KR101194972B1 - 광 균일화 장치 - Google Patents

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Abstract

이 발명은 광 균일화 장치에 관한 것이며, 상기 광 균일화 장치는 제 1 기판(10) 및 제 2 기판(20)을 구비하고, 다수의 볼록 렌즈(12)를 포함하는 제 1 렌즈 어레이(11) 및 상기 제 1 렌즈 어레이에 의해 굴절된 광이 통과할 수 있고, 각각 서로 공간을 두고 이격되어 배치된 다수의 제 1 렌즈들(22)을 포함하고, 빔 산란 방향으로 상기 제 1 렌즈 어레이(11)로부터 이격되어 배치된 하나 이상의 제 2 렌즈 어레이(21)를 포함하고 있다. 이때 상기 제 1 렌즈 어레이(11)의 각각의 볼록 렌즈(12)에는 상기 제 2 렌즈 어레이(21)의 제 1 렌즈(22) 중 하나가 할당되고, 상기 제 1 렌즈 어레이(11)의 볼록 렌즈들(12)은 이것에 할당된, 상기 제 2 렌즈 어레이(21)의 상기 제 1 렌즈(22)보다 더 작은 곡률을 갖고, 상기 제 2 렌즈 어레이(21)의 상기 제 1 렌즈들(22)의 곡률 반경들은 상기 제 1 렌즈들(22)의 초점들이 상기 제 2 기판(20) 내에 놓이도록 형성되는 것을 특징으로 한다.
볼록 렌즈, 제 1 렌즈 어레이, 제 2 렌즈 어레이, 렌즈.

Description

광 균일화 장치{DEVICE FOR HOMOGENISING LIGHT}
이 발명은 다수의 볼록 렌즈를 포함하는 제 1 렌즈 어레이, 및 빔 산란 방향으로 상기 제 1 렌즈 어레이로부터 이격되어 배치된 하나 이상의 제 2 렌즈 어레이를 포함하며, 상기 제 1 렌즈 어레이에 의해 굴절된 광이 상기 제 2 렌즈 어레이를 통과할 수 있고, 상기 제 2 렌즈 어레이는 사이 공간을 두고 서로 이격되어 배치된 다수의 제 1 렌즈들을 포함하고, 상기 제 1 렌즈 어레이의 각각의 볼록 렌즈에는 상기 제 2 렌즈 어레이의 제 1 렌즈 중 하나 이상이 할당되는, 광 균일화 장치에 관한 것이다.
상기 방식의 장치는 예컨대 레이저 다이오드 바아로부터 방출된, 비교적 불균일한 레이저 광을 균일화하기 위해 사용된다. 렌즈 어레이의 개별 렌즈에 의해 굴절된, 이러한 장치로부터 방출된 광은 일정한 각 범위에 걸쳐 균일하게 분포된다. 선행 기술에 공지된 광 균일화 장치는 비교적 작은 또는 중간 개구수로 제조된다. 개구수에 대한 전형적인 값은 약 0.01 내지 0.35 의 크기이다. 특히, 선행 기술에 공지된 광 균일화 장치는 예컨대 재료 처리시, 마이크로 리소그래피에서 또는 측정 기술에서 작동 범위의 균일한 조사를 위해 사용된다. 그러나, 공지된 광 균일화 장치에 의해 얻어질 수 있는 개구수는 몇몇 사용 분야에 있어서는 충분치 않다.
이 발명의 목적은 비교적 저 굴절 재료로 비교적 적은 비용으로 비교적 큰 개구수가 얻어질 수 있는 광 균일화 장치를 제공하는 것이다.
상기 목적은 청구항 1의 특징을 가진 광 균일화 장치에 의해 달성된다. 이 발명의 바람직한 실시예는 종속 청구항에 제시된다.
