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KR101974001B1 - 대기외란에서 마이크로렌즈릿 어레이 빔 성형을 이용한 광검출 방법 및 광검출 시스템 - Google Patents

대기외란에서 마이크로렌즈릿 어레이 빔 성형을 이용한 광검출 방법 및 광검출 시스템 Download PDF

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KR101974001B1
KR101974001B1 KR1020180053692A KR20180053692A KR101974001B1 KR 101974001 B1 KR101974001 B1 KR 101974001B1 KR 1020180053692 A KR1020180053692 A KR 1020180053692A KR 20180053692 A KR20180053692 A KR 20180053692A KR 101974001 B1 KR101974001 B1 KR 101974001B1
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최영수
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국방과학연구소
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Abstract

본 발명에 따른 대기외란에서 마이크로렌즈릿 어레이 빔 성형을 이용한 광검출 시스템은, 복수개의 볼록 미소렌즈 배열 구조의 어레이 형태로 형성되고, 광 신호들을 수신하여 초점면에 집속되도록 하는 제1 마이크로렌즈릿 어레이; 상기 제1 마이크로렌즈릿 어레이와 소정 간격(S)로 이격되어 배치되는 제2 마이크로 렌즈릿 어레이; 및 상기 제2 마이크로 렌즈릿 어레이와 이격되어 배치되는 필드 렌즈를 포함하고, 상기 제1 마이크로 렌즈릿 어레이 및 상기 제2 마이크로 렌즈릿 어레이와 상기 필드 렌즈를 통과한 상기 광 신호들은 대기외란 상태에서도 검출기(detector)의 유효 직경 내로 집속되도록 광 집속도가 유지되어, 대기외란의 영향으로 광 집속도가 저하되는 것을 방지할 수 있다.

Description

대기외란에서 마이크로렌즈릿 어레이 빔 성형을 이용한 광검출 방법 및 광검출 시스템{Method for detection of optical signal by using beam shaping of microlenslet and Optical detection system}
본 발명은 자유공간(free-space)에서 광 신호 검출 시스템 및 방법에 관한 것이다. 보다 상세하게는, 자유공간에서 대기외란 발생시에도 효율적 광검출이 가능한 2차원 미소렌즈 배열 구조의 마이크로렌즈릿 어레이 빔 성형을 이용한 신호 검출 시스템 및 방법에 관한 것이다.
대기외란(atmospheric turbulence)으로 인해 광검출기에서 검출되는 광 신호의 강도가 시공간적으로 변동될 수 있다. 대기공간의 시공간적 온도차로 대기 굴절률이 미소하게 변하여 광 경로간 상호간섭에 의한 번쩍임(scintillation)과 빔 흔들림(beam wander) 및 빔퍼짐 (beam spreading) 효과가 발생한다. 따라서, 대기외란이 강할수록 광신호 검출 오류가 발생할 확률이 높아진다는 문제점이 있다. 마이크로렌즈릿 어레이는 영상센서(가시광용 CCD, SWIR용 초점면 InGaAs 검출기, MWIR용 초점면 IR 검출기)와 결합하여 광파면 측정을 위한 파면측정용 Shack-Hartmann 파면센서로 널리 활용되고 있다.
약한 대기외란 상태(대기굴절 구조계수가 10-16m-2/3)일 경우에는 집속광이 광검출기의 유효직경 내에 형성되나, 대기외란 상태가 점점 강해질수록(대기굴절 구조계수가 10-15m-2/3에서 10-14m-2/3으로 증가할수록) 집속광의 형상이 광검출기의 유효직경 외측으로 퍼지는 현상이 나타난다. 따라서, 강한 대기외란 상태(Cn2 >10-14m-2/3)에서는 수광 광학계에 의한 광신호의 집속효과가 저하된다는 문제점이 있다.
본 발명의 목적은, 미소렌즈 배열 구조의 마이크로렌즈릿 어레이를 이용한 빔 성형(beam shaping) 광검출 방법 및 시스템을 제공하는 것에 있다.
