KR20170014404A - 광파 탐지 및 거리 측정 장치 - Google Patents

광파 탐지 및 거리 측정 장치 Download PDF

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Abstract

실시 예에 의한 광파 탐지 및 거리 측정 장치는, 복수의 빔을 서로 다른 방향으로 방출하는 광 전송부 및 방출된 빔이 대상에 부딪힌 후 반사되어 돌아오는 후방 광을 서로 다른 각도에서 입사하고, 입사된 복수의 후방 광을 이용하여 대상에 대한 정보를 측정하는 광 수신부를 포함하고, 광 전송부는 광을 방출하는 적어도 하나의 광원과, 적어도 하나의 광원에서 방출된 광을 제1 빔과 제2 빔으로 분할하는 빔 분할부 및 빔 분할부에서 분할된 제2 빔을 복수의 제3 빔으로 나누어 서로 다른 방향으로 방출하는 빔 스티어링부를 포함하고, 광 전송부로부터 방출되는 복수의 빔은 제1 빔과 기 복수의 제3 빔을 포함한다.

Description

광파 탐지 및 거리 측정 장치{Apparatus for measuring Light Detection and Ranging}
실시 예는 광파 탐지 및 거리 측정 장치에 관한 것이다.
광파 탐지 및 거리(LiDAR: Light Detection and Ranging) 측정 장치는 물체를 향해 빔을 전송하고, 물체에서 부딪혀 반사되어 돌아오는 후방 광을 수신하여 물체의 거리나 위치 같은 정보를 측정, 검사 및 분석하는 장치이다.
도 1은 일반적인 광파 탐지 및 거리 측정 장치의 외관(10)을 나타내는 도면이다.
도 1에 도시된 바와 같이 일반적인 광파 탐지 및 거리 측정 장치(10)는 복수 개의 광원(미도시)으로부터 방출되는 빔을 모터(미도시)를 이용하여 여러 방향으로 물체를 향해 방출하고, 디텍터(detector)를 이용하여 후방 광을 수신한다.
이때, 복수의 빔(12)을 송출하는 부분이 모터에 의해 화살표 방향(20)으로 기구적으로 움직이므로 여러 가지 제약이 수반될 수 있다. 즉, 모터 부분의 기구적인 신뢰성 확보가 쉽지 않고, 모터를 사용함으로 인해 광파 탐지 및 거리 측정 장치(10)의 크기를 줄이는 데 한계가 있다. 게다가, 수직 방향으로의 측정 범위를 확장하기 위해 복수의 광원과 디텍터가 요구된다. 또한, 일반적인 광파 탐지 및 거리 측정 장치의 수광부에 집광 렌즈가 요구되므로 효율이 저하될 수 있고, 물체의 거리 정보만을 획득할 수 밖에 다양한 정보를 획득하는 데 한계를 갖는다.
실시 예는 모터의 도움을 받지 않고 빔을 이용하여 대상에 대한 정보를 측정할 수 있는 광파 탐지 및 거리 측정 장치를 제공한다.
실시 예의 광파 탐지 및 거리 측정 장치는, 복수의 빔을 서로 다른 방향으로 방출하는 광 전송부; 및 상기 방출된 빔이 대상에 부딪힌 후 반사되어 돌아오는 후방 광을 서로 다른 각도에서 입사하고, 입사된 복수의 후방 광을 이용하여 상기 대상에 대한 정보를 측정하는 광 수신부를 포함하고, 상기 광 전송부는 광을 방출하는 적어도 하나의 광원; 상기 적어도 하나의 광원에서 방출된 상기 광을 제1 빔과 제2 빔으로 분할하는 빔 분할부; 및 상기 빔 분할부에서 분할된 상기 제2 빔을 복수의 제3 빔으로 나누어 서로 다른 방향으로 방출하는 빔 스티어링부를 포함하고, 상기 광 전송부로부터 방출되는 상기 복수의 빔은 상기 제1 빔과 상기 복수의 제3 빔을 포함할 수 있다.
예를 들어, 상기 광파 탐지 및 거리 측정 장치는 상기 광 전송부는 상기 적어도 하나의 광원과 상기 빔 분할부 사이에 배치된 전송 광학계를 더 포함할 수 있다.
예를 들어, 상기 광 전송부는 상기 적어도 하나의 광원에서 발생된 열을 배출하는 제1 히트 싱크를 더 포함할 수 있다. 상기 적어도 하나의 광원은 0.2 ㎛ 내지 2 ㎛의 중심 파장을 갖는 상기 광을 방출할 수 있다.
예를 들어, 상기 빔 스티어링부는 전기적 신호, 물리적 신호 또는 화학적 신호 중 적어도 하나에 응답하여, 상기 빔 분할부에서 분할된 상기 제2 빔을 상기 서로 다른 방향의 상기 복수의 제3 빔으로 나누어 방출하는 적어도 하나의 송신용 광학 소자를 포함할 수 있다.
예를 들어, 상기 적어도 하나의 송신용 광학 소자는 회전하지 않고 상기 제2 빔으로부터 서로 다른 방향으로 방출되는 상기 복수의 제3 빔을 생성하는 전송용 광학 위상 어레이를 포함할 수 있다.
예를 들어, 상기 광 수신부는 서로 다른 각도에서 상기 복수의 후방 광을 수신하여 일정한 각도로 출력하는 광 검출부; 및 상기 광 검출부로부터 출력되는 후방 광으로부터 상기 대상에 대한 정보를 측정하는 광 검사부를 포함할 수 있다.
예를 들어, 상기 광 수신부는 상기 광 검출부와 상기 광 검사부 사이에 배치되는 수신 광학계를 더 포함할 수 있다.
예를 들어, 상기 광 수신부는 상기 광 검출부와 상기 수신 광학계 사이에 배치되어, 상기 광 검출부로부터 출력되는 상기 후방 광으로부터 필요한 적어도 하나의 파장 대역을 필터링하거나 잡음을 제거하여 상기 광 검사부로 투과시키거나 반사시키는 필터를 더 포함할 수 있다. 상기 필터에서 차단되는 파장의 세기와 선별되는 파장의 세기의 비는 F:1이고, F는 0.5 이하일 수 있다.
예를 들어, 상기 광 검출부는 서로 다른 각도로 상기 복수의 후방 광을 입사하여 회전하지 않고 일정한 각도의 광을 생성하는 수신용 광학 위상 어레이를 포함할 수 있다.
예를 들어, 상기 광 검사부는 상기 복수의 빔과 상기 후방 광 간의 시간 차, 상기 후방 광의 세기 또는 상기 대상의 공간적 위치 중 적어도 하나를 이용하여 상기 대상에 대한 정보를 검사할 수 있다.
예를 들어, 상기 광 수신부는 상기 광 검사부에서 발생된 열을 외부로 방출하는 제2 히트 싱크를 더 포함할 수 있다.
예를 들어, 상기 광파 탐지 및 거리 측정 장치는 상기 광 전송부 또는 상기 광 수신부 중 적어도 하나의 동작을 제어하는 구동 제어부를 더 포함할 수 있다. 상기 광파 탐지 및 거리 측정 장치는 상기 빔 분할부에서 분할된 상기 제1 빔을 센싱하고, 센싱된 결과를 상기 구동 제어부로 전송하는 센싱부를 더 포함하고, 상기 구동 제어부는 상기 센싱된 결과를 이용하여 상기 광 전송부 또는 광 수신부 중 적어도 하나의 동작을 제어할 수 있다. 상기 센싱부는 상기 분할된 상기 제1 빔을 센싱하여 전기적인 신호로 변환하는 포토 다이오드; 및 상기 분할된 상기 제1 빔과 상기 포토 다이오드 사이에 배치되는 센싱 광학계를 포함할 수 있다.
예를 들어, 상기 빔 스티어링부는 상기 광원과 상기 빔 분할부가 배열된 방향과 나란한 방향으로 배치될 수 있다. 상기 빔 스티어링부는 상기 광원과 상기 빔 분할부가 배열된 방향과 수직한 방향으로 배치될 수 있다. 상기 제1 빔과 상기 제2 빔의 세기 비율은 K : 1이고, K는 0보다 크고 10보다 작을 수 있다.
