KR20130083118A - 라인 레이저 빔 제너레이터 - Google Patents

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KR20130083118A
KR20130083118A KR1020120003678A KR20120003678A KR20130083118A KR 20130083118 A KR20130083118 A KR 20130083118A KR 1020120003678 A KR1020120003678 A KR 1020120003678A KR 20120003678 A KR20120003678 A KR 20120003678A KR 20130083118 A KR20130083118 A KR 20130083118A
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엄효순
유영훈
황재학
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(주)미토스
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Abstract

본 발명은 각 부분별 세기가 일정하고 선폭과 길이를 자유롭게 조절할 수 있는 라인 형태의 레이저 빔을 생성할 수 있는 라인 레이저 빔 제너레이터에 관한 것으로서, 본 발명에 따른 라인 레이저 빔 제너레이터는, 도트 레이저 빔을 발생시키는 레이저 광원과; 상기 레이저 광원 전방의 광로 상에 배치되어 상기 도트 레이저 빔을 포커싱시키는 기능을 하는 제1 마이크로 렌즈와; 상기 제1 마이크로 렌즈 전방의 광로 상에 배치되어 상기 레이저 빔의 스펙클을 저감시키는 확산자와; 상기 확산자 전방의 광로 상에 배치되어 상기 도트 레이저 빔을 라인 레이저 빔으로 변환시키는 제1 실린더형 렌즈와; 상기 제1 실린더형 렌즈와 상호 대칭 구조로 배치된 제2 실린더형 렌즈와; 상기 제2 실린더형 렌즈 전방의 광로 상에 배치되어 상기 라인 레이저 빔의 장축 길이를 증대시키는 제3 실린더형 렌즈;를 포함하고, 상기 제2 실린더형 렌즈는 그 곡면의 길이 방향이 제1 방향을 향하도록 배치되고, 상기 제3 실린더형 렌즈는 그 곡면의 길이 방향이 상기 제1 방향과 상이한 제2 방향을 향하도록 배치된 것을 특징으로 한다.

Description

라인 레이저 빔 제너레이터{LINE LASER BEAM GENERATOR}
본 발명은 라인 빔 제너레이터에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 상황에 따라 사용자가 원하는 선폭과 길이를 갖은 라인 형태의 레이저 빔을 생성할 수 있는 라인 레이저 빔 제너레이터에 관한 것이다.
피검체의 이물 부착, 파손 여부 등을 파악하기 위해 라인 형태의 빔을 조사하는 라인 스캔 카메라(Line Scan Camera)를 사용하는데, 이때 라인 스캔 카메라의 광원으로서 레이저(Laser), 백색광(White-Light), LED와 광섬유를 이용한 빔, LED 어레이(Array)를 이용한 빔 등을 이용한다.
그런데, 백색광(White-Light), LED와 광섬유를 이용한 빔, LED 어레이 (Array)를 이용한 빔의 경우 10㎛ 이내의 폭을 갖는 라인 빔을 만들기가 어려운 단점이 있다.
따라서, 10㎛ 이내의 폭을 가진 라인 빔을 요구하는 피검체의 경우 레이저 광원을 사용하는 것이 일반적인데, 레이저 광원의 경우 10㎛ 이내의 폭을 가진 라인 빔을 생성하기는 용이하나 라인의 각 부분별 세기를 일정하게 만들기 어렵고, 피검체가 거친 경우 스펙클(Speckle)이 발생하여 정확한 측정이 어려운 단점이 있다.
