KR100345648B1 - 코닉렌즈를 이용한 일체형 송수신 마이크로펄스 라이다광학계 - Google Patents

코닉렌즈를 이용한 일체형 송수신 마이크로펄스 라이다광학계 Download PDF

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Abstract

본 발명은 송신 광학계와 수신 광학계가 일체로 구성된 일체형 송수신 마이크로펄스 라이다 광학계에 관한 것으로, 송수신 겸용 망원경을 이용하여 송신 광학계와 수신 광학계가 일체로 구성된 일체형 송수신 마이크로펄스 라이다 광학계에 있어서, 레이저를 발사하는 레이저 헤드(300)와, 상기 레이저 헤드(300)로부터 발사된 선편광을 회전시켜 편광의 각도를 바꾸어주는 1/2 파장판(310)과, 상기 1/2 파장판(310)에 의해 회전된 편광의 크기를 확대시키는 광속 확대기(320)와, 상기 광속 확대기(320)에 의해 확대된 회전 편광을 90˚굴절 반사시키는 평면거울(330)과, 90˚굴절반사된 회전 편광을 도넛 형태로 바꾸어주는 코닉렌즈(340)와, 코닉렌즈(340)를 통과한 도넛 형태의 회전 편광을 반사시켜 다시 코닉렌즈(340) 방향으로 되돌려보내는 평면거울(350)과, 코닉렌즈(340)와 평면거울(330) 사이에 경사 설치되어 상기 평면거울(330)로부터 굴절반사된 회전 편광을 그대로 통과시키는 한편 다시 코닉렌즈(340)를 통과하여 역방향으로 반사되어 오는 도넛 형태의 평행광을 손실없이 모두 90˚ 굴절되도록 반사시켜 주는 구멍뚫린 거울(360)과, 도넛 형태의 평행광을 투과시켜주는 한편 후방산란된 라이다 신호를 90˚ 굴절되도록 반사시켜 주는 박막형 편광 광분해기(370)와, 상기 박막 편광 광분해기(370)에서 투과된 빔을 원편광으로 바꾸어주는 한편 후방산란된 라이다 신호의 평행광을 회전 편광으로 바꾸어주는 1/4 파장판(380)과, 상기 1/4 파장판(380)을 통과한 빔을 집광시켜주는 한편 후방산란된 라이다 신호의 평행광을 그대로 투과시키는 제1 집광렌즈(390)와,상기 제1 집광렌즈(390)에 의해 집광된 빔이 관통할 수 있고 후방산란된 라이다 신호가 관통되도록 하부에 미세구멍(401)이 형성된 송수신 겸용 대구경 망원경(400)과, 반사작용에 의해 송신빔을 대기중으로 발산시키는 한편 대기중에서 후방산란된 라이다 신호의 평행광을 수광하도록 상기 송수신 겸용 대구경 망원경(400)의 내부에 구비되는 1차 거울(411)과, 반사작용에 의해 송신빔을 상기 1차 거울(411) 측으로 보내는 한편 상기 1차 거울(411)로부터 입사되는 라이다 신호의 평행광을 상기 미세구멍(401)과 상기 제1 집광렌즈(390) 측으로 역반사시키도록 상기 송수신 겸용 대구경 망원경(400)의 내부에 구비되는 2차 거울(412)과, 상기 제1 집광렌즈(390)와 1/4 파장판(380)을 투과하여 상기 박막형 편광 광분해기(370)에서 90˚ 굴절반사된 빔 중 소정의 크기를 초과하는 라이다 신호를 걸러주는 간섭필터(420)와, 투과 선폭이 상기 간섭필터(420)보다 좁은 필터로서 상기 간섭필터(420)에 의해 걸러진 신호를 더욱 미세하게 걸러주는 에탈론(430)과, 상기 에탈론(430)을 통과한 라이다 신호를 집광시키는 제2 집광렌즈(440)와, 상기 제2 집광렌즈(440)를 투과한 라이다 신호가 통과하도록 일측면에 미세구멍(451)이 뚫려 있고 광센서(460)가 내장된 광센서부(450)로 구성된 것을 기술적 특징으로 한다. 이러한 본 발명은 기계적 안정성과 눈보호에 관한 문제를 해결하고, 송수신 과정에서 레이저의 편광성을 유지하고 레이저 에너지의 손실을 없애며, 광센서(460)에 수신되는 라이다 신호에 신호유도 잡음의 발생을 방지하도록 한 것이다.

Description

코닉렌즈를 이용한 일체형 송수신 마이크로펄스 라이다 광학계{Integrated Transmitting＆Receiving Micro-pulse LIDAR Optical System using Conic Lens}
본 발명은 라이다 송수신 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 송신 광학계와 수신 광학계가 일체로 구성된 일체형 송수신 마이크로펄스 라이다 광학계(Integrated Transmitting Receiving Micro-pulse Light Detection And Ranging Optical System)에 관한 것이다.
‘라이다(Light Detection And Ranging; LIDAR)’란, 빛 검사 및 분류라는 의미로서, 지난 20여년간 대기속의 먼지입자의 분포 또는 대기 오염도를 측정하는데 이용되어 온 것으로, 레이저를 발사한 후 대기중에서 후방산란되어 귀환되는 레이저 즉, 라이다 신호를 분석하여 대기의 오염도를 측정하는 것을 말한다.
