KR20000071058A - 광학 장치 - Google Patents

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KR20000071058A
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에이치. 지. 톰슨
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Abstract

2개의 식별가능한 방출을 포함하는 질화 갈륨형의 다이오드에 의해 방출된 출력광이 상이한 광 파워로 중심부와 환상형부를 갖는 렌즈 형태의 단일 광하 부재(10)에 의해 제어된다. 다이오드의 전체 출력광은 공통 초점으로 조준 또는 야기될 수 있다. 단일 광학 장치는 바람직하게 사출성형되고 환상형부는 회절 렌즈 형태를 취한다. 제 1 부분(12)은 바람직하게 회절 렌즈인 제 2 부분과 상이한 광 파워를 갖는 굴절 렌즈인 것이 바람직하다. 굴절 렌즈(12)(제 1 광 파워)의 광 파워 및 회절 렌즈(14)(제 2 광 파워)의 광 파워는 사용되는 렌즈(10)가 광원과 부합되도록 선택된다.

Description

광학 장치{Optical Element}
LED의 특정 형태의 전형적 구조를 도 1a에 나타냈다. 발광 물질이 컵-형상 반사기에 제공된다. 상기 LED로부터 방출된 광은, 도 1b에 도시된 것처럼, 2개의 공간(spatial) 성분을 갖고, 성분중 하나는(L1로 표시된 중심부) LED의 상부면으로부터의 직접 방출(direct emission)에 의해 생기며, 또다른 것은(L2로 표시된 주변 둘레부) LED의 측면 방출로부터 생긴 것이며 컵-형상 반사기에 의해 반사된다. 이들 2성분은 방출이 거의 없는 영역(D1으로 표시)에 의해 나뉘며, 이를 원형으로 나타냈지만 원형일 필요는 없다. LED의 상부면에서 방출된 광 L1은 일반적으로 전체 출력 광의 약 20%이다.
LED의 상부면으로부터의 직접 방출 및 LED의 측면으로부터의 간접(반사) 방출의 효과는 장치가 도 1c에 도시된 것처럼 2개의 광원 S1, S2를 갖는다는데 있다. 첫 번째 광원(S1)은 상부면으로부터의 직접 방출 L1을 위한 것이고; 두 번째 광원(S2)은 간접 방출(L2)을 위한 것으로, LED 장치 뒤에 위치한다. 따라서, 두 번째 광원(S2)은 가상 광원이다.
직접 방출 L1으로부터의 광 패턴은 광 빔이 좁고; 반면에 간접 방출 L2로부터의 광 패턴은 둘레가 환상형 빔이고 직접형 방출과 간격을 둔다. 도 1에 도시된 LED형 구조로부터의 광 방출은, 고율의 발산 성분(간접 방출) L2를 갖고 공간적으로 비균일하다. 따라서, 조준되고 집중된 광의 효과적인 광학원으로서 상기 LED형을 사용하기는 어렵다. 또한, 종래의 램프원의 일정 형태는 공간적으로 비균일한 방출과 유사한 특성을 나타낸다.
본 발명은 단일 광학 장치, 특히 발광 다이오드(LED) 구조 형태에 사용하기에 적합한 렌즈에 관한 것이다.
도 1a는 공지된 특정 형태의 LED 장치 단면을 나타낸 것이다;
도 1b는 도 1a의 LED로부터의 방출광의 2가지 성분을 개략적으로 나타낸 것이다;
도 1c는 직접형 방출 광원(S1) 및 간접형 방출의 가상 광원(S2)을 나타내는 도 1a의 LED 장치 단면을 나타낸 것이다;
도 2a는 본 발명에 따른 2가지 성분을 갖춘 단일 광학 장치의 정면을 개략적으로 본 것이다;
도 2b는 도 2a의 단일 광학 장치의 측면을 개략적으로 나타낸 것이다;
도 3은 발명의 일면에 따라 LED로부터 광섬유로의 방출광을 집중시키는 도 2의 광학 장치를 나타낸 것이다;
도 4는 발명의 일면에 따라 도 2의 광학 장치를 사용하여 2개의 LED의 출력을 조합하는 광학계를 나타낸 것이다.
본 발명의 목적은 상기 단점을 해결하거나 또는 완화시키는 것이다.
상기 문제점의 일반적인 해결책은 상술된 것처럼 2개의 광 파워를 갖는 단일 광학 장치를 LED 또는 다른 광원과 조합하여 사용하는 것으로, 광 파워의 하나는 LED 방출의 1개 성분을 집중 또는 조준하는데 사용되고, 또다른 광 파워는 LED 방출의 또다른 성분을 집중 또는 조준하는데 사용되며; 따라서 LED 방출의 2개 공간 성분은 공통 초점으로 조준되거나 또는 이루어질 수 있다.
본 발명의 장점중 하나는 또다른 광학 장치위에(예를 들어, 빔 프로파일을 균질화시키는 광섬유, 또는 결합기) 집중 또는 조준되는 LED 또는 또다른 광원으로부터 방출된 광의 상당부를 허용하여, 이전에 레이저 광원이 사용되는 많은 광학 응용품에 대해 상기 형태의 LED 또는 다른 광원을 편리한 광원으로 만든다.
