KR102561682B1 - 타원과 포물선 반사체를 이용한 광 집속 장치 - Google Patents

타원과 포물선 반사체를 이용한 광 집속 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명의 일 실시 형태에 따른 타원과 포물선 반사체를 이용한 광 집속 장치는, 타원 반사체와, 타원 반사체의 내부에 구비되며, 타원 반사체의 2개의 초점 중 제1 초점과 초점이 일치되도록 배치된 포물선 반사체를 포함할 수 있다.

Description

타원과 포물선 반사체를 이용한 광 집속 장치{APPARATUS FOR FOCUSING LIGHT USING PARABOLIC REFLECTOR AND ELLIPTICAL REFLECTOR}
본 출원은, 타원과 포물선 반사체를 이용한 광 집속 장치에 관한 것이다.
선원을 정확히 정의할 수 있는 일반 광이나, X-선원 등에서 발생한 광은 진행시 거리의 제곱의 반비례하여 급속히 그 플럭스(빔 밀도) 감소한다.
이를 해결하기 위해 여러 방법이 제안되고 있으나, 공간적 제약으로 일부만을 평행빔으로 만들지고 있다.
(선행문헌 1) 일본공개특허 특개2012-88251(“중성자의 집광 및 결상 광학계 및 그 제조 방법 ”, 공개일: 2012년05월10일)
본 발명은, 광의 집속도를 높일 수 있는 타원과 포물선 반사체를 이용한 광 집속 장치를 제공한다.
본 발명의 일 실시 형태에 의하면, 광 집속 장치에 있어서, 타원 반사체; 및 상기 타원 반사체의 내부에 구비되며, 상기 타원 반사체의 2개의 초점 중 제1 초점과 초점이 일치되도록 배치된 포물선 반사체;를 포함하도록 구성된, 광 집속 장치를 제공한다.
본 발명의 일 실시 형태에 의하면, 상기 타원 반사체의 2개의 초점 중 제2 초점에 위치한 광원에서 조사된 방사광은, 상기 타원 반사체의 내면에서 1차 반사되어 상기 제1 초점으로 향하되, 상기 제1 초점으로 향하는 광은, 상기 포물선 반사체의 외면에서 2차 반사되어 중심축과 평행하게 진행할 수 있다.
본 발명의 일 실시 형태에 의하면, 상기 포물선 반사체의 중심축은, 상기 타원 반사체 내부의 중심축과 일치되도록 배치될 수 있다.
본 발명의 일 실시 형태에 의하면, 상기 타원 반사체에는, 상기 포물선 반사체의 외면에 의해 반사되어 평행하게 진행하는 광이 통과하도록 중심축이 통과하는 면이 관통될 수 있다.
본 발명의 일 실시 형태에 의하면, 상기 타원 반사체는, 중심축을 중심으로 절단면이 타원 방정식을 따르며, 상기 포물선 반사체는, 상기 중심축을 중심으로 절단면이 포물선 방정식을 따를 수 있다.
본 발명의 일 실시 형태에 의하면, 상기 포물선 반사체의 외면에서 2차 반사되어 중심축과 평행하게 진행하는 광의 집속도는, 상기 포물선 반사체의 곡률에 따라 결정될 수 있다.
본 발명의 일 실시 형태에 의하면, 타원 반사체와, 타원 반사체의 내부에 타원 반사체의 2개의 초점 중 제1 초점과 초점이 일치되도록 포물선 반사체를 구비함으로써, 광의 집속도를 높일 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시 형태에 따른 타원과 포물선 반사체를 이용한 광 집속 장치의 절단 사시도이다.
도 2a는 본 발명의 일 실시 형태에 따른 포물선 반사체에 적용되는 포물선의 기본 방정식을 설명하기 위한 도면이다.
도 2b는 본 발명의 일 실시 형태에 따른 타원 반사체에 적용되는 타원의 기본 방정식을 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시 형태에 따라 타원 반사체와 포물선 반사체의 초점을 일치시킨 도면이다.
도 4a는 본 발명의 일 실시 형태에 따른 타원 반사체의 각 위치를 설명하기 위한 도면이다.
도 4b는 본 발명의 일 실시 형태에 따른 타원 반사체의 c점에 반사된 후 포물선 반사체에 의해 반사되어 평행하게 진행하는 광을 도시한 도면이다.
도 4c는 본 발명의 일 실시 형태에 따른 타원 반사체의 임의의 T점에 반사된 후 포물선 반사체에 의해 반사되어 평행하게 진행하는 광을 도시한 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시 형태에 따른 광 집속 장치에 의한 광 집속을 도시한 도면이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시형태를 설명한다. 그러나 본 발명의 실시형태는 여러 가지의 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 이하 설명하는 실시형태로만 한정되는 것은 아니다. 도면에서의 요소들의 형상 및 크기 등은 더욱 명확한 설명을 위해 과장될 수 있으며, 도면상의 동일한 부호로 표시되는 요소는 동일한 요소이다.
도 1은 본 발명의 일 실시 형태에 따른 타원과 포물선 반사체를 이용한 광 집속 장치(100)의 절단 사시도이다.
우선, 도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시 형태에 따른 광 집속 장치(100)는 타원 반사체(110)와, 타원 반사체(110)의 내부에 구비되며, 타원 반사체(110)의 2개의 초점(f1, f2) 중 제1 초점(f1)과 초점이 일치되도록 배치된 포물선 반사체(120)를 포함하여 구성될 수 있으며, 포물선 반사체(120)의 중심축(CL)은 타원 반사체(110) 내부의 중심축(CL)과 일치되도록 배치될 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시 형태에 따르면, 타원 반사체(110)에는 포물선 반사체(120)의 외면에 의해 반사되어 평행하게 진행하는 광이 통과하도록 중심축(CL)이 통과하는 면(111)이 관통될 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시 형태에 의하면, 타원 반사체(110)는 중심축(CL)을 중심으로 절단면이 타원 방정식을 따르며, 포물선 반사체는 중심축(CL)으로 절단면이 포물선 방정식을 따르는 것일 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시 형태에 의하면, 포물선 반사체(120)의 외면에서 2차 반사되어 중심축(CL)과 평행하게 진행하는 광의 집속도는, 포물선 반사체(120)의 곡률에 따라 결정될 수 있다.