본 발명의 다른 목적은, 마이크로렌즈릿 어레이를 이용하여 대기 외란에서도 광 집속이 가능한 광검출 방법 및 시스템을 제공하는 것에 있다.
상기와 같은 과제를 해결하기 위한 본 발명에 따른 대기외란에서 마이크로렌즈릿 어레이 빔 성형을 이용한 광검출 시스템은, 복수개 (n × n)의 볼록 미소렌즈 배열 형태로 형성되고, 광 신호들을 수신하여 초점면에 집속되도록 하는 제1 마이크로렌즈릿 어레이; 상기 제1 마이크로렌즈릿 어레이와 소정 간격(S)로 이격되어 배치되는 제2 마이크로 렌즈릿 어레이; 및 상기 제2 마이크로 렌즈릿 어레이와 이격되어 배치되는 필드 렌즈를 포함하고, 상기 제1 마이크로 렌즈릿 어레이 및 상기 제2 마이크로 렌즈릿 어레이와 상기 필드 렌즈를 통과한 상기 광 신호들은 대기외란 상태에서도 검출기(detector)의 유효 직경 내로 집속되도록 광 집속도가 유지되어, 대기외란의 영향으로 광 집속도가 저하되는 것을 방지할 수 있다.
일 실시 예에서, 상기 제1 마이크로렌즈릿 어레이는 상기 광 신호들이 입사되는 일면에 상기 볼록 미소렌즈 배열 구조들이 배치되고, 상기 제2 마이크로렌즈릿 어레이는 상기 제1 마이크로렌즈릿 어레이와 대칭 형태로, 상기 광 신호들이 방출되는 타면에 볼록 미소렌즈 배열 구조들이 배치될 수 있다.
일 실시 예에서, 상기 제2 마이크로렌즈릿 어레이를 통과한 상기 광 신호들을 수신하고, 상기 수신된 광 신호가 대기외란 상태에서도 상기 검출기의 유효 직경 내로 집속되도록 하는 상기 필드 렌즈를 더 포함하고, 상기 필드 렌즈의 일면과 타면의 곡률은 상이할 수 있다.
일 실시 예에서, 상기 검출기로 집속되는 광 집속 직경(D)는,
Figure 112018046007987-pat00001
로 결정되고, 여기서, d는 상기 개별 볼록 미소렌즈 하부개구 직경이고, fMA1 과 fMA2 , 는 상기 제1, 제2 마이크로렌즈릿 어레이 초점거리이고, fFL은 상기 필드렌즈 초점거리이고, S는 상기 제1, 제2 마이크로렌즈릿 어레이의 소정 간격에 해당할 수 있다.
일 실시 예에서, 상기 필드 렌즈와 상기 검출기 사이에 배치되고, 테이퍼된 형태를 갖는 코어(core)와 상기 코어에 코딩되어 상기 코어를 둘러싸는 클래딩(cladding)을 포함하는 큰 개구수를 지닌 테이퍼드 광섬유(large core tapered fiber)를 포함하고, 상기 코어를 통과한 광 신호들은 대기외란 상태에서도 상기 검출기의 유효 직경 내로 집속될 수 있다.
일 실시 예에서, 상기 제1 마이크로렌즈릿 어레이의 전면에 배치되어, 상기 광 신호들이 상기 초점면보다 전면의 제2 초점 위치로 집속되도록 하는 수광 광학계 대물 렌즈; 상기 수광 광학계 대물 렌즈로부터의 상기 광 신호들이 상기 제1 마이크로렌즈릿 어레이의 일정 영역 내로 입사되도록 하는 정렬 렌즈; 및 상기 정렬 렌즈와 상기 제1 마이크로렌즈릿 어레이 사이에 배치되고, 상기 광 신호들 중 특정 파장 대역의 광 신호들만을 투과하도록 구성된 파장 대역 투과 필터를 더 포함할 수 있다.
