KR100916319B1 - 마이크로 렌즈 어레이를 포함하는 레이저 레이다 - Google Patents

마이크로 렌즈 어레이를 포함하는 레이저 레이다 Download PDF

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Abstract

본 발명은 마이크로 렌즈 어레이를 포함하는 레이저 레이더에 관한 것이다. 본 레이저 레이더는 일정 파장 대역의 광 신호를 발생시키는 광원부; 상기 광 신호의 경로 상에 마련되어 상기 광원부으로부터 출력된 상기 광 신호를 발산시켜 목표 물체에 제공하는 송광 광학 렌즈; 및 상기 목표 물체에서 반사된 상기 광 신호를 모아주는 수광 광학 렌즈; 상기 수광 광학 렌즈를 통과한 상기 광 신호에 포함된 상기 파장 대역 이외의 파장을 제거하는 광 대역 필터; 상기 광 대역 필터를 통과한 상기 광 신호를 집광하는 마이크로 렌즈 어레이; 및 상기 마이크로 렌즈 어레이에서 집광된 상기 광 신호를 검출하는 광 검출기를 포함한다. 이에 따라, 광 검출기에서 수광되지 않고 손실되는 광 신호를 최소화할 수 있다.
레이저 레이더, 광 검출기, 송광 광학 렌즈, 마이크로렌즈 어레이

