송광광학계의 광원으로 사용되는 광섬유 레이저의 개구수, NA가 0.13~0.22의 범위에 있으면, 이 NA에 관계없이 1 km 전방에서 빔직경이 4.8 m 또는 6.8 m이 되도록 줌렌즈형 광속확대기를 적용한 송광광학계를 설계하였으며, 표적에서의 foot prints를 통하여 빔직경을 확인하였다. $16{\times}16$($100{\mu}m{\times}100{\mu}m$) 픽셀 검출기를 사용하는 수광광학계를 설계하였으며, 검출면의 픽셀 위치에 따른 spot diameter는 모두 $55{\mu}m$ 이하가 됨을 확인하였다. 스캔을 고려하여 송광광학계를 수광부 대물렌즈에 내접하도록 구성하였으며, 이때 송광부에 의하여 가려진 부분은 11%가 되었다.
송광광학계의 광원으로 사용되는 광섬유 레이저의 개구수, NA가 0.13~0.22의 범위에 있으면, 이 NA에 관계없이 1 km 전방에서 빔직경이 4.8 m 또는 6.8 m이 되도록 줌렌즈형 광속확대기를 적용한 송광광학계를 설계하였으며, 표적에서의 foot prints를 통하여 빔직경을 확인하였다. $16{\times}16$($100{\mu}m{\times}100{\mu}m$) 픽셀 검출기를 사용하는 수광광학계를 설계하였으며, 검출면의 픽셀 위치에 따른 spot diameter는 모두 $55{\mu}m$ 이하가 됨을 확인하였다. 스캔을 고려하여 송광광학계를 수광부 대물렌즈에 내접하도록 구성하였으며, 이때 송광부에 의하여 가려진 부분은 11%가 되었다.
In this paper, an optical system was designed for 3D imaging laser radar with optical scanner. In order to make it easy to scan, the system was designed to inscribe the transmitting objective lens in the receiving lens. In transmitting optics, the beam expander was designed to have a zoom mechanism ...
In this paper, an optical system was designed for 3D imaging laser radar with optical scanner. In order to make it easy to scan, the system was designed to inscribe the transmitting objective lens in the receiving lens. In transmitting optics, the beam expander was designed to have a zoom mechanism so that the transmitted beam size would be 4.8 m or 6.8 m at 1 km distance, when the laser source's numerical aperture value is between 0.13 and 0.22. The beam diameter at the target 1 km away was confirmed by design program. The receiving optics for the returning beam from the target was designed for the $16{\times}16$ array detector with $100{\mu}m$ pixel width. The spot diameter in every pixel was designed and verified to be less than $55{\mu}m$. The receiving optics' obscuration ratio by transmitting optics was 11%.
In this paper, an optical system was designed for 3D imaging laser radar with optical scanner. In order to make it easy to scan, the system was designed to inscribe the transmitting objective lens in the receiving lens. In transmitting optics, the beam expander was designed to have a zoom mechanism so that the transmitted beam size would be 4.8 m or 6.8 m at 1 km distance, when the laser source's numerical aperture value is between 0.13 and 0.22. The beam diameter at the target 1 km away was confirmed by design program. The receiving optics for the returning beam from the target was designed for the $16{\times}16$ array detector with $100{\mu}m$ pixel width. The spot diameter in every pixel was designed and verified to be less than $55{\mu}m$. The receiving optics' obscuration ratio by transmitting optics was 11%.
본 논문은 3차원 영상 레이저 레이더용 광학계 설계 및 분석에 대한 내용이다. 16×16 픽셀 검출기를 사용하여 3차원의 영상을 획득하기 위해서는 스캔이 필요하며, 일부 광학부품을 같이 사용하는 일축으로 송수광광학계를 설계할 경우에 나타날 수 있는 내부반사에 의한 거리측정 신호의 오류 가능성을 최소화하면서, 스캐너의 크기가 최소가 되도록 송광광학계가 수광광학계에 내접하도록 설계하였다.
제안 방법
16×16 픽셀 검출기를 사용하고, 3차원의 영상을 획득하기 위한 스캔 광학계를 사용하는 3차원 레이저 레이더용 내접형 송수광 광학계를 설계하였다. 송광광학계의 광원으로 사용되는 광섬유 레이저의 NA에 관계없이 1 km 전방에서 빔 직경이 4.
16×16 픽셀 검출기를 사용하여 3차원의 영상을 획득하기 위해서는 스캔이 필요하며, 일부 광학부품을 같이 사용하는 일축으로 송수광광학계를 설계할 경우에 나타날 수 있는 내부반사에 의한 거리측정 신호의 오류 가능성을 최소화하면서, 스캐너의 크기가 최소가 되도록 송광광학계가 수광광학계에 내접하도록 설계하였다. 사용되는 광섬유 레이저의 개구수(numerical aperture, NA) 및 시스템의 요구조건에 따라 표적에서의 빔 크기를 조절하기 위하여 광속확대기를 줌렌즈로 설계하였다. 시스템에서는 대기의 영향을 최소화 하기 위하여 Geiger-mode로 동작하는 검출기를 사용하였으며, 표적까지의 거리를 최대 16개의 구역으로 분할하여 신호처리 되도록 하였다.
