KR101891756B1 - 라인 빔 발생장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 임의의 광원을 공간적인 빔 성형을 위한 광학유닛과, 이를 이용하여 원하는 조명 형태와 세기 분포로 변조할 수 있는 광 변조장치에 관한 것으로, 본 발명에 따른 광 변조장치는, 광원부(210)와; 상기 광원부(210)의 광축(C) 상에 위치하며, x-축 방향으로 수렴하게 되는 음의 곡면을 갖고, y-축 방향으로 발산하게 되는 양의 곡면을 갖는 제1미러부(110)와; 상기 제1미러부(110)의 상단에 배치되며, x-축 방향으로 수렴하게 되는 음의 곡면을 갖고, y-축 방향으로 발산하게 되는 양의 곡면을 갖는 제2미러부(120)와; 상기 제1미러부(110)의 하단에 배치되며, x-축 방향으로 수렴하게 되는 음의 곡면을 갖고, y-축 방향으로 발산하게 되는 양의 곡면을 갖는 제3미러부(130)를 포함한다.

Description

라인 빔 발생장치{LINE BEAM GENERATING DEVICE}

본 발명은 임의의 광원을 공간적인 빔 성형을 위한 광학유닛과, 이를 이용하여 원하는 조명 형태와 세기 분포로 변조할 수 있는 광 변조장치에 관한 것이며, 조명장치, 레이저 스캐너(laser scanner), 레이저 마커(laser marker), 자외선 및 적외선 열 경화 장치, 광 가공장치, 또는 수술용 광 절제 시스템을 포함한 의료용 광 에너지 전달 장치 등과 같은 다양한 조명 장치에 사용될 수 있다.

빔 성형은 임의 광원을 광 변조하여 공간상의 목표 지점에 특정한 형태의 광 분포를 형성하는 것을 의미하며, 일반적인 빔성형 기술로는 절두형(truncation version) 광학계, 아나모픽(anamorphic) 광학계, 호모지나이저(homogenizer)를 이용하는 방법, 다중 광 파이버(optical fiber)를 선형으로 배열하는 방식과 같은 다양한 방식들이 존재한다.

예를 들어 절두형 광학계에서는 광원의 조도 분포에 따라서 원하는 조도 분포를 만들기 위하여 일정 부분의 빛만 사용하는 슬릿(slit) 또는 조리개(aperture)를 구비하여 광 변조가 이루어진다.

예를 들어, 임의 광원을 광 변조하여 생성된 라인 빔은 피검체의 이물 부착, 파손 여부 등을 파악하기 위한 라인 형태의 빔을 조사하는 라인 스캔 카메라에 사용될 있으며, 또는 생체 조직을 절제하기 위한 시술기구와 같이 다양하게 사용되고 있다.

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공개특허공보 제10-2013-0083118호(공개일자: 2013.07.22) 공개특허공보 제10-2009-0014919호(공개일자: 2009.02.11) 등록특허공보 제10-1527002호(공고일자: 2015.06.09)

본 발명은 광손실을 최소화하면서 임의의 광원을 특이 조도 분포로 생성할 수 있는 빔 성형을 위한 광학유닛과, 이를 이용하여 원하는 조명 형태와 세기 분포로 변조시킬 수 있는 광 변조장치를 제공하고자 하는 것이다.

이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 광 분포용 광학기구는, x-축 방향으로 수렴하게 되는 음의 곡면을 갖고, y-축 방향으로 발산하게 되는 양의 곡면을 갖는 제1미러부와; 상기 제1미러부와 동일한 y-z 평면상에 배치되며, x-축 방향으로 수렴하게 되는 음의 곡면을 갖고, y-축 방향으로 발산하게 되는 양의 곡면을 갖는 제2미러부를 포함한다.

다음으로 본 발명에 따른 광 분포용 변조장치는, 광원부와; 상기 광원부의 광축 상에 위치하며, x-축 방향으로 수렴하게 되는 음의 곡면을 갖고, y-축 방향으로 발산하게 되는 양의 곡면을 갖는 제1미러부와; 상기 제1미러부의 상단에 배치되며, x-축 방향으로 수렴하게 되는 음의 곡면을 갖고, y-축 방향으로 발산하게 되는 양의 곡면을 갖는 제2미러부와; 상기 제1미러부의 하단에 배치되며, x-축 방향으로 수렴하게 되는 음의 곡면을 갖고, y-축 방향으로 발산하게 되는 양의 곡면을 갖는 제3미러부를 포함한다.