일 실시 예에서, 상기 제1 마이크로렌즈릿 어레이의 전면에 배치되고, 전면부가 곡면이 형성되고, 중심부에 개구 영역이 형성된 주 반사경; 상기 주 반사경의 전면에 배치되고, 상기 주 반사경으로부터 반사된 광 신호들을 수신하여 상기 광 신호들이 상기 개구 영역 내로 집속되도록 구성된 부 반사경; 상기 개구 영역 내에 집속된 광 신호들이 상기 제1 마이크로렌즈릿 어레이의 일정 영역 내로 입사되도록 하는 정렬 렌즈; 및 상기 정렬 렌즈와 상기 제1 마이크로렌즈릿 어레이 사이에 배치되고, 상기 광 신호들 중 특정 파장 대역의 광 신호들만을 투과하도록 구성된 파장 대역 투과 필터를 더 포함할 수 있다.
본 발명에 따르면, 다양한 굴절형 혹은 반사형 수광광학계에 마이크로렌즈릿 어레이를 이용한 빔 성형(beam shaping) 광학구조를 적용한 광검출 방법을 사용하여, 대기외란의 영향으로 광 집속도가 저하되는 것을 방지할 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 마이크로렌즈릿 어레이를 이용한 빔 성형(beam shaping) 광학구조를 이용하여, 대기외란에 의한 검출기 면에서의 광손실을 효율적으로 방지할 수 있는 광신호 검출 구현 방안을 제공할 수 있다.
도 1은 본 발명과 관련하여, 광 신호의 강도가 시공간적으로 변동과 더불어 나타나는 광신호의 공간적 불균일 분포의 예시이다.
도 2는 본 발명에 따른 마이크로렌즈릿 어레이를 이용한 빔 성형 광학 구조를 갖는 광 검출 시스템의 구성을 나타낸다.
도 3은 본 발명에 따른 마이크로렌즈릿 어레이를 이용한 빔 성형 광학구조로부터 필드 렌즈의 초점면에서 주어지는 균일한 광분포를 나타낸다. .
도 4는 본 발명에 따른 마이크로렌즈릿 어레이를 이용한 빔 성형 광학구조와 큰 직경을 지닌 테이퍼드 코아 광섬유를 이용하여 광신호 검출 시스템을 나타낸다.
도 5는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 테이퍼트 광섬유의 구조를 나타낸다.
도 6 내지 도 8은 굴절형(케플러식, 갈릴레이식) 혹은 반사형(카세그레인식) 수광광학계에서 마이크로렌즈릿 어레이를 이용한 빔 성형 광학구조를 이용한 광검출 시스템을 나타낸다.
상술한 본 발명의 특징 및 효과는 첨부된 도면과 관련한 다음의 상세한 설명을 통하여 보다 분명해 질 것이며, 그에 따라 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 것이다. 본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는바, 특정 실시 예들을 도면에 예시하고 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 개시형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예들을 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시 예를 가질 수 있는바, 특정 실시 예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 구체적으로 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용한다.
제1, 제2등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다. 및/또는 이라는 용어는 복수의 관련된 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미가 있다.
일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않아야 한다.
이하의 설명에서 사용되는 구성요소에 대한 접미사 모듈, 블록 및 부는 명세서 작성의 용이함만이 고려되어 부여되거나 혼용되는 것으로서, 그 자체로 서로 구별되는 의미 또는 역할을 갖는 것은 아니다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부한 도면을 참조하여 당해 분야에 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 설명한다. 하기에서 본 발명의 실시 예를 설명함에 있어, 관련된 공지의 기능 또는 공지의 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략한다.
이하에서는, 본 발명에 따른 대기외란에서 마이크로렌즈릿 어레이(microlenslet array) 빔 성형을 이용한 광검출 방법 및 광검출 시스템에 대해 첨부된 도면들을 참조하여 설명하기로 한다. 즉, 본 발명은 본 발명은 대기 자유공간(free-space)에서 대기외란 발생시 나타나는 광 신호 검출 시스템 및 방법에 관한 것이다. 이와 관련하여, 도 1은 본 발명과 관련하여, 광 신호의 강도가 시공간적으로 변동과 더불어 나타나는 광신호의 공간적 불균일 분포의 예시이다. 구체적으로, 도 1은 대기외란(atmospheric turbulence)으로 인하여 굴절형 혹은 반사형 광학계의 초점면에서 나타나는 광 신호의 강도가 시공간적으로 변동과 더불어 나타나는 광신호의 공간적 불균일 분포의 예시이다. 도 1을 참조하면, 대기 외란이 증가할수록, 특히 강한 대기 외란 상태에서 광 신호 강도의 공간적 퍼짐과 불균일성이 증가함을 알 수 있다.