실시 예에 따른 광파 탐지 및 거리 측정 장치는 대상에 대한 정보를 취득하는 범위를 확장시키고, 회전하지 않고 다양한 방향으로 빔을 전송할 수 있기 때문에 모터를 사용함으로 인해 야기된 기구적 신뢰성, 구조의 복잡화, 제조 및 유지 비용의 고가화 등의 제반 문제점을 해소시킬 수 있고, 필터의 투과 또는 반사 효율을 향상시켜 정확하게 데이터를 측정함으로써 측정의 정확성을 꾀할 수 있도록 하고, 신호대잡음비를 개선시킬 수 있고, 기존 대비 광원의 개수를 줄일 수 있고, 광 검출부에 사용되는 수신용 광학 소자를 2차원 스캔이 가능하도록 배치함으로써 기존에 사용되는 디텍터의 효과를 대체할 수 있고, 신호 처리가 간단해져서 신속하게 대상에 대한 정보를 검사할 수도 있다.
도 1은 일반적인 광파 탐지 및 거리 측정 장치의 외관을 나타내는 도면이다.
도 2는 실시 예에 의한 광파 탐지 및 거리 측정 장치의 블럭도를 나타낸다.
도 3은 실시 예에 의한 광파 탐지 및 거리 측정 장치에서 광 수신부의 다른 실시 예의 블럭도를 나타낸다.
도 4는 도 2에 도시된 광파 탐지 및 거리 측정 장치에서 복수의 빔을 방출하고 복수의 후방 광을 입사하는 일 실시 예에 의한 모습을 나타낸다.
도 5는 도 2에 도시된 광파 탐지 및 거리 측정 장치에서 복수의 빔을 방출하고 복수의 후방 광을 입사하는 다른 실시 예에 의한 모습을 나타낸다.
도 6은 도 2에 도시된 광파 탐지 및 거리 측정 장치에서 복수의 빔을 방출하고 복수의 후방 광을 입사하는 또 다른 실시 예에 의한 모습을 나타낸다.
도 7은 다른 실시 예에 의한 광파 탐지 및 거리 측정 장치의 블럭도를 개략적으로 나타낸다.
도 8은 도 7에 도시된 광파 탐지 및 거리 측정 장치에서 복수의 빔을 방출하고 복수의 후방 광을 입사하는 일 실시 예에 의한 모습을 나타낸다.
도 9는 도 7에 도시된 광파 탐지 및 거리 측정 장치에서 복수의 빔을 방출하고 복수의 후방 광을 입사하는 다른 실시 예에 의한 모습을 나타낸다.
도 10은 도 7에 도시된 광파 탐지 및 거리 측정 장치에서 복수의 빔을 방출하고 복수의 후방 광을 입사하는 또 다른 실시 예에 의한 모습을 나타낸다.
이하, 본 발명을 구체적으로 설명하기 위해 실시 예를 들어 설명하고, 발명에 대한 이해를 돕기 위해 첨부도면을 참조하여 상세하게 설명하기로 한다. 그러나, 본 발명에 따른 실시 예들은 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래에서 상술하는 실시 예들에 한정되는 것으로 해석되지 않아야 한다. 본 발명의 실시 예들은 당 업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다.
또한, 이하에서 이용되는 "제1" 및 "제2," "상/상부/위" 및 "하/하부/아래" 등과 같은 관계적 용어들은, 그런 실체 또는 요소들 간의 어떠한 물리적 또는 논리적 관계 또는 순서를 반드시 요구하거나 내포하지는 않으면서, 어느 한 실체 또는 요소를 다른 실체 또는 요소와 구별하기 위해서만 이용될 수도 있다.
도 2는 실시 예에 의한 광파 탐지 및 거리(LiDAR: Light Detection and Ranging) 측정 장치(100A)의 블럭도를 나타낸다.
도 2에 도시된 광파 탐지 및 거리 측정 장치(100A)는 광 전송부(110A), 광 수신부(120A), 센싱부(130) 및 구동 제어부(140)를 포함할 수 있다.
먼저, 광 전송부(110A)는 복수의 빔을 방출하는 역할을 한다. 이를 위해, 광 전송부(110A)는 제1 히트 싱크(heat sink)(111), 적어도 하나의 광원(112), 전송 광학계(114), 빔 분할부(beam splitter)(116) 및 빔 스티어링(beam steering)부(118)를 포함할 수 있다.
적어도 하나의 광원(112)은 광을 방출하는 역할을 한다. 만일, 적어도 하나의 광원(112)으로부터 방출되는 광의 중심 파장이 2 ㎛보다 클 경우, 이는 원적외선광이므로 광파 탐지 및 거리 측정에 적합하지 않을 수 있다. 또한, 적어도 하나의 광원(112)으로부터 방출되는 광의 파장이 0.2 ㎛보다 작을 경우, 광 전송부(110A)로부터 방출된 빔이 인체에 해로울 수 있을 뿐만 아니라 대상(object)(또는, 물체 또는 물질)을 향해 진행하는 동안 공기 중에서 이물질에 흡수되어 원거리에 위치한 대상까지 도달하기 어려울 수도 있다. 따라서, 적어도 하나의 광원(112)으로부터 방출되는 광의 중심 파장은 0.2 ㎛ 내지 2 ㎛일 수 있으나, 실시 예는 이에 국한되지 않는다.
여기서, 대상은 공중에 떠 있거나 지상에 놓여진 물체가 될 수도 있고, 공중에 부유하는 입자가 될 수도 있다. 실시 예는 특정한 대상의 종류에 국한되지 않는다.
또한, 적어도 하나의 광원(112)의 파장 분포는 1 ㎛ 이하일 수 있다.
또한, 적어도 하나의 광원(112)은 일정한 듀티 비율(duty rate)을 갖는 펄스 형태의 광원 소자일 수도 있다. 또한, 펄스의 온 타임(on time)은 1 ㎚ 이상일 수 있다. 또한, 펄스의 형태는 사각파, 삼각파, 톱니파, 사인파, 델타 함수, 사인 함수(sinc function)일 수 있다. 게다가, 펄스의 주기는 일정하지 않을 수 있다.
또한, 적어도 하나의 광원(112)은 1개 이상의 공간 모드를 갖는 광원 소자일 수도 있다. 이때, 공간 모드는 가우시안(Gaussian) 또는 램버시안(Lambertian) 공간 모드의 n차로 표현될 수 있으며, 여기서, n은 1 이상일 수 있다.
또한, 적어도 하나의 광원(112)은 선형 편광 혹은 원형 편광의 합으로 표현할 수 있는 광원 소자일 수도 있다. 이때, 편광 성분의 비는 하나의 편광 성분을 기준으로 1:A로 나타낼 수 있으며 A는 1 이하일 수 있다.
도 2의 경우 하나의 광원(112)만이 도시되어 있지만, 실시 예는 이에 국한되지 않는다. 다른 실시 예에 의하면, 광원(112)의 개수는 복수 개일 수 있다. 또한, 적어도 하나의 광원(112)이 복수 개의 광원을 포함할 경우 복수 개의 광원의 종류는 모두 동일할 수도 있고 서로 다를 수도 있다.
한편, 적어도 하나의 광원(112)에서 발생된 열은 광파 탐지 및 거리 측정 장치(100A)의 동작에 악영향을 미칠 수 있다. 따라서, 제1 히트 싱크(111)는 적어도 하나의 광원(112)에서 발생된 열을 외부로 배출할 수 있다. 경우에 따라서, 제1 히트 싱크(111)는 생략될 수도 있다.
한편, 빔 분할부(114)는 적어도 하나의 광원(112)에서 방출된 광을 제1 빔(B1)과 제2 빔(B2)으로 분할하는 역할을 한다. 빔 분할부(114)에서 분할된 제1 빔(B1)은 대상을 향해 외부로 방출되는 한편, 제2 빔(B2)은 빔 스티어링부(118)로 방출된다.
또한, 빔 분할부(114)에서 분할된 광의 제1 빔(B1)과 제2 빔(B2) 간의 세기 비율은 K:1 일 수 있다. 예를 들어, K는 0보다 크고 10보다 작을 수 있다.
