KR100385166B1

KR100385166B1 - Optics system applying laser diode

Info

Publication number: KR100385166B1
Application number: KR10-2000-0059186A
Authority: KR
Inventors: 김성균
Original assignee: 삼성테크윈 주식회사
Priority date: 2000-10-09
Filing date: 2000-10-09
Publication date: 2003-05-22
Also published as: KR20020028264A

Abstract

레이저 다이오드를 채용한 광학계를 개시한다. 본 발명은 하나의 하우징부내에 레이저 빔을 발산하는 레이저 다이오드와, 그 전방에 설치되어 빔을 콜리메이팅시키는 콜리메이팅 렌즈와, 콜리메이팅 된 레이저 빔을 포커싱하는 포커싱 렌즈와, 포커싱 렌즈의 전방에 위치하여 타원형의 레이저 빔을 원형으로 변형시키는 빔정형 렌즈와, 빔정형 렌즈로부터 레이저 빔이 입사되는 광화이버가 설치된다.An optical system employing a laser diode is disclosed. The present invention provides a laser diode for emitting a laser beam in one housing portion, a collimating lens installed in front of the collimating beam, a focusing lens for focusing the collimated laser beam, and a position in front of the focusing lens. Thus, a beam shaping lens for transforming the elliptical laser beam into a circle, and an optical fiber to which the laser beam is incident from the beam shaping lens are provided.

Description

Optical system employing laser diodes {Optics system applying laser diode}

본 발명은 광학계에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 하우징부내의 레이저 다이오드의 전방에 다수개의 렌즈를 부착시켜 광효율을 향상시킨 레이저 다이오드를 채용한 광학계에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to an optical system, and more particularly, to an optical system employing a laser diode in which a plurality of lenses are attached in front of a laser diode in a housing to improve light efficiency.

통상적으로 레이저 다이오드는 그 특성상 타원형의 레이저 빔을 방출하게 되는데 종축이 횡축에 비하여 상대적으로 크기 때문에 광손실을 줄이기 위하여 다수개의 렌즈을 이용하여 빔을 콜리메이팅(collimating) 및 포커싱(focusing)시켜 광화이버에 전달하게 된다.In general, the laser diode emits an elliptical laser beam because its vertical axis is relatively large compared to the horizontal axis, and thus, collimating and focusing the beam using a plurality of lenses to reduce the optical loss. Will be delivered.

도 1은 종래의 레이저 다이오드를 채용한 광학계를 도시한 것이다.1 shows an optical system employing a conventional laser diode.

도면을 참조하면, 종래의 광학계는 레이저 빔(100)을 발산하는 광원인 레이저 다이오드(11)와, 그 전방에 설치되어 레이저 빔(100)을 콜리메이팅시키는 콜리메이팅 렌즈(collimating lens,12)와, 콜리메이팅된 레이저 빔(100)을 정형화시키는 복수개의 빔정형 렌즈(beam shaping lenses,13)(14)들과, 정형화된 레이저 빔(100)을 포커싱하는 포커싱 렌즈(focusing lens,15)와, 포커싱 된 레이저 빔(100)이 입사되는 광화이버(optical fiber,16)를 포함한다.Referring to the drawings, a conventional optical system includes a laser diode 11, which is a light source for emitting a laser beam 100, a collimating lens 12 installed in front of the collimating lens 12 for collimating the laser beam 100, and A plurality of beam shaping lenses 13 and 14 for shaping the collimated laser beam 100, a focusing lens 15 for focusing the shaped laser beam 100, The optical fiber 16 to which the focused laser beam 100 is incident is included.

이러한 광학계는 레이저 다이오드(11)의 광특성상 반도체 칩에서 발광된 레이저 빔(100)의 종축 및 횡축의 발산각이 차이가 나서 원형이 아닌 타원형의 형상을 가진다. 이에 따라, 단 렌즈(single lens)를 사용하는 경우에는 실린더형 렌즈(cylindrical lens)나, 구형 렌즈(spherical lens)를 많이 사용하는데, 이때의 광효율은 통상적으로 60 내지 65 퍼센트정도이다.The optical system has an elliptical shape instead of a circular shape because the divergence angles of the vertical axis and the horizontal axis of the laser beam 100 emitted from the semiconductor chip are different due to the optical characteristics of the laser diode 11. Accordingly, when using a single lens (cylindrical lens) or a spherical lens (spherical lens) is often used, the light efficiency is typically about 60 to 65 percent.