본 발명의 제 1 면에 따라 제 1 광 파워를 갖는 제 1 부분과 제 2 광 파워를 갖는 제 2 부분을 갖는 단일 광학 장치가 제공되며, 제 2 부분은 제 1 부분의 주변 둘레에 배치된다.
단일 광학 장치는 협광빔 및 환상형 광빔 모두를 산출하는 상술된 LED와 같은 광원을 사용하며, 부분중 하나는 협광빔을 집중 또는 조준하는데 사용하고 다른 부분은 환상형 광빔을 집중 또는 조준하는데 사용하며, 제 1 및 제 2 광 파워는 협 광빔 및 환상의 광빔을 공통 집중 또는 조준하는 것을 보증하도록 선택된다.
제 1 부분은 굴절 또는 회절 렌즈일 수 있다. 제 2 부분 또한 굴절 또는 회절 렌즈일 수 있다. 또한 사출 성형법(injection moulding)으로 단일 광학 장치를 제작하는 것이 바람직하다.
본 발명의 제 2 면에 따라 직접 및 반사광을 산출하는 광원과 발명의 제 1 면에 따른 단일 광학 장치가 조합하여 제공되고, 여기서 직접광은 협빔이고, 반사광은 환상형 빔이며, 직접 및 반사광 모두를 공통 집중 또는 공통 조준으로 조합이 이루어진다.
본 발명의 제 3 면에 따라 제 1 발명에 따른 2개 이상의 단일 광학 장치를 포함하고 조준된 빔을 산출하도록 배열되고, 각각의 단일 광학 장치는 입력으로서 상술된 LED 도는 다른 광원과 연결되는 광학계, 각각의 광학 장치의 출력을 조합하는 조합기, 및 공통 초점으로 조합기 출력을 집중시키도록 배열된 출력 렌즈가 제공된다.
바람직하게, LED(또는 다른 광원) 각각은 상이한 색상의 광을 방출한다.
색상을 띤 LED 각각의 방출 세기를 변화시킴으로써 조합기의 출력에서 나타나는 색상이 변할 수 있어, 특정 스펙트럼 출력 특징이 시스템에 의해 산출될 수 있다. 다르게 상이한 색상을 띤 LED가 스캐닝 시스템의 일부로서 사용되도록 차례로 스위치 온 될 수 있다.
발명의 상기 특징들을 첨부된 도면을 조합하여 이하 상세 설명한다.
도 1a는 본 발명의 실시예에 사용되고 종래의 램프 소스의 또다른 형태를 대표하는 LED 구조의 형태를 나타낸 것이다. 본 발명의 실시예에 사용된 LED 구조의 특정 형태의 예는 갈륨 질화물 또는 니치아 케미칼 컴퍼니(Nichia Chemical Company)에서 입수할 수 있는 GaN LED이다. 상기 형태의 LED는 단일 양자-우물 방출- 영역이 있고 협대역폭(예를 들어 10nm 스펙트럼 라인폭) 및 고전력(예를 들어 수 밀리와트)의 광을 방출한다. 도 1b는 도 1a에 도시된 LED 구조의 특수 형태의 특징인 2개 성분의 방출광(L1, L2)을 나타낸다. 도 1c는 도 1b의 방출광의 2개 성분을 발생시키는 광원 S1과 가상(apparent) 광원 S2를 나타낸다.
단일 광학 장치를 2개의 관점에서 본 도 2a 및 2b를 참조하면, 광학 장치는 2개의 부분으로 된 2중 초점-거리 렌즈(10)가 있다. 제 1 부분(2)은 일반적으로 원형으로 렌즈(10)의 중심에 위치되고, 제 2 부분(14)은 환형상으로 제 1 부분(12)의 주변 둘레에 배치된다.
제 1 부분(12)은 바람직하게 회절 렌즈인 제 2 부분(14)과 상이한 광 파워를 갖는 굴절 렌즈가 바람직하다. 굴절 렌즈(12)(제 1 광 파워)의 광 파워 및 회절 렌즈(14)의 광 파워(제 2 광 파워)는 도 3에 참조로 도시된 것처럼, 사용되는 렌즈(10) 광원이 매치되도록 선택된다.
도 3은 발명의 일면에 따른 광섬유(22)속으로 LED(20)로부터의 방출광을 집중시키는 렌즈(10)를 나타낸다. 광섬유(22) 속으로 LED(20)로부터의 광의 최대 결합을 달성하기 위해 렌즈(10)로부터의 출력의 스폿 크기 및 각도(개구수;numerical aperture)는 광섬유(22)의 개구(aperture)에 매치되어야 한다. 스폿 크기가 섬유(22)의 개구보다 일반적으로 작기 때문에 본 실시예에서는 단지 매치되는 개구수만이 요구된다(개구수 및 스폿 크기의 제작 과정은 다양하다).
요구되는 렌즈 배율(RLM)은, 식 1에 주어진 것처럼, 광섬유의 개구수(NA)를 LED의 개구수(NA)로 나눈 값과 같다 :
RLM =LED NA/ 섬유 NA ................(1)
그리고 요구되는 초점 거리는 식 2에서와 같다 :
초점 거리 =................(2)
도 3의 실시예에 식 1 및 2를 적용하여 직접형 광 경우에 대해 식 3 및 4가 얻어진다(즉, LED(20)의 상부면에서 방출된 광(L7)).
RLM1 = (NALED)/(NA섬유) ................(3)
