KR100501082B1 - 펄스형 레이저 다이오드를 채용한 광학계 - Google Patents

Abstract

본 발명은 펄스형 다이오드를 채용한 단일 광학계에 대해 개시한다.

상기와 같은 본 발명은 소정 레이저에 해당하는 파장의 빛은 반사시키고 다른 파장은 투과시키는 제1빔분할기와, 상기 제1빔분할기 전방에 위치하며, 레이저를 송신하고, 물체로부터 산란된 빛을 수신하는 송수신렌즈와, 상기 렌즈로부터 수신된 빛의 가시광은 투과시키고 레이저는 반사시키는 제2빔분할기를 포함한다.

본 발명에 따른 광학계는 기존의 다른 방법과 달리, 설계가 간단하며 시스템의 소형화가 가능하고 하나의 렌즈로 3개의 역할을 수행할 수 있기 때문에 원가 절감에도 큰 효과뿐만 아니라 광학계의 정렬 상태가 매우 안정적인 효과가 있다.

Description

펄스형 레이저 다이오드를 채용한 광학계{Optical system applying pulse type laser diode}

본 발명은 광학계에 관한 것으로, 특히 펄스형 레이저를 이용하여 원하는 물체의 거리와 속도를 측정하는 광학계에 관한 것이다.

펄스형 레이저를 이용하여 원하는 물체의 거리와 속도를 측정하는 기술은 이미 많이 알려져 있으며 또한 상용화되어 시판되고 있다.

도 1은 일반적인 거리측정기용 광학계의 구성을 보여주는 도면이다.

상기 도1을 참조하면, 광학계는 레이저(12)와 레이저 빛의 발산각을 줄여주는 빔 확대기(13-1,13-2) 그리고 산란된 빛을 모아서 센서로 입사시키는 렌즈(14)와 센서(16)로 구성된다. 빛의 모니터링 장치로는 초점거리가 긴 렌즈(15)와 CCD(17)로 구성된다. 원거리의 경우 3 개의 렌즈가 같은 방향으로 정렬되었을 때 거의 같은 목표물을 겨냥하게 되었으나, 근거리에서는 다른 부분을 향하고 있다.

일반적인 레이저의 경우에도 레이저의 발산각은 수 m rad 정도이기 때문에 원거리에서는 그 빔의 크기가 커져서 센서에서 받아드리는 빛의 광량은 줄어들게 된다.

이러한 문제 때문에 일반적으로 레이저빔은 두 개의 렌즈로 구성된 광속확대기를 사용하여 확대시켜 대기로 조사하게 된다. 수신 광학계는 물체에서 산란되어 사방으로 퍼지는 빛 중에서 레이저 방향으로 후방 산란되는 빛을 수신하여 센서로 보내게 되는데, 이때 또 다른 대구경 렌즈가 필요하게 된다. 그러므로 레이저를 포함한 송신 광학계와 수신하는 광학계는 자연스럽게 분리되게 되고 두 축이 일치하지 않게 되어 근거리에서 산란된 신호는 광 축이 센서로 입사하기 힘들게 된다. 또한 두 개의 대구경 렌즈를 사용해야하기 때문에 상용화 차원에서 비용이 많이 든다.

또한 여러 개의 물체가 동시에 존재할 경우 어떤 특정의 목표물만 측정하고 이 물체의 속도 거리를 측정하고자 한다면 모니터링 시스템이 따로 필요하며, 이 경우 원거리 물체를 구별하기 위하여 초점거리가 긴 렌즈가 부착된 CCD 카메라와 같은 새로운 시스템이 필요하다. 즉 송신, 수신, 그리고 모니터링에 필요한 각각의 광학계가 필요하게 된다. 독립적인 광학계를 사용할 경우, 비용 문제뿐만 아니라 광학계의 정렬 상태가 쉽게 깨어지는 문제가 있으므로 실제 사용에서는 자주 정렬을 해주어야하는 불편이 있다.

