KR102640320B1 - Optical phased array lidar based on line-beam scanning - Google Patents
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Abstract
라인 빔 스캐닝 기반의 광위상배열 라이다는 제1 방향 빔 조향이 가능한 라인 빔을 생성하는 광위상배열 장치, 및 상기 라인 빔이 출력되는 방향에 위치하여 상기 라인 빔의 제2 방향 빔 발산각을 제어하고 상기 라인 빔의 제1 방향 조향 범위를 증폭하는 렌즈 광학계를 포함하고, 상기 광위상배열 장치와 상기 렌즈 광학계 사이의 거리가 조절되어 상기 제2 방향 빔 발산각이 제어된다. The optical phased array LIDAR based on line beam scanning is an optical phased array device that generates a line beam capable of first direction beam steering, and is located in the direction in which the line beam is output to adjust the second direction beam divergence angle of the line beam. It includes a lens optical system that controls and amplifies the first direction steering range of the line beam, and the distance between the optical phase array device and the lens optical system is adjusted to control the beam divergence angle in the second direction.
Description
본 발명은 라인 빔 스캐닝 기반의 광위상배열 라이다에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 수직방향 빔 발산각 제어 및 수평방향 빔 조향이 가능한 라인 빔 스캐닝 기반의 광위상배열 라이다에 관한 것이다.The present invention relates to an optical phased array LIDAR based on line beam scanning, and more specifically, to an optical phased array LIDAR based on line beam scanning capable of vertical beam divergence control and horizontal beam steering.
라이다(Light detection and ranging, LiDAR)는 물체에 빛을 쏘고 반사된 광신호로부터 측정 대상과의 거리와 속도, 형태 등을 측정하는 기술로써, 기상학, 지질학, 지리학을 포함한 여러 분야에 널리 이용되고 있다. 현재, 기계식(Mechanical) 라이다가 상용화되어 있으나, 기계식 라이다는 스캐닝 속도의 한계, 큰 부피, 복잡성, 그리고 장기간 사용에 대한 신뢰성에 대해 문제점을 갖고 있다.LiDAR (Light detection and ranging, LiDAR) is a technology that shoots light at an object and measures the distance, speed, and shape of the object to be measured from the reflected optical signal. It is widely used in various fields including meteorology, geology, and geography. there is. Currently, mechanical lidar is commercialized, but mechanical lidar has problems with limitations in scanning speed, large volume, complexity, and reliability for long-term use.
이에 대한 대안기술로, 무게, 부피, 소모전력, 외부환경에 대한 내구성 등의 관점에서 장점을 갖는 포토닉스 기반의 광위상배열(Optical phased array, OPA)에 대한 연구가 이루어지고 있으며 이를 무인기기에 접목시켜 그 가치와 응용분야를 확대하고 있다. 광위상배열 안테나 구조는 출사 빔 형태에 따라 크게 스팟 빔(spot-beam) 기반의 광위상배열과 라인 빔(line-beam) 기반의 광위상배열로 구분될 수 있다.As an alternative technology, research is being conducted on photonics-based optical phased array (OPA), which has advantages in terms of weight, volume, power consumption, and durability to the external environment, and can be applied to unmanned devices. It is expanding its value and application areas. Optical phased array antenna structures can be largely divided into spot-beam-based optical phased arrays and line-beam-based optical phased arrays, depending on the output beam shape.
스팟 빔 기반의 광위상배열은 높은 빔 강도로 인해 장거리 전파에 유리하다는 장점이 있으나, 연속적인 2차원 빔 스캐닝을 위해 주로 파장가변 레이저를 사용한다. 또한 스팟 빔 기반의 광위상배열은 격자구조 안테나의 회절(diffraction) 현상으로 인해 방사효율이 제한되고, 파장별 방사효율도 민감하며, 화면발생률(frame per second, FPS)에 제한이 있다.Spot beam-based optical phased array has the advantage of being advantageous for long-distance propagation due to high beam intensity, but tunable lasers are mainly used for continuous two-dimensional beam scanning. In addition, the spot beam-based optical phased array has limited radiation efficiency due to the diffraction phenomenon of the grid structure antenna, is sensitive to radiation efficiency by wavelength, and has a limit to the screen generation rate (frame per second, FPS).
라인 빔 기반의 광위상배열은 단일 파장으로도 수평방향 빔 조향을 통해 2차원 빔 스캐닝이 가능하고, 수직방향 스캔을 없앰으로써 화면발생률(FPS)을 획기적으로 개선할 수 있고, 수 ㎛ 정도의 작은 광도파로의 모드 크기로 인해 100도 이상의 넓은 수직방향 빔 발산각을 형성할 수도 있다. 하지만 라인 빔 기반의 광위상배열은 거리에 따른 빔 강도가 발산각에 비례하여 감소되어 장거리 응용분야에서는 한계가 있다. The line beam-based optical phased array enables two-dimensional beam scanning through horizontal beam steering even with a single wavelength, can dramatically improve the screen generation rate (FPS) by eliminating vertical scanning, and can produce images as small as a few ㎛. Due to the mode size of the optical waveguide, a wide vertical beam divergence angle of more than 100 degrees can be formed. However, line beam-based optical phased array has limitations in long-distance applications because the beam intensity according to distance decreases in proportion to the divergence angle.
포토닉스 기반의 광위상배열이 기존 기계식 라이다와 같이 상용화되기 위해서는 파장가변 없이 고속으로 장거리 검출에 활용 가능한 라인 빔 기반의 광위상배열 라이다 시스템 구조가 필요하다. 하지만, 기존 직선형(Straight) 광도파로 기반 안테나 배열의 경우, 광도파로의 작은 모드 사이즈로 인해 90도 이상의 수직 빔 발산각을 형성하는 것으로 보고되고 있으며, 이러한 넓은 빔 발산각은 전파 거리에 따라 빔 강도가 급격히 감소하는 문제가 있다. In order for photonics-based optical phased array to be commercialized like existing mechanical LiDAR, a line beam-based optical phased array LiDAR system structure that can be used for high-speed, long-distance detection without wavelength change is required. However, in the case of an existing straight optical waveguide-based antenna array, it is reported that a vertical beam divergence angle of more than 90 degrees is formed due to the small mode size of the optical waveguide, and this wide beam divergence angle changes the beam intensity depending on the propagation distance. There is a problem of rapid decline.
