KR20220158307A - LIDAR device using reflective beam expander - Google Patents

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KR20220158307A KR1020210065888A KR20210065888A KR20220158307A KR 20220158307 A KR20220158307 A KR 20220158307A KR 1020210065888 A KR1020210065888 A KR 1020210065888A KR 20210065888 A KR20210065888 A KR 20210065888A KR 20220158307 A KR20220158307 A KR 20220158307A
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Abstract

The present invention relates to a LiDAR device using a reflective beam expander and being capable of miniaturization and realizing stability of laser beam alignment. The LiDAR device comprises: a transmission unit for transmitting a laser beam in the air direction by expanding the laser beam; and a receiving unit comprising a receiving telescope and a receiving optical system, each for receiving and detecting beams resulting from a laser beam transmitted from the transmission unit into the air scattered by air molecules or aerosols, which are targets. The transmission unit comprises: a laser beam generation unit for generating and outputting the laser beam; and one reflective beam expander for reflecting and expanding a plurality of laser wavelengths output from the laser beam generation unit. Thus, it is possible to realize miniaturization of LiDAR devices and simplification of components.

Description

반사형 빔확대기를 이용한 라이다 장치{LIDAR device using reflective beam expander} LIDAR device using reflective beam expander {LIDAR device using reflective beam expander}

본 발명은 반사형 빔확대기를 이용한 라이다 장치에 관한 것으로, 특히 라이다 장치를 소형으로 제작하며 레이저 빔 정렬의 안정성을 실현할 수 있는 반사형 빔확대기를 이용한 라이다 장치에 관한 것이다.The present invention relates to a lidar device using a reflective beam expander, and more particularly, to a lidar device using a reflective beam expander capable of realizing stability of laser beam alignment while miniaturizing the lidar device.

라이다(LIDAR, Light Detection And Ranging)는 레이저 빔(송신 빔)의 파장을 대기 중으로 조사하고, 대기 중 공기분자나 에어로졸에 의해 산란된 산란광(수신빔)을 망원경과 광센서를 통해 수집하여 물리적인 특성을 관측하는 장비이다. 이와 같은 라이다를 사용하는 라이다 장치는 펄스 레이저광을 대기중에 발사해 그 반사체 또는 산란체를 이용하여 거리 또는 대기현상 등을 측정하는 장치로서, 레이저 레이더라고도 한다. LIDAR (Light Detection And Ranging) irradiates the wavelength of a laser beam (transmission beam) into the air, collects scattered light (reception beam) scattered by air molecules or aerosols in the atmosphere through a telescope and an optical sensor, and It is a device that observes the characteristics of phosphorus. A lidar device using such a lidar is a device that emits pulsed laser light into the air and measures distance or atmospheric phenomena using the reflector or scatterer, and is also called laser radar.

현재 사용 중인 라이다 장치는 레이저 빔이 퍼져 나가는 것을 방지하기 위하여 레이저 빔을 가능한 한 크게 확대하여 대기 중에 조사해야 하였다. 이는 확대 값이 클수록, 레이저 빔의 발산각이 작아질 수 있기 때문이다.In the currently used LiDAR device, the laser beam must be expanded as large as possible and irradiated into the air in order to prevent the laser beam from spreading. This is because the divergence angle of the laser beam may decrease as the magnification value increases.

그래서 레이저 빔 발산각을 줄여주기 위하여 굴절형 빔확대기(렌즈형)를 이용하여 레이저 빔 발산각을 줄여서 대기중으로 조사하고 있다.Therefore, in order to reduce the divergence angle of the laser beam, a refracting beam expander (lens type) is used to reduce the divergence angle of the laser beam and irradiate into the atmosphere.

레이저의 발산각은 원거리로 레이저를 보내야 하는 경우 매우 중요한 변수로써, 일반적으로 레이저 빔이 대기 중으로 조사되면 대기의 온도나 굴절률의 변화 때문에 자체적으로 빔의 발산각이 생기고, 그 크기는 약 10 mrad 정도가 된다.The divergence angle of the laser is a very important variable when the laser beam is to be sent to a long distance. Generally, when the laser beam is irradiated into the air, the divergence angle of the beam is generated by itself due to the change in the temperature or refractive index of the atmosphere, and the size is about 10 mrad. becomes

이러한 값은 라이다 설계 시, 스캐닝 범위인 라이다의 최저 화각(FOV, Field Of View)를 결정하는 요소가 된다. 일반적으로 레이저 발산각은 약 1 mrad 이내이며, 굴절형 빔확대기 장치를 이용하여 확대하면 발산각이 그 배율만큼 줄어들기 때문에 원거리로 레이저 빔을 조사하기 위해서는 빔을 확대하여 보낸다.These values become factors that determine the lowest field of view (FOV) of the lidar, which is the scanning range, when designing the lidar. In general, the divergence angle of the laser is within about 1 mrad, and since the divergence angle is reduced by the magnification when magnified using a refractive beam expander device, the beam is expanded and sent to irradiate the laser beam at a long distance.

이러한 라이다 기술의 일 예가 하기 문헌 1 내지 3 등에 개시되어 있다.An example of such LiDAR technology is disclosed in Documents 1 to 3 and the like.

