KR100656253B1 - 그래디드 인덱스 파이버 옵틱 테이퍼 렌즈 및 그 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 광학적 영상을 전달하는 렌즈에 관한 것으로, 기존의 구면 비구면 렌즈들은 이들을 통상 렌즈 및 렌즈 어레이(array)를 구성하여 영상을 전달하는데, 사이드-뷰(side-view)의 문제점이 있었고, 파이버 번들 테이퍼(Fiber Bundle Taper)의 경우에는 그 제조 공정이 매우 복잡하고 단가가 매우 높은 상태여서 통상의 화상정보 전달 장치에 사용될 경우 단가의 상승이 필연적인 문제점이 있었다. 이에 본 발명은 중심부로 갈수록 점차적으로 증가하는 굴절율을 가지도록 한 그래디드 인덱스 옵티칼 파이버(Graded Index Optical Fiber)모재를 인출 또는 압출등의 방법으로 일측의 직경이 넓고 타측으로 갈수록 점차 좁아지는 형태로 가공하여 밑면과 상면의 면적 비 및 그 밑면과 상면까지의 길이를 영상의 확대비율에 의해 결정하여 양단을 절단한 후 양단면을 연마 가공하여 그래디드 인덱스 파이버 옵틱 테이퍼 렌즈를 제작함을 특징으로 한다.

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Description

그래디드 인덱스 파이버 옵틱 테이퍼 렌즈 및 그 제조방법{Graded Index Fiber Optic Taper Lens and its fabrication method}

도 1은 종래 기술에 의한 비구면 렌즈 어레이의 예를 보인 도면

도 2는 종래 기술에 의한 파이버 옵틱 번들 테이퍼의 예시도

도 3은 본 발명에 의한 글래디드 인덱스 플라스틱 옵티칼 파이버 테이퍼 렌즈의 제조공정을 설명하기 위한 설명도

도 4는 본 발명에 의한 그래디드 인덱스 테이퍼 렌즈의 영상 확대 기능 설명도

도 5는 본 발명의 그래디드 인덱스 테이퍼 렌즈의 기능 예시도

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

10 : 모재 20 : 금형(몰드)

30 : 렌즈

본 발명은 영상 축소/확대를 위한 렌즈기술에 관한 것으로서, 특히 광섬유 코아를 테이퍼 가공하여 직접 렌즈로 구현함으로서 영상의 정확한 전달 및 확대 할 수 있도록 한 그래디드 인덱스 파이버 옵틱 테이퍼 렌즈 및 그 제조방법을 제공하기 위한 것이다.

일반적으로 영상 전달 및 구현장치에 있어서, 입력 영상을 확대하는 방법으로는 광학적 렌즈 및 렌즈 어레이를 사용하고 있다.

도 1은 종래 기술에 의한 비구면 렌즈 어레이의 예를 보인 도면으로서, 복수화상 셀을 비구면 렌즈 어레이에 의해 확대하게 된다. 그런데, 기존 구면 및 비구면 렌즈는 상의 확대를 함에 있어서 그 초점이 맺히는 시야각이 넓어서, 조밀하게 영상이 합성된 복수 화상에 적용할 경우 원하는 상 외에 주변의 상이 동시에 보여 영상의 분리 및 재생 콘트라스트(contrast)가 저하되는 약점을 가지고 있다. 즉, 확대되는 이웃한 화상의 셀 이미지가 시야각에 따라 겹쳐 보이는 사이드-뷰(side-view) 현상이 현저하게 나타나는 문제점이 있었다.

이와 같은 사이드-뷰(side-view) 현상을 억제하기 위해서는 시야각을 좁혀 주는 파이버 번들 테이퍼(fiber bundle taper)를 사용할 수 있다.

