KR20090091020A - 광빔의 스플리팅 장치 - Google Patents

광빔의 스플리팅 장치 Download PDF

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KR20090091020A
KR20090091020A KR1020090012183A KR20090012183A KR20090091020A KR 20090091020 A KR20090091020 A KR 20090091020A KR 1020090012183 A KR1020090012183 A KR 1020090012183A KR 20090012183 A KR20090012183 A KR 20090012183A KR 20090091020 A KR20090091020 A KR 20090091020A
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토마스 미트라
야나 프륀트
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리모 파텐트페어발퉁 게엠베하 운트 코. 카게
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Abstract

광빔(1)의 스플리팅 장치는,
다수의 렌즈들(3a - 3i)을 가진 하나 이상의 렌즈 어레이(3)로서, 상기 렌즈들 중 적어도 2개의 렌즈는 서로 상이한, 포지티브 초점 거리를 가지며, 스플리팅하려는 상기 광빔(1)은 하나 이상의 렌즈 어레이(3)를 통과할 수 있고 다수의 렌즈들(3a - 3i)을 통과한 후에 적어도 몇몇의 서로 분리된, 적어도 부분적으로 수렴성의 부분 빔들(1a - 1i)을 형성할 수 있는, 하나 이상의 렌즈 어레이(3); 및
다수의 편향 소자를 가진 편향 수단(4)으로서, 상기 편향 소자들은 하나 이상의 렌즈 어레이(3) 후방에 배치되며 상기 부분 빔들(1a - 1i) 중 적어도 몇몇을 편향시킬 수 있고, 상기 편향 소자들 중 2개의 이상의 편향 소자는 상기 하나 이상의 렌즈 어레이(3)에 대해 상이한 간격(da - di)을 갖는, 편향 수단(4)
을 포함한다.
Figure P1020090012183
렌즈, 렌즈 어레이, 편향 소자, 편향 수단, 부분 빔, 스플리팅.

Description

광빔의 스플리팅 장치{DEVICE FOR SPLITTING LIGHT BEAM}
이 발명은 광빔의 스플리팅 장치에 관한 것이다.
정의: 광빔 또는 레이저 방사선의 전파 방향은 특히, 광빔 또는 레이저 방사선이 평면파(plane wave)가 아니거나 또는 적어도 부분적으로 발산성 또는 수렴성인 경우, 광빔 또는 레이저 방사선의 중간 전파 방향을 의미한다. 광빔, 부분 빔 또는 빔은, 달리 표현되지 않으면, 기하학적 광학 장치의 이상화된 빔이 아니라, 실제 광빔, 예컨대 무한소로 작은 횡단면이 아니라 연장된 빔 횡단면을 가진 가우스 프로파일 또는 변형된 가우스 프로파일을 가진 레이저 빔을 의미한다.
광빔, 예컨대 고에너지 레이저의 레이저 빔을 다수의 부분 빔으로 스플리팅하는 것은 종래 기술에서 종종 편광 빔 스플리터에 의해 이루어진다. 이는 특히 규정된 편광을 가진 입사 광빔에만 바람직하게 사용될 수 있다는 단점을 갖는다. 편광되지 않은 광빔이 동일한 강도를 가진 다수의 부분 빔으로 스플리팅되어야 하면, 상기 광빔은 스플리팅 전에 편광 필터에 의해 편광되어야 하고, 이는 많은 출력 손실을 야기한다.
광빔을 거울과 같은 다수의 기하학적 빔 스플리터에 의해 스플리팅하는 것은 바람직하지 않은 회절 현상을 야기한다.
이 발명의 과제는 효과적으로 구성될 수 있으며 특히 편광되지 않은 광빔의 스플리팅을 위해 사용될 수 있는 상기 방식의 장치를 형성하는 것이다.
상기 과제는 이 발명에 따라 청구항 1의 특징을 가진 장치에 의해 해결된다. 이 발명의 바람직한 실시예는 종속 청구항에 제시된다.