도 1에 도시된 바와 같이, 대기외란(atmospheric turbulence)으로 인해 광검출기에서 검출되는 광 신호의 강도가 시공간적으로 변동될 수 있다. 대기공간의 시공간적 온도차로 대기 굴절률이 미소하게 변하여 광 경로간 상호간섭에 의한 번쩍임(scintillation)과 빔 흔들림(beam wander), 빔퍼짐 효과가 발생한다. 따라서, 대기외란이 강할수록 광신호 검출 오류가 발생할 확률이 높아진다.
구체적으로, 약한 대기외란 상태(대기굴절 구조계수가 10-16m-2/3)일 경우에는 집속광이 광검출기의 유효직경 내에 형성되나, 대기외란 상태가 점점 강해질수록(대기굴절 구조계수가 10-15m-2/3에서 10-14m-2/3으로 증가할수록) 집속광의 형상이 광검출기의 유효직경 외측으로 퍼지는 현상이 나타난다. 따라서, 강한 대기외란 상태(Cn2 >10-14m-2/3)에서는 수광 광학계에 의한 광신호의 집속효과가 저하하게 된다. 이와 같은 문제점을 개선하기 위하여 마이크로렌즈릿 어레이를 이용한 빔 성형(beam shaping) 광학구조를 이용하여 광학계 초점면에서 일정영역에서 균일한 집광 분포를 갖도록 하여 광신호를 검출하므로 광신호의 검출 효율을 향상시킬 수 있다.
이와 관련하여, 도 2는 본 발명에 따른 마이크로렌즈릿 어레이를 이용한 빔 성형 광학 구조를 갖는 광 검출 시스템의 구성을 나타낸다. 도 2를 참조하면, 제1 마이크로렌즈릿 어레이(100), 제2 마이크로렌즈릿 어레이(200), 필드 렌즈(Field lens, 300), 검출기(Detector, 400)를 포함한다. 여기서, 검출기(Detector, 400) 는 광 신호를 검출하므로 광 검출기(Photo Detector, 400)로도 지칭될 수 있다.
한편, 도 3은 본 발명에 따른 마이크로렌즈릿 어레이를 이용한 빔 성형 광학구조로부터 필드 렌즈의 초점면에서 주어지는 균일한 광분포를 나타낸다. 도 3을 참조하면, 강한 대기외란으로 수광광학계로 입사되는 공간적 광신호의 불균일한 분포와 제1 및 제2 마이크로렌즈릿 어레이(100, 200)를 이용한 빔 성형 광학구조로부터 필드 렌즈(300)의 초점면에서 주어지는 균일한 광분포가 일정한 광집속 크기로 형성됨을 알 수 있다.
다시 도 2를 참조하면, 제1 마이크로렌즈릿 어레이(100)는 복수개의 볼록 미소렌즈 배열 형태로 형성되고, 광 신호들을 수신하여 초점면에 집속되도록 구성된다. 한편, 제2 마이크로렌즈릿 어레이(200)는 제1 마이크로렌즈릿 어레이와 소정 간격(S)로 이격되어 배치된다.
전술된 복수개의 볼록 미소렌즈 배열과 관련하여, 제1 마이크로렌즈릿 어레이(100)는 광 신호들이 입사되는 일면에 복수개의 볼록 미소렌즈 배열 구조들이 배치된다. 반면에, 제2 마이크로렌즈릿 어레이는 상기 제1 마이크로렌즈릿 어레이와 대칭 형태로, 광 신호들이 방출되는 타면에 볼록 미소렌즈 배열 구조들이 배치될 수 있다.
