KR101396003B1 - Optical alignment apparatus of lidar system - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 레이저를 이용한 대기 관측이나 측량용 광학 측정 장비인 LIDAR (Light Detection and Ranging) 시스템에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 LIDAR 시스템의 설치 및 관측시 요구되는 광학적 정렬상태의 정확성을 향상시키는 LIDAR 시스템의 광학 정렬 장치에 관한 것이다.The present invention relates to a LIDAR (Light Detection and Ranging) system, which is an optical measuring instrument for atmospheric observation or measurement using a laser, and more particularly, to a LIDAR system which improves the accuracy of optical alignment required for installation and observation of a LIDAR system To an optical alignment apparatus of the present invention.
LIDAR(Light Detection and Ranging) 시스템은 펄스 레이저와 같은 광원을 대기 중으로 조사하고 이 광원이 대기 중의 공기 분자나 분진에 의하여 후방 산란되는 빛을 대구경의 망원경으로 수신하는 시스템이다.Light Detection and Ranging (LIDAR) system is a system that irradiates a light source such as a pulsed laser to the atmosphere, and the light source receives light backscattered by air molecules or dust in the air by a large-diameter telescope.
LIDAR(라이다) 시스템은 한국등록특허 제10-0305876호, 한국등록특허 제10-0337368호 등으로 개시되어 있으며, 대기 관측이나 측량 등 다양한 용도로 활용되고 있다.The LIDAR system is disclosed in Korean Patent No. 10-0305876 and Korean Patent No. 10-0337368, and is used for various purposes such as atmospheric observation and surveying.
대기 관측용 LIDAR(라이다) 설치 및 관측은 수신단의 망원경과 광학계간의 정확한 정렬이 이루어지지 않고는 관측이 불가능하다. 또한 광학계간의 정렬에 있어서 약간의 오차가 발생한 상태에서 관측을 실시한 경우, 광학신호가 왜곡되어 신호 해석이 불가능하다. 또한 지속적 관찰이 이루어지는 상황에도 시간이 지남에 따라 관측실의 온도 및 습도 변화로 인하여 광학계 정렬이 서서히 변하게 되는데 이를 육안으로 확인하기가 불가능하고, 제 정렬을 위해서는 많은 시간과 노력이 요구된다. 특히 편광채널을 분석하는 수신장치에 있어 정렬 상태를 지속적으로 확인하지 않을 경우에는 관측된 구름 및 에어로솔의 편광 소멸도 관측값에 오차를 야기시켜 수신 효율과 정확성이 현저히 떨어지게 된다.Installation and observation of LIDAR (Lidar) for atmospheric observation is impossible without precise alignment between the telescope of the receiving end and the optical system. Further, when observation is performed in a state where a slight error occurs in the alignment between the optical systems, the optical signal is distorted and the signal analysis is impossible. Also, in the case of continuous observations, the optical system alignment gradually changes due to temperature and humidity changes in the observation chamber over time, which can not be visually confirmed and requires a lot of time and effort for alignment. Particularly, in a receiving apparatus for analyzing a polarization channel, when the alignment state is not continuously checked, the polarization attenuation of the observed cloud and aerosol causes an error in the observed value, resulting in a considerable decrease in the reception efficiency and accuracy.
