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    Numerical Modeling of a Short-range Three-dimensional Flash LIDAR System Operating in a Scattering Atmosphere Based on the Monte Carlo Radiative Transfer Matrix Method

    몬테 카를로 복사 전달 행렬 방법을 사용한 산란 대기에서 동작하는 단거리 3차원 플래시 라이다 시스템의 수치적 모델링

    Haechan An, Jeongkyun Na, Yoonchan Jeong

    안해찬, 나정균, 정윤찬

    We discuss a modified numerical model based on the Monte Carlo radiative transfer (MCRT) method, i.e., the MCRT matrix method, for ...

    3차원 플래시 라이다 시스템(3D flash LIDAR system)에서의 대기 산란을 해석하기 위해 몬테 카를로 복사 전달(Monte Carlo radiative transfer, MCRT ...

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    We discuss a modified numerical model based on the Monte Carlo radiative transfer (MCRT) method, i.e., the MCRT matrix method, for the analysis of atmospheric scattering effects in three-dimensional flash LIDAR systems. Based on the MCRT method, the radiative transfer function for a LIDAR signal is constructed in a form of a matrix, which corresponds to the characteristic response. Exploiting the superposition and convolution of the characteristic response matrices under the paraxial approximation, an extended computer simulation model of an overall flash LIDAR system is developed. The MCRT matrix method substantially reduces the number of tracking signals, which may grow excessively in the case of conventional Monte Carlo methods. Consequently, it can readily yield fast acquisition of the signal response under various scattering conditions and LIDAR-system configurations. Using the computational model based on the MCRT matrix method, we carry out numerical simulations of a three-dimensional flash LIDAR system operating under different atmospheric conditions, varying the scattering coefficient in terms of visible distance. We numerically analyze various phenomena caused by scattering effects in this system, such as degradation of the signal-to-noise ratio, glitches, and spatiotemporal spread and time delay of the LIDAR signals. The MCRT matrix method is expected to be very effective in analyzing a variety of LIDAR systems, including flash LIDAR systems for autonomous driving.


    3차원 플래시 라이다 시스템(3D flash LIDAR system)에서의 대기 산란을 해석하기 위해 몬테 카를로 복사 전달(Monte Carlo radiative transfer, MCRT) 방법을 바탕으로 수정된 수치 해석 모델인 MCRT 행렬 방법을 논의한다. MCRT 방법을 바탕으로 라이다 신호의 복사 전달 함수를 행렬 형태로 구성하며, 이는 특성 응답에 해당한다. 근축 근사에 기반하여 본 특성 응답 행렬의 중첩 및 합성곱 연산을 활용함으로써 확장된 전반적인 플래시 라이다의 전산 모사 모델을 개발한다. MCRT 행렬 방법은 기존의 몬테 카를로 기반 방법들에서 과도하게 증가할 수 있는 개별 라이다 신호의 추적을 대폭 경감시킨다. 그 결과 본 방법은 다양한 산란 조건 및 라이다 시스템 구성 환경에서도 그 신호 응답을 빠르게 획득할 수 있는 특징을 지닌다. 본 논문에서는 MCRT 행렬 방법에 기반한 전산 모델을 이용하여 상이한 대기 환경 조건에서 동작하는 3차원 플래시 라이다 시스템을 그 산란 조건, 즉, 그 가시거리에 따른 산란 계수를 달리하며 모사하고, 플래시 라이다 신호의 신호대잡음비의 악화, 신호 오류, 시공간적 확산 및 시간 지연 등 시스템상에서의 산란 효과에 의해 나타나는 다양한 현상을 수치적으로 분석한다. MCRT 행렬 방법은 자율 주행을 위한 플래시 라이다 시스템을 포함해 다양한 라이다 시스템을 분석하는데 매우 효과적으로 사용될 수 있을 것으로 기대된다.

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    April 2020
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    Aerosol-extinction Retrieval Method at Three Effective RGB Wavelengths Using a Commercial Digital Camera

    상용 디지털 카메라를 이용한 3가지 유효 RGB 파장에서의 미세먼지 소산계수 산출법

    Sunho Park, Dukhyeon Kim

    박선호, 김덕현

    In this article, we suggest a new method for measuring an aerosol’s extinction coefficient using a commercial camera. For a given ...

