KR102092827B1 - 투사각에 따른 에너지 밀도가 조정된 레이저 발광 장치 및 에너지 밀도 조정 렌즈 - Google Patents

투사각에 따른 에너지 밀도가 조정된 레이저 발광 장치 및 에너지 밀도 조정 렌즈 Download PDF

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송병호
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Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 발광 장치는 평행하게 나아가는 레이저 빔을 투사하는 레이저 모듈, 레이저 빔이 광축과 평행하게 입사되면 광축의 일 지점으로부터 제1 각도 범위 내의 방향으로 레이저 빔을 굴절시킨 제1 확산광을 투사하는 제1 확산 렌즈 및 제1 확산광이 입사되면 광축의 일 지점으로부터 제2 각도 범위 내의 방향으로 제1 확산광을 굴절시킨 제2 확산광을 투사하는 제2 확산 렌즈를 포함하고, 제2 확산 렌즈는 제2 확산광이 광축에 대해 갖는 각도에 따라 기 설정된 에너지 밀도를 갖도록 투사할 수 있다.

Description

투사각에 따른 에너지 밀도가 조정된 레이저 발광 장치 및 에너지 밀도 조정 렌즈{APPARATUS FOR EMITTING LASER WHOSE ENERGY DENSITY IS ADJUSTED ACCORDING TO PROJECTION ANGLE AND LENS FOR CONTROLING ENERGY DENSITY}
본 발명은 투사각에 따른 에너지 밀도가 조정된 레이저 발광 장치 및 에너지 밀도 조정 렌즈에 관한 것으로서, 렌즈로부터 투사되는 레이저가 투사각에 따라 기 설정된 에너지 밀도를 갖도록 하는 렌즈를 설계하는 기술에 관한 것이다.
라이다는 레이저 빔을 이용해 거리를 측정하는 센서로서, 주변 환경의 인식과 장애물의 위치를 측정할 수 있게 한다. 이에 따라, 라이다는 지능형 이동 로봇, 드론, 무인자동차 등 다양한 분야에서 거리 감지 기능을 구현하기 위해 활발하게 사용되고 있다.
라이다의 측정 방식 중에는 포인트 레이저를 굴절시켜 라인 레이저를 생성하여, 광원부를 통해 라인 레이저를 방사하고 라인 레이저가 목표지점에 도달 후 반사되어 검출부에 도달하는데 걸리는 시간을 측정하여 거리를 계산하는 방식(TOF, Time Of Flight), 또는 광원부와 검출부의 거리 차이와 시차를 이용하여 삼각 측량법으로 레이저의 도달 거리를 계산하는 방식(Triangulation) 등이 있다.
한편, 기존의 라인 레이저 기반의 라이다에 대한 개발은 주로 소형화와 투사각을 넓히는 방안에 대하여 집중되었으나, ROI(region of interest)를 고려하여 투사각 마다 의도된 에너지 밀도를 갖는 레이저를 출력하는 방안에 대한 연구는 미미한 상황이다.
특히, 타겟 지점에 도달한 레이저를 센싱하는 라이다의 검출부는 일반적으로 광각 렌즈를 사용하기 때문에 감지된 화면의 가장자리가 어둡게 감지되는 비네팅(vignetting) 현상이 존재하며, 광원부와 검출부의 위치 차이에 따라 레이저가 검출부에 입사되는 입사각(Angle of incident)이 발생하여 밴드 패스 필터(bandpass filter)의 파장 이동(wavelength shift)으로 인한 광량 저하가 발생할 수 있다.
이러한 이유로, 위 문제를 해결하고 라이다의 사용 목적에 따른 ROI(region of interest)를 고려하여 투사각에 따라 설계자가 의도한 에너지 밀도를 갖는 레이저를 투사시킬 수 있는 기술이 요구된다.
한국 공개특허공보 제10-2015-0047215호: 회전형 라이다 센서를 이용한 타겟 차량 감지 장치 및 회전형 라이다 센서
상술한 기존 라이다가 내포하는 문제를 해결하기 위해, 본 발명의 실시예들은 렌즈로부터 레이저가 투사되는 각도에 따라 에너지 밀도를 조정할 수 있는 기술을 제시하는 것이다.
이를 위해, 본 발명의 실시예들은 렌즈로부터 레이저가 투사되는 각도에 따라 소정의 에너지 밀도를 갖도록 설계되는 렌즈와 이를 포함하는 레이저 발광 장치의 구성 및 설계 방법을 제시함으로써, 라이다에서 방출되는 레이저의 에너지 밀도가 설계자가 의도한 크기를 갖도록 한다. 가령, 투사각에 따른 에너지 밀도가 투사각이 변수가 되는 n차 다항식의 값을 갖도록 하는 경우, 본 발명의 실시예에 제시된 방법에 기초하여 렌즈의 입사면 및 투사면을 설계함으로써, 레이저의 투사각에 따라 기 설정된 에너지 밀도를 갖도록 렌즈를 형성할 수 있다.
다만, 본 발명의 실시예가 이루고자 하는 기술적 과제는 이상에서 언급한 과제로 제한되지 않으며, 이하에서 설명할 내용으로부터 통상의 기술자에게 자명한 범위 내에서 다양한 기술적 과제가 도출될 수 있다.
일 실시예에 따른 라이다용 레이저 발광 장치는 평행하게 나아가는 레이저 빔을 투사하는 레이저 모듈, 상기 레이저 빔이 광축과 평행하게 입사되면 상기 광축의 일 지점으로부터 제1 각도 범위 내의 방향으로 상기 레이저 빔을 굴절시킨 제1 확산광을 투사하는 제1 확산 렌즈 및 상기 제1 확산광이 입사되면 상기 광축의 일 지점으로부터 제2 각도 범위 내의 방향으로 상기 제1 확산광을 굴절시킨 제2 확산광을 투사하는 제2 확산 렌즈를 포함하고, 상기 제2 확산 렌즈는 상기 제2 확산광이 상기 광축에 대해 갖는 각도에 따라 기 설정된 에너지 밀도를 갖도록 투사할 수 있다.
또한, 상기 제2 확산 렌즈는 상기 제2 확산광이 상기 광축에 대해 소정의 각도를 갖고 상기 제2 확산 렌즈로부터 투사될 때 에너지 밀도가 변화하는 정도를 기초로, 상기 제2 확산광의 에너지 밀도가 기 설정된 에너지 밀도를 갖도록 상기 광축에 대한 상기 제2 확산 렌즈의 입사면의 각도 및 상기 광축에 대한 상기 제2 확산 렌즈의 투사면의 각도가 형성될 수 있다.
또한, 상기 제2 확산 렌즈는,
[수학식 1]
Figure 112019070439782-pat00001
(
Figure 112019070439782-pat00002
는 광축의 일 지점에서
Figure 112019070439782-pat00003
각도로 제2 확산 렌즈로 나아가는 제1 확산광(
Figure 112019070439782-pat00004
)의 에너지 밀도,
Figure 112019070439782-pat00005
는 제1 확산광(
Figure 112019070439782-pat00006
)이 제2 확산 렌즈 내부를 지나며 굴절되어 광축의 일 지점에서
Figure 112019070439782-pat00007
각도로 나아가는 내부광(
Figure 112019070439782-pat00008
)의 에너지 밀도,
Figure 112019070439782-pat00009
는 내부광(
Figure 112019070439782-pat00010
)이 제2 확산 렌즈 내부에서 투사되며 광축의 일 지점에서
Figure 112019070439782-pat00011
각도로 나아가는 제2 확산광(
Figure 112019070439782-pat00012
)의 에너지 밀도,
Figure 112019070439782-pat00013
는 상기
Figure 112019070439782-pat00014
의 확산 각도,
Figure 112019070439782-pat00015
