KR102017224B1 - Monostatic bidrectional focusing and collecting optics system for free space optical communications - Google Patents

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Abstract

본 발명은 모노스태틱 양방향 집광 및 수광 광학계에 관한 것이다. 상기 모노스태틱 양방향 집광 및 수광 광학계는, 사전 설정된 초점 거리를 갖는 집광용 렌즈 또는 두 개 이상의 렌즈로 구성된 집광 광학계를 구비하는 집광 모듈; 상기 집광 모듈의 광축 상에 배치되어 집광 모듈에 의해 수신된 광신호를 처리하여 전기신호로 출력시키는 수광 모듈; 전송용 광신호 또는 탐지 광으로 사용되는 광신호를 출력시키는 광원 모듈; 상기 집광 모듈의 광축상에 위치하되 상기 집광 모듈과 광원 모듈의 사이에 위치하며, 광원 모듈로부터 출력된 광신호를 상기 집광 모듈로 반사시키는 반사 거울; 및 상기 수광 모듈에서 출력된 전기 신호로부터 데이터를 검출하여 처리하고, 상기 광원 모듈을 제어하여 광신호를 출력하도록 하는 제어부;를 구비하여, 상기 반사 거울에 의해 반사된 광신호는 집광 모듈을 통해 사전 설정된 각도로 시준되어 출사되고, 집광 모듈로 입사된 광신호는 수광 모듈로 제공된다. 본 발명에 따른 모노스태틱 양방향 집광 및 수광 광학계는 단일의 집광 모듈을 사용하여 광신호 수신부와 광신호 송신부를 구성함으로써, 광학계의 구성이 간단해지고 장비의 전체 크기가 작아져 소형으로 구현할 수 있게 된다. The present invention relates to a monostatic bidirectional condensing and receiving optical system. The monostatic bidirectional condensing and receiving optical system comprises: a condensing module having a condensing lens having a preset focal length or a condensing optical system composed of two or more lenses; A light receiving module disposed on an optical axis of the light collecting module and processing an optical signal received by the light collecting module to output an electric signal; A light source module for outputting an optical signal used as a transmission optical signal or detection light; A reflecting mirror positioned on an optical axis of the light collecting module and positioned between the light collecting module and the light source module and reflecting an optical signal output from the light source module to the light collecting module; And a controller configured to detect and process data from an electrical signal output from the light receiving module, and to control the light source module to output an optical signal, wherein the optical signal reflected by the reflecting mirror is preliminary through the light collecting module. A collimated light emitted at a set angle is emitted and the light signal incident on the light collecting module is provided to the light receiving module. In the monostatic bidirectional condensing and receiving optical system according to the present invention, the optical signal receiving unit and the optical signal transmitting unit are configured by using a single condensing module, so that the configuration of the optical system is simplified and the overall size of the equipment is small, thereby enabling small size.

Description

자유공간 광통신을 위한 모노스태틱 양방향 집광 및 수광 광학계{Monostatic bidrectional focusing and collecting optics system for free space optical communications}Monostatic bidrectional focusing and collecting optics system for free space optical communications

본 발명은 양방향 집광 및 수광 광학계에 관한 것으로서, 더욱 구체적으로는 단일 집광 광학계를 이용하여 광원으로부터 출력된 광을 대상물에 집광시키거나 상대방에게 전송하고, 대상물로부터 산란된 빛 또는 상대방으로부터 전송되어온 빛을 수신 장치에 집광하는 모노스태틱(monostatic) 양방향 집광 및 수광 광학계에 관한 것이다. The present invention relates to a bidirectional condensing and receiving optical system, and more particularly, using a single condensing optical system to condense the light output from the light source to the target or to the counterpart, the light scattered from the target or light transmitted from the counterpart A monostatic bidirectional condensing and receiving optical system focusing on a receiving device.

광학 기기들 중 많은 것이 광원을 이용하여 상대편에 빛을 보내고 상대편에서 전달되어 온 빛을 모아 수신 장치에 집광시키는 양방향 광학계를 필요로 한다. 예를 들어, 자유 공간 광통신(Free space optical communications;'FSO 또는 FSO communications')은 무선광통신(optical wireless communications)이라고도 하며 자유 공간에서 가시 광선 혹은 적외선 빔을 이용하여 데이터를 전송 또는 수신하는 양방향 통신 기술로서, 무선광통신(optical wireless communications)라고도 한다. 이러한 자유 공간 광통신은 광섬유 전송 이론과 같으나 광섬유를 거치지 않고 코딩된 광선을 공간을 통해 보낸다는 점에서 상이하다. Many of the optical instruments require a bidirectional optical system that uses a light source to send light to the other side, collects the light transmitted from the other side, and condenses the light to the receiving device. For example, free space optical communications (“FSO or FSO communications”), also called optical wireless communications, is a two-way communication technology that transmits or receives data using visible or infrared beams in free space. Also referred to as optical wireless communications. This free space optical communication is similar to the optical fiber transmission theory, but differs in that the coded light beam is transmitted through space without passing through the optical fiber.

