KR20170016103A - 광파 탐지 및 거리 측정 장치 - Google Patents

광파 탐지 및 거리 측정 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명이 제공하는 광학 장치는 일정 영역을 촬영하기 위한 제1광선을 생성하는 광전송부, 일정 영역에서 돌아오는 제2광선을 감지하는 광수신부, 제1광선 및 제2광선을 구분하여 전달하기 위한 광분리부, 및 제1광선을 제1조향각만큼 광축을 변경하여 송신하고 제2광선을 수신하는 초소형 전자기계 거울(MEMS Mirror)을 포함하는 탐지부를 포함할 수 있다.

Description

광파 탐지 및 거리 측정 장치 {Apparatus for light detection and ranging}
본 발명은 원거리 감지 시스템(Remote Sensing System)에 사용될 수 있는 광학 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 전파 혹은 빛을 이용하여 물체에 대한 정보를 획득하기 위한 탐지/측정 장치에 관한 것이다.
광학 장치는 라디오파를 사용하는 RaDAR (Radio Detection And Ranging), 레이저 빔을 사용한 LaDAR(Laser Detection and Ranging), LaDAR보다 더 짧은 파장의 빔을 사용하는 LiDAR(Light Detection And Ranging) 등의 기술을 사용해왔다. 이러한 기술 중 LiDAR(Light Detection And Ranging) 기술은 적외선 범위에 가까운 정도의 짧은 파장의 광원(레이저)와 전자기 스펙트럼을 이용하여 촬영 대상 개체의 표면과 검출범위에 레이저 펄스를 조사한 후 반응하는 신호의 펄스를 이용하여 개체의 속성을 측정하는 기술이다. LiDAR 기술은 고고학, 지리학, 지질학, 대기물리학 분야 및 원격 탐지 분야 등에 응용되어 왔다. 또한, LiDAR 기술과 급속히 대중화되어 가고 있는 스마트폰 및 태블릿PC 등 스마트 미디어기기와 비약적인 발전을 지속하고 있는 이동통신 네트워크 기술의 접목은 사람들의 개인적인 수요 충족할 뿐만 아니라 교통/운송(Transportation), 수리학(Hydrology), 산림학(Forestry), 가상 관광(Virtual tour) 및 건설(Construction) 등의 분야에까지 적용될 수 있다.
도1은 일반적인 광파 탐지 및 거리 측정 장치(10)를 설명한다.
도시된 바와 같이, 일반적인 광파 탐지 및 거리 측정 장치(10)는 복수 개의 광원(미도시)으로부터 방출되는 빔을 모터(미도시)를 이용하여 여러 방향으로 물체를 향해 방출하고, 디텍터(detector)를 이용하여 후방 광을 수신한다.
이때, 복수의 빔(12)을 송출하는 부분이 모터에 의해 화살표 방향(20)으로 기구적으로 움직이므로 여러 가지 제약이 수반될 수 있다. 즉, 모터 부분의 기구적인 신뢰성 확보가 쉽지 않고, 모터를 사용함으로 인해 광파 탐지 및 거리 측정 장치(10)의 크기를 줄이는 데 한계가 있다. 게다가, 수직 방향으로의 측정 범위를 확장하기 위해 복수의 광원과 디텍터가 요구된다. 또한, 일반적인 광파 탐지 및 거리 측정 장치의 수광부에 집광 렌즈가 요구되므로 효율이 저하될 수 있고, 물체의 거리 정보만을 획득할 수 밖에 다양한 정보를 획득하는 데 한계를 갖는다.
본 발명은 광학 장치가 초소형 전자기계 거울(MEMS(Micro Electro Mechanical System) Mirror)을 이용하여 광선(beam)을 조향(steering)함으로써, 투과 렌즈와 광선 조향장치(beam steering device)를 사용하는 광학 장치보다 소형화가 가능하고, 광선의 조향각을 제어하기 용이할 수 있다.
또한, 본 발명은 광학 장치가 초소형 전자기계 거울(MEMS(Micro Electro Mechanical System) Mirror)과 연동되는 렌즈를 포함하여, 광선의 조향각의 제어범위를 더 크게 할 수 있다.
또한, 본 발명은 광원을 위상 제어할 수 있는 광학 위상 어레이를 통해 광원을 분산시켜 전송할 수 있어 수광 효율을 증가시킬 수 있다.
또한, 본 발명은 광 전송장치에 시준렌즈(Collimation Lens)를 포함하여 출광효율을 증가시킬 수 있다.
또한, 본 발명은 광선 분리장치 또는 광 감지장치에 복수의 필터를 사용하여 노이즈(Noise)를 줄이고 정밀도를 높일 수 있다.
또한, 본 발명은 회전이 가능한 초소형 전자기계 거울(MEMS(Micro Electro Mechanical System) Mirror)과 연동이 가능한 복수의 거울을 사용하여 광학 장치의 측정범위에 대한 정밀도를 높일 수 있다.