도 2는 종래 기술에 의한 파이버 옵틱 번들 테이퍼의 예시도이다. 상기 도2에 도시된 바와 같은 파이버 옵틱 번들 테이퍼 어레이를 사용하는 경우 테이퍼의 뉴메리컬 어퍼츄어(numerical aperture)내에 들어온 화상셀 만이 전달되기 때문에 사이드-뷰와 같은 현상을 원천적으로 억제할 수 있다.

그러나 기존의 파이버 번들 테이퍼(fiber bundle taper)의 경우 그 안에 포함된 광섬유가 수만개 수준이 요구되고 있으며, 테이퍼(taper) 공정도 고도의 기술 및 특수 장비가 필요하다. 즉, 파이버 번들 테이퍼의 경우 그 제조 공정이 매우 복 잡하고 단가가 매우 높은 상태여서 통상의 화상정보 전달 장치에 사용될 경우 단가의 상승이 필연적인 문제점이 있었다.

본 발명의 목적은, 이미지 전달용 렌즈에 있어서, 굴절율 중심으로부터 외부로 감소하는 그래디드 인덱스(graded index) 형태의 광섬유 모재로부터 테이퍼를 형성하여 화상간의 간섭현상을 억제할수 있는 상확대렌즈를 형성하되, 굴절율 변화를 위해 모재의 내부에 특정 물질을 포함시켜 단일렌즈를 제작하고 단일 렌즈를 기반으로 렌즈 어레이를 제작하기 위한 것이다.

즉, 본 발명은 기존의 파이버 번들 테이퍼를 대신하여 그래디드 인덱스(graded index) 굴절율을 코어에 포함한 모재를 사용하여 인출 및 압출의 방법으로 그래디드 인덱스 파이버 옵틱 테이퍼 렌즈 및 그 제조방법을 제공하기 위한 것이다.

본 발명에 의한 그래디드 인덱스 파이버 옵틱 테이퍼 렌즈는, 열가소성 플라스틱 (PMMA류) 을 재료로 하여 불소등 첨가물의 치환을 통해 소정의 굴절율을 가지도록 한 GI POF 모재, 혹은 GeCl4, SiCl4, POCl4 등의 가스를 tube 에 증착시키는 방법을 이용하는 MCVD의 공법으로 소정의 굴절률을 가지도록 한 그래디드 인덱스(GI) 유리광섬유 모재를 인출 또는 압출등의 방법으로 일측의 직경이 넓고 타측 으로 갈수록 점차 좁아지는 형태로 가공하여 밑면과 상면의 면적 비 및 그 밑면과 상면까지의 길이를 영상의 확대비율에 의해 결정하여 양단을 절단한 후 양단면을 연마 가공하여 제작된 것을 특징으로 한다.

상기와 같은 본 발명의 그래디드 인덱스 파이버 옵틱 테이퍼 렌즈 및 그 제조방법은,

열가소성 플라스틱(PMMA류)을 재료로 하여 불소등 첨가물의 치환을 통해 소정의 굴절율을 가지도록 한 GI POF 모재, 혹은 GeCl4, SiCl4, POCl4 등의 가스를 튜브(tube)에 증착시키는 방법을 이용하는 MCVD의 공법으로 소정의 굴절률을 가지도록 한 그래디드 인덱스(GI) 유리 광섬유 모재를 제작하는 과정과;

상기 그래디드 인덱스 옵티칼 파이버 모재를 소정온도로 가열하는 과정과;

상기 가열된 모재를 일측의 직경이 넓고 타측으로 갈수록 점차 좁아지는 형태로 인출 가공하는 과정과;

그 인출 가공된 모재를 밑면과 상면의 면적 비 및 그 밑면과 상면까지의 길이를 영상의 확대비율에 의해 결정하여 양단을 절단하여 테이퍼를 형성하는 과정과;

상기 테이퍼를 형성한 양 절단면을 연마 가공하여 영상의 입사 및 출사가 가능하도록 렌즈의 제작을 완료하는 과정을 수행함에 특징이 있다.