상술한 도 1의 배치 구조에 의하면, 타원 반사체(110)의 2개의 초점 중 제2 초점(f2)에 위치한 광원에서 조사된 방사광(131)은, 타원 반사체(110)의 내면에서 1차 반사되어 제1 초점(f1)으로 향하되, 제1 초점(f1)으로 향하는 광은 포물선 반사체(120)의 외면에서 2차 반사되어 중심축(CL)과 평행하게 진행할 수 있다.
이하, 도 2 내지 도 5를 참조하여 본 발명의 일 실시 형태에 따른 광 집속 장치의 설계 과정을 상세하게 설명한다.
우선, 도 2a는 본 발명의 일 실시 형태에 따른 포물선 반사체에 적용되는 포물선의 기본 방정식을 설명하기 위한 도면이다.
도 2a에서 m은 임의의 T점에서의 기울기, F는 초점, p는 곡률, 1000mm는 길이, 100mm는 폭이며, 포물선의 기본 방정식은 수학식 1에 의한다.
한편, 도 2b는 본 발명의 일 실시 형태에 따른 타원 반사체에 적용되는 포물선의 기본 방정식을 설명하기 위한 도면이다.
도 2b에서, f1(-c, 0)은 제1 초점, f2(c, 0)은 제2 초점, a는 장축의 길이, b는 단축의 길이이며, m은 임의의 P점(x1, y1)에서의 기울기이며, 타원의 기본 방정식은 수학식 2에 의한다.
한편, 도 3은 본 발명의 일 실시 형태에 따라 타원 반사체(110)와 포물선 반사체(120)의 초점을 일치시킨 도면이다.
즉, 도 3에 도시된 바와 같이, 길이 1000mm, 높이 50mm의 포물선 반사체(120)가 xy 좌표계의 원점을 기준으로 배치될 경우 포물선 반사체(120)의 곡률(P) 및 초점(f)은 하기 수학식 3과 같이 계산될 수 있다.
마찬가지로, 길이 1000mm, 높이 50mm의 타원 반사체(110)가 xy 좌표계의 원점을 기준으로 배치될 경우 초점(f)은 하기 수학식 4와 같이 계산될 수 있다.
타원 반사체(110)의 초점 중 왼쪽 초점과 포물선 반사체(120)의 초점을 원점에 일치시키면, 각각의 방정식은 하기 수학식 5와 같이 될 수 있다.
도 3에는 상술한 수학식 5에 따라 도시한 타원 반사체(110) 및 포물선 반사체(120)를 도시하였다.
이하에서는, 타원 반사체(110)의 제2 초점(f2)에 위치한 광원에서 조사된 방사광이 타원형 반사체(110)의 내면에서 반사된 후 포물선 반사체(120)의 외면에서 반사되어 중심축과 평행하게 진행하는 실시예를 설명한다.
도 4a는 본 발명의 일 실시 형태에 따른 타원 반사체(110)의 각 부분를 설명하기 위한 도면으로, f1은 제1 초점, f2는 제2 초점, a는 장축의 길이, b는 단축의 길이, c는 타원 반사체(110)가 Y축과 만나는 지점이라고 한다. 한편, 도 4b는 본 발명의 일 실시 형태에 따른 타원 반사체(110)의 c점에 반사된 후 포물선 반사체(120)에 의해 반사되어 평행하게 진행하는 광을 도시한 도면이다.
도 4a 내지 도 4b에 도시된 바와 같이, 각 ∠Of1C은 로, 2.866도이므로, 각 ∠f1Cf2은 174.268도이다. 따라서, 제2 초점(f2)에 위치한 광원에서 출발한 광(131)이 점 c(998.75, 50)에서 반사하여 초점 f1(0,0)으로 향하는 직선을 수학식 5의 포물선 방정식에 대입하여 포물선(120)과 만나는 점(P)의 좌표를 구하면, (250.156, 12.51)가 된다.
여기서, 제2 초점(f2)에 위치한 광원에서 조사된 광(131)이 타원 반사체(110)에서 1차 반사된 후 각도 2.866도를 가지고 포물선 반사체(120)에서 2차 반사를 하게 되면 평행빔이 된다.
도 4b에서 도시된 바와 같이, 타원 반사체(110)의 제2 초점(f2)에 위치한 광원에서 조사된 광이 높이 50mm인 위치에서 1차 반사를 하고, 1차 반사된 광이 포물선 반사체(120)에서 반사되는 P1점의 좌표는 (250. 156, 12. 51)이므로, 포물선 반사체(120)의 최대 높이를 12.51mm로 하면, 50mm - 12.51mm = 37.49mm의 광이 12.51mm의 광으로 집속되므로, 대략 300%의 광 집속이 일어나면서 평행빔을 생성할 수 있음을 알 수 있다.
한편, 도 4c는 본 발명의 일 실시 형태에 따른 타원 반사체(11)의 임의의 T점에 1차 반사된 후 포물선 반사체(120)에 의해 2차 반사되어 평행하게 진행하는 광을 도시한 도면이다.
도 4c에 도시된 바와 같이, 제2 초점(f2)에 위치한 광원에서 조사된 광(131)이 X 좌표 400에서 타원 반사체(110)와 1차 반사되는 지점 T의 좌표는 수학식 5에 따라 (400, 40.047)이 된다. 이때 T점(400, 40.047)에서 반사되어 제1 초점(f1)으로 향하는 직선은 5.78도의 각도를 가지며, 포물선 반사체(120)와 만나는 P2점의 좌표는 (61.21, 6.2)가 된다.
즉, 제2 초점(f2)에 위치한 광원에서 조사된 광(131)이 타원 반사체(110)에서 1차 반사된 후 각도 5.78도를 가지고 포물선 반사체(120)에서 2차 반사를 하게 되면 평행빔이 된다.
한편, 도 5는 본 발명의 일 실시 형태에 따른 광 집속 장치에 의한 광 집속을 도시한 도면이다.
도 5에 도시된 바와 같이, 제2 초점(f2)에 위치한 광원에서 조사된 광(131)은 타원 반사체(110)의 내면에서 1차 반사된 후 포물선 반사체(120)의 외면에서 2차 반사되어 중심축과 평행하게 진행할 수 있음을 알 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시 형태에 의하면, 상술한 포물선 반사체(120)의 곡률을 작게 함으로써 집속되는 광의 집속도(밀도)를 높일 수도 있음은 물론이다.
상술한 광 집속 장치는, 예를 들면 선원이 포인트나 라인 소스로 정의된 모든 광, X선, 중성자 등에 적용될 수 있으며, 자동차 전조등에도 이용될 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 일 실시 형태에 의하면, 타원 반사체와, 타원 반사체의 내부에 타원 반사체의 2개의 초점 중 제1 초점과 초점이 일치되도록 포물선 반사체를 구비함으로써, 광의 집속도를 높일 수 있다.
본 발명은 상술한 실시형태 및 첨부된 도면에 의해 한정되지 아니한다. 첨부된 청구범위에 의해 권리범위를 한정하고자 하며, 청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 형태의 치환, 변형 및 변경할 수 있다는 것은 당 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에게 자명할 것이다.
100: 광 집속 장치
110: 타원 반사체
120: 포물선 반사체
131: 광