본 발명에서 이루고자 하는 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 광학 장치는 일정 영역을 촬영하기 위한 제1광선을 생성하는 광전송부, 상기 일정 영역에서 돌아오는 제2광선을 감지하는 광수신부, 상기 제1광선 및 상기 제2광선을 구분하여 전달하기 위한 광분리부, 및 상기 제1광선을 제1조향각만큼 광축을 변경하여 송신하고 상기 제2광선을 수신하는 초소형 전자기계 거울(MEMS Mirror)을 포함하는 탐지부를 포함할 수 있다.
또한, 광학 장치는 상기 광분리부와 상기 탐지부 사이에 위치하여 상기 제1광선 및 상기 제2광선의 산란을 방지하는 사분파장 파장판(quarter-wave plate, QWP)을 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 광분리부는 중심에 상기 제1광선을 통과시키기 위한 개구부(aperture); 및 외곽에 상기 제2광선을 반사시키기 위한 반사부를 포함할 수 있다.
또한, 상기 개구부의 크기는 상기 제1광선의 빔 스팟(Beam Spot)의 크기보다 크고 상기 제1광선의 적어도 50%를 통과시키며, 상기 반사부는 상기 초소형 전자기계 거울(MEMS Mirror)의 크기에 3~4배의 크기를 가질 수 있다.
또한, 상기 광분리부는 상기 제1광선은 투과시키고, 상기 제2광선은 반사시키는 광분리기(Beam Splitter)를 포함할 수 있다.
또한, 상기 광분리부는 상기 제1광선 및 상기 제2광선을 서로 다른 기준면에서 반사시켜 상기 탐지부 및 상기 광수신부로 전달하는 프리즘(Prism)을 포함할 수 있다.
또한, 상기 프리즘은 상기 제1광선은 반사시키고 상기 제2광선은 투과시키는 제1반사면; 상기 제1반사면을 통과한 일부의 상기 제1광선을 흡수하기 위한 흡수면; 상기 제1반사면을 통과한 상기 제2광선을 반사하는 제2반사면; 및 상기 제2반사면에서 반사된 상기 제2광선을 투과시키는 투과면을 포함할 수 있다.
또한, 광학 장치는 상기 광분리부로부터 전달되는 상기 제2광선의 노이즈(noise)를 제거하여 상기 광수신부로 전달하기 위한 필터부를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 필터부는 상기 제2광선의 기 설정된 파장 영역을 선택적으로 흡수해 분광(分光)분포를 바꾸어 전달하는 렌즈 필터; 상기 제2광선의 기 설정된 파장 영역을 선택적으로 반사시키는 반사 필터; 및 상기 제2광선의 기 설정된 파장 영역을 선택적으로 투과시키는 투과 필터 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
또한, 광학 장치는 상기 광전송부, 상기 광수신부, 상기 광분리부 또는 상기 탐지부의 사이에 위치하여 상기 제1광선 또는 상기 제2광선을 전달하기 위한 적어도 하나의 반사부를 포함할 수 있다.
또한, 상기 광전송부는 광원장치로부터 전달된 제1광원을 시준화하는 시준렌즈(Collimation Lens); 및 시준화된 상기 제1광원을 분산시켜 상기 제1광선을 생성하는 광학 위상 어레이(optical phase array)를 포함할 수 있다.
또한, 상기 제1광원은 파면의 직경 혹은 장축의 길이가 100nm~2mm의 범위를 가지는 레이저일 수 있다.
또한, 상기 광학 위상 어레이는 위상 제어가 가능한 m x n 행렬 형태(m, n은 3이상의 자연수, (m x n) ≥ k)의 소자들로 구성되어 있으며, 각각의 소자들은 복수의 방향 벡터에 대한 이산 공간(Discrete Space) 형태로 분포될 수 있다.
또한, 상기 소자들이 구면을 포함하는 경우, 상기 구면의 곡률의 절대값은 10 mm보다 클 수 있고, 상기 소자들이 요철 형태의 표면을 포함하는 경우, 상기 요철의 높이는 1 mm보다 작을 수 있다.
또한, 상기 소자들은 상기 제1광원의 파면의 1.5배 이상의 크기를 가지고, 1~2.7 범위의 굴절률을 가질 수 있다.
또한, 상기 소자들로부터 출력된 광선의 빔 스팟(beam spot)의 크기를 상기 빔 스팟의 간격으로 나눈 값은 0.5 이하일 수 있다.
또한, 광학 장치는 적어도 하나의 렌즈 혹은 적어도 하나의 렌즈 및 거울의 조합을 포함하고, 상기 제1조향각을 0~±100도의 범위로 재조정하는 렌즈부를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 복수개의 렌즈 사이에 개구부(aperture)를 더 포함하고, 상기 렌즈는 상기 제3광선의 빔 스팟(beam spot)의 2배이상의 크기를 가지고 상기 개구부는 상기 빔 스팟의 0.5배이상의 크기를 가질 수 있다.
또한, 상기 제3광선의 광축을 기준으로, 상기 렌즈부의 입사각을 상기 렌즈부의 굴절각으로 나눈 값은 0.1~100 범위일 수 있다.
또한, 광학 장치는 상기 제1조향각을 조정하기 위해 상기 초소형 전자기계 거울(MEMS Mirror)을 회전시키는 제어부를 더 포함할 수 있다.
