KR20030062968A - 회전 비축대칭 비구면 렌즈 - Google Patents

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Abstract

회전 비축대칭 비구면 렌즈가 개시된다. 입사면의 수직입사면은 볼록한 비구면, 수평입사면은 오목한 비구면을 가진다. 출사면의 수직출사면 및 수평출사면은 볼록한 비구면을 가진다. 광원으로부터 제1발산각으로 방출된 수직성분의 광은 수직입사면에서 제1굴절각으로 굴절되어 광축과 평행하게 진행하다가 수직출사면에서 제1수렴각으로 굴절되어 광섬유로 집속된다. 또한, 광원으로부터 제1발산각으로 방출된 수평성분의 광은 수평입사면에서 제3발산각으로 굴절 및 발산하여 진행하다가 수평출사면에서 제2수렴각으로 굴절되어 광섬유로 집속된다. 이로 인해 광원으로부터 방출되는 타원형의 광은 출사면에서 원형으로 정형화되며 광섬유로의 결합효율을 향상시키는 것이 가능하다.

Description

회전 비축대칭 비구면 렌즈 {Rotational asymmetric aspheric lens}
본 발명은 회전 비축대칭 비구면 렌즈에 관한 것으로, 보다 상세하게는 비구면 렌즈를 이용하여 타원형의 레이저 빔을 원형화하는 회전 비축대칭 비구면 렌즈에 관한 것이다.
레이저 다이오드(Laser Diode)를 신호전달의 매개 즉, 광원으로 사용하는 대표적인 예에는 광통신 및 광디스크 픽업용 광학계가 있다.
광통신은 광대역폭으로 초고속 정보전송을 가능하게 하는 통신 방식으로서 마이크로파(수GHz)보다 큰 적외선 영역의 광파를 반송파로 사용한다. 광통신 시스템은 신호전달의 매개가 되는 레이저 빔, 레이저 빔을 전송하는 통신용 광섬유(Optical fiber) 및 레이저 빔 수신을 위한 포토 다이오드(Photo Diode)를 기본적으로 필요로 한다. 레이저 빔은 레이저 다이오드로부터 방출되며, 광섬유는 도파 원리를 이용하여 레이저 빔을 전송하는 광대역 전송로이다. 포토 다이오드는 레이저 빔과 같은 광신호를 전기신호로 변환하는 광전변환을 수행한다.
광디스크는 광디스크의 표면에 정보를 기록하는 고밀도 기록장치이다. 이러한 광디스크의 픽업용 광학계는 회전하는 광디스크의 금속 표면에 레이저 빔을 집속하여 정보를 기록하며, 광디스크의 표면에서 반사되는 빛으로 정보를 판독하거나 위치제어를 한다.
광통신 및 광디스크 픽업용 광학계에 사용되는 레이저 다이오드는 반도체의유도 방출을 이용한 코히어런트 광을 방출하며 고속 데이터 전송(Gbps)에 사용된다. 이러한 레이저 다이오드는 갈륨(gallium : Ga), 알루미늄(aluminum : Al), 비소(arsenic : As) 등을 이용하여 레이저 빔을 방출한다.
도 1은 레이저 다이오드로부터 방출되는 일반적인 타원형의 레이저 빔을 도시한 도면, 도 2a 및 도 2b는 종래의 원통형 렌즈를 사용하는 시준기의 실시예를 도시한 도면이다.
레이저 다이오드(LD)로부터 방출되는 레이저 빔은 도 1에 도시된 바와 같이 타원형을 이룬다. 이는 수직방향(⊥)의 레이저 빔 발산각(θ⊥)이 수평방향(∥)의 레이저 빔 발산각(θ∥)에 비해 큰 값을 갖기 때문이다. 이 때, 수직방향(⊥)의 레이저 빔 발산각(θ⊥) 및 수평방향(∥)의 레이저 빔 발산각(θ∥) 비율은 대개 '2:1 내지 3:1'을 나타낸다.
타원형의 레이저 빔은 광통신 시스템 또는 광학계의 신호대 잡음비(Signal To Noise Ratio: S/N ratio)를 감소시킴으로써 데이터의 선명도를 저하시킨다. 이를 해결하기 위해 광통신 시스템 또는 광학계는 삼각 프리즘 또는 원통형(Cylinder) 렌즈와 같은 정형소자를 사용하여 타원형의 레이저 빔을 원형으로 시준한다.
도 2a 및 도 2b를 참조하면, 종래의 원통형 렌즈를 이용한 시준기(200)는 시준기렌즈(210), 제1원통형 렌즈(220) 및 제2원통형 렌즈(230)를 갖는다. 시준기(200)는 타원형의 레이저 빔을 원형으로 정형화하기 위해 광통신 시스템 또는 광학계에 구비되는 장치이다. 시준기 렌즈(210)는 수평방향의 직경(D2)보다 큰 직경(D1)을 갖는 수직방향의 레이저 빔을 수평하게 시준한 후, 제1 및 제2원통형 렌즈(220, 230)를 사용하여 레이저 빔을 정형화한다.