    본 논문에서는 상용 카메라를 이용하여 미세먼지의 소산계수를 측정하기 위한 새로운 방법을 제안하였다. 하나의 주어진 영상에서 같은 방향에 놓인 동일한 종류의 물체에 대한 ...

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    In this article, we suggest a new method for measuring an aerosol’s extinction coefficient using a commercial camera. For a given image, we choose three pixel-points that are imaged for the same kinds of objects located in similar directions. We suggest and calculate aerosol extinction coefficients from these RGB gray levels and the different distances of the three objects. To compare our measurement results, we also measure extinction coefficients using lidar. Finally, we find that there are meaningful and sensible correlations between these two measurements, with a correlation coefficient of 0.86. We measure the aerosol extinction coefficient at three different RGB wavelengths using the same method. From these aerosol extinction coefficients at three different wavelengths, we find that the Angstrom exponent ranges from 0.7 to 1.6 over a full daytime period. We believe that these Angstrom exponents can give important information about the size of the fine particles.


    본 논문에서는 상용 카메라를 이용하여 미세먼지의 소산계수를 측정하기 위한 새로운 방법을 제안하였다. 하나의 주어진 영상에서 같은 방향에 놓인 동일한 종류의 물체에 대한 3개 이상의 화소점의 밝기를 이용하여 소산계수를 측정하였다. 계산에 사용하기 위해 선택된 화소에 해당하는 물체는 카메라와의 거리를 알고 있는 것으로 선택하였다. 카메라를 이용하여 측정한 미세먼지의 소산계수와의 비교를 위하여 라이다를 이용하여 소산계수를 측정하였다. 최종적으로 카메라를 이용하여 측정한 미세먼지의 소산계수와 라이다를 이용한 그것에는 신뢰할 수 있는 상관관계를 얻었으며, 약 0.86 정도의 값을 보였다. 같은 방법으로 카메라의 R, G, B 3센서의 유효파장에서 소산계수를 얻을 수 있다는 것을 보였으며, 이러한 3파장에서의 소산계수를 통하여 하루 동안의 옹스트롱 지수(Angstrom exponent) 변화를 얻었는데, 이 값은 0.7~1.6 범위에 존재한다는 것을 알 수 있었다. 이러한 지수는 입자의 크기와 관련된 중요한 정보로 사용할 수 있다.

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    April 2020
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    Study of a Searchlight Lens to Improve Optical Performance and Fabricability

    광학 성능 및 제작성 향상을 위한 탐조등 렌즈 연구

    Ye-Ji Jo, Mee-Suk Jung

    조예지, 정미숙

    This study examines the design technology of searchlight optics featuring narrow beam angles and high luminous intensities. Halogen and xenon lamps, which ...

    본 연구에서는 좁은 지향각, 높은 최대 중심광도를 갖는 탐조등 광학계 설계 기술 연구를 진행하였다. 기존 탐조등 광원인 할로겐램프와 제논램프는 진동과 충격에 취약하며 ...

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    This study examines the design technology of searchlight optics featuring narrow beam angles and high luminous intensities. Halogen and xenon lamps, which are conventional searchlight sources, are vulnerable to vibration and shock, and are large and heavy, making them difficult to transport. In addition, the parabolic mirror located at the rear of the searchlight has the disadvantages of poor performance and low light efficiency, due to the assembly error produced during manufacturing. To solve this problem, a 1-kW halogen lamp is replaced by a 150-W high-power COB LED, and a high-efficiency TIR lens is designed to meet the target performance. Afterward, the TIR lens array is proposed to solve the surface error generated during optical injection. After a prototype is manufactured based on the designed optical system, the optical performance is confirmed to be excellent, by comparing it to that of a commercial halogen-lamp searchlight.