또한 본 발명에 따른 빔 성형용 광학유닛은, 직교하는 두 수직축 방향으로 각각 음의 곡면과 양의 곡면을 갖고 반사광의 수렴과 발산이 이루어져 라인 빔을 형성한다.

본 발명에 따른 빔 성형용 광학유닛은, 직교하는 두 수직축 방향으로 각각 음의 곡면과 양의 곡면을 갖고 반사광의 수렴과 발산이 이루어지는 빔 성형용 광학유닛으로 구성되어 임의의 광원을 공간적으로 일정한 폭과 길이를 갖는 라인 빔을 생성이 가능하다.

본 발명의 광 분포용 변조장치는, 이러한 빔 성형용 광학유닛을 다수 개로 조합하여 광원부에서 발생된 광원을 균일한 조도분포를 갖는 라인 빔 또는 다양한 형태의 조명광으로 변환이 가능하며, 또한 기구적으로 소형화가 가능하여 콤팩트한 구조의 빔 생성수단으로 다양하게 활용될 수 있는 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 빔 성형용 광학유닛의 사시도,
도 2의 (a)(b)는 각각 도 1의 A-A선과 B-B선의 단면 구성도,
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 광 분포용 변조장치의 구성도,
도 4의 (a)(b)는 각각 가우시안의 형태의 광원과 본 발명의 광 분포용 변조장치에 의해 생성된 라인 빔의 빔 프로파일을 보여주는 도면,
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 광 분포용 광학기구를 예시하여 보여주는 도면,
도 6은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 광 분포용 광학기구의 사시도,
도 7은 도 6의 C-C선의 단면도,
도 8의 (a)(b)(c)와 도 9는 본 발명의 실시예에 따른 라인 빔 발생용 광학기구의 시뮬레이션 결과를 보여주는 그래프.
도 10은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 광 분포용 변조장치의 구성도.

본 발명의 실시예에서 제시되는 특정한 구조 내지 기능적 설명들은 단지 본 발명의 개념에 따른 실시예를 설명하기 위한 목적으로 예시된 것으로, 본 발명의 개념에 따른 실시예들은 다양한 형태로 실시될 수 있다. 또한 본 명세서에 설명된 실시예들에 한정되는 것으로 해석되어서는 아니 되며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경물, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 대해 상세히 설명하며, 미러의 반사면이 입사광에 대해 안으로 오목하여 반사광이 수렴하는 것을 '음'의 곡면으로 지칭하며, 입사광에 대해 바깥으로 볼록하여 반사광이 발산하는 것을 '양'의 곡면으로 지칭한다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 라인 빔 발생용 광학유닛의 사시도이며, 도 2의 (a)(b)는 각각 도 1의 A-A선과 B-B선의 단면 구성도이다.

도 1 및 도 2를 참고하면, 본 실시예에 따른 빔 성형용 광학유닛(이하, "광학유닛"으로도 약칭함)(10)은 직교하는 두 수직축 방향으로 각각 음의 곡면(11)과 양의 곡면(12)을 갖고 반사광의 수렴과 발산이 이루어져 하나의 축 방향으로 라인 빔을 형성하는 것을 특징으로 한다.

본 실시예에서 광학유닛(10)은 x-축 방향으로 음의 곡면(11)을 가지며, 따라서 x-축 방향의 반사광은 임의 초점거리에서 수렴한다. 참고로, 실질적인 음의 곡면(11)은 정확히 x-축 방향과 동일한 것이 아닌 x-z평면에서의 곡선으로 나타나는 것이나 설명의 편의를 위하여 주축 방향인 x-축 방향으로 설명한다.

반면에 본 실시예에서 광학유닛(10)은 y-축 방향으로 양의 곡면(12)을 가지며, 따라서 y-축 방향의 반사광은 발산한다. 앞서도 언급한 것과 같이, 실질적인 양의 곡면(12)은 정확히 y-축 방향과 동일한 것이 아니고 y-z평면에서의 곡선으로 나타나며 설명의 편의를 위하여 주축 방향인 y-축 방향으로 설명하도록 한다.

따라서 광학유닛(10)에 입사된 광(light)은 x-축 방향으로는 수렴하고 y-축 방향으로는 발산하는 반사광에 의해 x-축 방향으로 폭이 좁고 y-축 방향의 선형 라인 빔을 형성한다.

이러한 단위 광학유닛은 다수 개로 조합되어 구성된 광학기구에 의해 다양한 형태의 빔을 생성할 수 있으며, 이하 이에 대한 실시예를 관련 도면을 참고하여 설명한다.