본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는 광위상배열의 수직 빔 발산각을 적절한 수준으로 제어할 수 있는 광학계를 구비하여 확장된 거리에 대해서도 수평방향 라인 빔 스캐닝이 가능한 광위상배열 라이다를 제공함에 있다. 나아가, 광학계를 통해 광위상배열 안테나 채널간격에 의해 제한되는 수평방향 빔 조향 범위도 확장시키고자 한다.The technical problem to be solved by the present invention is to provide an optical phased array LIDAR capable of horizontal line beam scanning over an extended distance by having an optical system that can control the vertical beam divergence angle of the optical phased array to an appropriate level. . Furthermore, we seek to expand the horizontal beam steering range limited by the optical phased array antenna channel spacing through an optical system.
본 발명의 일 실시예에 따른 라인 빔 스캐닝 기반의 광위상배열 라이다는 수평 방향 빔 조향이 가능한 라인 빔을 생성하는 광위상배열 장치, 및 상기 라인 빔이 출력되는 방향에 위치하여 상기 라인 빔의 수직 방향 빔 발산각을 제어하고 상기 라인 빔의 수평 방향 조향 범위를 증폭하는 렌즈 광학계를 포함하고, 상기 광위상배열 장치와 상기 렌즈 광학계 간의 거리 등이 조절되어 상기 수직 방향 빔 발산각이 제어된다. The optical phased array LIDAR based on line beam scanning according to an embodiment of the present invention is an optical phased array device that generates a line beam capable of horizontal beam steering, and is located in the direction in which the line beam is output, It includes a lens optical system that controls the vertical beam divergence angle and amplifies the horizontal steering range of the line beam, and the distance between the optical phase array device and the lens optical system is adjusted to control the vertical beam divergence angle.
상기 광위상배열 장치와 상기 렌즈 광학계 간의 거리를 조절함으로써 상기 라인 빔의 수직 방향 빔 발산각을 조절할 수 있다.By adjusting the distance between the optical phase array device and the lens optical system, the vertical beam divergence angle of the line beam can be adjusted.
상기 라인 빔의 수직 시야각이 작아질수록 상기 라인 빔의 검출 거리는 증가할 수 있다. As the vertical viewing angle of the line beam decreases, the detection distance of the line beam may increase.
상기 광위상배열 장치와 상기 렌즈 광학계 간의 거리를 조절하기 위한 구동부에 의해 상기 광위상배열 장치와 상기 렌즈 광학계 중 어느 하나가 상기 라인 빔이 출력되는 방향으로 이동될 수 있다.One of the optical phase array device and the lens optical system may be moved in a direction in which the line beam is output by a driving unit for adjusting the distance between the optical phase array device and the lens optical system.
상기 렌즈 광학부는, 제1 방향 축을 중심으로 하는 볼록면이 형성되어 있는 제1 렌즈, 상기 광위상배열 장치로부터 방사되는 가우시안 형태의 각도별 강도분포도가 목표물 상에서 제2 방향으로 균일하게 분포할 수 있도록 탑햇(top hat) 빔을 형성하는 제2 렌즈, 및 제2 방향 축을 중심으로 하는 오목면이 형성되어 있는 제3 렌즈를 포함할 수 있다.The lens optical unit includes a first lens having a convex surface centered on a first direction axis, and a Gaussian shape angular intensity distribution radiating from the optical phase array device to be uniformly distributed in a second direction on the target. It may include a second lens forming a top hat beam, and a third lens having a concave surface centered on the second direction axis.
상기 제1 렌즈 및 상기 제2 렌즈에 의해 상기 라인 빔의 상기 수직 방향 빔 발산각이 제어될 수 있다.The vertical beam divergence angle of the line beam may be controlled by the first lens and the second lens.
상기 제3 렌즈에 의해 상기 라인 빔의 상기 수평 방향 조향 범위가 증폭될 수 있다. The horizontal steering range of the line beam may be amplified by the third lens.
상기 광위상배열 장치는, 펄스 레이저 광이 입력되는 광결합기, 상기 펄스 레이저 광을 복수의 광도파로로 분배하는 광분배기, 상기 복수의 광도파로로 분배된 광의 위상을 채널별로 독립적으로 제어하는 위상변조기, 및 상기 위상변조기를 통과한 광을 레이저 빔 형태로 출력하는 광안테나를 포함할 수 있다.The optical phase array device includes an optical coupler into which pulsed laser light is input, an optical splitter that distributes the pulsed laser light to a plurality of optical waveguides, and a phase modulator that independently controls the phase of light distributed to the plurality of optical waveguides for each channel. , and may include an optical antenna that outputs the light passing through the phase modulator in the form of a laser beam.
상기 광안테나는 도파 모드가 전파 방향을 따라 방사되는 단면 방사 방식일 수 있다. The optical antenna may be of a single-sided radiation type in which a waveguide mode radiates along a propagation direction.
상기 광안테나는 각 채널의 광도파로의 너비보다 방사 끝부분의 너비가 작은 테이퍼드 광도파로 배열 구조로 형성될 수 있다.The optical antenna may be formed as a tapered optical waveguide array structure in which the width of the radiating end is smaller than the width of the optical waveguide of each channel.
본 발명의 다른 실시예에 따른 라인 빔 스캐닝 기반의 광위상배열 라이다는 펄스 레이저 광을 복수의 광도파로로 분배한 후 분배된 광의 위상을 채널별로 독립적으로 제어하여 수평 방향 빔 조향이 가능한 라인 빔을 생성하는 광위상배열 장치, 및 상기 광위상배열 장치와의 거리에 따라 상기 라인 빔의 수직 방향 빔 발산각 및 검출 거리를 제어하는 렌즈 광학계를 포함한다.The line beam scanning-based optical phased array LIDAR according to another embodiment of the present invention distributes pulsed laser light into a plurality of optical waveguides and then independently controls the phase of the distributed light for each channel to enable horizontal beam steering. It includes an optical phase array device that generates an optical phase array device, and a lens optical system that controls the vertical beam divergence angle and detection distance of the line beam according to the distance from the optical phase array device.
