KR101964971B1 - 라이다 장치 - Google Patents

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KR101964971B1
KR101964971B1 KR1020180126278A KR20180126278A KR101964971B1 KR 101964971 B1 KR101964971 B1 KR 101964971B1 KR 1020180126278 A KR1020180126278 A KR 1020180126278A KR 20180126278 A KR20180126278 A KR 20180126278A KR 101964971 B1 KR101964971 B1 KR 101964971B1
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장준환
김동규
황성의
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Abstract

본 발명은 라이다 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 레이저를 이용하여 거리를 측정하는 라이다 장치에 관한 것이다. 본 발명에 따른 라이다 장치는, 레이저를 출사하는 레이저 출력부, 상기 레이저 출력부에서 출사된 레이저를 조사하며, 스캔 패턴을 생성하는 스캐닝부, 상기 라이다 장치의 스캔 가능 영역인 스캔영역에 포함된 대상체에서 반사된 레이저를 감지하는 센서부를 포함하되, 상기 라이다 장치에서 조사되는 레이저의 방향은 수평 방향 성분 및 수직 방향 성분을 포함하며,상기 스캔 패턴은 시간에 따라 변경되는 상기 레이저의 조사되는 방향의 반복적인 형태를 나타낸 것이고, 상기 스캔 패턴은 수평 방향 패턴인 수평 패턴 및 수직 방향 패턴인 수직 패턴 포함하며, 상기 수평 패턴 및 상기 수직 패턴은 각각 최대값, 최소값 및 반복적으로 시야각을 형성하는 주기를 포함하고, 상기 수평 패턴은 상기 수평 패턴의 주기 내에서 시간에 따라 상기 수평 방향 성분이 증가하는 형태이며,상기 수직 패턴은 상기 수직 패턴 주기 내에서 시간에 따라 상기 수직 방향 성분이 감소 및 증가하는 형태이고, 상기 수평 패턴 주기는 상기 수직 패턴 주기보다 긴 라이다 장치.

Description

라이다 장치 {A LIDAR DEVICE}
본 발명은 레이저를 이용하여 대상체의 거리 정보를 획득하는 라이다 장치에 관한 것이다. 보다 자세하게는, 본 발명은 스캔영역을 향해 레이저를 조사하고 상기 스캔영역상에 존재하는 대상체로부터 반사되는 레이저를 감지하여, 거리 정보를 획득하는 라이다 장치에 관한 것이다.
라이다 장치(LiDAR: Light Detecting And Ranging)는 레이저를 이용하여 대상체와의 거리를 탐지하는 장치이다. 또한 라이다 장치는 레이저를 이용한 포인트 클라우드(Point cloud)를 생성하여 주변에 존재하는 사물에 대한 위치정보를 획득할 수 있는 장치이다. 또한, 라이다 장치를 이용한 기상관측, 3차원 맵핑(3D mapping), 자율주행차량, 자율주행드론 및 무인 로봇 센서 등에 대한 연구 역시 활발히 진행되고 있다.
종래의 라이다 장치는 라이다 장치 자체를 기계적으로 회전시키거나, 확산렌즈를 이용하여 스캔영역을 확장해왔다. 그러나 라이다 장치 자체를 기계적으로 회전시키는 경우 다수의 레이저에서 발생하는 열적인 문제나, 기계적 회전에 따라 안정성, 내구성 등에 문제가 있었다. 또한 확산렌즈를 이용하여 스캔영역을 확장시키는 라이다 장치의 경우, 레이저의 확산으로 인해 측정 거리가 줄어드는 문제가 있었다.
최근에는 이러한 문제를 해결하기 위하여 라이다 장치 자체의 기계적 회전을 통하지 않고 스캔영역을 확장할 수 있으며, 라이다 장치의 성능을 향상시키기 위한 연구가 계속되고 있다.
일 실시예에 따른 해결하고자 하는 과제는 단일 채널의 레이저 만으로도 원하는 스캔영역을 갖는 라이다 장치에 관한 것이다.
또 다른 일 실시예에 따른 해결하고자 하는 과제는 레이저를 확산시키지 않고도 최소한의 전력으로 더 먼거리에 위치하는 대상체를 감지하기 위한 라이다 장치에 관한 것이다.
또 다른 일 실시예에 따른 해결하고자 하는 과제는 수광되는 레이저의 양을 증가시켜 최소한의 전력으로 더 먼거리에 위치하는 대상체를 감지하기 위한 라이다 장치에 관한 것이다.
또 다른 일 실시예에 따른 해결하고자 하는 과제는 다양한 스캔패턴을 생성하는 라이다 장치에 관한 것이다.
일 실시예에 따른 라이다 장치는 레이저를 출사하는 레이저 출력부, 상기 레이저 출력부에서 출사된 레이저를 조사하며, 스캔 패턴을 생성하는 스캐닝부, 상기 라이다 장치의 스캔 가능 영역인 스캔영역에 포함된 대상체에서 반사된 레이저를 감지하는 센서부를 포함하되, 상기 라이다 장치에서 조사되는 레이저의 방향은 수평 방향 성분 및 수직 방향 성분을 포함하며, 상기 스캔 패턴은 시간에 따라 변경되는 상기 레이저의 조사되는 방향의 반복적인 형태를 나타낸 것이고, 상기 스캔 패턴은 수평 방향 패턴인 수평 패턴 및 수직 방향 패턴인 수직 패턴 포함하며, 상기 수평 패턴 및 상기 수직 패턴은 각각 최대값, 최소값 및 반복적으로 시야각을 형성하는 주기를 포함하고, 상기 수평 패턴은 상기 수평 패턴의 주기 내에서 시간에 따라 상기 수평 방향 성분이 증가하는 형태이며, 상기 수직 패턴은 상기 수직 패턴 주기 내에서 시간에 따라 상기 수직 방향 성분이 감소 및 증가하는 형태이고, 상기 수평 패턴 주기는 상기 수직 패턴 주기보다 길 수 있다.
다른 일 실시예에 따른 라이다 장치는 레이저를 출사하는 레이저 출력부, 상기 레이저 출력부에서 출사된 레이저를 조사하며, 스캔 패턴을 생성하는 스캐닝부, 상기 라이다 장치의 스캔 가능 영역인 스캔영역에 포함된 대상체에서 반사된 레이저를 감지하는 센서부를 포함하되, 상기 라이다 장치에서 조사되는 레이저의 방향은 수평 방향 성분 및 수직 방향 성분을 포함하며, 상기 스캔 패턴은 시간에 따라 변경되는 상기 레이저의 조사되는 방향의 반복적인 형태를 나타낸 것이고, 상기 스캔 패턴은 수평 방향 패턴인 수평 패턴 및 수직 방향 패턴인 수직 패턴 포함하며, 상기 수평 패턴 및 상기 수직 패턴은 각각 최대값, 최소값 및 반복적으로 시야각을 형성하는 주기를 포함하고, 상기 수평 패턴은 상기 수평 패턴의 주기 내에서 시간에 따라 상기 수평 방향 성분이 증가하는 형태이며, 상기 수직 패턴은 상기 수직 패턴 주기 내에서 시간에 따라 상기 수직 방향 성분이 감소 및 증가하는 형태이고, 상기 수직 패턴 주기는 상기 수평 패턴 주기보다 길 수 있다.
또 다른 일 실시예에 따른 라이다 장치는 레이저를 출사하는 레이저 출력부, 상기 레이저 출력부에서 출사된 레이저를 획득하여 상기 레이저의 이동경로를 지속적으로 변경시킴으로써 조사영역을 선 형태로 확장시키는 제1 스캐닝부, 상기 제1 스캐닝부에서 조사된 조사영역이 선 형태인 레이저를 획득하여 이동경로를 지속적으로 변경시킴으로써 조사영역을 면 형태로 확장시키는 제2 스캐닝부 및 스캔영역상에 위치하는 대상체에서 반사된 레이저를 감지하는 센서부를 포함하되, 상기 제1 스캐닝부는 기 설정된 각도 범위에서 노딩하며, 상기 레이저 광의 이동경로를 수직방향으로 변경시킴으로써 조사영역을 수직방향의 선 형태로 확장시키는 노딩미러를 포함하며, 상기 제2 스캐닝부는 수직방향으로 설정된 일 축을 기준으로 회전함에 따라 상기 조사영역이 수직방향의 선 형태인 레이저의 이동경로를 수평방향으로 변경시킴으로써 조사영역을 면 형태로 확장시키는 회전 다면 미러를 포함하고 상기 노딩미러의 노딩속도는 상기 회전 다면 미러의 회전속도 보다 빠를 수 있다.
본 발명의 과제의 해결 수단이 상술한 해결 수단들로 제한되는 것은 아니며, 언급되지 아니한 해결 수단들은 본 명세서 및 첨부된 도면으로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
일 실시예에 따른 라이다 장치는 회전 다면 미러를 스캔영역을 확장하기 위해 이용함으로써 단일 채널의 레이저만으로도 스캔영역을 확장시킬 수 있다.
또한 다른 일 실시예에 따른 라이다 장치는 레이저의 이동방향을 변경시켜 스캔영역을 확장시킴으로 인하여 최소한의 전력으로 더 먼거리에 위치하는 대상체를 감지할 수 있다.
또한 다른 일 실시예에 따른 라이다 장치는 회전 다면 미러를 수광을 하기 위해 이용함으로써 수광되는 레이저의 양을 증가시켜 최소한의 전력으로 더 먼거리에 위치하는 대상체를 감지할 수 있다.
또한 다른 일 실시예에 따른 라이다 장치는 다양한 스캔 패턴을 생성하여 상황에 따른 스캔 속도 및 해상도를 변화시킬 수 있다.
도 1은 일 실시예에 따른 라이다 장치를 나타낸 블록도이다.
도 2는 일 실시예에 따른 라이다 장치에서 스캐닝부의 기능을 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 다른 일 실시예에 따른 라이다 장치를 나타낸 블록도이다.
도 4는 일 실시예에 따른 라이다 장치에 관한 도면이다.
도 5는 일 실시예에 따른 라이다 장치 및 라이다 장치에서 조사되는 레이저의 방향을 나타내기 위한 도면이다.
도 6은 일 실시예에 따른 라이다 장치의 스캔 패턴을 그래프로 도시한 도면이다.
도 7은 일 실시예에 라이다 장치의 스캔 패턴을 각 성분 및 시간에 따라 그래프로 도시한 도면이다.
도 8은 다른 일 실시예에 라이다 장치의 스캔 패턴을 각 성분 및 시간에 따라 그래프로 도시한 도면이다.
도 9는 또 다른 일 실시예에 라이다 장치의 스캔 패턴을 각 성분 및 시간에 따라 그래프로 도시한 도면이다.
도 10은 또 다른 일 실시예에 따른 라이다 장치의 스캔 패턴을 각 성분 및 시간에 따라 그래프로 도시한 도면이다.
도 11은 또 다른 일 실시예에 따른 라이다 장치의 스캔 패턴을 1프레임 시간 동안 그래프로 도시한 도면이다.
도 12는 또 다른 일 실시예에 따른 라이다 장치의 스캔 패턴을 각 성분 및 시간에 따라 그래프로 도시한 도면이다.
도 13은 또 다른 일 실시예에 따른 라이다 장치의 스캔 패턴을 1프레임 시간 동안 그래프로 도시한 도면이다.
도 14는 또 다른 일 실시예에 따른 라이다 장치의 스캔 패턴을 각 성분 및 시간에 따라 그래프로 도시한 도면
도 15는 또 다른 일 실시예에 따른 라이다 장치의 스캔패턴을 각 성분 및 시간에 따라 그래프로 도시한 도면이다.
도 16은 또 다른 일 실시예에 따른 라이다 장치의 스캔 패턴을 그래프로 나타낸 도면이다.
도 17은 또 다른 일 실시예에 따른 라이다 장치의 스캔 패턴을 각 성분 및 시간에 따라 그래프로 도시한 도면이다.
도 18은 또 다른 일 실시예에 따른 라이다 장치의 스캔 패턴을 각 성분 및 시간에 따라 그래프로 도시한 도면이다.
도 19는 또 다른 일 실시예에 따른 라이다 장치의 스캔 패턴을 그래프로 도시한 도면이다.
도 20은 일 실시예에 따른 라이다 장치의 회전 다면 미러에 관한 도면이다.
본 명세서에 기재된 실시예는 본 발명이 속하는 기술 분양에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명의 사상을 명확히 설명하기 위한 것이므로, 본 발명이 본 명세서에 기재된 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 범위는 본 발명의 사상을 벗어나지 아니하는 수정예 또는 변형예를 포함하는 것으로 해석되어야 한다.
본 명세서에서 사용되는 용어는 본 발명에서의 기능을 고려하여 가능한 현재 널리 사용되고 있는 일반적인 용어를 선택하였으나 이는 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자의 의도, 판례 또는 새로운 기술의 출현 등에 따라 달라질 수 있다. 다만, 이와 달리 특정한 용어를 임의의 의미로 정의하여 사용하는 경우에는 그 용어의 의미에 관하여 별도로 기재할 것이다. 따라서 본 명세서에서 사용되는 용어는 단순한 용어의 명칭이 아닌 그 용어가 가진 실질적인 의미와 본 명세서의 전반에 걸친 내용을 토대로 해석되어야 한다.
본 명세서에 첨부된 도면은 본 발명을 용이하게 설명하기 위한 것으로 도면에 도시된 형상은 본 발명의 이해를 돕기 위하여 필요에 따라 과장되어 표시된 것일 수 있으므로 본 발명이 도면에 의해 한정되는 것은 아니다.
본 명세서에서 본 발명에 관련된 공지의 구성 도는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에 이에 관한 자세한 설명은 필요에 따라 생략하기로 한다.
일 실시예에 따르면, 레이저를 이용하여 거리를 측정하는 라이다 장치로서, 레이저를 출사하는 레이저 출력부, 상기 레이저 출력부에서 출사된 레이저를 조사하며, 스캔 패턴을 생성하는 스캐닝부, 상기 라이다 장치의 스캔 가능 영역인 스캔영역에 포함된 대상체에서 반사된 레이저를 감지하는 센서부;를 포함하되, 상기 라이다 장치에서 조사되는 레이저의 방향은 수평 방향 성분 및 수직 방향 성분을 포함하며, 상기 스캔 패턴은 시간에 따라 변경되는 상기 레이저의 조사되는 방향의 반복적인 형태를 나타낸 것이고, 상기 스캔 패턴은 수평 방향 패턴인 수평 패턴 및 수직 방향 패턴인 수직 패턴 포함하며, 상기 수평 패턴 및 상기 수직 패턴은 각각 최대값, 최소값 및 반복적으로 시야각을 형성하는 주기를 포함하고, 상기 수평 패턴은 상기 수평 패턴의 주기 내에서 시간에 따라 상기 수평 방향 성분이 증가하는 형태이며, 상기 수직 패턴은 상기 수직 패턴 주기 내에서 시간에 따라 상기 수직 방향 성분이 감소 및 증가하는 형태이고, 상기 수평 패턴 주기는 상기 수직 패턴 주기보다 긴 라이다 장치가 제공될 수 있다.
여기서, 상기 수평 패턴은 상기 수평 방향 성분이 최대값 및 최소값의 중간값을 가질 때 상기 수평 방향 성분의 시간에 따른 변화 속도가 상기 수평 방향 성분이 최대값 또는 최소값을 가질 때 상기 수평 방향 성분의 시간에 따른 변화 속도 보다 느린 형태를 가질 수 있다.
여기서, 상기 수직 패턴은 상기 수직 방향 성분이 시간에 따라 정현파 모양으로 변화하는(Sinusoidal) 형태를 가질 수 있다.
여기서, 상기 수평 패턴 주기는 제1 수평 패턴 주기 및 제2 수평 패턴 주기를 포함하며, 상기 수직 패턴은 상기 제1 수평 패턴 주기동안 생성되는 제1 수직 패턴 및 상기 제2 수평 패턴 주기동안 생성되는 제2 수직 패턴을 포함하고, 상기 제1 수직 패턴의 최대값 및 최소값의 차이는 상기 제2 수직 패턴의 최대값 및 최소값의 차이보다 클 수 있다.
여기서, 상기 수평 패턴 주기는 제1 수평 패턴 주기 및 제2 수평 패턴 주기를 포함하며, 상기 수직 패턴은 상기 제1 수평 패턴 주기 동안 생성되는 제1 수직 패턴 및 상기 제2 수평 패턴 주기동안 생성되는 제2 수직 패턴을 포함하고,
상기 제1 수직 패턴의 중간 값은 상기 제2 수직 패턴의 중간값 보다 큰 것을 특징으로 할 수 있다.
다른 일 실시예에 따르면, 레이저를 이용하여 거리를 측정하는 라이다 장치로서, 레이저를 출사하는 레이저 출력부, 상기 레이저 출력부에서 출사된 레이저를 조사하며, 스캔 패턴을 생성하는 스캐닝부, 상기 라이다 장치의 스캔 가능 영역인 스캔영역에 포함된 대상체에서 반사된 레이저를 감지하는 센서부를 포함하되, 상기 라이다 장치에서 조사되는 레이저의 방향은 수평 방향 성분 및 수직 방향 성분을 포함하며, 상기 스캔 패턴은 시간에 따라 변경되는 상기 레이저의 조사되는 방향의 반복적인 형태를 나타낸 것이고, 상기 스캔 패턴은 수평 방향 패턴인 수평 패턴 및 수직 방향 패턴인 수직 패턴 포함하며, 상기 수평 패턴 및 상기 수직 패턴은 각각 최대값, 최소값 및 반복적으로 시야각을 형성하는 주기를 포함하고, 상기 수평 패턴은 상기 수평 패턴의 주기 내에서 시간에 따라 상기 수평 방향 성분이 증가하는 형태이며, 상기 수직 패턴은 상기 수직 패턴 주기 내에서 시간에 따라 상기 수직 방향 성분이 감소 및 증가하는 형태이고, 상기 수직 패턴 주기는 상기 수평 패턴 주기보다 긴 라이다 장치가 제공될 수 있다.
여기서, 상기 수평 패턴은 상기 수평 방향 성분이 최대값 및 최소값의 중간값을 가질 때 상기 수평 방향 성분의 시간에 따른 변화 속도가 상기 수평 방향 성분이 최대값 또는 최소값을 가질 때 상기 수평 방향 성분의 시간에 따른 변화 속도 보다 느린 형태를 갖는 것을 특징으로 할 수 있다.
