KR101913654B1 - 주밍기구가 포함된 빔 균질기 - Google Patents

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KR101913654B1 KR1020170066608A KR20170066608A KR101913654B1 KR 101913654 B1 KR101913654 B1 KR 101913654B1 KR 1020170066608 A KR1020170066608 A KR 1020170066608A KR 20170066608 A KR20170066608 A KR 20170066608A KR 101913654 B1 KR101913654 B1 KR 101913654B1
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황승진
김태신
홍경희
유태준
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학교법인 한동대학교
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Abstract

본 발명은 레이저 빔의 이미지 크기를 조절하면서도 빔의 경사도와 균질도를 유지할 수 있는 주밍기구가 포함된 빔 균질기에 관한 것으로서, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 레이저가 출력되는 광축상에 고정 배치되며, 판재 형태의 베이스 상에 일정한 형태의 마이크로렌즈가 일정한 간격으로 배열된 제1어레이 렌즈, 상기 제1어레이렌즈와 이격되며, 동일한 광축상에 배치되고, 상기 광축을 따라 이동가능하게 배치되며, 판재 형태의 베이스 상에 일정한 형태의 마이크로 렌즈가 일정한 간격으로 배열된 제2어레이렌즈, 상기 제2어레이렌즈와 이격되며, 동일한 광축상에 배치되고, 상기 광축을 따라 이동가능하게 배치되며, 판재 형태의 베이스 상에 일정한 형태의 마이크로 렌즈가 일정한 간격으로 배열된 제3어레이렌즈, 상기 제3어레이렌즈와 이격되며, 동일한 광축상에 고정 배치되고, 수광되는 레이저를 집광하는 집광렌즈를 포함하며, 상기 집광렌즈를 통과한 레이저가 맺히는 이미지 의 한변의 길이 D는
Figure 112018059892927-pat00046
의 수식에 의해 결정되고, 동시에 d1(d2-f2-f3)+f2(-d2+f3)=0을 만족하도록 상기 제2어레인 렌즈 및 제3어레이 렌즈의 위치가 조절되는 주밍 기구가 포함된 빔 균질기가 제공된다.

Description

주밍기구가 포함된 빔 균질기{Laser Beam Homogenizer having Zooming Apparatus}
본 발명은 주밍기구가 포함된 빔 균질기에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 레이저 빔의 이미지 크기를 조절하면서도 빔의 경사도와 균질도를 유지할 수 있는 주밍기구가 포함된 빔 균질기에 관한 것이다.
일반적으로, 도 1에 도시된 바와 같이, 발생된 레이저를 증폭시키기 위해서 레이저를 증폭매질(5)에 통과시켜 증폭한다.
또한, 상기 증폭매질(5)을 통해 증폭된 레이저를 가공면에 초점 맺히도록 하는 광학부(10)가 구비될 수 있다.
이러한 광학부(10)는 도 1에 도시된 바와 같이, 증폭매질의 후측에 구비되고, 복수매의 렌즈로 이루어져, 상기 레이저가 가공면에 초점이 맺히도록 이루어진다.
도 2는 일반적인 형태의 광학부(10)를 도시한 도면이다.
일반적으로 렌즈는 3매가 배치되며, 그 중 첫번째와 두번째에는 복수개의 사각형의 마이크로렌즈(28)가 배열된 어레이렌즈(22, 24)가 구비되며, 제일 후단에 구비된 렌즈는 집광렌즈(26)로서 초점을 맺히게 하는 역할을 하고, 상기 집광렌즈의 전측에 구비된 두번째 어레이렌즈(24)가 레이저 빔의 광축을 따라 이동되면서 초점이 맺히는 가공면(40)에서의 레이저 이미지(30)의 크기등을 조절할 수 있다.
한편, 도 3에 도시된 바와 같이, 상기 증폭매질(5)에서 증폭된 레이저 빔(52)은 가우시안 형태를 나타내게 되어 분포가 균일하지 아니하여, 레이저 빔의 표면부근의 선명도가 떨어지게 되어 바로 가공면을 가공하는 레이저로 사용하기에는 부적합하다. 따라서, 레이저 빔이 flat-top 형태로 균질화되는 빔 균질화 과정(Beam homogenizing)을 거쳐야 하며 레이저 표면의 선명도(빔 경사도)를 향상시키기 위하여 샤프닝과정(Beam shaping)과정을 거쳐야 한다.
또한, 도 4(a)에 도시된 바와 같이, 상기 증폭매질에서 증폭된 레이저(52)는 그 단면이 원형인데, 이러한 원형 단면의 레이저는 그 형상 때문에 가공이 이루어지지 않는 부분이 생길 수 있어, 레이저 빔의 단면 형태를 도 3 및 도 4(b)에 도시된 바와 같이 사각형태(54)로 변형시켜야 할 필요성이 있다.