예를 들어, 하기 특허문헌 1에는 라이다 시스템의 스캐너로 센싱광을 제공하는 라이다 광학장치로서, 기 설정된 파장을 갖는 센싱광을 출력하는 광원, 수평면과 기 설정된 제1 각도를 이루도록 배치되며, 상기 센싱광을 상기 라이다 시스템의 스캐너로 반사시키는 미러, 상기 미러가 수평면과 이루는 각도를 조정하는 각도 조정부, 기 설정된 크기를 가지며, 상기 라이다 시스템이 동작하는 도중에도 상기 라이다 시스템의 외부에서 상기 각도 조정부를 이용해 상기 미러가 수평면과 이루는 각도를 조정할 수 있도록, 하우징의 일면에 구비되는 구멍 및 타깃으로부터 반사되어 상기 라이다 시스템의 스캐너로부터 진입하는 반사광을 수광하여 전기신호로 변환하는 광 검출부를 포함하는 라이다 광학장치에 대해 개시되어 있다.For example, Patent Document 1 below is a lidar optical device for providing sensing light to a scanner of a lidar system, a light source for outputting sensing light having a preset wavelength, and disposed to form a preset first angle with a horizontal plane, A mirror for reflecting the sensing light to the scanner of the lidar system, an angle adjustment unit for adjusting the angle formed by the mirror with a horizontal plane, and a preset size, and even while the lidar system is operating, from the outside of the lidar system. An optical detector for receiving reflected light reflected from a hole and a target provided on one surface of the housing and entering from the scanner of the LIDAR system so that the angle formed by the mirror with the horizontal plane can be adjusted using the angle adjusting unit, and converts the reflected light into an electrical signal. A lidar optical device including

또 하기 특허문헌 2에는 레이저부로부터 발사된 레이저에 대한 발산각을 감소시키는 빔확대부, 상기 발산각이 감소된 레이저를 투과시키는 에탈론, 상기 투과한 레이저를 대상물체로 조사하고, 상기 대상물체로부터 후방 산란하는 후방산란신호를 수신하는 송수신부 및 상기 후방산란신호 중 상기 에탈론을 투과하는 제1 산란신호를 이용하여, 바람장 특성을 측정하는 프로세서를 포함하는 도플러 라이다 장치에 대해 개시되어 있다.In addition, in Patent Document 2, a beam magnifying unit for reducing the divergence angle of the laser emitted from the laser unit, an etalon for transmitting the laser having a reduced divergence angle, irradiating the transmitted laser to a target object, and Disclosed is a Doppler lidar device including a transceiver for receiving a backscattered signal from a backscatter and a processor for measuring a wind field characteristic using a first scattering signal transmitted through the etalon among the backscattered signals. have.

한편, 하기 특허문헌 3에는 수평면과 제1 각도를 이루도록 배치되고, 반사면을 구비하는 반사미러, 상기 반사미러의 상단 끝 부분과 이격되어 형성되는 송광 경로를 따라 펄스 레이저를 출력하는 광원, 상기 펄스 레이저가 측정 타깃으로 진행하도록 콜리메이트 빔(collimated beam) 또는 다이버전스 빔(divergence beam)을 생성하고, 상기 측정 타깃에서 반사된 광을 수광하여 상기 반사면에 전달하는 송수광 단일렌즈, 상기 반사면을 향하도록 배치되고, 상기 반사면에서 반사된 광을 전기신호로 변환하는 광검출부 및 상기 광원과 상기 광검출부 사이에 배치되는 산란 방지부를 포함하는 스캐닝 라이다에 대해 개시되어 있다.On the other hand, in Patent Document 3, a reflective mirror arranged to form a first angle with a horizontal plane and having a reflective surface, a light source for outputting a pulse laser along a light transmission path formed spaced apart from an upper end of the reflective mirror, and the pulse A light transmitting and receiving single lens that generates a collimated beam or a divergence beam so that the laser travels to the measurement target, receives the light reflected from the measurement target, and transmits it to the reflective surface, and the reflective surface Disclosed is a scanning lidar including a light detector disposed to face and converting light reflected from the reflective surface into an electrical signal, and an anti-scattering unit disposed between the light source and the light detector.

대한민국 등록특허공보 제10-1814129호(2017.12.26 등록)Republic of Korea Patent Registration No. 10-1814129 (registered on December 26, 2017) 대한민국 등록특허공보 제10-1282494호(2013.06.28 등록)Republic of Korea Patent Registration No. 10-1282494 (registered on June 28, 2013) 대한민국 등록특허공보 제10-2235710호(2021.03.29 등록)Republic of Korea Patent Registration No. 10-2235710 (registered on March 29, 2021)

상술한 바와 같은 특허문헌 1에서는 라이다 시스템이 가동중인 상태에서도 센싱광이 조사되는 각도를 조정함으로써 정밀한 스캐닝 영역의 조정이 가능한 기술에 대해 개시되어 있지만, 미러부의 회전을 제어하기 위한 모터부가 마련되어 장치의 소형화를 달성할 수 없다는 문제가 있었다.Patent Document 1 as described above discloses a technology capable of precisely adjusting the scanning area by adjusting the angle to which the sensing light is irradiated even when the lidar system is in operation, but a motor unit for controlling the rotation of the mirror unit is provided. There was a problem that miniaturization could not be achieved.

또, 상기 특허문헌 2에서는 바람장 특성을 용이하게 측정할 수 있도록 에탈론을 투과한 레이저를 대상물체로 송신하는 구조를 마련하였지만, 특허문헌 2에서도 제1 빔분할부 및 제2 빔분할부를 적용하므로, 라이다 장치를 소형으로 제작하기가 곤란하고, 빔 정렬이 틀어지는 문제가 발생하였다.In addition, in Patent Document 2, a structure for transmitting a laser transmitted through an etalon to an object is provided so that the wind field characteristics can be easily measured, but in Patent Document 2, the first beam splitter and the second beam splitter are applied. , It is difficult to manufacture a small LiDAR device, and there is a problem that the beam alignment is misaligned.

