KR102496330B1 - 비행체 방어용 레이저 장치 및 그 운용 방법 - Google Patents

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두원포토닉스 주식회사
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Abstract

본 발명의 일 실시 예에 따른 비행체 방어용 레이저 장치는, 레이저 빔을 출력하는 레이저 발진기와 상기 출력된 레이저 빔을 기초로, 공중에 레이저 빔 조사 영역을 생성하는, 레이저 빔 조사 영역 생성부와 상기 레이저 빔 조사 영역 생성부를 제어하여, 상기 레이저 빔 조사 영역 중, 미리 설정된 임계치 이상의 에너지 밀도를 가지는 레이저 빔 조사면을 생성하고, 상기 레이저 장치로부터 상기 레이저 빔 조사면까지의 3차원 공간으로서, 상기 레이저 빔 조사 영역 상에 위치하는 비행체를 상기 레이저 빔으로 타격하는 상기 레이저 빔 조사 영역이 생성되도록 제어하는 제어부를 포함할 수 있다.

Description

비행체 방어용 레이저 장치 및 그 운용 방법 {Laser device for aircraft defense and operating method thereof}
본 발명은 비행체 방어용 레이저 장치 및 그 운용 방법에 관한 것이다. 보다 자세하게는, 공중에 면 또는 사각뿔 형태의 입체 레이저 조사 영역을 생성하고, 생성된 조사 영역 상에 위치하는 비행체를 추적하거나 조사 영역 상의 개별 또는 군집 형태의 비행체, 예를 들어 흩어진 다수의 드론과 같은 비행체에 대한 타격을 수행함으로써, 비행체에 대한 방어를 수행하는 레이저 장치 및 그 운용 방법에 관한 것이다.
레이저 가공 장치는, 높은 열에너지를 사용하면서도 재료의 손상을 최소화하여, 가공 품질을 정밀하고 높은 수준으로 유지시킨다.
최근에는, 다양한 광학계와 결합된 레이저 장치가 제공됨에 따라, 초점 거리 및 레이저 빔의 조사 거리, 영역의 에너지 밀도가 제어될 수 있게 되었다. 이에 따라, 산업 현장에서 용접, 절단, 천공 등 다양한 가공을 수행하는 레이저 가공 장치가 제공되고 있다.
그러나 이 같은 레이저 가공 장치의 가공 방식은, 조사대상체의 표면에 수직 방향으로 레이저 빔을 조사하여 표면상의 점에 에너지를 집중시키거나, 하나의 방향으로 레이저 빔을 연속 조사시킴으로써 조사대상체에 가공을 수행하는 것에 그치고 있다. 즉, 상기와 같은 레이저 가공 장치는 초점의 정지 상태 또는 선형 운동에 의해 레이저 빔을 조사시키기 때문에 특정 공간에 대한 동시다발적인 레이저 스캐닝 또는 가공을 수행하지 못하는 한계를 노출한다.
등록특허공보 제10-2020377호
본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는, 회전 미러 유닛을 이용하여 레이저 빔 조사 영역을 생성하는 레이저 장치를 제공하는 것이다.
구체적으로, 본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는, 하나 이상의 객체에 대한 파괴 효율이 균일한 레벨로 유지되는 레이저 빔 조사 영역을 생성하는 것이다.
또한, 본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는, 상기 레이저 빔 조사 영역 상에 위치하는 하나 이상의 객체에, 소정의 영역으로 레이저 빔을 조사함으로써, 상기 하나 이상의 객체에 동시 다발적인 물리적 타격을 가할 수 있는 레이저 장치를 제공하는 것이다.
본 발명이 해결하고자 하는 다른 기술적 과제는, 초점거리의 변경을 통해, 레이저 장치로부터 레이저 빔 조사 영역이 위치하는 거리를 조절하는 레이저 장치를 제공하는 것이다.
구체적으로, 본 발명이 해결하고자 하는 다른 기술적 과제는, 다양한 광학계를 이용하여, 레이저 빔의 조사 영역 및 영역 내의 에너지 강도를 조절함으로써, 이동하는 객체를 정찰하는 레이저 장치를 제공하는 것이다.
본 발명이 해결하고자 하는 또 다른 기술적 과제는, 회전 미러 유닛의 스캔 각도에 따라, 객체를 추적 또는 타격하기 위한 관심 영역을 다양하게 변경할 수 있는 레이저 장치를 제공하는 것이다. 이에 따라, 비행체의 정찰범위가 다양하게 변조될 수 있다.
