WO2017023107A1 - 광파 탐지 및 거리 측정 장치 - Google Patents

광파 탐지 및 거리 측정 장치 Download PDF

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WO2017023107A1
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light
array
optical
steering
rays
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PCT/KR2016/008542
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이창혁
문영섭
강이임
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엘지이노텍(주)
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    • G02B27/10—Beam splitting or combining systems

Definitions

  • the present invention relates to an optical device that can be used in a remote sensing system, and more particularly, to a detection / measuring device for obtaining information on an object using radio waves or light.
  • Optical devices use technologies such as RaDAR (Radio Detection And Ranging) using radio waves, Laser Detection and Ranging (LaDAR) using laser beams, and Light Detection And Ranging (LiDAR) using beams with shorter wavelengths than LaDAR.
  • RaDAR Radio Detection And Ranging
  • Laser Detection and Ranging Laser Detection and Ranging
  • LiDAR Light Detection And Ranging
  • LiDAR Light Detection And Ranging
  • LiDAR technology uses a short wavelength light source (laser) and electromagnetic spectrum close to the infrared range, and irradiates a laser pulse to the surface and detection range of an object to be photographed, and then responds to a pulse of a signal. It is a technique to measure the property of an object using.
  • LiDAR technology has been applied to archeology, geography, geology, atmospheric physics and remote detection.
  • LiDAR technology and smart media devices such as smartphones and tablet PCs, which are rapidly becoming popular, and mobile communication network technology, which is continuing to develop rapidly, not only meet people's individual needs, but also transport / transportation and hydraulics ( It can be applied to fields such as hydrology, forestry, virtual tour and construction.
  • FIG. 1 illustrates a general light wave detection and distance measuring apparatus 10.
  • the general light wave detection and distance measuring apparatus 10 emits a beam emitted from a plurality of light sources (not shown) toward an object in various directions by using a motor (not shown), and detects a detector. To receive the back light.
  • the present invention relates to an optical device using a laser as a light source, wherein an optical phase array capable of phase control is used to separate a light beam transmitted from a light source into a plurality of light beams. So that the size of the wavefront can be maintained.
  • the present invention provides a field of view and beam steering for scanning an area of a predetermined size or more without using a plurality of light sources because the size of the wavefront is maintained even though one ray is separated into a plurality of rays. It can provide an optical device having.
  • the present invention does not require a steering motor for steering a plurality of light sources in a specific direction, it is possible to provide a miniaturized optical device.
  • the present invention can provide an optical device capable of increasing the range of the scannable area, including a combination of lenses capable of increasing the steering angle after adjusting the steering angle of the plurality of beams.
  • An optical device includes an optical splitter that receives one first beam and outputs k second rays (k is a natural number), and steers the k second rays with a first steering angle.
  • a light steering unit configured to output a third light beam by changing by);
  • a lens unit receiving the third light beam and outputting a fourth light beam by adjusting the first steering angle;
  • a driving unit for controlling the first light exit angle, and a wave front of the second light ray may be wider than k divided by a wave front of the first light ray.
  • the optical splitter may include an optical phase array configured to receive the first rays and generate the k second rays having different directions from each other; And a direction adjuster for individually converging the k second rays and adjusting all of them in the first direction.
  • the optical phase array may be composed of elements of an mxn matrix form (m, n is a natural number of 3 or more, (mxn) ⁇ ⁇ k), and each of the elements is a discrete space for a plurality of direction vectors. ) Can be distributed in the form of.
  • the elements may have a spherical surface, the absolute value of the curvature of the spherical surface may be greater than 10 mm.
  • the elements may have a surface having an uneven shape, and the height of the unevenness may be less than 1 mm.
  • the devices may have a size greater than or equal to 1.5 times the wavefront of the first ray and may have a refractive index in the range of 1 to 2.7.
  • a value obtained by dividing the size of the beam spot of the light beams output from the elements by the interval of the beam spot may be 0.5 or less.
  • the optical phase array may be a reflective element located physically separated from the light source device that emits the first light, or may be a coating film attached to the light source device.
  • the reflective element may include a single layer or a plurality of layers including at least one of aluminum (Al), gold (Au), platinum (Pt), and silver (Ag).
  • the direction adjuster may include a plurality of elements corresponding to the plurality of second rays, and the elements may have different curvatures according to positions.
  • the devices are composed of a lens, and may include at least one of glass, silicon, polymethyl methacrylate (PMMA), and polycarbonate.
  • the elements are composed of a mirror
  • the reflecting surface of the mirror may include a single layer or a plurality of layers including at least one of aluminum (Al), gold (Au), platinum (Pt) and silver (Ag). Can be.
  • An optical device includes an optical splitter that receives one first beam and outputs k second beams (k is a natural number), and the first steering angle of the k second beams.
  • a light steering unit configured to output a third light beam by changing by);
  • a lens unit receiving the third light beam and outputting a fourth light beam by adjusting the first steering angle;
  • a driving unit for controlling the first light exit angle wherein the light steering unit comprises: a spot forming array configured to focus the plurality of second rays to form a plurality of beam spots;
  • a diffusion array configured to diffuse and output all or part of the plurality of beam spots;
  • a steering array configured to output the third light beam by changing an output of the diffusion array by the first steering angle.
  • the first steering angle may be determined in a range of 0 to ⁇ 25 degrees.
  • the range of translational motion of the spot forming array and the steering array may be 2 mm or less, and translation may be performed in different directions.
  • the spot forming array may include first elements in the form of a convex lens
  • the diffusion array may include second elements in the form of a concave lens
  • the steering array may include third elements in the form of a convex lens. can do.
  • the first light source may be a laser having a diameter of a wavefront or a length of a long axis in a range of 100 nm to 2 mm.
  • an optical device includes an optical splitter configured to receive one first beam and output k second rays (k is a natural number), and steer the k second rays to a first steering angle.
  • an optical steering unit configured to output a third light beam by changing the angle;
  • a lens unit receiving the third light beam and outputting a fourth light beam by adjusting the first steering angle;
  • a driving unit for controlling the first light exit angle wherein the lens unit may include at least one lens or a combination of at least one lens and a mirror, and readjusts the first steering angle to a range of 0 to ⁇ 100 degrees. can do.
  • an aperture may be further included between the plurality of lenses, wherein the lens has a size greater than or equal to twice the beam spot of the third ray, and the aperture is equal to or greater than 0.5 times the beam spot. May have a size.
  • a value obtained by dividing the incident angle of the lens unit by the refractive angle of the lens unit based on the optical axis of the third ray may be in a range of 0.1 to 100.
  • An optical device has an advantage of making fine adjustments by splitting, diffusing, or steering a light beam by using an array type device that can individually process a plurality of light rays.
  • one desired light source can be scanned without using a plurality of light sources, the time and burden required for signal (data) processing can be reduced, and the efficiency of the optical device can be improved.
  • FIG. 1 illustrates a general light wave detection and distance measuring apparatus.
  • FIG. 2 illustrates a first optical device capable of detection and distance measurement using a laser.
  • FIG 3 illustrates a second optical device capable of detection and distance measurement using a laser.
  • FIG. 4 illustrates a third optical device capable of detection and distance measurement using a laser.
  • FIG. 5 illustrates a fourth optical device capable of detection and distance measurement using a laser.
  • FIG. 6 illustrates a first optical phased array applicable to the first to fourth optical devices.
  • FIG. 7 illustrates the surface of the first optical phased array shown in FIG.
  • FIG 8 illustrates a second optical phased array applicable to the first to fourth optical devices.
  • FIG. 9 illustrates the surface of the second optical phase array shown in FIG.
  • FIG. 10 illustrates a light steering unit applicable to the first to fourth optical devices.
  • FIG. 11 explains the operation of the light steering unit shown in FIG.
  • FIG. 12 illustrates a first lens structure applicable to the first to fourth optical devices.
  • FIG. 13 illustrates a second lens structure applicable to the first to fourth optical devices.
  • FIG. 14 illustrates a third lens structure applicable to the first to fourth optical devices.
  • the top (bottom) or the bottom (bottom) is the two components are in direct contact with each other or One or more other components are all included disposed between the two components.
  • up (up) or down (down) may include the meaning of the down direction as well as the up direction based on one component.
  • FIG. 2 illustrates a first optical device 100 capable of detection and distance measurement using a laser.
  • the first optical device 100 receives one first beam L1 and outputs k third beams L3_1 to L3_k (k is a natural number) and outputs the third beams L3_1 to L3_k. ), the light steering part 150 and the fourth light beam L4_a and L4_b that output the fourth light beams L4_a, L4_b, and L4_c by changing the k third light beams L3_1 to L3_k by the first steering angle.
  • the lens unit 160 may receive the L4_c and adjust the first steering angle to output the fifth rays L5_a, L5_b, and L5_c, and the driving unit 110 may control the first emission angle.
  • the first optical device 100 may include a light source 120 that outputs the first light beam L1.
  • the light source 120 may output a laser, and the operation is controlled by the light source controller 112.
  • the first light source L1 may be a laser having a diameter of a wavefront or a length of a long axis of 100 nm to 2 mm.
  • the first optical device 100 uses LiDAR (LIght Detection And Ranging) or LADAR (LAser Detection And Ranging) technology, and the conventional RADAR (radio frequency (RF) or microwave) using a radio frequency (RF) or microwave (RF)
  • RF radio frequency
  • the optical device using the RAdio Detection And Ranging technology differs in the nature of the light source 120 and the first light beam L1 output from the light source. Due to the difference in the properties and characteristics of the first light beam L1, the process of processing light rays such as optical separation and light steering is different depending on the technology used by the optical device.
  • the first optical device 100 when the first optical device 100 is mounted on another device or equipment, or when using a light source of another device or equipment together, it may not include a separate light source.
  • the optical splitter 130 receives the first light beam L1 to generate the k second light beams L2_1 to L2_k having different directions from each other and an optical phase array 132 and k second light beams. It may include a direction adjuster 140 for outputting k third rays (L3_1 ⁇ L3_k) after adjusting (L2_1 ⁇ L2_k) individually to adjust all in the first direction.
  • the first direction may be an optical axis direction which is a reference to steering of light rays.
  • the optical phase array 132 may be composed of elements having an m x n matrix form.
  • m and n may be natural numbers of 3 or more, and the value multiplied by m and n (m x n) may be equal to or greater than k.
  • Each element included in the optical phase array 132 may be distributed in a discrete space for a plurality of direction vectors.
  • the optical phase array 132 is distinguished from a typical beam splitter. Although the optical phase array 132 and the beam splitter have a common point in generating a plurality of beams with one beam, the beam splitter is characterized by dividing a beam by a plurality of beams using different reflectances / refractive indices. Therefore, when using a beam splitter, the wave front of the incident beam can be divided by the number of the plurality of beams that are emitted. For example, when the wavefront of the incident light beam is 1 and the number of the plurality of light beams emitted is 9, the wavefront of the light beam output from the beam splitter may be 1/9 of the wavefront of the incident light beam.
  • the wave front of the second light beams L2_1 to L2_k output from the optical phase array 132 may be wider than the wavefront of the first light beam L1 divided by k (the number of second light beams). .
  • the wavefront of the second rays L2_1 to L2_k may have a value less than or equal to 50% of the wavefront of the first ray L1.
  • the optical phase array 132 generates a plurality of light rays through phase control, rather than dividing the wavefront of the incident light. Accordingly, the wavefront size of the light beams output from the optical phase array 132 may range from 1 / k to 1/2 of the incident light beams, and the density of the light beams may be lowered instead.
  • the optical phase array 132 may be a transmissive element that is physically located away from the light source 120 and transmits the first light source L1 to generate a plurality of second rays L2_1 to L2_k.
  • the optical phase array 132 may be implemented in the form of a coating film that can be attached to the light source 120.
  • the shape of the optical phase array 132 may be changed depending on the purpose of use of the light source device, design reasons, or the like.
  • the direction adjuster 140 may be configured of a plurality of elements corresponding to the plurality of second rays L2_1 to L2_k.
  • the elements in the rudder 140 may have different curvatures according to their positions.
  • the plurality of second rays L2_1 to L2_k output from the optical phase array 132 may have different directions.
  • the direction adjuster 140 needs to align a plurality of second rays L2_1 to L2_k having different directions in a specific direction.
  • the direction adjuster 140 may be distinguished from a general objective lens. Since the plurality of second rays L2_1 to L2_k input to the direction adjuster 140 may have different directions, the refractive indices of the plurality of elements for individually adjusting the plurality of second rays L2_1 to L2_k are different. This is because they must be different.
  • the direction adjuster 140 may have a structure corresponding to the optical characteristics of the second rays L2_1 to L2_k output from the optical phase array 132.
  • the elements in the rudder 140 may be arranged in a matrix of m ⁇ n.
  • the elements in the rudder 140 may be configured in the form of a lens, and may include at least one of glass, silicon, polymethyl methacrylate (PMMA), and polycarbonate. Can be.
  • the light steering unit 150 includes a spot forming array 152 for focusing a plurality of third rays L3_1 to L3_k to form a plurality of beam spots, and a plurality of beam spots.
  • a diffusion array 154 that diffuses and outputs a portion thereof
  • a steering array 156 that outputs fourth rays L4_a, L4_b, and L4_c by changing an output of the diffusion array 154 by a first steering angle.
  • the maximum first steering angle may be about ⁇ 25 degrees. That is, the fourth rays L4_a, L4_b, and L4_c generated by the light steering unit 150 may be changed in direction by about ⁇ 25 degrees in comparison with the plurality of input third rays L3_1 to L3_k.
  • the fourth light beam L4_a, L4_b, or L4_c output from the light steering unit 150 is twisted by the first steering angle around the optical axes of the third light beams L3_1 to L3_k. If the first steering angle is 0 degrees, the output fourth beam L4_b is in a direction parallel to the optical axes of the third beams L3_1 to L3_k. If the first steering angle is +20 degrees (or -20 degrees), the output fourth light beam L4_a or L4_c is twisted by 20 degrees in a predetermined direction from the optical axes of the third light beams L3_1 to L3_k.
  • the control of the first steering angle may be determined by the steering controller 114 in the driver 110.
  • the steering control unit 114 performs the translational motion of the spot forming array 152 and the steering array 156.
  • the range of translational motion of the spot forming array 152 and the steering array 156 may be 2 mm or less, and may translate in different directions.
  • spot forming array 152, the diffusion array 154, and the steering array 156 may all have a matrix structure of m ⁇ n.
  • spot forming array 152 includes first elements in the form of convex lenses
  • diffusion array 154 includes second elements in the form of concave lenses
  • steering array 156 comprises first elements in the form of convex lenses. It may include three devices. In this case, the curvature of each of the first device, the second device, and the third device may be 25 mm or more.
  • the distance from the center of each device to the center of the neighboring device may have a value of 0.5 to 2 times the interval between beam spots.
  • the diffusion array 154 may include an aperture having a size of at least 0.5 times the beam spot.
  • the diffusion array 154 may be formed by a combination of a lens and an opening, and may include a lens in the center and an opening in the outer portion.
  • the openings may differ in diameter depending on their position in the array.
  • the lens unit 160 may include at least one lens 162 and 164 or a combination of at least one lens and a mirror.
