KR102654876B1 - Doe 설계를 통한 텔레센트릭 에프세타 송수신 광학계 시스템 - Google Patents

Doe 설계를 통한 텔레센트릭 에프세타 송수신 광학계 시스템 Download PDF

Info

Publication number
KR102654876B1
KR102654876B1 KR1020230079687A KR20230079687A KR102654876B1 KR 102654876 B1 KR102654876 B1 KR 102654876B1 KR 1020230079687 A KR1020230079687 A KR 1020230079687A KR 20230079687 A KR20230079687 A KR 20230079687A KR 102654876 B1 KR102654876 B1 KR 102654876B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
doe
optical system
transmission
telecentric
light
Prior art date
Application number
KR1020230079687A
Other languages
English (en)
Inventor
이자인
이용선
정효빈
Original Assignee
주식회사 인포웍스
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 주식회사 인포웍스 filed Critical 주식회사 인포웍스
Priority to KR1020230079687A priority Critical patent/KR102654876B1/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR102654876B1 publication Critical patent/KR102654876B1/ko

Links

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B13/00—Optical objectives specially designed for the purposes specified below
    • G02B13/0005—Optical objectives specially designed for the purposes specified below having F-Theta characteristic
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S7/00—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00
    • G01S7/48—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00 of systems according to group G01S17/00
    • G01S7/481—Constructional features, e.g. arrangements of optical elements
    • G01S7/4816—Constructional features, e.g. arrangements of optical elements of receivers alone
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B13/00—Optical objectives specially designed for the purposes specified below
    • G02B13/22—Telecentric objectives or lens systems
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B5/00—Optical elements other than lenses
    • G02B5/18—Diffraction gratings
    • G02B5/1876—Diffractive Fresnel lenses; Zone plates; Kinoforms

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Computer Networks & Wireless Communication (AREA)
  • Radar, Positioning & Navigation (AREA)
  • Remote Sensing (AREA)
  • Optical Radar Systems And Details Thereof (AREA)

Abstract

본 발명은 DOE 설계를 통한 텔레센트릭 에프세타 송수신 광학계 시스템에 관한 것으로, FMCW 라이다에 DOE 렌즈를 설계하여 적용함으로써, 여러 개의 렌즈를 사용할 필요 없이 하나의 렌즈만으로 최대 64채널까지 사용이 가능한 다채널의 송수신 광학계를 구성할 수 있는 DOE 설계를 통한 텔레센트릭 에프세타 송수신 광학계 시스템에 관한 것이다.

