KR101874067B1 - 집광 장치 - Google Patents

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이훈영
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Abstract

본 발명은 집광 장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 발광 소자에서 생성되는 광의 확산각을 좁히는 광학 부재 및 렌즈 유닛을 갖는 집광 장치에 관한 것이다.

Description

집광 장치{LIGHTING APPARATUS}
본 발명은 집광 장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 발광 소자에서 생성되는 광의 확산각을 좁히는 광학 부재 및 렌즈 유닛을 갖는 집광 장치에 관한 것이다.
노광을 통해 각종 공정을 수행하는 노광 장치의 광원 장치로, 과거에는 도 1 과 같이 아크램프를 사용하였으며, 최근에는 발광 소자로서 LED 를 사용하고 있다. 이러한 발광 소자에서 생성되는 빛는 통상 소정의 확산각을 갖는다. 따라서, 확산각을 좁혀서 피 대상물에 노광되는 광량을 증가시키기 위해 다양한 집광 장치가 개발되었다.
그러나, 발광 소자에서 집광 장치로 빛이 전달될 때 반사광이 발생하기도 하며, 의도하는 범위 내로 확산각을 정확히 제한하지 못하여 집광효과가 없는 문제점이 여전히 상존한다.
예컨대, 도 1 은 종래 기술에 따른 집광 장치 및 그에 따른 집광상의 문제점을 나타낸 것이다. 집광 장치의 소정의 초점 지점에 생성된 광 F 의 경우, 집광 장치의 각 지점에서 반사되어 생성된 광 a, b, c 이 광 경로 상의 후방에 위치한 소정의 부재에 입사할 때 한 지점에 입사할 수 있다. 반면에, 그러하지 아니한 광 X 의 경우에는 각각 A 위치, B 위치, C 위치에 입사하며, 따라서 광 효율 면에서 불리하게 된다.
등록특허 10-1262302 호
본 발명의 기술적 과제는, LED 에서 생성되는 광의 확산각을 좁혀 집광효율을 높이는 광학 부재 및 렌즈 유닛을 갖는 집광 장치를 제공하는 데 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 집광 장치는, 하나 이상의 광학 모듈을 포함하되, 상기 각각의 광학 모듈은, 빛을 생성하는 발광 소자; 상기 발광 소자에서 생성되는 빛의 광 경로 상에 배치되는 렌즈 유닛; 및 상기 발광 소자와 상기 렌즈 사이에 배치되며, 상기 발광 소자에서 생성되는 빛의 광 경로 상에 위치하되, 상기 발광 소자에서 생성되는 빛의 확산각을 축소하는 광학 부재;를 포함한다.
바람직하게는, 상기 렌즈 유닛은, 상기 발광 소자가 위치한 방향으로부터 순차적으로 배치되며 서로 소정의 간격을 갖고 이격된 복수 개의 렌즈를 포함하며, 상기 렌즈는, 동일 중심을 가지도록 일렬로 배치되되 각각 비구면부, 및 구면부를 포함한다.
바람직하게는, 상기 렌즈 유닛은, 상기 발광 소자가 위치한 방향으로부터 순차적으로 배치되며 서로 소정의 간격을 갖고 이격된 제1 렌즈, 제2 렌즈, 및 제3 렌즈를 포함하며, 상기 제1 렌즈, 제2 렌즈, 및 제3 렌즈는 상기 발광 소자가 위치한 방향으로 배치되는 비구면부, 및 반대 방향에 위치한 구면부를 포함한다.
바람직하게는, 상기 제1 렌즈, 제2 렌즈, 및 제3 렌즈는, 곡률 반경이 순차적으로 커지고 비구면 계수의 절대값이 순차적으로 작아지게 구성되며, 상기 제1 렌즈와 제2 렌즈 사이의 거리는 상기 제2 렌즈와 제3 렌즈 사이의 거리보다 크게 구성된다.
바람직하게는, 상기 광학 부재는, 상기 발광 소자에서 발산되는 광을 집광하는 합성 포물면 집광 부재(compound parabolic concentrator : CPC)로 구성된다.
바람직하게는, 상기 합성 포물면 집광 부재는, 상기 발광 소자와 면하는 제1 면, 및 상기 렌즈 유닛과 면하는 제2 면을 갖되, 상기 제1 면의 면적은 상기 발광 소자의 발광 면적 이상의 면적을 갖고, 상기 제2 면은 상기 렌즈 유닛의 전면부와 밀착하게 구성된다.