또한 본 발명은, 상기 모재의 가공에 있어서, 열을 가한 모재를 미리 정해둔 소정 형태의 렌즈 금형을 이용해 고온 압출하고, 양단면을 연마 가공하여 제작하는 것을 특징으로 한다.

이하, 본 발명의 실시 예를 첨부된 도면을 참조해서 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 3은 본 발명에 의한 그래디드 인덱스 파이버 옵틱 테이퍼 렌즈의 제조공정을 설명하기 위한 설명도이다.

본 발명은 그래디드 인덱스(graded index) 모재 제조와, 테이퍼 가공으로 크게 두 과정으로 나뉠 수 있다. 열가소성 플라스틱 (PMMA류) 을 재료로 하여 불소등 첨가물의 치환을 통해 굴절율을 변화시키는 방법은 현재 플라스틱 광섬유 (Plastic Optical Fiber, POF) 에 여러 공정이 개발되어 있는 상태이며, 또한 GeCl4, SiCl4, POCl4 등의 가스를 tube 에 증착시키는 방법을 이용하는 MCVD의 공법으로 굴절율을 변화시키는 유리 광섬유 공정 또한 이미 개발되어 있는 상태로서, 본 발명은 이런 기술을 활용하여 클래딩(cladding) 없이 코어(core)만 존재하는 모재를 제작한다. 수백 m 이상의 장거리 신호전달을 위한 광섬유와 달리 본 기술은 수 cm 이하의 단거리 영상 전달용 렌즈이므로 기존 광섬유와는 확연히 구별되는 굴절율 분포를 갖도록 제조 되어야 한다.

그리고, 테이퍼(Taper) 성형율 및 영상 품질을 결정하는 또 다른 요소는 테이퍼(Taper) 형성 공정이다. 이는 인출(Drawing) 및 금형 압출 등 2가지 공정이 가능하다.

인출(Drawing)의 경우 고온에서 모재를 가열하여 필요한 테이퍼(taper)를 인출하여 형성하는 기법으로 기존의 광섬유 인출 공정을 응용할 수 있다.

금형 압출의 경우 필요한 테이퍼(taper) 형상을 금형으로 만든후 모재의 시편을 금형에 놓고 고온 압출하여 성형하는 공정을 응용할 수 있다.

그래디드 인덱스(Graded Index ;GI)란 모재의 굴절율이 중심에서부터 외부로 나갈수록 점차적으로 작아지는 형태를 말한다. 이러한 GI형 광섬유는 코어 부분이 굴절률 분포를 가져야 하므로, 스텝 인덱스(Step Index ;SI) 형 광섬유처럼 연속공정을 통하여 제조하기가 힘들다. GI 형 광섬유는 주로 굴절률 분포를 가지고 있는 모재에 열을 이용한 연신공정을 통하여 광섬유의 형태로 가공한다.

GI 형의 광섬유 제조 기술은 다층막 광섬유 형성법, 확산법, 화학증착법, 계면 겔 중합법, 비중과 굴절률의 차이를 이용하는 방법들이 개발되었고 논문과 특허의 형태로 발표되었다.

가장 널리 사용되는 GI 형 플라스틱 광섬유(POF)의 제조 방법은 일본의 Koike 팀이 개발한 계면 겔 중합 (interfacial gel polymerization)이다. 계면 겔 중합법은 반응성이 없는 굴절률 조절제의 농도를 플라스틱 광섬유 모재의 중심으로 갈수록 높아지도록 조절하여 굴절률 분포를 가지는 방법이다. 이 방법은 고분자 겔 내에서 단량체의 중합속도가 빠른 현상을 이용하며, 사용되는 굴절률 조절제의 분자 크기가 단량체 분자 크기보다 커서 고분자 겔 상 속으로 침투하는 속도를 느리게 하여 코어 중심방향으로 굴절률 조절제의 농도가 높아지도록 한 방법이다. 계면 겔 중합은 단순한 공정으로 쉽게 GI 형 플라스틱 광섬유를 제작 할 수 있는 장점이 있다.

