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KR102438071B1 - 전후방 측정이 가능한 라이다 스캐닝 장치 - Google Patents

전후방 측정이 가능한 라이다 스캐닝 장치 Download PDF

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KR102438071B1
KR102438071B1 KR1020200146383A KR20200146383A KR102438071B1 KR 102438071 B1 KR102438071 B1 KR 102438071B1 KR 1020200146383 A KR1020200146383 A KR 1020200146383A KR 20200146383 A KR20200146383 A KR 20200146383A KR 102438071 B1 KR102438071 B1 KR 102438071B1
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faceted
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laser
laser beam
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장준환
김동규
황성의
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주식회사 에스오에스랩
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Abstract

본 발명은 레이저 빔을 대상체에 조사하고 대상체에 의해 반사되어 돌아오는 레이저 빔을 분석해서 대상체까지의 거리, 방향, 속도 등을 측정하는 전후방 측정이 가능한 라이다 스캐닝 장치에 관한 것으로,
본 발명의 실시예에 따른 라이다 스캐닝 장치는,
레이저 빔을 대상체에 조사시키고 대상체에서 반사된 레이저 빔을 수신하는 다면 미러; 상기 다면 미러의 양 측에 각각 형성되며, 레이저 빔을 조사하는 한 쌍의 송신부; 상기 다면 미러의 양 측에 각각 형성되며, 상기 송신부로부터 조사된 레이저 빔이 상기 다면 미러로 반사되도록 기설정된 각도 범위에서 반복적으로 회전하는 한 쌍의 미러 스캐너; 상기 다면 미러에서 반사된 레이저 빔을 수신하는 수신부; 상기 다면 미러를 회전시키는 회전 모터를 포함한다.

Description

전후방 측정이 가능한 라이다 스캐닝 장치 {Lidar scanning device capable of front and rear measurement}
본 발명은 레이저 빔을 대상체에 조사하고 대상체에 의해 반사되어 돌아오는 레이저 빔을 분석해서 대상체까지의 거리, 방향, 속도 등을 측정하는 전후방 측정이 가능한 라이다 스캐닝 장치에 관한 것이다.
일반적으로, 라이다 시스템(LIDAR system; Light Detection And Ranging system)은 레이저를 대상체에 조사하고, 대상체에 의해 반사되어 돌아오는 레이저 빔을 분석해서 대상체까지의 거리, 방향, 속도 등을 측정 감지할 수 있는 시스템이다.
이러한 라이다 시스템은 기상 관측이나, 거리 측정 등의 용도를 위해 활용되다가, 최근에는 자율 주행 차량, 위성을 이용한 기상 관측, 무인 로봇 센서 및 3차원 영상 모델링을 위한 기술 등에 사용되고 있다.
레이저 빔은 측정방법에 따라 사인파, 펄스파 등으로 조사될 수 있고, 2D 맵핑이나 3D 형상 측정시 레이저 빔의 측정점을 옮기기 위해서는 모터나 미러 등으로 구성된 라이다 스캐닝 장치가 필요하다.
최근, 모바일 플랫폼을 위한 주변 형상 측정용 센서로서 라이다가 각광받고 있다. 모바일 플랫폼 중 자율 주행 차량 및 무인 이송체를 예로 들자면, 일반적으로 차량은 지면을 따라 달리므로 측정이 필요한 대상체는 주로 지면에 있다. 따라서, 자율주행 차량용 라이다는 수직 방향으로는 넓은 측정 각도가 필요하지 않으나, 수평 방향으로는 넓은 측정 영역이 필요하다.
또한, 차량의 주행 환경에는 100km 이상 고속으로 주행하는 대상체들이 많으므로 라이다의 측정 속도도 빨라야 이러한 대상체들을 검지할 수 있다.
도 1은 종래 기술에 따른 라이다 스캐닝 장치가 도시된 사시도이고, 도 2는 도 1의 라이다 스캐닝 장치의 측정 영역이 도시된 도면이다. 도 1의 종래 기술은 미국 공개특허 US2014293263A1에 개시된 라이다 스캐닝 장치이다.
도 1에 도시된 라이다 스캐닝 장치(A)는, 송신부(35)와 수신부(40), 제1 축 스캐닝 모터(20), 다면 미러(10’), 회전 테이블(50), 제2 축 스캐닝 모터(미도시) 등을 포함한다. 여기서, 제1 축은 수직 방향을 스캐닝하기 위한 수평 회전축이고, 제2 축은 수평 방향을 스캐닝하기 위한 수직 회전축이다.
송신부(35)에서 송신된 빔은, 제1 축을 중심축으로 회전하는 다면 미러에 의해 여러 고도의 수직 방향으로 송신되고, 회전 테이블(50)이 제2 축을 중심으로 회전하면서 다면 미러에서 반사된 빔은 수직 및 수평 방향으로 송신된다. 이후, 송신된 빔은 대상체에서 반사되고, 대상체에서 반사된 빔은 다시 다면 미러에서 반사되어 수신부에서 수신된다.
이와 같은 라이다 스캐닝 장치(A)는, 도 2와 같이 수평 방향으로는 360도를 측정할 수 있고, 수직 방향으로는 다면 미러의 설계에 따라 10 내지 170도까지 측정 가능하다는 장점이 있다.
그러나, 종래의 라이다 스캐닝 장치(A)는 제1 축 및 제2 축 회전을 위해 2개의 모터를 사용하고 있기에, 스캐닝 속도가 수십 Hz 정도로 낮아서, 고속 스캐닝에 적합하지 않다는 문제가 있다.
