KR102030432B1 - 레이저 다이오드 빔 합성장치 - Google Patents

레이저 다이오드 빔 합성장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 레이저 다이오드 빔 합성 장치에 관한 것으로, 다수개의 레이저 다이오드가 측면에 방사상으로 설치된 다각 기둥 형태의 바디와, 바디 중심에 위치되고 다수개의 레이저 다이오드로부터 생성된 광을 바디 상면을 향해 집광하는 미러와, 바디 상면에 위치되고 미러를 통해 집광된 광을 출력하는 광섬유 스터브를 포함하며, 다수개의 레이저 다이오드에서 발생된 광이 미러를 통해 집광되 하나의 스터브 광섬유로 입사되므로 빔파편화 현상이 방지되며, 종래 광섬유에 비하여 길이가 최소화되는 스터브 광섬유가 활용되므로, 광원과 인체를 최 근접시킬 수 있어, 휴대용 또는 웨어러블 광진단 기기에 활용할 수 있는, 레이저 다이오드 빔 합성 장치를 제공한다.

Description

레이저 다이오드 빔 합성장치{LASER DIODE BEAM COMBINER}
본 발명은 레이저 다이오드 빔 합성장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 휴대용 광진단기기에 적용 가능한, 레이저 다이오드 빔 합성장치에 관한 것이다.
일반적으로 하나의 레이저 다이오드에는 하나의 광섬유를 커플링시켜 그 빛을 전송하게 되는데, 최근 많은 의광학 의료기기 분야나, 건물의 상태를 감시하기 위한 센서분야에 NIR(Near Infra-Red) 영역에 존재하는 다파장의 레이저 다이오드를 사용하고 있다.
특히, 티오(TO, Transistor Outline)-캔(CAN) 형태의 레이저 다이오드는 비용 효율적이며, 시스템의 소형화에 이득을 주기 때문에, 다채널 광 진단장비, 센서장비, 분광기 등 진단 측정 및 구조 검사 및 테스트 장비에 많이 사용되고 있다.
종래의 일반적인 레이저 다이오드 패키지는 커플링되는 광섬유의 복잡도를 줄이고자, 1xM 광 멀티 점퍼코드를 이용하여 각각의 파장을 발생하는 다중 티오-캔(TO-CAN) 형태의 레이저 다이오드를 하나의 광섬유로 묶어 사용하는 방식이 적용되었다. 이는 다파장의 레이저 다이오드를 인체 또는 동물 모델 조직 한 부분의 측정 포인트에만 적용하기 위한 것이다.
도 1에는 종래 광진단기기에서 사용되던 광섬유 번들이 도시되었는데, 종래 광섬유 번들은 여러 파장의 레이저 광원을 여러 개의 광섬유 다발 쪽에 연결하여 하나의 공통출력 단에서 다파장의 빛이 출력되는 구성으로 이루진다.
그러나, 도 1에 도시된 바와 같은 종래 광섬유 번들은 공통 출력 단에서 하나의 빔으로 출력되지 못하고, 도 2에 도시된 바와 같이, 파편화 현상이 발생되어 다수개의 갈래로 나눠져 출력되므로, 파편화 현상에 따라 광진단 기기의 측정 오차를 발생시킬 수 있으며 진단오류를 야기할 수 도 있다.
또한, 종래 광섬유 번들과 같은 멀티 트랙 광섬유가 광진단 기기에 사용됨에 따라, 광진단 기기 시스템의 부피를 축소시키기 힘들었으므로 의사들이 사용하기에 불편한 점이 있었다.
위와 같은 종래 광섬유 번들의 아쉬움을 해소하기 위해서, 도 3에 도시된 바와 같이, 종래의 멀티트랙 광섬유 번들을 사용하는 대신에 싱글코어의 다중모드 광섬유를 사용함으로써 빔파편화 현상의 발생을 방지하고, 시스템의 부피를 축소할 수 있는 다파장 레이저 다이오드 빔 합성장치가 개발되었다.
그러나, 상기의 다파장 레이저 다이오드 빔 합성장치도 광원으로부터 광을 출력하기 위해서 반드시 광섬유를 사용해야 하는 구조를 이루므로, 인체에 광원이 직접 접촉되어야 하는 휴대용 혹은 웨어러블(WEARABLE)용 광진단 기기에 적용하기에는 부적합하였다.
또한, 광섬유가 항상 사용되어야 하므로 소형화에 불리하고, 티오형 레이저 다이오드가 패키지 형태로 장착되어서 생성되는 광의 파장 변경이 불편하였다.