  • the lens unit 160 may readjust the first steering angle of the light steering unit 150 to a range of 0 to ⁇ 100 degrees. For example, when the first steering angle of the light steering unit 150 is 25 degrees, the lens unit 160 may readjust the first steering angle of 25 degrees to 100 degrees (about 4 times). In addition, when the first steering angle of the light steering unit 150 is 0 degrees, the lens unit 160 may maintain the first steering angle at 0 degrees.
  • the performance and structure of the lens unit 160 may vary depending on the purpose of use of the optical device 100 and the required performance. For example, a field of view (FOV), a uniformity of angle, a beam divergence angle, or the like may be used as factors for determining the performance of the lens unit 160.
  • the lens unit 160 may be designed to have a field of view (FOV) of 120 degrees.
  • FOV field of view
  • the lens unit 160 may further include an aperture (not shown) between the plurality of lenses 162 and 164.
  • the lenses 162 and 164 may have a size larger than twice the beam spot of the fourth rays L4_a, L4_b, and L4_c, and the opening may have a size greater than 0.5 times the beam spot. .
  • the sizes of the lenses 162 and 164 and the openings may greatly affect the overall size of the lens unit 160 and the optical element 100.
  • an angle of incidence of the lens unit 160 ie, steering angles of the fourth rays L4_a, L4_b, and L4_c) based on the optical axes of the third rays L3_1 to L3_k.
  • Divided by the refraction angle of the lens unit 160 ie, the steering angles of the fifth rays L5_a, L5_b, and L5_c) may be in a range of 0.1 to 100.
  • FIG 3 illustrates a second optical device 200 capable of detection and distance measurement using a laser.
  • the first optical device 200 receives one first beam L1 and outputs k third rays L3_1 to L3_k (k is a natural number) and outputs the light splitter 230. ), the light steering unit 250 and the fourth beam L4_a and L4_b that output the fourth rays L4_a, L4_b, and L4_c by changing the k third rays L3_1 to L3_k by the first steering angle. And a lens unit 260 for outputting fifth rays L5_a, L5_b, and L5_c by adjusting the first steering angle by receiving L4_c, and a driving unit 210 for controlling the first emission angle.
  • the first optical device 200 may include a light source 220 that outputs the first light beam L1.
  • the light source 220 may output a laser, and the operation is controlled by the light source controller 212.
  • the first light source L1 may be a laser having a diameter of a wavefront or a length of a long axis of 100 nm to 2 mm.
  • the first optical device 200 uses LIDAR (LIght Detection And Ranging) or LADAR (LAser Detection And Ranging) technology, and the conventional RADAR (radio frequency (RF) or microwave) using a radio frequency (RF) or microwave (RF)
  • LIDAR LIght Detection And Ranging
  • LAser Detection And Ranging LAser Detection And Ranging
  • RF radio frequency
  • RF radio frequency
  • RF radio frequency
  • RF radio frequency
  • RF radio frequency
  • RF radio frequency
  • the first optical device 200 when the first optical device 200 is mounted on another device or equipment, or when using a light source of another device or equipment together, it may not include a separate light source.
  • the optical splitter 230 receives the first light beam L1 to generate the k second light beams L2_1 to L2_k having different directions from each other and an optical phase array 232 and k second light beams. It may include a direction adjuster 240 for outputting k third rays (L3_1 ⁇ L3_k) after adjusting (L2_1 ⁇ L2_k) individually to adjust all in the first direction.
  • the first direction may be an optical axis direction which is a reference to steering of light rays.
  • the optical phase array 232 may be composed of elements in an m x n matrix form.
  • m and n may be natural numbers of 3 or more, and the value multiplied by m and n (m x n) may be equal to or greater than k.
  • Each element included in the optical phase array 232 may be distributed in the form of discrete spaces for a plurality of direction vectors.
  • the optical phase array 232 is distinguished from a typical beam splitter. Although the optical phase array 232 and the beam splitter have a common point in generating a plurality of beams with one beam, the beam splitter is characterized by dividing a beam by a plurality of beams using different reflectances / refractive indices. Therefore, when using a beam splitter, the wave front of the incident beam can be divided by the number of the plurality of beams that are emitted. For example, when the wavefront of the incident light beam is 1 and the number of the plurality of light beams emitted is 9, the wavefront of the light beam output from the beam splitter may be 1/9 of the wavefront of the incident light beam.
  • the wave front of the second light beams L2_1 to L2_k output from the optical phase array 232 may be wider than the wavefront of the first light beam L1 divided by k (the number of second light beams). .
  • the wavefront of the second rays L2_1 to L2_k may have a value less than or equal to 50% of the wavefront of the first ray L1.
  • the optical phase array 232 generates a plurality of light rays through phase control, rather than dividing the wavefront of the incident light. Accordingly, the wavefront size of the light rays output from the optical phase array 232 may be in the range of 1 / k to 1/2 of the incident light rays, and the density of the light rays may be lowered instead.
  • the optical phase array 232 may be a reflective element that is physically located away from the light source 220 and reflects the first light source L1 to generate a plurality of second rays L2_1 to L2_k.
  • the shape of the optical phase array 232 may be changed depending on the purpose of use of the light source device, design reasons, or the like.
  • the direction adjuster 240 may be configured of a plurality of elements corresponding to the plurality of second rays L2_1 to L2_k. Elements in the rudder 240 may have different curvatures according to their position. The plurality of second rays L2_1 to L2_k output from the optical phase array 232 may have different directions. In order for the optical device 200 to scan a plane, the direction adjuster 240 needs to align a plurality of second rays L2_1 to L2_k having different directions in a specific direction.
  • the direction adjuster 240 may be distinguished from a general objective lens. Since the plurality of second rays L2_1 to L2_k input to the direction adjuster 140 may have different directions, the refractive indices of the plurality of elements for individually adjusting the plurality of second rays L2_1 to L2_k are different. This is because they must be different.
  • the direction adjuster 240 may have a structure corresponding to the optical characteristics of the second rays L2_1 to L2_k output from the optical phase array 232.
  • the elements in the rudder 240 may be arranged in a matrix of m ⁇ n.
  • the elements in the rudder 240 may be configured in the form of a lens, and may include at least one of glass, silicon, polymethyl methacrylate (PMMA), and polycarbonate. Can be.
  • the light steering unit 250 includes a spot forming array 252 for focusing a plurality of third rays L3_1 to L3_k to form a plurality of beam spots, and a plurality of beam spots.
  • the maximum first steering angle may be about ⁇ 25 degrees. That is, the fourth beams L4_a, L4_b, and L4_c generated by the light steering unit 250 may be changed in direction by about ⁇ 25 degrees in comparison with the plurality of input third beams L3_1 to L3_k.
  • the fourth light beam L4_a, L4_b, or L4_c output from the light steering unit 250 is twisted by the first steering angle around the optical axes of the third light beams L3_1 to L3_k. If the first steering angle is 0 degrees, the output fourth beam L4_b is in a direction parallel to the optical axes of the third beams L3_1 to L3_k. If the first steering angle is +20 degrees (or -20 degrees), the output fourth light beam L4_a or L4_c is twisted by 20 degrees in a predetermined direction from the optical axes of the third light beams L3_1 to L3_k.
  • the control of the first steering angle may be determined by the steering controller 214 in the driver 210.
  • the steering control unit 214 translates the spot forming array 252 and the steering array 256.
  • the range of translational motion of the spot forming array 252 and the steering array 256 may be less than or equal to 2 mm and may be translated in different directions.
  • the spot forming array 252, the diffusion array 254, and the steering array 256 may all have a matrix structure of m ⁇ n.
  • the spot forming array 252 includes first elements in the form of convex lenses
  • the diffusion array 254 includes second elements in the form of concave lenses
  • the steering array 256 is formed in the form of convex lenses. It may include three devices. In this case, the curvature of each of the first device, the second device, and the third device may be 25 mm or more.
  • the distance from the center of each device to the center of the neighboring device may have a value of 0.5 to 2 times the interval between beam spots.
  • the diffusion array 254 may include an aperture having a size of at least 0.5 times the beam spot.
  • the diffusion array 254 may be formed of a combination of a lens and an opening, and may include a lens in the center and an opening in the outer portion.
  • the openings may differ in diameter depending on their position in the array.
  • the lens unit 260 may include at least one lens 262 and 264 or a combination of at least one lens and a mirror.
  • the lens unit 260 may readjust the first steering angle of the light steering unit 250 to a range of 0 to ⁇ 100 degrees. For example, when the first steering angle of the light steering unit 250 is 25 degrees, the lens unit 260 may readjust the first steering angle of 25 degrees to 100 degrees (about 4 times). In addition, when the first steering angle of the light steering unit 250 is 0 degrees, the lens unit 260 may maintain the first steering angle at 0 degrees.
  • the performance and structure of the lens unit 260 may vary depending on the purpose of use of the optical device 200 and the required performance. Examples of factors that determine the performance of the lens unit 260 include a field of view (FOV), a uniformity of angle, a beam divergence angle, and the like.
  • FOV field of view
  • the lens unit 260 may be designed to have a field of view (FOV) of 120 degrees.
  • FOV field of view
  • the lens unit 260 may further include an aperture (not shown) between the plurality of lenses 262 and 264.
  • the lenses 262 and 264 may have a size at least two times the beam spot of the fourth rays L4_a, L4_b, and L4_c, and the opening may have a size at least 0.5 times the beam spot. .
  • the sizes of the lenses 262 and 264 and the openings may greatly affect the overall size of the lens unit 260 and the optical element 200.
  • the angle of incidence of the lens unit 260 (that is, the steering angle of the fourth rays L4_a, L4_b, and L4_c) based on the optical axes of the third rays L3_1 to L3_k. ) Divided by the refraction angle of the lens unit 260 (that is, the steering angles of the fifth rays L5_a, L5_b, and L5_c) may be in a range of 0.1 to 100.
  • FIG. 4 illustrates a third optical device 300 capable of detection and distance measurement using a laser.
  • the first optical device 300 receives one first beam L1 and outputs k third beams L3_1 to L3_k (k is a natural number) and outputs the third beam L3_1 to L3_k. ), the light steering part 350 and the fourth light beam L4_a and L4_b that output the fourth light beams L4_a, L4_b, and L4_c by changing the k third light beams L3_1 to L3_k by the first steering angle.
  • the lens unit 160 may receive the L4_c and adjust the first steering angle to output the fifth rays L5_a, L5_b, and L5_c, and a driving unit 310 for controlling the first emission angle.
  • the first optical device 300 may include a light source 320 that outputs the first light beam L1.
  • the light source 320 may output a laser, and the operation is controlled by the light source controller 312.
  • the first light source L1 may be a laser having a diameter of a wavefront or a length of a long axis of 100 nm to 2 mm.
  • the first optical device 300 uses LIDAR (LIght Detection And Ranging) or LADAR (LAser Detection And Ranging) technology, and the conventional RADAR (radio frequency (RF) or microwave) using a radio frequency (RF)
  • the optical device using the RAdio Detection And Ranging technology is different from the light source 320 and the first light beam L1 output from the light source. Due to the difference in the properties and characteristics of the first light beam L1, the process of processing light rays such as optical separation and light steering is different depending on the technology used by the optical device.
  • the first optical device 300 when the first optical device 300 is mounted on another device or equipment, or when using a light source of another device or equipment together, it may not include a separate light source.
  • the optical splitter 330 receives the first light beam L1 to generate the k second light beams L2_1 to L2_k having different directions from each other and an optical phase array 332 and k second light beams. It may include a direction adjuster 340 for outputting k third rays (L3_1 ⁇ L3_k) after adjusting (L2_1 ⁇ L2_k) individually to adjust all in the first direction.
  • the first direction may be an optical axis direction which is a reference to steering of light rays.
  • the optical phase array 332 may be composed of elements having an m x n matrix form.
  • m and n may be natural numbers of 3 or more, and the value multiplied by m and n (m x n) may be equal to or greater than k.
  • Each element included in the optical phase array 332 may be distributed in the form of discrete spaces for a plurality of direction vectors.
  • the optical phase array 332 is distinguished from a typical beam splitter. Although the optical phase array 332 and the beam splitter have a common point in generating a plurality of beams with a single beam, the beam splitter is characterized by dividing a beam by a plurality of beams using different reflectances / refractive indices. Therefore, when using a beam splitter, the wave front of the incident beam can be divided by the number of the plurality of beams that are emitted. For example, when the wavefront of the incident light beam is 1 and the number of the plurality of light beams emitted is 9, the wavefront of the light beam output from the beam splitter may be 1/9 of the wavefront of the incident light beam.
  • the wave front of the second light beams L2_1 to L2_k output from the optical phase array 332 may be wider than the wavefront of the first light beam L1 divided by k (the number of second light beams). .
  • the wavefront of the second rays L2_1 to L2_k may have a value less than or equal to 50% of the wavefront of the first ray L1.
  • the optical phase array 332 generates a plurality of light rays through phase control, rather than dividing the wavefront of the incident light. Accordingly, the wavefront size of the light rays output from the optical phase array 332 may be in the range of 1 / k to 1/2 of the incident light rays, and the density of the light rays may be lowered instead.
  • the optical phase array 332 may be a transmissive element that is physically located away from the light source 320 and transmits the first light source L1 to generate a plurality of second rays L2_1 to L2_k.
  • the optical phase array 332 may be implemented in the form of a coating film that can be attached to the light source 320.
  • the shape of the optical phase array 332 may be changed depending on the purpose of use of the light source device, design reasons, or the like.
  • the direction adjuster 340 may include a plurality of elements corresponding to the plurality of second rays L2_1 to L2_k. Elements in the rudder 340 may have different curvatures according to their positions. The plurality of second rays L2_1 to L2_k output from the optical phase array 332 may have different directions. In order for the optical device 300 to scan a plane, the direction adjuster 340 needs to align a plurality of second rays L2_1 to L2_k having different directions in a specific direction.
  • the direction adjuster 340 may be distinguished from a general objective lens. Since the plurality of second rays L2_1 to L2_k input to the direction adjuster 340 may have different directions, the refractive indices of the plurality of elements for individually adjusting the plurality of second rays L2_1 to L2_k are different. This is because they must be different.
  • the direction adjuster 340 may have a structure corresponding to the optical characteristics of the second rays L2_1 to L2_k output from the optical phase array 332.
  • the elements in the rudder 340 may be arranged in a matrix of m ⁇ n.
  • the elements in the rudder 340 may be configured in the form of a mirror.
  • the reflecting surface of the mirror may include at least one of aluminum (Al), gold (Au), platinum (Pt), and silver (Ag). It may comprise a single layer or a plurality of layers comprising.
  • the light steering unit 350 collects a plurality of third beams L3_1 to L3_k to form a plurality of beam spots, a spot forming array 352, and a plurality of beam spots.
  • the maximum first steering angle may be about ⁇ 25 degrees. That is, the fourth rays L4_a, L4_b, and L4_c generated by the light steering unit 350 may be changed in direction by about ⁇ 25 degrees in comparison with the plurality of input third rays L3_1 to L3_k.
  • the fourth light beam L4_a, L4_b, or L4_c output from the light steering unit 350 is twisted by the first steering angle around the optical axes of the third light beams L3_1 to L3_k. If the first steering angle is 0 degrees, the output fourth beam L4_b is in a direction parallel to the optical axes of the third beams L3_1 to L3_k. If the first steering angle is +20 degrees (or -20 degrees), the output fourth light beam L4_a or L4_c is twisted by 20 degrees in a predetermined direction from the optical axes of the third light beams L3_1 to L3_k.