필드 렌즈(300)는 제2 마이크로 렌즈릿 어레이(200)와 이격되어 배치된다. 이때, 필드 렌즈(300)는 제2 마이크로렌즈릿 어레이(200)를 통과한 광 신호들을 수신하고, 수신된 광 신호가 대기외란 상태에서도 검출기(400)의 유효 직경 내로 집속되도록 구성된다. 이때, 필드 렌즈(300)의 일면과 타면의 곡률은 상이하도록 구성될 수 있다.
한편, 광 집속도와 관련하여 전술된 구성을 통해 다음과 같은 특성이 나타날 수 있다. 즉, 제1 마이크로 렌즈릿 어레이(100) 및 제2 마이크로 렌즈릿 어레이(200)와 필드 렌즈(300)를 통과한 광 신호들은 대기외란 상태에서도 검출기(400)의 유효 직경 내로 집속되도록 광 집속도가 유지될 수 있다.
검출기(400)는 필드 렌즈(300)를 통과한 광 신호들을 수신하고, 수신된 광 신호가 대기외란 상태에서도 유효 직경 (또는, active 영역) 내로 집속되도록 구성된다.
한편, 초점면의 일정영역에서 균일한 광분포를 가지도록 하는 마이크로렌즈릿 어레이를 이용한 빔 성형 광학구조의 원리에 대해 살펴보면 다음과 같다. 제1 및 제2 마이크로렌즈릿 어레이(100, 200)에서 렌즈릿 하부개구 직경 d, 제1 및 제2 마이크로 렌즈릿의 초점거리는 각각 fMA1과 fMA2이고, 제1마이크로 렌즈릿어레이와 제2 마이크로 렌즈릿어레이 간격 S, 필드 렌즈(300) 초점거리 fFL일 때, 필드 렌즈(300)의 초점면에서 균일하게 형성되는 광집속 직경 D은 아래의 수학식 1과 같이 주어진다.
Figure 112018046007987-pat00002
구체적으로, d는 개별 볼록 미소렌즈의 하부개구 직경이고, fMA1는 제1 마이크로렌즈릿 어레이(100) 초점거리이고, fMA2는 제2 마이크로렌즈릿 어레이(200)의 초점거리이다. fFL은 필드 렌즈(300)의 초점거리이고, S는 제1 및 제2 마이크로렌즈릿 어레이(100, 200) 간의 소정 간격에 해당한다.
한편, 균일한 광집속 직경 D는 렌즈릿 초점거리 fMA2와 렌즈릿어레이 간격 S이 같으면
Figure 112018046007987-pat00003
와 같이 형성된다. 따라서 사용 가능한 광 검출기(400)의 유효직경을 고려하여 제1 및 제2 마이크로렌즈릿 어레이(100, 200)의 구조와 배치 설계를 고려하여 제작 할 수 있다.
따라서, 본 발명에서는 대기외란의 영향으로 광집속도가 저하되는 것을 방지하기 위하여 다양한 굴절형 혹은 반사형 수광광학계에 마이크로렌즈릿 어레이를 이용한 빔성형 (beam shaping) 광학구조를 적용한 광검출 방법이 사용될 수 있다.