또한, 다수개의 티오형 레이저 다이오드가 장치 내부에 위치되는 구조이므로 생성된 다수개의 빔을 하나로 합성하기 위한 광정렬이 어려웠으며, 특히, 티오형 레이저 다이오드의 위치를 변경하여 광정렬이 수행되는 틸트(TILT) 조절이 힘들었다.
또한, 실린더에 반사판이 에폭시에 의해 부착되는 구조이므로 에폭시 도포량에 따라 반사판의 두께가 변화되었고, 이에 따라 빛이 집광되는 위치가 변경될 여지가 있었다.
또한, 반사판의 크기가 생성된 광의 직경 보다 작을 경우 반사판과 접촉하지 못한 광은 반사되지 못하고 사라질 수 있고, 생성된 빔에 비하여 결합되는 빔의 양이 적으므로 결합효율의 감소를 야기시켜서 레이저 다이오드를 통한 광생성시 과도한 전력소모를 유발시키게 되어 밧데리 등의 저전력 구동이 요구되는 휴대용 또는 웨어러블 광진단 기기에 사용하기 어렵다는 문제가 있다.
대한민국 등록특허공보 제10-1493257호(2015.02.09.)
위와 같은 점을 감안해 발명된 본 발명의 목적은, 빔파편화 현상을 방지함과 동시에, 인체와 광원을 근접시킬 수 있고, 결합효율이 증대되어 저전력 구동이 가능하며 휴대용 또는 웨어러블 광진단기기에 적용 가능한 레이저 다이오드 빔 합성장치를 제공하는 것이다.
위와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일실시예의 레이저 다이오드 빔 합성 장치는, 다수개의 레이저 다이오드가 측면에 방사상으로 설치된 다각 기둥 형태의 바디와, 바디 중심에 위치되고 다수개의 레이저 다이오드로부터 생성된 광을 바디 상면을 향해 집광하는 미러와, 바디 상면에 위치되고 미러를 통해 집광된 광을 출력하는 광섬유 스터브를 포함한다.
또한, 바디의 측면에는 레이저 다이오드가 장착되는 측면장착홀이 형성되고, 바디의 저면에는 미러가 삽입되는 삽입구가 형성되고, 바디의 상면에는 미러를 통해 집광된 광이 관통하는 광통로가 형성될 수 있다.
또한, 바디는, 측면장착홀에 부착되고, 레이저 다이오드가 결합되는 레이저 홀더와, 레이저 홀더에 내삽되고, 레이저 다이오드로부터 생성된 광을 미러로 집광하는 렌즈와, 레이저 홀더와 내주면이 치합되고, 측면장착홀과 외주면이 치합되는 미들홀더를 포함할 수 있다.
또한, 미러는, 삽입구를 통해 바디 내부로 삽입된 다각뿔 형태의 반사부와, 반사부 하측에 형성되고, 삽입구와 결합되는 결합부와, 결합부 하부에 형성되고, 바디 저면과 접촉되는 지지부를 포함할 수 있다.
또한, 반사부 표면이 반사부와 다른 종류의 금속으로 코팅될 수 있다.
또한, 반사부를 통해 집광된 광섬유 스터브로 입사되는 광의 입사각이 11도 미만일 수 있다.
또한, 바디는, 광통로와 동심을 이루도록 바디 상면에 부착된 관체상의 스페이서와, 광통로와 대칭을 이루도록 스페이서에 삽입된 스터브 홀더를 포함하며, 스터브 홀더에 광섬유 스터브가 고정될 수 있다.
또한, 스페이서는, 바디 상면에 부착된 관체상의 스페이서바디와, 스페이서바디 상측에 형성된 스페이서탑페이스를 포함하며, 스페이서탑페이스 중심에 스페이서바디의 직경보다 작은 직경의 스페이서홀이 형성될 수 있다.
또한, 스터브 홀더는, 스페이서홀에 삽입되는 스터브파이프와, 스터브파이프 하단에 스페이서탑페이스와 접촉하도록 형성된 스터브와셔를 포함할 수 있다.
또한, 스터브와셔와 바디 사이에 용수철이 위치될 수 있다.
위와 같은 본 발명에 따르면, 다수개의 레이저 다이오드에서 발생된 광이 미러를 통해 집광되 하나의 스터브 광섬유로 입사되므로 빔파편화 현상이 방지되며, 종래 광섬유에 비하여 길이 및 부피가 최소화되는 스터브 광섬유가 활용되므로, 광원과 인체를 최 근접시킬 수 있어, 휴대용 또는 웨어러블 광진단 기기에 활용할 수 있다.
