KR101621619B1 - 온도가 제어되는 레이저 다이오드 빔 합성 장치 및 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 온도가 제어되는 레이저 다이오드 빔 합성 장치를 공개한다. 이 장치는 유도 방출에 의해 복수개의 광을 방출하는 복수개의 레이저 다이오드; 상기 방출되는 복수개의 광을 인가받아 광의 각도를 변화시켜 동일한 초점에 수렴시키는 다중 렌즈; 상기 복수개의 레이저 다이오드의 온도 변화를 감지하고 전기적 신호로 변환하여 온도 데이터를 출력하는 써미스터; 및 상기 온도 데이터를 이용하여 상기 복수개의 레이저 다이오드에서 발생되는 열을 상기 외곽 케이스에 전달하여 냉각시키는 열전 냉각기;를 구비하고, 상기 외곽 케이스는 내부 표면이 흑체 구조로서, 상기 방출되는 복수개의 광의 반사를 방지하는 것을 특징으로 한다. 본 발명에 의할 경우, 복수 파장의 단면 발광 고출력 레이저 다이오드를 하나의 패키지에 실장하게 되어 의료 진단 기기의 크기를 획기적으로 줄일 수 있고, 열전 냉각기와 써미스터를 사용하여 안정적인 파장 및 광 출력을 가질 수 있게 된다. 또한, 광 의학 진단 분야에서 종래에 사용된 광섬유 패치 코드가 차지하던 부피 및 비용이 감소되고, 온도제어 구성이 간소화되어 파장 및 광 출력의 안정화로 다채널 광 분산 특성을 이용한 의료기기의 정밀도가 향상된다.
Description
본 발명은 레이저 다이오드의 빔 합성 장치 및 방법에 관한 것으로서, 특히 의료용 진단 기기가 여러 개의 파장을 사용하여 생체 조직 내에서 광의 파장 성분에 따라 상이한 흡수와 산란 특성을 분석하는 경우, 레이저 다이오드의 온도변화를 감지하고 자동 온도 제어함으로써 안정적인 파장 및 레이저 광을 출력할 수 있는 온도가 제어되는 레이저 다이오드 빔 합성 장치 및 방법에 관한 것이다.
최근에 광을 통하여 생체 조직을 비절개식으로 영상화 및 진단하는 기술이 지속적으로 발달되고 있다. 광을 이용한 영상화 및 진단하는 기술에 사용되는 광의 파장 범위는 가시광선과 근적외선 영역으로 600~1100 nm 대역이 주로 사용된다.
보통 생체 조직을 광이 통과할 때 흡수와 산란이 일어나게 되는데 동일한 생체조직을 통과하더라도 광의 파장 성분에 따라 흡수와 산란이 다르게 일어난다.
이에 따라 의료용 진단 기기는 이러한 정보를 바탕으로 정상적인 생체 조직과 비정상적인 생체조직을 구분하게 된다. 파장에 따른 생체조직 내의 광의 특성을 이용할 경우 파장에 의하여 산란 특성 변화 및 흡수율의 변화가 결정되기 때문에 파장 안정화와 광 출력 안정화 기술이 필수적이다.
광을 이용한 의료용 진단기기의 기술이 발전하면서 가시광선과 근적외선 영역의 레이저 다이오드의 기술도 같이 발전하여 현재는 20 mW 이상의 고출력 레이저까지 개발되어 있다.
하지만, 고출력의 레이저 다이오드는 온도에 따라 광 출력 파워의 변화와 중심 파장의 이동이 발생한다.
즉, 종래에는 의료용 진단 기기가 여러 개의 파장을 사용하여 생체 조직 내에서 광의 파장 성분에 따라 상이한 흡수와 산란 특성을 분석하는 경우, 각각의 레이저 다이오드 티오 패키지 형태의 광원을 각각의 광섬유를 통해 집광한 후 번들 형태의 광섬유를 이용하여 광을 모으는 형태였다.
이 경우 파장 안정화를 위한 온도제어 장치를 사용할 경우 각각의 광원에 적용시켜야 했기 때문에 부피가 커지고 회로 또한 복잡해지는 단점이 있으며 번들 형태의 광섬유의 크기 때문에 상용화에 어려움이 있고 활용 영역이 극히 제한적이었다.
도 1은 종래 기술에 따른 다채널 레이저 측정장치의 구성도로서, 복수개의 다파장 레이저 발생부(10), 복수개의 렌즈(20), 복수개의 광섬유 컨넥터(30), 복수 채널의 광섬유(40) 및 광 케이블(50)을 구비한다.