대기 자유공간(free-space)을 이용한 무선 레이저통신에서는 대기외란 발생으로 검출기의 초점면에서 공간적 검출 광신호 강도의 변동이 심하게 나타난다. 일반적으로, 대기 굴절 구조계수 Cn 2은 10*?*17 내지 10*?* 13 m-2/3 범위를 보이며 값이 높을수록 대기외란이 큼을 나타낸다. 일반적으로 주간 정오쯤의 대기 굴절 구조계수 Cn 2은 10*?* 14 m-2/3 이상이고 일몰전후 낮은 값을 보인다. 레이저광의 대기전송시 나타나는 대기외란 효과에 의한 검출 광신호의 시간적 강도 변화는 레이저광이 대기를 통과하면서 대기공간의 시공간적 온도차로 대기 굴절률이 미소하게 변하여 광경로간 상호간섭에 의한 번쩍임 효과(scintillation)와 빔흔들림(beam wander), 광퍼짐(beam spreading) 효과가 함께 발생하여 광검출기 초점면에서 검출 광신호의 광파면 왜곡으로 시공간적으로 집속광의 퍼짐과 더불어 강도 변동이 매우 심하게 나타나게 된다. 레이저광이 대기 중으로 전파될 때, 대기외란에 의한 번쩍임 효과(scintillation), 빔흔들림(beam wander)에 의한 강도변화와 더불어 광파면 왜곡에 의하여 수광광학계의 검출면에서의 광집속도는 대기외란이 발생하지 않을 경우, 혹은 약한 대기 외란 상태에서는 수광광학계가 회절한계에 의한 광집속 능력을 보인다. 따라서 광검출기의 유효직경에 검출 광신호를 집속시킬 수 있다. 그러나 강한 대기외란 상태(Cn 2 > 10-14 m-2/3)에서는 수광광학계에 의한 집속광이 대기외란 효과로 광 검출기의 초점면에서 광집속의 퍼짐이 나타나 검출기의 유효직경 보다 큰 집속광 직경을 지니므로 큰 광손실이 발생하게 된다.
한편, 시계가 넓은 굴절형 광학계에서는 마이크로렌즈릿 어레이를 이용한 빔 성형 광학구조와 함께 큰 직경과 큰 개구수(Numerical Aperature)를 지닌 테이퍼드tapered 코아 광섬유를 이용하여 광신호를 검출할 수도 있다. 반면, 시계가 좁은 반사형 광학계에서는 테이퍼드 코아 광섬유가 필요하지 않을 수 있다.
이와 관련하여, 도 4는 본 발명에 따른 마이크로렌즈릿 어레이를 이용한 빔 성형 광학구조와 큰 직경을 지닌 테이퍼드 코아 광섬유를 이용하여 광신호 검출 시스템을 나타낸다. 구체적으로, 필드 렌즈의 초점면에서 균일한 광분포를 가지도록 하는 마이크로렌즈릿 어레이를 이용한 빔 성형 광학구조와 큰 직경을 지닌 테이퍼드 코아 광섬유를 이용하여 광신호 검출 방법에 따른 광신호 검출 시스템이다.
도 4를 참조하면, 테이퍼드 광섬유(tapered fiber, 350)는 필드 렌즈(300)와 검출기(400) 사이에 배치되고, 테이퍼된 형태를 갖는 코어(core)와 상기 코어에 코딩되어 상기 코어를 둘러싸는 클래딩(cladding)을 포함한다. 이에 따라, 테이퍼드 광섬유(350)는 코어를 통과한 광 신호들은 대기외란 상태에서도 상기 검출기의 유효 직경 내로 집속되도록 할 수 있다. 한편, 도 5는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 테이퍼트 광섬유의 구조를 나타낸다. 도 4에 도시된 바와 같이, 큰 개구수를 위하여 볼록렌즈릿(convex leslet)이 부착된 Tapered 광섬유 혹은 볼록형상 코아면으로 제작된 Tapered 광섬유가 사용될 수 있다.
한편, 도 6 내지 도 8은 굴절형(케플러식, 갈릴레이식) 혹은 반사형(카세그레인식) 수광광학계에서 마이크로렌즈릿 어레이를 이용한 빔 성형 광학구조를 이용한 광검출 시스템을 나타낸다.
도 6 및 도 7을 참조하면, 광검출 시스템은 수광 광학계 대물 렌즈(610), 정렬 렌즈(620), 및 투과 필터(630)를 더 포함한다. 도 2, 6, 7을 참조하면, 수광 광학계 대물 렌즈(610)는 제1 마이크로렌즈릿 어레이(100)의 전면에 배치되어, 광 신호들이 초점면보다 전면의 제2 초점 위치로 집속되도록 구성된다.