    본 연구에서는 좁은 지향각, 높은 최대 중심광도를 갖는 탐조등 광학계 설계 기술 연구를 진행하였다. 기존 탐조등 광원인 할로겐램프와 제논램프는 진동과 충격에 취약하며, 크기가 크고 무거워 운반에 많은 어려움이 있다. 또한 탐조등 후면부에 위치한 포물경은 제작 시 광원과 조립 오차에 따른 성능 저하와 낮은 광 효율의 단점을 지니고 있다. 이를 해결하기 위해 본 논문에서는 1 kW 할로겐램프를 150 W급 고출력 COB LED로 대체하고 목표 성능을 만족하기 위한 고효율 TIR 렌즈를 설계하였다. 이후 광학계 사출 시 발생하는 표면 오차를 해결하는 방안으로 TIR 렌즈 어레이를 제시하여 제작 신뢰성을 확보하였다. 설계된 광학계를 바탕으로 시제품을 제작한 후 시중 할로겐램프 탐조등과 성능을 비교하여 광학 성능의 우수함을 확인하였다.

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    April 2020
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    Optical System Design for a Head-up Display through Analysis of Distortion and Biocular Parallax

    왜곡수차 및 양안시차 분석을 통한 헤드업 디스플레이용 광학계 설계

    Kum-Ho Kim, Sung-Chan Park

    김금호, 박성찬

    In this study, we present methods to quantitatively analyze and correct the distortions and biocular parallaxes in a head-up display (HUD). To ...

    본 연구에서는 헤드업 디스플레이에서 발생하는 왜곡수차와 양안시차를 정량적으로 분석 및 보정하는 방법을 제시한다. 비대칭적인 왜곡수차를 분석하기 위해 다섯 종류의 왜곡수차를 제시하고, 이를 ...

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    In this study, we present methods to quantitatively analyze and correct the distortions and biocular parallaxes in a head-up display (HUD). To analyze asymmetrical distortions, five kinds of distortions are proposed and evaluated at five eye positions of an eyebox. The differences between distortions evaluated at the four corners of the eyebox and that at the center are defined as the relative distortions, which occur due to head motion of the driver. We also define the convergence and divergence parallaxes at six biocular positions in the eyebox to quantitatively analyze them. Using these analytical methods, we constrain the degree of biocular parallaxes and distortion changes with eye position to be small, so that an optical system nearly free from them can be obtained by optimization design for HUD optics.


    본 연구에서는 헤드업 디스플레이에서 발생하는 왜곡수차와 양안시차를 정량적으로 분석 및 보정하는 방법을 제시한다. 비대칭적인 왜곡수차를 분석하기 위해 다섯 종류의 왜곡수차를 제시하고, 이를 아이박스의 중심부에서 측정된 왜곡수차로부터 다른 4개의 가장자리에서 측정된 왜곡수차의 변화량을 상대적인 왜곡으로 정의하였다. 또한 아이박스 내 6개의 양안 위치에서 수렴 양안시차 및 발산 양안시차에 대해 정의하고 평가하였다. 이런 분석 방법을 이용하여 아이박스 내 눈의 위치에 따른 양안시차 및 왜곡수차 변화량을 제한조건으로 두어 최적설계를 진행하여 왜곡수차 및 양안시차가 보정 된 헤드업 디스플레이용 광학계를 구성하였다.

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    April 2020
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    Design and Performance of a Catadioptric Omnidirectional Zoom Optical System Using a Hybrid Lens for Visible Light

    가시광에서 하이브리드 렌즈를 사용한 반사굴절식 전방위 줌 광학계의 설계 및 성능평가

    Hyun Sik Park, Jae Heung Jo

    박현식, 조재흥

    A catadioptric omnidirectional zoom optical system using a hybrid lens (COZOSH) that performs simultaneously two functions of a lens and a mirror ...

    주간 무인 감시를 위하여 가시광 파장 범위인 400~700 nm에서 렌즈와 거울의 기능을 동시에 갖는 구멍 없는 하이브리드 렌즈를 활용한 반사굴절식 전방위 ...