본 발명의 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명의 기술분야에서의 통상의 기술자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 비행체 방어용 레이저 장치는, 레이저 빔을 출력하는 레이저 발진기와 상기 출력된 레이저 빔을 기초로, 공중에 레이저 빔 조사 영역을 생성하는, 레이저 빔 조사 영역 생성부 및 상기 레이저 빔 조사 영역 생성부를 제어하여, 상기 레이저 빔 조사 영역 중, 에너지 밀도가 가장 높은 레이저 빔 조사면을 생성하고, 상기 레이저 장치로부터 상기 레이저 빔 조사면까지의 3차원 공간으로서, 상기 레이저 빔 조사 영역 상에 위치하는 비행체를 상기 레이저 빔으로 타격하는 상기 레이저 빔 조사 영역이 생성되도록 제어하는 제어부를 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 레이저 빔 조사 영역 생성부는, 상기 출력된 레이저 빔을 반사시켜 회전 미러 유닛으로 전송하는 빔 전송 광학계와 원주에 다수의 미러를 구비하고, 회전함에 따라 상기 미러를 통해 상기 반사된 레이저 빔을 상기 공중에 조사시키는 회전 미러 유닛을 포함하고, 상기 빔 전송 광학계는, 상기 출력된 레이저 빔의 초점을 무한대로 변환시키거나, 상기 출력된 레이저 빔을 소정의 위치로 집광시킬 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 레이저 빔 조사 영역 생성부는, 상기 회전 미러 유닛의 회전축을 틸팅시키는 틸팅부를 더 포함하고, 상기 제어부는, 상기 회전 미러 유닛의 x축 스캐닝과, 상기 회전 미러 유닛의 틸팅에 의해 수행되는 y축 스캐닝을 기초로, 상기 레이저 빔 조사면이 생성되도록 제어할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 레이저 빔 조사 영역 생성부는, 상기 빔 전송 광학계와 상기 회전 미러 유닛 사이에, 상기 빔 전송 광학계로부터 전송된 레이저 빔을 상기 회전 미러 유닛으로 반사시키는 반사 광학계를 더 포함하고, 상기 제어부는, 상기 반사 광학계를 미리 설정된 범위에서 왕복 회전시킴에 따라, 상기 회전 미러 유닛의 x축 스캐닝과, 상기 반사 광학계의 상기 왕복 회전에 의해 수행되는 y축 스캐닝을 기초로, 상기 레이저 빔 조사면을 생성할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 레이저 빔 조사 영역 생성부는, 상기 빔 전송 광학계와 상기 회전 미러 유닛 사이에, 원주를 따라 다수의 미러를 구비하고, 회전함에 따라 상기 빔 전송 광학계로부터 전송된 레이저 빔을 상기 회전 미러 유닛으로 스캐닝시키는 제2 회전 미러 유닛을 더 포함하고, 상기 제어부는, 상기 제2 회전 미러 유닛을 회전시켜 상기 전송된 레이저 빔이 상기 회전 미러 유닛의 미러의 표면에 스캐닝됨에 따라, 상기 회전 미러 유닛의 x축 스캐닝과, 상기 제2 회전 미러 유닛에 의해 수행되는 y축 스캐닝을 기초로, 상기 레이저 빔 조사면을 생성할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 레이저 빔 조사 영역 생성부는, 상기 출력된 레이저 빔을 반사시켜 회전 미러 유닛으로 전송하는 빔 전송 광학계와 원주에 다수의 미러를 구비하고, 회전함에 따라 상기 미러를 통해 상기 반사된 레이저 빔을 상기 공중에 조사시키는 회전 미러 유닛을 포함하고, 상기 빔 전송 광학계는, 초점 위치를 가변할 수 있는 가변 초점 광학계일 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 레이저 빔 조사 영역 생성부는, 상기 회전 미러 유닛의 회전축을 틸팅시키는 틸팅부를 더 포함하고, 상기 제어부는, 상기 회전 미러 유닛의 x축 스캐닝과, 상기 회전 미러 유닛의 틸팅에 의해 수행되는 y축 스캐닝을 기초로, 상기 레이저 빔 조사면이 생성되도록 제어할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 생성된 레이저 빔 조사 영역은, 상기 레이저 장치로부터 제1 초점거리에 위치하는 상기 레이저 빔 조사면을 포함하는 3차원 공간이고, 상기 레이저 장치는, 상기 3차원 공간 내에, 레이저 빔 조사 영역 사이에 위치하는 상기 비행체를 식별하는 레이더를 더 포함하고, 상기 빔 조사 영역 생성부는, 상기 가변 초점 광학계의 광학면 곡률을 변경하는 에어 펌프를 포함하고, 상기 제어부는, 상기 레이더에 의해 식별된 비행체의 개수가 미리 설정된 임계치 미만인 경우, 상기 에어 펌프의 펌프 압력을 연산하고, 상기 에어 펌프의 동작을 제어하여 상기 가변 초점 광학계의 미러면 곡률을 변경시킴으로써, 상기 제1 초점거리를 제2 초점거리로 변경시킬 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 제어부는, 상기 레이저 장치로부터 상기 제2 초점거리에 위치하는 상기 레이저 빔 조사면을 포함하는 3차원 공간인, 레이저 빔 조사 영역을 신규 생성할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 레이저 발진기는 제1 레이저 발진기 및 제2 레이저 발진기를 포함하고, 상기 제1 레이저 발진기에 의해 출력된 제1 레이저 빔이 상기 빔 전송 광학계를 통해 제1 반사 빔으로 상기 회전 미러 유닛에 전송되고, 상기 제2 레이저 발진기에 의해 출력된 제2 레이저 빔이 상기 빔 전송 광학계를 통해 상기 제1 반사 빔과 수평한 제2 반사 빔으로 상기 회전 미러 유닛에 전송되고, 상기 제어부는, 상기 제1 반사 빔 및 상기 제2 반사 빔을 기초로 수행되는 상기 회전 미러 유닛의 x축 스캐닝 및 상기 회전 미러 유닛의 틸팅에 의해 수행되는 y축 스캐닝을 기초로, 상기 레이저 빔 조사면이 생성되도록 제어할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 레이저 빔 조사면은, 상기 제1 반사빔을 기초로 x축 및 y축 스캐닝이 수행됨에 따라 생성되는 제1 스캐닝면과, 상기 제2 반사빔을 기초로 x축 및 y축 스캐닝이 수행됨에 따라 생성되는 제2 스캐닝면을 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 상기 제어부는, 빔 전송 광학계의 반사 각, 상기 회전 미러 유닛의 회전 속도, 상기 틸팅부의 틸팅각, 레이저 발진기의 빔 출력을 제어하여 레이저 빔의 스캔 각, 스캔 길이, 스캔 속력, 객체에 입사하는 입사각(telecentricity error)을 조절할 수 있다.
공중에서 비행 중인 비행체를 점으로 추적 및 타격하기 어려운데 반하여, 본 발명의 일 실시 예에 따르면, 비행체가 레이저 빔 조사 영역에 들어오면 물리적 타격이 가해짐으로써, 효율적으로 비행체에 대한 방어가 이뤄지는 효과가 있다.
