KR100305876B1 - 원격대기분석시스템의송.수신겸용광학장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 레이저를 이용한 원격 대기 분석 시스템(LIDAR)의 송-수신 겸용광학장치에 관한 것으로 LIDAR 시스템은 펄스 레이저와 같은 광원을 대기 중으로 조사하고 이 광원이 대기중의 공기 분자나 분진에 의하여 후방 산란되는 빛을 대구경의 망원경으로 수신하는 장치로 구성되는데, 일반적으로 두 개의 각기 다른 송신망원경과 수신망원경이 사용된다.

레이저의 발산각을 줄이기 위하여 송신장치에는 송신 망원경이 필요하고, 후방 산란 신호를 획득하기 위하여 수신장치에는 수신 망원경이 필요하다.

이와같이 기존의 LIDAR 장치는 송신광학계와 수신광학계가 분리형으로 되어 있어서 시스템의 크기가 크고 근거리 신호를 얻는데 어려움이 있다.

또한 분리형으로 되어 있으면 전체시스템에 포함된 광학계의 숫자가 많아지고 이러한 이유 때문에 송신광학계와 정령이 쉽게 깨어질 뿐만 아니라 수신부와 송신부 사이에 열적요등(thermal fluctuation)이 있을 경우 OPD(Optical Path Distnace)가 달라서 송신된 레이저가 수신망원경의 시계(Field of View)에서 사라지는 현상이 자주 발생한다.

송수신광학계를 일치시키는 방법으로 편광빔 분해기(21:Polarization Beam Splitter), 入 /4 파장판(20:Wave Plate)등과 같이 복잡한 광학계를 사용하여도 가능하나, 이를 광학계에서 산란되는 광이 센서로 입력되면 복잡한 신호유도 잡음이 발생하게 된다.

본 발명은 이러한 문제점을 해결하기 위하여 편광빔 분해기를 사용하지 않으므로써 산란문제를 해결하였으며, 송·수신을 겸한 하나의 망원경을 사용함으로써 두광학계 사이에서 발생하는 정렬이 깨어지는 문제를 해결한 장치로서 레이저가 통과할 수 있는 작은 구멍(14)이 천공된 알루미늄 거울(13)을 이용하였는데 레이저를 이 구멍(14)으로 통과시켜 송신하고 수신되는 라이다 신호는 반대편에 있는 구멍(14)을 제외한 알루미늄 거울(13)에 의하여 센서로 입력되도록 창출된 것이다.

Description

원격 대기분석시스템의 송.수신 겸용 광학 장치

본 발명은 원격 대기분석시스템(LIDAR)의 송·수신 겸용 광학 장치에 관한 것으로서, 더 상세하게는 기존의 LIDAR 시스템에서 두 개로 나뉘어져 있는 송신광학계와 수신광학계를 하나의 망원경으로 통합함으로써 시스템을 경량 및 간소화시켰으며, 복잡한 광학계를 사용하지 않음으로써 레이저에 의하여 산란되는 신호 유도 잡음을 발생시키지 않게 하여 즉, 레이저의 광측과 수신 망원경의 광축을 가까이 둠으로써 LIDAR 시스템의 중요한 사양중에 하나인 측정범위(dynamic range)를 향상시킨 것이다.

일반적으로, LIDAR 시스템은 도 4에서와 같이 두 개의 각기 다른 송신 망원경과 수신 망원경이 사용된다. 레이저 발산각을 줄이기 위하여 송신장치에 송신 망원경이 필요하고 후방산란 신호를 획득하기 위하여 수신장치에는 수신 망원경이 필요하다.

따라서, 이와같이 종래의 LIDAR 장치는 송신광학계와 수신광학계가 분리형으로 되어 있어서 두 광축간의 거리가 존재하여 근거리 신호를 얻는데 어려움이 있으며 또한, 도 3에서와 같이 종래의 일체형의 경우 편광 광분해기(21)나 入 /4 파장판(20)에서 산란되는 신호에 의하여 센서[PMT(Photomultiplier Tube)]에 신호유도 잡음이 발생하는 문제점이 있었다.

본 발명은 상기와 같은 종래에 두 개로 나누어져 있는 송신 망원경과 수신 망원경을 하나의 망원경으로 통합한 것으로 레이저를 보내는 광경로와 받는 광경로가 일치하는 부분에서 특수한 디자인의 광학계를 설치하여야 한다. 즉, 이 광학계는 레이저에 의한 산란을 최소화하여야 하며(센서에서 생기는 신호유도 잡음을 방지하기 위하여), 편광을 유지하도록 설게되어야 하고 레이저의 투과도가 90%이상, 산란광의 반사도가 80%이상 되어 효율을 극대화 시킬 수 있는 조건을 만족하여야 한다.