  • the control of the first steering angle may be determined by the steering controller 314 in the driver 310.
  • the steering control unit 314 performs translational motion of the spot forming array 352 and the steering array 356.
  • the range of translational motion of the spot forming array 352 and the steering array 356 may be less than or equal to 2 mm and may be translated in different directions.
  • the spot forming array 352, the diffusion array 354, and the steering array 356 may all have a matrix structure of m ⁇ n.
  • the spot forming array 352 includes first elements in the form of convex lenses
  • the diffusion array 354 includes second elements in the form of concave lenses
  • the steering array 356 is formed of the first elements in the form of convex lenses. It may include three devices. In this case, the curvature of each of the first device, the second device, and the third device may be 25 mm or more.
  • the distance from the center of each device to the center of the neighboring device may have a value of 0.5 to 2 times the interval between beam spots.
  • diffusion array 354 and steering array 356 may not include elements in the form of lenses.
  • diffusion array 354 may include an aperture having a size at least 0.5 times the beam spot.
  • the diffusion array 354 may be formed by a combination of a lens and an opening, and may include a lens in the center and an opening in the outer portion.
  • the openings may differ in diameter depending on their position in the array.
  • the lens unit 360 may include at least one lens 362 and 364 or a combination of at least one lens and a mirror.
  • the lens unit 360 may readjust the first steering angle of the light steering unit 350 to a range of 0 to ⁇ 100 degrees. For example, when the first steering angle of the light steering unit 350 is 25 degrees, the lens unit 360 may readjust the first steering angle of 25 degrees to 100 degrees (about 4 times). In addition, when the first steering angle of the light steering unit 350 is 0 degrees, the lens unit 360 may maintain the first steering angle at 0 degrees.
  • the performance and structure of the lens unit 360 may vary depending on the purpose of use of the optical device 300 and the required performance. Examples of factors that determine the performance of the lens unit 360 include a field of view (FOV), uniformity of angle, beam divergence angle, and the like.
  • FOV field of view
  • the lens unit 360 may be designed to have a field of view (FOV) of 120 degrees.
  • FOV field of view
  • the lens unit 360 may further include an aperture (not shown) between the plurality of lenses 362 and 364.
  • the lenses 362 and 364 may have a size at least two times the beam spot of the fourth rays L4_a, L4_b, and L4_c, and the opening may have a size at least 0.5 times the beam spot.
  • the sizes of the lenses 362 and 364 and the openings may greatly affect the overall size of the lens unit 360 and the optical element 300.
  • an angle of incidence of the lens unit 360 (that is, a steering angle of the fourth rays L4_a, L4_b, and L4_c) based on the optical axes of the third rays L3_1 to L3_k. ) Divided by the refraction angle of the lens unit 360 (that is, the steering angles of the fifth rays L5_a, L5_b, and L5_c) may be in a range of 0.1 to 100.
  • FIG 5 illustrates a fourth optical device 400 capable of detection and distance measurement using a laser.
  • the first optical device 400 receives one first beam L1 and outputs an optical splitter 430 that outputs k third rays L3_1 to L3_k (k is a natural number). ), the light steering unit 450 and the fourth beam L4_a and L4_b that output the fourth rays L4_a, L4_b, and L4_c by changing the k third rays L3_1 to L3_k by the first steering angle. And a lens unit 460 for outputting fifth rays L5_a, L5_b, and L5_c by receiving the L4_c and adjusting the first steering angle, and a driving unit 410 for controlling the first emission angle.
  • the first optical device 400 may include a light source 420 that outputs the first light beam L1.
  • the light source 120 may output a laser, and the operation is controlled by the light source controller 112.
  • the first light source L1 may be a laser having a diameter of a wavefront or a length of a long axis of 100 nm to 2 mm.
  • the first optical device 100 uses LiDAR (LIght Detection And Ranging) or LADAR (LAser Detection And Ranging) technology, and the conventional RADAR (radio frequency (RF) or microwave) using a radio frequency (RF) or microwave (RF)
  • RF radio frequency
  • the optical device using the RAdio Detection And Ranging technology differs in the properties of the light source 420 and the first light beam L1 output from the light source. Due to the difference in the properties and characteristics of the first light beam L1, the process of processing light rays such as optical separation and light steering is different depending on the technology used by the optical device.
  • the first optical device 400 when the first optical device 400 is mounted on another device or equipment, or when using a light source of another device or equipment together, it may not include a separate light source.
  • the optical splitter 430 receives the first light beam L1 to generate the k second light beams L2_1 to L2_k having different directions from each other and an optical phase array 432 and k second light beams. It may include a direction adjuster 440 for outputting k third light beams L3_1 to L3_k after adjusting L2_1 to L2_k individually and adjusting them in the first direction.
  • the first direction may be an optical axis direction which is a reference to steering of light rays.
  • the optical phase array 432 may be composed of elements in an m x n matrix form.
  • m and n may be natural numbers of 3 or more, and the value multiplied by m and n (m x n) may be equal to or greater than k.
  • Each element included in the optical phase array 432 may be distributed in discrete spaces for a plurality of direction vectors.
  • the optical phase array 432 is distinguished from a typical beam splitter. Although the optical phase array 432 and the beam splitter have a common point in generating a plurality of beams with one beam, the beam splitter is characterized by dividing a beam by a plurality of beams using different reflectances / refractive indices. Therefore, when using a beam splitter, the wave front of the incident beam can be divided by the number of the plurality of beams that are emitted. For example, when the wavefront of the incident light beam is 1 and the number of the plurality of light beams emitted is 9, the wavefront of the light beam output from the beam splitter may be 1/9 of the wavefront of the incident light beam.
  • the wave front of the second rays L2_1 to L2_k output from the optical phase array 432 may be wider than the wavefront of the first ray L1 divided by k (the number of second rays). .
  • the wavefront of the second rays L2_1 to L2_k may have a value less than or equal to 50% of the wavefront of the first ray L1.
  • Optical phase array 432 generates a plurality of light rays through phase control, rather than dividing the wavefront of the incident light. Accordingly, the wavefront size of the light beams output from the optical phase array 432 may range from 1 / k to 1/2 of the incident light beams, and the density of the light beams may be lowered instead.
  • the optical phase array 432 may be a reflective element that is physically located away from the light source 420 and reflects the first light source L1 to generate a plurality of second rays L2_1 to L2_k.
  • the shape of the optical phase array 432 may be changed depending on the purpose of use of the light source device, design reasons, or the like.
  • the direction adjuster 440 may include a plurality of elements corresponding to the plurality of second rays L2_1 to L2_k. Elements in the rudder 440 may have different curvatures according to their positions. The plurality of second rays L2_1 to L2_k output from the optical phase array 432 may have different directions. In order for the optical device 400 to scan a plane, the direction adjuster 440 needs to align a plurality of second rays L2_1 to L2_k having different directions in a specific direction.
  • the direction adjuster 440 may be distinguished from a general objective lens. Since the plurality of second rays L2_1 to L2_k input to the direction adjuster 440 may have different directions, the refractive indices of the plurality of elements for individually adjusting the plurality of second rays L2_1 to L2_k are different. This is because they must be different.
  • the direction adjuster 440 may have a structure corresponding to the optical characteristics of the second beams L2_1 to L2_k output from the optical phase array 432.
  • the elements in the rudder 440 may be arranged in a matrix of m ⁇ n.
  • the elements in the rudder 440 may be configured in the form of a mirror.
  • the reflecting surface of the mirror may include at least one of aluminum (Al), gold (Au), platinum (Pt), and silver (Ag). It may comprise a single layer or a plurality of layers comprising.
  • the light steering unit 450 includes a spot forming array 452 for focusing a plurality of third rays L3_1 to L3_k to form a plurality of beam spots, and a plurality of beam spots. Or a diffusion array 454 for diffusing and outputting a portion thereof, and a steering array 456 for outputting fourth rays L4_a, L4_b, and L4_c by changing an output of the diffusion array 454 by a first steering angle.
  • the maximum first steering angle may be about ⁇ 25 degrees.
  • the fourth rays L4_a, L4_b, and L4_c generated by the light steering unit 450 may be changed in direction by about ⁇ 25 degrees in comparison with the plurality of input third rays L3_1 to L3_k.
  • the fourth light beam L4_a, L4_b, or L4_c output from the light steering unit 450 is twisted by the first steering angle around the optical axes of the third light beams L3_1 to L3_k. If the first steering angle is 0 degrees, the output fourth beam L4_b is in a direction parallel to the optical axes of the third beams L3_1 to L3_k. If the first steering angle is +20 degrees (or -20 degrees), the output fourth light beam L4_a or L4_c is twisted by 20 degrees in a predetermined direction from the optical axes of the third light beams L3_1 to L3_k.
  • the control of the first steering angle may be determined by the steering controller 414 in the driver 410.
  • the steering controller 414 performs the translational motion of the spot forming array 452 and the steering array 456.
  • the range of translational motion of spot forming array 452 and steering array 456 may be less than or equal to 2 mm and may be translated in different directions.
  • the spot forming array 452, the diffusion array 454, and the steering array 456 may all have a matrix structure of m ⁇ n.
  • the spot forming array 452 includes first elements in the form of convex lenses
  • the diffusion array 454 includes second elements in the form of concave lenses
  • the steering array 456 is formed of the first elements in the form of convex lenses. It may include three devices. In this case, the curvature of each of the first device, the second device, and the third device may be 25 mm or more.
  • the distance from the center of each device to the center of the neighboring device may have a value of 0.5 to 2 times the interval between beam spots.
  • diffusion array 454 and steering array 456 may not include elements in the form of lenses.
  • the diffusion array 454 may include an aperture having a size of at least 0.5 times the beam spot.
  • the diffusion array 454 may be formed of a combination of a lens and an opening, and may include a lens in the center and an opening in the outer portion. Also, when the openings are included in the diffusion array 454, the openings may differ in diameter depending on their position in the array.
  • the lens unit 460 may include at least one lens 462 and 464 or a combination of at least one lens and a mirror.
  • the lens unit 460 may readjust the first steering angle of the light steering unit 450 to a range of 0 to ⁇ 100 degrees. For example, when the first steering angle of the light steering unit 450 is 25 degrees, the lens unit 460 may readjust the first steering angle of 25 degrees to 100 degrees (about 4 times). In addition, when the first steering angle of the light steering unit 450 is 0 degrees, the lens unit 460 may maintain the first steering angle at 0 degrees.
  • the performance and structure of the lens unit 460 may vary depending on the purpose of use of the optical device 400 and the required performance. Examples of factors that determine the performance of the lens unit 460 include a field of view (FOV), a uniformity of angle, a beam divergence angle, and the like.
  • FOV field of view
  • the lens unit 460 may be designed to have a field of view (FOV) of 120 degrees.
  • FOV field of view
  • the lens unit 460 may further include an aperture (not shown) between the plurality of lenses 462 and 464.
  • the lenses 462 and 464 may have a size at least two times the beam spot of the fourth rays L4_a, L4_b, and L4_c, and the opening may have a size at least 0.5 times the beam spot. .
  • the sizes of the lenses 462 and 464 and the openings may greatly affect the overall size of the lens unit 460 and the optical element 400.
  • the angle of incidence of the lens unit 460 ie, the steering angles of the fourth rays L4_a, L4_b, and L4_c) based on the optical axes of the third rays L3_1 to L3_k.
  • Divided by the refraction angle of the lens unit 460 may be in a range of 0.1 to 100.
  • FIG. 6 illustrates a first optical phased array 32 applicable to the first to fourth optical devices 100, 200, 300, 400, and FIGS. 2 to 5.
  • the first optical phase array 32 may include a plurality of elements arranged in a matrix of m ⁇ n.
  • Each element included in the first optical phase array 32 may have a spherical surface, and the absolute value of the curvature of the spherical surface may be greater than 10 mm.
  • each of the elements may have a size 1.5 times greater than the wavefront of the first ray L1.
  • Each device may have a refractive index in the range of 1 to 2.7.
  • a value obtained by dividing the size of the beam spot of the light beam output from the elements included in the first optical phase array 32 by the interval of the beam spot of the incident light beam may be 0.5 or less.
  • the first optical phase array 32 may be a transmissive or reflective element that is physically located away from the light source devices 120, 220, 320, 420 (see FIGS. 2 to 5) that emit the first ray L1. .
  • the first optical phase array 32 may be a coating film attached to the light source devices 120, 220, 320, 420 (see FIGS. 2 to 4).
  • the first optical phased array 32 when the first optical phased array 32 is a transmissive device, the first optical phase array 32 may include at least one of glass, silicon, polymethyl methacrylate (PMMA), and polycarbonate. .
  • PMMA polymethyl methacrylate
  • the optical satellite array 32 when it is a reflective element, it may include a single layer or a plurality of layers including at least one of aluminum (Al), gold (Au), platinum (Pt), and silver (Ag). have.
  • FIG. 7 illustrates the surface of the first optical phased array 32 shown in FIG.
  • the first optical phase array 32 may have a unique shape in which elements having different curvatures are arranged.
  • the first optical phase array 32 may have curvatures of elements corresponding to optical characteristics required by the optical apparatuses 100, 200, 300, 400, and FIGS. 2 to 5, and thus may change the overall pattern. have.
  • FIGS. 8 illustrates a second optical phased array 33 applicable to the first to fourth optical devices 100, 200, 300, 400, and FIGS. 2 to 5.
  • the second optical phase array 33 may include a plurality of elements arranged in a matrix of m ⁇ n.
  • Each of the elements included in the second optical phase array 33 may have a concave-convex surface, wherein the height of the concave-convex may be less than 1 mm.
  • each of the elements may have a size 1.5 times greater than the wavefront of the first ray L1.
  • Each device may have a refractive index in the range of 1 to 2.7. A value obtained by dividing the size of the beam spot of the light beam output from the elements included in the second optical phase array 33 by the interval of the beam spot of the incident light beam may be 0.5 or less.
  • the optical phase array 33 may be a transmissive or reflective element that is physically located away from the light source devices 120, 220, 320, 420 (see FIGS. 2 to 5) that emit the first light beam L1.
  • the optical phase array 33 may be a coating film attached to the light source device 120, 220, 320, 420 (see FIGS. 2 to 4).
  • the optical phase array 33 when the optical phase array 33 is a transmissive device, the optical phase array 33 may include at least one of glass, silicon, polymethyl methacrylate (PMMA), and polycarbonate.
  • PMMA polymethyl methacrylate
  • the optical satellite array 33 when it is a reflective element, it may include a single layer or a plurality of layers including at least one of aluminum (Al), gold (Au), platinum (Pt), and silver (Ag). have.
  • FIG. 9 illustrates the surface of the second optical phased array 33 shown in FIG.
  • the first optical phase array 33 may have a unique shape in which elements having different patterns of irregularities are arranged.
  • the uneven patterns of the devices may be determined in response to optical characteristics required by the optical apparatuses 100, 200, 300, 400 and FIGS. 2 to 5, and thus, the overall pattern may change. Can be.
  • the concave-convex shape may be determined according to the positions of the elements in the second optical phase array 33.
  • FIGS. 2 to 5 illustrates an optical steering unit 50 applicable to the first to fourth optical apparatuses 100, 200, 300, 400, and FIGS. 2 to 5.
  • the light steering unit 50 may include a spot forming array 52, a diffusion array 54, and a steering array 56.