제1원통형 렌즈(220) 및 제2원통형 렌즈(230)는 수평방향으로만 곡률이 있는 원통형 렌즈이다. 이러한 제1 및 제2원통형 렌즈(220, 230)를 투과한 수직방향의 레이저 빔은 도 2a와 같이 수직방향의 직경(D1) 크기를 유지한다. 반면, 수평방향의 직경(D2)은 도 2b와 같이 수직방향의 직경(D1) 크기로 확대된다. 즉, 타원형의 레이저 빔은 시준기(200)를 투과함으로써 수직방향의 직경(D1)과 수평방향의 직경(D2)이 동일한 원형으로 정형화된다.
그런데, 종래의 시준기를 이용한 빔 정형화 장치는 수직방향의 직경 및 수평방향의 직경이 동일하도록 하기 위해 정밀도가 높은 두 매의 원통형 렌즈를 사용하여야 하며 두 매의 원통형 렌즈의 정확한 정렬을 필요로 한다. 그러나 높은 정밀도를 요구하는 렌즈의 제작 및 원통형 렌즈의 정확한 정렬에는 한계가 있다.
또한, 종래의 빔 정형화 장치는 레이저 다이오드로부터 방출되는 레이저 빔의 집속을 위해 시준기를 대신하여 회전축대칭 렌즈 또는 구면 렌즈를 이용한다. 그러나, 회전축대칭 렌즈를 사용하는 경우 타원형으로 방출된 레이저 빔을 원형으로 정형화할 수 없다는 문제점이 있다. 또한, 구면 렌즈를 사용하는 경우에는 렌즈의 주변부로 들어간 빛과 중심부로 들어간 빛이 한곳에 집속되지 못하여 구면수차가 발생함으로써 결합효율을 저하시킨다. 또한, 회전축대칭 렌즈 또는 구면 렌즈를 사용하면 레이저 다이오드 자체가 가지고 있는 비점수차를 해소할 수 없다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 1매의 렌즈를 이용하여 비점수차를 보상하고 타원형의 레이저 빔을 원형화하며 구면수차를 최소화할 수 있도록 하는 회전 비축대칭 비구면 렌즈를 제공하는 데 있다.
도 1은 일반적인 레이저 다이오드로부터 방출되는 타원형의 레이저 빔을 도시한 도면,
도 2a 및 도 2b는 종래의 원통형 렌즈를 사용하는 시준기의 실시예를 도시한 도면,
도 3은 본 발명에 따른 회전 비축대칭 비구면 렌즈의 광축에 수직인 수직평면에서의 레이저 빔 경로를 설명하기 위한 도면,
도 4는 본 발명에 따른 회전 비축대칭 비구면 렌즈의 광축에 수직인 수평평면에서의 레이저 빔 경로를 설명하기 위한 도면,
도 5는 본 발명에 따른 레이저 빔을 정형화하는 회전 비축대칭 비구면 렌즈가 적용된 실시예를 도시한 도면, 그리고,
도 6은 본 발명에 따른 회전 비축대칭 비구면 렌즈를 이용하여 레이저 빔을 정형화하는 실시예를 도시한 도면이다.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *
510 : 레이저 다이오드520 : 비구면 렌즈
522 : 입사면524 : 출사면
530 : 광섬유
상기의 기술적 과제를 달성하기 위해, 본 발명에 따른 회전 비축대칭 비구면 렌즈는, 광원으로부터 제1발산각으로 방출된 수직성분의 광을 제1굴절각으로 굴절시켜 광축과 평행하게 진행시키는 수직입사면과 상기 제1발산각보다 작은 제2발산각으로 방출된 수평성분의 광을 제3발산각으로 굴절시켜 발산시키는 수평입사면으로 이루어진 제1면; 및 평행하게 진행하는 상기 수직성분의 광을 제1수렴각으로 굴절시켜 상기 광축의 집점으로 수렴시키는 수직출사면과 상기 제3발산각으로 발산하는 상기 수평성분의 광을 제2수렴각으로 굴절시켜 상기 집점으로 수렴시키는 수평출사면으로 이루어진 제2면;을 포함하며, 상기 집점은 상기 제2면으로부터 상기 제2면의 외부방향으로 일정거리 떨어진 상기 광축에 위치한다.
보다 상세하게는, 상기 제1면의 상기 수직입사면은 볼록한 비구면이며 상기 수평입사면은 오목한 비구면이다. 또한, 상기 제2면의 상기 수직출사면 및 상기 수평출사면은 상기 볼록한 비구면이다.