복수개의 레이저 발생부(10)는 각각 상이한 파장을 지닌 레이저 다이오드(11) 및 모니터 포토다이오드(12)를 구비한다.
도 1을 참조하여 종래 기술에 따른 다채널 레이저 측정장치의 동작을 설명하면 다음과 같다.
복수개의 레이저 발생부(10) 내 각 레이저 다이오드(11)는 소정의 파장 영역 내에서 지정되어진 각 파장대의 광을 유도 방출에 의해 방출한다.
복수개의 레이저 발생부(10) 내 모니터 포토다이오드(12)는 레이저 다이오드(11)에서 방출되는 광을 전기적 신호로 변환하여 출력하고, 레이저 다이오드(11)의 광 출력을 감시하여 광 출력을 일정하게 제어한다.
복수개의 렌즈(20) 각각은 각 레이저 다이오드(11)에서 방출되어지는 광을 인가받아, 복수개의 광섬유 컨넥터(30) 각각에 수렴하도록 광을 집광한다.
광섬유 컨넥터(30)에 입사된 레이저 광은 광섬유(40)를 통하여 번들 형태의 광케이블(50)으로 전달되고, 번들 형태의 광케이블(50)을 통과하여 나온 레이저 광은 피사체의 소정의 신체 부위로 조영된다.
그런데, 반도체 레이저 다이오드는 보통 온도에 따라 파장이 변하는 특성을 가지고 있다. 예를 들어, 가장 많이 사용되는 페브리페롯 레이저 다이오드와 DFB 레이저 다이오드를 살펴보면 온도가 1℃ 변할 때마다 중심 파장이 전자의 경우 1 nm씩 이동하고 후자의 경우 0.1 nm씩 이동하는 특성을 가진다.
더욱이 의료 진단 기기에 사용되는 고출력 레이저 다이오드의 경우 레이저 다이오드를 구동하기 위하여 많은 전류를 소비하게 되는데, 이 때문에 많은 열이 발생하여 중심 파장의 이동이 많이 발생하고 광 출력 파워가 감소하게 된다.
또한, 의료용 진단 기기의 경우 파장에 따른 생체조직 내에서 광학적 특성 변화를 검출하는 원리를 이용하게 되는데, 측정할 때 마다 파장이 다르면 진단의 오차를 발생하게 되는 문제점이 있었다.
또한, 현재 생체 조직에서의 광의 흡수와 산란 특성을 이용하여 암을 진단하는 의료용 광 진단기기에서는 파장에 따라 각각의 레이저 다이오드 티오 (TO)와 광섬유를 사용하는 관계로, 진단 기기의 크기도 클 뿐 아니라 유연성이 좋지 않아 다루기가 용이하지 않은 한계가 있었다.
또한, 파장 안정화를 위해 외부에 각각의 온도 제어 및 광 출력 제어 소자(예를 들어, 열전냉각기 등)가 불가피하게 필요하여 그 구성이 매우 복잡하고, 파장 및 광 출력 안정화를 이루기가 어려운 문제가 있었다.
본 발명의 목적은 반도체 레이저 다이오드의 온도변화를 감지하고 자동 온도 제어 기능을 이용하여 온도를 제어함으로써, 의료 진단 기기에 사용되는 고출력 레이저 다이오드를 구동하더라도 중심 파장이 안정되고 광 출력 파워를 일정하게 유지할 수 있는 온도가 제어되는 레이저 다이오드 빔 합성 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 상기 목적을 달성하기 위한 온도가 제어되는 레이저 다이오드 빔 합성 장치의 빔 합성 방법을 제공하는데 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 온도가 제어되는 레이저 다이오드 빔 합성 장치는 유도 방출에 의해 복수개의 광을 방출하는 복수개의 레이저 다이오드; 상기 방출되는 복수개의 광을 인가받아 광의 각도를 변화시켜 동일한 초점에 수렴시키는 다중 렌즈; 상기 복수개의 레이저 다이오드의 온도 변화를 감지하고 전기적 신호로 변환하여 온도 데이터를 출력하는 써미스터; 및 상기 온도 데이터를 이용하여 상기 복수개의 레이저 다이오드에서 발생되는 열을 상기 외곽 케이스에 전달하여 냉각시키는 열전 냉각기;를 구비하고, 상기 외곽 케이스는 내부 표면이 흑체 구조로서, 상기 방출되는 복수개의 광의 반사를 방지하는 것을 특징으로 한다.