  • the spot forming array 52, the diffusion array 54 and the steering array 56 may all have a matrix structure of m ⁇ n.
  • the spot forming array 52 includes first elements 52_1 and 52_2 in the form of convex lenses
  • the diffusion array 154 includes second elements 54_1 and 54_2 in the form of concave lenses
  • the steering array 156 may include third elements 56_1 and 56_2 in the form of convex lenses.
  • the curvature of each of the first elements 52_1 and 52_2, the second elements 54_1 and 54_2, and the third elements 56_1 and 56_2 may be 25 mm or more.
  • the distance from the center of each device in the spot forming array 52, the diffusion array 54, and the steering array 56 to the center of the neighboring device may have a value of 0.5 to 2 times the distance between the beam spots.
  • the distance between the centers of the two first elements 52_1 and 52_2 in the spot forming array 52 may be about 1 times the distance between the beam spots.
  • the distance between the centers of the two second elements 54_1 and 54_2 in the diffusion array 54 may be about 0.5 times the distance between the beam spots.
  • the distance between the centers of the two third devices 56_1 and 56_2 in the steering array 56 may be about twice the spacing between beam spots.
  • the distance between neighboring elements may determine the size of the entire light steering unit 50 and may be designed differently depending on the purpose of use of the optical apparatus 100, 200, 300, 400, and FIGS. 2 to 5.
  • the spacing between neighboring devices in contrast to the spacing between beam spots may vary.
  • diffusion array 54 may include an aperture having a size of at least 0.5 times the beam spot.
  • the diffusion array 154 may be formed by a combination of a lens and an opening, and may include a lens in the center and an opening in the outer portion.
  • the openings may differ in diameter depending on their position in the array.
  • FIG. 11 illustrates the operation of the light steering unit 50 shown in FIG.
  • the spot forming array 52, the diffusion array 54, and the steering array 56 in the light steering unit 50 are steering controls in the driving units 110, 210, 310, 410 (see FIGS. 2 to 5). (114, 124, 134, 144, see Figs. 2 to 5). The translational motion of the spot forming array 52 and the steering array 56 is performed.
  • the range of translational motion of spot forming array 52 and steering array 56 may be less than or equal to 2 mm and may be translated in different directions.
  • the spot forming array 52 may move in the y-axis direction
  • the steering array 56 may move in the z-axis direction.
  • the fourth light beam L4_a output from the light steering unit 50 is twisted by the first steering angle around the optical axes of the third light beams L3_1 to L3_k.
  • the first steering angle may be regarded as how many degrees the fourth rays L4_a are twisted in the horizontal direction. If the first steering angle is +20 degrees, the output fourth beam L4_a is twisted by 20 degrees in a predetermined direction (for example, z direction) from the optical axes of the third rays L3_1 to L3_k.
  • FIGS. 12 illustrates a first lens structure 60A applicable to the first to fourth optical devices 100, 200, 300, 400, and FIGS. 2 to 5.
  • the first lens structure 60A may include one lens having a width W1 of 20 mm and a height H1 of 5 mm.
  • the width IW1 of the incident portion into which the light beam is input is 5 mm, and the width OW1 of the light exit portion transmitted and output is 14 mm.
  • the distance D1 between the first lens structure 60A and the light steering part (not shown) (the distance between the incidence parts of the lens where the light rays are emitted) is 2 mm.
  • the first lens structure 60A has a uniformity of angle of 60%, a field of view (FOV) of 120 degrees, and a beam diffusion angle of 4 to 17 degrees. In the case of the first lens structure 60A having one lens, the beam diffusion angle is relatively large, and thus the application may be limited depending on the purpose of using the optical apparatuses 100, 200, 300, 400 and FIGS. 2 to 5.
  • the first lens structure 60A is composed of one lens, but the first steering angle of the light steering portion can be readjusted to a range of 0 to ⁇ 100 degrees.
  • a value obtained by dividing the incident angle of the first lens structure 60A by the refractive angle of the first lens structure 60A based on the optical axis of the third light beam incident on the light steering part may range from 0.1 to 100.
  • FIG. 13 illustrates a second lens structure 60B applicable to the first to fourth optical apparatuses 100, 200, 300, 400, and FIGS. 2 to 5.
  • the second lens structure 60B may include a combination of a plurality of lenses having a width W2 of 32 mm and a height H2 of 15 mm.
  • the width IW2 of the incident portion into which the light beam is input is 8 mm, and the width OW2 of the light exit portion transmitted and output is 23 mm.
  • the distance D2 between the first lens structure 60B and the light steering portion (not shown) (the distance between the incident portions of the lens where the light rays are emitted) is 5 mm.
  • the second lens structure 60B has a uniformity of angle of 90%, a field of view (FOV) of 120 degrees, and a beam diffusion angle of 3.4 to 4.7 degrees.
  • the second lens structure 60B is composed of two lenses, it is possible to readjust the first steering angle of the light steering unit to a range of 0 to ⁇ 100 degrees.
  • a value obtained by dividing the incident angle of the first lens structure 60B by the refractive angle of the second lens structure 60B based on the optical axis of the third light beam incident on the light steering unit may be in a range of 0.1 to 100.
  • FIG. 14 illustrates a third lens structure 60C applicable to the first to fourth optical apparatuses 100, 200, 300, 400, and FIGS. 2 to 5.
  • the third lens structure 60C may include a combination of a plurality of lenses having a width W3 of 45 mm and a height H3 of 25 mm.
  • the width IW1 of the incident portion into which the light beam is input is 14 mm, and the width OW1 of the light exit portion transmitted and output is 32 mm.
  • the distance D3 between the third lens structure 60C and the light steering part (not shown) (the distance between the incidence parts of the lens where the light rays are emitted) is 8 mm.
  • the first lens structure 60C has a uniformity of angle of 90%, a field of view (FOV) of 120 degrees, and a beam diffusion angle of 0.4 to 3.4 degrees.
  • the first lens structure 60C is composed of three lenses, it is possible to readjust the first steering angle of the light steering part to a range of 0 to ⁇ 100 degrees.
  • a value obtained by dividing the incident angle of the first lens structure 60A by the refractive angle of the first lens structure 60C based on the optical axis of the third light beam incident on the light steering part may range from 0.1 to 100.
  • a single lens, a plurality of lens combinations, or a combination of a plurality of lenses and an opening included in the lens unit 160, 260, 360, 460, and FIGS. 2 to 5 may include the optical apparatus 100, 200, 300, 400, and FIG. 2. It can be changed according to the purpose of use and the required performance and density. For example, when the lens unit is configured by a combination using a plurality of lenses, the light incidence area and the outgoing area of the lens unit can be wider than in the case of using a single lens. Therefore, the lens unit may increase the range in which the steering angles of the fourth rays L4_a, L4_b, and L4_c output from the light steering units 150, 250, 350, 450, and FIGS. 2 to 5 may be increased.
  • the above-described optical device includes LIDAR (Light Detection And Ranging) technology, and scans a laser pulse to measure the arrival time of the reflected laser pulse to calculate spatial position coordinates of the reflection point to extract three-dimensional information. Can be. Therefore, when the optical device is used, since the reflected time varies depending on the characteristics of the object, it is possible to generate an accurate digital elevation model (DEM) of the building and the feature. In addition, by using the optical device, it is fused with a high-resolution image to automatically construct a building layer, obtain information that is difficult to obtain from the optical image, and classify it into a topographic digital elevation model and a building and structure DEM by using the acquired high-precision digital elevation model.
  • LIDAR Light Detection And Ranging
  • the optical device is mounted on a vehicle and can be applied to a system for extracting three-dimensional spatial information such as a numerical elevation model of a road, a road boundary line, and road facilities. It can be effectively used to obtain a digital elevation model.
  • the light wave detection and distance measuring apparatus is fused with a high resolution image to automatically construct a building layer, to obtain information that is difficult to obtain from an optical image, and to obtain a topographic digital elevation model and a DEM using a high precision digital elevation model.
  • 3D models can be generated quickly and efficiently.
  • the optical device is mounted on a vehicle and can be applied to a system for extracting three-dimensional spatial information such as a numerical elevation model of a road, a road boundary line, and road facilities. Can be used to obtain a digital elevation model.

Abstract

본 발명이 제공하는 광학 장치는 한 개의 제1광선(beam)을 입력 받아 k개(k는 자연수)의 제2광선을 출력하는 광분리부, k개의 제2광선을 제1조향각(steering angle)만큼 변경시켜 제3광선을 출력하는 광조향부, 제3광선을 전달받아 제1조향각을 조정하여 제4광선을 출력하는 렌즈부, 및 제1출광각을 제어하기 위한 구동부를 포함하고, 제2광선의 파면(wave front)은 제1광선의 파면을 k로 나눈 것보다 넓을 수 있다.

Description

광파 탐지 및 거리 측정 장치
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 레이저(laser)를 광원으로 사용하는 광학 장치에 있어서, 위상 제어(phase control)가 가능한 광학 위상 어레이(optical phase array)를 이용하여 광원으로부터 전달된 하나의 광선을 복수개의 광선으로 분리함에 있어 파면의 크기를 유지할 수 있도록 한다.
또한, 본 발명은 하나의 광선이 복수개로 분리되었지만 파면의 크기가 유지되어 복수의 광원을 사용하지 않고도 일정 크기 이상의 면적을 스캔(scan)하기 위한 시야(Field Of View) 및 조향 성능(beam steering)을 가진 광학 장치를 제공할 수 있다.
또한, 본 발명은 복수의 광원을 특정방향으로 조향하기 위한 조향모터가 필요하지 않아, 소형화된 광학 장치를 제공할 수 있다.
또한, 본 발명은 복수의 광선(beam)의 조향각을 조정한 뒤, 조향각을 증가시킬 수 있는 렌즈의 조합을 포함하여, 스캔가능한 영역의 범위를 증가시킬 수 있는 광학 장치를 제공할 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.
일 실시예에 따른 광학 장치는 한 개의 제1광선(beam)을 입력 받아 k개(k는 자연수)의 제2광선을 출력하는 광분리부, 상기 k개의 제2광선을 제1조향각(steering angle)만큼 변경시켜 제3광선을 출력하는 광조향부; 상기 제3광선을 전달받아 상기 제1조향각을 조정하여 제4광선을 출력하는 렌즈부; 및 상기 제1출광각을 제어하기 위한 구동부를 포함할 수 있고, 상기 제2광선의 파면(wave front)은 상기 제1광선의 파면을 k로 나눈 것보다 넓을 수 있다.
또한, 상기 광분리부는 상기 제1광선을 전달받아 서로 방향성이 다른 상기 k개의 제2광선을 생성하는 광학 위상 어레이(optical phase array); 및 상기 k개의 제2광선을 개별적으로 수렴시켜 모두 제1방향으로 조정하기 위한 방향 조정기를 포함할 수 있다.
또한, 상기 광학 위상 어레이는 m x n 행렬 형태(m, n은 3이상의 자연수, (m x n) ≥≥ k)의 소자들로 구성될 수 있으며, 각각의 소자들은 복수의 방향 벡터에 대한 이산 공간(Discrete Space) 형태로 분포될 수 있다.
또한, 상기 소자들은 구면을 가질 수 있으며, 상기 구면의 곡률의 절대값은 10 mm보다 클 수 있다.
또한, 상기 소자들은 요철 형태의 표면을 가질 수 있으며, 상기 요철의 높이는 1 mm보다 작을 수 있다.
또한, 상기 소자들은 상기 제1광선의 파면의 1.5배 이상의 크기를 가질 수 있고, 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, 상기 광학 위상 어레이는 상기 제1광선을 방출하는 광원장치와 물리적으로 떨어진 곳에 위치하는 반사형 소자이거나, 상기 광원장치에 부착되는 코팅막일 수 있다.
또한, 상기 반사형 소자는 알루미늄(Al), 금(Au), 백금(Pt) 및 은(Ag) 중 적어도 하나를 포함하는 단일층 또는 복수의 층을 포함할 수 있다.
또한, 상기 방향 조정기는 상기 복수의 제2광선에 대응하는 복수의 소자들로 구성되며, 상기 소자들은 위치에 따라 서로 다른 곡률을 가질 수 있다.
또한, 상기 소자들은 렌즈로 구성되며, 유리(glass), 실리콘(silicon), 폴리메틸 메타크리레이트(PMMA) 및 폴리카보네이트(polycarbonate) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
또한, 상기 소자들은 거울로 구성되며, 상기 거울의 반사면은 알루미늄(Al), 금(Au), 백금(Pt) 및 은(Ag) 중 적어도 하나를 포함하는 단일층 또는 복수의 층을 포함할 수 있다.
다른 실시예에 따른 광학 장치는 한 개의 제1광선(beam)을 입력 받아 k개(k는 자연수)의 제2광선을 출력하는 광분리부, 상기 k개의 제2광선을 제1조향각(steering angle)만큼 변경시켜 제3광선을 출력하는 광조향부; 상기 제3광선을 전달받아 상기 제1조향각을 조정하여 제4광선을 출력하는 렌즈부; 및 상기 제1출광각을 제어하기 위한 구동부를 포함하고, 상기 광조향부는 상기 복수의 제2광선을 집속하여 다수의 빔 스팟을 형성하는 스팟 형성 어레이; 상기 다수의 빔 스팟의 전부 혹은 일부를 확산하여 출력하는 확산 어레이; 및 상기 확산 어레이의 출력을 상기 제1조향각만큼 변경시켜 상기 제3광선을 출력하는 조향 어레이를 포함할 수 있다.
또한, 상기 제1조향각은 0~±25도의 범위로 정해질 수 있다.
또한, 상기 스팟 형성 어레이 및 상기 조향 어레이의 병진 운동(Translational Motion)의 범위는 2mm이하일 수 있고, 서로 다른 방향으로 병진 운동을 할 수 있다.
또한, 상기 스팟 형성 어레이는 볼록 렌즈 형태의 제1소자들을 포함할 수 있고, 상기 확산 어레이는 오목 렌즈 형태의 제2소자들을 포함할 수 있고, 상기 조향 어레이는 볼록 렌즈 형태의 제3소자들을 포함할 수 있다.
상기 제1광원은 파면의 직경 혹은 장축의 길이가 100nm~2mm의 범위를 가지는 레이저일 수 있다.
또 다른 실시예에 따른 광학 장치는 한 개의 제1광선(beam)을 입력 받아 k개(k는 자연수)의 제2광선을 출력하는 광분리부, 상기 k개의 제2광선을 제1조향각(steering angle)만큼 변경시켜 제3광선을 출력하는 광조향부; 상기 제3광선을 전달받아 상기 제1조향각을 조정하여 제4광선을 출력하는 렌즈부; 및 상기 제1출광각을 제어하기 위한 구동부를 포함하고, 상기 렌즈부는 적어도 하나의 렌즈 혹은 적어도 하나의 렌즈 및 거울의 조합을 포함할 수 있고, 상기 제1조향각을 0~±100도의 범위로 재조정할 수 있다.
또한, 상기 복수개의 렌즈 사이에 개구부(aperture)를 더 포함할 수 있고, 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.
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 복수의 광선을 개별적으로 처리할 수 있는 어레이 형태의 장치를 이용하여 광선을 분할하거나, 확산하거나, 방향을 조향할 수 있어 미세한 조정이 가능한 장점이 있다.