Description

마이크로 렌즈 어레이를 포함하는 레이저 레이다{Inserted microlens array in Laser radar}
도 1은 종래 기술에 따른 레이저 레이더의 개략적인 구성도이다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 레이저 레이더의 개략적인 구성도이다.
도 3은 도 2에 개시된 레이저 레이더의 개략적인 작동 블록도이다.
** 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 **
200: 레이저 레이더 210: 광원부
211: 반도체 레이저 212: 반도체 레이저 구동회로
213: 펄스 발생기 220: 송광 광학 렌즈
230: 목표 물체 240: 수광 광학(구형) 렌즈
250: 광 대역 필터 260: 마이크로렌즈 어레이
270: 광 검출기 280: 신호 처리부
281: 증폭 회로 282: 신호 처리 회로
본 발명은 레이저 레이더에 관한 것으로, 보다 구체적으로는, 마이크로 렌즈어레이를 이용하여 아이-세이프(eye safe) 파장 대역의 광원을 측정하고자 하는 물체에 입사시켜 물체에서 반사 또는 산란된 광 신호가 광 검출기에 맺히도록 하기 위한 레이저 레이더에 관한 것이다.
일반적으로, 레이저 레이더는 광원(또는 전파)이 목표물에 부딪쳐서 반사하는 것을 이용하여 그 반사파를 포착하여 임의의 물체(목표물)의 존재를 알아내는 것으로, 레이저 레이더는 광을 송신하는 송광 광학 영역과 반사광을 검출하는 수광 광학 영역을 포함한다. 이러한 레이저 레이더는 아이-세이프(eye safe) 파장 대역의 광원이 먼 거리의 임의의 물체에서 반사되거나 산란되는 경우, 광 검출기를 이용하여 반사 또는 산란된 빛을 구형 렌즈에서 집광하여 검출한다.
이하, 종래 도면을 참조하여 종래의 레이저 레이더를 구체적으로 설명한다. 도 1은 종래 기술에 따른 레이저 레이더의 개략적인 구성도이다. 도 1을 참조하면, 종래 레이저 레이더는 광원으로써의 반도체 레이저(100), 송광 광학 렌즈(110), 수광 광학 렌즈(120) 및 광검출기(130)를 포함한다.
송광 광학 렌즈(110)는 광원쪽에서 입사되는 발산광을 수렴시키도록 입사쪽은 비구면으로 되고, 출사쪽은 구면으로 되어 있다. 도 1에는 개시되어 않지만, 송광 광학 렌즈(110)는 광원쪽으로부터 순차적으로 배치된 메니스커스 렌즈와, 양 볼록 렌즈를 포함하여 구성할 수 있다. 수광 광학 렌즈(120)는 반도체 레이저(100)에서 송출되어 임의의 물체에서 반사된 반사광을 모아주는 렌즈이다. 광검출기(130)는 수광 광학 렌즈(120)를 통해 모아진 반사광을 검출하는 것으로, 반사광을 수광하는 면적에 회로, 접지(ground) 등을 위한 별도의 공간을 포함해야 한다.
즉, 전술한 종래의 레이저 레이더에서는 광검출기(130)의 전체 면적에서 수광 영역이 차지하는 면적은 50%를 넘지 않으므로, 수광 면적 이외의 영역으로 입사되는 광 신호는 손실된다는 단점이 있다.
일반적으로, 레이저 레이더의 수광 광학 렌즈는 먼 거리에서 오는 빛을 집광하기 위하여 망원경(telescope)과 유사하게 설계된다. 따라서 종래 레이저 레이더에서 광 신호의 손실을 줄이기 위해서는, 광 검출기의 수광 영역으로만 광 신호를 입력시키면 된다.
이러한 단점을 해소하기 위하여, H.J. Tiziani et. al은 마이크로 렌즈 어레이를 이용한 공 초점 현미경을 개시하였으나(Optics and laser technology, vol. 29, no. 2 ), 이는 측정하고자 하는 물체 전면에 마이크로 렌즈 어레이를 놓아서 마이크로 렌즈 어레이의 각 픽셀의 초점이 맺히는 위치에 광이 많이 입사되도록 하기 위한 것으로, 현미경의 분해능이 마이크로 렌즈 어레이의 간격에 의해 결정되어지는 것을 특징으로 하는 발명일 뿐 광 검출기의 수광 영역에서 손실되는 광 신호를 줄이는 것은 용이하지 않다는 단점이 있다.
따라서 본 발명은 전술한 단점을 해결하기 위해 고안된 발명으로, 본 발명의 목적은 마이크로 렌즈 어레이를 포함하여 광원에서 제공된 광신호가 목표 물체를 거쳐 손실없이 광 검출기의 수광 영역에 입사되도록 하여 광 신호의 효율을 높이는 레이저 레이더를 제공하는 것이다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한, 본 발명의 일 측면에 따르면, 본 레이저 레이더는 일정 파장 대역의 광 신호를 발생시키는 광원부; 상기 광 신호의 경로 상에 마련되어 상기 광원부으로부터 출력된 상기 광 신호를 발산시켜 목표 물체에 제공하는 송광 광학 렌즈; 및 상기 목표 물체에서 반사된 상기 광 신호를 모아주는 수광 광학 렌즈; 상기 수광 광학 렌즈를 통과한 상기 광 신호에 포함된 상기 파장 대역 이외의 파장을 제거하는 광 대역 필터; 상기 광 대역 필터를 통과한 상기 광 신호를 집광하는 마이크로 렌즈 어레이; 및 상기 마이크로 렌즈 어레이에서 집광된 상기 광 신호를 검출하는 광 검출기를 포함한다.
바람직하게, 상기 송광 광학 렌즈는 상기 광원부에서 제공된 상기 광 신호를 발산시킨다. 송광 광학 렌즈는 광 신호를 평행하게 또는 0 - 수 o의 각도로 발산시킨다. 상기 수광 광학 렌즈는 상기 목표 물체에서 반사된 광 신호를 집광한다. 이때, 수광 광학 렌즈는 측정하는 거리에 따라, 어레이 수에 따라 다르기 때문에 상이한 집광 각도를 갖는다.