도 1은 일반적인 자유공간 광학계를 이용하여 구현된 광통신 방식을 설명하기 위하여 도시한 모식도이다. 도 1에 도시된 바와 같이, 자유 공간 광학계는 광원으로부터 방출되는 가시광선 혹은 적외선 빔을 직접 또는 간접적인 방법으로 데이터로 변조시켜 렌즈로 구성된 광학계를 이용하여 상대편에게 전송하고, 또한 상대편으로부터 전송되어온 가시 광 또는 적외선의 일부를 수신용 광학계를 이용하여 광검출기에 집광시켜 전기신호로 변환하여 데이터를 복원할 수 있다. 이러한 양방향 광통신 링크는 가시영역(line of sight; LOS)에서 수 킬로미터 이내의 거리에서의 통신이 가능하다. 1 is a schematic diagram illustrating an optical communication method implemented using a general free space optical system. As shown in FIG. 1, the free space optical system modulates visible or infrared beams emitted from a light source into data in a direct or indirect manner and transmits the data to the other side using an optical system composed of a lens, and also the visible light transmitted from the other side. Part of the light or infrared light may be focused on the photodetector using a receiving optical system to convert the light into an electrical signal to restore data. This bidirectional optical communication link is capable of communication within a few kilometers of the line of sight (LOS).

도 2는 종래의 기술에 따른 일반적인 자유공간 광통신 장치에 대한 사진이다. 도 2에 도시된 바와 같이, 종래의 기술에 따른 일반적인 모노스태틱 양방향 집광 및 수광 광학계는 신호 송신용 렌즈와 신호 수신용 렌즈를 별도로 분리하여 사용하므로 렌즈의 구성이 복잡하고 장치의 무게가 무거우며 전체 부피가 매우 커지는 문제점이 있으며, 또한 제작 비용도 증가되는 문제점이 있다. 2 is a photograph of a general free space optical communication device according to the prior art. As shown in FIG. 2, the general monostatic bidirectional condensing and receiving optical system according to the related art separates the lens for signal transmission and the lens for signal reception separately so that the configuration of the lens is complicated and the weight of the device is heavy and overall. There is a problem that the volume is very large, there is also a problem that the manufacturing cost is also increased.

다른 한 가지 예로는 원격에서 대상물의 진동을 측정하는 vibrometer로 집광용 렌즈를 사용하여 광원으로부터 방출된 탐지 광을 대상물에 집광시키고 이로부터 산란되어 다시 되돌아오는 산란광의 일부를 수신용 광학계를 사용하여 모아 주고, 이를 간섭계 등을 활용하여 분석함으로써 대상물의 미세진동을 측정하는 장치로서 종래의 기술에서는 이 역시 집광용 광학계와 수신용 광학계를 별도로 사용하고 있다. 이 밖에도 원격 거리측정 시스템으로 활용되고 있는 라이다(lidar) 장치, 반사형 현미경 등 집광용 광학계와 수광용 광학계가 별도로 구성되는 다양한 예들이 있다. Another example is a vibrometer that remotely measures the vibration of an object, using a condenser lens to focus the detection light emitted from the light source onto the object and collecting some of the scattered light that is scattered and returned from the object using a receiving optical system. As a device for measuring fine vibrations of an object by analyzing the interferometer and the like, the conventional technique uses a light collecting optical system and a receiving optical system separately. In addition, there are various examples in which a light converging optical system and a light receiving optical system are separately configured, such as a lidar device and a reflective microscope that are used as a remote distance measuring system.

한국공개특허공보 제 10-2004-0028975호Korean Patent Publication No. 10-2004-0028975 한국공개특허공보 제 10-2010-0023885호Korean Patent Publication No. 10-2010-0023885 한국공개특허공보 제 10-2008-0065251호Korean Patent Publication No. 10-2008-0065251

전술한 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은 집광부와 수광부가 단일 렌즈를 이용하여 구성된 모노스태틱(monostatic) 광학계를 제공하는 것이다. An object of the present invention for solving the above problems is to provide a monostatic optical system in which the light collecting portion and the light receiving portion are configured using a single lens.

전술한 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 제1 특징에 따른 모노스태틱 양방향 집광 및 수광 광학계는, 사전 설정된 초점 거리를 갖는 집광용 렌즈 또는 두 개 이상의 렌즈로 구성된 집광 광학계를 구비하는 집광 모듈; 상기 집광 모듈의 광축 상에 배치되어 집광 모듈에 의해 수신된 광신호를 처리하여 전기신호로 출력시키는 수광 모듈; 전송용 광신호 또는 탐지 광으로 사용되는 광신호를 출력시키는 광원 모듈; 상기 집광 모듈의 광축상에 위치하되 상기 집광 모듈과 광원 모듈의 사이에 위치하며, 광원 모듈로부터 출력된 광신호를 상기 집광 모듈로 반사시키는 반사 거울; 및 상기 수광 모듈에서 출력된 전기 신호로부터 데이터를 검출하여 처리하고, 상기 광원 모듈을 제어하여 광신호를 출력하도록 하는 제어부;를 구비하여, 상기 반사 거울에 의해 반사된 광신호는 집광 모듈을 통해 사전 설정된 각도로 시준되어 출사되고, 집광 모듈로 입사된 광신호는 수광 모듈로 제공된다. Monostatic bidirectional condensing and receiving optical system according to a first aspect of the present invention for achieving the above technical problem, the light collecting module having a condensing lens having a predetermined focal length or a condensing optical system consisting of two or more lenses; A light receiving module disposed on an optical axis of the light collecting module and processing an optical signal received by the light collecting module to output an electric signal; A light source module for outputting an optical signal used as a transmission optical signal or detection light; A reflecting mirror positioned on an optical axis of the light collecting module and positioned between the light collecting module and the light source module and reflecting an optical signal output from the light source module to the light collecting module; And a controller configured to detect and process data from an electrical signal output from the light receiving module, and to control the light source module to output an optical signal, wherein the optical signal reflected by the reflecting mirror is preliminary through the light collecting module. A collimated light emitted at a set angle is emitted and the light signal incident on the light collecting module is provided to the light receiving module.