상기 본 발명의 양태들은 본 발명의 바람직한 실시예들 중 일부에 불과하며, 본원 발명의 기술적 특징들이 반영된 다양한 실시예들이 당해 기술분야의 통상적인 지식을 가진 자에 의해 이하 상술할 본 발명의 상세한 설명을 기반으로 도출되고 이해될 수 있다.
광학 장치는 레이저를 이용한 광학 장치에서 빔 조향(beam steering)을 위해 요구되던 제어 장치(예를 들면, 모터 등)를 제거하거나 소형화할 수 있으면서도 정밀 제어가 가능하여 기구적 신뢰성이 향상될 수 있다.
또한, 레이저를 이용한 광학 장치의 내부 구조를 단순화시킬 수 있어 제조 단가를 낮출 수 있다.
또한, 하나의 레이저를 이용하여 일정 면적을 스캔할 수 있기 때문에, 데이터 및 신호 처리에 필요한 부담이 줄어들어 광학 장치의 동작 속도를 높일 수 있다.
또한, 구조의 단순화로 인해 정밀도를 높일 수 있는 필터 등의 요소들을 추가적으로 포함할 수 있어, 광학장치의 정밀도를 높일 수 있다.
본 발명에서 얻을 수 있는 효과는 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며 언급하지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
이하에 첨부되는 도면들은 본 발명에 관한 이해를 돕기 위한 것으로, 상세한 설명과 함께 본 발명에 대한 실시예들을 제공한다. 다만, 본 발명의 기술적 특징이 특정 도면에 한정되는 것은 아니며, 각 도면에서 개시하는 특징들은 서로 조합되어 새로운 실시예로 구성될 수 있다.
도1은 일반적인 광파 탐지 및 거리 측정 장치를 설명한다.
도2는 레이저를 사용한 탐지 및 거리 측정이 가능한 제1 광학 장치를 설명한다.
도3은 도2에 도시된 탐지부에 포함된 초소형 전자기계 거울(MEMS(Micro Electro Mechanical System) Mirror)을 설명한다.
도4는 도2에 도시된 광분리부와 광전송부를 설명한다.
도5는 레이저를 사용한 탐지 및 거리 측정이 가능한 제2 광학 장치를 설명한다.
도6은 레이저를 사용한 탐지 및 거리 측정이 가능한 제3 광학 장치를 설명한다.
도7은 레이저를 사용한 탐지 및 거리 측정이 가능한 제4 광학 장치를 설명한다.
도8은 도7에 도시된 필터부를 설명한다.
도9는 레이저를 사용한 탐지 및 거리 측정이 가능한 제5 광학 장치를 설명한다.
도10은 도9에 도시된 제5 광학 장치에 적용 가능한 제1 렌즈 구조를 설명한다.
도11은 도9에 도시된 제5 광학 장치에 적용 가능한 제2 렌즈 구조를 설명한다.
도12는 도9에 도시된 제5 광학 장치에 적용 가능한 제3 렌즈 구조를 설명한다.
도13은 도12의 제3 렌즈 구조의 효과를 설명한다.
이하, 본 발명의 실시예들이 적용되는 장치 및 다양한 방법들에 대하여 도면을 참조하여 보다 상세하게 설명한다. 이하의 설명에서 사용되는 구성요소에 대한 접미사 "모듈" 및 "부"는 명세서 작성의 용이함만이 고려되어 부여되거나 혼용되는 것으로서, 그 자체로 서로 구별되는 의미 또는 역할을 갖는 것은 아니다.
실시예의 설명에 있어서, 각 구성 요소의 "상(위) 또는 하(아래)"에 형성되는 것으로 기재되는 경우에 있어, 상(위) 또는 하(아래)는 두 개의 구성 요소들이 서로 직접 접촉되거나 하나 이상의 또 다른 구성 요소가 두 개의 구성 요소들 사이에 배치되어 형성되는 것을 모두 포함한다. 또한, "상(위) 또는 하(아래)"으로 표현되는 경우 하나의 구성 요소를 기준으로 위쪽 방향뿐만 아니라 아래쪽 방향의 의미도 포함할 수 있다.
도2는 레이저를 사용한 탐지 및 거리 측정이 가능한 제1 광학 장치(100)를 설명한다.
도시된 바와 같이, 제1 광학 장치(100)는 일정 영역(90, 면적이나 물체 등의 타겟)을 촬영하기 위한 제1광선(92)을 생성하는 광전송부(110), 일정 영역(90)에서 돌아오는 제2광선(94)을 감지하는 광수신부(120), 제1광선(92) 및 제2광선(94)을 구분하여 전달하기 위한 광분리부(130) 및 제1광선(92)을 제1조향각만큼 광축을 변경하여 송신하고 제2광선(94)을 수신하는 초소형 전자기계 거울(MEMS Mirror)을 포함하는 탐지부(140)를 포함할 수 있다.