는 상기
Figure 112019070439782-pat00016
의 확산 각도,
Figure 112019070439782-pat00017
은
Figure 112019070439782-pat00018
의 확산 각도) 상기 제1 확산광이 상기 제2 확산 렌즈에 입사되어 투과되기까지 상기 제2 확산 렌즈의 굴절률에 의해 에너지 밀도가 변화하는 정도인 상기 수학식 1을 기초로 상기 소정의 각도가
Figure 112019070439782-pat00019
인 경우, 상기 제2 확산광의 에너지 밀도가 상기
Figure 112019070439782-pat00020
의 값을 갖도록, 상기
Figure 112019070439782-pat00021
각도에서 측정된
Figure 112019070439782-pat00022
의 에너지 밀도에 따라 상기 광축에 대한 상기 제2 확산 렌즈의 입사면의 각도 및 상기 광축에 대한 상기 제2 확산 렌즈의 투사면의 각도가 형성될 수 있다.
또한, 상기 제2 확산 렌즈는 상기 제1 확산광이 상기 제2 확산 렌즈에 통과할 때 에너지 밀도가 변화하는 정도인 아래 수학식 2를 통해 상기 제2 확산광의 에너지 밀도(
Figure 112019070439782-pat00023
)가 일정하도록 하는
Figure 112019070439782-pat00024
,
Figure 112019070439782-pat00025
,
Figure 112019070439782-pat00026
의 관계가 구해지고, 상기
Figure 112019070439782-pat00027
,
Figure 112019070439782-pat00028
,
Figure 112019070439782-pat00029
의 관계 및 상기 제2 확산 렌즈로의 입사각과 투사각과의 관계를 나타내는 아래 수학식 3을 기초로 상기 광축에 대한 상기 제2 확산 렌즈의 입사면의 법선의 각도가
Figure 112019070439782-pat00030
이고, 상기 광축에 대한 상기 제2 확산 렌즈의 투사면의 법선의 각도가
Figure 112019070439782-pat00031
를 갖도록 형성될 수 있다.
[수학식 2]
Figure 112019070439782-pat00032
Figure 112019070439782-pat00033
(
Figure 112019070439782-pat00034
는 광축의 일 지점에서
Figure 112019070439782-pat00035
각도로 제2 확산 렌즈로 나아가는 제1 확산광(
Figure 112019070439782-pat00036
)의 에너지 밀도,
Figure 112019070439782-pat00037
는 제1 확산광(
Figure 112019070439782-pat00038
)이 제2 확산 렌즈 내부를 지나며 굴절되어 광축의 일 지점에서
Figure 112019070439782-pat00039
각도로 나아가는 내부광(
Figure 112019070439782-pat00040
)의 에너지 밀도,
Figure 112019070439782-pat00041
는 내부광(
Figure 112019070439782-pat00042
)이 제2 확산 렌즈 내부에서 투사되며 광축의 일 지점에서
Figure 112019070439782-pat00043
각도로 나아가는 제2 확산광(
Figure 112019070439782-pat00044
)의 에너지 밀도,
Figure 112019070439782-pat00045
는 상기
Figure 112019070439782-pat00046
의 확산 각도,
Figure 112019070439782-pat00047
는 상기
Figure 112019070439782-pat00048
의 확산 각도,
Figure 112019070439782-pat00049
은
Figure 112019070439782-pat00050
의 확산 각도)
[수학식 3]
Figure 112019070439782-pat00051
Figure 112019070439782-pat00052
(
Figure 112019070439782-pat00053
은 제2 확산 렌즈 외부의 굴절률,
Figure 112019070439782-pat00054
는 제2 확산 렌즈 내부의 굴절률)
또한, 상기 제2 확산 렌즈는 상기 광축으로 빛이 입사하는 방향을 향해 오목하게 형성된 입사면, 상기 광축으로 빛이 투사되는 방향을 향해 볼록하게 형성된 투사면 및 상기 입사면과 상기 투사면을 연결하는 연결면을 포함하여, 상기 제1 확산광이 상기 입사면에 입사되면 상기 투사면에서 상기 광축의 일 지점으로부터 제2 각도 범위 내의 "?袖* 향하는 제2 확산광을 투사하고, 상기 제2 각도 범위는 상기 제1 각도 범위 보다 넓을 수 있다.
일 실시예에 따른 에너지 밀도 조정 렌즈는 레이저가 입사되는 입사면, 레이저가 투사되는 투사면 및 상기 입사면과 상기 투사면을 연결하는 연결면을 포함하고, 상기 에너지 밀도 조정 렌즈는 레이저가 상기 입사면에 입사되어 상기 투사면으로부터 투사되는 경우, 상기 투사되는 레이저가 광축에 대해 갖는 각도에 따라 기 설정된 에너지 밀도를 갖도록 상기 광축에 대한 입사면의 각도 및 상기 광축에 대한 투사면의 각도가 형성될 수 있다.
또한, 상기 에너지 밀도 조정 렌즈는 광축에 대해 소정의 각도를 갖고 상기 투사면으로부터 투사되는 레이저가 상기 에너지 밀도 조정 렌즈를 통과할 때 에너지 밀도가 변화하는 정도를 기초로, 상기 투사면에서 투사되는 투사 레이저가 기 설정된 에너지 밀도를 갖도록 상기 광축에 대한 입사면의 각도 및 상기 광축에 대한 상기 투사면의 각도가 형성될 수 있다.
또한, 상기 에너지 밀도 조정 렌즈는,
[수학식 1]
Figure 112019070439782-pat00055
(
Figure 112019070439782-pat00056
는 광축의 일 지점에서
Figure 112019070439782-pat00057
각도로 렌즈를 향해 나아가는 레이저(
Figure 112019070439782-pat00058
)의 에너지 밀도,
Figure 112019070439782-pat00059
는 레이저(
Figure 112019070439782-pat00060
)가 렌즈 내부를 지나며 굴절되어 광축의 일 지점에서
Figure 112019070439782-pat00061
각도로 나아가는 레이저(
Figure 112019070439782-pat00062
)의 에너지 밀도,
Figure 112019070439782-pat00063
는 레이저(
Figure 112019070439782-pat00064
)가 렌즈 내부에서 투사되며 광축의 일 지점에서
Figure 112019070439782-pat00065
각도로 나아가는 레이저(
Figure 112019070439782-pat00066
)의 에너지 밀도,
Figure 112019070439782-pat00067
는 레이저(
Figure 112019070439782-pat00068
)의 확산 각도,
Figure 112019070439782-pat00069
는 레이저(
Figure 112019070439782-pat00070
)의 확산 각도,
Figure 112019070439782-pat00071
은 레이저(
Figure 112019070439782-pat00072