상기 광위상배열 장치와 상기 렌즈 광학계 간의 거리를 조절함으로써 상기 라인 빔의 수직 발산각을 제어할 수 있다.The vertical divergence angle of the line beam can be controlled by adjusting the distance between the optical phase array device and the lens optical system.
상기 라인 빔의 수직 발산각이 작아질수록 상기 라인 빔의 검출 거리가 증가할 수 있다. As the vertical divergence angle of the line beam decreases, the detection distance of the line beam may increase.
상기 렌즈 광학계는 상기 라인 빔의 수평 방향 조향 범위를 증폭할 수 있다. The lens optical system may amplify the horizontal steering range of the line beam.
상기 렌즈 광학부는, 제1 방향 축을 중심으로 하는 볼록면이 형성되어 있는 제1 렌즈, 상기 광위상배열 장치로부터 방사되는 가우시안 형태의 각도별 강도분포도가 목표물 상에서 제2 방향으로 균일하게 분포할 수 있도록 탑햇 빔을 형성하는 제2 렌즈, 및 제2 방향 축을 중심으로 하는 오목면이 형성되어 있는 제3 렌즈를 포함할 수 있다.The lens optical unit includes a first lens having a convex surface centered on a first direction axis, and a Gaussian shape angular intensity distribution radiating from the optical phase array device to be uniformly distributed in a second direction on the target. It may include a second lens forming a top hat beam, and a third lens having a concave surface centered on the second direction axis.
본 발명에 따른 라인 빔 스캐닝 기반의 광위상배열 라이다는 수직방향 빔 발산각 제어 및 수평방향 빔 조향을 수행할 수 있으며, 이에 따라 라인 빔을 장거리 전파시켜 장거리 검출을 수행할 수 있다. The optical phased array LIDAR based on line beam scanning according to the present invention can perform vertical beam divergence angle control and horizontal beam steering, and thus can perform long-distance detection by propagating the line beam over a long distance.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 라인 빔 스캐닝 기반의 광위상배열 라이다를 나타낸다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 라인 빔 스캐닝 기반의 광위상배열 라이다를 나타낸다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 라인 빔 스캐닝 기반의 광위상배열 라이다의 테이퍼드 광도파로의 특징을 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 라인 빔 스캐닝 기반의 광위상배열 라이다의 렌즈 광학계를 나타낸다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 라인 빔 스캐닝 기반의 광위상배열 라이다의 렌즈 광학계에 의한 수직 발산각 변화를 나타낸다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 라인 빔 스캐닝 기반의 광위상배열 라이다의 렌즈 광학계에 의한 스캐닝 범위의 확대를 나타낸다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 라인 빔 스캐닝 기반의 광위상배열 라이다의 렌즈 광학계에 의한 탑햇(top hat) 빔 형성을 나타낸다. Figure 1 shows an optical phased array LIDAR based on line beam scanning according to an embodiment of the present invention.
Figure 2 shows an optical phased array LIDAR based on line beam scanning according to an embodiment of the present invention.
Figure 3 is a diagram for explaining the characteristics of the tapered optical waveguide of the line beam scanning-based optical phased array LIDAR according to an embodiment of the present invention.
Figure 4 shows the lens optical system of an optical phased array LIDAR based on line beam scanning according to an embodiment of the present invention.
Figure 5 shows the change in vertical divergence angle by the lens optical system of the optical phased array LIDAR based on line beam scanning according to an embodiment of the present invention.
Figure 6 shows the expansion of the scanning range by the lens optical system of the optical phased array LIDAR based on line beam scanning according to an embodiment of the present invention.
Figure 7 shows top hat beam formation by the lens optical system of a line beam scanning-based optical phased array LIDAR according to an embodiment of the present invention.
이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예들에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예들에 한정되지 않는다.Hereinafter, with reference to the attached drawings, embodiments of the present invention will be described in detail so that those skilled in the art can easily practice the present invention. The invention may be implemented in many different forms and is not limited to the embodiments described herein.
본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조 부호를 붙이도록 한다.In order to clearly explain the present invention, parts that are not relevant to the description are omitted, and identical or similar components are assigned the same reference numerals throughout the specification.
또한, 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함" 한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 추가로 포함할 수 있는 것을 의미한다.In addition, throughout the specification, when a part is said to “include” a certain element, this means that it may additionally include other elements rather than excluding other elements, unless specifically stated to the contrary.
이하, 도 1 내지 7을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 라인 빔 스캐닝 기반의 광위상배열 라이다에 대하여 설명한다.Hereinafter, an optical phased array LIDAR based on line beam scanning according to an embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 1 to 7.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 라인 빔 스캐닝 기반의 광위상배열 라이다를 나타낸다. Figure 1 shows an optical phased array LIDAR based on line beam scanning according to an embodiment of the present invention.
도 1을 참조하면, 라인 빔 스캐닝 기반의 광위상배열 라이다(10)는 라인 빔을 방사하는 광송신부(100) 및 물체에 의해 반사되어 돌아온 라인 빔(반사광 또는 산란광)을 검출하는 광수신부(200)를 포함한다. Referring to FIG. 1, the line beam scanning-based optical phased array LIDAR 10 includes an optical transmitter 100 that emits a line beam and an optical receiver that detects the line beam (reflected light or scattered light) reflected by an object. 200).
광송신부(100)는 라인 빔을 생성하는 광위상배열 장치(110) 및 라인 빔의 범위를 조절하는 렌즈 광학계(120)를 포함한다. 광송신부(100)는 라인 빔을 방사하는 일종의 광송신 장치로서 적용될 수 있다.The optical transmitter 100 includes an optical phase array device 110 that generates a line beam and a lens optical system 120 that adjusts the range of the line beam. The optical transmitter 100 may be applied as a type of optical transmitter that emits a line beam.
