KR20140079985A - 내접형 송수광모듈을 구비한 영상 레이저 레이더 광학계 - Google Patents

내접형 송수광모듈을 구비한 영상 레이저 레이더 광학계 Download PDF

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Abstract

본 발명의 내접형 송수광모듈을 구비한 영상 레이저 레이더 광학계에는 고유한 광원의 수치구경(Numerical Aperture)을 갖는 출사레이저(A)가 들어오고, 상기 출사레이저(A)를 일정한 광 발산각을 갖는 송광 레이저(a)로 변환하여 일정 거리의 피사체(T)에 출사하며, 상기 송광 레이저(a)의 일정한 광 발산각은 상기 수치구경(Numerical Aperture)에 맞춰 변화되는 줌 렌즈형 송광 모듈(10)이 포함됨으로써, 각각 다른 수치구경(Numerical Aperture)의 다양한 레이저의 종류가 사용되더라도 레이저의 광선 크기가 사용자의 의도에 맞게 항상 획득될 수 있고, 특히 줌 렌즈형 송광 모듈(10)의 송광 대물렌즈(15)에서 발산되는 레이저 광축과 수광 모듈(20)의 수광 대물렌즈(31)로 수광되는 레이저광축이 일치함으로써 서로 간에 가려지는 면적이 최소화 되고, 함께 구성되는 스캐너(200)의 크기도 최소화되는 특징을 갖는다.

Description

내접형 송수광모듈을 구비한 영상 레이저 레이더 광학계{Imaging Laser Radar Optics System with Inscribed Transmitting Module and Receiving Module}
본 발명은 3차원 영상 레이저 레이더 광학계에 관한 것으로, 특히 다양한 종류의 레이저가 갖는 각각 다른 수치구경(Numerical Aperture)에 따라 항상 일정한 광선 크기로 조절되어 용이하게 이용됨으로써 물체 인식용이나 속도계나 자율 주행체 네비게이션이나 지형 맵핑용으로 사용되는 3차원 영상획득의 편리함이 크게 개선된 내접형 송수광모듈을 구비한 영상 레이저 레이더 광학계에 관한 것이다.
일반적으로 물체 인식용이나 속도계나 자율 주행체 네비게이션이나 지형 맵핑용으로 사용되는 3차원 영상 레이저 레이더 광학계에서는 영상을 얻기 위하여 스캐너가 사용되고, 스캐너와 함께 일축형 광학계가 사용됨으로써 영상획득에 대한 편리성을 구현한다.
특히, 일축형 광학계는 송광 레이저 광선을 위한 송광부 렌즈모듈과 수광 레이저 광선을 위한 수광부 렌즈모듈이 일축형으로 구성된 경우로서, 스캐너의 광축정렬과 무관하면서도 소형으로 송수광 광학계가 구성되는 장점이 있다.
더 나아가, 송광부 렌즈모듈이 줌 렌즈형 송광 모듈로 적용될 경우, 레이저 광원의 다른 수치구경 값에 대한 보상을 통하여 피사체에서의 원하는 일정한 광선크기가 제공되는 장점이 있다.
상기와 같은 일축형 광학계와 함께 구성되는 스캐너로서, 리슬리 프리즘(Risley Prism) 스캐너가 있다.
상기 리슬리 프리즘(Risley Prism)은 웨지(Wedge)형태를 이루는 2장의 프리즘(Prism)이 맞대어짐으로써 원하는 방향으로 광선이 꺾어질 수 있고, 2장의 프리즘(Prism)이 각각 회전됨으로써 사용자가 원하는 영역에 대해 송광 레이저 광선을 움직여 줄 수 있다.
이와 같이 리슬리 프리즘(Risley Prism) 스캐너와 일축형 광학계가 함께 3차원 영상 레이저 레이더 광학계를 구성함으로써, 3차원 영상 레이저 레이더 광학계를 통해 물체 인식이나 속도검출이나 자율 주행체 네비게이션이나 지형 맵핑용 3차원 영상이 용이하게 얻어질 수 있다.
또한, 수광 렌즈모듈의 평행 빔 부분에 대역통과필터(Band pass filter)가 적용되고, 이를 이용해 수차발생 없이 송광부에서 출사되는 파이버 레이저의 파장대역만 통과시켜 정확한 영상 정보를 획득하여야 한다.
국내등록특허 10-1056484(2011년08월05일)
하지만, 일체형 광학계에서 송광 레이저 광원으로 파이버 레이저가 사용되고, 이러한 경우 피사체에서는 파이버 레이저의 수치구경(Numerical Aperture)의 변화에도 사용자의 의도에 맞게 원하는 광선 크기가 획득될 수 있어야 함이 매우 중요하다.
일례로, 송광 레이저 광원인 파이버 레이저의 수치구경(Numerical Aperture)의 변화에도 피사체에서 사용자의 의도에 맞는 원하는 광선 크기를 획득할 수 있도록 줌 렌즈 모듈로 송광부가 구성될 경우, 일체형 광학계는 항상 사용자의 의도에 맞는 광선크기를 구현해 낼 수 있고, 특히 송광부와 수광부의 광축이 일치함으로써 정확한 3차원 레이저 레이더 영상이 획득될 수 있다.
또한, 송광부 광선다발이 수광부 내부로 들어옴으로써 스캐너 크기는 수광부 대물렌즈 크기만 고려된 최소화 설계가 가능하고, 이는 일축형 광학계와 같은 효과를 나타낼 수 있으며, 이로부터 3차원 영상 레이저 레이더 크기도 최소화 될 수 있다.