또한, 레이저 다이오드가 바디 외측에 위치되므로, 다른 규격의 레이저 다이오드를 혼합사용할 수 있으며, 레이저 홀더, 미들홀더를 조작해 레이저 다이오드를 틸트할 수 있다. 궁극적으로, 광정렬이 레이저 다이오드 틸트를 통해 달성될 수 있다.
또한, 근적외선 대역(600 나노미터 내지 1000 나노미터)에서 전반사 효율이 90퍼센트 이상이 되도록 미러에 구비된 반사부에 금속을 코팅해 빔 결합 효율을 극대화할 수 있다. 다시 말하자면, 반사판 사용이 배제되므로, 빔 결합효율이 종래에 비해 증대되고, 저전력 구동이 가능해진다.
또한, 광섬유 스터브 하단에 탄성을 갖는 용수철이 위치되므로, 인체 접촉시 광섬유 스터브가 인체에 밀착되는 것이 유지된다.
도 1은 종래 광진단 기기에 사용되던 광섬유 번들의 예시도,
도 2는 종래 광섬유 번들을 통해 출력됨에 따라, 빔파편화가 발생되 여러 갈래로 나눠진 광의 예시도 및 종래 광섬유 번들이 활용된 광진단 기기의 측정 오차 정도를 나타내는 그래프,
도 3은 종래 다파장 레이저 다이오드 빔 합성장치의 예시도,
도 4는 본 발명의 일실시예의 레이저 다이오드 빔 합성장치의 예시도,
도 5는 도 4의 레이저 다이오드 빔 합성장치의 분해 예시도,
도 6은 도 4의 레이저 다이오드 빔 합성장치의 요부 단면 예시도 및 빔 패턴을 나타내는 사진 및 그래프,
도 7은 도 4의 레이저 다이오드 빔 합성장치의 다른 예시도이다.
후술하는 본 발명에 대한 상세한 설명은, 본 발명이 실시될 수 있는 특정 실시예를 예시로서 도시하는 첨부 도면을 참조한다.　이들 실시 예는 당업자가 본 발명을 실시할 수 있기에 충분하도록 상세히 설명된다.　본 발명의 다양한 실시 예는 서로 다르지만 상호 배타적일 필요는 없음이 이해되어야 한다.　예를 들어, 여기에 기재되어 있는 특정 형상, 구조 및 특성은 일 실시예에 관련하여 본 발명의 기술적 사상 및 범위를 벗어나지 않으면서 다른 실시 예로 구현될 수 있다.　또한, 각각의 개시된 실시예 내의 개별 구성요소의 위치 또는 배치는 본 발명의 기술적 사상 및 범위를 벗어나지 않으면서 변경될 수 있음이 이해되어야 한다.　따라서, 후술하는 상세한 설명은 한정적인 의미로서 취하려는 것이 아니며, 본 발명의 범위는 그 청구항들이 주장하는 것과 균등한 모든 범위와 더불어 첨부된 청구항에 의해서만 한정된다.　도면에서 유사한 참조부호는 여러 측면에 걸쳐서 동일하거나 유사한 기능을 지칭한다.
이하, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있도록 하기 위하여, 본 발명의 바람직한 실시 예들에 관하여 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.
도 4 내지 도 7에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일실시예의 레이저 다이오드 빔 합성 장치는, 다수개의 레이저 다이오드(LD)가 측면에 방사상으로 설치된 다각 기둥 형태의 바디(100)와, 바디(100) 중심에 위치되고 다수개의 레이저 다이오드(LD)로부터 생성된 광을 바디(100) 상면을 향해 집광하는 미러(200)와, 바디(100) 상면에 위치되고 미러(200)를 통해 집광된 광을 출력하는 광섬유 스터브(300)를 포함한다. 특히, 다수개의 레이저 다이오드(LD)가 바디(100) 외측에 위치된 것을 특징으로 한다.
바디(100)는, 내부면은 광 반사가 방지되도록 검은색으로 도장 된다. 바디(100)의 측면에는 레이저 다이오드(LD)가 장착되는 측면장착홀(110)이 형성되고, 바디(100)의 저면에는 미러(200)가 삽입되는 삽입구(120)가 형성되고, 바디(100)의 상면에는 미러(200)를 통해 집광된 광이 관통하는 광통로(130)가 형성된다.
바디(100)는, 측면장착홀(110)에 부착되고, 레이저 다이오드(LD)가 결합되는 레이저 홀더(140)와, 레이저 홀더(140)에 내삽되고, 레이저 다이오드(LD)로부터 생성된 광을 미러(200)로 집광하는 렌즈(150)와, 레이저 홀더(140)와 내주면이 치합되고, 측면장착홀(110)과 외주면이 치합되는 미들홀더(160)를 포함한다.