광수신부(200)는 단일 광자 애벌런치 다이오드(Single-Photon avalanche diode, SPAD) 배열(210) 및 검출기(220)를 포함할 수 있다. 라인 빔 스캐닝 기반의 광위상배열 라이다(10)는 물체에 의해 반사되어 돌아온 라인 빔을 검출함으로써 물체 감지 및 거리 측정을 수행할 수 있다.The light receiver 200 may include a single-photon avalanche diode (SPAD) array 210 and a detector 220. The optical phased array LIDAR 10 based on line beam scanning can perform object detection and distance measurement by detecting the line beam reflected by the object.
광위상배열 장치(110)는 펄스 레이저(1550 nm) 광을 결합하여 라인 빔을 형성하는 하나의 칩(chip) 형태로 제작될 수 있다. 광위상배열 장치(110)는 펄스 레이저 광을 복수의 광도파로로 분배한 후 분배된 빛의 위상을 채널별로 독립적으로 제어하여 수평방향 빔 조향이 가능한 라인 빔을 생성할 수 있다. 여기서는 펄스 레이저의 파장이 1550 nm인 것으로 예시하였으나, 필요에 따라 펄스 레이저의 파장은 변경될 수 있다. The optical phased array device 110 may be manufactured in the form of a single chip that forms a line beam by combining pulsed laser (1550 nm) light. The optical phase array device 110 can generate a line beam capable of horizontal beam steering by distributing pulsed laser light into a plurality of optical waveguides and then independently controlling the phase of the distributed light for each channel. Here, the wavelength of the pulse laser is 1550 nm, but the wavelength of the pulse laser may be changed as needed.
렌즈 광학계(120)는 광위상배열 장치(110)에서 라인 빔이 출력되는 방향(Z축 방향)에 위치하여 라인 빔의 수직방향(Y축 방향) 빔 발산각을 제어하고 라인 빔의 수평방향(X축 방향) 조향 범위를 증폭할 수 있다. 라인 빔의 수평방향 조향 범위를 라인 빔의 제1 방향 조향 범위라 지칭하고, 수직방향 빔 발산각을 제2 방향 빔 발산각이라 지칭할 수 있다.The lens optical system 120 is located in the direction (Z-axis direction) in which the line beam is output from the optical phase array device 110, controls the beam divergence angle in the vertical direction (Y-axis direction) of the line beam, and controls the beam divergence angle in the vertical direction (Y-axis direction) of the line beam. X-axis direction) steering range can be amplified. The horizontal steering range of the line beam may be referred to as the first direction steering range of the line beam, and the vertical beam divergence angle may be referred to as the second direction beam divergence angle.
렌즈 광학계(120)는 광위상배열 장치(110)와의 거리에 따라 라인 빔의 수직방향 빔 발산각이 조절되도록 하나 이상의 렌즈로 구성될 수 있다. 광위상배열 장치(110)와 렌즈 광학계(120) 사이의 거리가 증가할수록 라인 빔의 수직방향 빔 발산각은 감소할 수 있다. 예를 들어, 광위상배열 장치(110)와 렌즈 광학계(120) 사이의 거리가 최소일 때 최대의 제1 수직 시야각(vertical FOV1(field of view))으로 라인 빔이 발산되고, 광위상배열 장치(110)와 렌즈 광학계(120) 사이의 거리가 증가하면 감소된 크기의 제2 수직 시야각(vertical FOV2)으로 라인 빔이 발산되며, 광위상배열 장치(110)와 렌즈 광학계(120) 사이의 거리가 최대일 때 최소의 제3 수직 시야각(vertical FOV3)으로 라인 빔이 발산될 수 있다. 제1 수직 시야각(vertical FOV1)의 라인 빔의 제1 검출 거리(d1)는 제2 수직 시야각(vertical FOV2)의 라인 빔의 제2 검출 거리(d2)보다 작고, 제2 수직 시야각(vertical FOV2)의 라인 빔의 제2 검출 거리(d2)는 제3 수직 시야각(vertical FOV3)의 라인 빔의 제3 검출 거리(d3)보다 작을 수 있다. 즉, 라인 빔의 수직 시야각이 작아질수록(라인 빔의 수직방향 빔 발산각이 작아질수록) 라인 빔의 검출 거리가 증가할 수 있다. 이를 위해, 광위상배열 장치(110)와 렌즈 광학계(120) 사이의 거리를 조절하기 위한 구동부(미도시)가 마련될 수 있고, 구동부에 의해 광위상배열 장치(110)와 렌즈 광학계(120) 중 어느 하나가 Z축 방향으로 이동되어 광위상배열 장치(110)와 렌즈 광학계(120) 사이의 거리를 조절할 수 있다.The lens optical system 120 may be composed of one or more lenses so that the vertical beam divergence angle of the line beam is adjusted depending on the distance from the optical phase array device 110. As the distance between the optical phase array device 110 and the lens optical system 120 increases, the vertical beam divergence angle of the line beam may decrease. For example, when the distance between the optical phase array device 110 and the lens optical system 120 is minimum, a line beam is emitted at the maximum first vertical viewing angle (vertical FOV 1 (field of view)), and the optical phase array When the distance between the device 110 and the lens optical system 120 increases, the line beam is emitted at a reduced size of the second vertical viewing angle (vertical FOV 2 ), and the line beam is emitted between the optical phase array device 110 and the lens optical system 120. When the distance is maximum, the line beam may be emitted at the minimum third vertical viewing angle (vertical FOV 3 ). The first detection distance (d 1 ) of the line beam of the first vertical viewing angle (vertical FOV 1 ) is smaller than the second detection distance (d 2 ) of the line beam of the second vertical viewing angle (vertical FOV 2 ), and the second vertical viewing angle The second detection distance (d 2 ) of the line beam of (vertical FOV 2 ) may be smaller than the third detection distance (d 3 ) of the line beam of the third vertical viewing angle (vertical FOV 3 ). That is, as the vertical viewing angle of the line beam decreases (as the vertical beam divergence angle of the line beam decreases), the detection distance of the line beam may increase. For this purpose, a driving unit (not shown) may be provided to adjust the distance between the optical phase array device 110 and the lens optical system 120, and the optical phase array device 110 and the lens optical system 120 may be connected by the driving unit. Any one of them can be moved in the Z-axis direction to adjust the distance between the optical phase array device 110 and the lens optical system 120.