이 때문에, 상기 광학부(10)의 제일 전측 및 그 후측에 구비되는 렌즈로서 작은크기의 마이크로렌즈(28)가 복수개 배열된 어레이 렌즈(22, 24)를 적용하는 연구가 진행중에 있다.
상기 어레이 렌즈(22, 24)를 2매 배열함으로써, 빔이 top-flat 형태로 균질화되며, 단면 형태가 사각화 되면서 초점면 부근의 레이저 단면 이미지 형태가 변화될 수 있다.
이러한 이미지의 한 변의 길이(D)는
Figure 112017051428923-pat00001
로 정의할 수 있다.
이때, p는 상기 어레이렌즈(22, 24)에서 상기 마이크로렌즈(28) 간의 피치이고, f1은 첫번째 어레이렌즈(22)의 초점거리, f2는 두번째 어레이렌즈(24)의 초점거리, fc는 집광렌즈(26)의 초점거리이며, d1은 첫번째 어레이렌즈(22)와 두번째 어레이렌즈(24)간의 거리이고, d2는 두번째 어레이렌즈(24)와 집광렌즈(26)간의 거리이며, d3는 집광렌즈(26)와 초점면(40)까지의 거리이다. 또한, 상기 마이크로렌즈(28) 및 이미지의 형태는 정사각형으로 가정하며, 상기 D는 상기 정사각 형태의 이미지의 한 변의 길이를 뜻할 수 있다.
이 때, 초점면(40)에서의 레이저 이미지의 빔 경사도와 균질도가 최적의 상태를 이루기 위해서는 이미징 조건을 만족해야 하는데, 상기 이미징 조건은 d1 = f2이며, 따라서 최적 이미지의 한 변의 길이는
Figure 112017051428923-pat00002
로 정의될 수 있다.
이와 같이, 이미징 조건이 만족되는 상태에서는 도 5에 도시된 바와 같이, 초점면에서의 레이저 빔 이미지(54)의 빔 경사도와 균질도가 만족스러운 상태를 나타낼 수 있다.
한편, 가공되는 대상물의 종류나 가공방법에 따라 초점면의 이미지 크기나 조사되는 에너지의 조사강도의 조절이 필요할 수 있다.
즉, 초점면의 에너지의 조사강도를 낮추기 위해서는 초점면의 이미지 크기를 확대시켜 밀도를 낮추어야 하거나, 또는 가공시간 단축을 위해서 초점면에서의 이미지(30)의 크기를 크게 조정할 필요가 발생할 수 있다.
그러나, 종래의 광학부의 구조로는 특정 조건에서만 이미징 조건이 만족되며, 이미지의 크기나 조사강도를 변경시키고자 두번째 어레이렌즈(24)의 위치가 이동하게되면 이미징조건이 만족되지 못하여, 도 6에 도시된 바와 같이, 빔 경사도와 균질도가 만족되지 않게 되어 빔용성이 떨어지는 문제점이 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 레이저 빔의 초점면의 이미지 크기를 변경시키면서도 이미징 조건을 만족시킬 수 있는 주밍 기구가 포함된 빔 균질기를 제공하는 것이 과제이다.
본 발명의 과제들은 이상에서 언급한 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않는 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기와 같은 과제를 해결하기 위하여, 본 발명의 일 형태에 따르면, 레이저가 출력되는 광축상에 고정 배치되며, 판재 형태의 베이스 상에 일정한 형태의 마이크로렌즈가 일정한 간격으로 배열된 제1어레이 렌즈, 상기 제1어레이렌즈와 이격되며, 동일한 광축상에 배치되고, 상기 광축을 따라 이동가능하게 배치되며, 판재 형태의 베이스 상에 일정한 형태의 마이크로 렌즈가 일정한 간격으로 배열된 제2어레이렌즈, 상기 제2어레이렌즈와 이격되며, 동일한 광축상에 배치되고, 상기 광축을 따라 이동가능하게 배치되며, 판재 형태의 베이스 상에 일정한 형태의 마이크로 렌즈가 일정한 간격으로 배열된 제3어레이렌즈, 상기 제3어레이렌즈와 이격되며, 동일한 광축상에 고정 배치되고, 수광되는 레이저를 집광하는 집광렌즈를 포함하며, 상기 집광렌즈를 통과한 레이저가 맺히는 이미지 의 크기 D는
Figure 112018059892927-pat00003
의 수식에 의해 결정되고, 동시에 d1(d2-f2-f3)+f2(-d2+f3)=0을 만족하도록 상기 제2어레인 렌즈 및 제3어레이 렌즈의 위치가 조절되는 주밍 기구가 포함된 빔 균질기가 개시된다.(이 때, p는 상기 마이크로렌즈간의 피치이고, fc는 집광렌즈의 초점거리, f1은 제1어레이 렌즈의 초점거리. F2는 제2어레이 렌즈의 초점거리, f3는 제3어레이렌즈의 초점거리이고, d1은 제1어레이렌즈와 제2어레이렌즈간의 거리, d2는 제2어레이렌즈와 제3어레이렌즈간의 거리, d3는 제3어레이렌즈와 집광렌즈간의 거리, d4는 집광렌즈와 이미지가 맺히는 지점까지의 거리이다)
상기 마이크로렌즈는 사각 형태일 수 있다.