이 발명에 따라, 제 1 렌즈 어레이의 볼록 렌즈들은 그것에 할당된, 제 2 렌즈 어레이의 제 1 렌즈보다 작은 곡률을 갖는다. 이로 인해, 이 발명에 따른 광 균일화 장치에 부딪히는 레이저 광은 제 1 렌즈 어레이의 약하게 휘어진 볼록 렌즈에서 굴절된 다음, 제 1 렌즈 어레이의 렌즈보다 더 심하게 휘어진 제 2 렌즈 어레이의 제 1 렌즈에 부딪힌다. 따라서, 이 발명에 따른 장치에 의해, 비교적 저 굴절 재료에 의해서도 적은 비용으로 비교적 큰 개구수가 얻어질 수 있다. 제 1 렌즈 어레이의 볼록 렌즈의 곡률 변화에 의해 그리고 그것에 할당된 제 2 렌즈 어레이의 제 1 렌즈에 의해, 개구수가 의도적으로 조정될 수 있다.
바람직한 실시예에서, 제 1 렌즈 어레이의 볼록 렌즈의 정점 선(vertex line)은 빔 산란 방향으로 제 1 렌즈 어레이의 제 1 렌즈의 정점 선과 동일한 평면에 놓인다. 이로 인해, 2개의 렌즈 어레이의 상대 정렬이 최적화될 수 있다.
제 2 렌즈 어레이의 제 1 렌즈의 적어도 일부가 볼록하게 형성될 수 있다. 제 2 렌즈 어레이의 모든 제 1 렌즈가 볼록하게 형성될 수도 있다.
대안으로서 또는 추가로, 제 2 렌즈 어레이의 제 1 렌즈의 적어도 일부가 오목하게 형성될 수 있다. 제 2 렌즈 어레이의 모든 제 1 렌즈가 볼록하게 형성될 수도 있다. 이 경우, 제 2 렌즈 어레이가 제 1 렌즈 어레이의 초점 평면 후방에 배치된다.
바람직한 실시예에서, 제 1 렌즈 어레이의 2개의 인접한 볼록 렌즈들 사이에 각각 하나의 사이 공간이 형성된다.
제 1 렌즈 어레이의 볼록 렌즈는, 제 1 렌즈 어레이의 볼록 렌즈가 서로 나란히 배치되는 방향으로, 사이 공간보다 더 큰 폭을 가질 수 있다. 이로 인해, 균일화될 레이저 광의 대부분이 볼록 렌즈를 통과하고 이것에 의해 굴절될 수 있다.
기본적으로 제 1 렌즈 어레이의 렌즈들 사이의 사이 공간은 임의로 형성될 수 있다. 장치의 제조를 간소화하기 위해, 바람직한 실시예에서는 인접한 볼록 렌즈들로의 이행이 일정하도록, 제 1 렌즈 어레이의 볼록 렌즈들 사이의 사이 공간이 형성된다.
특히 바람직한 실시예에서, 사이 공간들은 적어도 부분적으로 오목 렌즈들을 포함할 수 있다.
바람직한 실시예에서, 제 2 렌즈 어레이의 제 1 렌즈의 곡률 반경은 렌즈들의 초점들이 제 2 기판 내에 놓이도록 형성될 수 있다.
제 2 렌즈 어레이의 제 1 렌즈들 사이의 사이 공간은 제 1 렌즈와는 다른 형상을 가진 제 2 렌즈일 수 있다.
바람직한 실시예에서, 제 2 렌즈는 제 2 렌즈 어레이의 제 1 렌즈보다 큰 곡률 반경을 갖는다.
예컨대, 제 2 렌즈는 오목하게 형성될 수 있다.
이 발명의 다른 특징 및 장점은 첨부한 도면을 참고로 하는 하기의 바람직한 실시예 설명에 제시된다.
도 1은 이 발명에 따른 광 균일화 장치의 측면도.
간단한 하기 설명을 위해, 도 1에는 카아티이젼 좌표계가 도시된다.