본 발명의 목적은 레이저를 이용한 대기 관측이나 측량용 광학 측정 장비인 LIDAR 시스템에서 광학적 정렬 상태의 정확도를 향상시키고 정렬에 소모되는 시간을 절약하기 위한 LIDAR 시스템의 광학 정렬 장치를 제공하는 데 있다.It is an object of the present invention to provide an optical alignment apparatus of the LIDAR system for improving the accuracy of optical alignment state and saving time in alignment in an LIDAR system, which is an optical measurement instrument for atmospheric observation or measurement using a laser.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 의한 LIDAR 시스템의 광학 정렬 장치는 망원경과, 망원경의 후방에 설치되어 망원경을 향해 레이저 광을 주사하는 레이저와, 망원경의 전방에 설치되어 레이저 광을 2개의 빔으로 분리하는 빔 분리기와, 빔 분리기와 망원경 사이에 설치되고 레이저 광의 촛점이 맺히는 핀홀과, 핀홀과 빔 분리기 사이에 설치되어 핀홀을 통과한 레이저 광을 평행광으로 만드는 한편 되돌아오는 레이저 광을 모으는 조준 렌즈와, 빔 분리기를 통과한 레이저 광을 반사시키는 유막 반사경을 포함한다.According to another aspect of the present invention, there is provided an optical alignment apparatus for a LIDAR system, comprising: a telescope; a laser disposed at a rear of the telescope for scanning a laser beam toward the telescope; A pinhole provided between the beam separator and the telescope for focusing the laser light; a collimating lens installed between the pinhole and the beam splitter for converting the laser light passing through the pinhole into parallel light and collecting the returned laser light; And a film reflector that reflects the laser beam that has passed through the beam separator.
레이저는 4등분된 판넬에 서로 대칭되게 설치된 4개의 레이저 발진기를 구비한다. 4개의 레이저 발진기는 판넬의 중심에 대해 서로 반대방향으로 설치된 2개의 녹색파장의 레이저 발진기와, 판넬의 중심에 대해 서로 반대방향으로 설치된 2개의 적색파장의 레이저 발진기로 이루어지고, 각 레이저 발진기는 90도 간격으로 교대로 설치된다.The laser has four laser oscillators mounted symmetrically on a quadrant panel. The four laser oscillators consist of two green wavelength laser oscillators installed in opposite directions with respect to the center of the panel and two red laser oscillators arranged in opposite directions with respect to the center of the panel, And are alternately installed at intervals of a predetermined distance.
망원경은 길이방향 양단에 설치된 1차 거울 및 2차 거울을 구비하고, 레이저 발진기에서 발진된 레이저 광은 1차 거울과 2차 거울을 교대로 거치면서 반사되어 모아져 핀홀을 통과한다.The telescope has a primary mirror and a secondary mirror installed at both ends in the longitudinal direction, and the laser light emitted from the laser oscillator is reflected by passing through the primary mirror and the secondary mirror alternately, passes through the pinhole.
빔 분리기의 전방에는 조준판이 설치되어 레이저 광의 방향을 파악한다.A sighting plate is installed at the front of the beam separator to grasp the direction of the laser beam.
본 발명에 의한 LIDAR 시스템의 광학 정렬 장치에 의하면, 대기 관측용 광학계를 설치할 때 뿐만 아니라 관측 도중에 광학 정렬을 점검하기 위한 광학계의 해체작업이 없이도 정확하고 손쉽게 광학계를 정렬할 수 있고, 광학계 수신단의 채널수에 관계없이 짧은 시간 안에 각 채널간에 정확한 광학 정렬을 만들 수 있다는 효과가 있다. 특히, 본 발명에 의하면, 레이저를 이용한 대기 관측이나 측량용 광학 측정 장비인 LIDAR 시스템에서 광학적 정렬 상태의 정확도를 향상시키고 광학계를 손쉽게 정렬할 수 있으므로 정렬에 소모되는 시간을 절약할 수 있다는 효과가 있다.According to the optical alignment apparatus of the LIDAR system according to the present invention, it is possible to align the optical system accurately and easily without disassembling the optical system for observing the optical alignment during observing as well as installing the optical system for atmospheric observation, There is an effect that accurate optical alignment can be made between each channel within a short time regardless of the number. Particularly, according to the present invention, the accuracy of the optical alignment state can be improved and the optical system can be easily aligned in the LIDAR system, which is an optical measuring instrument for atmospheric observation or measurement using a laser, so that the time required for alignment can be saved .
도 1은 본 발명의 실시예에 의한 LIDAR 시스템의 광학 정렬 장치를 나타내는 구성도이다.
