A Study of the Optical System of a Time-of-flight Laser Distance Sensor for a Long Distance with Minimized Divergence Beam Angle

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ISSN:1225-6285(Print) ISSN:2287-321X(Online)

A Study of the Optical System of a Time-of-flight Laser Distance Sensor for

a Long Distance with Minimized Divergence Beam Angle

Hyun-Hwa Lee, Jae-Yeong Seo, and Mee-Suk Jung

†

Department of Nano & Semiconductor Engineering, Korea Polytechnic University, Siheung 15073, Korea

(Received December 30, 2020; Revised January 7, 2021; Accepted January 18, 2021)

In this paper, a study is conducted on the design of an optical system of a time-of-flight (TOF) laser distance sensor that can measure long distances by minimizing beam divergence. When measuring a long distance, the amount of light on the object’s surface decreases as the distance increases, due to the diffusion angle of the laser beam, and thus the beam at the sensor also decreases, causing measurement errors. In general, a cylindrical lens is used to reduce the divergence beam angle. However, an optical system using a cylindrical lens has the problem of degraded performance due to the difficulty with assembly tolerance, as well as the problem of the increased size of the optical system, and thus the use of aspherical lenses has been increasing recently. Therefore, in this study, the optical efficiencies and assembly tolerances of optical systems using respectively a cylindrical lens and an aspherical lens are compared and analyzed.

Keywords: Aspherical lens, Cylindrical lens, Laser distance sensor, Optical design

OCIS codes: (280.3400) Laser range finder; (280.3420) Laser sensors; (280.4788) Optical sensing and sensors

빔 확산각 최소화를 통한 장거리 측정용 ToF 레이저 거리센서 광학계 설계 연구

이현화ㆍ서재영ㆍ정미숙

† 한국산업기술대학교 나노반도체공학과 우 15073 경기도 시흥시 산기대학로 237 (2020년 12월 30일 받음, 2021년 1월 7일 수정본 받음, 2021년 1월 18일 게재 확정) 본 논문에서는 빔 확산각 최소화를 통해 장거리에서 측정이 가능하도록 한 ToF 레이저 거리센서 광학계 설계에 대한 연구를 진행하였다. 거 리센서는 장거리 측정 시 거리가 멀어질수록 레이저 빔의 확산각으로 인해 물체 표면에 도달하는 빔의 광량이 급격히 저하되며, 이로 인해 센 서에 수신되는 광량도 감소되어 측정이 되지 않거나 측정 오차가 발생하게 된다. 일반적으로 빔 확산각을 최소화하는 광학계로 실린더 렌즈가 사용된다. 그러나 실린더 렌즈를 이용한 광학계는 광학계 크기가 커지는 문제뿐만 아니라 조립 공차의 어려움으로 인해 성능이 저하된다는 문 제점이 있어 최근 비구면 렌즈를 사용하는 추세가 증가하고 있다. 따라서 본 연구에서는 실린더 렌즈를 이용한 광학계와 비구면 렌즈를 이용한 광학계의 광효율과 조립공차를 비교 분석하고자 한다. Keywords: 비구면 렌즈, 실린더 렌즈, 레이저 거리센서, 광학 설계

OCIS codes: (280.3400) Laser range finder; (280.3420) Laser sensors; (280.4788) Optical sensing and sensors

《연구논문》 Korean Journal of Optics and Photonics, Vol. 32, No. 2, April 2021, pp. 79-85 DOI: https://doi.org/10.3807/KJOP.2021.32.2.079

†_{E-mail: [email protected], ORCID: 0000-0003-3430-876X}

Color versions of one or more of the figures in this paper are available online.

I. 서 론

레이저 거리센서는 측정 물체의 거리를 측정하는 장비로서[1]_, 사용 목적 또는 용도에 따라 근거리 측정용에서부터 장거리 측 정용까지 구분된다. 레이저 거리센서 방식 중 ToF 방식은 빛이 물체에 맞고 반사되어 되돌아 오는 시간을 측정하여 거리를 계 산하는 방식이다. 이 방식은 실외 장거리 측정에 유리하다[2,3]_. 장거리는 일반적으로 100 m에서 300 m를 의미하며[4]_{, 측} 정 거리가 매우 멀기 때문에 레이저 거리센서의 수광부에서 레이저의 검출이 원활하게 이루어지기 위해서는 반사되어 되