마이크로펄스 라이다 시스템은 수 마이크로 주울(μJ) 에너지를 가지며 반복률이 수십 kHz 영역에서 발진되는 다이오드 펌프 고체 레이저를 이용한 대기오염도 측정 시스템으로서, 송신 레이저의 발산각을 좁히고 산란신호를 얻기 위해 대구경(大口徑) 망원경을 송수신 겸용으로 사용함으로써 눈보호(保眼)의 문제를 해결한 것이다.
일반적으로, 빛은 4,000Å 내지 17,000Å의 파장 범위에서 각막을 통과하여 시신경에 도달하게 되는데 파장이 짧으면 시신경을 통과할 수 없게 된다. 마이크로펄스 라이다는 4,000Å 내지 17,000Å의 파장을 유지하므로 파장이 짧아 시신경을 통과하지 못하는 문제를 해결하였다. 한편, 대기 오염도 측정에서는 관측자의 눈보호 문제가 중요하게 제기되는데, 이를 위해서는 안구를 통과하는 단위 면적당빛 에너지의 세기를 낮출 필요가 있으며 빛을 넓게 퍼뜨리는 것이 중요하므로, 대구경 망원경을 이용하는 것이 바람직하다. 이와같이, 마이크로 라이다 시스템은 송수신 겸용의 대구경 망원경을 사용함으로써 기계적으로 안정되고 눈보호 문제 또한 해결하였기 때문에 장시간의 시스템 가동 및 24시간 관측작업이 가능한 관계로, 현재 대기관측 분야에서 많이 이용되고 있다.
일반적으로, 라이다 시스템은 송신 광학계와 수신 광학계가 분리되어 별도의 시스템으로 구성된 분리형과, 송신 광학계와 수신 광학계가 분리되어 구성된 일체형으로 나누어진다.
도 1은 종래의 분리형 라이다 시스템의 한 구조로서, 송신 광학계가, 레이저광을 발사하는 장치인 레이저 헤드(100)와, 레이저 헤드로부터 발사된 송신 빔을 평행광으로 바꾸어주는 시준기(collimator)(110)로 구성되고, 수신 광학계가, 상기 시준기(110)를 통해 대기중으로 발산된 후 대기중의 오염입자에 의해 산란되어 귀환되는 라이다 신호를 수광하도록 수신 망원경(130)의 내부에 설치되는 1차 거울(131)과, 이 1차 거울(131)로부터 입사되는 라이다 신호를 미세구멍(133) 측으로 역반사시키는 2차 거울(132)과, 후방산란된 라이다 신호를 분산시켜 스펙트럼을 만드는 스펙트럼 필터(spectral filter)(140)와, 그리고 촬영·검사장치(photo-detector)(150)로 구성되었다.
종래의 분리형 라이다 시스템의 다른 구조로서, 미국 특허 제 5,241,315호에개시되어 있는데, 이는 송신 광학계가, 레이저광을 발사하는 장치인 레이저 헤드와, 레이저 헤드로부터 발사된 송신 빔을 평행광으로 바꾸어주는 시준기로 구성되고, 수신 광학계가, 상기 시준기를 통해 대기중으로 발산된 후 대기중의 오염입자에 의해 산란되어 귀환되는 라이다 신호를 수광하도록 수신 망원경의 내부에 설치되는 1차 거울과, 이 1차 거울로부터 입사되는 라이다 신호를 망원경의 하부에 형성된 미세구멍 측으로 역반사시키는 2차 거울과, 후방산란된 라이다 신호를 집광시키는 제1 집광렌즈와, 소정의 크기를 초과하는 라이다 신호의 입자를 걸러주는 제1 간섭필터와, 필터를 통과한 라이다 신호를 90˚ 굴절 반사시키는 거울과, 소정의 크기를 초과하는 라이다 신호의 입자를 다시 걸러주는 제2 간섭필터와, 필터를 통과한 라이다 신호를 모아주는 제2 집광렌즈와, 일측면에 미세구멍이 뚫려 있고 광센서가 내장된 광센서부로 구성되었다.
이들 종래의 분리형 라이다 시스템은 송신 광학계와 수신 광학계가 분리되어 별도의 시스템으로 구성되어 있어서 기계적으로 안정성이 부족하였으므로 시스템을 장시간 가동할 수가 없었고, 안구를 통과하여 시신경에 도달하는 빛에너지의 세기를 조정하여 관측자의 시력을 보호하기 위한 방편으로 송신 빔의 단위 면적당 빛의 세기를 낮추어야 했는데, 이 때 송신 광학계가 과도하게 커지는 문제점이 있었다.