또한, 수평 방향 스캐닝시에, 회전 테이블(50) 자체가 회전하므로, 회전 테이블(50) 상부에 배치된 송신부(35), 수신부(40), 제1 축 스캐닝 모터(20), 다면 미러(10’) 및 각종 회로 전체가 회전에 따른 원심력을 지속적으로 받게 되므로 이들 부품들의 내구성에 악영향을 미치는 문제가 있고, 이로 인해 수평 방향 스캐닝 속도에는 한계가 있다는 문제가 있다.
도 3은 종래 기술에 따른 라이다 스캐닝 장치가 도시된 도면이고, 도 4는 도 3의 라이다 스캐닝 장치의 측정 영역이 도시된 도면이다. 도 3의 종래 기술은 “Design and characterization of a 256x64-pixel single-photon imager in CMOS for a MEMS based laser scanning time-of-flight sensor” (OSA Publishing,Vol. 20, Issue 11, pp. 11863-11881 (2012))에 개시된 라이다 스캐닝 장치이다.
도 3에 도시된 라이다 스캐닝 장치(B)는, 송신부(1), 수신부(2), 2축 MEMS 스캐너(3)를 포함한다. 도 3의 라이다 스캐닝 장치(B)는 측정 영역을 넓히기 위해 복수개의 레이저로 구성된 송신부(1)를 이용한다. 송신부(1)에서 송신된 빔은 2축 MEMS 스캐너(3)에 의해 수직 및 수평 방향으로 반사되면서 대상체를 검출한다.
도 3의 라이다 스캐닝 장치(B)에서는, 2축 MEMS 스캐너(3)에 의해 송신빔이 조사되는 방향이 달라지면서, 대상체에서 반사되는 수신빔이 집광렌즈(4)를 통과한 후, 맺히는 초점의 위치가 매번 달라진다. 이에, 수신부(2)는 조사되는 방향에 따라 모두 구분하여 수신할 수 있도록 M×N 다채널 수신소자 또는 이미지 센서로 구성된다.
이와 같은 라이다 스캐닝 장치(B)는 모터를 사용하지 않으므로, 송신부(1)의 출력을 수십 kHz 정도로 높일 수 있어서 고속 스캐닝이 가능한 장점이 있다. 이에 따라 전술한 라이다 스캐닝 장치(A)의 문제점을 해결할 수 있다.
그러나, 이러한 종래의 라이다 스캐닝 장치(B)는, 도 4에 도시된 바와 같이, 2축 MEMS 스캐너(3)의 각도 한계로 인해 넓은 수평 측정 각도를 가지기 어려우며, 가로/세로 다수의 채널(M×N 픽셀)을 가진 수신부가 필요하므로 비용이 증가하고 구성이 복잡하다는 문제가 있다.
미국 공개특허 US2014293263A1
Design and characterization of a 256x64-pixel single-photon imager in CMOS for a MEMS based laser scanning time-of-flight sensor (OSA Publishing,Vol. 20, Issue 11, pp. 11863-11881 (2012))
본 발명은 전술한 종래 기술들의 문제점을 해결하면서도 하나의 장치로 전후방을 측정할 수 있는 전후방 측정이 가능한 라이다 스캐닝 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 실시예에 따른 라이다 스캐닝 장치는,
레이저 빔을 대상체에 조사시키고 대상체에서 반사된 레이저 빔을 수신하는 다면 미러; 상기 다면 미러의 양 측에 각각 형성되며, 레이저 빔을 조사하는 한 쌍의 송신부; 상기 다면 미러의 양 측에 각각 형성되며, 상기 송신부로부터 조사된 레이저 빔이 상기 다면 미러로 반사되도록 기설정된 각도 범위에서 반복적으로 회전하는 한 쌍의 미러 스캐너; 상기 다면 미러에서 반사된 레이저 빔을 수신하는 수신부; 상기 다면 미러를 회전시키는 회전 모터를 포함한다.
본 발명의 실시예에 따른 라이다 스캐닝 장치에 있어서, 상기 송신부는, 레이저 빔을 조사하는 복수개의 레이저 다이오드를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 라이다 스캐닝 장치에 있어서, 상기 복수개의 레이저 다이오드는 레이저 조사 방향이 상기 미러 스캐너 방향이 되도록 상기 미러 스캐너의 중심선을 기준으로 이격되어 형성될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 라이다 스캐닝 장치에 있어서, 상기 미러 스캐너는 회전 각도가 가변되고, 가변된 각도 범위에서 반복적으로 회전할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 라이다 스캐닝 장치에 있어서, 상기 미러 스캐너는, 일정한 각도 범위에서 반복 구동하는 액츄에이터 기반 미러 스캐너일 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 라이다 스캐닝 장치에 있어서, 상기 미러 스캐너는, 공진스캐너, MEMS 미러, VCM(voice coil motor), Optical Phase Array 중 어느 하나일 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 라이다 스캐닝 장치에 있어서, 상기 다면 미러는, 기울기가 상이한 복수개의 반사 미러를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 라이다 스캐닝 장치에 있어서, 상기 복수개의 반사 미러는, 상기 복수개의 반사 미러에 의한 측정 고도가 부분적으로 겹칠 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 라이다 스캐닝 장치에 있어서, 상기 수신부는, 단일 픽셀로 이루어진 단일 채널 수신부 또는 픽셀이 N×1 개로 배열된 다채널 수신부일 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 라이다 스캐닝 장치에 있어서, 상기 수신부는 단일 채널 수신부이고, 상기 수신부는 상기 다면 미러에서 반사되는 레이저 빔을 집광하는 집광 렌즈를 더 포함하며, 상기 송신부와 상기 수신부와 상기 미러 스캐너는 동기화되어 상기 미러 스캐너의 반사 각도를 이용하여 측정 고도를 측정할 수 있다.
기타 본 발명의 다양한 측면에 따른 구현예들의 구체적인 사항은 이하의 상세한 설명에 포함되어 있다.
본 발명의 실시 형태에 따르면,
하나의 라이다 스캐닝 장치로 전방 및 후방을 동시에 측정할 수 있다.