이러한 문제를 해결하기 위해서 편광기를 빔분할기로 이용하는 경우에도 펄스형 고출력 다이오드레이저는 일반적으로 비편광성이 있으며 또한 물체에서 산란된 빛 중에서 일부 편광된 빛만 들어오기 때문에 신호의 크기가 작아지는 단점이 있다.

그리고 기타 특수하게 고안된 광학계를 사용한 예는 존재하고 있으나 송-수신 및 모니터링을 위하여 레이저의 공간적 특성을 살려 본 발명과 같은 장점을 얻는 장치는 없다.

본 발명과 관련되는 종래기술로는

1) "laser range finder", Tatsumi Kenji, Publication number(58102108A)

2) "레이저 측정기", 일본전기주식회사, 특허출원공개번호(特開平7-35860)

3) "laser distance measurement instrument", Asakawa yoshohiro, JP7035860 등이 있다.

따라서 본 발명의 목적은 상기한 종래 기술의 문제점을 해결하는 방법을 제공함에 있다.

본 발명의 다른 목적은 쉽게 광학적 정렬이 무너지는 것을 방지하고 시스템의 크기가 비대해지는 단점을 보완하며 또한 제작비용이 절감된 광학계를 제공함에 있다.

상기와 같은 본 발명의 목적들을 달성하기 위한 본 발명은

소정 레이저에 해당하는 파장의 빛은 반사시키고 다른 파장은 투과시키는 제1빔분할기와, 상기 제1빔분할기 전방에 위치하며, 레이저를 송신하고, 물체로부터 산란된 빛을 수신하는 송수신렌즈와, 상기 렌즈로부터 수신된 빛의 가시광은 투과시키고 레이저는 반사시키는 제2빔분할기를 포함한다. 여기서 송수신렌즈라 함은, 하나의 대구경렌즈로써, 광의 송신과 수신을 담당하는 렌즈를 의미한다.

또한 본 발명에 따른 실시예는 펄스형 레이저 광을 상기 제1빔분할기로 반사시키는 제1거울을 더 포함한다.

본 발명에 따른 다른 실시예는 상기 제2빔분할기에 의해 투과된 가시광을 모니터링 장치로 입력시키는 입력렌즈와, 상기 제2빔분할기에 의해 반사된 레이저를 센서로 입력하는 제2거울을 더 포함한다. 여기서 입력렌즈는 대안렌즈로, 모니터링 장치로 광을 입력하는 기능을 담당하는 렌즈를 의미한다.

그리고 상기 제1빔분할기 및 상기 제2빔분할기는 중앙에 레이저광 반사면(19)이 코팅되고, 외부에 레이저광 투과면(18)이 코팅되어 있음을 특징으로한다.

이하 본 발명의 바람직한 실시예의 상세한 설명이 첨부된 도면들을 참조하여 설명될 것이다. 도면들 중 참조번호들 및 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 참조번호들 및 부호들로 나타내고 있음에 유의해야 한다. 하기에서 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다.

하기에서는 먼저 본 발명의 원리가 설명되고, 그 다음에 본 발명의 원리에 따른 실시예가 설명될 것이다.

<본 발명의 원리>

본 발명의 원리는 쉽게 광학적 정렬이 무너지는 효과를 방지하고 시스템의 크기가 비대해지는 단점을 보완하며 또한 제작비용을 절감하기 위해서, 하나의 렌즈로 CCD 카메라와 송신/ 수신광학계의 핵심부품인 대구경 렌즈를 대처하는 것이다.

또한 본 발명은, 공간적인 모양이 구형인 일반적인 레이저의 모양과 달리 길쭉한 반도체 레이저의 빔 특성을 살려, 기존의 방법과는 달리 특수하게 제작된 제1빔분할기(3)를 제안하였으며 이를 통하여 송신레이저는 반사하고 반대로 수신레이저는 투과하는 장치를 개시한다. 또한 센서와 CCD로 입사되는 광을 분리하기 위하여 같은 방법으로 제작된 제2빔분할기를(5) 동일 렌즈의 초점 면 근처에 두어 가시광은 투과시키고 레이저광은 반사시키는 역할을 하도록 하였다. 반사된 신호는 거울에서 한번 더 반사되어 센서로 입력된다.

