KR102020038B1 - 라이다 센서 모듈 - Google Patents

Abstract

본 발명은 대상체와의 거리에 따라 수광부로 수신되는 반사 레이저빔의 투과율이 조절되어 다중 영역에 대해 정밀한 측정을 수행할 수 있는 라이다 센서 모듈에 관한 것으로,
본 발명의 실시예에 따른 라이다 센서 모듈은,
레이저빔을 발광하는 발광부; 상기 발광부에서 발광되어 대상체에 의해 반사된 반사 레이저빔을 수신하는 수광부; 및, 상기 수광부로 수신되는 반사 레이저빔의 투과율을 조절하는 광학 필터부를 포함한다.

Description

라이다 센서 모듈 {LiDAR sensor module}

본 발명은 라이다 센서 모듈에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 대상체와의 거리에 따라 수광부로 수신되는 반사 레이저빔의 투과율이 조절되어 다중 영역에 대해 정밀한 측정을 수행할 수 있는 라이다 센서 모듈에 관한 것이다.

레이저(Light Amplification by the Stimulated Emission of Radiation, LASER)는 빛의 유도방출(stimulated emission)을 일으켜 증폭해서 레이저 광을 조사한다.

라이다(Light Detection and Ranging, LiDAR)는 레이저를 이용하여 거리를 측정하는 기술로써, 3차원 GIS(Geographic Information System) 정보 구축을 위한 지형 데이터를 구축하고, 이를 가시화하는 형태로 발전되어 건설, 국방 등의 분야에 응용되고 있다.

도 1은 종래 기술에 따른 라이다 센서 모듈이 도시된 도면이다.

도 1에 도시된 바와 같이, 종래 기술에 따른 라이다 센서 모듈은 발광부(10)와 수광부(20)를 포함한다. 발광부(10)는 레이저빔을 발광하는 레이저 다이오드(11)와, 발광된 레이저빔을 집광하여 평행빔으로 변환하는 콜리메이팅 렌즈(12)를 포함하고, 수광부(20)는 장애물(A)에서 반사된 레이저빔을 집광하는 집광 렌즈(21)와 집광 렌즈(21)에서 집광된 레이저빔을 수광하는 이미지센서(22)를 포함한다. 집광 렌즈(21)와 이미지센서(22) 사이에는 발광부(10)에서 송출된 파장대의 반사 레이저빔만 투과되도록 하고, 다른 파장대의 빔은 투과되지 않도록 하는 밴드패스 필터(23)가 배치된다.

이와 같이 구성되는 종래 기술의 라이다 센서 모듈의 경우, 근거리에서 반사된 레이저빔과 원거리에서 반사된 레이저빔의 광량 차이가 크고 이에 따라 다음과 같은 문제가 발생한다.

원거리 측정이 가능하도록 광량을 증가시킨 경우, 근거리에서 반사된 레이저빔의 세기가 너무 커서 측정 에러(이미지 센서에서 포화됨)가 발생한다.

또한, 근거리 측정이 잘되도록 광량을 감소시킨 경우, 원거리에서 반사된 레이저빔의 세기가 너무 약해서 이미지 센서에서 측정이 안되는 문제가 발생한다.

1. 대한민국 특허 등록번호 제10-1296780호 2. 대한민국 특허 등록번호 제10-1491289호

본 발명은 대상체와의 거리에 따라 수광부로 수신되는 반사 레이저빔의 투과율이 조절되어 다중 영역에 대해 정밀한 측정을 수행할 수 있는 라이다 센서 모듈을 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명의 실시예에 따른 라이다 센서 모듈은,

레이저빔을 발광하는 발광부; 상기 발광부에서 발광되어 대상체에 의해 반사된 반사 레이저빔을 수신하는 수광부; 및, 상기 수광부로 수신되는 반사 레이저빔의 투과율을 조절하는 광학 필터부를 포함한다.

본 발명의 일 양상에 의하면, 상기 광학 필터부는 기설정된 크기 및 형상을 갖는 광학 필름이며, 상기 발광부와 상기 대상체 사이의 거리에 따라 투과율이 조절되도록 상기 광학 필름의 표면에는 투과율 기울기가 형성된 것을 특징으로 한다.

