KR20010028346A - 분진배출 감시용 라이다 주사장치 - Google Patents

분진배출 감시용 라이다 주사장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 레이저를 이용한 원격대기분석 주사장치에 관한 것이며; 그 목적은 레이저의 편광을 유지하고 산란광은 제거하며 하나의 광학계를 송-수신 겸용으로 사용할 수 있고 대기중의 분진을 3차원으로 측정할 수 있는 휴대용 분진 배출 감시용 주사장치를 제공함에 있다.
상기 목적달성을 위한 본 발명은 레이저광을 발생시키는 레이저 발생부(C)와, 상기 레이저 발생부(C)의 레이저광을 받아 축회전하는 다수 개의 주사거울 (19,18)을 사용하여 3차원으로 조사(SENDING)하는 레이저 회전부(D)와, 상기 레이저 회전부(D)의 레이저광을 받아 대기중으로 조사(SENDING)시키는 레이저 송신광학계(A)와, 상기 레이저 송신광학계(A)에서 조사(SENDING)한 레이저광이 대기중의 분진 등에 후방산란되어 돌아오는 레이저광을 수신하는 레이저 수신광학계(B)로 구성되어, 하나의 광학계를 송-수신 겸용으로 사용할 수 있고, 적절한 광학계의 구성 및 배열로 레이저의 편광은 유지하고 산란광은 차단하며, 축회전하는 거울을 이용하여 레이저광을 3차원으로 조사할 수 있어 대구경 거울의 불필요로 크기를 줄여 휴대가 용이한 분진배출 감시용 라이다 주사장치이다.

Description

분진배출 감시용 라이다 주사장치{LIDAR SCANNING APPARATUS FOR INSPECTING DUST-EXHAUST}
본 발명은 레이저를 이용한 원격대기분석 주사장치에 관한 것이며; 더 자세하게는 하나의 광학계를 송-수신 겸용으로 사용할 수 있고 레이저의 편광을 유지할 수 있으며 대기중의 분진을 3차원으로 측정할 수 있는 휴대용 분진배출 감시용 주사장치에 관한 것이다.
대기중 공기분자나 분진의 분포는 오염물질의 대기중의 혼합정도를 추정하거나 오염물질의 장거리 이동과 같은 현상을 연구하는데 중요한 정보를 제공한다.
통상 레이저를 이용한 주사장치는 펄스 레이저와 같은 광원을 대기 중으로 조사(SENDING)하는 송신광학계와, 이 광원이 대기중의 공기분자나 분진에 의하여 반사되어 돌아오는(후방산란,BACK-SCATTERING) 빛을 대구경의 망원경으로 수신하는 수신광학계로 이루어져 있는데, 일반적으로 두 광학계는 정렬문제 때문에 분리될 수가 없어 하나의 축에 한 몸체로 이루어진다.
또한, 레이저를 3차원적으로 주사(SCANNING)하거나 조사(SENDING)시키기 위해서는 레이저의 방향을 두 축(X-AXIS, Y-AXIS)으로 회전시킬 수 있어야 한다. 이때, 수평방향으로 레이저를 조사하는 경우 눈보호(EYE SAFETY)문제 때문에 레이저를 충분히 확대시켜야하며 이를 위하여 대구경의 망원경이 두 개가 필요하게 된다. 두 개의 망원경을 하나로 일치시키면 송신광학계와 수신광학계가 하나의 축에 놓이게 되는데, 이 때문에 수신 센서는 송신레이저에 의하여 광분해기, 렌즈, 대구경 거울, 1/4 위상조절기(1/4 lambda PLATE) 등에서 발생하는 여러 가지 산란광의 영향을 받게 되어 문제가 된다. 일반적으로 이러한 현상을 방지하기 위하여 고가의 특수 광학계와 편광소멸기(DEPOLARIZER)를 사용하고 있는 실정이다.
