KR20100070063A - 빔 호모지나이저 - Google Patents

Abstract

평행 입사된 에너지 분포가 가우시안 분포인 빔을 균일 에너지 분포인 플랫탑 빔으로 변환하여 평행 출사시키는 빔 호모지나이저가 제공된다. 본 발명의 실시예에 따른 빔 호모지나이저는, 상기 빔의 진행 방향의 순서대로, 적어도 상기 빔의 입사 면적에 상응하는 부위가 음의 굴절력을 가지며 비구면으로 형성되는 제1 굴절면과, 양의 굴절력을 가지며 비구면으로 형성되는 제2 굴절면을 포함할 수 있다.

빔 호모지나이저, 가우시안 빔, 플랫탑 빔, 비구면.

Description

빔 호모지나이저{Beam homogenizer}

본 발명은 광학 장치(optical apparatus)에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 가우시안 분포의 빔을 콜리메이팅된 플랫탑 빔(collimated flat-top beam)으로 변환시켜주는 빔 호모지나이저에 관한 것이다.

일반적으로 레이저 등과 같은 광원(light source)으로부터 최초 출력된 빔은 그 에너지 분포가 공간적으로 균일하지 않고, 중앙부에서 에너지가 크고 주변부로 갈수록 에너지가 감소하는 분포를 가지고 있다. 이를 일반적으로 가우시안 분포(gaussian distribution)를 갖는다고 한다. 그러나 수많은 광학 시스템에서는 위와 같은 가우시안 분포의 에너지 분포를 갖는 빔(이하, 이를 가우시안 빔이라 함)을 공간적으로 그 에너지 분포가 균일(uniform)한 플랫탑 빔(flat-top beam)으로 변환시켜 사용하여야 할 필요가 종종 발생한다.

상기와 같이 가우시안 빔을 플랫탑 빔으로 변환시킬 수 있는 광학 장치로는 회절 광학 소자(DOE)가 있다. 그러나 이러한 회절 광학 소자는 단차를 갖는 다수의 계단 형상의 면을 절삭 등의 공정을 통해 만들어내야 하기 때문에 그 제조 비용이 비싼 문제가 있다. 다른 광학 장치로는 빔 호모지나이저(beam homogenizer)가 있다. 그러나 종래 기술에 따른 빔 호모지나이저는 강도 변환 렌즈와 위상 보정 렌즈가 별도 구비될 필요가 있어 최소 2장의 렌즈를 필요로 하였다.

본 발명은 가우시안 분포의 빔을 입력받아 콜리메이팅된 플랫탑 빔으로 변환할 수 있는 빔 호모지나이저를 제공한다.

본 발명은 광강도 분포가 유니폼하지 않은 프로파일의 빔을 입력받아 실질적으로 유니폼한 광강도 분포를 갖는 프로파일의 빔으로 변환할 수 있는 빔 호모지나이저를 제공한다.

본 발명은 1개 또는 2개의 렌즈만을 사용하는 매우 간단하고 컴팩트한 광학 구성만으로도 유니폼한 광강도 분포를 갖는 플랫탑 빔으로 변환 가능한 빔 호모지나이저를 제공한다.

본 발명의 이외의 목적들은 하기의 설명을 통해 쉽게 이해될 수 있을 것이다.

본 발명의 일 측면에 따르면, 평행 입사된 에너지 분포가 가우시안 분포인 빔을 균일 에너지 분포인 플랫탑 빔으로 변환하여 평행 출사시키는 빔 호모지나이저가 제공된다. 본 발명의 실시예에 따른 빔 호모지나이저는, 상기 빔의 진행 방향의 순서대로, 적어도 상기 빔의 입사 면적에 상응하는 부위가 음의 굴절력을 가지며 비구면으로 형성되는 제1 굴절면과, 양의 굴절력을 가지며 비구면으로 형성되는 제2 굴절면을 포함할 수 있다.