도 2는 송수신 겸용 대구경 망원경을 이용하여 송신 광학계와 수신 광학계가 일체로 구성된 종래의 일체형 송수신 마이크로펄스 라이다 시스템의 구성을 도시한것으로서, 송신 광학계가, 레이저 빔을 발사하는 레이저 헤드(200)와, 레이저 헤드(200)로부터 발사된 송신 빔을 평행광으로 바꾸어주는 시준기(210)와, 이 시준기(210)로부터의 평행광을 투과시키는 빔 스플리터(beam splitter)(220)와, 이 빔 스플리터(220)에서 투과된 평행광을 필터링하는 제1 간섭필터(230)와, 제1 간섭필터(230)를 통과한 평행광을 집광시키는 제1 집광렌즈(240)와, 집광된 평행광이 통과하도록 하부에 미세구멍(251)이 형성되어 있고 상호 반사작용을 일으켜 송신빔을 대기중으로 발신시키는 1차 거울(252) 및 2차 거울(253)을 구비한 송수신 겸용 대구경 망원경(250)으로 구성되었고, 수신 광학계가, 대기중으로 발산된 후 대기중의 오염입자에 의해 산란되어 귀환되는 라이다 신호를 수광하도록 상기 송수신 겸용 대구경 망원경(250)의 내부에 설치되는 1차 거울(252)과, 이 1차 거울(252)로부터 입사되는 라이다 신호를 상기 대구경 망원경(250)의 하부에 형성된 미세구멍(251)과 상기 제1 집광렌즈(240) 측으로 역반사시키는 2차 거울(253)과, 상기 제1 집광렌즈(240)로부터 제1 간섭필터(230)를 통과한 후 상기 빔 스플리터(220)에서 90˚ 굴절 반사되는 귀환 라이다 신호중 소정 크기를 초과하는 라이다 신호를 걸러주는 제2 간섭필터(260)와, 제2 간섭필터(260)를 통과한 라이다 신호를 집광시키는 제2 집광렌즈(270)와, 제2 집광렌즈(270)에서 집광된 라이다 신호가 통과하도록 일측면에 미세구멍(281)이 뚫려 있고 광센서(290)가 내장된 광센서부(280)로 구성된다.
이러한 종래의 일체형 마이크로펄스 라이다 시스템은 망원경의 2차 거울(253)에서 반사되어 가우시안 빔(Gaussian beam)의 일부가 미세구멍(251)으로역행함으로써 송신빔의 손실이 발생하였고, 수신되는 라이다 신호가 편광성을 잃게 되어 편광 라이다 시스템으로서의 적용이 어려웠으며, 각각의 렌즈(240)(270)의 표면과 내부, 및 망원경 표면에서 산란 또는 반사된 신호가 광센서(290)에 다량 입사되어 입사된 라이다 신호에 신호유도 잡음이 많이 발생되는 문제점이 있었다.
본 발명은 상기와 같은 종래의 제반 문제점을 해결하기 위해 안출한 것으로, 본 발명의 목적은 라이다 시스템의 기계적 안정성을 확보하고 눈보호의 문제를 해결하는데 있다.
본 발명의 다른 목적은 레이저의 편광성이 파괴되지 않으면서 레이저 에너지의 손실이 없이 레이저를 대구경의 망원경에 입사하는데 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 망원경의 2차 거울에 의해 역반사되어 발생되는 송신 레이저의 손실을 없애는데 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 광센서에 수신되는 라이다 신호에서 신호유도 잡음의 발생을 방지하는데 있다.
도 1은 종래의 분리형 라이다 시스템의 전체 구성도
도 2는 종래의 일체형 송수신 마이크로펄스 라이다 광학계의 전체 구성도
도 3은 본 발명에 따른 일체형 송수신 마이크로펄스 라이다 광학계의 전체 구성도
도 4는 본 발명에 따른 다른 구조의 일체형 송수신 마이크로펄스 라이다 광학계의 전체 구성도
*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명*
100, 200, 300, 500 : 레이저 헤드
110, 210 : 시준기
130, 250, 400, 580 : 망원경
131, 252, 411, 591 : 1차 거울
132, 253, 412, 592 : 2차 거울
133, 251, 281, 401, 451, 581, 631 : 미세구멍
140 : 스펙트럼 필터
150 : 촬영·검사장치
220 : 빔 스플리트
230, 260, 420, 600 : 간섭필터
240, 270, 390, 440, 570, 620 : 집광렌즈
280, 450, 630 : 광센서부
290, 460, 640 : 광센서
310, 510 : 1/2 파장판
320, 520 : 광속 확대기
330, 350 ; 평면거울
340, 530, 540 : 코닉렌즈
360 : 구멍뚫린 거울
370, 550 : 박막형 편광 광분해기
380, 560 : 1/4 파장판
430, 610 : 에탈론
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 송수신 겸용 망원경을 이용하여 송신 광학계와 수신 광학계가 일체로 구성된 일체형 송수신 마이크로펄스 라이다 광학계에 있어서, 송신 광학계가, 레이저를 발사하는 레이저 헤드와, 상기 레이저 헤드로부터 발사된 선편광을 회전시켜 편광의 각도를 바꾸어주는 1/2 파장판과, 상기 1/2 파장판에 의해 회전된 편광의 크기를 확대시키는 광속 확대기와, 상기 광속 확대기에 의해 확대된 회전 편광을 90˚ 굴절 반사시키는 평면거울과, 상기 평면거울에 의해 90˚ 굴절반사된 회전 편광을 도넛 형태로 바꾸어주는 코닉렌즈와, 상기 코닉렌즈를 통과한 도넛 형태의 회전 편광을 반사시켜 다시 코닉렌즈 방향으로 되돌려보내는 평면거울과, 코닉렌즈와 평면거울 사이에 경사 설치되어 상기 평면거울로부터 굴절반사된 회전 편광을 그대로 통과시키는 한편 다시 코닉렌즈를 통과하여 역방향으로 반사되어 오는 도넛 형태의 평행광을 손실없이 모두 90˚ 굴절 반사시키는 구멍뚫린 거울과, 상기 구멍뚫린 거울에 의해 