KR19980041733A - 링 빔 생성 광학소자 - Google Patents

링 빔 생성 광학소자 Download PDF

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KR19980041733A
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optical
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이가겐이치
가츠라신이치
가와구치유조
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가와구치츠네
가부시키가이샤가와구치고가쿠산교
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Abstract

(과제) 간단한 구조로, 안정된 임의의 확대각을 가지는 링 빔을 생성하는 링 빔 생성 광학소자를 제공하는 것.
(해결수단) 광 화이버(1)는, 입사단면(11)이 광축(10)에 대하여 경사형상으로 형성되어, 입사단면(11)과 광축(10)이 이루는 경사각은 θT로 형성되어 있다. 또한 코어(15)의 직경이 D, 길이가 L로 형성되어 있고, 굴절율로서의 코어 굴절율은 n이다. 이 광 화이버(1)에 대하여, 광축(10)에 평행한 광속(12)은, 상기 입사단면(11)에 의해서 굴절되어, 코어(15)와 클래드(16)의 경계(13)에서 스큐우반사를 되풀이하여 코어(15) 안을 전파하여, 광축(10)에 수직인 반대측의 출사단면(14)에서 확대각(θC)을 유지하고 링 빔으로서 사출된다.
상기 확대각(θC)과 상기 테이퍼각(θT)과의 관계는 다음 식과 같이 나타낸다.

Description

링 빔 생성 광학소자
(발명이 속하는 기술분야)
본 발명은, 계측·검사, 토목·건축, 보안·방범, 의료기 등의 분야에서 요망되고 있는, 깨끗하고도 안정된 임의의 확대각을 가진 「링 빔」을 생성할 수 있는 링 빔 생성 광학소자에 관한 것이다.
(종래의 기술)
종래, 링 빔(100)(도 8의 경우는 109)을 만들기 위해서는 도 7에 나타낸 것같이, 광원(101), 렌즈(102), 프리즘(103) 또는 거울 등의 광학소자를 조합한 광학계에 의하던지, 도 8에 나타낸 것 같이 광원(105)에서의 빔을 렌즈(106)에서 평행으로 하여, 프리즘 또는 거울(107) 등의 반사체를 기계적으로 회전하는 방법에 의해 왔다.
(발명이 해결하려고 하는 과제)
그러나, 도 7의 구성에서는 렌즈(102), 프리즘(103) 또는 거울 등의 광학소자를 조합해야만 하므로, 구조가 복잡하게 되고, 부품수가 많게 될 뿐만 아니라, 광학소자의 조립이 어렵고, 정밀도를 내면서 안정성을 유지하는 것이 곤란하였다. 따라서 필연적으로 가격도 고가로 되는 경우가 많았다.
또한, 도 8의 구성에서는 프리즘 또는 거울(107) 등의 반사체를 기계적으로 회전시키는 회전기구(108)가 필요하고, 분명히 구조가 복잡하게 되어, 정밀도를 내기 위한 고도의 기술을 필요로 했다. 또한, 기계적 마모 및 경년적 변화등에 의한 정밀도 저하를 방지하기 위한 충분한 배려가 필요하였다. 따라서 이 도 8의 구성에 있어서도 필연적으로 가격도 고가로 되는 경우가 많았다.
본 발명은, 상기 문제점 등을 해결하기 위해서 이루어진 것으로, 간단한 구조로, 안정한 임의의 확대각을 갖는 링 빔을 생성하는 링 빔 생성 광학소자를 제공하는 것을 목적으로 한다.
(과제를 해결하기 위한 수단)
상기 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 링 빔 생성 광학소자는, 청구항 1에기재한 것 같이, 원주형상 광도체(光導體)의 입사단면이 광축에 대하여 경사상으로 형성됨과 동시에, 광축과 평행한 광속(光束)이 상기 입사단면에 입사한 경우에, 상기 입사단면과 광축이 이루는 경사각(θT)과 출사광속의 확대각(θＣ)이
여기에서, θC: 출사광속의 확대각
θT: 입사단면과 광축이 이루는 경사각
n : 원주형상 광도체의 굴절율.
