KR102425180B1 - 라인빔 형성장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 라인빔을 좀 더 간단한 구성으로 형성하면서 빔 효율이 개선되는 라인빔 형성장치를 제공하는 것을 기술적 과제로 한다.
본 발명은 전술한 과제를 해결하기 위해, 광원과, 빔을 출사하는 광원과, 상기 광원에 의해 출사된 빔의 직경을 확대하기 위한 빔 직경조절부와, 상기 빔 직경조절부에 의해 확대된 빔을 변환하기 위한 빔 변환부와, 상기 빔 변환부에서 출사된 빔의 장축 광학계와, 상기 장축 광학계의 후방에 설치되는 단축 광학계로 이루어지며, 상기 빔 변환부는, 상기 빔 직경조절부의 후방에 배치되며 복수의 제1 FEL로 이루어지는 2차원 FEL 어레이와, 상기 2차원 FEL 어레이의 후방에 배치되며 복수의 광섬유 코어로 형성되는 광섬유 어레이로 이루어지는 것을 특징으로 한다.

Description

라인빔 형성장치{LINE BEAM FORMING DEVICE}
본 발명은 라인빔 형성장치에 대한 것으로서, 보다 구체적으로는 라인빔을 좀 더 간단한 구성으로 형성하면서 빔 효율이 개선되는 라인빔 형성장치에 대한 것이다.
레이저 방사선의 전파 방향은, 특히 레이저 방사선이 평면파가 아니거나 또는 적어도 부분적으로 발산되는 경우, 레이저 방사선의 중간 전파 방향을 의미한다.
광빔, 부분 빔 또는 빔은 달리 표현되지 않으면, 기하학적 광학 시스템의 이상적인 빔을 의미하는 것이 아니라, 실제 광빔,예컨대 극미하게 작은 빔 횡단면이 아니라 연장된 빔 횡단면을 가진, 가우스 프로파일 또는 변형된 가우스 프로파일의 레이저 빔이다.
전술한 방식의 장치는 충분히 공지되어 있다. 이러한 장치들의 전형적인 레이저 광원들은 예컨대 Nd-YAG 레이저 또는 엑시머 레이저이다.
예컨대 싱글-모드 레이저로서 작동되지 않는 Nd-YAG 레이저는 약 8 내지 25의 회절율(beam quality factor) M2을 갖는다. 회절율 M2은 레이저 빔의 품질에 대한 척도이다. 예컨대, 가우스-프로파일을 가진 레이저 빔은 1의 회절율 M2을 갖는다.
회절율 M2 은 레이저 방사선의 모드의 수에 대략 상응한다.
회절율 M2 은 레이저 방사선의 포커싱 가능성에 영향을 준다. 가우스-프로파일을 가진 레이저 빔에 있어서, 포커스 영역 내의 두께(d) 또는 빔 웨이스트는 포커싱될 레이저 빔의 파장(λ)에 비례하고, 역으로 포커싱 렌즈의 개구수 NA 에 비례한다. 포커스 영역에서 레이저 빔의 두께에 대해 하기 식이 성립된다:
Figure 112020073366843-pat00001
가우스형 프로파일을 갖지 않거나 또는 1 보다 큰 회절율 M2 을 가진 레이저 빔에서는 포커스 영역에서 최소 두께 또는 포커스 영역에서 빔 웨이스트가 하기 식에 따라 추가로 회절율에 비례한다.
Figure 112020073366843-pat00002
회절율이 크면 클수록, 레이저 방사선을 포커싱하기 어렵다. 회절율 M2은 레이저 방사선의 전파 방향에 대해 직각인 2개의 방향에 대해 상이한 크기일 수 있다.
이러한 회절율을 고려하여 빔 선형 장치를 구성하는 종래 기술이 한국특허등록공보 제10-951370호에 개시되어 있다.
종래 기술에서는 빔 변환장치로 빔이 입사되기 전에 축소시킨 다음 입사시키게 되는 바, 이로 인해 광량 손실이 발생하는 문제점이 존재하고 있다.
또한, 축소된 빔을 다시 확대하기 위해 별도의 장치가 추가되어야 하는 바, 전반적으로 장치의 구성이 복잡한 단점이 존재한다.
한국특허등록공보 제10-951370호
본 발명은 라인빔을 좀 더 간단한 구성으로 형성하면서 빔 효율이 개선되는 라인빔 형성장치를 제공하는 것을 기술적 과제로 한다.
