KR20210036243A - 라이다 광학 장치 및 이의 스캐닝 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 라이다 광학 장치 및 이의 스캐닝 방법을 개시한다. 라이다 광학 장치는, 본체하우징의 내부에서 고정되어 동작하는 고정체와 회전하며 동작하는 회전체로 이루어지되, 고정체는 본체하우징의 내부 하측에 고정되어 전원 및 데이터 처리를 위한 고정기판과 고정기판의 상부 둘레를 따라 형성되어 회전 자기장을 생성하는 모터 고정자를 포함하고, 회전체는 모터 고정자의 회전 자기장에 의하여 회전하는 모터 회전자, 모터 회전자와의 결합에 의하여 회전하며 고정기판과 연동하는 회전기판, 및 회전기판의 상측에서 레이저 광의 송수신을 위한 레이저 모듈을 구비하고, 회전하는 회전체와 고정체 간의 무접점 방식으로 동력을 전달하며, 광통신 송수신 방식으로 데이터를 전송하고, 레이저 수신부는 수신 채널을 이중화하고 렌즈 또는 수신부의 수신각도를 상이하게 적용하여, 특정 영역의 분해능을 증가시켜 탐지해상도를 증가시키는 구조를 갖는다.

Description

라이다 광학 장치 및 이의 스캐닝 방법{LIDAR OPTICAL APPARATUS AND SCANNING METHOD THEREOF}

본 발명은 라이다 광학 장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 모터에 의해 회전하는 레이저 모듈을 구성하여, 360도 회전하면서 레이저를 송수신 가능하도록 하는 라이다 광학 장치 및 이의 스캐닝 방법에 관한 것이다.

최근 들어, 자동차 또는 이동형 로봇 등에서 주변의 지형 또는 물체를 감지하기 위하여 레이저(laser) 레이더 장치인 라이다(LIDAR: LIght Detection And Ranging)가 많이 사용되고 있다.

이러한 라이다는, 펄스 레이저 광을 대기 중에 발사하고 대기 중의 반사체 또는 산란체로부터의 반사광을 이용하여 거리, 물체 또는 대기현상 등을 측정하는 장치로서 반사광의 시간을 클럭 펄스로 계산하며 통상 그 진동수 30㎒로 5m, 150㎒로 1m의 분해능을 가진다.

이와 같이 라이다는 주변 영역으로 레이저 광을 조사하고 주변 물체 또는 지형에 반사되어 되돌아오는 반사광의 시간과 강도 등을 이용함으로써, 측정 대상물의 거리와 속도, 형상을 측정하거나 주변의 물체나 지형을 정밀하게 스캔한다.

이러한 라이다는 로봇 및 무인자동차의 전방 장애물 검출용 센서, 속도측정용 레이더 건, 항공 지오-맵핑장치, 3차원 지상조사, 수중 스캐닝 등 다양한 분야에서도 널리 적용되고 있다.

그런데, 기존의 라이다는 화각에 상응하게 빔 폭이 넓은 레이저를 방출하고 화각 내의 모든 방향으로부터 동시에 반사광을 획득하여 반사체와의 거리를 획득하기 때문에, 출력이 매우 높은 레이저 모듈을 필요로 하며, 따라서 매우 가격이 비싸다는 문제점이 있다. 또한, 출력이 높은 레이저 모듈은 크기가 크고, 라이다 장치의 전체적인 크기를 키우는 요인으로 작용하게 된다.

또한, 종래의 스캐닝 라이다의 경우, 레이저의 반사, 굴절각을 산란시키기 위해 반사 미러(Mirror)의 각도를 변경할 필요가 있다. 이러한 구조에 의해 종래의 스캐닝 라이다는 특정 관심영역에 대한 집중 스캔 성능이 좋지 않고, 다양한 레이저 패턴의 조사가 불가하며, 다수의 레이저 발광부 및 수광부의 사용으로 제조비용이 고가화되고, 구조가 복잡한 단점이 있다.

특히, 전방향 스캔(Panoramic Scanning) 기능을 구비한 라이다 장치 대부분은 송신 광학계와 수신 광학계를 포함하여 장치 전체가 회전 동작하도록 구성된다. 그런데 장치 전체를 회전시키게 되는 경우 장치 크기는 더욱 커지게 되는데, 이는 미관상으로도 좋지 않을 뿐만 아니라, 가격 및 소비전력 상승의 문제를 더욱 심화시키게 된다.

그러므로 상대적으로 복잡도가 낮은 구동 제어 장치와 알고리즘을 사용하여 효율을 향상시킬 수 있으며, 장치를 단순화하려는 라이다 광학 장치가 요구된다.

상술한 종래의 기술로서는 대한민국 등록특허공보 10-1977315(2019.05.20.)호에서 라이다 장치가 개시되어 있다.

상기 종래의 기술은 레이저를 출사하는 레이저 출력부; 그 내부에 관통홀이 형성되는 다면 기둥 형상을 가지고, 회전축을 따라 회전하며 상기 레이저 출력부로부터 출사된 레이저를 대상체를 향해 반사하는 회전 다면 미러; 상기 레이저 출력부로부터 발생하는 열의 방열에 이용되며 상기 관통홀을 통과하는 기류를 생성하되, 상기 회전 다면 미러에 설치되는 쿨링팬; 및 상기 쿨링팬에 회전력을 제공하는 구동부를 포함하고, 상기 쿨링팬은 상기 제공되는 회전력으로 회전하되, 상기 회전 다면 미러와 결합되어, 상기 회전 다면 미러의 회전축을 따라 상기 회전 다면 미러와 일체로 회전하는 라이다 장치를 제공하고 있다.