의 식에서 결정되는 관계에 있는 것을 특징으로 한다.
여기에서 원주형상 광도체란 원주형상 로드, 광 화이버 등을 말하며, 따라서 유연성이 있는 광도체도 포함되고, 또한 「n」은 원주형상 광학체의 굴절율이다.
또한 광축에 평행한 광속이란, 주광선이 광축에 평행한 광속을 말하고, 입사단면에 대하여 수렴해서 입사하는 광속이나 발산하여 입사하는 광속도 포함된다.
상기 구성의 링 빔 생성 광학소자에 대한 광원은 예를 들면 반도체 레이저,고체 레이저, 기체 레이저, 색소 레이저, 엑시머 레이저 혹은 자유전자 레이저 등의 각종 레이저 광원, 또는 LED(발광 다이오드)나 그 외의 단색광 등을 사용한다.
또한, 상기 발명의 링 빔 생성 광학소자에 있어서, 청구항 2에 기재한 것처럼 광축에 평행하게 입사한 광속이, 원주형상 광도체 안을 스큐 반사를 반복하여 전달 운반할 때의 반사회수(R), 원주형상 광도체의 굵기(D) 및 길이(L)가,
여기에서, R : 반사회수
L : 원주형상 광도체의 길이
D : 원주형상 광도체의 굵기(직경)
θT: 입사단면과 광축이 이루는 경사각
θ = 90°- θT.
의 식에서 결정되는 관계에 있는 것을 특징으로 한다.
본원 발명의 작용 및 효과는 다음과 같다.
링 빔 생성 광학소자의 입사단면에 대해 원주형상 광도체의 광축에 평행한 광속을 입사시키면, 입사한 광속은 입사단면에 의해 굴절되고, 원주형상 광도체의 내벽에서 스큐 반사를 반복한 후에, 출사단면에서 입사단면의 경사각(θＴ)에 따른 확대각(θＣ)을 가진 링 빔으로서 사출한다.
따라서, 링 빔 생성 광학소자의 입사단면에 대해 입사광속을 광축에 평행하게 입사시키면 되므로, 얼라이먼트용의 기구가 간단하면서 안정되어 있고, 가격도 적정하게 내릴 수 있다.
또한, 링 빔 생성 광학소자의 구조가 간단하므로, 환경적으로도 안정성을 발휘하고, 경년변화에 대해서도 안정성을 발휘한다.
더구나 경사각(θＴ)을 갖춘 입사단면을 정확하고도 충분한 면정도(面精度)에 의해 가공함에 의해, 안정되고 정확한, 필요로 하는 임의의 확대각(θＣ)을 가진 링 빔을 생성할 수 있다.
특히 청구항 2에 기재한 발명에 의하면, 입사단면의 경사각(θＴ), 원주형상 광도체의 굵기(D)나 길이(L), 반사회수(R)를 각각 균형시킴으로써, 사용목적에 대응시키면서, 임의의 확대각(θC)을 유지하고 또한 원주방향으로 광강도분포가 균일한 링 빔을 생성할 수 있다.
이 경우, 청구항 3에 기재한 것처럼, 반대회수(R)가 적어도 4회 이상의 링 빔 생성 광학소자이면, 실용가능할 정도의 광강도 분포가 균일한 링 빔을 생성할 수 있음과 동시에, 반사회수(Ｒ)를 기초로 하여 원주형상 광도체의 굵기(D)나 길이 (L), 확대각(θC)을 각각 균형시킬 수 있다.
또한, 반사회수(R)의 상한은 상기 원주형상 광도체가 링 빔 생성 광학소자로서 기능할 수 있는 범위에서 가급적 큰 것이 바람직하다.
즉 링 빔 생성 광학소자로서 실용에 견디는 반사회수이면 좋다.