또한, 본 발명의 다른 실시 예에 따르면, 타격해야 할 비행체가 복수개인 경우, 각각의 비행체를 별도 타격하지 않더라도, 생성해둔 레이저 빔 조사 영역에 복수개의 비행체가 진입함에 따라 동시 다발적으로 타격이 가해지는 효과가 있다.
본 발명의 또 다른 실시 예에 따르면, 레이저 장치는 레이저 빔 초점거리를 변경시킴으로써, 조사면의 면적과 공중 상의 위치를 변경할 수 있게 된다. 이로써 보다 먼 거리의 넓은 면적의 비행체들을 정찰할 수 있게 되는 장점이 있다. 즉, 본 발명의 실시 예에 따른 레이저 장치는 넓은 영역에 대한 스캔 기능을 구비하여 비행체에 대한 파괴 목적 이외에 비행체의 검출 기능으로도 활용될 수 있다.
한편, 본 발명의 실시 예에 따른 레이저 장치는, 비행체에 대한 타격 용도뿐만 아니라, 그 자체로서 군사적인 무기로 활용될 수도 있다.
본 발명의 효과들은 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 본 발명의 기술분야에서의 통상의 기술자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 비행체 방어용 레이저 장치의 예시도이다.
도 2는 도 1의 비행체 방어용 레이저 장치의 한 축 스캔 실시 예를 보인 예시도이다.
도 3은 도 1 비행체 방어용 레이저 장치에 집광 광학계를 적용한 스캔 실시 예를 보인 예시도이다.
도 4a, 도 4b 및 도 4c는 도 1의 비행체 방어용 레이저 장치의 레이저 빔 조사 영역 생성 실시예를 보인 예시도이다.
도 5는 본 발명 다른 실시 예에 따른 복수개 레이저 발진기가 적용된 비행체 방어용 레이저 장치의 예시도이다.
도 6은 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 가변 초점 광학계가 적용된 비행체 방어용 레이저 장치의 예시도이다.
도 7 본 발명의 일 실시 예에 따른 비행체 방어용 레이저 장치의 블록도이다.
도 8은 도 7의 비행체 방어용 레이저 장치 운용 방법의 순서도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 상세히 설명한다. 본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시 예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 게시되는 실시 예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시 예들은 본 발명의 게시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.
다른 정의가 없다면, 본 명세서에서 사용되는 모든 용어(기술 및 과학적 용어를 포함)는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 공통적으로 이해될 수 있는 의미로 사용될 수 있을 것이다. 또 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 용어들은 명백하게 특별히 정의되어 있지 않는 한 이상적으로 또는 과도하게 해석되지 않는다. 본 명세서에서 사용된 용어는 실시 예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다.
이하, 본 명세서에서, 비행체 방어용 레이저 장치는 레이저 장치 또는 레이저 스캐너로 칭해질 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 비행체 방어용 레이저 장치의 예시도이다.
도 1을 참조하면, 레이저 장치는, 레이저 발진기(32), 빔 전송 광학계(40), 회전 미러 유닛(20)을 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 레이저 발진기(32)는 객체, 예를 들어, 드론과 같은 비행체의 파괴를 위한 고출력 빔을 생성할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 레이저 발진기(32)는, 도 1의 레이저 빔 조사 영역(45) 중, 미리 설정된 임계치 이상의 에너지 밀도를 가지는 레이저 빔 조사면(44)을 생성할 수 있다.
다른 실시 예로, 레이저 발진기(32)는 최소한 드론의 광학 센서를 무력화하기 위한 출력의 빔을 생성할 수 있다. 광학 센서 무력화 시, 드론은 제어 능력을 상실하게 된다. 또한, 모터나 프로펠러가 파괴되는 경우, 드론의 동력이 상실되어 비행 능력이 상실된다.
또 다른 실시 예로, 레이저 발진기(32)는 소정의 영역 상 드론의 발현, 드론의 비행 방향, 드론의 비행 속도 등을 스캐닝하기 위한 출력의 빔을 생성할 수도 있다.
일 실시 예에 따른 빔 전송 광학계(40)는, 무한 초점 광학계일 수 있다.
다른 실시 예에 따른 빔 전송 광학계(40)는, 집광 광학계일 수 있다.
또는 본 발명의 실시 예에 따르면, 빔 전송 광학계(40)는, 무한 초점 광학계와 집광 광학계가 복합적으로 결합된 광학계를 포함할 수도 있다.
상기 무한 초점 광학계 및 집광 광학계는 각각 반사형 미러이거나 투과형 렌즈 일 수 있다.
회전 미러 유닛(20)은, 예를 들어, 폴리곤 미러일 수 있으나, 본 발명의 실시 예는 이에 한정되지 않는다.
도 1을 참조하면, 레이저 발진기(32)에 의해 생성된 레이저 빔(16)은, 빔 전송 광학계(40)를 통해 회전 미러 유닛(20)에 전송된다.
이때, 회전 미러 유닛(20)은 회전축을 중심으로 고속으로 회전하며, 회전 미러 유닛(20)의 초점 거리 상에 x축 스캐닝을 수행한다.
본 발명의 일 실시 예에 따르면, 회전 미러 유닛(20)은 회전축이 틸팅 또는 왕복 회전 운동을 수행함으로써, 미러 면의 반사각(34)을 만들어 내며, 이 같은 반사각(34)에 의해 회전 미러 유닛(20)의 초점 거리상에 y축 스캐닝이 수행될 수 있다.
예를 들어, 빔 전송 광학계(40)가 무한 초점 광학계 또는 집광 광학계인 경우, 레이저 발진기(32)의 레이저 빔(16)을 회전 미러 유닛(20)에 전송하고, 빔의 초점을 무한대로 변환시키거나 필요한 위치에 집광 시킨다.
다음으로, 전송된 레이저 빔(16)은 회전 미러 유닛(20)에 의해, x축, y축 스캔될 수 있다.