다면 미러가 회전 모터에 의해 회전되면서 넓은 전방 각도로 레이저 빔을 방사시킬 수 있으므로, 전방 및 후방에 대한 수평 방향 측정 범위를 넓힐 수 있다.
또한, 미러 스캐너가 소정의 각도 범위에서 반복 구동하면서 다면 미러의 다양한 수직축 위치로 레이저 빔을 반사시키므로, 수직 방향의 측정 고도를 높일 수 있다.
또한, 회전 모터는 다면 미러만을 회전시키고, 다른 구성 요소는 회전 모터에 의해 회전되지 않으므로, 라이다 스캐닝 장치의 내구성을 향상시킬 수 있다.
또한, 송신부에서 미러 스캐너로 수백 kHz 이상의 주기로 레이저 빔을 송신할 수 있으므로, 수직 방향에 대해서 고속으로 스캐닝할 수 있다.
또한, 측정 분해능은 동일하게 유지하면서 측정 범위를 확장시킬 필요가 있는 경우에 유용하다.
또한, 측정 범위는 동일하게 유지하면서 측정 분해능을 확장시킬 필요가 있는 경우에 유용하다.
도 1은 종래 기술에 따른 라이다 스캐닝 장치가 도시된 사시도이다.
도 2는 도 1의 라이다 스캐닝 장치의 측정 영역이 도시된 도면이다.
도 3은 종래 기술에 따른 라이다 스캐닝 장치가 도시된 도면이다.
도 4는 도 3의 라이다 스캐닝 장치의 측정 영역이 도시된 도면이다.
도 5a는 본 발명의 제1 실시예에 따른 라이다 스캐닝 장치가 도시된 사시도이다.
도 5b는 도 5a의 평면도이다.
도 6은 본 발명의 제1 실시예에 따른 라이다 스캐닝 장치의 미러 스캐너의 일 예가 도시된 도면이다.
도 7은 본 발명의 제1 실시예에 따른 라이다 스캐닝 장치의 동작 상태가 도시된 평면도이다.
도 8은 다면 미러의 반사 미러 각각이 상이한 기울기로 형성된 경우의 측정 고도를 설명하는 도면이다.
도 9 및 도 10은 본 발명의 제1 실시예에 따른 라이다 스캐닝 장치의 동작 과정이 도시된 도면이다.
도 11 내지 도 13은 본 발명의 제1 실시예에 따른 라이다 스캐닝 장치의 측정 영역이 도시된 도면이다.
도 14a는 본 발명의 제2 실시예에 따른 라이다 스캐닝 장치가 도시된 사시도이다.
도 14b는 도 14a의 평면도이다.
도 15는 단일의 레이저 다이오드를 이용한 라이다 스캐닝 장치의 측정 범위가 도시된 도면이다.
도 16 및 도 17은 본 발명의 제2 실시예에 따른 라이다 스캐닝 장치의 측정 범위가 도시된 도면이다.
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.
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.
본 발명의 실시예들에 따른 전후방 측정이 가능한 라이다 스캐닝 장치(이하, 라이다 스캐닝 장치라고도 함)는 하나의 라이다 스캐닝 장치로 전방 및 후방을 동시에 측정할 수 있다. 본 발명의 실시예들에 따른 라이다 스캐닝 장치는 이동체에 설치되어 이동체의 전방 및 후방을 동시에 측정할 수 있다. 예를 들어, 라이다 스캐닝 장치가 차량에 설치되는 경우, 차량의 루프 위에 설치되거나 또는 차량 내부의 룸미러 근방의 전후방 측정 가능한 위치(예를 들어, 블랙박스가 장착되는 위치)에 설치되어 전후방에 존재하는 대상체를 측정할 수 있다. 여기서, 전방의 대상체는 차량의 주행방향 전방에 존재하는 대상체를 의미하고, 후방의 대상체는 차량의 후방에 존재하는 대상체 또는 차량 내부의 승객 또는 물체일 수 있다. 차량 내부의 승객 또는 물체의 측정은 후술하는 다면 미러의 기울기를 조절하여 구현될 수 있다. 이하, 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들에 따른 전후방 측정이 가능한 라이다 스캐닝 장치를 설명한다.
도 5a는 본 발명의 제1 실시예에 따른 라이다 스캐닝 장치가 도시된 사시도이고, 도 5b는 도 5a의 평면도이다.
도 5a 및 도 5b에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제1 실시예에 따른 라이다 스캐닝 장치는, 송신부(100), 미러 스캐너(200), 다면 미러(300), 수신부(400), 회전 모터(500)를 포함한다.
송신부(100) 및 미러 스캐너(200)는 다면 미러(300)의 양 측에 각각 형성된다. 한 쌍의 송신부(100) 및 미러 스캐너(200) 중 어느 하나는 전방의 대상체를 측정하고, 나머지는 후방의 대상체를 측정할 수 있다. 예를 들어, 도 5a에서 좌측에 배치된 송신부(100) 및 미러 스캐너(200)는 전방의 대상체를 측정하고, 우측에 배치된 송신부(100) 및 미러 스캐너(200)는 후방의 대상체를 측정할 수 있다.
송신부(100)는 미러 스캐너(200)의 상부에 일정 거리 이격되어 형성되며, 미러 스캐너(200)에 레이저 빔을 조사한다. 송신부(100)는, 예를 들어 레이저 다이오드(LD)가 사용될 수 있으며, 단일로 이루어질 수 있다.
미러 스캐너(200)는 레이저 빔을 조사하는 송신부(100)와 일정 거리 이격 형성되며, 송신부(100)로부터 조사되는 레이저 빔을 다면 미러(300) 방향으로 반사시킨다.