또한, 복수의 광원을 사용하지 않고, 하나의 광원을 사용하여 원하는 영역을 스캔할 수 있기 때문에, 신호(데이터)처리에 필요한 시간과 부담을 줄일 수 있어 광학 장치의 효율성을 높일 수 있다.
또한, 광선을 조향하는 데 렌즈 또는 거울의 조합을 사용함으로써, 실리콘 나노 소자를 이용한 조향장치에 비해 출광 효율을 매우 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 레이저를 사용한 탐지 및 거리 측정이 가능한 제2 광학 장치를 설명한다.
도4는 레이저를 사용한 탐지 및 거리 측정이 가능한 제3 광학 장치를 설명한다.
도5는 레이저를 사용한 탐지 및 거리 측정이 가능한 제4 광학 장치를 설명한다.
도6은 제1 내지 제4 광학 장치에 적용 가능한 제1광학 위상 어레이를 설명한다.
도7은 도6에 도시된 제1광학 위상 어레이의 표면을 설명한다.
도8은 제1 내지 제4 광학 장치에 적용 가능한 제2광학 위상 어레이를 설명한다.
도9는 도8에 도시된 제2광학 위상 어레이의 표면을 설명한다.
도10은 제1 내지 제4 광학 장치에 적용 가능한 광조향부를 설명한다.
도11은 도10에 도시된 광조향부의 동작을 설명한다.
도12는 제1 내지 제4 광학 장치에 적용 가능한 제1 렌즈 구조를 설명한다.
도13은 제1 내지 제4 광학 장치에 적용 가능한 제2 렌즈 구조를 설명한다.
도14는 제1 내지 제4 광학 장치에 적용 가능한 제3 렌즈 구조를 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 한 개의 제1광선(beam, L1)을 입력 받아 k개(k는 자연수)의 제3광선(L3_1 ~ L3_k)을 출력하는 광분리부(130), k개의 제3광선(L3_1 ~ L3_k)을 제1조향각(steering angle)만큼 변경시켜 제4광선(L4_a, L4_b, L4_c)을 출력하는 광조향부(150), 제4광선(L4_a, L4_b, L4_c)을 전달받아 제1조향각을 조정하여 제5광선(L5_a, L5_b, L5_c)을 출력하는 렌즈부(160), 및 제1출광각을 제어하기 위한 구동부(110)를 포함할 수 있다.
제1 광학 장치(100)는 제1광선(L1)을 출력하는 광원(120)을 포함할 수 있다. 광원(120)은 레이저(laser)를 출력할 수 있으며, 광원제어부(112)에 의해 동작이 제어된다. 제1광원(L1)은 파면의 직경 혹은 장축의 길이가 100nm~2mm의 범위를 가지는 레이저일 수 있다. 제1 광학 장치(100)는 LiDAR (LIght Detection And Ranging) 또는 LADAR (LAser Detection And Ranging)기술을 사용하는 것으로, 고주파 신호 혹은 마이크로 웨이브(radio frequency (RF) or microwave)를 사용하는 기존의 RADAR (RAdio Detection And Ranging) 기술을 사용하는 광학 장치와는 광원(120)과 광원에서 출력되는 제1광선(L1)의 성질이 상이하다. 제1광선(L1)의 성질, 특성의 차이로 인해 광분리, 광조향 등의 광선을 가공하는 과정은 광학 장치가 사용하는 기술에 따라 상이하다.
한편, 제1 광학 장치(100)가 다른 장치 혹은 장비에 탑재되거나, 다른 장치 혹은 장비의 광원을 함께 사용하는 경우에는 별도의 광원을 포함하지 않을 수 있다.
광분리부(130)는 제1광선(L1)을 전달받아 서로 방향성이 다른 상기 k개의 제2광선(L2_1~L2_k)을 생성하는 광학 위상 어레이(optical phase array, 132) 및 k개의 제2광선(L2_1~L2_k)을 개별적으로 수렴시켜 모두 제1방향으로 조정한 뒤 k개의 제3광선(L3_1~L3_k)를 출력하기 위한 방향 조정기(140)를 포함할 수 있다. 여기서, 제1방향은 광선의 조향(steering)에 기준이 되는 광축방향이 될 수 있다.
광학 위상 어레이(132)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(132)에 포함된 각각의 소자들은 복수의 방향 벡터에 대한 이산 공간(Discrete Space) 형태로 분포될 수 있다.
광학 위상 어레이(132)는 일반적인 광선분리기(Beam Splitter)와는 구별된다. 광학 위상 어레이(132)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(132)에서 출력되는 제2광선(L2_1~L2_k)의 파면(wave front)은 제1광선(L1)의 파면을 k(제2 광선의 수)로 나눈 것보다 넓을 수 있다. 다만, 제2광선(L2_1~L2_k)의 파면은 제1광선(L1)의 파면의 50%이하의 값을 가질 수 있다. 광학 위상 어레이(132)는 입사되는 광선의 파면을 나누는 것이 아닌, 위상 제어(phase control)를 통해 복수의 광선을 생성한다. 따라서, 광학 위상 어레이(132)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(132)는 광원(120)과 물리적으로 떨어진 곳에 위치하고 제1광원(L1)을 투과하여 복수의 제2광선(L2_1~L2_k)을 생성하는 투과형 소자일 수 있다. 이와 달리, 광학 위상 어레이(132)는 광원(120)에 부착될 수 있는 코팅막의 형태로 구현할 수도 있다. 광학 위상 어레이(132)의 형태는 광원 장치의 사용 목적이나 설계상의 이유 등에 의해 변경될 수 있다.
도2를 참조하면, 방향 조정기(140)는 복수의 제2광선(L2_1~L2_k)에 대응하는 복수개의 소자들로 구성될 수 있다. 방향 조정기(140) 내 소자들은 위치에 따라 서로 다른 곡률을 가질 수 있다. 광학 위상 어레이(132)에서 출력된 복수의 제2광선(L2_1~L2_k)은 방향성이 서로 다를 수 있다. 광학 장치(100)가 평면을 스캔하려면, 방향 조정기(140)가 서로 다른 방향성을 가지는 복수의 제2광선(L2_1~L2_k)을 특정 방향으로 정렬할 필요가 있다.
방향 조정기(140)는 일반적인 대물렌즈(objective lens)와는 구분될 수 있다. 방향 조정기(140)에 입력되는 복수의 제2광선(L2_1~L2_k)은 서로 방향성이 상이할 수 있기 때문에, 복수의 제2광선(L2_1~L2_k)을 개별적으로 조정하기 위한 복수의 소자들이 가지는 굴절률이 서로 달라야 하기 때문이다.
방향 조정기(140)는 광학 위상 어레이(132)에서 출력되는 제2광선(L2_1~L2_k)의 광특성에 대응하는 구조를 가질 수 있다. 예를 들면, 방향 조정기(140) 내 소자들은 m x n 의 행렬 형태로 배열될 수도 있다.
예를 들면, 방향 조정기(140) 내 소자들은 렌즈 형태로 구성될 수 있으며, 유리(glass), 실리콘(silicon), 폴리메틸 메타크리레이트(PMMA) 및 폴리카보네이트(polycarbonate) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
도2를 참조하면, 광조향부(150)는 복수의 제3광선(L3_1~L3_k)을 집속하여 다수의 빔 스팟(beam spot)을 형성하는 스팟 형성 어레이(152), 다수의 빔 스팟의 전부 혹은 일부를 확산하여 출력하는 확산 어레이(154), 및 확산 어레이(154)의 출력을 제1조향각만큼 변경시켜 제4광선(L4_a, L4_b, L4_c)을 출력하는 조향 어레이(156)를 포함할 수 있다. 예를 들면, 최대 제1조향각은 약 ±25도 일 수 있다. 즉, 광조향부(150)가 생성하는 제4광선(L4_a, L4_b, L4_c)은 입력되는 복수의 제3광선(L3_1~L3_k)에 대비하여 약 ±25도까지 방향이 바뀔 수 있다.
광조향부(150)에서 출력하는 제4광선(L4_a, L4_b 또는 L4_c)은 제3광선(L3_1~L3_k)의 광축을 중심으로 제1조향각만큼 틀어진 것이다. 만약, 제1조향각이 0도이면, 출력되는 제4광선(L4_b)은 제3광선(L3_1~L3_k)의 광축과 나란한 방향이 된다. 만약, 제1조향각이 +20도(혹은 -20도)라고 하면, 출력되는 제4광선(L4_a 또는 L4_c)은 제3광선(L3_1~L3_k)의 광축으로부터 일정 방향으로 20도만큼 틀어지게 된다.
제1조향각의 제어는 구동부(110) 내 조향제어부(114)에 의해 결정될 수 있다. 조향 제어부(114)에 의해 스팟 형성 어레이(152) 및 조향 어레이(156)의 병진 운동(Translational Motion)을 한다. 예를 들면, 스팟 형성 어레이(152) 및 조향 어레이(156)의 병진 운동의 범위는 2mm이하일 수 있고, 서로 다른 방향으로 병진 운동을 할 수 있다.
스팟 형성 어레이(152), 확산 어레이(154) 및 조향 어레이(156)는 모두 m x n의 행렬 구조를 가질 수 있다. 예를 들면, 스팟 형성 어레이(152)는 볼록 렌즈 형태의 제1소자들을 포함하고, 확산 어레이(154)는 오목 렌즈 형태의 제2소자들을 포함하고, 조향 어레이(156)는 볼록 렌즈 형태의 제3소자들을 포함할 수 있다. 이 경우, 제1소자, 상기 제2소자, 및 상기 제3소자 각각의 곡률은 25mm 이상일 수 있다. 또한, 각 소자의 중심으로부터 이웃한 소자의 중심까지의 거리는 빔 스팟 사이의 간격의 0.5~2배의 값을 가질 수 있다.
스팟 형성 어레이(152), 확산 어레이(154) 및 조향 어레이(156) 중 일부가 렌즈 형태의 소자들을 포함하지 않을 수도 있다. 예를 들면, 확산 어레이(154)는 적어도 빔 스팟의 0.5배 이상의 크기를 가지는 개구부(aperture)을 포함할 수 있다. 또한, 확산 어레이(154)는 렌즈와 개구부의 조합으로 형성되어, 중심에는 렌즈를 포함하고 외곽에는 개구부를 포함할 수도 있다. 또한, 개구부가 확산 어레이(154)에 포함된 경우, 개구부는 어레이 내 위치에 따라 직경이 상이할 수도 있다.
도2를 참조하면, 렌즈부(160)는 적어도 하나의 렌즈(162, 164) 혹은 적어도 하나의 렌즈 및 거울의 조합을 포함할 수 있다. 렌즈부(160)는 광조향부(150)의 제1조향각을 0~±100도의 범위로 재조정할 수 있다. 예를 들어, 광조향부(150)의 제1조향각이 25도인 경우, 렌즈부(160)는 25도인 제1조향각을 100도(약 4배)가 되도록 재조정할 수 있다. 또한, 광조향부(150)의 제1조향각이 0도인 경우, 렌즈부(160)는 제1조향각을 0도로 유지할 수 있다.
렌즈부(160)의 성능과 구조는 광학 장치(100)의 사용목적과 요구되는 성능에 따라 달라질 수 있다. 렌즈부(160)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(160)는 120도의 시야(FOV)를 가지도록 설계할 수 있다. 렌즈부(160)가 단일 렌즈로 구성되는 경우에 비해 복수의 렌즈를 사용하는 경우, 광학 장치(100)가 필요로 하는 요구조건(즉, 시야, FOV)을 만족하기 용이할 수 있다.
예를 들어, 렌즈부(160)는 복수개의 렌즈(162, 164) 사이에 개구부(aperture, 미도시)를 더 포함할 수 있다. 이 경우, 렌즈(162, 164)는 제4광선(L4_a, L4_b, L4_c)의 빔 스팟(beam spot)의 2배이상의 크기를 가질 수 있고, 개구부는 빔 스팟의 0.5배이상의 크기를 가질 수 있다. 렌즈(162, 164)와 개구부의 크기는 렌즈부(160) 및 광학 소자(100)의 전체 크기에 큰 영향을 미칠 수 있다.
적어도 하나의 렌즈를 포함하는 렌즈부(160)에서, 제3광선(L3_1~L3_k)의 광축을 기준으로, 렌즈부(160)의 입사각(즉, 제4광선(L4_a, L4_b, L4_c)의 조향각)을 렌즈부(160)의 굴절각(즉, 제5광선(L5_a, L5_b, L5_c)의 조향각)으로 나눈 값은 0.1~100 범위가 될 수 있다.
도3은 레이저를 사용한 탐지 및 거리 측정이 가능한 제2 광학 장치(200)를 설명한다.
도시된 바와 같이, 제1 광학 장치(200)는 한 개의 제1광선(beam, L1)을 입력 받아 k개(k는 자연수)의 제3광선(L3_1 ~ L3_k)을 출력하는 광분리부(230), k개의 제3광선(L3_1 ~ L3_k)을 제1조향각(steering angle)만큼 변경시켜 제4광선(L4_a, L4_b, L4_c)을 출력하는 광조향부(250), 제4광선(L4_a, L4_b, L4_c)을 전달받아 제1조향각을 조정하여 제5광선(L5_a, L5_b, L5_c)을 출력하는 렌즈부(260), 및 제1출광각을 제어하기 위한 구동부(210)를 포함할 수 있다.
제1 광학 장치(200)는 제1광선(L1)을 출력하는 광원(220)을 포함할 수 있다. 광원(220)은 레이저(laser)를 출력할 수 있으며, 광원제어부(212)에 의해 동작이 제어된다. 제1광원(L1)은 파면의 직경 혹은 장축의 길이가 100nm~2mm의 범위를 가지는 레이저일 수 있다. 제1 광학 장치(200)는 LiDAR (LIght Detection And Ranging) 또는 LADAR (LAser Detection And Ranging)기술을 사용하는 것으로, 고주파 신호 혹은 마이크로 웨이브(radio frequency (RF) or microwave)를 사용하는 기존의 RADAR (RAdio Detection And Ranging) 기술을 사용하는 광학 장치와는 광원(220)과 광원에서 출력되는 제1광선(L1)의 성질이 상이하다. 제1광선(L1)의 성질, 특성의 차이로 인해 광분리, 광조향 등의 광선을 가공하는 과정은 광학 장치가 사용하는 기술에 따라 상이하다.
한편, 제1 광학 장치(200)가 다른 장치 혹은 장비에 탑재되거나, 다른 장치 혹은 장비의 광원을 함께 사용하는 경우에는 별도의 광원을 포함하지 않을 수 있다.
광분리부(230)는 제1광선(L1)을 전달받아 서로 방향성이 다른 상기 k개의 제2광선(L2_1~L2_k)을 생성하는 광학 위상 어레이(optical phase array, 232) 및 k개의 제2광선(L2_1~L2_k)을 개별적으로 수렴시켜 모두 제1방향으로 조정한 뒤 k개의 제3광선(L3_1~L3_k)를 출력하기 위한 방향 조정기(240)를 포함할 수 있다. 여기서, 제1방향은 광선의 조향(steering)에 기준이 되는 광축방향이 될 수 있다.
광학 위상 어레이(232)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(232)에 포함된 각각의 소자들은 복수의 방향 벡터에 대한 이산 공간(Discrete Space) 형태로 분포될 수 있다.