바람직하게는, 상기 집광 장치는, 상기 광학 모듈이 복수 개 실장되는 기판부; 및 상기 광학 모듈의 광 경로 후방에 배치되어 상기 광학 모듈에서 생성된 광이 입사하는 셔터;를 더 포함하며, 상기 복수 개의 광학 모듈 중 적어도 하나는, 광 경로 상으로 상기 렌즈 유닛의 후방에 배치되어 상기 렌즈 유닛을 통과한 광을 굴절시켜서 상기 셔터로 입사시키는 광 굴절 부재;를 더 포함한다.
바람직하게는, 상기 광 굴절 부재는, 직각 삼각형 형상을 갖는 삼각 프리즘으로 구성되되, 상기 삼각 프리즘은, 광 경로 상으로 전방에 배치되어 상기 렌즈 유닛을 통과한 광이 입사하며 광축에 대해 직교하는 입사면, 및 광 경로 상으로 후방에 배치되며 광이 방출되는 출사면을 가지며, 상기 광축에 대한 출사면의 기울임 각 c 는 아래 식에 의해서 결정된다.
c = 90 - tan -1{sin (θ)/(N - cos (θ))
tan (θ) = T/S
(S : 광학 모듈과 셔터 부재 사이의 수평 거리,
T : 광학 모듈과 셔터 부재 사이의 수직 거리)
본 발명에 따라서, 발광 소자에서 생성된 광이 광학 부재 및 렌즈 유닛을 지나면서 발산각이 작아지며 중심에 위치하는 광축에 집적될 수 있다. 따라서, 본 발명에 따른 광학 모듈을 노광기 등에 사용할 경우 저 전력으로 노광시킬 수 있어 노광 효율을 개선시킬 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 광학 모듈을 포함한 집광 장치는 광 굴절 부재를 포함함으로써, 평판 형태의 기판부 상에 복수 개의 광학 모듈이 설치될 경우에도 복수 개의 광학 모듈에서 생성된 광을 셔터 부재에 효과적으로 입사시킬 수 있다.
도 1은 종래 기술에 의한 노광 장치의 집광 수단의 구조를 도시한 도면이다.
도 2 는 본 발명에 따른 집광 장치의 광학 모듈의 구조를 도시한 도면이다.
도 3 은 본 발명에 따른 집광 장치의 광학 모듈을 구성하는 발광 소자와 광학 부재의 구조를 도시한 도면이다.
도 4 는 본 발명에 따른 집광 장치의 광학 부재의 구조를 도시한 도면이다.
도 5 는 본 발명의 일 실시예에 따른 렌즈 유닛의 구조를 도시한 도면이다.
도 6 은 본 발명의 일 실시예에 따른 집광 장치의 구조를 도시한 도면이다.
도 7 은 본 발명의 일 실시예에 따른 집광 장치의 구조를 도시한 도면이다.
도 8 은 본 발명의 일 실시예에 따른 광 굴절 부재의 구조를 도시한 도면이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여, 본 발명에 따른 바람직한 실시예에 대하여 설명한다. 본 실시예는 예시적인 것으로 어떤 식으로든 본 발명을 제한하는 것은 아니다.
도 2 를 참조하면, 본 발명에 따른 집광장치는, 하나 이상의 광학 모듈을 포함하되, 상기 각각의 광학 모듈은, 발광 소자(100); 광학 부재(200), 및 렌즈 유닛(300)을 포함하여 구성될 수 있다.
먼저, 발광 소자(100)는 소정의 파장 및 확산각을 갖는 빛을 생성하는 LED 소자일 수 있다. 이때, 상기 발광 소자(100)는 소정의 면적을 가지며 빛을 출력하는 광 출력부를 포함하여 구성될 수 있다. 아울러, 발광 소자(100)에서 생성되는 빛의 확산각은 소정의 값을 가질 수 있다.
도 3 및 도 4 에서는 광학 부재(200)의 구조에 대해 도시되어 있다.
상기 광학 부재(200)는 상기 발광 소자(100)와 상기 렌즈(300) 사이에 배치되며, 상기 발광 소자(100)에서 생성되는 빛의 광 경로 상에 위치하되, 상기 발광 소자(100)에서 생성되는 빛의 확산각을 축소하는 부재이다.
광학 부재(200)는 소정의 면적의 제1 면(202)과 제1 면(202), 및 소정의 높이의 둘레면을 갖되, 상기 제1 면(202)과 상기 제1 면(202)은 소정의 직경을 갖는 원형으로 구성되고 중심점이 동심으로 구성되며, 둘레면이 곡면을 가져서 전체적으로 편평한 제1 면(202), 제1 면(202)을 갖되 상하 부분의 직경이 상이한 원통형과 유사한 형태를 가질 수 있다. 따라서, 상기 광학 부재(200)의 제1면(202)과 제2 면(204)은 서로 합성 포물면으로 구성되며, 광학 부재(202) 는 합성 포물면 집광 부재(compound parabolic concentrator : CPC)로 구성될 수 있다.
