KR101504251B1 - 레이저 광학모듈 - Google Patents

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KR101504251B1
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Abstract

본 발명은 레이저광을 생성하는 레이저 광원; 내부에 측벽이 반사면인 광로가 형성되어 상기 레이저광을 상기 광로로 도입하여 가이드하는 빔 가이드; 및 상기 빔 가이드의 상기 광로가 끝나는 지점에 마련되며 상기 레이저광에 의하여 형광을 발하는 형광체를 포함하며, 상기 광로의 폭은 상기 레이저광이 상기 형광체에 입사되는 위치에서 상기 레이저광의 반치폭(FWHM, Full Width at Half Maximum)에 따라 형성되는 것을 특징으로 하는 레이저 광학모듈을 제공하여, 레이저광을 직접 사용하여 광효율을 향상시킬 수 있고, 간단한 구조로 소형화가 가능한 효과가 있다.

Description

레이저 광학모듈{Laser Optic Module}
본 발명은 레이저 광학모듈에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 레이저광을 직접 사용하여 광효율을 향상시킬 수 있고, 간단한 구조로 소형화한 레이저 광학모듈에 관한 것이다.
레이저 다이오드는 반도체를 사용하여 레이저를 발생시키는 소자이며, 소자 자체가 소형으로 구동전력이 작아 레이저광의 생성 및 변조가 용이한 특징을 가지고 있다.
레이저 다이오드는 의료용, 산업용으로 널리 사용되고 있으나, 차량용 램프 분야에는 아직 양산이 된 제품이 없다. 일부 선진사에서 차량용 램프를 위한 레이저 광학모듈을 개발하고 있으나 이 또한 초기 단계여서 아직 레이저를 차량용 광원으로써 사용하는 기술은 보급되어 있지 않다.
최근 공개된 레이저 다이오드를 이용한 차량용 광학 모듈의 경우 구조가 복잡하고, 특히 레이저 다이오드와 방열을 위한 히트싱크 등의 사이즈가 커서 실제 차량에 적용하기에는 힘든 부분이 있다. 이런 문제점을 해결하기 위해 광섬유(optical fiber)를 사용하는 방법도 있으나 비용이 증가하고 효율이 떨어지는 문제점이 있다.
미국 공개특허 제2013-0027964호 (2013.01.31)
이에, 본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 레이저광을 직접 사용하여 광효율을 향상시킬 수 있고, 간단한 구조로 소형화한 레이저 광학모듈을 제공하는 것을 그 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은,레이저광을 생성하는 레이저 광원; 내부에 측벽이 반사면인 광로가 형성되어 상기 레이저광을 상기 광로로 도입하여 가이드하는 빔 가이드; 및 상기 빔 가이드의 상기 광로가 끝나는 지점에 마련되며 상기 레이저광에 의하여 형광을 발하는 형광체를 포함하며, 상기 광로의 폭은 상기 레이저광이 상기 형광체에 입사되는 위치에서 상기 레이저광의 반치폭(FWHM, Full Width at Half Maximum)에 따라 형성되는 것을 특징으로 하는 레이저 광학모듈을 제공한다.
상기 레이저 광학모듈은, 상기 형광체의 입사면에 마련되는 단파 통과 필터(SPF,Short Pass Filter)를 더 포함할 수 있다.
상기 단파 통과 필터는 상기 레이저광은 통과시키나 상기 형광체로부터 생성된 형광은 반사시킬 수 있다.
상기 레이저광은 청색광이고 상기 형광체는 황색 형광체일 수 있다.
상기 빔 가이드의 상기 광로의 시작 부분에는 상기 레이저광이 반사되어 상기 단파 통과 필터에 입사되는 각이 작아지도록 일정 각도 경사진 경사부가 형성될 수 있다.
상기 경사부는, 상기 레이저광이 상기 광로의 내측벽에 반사되어 상기 단파 통과 필터에 입사되는 입사각이 상기 레이저광의 파장 대역에서 상기 단파 통과 필터의 투과율 95% 이상을 만족시키는 최대 입사각보다 작게 형성되도록 일정 각도로 경사질 수 있다.