청구항 1에 따라 장치는 다수의 렌즈들을 가진 하나 이상의 렌즈 어레이를 포함하고, 상기 렌즈들 중 2개 이상의 렌즈는 서로 상이한 포지티브 초점 거리를 가지며, 스플리팅하려는 상기 광빔은 하나의 렌즈 어레이를 통과할 수 있고 다수의 렌즈를 통과한 후에 적어도 몇몇의 서로 분리된, 적어도 부분적으로 수렴성의 부분 빔을 형성할 수 있고, 장치는 또한 다수의 편향 소자를 가진 편향 수단을 포함하고, 상기 편향 소자들은 하나 이상의 렌즈 어레이 후방에 배치되며 부분 빔들 중 적어도 몇몇을 편향시킬 수 있고, 편향 소자들 중 2개 이상의 편향 소자는 하나 이상의 렌즈 어레이에 대해 상이한 간격을 갖는다.
특히, 편향 소자들 중 각각 하나의 편향 소자에는 렌즈들 중 하나가 할당될수 있다. 예컨대, 제 1 초점 거리를 가진 제 1 렌즈에 할당된 제 1 편향 소자는 하나 이상의 렌즈 어레이에 대해, 상기 제 1 초점 거리보다 큰 제 2 초점 거리를 가진 제 2 렌즈에 할당된 제 2 편향 소자 보다 작은 간격을 가질 수 있다.
렌즈 어레이의 이 발명에 따른 디자인은 편향 소자들을 렌즈 어레이에 대해 상이한 거리를 두고 배치할 수 있게 하므로, 한편으로는 편향 소자들이 서로 간섭하지 않고 다른 한편으로는 상기 편향 소자들에 의해 편향된 부분 빔들이 서로 분리되어 연장한다. 렌즈들의 상이한 초점 거리는 부분 빔들의 상이한 수렴성을 야기한다. 부분 빔들의 상이한 수렴성으로 인해, 부분 빔들의 전파 방향으로 편향 소자들 간의 오프셋에도 불구하고, 편향 소자들에 부딪힐 때 부분 빔들의 횡단면들은 각각 완전한 부분 빔의 편향을 보장할 정도로 충분히 작다.
예컨대, 편향 소자들은 거울일 수 있다.
또한, 렌즈들은 실린더 렌즈일 수 있다.
장치는 2개의 렌즈 어레이들을 포함할 수 있고, 상기 렌즈 어레이들은 각각 다수의 실린더 렌즈들을 포함하며, 렌즈 어레이들 중 제 1 렌즈 어레이 상의 실린더 렌즈들의 실린더 축은 렌즈 어레이들 중 제 2 렌즈 어레이 상의 실린더 렌즈들의 실린더 축에 대해 수직으로 배치된다.
또한, 하나 이상의 렌즈 어레이의 렌즈들 중 적어도 몇몇의 렌즈들의 어퍼쳐들은 동일할 수 있다.
추가로, 하나 이상의 렌즈 어레이의 2개의 외측 렌즈들은 하나 이상의 렌즈 어레이의 렌즈들 중 적어도 몇몇의 다른 렌즈들보다 큰 어퍼쳐를 가질 수 있다. 이러한 디자인에 의해, 모든 부분 빔들의 강도가 동일한 크기인 것이 보장될 수 있다.
이에 대한 대안으로서, 다수의 렌즈들의 어퍼쳐들은, 부분 빔들 중 다수의 부분 빔 또는 모든 부분 빔들이 서로 상이한 강도를 갖도록, 상이한 크기로 선택될 수 있다. 필요에 따라, 렌즈 어레이의 디자인에 의해, 부분 빔들의 강도들의 비율이 미리 주어질 수 있다.
장치는 푸리에 렌즈로서 사용되는 하나 이상의 렌즈를 포함하고, 상기 렌즈는 스플리팅하려는 광빔의 전파 방향으로 볼 때 편향 소자들 중 하나의 편향 소자 후방에 배치될 수 있다. 편향 소자에 의해 편향된 부분 빔은 상기 렌즈를 통과하며 그 빔 파라미터와 관련해서 조절될 수 있다. 상기 하나 이상의 렌즈는 렌즈 어레이의 렌즈들의 초점 거리가 상이할 때 부분 빔들의 빔 파라미터들을 조정할 수 있어서, 부분 빔들이 거의 평행하게 동일한 발산성으로 연장한다.
장치가 균일화 수단을 포함할 수 있고, 상기 균일화 수단은 스플리팅하려는 광빔의 전파 방향으로 하나 이상의 렌즈 어레이 앞에 배치될 수 있다. 균일화 수단은 부분 빔들이 각각 동일한 강도를 갖는데 기여할 수 있다. 또한, 균일화 수단은 고유의 빔 스플리팅을 레이저 소스의 빔 파라미터의 변화에 대해 덜 민감하게 만들 수 있다.