한편, 특허문헌 3에 개시된 기술에서는 다수의 정렬점이 존재하는 문제를 해결하기 위해 송수광 단일렌즈 광학계 구조를 제안하였지만, 회전 미러를 적용하므로, 특허문헌 1과 같이 장치의 소형화를 달성할 수 없다는 문제가 있었다.On the other hand, in the technology disclosed in Patent Document 3, a light transmission/reception single lens optical system structure was proposed to solve the problem of having a large number of alignment points, but since a rotating mirror is applied, the problem that miniaturization of the device cannot be achieved as in Patent Document 1 there was

상술한 바와 같이, 종래의 기술에 따른 라이다 장치에서는 대기 중으로 한 개 이상의 레이저 파장을 조사할 경우 레이저 파장에 따라 복수개의 굴절형 빔확대기가 필요하여 라이다 장치를 소형으로 제작하기 어렵다는 문제가 있었다. 또, 복수개의 굴절형 빔 확대기를 사용해야 하므로, 그에 따른 다양한 광학부품이 사용되고, 다수의 광학부품으로 인하여 레이저 빔 출력의 저하가 발생하고, 빔 정렬에 대하여 민감하게 반응하여 빔 정렬이 틀어지는 문제가 발생하였다.As described above, in the conventional lidar device, when one or more laser wavelengths are irradiated into the air, a plurality of refracting beam expanders are required according to the laser wavelength, so it is difficult to manufacture the lidar device in a small size. . In addition, since a plurality of refracting beam expanders must be used, various optical parts are used accordingly, and a decrease in laser beam output occurs due to the plurality of optical parts, and a problem in that the beam alignment is misaligned due to a sensitive response to beam alignment occurs. did

또한, 라이다 장치는 하나의 망원경으로 레이저 빔을 수집해야 하므로, 동일한 광축으로 레이저를 조사하여야 하는데 굴절형 빔확대기를 여러 개를 사용할 경우 최종적으로 빔을 동일한 광축으로 결합하여야 하는 문제도 있었다. In addition, since the lidar device must collect laser beams with one telescope, the laser must be irradiated with the same optical axis, but when using multiple refractive beam expanders, there is a problem that the beams must be finally combined with the same optical axis.

본 발명의 목적은 상술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위해 이루어진 것으로서, 하나의 광학 장치로 복수개의 레이저 파장을 확대하여 다른 부가적인 광학장치를 최소화하여 레이저 빔 정렬의 안정성을 제공할 수 있는 반사형 빔확대기를 이용한 라이다 장치를 제공하는 것이다.An object of the present invention has been made to solve the above-mentioned problems, and a reflective beam capable of providing stability of laser beam alignment by minimizing other additional optical devices by expanding a plurality of laser wavelengths with one optical device. To provide a lidar device using an enlarger.

본 발명의 다른 목적은 광축을 일치시키기 위한 다른 광학 부품이 필요 없으며, 색수차가 없기 때문에 복수개의 레이저 파장도 하나의 반사형 빔확대기를 사용하여 장치 부품의 단순화를 실현할 수 있는 반사형 빔확대기를 이용한 라이다 장치를 제공하는 것이다.Another object of the present invention is to use a reflective beam expander that can realize simplification of device parts by using one reflective beam expander even for a plurality of laser wavelengths because there is no need for other optical components for matching optical axes and there is no chromatic aberration. It is to provide a lidar device.

본 발명의 또 다른 목적은 부가적인 광학장치를 최소화하여 장치의 소형화를 실현할 수 있는 반사형 빔확대기를 이용한 라이다 장치를 제공하는 것이다.Another object of the present invention is to provide a lidar device using a reflective beam expander capable of minimizing the size of the device by minimizing an additional optical device.

본 발명의 또 다른 목적은 부품의 단순화로 장치의 운영을 용이하게 실행할 수 있는 반사형 빔확대기를 이용한 라이다 장치를 제공하는 것이다.Another object of the present invention is to provide a LiDAR device using a reflective beam expander that can easily operate the device by simplifying parts.

상기 목적을 달성하기 위해 본 발명에 따른 반사형 빔확대기를 이용한 라이다 장치는 레이저 빔을 확대하여 대기 방향으로 송신하는 송신부, 상기 송신부에서 대기 중으로 송신된 레이저 빔이 타깃인 공기분자나 에어로졸에 의해 산란되는 빔을 수신하여 검출하는 수신망원경 및 수신광학계를 구비하는 수신부를 포함하고, 상기 송신부는 상기 레이저 빔을 생성하여 출력하는 레이저 빔 발생부 및 상기 레이저 빔 발생부에서 출력된 복수개의 레이저 파장을 반사 및 확대하는 하나의 반사형 빔확대기를 구비한 것을 특징으로 한다.In order to achieve the above object, a LIDAR device using a reflective beam expander according to the present invention is a transmitter that expands a laser beam and transmits it in the air direction, and the laser beam transmitted from the transmitter into the air is targeted by air molecules or aerosols. A receiving unit including a receiving telescope and a receiving optical system for receiving and detecting scattered beams, wherein the transmitting unit generates and outputs the laser beam and transmits a plurality of laser wavelengths output from the laser beam generating unit. It is characterized in that it has a reflection type beam expander that reflects and expands.

또 본 발명에 따른 라이다 장치에서, 상기 반사형 빔확대기는 250nm ~ 2㎛ 파장을 반사 및 확대시키는 것을 특징으로 한다.In addition, in the lidar device according to the present invention, the reflective beam expander is characterized in that it reflects and expands the 250nm ~ 2㎛ wavelength.