이하, 도 2 및 3을 참조하여 광송신부(100)의 구성에 대하여 더욱 상세하게 설명한다.Hereinafter, the configuration of the optical transmitter 100 will be described in more detail with reference to FIGS. 2 and 3.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 라인 빔 스캐닝 기반의 광위상배열 라이다의 광송신부를 나타낸다. 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 라인 빔 스캐닝 기반의 광위상배열 라이다의 테이퍼드 광도파로의 특징을 설명하기 위한 도면이다.Figure 2 shows an optical transmission unit of an optical phased array LIDAR based on line beam scanning according to an embodiment of the present invention. Figure 3 is a diagram for explaining the characteristics of the tapered optical waveguide of the line beam scanning-based optical phased array LIDAR according to an embodiment of the present invention.
도 2 및 3을 참조하면, 광송신부(100)는 광결합기(A), 광분배기(B), 위상변조기(C), 광안테나(D) 및 복수의 광학 렌즈(E)를 포함할 수 있다. 광결합기(A), 광분배기(B), 위상변조기(C) 및 광안테나(D)가 광위상배열 장치(110)를 이루고, 복수의 광학 렌즈(E)가 렌즈 광학계(120)를 이룰 수 있다.Referring to Figures 2 and 3, the optical transmitter 100 may include an optical coupler (A), an optical splitter (B), a phase modulator (C), an optical antenna (D), and a plurality of optical lenses (E). . An optical coupler (A), an optical splitter (B), a phase modulator (C), and an optical antenna (D) form the optical phase array device 110, and a plurality of optical lenses (E) form the lens optical system 120. there is.
펄스 레이저(1550 nm) 광이 광결합기(A)로 입력되고, 광분배기(B)는 광결합기(A)로 입력되는 펄스 레이저 광을 복수의 광도파로(optical waveguide)로 분배한다. 광분배기(B)에 의해 복수의 광도파로로 분배된 광은 위상변조기(C)를 통해 다수 채널의 광안테나(D)로 입력된다. 위상변조기(C)는 복수의 광도파로에 대응하는 복수의 경로로 입사되는 광의 위상을 개별 경로별(채널별)로 독립적으로 제어할 수 있다. 위상변조기(C)에 의해 채널 간 위상차가 제어되어 수평방향 빔 스캐닝이 수행될 수 있다. 위상변조기(C)를 통과한 후 광안테나(D)로 입력된 광은 광안테나(D)의 구조에 의해 레이저 빔 형태로 출력될 수 있다. 광안테나(D)는 도파 모드가 진행 방향을 따라 방사되는 단면 방사(end-fire radiation) 방식이다. 즉, 격자구조 기반의 광안테나를 통해 점(spot) 형태의 빔을 방사하는 광위상배열(spot-beam OPA) 구조가 아니라, 광안테나(D)는 단면 방사 방식으로 라인 빔 형태의 빔을 방사하는 광위상배열(line-beam OPA) 구조이다. 라인 빔 광위상배열 구조에 의해 수직방향으로 더욱 넓은 시야각을 제공할 수 있어, 입력 파장 제어를 통한 수직방향 빔 스캐닝을 수행하지 않고 단일 파장에 대하여 채널간 위상 제어를 통해 수평방향 빔 스캐닝만으로 3차원 정보가 획득될 수 있다.Pulse laser (1550 nm) light is input to the optical coupler (A), and the optical splitter (B) distributes the pulse laser light input to the optical coupler (A) into a plurality of optical waveguides. The light distributed into a plurality of optical waveguides by the optical splitter (B) is input to the multi-channel optical antenna (D) through the phase modulator (C). The phase modulator (C) can independently control the phase of light incident on a plurality of paths corresponding to a plurality of optical waveguides for each individual path (each channel). Horizontal beam scanning can be performed by controlling the phase difference between channels by the phase modulator (C). Light input to the optical antenna (D) after passing through the phase modulator (C) may be output in the form of a laser beam by the structure of the optical antenna (D). The optical antenna (D) is an end-fire radiation type in which the waveguide mode radiates along the traveling direction. In other words, rather than a spot-beam OPA structure that radiates a spot-shaped beam through a grid structure-based optical antenna, the optical antenna (D) radiates a line beam-shaped beam in a single-sided radiation method. It is an optical phased array (line-beam OPA) structure. The line beam optical phased array structure can provide a wider viewing angle in the vertical direction, so instead of performing vertical beam scanning through input wavelength control, 3D only horizontal beam scanning is performed through channel-to-channel phase control for a single wavelength. Information can be obtained.
한편, 광안테나(D)는 도 3에 예시한 바와 같이 기존 직선형 광도파로 배열 구조가 아니라 테이퍼드 광도파로 배열 구조로 형성될 수 있다. 기존 직선형 광도파로 배열 구조는 광안테나(D)의 각 채널의 광도파로의 너비(Wwg)가 방사 끝부분(firing tip)까지 일정한 구조이다. 테이퍼드 광도파로 배열 구조는 광안테나(D)의 각 채널의 광도파로의 너비(Wwg)보다 방사 끝부분의 너비(Wtip)가 작은 구조이다. Meanwhile, the optical antenna D may be formed as a tapered optical waveguide array structure rather than the existing straight optical waveguide array structure, as illustrated in FIG. 3 . In the existing straight optical waveguide array structure, the width (W wg ) of the optical waveguide of each channel of the optical antenna (D) is constant up to the firing tip. The tapered optical waveguide array structure is a structure in which the width (W tip ) of the radiating end is smaller than the width (W wg ) of the optical waveguide of each channel of the optical antenna (D).