레이저 홀더(140) 및 미들홀더(160)를 조작함에 따라, 레이저 다이오드(LD)를 틸트 정렬할 수 있다. 또한, 레이저 다이오드(LD)가 틸트 정렬 가능하므로, 미러(200)로 부터 광섬유 스터브(300)로 입사하는 광을 하나로 합성하는 광정렬이 용이하다.
또한, 레이저 홀더(140), 렌즈(150)를 변경함에 따라, 다른 크기의 레이저 다이오드(LD)를 바디(100) 외측면에 설치할 수 있게 된다. 도 7에 도시된 바와 같이, 다른 크기의 레이저 다이오드(LD)가 조합될 수 있다.
미러(200)는, 삽입구(120)를 통해 바디(100) 내부로 삽입된 다각뿔 형태의 반사부(210)와, 반사부(210) 하측에 형성되고, 삽입구(120)와 결합되는 결합부(220)와, 결합부(220) 하부에 형성되고, 바디(100) 저면과 접촉되는 지지부(230)를 포함한다. 반사부(210) 표면이 반사부(210)와 다른 종류의 금속으로 코팅된다.
근적외선 대역(600 나노미터 내지 1000 나노미터)에서 전반사 효율이 90퍼센트 이상이 되도록 미러(200)에 구비된 반사부(210)에 금속을 코팅해 빔 결합 효율을 극대화한다. 다시 말하자면, 반사판 사용이 배제되므로, 빔 결합효율이 종래에 비해 증대되고, 저전력 구동이 가능해진다.
반사부(210)를 통해 집광되어 광섬유 스터브(300)로 입사되는 광의 입사각(θi)이 11도 미만이 되도록 반사부(210)의 각도가 조절된다. 광섬유 스터브(300)로 입사되는 광의 입사각(θi)이 11도 미만이 됨에 따라, 도 6에 도시된 바와 같은 빔패턴이 구현된다. 따라서, 도 6에 도시된 바와 같이, 광의 중심부 해상도가 극대화된다.
바디(100)는, 광통로(130)와 동심을 이루도록 바디(100) 상면에 부착된 관체상의 스페이서(170)와, 광통로(130)와 대칭을 이루도록 스페이서(170)에 삽입된 스터브 홀더(180)를 포함하며, 스터브 홀더(180)에 광섬유 스터브(300)가 고정된다.
스페이서(170)는, 바디(100) 상면에 부착된 관체상의 스페이서바디(171)와, 스페이서바디(171) 상측에 형성된 스페이서탑페이스(172)를 포함하며, 스페이서탑페이스(172) 중심에 스페이서바디(171)의 직경보다 작은 직경의 스페이서홀(173)이 형성된다.
스터브 홀더(180)는, 스페이서홀(173)에 삽입되는 스터브파이프(181)와, 스터브파이프(181) 하단에 스페이서탑페이스(172)와 접촉하도록 형성된 스터브와셔(182)를 포함한다. 스터브와셔(182)와 바디(100) 사이에 용수철(190)이 위치된다.
광섬유 스터브(300) 좀 더 정확히는, 스터브 홀더(180)가 탄성을 갖는 용수철(190)에 의해 지지되므로, 광섬유 스터브(300)가 인체와 접촉할 때, 광섬유 스터브(300)가 인체에 밀착되는 것이 유지된다.
위와 같은 본 발명의 레이저 다이오드 빔 합성장치에 따르면, 다수개의 레이저 다이오드(LD)에서 발생된 광이 미러(200)를 통해 집광되 하나의 스터브 광섬유로 입사되므로 빔파편화 현상이 방지된다.
또한, 종래 광섬유에 비하여 길이 및 부피가 최소화되는 스터브 광섬유가 활용되므로, 광원과 인체를 최 근접시킬 수 있으며, 부피를 최소화할 수 있기 때문에, 휴대용 또는 웨어러블 광진단 기기에 활용할 수 있다.
또한, 레이저 다이오드(LD)가 바디(100) 외측에 위치되므로, 다른 규격의 레이저 다이오드(LD)를 혼합사용할 수 있으며, 레이저 홀더(140), 미들홀더(160)를 조작해 레이저 다이오드(LD)를 틸트할 수 있다. 궁극적으로, 광정렬이 레이저 다이오드(LD) 틸트를 통해 달성될 수 있다.
또한, 근적외선 대역(600 나노미터 내지 1000 나노미터)에서 전반사 효율이 90퍼센트 이상이 되도록 미러(200)에 구비된 반사부(210)에 금속을 코팅해 빔 결합 효율을 극대화할 수 있다. 다시 말하자면, 반사판 사용이 배제되므로, 빔 결합효율이 종래에 비해 증대되고, 저전력 구동이 가능해진다.
