KR20190017451A - 라이다 센서 및 그것의 동작 방법 - Google Patents

라이다 센서 및 그것의 동작 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명의 실시 예에 따른 라이다 센서는, 제 1 편광의 제 1 레이저 광을 발생하는 발광부; 상기 1 편광의 제 1 레이저 광을 투과 및 반사하는 반 투과 물질, 상기 투과된 제 1 편광의 제 1 레이저 광을 반사하는 제 1 고정 반사경, 상기 반사된 제 1 편광의 제 1 레이저 광의 편광을 변경함으로써 제 2 편광의 제 1 레이저 광을 발생하는 리타더(retarder), 상기 제 1 고정 반사경으로부터 반사된 제 1 편광의 제 1 레이저 광과 상기 리타더의 제 2 편광의 제 1 레이저 광을 반사하는 제 2 고정 반사경, 및 상기 제 2 고정 반사경으로부터 상기 제 1 편광의 제 1 레이저 광 및 상기 제 2 편광의 제 1 레이저 광을 물체에 반사시키도록 회전하는 회전 반사경을 포함할 수 있다.

Description

라이다 센서 및 그것의 동작 방법{LIDAR SENSOR AND OPERATING METHOD THEREOF}
본 발명은 라이다 센서 및 그것의 동작 방법에 관한 것이다.
라이다(light detection and ranging: LiDAR)는 레이저를 이용하여 거리를 측정하는 기술이다. 이 라이다는 3차원 GIS(geographic information system) 정보 구축을 위한 지형 데이터를 구축하고, 이를 가시화하는 형태로 발전되어, 건설, 국방 등의 분야에 응용되었고, 최근 들어 자율주행자동차 및 이동로롯 등에 적용되고 있다. 자율 주행 자동차는 라이다를 필수로 장착하여 주행 가능한 공간에 대한 맵을 생성하고 있다. 차량의 안전을 향상하기 위해 최근에 도입되는 기능들은 영상 획득용 카메라와 거리 측정용 라이다나 레이다를 중심으로 다른 센서들의 기능을 복합하여 주행 상황을 인지한다. 라이다 센서는 레이저를 목표물에 비춤으로써 사물까지의 거리, 방향, 속도, 온도, 물질 분포 및 농도 특성 등을 감지할 수 있는 기술이다. 라이다 센서는 일반적으로 높은 에너지 밀도와 짧은 주기를 가지는 펄스 신호를 생성할 수 있는 레이저의 장점을 활용하여 보다 정밀한 대기 중의 물성 관측 및 거리 측정 등에 활용이 된다.
등록특허 10-1678122, 등록일: 2016년 11월 15일, 제목: 전방향 라이다 장치 등록특허 10-1678124, 등록일: 2016년 11월 15일, 제목: 전방향 라이다 장치를 이용한 라이다 데이터 모델링 방법 공개특허 10-2015-0027543, 공개일: 2015년 03월 12일, 제목: 라이다 센서 시스템
본 발명의 목적은 간단하면서 저렴하게 제작 가능한 라이다 센서 및 그것의 동작 방법을 제공하는데 있다.
본 발명의 실시 예에 따른 라이다 센서는, 제 1 편광의 제 1 레이저 광을 발생하는 발광부; 상기 1 편광의 제 1 레이저 광을 투과 및 반사하는 반 투과 물질; 상기 투과된 제 1 편광의 제 1 레이저 광을 반사하는 제 1 고정 반사경; 상기 반사된 제 1 편광의 제 1 레이저 광의 편광을 변경함으로써 제 2 편광의 제 1 레이저 광을 발생하는 리타더(retarder); 상기 제 1 고정 반사경으로부터 반사된 제 1 편광의 제 1 레이저 광과 상기 리타더의 제 2 편광의 제 1 레이저 광을 반사하는 제 2 고정 반사경; 및 상기 제 2 고정 반사경으로부터 상기 제 1 편광의 제 1 레이저 광 및 상기 제 2 편광의 제 1 레이저 광을 물체에 반사시키도록 회전하는 회전 반사경을 포함할 수 있다.
실시 예에 있어서, 상기 반 투과 물질은 상기 제 1 편광의 제 1 레이저 광의 50%을 투과시키고, 상기 제 1 편광의 제 1 레이저 광의 50%을 반사시킬 수 있다.
실시 예에 있어서, 상기 반 투과 물질은 비-편광 빔 스플리터를 포함할 수 있다.
실시 예에 있어서, 상기 제 1 편광은 수평 편광이고, 상기 제 2 편광은 수직 편광일 수 있다.
실시 예에 있어서, 상기 제 1 및 제 2 고정 반사경의 각각은 수신된 레이저 광을 90도 반사시킬 수 있다.
실시 예에 있어서, 상기 회전 반사경은 상기 물체로부터 반사된 제 1 편광의 제 1 레이저 광과 제 2 편광의 제 1 레이저 광을 상기 제 2 고정 반사경으로 반사시킬 수 있다.