한편, 라이다 장치에서 사용 목적에 따라 혹은 거리에 따라 타겟 스캐닝 해상도를 달리하여 보다 효과적으로 스캐닝하는 등의 진보된 기능을 가진 장치가 요구되고 있다.

본 발명은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 하부에 위치하는 모터의 고정자의 회전 자기장에 의하여 회전하는 모터 회전자에 360도 회전하는 레이저 모듈을 구성하여 라이다 장치의 성능을 향상시키면서 그 구조와 구동을 단순화할 수 있는 있는 라이다 광학 장치를 제공하는데 있다.

본 발명의 다른 목적은 회전하는 회전체와 고정체 간의 무접점 방식으로 동력을 전달할 수 있고, 광통신 송수신 방식으로 데이터를 전송할 수 있는 라이다 광학 장치 및 이의 스캐닝 방법을 제공하는데 있다.

본 발명의 또 다른 목적은 레이저 수신부의 수신 채널을 이중화하고 렌즈 또는 수신부의 수신각도를 상이하게 적용하여, 특정 영역의 분해능을 증가시켜 탐지해상도를 증가시키는 구조를 갖는 라이다 광학 장치 및 이의 스캐닝 방법을 제공하하는데 있다.

상기 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일실시예에 따른 라이다 광학 장치는 레이저 광을 발신 및 수신하여 타겟을 스캐닝하는 라이다 광학 장치로서, 일정 높이의 원형 기둥 형상을 갖는 본체하우징, 상기 본체하우징의 측면을 따라 일정 면적으로 360˚ 형성되어 레이저 광의 투과를 용이하게 하고 본체하우징을 보호하기 위한 광투과성 부재로 이루어진 윈도우, 상기 본체하우징의 내부에서 고정되어 동작하는 고정체와 회전하며 동작하는 회전체로 이루어지되, 상기 고정체는 상기 본체하우징의 내부 하측에 고정되어 전원 및 데이터 처리를 위한 고정기판과 상기 고정기판의 상부 둘레를 따라 형성되어 회전 자기장을 생성하는 고정체 페라이트 코어가 구비되는 모터 고정자를 포함하여 이루어지고, 상기 회전체는 상기 모터 고정자의 회전 자기장에 의하여 회전 동력을 생성하는 회전체 페라이트 코어를 구비하는 모터 회전자, 상기 모터 회전자와의 결합에 의하여 회전하며 상기 고정기판과 연동하는 회전기판 및 상기 회전기판의 상측에서 레이저 광의 송수신을 위한 레이저 모듈이 구비되는 것을 특징으로 한다.

상기 레이저 모듈은 레이저 광을 발신하는 레이저 송신부와 레이저 광을 수신하는 레이저 수신부로 이루어지되, 상기 레이저 송신부는 상기 회전기판의 일측에 배치되고, 상기 레이저 수신부는 상기 레이저 송신부를 가운데로 하고 양 옆으로 제1 수신부 및 제2 수신부가 서로 이격되어 구성될 수 있다.

상기 레이저 수신부는 상기 제1 수신부 및 제2 수신부에 결합되어 구비되는 렌즈의 수신각도를 각각 상이하도록 적용하여 수신채널의 분해능을 증가시켜 탐지해상도를 증가시키는 것을 특징으로 한다.

본 발명에서는 상기 제1 수신부의 렌즈 수신각도보다 상기 제2 수신부의 렌즈 수신각도를 좁게 설정하여, 상기 제2 수신부의 렌즈 수신각도에서 레이저 수신 영역의 중첩부(Overlap portion)가 형성되도록 구성할 수 있다.

상기 레이저 수신부는 상기 제1 수신부 및 제2 수신부에 결합되는 렌즈의 수신각도는 각각 동일하도록 구성하되, 상기 제1 수신부 및 제2 수신부를 서로 다른 경사각으로 기울여(Angle tilting) 배치하여 레이저 수신 영역의 중첩부(Overlap portion)가 형성되도록 구성할 수 있다.

상기 제1 레이저 수신부는 상방 24도로 기울여지고, 상기 제2 레이저 수신부는 하방 24도로 기울여져, 중간 부분에서 레이저 수신 영역의 중첩부(Overlap portion)가 형성되도록 구성할 수 있다.

상기 레이저 수신부의 수광 센서는 PIN(Positive-Intrinsic-Negative) 포토다이오드, 애벌런치 포토다이오드(APD, Avalanche photodiode) 또는 실리콘 광전자 증배기(SiPM, Silicon photomultiplier) 중의 어느 하나인 특징이 있다.

상기 수광 센서는 TO(Transistor Outline) CAN 패키지, SMD 패키지 또는 마이크로셀(Micro cell) 어레이(Array) 형태 중의 어느 하나의 타입으로 구성되는 특징이 있다.

상기 레이저 모듈은 상기 회전기판의 일측과 반대되는 타측으로 동일한 레이저 모듈을 이중으로 배치하여 회전하는 것을 특징으로 할 수 있다.

본 발명에서는 상기 고정체의 고정기판에 고정되어 있는 아우터코일과 상기 회전체의 회전기판에서 회전하는 이너코일에 의한 유도전류의 발생으로 상기 고정체에서 회전체로 무접점 방식으로 전원을 공급하는 것을 특징으로 할 수 있다.

또한, 본 발명에서는 상기 고정체의 고정기판과 상기 회전체의 회전기판과의 연동을 위한 데이터 송수신을 위하여, 상기 고정체의 고정기판과 상기 회전체의 회전기판간에 광통신 송수신 수단 또는 저전력 무선 통신 수단중의 어느 하나가 구비되는 특징이 있다.