상기 제2 빔분할기(5)에서 투과된 가시광선은 다시 직접 CCD 로 입사되거나 렌즈(6)에 의하여 영상이 CCD센서 면에 맺히도록 그 위치와 코팅이 이루어지도록 하였다.

<실시예>

펄스형 레이저를 이용하여 원하는 물체의 거리/속도를 측정하는 경우, 원하는 물체에서 산란된 펄스 신호와 레이저 송신기에서 산란된 두 펄스 신호의 시간 간격을 빠른 속도로 측정하여 거리를 측정하고, 다시 일정 시간이 지난 후에 거리를 측정하여 두 거리 차를 구하고 시간으로 나누어 속도를 측정한다. 이를 위하여 레이저는 고반복율로 동작하여야하며 발산각이 가능한 작아야 한다.

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 거리/속도 측정용 단일 광학계의 구성을 보여주는 도면이다.

상기 도 2를 참조하면, 펄스형 다이오드(1)는 펄스형 레이저를 발생시키고, 제1거울(2)은 펄스형 레이저를 제1빔분할기(3)로 반사시킨다. 상기 제1빔분할기(3)는 소정 레이저에 해당하는 파장의 빛은 반사시키고 다른 파장은 투과시킨다. 대구경렌즈(4)는 상기 제1빔분할기(3) 전방에 위치하며, 레이저를 송신하고, 물체로부터 산란된 빛을 수신한다. 제2빔분할기(5)는 상기 대구경렌즈(4)로부터 수신된 빛의 가시광은 투과시키고 레이저는 반사시킨다. 대안렌즈(6)는 상기 제2빔분할기에 의해 투과된 가시광을 CCD 카메라(7)로 입력시킨다. 제2거울(8)은 상기 제2빔분할기에 의해 반사된 레이저를 센서로 입력시킨다. 증폭기(10)는 센서의 출력을 증폭하여 컴퓨터(11)로 입력시킨다.

상기와 같은 구성을 갖는 단일 광학계의 구체적인 특징은 하기와 같다.

송신광은 펄스형 레이저를 반사시키는 제1거울(2)과, 레이저에 해당하는 파장의 빛만 반사시키고 다른 파장의 빛은 투과시키는 제1빔분할기(3)를 통해 송수신렌즈(즉, 대구경렌즈)(4)로 입사된다. 이렇게 입사된 빛의 크기는 커졌지만 발산각이 작기 때문에 원거리를 진행하여도 빛의 퍼짐이 없다.

특수 빔 분할기, 즉 제1빔분할기(3) 및 제2빔분할기(5)는 도 3에 도시된 바와 같이 구성된다. 그 구성은 중앙에 레이저광 반사면(19)이 코팅되고, 외부에 레이저광 투과면(18)이 코팅되어 있다. 이는 펄스형 다이오드 레이저의 모양이 아래/위 혹은 좌우로 길쭉한 모양이므로, 레이저 파장에서 중앙의 부분은 45 도에서 반사가 이루어지고 나머지 부분은 모든 파장에서 투과가 이루어지도록 코팅한 것이다.

물체에서 산란된 빛은 사방으로 흩어지게 되는데, 이 중에서 렌즈 방향으로 입사되는 모양은 구형이기 때문에 대부분 제1빔분할기(3)의 외부면(18)을 통하여 통과하게되고 일부분은 중앙면(19)에 입사하여 반사하게된다. 투과된 빛은 다시 그 크기가 작아진 상태에서 광학적으로 같은 투과-반사도를 지닌 제2빔분할기(5)에서 반사가 이루어져 센서로 입사된다. 반면에 모니터용으로 사용되는 빛은 가시광 영역의 파장이기 때문에 빔분할기(5)에서 투과되어 다시 렌즈(6)으로 CCD 센서면에 상이 맺히게 된다.