상기 빔 가이드는, 제1 몸체부; 및 상기 제1 몸체부와의 사이에 상기 광로를 형성하도록 상기 제1 몸체부에 결합되는 제2 몸체부를 포함할 수 있다.
상기 제1 몸체부 및 상기 제2 몸체부는 상호 대칭 형상으로 마련될 수 있다.
상기 제1 몸체부는 상기 제2 몸체부와 접하는 일면에 돌출되도록 마련되는 돌출 가이드가 형성되고, 상기 제2 몸체부는 상기 돌출 가이드와 대응되는 부분에 상기 돌출 가이드가 삽입되는 삽입홈이 형성될 수 있다.
상기 광로의 반사면은 알루미늄 증착으로 형성될 수 있다.
상기 레이저 광원은 레이저 다이오드로 마련될 수 있다.
상기 레이저 광학모듈은, 상기 레이저 광원 및 상기 빔 가이드가 안착되며 상기 레이저 광원 및 상기 빔 가이드에서 방출되는 열을 흡수하는 방열체(heat sink)를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 레이저 광학모듈에 따르면, 레이저광을 직접 사용하여 광효율을 향상시킬 수 있고, 간단한 구조로 소형화가 가능한 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 광학모듈의 사시도이다.
도 2는 도 1의 A-A'에 따른 단면도이다.
도 3은 도 2의 주요부 확대도이다.
도 4는 도 3의 빔 가이드 내부 구조를 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 빔 가이드를 통과한 후 변경되는 레이저광의 강도 분포를 나타낸 그래프이다.
도 6은 단파 통과 필터의 투과율 특성을 나타낸 그래프이다.
도 7은 빔 가이드의 내부에서 레이저광의 반사 각도를 나타낸 도면이다.
도 8은 도 1의 빔 가이드의 사시도 및 평면도이다.
도 9는 빔 가이드의 제1 몸체부의 사시도이다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면들을 참조하여 상세히 설명한다. 우선 각 도면의 구성 요소들에 참조 부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성 요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 이하에서 본 발명의 바람직한 실시예를 설명할 것이나, 본 발명의 기술적 사상은 이에 한정하거나 제한되지 않고 당업자에 의해 변형되어 다양하게 실시될 수 있음은 물론이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 광학모듈의 사시도이고, 도 2는 도 1의 A-A'에 따른 단면도이며, 도 3은 도 2의 주요부 확대도이고, 도 4는 도 3의 빔 가이드 내부 구조를 설명하기 위한 도면이다.
도 1 내지 도 4를 참조하여 살펴보면, 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 광학모듈은, 레이저 광원, 빔 가이드, 형광체, 단파 통과 필터 및 방열체를 포함한다.
레이저 광원은, 레이저광을 생성한다. 본 실시예에서 레이저 광원은 레이저 다이오드로 마련된다.
레이저 광원에서 생성된 레이저광은 그 중심부의 강도가 강한 가우시안 분포를 나타내며 전방을 향하여 조사된다.
반치폭(FWHM, Full Width at Half Maximum)은 레이저광의 강도 분포에서 중심부 최대강도의 1/2이 되는 곳의 폭을 말한다. 레이저 광원에서 생성된 레이저광은 전방을 향하여 나아가면서 퍼지게 되므로, 레이저 광원으로부터 거리가 멀어질수록 그 위치에 도달하는 레이저광의 반치폭도 증가하게 된다. 이에 따라 반치폭을 레이저 광원에서 레이저광이 조사되는 방향으로의 조사각도로 표현할 수 있다.
즉, 도 4에서와 같이, 레이저광이 생성되는 지점(laser emittig point)에서 레이저광이 조사되는 방향으로 일정 조사각도를 따라 레이저광의 반치폭이 형성된다.
빔 가이드는, 내부에 측벽이 반사면인 광로가 형성되어 레이저광을 광로로 도입하여 가이드한다. 도 3 및 도 4를 참조하면, 레이저광이 생성되는 지점(laser emittig point)은 광로의 중심축에 배치되며, 이 지점으로부터 광로를 향하여 레이저광이 조사된다.