상기와 같은, 회전 미러 유닛(20)의 x축 스캐닝 및 y축 스캐닝에 의해, 회전 미러 유닛(20)으로부터 레이저 빔(16)의 초점거리상에 레이저 빔 조사면(44)이 생성될 수 있다.
레이저 빔 조사면(44)은, 예를 들어, 비행체의 파괴 또는 무력화에 필요한 레이저 에너지 한계 가상면일 수 있다.
설명의 편의를 위해, 도 1의 레이저 빔 조사면(44)은 2차원의 평면으로 도시되었으며, 실제로는 비슷한 집광도를 갖는 영역이 있어 소정의 두께를 가질 수 있다.
즉, 본 명세서에서, 레이저 빔의 초점이 형성되는 위치가 가장 에너지가 높으며 비행체에 대한 파괴 효율이 가장 좋기 때문에, 편의상 '레이저 조사면(44)'이라 표현하였으나, 실제로는 면이 아닌 소정의 두께를 갖는 영역이다.
일 실시 예에 따르면, 레이저 빔 조사 영역(45)은, 레이저 장치 또는 회전 미러 유닛(20)의 미러 면의 발사점으로부터 레이저 빔 조사면(44)까지의 3차원 공간으로서, 도 1과 같은 사각뿔 형상의 공간일 수 있다.
레이저 빔 조사 영역(45)은, 전체 영역이 비행체 타격을 위한 유효 사거리이며, 레이저 빔 조사 영역(45) 상에 위치하는 비행체를 레이저 빔(16)으로 타격할 수 있는 공간이다.
도시되지 않았으나, 레이저 장치는, 레이저 장치의 각 구성요소의 전반적인 동작을 제어하고, 레이저 빔 조사 영역(45)이 생성되도록 제어하는 제어부를 포함할 수 있다. 한편, 본 발명의 실시 예에 따르면, 회전 미러 유닛(20)과 레이저 발진기(32)는 다수개 조합될 수 있다. 레이저 발진기(32)가 다수개인 경우, 레이저 발진기(32)는 세로로 배열될 수 있으나, 본 발명의 실시 예는 이에 한정되지 않는다.
도 2는 도 1의 비행체 방어용 레이저 장치의 한 축 스캔 실시 예를 보인 예시도이다. 도 2는 도 1의 레이저 장치의 가장 단순한 구성의 실시 예로, 한 축(x축) 방향으로만 레이저 빔(16)이 조사되는 1차원 스캔 구성의 예시이다.
도 2를 참조하면, 레이저 발진기(32)에 의해 레이저 빔(16)이 출력되어, 빔 전송 광학계(40)를 통해 회전 미러 유닛(20)에 전송될 수 있다. 이때, 회전 미러 유닛(20)이 회전하며 레이저 빔(16)을 반사 스캔하여 한축(x축) 스캔이 수행된다.
도 2는 도 1의 레이저 장치가 회전 미러 유닛(20)을 틸팅하지 않는 경우의 예시이며, 회전 미러 유닛(20)의 회전축이 왕복 회전 운동 방식으로 틸팅되는 경우, 레이저 장치는, 도 1과 같이 회전 미러 유닛(20)의 미러 면의 반사각(34)을 발생시킨다.
도 3은 도 1 비행체 방어용 레이저 장치에 집광 광학계를 적용한 스캔 실시 예를 보인 예시도이다.
도 3을 참조하면, 레이저 장치가 한 축(x축) 스캔을 수행하여, 레이저 빔이 왼쪽에서 오른쪽 화살표 방향 직선(300)으로 조사된다.
이때, 회전 미러 유닛(20)의 틸팅에 의해 미러면의 반사각(34)이 상기 화살표 직선(300)과 수평한 복수개의 화살표 직선을 y축 방향으로 생성해내며, 이에 따라 소정의 레이저 빔 조사면이 생성된다.
레이저 빔 조사면을 구성하는 화살표 직선(300)은 편의상 직선(300)으로 표현되었으나, 레이저 장치의 레이저 빔(16) 초점거리에 위치하는 비슷한 집광도를 갖는 두께(301)를 가지는 영역일 수 있다.
도 3에서, 레이저 빔(16)의 에너지 밀도가 높아 파괴 효율이 높은 위치의 레이저 빔 조사면이 예로써 도시되었다.
도 4a, 도 4b 및 도 4c는 도 1의 비행체 방어용 레이저 장치의 레이저 빔 조사 영역 생성 실시예를 보인 예시도이다.
도 4a에서, 레이저 발진기(32)는 고출력 빔을 생성한다.
회전 미러 유닛(20)은 회전 운동을 통해 x축 스캔을 수행하고, 상하 운동, 다시 말해, 회전 미러 유닛(20)의 회전축을 왕복 틸팅 운동시킴으로써, y축 스캔이 수행된다. 도 4a에서 레이저 발진기(32)의 고출력 빔을 사각뿔 형상의 3차원 공간으로 만들 수 있다. 사각뿔 형상(45) 내 공간은 드론이 파괴되는 유효 사거리에 해당된다. 특히, 무한 광학계를 사용한 경우엔 파괴효과가 더 높아질 수 있다.
도 4a의 구성은 무기 특성상 열 내구성이 매우 우수한 광학계를 사용하기 용이하여, 매우 높은 출력을 사용하기에 유리하다. 또한 y축 방향 스캔이 느려 빠른 속력의 x축 스캔이 대상물에 반복 조사되는 시간이 길어지게 되어, 동일한 한 축에 대한 에너지 집중도가 높으므로, 파괴 목적의 무기로 사용하기 용이하다.
도 4b는, y축 스캔을 회전 미러 유닛(20)의 틸팅을 통해 수행하는 도 4a의 실시 예와 달리, y축 스캔을 반사 광학계(51)의 틸팅에 의해 수행하는 레이저 장치의 예시이다.
레이저 발진기(32)에 의해 레이저 빔(16)이 출력되고, 빔 전송 광학계(40)에 의해 전송된 레이저 빔(16)이 반사 광학계(51)를 통해 회전 미러 유닛(20)에 전달된다.