도 2는 도 1에서 레이저를 나타내는 평면도이다.
도 3은 도 1에서 조준판을 움직이는 상태를 나타내는 개념도이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 의한 LIDAR 시스템의 광학 정렬 장치를 활용하기 이전과 이후에 얻어지는 신호를 비교하여 나타낸 그래프이다.BRIEF DESCRIPTION OF DRAWINGS FIG. 1 is a configuration diagram showing an optical alignment apparatus of an LIDAR system according to an embodiment of the present invention; FIG.
Fig. 2 is a plan view showing the laser in Fig. 1;
Fig. 3 is a conceptual diagram showing a state in which the boresight plate is moved in Fig. 1;
4 is a graph comparing signals obtained before and after utilizing the optical alignment apparatus of the LIDAR system according to the embodiment of the present invention.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다. 이 때, 첨부된 도면에서 동일한 구성 요소는 가능한 동일한 부호로 나타내고 있음에 유의한다. 또한, 본 발명의 요지를 흐리게 할 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 설명은 생략할 것이다. 마찬가지 이유로 첨부 도면에 있어서 일부 구성요소는 과장되거나 생략되거나 개략적으로 도시되었다.
Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. Note that, in the drawings, the same components are denoted by the same reference symbols as possible. Further, the detailed description of known functions and configurations that may obscure the gist of the present invention will be omitted. For the same reason, some of the components in the drawings are exaggerated, omitted, or schematically illustrated.
도 1은 본 발명의 실시예에 의한 LIDAR 시스템의 광학 정렬 장치를 나타내는 구성도이고, 도 2는 도 1에서 레이저를 나타내는 평면도이며, 도 3은 도 1에서 조준판을 움직이는 상태를 나타내는 개념도이다. 도시한 바와 같이 본 발명의 실시예에 의한 LIDAR 시스템의 광학 정렬 장치(100)는 프레임(110)과, 망원경(120)과, 레이저(130)와, 빔 분리기(140)와, 핀홀(150)과, 조준렌즈(160)와, 유막 반사경(170)과, 조준판(180)을 포함한다.FIG. 1 is a configuration diagram showing an optical alignment apparatus of an LIDAR system according to an embodiment of the present invention, FIG. 2 is a plan view showing a laser in FIG. 1, and FIG. 3 is a conceptual diagram showing a state in which a boresight plate is moved in FIG. The
프레임(110)은 복수의 포스트(111)가 지지대(112)에 의해 연결되어 각형(본 실시예에서는 사각)을 이루며, 프레임(110)의 하부에는 망원경(120)이 설치되고, 프레임(110)의 상단부에는 레이저(130)가 설치된다.The
망원경(120)은 프레임(110)의 하부 내측에 설치되며, 망원경(120)의 하단에는 레이저 광을 반사시키는 1차 거울(121)이 설치되고, 망원경(120)의 상단에는 1차 거울(121)에 의해 반사된 레이저 광을 재반사하여 집광하는 2차 거울(122)이 구비된다. 1차 거울(121)의 중앙에는 2차 거울(122)에 의해 집광되는 레이저 광이 통과하는 구멍(121a)이 형성된다.The