상기 수직입사면의 곡률면 특성은 다음식에 의해 구한다.
여기서, RV1은 상기 수직입사면의 주곡률반경, hV1은 상기 수직성분의 광이 상기 제1굴절각으로 굴절되는 상기 수직입사면의 위치로부터 상기 광축까지의 최단거리, θV0는 상기 제1발산각, n은 상기 제1면의 굴절률을 의미한다.
상기 수평입사면의 곡률면 특성은 다음식에 의해 구한다.
여기서, RH1은 상기 수평입사면의 주곡률반경, hH1은 상기 수평성분의 광이 상기 제3발산각으로 굴절되는 상기 수평입사면의 위치로부터 상기 광축까지의 최단거리, θH0는 상기 제2발산각, θH1은 상기 제3발산각, n은 상기 제1면의 굴절률을 의미한다.
상기 수직출사면의 곡률면 특성은 다음식에 의해 구한다.
여기서, RV2는 상기 수직출사면의 주곡률반경, hV2는 상기 수직성분의 광이 상기 제1수렴각으로 굴절되는 상기 수직입사면의 위치로부터 상기 광축까지의 최단거리, θV2는 상기 제1수렴각, n은 상기 제2면의 굴절률을 의미한다.
상기 수평출사면의 곡률면 특성은 다음식에 의해 구한다.
여기서, RH2는 상기 수평출사면의 주곡률반경, hH2는 상기 수평성분의 광이 상기 제2수렴각으로 굴절되는 상기 수평출사면의 위치로부터 상기 광축까지의 최단거리, θH1은 상기 제3발산각, θH2는 상기 제2수렴각, n은 상기 제2면의 굴절률을 의미한다.
바람직하게는, 상기 수직성분의 광 및 상기 수평성분의 광이 상기 제1면에 도달하는 각각의 앞면 초점 거리(Forward Focal Length)는 동일하며 각각의 상기 앞면 초점 거리는 다음식에 의해 구한다.
여기서, RV1, RH1, RV2및 RH2는 각각 상기 수직입사면, 상기 수평입사면, 상기 수직출사면 및 상기 수평출사면에 대한 상기 주곡률반경, t는 상기 광축과 접해 있는 상기 제1면 및 상기 제2면 사이의 거리, n은 상기 제1면 및/또는 상기 제2면의 굴절률을 의미한다.
나아가, 상기 제1면 및 상기 제2면은 유리 소재로 이루어지며 또한, 플라스틱 소재로 이루어진다.
본 발명에 따르면, 회전 비축대칭 비구면 렌즈를 이용함으로써 비점수차를 보상하고 타원형의 레이저 빔을 원형으로 정형화하며 구면수차를 최소화함으로써 레이저 빔의 결합효율을 극대화할 수 있다.
이하에서는 주어진 도면을 참조하여 본 발명을 보다 상세하게 설명한다. 또한, 이하에서는 레이저 다이오드, 비구면 렌즈 및 광섬유를 가지는 광통신 시스템을 실시예로 들어 설명한다.
도 3은 본 발명에 따른 회전 비축대칭 비구면 렌즈의 광축에 수직인 수직평면에서의 레이저 빔 경로를 설명하기 위한 도면이다.
도 3을 참조하면, 비구면 렌즈의 수직평면은 Y축, 광축방향은 Z축으로 표현되며, 레이저 다이오드(Laser Diode)에서 방출된 레이저 빔 중 수직성분의 레이저 빔을 고려한다. 수직평면은 수직입사면 및 수직출사면을 갖는다. 수직입사면은 입사면의 길이방향 즉, 수직방향에 대한 면이며, 수직출사면은 출사면의 수직방향에 대한 면이다.
도 3에서 비구면 렌즈의 수직입사면은 실선, 수직출사면은 굵은 실선, 비구면 렌즈 내의 표면은 점선, 광축은 일점쇄선, 레이저 빔의 굴절각에 따른 광경로는 이점쇄선으로 도시된다. 또한, 도 3을 참조하면, 수직성분의 레이저 빔이 방출하는 레이저 다이오드의 일단부터 광축과 수직입사면이 접하는 접점까지의 거리는 s1, s1부터 광축과 출사면이 접하는 접점까지의 거리는 t, t부터 광섬유(Optical Fiber)가 위치한 곳까지의 거리는 s2로 표시하며, t는 비구면 렌즈의 두께이다.
레이저 다이오드에서 θV0의 발산각으로 방출된 수직성분의 레이저 빔은 수직입사면의 한 정점(spot1)에서 굴절된다. 이 때 수직입사면의 주곡률반경은 RV1이다. 수직입사면에서 굴절된 레이저 빔은 비구면 렌즈내에서 광축과 평행하게 진행하며, 이 때의 굴절각 θV1= 0°이다. θV1= 0°로 평행하게 진행하는 수직성분의 레이저 빔은 주곡률반경 RV2를 갖는 수직출사면에서 θV2의 각으로 굴절 및 수렴되어 광섬유에 입사된다.