여기서, 상기 수직 패턴은 상기 수직 방향 성분이 시간에 따라 정현파 모양으로 변화하는(Sinusoidal) 형태를 갖는 것을 특징으로 할 수 있다.
또 다른 일 실시예에 따르면, 레이저를 이용하여 거리를 측정하는 라이다 장치로서, 레이저를 출사하는 레이저 출력부, 상기 레이저 출력부에서 출사된 레이저를 획득하여 상기 레이저의 이동경로를 지속적으로 변경시킴으로써 조사영역을 선 형태로 확장시키는 제1 스캐닝부, 상기 제1 스캐닝부에서 조사된 조사영역이 선 형태인 레이저를 획득하여 이동경로를 지속적으로 변경시킴으로써 조사영역을 면 형태로 확장시키는 제2 스캐닝부 및 스캔영역상에 위치하는 대상체에서 반사된 레이저를 감지하는 센서부 를 포함하되, 상기 제1 스캐닝부는 기 설정된 각도 범위에서 노딩하며, 상기 레이저 광의 이동경로를 수직방향으로 변경시킴으로써 조사영역을 수직방향의 선 형태로 확장시키는 노딩미러를 포함하며, 상기 제2 스캐닝부는 수직방향으로 설정된 일 축을 기준으로 회전함에 따라 상기 조사영역이 수직방향의 선 형태인 레이저의 이동경로를 수평방향으로 변경시킴으로써 조사영역을 면 형태로 확장시키는 회전 다면 미러를 포함하고 상기 노딩미러의 노딩속도는 상기 회전 다면 미러의 회전속도 보다 빠른 라이다 장치가 제공될 수 있다.
여기서, 상기 노딩 미러의 각도는 정현파 모양으로 변화하는 (Sinusoidal) 것을 특징으로 할 수 있다.
여기서, 상기 회전 다면 미러는 상기 노딩미러에서 조사된 레이저를 반사시키기 위한 N개의 반사면을 포함하며, 상기 노딩 미러의 임의의 시점의 기 설정된 각도는 상기 회전 다면 미러가 360/N도 회전한 후 시점의 상기 노딩 미러의 기 설정된 각도와 상이할 수 있다.
여기서, 상기 회전 다면 미러는 상기 노딩미러에서 조사된 레이저를 반사시키기 위한 복수개의 반사면을 포함하며, 상기 회전 다면 미러의 복수개의 반사면은 상기 회전 다면 미러의 회전 축을 기준으로 상이한 각도를 가질 수 있다.
여기서, 상기 레이저 출력부는 상기 노딩미러의 노딩 각도가 최대일 경우, 레이저를 출력하지 않는 것을 특징으로 할 수 있다.
1. 라이다 장치 및 용어정리
라이다 장치는 레이저를 이용하여 대상체의 거리 및 위치를 탐지하기 위한 장치이다. 예를 들어 라이다 장치와 대상체와의 거리 및 라이다 장치를 기준으로 한 대상체의 위치는 (R,
Figure 112018104287881-pat00001
,
Figure 112018104287881-pat00002
)로 나타낼 수 있다. 또한, 이에 한정되는 것은 아니며, 예를 들어, 라이다 장치와 대상체와의 거리 및 라이다 장치를 기준으로 한 대상체의 위치는 직교좌표계 (X,Y,Z), 원통좌표계 (R,
Figure 112018104287881-pat00003
,z) 등으로 나타낼 수 있다.
또한 라이다 장치는 대상체와의 거리(R)를 결정하기 위하여, 대상체로부터 반사된 레이저를 이용할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 라이다 장치는 대상체와의 거리(R)를 결정하기 위해 출사된 레이저와 감지된 레이저의 시간차이인 비행시간(TOF: Time Of Flight)을 이용할 수 있다. 예를 들어, 라이다 장치는 레이저를 출력하는 레이저 출력부와 반사된 레이저를 감지하는 센서부를 포함할 수 있다. 라이다 장치는 레이저 출력부에서 레이저가 출력된 시간을 확인하고, 대상체로부터 반사된 레이저를 센서부에서 감지한 시간을 확인하여, 출사된 시간과 감지된 시간의 차이에 기초하여 대상체와의 거리를 판단할 수 있다.
또한 일 실시예에 따르면, 라이다 장치는 대상체와의 거리(R)를 결정하기 위해 감지된 레이저의 감지 위치를 기초로 삼각측량법을 이용할 수 있다. 예를 들어, 레이저 출력부에서 출사된 레이저가 상대적으로 가까운 대상체로부터 반사되는 경우 상기 반사된 레이저는 센서부 중 레이저 출력부와 상대적으로 먼 지점에서 감지될 수 있다. 또한, 레이저 출력부에서 출사된 레이저가 상대적으로 먼 대상체로부터 반사되는 경우 상기 반사된 레이저는 센서부 중 레이저 출력부와 상대적으로 가까운 지점에서 감지될 수 있다. 이에 따라, 라이다 장치는 레이저의 감지 위치의 차이를 기초로 대상체와의 거리를 판단할 수 있다.
또한 일 실시예에 따르면, 라이다 장치는 대상체와의 거리(R)를 결정하기 위해 감지된 레이저의 위상변화(Phase shift)를 이용할 수 있다. 예를 들어 라이다 장치는 레이저 출력부에서 출사된 레이저를 AM(Amplitude Modulation)시켜 진폭에 대한 위상을 감지하고, 스캔영역상에 존재하는 대상체로부터 반사된 레이저의 진폭에 대한 위상을 감지하여 출사된 레이저와 감지된 레이저의 위상 차이에 기초하여 스캔영역상에 존재하는 대상체와의 거리를 판단할 수 있다.
또한 일 실시예에 따르면, 라이다 장치는 조사되는 레이저의 각도를 이용하여 대상체의 위치를 결정할 수 있다. 예를 들어, 라이다 장치에서 라이다 장치의 스캔영역을 향해 조사된 하나의 레이저의 조사 각도(
Figure 112018104287881-pat00004
,
Figure 112018104287881-pat00005
)를 알 수 있는 경우, 상기 스캔영역상에 존재하는 대상체로부터 반사된 레이저가 센서부에서 감지된다면, 라이다 장치는 조사된 레이저의 조사 각도(
Figure 112018104287881-pat00006
,
Figure 112018104287881-pat00007
)로 상기 대상체의 위치를 결정할 수 있다.
또한, 일 실시예에 따르면, 라이다 장치는 수광되는 레이저의 각도를 이용하여 대상체의 위치를 결정할 수 있다. 예를 들어, 제1 대상체와 제2 대상체가 라이다 장치로부터 같은 거리(R)에 있으나, 라이다 장치를 기준으로 서로 다른 위치(
Figure 112018104287881-pat00008
,
Figure 112018104287881-pat00009
)에 있는 경우, 제1 대상체에서 반사된 레이저와 제2 대상체에서 반사된 레이저는 센서부의 서로 다른 지점에서 감지될 수 있다. 라이다 장치는 반사된 레이저들이 센서부에서 감지된 지점을 기초로 대상체의 위치를 결정할 수 있다.
또한 일 실시예에 따르면, 라이다 장치는 주변의 임의의 대상체의 위치를 탐지하기 위해 대상체를 포함하는 스캔영역을 가질 수 있다. 여기서 스캔영역은 탐지 가능한 영역을 한 화면으로 표현한 것으로 1프레임동안 한 화면을 형성하는 점, 선, 면의 집합을 의미할 수 있다. 또한 스캔영역은 라이다 장치에서 조사된 레이저의 조사영역을 의미할 수 있으며, 조사영역은 1프레임 동안 조사된 레이저가 같은 거리(R)에 있는 구면과 만나는 점, 선, 면의 집합을 의미 할 수 있다. 또한 시야각(FOV, Field of view)은 탐지 가능한 영역(Field)을 의미하며, 라이다 장치를 원점으로 보았을 때 스캔영역이 가지는 각도 범위로 정의 될 수 있다.
2. 라이다 장치의 구성
이하에서는 일 실시예에 따른 라이다 장치의 각 구성요소들에 대하여 상세하게 설명한다.
2.1 라이다 장치의 구성요소
도 1은 일 실시예에 따른 라이다 장치를 나타내는 도면이다.
도 1을 참조하면, 일 실시예에 따른 라이다 장치(100)는 레이저 출력부(110), 스캐닝부(120), 센서부(130) 및 제어부(140)를 포함할 수 있다. 그러나, 전술한 구성에 국한되지 않고, 상기 라이다 장치(100)는 상기 구성보다 많거나 적은 구성을 갖는 장치일 수 있다. 예를 들어, 상기 라이다 장치는 상기 스캐닝부 없이 상기 레이저 출력부, 상기 센서부 및 상기 제어부만으로 구성될 수 있다.
또한, 라이다 장치(100)에 포함된 레이저 출력부(110), 스캐닝부(120), 센서부(130) 및 제어부(140) 각각은 복수개로 구성될 수 있다. 예를 들어, 상기 라이다 장치는 복수 개의 레이저 출력부, 복수 개의 스캐닝부, 복수 개의 센서부로 구성 될 수 있다. 물론, 단일 레이저 출력부, 복수 개의 스캐닝부, 단일 센서부로 구성 될 수도 있다.
라이다 장치(100)에 포함된 레이저 출력부(110), 스캐닝부(120), 센서부(130) 및 제어부(140) 각각은 복수개의 하위 구성요소를 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 라이다 장치는 복수 개의 레이저 출력 소자가 하나의 어레이로 레이저 출력부를 구성할 수 있다.
2.1.1 레이저 출력부
상기 레이저 출력부(110)는 레이저를 출사할 수 있다. 상기 라이다 장치(100)는 상기 출사된 레이저를 이용하여 대상체까지의 거리를 측정할 수 있다.
또한, 상기 레이저 출력부(110)는 하나 이상의 레이저 출력 소자를 포함할 수 있다. 일 실시예에서, 상기 레이저 출력부(110)는 단일 레이저 출력 소자를 포함할 수 있으며, 복수 개의 레이저 출력소자를 포함할 수 있다. 또한 복수 개의 레이저 출력 소자를 포함하는 경우 상기 복수 개의 레이저 출력 소자가 하나의 어레이를 구성할 수 있다.
또한, 상기 레이저 출력부(110)는 905nm대역의 레이저를 출사시킬 수 있으며, 1550nm대역의 레이저를 출사시킬 수 있다. 또한 상기 레이저 출력부(110)는 800nm에서 1000nm사이 파장의 레이저를 출사시킬 수 있는 등 출사된 레이저의 파장은 다양한 범위에 걸쳐있을 수도 있으며, 특정 범위에 있을 수도 있다.
또한, 상기 레이저 출력부(110)의 레이저 출력소자가 복수개인 경우 각 레이저 출력소자는 같은 파장대역의 레이저를 출사시킬 수 있으며, 서로 다른 파장대역의 레이저를 출사시킬 수 있다. 예를 들어, 2개의 레이저 출력소자를 포함하는 레이저 출력부의 경우, 하나의 레이저 출력소자는 905nm대역의 레이저를 출사시킬 수 있으며, 다른 하나의 레이저 출력소자는 1550nm대역의 레이저를 출사시킬 수 있다.
또한 상기 레이저 출력 소자는 레이저 다이오드(Laser Diode:LD), Solid-state laser, high power laser, Light entitling diode(LED), 빅셀(Vertical cavity Surface emitting Laser : VCSEL), External cavity diode laser(ECDL) 등을 포함할 수 있으나, 이에 한정되지 않는다.
2.1.2 스캐닝부
스캐닝부(120)는 상기 레이저 출력부(110)에서 출사된 레이저의 조사방향 및/또는 크기를 변경할 수 있다. 예를 들어, 상기 스캐닝부(120)는 출사된 레이저의 이동방향을 변경하여 레이저의 조사방향을 변경시킬 수 있으며, 출사된 레이저를 발산시키거나 위상을 변화시켜 레이저의 크기를 변경시키거나 조사방향을 변경시킬 수도 있고, 레이저를 발산시키고 레이저의 이동방향을 변경시켜 레이저의 조사 방향 및 크기를 변경시킬 수도 있다.
또한 상기 스캐닝부(120)는 상기 레이저 출력부(110)에서 조사되는 레이저의 조사방향 및/또는 크기를 변경시킴으로써 상기 라이다 장치(100)의 스캔영역을 확장시키거나 스캔방향을 변경시킬 수 있다.
또한 상기 스캐닝부(120)는 출사된 레이저의 이동방향을 변경시키기 위해 고정된 각도로 레이저의 이동방향을 변경하는 고정미러, 기 설정된 각도 범위에서 노딩(nodding)하며 지속적으로 레이저의 이동방향을 변경하는 노딩미러 및 일 축을 기준으로 회전하며 지속적으로 레이저의 이동방향을 변경하는 회전미러를 포함할 수 있으나 이에 한정되지 않는다.
또한 상기 스캐닝부(120)는 출사된 레이저를 발산시키기 위하여 렌즈, 프리즘, 액체 렌즈(Microfluidie lens), Liquid Crystal 등을 포함할 수 있으나 이에 한정되지 않는다.
또한 상기 스캐닝부(120)는 출사된 레이저의 위상을 변화시키고 이를 통하여 조사 방향을 변경하기 위하여 OPA(Optical phased array)등을 포함할 수 있으나 이에 한정되지 않는다.
또한 상기 노딩미러는 출사된 레이저의 이동방향을 지속적으로 변경시켜, 레이저의 조사영역을 확장 또는 변경시키는 것으로 기 설정된 각도 범위에서 노딩할 수 있다. 여기서 노딩은 하나 또는 다수의 축을 기준으로 회전하며, 일정 각도 범위 내에서 왕복운동을 하는 것을 지칭할 수 있다. 또한 상기 노딩미러는 공진스캐너(Resonance scanner), MEMs mirror, VCM(Voice Coil Motor)등이 될 수 있으나, 이에 한정되지 않는다.
또한 상기 회전미러는 출사된 레이저의 이동방향을 지속적으로 변경시켜, 레이저의 조사영역을 확장 또는 변경시키는 것으로, 일 축을 기준으로 회전할 수 있다. 또한 상기 회전미러는 단면미러가 축을 기준으로 회전하는 것일 수 있으며, 원뿔형 미러가 축을 기준으로 회전하는 것일 수도 있고, 다면 미러가 축을 기준으로 회전하는 것일 수도 있으나, 이에 한정되지 않고, 축을 기준으로 각도범위 제한 없이 회전하는 미러일 수 있다.
또한 상기 스캐닝부(120)는 단일한 스캐닝부로 구성될 수도 있고, 복수개의 스캐닝부로 구성될 수도 있다. 또한 상기 스캐닝부는 하나 또는 둘 이상의 광학요소를 포함 할 수 있으며, 그 구성에 제한이 없다.
2.1.3 센서부
센서부(130)는 라이다 장치(100)의 스캔영역 상에 위치하는 대상체에서 반사된 레이저를 감지할 수 있다.
또한, 상기 센서부(130)는 하나 이상의 센서 소자를 포함할 수 있다. 일 실시예에서, 상기 센서부(130)는 단일 센서소자를 포함할 수 있으며, 복수 개의 센서 소자로 구성된 센서 어레이를 포함할 수도 있다. 예를 들어, 상기 센서부(130)는 하나의 APD(Avalanche Photodiode)를 포함할 수 있으며, 복수 개의 SPAD(Single-photon avalanche diode)이 어레이로 구성된 SiPM(Silicon PhotoMultipliers)를 포함할 수도 있다. 또한 복수개의 APD를 단일 채널로 구성할 수 있으며, 복수개의 채널로 구성할 수도 있다.
또한 상기 센서 소자는 PN 포토다이오드, 포토트랜지스터, PIN 포토다이오드, APD, SPAD, SiPM, CCD(Charge-Coupled Device)등을 포함할 수 있으나, 이에 한정되지 않는다.
2.1.4 제어부
제어부(140)는 감지된 레이저에 기초하여 상기 라이다 장치로부터 스캔영역 상에 위치하는 대상체까지의 거리를 판단할 수 있다. 또한, 상기 제어부(140)는 상기 레이저 출력부(110), 상기 스캐닝부(120), 상기 센서부(130) 등 상기 라이다 장치의 각 구성요소의 동작을 제어할 수 있다.
2.2 스캐닝부
이하에서는 상기 스캐닝부(120)에 대해서 보다 더 상세하게 설명한다.
도 2는 일 실시예에 따른 라이다 장치에서 스캐닝부의 기능을 설명하기 위한 도면이다.
도 2를 참조하면, 레이저 출력부(110)에서 출사되는 레이저의 조사영역에 따라 상기 스캐닝부(120)의 기능이 다를 수 있다.
2.2.1 레이저 출력부에서 출사된 레이저의 조사영역이 점 형태인 경우
일 실시예에 따르면, 상기 레이저 출력부(110)가 단일 레이저 출력소자를 갖는 경우 레이저 출력부에서 출사되는 레이저(111)의 조사영역은 점 형태일 수 있다. 이 때, 스캐닝부(120)는 상기 레이저(111)의 조사방향 및 크기를 변경할 수 있으며, 이에 따라 상기 라이다 장치의 스캔영역을 선 형태 또는 면 형태로 확장시킬 수 있다.
또한 상기 스캐닝부(120)는 점 형태의 조사영역을 갖는 상기 레이저(111)의 이동방향을 지속적으로 변경하여 레이저의 조사방향을 변경할 수 있으며, 이에 따라, 라이다 장치의 스캔영역을 면 형태로 확장시킬 수 있다.
또한 상기 스캐닝부(120)는 점 형태의 조사영역을 갖는 상기 레이저(111)를 발산하게 하여 상기 레이저의 크기를 변경할 수 있으며, 이에 따라, 라이다 장치의 스캔영역을 선 또는 면 형태로 확장시킬 수 있다.
또한 상기 스캐닝부(120)는 점 형태의 조사영역을 갖는 상기 레이저(111)의 위상을 변경하여 레이저의 크기 및 조사방향을 변경할 수 있으며, 이에 따라, 라이다 장치의 스캔영역을 선 또는 면 형태로 확장시킬 수 있다.
또한 상기 스캐닝부(120)는 1차적으로 점 형태의 조사영역을 갖는 상기 레이저(111)의 이동방향을 지속적으로 변경하고, 2차적으로 상기 레이저의 이동방향을 앞서 변경한 이동방향과 다른 방향으로 변경하여 상기 레이저의 조사방향을 변경할 수 있으며, 이에 따라 라이다 장치(100)의 스캔영역을 면 형태로 확장 시킬 수 있다.