Description

DOE 설계를 통한 텔레센트릭 에프세타 송수신 광학계 시스템{TELECENTRIC FTHETA TRANSMIT/RECEIVE OPTICAL SYSTEM THROUGH DOE DESIGN}
본 발명은 DOE 설계를 통한 텔레센트릭 에프세타 송수신 광학계 시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 FMCW(Frequency Modulated Continuous Wave) 라이다에 DOE(Diffractive Optical Element) 렌즈를 설계하여 적용함으로써, 여러 개의 렌즈를 사용할 필요 없이 하나의 렌즈만으로 최대 64채널까지 사용이 가능한 다채널의 송수신 광학계를 구성할 수 있는 DOE 설계를 통한 텔레센트릭 에프세타 송수신 광학계 시스템에 관한 것이다.
라이다(LiDAR: Light Detection And Ranging)는 높은 에너지 밀도와 짧은 주기를 가지는 펄스 신호를 생성할 수 있는 레이저를 이용한 기술이다.
이러한 레이저의 장점을 활용한 라이다는 보다 정밀한 대기 중의 물성 관측 및 거리 측정 등에 활용되는 것은 물론, 항공기, 위성 등에 탑재되어 정밀한 대기 분석 및 지구환경 관측에 활용되고 있다. 특히, 최근 들어 3D 리버스 엔지니어링, 미래 무인자동차를 위한 레이저 스캐너 및 3D 영상 카메라의 핵심 기술로 활용되면서 그 중요성이 점차 증가되고 있다.
라이다는 펄스의 왕복시간을 측정하는 TOF(time of flight) 방식, 신호의 위상차를 통해 거리를 측정하는 위상변이(phase shift) 방식, 그리고 주파수에 변화를 준 후 주파수 차이를 통해 거리 정보를 추출하는 주파수 변조법(FMCW) 방식 등이 사용되고 있다.
이 중에서 TOF 방식은 레이저가 펄스 신호를 방출하여 측정 범위 내에 있는 물체들로부터의 반사 펄스 신호들이 수신기에 도착하는 시간을 측정함으로써 거리를 측정하는 방식으로서, 매우 우수한 성능을 보여주고 있지만, 시스템의 크기가 크고 고비용이 요구되는 단점으로 인해서 저가의 거리 측정 시스템에는 주로 위상변이 또는 FMCW 방식이 사용되고 있다.
그러나, FMCW 라이다는 하나의 채널에 하나의 렌즈를 이용하여 송수신을 수행하기 때문에, 채널 수가 늘어날수록 이에 비례하여 렌즈, 미러 등의 광학계의 수가 증가되는 문제가 있었다.
또한, 일반적인 텔레센트릭 에프세타 렌즈는 포토 디텍터에 사용되어 어레이 파이버 등의 광 전달소자에 사용할 수 없었다.
또한, 텔레센트릭 에프세타 렌즈에 파이버 광학계를 사용할 경우, 빔이 포커싱되면 에어리디스크(airydisc)와 회절링으로 이루어진 빔이 포커싱되며, 이때 횡모드(싱글 모드 파이버를 의미하는 모드로서, 일반적인 간섭계에 사용되는 파이버는 싱글 모드 파이버임)는 중심의 에어리디스크만 싱글 모드 파이버에서 전송이 되고, 이마저도 파이버의 수신 각도로 들어오는 소정 수치(예, 8μm) 이하의 빔만 입사되기 때문에, 렌즈 사이즈가 아무리 커져도 파이버 광학계의 수신효율이 증가하지 않는 문제가 있었다.
또한, 일반적인 렌즈는 빛이 들어오는 각도에 따라서 포커싱되는 위치가 다르고, 10μm 이하의 코어가 빔을 수신하는 역할을 하는 파이버 광학계에서는 사용할 수 없었다.
또한, 입사각에 따라 포커싱 위치가 달라지는 현상을 해결하기 위해서는 여러 장의 렌즈가 필요하기 때문에 얼라인(align)이 어렵고, 렌즈 손실이 커지며, 비용이 증가되는 것은 물론 공차 영향을 많이 받는 문제가 있었다.
따라서 본 발명에서는 FMCW 라이다에 DOE 렌즈를 설계하여 적용함으로써, 여러 개의 렌즈를 사용할 필요 없이 하나의 렌즈만으로 최대 64채널까지 사용이 가능한 다채널의 송수신 광학계를 구성할 수 있는 방안을 제시하고자 한다.
다음으로 본 발명의 기술분야에 존재하는 선행발명에 대하여 간단하게 설명하고, 이어서 본 발명이 상기 선행발명에 비해서 차별적으로 이루고자 하는 기술적 사항에 대해서 기술하고자 한다.
먼저 한국등록특허 제2093637호(2020.03.27.)는 광 신호를 조사하는 송신부; 상기 광 신호를 평행광으로 변환시키는 제1 렌즈부; 상기 변환된 광 신호의 방향을 조절하는 반사부; 상기 제1 반사부의 반사 각도의 변동에도 상기 조절된 광 신호가 동일 초점면을 갖는 제2 렌즈부; 상기 제2 렌즈부를 통과한 광 신호를 평행광으로 변환하는 제3 렌즈부; 상기 제3 렌즈부를 통과한 광 신호는 피사체로부터 반사되고, 반사된 광 신호가 통과하는 제4 렌즈부; 및 상기 제4 렌즈부를 통과한 광신호를 수신하는 수신부;를 포함하고, 상기 제3 렌즈부와 상기 제4 렌즈부는 제1 방향으로 동일 선상에 위치하고, 상기 제1 방향은 제2 방향과 수직한 방향이고, 상기 제2 방향은 상기 제3 렌즈부에서 상기 피사체를 향한 방향인 라이다 장치에 관한 선행발명이다.