여기에서, 상기 레이저 다이오드 빔 합성 장치는, 상기 방출되는 복수개의 광을 각각 감지하고 전기적 신호로 변환하여 광 출력 신호를 출력하는 복수개의 모니터 포토다이오드; 및 삼각 기둥 형태로서 빗면에 상기 복수개의 모니터 포토다이오드 각각이 장착되어 상기 복수개의 모니터 포토다이오드를 통해 흡수되지 못한 광이 반사되어 상기 복수개의 레이저 다이오드로 다시 입사되는 것을 방지하는 포토다이오드 블록을 더 구비하고, 상기 광 출력 신호는 리드선을 통하여 제어부로 전달되어, 상기 제어부를 통하여 상기 복수개의 레이저 다이오드의 광 출력이 일정하게 유지되도록 자동으로 파워가 조절될 수 있다.
또한, 상기 제어부는, 상기 열전 냉각기의 기준 온도를 설정하는 열전 냉각기 기준 온도 설정부; 및 상기 온도 데이터 및 상기 설정된 열전 냉각기의 기준 온도를 인가받아 오차를 계산하여 열전 냉각기 제어 신호를 출력하는 PID 제어회로를 포함하고, 상기 열전 냉각기는 상기 열전 냉각기 제어 신호에 응답하여 상기 복수개의 레이저 다이오드에서 발생되는 열을 상기 외곽 케이스에 전달할 수 있다.
상기 외곽 케이스는 외부 표면 하부에 방열판이 부착되어 상기 외곽 케이스에 전달된 열이 방출될 수 있다.
상기 다른 목적을 달성하기 위한 본 발명의 온도가 제어되는 레이저 다이오드 빔 합성 방법은 (a) 복수개의 레이저 다이오드가 유도 방출에 의해 복수개의 광을 방출하는 단계; (b) 다중 렌즈가 상기 방출되는 복수개의 광을 인가받아 광의 각도를 변화시켜 동일한 초점에 수렴시키는 단계; (c) 써미스터가 상기 복수개의 레이저 다이오드의 온도 변화를 감지하고 전기적 신호로 변환하여 온도 데이터를 출력하는 단계; 및 (d) 열전 냉각기가 상기 온도 데이터를 이용하여 상기 복수개의 레이저 다이오드에서 발생되는 열을 상기 외곽 케이스에 전달하여 냉각시키는 단계;를 포함하고, 상기 외곽 케이스는 내부 표면이 흑체 구조로서, 상기 방출되는 복수개의 광의 반사를 방지하는 것을 특징으로 한다.
상기 레이저 다이오드 빔 합성 방법은 복수개의 모니터 포토다이오드가 상기 방출되는 복수개의 광을 각각 감지하고 전기적 신호로 변환하여 광 출력 신호를 출력하는 단계를 더 포함할 수 있으며, 제어부가 상기 광 출력 신호를 인가받아 자동으로 파워를 조절하여 상기 복수개의 레이저 다이오드의 광 출력을 일정하게 유지하는 단계를 더 포함할 수도 있다.
상기 (d) 단계는, 열전 냉각기 기준 온도 설정부가 상기 열전 냉각기의 기준 온도를 설정하는 단계; PID 제어회로가 상기 온도 데이터 및 상기 설정된 열전 냉각기의 기준 온도를 인가받아 오차를 계산하여 열전 냉각기 제어 신호를 출력하는 단계; 및 상기 열전 냉각기가 상기 열전 냉각기 제어 신호에 응답하여 상기 복수개의 레이저 다이오드에서 발생되는 열을 상기 외곽 케이스에 전달하는 단계를 포함할 수 있으며, 상기 외곽 케이스 외부 표면 하부에 부착된 방열판을 통해 상기 외곽 케이스에 전달된 열이 방출되는 단계를 더 포함할 수도 있다.
본 발명에 의할 경우, 복수 파장의 단면 발광 고출력 레이저 다이오드를 하나의 패키지에 실장하게 되어 의료 진단 기기의 크기를 획기적으로 줄일 수 있고, 열전 냉각기와 써미스터를 사용하여 안정적인 파장 및 광 출력을 가질 수 있게 된다.
또한, 광 의학 진단 분야에서 종래에 사용된 광섬유 패치 코드가 차지하던 부피 및 비용이 감소되고, 온도제어 구성이 간소화되어 파장 및 광 출력의 안정화로 다채널 광 분산 특성을 이용한 의료기기의 정밀도가 향상된다.
도 1은 종래 기술에 따른 다채널 레이저 측정장치의 구성도이다.
도 2는 본 발명에 따라 온도가 제어되는 레이저 다이오드 빔 합성 장치의 외부 사시도이다.
