KR102289844B1 - 공축 라이다 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 예시적 실시예에 따른 공축 라이다 장치는, 제1 초점거리를 가지는 제1 렌즈 및 제2 초점거리를 가지며 상기 제1 렌즈의 중앙에 구비되는 제2 렌즈를 포함하는 광학계; 상기 제2 초점거리만큼 이격된 위치에서 상기 제2 렌즈를 통해 측정 영역으로 조사광을 조사하는 광원; 상기 제1 초점거리만큼 이격된 위치에 배치되며, 산란되어 돌아오는 반사광을 상기 제1 렌즈를 통해 수신하여 핀홀로 통과시키는 필터; 상기 핀홀을 통과한 상기 반사광에서 광 신호를 생성하는 수광부; 및 상기 수광부에서 전송된 상기 광 신호를 수집하여 처리하는 처리부;를 포함할 수 있다.

Description

공축 라이다 장치{ON-AXIAL LIDAR APPARATUS}
본 발명은 공축 라이다 장치에 관한 것이다.
라이다(Lidar)는 레이저를 사용하여 멀리 떨어진 대기중의 에어로졸의 농도 및 종류, 구름, 미세먼지나 황사등을 측정하는 원격측정 장치로, 기상 및 환경 분야에서 활용도가 높아지고 있다.
라이다에서 레이저빔을 송신하고 측정 대상에서 산란된 신호를 수신하는 송수신 광학계는 크게 송신광학계의 축과 수신광학계의 축이 다른 이축 라이다(Bi-axial Lidar)와 송신광학계의 축과 수신광학계의 축이 같은 공축 라이다(On-axial Lidar)로 나눌 수 있는데, 측정 범위를 넓게 하기 위해 요즘은 공축 라이다를 많이 사용하고 있다(US 9,229,110B2).
도 1a 및 도 1b에서는 기존에 사용하고 있는 공축 라이다 장치의 광학계를 나타내고 있다.
도 1a는 레이저 송신부(1)와 수신부인 측정센서(2) 사이에 빔분할기(beam spliter, 3)를 사용하여, 송신되는 레이저빔(Lt)의 일부를 빔분할기(3)를 투과시켜 측정 대상체에 보내고, 측정 대상체에서 산란되어 수신되는 신호(Lr)가 다시 빔분할기(3)에서 반사되어 측정센서(2)에 수신되는 구성이다. 조사되는 레이저빔(Lt)이 빔분할기(3)를 거치면서 어느정도 세기가 손실되고, 수신되는 산란신호(Lr) 역시 빔분할기(3)에서 반사되면서 신호가 손실되어 효율이 저하되는 문제가 있다. 또한, 온도변화나 충격등에 의해 광정렬이 틀어지는 문제가 있다.
도 1b는 빔분할기(3) 대신에 홀미러(hole mirror, 4)를 사용하는 것으로, 송신되는 레이저빔(Lt)은 손실이 거의 없이 측정 대상체에 조사시킬 수 있지만, 수신되는 산란신호(Lr)는 홀미러(4) 외곽부분을 통해서 받아들이기 때문에 손실이 발생하는 문제가 있다. 또한, 충격 등에 의해 광정렬이 틀어질 가능성이 높다는 문제가 있다.
US 9,229,110B2
본 발명은 위와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명에서 해결하고자 하는 과제는 빔분할기나 홀미러를 사용하지 않아 온도변화나 충격 등에 의해 발생할 수 있는 광정렬 틀어짐의 문제를 해소할 수 있도록 하는 공축 라이다 장치를 제공하는 것이다.
다만 본 발명의 목적은 이에만 제한되는 것은 아니며, 명시적으로 언급하지 않더라도 아래에서 설명하는 과제의 해결수단이나 실시 형태로부터 파악될 수 있는 목적이나 효과도 이에 포함된다고 할 것이다.
본 발명의 예시적 실시예에 따른 공축 라이다 장치는, 제1 초점거리를 가지는 제1 렌즈 및 제2 초점거리를 가지며 상기 제1 렌즈의 중앙에 구비되는 제2 렌즈를 포함하는 광학계; 상기 제2 초점거리만큼 이격된 위치에서 상기 제2 렌즈를 통해 측정 영역으로 조사광을 조사하는 광원; 상기 제1 초점거리만큼 이격된 위치에 배치되며, 산란되어 돌아오는 반사광을 상기 제1 렌즈를 통해 수신하여 핀홀로 통과시키는 필터; 상기 핀홀을 통과한 상기 반사광에서 광 신호를 생성하는 수광부; 및 상기 수광부에서 전송된 상기 광 신호를 수집하여 처리하는 처리부;를 포함하며, 상기 처리부에 의해 구동되며 상기 필터와 연계된 드라이버;를 더 포함하여, 상기 반사광이 상기 핀홀을 통해 상기 수광부에 광정렬되도록 상기 드라이버의 구동에 의하여 상기 핀홀의 위치가 조정되고, 야간에는 상기 핀홀의 구경이 확대가능하고 주간에서 상기 핀홀의 구경이 축소가능하게 광학계의 시야가 조절되도록 상기 드라이버의 구동에 의하여 상기 핀홀의 구경이 조정된다.