본 발명은 전술한 과제를 해결하기 위해, 빔을 출사하는 광원과, 상기 광원에 의해 출사된 빔의 직경을 확대하기 위한 빔 직경조절부와, 상기 빔 직경조절부에 의해 확대된 빔을 변환하기 위한 빔 변환부와, 상기 빔 변환부에서 출사된 빔의 장축 광학계와, 상기 장축 광학계의 후방에 설치되는 단축 광학계로 이루어지며, 상기 빔 변환부는, 상기 빔 직경조절부의 후방에 배치되며 복수의 제1 FEL로 이루어지는 2차원 FEL 어레이와, 상기 2차원 FEL 어레이의 후방에 배치되며 복수의 광섬유 코어로 형성되는 광섬유 어레이로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명은 전술한 과제를 해결하기 위해, 빔을 출사하는 복수의 광원과, 상기 복수의 광원에 각각 설치되어 상기 각 광원에서 출사된 빔의 직경을 확대하기 위한 빔 직경조절부와, 상기 복수의 빔 직경 조절부에 각각 설치되어 상기 각 빔 직경조절부에 의해 확대된 빔을 변환하기 위한 빔 변환부와, 상기 복수의 빔 직경 조절부에 각각 설치되어 상기 각 빔 직경조절부에 의해 확대된 빔을 변환하기 위한 빔 변환부와, 상기 복수의 빔 변환부에 각각 설치되는 장축 광학계와, 상기 복수의 장축 광학계의 후방에 각각 설치되는 단축 광학계로 이루어지며, 상기 빔 변환부는, 상기 빔 직경조절부의 후방에 배치되며 복수의 제1 FEL로 이루어지는 2차원 FEL 어레이와, 상기 2차원 FEL 어레이의 후방에 배치되며 복수의 광섬유 코어로 형성되는 광섬유 어레이로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 라인 빔 형성장치에서, 상기 2차원 FEL 어레이는 복수의 제1 FEL 이 가로 및 세로 방향의 2차원으로 로 배열되어 이루어지는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 라인 빔 형성장치에서, 상기 2차원 FEL 어레이에서 가로 및 세로 방향의 크기는 상기 빔 직경조절부에서 출사된 빔의 크기와 동일하게 형성되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 라인 빔 형성장치에서, 상기 각 광섬유 코어의 입사부는 상기 각 제1 FEL 의 가로 세로 방향 중심에 배치되며, 상기 각 제1 FEL 의 촛점에 배치되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 라인 빔 형성장치에서, 상기 광원인 단수 개로 형성된 경우 각 광섬유 코어의 출사부는 세로방향으로 1차원으로 배치되며, 상기 광원이 복수 개로 형성된 경우 각각의 빔 변환부의 각 광섬유 코어의 출사부가 모두 합쳐져서 세로방향으로 1차원으로 배치되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 라인 빔 형성장치에서, 상기 장축 광학계는, 상기 빔 변환부의 후방에 배치되며 복수의 제2 FEL로 이루어지는 한 쌍의 1차원 FEL 어레이와, 상기 한 쌍의 1차원 FEL 어레이의 후방에 배치되며 실린더 렌즈로 이루어지는 장축투사렌즈로 이루어지며, 상기 제2 FEL 은 실린더 렌즈로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 라인 빔 형성장치에서, 상기 한 쌍의 1차원 FEL 어레이의 각 제2 FEL 은 상기 각 출사부의 광섬유 코어에 대응하도록 배치되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 라인 빔 형성장치에서, 상기 각 제2 플라이 아이 렌즈는 상기 각 광섬유 코어의 출사부에 대응하도록 배치되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 라인 빔 형성장치에서, 상기 단축 광학계는, 상기 장축 광학계의 후방에 배치되며 실린더 렌즈로 이루어지는 한 쌍의 더블 텔리센트릭 렌즈로 형성되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 라인 빔 형성장치에서, 상기 한 쌍의 더블 텔리센트릭 렌즈는 상기 장축 광학계의 후방에 배치되는 제1실린더 렌즈와, 상기 제1실린더 렌즈의 후방에 배치되는 제2실린더 렌즈로 이루어지며, 상기 제1 실린더 렌즈와 제2 실린더 렌즈 사이의 거리는 상기 제2 실린더 렌즈에서 출사되는 최외곽 빔이 광축과 평행하게 형성되도록 결정되는 것을 특징으로 한다.
본 발명은 전술한 과제를 해결하기 위해 빔을 출사하는 광원과, 상기 광원에 의해 출사된 빔을 변환하기 위한 빔 변환부와, 상기 빔 변환부에서 출사된 빔의 장축 광학계와, 상기 장축 광학계의 후방에 설치되는 단축 광학계로 이루어지며, 상기 빔 변환부는, 상기 복수의 마이크로 렌즈로 이루어지는 2차원 마이크로 렌즈 어레이와, 상기 마이크로 렌즈 어레이의 후방에 배치되며 복수의 광섬유 코어로 형성되는 광섬유 어레이로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 라인 빔 형성장치에서, 상기 마이크로 렌즈 어레이는 빔의 크기와 동일하게 형성되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 라인 빔 형성장치에서, 상기 마이크로 렌즈 어레이의 각 마이크로 렌즈에 대응하여 상기 광섬유 코어 어레이의 각 광섬유 코어가 배치되며, 상기 각 마이크로 렌즈의 촛점에 상기 각 광섬유 코어가 배치되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 라인 빔 형성장치에서, 상기 각 광섬유 코어의 출사부는 세로방향으로 1차원으로 배치되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 라인 빔 형성장치에서, 상기 장축 광학계는, 상기 빔 변환부의 후방에 배치되며 복수의 제2 FEL로 이루어지는 한 쌍의 1차원 FEL 어레이와, 상기 한 쌍의 1차원 FEL 어레이의 후방에 배치되며 실린더 렌즈로 이루어지는 장축투사렌즈로 이루어지며, 상기 제2 FEL 은 실린더 렌즈로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 라인 빔 형성장치에서, 상기 한 쌍의 1차원 FEL 어레이의 각 제2 FEL 은 상기 각 출사부의 광섬유 코어에 대응하도록 배치되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 라인 빔 형성장치에서, 상기 각 제2 플라이 아이 렌즈는 상기 각 광섬유 코어의 출사부에 대응하도록 배치되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 라인 빔 형성장치에서, 상기 단축 광학계는, 상기 장축 광학계의 후방에 배치되며 실린더 렌즈로 이루어지는 한 쌍의 더블 텔리센트릭 렌즈로 형성되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 라인 빔 형성장치에서, 상기 한 쌍의 더블 텔리센트릭 렌즈는 상기 장축 광학계의 후방에 배치되는 제1실린더 렌즈와, 상기 제1실린더 렌즈의 후방에 배치되는 제2실린더 렌즈로 이루어지며, 상기 제1 실린더 렌즈와 제2 실린더 렌즈 사이의 거리는 상기 제2 실린더 렌즈에서 출사되는 최외곽 빔이 광축과 평행하게 형성되도록 결정되는 것을 특징으로 한다.