도 3은 광도파로 너비 변환에 따른 빔 발산각 차이를 확인하기 위한 예시로써, 질화규소 광도파로의 경우에 대한 시뮬레이션된 결과이다. 이때, 광도파로의 너비(Wwg)는 1 ㎛이고 방사 끝부분의 너비(Wtip)가 0.2 ㎛, 광도파로의 높이는 0.5 ㎛이다. 테이퍼드 광도파로 배열 구조에서 수직 모드 크기가 대략 2.0 ㎛로 기존 일자형 광도파로 배열 구조보다 커지고, 수직방향 빔 발산각()이 대략 22도로 기존 일자형 광도파로 배열 구조보다 작아짐을 확인할 수 있다. Figure 3 is an example of confirming the difference in beam divergence angle according to optical waveguide width conversion, and is a simulated result for the case of a silicon nitride optical waveguide. At this time, the width (W wg ) of the optical waveguide is 1 ㎛, the width of the radiation tip (W tip ) is 0.2 ㎛, and the height of the optical waveguide is 0.5 ㎛. In the tapered optical waveguide array structure, the vertical mode size is approximately 2.0 ㎛, which is larger than the existing straight optical waveguide array structure, and the vertical beam divergence angle ( ) is approximately 22 degrees, making it smaller than the existing straight optical waveguide array structure.
광안테나(D)에서 방사된 라인 빔은 렌즈 광학계(120)를 통해 수직방향 빔 발산각 제어 및 수평방향 조향 범위가 조정된 상태로 방사된다. The line beam emitted from the optical antenna (D) is emitted through the lens optical system 120 with the vertical beam divergence angle controlled and the horizontal steering range adjusted.
이하, 도 4 내지 7을 참조하여 복수의 광학 렌즈(E)를 포함하는 렌즈 광학계(120)의 구성에 대하여 더욱 상세하게 설명한다.Hereinafter, the configuration of the lens optical system 120 including a plurality of optical lenses E will be described in more detail with reference to FIGS. 4 to 7.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 라인 빔 스캐닝 기반의 광위상배열 라이다의 렌즈 광학계를 나타낸다. 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 라인 빔 스캐닝 기반의 광위상배열 라이다의 렌즈 광학계에 의한 수직 시야각 변화를 나타낸다. 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 라인 빔 스캐닝 기반의 광위상배열 라이다의 렌즈 광학계에 의한 스캐닝 범위의 확대를 나타낸다. 도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 라인 빔 스캐닝 기반의 광위상배열 라이다의 렌즈 광학계에 의한 탑햇(top hat) 빔 형성을 나타낸다. Figure 4 shows the lens optical system of an optical phased array LIDAR based on line beam scanning according to an embodiment of the present invention. Figure 5 shows the vertical viewing angle change by the lens optical system of the line beam scanning-based optical phased array LIDAR according to an embodiment of the present invention. Figure 6 shows the expansion of the scanning range by the lens optical system of the optical phased array LIDAR based on line beam scanning according to an embodiment of the present invention. Figure 7 shows top hat beam formation by the lens optical system of a line beam scanning-based optical phased array LIDAR according to an embodiment of the present invention.
도 4 내지 7을 참조하면, 렌즈 광학계(120)는 광위상배열 장치(110)에서 라인 빔이 출력되는 방향(Z축 방향)으로 순서대로 배치되는 제1 렌즈(121), 제2 렌즈(122) 및 제3 렌즈(124)를 포함할 수 있다. Referring to FIGS. 4 to 7, the lens optical system 120 includes a first lens 121 and a second lens 122 arranged in order in the direction in which the line beam is output from the optical phase array device 110 (Z-axis direction). ) and a third lens 124.
제1 렌즈(121) 및 제2 렌즈(122)는 라인 빔의 수직방향 빔 발산각(θout)을 제어하는 역할을 할 수 있으며, 제3 렌즈(124)는 라인 빔의 수평방향 빔 조향각(ΔΨout)을 확장시키는 역할을 할 수 있다.The first lens 121 and the second lens 122 may serve to control the vertical beam divergence angle (θ out ) of the line beam, and the third lens 124 may serve to control the horizontal beam steering angle of the line beam ( It can play a role in expanding ΔΨ out ).
제1 렌즈(121)는 수평방향의 X축을 중심으로 하는 볼록면이 형성되어 있는 렌즈일 수 있다. 제1 렌즈(121)는 라인 빔의 수직방향 빔 발산각(θout)을 적절한 수준으로 줄일 수 있다.The first lens 121 may be a lens having a convex surface centered on the horizontal X-axis. The first lens 121 can reduce the vertical beam divergence angle (θ out ) of the line beam to an appropriate level.
제2 렌즈(122)는 광위상배열 장치(110)로부터 방사되는 가우시안(Gaussian) 형태의 각도별 광 강도 분포도(angular intensity distribution)가 목표물 상에서 수직방향으로 균일하게 분포할 수 있도록 하는 탑햇(top hat) 빔을 형성하는 렌즈일 수 있다. 탑햇 빔을 형성하는 제2 렌즈(122)에 의해 단일 광자 애벌런치 다이오드(SPAD) 배열(210) 기반 광수신부(200)의 검출기 수(n)에 해당하는 각도 분해능(FOV/n)이 유지될 수 있다. The second lens 122 is a top hat that allows the Gaussian-shaped angular intensity distribution radiating from the optical phase array device 110 to be uniformly distributed in the vertical direction on the target. ) It may be a lens that forms a beam. The angular resolution (FOV/n) corresponding to the number of detectors (n) of the single photon avalanche diode (SPAD) array 210-based light receiver 200 will be maintained by the second lens 122 forming a top hat beam. You can.