따라서, 광효율을 향상시키기 위하여 도 1에 도시된 바와 같이 2매 이상의 단 렌즈를 조합시킨 복합 렌즈를 사용하게 된다. 이때에는 복수개의 렌즈를 사용하게 되어서 광효율은 단 렌즈를 사용할때보다 상대적으로 높은 반면에 렌즈를 사용하는 수만큼 길이가 길어져서 광학계의 전체적인 크기가 커지게 되고, 무게가 증가되고, 가격 또한 상승되는 요인으로 작용하게 된다.Therefore, in order to improve the light efficiency, as shown in FIG. 1, a compound lens in which two or more single lenses are combined is used. In this case, the use of a plurality of lenses, the light efficiency is relatively higher than when using a single lens, while the length of the length of the lens is used to increase the overall size of the optical system, the weight is increased, the price is also increased Act as a factor.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 창안된 것으로서, 하우징부내에 광원과, 다수장의 렌즈를 설치하여 레이저 빔을 원형으로 변형시켜 광손실을 최소화한 레이저 다이오드를 채용한 광학계를 제공하는데 그 목적이 있다.The present invention has been made to solve the above problems, to provide an optical system that employs a light source and a plurality of lenses in the housing to adopt a laser diode that transforms the laser beam into a circular shape to minimize light loss. There is this.

도 1은 종래의 레이저 다이오드를 채용한 광학계를 개략적으로 도시한 구성도,1 is a configuration diagram schematically showing an optical system employing a conventional laser diode,

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 레이더 다이오드를 채용한 광학계를 개략적으로 도시한 구성도.Figure 2 is a schematic diagram showing an optical system employing a radar diode according to an embodiment of the present invention.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 간단한 설명><Brief description of symbols for main parts of the drawings>

11,21...레이저 다이오드 12,22...콜리메이팅 렌즈11,21 ... laser diodes 12,22 ... collimating lenses

13,14,24...빔정형 렌즈 15,23...포커싱 렌즈13,14 ... 24 Beam Orthogonal Lens 15,23 Focusing Lens

16,25...광화이버 21a...음극16,25 ... optical fiber 21a ... cathode

21b...양극 21c...반도체 칩21b ... anode 21c ... semiconductor chip

26...화이버 고정구 27...에폭시26.Fiber fixture 27 ... Epoxy

28...하우징부28. Housing

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 일 측면에 따른 레이저 다이오드를 채용한 광학계는,In order to achieve the above object, the optical system employing a laser diode according to an aspect of the present invention,

레이저 빔을 발산하는 레이저 다이오드;A laser diode emitting a laser beam;

상기 레이저 다이오드의 전방에 위치하여 상기 레이저 빔을 콜리메이팅시키는 콜리메이팅 렌즈;A collimating lens positioned in front of the laser diode to collimate the laser beam;

상기 콜리메이팅 렌즈의 전면에 위치하여 콜리메이팅된 레이저 빔을 포커싱시키는 포커싱 렌즈;A focusing lens positioned in front of the collimating lens to focus the collimated laser beam;

상기 포커싱 렌즈의 전방에 위치하여 타원형의 레이저 빔을 원형으로 변형시키는 빔정형 렌즈;A beam shaping lens positioned in front of the focusing lens to transform the elliptical laser beam into a circle;

상기 빔정형 렌즈로부터 레이저 빔이 입사되는 광화이버; 및An optical fiber to which a laser beam is incident from the beam shaping lens; And

상기 레이저 다이오드, 콜리메이팅 렌즈, 포커싱 렌즈, 빔정형 렌즈와 광화이버가 그 내부에 연속적으로 설치되는 하나의 하우징부;를 포함하는 것을 특징으로 한다.And a housing unit in which the laser diode, collimating lens, focusing lens, beam shaping lens, and optical fiber are continuously installed therein.

또한, 상기 빔정형 렌즈는 상기 광화이버의 광입사면에 위치되는 것을 특징으로 한다.In addition, the beam shaping lens is characterized in that located on the light incident surface of the optical fiber.

게다가, 상기 콜리메이팅 렌즈는 구형 렌즈이고, 상기 포커싱 렌즈는 평볼록 렌즈이고, 상기 빔정형 렌즈는 실린더형 렌즈인 것을 특징으로 한다.Furthermore, the collimating lens is a spherical lens, the focusing lens is a flat convex lens, and the beam shaping lens is a cylindrical lens.

이하에서 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명의 레이저 다이오드를 채용한 광학계를 상세하게 설명하고자 한다.Hereinafter, an optical system employing the laser diode of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

도 2는 본 발명의 일 예에 따른 레이저 다이오드를 채용한 광학계를 도시한 것이다.2 shows an optical system employing a laser diode according to an embodiment of the present invention.