미러 스캐너(200)는 송신부(100)로부터 조사되는 레이저 빔이 여러 방향으로 반사되도록 기설정된 각도 범위에서 반복적으로 구동한다. 여기서, 반복 구동이라 함은, 예를 들어, 미러 스캐너가 일정한 각도 범위에서 축회전하는 것일 수 있다. 미러 스캐너(200)는 레이저 빔을 복수개의 수평 방향으로 반사되도록 회전할 수도 있으나, 수평 방향은 다면 미러(300)의 회전에 의해 스캐닝되므로, 복수개의 수직 방향으로 반사되도록 회전하는 것이 바람직하다.
이러한 미러 스캐너(200)는, 예를 들어, 소형 액츄에이터 기반 미러 스캐너일 수 있다. 소형 액츄에이터 기반 미러 스캐너의 일 예로 공진스캐너, MEMS 미러, VCM(voice coil motor), Optical Phase Array 등이 있다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 라이다 스캐닝 장치의 미러 스캐너의 일 예가 도시된 도면이다.
일 예에 따른 미러 스캐너(200)는, 도 6에 도시된 바와 같이, 한 쌍의 영구자석(210)과, 한 쌍의 영구자석 사이에 배치되는 전자석 미러(220)와 전자석 미러의 회전축 역할을 수행하는 토션 바아(230)를 포함할 수 있다. 전자석 미러(220)에는 코일이 형성되고, 코일을 흐르는 전류 방향의 변화에 따라 영구자석(210)과 전자석 미러(220) 사이의 자기장 관계가 변화하며, 변화된 자기장의 영향으로 전자석 미러(220)는 토션 바아(230)를 회전축으로 하여 소정 각도 범위로 회전하면서 송신부(100)로부터 조사되는 레이저 빔을 복수개의 수직 방향으로 반사시킨다.
본 발명의 실시예에서, 송신부(100), 수신부(400), 미러 스캐너(200)는 회전 모터(500)에 의해 회전되는 부품이 아니므로, 전술한 도 1 및 도 2에 따른 종래 기술과는 달리 원심력을 받지 않게 되어, 이들 부품의 내구성을 향상시킬 수 있게 된다. 나아가, 송신부(100)를 구성하는 레이저 다이오드는 수백 kHz 이상의 주기로 고속으로 레이저 빔을 송신할 수 있고, 미러 스캐너(200)는 이를 다면 미러(300)로 반사시켜서 대상체에 대한 고속 스캐닝을 수행할 수 있다.
주행 중 장애물을 감지하는 것을 주요 목적으로 하는 모바일 플랫폼에서는, 전방의 도로와 차량, 사람 등의 장애물을 검지하는 것이 중요하다. 따라서, 드론, 무인 비행체에 비해 상대적으로 협소한 범위의 수직 방향을 고속으로 측정하는 것이 더 중요하므로, 수직 방향 고속 측정을 위해 소형 액츄에이터 기반 미러 스캐너(200)를 사용하는 것이 바람직하다. 물론, 필요한 경우, 더 넓은 수직 방향 고속 측정을 위해 미러 스캐너(200)의 구동 범위를 넓힐 수도 있다.
한편, 송신부(100)와 미러 스캐너(200) 사이에는 콜리메이팅 렌즈(C1)가 적어도 하나 이상 형성될 수 있다. 콜리메이팅 렌즈(C1)는 송신부(100)를 구성하는 레이저 다이오드에서 발생된 레이저 빔을 집광시키는 광학 렌즈이다.
다면 미러(300)는 미러 스캐너(200)로부터 반사된 레이저 빔을 조사시키고 대상체에서 반사된 레이저 빔을 수신한다. 다면 미러(300)는 소정 개수(n개)의 반사 미러로 형성된다. 예를 들어, 다면 미러(300)는 4개의 반사 미러로 형성될 수 있고, 각각의 반사 미러는 미러 스캐너(200)에서 반사된 레이저 빔을 반사시켜서 수평 및 수직 방향으로 조사시키는 반사 미러 기능을 수행한다.
도 7은 본 발명의 제1 실시예에 따른 라이다 스캐닝 장치의 동작 상태가 도시된 평면도이고, 도 8은 다면 미러의 반사 미러 각각이 상이한 기울기로 형성된 경우의 측정 고도를 설명하는 도면이다.
도 7에 도시된 바와 같이, 회전 모터(500)의 회전에 의해 다면 미러(300)가 회전하면, 다면 미러(300)의 양 측에 배치된 송신부(100)에서 각각 조사되고 미러 스캐너(200)에서 각각 반사된 레이저 빔은 다면 미러(300)에 의해 반사되어 소정 각도를 이루며 전방 및 후방으로 진행된다. 도 7의 (c)와 같이, 다면 미러(300)의 회전에 따라 미러 스캐너(200) 방향으로 반사되는 레이저 빔은 노이즈 처리된다.
다면 미러(300)의 미러 개수가 많을수록, 높은 해상도 또는 높은 측정 속도를 구현할 수 있다. 예를 들어, 도 5와 같이 4개의 반사 미러로 다면 미러(300)를 구성한 경우, 4개의 반사 미러에 대해 측정 시작점을 조금씩 다르게 하여 미러 스캐너(200)로부터 반사된 레이저 빔을 조사시키면 대상체에 대한 분해능은 4배가 되고, 4개의 반사 미러에 대한 측정 시작점을 동일하게 하여 레이저 빔을 조사시키면 대상체에 대한 측정 속도가 4배가 된다. 여기서 다른 측정 시작점의 개수는 미러 개수(n)와 동일하며 다른 시작점의 위치는 동일한 시작점에서 측정되었을 때 시스템이 갖는 수평축 각도 분해능의 1/n 만큼 이동된 위치가 될 수 있다.