본 발명은 이와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위하여 안출되는 것으로, 기존의 레이저 주사장치 라이다(LIDAR, LASER RADAR)에서 수신신호의 편광은 보존하고 산란광은 제거하며 하나의 광학계를 송-수신겸용으로 통합하면서 발생하는 여러 가지 문제점을 제거하여, 대기중의 오염정도와 이동형태를 측정하고 나아가 환경오염을 방지할 수 있는, 대기중의 분진을 3차원으로 측정할 수 있는 휴대용 분진배출 감시용 라이다 주사장치를 제공함을 목적으로 한다.
도 1 은 본 발명의 분진배출 감시용 라이다 주사장치의 상세한 전개도
도 2 는 본 발명 라이다 주사장치의 전체 구성도
＜도면의 주요부분에 대한 부호의 설명＞
(1) 망원경 지지대 (2) 레이저광 발생장치
(3) 1차 광속확대기
(4) 망원경의 1,2차 거울에서 산란 및 반사되는 빛의 양을 조절하는 구멍
(5) 시준렌즈(COLLIMATION LENS) (6) 1/4 λ위상조절기(1/4 λPLATE)
(7) 편광 광분해기 (8) 중앙부 차단 공간필터
(9) 간섭필터(INTERFERENCE FILTER) (10) 렌즈
(11) 산란된 영상을 통과시키는 작은 구멍(PINHOLE)
(12) 산란광을 차단하는 공간필터 (13) 렌즈
(14) 망원경의 시각을 제어하는 작은 구멍(PINHOLE)
(15) 광증폭관(PHOTO MULTIPLIER TUBE, PMT)
(16)(17) 망원경의 1차, 2차 거울 (18),(19) 1차, 2차 주사거울
(20) 레이저 전원 공급장치 (21),(22) 주사용 거울 회전축
(A) 송신광학계 (B) 수신광학계
(C) 레이저 발생부 (D) 레이저 3차원 조사부
본 발명은 레이저를 이용한 원격대기분석 주사장치에 관한 것이며; 더 자세하게는 하나의 광학계를 송-수신 겸용으로 사용할 수 있고 레이저의 편광은 유지하고 산란광은 제거하며 대기중의 분진을 3차원으로 측정할 수 있는 휴대용 분진배출 감시용 라이다 주사장치에 관한 것이다.
레이저를 3차원적으로 주사(SCANNING)하거나 조사(SENDING)시키기 위해서는 레이저의 방향을 두 축(X-AXIS, Y-AXIS)으로 회전시킬 수 있어야 하는데, 이때 수평방향으로 레이저를 조사하는 경우 눈보호(EYE SAFETY)문제 때문에 레이저를 충분히 확대시켜야하며 이를 위하여 대구경의 망원경이 두 개가 필요하게 된다. 두 개의 망원경을 하나로 일치시키면 송신광학계와 수신광학계가 하나의 축에 놓이게 되는데, 이 때문에 수신센서는 송신레이저에 의하여 광분해기, 렌즈, 대구경 거울, 1/4 위상조절기(1/4 lambda PLATE) 등에서 발생하는 여러 가지 산란광의 영향을 받게 되어 문제가 된다. 일반적으로 이러한 현상을 방지하기 위하여 고가의 특수 광학계와 편광소멸기(DEPOLARIZER)를 사용하고 있는 실정이다.
특수한 고가의 광학계를 사용하는 경우 일반적으로 산란 신호가 미미하여 광증폭관(PHOTO MULTIPLIER TUBE, PMT)에 가하는 전압을 조절함으로서 신호유도잡음(SIGNAL INDUCED NOISE)을 제거할 수 있으나, 일반적인 광학 부품은 수 MW/㎠의 레이저광에 의하여 다량의 산란 신호를 유발한다. 후자의 경우 전기적인 방법으로는 신호유도잡음을 없앨 수 없어 문제가 된다. 도 1 에서 4,5,6,7,16,17의 광학계에서 발생하는 산란 및 반사신호가 이에 해당한다.