또한, 정렬 렌즈(620)는 수광 광학계 대물 렌즈(610)로부터의 광 신호들이 상기 제1 마이크로렌즈릿 어레이(200)의 일정 영역 내로 입사되도록 구성된다. 이러한 정렬 렌즈(620)를 시준 (Collimating) 정렬 렌즈로 지칭할 수 있다. 한편, 도 5에서의 정렬 렌즈(620)과 도 6에서의 정렬 렌즈(620‘)은 각각 볼록(convext) 및 오목(concave) 곡면 구조를 갖는다. 이때, 도 6과 같이 정렬 렌즈(620)가 볼록 형태이면 대물 렌즈(610)로부터의 광 신호들에 의한 초점은 정렬 렌즈(620)의 전면에 형성된다. 반면에, 도 6과 같이 정렬 렌즈(620’)가 오목 형태이면 대물 렌즈(610)로부터의 광 신호들에 의한 초점은 정렬 렌즈(620‘)의 후면에 형성된다.
또한, 투과 필터(630)는 정렬 렌즈와 제1 마이크로렌즈릿(100) 어레이 사이에 배치되고, 광 신호들 중 특정 파장 대역의 광 신호들만을 투과하도록 구성된다. 따라서, 투과 필터(630)는 파장대역 투과 필터로 지칭될 수 있다.
또는, 도 8을 참조하면, 광검출 시스템은 수광 광학계 주 반사경(710), 부 반사경(715), 정렬 렌즈(720) 및 투과 필터(730)을 더 포함하도록 구성될 수 있다.
주 반사경(710)은 제1 마이크로렌즈릿 어레이의 전면에 배치되고, 전면부가 곡면이 형성되고, 중심부에 개구 영역이 형성된다. 부 반사경(715)는 주 반사경(710)의 전면에 배치되고, 주 반사경(710)로부터 반사된 광 신호들을 수신하여 광 신호들이 개구 영역 내로 집속되도록 구성된다.
정렬 렌즈(720)은 개구 영역 내에 집속된 광 신호들이 제1 마이크로렌즈릿 어레이(100)의 일정 영역 내로 입사되도록 구성된다. 투과 필터(730)은 정렬 렌즈(720)과 제1 마이크로렌즈릿 어레이(100) 사이에 배치되고, 광 신호들 중 특정 파장 대역의 광 신호들만을 투과하도록 구성된다.
이상에서는 본 발명에 따른 대기외란에서 마이크로렌즈릿 어레이 빔 성형을 이용한 광검출 방법 및 광검출 시스템에 대해 살펴보았다. 한편, 본 발명에 따르면, 수광광학계에서 마이크로렌즈릿 어레이를 이용한 빔 성형(beam shaping) 광학구조를 적용한 광검출 방법이 사용될 수 있다.
한편, 본 발명에 따른 광 검출 방법 및 광검출 시스템을 이용하여 무선 레이저통신을 수행할 수 있다. 한편, 자유공간을 통해 전송되는 무선 레이저통신에서는 대기외란으로 인하여 검출기면에서의 시공간적 광집속도 저하로 비트오류율(BER, Bit Error Rate)이 증가하여 통신의 신뢰성이 저하될 수 있다. 이러한 문제점을 방지하기 위하여 수광광학계의 집속렌즈를 마이크로렌즈릿 어레이를 이용한 빔 성형 광학구조로 대체하여 대기외란으로 인하여 통신의 신뢰성 저하를 방지할 수 있다. 즉, 마이크로렌즈릿 어레이와 대기외란 상태를 고려한 배치 설계 제어를 통해 높은 강도의 검출 광신호를 수신할 수 있다. 이에 따라, 강한 대기외란에서도 무선 레이저통신에서 통신 성능 저하를 방지할 수 있다는 장점이 있다. 또한, 수중통신 및 수중 영상장치에도 활용하여 수중 외란효과를 저하할 수 있다.
본 발명의 적어도 일 실시 예에 따르면, 다양한 굴절형 혹은 반사형 수광광학계에 마이크로렌즈릿 어레이를 이용한 빔 성형(beam shaping) 광학구조를 적용한 광검출 방법을 사용하여, 대기외란의 영향으로 광 집속도가 저하되는 것을 방지할 수 있다.