수직입사면에서 굴절되어 진행하는 수직성분의 레이저 빔은 근축 근사(Paraxial Approximation)에 의해 [수학식 1]로 표현된다.
근축 근사는 모든 광이 진행축 즉, 광축과 거의 평행하도록 작은 각을 이루면서 진행하는 것을 말한다. [수학식 1]에서 θV0는 레이저 다이오드에서 방출된 수직성분을 갖는 레이저 빔의 발산각, θV1는 수직입사면의 한 정점(spot1)에서 굴절되어 진행하는 레이저 빔의 진행각 또는 굴절각, hV1은 레이저 다이오드로부터 방출된 타원형의 레이저 빔 중 수직방향의 반경이며 또한, 레이저 빔이 굴절되는 한 정점(spot1)으로부터 광축까지의 최단거리, n은 비구면 렌즈의 굴절률, RV1은 수직입사면의 주곡률반경을 의미한다. 공기의 굴절률은 1이며, 유리 소재로 이루어진 비구면 렌즈의 굴절률은 1.45 내지 1.85의 크기를 갖는다.
비구면 렌즈의 수직입사면을 투과한 레이저 빔은 비구면 렌즈내에서 광축과평행하게 진행하기 위해 θV1= 0°의 조건을 만족하여야 한다. θV1= 0°를 [수학식 1]에 대입하면 [수학식 2]에 의해 입사면에서의 주곡률반경 RV1을 구할 수 있다.
[수학식 2]에서 n > 1, hV1> 0이므로 수직입사면에서의 주곡률반경 RV1은 양수의 값을 갖는다. 즉, 비구면 렌즈의 수직입사면은 볼록한 비구면을 형성한다.
비구면 렌즈의 볼록한 수직입사면에서 굴절된 레이저 빔은 광축에 평행한 방향으로 진행한다. 그리고 일정거리(t)를 진행한 레이저 빔은 수직출사면에서 굴절 및 수렴된다. [수학식 3]은 비구면 렌즈의 수직출사면에서 굴절 및 수렴된 후 광섬유로 집속되는 레이저 빔의 진행을 표현한 식이다.
[수학식 3]에서 θV1은 입사면의 한 정점(spot1)에서 굴절되어 진행하는 레이저 빔의 진행각 또는 굴절각으로서 θV1= 0°, hV2는 비구면 렌즈의 수직출사면에서 굴절되는 순간의 수직성분을 갖는 레이저 빔의 반경이며 또한, 레이저 빔이 굴절 및 수렴되는 수직출사면의 한 정점(spot2)으로부터 광축까지의 최단거리, n은 비구면 렌즈의 굴절률, RV2는 수직출사면의 주곡률반경을 의미한다.
[수학식 3]에 의해 수직출사면에서의 주곡률반경 RV2는 [수학식 4]와 같이 표현된다.
[수학식 4]에서 n > 1, hV1> 0이므로 입사면에서의 주곡률반경 RV2는 음수의 값을 갖는다. 즉, 비구면 렌즈의 수직출사면은 볼록한 비구면을 형성한다.
도 4는 본 발명에 따른 회전 비축대칭 비구면 렌즈의 광축에 수직인 수평평면에서의 레이저 빔 경로를 설명하기 위한 도면이다.
도 4를 참조하면, 비구면 렌즈의 수평평면은 X축, 광축방향은 Z축으로 표현되며, 레이저 다이오드(Laser Diode)에서 방출된 레이저 빔 중 수평성분의 레이저 빔을 고려한다. 수평평면은 수평입사면 및 수평출사면을 갖는다. 수평입사면은 입사면의 길이방향 즉, 수평방향에 대한 면이며, 수평출사면은 출사면의 수평방향에 대한 면이다. 도 4에서 비구면 렌즈의 수평입사면은 실선, 수평출사면은 굵은 실선, 비구면 렌즈 내의 표면은 점선, 광축은 일점쇄선, 레이저 빔의 굴절각에 따른 광경로는 이점쇄선으로 도시된다.
또한, 도 4를 참조하면, 레이저 다이오드의 일단부터 레이저 빔이 방출하는 시작점까지의 비점수차량은 Δs, 레이저 다이오드의 일단부터 광축과 수평입사면이 접하는 접점까지의 거리는 s1, s1부터 광축과 수평출사면이 접하는 접점까지의 거리는 t, t부터 광섬유(Optical Fiber)가 위치한 곳까지의 거리는 s2로 표시하며, t는 비구면 렌즈의 두께이다.