상기 광통신 송수신 수단은 상기 고정기판의 중앙부와 일치하는 상기 회전기판의 중앙부에 서로 마주보게 정렬되는 적외선(Infrared Rays; IR) 송수신 센서를 장착하여 무선통신 IrDA(Infrared Data Association) 방식으로 이루어지는 것을 특징으로 할 수 있다.

상기 저전력 무선 통신 수단은 상기 고정체의 고정기판과 상기 회전체의 회전기판의 특정 위치에 구비되는 블루투스 송수신 모듈, 지그비 송수신모듈 중의 어느 하나를 이용하는 무선 전파(RF) 방식을 이용하는 것을 특징으로 할 수 있다.

상기 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명의 다른 일실시예에 따른 라이다 광학 장치를 이용한 스캐닝 방법은, 본체하우징에 결합하여 360도 회전하는 회전기판 상에 설치된 레이저 송신부 및 레이저 수신부를 구비하는 라이다 광학 장치의 스캐닝 방법으로서, 상기 레이저 수신부에 포함된 제1 수신부를 통해 상기 본체하우징의 상하 방향의 제1 수신 영역에서 스캐닝하고, 상기 레이저 수신부에 포함된 제2 수신부를 통해 상기 상하 방향의 제2 수신 영역에서 스캐닝하고, 상기 제1 수신 영역과 상기 제2 수신 영역의 중첩 영역에서 다른 영역에 비해 상대적으로 높은 해상도의 이미지를 생성한다. 여기서, 상기 제1 수신 영역과 상기 제2 수신 영역은 그 일부가 서로 중첩되거나 하나가 다른 하나를 포함하는 것을 특징으로 한다.

일실시예에서, 상기 레이저 수신부는 하나 이상의 제3 수신부를 더 포함한다. 이 경우, 라이다 광학 장치는 상기 중첩 영역에 포함된 수신 영역을 가진 수신부들의 개수가 증가에 따라 상대적으로 높아지거나 혹은 다단계적으로 높아지는 해상도의 이미지를 생성할 수 있다.

또한, 일실시예에서 라이다 광학 장치는 상기 레이저 수신부는 하나 이상의 제3 수신부를 더 포함할 때 서로 이격된 복수의 중첩 영역의 해상도가 나머지 주변의 수신 영역의 해상도보다 상대적으로 높은 이미지를 생성하는 것을 특징으로 할 수 있다.

전술한 라이다 광학 장치에 의하면, 회전하는 회전체에 다양한 레이저 모듈을 적용하여 수신효율을 향상시키고, 하나 이상의 수신 채널을 적용하여 다양한 스캔 영역을 확보하거나, 레이저 광의 효과적인 스캔 정밀도를 도출해 낼 수 있는 효과가 있다.

또한, 본 발명은 고정체와 회전체에 의해 회전하는 모터 구성의 원리를 적용함으로서 라이다 장치를 단순화하고, 상대적으로 복잡도가 낮은 구동 제어 알고리즘을 사용할 수 있고 그에 의해 효율을 향상시킬 수 있는 장점이 있다.

또한, 본 발명은 레이저 수신부의 채널을 이중화하고 렌즈 또는 수신부의 수신각도를 상이하도록 적용하여, 특정부위의 분해능을 증가시켜 탐지해상도를 증가 시키며, 노이즈 및 오차를 제거하는 효과가 있다.

도 1은 본 발명에 따른 라이다 광학 장치의 외관의 형상을 보여주는 사시도이고,
도 2는 본 발명에 따른 라이다 광학 장치의 내부 구성을 보여주는 사시도이며,
도 3은 본 발명에 따른 라이다 광학 장치의 단면도이다.
도 4a는 본 발명의 일실시예에 따른 제1 수신부의 렌즈 수신각도를 예시하는 예시도이고,
도 4b는 본 발명의 일실시예에 따른 제2 수신부의 렌즈 수신각도를 예시하는 예시도이다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 상기 도4a 및 도 4b로 이루어진 렌즈 수신각도에 따른 레이저 수신 영역을 보여주는 예시도이다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 레이저 수신부의 서로 다른 기울기에 따른 레이저 수신 영역을 보여주는 예시도이다.

본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 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 가장 바람직한 일 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 본 발명의 바람직한 실시예들을 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.

도 1은 본 발명에 따른 라이다 광학 장치의 외관의 형상을 보여주는 사시도이다. 도시와 같이 본 발명의 라이다 광학 장치는, 일정 높이의 원형 기둥 형상을 갖는 본체하우징(100)과 상기 본체하우징(100)의 측면을 따라 일정 면적으로 360˚ 형성되는 윈도우(110)을 구비한다.

상기 윈도우(110)는 라이다 광학 장치의 내외부로 레이저 광 투과를 용이하게 하고 상기 본체하우징(100)을 보호하기 위한 광투과성 부재로 이루어질 수 있다.

도 2는 본 발명에 따른 라이다 광학 장치의 내부 구성을 보여주는 사시도이며, 도 3은 본 발명에 따른 라이다 광학 장치의 단면도이다.

이에 본 발명의 라이다 광학 장치는 상기 본체하우징(100)의 내부에서 고정되어 동작하는 고정체(200)과 회전하면서 동작되는 회전체(300)로 이루어진다.

기계기구 적으로 상기 회전체(300)는 모터 등의 회전구동유닛에 의해 회전하는 부분을 지칭하고, 고정체(200)는 상기 회전체(300)와 마주하며 이격 배치되는 부분을 지칭한다.