90˚ 굴절 반사된 도넛 형태의 평행광을 투과시켜 주는 한편 후방산란된 라이다 신호를 90˚ 굴절 반사시켜 주는 박막형 편광 광분해기(thin film polarizer)와, 상기 박막 편광 광분해기에서 투과된 빔을 원편광으로 바꾸어주는 한편 후방산란된 라이다 신호의 평행광을 회전 편광으로 바꾸어주는 1/4 파장판과, 상기 1/4 파장판을 통과한 빔을 집광시켜주는 한편 후방산란된 라이다 신호의 평행광을 그대로 투과시키는 제1 집광렌즈와, 상기 제1 집광렌즈에 의해 집광된 빔 및 후방산란된 라이다 신호가 관통되도록 하부에 미세구멍이 형성되어 있고 상호 반사작용을 일으켜 송신빔을 대기중으로 발신시키는 1차 거울 및 2차 거울을 구비한 송수신 겸용 대구경 망원경으로 구성되고, 수신 광학계가, 상기 미세구멍을 통해 대기중으로 발산된 후 대기중의 오염입자에 의해 산란되어 귀환되는 라이다 신호의 평행광을 수광하도록 상기 송수신 겸용 대구경 망원경 내부에 구비되는 1차 거울과, 상기 1차 거울로부터 입사되는 라이다신호를 상기 미세구멍과 상기 제1 집광렌즈 측으로 역반사시키는 2차 거울과, 상기 제1 집광렌즈와 1/4 파장판을 투과하여 상기 박막형 편광 광분해기에서 90˚ 굴절 반사되는 빔 중 소정의 크기를 초과하는 라이다 신호를 걸러주는 간섭필터와, 투과 선폭이 상기 간섭필터보다 좁은 필터로서 상기 간섭필터에 의해 걸러진 신호를 더욱 미세하게 걸러주는 에탈론과, 상기 에탈론을 통과한 라이다 신호를 집광시키는 제2 집광렌즈와, 상기 제2 집광렌즈에 의해 집광된 라이다 신호 중 산란된 신호를 걸러주기 위해 일측면에 미세구멍이 형성되어 있고 광센서가 내장된 광센서부로 구성되는 것을 기술적 특징으로 한다.
본 발명의 다른 구조로 된 일체형 송수신 라이다 광학계로서, 송수신 겸용 망원경을 이용하여 송신 광학계와 수신 광학계가 일체로 구성된 본 발명에 따른 일체형 송수신 마이크로펄스 라이다 광학계에 있어서, 송신 광학계가, 광속 확대기에 의해 확대된 빔을 도넛 형태의 빔으로 바꾸어주는 제1 코닉렌즈와, 이 도넛 형태의 빔을 평행광으로 바꾸어주는 제2 코닉렌즈를 더 구비하며, 상기 제1 및 제2 코닉렌즈는 코닉부가 서로 대응하도록 일렬로 설치되고, 상기 제1 및 제2 코닉렌즈와, 광속확대기와, 1/2 파장판과, 레이저 헤드가 일렬로 설치되는 것을 기술적 특징으로 한다.
이하, 본 고안의 바람직한 실시예를 첨부된 예시도면에 의거 상세히 설명한다.
도 3은 본 발명에 따른 일체형 송수신 마이크로펄스 라이다 광학계의 일 실시예로서, 본 발명에 의한 송신 광학계는, 레이저를 발사하는 레이저 헤드(300)와, 상기 레이저 헤드(300)로부터 발사된 선편광을 회전시켜 편광의 각도를 바꾸어주는 1/2 파장판(310)과, 상기 1/2 파장판(310)에 의해 회전된 편광의 크기를 확대시키는 광속 확대기(320)와, 상기 광속 확대기(320)에 의해 확대된 회전 편광을 90˚ 굴절 반사시키는 평면거울(330)과, 상기 평면거울(330)에 의해 90˚ 굴절반사된 회전 편광을 도넛 형태로 바꾸어주는 코닉렌즈(340)와, 상기 코닉렌즈(340)를 통과한 도넛 형태의 회전 편광을 반사시켜 다시 코닉렌즈(340) 방향으로 되돌려보내는 평면거울(350)과, 코닉렌즈(340)와 평면거울(330) 사이에 경사 설치되어 상기 평면거울(330)로부터 굴절반사된 회전 편광을 그대로 통과시키는 한편 다시 코닉렌즈(340)를 통과하여 역방향으로 반사되어 오는 도넛 형태의 평행광을 손실없이 모두 90˚ 굴절 반사시키는 구멍뚫린 거울(360)과, 상기 구멍뚫린 거울(360)에 의해 90˚ 굴절 반사된 도넛 형태의 평행광을 투과시켜 주는 한편 후방산란된 라이다 신호를 90˚ 굴절 반사시켜 주는 박막형 편광 광분해기(thin film polarizer)(370)와, 상기 박막 편광 광분해기(370)에서 투과된 빔을 원편광으로 바꾸어주는 한편 후방산란된 라이다 신호의 평행광을 회전 편광으로 바꾸어주는 1/4 파장판(380)과, 상기 1/4 파장판(380)을 통과한 빔을 집광시켜주는 한편 후방산란된 라이다 신호의 평행광을 그대로 투과시키는 제1 집광렌즈(390)와, 상기 제1 집광렌즈(390)에 의해 집광된 빔 및 후방산란된 라이다 신호가 관통되도록 하부에 미세구멍(401)이 형성되어 있고 상호 반사작용을 일으켜 송신빔을 대기중으로 발신시키는 1차 거울(411) 및 2차 거울(412)을 구비한 송수신 겸용 대구경 망원경(400)으로 구성되고,
수신 광학계는, 상기 미세구멍(401)을 통해 대기중으로 발산된 후 대기중의 오염입자에 의해 산란되어 귀환되는 라이다 신호의 평행광을 수광하도록 상기 송수신 겸용 대구경 망원경(400) 내부에 구비되는 1차 거울(411)과, 상기 1차 거울(411)로부터 입사되는 라이다 신호를 상기 미세구멍(401)과 상기 제1 집광렌즈(390) 측으로 역반사시키는 2차 거울(412)과, 상기 제1 집광렌즈(390)와 1/4 파장판(380)을 투과하여 상기 박막형 편광 광분해기(370)에서 90˚ 굴절 반사되는 빔 중 소정의 크기를 초과하는 라이다 신호를 걸러주는 간섭필터(420)와, 투과 선폭이 상기 간섭필터(420)보다 좁은 필터로서 상기 간섭필터(420)에 의해 걸러진 신호를 더욱 미세하게 걸러주는 에탈론(430)과, 상기 에탈론(430)을 통과한 라이다 신호를 집광시키는 제2 집광렌즈(440)와, 상기 제2 집광렌즈(440)에 의해 집광된 라이다 신호 중 산란된 신호를 걸러주기 위해 일측면에 미세구멍(451)이 형성되어 있고 광센서(460)가 내장된 광센서부(450)로 구성된다.