상기 마이크로 렌즈 어레이는 다수의 마이크로 렌즈가 결합되어 상기 광 대역 필터를 통과한 상기 광 신호의 초점이 상기 광 검출기의 수광 영역에 맺히게 한다. 상기 광 검출기는 상기 마이크로 렌즈 어레이를 통과하여 상기 광 검출기의 수광 영역에 맺힌 상기 광 신호를 전기 신호로 전환한다. 상기 광원부는 광원을 방출하는 반도체 레이저, 레이저 구동 펄스를 반복 출력하는 펄스 발생기, 및 상기 펄스 발생기와 연결되어 상기 펄스 발생기로부터 출력된 상기 레이저 구동 펄스를 이용하여 상기 반도체 레이저를 구동하는 반도체 레이저 구동회로를 포함한다. 상기 광 검출기에 연결되어 상기 광 검출기에서 전환된 상기 전기 신호를 증폭하는 증폭기 및 상기 증폭기에서 증폭된 상기 전기 신호를 입력받아 상기 광신호의 송광에서 수광까지의 시간 및 광 세기를 계측하는 신호 처리 회로를 포함하는 신호 처리부를 더 포함한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시 예를 상세하게 설명하기로 한다. 그러나 이하의 실시 예는 이 기술 분야에서 통상적인 지식을 가진 자에게 본 발명이 충분히 이해되도록 제공되는 것으로서 여러 가지 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 다음에 기술되는 실시 예에 한정되는 것은 아니다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 레이저 레이더의 개략적인 구성도이고, 도 3은 도 2에 개시된 레이저 레이더의 개략적인 작동 블록도이다.
도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 레이저 레이더(200)는 광원부(210), 송광 광학 렌즈(220), 목표 물체(230), 수광 광학 렌즈(수광 광학 구형 렌즈, 240), 광 대역 필터(250), 마이크로렌즈 어레이(260) 및 광 검출기(270)를 포함한다. 광원부(210)는 아이-세이프(eye safe)로 사용되는 근적외선 파장대역의 광원을 제공하는 고체레이저 또는 반도체 레이저 등을 이용하며, 광원으로는 아이-세이프로 사용되는 근 적외선 파장 대역의 파장이 바람직하며, 예를 들면 1.3 ~ 1.7㎛ 범위이다.
도 3을 참조하면, 본 발명에 따른 레이저 레이더(200)는 광 검출기(270)에 연결된 광 신호 처리부(280)를 더 포함하며, 광원부(210)는 반도체 레이저(211), 반도체 레이저(211)를 구동하는 반도체 레이저 구동 회로(212) 및 레이저 구동 펄스를 반복 출력하는 펄스 발생기(213)를 포함한다. 신호 처리부(280)는 광 검출기(270)에서 수광된 광 신호를 증폭하는 증폭 회로(281), 증폭 회로(281)에서 증폭된 신호를 처리하는 신호 처리 회로(282)를 포함한다. 본 실시 예에는 개시되어 있지 않지만, 광 검출기(270)는 다수의 광 검출부를 포함하는 광 검출 어레이로 형성할 수 있다.
이하에서는 도 2 및 도 3을 참조하여, 본 발명의 실시 예에 따른 레이저 레이다(200)의 동작원리를 상세히 설명한다.
본 발명에 따른 레이저 레이더(200)는 펄스 발생기(213)에서 출력된 레이저 구동 펄스가 반도체 레이저 구동 회로(212)에 입력될 때마다 반도체 레이저(213)를 구동하여, 반도체 레이저(211)로부터 광원이 출력된다. 반도체 레이저(211)에서 출력된 광원은 송광 광학 렌즈(220)를 통해 목표 물체(230)에 입사된다. 이때, 송광 광학 렌즈(220)는 광원부(210)에서 방출된 빛을 평행 광으로 만들어 측정하고자 하는 물체에 입사시켜 준다. 또한, 송광 광학 렌즈(220)는 필요에 따라 광원부(210)의 반도체 레이저(211)에서 출사된 빛을 일정 각도(예, 0 ~ 수o)를 갖는 발산 광으로 만들어주기도 한다. 송광 광학 렌즈(220)를 채용하는 이유는 반도체 레이저(또는 고체 레이저)(211)에서 출력된 광을 평행 광 또는 발산 광으로 보내기 위함이다. 측정하고자 하는 목표 물체(230)에서 반사된 광 신호는 목표 물체(230)의 표면에 따라 난반사하거나 전반사 또는 부분 반사를 하게 된다. 즉, 송광 광학 렌즈(220)를 통해 제공된 평행 광 신호 또는 발산 광 신호는 측정하고자 하는 목표 물체(230)에 입사되어 반사된다.
목표 물체(230)에서 반사된 광 신호는 수광 광학 구형 렌즈(240)를 거치게 되면, 수광 광학 구형 렌즈(240)를 통과한 빛은 수렴하게 된다. 수광 광학 구형 렌즈(240)에서 수렴된 광 신호는 광 대역 필터(250)를 통과한다. 광 대역 필터(250)를 통과함에 따라, 측정하고자 하는 대역의 광 신호 이외의 다른 파장 대역의 광 신호 잡음이 제거된다.
이때, 광 대역 필터(250)를 통과한 광 신호는 마이크로 렌즈 어레이(260)를 통과하여 광 검출기(270)의 수광 영역에 입사된다. 마이크로 렌즈 어레이(260)는 광 검출기(270)의 수광 면적에 입사되는 광 효율을 높이기 위한 것으로, 지름이 0.1 ~ 수㎜의 미소한 렌즈가 다수 개 배열되어 있는 형태이다. 마이크로 렌즈 어레이(260)의 크기 및 F/#(렌즈 초점거리/렌즈의 직경; 렌즈에서 받아들일 수 있는 수렴 각)는 수광 광학 구형 렌즈(240)에서 출력되는 광 신호의 수렴각과 광 검출기(270)의 수광 영역에 의해 결정된다. 마이크로 렌즈 어레이(260)는 광 대역 필터(250)를 통과한 광 신호를 모아서 광 검출기(270)의 수광 영역으로 제공한다. 광 검출기(270)에 입사된 광 신호는 광 검출기(270)에서 전기적인 신호로 전환되어 신호 처리부(280)에 제공된다. 즉, 광 검출기(270)에 입사된 광 신호는 증폭기(281)를 거쳐 신호 처리 회로(282)로 입력된다. 신호 처리 회로(282)는 광 신호의 송광으로부터 수광까지의 시간과 반사광의 세기를 동시, 또는 개별적으로 측정한다.
이상, 바람직한 실시 예에 따라 본 발명을 상세하게 기술하였으나, 상기한 실시 예는 그 설명을 위한 것이며 그 제한을 위한 것이 아니므로 본 발명은 상기 실시 예에 한정되지 않는다. 또한, 본 발명의 기술적 사상의 범위 내에서 당 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 다양한 실시 예가 가능함을 이해할 수 있을 것이다.
이상에서 설명한 바에 따르면, 상기와 같이 이루어지는 본 발명의 효과는 레이저 레이다 수신기의 광 검출기에서 수신되는 물체에서 반사된 광 신호의 입력 광세기를 증가 시킨다.