또한 상기 스캐닝부(120)는 1차적으로 점 형태의 조사영역을 갖는 상기 레이저(111)의 이동방향을 지속적으로 변경하고, 2차적으로 상기 레이저를 발산하게 하여 상기 레이저의 조사방향 및 크기를 변경할 수 있으며, 이에 따라 라이다 장치의 스캔영역을 면 형태로 확장시킬 수 있다.
또한 상기 스캐닝부(120)는 1차적으로 점 형태의 조사영역을 갖는 상기 레이저(111)를 발산시키고, 2차적으로 상기 발산된 레이저의 이동방향을 지속적으로 변경하여 상기 레이저의 조사방향 및 크기를 변경할 수 있으며, 이에 따라 라이다 장치의 스캔영역을 면 형태로 확장 시킬 수 있다.
2.2.2 레이저 출력부에서 출사된 레이저의 조사영역이 선 형태인 경우
다른 일 실시예에 따르면 상기 레이저 출력부(110)가 복수 개의 레이저 출력소자로 구성된 경우 레이저 출력부에서 출사되는 레이저(112)의 조사영역은 선 형태일 수 있다. 여기서 스캐닝부(120)는 상기 레이저(112)의 조사방향 및 크기를 변경할 수 있으며, 이에 따라 상기 라이다 장치의 스캔영역을 면 형태로 확장시킬 수 있다.
이 때, 상기 스캐닝부(120)는 선 형태의 조사영역을 갖는 상기 레이저(112)의 이동방향을 지속적으로 변경하여 상기 레이저의 조사방향을 변경할 수 있으며, 이에 따라 라이다 장치의 스캔영역을 면 형태로 확장시킬 수 있다.
또한 상기 스캐닝부(120)는 선 형태의 조사영역을 갖는 상기 레이저(112)를 발산시켜 상기 레이저의 크기를 변경할 수 있으며, 이에 따라 라이다 장치의 스캔영역을 면 형태로 확장 시킬 수 있다.
또한 상기 스캐닝부(120)는 선 형태의 조사영역을 갖는 상기 레이저(112)의 위상을 변화시켜 상기 레이저의 조사방향 및 크기를 변경할 수 있으며, 이에 따라, 상기 라이다 장치의 스캔영역을 면 형태로 확장시킬 수 있다.
다른 일 실시예에 따르면 상기 레이저 출력부(110)가 일렬로 배열된 어레이로 구성된 레이저 출력소자를 포함하는 경우 레이저 출력부(110)에서 출사되는 레이저(112)의 조사영역은 선 형태일 수 있다. 여기서 스캐닝부(120)는 상기 레이저(112)의 조사방향 및 크기를 변경할 수 있으며, 이에 따라 상기 라이다 장치의 스캔영역을 면 형태로 확장시킬 수 있다.
이 때, 상기 스캐닝부(120)는 선 형태의 조사영역을 갖는 상기 레이저(112)의 이동방향을 지속적으로 변경하여 상기 레이저의 조사방향을 변경할 수 있으며, 이에 따라 라이다 장치의 스캔영역을 면 형태로 확장시킬 수 있다.
또한 상기 스캐닝부(120)는 선 형태의 조사영역을 갖는 상기 레이저(112)를 발산시켜 상기 레이저의 크기를 변경할 수 있으며, 이에 따라 라이다 장치의 스캔영역을 면 형태로 확장 시킬 수 있다.
또한 상기 스캐닝부(120)는 선 형태의 조사영역을 갖는 상기 레이저(112)의 위상을 변화시켜 상기 레이저의 조사방향 및 크기를 변경할 수 있으며, 이에 따라, 상기 라이다 장치의 스캔영역을 면 형태로 확장시킬 수 있다.
2.2.3 레이저 출력부에서 출사된 레이저의 조사영역이 면 형태인 경우
다른 일 실시예에 따르면 상기 레이저 출력부(110)가 복수 개의 레이저 출력소자로 구성된 경우 레이저 출력부(110)에서 출사되는 레이저(113)의 조사영역은 면 형태일 수 있다. 여기서 스캐닝부(120)는 상기 레이저의 조사방향 및 크기를 변경할 수 있으며, 이에 따라 상기 라이다 장치의 스캔영역을 확장시키거나 스캔방향을 변경시킬 수 있다.
이 때, 상기 스캐닝부(120)는 면 형태의 조사영역을 갖는 상기 레이저(113)의 이동방향을 지속적으로 변경하여 상기 레이저의 조사방향을 변경할 수 있으며, 이에 따라 라이다 장치의 스캔영역을 확장시키거나 스캔방향을 변경시킬 수 있다.
또한 상기 스캐닝부(120)는 면 형태의 조사영역을 갖는 상기 레이저(113)를 발산시켜 상기 레이저의 크기를 변경할 수 있으며, 이에 따라 라이다 장치의 스캔영역을 확장시키거나 스캔방향을 변경시킬 수 있다.
또한 상기 스캐닝부(120)는 면 형태의 조사영역을 갖는 상기 레이저(113)의 위상을 변화시켜 상기 레이저의 조사방향 및 크기를 변경할 수 있으며, 이에 따라, 상기 라이다 장치의 스캔영역을 확장시키거나 스캔방향을 변경시킬 수 있다.
다른 일 실시예에 따르면 면 형태의 어레이로 구성된 레이저 출력소자를 포함하는 경우 레이저 출력부(110)에서 출사되는 레이저(113)의 조사영역은 면 형태일 수 있다. 여기서 스캐닝부(120)는 상기 레이저의 조사방향 및 크기를 변경할 수 있으며, 이에 따라 상기 라이다 장치의 스캔영역을 확장시키거나 스캔방향을 변경시킬 수 있다.
이 때, 상기 스캐닝부(120)는 면 형태의 조사영역을 갖는 상기 레이저(113)의 이동방향을 지속적으로 변경하여 상기 레이저의 조사방향을 변경할 수 있으며, 이에 따라 라이다 장치의 스캔영역을 확장시키거나 스캔방향을 변경시킬 수 있다.
또한 상기 스캐닝부(120)는 면 형태의 조사영역을 갖는 상기 레이저(113)를 발산시켜 상기 레이저의 크기를 변경할 수 있으며, 이에 따라 라이다 장치의 스캔영역을 확장시키거나 스캔방향을 변경시킬 수 있다.
또한 상기 스캐닝부(120)는 면 형태의 조사영역을 갖는 상기 레이저(113)의 위상을 변화시켜 상기 레이저의 조사방향 및 크기를 변경할 수 있으며, 이에 따라, 상기 라이다 장치의 스캔영역을 확장시키거나 스캔방향을 변경시킬 수 있다.
이하에서는 상기 레이저 출력부에서 출사되는 레이저의 조사영역이 점 형태인 라이다 장치에 대하여 구체적으로 설명하기로 한다.
2. 라이다 장치의 구성
이하에서는 일 실시예에 따른 라이다 장치의 각 구성요소들에 대하여 상세하게 설명한다.
2.1 라이다 장치의 구성요소
도 1은 일 실시예에 따른 라이다 장치를 나타내는 도면이다.
도 1을 참조하면, 일 실시예에 따른 라이다 장치(100)는 레이저 출력부(110), 스캐닝부(120), 센서부(130) 및 제어부(140)를 포함할 수 있다. 그러나, 전술한 구성에 국한되지 않고, 상기 라이다 장치(100)는 상기 구성보다 많거나 적은 구성을 갖는 장치일 수 있다. 예를 들어, 상기 라이다 장치는 상기 스캐닝부 없이 상기 레이저 출력부, 상기 센서부 및 상기 제어부만으로 구성될 수 있다.
또한, 라이다 장치(100)에 포함된 레이저 출력부(110), 스캐닝부(120), 센서부(130) 및 제어부(140) 각각은 복수개로 구성될 수 있다. 예를 들어, 상기 라이다 장치는 복수 개의 레이저 출력부, 복수 개의 스캐닝부, 복수 개의 센서부로 구성 될 수 있다. 물론, 단일 레이저 출력부, 복수 개의 스캐닝부, 단일 센서부로 구성 될 수도 있다.
라이다 장치(100)에 포함된 레이저 출력부(110), 스캐닝부(120), 센서부(130) 및 제어부(140) 각각은 복수개의 하위 구성요소를 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 라이다 장치는 복수 개의 레이저 출력 소자가 하나의 어레이로 레이저 출력부를 구성할 수 있다.
2.1.1 레이저 출력부
상기 레이저 출력부(110)는 레이저를 출사할 수 있다. 상기 라이다 장치(100)는 상기 출사된 레이저를 이용하여 대상체까지의 거리를 측정할 수 있다.
또한, 상기 레이저 출력부(110)는 하나 이상의 레이저 출력 소자를 포함할 수 있다. 일 실시예에서, 상기 레이저 출력부(110)는 단일 레이저 출력 소자를 포함할 수 있으며, 복수 개의 레이저 출력소자를 포함할 수 있다. 또한 복수 개의 레이저 출력 소자를 포함하는 경우 상기 복수 개의 레이저 출력 소자가 하나의 어레이를 구성할 수 있다.
또한, 상기 레이저 출력부(110)는 905nm대역의 레이저를 출사시킬 수 있으며, 1550nm대역의 레이저를 출사시킬 수 있다. 또한 상기 레이저 출력부(110)는 800nm에서 1000nm사이 파장의 레이저를 출사시킬 수 있는 등 출사된 레이저의 파장은 다양한 범위에 걸쳐있을 수도 있으며, 특정 범위에 있을 수도 있다.
또한, 상기 레이저 출력부(110)의 레이저 출력소자가 복수개인 경우 각 레이저 출력소자는 같은 파장대역의 레이저를 출사시킬 수 있으며, 서로 다른 파장대역의 레이저를 출사시킬 수 있다. 예를 들어, 2개의 레이저 출력소자를 포함하는 레이저 출력부의 경우, 하나의 레이저 출력소자는 905nm대역의 레이저를 출사시킬 수 있으며, 다른 하나의 레이저 출력소자는 1550nm대역의 레이저를 출사시킬 수 있다.
또한 상기 레이저 출력 소자는 레이저 다이오드(Laser Diode:LD), Solid-state laser, high power laser, Light entitling diode(LED), 빅셀(Vertical cavity Surface emitting Laser : VCSEL), External cavity diode laser(ECDL) 등을 포함할 수 있으나, 이에 한정되지 않는다.
2.1.2 스캐닝부
스캐닝부(120)는 상기 레이저 출력부(110)에서 출사된 레이저의 조사방향 및/또는 크기를 변경할 수 있다. 예를 들어, 상기 스캐닝부(120)는 출사된 레이저의 이동방향을 변경하여 레이저의 조사방향을 변경시킬 수 있으며, 출사된 레이저를 발산시키거나 위상을 변화시켜 레이저의 크기를 변경시키거나 조사방향을 변경시킬 수도 있고, 레이저를 발산시키고 레이저의 이동방향을 변경시켜 레이저의 조사 방향 및 크기를 변경시킬 수도 있다.
또한 상기 스캐닝부(120)는 상기 레이저 출력부(110)에서 조사되는 레이저의 조사방향 및/또는 크기를 변경시킴으로써 상기 라이다 장치(100)의 스캔영역을 확장시키거나 스캔방향을 변경시킬 수 있다.
또한 상기 스캐닝부(120)는 출사된 레이저의 이동방향을 변경시키기 위해 고정된 각도로 레이저의 이동방향을 변경하는 고정미러, 기 설정된 각도 범위에서 노딩(nodding)하며 지속적으로 레이저의 이동방향을 변경하는 노딩미러 및 일 축을 기준으로 회전하며 지속적으로 레이저의 이동방향을 변경하는 회전미러를 포함할 수 있으나 이에 한정되지 않는다.
또한 상기 스캐닝부(120)는 출사된 레이저를 발산시키기 위하여 렌즈, 프리즘, 액체 렌즈(Microfluidie lens), Liquid Crystal 등을 포함할 수 있으나 이에 한정되지 않는다.
또한 상기 스캐닝부(120)는 출사된 레이저의 위상을 변화시키고 이를 통하여 조사 방향을 변경하기 위하여 OPA(Optical phased array)등을 포함할 수 있으나 이에 한정되지 않는다.
또한 상기 노딩미러는 출사된 레이저의 이동방향을 지속적으로 변경시켜, 레이저의 조사영역을 확장 또는 변경시키는 것으로 기 설정된 각도 범위에서 노딩할 수 있다. 여기서 노딩은 하나 또는 다수의 축을 기준으로 회전하며, 일정 각도 범위 내에서 왕복운동을 하는 것을 지칭할 수 있다. 또한 상기 노딩미러는 공진스캐너(Resonance scanner), MEMs mirror, VCM(Voice Coil Motor)등이 될 수 있으나, 이에 한정되지 않는다.
또한 상기 회전미러는 출사된 레이저의 이동방향을 지속적으로 변경시켜, 레이저의 조사영역을 확장 또는 변경시키는 것으로, 일 축을 기준으로 회전할 수 있다. 또한 상기 회전미러는 단면미러가 축을 기준으로 회전하는 것일 수 있으며, 원뿔형 미러가 축을 기준으로 회전하는 것일 수도 있고, 다면 미러가 축을 기준으로 회전하는 것일 수도 있으나, 이에 한정되지 않고, 축을 기준으로 각도범위 제한 없이 회전하는 미러일 수 있다.
또한 상기 스캐닝부(120)는 단일한 스캐닝부로 구성될 수도 있고, 복수개의 스캐닝부로 구성될 수도 있다. 또한 상기 스캐닝부는 하나 또는 둘 이상의 광학요소를 포함 할 수 있으며, 그 구성에 제한이 없다.
2.1.3 센서부
센서부(130)는 라이다 장치(100)의 스캔영역 상에 위치하는 대상체에서 반사된 레이저를 감지할 수 있다.
또한, 상기 센서부(130)는 하나 이상의 센서 소자를 포함할 수 있다. 일 실시예에서, 상기 센서부(130)는 단일 센서소자를 포함할 수 있으며, 복수 개의 센서 소자로 구성된 센서 어레이를 포함할 수도 있다. 예를 들어, 상기 센서부(130)는 하나의 APD(Avalanche Photodiode)를 포함할 수 있으며, 복수 개의 SPAD(Single-photon avalanche diode)이 어레이로 구성된 SiPM(Silicon PhotoMultipliers)를 포함할 수도 있다. 또한 복수개의 APD를 단일 채널로 구성할 수 있으며, 복수개의 채널로 구성할 수도 있다.
또한 상기 센서 소자는 PN 포토다이오드, 포토트랜지스터, PIN 포토다이오드, APD, SPAD, SiPM, CCD(Charge-Coupled Device)등을 포함할 수 있으나, 이에 한정되지 않는다.
2.1.4 제어부
제어부(140)는 감지된 레이저에 기초하여 상기 라이다 장치로부터 스캔영역 상에 위치하는 대상체까지의 거리를 판단할 수 있다. 또한, 상기 제어부(140)는 상기 레이저 출력부(110), 상기 스캐닝부(120), 상기 센서부(130) 등 상기 라이다 장치의 각 구성요소의 동작을 제어할 수 있다.
2.2 스캐닝부
이하에서는 상기 스캐닝부(120)에 대해서 보다 더 상세하게 설명한다.
도 2는 일 실시예에 따른 라이다 장치에서 스캐닝부의 기능을 설명하기 위한 도면이다.
도 2를 참조하면, 레이저 출력부(110)에서 출사되는 레이저의 조사영역에 따라 상기 스캐닝부(120)의 기능이 다를 수 있다.
2.2.1 레이저 출력부에서 출사된 레이저의 조사영역이 점 형태인 경우
일 실시예에 따르면, 상기 레이저 출력부(110)가 단일 레이저 출력소자를 갖는 경우 레이저 출력부에서 출사되는 레이저(111)의 조사영역은 점 형태일 수 있다. 이 때, 스캐닝부(120)는 상기 레이저(111)의 조사방향 및 크기를 변경할 수 있으며, 이에 따라 상기 라이다 장치의 스캔영역을 선 형태 또는 면 형태로 확장시킬 수 있다.
또한 상기 스캐닝부(120)는 점 형태의 조사영역을 갖는 상기 레이저(111)의 이동방향을 지속적으로 변경하여 레이저의 조사방향을 변경할 수 있으며, 이에 따라, 라이다 장치의 스캔영역을 면 형태로 확장시킬 수 있다.
또한 상기 스캐닝부(120)는 점 형태의 조사영역을 갖는 상기 레이저(111)를 발산하게 하여 상기 레이저의 크기를 변경할 수 있으며, 이에 따라, 라이다 장치의 스캔영역을 선 또는 면 형태로 확장시킬 수 있다.
또한 상기 스캐닝부(120)는 점 형태의 조사영역을 갖는 상기 레이저(111)의 위상을 변경하여 레이저의 크기 및 조사방향을 변경할 수 있으며, 이에 따라, 라이다 장치의 스캔영역을 선 또는 면 형태로 확장시킬 수 있다.
또한 상기 스캐닝부(120)는 1차적으로 점 형태의 조사영역을 갖는 상기 레이저(111)의 이동방향을 지속적으로 변경하고, 2차적으로 상기 레이저의 이동방향을 앞서 변경한 이동방향과 다른 방향으로 변경하여 상기 레이저의 조사방향을 변경할 수 있으며, 이에 따라 라이다 장치(100)의 스캔영역을 면 형태로 확장 시킬 수 있다.
또한 상기 스캐닝부(120)는 1차적으로 점 형태의 조사영역을 갖는 상기 레이저(111)의 이동방향을 지속적으로 변경하고, 2차적으로 상기 레이저를 발산하게 하여 상기 레이저의 조사방향 및 크기를 변경할 수 있으며, 이에 따라 라이다 장치의 스캔영역을 면 형태로 확장시킬 수 있다.
또한 상기 스캐닝부(120)는 1차적으로 점 형태의 조사영역을 갖는 상기 레이저(111)를 발산시키고, 2차적으로 상기 발산된 레이저의 이동방향을 지속적으로 변경하여 상기 레이저의 조사방향 및 크기를 변경할 수 있으며, 이에 따라 라이다 장치의 스캔영역을 면 형태로 확장 시킬 수 있다.
2.2.2 레이저 출력부에서 출사된 레이저의 조사영역이 선 형태인 경우
다른 일 실시예에 따르면 상기 레이저 출력부(110)가 복수 개의 레이저 출력소자로 구성된 경우 레이저 출력부에서 출사되는 레이저(112)의 조사영역은 선 형태일 수 있다. 여기서 스캐닝부(120)는 상기 레이저(112)의 조사방향 및 크기를 변경할 수 있으며, 이에 따라 상기 라이다 장치의 스캔영역을 면 형태로 확장시킬 수 있다.