실시 예에 있어서, 상기 제 2 고정 반사경은 상기 회전 반사경으로부터 반사된 제 2 편광의 제 1 레이저 광을 상기 리타더로 반사시키고, 상기 리타더는 상기 제 2 편광의 제 1 레이저 광의 편광을 변경함으로써 제 1 편광의 제 2 레이저 광을 발생할 수 있다.
실시 예에 있어서, 상기 물체에서 반사된 제 1 편광의 제 2 레이저 광 및 상기 제 1 편광의 제 2 레이저 광을 수신하는 수광부를 더 포함하고, 상기 제 1 고정 반사경은 상기 제 2 고정 반사경으로부터 상기 제 1 편광의 제 1 레이저 광 및 상기 리타더로부터 상기 제 1 편광의 제 2 레이저 광을 상기 수광부로 반사시킬 수 있다.
실시 예에 있어서, 상기 물체에서 반사된 제 1 편광의 제 2 레이저 광 및 상기 제 1 편광의 제 2 레이저 광은 서로 다른 시간에 수광부에 수신될 수 있다.
실시 예에 있어서, 상기 리타더는 1/4 파장 리타더일 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따른 라이다 센서의 동작 방법은: 제 1 편광의 제 1 레이저 광을 발생하는 단계; 상기 제 1 편광의 제 1 레이저 광을 분할하는 단계; 상기 분할된 제 1 편광의 제 1 레이저 광을 제 2 편광의 제 1 레이저 광으로 변환시키는 단계; 상기 분할된 제 1 편광의 제 1 레이저 광 및 상기 제 2 편광의 제 1 레이저 광을 물체에 조사하는 단계; 상기 물체로부터 반사된 제 1 편광의 제 1 레이저 광 및 상기 제 2 편광의 제 1 레이저 광을 수신하는 단계; 상기 물체로부터 반사된 제 2 편광의 제 1 레이저 광을 제 1 편광의 제 2 레이저 광으로 변환시키는 단계; 및 상기 물체로부터 반사된 제 1 편광의 제 1 레이저 광과 상기 제 1 편광의 제 2 레이저 광을 광 검출기에서 수신하는 단계를 포함할 수 있다.
실시 예에 있어서, 상기 제 1 편광은 P-pol 이고 제 2 편광은 S-pol 일 수 있다.
실시 예에 있어서, 상기 분할하는 단계는 빔 스플리터를 이용하여 상기 제 1 편광의 레이저 광을 분할하는 단계를 포함할 수 있다.
실시 예에 있어서, 상기 변환하는 단계는 위상 지연자를 이용하여 상기 제 1 편광을 상기 제 2 편광으로 혹은 상기 제 2 편광을 상기 제 1 편광으로 변환시킬 수 있다.
실시 예에 있어서, 상기 조사하는 단계는, 회전 반사경을 회전함으로써 상기 물체에 상기 분할된 제 1 편광의 제 1 레이저 광 및 상기 제 2 편광의 제 1 레이저 광을 조사하는 단계를 포함할 수 있다.
실시 예에 있어서, 상기 물체로부터 반사된 제 1 편광의 제 1 레이저 광 및 상기 제 2 편광의 제 1 레이저 광의 각각은 상기 물체에 대한 반사 계수를 포함할 수 있다.
실시 예에 있어서, 상기 수신하는 단계는, 상기 광 검출기에서 상기 물체로부터 반사된 제 1 편광의 제 1 레이저 광을 먼저 수신한 뒤에 상기 제 1 편광의 제 2 레이저를 광 검출기에서 수신하는 단계를 포함할 수 있다.
실시 예에 있어서, 상기 수신하는 단계는, 상기 광 검출기에서 상기 제 1 편광의 제 2 레이저 광을 수신한 뒤에 상기 물체로부터 반사된 제 1 편광의 제 1 레이저 광을 수신하는 단계를 포함할 수 있다.
실시 예에 있어서, 상기 광 검출기에서 상기 물체로부터 반사된 제 1 편광의 제 1 레이저 광과 상기 제 1 편광의 제 2 레이저를 수신되는 순서를 결정하기 위하여 반 투과 물질 혹은 리타더의 두께를 조절하는 단계를 더 포함할 수 있다.
실시 예에 있어서, 상기 리타더의 두께는 d = λ/4(4n+1) 의 수식을 만족하고, d는 두께이고, λ은 파장이고, n은 음이 아닌 정수이다.
본 발명의 실시 예에 따른 라이다 센서 및 그것의 동작 방법은, 하나의 발광부, 하나의 수광부, 반 투과 물질, 및 리타더를 이용하여, 2 개의 편광을 발생 및 수신함으로써 간단하면서도 저렴하게 2개의 편광의 레이저 광들을 발생 및 수신할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시 예에 따른 라이다 센서 및 그것의 동작 방법은 복잡한 배선을 필요치 않으면서 고정 반사경과 회전 반사경을 활용할 수 있으므로, 전 반향의 물체를 용이하게 감지할 수 있다.