본 발명의 제1 특징에 따른 모노스태틱 양방향 집광 및 수광 광학계에 있어서, 상기 수광 모듈은 광검출기 및 클락/데이터(clock and data) 복원 장치로 구성된 것이 바람직하다. In the monostatic bidirectional condensing and receiving optical system according to the first aspect of the present invention, the light receiving module is preferably composed of a photodetector and a clock and data recovery device.

본 발명의 제1 특징에 따른 모노스태틱 양방향 집광 및 수광 광학계에 있어서, 상기 광원 모듈은 광원 및 광원 구동장치로 구성되며, 상기 제어부는 광원 모듈의 광원 구동장치를 제어하여, 상기 광원 구동장치가 광원을 구동시켜, 상기 광원이 전송용 광신호 또는 탐지광으로 사용되는 광신호를 출력하도록 하는 것이 바람직하다. In the monostatic bidirectional condensing and receiving optical system according to the first aspect of the present invention, the light source module includes a light source and a light source driving device, and the control unit controls the light source driving device of the light source module so that the light source driving device is a light source. It is preferable to drive the light source so that the light source outputs an optical signal used as a transmission optical signal or a detection light.

본 발명의 제2 특징에 따른 모노스태틱 양방향 집광 및 수광 광학계는, 사전 설정된 초점 거리를 갖는 집광용 렌즈 또는 두 개 이상의 렌즈로 구성된 집광 광학계를 구비하는 집광 모듈; 일단이 상기 집광 모듈을 구성하는 렌즈의 초점 위치에 배치되어 렌즈에 의해 집광된 광신호를 전송하는 수신용 광섬유; 상기 수신용 광섬유를 통해 전달된 광신호에서 데이터를 복원하여 출력하는 수광 모듈; 전송용 광신호 또는 탐지 광으로 사용되는 광신호를 출력시키는 광원 모듈; 일단이 상기 광원 모듈에 연결되어, 상기 광원 모듈로부터 출력된 광신호를 전송하는 송신용 광섬유; 상기 집광 모듈의 광축상에 위치하되 상기 집광 모듈과 송신용 광섬유의 단부의 사이에 위치하며, 송신용 광섬유의 단부로부터 출력된 광신호를 상기 집광 모듈로 반사하는 반사 거울; 및 상기 수광 모듈로부터 제공된 데이터를 처리하고, 상기 광원 모듈을 제어하여 광신호를 출력하도록 하는 제어부; 를 구비하여, 상기 반사 거울에 의해 반사된 광원 모듈의 광신호는 집광 모듈을 통해 사전 설정된 각도로 시준되어 출사되고, 집광 모듈로 입사된 광신호는 송신용 광섬유를 통해 수광 모듈로 제공된다. A monostatic bidirectional condensing and receiving optical system according to a second aspect of the present invention comprises: a condensing module having a condensing lens having a preset focal length or a condensing optical system composed of two or more lenses; A receiving optical fiber having one end disposed at a focal position of a lens constituting the light collecting module and transmitting an optical signal focused by the lens; A light receiving module for restoring data from an optical signal transmitted through the receiving optical fiber; A light source module for outputting an optical signal used as a transmission optical signal or detection light; A transmission optical fiber having one end connected to the light source module and transmitting an optical signal output from the light source module; A reflection mirror positioned on an optical axis of the condensing module, positioned between the condensing module and an end of the optical fiber for transmitting, and reflecting an optical signal output from an end of the optical fiber for transmission to the condensing module; And a controller configured to process data provided from the light receiving module and to control the light source module to output an optical signal. The optical signal of the light source module reflected by the reflection mirror is collimated and exited at a predetermined angle through the light collecting module, and the light signal incident to the light collecting module is provided to the light receiving module through the optical fiber for transmission.

본 발명의 제2 특징에 따른 모노스태틱 양방향 집광 및 수광 광학계에 있어서, 상기 광원 모듈은 광원 및 광원 구동장치로 구성되며, 상기 제어부는 광원 모듈의 광원 구동장치를 제어하여, 상기 광원 구동장치가 광원을 구동시켜, 상기 광원이 전송용 광신호 또는 탐지광으로 사용되는 광신호를 출력하도록 하는 것이 바람직하다. In the monostatic bidirectional condensing and receiving optical system according to the second aspect of the present invention, the light source module includes a light source and a light source driving device, and the control unit controls the light source driving device of the light source module so that the light source driving device is a light source. It is preferable to drive the light source so that the light source outputs an optical signal used as a transmission optical signal or a detection light.

본 발명의 제2 특징에 따른 모노스태틱 양방향 집광 및 수광 광학계에 있어서, 상기 집광 모듈을 구성하는 집광용 렌즈의 NA(Numerical Aperture)는 상기 광원의 NA 보다 크게 구성된 것이 바람직하다. In the monostatic bidirectional condensing and receiving optical system according to the second aspect of the present invention, it is preferable that the NA of the condensing lens constituting the condensing module is larger than the NA of the light source.