광학 위상 어레이(232)는 일반적인 광선분리기(Beam Splitter)와는 구별된다. 광학 위상 어레이(232)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(232)에서 출력되는 제2광선(L2_1~L2_k)의 파면(wave front)은 제1광선(L1)의 파면을 k(제2 광선의 수)로 나눈 것보다 넓을 수 있다. 다만, 제2광선(L2_1~L2_k)의 파면은 제1광선(L1)의 파면의 50%이하의 값을 가질 수 있다. 광학 위상 어레이(232)는 입사되는 광선의 파면을 나누는 것이 아닌, 위상 제어(phase control)를 통해 복수의 광선을 생성한다. 따라서, 광학 위상 어레이(232)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(232)는 광원(220)과 물리적으로 떨어진 곳에 위치하고 제1광원(L1)을 반사하여 복수의 제2광선(L2_1~L2_k)을 생성하는 반사형 소자일 수 있다. 광학 위상 어레이(232)의 형태는 광원 장치의 사용 목적이나 설계상의 이유 등에 의해 변경될 수 있다.
도3을 참조하면, 방향 조정기(240)는 복수의 제2광선(L2_1~L2_k)에 대응하는 복수개의 소자들로 구성될 수 있다. 방향 조정기(240) 내 소자들은 위치에 따라 서로 다른 곡률을 가질 수 있다. 광학 위상 어레이(232)에서 출력된 복수의 제2광선(L2_1~L2_k)은 방향성이 서로 다를 수 있다. 광학 장치(200)가 평면을 스캔하려면, 방향 조정기(240)가 서로 다른 방향성을 가지는 복수의 제2광선(L2_1~L2_k)을 특정 방향으로 정렬할 필요가 있다.
방향 조정기(240)는 일반적인 대물렌즈(objective lens)와는 구분될 수 있다. 방향 조정기(140)에 입력되는 복수의 제2광선(L2_1~L2_k)은 서로 방향성이 상이할 수 있기 때문에, 복수의 제2광선(L2_1~L2_k)을 개별적으로 조정하기 위한 복수의 소자들이 가지는 굴절률이 서로 달라야 하기 때문이다.
방향 조정기(240)는 광학 위상 어레이(232)에서 출력되는 제2광선(L2_1~L2_k)의 광특성에 대응하는 구조를 가질 수 있다. 예를 들면, 방향 조정기(240) 내 소자들은 m x n 의 행렬 형태로 배열될 수도 있다.
예를 들면, 방향 조정기(240) 내 소자들은 렌즈 형태로 구성될 수 있으며, 유리(glass), 실리콘(silicon), 폴리메틸 메타크리레이트(PMMA) 및 폴리카보네이트(polycarbonate) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
도3을 참조하면, 광조향부(250)는 복수의 제3광선(L3_1~L3_k)을 집속하여 다수의 빔 스팟(beam spot)을 형성하는 스팟 형성 어레이(252), 다수의 빔 스팟의 전부 혹은 일부를 확산하여 출력하는 확산 어레이(254), 및 확산 어레이(254)의 출력을 제1조향각만큼 변경시켜 제4광선(L4_a, L4_b, L4_c)을 출력하는 조향 어레이(256)를 포함할 수 있다. 예를 들면, 최대 제1조향각은 약 ±25도 일 수 있다. 즉, 광조향부(250)가 생성하는 제4광선(L4_a, L4_b, L4_c)은 입력되는 복수의 제3광선(L3_1~L3_k)에 대비하여 약 ±25도까지 방향이 바뀔 수 있다.
광조향부(250)에서 출력하는 제4광선(L4_a, L4_b 또는 L4_c)은 제3광선(L3_1~L3_k)의 광축을 중심으로 제1조향각만큼 틀어진 것이다. 만약, 제1조향각이 0도이면, 출력되는 제4광선(L4_b)은 제3광선(L3_1~L3_k)의 광축과 나란한 방향이 된다. 만약, 제1조향각이 +20도(혹은 -20도)라고 하면, 출력되는 제4광선(L4_a 또는 L4_c)은 제3광선(L3_1~L3_k)의 광축으로부터 일정 방향으로 20도만큼 틀어지게 된다.
제1조향각의 제어는 구동부(210) 내 조향제어부(214)에 의해 결정될 수 있다. 조향 제어부(214)에 의해 스팟 형성 어레이(252) 및 조향 어레이(256)의 병진 운동을 한다. 예를 들면, 스팟 형성 어레이(252) 및 조향 어레이(256)의 병진 운동의 범위는 2mm이하일 수 있고, 서로 다른 방향으로 병진 운동을 할 수 있다.
스팟 형성 어레이(252), 확산 어레이(254) 및 조향 어레이(256)는 모두 m x n의 행렬 구조를 가질 수 있다. 예를 들면, 스팟 형성 어레이(252)는 볼록 렌즈 형태의 제1소자들을 포함하고, 확산 어레이(254)는 오목 렌즈 형태의 제2소자들을 포함하고, 조향 어레이(256)는 볼록 렌즈 형태의 제3소자들을 포함할 수 있다. 이 경우, 제1소자, 상기 제2소자, 및 상기 제3소자 각각의 곡률은 25mm 이상일 수 있다. 또한, 각 소자의 중심으로부터 이웃한 소자의 중심까지의 거리는 빔 스팟 사이의 간격의 0.5~2배의 값을 가질 수 있다.
스팟 형성 어레이(252), 확산 어레이(254) 및 조향 어레이(256) 중 일부가 렌즈 형태의 소자들을 포함하지 않을 수도 있다. 예를 들면, 확산 어레이(254)는 적어도 빔 스팟의 0.5배 이상의 크기를 가지는 개구부(aperture)을 포함할 수 있다. 또한, 확산 어레이(254)는 렌즈와 개구부의 조합으로 형성되어, 중심에는 렌즈를 포함하고 외곽에는 개구부를 포함할 수도 있다. 또한, 개구부가 확산 어레이(254)에 포함된 경우, 개구부는 어레이 내 위치에 따라 직경이 상이할 수도 있다.
도3을 참조하면, 렌즈부(260)는 적어도 하나의 렌즈(262, 264) 혹은 적어도 하나의 렌즈 및 거울의 조합을 포함할 수 있다. 렌즈부(260)는 광조향부(250)의 제1조향각을 0~±100도의 범위로 재조정할 수 있다. 예를 들어, 광조향부(250)의 제1조향각이 25도인 경우, 렌즈부(260)는 25도인 제1조향각을 100도(약 4배)가 되도록 재조정할 수 있다. 또한, 광조향부(250)의 제1조향각이 0도인 경우, 렌즈부(260)는 제1조향각을 0도로 유지할 수 있다.
렌즈부(260)의 성능과 구조는 광학 장치(200)의 사용목적과 요구되는 성능에 따라 달라질 수 있다. 렌즈부(260)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(260)는 120도의 시야(FOV)를 가지도록 설계할 수 있다. 렌즈부(260)가 단일 렌즈로 구성되는 경우에 비해 복수의 렌즈를 사용하는 경우, 광학 장치(200)가 필요로 하는 요구조건(즉, 시야, FOV)을 만족하기 용이할 수 있다.
예를 들어, 렌즈부(260)는 복수개의 렌즈(262, 264) 사이에 개구부(aperture, 미도시)를 더 포함할 수 있다. 이 경우, 렌즈(262, 264)는 제4광선(L4_a, L4_b, L4_c)의 빔 스팟(beam spot)의 2배이상의 크기를 가질 수 있고, 개구부는 빔 스팟의 0.5배이상의 크기를 가질 수 있다. 렌즈(262, 264)와 개구부의 크기는 렌즈부(260) 및 광학 소자(200)의 전체 크기에 큰 영향을 미칠 수 있다.
적어도 하나의 렌즈를 포함하는 렌즈부(260)에서, 제3광선(L3_1~L3_k)의 광축을 기준으로, 렌즈부(260)의 입사각(즉, 제4광선(L4_a, L4_b, L4_c)의 조향각)을 렌즈부(260)의 굴절각(즉, 제5광선(L5_a, L5_b, L5_c)의 조향각)으로 나눈 값은 0.1~100 범위가 될 수 있다.
도4는 레이저를 사용한 탐지 및 거리 측정이 가능한 제3 광학 장치(300)를 설명한다.
도시된 바와 같이, 제1 광학 장치(300)는 한 개의 제1광선(beam, L1)을 입력 받아 k개(k는 자연수)의 제3광선(L3_1 ~ L3_k)을 출력하는 광분리부(330), k개의 제3광선(L3_1 ~ L3_k)을 제1조향각(steering angle)만큼 변경시켜 제4광선(L4_a, L4_b, L4_c)을 출력하는 광조향부(350), 제4광선(L4_a, L4_b, L4_c)을 전달받아 제1조향각을 조정하여 제5광선(L5_a, L5_b, L5_c)을 출력하는 렌즈부(160), 및 제1출광각을 제어하기 위한 구동부(310)를 포함할 수 있다.
제1 광학 장치(300)는 제1광선(L1)을 출력하는 광원(320)을 포함할 수 있다. 광원(320)은 레이저(laser)를 출력할 수 있으며, 광원제어부(312)에 의해 동작이 제어된다. 제1광원(L1)은 파면의 직경 혹은 장축의 길이가 100nm~2mm의 범위를 가지는 레이저일 수 있다. 제1 광학 장치(300)는 LiDAR (LIght Detection And Ranging) 또는 LADAR (LAser Detection And Ranging)기술을 사용하는 것으로, 고주파 신호 혹은 마이크로 웨이브(radio frequency (RF) or microwave)를 사용하는 기존의 RADAR (RAdio Detection And Ranging) 기술을 사용하는 광학 장치와는 광원(320)과 광원에서 출력되는 제1광선(L1)의 성질이 상이하다. 제1광선(L1)의 성질, 특성의 차이로 인해 광분리, 광조향 등의 광선을 가공하는 과정은 광학 장치가 사용하는 기술에 따라 상이하다.
한편, 제1 광학 장치(300)가 다른 장치 혹은 장비에 탑재되거나, 다른 장치 혹은 장비의 광원을 함께 사용하는 경우에는 별도의 광원을 포함하지 않을 수 있다.
광분리부(330)는 제1광선(L1)을 전달받아 서로 방향성이 다른 상기 k개의 제2광선(L2_1~L2_k)을 생성하는 광학 위상 어레이(optical phase array, 332) 및 k개의 제2광선(L2_1~L2_k)을 개별적으로 수렴시켜 모두 제1방향으로 조정한 뒤 k개의 제3광선(L3_1~L3_k)를 출력하기 위한 방향 조정기(340)를 포함할 수 있다. 여기서, 제1방향은 광선의 조향(steering)에 기준이 되는 광축방향이 될 수 있다.
광학 위상 어레이(332)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(332)에 포함된 각각의 소자들은 복수의 방향 벡터에 대한 이산 공간(Discrete Space) 형태로 분포될 수 있다.
광학 위상 어레이(332)는 일반적인 광선분리기(Beam Splitter)와는 구별된다. 광학 위상 어레이(332)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(332)에서 출력되는 제2광선(L2_1~L2_k)의 파면(wave front)은 제1광선(L1)의 파면을 k(제2 광선의 수)로 나눈 것보다 넓을 수 있다. 다만, 제2광선(L2_1~L2_k)의 파면은 제1광선(L1)의 파면의 50%이하의 값을 가질 수 있다. 광학 위상 어레이(332)는 입사되는 광선의 파면을 나누는 것이 아닌, 위상 제어(phase control)를 통해 복수의 광선을 생성한다. 따라서, 광학 위상 어레이(332)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(332)는 광원(320)과 물리적으로 떨어진 곳에 위치하고 제1광원(L1)을 투과하여 복수의 제2광선(L2_1~L2_k)을 생성하는 투과형 소자일 수 있다. 이와 달리, 광학 위상 어레이(332)는 광원(320)에 부착될 수 있는 코팅막의 형태로 구현할 수도 있다. 광학 위상 어레이(332)의 형태는 광원 장치의 사용 목적이나 설계상의 이유 등에 의해 변경될 수 있다.
도4을 참조하면, 방향 조정기(340)는 복수의 제2광선(L2_1~L2_k)에 대응하는 복수개의 소자들로 구성될 수 있다. 방향 조정기(340) 내 소자들은 위치에 따라 서로 다른 곡률을 가질 수 있다. 광학 위상 어레이(332)에서 출력된 복수의 제2광선(L2_1~L2_k)은 방향성이 서로 다를 수 있다. 광학 장치(300)가 평면을 스캔하려면, 방향 조정기(340)가 서로 다른 방향성을 가지는 복수의 제2광선(L2_1~L2_k)을 특정 방향으로 정렬할 필요가 있다.
방향 조정기(340)는 일반적인 대물렌즈(objective lens)와는 구분될 수 있다. 방향 조정기(340)에 입력되는 복수의 제2광선(L2_1~L2_k)은 서로 방향성이 상이할 수 있기 때문에, 복수의 제2광선(L2_1~L2_k)을 개별적으로 조정하기 위한 복수의 소자들이 가지는 굴절률이 서로 달라야 하기 때문이다.
방향 조정기(340)는 광학 위상 어레이(332)에서 출력되는 제2광선(L2_1~L2_k)의 광특성에 대응하는 구조를 가질 수 있다. 예를 들면, 방향 조정기(340) 내 소자들은 m x n 의 행렬 형태로 배열될 수도 있다.
예를 들면, 방향 조정기(340) 내 소자들은 거울 형태로 구성될 수 있으며, 이 경우 거울의 반사면은 알루미늄(Al), 금(Au), 백금(Pt) 및 은(Ag) 중 적어도 하나를 포함하는 단일층 또는 복수의 층을 포함할 수 있다.
도4을 참조하면, 광조향부(350)는 복수의 제3광선(L3_1~L3_k)을 집속하여 다수의 빔 스팟(beam spot)을 형성하는 스팟 형성 어레이(352), 다수의 빔 스팟의 전부 혹은 일부를 확산하여 출력하는 확산 어레이(354), 및 확산 어레이(354)의 출력을 제1조향각만큼 변경시켜 제4광선(L4_a, L4_b, L4_c)을 출력하는 조향 어레이(356)를 포함할 수 있다. 예를 들면, 최대 제1조향각은 약 ±25도 일 수 있다. 즉, 광조향부(350)가 생성하는 제4광선(L4_a, L4_b, L4_c)은 입력되는 복수의 제3광선(L3_1~L3_k)에 대비하여 약 ±25도까지 방향이 바뀔 수 있다.
광조향부(350)에서 출력하는 제4광선(L4_a, L4_b 또는 L4_c)은 제3광선(L3_1~L3_k)의 광축을 중심으로 제1조향각만큼 틀어진 것이다. 만약, 제1조향각이 0도이면, 출력되는 제4광선(L4_b)은 제3광선(L3_1~L3_k)의 광축과 나란한 방향이 된다. 만약, 제1조향각이 +20도(혹은 -20도)라고 하면, 출력되는 제4광선(L4_a 또는 L4_c)은 제3광선(L3_1~L3_k)의 광축으로부터 일정 방향으로 20도만큼 틀어지게 된다.
제1조향각의 제어는 구동부(310) 내 조향제어부(314)에 의해 결정될 수 있다. 조향 제어부(314)에 의해 스팟 형성 어레이(352) 및 조향 어레이(356)의 병진 운동(Translational Motion)을 한다. 예를 들면, 스팟 형성 어레이(352) 및 조향 어레이(356)의 병진 운동의 범위는 2mm이하일 수 있고, 서로 다른 방향으로 병진 운동을 할 수 있다.