80 한국광학회지 제32권 제2호, 2021년 4월 돌아오는 레이저의 광량을 확보하는 것이 매우 중요하다. 본 논문에서는 장거리에서 측정이 가능하도록 수광부로 수 신되는 광량을 높이기 위해 레이저 빔의 확산각이 작은 발광 부 광학계 설계 방법을 연구하였다. Micro-Epsilon 사의 제 품의 빔 확산각인 1.7 mrad 이하의 값을 가지는 것을 목표로, 실린더 렌즈와 비구면 렌즈를 사용하는 경우에 대하여 광효율 및 공차 분석을 통해 두 광학계를 비교하였다.

II. 본 론

2.1. 발광부 광학계 설계

본 논문에서 사용한 광원은 LASER COMPONENTS 사의 레이저로, 발광면 사이즈는 85 μm × 10 μm이다. 또한, 빔의 각도는 수직축 20o_{, 수평축 12}o_{이며, 905 nm의 파장 및 27} W의 파워를 가진다. 레이저 다이오드는 빔의 수평 방향과 수직 방향의 퍼짐 각 이 다르고 발광면의 가로와 세로 길이가 다르다. 이 때문에 수 평 및 수직 방향의 발산각 차이를 최소화할 수 있도록 각각 다 른 초점 거리를 갖는 각기 다른 두 매의 실린더 형태의 렌즈 를 사용하여 콜리메이션 렌즈를 설계할 수 있다. 이 경우 비용 을 고려하여 구면 형상의 실린더 렌즈를 사용한다. 또 다른 방 법으로, 수평 및 수직 방향의 발산각 차이를 고려하지 않고 비 구면 형태의 단일 렌즈를 이용하여 콜리메이션 렌즈를 설계할 수 있다[5]_{. 본 논문에서는 두 방법으로 콜리메이션 렌즈를 설} 계하고 non-sequential mode simulation을 통하여 수광 효율성을 분석하였다. 또한 공차분석을 통하여 제작성을 분석 하였다. 먼저 실린더 렌즈를 이용하여 발광부 광학계 설계를 진행하 였다. 실린더 렌즈는 한 축에서만 곡률을 가지고 있기 때문에 직교하는 차원의 빛에는 영향을 미치지 않는다. 수직축과 수평축 각도를 고려하여 수직축에 해당하는 NA를 0.18로 설계하였고, 수평축에 해당하는 NA를 0.11로 설계하 였다. 식 1은 광원의 발광면의 크기와 초점거리 및 빔 확산각의 관계식이다.

였다.

먼저 실린더 렌즈를 이용하여 발광부 광학계 설계를 진행하였다. 실린더 렌즈는 한 축에서만

곡률을 가지고 있기 때문에 직교하는 차원의 빛에는 영향을 미치지 않는다.

수직축과 수평축 각도를 고려하여 수직축에 해당하는 NA를 0.18로 설계하였고, 수평축에 해당

하는 NA를 0.11로 설계하였다.

식 1은 광원의 발광면의 크기와 초점거리 및 빔 확산각의 관계식이다.

 ≈

        

(1)

먼저, 수직축에 해당하는 빔 확산각은 목표 빔 확산각 1.7 mrad로 설계하려고 하였으나 식 (1)

을 이용하여 계산하면 초점거리가 약 6 mm로 계산된다. 이는 작은 초점거리로 판단되어 목표 빔

확산각을 0.5 mrad으로 계산하여 초점거리를 20 mm로 설계하였다. 이후 광원의 가로 사이즈인

85 um를 고려하여 수평축에 해당하는 빔 확산각 또한 0.5 mrad으로 가져가기 위해서는 초점거

리가 170 mm가 요구된다. 이는 광학계의 길이 및 실린더 렌즈의 크기가 매우 커져서 적합한 선

택이 아니다. 따라서 수평축의 빔 확산각은 수직축 빔 확산각의 두 배인 1 mrad으로 설정하였고,

초점거리는 85 mm로 설계하였다.

광학계의 빔 확산각을 최소화하기 위해 각각의 실린더 렌즈를 초점거리인 20 mm, 85 mm에 위

치시켜 최적 설계를 진행하였다. 그림 1은 실린더 렌즈로 설계한 발광부 광학계의 Layout이다.