한편, 다면 미러(300)를 구성하는 반사 미러 각각은 상이한 기울기를 갖도록 할 수 있다. 여기서, 반사 미러의 기울기란, 다면 미러의 바닥면에 수직인 수직면과 반사 미러가 이루는 각도(θ)를 의미한다.
미러 스캐너(200)에서 반사된 레이저 빔은 기울기가 상이한 다수의 반사 미러에 의해 반사되어 여러 측정 고도를 측정할 수 있게 된다. 예를 들어, 도 8에 도시된 바와 같이, 기울기가 상이한 반사 미러가 4개인 경우, 다면 미러(300)가 1회전할 때마다, 4개의 측정 고도(H1 ~ H4)를 측정할 수 있게 된다. 도 8에서 다면 미러(300)의 일 측에서의 레이저 빔 반사를 예시하고 있으나, 이는 설명을 위한 예시일 뿐, 다면 미러(300)의 양 측에서 레이저 빔이 반사되어 다양한 고도를 측정할 수 있다.
수신부(400)는 다면 미러(300)에서 반사된 레이저 빔을 수신한다. 수신부(400)는 픽셀이 N×1 개로 배열된 다채널 수신부 또는 하나의 픽셀로 이루어진 단일 채널 수신부일 수 있다.
도 9 및 도 10은 본 발명의 제1 실시예에 따른 라이다 스캐닝 장치의 동작 과정이 도시된 도면으로, 수신부(400)에서의 수신 위치에 대해 설명하는 도면이다. 도 9 및 도 10에서 수신부(400)는 N×1 다채널 수신부를 예시하고 있다.
도 9에 도시된 바와 같이, 미러 스캐너(200)에서 반사된 레이저 빔이 가장 낮은 고도로 다면 미러(300)에 조사되어 대상체에서 반사된 후 다시 다면 미러(300)에서 반사되어 다채널 수신부(400)에서 수신되는 경우, 기하 광학적 원리에 의해 다채널 수신부(400)의 최상단 채널(픽셀)에 수신된다.
반대로, 도 10에 도시된 바와 같이, 레이저 빔이 가장 높은 고도로 다면 미러(300)에 조사되어 대상체에서 반사된 후 다시 다면 미러(300)에서 반사되어 다채널 수신부(400)에서 수신되는 경우, 다채널 수신부(400)의 최하단 채널에 수신된다.
이와 같이, 다면 미러(300)로 레이저 빔이 조사되는 위치와 다채널 수신부(400)에서 수신되는 위치는 서로 상반되는 관계이다.
상기의 실시예에서, 수직 방향 측정 고도에 따라 수신빔이 맺히는 초점 위치가 달라지므로 N×1 다채널 수신부(400)를 사용하지만, 이에 한정되지 않고, 수신부(400)는 단일 채널 수신부로 이루어질 수 있다. 이 경우, 수신부(400)는 다면 미러(300)에서 반사되는 레이저 빔을 집광하는 집광 렌즈(C2)를 추가적으로 구비하며, 집광 렌즈(C2)의 적절한 설계를 통해 모든 측정 고도에서 수신되는 레이저 빔을 하나의 채널(픽셀)에 수신되도록 할 수 있다.
이때, 송신부(100)에서 레이저 빔은 펄스 형태로 송신되며 레이저 빔을 송신하는 시간과 수신부(400)에서 레이저 빔을 수신하는 시간을 동기화하고, 동 시간의 미러 스캐너(200)의 반사 각도를 내부 구동 신호 피드백을 이용하여 측정, 고도를 특정할 수 있게 된다. 그리고, 각 각도에서 측정된 레이저 빔의 시간 차이를 이용하여 대상체의 위치, 형상 등을 측정한다.
한편, 집광 렌즈(C2)는 단일 채널 수신부 뿐만 아니라, N×1 다채널 수신부(400)에도 적용될 수 있다.
다음으로, 상기와 같이 구성되는 본 발명의 제1 실시예에 따른 라이다 스캐닝 장치의 동작 과정을 설명한다. 이하의 설명에서 다면 미러(300)의 어느 일 측에 배치된 송신부(100) 및 미러 스캐너(200)에 의한 전방 측정 과정을 설명하지만, 이는 다면 미러(300)의 타 측에 배치된 송신부(100) 및 미러 스캐너(200)에 대해서도 동일하게 적용될 수 있으며, 타 측에 배치된 송신부(100) 및 미러 스캐너(200)는 후방을 측정한다.
먼저, 송신부(100)에서 미러 스캐너(200)를 향해 레이저 빔을 송신한다. 레이저 빔은 펄스파, 연속파 등 여러 가지 형태를 가질 수 있으며,
미러 스캐너(200)는 송신부(100)로부터 조사되는 레이저 빔을 다면 미러(300) 방향으로 반사시킨다. 미러 스캐너(200)는 소정의 각도 범위에서 반복적으로 구동하면서 다면 미러(300)의 다양한 수직측 위치로 레이저 빔을 반사시킨다.
다면 미러(300)는 미러 스캐너(200)에서 반사되어 조사된 레이저 빔을 입사각/반사각 원리로 전방을 향해 조사시킨다. 다면 미러(300)는 회전 모터(500)에 의해 회전되면서 넓은 전방 각도로 레이저 빔을 조사시킬 수 있다. 예를 들어, 다면 미러(300)가 4개의 반사 미러로 구성되는 경우, 수평 방향의 측정 각도는 140도 이상이 될 수 있다.
다면 미러(300)를 구성하는 반사 미러는 면의 기울기가 일정할 수도 있고, 각각 다르도록 형성될 수도 있다.