레이저(130)는 프레임(110)의 상단부에 판넬(131)과 함께 일체로 설치된 4개의 레이저 발진기(132)로 구성되며, 망원경(120)의 후방에 설치되어 망원경(120)을 향해 레이저 광을 주사한다. 판넬(131)은 4등분되고, 4개의 레이저 발진기(132)가 각 구역에 하나씩 서로 대칭되게 끼워져 설치된다. 레이저 발진기는 He-Ne 레이저 발진기로 되어 있으나, 다양한 레이저 발진기가 사용될 수 있다.The
4개의 레이저 발진기(132)는 판넬(131)의 중심에 대해 서로 반대방향으로 설치된 2개의 녹색파장(543nm)의 레이저 발진기(132a)와, 판넬(131)의 중심에 대해 서로 반대방향으로 설치된 2개의 적색파장(633nm)의 레이저 발진기(132b)로 이루어지고, 각 레이저 발진기(132a, 132b)는 90도 간격으로 교대로 설치된다. 각 레이저 발진기(132a, 132b)에는 방향을 조절하기 위한 위치 조절 나사(133)가 구비된다.The four
빔 분리기(140)는 망원경(120)의 전방에 설치되어 레이저 광을 2개의 빔으로 분리하는 펠리클 빔 분리기이며, 레이저(130)에서 발진되는 레이저 광을 2개의 빔으로 분리하는 한편 피사체로부터 반사되어 LIDAR 시스템의 수신단(190)에서 수신된 레이저 광을 2개의 빔으로 분리한다.The
핀홀(150)은 빔 분리기(140)와 망원경(120) 사이에 설치되어 레이저 광의 촛점이 맺히게 하며, 레이저(130)에서 발진되는 레이저 광의 촛점이 맺히게 하는 한편 피사체로부터 반사되어 LIDAR 시스템의 수신단(190)에서 수신된 레이저 광의 촛점이 맺히게 한다.The
조준 렌즈(160)는 핀홀(150)과 빔 분리기(140) 사이에 설치되어, 핀홀(150)을 통과한 레이저 광을 평행광으로 만들어 빔 분리기(140)에 입사시키는 한편 되돌아오는 레이저 광을 모아 핀홀(150)에 촛점이 맺히게 하는 렌즈이다.The collimating
유막 반사경(170)은 빔 분리기(140)를 통과한 레이저 광이 중력방향과 평행하게 반사되는 유막을 구비한다.The
조준판(180)은 빔 분리기(140)의 전방에 설치되며, 레이저 광의 방향을 파악한다. 조준판(180)은 얇은 종이 또는 유리 막으로 되어 있으며, 빔 분리기(140)와 수신단(190)의 사이에 위치한다. 조준판(180)은 도 3에 도시한 바와 같이 광학계를 정렬하기 위한 조절구(185)를 구비하며, 위치를 알 수 있는 관역이 조준판(180)의 판면에 그려져 있어 조준판(180)에 맺힌 레이저 광의 정확한 위치를 유관으로 확인 할 수 있게 한다.
The aiming
이와 같이 구성된 본 발명의 실시예에 의한 LIDAR 시스템의 광학 정렬 장치에서, 레이저(130)에서 발진된 레이저 광은 망원경(120)으로 입사되고, 망원경(120)내에서 1차 거울(121)와 2차 거울(122)을 순차적으로 거쳐 반사되어 모아지고, 1차 거울(121)의 구멍(121a)을 통해 핀홀(150)을 통과한다.In the optical alignment apparatus of the LIDAR system according to the present invention configured as described above, the laser light emitted from the
핀홀(150)을 통과한 레이저 광은 조준 렌즈(160)를 통과하면서 평행성분의 레이저 광으로 바뀌어 진 후, 빔 분리기(140)에서 2개의 빔으로 나누어지는데, 빔 분리기(140)를 통과한 빔은 유막 반사경(170) 위로 조사되고, 빔 분리기(140)에서 90도 방향으로 반사되는 빔은 조준판(180)을 통과하여 수신단(190)을 향해 진행된다.The laser beam passing through the
유막 반사경(170) 위로 조사된 빔(레이저 광)은 유막에 의해 중력방향과 평행하게 반사되고, 반사된 빔은 반대방향으로 되돌아가게 된다. 이때, 유막 반사경(170)에서 반사된 레이저 광이 다시 발진된 출구로 정확하게 되돌아 올 수 있도록 위치 조절 나사(133)와 2차 거울(122)의 각도를 조정한다. 이러한 과정으로 반사된 빔이 핀홀(150)에 맺히는 촛점을 맞추는 방법으로 정렬하게 되는데, 레이저(130)에 설치된 위치 조절 나사(133)를 조절하여 촛점을 맞추어 광학계의 설치시에 광학 정렬을 하게 된다.The beam (laser light) irradiated onto the
한편, 빔 분리기(140)와 수신단(190) 사이에 설치된 조준판(180)을 기준으로 다수의 광학계를 정렬시킬 수 있다. 이때 조준판(180)의 조절구(185: 도3에 도시)를 조절하여 각각의 광학계 간의 상호 정렬을 수행할 수 있다. Meanwhile, a plurality of optical systems can be aligned with respect to the