또한 한국등록특허 제1374956호(2014.03.14.)는 텔레센트릭 물체 공간에 대한 비선형 변경은 작용 거리의 변경과 함께 왜곡 조절 특성을 제공하는 준-텔레센트릭 이미징 렌즈의 왜곡 렌즈에 관한 선행발명이다.
하지만, 본 발명은 FMCW 라이다에서 새롭게 설계한 하나의 DOE 렌즈만으로 최대 64채널까지 사용이 가능한 다채널의 송수신 광학계를 구성하는 것이므로, 기계적인 회전이 없이 광학적인 구성만으로 공간을 스캐닝하여 기계적인 결함 등을 보완하는 상기 한국등록특허 제2093637호, 및 사용하는 동안 이미지 왜곡의 변화를 보상하기 위한 준-텔레센트릭 렌즈의 왜곡 조정 특징에 대해 기재하고 있는 상기 한국등록특허 제1374956호와 본 발명은 현저한 구성상 차이점이 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 창작된 것으로서, 여러 개의 렌즈를 사용할 필요 없이 하나의 DOE 렌즈를 통해서 다채널로 사용이 가능한 DOE 설계를 통한 텔레센트릭 에프세타 송수신 광학계 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 FMCW 라이다에 일면을 복수의 스텝별로 나누어 식각한 DOE 렌즈를 적용함으로써, 렌즈의 수를 줄이면서 최대 64채널까지 사용할 수 있는 DOE 설계를 통한 텔레센트릭 에프세타 송수신 광학계 시스템을 제공하는 것을 다른 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 기존의 포토 디텍터가 아닌 광 전달소자에 DOE 렌즈를 적용하여 다채널의 송수신 광학계를 구성할 수 있는 DOE 설계를 통한 텔레센트릭 에프세타 송수신 광학계 시스템을 제공하는 것을 또 다른 목적으로 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 DOE 설계를 통한 텔레센트릭 에프세타 송수신 광학계 시스템은, 오브젝트에 의해 반사되는 광 신호를 수신하는 DOE 렌즈; 및 상기 수신한 광 신호와 기존광을 간섭시킨 신호를 검출하는 검출부;를 포함하며, 상기 DOE 렌즈는, 하나로 구성되어, 상기 광 신호를 각 채널별로 싱글모드로 포커싱하거나, 상기 기존광을 조향할 수 있다.
또한, 상기 DOE 렌즈는, 일 측은 평면으로 형성되고, 다른 일 측은 복수의 스텝별로 나노단위의 서로 다른 반경으로 식각될 수 있다.
또한, 상기 싱글모드는, 각 채널별 레이저가 상기 DOE 렌즈를 통과하여 기 설정된 범위 이하로 초점이 맺히도록 포커싱되는 것으로서, 상기 채널은 최대 64 채널이며, 상기 기 설정된 범위는 10μm일 수 있다.
또한, 상기 텔레센트릭 에프세타 송수신 광학계 시스템은, 레이저를 발광하는 발광부; 상기 DOE 렌즈의 일측에 구비되는 광 전달부; 상기 발광부를 통해 발광되는 각 채널별 레이저와 상기 광 전달부로부터 전달되는 상기 DOE 렌즈에서 포커싱된 각 채널별 광 신호를 간섭시켜 상기 검출부로 출력하는 간섭 및 광학처리부; 및 상기 검출부에서 검출한 신호를 토대로 상기 오브젝트와의 거리정보를 산출하는 신호처리모듈;을 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 DOE 렌즈는, 상기 발광부에서 발광되는 각 채널별 레이저를 평행광으로 콜리메이션하여 오브젝트로 출력하는 것을 더 포함할 수 있다.
아울러, 본 발명의 일 실시예에 따른 DOE 설계를 통한 텔레센트릭 에프세타 송수신 광학계 구성방법은, 텔레센트릭 에프세타 송수신 광학계를 제작하는 장치에서, 오브젝트에 의해 반사되는 광 신호를 수신하는 DOE 렌즈를 구성하는 단계; 및 상기 수신한 광 신호와 기존광을 간섭시킨 신호를 검출하는 검출부를 구성하는 단계;를 포함하며, 상기 DOE 렌즈는, 하나로 구성되어, 상기 광 신호를 각 채널별로 싱글모드로 포커싱하거나, 상기 기존광을 조향할 수 있다.
또한, 상기 텔레센트릭 에프세타 송수신 광학계 시스템 구성 방법은, 상기 텔레센트릭 에프세타 송수신 광학계를 제작하는 장치에서, 레이저를 발광하는 발광부를 구성하는 단계; 상기 DOE 렌즈의 일측에 구비되는 광 전달부를 구성하는 단계; 상기 발광부를 통해 발광되는 각 채널별 레이저와 상기 광 전달부로부터 전달되는 상기 DOE 렌즈에서 포커싱된 각 채널별 광 신호를 간섭시켜 상기 검출부로 출력하는 간섭 및 광학처리부를 구성하는 단계; 및 상기 검출부에서 검출한 신호를 토대로 상기 오브젝트와의 거리정보를 산출하는 신호처리모듈을 구성하는 단계;를 더 포함할 수 있다.