Claims (6)

  1. 광 집속 장치에 있어서,
    타원 반사체; 및
    상기 타원 반사체의 내부에 구비되며, 상기 타원 반사체의 2개의 초점 중 제1 초점과 초점이 일치되도록 배치된 포물선 반사체를 포함하며,
    상기 포물선 반사체의 중심축은, 상기 타원 반사체 내부의 중심축과 일치되도록 배치되고,
    상기 포물선 반사체는, 상기 중심축이 통과하는 면이 관통되도록 구성되며,
    상기 타원 반사체의 2개의 초점 중 제2 초점에 위치한 광원에서 조사된 방사광은, 상기 타원 반사체의 내면에서 1차 반사되어 상기 제1 초점으로 향하되, 상기 제1 초점으로 향하는 광은, 상기 포물선 반사체의 외면에서 2차 반사되어 상기 중심축과 평행하게 진행하며,
    상기 포물선 반사체의 외면에서 2차 반사되어 중심축과 평행하게 진행하는 광의 집속도는, 상기 포물선 반사체의 곡률에 따라 결정되는, 광 집속 장치.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서,
    상기 타원 반사체에는,
    상기 포물선 반사체의 외면에 의해 반사되어 평행하게 진행하는 광이 통과하도록 중심축이 통과하는 면이 관통된, 광 집속 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 타원 반사체는, 중심축을 중심으로 절단면이 타원 방정식을 따르며,
    상기 포물선 반사체는, 상기 중심축을 중심으로 절단면이 포물선 방정식을 따르는, 광 집속 장치.
  6. 삭제
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