KR100691426B1 - 역원추형 프리즘을 이용한 3차원 레이저 면빔 발생장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 점형태로 직진하는 레이저빔을 360도 전방위에 걸쳐 조사되는 3차원 입체 평면빔을 만드는 장치에 관한 것이다. 본 발명의 레이저빔 발생장치는 레이저빔을 발생하는 레이저발생기, 및 레이저발생기로부터 출사되는 레이저빔을 입사하여 역원추면에 반사시켜 360도 전방위의 평면빔을 발생하기 위한 역원추형프리즘을 포함하는 것을 특징으로 한다. 본 발명에서 레이저발생기와 역원추형프리즘은 일체형으로 용이하게 결합되어 기계적으로 안정적이고, 빛이 진행하는 경로에 레이저나 조립기구에 의한 차단이 없어 360도 전방위에 걸쳐 연속적인 평면빔을 발생시키는 효과를 제공한다.

평면빔, 원추형빔, 역원추형프리즘, 광학부품, 레이저

Description

역원추형 프리즘을 이용한 3차원 레이저 면빔 발생장치 {Various 3-dimensional laser plane beam generator using an inverse conic prism}

도 1은 종래의 반원통프리즘의 평면빔 발생상태를 설명하기 위한 도면,

도 2a는 종래의 원통프리즘의 원형의 평면빔 발생상태를 설명하기 위한 도면,

도 2b는 종래의 원통프리즘의 원추형의 입체빔 발생상태를 설명하기 위한 도면,

도 3은 종래의 원추형프리즘의 원추형의 입체빔 발생상태를 설명하기 위한 도면,

도 4 및 도 5는 본 발명에 적용된 역원추형 프리즘을 설명하기 위한 도면,

도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 역원추형 프리즘의 원추각이 90도인 경우에 이를 이용한 레이저발생장치를 설명하기 위한 도면,

도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 역원추형 프리즘의 원추각이 90도 미만인 경우에 이를 이용한 레이저발생장치를 설명하기 위한 도면,

도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 역원추형 프리즘의 원추각이 90도 이상인 경우에 이를 이용한 레이저발생장치를 설명하기 위한 도면,

도 9는 본 발명의 다른 실시예에 따른 역원추형 프리즘을 이용한 레이저발생장치를 설명하기 위한 도면,

도 10은 본 발명에 따른 레이저와 역원추형 프리즘의 구성상태도.

본 발명은 레이저빔 발생장치에 관한 것으로, 입사되는 레이저광으로부터 3차원 입체 평면빔을 출사하도록 하는 역원추형 프리즘을 이용한 3차원 레이저 면빔 발생장치에 관한 것이다.

일반적으로 레이저는 다양한 분야에서 널리 응용되고 있다. 레이저는 기록매체에 데이터를 기록 또는 재생하거나 의료용으로 환자의 치료시, 건축용 수평조절장치로 사용하거나 보안시스템에서 보안영역의 설정 등으로 사용된다.

그리고, 레이저는 발생하는 빔이 매질에 따라 반사율과 굴절율이 다르므로 매질을 통과하면서 다양한 형태 즉 라인빔, 원형의 평면빔, 원추형의 입체빔 등의 출력빔을 발생한다. 그러므로 다양한 출력빔을 이용하는 기술들이 널리 사용되고 있다.

도 1은 종래의 반원통프리즘의 원형의 평면빔 발생상태를 설명하기 위한 도 면이다.

도 1을 참고하면, 도시된 바와 같이 점형태로 직진하는 레이저빔(1)을 반원통프리즘(2)에 입사시켜 일정각도로 퍼지는 레이저빔을 출력한다. 이러한 반원통프리즘(2)을 이용한 방식은 프리즘의 곡률반경과 재질에 따라 퍼지는 각도가 결정되지만, 일반적으로 넓은 각도로 퍼지게 하기가 어렵고, 각도에 따른 빛의 세기가 불균일하다는 문제가 있다.

이를 개선하기 위하여 원통프리즘을 사용하는 레이저빔 발생장치가 제안되었다. 이를 도 2a 및 도 2b를 참고하여 설명한다.

도 2a는 종래의 원통프리즘의 평면빔 발생상태를 설명하기 위한 도면이다.