본 발명의 일 양상에 의하면, 상기 광학 필름의 중앙의 투과율이 가장 높고, 상기 광학 필름의 중앙에서 외곽으로 갈수록 점진적으로 투과율이 감소하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 일 양상에 의하면, 상기 수광부는 상기 반사 레이저빔을 집광하는 집광 렌즈와, 상기 집광 렌즈에서 집광된 레이저빔을 수광하는 이미지센서를 포함하고, 상기 광학 필터부는 상기 집광 렌즈와 상기 이미지 센서 사이에 형성되는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 일 양상에 의하면, 상기 수광부는 상기 반사 레이저빔을 집광하는 집광 렌즈와, 상기 집광 렌즈에서 집광된 레이저빔을 수광하는 이미지센서와, 상기 집광 렌즈와 이미지센서 사이에 형성된 밴드패스 필터를 포함하고, 상기 광학 필터부는 상기 밴드패스 필터의 표면 또는 상기 이미지 센서의 표면에 코팅되어 형성되는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 일 양상에 의하면, 상기 광학 필터부는 상기 밴드패스 필터의 표면 또는 상기 이미지 센서의 표면 중앙 부분에는 투과율이 가장 높도록 코팅 물질이 코팅되고, 외곽으로 갈수록 점진적으로 투과율이 감소하도록 코팅 물질이 코팅되어 형성되는 것을 특징으로 한다.

기타 본 발명의 다양한 측면에 따른 구현예들의 구체적인 사항은 이하의 상세한 설명에 포함되어 있다.

본 발명의 실시 형태에 따르면,

대상체와의 거리에 따라 수광부로 수신되는 반사 레이저빔의 투과율이 조절되어 다중 영역에 대해 정밀한 측정을 수행할 수 있다.

즉, 이미지센서에 의해 수광되는 레이저빔의 광량은 대상체의 거리에 따른 차이가 최소화되어 일정 수준으로 균일하게 유지할 수 있게 되어, 근거리 영역, 원거리 영역 모두에 대해 정밀한 측정을 수행할 수 있게 된다.

도 1은 종래 기술에 따른 라이다 센서 모듈이 도시된 도면이다.
도 2 및 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 라이다 센서 모듈이 도시된 도면이다.
도 4 및 도 5는 광학 필터부가 예시된 도면이다.

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. 이하, 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 라이다 센서 모듈을 설명한다.

도 2 및 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 라이다 센서 모듈이 도시된 도면이고, 도 4 및 도 5는 광학 필터부가 예시된 도면이다.

도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 라이다 센서 모듈은, 발광부(100), 수광부(200), 광학 필터부(300)를 포함한다.

발광부(100)는 레이저빔을 발광한다. 발광부(100)는 레이저빔을 발생하는 레이저 다이오드(110)와, 제1 콜리메이팅 렌즈(collimating lens, 120)를 포함하여 이루어진다.

레이저 다이오드(110)는 레이저빔을 발생시키는 광학 소자이고, 제1 콜리메이팅 렌즈(120)는 레이저 다이오드(110)를 통해 발생된 레이저빔을 평행빔으로 변환시키는 광학 렌즈로, 레이저 다이오드(110)의 후방에 위치한다.

수광부(200)는 대상체(또는 장애물)에 의해 반사된 레이저빔을 집광하는 집광 렌즈(210)와 집광 렌즈(210)에서 집광된 레이저빔을 수광하는 이미지센서(220)를 포함한다. 또한, 집광 렌즈(210)와 이미지센서(220) 사이에는 발광부(100)에서 송출된 파장대의 반사 레이저빔만 투과되도록 하고, 다른 파장대의 빔은 투과되지 않도록 하는 밴드패스 필터(230)를 포함한다.

물체의 동일한 면적에 조사되는 레이저 빔의 광량은 물체의 거리 제곱에 반비례 한다. 물체의 거리에 따라 이미지 센서(220)에 수광되는 위치와 입사 각도를 예측할 수 있으므로, 이를 기반으로 거리에 따라 일정한 광량을 수광할 수 있도록 광학 필터부(300)의 투과율을 설계할 수 있다.

광학 필터부(300)는 대상체(A)와의 거리에 따라 수광부(200)로 수신되는 반사 레이저빔의 투과율이 조절되도록 한다. 광학 필터부(300)는 기설정된 크기 및 형상을 갖는 광학 필름으로 형성되거나 또는 밴드패스 필터(230)나 이미지센서(220)의 표면에 코팅되어 형성될 수 있다.

광학 필터부(300)가 광학 필름으로 형성되는 경우, 발광부(100)와 대상체 사이의 거리에 따라 투과율이 조절되도록 광학 필름의 표면에는 투과율 기울기가 형성된다. 즉, 광학 필름의 중앙(B)이 투과율이 가장 높고, 광학 필름의 중앙에서 외곽(C)으로 갈수록 점진적으로 투과율이 감소하도록 투과율 기울기가 형성된다.

광학 필터부(300)가 밴드패스 필터(230)나 이미지센서(220)의 표면에 코팅되어 형성되는 경우에도, 상기와 마찬가지로 투과율 기울기가 형성되도록 코팅 물질의 농도를 다르게 하여 코팅한다. 즉, 밴드패스 필터(230)나 이미지센서(220)의 표면 중앙 부분에는 투과율이 가장 높도록 코팅 물질이 코팅되고, 외곽으로 갈수록 점진적으로 투과율이 감소하도록 코팅 물질이 코팅된다.