이에 상기 고정체(200)은 상기 본체하우징(100)과 함께 결합되어 고정되어 있는 구성 장치로서, 고정기판(Main PCB)(210)과 모터 고정자(220)을 포함하여 이루어진다.

상기 고정기판(210)은 상기 본체하우징(100)의 내부 하측에 고정되어 상기 회전체(300)와 연동하며 외부 전원을 공급받아 상기 회전체(300)로 전달하며, 상기 회전체(300)에서의 레이저 스캐닝 데이터를 수신하여 처리하는 기능을 수행한다.

그 경우, 상기 고정기판(210)은 레이저 모듈(400)의 레이저 광 발신 타이밍과 설정된 타이밍을 동기화하는 제어 신호를 회전기판(310)에 전송하는 기능을 수행할 수 있다.

이때 상기 고정기판(210)에는 고정체(200)과 회전체(300)의 기능을 제어하는 제어유닛이 포함될 수 있다. 이에 상기 제어유닛은 회전체(300)의 회전을 위한 온오프 동작과 회전 속도를 제어하거나, 수신된 레이저 스캐닝 데이터를 외부의 장치에 전달하도록 구현될 수 있다.

이러한 제어유닛은 논리회로, 프로그래밍 로직 컨트롤러, 마이컴, 마이크로프로세서 등에서 선택되는 적어도 어느 하나의 장치로 구현될 수 있고, 통신모듈을 구비하거나 통신모듈에 결합할 수 있다. 통신모듈은 인트라넷, 인터넷, 차량 네트워크 등으로 통해 외부 장치와 통신하며, 레이저 스캐닝을 통해 감지한 목표물 또는 공간상의 거리 등과 관련된 신호 혹은 데이터를 외부 장치에 전송할 수 있다.

상기 모터 고정자(220)는 상기 고정기판의 상측에서 모터 회전자(320)에 회전 자기장을 생성하는 고정 모듈로서, 고정자 프레임(Frame), 고정체 페라이트 코어(Core) 및 고정자 권선(Coil)을 포함하여 고정기판(210)의 둘레를 따라 형성될 수 있다.

그리고 상기 회전체(300)는 상기 모터 고정자(220)의 회전 자기장에 의하여 회전하는 모터 회전자(320), 상기 모터 회전자(320)와의 결합에 의하여 회전하며 상기 고정기판(210)과 연동하는 회전기판(310) 및 상기 회전기판(310)의 상측에서 레이저 광의 송수신을 위한 레이저 모듈(400)을 구비하여 이루어진다.

상기 모터 회전자(320)는 상기 모터 고정자(220)의 안측으로 형성되고, 회전체 페라이트 코어 및 회전자 권선을 포함하여 상기 모터 고정자(220)의 회전 자기장의 발생에 따른 모터의 회전 원리에 의하여 회전되는 모듈이다.

이에 따라 상기 모터 회전자(320)에는 모터 고정자(220)의 내측 링공간에 삽입되어 구비되는 권선틀 및 이 권선틀의 외측으로 권선되는 코일을 각각 구비하는 페라이트 코어를 사용할 수 있다. 즉 상기 모터 회전자(320)는 내부 관통홀이 형성된 회전체 페라이트 코어, 페라이트 코어 내측 링공간에 권선틀이 구비되어 코일이 권선될 수 있는 구조를 취하게 된다.

상기 페라이트 코어란 페라이트로 만들어진 자기 철심으로서, 투자율이 높고 전도성이 낮은 특성을 이용하여 변압기나 유도자의 심 등으로 사용되는 강자성 소자이다. 본 실시예에서는 내측에 중공홀 또는 관통홀과 같은 공간이 형성되는 링구조의 원통형으로 내부에는 코일이 권선되어 내측 링공간에 삽입될 수 있도록 형성된 페라이트 코어를 사용한다

본 발명에서 설명의 편의상 페라이트 코어를 회전체 페라이트 코어와 고정체 페라이트 코어로 구분하여 사용될 수 있으며, 회전체 페라이트 코어와 고정체 페라이트 코어는 서로 대칭되는 구조를 갖는다. 이에 따라 코일 권선량 및 회전체 페라이트 코어와 고정체 페라이트 코어의 이격거리에 따라 전자기 유도량의 성능이 좌우될 수 있다. 일례로 코일에 감은 권선량이 증가하고 이격거리가 근접될수록 전자기 유도에 따른 수율이 올라갈 수 있다.

상기 모터 회전자(320)에는 회전체(300)의 하중을 지지하고 회전체(300)의 회전을 가능하게 하는 지지구조 및 베어링 구조 또는 이와 유사한 기구 수단이 형성됨으로서 회전체(300)가 원활히 회전되도록 이루어진다.

즉 본 발명의 상기 모터 고정자(220)와 모터 회전자(320)는 스테이터(Stator)와 로터(Rotor)의 모터 구조가 적용된 것으로서, 모터의 전자기 유도에 의하여 레이저 모듈(400)과 함께 회전하는 회전체를 구현하도록 형성되는 것임을 알 수 있다.

상기 회전기판(310)은 상기 모터 회전자(320)에 결합되어지고 상측에는 레이저 광의 송수신을 위한 레이저 모듈(400)이 배치되고, 레이저 모듈(400)에 구비되는 레이저 광을 발신하는 레이저 송신부(410)와 레이저 광을 수신하는 레이저 수신부(420)의 구동 회로를 포함하는 회로 보드(PCB)이다.