도 2a를 참고하면, 프리즘(30)의 일측에는 직진하는 레이저빔(20)을 발생하는 레이저빔발생기(10)가 배치된다. 프리즘(30)은 중공원통형을 사용하였으며, 중앙에 소정의 직경의 원형으로 관통되어 있고 외주면(31)과 내주면(32)은 투과도(T, transmittance)와 반사도(R, reflectance)를 제어하기 위해 코팅된다. 투과도와 반사도는 코팅에 따라 결정되는데, 매질에서 흡수되지 않는 경우 R(반사도)+T(투과도)=1로 나타난다. 프리즘(30)에 입사되는 레이저빔(30)은 프리즘(30)의 외주면(31)에 수직으로 입사되는데 입사된 레이저빔(20)은 프리즘(30)을 통과하면서 외주면(31)과 내주면(32)에서 투과와 반사를 거듭하여, 프리즘(30)의 반경방향에 대해 360도 전방향에 걸쳐 조사되는 원형의 평면빔(40)이 생성된다. 평면빔(40)은 반사 및 투과, 스넬의 법칙, 프레넬 방정식의 반사 및 굴절, 광선의 투과도, 반사도 등에 따라 다양하게 영향을 받는다. 레이저빔발생기(10)는 다이오드레이저 혹은 헬륨 네온레이저 등 직진하는 레이저빔을 발생하는 레이저빔발생기라면 어떠한 것도 적용할 수 있다.

또한, 도 2b는 종래의 원통프리즘의 원추형의 입체빔 발생상태를 설명하기 위한 도면이다.

도 2b를 참조하면, 프리즘(30)에 레이저빔발생기(10)로부터 레이저빔(20)이 수평이 아닌 경사지게 조사되어 원추형의 입체빔(40')이 원추형으로 투과 및 반사된 상태를 나타낸다.

레이저빔발생기(20)는 레이저빔(20)이 프리즘(30)의 중심축과 일정각도를 이루도록 배치되고, 레이저빔(20)이 프리즘(30)의 외주면에 소정의 각도로 경사지게 입사된다. 프리즘(30)의 일측에 입사되는 레이저빔(20)이 굴절의 법칙에 따라 등방성매질에서 다른 등방성 매질로 입사해 굴절되면서 투과되고 프리즘(30)의 타측에서는 레이저빔(20)이 반사의 법칙에 따라 입사각과 반사각이 같도록 반사됨으로써, 투과된 원추형의 입체빔과 반사된 원추형의 입체빔이 동시에 조사되어 원추형의 입체빔(40')이 형성된다.

전술한 도2a 및 도2b와 같은 원통형 프리즘을 이용한 방식에서는 전방향에 대해 균일한 빔을 얻기 위하여 외주면을 따라 다른 반사율을 가지는 코팅을 하여야 한다. 그러나, 외주면을 따라 서로 다른 반사율을 가지도록 코팅하는 것이 기술적으로 쉽지 않아 실제로 전방향에 대해 균일한 빛을 얻기가 어렵다. 또한 프리즘에 수직으로 입사할 때 얻어지는 평면빔(40)중 일부의 진행경로에 레이저(20)나 빛의 방향을 바꿔주는 부품에 의해 빔의 일부가 차단된다.

원추형으로 가공된 프리즘을 사용하여 빛이 진행하는 방향으로 원추형의 입체빔을 발생하는 장치가 미국특허 제 4,623,776호에 제안되었다.

도 3에 도시된 것과 같이, 이 시스템에서는 프리즘(50) 내부로 입사된 빔(70)이 원추모양의 출력면(51)에서 굴절되어 원추형으로 퍼지게 된다. 이 원추형 프리즘(50)은 균일한 세기의 원추빔을 얻을 수 있으나, 빛의 굴절을 이용하므로, 빛이 굴절하는 한계가 존재하여, 넓게 퍼지는 원추형빔이나 평면빔을 얻는데 한계가 있다.

전술한 원추형 거울을 이용하는 원추형 거울의 꼭지점으로 들어오는 레이저를 반사시켜 균일하고 원하는 각도의 원추빔이나 평면빔을 얻을 수 있다. 그러나 원추형 거울을 사용하는 방식에서는 빛이 발생하는 레이저와 반사를 일으키는 거울이 서로를 마주보도록 배치되어야 하고, 레이저와 거울을 함께 고정시켜야하는 경우는 고정기구가 레이저 빔의 일부를 차단하는 문제를 가지고 있다.

따라서, 본 발명의 목적은 전술한 문제점을 해결할 수 있도록 전방위 평면빔을 얻기 위하여 기존의 방식들이 가지고 있는 제한된 각도의 원추형의 입체빔이나 평면빔 형성, 평면빔의 불균일, 레이저나 결합기구에 의한 특정방향 빔의 차단 문제를 해결하고, 소형이면서 레이저와 쉽고 견고한 방식으로 고정되는 역원추형 프리즘을 이용한 3차원 레이저 면빔 발생장치를 제공함에 있다.