이와 같이 이루어진 본 발명에 따른 일체형 송수신 마이크로펄스 라이다 광학계의 구성요소 중 송신 광학계에서의 레이저의 이동경로를 살펴보면, 레이저 헤드(300)로부터 발사된 레이저 빔은 1/2 파장판(310)에 의해 회전한 후 광속 확대기(320)를 통과하면서 레이저의 크기가 더욱 커지고 평면거울(330)에 의해 90˚ 굴절 반사되어 구멍뚫린 거울(360)의 구멍(361)을 통과한다. 이 구멍(361)을 통과한 레이저 빔은 코닉렌즈(340)에 의해 도넛 형태의 빔으로 변하게 되는데, 이도넛 형태의 빔은 평면거울(350)에 의해 반사되어 역방향으로 다시 코닉렌즈(340)를 통과하면서 평행광으로 바뀌게 되고 구멍뚫린 거울(360)에 도달하여 90˚로 굴절 반사된다. 이 때, 평면거울(350)에 의해 반사되어 다시 코닉렌즈(340)를 통과한 후 구멍뚫린 거울(360)에 도달하는 도넛 형태의 평행광은 중앙부에 레이저 광원이 존재하지 않기 때문에 구멍뚫린 거울에서 반사될 때 에너지의 손실이 전혀 없다. 이 반사된 도넛 형태의 평행광은 박막형 편광 광분해기(370)에서 투과되고 1/4 파장판(380)을 통과하면서 원편광으로 바뀐 후, 제1 집광렌즈(390)에서 집광되어 대구경 송수신 망원경(400)의 미세구멍(401)을 통과하고 2차 거울(412)에서 반사된 후 1차 거울(411)에서 역반사되어 대기중으로 발산된다. 이 때, 미세구멍(401)을 통과한 원편광은 도넛 형태를 유지하고 있기 때문에 발산과정에서 망원경 내의 2차 거울(412)에 반사되어 미세구멍(401)으로 역행하는 일이 없이 대기중으로 발산되므로, 이 과정에서 레이저 에너지의 손실이 없게 된다.
송신 광학계에서는 우선적으로 송신 레이저의 편광방향이 결정되는데, 레이저 헤드(300)에서 출력된 레이저 빔은 1/2 파장판(310)에서 회전된 후, 1/4 파장판(380)을 통과하면서 대기중에서 편광성이 유지되어 최대로 발산할 수 있게 된다. 레이저 헤드(300)로부터 출력된 빔은 1/2 파장판(310)을 통과한 다음 광속 확대기(320)에서 적절히 확대된 후, 구멍뚫린 거울(360)과 코닉렌즈(340)를 거치면서 가우시안 형태의 레이저 빔이 도넛 형태의 레이저 빔으로 그 형태가 바뀌게 된다.
위와 같이, 본 발명의 라이다 광학계는 눈보호의 문제를 해결하기 위해 송신빔의 크기를 확대하기 위한 고배율의 광속 확대기(beam expander)(320)를 사용하고 있다.
또한, 본 발명의 라이다 광학계는 가우시안 형태의 레이저 빔을 도우넛 형태의 평행광으로 바꾸기 위해 코닉렌즈(340)와 평면거울(350)을 구비하고 있는데, 코닉렌즈(340)를 통과한 레이저 빔이 도우넛 형태로 변하게 되면, 빔이 박막형 편광 광분해기(370), 집광렌즈(390) 및 망원경(400)을 통과하면서 반사 또는 산란되는 것을 방지할 수 있게 된다.
또한, 본 발명의 라이다 광학계는 레이저 헤드(300)로부터 발사된 빔이 편광상태를 유지하도록 하기 위해 1/2 파장판(310) 및 1/4 파장판(380)을 구비하는데, 1/2 파장판(310)은 레이저 헤드(300)로부터 발사된 선편광을 회전 편광으로 바꾸어주고, 1/4 파장판(380)은 회전 편광을 원편광으로 바꾸어 준다.