광분리부(130)는 중심에 제1광선(92)을 통과시키기 위한 개구부(aperture, 132) 및 외곽에 제2광선(94)을 반사시키기 위한 반사부(134)를 포함할 수 있다. 구체적으로, 개구부(132)의 크기는 제1광선(92)의 빔 스팟(Beam Spot)의 크기보다 크고, 개구부(132)는 제1광선(92)의 적어도 50%를 통과시킬 수 있다. 만약 개구부(132)가 통과시키는 제1광선(92)의 양이 적을 경우(50%이하), 광학 장치(100)의 출광 효율이 나빠진다. 반사부(134)는 탐지부(140)에 포함된 초소형 전자기계 거울(MEMS Mirror)의 크기에 3~4배의 크기를 가질 수 있다.
도시하지 않았지만, 광수신부(120)는 제2광선(94)를 감지하기 위한 센서부 및 감지된 신호를 바탕으로 정보(이미지 등)를 가공하는 데이터 처리부 등을 포함할 수 있다.
도3은 도2에 도시된 탐지부(140)에 포함된 초소형 전자기계 거울(MEMS Mirror)을 설명한다.
도시된 바와 같이, 초소형 전자기계 거울은 고정부(142) 및 회전이 가능한 반사부(144)를 포함한다. 초소형 전자기계 거울의 반사부(144)는 움직임이 가능하기 때문에, 고정된 방향의 초소형 전자기계 거울로 입사되는 광선(146)을 반사되는 광선(148)을 제1조향각만큼 변경할 수 있다.
도시되지 않았지만, 광학 장치(100)는 제1조향각을 조정하기 위해 초소형 전자기계 거울(MEMS Mirror)의 반사부(144)를 회전시키는 제어부(미도시)를 더 포함할 수 있다. 초소형 전자기계 거울은 광학 장치의 소형화를 가능하게 할 뿐만 아니라, 반사부(144)의 미세조정이 가능하여 광학 장치의 조향기능(beam steering)을 향상시킬 수 있다.
도4는 도2에 도시된 광분리부(130)와 광전송부(110)를 설명한다.
도시된 바와 같이, 초소형 전자기계 거울(MEMS Mirror)의 활성영역이 약 6mm의 직경을 가지는 경우, 광분리부(130)의 개구부(132)는 3~4mm의 직경(A1)을 가질 수 있고, 반사부(134)는 18 mm의 가로/세로 길이(R1)의 크기로 형성될 수 있다. 또한, 반사부(134)의 표면 거칠기(surface roughness)가 λ/100 수준일 수 있으며, 복수의 박막(예를 들면, 20개의 박막)을 포함할 수 있다.
광전송부(110)는 광원장치(112)로부터 전달된 제1광원(91A)을 시준화하는 시준렌즈(Collimation Lens, 114) 및 시준화된 제1광원(91B)을 분산시켜 복수의 제1광선(92)을 생성하는 광학 위상 어레이(optical phase array, 116)를 포함할 수 있다. 광전송부(110)는 별도의 광원장치(112)를 포함하지 않고, 다른 장치 혹은 장비들의 광원장치와 연동될 수도 있다. 여기서, 제1광원(91A)은 파면의 직경 혹은 장축의 길이가 100nm~2mm의 범위를 가지는 레이저일 수 있다.
광학 위상 어레이(116)는 m x n 행렬 형태의 소자들로 구성될 수 있다. 여기서, m, n은 3이상의 자연수일 수 있으며, m, n을 곱한 값(m x n)은 k보다 같거나 클 수 있다. 광학 위상 어레이(116)에 포함된 각각의 소자들은 복수의 방향 벡터에 대한 이산 공간(Discrete Space) 형태로 분포될 수 있다.
광학 위상 어레이(116)는 일반적인 광선분리기(Beam Splitter)와는 구별된다. 광학 위상 어레이(116)와 광선분리기는 하나의 광선으로 복수 개의 광선을 생성하는 데에 공통점이 있으나, 광선 분리기는 하나의 광선을 서로 다른 반사율/굴절률을 이용해 복수 개의 광선만큼 나누는 것이 특징이다. 따라서, 광선 분리기를 이용하는 경우, 입사되는 광선의 파면(wave front)이 출광되는 복수의 광선의 개수만큼 분할될 수 있다. 예를 들어 입사되는 광선의 파면이 1이고 출광되는 복수의 광선 수가 9개이면, 광선 분리기에서 출력되는 광선의 파면은 입사되는 광선의 파면에 비해 1/9이 될 수 있다.
반면, 광학 위상 어레이(116)에서 출력되는 제1광선(92)의 파면(wave front)은 시준화된 제1광원(91B)의 파면을 k(제1광선의 수)로 나눈 것보다 넓을 수 있다. 다만, 제1광선(92)의 파면은 시준화된 제1광원(91B)의 파면의 50%이하의 값을 가질 수 있다. 광학 위상 어레이(116)는 입사되는 광선의 파면을 나누는 것이 아닌, 위상 제어(phase control)를 통해 복수의 광선을 생성한다. 따라서, 광학 위상 어레이(116)에서 출력되는 광선의 파면 크기는 입사된 광선의 1/k~1/2의 범위를 가질 수 있고, 대신 광선의 밀도(density)가 낮아질 수 있다.
