근적외선 회절 광학 소자를 활용한 사용자 위치 인식용 광학 시스템 연구

국문 초록 (Abstract)

최근 스마트 환경 구현과 사용자 중심 서비스의 확대에 따라, 실내 공간에서의 정밀한 위치 인식 기술에 대한 수요가 빠르게 증가하고 있다. 특히, 병원, 공항, 상업 시설과 같은 다중 이용 시설에서는 사용자의 위치 정보를 실시간으로 파악함으로써 맞춤형 서비스를 제공하고, 자원 활용 효율을 극대화할 수 있는 기술적 기반이 요구된다. 기존의 블루투스 비콘, RFID, PDA 기반의 실내 위치 추적 기술은 비교적 간단한 구조와 낮은 비용이라는 장점이 있으나, 정확도의 한계로 인해 복잡한 공간이나 사용자 환경에서는 활용에 제약이 따른다.
본 연구에서는 이러한 기존 기술의 한계를 극복하고, 다양한 실내 환경에 적합한 광학 기반 위치 인식 시스템을 제안하였다. 제안된 시스템은 근적외선(NIR, 940nm) 영역을 활용하며, 회절광학소자(DOE: Diffractive Optical Element)를 중심으로 구성된 소형 광학 구조를 갖는다. DOE 렌즈는 초점면(focal plane)을 기준으로 입사각에 따라 초점 위치가 선형적으로 이동하도록 설계되었으며, 이를 통해 수신부에서는 입사광의 방향을 감지하여 사용자 위치를 추정할 수 있다.
시스템의 핵심 요소로는 2.5mm의 짧은 초점거리를 갖는 DOE와, 입사각에 따라 이동하는 초점 위치를 감지하는 CMOS 센서가 있다. 실험 구성에서는 940nm LED 광원을 사용하고, 조리개로 광을 필터링 한 후 DOE를 통과시켜 다양한 입사각 조건(0°~70°)에서 초점 분포를 측정하였다. 측정된 초점 위치는 가우시안 피팅을 통해 중심 좌표를 추출하였고, 시뮬레이션과 비교 분석을 통해 시스템의 정확도를 정량적으로 평가하였다.
실험 결과, 제안된 시스템은 ±70° 범위에서 안정적으로 입사각을 감지할 수 있었으며, 측정 결과와 이론 모델 간의 높은 정합성을 확인하였다.
결론적으로, 본 연구는 실내 위치 인식의 정밀도와 범용성을 크게 향상시킬 수 있는 소형 광학 시스템을 제안하고, 이를 실험적으로 검증하였다. 향후 스마트 가전, 홈 IoT, 의료기기, 이동형 전자기기 등 다양한 응용 분야에 적용 가능성이 높으며, 본 기술은 차세대 사용자 인식형 스마트 시스템의 핵심 구성 요소로 활용될 수 있을 것으로 기대된다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

As interest in personalized services and efficient resource management in indoor environments continues to grow, the demand for accurate indoor positioning technologies has increased across various domains, including public spaces, commercial facilities, hospitals, and airports. This trend has been accelerated by the emergence of smart environments and user-centric system designs.
In response to this demand, a variety of indoor positioning technologies—such as Bluetooth beacons, PDA-based systems, and RFID (Radio-Frequency Identification)—have been developed and implemented to track user locations. For example, museums and libraries use beacon-based guidance systems, supermarkets employ PDA-based cart tracking, and hospitals monitor patient locations in real-time using RFID tags.
However, existing commercial technologies often suffer from limitations in terms of positioning accuracy and angular coverage. There is a growing need for next-generation indoor positioning systems that can operate reliably across a wider range of use cases and spatial conditions. In this context, the present study proposes a high-precision optical indoor positioning system that addresses these limitations and offers enhanced accuracy and versatility.
The proposed system utilizes near-infrared (NIR, 940 nm) illumination in combination with a diffractive optical element (DOE) lens to enable compact, angle-resolved detection. The DOE-based optical design allows for stable and precise incident angle estimation even under wide angular conditions.
The performance of the system was quantitatively evaluated through a comparison of simulation and experimental results. The findings suggest that the proposed optical approach can be implemented as a modular solution in various consumer electronic devices. Ultimately, this research lays the groundwork for applying DOE-based optical positioning technologies to smart home appliances, IoT systems, medical devices, and mobile terminals.

목차 (Table of Contents)

• 제1장 서론 1
• 1. 연구 목적 및 배경 1
• 2. 논문 구성 4
• 제2장 관련 연구 5
• 1. 위치 인식 기술 5
• 2. 위치 인식 방법 17
• 3. 광을 이용한 AoA 위치 인식에 대한 기존 연구 22
• 제3장 제안 방법 24
• 1. 설계 조건 및 해석 26
• 2. 시뮬레이션 결과 30
• 제4장 실험 및 결과 32
• 제5장 결론 39