (or obstacle), the reflected laser beam is collected by the condenser lens 210, and the focused laser beam is an image. It is received by the sensor 220. The bandpass filter 230 allows only the reflective laser beam transmitted by the light emitting part 100 to be transmitted.

이때, 광학 필터부(300)에는 중앙의 투과율이 가장 높고, 중앙에서 외곽으로 갈수록 점진적으로 투과율이 감소하도록 투과율 기울기가 형성되어 있다. 원거리에 있는 대상체에 의해 반사된 레이저빔은 기하학적 구조상 광학 필터부(300)의 중앙 부분을 통과하고, 근거리에 있는 대상체에 의해 반사된 레이저빔은 외곽 부분을 통과한다. At this time, the transmittance gradient is formed in the optical filter unit 300 so that the transmittance at the center is the highest and the transmittance gradually decreases from the center to the outside. The laser beam reflected by the object at a distance passes through the central portion of the optical filter unit 300 geometrically, and the laser beam reflected by the object at a distance passes through the outer portion.

중앙 부분의 투과율이 높기 때문에, 원거리에서 반사된 레이저빔은 광량은 적으나 높은 투과율만큼 통과하고, 외곽 부분의 투과율은 낮기 때문에, 근거리에서 반사된 레이저빔은 광량은 많지만 낮은 투과율만큼 통과한다.Since the central part has a high transmittance, the laser beam reflected at a long distance passes through a small amount of light but has a high transmittance, while the outer part has a low transmittance, so that a laser beam reflected at a short range passes a large amount of light but a low transmittance.

따라서, 이미지센서(220)에 의해 수광되는 레이저빔의 광량은 대상체의 거리에 따른 차이가 최소화되어 일정 수준으로 균일하게 유지할 수 있게 되고, 근거리 영역, 원거리 영역 모두에 대해 정밀한 측정을 수행할 수 있게 된다.Therefore, the amount of light of the laser beam received by the image sensor 220 can be maintained uniformly at a predetermined level by minimizing the difference according to the distance of the object, so that accurate measurement can be performed for both near and far areas. do.

이상, 본 발명의 일 실시예에 대하여 설명하였으나, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서, 구성 요소의 부가, 변경, 삭제 또는 추가 등에 의해 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있을 것이며, 이 또한 본 발명의 권리범위 내에 포함된다고 할 것이다.As mentioned above, although an embodiment of the present invention has been described, those of ordinary skill in the art may add, change, delete or add components within the scope not departing from the spirit of the present invention described in the claims. The present invention may be modified and changed in various ways, etc., which will also be included within the scope of the present invention.

100 : 발광부
200 : 수광부
300 : 광학 필터부100: light emitting unit
200: light receiver
300: optical filter unit

Claims

In the lidar device for detecting the distance using a laser,
Light emitting unit for emitting a laser;
A light receiver configured to receive the reflected laser beam emitted from the light emitter and reflected by the object;
A light concentrator for condensing the reflected laser to the light receiver; And
Is disposed between the light collecting portion and the light receiving portion, and includes an optical filter for filtering the reflected laser received by the light receiving portion,
The optical filter includes a first portion positioned on a path of a laser until the reflected laser reaches the light receiving portion when the object is located at a greater distance from the lidar device and the object is viewed from the lidar device. A second portion positioned on the path of the laser when located at close distances until the reflected laser reaches the light receiving portion,
The transmittance of the first portion of the optical filter and the transmittance of the second portion of the optical filter are reduced in order to reduce the degree of change in the intensity of the reflection laser received by the light receiving portion according to the distance between the object and the lidar device. Different from each other
Lidar sensor module.

The method according to claim 1,
The first portion is located closer to the center of the optical filter than the second portion.
Lidar sensor module.

The method according to claim 2,
The transmittance of the outer portion of the optical filter is relatively lower than the transmittance of the central portion of the optical filter.
Lidar sensor module.

The method according to claim 1,
The laser emitted from the light emitting portion is a line shape,
The transmittance of the optical filter is the same along the line direction,
Different along the direction perpendicular to the line direction
Lidar sensor module.

The method according to claim 1,
The transmittance of the optical filter gradually decreases from the center of the optical filter to the outside of the optical filter.
Lidar sensor module.

delete