)의 확산 각도) 상기 레이저가 상기 입사면에 입사하여 상기 투사면을 투과하기까지 굴절에 의해 에너지 밀도가 변화하는 정도를 나타내는 상기 수학식 1을 기초로, 상기 소정의 각도가
Figure 112019070439782-pat00073
인 경우, 상기 투사되는 레이저(
Figure 112019070439782-pat00074
)의 에너지 밀도가 상기
Figure 112019070439782-pat00075
의 값을 갖도록, 상기
Figure 112019070439782-pat00076
각도에서 측정된
Figure 112019070439782-pat00077
의 에너지 밀도에 따라 상기 광축에 대한 상기 입사면의 각도 및 상기 광축에 대한 상기 투사면의 각도가 형성될 수 있다.
또한, 상기 에너지 밀도 조정 렌즈는 상기 레이저가 상기 입사면 및 상기 투사면을 통과할 때 에너지 밀도가 변화하는 정도인 아래 수학식 2를 통해 상기 투사면을 통해 투사되는 레이저의 에너지 밀도(
Figure 112019070439782-pat00078
)가 일정하도록 하는
Figure 112019070439782-pat00079
,
Figure 112019070439782-pat00080
,
Figure 112019070439782-pat00081
의 관계가 구해지고, 상기
Figure 112019070439782-pat00082
,
Figure 112019070439782-pat00083
,
Figure 112019070439782-pat00084
의 관계 및 상기 렌즈로의 입사각과 투사각과의 관계를 나타내는 아래 수학식 3을 기초로 상기 입사면의 각도가
Figure 112019070439782-pat00085
이고, 상기 투사면의 각도가
Figure 112019070439782-pat00086
를 갖도록 형성될 수 있다.
[수학식 2]
Figure 112019070439782-pat00087
Figure 112019070439782-pat00088
(
Figure 112019070439782-pat00089
는 광축의 일 지점에서
Figure 112019070439782-pat00090
각도로 렌즈를 향해 나아가는 레이저(
Figure 112019070439782-pat00091
)의 에너지 밀도,
Figure 112019070439782-pat00092
는 레이저(
Figure 112019070439782-pat00093
)가 렌즈 내부를 지나며 굴절되어 광축의 일 지점에서
Figure 112019070439782-pat00094
각도로 나아가는 레이저(
Figure 112019070439782-pat00095
)의 에너지 밀도,
Figure 112019070439782-pat00096
는 레이저(
Figure 112019070439782-pat00097
)가 렌즈 내부에서 투사되며 광축의 일 지점에서
Figure 112019070439782-pat00098
각도로 나아가는 레이저(
Figure 112019070439782-pat00099
)의 에너지 밀도,
Figure 112019070439782-pat00100
는 레이저(
Figure 112019070439782-pat00101
)의 확산 각도,
Figure 112019070439782-pat00102
는 레이저(
Figure 112019070439782-pat00103
)의 확산 각도,
Figure 112019070439782-pat00104
은 레이저(
Figure 112019070439782-pat00105
)의 확산 각도)
[수학식 3]
Figure 112019070439782-pat00106
Figure 112019070439782-pat00107
(
Figure 112019070439782-pat00108
은 공기의 굴절률,
Figure 112019070439782-pat00109
는 제2 확산 렌즈의 굴절률)
또한, 상기 입사면은 상기 광축 상에서 레이저가 진행하는 방향을 향해 오목하게 형성되고, 상기 투사면은 상기 광축 상에서 레이저가 진행하는 방향을 향해 볼록하게 형성될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 발광 장치의 구성도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 제2 확산 렌즈에 대한 입사광과 투사광의 경로를 도시한 예시도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 제2 확산 렌즈에서 레이저 빔이 입사하고 투사됨에 따라 레이저 빔의 에너지 밀도가 변화하는 모습을 설명하기 위한 예시도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 제2 확산 렌즈에서 광축에 대한 입사면의 각도와 광축에 대한 투사면의 각도를 설명하기 위한 예시도이다.
도 5는 3차원 공간 인식을 위해 멀티 채널을 이용하는 경우, 복수의 레이저 빔이 일정 간격의 각도를 가진 채 투사되는 것을 설명하기 위한 예시도이다.
도 6은 3차원 공간 인식을 위해 멀티 채널을 이용하여 복수의 레이저 빔을 발생시키는 경우, 왜곡을 발생시키지 않으면서 넓은 공간을 인식하게 하는 일 실시예를 설명하기 위한 예시도이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 발광 장치의 구성 예시도이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 발광 장치의 사용 예시도이다.
본 발명의 이점 및 특징,　그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다.　　그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 다양한 형태로 구현될 수 있으며,　단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하고,　본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며,　본 발명의 범주는 청구항에　의해 정의될 뿐이다.
본 발명의 실시예들을 설명함에 있어서 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명은 본 발명의 실시예들을 설명함에 있어 실제로 필요한 경우 외에는 생략될 것이다.　　그리고 후술되는 용어들은 본 발명의 실시예에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다.　　그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
도면에 표시되고 아래에 설명되는 기능 블록들은 가능한 구현의 예들일 뿐이다. 다른 구현들에서는 상세한 설명의 사상 및 범위를 벗어나지 않는 범위에서 다른 기능 블록들이 사용될 수 있다. 또한 본 발명의 하나 이상의 기능 블록이 개별 블록들로 표시되지만, 본 발명의 기능 블록들 중 하나 이상은 동일 기능을 실행하는 다양한 하드웨어 및 소프트웨어 구성들의 조합일 수 있다.
또한 어떤 구성 요소들을 포함한다는 표현은 개방형의 표현으로서 해당 구성 요소들이 존재하는 것을 단순히 지칭할 뿐이며, 추가적인 구성 요소들을 배제하는 것으로 이해되어서는 안 된다.