또 본 발명에 따른 라이다 장치에서, 상기 반사형 빔확대기는 본체를 포함하고, 상기 본체는 상기 본체의 일측에 마련되고, 상기 레이저 빔 발생부에서 발생된 복수개의 레이저 파장을 반사하여 확대시키는 제1 반사부 및 상기 본체의 타측에 마련되고, 상기 제1 반사부에서 확대된 복수개의 레이저 파장을 수신하여 대기 방향으로 송신하는 제2 반사부를 포함하는 것을 특징으로 한다.In addition, in the LiDAR device according to the present invention, the reflective beam expander includes a main body, the main body is provided on one side of the main body, and reflects and expands a plurality of laser wavelengths generated by the laser beam generator. It is characterized in that it includes a first reflector and a second reflector provided on the other side of the main body, receiving a plurality of laser wavelengths magnified by the first reflector and transmitting them in an atmospheric direction.

또 본 발명에 따른 라이다 장치에서, 상기 제1 반사부 및 제2 반사부는 각각 알루미늄이 코팅된 구면 거울을 포함하고, 상기 본체 내에 각각 끼워 맞추어지는 것을 특징으로 한다.In addition, in the LiDAR device according to the present invention, the first reflector and the second reflector each include a spherical mirror coated with aluminum, and are respectively fitted into the main body.

또 본 발명에 따른 라이다 장치에서, 상기 제1 반사부는 오목 거울의 기능을 구비하고, 상기 제2 반사부는 볼록 거울의 기능을 구비한 것을 특징으로 한다.In addition, in the LiDAR device according to the present invention, the first reflector has a function of a concave mirror, and the second reflector is characterized in that it has a function of a convex mirror.

또 본 발명에 따른 라이다 장치에서, 상기 제1 반사부의 곡률 반경은 상기 제2 반사부의 곡률 반경보다 작게 형성된 것을 특징으로 한다.In addition, in the lidar device according to the present invention, the radius of curvature of the first reflector is characterized in that formed smaller than the radius of curvature of the second reflector.

상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 반사형 빔확대기를 이용한 라이다 장치에 의하면, 레이저 빔을 확대하여 대기 방향으로 송신하는 송신부에 레이저 빔 발생부에서 출력된 복수개의 레이저 파장을 반사 및 확대하는 반사형 빔확대기를 하나의 부품으로 마련하는 것에 의해, 라이다 장치의 소형화 및 부품의 단순화를 실현할 수 있다.As described above, according to the LIDAR device using the reflective beam expander according to the present invention, a plurality of laser wavelengths output from the laser beam generator are reflected and magnified by a transmitting unit that expands the laser beam and transmits it in the air direction. By providing a type beam expander as one component, miniaturization of the lidar device and simplification of components can be realized.

또 본 발명에 따른 반사형 빔확대기를 이용한 라이다 장치에 의하면, 제1 반사부 및 제2 반사부가 각각 알루미늄이 코팅된 구면 거울로 마련되므로 장치의 경량화를 달성할 수 있다는 효과가 얻어진다.In addition, according to the LiDAR device using a reflective beam expander according to the present invention, since the first reflector and the second reflector are provided as aluminum-coated spherical mirrors, the effect of achieving weight reduction of the device is obtained.

또 본 발명에 따른 반사형 빔확대기를 이용한 라이다 장치에 의하면, 레이저 빔 발생부와 레이저 빔을 반사하여 확대시키는 제1 반사부가 동일 축에 마련되므로, 레이저 빔 정렬의 안정성을 제공할 수 있다는 효과가 얻어진다.In addition, according to the LiDAR device using the reflective beam expander according to the present invention, since the laser beam generator and the first reflector for reflecting and expanding the laser beam are provided on the same axis, the effect of providing stability in laser beam alignment is obtained

또 본 발명에 따른 반사형 빔확대기를 이용한 라이다 장치에 의하면, 레이저 파장을 반사 및 확대하는 반사형 빔확대기를 하나의 부품으로 마련하는 것에 의해 장치의 운영을 용이하게 실현할 수 있다는 효과가 얻어진다.In addition, according to the LIDAR device using the reflective beam expander according to the present invention, by providing a reflective beam expander that reflects and expands the laser wavelength as one component, the effect of easily realizing the operation of the device is obtained. .

도 1은 일반적인 굴절형 빔확대기 라이다 장치의 구성을 나타내는 도면,
도 2는 본 발명에 따른 반사형 빔확대기를 이용한 라이다 장치의 구성을 나타내는 도면,
도 3은 도 2에 도시된 반사형 빔확대기의 구성을 나타내는 도면,
도 4는 도 3에 도시된 제1 반사부와 제2 반사부의 기능을 설명하기 위한 도면,
도 5는 제1 반사부와 제2 반사부에서의 반사율을 설명하기 위한 그래프. 1 is a view showing the configuration of a general refractive beam expander lidar device;
2 is a view showing the configuration of a lidar apparatus using a reflective beam expander according to the present invention;
3 is a view showing the configuration of the reflective beam expander shown in FIG. 2;
4 is a view for explaining the functions of the first reflector and the second reflector shown in FIG. 3;
5 is a graph for explaining reflectance in a first reflector and a second reflector;

본 발명의 상기 및 그 밖의 목적과 새로운 특징은 본 명세서의 기술 및 첨부 도면에 의해 더욱 명확하게 될 것이다.The above and other objects and novel features of the present invention will become more apparent from the description of this specification and accompanying drawings.

먼저, 본 발명에 적용되는 라이다 장치의 구성에 대해 도 1을 참조하여 설명한다. 도 1은 일반적인 굴절형 빔확대기 라이다 장치의 구성을 나타내는 도면이다.First, the configuration of the LiDAR apparatus applied to the present invention will be described with reference to FIG. 1 . 1 is a diagram showing the configuration of a typical refractive beam expander LiDAR device.