이상에서와 같이 본 발명의 DOE 설계를 통한 텔레센트릭 에프세타 송수신 광학계 시스템에 따르면, FMCW 라이다에 새롭게 설계한 DOE 렌즈를 적용함으로써, 여러 개의 렌즈를 사용할 필요없이 하나의 렌즈만으로 최대 64채널까지 사용이 가능한 다채널 송수신 광학계를 구성할 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명은 DOE 렌즈의 일면을 복수의 스텝별로 나누어 설계하고, 이를 기존의 포토 디텍터 부분이 아닌 광 전달소자측에 적용하여 사용함으로써, 송수신 정확도를 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
다만, 본 발명의 효과가 상술한 효과들로 제한되는 것은 아니며, 언급되지 아니한 효과들은 본 명세서 및 첨부된 도면으로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확히 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 텔레센트릭 에프세타 렌즈에 파이버 광학계를 사용할 경우 빔의 모드를 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명에 적용된 텔레센트릭 에프세타 렌즈를 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 본 발명에 적용된 DOE 렌즈를 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 DOE 설계를 통한 텔레센트릭 에프세타 송수신 광학계 시스템의 구성을 상세하게 나타낸 도면이다.
도 5는 본 발명에 적용된 DOE 렌즈의 설계 예제를 나타낸 도면이다.
도 6은 본 발명에 적용된 DOE 렌즈의 구동을 설명하기 위한 도면이다.
이하에서는 도면을 참조하여 본 발명의 구체적인 실시예를 상세하게 설명한다. 다만, 본 발명의 사상은 제시되는 실시예에 제한되지 아니하고, 본 발명의 사상을 이해하는 당업자는 동일한 사상의 범위 내에서 다른 구성요소를 추가, 변경, 삭제 등을 통하여, 퇴보적인 다른 발명이나 본 발명 사상의 범위 내에 포함되는 다른 실시예를 용이하게 제안할 수 있을 것이나, 이 또한 본원 발명 사상 범위 내에 포함된다고 할 것이다.
또한, 각 실시예의 도면에 나타나는 동일한 사상의 범위 내의 기능이 동일한 구성요소는 동일한 참조부호를 사용하여 설명한다.
도 1은 텔레센트릭 에프세타 렌즈에 파이버 광학계를 사용할 경우 빔의 모드를 나타낸 도면이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 텔레센트릭 에프세타 렌즈에 파이버 광학계를 사용할 수 있다. 이 경우, 빔의 모드는 횡모드와 종모드가 있으며, 싱글모드 파이버를 의미하는 모드는 횡모드를 말한다. 일반적인 간섭계에서 사용되는 파이버는 싱글모드 파이버이다. 싱글모드 파이버는 단 하나의 모드(도 1의 첫 번째 모드 중 TEM00)만이 전송된다.
빔이 포커싱되면, 도 2의 첫 번째 줄의 TEM10, 20, 30 등의 차수로 이루어진 빔이 포커싱되는데, 이는 멀티모드로서, 싱글모드 파이버에서는 중심의 에어리디스크만 전송된다. 물론, 이마저도 파이버의 수신 각도로 들어오는 8μm 이하의 빔만 입사되므로 렌즈 사이즈가 아무리 커져도 파이버 광학계의 수신효율이 증가하지 않음은 상기 문제점 부분에서 설명한 바와 같다.
도 2는 본 발명에 적용된 텔레센트릭 에프세타 렌즈를 설명하기 위한 도면이다.
먼저 도 2의 (a)에 나타낸 것처럼 일반 렌즈를 사용하는 경우, 빛의 입사각에 따라 구면 위에 초점이 맺히는 상면만곡이 존재한다. 이렇게 되면 중심부 이외의 부분에서 초점이 맞지 않게 된다.
이를 개선하기 위해서, 도 2의 (b)에 나타낸 것처럼 플랫 필드 렌즈를 적용하여, 입사각과 상관없이 초점이 한 면에 맺히도록 구성할 수 있다. 하지만, 면의 길이가 y = f*tanθ(여기서, y는 높이(스캔되는 거리), f는 초점거리, θ는 조사각도)의 관계이기 때문에, 비선형적으로 증가되는 문제가 있다.
도 2의 (c)는 플랫 필드 렌즈를 적용할 때의 단점을 개선하기 위한 것으로서, 면의 길이가 y = f*θ의 관계이므로 선형적으로 증가한다. 그러나, 빛이 수직하게 들어오지 않아 본 발명에서는 적합하지 않다.
도 2의 (d)는 본 발명에 적용되는 방식으로서, 면의 길이가 y = f*θ의 관계로 선형적으로 증가하며, 빛을 수직으로 받는다.
본 발명은, 이와 같은 텔레센트릭 에프세타를 FMCW 라이더에 적용한 것으로서, 기존의 검출부(즉 포토 디텍터(PD))가 아닌 광 전달부(예를 들어, 파이버 어레이, 광도파기 등)에 적용하여 다채널의 송수신 광학계로 구성한 것이다. 이때 본 발명은 최대 64채널까지 사용 가능하도록 설계될 수 있다.
도 3은 본 발명에 적용된 DOE 렌즈를 설명하기 위한 도면이다.