나아가 어떤 구성 요소가 다른 구성 요소에 연결되어 있다거나 접속되어 있다고 언급될 때에는, 그 다른 구성 요소에 직접적으로 연결 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성 요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 한다.
또한 '제1, 제2' 등과 같은 표현은 복수의 구성들을 구분하기 위한 용도로만 사용된 표현으로써, 구성들 사이의 순서나 기타 특징들을 한정하지 않는다.
이하에서는 도면들을 참조하여 본 발명의 실시예들에 대해 설명하도록 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 발광 장치(100)의 구성도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 발광 장치(100)는 레이저 모듈(110), 제1 확산 렌즈(120) 및 제2 확산 렌즈(130)를 포함할 수 있다.
한편, 레이저 모듈(110), 제1 확산 렌즈(120) 및 제2 확산 렌즈(130)는 하우징에 의해 고정되거나 결합될 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다. 또한 레이저 모듈(110), 제1 확산 렌즈(120) 및 제2 확산 렌즈(130)는 동일한 광축을 갖도록 차례대로 배열될 수 있다. 여기서, 광축이란 렌즈의 굴절률과는 무관하게 빛이 같은 방향으로 진행할 수 있도록 하는 축을 의미한다.
레이저 모듈(110)은 평행하게 나아가는 레이저 빔(10)을 투사한다. 레이저 모듈(110)은 레이저 빔(10)을 발생시키는 레이저 다이오드(111)와 레이저 빔(10)이 평행하게 나아가도록 집광시키는 볼록 렌즈(112)를 포함할 수 있으나, 이러한 구성은 예시일 뿐 레이저 모듈(110)의 구성이 이러한 예시에 한정되는 것은 아니다.
제1 확산 렌즈(120)는 레이저 모듈(110)이 투사한 레이저 빔(10)이 광축과 평행하게 입사되면 광축의 일 지점으로부터 제1 각도 범위 내의 방향으로 레이저 빔(10)을 굴절시킨 제1 확산광(21)을 투사할 수 있다.
이를 위해, 제1 확산 렌즈(120)는 line lens, powell lens, cine lens, 및 cylindrical lens 중 어느 하나를 포함할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니며 평행하게 입사하는 빛을 확산시킬 수 있는 다양한 렌즈를 사용할 수 있다.
제2 확산 렌즈(130)는 제1 확산광(21)이 입사되면 광축의 일 지점으로부터 제2 각도 범위 내의 방향으로 제1 확산광(21)을 굴절시킨 제2 확산광(22)을 투사한다. 이때 제2 확산 렌즈(130)는 제1 각도 범위로 투사되는 제1 확산광(21)이 제2 확산 렌즈(130)의 입사면에 입사되도록 배치될 수 있으며, 제2 각도 범위는 제1 각도 범위 보다 넓다.
이때 제2 확산 렌즈(130)는 line lens, powell lens, cine lens, 및 cylindrical lens 중 어느 하나를 포함할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니며 평행하게 입사하는 빛을 확산시킬 수 있는 다양한 렌즈를 사용할 수 있다.
이때 제2 확산 렌즈(130)는 제2 확산광(22)이 광축에 대해 소정의 각도를 갖고 제2 확산 렌즈(130)로부터 투사될 때 에너지 밀도가 변화하는 정도를 기초로, 제2 확산광(22)이 광축에 대해 갖는 각도에 따라 기 설정된 에너지 밀도를 갖도록 광축에 대한 제2 확산 렌즈(130)의 입사면의 각도 및 광축에 대한 제2 확산 렌즈(130)의 투사면의 각도가 형성될 수 있다. 이에 대한 내용을 도 2 내지 도 4와 함께 자세히 설명한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 제2 확산 렌즈(130)에 대한 입사광과 투사광의 경로를 도시한 예시도이다.
도 2를 참조하면, 제2 확산 렌즈(130)에서 투사되는 빛이 광축 상의 일 지점(도 2 그래프의 원점)으로부터 시작되는 것으로 가정하면, 일 지점으로부터 제2 각도 범위 내의 특정 방향
Figure 112019070439782-pat00110
으로 투사되는 레이저 빔(10)의 벡터
Figure 112019070439782-pat00111
를 아래 수학식 1과 같이 표현할 수 있다.
Figure 112019070439782-pat00112
또한, 일 지점으로부터 특정 방향
Figure 112019070439782-pat00113
으로 투사되는 레이저 빔(10)이 제2 확산 렌즈(130)에 입사하는 경우 광축에 대해
Figure 112019070439782-pat00114
의 각도로 진행하는 제1 확산광(21)의 벡터
Figure 112019070439782-pat00115
와, 제2 확산 렌즈(130)로부터 투사되면서 광축에 대해
Figure 112019070439782-pat00116
의 각도로 진행하는 제2 확산광(22)의 벡터
Figure 112019070439782-pat00117
를 아래 수학식 2와 같이 표현할 수 있다.
Figure 112019070439782-pat00118
아울러, d가 충분히 크면
Figure 112019070439782-pat00119
이므로,
Figure 112019070439782-pat00120
Figure 112019070439782-pat00121
으로 표현할 수 있다
이때
Figure 112019070439782-pat00122
,
Figure 112019070439782-pat00123
,
Figure 112019070439782-pat00124
은 에너지가 부가되거나 감소하지 않으므로
Figure 112019070439782-pat00125
,
Figure 112019070439782-pat00126
,
Figure 112019070439782-pat00127
가 보유한 에너지의 총량은 같으나, 제2 확산 렌즈(130)에 입사되거나 투사되면서 에너지 밀도가 달라질 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 제2 확산 렌즈(130)에서 레이저 빔(10)이 입사하고 투사됨에 따라 에너지 밀도(F)가 변화하는 모습을 설명하기 위한 예시도이다.
도 3에 도시된 바와 같이, 레이저 빔(10)과 제2 확산 렌즈(130)를 매우 고배율로 확대한다면, 같은 방향을 향하는 레이저 빔(10) 내에서도 제2 확산 렌즈와 맞닿는 각도에 따라 굴절되는 정도의 차이가 발생할 수 있다. 따라서, 레이저 빔(10)이 가지는 에너지의 총량은 같을지라도 레이저 빔(10), 제1 확산광(21) 및 제2 확산광(22)의 에너지 밀도
Figure 112019070439782-pat00128
,
Figure 112019070439782-pat00129
,
Figure 112019070439782-pat00130
가 달라질 수 있다.
이에 따라, 레이저 빔의 에너지 총량은 같다는 원리를 기초로, 도 3의 a 부분에서
Figure 112019070439782-pat00131
가 성립하고, 도 3의 b 부분에서
Figure 112019070439782-pat00132