일반적인 라이다 장치는 도 1에 도시된 바와 같이, 대기 중의 타깃(20)을 향해 레이저를 송신하는 송신부(10)와 대기 중에서 산란된 레이저 빔을 수신하는 수신부(30)로 구성된다. 송신부(10)에서는 레이저에서 조사된 빔이 광학부품인 빔 분리기를 통해 분리되고, 파장 1은 빔 분리기를 투과하여 굴절형 빔 확대기 2에 입사하며, 빔 분리기에 반사된 파장 2는 거울을 이용하여 굴절형 빔 확대기 1에 입사되고 또 다른 거울에서 반사되어 최종 색 선별거울에서 두 파장의 빔의 경로가 일치되게 한다. 색 선별거울에서 일치된 파장 1과 2의 빔은 대기 중의 타깃(20)으로 조사된다.As shown in FIG. 1, a typical lidar device includes a transmitter 10 that transmits a laser beam toward a target 20 in the air and a receiver 30 that receives a scattered laser beam in the air. In the transmitter 10, the beam irradiated from the laser is separated through a beam splitter, which is an optical component, and wavelength 1 passes through the beam splitter and enters the refracting beam expander 2, and wavelength 2 reflected by the beam splitter uses a mirror. It is incident on the refracting beam expander 1 and reflected from another mirror to match the paths of the beams of the two wavelengths in the final color sorting mirror. The beams of wavelengths 1 and 2 matched by the color sorting mirror are irradiated to the target 20 in the air.

또, 예를 들어 대기 중에의 초미세먼지인 타깃(20)에서 산란되어 반사된 신호는 수신부(30)의 수신망원경(31)에 의해 수집되고, 수집된 신호는 수신광학계(32)인 광검출기를 통해 검출되고 신호 처리되어 오염물질에 대한 공간분포, 양, 종류와 같은 다양한 정보를 획득할 수 있다. In addition, signals scattered and reflected by the target 20, which is, for example, ultrafine dust in the air, are collected by the receiving telescope 31 of the receiving unit 30, and the collected signals are received by the receiving optical system 32, which is a photodetector. Through the detection and signal processing, various information such as spatial distribution, quantity, and type of pollutants can be obtained.

그러나 도 1에 도시된 바와 같은 라이다 장치에서는 빔 분리기, 다수의 빔 확대기, 다수의 거울 및 색 선별거울 등을 사용하므로, 장치의 소형화가 어렵고 빔을 동일한 광축으로 결합하여야 하는 문제도 있었다.However, since the lidar device shown in FIG. 1 uses a beam splitter, a plurality of beam expanders, a plurality of mirrors, and a color sorting mirror, etc., it is difficult to miniaturize the device and has a problem in that the beams must be coupled to the same optical axis.

본 발명은 상술한 바와 같은 문제를 해결하기 위해 이루어진 것으로서, 광학장치를 최소화하여 레이저 빔 정렬의 안정성을 제공하기 위해 마련되었다.The present invention has been made to solve the above problems, and has been prepared to provide stability of laser beam alignment by minimizing an optical device.

이하, 본 발명에 따른 실시 예를 도면에 따라서 설명한다.Hereinafter, an embodiment according to the present invention will be described according to the drawings.

또 실시 예의 설명에서 상술한 도 1과 동일한 구성에 대해서는 동일 번호를 부여하고 그 반복적인 설명은 생략한다.Also, in the description of the embodiment, the same reference numerals are assigned to the same components as those of FIG. 1 described above, and repetitive description thereof will be omitted.

도 2는 본 발명에 따른 반사형 빔확대기를 이용한 라이다 장치의 구성을 나타내는 도면이고, 도 3은 도 2에 도시된 반사형 빔확대기의 구성을 나타내는 도면이다.FIG. 2 is a diagram showing the configuration of a LIDAR device using a reflective beam expander according to the present invention, and FIG. 3 is a diagram showing the configuration of the reflective beam expander shown in FIG. 2 .

본 발명에 따른 라이다 장치는 도 2에 도시된 바와 같이, 레이저 빔을 확대하여 대기 방향으로 송신하는 송신부(100), 상기 송신부(100)에서 대기 중으로 송신된 레이저 빔이 타깃(20)인 공기분자나 에어로졸에 의해 산란되는 빔을 수신하여 검출하는 수신망원경(31) 및 수신광학계(32)를 구비하는 수신부(30)를 포함한다.As shown in FIG. 2, the lidar device according to the present invention includes a transmitter 100 that expands a laser beam and transmits it in the air direction, and the laser beam transmitted from the transmitter 100 into the air is the target 20, the air. It includes a receiving unit 30 having a receiving telescope 31 and a receiving optical system 32 for receiving and detecting beams scattered by molecules or aerosols.

또, 본 발명에 따른 라이다 장치에서는 수신광학계(32)의 광검출기를 통해 검출되고 저장매체로 저장되며, 저장된 신호들을 분석하여 대기 중 특정 고도에 위치하는 입자상 오염물질에 대한 공간분포, 양, 종류와 같은 다양한 정보를 획득하는 데이터 처리장치 및 처리된 데이터에 따라 대기의 오염 상태를 표시하는 표시장치를 포함할 수 있다. 또한, 상기 데이터 처리장치에서의 데이터 처리는 딥러닝 방식으로 실행되고, 상기 표시장치에는 초미세먼지 혹은 미세먼지 배출정보뿐만 아니라, 미세먼지 입자 종류와 같은 정성적인 정보로서 작은 구형의 입자(인위적 기원의 오염물질: 황산염, 블랙카본 등, 인체에 유해성이 좀 더 큼), 큰 비구형 입자 (황사, 비산먼지, 꽃가루 등) 정보를 표시할 수도 있다. In addition, in the lidar device according to the present invention, it is detected through the photodetector of the receiving optical system 32 and stored as a storage medium, and the stored signals are analyzed to determine the spatial distribution, amount, and It may include a data processing device for obtaining various types of information and a display device for displaying the pollution state of the air according to the processed data. In addition, data processing in the data processing device is performed by a deep learning method, and small spherical particles (artificial origin) as qualitative information such as ultrafine dust or fine dust emission information as well as fine dust particle types are displayed in the display device. of pollutants: sulfate, black carbon, etc., which are more harmful to the human body), large non-spherical particles (yellow dust, scattering dust, pollen, etc.) information can also be displayed.