설계 결과, 수직축은 0.51 mrad, 수평축은 1.06 mrad으로 목표 빔 확산각에 근사한 값을 얻을

수 있었다.

(1) 먼저, 수직축에 해당하는 빔 확산각은 목표 빔 확산각 1.7 mrad로 설계하려고 하였으나 식 (1)을 이용하여 계산하면 초 점거리가 약 6 mm로 계산된다. 이는 작은 초점거리로 판단되 어 목표 빔 확산각을 0.5 mrad으로 계산하여 초점거리를 20 mm로 설계하였다. 이후 광원의 가로 사이즈인 85 μm를 고 려하여 수평축에 해당하는 빔 확산각 또한 0.5 mrad으로 가 져가기 위해서는 초점거리가 170 mm가 요구된다. 이는 광학 계의 길이 및 실린더 렌즈의 크기가 매우 커져서 적합한 선택 이 아니다. 따라서 수평축의 빔 확산각은 수직축 빔 확산각의 두 배인 1 mrad으로 설정하였고, 초점거리는 85 mm로 설계 하였다. 광학계의 빔 확산각을 최소화하기 위해 각각의 실린더 렌즈 를 초점거리인 20 mm, 85 mm에 위치시켜 최적 설계를 진 행하였다. 그림 1은 실린더 렌즈로 설계한 발광부 광학계의 layout이다. 설계 결과, 수직축은 0.51 mrad, 수평축은 1.06 mrad으로 목표 빔 확산각에 근사한 값을 얻을 수 있었다. 두 번째 방법으로, 비구면 렌즈는 광축을 기준으로 회전 대 칭형이기 때문에 수직축과 수평축의 각도를 각각 제어할 수 없다. 목표 빔 확산각인 1.7 mrad 이하를 만족하기 위해 비구 면의 초점거리는 식 (1)을 이용하여 50 mm로 설계하였다. 비 구면 렌즈의 곡률과 코닉 상수, 비구면 계수 4차, 6차, 8차에 두 번 각도를 리는 식 차, 6차, 그림 거리가 값이 더 은 0.20 기 때문 (a) F F 째 방법으로 각각 제어할 (1)을 이용 8차에 변수 2는 비구면 50 mm로 실 작게 나오고 0 mrad, 수평 에 두 빔 확 F F Y-Z plane F Fiigg 11.. Layou 로, 비구면 렌 할 수 없다. 목 용하여 50 mm 를 주어 최적 렌즈로 설계 실린더 렌즈의 고 수평축의 평축은 1.70 확산각의 차이 F Fiigg 22.. Layou t of a light e 렌즈는 광축을 목표 빔 확산 m로 설계하였 적 설계를 진 계한 발광부 의 20 mm보 경우 더 큰 mrad이다. 가 실린더 렌 t of a light e emitting par 을 기준으로 산각인 1.7 m 였다. 비구면 진행하였다. 광학계의 Y 보다 크고 85 큰 값이 나올 비구면 렌즈 렌즈보다 크 emitting par ( rt with cylin 회전 대칭형 mrad 이하를 면 렌즈의 곡 -Z plane L mm보다 작 것으로 기대 즈는 수직축과 게 나타남을 rt with asph b) X-Z plan ndrical lens 이기 때문에 만족하기 위 률과 코닉 상 Layout이다. 작으므로 발산 대된다. 시뮬 과 수평축을 알 수 있다 herical lens ne 에 수직축과 위해 비구면의 상수, 비구면 비구면 렌즈 산각은 수직축 레이션 결과 각각 제어하 다. 수평축의 의 초점거 면 계수 4 즈의 초점 축의 경우 과, 수직축 하지 못하 Fig. 1. Layout of a light emitting part with a cylindrical lens. (a) Y-Z plane. (b) X-Z plane.