본 발명의 제1 및 제2 특징에 따른 모노스태틱 양방향 집광 및 수광 광학계에 있어서, 상기 반사 거울의 반사면은 반사 거울에 의해 반사된 상기 광신호의 중심축이 집광 모듈의 광축을 따라 진행하도록 배치되는 것이 바람직하다. In the monostatic bidirectional condensing and receiving optical system according to the first and second aspects of the present invention, the reflecting surface of the reflecting mirror is arranged such that the central axis of the optical signal reflected by the reflecting mirror travels along the optical axis of the condensing module. It is preferable to be.

본 발명에 따른 모노스태틱 양방향 집광 및 수광 광학계는 단일의 집광 모듈을 사용하여 광신호를 수신하거나 송신하도록 구성함으로써, 광학계의 구성이 간단해지고 무게가 가벼우며 장비의 전체 크기가 작아져 소형으로 구현할 수 있게 된다. 또한, 본 발명에 따른 모노스태틱 양방향 집광 및 수광 광학계는 광학계의 정렬(alignmnet)이 용이하며, 기존 장비에 비하여 구성 부품의 개수를 감소시킬 수 있게 되어 제작 단가를 낮출 수 있게 된다. The monostatic bidirectional condensing and receiving optical system according to the present invention is configured to receive or transmit an optical signal by using a single condensing module, so that the configuration of the optical system is simple, the weight is light, and the overall size of the equipment is small, so that it can be implemented in a small size. Will be. In addition, the mono-static bidirectional condensing and receiving optical system according to the present invention is easy to align the optical system (alignmnet), it is possible to reduce the number of components compared to the existing equipment it is possible to lower the manufacturing cost.

도 1은 일반적인 자유공간 광학을 이용하여 구현된 광통신 방식을 설명하기 위하여 도시한 모식도이다.
도 2는 종래의 기술에 따른 일반적인 자유공간 광통신 장치에 대한 사진이다.
도 3은 본 발명의 제1 실시예에 따른 모노스태틱 양방향 집광 및 수광 광학계를 도시한 구성도이다.
도 4는 본 발명의 제2 실시예에 따른 모노스태틱 양방향 집광 및 수광 광학계를 도시한 구성도이다.
도 5는 본 발명에 따른 모노스태틱 양방향 집광 및 수광 광학계를 이용하여 구현된 광통신을 설명하기 위하여 도시한 구성도이다. FIG. 1 is a schematic diagram illustrating an optical communication method implemented using general free space optics.
2 is a photograph of a general free space optical communication device according to the prior art.
3 is a block diagram illustrating a monostatic bidirectional condensing and receiving optical system according to a first embodiment of the present invention.
4 is a block diagram illustrating a monostatic bidirectional condensing and receiving optical system according to a second embodiment of the present invention.
5 is a configuration diagram illustrating an optical communication implemented using a monostatic bidirectional condensing and receiving optical system according to the present invention.

본 발명에 따른 모노스태틱 양방향 집광 및 수광 광학계는 광원 모듈와 수광 모듈이 단일의 집광 모듈을 사용하여 구현된 것을 특징으로 한다. The monostatic bidirectional condensing and receiving optical system according to the present invention is characterized in that the light source module and the light receiving module are implemented using a single condensing module.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들에 따른 모노스태틱 양방향 집광 및 수광 광학계의 구성 및 동작에 대하여 구체적으로 설명한다. Hereinafter, the configuration and operation of a monostatic bidirectional condensing and receiving optical system according to preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

< 제1 실시예 ><First Embodiment>

이하, 도 3을 참조하여 본 발명의 바람직한 제1 실시예에 따른 모노스태틱 양방향 집광 및 수광 광학계에 대하여 구체적으로 설명한다. Hereinafter, a monostatic bidirectional condensing and receiving optical system according to a first embodiment of the present invention will be described in detail with reference to FIG. 3.

도 3은 본 발명의 제1 실시예에 따른 모노스태틱 양방향 집광 및 수광 광학계를 도시한 구성도이다. 도 3을 참조하면, 본 실시예에 따른 모노스태틱 양방향 집광 및 수광 광학계(3)는, 집광 모듈(300), 수신용 광섬유(320), 송신용 광섬유(340), 반사 거울(360), 수광 모듈(372), 광원 모듈(374) 및 제어부(370)를 구비한다. 3 is a block diagram illustrating a monostatic bidirectional condensing and receiving optical system according to a first embodiment of the present invention. Referring to FIG. 3, the monostatic bidirectional condensing and receiving optical system 3 according to the present embodiment includes a condensing module 300, a receiving optical fiber 320, a transmitting optical fiber 340, a reflecting mirror 360, and a light receiving unit. The module 372, the light source module 374, and the controller 370 are provided.