도면을 참조하면, 광학계에는 레이저 빔(200)을 발산하는 광원으로서 레이저 다이오드(21)가 설치된다. 상기 레이저 다이오드(21)는 주지하는 바대로 스템부의 일측벽에 반도체 칩(21c)이 부착되어 있다. 그리고, 스템부의 하부로 복수개의 전극인 음극(21a)과, 양극(21b)이 인출되어 있다.Referring to the drawings, the laser diode 21 is provided in the optical system as a light source for emitting the laser beam 200. As is well known, the laser diode 21 has a semiconductor chip 21c attached to one side wall of the stem portion. And the cathode 21a which is a some electrode, and the anode 21b are taken out under the stem part.

상기 레이저 다이오드(21)는 출력이 1.5 와트이고, 파장은 980 나노미터이며, 빔 다이버전스(beam divergence)는 수직으로는 48도이고, 수평으로는 12도정도를 유지하고 있다.The laser diode 21 has an output of 1.5 watts, a wavelength of 980 nanometers, a beam divergence of 48 degrees vertically, and 12 degrees horizontally.

상기 레이저 다이오드(21)의 전방에는 경통이 설치되고, 그 내부에 마련된 공간에는 구형 렌즈인 콜리메이팅 렌즈(22)가 설치된다. 상기 콜리메이팅 렌즈(22)는 상기 레이저 다이오드(21)로부터 발광된 레이저 빔(200)을 콜리메이팅시키는 역할을 한다. 상기 렌즈(22)는 직경이 2 밀리미터이고, 굴절율은 1.85 정도이다. 또한, 상기 콜리메이팅 렌즈(22)는 큰 개구수(numerical aperture)를 가지는 것이 바람직하며, 초점거리(focal length)는 1.1 밀리미터로 비교적 짧다.A barrel is installed in front of the laser diode 21, and a collimating lens 22, which is a spherical lens, is installed in a space provided therein. The collimating lens 22 collimates the laser beam 200 emitted from the laser diode 21. The lens 22 has a diameter of 2 millimeters and a refractive index of about 1.85. In addition, the collimating lens 22 preferably has a large numerical aperture, and the focal length is relatively short at 1.1 millimeters.

상기 콜리메이팅 렌즈(22)의 전면에는 평볼록 렌즈(plano-convex lens)인 포커싱 렌즈(23)가 설치된다. 상기 포커싱 렌즈(23)는 상기 콜리메이팅 렌즈(22)로부터 콜리메이팅된 레이저빔(200)을 포커싱시키며, 광학계의 전체 길이를 단축시키는 역할을 한다. 상기 포커싱 렌즈(23)는 직경이 3 밀리미터이고, 굴절율은 1.49 정도가 바람직하다.The front surface of the collimating lens 22 is provided with a focusing lens 23, which is a plano-convex lens. The focusing lens 23 focuses the collimated laser beam 200 from the collimating lens 22 and shortens the overall length of the optical system. The focusing lens 23 has a diameter of 3 millimeters and preferably has a refractive index of about 1.49.

상기 포커싱 렌즈(23)의 전방부측에는 실린더형 렌즈인 빔정형 렌즈(24)가 설치된다. 상기 빔정형 렌즈(24)는 상기 포커싱 렌즈(23)로부터 포커싱된 레이저 빔(200)이 상기 레이저 다이오드(21)의 특성상 종축이 횡축보다 상대적으로 크게 형성된 타원형인데 이를 원형으로 변형시키는 역할을 한다. 이에 따라, 광손실을 줄일 수 있다. 상기 빔정형 렌즈(24)는 직경이 200 마이크로미터이고, 굴절율은 1.457이다. 또한, 개구수는 0.22 정도이다.On the front side of the focusing lens 23, a beam shaping lens 24, which is a cylindrical lens, is provided. The beam shaping lens 24 is an ellipse in which a laser beam 200 focused from the focusing lens 23 is formed with a longitudinal axis relatively larger than a horizontal axis due to the characteristics of the laser diode 21. Accordingly, light loss can be reduced. The beam shaping lens 24 has a diameter of 200 micrometers and a refractive index of 1.457. In addition, the numerical aperture is about 0.22.

상기 빔정형 렌즈(24)의 전면에는 광화이버(25)가 설치된다. 상기 광화이버(24)는 상기 빔정형 렌즈(24)로부터 방출된 레이저 빔(200)이 한 점으로 포커싱된다. 상기 광화이버(24)는 코어의 직경이 100 마이크로미터정도이고, 코어의 외주면에 알루미늄이 코팅되어 있다. 그리고, 상기 광화이버(24)의 굴절율은 1.49이고, 개구수는 0.37 정도이다.An optical fiber 25 is installed in front of the beam shaping lens 24. The optical fiber 24 is focused to a point where the laser beam 200 emitted from the beam shaping lens 24. The optical fiber 24 is about 100 micrometers in diameter of the core, the aluminum is coated on the outer peripheral surface of the core. The optical fiber 24 has a refractive index of 1.49 and a numerical aperture of about 0.37.