수평성분의 레이저 빔은 레이저 다이오드의 일단으로부터 비점수차량 Δs만큼 뒤에 위치한 시작점에서 방출된다. θH0의 발산각으로 방출된 수평성분의 레이저 빔은 수평입사면의 한 정점(spot1)에서 굴절된다. 수평입사면의 주곡률반경은 RH1이다. 수평입사면에서 굴절된 레이저 빔은 비구면 렌즈내에서 발산하며, 이 때의 반사각은 θH1이다. θH0보다 큰 각으로 발산하는 수평성분의 레이저 빔은 주곡률반경 RH2를 갖는 수평출사면에서 θH2의 각으로 굴절 및 수렴되어 광섬유에 입사된다.
수평입사면에서 굴절되어 진행하는 수평성분의 레이저 빔은 [수학식 5]와 같이 표현된다.
[수학식 5]에서 θH0는 레이저 다이오드에서 방출된 수평성분을 갖는 레이저 빔의 발산각, θH1은 수평입사면의 한 정점(spot1)에서 굴절되어 발산하는 레이저 빔의 진행각 또는 발산각, hH1은 레이저 다이오드로부터 방출된 타원형의 레이저 빔 중 수평방향의 반경이며 또한, 레이저 빔이 발산된 한 정점(spot1)으로부터 광축까지의 최단거리, n은 비구면 렌즈의 굴절률, RH1은 수평입사면의 주곡률반경을 의미한다. 공기의 굴절률은 1이며, 유리 소재로 이루어진 비구면 렌즈의 굴절률은 1.45 내지 1.85의 크기를 갖는다.
[수학식 5]에 의해 수평입사면에서의 주곡률반경 RH2는 [수학식 6]과 같이 표현된다.
수평입사면에서 굴절된 수평성분의 레이저 빔은 수평출사면에서 수직성분의 레이저 빔의 직경과 동일한 크기를 가져야 한다. 이를 위해, 수평성분의 레이저 빔은 수평입사면에서 θH0보다 더 큰 각으로 발산되어야 한다. n > 1, hH1> 0인 [수학식 6]에서 θH1> θH0이므로 RH1은 음수값을 갖는다. 즉, 비구면 렌즈의 수평입사면은 오목한 비구면을 형성한다.
비구면 렌즈의 수평입사면에서 굴절된 수평성분의 레이저 빔은 일정각도 θH1로 발산하여 진행한다. 그리고 일정각도 θH1로 일정거리(t)를 진행한 레이저 빔은 수평출사면에서 굴절 및 수렴된다. [수학식 7]은 비구면 렌즈의 수평출사면에서 굴절 및 수렴된 후 광섬유로 집속되는 레이저 빔의 진행을 표현한 식이다.
[수학식 7]에서 θH1은 입사면의 한 정점(spot1)에서 굴절되어 진행하는 레이저 빔의 진행각 또는 발산각으로서 θH1> θH0이며, hH2는 비구면 렌즈의 수평출사면에서 굴절되는 순간의 수평성분을 갖는 레이저 빔의 반경이며 또한, 레이저 빔이 굴절 및 수렴되는 수평출사면의 한 정점(spot2)으로부터 광축까지의 최단거리, n은 비구면 렌즈의 굴절률, RH2는 수평출사면의 주곡률반경을 의미한다.
수평출사면에서의 주곡률반경 RH2는 [수학식 7]에 의해 [수학식 8]과 같이 표현된다.
수평입사면에서 발산각 θH1으로 발산된 수평성분의 레이저 빔은 수평출사면의 한 정점(spot2)에서 θH2로 다시 굴절된다. 수평성분의 레이저 빔이 굴절되는 수평출사면의 한 정점(spot2)에서 수평성분의 레이저 빔의 반경과 수직성분의 레이저 빔의 반경은 동일한 크기를 갖는다. 수평출사면의 한 정점(spot2)에서 굴절되는 레이저 빔은 광섬유로 수렴하기 위해 일정한 θH2의 굴절각을 유지하며 진행한다. 즉, θH1> 0, n > 1인 [수학식 8]은 θH2< 0인 조건을 만족해야 한다. 이를위해, RH2는 음수값을 갖는다. 즉, 비구면 렌즈의 수평출사면은 볼록한 비구면을 형성한다.
또한, 도 4를 참조하면, 수평출사면에서 수평성분의 레이저 빔 높이는 다음의 [수학식 9]와 같이 표현할 수 있다.
[수학식 9]에서 tanθH1의 θH1은 미세한 각을 가지므로 tanθH1≒ θH1이다.
도 3 및 도 4와 같은, 본 발명에 따른 회전 비축대칭 비구면 렌즈를 광통신에 접목시킴으로써 레이저 다이오드에서 방출되는 레이저 빔을 광섬유에 효율적으로 집속할 수 있으며 최대의 결합효율을 얻을 수 있다.