본 고안의 실시예의 구성과 그 작용을 첨부도면에 연계시켜 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 1 은 본 발명의 분진배출 감시용 주사장치의 상세한 전개도로서, 일반적으로 다이오드 레이저에 의하여 펌핑되는 레이저광은 1mm 이하로 그 크기가 작기 때문에 대구경 망원경의 거울(16,17)의 모든 면을 채우기 위하여 망원경의 F#(초점거리/직경)와 렌즈(5)의 F#를 같게 하여야 한다. 레이저의 크기를 늘이기 위하여 광을 확대하는 장치가 별도로 필요한데, 이러한 장치가 도면에서 1차 광속확대기 (3)에 해당한다. 레이저광을 확대한 후 편광 광분해기(7)로 입사시키기 전에 레이저 단면의 중앙부를 차단하는 공간필터(8,CENTER BLOCKING FILTER)를 통과시킨다. 공간필터(8)의 크기는 레이저 중앙부가 망원경의 2차 거울(17)에서 차단되는 것을 고려하여 그 크기를 정한다. 공간필터(8)를 사용하는 것은 레이저가 렌즈(5)나 2차 거울(17)에서 반사되어 광증폭관(15,PMT)으로 입사되는 것을 방지하기 위함이다. 수직 편광된 레이저는 편광 광분해기(7)를 통과하고 다시 1/4 λ위상조절기(6)를 지나면서 원편광이 되고 다시 렌즈(5)를 통과하여 대기중으로 조사된다. 공기분자나 분진 입자에 의하여 후방산란(BACK-SCATTERING)된 신호는 다시 1/4 λ위상조절기(6)를 지나게 되는데, 산란되면서 편광이 보존된 경우는 위상조절기(6)를 통과하면서 수평 편광되어 편광 광분해기(7)에서 반사가 이루어져 간섭필터(9)와 렌즈 (10)를 통과하면서 대구경 망원경의 시각을 조절하는 작은 구멍(11)을 지나게 된다. 이때 렌즈(10)은 최대한 편광 광분해기(7)에 가까이 둠으로서 이것에 의하여 산란된 영상(IMAGE)이 작은 구멍(11)에 통과되도록 한다. 미량의 산란광은 다시 공간필터(12)에 의하여 차단되나, 신호에 해당하는 후방산란신호는 거의 차단되지 않고 통과한다. 작은 구멍(11)의 영상이 광증폭관(15) 앞에 있는 망원경의 시각 (FIELD OF VIEW)을 제어하는 구멍(14)에서 실상이 맺히도록 렌즈(13)의 위치와 초점거리를 조절함으로써 일정한 크기의 작은 구멍으로도 망원경의 시각(FIELD OF VIEW)을 임의로 조절할 수 있도록 한다. 이러한 장치는 한 개의 작은 구멍으로도 망원경의 시각을 임의로 조절할 수 있으며, 편광의 보존 상태를 알 수 있으므로 산란을 일으키는 대기 입자(공기분자, 분진)의 특성을 알 수 있으며, 상용의 광학부품(렌즈, 거울, 광분해기 등)으로도 광학계에 의한 산란광을 제거할 수 있어서 고가의 광학계가 필요하지 않다.
도 2 는 본 발명 라이다 주사장치의 전체 구성도로서, 레이저광을 대기중에 조사(SENDING)시키는데 필요한 라이다 주사장치의 구성을 두 개의 회전축과 그 지지대를 포함하여 실제 부착된 모형으로 나타낸 것이다. 레이저 전원공급장치(20)와 레이저광발생장치(2)와 1차 광속확대기(3)는 주사부와 별도로 고정되며, 두 축 모터에 의하여 레이저가 움직이며 주사되는 기존의 장치와 달리, 축회전을 하는 2개의 주사거울(19,18)을 사용하여 레이저광을 3차원으로 주사하는데, 주사에 사용되는 거울의 두 축은 1차 주사축(22)과 2차 주사축(21)으로 구성된다. 따라서 레이저는 회전하는 주사축을 갖는 1차-2차 주사거울(19,18)을 통하여 대기중에 3차원으로 조사된다. 따라서 레이저광의 단면이 크게 확대되지 않았기 때문에 1차 주사거울(19)과 2차 주사거울(18)은 소구경의 거울로도 충분하다. 이러한 방법은 레이저발생장치(2)의 위치를 고정하고도 3차원 방향으로 레이저를 주사할 수 있는 장점이 있으며 소구경의 거울로도 주사가 가능하므로 기존의 대구경 주사 시스템에 비하여 저렴하게 제작할 수 있는 이점이 있다.