이 때, 상기 스캐닝부(120)는 선 형태의 조사영역을 갖는 상기 레이저(112)의 이동방향을 지속적으로 변경하여 상기 레이저의 조사방향을 변경할 수 있으며, 이에 따라 라이다 장치의 스캔영역을 면 형태로 확장시킬 수 있다.
또한 상기 스캐닝부(120)는 선 형태의 조사영역을 갖는 상기 레이저(112)를 발산시켜 상기 레이저의 크기를 변경할 수 있으며, 이에 따라 라이다 장치의 스캔영역을 면 형태로 확장 시킬 수 있다.
또한 상기 스캐닝부(120)는 선 형태의 조사영역을 갖는 상기 레이저(112)의 위상을 변화시켜 상기 레이저의 조사방향 및 크기를 변경할 수 있으며, 이에 따라, 상기 라이다 장치의 스캔영역을 면 형태로 확장시킬 수 있다.
다른 일 실시예에 따르면 상기 레이저 출력부(110)가 일렬로 배열된 어레이로 구성된 레이저 출력소자를 포함하는 경우 레이저 출력부(110)에서 출사되는 레이저(112)의 조사영역은 선 형태일 수 있다. 여기서 스캐닝부(120)는 상기 레이저(112)의 조사방향 및 크기를 변경할 수 있으며, 이에 따라 상기 라이다 장치의 스캔영역을 면 형태로 확장시킬 수 있다.
이 때, 상기 스캐닝부(120)는 선 형태의 조사영역을 갖는 상기 레이저(112)의 이동방향을 지속적으로 변경하여 상기 레이저의 조사방향을 변경할 수 있으며, 이에 따라 라이다 장치의 스캔영역을 면 형태로 확장시킬 수 있다.
또한 상기 스캐닝부(120)는 선 형태의 조사영역을 갖는 상기 레이저(112)를 발산시켜 상기 레이저의 크기를 변경할 수 있으며, 이에 따라 라이다 장치의 스캔영역을 면 형태로 확장 시킬 수 있다.
또한 상기 스캐닝부(120)는 선 형태의 조사영역을 갖는 상기 레이저(112)의 위상을 변화시켜 상기 레이저의 조사방향 및 크기를 변경할 수 있으며, 이에 따라, 상기 라이다 장치의 스캔영역을 면 형태로 확장시킬 수 있다.
2.2.3 레이저 출력부에서 출사된 레이저의 조사영역이 면 형태인 경우
다른 일 실시예에 따르면 상기 레이저 출력부(110)가 복수 개의 레이저 출력소자로 구성된 경우 레이저 출력부(110)에서 출사되는 레이저(113)의 조사영역은 면 형태일 수 있다. 여기서 스캐닝부(120)는 상기 레이저의 조사방향 및 크기를 변경할 수 있으며, 이에 따라 상기 라이다 장치의 스캔영역을 확장시키거나 스캔방향을 변경시킬 수 있다.
이 때, 상기 스캐닝부(120)는 면 형태의 조사영역을 갖는 상기 레이저(113)의 이동방향을 지속적으로 변경하여 상기 레이저의 조사방향을 변경할 수 있으며, 이에 따라 라이다 장치의 스캔영역을 확장시키거나 스캔방향을 변경시킬 수 있다.
또한 상기 스캐닝부(120)는 면 형태의 조사영역을 갖는 상기 레이저(113)를 발산시켜 상기 레이저의 크기를 변경할 수 있으며, 이에 따라 라이다 장치의 스캔영역을 확장시키거나 스캔방향을 변경시킬 수 있다.
또한 상기 스캐닝부(120)는 면 형태의 조사영역을 갖는 상기 레이저(113)의 위상을 변화시켜 상기 레이저의 조사방향 및 크기를 변경할 수 있으며, 이에 따라, 상기 라이다 장치의 스캔영역을 확장시키거나 스캔방향을 변경시킬 수 있다.
다른 일 실시예에 따르면 면 형태의 어레이로 구성된 레이저 출력소자를 포함하는 경우 레이저 출력부(110)에서 출사되는 레이저(113)의 조사영역은 면 형태일 수 있다. 여기서 스캐닝부(120)는 상기 레이저의 조사방향 및 크기를 변경할 수 있으며, 이에 따라 상기 라이다 장치의 스캔영역을 확장시키거나 스캔방향을 변경시킬 수 있다.
이 때, 상기 스캐닝부(120)는 면 형태의 조사영역을 갖는 상기 레이저(113)의 이동방향을 지속적으로 변경하여 상기 레이저의 조사방향을 변경할 수 있으며, 이에 따라 라이다 장치의 스캔영역을 확장시키거나 스캔방향을 변경시킬 수 있다.
또한 상기 스캐닝부(120)는 면 형태의 조사영역을 갖는 상기 레이저(113)를 발산시켜 상기 레이저의 크기를 변경할 수 있으며, 이에 따라 라이다 장치의 스캔영역을 확장시키거나 스캔방향을 변경시킬 수 있다.
또한 상기 스캐닝부(120)는 면 형태의 조사영역을 갖는 상기 레이저(113)의 위상을 변화시켜 상기 레이저의 조사방향 및 크기를 변경할 수 있으며, 이에 따라, 상기 라이다 장치의 스캔영역을 확장시키거나 스캔방향을 변경시킬 수 있다.
이하에서는 상기 레이저 출력부에서 출사되는 레이저의 조사영역이 점 형태인 라이다 장치에 대하여 구체적으로 설명하기로 한다.
3. 라이다 장치의 일 실시예
3.1 라이다 장치의 구성
도 3은 다른 일 실시예에 따른 라이다 장치를 나타낸 블록도이다.
도 3을 참조하면, 일 실시예에 따른 라이다 장치는 레이저 출력부(110), 제1 스캐닝부(121), 제2 스캐닝부(126) 및 센서부(130)를 포함할 수 있다.
상기 레이저 출력부(110) 및 상기 센서부(130)은 도 1 및 도 2에서 설명되었으므로, 이하에서 상기 레이저 출력부(110) 및 상기 센서부(130)에 대한 상세한 설명은 생략하기로 한다.
도 1 및 도 2에서 전술된 스캐닝부(120)는 상기 제1 스캐닝부(121) 및 상기 제2 스캐닝부(126)를 포함할 수 있다.
상기 제1 스캐닝부(121)는 상기 출사된 레이저의 조사방향 및/또는 크기를 변경하여 레이저의 조사영역을 선 형태로 확장시킬 수 있다. 예를 들어, 상기 제1 스캐닝부(121)는 상기 출사된 레이저의 이동방향을 지속적으로 변경하여 레이저의 조사영역을 선 형태로 확장시킬 수 있다. 또한, 상기 제1 스캐닝부(121)는 상기 출사된 레이저를 선 형태로 발산시켜 상기 레이저의 조사영역을 선 형태로 확장시킬 수도 있다.
또한 상기 제2 스캐닝부(126)는 상기 제1 스캐닝부(121)에서 조사된 레이저의 조사방향 및/또는 크기를 변경하여 레이저의 조사영역을 면 형태로 확장시킬 수 있다. 예를 들어, 상기 제2 스캐닝부(126)는 상기 제1 스캐닝부(121)에서 조사된 레이저의 이동방향을 지속적으로 변경하여 상기 레이저의 조사영역을 면 형태로 확장시킬 수 있다. 또한 상기 제2 스캐닝부(126)는 상기 제1 스캐닝부에서 조사된 레이저를 발산시켜 상기 레이저의 조사영역을 면 형태로 확장시킬 수 있으며, 이에 따라 라이다 장치(100)의 스캔영역(150)을 면 형태로 확장 시킬 수 있다.
3.2 라이다 장치의 동작
도 3을 참조하면, 도 3에서는 상기 라이다 장치(100)에서 출사된 레이저의 광경로가 표시된다. 구체적으로, 상기 레이저 출력부(110)는 레이저를 출사할 수 있다. 상기 레이저 출력부(110)에서 출사된 레이저는 상기 제1 스캐닝부(121)에 도달하고, 상기 제1 스캐닝부(121)는 상기 레이저를 상기 제2 스캐닝부(126)를 향하여 조사할 수 있다. 또한. 상기 레이저는 제2 스캐닝부(126)에 도달하고, 상기 제2 스캐닝부(126)는 상기 스캔영역(150)을 향하여 상기 레이저를 조사할 수 있다. 또한 상기 라이다 장치(100)의 스캔영역(150)으로 조사된 상기 레이저는 스캔영역(150)상에 존재하는 대상체(160)로부터 반사되어 상기 제2 스캐닝부(126)를 통하여 상기 센서부(130)를 향해 조사될 수 있다. 상기 센서부(130)는 상기 제2 스캐닝부(126)를 통하여 조사된 상기 레이저를 감지할 수 있다.
3.2.1 라이다 장치의 조사 방법
라이다 장치(100)는 레이저를 이용하여 라이다 장치(100)로부터 대상체(160)까지의 거리를 측정하기 위한 장치일 수 있다. 따라서 라이다 장치(100)는 대상체(160)를 향해 레이저를 조사해야야 하며, 이에 따라, 라이다 장치(100)는 효율적으로 대상체와의 거리를 측정하기 위한 조사방법을 가질 수 있다. 여기서 조사방법은 레이저 출력부(110)에서 출사된 레이저가 스캔영역상(150)에 위치하는 대상체(160)에 도달하기까지의 조사경로를 결정하고, 스캔영역(150)을 결정하기 위한 방법을 포함할 수 있다. 따라서 이하에서는 상기 라이다 장치의 조사경로 및 스캔영역(150)에 대하여 설명하기로 한다.
구체적으로, 상기 레이저 출력부(110)는 상기 제1 스캐닝부(121)를 향하여 레이저를 출사시킬 수 있으며, 상기 제1 스캐닝부(121)는 출사된 레이저를 상기 제2 스캐닝부(126)를 향해 조사시킬 수 있으며, 상기 제2 스캐닝부(126)는 조사된 레이저를 상기 라이다 장치(100)의 스캔영역(150)을 향해 조사시킬 수 있다.
보다 구체적으로, 상기 레이저 출력부(110)에서 출사된 레이저의 조사영역은 점 형태이며, 상기 출사된 레이저는 상기 제1 스캐닝부(121)를 통하여 상기 제2 스캐닝부(126)를 향해 조사될 수 있다. 이 때, 상기 제1 스캐닝부(121)에서 조사영역이 점 형태인 상기 레이저의 조사방향 및/또는 크기를 변경하여 상기 레이저의 조사영역을 선 형태로 확장시킬 수 있다. 즉, 상기 제1 스캐닝부(121)는 상기 레이저 출력부로(110)부터 조사영역이 점 형태인 레이저를 전달 받아 조사영역이 선 형태인 레이저를 상기 제2 스캐닝부(126)를 향해 조사할 수 있다.
이 때, 상기 제2 스캐닝부(126)에서 조사영역이 선 형태인 상기 레이저의 조사방향 및/또는 크기를 변경하여 상기 레이저의 조사영역을 면 형태로 확장시킬 수 있으며, 상기 제1 스캐닝부(121)에서 조사된 레이저는 상기 제2 스캐닝부(126)를 통하여 상기 스캔영역을 향해 조사될 수 있다. 즉, 상기 제2 스캐닝부(126)는 조사영역이 선 형태인 레이저를 상기 제1 스캐닝부(121) 로부터 전달 받아 조사영역이 면 형태인 레이저를 상기 스캔영역(150)을 향해 조사할 수 있다. 그리고 상기 제2 스캐닝부(126)에서 조사영역이 면 형태인 레이저를 조사함으로써 상기 라이다 장치(100)의 스캔영역(150)을 면 형태로 확장시킬 수 있다.
3.2.2 라이다 장치의 수광방법
라이다 장치(100)는 대상체로부터 반사된 레이저를 감지하여야 하며, 이에 따라 라이다 장치(100)는 효율적으로 대상체와의 거리를 측정하기 위한 수광방법을 가질 수 있다. 여기서 수광방법은 대상체에서 반사된 레이저가 센서부에 도달하기까지의 수광경로를 결정하고, 센서부에 도달하는 레이저의 양을 결정하기 위한 방법을 포함할 수 있다. 따라서 이하에서 상기 라이다 장치(100)의 수광경로 및 센서부에 도달하는 레이저의 양에 대하여 설명하기로 한다.
구체적으로 상기 라이다 장치(100)의 스캔영역(150)으로 조사된 레이저는 상기 라이다 장치의 스캔영역(150)상에 존재하는 대상체(160)로부터 반사될 수 있다. 또한 상기 대상체(160)로부터 반사된 레이저는 상기 제2 스캐닝부(126)를 향할 수 있으며, 상기 제2 스캐닝부(126)는 상기 대상체(160)로부터 반사된 레이저를 전달받아 반사하여 상기 센서부(130)를 향해 조사할 수 있다. 이 때, 상기 대상체(160)의 색상, 재질 등 또는 상기 레이저의 입사각 등에 따라 상기 대상체(160)로부터 반사되는 레이저의 성질이 달라질 수 있다.
또한 상기 대상체(160)로부터 반사된 상기 레이저는 상기 제2 스캐닝부(126)를 통하여 상기 센서부(130)를 향해 조사될 수 있다. 즉, 상기 대상체로(160)부터 반사된 상기 레이저는 상기 제2 스캐닝부(126)만을 통하여 상기 센서부를 향해 조사될 수 있으며, 상기 제1 스캐닝부(121) 및 상기 제2 스캐닝(126)부 모두를 통하여 상기 센서부(130)를 향해 조사되지 않을 수 있다. 또한 상기 대상체(160)로부터 반사된 상기 레이저는 상기 제2 스캐닝부(126)만을 통하여 상기 센서부(130)를 향해 조사될 수 있으며, 상기 제1 스캐닝부(121) 및 상기 제2 스캐닝(126)부 모두를 통하지 않고 상기 센서부(130)를 향해 조사되지 않을 수 있다. 따라서 상기 센서부(130)에 도달하는 레이저의 양은 제2 스캐닝부(126)에 기초하여 결정될 수 있다.
또한, 도 3에서는 상기 대상체(160)로부터 반사된 레이저가 상기 제2 스캐닝부(126)만을 통하여 상기 센서부(130)를 향해 조사되는 것으로 표현하였으나. 이에 한정되는 것은 아니며, 경우에 따라, 상기 대상체(160) 로부터 반사된 레이저는 상기 제1 스캐닝부(121) 및 상기 제2 스캐닝부(126)를 거쳐 상기 센서부(130)에 도달될 수도 있다. 또한, 상기 대상체(160)로부터 반사된 레이저는 상기 제1 스캐닝부(121) 및 상기 제2 스캐닝부(126)를 거치지 않고 상기 센서부(130)에 도달될 수도 있다.
상술한 바와 같이 점 형태의 레이저를 출사하는 레이저 출력부(110), 제1 스캐닝부(121) 및 제2 스캐닝부(126)를 포함하는 라이다 장치는 제1 스캐닝부(121) 및 제2 스캐닝부(126)를 이용하여 스캔영역(150)을 면 형태로 확장시킬 수 있다. 따라서, 라이다 장치 자체의 기계적회전을 통하여 스캔영역을 면 형태로 확장시키는 라이다 장치보다 내구성 및 안정성 측면에서 좋은 효과를 발휘할 수 있다. 또한, 레이저의 확산을 이용하여 스캔영역을 면 형태로 확장시키는 라이다 장치보다 더 먼거리까지 측정이 가능할 수 있다. 또한, 상기 제1 스캐닝부(121) 및 상기 제2 스캐닝(126)의 동작을 제어하면 원하는 관심영역(Region Of Interest)으로 레이저를 조사할 수 있다.
4. 노딩미러(Nodding mirror)와 회전 다면 미러(Rotating polygon mirror)를 이용한 라이다 장치
라이다 장치(100)의 레이저 출력부(110)에서 출사된 레이저의 조사영역이 점 형태인 경우, 라이다 장치(100)는 제1 스캐닝부(121) 및 제2 스캐닝부(126)를 포함할 수 있다. 여기서 조사영역이 점 형태인 출사된 레이저는 제1 스캐닝부(121) 및 제2 스캐닝부(126)를 통하여 레이저의 조사영역이 면 형태로 확장되며, 이에 따라 라이다 장치(100)의 스캔영역(150)이 면 형태로 확장될 수 있다.
또한 라이다 장치(100)는 그 용도에 따라 요구되는 시야각(FOV)이 다를 수 있다. 예를 들어, 3차원 지도(3D Mapping)을 위한 고정형 라이다 장치의 경우는 수직, 수평방향으로 최대한 넓은 시야각을 요구할 수 있으며, 차량에 배치되는 라이다 장치의 경우는 수평방향으로 상대적으로 넓은 시야각에 비해 수직방향으로 상대적으로 좁은 시야각을 요구할 수 있다. 또한 드론(Dron)에 배치되는 라이다의 경우는 수직, 수평방향으로 최대한 넓은 시야각을 요구 할 수 있다. 따라서 수직방향에서 요구할 수 있는 시야각과 수평방향에서 요구할 수 있는 시야각이 다른 경우, 제1 스캐닝부(121)에서 상대적으로 좁은 시야각을 요구하는 방향으로 레이저의 이동방향을 변경시키고, 제2 스캐닝부(126)에서 상대적으로 넓은 시야각을 요구하는 방향으로 레이저의 이동방향을 변경시키는 것이 라이다 장치(100)의 전체적인 크기를 줄일 수 있다.
또한 라이다 장치(100)는 스캔영역(150)을 향해 조사된 레이저가 스캔영역(150)상에 존재하는 대상체(160)로부터 반사되는 경우, 반사된 레이저를 감지하여 거리를 측정하는 장치이다. 여기서 레이저는 스캔영역(150)상에 존재하는 대상체(160)의 색상, 재질 또는 대상체(160)를 향해 조사되는 레이저의 입사각 등에 따라 사방으로 난반사될 수 있다. 따라서 먼 거리에 있는 대상체(160)의 거리를 측정하기 위해서 레이저의 확산을 줄여야 할 수 있으며, 이를 위해 제1 스캐닝부(121) 및 제2 스캐닝부(126)는 레이저의 크기를 확장시키지 않되, 이동방향을 지속적으로 변경하여 레이저의 조사영역을 확장시키는 것일 수 있다.