Claims (7)

  1. 일정 파장 대역의 광 신호를 발생시키는 광원부;
    상기 광 신호의 경로 상에 마련되어 상기 광원부으로부터 출력된 상기 광 신호를 발산시켜 목표 물체에 제공하는 송광 광학 렌즈; 및
    상기 목표 물체에서 반사된 상기 광 신호를 모아주는 수광 광학 렌즈;
    상기 수광 광학 렌즈를 통과한 상기 광 신호에 포함된 상기 파장 대역 이외의 파장을 제거하는 광 대역 필터;
    상기 광 대역 필터를 통과한 상기 광 신호를 집광하는 마이크로 렌즈 어레이; 및
    상기 마이크로 렌즈 어레이에서 집광된 상기 광 신호를 검출하는 광 검출기
    를 포함하되 상기 광 검출기는 복수의 광 검출부를 포함하는 광 검출 어레이인 것을 특징으로 하는 레이저 레이더.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 송광 광학 렌즈는 상기 광원부에서 제공된 상기 광 신호를 발산시키는 레이저 레이더.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 수광 광학 렌즈는 상기 목표 물체에서 반사된 광 신호를 집광하는 레이저 레이더.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 마이크로 렌즈 어레이는 다수의 마이크로 렌즈가 결합되어 상기 광 대역 필터를 통과한 상기 광 신호의 초점이 상기 광 검출기의 수광 영역에 맺히게 하는 레이저 레이더.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 광 검출기는 상기 마이크로 렌즈 어레이를 통과하여 상기 광 검출기의 수광 영역에 맺힌 상기 광 신호를 전기 신호로 전환하는 레이저 레이더.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 광원부는 광원을 방출하는 반도체 레이저, 레이저 구동 펄스를 반복 출 력하는 펄스 발생기, 및 상기 펄스 발생기와 연결되어 상기 펄스 발생기로부터 출력된 상기 레이저 구동 펄스를 이용하여 상기 반도체 레이저를 구동하는 반도체 레이저 구동회로를 포함하는 레이저 레이더.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 광 검출기에 연결되어 상기 광 검출기에서 전환된 전기적인 신호를 증폭하는 증폭회로 및 상기 증폭회로에서 증폭된 상기 전기적인 신호를 입력받아 상기 광신호의 송광에서 수광까지의 시간 및 광 세기를 계측하는 신호 처리 회로를 포함하는 신호 처리부를 더 포함하는 레이저 레이더.
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