도 3은 도 2에 도시된 레이저 다이오드 빔 합성 장치의 내부 분해 사시도이다.
도 4는 도 2에 도시된 레이저 다이오드 빔 합성 장치의 정면도, 측면도, 평면도 및 후면도이다.
도 5는 도 2에 도시된 레이저 다이오드 빔 합성 장치의 조립 과정을 나타내는 도면이다.
도 6은 도 2에 도시된 레이저 다이오드 빔 합성 장치의 자동 온도 제어 동작을 나타내는 블록도이다.
도 7은 본 발명에 따라 온도가 제어되는 레이저 다이오드 빔 합성 방법의 동작을 나타내는 순서도이다.
도 8은 도 7에 도시된 레이저 다이오드 빔 합성 방법 중 단계(S150)의 세부 동작을 나타내는 순서도이다.
도 2는 본 발명에 따라 온도가 제어되는 레이저 다이오드 빔 합성 장치의 외부 사시도이다.
도 3은 도 2에 도시된 레이저 다이오드 빔 합성 장치의 내부 분해 사시도이다.
도 4는 도 2에 도시된 레이저 다이오드 빔 합성 장치의 정면도, 측면도, 평면도 및 후면도이다.
도 5는 도 2에 도시된 레이저 다이오드 빔 합성 장치의 조립 과정을 나타내는 도면이다.
도 6은 도 2에 도시된 레이저 다이오드 빔 합성 장치의 자동 온도 제어 동작을 나타내는 블록도이다.
도 7은 본 발명에 따라 온도가 제어되는 레이저 다이오드 빔 합성 방법의 동작을 나타내는 순서도이다.
도 8은 도 7에 도시된 레이저 다이오드 빔 합성 방법 중 단계(S150)의 세부 동작을 나타내는 순서도이다.
이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 온도가 제어되는 레이저 다이오드 빔 합성 장치 및 방법을 설명하면 다음과 같다.
도 2는 본 발명에 따라 온도가 제어되는 레이저 다이오드 빔 합성 장치의 외부 사시도이다.
도 3은 도 2에 도시된 레이저 다이오드 빔 합성 장치의 기본 구성의 내부 분해 사시도이다.
도 4는 도 2에 도시된 레이저 다이오드 빔 합성 장치의 정면도(a), 평면도(b), 측면도(c) 및 후면도(d)이다.
도 5는 도 2에 도시된 레이저 다이오드 빔 합성 장치의 기본 구성을 조립하는 과정을 나타내는 도면이다.
도 6은 도 2에 도시된 레이저 다이오드 빔 합성 장치의 자동 온도 제어 동작을 나타내는 블록도이다.
도 3을 참조하면, 본 발명에 따른 온도가 제어되는 레이저 다이오드 빔 합성 장치의 기본 구성은 다파장 레이저 발생부(100), 모니터링부(200), 온도 제어부(300), 절연체(400), 외곽 케이스(500) 및 리드선(600)를 구비한다.
레이저 발생부(100)는 상이한 파장을 지닌 레이저 다이오드(110), 서브 마운트(120) 및 이중 렌즈(130)을 구비하고, 모니터링부(200)는 모니터 포토다이오드(210) 및 포토다이오드 블록(220)을 구비하며, 온도 제어부(300)는 써미스터(310) 및 열전 냉각기(330)를 구비한다.
도 3을 참조하여 본 발명에 따른 온도가 제어되는 레이저 다이오드 빔 합성 장치 기본 구성의 각 구성요소의 기능을 설명하면 다음과 같다.
레이저 다이오드(110)는 서브 마운트(120)에 부착되어 소정의 파장 영역 내에서 지정되어진 각 파장대의 광을 방출하는 소자로서, 유도 방출에 의해 코이런트한 광을 방출한다.
상기 소정의 파장 영역은 의료용 진단 기기에 주로 사용되는 가시광선과 근적외선 영역인 600~1100nm 영역을 의미한다.
또한, 본 발명의 레이저 다이오드(110)는 의료용 진단 기기에 사용되는 단면발광 구조로서, 최소 20 mW 이상의 고출력 파워로 동작하며, 인가되는 전류를 조절하여 광 출력의 크기를 조절할 수 있도록 밴드폭(Bandwidth)이 1 GHz 이상인 사양이 요구된다. 또한, 레이저 다이오드(110)의 개수는 서브 마운트(120)의 사이즈 및 리드선(600)의 수에 비례하여 증가시킬 수 있다.