이에 상기와 같은 점을 감안하여 발명된 본 발명은 레이저의 수치구경(Numerical Aperture)에 따라 송광부의 줌이 미리 조절되어 항상 사용자의 의도에 맞는 레이저의 광선 크기로 피사체에 송광함으로써 고유한 광원의 수치구경(Numerical Aperture)을 갖는 다양한 종류의 레이저가 모두 적용될 수 있고, 특히 피사체에 송광되는 레이저 광축과 피사체에서 반사되어 수광되는 레이저광축이 서로 정렬됨으로써 해당 검출기로 항상 집속될 수 있고, 반사 레이저의 수광부 대물렌즈의 크기만 고려된 스캐너가 설계됨으로써 함께 구성되는 스캐너 크기도 최소화될 수 있는 내접형 송수광모듈을 구비한 영상 레이저 레이더 광학계를 제공하는데 목적이 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 내접형 송수광모듈을 구비한 영상 레이저 레이더 광학계는 고유한 광원의 수치구경(Numerical Aperture)을 갖는 레이저가 들어오더라도, 상기 레이저를 일정한 광 발산각을 갖는 송광 레이저로 변환하여 일정 거리의 피사체에 출사하며, 상기 송광 레이저의 일정한 광 발산각은 상기 수치구경(Numerical Aperture)에 맞춰 변화되는 줌 렌즈형 송광 모듈과;
상기 피사체에 반사된 입사레이저가 수광되고, 상기 입사레이저가 집광되는 수광 모듈; 이 포함된 것을 특징으로 한다
상기 줌 렌즈형 송광 모듈에서 발산되는 상기 송광레이저의 광축과, 상기 수광 모듈로 수광되는 상기 입사레이저의 광축이 일치하여 정렬되고, 상기 송광레이저의 광선다발이 상기 입사레이저를 수광하는 상기 수광 모듈의 구경 안에 내접한다.
상기 줌 렌즈형 송광 모듈은 상기 레이저의 광선을 평행하게 굴절시켜주는 시준렌즈부와, 피사체에서 원하는 빔직경이 되도록 상기 시준된 평행광의 광 발산각을 조절하는 줌형 광속확대기와, 상기 송광레이저를 반사시켜 상기 피사체로 출사시키는 송광 미러부로 구성된다.
상기 시준렌즈부는 광섬유 레이저가 연결된 엔드 캡과 상기 레이저의 광선을 평행하게 굴절시켜주는 콜리메이팅 렌즈, 상기 시준 렌즈와 엔드 캡 사이에 위치하는 콜리메이팅 웨지가 구비된다.
상기 줌형 광속확대기는 상기 레이저의 광선을 확대하는 고정 송광렌즈 및 송광대물렌즈와, 상기 고정 송광렌즈로 다가가거나 멀어져 상대적인 거리 간격이 변화되는 이동거리를 갖는 이동 송광렌즈로 구성되고, 상기 이동거리는 상기 수치구경(Numerical Aperture)에 맞춰 변화된다.
상기 송광 미러부는 상기 수광 모듈에서 상기 입사레이저가 수광되는 부위에서 앞쪽의 상부로 위치되어진다.
상기 송광 미러부는 상기 송광 레이저의 광선 방향을 하측으로 반사해주는 제1 송광 폴딩미러와, 상기 제1 송광 폴딩미러의 하측에 위치되어 반사된 상기 송광 레이저의 광선 방향을 다시 반사하여 주는 제2 송광 폴딩미러로 구성된다.
상기 수광 모듈은 상기 입사 레이저 광선을 수광하는 수광 대물렌즈와, 상기 입사레이저를 반사시켜주는 수광미러부와, 상기 입사레이저의 흐름을 평행하게 굴절시키는 수광렌즈와, 상기 입사레이저에서 광선의 특정한 파장대역 만 통과시켜 집광레이저로 변화시켜주는 에탈론과, 상기 집광레이저의 에너지를 부분적으로 차단하여 주는 필터와, 상기 집광레이저의 광선을 집광하여 주는 수광 집광렌즈로 구성된다.
상기 수광미러부는 상기 입사레이저의 광선 방향을 반사해주는 제1 수광 폴딩미러와, 상기 제1 수광 폴딩미러의 하부측에 위치되어 상기 제1 수광 폴딩미러에서 반사된 상기 입사레이저의 방향을 상기 수광렌즈의 광축방향으로 다시 반사시켜주는 제2 수광 폴딩미러로 구성된다.
상기 필터는 상기 집광레이저의 특정 파장대역이 통과되는 대역통과필터와, 상기 대역통과필터를 통과한 상기 집광레이저의 에너지를 부분 차단하는 ND(Neutral Density)필터로 구성된다.
상기 줌 렌즈형 송광 모듈에는 상기 레이저를 발생시키는 레이저발생기가 상기 엔드 캡에 연결되어 더 구비되고, 상기 레이저 광선은 상기 시준렌즈부로 보내져 평행하게 굴절되며, 상기 시준렌즈부에서 생성된 평행빔은 상기 시준렌즈부 다음에 위치하는 상기 줌형 광속확대기에서 피사체의 원하는 빔 직경이 되도록 광 발산각을 조절하여 송광미러부에 보내진다.