초점 거리 1 =................(4)
도 3의 실시예에 식 1 및 2를 적용하여 간접형 광 경우의 식 5 및 6이 얻어진다(즉, LED의 측면 옆 반사기로부터 방출된 광(L2)).
RLM2 = (NALED2)/(NA섬유) ...............(5)
초점 거리 2 =...............(6)
식 1 내지 6에서의 변수에 대한 값들은 GaN LED에 대한 표 1에서 주어진다. LED(20)로부터 렌즈(10)의 소망 거리 및 렌즈(10)로부터 광섬유(22)의 소망 거리의 값을 식 3에 사용하여, 제 1 광 파워 및 제 2 광 파워의 요구되는 값을 계산할 수 있다. 물론 광 파워는 초점 거리와 반비례한다.
도 4는 발명의 또다른 면을 따른 2개의 LED의 출력을 조합하는 광학계(30)를 나타낸다. 광학계(30)는 제 1 렌즈(10a)와 상응하는 제 1 LED(20a), 및 제 2 렌즈(10b)에 해당하는 제 2 LED(20b)가 있다. 제 1 렌즈의 출력(제 1 렌즈 출력(24a)) 및 제 2 렌즈의 출력(제 2 렌즈 출력(24b)) 모두 조준된 빔이다. 이들 조준된 빔은, 제 1 및 제 2 렌즈 출력(24a, 24b)의 조합이며 출력 렌즈(10c)로 전달되는 조준된 출력(42)을 산출하기 위해서 제 2 렌즈 출력(24b)을 전송하고 제 1 렌즈 출력(24a)을 반사하는 조합기(combiner)(40)로 입력되며, 바람직하게 수색성 렌즈가 광섬유(22) 속으로 조합된 출력 렌즈(42)를 집중시키도록 배열된다. 렌즈(10c)는 단일렌즈 또는 다중-장치일 수 있고 단일 초점 거리 렌즈이다. 추가로 렌즈는, 예를 들어, 제 1 렌즈 출력(24a) 또는 제 2 렌즈 출력(24b) 경로에 있을 수 있다. 따라서 회절 격자 또는 이색성 거울이 몇 개의 LED로부터 방출을 조합하는데 사용될 수 있다.
2개의 LED(20a, 20b)는 상이한 파장으로 광을 방출한다. 예를 들어 제 1 LED(20a)는 적색광을, 제 2 LED(20b)는 푸른색광을 방출하여 LED(20a, 20b)의 방사 세기를 변화시킴으로써(도시되지 않은 각각의 제어기에 의해), 조합기(40)의 출력에서 산출된 색상을 변화시킬 수 있다.
본 발명의 범주내에서 상술된 실시예를 변형시킬 수 있다. 예를 들어, 렌즈(10)내 제 1 부분(12)은 원형이 아니어도 되며, 타원형 또는 다른 형상일 수 있다. 이는 LED(20)가 타원형 또는 다른 형상의 협빔(narrow beam)을 방출하는 경우 요구될 수 있다. 유사하게, 제 2 부분(14)은 렌즈의 외부 주변을 따라 원형이 아니어도 되고, 다른 형상, 예를 들어 특수 렌즈 홀더에 맞는 형상일 수 있다. 제 1 부분은 굴절 렌즈가 아니고, 회절 렌즈일 수 있다. 유사하게, 제 2 부분은 회절 렌즈가 아니고 굴절 렌즈일 수 있다.
광학계(30)의 또다른 실시예에서, 2이상의 LED를 사용할 수 있다. 예를 들어, 주요 색상이 적색, 녹색 및 푸른색 LED가 되도록 녹색 LED를 사용할 수 있고, 시스템은 제어 가능한 스펙트럼 특성을 갖춘 조준된 출력(42)을 산출하도록 각각의 LED의 방사 세기를 조절하는 수단을 포함할 수 있다. 따라서 특정 스펙트럼 출력 특성을 LED의 각각의 방사 세기를 조절함으로써 선택할 수 있다. 이는 약간 강한 LED로부터의 방출을 이루도록 각각의 LED의 구동 전압 또는 전류를 증가 또는 감소시킴으로써 달성된다. 광학계(30)의 또다른 실시예에서, 2개의 LED는 적색 및 푸른색광을 방출하지 않을 수 있고, 다른 파장의 광(적외선을 포함하는)을 방출할 수 있다.
발명의 또다른 실시예에서 각각 푸른색광을 방출하는 LED 배열은 치과용 조성물을 치유하는데 사용된다. 홀로그라픽 발산 물질이 치과용 조성물을 일정하게 치유하는데 제공되는 균일광을 산출하기 위해서 렌즈(10)와 조합하여 사용할 수 있다.
발명의 또다른 실시예에서 색상을 띤 LED 배열이 생물의학 이미징, 세포진단학, 시간-분해 형광체(time-resolved fluorescence)과 같은 응용, 및 형광 현미경과 같은 현미경 제품에 사용될 수 있다.
표 1
NALED= 0.12(직접형 LED NA)
DIALED= 0.23mm(직접형 LED 직경)
NA섬유= 0.37(전형적 섬유 NA)
DIA섬유= 0.50mm(전형적 섬유 코어 직경)
NALED2= 0.20(간접형 LED 직경)
DIALED2= 0.30mm(간접형 LED 직경)
XLED= 12mm(출력부 초점에서 LED)
XIND= 13mm(LED 후방 방출 포인트)