또한 라이다 장치(100)가 3차원으로 스캔을 하기 위하여 제1 스캐닝부(121) 및 제2 스캐닝부(126)는 레이저의 이동방향을 서로 다른 방향으로 변경시킬 수 있다. 예를 들어, 제1 스캐닝부(121)는 지면과 수직한 방향으로 레이저의 이동방향을 지속적으로 변경하며, 제2 스캐닝부(126)는 지면과 수평한 방향으로 레이저의 이동방향을 지속적으로 변경할 수 있다.
또한 라이다 장치(100)에서 제1 스캐닝부(121)는 레이저 출력부(110)로부터 조사영역이 점 형태인 레이저를 전달받는 반면, 제2 스캐닝부(126)는 제1 스캐닝부(121)로부터 조사영역이 선 형태인 레이저를 전달 받을 수 있다. 따라서 제2 스캐닝부(126)는 제1 스캐닝부(121) 보다 크기가 클 수 있다. 또한 이에 따라, 크기가 작은 제1 스캐닝부(121)가 크기가 큰 제2 스캐닝부(126) 보다 스캐닝속도가 빠를 수 있다. 여기서 스캐닝 속도는 레이저의 이동방향을 지속적으로 변경하는 속도를 의미할 수 있다.
또한 라이다 장치(100)는 스캔영역(150)을 향해 조사된 레이저가 스캔영역(150)상에 존재하는 대상체(160)로부터 반사되는 경우, 반사된 레이저를 감지하여 거리를 측정하는 장치이다. 여기서 레이저는 스캔영역(150)상에 존재하는 대상체(160)의 색상, 재질 또는 대상체(160)를 향해 조사되는 레이저의 입사각 등에 따라 사방으로 난반사될 수 있다. 따라서 먼 거리에 있는 대상체(160)의 거리를 측정하기 위해 센서부(130)에서 감지할 수 있는 레이저의 양을 증가시켜야 할 수 있으며, 이를 위해 대상체(160)에서 반사된 레이저는 제1 스캐닝부(121) 및 제2 스캐닝부(126) 중 크기가 큰 제2 스캐닝부(126)만을 통하여 센서부(130)를 향해 조사될 수 있다.
따라서 상술한 기능을 원활히 수행할 수 있도록, 라이다 장치(100)의 제1 스캐닝부(121)는 노딩미러를 포함할 수 있으며, 라이다 장치(100)의 제2 스캐닝부(126)는 회전 다면 미러를 포함할 수 있다.
이하에서는 제1 스캐닝부(121)는 노딩미러를 포함하며, 제2 스캐닝부(126)는 회전 다면 미러를 포함하는 라이다 장치에 대하여 구체적으로 설명하기로 한다.
4.1 라이다 장치의 구성
도 4는 일 실시예에 따른 라이다 장치에 관한 것이다.
도 4는 참조하면, 일 실시예에 따른 라이다 장치(100)는 레이저 출력부(110), 노딩미러(122), 회전 다면 미러(127) 및 센서부(130)를 포함할 수 있다.
상기 레이저 출력부(110) 및 상기 센서부(130)은 도 1 및 도 2에서 설명되었으므로, 이하에서 상기 레이저 출력부(110) 및 상기 센서부(130)에 대한 상세한 설명은 생략하기로 한다.
도 3에서 전술된 제1 스캐닝부(121)는 노딩미러(122)를 포함할 수 있으며, 제2 스캐닝부(126)는 회전 다면 미러(127)를 포함할 수 있다.
상기 노딩미러(122)는 전술한 제1 스캐너부(121)의 일 구현예일 수 있다. 상기 노딩미러(122)는 일 축을 기준으로 기 설정된 각도 범위에서 노딩할 수 있으며, 두 축을 기준으로 기 설정된 각도 범위에서 노딩할 수도 있다. 이 때, 상기 노딩미러(122)가 일 축을 기준으로 기 설정된 각도 범위에서 노딩할 경우 상기 노딩미러에서 조사된 레이저의 조사영역은 선 형태일 수 있다. 또한, 상기 노딩미러(122)가 두 축을 기준으로 기 설정된 각도 범위에서 노딩할 경우 상기 노딩미러에서 조사된 레이저의 조사영역은 면 형태일 수 있다.
또한 상기 노딩미러(122)의 노딩속도는 기 설정된 각도 전 범위에서 동일할 수 있으며, 기 설정된 각도 전 범위에서 상이할 수도 있다. 예를 들어, 상기 노딩미러(122)는 기 설정된 각도 전 범위에서 동일한 각속도로 노딩할 수 있다. 또한 예를 들어, 상기 노딩미러(122)는 기 설정된 각도의 양 끝에서 상대적으로 느리며, 기 설정된 각도의 중앙 부분에서 상대적으로 빠른 각 속도로 노딩할 수 있다.
또한 상기 노딩미러(122)는 상기 레이저 출력부(110)에서 출사된 레이저를 전달받아 반사하며, 기 설정된 각도 범위에서 노딩함에 따라 상기 레이저의 이동방향을 지속적으로 변경시킬 수 있다. 이에 따라, 상기 레이저의 조사영역은 선 또는 면 형태로 확장될 수 있다.
또한, 상기 회전 다면 미러(127)는 전술한 상기 제2 스캐너(126)의 일 구현예일 수 있다. 상기 회전 다면 미러(127)는 일 축을 기준으로 회전할 수 있다. 여기서 상기 회전 다면 미러(127)는 상기 노딩미러(122)에서 조사된 레이저를 전달받아 반사하며, 일 축을 기준으로 회전함에 따라 상기 레이저의 이동방향을 지속적으로 변경시킬 수 있다. 그리고 이에 따라, 상기 레이저의 조사영역을 면 형태로 확장시킬 수 있으며, 결과적으로 상기 라이다 장치(100)의 스캔영역(310)을 면 형태로 확장시킬 수 있다.
또한 상기 회전 다면 미러(127)의 회전속도는 회전하는 각도 전 범위에서 동일할 수 있으며, 회전하는 각도 범위에서 서로 상이할 수도 있다. 예를 들어, 상기 회전 다면 미러(127)에서 조사되는 레이저의 방향이 스캔영역(310)의 중심부분을 향할 때 회전속도가 상기 회전 다면 미러(127)에서 조사되는 레이저의 방향이 스캔영역(310)의 사이드 부분을 향할 때 회전속도보다 상대적으로 느릴 수 있다. 또한 상기 회전 다면 미러(127)의 회전 차수에 따라서 회전속도가 서로 다를 수 있다.
또한 상기 라이다 장치(100)의 수직 시야각을 수평 시야각보다 좁게 설정하는 경우, 상기 노딩미러(122)는 상기 레이저 출력부(110)에서 출사된 레이저의 이동방향을 지면에 대하여 수직인 방향으로 지속적으로 변경시켜 레이저의 조사영역을 지면에 대하여 수직 방향인 선 형태로 확장시킬 수 있다. 그리고 이 때, 상기 회전 다면미러(127)는 상기 노딩미러(122)에서 조사된 레이저의 이동방향을 지면에 대하여 수평인 방향으로 지속적으로 변경시켜 레이저의 조사영역을 면 형태로 확장시킬 수 있으며, 이에 따라 상기 라이다 장치(100)의 스캔영역(310)을 면 형태로 확장시킬 수 있다. 따라서 상기 노딩미러(122)는 수직으로 스캔영역(310)을 확장시키며, 상기 회전 다면 미러(127)는 수평으로 스캔영역(310)을 확장시킬 수 있다.
또한 상기 노딩미러(122)는 상기 레이저 출력부(110)에서 출사된 레이저를 반사시키므로 상기 노딩미러(122)의 크기는 상기 레이저의 직경과 유사할 수 있다. 그러나 상기 노딩미러(122)에서 조사된 레이저는 조사영역이 선 형태이므로 상기 회전 다면 미러(127)의 크기는 상기 노딩미러(122)에서 조사된 레이저를 반사시키기 위해 상기 조사영역의 크기 이상일 수 있다. 따라서 상기 노딩미러(122)의 크기가 상기 회전 다면 미러(127)의 크기보다 작을 수 있으며, 상기 노딩미러(122)의 노딩속도는 상기 회전 다면 미러(127)의 회전속도보다 빠를 수 있다.
이하에서는 상술한 구성을 가지는 상기 라이다 장치(100)의 레이저 조사 방법 및 레이저 수광 방법에 대하여 설명하기로 한다.
4.2 라이다 장치의 동작
다시 도 4를 참조하면, 상기 라이다 장치(100)의 상기 레이저가 출사될 때부터 감지될 때까지 레이저의 이동경로를 알 수 있다. 구체적으로, 상기 라이다 장치(100)의 상기 레이저 출력부(110)에서 출사된 레이저는 상기 노딩미러(122)를 통하여 상기 회전 다면 미러(127)를 향해 조사되며, 상기 회전 다면 미러(127)를 향해 조사된 상기 레이저는 상기 회전 다면 미러(127)를 통해 상기 라이다 장치(100)의 스캔영역(150)을 향해 조사될 수 있다. 또한 상기 라이다 장치(100)의 스캔영역(150)으로 조사된 상기 레이저는 스캔영역(150)상에 존재하는 대상체(160)로부터 반사되어 상기 회전 다면 미러(127)를 통하여 상기 센서부(130)를 향해 조사될 수 있다. 또한 상기 센서부(130)는 상기 회전 다면 미러(127)를 통하여 조사된 상기 레이저를 감지할 수 있다.
4.2.1 라이다 장치의 조사 방법
라이다 장치(100)는 레이저를 이용하여 라이다 장치(100)로부터 대상체(160)까지의 거리를 측정하기 위한 장치일 수 있다. 따라서 라이다 장치(100)는 대상체(160)를 향해 레이저를 조사해야 하며, 이에 따라 라이다 장치(100)는 효율적으로 대상체(160)와의 거리를 측정하기 위한 조사방법을 가질 수 있다. 여기서 조사방법은 레이저 출력부(110)에서 출사된 레이저가 스캔영역(150)상에 위치하는 대상체(160)에 도달하기까지의 조사경로를 결정하고, 스캔영역(150)을 결정하기 위한 방법을 포함할 수 있다. 따라서 이하에서는 상기 라이다 장치(100)의 조사경로 및 스캔영역(150)에 대하여 설명하기로 한다.
구체적으로, 상기 레이저 출력부(110)에서 상기 노딩미러(122)를 향하여 레이저를 출사시킬 수 있으며, 상기 노딩미러(122)는 출사된 레이저를 전달받아 반사하여 상기 회전 다면 미러(127)를 향해 조사시킬 수 있으며, 상기 회전 다면 미러(127)는 조사된 레이저를 전달받아 반사하여 상기 라이다 장치(100)의 스캔영역(150)을 향해 조사시킬 수 있다.
이 때, 상기 레이저 출력부(110)에서 상기 노딩미러(122)를 향해 레이저를 출사할 수 있으며, 이 때 상기 출사된 레이저의 조사영역은 점 형태일 수 있다.
여기서, 상기 레이저 출력부(110)에서 출사된 레이저는 상기 노딩미러(122)를 통하여 상기 회전 다면 미러(127)를 향해 조사될 수 있다. 이 때, 상기 노딩미러(122)에서 조사영역이 점 형태인 상기 레이저의 조사방향을 변경하여 상기 레이저의 조사영역을 선 형태로 확장시킬 수 있다. 즉, 상기 노딩미러(122)는 상기 레이저 출력부(110)로부터 조사영역이 점 형태인 레이저를 전달 받아 조사영역이 선 형태인 레이저를 상기 회전 다면 미러(127)를 향해 조사할 수 있다.
이 때, 상기 노딩미러(122)는 상기 레이저 출력부(110)에서 출사된 레이저의 이동방향을 지면에 대하여 수직인 방향으로 지속적으로 변경시켜 레이저의 조사영역을 지면에 대하여 수직 방향인 선 형태로 확장시킬 수 있다.
또한 상기 노딩미러(122)에서 조사된 레이저는 상기 회전 다면 미러(127)를 통하여 상기 스캔영역(150)을 향해 조사될 수 있다. 이 때, 상기 회전 다면 미러(127)에서 조사영역이 선 형태인 상기 레이저의 조사방향을 변경하여 상기 레이저의 조사영역을 면 형태로 확장시킬 수 있다. 즉, 상기 회전 다면 미러(127)는 조사영역이 선 형태인 레이저를 상기 노딩미러(122)로부터 전달 받아 조사영역이 면 형태인 레이저를 상기 스캔영역(150)을 향해 조사할 수 있다. 그리고 상기 회전 다면 미러(127)에서 조사영역이 면 형태인 레이저를 조사함으로써 상기 라이다 장치(100)의 스캔영역(150)을 면 형태로 확장시킬 수 있다.
또한 상기 회전 다면 미러(127)는 상기 노딩미러(122)에서 조사된 레이저의 이동방향을 지면에 대하여 수평인 방향으로 지속적으로 변경시켜 레이저의 조사영역을 면 형태로 확장시킬 수 있다.
또한 이 경우, 상기 라이다 장치(100)의 스캔영역(150)은 상기 노딩미러(122)의 기 설정된 각도 및 상기 회전 다면 미러(127)의 반사면의 수에 기초하여 결정될 수 있으며, 이에 따라 상기 라이다 장치(100)의 시야각이 결정될 수 있다. 예를 들어, 상기 노딩미러(122)가 지면에 대하여 수직한 방향으로 레이저의 이동방향을 지속적으로 변경하는 경우 상기 라이다 장치(100)의 수직시야각은 상기 노딩미러(122)의 기 설정된 각도에 기초하여 결정될 수 있다. 또한 상기 회전 다면 미러(127)가 지면에 대하여 수평한 방향으로 레이저의 이동방향을 지속적으로 변경하는 경우 상기 라이다 장치(100)의 수평시야각은 상기 회전 다면 미러(127)의 반사면의 수에 기초하여 결정될 수 있다.
4.2.2 라이다 장치의 수광 방법
라이다 장치(100)는 레이저를 이용하여 라이다 장치(100)로부터 대상체(160)까지의 거리를 측정하기 위한 장치일 수 있다. 따라서 대상체(160)로부터 반사된 레이저를 감지하여야 하며, 이에 따라 라이다 장치(100)는 효율적으로 대상체(160)와의 거리를 측정하기 위한 수광방법을 가질 수 있다. 여기서 수광방법은 대상체(160)에서 반사된 레이저가 센서부(130)에 도달하기까지의 수광경로를 결정하고, 센서부(130)에 도달하는 레이저의 양을 결정하기 위한 방법을 포함할 수 있다. 따라서 이하에서 상기 라이다 장치(100)의 수광경로 및 센서부(130)에 도달하는 레이저의 양에 대하여 설명하기로 한다.
구체적으로, 상기 라이다 장치(100)의 스캔영역(150)으로 조사된 레이저는 상기 라이다 장치(100)의 스캔영역(150)상에 존재하는 대상체(160)로부터 반사될 수 있다. 또한 상기 대상체(160)로부터 반사된 레이저는 상기 회전 다면 미러(127)를 향할 수 있으며, 상기 회전 다면 미러(127)는 상기 대상체(160)로부터 반사된 레이저를 전달받아 반사하여 상기 센서부(130)를 향해 조사할 수 있다. 이 때, 상기 대상체(160)의 색상, 재질 등 또는 상기 레이저의 입사각 등에 따라 상기 대상체(160)로부터 반사되는 레이저의 성질이 달라질 수 있다.
또한 상기 대상체(160)로부터 반사된 상기 레이저는 상기 회전 다면 미러(127)를 통하여 상기 센서부(130)를 향해 조사될 수 있다. 즉, 상기 대상체(160)로부터 반사된 상기 레이저는 상기 회전 다면 미러만(127)을 통하여 상기 센서부(130)를 향해 조사될 수 있으며, 상기 노딩미러(122) 및 상기 회전 다면 미러(127) 모두를 통하여 상기 센서부(130)를 향해 조사되지 않을 수 있다. 또한 상기 대상체(160)로부터 반사된 상기 레이저는 상기 회전 다면 미러만(127)을 통하여 상기 센서부(130)를 향해 조사될 수 있으며, 상기 노딩미러(122) 및 상기 회전 다면 미러(127) 모두를 통하지 않고 상기 센서부(130)를 향해 조사되지 않을 수 있다. 따라서 상기 센서부(130)에 도달하는 레이저의 양은 상기 회전 다면 미러(127)에 기초하여 결정될 수 있다.
여기서 상기 대상체로(160)부터 반사된 레이저를 상기 회전 다면 미러(127)만을 통하여 상기 센서부(130)를 향해 조사되게 하는 것은 상기 노딩미러(122) 및 상기 회전 다면 미러(127) 모두를 통하여 상기 센서부(130)를 향해 조사되게 하는 것보다 상기 센서부(130)에 도달하는 레이저의 양을 증가시킬 수 있으며, 상기 센서부(130)에 도달하는 레이저의 양을 보다 고르게할 수 있다.
구체적으로 상기 대상체(160)로부터 반사된 레이저를 상기 회전 다면 미러(127)만을 통하여 상기 센서부(130)를 향해 조사되게 하는 경우 상기 센서부(130)에 도달하는 레이저의 양은 상기 회전 다면 미러(127)의 반사면의 크기 및 상기 회전 다면 미러(127)의 회전 각도에 기초하여 결정될 수 있다.
이에 반해 상기 대상체(160)로부터 반사된 레이저를 상기 노딩미러(122) 및 상기 회전 다면 미러(127) 모두 를 통하여 상기 센서부(130)를 향해 조사되게 하는 경우 상기 센서부(130)에 도달하는 레이저의 양은 상기 노딩미러(122)의 크기, 상기 노딩미러(122)의 노딩 각도, 상기 회전 다면 미러(127)의 반사면의 크기 및 상기 회전 다면 미러(127)의 회전 각도에 기초하여 결정될 수 있다. 즉, 상기 센서부(130)에 도달하는 레이저의 양은 상기 노딩미러(122)의 크기와 상기 회전 다면 미러(127)의 크기 중 더 작은 크기를 가진 것에 기초하여 결정될 수 있으며, 상기 노딩미러(122)의 노딩각도 및 상기 회전 다면 미러(127)의 회전각도에 의해서 달라질 수 있다. 따라서 상기 회전 다면 미러만(127)을 통하여 상기 센서부(130)를 향해 조사되게 하는 경우보다 상기 센서부(130)에 도달하는 레이저의 양이 작으며, 상기 센서부(130)에 도달하는 레이저의 양의 변화가 클 수 있다.