이와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 역원추형 프리즘을 이용한 3차원 레이저 면빔 발생장치는 레이저빔을 발생하는 레이저발생기, 및 레이저발생기로부터 출사되는 레이저빔을 입사하여 역원추면에 반사시켜 360도 전방위의 평면빔을 발생하기 위한 역원추형프리즘을 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 역원추형프리즘은 역원추면의 원추각의 각도에 따라 역원추면에서 반사되는 평면빔의 형태가 변형되는 것을 특징으로 한다.

또한, 역원추형프리즘의 원추각도가 90도 이면, 역원추면에 반사각이 90도이므로 원형의 평면빔을 형성하는 것을 특징으로 한다.

또한, 역원추형프리즘의 원추각도가 90도 미만이면, 역원추면에 반사각이 90도 이상이므로 원추형의 입체 평면빔을 형성하는 것을 특징으로 한다.

또한, 역원추형프리즘의 원추각도가 90도 이상이면, 역원추면에 반사각이 90도 미만이므로 원추형의 입체 평면빔을 형성하는 것을 특징으로 한다.

또한, 레이저발생기와 역원추형프리즘을 빔경로를 차단하지 않도록 결합시키기 위한 결합부를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 또 다른 역원추형프리즘을 이용한 빔 발생장치는 레이저빔을 발생하는 레이저발생기와, 레이저빔을 원형빔으로 변형하기 위한 빔변형기, 및 상기 빔변형기로부터 출사되는 원형빔을 곡면의 렌즈면에 입사하여 평행빔 형태로 역원추면에 반사시켜 360도 전방위의 평면빔을 발생하기 위한 역원추형프리즘을 포 함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 역원추형프리즘은 역원추면의 원추각의 각도에 따라 역원추면에서 반사되는 평면빔의 변형되는 것을 특징으로 한다.

또한, 역원추형프리즘의 원추각도가 90도 이면, 역원추면에 반사각이 90도이므로 원형의 평면빔을 형성하는 것을 특징으로 한다.

또한, 역원추형프리즘의 원추각도가 90도 미만이면, 역원추면에 반사각이 90도 이상이므로 원추형의 입체 평면빔을 형성하는 것을 특징으로 한다.

또한, 역원추형프리즘의 원추각도가 90도 이상이면, 역원추면에 반사각이 90도 미만이므로 원추형의 입체 평면빔을 형성하는 것을 특징으로 한다.

또한, 레이저발생기와 역원추형프리즘을 빔경로를 차단하지 않도록 결합시키기 위한 결합부를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

이하 도 4 내지 도 10을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 상세히 기술한다.

도 4 및 도 5는 본 발명에 적용된 역원추형 프리즘을 설명하기 위한 도면이다.

도 4를 참고하면, 레이저발생기(81)로부터 나오는 레이저빔(83)은 역원추면(82)쪽으로 진행한다. 역원추면(82)의 원형의 반사면에서 반사된 반사광은 360도로 퍼지면서 조사되는 원형의 평면빔(84)을 출사한다.

도 5를 참고하면, 레이저빔(90)은 역원추형프리즘(92)쪽으로 진행한다. 도 4의 역원추면(82)이 역원추면만을 갖는 것과는 달리, 도 5의 역원추형 프리즘(92)은 원통형상으로 레이저빔(90)이 입사하는 쪽으로는 원형의 입사면(93)을 갖으며, 그 반대쪽으로는 레이저빔(90)을 반사하여 원형의 평면빔(96)을 출사하기 위한 역원추면(95)을 형성하고 있다.

이러한 역원추형프리즘(92)을 이용하는 레이저빔 발생장치를 도 6 내지 도 10을 참고하여 상세히 설명한다.

도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 역원추형 프리즘의 원추각이 90도인 경우에 이를 이용한 레이저발생장치를 설명하기 위한 도면이다.

도 6을 참고하면, 레이저발생기(101)로부터 나온 빔이 무반사 코팅된 역원추형프리즘(102)의 입사면(103)으로 입사된다. 입사된 빔은 역원추면(105)의 역원추면으로 입사되어 반사된다. 이때 역원추면(105)으로 입사된 빔은 중심이 역원추로 파인 꼭지점에 일치되어 있고, 반사되어 360도 전방위로 반사가 일어나게 된다. 반사빔(106)은 무반사코팅된 외주면(104)을 통해 역원추형프리즘(102)의 밖으로 빠져나오게 된다. 이때의 반사빔(106)은 역원추면(105)의 원추각이 90도이므로 역원추면(105)의 역원추면의 입사하고 수직하게 반사된다. 레이저빔을 반사시키는 반사면의 형성은 내부 전반사조건을 만족하는 경우는 역원추모양의 형성만으로 가능하고, 그렇지 않은 경우는 반사막을 코팅함으로써 구현가능하다. 일예로 굴절률이 1.5인 재료를 사용하여 역원추형 프리즘을 제작하고, 제작된 역원추형 프리즘의 원추면이 90도 각도를 이룰 때 빔이 반사면에서의 전반사각도

41.8보다 큰 각도로 입사하므로 전반사가 발생한다.