상기 마이크로렌즈는 정사각 형태일 수 있다.
상기 제1어레이렌즈 내지 제3어레이렌즈는 동일한 렌즈일 수 있다.
한편, 본 발명 레이저가 출력되는 광축상에 배치되며 판재 형태의 베이스 상에 일정한 형태의 마이크로렌즈가 일정한 간격으로 배열된 배열랜즈를 적어도 하나 이상 포함하는 제1어레이렌즈군, 상기 제1어레이렌즈군과 이격되고, 상기 제1어레이렌즈군의 광축과 같은 광축상에 형성되며, 판재형태의 베이스 상에 일정한 형태의 마이크로렌즈가 일정한 간격으로 배열된 어레이렌즈를 적어도 하나 이상 포함하는 제2어레이렌즈군, 상기 제2어레이렌즈군과 이격되고, 상기 제2어레이렌즈군의 광축과 같은 광축상에 형성되며, 수광되는 레이저를 집광하는 집광렌즈군를 포함하며, 상기 집광렌즈군을 통과한 레이저가 맺히는 이미지 의 크기 D는
Figure 112017051428923-pat00004
이며, 상기 제1어레이렌즈군의 주평면에서 상기 제2어레이렌즈군의 주평면까지의 거리는 상기 제2어레이렌즈군의 등가초점거리 f2eq와 동일하며, 제1어레이렌즈군 및 제2어레이렌즈군의 등가 초점거리
Figure 112017051428923-pat00005
,
Figure 112017051428923-pat00006
,를 변화시켜 줌 기능을 구현하는 하는 주밍 기구가 포함된 빔 균질기가 제공될 수 있다. (이 때, p는 상기 마이크로렌즈간의 피치이고,
Figure 112017051428923-pat00007
는 제1어레이렌즈군의 등가초점거리이고,
Figure 112017051428923-pat00008
는 제2어레이렌즈군의 등가초점거리이고,
Figure 112017051428923-pat00009
는 집광렌즈군의 등가초점거리이다)
상기 제1어레이렌즈군과 제2어레이렌즈군 및 집광렌즈군의 등가 초점거리
Figure 112017051428923-pat00010
,
Figure 112017051428923-pat00011
,
Figure 112017051428923-pat00012
는 각각 양(+)의 수일 수 있다.
상기 제1어레이렌즈군 및 제2어레이렌즈군 중 적어도 어느 하나는 복수매로 구성될 수 있다.
본 발명의 주밍 기구가 포함된 빔 균질기에 따르면, 레이저 빔의 초점면에서의 이미지 크기를 변경시켜도 이미징 조건을 만족시킬 수 있어, 균질도 및 빔 경사도를 만족시킬 수 있으므로, 레이저 빔의 이미지 크기 및 조사강도의 조절이 자유로워 보다 폭넓은 빔용성을 발휘할 수 있다.
본 발명의 효과들은 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 청구빔위의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
아래에서 설명하는 본 출원의 바람직한 실시예의 상세한 설명뿐만 아니라 위에서 설명한 요약은 첨부된 도면과 관련해서 읽을 때에 더 잘 이해될 수 있을 것이다. 본 발명을 예시하기 위한 목적으로 도면에는 바람직한 실시예들이 도시되어 있다. 그러나, 본 출원은 도시된 정확한 배치와 수단에 한정되는 것이 아님을 이해해야 한다.