상기 집광 모듈(300)는 도 3에 도시된 바와 같이 사전 설정된 초점 거리를 갖는 집광용 렌즈로 구성되거나 둘 이상의 렌즈들로 이루어진 집광용 광학계로 구성될 수 있다. 상기 집광 모듈은 집광 및 시준 겸용으로 사용되며, Fresnel 렌즈 등을 사용할 수 있다. 상기 집광 모듈을 구성하는 렌즈의 초점 거리 및 렌즈 크기는 상황에 따라 달리 설정될 수 있다. As shown in FIG. 3, the light collecting module 300 may be configured as a light collecting lens having a preset focal length or may be configured as a light collecting optical system including two or more lenses. The condensing module may be used for condensing and collimating, and a Fresnel lens may be used. The focal length and lens size of the lens constituting the light collecting module may be set differently according to circumstances.

상기 수신용 광섬유(320)의 일단은 상기 집광 모듈(300)을 구성하는 렌즈의 초점 위치에 배치되고 타단은 수광 모듈(372)의 입력단에 연결되어, 집광 모듈(300)에 의해 집광된 광신호를 수광 모듈(372)로 전달한다. One end of the receiving optical fiber 320 is disposed in the focal position of the lens constituting the light collecting module 300 and the other end is connected to the input terminal of the light receiving module 372, the optical signal collected by the light collecting module 300 Is transmitted to the light receiving module 372.

상기 수광 모듈(372)은 상기 수신용 광섬유(320)를 통해 전달된 광신호에서 데이터를 복원하여 상기 제어부로 제공한다. The light receiving module 372 restores data from the optical signal transmitted through the receiving optical fiber 320 and provides the data to the controller.

상기 송신용 광섬유(340)의 일단은 상기 광원 모듈의 광원에 연결되고 타단은 반사 거울의 반사면을 향하도록 배치되어, 상기 광원으로부터 출력된 광신호를 반사 거울로 전송하게 된다. One end of the transmission optical fiber 340 is connected to the light source of the light source module and the other end is disposed to face the reflection surface of the reflection mirror, thereby transmitting the optical signal output from the light source to the reflection mirror.

상기 광원 모듈(372)은 상기 송신용 광섬유(340)의 일단과 연결된 광원, 및 상기 광원을 구동시키기 위한 광원 구동장치로 구성된다. 상기 광원 구동장치는 상기 제어부의 제어에 따라 상기 광원을 구동시키게 되며, 일반적으로 통신 파장이 1550nm 인 광원을 사용하는 것이 바람직하다. The light source module 372 includes a light source connected to one end of the optical fiber 340 for transmitting, and a light source driving device for driving the light source. The light source driving device drives the light source under the control of the controller, and in general, it is preferable to use a light source having a communication wavelength of 1550 nm.

상기 반사 거울(360)은 상기 집광 모듈을 구성하는 렌즈의 광축상에 위치하되 상기 집광 모듈과 송신용 광섬유(340)의 일단의 사이에 위치하며, 송신용 광섬유로부터 출력된 송신용 광신호를 상기 집광 모듈(300)로 반사한다. 상기 반사 거울은 반사 거울에 의해 반사된 광신호의 중심축이 집광 모듈의 광축을 따라 진행하도록 배치되는 것이 바람직하다. 따라서, 상기 반사 거울에 의해 반사된 광신호는 집광 모듈을 통해 사전 설정된 각도로 시준되어 자유 공간으로 출사된다. The reflection mirror 360 is located on the optical axis of the lens constituting the light collecting module, and is located between the light collecting module and one end of the optical fiber 340 for transmission, and transmits the optical signal for transmission output from the optical fiber for transmission. Reflected to the light collecting module 300. The reflection mirror is preferably arranged such that the central axis of the optical signal reflected by the reflection mirror travels along the optical axis of the light converging module. Therefore, the optical signal reflected by the reflecting mirror is collimated at a predetermined angle through the condensing module and emitted to the free space.

상기 제어부(370)는 상기 수광 모듈에서 수신된 데이터를 처리하고, 전송하고자 하는 데이터에 따라 상기 광원 모듈의 광원 구동장치를 제어하여 광원을 구동시킴으로써, 광원이 전송용 광신호 또는 탐지광을 출력하도록 한다. The control unit 370 processes the data received from the light receiving module and drives the light source by controlling the light source driving device of the light source module according to the data to be transmitted, so that the light source outputs the transmission optical signal or the detection light. do.

전술한 바와 같이 본 실시예에 따른 모노스태틱 양방향 집광 및 수광 광학계는 광섬유를 이용하여 구성함으로써, 광학부와 제어부를 분리하여 구성하여 설치할 수 있게 되는 장점이 있다. As described above, the monostatic bidirectional condensing and receiving optical system according to the present embodiment has an advantage that the optical unit and the control unit can be separately installed and installed by using an optical fiber.

< 제2 실시예 > Second Embodiment

이하, 도 4를 참조하여 본 발명의 제2 실시예에 따른 모노스태틱 양방향 집광 및 수광 광학계에 대하여 구체적으로 설명한다. Hereinafter, a monostatic bidirectional condensing and receiving optical system according to a second embodiment of the present invention will be described in detail with reference to FIG. 4.

도 4는 본 발명의 제2 실시예에 따른 모노스태틱 양방향 집광 및 수광 광학계를 도시한 구성도이다. 도 4를 참조하면, 본 실시예에 따른 모노스태틱 양방향 집광 및 수광 광학계(4)는, 집광 모듈(400), 수광 모듈(410), 광원 모듈(430), 반사 거울(460) 및 제어부(470)를 구비한다. 4 is a block diagram illustrating a monostatic bidirectional condensing and receiving optical system according to a second embodiment of the present invention. Referring to FIG. 4, the monostatic bidirectional condensing and receiving optical system 4 according to the present embodiment includes a condensing module 400, a light receiving module 410, a light source module 430, a reflection mirror 460, and a controller 470. ).