도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 역원추형 프리즘의 원추각이 90도 미만인 경우에 이를 이용한 레이저발생장치를 설명하기 위한 도면이다.

레이저발생기(111)로부터 나온 빔이 입사면(113)에 입사되어 역원추면(115)의 역원추면과 만나게 된다. 이때의 반사빔(116)은 역원추면(115)의 원추각이 90미만이므로 역원추면(115)의 역원추면에 입사하고 90도보다 큰 반사각을 갖으면서 반사된다. 즉, 역원추면(115)의 원추각도가 90도보다 작으면 빔이 내부에서 레이저발생기(111)의 반대방향쪽으로 반사빔(116)이 반사되고 역원추형프리즘(112)의 외주면(114)과 만나면 스넬(snell)의 법칙에 의하여 굴절되어 나간다. 반사면의 원추각

(117)와 원추각

(118)사이의 관계는

로 주어진다.

도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 역원추형 프리즘의 원추각이 90도 이상인 경우에 이를 이용한 레이저발생장치를 설명하기 위한 도면이다.

레이저발생기(121)로부터 나온 빔이 입사면(123)에 입사되어 역원추면(125)의 역원추면과 만나게 된다. 이때의 반사빔(126)은 역원추면(125)의 원추각이 90이상이므로 역원추면(125)의 역원추면에 입사하고 90도보다 작은 반사각을 갖으면서 반사된다. 즉, 역원추면(125)의 원추각도가 90도보다 크면 빔이 내부에서 레이저발생기(111)와 같은 방향쪽으로 반사빔(126)이 반사되고 역원추형프리즘(122)의 외주면(124)과 만나면 스넬(snell)의 법칙에 의하여 굴절되어 나간다. 이 때 반사면의 원추각

(127)과 평면빔의 원추각

(128)사이의 관계는

로 주어진다. 따라서 굴절률이 1.5인 역원추형프리즘의 원추각도를 48.19도에서 131.81도 사이에서 제작하면 원추각이 0도 이상 360도 이하의 모든 형태의 원추형 평면빔을 발생시킬 수 있다.
즉, 역원추형프리즘의 굴절율을 1.5라 했을때, 원추각이 θ 일때 원추면에서 전반사할 조건은 1.5 sin(90 °- θ/2)≥1 즉, θ ≤ 96.38 이므로, 원추각도가 96.38도보다 작으면 원추형 프리즘의 반사면에서 전반사가 일어나기 때문에 별다른 코팅없이 사용할 수 있으나, 만약 원추각도가 98.38도보다 크면 빔이 반사할 수 있도록 코팅을 해 주어야 한다.
도 9는 본 발명의 다른 실시예에 따른 역원추형 프리즘을 이용한 레이저발생장치를 설명하기 위한 도면이다.

삭제

도 9를 참고하면, 역원추형프리즘(204)의 입사면(203)을 렌즈형태로 만들어 레이저다이오드(201)와 같이 퍼져 나오는 광원과 결합한 예를 도시한다. 레이저다이오드는 역원추형프리즘(204)에 직접 가공된 렌즈의 초점거리에 위치하고, 레이저다이오드로부터 발생한 빔(202)은 렌즈면에서 굴절하여 평행빔으로 만들어져 입사하게 된다. 평행하게 입사된 빔은 전술한 바와 같이 반사면에서 반사되어 평면빔(207)을 형성한다. 이 때 레이저다이오드(201)와 렌즈면사이에 빔의 모양을 형성할 수 있는 틀(208)을 삽입하여 입사하는 빔이 원형으로 만들고, 그 원의 중심이 역원추면(206)의 꼭지점에 일치하게 하면 역원추형프리즘을 통해서 나오는 빔이 모든 방향에 대해 균일하게 나오도록 만들 수 있다.