상기 줌 렌즈형 송광 모듈에는 상기 송광 레이저를 상기 피사체로 출사해주는 스캐너가 더 구비되고, 상기 스캐너는 상기 피사체를 향해 움직일 수 있고, 상기 스캐너로 들어온 상기 입사레이저는 상기 수광 모듈로 수광된다.
상기 수광 모듈에는 집광된 상기 입사 레이저가 보내지는 검출기가 더 구비된다.
이러한 본 발명은 레이저의 수치구경(Numerical Aperture)이 미리 조절되어 항상 사용자의 의도에 맞는 레이저의 광선 크기로 피사체에 송광됨으로써 고유한 광원의 수치구경(Numerical Aperture)을 갖는 다양한 종류의 레이저가 모두 적용될 수 있고, 다양한 종류의 레이저 적용시에도 별도의 추가적인 장치의 도움이 필요 없는 효과가 있다.
또한, 본 발명은 레이저의 수치구경(Numerical Aperture)의 조절로 레이저 종류에 의한 이용 제한 및 적용제한이 해소됨으로써, 물체 인식용이나 속도계나 자율 주행체 네비게이션이나 지형 맵핑용으로 사용되는 3차원 영상이 보다 편리하게 얻어질 수 있고 특히 그 정확도도 크게 개선되는 효과가 있다.
또한, 본 발명은 다양한 종류의 레이저의 수치구경(Numerical Aperture)조절과 함께 피사체에 송광되는 레이저 광축과 피사체에서 반사되어 수광되는 레이저 광축이 서로 일치되도록 구성됨으로써, 반사 레이저의 수광부 대물렌즈의 크기만 고려된 스캐너 설계가 가능하여 최소 크기의 스캐너를 사용할 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명은 다양한 종류의 레이저의 수치구경(Numerical Aperture)조절이 이루어지고 더불어 피사체에 송광되는 레이저 광축과 피사체에서 반사되어 수광되는 레이저 광축이 서로 일치되도록 구성되고, 이를 송광 모듈과 수광모듈로 모듈화된 광학계로 별도 구성해줌으로써 다양한 종류의 3차원 영상 레이저 레이더에 용이하게 적용될 수 있는 범용성도 갖는 효과가 있다.
도 1은 본 발명에 따른 3차원 영상 레이저 레이더 광학계를 구성하는 줌렌즈 타입 송광모듈이 수광모듈과 내접형으로 배열된 레이아웃이고, 도 2는 본 발명에 따른 줌 렌즈타입 송광모듈의 작동상태이며, 도 3은 본 발명의 줌 렌즈타입 송광 모듈에서 레이저 종류에 맞춰 수치구경(Numerical Aperture)이 변화되는 예이며, 도 4는 도 3에 따른 수치구경(Numerical Aperture)의 변화 시 1km 거리에 있는 피사체에 대한 풋 프린트(Footprint)이고, 도 5는 본 발명에 따른 줌 렌즈타입 송광모듈과 송수관 내접형 광학계를 구성하는 수광 모듈의 작동상태이며, 도 6은 본 발명의 수광 모듈을 통한 입사레이저의 스폿 다이아그램(Spot Diagram)이고, 도 7은 본 발명의 수광 모듈을 통한 입사레이저의 인서클드 에너지(Encircled Energy)이다.
이하 본 발명의 실시예를 첨부된 예시도면을 참조로 상세히 설명하며, 이러한 실시예는 일례로서 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으므로, 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.
도 1은 본 실시예에 따른 3차원 영상 레이저 레이더 광학계를 구성하는 줌렌즈 타입 송광모듈이 수광모듈과 내접형으로 배열된 레이아웃을 나타낸다.
도시된 바와 같이, 3차원 영상 레이저 레이더 광학계는 타겟거리(L)에 있는 피사체(T)로 송광되는 출사 레이저(A)의 광 발산각을 변화시켜주는 줌 렌즈형 송광 모듈(10)과, 피사체(T)에서 반사되어 되돌아오는 입사 레이저(B)를 수광하도록 줌 렌즈형 송광 모듈(10)에 내접되어 배열되어진 수광 모듈(20)을 포함해 구성된다.
통상, 상기 타겟거리(L)는 피사체(T)와 갖는 거리로서 약 1Km정도이다.
상기 줌 렌즈형 송광 모듈(10)에서는 피사체(T)를 향해 파이버 레이저에서 출사되는 레이저를 평행광선으로 출사시킴과 더불어 평행하게 시준시켜주는 작용이 이루어진다.
이를 위해, 상기 줌 렌즈형 송광 모듈(10)은 피사체(T)로 송출되는 출사 레이저(A)를 평행하게 굴절시켜주는 시준렌즈부(11)와, 피사체(T)에서 원하는 빔직경이 되도록 상기 시준렌즈부(11)에서 시준된 평행광의 광 발산각을 조절하는 줌형 광속확대기(12)와, 송광레이저(a)를 반사시켜 피사체(T)로 출사시키는 송광 미러부(16)로 구성된다.
상기 줌형 광속확대기(12)는 시준렌즈부(11)의 광축 방향을 따라 후측으로 위치되어 출사 레이저(A)의 광선을 확대하는 한쌍의 고정 송광렌즈(13) 및 이동 송광렌즈(14)와, 상기 출사 레이저(A)의 광선을 평행광선으로 만들어주는 송광 대물렌즈(15)로 구성된다.
상기 고정 송광렌즈(13)는 고정된 위치를 갖고, 상기 이동 송광렌즈(14)는 상기 고정 송광렌즈(13)로 다가가거나 멀어져 상대적인 거리 간격이 변화되는 이동거리를 형성하며, 상기 이동거리는 레이저의 수치구경(Numerical Aperture)에 맞춰 변화된다.