가 성립함을 확인할 수 있다.
따라서, 다시 도 2를 참조하면, 광축에 대해
Figure 112019070439782-pat00133
의 각도를 갖고 투사되는 제2 확산광(22)의 에너지 밀도
Figure 112019070439782-pat00134
가 소정의 값을 갖기 위해서는 레이저 빔(10), 제1 확산광(21) 및 제2 확산광(22)의 에너지 밀도
Figure 112019070439782-pat00135
,
Figure 112019070439782-pat00136
,
Figure 112019070439782-pat00137
는 아래 수학식 3과 같은 관계를 갖을 수 있다.
Figure 112019070439782-pat00138
한편, 제2 확산광이 광축에 대하여 투사되는 각도
Figure 112019116176578-pat00139
에 따른 에너지 밀도
Figure 112019116176578-pat00140
의 크기는 라이다의 설계자가 원하는 크기로 지정할 수 있다. 예를 들어, 투사되는 각도
Figure 112019116176578-pat00141
에 따른 에너지 밀도
Figure 112019116176578-pat00142
의 크기가 투사각
Figure 112019116176578-pat00143
가 변수가 되는 n차 다항식의 값을 갖도록 의도하는 경우,
Figure 112019116176578-pat00144
=
Figure 112019116176578-pat00145
(
Figure 112019116176578-pat00295
는 상수)이 되도록 설정하여, 투사각에 따라 투사되는 에너지 밀도가 기 설정된 에너지 밀도를 갖도록 조정할 수 있다.
이때
Figure 112019070439782-pat00146
=
Figure 112019070439782-pat00147
의 등식이 성립하므로,
Figure 112019070439782-pat00148
는 제1 확산 렌즈(120)로부터 투사되는 제1 확산광(21)의 에너지 밀도를 측정하여 구할 수 있으므로
Figure 112019070439782-pat00149
의 관계를 구할 수 있다.
여기서,
Figure 112019070439782-pat00150
제2 확산 렌즈(130)의 설계자가
Figure 112019070439782-pat00151
,
Figure 112019070439782-pat00152
,
Figure 112019070439782-pat00153
의 관계를 정의(가령,
Figure 112019070439782-pat00154
) 하면,
Figure 112019070439782-pat00155
를
Figure 112019070439782-pat00156
에 의한 함수의 식으로 표현할 수 있다. 즉,
Figure 112019070439782-pat00157
이 특정한 값일 때,
Figure 112019070439782-pat00158
및
Figure 112019070439782-pat00159
가 어떠한 값을 가져야 제2 확산 렌즈(130)를 통해 투사되는 에너지 밀도가 기 설정된 에너지를 가질 수 있는 지 계산될 수 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 제2 확산 렌즈(130)에서 광축에 대한 입사면의 각도와 광축에 대한 투사면의 각도가 어떻게 설계되어 하는 지를 설명하기 위한 예시도이다.
도 4를 참조하면, 수학식 3을 통해 정해진
Figure 112019070439782-pat00160
,
Figure 112019070439782-pat00161
,
Figure 112019070439782-pat00162
의 관계에 스넬의 법칙을 적용한 수학식 4를 기초로, 제2 확산 렌즈(130)의 광축에 대한 입사면 법선의 각도(
Figure 112019070439782-pat00163
) 및 광축에 대한 투사면 법선의 각도(
Figure 112019070439782-pat00164
)를 계산하여, 투사각에 따라 기 설정된 에너지 밀도를 갖는 제2 확산광(22)을 투사시킬 수 있다.
Figure 112019070439782-pat00165
(
Figure 112019070439782-pat00166
은 제2 확산 렌즈(130) 외부의 굴절률,
Figure 112019070439782-pat00167
는 제2 확산 렌즈(130) 내부의 굴절률)
수학식 4와 같이 제2 확산 렌즈(130)를 설계한 경우,
Figure 112019070439782-pat00168
의 범위(제1 각도 범위)가 90도 이상 130 이하일 때,
Figure 112019070439782-pat00169
범위(제2 각도 범위)가 160도 이상 190도 이하가 되도록 설계할 수 있어 라이다가 매우 넓은 범위를 감지할 수 있게 한다.
이 경우, 제2 확산 렌즈(130)는 광축으로 빛이 입사하는 방향을 향해 오목하게 형성된 입사면, 광축으로 빛이 투사되는 방향을 향해 볼록하게 형성된 투사면 및 입사면과 투사면을 연결하는 연결면을 포함하여, 제1 확산광(21)이 입사면에 입사되면 투사면에서 광축의 일 지점으로부터 제2 각도 범위 내의 방향을 향하는 제2 확산광(22)을 투사할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 발광 장치(100)는 제1 확산 렌즈(120) 없이, 레이저 모듈(110) 및 제2 확산 렌즈(130)를 포함하는 실시예를 포함할 수 있다. 이에 따라, 제2 확산 렌즈(130)만으로 레이저 모듈(110)이 투사하는 포인트 레이저를 굴절 및 확산시켜 라인 레이저로 만들면서, 동시에 수학식 3 및 수학식 4를 기초로 투사각에 따라 제2 확산광(22)이 기 설정된 에너지 밀도를 갖도록 제2 확산 렌즈(130)의 입사면 또는 투사면을 형성할 수 있다.
한편, 상술한 실시예를 도 5 및 도 6과 같이 광축과 수직한 영역에 대해서 멀티 채널로 구성하면 3차원 공간을 인식할 수 있다.
도 5는 3차원 공간 인식을 위해 멀티 채널을 이용하는 경우, 복수의 레이저 빔(10)이 일정 간격의 각도를 가진 채 투사되는 것을 설명하기 위한 예시도이다.
도 5를 참조하면, 레이저 모듈(110)은 서로 일정 간격의 각도를 가진 복수의 레이저 빔(10)을 투사할 수 있다. 가령, 도 5와 같이 가상의 일 점에서 서로 5도씩 차이나도록 레이저 빔(10)을 투사할 수 있다. 한편, 도면에는 레이저 모듈(110)이 복수의 레이저 다이오드(111) 및 복수의 볼록 렌즈(112)를 가진 것으로 도시되어 있지만 이는 예시일 뿐 이에 한정되지 않으며, 레이저 모듈(110)은 다양한 방식으로 복수의 레이저 빔(10)을 투사할 수 있다.
이때 가상의 일 점에서 서로 5 도씩 차이나도록 레이저 빔(10)을 투사하는 경우, 평행하게 레이저 빔(10)을 투사하는 경우보다 넓은 범위의 3차원 공간을 인식할 수 있으나, 도 5의 a 및 도 5의 b 부분과 같이, 복수의 레이저 빔(10)이 겹치는 지점이 발생한다. 이러한 경우, 라이다가 레이저 빔(10)을 인식할 때 공간을 왜곡하여 인식할 수 있다.
도 6은 3차원 공간 인식을 위해 멀티 채널을 이용하여 복수의 레이저 빔(10)을 발생시키는 경우, 공간을 왜곡하여 인식하지 않게 하면서 넓은 공간을 인식하게 하는 일 실시예를 설명하기 위한 예시도이다.