또한, 빔 분할부(114)는 선형 편광, 원형 편광, 광원(112)의 공간 모드 또는 광원(112)의 파장 중 적어도 하나의 방식을 이용하는 소자를 포함할 수도 있다.
또한, 빔 분할부(114)는 광을 공간적으로 나누는 소자 또는 시간적으로 나누는 소자 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
전송 광학계(114)는 적어도 하나의 광원(112)과 빔 분할부(116) 사이에 배치될 수 있다. 전송 광학계(114)는 적어도 하나의 광원(112)에서 방출된 광을 콜리메이팅하는 콜리메이터(114A)를 포함할 수 있다. 경우에 따라, 전송 광학계(114)는 생략될 수도 있다.
빔 스티어링부(118)는 빔 분할부(116)에서 분할된 제2 빔(B2)을 복수의 제3 빔(B3)[B0, B(1-1), ... B(1-N), B(2-1), ... B(2-M)]으로 나누어 서로 다른 방향으로 방출할 수 있다. 여기서, N은 1 이상의 양의 정수이고 M은 1 이상의 양의 정수일 수 있다. 제3 빔(B3)에 대해서는 상세히 후술된다.
실시 예에 의하면, 빔 스트어링부(118)는 적어도 하나의 송신용 광학 소자를 포함할 수 있다. 도 2의 경우 빔 스티어링부(118)는 제1 및 제2 송신용 광학 소자(S1, S2)를 포함하는 것으로 예시되어 있지만, 실시 예는 이에 국한되지 않는다. 즉, 빔 스티어링부(118)는 하나의 송신용 광학 소자만을 포함할 수도 있고, 3개 이상의 송신용 광학 소자를 포함할 수도 있다. 이하, 빔 스티어링부(118)가 제1 및 제2 송신용 광학 소자(S1, S2)를 포함하는 것으로 설명하지만, 실시 예는 이에 국한되지 않는다.
제1 및 제2 송신용 광학 소자(S1, S2)는 빔 분할부(116)로부터 입사된 제2 빔(B2)을 복수의 제3 빔(B3)으로 나누어 서로 다른 방향으로 방출할 수 있다.
광 전송부(110A)로부터 대상을 향해 방출되는 복수의 빔은 제1 빔(B1)과 제3 빔(B3)을 포함할 수 있다. 제1 및 제2 송신용 광학 소자(S1, S2) 각각은 모터 등에 의해 기구적으로 회전하지 않고서도 복수의 빔(B1, B3)을 대상을 향해 서로 다른 방향으로 방출할 수 있다.
제1 및 제2 송신용 광학 소자(S1, S2) 각각은 전기적 신호, 물리적 신호 또는 화학적 신호 중 적어도 하나에 응답하여, 제2 빔(B2)을 서로 다른 방향의 복수의 제3 빔(B3)으로 나누어 방출할 수 있다. 이러한 전기적 신호, 물리적 신호 또는 화학적 신호는 구동 제어부(140)로부터 광 전송부(110A)로 제1 제어 신호(C1)의 형태로 제공될 수 있다. 즉, 외부로부터의 자극이 있고, 이러한 자극에 의해 전기적 신호, 물리적 신호 또는 화학적 신호 중 적어도 하나가 제1 제어 신호(C1)로서 구동 제어부(140)로부터 발생되고, 발생된 제1 제어 신호(C1)에 의해 제1 및 제2 송신용 광학 소자(S1, S2) 각각으로부터 방출되는 복수의 제3 빔(B3)의 진행 경로(즉, 방출 각도)등이 결정될 수 있다.
또한, 제1 및 제2 송신용 광학 소자(S1, S2) 각각은 전송용 광학 위상 어레이(OPA: Optical Phase Array)로 구현될 수 있다. 전송용 광학 위상 어레이는 빔 분할부(116)에서 분할된 제2 빔(B2)으로부터 서로 다른 방향으로 방출될 복수의 제3 빔(B3)을 생성할 수 있다.
전송용 광학 위상 어레이로 구현될 수 있는 제1 및 제2 송신용 광학 소자(S1, S2) 각각은 다음과 같은 다양한 방식으로 구현될 수 있다.
먼저, 제1 및 제2 송신용 광학 소자(S1, S2) 각각은 회절 격자가 주기적으로 형성된 표면을 가질 수 있다. 이때, 격자의 주기, 각도 또는 형상 중 적어도 하나를 변경시킬 경우, 제1 및 제2 송신용 광학 소자(S1, S2)는 서로 다른 방향으로 방출될 복수의 제3 빔(B3)을 생성할 수 있다.
또한, 제1 및 제2 송신용 광학 소자(S1, S2) 각각은 굴절률 차이가 주기적으로 변하는 내부 구조를 가질 수 있다. 이때, 주기를 변경시키거나 굴절률을 변경시킬 경우, 제1 및 제2 송신용 광학 소자(S1, S2)는 서로 다른 방향으로 방출될 복수의 제3 빔(B3)을 생성할 수 있다.
또한, 제1 및 제2 송신용 광학 소자(S1, S2) 각각은 액정을 이용하여 편광을 주기적으로 온/오프시키는 편광에 대한 격자 구조를 가질 수 있다. 이때, 격자의 간격 또는 투과율 중 적어도 하나를 조절할 경우 제1 및 제2 송신용 광학 소자(S1, S2)는 서로 다른 방향으로 방출될 복수의 제3 빔(B3)을 생성할 수 있다.
또한, 제1 및 제2 송신용 광학 소자(S1, S2) 각각은 복굴절 프리즘 형태를 가질 수 있다. 이때, 프리즘의 각도를 변경시킬 경우 제1 및 제2 송신용 광학 소자(S1, S2)는 서로 다른 방향으로 방출될 복수의 제3 빔(B3)을 생성할 수 있다.
또한, 제1 및 제2 송신용 광학 소자(S1, S2) 각각은 공기와 오일(Oil)과 같은 액체의 경계면이 있는 구조를 가질 수 있다. 이때, 외부로부터 신호를 인가하여 그 경계면을 변화시키거나 액체의 굴절률을 변경시킬 경우 제1 및 제2 송신용 광학 소자(S1, S2)는 서로 다른 방향으로 방출될 복수의 제3 빔(B3)을 생성할 수 있다.
또한, 홀로그램(hologram) 방식으로 매질 내부의 굴절률 혹은 밀도 분포 패턴을 변화시킬 경우, 제1 및 제2 송신용 광학 소자(S1, S2)는 서로 다른 방향으로 방출될 복수의 제3 빔(B3)을 생성할 수 있다.
또한, 제1 및 제2 송신용 광학 소자(S1, S2) 각각은 액정의 세기(intensity)에 따라 투과율이 주기적으로 변하는 구조를 가질 수 있다. 이때, 주기를 변경하거나 투과율을 변경시킬 경우 제1 및 제2 송신용 광학 소자(S1, S2)는 서로 다른 방향으로 방출될 복수의 제3 빔(B3)을 생성할 수 있다.
또한, 제1 및 제2 송신용 광학 소자(S1, S2) 각각은 멤스(MEMS: Micro-Electro-Mechanical System) 미러 어레이(mirror array)를 가질수 있다. 이때, 각 픽셀의 동작 상태를 제어할 경우 제1 및 제2 송신용 광학 소자(S1, S2)는 서로 다른 방향으로 방출될 복수의 제3 빔(B3)을 생성할 수 있다.
또한, 초음파를 매질에 주사하고, 초음파의 주파수를 변경시킬 경우, 제1 및 제2 송신용 광학 소자(S1, S2)는 서로 다른 방향으로 방출될 복수의 제3 빔(B3)을 생성할 수 있다.
또한, 제1 및 제2 송신용 광학 소자(S1, S2) 각각은 전기장이 상, 하, 좌, 우에 형성된 매질을 가질 수 있다. 이때, 전기장의 세기 혹은 주파수를 변경시킬 경우 제1 및 제2 송신용 광학 소자(S1, S2)는 서로 다른 방향으로 방출될 복수의 제3 빔(B3)을 생성할 수 있다.