도 5는 본 발명에 따른 레이저 빔을 정형화하는 회전 비축대칭 비구면 렌즈가 적용된 실시예를 도시한 도면, 도 6은 본 발명에 따른 회전 비축대칭 비구면 렌즈를 이용하여 레이저 빔을 정형화하는 실시예를 도시한 도면이다.
도 5를 참조하면, 본 발명에 따른 회전 비축대칭 비구면 렌즈(520)가 적용된 실시예는 레이저 다이오드(Laser Diode)(510), 회전 비축대칭 비구면 렌즈(520) 및 광섬유(Optical Fiber)(530)를 갖는다. 도 5에서 수직성분을 갖는 레이저 빔은 굵은 실선, 광축은 일점쇄선, 수평성분을 갖는 레이저 빔은 이점쇄선으로 도시된다.
이하에서는 회전 비축대칭 비구면 렌즈(520)를 비구면 렌즈(520)로 축약하여 칭한다.
레이저 다이오드(510)는 수직성분 및 수평성분을 갖는 타원형의 레이저 빔을 방출한다. 타원형의 레이저 빔이 방출되는 이유는 수직방향의 레이저 빔 발산각이 수평방향의 레이저 빔 발산각에 비해 큰 값을 갖기 때문이다. 타원형의 레이저 빔은 비구면 렌즈(520)를 투과하면서 원형으로 정형화된다. 비구면 렌즈(520)의 제1면(522) 및 제2면(524)은 수직방향 및 수평방향에 대해 각각의 주곡률(CV1, CH1, CV2, CH2)을 갖는 비구면이다. 이는 레이저 빔이 수직성분 및 수평성분의 레이저 빔으로 방출되기 때문이다. 각각의 이하에서 제1면(522)은 입사면(522), 제2면(524)은 출사면(524)이라 칭한다.
비구면 렌즈(520)의 입사면(522) 및 출사면(524)은 레이저 빔의 두 성분에 의해 수직방향(Y축) 및 수평방향(X축)의 입사면 및 출사면을 갖는다. 입사면(522)의 수직방향은 수직입사면, 수평방향은 수평입사면이라 칭하며, 출사면(524)의 수직방향은 수직출사면, 수평방향은 수평출사면이라 칭한다. 수직입사면은 레이저 빔의 수직성분이 도달하는 면이며 수평입사면은 레이저 빔의 수평성분이 도달하는 면이다. 이로 인해, 입사면(522)의 수직입사면은 볼록한 비구면, 수평입사면은 오목한 비구면을 갖는다. 또한, 출사면(524)의 수직출사면은 볼록한 비구면, 수평입사면은 볼록한 비구면을 갖는다. 즉, 비구면 렌즈(520)는 회전 비축대칭 특성을 갖게 된다.
이와 같은 특성을 갖는 비구면 렌즈(520)를 구비하는 경우 레이저 빔의 광경로는 도 6에 도시된 바와 같다. 도 6을 참조하면, 비구면 렌즈(520)의 수직방향은실선, 수평방향은 점선, 수직성분을 갖는 레이저 빔의 광경로는 굵은 실선, 수평성분을 갖는 레이저 빔의 광경로는 이점쇄선, 광축은 일점쇄선으로 도시된다. 또한, 레이저 다이오드(510)의 일단부터 수평성분의 레이저 빔이 방출되는 시작점까지의 비점수차량은 Δs, 레이저 다이오드의 일단부터 광축과 입사면이 접하는 접점까지의 거리는 s1, s1부터 광축과 출사면이 접하는 접점까지의 거리는 t, t부터 광섬유(530)가 위치한 곳까지의 거리는 s2로 표시하며, t는 비구면 렌즈(520)의 두께이다.
먼저 비구면 렌즈(520)의 수직방향(Y축)을 투과하는 수직성분의 레이저 빔을 고려한다. 레이저 다이오드(510)에서 θV0의 발산각으로 방출된 수직성분의 레이저 빔은 볼록한 입사면(522)에서 θV1= 0°의 각으로 굴절되어 진행한다. 광축과 평행하게 진행하는 수직성분의 레이저 빔은 볼록한 출사면(524)에서 θV2의 각으로 굴절되어 광섬유(530)로 수렴된다.
한편, 비구면 렌즈(520)의 수평방향(X축)을 투과하는 수평성분의 레이저 빔을 고려하면, 레이저 다이오드(510)에서 θH0의 발산각으로 방출된 수평성분의 레이저 빔은 오목한 입사면(522)에서 θH1의 각으로 굴절 및 발산되어 진행한다. 일정각도 θH1으로 발산되어 진행하는 수평성분의 레이저 빔은 볼록한 출사면(524)에서 θH2의 각으로 굴절되어 광섬유(530)로 수렴된다.