여기서, 상기 제1 면(202)은 상기 발광 소자(200)와 면하여 광 입사면을 구성하고, 상기 제1 면(202)은 상기 렌즈 유닛(300)과 면하여 광 출사면을 구성할 수 있다.
광학 부재(200)의 구조를 상세히 설명하면 아래와 같다.
상기 제1 면(202)의 중심점과 제1 면(202)의 중심점을 이은 선을 중심축(C)으로 하여 상기 중심축(C)을 지나는 면으로 상기 광학 부재(200)를 상하 방향으로 자른 상하 단면은 상기 중심축(C)을 중심으로 하여 좌우 대칭으로 구성된다. 즉, 상하 단면에 있어서, 상기 둘레면의 일 측면(208)과 타 측면(206), 상기 제1 면(202), 및 상기 제1 면(202)은 좌우 대칭의 형상을 갖는다.
이때, 상기 중심축(C)을 중심으로 하여 상기 둘레면의 일 측면(208)은 제1 면(202)의 타 측 모서리 지점을 초점으로 하는 포물선으로 구성된다. 즉, 광학 부재(200)의 상하 단면의 일 측면(208)은 제1 포물선(P1)으로 구성되되, 상기 제1 포물선(P1)의 초점인 제1 초점(F1)은 제1 면(202)의 타측 모서리 지점과 일치한다. 반대로 고찰하면, 상기 둘레면의 타 측면(206)을 제2 포물선(P2)이라고 할 때에는, 상기 제2 포물선(P2)의 초점인 제2 초점(F2)은 제1 면(202)의 반대 측 모서리 지점과 일치하게 된다.
상기 제1 면(202)은 상기 둘레면을 구성하는 제1 포물선(P1)과 제2 포물선(P2)의 초점인 제1 초점(F1)과 제2 초점(F2)을 이은 선이 형성하는 면으로 구성된다.
아울러, 광학 부재(200)의 상하 단면에 있어서, 제2 면(204)의 일 측 모서리 지점(Q2)은, 제1 포물선(P1)의 축을 구성하는 제1 축(L1)을 그렸을 때, 상기 제1 축(L1)과 평행하며 동시에 상기 제2 포물선(P2)의 초점(F2)을 지나는 가상선이 제2 포물선(P2)과 교차하는 지점(Q2)이 된다. 반대로 고찰하면, 제2 면(204)의 타 측 모서리 지점(Q1)은, 제2 포물선(P2)의 축을 구성하는 제2 축(L2)을 그렸을 때, 상기 제2 축(L2)과 평행하며 동시에 상기 제1 포물선(P1)의 초점(F1)을 지나는 가상선이 제1 포물선(P1)과 교차하는 지점(Q2)이 된다. 상기 두 지점을 이은 선이 제2 면(204)을 구성하게 된다.
상기 광학 부재(200)는 임계각을 갖는다. 임계각을 정의하면 아래와 같다. 여기서 임계각과 상기 광학 부재(200)의 제1 면(202)의 직경, 제1 면(202)의 직경, 및 높이간의 관계는 아래 식 1 및 2 와 같다.
Figure 112017020712497-pat00001
(식1)
Figure 112017020712497-pat00002
(식 2)
(θC : 임계각, A : 제1 면(202) 직경, B : 제2 면(204) 직경,
L : 광학 부재(200) 높이)
우선, 광학 부재(200)의 구조를 단계별로 고찰하면 아래와 같다.
우선, 제1 초점(F1)을 갖는 제1 포물선(P1)과 제2 초점(F2)을 갖는 제2 포물선(P2)을 그린다. 여기서, 상기 제1 포물선(P1) 상의 일 지점이 상기 제2 초점(F2)과 일치하도록 하고 상기 제2 포물선(P2) 상의 일 지점이 상기 제1 초점(F1)과 일치하도록 한다. 상기 제1 초점(F1)과 상기 제2 초점(F2)을 이으면 소정의 선이 형성되며, 이를 하선이라고 지칭할 수 있다.
이어서, 상기 하선과 직교하며 상기 하선을 1/2 로 양분하는 선을 중심축(C)으로 설정한다.