광학 위상 어레이(116)는 m x n의 행렬형태로 배열된 복수의 소자들을 포함할 수 있다. 예를 들어, 광학 위상 어레이(116)에 포함된 각각의 소자들은 구면을 가질 수 있으며, 구면의 곡률의 절대값은 10 mm보다 클 수 있다.
또한, 광학 위상 어레이(116)에 포함된 각각의 소자들은 요철 형태의 표면을 가질 수 있으며, 이때 요철의 높이는 1 mm보다 작을 수 있다.
또한, 광학 위상 어레이(116) 내 각각의 소자들은 시준화된 제1광원(91B)의 파면의 1.5배 이상의 크기를 가질 수 있다. 그리고 각각의 소자들은 1~2.7 범위의 굴절률을 가질 수 있다. 광학 위상 어레이(116) 내 포함된 소자들로부터 출력된 광선의 빔 스팟(beam spot)의 크기를 입사된 광선의 빔 스팟의 간격으로 나눈 값은 0.5 이하가 될 수 있다.
또한, 광학 위상 어레이(116)는 투과형 또는 반사형 소자일 수 있다.
도5는 레이저를 사용한 탐지 및 거리 측정이 가능한 제2 광학 장치(200)를 설명한다.
도시된 바와 같이, 제2 광학 장치(200)는 일정 영역(90, 면적이나 물체 등의 타겟)을 촬영하기 위한 제1광선(92)을 생성하는 광전송부(210), 일정 영역(90)에서 돌아오는 제2광선(94)을 감지하는 광수신부(220), 제1광선(92) 및 제2광선(94)을 구분하여 전달하기 위한 광분리부(230) 및 제1광선(92)을 제1조향각만큼 광축을 변경하여 송신하고 제2광선(94)을 수신하는 초소형 전자기계 거울(MEMS Mirror)을 포함하는 탐지부(240)를 포함할 수 있다. 광분리부(230)는 제1광선(92)은 투과시키고, 제2광선(94)은 반사시키는 광분리기(Beam Splitter)를 포함할 수 있다.
제2 광학 장치(200)는 광분리부(230)와 탐지부(240) 사이에 위치하여 상기 제1광선 및 상기 제2광선의 산란을 방지하는 사분파장 파장판(quarter-wave plate, QWP, 280)을 더 포함할 수 있다.
또한, 제2 광학 장치(200)는 광전송부(210), 광수신부(220), 광분리부(230) 또는 탐지부(240)의 사이에 위치하여 제1광선(92) 또는 제2광선(94)을 전달하기 위한 적어도 하나의 반사부(262, 264)를 더 포함할 수 있다. 반사부(262, 264)의 개수와 위치는 제2 광학 장치(200)의 내부 설계에 따라 달라질 수 있으며, 거울형 소자들을 포함할 수 있다.
도6은 레이저를 사용한 탐지 및 거리 측정이 가능한 제3 광학 장치(300)를 설명한다.
도시된 바와 같이, 제3 광학 장치(300)는 일정 영역(90, 면적이나 물체 등의 타겟)을 촬영하기 위한 제1광선(92)을 생성하는 광전송부(310), 일정 영역(90)에서 돌아오는 제2광선(94)을 감지하는 광수신부(320), 제1광선(92) 및 제2광선(94)을 구분하여 전달하기 위한 광분리부(330) 및 제1광선(92)을 제1조향각만큼 광축을 변경하여 송신하고 제2광선(94)을 수신하는 초소형 전자기계 거울(MEMS Mirror)을 포함하는 탐지부(340)를 포함할 수 있다.
광분리부(330)는 제1광선(92) 및 제2광선(94)을 서로 다른 기준면에서 반사시켜 탐지부(340) 및 광수신부(320)로 전달하는 프리즘(Prism)을 포함할 수 있다.
광분리부(330) 내 프리즘은 제1광선(92)은 반사시키고 제2광선은 투과시키는 제1반사면(334), 제1반사면(334)에서 반사되지 못하고 통과한 일부의 제1광선(92)을 흡수하기 위한 흡수면(336), 제1반사면(334)을 통과한 제2광선(94)을 반사하는 제2반사면(332) 및 제2반사면(332)에서 반사된 제2광선(94)을 투과시키는 투과면(338)을 포함할 수 있다.
제1반사면(334)은 제1광선(92)의 적어도 50%를 반사할 수 있도록 조성될 수 있다. 제1반사면(334)의 반사율이 낮을 경우, 제3 광학 장치(300)에서 제1광선(92)의 출광효율이 낮아지게 된다.
또한, 광분리부(330) 내 프리즘은 여러 기능이 집약되어 있어, 프리즘 내 각 평면은 서로 다른 조성물을 포함할 수 있으며, 탐지부(340), 광수신부(320), 광전송부(310)와의 위치관계(배치)에 따라 투과율과 반사율이 달라질 수 있다.
도7은 레이저를 사용한 탐지 및 거리 측정이 가능한 제4 광학 장치(400)를 설명한다.