반사 미러 각 면의 기울기가 일정한 경우, 대상체에 대한 측정 속도 또는 분해능을 높일 수 있다. 즉, 도 11에 도시된 바와 같이, 다면 미러(300)를 구성하는 반사 미러의 면수가 4개이고 기울기가 일정하며, 측정 시작점이 다른 경우, 각각의 반사 미러에 의해 측정된 측정점(P1 ~ P4)이 다르게 형성되므로, 대상체에 대한 수평축 측정 분해능을 높일 수 있고, 측정 시작점이 동일한 경우, 1회전 시에 동일한 측정점을 4번 측정하게 되므로 측정 속도를 높일 수 있다.
반사 미러의 각 면의 기울기가 상이한 경우, 분해능은 상대적으로 낮으나, 넓은 측정 고도로 대상체를 측정할 수 있다. 즉, 도 12에 도시된 바와 같이, 다면 미러(300)를 구성하는 반사 미러의 면수가 4개이고 기울기가 상이한 경우, 다면 미러(300)가 1회전할 때마다, 4개의 측정 고도(H1 ~ H4)를 측정할 수 있게 된다.
한편, 반사 미러의 각 면의 기울기가 상이한 경우라도, 측정 고도가 일부 겹치도록 각 면의 기울기를 설계하면 넓은 측정 고도로 대상체를 측정하면서도 분해능을 높일 수 있다. 즉, 도 13에 도시된 바와 같이, 겹치는 측정 고도 부분(D)에서는 전술한 반사 미러 각 면의 기울기가 일정한 경우와 같이, 대상체에 대한 측정 속도 또는 분해능을 높일 수 있다.
상기와 같은 본 발명의 제1 실시예에 따른 라이다 스캐닝 장치에 의하면, 다면 미러가 회전 모터에 의해 회전되면서 넓은 각도로 전방 및 후방에 레이저 빔을 조사시킬 수 있으므로, 전방 및 후방에 대한 수평 방향 측정 범위를 넓힐 수 있다.
또한, 미러 스캐너가 소정의 각도 범위에서 반복 구동하면서 다면 미러의 다양한 수직축 위치로 레이저 빔을 반사시키므로, 수직 방향의 측정 고도를 높일 수 있다.
또한, 회전 모터는 다면 미러만을 회전시키고, 다른 구성 요소는 회전 모터에 의해 회전되지 않으므로, 라이다 스캐닝 장치의 내구성을 향상시킬 수 있다.
또한, 송신부에서 미러 스캐너로 수백 kHz 이상의 주기로 레이저 빔을 송신할 수 있으므로, 수직 방향에 대해서 고속으로 스캐닝할 수 있다.
또한, 단일의 레이저 다이오드를 사용하고, 단일 채널 수신부 또는 N×1 다채널 수신부로도 고속 스캐닝을 수행할 수 있으므로, 구성을 간소화할 수 있으며, 제조 비용을 절감할 수 있다.
도 14는 본 발명의 제2 실시예에 따른 라이다 스캐닝 장치가 도시된 도면이다. 도 14에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제2 실시예에 따른 라이다 스캐닝 장치는, 송신부(100), 미러 스캐너(200), 다면 미러(300), 수신부(400), 회전 모터(500)를 포함한다.
본 발명의 제2 실시예에 따른 라이다 스캐닝 장치는 송신부(100)의 구성 및 미러 스캐너(200)의 동작이 상이할 뿐, 다면 미러(300), 수신부(400), 회전 모터(500)는 실질적으로 동일하므로, 이에 대한 반복 설명은 생략한다.
본 발명의 제2 실시예에 의하면, 송신부(100) 및 미러 스캐너(200)는 다면 미러(300)의 양 측에 각각 형성되고, 각각의 송신부(100)는 레이저 빔을 조사하는 복수개의 레이저 다이오드(110, 120)를 포함한다. 도 14에서는 2개의 레이저 다이오드(110, 120)를 예시하고 있으나, 이는 예시일 뿐, 이에 한정되는 것은 아니다.
2개의 레이저 다이오드(110, 120)는 레이저 조사 방향이 미러 스캐너(200) 방향이 되도록 미러 스캐너(200)의 중심선(L)을 기준으로 소정 거리 및 각도가 이격되어 형성된다. 도 14에서는 2개의 레이저 다이오드(110, 120)가 중심선(L)을 기준으로 동일한 거리 및 각도로 이격되어 있는 것을 예시하고 있으나, 이는 설명의 편의를 위한 것일 뿐, 반드시 동일한 거리 및 각도로 이격될 필요는 없다.
만약, 송신부(100)가 3개의 레이저 다이오드로 이루어진 경우라면, 어느 하나의 레이저 다이오드는 미러 스캐너(200)의 중심선(L) 상에 배치되고, 나머지 2개의 레이저 다이오드는 미러 스캐너(200)의 중심선(L)을 기준으로 소정 거리 이격되어 형성되는 것이 바람직하다.
다면 미러(300)의 양 측에 형성된 각각의 미러 스캐너(200)는 복수개의 레이저 다이오드(110, 120)와 일정 거리 이격 형성되며, 복수개의 레이저 다이오드(110, 120)로부터 조사되는 복수개의 레이저 빔을 각각 다면 미러(300) 방향으로 반사시킨다. 본 실시예에서 미러 스캐너(200)는 회전 각도가 가변되면서 가변된 각도 범위에서 반복적으로 구동할 수 있다.
전술한 제1 실시예에서 미러 스캐너(200)는 일정한 각도 범위에서 반복 구동되는 것이나, 본 실시예에서 미러 스캐너(200)는 선택에 따라 회전 각도가 가변되고 가변된 각도 범위에서 반복 구동되는 것이다.
본 실시예에서도, 송신부(100), 수신부(400), 미러 스캐너(200)는 회전 모터(500)에 의해 회전되는 부품이 아니므로, 전술한 도 1 및 도 2에 따른 종래 기술과는 달리 원심력을 받지 않게 되어, 이들 부품의 내구성을 향상시킬 수 있게 된다. 나아가, 송신부(100)를 구성하는 복수개의 레이저 다이오드는 수백 kHz 이상의 주기로 고속으로 레이저 빔을 송신할 수 있고, 미러 스캐너(200)는 이를 다면 미러(300)로 반사시켜서 대상체에 대한 고속 스캐닝을 수행할 수 있다.