이하에 첨부되는 도면들은 본 실시 예에 관한 이해를 돕기 위한 것으로, 상세한 설명과 함께 실시 예들을 제공한다. 다만, 본 실시예의 기술적 특징이 특정 도면에 한정되는 것은 아니며, 각 도면에서 개시하는 특징들은 서로 조합되어 새로운 실시 예로 구성될 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 라이다(LiDAR) 센서(100)를 구비한 차량(10)을 예시적으로 보여주는 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 라이다 센서(100)를 예시적으로 보여주는 도면이다.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 반 투과 물질(130)에 대한 파장과 전송률 사이의 관계를 예시적으로 보여주는 도면이다.
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 리타더(145)의 편광 변경 과정을 예시적으로 보여주는 도면이다.
도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 라이다 센서(100)의 송수신되는 편광의 레이저 광의 흐름을 예시적으로 보여주는 도면이다.
도 6은 본 발명의 실시 예에 따른 반 투과 물질(130)에 따른 시간 지연을 설명하는 도면이다.
도 7은 본 발명의 실시 예에 따른 리타더(145)에 따른 시간 지연을 설명하는 도면이다.
도 8은 본 발명의 수광부(120)에서 물체(200)에 의해 반사된 반사 계수 정보를 갖는 편광의 레이저 광을 수신하는 과정을 예시적으로 보여주는 도면이다.
도 9는 본 발명의 실시 예에 따른 수광부(120)에서 두 종류의 P 편광의 레이저 광을 구분하는 방법을 예시적으로 보여주는 도면이다.
도 10은 본 발명의 실시 예에 따른 라이다 센서의 동작 방법을 예시적으로 보여주는 흐름도이다.
아래에서는 도면들을 이용하여 본 발명의 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있을 정도로 본 발명의 내용을 명확하고 상세하게 기재할 것이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는바, 특정 실시 예들을 도면에 예시하고 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 제 1, 제 2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다.
상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로 사용될 수 있다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위로부터 이탈되지 않은 채 제 1 구성요소는 제 2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제 2 구성요소도 제 1 구성요소로 명명될 수 있다. 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 혹은 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.
구성요소들 간의 관계를 설명하는 다른 표현들, 즉 "~사이에"와 "바로 ~사이에" 혹은 "~에 이웃하는"과 "~에 직접 이웃하는" 등도 마찬가지로 해석되어야 한다. 본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.
본 출원에서, "포함하다" 혹은 "가지다" 등의 용어는 실시된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 혹은 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 혹은 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 혹은 이들을 조합한 것들의 존재 혹은 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다. 다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미이다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미인 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 라이다(LiDAR) 센서(100)를 구비한 차량(10)을 예시적으로 보여주는 도면이다. 도 1을 참조하면, 차량(10)은 차량(10)의 지붕에 부착된 라이다(LiDAR, light detection and ranging) 센서(100)를 포함할 수 있다. 라이다 센서(100)는 레이저 빔을 목표물에 비춤으로써, 사물까지의 거리, 방향, 속도, 온도, 물질 분포, 및 농도 특성 혹은 3D 영상 정보를 수집하도록 구현될 수 있다.
본 발명의 라이다 센서(100)는 물체의 정확한 검출을 위하여 하나의 편광의 레이저 광을 발생하고, 서로 수직한 2개의 편광을 물체에 조사하고, 반사된 두 편광에 대응하는 레이저 광들을 수신하도록 구현될 수 있다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 라이다 센서(100)를 예시적으로 보여주는 도면이다. 도 2를 참조하면, 라이다 센서(100)는 발광부(110), 수광부(120), 반 투과 물질(130), 제 1 고정 반사경(140), 리타더(retarder, 145), 제 2 고정 반사경(150), 및 회전 반사경(160)를 포함할 수 있다.
발광부(110)는 제 1 편광의 제 1 레이저 광을 발생하도록 구현될 수 있다. 실시 예에 있어서, 제 1 편광은 P편광(수평 편광) 일 수 있다. 한편, 제 1 편광이 P편광에 제한될 필요는 없다고 이해되어야 할 것이다. 실시 예에 있어서, 발광부(110)는 제 1 편광의 제 1 레이저 광의 평행성을 증가시키기 위하여 콜리메이션 렌즈(collimation lens)를 더 포함할 수 있다.
수광부(120)는 물체(200)로부터 반사된 레이저 광을 수신하도록 구현될 수 있다. 실시 예에 있어서, 수광부(120)는 제 1 편광의 레이저 광을 수신하도록 구현될 수 있다. 수광부(120)는 같은 편광이지만 두 종류의 레이저 광들을 수신할 수 있다. 아래에서는 설명의 편의를 위하여 수광부(120)에 수시된 두 종류의 레이저 광들 중 하나는 제 1 편광의 제 1 레이저 광이고, 다른 하나는 제 2 편광의 레이저 광이 변환된 제 1 편광의 제 2 레이저 광이라고 하겠다. 여기서 제 2 편광은 제 1 편광에 수직할 수 있다. 예를 들어, 제 2 편광은 S 편광(수직 편광)일 수 있다.