이중 렌즈(130)는 인접한 두 개의 레이저 다이오드(110)에서 방출되어지는 광을 인가받아 광의 각도를 변화시켜 동일한 초점으로 수렴하도록 집광한다.
본 실시예에서는 이중 렌즈(130)를 두 개로 예시하여 도시하였으나, 그 이상으로 구성된 다중 렌즈로 구성할 수 있음은 당연하다.
모니터 포토다이오드(210)는 레이저 다이오드(110)의 출력을 측정하기 위한 광전 변환 소자로서, 레이저 다이오드(110)에서 방출되는 광을 감지하여 전기적 신호로 변환하여 광 출력 신호를 출력한다.
모니터 포토다이오드(210)의 수광 파장 영역은 600~1100 nm이며, 레이저 다이오드(110)의 광 출력을 감시하고 광 출력 신호를 외부의 제어부(미도시)에 출력하여 레이저 다이오드(110)의 자동 파워 제어(Automatic Power control) 기능을 구현하는 데 사용된다.
즉, 상기 광 출력 신호는 리드선(600)을 통하여 제어부로 전달되고, 제어부는 레이저 다이오드(110)의 광 출력이 일정하게 유지되도록 자동으로 파워 조절을 수행한다.
포토다이오드 블록(220)은 삼각 기둥 형태의 블록으로서 빗면에 모니터 포토다이오드(210)가 장착되는데, 이는 모니터 포토다이오드(210)가 레이저 다이오드(110)와 수직으로 위치할 경우 모니터 포토다이오드(210)에서 반사된 광이 레이저 다이오드(110)의 내부에 다시 입사되어 오동작이 발생되는 것을 방지하기 위함이다.
써미스터(310)는 온도에 따라 내부 저항이 변화하는 온도 센서로서, 레이저 다이오드(110)가 고출력으로 구동하면서 야기되는 장치 내부의 온도 변화를 감지하여 전기적 신호로 변환하여 온도 데이터를 리드선(600)을 통하여 출력한다.
상기 온도 데이터는 리드선(600)을 통하여 외부의 제어부로 전달되고, 제어부는 PID(Proportional-Integral-Derivative) 제어회로(313) 및 열전 냉각기 구동회로(314)를 통하여 자동 온도 제어(Automatic Temperature Control)를 수행한다.
즉, 도 6에서 보는 바와 같이, 기준전압 발생부(311)는 외부전압을 인가받아 안정된 기준전압을 발생하여 고정저항(R)을 통해 전압 강하시킨다.
PID 제어회로(313)는 써미스터(310)에서 출력된 온도 데이터와 고정저항(R)에서 전압 강하된 기준 전압과의 전압분배 값을 인가받고, 열전 냉각기 기준 온도 설정부(311)로부터 설정된 기준 온도를 인가받아 오차를 계산하여 열전 냉각기 제어 신호를 출력한다.
열전 냉각기 구동회로(314)는 PID 제어회로(313)로부터 열전 냉각기 제어 신호를 인가받아 신호에 응답하여 열전 냉각기(330)를 구동하는 열전 냉각기 구동 신호를 출력한다.
열전 냉각기(330)는 열전 냉각기 구동회로(314)로부터의 열전 냉각기 구동 신호에 응답하여 다음과 같이 동작한다.
열전 냉각기(Thermoelectric Cooler, TEC, 330)는 펠티에 효과(Peltier effect)를 이용하여 전류의 방향에 따라 발열 또는 냉각을 하는 전기적 소자로서, 열전 냉각기 구동회로(314)로부터의 열전 냉각기 제어 신호에 응답하여 작동되어, 레이저 다이오드(110)에서 발생되는 열을 냉각하거나 외부 온도가 변하더라도 레이저 다이오드(110)가 일정한 온도로 구동되어 온도의 변화에 따른 파장 및 광 출력을 변동 없이 안정적으로 유지하는 역할을 한다.
여기에서, 펠티에 효과라 함은 열전 냉각기(330) 내 폐회로의 n극에 직류 전기를 인가하면, 전류의 반대 방향으로 전도 전자가 이동하고, 주위로부터 열에너지를 흡수한 전자가 금속 또는 반도체 접점에서 반도체 내부로 이동하여, (-)로 대전된 접점에서 흡열이 일어나고 (+)로 대전된 접점에서는 전자의 열에너지 방출이 일어나는 현상을 의미한다.
절연체(400)는 유리 재질로 구성되어, 리드선(600) 간의 단락을 방지하고, 외곽 케이스(500) 와 내부 부품간을 절연시킨다.