빔 가이드의 광로가 끝나는 지점에는 형광체가 마련된다. 형광체는 레이저광을 흡수하여 형광을 발생시킨다. 이에 따라 형광체를 통과한 레이저광은 형광체로부터 생성된 형광과 혼합되어 백색광을 발생시킨다.
구체적으로, 본 실시예에서 레이저광은 청색광이 사용되고, 형광체는 황색 형광체가 사용된다. 레이저광인 청색광과 형광체로부터 생성된 황색광이 혼합되어 백색광이 생성된다. 그러나 본 발명의 범위는 이에 제한될 필요는 없으며, 레이저광 및 형광체는 다른 형태가 사용될 수도 있다.
빔 가이드에서 광로의 폭은 레이저광이 형광체에 입사되는 위치에서 레이저광의 반치폭(FWHM, Full Width at Half Maximum)에 따라 형성된다. 도 4를 참조하면, 조사각도로 표현되는 레이저광의 반치폭 각도선을 따라, 형광체의 입사면에서의 반치폭이 광로의 폭으로 결정된다.
광로의 폭이 형광체의 입사면에서 레이저광의 반치폭으로 형성되면, 형광체의 입사면에서 반치폭을 벗어나는 주변의 레이저광은 광로의 내측벽 반사면에 반사되어 형광체에 입사된다. 이에 따라, 레이저광이 형광체에 입사될 때 형광체의 입사면에서 레이저광의 강도 분포는 편차가 적은 평탄한 분포를 갖게 된다. 이에 대하여 도 5를 참조하여 더 구체적으로 설명하면 다음과 같다.
도 5는 형광체의 입사면에서 레이저광의 강도 분포를 나타낸 그래프이다. 도 5에서 ①번 곡선은 가우시안 분포를 따라 형광체에 직접 입사되는 레이저광의 강도 분포를 나타낸 것이고, ②번 곡선은 반치폭을 벗어난 가장자리의 레이저광이 광로의 내측벽 반사면에 반사되어 형광체에 입사되는 강도를 나타낸 곡선이다. 형광체의 입사면에서의 레이저광의 강도 분포는 ①번 곡선과 ②번 곡선의 합이므로, 도 5에서 ③번 곡선과 같이 편차가 적은 평탄한 분포가 된다.
이와 같이 광로의 폭이 형광체의 입사면에서 레이저광의 반치폭으로 형성되면, 레이저광이 형광체에 입사될 때 형광체의 입사면에서 레이저광의 강도 분포는 편차가 적은 평탄한 분포를 갖게 된다.
형광체에 중심부의 강도가 강한 가우시안 분포를 갖는 레이저광이 입사되면, 형광체의 중심부와 가장자리 부분의 형광 효율이 달라지고 전체적으로 광효율이 감소하게 된다. 따라서, 본 발명의 빔 가이드를 적용하여 형광체의 입사면에서 도 5의 ③번 곡선과 같이 레이저광의 강도가 평탄하게 입사되므로 형광체에서 광효율이 향상되는 효과가 있다.
또한, 광로의 폭이 형광체의 입사면에서 레이저광의 반치폭으로 형성됨으로써, 형광체의 입사면에서 레이저광의 평탄한 강도 분포를 형성할 수 있는 빔 가이드의 길이를 최소화하여 소형화할 수 있는 장점이 있다.
도 3 및 도 4를 참조하면, 단파 통과 필터(SPF, Short Pass Filter)는 형광체의 입사면에 마련된다. 단파 통과 필터는 단파장을 갖는 빛을 통과시키고 장파장을 갖는 빛은 반사시키는 특징이 있다. 레이저광은 형광체에서 생성되는 형광에 비하여 단파장이므로, 단파 통과 필터는 레이저광은 통과시키나 형광체로부터 생성된 형광은 반사시키도록 마련된다.
레이저광을 흡수하여 형광체에서 생성되는 형광은 레이저광과 같은 방향으로 나아가는 것이 아니라 임의의 방향으로 흩어지는 성질을 갖는다. 형광체의 입사면에 마련되는 단파 통과 필터는 형광체에서 생성된 형광이 형광체의 입사면을 향하는 경우에 이를 반사하여 레이저광과 같은 방향으로 나아가게 함으로써, 레이저 광학모듈의 광효율을 향상시킬 수 있다.