한편, 수광부(120)에 수신된 제 1 편광의 제 1 레이저 광과 제 1 편광의 제 2 레이저 광을 구별하기 위하여 TOF(time of flight) 방식이 이용될 수 있다. 이를 위해 반 투과 물질(130) 및 리타더(145)의 두께 조절을 통해 제 1 편광의 제 1 레이저 광 및 제 1 편광의 제 2 레이저 광 중 어느 것이 먼저 수신되는 지에 대한 구조 정보가 설정될 수 있다. 이후, 수신된 제 1 편광의 제 1 레이저 광과 제 1 편광의 제 2 레이저 광에 대한 정보를 이용하여 물체(200)에 대한 정보가 획득될 수 있다.
실시 예에 있어서, 수광부(120)는 광 검출기에서 발산하는 광을 평행광으로 변환시키기 위한 렌즈를 더 포함할 수 있다.
반 투과 물질(130)은 발광부(120)로부터 제 1 편광의 레이저 광을 수신하고, 수신된 제 1 편광의 레이저 광의 일부는 투과시키고, 나머지는 반사시키도록 구현될 수 있다. 실시 예에 있어서, 투과된 일부의 레이저 광은 50% 제 1 편광의 제 1 레이저 광이고, 반사된 나머지의 레이저 광은 50% 제 1 편광의 제 1 레이저 광일 수 있다.
실시 예에 있어서, 반 투과 물질(130)은 빔 스필리터(beam splitter)를 포함할 수 있다.
제 1 고정 반사경(140)는, 라이다 센서(100)의 본체에 고정되고, 반 투과 물질(130)로부터 투과된 제 1 편광의 제 1 레이저 광을 사전에 결정된 각도로 반사하도록 구현될 수 있다.
리타더(retarder, 145, '위상 지연자'라고 함)는 반 투과 물질(130)로부터 반사된 제 1 편광의 제 1 레이저 광을 투과시키면서 제 1 편광을 제 2 편광으로 변경하도록 구현될 수 있다. 전자기파가 리타더(145)의 파장판을 통과하면, 편광 방향(전기장　벡터　방향)이　광축에 평행하거나, 수직한 두 성분(정상광선과 이상광선)의 합이 되고, 파장판의　복굴절과 두께에 따라 두 성분의 벡터합이 변하게 되므로 통과한 후의 편광 방향이 달라진다. 예를 들어, 리타더(145)는 반사된 제 1 편광의 제 1 레이저 광의 편광을 90 도 변경함으로써, 제 2 편광의 제 1 레이저 광을 발생할 수 있다.
실시 예에 있어서, 리타더(145)는 발광부(110)에서 발생된 제 1 편광의 제 1 레이저 광에 수직한 편광을 갖는 제 2 편광의 제 1 레이저 광을 발생하기 위하여, 1/4 wave(파장) 리타더를 포함할 수 있다.
실시 예에 있어서, 리타더(145)는 두께를 조절함으로써 광경로를 증가시킬 수 있다.
실시 예에 있어서, 물체(200)에 반사된 제 2 편광의 제 1 레이저 광이 다시 리타더(145)에 수신되면, 제 2 편광의 제 1 레이저 광은 제 1 편광의 제 2 레이저 광이 될 수 있다. 한편, 물체(200)에서 제 2 편광의 제 1 레이저 광이 반사되면서 물체(200)에 대한 정보(예, 반사 계수)를 갖고 있기 때문에, 제 2 편광의 제 1 레이저 광이 편광 방향이 바뀌더라도 물체(200)에 대한 정보는 유지될 수 있다.
제 2 고정 반사경(150)는, 라이다 센서(100)에 본체에 고정되고, 제 1 고정 반사경(140)로부터 제 1 편광의 레이저 광을 사전에 결정된 각도로 반사하거나, 리타더(145)로부터 제 2 편광의 레이저 광을 사전에 결정된 각도로 반사하도록 구현될 수 있다.
실시 예에 있어서, 제 2 고정 반사경(150)은 제 1 고정 반사경(140)과 하나의 몸체로 구현될 수 있다.
회전 반사경(160)는 제 2 고정 반사경(150)로부터 반사된 제 1 및 제 2 편광의 레이저 광들을 적절하게 회전시켜 타겟팅하기 위한 물체(200)에 조사되도록 구현될 수 있다. 실시 예에 있어서, 회전 반사경(160)은 모터의 구동에 의해 회전할 수 있다.
일반적인 라이다 센서는 수직한 2개의 편광을 발생하고, 2개 편광을 물체에 조사한 뒤 반사된 2개 편광을 이용하여 물체를 검출하였다. 이를 위하여 일반적인 라이다 센서는 2 개의 편광을 발생하기 위한 2 개의 발광부 및 2 개의 수광부를 포함하였다. 종래의 라이다 센서는 두 가지 편광(P-pol, S-pol)을 이용하여 위해 각각의 발광부와 수광부가 최소 4개 필요하고, 이를 회전시키기 위한 복잡한 배선 구조가 필요하다.