다음으로, 상기 제1 포물선(P1)의 제1 축과 평행하며 상기 제2 포물선(P2)의 초점을 지나는 가상의 선이 상기 제1 포물선(P1)과 교차하는 제1 교차점을 구하며, 상기 제2 포물선(P2)의 제2 축과 평행하며 상기 제1 포물선(P1)의 초점을 지나는 가상의 선이 상기 제2 포물선(P2)과 교차하는 제2 교차점을 구한다. 이어서, 상기 제1 교차점과 제2 교차점 사이를 이어서 형성된 소정의 선을 구하되, 이를 상선이라고 지칭할 수 있다.
다음으로, 상기 중심축(C)을 중심으로 하여 상기 상선, 하선, 및 제1 포물선(P1)을 회전시켜서, 상기 상선으로 구성되는 원형의 제1 면(202), 상기 하선으로 구성되는 원형의 제1 면(202), 및 상기 제1 면(202)과 제1 면(202) 사이에 위치하며 상기 제1 포물선(P1)으로 구성되는 둘레면을 각각 도출한다. 이에 따라서, 광학 부재(200)의 외형이 결정되게 된다.
이때, 상기 광학 부재(200)의 제1 면(202)의 면적을 결정한다. 제1 면(202)의 면적은 제1 포물선(P1)과 제2 포물선(P2)의 초점간 거리에 의해서 결정된다. 제1 면(202)의 면적은 예컨대 발광 소자(100)의 발광면의 면적과 일치하거나, 그 이상의 크기를 갖도록 할 수 있다.
다음으로, 상기 광학 부재(200)의 임계각을 결정하며, 임계각에 따라서 상기 광학 부재(200)의 높이를 결정하게 된다.
이때, 상기 임계각, 상기 제1 면(202)의 직경, 및 상기 제1 면(202)의 직경의 관계는 위에서 고찰한 식 1 및 2 와 같다. 즉, 아래와 같다.
Figure 112017020712497-pat00003
(식1)
Figure 112017020712497-pat00004
(식 2)
(θC : 임계각, A : 제1 면(202) 직경, B : 제2 면(204) 직경,
L : 광학 부재(200) 높이)
한편, 위의 설명 순서는 반드시 제조 순서와 일치하는 것은 아니다. 예컨대, 위 설명과 같이 광학 부재(200)의 외형을 결정한 후, 발광 소자(100)의 발광면의 면적 및 임계각에 따라서 광학 부재(200)의 제1 면(202)과 제1 면(202)의 직경과 면적, 광학 부재(200)의 높이가 각각 결정되었으나, 반드시 이에 한정하는 것은 아니다.
예컨대, 발광 소자(100)의 발광면의 면적을 먼저 설정하여, 발광면의 면적과 상기 광학 부재(200)의 제1 면(202)의 면적이 일치하거나, 또는 발광면의 면적 대비 광학 부재(200)의 제1 면(202)의 면적이 소정의 비율을 갖게 한 후, 상기 광학 부재(200)의 제1 면(202)의 직경을 결정하여 상기 제1 포물선(P1)과 제2 포물선(P2)의 초점 간 거리를 결정하고, 이어서 임계각을 결정하는 것도 가능하다.
위와 같은 광학 부재(200)가 구비됨에 따라서, 발광 소자(100)에서 생성된 광의 확산각이 1 차로 축소될 수 있다. 예컨대, 발광 소자(100)의 확산 각도가 약 120° 라고 할 경우, 광학 부재(200)에 의해서 약 50° 까지 확산각이 축소될 수 있다.
한편, 발광 소자(100)와 광학 부재(200)는 소정의 접착제를 통해 접착되는 구성을 가질 수 있다. 즉, 광학 부재(200)의 제1 면(202) 상에는 광투과성 접착제가 도포되어, 발광 소자(100)의 발광면과 광학 부재(200)의 제1 면(202)이 서로 상기 접착제를 통해 접착될 수 있다. 이때, 접착제는, 광학 부재(200)의 굴절율과 근접한 굴절율을 갖는 접착제를 사용하되, 광학 부재(200)의 굴절율을 N 이라고 하고, 접착제의 굴절율을 Na 라고 하면, -0.03≤ N - Na ≤ 0.03 의 값을 갖는 접착제를 선정한다. 아울러, 접착제는 발광 소자(100)의 파장 대역에서 흡수가 최소인 접착제를 사용하며, 경화 방법으로는 상온 경화, 열경화, 및 자외선 경화 등의 방법을 사용한다.