도 1에 도시된, 이 발명에 따른 광 균일화 장치의 실시예는 제 1 기판(10) 및 제 2 기판(20)을 갖는다. 제 1 기판(10)은 광 입사면에 제 1 렌즈 어레이(11)를 갖는다. 이에 반해, 광 출사면은 편평하거나 또는 적어도 실질적으로 편평하게 구현된다. 제 1 렌즈 어레이(11)는 다수의 볼록 렌즈(12) 및 다수의 오목 렌즈(13)를 포함한다. 볼록 렌즈(12) 및 오목 렌즈(13)는 이 실시예에서 실린더 렌즈들이며, 그 실린더 축선들은 서로 평행하게 배향된다. 제 1 렌즈 어레이(11)의 볼록 렌즈(12) 및 오목 렌즈(13)는 x-방향으로 교대로 서로 나란히 배치된다. 따라서, 오목 렌즈(13)는 제 1 렌즈 어레이(11)의 개별 볼록 렌즈(12) 사이의 사이 공간을 형성한다. 기본적으로 다수의 볼록 및 오목 렌즈(12, 13)가 x-방향으로 서로 나란히 배치될 수 있다. 제 1 렌즈 어레이(11)의 볼록 렌즈(12)는 x-방향으로 오목 렌즈(13)보다 더 큰 폭을 갖는다. 대안으로서, 오목 렌즈(13) 대신에, 다른 형상을 가진 사이 공간이 개별 볼록 렌즈들(12) 사이에 제공될 수 있다. 상기 사이 공간은 x-방향으로 볼록 렌즈(12)보다 더 작은 폭, 바람직하게는 훨씬 더 작은 폭을 갖는다. 볼록 렌즈들(12) 사이의 사이 공간들은 기본적으로 임의의 형상을 가질 수 있다. 제조 기술적 관점에서 볼 때, 사이 공간과 상기 사이 공간을 제한하는 2개의 인접한 볼록 렌즈(12) 사이의 이행은 수학적으로 연속해서 미분 가능해야 한다.
여기에 명확히 도시되지 않은 대안적 실시예에서, 제 1 기판(10)의 광 출사면에도 다른 렌즈 어레이가 제공될 수 있다. 상기 렌즈 어레이는 예컨대 제 1 렌즈 어레이(11)의 실린더 렌즈의 실린더 축선에 대해 수직인 실린더 축선을 가진 다수의 실린더 렌즈들을 포함할 수 있다.
빔 산란 방향(z-방향)으로 제 1 기판(10)으로부터 이격된 제 2 기판(20)은 상기 제 1 기판(10)의 광 출사면을 향한 광 입사면에 제 2 렌즈 어레이(21)를 갖는다. 이 실시예에서, 제 2 렌즈 어레이(21)의 광 출사면은 편평하거나 또는 적어도 실질적으로 편평하게 구현된다. 제 2 렌즈 어레이(21)는 볼록하게 구현된 제 1 렌즈(22)와 오목하게 구현된 제 2 렌즈(23)를 포함하고, 상기 렌즈들은 이 실시예에서 서로 평행한 실린더 축선을 가진 실린더 렌즈이다. 제 2 렌즈 어레이(21)의 볼록 렌즈(22) 및 오목 렌즈(23)는 x-방향으로 교대로 서로 나란히 배치된다. 그러나, 제 1 렌즈 어레이(11)와는 달리, 제 2 렌즈 어레이(21)의 볼록 렌즈(22)는 x-방향으로 오목 렌즈(23)보다 작은 폭을 갖는다. 오목 렌즈(23) 대신에, 원칙적으로 임의의 형상을 가질 수 있는 사이 공간이 개별 볼록 렌즈들(22) 사이에 제공될 수도 있다. 제조 기술상 관점에서 볼 때, 사이 공간과 2개의 인접한 볼록 렌즈(22) 사이의 이행은 수학적으로 연속해서 미분 가능해야 한다. 볼록 렌즈들(22) 사이의 사이 공간들은 x-방향으로 오목 렌즈들(23)보다 작은 폭, 바람직하게는 훨씬 더 작은 폭을 갖는다.