반면에 본 발명의 실시 예에 따른 라이다 센서(100)는 하나의 발광부(110), 하나의 수광부(120), 반 투과 물질(130), 및 리타더(145)를 이용하여, 종래의 그것과 동일하게 2 개의 편광을 발생 및 수신할 수 있다. 따라서 본 발명의 라이다 센서(100)는 종래의 그것과 비교하여 간단하면서도 저렴하게 2개의 편광의 레이저 광들을 발생 및 수신할 수 있다. 또한, 본 발명의 실시 예에 따른 라이다 센서(100)는 복잡한 배선을 필요치 않으면서 고정 반사경과 회전 반사경을 활용할 수 있으므로, 전 반향의 물체를 용이하게 감지할 수 있다.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 반 투과 물질(130)에 대한 파장과 전송률 사이의 관계를 예시적으로 보여주는 도면이다. 도 3에서는 반 투과 물질(130)이 NIR(700 - 1100 nm)　비편광(non-polarizing) 빔 스플리터(beam splitter)라고 하겠다. 이때, 파장이 700 nm 부근에서는 P 편광의 전송률이 S 편광의 전송률보다 고, 파장이 900 nm에서는 P 편광의 전송률과 S 편광의 전송률이 비슷하고, 파장이 1100 nm 부근에서는 S 편광의 전송률이 P 편광의 전송률보다 높다. 전체적으로 평균 전송률은 50% 근처이다.
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 리타더(145)의 편광 변경 과정을 예시적으로 보여주는 도면이다. 도 4를 참조하면, 선형의 제 1 편광의 레이저 광이 리타더(145)을 통과하면 제 2 편광의 레이저 광이 된다. 여기서 제 2 편광의 레이저 광과 제 1 편광의 레이저 광의 서로 직교하는 편광을 갖는다. XY 좌표축에서 90도의 각도를 유지함으로써 편광의 레이저 광 사이의 간섭 현상이 회피될 수 있다.
실시 에에 있어서, 본 발명의 리타더(145, '위상 지연자')는 편광 방향을 90도 변환시키는 1/2 Wave(반 파장) 리타더일 수 있다.
도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 라이다 센서(100)의 송수신되는 편광의 레이저 광의 흐름을 예시적으로 보여주는 도면이다. 도 5를 참조하면, 편광의 레이저 광은 다음과 같이 움직일 수 있다.
발광부(110)에서 발생된 제 1 편광의 레이저 광은 반 투과 물질(130)에서 50% 전송되거나, 50% 반사될 수 있다.
우선, 50% 전송된(혹은 투과된) 제 1 편광의 레이저 광은 제 1 및 제 2 고정 반사경들(140, 150)을 거쳐, 회전 반사경(160)에서 반사될 수 있다. 회전 반사경(160)에서 모터의 제어 의해 적절하게 반사된 제 1 편광의 레이저 광은 물체(200)에 조사될 수 있다. 물체(200)에 조사된 제 1 편광의 레이저 광은 반사되어, 다시 회전 반사경(160)으로 수신될 수 있다. 회전 반사경(160)은 물체(200)로부터 반사된 제 1 편광의 레이저 광을 반사시켜 제 1 및 제 2 고정 반사경(140, 150)로 조사할 수 있다. 제 1 및 제 2 고정 반사경(140, 150)에 의해 반사된 제 1 편광의 레이저 광은 반 투과 물질(130)을 경유하여 수광부(120)의 광 검출기에 수신될 수 있다.
다음으로, 50% 반사된 제 1 편광의 레이저 광은 리타더(145)를 통해 제 2 편광의 레이저 광이 될 수 있다. 제 2 편광의 레이저 광은 제 2 고정 반사경(150)을 거쳐, 회전 반사경(160)에서 반사될 수 있다. 회전 반사경(160)에서 모터의 제어 의해 적절하게 반사된 제 2 편광의 레이저 광은 물체(200)에 조사될 수 있다. 물체(200)에 조사된 제 2 편광의 레이저 광은 반사되어, 다시 회전 반사경(160)으로 수신될 수 있다. 회전 반사경(160)은 물체(200)로부터 반사된 제 2 편광의 레이저 광을 반사시켜 제 2 고정 반사경(150)로 조사할 수 있다. 제 2 고정 반사경(150)에 의해 반사된 제 2 편광의 레이저 광은 리타더(145)를 통해 제 1 편광의 레이저 광이 될 수 있다. 제 1 편광의 레이저 광은 전송 물질(130)을 경유하여 수광부(120)의 광 검출기에 수신될 수 있다.
한편, 50% 전송된 편광의 레이저 광 및 50 % 반사된 편광의 레이저 광이 모두 물체(100)로부터 반사되어 광 검출기에서 수신될 때는 동일한 편광을 갖는다. 광 검출기는 동일한 편광들이지만, 지연 정도에 따라 수신된 편광의 레이저 광이 전송된 편광의 레이저 광에 대한 것인지, 아니면 반사된 편광의 레이저 광에 대한 것인지 구별할 수 있다.