구체적으로, 본 실시예에서 단파 통과 필터의 컷오프(cut-off)는 480~500 nm 사이의 값으로 마련되고, 레이저광은 청색광으로 약 450 nm, 형광체에서 생성되는 형광은 황색광으로 약 550 nm 파장을 갖는다. 따라서, 레이저광은 단파 통과 필터를 통과하며, 형광체에서 생성되는 형광은 단파 통과 필터에 반사된다.
한편, 단파 통과 필터는 광의 파장 뿐만 아니라 광의 입사각에 따라서도 투과율이 달라진다.
도 6은 단파 통과 필터의 투과율 특성을 나타낸 그래프이다.
도 6을 참조하면, 본 실시예에서와 같이 450 nm 파장을 갖는 레이저광을 단파 통과 필터로 입사시키는 경우 95% 이상의 투과율을 갖기 위해서는 입사각이 대략 30도보다 작아야 한다. 즉, 450 nm 파장을 갖는 레이저광이 단파 통과 필터의 투과율 95% 이상을 만족시키기 위한 최대 입사각은 약 30도이다.
레이저광이, 단파 통과 필터의 투과율 95% 이상을 만족시키기 위한 최대 입사각보다 큰 각도로 단파 통과 필터에 입사되는 경우에는 레이저광이 차단되어 광효율이 떨어진다. 따라서, 레이저광이 단파 통과 필터에 입사되는 각이 큰 경우에는, 빔 가이드의 광로의 시작 부분에 레이저광이 반사되어 단파 통과 필터에 입사되는 각이 작아지도록 일정 각도 경사진 경사부를 형성하여 광효율을 향상시킬 수 있다.
도 7은 레이저광의 반치폭이 25도 각도로 형성되는 경우 빔 가이드의 내부에서 레이저광의 반사 각도를 나타낸 도면이다.
도 7을 참조하면, 경사부가 없는 경우에는 반사면에 반사되어 단파 통과 필터에 입사되는 입사각이 최대 33.5도로 형성되나, 경사부가 형성되면 레이저광이 경사부에 반사되어 단파 통과 필터에 30도 이하로 입사되는 것을 알 수 있다. 따라서, 경사부는 레이저광의 반치폭에 따라, 레이저광이 광로의 내측벽에 반사되어 단파 통과 필터에 입사되는 입사각이 레이저광의 파장 대역에서 단파 통과 필터의 투과율 95% 이상을 만족시키는 최대 입사각보다 작게 형성되도록 일정 각도로 경사지게 형성될 수 있다.
도 8은 도 1의 빔 가이드의 사시도 및 평면도이고, 도 9는 빔 가이드의 제1 몸체부의 사시도이다.
도 8 및 도 9를 참조하면, 빔 가이드는, 제1 몸체부와, 제1 몸체부와의 사이에 광로를 형성하도록 제1 몸체부에 결합되는 제2 몸체부를 포함한다. 즉, 빔 가이드는 제1 몸체부와 제2 몸체부의 결합에 의하여 제작되며, 제1 몸체부와 제2 몸체부가 결합되는 경계면에서 광로가 형성된다.
빔 가이드를 제1 몸체부와 제2 몸체부로 나누어 제작함으로써 광로 및 반사면의 제작이 용이해지는 효과가 있다.
또한, 제1 몸체부 및 제2 몸체부는 상호 대칭 형상으로 마련된다. 이에 의하여 제1 몸체부 및 제2 몸체부의 상호 결합이 용이해지는 효과가 있다.
제1 몸체부는 제2 몸체부와 접하는 일면에 돌출되도록 마련되는 돌출 가이드가 형성되고, 제2 몸체부는 돌출 가이드와 대응되는 부분에 돌출 가이드가 삽입되는 삽입홈이 형성된다. 이에 의해서, 제1 몸체부와 제2 몸체부가 결합될 때 조립 작업을 용이하게 할 수 있다.
도 9를 참조하면 제1 몸체부에서 광로를 형성하는 면을 포함하여 반사면을 넓게 형성함으로써, 반사면의 가공이 용이해진다. 반사면은 알루미늄 증착으로 형성된다.