16×16 픽셀 검출기를 사용하고, 3차원의 영상을 획득하기 위한 스캔 광학계를 사용하는 3차원 레이저 레이더용 내접형 송수광 광학계를 설계하였다. 송광광학계의 광원으로 사용되는 광섬유 레이저의 NA에 관계없이 1 km 전방에서 빔 직경이 4.8 m 또는 6.8 m이 되도록 하기 위하여 줌렌즈형 광속확대기를 적용하여 송광광학계를 설계하였으며, 표적에서의 foot prints를 통하여 NA에 따른 빔직경을 확인하였다. 광속축소기와 집속렌즈로 구성된 수광광학계를 설계하였으며, 설계된 수광광학계의 검출면에서 픽셀 위치에 따른 spot diagram을 분석하여 충분한 영상 분해능을 가짐을 확인하였다.
대상 데이터
159 mm이다. 광섬유 레이저의 end cap에서 출력된 레이저 빔은 시준렌즈(collimating lens)를 통하여 시준광이 생성되고, 광속확대기 조절을 통하여 표적에서의 빔 크기를 원하는 크기로 맞추게 되며, 송광광학계와 내접형으로 구성하기 위하여 반사경 2개를 사용하였다. 광섬유 레이저의 NA에 관계 없이 시준렌즈는 고정하였으며, 광속확대기 렌즈 2를 이동시키면서 NA 또는 표적에서의 빔 크기에 따른 광발산각을 조절하도록 하였다.
수광광학계는 대물렌즈를 포함한 광속축소부와 반사광을 검출기에 집속시키는 집속부로 구성되었으며, 이들 사이에 필터를 적용하였다. 설계된 수광광학계는 그림 5와 같고, 설계 자료는 표 2와 같다.
성능/효과
8 m이 되도록 하기 위하여 줌렌즈형 광속확대기를 적용하여 송광광학계를 설계하였으며, 표적에서의 foot prints를 통하여 NA에 따른 빔직경을 확인하였다. 광속축소기와 집속렌즈로 구성된 수광광학계를 설계하였으며, 설계된 수광광학계의 검출면에서 픽셀 위치에 따른 spot diagram을 분석하여 충분한 영상 분해능을 가짐을 확인하였다. 스캔 광학계 적용이 용이하면서, 송광부에 의하여 가려지는 수광부 면적을 최소화 하기 위하여 내접형으로 광학계를 구성하였으며, 가려지는 부분은 면적대비 대략 11%로 계산되었다.
광속축소기와 집속렌즈로 구성된 수광광학계를 설계하였으며, 설계된 수광광학계의 검출면에서 픽셀 위치에 따른 spot diagram을 분석하여 충분한 영상 분해능을 가짐을 확인하였다. 스캔 광학계 적용이 용이하면서, 송광부에 의하여 가려지는 수광부 면적을 최소화 하기 위하여 내접형으로 광학계를 구성하였으며, 가려지는 부분은 면적대비 대략 11%로 계산되었다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
레이저 레이더는 무엇인가?
레이저 레이더는(laser Radar 또는 Ladar)는 레이저를 전방에 조사하고 반사되어 되돌아오는 광신호를 검출기에서 감지하는 광학식 레이저 레이더 시스템이다. 레이저가 조사된 영역의 2차원 영상정보와 거리정보를 통합하여 3차원 영상을 얻을 수 있다.
레이저 레이더는 기존 레이더와 비교했을 때 어떤 장단점이 있는가?
레이저가 조사된 영역의 2차원 영상정보와 거리정보를 통합하여 3차원 영상을 얻을 수 있다. 마이크로파를 사용하는 기존 레이더에 비하여 미크론 또는 그 이하의 짧은 파장과 좁은 펄스 폭을 가지는 레이저를 사용하기 때문에 고해상도, 고정확도의 표적 정보 획득이 가능하다. 반면 레이저의 특성상 대기의 영향으로 운용상 탐지거리의 영향을 받을 수 있는 단점이 있다.[1-5]
수광광학계는 어떻게 구성되는가?
수광광학계는 대물렌즈를 포함한 광속축소부와 반사광을 검출기에 집속시키는 집속부로 구성되었으며, 이들 사이에 필터를 적용하였다. 설계된 수광광학계는 그림 5와 같고, 설계 자료는 표 2와 같다.
참고문헌 (5)
A. V. Jelaian, Laser Radar Systems (Artech House, Boston, USA, 1991).
C. S. Fox, "Active electro-optical systems," in The Infrared & Electro-optical Systems Handbook Volume 6 (SPIE Optical Engineering Press, Bellingham, Washington, USA, 1993), pp. 3-76.
R. D. Richmond and S. C. Cain, Direct-detection LADAR Systems (SPIE Optical Engineering Press, Bellingham, Washington, USA, 2009).
C. Brenner, "Digital recording and 3D modeling," in Tutorial of International Summer School (Crete, Greece, April 2006).
M. S. Jo, C.-J. Lee, and E.-C. Kang, "Performance test and analysis of the laser radar system prototype for mapping application," Korean J. Opt. Photon. 23, 197-202 (2012).
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