도 6을 참조하면, 레이저 모듈(110)은 광축과 수직한 영역에서 광축과 평행하게 나아가는 복수의 레이저 빔(10)을 투사할 수 있다. 한편, 도면에는 레이저 모듈(110)이 복수의 레이저 다이오드(111) 및 복수의 볼록 렌즈(112)를 가진 것으로 도시되어 있지만 이는 예시일 뿐 이에 한정되지 않으며, 레이저 모듈(110)은 다양한 방식으로 복수의 레이저 빔(10)을 투사할 수 있다.
제1 확산 렌즈(120)는 복수의 레이저 빔(10)이 광축과 평행하게 입사되는 경우 복수의 제1 확산광(21)을 투사한다. 이때 제1 확산 렌즈(120)는 복수 개로 구성되거나 크기가 큰 하나의 렌즈로 구성될 수 있으나 어느 하나에 한정되는 것은 아니다.
제2 확산 렌즈(130)는 광축과 수직한 영역(복수의 레이저 빔이 투사되는 영역)과 대응되는 높이를 갖고, 복수의 제1 확산광(21)이 입사되면 복수의 제2 확산광(22)을 투사할 수 있다. 이를 통해, 광각의 2차원 공간을 인식하면서, 멀티 채널 구성을 통해 3차원 공간을 인식할 수 있게 한다.
이때, 제2 확산 렌즈(130)는 광축에 평행하게 입사하는 복수의 제2 확산광(22)이 광축으로부터 소정의 각도가 굴절되어 투사되도록 입사면의 각도와 투사면의 각도가 형성될 수 있다.
도 6의 확대 부분을 참조하면, 평행하게 입사하는 복수의 레이저 빔(10)끼리 소정의 각도(가령, 1도 이상 90도 미만의 각도)가 벌어져 투사되도록 하기 위해, 제2 확산 렌즈(130)의 입사면을 광축에 수직하게 형성시키면서 제2 확산 렌즈(130)의 투사면의 각도를 아래 수학식 5를 통해 조절하여 형성할 수 있다.
Figure 112019070439782-pat00170
(
Figure 112019070439782-pat00171
은 제2 확산 렌즈(130) 내부의 굴절률,
Figure 112019070439782-pat00172
는 제2 확산 렌즈(130) 외부의 굴절률,
Figure 112019070439782-pat00173
는 제2 확산 렌즈(130)의 투사면의 법선이 광축에 대해 갖는 각도, 제2 확산 렌즈(130)에 입사되는 레이저가 x는 굴절되는 각도)
또는, 제2 확산 렌즈(130)의 투사면을 광축에 수직하게 형성시키면서 제2 확산 렌즈(130)의 입사면의 각도를 아래 수학식 6을 통해 조절하여 형성할 수 있다.
Figure 112019070439782-pat00174
(
Figure 112019070439782-pat00175
은 제2 확산 렌즈(130) 내부의 굴절률,
Figure 112019070439782-pat00176
는 제2 확산 렌즈(130) 외부의 굴절률,
Figure 112019070439782-pat00177
는 제2 확산 렌즈(130)의 입사면의 법선이 광축에 대해 갖는 각도, x는 제2 확산 렌즈(130)에 입사되는 레이저가 굴절되는 각도)
이에 따라, 본 발명의 실시예는 평행하게 투사되는 레이저 빔(10)이 제2 확산 렌즈(130)를 투사하면서 서로 간에 소정의 각도가 생성된 채로 투사되므로, 라이다가 보다 넓은 범위의 3차원 공간을 인식할 수 있도록 한다. 또한, 레이저 빔(10) 또는 제2 확산광(22)이 겹치는 영역이 발생하지 않도록 하여, 라이다가 공간을 왜곡하여 인식시키지 않도록 한다.
한편, 도 1 내지 도 4에서 언급된 제2 확산 렌즈(130)의 입사면 및 투사면은 2차원의 공간(x, y 축 평면)을 기준으로 설명한 제2 확산 렌즈(130)의 입사면과 투사면을 의미하며, 도 6에서 언급한 제2 확산 렌즈(130)의 입사면 및 투사면은 도 1 내지 도 4에서 언급한 2차원의 공간(x, y 축 평면)을 3차원의 공간으로 만들게 하는 z축을 기준(도 6의 확대 사진 참조)으로 본 입사면의 각도와 투사면의 각도를 의미한다. 따라서, 도 6의 실시예에서 언급한 광축과 수직한 영역(복수의 레이저 빔이 투사되는 영역)은 z축과 평행한 영역을 의미한다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 발광 장치(100)는 제1 확산 렌즈(120) 없이, 레이저 모듈(110) 및 도 6의 실시예에 따른 제2 확산 렌즈(130)를 포함하는 실시예를 포함할 수 있다. 이에 따라, 제2 확산 렌즈(130)만으로 레이저 모듈(110)이 평행하게 투사하는 복수의 포인트 레이저를 굴절 및 확산시켜 복수의 라인 레이저로 만들면서, 동시에 수학식 5 또는 수학식 6을 기초로 투사되는 라인 레이저가 광축에 대해 소정의 각도를 갖도록 굴절시켜 투사되도록 제2 확산 렌즈(130)의 입사면 또는 투사면을 형성할 수 있다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 발광 장치(100)의 구성 예시도이다. 도 7을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 발광 장치(100)의 레이저 모듈(110), 제1 확산 렌즈(120) 및 제2 확산 렌즈(130)의 배치를 확인할 수 있다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 발광 장치(100)의 사용 예시도이다. 도 8을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 발광 장치(100)는 레이저 빔(10)을 객체에 투사하고, 객체에 레이저 빔(10) 또는 제2 확산광(22)이 투영되면, 라이다의 카메라가 투영된 패턴을 촬영하여, 패턴 분석을 통해 거리 및 공간을 판별할 수 있다.
이처럼, 본 발명의 실시예에 따르면, 제2 확산 렌즈(130)로부터 투사되는 제2 확산광(22)이 투사되는 각도에 따라 소정의 에너지 밀도를 갖도록 설계될 수 있고, 이에 따라 라이다가 사용되는 목적에 따라 주변부가 더 멀리 감지되도록 설계하거나, 중앙부가 더 멀리 감지되도록 설계할 수 있다.
또한, 라이다의 레이저(22)를 센싱하는 검출부에 사용되는 광각 렌즈의 특성을 고려하여 본 문서의 실시예에 따른 제2 확산 렌즈(130)를 설계함에 따라, 비네팅(vignetting) 현상을 방지할 수 있다.
더하여, 라이다의 레이저를 방출하는 레이저 발광 장치(100)와 라이다의 레이저를 센싱하는 수신부의 위치 차이에 따라 제2 확산광(22)이 수신되는 입사각(Angle of incident)을 고려하여 본 문서의 실시예에 따른 제2 확산 렌즈(130)를 설계함에 따라, 밴드 패스 필터(bandpass filter)의 파장 이동(wavelength shift)으로 인한 광량 저하를 방지할 수 있다.
이와 같이, 본 발명이 속하는 기술분야의 당업자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적인 것이 아닌 것으로서 이해해야만 한다. 본 발명의 범위는 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 등가개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
10: 레이저 빔
21: 제1 확산광
22: 제2 확산광
100: 레이저 발광 장치
110: 레이저 모듈
111: 레이저 다이오드
112: 볼록 렌즈
120: 제1 확산 렌즈
130: 제2 확산 렌즈