GI형 유리 광섬유의 제조방법은 여러 가지가 있으며 그중 MCVD (Modified Chemical Vapor Deposition) 공법이 일반적이다. 화학 증착법(MCVD)은 석영관 내부에 화학물질을 공급해 주면서 석영관 외부를 가열하여 클래딩 층과 코어 층을 증착한 후 밀봉하여 모재를 만드는 방법이다

본 발명은 상기와 같은 그래디드 인덱스 모재에 굴절율을 변화시켜 모재를 제작한다. 이후 인출 및 압출을 하는 것은 모재에 열이나 압력에 의한 형태의 변화를 꾀하는 것이므로 내부 인덱스의 변화에 미치는 영향은 거의 없다고 할 수 있다. 그러므로 GI 형 광섬유 모재를 인출 및 압출하여 만들어진 결과물은 초기 모재의 내부 인덱스와 같다고 할 수 있다.

도 3에 도시된 바와 같이, 그래디드 인덱스 광섬유 모재(10)를 소정의 금형(몰드)(20)에 압출시켜 그래디드 인덱스 테이퍼 렌즈(30)를 제작한다.

이와 같이 제작된 본 발명의 그래디드 인덱스 테이퍼 렌즈는, 도 4에 도시된 바와 같이 영상의 확대 기능을 가지게 된다.

도 4는 본 발명에 의한 그래디드 인덱스 테이퍼 렌즈의 영상 확대 기능 설명도이다.

본 발명의 기본 원리는 그래디드 인덱스 모재(graded index profile)와 테이퍼링(tapering)을 결합한 것으로 도 4의 (a)는 외형을 보인 개략도이고, 도 4의 (b)는 굴절율 분포 설명도이다.

도 4의 (a)는 그래디드 인덱스 테이퍼 렌즈의 외형 요소로서, 이미지 출력면 반경 a, 입력면 반경 b, 테이퍼 길이 c의 형태를 가지게 된다. 도 4의 (b)의 상부 불록 표현부분과 하부 오목 표현부분이 굴절율을 나타내는 것으로서, 테이퍼 형상 및 모재의 내부 굴절율에 의해 굴절율이 정해지는데, 주요 특징은 중심부분으로 갈수록 굴절율이 커지고 가장자리일수록 굴절율이 적어진다.

따라서, 본 발명은 광섬유 모재 내부의 굴절율을 화학처리 혹은 증착의 방법을 통해 중심부로부터 외각으로 점진적으로 감소시키는 그래디드 인덱스 구조를 갖도록 제작하여 기존의 수만개 이상의 광섬유 번들(bundle)을 단일 광섬유로 대체한다. 그래디드 인덱스(Graded index)의 변화와 테이퍼 구조에 의해 화상의 배율이 결정되어 도 4의 (a)와 같이 상을 확대 또는 축소할 수 있다.

배율 및 색수차 등 상의 출력 품질은 도 4의 (b)에 나타낸 바와 같이 굴절율 분포, 테이퍼의 구조, 외형적 크기등에 의해 결정되므로 보다 다양한 렌즈의 설계가 가능하다.

도 5는 본 발명의 그래디드 인덱스 테이퍼 렌즈의 기능 예시도이다. 이에 도시된 바와 같이 싱글렌즈를 사용한 경우와 마찬가지로 그래디드 인덱스 테이퍼 렌즈를 사용한 경우에 입력 이미지를 확대하여 전달 할 수 있고, 반대로 축소하여 전달 할 수 도 있게 된다.

따라서 본 발명은 상기와 같은 그래디드 인덱스 테이퍼 렌즈를 영상 전달용 렌즈로 이용할 수 있고, 특히 렌즈 어레이로 제작하여 영상 구현장치에 사용할 수 있다.