상기 송신부(100)는 도 2에 도시된 바와 같이, 레이저 빔을 생성하여 출력하는 레이저 빔 발생부(110) 및 상기 레이저 빔 발생부(110)에서 출력된 복수개의 레이저 파장을 반사 및 확대하는 하나의 반사형 빔확대기(120)를 구비한다. 즉 본 발명에서는 도 1에 도시된 바와 같은 빔 분리기, 다수의 빔 확대기, 다수의 거울 및 색 선별거울 등의 기능이 다른 광학부품의 필요없이 하나의 반사형 빔확대기(120)에 의해 실현되므로, 부품의 단순화를 실현하여 라이다 장치의 소형화를 구현할 수 있다. As shown in FIG. 2, the transmitter 100 includes a laser beam generator 110 that generates and outputs a laser beam and one that reflects and expands a plurality of laser wavelengths output from the laser beam generator 110. It is provided with a reflective beam expander 120 of. That is, in the present invention, since functions such as a beam splitter, a plurality of beam expanders, a plurality of mirrors, and a color sorting mirror as shown in FIG. 1 are realized by one reflective beam expander 120 without the need for other optical components, By realizing the simplification of the parts, it is possible to realize the miniaturization of the LiDAR device.

상기 레이저 빔 발생부(110)는 광원으로 마이크로칩 레이저(Microchip Laser)를 사용하고, 250nm ~ 2㎛ 파장을 출력할 수 있다. 예를 들어, 상기 레이저 빔 발생부(110)는 1064nm, 532nm 또는 355nm 중 적어도 어느 하나 파장을 갖는 레이저를 대기로 송신하도록 출력할 수도 있다.The laser beam generator 110 may use a microchip laser as a light source and output a wavelength of 250 nm to 2 μm. For example, the laser beam generating unit 110 may output a laser having at least one wavelength of 1064 nm, 532 nm, or 355 nm to be transmitted to the atmosphere.

상기 반사형 빔확대기(120)는 도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이, 본체(121)를 포함하고, 상기 본체(121)는 상기 본체의 일측에 마련되고, 상기 레이저 빔 발생부(110)에서 발생된 복수개의 레이저 파장을 반사하여 확대시키는 제1 반사부(122) 및 상기 본체의 타측에 마련되고, 상기 제1 반사부(122)에서 확대된 복수개의 레이저 파장을 수신하여 대기 방향으로 송신하는 제2 반사부(123)를 포함한다. 즉, 본체(121)는 알루미늄 재질로서 대략 "〔 " 형상으로 이루어지며, 상기 제1 반사부(122) 및 제2 반사부(123)는 각각 알루미늄이 코팅된 구면 거울 형상으로 이루어진다. 또 상기 설명에서는 본체(121)가 알루미늄 재질로 이루어진 구성을 설명하였지만, 이에 한정되는 것은 아니고 다른 금속 재질 또는 플라스틱 재질로 마련될 수 있다. 또한, 상기 제1 반사부(122) 및 제2 반사부(123)도 알루미늄이 코팅된 구면 거울 대신에 일반적인 라이다 장치에 사용되는 오목 거울 및 볼록 거울 재질을 적용할 수도 있다.As shown in FIGS. 2 and 3 , the reflective beam expander 120 includes a body 121, the body 121 is provided on one side of the body, and the laser beam generator 110 It is provided on the other side of the first reflector 122 and the main body for reflecting and magnifying a plurality of laser wavelengths generated from the first reflector 122 to receive and transmit the plurality of laser wavelengths magnified in the air direction. It includes a second reflector 123 that does. That is, the main body 121 is made of aluminum and has a substantially “[” shape, and the first reflector 122 and the second reflector 123 are each formed in the shape of a spherical mirror coated with aluminum. Also, in the above description, the main body 121 has been described as being made of aluminum, but is not limited thereto and may be made of other metal or plastic materials. In addition, the first reflector 122 and the second reflector 123 may also use concave and convex mirror materials used in general LiDAR devices instead of aluminum-coated spherical mirrors.

상기 제1 반사부(122) 및 제2 반사부(123)는 각각 도 2에 도시된 바와 같이, 레이저 빔 발생부(110)에서 발생된 레이저 빔에 대해 수평 방향으로서 약 45도 경사지게 본체(121)에 장착된다. 이와 같은 제1 반사부(122) 및 제2 반사부(123)는 본체(121)에 끼워 맞추어지는 구성으로 마련될 수도 있다.As shown in FIG. 2, the first reflector 122 and the second reflector 123 are inclined at an angle of about 45 degrees in the horizontal direction with respect to the laser beam generated by the laser beam generator 110. ) is mounted on The first reflector 122 and the second reflector 123 may be configured to be fitted to the main body 121 .