두 번 각도를 리는 식 차, 6차, 그림 거리가 값이 더 은 0.20 기 때문 째 방법으로 각각 제어할 (1)을 이용 8차에 변수 2는 비구면 50 mm로 실 작게 나오고 0 mrad, 수평 에 두 빔 확 F F 로, 비구면 렌 할 수 없다. 목 용하여 50 mm 를 주어 최적 렌즈로 설계 실린더 렌즈의 고 수평축의 평축은 1.70 확산각의 차이 F Fiigg 22.. Layou 렌즈는 광축을 목표 빔 확산 m로 설계하였 적 설계를 진 계한 발광부 의 20 mm보 경우 더 큰 mrad이다. 가 실린더 렌 t of a light e 을 기준으로 산각인 1.7 m 였다. 비구면 진행하였다. 광학계의 Y 보다 크고 85 큰 값이 나올 비구면 렌즈 렌즈보다 크 emitting par 회전 대칭형 mrad 이하를 면 렌즈의 곡 -Z plane L mm보다 작 것으로 기대 즈는 수직축과 게 나타남을 rt with asph 이기 때문에 만족하기 위 률과 코닉 상 Layout이다. 작으므로 발산 대된다. 시뮬 과 수평축을 알 수 있다 herical lens 에 수직축과 위해 비구면의 상수, 비구면 비구면 렌즈 산각은 수직축 레이션 결과 각각 제어하 다. 수평축의 의 초점거 면 계수 4 즈의 초점 축의 경우 과, 수직축 하지 못하

《연구논문》 빔 확산각 최소화를 통한 장거리 측정용 ToF 레이저 거리센서 광학계 설계 연구 ― 이현화ㆍ서재영 외 81

Fig. 3. Illuminance result. (a) Cylindrical lens. (b) Aspherical lens. 두 번 각도를 리는 식 차, 6차, 그림 거리가 값이 더 은 0.20 기 때문 (a) F F 째 방법으로 각각 제어할 (1)을 이용 8차에 변수 2는 비구면 50 mm로 실 작게 나오고 0 mrad, 수평 에 두 빔 확 F F Y-Z plane F Fiigg 11.. Layou 로, 비구면 렌 할 수 없다. 목 용하여 50 mm 를 주어 최적 렌즈로 설계 실린더 렌즈의 고 수평축의 평축은 1.70 확산각의 차이 F Fiigg 22.. Layou t of a light e 렌즈는 광축을 목표 빔 확산 m로 설계하였 적 설계를 진 계한 발광부 의 20 mm보 경우 더 큰 mrad이다. 가 실린더 렌 t of a light e emitting par 을 기준으로 산각인 1.7 m 였다. 비구면 진행하였다. 광학계의 Y 보다 크고 85 큰 값이 나올 비구면 렌즈 렌즈보다 크 emitting par ( rt with cylin 회전 대칭형 mrad 이하를 면 렌즈의 곡 -Z plane L mm보다 작 것으로 기대 즈는 수직축과 게 나타남을 rt with asph b) X-Z plan ndrical lens 이기 때문에 만족하기 위 률과 코닉 상 Layout이다. 작으므로 발산 대된다. 시뮬 과 수평축을 알 수 있다 herical lens ne 에 수직축과 위해 비구면의 상수, 비구면 비구면 렌즈 산각은 수직축 레이션 결과 각각 제어하 다. 수평축의 의 초점거 면 계수 4 즈의 초점 축의 경우 과, 수직축 하지 못하 두 번 각도를 리는 식 차, 6차, 그림 거리가 값이 더 은 0.20 기 때문 (a) F F 째 방법으로 각각 제어할 (1)을 이용 8차에 변수 2는 비구면 50 mm로 실 작게 나오고 0 mrad, 수평 에 두 빔 확 F F Y-Z plane F Fiigg 11.. Layou 로, 비구면 렌 할 수 없다. 목 용하여 50 mm 를 주어 최적 렌즈로 설계 실린더 렌즈의 고 수평축의 평축은 1.70 확산각의 차이 F Fiigg 22.. Layou t of a light e 렌즈는 광축을 목표 빔 확산 m로 설계하였 적 설계를 진 계한 발광부 의 20 mm보 경우 더 큰 mrad이다. 가 실린더 렌 t of a light e emitting par 을 기준으로 산각인 1.7 m 였다. 비구면 진행하였다. 광학계의 Y 보다 크고 85 큰 값이 나올 비구면 렌즈 렌즈보다 크 emitting par ( rt with cylin 회전 대칭형 mrad 이하를 면 렌즈의 곡 -Z plane L mm보다 작 것으로 기대 즈는 수직축과 게 나타남을 rt with asph b) X-Z plan ndrical lens 이기 때문에 만족하기 위 률과 코닉 상 Layout이다. 작으므로 발산 대된다. 시뮬 과 수평축을 알 수 있다 herical lens ne 에 수직축과 위해 비구면의 상수, 비구면 비구면 렌즈 산각은 수직축 레이션 결과 각각 제어하 다. 수평축의 의 초점거 면 계수 4 즈의 초점 축의 경우 과, 수직축 하지 못하