보다 구체적으로는, 후술하듯이 링 빔 생성 광학소자를 여러가지 장치에 응용한 경우에, 그 응용하는 장치의 크기 등에 의하여 상대적으로 정해지는 값이다.
또한 원주형상 광도체가 로드일 경우에는 그 제조할 수 있는 크기에 따라서 상대적으로 정해지는 값이다.
도 1은 본 발명에 관한 링 빔 생성광학소자로서 광 화이버를 사용한 경우의 실시형태를 도시한 개략도.
도 2는 본 발명에 관한 링 빔 생성 광학소자로서 원주형상 로드를 사용한 경우의 실시형태를 도시한 개략도.
도 3a는 본 발명에 관한 링 빔 생성 광학소자에 대한 입사광속이 수렴하는 경우의 링 빔의 폭을 가리키는 원주형상 로드의 측면도.
도 3b는 본 발명에 관한 링 빔 생성 광학소자에 대한 입사광속이 발산하는 경우의 링 빔의 폭을 가리키는 원주형상 로드의 측면도.
도 4는 본 발명에 관한 링 빔 생성 광학소자의 응용예를 게시하는 개략도.
도 5는 본 발명에 관한 링 빔 생성 광학소자의 응용예를 게시하는 개략도.
도 6은 본 발명에 관한 링 빔 생성 광학소자의 응용예를 게시하는 개략도.
도 7은 종래 기술의 구성예시도.
도 8은 종래 기술의 구성예시도.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *
1 : 광 화이버1A : 원주형상 로드4, 20 : 링 빔
10 : 광축11, 11A : 입사단면12 : 광속
13 : 경계14, 14A : 출사단면15 : 코어
16 : 클래드19 : 원추 프리즘 21, 23 : 슬릿 빔
22 : 원통형 렌즈24 : 링 빔 생성장치25 : 도어
26 : 벽27 : 수광부28 : 물품
(발명의 실시의 형태)
이하에, 본 발명에 관한 링 빔 생성 광학소자의 실시형태를 도1 및 도 2에 의거하여 상세히 설명한다.
도 1은 원주형상 광도체로서 광 화이버를 사용한 경우의 실시형태를 도시하고, 도 2는 원주형상 광도체로서 원주형상 로드를 사용한 경우의 실시 형태를 도시하고 있다.
도 1에서 가리키는 광 화이버(1)는, 입사단면(11)이 광축(10)에 대하여 경사형상으로 형성되고, 입사단면(11)과 광축(10)이 이루는 경사각은 θＴ로 형성되어 있다.
또한 코아(15)의 직경이 Ｄ, 길이가 Ｌ로 형성되어 있고, 굴절율은 ｎ이다.
이 광 화이버(1)에 대하여, 광축(10)에 평행한 광속(입사광속이라고도 한다) (12)는, 상기 입사단면(11)에 의해서 굴절되어, 코어(15)와 클래드(16)의 경계(13)에서 프레넬 반사를 되풀이하여 코어(15)내를 전달 운반하여, 광축(10)에 수직인 반대측의 출사 단면(14)에서 확대각 θC을 유지하고 사출된다.
상기 확대각(θC)과 상기 테이퍼각(θT)과의 관계는 다음식 (1)과 같이 나타낸다.
또, 광속(12)은 도 1에 있어 자오적 단면(子午的斷面)(지면)에서의 프레넬반사로서 도시되어 있지만, 실제로는 광속(12)에는 굵기(d)가 있으므로, 스큐반사를 하여 나선형상으로 코어(15)내를 전파하여, 확대각(θC)을 가지는 링 빔(4)으로서 출사하게 된다.
그 때의 스큐반사의 반사회수(R)와 광 화이버의 직경(D)과 길이(Ｌ)의 관계는 다음식 (2)와 같이 나타낸다.
도 2에 가리키는 원주형상 로드(1A)에서도, 입사단면(11A)과 광축(10)이 이루는 경사각은 θT로 형성되고, 또한 직경이 D, 길이가 Ｌ로 형성되어 있고, 굴절율은 n 이다.