회전 미러 유닛(16)이 x축 스캔을 수행하되, 이때, 반사 광학계(51)의 틸팅에 의해 회전 미러 유닛(20)의 미러 면에 레이저 빔(16)이 y축 왕복 조사되며, 이에 따라 공중의 초점거리 상에 y축 스캔이 수행된다.
도 4b의 구성은 적당히 빠른 y축 스캔 속력을 가지면서도 반사 광학계(51)의 틸팅 각도를 조절할 수 있어 레이저 빔이 조사되는 면의 크기를 제어하기 용이하다. 또한, 민첩한 동작과 재어 편의성을 고려하면 반사 광학계(51)를 작게 구성하는 것이 유리하고, 이 경우 고출력 장시간 사용에 단점이 있다.
도 4c는, y축 스캔을 반사 광학계(51)의 틸팅을 통해 수행하는 도 4b의 실시 예와 달리, y축 스캔을 제2 회전 미러 유닛(52)의 틸팅에 의해 수행하는 레이저 장치의 예시이다. 회전 미러 유닛(20)은, 제2 회전 미러 유닛(52)과 구별을 위해, 제1 회전 미러 유닛으로 칭해질 수 있다.
도 4c를 참조하면, 제2 회전 미러 유닛 (52)이 y축 방향 스캔을 수행하며, 제1 회전 미러 유닛 (20)은 x 축 방향 스캔을 수행한다.
두 회전 미러 유닛의 배치에 따라 x축 스캔을 y축 스캔에 앞서 수행할 수도 있고, 두 스캔 방향의 각도를 90도가 아닌 임의의 각으로 구성 할 수도 있다.
도 4c와 같이 복수의 회전 미러 유닛(52, 20)을 사용하는 경우, 고출력 대응성도 좋고 스캔 속력도 매우 빠른 장점이 있다. 다만 파괴 목적보다는 넓은 영역을 빠르게 스캔하여 적의 무기 위치를 파악하는 검출기 용도로 더 활용성이 뛰어나다.
도 5는 본 발명 다른 실시 예에 따른 복수개 레이저 발진기가 적용된 비행체 방어용 레이저 장치의 예시도이다.
도 5를 참조하면, 레이저 장치는 다수 레이저 발진기(32), 회전 미러 유닛(20)을 포함한다.
레이저 발진기(32)는 복수개의 레이저 발진기를 포함할 수 있다. 예를 들어, 레이저 발진기(32)는, 제1 레이저 발진기 및 제2 레이저 발진기를 포함할 수 있다.
제1 레이저 발진기에 의해 출력된 제1 레이저 빔이 빔 전송 광학계를 통해 제1 반사 빔으로 회전 미러 유닛(20)에 전송될 수 있다.
또한, 제2 레이저 발진기에 의해 출력된 제2 레이저 빔이 빔 전송 광학계를 통해 제1 반사 빔과 수평한 제2 반사 빔으로 상기 회전 미러 유닛에 전송될 수 있다.
다수 레이저 발진기(32)와 회전 미러 유닛(20) 사이의 빔 전송 광학계는 무한 초점 광학계 또는 집광 광학계가 포함될 수 있다.
다른 실시 예에 따르면, 여러 대의 레이저 발진기(32) 대신에 한 개의 레이저 발진기를 사용하고, 무한 초점 광학계 또는 집광 광학계 후단에 빔을 분기할 수 있는 스플리터를 사용해 다중 레이저 빔으로 분기해 회전 미러 유닛(2)에 입사시킬 수도 있다.
본 발명의 또 다른 실시 예에 따르면, 도 4에서와 같이 빔 전송 광학계가 없이 레이저 발진기(32)에서 레이저 빔이 회전 미러 유닛(20)으로 바로 전달될 수도 있다. 회전 미러 유닛(20)은 제1 레이저 빔과 제2 레이저 빔을 반사한다.
특히, 도 5에서, 제1 레이저 빔이 반사된 제1 반사빔을 기초로 x축 및 y축 스캐닝이 수행됨에 따라 생성되는 제1 스캐닝면과, 제2 레이저 빔이 반사된 제2 반사빔을 기초로 x축 및 y축 스캐닝이 수행됨에 따라 생성되는 제2 스캐닝면을 포함하는 레이저 빔 조사면(46)이 예로써 도시되었다.
도 6은 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 가변 초점 광학계가 적용된 비행체 방어용 레이저 장치의 예시도이다.
특히, 도 6은 본 발명 위치 파악이 가능한 대상물을 무력화하기 위한 효율을 높이기 위해, 무한 초점 광학계 또는 집광 광학계 대신 가변 초점 광학계를 사용하는 레이저 장치의 예시이다.
도 6을 참조하면, 레이저 장치는 레이더(43), 가변 초점 광학계(40-1), 에어 펌프(41) 및 연산자(42)를 포함할 수 있다. 여기에서 연산자(42)는 에어 펌프의 압력을 연산할 수 있으며, 레이저 장치의 제어부에 포함될 수 있다.
레이더(43)는, 레이저 빔 조사 영역 사이에 위치하는 비행체를 식별할 수 있다.
레이저 장치는 위치 감지 목적의 레이더(43)로 복수개의 비행체, 예를 들어, 군집 드론의 밀도가 가장 높은 거리(L1 또는 L2)를 감지해서 이 위치(L1 또는 L2)에 초점이 형성되도록 가변 초점 광학계(40-1)의 광학면 곡률을 가변할 수 있다.
가변 초점 광학계(40-1)는 미러 내 공기 압력을 조절하여 광학면 곡률을 변경하도록 구성되어 있다. 레이저 장치는 에어 펌프(41)의 펌프 압력을 연산하고, 에어 펌프(41)를 작동시킬 수 있다.