대안적 실시예에서, 제 2 기판(20)의 광 출사면도 제 2 렌즈 어레이(21)의 실린더 렌즈의 실린더 축선에 대해 수직인 실린더 축선을 가진 다수의 실린더 렌즈를 포함하는 렌즈 어레이를 포함할 수 있다.
이 실시예에서, 제 1 렌즈 어레이(11)의 볼록 렌즈들(12)의 정점 선은 광 산란 방향(z-방향)으로 제 2 렌즈 어레이(21)의 볼록 렌즈들(22)의 정점 선과 동일 평면에 놓인다. 마찬가지로, 제 1 렌즈 어레이(11)의 오목 렌즈들(13)의 정점 선은 광 산란 방향으로 볼 때 제 2 렌즈 어레이(21)의 오목 렌즈들(23)의 정점 선과 동일한 평면에 놓인다. 따라서, 제 1 렌즈 어레이(11)의 각각의 볼록 렌즈(12)에는 제 2 렌즈 어레이(21)의 볼록 렌즈(22)가 할당된다. 마찬가지로, 이 실시예에서 제 1 렌즈 어레이(11)의 각각의 오목 렌즈(13)에는 제 2 렌즈 어레이(21)의 오목 렌즈(23)가 할당된다.
여기에 도시된 광 균일화 장치의 작동 방식을 설명하기 위해, 도 1에는 예컨대 레이저 광원(특히 레이저 다이오드 바아 또는 엑시머 레이저)일 수 있는 명확히 도시되지 않은 광원의 균일화될 광빔(3)의 총 5개의 부분 빔(30, 31, 32, 33, 34)이 도시된다. 여기에 도시된 실시예에서 실질적으로 평행한 광빔(3)은 기본적으로 발산될 수 있지만, 제 1 렌즈 어레이(11)의 광 입사면에서 광 균일화 장치 내로 입사되고, 제 1 렌즈 어레이(11)의 볼록 렌즈(12) 중 하나에 의해 굴절되며, 제 1 기판(10)의 광 출사면에서 출사된다. 부분 빔들(30, 31, 32, 33, 34)은 제 2 렌즈 어레이(21)의 광 입사면에서 번들링된다.
전술한 바와 같이, 제 1 렌즈 어레이(11)의 볼록 렌즈(12)에 할당된, 제 2 렌즈 어레이(21)의 볼록 렌즈(22)는 x-방향에서 제 1 렌즈 어레이(11)의 볼록 렌즈(12)보다 더 작은 곡률 반경 및 더 작은 폭을 가진 더 큰 곡률을 가지며, 이 실시예에서 부분 빔들(30, 31, 32, 33, 34)을 도 1에 도시된 바와 같이, 제 2 렌즈 어레이(21)의 횡단시 하나의 초점에 이미지화한다. 상기 초점은 이 실시예에서 제 2 기판(20)의 내부에 놓인다. 제 2 기판(20)으로부터 출사시, 부분 빔들(30, 31, 32, 33, 34)은 광 출사면에서 재차 굴절됨으로써, 광 균일화 장치의 작동 영역에서 제 2 기판(20) 후방에 일정한 간격을 두고 비교적 큰 폭을 가진 균일한 선형 영역이 형성된다. 기본적으로, 부분 빔들(30, 31, 32, 33, 34)이 하나의 공통 초점에 이미지화될 수도 있다. 또한, 빔 웨이스트가 제 2 기판(20) 외부에 놓이는 것도 가능하다.
여기에 도시된 광 균일화 장치는 예컨대 비교적 길게 연장된, 선형 영역들이 비교적 작은 작동 간격을 두고 레이저 광에 의해 조사되어야 하는 재료 처리 공정에 사용될 수 있다.