도 6은 본 발명의 실시 예에 따른 반 투과 물질(130)에 따른 시간 지연을 설명하는 도면이다. 도 6을 참조하면, 반 투과 물질(130)을 통과할 때, 야기되는 시간 지연을 뺀다면, 물체(200)까지의 정확한 거리가 측정될 수 있다. 투과되는 반 투과 물질(130)의 두께를 d라고 가정하고, 굴절률(nH)은 다음의 수학식을 만족할 것이다.
Figure pat00001
Figure pat00002
= nH
Figure pat00003
Figure pat00004
이때, 실제 거리 측정시 시간을 고려하면, 실제 거리 측정 시간은 아래의 수학식을 만족할 것이다.
실제 거리 측정 시간 = 측정된 시간 -
Figure pat00005
Figure pat00006
도 7은 본 발명의 실시 예에 따른 리타더(145)에 따른 시간 지연을 설명하는 도면이다. 도 7을 참조하면, 리타더(145)을 통과할 때, 야기되는 시간 지연을 뺀다면, 물체(200)까지의 정확한 거리가 측정될 수 있다. 리타더(145)의 두께를 d라고, 레이저 광의 파장을 λ, 굴절률(nR)이라고 가정하면, 실제 거리 측정 시간은 아래의 수학식을 만족할 것이다.
실제 거리 측정 시간 = 측정된 시간 -
Figure pat00007
Figure pat00008
(nR -1)
Figure pat00009
Figure pat00010
여기서 c는 빛의 속도이다.
도 8은 본 발명의 수광부(120)에서 물체(200)에 의해 반사된 반사 계수 정보를 갖는 편광의 레이저 광을 수신하는 과정을 예시적으로 보여주는 도면이다.
P 편광의 레이저 광의 경우에는 편광 상태가 변하지 않고 진행될 수 있다. 물체(200)에 P 편광의 레이저 광이 반사될 때, P-pol에 의한 반사 계수가 얻을 수 있다.
또한, S 편광의 레이저 광의 경우에는, 진행 과정에서 편광 상태가 두 번 바뀐다. 물체(200)에 반사될 때, S-pol에 의한 반사 계수가 얻을 수 있다. 이 후에, 반사된 S 편광의 레이저 광은 리타더(145)에 의해 다시 P-pol로 바뀌나, 진폭 등의 정보는 그대로 유지한다. 이 때문에 수광부(120)은 P-pol의 레이저 광을 감지하지만, 수신된 정보는 물체(200)의 S-pol 반사 계수 정보를 포함한다.
도 9는 본 발명의 실시 예에 따른 수광부(120)에서 두 종류의 P 편광의 레이저 광을 구분하는 방법을 예시적으로 보여주는 도면이다. 두 종류의 P 편광의 레이저 광들의 구분은 반 투과 물질(130) 및 리타더(145)의 두께 조절을 통해 시간차를 이용할 수 있다.
도 9의 (a)는 P 편광의 레이저 광을 S 편광의 레이저 광보다 느리게 함으로써 수광부(120)에서 수신된 펄스들을 구분하는 방법을 도시한다. 실시 예에 있어서, 반 투과 물질(130)의 두께를 조절함으로써, 수광부(120)에서 P 편광의 레이저 광이 S 편광의 레이저 광보다 느리게 수신될 수 있다. 여기서 반 투과 물질(130)의 두께 조절 조건은 없다.
도 9의 (b)는 S 편광의 레이저 광을 P 편광의 레이저 광보다 느리게 함으로써 수광부(120)에서 수신된 펄스들을 구분하는 방법을 도시한다. 실시 예에 있어서, 리타더(145)의 두께를 조절함으로써, 수광부(120)에서 S 편광의 레이저 광이 P 편광의 레이저 광보다 느리게 수신될 수 있다. 여기서 리타더(145)의 두께 조절 조건은 다음의 수학식을 만족할 것이다.
d = λ/4(4n+1)
여기서 n은 음이 아닌 정수이다.
도 10은 본 발명의 실시 예에 따른 라이다 센서의 동작 방법을 예시적으로 보여주는 흐름도이다. 도 1 내지 도 10을 참조하면, 라이다 센서(100)는 다음과 같이 동작할 수 있다.
발광부(110)는 제 1 편광의 제 1 레이저 광을 발생할 수 있다(S110). 제 1 편광의 제 1 레이저 광은 반 투과 물질(130)에 의해 빔 분할 될 수 있다(S120). 예를 들어, 일부는 투과되고 일부는 반사될 수 있다.