스팟 형성 어레이(352), 확산 어레이(354) 및 조향 어레이(356)는 모두 m x n의 행렬 구조를 가질 수 있다. 예를 들면, 스팟 형성 어레이(352)는 볼록 렌즈 형태의 제1소자들을 포함하고, 확산 어레이(354)는 오목 렌즈 형태의 제2소자들을 포함하고, 조향 어레이(356)는 볼록 렌즈 형태의 제3소자들을 포함할 수 있다. 이 경우, 제1소자, 상기 제2소자, 및 상기 제3소자 각각의 곡률은 25mm 이상일 수 있다. 또한, 각 소자의 중심으로부터 이웃한 소자의 중심까지의 거리는 빔 스팟 사이의 간격의 0.5~2배의 값을 가질 수 있다.
스팟 형성 어레이(352), 확산 어레이(354) 및 조향 어레이(356) 중 일부가 렌즈 형태의 소자들을 포함하지 않을 수도 있다. 예를 들면, 확산 어레이(354)는 적어도 빔 스팟의 0.5배 이상의 크기를 가지는 개구부(aperture)을 포함할 수 있다. 또한, 확산 어레이(354)는 렌즈와 개구부의 조합으로 형성되어, 중심에는 렌즈를 포함하고 외곽에는 개구부를 포함할 수도 있다. 또한, 개구부가 확산 어레이(354)에 포함된 경우, 개구부는 어레이 내 위치에 따라 직경이 상이할 수도 있다.
도4를 참조하면, 렌즈부(360)는 적어도 하나의 렌즈(362, 364) 혹은 적어도 하나의 렌즈 및 거울의 조합을 포함할 수 있다. 렌즈부(360)는 광조향부(350)의 제1조향각을 0~±100도의 범위로 재조정할 수 있다. 예를 들어, 광조향부(350)의 제1조향각이 25도인 경우, 렌즈부(360)는 25도인 제1조향각을 100도(약 4배)가 되도록 재조정할 수 있다. 또한, 광조향부(350)의 제1조향각이 0도인 경우, 렌즈부(360)는 제1조향각을 0도로 유지할 수 있다.
렌즈부(360)의 성능과 구조는 광학 장치(300)의 사용목적과 요구되는 성능에 따라 달라질 수 있다. 렌즈부(360)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(360)는 120도의 시야(FOV)를 가지도록 설계할 수 있다. 렌즈부(360)가 단일 렌즈로 구성되는 경우에 비해 복수의 렌즈를 사용하는 경우, 광학 장치(300)가 필요로 하는 요구조건(즉, 시야, FOV)을 만족하기 용이할 수 있다.
예를 들어, 렌즈부(360)는 복수개의 렌즈(362, 364) 사이에 개구부(aperture, 미도시)를 더 포함할 수 있다. 이 경우, 렌즈(362, 364)는 제4광선(L4_a, L4_b, L4_c)의 빔 스팟(beam spot)의 2배이상의 크기를 가질 수 있고, 개구부는 빔 스팟의 0.5배이상의 크기를 가질 수 있다. 렌즈(362, 364)와 개구부의 크기는 렌즈부(360) 및 광학 소자(300)의 전체 크기에 큰 영향을 미칠 수 있다.
적어도 하나의 렌즈를 포함하는 렌즈부(360)에서, 제3광선(L3_1~L3_k)의 광축을 기준으로, 렌즈부(360)의 입사각(즉, 제4광선(L4_a, L4_b, L4_c)의 조향각)을 렌즈부(360)의 굴절각(즉, 제5광선(L5_a, L5_b, L5_c)의 조향각)으로 나눈 값은 0.1~100 범위가 될 수 있다.
도5는 레이저를 사용한 탐지 및 거리 측정이 가능한 제4 광학 장치(400)를 설명한다.
도시된 바와 같이, 제1 광학 장치(400)는 한 개의 제1광선(beam, L1)을 입력 받아 k개(k는 자연수)의 제3광선(L3_1 ~ L3_k)을 출력하는 광분리부(430), k개의 제3광선(L3_1 ~ L3_k)을 제1조향각(steering angle)만큼 변경시켜 제4광선(L4_a, L4_b, L4_c)을 출력하는 광조향부(450), 제4광선(L4_a, L4_b, L4_c)을 전달받아 제1조향각을 조정하여 제5광선(L5_a, L5_b, L5_c)을 출력하는 렌즈부(460), 및 제1출광각을 제어하기 위한 구동부(410)를 포함할 수 있다.
제1 광학 장치(400)는 제1광선(L1)을 출력하는 광원(420)을 포함할 수 있다. 광원(120)은 레이저(laser)를 출력할 수 있으며, 광원제어부(112)에 의해 동작이 제어된다. 제1광원(L1)은 파면의 직경 혹은 장축의 길이가 100nm~2mm의 범위를 가지는 레이저일 수 있다. 제1 광학 장치(100)는 LiDAR (LIght Detection And Ranging) 또는 LADAR (LAser Detection And Ranging)기술을 사용하는 것으로, 고주파 신호 혹은 마이크로 웨이브(radio frequency (RF) or microwave)를 사용하는 기존의 RADAR (RAdio Detection And Ranging) 기술을 사용하는 광학 장치와는 광원(420)과 광원에서 출력되는 제1광선(L1)의 성질이 상이하다. 제1광선(L1)의 성질, 특성의 차이로 인해 광분리, 광조향 등의 광선을 가공하는 과정은 광학 장치가 사용하는 기술에 따라 상이하다.
한편, 제1 광학 장치(400)가 다른 장치 혹은 장비에 탑재되거나, 다른 장치 혹은 장비의 광원을 함께 사용하는 경우에는 별도의 광원을 포함하지 않을 수 있다.
광분리부(430)는 제1광선(L1)을 전달받아 서로 방향성이 다른 상기 k개의 제2광선(L2_1~L2_k)을 생성하는 광학 위상 어레이(optical phase array, 432) 및 k개의 제2광선(L2_1~L2_k)을 개별적으로 수렴시켜 모두 제1방향으로 조정한 뒤 k개의 제3광선(L3_1~L3_k)를 출력하기 위한 방향 조정기(440)를 포함할 수 있다. 여기서, 제1방향은 광선의 조향(steering)에 기준이 되는 광축방향이 될 수 있다.
광학 위상 어레이(432)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(432)에 포함된 각각의 소자들은 복수의 방향 벡터에 대한 이산 공간(Discrete Space) 형태로 분포될 수 있다.
광학 위상 어레이(432)는 일반적인 광선분리기(Beam Splitter)와는 구별된다. 광학 위상 어레이(432)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(432)에서 출력되는 제2광선(L2_1~L2_k)의 파면(wave front)은 제1광선(L1)의 파면을 k(제2 광선의 수)로 나눈 것보다 넓을 수 있다. 다만, 제2광선(L2_1~L2_k)의 파면은 제1광선(L1)의 파면의 50%이하의 값을 가질 수 있다. 광학 위상 어레이(432)는 입사되는 광선의 파면을 나누는 것이 아닌, 위상 제어(phase control)를 통해 복수의 광선을 생성한다. 따라서, 광학 위상 어레이(432)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(432)는 광원(420)과 물리적으로 떨어진 곳에 위치하고 제1광원(L1)을 반사하여 복수의 제2광선(L2_1~L2_k)을 생성하는 반사형 소자일 수 있다. 광학 위상 어레이(432)의 형태는 광원 장치의 사용 목적이나 설계상의 이유 등에 의해 변경될 수 있다.
도5을 참조하면, 방향 조정기(440)는 복수의 제2광선(L2_1~L2_k)에 대응하는 복수개의 소자들로 구성될 수 있다. 방향 조정기(440) 내 소자들은 위치에 따라 서로 다른 곡률을 가질 수 있다. 광학 위상 어레이(432)에서 출력된 복수의 제2광선(L2_1~L2_k)은 방향성이 서로 다를 수 있다. 광학 장치(400)가 평면을 스캔하려면, 방향 조정기(440)가 서로 다른 방향성을 가지는 복수의 제2광선(L2_1~L2_k)을 특정 방향으로 정렬할 필요가 있다.
방향 조정기(440)는 일반적인 대물렌즈(objective lens)와는 구분될 수 있다. 방향 조정기(440)에 입력되는 복수의 제2광선(L2_1~L2_k)은 서로 방향성이 상이할 수 있기 때문에, 복수의 제2광선(L2_1~L2_k)을 개별적으로 조정하기 위한 복수의 소자들이 가지는 굴절률이 서로 달라야 하기 때문이다.
방향 조정기(440)는 광학 위상 어레이(432)에서 출력되는 제2광선(L2_1~L2_k)의 광특성에 대응하는 구조를 가질 수 있다. 예를 들면, 방향 조정기(440) 내 소자들은 m x n 의 행렬 형태로 배열될 수도 있다.
예를 들면, 방향 조정기(440) 내 소자들은 거울 형태로 구성될 수 있으며, 이 경우 거울의 반사면은 알루미늄(Al), 금(Au), 백금(Pt) 및 은(Ag) 중 적어도 하나를 포함하는 단일층 또는 복수의 층을 포함할 수 있다.
도5을 참조하면, 광조향부(450)는 복수의 제3광선(L3_1~L3_k)을 집속하여 다수의 빔 스팟(beam spot)을 형성하는 스팟 형성 어레이(452), 다수의 빔 스팟의 전부 혹은 일부를 확산하여 출력하는 확산 어레이(454), 및 확산 어레이(454)의 출력을 제1조향각만큼 변경시켜 제4광선(L4_a, L4_b, L4_c)을 출력하는 조향 어레이(456)를 포함할 수 있다. 예를 들면, 최대 제1조향각은 약 ±25도 일 수 있다. 즉, 광조향부(450)가 생성하는 제4광선(L4_a, L4_b, L4_c)은 입력되는 복수의 제3광선(L3_1~L3_k)에 대비하여 약 ±25도까지 방향이 바뀔 수 있다.
광조향부(450)에서 출력하는 제4광선(L4_a, L4_b 또는 L4_c)은 제3광선(L3_1~L3_k)의 광축을 중심으로 제1조향각만큼 틀어진 것이다. 만약, 제1조향각이 0도이면, 출력되는 제4광선(L4_b)은 제3광선(L3_1~L3_k)의 광축과 나란한 방향이 된다. 만약, 제1조향각이 +20도(혹은 -20도)라고 하면, 출력되는 제4광선(L4_a 또는 L4_c)은 제3광선(L3_1~L3_k)의 광축으로부터 일정 방향으로 20도만큼 틀어지게 된다.
제1조향각의 제어는 구동부(410) 내 조향제어부(414)에 의해 결정될 수 있다. 조향 제어부(414)에 의해 스팟 형성 어레이(452) 및 조향 어레이(456)의 병진 운동(Translational Motion)을 한다. 예를 들면, 스팟 형성 어레이(452) 및 조향 어레이(456)의 병진 운동의 범위는 2mm이하일 수 있고, 서로 다른 방향으로 병진 운동을 할 수 있다.
스팟 형성 어레이(452), 확산 어레이(454) 및 조향 어레이(456)는 모두 m x n의 행렬 구조를 가질 수 있다. 예를 들면, 스팟 형성 어레이(452)는 볼록 렌즈 형태의 제1소자들을 포함하고, 확산 어레이(454)는 오목 렌즈 형태의 제2소자들을 포함하고, 조향 어레이(456)는 볼록 렌즈 형태의 제3소자들을 포함할 수 있다. 이 경우, 제1소자, 상기 제2소자, 및 상기 제3소자 각각의 곡률은 25mm 이상일 수 있다. 또한, 각 소자의 중심으로부터 이웃한 소자의 중심까지의 거리는 빔 스팟 사이의 간격의 0.5~2배의 값을 가질 수 있다.
스팟 형성 어레이(452), 확산 어레이(454) 및 조향 어레이(456)중 일부가 렌즈 형태의 소자들을 포함하지 않을 수도 있다. 예를 들면, 확산 어레이(454)는 적어도 빔 스팟의 0.5배 이상의 크기를 가지는 개구부(aperture)을 포함할 수 있다. 또한, 확산 어레이(454)는 렌즈와 개구부의 조합으로 형성되어, 중심에는 렌즈를 포함하고 외곽에는 개구부를 포함할 수도 있다. 또한, 개구부가 확산 어레이(454)에 포함된 경우, 개구부는 어레이 내 위치에 따라 직경이 상이할 수도 있다.
도5를 참조하면, 렌즈부(460)는 적어도 하나의 렌즈(462, 464) 혹은 적어도 하나의 렌즈 및 거울의 조합을 포함할 수 있다. 렌즈부(460)는 광조향부(450)의 제1조향각을 0~±100도의 범위로 재조정할 수 있다. 예를 들어, 광조향부(450)의 제1조향각이 25도인 경우, 렌즈부(460)는 25도인 제1조향각을 100도(약 4배)가 되도록 재조정할 수 있다. 또한, 광조향부(450)의 제1조향각이 0도인 경우, 렌즈부(460)는 제1조향각을 0도로 유지할 수 있다.
렌즈부(460)의 성능과 구조는 광학 장치(400)의 사용목적과 요구되는 성능에 따라 달라질 수 있다. 렌즈부(460)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(460)는 120도의 시야(FOV)를 가지도록 설계할 수 있다. 렌즈부(460)가 단일 렌즈로 구성되는 경우에 비해 복수의 렌즈를 사용하는 경우, 광학 장치(400)가 필요로 하는 요구조건(즉, 시야, FOV)을 만족하기 용이할 수 있다.
예를 들어, 렌즈부(460)는 복수개의 렌즈(462, 464) 사이에 개구부(aperture, 미도시)를 더 포함할 수 있다. 이 경우, 렌즈(462, 464)는 제4광선(L4_a, L4_b, L4_c)의 빔 스팟(beam spot)의 2배이상의 크기를 가질 수 있고, 개구부는 빔 스팟의 0.5배이상의 크기를 가질 수 있다. 렌즈(462, 464)와 개구부의 크기는 렌즈부(460) 및 광학 소자(400)의 전체 크기에 큰 영향을 미칠 수 있다.
적어도 하나의 렌즈를 포함하는 렌즈부(460)에서, 제3광선(L3_1~L3_k)의 광축을 기준으로, 렌즈부(460)의 입사각(즉, 제4광선(L4_a, L4_b, L4_c)의 조향각)을 렌즈부(460)의 굴절각(즉, 제5광선(L5_a, L5_b, L5_c)의 조향각)으로 나눈 값은 0.1~100 범위가 될 수 있다.
도6은 제1 내지 제4 광학 장치(100, 200, 300, 400, 도2~5참조)에 적용 가능한 제1광학 위상 어레이 (32)를 설명한다.
도시된 바와 같이, 제1광학 위상 어레이(32)는 m x n의 행렬형태로 배열된 복수의 소자들을 포함할 수 있다.
제1광학 위상 어레이(32)에 포함된 각각의 소자들은 구면을 가질 수 있으며, 구면의 곡률의 절대값은 10 mm보다 클 수 있다. 또한, 각각의 소자들은 제1광선(L1)의 파면의 1.5배 이상의 크기를 가질 수 있다. 그리고 각각의 소자들은 1~2.7 범위의 굴절률을 가질 수 있다. 제1광학 위상 어레이(32) 내 포함된 소자들로부터 출력된 광선의 빔 스팟(beam spot)의 크기를 입사된 광선의 빔 스팟의 간격으로 나눈 값은 0.5 이하가 될 수 있다.