한편 본 발명의 상세한 설명에서는 구체적인 실시 예에 관해 설명하였으나, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않는 한도 내에서 여러가지 변형이 가능함은 물론이다. 예를 들어 본 발명의 구성에서 필수 구성요소를 제외한 모니터링 장치나 거울등은 얼마든지 균등한 범위의 구성요소로 대체 가능하다. 그러므로 본 발명의 범위는 설명된 실시 예에 국한되어 정해져서는 안되며 후술하는 특허청구의 범위뿐만 아니라 이 특허청구의 범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.

상술한 바와 같이 본 발명은 여러 개의 렌즈로 구성된 거리/속도 측정용 광학계의 단점을 보완한 이점이 있다.

또한 본 발명의 원리에 따라 구축된 거리측정기는 같은 렌즈로 구성되어있기 때문에 정렬이 안정적이고 시스템의 크기가 작아지며 고가의 대구경 렌즈를 여러개 사용할 필요가 없다. 또한 동일 광학계로 구성되기 때문에 빔 정렬이 안정적이어서 제품의 질을 높일 수 있다.

도 1은 일반적인 광학계의 구성을 보여주는 도면,

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 단일 광학계의 구성을 보여주는 도면,

도 3은 도 2에 도시된 빔분할기의 구성을 보여주는 도면이다.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

1 : 펄스형 다이오드 레이저 2 : 프리즘(혹은 거울)

3 : 특수코팅 제1빔분할기 4 : 대구경 렌즈

5 : 특수코팅 제2빔분할기 6 : 대안렌즈

7 : 눈 혹은 CCD 8 : 프리즘 (혹은 거울)

8 : 거울 혹은 프리즘 9 : 센서 10 : 증폭기 11: 컴퓨터

12: 펄스형 다이오드 레이저 13 : 빔 확대기

14: 수신용 대구경 렌즈 15: 모니터링용 대구경 렌즈

16: 센서 17: CCD 카메라

18 : 레이저광을 투과시키는 면 19 : 레이저광을 반사시키는 면

Claims (5)

1. 펄스형 레이저 다이오드를 채용한 광학계에 있어서,

   소정 레이저에 해당하는 파장의 빛은 반사시키고 다른 파장은 투과시키는 제1빔분할기와,

   상기 제1빔분할기 전방에 위치하며, 레이저를 송신하고, 물체로부터 산란된 빛을 수신하는 송수신렌즈와,

   상기 렌즈로부터 수신된 빛의 가시광은 투과시키고 레이저는 반사시키는 제2빔분할기를 포함함을 특징으로 하는 상기 광학계.
2. 제1항에 있어서,

   펄스형 레이저를 상기 제1빔분할기로 반사시키는 제1거울을 더 포함함을 특징으로 하는 상기 광학계.
3. 제1항에 있어서,

   상기 제2빔분할기에 의해 투과된 가시광을 모니터링 장치로 입력시키는 입력렌즈와,

   상기 제2빔분할기에 의해 반사된 레이저를 센서로 입력하는 제2거울을 더 포함함을 특징으로 하는 상기 광학계.
4. 펄스형 레이저 다이오드를 채용한 광학계에 있어서,

   펄스형 레이저를 제1빔분할기로 반사시키는 제1거울(2)과,

   소정 레이저에 해당하는 파장의 빛은 반사시키고 다른 파장은 투과시키는 제1빔분할기(3)와,

   상기 제1빔분할기 전방에 위치하며, 레이저를 송신하고, 물체로부터 산란된 빛을 수신하는 대구경렌즈(4)와,

   상기 렌즈로부터 수신된 빛의 가시광은 투과시키고 레이저는 반사시키는 제2빔분할기(5)와,

   상기 제2빔분할기에 의해 투과된 가시광을 모니터링 장치로 입력시키는 대안렌즈(6)와,

   상기 제2빔분할기에 의해 반사된 레이저를 센서로 입력하는 제2거울(8)을 포함함을 특징으로 하는 상기 광학계.
5. 제1항 내지 4항 중 어느 한 항에 있어서,

   상기 제1빔분할기 및 상기 제2빔분할기는

   중앙에 레이저광 반사면(19)이 코팅되고, 외부에 레이저광 투과면(18)이 코팅되어 있음을 특징으로 하는 상기 광학계.