특히, 상기 줌형 광속확대기(12)에서는 출사 레이저(A)의 종류에 관계없이 사용자 의도에 맞춘 표적에서의 광선크기를 구현할 수 있는 송광레이저(a)로 전환시켜주고, 이를 위해 레이저의 수치구경(Numerical Aperture)의 변화에 따라 광 발산각이 일정하도록 하는 특징을 갖는다.
상기 수광 모듈(20)에서는 피사체(T)로부터 반사되어 되돌아온 입사 레이저(B)의 광선의 방향을 바꾸도록 굴절시켜주고, 입사 레이저(B)의 광원에 해당하는 특정한 파장대역의 광선만 통과시킨 후 광선 에너지의 부분적인 차단과 함께 집광이 이루어진다.
이를 위해, 상기 수광 모듈(20)은 피사체(T)로부터 반사되어 되돌아오는 입사레이저(B)를 수광하는 수광 대물렌즈(31)와, 입사레이저(B)를 반사시켜주는 수광미러부(40)와, 입사레이저(B)의 흐름을 평행하게 굴절시키는 수광렌즈(32)와, 입사레이저(B)에 해당하는 광선의 특정한 파장대역 만 통과시켜 집광레이저(b)로 변화시켜주는 에탈론(50)과, 집광레이저(b)의 에너지를 부분적으로 차단하여 주는 필터(60)와, 집광레이저(b)의 광선을 집광하여 주는 수광 집광렌즈(33)로 구성된다.
특히, 본 실시예에서 줌 렌즈형 송광 모듈(10)의 송광 대물렌즈(15)에서 발산되는 송광레이저(a)의 광축과, 수광 모듈(20)의 수광 대물렌즈(31)로 수광되는 입사레이저(B)의 광축이 일치하고, 송광 대물렌즈(15)에서 발산되는 송광레이저(a)의 광선다발이 수광 대물렌즈(31)의 구경 안에 내접하는 내접형 일축타입 레이아웃(Layout)을 가짐으로써 줌 렌즈형 송광 모듈(10)의 부위가 수광 모듈(20)의 부위를 가리는 면적이 최소화 될 수 있다.
이러한 레이아웃으로부터 일반적으로 두개의 축이 공간적으로 일치하는 일축광학계 특성이 그대로 구현될 수 있다.
또한, 본 실시예에서 줌 렌즈형 송광 모듈(10)을 구성하는 송광 미러부(16)가 수광 모듈(20)을 구성하는 수광 대물렌즈(31)의 앞단 상부로 위치되어진 레이아웃(Layout)으로 배열됨으로써 광학계 전체가 아닌 수광 대물렌즈(31)의 크기만 고려된 스캐너의 설계가 가능하고, 이로 인해 함께 구성되는 스캐너(200)의 크기도 최소화 될 수 있다.
특히, 송광 미러부(16)와 수광 대물렌즈(31)의 레이아웃은 내부 광학부품의 반사 신호 최소화는 물론, 스캐너(200)를 통해 전방의 피사체(T)로 조사된 송광레이저(a)가 되돌아오는 반사된 입사레이저(B)가 수광 모듈(30)로 들어 올 때 스캐너(200)의 광축정렬과 무관하게 항상 일치될 수 있다. 또한, 수광 모듈(20)에서는 피사체(T)로부터 반사된 입사레이저(B)가 항상 집속될 수 있다.
한편, 상기 3차원 영상 레이저 레이더 광학계는 레이저발생기(100)와 함께 구성될 수 있으며, 상기 레이저발생시(100)는 상기 줌 렌즈형 송광 모듈(10)로 제공되는 레이저를 생성한다.
특히, 상기 줌 렌즈형 송광 모듈(10)로 제공되는 레이저는 일례로 파이버 레이저로 설명될 수 있지만, 본 실시예에서는 이러한 파이버 레이저로 한정되지 않고 모든 다양한 종류의 레이저가 사용될 수 있다.
이러한 레이저 종류에 대한 확장성은 상기 줌 렌즈형 송광 모듈(10)이 줌형 광속확대기(12)를 구비하여 레이저의 수치구경(Numerical Aperture)에 변화를 줄 수 있음에 기인되고, 이는 이후 상세히 설명된다.
또한, 상기 3차원 영상 레이저 레이더 광학계는 스캐너(200)와 함께 구성될 수 있으며, 상기 스캐너(200)는 피사체(T)를 향하도록 줌 렌즈형 송광 모듈(10)의 앞쪽으로 설치되고, 피사체(T)를 스캔(Scan)하는 스캐너 방향에 따라 움직일 수 있도록 구성된다.
특히, 스캐너(200)는 송광 모듈과 수광 모듈로 구성된 광학계의 크기에 영향을 받을 수밖에 없지만, 본 실시예에서 줌 렌즈형 송광 모듈(10)과 수광 모듈(20)이 내접되어 배열됨으로써 스캐너(200)의 크기가 온전히 수광 모듈(20)의 대물렌즈의 크기에 맞춰 콤팩트 하게 설계될 수 있으며, 이는 이후 상세 설명된다.
또한, 상기 3차원 영상 레이저 레이더 광학계는 검출기(300)와 함께 구성될 수 있으며, 상기 검출기(300)는 상기 수광 모듈(20)로 들어온 입사 레이저(B)가 집속되는 상기 수광 모듈(20)의 뒤쪽으로 설치된다.