일 실시예에서, 상기 제1 굴절면은 입력된 빔의 광속(光束)을 방사상에서 재분포시켜, 균일 에너지 분포의 빔이 상기 제2 굴절면으로 전달되도록 하고, 상기 제2 굴절면은 입력된 상기 광속이 재분포된 빔의 파면 경로차를 제거함으로써 평행 시준된 빔을 출력시킬 수 있다.

일 실시예에서, 상기 빔 호모지나이저는 단 하나의 엘리멘트에 의한 렌즈로 구성되되, 상기 제1 굴절면 및 상기 제2 굴절면은 각각 상기 렌즈의 입사면 및 출사면에 형성될 수 있다.

일 실시예에서, 상기 빔 호모지나이저는 두 개의 엘리멘트에 의한 렌즈군으로 구성되되, 상기 제1 굴절면은 상기 빔의 진행 방향의 순서에 따라 선행 렌즈의 입사면에 형성되고, 상기 제2 굴절면은 후행 렌즈의 입사면에 형성될 수 있다.

일 실시예에서, 상기 제1 굴절면의 곡률 반경은 8.7mm이고, 상기 제2 굴절면의 곡률 반경은 19.8mm이고, 상기 제1 굴절면과 상기 제2 굴절면 간의 거리는 4mm이고, 상기 렌즈의 굴절 계수는 1.53이고, 상기 렌즈의 아베수는 56일 수 있다.

일 실시예에서, 상기 제1 굴절면은 2차 계수 -0.28238, 4차 계수 3.061756E-02, 6차 계수 -1.97552E-03, 8차 계수 6.347798E-05의 비구면 계수를 갖고, 상기 제2 굴절면은 2차 계수 -0.16451, 4차 계수 4.03068E-03, 6차 계수 2.95347E-04, 8차 계수 3.38E-05의 비구면 계수를 가질 수 있다.

본 발명의 실시예에 의하면, 가우시안 분포의 빔을 입력받아 콜리메이팅된 플랫탑 빔으로 변환할 수 있는 빔 호모지나이저를 제공할 수 있는 효과가 있다.

또한, 본 발명은 광강도 분포가 유니폼하지 않은 프로파일의 빔을 입력받아 실질적으로 유니폼한 광강도 분포를 갖는 프로파일의 빔으로 변환할 수 있는 빔 호모지나이저를 제공할 수 있는 효과가 있다.

또한, 본 발명은 1개 또는 2개의 렌즈만을 사용하는 매우 간단하고 컴팩트한 광학 구성만으로도 유니폼한 광강도 분포를 갖는 플랫탑 빔으로 변환 가능한 효과가 있다.

본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 이를 상세한 설명을 통해 상세히 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다. 또한, 본 명세서의 설명 과정에서 이용되는 숫자(예를 들어, 제1, 제2 등)는 하나의 구성요소를 다른 구성요소와 구분하기 위한 식별기호에 불과하다.

이하, 도 1을 중심으로 도 2a 내지 도 3b 그리고 도 4의 렌즈 데이터를 참조하여 본 발명의 실시예들에 따른 빔 호모지나이저에 관하여 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따라 1개의 렌즈로 구현된 빔 호모지나이저를 나타낸 도면이다. 도 2a 내지 도 2c는 본 발명의 다른 실시예에 따라 1개의 렌즈로 구현된 빔 호모지나이저를 나타낸 도면이다. 또다른 실시예로서, 도 3a 및 도 3b는 2개의 렌즈로 구현된 빔 호모지나이저를 도시하고 있다.

본 발명의 실시예에 따른 빔 호모지나이저는 평행 입사된 가우시안 빔을 공간적으로 균일한 에너지 분포를 갖는 플랫탑 빔으로 변환하여 평행 출사시킨다. 이를 위해, 도면을 통해 도시된 각 실시예들에 따른 빔 호모지나이저는, 그 빔의 진행 방향의 순서에 따라, 적어도 상기 빔의 입사 면적과 상응하는 부위가 음의 굴절력(negative optical power)을 가지며 비구면(aspheric surface)으로 형성된 제1 굴절면(first refractive surface)(110)과, 양의 굴절력(positive optical power)을 가지며 역시 비구면으로 형성되는 제2 굴절면(second refractive surface)(120)을 공통적으로 포함한다.