이때 상기 회전기판(310)은 상기 고정기판(210)의 유도전류에 의한 전류를 공급받으며, 상기 고정기판(210)과 연동하여 제어유닛에 의한 레이저 광 발신 및 수신 제어 신호에 따라 동작이 제어되고, 레이저 수신부(420)에서 수신된 레이저 광의 수신 신호를 고정기판(210)으로 전달하는 수단을 포함하여 이루어진다.

이에 본 발명에 있어서 고정체(200)와 회전하는 회전체(300)간의 동력 전달을 위하여 무접점 동력 전달 방식(Non Contact Power Supply)을 사용한다.

이러한 동력 전달 방식은 상기 고정체의 고정기판(210)에 고정되어 있는 아우터코일(Outer Coil)과 상기 회전체(300)의 회전기판(310)에서 회전하는 이너코일(Inner Coil)에 의한 유도전류의 발생으로 상기 고정체(200)에서 회전체(300)로 전원을 공급하는 방식이 적용될 수 있다. 무접점 동력 전달 방식으로 공급된 전원은 레이저 모듈(400)의 동력으로 사용할 수 있도록 구성된다. 이에 상기 고정체(200)는 외부 전력을 공급받는 장치를 포함할 수 있다.

또한, 본 발명에 있어서 고정체(200)와 회전하는 회전체(300)간의 연동을 위한 데이터 송수신을 하기 위하여, 상기 고정체의 고정기판(210)과 상기 회전체의 회전기판(310)간에 광통신 송수신 수단 또는 저전력 무선 통신 수단중의 어느 하나가 구비될 수 있다.

상기 광통신 송수신 수단은 광을 이용한 데이터 전송 수단으로서, 상기 고정기판(210)의 중앙부와 일치하는 상기 회전기판(310)의 중앙부에 중공부가 구비되며, 이에 상기 중공부에서 서로 마주보게 정렬되도록 적외선(Infrared Rays; IR) 송수신 센서를 장착하고 무선통신 IrDA(Infrared Data Association) 방식의 데이터 송수신을 수행할 수 있다도록 하는 것이다.

또한, 상기 저전력 무선 통신 수단은 무선 전파(RF) 방식을 이용한 전송 수단으로서, 상기 고정체의 고정기판(210)과 상기 회전체의 회전기판(310) 상호간에 특정 위치에 블루투스 방식 또는 지그비 방식중의 어느 하나를 이용하는 송수신 모듈을 이루어질 수 있다.

본 발명의 상기 레이저 모듈(400)은 도 3에서와 같이 레이저 광을 발신하는 레이저 송신부(410)와 레이저 광을 수신하는 레이저 수신부(420)로 이루어지되, 상기 레이저 송신부(410)는 상기 회전기판(310)의 일측에 배치되고, 상기 레이저 수신부(420)는 상기 레이저 송신부(410)를 가운데로 하고 양 옆으로 제1 수신부(420a) 및 제2 수신부(420b)가 서로 이격되게 배치되어, 전체적으로는 한 쌍을 이루는 것을 특징으로 한다.

상기 레이저 송신부(410)는 레이저 광을 발신하기 위한 수단을 포함하는 구성으로서, 파동의 공간적 퍼짐이 균일하고, 위상이 규칙성을 가지고 있는 레이저 광을 출력하는 적어도 하나 이상의 레이저 다이오드(Laser Diode)와 상기 레이저 다이오드의 일정 거리 선단에서 레이저 광을 투과 발산하는 광학렌즈 및 상기 광학렌즈를 지지하고 레이저 광의 외부 유출을 방지하기 위한 렌즈 케이스를 포함하여 모듈화되어 구비된다.

또한, 레이저 수신부(420)의 제1 수신부(420a) 및 제2 수신부(420b)는 레이저 광의 수신 효율을 높이고 수신 채널을 다양화하기 위하여 다양한 실시예로 적용되는 포토다이오드와 상기 포토다이오드의 일정 거리 선단에서 레이저 광을 투과 집광하는 광학렌즈 및 상기 광학렌즈를 지지하고 레이저 광의 외부 유출을 방지하기 위한 렌즈 케이스를 포함하여 모듈화되어 구비된다.

이때 렌즈 케이스는 레이저 송신부(410) 및 레이저 수신부(420)에서 수발신되는 레이저 광이 외부로 새어나가지 않도록 하며 외부 노이즈를 방지하도록 렌즈를 격납하는 경통의 역할 및 렌즈를 고정하고 지지하는 역할을 하게 된다.

레이저 수신부(420)는 하나의 셀(Cell) 방식의 포토다이오드 또는 다수의 어레이 셀로 이루어진 수광 센서 중의 어느 하나를 사용하는 실시예로 구현될 수 있다.

레이저 수신부(420)의 수광 센서는 일정 지름을 갖는 TO(Transistor Outline) 캡 타입의 캔(CAN) 패키지로 이루어진 하나의 포토 셀에 의하여 레이저 광이 수신되는 구조, 또는 기판 실장형(SMD)의 타입으로 이루어진 복수의 포토다이오드를 적용한 것으로서 복수의 포토 셀에 의하여 레이저 광이 수신되는 구조, 또는 복수의 포토다이오드를 마이크로셀(Micro cell) 어레이(Array) 형태로 구성하여 레이저 광이 수신되는 구조 중의 어느 하나의 타입을 적용하는 패키지로 이루어 질 수 있다.