또한, 제1 및 제2 송신용 광학 소자(S1, S2) 각각은 2개 이상으로 정렬된 렌즈 세트를 가질 수 있다. 이때, 렌즈 세트의 개별 렌즈를 상, 하, 좌, 우로 이동시킬 경우 제1 및 제2 송신용 광학 소자(S1, S2)는 서로 다른 방향으로 방출될 복수의 제3 빔(B3)을 생성할 수 있다.
또한, 제1 및 제2 송신용 광학 소자(S1, S2) 각각은 2개 이상으로 정렬된 MLA(Micro Lens Array) 세트를 가질 수 있다. 이때, 개별 MLA를 상, 하, 좌, 우로 이동시킬 경우 제1 및 제2 송신용 광학 소자(S1, S2)는 서로 다른 방향으로 방출될 복수의 제3 빔(B3)을 생성할 수 있다.
또한, 제1 및 제2 송신용 광학 소자(S1, S2) 각각은 2개 이상으로 정렬된 MLA 세트를 가질 수 있다. 이때, 개별 MLA의 주기 혹은 형상을 변경시킬 경우 제1 및 제2 송신용 광학 소자(S1, S2)는 서로 다른 방향으로 방출될 복수의 제3 빔(B3)을 생성할 수 있다.
전술한 다양한 송신용 광학 소자가 서로 다른 방향으로 광을 방출할 수 있도록, 전술한 주기(또는, 표면 등과 같은 패턴)에 변화를 부여하는 폭의 범위는 0.1 ㎛ 내지 2 ㎜이고, 전술한 굴절률에 변화를 주는 범위는 파장이 1000㎚일 때, 1 보다 크고 2.7 보다 작을 수 있고, 전술한 투과율 및 반사율에 변화를 주는 범위는 0보다 크고 1보다 작을 수 있으나, 실시 예는 이에 국한되지 않는다.
또한, 전술한 다양한 송신용 광학 소자를 복합적으로 조합하여, 서로 다른 방향으로 방출될 복수의 제3 빔(B3)을 생성할 수도 있다.
또한, 전술한 바와 같이 다양한 구조를 갖는 제1 및 제2 송신용 광학 소자(S1, S2) 각각을 동작시키기 위해, 전기적인 신호를 제1 및 제2 송신용 광학 소자(S1, S2) 각각의 양단에 인가할 수 있다. 이때, 전기적인 신호는 주기적인 전압 신호 또는 전류 신호일 수 있다. 예를 들어, 전기적인 신호의 동작 속도는 10㎓이하일 수 있다.
또한, 전술한 바와 같이 다양한 구조를 갖는 제1 및 제2 송신용 광학 소자(S1, S2) 각각을 동작시키기 위해, 제1 및 제2 송신용 광학 소자(S1, S2)에 물리적 압력을 가할 수도 있고 제1 및 제2 송신용 광학 소자(S1, S2)의 물리적 위치를 변화시킬 수도 있다. 이때, 제1 및 제2 송신용 광학 소자(S1, S2)의 물리적 위치는 광축 방향으로 이동되거나 광축 방향에 수직한 두 축 방향으로 이동될 수 있다. 이를 위해, 자기장을 이용할 수도 있고, 피에조(PZT:Piezo) 소자를 이용할 수도 있고, VCM(Voice Coil Motor)을 이용할 수도 있고, 링크 구조를 이용할 수도 있고, 중력과 탄성을 이용할 수도 있다.
빔 스티어링부(118)를 구현하는 제1 및 제2 송신용 광학 소자(S1, S2)로부터 생성되어 방출되는 복수의 제3 빔(B3)은 광축 방향으로 방출되는 제0 빔(BO)과, 광축 방향으로부터 반시계 방향으로 이격되어 방출되는 N 개의 제1-1 내지 제1-N 빔[B(1-1), ... B(1-N)] 또는 광축 방향으로부터 시계 방향으로 이격되어 방출되는 M 개의 제2-1 내지 제2-M 빔[B(2-1), ... B(2-M)] 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
또한, 복수의 제3 빔(B3)[B0, B(1-1), ... B(1-N), B(2-1), ... B(2-M)]은 서로 이격되어 방출될 수 있다. 제1-1 내지 제1-N 빔[B(1-1), ... B(1-N)]과 제2-1 내지 제2-M 빔[B(2-1), ... B(2-M)] 각각은 제0 빔(BO)과 소정의 각도만큼 이격되어 방출될 수 있다. 예를 들어, 제1-1 빔[B(1-1)]은 제0 빔(BO)과 제1-1 각도[θ(1-1)T]만큼 이격되고, 제1-N 빔[B(1-N)]은 제0 빔(BO)과 제1-N 각도[θ(1-N)T]만큼 이격되고, 제2-1 빔[B(2-1)]은 제0 빔(BO)과 제2-1 각도[θ(2-1)T]만큼 이격되고, 제2-M 빔[B(2-M)]은 제0 빔(BO)과 제2-M 각도[θ(2-M)T]만큼 이격될 수 있다.
복수의 제3 빔(B3)들이 서로 이격된 각도 중에서, 제1-N 또는 제2-M 빔[B(1-N), B(2-M)]이 제0 빔(BO)과 가장 큰 각도로 이격되어 있다. 이러한 가장 큰 이격 각도[θ(1-N)T 또는 θ(2-M)T]는 90°보다 작을 수 있으나, 실시 예는 이에 국한되지 않는다.
또한, 제0, 제1-1 내지 제1-N 및 제2-1 내지 제2-M 빔[BO, B(1-1), ... B(1-N), B(2-1), ... B(2-M)] 중에서 서로 이웃하는 빔 간의 이격 각도는 20°보다 작을 수 있으나, 실시 예는 이에 국한되지 않는다.
한편, 광 수신부(120A)는 광 전송부(110A)로부터 방출된 복수의 빔(B1, B3)이 대상(미도시)에 부딪힌 후 반사되어 돌아오는 복수의 후방 광을 서로 다른 각도로 입사하고, 입사된 복수의 후방 광을 이용하여 대상에 대한 정보를 측정(또는, 검사 또는 분석)할 수 있다.
실시 예에 의하면, 광 수신부(120A)는 제2 히트 싱크(121), 광 검사부(122), 광 검출부(124), 필터(126A) 및 수신 광학계(128)를 포함할 수 있다.
광 검출부(124)는 대상에 부딪힌 후 반사되어 돌아오는 복수의 후방 광(RB)을 서로 다른 각도로 수신하여 일정한 각도로 광 검사부(122)로 보낸다.
광 검출부(124)로 입사되는 후방 광(RB)은 광축 방향으로 입사되는 제0 후방 광(RO)과, 광축 방향으로부터 반시계 방향으로 이격되어 입사되는 i개의 제1-1 내지 제1-i 후방 광[R(1-1), ... R(1-i)] 또는 광축 방향으로부터 시계 방향으로 이격되어 입사되는 j개의 제2-1 내지 제2-j 후방 광[R(2-1), ... R(2-j)] 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 여기서, i는 1 이상의 양의 정수이고 j는 1 이상의 양의 정수일 수 있다.
또한, 제1-1 내지 제1-i 후방 광[R(1-1), ... R(1-i)]과 제2-1 내지 제2-j 후방 광[R(2-1), ... R(2-j)] 각각은 제0 후방 광(RO)과 소정의 각도만큼 이격되어 입사될 수 있다. 예를 들어, 제1-1 후방 광[R(1-1)]은 제0 후방 광(RO)과 제1-1 각도[θ(1-1)R]만큼 이격되고, 제1-i 후방 광[R(1-i)]은 제0 후방 광(RO)과 제1-i 각도[θ(1-i)R]만큼 이격되고, 제2-1 후방 광[R(2-1)]은 제0 후방 광(RO)과 제2-1 각도[θ(2-1)R]만큼 이격되고, 제2-j 후방 광[R(2-j)]은 제0 후방 광(RO)과 제2-j 각도[θ(2-j)R]만큼 이격될 수 있다. 이와 같이, 복수의 후방 광[R0, R(1-1), ... R(1-i), R(2-1), ... R(2-j)]은 서로 이격되어 광 검출부(124)로 입사될 수 있다.
