KR102137177B1 - 빔 주사범위 확대 장치 및 광 위상배열 시스템 - Google Patents

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KR102137177B1
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aspherical lens
scanning range
front surface
phased array
aspherical
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이상신
주상의
임철순
비살
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국방과학연구소
광운대학교 산학협력단
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Abstract

개시된 광 위상배열 디바이스용 빔 주사범위 확대 장치는 광 위상배열 디바이스에 의한 주사 광에 대하여 제 1 방향으로 주사범위를 확대시키는 제 1 비구면 렌즈와, 제 1 비구면 렌즈를 통과한 주사 광에 대하여 제 1 방향과 직교하는 제 2 방향으로 주사범위를 확대시키는 제 2 비구면 렌즈를 포함하고, 제 1 비구면 렌즈와 제 2 비구면 렌즈는 중심 정렬된다.

Description

빔 주사범위 확대 장치 및 광 위상배열 시스템{BEAM SCANNING RANGE EXPANDER AND OPTICAL PHASED ARRAY SYSTEM}
본 발명은 빔 주사범위 확대 장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 광 위상배열(Optical phased array) 디바이스에 의한 주사 광에 대하여 주사범위를 확대시키는 장치와 이러한 빔 주사범위 확대 장치를 포함하는 광 위상배열 시스템에 관한 것이다.
레이저 스캐너의 일종인 라이다(LiDAR: Light Detection And Ranging)는 측정대상에 광을 주사한 후 측정대상으로부터 반사된 광신호로부터 측정대상과의 거리와 측정대상의 속도, 형태 등을 측정하는 장비이며, 기상학, 지질학 및 지리학을 포함한 여러 분야에서 기계식(Mechanical)의 라이다가 널리 이용되고 있다.
그런데, 기계식 라이다는 스캐닝 속도의 한계, 큰 부피, 복잡성, 그리고 장기간 사용에 대한 신뢰성에 대해 문제점이 있다.
최근에는 라이다를 무인기기에 접목시켜 그 가치와 분야를 확대하기 위한 움직임을 보이면서, 기계식 라이다의 문제점을 해소하면서 이상적으로 구현하기 위한 광 위상배열 디바이스에 대한 연구가 이루어지고 있다.
도 1은 광 위상 배열 디바이스를 예시한 것이다. 이러한 광 위상 배열 디바이스는 기계식 라이다에 대비하여 마이크로 칩 단위의 작은 시스템 구성이 가능하며, 빠른 스캐닝 속도를 제공한다.
하지만, 광 위상 배열 디바이스가 자체적으로 확보할 수 있는 2D(Dimension) 주사범위 (ψ, θ)는 광안테나를 구성하는 채널 간의 간격 (Period,Λch)(ψ-direction)과 파장가변레이저의 가변범위 및 광도파로의 neff 관계 (θ-direction)에 의해 각각 제한되어 있어, 기계식 라이다를 대체하기에는 성능적인 측면에서 한계가 있는 문제점이 있다.
한국공개특허공보 제10-1997-0059773호, 공개일자 1997년 08월 12일.
일 실시예에 따른 해결하고자 하는 과제는, 광 위상배열 디바이스에 의한 주사 광에 대하여 주사범위를 확대시킬 수 있는 광 위상배열 디바이스용 빔 주사범위 확대 장치를 제공한다.
해결하고자 하는 과제는 이상에서 언급한 것으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 해결하고자 하는 과제는 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
제 1 관점에 따른 빔 주사범위 확대 장치는, 광 위상배열 디바이스로부터의 주사 광에 대하여 제 1 방향으로 주사범위를 확대시키는 제 1 비구면 렌즈와, 상기 제 1 비구면 렌즈를 통과한 주사 광에 대하여 상기 제 1 방향과 직교하는 제 2 방향으로 주사범위를 확대시키는 제 2 비구면 렌즈를 포함하고, 상기 제 1 비구면 렌즈와 상기 제 2 비구면 렌즈는 중심 정렬된다.
여기서, 상기 제 1 비구면 렌즈는 상기 광 위상배열 디바이스로부터의 포커싱(focusing)하는 전면(front surface)과 이 전면에 의해 포커싱된 광을 디플렉션(deflection)하는 후면(rear surface)에 모두 비구면을 가질 수 있으며, 상기 제 2 비구면 렌즈는 상기 제 1 비구면 렌즈를 통과한 주사 광을 포커싱하는 전면과 이 전면에 의해 포커싱된 광을 디플렉션하는 후면에 모두 비구면을 가질 수 있다.