분할된 제 1 편광의 제 1 레이저 광은 리타더(145)에 의해 제 2 편광의 제 1 레이저 광으로 변환될 수 있다(S130). 여기서 제 2 편광의 제 1 레이저 광은 제 1 편광의 제 1 레이저 광과 직교의 편광을 가질 수 있다. 이후, 제 1 및 제 2 편광의 제 1 레이저 광들은 타겟 물체(200)에 조사될 수 있다(S140). 이후 물체로부터 반사된 제 1 및 제 2 편광의 제 1 레이저 광이 수신될 수 있다(S150). 반사된 제 2 편광의 제 1 레이저 광은 리타더(145)에 의해 제 1 편광의 제 2 레이저 광으로 변환될 수 있다. 수광부(120)는 제 1 편광의 제 1 레이저 광과 제 1 편광의 제 2 레이저 광을 수신할 수 있다. 이때 수신된 제 1 편광의 제 1 레이저 광과 제 2 편광의 제 2 레이저 광은 각각 서로 다른 물체 반사 계수 정보를 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 단계들 및/또는 동작들은 기술분야의 통상의 기술자에 의해 이해될 수 있는 것과 같이, 다른 순서로, 또는 병렬적으로, 또는 다른 에포크(epoch) 등을 위해 다른 실시 예들에서 동시에 일어날 수 있다.
실시 예에 따라서는, 단계들 및/또는 동작들의 일부 또는 전부는 하나 이상의 비-일시적 컴퓨터-판독가능 매체에 저장된 명령, 프로그램, 상호작용 데이터 구조(interactive data structure), 클라이언트 및/또는 서버를 구동하는 하나 이상의 프로세서들을 사용하여 적어도 일부가 구현되거나 또는 수행될 수 있다. 하나 이상의 비-일시적 컴퓨터-판독가능 매체는 예시적으로 소프트웨어, 펌웨어, 하드웨어, 및/또는 그것들의 어떠한 조합일 수 있다. 또한, 본 명세서에서 논의된 "모듈"의 기능은 소프트웨어, 펌웨어, 하드웨어, 및/또는 그것들의 어떠한 조합으로 구현될 수 있다.
본 발명의 실시 예들의 하나 이상의 동작들/단계들/모듈들을 구현/수행하기 위한 하나 이상의 비-일시적 컴퓨터-판독가능 매체 및/또는 수단들은 ASICs(application-specific integrated circuits), 표준 집적 회로들, 마이크로 컨트롤러를 포함하는, 적절한 명령들을 수행하는 컨트롤러, 및/또는 임베디드 컨트롤러, FPGAs(field-programmable gate arrays), CPLDs(complex programmable logic devices), 및 그와 같은 것들을 포함할 수 있지만, 여기에 한정되지는 않는다.
본 발명은 두 가지 편광을 사용하는 라이다 장치에 관한 것으로, 라이다 장치 구조물 및 편광 측정 방법이다. Half transmission material(반 투과 물질)과 Retarder(위상 지연자)를 이용하여 두 가지 편광의 빛을 만들어내고, 이를 이용하여 물체에 대한 정보를 얻어낸다. 2개의 고정 반사경, 1개의 회전 반사경, Half transmission material, Retarder, 발광부, 수광부로 이루어진 구조로 이루어질 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따른 라이다 센서 및 그것의 동작 방법은, 하나의 발광부, 하나의 수광부, 반 투과 물질, 및 리타더를 이용하여, 2 개의 편광을 발생 및 수신함으로써 간단하면서도 저렴하게 2개의 편광의 레이저 광들을 발생 및 수신할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시 예에 따른 라이다 센서 및 그것의 동작 방법은 복잡한 배선을 필요치 않으면서 고정 반사경과 회전 반사경을 활용할 수 있으므로, 전 반향의 물체를 용이하게 감지할 수 있다.
한편, 상술 된 본 발명의 내용은 발명을 실시하기 위한 구체적인 실시 예들에 불과하다. 본 발명은 구체적이고 실제로 이용할 수 있는 수단 자체뿐 아니라, 장차 기술로 활용할 수 있는 추상적이고 개념적인 아이디어인 기술적 사상을 포함할 것이다.
10: 차량
100: 라이다 센서
110: 발광부
120: 수광부
130: 반 투과 물질
140: 제 1 고정 반사경
145: 리타더
150: 제 2 고정 반사경
160: 회전 반사경
200: 물체

Claims (20)

  1. 제 1 편광의 제 1 레이저 광을 발생하는 발광부;
    상기 1 편광의 제 1 레이저 광을 투과 및 반사하는 반 투과 물질;
    상기 투과된 제 1 편광의 제 1 레이저 광을 반사하는 제 1 고정 반사경;
    상기 반사된 제 1 편광의 제 1 레이저 광의 편광을 변경함으로써 제 2 편광의 제 1 레이저 광을 발생하는 리타더(retarder);
    상기 제 1 고정 반사경으로부터 반사된 제 1 편광의 제 1 레이저 광과 상기 리타더의 제 2 편광의 제 1 레이저 광을 반사하는 제 2 고정 반사경; 및
    상기 제 2 고정 반사경으로부터 상기 제 1 편광의 제 1 레이저 광 및 상기 제 2 편광의 제 1 레이저 광을 물체에 반사시키도록 회전하는 회전 반사경을 포함하는 라이다(LIDAR, light detection and ranging) 센서.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 반 투과 물질은 상기 제 1 편광의 제 1 레이저 광의 50%을 투과시키고, 상기 제 1 편광의 제 1 레이저 광의 50%을 반사시키는 라이다 센서.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 반 투과 물질은 비-편광 빔 스플리터를 포함하는 라이다 센서.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 편광은 수평 편광이고, 상기 제 2 편광은 수직 편광인 라이다 센서.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 및 제 2 고정 반사경의 각각은 수신된 레이저 광을 90도 반사시키는 라이다 센서.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 회전 반사경은 상기 물체로부터 반사된 제 1 편광의 제 1 레이저 광과 제 2 편광의 제 1 레이저 광을 상기 제 2 고정 반사경으로 반사시키는 라이다 센서.