또한, 광 검출부(124)는 적어도 하나의 수신용 광학 소자를 포함할 수 있다. 도 2의 경우 광 검출부(124)는 제1 및 제2 수신용 광학 소자(D1, D2)를 포함하는 것으로 예시되어 있지만, 실시 예는 이에 국한되지 않는다. 즉, 다른 실시 예에 의하면 광 검출부(124)는 하나의 수신용 광학 소자만을 포함할 수도 있고, 3개 이상의 수신용 광학 소자를 포함할 수도 있다. 송신용 광학 소자(S1, S2)와 마찬가지로, 수신용 광학 소자(D1, D2)는 전기적 신호, 물리적 신호 또는 화학적 신호 중 적어도 하나에 응답하여 동작할 수 있다. 이러한 전기적 신호, 물리적 신호 또는 화학적 신호는 구동 제어부(140)로부터 광 수신부(120A)로 제2 제어 신호(C2)의 형태로 제공될 수 있다. 즉, 외부로부터의 자극이 있고, 이러한 자극에 의해 전기적 신호, 물리적 신호 또는 화학적 신호 중 적어도 하나가 제2 제어 신호(C2)로서 구동 제어부(140)로부터 발생되고, 발생된 제2 제어 신호(C2)에 의해 제1 및 제2 수신용 광학 소자(D1, 32) 각각은 각도별 투과 또는 반사 효율 중 적어도 하나를 조절할 수 있다.
또한, 제1 및 제2 수신용 광학 소자(D1, D2) 각각은 수신용 광학 위상 어레이(OPA)로 구현될 수 있다. 수신용 광학 위상 어레이는 서로 다른 각도로 복수의 후방 광을 입사하여 일정한 각도로 출력할 수 있다. 이러한 수신용 광학 위상 어레이로 구현될 수 있는 제1 및 제2 수신용 광학 소자(D1, D2) 각각은 다음과 같은 다양한 방식으로 동작할 수 있다.
먼저, 제1 및 제2 수신용 광학 소자(D1, D2) 각각은 회절 격자가 주기적으로 형성된 표면을 가질 수 있다. 이때, 격자의 주기, 각도 또는 형상 중 적어도 하나를 변경시킬 경우, 제1 및 제2 수신용 광학 소자(D1, D2) 각각이 동작할 수 있다.
또한, 제1 및 제2 수신용 광학 소자(D1, D2) 각각의 굴절률 차이가 주기적으로 변하는 구조를 가질 수 있다. 이때, 주기를 변경시키거나 굴절률을 변경시킬 경우, 제1 및 제2 수신용 광학 소자(D1, D2) 각각이 동작할 수 있다.
또한, 제1 및 제2 수신용 광학 소자(D1, D2) 각각은 복굴절 프리즘 형태를 가질 수 있다. 이 경우 프리즘의 각도 변경시킬 경우, 제1 및 제2 수신용 광학 소자(D1, D2) 각각이 동작할 수 있다.
또한, 제1 및 제2 수신용 광학 소자(D1, D2) 각각은 공기와 오일(Oil)과 같은 액체의 경계면이 있는 구조를 가질 수 있다. 이때, 외부 신호를 인가하여 그 경계면을 변화시키거나 액체의 굴절률을 변경시킬 경우, 제1 및 제2 수신용 광학 소자(D1, D2) 각각이 동작할 수 있다.
또한, 홀로그램 방식으로 매질 내부의 굴절률 혹은 밀도 분포 패턴을 변화시킬 경우, 제1 및 제2 수신용 광학 소자(D1, D2) 각각이 동작할 수 있다.
또한, 제1 및 제2 수신용 광학 소자(D1, D2) 각각은 2개 이상으로 정렬된 렌즈 세트를 가질 수 있다. 이때, 렌즈 세트에서 개별 렌즈를 상, 하, 좌, 우로 이동시킬 경우, 제1 및 제2 수신용 광학 소자(D1, D2) 각각이 동작할 수 있다.
또한, 제1 및 제2 수신용 광학 소자(D1, D2) 각각은 2개 이상으로 정렬된 MLA(Micro Lens Array) 세트를 가질 수 있다. 이때, 개별 MLA를 상, 하, 좌, 우로 이동시킬 경우, 제1 및 제2 수신용 광학 소자(D1, D2) 각각이 동작할 수 있다.
또한, 제1 및 제2 수신용 광학 소자(D1, D2) 각각은 2개 이상으로 정렬된 MLA 세트를 가질 수 있다. 이때, 개별 MLA의 주기 혹은 형상 중 적어도 하나를 변경시킬 경우, 제1 및 제2 수신용 광학 소자(D1, D2) 각각이 동작할 수 있다.
전술한 다양한 수신용 광학 소자가 동작할 수 있도록, 전술한 주기(또는, 표면 등과 같은 패턴)에 변화를 부여하는 폭의 범위는 0.1 ㎛ 내지 2 ㎜이고, 전술한 굴절률에 변화를 주는 범위는 파장이 1000㎚일 때 1보다 크고 2.7보다 작을 수 있고, 전술한 투과율 및 반사율에 변화를 주는 범위는 0보다 크고 1보다 작을 수 있으나, 실시 예는 이에 국한되지 않는다.
또한, 광 검출부(124)는 전술한 바와 같이 다양하게 동작하는 수신용 광학 소자를 복합적으로 포함할 수 있다.
또한, 전술한 바와 같이 다양한 구조를 갖는 제1 및 제2 수신용 광학 소자(D1, D2)를 동작시키기 위해, 전기적인 신호를 제1 및 제2 수신용 광학 소자(D1, D2) 각각의 양단에 인가할 수 있다. 이때, 전기적인 신호는 주기적인 전압 신호 또는 전류 신호일 수 있다. 예를 들어, 전기적인 신호의 동작 속도는 10 ㎓ 이하일 수 있다.
또한, 전술한 바와 같이 다양한 구조를 갖는 제1 및 제2 수신용 광학 소자(D1, D2)를 동작시키기 위해, 제1 및 제2 수신용 광학 소자(D1, D2)에 물리적 압력을 가할 수도 있고 제1 및 제2 수신용 광학 소자(D1, D2)의 물리적 위치를 변화시킬 수도 있다. 이때, 제1 및 제2 수신용 광학 소자(D1, D2)의 물리적 위치는 광축 방향으로 이동되거나 광축 방향에 수직한 두 축 방향으로 이동될 수 있다. 이를 위해, 자기장을 이용할 수도 있고, PZT를 이용할 수도 있고, VCM을 이용할 수도 있고, 링크 구조를 이용할 수도 있고, 중력과 탄성을 이용할 수도 있다.
후방 광이 입사되는 각도는 다양한 방법으로 조절될 수 있다. 예를 들어, 제1-i 또는 제2-j 후방 광[R(1-i), R(2-j)]이 제0 빔(BO)과 가장 큰 각도로 이격되어 있다. 이러한 가장 큰 이격 각도[θ(1-i)R 또는 θ(2-j)R]를 90°보다 작게 할 수 있으나, 실시 예는 이에 국한되지 않는다.
또한, 제0, 제1-1 내지 제1-i 및 제2-1 내지 제2-j 빔[RO, R(1-1), ... R(1-i), R(2-1), ... R(2-j)] 중에서 서로 이웃하는 빔 간의 이격 각도를 20°보다 작게 설정할 수 있으나, 실시 예는 이에 국한되지 않는다.
또한, 수신 광학계(128)는 광 검사부(122)와 광 검출부(124) 사이에 배치되어, 광 검출부(124)로부터 출사되는 광을 포커싱하여 광 검사부(122)로 제공하는 역할을 수행할 수 있다. 이를 위해, 수신 광학계(128)는 콜렉터(collector)(128A)를 포함할 수 있으나 실시 예는 이에 국한되지 않는다. 경우에 따라서, 수신 광학계(128)는 생략될 수도 있다.
도 3은 실시 예에 의한 광파 탐지 및 거리 측정 장치에서 광 수신부의 다른 실시 예(120B)의 블럭도를 나타낸다.
도 3에 도시된 광 수신부(120B)는 제2 히트 싱크(121), 광 검사부(122), 광 검출부(124), 필터(126B) 및 수신 광학계(128)를 포함할 수 있다. 필터(126B)의 형태가 도 2에 도시된 필터(126A)와 다름을 제외하면, 도 3에 도시된 광 수신부(120B)는 도 2에 도시된 광 수신부(120A)와 동일하다.