레이저 수신부(420)의 수광 센서는 PIN(Positive-Intrinsic-Negative) 포토다이오드, 고감도 애벌런치 포토다이오드(APD, Avalanche photodiode) 중의 어느 하나를 사용하여 구현할 수 있으며, SiPM(Silicon photomultiplier)으로 지칭 되는 실리콘 광전자 증배기로서, 실리콘 기판 상에 애벌랜치 포토다이오드로 구현된 SPAD(Single-photon Avalanche Diode)에 기초한 고체 단일 광자 감지 센서를 사용하여 어레이로 형성된 구조를 구현할 수 있다.

이에 본 발명에 따른 실시예에서는 상기 레이저 수신부(420)의 수신채널의 탐지해상도를 증가시키기 위하여, 제1 수신부(420a) 및 제2 수신부(420b)의 수신 채널을 이중화하고 렌즈 또는 수신부 의 수신각도를 상이하도록 적용함으로서, 특정부위의 분해능을 향상시키고자 한다.

도 4a는 본 발명의 일실시예에 따른 제1 수신부의 렌즈 수신각도를 예시하는 예시도이고, 도 4b는 제2 수신부의 렌즈 수신각도를 예시하는 예시도이며, 도 5는 도4a 및 도 4b로 이루어진 렌즈 수신각도에 따른 레이저 수신 영역을 보여주는 예시도이다.

도면에서 각 수신부의 수광 센서는 16 어레이로 구성된 고감도 애벌런치 포토다이오드가 구성되어 있으나, 이는 일예를 표시하는 것으로 이에 한정하지는 않는다.

도 4a에 도시한 바와 가이 제1 수신부(420a)의 렌즈는 레이저 광의 집광 수신각도를 24도로 조절할 수 있다. 그리고 도 4b에 도시한 바와 같이 제2 수신부(420b)의 렌즈에 의한 레이저 광의 집광 수신각도를 8도로 조절하고 이를 레이저 모듈(400)에 결합하여 구성할 수 있다.

이를 통하여 도 5에 도시한 바와 같이 제1 수신부(420a)의 렌즈 광각과 제2 수신부(420b)의 렌즈 광각이 서로 중첩되는 레이저 수신 영역의 중첩 영역(Overlap portion)이 형성될 수 있으며, 이에 따라 상기 중첩 영역에서는 목표물에 대한 분해능(resolution)은 더욱 세밀해질 수 있게 된다. 여기서, 중첩 영역은 제1 수신부의 수신 영역(A1)에 완전히 포함되는 제2 수신부의 수신 영역(A2)에 대응될 수 있다.

도 6은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 제1 수신부와 제2 수신부의 레이저 수신 영역을 보여주는 예시도이다.

도 6을 참조하면, 본 실시예에서는 제1 수신부(420a) 및 제2 수신부(420b)에 결합되는 평면 배열형 렌즈 어레이의 중심부와 직교하는 직선을 기준으로 렌즈의 수신 각도를 서로 다르게 형성한다. 즉, 제1 수신부(420a) 및 제2 수신부(420b)를 서로 다른 경사각으로 기울여(Angle tilting) 배치하며, 이를 통해 레이저 수신 영역에 중첩부(Overlap portion)가 형성되도록 구성된다.

예를 들면, 제1 수신부(420a)의 수광 영역(A1)은 상방 24도로 기울어진 각도로 형성되고, 제2 수신부(420b)의 수광 영역(A2)은 하방 24도로 기울어진 각도로 형성되도록 제1 수신부(420a)와 제2 수신부(420b)의 중심부와 직교하는 직선이 서로 10도의 경사각(A0)을 갖고 교차되도록 구성될 수 있다. 그 경우, 전체 수신 영역(A4)은 34도의 수광각을 갖도록 형성되고, 레이저 수신 영역의 중간 부분에서 상하 14도 영역의 중첩영역(Overlap portion, A3)이 형성되는 것을 확인할 수 있다.

수신부의 중첩 영역에서는 목표물이 이중으로 스캔되어 목표물에 대한 분해능(resolution)을 더욱 세밀하게 형성할 수 있게 된다.

그리고 전체 수신 영역(A4)은 중첩 영역(A3)의 상하 방향에서 중첩 영역(A3)를 샌드위치 형태로 둘러싸도록 배치되나, 본 발명은 그러한 형태로 한정되지 않고, 중첩 영역(A3)에 포함되지 않는 전체 수신 영역의 나머지 영역(A4a, A4b)이 상하 방향에서 중첩 영역(A3)의 어느 한쪽에만 남는 형태를 포함할 수 있다.

또 한편으로, 본 발명의 다른 실시예에서는 레이저 모듈(400)을 회전기판의 일측에 구분되게 배치하고, 이와 반대되는 타측으로 동일한 구성의 레이저 모듈(400)을 추가로 배치함으로써 레이저 광의 다채널 구성을 가능하게 할 수 있다.

그 경우, 이중 구조의 레이저 모듈(400)을 회전기판에 배치하고 상술한 레이저 수신부에서 렌즈의 수신각도를 조절하거나 수광 센서를 서로 다른 경사각으로 배치 혹은 조절함으로써 레이저 광의 다채널 구성을 원활히 구현할 수 있으며, 이에 따른 레이저 광의 특정 영역에서 분해능을 증가시켜 탐지해상도를 증가시키는 라이다 광학 장치를 구현할 수 있게 된다.