제3 렌즈(124)는 수직방향의 Y축을 중심으로 하는 오목면이 형성되어 있는 렌즈일 수 있다. 제3 렌즈(124)는 입사되는 라인 빔의 수평방향 빔 조향각(Ψin)보다 출력되는 라인 빔의 수평방향 빔 조향각(ΔΨout)이 더욱 커지도록 할 수 있다. 예를 들어, 입사되는 라인 빔의 수평방향 빔 조향각(Ψin)이 25도일 때 출력되는 라인 빔의 수평방향 빔 조향각(ΔΨout)은 대략 50도일 수 있다. 제3 렌즈(124)에 의해 라인 빔 스캐닝 기반의 광위상배열 라이다(10)의 수평방향 스캐닝 범위가 확대될 수 있다.The third lens 124 may be a lens having a concave surface centered on the vertical Y-axis. The third lens 124 may make the horizontal beam steering angle (ΔΨ out ) of the output line beam larger than the horizontal beam steering angle (Ψ in ) of the incident line beam. For example, when the horizontal beam steering angle (Ψ in ) of the incident line beam is 25 degrees, the horizontal beam steering angle (ΔΨ out ) of the output line beam may be approximately 50 degrees. The horizontal scanning range of the line beam scanning-based optical phased array LIDAR 10 may be expanded by the third lens 124.
광위상배열 장치(110)와 렌즈 광학계(120) 사이의 거리 D[mm], 즉 광위상배열 장치(110)와 제1 렌즈(121) 사이의 거리 D[mm]에 따라 수직 시야각(FOV)이 조절될 수 있다. 도 5에 예시한 바와 같이, 광위상배열 장치(110)와 제1 렌즈(121) 사이의 거리 D[mm]가 0 mm일 때 라인 빔의 수직 시야각(FOV)은 5.8도이고, 광위상배열 장치(110)와 제1 렌즈(121) 사이의 거리 D[mm]가 2.6 mm일 때 라인 빔의 수직 시야각(FOV)은 2.8도로 감소할 수 있다. 라인 빔의 수직 시야각(FOV)을 조절함으로써, 도 1에서 상술한 바와 같이 라인 빔의 검출 거리를 조절할 수 있고, 라인 빔 스캐닝 기반의 광위상배열 라이다(10)는 검출 거리를 증가시켜 원거리의 물체를 탐지할 수 있다.Vertical viewing angle (FOV) according to the distance D [mm] between the optical phase array device 110 and the lens optical system 120, that is, the distance D [mm] between the optical phase array device 110 and the first lens 121. This can be adjusted. As illustrated in FIG. 5, when the distance D [mm] between the optical phased array device 110 and the first lens 121 is 0 mm, the vertical viewing angle (FOV) of the line beam is 5.8 degrees, and the optical phased array When the distance D [mm] between the device 110 and the first lens 121 is 2.6 mm, the vertical viewing angle (FOV) of the line beam can be reduced to 2.8 degrees. By adjusting the vertical viewing angle (FOV) of the line beam, the detection distance of the line beam can be adjusted as described above in FIG. 1, and the optical phased array LIDAR 10 based on line beam scanning increases the detection distance to detect distant Objects can be detected.
지금까지 참조한 도면과 기재된 발명의 상세한 설명은 단지 본 발명의 예시적인 것으로서, 이는 단지 본 발명을 설명하기 위한 목적에서 사용된 것이지 의미 한정이나 특허청구범위에 기재된 본 발명의 범위를 제한하기 위하여 사용된 것은 아니다. 그러므로 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시 예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다. The drawings and detailed description of the invention described so far are merely illustrative of the present invention, and are used only for the purpose of explaining the present invention, and are not used to limit the meaning or scope of the present invention described in the claims. That is not the case. Therefore, those skilled in the art will understand that various modifications and other equivalent embodiments are possible therefrom. Therefore, the true scope of technical protection of the present invention should be determined by the technical spirit of the appended claims.
10: 라인 빔 스캐닝 기반의 광위상배열 라이다
100: 광송신부
110: 광위상배열 장치
120: 렌즈 광학계
121: 제1 렌즈
122: 제2 렌즈
124: 제3 렌즈
200: 광수신부
210: 단일 광자 애벌런치 다이오드 배열
220: 검출기10: Optical phased array LIDAR based on line beam scanning
100: Gwangsong Bride
110: Optical phase array device
120: Lens optical system
121: first lens
122: second lens
124: third lens
200: Father Gwangsu
210: Single photon avalanche diode array
220: detector
Claims (12)
상기 라인 빔이 출력되는 방향에 위치하여 상기 라인 빔의 제2 방향 빔 발산각을 제어하고, 상기 광위상배열 장치의 제1 방향 스캐닝 범위를 확대하는 렌즈 광학계; 및
단일 광자 애벌런치 다이오드 배열 및 검출기를 포함하고, 물체에 의해 반사되어 돌아온 라인 빔을 검출함으로써 물체 감지 및 거리 측정을 수행하는 광수신부를 포함하고,
상기 광위상배열 장치와 상기 렌즈 광학계 사이의 거리가 조절되어 상기 제2 방향 빔 발산각이 제어되는 라인 빔 스캐닝 기반의 광위상배열 라이다.An optical phase array device that distributes a pulse laser into a plurality of optical waveguides and then independently controls the phase of the distributed light for each channel to perform beam scanning of a line beam in a second direction in a first direction;
a lens optical system located in a direction in which the line beam is output to control a beam divergence angle of the line beam in a second direction and to expand a first direction scanning range of the optical phased array device; and
A light receiver comprising a single-photon avalanche diode array and a detector, and performing object detection and distance measurement by detecting a line beam reflected by the object,
An optical phased array LIDAR based on line beam scanning in which the distance between the optical phased array device and the lens optical system is adjusted to control the beam divergence angle in the second direction.
상기 광위상배열 장치와 상기 렌즈 광학계 사이의 거리를 조절하기 위한 구동부에 의해 상기 광위상배열 장치와 상기 렌즈 광학계 중 어느 하나가 상기 라인 빔의 전파 방향으로 이동되는 라인 빔 스캐닝 기반의 광위상배열 라이다.According to claim 1,
An optical phase array based on line beam scanning in which one of the optical phase array device and the lens optical system is moved in the propagation direction of the line beam by a driving unit for adjusting the distance between the optical phase array device and the lens optical system. am.