필터(126A, 126B)는 광 검출부(124)와 수신 광학계(128) 사이에 배치되며, 광 검출부(124)로부터 출사되는 후방 광에서 필요한 적어도 하나의 파장을 선택적으로 필터링하거나 잡음을 제거하고, 그 결과를 광 검사부(122)로 투과시키거나 반사시켜 제공할 수 있다. 도 2에 도시된 바와 같은 투과형 필터(126A)는 원하는 파장을 선택적으로 투과시켜 필터링하는 반면, 도 3에 도시된 바와 같은 반사형 필터(126A)는 원하는 파장을 선택적으로 반사시켜 필터링할 수 있다.
경우에 따라, 필터(126A, 126B)는 생략될 수도 있다.
수신용 광학 위상 어레이가 서로 다른 각도로 입사되는 후방 광을 일정한 각도로 출력하기 때문에 필터(126A, 126B)의 투과 또는 반사 효율이 개선될 수 있다.
또한, 필터(126A, 126B)에서 필터링되는 파장은 복수 개일 수 있다.
또한, 필터(126A, 126B)에서 필터링된 적어도 하나의 파장의 중심 파장의 범위는 0.2 ㎛ 내지 2 ㎛이고, 필터링된 파장의 대역폭은 1 ㎚ 이상일 수 있다. 또한, 필터(126A, 126B)에서 차단되는 파장의 세기와 선별되는 파장의 세기의 비를 F:1이라고 할 때, F는 0.5 이하일 수 있다.
또한, 필터(126A)의 투과 또는 필터(126B)의 반사 효율이 최대가 되는 입사광의 중심 각도를 적어도 하나 갖는 필터용 광학 소자를 포함할 수 있다. 여기서, 필터용 광학 소자는 다양한 형태로 구현될 수 있다.
예를 들어, 2개 이상의 굴절률을 갖는 박막을 2층 이상 적층한 형태로 필터용 광학 소자(126-1, 126-2)를 구현할 수 있다. 또는, 표면에 격자 구조를 형성하여 특정 파장의 굴절 혹은 반사 각도를 조절하는 형태로 필터형 광학 소자를 구현할 수 있다. 또는, 내부 굴절률의 변화를 주기적으로 하여 특정 파장을 선별하도록 필터용 광학 소자를 구현할 수 있다.
필터(126A, 126B)에서 선별된 파장 대역을 갖는 광이 투과 혹은 반사되어 광 검사부(122)로 보내진다. 이때, 필터(126A)가 광을 투과하여 광 검사부(122)로 전송하는 투과형일 경우, 투과형 필터(126A)로 입사되는 광의 입사 각도가 60°이하일 때, 필터(126A)의 투과 효율이 최대가 될 수 있다. 또는, 필터(126B)가 광을 반사하여 광 검사부(122)로 전송하는 반사형일 경우, 반사형 필터(126B)로 입사되는 광의 각도가 25° 이상일 때, 필터(126B)의 반사 효율이 최대될 수 있다.
제2 히트 싱크(121)는 광 검사부(122)에서 발생된 열을 외부로 방출하는 역할을 수행할 수 있으며, 경우에 따라 생략될 수 있다.
한편, 광 검사부(122)는 광 검출부(124)로부터 필터(126A, 126B)를 경유하여 제공된 후방 광으로부터 대상에 대한 정보를 측정(또는, 분석)할 수 있다.
광 검사부(122)는 광 전송부(110A)로부터 방출된 복수의 빔과 광 검출부(124)에서 출력되는 후방 광 간의 시간 차이를 측정할 수 있다. 이를 위해, 광 전송부(110A)에서 방출된 복수의 빔(B1, B3)이 대상에 부딪힌 후 반사하여 돌아온 후방 광의 세기를 전기적 신호로 변환할 수 있다. 또는 광 전송부(110A)에서 방출된 복수의 빔(B1, B3)이 대상을 부딪힌 후 반사하여 돌아온 세기를 시간 순서로 전기적인 신호로 변환할 수 있다. 이때, 광 검사부(122)는 전기적인 신호를 이용하여 복수의 빔과 후방 광 간의 시간 차이를 측정할 수 있다.
또한, 광 검사부(122)는 광 전송부(110A)에서 방출된 광의 일부를 먼저 측정한 시간을 기준으로 시간 차이를 측정할 수 있다. 또한, 광 검사부(122)는 광 전송부(110A)와 동기화된 전기 신호를 기준으로 시간 차이를 측정할 수 있다.
또한, 1개 또는 복수 개의 수광부를 1차원 또는 2차원 어레이 형태로 배열하여 광 검사부(122)를 구현할 수 있다. 이 경우, 복수 개의 수광부를 이용하여 일정 위치에서 반사되는 광의 시간 차이를 측정할 수 있다. 또는, 복수 개의 수광부를 통하여 신호의 공간적 차이와 각 공간의 시간 차이를 측정할 수 있다. 이때, 어레이의 픽셀별로 수광 신호를 구분하여 전기 신호로 변환시킬 수 있다. 예를 들어, 수광부로서, APD(Avalanche Photo Diode), SPAPD(Single Photon Avalanche Photo Diode), SAPD(Single Avalanche Photo Diode), PD(Photo Diode), QWP(Quantum Well Photodiode), PMT(Photo Multiplying Tube) 등을 사용할 수 있다.
또한, 광 검사부(122)는 광 전송부(110A)로부터 전송된 광과 대상에 부딪힌 후 반사되어 돌아온 후방 광 간의 시간 차이와 공간적 위치를 동시에 측정할 수도 있다.
또한, 광 검사부(122)는 후방 광의 세기 또는 대상의 공간적 위치 중 적어도 하나를 이용하여 대상에 대한 정보를 분석할 수도 있다. 여기서, 검사되는 대상에 대한 정보란, 예를 들어 대상의 거리 또는 위치 정보 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
또한, 광 검사부(122)는 대상에 대한 정보를 측정하기 위한 기초 데이터를 측정하고, 측정된 결과를 분석부(미도시)로 전송할 수 있다. 이 경우, 분석부는 광 검사부(122)에서 측정된 기초 데이터를 이용하여 대상에 대한 정보를 분석할 수 있다.
전술한 실시 예에 의한 광파 탐지 및 거리 측정 장치(100A)는 제1 하우징(H1)을 더 포함할 수 있다. 제1 하우징(H1)은 광 전송부(110A) 및 광 수신부(120A)를 에워싸는 형상을 가질 수 있다. 그러나, 제1 하우징(H1)은 생략될 수도 있다.
한편, 구동 제어부(140)는 광 전송부(110A) 또는 광 수신부(120A) 중 적어도 하나를 제어하는 역할을 수행할 수 있다. 즉, 구동 제어부(140)는 제1 및 제2 제어 신호(C1, C2)의 형태로 전기적 신호, 물리적 신호 또는 화학적 신호를 생성하고, 제1 및 제2 제어 신호(C1, C2)에 의해 송신용 광학 소자(S1, S2) 및 수신용 광학 소자(D1, D2)의 구동을 각각 제어할 수 있다.
여기서, 구동 제어부(140)에서 발생되는 제1 및 제2 제어 신호(C1, C2) 각각은 연속 파(CW: Continued Wave) 또는 연속 펄스(Contiued Pulse) 형태일 수 있으며, 실시 예는 제1 및 제2 제어 신호(C1, C2)의 특정 형태에 국한되지 않는다.
한편, 센싱부(130)는 빔 분할부(116)에서 분할된 제1 빔(B1)을 센싱하고, 센싱된 결과를 구동 제어부(140)로 전송한다. 이 경우, 구동 제어부(140)는 센싱부(130)로부터 받은 센싱된 결과를 이용하여 제1 및 제2 제어 신호(C1, C2)를 생성하고, 생성된 제1 및 제2 제어 신호(C1, C2)를 이용하여 광 전송부(110A) 및 광 수신부(120A) 각각을 제어할 수 있다.