Claims (10)

  1. 평행하게 나아가는 레이저 빔을 투사하는 레이저 모듈;
    상기 레이저 빔이 광축과 평행하게 입사되면 상기 광축의 일 지점으로부터 제1 각도 범위 내의 방향으로 상기 레이저 빔을 굴절시킨 제1 확산광을 투사하는 제1 확산 렌즈; 및
    상기 제1 확산광이 입사되면 상기 광축의 일 지점으로부터 제2 각도 범위 내의 방향으로 상기 제1 확산광을 굴절시킨 제2 확산광을 투사하는 제2 확산 렌즈를 포함하고,
    상기 제2 확산 렌즈는,
    [수학식 1]
    Figure 112020010797594-pat00427

    (
    Figure 112020010797594-pat00428
    는 광축의 일 지점에서
    Figure 112020010797594-pat00429
    각도로 제2 확산 렌즈로 나아가는 제1 확산광(
    Figure 112020010797594-pat00430
    )의 에너지 밀도,
    Figure 112020010797594-pat00431
    는 제1 확산광(
    Figure 112020010797594-pat00432
    )이 제2 확산 렌즈 내부를 지나며 굴절되어 광축의 일 지점에서
    Figure 112020010797594-pat00433
    각도로 나아가는 내부광(
    Figure 112020010797594-pat00434
    )의 에너지 밀도,
    Figure 112020010797594-pat00435
    는 내부광(
    Figure 112020010797594-pat00436
    )이 제2 확산 렌즈 내부에서 투사되며 광축의 일 지점에서
    Figure 112020010797594-pat00437
    각도로 나아가는 제2 확산광(
    Figure 112020010797594-pat00438
    )의 에너지 밀도,
    Figure 112020010797594-pat00439
    는 상기
    Figure 112020010797594-pat00440
    의 확산 각도,
    Figure 112020010797594-pat00441
    는 상기
    Figure 112020010797594-pat00442
    의 확산 각도,
    Figure 112020010797594-pat00443
    은
    Figure 112020010797594-pat00444
    의 확산 각도,
    Figure 112020010797594-pat00445
    는 상수)
    상기 제1 확산광이 상기 제2 확산 렌즈에 입사되어 투과되기까지 상기 제2 확산 렌즈의 굴절률에 의해 에너지 밀도가 변화하는 정도인 상기 수학식 1을 기초로, 상기 제1 확산광이 상기 제2 확산 렌즈에 입사되는 입사각
    Figure 112020010797594-pat00446
    의 각도에서 측정된 제1 확산광의 에너지 밀도가
    Figure 112020010797594-pat00447
    일 때 기 설정된 에너지 밀도인
    Figure 112020010797594-pat00448
    값을 갖도록 하는 투사각
    Figure 112020010797594-pat00449
    을 계산하여, 상기 제2 확산 렌즈에 대한 상기 제1 확산광의 입사각이
    Figure 112020010797594-pat00450
    일 때 상기 제2 확산광의 투사각이
    Figure 112020010797594-pat00451
    이 되도록 하는 상기 광축에 대한 상기 제2 확산 렌즈의 입사면의 각도와 상기 광축에 대한 상기 제2 확산 렌즈의 투사면의 각도에 따라 상기 입사면과 상기 투사면이 형성된,
    레이저 발광 장치.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제2 확산 렌즈는,
    상기 제1 확산광이 상기 제2 확산 렌즈에 통과할 때 에너지 밀도가 변화하는 정도인 아래 수학식 2를 통해 상기 제2 확산광의 에너지 밀도(
    Figure 112020010797594-pat00452
    )가 기 설정된 에너지 밀도를 갖도록 하는
    Figure 112020010797594-pat00453
    ,
    Figure 112020010797594-pat00454
    ,
    Figure 112020010797594-pat00455
    의 관계가 구해지고,
    상기
    Figure 112020010797594-pat00456
    ,
    Figure 112020010797594-pat00457
    ,
    Figure 112020010797594-pat00458
    의 관계 및 상기 제2 확산 렌즈로의 입사각과 투사각과의 관계를 나타내는 아래 수학식 3을 기초로 상기 광축에 대한 상기 제2 확산 렌즈의 입사면의 법선의 각도가
    Figure 112020010797594-pat00459
    이고, 상기 광축에 대한 상기 제2 확산 렌즈의 투사면의 법선의 각도가
    Figure 112020010797594-pat00460
    를 갖도록 형성된
    [수학식 2]
    Figure 112020010797594-pat00461

    Figure 112020010797594-pat00462

    (
    Figure 112020010797594-pat00463
    는 광축의 일 지점에서
    Figure 112020010797594-pat00464
    각도로 제2 확산 렌즈로 나아가는 제1 확산광(
    Figure 112020010797594-pat00465
    )의 에너지 밀도,
    Figure 112020010797594-pat00466
    는 제1 확산광(
    Figure 112020010797594-pat00467
    )이 제2 확산 렌즈 내부를 지나며 굴절되어 광축의 일 지점에서
    Figure 112020010797594-pat00468
    각도로 나아가는 내부광(
    Figure 112020010797594-pat00469
    )의 에너지 밀도,
    Figure 112020010797594-pat00470
    는 내부광(
    Figure 112020010797594-pat00471
    )이 제2 확산 렌즈 내부에서 투사되며 광축의 일 지점에서
    Figure 112020010797594-pat00472
    각도로 나아가는 제2 확산광(
    Figure 112020010797594-pat00473
    )의 에너지 밀도,
    Figure 112020010797594-pat00474
    는 상기
    Figure 112020010797594-pat00475
    의 확산 각도,
    Figure 112020010797594-pat00476
    는 상기
    Figure 112020010797594-pat00477
    의 확산 각도,
    Figure 112020010797594-pat00478
    은
    Figure 112020010797594-pat00479
    의 확산 각도)
    [수학식 3]
    Figure 112020010797594-pat00480