상기 집광 모듈(400)은 사전 설정된 초점 거리를 갖는 집광용 렌즈로 구성되거나 둘 이상의 렌즈로 이루어진 집광용 광학계로 구성되어 집광 및 시준 겸용으로 사용되며, Fresnel 렌즈 등을 사용할 수 있다. 상기 집광 모듈의 초점 거리 및 렌즈 크기는 상황에 따라 달리 설정될 수 있다. The condensing module 400 may be composed of a condensing lens having a preset focal length or a condensing optical system composed of two or more lenses, and may be used for condensing and collimating, and a Fresnel lens may be used. The focal length and lens size of the light collecting module may be set differently according to circumstances.

상기 수광 모듈(410)은 상기 집광 모듈의 초점 위치에 배치되어 집광 모듈에 의해 집광된 광신호를 데이터로 복원시켜 출력한다. 상기 수광 모듈(410)은 광검출기(photodetector) 및 클럭/데이터(Clock/Data) 복원장치로 구성된다. The light receiving module 410 is disposed at the focal point of the light collecting module and restores the light signal collected by the light collecting module to data. The light receiving module 410 is composed of a photodetector and a clock / data recovery device.

상기 광원 모듈(430)은 광원 및 광원 구동장치로 구성된다. 상기 광원은 전송용 광신호 또는 탐지광을 제공하게 되는데, 상기 제어부의 송신 모듈의 제어에 따라 송신 신호에 대응되는 전송용 광신호 또는 탐지광을 출력하며, 일반적으로 통신 파장이 1550nm 인 광원을 사용하는 것이 바람직하다. 상기 광원의 출력면은 상기 반사 거울의 반사면을 향하도록 배치되어, 전송용 광신호 또는 탐지광을 반사 거울로 출력한다. 상기 광원은 레이저 다이오드(LASER Diode)로 구성될 수 있다. The light source module 430 includes a light source and a light source driving device. The light source provides a transmission optical signal or detection light, and outputs a transmission optical signal or detection light corresponding to the transmission signal under the control of the transmission module of the controller, and generally uses a light source having a communication wavelength of 1550 nm. It is desirable to. The output surface of the light source is disposed to face the reflection surface of the reflection mirror, and outputs a transmission optical signal or detection light to the reflection mirror. The light source may be composed of a laser diode.

상기 반사 거울(460)은 상기 집광 모듈의 광축상에 위치하되 상기 집광 모듈과 광원의 사이에 위치하며, 반사 거울에 의해 반사된 광신호의 중심축이 집광 모듈의 광축을 따라 진행하도록 배치되는 것이 바람직하다. 따라서, 상기 반사 거울에 의해 반사된 광신호는 집광 모듈을 통해 사전 설정된 각도로 시준되어 출사되도록 한다. The reflection mirror 460 is positioned on the optical axis of the light converging module, and is located between the light concentrating module and the light source, and the central axis of the optical signal reflected by the reflection mirror is arranged to travel along the optical axis of the light converging module. desirable. Therefore, the optical signal reflected by the reflecting mirror is collimated at a predetermined angle through the light collecting module to be emitted.

상기 제어부(470)는 수신 모듈 및 송신 모듈을 구비하며, 상기 수신 모듈은 상기 수광 모듈로부터 수신된 데이터를 처리하고, 송신 모듈은 상기 광원 모듈의 광원 구동장치를 제어하여 광원으로 하여금 전송용 광신호 또는 탐지광을 출력하도록 한다. The control unit 470 includes a receiving module and a transmitting module, the receiving module processes data received from the light receiving module, and the transmitting module controls a light source driving device of the light source module to cause the light source to transmit an optical signal for transmission. Or output the detection light.

이하, 도 5를 참조하여 본 발명에 따른 모노스태틱 양방향 집광 및 수광 광학계들을 이용한 자유공간 광학 통신 시스템을 설명한다. 도 5는 본 발명에 따른 모노스태틱 양방향 집광 및 수광 광학계를 이용하여 구현된 광통신을 설명하기 위하여 도시한 구성도이다. Hereinafter, a free space optical communication system using monostatic bidirectional condensing and receiving optical systems according to the present invention will be described with reference to FIG. 5. 5 is a configuration diagram illustrating an optical communication implemented using a monostatic bidirectional condensing and receiving optical system according to the present invention.