또한, 광섬유 스터브(300) 하단에 탄성을 갖는 용수철(190)이 위치되므로, 인체 접촉시 광섬유 스터브(300)가 인체에 밀착되는 것이 유지된다.
이상에서는 본 발명을 바람직한 실시 예에 의거하여 설명하였으나, 본 발명의 기술적 사상은 이에 한정되지 아니하고 청구항에 기재된 범위 내에서 변형이나 변경 실시가 가능함은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명백한 것이며, 그러한 변형이나 변경은 첨부된 특허청구범위에 속한다 할 것이다.
100: 바디
110: 측면장착홀
120: 삽입구
130: 광통로
140: 레이저 홀더
150: 렌즈
160: 미들홀더
170: 스페이서
171: 스페이서바디
172: 스페이서탑페이스
173: 스페이서홀
180: 스터브 홀더
181: 스터브파이프
182: 스터브와셔
190: 용수철
200: 미러
210: 반사부
220: 결합부
230: 지지부
300: 광섬유 스터브
LD: 레이저 다이오드

Claims (9)

  1. 다수개의 레이저 다이오드가 측면에 방사상으로 설치된 다각 기둥 형태의 바디;
    상기 바디 내부에 위치되고 상기 다수개의 레이저 다이오드로부터 생성된 광을 상기 바디 상면을 향해 반사하는 미러; 및
    상기 바디 상면에 위치되고 상기 미러를 통해 반사된 광을 출력하는 광섬유 스터브;를 포함하고,
    상기 바디는,
    상기 레이저 다이오드가 결합되는 레이저 홀더; 및
    상기 레이저 홀더에 내삽되고, 상기 레이저 다이오드로부터 생성된 광을 상기 미러로 집광하는 렌즈;를 포함하고,
    상기 미러는,
    상기 렌즈를 통해 집광된 광을 상기 광섬유 스터브로 반사시키는 다각뿔 형태의 반사부;를 포함하고,
    상기 반사부는,
    상기 광섬유 스터브로 입사되는 광의 입사각(θi)이 11도 미만이 되도록 각도가 조절된 것을 특징으로 하는 레이저 다이오드 빔 합성 장치.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 바디는,
    측면에 구비되며 상기 레이저 다이오드가 장착되는 측면장착홀;
    저면에 구비되며 상기 미러가 삽입되는 삽입구; 및
    상면에 구비되며 상기 미러를 통해 집광된 광이 관통하는 광통로;를 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저 다이오드 빔 합성 장치.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 바디는,
    상기 레이저 홀더와 내주면이 치합되고, 상기 측면장착홀과 외주면이 치합되는 미들홀더;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저 다이오드 빔 합성 장치.
  4. 제 2항에 있어서,
    상기 미러는,
    상기 반사부 하측에 구비되고, 상기 삽입구와 결합되는 결합부; 및
    상기 결합부 하부에 구비되고, 상기 바디 저면과 접촉되는 지지부;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저 다이오드 빔 합성 장치.
  5. 제 2항에 있어서,
    상기 바디는,
    상기 광통로와 동심을 이루도록 상기 바디 상면에 구비된 관체상의 스페이서; 및
    상기 광통로와 대칭을 이루도록 상기 스페이서에 삽입된 스터브 홀더;를 더 포함하며,
    상기 스터브 홀더에 상기 광섬유 스터브가 고정된 것을 특징으로 하는 레이저 다이오드 빔 합성 장치.
  6. 제 5항에 있어서,
    상기 스페이서는,
    상기 바디 상면에 부착된 관체상의 스페이서바디; 및
    상기 스페이서바디 상측에 구비된 스페이서탑페이스;를 포함하며,
    상기 스페이서탑페이스 중심에 상기 스페이서바디의 직경보다 작은 직경의 스페이서홀이 형성된 것을 특징으로 하는 레이저 다이오드 빔 합성 장치.
  7. 제 6항에 있어서,
    상기 스터브 홀더는,
    상기 스페이서홀에 삽입되는 스터브파이프; 및
    상기 스터브파이프 하단에 상기 스페이서탑페이스와 접촉하도록 형성된 스터브와셔;를 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저 다이오드 빔 합성 장치.
  8. 제 7항에 있어서,
    상기 스터브와셔와 상기 바디 사이에 용수철이 위치되는 것을 특징으로 하는 레이저 다이오드 빔 합성 장치.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 반사부 표면이 상기 반사부와 다른 종류의 금속으로 코팅된 것을 특징으로 하는 레이저 다이오드 빔 합성 장치.
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