이와 같은 구성은 IMT-2000, 광 중계기 등의 광통신 시스템에 적용가능하다. 이는 비구면 렌즈(520)를 구비함으로써 광통신에서 사용되는 레이저 빔의 광섬유에 대한 결합효율을 향상시킬 수 있기 때문이다.
이하에서는 도 3 내지 도 6을 참조하여 비점수차 보상, 타원형 레이저 빔의 원형화 및 구면수차 최소화를 위한 본 발명에 따른 회전 비축대칭 비구면 렌즈의 제한조건에 대해 설명한다.
비점수차 보상을 위해서는 비구면 렌즈(520)의 수직방향의 앞면 초점 거리(Forward Focal Length : FFL)와 수평방향의 FFL이 동일하여야 한다. 이 조건은 [수학식 10]으로 나타낼 수 있다.
[수학식 10]에서 RV1, RH1, RV2및 RH2는 각각 수직입사면, 수평입사면, 수직출사면 및 수평출사면에 대한 주곡률반경, t는 광축과 접해 있는 입사면(522) 및 출사면(524) 사이의 거리, n은 비구면 렌즈(520)의 굴절률을 의미한다. [수학식 10]을 만족함으로써 수직방향의 FFL 및 수평방향의 FFL이 동일하게 되며, 이로 인해 비점수차는 보상된다.
레이저 다이오드(510)로부터 방출되는 타원형의 레이저 빔을 원형으로 정형화하기 위해서는 비구면 렌즈(520)의 출사면(524)에서 굴절되는 순간의 수직성분레이저 빔의 반경과 수평성분의 레이저 빔의 반경이 동일하여야 한다. 도 3 및 도 4를 참조하면, hV2= hH2이어야 하며 [수학식 8]은 [수학식 11]과 같이 표현될 수 있다.
도 6을 참조하여 [수학식 11]을 정리하면 [수학식 12]와 같이 표현된다.
여기서, 수직성분의 레이저 빔은 수직입사면에서 굴절되어 .광축과 평행하게 진행하므로 θV1= 0°이다.
한편, 레이저 다이오드(510)로부터 방출된 레이저 빔은 레이저 빔이 집속되는 광섬유(530)에서 구면수차를 발생한다. 이러한 구면수차는 다음의 [수학식 13] 및 [수학식 14]의 비구면 계수 A 및 B를 최적화함으로써 최소화할 수 있다. [수학식 13]은 본 발명에 따른 회전 비축대칭 비구면 렌즈의 입사면(522)의 자유곡면방정식, [수학식 14]는 본 발명에 따른 회전 비축대칭 비구면 렌즈의 출사면(524)의 자유곡면방정식이다.
[수학식 13] 및 [수학식 14]에서 ZInput Surface(X,Y)는 수직입사면 및 수평입사면에 대한 임의의 위치(X,Y)에서의 렌즈 입사면의 광축방향높이, ZOutput Surface(X,Y)는 수직출사면 및 수평출사면에 대한 임의의 위치(X,Y)에서의 렌즈 출사면의 광축방향높이, CV1, CH1, CV2및 CH2는 각각 수직입사면, 수평입사면, 수직출사면 및 수평출사면에 대한 주곡률이며, 각각의 주곡률은 [수학식 2], [수학식 6], [수학식 4] 및 [수학식 8]에서 구한 각각의 주곡률반경의 역수이다. 또한, 아래첨자 i 및 j는 정수, Ai1및 Ai2는 수직방향(Y축)의 비구면 계수(Aspheric Constant in Y-axis), Bj1및 Bj2는 수평방향(X축)의 비구면 계수(Aspheric Constant in X-axis), kV1, kH1, kV2및 kH2는 각각 수직입사면, 수평입사면, 수직출사면 및 수평출사면에 대한 원추 상수(Konic Constant)를 의미한다. 비구면 계수 A 및 B를 최적화하기 위해서는 구면수차 오차를 목적함수로 설정한 후 비선형 커브 근사법(Nonlinear Curve Fitting)과 같은 수치해석적인 방법을 이용한다.
본 발명에 따른 회전 비축대칭 비구면 렌즈에 의하면, 1매의 회전 비축대칭 비구면 렌즈를 구비함으로써 레이저 다이오드로부터 방출되는 레이저 빔의 비점수차를 보상하며, 타원형 빔을 원형화하고, 구면수차를 최소화할 수 있다. 이로 인해 레이저 다이오드로부터 방출되는 레이저 빔을 광섬유에 입사시킬 때 레이저 빔의 집속효율 및 결합효율을 극대화할 수 있다. 또한, 본 발명은 유리(glass) 또는 플라스틱(plastic) 소재를 이용하여 비구면 렌즈를 제조함으로써 대량생산이 가능하며 생산원가가 낮아 제조비용의 절감효과가 있다.