도 1은 광학부를 도시한 사시도;
도 2는 도 1의 측면도;
도 3은 균질화 되기 전 레이저 빔과 균질화된 레이저 빔을 도시한 도면;
도 4는 균질화 되기 전 레이저 빔과 균질화 된 레이저 빔의 가공면에서의 이미지를 도시한 도면;
도 5는 이미징 조건이 만족된 상태의 레이저 빔의 가공면 에서의 이미지를 도시한 도면;
도 6은 이미징 조건이 만족되지 않은 상태의 레이저 빔의 가공면 에서의 이미지를 도시한 도면;
도 7은 본 발명의 주밍기구가 포함된 빔 균질기의 일 실시예를 도시한 도면;
도 8은 도 7의 주밍기구가 포함된 빔 균질기가 이미징 조건을 만족하면서 어레이 렌즈 간의 거리를 변화시킬 때의 초점면에 맺히는 이미지의 한 변의 길이의 변화를 도시한 표;
도 9는 도 8의 어레이 렌즈간의 거리를 변화시키는 모습을 도시한 도면;
도 10은 도 9의 어레이 렌즈간의 거리를 변화시킬 때, 초점면에 맺히는 이미지의 에너지 밀도 형태를 도시한 그래프;
도 11은 종래의 구조에서 렌즈간의 거리를 변화시킬 때, 초점면에 맺히는 이미지의 에너지 밀도 형태를 도시한 그래프;
도 12는 본 실시예와 종래의 에너지 밀도 형태를 도시한 그래프;
도 13은 본 발명의 다른 실시예에 따른 주밍기구가 포함된 빔 균질기를 도시한 도면;
도 14는 주평면을 도시한 도면;
도 15는 복수매의 렌즈를 투과하는 레이저의 굴절형태를 도시한 도면 이다.
이하 본 발명의 목적이 구체적으로 실현될 수 있는 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 설명한다. 본 실시예를 설명함에 있어서, 동일 구성에 대해서는 동일 명칭 및 동일 부호가 사용되며 이에 따른 부가적인 설명은 생략하기로 한다.
본 실시예에 따른 주밍기구가 포함된 빔 균질기(100)(이하, 설명의 편의를 위하여 '빔 균질기'라 칭하기로 함)는 도 7에 도시된 바와 같이, 제1어레이렌즈(110), 제2어레이렌즈(120), 제3어레이렌즈(130) 및 집광렌즈(140)를 포함할 수 있다.
본 실시예에 따른 빔 균질기는 레이저가 출력되는 증폭매질 등의 후측에 설치되며, 상기 출력되는 레이저의 광축과 동일한 중심축을 가지도록 설치될 수 있다.
상기 제1어레이렌즈(110) 내지 제3어레이렌즈(130)는 판재형태의 베이스(114) 상에 일정한 형태의 마이크로 렌즈(112)가 일정한 간격으로 배열되어 형성될 수 있다.
또한, 상기 제1어레이렌즈(110) 내지 제3어레이렌즈(130)는 상기 레이저의 광축과 동일한 광축상에 상호 이격되어 배치될 수 있다.
이 때, 상기 제2어레이렌즈(120)와 제3어레이렌즈(130)는 상기 광축을 따라 이동 가능하게 설치될 수 있다. 상기 제2어레이렌즈(120)와 제3어레이렌즈(130)를 이동시키는 별도의 구동부(미도시)가 설치될 수도 있다.
또한, 상기 집광렌즈(140)는 상기 제3어레이렌즈(130)와 이격되며, 동일한 광축상에 고정 배치되고, 수광되는 레이저를 집광하도록 구비된다.
그리고, 상기 제1어레이렌즈(110) 및 집광렌즈(140)는 움직이지 않도록 고정되게 설치될 수 있다.
이때, 상기 제1어레이렌즈(110) 내지 제3어레이렌즈(130)의 마이크로 렌즈(112)는 직사각 이거나 또는 정사각 형태일 수 있다. 상기 제1어레이렌즈(110) 내지 제3어레이렌즈(130)를 통과하는 레이저빔은 상기 마이크로 렌즈(112)의 형태를 따라 단면모양이 변할 수 있다.
즉, 상기 마이크로 렌즈(112)의 형태가 정사각형인 경우, 상기 레이저빔의 단면 이미지(150) 형태 또한 정사각형으로 변할 수 있다.
이 때, 상기 제1어레이렌즈(110) 내지 제3어레이렌즈(130)는 동일한 형태 동일한 크기의 렌즈일 수 있다.
이 때, 상기 제1어레이렌즈(110) 내지 제3어레이렌즈(130) 및 집광렌즈(140)를 통과한 레이저가 초점면(가공면)에서 맺히는 이미지의 한 변의 길이 D는
Figure 112017051428923-pat00013
식에 의해 계산될 수 있다.
이 때, fc는 집광렌즈의 초점거리, f1은 제1어레이렌즈(110)의 초점거리. f2는 제2어레이렌즈(120)의 초점거리, f3는 제3어레이렌즈(130)의 초점거리이고, d1은 제1어레이렌즈(110)와 제2어레이렌즈(120)간의 거리, d2는 제2어레이렌즈(120)와 제3어레이렌즈(130)간의 거리, d 는 제3어레이렌즈(130)와 집광렌즈(140)간의 거리, d4는 집광렌즈(140)와 이미지(150)가 맺히는 초점면까지의 거리일 수 있다.