본원 발명은 빔 직경조절부의 구성을 종래기술에 비해 실린더 렌즈의 개수를 2개 감소시키면서도 동일한 빔 형성작용을 하는 것이 가능하게 됨으로써 장치의 구성이 간단하게 되는 작용을 하게 된다.
또한, 종래기술에서는 빔 변환장치를 통과한 이후에 빔을 다시 확대하는 장치가 요구되었으나 본원 발명에서는 이러한 장치가 불요하여 장치의 구성이 더욱 간단하게 됨으로써 원가절감 및 장치제작에 소요되는 시간 및 노력이 절감되는 효과를 가지게 된다.
게다가, 빔 변환시에 빔에 대한 축소 및 확대를 위한 별도의 작용이 불요하게 되므로 광량손실을 방지하여 빔의 효율이 개선되는 효과를 가지게 된다.
도 1 은 본 발명에 따른 장치의 구성을 나타낸 개략도이다.
도 2 은 본 발명의 제1실시예에서 빔 직경조절부를 도시하는 도면이다.
도 3 은 본 발명의 제1실시예에서 빔 변환부를 도시하는 도면이다.
도 4 은 본 발명의 제1실시예에서 빔 변환부의 2차원 FEL 어레이를 도시하는 도면이다.
도 5 은 본 발명의 제1실시예에서 빔 변환부의 2차원 FEL 어레이를 도시하는 정면도이다.
도 6 은 본 발명의 제1실시예에서 빔 변환부의 광섬유 어레이의 광섬유 코어가 설치된 상태를 도시하는 정면도이다.
도 7 은 본 발명의 제1실시예에서 빔 변환부의 광섬유 어레이의 입사부에서 광섬유 코어가 설치된 상태를 도시하는 측면도이다.
도 8 은 본 발명의 제1실시예에서 빔 변환부의 광섬유 어레이의 출사부에서 코어 및 클래딩부를 도시하는 도면이다.
도 9 은 본 발명에서 장축 광학계를 도시하는 도면이다.
도 10 은 본 발명에서 단축 광학계를 도시하는 도면이다.
도 11 은 본 발명에서 단축 광학계를 조정한 상태를 도시하는 도면이다.
도 12 는 본 발명의 제2실시예서의 장치의 구성을 나타낸 개략도이다.
도 13 은 본 발명의 제2실시예서의 빔 변환부를 도시하는 도면이다.
도 14 는 본 발명의 제3실시예에서 빔 변환부를 도시하는 도면이다.
도 15 은 본 발명의 제3실시예에서 마이크로 렌즈 어레이를 도시하는 도면이다.
도 16 는 본 발명의 제3실시예에서 광섬유 어레이를 도시하는 도면이다.
이하, 도면을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 대해 설명한다.
[제1실시예]
도 1 은 본 발명에 따른 장치의 구성을 나타낸 개략도이다.
본 발명에 따른 빔 형성 장치는 레이저 광원(100), 빔 직경조절부(200), 빔 변환부(300)와, 장축 광학계(400) 및 단축 광학계(500)로 이루어진다.
레이저 광원(100)은 예컨대 Nd-YAG- 레이저 또는 엑시머 레이저로 실시될 수 있다. 레이저 광원(100)으로부터 나온 빔은 원형 횡단면을 가지며 빔의 직경은 6mm 이다.
본 실시예에서 레이저 광원(100)의 방사선은 x-방향 및 y-방향으로 회절율 Mx2 = My 2 = 26 를 가진다.
본 발명에는 빔의 진행방향을 z 방향으로 하고, z 방향에 수직한 평면에서 라임 빔의 장축 방향을 x 축 방향으로 하고, 단축 방향을 y 방향으로 정의한다.
도 2 본 발명의 제1실시예에서 빔 직경조절부를 도시하는 도면이다.