전술한 동작을 위해, 센싱부(130)는 포토 다이오드(132)와 센싱 광학계(134)를 포함할 수 있다. 포토 다이오드(132)는 빔 분할부(116)로부터 분할된 제1 빔(B1)을 센싱하여 전기적인 신호로 변환하고, 변환된 전기적 신호를 센싱된 결과로서 구동 제어부(140)로 출력한다.
센싱 광학계(134)는 분할된 제1 빔(B1)과 포토 다이오드(132) 사이에 배치된다. 이를 위해, 센싱 광학계(134)는 예를 들어, 복수 개의 프리즘(134-1, 134-2)을 포함할 수 있으나, 실시 예는 이에 국한되지 않는다.
전술한 바와 같이, 빔 분할부(116)에서 분할된 제1 빔(B1)을 이용하여 광 전송부(110A)와 광 수신부(120A)를 제어함으로써, 최종적으로 광 검사부(122)에서 검사되는 값의 정밀도를 개선시킬 수 있다. 예를 들어, 센싱부(130)에서 센싱된 결과를 분석한 결과, 제1 빔(B1)의 세기가 약하다고 결정될 경우 제2 빔(B2)의 세기도 약하다고 추정할 수 있다. 따라서, 제2 빔(B2)의 세기를 증가시키기 위해, 구동 제어부(140)는 광원(112)에서 방출되는 광의 세기를 원하는 만큼 증가시킬 수 있다. 따라서, 복수의 빔(B1, B3)의 세기가 약함으로 인해, 광 수신부(120A, 120B)에서 수신되는 복수의 후방 광의 세기도 약하여 대상의 정보를 정확하게 분석할 수 없는 문제점이 해소될 수 있다.
전술한 실시 예에 의한 광파 탐지 및 거리 측정 장치(100A)는 제2 하우징(H2)을 더 포함할 수 있다. 제2 하우징(H2)은 센싱부(130)를 에워싸는 형상을 가질 수 있다. 그러나, 제2 하우징(H2)은 생략될 수도 있다.
또한, 실시 예에 의하면, 대상으로 방출하는 복수의 빔은 제3 빔(B3)뿐만 아니라 제1 빔(B1)도 포함하다. 따라서, 대상으로 방출되는 빔의 방향이 기존보다 확장될 수 있다. 이러한 빔의 방향의 확장에 대해 첨부된 도면을 참조하여 다음과 같이 설명한다.
도 4 내지 도 6은 도 2에 도시된 광파 탐지 및 거리 측정 장치(100A)에서 복수의 빔(B1, B3)을 방출하고 복수의 후방 광(RB)을 입사하는 실시 예에 의한 다양한 모습을 나타낸다. 편의상, 도 4 내지 도 6에서 대상으로 방출되는 빔의 개수와 후방 광의 개수가 각각 3개인 것으로 예시하였지만, 실시 예는 이에 국한되지 않는다.
도 2를 참조하면, 제1 빔(B1)은 광원(112)과, 전송 광학계(114)와, 빔분할부(116)가 배열된 광축 방향(이하, '제1 방향'이라 함)과 수직인 제2 방향으로 방출된다. 또한, 제3 빔(B3)은 제1 방향으로도 방출되고, 광축을 기준으로 ±90° 이내의 범위 내에 속하는 방향으로도 방출된다. 이때, 광 검출부(124)는 광축 방향인 제1 방향으로 제0 후방 광(RO)을 입사하고, 광축을 기준으로 ±90° 이내의 각도 범위 내에 속하는 영역에서 후방 광[R(1-1), R(2-1)]을 입사한다.
또한, 도 4를 참조하면, 제1 빔(B1)은 광축 방향과 수직인 제2 방향으로 방출되고, 광 검출부(124)가 후방 광을 입사하는 각도는 도 2에 도시된 바와 같다. 이와 같이, 도 4의 경우, 도 2에 도시된 바와 달리, 제3 빔(B3)은 제2 방향으로도 방출되고, 제2 방향을 기준으로 ±90° 이내의 범위 내에 있는 방향으로도 방출된다.
또한, 도 5를 참조하면, 제1 빔(B1)과 제3 빔(B2)이 방출되는 방향은 도 2
에 도시된 바와 같다. 그러나, 도 2에 도시된 바와 달리, 광 검출부(124)는 제2 방향과 나란하며 광축과 수직한 축으로 후방 광(R0)을 입사할 뿐만 아니라 수직한 축을 기준으로 ±90° 이내의 각도 범위 내에 속하는 영역에서 후방 광(R(1-1), R(2-1))을 입사한다.
또한, 도 6을 참조하면, 제1 빔(B1)과 제3 빔(B3)이 방출되는 방향은 도 4에 도시된 바와 같고, 후방 광이 입사되는 방향은 도 5에 도시된 바와 같다.
도 7은 다른 실시 예에 의한 광파 탐지 및 거리 측정 장치(100B)의 블럭도를 개략적으로 나타낸다.
도 2 내지 도 6에 도시된 실시 예에 의한 광파 탐지 및 거리 측정 장치의 경우, 빔 스티어링부(124)는 광원(112)과 전송 광학계(11)와 빔 분할부(116)가 배열된 광축 방향인 제1 방향과 나란한 방향으로 배치된다.
그러나, 도 7에 도시된 광파 탐지 및 거리 측정 장치(100B)에서 빔 스티어링부(118)는 제1 방향과 수직인 제2 방향으로 배치된다. 이를 제외하면, 도 7에 도시된 광파 탐지 및 거리 측정 장치(100B)는 도 2에 도시된 광파 탐지 및 거리 측정 장치(100A)와 동일하므로 동일한 참조부호를 사용하였으며, 동일한 부분에 대해서는 중복되는 설명을 생략한다.
도 8 내지 도 10은 도 7에 도시된 광파 탐지 및 거리 측정 장치(100B)에서 복수의 빔(B1, B3)을 방출하고 복수의 후방 광(RB)을 입사하는 실시 예에 의한 다양한 모습을 나타낸다.
도 7을 참조하면, 제3 빔(B3)이 방출되는 방향과 후방 광(RB)이 입사되는 방향은 도 6에 도시된 바와 같다. 그러나, 도 6에 도시된 바와 달리 제1 빔(B1)은 광축 방향인 제1 방향으로 방출된다.
도 8을 참조하면, 제3 빔(B3)이 방출되는 방향과 후방 광(RB)이 입사되는 방향은 도 5에 도시된 바와 같다. 그러나, 도 5에 도시된 바와 달리 제1 빔(B1)은 광축 방향인 제1 방향으로 방출된다.
도 9를 참조하면, 제1 빔(B1)과 제3 빔(B3)이 방출되는 방향은 도 7에 도시된 바와 같다. 그러나, 도 7에 도시된 바와 달리, 복수의 후방 광(RB)이 입사되는 방향은 도 2에 도시된 바와 같다.
도 10을 참조하면, 제1 빔(B1)과 제3 빔(B3)이 방출되는 방향은 도 8에 도시된 바와 같다. 그러나, 도 8에 도시된 바와 달리 복수의 후방 광(RB)이 입사되는 방향은 도 9에 도시된 바와 같다.
전술한 바와 같이, 실시 예에 의한 광파 탐지 및 거리 측정 장치(100A, 100B)의 경우, 제1 및 제3 빔(B1, B3)이 방출되는 방향과 복수의 후방 광(RB)이 입사되는 방향은 다양할 수 있다.
특히, 도 2 내지 도 10에 도시된 실시 예의 경우, 복수의 제3 빔(B3)뿐만 아니라 제1 빔(B1)도 대상을 향해 방출한다. 따라서, 빔 분할부(116)가 존재하지 않는 경우와 비교할 때, 더 많은 개수의 빔이 대상을 향해 방출될 수 있기 때문에, 대상에 대한 정보를 취득하는 범위가 확장될 수 있다.
전술한 바와 같이, 실시 예에 의한 광파 탐지 및 거리 측정 장치의 빔 스티어링부(118)는 회전하지 않고 다양한 방향으로 빔을 전송할 수 있는 송신용 위상 어레이를 포함하므로, 모터를 사용할 필요성을 없앤다. 따라서, 모터를 사용함으로 인해 야기된 기구적 신뢰성, 구조의 복잡화, 제조 및 유지 비용의 고가화 등의 제반 문제점이 해소될 수 있다. 즉, 기존의 광파 탐지 및 거리 측정 장치에 대비하여, 실시 예에 의한 광파 탐지 및 거리 측정 장치는 적어도 하나의 광원(112)의 빔 크기 수준으로 소형화될 수 있고, 기구적 신뢰성이 증가하고, 구조가 단순화될 수 있어 제조 및 유지 비용을 절감시킬 수 있도록 한다.