전술한 실시예들에 의하면, 본체하우징에 결합하여 360도 회전하는 회전기판 상에 설치된 레이저 송신부 및 레이저 수신부를 구비하는 라이다 광학 장치에서, 레이저 수신부에 포함된 제1 수신부의 제1 수신 영역의 상하 방향의 제1 기울기와 레이저 수신부에 포함된 제2 수신부의 제2 수신 영역의 상하 방향의 제2 기울기를 서로 다르게 형성하고, 그에 의해 제1 수신 영역과 제2 수신 영역의 중첩 영역이 나머지 영역보다 높은 해상도를 갖도록 할 수 있다.

또한, 본 발명에 의하면, 레이저 수신부에 하나 이상의 제3 수신부를 더 형성함으로써, 중첩 영역을 수신부들의 개수가 단계적으로 증가하는 다단계의 해상도를 가진 중첩 영역으로 형성할 수 있다. 예를 들면, 원통형 몸체하우징을 구비하고 360도 회전하며 주변 환경이나 타겟을 스캐닝하는 라이다의 경우, 원통형 측면에 형성된 고리형 밴드 형태의 윈도우 상에 링 형태의 중심부로부터 상하 방향으로 해상도가 단계적으로 낮아지는 3단계 이상의 해상도를 갖는 라이다 광학 장치를 제공하는 것이 가능하다.

또한, 본 발명에 의하면, 레이저 수신부에 하나 이상의 제3 수신부를 더 형성함으로써, 복수의 중첩 영역을 형성하여 나머지 다른 수신 영역보다 상대적으로 해상도가 높은 수신 영역들(중첩 영역들)을 형성하는 것이 가능하다. 예를 들면, 제1 수신부가 상하 방향에서 상방에 제1 수신 영역을 가지고, 제2 수신부가 상항 방향에서 하방에 제2 수신 영역을 가지면서 제1 수신 영역과 중첩되는 영역을 갖지 않고, 제3 수신부가 제1 수신 영역과 제2 수신 영역 각각에 대하여 중첩 영역을 가질 때, 두 중첩 영역은 나머지 다른 영역에 비해 높은 해상도를 가질 수 있다.

복수의 제3 수신부는 회전기판 상에 레이저 송신부를 기준으로 360도 방사형으로 배치될 수 있다.

이와 같이, 모든 수신부의 수신 영역들이 모두 중첩되는 중첩 영역은 최고 해상도를 가질 수 있고, 복수의 중첩 영역들을 가지는 경우, 복수의 중첩 영역들 각각의 해상도는 다른 수신 영역과 중첩되지 않은 단일 수신 영역의 해상도보다 높게 된다. 이러한 구성에 의하면, 라이다를 통해 스캐닝하고자 하는 스캐닝 범위가 하나인지, 2개인지 등에 따라 집중적인 중첩 영역을 형성하거나, 병렬적인 중첩 영역을 형성할 수 있고, 그에 의해 사용 목적이나 용도에 따라 특정 높이나 특정 형태로 소정의 스캐닝 각도나 스캐닝 범위에서 상대적으로 높은 부분 해상도를 가진 라이다 광학 장치를 효과적으로 제공할 수 있다.

상술한 바와 같은 본 발명은 전술한 실시예 외에 다양한 변형이 가능함은 당연하다. 본 발명의 라이다 장치는 일반적으로 차량에 적용될 수 있으나, 본 발명은 이에 한정하지 않는다. 즉, 본 발명에 따른 라이다 광학 장치는 차량뿐만 아니라 로봇, 선박, 헬기, 드론 등 이동이 가능한 이동 장치에 적용이 가능하고, 아울러 건물, 기둥, 탑 등의 이동이 제한된 고정 장치에도 제한 없이 적용될 수 있다.

상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

100: 본체하우징 110: 윈도우
200: 고정체 210: 고정기판
220: 모터 고정자 300: 회전체
310: 회전기판 320: 모터 회전자
400: 레이저 모듈 410: 레이저 송신부
420: 레이저 수신부 420a:제1 수신부
420b: 제2 수신부

Claims (15)