외곽 케이스(500)는 다파장 레이저 발생부(100), 모니터링부(200), 온도 제어부(300) 및 절연체(400)를 커버한다.
이때, 외곽 케이스(500)의 내부 표면은 레이저 다이오드(110)에서 방출되는 광의 반사를 방지하기 위해 흑체 구조를 가지며, 외부 표면 하부에 방열판(Heat sink)이 부착되어 레이저 다이오드 빔 합성 장치에서 발생하는 열을 방출시킨다.
이와 같이 구성되어 동작하는 도 3의 다이오드 빔 합성 장치의 기본 구성은 도 5 에 도시된 바와 같이 상하로 조립되어 도 2 및 도 4와 같이 구성된다.
도 7은 본 발명에 따른 온도가 제어되는 레이저 다이오드 빔 합성 방법의 동작을 나타내는 순서도이다.
도 8은 도 7에 도시된 레이저 다이오드 빔 합성 방법 중 단계(S150)의 세부 동작을 나타내는 순서도이다.
도 2 내지 도 8을 참조하여 본 발명에 따른 온도가 제어되는 레이저 다이오드 빔 합성 방법의 일 실시예의 동작을 설명하면 다음과 같다.
먼저, 본 실시예에서는 도면을 참조하여 이해의 편의를 돕기 위하여 제1 및 제2 레이저 다이오드(111, 112)에서 방출되는 광이 각각 제1 이중 렌즈의 좌우 렌즈(131, 132)에 인가되고, 제3 레이저 다이오드(미도시)에서 방출되는 광이 제2 이중 렌즈의 좌측 렌즈(133)에 인가되는 일례를 들어 설명한다.
도 2에서 보는 바와 같이, 제1 내지 제3 레이저 다이오드가 유도 방출에 의해 각각 코히런트한 광을 방출하면(S110), 제1 이중 렌즈의 좌우 렌즈(131, 132) 및 제2 이중 렌즈의 좌측 렌즈(133)는 각각 레이저 다이오드에서 방출되어지는 3개의 광을 인가받아 동일한 하나의 초점으로 수렴하도록 광의 각도를 변화시켜 집광한다(S120).
동시에 모니터 포토다이오드(210)는 레이저 다이오드(110)에서 방출되는 광을 전기적 신호로 변환하여 광 출력 신호를 출력하고(S130), 레이저 다이오드(110)의 광 출력을 감시하여 광 출력을 일정하게 제어하는 자동 파워 조절 기능을 수행한다.
이와 같은 모니터 포토다이오드(210)는 삼각 기둥 형태의 포토다이오드 블록(220) 빗면에 장착되어, 모니터 포토다이오드(210)를 통해 흡수되지 못하고 반사된 광이 레이저 다이오드(110)로 다시 입사되는 것을 방지하여 오동작이 발생하는 것을 미연에 방지한다.
본 발명에 사용되는 레이저 다이오드(110)는 의료 진단 기기에 사용되는 고출력 레이저 다이오드로서, 소비 전력이 높아 많은 열이 발생하게 된다.
써미스터(310)는 레이저 다이오드(110)가 고출력으로 구동하면서 야기되는 장치 내부의 온도 변화를 감지하여 전기적 신호로 변환하여 온도 데이터를 출력하면(S140), 열전 냉각기(330)는 써미스터(310)로부터 온도 데이터를 인가받아 펠티에 효과에 의하여 레이저 다이오드(110)에서 발생되는 열을 냉각시킨다(S150).
즉, 기준전압 발생부(311)가 외부전압을 인가받아 안정된 기준전압을 발생하여(S151) 고정저항(R)을 통해 전압 강하시키면(S152), PID 제어회로(313)는 써미스터(310)에서 출력된 온도 데이터와 상기 전압 강하된 기준 전압과의 전압분배 값을 인가받는다.
동시에, 열전 냉각기 기준 온도 설정부(311)로부터 설정된 기준 온도(S153)를 인가받아 상기 전압분배된 온도 데이터 값과의 오차를 계산하여 열전 냉각기 제어 신호를 출력한다(S154).
열전 냉각기 구동회로(314)는 상기 열전 냉각기 제어 신호에 응답하여 열전 냉각기(330)를 구동하는 열전 냉각기 구동 신호를 출력하고(S155), 열전 냉각기(330)는 상기 열전 냉각기 구동 신호에 응답하여 다음과 같은 내부 동작을 한다.