이와 같이 발광 소자(100)와 광학 부재(200)가 접착됨에 따라서, 발광 소자(100)에서 생성된 광이 광학 부재(200)에서 반사되어 돌아가서 LED 로 구성된 발광 소자(100)의 온도가 높아지고 효율이 떨어지는 것이 방지될 수 있다.
또한, 바람직하게는, 광학 부재(200)의 제2 면(204)에는 발광 소자(100)의 파장 대역에서 광학 창(窓) 성질을 갖는 반사 방지막이 형성될 수 있다. 따라서, 광 효율이 약 4 % 내외 더 증가하도록 할 수 있다.
이하에서는 도 5 를 참조하여 본 발명의 렌즈 유닛(300)의 구조에 대해서 설명한다.
렌즈 유닛(300)은 제1 렌즈(310), 제2 렌즈(320), 및 제3 렌즈(330)를 포함할 수 있다. 제1 렌즈(310), 제2 렌즈(320), 제3 렌즈(330)의 배치는, 순차적으로 발광 소자(100)가 위치한 방향, 즉 광 경로상의 전방으로부터 후방으로 순차적으로 배열되게 이루어진다.
상기 제1 렌즈(310), 제2 렌즈(320), 및 제3 렌즈(330)는, 동일선상에 중심이 위치하여 하나의 광축 CP 을 공유하고 일렬로 배치된다. 또한, 서로 소정의 간격을 갖고 이격되게 배치된다.
상기 제1 렌즈(310), 제2 렌즈(320), 및 제3 렌즈(330)는 각각 비구면부 및 구면부를 포함하여 구성된다. 이때, 일 예로 비구면부는 상기 발광 소자(100)가 위치한 방향, 즉 광 경로상의 전방에 위치한다. 아울러, 구면부는 상기 비구면부의 반대 방향, 즉 광 경로상의 후방에 위치할 수 있다. 따라서, 렌즈에 의한 구면수차가 감소하거나, 또는 제거될 수 있다. 상기 제1 렌즈(310), 제2 렌즈(320), 및 제3 렌즈(330)는 각각 소정의 외경 A, B, C, 두께, 및 곡률 반경을 가질 수 있다.
일 예로, 제1 렌즈(310), 제2 렌즈(320), 및 제3 렌즈(330)는 아래와 표 1 과 같은 설계 제원을 가질 수 있다. 여기서, 괄호 안의 범위는 바람직한 수치 범위이다.
외경 (mm) 곡면부
곡률 반경 (mm)		 비구면 계수 (K) 두께 (mm)
제1 렌즈(310) 22 11.599 (10.4~12.8) -5.2310 (-4.71~-5.75) 5.00
제2 렌즈(320) 50 21.664 (19.9~23.4) -0.634570 (-0.58~-0.69) 15.00
제3 렌즈(330) 50 58.057 (56.3~60.0) -0.012597 (-0.01~-0.02) 15.00
즉, 일 예로, 제1 렌즈(310), 제2 렌즈(320), 제3 렌즈(330)는 곡면부의 곡률 반경이 순차적으로 커지며, 비구면 계수(K)의 절대값이 순차적으로 작아지도록 배치될 수 있다. 위에서 제2 렌즈(320)와 제3 렌즈(330)의 곡면부 곡률 반경이 상이함에도 외경과 두께가 같도록 구성되는 것은, 제3 렌즈(330)의 외측을 절단하여 제거함으로써 달성될 수 있다.
아울러, 제1 렌즈(310)와 제2 렌즈(320) 사이의 거리 M 과 제2 렌즈(320)와 제3 렌즈(330) 사이의 거리 N 은 서로 상이하되, M >N 일 수 있다. 일 예로, 제1 렌즈(310), 제2 렌즈(320), 및 제3 렌즈(330)가 위와 같은 설계 제원을 가질 때, 제1 렌즈(310)와 제2 렌즈(320) 사이의 거리 M 은 31.15 mm, 바람직하게는 29.6mm ~ 32.7mm 이며, 제2 렌즈(320)와 제3 렌즈(330) 사이의 거리 N 은 4.44 mm, 바람직하게는4.22mm ~ 4.66mm일 수 있다. 또한, 바람직하게는, 제1 렌즈(310)는 전면부인 비구면부가 상기 광학 부재의 후면인 제2 면에 대해서 밀착하거나, 또는 일체로 구성되게 배치될 수 있다. 따라서, 렌즈 모듈(300)과 광학 부재(200) 사이에 광 손실이 발생하지 않을 수 있다.