그리고, 종래 레이저 광원을 이용한 라인 빔 제너레이터의 경우 단순히 광로 상에 실린더형 렌즈(Cylindrical Lens)를 장착하여 점광의 레이저 빔을 선광으로 변환한 후 피검체로 투사하도록 구성되어 원하는 위치에서 원하는 선폭과 길이를 갖은 라인 레이저 빔을 생성하는 것이 곤란한 한계가 있었다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 각 부분별 세기가 일정한 라인 형태의 레이저 빔을 생성할 수 있고, 또는 상황에 따라 사용자가 원하는 선폭과 길이를 갖은 라인 레이저 빔을 만들 수 있는 라인 레이저 빔 제너레이터를 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 라인 레이저 빔 제너레이터는, 도트 레이저 빔을 발생시키는 레이저 광원과; 상기 레이저 광원 전방의 광로 상에 배치되어 상기 도트 레이저 빔을 포커싱시키는 기능을 하는 제1 마이크로 렌즈와; 상기 제1 마이크로 렌즈 전방의 광로 상에 배치되어 상기 레이저 빔의 스펙클을 저감시키는 확산자와; 상기 확산자 전방의 광로 상에 배치되어 상기 도트 레이저 빔을 라인 레이저 빔으로 변환시키는 제1 실린더형 렌즈와; 상기 제1 실린더형 렌즈와 상호 대칭 구조로 배치된 제2 실린더형 렌즈와; 상기 제2 실린더형 렌즈 전방의 광로 상에 배치되어 상기 라인 레이저 빔의 장축 길이를 증대시키는 제3 실린더형 렌즈;를 포함하고, 상기 제2 실린더형 렌즈는 그 곡면의 길이 방향이 제1 방향을 향하도록 배치되고, 상기 제3 실린더형 렌즈는 그 곡면의 길이 방향이 상기 제1 방향과 상이한 제2 방향을 향하도록 배치된 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 라인 레이저 빔 제너레이터에 의하면, 10㎛ 이내의 선폭을 갖고 각 부분별 세기가 일정한 라인 형태의 레이저 빔을 생성할 수 있고, 특히 사용자가 원하는 위치에서 상기 라인 레이저 빔의 선폭과 길이를 자유롭게 조절할 수 있어 라인 스캔 카메라의 성능, 적용 범위, 검사 정확도 및 편의성을 대폭 향상시킬 수 있는 현저한 효과가 있다.
도 1은 본 발명에 따른 라인 레이저 빔 제너레이터의 구성을 개략적으로 나타낸 도면.
도 2는 도 1의 각 구간에 따라 변환된 레이저 빔의 단면 형태를 나타낸 도면.
도 3은 본 발명의 제1 내지 제4 실린더형 렌즈의 배치 구조상 특징을 설명하기 위한 사시도.
본 발명은 다수 개의 실린더형 렌즈(Cylindrical Lens)가 유기적으로 조합된 조명계를 통해 10㎛ 이내의 선폭을 갖고 각 부분별 세기가 일정한 라인 형태의 레이저 빔을 생성하되, 특히 원하는 위치에서 상기 라인 레이저 빔의 선폭과 길이를 자유롭게 조절할 수 있는 기술 특징을 개시한다.
이하에서, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예, 장점 및 특징에 대하여 상세히 설명하도록 한다.
도 1은 본 발명에 따른 라인 레이저 빔 제너레이터의 구성을 개략적으로 나타낸 도면이다. 도 1을 참조하면, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 라인 레이저 빔 제너레이터는 레이저 광원(20), 제1 마이크로 렌즈(30), 확산자(40), 제2 마이크로 렌즈(50)를 포함하고, 특히 점광을 선광으로 변환하고 변환된 선광의 포커스 위치와 선폭을 조절하는 기능을 실현하는 한 쌍의 실린더형 렌즈, 및 포커스 위치와 선폭이 조절된 선광의 장축 길이를 조절하는 기능을 실현하는 또 다른 한 쌍의 실린더형 렌즈를 포함하도록 구성된 것을 특징으로 한다.
본 발명의 레이저 광원(20)은 점광원(point source of light)의 레이저 빔을 생성하여 출력하는 구성부로서, 예컨데 반도체 레이저 또는 발광다이오드 (Light emitting diode)로 구성할 수 있으며, 레이저 광원(20)으로부터 출사되는 도트(Dot) 형태의 레이저 빔(이하, '도트 레이저 빔' 이라 함)의 광로에는 확산자(40) 및 다수의 실린더형 렌즈가 배치되어 있다.
따라서, 레이저 광원(20)의 작동에 의하여 출력되는 도트 레이저 빔은 확산자(40)를 통해 스펙클(Speckle)이 저감되고, 다수의 실린더형 렌즈를 거치면서 사용자의 목적에 적합한 선폭과 길이로 조절된 라인(Line) 형태의 레이저 빔으로 변환되어 외부로 투사된다.
본 발명의 제1 마이크로 렌즈(30)는 레이저 광원(20) 전방의 광로 상에 배치되어 레이저 광원(20)으로부터 주사되는 도트 레이저 빔을 전방의 소정 위치(즉, 확산자(40)가 배치된 영역)에 포커싱(Focusing)시키는 기능을 한다. 제1 마이크로 렌즈(30)는 바람직하게는 대물렌즈를 사용할 수 있다.