하나의 광학계를 송-수신 겸용으로 사용하는 라이다(LIDAR)를 이용한 분진배출 감시용 주사장치에 있어서, 레이저 전원장치(20)와 레이저 발생장치(2)와 발생된 레이저광을 확대하는 1차 광속확대기(3)로 이루어진 레이저 발생부(C)와, 상기 레이저 발생부(C)의 레이저광을 받아 축회전하는 다수 개의 주사거울(19,18)로 이루어져 3차원으로 레이저를 조사(SENDING)하는 레이저 3차원 조사부(D)와, 상기 레이저 3차원 조사부(D)의 레이저광을 받아 편광 광분해기(7)와 1/4 lambda 위상조절기(6)와 시준렌즈(5)와 망원경의 1,2차 거울에서 산란 및 반사되는 빛의 양을 조절하는 작은 구멍(4)과 1차-2차 거울(16,17)을 적절히 배치하여 이루어진 레이저 송신광학계(A)와, 산란된 영상을 통과시키는 작은 구멍(11)과 산란광을 차단하는 공간필터(12)와 렌즈(13)와 망원경의 시각(FIELD OF VIEW)을 제어하는 작은 구멍(14)과 광증폭관(15)을 적절히 배치하여 이루어져 상기 레이저 송신광학계(A)에서 조사(SENDING)한 레이저광이 대기중에서 분진 등에 후방산란되어 돌아오는 레이저광을 수신하는 레이저 수신광학계(B)로 구성되어, 상기 서로 직각방향으로 축회전을 하는 2개의 소구경 주사거울(18,19)을 사용하여 레이저를 3차원 방향으로 조사하여 대기중 공기분자나 분진의 여러 가지 광학계수를 3차원으로 측정할 수 있고 휴대가 용이한 분진배출 감시용 라이다 주사장치이다.
또한, 상기 레이저 수신광학계(B)와 송신광학계(A)에서 1/4 λ위상조절기(6)와 편광 광분해기(7)의 조합에 의하여 대기중으로 조사된 빛이 공기분자나 분진에 의하여 후방산란될 때 편광이 보존된 빛만 편광 광분해기(7)를 통하여 반사가 일어나 광증폭관(15)으로 입사되도록 하여 편광이 보존된다.
그리고, 상기 레이저 수신광학계(B)에서 작은 구멍(11)의 영상이 광증폭관(15) 앞에 있는 망원경의 시각을 제어하는 작은 구멍(14)에서 실상이 맺히도록 렌즈(13)의 위치와 초점거리를 조절함으로서 일정한 크기의 작은 구멍으로도 망원경의 시각(FIELD OF VIEW)을 연속적으로 변화(수십 mu rad - 수백 mu rad)시킬 수 있다.
또한, 상기 레이저 송신광학계(A)에서 송신 레이저에 의하여 편광 광분해기(7), 렌즈(5), 1차-2차 거울(16,17), 1/4 lambda 위상조절기(6) 등에서 발생하는 여러 가지 산란광의 영향을 막기 위해, 1/4 lambda 위상조절기(6)와 편광 광분해기(7)와 간섭필터(9)와 렌즈(10)와 작은 구멍(11)과 공간필터(12) 등 저가의 상용부품을 적절히 배열하여 광학계에 의한 산란광을 제거하는 특징이 있다.
상기와 같은 구성 및 작용에 의해 기대할 수 있는 본 발명의 효과는 다음과 같다.