통상, 상기 검출기(300)에서는 송광부의 레이저 발사시각과 피사체에서 반사되어 검출기(300)로 되돌아오는 시간으로부터 거리정보를 획득하고, 이로부터 3차원 영상이 획득될 수 있다.
한편, 도 2는 본 실시예에 따른 줌 렌즈형 송광 모듈(10)의 세부적인 구성과 그 작동을 나타낸다.
도시된 바와 같이, 상기 줌 렌즈형 송광 모듈(10)을 구성하는 시준렌즈부(11)에는 레이저발생기(200)에서 생성된 출사레이저(A)가 엔드 캡(11a)을 통하여 직접 유입되고, 상기 시준렌즈부(11)는 상기 레이저발생기(200)가 연결되는 엔드 캡(11a)과 함께 웨지 콜리메이터(11b)를 갖추고, 상기 웨지 콜리메이터(11b)의 광축방향에 뒤쪽으로 위치되어져 출사레이저(A)의 광선을 평행하게 시준시키는 콜리메이팅 렌즈(11c)로 구성된다.
또한, 상기 시준렌즈부(11)로부터 광축 방향으로 후측에 위치된 줌형 광속확대기(12)에서는 필요 시 출사레이저(A)의 수치구경(Numerical Aperture)에 변화를 줌으로써 출사레이저(A)의 광선 크기가 조절된 다양한 송광 레이저(a,a-1,a-2)로 전환될 수 있으며, 이를 위해 상기 줌형 광속확대기(12)는 출사레이저(A)의 광선을 확대하여 주는 고정 송광렌즈(13)와, 고정 송광렌즈(13)의 후측에서 광축방향으로 고정 송광렌즈(13)에 대해 이동 가능한 이동거리(Ka)를 갖는 이동 송광렌즈(14)가 포함되어 있다.
상기 줌형 광속확대기(12)에서 나온 다양한 송광 레이저(a,a-1,a-2)는 광 발산각에 변화를 준 레이저 종류에 따른 것을 의미한다. 그러므로 송광 레이저(a)와 송광 레이저(a-1) 및 송광 레이저(a-2)는 각각 출사레이저(A)의 종류가 다른 레이저로부터 변환된 레이저임을 나타낸다.
그리고, 상기 줌형 광속확대기(12)를 이루는 송광 대물렌즈(15)는 이동 송광렌즈(14)에서 나온 송광 레이저(a, 일례로 파이버 레이저로 칭함)를 광속확대하여 송광 미러부(16)로 보내준다.
본 실시예에서 상기 콜리메이팅 렌즈(11c)와 상기 고정 송광렌즈(13), 상기 이동 송광렌즈(14) 및 상기 송광 대물렌즈(15)는 특정한 곡률을 갖지만, 이러한 특정한 수치 값으로 한정되지는 않는다.
일례로, 상기 콜리메이팅 렌즈(11c)는 전면 22.82mm의 곡률과 후면 -14.74mm의 곡률을 가질 수 있고, 상기 고정 송광렌즈(13)는 전면 -90.00mm의 곡률과 후면 90.00mm의 곡률을 가질 수 있으며, 상기 이동 송광렌즈(14)는 전면 -90.00mm의 곡률과 후면 90.00mm의 곡률을 가질 수 있고, 상기 송광 대물렌즈(15)는 전면 322.91mm의 곡률과 후면 -66.12mm의 곡률을 가질 수 있다.
그리고, 송광 대물렌즈(15)에서 나온 송광 레이저(a)를 피사체(T)에 맞춰지도록 반사해주는 송광 미러부(16)는 제1 송광 폴딩미러(17)와 제2 송광 폴딩미러(18)로 구성된다.
상기 제1 송광 폴딩미러(17)는 송광 대물렌즈(15)의 광축 방향에 후측으로 위치되어 송광 레이저(a)의 광선 방향을 하측으로 반사해주고, 상기 제2 송광 폴딩미러(18)는 제1 송광 폴딩미러(17)의 하측에 위치되어 반사된 송광 레이저(a)의 광선 방향을 피사체(T)에 맞춰지도록 다시 반사하여 준다.
상기와 같이 줌 렌즈형 송광 모듈(10)에는 고정 송광렌즈(13)에 대해 이동 가능한 이동거리(Ka)를 갖는 이동 송광렌즈(14)로 이루어진 줌형 광속확대기(12)가 구비됨으로써, 예로 든 파이버 레이저 생성용 레이저 발생기(100)가 아닌 다른 종류의 레이저 발생기와 함께 구성되더라도 항상 사용자의 의도에 맞는 광선크기가 구현될 수 있다.
한편, 도 3은 줌 렌즈형 송광 모듈(10)을 이루는 줌형 광속확대기(12)에서 레이저의 종류에 따라 이루어지는 수치구경(Numerical Aperture)에 대한 일례를 나타낸다.
도시된 바와 같이, 피사체(T)와 거리가 약 1Km이고 피사체(T)로 송광되는 레이저 광선의 다발 직경이 약 4.8m일 때, 사용자의 의도에 맞는 광선크기는 레이저의 종류에 따라 수치구경(Numerical Aperture)이 약 0.13~0.22의 범위를 갖고, 줌형 광속확대기(12)를 구성하는 이동 송광렌즈(14)가 고정 송광렌즈(13)에 대해 갖는 이동거리(Ka)는 수치구경(Numerical Aperture)에 맞춰 약 5.02mm~14.22mm의 범위를 갖게 된다.