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    A catadioptric omnidirectional zoom optical system using a hybrid lens (COZOSH) that performs simultaneously two functions of a lens and a mirror was designed at the visible wavelength range for daytime unmanned surveillance, and its performance was analyzed. The hybrid lens has lots of advantages in terms of fabrication and assembly of a COZOSH, because of the obviation of a lens boring process and reduction of the number of optical components. Additionally, we designed the COZOSH to expand the compressed inner-image region of a donut image at low spatial frequencies. As a result, the optimized design performance of the optical system that satisfies all initial design specifications was obtained from calculation of the modulation transfer function, spot diagram, and tolerance analysis. We confirmed that the COZOSH is a passively athermalized optical system under conditions of temperature variation from -30°C to 50°C, by using athermalization analysis during zooming.


    주간 무인 감시를 위하여 가시광 파장 범위인 400~700 nm에서 렌즈와 거울의 기능을 동시에 갖는 구멍 없는 하이브리드 렌즈를 활용한 반사굴절식 전방위 줌 광학계를 설계하고 그 성능을 분석하였다. 하이브리드 렌즈는 렌즈에 구멍을 뚫는 작업이 없고 광학 부품의 수량을 줄일 수 있기 때문에 전방위 줌 광학계의 제작과 조립에서 많은 장점을 갖는다. 이 광학계에서 결상된 도넛 형태의 상에서 안쪽의 압축된 낮은 공간주파수의 상 영역을 확대하여 보기 위해서 줌 렌즈의 기능을 추가한 전방위 광학계의 최적화 설계를 진행하였다. 그 결과 최적화 설계된 광학계의 변조전달함수, 스폿 다이어그램 분석, 공차 분석을 통해 이 광학계의 성능을 분석한 결과로부터 설계 목표 사양을 만족함을 알 수 있었다. 줌 광학계를 주밍할 때 -30~50°C의 온도 변화에 따른 비열화 해석을 한 결과, 적절한 렌즈의 재질을 선정하여 온도 변화에도 상 거리 변화가 거의 없는 광학계임을 확인하였다.

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    April 2020
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    Design and Analysis of a Red-Green-Blue Beam Combiner Based on Multimode Waveguides

    다중 모드 도파로를 이용한 적녹청 빔 합파기 설계 및 분석

    Youngchul Chung

    정영철

    A compact beam combiner based on two-mode interference (TMI) in multimode waveguides is proposed, and its feasibility is shown through simulation with ...

    다중 모드 도파로에서 두 모드 간섭(TMI)에 기반한 소형 빔 합파기가 제안되었으며, 그 가능성을 삼차원 BPM (beam propagation method) 시뮬레이션을 통해 ...

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    A compact beam combiner based on two-mode interference (TMI) in multimode waveguides is proposed, and its feasibility is shown through simulation with the three-dimensional beam propagation method. The input waveguides are separated by about 1 µm at the interface with the multimode waveguide, so that the fabricated waveguide pattern is well repeated. The power transmission to the output port from the red, green, and blue input port is 93.5%, 94%, and 93%, respectively. When the wavelength deviation from a center wavelength is 10 nm, the power transmission is maintained to be greater than 90%. When the waveguide width error is 40 nm, the power transmission is maintained to be greater than 85% for all the three colors. The polarization dependence of the beam combiner is almost negligible, and its size is as tiny as 0.02 × 4 mm2.


    다중 모드 도파로에서 두 모드 간섭(TMI)에 기반한 소형 빔 합파기가 제안되었으며, 그 가능성을 삼차원 BPM (beam propagation method) 시뮬레이션을 통해 확인하였다. 다중 모드 도파로와 접할 때, 입력 도파로들은 약 1 µm 정도 분리되어 있기 때문에 제작 공정 후의 도파 구조 패턴의 재현성이 우수하다. 적색, 녹색 및 청색 입력 포트에서 출력 포트로의 파워 전달은 각각 93.5%, 94% 및 93%로 계산되었다. 각 색상의 파장 편차가 10 nm인 경우, 투과율은 90%보다 크게 유지되었고, 도파로 폭의 편차가 40 nm 정도일 때, 85% 이상의 파워 전달을 유지함을 알 수 있다. 또한, 제안된 합파기는 편광의존성이 거의 없으며, 0.02 × 4 mm2 정도의 크기로 작게 구현될 수 있다.

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    April 2020