도면을 통해서 확인할 수 있는 바와 같이, 제1 굴절면(110)으로 입사하는 빔 은 그 에너지 분포가 공간적으로 가우시안 분포를 갖는 가우시안 빔이다. 빔의 진행 방향을 기준으로 수직인 단위 면적을 단위 시간 동안 지나가는 광선의 수 즉, 광속(光束)은 중앙부에 몰려있으며 주변부로 갈수록 줄어들고 있음이 바로 그것이다.

제1 굴절면(110)은 상기와 같은 가우시안 빔을 입력받고, 그 입력된 빔의 광속(光束)을 방사(放射) 상에서 재분포시킨다. 제1 굴절면(110)은 음의 굴절력을 갖는 비구면으로 설계되어 있으므로, 입사된 빔의 광속을 공간 상에서 방사시키는 과정에서 광학 수차(optical aberration)를 부여하여 그 광속을 재분포시킬 수 있다.

제1 굴절면(110)을 거치면서 광속이 재분포된 빔은 제2 굴절면(120)에 입력되는 시점에서는 균일한 광속 분포(즉, 균일 에너지 분포)를 갖게 된다. 이는 제1 굴절면(110)의 비구면 계수와 곡률 반경과, 렌즈의 두께(즉, 제1 굴절면(110)과 제2 굴절면(120) 간의 거리), 굴절 계수, 아베수 등을 적절히 조절함으로써 가능하며, 이에 관한 설계는 레이 트레이싱 기법(ray tracing method)에 따른 맵핑에 의할 수 있다.

레이 트레이싱은 광학 시스템에서 빔의 광학적 경로를 가상 추적하는 방법으로 그 광학 시스템에 포함될 광학 부품들의 형상, 거리 등을 설계하는 기법이다.

본 예에서, 만일 렌즈의 두께(thickness), 굴절 계수(refractive index), 아베수(abbe's number)가 정해졌고, 제1 굴절면(110)으로 입사될 빔의 입사 구경 및 그 빔의 광속에 관한 가우시안 분포를 예측할 수 있다면, 제2 굴절면(120)에 균일 광속의 빔이 입사되게 하는데 필요한 제1 굴절면(110)의 비구면 계수, 곡률 반경 등을 상기의 레이 트레이싱 기법에 의해 역으로 추적하여 계산해내는 것도 가능해지기 때문이다. 이는 도면을 통해 표시된 광선들의 제1 굴절면(110)과 제2 굴절면(120)에서의 일대일 맵핑 관계를 통해서도 쉽게 짐작 가능하다.

제2 굴절면(120)은 제1 굴절면(110)을 거쳐 상기 광속이 재분포된 빔을 입력받고, 그 입력된 빔의 파면 경로차(wavefront path differnce)를 제거함으로써 평행 시준된 빔(collimated beam)을 출력시킨다. 즉, 제2 굴절면(120)은 입사된 균일 광속의 빔이 평행 시준되어 출사될 수 있도록 함으로써, 그 입사 시점의 본래의 상태(즉, 공간적으로 균일 광속인 상태)를 그대로 유지할 수 있도록 해준다.

제2 굴절면(120) 또한 앞서 설명한 레이 트레이싱 기법을 이용함으로써, 평행 시준된 빔이 출사될 수 있는 조건(즉, 제2 굴절면(120)의 비구면 계수와 곡률 반경 등)을 설계 가능하다.