5. 스캔패턴을 생성하는 라이다 장치.
다시 도 2를 참조하면, 스캔패턴을 생성하는 라이다 장치는 레이저 출력부, 스캐닝부 및 센서부를 포함할 수 있다. 또한 상기 라이다 장치는 스캐닝부를 제외하고 레이저 출력부, 센서부를 포함할 수 있으며, 복수개의 스캐닝부를 포함할 수도 있다.
또한, 상기 레이저 출력부(110)가 복수 개의 레이저 출력소자를 포함하는 경우, 상기 복수 개의 레이저 출력소자의 동작 위치에 따라서 상기 라이다 장치에서 조사되는 레이저의 방향이 변경될 수 있으며, 이에 따라 상기 라이다 장치는 스캔 패턴을 가질 수 있다.
여기서, 스캔 패턴은 라이다 장치(100)에서 외부로 조사되는 레이저의 조사 유형을 나타낼 수 있고, 스캔 패턴은 적어도 하나 이상일 수 있다. 상기 스캐닝부(120)는 상기 레이저 출력부(110)에서 출사된 레이저의 이동 방향을 변경하여 상기 라이다 장치에서 조사되는 레이저의 방향을 변경시킬 수 있으며, 또한 상기 레이저 출력부(110)에서 출사된 레이저를 발산시키거나 위상을 변화시켜 상기 라이다 장치에서 조사되는 레이저의 크기를 변경시키거나 방향을 변경시킬 수 있다.
또한, 상기 스캐닝부(120)가 상기 라이다 장치에서 조사되는 레이저의 방향 또는 크기를 변경시키는 경우, 상기 라이다 장치는 변경되는 레이저의 방향 또는 크기에 따른 스캔 패턴을 가질 수 있다.
또한, 상기 스캐닝부(120)가 복수개인 경우, 예를 들어 상기 스캐닝부(120)가 제1 스캐닝부 및 제2 스캐닝부를 포함할 때, 상기 제1 및 제2 스캐닝부가 모두 동작하여 스캔 패턴을 생성할 수 있으며, 상기 제1 스캐닝부 또는 제2 스캐닝부 중 어느 하나의 동작을 제어하여 스캔 패턴을 생성할 수도 있다.
상기 센서부(130)는 라이다 장치(100)의 탐지 가능한 영역인 스캔영역 내에 위치하는 대상체에서 반사된 레이저를 감지할 수 있다.
5.1 스캔 패턴
도 5는 일 실시예에 따른 라이다 장치 및 라이다 장치에서 조사되는 레이저의 방향을 나타내기 위한 도면이다.
도 5를 참조하면, 라이다 장치에서 조사되는 레이저는 상기 라이다 장치로부터 주변을 향해 조사되는 방향을 가질수 있으며, 상기 라이다 장치는 시야각을 가질 수 있다.
상기 시야각은 일정시간동안 라이다 장치에서 조사되는 레이저의 방향의 최대값과 최소값의 차이 일 수 있다. 예를 들어, 수직 방향으로 조사되는 레이저의 방향은 최대 10도이고, 최소 -10도 인 경우, 상기 라이다 장치의 수직방향 시야각(FOV(V))은 20도 일 수 있으며, 수평 방향으로 조사되는 레이저의 방향은 최대 60도이고, 최소 -60도인 경우, 상기 라이다 장치의 수평 방향 시야각(FOV(H))은 120도 일 수 있다.
또한, 라이다 장치에서 조사되는 레이저의 방향은 상기 라이다 장치를 원점으로 한 좌표
Figure 112018104287881-pat00010
로 정의 될 수 있다. 또한 상기 라이다 장치의 시야각을 스캔하기 위해 상기 라이다 장치에서 조사되는 레이저의 방향은 시간에 따라 변화하는 값을 가질 수 있으며, 시간에 따라 변화하는 레이저의 조사방향의 되풀이되는 양상인 스캔 패턴을 가질 수 있다. 또한 상기 스캔 패턴은 시간에 따른 좌표의 변화값인
Figure 112018104287881-pat00011
로 정의 될 수 있다.
또한, 라이다 장치가 자율주행차량 등 이동체에 부착되서 이용되는 경우, 상기 라이다 장치가 부착된 이동체의 주변에 위치하는 대상체를 빠르게 감지하고 정확하게 인지하는 것이 요구될 수 있으며, 상기 라이다 장치의 스캔 패턴에 따라 상기 대상체에 대한 감지 속도 및 인지 정확성이 달라질 수 있다. 따라서, 상기 라이다 장치의 스캔 패턴은 상기 라이다 장치의 성능을 결정하는 중요한 요소로 작용할 수 있다.
5.1.1 스캔 패턴을 결정하는 요소.
상술한 바와 같이 상기 스캔 패턴은
Figure 112018104287881-pat00012
로 정의 될 수 있으며,
Figure 112018104287881-pat00013
방향의 성분
Figure 112018104287881-pat00014
및
Figure 112018104287881-pat00015
방향의 성분
Figure 112018104287881-pat00016
를 포함 할 수 있다. 또한 일 실시예에 따르면,
Figure 112018104287881-pat00017
방향은 수평방향을 의미할 수 있으며,
Figure 112018104287881-pat00018
방향은 수직 방향을 의미할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
또한, 상기 스캔 패턴
Figure 112018104287881-pat00019
은 패턴이 반복되는 주기 및 상기 라이다 장치의 시야각을 포함할 수 있다. 예를 들어,
Figure 112018104287881-pat00020
방향은 수평방향을 의미하고,
Figure 112018104287881-pat00021
방향은 수직 방향을 의미하는 경우,
Figure 112018104287881-pat00022
는 수평 방향의 시야각(FOV(H)) 및 수평방향으로 패턴이 반복되는 주기
Figure 112018104287881-pat00023
의 함수일 수 있다. 또한
Figure 112018104287881-pat00024
는 수직 방향의 시야각(FOV(V)) 및 수직 방향으로 패턴이 반복되는 주기
Figure 112018104287881-pat00025
의 함수일 수 있다.
도 6은 일 실시예에 따른 라이다 장치의 스캔 패턴을 그래프로 도시한 도면이다.
도 6을 참조하면, 일 실시예에 따른 라이다 장치의 스캔 패턴에 관한 그래프는 상기 라이다 장치의 수직 방향 시야각(FOV(V)) 및 수평 방향 시야각(FOV(H)) 범위에서 일정한 형태를 가지고 그려질 수 있으며, 상기 라이다 장치에서 조사되는 레이저의 방향은 상기 라이다 장치를 원점으로한 좌표로 표시될 수 있다. 예를 들어, 임의의 시점 t1에서 상기 라이다 장치에서 조사되는 레이저의 방향이
Figure 112018104287881-pat00026
이라면, 도면에 도시된 바와 같이
Figure 112018104287881-pat00027
값을 갖는 위치에 표시될 수 있다.
또한, 도 6을 참조하면, 상기 라이다 장치에서 조사된 레이저의 방향은 같은 시간동안 수직 방향으로 20번 왕복하는 패턴을 가지며, 수평방향으로 1번 편도로 이동하는 패턴을 가질 수 있다. 따라서, 상기 라이다 장치의 스캔 패턴은
Figure 112018104287881-pat00028
의 관계를 가질 수 있으며, 또한 도 5는
Figure 112018104287881-pat00029
시간 동안의 스캔 패턴을 그래프로 도시한 것일 수 있다. 이는 시간축을 포함하는 그래프로 변환하는 경우 더 명확히 알 수 있다.
도 7은 일 실시예에 라이다 장치의 스캔 패턴을 각 성분 및 시간에 따라 그래프로 도시한 도면이다.
도 7을 참조하면, 상기 라이다 장치의 스캔 패턴
Figure 112018104287881-pat00030
의 그래프는 각 성분의 패턴인
Figure 112018104287881-pat00031
및
Figure 112018104287881-pat00032
의 그래프로 분할할 수 있다. 구체적으로
Figure 112018104287881-pat00033
에 관한 그래프를 참조하면, 상기
Figure 112018104287881-pat00034
성분 패턴은
Figure 112018104287881-pat00035
동안 -FOV(H)/2 에서 +FOV(H)/2까지 움직이는 패턴을 가질 수 있으며, 움직이는 속도는 일정할 수 있다. 또한 상기
Figure 112018104287881-pat00036
성분 패턴은
Figure 112018104287881-pat00037
동안 1회 편도로 움직이는 것을 알 수 있다. 이 때, 상기
Figure 112018104287881-pat00038
성분 패턴은
Figure 112018104287881-pat00039
동안 +FOV(V)/2 에서 -FOV(V)/2를 거쳐 다시+FOV(V)/2 까지 왕복하는 패턴을 가질 수 있으며,
Figure 112018104287881-pat00040
동안 20회 왕복으로 움직이는 것을 알 수 있다.
따라서, 상기 라이다 장치의 스캔 패턴
Figure 112018104287881-pat00041
의 각 성분의 패턴인
Figure 112018104287881-pat00042
및
Figure 112018104287881-pat00043
는 반복되는 형상에 따라 함수로 표현될 수 있으며, 반복되는 형상의 최대값 및 최소값에 따라 시야각(FOV)을 변수로 포함할 수 있고, 반복되는 정도에 따라 주기(T)를 변수로 포함할 수 있으며, 시간에 따라 변화하므로 시간 (t)을 변수로 포함할 수 있다. 또한, 이 때, 시야각 및 주기는 변수일 수 있으며, 고정값일 수도 있다. 즉, 상기 라이다 장치의 스캔패턴은 상기 라이다 장치의 시야각(FOV), 각 패턴이 반복되는 주기(T), 상기 라이다 장치에서 조사되는 레이저의 방향의 변화를 나타내는 함수에 의해 결정될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
이하에서는 설명의 편의를 위해서 상기
Figure 112018104287881-pat00044
를 수평 방향 패턴, 상기
Figure 112018104287881-pat00045
를 수직 방향 패턴으로 설명할 수 있다.
5.1.2 수직 방향 패턴의 주기가 수평 방향 패턴의 주기보다 짧은 스캔패턴을 가지는 라이다 장치.
다시 도 7을 참조하면, 일 실시예에 따른 라이다 장치의 스캔 패턴은 수직 방향 패턴 (
Figure 112018104287881-pat00046
) 및 수평 방향 패턴(
Figure 112018104287881-pat00047
)을 포함하며, 상기 수직 방향 패턴의 주기(
Figure 112018104287881-pat00048
)가 상기 수평 방향 패턴의 주기(
Figure 112018104287881-pat00049
)보다 짧을 수 있다. 또한, 상기 라이다 장치의 스캔 패턴은 상기 수직 방향 패턴 및 상기 수평 방향 패턴으로 표현되는 스캔 패턴이 반복되는 주기(T)를 가질 수 있으며, 상기 스캔 패턴이 반복되는 주기(T)를 1프레임으로 가질 수 있다.
예를 들어, 도 6은 수평 방향 패턴의 주기(
Figure 112018104287881-pat00050
) 동안의 스캔패턴을 그래프로 나타낸 것이며, 수평 방향 패턴의 주기(
Figure 112018104287881-pat00051
)가 수직 방향 패턴의 주기(
Figure 112018104287881-pat00052
)보다 긴 경우, 수평 방향 패턴의 주기(
Figure 112018104287881-pat00053
)는 상기 스캔 패턴이 반복되는 주기(T)와 같을 수 있다. 또한, 수평 방향 패턴의 2주기 간격을 기초로 상기 스캔 패턴이 반복될 수도 있으며, 이 경우 상기 수평 방향 패턴의 2주기는 상기 스캔 패턴이 반복되는 주기(T)와 같을 수 있다.
5.1.2.1 시간 간격을 두고 생성되는 스캔 패턴을 가지는 라이다 장치.
도 8은 다른 일 실시예에 라이다 장치의 스캔 패턴을 각 성분 및 시간에 따라 그래프로 도시한 도면이다.
도 8을 참조하면, 일 실시예에 따른 라이다 장치의 스캔 패턴(8200)은 수직 방향 패턴(8210) 및 수평 방향 패턴(8220)을 포함하며, 반복되는 상기 수직 방향 패턴 사이(8210)에 패턴을 생성하지 않는 시간(8211)을 포함할 수 있으며, 또한, 상기 라이다 장치의 스캔 패턴(8200)은 반복되는 상기 수평 방향 패턴(8220) 사이에 패턴을 생성하지 않는 시간(8221)을 포함할 수도 있다.
이 때, 상기 스캔 패턴을 생성하지 않는 시간(8211,8221)은 상기 라이다 장치에서 레이저를 출력하기 위한 시간일 수 있으며, 상기 라이다 장치에서 조사하는 레이저의 방향을 알기위한 시간일 수도 있고, 상기 라이다 장치에 포함되는 구성간의 시간을 동기화 하기 위한 시간일 수도 있다. 또한, 이에 한정되지 않고, 레이저의 출력을 위한 시간, 거리의 계산을 위한 시간, 시간의 동기화를 위한 시간, 레이저의 출력에 따른 발열을 줄이기 위한 시간 등 상기 라이다 장치가 정확하고, 신속하게 작동하기 위해 필요한 시간일 수 있다.
구체적으로 반복되는 상기 수직 방향 패턴(8210) 사이에 패턴을 생성하지 않는 시간(8211)은 도 8 에 도시된 바와 같이 반복되는 상기 수직 방향 패턴(8210) 사이 중 일부에 포함될 수 있으며, 도 8 에 도시되지는 않았지만 반복되는 상기 수직 방향 패턴(8210) 사이 마다 매번 포함될 수 있다.
또한 반복되는 상기 수평 방향 패턴(8220) 사이에 패턴을 생성하지 않는 시간(8221)은 도 8 에 도시된 바와 같이 반복되는 상기 수평 방향 패턴(8220) 사이 중 일부에 포함될 수 있으며, 도 8 에 도시되지는 않았지만 반복되는 상기 수평 방향 패턴(8220) 사이 마다 매번 포함될 수 있다.
또한, 상기 스캔 패턴을 생성하지 않는 시간(8211,8221)은 상기 라이다 장치에 포함된 레이저 출력부에서 레이저를 출력하지 않는 시간일 수 있으며, 상기 라이다 장치에 포함된 스캐너 부에서 상기 라이다 장치의 외부를 향해 레이저를 조사하지 않는 시간일 수 있다.
5.1.2.2 수평 방향 패턴의 주기에 따라 수직 방향 시야각이 변화하는 스캔 패턴을 가지는 라이다 장치.
도 9는 또 다른 일 실시예에 라이다 장치의 스캔 패턴을 각 성분 및 시간에 따라 그래프로 도시한 도면이다.
도 9를 참조하면, 일 실시예에 따른 라이다 장치의 스캔 패턴(8300)은 수평 방향 패턴(8320) 및 수직 방향 패턴(8310)을 포함하며, 상기 수평 방향 패턴(8320)의 각 주기에 따라 상기 수직 방향 시야각(FOV(V))이 변할 수 있다. 구체적으로, 상기 라이다 장치의 스캔 패턴(8300)은 제1 수평 패턴 주기(8321) 및 제2 수평 패턴 주기(8322)를 포함 할 수 있다. 또한 도 9에 도시된 바와 같이 상기 라이다 장치의 스캔 패턴(8300)에서 제1 수평 패턴 주기(8321) 및 제2 수평 패턴 주기(8322)는 같은 시간 값을 가지며, 같은 최대값 및 최소값을 가질 수 있으나, 이에 한정되지 않고, 상기 제1 수평 패턴 주기 및 제2 수평 패턴 주기는 다른 시간 값 및/또는 다른 최대값 및 최소값을 가질 수도 있다.
또한, 상기 라이다 장치의 스캔 패턴(8300)의 제1 수평 패턴 주기(8321)동안 생성되는 수직 방향 패턴(8311)의 최대값(8331) 및 최소값(8332)은 제2 수평 패턴 주기(8322)동안 생성되는 수직 방향 패턴(8312)의 최대값(8341) 및 최소값(8342)과 다를 수 있다. 예를 들어, 상기 제2 수평 패턴 주기(8322)동안 생성되는 수직 방향 패턴(8312)의 최대값(8341) 및 최소값(8342)의 차이(8343)는 상기 제1 수평 패턴 주기(8321)동안 생성되는 수직 방향 패턴(8311)의 최대값(8331) 및 최소값(8332)의 차이(8333)보다 작을 수 있다. 이 때, 상기 제1 수평 방향 패턴 주기(8321) 동안을 제1 프레임이라 하고, 상기 제2 수평 방향 패턴 주기(8322) 동안을 제2 프레임이라고 할 때, 상기 제2 프레임의 수직 시야각(FOV(V))은 상기 제1 프레임의 수직 시야각(FOV(V))보다 작을 수 있다. 라이다 장치에서 상기 라이다 장치의 동작을 결정하는 다른 요소들이 동일한 동시에 시야각이 좁아지는 것은 스캔 가능한 영역이 줄어드는 것을 의미 할 수 있으며, 이에 따라 좁은 지역에 더 밀집도 있는 스캔을 가능하게 하여 상기 라이다 장치의 해상도가 높아지는 것을 의미할 수도 있다.
또한, 상기 라이다 장치의 스캔 패턴(8300)은 수평 방향 패턴의 각 주기마다 수직 시야각(FOV(V))이 다를 수 있으며, 상기 수평 방향 패턴의 2 주기마다 수직 시야각(FOV(V))이 다를 수도 있고, 상기 수평 방향 패턴의 각 주기마다 수직 시야각(FOV(V))이 다르며, 상기 수평 방향 패턴의 4 주기마다 반복될 수 있으나, 이에 한정되지 않고, 필요에 따라 유동적으로 변화할 수 있다.
5.1.2.3 수평 방향 패턴의 주기에 따라 수직 방향 패턴의 중간 값이 변화하는 스캔 패턴을 가지는 라이다 장치.
도 10은 또 다른 일 실시예에 따른 라이다 장치의 스캔 패턴을 각 성분 및 시간에 따라 그래프로 도시한 도면이다.
도 10을 참조하면, 일 실시예에 따른 라이다 장치의 스캔 패턴(8400)은 수평 방향 패턴(8420) 및 수직 방향 패턴(8410)을 포함하며, 상기 수평 방향 패턴(8420)의 주기(8421,8422)에 따라 상기 수직 방향 패턴(8410)의 중간 값(8433,8443)이 변화할 수 있다. 이 때, 상기 수직 방향 패턴(8410)의 중간 값(8433,8443)은 상기 수직 방향 패턴(8410)의 최대 값(8431,8441) 및 최소 값(8432,8442)의 중간 값을 의미할 수 있다.