본 발명의 수신 광학계에서의 라이다 신호의 이동경로를 살펴보면, 대기중의 먼지나 공기분자와 같은 산란물질에 의하여 후방 산란된 신호가 망원경(400)의 1차 거울(411)에 의해 반사되고 다시 망원경의 2차 거울(412)에 의해 역반사된 후 망원경의 미세구멍(401)을 통과하게 된다. 미세구멍(401)을 통과한 라이다 신호는 제1 집광렌즈(390)에서 투과되고 1/4 파장판(380)을 통과하면서 평행광이 90˚회전되어 회전 편광으로 바뀐 후, 박막형 편광 광분해기(370)에서 90˚ 굴절되도록 반사되어 간섭필터(420)와 에탈론(430)을 통과하게 된다. 에탈론(430)을 통과한 라이다 신호는 제2 집광렌즈(440)에서 집광된 후 광센서부(450)의 일측면에 형성된미세구멍(451)을 통과하여 광센서(460)에 입사된다.
본 발명의 일체형 송수신 마이크로펄스 라이다 광학계에 구비된 박막형 편광 광분해기(370)는, 당업자에게 널리 알려진 바와 같이 투과기능과 반사기능을 하게 되는데, 송신 빔에 대해서는 투과시켜 주고 후방산란된 라이다 신호에 대해서는 광센서(460) 방향으로 90˚굴절 반사시켜 준다. 다른 편광 광분해기를 사용할 경우 광분해기 내부에서 산란되는 빔이 그대로 광센서(460)에 입력되어 입사된 라이다 신호에서 신호유도 잡음이 많이 발생되는데, 본 발명의 라이다 광학계에서는 박막형 편광 광분해기(370)를 사용함으로써 이러한 신호유도 잡음의 발생을 방지할 수 있게 된다.
본 발명의 일체형 송수신 마이크로펄스 라이다 광학계의 광센서부(450)에는 미세구멍(451)이 형성되어 있는데, 이는 여러 광학계 내부에서 산란된 신호가 광센서(460)로 직접 입사되는 것을 막기 위해 라이다 신호를 걸러주는 역할을 함으로써, 광센서(460) 내에 입사된 라이다 신호에 신호유도 잡음이 발생되는 것을 또한 방지할 수 있다.
도 4는 본 발명에 따른 일체형 송수신 마이크로펄스 라이다 광학계의 다른 실시예를 나타낸다. 본 실시예에 따른 송신 광학계가, 레이저를 발사하는 레이저 헤드(500)와, 상기 레이저 헤드(500)로부터 발사된 선편광을 회전시켜 편광의 각도를 바꾸어주는 1/2 파장판(510)과, 상기 1/2 파장판(510)에 의해 회전된 편광의 크기를 확대시키는 광속 확대기(520)와, 상기 광속 확대기(520)에 의해 확대된 회전편광을 도넛 형태의 편광으로 바꾸어주는 제1 코닉렌즈(530)와, 상기 제1 코닉렌즈(530)와 그 코닉부가 서로 대향하도록 일렬로 배치되어 제1 코닉렌즈(530)로부터 입사되는 도넛 형태의 회전 편광을 평행광으로 바꾸어주며 상기 광속 확대기(520), 1/2 파장판(510) 및 레이저 헤드(500)와 일렬로 배치된 제2 코닉렌즈(540)와, 상기 도넛 형태의 평행광을 투과시켜주는 한편 후방산란된 라이다 신호를 90˚ 굴절 반사시켜 주는 박막형 편광 광분해기(550)와, 상기 박막 편광 광분해기(550)에서 투과된 빔을 원편광으로 바꾸어주는 한편 후방산란된 라이다 신호의 평행광을 회전 편광으로 바꾸어주는 1/4 파장판(560)과, 상기 1/4 파장판(560)을 통과한 빔을 집광시켜주는 한편 후방산란된 라이다 신호의 평행광을 그대로 투과시키는 제1 집광렌즈(570)와, 상기 제1 집광렌즈(570)에 의해 집광된 빔 및 후방산란된 라이다 신호가 관통하도록 하부에 미세구멍(581)이 형성되어 있고 상호 반사작용을 일으켜 송신빔을 대기중으로 발신시키는 1차 거울(591) 및 2차 거울(592)을 구비한 송수신 겸용 대구경 망원경(580)으로 구성되고,
수신 광학계가, 대기중에서 후방산란된 라이다 신호의 평행광을 수광하도록 상기 송수신 겸용 대구경 망원경(580) 내부에 구비되는 1차 거울(591)과, 상기 송수신 겸용 대구경 망원경(580) 내부에 상기 1차 거울(591)로부터 입사되는 라이다 신호의 평행광을 상기 미세구멍(581)과 상기 제1 집광렌즈(570) 측으로 역반사시키는 2차 거울(592)과, 상기 제1 집광렌즈(570)와 1/4 파장판(560)을 투과하여 상기 박막형 편광 광분해기(550)에서 90˚ 굴절 반사되는 빔 중 소정의 크기를 초과하는 라이다 신호를 걸러주는 간섭필터(600)와, 투과 선폭이 상기 간섭필터(600)보다 좁은 필터로서 상기 간섭필터(600)에 의해 걸러진 신호를 더욱 미세하게 걸러주는 에탈론(610)과, 상기 에탈론(610)을 통과한 라이다 신호를 집광시키는 제2 집광렌즈(620)와, 상기 제2 집광렌즈(620)를 투과한 라이다 신호가 통과하도록 일측면에 미세구멍(631)이 뚫려 있고 광센서(640)가 내장된 광센서부(630)로 구성된다.