상기 렌즈 광학계는,
제1 방향 축을 중심으로 하는 볼록면이 형성되어 있는 제1 렌즈;
상기 광위상배열 장치로부터 방사되는 가우시안 형태의 각도별 광 강도 분포도가 목표물 상에서 제2 방향으로 균일하게 분포할 수 있도록 탑햇 빔을 형성하는 제2 렌즈; 및
제2 방향 축을 중심으로 하는 오목면이 형성되어 있어서 제1 방향 조향 범위를 증폭하기 위한 제3 렌즈를 포함하는 라인 빔 스캐닝 기반의 광위상배열 라이다.According to claim 1,
The lens optical system is,
a first lens having a convex surface centered on a first direction axis;
a second lens forming a top hat beam so that the Gaussian-shaped light intensity distribution at each angle radiated from the optical phase array device is uniformly distributed in a second direction on the target; and
A line beam scanning-based optical phased array LIDAR has a concave surface centered on a second direction axis and includes a third lens to amplify the first direction steering range.
상기 광위상배열 장치는,
상기 펄스 레이저 광이 입력되는 광결합기;
상기 펄스 레이저를 상기 복수의 광도파로로 분배하는 광분배기;
상기 복수의 광도파로로 분배된 빛의 위상을 채널별로 독립적으로 제어하는 위상변조기; 및
상기 위상변조기를 통과한 빛을 레이저 빔 형태로 출력하는 광안테나를 포함하는 라인 빔 스캐닝 기반의 광위상배열 라이다.According to claim 1,
The optical phased array device,
An optical coupler into which the pulsed laser light is input;
an optical splitter that distributes the pulse laser to the plurality of optical waveguides;
a phase modulator that independently controls the phase of light distributed to the plurality of optical waveguides for each channel; and
An optical phased array LIDAR based on line beam scanning that includes an optical antenna that outputs the light that has passed through the phase modulator in the form of a laser beam.
상기 광안테나는 도파 모드가 진행 방향을 따라 방사되는 단면 방사 방식인 라인 빔 스캐닝 기반의 광위상배열 라이다.According to clause 5,
The optical antenna is an optical phased array LIDAR based on line beam scanning, which is a single-sided radiation method in which a waveguide mode is radiated along the traveling direction.
상기 광안테나는 각 채널의 광도파로의 너비보다 방사 끝부분의 너비가 작은 테이퍼드 광도파로 배열 구조로 형성되는 라인 빔 스캐닝 기반의 광위상배열 라이다.According to clause 6,
The optical antenna is a line beam scanning-based optical phased array LIDAR formed as a tapered optical waveguide array structure in which the width of the radiating end is smaller than the width of the optical waveguide of each channel.
상기 광위상배열 장치와의 거리에 따라 상기 라인 빔의 제2 방향 빔 발산각 및 검출 거리를 제어하고, 상기 광위상배열 장치의 제1 방향 스캐닝 범위를 확대하는 렌즈 광학계; 및
단일 광자 애벌런치 다이오드 배열 및 검출기를 포함하고, 물체에 의해 반사되어 돌아온 라인 빔을 검출함으로써 물체 감지 및 거리 측정을 수행하는 광수신부를 포함하는 라인 빔 스캐닝 기반의 광위상배열 라이다.An optical phase array device that distributes a pulse laser into a plurality of optical waveguides and then independently controls the phase of the distributed light for each channel to perform beam scanning of a line beam in a second direction in a first direction; and
a lens optical system that controls a second direction beam divergence angle and detection distance of the line beam according to the distance from the optical phased array device and expands a first direction scanning range of the optical phased array device; and
An optical phased array LIDAR based on line beam scanning that includes a single photon avalanche diode array and detector, and an optical receiver that performs object detection and distance measurement by detecting the line beam reflected by the object.
상기 광위상배열 장치와 상기 렌즈 광학계 사이의 거리를 조절하여 상기 라인 빔의 제2 방향 빔 발산각이 제어되는 라인 빔 스캐닝 기반의 광위상배열 라이다.According to clause 8,
An optical phased array LIDAR based on line beam scanning in which the second direction beam divergence angle of the line beam is controlled by adjusting the distance between the optical phased array device and the lens optical system.
상기 라인 빔의 제2 방향 빔 발산각이 작아질수록 상기 라인 빔의 검출 거리가 증가하는 라인 빔 스캐닝 기반의 광위상배열 라이다.According to clause 9,
It is an optical phased array LIDAR based on line beam scanning in which the detection distance of the line beam increases as the second direction beam divergence angle of the line beam decreases.
상기 렌즈 광학계는 상기 라인 빔의 제1 방향 조향 범위를 증폭하는 라인 빔 스캐닝 기반의 광위상배열 라이다.According to clause 8,
The lens optical system is an optical phased array LIDAR based on line beam scanning that amplifies the first direction steering range of the line beam.
상기 렌즈 광학계는,
제1 방향 축을 중심으로 하는 볼록면이 형성되어 있는 제1 렌즈;
상기 광위상배열 장치로부터 방사되는 가우시안 형태의 각도별 광 강도 분포도가 목표물 상에서 제2 방향으로 균일하게 분포할 수 있도록 탑햇 빔을 형성하는 제2 렌즈; 및
제2 방향 축을 중심으로 하는 오목면이 형성되어 있는 제3 렌즈를 포함하는 라인 빔 스캐닝 기반의 광위상배열 라이다.According to clause 8,
The lens optical system is,
a first lens having a convex surface centered on a first direction axis;
a second lens forming a top hat beam so that the Gaussian-shaped light intensity distribution at each angle radiated from the optical phase array device is uniformly distributed in a second direction on the target; and
An optical phased array LIDAR based on line beam scanning including a third lens having a concave surface centered on a second direction axis.
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| KR1020210163775A KR102640320B1 (en) | 2021-11-24 | 2021-11-24 | Optical phased array lidar based on line-beam scanning |
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