본 발명의 실시예에 따른 빔 호모지나이저에 의하면, 매우 간단하고 컴팩트한 구성만으로도 입력된 가우시안 빔이 균일 에너지 분포의 플랫탑 빔으로 변환될 수 있는 이점이 있다. 여기서, 본 발명의 빔 호모지나이저에 의해 변환 출력된 플랫탑 빔은 페르미 디락 분포(Fermi-Dirac distribution)를 가질 수 있다.

상술한 바와 같은 제1 굴절면(110)과 제2 굴절면(120)을 포함하는 본 발명의 빔 호모지나이저는, 도 1, 도 2a 내지 도 2c와 같이 단 하나의 엘리멘트에 의한 렌즈로 구현될 수 있고, 또는 도 3a 및 도 3b와 같이 두 개의 엘리멘트에 의한 렌즈군으로 구현될 수도 있다. 이에 관한 구체적인 비교 설명을 하지는 않지만, 도 2a 내지 도 2c 그리고 도 3a 및 도 3b를 참조하면, 각각 다른 형상, 두께 등을 갖는 렌즈들로 구현된 빔 호모지나이저가 도시되어 있으며, 이 또한 상술한 레이 트레싱 기법을 통해서 그 각각의 형상, 두께, 글래스 특성(즉, 굴절 계수, 아베수), 빔 확대 배율(beam magnification factor, 도면의 'M'참조) 등에 맞춰 설계 가능할 것임을 당업자는 분명히 이해할 수 있을 것이다.

이하, 도 4를 참조하여, 도 2a에 도시된 빔 호모지나이저에서의 렌즈 데이터를 설명한다.

도 4의 렌즈 데이터에서, 'STO'는 조리개를, 'IMA'는 광변조기(optical modulator) 등과 같은 화상 형성 장치가 놓일 이미지 평면(image plane)을, 'Surf 2'는 제1 굴절면(110)을, 'Surf 3'는 제2 굴절면(120)을 의미한다.

'Radius'는 곡률 반경을 의미하고, 곡률 반경이 'infinity'라는 것은 그 면이 곡률 없이 플랫(flat)하다는 것을 의미한다. 'Thickness'는 렌즈 두께 또는 면 간 거리를, 'Nd'는 렌즈의 굴절 계수를, 'Vd'는 렌즈의 아베수를, 'Diameter'는 빔의 직경을 의미한다. 또한, 예를 들어 'Coeff on r 2'는 비구면 계수 중에서도 2차 계수를 의미한다.

도 4의 렌즈 데이터에서, 조리개('STO')로부터 제1 굴절면(110)까지의 거리는 10mm이고, 제2 굴절면(120)으로부터 이미지 평면('IMA')까지의 거리는 10mm로 설계되어 있다. 다만, 본 발명의 실시예에서, 제1 굴절면(110)으로 입사되는 빔과 제2 굴절면(120)으로부터 출사되는 빔은 모두 평행빔이므로, 상기 거리에 관한 설 계는 본질적으로 특별한 의미를 둘 바는 아님을 먼저 명확히 해둔다.

도 4의 렌즈 데이터 중 핵심적인 데이터들을 살펴보면, 제1 굴절면(110)의 곡률 반경은 8.7mm이고, 제2 굴절면(120)의 곡률 반경은 19.8mm으로 설계되고 있다. 또한, 제1 굴절면(120)과 제2 굴절면(120) 간의 거리(즉, 렌즈의 두께)는 4mm로, 그 렌즈의 굴절 계수는 1.531이고, 아베수는 56.04인 것으로 설계되고 있다. 그리고 제1 굴절면(110)에 입사된 가우시안 빔의 직경은 5mm으로 설계되었다.

또한, 본 예에서, 제1 굴절면(110)은 대략적으로 2차 계수 -0.28238, 4차 계수 3.061756E-02, 6차 계수 -1.97552E-03, 8차 계수 6.347798E-05의 비구면 계수를 갖는 것으로 설계되고 있고, 제2 굴절면(120)은 대략적으로 2차 계수 -0.16451, 4차 계수 4.03068E-03, 6차 계수 2.95347E-04, 8차 계수 3.38E-05의 비구면 계수를 갖는 것으로 설계되어 있다.