가변 초점 광학계(40-1)의 미러면 곡률을 변경해서 초점 거리(L1 또는 L2)를 변경시킨다. 초점 거리(L1 또는 L2)는 한정되는 것이 아니고, 능동 가변이다.
도 6에서, 제어부는, 레이더(43)에 의해 식별된 비행체의 개수가 미리 설정된 임계치 미만인 경우, 에어 펌프(41)의 펌프 압력을 연산하고, 에어 펌프(41)의 동작을 제어할 수 있다.
레이저 장치는 가변 초점 광학계(40-1)의 미러면 곡률을 변경시킴으로써, 상기 제1 초점거리를 제2 초점거리로 변경시킬 수 있다.
이에 따라, 레이저 빔 조사 영역이 신규 생성될 수 있다. 도 6에서, 레이저 빔 조사 영역이 사각뿔인 경우가 도시되었으며, 특히, 초점거리가 가변(L1 또는 L2)되어, 레이저 빔 조사면이 넓어지거나 좁아질 수 있다.
도 7은 본 발명의 일 실시 예에 따른 비행체 방어용 레이저 장치의 블록도이다.
도 7을 참조하면, 레이저 발진기(32)에 의해 출력된 레이저 빔이 레이저 빔 조사 영역 생성부(420)에 전송되고, 이에 따라, 레이저 빔 조사면(44)이 조사된다.
레이저 빔 조사 영역 생성부(420)는, 레이저 발진기(32)로부터 출력된 레이저 빔을 기초로, 공중에 레이저 빔 조사 영역을 생성할 수 있다.
레이저 빔 조사 영역 생성부(420)는 예를 들어, 무한초점 광학계 또는 집광 광학계를 포함할 수 있다.
다른 실시 예에서, 레이저 빔 조사 영역 생성부(420) 가변 초점 광학계를 포함할 수도 있다.
레이저 빔 조사 영역 생성부(420)는 회전 미러 유닛(20)을 포함할 수 있다. 또한, 도시되지 않았으나, 회전 미러 유닛(20)을 틸팅하기 위한 틸팅부 및 빈 전송 광학계에 포함된 반사 광학계를 틸팅하기 위한 틸팅부 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
또한, 레이저 빔 조사 영역 생성부(420)는 회전 미러 유닛(20)의 반사에 의해 레이저 빔 조사면(44)을 포함하는 레이저 빔 영역(45)을 생성할 수도 있다.
한편, 제어부(100)는, 레이저 장치의 각 구성요소의 전반적인 동작 및 기능을 제어한다. 이를 위해, 제어부(100)는 하나 이상의 프로세서를 포함하여 구성될 수 있다. 제어부(100)은 CPU(Central Processing Unit), MPU(Micro Processor Unit), MCU(Micro Controller Unit), 또는 본 발명의 기술 분야에 잘 알려진 임의의 형태의 프로세서를 포함하여 구성될 수 있다. 제어부(100)는 메모리, 예를 들어 RAM을 구성으로 포함할 수도 있다. 또한, 제어부(100)는 본 발명의 실시 예에 따른 방법을 실행하기 위한 적어도 하나의 애플리케이션 또는 프로그램을 저장할 수도 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따르면, 제어부(100)는, 빔 전송 광학계(40)의 반사 각, 상기 회전 미러 유닛의 회전 속도, 상기 틸팅부의 틸팅각, 레이저 발진기의 빔 출력을 제어하여 레이저 빔의 스캔 각, 스캔 길이, 스캔 속력, 객체에 입사하는 입사각(telecentricity error)을 조절할 수 있다.
도 8은 도 7의 비행체 방어용 레이저 장치 운용 방법의 순서도이다. 도 8의 각 단계는, 레이저 장치에 의해 수행되며, 구체적으로, 레이저 장치의 제어부의 연산에 의해 수행될 수 있다.
도 8을 참조하면, 레이저 장치는, 레이저 발진기(32)를 통해 레이저 빔을 출력한다(S10).
레이저 장치는 빔 전송 광학계를 통해, 레이저 빔을 회전 미러 유닛(20)에 전달할 수 있다(S20).
레이저 장치는, 회전 미러 유닛(20)을 통해 레이저 빔을 반사함으로써, 공중에 제1 초점 거리로 위치하는 레이저 조사면(제1 조사면)을 포함하는 레이저 빔 조사 영역을 생성할 수 있다(S30).
레이저 장치는, 생성된 레이저 빔 조사 영역 내의 비행체 밀도가 임계치 이상인지 판단할 수 있다(S40). 이에 따라, 비행체 밀도가 임계치 이상인 경우, 레이저 장치는, 공중에 생성된 레이저 빔 조사 영역 상의 비행체를 파괴할 수 있다(S50).
반면, 비행체의 밀도가 임계치 미만인 경우, 레이저 장치는, 제2 초점 거리로 위치하는 레이저 조사면(제2 조사면)을 포함하는 레이저 빔 조사 영역을 신규 생성할 수 있다(S45).
지금까지 첨부된 도면을 참조하여 설명된 본 발명의 실시 예에 따른 제어부(50)의 결정 및/또는 연산 방법들은 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드로 구현된 컴퓨터프로그램의 실행에 의하여 수행될 수 있다. 상기 컴퓨터프로그램은 인터넷 등의 네트워크를 통하여 제1 컴퓨팅 장치로부터 제2 컴퓨팅 장치에 송신되어 상기 제2 컴퓨팅 장치에 설치될 수 있고, 이로써 상기 제2 컴퓨팅 장치에서 사용될 수 있다. 상기 제1 컴퓨팅 장치 및 상기 제2 컴퓨팅 장치는, 서버 장치, 데스크탑 PC와 같은 고정식 컴퓨팅 장치, 노트북, 스마트폰, 태블릿 피씨와 같은 모바일 컴퓨팅 장치를 모두 포함한다.
이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시 예들을 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 예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적인 것이 아닌 것으로 이해해야만 한다.