열전 냉각기(330) 내에 구비된 폐회로의 n극에 열전 냉각기 구동회로(314)로부터의 열전 냉각기 구동 신호인 직류 전기를 인가받으면, 전류의 반대 방향으로 전도 전자가 이동하고, 레이저 다이오드(110)로부터 열에너지를 흡수한 전자가 금속 또는 반도체 접점에서 반도체 내부로 이동한다.
그 후에, (-)로 대전된 접점에서 레이저 다이오드(110)로부터 열에너지로부터의 흡열이 일어나고 (+)로 대전된 접점에서는 전자의 열에너지가 방출되어 외곽 케이스(500)에 전달된다(S156).
외곽 케이스(500)에 전달된 열에너지는 외곽 케이스(500)의 외부 표면 하부에 부착된 방열판(Heat sink)을 통하여 레이저 다이오드 빔 합성 장치 외부로 열을 방출시킨다(S160).
이를 통하여 자동 온도 제어 기능을 수행함으로써, 소비 전력이 높아 많은 열이 발생하는 고출력 레이저 다이오드를 구동하더라도 중심 파장의 이동 없이 안정되고, 광 출력 파워가 감소되는 것 없이 일정하게 유지되게 된다.
한편, 외곽 케이스(500)의 내부 표면은 흑체 구조로 구성되어, 레이저 다이오드(110)에서 방출되는 광 중에서 모니터 포토다이오드(210)를 통해 흡수되지 못한 광이 외곽 케이스(500)의 내부 표면을 통해 반사되어 레이저 다이오드(110)로 다시 입사되는 것을 방지한다.
이와 같이, 본 발명에 따른 온도가 제어되는 레이저 다이오드 빔 합성 장치 및 방법은 반도체 레이저 다이오드의 온도변화를 감지하고 자동 온도 제어 기능을 이용하여 온도를 제어함으로써, 의료 진단 기기에 사용되는 고출력 레이저 다이오드를 구동하더라도 중심 파장이 안정되고 광 출력 파워를 일정하게 유지할 수 있다.
또한, 복수 파장의 단면 발광 고출력 레이저 다이오드를 하나의 패키지에 실장하게 되어 의료 진단 기기의 크기를 획기적으로 줄일 수 있고, 열전 냉각기와 써미스터를 사용하여 안정적인 파장 및 광 출력을 가질 수 있게 된다.
또한, 광 의학 진단 분야에서 종래에 사용된 광섬유 패치 코드가 차지하던 부피 및 비용이 감소되고, 온도제어 구성이 간소화되어 파장 및 광 출력의 안정화로 다채널 광 분산 특성을 이용한 의료기기의 정밀도가 향상된다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시 예를 참조하여 설명하였지만, 당 업계에서 통상의 지식을 가진 자라면 이하의 특허 청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역을 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
100: 다파장 레이저 발생부
110: 레이저 다이오드
120: 서브 마운트
130: 이중 렌즈
200: 모니터링부
210: 모니터 포토다이오드
220: 포토다이오드 블록
300: 온도 제어부
310: 써미스터
330: 열전 냉각기
400: 절연체
500: 외곽 케이스
600: 리드선
110: 레이저 다이오드
120: 서브 마운트
130: 이중 렌즈
200: 모니터링부
210: 모니터 포토다이오드
220: 포토다이오드 블록
300: 온도 제어부
310: 써미스터
330: 열전 냉각기
400: 절연체
500: 외곽 케이스
600: 리드선
Claims (10)
- 유도 방출에 의해 복수개의 광을 방출하는 복수개의 레이저 다이오드;
상기 방출되는 복수개의 광을 인가받아 광의 각도를 변화시켜 동일한 초점에 수렴시키는 다중 렌즈;
상기 복수개의 레이저 다이오드의 온도 변화를 감지하고 전기적 신호로 변환하여 온도 데이터를 출력하는 써미스터; 및
상기 온도 데이터를 이용하여 상기 복수개의 레이저 다이오드에서 발생되는 열을 외곽 케이스에 전달하여 냉각시키는 열전 냉각기;
를 구비하고,
상기 외곽 케이스는 내부 표면이 흑체 구조로서, 상기 방출되는 복수개의 광의 반사를 방지하되,
상기 레이저 다이오드 빔 합성 장치는,
상기 방출되는 복수개의 광을 각각 감지하고 전기적 신호로 변환하여 광 출력 신호를 출력하는 복수개의 모니터 포토다이오드; 및
삼각 기둥 형태로서 빗면에 상기 복수개의 모니터 포토다이오드 각각이 장착되어 상기 복수개의 모니터 포토다이오드를 통해 흡수되지 못한 광이 반사되어 상기 복수개의 레이저 다이오드로 다시 입사되는 것을 방지하는 포토다이오드 블록;
을 더 구비하고,
상기 광 출력 신호는 리드선을 통하여 제어부로 전달되어, 상기 제어부를 통하여 상기 복수개의 레이저 다이오드의 광 출력이 일정하게 유지되도록 자동으로 파워가 조절되는 것을 특징으로 하는,
온도가 제어되는 레이저 다이오드 빔 합성 장치.