이 원주형상 로드(1A)의 경우에도 상기 광 화이버(1)와 같이, 입사한 광속(12)은, 로드(1A)내를 스큐반사를 반복하면서 전파하여, 출사단면(14A)에서 확대각(θC)의 링 빔(4)으로서 사출한다.
원주형상 로드(1A)의 경우는, 상기 광 화이버(1)에 비하여, 내벽(광속이 반사하는 면)(13)을 면정밀도 좋게 가공할 수 있기 때문에, 깨끗하고 원주방향의 광강도 분포가 균일한 링 빔(4)을 생성할 수 있다.
또한, 원주형상 로드(1A)에서는, 상기 광 화이버(1)의 경우보다도 직경(D)을크게 할 수 있기 때문에, 후술하듯이 출사단면(14A)에서 사출하는 링 빔(4)를 수렴시키는 경우에, 입사광속(12)의 폭을 넓게 하여, 회절의 영향을 적게 함에 따라, 폭이 가는 링 빔(4)을 만드는 것이 가능하게 된다.
이 원주형상 로드(1A)의 경우에도, 상기 확대각(θC)과 상기 테이퍼각(θT)과의 관계는 상기식 (1)과 같이 나타내고, 또한 상기식(2)의 조건을 만족하는 것이 필요하다.
또 매우 깨끗하고도 광강도 분포가 균일한 링 빔(4)을 만들기 위해서는, 입사단면(11A)이 정밀도 좋게 가공된 원주형상 로드(1A)를 사용하는 것이 바람직하다.
다음에, 도 3a, 3b에 따라서 상기 원주형상 로드(1A)에 들어 가는 입사광속(12)의 상태에 의해 링 빔(4)의 폭(HB)이 거리에 의해 변화하는 현상을 설명한다.
도 2에 도시하였듯이, 광원(17)에서의 광속이 예컨대 콜리메이터 렌즈(18)에 의해 평행광이 됐을 때는, 사출 링 빔(4)의 폭(HB)은 관측위치에 관계없이 일정하고, 원주형상 로드(1A)의 직경(D)에 의해서 결정되는 값이 된다.
그러나, 도 3a에 도시한 바와 같이, 입사광속(12)이 수렴하고 있을 때에는 확대각은 변하지 않고서 각도(θC)의 링 빔이 되지만, 폭(HB)은 관측위치에 의해 변화하여, 원주형상 로드(1A)의 출사단면(14A)에서 떨어짐에 따라서 좁게 되어, 어떤 위치에서 최소가 되고, 그 위치를 지나가면, 반대로 넓게 되어 간다.
그 때에 원주형상 로드(1A)의 직경(D)이 클수록, 폭이 최소의 위치에 있어서, 그 폭(HB)을 좁게 할 수 있지만, 이것은 도 2를 설명할 때에 기술하였듯이, 회절의 영향을 적게 할 수 있는 것에 의한다.
한편, 도 3b에 도시한 바와 같이, 입사광속(12)가 발산하고 있을 때도 확대각(θC)의 링 빔을 생성할 수 있지만, 폭(HB)은 원주형상 로드(1A)의 출사단면(14A)에서 떨어짐에 따라서 넓게 된다.
또, 도 3a, 3b에 가리킨 경우에서도, 상기 확대각(θC)과 상기 테이퍼각(θT)과의 관계는 상기식 (1)과 같이 나타내고, 또한 상기식 (2)의 조건을 만족하는 것이 필요하다.
(실시예)
다음에, 도 1에 가리킨 광 화이버(1)에 있어서 경사각(θT), 길이(L), 굵기(D)를 바꿨을 때에 사출하는 링 빔(4)을 관찰하여, 그 결과를 표 1, 표 2에 정리하였다.
또한, 도 2에 가리킨 원주형상 로드(1A)에서, 경사각(θT), 길이(L), 굵기(D)를 바꿨을 때에 사출하는 링 빔(4)을 관찰하여, 그 결과를 표 3, 표 4에 정리하였다.