즉, 레이저 광을 주사하고, 유막 반사경(170)을 통해 반사된 빛이 다시 레이저(130)에 들어가 레이저 광이 정확하게 수직으로 입사되면 망원경(120)은 정확히 수직으로 향하고 있다고 할 수 있다. 조준판(180)의 경우 유막 반사경(170)을 통해 반사된 일부 레이저 광이 조준판(180)에 상이 맺히면서 빛들이 이동하는 경로와 퍼짐 정도를 정확히 파악할 수 있다. 이들 위치에 필요한 광학계 및 검출기들을 설치하여 다수의 광학계를 정렬시키커나 광학계 간의 상호 정렬을 수행할 수 있다.That is, when the laser beam is scanned and the light reflected through the
그리고, 광학계를 설치한 후, 관측할 시에는 레이저(130)의 판넬(131)을 탈 부착하여 지속적인 광학 정렬 모니터링을 할 수 있다.After the optical system is installed, the
평상시에 관측할 때에는 레이저(130)의 구성품과 조준판(180) 그리고 빔 분리기(140)를 제거하고 관측한다. 이때 빔 분리기(140) 위치에 관측 시 수신되는 광신호 반사를 위해 메탈 반사경이 사용된다. 매 관측마다 이같은 정렬을 실시하지는 않는다. 한달에 1회 정도 광학계를 점검하게 되는데, 광학계 정렬이 틀어지지 않았는지 확인할 때 다시 레이저(130)의 구성품과 조준판(180)을 간단히 설치하여 광학계 정렬을 확인하므로써, 지속적인 광학 정렬 모니터링을 할 수 있다.
When observing normally, the components of the
도 4는 본 발명의 실시예에 의한 LIDAR 시스템의 광학 정렬 장치를 활용하기 이전과 이후에 얻어지는 신호를 비교하여 나타낸 그래프이다. 도 4에 나타난 바와 같이, 활용 이전(검은 선)에는 약 1㎲ 이후에 신호의 세기가 감소하면서 잡음영역에 가까워짐을 알 수 있다. 반면에 활용 이후(붉은 선)에는 6㎲ 까지 신호를 얻어 낼 수 있으며 신호의 전체적 크기도 활용 이전보다 더 강하여 신호의 구분이 더욱 용이함을 알 수 있다.
4 is a graph comparing signals obtained before and after utilizing the optical alignment apparatus of the LIDAR system according to the embodiment of the present invention. As shown in FIG. 4, it can be seen that the intensity of the signal decreases to about the noise region after approximately 1 mu s before the application (black line). On the other hand, after using (red line), the signal can be obtained up to 6 μs, and the overall size of the signal is stronger than before, so that it is easier to distinguish the signals.
한편, 본 명세서와 도면에 개시된 본 발명의 실시예들은 본 발명의 기술 내용을 쉽게 설명하고 본 발명의 이해를 돕기 위해 특정 예를 제시한 것일 뿐이며, 본 발명의 범위를 한정하고자 하는 것은 아니다. 여기에 개시된 실시예들 이외에도 본 발명의 기술적 사상에 바탕을 둔 다른 변형예들이 실시 가능하다는 것은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 것이다.It should be noted that the embodiments of the present invention disclosed in the present specification and drawings are only illustrative of the present invention in order to facilitate the understanding of the present invention and are not intended to limit the scope of the present invention. It will be apparent to those skilled in the art that other modifications based on the technical idea of the present invention are possible in addition to the embodiments disclosed herein.