위와 같은 설계 사항을 갖는 광학 모듈의 광 전달율을 표로 나타내면 아래 표 2 와 같다. 표 2 는 발광 소자(100)에서 생성된 광을 100 % 라고 할 때, 각각 해당 위치에 도달하는 광의 광량 % 이다. 아래 표 2 에서 확인되는 바와 같이, 상기와 같은 구조를 갖는 광학 부재(200) 및 렌즈 모듈(300)이 마련됨에 따라서, 발광 소자(100)에서 생성된 광의 확산각이 좁아지고 높은 광량 % 의 광이 후술하는 셔터 부재로 전달될 수 있다.
도달 지점 광량 %
광학 부재(200) 제1 면 88
광학 부재(200) 제2 면 83
제1 렌즈(310) 비구면부 83
제1 렌즈(310) 구면부 78
제2 렌즈(320) 비구면부 58
제2 렌즈(320) 구면부 54
제3 렌즈(330) 비구면부 49
제3 렌즈(330) 구면부 48
도 6, 7 은 일 실시 형태에 따른, 본 발명에 따른 광학 모듈을 포함한 집광 장치의 구조를 도시한 도면이다.
본 발명에 따른 집광 장치는 복수 개의 광학 모듈이 실장되는 기판부, 및 광학 모듈의 광 경로 상의 후방에 배치되며 상기 복수 개의 광학 모듈에서 생성된 광이 입사하는 셔터 부재(400)를 포함한다.
기판부는 소정의 곡면을 갖는 곡면 기판으로 구성될 수도 있으며, 또는 평판 구조의 평판 기판으로 구성될 수도 있다. 기판부는 복수 개의 광학 모듈이 실장될 수 있도록 소정의 면적을 가질 수 있다.
셔터 부재(400)는 복수 개의 광학 모듈에서 생성된 광이 입사되어 집적되는 부재로서, 소정의 면적의 광학 창(窓)을 갖게 구성된다. 셔터 부재(400)의 위치는 한정하지 아니하나, 복수 개의 광학 모듈에서 생성된 광이 입사할 수 있도록 복수 개의 광학 모듈에서 생성되는 광이 교차하는 지점에 위치할 수 있다.
도 6 에 도시된 바와 같이, 기판부가 곡면 기판(20)으로 구성될 경우, 기판부는 구면의 일 부분과 같은 구조를 가질 수 있다. 따라서, 소정의 곡률 반경을 가질 수 있다.
이때, 각각의 광학 모듈은, 각각의 광학 모듈(10A, 10B)이 갖는 광축 CP1, CP2와 곡면 기판이 형성하는 곡면이 서로 직교하도록 배치된다. 따라서, 각각의 광학 모듈에서 방출되는 광은 곡면 기판의 곡률 중심을 지난다. 이때, 상기 셔터 부재(400)는 곡면 기판의 곡률 중심에 위치하여 복수 개의 광학 모듈에서 생성된 광이 모두 상기 셔터 부재(400)에 입사할 수 있다.
도 7 에 도시된 바와 같이, 기판부가 평판 기판(30)으로 구성될 경우에는 상기 복수 개의 광학 모듈에서 생성되는 광은 서로 평행하게 진행하게 된다. 즉, 복수 개의 광학 모듈(10A, 10B)의 광축(CP1, CP2)은 서로 평행하게 된다.
이때, 복수 개의 광학 모듈 중 적어도 하나는 광 굴절 부재(500)를 더 포함하여 구성될 수 있다. 구체적으로는, 광축(체1)이 셔터 부재(400)를 지나는 광학 모듈(10A)의 경우, 렌즈 유닛(300)을 통과한 광이 셔터 부재(400)로 입사하므로 광 굴절 부재(500)가 필요하지 아니하나, 그 외의 광학 모듈(10B)의 경우, 광축(CP2)이 셔터 부재(400)를 지나지 아니하므로 광 굴절 부재(500)가 필요하게 된다.
상기 광 굴절 부재(500)는 광 경로 상으로 상기 렌즈 유닛(300)의 후방에 배치되며 렌즈 유닛(300)을 통과한 광을 굴절시키고, 상기 굴절된 광이 셔터 부재(400)가 위치한 지점으로 입사하도록 할 수 있다.
일 실시예에 의하면, 상기 광 굴절 부재(500)는 입사한 광을 굴절시키는 직각 삼각형 형태의 삼각 프리즘으로 구성될 수 있다.
이와 같이 삼각 프리즘으로 구성된 광 굴절 부재(500)는 입사면(510)과 출사면(520)을 갖는다. 입사면(510)은 전방에 위치하며 렌즈 모듈을 통과한 광이 입사하도록 구성되는 면이고, 출사면은 후방에 위치하면 상기 입사면(510)으로 입사된 광이 외부로 출하되는 면이다.