제1광학 위상 어레이(32)는 제1광선(L1)을 방출하는 광원장치(120, 220, 320, 420, 도2~5 참조)와 물리적으로 떨어진 곳에 위치하는 투과형 또는 반사형 소자일 수 있다. 또한, 제1광학 위상 어레이(32)는 광원장치(120, 220, 320, 420, 도2~4 참조)에 부착되는 코팅막일 수 있다.
예를 들면, 제1광학 위상 어레이(32)가 투과형 소자일 경우, 유리(glass), 실리콘(silicon), 폴리메틸 메타크리레이트(PMMA) 및 폴리카보네이트(polycarbonate) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
또한, 광학 위성 어레이(32)가 반사형 소자일 경우, 알루미늄(Al), 금(Au), 백금(Pt) 및 은(Ag) 중 적어도 하나를 포함하는 단일층 또는 복수의 층들을 포함할 수 있다.
도7은 도6에 도시된 제1광학 위상 어레이(32)의 표면을 설명한다.
도7(a) 및 도7(b)를 참조하면, 제1광학 위상 어레이(32)는 각각의 서로 다른 곡률을 가지는 소자들이 배열된 독특한 형상를 가질 수 있다. 제1광학 위상 어레이(32)는 광학 장치(100, 200, 300, 400, 도 2~5참조)가 요구하는 광특성에 대응하여 소자들의 곡률이 결정될 수 있고, 그에 따라 전체적인 패턴도 변화할 수 있다.
도8은 제1 내지 제4 광학 장치(100, 200, 300, 400, 도2~5참조)에 적용 가능한 제2광학 위상 어레이(33)를 설명한다.
도시된 바와 같이, 제2광학 위상 어레이(33)는 m x n의 행렬형태로 배열된 복수의 소자들을 포함할 수 있다.
제2광학 위상 어레이(33)에 포함된 각각의 소자들은 요철 형태의 표면을 가질 수 있으며, 이때 요철의 높이는 1 mm보다 작을 수 있다. 또한, 각각의 소자들은 제1광선(L1)의 파면의 1.5배 이상의 크기를 가질 수 있다. 그리고 각각의 소자들은 1~2.7 범위의 굴절률을 가질 수 있다. 제2광학 위상 어레이(33) 내 포함된 소자들로부터 출력된 광선의 빔 스팟(beam spot)의 크기를 입사된 광선의 빔 스팟의 간격으로 나눈 값은 0.5 이하가 될 수 있다.
광학 위상 어레이(33)는 제1광선(L1)을 방출하는 광원장치(120, 220, 320, 420, 도2~5 참조)와 물리적으로 떨어진 곳에 위치하는 투과형 또는 반사형 소자일 수 있다. 또한, 광학 위상 어레이(33)는 광원장치(120, 220, 320, 420, 도2~4 참조)에 부착되는 코팅막일 수 있다.
예를 들면, 광학 위상 어레이(33)가 투과형 소자일 경우, 유리(glass), 실리콘(silicon), 폴리메틸 메타크리레이트(PMMA) 및 폴리카보네이트(polycarbonate) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
또한, 광학 위성 어레이(33)가 반사형 소자일 경우, 알루미늄(Al), 금(Au), 백금(Pt) 및 은(Ag) 중 적어도 하나를 포함하는 단일층 또는 복수의 층들을 포함할 수 있다.
도9는 도8에 도시된 제2광학 위상 어레이(33)의 표면을 설명한다.
도8(a) 및 도8(b)를 참조하면, 제1광학 위상 어레이(33)는 각각의 서로 다른 요철 형태의 패턴을 가지는 소자들이 배열된 독특한 형상을 가질 수 있다. 제2광학 위상 어레이(33)는 광학 장치(100, 200, 300, 400, 도 2~5참조)가 요구하는 광특성에 대응하여 소자들의 요철 패턴이 결정될 수 있고, 그에 따라 전체적인 패턴도 변화할 수 있다. 제2광학 위상 어레이(33) 내 각각의 소자들이 요철 형태의 패턴을 가지는 경우, 제2광학 위상 어레이(33) 내에 각각 소자들의 위치에 따라 요철 형태가 정해질 수 있다.
도10은 제1 내지 제4 광학 장치(100, 200, 300, 400, 도2~5참조)에 적용 가능한 광조향부(50)를 설명한다.
도시된 바와 같이, 광조향부(50)는 스팟 형성 어레이(52), 확산 어레이(54) 및 조향 어레이(56)를 포함할 수 있다. 스팟 형성 어레이(52), 확산 어레이(54) 및 조향 어레이(56)는 모두 m x n의 행렬 구조를 가질 수 있다.
예를 들어, 스팟 형성 어레이(52)는 볼록 렌즈 형태의 제1소자들(52_1, 52_2)을 포함하고, 확산 어레이(154)는 오목 렌즈 형태의 제2소자들(54_1, 54_2)을 포함하고, 조향 어레이(156)는 볼록 렌즈 형태의 제3소자들(56_1, 56_2)을 포함할 수 있다. 이 경우, 제1소자(52_1, 52_2), 제2소자(54_1, 54_2), 및 제3소자(56_1, 56_2) 각각의 곡률은 25mm 이상일 수 있다.
또한, 스팟 형성 어레이(52), 확산 어레이(54) 및 조향 어레이(56) 내 각 소자의 중심으로부터 이웃한 소자의 중심까지의 거리는 빔 스팟 사이의 간격의 0.5~2배의 값을 가질 수 있다. 예를 들면, 스팟 형성 어레이(52) 내 두 제1소자(52_1, 52_2)의 중심 사이 거리는 빔 스팟 사이의 간격의 약 1배일 수 있다. 반면, 확산 어레이(54) 내 두 제2소자(54_1, 54_2)의 중심 사이 거리는 빔 스팟 사이의 간격의 약 0.5배일 수 있다. 조향 어레이(56) 내 두 제3소자(56_1, 56_2)의 중심 사이 거리는 빔 스팟 사이의 간격의 약 2배일 수 있다. 이웃한 소자 사이의 간격은 광조향부(50) 전체의 크기를 결정할 수 있고, 광학 장치(100, 200, 300, 400, 도2~5참조)의 사용목적에 따라 다르게 설계될 수 있다. 또한, 광조향부(50)의 제1조향각의 범위에 따라 빔 스팟 사이의 간격에 대비한 이웃한 소자 사이의 간격이 달라질 수 있다.
스팟 형성 어레이(52), 확산 어레이(54) 및 조향 어레이(56) 중 일부가 렌즈 형태의 소자들을 포함하지 않을 수도 있다. 예를 들면, 확산 어레이(54)는 적어도 빔 스팟의 0.5배 이상의 크기를 가지는 개구부(aperture)을 포함할 수 있다. 또한, 확산 어레이(154)는 렌즈와 개구부의 조합으로 형성되어, 중심에는 렌즈를 포함하고 외곽에는 개구부를 포함할 수도 있다. 또한, 개구부가 확산 어레이(154)에 포함된 경우, 개구부는 어레이 내 위치에 따라 직경이 상이할 수도 있다.
도11은 도10에 도시된 광조향부(50)의 동작을 설명한다.
도시된 바와 같이, 광조향부(50) 내 스팟 형성 어레이(52), 확산 어레이(54) 및 조향 어레이(56)는 구동부(110, 210, 310, 410, 도2~5참조) 내 조향제어부(114, 124, 134, 144, 도2~5참조)에 의해 제어될 수 있다. 스팟 형성 어레이(52) 및 조향 어레이(56)의 병진 운동(Translational Motion)을 한다.
스팟 형성 어레이(52) 및 조향 어레이(56)의 병진 운동의 범위는 2mm이하일 수 있고, 서로 다른 방향으로 병진 운동을 할 수 있다. 예를 들어, 스팟 형성 어레이(52)는 y축 방향으로 움직이고, 조향 어레이(56)은 z축 방향으로 움직일 수 있다.
광조향부(50)에서 출력하는 제4광선(L4_a)은 제3광선(L3_1~L3_k)의 광축을 중심으로 제1조향각만큼 틀어진 것이다. 예를 들어, 제3광선(L3_1~L3_k)이 수평 방향으로 진행한다고 가정하면 제4광선(L4_a)이 수평방향에서 몇 도만큼 틀어져 진행하는지가 제1조향각으로 간주할 수 있다. 만약, 제1조향각이 +20도라고 하면, 출력되는 제4광선(L4_a)은 제3광선(L3_1~L3_k)의 광축으로부터 일정 방향(예를 들면 z방향)으로 20도만큼 틀어지게 된다.
도12는 제1 내지 제4 광학 장치(100, 200, 300, 400, 도2~5참조)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(100, 200, 300, 400, 도2~5참조)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.
도13은 제1 내지 제4 광학 장치(100, 200, 300, 400, 도2~5참조)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.
도14는 제1 내지 제4 광학 장치(100, 200, 300, 400, 도2~5참조)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(160, 260, 360, 460, 도2~5참조)에 포함되는 단일 렌즈, 복수의 렌즈 조합 또는 복수의 렌즈와 개구부의 조합 등은 광학 장치(100, 200, 300, 400, 도2~5참조)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 광조향부(150, 250, 350, 450, 도2~5참조)에서 출력된 제4광선(L4_a, L4_b, L4_c)의 조향각을 증가시킬 수 있는 범위를 더 크게 할 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.
발명의 실시를 위한 형태는 전술한 "발명의 실시를 위한 최선의 형태"에서 충분히 설명되었다.
실시예에 따른 광파 탐지 및 거리 측정 장치는 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 활용될 수 있다.

Claims (20)

  1. 한 개의 제1광선(beam)을 입력 받아 k개(k는 자연수)의 제2광선을 출력하는 광분리부;
    상기 k개의 제2광선을 제1조향각(steering angle)만큼 변경시켜 제3광선을 출력하는 광조향부;
    상기 제3광선을 전달받아 상기 제1조향각을 조정하여 제4광선을 출력하는 렌즈부; 및
    상기 제1출광각을 제어하기 위한 구동부를 포함하고,
    상기 제2광선의 파면(wave front)은 상기 제1광선의 파면을 k로 나눈 것보다 넓은, 광학 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 광분리부는
    상기 제1광선을 전달받아 서로 방향성이 다른 상기 k개의 제2광선을 생성하는 광학 위상 어레이(optical phase array); 및
    상기 k개의 제2광선을 개별적으로 수렴시켜 모두 제1방향으로 조정하기 위한 방향 조정기를 포함하는 광학 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 광학 위상 어레이는 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.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 소자들은 구면을 포함하고, 상기 구면의 곡률의 절대값은 10 mm보다 큰, 광학 장치.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 소자들은 요철 형태의 표면을 포함하고, 상기 요철의 높이는 1 mm보다 작은, 광학 장치.
  6. 제3항에 있어서,
    상기 소자들은 상기 제1광선의 파면의 1.5배 이상의 크기를 가지고, 1~2.7 범위의 굴절률을 가지는, 광학 장치.
  7. 제3항에 있어서,
    상기 소자들로부터 출력된 광선의 빔 스팟(beam spot)의 크기를 상기 빔 스팟의 간격으로 나눈 값은 0.5 이하인, 광학 장치.
  8. 제2항에 있어서,
    상기 광학 위상 어레이는 상기 제1광선을 방출하는 광원장치와 물리적으로 떨어진 곳에 위치하는 반사형 소자이거나, 상기 광원장치에 부착되는 코팅막인, 광학 장치.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 반사형 소자는 알루미늄(Al), 금(Au), 백금(Pt) 및 은(Ag) 중 적어도 하나를 포함하는 단일층 또는 복수의 층인, 광학 장치.
  10. 제2항에 있어서,
    상기 방향 조정기는 상기 복수의 제2광선에 대응하는 복수의 소자들로 구성되며, 상기 소자들은 위치에 따라 서로 다른 곡률을 가지는, 광학 장치.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 소자들은 렌즈로 구성되며, 유리(glass), 실리콘(silicon), 폴리메틸 메타크리레이트(PMMA) 및 폴리카보네이트(polycarbonate) 중 적어도 하나를 포함하는, 광학 장치.
  12. 제10항에 있어서,
    상기 소자들은 거울로 구성되며, 상기 거울의 반사면은 알루미늄(Al), 금(Au), 백금(Pt) 및 은(Ag) 중 적어도 하나를 포함하는 단일층 또는 복수의 층을 포함하는, 광학 장치.
  13. 한 개의 제1광선(beam)을 입력 받아 k개(k는 자연수)의 제2광선을 출력하는 광분리부;
    상기 k개의 제2광선을 제1조향각(steering angle)만큼 변경시켜 제3광선을 출력하는 광조향부;
    상기 제3광선을 전달받아 상기 제1조향각을 조정하여 제4광선을 출력하는 렌즈부; 및
    상기 제1출광각을 제어하기 위한 구동부를 포함하고,
    상기 광조향부는
    상기 복수의 제2광선을 집속하여 다수의 빔 스팟을 형성하는 스팟 형성 어레이;
    상기 다수의 빔 스팟의 전부 혹은 일부를 확산하여 출력하는 확산 어레이; 및
    상기 확산 어레이의 출력을 상기 제1조향각만큼 변경시켜 상기 제3광선을 출력하는 조향 어레이
    를 포함하는, 광학 장치.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 제1조향각은 0~±25도의 범위에서 결정되는, 광학 장치.
  15. 제13항에 있어서,
    상기 스팟 형성 어레이 및 상기 조향 어레이의 병진 운동(Translational Motion)의 범위는 2mm이하이고, 서로 다른 방향으로 병진 운동을 하는, 광학 장치.
  16. 제13항에 있어서,
    상기 스팟 형성 어레이는 볼록 렌즈 형태의 제1소자들을 포함하고, 상기 확산 어레이는 오목 렌즈 형태의 제2소자들을 포함하고, 상기 조향 어레이는 볼록 렌즈 형태의 제3소자들을 포함하는, 광학 장치.
  17. 제1항에 있어서,
    상기 제1광원은 파면의 직경 혹은 장축의 길이가 100nm~2mm의 범위를 가지는 레이저인, 광학 장치.
  18. 한 개의 제1광선(beam)을 입력 받아 k개(k는 자연수)의 제2광선을 출력하는 광분리부;
    상기 k개의 제2광선을 제1조향각(steering angle)만큼 변경시켜 제3광선을 출력하는 광조향부;
    상기 제3광선을 전달받아 상기 제1조향각을 조정하여 제4광선을 출력하는 렌즈부; 및
    상기 제1출광각을 제어하기 위한 구동부를 포함하고,
    상기 렌즈부는 적어도 하나의 렌즈 혹은 적어도 하나의 렌즈 및 거울의 조합을 포함하고, 상기 제1조향각을 0~±100도의 범위로 재조정하는, 광학 장치.
  19. 제18항에 있어서,
    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 가지는, 광학 장치.
  20. 제18항에 있어서,
    상기 제3광선의 광축을 기준으로, 상기 렌즈부의 입사각을 상기 렌즈부의 굴절각으로 나눈 값은 0.1~100 범위인, 광학 장치.
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