도 5를 참조하면, 본 발명에 따른 제1 및 제2 모노스태틱 양방향 집광 및 수광 광학계들의 집광 모듈들이 서로 마주보도록 배치하여 시스템을 설치하게 된다. 제1 모노스태틱 양방향 집광 및 수광 광학계(50)가 광신호를 집광 모듈을 통해 사전 설정된 각도로 시준하여 출사하며, 제2 모노스태틱 양방향 집광 및 수광 광학계(52)는 집광 모듈을 이용하여 광신호를 수신한다. 또한, 제2 모노스태틱 양방향 집광 및 수광 광학계(52)가 광신호를 집광 모듈을 통해 사전 설정된 각도로 시준하여 출사하면, 제1 모노스태틱 양방향 집광 및 수광 광학계(50)가 집광 모듈을 통해 광신호를 수신한다. Referring to FIG. 5, the light collecting modules of the first and second monostatic bidirectional condensing and receiving optical systems according to the present invention are disposed to face each other to install a system. The first monostatic bidirectional condensing and receiving optical system 50 outputs the optical signal by collimating the optical signal at a predetermined angle through the condensing module, and the second monostatic bidirectional condensing and receiving optical system 52 receives the optical signal using the condensing module. Receive. In addition, when the second monostatic bidirectional condensing and receiving optical system 52 collimates and emits an optical signal at a predetermined angle through the condensing module, the first monostatic bidirectional condensing and receiving optical system 50 receives the optical signal through the condensing module. Receive

이 경우, 제1 및 제2 모노스태틱 양방향 집광 및 수광 광학계들의 이격 거리가 상당히 먼 거리이므로, 송신하고자 하는 광신호가 평행빔으로 출사되더라도 수신될 때에는 어느 정도 확산됨에 따라 집광 모듈을 구성하는 렌즈의 전체 면적으로 입사될 수 있게 된다. In this case, since the separation distances of the first and second monostatic bidirectional condensing and receiving optical systems are considerably far apart, even when the optical signal to be transmitted is emitted in a parallel beam, it is diffused to some extent so that the entire lens of the condensing module is configured. It can be incident on an area.

이상에서 본 발명에 대하여 그 바람직한 실시예를 중심으로 설명하였으나, 이는 단지 예시일 뿐 본 발명을 한정하는 것이 아니며, 본 발명이 속하는 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성을 벗어나지 않는 범위에서 이상에 예시되지 않은 여러 가지의 변형과 응용이 가능함을 알 수 있을 것이다. 그리고, 이러한 변형과 응용에 관계된 차이점들은 첨부된 청구 범위에서 규정하는 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다. Although the present invention has been described above with reference to preferred embodiments thereof, this is merely an example and is not intended to limit the present invention, and those skilled in the art do not depart from the essential characteristics of the present invention. It will be appreciated that various modifications and applications which are not illustrated above in the scope are possible. And differences relating to such modifications and applications should be construed as being included in the scope of the invention as defined in the appended claims.

본 발명에 따른 모노스태틱 양방향 집광 및 수광 광학계는 자유공간 광통신 시스템, 대상물의 진동을 측정하는 vibrometer 등 널리 사용될 수 있다. Monostatic bidirectional condensing and receiving optical system according to the present invention can be widely used, such as a free space optical communication system, a vibrometer for measuring the vibration of the object.

3, 4 : 모노스태틱 양방향 집광 및 수광 광학계
300, 400 : 집광 모듈
320 : 수신용 광섬유
340 : 송신용 광섬유
360, 460 : 반사 거울
370, 470 : 제어부
372, 410 : 수광 모듈
374, 430 : 광원 모듈3, 4: monostatic bidirectional condensing and receiving optical system
300, 400: condensing module
320: receiving optical fiber
340: optical fiber for transmission
360, 460: Reflective Mirror
370, 470: control unit
372, 410: light receiving module
374, 430: light source module

Claims (7)