16: 레이저 빔
20: 회전 미러 유닛
32: 레이저 발진기
34: 미러면의 반사각
40: 빔 전송 광학계
40-1: 가변 초점 광학계
51: 반사 광학계
420: 레이저 빔 조사 영역 생성부
41: 에어 펌프
42: 연산자
43: 레이더
44: 레이저 빔 조사 영역
46: 레이저 빔 조사면
100: 제어부

Claims (12)

  1. 비행체 방어용 레이저 장치로서,
    레이저 빔을 출력하는 레이저 발진기;
    상기 출력된 레이저 빔을 기초로, 공중에 사각뿔 형상의 레이저 빔 조사 영역을 생성하는, 레이저 빔 조사 영역 생성부; 및
    상기 레이저 빔 조사 영역 생성부를 제어하여, 상기 사각뿔 형상의 레이저 빔 조사 영역 중, 미리 설정된 임계치 이상의 에너지 밀도를 가지는 사각 형상의 레이저 빔 조사면을 생성하고,
    상기 레이저 장치로부터 상기 사각 형상의 레이저 빔 조사면까지의 3차원 공간으로서, 상기 레이저 빔 조사 영역 상에 위치하는 비행체를 상기 레이저 빔으로 타격하는 상기 사각뿔 형상의 레이저 빔 조사 영역이 생성되도록 제어하는 제어부를 포함하되,
    상기 레이저 빔 조사 영역 생성부는,
    상기 출력된 레이저 빔을 반사시켜 회전 미러 유닛으로 전송하는 빔 전송 광학계;
    원주에 다수의 미러를 구비하고, 회전함에 따라 상기 미러를 통해 상기 반사된 레이저 빔을 상기 공중에 조사시키는 회전 미러 유닛; 및
    상기 회전 미러 유닛의 회전축을 틸팅시키는 틸팅부를 포함하고,
    상기 제어부는,
    상기 회전 미러 유닛의 x축 스캐닝과, 상기 회전 미러 유닛의 틸팅에 의해 수행되는 y축 스캐닝에 의해 형성되는 사각 형상의 레이저 빔 조사면이 생성되도록 제어하는,
    비행체 방어용 레이저 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 빔 전송 광학계는, 상기 출력된 레이저 빔의 초점을 무한대로 변환시키거나, 상기 출력된 레이저 빔을 소정의 위치로 집광시키는,
    비행체 방어용 레이저 장치.
  3. 삭제
  4. 비행체 방어용 레이저 장치로서,
    레이저 빔을 출력하는 레이저 발진기;
    상기 출력된 레이저 빔을 기초로, 공중에 사각뿔 형상의 레이저 빔 조사 영역을 생성하는, 레이저 빔 조사 영역 생성부; 및
    상기 레이저 빔 조사 영역 생성부를 제어하여, 상기 사각뿔 형상의 레이저 빔 조사 영역 중, 미리 설정된 임계치 이상의 에너지 밀도를 가지는 사각 형상의 레이저 빔 조사면을 생성하고,
    상기 레이저 장치로부터 상기 사각 형상의 레이저 빔 조사면까지의 3차원 공간으로서, 상기 레이저 빔 조사 영역 상에 위치하는 비행체를 상기 레이저 빔으로 타격하는 상기 사각뿔 형상의 레이저 빔 조사 영역이 생성되도록 제어하는 제어부를 포함하되,
    상기 레이저 빔 조사 영역 생성부는,
    상기 출력된 레이저 빔을 반사 광학계로 전송하는 빔 전송 광학계;
    상기 빔 전송 광학계와 회전 미러 유닛 사이에 위치하고, 상기 빔 전송 광학계로부터 전송된 레이저 빔을 상기 회전 미러 유닛으로 반사시키는 반사 광학계; 및
    원주에 다수의 미러를 구비하고, 회전함에 따라 상기 미러를 통해 상기 반사된 레이저 빔을 상기 공중에 조사시키는 회전 미러 유닛을 포함하고,
    상기 제어부는,
    상기 반사 광학계를 미리 설정된 범위에서 왕복 회전시킴에 따라, 상기 회전 미러 유닛의 x축 스캐닝과, 상기 반사 광학계의 상기 왕복 회전에 의해 수행되는 y축 스캐닝에 의해 형성되는 사각 형상의 레이저 빔 조사면이 생성되도록 제어하는,
    비행체 방어용 레이저 장치.
  5. 비행체 방어용 레이저 장치로서,
    레이저 빔을 출력하는 레이저 발진기;
    상기 출력된 레이저 빔을 기초로, 공중에 사각뿔 형상의 레이저 빔 조사 영역을 생성하는, 레이저 빔 조사 영역 생성부; 및
    상기 레이저 빔 조사 영역 생성부를 제어하여, 상기 사각뿔 형상의 레이저 빔 조사 영역 중, 미리 설정된 임계치 이상의 에너지 밀도를 가지는 사각 형상의 레이저 빔 조사면을 생성하고,
    상기 레이저 장치로부터 상기 사각 형상의 레이저 빔 조사면까지의 3차원 공간으로서, 상기 레이저 빔 조사 영역 상에 위치하는 비행체를 상기 레이저 빔으로 타격하는 상기 사각뿔 형상의 레이저 빔 조사 영역이 생성되도록 제어하는 제어부를 포함하되,
    상기 레이저 빔 조사 영역 생성부는,
    상기 출력된 레이저 빔을 반사시켜 제2 회전 미러 유닛으로 전송하는 빔 전송 광학계;
    상기 빔 전송 광학계와 제1 회전 미러 유닛 사이에 위치하고, 원주를 따라 다수의 미러를 구비하고, 회전함에 따라 상기 빔 전송 광학계로부터 전송된 레이저 빔을 상기 제1 회전 미러 유닛으로 스캐닝시키는 제2 회전 미러 유닛; 및
    원주에 다수의 미러를 구비하고, 회전함에 따라 상기 미러를 통해 상기 반사된 레이저 빔을 상기 공중에 조사시키는 제1 회전 미러 유닛을 포함하고,
    상기 제어부는,
    상기 제2 회전 미러 유닛을 회전시켜 상기 전송된 레이저 빔이 상기 제1 회전 미러 유닛의 미러의 표면에 스캐닝됨에 따라, 상기 제1 회전 미러 유닛의 x축 스캐닝과, 상기 제2 회전 미러 유닛에 의해 수행되는 y축 스캐닝에 의해 형성되는 사각 형상의 레이저 빔 조사면이 생성되도록 제어하는,
    비행체 방어용 레이저 장치.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 빔 전송 광학계는, 초점 위치를 가변할 수 있는 가변 초점 광학계인,
    비행체 방어용 레이저 장치.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 빔 조사 영역 생성부는,
    상기 가변 초점 광학계의 광학면 곡률을 변경하는 에어 펌프를 포함하고,
    상기 제어부는, 상기 에어 펌프의 펌프 압력을 연산하고, 상기 에어 펌프의 동작을 제어하여 상기 가변 초점 광학계의 미러면 곡률을 변경시킴으로써, 제1 초점거리를 제2 초점거리로 변경시키는,
    비행체 방어용 레이저 장치.