- 삭제
- 제 1 항에 있어서,
상기 레이저 다이오드 빔 합성 장치는 제어부를 더 포함하며,
상기 제어부는,
상기 열전 냉각기의 기준 온도를 설정하는 열전 냉각기 기준 온도 설정부; 및
상기 온도 데이터 및 상기 설정된 열전 냉각기의 기준 온도를 인가받아 오차를 계산하여 열전 냉각기 제어 신호를 출력하는 PID 제어회로;
를 포함하고,
상기 열전 냉각기는 상기 열전 냉각기 제어 신호에 응답하여 상기 복수개의 레이저 다이오드에서 발생되는 열을 상기 외곽 케이스에 전달하는 것을 특징으로 하는,
온도가 제어되는 레이저 다이오드 빔 합성 장치.
- 제 1 항에 있어서,
상기 외곽 케이스는
외부 표면 하부에 방열판이 부착되어 상기 외곽 케이스에 전달된 열이 방출되는 것을 특징으로 하는,
온도가 제어되는 레이저 다이오드 빔 합성 장치.
- (a) 복수개의 레이저 다이오드가 유도 방출에 의해 복수개의 광을 방출하는 단계;
(b) 다중 렌즈가 상기 방출되는 복수개의 광을 인가받아 광의 각도를 변화시켜 동일한 초점에 수렴시키는 단계;
(c) 써미스터가 상기 복수개의 레이저 다이오드의 온도 변화를 감지하고 전기적 신호로 변환하여 온도 데이터를 출력하는 단계; 및
(d) 열전 냉각기가 상기 온도 데이터를 이용하여 상기 복수개의 레이저 다이오드에서 발생되는 열을 외곽 케이스에 전달하여 냉각시키는 단계;
를 포함하고,
상기 외곽 케이스는 내부 표면이 흑체 구조로서, 상기 방출되는 복수개의 광의 반사를 방지하되,
상기 레이저 다이오드 빔 합성 방법은
복수개의 모니터 포토다이오드가 상기 방출되는 복수개의 광을 각각 감지하고 전기적 신호로 변환하여 광 출력 신호를 출력하는 단계;
를 더 포함하고,
상기 복수개의 모니터 포토다이오드는,
삼각 기둥 형태의 포토다이오드 블록 빗면에 장착되어, 상기 복수개의 모니터 포토다이오드를 통해 흡수되지 못한 광이 반사되어 상기 복수개의 레이저 다이오드로 다시 입사되는 것이 방지되는 것을 특징으로 하는,
온도가 제어되는 레이저 다이오드 빔 합성 방법.
- 삭제
- 제 5 항에 있어서,
상기 레이저 다이오드 빔 합성 방법은
제어부가 상기 광 출력 신호를 인가받아 자동으로 파워를 조절하여 상기 복수개의 레이저 다이오드의 광 출력을 일정하게 유지하는 단계;
를 더 포함하는 것을 특징으로 하는,
온도가 제어되는 레이저 다이오드 빔 합성 방법.
- 삭제
- 제 5 항에 있어서,
상기 (d) 단계는
열전 냉각기 기준 온도 설정부가 상기 열전 냉각기의 기준 온도를 설정하는 단계;
PID 제어회로가 상기 온도 데이터 및 상기 설정된 열전 냉각기의 기준 온도를 인가받아 오차를 계산하여 열전 냉각기 제어 신호를 출력하는 단계; 및
상기 열전 냉각기가 상기 열전 냉각기 제어 신호에 응답하여 상기 복수개의 레이저 다이오드에서 발생되는 열을 상기 외곽 케이스에 전달하는 단계;
를 포함하는 것을 특징으로 하는,
온도가 제어되는 레이저 다이오드 빔 합성 방법.
- 제 9 항에 있어서,
상기 (d) 단계는
상기 외곽 케이스 외부 표면 하부에 부착된 방열판을 통해 상기 외곽 케이스에 전달된 열이 방출되는 단계;
를 더 포함하는 것을 특징으로 하는,
온도가 제어되는 레이저 다이오드 빔 합성 방법.
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