상기 제 1 비구면 렌즈의 전면은 중앙으로부터 상기 제 1 방향의 가장자리로 갈수록 두께가 얇아질 수 있고, 상기 제 1 비구면 렌즈의 후면은 중앙을 통과하는 제 2 방향으로 형성된 원형 반기둥 형태의 제 1 오목홈을 포함할 수 있다.
상기 제 2 비구면 렌즈의 전면은 중앙을 통과하는 상기 제 1 방향으로 형성된 원형 반기둥 형태의 볼록돌기를 포함할 수 있고, 상기 제 2 비구면 렌즈의 후면은 중앙을 통과하는 상기 제 1 방향으로 형성된 원형 반기둥 형태의 제 2 오목홈을 포함할 수 있다.
상기 제 2 오목홈의 반지름은 상기 제 1 오목홈의 반지름보다 크고 상기 볼록돌기의 반지름보다 작을 수 있다.
상기 제 1 방향은 수직 방향이고, 상기 제 2 방향은 수평 방향일 수 있다.
제 2 관점에 따른 광 위상배열 시스템은, 광 위상배열 디바이스와, 빔 주사범위 확대 장치를 포함하되, 상기 빔 주사범위 확대 장치는, 상기 광 위상배열 디바이스로부터의 주사 광에 대하여 제 1 방향으로 주사범위를 확대시키는 제 1 비구면 렌즈와, 상기 제 1 비구면 렌즈를 통과한 주사 광에 대하여 상기 제 1 방향과 직교하는 제 2 방향으로 주사범위를 확대시키는 제 2 비구면 렌즈를 포함하고, 상기 제 1 비구면 렌즈와 상기 제 2 비구면 렌즈는 중심 정렬된다.
일 실시예에 따르면, 광 위상배열 디바이스에 의한 주사 광에 대하여 발산각의 성능 저하 없이 2D(Dimension) 주사범위를 확대시킴으로써, 스캐닝 해상도(scanning resolution)를 향상시키는 효과가 있다.
도 1은 광 위상 배열 디바이스를 예시한 것이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 광 위상배열 디바이스용 빔 주사범위 확대 장치의 구성도와 분해 상태의 사시도이다.
도 3은 도 2에 도시된 광 위상배열 디바이스용 빔 주사범위 확대 장치의 측면도 및 평면도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 광 위상배열 디바이스용 빔 주사범위 확대 장치에 의한 수직 방향의 주사범위 확대 결과를 예시한 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 광 위상배열 디바이스용 빔 주사범위 확대 장치에 의한 수평 방향의 주사범위 확대 결과를 예시한 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 광 위상배열 디바이스용 빔 주사범위 확대 장치의 주요 입사각 조건 및 그에 따른 출사빔의 발산각 정보를 예시적으로 나타낸 것이다.
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.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 광 위상배열 디바이스용 빔 주사범위 확대 장치의 구성도 (a), 분해된 제 1 비구면 렌즈의 사시도 (b) 및 제 2 비구면 렌즈의 사시도(c)이다. 도 3은 도 2에 도시된 광 위상배열 디바이스용 빔 주사범위 확대 장치의 측면도 (a) 및 평면도(c)이다.
도 2 및 도 3에 나타낸 바와 같이 일 실시예에 따른 광 위상배열 디바이스용 빔 주사범위 확대 장치(100)는 제 1 비구면 렌즈(110)와 제 2 비구면 렌즈(120)를 포함하고, 제 1 비구면 렌즈(110)와 제 2 비구면 렌즈(120)는 중심이 서로 정렬되어 배치된다.
제 1 비구면 렌즈(110)는 광 위상배열 디바이스로부터의 주사 광에 대하여 제 1 방향으로 주사범위를 확대시킨다. 예를 들어, 제 1 비구면 렌즈(110)는 광 위상배열 디바이스에 의한 주사 광에 대하여 수직 방향(Vertical direction)으로 주사범위를 확대시킬 수 있고, 광 위상배열 디바이스에 의한 주사 광을 포커싱(focusing)하는 전면(front surface)(111)과 전면(111)에 의해 포커싱된 광을 디플렉션(deflection)하는 후면(rear surface)(112)에 모두 비구면을 가질 수 있다. 예컨대, 제 1 비구면 렌즈(110)의 전면(111)은 중앙으로부터 제 1 방향의 가장자리로 갈수록 두께가 얇아지고, 제 1 비구면 렌즈(110)의 후면(112)은 중앙을 통과하는 제 2 방향으로 형성된 원형 반기둥 형태의 제 1 오목홈(112a)을 포함할 수 있다.