삭제
상기 처리부는 상기 광 신호를 이용하여 대기중의 정보를 분석하는 전산기, 상기 전산기와 연결되어 상기 드라이버의 구동을 제어하는 컨트롤러를 포함할 수 있다.
상기 처리부는 상기 수광부에서 전송되는 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하여 상기 전산기로 송부하는 AD변환기를 더 포함할 수 있다.
상기 수광부는 상기 핀홀을 통과한 상기 반사광을 집속하는 제1 집속렌즈, 상기 제1 집속렌즈에서 집속된 상기 반사광에서 잡광을 제거하는 밴드패스필터, 상기 밴드패스필터를 통과한 상기 반사광을 집속하는 제2 집속렌즈 및 상기 제2 집속렌즈에 의해 집속된 상기 반사광을 수신하는 광 검출기를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시 형태에 따르면, 빔분할기나 홀미러를 사용하지 않아 온도변화나 충격 등에 의해 발생할 수 있는 광정렬 틀어짐의 문제를 해소할 수 있도록 하는 공축 라이다 장치가 제공될 수 있다.
본 발명의 다양하면서도 유익한 장점과 효과는 상술한 내용에 한정되지 않으며, 본 발명의 구체적인 실시 형태를 설명하는 과정에서 보다 쉽게 이해될 수 있을 것이다.
도 1a 및 도 1b는 각각 종래의 공축 라이다 장치를 개략적으로 나타내는 구성도.
도 2는 본 발명의 예시적 실시예에 따른 공축 라이다 장치를 개략적으로 나타내는 구성도.
도 3a 및 도 3b는 도 2의 공축 라이다 장치에서 필터의 핀홀의 구경이 확대 및 축소되는 것을 나타내는 개략도.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있도록 바람직한 실시예를 상세히 설명한다. 다만, 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명함에 있어, 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략한다. 또한, 유사한 기능 및 작용을 하는 부분에 대해서는 도면 전체에 걸쳐 동일한 부호를 사용한다. 또한, 본 명세서에서, '상', '상부', '상면', '하', '하부', '하면', '측면' 등의 용어는 도면을 기준으로 한 것이며, 실제로는 소자나 구성요소가 배치되는 방향에 따라 달라질 수 있을 것이다.
덧붙여, 명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 '연결'되어 있다고 할 때, 이는 '직접적으로 연결'되어 있는 경우뿐만 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 '간접적으로 연결'되어 있는 경우도 포함한다. 또한, 어떤 구성요소를 '포함'한다는 것은, 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있다는 것을 의미한다.
도 2 및 도 3을 참조하여 본 발명의 예시적 실시예에 따른 축사용 급수 시스템을 설명한다. 도 2는 본 발명의 예시적 실시예에 따른 공축 라이다 장치를 개략적으로 나타내는 구성도이고, 도 3a 및 도 3b는 도 2의 공축 라이다 장치에서 필터의 핀홀의 구경이 확대 및 축소되는 것을 나타내는 개략도이다.
도면을 참조하면, 본 발명의 예시적 실시예에 따른 공축 라이다 장치(10)는 광학계(100), 광원(200), 필터(300), 수광부(400) 및 처리부(500)를 포함할 수 있다.
광학계(100)는 제1 초점거리(F)를 가지는 제1 렌즈(110) 및 제2 초점거리(f)를 가지며 제1 렌즈(110)의 중앙에 구비되는 제2 렌즈(120)를 포함하는 이중 초점 렌즈로 구성될 수 있다.
중앙에 배치되는 제2 렌즈(120)는 조사광(Lt)인 레이저빔의 송신을 위한 것으로 작고 빠른 비구면 렌즈가 사용될 수 있다. 제2 렌즈(120)의 둘레에 배치되는 제1 렌즈(110)는 측정 영역 내의 대기중의 물체(에어로졸, 공기분자, 미세먼지, 황사 등)에 산란되어 돌아오는 반사광(Lr)을 수신하기 위해 사용될 수 있다.
광학계(100)를 구성하는 제1 렌즈(110)와 제2 렌즈(120)는 각각 분리하여 제작할 수 있으며, 추후 상호 조립을 통해서 결합될 수 있다.