변수를 주어 최적 설계를 진행하였다. 그림 2는 비구면 렌즈로 설계한 발광부 광학계의 Y-Z plane layout이다. 비구면 렌즈의 초점거리가 50 mm로 실 린더 렌즈의 20 mm보다 크고 85 mm보다 작으므로 발산각 은 수직축의 경우 값이 더 작게 나오고 수평축의 경우 더 큰 값이 나올 것으로 기대된다. 시뮬레이션 결과, 수직축은 0.20 mrad, 수평축은 1.70 mrad이다. 비구면 렌즈는 수직축과 수 평축을 각각 제어하지 못하기 때문에 두 빔 확산각의 차이가 실린더 렌즈보다 크게 나타남을 알 수 있다.

2.2. 광효율 시뮬레이션 결과 비교

이후 실린더 렌즈와 비구면 렌즈로 설계한 각각의 발광부 광학계의 광효율을 분석하기 위해 LightTools 프로그램을 이 용하여 광학계를 구현하였다. 발광부 광학계에서 각각 200 m 떨어진 거리에 반경 100 mm를 가지는 원형의 receiver를 위 치시켜 빔의 모양과 광량 값을 확인하였다. 그림 3(a), (b)는 각각 실린더, 비구면 렌즈로 설계한 발광부 광학계 시뮬레이 션의 조도 그림이다. 실린더 렌즈로 설계한 발광부 광학계의 광량은 4.91 W, 비구면 렌즈로 설계한 발광부 광학계의 광량 은 4.01 W로 실린더 렌즈로 설계한 발광부 광학계의 광량 값 이 더 크다. 이는 실린더 렌즈로 설계한 광학계의 빔 확산각이 비구면 렌즈로 설계한 빔 확산각보다 작고, 빔의 모양이 더욱 원형에 가깝기 때문이다. 이를 통해 빔 확산각을 최소화하고, 빔의 모양이 원형에 가까울수록 수광부에 수신되는 광량의 손 실이 적은 것을 알 수 있다.

2.3. 공차 분석

이후 실린더 렌즈와 비구면 렌즈의 조립 공차 분석을 진행 하였다. 2매의 실린더 렌즈는 상대적으로 1매인 비구면 렌즈 보다 align 측면에서 민감한 특성을 가지고 있다. 따라서 공차 를 부여하여 두 광학계의 민감도를 분석하였다. RMS angu-lar radius로 공차를 분석하였고, 표 1과 같이 공차 범위를 부 여하였다. 그 결과, 실린더 렌즈로 설계한 광학계의 수율은 90% 이상 이 1.232 mrad이며, 비구면 렌즈로 설계한 광학계의 수율은 90% 이상이 0.349 mrad이다. 실린더 렌즈로 설계한 광학계 의 수율이 비구면 렌즈로 설계한 광학계보다 좋지 않음을 확 인하였다. 더불어 실린더 렌즈와 비구면 렌즈로 설계한 광학계에 각 각의 조립 공차를 적용하여 광량을 비교해보았다. 그 결과, 실 린더 렌즈를 이용한 광학계의 광량은 2.92 W, 비구면 렌즈를 이용한 광학계의 광량은 4.00 W로, 감소량이 각각 1.99 W, 0.01 W이다. 이에 해당하는 조도 시뮬레이션 결과는 그림 4 이다. 이를 통해, 실린더 렌즈 2매의 align이 비구면 렌즈 1매 의 align보다 어렵고, 이 때문에 광학계의 성능에 영향을 미친 다는 것을 알 수 있다.

2.4. 수광부 광학계 설계

수신광의 효율을 얻기 위해 수광부 광학계 설계를 진행하였 다. 본 논문에서는 사용한 센서는 890 nm에서 915 nm에 해 당하는 파장대에서 70% 이상의 quantum efficiency를 가진 다. 또한, 센서의 면적은 Ø500 μm이기 때문에 이를 고려하 여 필드를 real image height로 설정하였고, 1 필드를 0.25 mm로 설정하여 수광부 설계를 진행하였다. 200 m에서 공간 분해능을 200 mm로 하기 위해 수신광의 입사각을 0.5 mrad 으로 선택하였고, 센서 사이즈를 고려하여 초점거리를 500 mm로 설계하였다.