일례로, 다양한 종류의 레이저 중 약 0.13의 수치구경(Numerical Aperture)을 갖는 1개의 레이저 광선이 선택되면, 이에 맞춰 줌형 광속확대기(12)를 구성하는 이동 송광렌즈(14)가 고정 송광렌즈(13)로부터 약 5.02mm의 이동거리(Ka)를 움직이게 되고, 이로 인해 선택된 레이저 광선은 항상 사용자의 의도에 맞는 피사체(T)에서의 광선크기로 조절될 수 있다.
또 다른 예로, 다양한 종류의 레이저 중 선택된 또 다른 1개의 레이저 광선이 약 0.22의 수치구경(Numerical Aperture)이면, 줌형 광속확대기(12)를 구성하는 이동 송광렌즈(14)는 고정 송광렌즈(13)로부터 약 14.22mm의 이동거리(Ka)를 움직이게 되고, 이로부터 선택된 또 다른 레이저 광선은 항상 사용자의 의도에 맞는 피사체(T)에서의 광선크기로 조절될 수 있다.
한편, 도 4는 다양한 레이저가 약 0.13~0.22의 수치구경(Numerical Aperture)이고, 줌형 광속확대기(12)를 구성하는 이동 송광렌즈(14)의 이동거리(Ka)가 약 0.13~0.22의 수치구경(Numerical Aperture)의 변화에 각각 대응되어 약 5.02mm~14.22mm로 이동되고, 이러한 결과로 각각 광 발산각이 조정된 레이저의 광선다발이 약 4.8m 직경내에 모두 집중되었음을 알 수 있는 풋 프린트(Footprint)의 예를 나타낸다.
그러므로, 본 실시예에 따른 줌 렌즈형 송광 모듈(10)은 이동거리(Ka)가 조절되는 줌형 광속확대기(12)를 적용함으로써 수치구경(Numerical Aperture)이 각각 다른 다양한 레이저의 종류에 관계없이 모두 사용될 수 있는 확장성 및 범용성을 가질 수 있고, 특히 수치구경(Numerical Aperture)이 각각 다른 다양한 레이저를 별도의 추가적인 장비 없이 편리하게 적용할 수 있게 된다.
한편, 도 5는 본 실시예에 따른 송수관 내접형 광학계를 구성하는 수광 모듈(20)의 세부적인 구성과 그 작동을 나타낸다.
도시된 바와 같이, 상기 수광 모듈(30)을 구성하는 수광 대물렌즈(31)가 줌 렌즈형 송광 모듈(10)에서 출사된 송광레이저(a)가 피사체(T)로부터 반사된 입사레이저(B)를 수광하면, 상기 입사레이저(B)는 수광미러부(40)에서 반사되어져 수광렌즈(32)로 보내진다.
이를 위해, 상기 수광미러부(40)는 수광부 대물렌즈(31)를 나온 입사레이저(B)의 광선 방향을 반사해주는 제1 수광 폴딩미러(41)와, 제1 수광 폴딩미러(41)의 하부측에 위치되어 제1 수광 폴딩미러(41)에서 반사된 입사레이저(B)의 방향을 수광렌즈(32)의 광축방향으로 다시 반사시켜주는 제2 수광 폴딩미러(42)로 구성된다.
특히, 본 실시예에서 상기 수광 대물렌즈(31)와 상기 수광렌즈(32)는 특정한 곡률을 갖지만, 이러한 특정한 수치 값으로 한정되지는 않는다.
일례로, 상기 수광 대물렌즈(31)는 전면 163.91mm의 곡률과 후면 -689.34mm의 곡률로 이루어지고, 상기 수광렌즈(32)는 전면 -21.15mm의 곡률과 후면 -40.75mm의 곡률로 이루어질 수 있다.
그리고, 상기 수광렌즈(32)로 들어온 입사레이저(B)는 광선의 흐름이 평행하게 굴절되고, 이어 상기 수광렌즈(32)를 통과한 입사레이저(B)는 에탈론(50)과 필터(60)를 거치면서 집광레이저(b)로 변화되어져 수광 집광렌즈(33)에 집광되고, 수광 집광렌즈(33)에 집광된 집광레이저(b)는 검출기(300)로 보내진다.
상기 집광레이저(b)는 특정한 파장대역이면서 부분적인 에너지 차단된 입사레이저(B)를 의미한다.
이를 위해, 상기 에탈론(50)이 입사레이저(B)에서 광선의 특정한 파장대역 만 통과시켜 집광레이저(b)로 변화시켜주며, 일례로 상기 에탈론(50)에서 통과되는 특정한 파장대역은 그 파장이 약 1.56 마이크로미터의 광선일 수 있다.
또한, 상기 필터(60)가 대역통과필터(61)와 함께 ND(Neutral Density)필터(62)로 구성됨으로써, 상기 대역통과필터(61)에서 파장이 약 1.56 마이크로미터인 집광레이저(b)가 통과되면, 상기 ND(Neutral Density)필터(62)에서 집광레이저(b)는 광선 에너지가 부분적으로 차단된 상태로 변환된다.
특히, 본 실시예에서 상기 수광 집광렌즈(33)는 특정한 곡률을 갖지만, 이러한 특정한 수치 값으로 한정되지는 않는다.
일례로, 상기 수광 집광렌즈(33)는 전면 -33.09mm의 곡률과 후면 -19.98mm의 곡률로 이루어질 수 있다.