도시된 바와 같이, 제4 광학 장치(400)는 일정 영역(90, 도2, 5, 6 참조)을 촬영하기 위한 제1광선(92)을 생성하는 광전송부(410), 일정 영역(90)에서 돌아오는 제2광선(94)을 감지하는 광수신부(420), 제1광선(92) 및 제2광선(94)을 구분하여 전달하기 위한 광분리부(430) 및 광분리부(430)로부터 전달되는 제2광선(94)의 노이즈(noise)를 제거하여 광수신부(420)로 전달하기 위한 필터부(470)를 포함한다.
도시되지 않았지만, 제4 광학 장치(400)는 제1 내지 제3 광학 장치(100, 200, 300, 도2, 5, 6 참조)에 포함되어 있는 탐지부, 반사부, 사분파장 파장판 등을 더 포함할 수 있다.
도8은 도7에 도시된 필터부(470)를 설명한다.
도시된 바와 같이, 필터부(470)는 제2광선(94)의 기 설정된 파장 영역을 선택적으로 흡수해 분광(分光)분포를 바꾸어 전달하는 렌즈 필터(474), 제2광선(94)의 기 설정된 파장 영역을 선택적으로 반사시키는 반사 필터(472), 및 제2광선(94)의 기 설정된 파장 영역을 선택적으로 투과시키는 투과 필터(476) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 복수개의 필터를 사용할수록 제2광선(94)의 노이즈를 제거하기 용이해질 수 있지만, 광학 장치의 동작 요건과 내부 설계(예를 들면, 광분리부와 광수신부의 위치 등)에 따라 변경이 가능하다.
렌즈 필터(474)와 투과 필터(476)의 입사각(Incidence angle)은 0도이고, 반사 필터(472)의 입사각은 45도일 수 있다.
렌즈 필터(474)의 일측 표면 곡률은 -50mm일 수 있고, 다른 일측 표면 곡률은 30mm일 수 있다. 반면, 반사 필터(472)와 투과 필터(476)의 표면은 평면(flat)일 수 있다.
렌즈 필터(474), 반사 필터(472) 및 투과 필터(476)는 복수의 박막을 포함할 수 있다.
도9는 레이저를 사용한 탐지 및 거리 측정이 가능한 제5 광학 장치(500)를 설명한다.
도시된 바와 같이, 제5 광학 장치(500)는 탐지부(440)와 렌즈부(450)를 포함한다. 도시되지 않았지만, 제5 광학 장치(500)는 제1 내지 제4 광학 장치(100, 200, 300, 400, 도2, 5, 6, 7 참조)에 포함되어 있는 광전송부, 광수신부, 광분리부 등을 더 포함할 수 있다.
렌즈부(550)는 적어도 하나의 렌즈 혹은 적어도 하나의 렌즈 및 거울의 조합을 포함할 수 있다. 렌즈부(550)는 탐지부(540)의 제1조향각을 0~±100도의 범위로 재조정할 수 있다. 예를 들어, 탐지부(540)의 제1조향각이 25도인 경우, 렌즈부(550)는 25도인 제1조향각을 100도(약 4배)가 되도록 재조정할 수 있다. 또한, 탐지부(540)의 제1조향각이 0도인 경우, 렌즈부(550)는 제1조향각을 0도로 유지할 수 있다.
렌즈부(550)의 성능과 구조는 광학 장치(500)의 사용목적과 요구되는 성능에 따라 달라질 수 있다. 렌즈부(550)의 성능을 결정하는 요소로 시야(Field Of View, FOV), 균일성(Uniformity of Angle) 또는 빔확산각(Beam Divergence Angle) 등을 예로 들 수 있다. 예를 들면, 렌즈부(550)는 120도의 시야(FOV)를 가지도록 설계할 수 있다. 렌즈부(550)가 단일 렌즈로 구성되는 경우에 비해 복수의 렌즈를 사용하는 경우, 광학 장치(500)가 필요로 하는 요구조건(즉, 시야, FOV)을 만족하기 용이할 수 있다.
도10은 도9에 도시된 제5 광학 장치(500)에 적용 가능한 제1 렌즈 구조(60A)를 설명한다.
도시된 바와 같이, 제1렌즈 구조(60A)는 폭(W1)이 20mm, 높이(H1)가 5mm인 하나의 렌즈를 포함할 수 있다. 광선이 입력되는 입사부의 폭(IW1)은 5mm이고, 투과하여 출력되는 광출부의 폭(OW1)은 14mm이다. 제1렌즈 구조(60A)와 광조향부(미도시)의 간격(D1, 광선이 방출하는 곳에서 렌즈의 입사부 사이 간격)은 2mm이다. 제1렌즈 구조(60A)는 균일성(uniformity of angle)이 60%이고, 시야(FOV)는 120도이고, 빔확산각은 4~17도의 특징을 가지고 있다. 하나의 렌즈를 가지는 제1렌즈 구조(60A)의 경우, 빔확산각이 비교적 커서 광학 장치(400)의 사용목적에 따라 적용이 제한될 수 있다.
제1렌즈 구조(60A)는 하나의 렌즈로 구성되지만, 광조향부의 제1조향각을 0~±100도의 범위로 재조정할 수 있다. 광조향부에 입사되는 제3광선의 광축을 기준으로, 제1렌즈 구조(60A)의 입사각을 제1렌즈 구조(60A)의 굴절각으로 나눈 값은 0.1~100 범위를 가질 수 있다.