이 발명에 따른 빔 스플리팅 장치는 효과적으로 구성될 수 있으며 특히 편광되지 않은 광빔의 스플리팅을 위해 사용될 수 있다.
이 발명의 다른 특징들 및 장점들은 첨부한 도면을 참고로 하는 하기의 바람직한 실시예 설명에 제시된다.
보다 양호한 방위 결정을 위해, 도 1에는 데카르트 좌표계가 도시된다.
도 1에 도시된 이 발명에 따른 장치는 포지티브 Z-방향으로 또는 도 1의 좌측으로부터 입사하는 광빔(1), 예컨대 고출력 레이저로부터 나오며 예컨대 편광되지 않은 광빔(1)을 다수의 부분 빔들(1a 내지 1i)로 스플리팅한다. 이를 위해, 장치는 도 1에 개략적으로만 도시된 균일화 수단(2)을 포함한다. 균일화 수단(2)은 통상의 방식으로 렌즈 어레이들, 예컨대 광빔의 전파 방향(Z)으로 차례로 배치된 2개의 실린더 렌즈 어레이들 및 상기 실린더 렌즈 어레이를 통과하는 부분 빔들의 중첩을 위한 푸리에 렌즈들을 포함할 수 있다.
광빔(1)이 단 하나의 방향, 예컨대 도 1의 X-방향으로 부분 빔들로 스플리팅되어야 하면, X-방향에 대해 광빔(1)의 균일화가 이루어진다. 그러나, 광빔(1)이 2개의 방향, 예컨대 상기 X-방향 및 도 1에서 안으로 연장된 Y-방향으로 부분 빔들로 스플리팅되어야 하면, X-방향 및 Y-방향에 대해 광빔(1)의 균일화가 이루어진다. 이 경우, 예컨대 2개의 추가 실린더 렌즈 어레이가 제공되고, 그 실린더 축은 2개의 전술한 실린더 렌즈 어레이의 실린더 축에 대해 수직으로 배치된다.
장치는 또한 렌즈 어레이(3)를 포함하고, 상기 균일화 수단(2)에 의해 균일화된 광빔(1)이 상기 렌즈 어레이(3)를 통과한다. 렌즈 어레이(3)는 다수의 렌즈들(3a 내지 3i)을 포함하고, 상기 렌즈들은 도시된 실시예에서 실린더 렌즈로서 형성되며, 그 실린더 축은 Y-방향으로 연장된다. 도시된 실시예에서는, 9개의 렌즈들(3a 내지 3i)이 제공된다. 물론, 더 많거나 또는 더 적은 부분 빔들이 생성되어 야 하면, 더 많거나 또는 더 적은 렌즈들이 렌즈 어레이(3)에 제공될 수 있다.
광빔(1)이 2개의 방향, 예컨대 X-방향 및 도 1에서 안으로 연장된 Y-방향으로 부분 빔들로 스플리팅되어야 하면, 도 1에 도시되지 않은 추가 실린더 렌즈 어레이가 제공되고, 그 실린더 축은 X-방향으로 연장된다.
광빔(1)은 렌즈 어레이(3)에 의해 렌즈들(3a 내지 3i)의 수에 상응하는 수의 부분 빔들(1a 내지 1i)로 스플리팅된다. 렌즈 어레이(3)의 렌즈들(3a 내지 3i) 각각은 다른 렌즈들(3a 내지 3i)의 초점 거리와는 다른 포지티브 초점 거리를 갖는다. 이는 부분 빔들(1a 내지 1i)이 도 1에 도시된 바와 같이 상이하게 수렴되게 한다. 도시된 실시예에서, 도 1의 최상부 렌즈(3a)는 최단 초점 거리를 가지며, 초점 거리는 도 1에서 상부로부터 하부로 커짐으로써, 최하부 렌즈(3i)가 최장 초점 거리를 갖는다.