전술한 바와 같이, 기본적으로 제 2 렌즈 어레이(21)의 볼록 렌즈들(22) 사이의 사이 공간들은 임의의 형상을 가질 수 있는데, 그 이유는 도시되지 않은 장치에 주어지는 기하학적 조건으로 인해, 광이 상기 사이 공간에 부딪히지 않기 때문이다. 그러나, 기본적으로 사이 공간을 통과한 광도 레이저 광(3)의 균일화를 위해 사용될 수 있도록, 제 2 렌즈 어레이(21)의 볼록 렌즈들(22) 사이에 사이 공간 들을 형성하는 것도 가능하다. 렌즈 어레이(11, 21)의 제조를 위해 사용될 수 있는 제조 방법으로 인해, 일반적으로 렌즈 어레이(11, 21)를 z-방향으로 거의 임의의 깊이로 구현하는 것은 불가능하다. 볼록 렌즈(12, 22)의 급경사 측면에 각각 할당된 접선은 너무 심한 급경사이다. 도 1에는, 접선들이 볼록 렌즈(12, 22)의 가장 급경사 지점에 도시된다. 여기에 도시된 광 균일화 장치의 개구수는 각 φ=40°이고 유리의 굴절률 n= 1.5 일 때, 약 0.9 의 값을 갖는다. z-방향으로 제 1 렌즈 어레이(11)의 볼록 렌즈(12)의 깊이는 예컨대 약 0.395 mm 일 수 있다. 제 2 렌즈 어레이(21)의 볼록 렌즈(22)의 폭은 약 0.2 mm 의 크기일 수 있다. 시험 결과, 약 30°내지 40°의 탄젠트 각 Φ에서 여기에 도시된 장치에 의해 거의 1의 개구수(NA)가 얻어질 수 있다. 여기에 도시된 장치에 의해, 비교적 낮은 굴절률을 가진 기판(10, 20)으로 비교적 큰 개구수가 얻어질 수 있다.
장치의 작동 영역에서 레이저 광(3)의 가급적 균일한 광 분포를 얻기 위해, 경우에 따라 제 1 및 제 2 렌즈 어레이(11, 21)의 볼록 렌즈(12, 22)를 비구면으로 형성해야 한다.
도 1에 도시된 광 균일화 장치의 여기에 명확히 도시되지 않은 변형예에 따라, 제 2 렌즈 어레이(21)가 제 1 렌즈 어레이(11)의 볼록 렌즈(12)에 할당된 오목 렌즈를 가진 렌즈 어레이로 대체될 수도 있다. 이 경우, 제 2 렌즈 어레이(21)는 제 1 렌즈 어레이(11)의 초점 후방에 배치된다.
기본적으로, 2개의 렌즈 어레이(11, 21)의 렌즈들(12, 13, 22, 23)이 실린더 렌즈 대신에 예컨대 둥근 렌즈(사이 공간들을 가진)로서, 직사각형 렌즈로서 또는 육각형 렌즈로서 형성될 수 있다. 이 발명의 기본 사상은 특별한 렌즈 타입에 제한되지 않는다.
또한, 광 균일화 장치를 2개 이상의 렌즈 어레이들(11, 21)로 구성하는 것도 가능하다. 또한, 모든 렌즈들(12, 13, 22, 23)은 거울 평면(y-z 평면)에 대해 비대칭일 수 있다.
여기에 도시된 광 균일화 장치에 의해, 1의 비교적 큰 개구수가 얻어질 수 있다. 이 장치에 의해, 특히 저 굴절 재료로도 낮은 비용으로 상기 값의 개구수가 얻어질 수 있다.