본 발명에 적용되는 DOE 렌즈는 빛의 회절을 기초 작동 원리로 하고, 광의 위상을 변경하고 제어할 수 있도록 미세 패턴을 적용하여, 단일 구조로 설계한 것으로서, 기존처럼 여러 장의 렌즈를 사용할 필요가 없다.
즉, 도 3의 (a)에 나타낸 것처럼 중앙의 격자에 평면광이 입사(incident wave)되면, 회절 영역(diffraction zone)에 의해 파면이 그려지면서 회절파(diffracted wave)가 형성된다.
이렇게 완벽한 파면 상태는 설계값의 100% 효율을 나타내며, 공정을 쉽게 하기 위해서 도 3의 (b)에 나타낸 것처럼 이진 DOE를 간단하게 구현할 수 있다. 이는 효율값을 몇 프로로 가져가느냐의 문제인데, 설계 데이터는 100% 기준이다. 본 발명에서는 λ, 3/4λ, 1/2λ 등과 같이 다양하게 DOE를 설계할 수 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 DOE 설계를 통한 텔레센트릭 에프세타 송수신 광학계 시스템의 구성을 상세하게 나타낸 도면이다.
도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 DOE 설계를 통한 텔레센트릭 에프세타 송수신 광학계 시스템(100, 이하 텔레센트릭 에프세타 송수신 광학계 시스템이라 함)은 종래에서와 같이 여러 개의 렌즈를 사용할 필요 없이 단일 구조로 된 하나의 DOE 렌즈를 통해서 다채널의 송수신 광학계를 구성한 것으로서, 최대 64채널까지 사용할 수 있도록 하였다.
특히, 상기 DOE 렌즈의 일 측은 평편하게 하고, 다른 일 측은 여러 스텝으로 나누어진 서로 다른 반경으로 식각하도록 설계한 것이다.(도 5 참조)
상기 텔레센트릭 에프세타 송수신 광학계 시스템(100)은 발광부(110), 간섭 및 광학 처리부(120), 광 전달부(130), DOE 렌즈(140), 검출부(150), 신호처리모듈(160) 등을 포함하여 구성된다.
상기 발광부(110)는 제어모듈(미도시)의 제어에 따라 단일 또는 서로 다른 레이저를 발광한다.
상기 간섭 및 광학 처리부(120)는 상기 발광부(110)를 통해 발광되는 각 채널별 레이저와 상기 광 전달부(130)로부터 전달되는 상기 DOE 렌즈(140)에서 포커싱된 각 채널별 광 신호(즉 오브젝트에 의해 반사된 반사신호)를 간섭시키고, 상기 간섭시킨 신호를 상기 검출부(150)로 제공하여 디지털 신호로 변환할 수 있도록 한다.
상기 광 전달부(130)는 상기 DOE 렌즈(140)의 일측에 구비되며, 상기 DOE 렌즈(140)에서 포커싱된 각 채널별 광 신호를 상기 간섭 및 광학 처리부(120)로 제공한다.
이때 상기 광 전달부(130)는 파이버 어레이, 광 도파기 등을 사용할 수 있으며, 광 신호를 전달할 수 있는 소자이면 어느 것을 사용하여도 무방하다.
상기 DOE 렌즈(140)는 상기 발광부(110)에서 발광된 레이저가 출력된 후, 오브젝트에 의해 반사되는 광 신호(즉 반사신호)를 수신하는 부분이다.
이때 상기 DOE 렌즈(140)는 일 측은 평면으로 형성되고, 다른 일 측은 복수의 스텝별로 나노단위의 서로 다른 반경으로 식각되어 형성되는 단일 구조의 렌즈이다.(도 5 참조)
상기 DOE 렌즈(140)는 채널별로 콜리메이션 조향이 가능하며, 광 신호 수신 시 각 채널별로 싱글모드로 8μm 이하의 빔으로 한 평면에 포커싱할 수 있다.
상기 싱글모드는 각 채널별 신호가 상기 DOE 렌즈(140)를 통과하여 기 설정된 범위 이하로 초점이 맺히도록 포커싱되는 것을 의미하며, 상기 채널은 최대 64 채널이며, 상기 기 설정된 범위는 10μm로 설정될 수 있다.
한편, 상기 DOE 렌즈(140)는 상기 발광부(110)에서 발광되는 각 채널별 레이저를 평행광으로 콜리메이션하여 오브젝트 측으로 출력하는 기능을 더 수행할 수 있다.
상기 검출부(150)는 포토 디텍터로서, 상기 DOE 렌즈(140)를 통해 수신하여 상기 광 전달부(130) 및 간섭 및 광학 처리부(120)를 거쳐 제공받은 신호를 검출한다.
즉, 상기 간섭 및 광학 처리부(120)에서 간섭시킨 결과를 주파수 신호로 변환하여 상기 신호처리모듈(160)로 출력하는 것이다.
상기 신호처리모듈(160)은 상기 검출부(150)에서 검출한 신호를 토대로 상기 오브젝트와의 거리정보를 산출한다.
도 5는 본 발명에 적용된 DOE 렌즈의 설계 예제를 나타낸 도면이다.
본 발명에 적용된 DOE 렌즈의 일 면을 식각하기 위해서는, 각 사이클별 파장(λ)과 반경(radius)을 결정하고, 상기 결정된 반경을 토대로 식각이 이루어지도록 설계되어야 한다.
예를 들어, 도 5의 왼쪽에 표시된 표에서와 같이 1사이클의 0.75λ에서 반경이 0.477587, 0.5λ에서 반경이 0.675820, 0.25λ에서 반경이 0.828209로 결정되면, 상기 결정한 반경을 토대로 도 5의 오른쪽에서와 같이 DOE 렌즈의 각 스텝별로 식각이 수행되어 DOE 렌즈를 만들 수 있다.