입사면(510)은 상기 렌즈 유닛(300)을 통과한 광의 광축에 대해서 직교하게 배치되어 렌즈 유닛(300)을 통과한 광이 수직으로 입사하는 구성을 가질 수 있다. 아울러, 출사면(520)은 상기 렌즈 유닛(300)을 통과한 광의 광축에 대해서 소정 각도만큼 기울임 각을 갖고 기울어지게 구성된다. 여기서, 삼각 프리즘은 직각 삼각형 형태를 가지므로, 상기 출사면(520)의 기울임 각은 90° 에서 상기 입사면(510)과 출사면(520) 사이의 사이각을 뺀 값과 같다고 볼 수 있다.
도 8 을 참조하여, 상기 출사면(520)의 기울임 각 c 의 도출 과정을 설명하면 아래와 같다. 도 8 에서, S 는 셔터 부재(400)와 광학 모듈 사이의 수평 방향 거리를 나타내며, T 는 각각 셔터 부재(400)와 광학 모듈 사이의 수직 방향 거리를 나타낸다.
우선, 입사광의 광축(CP2)과 출사면(520)의 법선이 형성하는 각을 b 라고 하면, c = 90 - b 의 관계가 성립한다. 또한, 출사면(520)에서 출광된 광의 광축(CP3)과 출사면(520)의 법선이 형성하는 각을 d, 출사면(520)에서 출광된 광의 광축과 출사면(520)이 형성하는 각을 a 라고 하면 a + d = 90 의 관계가 성립한다. 따라서, d = 90 - a의 관계가 성립한다. 또한, 셔터 부재(400)와 동일선상에 배치된 광학 모듈의 광축을 중심선이라고 할 때, 출사면(520)에서 출광된 광의 광축과 중심선이 형성하는 각을 θ 라고 하면, 직각삼각형 형태를 고찰했을 때, a + b + θ = 90 의 관계가 성립한다.
이때, 출사면(520)에서 스넬의 법칙을 적용하면, 아래 식 3-1이 성립한다. 아래 식에서 N 은 광 굴절 부재(500)의 굴절율이다.
N × sin (b) = sin (d) (식 3-1)
상기 식에 상기 a, b, c, d 의 관계를 대입하면 아래 식 3-2 이 성립한다.
N ×sin (b) = sin (b + θ) (식 3-2)
위 식에서 사인 공식에 따라서 우측 식을 풀면 아래 식 3-3과 같다.
sin (b + θ) = sin (θ)×cos(b) + cos(θ)×sin (b) (식 3-3)
위 식의 양변을 cos (b) 로 나누면 아래 식 3-4와 같다.
sin (θ) + cos(θ) ×tan (b) = N tan(b) (식 3-4)
따라서, 아래 식 3-5가 성립한다.
(N-cos(θ))× tan(b) = sin (θ) (식 3-5)
여기서, cos (θ) 와 sin (θ) 는 중심선 CT 과 광학 모듈 사이의 수직 거리, 즉 셔터 부재(400)와 광학 모듈 사이의 수직 거리인 T, 및 광학 모듈과 셔터 부재(400) 사이의 수평 거리 S 에 의해서 결정되는 상수이다. 즉, tan (θ) = T/S 의 값을 가지므로, 이를 통해 cos (θ) 와 sin (θ) 의 값이 도출될 수 있다.
따라서, 아래 식 3- 6 이 성립한다.
b = tan {sin (θ)/(N - cos (θ)) (식 3-6)
이때, c = 90 - b 이며, θ 의 크기에 따라서, 광 굴절 부재(500)의 출사면(520)의 기울임 각도 c 가 도출될 수 있다. 즉, 광학 모듈과 셔터 부재(400) 사이의 수평 거리(S), 수직 거리(T) 에 따라서, tan (θ) = T/S 이므로, 위 cos (θ) 와 sin (θ) 의 값이 정해질 수 있고, c 의 값도 정해질 수 있다.
따라서, 광학 모듈의 위치 및 광학 모듈과 셔터 부재(400) 사이의 수평 거리 및 수직 거리만으로 광 굴절 부재(500)를 설계하고, 상기 광학 모듈에서 생성된 광을 광 굴절 부재(500)를 통해 셔터 부재(400)에 정확하게 입사시킬 수 있다.