광원(200)은 제2 렌즈(120)의 광축(X)에 배치될 수 있다. 광원(200)은 제2 초점거리(f)만큼 이격된 위치에서 제2 렌즈(120)를 통해 전방의 측정 영역으로 조사광을 조사할 수 있다.
일 실시예에서, 광원(200)은 조사광(Lt)으로 레이저빔을 발진시키는 레이저 다이오드(laser diode)를 포함할 수 있다.
필터(300)는 제1 렌즈(110)의 제1 초점거리(F)만큼 이격된 위치에 배치되며, 중앙에 핀홀(310)을 구비할 수 있다. 필터(300)는 산란되어 돌아오는 반사광(Lr)을 제1 렌즈(110)를 통해 수신하여 핀홀(310)로 통과시킬 수 있다.
필터(300)는 처리부(500)에 의해 구동되는 드라이버(540)와 연계되어 핀홀(310)의 위치와 핀홀(310)의 구경 중 적어도 하나가 조정되도록 구성될 수 있다.
필터(300)는 드라이버(540)의 구동을 통해서 핀홀(310)의 위치가 조정될 수 있다. 예를 들어, 광축(X)을 Z축으로 하여 이에 수직을 이루는 X-Y축 방향으로 위치가 조정될 수 있다. 이러한 핀홀(310)의 위치는 반사광(Lr)의 수신방향을 결정할 수 있다. 예를 들어, 반사광(Lr)의 수신각도를 조사광(Lt)의 송신각도와 일치시킬 수 있다.
수광부(400)는 광학계(100)의 광축(X)과 일치하는 위치에 배치되는 것이 가장 바람직하지만, 외부의 충격이나 온도 변화에 따른 팽창 및 수축 등의 작용에 의해 광정렬이 틀어지는 경우가 발생할 수 있다. 필터(300)는 구동을 통해서 반사광(Lr)이 통과하는 핀홀(310)의 위치를 조정하여 광정렬을 함으로써 반사광(Lr)이 온전하게 수광부(400)로 수신되도록 할 수 있다.
필터(300)는 드라이버(540)의 구동을 통해서 핀홀(310)의 구경이 조정될 수 있다. 예를 들어, 조리개를 조이거나 개방하는 방식으로 핀홀(310)의 구경을 조정할 수 있다. 이러한 핀홀(310)의 크기는 광학계(100)의 시야(Field of View)를 결정하게 된다. 따라서, 야간에는 핀홀(310)의 구경을 확대하고, 주간에는 핀홀(310)의 구경을 축소하여 잡광에 의한 오차를 줄일 수 있다.
수광부(400)는 핀홀(310)을 통과한 반사광(Lr)을 수신하여 반사광(Lr)에서 광 신호를 생성할 수 있다. 수광부(400)는 제1 집속렌즈(410), 밴드패스필터(420), 제2 집속렌즈(430) 및 광 검출기(440)를 포함할 수 있다.
제1 집속렌즈(410)는 핀홀(310)을 통과한 반사광(Lr)을 집속하여 밴드패스필터(420)로 보내고, 밴드패스필터(420)는 제1 집속렌즈(410)에서 집속된 반사광(Lr)에서 잡광을 제거하도록 구성될 수 있다.
제2 집속렌즈(430)는 밴드패스필터(420)를 통과한 반사광(Lr)을 집속하여 광 검출기(440)로 보내고, 광 검출기(440)는 제2 집속렌즈(430)에 의해 집속된 반사광(Lr)을 수신하여 광 신호를 생성할 수 있다. 광 검출기(440)는 포토다이오드(PD) 또는 애벌랜치 포토다이오드(APD)가 사용될 수 있다.
실시예에 따라서, 제1 집속렌즈(410) 또는 제2 집속렌즈(430) 중 어느 하나는 생략될 수 있고, 제1 집속렌즈(410)와 제2 집속렌즈(430) 모두가 생략될 수도 있다.
또한, 실시예에 따라서, 밴드패스필터(420)는 생략될 수 있다.
처리부(500)는 수광부(400)에서 전송된 광 신호를 수집하여 처리할 수 있다. 처리부(500)는 전산기(510), 컨트롤러(520), AD변환기(530)를 포함할 수 있다.
전산기(510)는 광 검출기(440)로부터 전송되는 광 신호를 이용하여 대기중의 정보를 분석처리할 수 있다. 실시예에 따라서, 전산기(510)는 수광부(400)에서 전송되는 광 신호를 수집하여 전산기(510)로 보내는 데이터 수집장치(DAQ)를 포함할 수 있다.