광학 필터부(300)는, 도 4와 같이, 라인 형태로 투과율 기울기가 형성되거나, 도 5와 같이, 동심원 형태로 투과율 기울기가 형성될 수 있다. 발광부(100)에서 송출되는 레이저빔이 라인빔인 경우, 광학 필터부(300)는, 도 4와 같은 라인 형태인 것이 바람직하고, 발광부(100)에서 송출되는 레이저빔이 포인트빔인 경우, 도 5와 같은 동심원 형태인 것이 바람직하다.

상기와 같이 구성된 본 발명의 일 실시예에 따른 라이다 센서 모듈의 동작 과정을 설명한다.

발광부(100)에서 레이저빔이 송출(발광)되면 송출된 레이저빔은 대상체(또는 장애물)에 의해 반사되고, 반사된 레이저빔은 집광 렌즈(210)에 의해 집광되며, 집광된 레이저빔은 이미지센서(220)에 의해 수광된다. 밴드패스 필터(230)는 발광부(100)에서 송출된 파장대의 반사 레이저빔만 투과되도록 한다.

이때, 광학 필터부(300)에는 중앙의 투과율이 가장 높고, 중앙에서 외곽으로 갈수록 점진적으로 투과율이 감소하도록 투과율 기울기가 형성되어 있다. 원거리에 있는 대상체에 의해 반사된 레이저빔은 기하학적 구조상 광학 필터부(300)의 중앙 부분을 통과하고, 근거리에 있는 대상체에 의해 반사된 레이저빔은 외곽 부분을 통과한다.

중앙 부분의 투과율이 높기 때문에, 원거리에서 반사된 레이저빔은 광량은 적으나 높은 투과율만큼 통과하고, 외곽 부분의 투과율은 낮기 때문에, 근거리에서 반사된 레이저빔은 광량은 많지만 낮은 투과율만큼 통과한다.

따라서, 이미지센서(220)에 의해 수광되는 레이저빔의 광량은 대상체의 거리에 따른 차이가 최소화되어 일정 수준으로 균일하게 유지할 수 있게 되고, 근거리 영역, 원거리 영역 모두에 대해 정밀한 측정을 수행할 수 있게 된다.

이상, 본 발명의 일 실시예에 대하여 설명하였으나, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서, 구성 요소의 부가, 변경, 삭제 또는 추가 등에 의해 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있을 것이며, 이 또한 본 발명의 권리범위 내에 포함된다고 할 것이다.

100 : 발광부
200 : 수광부
300 : 광학 필터부

Claims (6)

1. 레이저를 이용하여 거리를 감지하는 라이다 장치에 있어서,
   레이저를 발광하는 발광부;
   상기 발광부에서 발광되어 대상체에 의해 반사된 반사 레이저를 수광하는 수광부;
   상기 반사 레이저를 상기 수광부로 집광시키기 위한 집광부; 및
   상기 집광부와 상기 수광부 사이에 배치되며, 상기 수광부로 수신되는 반사 레이저의 필터링을 위한 광학 필터부를 포함하되,
   상기 광학 필터는 상기 대상체가 상기 라이다 장치로부터 보다 먼 거리에 위치할 때 상기 반사된 레이저가 상기 수광부에 도달 하기 까지 레이저의 경로 상에 위치하는 제1 부분 및 상기 대상체가 상기 라이다 장치로부터 보다 가까운 거리에 위치할 때 상기 반사된 레이저가 상기 수광부에 도달 하기 까지 레이저의 경로상에 위치하는 제2 부분을 포함하며,
   상기 대상체와 상기 라이다 장치 사이의 거리에 따라 상기 반사 레이저가 상기 수광부로 수신되는 강도가 변화되는 정도를 감소시키기 위해 상기 광학 필터의 제1 부분의 투과율과 상기 광학 필터의 제2 부분의 투과율은 서로 상이한
   라이다 센서 모듈.
   
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 제1 부분은 상기 제2 부분 보다 상대적으로 상기 광학 필터의 중심부에 가까운 곳에 위치하는
   라이다 센서 모듈.
   
3. 청구항 2에 있어서,
   상기 광학 필터의 외곽 부분의 투과율은 상기 광학 필터의 중심 부분의 투과율 보다 상대적으로 낮은
   라이다 센서 모듈.
   
4. 청구항 1에 있어서,
   상기 발광부에서 발광되는 레이저는 라인 형상이며,
   상기 광학 필터의 투과율은 상기 라인 방향을 따라서 동일하며,
   상기 라인 방향과 수직한 방향을 따라서 상이한
   라이다 센서 모듈.
   
5. 청구항 1에 있어서,
   상기 광학 필터의 투과율은 상기 광학 필터의 중심에서 상기 광학 필터의 외곽으로 갈 수록 점차적으로 감소하는
   라이다 센서 모듈.
6. 삭제

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