앞서도 설명한 바와 같이, 렌즈의 두께, 굴절 계수, 아베수가 위와 같이 미리 결정되어 있고, 입사될 빔의 직경도 알고 있다면, 레이 트레이싱 기법을 통해서 제1 굴절면(110)과 제2 굴절면(120)에서의 곡률 반경과 비구면 계수를 구해낼 수 있는 것이다.

이상에서는 본 발명의 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 쉽게 이해할 수 있을 것이다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따라 1개의 렌즈로 구현된 빔 호모지나이저를 나타낸 도면.

도 2a 내지 도 2c는 본 발명의 다른 실시예에 따라 1개의 렌즈로 구현된 빔 호모지나이저를 나타낸 도면.

도 3a 및 도 3b는 본 발명의 또다른 실시예에 따라 2개의 렌즈로 구현된 빔 호모지나이저를 나타낸 도면.

도 4는 도 2a에 도시된 빔 호모지나이저의 렌즈 데이터.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

110 : 제1 굴절면

120 : 제2 굴절면

Claims (6)

1. 평행 입사된 에너지 분포가 가우시안 분포인 빔을 균일 에너지 분포인 플랫탑 빔으로 변환하여 평행 출사시키는 빔 호모지나이저로서,

   상기 빔의 진행 방향의 순서대로, 적어도 상기 빔의 입사 면적에 상응하는 부위가 음의 굴절력을 가지며 비구면으로 형성되는 제1 굴절면과, 양의 굴절력을 가지며 비구면으로 형성되는 제2 굴절면을 포함하는 것을 특징으로 하는 빔 호모지나이저.
2. 제1항에 있어서,

   상기 제1 굴절면은 입력된 빔의 광속(光束)을 방사상에서 재분포시켜, 균일 에너지 분포의 빔이 상기 제2 굴절면으로 전달되도록 하고,

   상기 제2 굴절면은 입력된 상기 광속이 재분포된 빔의 파면 경로차를 제거함으로써 평행 시준된 빔을 출력시키는 것을 특징으로 빔 호모지나이저.
3. 제2항에 있어서,

   상기 빔 호모지나이저는 단 하나의 엘리멘트에 의한 렌즈로 구성되되, 상기 제1 굴절면 및 상기 제2 굴절면은 각각 상기 렌즈의 입사면 및 출사면에 형성되는 것을 특징으로 하는 빔 호모지나이저.
4. 제2항에 있어서,

   상기 빔 호모지나이저는 두 개의 엘리멘트에 의한 렌즈군으로 구성되되, 상기 제1 굴절면은 상기 빔의 진행 방향의 순서에 따라 선행 렌즈의 입사면에 형성되고, 상기 제2 굴절면은 후행 렌즈의 입사면에 형성되는 것을 특징으로 하는 빔 호모지나이저.
5. 제3항에 있어서,

   상기 제1 굴절면의 곡률 반경은 8.7mm이고, 상기 제2 굴절면의 곡률 반경은 19.8mm이고, 상기 제1 굴절면과 상기 제2 굴절면 간의 거리는 4mm이고, 상기 렌즈의 굴절 계수는 1.53이고, 상기 렌즈의 아베수는 56인 것을 특징으로 하는 빔 호모지나이저.
6. 제3항에 있어서,

   상기 제1 굴절면은 2차 계수 -0.28238, 4차 계수 3.061756E-02, 6차 계수 -1.97552E-03, 8차 계수 6.347798E-05의 비구면 계수를 갖고, 상기 제2 굴절면은 2 차 계수 -0.16451, 4차 계수 4.03068E-03, 6차 계수 2.95347E-04, 8차 계수 3.38E-05의 비구면 계수를 갖는 것을 특징으로 하는 빔 호모지나이저.

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