도 10에 도시된 바와 같이, 상기 수평 방향 패턴(8420)은 제1 수평 방향 패턴 주기(8421) 및 제2 수평 방향 패턴 주기(8422)를 포함 할 수 있다. 또한 상기 수직 방향 패턴(8410)은 상기 제1 수평 방향 패턴 주기(8421) 동안 생성되는 수직 방향 패턴(8411)의 중간 값인 제1 중간(8433) 값 및 상기 제2 수평 방향 패턴 주기(8422) 동안 생성되는 수직 방향 패턴(8412)의 중간 값인 제2 중간 값(8443)을 포함 할 수 있다. 이 때, 상기 제1 중간 값(8433)은 상기 제2 중간 값(8443) 보다 클 수 있으나, 이에 한정되지 않고, 상기 제1 중간 값(8433)이 상기 제2 중간 값(8443) 보다 작을 수도 있다.
또한, 상기 제1 수평 방향 패턴 주기(8421) 동안 생성되는 상기 수직 방향 패턴(8411)의 최소값(8432)은 상기 제2 수평 방향 패턴 주기(8422) 동안 생성되는 상기 수직 방향 패턴(8412)의 최대값(8441)보다 작을 수 있으나, 이에 한정되지 않고, 상기 제1 수평 방향 패턴 주기(8421) 동안 생성되는 상기 수직 방향 패턴(8411)의 최소값(8432)은 상기 제2 수평 방향 패턴 주기(8422) 동안 생성되는 상기 수직 방향 패턴(8412)의 최대값(8441)보다 클 수 있다.
또한 도 11은 도 10에 따른 일 실시예에 따른 라이다 장치의 스캔 패턴을 1프레임 시간 동안 그래프로 도시한 도면이며, 도 11을 참조하면, 일 실시예에 따른 라이다 장치는 상기 제1 수평 방향 패턴 주기 및 상기 제2 수평 방향 패턴 주기를 1프레임으로 할 수 있다. 이 때, 도 11에 도시된 바와 같이 상기 라이다 장치는 1프레임 동안 수직 방향의 중간부분을 더 많이 스캔 할 수 있다.
또한, 상기 라이다 장치의 1프레임의 수직 시야각(FOV(V))은 상기 제1 수평 방향 패턴 주기 동안 생성되는 상기 수직 방향 패턴의 최대값 및 상기 제2 수평 방향 패턴 주기 동안 생성되는 상기 수직 방향 패턴의 최소값의 차이 일 수 있다.
따라서 같은 시간 동안 1프레임을 생성하는 라이다 장치와 비교해서 상기 라이다 장치는 1프레임 동안 수직 방향의 중간 부분을 더 많이 스캔 할 수 있다.
라이다 장치는 레이저를 이용하여 스캔 영역 내에 포함된 대상체와의 거리정보를 얻는 장치로, 레이저를 이용하여 스캔 포인트를 생성한다. 따라서 라이다 장치는 일정 시간동안 생성할 수 있는 스캔 포인트의 개수에 제한이 있을 수 있다. 따라서, 자율주행 차량 등에 이용되는 라이다 장치의 경우, 같은 스캔 포인트를 가지고 중요한 부분을 더 많이 스캔하는 것이 중요할 수 있으며, 상기 도 10 및 도 11에 도시된 바와 같은 스캔 패턴을 가지는 라이다 장치의 경우, 같은 시간동안 중요한 부분을 더 많이 스캔 할 수 있다.
5.1.2.4 라이다 장치에서 조사되는 레이저의 시간에 따른 방향의 변화 정도가 변하는 라이다 장치.
도 12는 또 다른 일 실시예에 따른 라이다 장치의 스캔 패턴을 각 성분 및 시간에 따라 그래프로 도시한 도면이다.
도 12를 참조하면, 일 실시예에 따른 라이다 장치는 상기 라이다 장치에서 조사되는 레이저의 시간에 따른 방향의 변화 정도가 변화하는 스캔 패턴(8500)을 가질 수 있다. 이 때, 상기 라이다 장치에서 조사되는 레이저의 시간에 따른 방향의 변화는 스캔 패턴 변화 속도일 수 있다. 구체적으로 시간에 따른 수평 방향 성분의 변화량 또는 시간에 따른 수직 방향 성분의 변화량을 스캔 패턴 변화 속도라고 할 수 있다.
도 12에 도시된 바와 같이 상기 라이다 장치의 스캔 패턴(8500)은 수평 방향 패턴(8520) 및 수직 방향 패턴(8510)을 가질 수 있다. 또한 상기 수평 방향 패턴(8520)은 상기 라이다 장치에서 조사되는 레이저의 시간에 따른 방향의 변화 정도가 변화할 수 있다. 예를 들어, 제1 시점(8531) 까지 상기 수평 방향 패턴(8520)은 제1 속도를 가지며, 상기 제1 시점(8531)에서 상기 수평 방향 패턴(8520)은 제1 지점(8521)에 위치하고, 상기 수직 방향 패턴(8510)은 3주기 후의 지점(8511)에 위치할 수 있다. 또한 제1 시점(8531)부터 제2 시점(8532) 까지 상기 수평 방향 패턴(8520)은 제2 속도를 가지며, 상기 제2 시점(8532)에서 상기 수평 방향 패턴(8520)은 제2 지점(8522)에 위치하고, 상기 수직 방향 패턴(8510)은 17주기 후의 지점(8512)에 위치할 수 있다. 또한 제2 시점부터 제3 시점까지 상기 수평 방향 패턴(8520)은 제3 속도를 가지며, 상기 제3 시점(8533)에서 상기 수평 방향 패턴(8520)은 최대값(8523)에 위치하고, 상기 수직 방향 패턴(8510)은 20주기 후의 지점(8513)에 위치할 수 있다. 따라서 이 때, 상기 제2 속도는 상기 제1 속도 및 상기 제3 속도 보다 더 느릴 수 있다. 다만, 도 12에는 도시되지 않았으나, 상기 제2 속도는 상기 제1 속도 및 상기 제3 속도 보다 더 빠를 수 있다.
또한 도 13은 도 12에 따른 일 실시예에 따른 라이다 장치의 스캔 패턴을 1프레임 시간 동안 그래프로 도시한 도면이며, 도 13을 참조하면, 일 실시예에 따른 라이다 장치는 수평 방향 패턴 주기(
Figure 112018104287881-pat00054
)를 1프레임으로 할 수 있다. 구체적으로 상기 수평 방향 패턴이 제1 지점(8521)에 위치하는 경우, 상기 수직 방향 패턴은 3주기를 지나며, 상기 수평 방향 패턴이 제2 지점(8522)을 지나는 경우 상기 수직 방향 패턴은 17주기를 지날 수 있다. 따라서 도 12에 도시된 스캔 패턴(8500)을 1프레임으로 나타내는 경우 상기 라이다 장치는 1프레임 동안 수평 방향의 중간 부분을 더 많이 스캔 할 수 있다. 또한 상기 라이다 장치의 스캔 패턴(8500)은 상기 라이다 장치의 상기 수평 방향 패턴의 제2 속도가 상기 제1 속도 및 상기 제3 속도 보다 더 느린 경우이다.
따라서, 같은 시간 동안 1프레임을 생성하는 라이다 장치와 비교하여 상기 라이다 장치는 수평 방향의 중간 부분을 더 많이 스캔할 수 있다.
결국, 상기 도 12 및 도 13에 도시된 바와 같은 스캔 패턴을 가지는 라이다 장치의 경우, 같은 시간동안 중요한 부분을 더 많이 스캔 할 수 있다.
또한 도 14는 또 다른 일 실시예에 따른 라이다 장치의 스캔 패턴을 각 성분 및 시간에 따라 그래프로 도시한 도면이며, 도 14를 참조하면, 일 실시예에 따른 라이다 장치의 스캔 패턴(8550)은 수평 방향 패턴(8570) 및 수직 방향 패턴(8560)을 가질 수 있으며, 상기 수직 방향 패턴(8560)은 상기 라이다 장치에서 조사되는 레이저의 시간에 따른 방향의 변화 정도가 변화할 수 있다. 예를 들어, 도 14에 도시된 바와 같이, 상기 수직 방향 패턴(8560)은 정현파(Sinusoidal)의 속도를 가질 수 있다. 다만, 도 14에는 도시되지 않았으나, 상기 수직 방향 패턴(8560)은 상기 수직 방향 패턴의 최대값(8561) 및 최소값(8562) 근처에서 속도가 상기 수직 방향 패턴의 중간값 근처에서의 속도 보다 빠를 수 있다.
5.1.2.5 수평 방향 패턴의 주기에 따라 수직 방향 패턴의 초기 위치가 변하는 라이다 장치.
일 실시예에 따른 라이다 장치는 수평 방향 패턴의 주기에 따라 수직 방향 패턴의 초기 위치가 변하는 스캔 패턴을 가질 수 있다. 이 때, 상기 수직 방향 패턴의 초기 위치는 상기 수평 방향 패턴이 시작되는 시점에서 레이저 조사 방향의 수직 성분을 의미할 수 있다. 예를 들어, 상기 수평 방향 패턴의 1주기가 시작되는 시점을 t1이라 했을 때, 상기 t1에서 상기 레이저의 조사 방향의 수평 성분은 -FOV(H)/2일 수 있으며, 수직 성분은 +FOV(V)/2일 수 있다. 또한, 상기 수평 방향 패턴의 2주기가 시작되는 시점을 t2라 했을 때, 상기 t2에서 상기 레이저의 조사 방향의 수평 성분은 -FOV(H)/2일 수 있으며, 수직 성분은 +FOV(V)/4일 수 있다.
또한, 상기 수평 방향 패턴의 주기에 따라 상기 수직 방향 패턴의 초기 위치가 변하지 않는 라이다 장치가 상기 수평 방향 패턴의 2주기를 1프레임으로 설정 하는 경우 상기 수평 방향 패턴의 2주기 동안 동일한 부분을 2번 스캔하게 되나, 상기 수평 방향 패턴의 주기에 따라 상기 수직 방향 패턴의 초기 위치가 변하는 라이다 장치가 상기 수평 방향 패턴의 2주기를 1프레임으로 설정 하는 경우 상기 수평 방향 패턴의 2주기 동안 계속해서 다른 부분을 스캔하게 된다. 따라서, 상기 수평 방향 패턴의 주기에 따라 상기 수직 방향 패턴의 초기 위치가 변하지 않는 라이다 장치와 비교하여 상기 수평 방향 패턴의 주기에 따라 상기 수직 방향 패턴의 초기 위치가 변하는 라이다 장치는 더 높은 해상도를 가질 수 있다.
5.1.3 수평 방향 패턴의 주기가 수직 방향 패턴의 주기보다 짧은 스캔 패턴을 가지는 라이다 장치.
도 15는 또 다른 일 실시예에 따른 라이다 장치의 스캔패턴을 각 성분 및 시간에 따라 그래프로 도시한 도면이다.
도 15를 참조하면, 일 실시예에 따른 라이다 장치의 스캔 패턴(8600)은 수직 방향 패턴(8610) 및 수평 방향 패턴(8620)을 포함하며, 상기 수평 방향 패턴(8620)의 주기(
Figure 112018104287881-pat00055
)가 상기 수직 방향 패턴(8610)의 주기(
Figure 112018104287881-pat00056
)보다 짧을 수 있다. 또한, 상기 라이다 장치는 상기 수직 방향 패턴(8610) 및 상기 수평 방향 패턴(8620)으로 표현되는 스캔 패턴(8600)이 반복되는 주기(T)를 가질 수 있으며, 상기 스캔 패턴이 반복되는 주기를 1프레임으로 가질 수 있다.
예를 들어, 도 16은 도 15에 따른 일 실시예에 따른 라이다 장치의 스캔 패턴을 그래프로 나타낸 것이며, 구체적으로 수직 방향 패턴(8610)의 1주기(
Figure 112018104287881-pat00057
) 동안의 스캔패턴(8600)을 그래프로 나타낸 것이며, 수직 방향 패턴의 주기가 수평 방향 패턴의 주기보다 긴 경우, 수직 방향 패턴의 주기는 상기 스캔 패턴이 반복되는 주기와 같을 수 있다. 또 한, 수직 방향 패턴의 2주기 간격을 기초로 상기 스캔 패턴이 반복될 수도 있으며, 이 경우 상기 수직 방향 패턴의 2주기는 상기 스캔 패턴이 반복되는 주기와 같을 수 있다.
5.1.3.1 수직 방향 패턴의 주기에 따라 수직 방향 시야각이 변화하는 스캔 패턴을 가지는 라이다 장치.
도 17은 또 다른 일 실시예에 따른 라이다 장치의 스캔 패턴을 각 성분 및 시간에 따라 그래프로 도시한 도면이다.
도 17을 참조하면, 일 실시예에 따른 라이다 장치의 스캔 패턴은 수평 방향 패턴(8720) 및 수직 방향 패턴(8710)을 포함하며, 상기 수직 방향 패턴(8710)의 각 주기에 따라 상기 수직 방향 시야각이 변할 수 있다. 구체적으로, 상기 라이다 장치의 스캔 패턴(8700)은 제1 수직 방향 패턴 및 제2 수직 방향 패턴을 포함 할 수 있다. 또한 도 17에 도시된 바와 같이 상기 라이다 장치의 스캔 패턴(8700)에서 제1 수직 방향 패턴 및 제2 수직 방향 패턴은 같은 주기 값을 가질 수 있으나, 이에 한정되지 않고, 상기 제1 수직 방향 패턴 및 제2 수직 방향 패턴은 다른 주기 값을 가질 수도 있다.
또한, 상기 라이다 장치의 스캔 패턴(8700)의 제1 수직 방향 패턴 주기(8711)동안 생성되는 수직 방향 패턴(8710)의 최대값(8731) 및 최소값(8732)은 제2 수직 방향 패턴 주기(8712)동안 생성되는 수직 방향 패턴(8710)의 최대값(8741) 및 최소값(8742)과 다를 수 있다. 예를 들어 상기 제2 수직 패턴 주기(8712)동안 생성되는 수직 방향 패턴(8710)의 최대값(8741) 및 최소값(8742)의 차이(8743)는 상기 제1 수직 패턴 주기(8711)동안 생성되는 수직 방향 패턴(8710)의 최대값(8731) 및 최소값(8732)의 차이(8733)보다 작을 수 있다. 이 때, 상기 제1 수직 방향 패턴 주기(8711) 동안을 제1 프레임이라 하고, 상기 제2 수직 방향 패턴 주기(8712)동안을 제2 프레임이라고 할 때, 상기 제2 프레임의 수직 시야각(FOV(V))은 상기 제1 프레임의 수직 시야각(FOV(V))보다 작을 수 있다. 라이다 장치에서 상기 라이다 장치의 동작을 결정하는 다른 요소들이 동일한 동시에 시야각이 좁아지는 것은 스캔 가능한 영역이 줄어드는 것을 의미 할 수 있으며, 이에 따라 좁은 지역에 더 밀집도 있는 스캔을 가능하게 하여 상기 라이다 장치의 해상도가 높아지는 것을 의미할 수도 있다.
또한, 상기 라이다 장치의 스캔 패턴(8700)은 수직 방향 패턴의 각 주기마다 수직 시야각(FOV(V))이 다를 수 있으며, 상기 수직 방향 패턴의 2 주기마다 수직 시야각(FOV(V))이 다를 수도 있고, 상기 수직 방향 패턴의 각 주기마다 수직 시야각(FOV(V))이 다르며, 상기 수직 방향 패턴의 4 주기마다 반복될 수 있으나, 이에 한정되지 않고, 필요에 따라 유동적으로 변화할 수 있다.
5.1.3.2 수직 방향 패턴의 주기에 따라 수직 방향 패턴의 중간 값이 변화하는 스캔 패턴을 가지는 라이다 장치.
도 18은 또 다른 일 실시예에 따른 라이다 장치의 스캔 패턴을 각 성분 및 시간에 따라 그래프로 도시한 도면이다.
도 18을 참조하면, 일 실시예에 따른 라이다 장치의 스캔 패턴(8800)은 수평 방향 패턴(8820) 및 수직 방향 패턴(8810)을 포함하며, 상기 수직 방향 패턴(8810)의 주기(8811,8812)에 따라 상기 수직 방향 패턴(8810)의 중간 값(8833,8843)이 변화할 수 있다. 이 때, 상기 수직 방향 패턴(8810)의 중간 값(8833,8843)은 상기 수직 방향 패턴(8810)의 최대 값(8831,8841) 및 최소 값(8832,8842)의 중간 값을 의미할 수 있다.
도 18에 도시된 바와 같이, 상기 수직 방향 패턴(8810)은 제1 수직 방향 패턴 주기(8811) 및 제2 수직 방향 패턴 주기(8812)를 포함 할 수 있다. 또한 상기 수직 방향 패턴(8810)은 상기 제1 수직 방향 패턴 주기(8811) 동안 생성되는 수직 방향 패턴의 중간 값인 제1 중간 값(8833) 및 상기 제2 수직 방향 패턴 주기(8812) 동안 생성되는 수직 방향 패턴의 중간 값인 제2 중간 값(8843)을 포함 할 수 있다. 이 때, 상기 제1 중간 값(8833)은 상기 제2 중간 값(8843) 보다 클 수 있으나, 이에 한정되지 않고, 상기 제1 중간 값(8833)이 상기 제2 중간 값(8843) 보다 작을 수도 있다.
또한, 상기 제1 수직 방향 패턴 주기(8811) 동안 생성되는 상기 수직 방향 패턴(8810)의 최소값(8832)은 상기 제2 수직 방향 패턴 주기(8812) 동안 생성되는 상기 수직 방향 패턴(8810)의 최대값(8841)보다 작을 수 있으나, 이에 한정되지 않고, 상기 제1 수직 방향 패턴 주기(8811) 동안 생성되는 상기 수직 방향 패턴(8810)의 최소값(8832)은 상기 제2 수직 방향 패턴 주기(8812) 동안 생성되는 상기 수직 방향 패턴(8810)의 최대값(8841)보다 클 수 있다.
또한 도 19는 도 18에 따른 일 실시예에 따른 라이다 장치의 스캔 패턴을 그래프로 도시한 도면이며, 도 19를 참조하면, 일 실시예에 따른 라이다 장치는 상기 제1 수직 방향 패턴 주기(8811) 및 상기 제2 수직 방향 패턴 주기(8812)를 1프레임으로 할 수 있다. 이 때, 도 19에 도시된 바와 같이 상기 라이다 장치는 1프레임 동안 수직 방향의 중간부분을 더 많이 스캔 할 수 있다.