1. 레이저 광을 발신 및 수신하는 라이다 광학 장치에 있어서,
   일정 높이의 원형 기둥 형상을 갖는 본체하우징,
   상기 본체하우징의 측면을 따라 일정 면적으로 360˚ 형성되어 레이저 광의 투과를 용이하게 하고 본체하우징을 보호하기 위한 광투과성 부재로 이루어진 윈도우,
   상기 본체하우징의 내부에서 고정되어 동작하는 고정체와 회전하며 동작하는 회전체로 이루어지되,
   상기 고정체는
   상기 본체하우징의 내부 하측에 고정되어 전원 및 데이터 처리를 위한 고정기판과 상기 고정기판의 상부 둘레를 따라 형성되어 회전 자기장을 생성하는 고정체 페라이트 코어가 구비되는 모터 고정자를 포함하여 이루어지고,
   상기 회전체는
   상기 모터 고정자의 회전 자기장에 의하여 회전 동력을 생성하는 회전체 페라이트 코어를 구비하는 모터 회전자, 상기 모터 회전자와의 결합에 의하여 회전하며 상기 고정기판과 연동하는 회전기판 및 상기 회전기판의 상측에서 레이저 광의 송수신을 위한 레이저 모듈이 구비되는 것을 특징으로 하는 라이다 광학 장치.
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 레이저 모듈은 레이저 광을 발신하는 레이저 다이오드(LD)를 포함하는 레이저 송신부와 레이저 광을 수신하는 수광 센서(Photo Diode)를 포함하는 레이저 수신부로 이루어지되,
   상기 레이저 송신부는 상기 회전기판의 일측에 배치되고, 상기 레이저 수신부는 하나의 상기 레이저 송신부를 가운데로 하고 양 옆으로 제1 수신부 및 제2 수신부가 서로 이격되어 구성되는 것을 특징으로 하는 라이다 광학 장치.
3. 청구항 2에 있어서,
   상기 레이저 수신부는
   상기 제1 수신부 및 제2 수신부에 결합되어 구비되는 렌즈의 수신각도를 각각 상이하도록 적용하여 수신채널의 분해능을 증가시켜 탐지해상도를 증가시키는 것을 특징으로 하는 라이다 광학 장치.
4. 청구항 3에 있어서,
   상기 제1 수신부의 렌즈 수신각도보다 상기 제2 수신부의 렌즈 수신각도를 좁게 설정하여, 상기 제2 수신부의 렌즈 수신각도에서 레이저 수신 영역의 중첩 영역(Overlap portion)이 형성되도록 구성하는 것을 특징으로 하는 라이다 광학 장치.
5. 청구항 2에 있어서,
   상기 레이저 수신부는
   상기 제1 수신부 및 제2 수신부에 결합되는 렌즈의 수신각도는 각각 동일하도록 구성하되, 상기 제1 수신부 및 제2 수신부를 서로 다른 경사각으로 기울여(Angle tilting) 배치하여 레이저 수신 영역의 중첩영역(Overlap portion)이 형성되도록 구성하는 것을 특징으로 하는 라이다 광학 장치.
6. 청구항 5에 있어서,
   상기 제1 수신부는 상방 24도로 기울여지고, 상기 제2 수신부는 하방 24도로 기울여져, 중간 부분에서 레이저 수신 영역의 중첩부(Overlap portion)가 형성되도록 구성하는 것을 특징으로 하는 라이다 광학 장치.
7. 청구항 2에 있어서,
   상기 레이저 수신부의 수광 센서는 PIN 포토다이오드, 애벌런치 포토다이오드(APD, Avalanche photodiode) 또는 실리콘 광전자 증배기(SiPM, Silicon photomultiplier) 중의 어느 하나인 것을 특징으로 하는 라이다 광학 장치.
8. 청구항 7에 있어서,
   상기 수광 센서는 TO(Transistor Outline) CAN 패키지, SMD 패키지 또는 마이크로셀(Micro cell) 어레이(Array) 형태 중의 어느 하나의 타입으로 구성되는 것을 특징으로 하는 라이다 광학 장치.
9. 청구항 1에 있어서,
   상기 레이저 모듈은 상기 회전기판의 일측과 반대되는 타측으로 동일한 레이저 모듈을 이중으로 배치하여 회전하는 것을 특징으로 하는 라이다 광학 장치.
10. 청구항 1에 있어서,
    상기 고정체의 고정기판에 고정되어 있는 아우터코일과 상기 회전체의 회전기판에서 회전하는 이너코일에 의한 유도전류의 발생으로 상기 고정체에서 상기 회전체로 무접점 방식으로 전원을 공급하는 것을 특징으로 하는 라이다 광학 장치.
11. 청구항 1에 있어서,
    상기 고정체의 고정기판과 상기 회전체의 회전기판과의 연동을 위한 데이터 송수신을 위하여, 상기 고정체의 고정기판과 상기 회전체의 회전기판간에 광통신 송수신 수단 또는 저전력 무선 통신 수단중의 어느 하나가 구비되는 것을 특징으로 하는 라이다 광학 장치.
12. 청구항 11에 있어서,
    상기 광통신 송수신 수단은 상기 고정기판의 중앙부와 일치하는 상기 회전기판의 중앙부에 서로 마주보게 정렬되는 적외선(Infrared Rays; IR) 송수신 센서를 장착하여 무선통신 IrDA(Infrared Data Association) 방식으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 라이다 광학 장치.
13. 청구항 11에 있어서,
    상기 저전력 무선 통신 수단은 상기 고정체의 고정기판과 상기 회전체의 회전기판의 특정 위치에 구비되는 블루투스 송수신 모듈, 지그비 송수신모듈 중의 어느 하나를 이용하는 무선 전파(RF) 방식을 이용하는 것을 특징으로 하는 라이다 광학 장치.
14. 본체하우징에 결합하여 360도 회전하는 회전기판 상에 설치된 레이저 송신부 및 레이저 수신부를 구비하는 라이다 광학 장치의 스캐닝 방법으로서,
    상기 레이저 수신부에 포함된 제1 수신부를 통해 상기 본체하우징의 상하 방향의 제1 수신 영역에서 스캐닝하고, 상기 레이저 수신부에 포함된 제2 수신부를 통해 상기 상하 방향의 제2 수신 영역에서 스캐닝하고, 상기 제1 수신 영역과 상기 제2 수신 영역의 중첩 영역에서 다른 영역에 비해 상대적으로 높은 해상도의 이미지를 생성하며,
    상기 제1 수신 영역과 상기 제2 수신 영역은 그 일부가 서로 중첩되거나 하나가 다른 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 라이다 광학 장치의 스캐닝 방법.
15. 청구항 14에 있어서,
    상기 레이저 수신부는 하나 이상의 제3 수신부를 더 포함하고,
    상기 제1 수신부, 상기 제2 수신부 및 상기 제3 수신부의 수신 영역들에 의해 형성되는 중첩 영역은 모든 수신 영역들이 중첩되는 가장 높은 해상도의 중첩 영역을 포함하거나, 복수의 중첩 영역들을 포함하고, 여기서 상기 복수의 중첩 영역들 각각의 해상도는 다른 수신 영역과 중첩되지 않은 단일 수신 영역의 해상도보다 높은 것을 특징으로 하는 라이다 광학 장치의 스캐닝 방법.

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