    Figure 112020010797594-pat00481

    (
    Figure 112020010797594-pat00482
    은 제2 확산 렌즈 외부의 굴절률,
    Figure 112020010797594-pat00483
    는 제2 확산 렌즈 내부의 굴절률)
    레이저 발광 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제2 확산 렌즈는,
    상기 광축으로 빛이 입사하는 방향을 향해 오목하게 형성된 입사면, 상기 광축으로 빛이 투사되는 방향을 향해 볼록하게 형성된 투사면 및 상기 입사면과 상기 투사면을 연결하는 연결면을 포함하여, 상기 제1 확산광이 상기 입사면에 입사되면 상기 투사면에서 상기 광축의 일 지점으로부터 제2 각도 범위 내의 방향을 향하는 제2 확산광을 투사하고,
    상기 제2 각도 범위는 상기 제1 각도 범위 보다 넓은,
    레이저 발광 장치.
  6. 에너지 밀도 조정 렌즈에 있어서,
    레이저가 입사되는 입사면;
    레이저가 투사되는 투사면; 및
    상기 입사면과 상기 투사면을 연결하는 연결면을 포함하고,
    상기 에너지 밀도 조정 렌즈는,
    [수학식 1]
    Figure 112020010797594-pat00484

    (
    Figure 112020010797594-pat00485
    는 광축의 일 지점에서
    Figure 112020010797594-pat00486
    각도로 렌즈를 향해 나아가는 레이저(
    Figure 112020010797594-pat00487
    )의 에너지 밀도,
    Figure 112020010797594-pat00488
    는 레이저(
    Figure 112020010797594-pat00489
    )가 렌즈 내부를 지나며 굴절되어 광축의 일 지점에서
    Figure 112020010797594-pat00490
    각도로 나아가는 레이저(
    Figure 112020010797594-pat00491
    )의 에너지 밀도,
    Figure 112020010797594-pat00492
    는 레이저(
    Figure 112020010797594-pat00493
    )가 렌즈 내부에서 투사되며 광축의 일 지점에서
    Figure 112020010797594-pat00494
    각도로 나아가는 레이저(
    Figure 112020010797594-pat00495
    )의 에너지 밀도,
    Figure 112020010797594-pat00496
    는 레이저(
    Figure 112020010797594-pat00497
    )의 확산 각도,
    Figure 112020010797594-pat00498
    는 레이저(
    Figure 112020010797594-pat00499
    )의 확산 각도,
    Figure 112020010797594-pat00500
    은 레이저(
    Figure 112020010797594-pat00501
    )의 확산 각도,
    Figure 112020010797594-pat00502
    는 상수)
    상기 레이저가 상기 입사면에 입사하여 상기 투사면을 투과하기까지 굴절에 의해 에너지 밀도가 변화하는 정도를 나타내는 상기 수학식 1을 기초로, 상기 레이저가 입사되는 입사각
    Figure 112020010797594-pat00503
    의 각도에서 측정된 에너지 밀도가
    Figure 112020010797594-pat00504
    일 때 상기 투사되는 레이저의 에너지 밀도가 기 설정된 에너지 밀도인
    Figure 112020010797594-pat00505
    값을 갖도록 하는 투사각
    Figure 112020010797594-pat00506
    을 계산하여, 상기 렌즈에 대한 상기 입사되는 레이저의 입사각이
    Figure 112020010797594-pat00507
    일 때 상기 투사되는 레이저의 투사각이
    Figure 112020010797594-pat00508
    이 되도록 하는 광축에 대한 상기 렌즈의 입사면의 각도와 상기 광축에 대한 상기 렌즈의 투사면의 각도에 따라 상기 입사면과 상기 투사면이 형성된,
    에너지 밀도 조정 렌즈.
  7. 삭제
  8. 삭제
  9. 제6항에 있어서,
    상기 에너지 밀도 조정 렌즈는,
    상기 레이저가 상기 입사면 및 상기 투사면을 통과할 때 에너지 밀도가 변화하는 정도인 아래 수학식 2를 통해 상기 투사면을 통해 투사되는 레이저의 에너지 밀도(
    Figure 112020010797594-pat00509
    )가 기 설정된 에너지 밀도를 갖도록 하는
    Figure 112020010797594-pat00510
    ,
    Figure 112020010797594-pat00511
    ,
    Figure 112020010797594-pat00512
    의 관계가 구해지고,
    상기
    Figure 112020010797594-pat00513
    ,
    Figure 112020010797594-pat00514
    ,
    Figure 112020010797594-pat00515
    의 관계 및 상기 렌즈로의 입사각과 투사각과의 관계를 나타내는 아래 수학식 3을 기초로 상기 입사면의 각도가
    Figure 112020010797594-pat00516
    이고, 상기 투사면의 각도가
    Figure 112020010797594-pat00517
    를 갖도록 형성된
    [수학식 2]
    Figure 112020010797594-pat00518

    Figure 112020010797594-pat00519

    (
    Figure 112020010797594-pat00520
    는 광축의 일 지점에서
    Figure 112020010797594-pat00521
    각도로 렌즈를 향해 나아가는 레이저(
    Figure 112020010797594-pat00522
    )의 에너지 밀도,
    Figure 112020010797594-pat00523
    는 레이저(
    Figure 112020010797594-pat00524
    )가 렌즈 내부를 지나며 굴절되어 광축의 일 지점에서
    Figure 112020010797594-pat00525
    각도로 나아가는 레이저(
    Figure 112020010797594-pat00526
    )의 에너지 밀도,
    Figure 112020010797594-pat00527
    는 레이저(
    Figure 112020010797594-pat00528
    )가 렌즈 내부에서 투사되며 광축의 일 지점에서
    Figure 112020010797594-pat00529
    각도로 나아가는 레이저(
    Figure 112020010797594-pat00530
    )의 에너지 밀도,
    Figure 112020010797594-pat00531
    는 레이저(
    Figure 112020010797594-pat00532
    )의 확산 각도,
    Figure 112020010797594-pat00533
    는 레이저(
    Figure 112020010797594-pat00534
    )의 확산 각도,
    Figure 112020010797594-pat00535
    은 레이저(
    Figure 112020010797594-pat00536
    )의 확산 각도)
    [수학식 3]
    Figure 112020010797594-pat00537

    Figure 112020010797594-pat00538

    (
    Figure 112020010797594-pat00539
    은 공기의 굴절률,
    Figure 112020010797594-pat00540
    는 제2 확산 렌즈의 굴절률)
    에너지 밀도 조정 렌즈.
  10. 제6항에 있어서,
    상기 입사면은, 상기 광축 상에서 레이저가 진행하는 방향을 향해 오목하게 형성되고,
    상기 투사면은, 상기 광축 상에서 레이저가 진행하는 방향을 향해 볼록하게 형성되는,
    에너지 밀도 조정 렌즈.
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