또한, 실시 예에 의한 광파 탐지 및 거리 측정 장치는 광 수신부에서 적어도 하나의 수신용 광학 소자(D1, D2)를 이용하여 광을 수신하므로, 기존의 광파 탐지 및 거리 측정 장치와 대비하여 필터(126A, 126B)의 투과 또는 반사 효율을 향상시켜 정확하게 데이터를 측정함으로써 측정의 정확성을 꾀할 수 있다. 또한, 필터(126A, 126B)에서 잡음을 제거함으로써 신호대잡음비(SNR:Signal to Noise Rate)를 개선시킬 수 있다.
또한, 빔 스티어링부(118)에 포함되는 송신용 광학 소자(S1, S2)를 2차원 스캔이 가능하도록 배치하여, 복수의 빔을 2차원적으로 다양한 방향으로 대상을 향해 방출할 수 있기 때문에, 기존 대비 광원(112)의 개수를 줄일 수 있고, 광 검출부(124)에 사용되는 수신용 광학 소자(D1, D2)를 2차원 스캔이 가능하도록 배치함으로써 기존에 사용되는 디텍터의 효과를 대체할 수 있다.
또한, 광원과 디텍터를 사용하는 기존의 광파 탐지 및 거리 측정 장치와 비교할 때, 실시 예에 의한 광파 탐지 및 거리 측정 장치는, 송신용 광학 소자(S1, S2)와 수신용 광학 소자(D1, D2)를 이용하므로 신호 처리가 간단해져서 신속하게 대상에 대한 정보를 검사할 수도 있다.
이상에서 실시 예를 중심으로 설명하였으나 이는 단지 예시일 뿐 본 발명을 한정하는 것이 아니며, 본 발명이 속하는 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 본 실시예의 본질적인 특성을 벗어나지 않는 범위에서 이상에 예시되지 않은 여러 가지의 변형과 응용이 가능함을 알 수 있을 것이다. 예를 들어, 실시예에 구체적으로 나타난 각 구성 요소는 변형하여 실시할 수 있는 것이다. 그리고 이러한 변형과 응용에 관계된 차이점들은 첨부된 청구 범위에서 규정하는 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
100A, 100B: 광파 탐지 및 거리 측정 장치 110A, 110B: 광 전송부
111: 제1 히트 싱크 112: 적어도 하나의 광원
114: 전송 광학계 116: 빔 분할부
118: 빔 스티어링부 120A, 120B: 광 수신부
121: 제2 히트 싱크 122: 광 검사부
124: 광검출부 126A, 126B: 필터
128: 수신 광학계 132: 포토 다이오드
134: 센싱 광학계 140: 구동 제어부

Claims (15)

  1. 복수의 빔을 서로 다른 방향으로 방출하는 광 전송부; 및
    상기 방출된 빔이 대상에 부딪힌 후 반사되어 돌아오는 후방 광을 서로 다른 각도에서 입사하고, 입사된 복수의 후방 광을 이용하여 상기 대상에 대한 정보를 측정하는 광 수신부를 포함하고,
    상기 광 전송부는
    광을 방출하는 적어도 하나의 광원;
    상기 적어도 하나의 광원에서 방출된 상기 광을 제1 빔과 제2 빔으로 분할하는 빔 분할부; 및
    상기 빔 분할부에서 분할된 상기 제2 빔을 복수의 제3 빔으로 나누어 서로 다른 방향으로 방출하는 빔 스티어링부를 포함하고,
    상기 광 전송부로부터 방출되는 상기 복수의 빔은 상기 제1 빔과 상기 복수의 제3 빔을 포함하는 광파 탐지 및 거리 측정 장치.
  2. 제1 항에 있어서, 상기 광 전송부는
    상기 적어도 하나의 광원과 상기 빔 분할부 사이에 배치된 전송 광학계를 더 포함하는 광파 탐지 및 거리 측정 장치.
  3. 제1 항에 있어서, 상기 적어도 하나의 광원은 0.2 ㎛ 내지 2 ㎛의 중심 파장을 갖는 상기 광을 방출하는 광파 탐지 및 거리 측정 장치.
  4. 제1 항에 있어서, 상기 빔 스티어링부는
    전기적 신호, 물리적 신호 또는 화학적 신호 중 적어도 하나에 응답하여, 상기 빔 분할부에서 분할된 상기 제2 빔을 상기 서로 다른 방향의 상기 복수의 제3 빔으로 나누어 방출하는 적어도 하나의 송신용 광학 소자를 포함하는 광파 탐지 및 거리 측정 장치.
  5. 제1 항에 있어서, 상기 광 수신부는
    서로 다른 각도에서 상기 복수의 후방 광을 수신하여 일정한 각도로 출력하는 광 검출부; 및
    상기 광 검출부로부터 출력되는 후방 광으로부터 상기 대상에 대한 정보를 측정하는 광 검사부를 포함하는 광파 탐지 및 거리 측정 장치.
  6. 제5 항에 있어서, 상기 광 수신부는
    상기 광 검출부와 상기 광 검사부 사이에 배치되는 수신 광학계를 더 포함하는 광파 탐지 및 거리 측정 장치.
  7. 제6 항에 있어서, 상기 광 수신부는
    상기 광 검출부와 상기 수신 광학계 사이에 배치되어, 상기 광 검출부로부터 출력되는 상기 후방 광으로부터 필요한 적어도 하나의 파장 대역을 필터링하거나 잡음을 제거하여 상기 광 검사부로 투과시키거나 반사시키는 필터를 더 포함하는 광파 탐지 및 거리 측정 장치.
  8. 제5 항에 있어서, 상기 광 검출부는 서로 다른 각도로 상기 복수의 후방 광을 입사하여 회전하지 않고 일정한 각도의 광을 생성하는 수신용 광학 위상 어레이를 포함하는 광파 탐지 및 거리 측정 장치.
  9. 제5 항에 있어서, 상기 광 검사부는
    상기 복수의 빔과 상기 후방 광 간의 시간 차, 상기 후방 광의 세기 또는 상기 대상의 공간적 위치 중 적어도 하나를 이용하여 상기 대상에 대한 정보를 검사하는 광파 탐지 및 거리 측정 장치.
  10. 제1 항에 있어서, 상기 광 전송부 또는 상기 광 수신부 중 적어도 하나의 동작을 제어하는 구동 제어부를 더 포함하는 광파 탐지 및 거리 측정 장치.
  11. 제10 항에 있어서, 상기 빔 분할부에서 분할된 상기 제1 빔을 센싱하고, 센싱된 결과를 상기 구동 제어부로 전송하는 센싱부를 더 포함하고,
    상기 구동 제어부는 상기 센싱된 결과를 이용하여 상기 광 전송부 또는 광 수신부 중 적어도 하나의 동작을 제어하는 광파 탐지 및 거리 측정 장치.
  12. 제10 항에 있어서, 상기 센싱부는
    상기 분할된 상기 제1 빔을 센싱하여 전기적인 신호로 변환하는 포토 다이오드; 및
    상기 분할된 상기 제1 빔과 상기 포토 다이오드 사이에 배치되는 센싱 광학계를 포함하는 광파 탐지 및 거리 측정 장치.
  13. 제1 항에 있어서, 상기 빔 스티어링부는 상기 광원과 상기 빔 분할부가 배열된 방향과 나란한 방향으로 배치되는 광파 탐지 및 거리 측정 장치.
  14. 제1 항에 있어서, 상기 빔 스티어링부는 상기 광원과 상기 빔 분할부가 배열된 방향과 수직한 방향으로 배치되는 광파 탐지 및 거리 측정 장치.
  15. 제1 항에 있어서, 상기 제1 빔과 상기 제2 빔의 세기 비율은 K : 1이고, K는 0보다 크고 10보다 작은 광파 탐지 및 거리 측정 장치.
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