이때 각 스텝은 도 5의 예에서는 3/4λ 이미지(파란색 부분)만 표시하였으나, 실제 설계를 수행할 경우 스텝을 더 많이 세분화할 수 있으며, 그 수가 증가하면 할수록 고성능의 DOE 렌즈를 구현할 수 있게 된다.
도 6은 본 발명에 적용된 DOE 렌즈의 구동을 설명하기 위한 도면이다.
도 6에 도시된 바와 같이, 레이저 광이 하나의 DOE 렌즈를 통과하면서 파이버 어레이의 코어 부분에 싱글모드로 초점이 맺힌다.
이때 싱글모드로 초점이 맺히는 부분의 범위는 10μm 이하로 설계하는 것이 바람직하지만, 이에 한정되는 것은 아니며 설계 값에 따라 다양하게 범위를 조절할 수 있음을 밝혀둔다.
또한, 도 6의 예에서는 5개의 채널을 예로 하여 색상을 구분하여 표시하였지만, 본 발명에서는 최대 64 채널을 사용할 수 있다.
또한, 상기 도 6은 수신기준으로 설명하였지만, 반대로 적용하여 송신으로 사용할 수 있으며, 송신의 경우 발광된 빛을 콜리메이션하여 오브젝트 방향으로 조향시킬 수 있다.
다음에는, 이와 같이 구성된 본 발명에 따른 DOE 설계를 통한 텔레센트릭 에프세타 송수신 광학계 구성방법의 일 실시예를 상세하게 설명한다. 이때 본 발명의 방법에 따른 각 단계는 사용 환경이나 당업자에 의해 순서가 변경될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 텔레센트릭 에프세타 송수신 광학계 시스템(100)을 구성하기 위해서는, 먼저 오브젝트에 의해 반사되는 신호를 수신하는 DOE 렌즈(140)를 구성하여야 한다.
즉, 상기 도 6에 나타낸 것처럼 일 측은 평면으로 형성되고, 다른 일 측은 복수의 스텝별로 나노단위의 서로 다른 반경으로 식각되는 DOE 렌즈(140)를 구성하는 것이다.
특히, 상기 DOE 렌즈(140)는 하나의 단일 렌즈로 구성되도록 설계되며, 상기 도 6에 나타낸 것처럼 각 채널별 수신신호를 싱글모드로 포커싱할 수 있다.
여기서, 상기 싱글모드는 각 채널별 광 신호가 상기 DOE 렌즈(140)를 통과하여 기 설정된 범위(예를 들어, 10μm) 이하로 초점이 맺히도록 포커싱되는 것을 말한다. 또한, 상기 DOE 렌즈(140)에서 동시에 처리할 수 있는 채널은 최대 64개이다.
또한, 상기 DOE 렌즈(140)는 발광부(110)에서 발광되는 각 채널별 레이저를 평행광으로 콜리메이션하여 오브젝트로 출력하는 기능을 수행할 수 있다.
한편, 상기 DOE 렌즈(140)를 설계한 이후, 레이저를 발광하는 발광부(110), 상기 발광부(110)를 통해 발광되는 각 채널별 레이저와 상기 광 전달부(130)로부터 전달되는 상기 DOE 렌즈(140)에서 포커싱된 각 채널별 레이저를 간섭시켜 상기 검출부(150)로 출력하는 간섭 및 광학처리부(120), 상기 DOE 렌즈(140)의 일측에 구비되는 광 전달부(130), 상기 DOE 렌즈(140)를 통해 수신하는 수신광(즉 오브젝트에 의해 반사된 반사신호)을 검출하는 검출부(150), 및 상기 검출부(150)에서 검출한 신호를 토대로 오브젝트와의 거리정보를 산출하는 신호처리모듈(160)을 차례로 구성한다.
이어서, 상기 구성한 발광부(110), 간섭 및 광학처리부(120), 광 전달부(130), DOE 렌즈(140), 검출부(150) 및 신호처리모듈(160)을 물리적, 전기적으로 결합함으로써, 상기 텔레센트릭 에프세타 송수신 광학계 시스템(100)을 완성한다.
이처럼, 본 발명은 FMCW 라이다에 새롭게 설계한 DOE 렌즈를 적용하기 때문에, 여러 개의 렌즈를 사용할 필요 없이 하나의 렌즈만으로 최대 64채널까지 사용이 가능한 다채널 송수신 광학계를 구성할 수 있다.
또한, 본 발명은 DOE 렌즈의 일면을 복수의 스텝별로 나누어 설계하고, 이를 기존의 포토 디텍터 부분이 아닌 광 전달소자측에 적용하여 사용함으로써, 송수신 정확도를 향상시킬 수 있다.
첨부된 도면은 본 발명의 기술적 사상을 보다 명확하게 표현하기 위해, 본 발명의 기술적 사상과 관련성이 없거나 떨어지는 구성에 대해서는 간략하게 표현하거나 생략하였다.
상기에서는 본 발명에 따른 실시예를 기준으로 본 발명의 구성과 특징을 설명하였으나 본 발명은 이에 한정되지 않으며, 본 발명의 사상과 범위 내에서 다양하게 변경 또는 변형할 수 있음은 본 발명이 속하는 기술분야의 당업자에게 명백한 것이며, 따라서 이와 같은 변경 또는 변형은 첨부된 특허청구범위에 속함을 밝혀둔다.
100 : 텔레센트릭 에프세타 송수신 광학계 시스템
110 : 발광부 120 : 간섭 및 광학 처리부
130 : 광 전달부 140 : DOE 렌즈
150 : 검출부 160 : 신호처리모듈