도 1 은 LIDAR 시스템의 전체 구성도를 보여주는 장치도

도 2 는 송·수신을 겸용으로 할 수 있는 광학계

도 3 은 송·수신을 겸용으로 할 수 있는 종래의 광학계

도 4 는 송·수신을 독립적으로 설치된 종래의 광학계

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *

(1) : 망원경 1 차 반사거울

(2) : 망원경 2 차 반사거울

(3) : 망원경의 시각을 조절하는 작은 구멍

(4) : 수신되는 신호를 평행광으로 만드는 시준렌즈

(5) : 송·수신을 겸용으로 할 수 있는 광학계

(6) : 송신 레이저 시스템

(7) : 수신광학계(필터, 집광렌즈, 광센서)

(8) : 송신 레이저의 진행 방향

(9) : 원거리에서 레이저가 진행하는 단면

(10) : 산란광(수신 망원경의 시각을 벗어난 광)

(11) : 산란광(수신광학계(7)에 의하여 수신되는 광)

(12) : 산란을 발생시키는 물질(공기 분자 혹은 분진)

(13) : 구멍이 뚫린 알루미늄 거울

(14) : 레이저를 통과시키는 구멍

(15) : 거울

(16) : 구멍(14) 때문에 수신이 되지 않는 부분

(17) : 광학필터

(18) : 수신광을 집광하는 렌즈

(19) : 광학 센서

(20) : 入 /4 파장판

(21) : 편광 분해기

도 1 은 전체 LIDAR 시스템의 구성도를 나타낸 것이다.

레이저광은 발산각이 일반적으로 수 mrad 이기 때문에 라이다의 송신광원으로 사요되기 위해서는 대기중으로 조사될 때 빔 퍼짐을 방지하기 위해 발산각을 더 줄여 주어야 한다.

레이저의 발산각을 줄이기 위해서 광을 확대하는 장치가 별도로 필요하다.

이론적으로 레이저광을 M 배 확대하면 레이저의 발산각은 M 배로 줄어든다.

광을 확대하는 장치를 광속확대기(Boom expander)라 하는데 망원경에 흔히 사용된다.

레이저의 발산각을 줄여야 하는 이유는 레이저의 발산각이 크면 망원경의 시각(field of view)도 그 만큼커야 하므로 태양광을 비롯한 배경 신호의 크기가 커지기 때문이다.

도 1에서 가운데 이중 곡선 윗 부분은 원거리를 의미하고 산란을 발생시키는 물질(12)는 레이저광을 산란시키는 분진이나 공기분자를 그리고 원거리로 진행하는 레이저광의 단면(9)을 각각 나타낸다.

즉, 레이저광이 대기중으로 진행하면서 먼지나 공기분자에 의하여 산란이 일어난다는 뜻이다. 대기중에서 산란이 일어나면 산란된 빛은 사방으로 흩어지게 되는데 특히 레이저가 존재하는 방향으로 돌아오는 빛을 망원경으로 포집하게 되는 것이 라이다의 기본 원리이다. 이 때 수신되는 광량은 수신망원경의 단면적에 비례한다.

즉, 송신레이저가 대기중으로 진행하면서 분진이나 대기분자에 의하여 산란이 일어나는데, 수신망원경은 산란광 중에서 후방 방향으로 산란되는 광을 수집하는 장치에 해당한다. 이 때 레이저는 펄스형 레이저를 사용하기 때문에 레이저가 조사된후 수신되기 까지의 시간을 알면 어떤 거리에서 산란된 신호인지 알 수 있게 된다.

여러방향으로 산란되는 광은 수신 망원경의 시각을 벗어난 산란광(10)과 수신광학계(7)에 의하여 수신되는 산란광(11)으로 구성된다.

상기, 산란광(11)과 같은 광을 포집하기 위하여 가장많이 사용하는 망원경은 두 개의 반사경 거울을 지닌 schmidt-cassegrain 형이 가장 많이 사용되는데, 도 1의 망원경 1차,2차 반사거울(1),(2)에 해당한다.

일반적으로 Schmidt-cassegrain형 망원경은 초점거리와 그 직경의 비가 10:1정도 되는 것이 대부분이다. 이것은 망원경이 가지는 수차를 제거하기 위함인데 이보다 작은 값을 가지는 경우 높은 수차 때문에 망원경으로 들어오는 모든 빛을 다 센서로 보내기 힘들다. 즉, 망원경의 시각을 조절하는 작은구멍(3)을 통과하는 빛의 양이 급격히 감소하게 된다.