또한, p는 상기 마이크로 렌즈(112)간의 피치로서, 어느 한 마이크로 렌즈(112)와 인접한 마이크로 렌즈(112)의 간의 최고점 사이의 거리일 수 있으며, 상기 마이크로 렌즈(112)가 서로 연접되게 배열된 경우 상기 마이크로 렌즈(112)의 한 변의 길이 일 수 있다.
여기서, 상기 d1 및 d2는 상기 초점면에서 맺히는 이미지의 이미징 조건(빔 경사도 및 균질도)를 만족하기 위해서 d1(d2-f2-f3)+f2(-d2+f3)=0의 식을 만족하도록 계산될 수 있다.
한편, 상기 제1어레이렌즈(110) 내지 제3어레이렌즈(130)가 모두 같은 렌즈일 때의 D 및 이미징 조건의 식은 아래와 같다.
전술한 바와 같이, 레이저가 초점면(가공면)에서 맺히는 이미지의 한 변의 길이 D는
Figure 112017051428923-pat00014
식에 의해 계산될 수 있는데, 상기 제1어레이렌즈(110) 내지 제3어레이렌즈(130)가 모두 같은 렌즈이므로, 상기 f1=f2=f3는 모두 같은 f로 계산될 수 있다.
따라서, 이미지(150)의 한 변의 길이 D는
Figure 112017051428923-pat00015
로 정리될 수 있다.
또한, 이 때 상기 이미징 조건을 만족하는 d1 및 d2는 다음식으로 정리될 수 있다.
Figure 112017051428923-pat00016
또는
Figure 112017051428923-pat00017
예를 들어, f1=f2=f3이며, 초점거리(f)가 38.24mm일 때, 제2어레이 렌즈(120)와 제3어레이렌즈(130)의 이동에 의해 이미징 조건을 만족하는 d1, d2, d3의 변화 및 그에 따른 레이저 빔의 초점면에서의 이미지의 한변의 길이 D의 의 변화는 도 8 및 도 9에 도시된 바와 같다.
즉, 도 8 및 도 9(a)에 도시된 바와같이, f1=f2=f3=38.24mm이고, p가 4.0mm, d1이 1.20mm, d2가 37.0mm d3가 11.8이며, fc가 75.0mm 일때 이미징 조건을 만족하는 D는 8.10mm이다.
도 8 및 도 9(b)에 도시된 바와같이, f1=f2=f3=38.24mm이고, p가 4.0mm, d1이 12.8mm, d2가 19.0mm d3가 18.2이며, fc가 75.0mm 일때 이미징 조건을 만족하는 D는 11.8mm이다,
또한, 도 8 및 도 9(c)에 도시된 바와같이, f1=f2=f3=38.24mm이고, p가 4.0mm, d1이 18.9mm, d2가 1.0mm, d3가 30.1이며, fc가 75.0mm 일때 이미징 조건을 만족하는 D는 15.5mm가 될 수 있다.
따라서, 이미징 조건을 만족하면서도 초점면에서의 레이저 빔의 이미지 크기를 조절할 수 있음을 알 수 있다.
또한, 제1어레이렌즈(110)와 집광렌즈(140)의 위치가 변하므로, 상기 제2어레이렌즈(120) 및 제3어레이렌즈(130)의 위치가 변한다고 하더라도 빔균질기(100)의 총 길이는 일정할 수 있다.
한편, 도 10과 도 11은 본 실시예에 따른 주밍 기구가 구비된 빔균질기(100) 및 종래의 광학부(10)에 의해 균질화된 레이저 빔의 경사도 및 균질도를 나타내기 위해 레이저 빔의 위치별 강도를 나타낸 그래프이다.
즉, 도 10(a)는 본 실시예에 따른 빔균질기에 의해 조절된 레이저 빔의 초점면에서의 이미지(150)가 최소면적일 때를 나타낸 그래프이고, 도 10(b)는 본 실시예에 따른 빔 균질기에 의해 조절된 레이저 빔의 초점면에서의 이미지(150)가 중간면적일 때를 나타낸 그래프이고, 도 10(c)는 본 실시예에 따른 빔 균질기에 의해 조절된 레이저 빔의 초점면에서의 이미지(150)가 최대면적일 때를 나타낸 그래프이다.