또한, 본 발명의 적어도 일 실시 예에 따르면, 마이크로렌즈릿 어레이를 이용한 빔 성형(beam shaping) 광학구조를 이용하여, 대기외란에 의한 검출기 면에서의 광손실을 효율적으로 방지할 수 있는 광신호 검출 구현 방안을 제공할 수 있다.
100: 제1 마이크로렌즈릿 어레이 (nxn개 미소렌즈배열)
200: 제2 마이크로렌즈릿 어레이 (nxn개 미소렌즈배열)
300: 필드렌즈 400: 검출기
610: 수광 광학계 대물렌즈 620, 620‘: 정렬렌즈
630: 투과필터 710: 주반사경
715：부반사경 720：정렬렌즈
730：투과필터

Claims (3)

  1. 대기외란에서 미소렌즈 배열의 마이크로렌즈릿 어레이 빔 성형을 이용한 광검출 시스템에 있어서,
    n x n개의 볼록 미소렌즈 배열 형태로 형성되고, 광 신호들을 수신하여 초점거리가 fMA1인 초점면에 집속되도록 하는 제1 마이크로렌즈릿 어레이;
    상기 제1 마이크로렌즈릿 어레이와 소정 간격(S)로 이격되어 배치되고, fMA2의 초점거리를 갖는 제2 마이크로 렌즈릿 어레이; 및
    상기 제2 마이크로 렌즈릿 어레이와 이격되어 배치되고, fFL의 초점거리를 갖는 필드 렌즈를 포함하고,
    상기 제1 마이크로 렌즈릿 어레이 및 상기 제2 마이크로 렌즈릿 어레이와 상기 필드 렌즈를 통과한 상기 광 신호들은 대기외란 상태에서도 검출기(detector)의 유효 직경(D) 내로 집속되도록 광 집속도가 유지되고,
    상기 유효 직경(D)는 개별 볼록 미소렌즈의 직경(d), 상기 소정 간격(S)와 초점거리 fMA1, fMA2 및 fFL에 의해
    Figure 112019006648277-pat00012
    로 결정될 수 있고,
    상기 제2 마이크로 렌즈릿 어레이의 초점 거리인 fMA2와 상기 소정 간격(S)을 같게 하여, 상기 유효 직경(D)이
    Figure 112019006648277-pat00014
    로 결정되고,
    상기 필드 렌즈의 일면과 타면의 곡률은 상이하도록 구성되고,
    상기 대기외란 상태에서 수광광학계로 입사되는 공간적 광신호의 불균일한 분포에서, 상기 제1 마이크로렌즈릿 어레이 및 상기 제2 마이크로렌즈릿 어레이를 이용한 빔 성형 광학구조로부터 상기 필드 렌즈의 초점면에서 주어지는 균일한 광분포가 상기 유효 직경(D) 내에서 일정한 광집속 크기로 형성되는 것을 특징으로 하는, 광검출 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 필드 렌즈와 상기 검출기 사이에 배치되고, 테이퍼된 형태를 갖는 코어(core)와 상기 코어에 코딩되어 상기 코어를 둘러싸는 클래딩(cladding)을 포함하는 볼록형상 코아면으로 제작된 테이퍼드 광섬유(large core tapered fiber)를 포함하고,
    상기 코어를 통과한 광 신호들은 대기외란 상태에서도 상기 검출기의 유효 직경 내로 집속되는 것을 특징으로 하는, 광검출 시스템.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제1 마이크로렌즈릿 어레이 및 상기 제2 마이크로 렌즈릿 어레이를 이용한 빔성형 광학구조를 다양한 굴절형 수광계 혹은 반사형 수광광학계에 적용한 것을 특징으로 하고,
    상기 굴절형 수광계는 케플러식, 갈릴레이식 수광계를 포함하고, 상기 반사형 수광광학계는 카세그레인 수광계를 포함하는, 광검출 시스템.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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JPH05346568A (ja) * 1992-06-15 1993-12-27 Sharp Corp 投影型画像表示装置
KR0130058B1 (ko) * 1990-02-01 1998-04-11 쓰지 하루오 투과형 표시장치

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