방열체는, 레이저 광원 및 빔 가이드가 안착되며 레이저 광원 및 빔 가이드에서 방출되는 열을 흡수한다.
이와 같이, 본 발명의 레이저 광학모듈에 의하면, 레이저광을 직접 사용하여 광효율을 향상시킬 수 있고, 간단한 구조로 소형화가 가능한 효과가 있다. 또한, 단파 통과 필터를 적용하여 광효율을 향상시킬 수 있는 효과가 있고, 빔 가이드를 분할하여 제작함으로써 제작 및 조립이 용이해지는 효과가 있다.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 수정, 변경 및 치환이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예 및 첨부된 도면들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예 및 첨부된 도면에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
1 : 레이저 광학모듈
100 : 레이저 광원
200 : 빔 가이드
210 : 제1 몸체부
211 : 돌출 가이드
220 : 제2 몸체부
230 : 광로
231 : 반사면
232 : 경사부
300 : 형광체
400 : 단파 통과 필터
500 : 방열체

Claims (12)

  1. 레이저광을 생성하는 레이저 광원;
    내부에 측벽이 반사면인 광로가 형성되어 상기 레이저광을 상기 광로로 도입하여 가이드하는 빔 가이드; 및
    상기 빔 가이드의 상기 광로가 끝나는 지점에 마련되며 상기 레이저광에 의하여 형광을 발하는 형광체를 포함하며,
    상기 광로의 폭은 상기 레이저광이 상기 형광체에 입사되는 위치에서 상기 레이저광의 반치폭(FWHM, Full Width at Half Maximum)에 따라 형성되며,
    상기 빔 가이드는 제1 몸체부와 상기 제1 몸체부와의 사이에 상기 광로를 형성하도록 상기 제1 몸체부에 결합되는 제2 몸체부를 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저 광학모듈.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 형광체의 입사면에 마련되는 단파 통과 필터(SPF,Short Pass Filter)를 더 포함하는 레이저 광학모듈.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 단파 통과 필터는 상기 레이저광은 통과시키나 상기 형광체로부터 생성된 형광은 반사시키는 것을 특징으로 하는 레이저 광학모듈.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 레이저광은 청색광이고 상기 형광체는 황색 형광체인 것을 특징으로 하는 레이저 광학모듈.
  5. 제2항에 있어서,
    상기 빔 가이드의 상기 광로의 시작 부분에는 상기 레이저광이 반사되어 상기 단파 통과 필터에 입사되는 각이 작아지도록 일정 각도 경사진 경사부가 형성되는 것을 특징으로 하는 레이저 광학모듈.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 경사부는,
    상기 레이저광이 상기 광로의 내측벽에 반사되어 상기 단파 통과 필터에 입사되는 입사각이 상기 레이저광의 파장 대역에서 상기 단파 통과 필터의 투과율 95% 이상을 만족시키는 최대 입사각보다 작게 형성되도록 일정 각도로 경사지는 것을 특징으로 하는 레이저 광학모듈.
  7. 삭제
  8. 제1항에 있어서,
    상기 제1 몸체부 및 상기 제2 몸체부는 상호 대칭 형상으로 마련되는 것을 특징으로 하는 레이저 광학모듈.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 제1 몸체부는 상기 제2 몸체부와 접하는 일면에 돌출되도록 마련되는 돌출 가이드가 형성되고,
    상기 제2 몸체부는 상기 돌출 가이드와 대응되는 부분에 상기 돌출 가이드가 삽입되는 삽입홈이 형성되는 것을 특징으로 하는 레이저 광학모듈.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 광로의 반사면은 알루미늄 증착으로 형성되는 것을 특징으로 하는 레이저 광학모듈.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 레이저 광원은 레이저 다이오드로 마련되는 것을 특징으로 하는 레이저 광학모듈.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 레이저 광원 및 상기 빔 가이드가 안착되며 상기 레이저 광원 및 상기 빔 가이드에서 방출되는 열을 흡수하는 방열체(heat sink)를 더 포함하는 레이저 광학모듈.
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