한편, 복수개의 레이저 다이오드(110, 120)와 미러 스캐너(200) 사이에는 콜리메이팅 렌즈(C21, C22)가 적어도 하나 이상 형성될 수 있다. 콜리메이팅 렌즈(C21, C22)는 송신부(100)를 구성하는 레이저 다이오드에서 발생된 레이저 빔을 집광시키는 광학 렌즈이다.
이하, 도 15 내지 도 17을 참조하여 본 발명의 제2 실시예에 따른 라이다 스캐닝 장치의 동작 과정을 설명한다. 이하의 설명에서 다면 미러(300)의 어느 일 측에 배치된 송신부(100) 및 미러 스캐너(200)에 의한 전방 측정 과정을 설명하지만, 이는 다면 미러(300)의 타 측에 배치된 송신부(100) 및 미러 스캐너(200)에 대해서도 동일하게 적용될 수 있으며, 타 측에 배치된 송신부(100) 및 미러 스캐너(200)는 후방을 측정한다.
도 15는 단일의 레이저 다이오드를 이용한 라이다 스캐닝 장치의 측정 범위가 도시된 도면이다. 도 15에 도시된 바와 같이, 단일의 레이저 다이오드(LD)를 이용하여 회전 각도 범위가 ±θ(회전각 2θ)인 미러 스캐너(200)로 조사할 경우, 광 편향 각도(optical deflection angle)는 ±2θ(회전각 4θ)가 된다. 즉, 단일의 레이저 다이오드(LD)를 이용할 경우, 측정 범위(측정 화각)는 4θ가 된다. (미러 스캐너의 회전 각도 범위 ±θ)
도 16 및 도 17은 본 발명의 제2 실시예에 따른 라이다 스캐닝 장치의 측정 범위가 도시된 도면이다. 도 16은 미러 스캐너(200)의 회전 각도 범위가 ±θ인 경우이다. 2개의 레이저 다이오드(110, 120)는 미러 스캐너(200)의 중심선(L)을 기준으로 각도 2θ를 이루며 이격되어 있다.
각각의 레이저 다이오드(110, 120)가 미러 스캐너(200)로 레이저 빔을 조사하면, 미러 스캐너(200)는 각각의 레이저 다이오드(110, 120)로부터 조사된 레이저 빔을 다면 미러(300) 방향으로 반사시킨다.
미러 스캐너(200)는 소정의 각도 범위(±θ)에서 반복적으로 구동하면서 다면 미러(300)의 다양한 수직측 위치로 레이저 빔을 반사시킨다. 이때, 레이저 다이오드(110)에 의해 조사된 레이저 빔은 다면 미러(300)의 상측으로 4θ의 각도를 이루면서 반사되고, 레이저 다이오드(120)에 의해 조사된 레이저 빔은 다면 미러(300)의 하측으로 4θ의 각도를 이루면서 반사된다.
따라서, 2개의 레이저 다이오드(110, 120)에 의해 조사된 레이저 빔은 전체적으로 8θ의 각도를 이루면서 반사되므로, 도 15와 같은 단일의 레이저 다이오드를 이용한 경우보다, 측정 범위(측정 화각)을 2배로 확장시킬 수 있다. 마찬가지로, 레이저 다이오드가 n개인 경우, 측정 범위는 n배로 확장시킬 수 있다. 이때, 측정 분해능은 1개의 레이저 다이오드로 측정한 것과 동일하게 유지된다.
이러한 도 16의 동작 상태는 미러 스캐너(200)의 회전 각도가 일정한 각도로 한정되는 경우라도, 더 넓은 측정 범위를 획득할 수 있다. 즉, 측정 분해능은 동일하게 유지하면서 측정 범위를 확장시킬 필요가 있는 경우에 유용하다.
도 17은 도 16과 동일한 구성이면서, 미러 스캐너(200)의 회전 각도 범위가 ±θ/2로 가변된 경우이다.
각각의 레이저 다이오드(110, 120)가 미러 스캐너(200)로 레이저 빔을 조사하면, 미러 스캐너(200)는 각각의 레이저 다이오드(110, 120)로부터 조사된 레이저 빔을 다면 미러(300) 방향으로 반사시킨다.
미러 스캐너(200)는 소정의 각도 범위(±θ/2)에서 반복적으로 구동하면서 다면 미러(300)의 다양한 수직측 위치로 레이저 빔을 반사시킨다. 이때, 레이저 다이오드(110)에 의해 조사된 레이저 빔은 다면 미러(300)의 상측으로 2θ의 각도를 이루면서 반사되고, 레이저 다이오드(120)에 의해 조사된 레이저 빔은 다면 미러(300)의 하측으로 2θ의 각도를 이루면서 반사된다.
따라서, 2개의 레이저 다이오드(110, 120)에 의해 각각 θ의 각도로 조사된 레이저 빔은 전체적으로 ±2θ(4θ)의 각도를 이루면서 반사되므로, 도 15와 같은 단일의 레이저 다이오드를 이용한 경우와 동일한 측정 범위(측정 화각)를 갖는다. 그러나, 동일한 측정 시간동안 원래 펄스 레이저 하나가 측정했던 영역을 2개의 레이저 다이오드(110, 120)가 각각 반씩 나눠서 측정하게 되므로 같은 반복도를 갖는 펄스 레이저를 사용하게 되면 각 펄스 레이저에 할당된 측정 영역이 반으로 줄어들게 되고, 대상체에 입사되는 펄스 레이저의 측정 포인트와 포인트 간의 거리가 반으로 줄어들게 되어 해상도를 높일 수 있게 된다.