빔 직경조절부(200)은 빔의 직경을 확대하기 위한 한 쌍의 구면 렌즈(210,220)로 이루어지며, 각각의 구면 렌즈의 공지된 구성으로 이루어진다.
레이저 광원(100)에서 출사된 직경 6mm 의 빔은 빔 직경조절부(200)를 통과하면서 6.5 배 확대되어 직경 39mm 의 빔으로 출사하게 된다.
이때, 레이저 광원(100)에서 출사된 빔의 회절율이 Mx2 = My 2 = 26 이면 빔 직경조절부(200)에 의해 확대된 후에도 변경되지 않고 동일하게 Mx2 = My 2 = 26 이 된다.
본원 발명은 빔 직경조절부의 구성을 종래기술에 비해 실린더 렌즈의 개수를 2개 감소시키면서도 동일한 빔 형성작용을 하는 것이 가능하게 됨으로써 장치의 구성이 간단하게 되는 작용을 하게 된다.
도 3 은 본 발명의 제1실시예에서 빔 변환부를 도시하는 도면이다.
빔 변환부(300)는 2차원 FEL(Fly Eye Lenz) 어레이(310)와 광 섬유 어레이(320)로 이루어진다.
도 4 은 본 발명의 제1실시예에서 빔 변환부의 2차원 FEL 어레이를 도시하는 도면이다. 도 5 은 본 발명의 제1실시예에서 빔 변환부의 2차원 FEL 어레이를 도시하는 정면도이다.
2차원 FEL 어레이(310)는 도 4 에 도시된 바와 같이 각각이 구면 렌즈로 이루어지는 복수의 제1 FEL(311)을 가로 방향(x 방향) 및 세로 방향(y 방향)으로 2차원으로 배열하여 형성한다.
본 실시예에서 2차원 FEL 어레이(310)에서 제1 FEL(311)의 크기는 3mm x 3mm 으로 이루어지고 가로 및 세로에 13 개 X 13 개로 배열되어 전체 크기는 확대된 빔의 직경과 동일한 39mm X 39mm 이다.
즉, 2차원 FEL 어레이(310)는 도 5 에 도시된 바와 같이 빔의 직경과 동일한 크기의 정사각형으로 형성된다.
도 6 은 본 발명의 제1실시예에서 빔 변환부의 광섬유 어레이의 광섬유 코어가 설치된 상태를 도시하는 정면도이다. 도 7 은 본 발명의 제1실시예에서 빔 변환부의 광섬유 어레이의 입사부에서 광섬유 코어가 설치된 상태를 도시하는 측면도이다.
광섬유 어레이(320)는 2차원 FEL 어레이(310)의 각각의 제1 FEL(311)에 대해 일 단부가 일대일로 매칭되는 광섬유 코어(321)와, 상기 광섬유 코어(321)의 타 단부에 설치되는 클래딩(322)으로 이루어진다..
광섬유는 공지된 구성으로서 통상적으로 내부에 형성되는 광섬유 코어와 상기 광섬유 코어를 둘러싸는 클래딩과, 상기 클래딩을 둘러싸는 버퍼, 상기 버퍼를 둘러싸는 재킷으로 이루어지는 데, 본 발명에서는 광섬유의 핵심적인 구성을 위주로 설명하기 위해 코어와 클래딩에 대해서만 언급하기로 한다.
광섬유 코어(321)의 입사부는 2차원 평면으로 배열된 각 제1 FEL(311)의 가로 및 세로 방향 중앙에 배치되고 길이 방향(z 방향)으로는 각 플라이 아이 렌즈(311)의 초점(f)이 위치하는 거리(d)에 배치된다.
광섬유 코어(321)의 입사부는 2차원 FEL 어레이(310)의 2차원 평면 전부에 설치되는 것이 아니라 빔이 조사되는 영역에 배치된 제1 FEL(311)에 대해서만 배치된다.
예를 들어, 본 실시예 경우와 같이 빔의 단면이 원형인 경우이므로 빔의 원형 단면 직경 내부에 배치된 제1 FEL(311)의 각각에 대해서만 광섬유 코어(321)가 배치된다.
빔의 단면이 사각형이며 2차원 FEL 어레이(310)와 동일한 크기를 가지는 경우 모든 제1 FEL(311)에 대해 모두 광섬유코어(321)가 배치되도록 구성된다.
한편, 광섬유 코어(321)의 출사부는 세로 방향(y 방향)으로 1열로 배치되도록 구성된다.
광섬유 코어(321)의 단면은 입사부에서는 원형이나 사각형 모두 가능하나 적어도 출사부에서는 사각형상으로 형성된다.
본 실시예에서 복수의 광 섬유 코어(321)의 입사부와 출사부는 도시되지 않은 하우징에 의해 전술한 형상을 유지하는 것이 가능하게 된다.
도 8 은 본 발명의 제1실시예에서 빔 변환부의 광섬유 어레이의 출사부에서 코어 및 클래딩부를 도시하는 도면이다.
각 광섬유 코어(321)의 출사부에 클래딩부(322)가 형성되며, 클래딩부(322)는 세로방향으로 배열된 광섬유 코어(321)를 수용하기 위해 세로방향으로 형성된다.