또한, 상기 라이다 장치의 1프레임의 수직 시야각(FOV(V))은 상기 제1 수직 방향 패턴 주기 동안 생성되는 상기 수직 방향 패턴의 최대값 및 상기 제2 수직 방향 패턴 주기 동안 생성되는 상기 수직 방향 패턴의 최소값의 차이 일 수 있다.
따라서 같은 시간 동안 1프레임을 생성하는 라이다 장치와 비교해서 상기 라이다 장치는 1프레임 동안 수직 방향의 중간 부분을 더 많이 스캔 할 수 있다.
라이다 장치는 레이저를 이용하여 스캔 영역 내에 포함된 대상체와의 거리정보를 얻는 장치로, 레이저를 이용하여 스캔 포인트를 생성한다. 따라서 라이다 장치는 일정 시간동안 생성할 수 있는 스캔 포인트의 개수에 제한이 있을 수 있다. 따라서, 자율주행 차량 등에 이용되는 라이다 장치의 경우, 같은 스캔 포인트를 가지고 중요한 부분을 더 많이 스캔하는 것이 중요할 수 있으며, 상기 도 18 및 도 19에 도시된 바와 같은 스캔 패턴을 가지는 라이다 장치의 경우, 같은 시간동안 중요한 부분을 더 많이 스캔 할 수 있다.
5.2 노딩미러 및 회전 다면 미러를 포함하는 라이다 장치.
다시 도 4를 참조하면, 일 실시예에 따른 라이다 장치는 레이저 출력부, 노딩미러, 회전 다면 미러 및 센서부를 포함할 수 있다. 또한 상기 라이다 장치는 스캔 패턴을 생성할 수 있다.
상기 레이저 출력부(110) 및 상기 센서부(130)은 도 1 및 도 2에서 설명되었으므로, 이하에서 상기 레이저 출력부(110) 및 상기 센서부(130)에 대한 상세한 설명은 생략하기로 한다.
상기 노딩미러(122)는 전술한 제1 스캐너부(121)의 일 구현예일 수 있다. 상기 노딩미러(122)는 일 축을 기준으로 기 설정된 각도 범위에서 노딩할 수 있으며, 두 축을 기준으로 기 설정된 각도 범위에서 노딩할 수도 있다. 이 때, 상기 노딩미러는 상기 스캔 패턴을 생성할 수 있으며, 구체적으로 상기 스캔 패턴은 수평 방향 패턴 및 수직 방향 패턴을 포함하고, 상기 노딩미러는 상기 수직 방향 패턴을 생성할 수 있다.
또한, 상기 회전 다면 미러(127)는 전술한 상기 제2 스캐너(126)의 일 구현예일 수 있다. 상기 회전 다면 미러(127)는 일 축을 기준으로 회전할 수 있다. 이 때, 상기 회전 다면 미러는 상기 스캔 패턴을 생성할 수 있으며, 구체적으로 상기 회전 다면 미러는 상기 수평 방향 패턴을 생성할 수 있다.
또한, 상기 수평 방향 패턴 및 상기 수직 방향 패턴은 각 패턴이 반복되는 주기를 포함하며, 최대값 및 최소값을 포함할 수 있다. 이 때, 상기 수직 방향 패턴의 주기, 최대값 및 최소값은 상기 노딩미러에 의해 정해질 수 있으며, 상기 수평 방향 패턴의 주기, 최대값 및 최소값은 상기 회전 다면 미러에 의해 정해질 수 있다.
또한, 상기 라이다 장치는 도 5 및 도 6에서 도시된 바와 같은 스캔 패턴을 생성할 수 있다. 구체적으로 상기 라이다 장치가 상기 수직 방향 패턴의 주기가 상기 수평 방향 패턴의 주기보다 짧은 스캔 패턴을 생성하기 위하여, 상기 노딩미러의 노딩 속도는 상기 회전 다면 미러의 회전 속도보다 빠를 수 있다. 또한 이 경우, 상기 회전 다면 미러의 제조 공정에서 상기 회전 다면 미러의 반사면의 기울기가 일정하지 않을 때도, 상기 라이다 장치의 스캔 정확도에 미치는 영향이 작을 수 있다. 구체적으로, 상기 노딩미러의 노딩 소곧가 상기 회전 다면 미러의 회전 속도보다 일정 수준 이상 빠른 경우, 상기 회전 다면 미러의 한 면을 이루는 각도 만큼 상기 회전 다면 미러가 회전하는 시간을 한 프레임으로 할 수 있고, 따라서 각 회전 다면 미러의 반사면의 기울기에 오차가 있더라도, 여러 프레임으로 보완이 가능할 수 있다.
또한, 상기 라이다 장치는 도 8에서 도시된 바와 같은 스캔 패턴을 생성할 수 있다. 구체적으로 상기 라이다 장치가 상기 수직 방향 패턴 사이에 패턴을 생성하지 않는 시간을 포함하는 스캔 패턴을 생성하기 위하여, 상기 레이저 출력부는 레이저를 출력하지 않는 시간을 가질 수 있으며, 상기 노딩 미러가 상기 라이다 장치의 내부로 레이저를 반사하는 시간을 가질 수도 있다.
또한, 상기 라이다 장치가 상기 수평 방향 패턴 사이에 패턴을 생성하지 않는 시간을 포함하는 스캔 패턴을 생성하기 위하여, 상기 레이저 출력부는 레이저를 출력하지 않는 시간을 가질 수 있으며, 상기 노딩미러가 상기 라이다 장치의 내부로 레이저를 반사하는 시간을 가질 수도 있다.
또한, 상기 라이다 장치는 도 9 에서 도시된 바와 같은 스캔 패턴을 생성할 수 있다. 구체적으로 상기 라이다 장치가 상기 수평 방향 패턴의 각 주기에 따라 상기 수직 방향 시야각이 변하는 스캔 패턴을 생성하기 위하여, 상기 노딩 미러의 노딩 각도는 상기 회전 다면 미러의 회전 각도에 기초하여 변할 수 있다. 예를 들어, 상기 회전 다면 미러의 반사면이 4개인 경우 상기 노딩 미러의 노딩 각도는 상기 회전 다면 미러의 360/n회전 마다 변할 수 있다. 구체적으로 상기 노딩 미러의 노딩 각도가 상기 회전 다면 미러의 360/n회전 할 동안 10도이고, 상기 회전 다면 미러의 다음 360/n회전 할 동안 5도 일 수도 있다.
또한, 상기 라이다 장치는 도 10 및 도 11에서 도시된 바와 같은 스캔 패턴을 생성할 수 있다. 구체적으로 상기 라이다 장치가 상기 수평 방향 패턴의 주기에 따라 상기 수직 방향 패턴의 중간 값이 변화하는 스캔 패턴을 생성하기 위하여, 상기 회전 다면 미러의 각 반사면의 기울기가 상이할 수 있다.
예를 들어, 도 20은 일 실시예에 따른 라이다 장치의 회전 다면 미러에 관한 도면이며, 도 20을 참조하면, 일 실시예에 따른 라이다 장치의 회전 다면 미러(8900)는 회전축(8950) 및 복수개의 반사면(8910,8920,8930,8940)을 포함한다. 또한, 상기 복수개의 반사면(8910,8920,8930,8940)은 상기 회전축(8950)을 기준으로 상이한 각도를 가지고 기울어 질 수 있다. 또한 이 경우, 상기 회전 다면 미러(8900)의 반사면(8910,8920,8930,8940)의 기울어진 정도에 따라 상기 수직 방행 패턴의 중간 값이 변할 수 있다. 구체적으로 상기 회전 다면 미러의 제1 면(8910)은 회전축을 기준으로 제1 각도를 가지고 기울어져 있으며, 상기 회전 다면 미러의 제2 면(8920)은 상기 회전축을 기준으로 제2 각도(8970)를 가지고 기울어져 있다. 이 때, 상기 제1 면(8910)을 통해 생성되는 수직 방향 패턴의 중간 값은 상기 제1 각도에 따라 결정되며, 상기 제2 면(8920)을 통해 생성되는 수직 방향 패턴의 중간 값은 상기 제2 각도(8970)에 따라 결정 될 수 있다.
또한 상기 라이다 장치는 도 12 및 도 13에서 도시된 바와 같은 스캔 패턴을 생성할 수 있다. 구체적으로 상기 라이다 장치가 상기 라이다 장치에서 조사되는 레이저의 시간에 따른 방향의 변화 정도가 변화하는 스캔 패턴을 생성하기 위하여, 상기 노딩 미러의 노딩 속도는 노딩 각도에 따라 일정하지 않을 수 있으며, 상기 회전 다면 미러의 회전 속도는 회전 각도에 따라 일정하지 않을 수 있다.
예를 들어, 상기 수평 방향 패턴의 속도가 변하기 위해서 상기 회전 다면 미러의 회전 속도가 가변할 수 있으며, 상기 수직 방향 패턴의 속도가 정현파(Sinusoidal)형태로 변하기 위해서 상기 노딩미러의 노딩 속도가 정현파(Sinusoidal)형태 일 수 있다.
또한 상기 라이다 장치는 도 15 및 도 16에서 도시된 바와 같은 스캔 패턴을 생성할 수 있다. 구체적으로 상기 라이다 장치가 상기 수평 방향 패턴의 주기가 상기 수직 방향 패턴의 주기보다 짧은 스캔패턴을 생성하기 위하여, 상기 회전 다면 미러의 회전 속도가 상기 노딩 미러의 노딩 속도보다 빠를 수 있다.
또한 상기 라이다 장치는 도 17에서 도시된 바와 같은 스캔 패턴을 생성할 수 있다. 구체적으로 상기 라이다 장치가 상기 수직 방향 패턴의 각 주기에 따라 상기 수직 방향 시야각이 변하는 스캔 패턴을 생성하기 위하여, 상기 노딩 미러의 노딩 각도는 상기 노딩 미러의 1회 노딩 마다 변할 수 있다. 예를 들어, 상기 노딩 미러의 노딩 각도가 n번째 노딩 할 때 10도이고, n+1번째 노딩할 때 5도 일 수 있다.
또한 상기 라이다 장치는 도 18 및 도 19에서 도시된 바와 같은 스캔 패턴을 생성할 수 있다. 구체적으로 상기 라이다 장치가 상기 수직 방향 패턴 주기에 따라 상기 수직 방향 패턴의 중간 값이 변하는 스캔 패턴을 생성하기 위하여, 상기 노딩 미러의 노딩 각도의 최대값 및 최소값이 변할 수 있다. 예를 들어, 상기 제1 수직 방향 패턴의 최대값을 제1 최대값, 최소값을 제1 최소값, 상기 제2 수직 방향 패턴의 최대값을 제2 최대값, 최소값을 제2 최소값이라고 할 때, 상기 노딩미러는 상기 제1 최대값에서 상기 제1 최소값으로 노딩하고 상기 제1 최소값에서 상기 제2 최대값으로 노딩하며, 상기 제2 최대값에서 상기 제2 최소값으로 노딩하고, 상기 제2 최소값에서 상기 제1 최대값으로 노딩하는 노딩 각도를 가질 수 있다.
실시예에 따른 방법은 다양한 컴퓨터 수단을 통하여 수행될 수 있는 프로그램 명령 형태로 구현되어 컴퓨터 판독 가능 매체에 기록될 수 있다. 상기 컴퓨터 판독 가능 매체는 프로그램 명령, 데이터 파일, 데이터 구조 등을 단독으로 또는 조합하여 포함할 수 있다. 상기 매체에 기록되는 프로그램 명령은 실시예를 위하여 특별히 설계되고 구성된 것들이거나 컴퓨터 소프트웨어 당업자에게 공지되어 사용 가능한 것일 수도 있다. 컴퓨터 판독 가능 기록 매체의 예에는 하드 디스크, 플로피 디스크 및 자기 테이프와 같은 자기 매체(magnetic media), CD-ROM, DVD와 같은 광기록 매체(optical media), 플롭티컬 디스크(floptical disk)와 같은 자기-광 매체(magneto-optical media), 및 롬(ROM), 램(RAM), 플래시 메모리 등과 같은 프로그램 명령을 저장하고 수행하도록 특별히 구성된 하드웨어 장치가 포함된다. 프로그램 명령의 예에는 컴파일러에 의해 만들어지는 것과 같은 기계어 코드뿐만 아니라 인터프리터 등을 사용해서 컴퓨터에 의해서 실행될 수 있는 고급 언어 코드를 포함한다. 상기된 하드웨어 장치는 실시예의 동작을 수행하기 위해 하나 이상의 소프트웨어 모듈로서 작동하도록 구성될 수 있으며, 그 역도 마찬가지이다.
이상과 같이 실시예들이 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기의 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 예를 들어, 설명된 기술들이 설명된 방법과 다른 순서로 수행되거나, 및/또는 설명된 시스템, 구조, 장치, 회로 등의 구성요소들이 설명된 방법과 다른 형태로 결합 또는 조합되거나, 다른 구성요소 또는 균등물에 의하여 대치되거나 치환되더라도 적절한 결과가 달성될 수 있다.
그러므로, 다른 구현들, 다른 실시예들 및 특허청구범위와 균등한 것들도 후술하는 특허청구범위의 범위에 속한다.

Claims (14)

  1. 레이저를 이용하여 거리를 측정하는 라이다 장치에 있어서,
    레이저를 출사하는 레이저 출력부;
    상기 레이저 출력부에서 출사된 레이저를 조사하며, 스캔 패턴을 생성하는 스캐닝부;
    상기 라이다 장치의 스캔 가능 영역인 스캔영역에 포함된 대상체에서 반사된 레이저를 감지하는 센서부;를 포함하되,
    상기 라이다 장치에서 조사되는 레이저의 방향은 수평 방향 성분 및 수직 방향 성분을 포함하며,
    상기 스캔 패턴은 시간에 따라 변경되는 상기 레이저의 조사되는 방향의 반복적인 형태를 나타낸 것이고, 상기 스캔 패턴은 수평 방향 패턴인 수평 패턴 및 수직 방향 패턴인 수직 패턴을 포함하며,
    상기 수평 패턴 및 상기 수직 패턴은 각각 최대값, 최소값 및 반복적으로 시야각을 형성하는 주기를 포함하고,
    상기 수평 패턴의 최대값과 최소값의 차이는 상기 수직 패턴의 최대값과 최소값의 차이 보다 크고,
    상기 수평 패턴 주기는 상기 수직 패턴 주기보다 길며,
    상대적으로 주기가 긴 상기 수평 패턴은 상기 수평 패턴의 주기 내에서 시간에 따라 상기 수평 방향 성분이 증가하는 형태이며,
    상대적으로 주기가 짧은 상기 수직 패턴은 상기 수직 패턴 주기 내에서 시간에 따라 상기 수직 방향 성분이 감소 및 증가하는 형태인
    라이다 장치.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 수평 패턴은 상기 수평 방향 성분이 최대값 및 최소값의 중간값을 가질 때 상기 수평 방향 성분의 시간에 따른 변화 속도가
    상기 수평 방향 성분이 최대값 또는 최소값을 가질 때 상기 수평 방향 성분의 시간에 따른 변화 속도 보다 느린 형태를 갖는 것을 특징으로 하는
    라이다 장치.
  3. 제1 항에 있어서,
    상기 수직 패턴은 상기 수직 방향 성분이 시간에 따라 정현파 모양으로 변화하는(Sinusoidal) 형태를 갖는 것을 특징으로 하는
    라이다 장치.
  4. 제1 항에 있어서,
    상기 수평 패턴 주기는 제1 수평 패턴 주기 및 제2 수평 패턴 주기를 포함하며,
    상기 수직 패턴은 상기 제1 수평 패턴 주기동안 생성되는 제1 수직 패턴 및 상기 제2 수평 패턴 주기동안 생성되는 제2 수직 패턴을 포함하고,
    상기 제1 수직 패턴의 최대값 및 최소값의 차이는 상기 제2 수직 패턴의 최대값 및 최소값의 차이보다 큰 것을 특징으로 하는
    라이다 장치.
  5. 제1 항에 있어서,
    상기 수평 패턴 주기는 제1 수평 패턴 주기 및 제2 수평 패턴 주기를 포함하며,
    상기 수직 패턴은 상기 제1 수평 패턴 주기 동안 생성되는 제1 수직 패턴 및 상기 제2 수평 패턴 주기동안 생성되는 제2 수직 패턴을 포함하고,
    상기 제1 수직 패턴의 중간 값은 상기 제2 수직 패턴의 중간값 보다 큰 것을 특징으로 하는
    라이다 장치.
  6. 제1 항에 있어서,
    상기 수평 패턴 주기는 제1 수평 패턴 주기 및 제2 수평 패턴 주기를 포함하며,
    상기 제1 수평 패턴 주기의 시작 시점에서 상기 레이저는 제1 수직 방향 성분을 가지고,
    상기 제2 수평 패턴 주기의 시작 시점에서 상기 레이저는 제2 수직 방향 성분을 가지며,
    상기 제1 수직 방향 성분과 상기 제2 수직 방향 성분은 상이한
    라이다 장치.
  7. 제1 항에 있어서,
    상기 스캐닝부는 일축을 기준으로 회전하는 회전 다면 미러를 포함하며,
    상기 회전 다면 미러는 상기 수평 스캔 패턴을 생성하는
    라이다 장치.
  8. 제7 항에 있어서,
    상기 회전 다면 미러는 복수개의 반사면을 포함하되,
    상기 복수개의 반사면은 상기 회전 다면 미러의 회전축을 기준으로 기울어진 각도가 상이한
    라이다 장치.
  9. 제7 항에 있어서,
    상기 회전 다면 미러의 회전 속도는 상기 회전 다면 미러의 각도에 따라 변하는
    라이다 장치.
  10. 제7 항에 있어서,
    상기 스캐닝부는 기 설정된 각도 범위에서 노딩하는 노딩 미러를 더 포함하며,
    상기 노딩 미러는 상기 수직 패턴을 생성하는
    라이다 장치.
  11. 제10 항에 있어서,
    상기 노딩 미러의 기 설정된 각도는
    상기 회전 다면 미러의 회전 각도에 따라 변하는
    라이다 장치.
  12. 제10 항에 있어서,
    상기 노딩 미러의 기 설정된 각도는
    상기 수평 패턴 주기에 따라 변하는
    라이다 장치.
  13. 삭제
  14. 삭제
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