광원으로서, 파장이 635nm인 적색 반도체 레이저를 사용하고, 상기 광 화이버(1)는 스텝 인덱스형의 광 화이버이고, 굴절율이 1.62인 것을 사용하였다. 또한 상기 원주형상 로드(1A)는 석영제이고, 굴절율이 1.47인 것을 사용하였다.
그들 표에 있어서, ○ 표시는 링 빔의 원주방향에 광강도 분포가 균일한 것, △ 표시는 원주방향에 균일하지만 광축조정에 의한 변화가 큰 것, × 표시는 원주방향중, 일부가 부족해 버린 것이다.
△ 표시 및 ○ 표시의 것은 실용가능할 정도로 광강도 분포는 충분히 균일하였다.
이상의 실험결과에 의해, 실용상 충분한 광강도 분포를 가지는 링 빔을 생성하기 위해서는, 상기식 (1), (2)에 표시한 조건이 중요한 요소가 되는 것이 분명하였다.
다음에, 본 발명에 관한 링 빔 생성 광학소자의 응용예에 관하여 예시한다.
도 4에 가리킨 것은 가장 기본적인 응용예이고, 360°방향으로 슬릿 빔(21)을 조사할 수 있도록 한 것이다.
원주형상 로드(1A)에서 확대각(θC)으로 사출한 링 빔(20)은 원주형상 로드(1A)의 광축(10)에, 그 광축을 맞춘 원추 프리즘(19)에 의해, 360°방향으로 광강도 동일한 슬릿 빔(21)을 형성할 수 있다.
상기 원추 프리즘(19)의 정각(頂角)(θH)은 링 빔(20)의 확대각(θC)에 대응하여 링 빔(20)을 광축(10)에 대하여 수직방향에 편향시키도록 결정된다.
이 360°방향으로 넓어진 슬릿 빔(21)은 간단한 구조에 의해 얻을 수 있는 것이므로, 토목·건축 등에 사용되는 수준기, 침하계 등에 있어서 대단히 유용한 링 빔 생성 광학소자의 응용예가 된다.
즉 「발명이 해결하고자 하는 과제」에서 서술하였듯이, 회전기구 등이 불필요하고 기계적 마모 및 경년적변화등에 의한 정밀도 저하를 막기 위한 배려가 불필요해졌다.
도 4에 있어서, 슬릿 빔(21)에 대하여 평면을 향한 원통형 렌즈(22)를, 광축이 상기 원추 프리즘(19)의 광축(10)에 평행하게 되도록, 즉 도시와 같이 배치함으로써, 광강도가 균일한 직선의 슬릿 빔(23)을 생성할 수 있다.
이 직선의 슬릿 빔(23)은 반도체 제조 등에 사용되는 광절단법에 의한 검사·계측장치에 대하여 대단히 중요한 광프로브를 제공한다.
즉, 폭이 좁고 (예컨대 10∼20μ), 길이 방향으로 광강도가 균일한 직선형상 슬릿 빔은 측정 정밀도를 올릴 수 있고, 또한 슬릿 길이를 크게 할 수 있어 측정범위를 확대할 수 있기 때문에, 보다 중요한 역할을 완수할 수 있다.
다음에, 본 발명의 링 빔 생성 광학소자를 보안·방범관계에 응용한 예를 설명한다.
도 5에 가리킨 것은, 침입자 검지 시스템의 구성예이다.
실내의 상부 구석에 설정된 링 빔 생성장치(24)에 의해, 링 빔을 360°방향으로, 예컨대 문(25)이 있는 벽(26)에 평행하게 되도록 사출시킨다.
그 결과, 링 빔의 광의 막이 문(25)이 있는 벽(26)에 평행하게 뻗어지게 된다.
따라서, 링 빔의 출사방향에 적당 개수의 수광부(27)를 배치하여 놓으면 사람이 문(25)을 열고 실내에 들어 가, 광의 막을 가로지름에 따라, 수광부(27)에 빛이 닿지 않고 신호가 발생하여, 침입자를 검지할 수 있다.