컨트롤러(520)는 전산기(510)와 연결되어 드라이버(540)의 구동을 제어할 수 있다.
AD변환기(530)는 수광부(400)와 전산기(510) 사이에 개재되어 수광부(400)에서 전송되는 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하여 전산기(510)로 송부할 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따르면, 이중 초점 렌즈 구조를 갖는 광학계(100)를 도입하여, 광원(200)에서 발진된 조사광(Lt), 즉 레이저빔은 집속에 최적화된 중앙부의 작은 렌즈를 거친 후 전방의 대기(또는 물체)에 조사되고, 산란되어 되돌아오는 반사광(Lr)은 외곽부의 큰 렌즈를 통해 광 검출기(440)로 입사되도록 구성하였다. 특히, 레이저빔을 송신하는 송신부 광학계(제2 렌즈(120))와 반사광을 수신하는 수신부 광학계(제1 렌즈(110))를 분리하여 제작할 수 있어서 각각의 광학적 특성을 높일 수 있으며, 기존의 라이다 송수신 광학계에서 거울을 제외시킴으로써 광정렬 안정성을 크게 높일 수 있는 장점이 있다.
또한, 위치와 구경이 조정되는 핀홀(310)을 구비하는 필터(300)를 광학계(100)와 광 검출기(440) 사이에 배치하여 반사광(Lr)이 핀홀(310)을 통과하여 광 검출기(440)로 입사되도록 구성함으로써 라이다 광학계의 최적화 및 광정렬 문제를 해결할 수 있도록 하였다.
이와 같이, 본 발명은 하나의 렌즈를 사용하는 공축광학계의 문제점인 광이용 효율과 광학계의 최적화 문제 그리고 광학계의 광정렬 문제를 해결한 공축 라이다 장치이며, 이동형으로 사용되며 측정범위가 넓은 라이다 운고계, 바람측정용 도플러 라이다 등의 공축 라이다 장치 전반에 유용하게 사용될 수 있다.
이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명하였지만 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시 예에는 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.
10... 공축 라이다 장치
100... 광학계
110... 제1 렌즈
120... 제2 렌즈
200... 광원
300... 필터
310... 핀홀
400... 수광부
410... 제1 집속렌즈
420... 밴드패스필터
430... 제2 집속렌즈
440... 광 검출기
500... 처리부
510... 전산기
520... 컨트롤러
530... AD변환기

Claims (5)

  1. 제1 초점거리를 가지는 제1 렌즈 및 제2 초점거리를 가지며 상기 제1 렌즈의 중앙에 구비되는 제2 렌즈를 포함하는 광학계;
    상기 제2 초점거리만큼 이격된 위치에서 상기 제2 렌즈를 통해 측정 영역으로 조사광을 조사하는 광원;
    상기 제1 초점거리만큼 이격된 위치에 배치되며, 산란되어 돌아오는 반사광을 상기 제1 렌즈를 통해 수신하여 핀홀로 통과시키는 필터;
    상기 핀홀을 통과한 상기 반사광에서 광 신호를 생성하는 수광부; 및
    상기 수광부에서 전송된 상기 광 신호를 수집하여 처리하는 처리부;를 포함하며,
    상기 처리부에 의해 구동되며 상기 필터와 연계된 드라이버;를 더 포함하여,
    상기 반사광이 상기 핀홀을 통해 상기 수광부에 광정렬되도록 상기 드라이버의 구동에 의하여 상기 핀홀의 위치가 조정되고, 야간에는 상기 핀홀의 구경이 확대가능하고 주간에서 상기 핀홀의 구경이 축소가능하게 광학계의 시야가 조절되도록 상기 드라이버의 구동에 의하여 상기 핀홀의 구경이 조정되는 것을 특징으로 하는 공축 라이다 장치.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 처리부는 상기 광 신호를 이용하여 대기중의 정보를 분석하는 전산기, 상기 전산기와 연결되어 상기 드라이버의 구동을 제어하는 컨트롤러를 포함하는 것을 특징으로 하는 공축 라이다 장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 처리부는 상기 수광부에서 전송되는 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환하여 상기 전산기로 송부하는 AD변환기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 공축 라이다 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 수광부는 상기 핀홀을 통과한 상기 반사광을 집속하는 제1 집속렌즈, 상기 제1 집속렌즈에서 집속된 상기 반사광에서 잡광을 제거하는 밴드패스필터, 상기 밴드패스필터를 통과한 상기 반사광을 집속하는 제2 집속렌즈 및 상기 제2 집속렌즈에 의해 집속된 상기 반사광을 수신하는 광 검출기를 포함하는 것을 특징으로 하는 공축 라이다 장치.
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