상기 광화이버(24)는 화이버 고정구(26)에 의하여 감싸져 있다.The optical fiber 24 is wrapped by a fiber fixture 26.

여기서, 상술한 레이저 다이오드(21)와, 콜리메이팅 렌즈(22)와, 포커싱 렌즈(23)와, 빔정형 렌즈(24)와, 광화이버(25)는 하우징부(28)내에 연속적으로 설치되어 있다. 도면부호 27은 상기 화이버 고정구(26)를 상기 하우징부(28) 내에 고정시키기 위한 에폭시이다.Here, the above-described laser diode 21, collimating lens 22, focusing lens 23, beam shaping lens 24, and optical fiber 25 are continuously installed in the housing portion 28. have. Reference numeral 27 is an epoxy for fixing the fiber fixture 26 in the housing portion 28.

이렇게 하나의 하우징부(28) 내에 설치된 광학계는 레이저 다이오드(21)로부터 방출된 레이저 빔(200)이 콜리메이팅 렌즈(22)와, 포커싱 렌즈(23)를 통하여 콜리메이팅 및 포커싱되고, 빔정형 렌즈(24)로부터 원형으로 변형되어 상기 광화이버(25)의 코어에 전달하게 된다.In this way, the optical system installed in one housing portion 28 has the laser beam 200 emitted from the laser diode 21 collimated and focused through the collimating lens 22 and the focusing lens 23, and the beam shaping lens It is deformed into a circle from 24 to be delivered to the core of the optical fiber 25.

이러한 광학계를 이용하여 시험한 결과 광효율(coupling efficiency)은 대략 70 내지 75 퍼센트로 측정되어, 종래의 기술에 따른 광학계보다 10 퍼센트정도 향상되었다. 또한 각 렌즈들의 표면에서의 광손실이 한 면당 3 퍼센트라 가정했을 경우 렌즈 표면에 비반사코팅(anti-reflection coating)을 하면 최소한 10 퍼센트 광효율이 상승된다고 할 수 있을 것이다.Testing with these optical systems has shown that the coupling efficiency has been measured at approximately 70-75 percent, which is 10 percent better than conventional optical systems. In addition, assuming that the light loss at the surface of each lens is 3 percent per side, anti-reflection coating on the lens surface will increase the light efficiency by at least 10 percent.

이상의 설명에서와 같이 본 발명의 레이저 다이오드를 채용한 광학계는 다음과 같은 효과를 얻을 수 있다.As described above, the optical system employing the laser diode of the present invention can obtain the following effects.

첫째, 하나의 하우징부에 연속적으로 레이저 다이오드와 다수장의 렌즈를 설치함으로써 광학계의 전체적인 크기가 대폭 줄어들 수 있고, 무게도 감소시킬 수 있다.First, by providing a laser diode and a plurality of lenses continuously in one housing portion, the overall size of the optical system can be significantly reduced, and the weight can be reduced.

둘째, 타원형의 레이저빔을 원형으로 변형시키는 빔정형 렌즈를 광화이버의 입사면에 위치시켜서 광효율과 조립성이 향상된다.Second, by placing a beam shaping lens that transforms the elliptical laser beam into a circular shape on the incident surface of the optical fiber, the light efficiency and assembly performance are improved.

본 발명은 도면에 도시된 일 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 첨부된 등록청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.Although the present invention has been described with reference to one embodiment shown in the drawings, this is merely exemplary, and it will be understood by those skilled in the art that various modifications and equivalent other embodiments are possible. Therefore, the true technical protection scope of the present invention will be defined by the technical spirit of the appended claims.

Claims

A laser diode emitting a laser beam;

A collimating lens positioned in front of the laser diode and collimating the laser beam;

A focusing lens positioned in front of the collimating lens and focusing the collimated laser beam;

A beam shaping lens positioned in front of the focusing lens and configured to transform an elliptical laser beam into a circular shape;

An optical fiber in which the beam shaping lens is positioned at a light incident surface, and a laser beam is incident from the beam shaping lens; And

And a housing part in which the laser diode, collimating lens, focusing lens, beam shaping lens, and optical fiber are continuously installed therein.

delete

The method of claim 1,

And said collimating lens is a spherical lens, said focusing lens is a flat convex lens, and said beam shaping lens is a cylindrical lens.