Claims (10)

  1. 오브젝트에 의해 반사되는 광 신호를 수신하는 DOE 렌즈;
    상기 수신한 광 신호와 기존광을 간섭시킨 신호를 검출하는 검출부; 및
    상기 DOE 렌즈의 일측에 구비되는 광 전달부;를 포함하며,
    상기 DOE 렌즈는, 하나로 구성되어, 상기 광 신호를 각 채널별로 싱글모드로 포커싱하거나, 상기 기존광을 조향하며, 중앙의 격자에 평면광이 입사(incident wave)되면, 회절 영역(diffraction zone)에 의해 파면이 그려지면서 회절파(diffracted wave)가 형성되고, 일 측은 평면으로 형성되고, 다른 일 측은 복수의 스텝별로 사이클에 따라 미리 정해진 복수의 파장(λ)에 대응하는 밀리미터 단위의 서로 다른 반경을 기반으로 식각 형성되고,
    파이버 어레이 및 광 도파기에 해당하는 상기 광 전달부에 적용하여 송수신 광학계를 구성하고, 면의 길이가 높이(스캔되는 거리)=초점거리*조사각도의 관계로 선형적으로 증가하여, 빛을 수직으로 받는 것을 특징으로 하는,
    DOE 설계를 통한 텔레센트릭 에프세타 송수신 광학계 시스템.
  2. 삭제
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 싱글모드는,
    각 채널별 레이저가 상기 DOE 렌즈를 통과하여 기 설정된 범위 이하로 초점이 맺히도록 포커싱되는 것으로서,
    상기 채널은 최대 64 채널이며,
    상기 기 설정된 범위는 10μm인 것을 특징으로 하는 DOE 설계를 통한 텔레센트릭 에프세타 송수신 광학계 시스템.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 텔레센트릭 에프세타 송수신 광학계 시스템은,
    레이저를 발광하는 발광부;
    상기 발광부를 통해 발광되는 각 채널별 레이저와 상기 광 전달부로부터 전달되는 상기 DOE 렌즈에서 포커싱된 각 채널별 광 신호를 간섭시켜 상기 검출부로 출력하는 간섭 및 광학처리부; 및
    상기 검출부에서 검출한 신호를 토대로 상기 오브젝트와의 거리정보를 산출하는 신호처리모듈;을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 DOE 설계를 통한 텔레센트릭 에프세타 송수신 광학계 시스템.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 DOE 렌즈는,
    상기 발광부에서 발광되는 각 채널별 레이저를 평행광으로 콜리메이션하여 오브젝트로 출력하는 것을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 DOE 설계를 통한 텔레센트릭 에프세타 송수신 광학계 시스템.
  6. 텔레센트릭 에프세타 송수신 광학계를 제작하는 장치에서, 오브젝트에 의해 반사되는 광 신호를 수신하는 DOE 렌즈를 구성하는 단계;
    상기 수신한 광 신호와 기존광을 간섭시킨 신호를 검출하는 검출부를 구성하는 단계; 및
    상기 DOE 렌즈의 일측에 구비되는 광 전달부를 구성하는 단계;를 포함하며,
    상기 DOE 렌즈는, 하나로 구성되어, 상기 광 신호를 각 채널별로 싱글모드로 포커싱하거나, 상기 기존광을 조향하며, 중앙의 격자에 평면광이 입사(incident wave)되면, 회절 영역(diffraction zone)에 의해 파면이 그려지면서 회절파(diffracted wave)가 형성되고, 일 측은 평면으로 형성되고, 다른 일 측은 복수의 스텝별로 사이클에 따라 미리 정해진 복수의 파장(λ)에 대응하는 밀리미터 단위의 서로 다른 반경을 기반으로 식각 형성되고,
    파이버 어레이 및 광 도파기에 대응하는 상기 광 전달부에 적용하여 송수신 광학계를 구성하고, 면의 길이가 높이(스캔되는 거리)=초점거리*조사각도의 관계로 선형적으로 증가하여, 빛을 수직으로 받는 것을 특징으로 하는 DOE 설계를 통한 텔레센트릭 에프세타 송수신 광학계 구성방법.
  7. 삭제
  8. 청구항 6에 있어서,
    상기 싱글모드는,
    각 채널별 레이저가 상기 DOE 렌즈를 통과하여 기 설정된 범위 이하로 초점이 맺히도록 포커싱되는 것으로서,
    상기 채널은 최대 64 채널이며,
    상기 기 설정된 범위는 10μm인 것을 특징으로 하는 DOE 설계를 통한 텔레센트릭 에프세타 송수신 광학계 구성방법.
  9. 청구항 6에 있어서,
    상기 텔레센트릭 에프세타 송수신 광학계 시스템 구성 방법은,
    상기 텔레센트릭 에프세타 송수신 광학계를 제작하는 장치에서, 레이저를 발광하는 발광부를 구성하는 단계;
    상기 발광부를 통해 발광되는 각 채널별 레이저와 상기 광 전달부로부터 전달되는 상기 DOE 렌즈에서 포커싱된 각 채널별 광 신호를 간섭시켜 상기 검출부로 출력하는 간섭 및 광학처리부를 구성하는 단계; 및
    상기 검출부에서 검출한 신호를 토대로 상기 오브젝트와의 거리정보를 산출하는 신호처리모듈을 구성하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 DOE 설계를 통한 텔레센트릭 에프세타 송수신 광학계 구성방법.
  10. 청구항 9에 있어서,
    상기 DOE 렌즈는,
    상기 발광부에서 발광되는 각 채널별 레이저를 평행광으로 콜리메이션하여 오브젝트로 출력하도록 하는 것을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 DOE 설계를 통한 텔레센트릭 에프세타 송수신 광학계 구성방법.
KR1020230079687A 2023-06-21 2023-06-21 Doe 설계를 통한 텔레센트릭 에프세타 송수신 광학계 시스템 KR102654876B1 (ko)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020230079687A KR102654876B1 (ko) 2023-06-21 2023-06-21 Doe 설계를 통한 텔레센트릭 에프세타 송수신 광학계 시스템