  7. 제 5 항에 있어서,
    상기 제 2 고정 반사경은 상기 회전 반사경으로부터 반사된 제 2 편광의 제 1 레이저 광을 상기 리타더로 반사시키고,
    상기 리타더는 상기 제 2 편광의 제 1 레이저 광의 편광을 변경함으로써 제 1 편광의 제 2 레이저 광을 발생하는 라이다 센서.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 물체에서 반사된 제 1 편광의 제 2 레이저 광 및 상기 제 1 편광의 제 2 레이저 광을 수신하는 수광부를 더 포함하고,
    상기 제 1 고정 반사경은 상기 제 2 고정 반사경으로부터 상기 제 1 편광의 제 1 레이저 광 및 상기 리타더로부터 상기 제 1 편광의 제 2 레이저 광을 상기 수광부로 반사시키는 라이다 센서.
  9. 제 7 항에 있어서,
    상기 물체에서 반사된 제 1 편광의 제 2 레이저 광 및 상기 제 1 편광의 제 2 레이저 광은 서로 다른 시간에 수광부에 수신되는 라이다 센서.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 리타더는 1/4 파장 리타더인 라이다 센서.
  11. 라이다 센서의 동작 방법에 있어서:
    제 1 편광의 제 1 레이저 광을 발생하는 단계;
    상기 제 1 편광의 제 1 레이저 광을 분할하는 단계;
    상기 분할된 제 1 편광의 제 1 레이저 광을 제 2 편광의 제 1 레이저 광으로 변환시키는 단계;
    상기 분할된 제 1 편광의 제 1 레이저 광 및 상기 제 2 편광의 제 1 레이저 광을 물체에 조사하는 단계;
    상기 물체로부터 반사된 제 1 편광의 제 1 레이저 광 및 상기 제 2 편광의 제 1 레이저 광을 수신하는 단계;
    상기 물체로부터 반사된 제 2 편광의 제 1 레이저 광을 제 1 편광의 제 2 레이저 광으로 변환시키는 단계; 및
    상기 물체로부터 반사된 제 1 편광의 제 1 레이저 광과 상기 제 1 편광의 제 2 레이저 광을 광 검출기에서 수신하는 단계를 포함하는 방법.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 제 1 편광은 P-pol 이고 제 2 편광은 S-pol 인 방법.
  13. 제 11 항에 있어서,
    상기 분할하는 단계는 빔 스플리터를 이용하여 상기 제 1 편광의 레이저 광을 분할하는 단계를 포함하는 방법.
  14. 제 11 항에 있어서,
    상기 변환하는 단계는 위상 지연자를 이용하여 상기 제 1 편광을 상기 제 2 편광으로 혹은 상기 제 2 편광을 상기 제 1 편광으로 변환시키는 방법.
  15. 제 11 항에 있어서,
    상기 조사하는 단계는, 회전 반사경을 회전함으로써 상기 물체에 상기 분할된 제 1 편광의 제 1 레이저 광 및 상기 제 2 편광의 제 1 레이저 광을 조사하는 단계를 포함하는 방법.
  16. 제 11 항에 있어서,
    상기 물체로부터 반사된 제 1 편광의 제 1 레이저 광 및 상기 제 2 편광의 제 1 레이저 광의 각각은 상기 물체에 대한 반사 계수를 포함하는 방법.
  17. 제 11 항에 있어서,
    상기 수신하는 단계는, 상기 광 검출기에서 상기 물체로부터 반사된 제 1 편광의 제 1 레이저 광을 먼저 수신한 뒤에 상기 제 1 편광의 제 2 레이저를 광 검출기에서 수신하는 단계를 포함하는 방법.
  18. 제 11 항에 있어서,
    상기 수신하는 단계는, 상기 광 검출기에서 상기 제 1 편광의 제 2 레이저 광을 수신한 뒤에 상기 물체로부터 반사된 제 1 편광의 제 1 레이저 광을 수신하는 단계를 포함하는 방법.
  19. 제 11 항에 있어서,
    상기 광 검출기에서 상기 물체로부터 반사된 제 1 편광의 제 1 레이저 광과 상기 제 1 편광의 제 2 레이저를 수신되는 순서를 결정하기 위하여 반 투과 물질 혹은 리타더의 두께를 조절하는 단계를 더 포함하는 방법.
  20. 제 19 항에 있어서,
    상기 리타더의 두께는 d = λ/4(4n+1) 의 수식을 만족하고,
    d는 두께이고, λ은 파장이고, n은 음이 아닌 정수인 방법.
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