Claims (12)

  1. 다수의 볼록 렌즈(12)를 포함하며 제 1 기판(10) 내에 형성되는 제 1 렌즈 어레이(11); 및
    상기 제 1 렌즈 어레이에 의해 굴절된 광이 통과할 수 있고, 각각 서로 공간을 두고 이격되어 배치된 다수의 제 1 렌즈들(22)을 포함하고, 빔 산란 방향으로 상기 제 1 렌즈 어레이(11)로부터 이격되어 배치되어 제 2 기판(20) 내에 형성되는 하나 이상의 제 2 렌즈 어레이(21)를;
    구비하고 있고,
    이때 상기 제 1 렌즈 어레이(11)의 각각의 볼록 렌즈(12)에는 상기 제 2 렌즈 어레이(21)의 제 1 렌즈(22) 중 하나가 할당되고, 상기 제 1 렌즈 어레이(11)의 볼록 렌즈들(12)은 이것에 할당된, 상기 제 2 렌즈 어레이(21)의 상기 제 1 렌즈(22)보다 더 작은 곡률을 갖고,
    상기 제 2 렌즈 어레이(21)의 상기 제 1 렌즈들(22)의 곡률 반경들은 상기 제 1 렌즈들(22)의 초점들이 상기 제 2 기판(20) 내에 놓이도록 형성되는 것을 특징으로 하는, 광 균일화 장치.
  2. 제 1항에서, 상기 제 1 렌즈 어레이(11)의 상기 볼록 렌즈들(12)의 정점 선은 빔 산란 방향으로 상기 제 2 렌즈 어레이(21)의 상기 제 1 렌즈(22)의 정점 선과 동일한 평면에 놓이는 것을 특징으로 하는, 광 균일화 장치.
  3. 제 1항에서, 상기 제 2 렌즈 어레이(21)의 상기 제 1 렌즈(22)의 일부가 볼록하게 형성되는 것을 특징으로 하는, 광 균일화 장치.
  4. 제 1항 내지 제 3항 가운데 어느 한 항에서, 상기 제 2 렌즈 어레이(21)의 상기 제 1 렌즈(22)의 일부가 오목하게 형성되는 것을 특징으로 하는, 광 균일화 장치.
  5. 제 1항 내지 제 3항 가운데 어느 한 항에서, 상기 제 1 렌즈 어레이(11)의 2개의 인접한 볼록 렌즈들(12) 사이에 각각 하나의 사이 공간이 형성되는 것을 특징으로 하는, 광 균일화 장치.
  6. 제 5항에서, 상기 제 1 렌즈 어레이(11)의 상기 볼록 렌즈(12)는, 상기 제 1 렌즈 어레이(11)의 상기 볼록 렌즈(12)가 서로 나란히 배치된 방향으로, 상기 사이 공간보다 더 큰 폭을 갖는 것을 특징으로 하는, 광 균일화 장치.
  7. 제 5항에서, 상기 제 1 렌즈 어레이(11)의 상기 볼록 렌즈들(12) 사이의 상기 사이 공간들은 상기 인접한 볼록 렌즈(12)로의 이행이 연속하도록 형성되는 것을 특징으로 하는, 광 균일화 장치.
  8. 제 5항에서, 상기 사이 공간들은 부분적으로 오목 렌즈들(13)을 포함하는 것을 특징으로 하는, 광 균일화 장치.
  9. 삭제
  10. 제 1항에서, 상기 제 2 렌즈 어레이(21)의 상기 제 1 렌즈들(22) 사이의 상기 사이 공간들은 상기 제 1 렌즈(22)와는 다른 형상을 갖는 제 2 렌즈들(23)인 것을 특징으로 하는, 광 균일화 장치.
  11. 제 10항에서, 상기 제 2 렌즈들(23)은 상기 제 2 렌즈 어레이(21)의 상기 제 1 렌즈들(22)보다 큰 곡률 반경을 갖는 것을 특징으로 하는, 광 균일화 장치.
  12. 제 10항에서, 상기 제 2 렌즈들(23)은 오목하게 형성되는 것을 특징으로 하는, 광 균일화 장치.
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