한편, 도 6과 도 7은 본 실시예에 따른 줌 렌즈형 송광 모듈을 갖는 송수광 내접형 광학계의 수광 모듈(20)에서 구현되는 이미지 영상 성능의 예를 나타낸다.
도 6은 수광 모듈(20)에서약 1km 거리에 있는 피사체(T)로부터 반사된 입사레이저(B)를 수광하여 스폿 다이아그램(Spot Diagram)으로 나타낸 예로서, 광축에 일치하는 가장 우수한 F3의 스폿 다이아그램(Spot Diagram)과 비교할 때 상대적으로 저하된 F1의 스폿 다이아그램(Spot Diagram)의 경우도 해당 픽셀을 벗어나는 퍼짐 없이 해당 픽셀에 일치함을 알 수 있다.
이러한 상태는 도 6에 도시된 바와 같이, F2,F4, F5, F6,F7,F8, F9의 각각 스폿 다이아그램(Spot Diagram)을 통해서도 알 수 있다.
도 7은 수광 모듈(20)에서 약 1km 거리에 있는 피사체(T)로부터 반사된 입사레이저(B)를 수광하여 인서클드 에너지(Encircled Energy)로 나타낸 예이다.
일례로, F3의 인서클드 에너지(Encircled Energy)는 직경(Diameter of Circle, 단위 마이크로미터)이 약 3.811일 때 인서클드 에너지(Encircled Energy)가 약 10%이고, 직경이 증가하여 약 47.784일 때 인서클드 에너지(Encircled Energy)가 약 90%에 달함을 알 수 있다.
또한, F1과 F6 및 F8의 경우, 인서클드 에너지(Encircled Energy)가 약 90%에 달하는 직경은 F1 = 43.558, F6 = 41.002,F8 = 41.045이고, 이로부터 모든 경우가 거의 일치됨으로써 성능 충족이 우수함이 입증됨 수 있다.
전술된 바와 같이, 본 실시예에 따른 내접형 송수광모듈을 구비한 영상 레이저 레이더 광학계에는 고유한 광원의 수치구경(Numerical Aperture)을 갖는 출사레이저(A)가 일정한 직경 크기를 갖는 송광 레이저(a)로 변환시켜주는 줌 렌즈형 송광 모듈(10)이 포함됨으로써, 파이버 레이저는 물론 이와 다른 수치구경(Numerical Aperture)을 갖는 다양한 종류의 레이저를 사용하더라도 레이저의 광선 크기가 사용자의 의도에 맞게 항상 획득될 수 있다.
특히, 줌 렌즈형 송광 모듈(10)의 송광 대물렌즈(15)에서 발산되는 레이저 광속다발이 수광 모듈(20)의 수광 대물렌즈(31)에 내접함으로써 주변광을 희생시키고 대신 3차원 이미지 생성에 중요한 광축을 살리게 되고, 스캐너(200)의 설계 시 광학계 전체가 아닌 수광 모듈(20)의 수광 대물렌즈(31)의 크기만 고려될 수 있어 크기가 최소화된 스캐너(200)가 적용될 수 있다.
10 : 줌 렌즈형 송광 모듈 11 : 시준렌즈부
11a : 엔드 캡 11b : 웨지 콜리메이터
11c : 콜리메이팅 렌즈
12 : 줌형 광속확대기 13 : 고정 송광렌즈
14 : 이동 송광렌즈 15 : 송광 대물렌즈
16 : 송광 미러부
17 : 제1 송광 폴딩미러 18 : 제2 송광 폴딩미러
20 : 수광 모듈 31 : 수광 대물렌즈
32 : 수광 렌즈 33 : 수광 집광렌즈
40 : 수광 미러부 41 : 제1 수광 폴딩미러
42 : 제2 수광 폴딩미러 50 : 에탈론
60 : 필터 61 : 대역통과필터
62 : ND 필터
100 : 레이저발생기 200 : 스캐너
300 : 검출기 T : 피사체

Claims (15)

  1. 고유한 광원의 수치구경(Numerical Aperture)을 갖는 레이저가 들어오고, 상기 레이저를 일정 거리의 피사체에서 원하는 직경을 갖도록 일정한 광 발산각을 갖는 송광 레이저로 변환하여 상기 피사체에 출사하며, 상기 송광 레이저의 일정한 광 발산각에 맞춰 변화되는 줌 렌즈형 송광 모듈과;
    상기 피사체에 반사된 입사레이저가 수광되고, 상기 입사레이저가 집광되는 수광 모듈;
    이 포함된 것을 특징으로 하는 내접형 송수광모듈을 구비한 영상 레이저 레이더 광학계.
  2. 청구항 1에 있어서, 상기 줌 렌즈형 송광 모듈에서 발산되는 상기 송광레이저의 광축과, 상기 수광 모듈로 수광되는 상기 입사레이저의 광축이 일치하고, 상기 송광레이저의 광선다발이 상기 입사레이저를 수광하는 상기 수광 모듈의 구경 안에 내접하는 것을 특징으로 하는 내접형 송수광모듈을 구비한 영상 레이저 레이더 광학계.
  3. 청구항 2에 있어서, 상기 줌 렌즈형 송광 모듈은 상기 레이저의 광선을 평행하게 굴절시켜주는 시준렌즈부와, 상기 피사체에서 원하는 빔 직경이 되도록 상기 시준렌즈부에서 시준된 평행광의 광 발산각을 조절하는 줌형 광속확대기와, 상기 송광 레이저를 반사시켜 상기 피사체로 출사시키는 송광 미러부로 구성된 것을 특징으로 하는 내접형 송수광모듈을 구비한 영상 레이저 레이더 광학계.