  8. 제 6 항에 있어서, 상기 생성된 레이저 빔 조사 영역은,
    상기 레이저 장치로부터 제1 초점거리에 위치하는 상기 레이저 빔 조사면을 포함하는 3차원 공간이고,
    상기 레이저 장치는,
    상기 3차원 공간 내에, 레이저 빔 조사 영역 사이에 위치하는 상기 비행체를 식별하는 레이더를 더 포함하고,
    상기 빔 조사 영역 생성부는,
    상기 가변 초점 광학계의 광학면 곡률을 변경하는 에어 펌프를 포함하고,
    상기 제어부는, 상기 레이더에 의해 식별된 비행체의 개수가 미리 설정된 임계치 미만인 경우, 상기 에어 펌프의 펌프 압력을 연산하고, 상기 에어 펌프의 동작을 제어하여 상기 가변 초점 광학계의 미러면 곡률을 변경시킴으로써, 상기 제1 초점거리를 제2 초점거리로 변경시키는,
    비행체 방어용 레이저 장치.
  9. 제 7 항 및 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제어부는,
    상기 레이저 장치로부터 상기 제2 초점거리에 위치하는 상기 레이저 빔 조사면을 포함하는 3차원 공간인, 사각뿔 형상의 레이저 빔 조사 영역을 신규 생성하는,
    비행체 방어용 레이저 장치.
  10. 비행체 방어용 레이저 장치로서,
    레이저 빔을 출력하는 레이저 발진기;
    상기 출력된 레이저 빔을 기초로, 공중에 사각뿔 형상의 레이저 빔 조사 영역을 생성하는, 레이저 빔 조사 영역 생성부; 및
    상기 레이저 빔 조사 영역 생성부를 제어하여, 상기 사각뿔 형상의 레이저 빔 조사 영역 중, 미리 설정된 임계치 이상의 에너지 밀도를 가지는 사각 형상의 레이저 빔 조사면을 생성하고,
    상기 레이저 장치로부터 상기 사각 형상의 레이저 빔 조사면까지의 3차원 공간으로서, 상기 레이저 빔 조사 영역 상에 위치하는 비행체를 상기 레이저 빔으로 타격하는 상기 사각뿔 형상의 레이저 빔 조사 영역이 생성되도록 제어하는 제어부를 포함하되,
    상기 레이저 발진기는 제1 레이저 발진기 및 제2 레이저 발진기를 포함하고,
    상기 제1 레이저 발진기에 의해 출력된 제1 레이저 빔이 빔 전송 광학계를 통해 제1 반사 빔으로 회전 미러 유닛에 전송되고, 상기 제2 레이저 발진기에 의해 출력된 제2 레이저 빔이 상기 빔 전송 광학계를 통해 상기 제1 반사 빔과 수평한 제2 반사 빔으로 상기 회전 미러 유닛에 전송되고,
    상기 레이저 빔 조사 영역 생성부는,
    상기 출력된 레이저 빔을 반사시켜 회전 미러 유닛으로 전송하는 빔 전송 광학계;
    원주에 다수의 미러를 구비하고, 회전함에 따라 상기 미러를 통해 상기 반사된 레이저 빔을 상기 공중에 조사시키는 회전 미러 유닛; 및
    상기 회전 미러 유닛의 회전축을 틸팅시키는 틸팅부를 포함하고,
    상기 제어부는,
    상기 제1 반사 빔 및 상기 제2 반사 빔을 기초로 수행되는 상기 회전 미러 유닛의 x축 스캐닝 및 상기 회전 미러 유닛의 틸팅에 의해 수행되는 y축 스캐닝에 의해 수행되는 y축 스캐닝에 의해 형성되는 사각 형상의 레이저 빔 조사면이 생성되도록 제어하는,
    비행체 방어용 레이저 장치.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 사각 형상의 레이저 빔 조사면은,
    상기 제1 반사빔을 기초로 x축 및 y축 스캐닝이 수행됨에 따라 생성되는 제1 스캐닝면과,
    상기 제2 반사빔을 기초로 x축 및 y축 스캐닝이 수행됨에 따라 생성되는 제2 스캐닝면을 포함하는,
    비행체 방어용 레이저 장치
  12. 제 1 항에 있어서,
    상기 제어부는,
    빔 전송 광학계의 반사 각, 상기 회전 미러 유닛의 회전 속도, 상기 틸팅부의 틸팅각, 레이저 발진기의 빔 출력을 제어하여 레이저 빔의 스캔 각, 스캔 길이, 스캔 속력, 객체에 입사하는 입사각(telecentricity error)을 조절하는,
    비행체 방어용 레이저 장치.
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