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020230079687A KR102654876B1 (ko) 2023-06-21 2023-06-21 Doe 설계를 통한 텔레센트릭 에프세타 송수신 광학계 시스템

Publications (1)

Publication Number Publication Date
KR102654876B1 true KR102654876B1 (ko) 2024-04-05

Family

ID=90714031

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020230079687A KR102654876B1 (ko) 2023-06-21 2023-06-21 Doe 설계를 통한 텔레센트릭 에프세타 송수신 광학계 시스템

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR102654876B1 (ko)

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20140293422A1 (en) * 2011-11-09 2014-10-02 Institute Of Physics, Chinese Academy Of Sciences Diffractive optical element, design method thereof and application thereof to solar cell
KR20190072701A (ko) * 2017-12-15 2019-06-26 삼성디스플레이 주식회사 회절 광학 소자를 포함한 에프세타 렌즈 및 이를 구비한 광학 시스템
KR20220038369A (ko) * 2019-07-26 2022-03-28 아워스 테크놀로지, 엘엘씨. Fmcw lidar를 위한 초점 평면 어레이 시스템
KR20220156123A (ko) * 2021-05-17 2022-11-25 주식회사 나무가 렌즈 왜곡을 보정하는 거리측정장치 및 그 제어방법
KR20230086489A (ko) * 2021-12-08 2023-06-15 주식회사 인포웍스 단일 송수신 광학계를 가진 fmcw 라이다 시스템 및 이의 신호처리 방법

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20140293422A1 (en) * 2011-11-09 2014-10-02 Institute Of Physics, Chinese Academy Of Sciences Diffractive optical element, design method thereof and application thereof to solar cell
KR20190072701A (ko) * 2017-12-15 2019-06-26 삼성디스플레이 주식회사 회절 광학 소자를 포함한 에프세타 렌즈 및 이를 구비한 광학 시스템
KR20220038369A (ko) * 2019-07-26 2022-03-28 아워스 테크놀로지, 엘엘씨. Fmcw lidar를 위한 초점 평면 어레이 시스템
KR20220156123A (ko) * 2021-05-17 2022-11-25 주식회사 나무가 렌즈 왜곡을 보정하는 거리측정장치 및 그 제어방법
KR20230086489A (ko) * 2021-12-08 2023-06-15 주식회사 인포웍스 단일 송수신 광학계를 가진 fmcw 라이다 시스템 및 이의 신호처리 방법

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN108226899B (zh) 激光雷达及其工作方法
JP2023160825A (ja) 固体スペクトル走査を備えたｌｉｄａｒシステム
US11092675B2 (en) Lidar systems based on tunable optical metasurfaces
WO2018003852A1 (ja) 光偏向デバイスおよびライダー装置
EP3161511B1 (en) Scanning lidar and method of producing the same
US20220128666A1 (en) Optical components for scanning lidar
CN109477896B (zh) 用于感测扫描场的光学系统
CN108375762B (zh) 激光雷达及其工作方法
US20230341524A1 (en) Multiple beam, single mems lidar
CN209055652U (zh) 一种激光雷达扫描系统和激光雷达
US20220121080A1 (en) Optical beam scanning based on waveguide switching and position-to-angle conversion of a lens and applications
EP4113162A1 (en) Laser detection system and vehicle
JP2018180116A (ja) 光偏向デバイス、及びライダー装置
KR20240015657A (ko) 마이크로렌즈 어레이 및 일체형 포토닉 스위치 어레이를 갖는 라이다
Yao et al. Scan-less 3D optical sensing/Lidar scheme enabled by wavelength division demultiplexing and position-to-angle conversion of a lens
US20210257406A1 (en) Reimaging in a lidar system
US20230213703A1 (en) Optical coupling and mode-selective separation or superposition of optical fields
KR102654876B1 (ko) Doe 설계를 통한 텔레센트릭 에프세타 송수신 광학계 시스템
US20230333319A1 (en) Optical Signal Routing Devices and Systems
WO2021235185A1 (ja) 光走査装置、対象物認識装置および光走査方法
CN117859070A (zh) 使用衍射波导的同轴激光雷达系统
US11515941B2 (en) Free space optical communication terminal with dispersive optical component
US20240160028A1 (en) Flat optics for light coupling
CN113960570B (zh) 基于波长调谐的全固态激光雷达扫描装置和方法
JPWO2020115856A1 (ja) レーザレーダ装置

Legal Events

Date Code Title Description
GRNT Written decision to grant