하나의 광학계를 송-수신 겸용으로 사용할 수 있고, 적절한 광학계의 구성 및 배열로 레이저의 편광은 유지하고 산란광은 차단하며, 축회전하는 거울을 이용하여 레이저광을 3차원으로 조사할 수 있어 대구경 거울의 불필요로 크기를 줄여 휴대가 용이하여 분진배출 감시용으로 사용하기에 매우 유용한 발명인 것이다.

Claims (4)

  1. 하나의 광학계를 송-수신 겸용으로 사용하는 라이다(LIDAR)를 이용한 분진배출 감시용 주사장치에 있어서,
    레이저 전원장치(20)와 레이저 발생장치(2)와 발생된 레이저광을 확대하는 1차 광속확대기(3)로 이루어진 레이저 발생부(C)와,
    상기 레이저 발생부(C)의 레이저광을 받아 축회전하는 다수 개의 주사거울(19,18)로 이루어져 3차원으로 레이저를 조사(SENDING)하는 레이저 3차원 조사부(D)와,
    상기 레이저 3차원 조사부(D)의 레이저광을 받아 편광 광분해기(7)와 1/4 lambda 위상조절기(6)와 시준렌즈(5)와 망원경의 1,2차 거울에서 산란 및 반사되는 빛의 양을 조절하는 작은 구멍(4)과 1차-2차 거울(16,17)을 적절히 배치하여 이루어진 레이저 송신광학계(A)와,
    산란된 영상을 통과시키는 작은 구멍(11)과 산란광을 차단하는 공간필터(12)와 렌즈(13)와 망원경의 시각(FIELD OF VIEW)을 제어하는 작은 구멍(14)과 광증폭관(15)을 적절히 배치하여 이루어져 상기 레이저 송신광학계(A)에서 조사(SENDING)한 레이저광이 대기중에서 분진 등에 후방산란되어 돌아오는 레이저광을 수신하는 레이저 수신광학계(B)로 구성되어,
    상기 서로 직각방향으로 축회전을 하는 2개의 소구경 주사거울(18,19)을 사용하여 레이저를 3차원 방향으로 조사하여 대기중 공기분자나 분진의 여러 가지 광학계수를 3차원으로 측정할 수 있고 휴대가 용이한 것을 특징으로 하는 분진배출 감시용 라이다 주사장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 레이저 수신광학계(B)와 송신광학계(A)에서 1/4 λ위상조절기(6)와 편광 광분해기(7)의 조합에 의하여 대기중으로 조사된 빛이 공기분자나 분진에 의하여 후방산란될 때 편광이 보존된 빛만 편광 광분해기(7)를 통하여 반사가 일어나 광증폭관(15)으로 입사되도록 하여 편광이 보존되는 것을 특징으로 하는 분진배출 감시용 라이다 주사장치
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 레이저 수신광학계(B)에서 작은 구멍(11)의 영상이 광증폭관(15) 앞에 있는 망원경의 시각을 제어하는 작은 구멍(14)에서 실상이 맺히도록 렌즈(13)의 위치와 초점거리를 조절함으로서 일정한 크기의 작은 구멍으로도 망원경의 시각(FIELD OF VIEW)을 연속적으로 변화(수십 mu rad - 수백 mu rad)시키는 것을 특징으로 하는 분진배출 감시용 라이다 주사장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 레이저 송신광학계(A)에서 송신 레이저에 의하여 편광 광분해기(7), 렌즈(5), 1차-2차 거울(16,17), 1/4 lambda 위상조절기(6) 등에서 발생하는 여러 가지 산란광의 영향을 막기 위해, 1/4 lambda 위상조절기(6)와 편광 광분해기(7)와 간섭필터(9)와 렌즈(10)와 작은 구멍(11)과 공간필터(12) 등 저가의 상용부품을 적절히 배열하여 광학계에 의한 산란광을 제거하는 것을 특징으로 하는 분진배출 감시용 주사장치.
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