제 2 비구면 렌즈(120)는 제 1 비구면 렌즈(110)를 통과한 주사 광에 대하여 제 1 방향과 직교하는 제 2 방향으로 주사범위를 확대시킨다. 예를 들어, 제 2 비구면 렌즈(120)는 제 1 비구면 렌즈(110)를 통과한 주사 광에 대하여 수평 방향(Horizontal)으로 주사범위를 확대시킬 수 있고, 광 위상배열 디바이스에 의한 주사 광을 포커싱하는 전면(121)과 전면(121)에 의해 포커싱된 광을 디플렉션하는 후면(122)에 모두 비구면을 가질 수 있다. 예컨대, 제 2 비구면 렌즈(120)의 전면(121)은 중앙을 통과하는 제 1 방향으로 형성된 원형 반기둥 형태의 볼록돌기(121a)를 포함할 수 있고, 제 2 비구면 렌즈(120)의 후면(122)은 중앙을 통과하는 제 1 방향으로 형성된 원형 반기둥 형태의 제 2 오목홈(122a)을 포함할 수 있다.
제 2 비구면 렌즈(120)에 포함된 제 2 오목홈(122a)의 반지름은 제 1 비구면 렌즈(110)에 포함된 제 1 오목홈(112a)의 반지름보다 크되 제 2 비구면 렌즈(120)에 포함된 볼록돌기(121a)의 반지름보다 작을 수 있다.
이처럼, 제 1 비구면 렌즈(110)와 제 2 비구면 렌즈(120)를 포함하는 광 위상배열 디바이스용 빔 주사범위 확대 장치(100)는 제 1 비구면 렌즈(110)의 전면(111)에 의한 곡면과 제 2 비구면 렌즈(120)의 전면(121)에 의한 곡면이 서로 직교하면서 중심 정렬된 상태에서 광 위상배열 디바이스에 의한 주사 광에 대하여 각 방향(수직 방향 및 수평 방향)에 대해 독립적으로 동작하여 주사범위를 확대시킨다.
제 1 비구면 렌즈(110)의 전면(111)에 의한 곡면의 곡률과 제 2 비구면 렌즈(120)의 전면(121)에 의한 곡면의 곡률은 들어오는 입사광의 입사각과 발산각 조건에 따라 조정할 수 있다.
그리고, 제 1 비구면 렌즈(110)의 전면(111)과 제 2 비구면 렌즈(120)의 전면(121)의 포커싱 기능으로 인하여 입사광의 발산각을 유지할 수 있고, 제 1 비구면 렌즈(110)의 후면(112)과 제 2 비구면 렌즈(120)의 후면(122)의 디플렉션 기능으로 인하여 주사범위를 확대시킬 수 있다. 이로써, 주사범위와 발산각에 의해 결정되는 스캐닝 해상도(scanning resolution)를 향상시킬 수 있다.
도 4는 파장가변에 의해 조향되는 수직 방향(θ-direction 방향)의 2°범위를 갖는 빔이 입사했을 때, 광 위상배열 디바이스용 빔 주사범위 확대 장치(100)를 통해 최종적으로 얻게 되는 주사범위는 14°임을 보여주는 도면이다.
도 5는 광안테나를 구성하는 각 채널간의 위상 차이에 의해 조향되는 수평 방향(ψ-direction 방향)의 16°범위를 갖는 빔이 입사했을 때, 광 위상배열 디바이스용 빔 주사범위 확대 장치(100)를 통해 최종적으로 얻게 되는 주사범위는 32°임을 보여주는 도면이다.
아래의 표 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 광 위상배열 디바이스용 빔 주사범위 확대 장치(100)에 포함되는 제 1 비구면 렌즈(110)와 제 2 비구면 렌즈(120)의 광학 특성 정보를 예시적으로 나타낸 것이다.
conic constant curvature 4th order
aspheric		 6th order
aspheric		 8th order
aspheric
제 1 비구면
렌즈		 전면 -6.0 3.954 - - -
후면 - 0.608 - - -
제 2 비구면
렌즈		 전면 -0.185 5.045 0.00035 3.48*1e-7 1e-6
후면 -0.00015 2.4455 1.23*1e-5 3.69*1e-5
도 6과 아래의 표 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 광 위상배열 디바이스용 빔 주사범위 확대 장치(100)의 주요 입사각 조건 및 그에 따른 출사빔의 발산각 정보를 예시적으로 나타낸 것이다.