상기 제1 반사부(122)는 도 3에 도시된 바와 같이, 레이저 빔 발생부(110)와 동일 축 상에 마련되고, 레이저 빔 발생부(110)에서 출력되는 제1 파장과 제2 파장(레이저 빔)을 각각 확대 반사하도록 오목 거울의 기능을 구비하고, 상기 제2 반사부(123)는 제1 반사부(122)와 소정의 거리를 두고 레이저 빔 발생부(110)와 다른 축 상에 제1 반사부(122)와 대향하여 마련되고, 제1 반사부(122)에서 확대된 제1 파장 및 제2 파장을 대기중으로 송신하도록 볼록 거울의 기능을 구비한다. 따라서, 도 3에 화살표로 나타낸 바와 같이, 레이저 빔 발생부(110)에서 출력되는 제1 파장 및 제2 파장은 레이저 빔 발생부(110)의 장착 위치 방향으로 확대되어 대기중으로 송신된다.As shown in FIG. 3, the first reflector 122 is provided on the same axis as the laser beam generator 110, and the first wavelength and the second wavelength output from the laser beam generator 110 ( The second reflector 123 is on an axis different from the laser beam generator 110 at a predetermined distance from the first reflector 122 and It is provided to face the first reflector 122 and has a function of a convex mirror to transmit the first and second wavelengths magnified by the first reflector 122 into the air. Accordingly, as indicated by arrows in FIG. 3 , the first and second wavelengths output from the laser beam generating unit 110 are expanded in the direction of the mounting position of the laser beam generating unit 110 and transmitted into the air.

또한, 상기 반사형 빔확대기(120)에서는 도 4에 도시된 바와 같이, 레이저 빔이 확대되어 송신되도록, 상기 제1 반사부(122)의 곡률 반경은 상기 제2 반사부(123)의 곡률 반경보다 작게 형성된다. 도 4는 도 3에 도시된 제1 반사부와 제2 반사부의 기능을 설명하기 위한 도면이다.In addition, in the reflective beam expander 120, as shown in FIG. 4, the radius of curvature of the first reflector 122 is the radius of curvature of the second reflector 123 so that the laser beam is expanded and transmitted. formed smaller. FIG. 4 is a diagram for explaining functions of the first reflector and the second reflector shown in FIG. 3 .

한편, 본 발명에 따른 반사형 빔확대기(120)에서는 도 5에 도시된 바와 같이, 제1 반사부(122) 및 제2 반사부(123)의 반사율이 동일하게 마련된다. 도 5는 제1 반사부와 제2 반사부에서의 반사율을 설명하기 위한 그래프이다.Meanwhile, in the reflective beam expander 120 according to the present invention, as shown in FIG. 5, the first reflector 122 and the second reflector 123 have the same reflectance. 5 is a graph for explaining reflectance in a first reflector and a second reflector.

제2 반사부(123)를 통해 대기로 방출된 레이저 빔은 대기 중에 존재하는 황사, 꽃가루, 초미세먼지 등과 같은 입자상 대기오염물질과 만나게 되면 산란을 일으키고, 그 중 후방 산란한 빛은 수신부(30)의 수신망원경(Telescope, 31))를 통해 수집되고, 수집된 신호는 광검출기를 구비한 수신광학계(32)를 통해 검출되고 저장매체로 저장되며, 저장된 신호들은 데이터 처리장치에서 딥러닝의 기법을 통해 분석되며, 분석 결과는 표시장치에 대기 중 특정 고도에 위치하는 입자상 오염물질에 대한 공간분포, 양, 종류와 같은 다양한 정보로 표시될 수 있다. The laser beam emitted into the atmosphere through the second reflector 123 causes scattering when it encounters particulate air pollutants such as yellow dust, pollen, and ultrafine dust existing in the atmosphere, and the light that is backscattered is reflected in the receiving unit 30. ) is collected through the receiving telescope (Telescope, 31)), and the collected signals are detected through the receiving optical system 32 equipped with a photodetector and stored as a storage medium, and the stored signals are a deep learning technique in the data processing device. The analysis result can be displayed on the display device as various information such as spatial distribution, amount, and type of particulate pollutants located at a specific altitude in the atmosphere.

상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 라이다 장치에서는 신호 획득 모듈 및 내부 광학기기의 최적화 및 성능개선을 통해 반사형 빔확대기(120)를 초경량의 형태로 제작되고 저가로의 양산 가능하여 고정형뿐만 아니라 이동차량 탑재용의 형태로 제작이 가능하다. 또 수직뿐만 아니라 수평적 분포 측정이 가능한 형태로 이루어질 수 있으며, 약 4㎞ 고정확도는 3㎞ 이내)의 미세먼지 연직분포와 수평적으로는 360° 방향으로 10m 간격의 분해능을 갖는 4㎞ 반경 이내의 초미세먼지 분포를 수 분 단위로 측정하여 동 단위 혹은 학교와 같은 건물, 공단 주변의 초미세먼지 분포 정보를 실시간으로 표시 장치에 표출할 수 있다.As described above, in the lidar device according to the present invention, the reflective beam expander 120 is manufactured in an ultra-light form and can be mass-produced at low cost through optimization and performance improvement of the signal acquisition module and the internal optical device, so that it is not only a fixed type but also a fixed type. It can be manufactured in a form for mounting on a mobile vehicle. In addition, it can be made in a form capable of measuring horizontal as well as vertical distribution, and within a radius of 4 km with a vertical distribution of fine dust of about 4 km and high accuracy within 3 km) and a resolution of 10 m intervals in a 360° direction horizontally. By measuring the distribution of ultrafine dust in minutes, it is possible to display information on the distribution of ultrafine dust around buildings such as dong units, schools, and industrial complexes in real time on a display device.