이와 같이 이루어진 본 발명의 다른 실시예에 따른 일체형 송수신 마이크로펄스 라이다 광학계의 구성요소 중 송신 광학계에서의 레이저의 이동경로를 살펴보면, 레이저 헤드(500)로부터 발사된 레이저 빔은 1/2 파장판(510)에 의해 회전한 후 광속 확대기(520)를 통과하면서 레이저의 크기가 더욱 커지고, 확대된 회전 편광은 제1 코닉렌즈(530)를 통과하면서 도넛 형태로 변하게 되고 이 도넛 형태의 회전 편광이 제2 코닉렌즈(540)를 통과하면서 평행광으로 되어 박막형 편광 광분해기(550)에서 투과된 후 1/4 파장판(560)을 통과한다. 이 때, 1/4 파장판(560)을 통과한 도넛형태의 평행광은 원평광으로 바뀌게 되고, 이 원편광은 제1 집광렌즈(570)에 의해 집광되어 대구경의 송수신 망원경(580)의 미세구멍(581)을 통해 대기중으로 발산된다. 이때, 망원경(580)의 미세구멍(581)을 통과한 빔은 도넛 형태를 유지하고 있고 중앙부에 레이저 광원이 존재하지 않기 때문에 망원경(580)의 2차 거울(592)에 의해 반사되어 미세구멍(581)으로 역행하는 일이 없으므로 에너지 손실이 없게 된다.
도 4에 도시된 본 발명의 다른 실시예에 따른 라이다 광학계의 수신 광학계에서의 라이다 신호의 이동경로는 도 3의 라이다 광학계에서의 이동경로와 동일하므로 상세한 설명은 생략한다.
본 발명의 두 개의 코닉렌즈를 구비한 일체형 마이크로펄스 라이다 광학계는 두 코닉렌즈(530)(540)의 각도가 서로 정확하게 일치하지 않으면 이론상 평행광을 얻기가 불가능하므로, 이들 코닉렌즈의 설치에 있어서 정밀성이 요구된다.
본 발명에 따른 일체형 송수신 마이크로펄스 라이다 광학계는 대구경의 송수신 망원경을 구비함으로써 단위 면적당 송신 레이저 에너지의 양을 줄일 수 있기 때문에 눈보호 문제가 해결되어 24시간 모니터링이 가능하게 되며, 송신 및 수신 광학계가 일체로 구성되어 있어서 종래의 분리형 라이다 시스템에 비해 기계적 안정성이 훨씬 향상되는 효과가 있다.
또한, 본 발명의 일체형 송수신 마이크로펄스 라이다 광학계는 코닉렌즈와 구멍뚫린 거울을 구비함으로써 레이저 에너지의 손실을 없앨 수 있게 되었고, 박막형 편광 광분해기를 구비함으로써 광분해기 내부에서 빔이 산란되는 것을 막아 라이다 신호에서 발생되는 신호유도 잡음을 최대한 줄일 수 있게 되며, 1/2 파장판 및 1/4 파장판을 구비함으로써 레이저 빔의 편광성을 보존할 수 있게 되고, 광센서부의 일측면에 미세구멍을 형성함으로써 광센서에 입사된 라이다 신호에서 발생되는 유도잡음을 크게 줄일 수 있어 신호 대 잡음비가 커지는 효과가 있다.

Claims (2)

  1. 송수신 겸용 망원경을 이용하여 송신 광학계와 수신 광학계가 일체로 구성된 일체형 송수신 마이크로펄스 라이다 광학계에 있어서,
    레이저를 발사하는 레이저 헤드(300)와, 상기 레이저 헤드(300)로부터 발사된 선편광을 회전시켜 편광의 각도를 바꾸어주는 1/2 파장판(310)과, 상기 1/2 파장판(310)에 의해 회전된 편광의 크기를 확대시키는 광속 확대기(320)와, 상기 광속 확대기(320)에 의해 확대된 회전 편광을 90˚ 굴절되도록 반사시키는 평면거울(330)과, 90˚ 굴절반사된 회전 편광을 도넛 형태로 바꾸어주는 코닉렌즈(340)와, 코닉렌즈(340)를 통과한 도넛 형태의 회전 편광을 반사시켜 다시 코닉렌즈(340) 방향으로 되돌려보내는 평면거울(350)과, 코닉렌즈(340)와 평면거울(330) 사이에 경사 설치되어 상기 평면거울(330)로부터 굴절반사된 회전 편광을 그대로 통과시키는 한편 다시 코닉렌즈(340)를 통과하여 역방향으로 반사되어 오는 도넛 형태의 평행광을 손실없이 모두 90˚ 굴절 반사시켜 주는 구멍뚫린 거울(360)과, 상기 구멍뚫린 거울(360)에 의해 90˚ 굴절 반사된 도넛 형태의 평행광을 투과시켜주는 한편 후방산란된 라이다 신호를 90˚ 굴절 반사시켜 주는 박막형 편광 광분해기(370)와, 상기 박막 편광 광분해기(370)에서 투과된 빔을 원편광으로 바꾸어주는 한편 후방산란된 라이다 신호의 평행광을 회전 편광으로 바꾸어주는 1/4 파장판(380)과, 상기 1/4 파장판(380)을 통과한 빔을 집광시켜주는 한편 후방산란된 라이다 신호의 평행광을 그대로 투과시키는 제1 집광렌즈(390)와, 상기제1 집광렌즈(390)에 의해 