입력 출력
ψ = 0.0°, θ = 0.0° 10 mrad × 3 mrad 5.8 mrad × 4.5 mrad
ψ = 0.0°, θ = 1.0° 10 mrad × 3 mrad 5.8 mrad × 0.6 mrad
ψ = 0.0°, θ = -0.0° 10 mrad × 3 mrad 5.8 mrad × 0.6 mrad
ψ = 8.0°, θ = 0.0° 10 mrad × 3 mrad 4.1 mrad × 9.4 mrad
ψ = -8.0°, θ = 0.0° 10 mrad × 3 mrad 4.1 mrad × 9.4 mrad
지금까지 설명한 바와 같이 본 발명의 일 실시예에 따르면, 광 위상배열 디바이스에 의한 주사 광에 대하여 발산각의 성능 저하 없이 2D 주사범위를 확대시킴으로써, 스캐닝 해상도를 향상시킬 수 있다.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
100 : 광 위상배열 디바이스용 빔 주사범위 확대 장치
110 : 제 1 비구면 렌즈
111 : 제 1 비구면 렌즈의 전면
112 : 제 1 비구면 렌즈의 후면
112a : 제 1 오목홈
120 : 제 2 비구면 렌즈
121 : 제 2 비구면 렌즈의 전면
121a : 볼록돌기
122 : 제 2 비구면 렌즈의 후면
122a : 제 2 오목홈

Claims (7)

  1. 삭제
  2. 삭제
  3. 광 위상배열 디바이스로부터의 주사 광에 대하여 제 1 방향으로 주사범위를 확대시키는 제 1 비구면 렌즈와,
    상기 제 1 비구면 렌즈를 통과한 주사 광에 대하여 상기 제 1 방향과 직교하는 제 2 방향으로 주사범위를 확대시키는 제 2 비구면 렌즈를 포함하고,
    상기 제 1 비구면 렌즈와 상기 제 2 비구면 렌즈는 중심 정렬되며,
    상기 제 1 비구면 렌즈는 상기 광 위상배열 디바이스로부터의 포커싱(focusing)하는 전면(front surface)과 이 전면에 의해 포커싱된 광을 디플렉션(deflection)하는 후면(rear surface)에 모두 비구면을 가지고, 상기 제 2 비구면 렌즈는 상기 제 1 비구면 렌즈를 통과한 주사 광을 포커싱하는 전면과 이 전면에 의해 포커싱된 광을 디플렉션하는 후면에 모두 비구면을 가지며,
    상기 제 1 비구면 렌즈의 전면은 중앙으로부터 상기 제 1 방향의 가장자리로 갈수록 두께가 얇아지고, 상기 제 1 비구면 렌즈의 후면은 중앙을 통과하는 제 2 방향으로 형성된 원형 반기둥 형태의 제 1 오목홈을 포함하는
    빔 주사범위 확대 장치.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 제 2 비구면 렌즈의 전면은 중앙을 통과하는 상기 제 1 방향으로 형성된 원형 반기둥 형태의 볼록돌기를 포함하고, 상기 제 2 비구면 렌즈의 후면은 중앙을 통과하는 상기 제 1 방향으로 형성된 원형 반기둥 형태의 제 2 오목홈을 포함하는
    빔 주사범위 확대 장치.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 제 2 오목홈의 반지름은 상기 제 1 오목홈의 반지름보다 크고 상기 볼록돌기의 반지름보다 작은
    빔 주사범위 확대 장치.
  6. 제 3 항에 있어서,
    상기 제 1 방향은 수직 방향이고, 상기 제 2 방향은 수평 방향인
    빔 주사범위 확대 장치.
  7. 광 위상배열 디바이스와,
    빔 주사범위 확대 장치를 포함하되,
    상기 빔 주사범위 확대 장치는,
    상기 광 위상배열 디바이스로부터의 주사 광에 대하여 제 1 방향으로 주사범위를 확대시키는 제 1 비구면 렌즈와, 상기 제 1 비구면 렌즈를 통과한 주사 광에 대하여 상기 제 1 방향과 직교하는 제 2 방향으로 주사범위를 확대시키는 제 2 비구면 렌즈를 포함하고, 상기 제 1 비구면 렌즈와 상기 제 2 비구면 렌즈는 중심 정렬되며,
    상기 제 1 비구면 렌즈는 상기 광 위상배열 디바이스로부터의 포커싱(focusing)하는 전면(front surface)과 이 전면에 의해 포커싱된 광을 디플렉션(deflection)하는 후면(rear surface)에 모두 비구면을 가지고, 상기 제 2 비구면 렌즈는 상기 제 1 비구면 렌즈를 통과한 주사 광을 포커싱하는 전면과 이 전면에 의해 포커싱된 광을 디플렉션하는 후면에 모두 비구면을 가지며,
    상기 제 1 비구면 렌즈의 전면은 중앙으로부터 상기 제 1 방향의 가장자리로 갈수록 두께가 얇아지고, 상기 제 1 비구면 렌즈의 후면은 중앙을 통과하는 제 2 방향으로 형성된 원형 반기둥 형태의 제 1 오목홈을 포함하는
    광 위상배열 시스템.
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