모든 렌즈들(3a 내지 3i)이 Y-방향으로 동일한 길이를 갖는다. 렌즈들(3b 내지 3h)은 모두 동일한 폭, 따라서 동일한 어퍼쳐를 갖기 때문에, 부분 빔들(1b 내지 1h)의 각각에 입력 측 광빔(1)의 유사한 양이 주어진다. 렌즈(3g)의 폭(bg)은 예시적으로 도시된다. 따라서, 렌즈 어레이(3)에 부딪치는 광빔(1)이 균일하면, 부분 빔들(1b 내지 1h)은 동일한 강도를 갖는다. 2개의 외측 렌즈들(3a 및 3i)은 X-방향으로 나머지 렌즈들(3b 내지 3h)보다 약간 더 큰 폭을 갖는다. 렌즈(3a)의 폭(ba)은 예시적으로 도시된다. 렌즈들(3a 및 3i)의 약간 더 큰 폭(ba)은 광빔(1)의 에지를 향해 기울어지는 방사선 장의 플랭크 또는 광빔(1)에 할당된 방사선 장의, 에지를 향해 감소하는 강도를 고려한다. 에지 측 렌즈들(3a 및 3i)의 상기 약간 더 큰 폭(ba)에 의해, 에지 측 부분 빔(1a 및 1i)이 나머지 부분 빔(1b 내지 1h)과 동일한 강도를 갖는 것이 보장될 수 있다.
다수의 렌즈들(3a 내지 3i)의 어퍼쳐들은, 부분 빔들 중 다수 부분 빔 또는 모든 부분 빔들이 서로 상이한 강도를 갖도록 상이한 크기로 선택될 수 있다. 필요에 따라 렌즈 어레이(3)의 디자인에 의해, 부분 빔들(1a 내지 1i)의 강도들의 비율이 미리 주어질 수 있다.
전파 방향(Z)으로 볼 때 렌즈 어레이(3) 후방에는 편향 수단(4)이 제공되며, 상기 편향 수단(4)은 편향 소자로서 사용되는 다수의 거울들(4a 내지 4i)을 포함한다. 렌즈들(3a 내지 3i) 각각은 거울들(4a 내지 4i) 중 하나에 할당되므로, 거울들(4a 내지 4i) 각각은 부분 빔들(1a 내지 1i) 중 하나를 도 1에서 상부로 또는 Z-방향으로부터 포지티브 X-방향으로 반사시킨다. 거울들(4a 내지 4i)은 모두 렌즈 어레이(3)에 대해 상이한 간격을 갖는다. 최상부 거울(4a)과 렌즈 어레이(3) 사이의 그리고 최하부 거울(4i)과 렌즈 어레이(3) 사이의 간격들(da, di)이 예시적으로 도 시된다. 부분 빔들(1a 내지 1i)의 상이한 수렴으로 인해, Z 방향으로 거울들(4a 내지 4i) 간의 오프셋에도 불구하고, 거울들(4a 내지 4i)에 부딪칠 때 부분 빔들(1a 내지 1i)의 횡단면은, 완전한 부분 빔(1a 내지 1i)의 반사를 보장할 정도로 충분히 작다.
부분 빔들(1a 내지 1i)이 반사 후에 서로 평행하게 연장하지 않고, 예컨대 서로 떨어지거나 또는 서로 멀어지도록, 거울들(4a 내지 4i)을 배치하는 것도 가능하다.
렌즈들(3a 내지 3i)의 초점 거리들의 차이가 크면, 경우에 따라, 반사된 부분 빔들(1a 내지 1i)의 빔 파라미터들이 서로 조정되도록, 부분 빔들(1a 내지 1i) 중 적어도 몇몇 부분 빔들의 빔 파라미터가 추가 렌즈에 의해 조절되는 것이 바람직할 수 있다. 이러한 광학 렌즈(5b)가 부분 빔(1i)의 빔 경로에 파선으로 도시되며, 상기 광학 렌즈(5b)는 예컨대 푸리에 배치로 빔 경로에 배치된다. 다수의 또는 모든 부분 빔(1a 내지 1i)의 빔 경로에 유사한 렌즈들은 배치하는 것도 가능하다.
균일화 수단(2)은 렌즈 어레이(3) 앞의 광빔(1)의 개구수가 렌즈들(3a 내지 3i) 각각의 개구수보다 작도록 형성되어야 한다.
도 1은 이 발명에 따른 장치의 개략도.