대구경 망원경에 의하여 포집된 광은 초점면에 있는 망원경의 시각을 조절하는 작은구멍(3)을 통과하면서 배경신호가 제거되고 시준렌즈(4)에 의하여 다시 평행광으로 바뀐다.

시준렌즈(4)와 망원경의 초점크기에 따라 평행광으로 바뀐 수신신호의 굵기가 결정되는데 일반적으로 (dl = 20㎝ 크기의 망원경 직경 f1 = 200㎝의 망원경 초점거리, f2 = 10㎝의 시준레즈 초점거리의 경우 dl*f2/f1=1㎝ 크기로 수신광의 크기가 변한다.

평행광으로 바뀐 광은 다시 광검출기와 필터로 구성된 수신광학계(7)를 통과하면서 배경신호가 한 번 더 제거되고 전기적 신호로 바뀐다.

본 발명은 송신 레이저와 수신광이 동일 광학계[망원경 1차 반사거울(1)]를 통과하도록 하는 장치에 관한 것이다.

도 2 는 본 발명에서 설계된 장치를 나타낸 것으로 망원경(1)을 이용하여 대기로 보내는 빛을 확대하고 그 망원경(1)으로 산란광을 수신하기 위해서 구멍(14)이 뚫린 알루미늄 거울(13)이 어떤 역할을 하는지의 설명하기 위한 도면이다.

일반적인 광하계는(흡수가 없고, 편광이 없는 경우) 빛의 진행방향에 관계없이 투과가 100%이면 반사는 0, 혹은 투과가 50%이면 반사가 50%로 된다. 즉, 투과도와 반사도의 합은 항상 100이란 값을 만족해야 한다. 이는 빛의 방향에 관계없이 항상 만족하여야 한다. 본 발명은 투과가 100%이고 반사가 90&이상인 그런 광학계에 해당된다.

크기가 작은(1mm이하) 송신레이저(6)(일반적으로 다이오드에 의하여 펌핑되는 Nd:YAG 레이저류는 그 크기가 1mm 이하로 작다)는 거울(15)에서 반사되어 구멍(14)이 천공된 알루미늄 거울(13)을 통과한 후 도 1의 시준렌즈(4)를 통과하고 다시 망원경의 2차 반사거울(2) 및 1차 반사거울(1)을 차례로 통과하게 된다.

이러한 과정을 거치면서 레이저 빛은 그 발산각이 줄어들게 되는데 이는 망원경(1)(2)을 이루는 곡률반사면은 송신 망원경의 역할을 하기 때문이다.

즉, 발산각의 크기는 망원경(1)(2)의 초점거리와 시준렌즈(4)의 초점거리의 비율만큼 줄어들게 된다. 이 때 레이저 빛의 송신효율을 좋게 하기 위하여, 즉 구멍(14)은 45도 각도로 거울(13) 평면에 대하여 기울어져 있게 된다. 그렇지 않을 경우 구멍(14)의 크기를 필요이상으로 크게 천공시켜야 하며 그 경우 뒤에서 발히겠지만 수신광의 손실이 크게 된다.

이 때 레이저는 망원경의 2차 반사거울(2) 및 1차 반사거울(1)의 전체면에서 반사가 이루어지지 않고 일부분에서만 이루어진다.

이런 이유 때문에 도 1에서 대기중으로 송신되는 레이저는 도 1에서와 같이 전체 망원경의 단면 크기가 아니라 일부분만 통과하게 되고(9) 송신광의 중심을 망원경의 내부에 존재하게 된다.

즉, 송신 망원경을 독립적으로 설치하는 것에 비하여 광축 사이의 거리가 짧아지게 되어 측정범위가 넓어지게 된다.

산란되어 수신되는 광은 도 1의 산란광(11)과 같이 후방산란되는 광만 수신되고 그러한 광은 망원경(1)의 곡면의 전체 면적을 통하여 입사되게 된다. 전체면을 통과한 수신신호는 시준렌즈(4)에서도 전체면을 통과하고, 마찬가지로 구멍(14)이 천공된 알루미늄 거울(13)의 구멍(14)을 제외한 전체면에서 반사되어 필터(17), 집광렌즈(18), 센서(19)로 입사된다. 즉 송신되는 레이저는 작은 구멍(14)을 통함으로써 100%의 투과도를 지니게되고 수신되는 산란광은 그 크기가 크기 때문에 구멍(14)이 천공된 알루미늄 거울(13)의 송신시의 반대면 거울(13)의 면에서 대부분(90% 이상) 반사된다.