도 3은 본 발명의 실시예에 따른 라인 빔 발생장치의 구성도로서, 단위 광학유닛으로 구성된 광학기구(100)의 측면(y-z 평면) 배치 상태를 보여주고 있으며, 이에 의해 발생된 x-y 평면상에서의 라인 빔(1)을 보여주고 있다.

도 3에 예시된 것과 같이, 본 실시예에 따른 광학기구(100)는, 광섬유(210)에서 조사되는 출광 각도(θ0)에 대해 총 3영역(a1,a2,a3)으로 나뉘어서 각 영역에 미러부(110)(120)(130)가 배치되며, 각 미러부(110)(120)(130)에서의 레이저 반사광은 공간상에 라인 빔(1)을 생성한다.

구체적으로, 미러부(110)(120)(130)는 광원부(210)의 광축 상(C)에 위치하는 제1미러부(110)와, 제1미러부(110)의 상단에 배치되는 제2미러부(120)와, 제1미러부(110)의 하단에 배치되는 제3미러부(130)를 포함한다. 각 미러부(110)(120)(130)는 광섬유(210)의 출광 각도(θ0) 범위 내에서 동일한 y-z평면상에 배치된다.

본 실시예에서 각 미러부는 직교하는 두 수직축 방향으로 각각 음의 곡면과 양의 곡면을 갖는 것으로서 앞서 설명한 단위 광학유닛과 동일하며, 이때 각 미러부는 그 배치 위치에 따라서 광축(C)과의 경사각(θ1,θ2,θ3)과 곡률(x-축 방향과 y-축 방향)의 크기는 서로 다를 수 있다.

도 3에서 도면부호 210은 광섬유로서 다이오드 레이저와 연결되어 레이저광을 조사하는 광원부로 사용되며, 본 발명에서 광원부는 광섬유 아닌 소정의 출광 각도(θ0)를 갖는 점광원(spot source)이면 족하다.

이와 같이 광원부를 포함하는 광학기구(100)는 광축(C)과 나란하게 라인 빔(1)을 생성하는 광 분포용 변조장치로 사용될 수 있다. 이와 관련하여 도면부호 220은 하우징으로서 광학기구(100)와 광섬유(210)가 수납되며, 라인 빔(1)은 하우징(220) 바깥의 선단에 나란하게 생성된다.

광축(C) 상에 위치하는 제1미러부(110)를 기준으로 하여 상단에 제2미러부(120)가 배치되고 하단에는 제3미러부(130)가 배치되며, 각 미러부(110)(120)(130)는 하우징(220)에 별도의 고정부재에 의해 고정될 수 있다.

각 미러부(110)(120)(130)의 각 축(x-축, y-축) 방향은 서로 평행하며, 제1미러부(110)는 광축(C)과 소정의 경사각(θ2)을 갖고 배치된다. 바람직하게는, 제2미러부(120)는 제1미러부(110) 보다 더 큰 경사각을 갖고 배치되며(θ2<θ3), 제3미러부(130)는 제1미러부(110) 보다 더 작은 경사각을 갖고 배치된다(θ1<θ2). 바람직하게는, 제1미러부(110)는 광원부의 광축(C)과 예각의 경사각(0<θ2<90°)을 갖는다.

이와 같이 구성된 광 분포용 변조장치는 광섬유(210)에서 발생된 입사광이 각 미러부(110)(120)(130)에서 반사되어 하우징(220) 바깥에 라인 빔(1)을 형성하게 되며, 이때 라인 빔(1)은 각 미러부(110)(120)(130)에서 x-축 방향으로 수렴되어 일정 선폭(w)을 갖게 되며, y-축 방향으로 발산된 반사광이 일정 길이(L)에 중첩되어 전체적으로 균일한 조도분포를 갖는다.

구체적으로, 도 4의 (a)(b)는 각각 광원과, 광 분포용 변조장치에 의해 생성된 라인 빔의 프로파일을 보여주는 도면으로서, (a)에 도시된 것과 같이 광섬유(210)에서 발생된 광은 가우시안(gaussian)의 빔 프로파일을 가지며, 광축 상에서 가장 큰 조도를 갖고 방사 방향으로 점점 약해지는 분포를 갖는다. 이러한 가우시안의 광은 3개 영역(a1)(a2)(a3)으로 나뉘어 각 미러부에 의해 반사가 이루어져 중첩된 광 분포를 갖는다.

도 4의 (b)에 예시된 것과 같이, 3개 영역(a1)(a2)(a3)의 반사광은 일정 구간 내에 중첩되어 균일한 광 분포를 갖는 라인 빔을 얻을 수 있다.