Claims (10)

  1. 광빔(1)의 스플리팅 장치로서,
    - 다수의 렌즈들(3a - 3i)을 가진 하나 이상의 렌즈 어레이(3)로서, 상기 렌즈들 중 적어도 2개의 렌즈는 서로 상이한, 포지티브 초점 거리를 가지며, 스플리팅하려는 상기 광빔(1)은 하나 이상의 렌즈 어레이(3)를 통과할 수 있고 다수의 렌즈들(3a - 3i)을 통과한 후에 적어도 몇몇의 서로 분리된, 적어도 부분적으로 수렴성의 부분 빔들(1a - 1i)을 형성할 수 있는, 하나 이상의 렌즈 어레이(3);
    - 다수의 편향 소자를 가진 편향 수단(4)으로서, 상기 편향 소자들은 하나 이상의 렌즈 어레이(3) 후방에 배치되며 상기 부분 빔들(1a - 1i) 중 적어도 몇몇을 편향시킬 수 있고, 상기 편향 소자들 중 2개의 이상의 편향 소자는 상기 하나 이상의 렌즈 어레이(3)에 대해 상이한 간격(da - di)을 갖는, 편향 수단(4)
    을 포함하는 광빔 스플리팅 장치.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 편향 소자들 중 하나의 편향 소자에는 각각 상기 렌즈들(3a - 3i) 중 하나가 할당되는 것을 특징으로 하는 광빔 스플리팅 장치.
  3. 제 1항 또는 제 2항에 있어서, 제 1 초점 거리를 가진 제 1 렌즈(3a)에 할당 된 제 1 편향 소자는 상기 적어도 하나의 렌즈 어레이(3)에 대해, 상기 제 1 초점 거리보다 큰 제 2 초점 거리를 가진 제 2 렌즈(3i)에 할당된 제 2 편향 소자보다 작은 간격(da)을 갖는 것을 특징으로 하는 광빔 스플리팅 장치.
  4. 제 1항 내지 제 3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 편향 소자들은 거울(4a - 4i)인 것을 특징으로 하는 광빔 스플리팅 장치.
  5. 제 1항 내지 제 4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 렌즈들(3a - 3i)은 실린더 렌즈인 것을 특징으로 하는 광빔 스플리팅 장치.
  6. 제 1항에 있어서, 상기 장치는 2개의 렌즈 어레이들(3)을 포함하고, 상기 렌즈 어레이들(3)은 각각 다수의 실린더 렌즈들을 포함하며, 상기 렌즈 어레이들(3) 중 제 1 렌즈 어레이 상의 상기 실린더 렌즈의 실린더 축은 상기 렌즈 어레이들(2) 중 제 2 렌즈 어레이 상의 상기 실린더 렌즈의 실린더 축에 대해 수직으로 배치되는 것을 특징으로 하는 광빔 스플리팅 장치.
  7. 제 1항 내지 제 6항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 하나 이상의 렌즈 어레이(3)의 렌즈들(3a - 3i) 중 적어도 몇몇의 렌즈들의 어퍼쳐들이 동일한 것을 특징 으로 하는 광빔 스플리팅 장치.
  8. 제 1항 내지 제 7항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 하나 이상의 렌즈 어레이(3)의 상기 2개의 외측 렌즈들(3a, 3i)은 상기 하나 이상의 렌즈 어레이(3)의 상기 렌즈들(3b - 3h) 중 적어도 몇몇의 다른 렌즈들보다 큰 어퍼쳐를 갖는 것을 특징으로 하는 광빔 스플리팅 장치.
  9. 제 1항 내지 제 8항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 장치는 푸리에 렌즈로서 사용되는 하나 이상의 렌즈(5b)를 포함하며, 상기 렌즈는 스플리팅하려는 상기 광빔(1)의 전파 방향으로 볼 때 상기 편향 소자들 중 하나의 편향 소자의 후방에 배치되고, 상기 편향 소자에 의해 편향된 부분 빔(1i)이 상기 렌즈(5b)를 통과하며 그 빔 파라미터와 관련해서 조절될 수 있는 것을 특징으로 하는 광빔 스플리팅 장치.
  10. 제 1항 내지 제 9항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 장치는 균일화 수단(2)을 포함하고, 상기 균일화 수단은 스플리팅하려는 상기 광빔(1)의 전파 방향(Z)으로 상기 하나 이상의 렌즈 어레이(3) 앞에 배치되는 것을 특징으로 하는 광빔 스플리팅 장치.
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