도11은 도9에 도시된 제5 광학 장치(500)에 적용 가능한 제2 렌즈 구조(60B)를 설명한다.
도시된 바와 같이, 제2렌즈 구조(60B)는 폭(W2)이 32mm, 높이(H2)가 15mm인 복수의 렌즈의 조합을 포함할 수 있다. 광선이 입력되는 입사부의 폭(IW2)은 8mm이고, 투과하여 출력되는 광출부의 폭(OW2)은 23mm이다. 제1렌즈 구조(60B)와 광조향부(미도시)의 간격(D2, 광선이 방출하는 곳에서 렌즈의 입사부 사이 간격)은 5mm이다. 제2렌즈 구조(60B)는 균일성(uniformity of angle)이 90%이고, 시야(FOV)는 120도이고, 빔확산각은 3.4~4.7도의 특징을 가지고 있다.
제2렌즈 구조(60B)는 두 개의 렌즈로 구성되지만, 광조향부의 제1조향각을 0~±100도의 범위로 재조정할 수 있다. 광조향부에 입사되는 제3광선의 광축을 기준으로, 제1렌즈 구조(60B)의 입사각을 제2렌즈 구조(60B)의 굴절각으로 나눈 값은 0.1~100 범위를 가질 수 있다.
도12는 도9에 도시된 제5 광학 장치(500)에 적용 가능한 제3 렌즈 구조(60C)를 설명한다.
도시된 바와 같이, 제3렌즈 구조(60C)는 폭(W3)이 45mm, 높이(H3)가 25mm인 복수의 렌즈의 조합을 포함할 수 있다. 광선이 입력되는 입사부의 폭(IW1)은 14mm이고, 투과하여 출력되는 광출부의 폭(OW1)은 32mm이다. 제3렌즈 구조(60C)와 광조향부(미도시)의 간격(D3, 광선이 방출하는 곳에서 렌즈의 입사부 사이 간격)은 8mm이다. 제1렌즈 구조(60C)는 균일성(uniformity of angle)이 90%이고, 시야(FOV)는 120도이고, 빔확산각은 0.4~3.4도의 특징을 가지고 있다.
제1렌즈 구조(60C)는 세 개의 렌즈로 구성되지만, 광조향부의 제1조향각을 0~±100도의 범위로 재조정할 수 있다. 광조향부에 입사되는 제3광선의 광축을 기준으로, 제1렌즈 구조(60A)의 입사각을 제1렌즈 구조(60C)의 굴절각으로 나눈 값은 0.1~100 범위를 가질 수 있다.
렌즈부(550, 도9참조)에 포함되는 단일 렌즈, 복수의 렌즈 조합 또는 복수의 렌즈와 개구부의 조합 등은 광학 장치(500, 도9참조)의 사용목적과 요구되는 성능 및 집적도 등에 따라 변경이 가능하다. 예를 들어, 복수 개의 렌즈를 사용한 조합으로 렌즈부를 구성하는 경우, 단일 렌즈를 사용하는 경우에 비해 렌즈부의 입광 영역 및 출광 영역을 넓힐 수 있다. 따라서, 렌즈부는 탐지부(540, 도9참조)에서 출력된 광선의 조향각을 증가시킬 수 있는 범위를 더 크게 할 수 있다.
도13은 도12의 제3 렌즈 구조(60C)의 효과를 설명한다. 구체적으로, 도13(a)는 제5 광학 장치(500)가 제3 렌즈 구조(60C)를 포함한 경우를 설명하고, 도13(b)는 제5 광학 장치(500)가 별도의 렌즈부(450)를 포함하지 않은 경우를 설명한다.
도13의 (a)와 (b)를 비교하면, 동일한 조건의 광원을 사용한 경우에서 광학 장치가 렌즈 구조를 포함하는 지에 따라 출광 효율이 달라짐을 알 수 있다. 또한, 렌즈부(550)를 사용하는 경우 출광 영역 및 광원 장치의 스캔 가능한 영역이 넓어질 수 있다.
전술한 광학 장치는 LIDAR(Light Detection And Ranging) 기술을 포함하고 있으며, 레이저 펄스를 주사하여, 반사된 레이저 펄스의 도달시간을 측정함으로써 반사 지점의 공간 위치 좌표를 계산해내어 3차원의 정보를 추출할 수 있다. 따라서, 광학 장치를 이용할 경우 대상물의 특성에 따라 반사되는 시간이 모두 다르기 때문에 건물 및 지형지물의 정확한 수치표고모델(Digital Elevation Model, DEM) 생성이 가능하다. 또한, 광학 장치를 이용하면, 고해상도 영상과 융합되어 건물 레이어의 자동 구축, 광학영상에서 획득이 어려운 정보의 획득, 취득된 고정밀 수치표고모델을 이용하여 지형 수치표고모델과 건물 및 구조물 DEM으로 구분하여 생성하여 융합함으로써 신속하고 효율적으로 3차원 모델을 생성할 수 있다. 또한, 광학 장치는 차량에 장착되어 도로의 수치표고모델, 도로경계선, 도로 시설물 등의 3차원 공간정보를 추출하는 시스템에 적용될 수 있어, 차량용 무인 운행 시스템뿐만 아니라 도심지역의 정밀 수치표고모델 및 도로의 수치표고모델 취득에 효율적으로 활용이 가능하다.