도 11(a)는 종래의 광학부(10)에 의해 조절된 레이저 빔의 초점면에서의 이미지가 최소면적일 때를 나타낸 그래프이고, 도 11(b)는 종래의 광학부에 의해 조절된 레이저 빔의 초점면에서의 이미지가 중간면적일 때를 나타낸 그래프이고, 도 11(c)는 종래의 광학부에 의해 조절된 레이저 빔의 초점면에서의 이미지가 최대면적일 때를 나타낸 그래프이다.
도 10에 도시된 바와 같이, 본 실시예에 따른 빔 균질기에 의해 조절된 레이저 빔은 이미지 면적이 최소이거나 최대일 때에도 테두리 부분에서의 균질도와 빔 경사도가 양호하게 유지되는 것을 볼 수 있다.
그러나, 도 11에 도시된 바와같이, 종래의 광학부(10)에 의해 조절된 레이저 빔인 이미지 면적이 중간면적일 때, 즉 이미징조건이 만족될 때에만 빔 경사도가 양호하게 유지되며, 이미지 면적이 최소거나 최대일 때에는 이미징 조건이 만족되지 아니하여, 균질도와 빔 경사도가 떨어지는 것을 볼 수 있다.
보다 확실한 비교를 위하여, 도 10(c)에서의 레이저 빔 테두리 부분과 도 11(c)에서의 레이저 빔 테두리 부분을 비교하자면, 도 12에 도시된 바와 같이, 빔 테두리 인근에서 종래의 광학부(10)에 의해 조절된 레이저 빔은 회절효과에 의해 레이저 빔의 강도가 크게 변하는 것을 볼 수 있으며, 본 실시예의 빔 균질기(100)에 의해 조절된 레이저 빔은 회절효과에 따른 레이저 빔의 강도의 변화가 적어 빔이 균질도가 높은 것을 볼 수 있다.
또한, 레이저 빔의 테두리 부분에서 종래의 광학부에 의해 조절된 레이저 빔은 소정각도의 경사를 나타내면서 강도가 하락하는 것을 볼 수 있는데, 본 실시예의 빔 균질기에 의해 조절된 레이저 빔은 수직에 가깝게 강도가 하락하는 것을 볼 수 있어 빔 경사도가 우수한 것을 알 수 있다.
한편, 전술한 실시예에 따르면, 어레이렌즈가 3매일 때를 설명하였지만, 이하의 본 발명의 다른 실시예에서는, 어레이렌즈(212)가 임의의 복수매일 때를 설명하도록 한다.
도 13은 본 발명의 다른 실시에에 따른 주밍 기구가 구비된 빔 균질기(200)를 도시한 도면이다.
본 실시예에 따른 주밍 기구가 구비된 빔 균질기(200)는 제1어레이렌즈군(210), 제2어레이렌즈군(220) 및 집광렌즈군(230)을 포함할 수 있다.
상기 제1어레이렌즈군(210), 제2어레이렌즈군(220) 및 집광렌즈군(230)은 전술한 실시예와 유사하게 레이저가 출력되는 증폭매질 등의 후측에 설치되며, 출력되는 레이저의 광축과 동일한 중심축을 가지도록 설치될 수 있다.
이 때, 상기 제1어레이렌즈군(210) 및 제2어레이렌즈군(220)은 각각 1매 이상의 어레이렌즈(212)가 조합된 렌즈군일 수 있다.
이 때, 상기 어레이렌즈(212)는 전술한 실시예의 제1어레이렌즈(110) 내지 제3어레이렌즈(130)와 동일한 형태일 수 있다.
상기 제1어레이렌즈군(210)은 레이저가 출력되는 증폭매질의 후측에 설치되며, 1매 이상의 어레이렌즈(212)가 조합된 것일 수 있다.
그리고, 제2어레이렌즈군(220)은 상기 제1어레이렌즈군(210)과 이격되며, 상기 제1어레이렌즈군(210)의 광축과 같은 광축에 형성되며, 1매 이상의 어레이 렌즈(232)가 조합된 것일 수 있다.
또한, 상기 집광렌즈군(230)은 상기 제2어레이렌즈군(220)과 이격되고, 상기 제2어레이렌즈군(220)의 광축과 같은 광축상에 배치되며, 1매 이상의 렌즈(232)가 조합되어 수광되는 레이저를 집광하는 것일 수 있다.
이 대, 상기 제1어레이렌즈군(210) 및 제2어레이렌즈군(220) 중 적어도 어느 하나는 복수매의 어레이렌즈(212)가 조합된 것일 수 있다.
또한, 상기 제1어레이렌즈군(210)의 어레이렌즈 중 제일 전단에 구비되는 어레이렌즈는 그 위치가 고정되게 설치되며, 그 후측에 설치되는 어레이렌즈 및 제2어레이렌즈군(220)을 이루는 어레이렌즈 중 적어도 일부는 상기 광축을 따라 이동가능하게 설치될 수 있다.