본 실시예에서 광섬유 코어(322)의 크기는 출사부에서 150um X 150um 로 이루어지며, 광섬유 코어(322)를 둘러싸는 클래딩부(322)는 300um X 300um 로 이루어지며, 각 광섬유 코어(322)는 각 클래딩부(322)의 내부 중심에 위치한다.
다음으로 빔 변환부(300)에서의 작용에 대해 설명한다.
빔 직경조절부(200)를 통과하여 출사된 빔은 직경 39mm 및 회절율 Mx2 = My 2 = 26 을 가진다.
이 빔은 도 5 에 도시된 바와 같이 빔의 직경과 동일한 가로 및 세로 방향 크기를 가지는 2차원 FEL 어레이(310)로 입사된다.
입사된 빔은 가로 3mm x 세로 3mm 로 형성된 각각의 제1 FEL(311)로 입사되면서 13등분으로 분할되며 이로 인해 도 5 에 도시된 바와 같이 각 제1 플라이 아이 렌즈(311)에서의 빔의 회절율은 Mx2 = My 2 = 2 로 변환된다.
각 제1 플라이 아이 렌즈(311)를 출사한 각각의 빔은 촛점에 배치된 각 광섬유 코어(321)로 입사되는 작용을 하게 된다.
광섬유 코어(321)는 출사부에서는 세로방향으로 총 133개가 수직으로 배열된다.
여기서 133개는 빔의 원형 단면적(=πr2=π*19.5*19.5 mm2)을 각 제1 FEL(311)의 단면적(=9 mm2)로 나눈 것이다.
따라서, 출사부에서 출사되는 빔은 회절율 Mx2 = 2, My 2 = 266(M2 = 2 인 광섬유 코어가 133개)이 된다.
즉, 가로 및 세로 방향으로 150um X 150um 의 크기를 가지는 광섬유 코어(321)가 세로방향, 장축방향으로 300um 마다 적층되도록 형성된다.
이와 같이 본 발명에서는 종래기술에서와 같이 빔 변환장치를 통과한 이후에 빔을 다시 확대하는 장치가 불요하게 되므로 불요하여 장치의 구성이 더욱 간단하게 됨으로써 원가절감 및 장치제작에 소요되는 시간 및 노력이 절감되는 효과를 가지게 된다.
게다가, 빔 변환시에 빔에 대한 축소 및 확대를 위한 별도의 작용이 불요하게 되므로 광량손실을 방지하여 빔의 효율이 개선되는 효과를 가지게 된다.
도 9 은 본 발명에서 장축 광학계를 도시하는 도면이다.
장축 광학계(400)는 한 쌍의 1차원 FEL 어레이(410)와 장축 투사 렌즈(420)로 이루어진다.
한 쌍의 1차원 FEL 어레이(410)는 빔 변환부(300)의 후방에 설치되는 전방 FEL 어레이(411)와, 상기 전방 FEL 어레이(411)의 후방에 설치되는 후방 FEL 어레이(412)로 이루어진다.
전방 및 후방 FEL 어레이(411,412)는 각각 세로방향으로 1차원으로 형성되며 전방 및 후방 FEL 어레이(411,412)를 구성하는 각 제2 FEL(413)는 실린더 렌즈로 이루어진다.
클래딩부(322)에서의 광섬유 코어간의 간격을 크게 형성하는 경우 도 9a 에 도시된 바와 같이, 1개의 광섬유 코어(321)에 대해 전방 FEL 어레이(411)에서의 1개의 제2 FEL(413)가 대응되도록 구성할 수 있으며, 이 경우 광섬유 코어(321)의 개수와 전방 FEL 어레이(411)에서의 제2 FEL(413)의 개수가 동일하게 된다.
이와 같이 형성되는 경우 광섬유 코어(321)에서 출사되는 빔의 폭이 장축의 폭이 되도록 투사되며, 광섬유 코어(321)의 출사부가 입사동(i)으로 형성되고, 최종적인 빔의 출사동(o)이 빔의 상부 및 하부에 형성되는 작용을 하게 된다.
또는, 도 9b 에 도시된 바와 같이, 예를 들어 클래딩부(322)의 크기를 광섬유 코어(321)의 크기의 10% 정도로 제작하여 광섬유 코어(321)간의 간격을 작게 형성할 수도 있다.
이 경우 복수의 광섬유 코어(321)에서 출사되는 빔이 1개의 제2 FEL(413)을 통해 장축으로 투사되거나, 하나의 광섬유 코어(321)에서 출사된 빔이 이웃하는 다른 제2 FEL(413)를 통해 장축으로 투사될 수도 있다.
이와 같이 형성되는 경우 제2 FEL(413)의 폭이 장축의 폭이 되도록 투사되며, 제2 FEL(413)가 입사동(i)으로 형성되고 최종적인 빔의 출사동(o)이 빔의 상부 및 하부에 형성되는 작용을 하게 된다.