사전 설정된 초점 거리를 갖는 집광용 렌즈 또는 두 개 이상의 렌즈로 구성된 집광 광학계를 구비하는 집광 모듈;
상기 집광 모듈의 광축 상에 배치되어 집광 모듈에 의해 수신된 광신호를 처리하여 전기신호로 출력시키는 수광 모듈;
전송용 광신호 또는 탐지 광으로 사용되는 광신호를 출력시키는 광원 모듈;
상기 집광 모듈의 광축상에 위치하되 상기 집광 모듈과 광원 모듈의 사이에 위치하며, 광원 모듈로부터 출력된 광신호를 상기 집광 모듈로 반사시키는 반사 거울; 및
상기 수광 모듈에서 출력된 전기 신호로부터 데이터를 검출하여 처리하고, 상기 광원 모듈을 제어하여 광신호를 출력하도록 하는 제어부;
를 구비하여, 상기 반사 거울에 의해 반사된 광신호는 집광 모듈을 통해 사전 설정된 각도로 시준되어 출사되고, 집광 모듈로 입사된 광신호는 수광 모듈로 제공되는 것을 특징으로 하는 자유 공간 광통신을 위한 모노스태틱 양방향 집광 및 수광 광학계.A light collecting module having a light collecting lens having a preset focal length or a light collecting optical system composed of two or more lenses;
A light receiving module disposed on an optical axis of the light collecting module and processing an optical signal received by the light collecting module to output an electric signal;
A light source module for outputting an optical signal used as a transmission optical signal or detection light;
A reflecting mirror positioned on an optical axis of the light collecting module and positioned between the light collecting module and the light source module and reflecting an optical signal output from the light source module to the light collecting module; And
A controller for detecting and processing data from the electrical signal output from the light receiving module, and controlling the light source module to output an optical signal;
The optical signal reflected by the reflection mirror is collimated and exited at a predetermined angle through the light converging module, and the light signal incident to the light condensing module is provided to the light receiving module. Static bidirectional condensing and receiving optics. 제1항에 있어서, 상기 수광 모듈은 광검출기 및 클락/데이터(clock and data) 복원 장치로 구성된 것을 특징으로 하는 자유 공간 광통신을 위한 모노스태틱 양방향 집광 및 수광 광학계. 2. The monostatic bidirectional condensing and receiving optical system of claim 1, wherein the light receiving module comprises a photodetector and a clock and data recovery device. 제1항에 있어서, 상기 광원 모듈은 광원 및 광원 구동장치로 구성되며,
상기 제어부는 광원 모듈의 광원 구동장치를 제어하여, 상기 광원 구동장치가 광원을 구동시켜, 상기 광원이 전송용 광신호 또는 탐지광으로 사용되는 광신호를 출력하도록 하는 것을 특징으로 하는 자유 공간 광통신을 위한 모노스태틱 양방향 집광 및 수광 광학계. According to claim 1, wherein the light source module is composed of a light source and a light source driving device,
The control unit controls the light source driving device of the light source module so that the light source driving device drives the light source so that the light source outputs an optical signal used as a transmission optical signal or a detection light. Monostatic bidirectional condensing and receiving optics. 사전 설정된 초점 거리를 갖는 집광용 렌즈 또는 두 개 이상의 렌즈로 구성된 집광 광학계를 구비하는 집광 모듈;
일단이 상기 집광 모듈을 구성하는 렌즈의 초점 위치에 배치되어 렌즈에 의해 집광된 광신호를 전송하는 수신용 광섬유;
상기 수신용 광섬유를 통해 전달된 광신호에서 데이터를 복원하여 출력하는 수광 모듈;
전송용 광신호 또는 탐지 광으로 사용되는 광신호를 출력시키는 광원 모듈;
일단이 상기 광원 모듈에 연결되어, 상기 광원 모듈로부터 출력된 광신호를 전송하는 송신용 광섬유;
상기 집광 모듈의 광축상에 위치하되 상기 집광 모듈과 송신용 광섬유의 단부의 사이에 위치하며, 송신용 광섬유의 단부로부터 출력된 광신호를 상기 집광 모듈로 반사하는 반사 거울; 및
상기 수광 모듈로부터 제공된 데이터를 처리하고, 상기 광원 모듈을 제어하여 광신호를 출력하도록 하는 제어부;
를 구비하여, 상기 반사 거울에 의해 반사된 광원 모듈의 광신호는 집광 모듈을 통해 사전 설정된 각도로 시준되어 출사되고, 집광 모듈로 입사된 광신호는 송신용 광섬유를 통해 수광 모듈로 제공되는 것을 특징으로 하는 자유 공간 광통신을 위한 모노스태틱 양방향 집광 및 수광 광학계.A light collecting module having a light collecting lens having a preset focal length or a light collecting optical system composed of two or more lenses;
A receiving optical fiber having one end disposed at a focal position of a lens constituting the light collecting module and transmitting an optical signal focused by the lens;
A light receiving module for restoring data from an optical signal transmitted through the receiving optical fiber;
A light source module for outputting an optical signal used as a transmission optical signal or detection light;
A transmission optical fiber having one end connected to the light source module and transmitting an optical signal output from the light source module;
A reflection mirror positioned on an optical axis of the condensing module, positioned between the condensing module and an end of the optical fiber for transmitting, and reflecting an optical signal output from an end of the optical fiber for transmission to the condensing module; And
A controller for processing data provided from the light receiving module and controlling the light source module to output an optical signal;
The optical signal of the light source module reflected by the reflective mirror is collimated and exited at a predetermined angle through the light collecting module, and the light signal incident to the light collecting module is provided to the light receiving module through the optical fiber for transmission. Monostatic bidirectional condensing and receiving optical system for free space optical communication. 제4항에 있어서, 상기 광원 모듈은 광원 및 광원 구동장치로 구성되며,
상기 제어부는 광원 모듈의 광원 구동장치를 제어하여, 상기 광원 구동장치가 광원을 구동시켜, 상기 광원이 전송용 광신호 또는 탐지광으로 사용되는 광신호를 출력하도록 하는 것을 특징으로 하는 자유 공간 광통신을 위한 모노스태틱 양방향 집광 및 수광 광학계. According to claim 4, The light source module is composed of a light source and a light source driving device,
The control unit controls the light source driving device of the light source module so that the light source driving device drives the light source so that the light source outputs an optical signal used as a transmission optical signal or a detection light. Monostatic bidirectional condensing and receiving optics. 제5항에 있어서, 상기 집광 모듈을 구성하는 집광용 렌즈의 NA(Numerical Aperture)는 상기 광원의 NA 보다 크게 구성된 것을 특징으로 하는 자유 공간 광통신을 위한 모노스태틱 양방향 집광 및 수광 광학계.The monostatic bidirectional condensing and receiving optical system for free space optical communication of claim 5, wherein the NA (Numerical Aperture) of the light collecting lens constituting the light collecting module is larger than the NA of the light source. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 반사 거울의 반사면은 반사 거울에 의해 반사된 상기 광신호의 중심축이 집광 모듈의 광축을 따라 진행하도록 배치되는 것을 특징으로 하는 자유 공간 광통신을 위한 모노스태틱 양방향 집광 및 수광 광학계.The free space according to any one of claims 1 to 6, wherein the reflecting surface of the reflecting mirror is arranged such that the central axis of the optical signal reflected by the reflecting mirror travels along the optical axis of the condensing module. Monostatic bidirectional condensing and receiving optics for optical communication.
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