이상에서 대표적인 실시예를 통하여 본 발명에 대하여 상세하게 설명하였으나, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 상술한 실시예에 대하여 본 발명의 범주에서 벗어나지 않는 한도내에서 다양한 변형이 가능함을 이해할 것이다. 그러므로 본 발명의 권리범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 안되며 후술하는 특허청구범위 뿐만 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.

Claims (10)

  1. 광원으로부터 제1발산각으로 방출된 수직성분의 광을 제1굴절각으로 굴절시켜 광축과 평행하게 진행시키는 수직입사면과 상기 제1발산각보다 작은 제2발산각으로 방출된 수평성분의 광을 제3발산각으로 굴절시켜 발산시키는 수평입사면으로 이루어진 제1면; 및
    평행하게 진행하는 상기 수직성분의 광을 제1수렴각으로 굴절시켜 상기 광축의 집점으로 수렴시키는 수직출사면과 상기 제3발산각으로 발산하는 상기 수평성분의 광을 제2수렴각으로 굴절시켜 상기 집점으로 수렴시키는 수평출사면으로 이루어진 제2면;을 포함하며,
    상기 집점은 상기 제2면으로부터 상기 제2면의 외부방향으로 일정거리 떨어진 상기 광축에 위치하는 것을 특징으로 하는 회전 비축대칭 비구면 렌즈.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 제1면의 상기 수직입사면은 볼록한 비구면이며 상기 수평입사면은 오목한 비구면인 것을 특징으로 하는 회전 비축대칭 비구면 렌즈.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 제2면의 상기 수직출사면 및 상기 수평출사면은 상기 볼록한 비구면인 것을 특징으로 하는 회전 비축대칭 비구면 렌즈.
  4. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
    상기 수직입사면의 곡률면 특성은 다음식에 의해 구해지는 것을 특징으로 하는 회전 비축대칭 비구면 렌즈:
    여기서, RV1은 상기 수직입사면의 주곡률반경, hV1은 상기 수직성분의 광이 상기 제1굴절각으로 굴절되는 상기 수직입사면의 위치로부터 상기 광축까지의 최단거리, θV0는 상기 제1발산각, n은 상기 제1면의 굴절률.
  5. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
    상기 수평입사면의 곡률면 특성은 다음식에 의해 구해지는 것을 특징으로 하는 회전 비축대칭 비구면 렌즈:
    여기서, RH1은 상기 수평입사면의 주곡률반경, hH1은 상기 수평성분의 광이 상기 제3발산각으로 굴절되는 상기 수평입사면의 위치로부터 상기 광축까지의 최단거리, θH0는 상기 제2발산각, θH1은 상기 제3발산각, n은 상기 제1면의 굴절률.
  6. 제 1항 또는 제 3항에 있어서,
    상기 수직출사면의 곡률면 특성은 다음식에 의해 구해지는 것을 특징으로 하는 회전 비축대칭 비구면 렌즈:
    여기서, RV2는 상기 수직출사면의 주곡률반경, hV2는 상기 수직성분의 광이상기 제1수렴각으로 굴절되는 상기 수직입사면의 위치로부터 상기 광축까지의 최단거리, θV2는 상기 제1수렴각, n은 상기 제2면의 굴절률.
  7. 제 1항 또는 제 3항에 있어서,
    상기 수평출사면의 곡률면 특성은 다음식에 의해 구해지는 것을 특징으로 하는 회전 비축대칭 비구면 렌즈:
    여기서, RH2는 상기 수평출사면의 주곡률반경, hH2는 상기 수평성분의 광이 상기 제2수렴각으로 굴절되는 상기 수평출사면의 위치로부터 상기 광축까지의 최단거리, θH1은 상기 제3발산각, θH2는 상기 제2수렴각, n은 상기 제2면의 굴절률.
  8. 제 1항에 있어서,
    상기 수직성분의 광 및 상기 수평성분의 광이 상기 제1면에 도달하는 각각의 앞면 초점 거리(Forward Focal Length)는 동일하며 각각의 상기 앞면 초점 거리는 다음식에 의해 구하는 것을 특징으로 하는 회전 비축대칭 비구면 렌즈:
    여기서, RV1, RH1, RV2및 RH2는 각각 상기 수직입사면, 상기 수평입사면, 상기 수직출사면 및 상기 수평출사면에 대한 상기 주곡률반경, t는 상기 광축과 접해 있는 상기 제1면 및 상기 제2면 사이의 거리, n은 상기 제1면 및/또는 상기 제2면의 굴절률.
  9. 제 1항에 있어서,
    상기 제1면 및 상기 제2면은 유리 소재로 이루어진 것을 특징으로 하는 회전 비축대칭 비구면 렌즈.
  10. 제 1항에 있어서,
    상기 제1면 및 상기 제2면은 플라스틱 소재로 이루어진 것을 특징으로 하는 회전 비축대칭 비구면 렌즈.
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