이상에서 실시 예를 중심으로 설명하였으나 이는 단지 예시일 뿐 본 발명을 한정하는 것이 아니며, 본 발명이 속하는 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 본 실시예의 본질적인 특성을 벗어나지 않는 범위에서 이상에 예시되지 않은 여러 가지의 변형과 응용이 가능함을 알 수 있을 것이다. 예를 들어, 실시예에 구체적으로 나타난 각 구성 요소는 변형하여 실시할 수 있는 것이다. 그리고 이러한 변형과 응용에 관계된 차이점들은 첨부된 청구 범위에서 규정하는 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
따라서, 상기의 상세한 설명은 모든 면에서 제한적으로 해석되어서는 아니되고 예시적인 것으로 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 첨부된 청구항의 합리적 해석에 의해 결정되어야 하고, 본 발명의 등가적 범위 내에서의 모든 변경은 본 발명의 범위에 포함된다.
100, 200, 300, 400, 500: 광학 장치
110, 210, 310, 410: 광전송부
120, 220, 320, 420: 광수신부
130, 230, 330, 430: 광분리부
140, 240, 340, 540: 탐지부
280: 사분파장 파장판
470: 필터부
550: 렌즈부

Claims (13)

  1. 일정 영역을 촬영하기 위한 제1광선을 생성하는 광전송부;
    상기 일정 영역에서 돌아오는 제2광선을 감지하는 광수신부;
    상기 제1광선 및 상기 제2광선을 구분하여 전달하기 위한 광분리부; 및
    상기 제1광선을 제1조향각만큼 광축을 변경하여 송신하고 상기 제2광선을 수신하는 초소형 전자기계 거울(MEMS Mirror)을 포함하는 탐지부
    를 포함하는, 광학 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 광분리부와 상기 탐지부 사이에 위치하여 상기 제1광선 및 상기 제2광선의 산란을 방지하는 사분파장 파장판(quarter-wave plate, QWP)을 더 포함하는, 광학 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 광분리부는
    중심에 상기 제1광선을 통과시키기 위한 개구부(aperture); 및
    외곽에 상기 제2광선을 반사시키기 위한 반사부를 포함하는, 광학 장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 개구부의 크기는 상기 제1광선의 빔 스팟(Beam Spot)의 크기보다 크고 상기 제1광선의 적어도 50%를 통과시키며, 상기 반사부는 상기 초소형 전자기계 거울(MEMS Mirror)의 크기에 3~4배의 크기를 가지는, 광학 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 광분리부로부터 전달되는 상기 제2광선의 노이즈(noise)를 제거하여 상기 광수신부로 전달하기 위한 필터부를 더 포함하는, 광학 장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 필터부는
    상기 제2광선의 기 설정된 파장 영역을 선택적으로 흡수해 분광(分光)분포를 바꾸어 전달하는 렌즈 필터;
    상기 제2광선의 기 설정된 파장 영역을 선택적으로 반사시키는 반사 필터; 및
    상기 제2광선의 기 설정된 파장 영역을 선택적으로 투과시키는 투과 필터 중 적어도 하나를 포함하는, 광학 장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 광전송부, 상기 광수신부, 상기 광분리부 또는 상기 탐지부의 사이에 위치하여 상기 제1광선 또는 상기 제2광선을 전달하기 위한 적어도 하나의 반사부를 포함하는, 광학 장치.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 광전송부는
    광원장치로부터 전달된 제1광원을 시준화하는 시준렌즈(Collimation Lens); 및
    시준화된 상기 제1광원을 분산시켜 상기 제1광선을 생성하는 광학 위상 어레이(optical phase array)를 포함하는, 광학 장치.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 제1광원은 파면의 직경 혹은 장축의 길이가 100nm~2mm의 범위를 가지는 레이저인, 광학 장치.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 광학 위상 어레이는 위상 제어가 가능한 m x n 행렬 형태(m, n은 3이상의 자연수, (m x n) ≥ k)의 소자들로 구성되어 있으며, 각각의 소자들은 복수의 방향 벡터에 대한 이산 공간(Discrete Space) 형태로 분포된, 광학 장치.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 소자들이 구면을 포함하는 경우, 상기 구면의 곡률의 절대값은 10 mm보다 크고, 상기 소자들이 요철 형태의 표면을 포함하는 경우, 상기 요철의 높이는 1 mm보다 작은, 광학 장치.
  12. 제10항에 있어서,
    상기 소자들은 상기 제1광원의 파면의 1.5배 이상의 크기를 가지고, 1~2.7 범위의 굴절률을 가지는, 광학 장치.
  13. 제10항에 있어서,
    상기 소자들로부터 출력된 광선의 빔 스팟(beam spot)의 크기를 상기 빔 스팟의 간격으로 나눈 값은 0.5 이하인, 광학 장치.
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