위의 기술한 예는 역원추형프리즘의 바람직한 예의 하나이며 역원추형프리즘의 입사면의 변형이나, 역원추형프리즘와 광원사이에 부품이나 장치를 삽입하여, 입사빔의 형태를 변화시키는 기술들은 당업자의 기술범위 내에서 쉽게 구현될 수 있으므로, 이러한 변형들이 본 발명의 권리에 속해 있음은 쉽게 알 수 있는 사실이다.

도 10은 본 발명에 따른 레이저와 역원추형 프리즘의 구성상태도이다.

도 10을 참고하면 레이저발생기(301)와 역원추형프리즘(302) 사이에 빔이 지나가는 경로를 차단하지 않는 장치(303)를 사이에 두고 결합하는 방법이 있으며, 별도의 장치 없이 접착제를 사용하여 레이저 발생기와 역원추형프리즘를 직접붙이는 방법도 있다.

위에서 기술한 예제 이외에 본 발명의 장점 입사하는 빔이나 출력되는 빔의 경로의 차단 없이 결합할 수 있는 구조를 이용한 모든 방법이 본 발명의 권리임은 자명하다.

상기 역원추형프리즘의 재질은 유리, 아크릴 등 다양한 재료의 고분자 화합물, 혹은 수정 다이아몬드, 백색 사파이어, 루비 등 여러 가지 투명한 재료를 사용할 수 있으며, 원기둥 내외에 색소를 첨가하거나, 색상이 있는 광석이 사용될 수 있다.

본 발명의 전방위 평면빔 발생장치는 일반적인 형태의 레이저발생기를 사용하여 간단하게 원형의 평면빔이나 원추형의 입체 평면빔을 발생시키고, 레이저발생기와 역원추형프리즘의 결합이 용이한 구조적인 특징으로 진동이나 충격에 강하고, 부피가 적어, 보안, 감시, 계측등 다양한 분야에서 활용할 수 있는 효과를 제공한다.

Claims (12)

1. 레이저 면빔 발생장치에 있어서,

   레이저빔을 발생하는 레이저발생기; 및

   상기 레이저발생기로부터 출사되는 레이저빔을 입사하여 역원추면에 반사시켜 360도 전방위의 원추형의 입체 평면빔을 발생하기 위한 역원추형프리즘을 포함하는 것을 특징으로 하는 역원추형 프리즘을 이용한 3차원 레이저 면빔 발생장치.
2. 삭제
3. 삭제
4. 제 2항에 있어서

   역원추형프리즘의 원추각도가 90도 미만이면, 역원추면에 반사각이 90도 이상이므로 원추형의 입체 평면빔을 형성하는 것을 특징으로 하는 역원추형 프리즘을 이용한 3차원 레이저 면빔 발생장치.
5. 제 2항에 있어서

   역원추형프리즘의 원추각도가 90도 이상이면, 역원추면에 반사각이 90도 미만이므로 원추형의 입체 평면빔을 형성하는 것을 특징으로 하는 역원추형 프리즘을 이용한 3차원 레이저 면빔 발생장치.
6. 제 1항에 있어서,

   상기 레이저발생기와 역원추형프리즘을 빔경로를 차단하지 않도록 결합시키기 위한 결합부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 역원추형 프리즘을 이용한 3차원 레이저 면빔 발생장치.
7. 레이저 면빔 발생장치에 있어서,

   레이저빔을 발생하는 레이저발생기;

   상기 레이저빔을 원형빔으로 변형하기 위한 빔변형기; 및

   상기 빔변형기로부터 출사되는 원형빔을 곡면의 렌즈면에 입사하여 평행빔형태로 역원추면에 반사시켜 360도 전방위의 원추형의 입체 평면빔을 발생하기 위한 역원추형프리즘을 포함하는 것을 특징으로 하는 역원추형 프리즘을 이용한 3차원 레이저 면빔 발생장치.
8. 삭제
9. 삭제
10. 제 8항에 있어서

    역원추형프리즘의 원추각도가 90도 미만이면, 역원추면에 반사각이 90도 이상이므로 원추형의 입체 평면빔을 형성하는 것을 특징으로 하는 역원추형 프리즘을 이용한 3차원 레이저 면빔 발생장치.
11. 제 8항에 있어서

    역원추형프리즘의 원추각도가 90도 이상이면, 역원추면에 반사각이 90도 미만이므로 원추형의 입체 평면빔을 형성하는 것을 특징으로 하는 역원추형 프리즘을 이용한 3차원 레이저 면빔 발생장치.
12. 제 7항에 있어서,

    상기 레이저발생기와 역원추형프리즘을 빔경로를 차단하지 않도록 결합시키기 위한 결합부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 역원추형 프리즘을 이용한 3차원 레이저 면빔 발생장치.

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