Claims (10)

  1. 제 1 광 파워를 갖는 제 1 성분(12) 및 제 2 광 파워를 갖는 제 2 성분(14)을 포함하는 단일 광학 장치로, 제 2 성분(14)이 제 1 성분(12)의 주변 둘레에 배치되는 것을 특징으로 하는 단일 광학 장치.
  2. 제 1 항에 있어서, 제 1 성분(12)이 굴절 렌즈이고 제 2 성분(14)이 회절 렌즈인 것을 특징으로 하는 단일 광학 장치.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 장치(10)가 사출성형법으로 제작되는 것을 특징으로 하는 단일 광학 장치.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항중 어느 한 항에 있어서, 직접(L1) 및 반사광(L2)을 산출하는 광원(20)의 조합으로, 직접광(L1)은 협빔이고, 반사광(L2)은 환상형 빔이며, 직접 및 반사광(L1, L2) 모두를 공통 집중 또는 공통 조준으로 산출하는 조합체인 것을 특징으로 하는 단일 광학 장치.
  5. 제 4 항에 있어서, 섬유 입력부 집중된 광을 수광하도록 배열된 광섬유를 포함하고 공통 집중되도록 광을 집중시키는 것을 특징으로 하는 단일 광학 장치.
  6. 제 2 항 또는 제 5 항에 있어서, 광원(20)이 단일 양자-우물 방사 영역을 갖는 LED인 것을 특징으로 하는 단일 광학 장치.
  7. 제 6 항에 있어서, LED가 갈륨 질화물 LED인 것을 특징으로 하는 단일 광학 장치.
  8. 제 1 항 내지 제 3 항중 어느 한 항에 있어서, 직접 및 반사광을 산출하는 각각의 광원의 조합체로, 직접광은 협빔이고 반사광은 환상형 빔인, 조준된 빔(24a, 24b)을 산출하도록 각각 배열된 2개 이상의 광학장치(10a, 10b), 2개의 조준된 빔을 조합하는 조합기(40), 및 공통 초점으로 조합기 출력을 집중시키도록 배열된 출력 렌즈(10c)를 포함하는 것을 특징으로 하는 광학계.
  9. 제 8 항에 있어서, 상이한 광원(20a, 20b)이 상이한 색상의 광을 산출하는 것을 특징으로 하는 광학계.
  10. 제 9 항에 있어서, 시스템으로부터 원하는 출력 특성을 산출하도록 광원(20a, 20b) 각각의 방출 세기를 변화시키는 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 광학계.
KR1019997007327A 1997-02-15 1998-02-13 광학 장치 KR20000071058A (ko)

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