또한, 상기 집광렌즈군(230)은 제일 후단에 구비되는 렌즈만 그 위치가 고정되게 설치되며, 나머지 렌즈 중 적어도 일부는 상기 광축을 따라 이동가능하게 설치될 수 있다. 물론, 상기 집광렌즈군(230)을 구성하는 렌즈 모두가 그 위치가 고정되게 구비될 수도 있다.
이 때, 상기 집광렌즈군(230)을 통과한 레이저가 초점면에서 맺히는 이미지(240)의 한 변의 길이 D는
Figure 112017051428923-pat00018
로 계산될 수 있다. 여기서, 상기 p는 어레이렌즈의 마이크로렌즈간의 피치이고,
Figure 112017051428923-pat00019
는 제1어레이렌즈군의 등가초점거리이고,
Figure 112017051428923-pat00020
는 제2어레이렌즈군의 등가초점거리이고,
Figure 112017051428923-pat00021
는 집광렌즈군의 등가초점거리이다.
이 때 상기 제1어레이렌즈군(210)의 주평면에서 상기 제2어레이렌즈군(220)의 주평면까지의 거리는 상기 제2어레이렌즈군의 등가초점거리
Figure 112017051428923-pat00022
와 동일할 수 있으며, 제1어레이렌즈군(210) 및 제2어레이렌즈군(220)의 등가 초점거리
Figure 112017051428923-pat00023
,
Figure 112017051428923-pat00024
,를 변화시켜 줌 기능을 구현할 수 있다.
이 때, 상기 주평면이란, 도 14에 도시된 바와 같이, 상기 각 제1어레이렌즈군(210), 제2어레이렌즈군(220) 및 집광렌즈군(230) 각각에서, 입사되는 레이저를 연장한 가상의 직선과, 출사되는 레이저를 연장한 가상의 직선이 만나는 지점에서 광축에 수직한 가상의 평면으로서, 복수매의 렌즈가 구비된 경우, 상기 주평면으로서 렌즈 1매로 가정할 수 있다.
또한, 상기 등가초점거리란 여러 매의 렌즈로 구성된 렌즈군의 초점거리를 가상의 렌즈 1매의 초점거리로 나타낸 것이다.
상기 도 15에 도시된 바와 같이, i번째 렌즈의 굴절능이 Ki이고, i번째 렌즈의 굴절율이 ni, i번째 렌즈와 그 다음 렌즈간의 거리를 di, i번째 렌즈에 입사하는 레이저빔과 출사하는 레이저 빔의 각도를 ui, i번째 렌즈의 중심점으로부터 입사되는 레이저 빔의 높이(폭)을 hi라고 표현할 때, 다음과 같은 관계가 성립할 수 있다.
Figure 112017051428923-pat00025
Figure 112017051428923-pat00026
한편, 상기 등가초점거리(equivalent focal length)는 굴정능의 역수로 표현될 수 있다.
Figure 112017051428923-pat00027
따라서, 렌즈가 1매일 때의 등가초점거리는 아래 식으로 표현될 수 있다.
Figure 112017051428923-pat00028
또한, 렌즈가 2매일 때의 등가초점거리는 아래 식으로 표현될 수 있다.
Figure 112017051428923-pat00029
렌즈가 N매일 때의 등가초점거리는 다음 식으로 표현될 수 있다.
Figure 112017051428923-pat00030
따라서, 상기 식을 이용하여, 제1어레이렌즈군(210), 제2어레이렌즈군(220) 및 집광렌즈군(230)의 각각의 등가초점거리
Figure 112017051428923-pat00031
,
Figure 112017051428923-pat00032
,
Figure 112017051428923-pat00033
를 계산할 수 있으며, 그에 따라 초점면 에서의 레이저 빔의 이미지의 한 변의 길이를 계산할 수 있다.
이 때, 이미징 조건을 만족시키기 위하여, 상기 제1어레이렌즈군(210)의 주평면에서 상기 제2어레이렌즈군(220)의 주평면까지의 거리는 상기 제2어레이렌즈군(220)의 등가초점거리
Figure 112017051428923-pat00034
와 동일하도록 위치시킬 수 있다.
또한, 상기 각 제1어레이렌즈군(210), 제2어레이렌즈군(220) 및 집광렌즈군(230)의 등가초점거리는 양수(positive)일 수 있다.
따라서, 상기와 같은 식과 조건을 만족한다면 임의의 복수매의 렌즈가 구비된 빔 균질기(200)에서도 초점면에서의 레이저 이미지 크기를 조절하면서도 만족스러운 빔 경사도 및 빔 균질도를 나타낼 수 있다.