빔은 한 쌍의 1차원 FEL 어레이(410)를 통과하면서 다수의 광섬유 코어(321)에서 출사한 빔이 출사동(o)에서 중첩되어 장축빔의 균일화가 이루어지는 작용을 하게 된다.
본 실시예에서는 한 쌍의 1차원 FEL 어레이(410)를 각각 300um 크기의 마이크로 실린더 렌즈 어레이로 형성함으로써 각각 150um 출사광을 장축으로 투사시키게 된다.
장축 투사 렌즈(420)는 공지된 구성의 다수의 실린더 렌즈로 이루어진다.
장축 투사 렌즈(420)를 통과하게 되면서 원하는 장축의 길이가 되도록 확대 중첩되는 작용을 하게 된다.
광섬유 코어(321)에서 출사된 빔은 발산 빔 형태를 가지며 장축 광학계(400)의 상면을 통과하게 된다.
도 10 은 본 발명에서 단축 광학계를 도시하는 도면이다. 도 11 은 본 발명에서 단축 광학계를 조정한 상태를 도시하는 도면이다.
단축 투사 광학계(500)는 한 쌍의 실린더 렌즈(510, 520)로 이루어지는 이중 텔리센트릭 렌즈(double telecentric lens)로 형성된다.
장축 광학계(400)에서 상면으로 투사된 빔은 단축 광학계(500)의 상면으로 투사되면서 결상되는 작용을 하게 된다.
본 실시예에서는 단축 투사 광학계(500)는 광섬유 코어(321)에 출사되는 빔의 크기를 축소시켜 결상하는 것을 목적으로 한다.
예를 들어, 제1 실린더 렌즈(510)의 촛점를 제2 실린더 렌즈(520)의 촛점보다 3배 길게 하면 150um 의 빔을 50um의 크기로 축소시켜 결상하는 것이 가능하게 된다.
종래의 라인 빔 광학계에서는 평행광을 단축 광학계로 투사시켜 최소 스팟(spot)으로 포커싱하도록 형성되었으며 이때 단축의 형태는 가우시안(Gaussian) 형태를 가지게 되었다.
그러나, 본 실시예에서는 투사 결상방식으로 광학계가 형성됨으로써 단축 형상이 플랫 탑(Flat top)의 형상을 가지게 된다는 점에서 장점을 가진다.
특히,도 11 에 도시된 바와 같이 제1 실린더 렌즈(510)와 제2 실린더 렌즈(520)의 사이의 거리를 조절하여 제2 실린더 렌즈(520)에서 출사되는 최외곽 빔을 광축과 평행하게 하면 플랫 탑(flat top) 형상을 가지면서도 공정심도가 더욱 개선되는 효과를 가지게 된다.
[제2실시예]
본 발명의 제2실시예는 광원이 복수로 존재하는 경우에 대한 것이다. 도 12 는 본 발명의 제2실시예서의 장치의 구성을 나타낸 개략도이다. 도 13 은 본 발명의 제2실시예서의 빔 변환부를 도시하는 도면이다.
라인 빔 형성장치에서 장축의 길이가 100mm 인 경우 통상적으로 1개의 레이저 광원을 사용하면 되나, 장축의 길이가 250 mm 이며 2개의 광원을 사용하여야 하며, 1000 mm 인 경우에는 6개의 광원을 사용하여야 한다.
본 발명의 제2실시예도 기본적으로 레이저 광원(100), 빔 직경조절부(200), 빔 변환부(300)와, 장축 광학계(400) 및 단축 광학계(500)로 이루어진다.
제2실시예에서는 광원(100)이 복수로 존재하며 복수의 각 광원(100)에 대해 각각 빔 직경조절부(200), 2차원 FEL 어레이(310), 광섬유 코어(321)가 형성된다.
다만, 각각의 광원(100)에 대한 광섬유 코어(321)의 출사부가 모두 합쳐지게 되어 세로로 형성되며, 이 출사부에는 클래딩부(352)가 형성된다.
[제3실시예]
본 발명의 제3실시예에서 라인빔 형성장치는 레이저 광원(100), 빔 변환부(300)와, 장축 광학계(400) 및 단축 광학계(500)로 이루어진다.
제3실시예에서는 빔의 크기를 확대하지 않으므로 기본적으로 빔 직경조절부(200)가 필요하지 않으며 단순히 빔의 크기를 조정하는 경우에만 적용하면 된다.
도 14 는 본 발명의 제3실시예에서 빔 변환부를 도시하는 도면이다.
제3실시예에서 빔 변환부(330)는 마이크로 렌즈 어레이(340)와, 광 섬유 어레이(350)로 이루어진다.
도 15 은 본 발명의 제3실시예에서 마이크로 렌즈 어레이를 도시하는 도면이다.
마이크로 렌즈 어레이((Micro Lens Array. 340)는 복수의 마이크로 렌즈(341)로 이루어지며 마이크로 렌즈(341)는 제1,2 FEL(311,411)의 1/10 정도로서 수백 ㎛ 크기의 렌즈가 사용된다.
마이크로 렌즈 어레이(340)는 빔의 단면에 대응하는 형상을 가지도록 복수의 마이크로 렌즈(341)를 배열하여 이루어진다.