한편, 본 발명에서 광원은 가우시안, 람버시안(lambertian) 등의 다양한 타입의 광 분포를 가질 수 있으며, 또한 광원 형태도 단일, 또는 다중 광원을 수 있으며, 또는 발산형 점광원, 면광원, 또는 체적 광원과 같이 다양한 형태가 사용될 수 있음을 이해하여야 할 것이다.

또한, 본 실시예에서는 3개의 광학유닛으로 구성된 광학기구를 예시하여 설명하였으나, 그 숫자에 한정되는 것은 아니며, 필요에 따라서는 3개 이상의 광학유닛으로 구성될 수 있다.

도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 광 분포용 광학기구를 예시하여 보여주는 도면이다.

도 5를 참고하면, 각 광학유닛은 다양한 형태로 배치되어 조합된 광학기구로 사용될 수 있으며, 본 실시예에서 광학유닛이 3×2의 배열 구조를 갖는 광학기구를 예시하고 있다. 이때 각 광학유닛의 곡률에 따라서 라인 빔 이외에도 단일 초점, 다중 초점, 타원, 십자가 형태 등의 다양한 조명 형태를 만들 수 있다.

도 6은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 광 분포용 광학기구의 사시도이며, 도 7은 도 6의 C-C선의 단면도이다.

도 6 및 도 7에 예시된 것과 같이, 본 실시예의 광 분포용 광학기구(300)는, 제1미러부(310), 제2미러부(320) 및 제3미러부(330)가 일체형의 몸체부를 갖는 것을 특징으로 한다.

각 미러부(310)(320)(330)는, 앞서 설명한 것과 동일하여 직교하는 두 수직축 방향으로 각각 음의 곡면과 양의 곡면을 가지며, 도 4에서 횡축 방향은 음의 곡면(수렴)을 갖고 종축 방향이 양의 곡면(발산)을 갖는다.

바람직하게는, 제1미러부(310)와 제2미러부(320)는 횡축 방향으로 두 곡면이 변곡선(311)을 갖고 접하게 되며, 제1미러부(310)와 제3미러부(330) 역시도 횡축 방향으로 두 곡면이 변곡선(312)을 갖고 접하여 일체형의 몸체부를 구성한다.

구체적으로, 도 7을 참고하면, 제1미러부(310)와 제2미러부(320)는 각각 종축 방향으로 양의 곡면(310a)(320a)을 가지며, 각각 소정의 곡률을 갖는 두 양의 곡면(310)(320a)은 횡방향으로 변곡점에 의해 연결된 변곡선(311)을 경계로 하여 접하게 되며, 이때 제1미러부(310)와 제2미러부(320)의 경사각을 고려하여 불연속적으로 연결되는 단차를 포함할 수 있다.

동일하게 제21미러부(310)와 제3미러부(330) 역시도 횡방향으로 변곡선(312)을 경계로 하여 일체로 구성된다.

바람직하게는, 몸체부의 후단으로 연장된 마운트부(340)가 마련되어 라인 빔 발생장치의 하우징에 고정될 수 있으며, 이때 마운트부(340)는 하우징과 고정이 가능한 범위 내에서 다양한 형태를 가질 수 있다.

본 실시예에서 미러부(310)(320)(330) 각각의 크기 또는 곡률이나 경사각 등은 광원부의 특성(출광각, 출력프로파일 등)을 고려하여 최적화되어 결정될 수 있다.

도 8의 (a)(b)(c)와 도 9는 본 발명의 실시예에 따른 광 분포용 광학기구의 시뮬레이션 결과를 보여주는 그래프로서, ZEMAX 프로그램을 이용하여 시뮬레이션을 수행하였다.

도 8의 (a)(b)는 각각 본 발명의 실시예에 따른 일체형 광학기구에 소정의 출광각을 갖고 광원부에서 조사된 광경로(입사광과 반사광)를 보여주는 측면도 및 정면도이며, 반사광은 x-축 방향으로 수렴하고 y-축 방향으로는 발산하는 것을 알 수 있다.

도 8의 (c)는 좌측부터 제3미러부(330), 제2미러부(320), 및 제1미러부(310)에서 만드는 레이저광의 스팟(spot)을 나타낸 것으로서, 길이가 8~10㎜이고 폭이 1~㎜인 라인 빔을 얻을 수 있으며, 참고로 도 6의 (b)에서 전체 거울면은 직사각형으로 표현되어 있으나 직접적으로 라인 빔을 형성하는 유효 면적의 지름(D)(도 5 참고)은 3.6㎜인 광학기구로 제작이 가능하다.