이상과 같이 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 살펴보았으며, 앞서 설명된 실시예 이외에도 본 발명이 그 취지나 빔주에서 벗어남이 없이 다른 특정 형태로 구체화 될 수 있다는 사실은 해당 기술에 통상의 지식을 가진 이들에게는 자명한 것이다. 그러므로, 상술된 실시예는 제한적인 것이 아니라 예시적인 것으로 여겨져야 하고, 이에 따라 본 발명은 상술한 설명에 한정되지 않고 첨부된 청구항의 빔주 및 그 동등 범위 내에서 변경될 수도 있다.
100: 주밍 기구가 구비된 빔 균질기
110: 제1어레이렌즈 112: 마이크로렌즈
114: 베이스 120: 제2어레이렌즈
130: 제3어레이렌즈 140: 집광렌즈
150: 이미지 200: 주밍 기구가 구비된 빔 균질기
210: 제1어레이렌즈군 212: 어레이렌즈
220: 제2어레이렌즈군 230: 집광렌즈군
240: 이미지

Claims (7)

  1. 레이저가 출력되는 광축상에 고정 배치되며, 판재 형태의 베이스 상에 볼록렌즈 형태의 마이크로렌즈가 일정한 간격으로 배열된 제1어레이렌즈;
    상기 제1어레이렌즈와 이격되며, 상기 제1어레이렌즈와 동일한 광축상에 배치되고, 상기 광축을 따라 이동가능하게 배치되며, 판재 형태의 베이스 상에 볼록렌즈 형태의 마이크로렌즈가 일정한 간격으로 배열된 제2어레이렌즈;
    상기 제2어레이렌즈와 이격되며, 상기 제1어레이렌즈와 동일한 광축상에 배치되고, 상기 광축을 따라 이동가능하게 배치되며, 판재 형태의 베이스 상에 볼록렌즈 형태의 마이크로렌즈가 일정한 간격으로 배열된 제3어레이렌즈; 및
    상기 제3어레이렌즈와 이격되며, 상기 제3어레이렌즈와 동일한 광축상에 고정 배치되고, 수광되는 레이저를 집광하는 집광렌즈를 포함하며,
    상기 제1어레이렌즈의 초점거리를 f1, 상기 제2어레이렌즈의 초점거리를 f2, 상기 제3어레이렌즈의 초점거리를 f3, 상기 제1어레이렌즈와 상기 제2어레이렌즈간의 거리를 d1, 상기 제2어레이렌즈와 상기 제3어레이렌즈간의 거리를 d2라 하고, d1(d2-f2-f3)+f2(-d2+f3)=0 및 f1=f2=f3일 때, 상기 d1은 수학식 1에 의해 결정되고, 상기 d2는 수학식 2에 의해 결정되는 주밍 기구가 포함된 빔 균질기.
    [수학식 1]
    Figure 112018059892927-pat00062

    여기서, f는 초점거리이고, f=f1=f2=f3이다.
    [수학식 2]
    Figure 112018059892927-pat00065

    여기서, f는 초점거리이고, f=f1=f2=f3이다.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 집광렌즈를 통과한 레이저가 맺히는 이미지 한변의 길이 D는 수학식 3에 의해 결정되는 주밍 기구가 포함된 빔 균질기.
    [수학식 3]
    Figure 112018059892927-pat00064

    여기서, p는 상기 마이크로렌즈간의 피치이고, fc는 상기 집광렌즈의 초점거리, f1은 상기 제1어레이렌즈의 초점거리. f2는 상기 제2어레이렌즈의 초점거리, f3는 상기 제3어레이렌즈의 초점거리이고, d1은 상기 제1어레이렌즈와 상기 제2어레이렌즈간의 거리, d2는 상기 제2어레이렌즈와 상기 제3어레이렌즈간의 거리이다.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제1어레이렌즈 내지 상기 제3어레이렌즈 각각에서 상기 마이크로렌즈의 단면형태는 사각형일 수 있고,
    상기 제1어레이렌즈 내지 상기 제3어레이렌즈를 통과하는 레이저는 상기 제1어레이렌즈 내지 상기 제3어레이렌즈 각각에서 상기 마이크로렌즈의 단면형태에 따라 단면모양이 변화하는 주밍 기구가 포함된 빔 균질기.
  4. 제1항에 있어서,
    제1어레이렌즈 내지 상기 제3어레이렌즈 각각에서 상기 마이크로렌즈는 동일한 형태 및 동일한 크기를 갖는 주밍 기구가 포함된 빔 균질기.
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