그림 5는 수광부 광학계의 설계 layout이고, 그림 6은 설계 된 광학계의 footprint diagram이다. Max radius가 0.2488 mm로, 500 μm의 센서 안에 모든 필드가 수신되는 것을 확 인하였다.

III. 결 론

본 논문에서는 장거리에서 측정이 가능하도록 빔 확산각을 최소화한 발광부 광학계 설계 연구를 진행하였다. 1.7 mrad 이하의 빔 확산각을 목표로 하였으며, 실린더 렌즈와 비구면 렌즈를 이용하여 발광부 광학계 설계를 진행하고 두 결과를 비교하였다. 실린더 렌즈로 이루어진 광학계 설계 결과는 수 직축 0.51 mrad, 수평축 1.06 mrad, 물체 위치에서의 광량 4.91 W이다. 비구면 렌즈로 이루어진 광학계 설계 결과는 수 직축 0.20 mrad, 수평축 1.70 mrad, 물체 위치에서의 광량 4.01 W이다. 이후 제작 조립 공차 분석을 진행하였다. 실린더 렌즈로 설 계한 광학계의 수율 90% 이상이 1.232 mrad이며, 비구면 렌 즈로 설계한 광학계의 수율 90% 이상이 0.349 mrad이다. 또 Table 1. Tolerancing

Tolerance Type Value

Cylindrical lens Radius N = ±10 Thickness (mm) ±0.2 Surface Tilt ±5’ Element Decenter (mm) ±0.1 Element Tilt X, Y ±3’ Element Tilt Z ±6’ Index ±0.001 Abbe (%) ±0.8 Aspherical lens Surface Decenter (mm) ±0.01

Surface Tilt ±5’ Zernike Irregularity ±0.25 λ Element Decenter (mm) ±0.1 Element Tilt ±3’

《연구논문》 빔 확산각 최소화를 통한 장거리 측정용 ToF 레이저 거리센서 광학계 설계 연구 ― 이현화ㆍ서재영 외 83

Fig. 4. Illuminance result with tolerancing. (a) Cylindrical lens. (b) Aspherical lens.

두 번 각도를 리는 식 차, 6차, 그림 거리가 값이 더 은 0.20 기 때문 (a) F F 째 방법으로 각각 제어할 (1)을 이용 8차에 변수 2는 비구면 50 mm로 실 작게 나오고 0 mrad, 수평 에 두 빔 확 F F Y-Z plane F Fiigg 11.. Layou 로, 비구면 렌 할 수 없다. 목 용하여 50 mm 를 주어 최적 렌즈로 설계 실린더 렌즈의 고 수평축의 평축은 1.70 확산각의 차이 F Fiigg 22.. Layou t of a light e 렌즈는 광축을 목표 빔 확산 m로 설계하였 적 설계를 진 계한 발광부 의 20 mm보 경우 더 큰 mrad이다. 가 실린더 렌 t of a light e emitting par 을 기준으로 산각인 1.7 m 였다. 비구면 진행하였다. 광학계의 Y 보다 크고 85 큰 값이 나올 비구면 렌즈 렌즈보다 크 emitting par ( rt with cylin 회전 대칭형 mrad 이하를 면 렌즈의 곡 -Z plane L mm보다 작 것으로 기대 즈는 수직축과 게 나타남을 rt with asph b) X-Z plan ndrical lens 이기 때문에 만족하기 위 률과 코닉 상 Layout이다. 작으므로 발산 대된다. 시뮬 과 수평축을 알 수 있다 herical lens ne 에 수직축과 위해 비구면의 상수, 비구면 비구면 렌즈 산각은 수직축 레이션 결과 각각 제어하 다. 수평축의 의 초점거 면 계수 4 즈의 초점 축의 경우 과, 수직축 하지 못하 두 번 각도를 리는 식 차, 6차, 그림 거리가 값이 더 은 0.20 기 때문 (a) F F 째 방법으로 각각 제어할 (1)을 이용 8차에 변수 2는 비구면 50 mm로 실 작게 나오고 0 mrad, 수평 에 두 빔 확 F F Y-Z plane F Fiigg 11.. Layou 로, 비구면 렌 할 수 없다. 목 용하여 50 mm 를 주어 최적 렌즈로 설계 실린더 렌즈의 고 수평축의 평축은 1.70 확산각의 차이 F Fiigg 22.. Layou t of a light e 렌즈는 광축을 목표 빔 확산 m로 설계하였 적 설계를 진 계한 발광부 의 20 mm보 경우 더 큰 mrad이다. 가 실린더 렌 t of a light e emitting par 을 기준으로 산각인 1.7 m 였다. 비구면 진행하였다. 광학계의 Y 보다 크고 85 큰 값이 나올 비구면 렌즈 렌즈보다 크 emitting par ( rt with cylin 회전 대칭형 mrad 이하를 면 렌즈의 곡 -Z plane L mm보다 작 것으로 기대 즈는 수직축과 게 나타남을 rt with asph b) X-Z plan ndrical lens 이기 때문에 만족하기 위 률과 코닉 상 Layout이다. 작으므로 발산 대된다. 시뮬 과 수평축을 알 수 있다 herical lens ne 에 수직축과 위해 비구면의 상수, 비구면 비구면 렌즈 산각은 수직축 레이션 결과 각각 제어하 다. 수평축의 의 초점거 면 계수 4 즈의 초점 축의 경우 과, 수직축 하지 못하