본 발명에 따라서, 발광 소자(100)에서 생성된 광이 광학 부재(200) 및 렌즈 유닛(300)을 지나면서 확산각이 작아지며 중심에 위치하는 광축에 집적될 수 있다. 따라서, 본 발명에 따른 광학 모듈을 노광기 등에 사용할 경우 노광 효율이 개선될 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 광학 모듈을 포함한 집광 장치는 광 굴절 부재(500)를 포함함으로써, 평판 형태의 기판부 상에 복수 개의 광학 모듈이 설치될 경우에도 복수 개의 광학 모듈에서 생성된 광을 셔터 부재(400)에 효과적으로 입사시킬 수 있다.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.
100: 발광 소자
200: 광학 부재
300: 렌즈 유닛
400: 셔터 부재
500: 광 굴절 부재

Claims (9)

  1. 집광 장치에 있어서,
    하나 이상의 광학 모듈;
    상기 광학 모듈이 복수 개 실장되는 기판부; 및
    상기 광학 모듈의 광 경로 후방에 배치되어 상기 광학 모듈에서 생성된 광이 입사하는 셔터;를 포함하며,
    상기 각각의 광학 모듈은,
    빛을 생성하는 발광 소자;
    상기 발광 소자에서 생성되는 빛의 광 경로 상에 배치되는 렌즈 유닛; 및
    상기 발광 소자와 상기 렌즈 유닛 사이에 배치되며, 상기 발광 소자에서 생성되는 빛의 광 경로 상에 위치하되, 상기 발광 소자에서 생성되는 빛의 확산각을 축소하는 광학 부재;를 포함하고,
    상기 복수 개의 광학 모듈 중 적어도 하나는, 광 경로 상으로 상기 렌즈 유닛의 후방에 배치되어 상기 렌즈 유닛을 통과한 광을 굴절시켜서 상기 셔터로 입사시키는 광 굴절 부재;를 더 포함하고,
    상기 광 굴절 부재는,
    삼각 프리즘으로 구성되되,
    상기 삼각 프리즘은,
    광 경로 상으로 전방에 배치되어 상기 렌즈 유닛을 통과한 광이 입사하며 광축에 대해 직교하는 입사면, 및 광 경로 상으로 후방에 배치되며 광이 방출되는 출사면을 갖되,
    상기 광축에 대한 출사면의 기울임 각은 아래 식에 의해서 결정되는 집광 장치.
    c = 90 - tan -1{sin (θ)/(N - cos (θ))
    tan (θ) = T/S
    (S : 광학 모듈과 셔터 부재 사이의 수평 거리,
    T : 광학 모듈과 셔터 부재 사이의 수직 거리)
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 렌즈 유닛은,
    상기 발광 소자가 위치한 방향으로부터 순차적으로 배치되며 서로 소정의 간격을 갖고 이격된 복수 개의 렌즈를 포함하며,
    상기 렌즈는, 동일 중심을 가지도록 일렬로 배치되되 각각 비구면부, 및 구면부를 포함하는 집광 장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 렌즈 유닛은,
    상기 발광 소자가 위치한 방향으로부터 순차적으로 배치되며 서로 소정의 간격을 갖고 이격된 제1 렌즈, 제2 렌즈, 및 제3 렌즈를 포함하며,
    상기 제1 렌즈, 제2 렌즈, 및 제3 렌즈는 상기 발광 소자가 위치한 방향으로 배치되는 비구면부, 및 반대 방향에 위치한 구면부를 포함하는 집광 장치.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 제1 렌즈, 제2 렌즈, 및 제3 렌즈는,
    곡률 반경이 순차적으로 커지고 비구면 계수의 절대값이 순차적으로 작아지게 구성되며,
    상기 제1 렌즈와 제2 렌즈 사이의 거리는 상기 제2 렌즈와 제3 렌즈 사이의 거리보다 크게 구성되는 집광 장치.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 광학 부재는,
    상기 발광 소자에서 발산되는 광을 집광하는 합성 포물면 집광 부재(compound parabolic concentrator : CPC)인 집광 장치.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 합성 포물면 집광 부재는,
    상기 발광 소자와 면하는 제1 면, 및 상기 렌즈 유닛과 면하는 제2 면을 갖되,
    상기 제1 면은 상기 발광 소자의 발광 면적 이상의 면적을 가지며,
    상기 제2 면은 상기 렌즈 유닛의 전면부와 밀착하는 집광 장치.
  7. 제6 항에 있어서,
    상기 광학 부재는,
    상기 제1 면 상에 도포된 광투과성 접착제를 포함하며 상기 광투과성 접착제를 통해 상기 발광 소자와 접착되되,
    상기 접착제와 상기 광학 부재의 굴절율의 차이의 절대값은 0.03 이하인 집광 장치.
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