본 실시예에서 광원(100)에서 출사되는 빔은 원형이므로 마이크로 렌즈 어레이(340)도 이에 대응하도록 원형으로 형성된다.
도 16 는 본 발명의 제3실시예에서 광섬유 어레이를 도시하는 도면이다.
광섬유 어레이(350)는 광섬유 코어(351)와, 상기 광섬유 코어(351)의 출사부에 형성되는 클래딩부(352)와, 상기 광섬유 코어(351) 및 클래딩부(352)를 수용하는 하우징(353)으로 이루어진다.
각각의 마이크로 렌즈(341)에 대응하여 촛점(d)에 광섬유 코어(351)가 배치된다.
제1실시예에서의 광 섬유 어레이(320)의 경우와 마찬가지로 제2실시예에서의 광섬유 코어(351)의 입사부는 원형으로 형성되나, 출사부는 세로방향(y 방향)으로 형성되며, 각 광섬유 코어(351)의 출사부에는 클래딩부(352)가 형성되어 광섬유 코어(321)를 수용하는 작용을 한다.
제3실시예의 경우 라인 빔 형성장치를 형성함에 있어서 특히 빔 확대를 위한 빔 직경조절부의 구성이 포함되지 않아도 된다는 점에서 장치의 구성이 간단해지고 원가가 절감되는 장점을 가지게 된다.
나머지 작용 효과는 제1실시예의 경우와 동일하다.
본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 하나의 실시예에 불과할 뿐이고, 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
100 : 레이저 광원 200 : 빔 직경조절부
300 : 빔 변환부 400 : 장축 광학계
500 : 단축 광학계

Claims (20)

  1. 빔을 출사하는 광원과,
    상기 광원에 의해 출사된 빔의 직경을 확대하기 위한 빔 직경조절부와,
    상기 빔 직경조절부에 의해 확대된 빔을 변환하기 위한 빔 변환부와,
    상기 빔 변환부에서 출사된 빔의 장축 광학계와,
    상기 장축 광학계의 후방에 설치되는 단축 광학계로 이루어지며,
    상기 빔 변환부는,
    상기 빔 직경조절부의 후방에 배치되며 복수의 제1 FEL로 이루어지는 2차원 FEL 어레이와,
    상기 2차원 FEL 어레이의 후방에 배치되며 복수의 광섬유 코어로 형성되는 광섬유 어레이로 이루어지고,
    상기 2차원 FEL 어레이는 복수의 제1 FEL 이 가로 및 세로 방향의 2차원으로 로 배열되어 이루어지고,
    상기 2차원 FEL 어레이에서 가로 및 세로 방향의 크기는 상기 빔 직경조절부에서 출사된 빔의 크기와 동일하게 형성되며,
    상기 각 광섬유 코어의 입사부는 상기 각 제1 FEL 의 가로 세로 방향 중심에 배치되며, 상기 각 제1 FEL 의 촛점에 배치되고,
    상기 광원인 단수 개로 형성된 경우 각 광섬유 코어의 출사부는 세로방향으로 1차원으로 배치되며,
    상기 광원이 복수 개로 형성된 경우 각각의 빔 변환부의 각 광섬유 코어의 출사부가 모두 합쳐져서 세로방향으로 1차원으로 배치되는 것을 특징으로 하는 라인 빔 형성장치.
  2. 빔을 출사하는 복수의 광원과,
    상기 복수의 광원에 각각 설치되어 상기 각 광원에서 출사된 빔의 직경을 확대하기 위한 빔 직경조절부와,
    상기 복수의 빔 직경 조절부에 각각 설치되어 상기 각 빔 직경조절부에 의해 확대된 빔을 변환하기 위한 빔 변환부와,
    상기 복수의 빔 직경 조절부에 각각 설치되어 상기 각 빔 직경조절부에 의해 확대된 빔을 변환하기 위한 빔 변환부와,
    상기 복수의 빔 변환부에 각각 설치되는 장축 광학계와,
    상기 복수의 장축 광학계의 후방에 각각 설치되는 단축 광학계로 이루어지며,
    상기 빔 변환부는,
    상기 빔 직경조절부의 후방에 배치되며 복수의 제1 FEL로 이루어지는 2차원 FEL 어레이와,
    상기 2차원 FEL 어레이의 후방에 배치되며 복수의 광섬유 코어로 형성되는 광섬유 어레이로 이루어지며,
    상기 2차원 FEL 어레이는 복수의 제1 FEL 이 가로 및 세로 방향의 2차원으로 로 배열되어 이루어지고,
    상기 2차원 FEL 어레이에서 가로 및 세로 방향의 크기는 상기 빔 직경조절부에서 출사된 빔의 크기와 동일하게 형성되며,
    상기 각 광섬유 코어의 입사부는 상기 각 제1 FEL 의 가로 세로 방향 중심에 배치되며, 상기 각 제1 FEL 의 촛점에 배치되고,
    상기 광원인 단수 개로 형성된 경우 각 광섬유 코어의 출사부는 세로방향으로 1차원으로 배치되며,
    상기 광원이 복수 개로 형성된 경우 각각의 빔 변환부의 각 광섬유 코어의 출사부가 모두 합쳐져서 세로방향으로 1차원으로 배치되는 것을 특징으로 하는 라인 빔 형성장치.