이 때 수신광의 크기가 작은 구멍(14)의 크기보다 충분히 크도록 설계를 하면(일반적으로 망원경의 초점거리는 2m이고 시준렌즈의 초점거리는 10㎝ 그리고 망원경의 직경은 20㎝이므로 수신광의 직경은 1㎝)수신광 중에서 구멍(14)이 천공된 알루미늄 거울(13)에서 작은 구멍(14)(1㎜) 때문에 생기는 손실은 10%정도이므로(구멍(14)의 면적/구멍이 있는 거울(13)을 통과하는 수신광의 면적)무시할 수 있는 양이다.

본 발명에서 설명한 방법과는 반대로 알루미늄 거울(13) 대신에 무반사 코팅된 창(window)을 사용하고 구멍의 면적에 해당하는 부분은 이색성거울(Dichroic Mirror)이 되도록 코딩을 하면 같은 효과를 얻을 수 있다. 이 방법은 레이저의 파장이 바뀌면 다른 이색성 거울을 사용하여야 하며, 일반적으로 이색성 거울은 알루미늄 거울에 비하여 고가인 단점이 있다.

특히 LIDAR에서 필수적인 응용 분야인 다파장(mullti-wavelength) LIDAR 시스템과 같이 여러 개의 레이저 파장을 동시에 수신해야하는 경우, 여러개의 망원경을 사용하거나 이를 피하려면 본 발명과 같은 방법이 더 효율적인 방법이라 할 수 있다.

도 3과 같이 구멍(14)이 천공된 알루미늄 거울(13) 대신에 빛의 편광에 따라 투과와 반사를 달리하는 편광분해기(21)와 入 /4 파장판(20)을 사용할 수 있으나, 이 경우 편광빔분해기(21)와 入 /4 파장판(20)에서 산란되는 광이 센서로 입사되는 문제점을 가지고 있으며, 무엇보다 중요한 것은 수신되는 산란광의 편광이 송신광과 같을 경우 레이저 방향과 같은 방향으로 진행하게 되므로 편광라이다와 같은 장치에는 응용이 불가능하다.

또한 라이다 시스템에 있어서, 본 발명 장치를 이용하여 제 3의 광학 마운트(망원경의 시야를 blocking 하는) 없이 송신광의 광축을 수신 망원경의 직경 내부에 들게 함으로써 측정범위를 넓히고 구멍이 뚫린 거울을 지난 후 라이다 신호를 다시 편광 방향에 따라 분리하여 서로 다른 두 편광 방향의 라이다 신호를 얻는 장치, 혹은 이를 이용하여 구성된 편광라이다 시스템을 얻을 수 있다.

그리고 구멍이 뚫린 거울을 이용하여 전체 시스템의 광학적-열적(optical-thermal) 정렬상태를 안정화시킨 장치를 제공할 수 있다.

결론적으로 본 발명은 1) 작은 구멍이 뚫린 거울을 사용할 경우 송·수신 망원경을 하나의 망원경으로 간소화시킬 수 있는 장치이며, 2) 송신망원경과 수신망원경의 광축간의 거리를 좁히고, 송신망원경의 마운트에 의하여 가리는(blocking) 부분이 없기 때문에 근거리 측정이 유리하여 측정범위를 높일 수 있으며, 3) 종래의 단일망원경을 사용하는 라이다 시스템과는 달리 편광라이다 시스템에 응용이 가능하며, 4) 구멍대신에 구멍과 같은 크기의 이색성 거울을 사용할 경우 여러 파장을 동시에 대기로 조사할 수 없다는 단점을 극복할 수 있다. 5) 시스템이 한 몸체로 되어 있기 때문에 독립된 망원경을 사용할 경우에 비하여 적은수의 마운트가 사용되어 정렬상태가 광학적으로 안정적이고, 송신부 주위에 생기는 열요동효과에 의한 정렬이 깨어짐을 없앨 수 있어서 라이다 신호가 망원경의 시계를 벗어나는 현상을 방지할 수 있다.

Claims (1)

1. 원격 대기 분석 시스템의 송·수신 광학 장치에서, 송·수신 겸용 망원경을 사용함에 있어서,

   다이오드에 의하여 펌핑되는 크기가 작은 송신레이저(6)는 거울(15)에서 반사되어 내부에 작은구멍(14)이 천공된 알루미늄 거울(13)을 통과한 후 시준렌즈(4), 망원경의 2차 반사거울(2) 및 1차 번사거울(1)을 통과하면서 대기중으로 송신되고, 대기중에서 수신되는 광은 역으로 망원경의 1차 반사거울(1), 2차 반사거울(2), 시준렌즈(4) 및 알루미늄 거울(13)을 통과하여 필터(17), 집광렌즈(18) 및 센서(19)로 입사되어 수신광과 송신광원을 분리하게 하는 구성을 특징으로 하는 원격 대기 분석 시스템(LIDAR)의 송·수신 겸용 광학장치.