집광된 빔 및 후방산란된 라이다 신호가 관통되도록 하부에 미세구멍(401)이 형성된 송수신 겸용 대구경 망원경(400)과, 반사작용에 의해 송신빔을 대기중으로 발산시키는 한편 대기중에서 후방산란된 라이다 신호의 평행광을 수광하도록 상기 송수신 겸용 대구경 망원경(400) 내부에 구비되는 1차 거울(411)과, 반사작용에 의해 송신빔을 상기 1차 거울(411) 측으로 보내는 한편 상기 1차 거울(411)로부터 입사되는 라이다 신호의 평행광을 상기 미세구멍(401)과 상기 제1 집광렌즈(390) 측으로 역반사시키도록 상기 송수신 겸용 대구경 망원경(400) 내부에 구비되는 2차 거울(412)과, 상기 제1 집광렌즈(390)와 1/4 파장판(380)을 투과하여 상기 박막형 편광 광분해기(370)에서 90˚ 굴절 반사되는 빔 중 소정의 크기를 초과하는 라이다 신호를 걸러주는 간섭필터(420)와, 투과 선폭이 상기 간섭필터(420)보다 좁은 필터로서 상기 간섭필터(420)에 의해 걸러진 신호를 더욱 미세하게 걸러주는 에탈론(430)과, 상기 에탈론(430)을 통과한 라이다 신호를 집광시키는 제2 집광렌즈(440)와, 상기 제2 집광렌즈(440)를 투과한 라이다 신호가 통과하도록 일측면에 미세구멍(451)이 뚫려 있고 광센서(460)가 내장된 광센서부(450)로 구성되는 것을 특징으로 하는 일체형 송수신 마이크로펄스 라이다 광학계.
  2. 송수신 겸용 망원경을 이용하여 송신 광학계와 수신 광학계가 일체로 구성된 일체형 송수신 마이크로펄스 라이다 광학계에 있어서,
    레이저를 발사하는 레이저 헤드(500)와, 상기 레이저 헤드(500)로부터 발사된 선편광을 회전시켜 편광의 각도를 바꾸어주는 1/2 파장판(510)과, 상기 1/2 파장판(510)에 의해 회전된 편광의 크기를 확대시키는 광속 확대기(520)와, 상기 광속 확대기(520)에 의해 확대된 회전 편광을 도넛 형태의 편광으로 바꾸어주는 제1 코닉렌즈(530)와, 상기 제1 코닉렌즈(530)와 그 코닉부가 서로 대향하도록 일렬로 배치되어 제1 코닉렌즈(530)로부터 입사되는 도넛 형태의 회전 편광을 평행광으로 바꾸어주는 한편 상기 광속 확대기(520), 1/2 파장판(510) 및 레이저 헤드(500)와 일렬로 배치된 제2 코닉렌즈(540)와, 상기 도넛 형태의 평행광을 투과시켜주는 한편 후방산란된 라이다 신호를 90˚ 굴절 반사시켜 주는 박막형 편광 광분해기(550)와, 상기 박막 편광 광분해기(550)에서 투과된 빔을 원편광으로 바꾸어주는 한편 후방산란된 라이다 신호의 평행광을 회전 편광으로 바꾸어주는 1/4 파장판(560)과, 상기 1/4 파장판(560)을 통과한 빔을 집광시켜주는 한편 후방산란된 라이다 신호의 평행광을 그대로 투과시키는 제1 집광렌즈(570)와, 상기 제1 집광렌즈(570)에 의해 집광된 빔 및 후방산란된 라이다 신호가 관통하도록 하부에 미세구멍(581)이 형성된 송수신 겸용 대구경 망원경(580)과, 반사작용에 의해 송신빔을 대기중으로 발산시키는 한편 대기중에서 후방산란된 라이다 신호의 평행광을 수광하도록 상기 송수신 겸용 대구경 망원경(580)의 내부에 구비되는 1차 거울(591)과, 반사작용에 의해 송신빔을 상기 1차 거울(591) 측으로 보내는 한편 상기 1차 거울(591)로부터 입사되는 라이다 신호의 평행광을 상기 미세구멍(581)과 상기 제1 집광렌즈(570) 측으로 역반사시키도록 상기 송수신 겸용 대구경 망원경(580)의 내부에 구비되는 2차거울(592)과, 상기 제1 집광렌즈(570)와 1/4 파장판(560)을 투과하여 상기 박막형 편광 광분해기(550)에서 90˚ 굴절 반사되는 빔 중 소정의 크기를 초과하는 라이다 신호를 걸러주는 간섭필터(600)와, 투과 선폭이 상기 간섭필터(600)보다 좁은 필터로서 상기 간섭필터(600)에 의해 걸러진 신호를 더욱 미세하게 걸러주는 에탈론(610)과, 상기 에탈론(610)을 통과한 라이다 신호를 집광시키는 제2 집광렌즈(620)와, 상기 제2 집광렌즈(620)를 투과한 라이다 신호가 통과하도록 일측면에 미세구멍(631)이 뚫려 있고 광센서(640)가 내장된 광센서부(630)로 구성된 것을 특징으로 하는 일체형 송수신 마이크로펄스 라이다 광학계.
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