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 청구항 1 또는 청구항 2 에 있어서,
    상기 장축 광학계는,
    상기 빔 변환부의 후방에 배치되며 복수의 제2 FEL로 이루어지는 한 쌍의 1차원 FEL 어레이와,
    상기 한 쌍의 1차원 FEL 어레이의 후방에 배치되며 실린더 렌즈로 이루어지는 장축투사렌즈로 이루어지며,
    상기 제2 FEL 은 실린더 렌즈로 이루어지는 것을 특징으로 하는 라인 빔 형성장치.
  8. 청구항 7 에 있어서,
    상기 한 쌍의 1차원 FEL 어레이의 각 제2 FEL 은 상기 각 출사부의 광섬유 코어에 대응하도록 배치되는 것을 특징으로 하는 라인 빔 형성장치.
  9. 청구항 8 에 있어서,
    상기 각 제2 FEL 은 각 광섬유 코어의 출사부에 대응하도록 배치되는 것을 특징으로 하는 라인 빔 형성장치.
  10. 청구항 9 에 있어서,
    상기 단축 광학계는,
    상기 장축 광학계의 후방에 배치되며 실린더 렌즈로 이루어지는 한 쌍의 더블 텔리센트릭 렌즈로 형성되는 것을 특징으로 하는 라인 빔 형성장치.
  11. 청구항 10 에 있어서,
    상기 한 쌍의 더블 텔리센트릭 렌즈는 상기 장축 광학계의 후방에 배치되는 제1실린더 렌즈와, 상기 제1실린더 렌즈의 후방에 배치되는 제2실린더 렌즈로 이루어지며,
    상기 제1 실린더 렌즈와 제2 실린더 렌즈 사이의 거리는 상기 제2 실린더 렌즈에서 출사되는 최외곽 빔이 광축과 평행하게 형성되도록 결정되는 것을 특징으로 하는 라인 빔 형성장치.
  12. 빔을 출사하는 광원과,
    상기 광원에 의해 출사된 빔을 변환하기 위한 빔 변환부와,
    상기 빔 변환부에서 출사된 빔의 장축 광학계와,
    상기 장축 광학계의 후방에 설치되는 단축 광학계로 이루어지며,
    상기 빔 변환부는,
    복수의 마이크로 렌즈로 이루어지는 2차원 마이크로 렌즈 어레이와,
    상기 마이크로 렌즈 어레이의 후방에 배치되며 복수의 광섬유 코어로 형성되는 광섬유 어레이로 이루어지고,
    상기 마이크로 렌즈 어레이는 빔의 크기와 동일하게 형성되며,
    상기 마이크로 렌즈 어레이의 각 마이크로 렌즈에 대응하여 상기 광섬유 코어 어레이의 각 광섬유 코어가 배치되며, 상기 각 마이크로 렌즈의 촛점에 상기 각 광섬유 코어가 배치되고,
    상기 각 광섬유 코어의 출사부는 세로방향으로 1차원으로 배치되는 것을 특징으로 하는 라인 빔 형성장치.
  13. 삭제
  14. 삭제
  15. 삭제
  16. 청구항 12 에 있어서,
    상기 장축 광학계는,
    상기 빔 변환부의 후방에 배치되며 복수의 제2 FEL로 이루어지는 한 쌍의 1차원 FEL 어레이와,
    상기 한 쌍의 1차원 FEL 어레이의 후방에 배치되며 실린더 렌즈로 이루어지는 장축투사렌즈로 이루어지며,
    상기 제2 FEL 은 실린더 렌즈로 이루어지는 것을 특징으로 하는 라인 빔 형성장치.
  17. 청구항 16 에 있어서,
    상기 한 쌍의 1차원 FEL 어레이의 각 제2 FEL 은 상기 각 출사부의 광섬유 코어에 대응하도록 배치되는 것을 특징으로 하는 라인 빔 형성장치.
  18. 청구항 17 에 있어서,
    상기 각 제2 FEL 은 상기 각 광섬유 코어의 출사부에 대응하도록 배치되는 것을 특징으로 하는 라인 빔 형성장치.
  19. 청구항 18 에 있어서,
    상기 단축 광학계는,
    상기 장축 광학계의 후방에 배치되며 실린더 렌즈로 이루어지는 한 쌍의 더블 텔리센트릭 렌즈로 형성되는 것을 특징으로 하는 라인 빔 형성장치.
  20. 청구항 19 에 있어서,
    상기 한 쌍의 더블 텔리센트릭 렌즈는 상기 장축 광학계의 후방에 배치되는 제1실린더 렌즈와, 상기 제1실린더 렌즈의 후방에 배치되는 제2실린더 렌즈로 이루어지며,
    상기 제1 실린더 렌즈와 제2 실린더 렌즈 사이의 거리는 상기 제2 실린더 렌즈에서 출사되는 최외곽 빔이 광축과 평행하게 형성되도록 결정되는 것을 특징으로 하는 라인 빔 형성장치.
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