Fig. 6. Footprint diagram.

본 논

를 진행

용하여

설계 결

렌즈로

량 4.01

이후

문에서는 장

하였다. 1.7

발광부 광학

과는 수직축

이루어진 광

W이다.

제작 조립

F

Fiig

g

장거리에서 측

mrad 이하

학계 설계를

축 0.51 mrad

광학계 설계 결

공차 분석을

g

g 5

5.. Layout

F

Fiig

g 6

6.. F

측정이 가능하

의 빔 확산각

진행하고 두

d, 수평축 1

결과는 수직축

을 진행하였다

of a light re

Footprint Dia

Ⅲ

Ⅲ.. 결

결 론

론

하도록 빔 확

각을 목표로

두 결과를 비

.06 mrad,

축 0.20 mra

다. 실린더 렌

eceiving par

agram

론

론

확산각을 최소

하였으며, 실

비교하였다. 실

물체 위치에

ad, 수평축

렌즈로 설계

rt

소화한 발광부

실린더 렌즈와

실린더 렌즈

서의 광량 4

1.70 mrad,

한 광학계의

부 광학계 설

와 비구면 렌

즈로 이루어진

4.91 W이다

물체 위치에

의 수율 90%

설계 연구

렌즈를 이

진 광학계

다. 비구면

에서의 광

% 이상이

《연구논문》 빔 확산각 최소화를 통한 장거리 측정용 ToF 레이저 거리센서 광학계 설계 연구 ― 이현화ㆍ서재영 외 85 한 조립 공차를 각각 적용하여 광량을 비교한 결과, 실린더 렌 즈를 이용한 광학계의 광량은 2.92 W, 비구면 렌즈를 이용한 광학계의 광량은 4.00 W이다. 따라서 광량만을 고려하면 실린더 렌즈를 사용하여 설계하 는 것이 좋지만, 조립성을 고려하면 비구면 렌즈를 사용하여 설계하는 것이 좋음을 확인하였다.

References

1. J.-H. Song, “Performance improvement of laser range finder based on solar energy measurement,” M.S. Thesis, Graduate School of Industry, Kumoh National Institute of Technology, Korea (2018), p. 7.

2. J.-H. Kwon and M. Won, “Development of a TOF LADAR sensor and a study on 3D information acquisition using single axis driving device,” J. Korea Inst. Mil. Sci. Technol. 20,

733-742 (2017).

3. J.-H. Kim, “A Study on medium-range distance measurement sensor using optical triangulation,” M.s Thesis, Kongju Na-tional University, Korea (2015), pp. 2-3.

4. J.-I. Im, S. H. Kim, S. H. Lee, H. W. Jeong, M. H. Lee, S. W. Kim, and K. H. Kim, “Optical system design and experimental demonstration of long-range reflective-type optical displace-ment sensor,” Korean J. Opt. Photon. 22, 151-158 (2011).

5. D.-K. Lee, “A Study on development of an aspheric lens for the semiconductor laser applications,” Ph. D. Dissertation, Chonnam National University, Korea (2014), p. 8.