도 6에 방범시스템에 응용한 예를 게시한다.
실내의 천장에 링 빔 생성장치(24)를 하향으로 설치한다. 지금, 감시하려고 하는 물품(28)을 링 빔 생성장치(24)의 밑에 두면, 그 물품(28)은 링 빔 생성장치(24)로부터 사출된 링 빔의 원추형상의 빛의 막에 덮어지게 된다.
따라서, 링 빔의 출사방향에, 적당 개수의 수광부(27)를 설치함에 의해, 물품을 취출하고자 하면 광의 막을 차단하여 수광부(27)에 빛이 닿지 않고, 신호가 발생하여 침입을 검지할 수 있다.
청구항 1 기재 및 청구항 2의 발명에 의하면, 링 빔 생성 광학소자의 입사단면에 대하여 원주형상 광도체의 광축에 평행한 광속을 입사시키면 , 입사한 광속은 입사단면에 의해 굴절되고, 원주형상 광도체의 내벽에서 스큐 반사를 되풀이한 후에, 출사단면보다, 입사단면의 경사각(θT)에 따른 확대각(θC)을 가진 링 빔으로서 사출한다. 따라서, 링 빔 생성 광학소자의 입사단면에 대하여 입사광속을 광축에 평행하게 입사시키면 되기 때문에, 얼라인먼트용의 기구가 간단하고 또한 안정되어 있고, 가격도 적정하게 내릴 수 있다. 또한, 링 빔 생성 광학소자의 구조가 간단하기 때문에, 환경적으로도 안정성을 발휘하여, 경년변화에 대해서도 안정성을 발휘한다.
또한 경사각(θT)을 갖춘 입사단면을 정확하고도 충분한 면 정밀도에 의해 가공함에 의해, 안정되고 정확한, 필요로 하는 임의의 확대각(θC)을 가진 링 빔을 생성할 수 있다.
특히 청구항 2에 기재한 발명에 의하면, 입사단면의 경사각(θT), 원주형상 광도체의 굵기(D)나 길이(L), 반사회수(R)를 각각 균형시킴으로써, 사용목적에 대응시키면서, 임의의 확대각(θC)을 유지하고 또한 원주방향으로 광강도 분포가 균일한 링 빔을 생성할 수 있다.
청구항 3에 기재한 발명과 같이, 반사회수(R)가 적어도 4회 이상의 링 빔 생성 광학소자이면, 실용가능할 정도의 광강도 분포가 균일한 링 빔을 생성할 수 있음과 동시에, 반사회수(R)를 기초로 하여, 원주형상 광도체의 굵기(D)나 길이(Ｌ), 확대각(θC)을 각각 균형시킬 수 있다.

Claims (3)

  1. 원주형상 광도체의 입사단면이 광축에 대하여 경사형상으로 형성됨과 동시에, 광축에 평행한 광속이 상기 입사단면에 입사한 경우에, 상기 입사단면과 광축이 이루는 경사각과 출사광속의 확대각이 아래식으로 결정되는 관계에 있는 것을 특징으로 하는 링 빔 생성 광학소자.
    여기에서, θC: 출사광속의 확대각
    θT: 입사단면과 광축이 이루는 경사각
    n : 원주형상 광도체의 굴절율이다.
  2. 제 1 항에 있어서, 광축에 평행하게 입사한 광속이, 원주형상 광도체 속을 스큐반사를 반복하여 전파할 때의 반사회수, 원주형상 광도체의 굵기 및 길이가 아래식으로 결정되는 관계에 있는 것을 특징으로 하는 링 빔 생성 광학소자.
    여기에서, R : 반사회수
    L : 원주형상 광도체의 길이
    D : 원주형상 광도체의 굵기(직경)
    θT: 입사단면과 광축이 이루는 경사각
    θ = 90°- θT이다.
  3. 제 2 항에 있어서, 상기 반사회수(R)는, 적어도 4회 이상인 것을 특징으로 하는 링 빔 생성 광학소자.
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