100 : 광학 정렬 장치 110 : 프레임
120 : 망원경 121 : 1차 거울
122 : 2차 거울 130 : 레이저
131 : 판넬 132 : 레이저 발진기
133 : 위치 조절 나사 140 : 빔 분리기
150 : 핀홀 160 : 조준 렌즈
170 : 유막 반사경 180 : 조준판
190 : 수신단100: optical alignment device 110: frame
120: telescope 121: primary mirror
122: Secondary mirror 130: Laser
131: panel 132: laser oscillator
133: Position adjusting screw 140: Beam separator
150: pinhole 160: aiming lens
170: Oil film reflector 180: Aiming plate
190: Receiver
Claims (5)
상기 망원경의 후방에 설치되어 망원경을 향해 레이저 광을 주사하는 레이저와,
상기 망원경의 전방에 설치되어 상기 레이저 광을 2개의 빔으로 분리하는 빔 분리기와,
상기 빔 분리기와 상기 망원경 사이에 설치되고 레이저 광의 촛점이 맺히는 핀홀과,
상기 핀홀과 상기 빔 분리기 사이에 설치되어 상기 핀홀을 통과한 레이저 광을 평행광으로 만드는 한편 되돌아오는 레이저 광을 모으는 조준 렌즈와,
상기 빔 분리기를 통과한 레이저 광을 반사시키는 유막 반사경을 포함하는 것을 특징으로 하는 LIDAR 시스템의 광학 정렬 장치.The telescope,
A laser disposed behind the telescope for scanning a laser beam toward the telescope,
A beam splitter installed in front of the telescope for splitting the laser beam into two beams,
A pinhole disposed between the beam splitter and the telescope and having a focus of laser light,
A collimating lens installed between the pinhole and the beam splitter to convert laser light having passed through the pinhole into parallel light and collecting the returned laser light;
And an oil film reflector for reflecting the laser beam having passed through the beam splitter.
상기 레이저는 4등분된 판넬에 서로 대칭되게 설치된 4개의 레이저 발진기를 구비하는 것을 특징으로 하는 LIDAR 시스템의 광학 정렬 장치.The method according to claim 1,
Wherein the laser comprises four laser oscillators arranged symmetrically to each other on a quadrisected panel.
상기 4개의 레이저 발진기는 상기 판넬의 중심에 대해 서로 반대방향으로 설치된 2개의 녹색파장의 레이저 발진기와, 상기 판넬의 중심에 대해 서로 반대방향으로 설치된 2개의 적색파장의 레이저 발진기로 이루어지고,
상기 각 레이저 발진기는 90도 간격으로 교대로 설치되는 것을 특징으로 하는 LIDAR 시스템의 광학 정렬 장치.The method of claim 2,
The four laser oscillators are composed of two green wavelength laser oscillators installed in opposite directions to the center of the panel and two red laser oscillators arranged in opposite directions with respect to the center of the panel,
Wherein the laser oscillators are alternately arranged at intervals of 90 degrees.
상기 망원경은 길이방향 양단에 설치된 1차 거울 및 2차 거울을 구비하고, 상기 레이저 발진기에서 발진된 레이저 광은 상기 1차 거울과 2차 거울을 교대로 거치면서 반사되어 모아져 상기 핀홀을 통과하는 것을 특징으로 하는 LIDAR 시스템의 광학 정렬 장치.The method according to claim 1,
The telescope has a primary mirror and a secondary mirror installed at both ends in the longitudinal direction, and the laser light emitted from the laser oscillator is reflected by the primary mirror and the secondary mirror while being alternately passed through the pinhole Characterized in that the optical alignment device of the LIDAR system.
상기 빔 분리기의 전방에는 조준판이 설치되어 레이저 광의 방향을 파악하는 것을 특징으로 하는 LIDAR 시스템의 광학 정렬 장치.The method according to claim 1,
And a collimating plate is installed in front of the beam separator to grasp the direction of the laser light.
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