즉, 본 발명에 적용되는 반사형 빔확대기(120)를 이용한 라이다 장치는 도 1에 도시된 굴절형 빔확대기 라이다 장치에 비해 광축을 일치시키기 위한 다른 광학 부품이 필요 없으며, 색수차가 없기 때문에 복수개의 레이저 파장도 하나의 반사형 빔확대기 장치를 사용하여 확대시킬 수 있다. 구체적으로, 굴절형 빔확대기 라이다 장치는 레이저 파장이 복수개일 경우 굴절형 빔확대기 또한 복수개가 필요하고, 광경로를 일치시키기 위하여 다양한 광학부품이 필요하여 광정렬이 틀어지는 문제가 발생하지만, 본 발명에 따른 반사형 빔확대기 라이다 장치는 부품의 단순화, 광학장치의 최소화에 의해 안정성을 확보할 수가 있다.That is, the lidar apparatus using the reflective beam expander 120 applied to the present invention does not require other optical components for matching optical axes compared to the refractive beam expander lidar apparatus shown in FIG. 1 and has no chromatic aberration. A plurality of laser wavelengths can also be amplified using a single reflective beam expander device. Specifically, when the refracting beam expander lidar device has a plurality of laser wavelengths, a plurality of refracting beam expanders are also required, and various optical components are required to match the optical path, resulting in a problem of optical alignment, but the present invention The reflective beam expander LIDAR device according to can secure stability by simplifying parts and minimizing optical devices.

이상 본 발명자에 의해서 이루어진 발명을 상기 실시 예에 따라 구체적으로 설명하였지만, 본 발명은 상기 실시 예에 한정되는 것은 아니고 그 요지를 이탈하지 않는 범위에서 여러 가지로 변경 가능한 것은 물론이다.Although the invention made by the present inventors has been specifically described according to the above embodiments, the present invention is not limited to the above embodiments and can be changed in various ways without departing from the gist of the invention.

본 발명에 따른 반사형 빔확대기를 이용한 라이다 장치를 사용하는 것에 의해 라이다 장치의 소형화 및 부품의 단순화를 실현할 수 있다.By using a lidar device using a reflective beam expander according to the present invention, it is possible to realize miniaturization of the lidar device and simplification of parts.

100 : 송신부
120 : 반사형 빔확대기
122 : 제1 반사부
123 : 제2 반사부100: transmission unit
120: reflective beam expander
122: first reflector
123: second reflector

Claims (6)

레이저 빔을 확대하여 대기 방향으로 송신하는 송신부,
상기 송신부에서 대기 중으로 송신된 레이저 빔이 타깃인 공기분자나 에어로졸에 의해 산란되는 빔을 수신하여 검출하는 수신망원경 및 수신광학계를 구비하는 수신부를 포함하고,
상기 송신부는 상기 레이저 빔을 생성하여 출력하는 레이저 빔 발생부 및 상기 레이저 빔 발생부에서 출력된 복수개의 레이저 파장을 반사 및 확대하는 하나의 반사형 빔확대기를 구비한 것을 특징으로 하는 라이다 장치.A transmitter that expands the laser beam and transmits it in the air direction;
A receiving unit including a receiving telescope and a receiving optical system for receiving and detecting beams scattered by air molecules or aerosols, which are targets of the laser beam transmitted from the transmitting unit into the atmosphere;
The transmitter unit is characterized in that it is provided with a laser beam generator for generating and outputting the laser beam, and a reflective beam expander for reflecting and magnifying a plurality of laser wavelengths output from the laser beam generator. 제1항에서,
상기 반사형 빔확대기는 250nm ~ 2㎛ 파장을 반사 및 확대시키는 것을 특징으로 하는 라이다 장치.In paragraph 1,
The reflective beam expander is a lidar device, characterized in that for reflecting and expanding the 250nm ~ 2㎛ wavelength. 제1항에서,
상기 반사형 빔확대기는 본체를 포함하고,
상기 본체는 상기 본체의 일측에 마련되고, 상기 레이저 빔 발생부에서 발생된 복수개의 레이저 파장을 반사하여 확대시키는 제1 반사부 및
상기 본체의 타측에 마련되고, 상기 제1 반사부에서 확대된 복수개의 레이저 파장을 수신하여 대기 방향으로 송신하는 제2 반사부를 포함하는 것을 특징으로 하는 라이다 장치.In paragraph 1,
The reflective beam expander includes a body,
The main body is provided on one side of the main body, a first reflector for reflecting and expanding a plurality of laser wavelengths generated by the laser beam generator, and
LiDAR device, characterized in that it comprises a second reflector provided on the other side of the main body, receiving a plurality of laser wavelengths expanded by the first reflector and transmitting them in an atmospheric direction. 제3항에서,
상기 제1 반사부 및 제2 반사부는 각각 알루미늄이 코팅된 구면 거울을 포함하고, 상기 본체 내에 각각 끼워 맞추어지는 것을 특징으로 하는 라이다 장치.In paragraph 3,
The first reflector and the second reflector include a spherical mirror coated with aluminum, respectively, and LiDAR device, characterized in that each fitted into the main body. 제4항에서,
상기 제1 반사부는 오목 거울의 기능을 구비하고, 상기 제2 반사부는 볼록 거울의 기능을 구비한 것을 특징으로 하는 라이다 장치.In paragraph 4,
LiDAR device, characterized in that the first reflector has a function of a concave mirror, and the second reflector has a function of a convex mirror. 제5항에서,
상기 제1 반사부의 곡률 반경은 상기 제2 반사부의 곡률 반경보다 작게 형성된 것을 특징으로 하는 라이다 장치.
In paragraph 5,
LiDAR device, characterized in that the radius of curvature of the first reflector is smaller than the radius of curvature of the second reflector.
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