마찬가지로, 레이저 다이오드가 n개이고, 미러 스캐너(200)의 회전 각도가 1/n로 가변된 경우, 측정 해상도는 n배로 확장시킬 수 있다. 이때, 측정 범위는 1개의 레이저 다이오드로 측정한 것과 동일하게 유지된다.
이러한 도 17의 동작 상태는 고정된 측정 범위(측정 화각)에서 향상된 측정 분해능(또는 각도 분해능)을 획득할 수 있다. 즉, 측정 범위는 동일하게 유지하면서 측정 분해능을 확장시킬 필요가 있는 경우에 유용하다.
한편, 본 제2 실시예에서도 전술한 제1 실시예에서와 같이, 다면 미러(300)를 구성하는 반사 미러는 면의 기울기가 일정할 수도 있고, 각각 다르도록 형성될 수도 있다. 또한, 도 11과 같이 반사 미러 각 면의 기울기가 일정한 경우, 대상체에 대한 측정 속도 또는 분해능을 높이거나, 도 12와 같이 반사 미러의 각 면의 기울기가 상이한 경우, 분해능은 상대적으로 낮으나, 넓은 측정 고도로 대상체를 측정할 수 있다. 또한, 도 13과 같이 반사 미러의 각 면의 기울기가 상이한 경우라도, 측정 고도가 일부 겹치도록 각 면의 기울기를 설계하면 넓은 측정 고도로 대상체를 측정하면서도 분해능을 높일 수 있다.
또한, 수신부(400)는 단일 채널 수신부 또는 N×1 다채널 수신부를 적용할 수 있다.
이상, 본 발명의 실시예들에 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.
100 : 송신부 200 : 미러 스캐너
300 : 다면 미러 400 : 수신부
500 : 회전 모터

Claims (10)

  1. 레이저를 이용하여 거리를 측정하는 라이다 장치로서,
    제1 레이저를 출력하기 위한 제1 레이저 출력부;
    제2 레이저를 출력하기 위한 제2 레이저 출력부;
    제1 각도 범위에서 회전되는 반사면을 포함하는 제1 미러 스캐너;
    제2 각도 범위에서 회전되는 반사면을 포함하는 제2 미러 스캐너; 및
    제1 축을 기준으로 회전되며, 상기 제1 축의 주위에 배치되는 적어도 세 개의 반사면을 포함하는 회전 다면 미러;를 포함하되,
    상기 제1 미러 스캐너는
    상기 제1 레이저 출력부로부터 출력된 상기 제1 레이저가 상기 회전 다면 미러에 도달하는 위치를 상기 제1축 방향을 따라 변경시키도록 배치되며,
    상기 제2 미러 스캐너는
    상기 제2 레이저 출력부로부터 출력된 상기 제2 레이저가 상기 회전 다면 미러에 도달하는 위치를 상기 제1축 방향을 따라 변경시키도록 배치되고,
    상기 제1 및 제2 미러 스캐너는
    상기 제1 및 제2 레이저가 상기 회전 다면 미러의 서로 다른 반사면에 도달하도록 배치되며,
    상기 회전 다면 미러는
    상기 제1 레이저가 상기 제1 미러 스캐너에 도달하는 위치 및 상기 제2 레이저가 상기 제2 미러 스캐너에 도달하는 위치가 상기 다면 미러의 회전 각도에 의해 변경되지 않도록 배치되며,
    상기 회전 다면 미러에 포함되는 적어도 하나의 반사면의 크기는 상기 제1 미러 스캐너에 포함되는 반사면의 크기 및 상기 제2 미러 스캐너에 포함되는 반사면의 크기보다 큰
    라이다 장치.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 레이저 출력부는 각각 복수개의 레이저 출력 소자를 포함하는
    라이다 장치.
  3. 제1 항에 있어서,
    상기 제1 미러 스캐너의 상기 제1 각도 범위와 상기 제2 미러 스캐너의 상기 제2 각도 범위는 서로 동일한
    라이다 장치.
  4. 제1 항에 있어서,
    상기 제1 미러 스캐너는 상기 제1 각도 범위에서 반복적으로 회전하며,
    상기 제2 미러 스캐너는 상기 제2 각도 범위에서 반복적으로 회전하는
    라이다 장치.
  5. 제1 항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 미러 스캐너는 공진스캐너, MEMs 미러, VCM(Voice Coil Motor), Optical phase array 중 어느 하나인
    라이다 장치.
  6. 제1 항에 있어서,
    상기 회전 다면 미러에 포함되는 적어도 세 개의 반사면은 상기 제1 축과 평행하게 배치되는
    라이다 장치.
  7. 제1 항에 있어서,
    상기 회전 다면 미러에 포함되는 적어도 세 개의 반사면은 상기 제1 축과 서로 다른 각도를 가지게 배치되는
    라이다 장치.
  8. 제1 항에 있어서,
    상기 회전 다면 미러에 포함되는 반사면의 개수는 4개인
    라이다 장치.
  9. 제1 항에 있어서,
    상기 제1 레이저 출력부로부터 출력된 상기 제1 레이저는 상기 제1 미러 스캐너를 통해 상기 회전 다면 미러에 도달하며,
    상기 제2 레이저 출력부로부터 출력된 상기 제2 레이저는 상기 제2 미러 스캐너를 통해 상기 회전 다면 미러에 도달하는
    라이다 장치.
  10. 제9 항에 있어서,
    상기 회전 다면 미러에 포함되는 반사면은 적어도 네 개 이상이며,
    상기 제1 레이저가 도달하는 상기 회전 다면 미러의 반사면과 상기 제2 레이저가 도달하는 상기 회전 다면 미러의 반사면은 서로 인접하지 않은
    라이다 장치.
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