본 발명에 의한 그래디드 인덱스 테이퍼 렌즈의 경우 통상적인 볼록렌즈 형 의 확대경과 같은 효과를 굴절율의 변화를 통해 평면에서 얻을 수 있으며, 또한 테이퍼 양면의 비에 따라 확대율이 결정된다. 본 발명은 통상적 그래디드 인덱스 렌즈를 테이퍼 형태로 인출 또는 압출하여 상기 두 가지 특징을 모두 이용할 수 있게 한 것으로 대량 생산 및 생산 단가를 출 수 있는 효과가 있고, 사이드-뷰의 문제점도 확실히 해결하는 장점이 있다.

Claims (4)

1. 영상을 확대 또는 축소하여 전달하는 렌즈에 있어서,

   플라스틱(PMMA류)을 재료로 하여 불소등 첨가물의 치환을 통해 소정의 굴절률을 가지도록 한 GI POF 모재, 혹은 GeCl4, SiCl4, POCl4 등의 가스를 튜브(tube)에 증착시키는 방법을 이용하는 MCVD의 공법으로 소정의 굴절률을 가지도록 한 그래디드 인덱스(GI) 유리 광섬유 모재를 인출 또는 압출 등의 방법으로 일측의 단면적이 넓고 타측으로 갈수록 점차 좁아지는 테이퍼 형태로 가공된 것으로서,

   상기 GI POF 모재 또는 GI 유리광섬유 모재는 영상의 확대비율에 따라 GI POF 모재 또는 GI 유리광섬유 모재의 상단면의 단면적과 하단면의 단면적의 비 및 상단면과 하단면 사이의 거리가 결정되어 GI POF 모재 또는 GI 유리광섬유 모재의 상단면과 하단면이 절단된 후 상기 절단된 GI POF 모재 또는 GI 유리광섬유 모재의 상단면과 하단면이 연마 가공되어 제작된 것을 특징으로 하는 그래디드 인덱스 파이버 옵틱 테이퍼 렌즈.
2. 그래디드 인덱스 파이버 옵틱 테이퍼 렌즈의 제조방법으로서,

   열가소성 플라스틱(PMMA류)을 재료로 하여 불소등 첨가물의 치환을 통해 소정의 굴절률을 가지도록 그래디드 인덱스(GI) 플라스틱 옵티칼 파이버(POF) 모재를 제작하는 과정과;

   상기 그래디드 인덱스 POF 모재를 일측의 단면적이 넓고 타측으로 갈수록 점차 좁아지는 테이퍼 형태로 가공하여 모재의 굴절률과 양단면의 면적 비 및 그 길이에 의해 확대비율이 결정되도록 양단면을 테이퍼 형태로 가공하는 과정을 수행하여 렌즈를 제작하는 것을 특징으로 하는 그래디드 인덱스 파이버 테이퍼 렌즈의 제조방법.
3. 제 2 항에 있어서, 상기 테이퍼 가공 과정은,

   상기 그래디드 인덱스 POF 모재를 소정온도로 가열하는 과정과;

   상기 가열된 모재를 일측의 직경이 넓고 타측으로 갈수록 점차 좁아지는 형태로 인출 가공하는 과정과;

   그 인출 가공된 모재를 밑면과 상면의 면적 비 및 그 밑면과 상면까지의 길이를 영상의 확대비율에 의해 결정하여 양단을 절단하여 테이퍼를 형성하는 과정과;

   상기 테이퍼를 형성한 양 절단면을 연마 가공하여 영상의 입사 및 출사가 가능하도록 렌즈의 제작을 완료하는 과정을 수행하는 것을 특징으로 하는 그래디드 인덱스 플라스틱 파이버 옵틱 테이퍼 렌즈의 제조방법.
4. 제 2 항에 있어서, 상기 테이퍼 가공 과정은,

   상기 그래디드 인덱스 POF 모재를 미리 정해둔 소정 형태의 렌즈 금형을 이용해 고온 압출하고, 양단면을 연마 가공하여 제작하는 것을 특징으로 하는 그래디드 인덱스 플라스틱 파이버 옵틱 테이퍼 렌즈의 제조방법.

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