도 9는 광섬유로부터 발산되는 빔의 조도 분포(a)와, 본 실시예의 광학기구를 통해 변조된 빔의 조도 분포(b)를 보여주고 있으며, 광섬유의 발산 빔은 가우시안 형태를 가지고 있으나 본 실시예의 광학기구를 통해 생성된 빔은 비교적 균일한 형태를 갖는 것을 알 수 있다.

이와 같이 본 발명의 광 분포용 광학기구 일반적인 광학기구 설계용 프로그램을 이용하여 최적의 라인 빔을 생성하기 위한 각 미러부의 실질적인 사이즈 또는 곡률 등을 결정하여 제작될 수 있다.

도 10은 본 발명의 다른 실시예에 따른 광 분포용 변조장치의 구성도이다.

도 10을 참고하면, 본 실시예에 따른 광 분포용 변조장치는 광원부(410)와, 광원부(410)에서 발생된 평행빔의 광로 상에 배치되는 두 개의 미러부(510)(520)로 구성될 수 있으며, 두 개의 미러부(510)(520)는 동일한 y-z 평면상에 배치되고 각 미러부(510)(520)는 앞서 실시예와 동일하게 x-축 방향으로 수렴하게 되는 음의 곡면을 갖고 y-축 방향으로 발산하는 양의 곡면을 갖는다. 한편 각 미러부(510)(520)의 경사각과 배치관계는 앞서 실시예와 동일하여 중복되는 설명은 생략한다.

도면부호 420은 하우징으로서 광원부(410)와, 미러부(510)(520)가 수납되며, 라인 빔(2)은 하우징(420) 바깥의 선단에 나란하게 생성된다.

본 실시예에서 광원부(410)는 평행빔을 발생시키는 광원일 수 있으며, 예를 들어, 이러한 광원부는 가우시안 프로파일(gaussian profile)(또는 labmertian type)을 갖는 복수의 광원과, 복수의 각 광원의 방출광을 일정 영역에 같은 크기로 조사하기 위한 복수의 광학기구(렌즈 등)에 의해 제공될 수 있다.

이와 같이 본 발명의 광 분포용 변조장치는 광원의 형태(점광원, 평행광원)와 구현하고자 하는 라인 빔(길이, 폭)을 고려하여 2개 또는 그 이상의 광학유닛이 조합되어 사용될 수 있다.

이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능함은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명백할 것이다.

1 : 라인 빔 10 : 광학유닛
100 : 광학기구 110, 310 : 제1미러부
120, 320 : 제2미러부 130, 330 : 제3미러부
210 : 광섬유 220 : 하우징
300 : 광학기구 340 : 마운트부
410 : 광원부 510, 520 : 미러부

Claims (9)

1. 삭제
2. 삭제
3. 삭제
4. 광원부와;
   상기 광원부의 광축 상에 위치하며, x-축 방향으로 수렴하게 되는 음의 곡면을 갖고, y-축 방향으로 발산하게 되는 양의 곡면을 갖는 제1미러부와;
   상기 제1미러부의 상단에 배치되며, x-축 방향으로 수렴하게 되는 음의 곡면을 갖고, y-축 방향으로 발산하게 되는 양의 곡면을 갖는 제2미러부와;
   상기 제1미러부의 하단에 배치되며, x-축 방향으로 수렴하게 되는 음의 곡면을 갖고, y-축 방향으로 발산하게 되는 양의 곡면을 갖는 제3미러부와;
   상기 제1미러부, 제2미러부 및 제3미러부가 수납되어 고정되는 하우징를 포함하며,
   상기 제1미러부와 상기 제2미러부는 x-축 방향으로 두 곡면이 변곡선을 갖고 접하고 상기 제1미러부와 상기 제3미러부는 x-축 방향으로 두 곡면이 변곡선을 갖고 접하게 되는 일체형의 몸체부를 포함하며,
   상기 몸체부는 광축을 중심으로 하여 원형의 단면을 가지며, 후단으로 연장 형성되어 상기 하우징에 고정되는 마운트부를 포함하고, 상기 제1미러부는 광원부의 광축과 경사각(0<θ<90°)을 갖고 배치되며, 상기 제2미러부는 상기 제1미러부보다 더 큰 경사각을 갖고 배치되고 상기 제3미러부는 제1미러부보다 더 작은 경사각을 갖고 배치되는 것을 특징으로 하는 라인 빔 발생장치.
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