  4. 청구항 3에 있어서, 상기 시준렌즈부는 상기 레이저의 광선을 평행하게 굴절시켜주는 콜리메이팅 렌즈로 이루어진 것을 특징으로 하는 내접형 송수광모듈을 구비한 영상 레이저 레이더 광학계.
  5. 청구항 4에 있어서, 상기 시준렌즈부에는 상기 콜리메이팅 렌즈의 광축방향의 앞쪽으로 웨지 콜리메이터가 구비되고, 상기 웨지 콜리메이터의 광축방향의 앞쪽으로 광 섬유 레이저를 출력하는 엔드 캡이 더 구비된 것을 특징으로 하는 내접형 송수광모듈을 구비한 영상 레이저 레이더 광학계.
  6. 청구항 3에 있어서, 상기 줌형 광속확대기는 상기 레이저의 광선을 확대하는 고정 송광렌즈와, 상기 고정 송광렌즈로 다가가거나 멀어져 상대적인 거리 간격이 변화되는 이동거리를 갖는 이동 송광렌즈와, 상기 레이저의 광선을 평행광선으로 만들어주는 송광 대물렌즈로 구성되고, 상기 이동거리는 상기 레이저의 수치구경(Numerical Aperture)에 맞춰 변화되는 것을 특징으로 하는 내접형 송수광모듈을 구비한 영상 레이저 레이더 광학계.
  7. 청구항 6에 있어서, 상기 이동거리의 조절은 1Km 떨어진 상기 피사체의 거리가 기준이 되는 것을 특징으로 하는 내접형 송수광모듈을 구비한 영상 레이저 레이더 광학계.
  8. 청구항 3에 있어서, 상기 송광 미러부는 상기 수광 모듈에서 상기 입사레이저가 수광되는 부위에서 앞쪽의 상부로 위치되어진 것을 특징으로 하는 내접형 송수광모듈을 구비한 영상 레이저 레이더 광학계.
  9. 청구항 8에 있어서, 상기 송광 미러부는 상기 송광 레이저의 광선 방향을 하측으로 반사해주는 제1 송광 폴딩미러와, 상기 제1 송광 폴딩미러의 하측에 위치되어 반사된 상기 송광 레이저의 광선 방향을 다시 반사하여 주는 제2 송광 폴딩미러로 구성된 것을 특징으로 하는 내접형 송수광모듈을 구비한 영상 레이저 레이더 광학계.
  10. 청구항 2에 있어서, 상기 수광 모듈은 상기 입사 레이저 광선을 수광하는 수광 대물렌즈와, 상기 입사레이저를 반사시켜주는 수광미러부와, 상기 입사레이저의 흐름을 평행하게 굴절시키는 수광렌즈와, 상기 입사레이저에서 광선의 특정한 파장대역 만 통과시켜 집광레이저로 변화시켜주는 에탈론과, 상기 집광레이저의 에너지를 부분적으로 차단하여 주는 필터와, 상기 집광레이저의 광선을 집광하여 주는 수광 집광렌즈로 구성된 것을 특징으로 하는 내접형 송수광모듈을 구비한 영상 레이저 레이더 광학계.
  11. 청구항 10에 있어서, 상기 수광미러부는 상기 입사레이저의 광선 방향을 반사해주는 제1 수광 폴딩미러와, 상기 제1 수광 폴딩미러의 하부측에 위치되어 상기 제1 수광 폴딩미러에서 반사된 상기 입사레이저의 방향을 상기 수광렌즈의 광축방향으로 다시 반사시켜주는 제2 수광 폴딩미러로 구성된 것을 특징으로 하는 내접형 송수광모듈을 구비한 영상 레이저 레이더 광학계.
  12. 청구항 10에 있어서, 상기 필터는 상기 집광레이저의 특정 파장대역이 통과되는 대역통과필터와, 상기 대역통과필터를 통과한 상기 집광레이저의 에너지를 부분 차단하는 ND(Neutral Density)필터로 구성된 것을 특징으로 하는 내접형 송수광모듈을 구비한 영상 레이저 레이더 광학계.
  13. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서, 상기 줌 렌즈형 송광 모듈에는 상기 레이저를 발생시키는 레이저발생기가 더 구비되고, 상기 레이저발생기는 상기 레이저를 상기 송광 레이저로 생성해주는 상기 줌형 광속확대기의 광축방향 앞쪽에 위치되어 상기 레이저의 광선을 평행하게 굴절시켜주는 시준렌즈부에 상기 레이저를 보내주는 것을 특징으로 하는 내접형 송수광모듈을 구비한 영상 레이저 레이더 광학계.
  14. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서, 상기 줌 렌즈형 송광 모듈에는 상기 송광 레이저를 상기 피사체로 출사해주는 스캐너가 더 구비되고, 상기 스캐너는 상기 피사체를 향해 움직일 수 있고, 상기 스캐너로 들어온 상기 입사레이저는 상기 수광 모듈로 수광되는 것을 특징으로 하는 내접형 송수광모듈을 구비한 영상 레이저 레이더 광학계.
  15. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서, 상기 수광 모듈에는 집광된 상기 입사 레이저가 보내지는 검출기가 더 구비되는 것을 특징으로 하는 내접형 송수광모듈을 구비한 영상 레이저 레이더 광학계.
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