또한, 제1 마이크로 렌즈(30)는 최종적으로 외부로 투사될 라인 레이저 빔의 선폭(도2;W1)을 결정하게 된다. 보다 구체적으로 설명하면, 본 발명의 라인 레이저 빔 제너레이터는 10㎛ 이내의 선폭을 갖는 라인 레이저 빔을 생성하는 것을 하나의 주요 특징으로 하는데, 여기서 제1 마이크로 렌즈(30)를 통해 생성된 라인 레이저 빔의 선폭은 제1 실린더 렌즈의 성능에 따라 결정된다. 즉, 제1 마이크로 렌즈(30)의 NA(Numerical Aperture) 값에 의존하는데 이론적으로 파장/NA 값이 라인 레이저 빔의 선폭(도2;W1)에 해당하게 된다.
따라서, 레이저 광원(20)에 의해 출력된 도트 레이저 빔을 제1 마이크로 렌즈(20)를 통해 좁게 포커스할 수록 외부로 투사될 라인 레이저 빔의 선폭(도2;W1)은 더욱 작아지게 만들 수 있다.
본 발명의 확산자(Diffuser:40)는 제1 마이크로 렌즈(30) 전방의 광로 상에 배치되는데, 구체적으로는 레이저 광원(20)으로부터 출력된 도트 레이저 빔이 제1 마이크로 렌즈(30)에 의해 포커싱되는 위치에 배치된다.
확산자(40)는 레이저의 높은 가간섭성(Coherence)으로 인해 발생하는 스펙클 (Speckle) 노이즈를 효율적으로 제거하기 위한 구성부로서, 바람직하게는 축 회전하면서 레이저광을 산란시켜 레이저광의 가간섭성을 저감시키는 회전식 확산자 (Rotating Diffuser)를 채택할 수 있다. 이와 같은 스펙클 노이즈를 제거하는 방법은, 예를 들면, 국내 특허 공개 공보 제10-2004-0068725호에 개시되어 있다. 이 공보에는 광원에서 출사된 레이저광의 광로 상에 확산판(diffuser wheel)을 배치하고, 이 확산판을 회전시키는 것에 의해 스펙클 노이즈를 제거하는 방법이 기재되어 있다. 이처럼 레이저광을 산란시켜 스펙클을 저감시키기 위한 확산판의 구성은 당해 분야에 잘 알려진 공지 기술이므로 상세한 설명은 생략하기로 한다.
본 발명의 제2 마이크로 렌즈(50)는 확산자(40) 전방에 배치되어 확산자(40)에 포커싱된 도트 레이저 빔을 모아 평행광으로 만든 후 후방에 배치된 제1 실린더형 렌즈(60)로 보내는 역할을 한다.
본 발명의 제1 실린더형 렌즈(Cylindrical Lens:60)는 한 축만 곡면을 갖고 다른 축은 비곡면으로 형성된 렌즈로서, 제1 실린더형 렌즈(60)는 그 곡면이 레이저 광 진행 방향을 지향하게 배치된다. 제2 마이크로 렌즈(50)를 거치면서 평행광으로 된 도트 레이저 빔이 제1 실린더형 렌즈(60)에 입사되면 한쪽 축으로만 포커싱되어 상기 한쪽 축으로 장축 길이를 갖는 라인(Line) 형태의 레이저 빔(이하, '라인 레이저 빔' 이라 함)으로 변환되어 출사된다.
본 발명의 제2 실린더형 렌즈(Cylindrical Lens:61)는 제1 실린더형 렌즈(60)와 한 셋트(Set)를 이루어 제1 실린더형 렌즈(60)를 거치면서 변환된 라인 레이저 빔의 워킹 디스턴스 즉, 후술할 제4 실린더형 렌즈로부터 피검체(라인 레이저 빔 투영 지점)까지의 거리를 결정하는 역할을 한다.
즉, 제2 실린더형 렌즈(Cylindrical Lens:61)에 의해 라인 레이저 빔이 정확히 포컬 포인트 근처에 투영 이미지 위치를 결정하게 된다.
따라서, 제2 실린더형 렌즈(61)는 제1 실린더형 렌즈(60)와 상호 대칭 구조로 배치되게 된다. 상호 대칭 구조로 배치됨이란 제2 실린더형 렌즈(61)의 곡면이 레이저 광 진행 방향의 역방향을 지향하게 배치되어 제2 실린더형 렌즈(61)의 곡면이 제1 실린더형 렌즈(60)의 곡면과 상호 대향하게 배치된 것을 의미한다.
본 발명의 제3 실린더형 렌즈(70)는 한 축만 곡면을 갖고 다른 축은 비곡면으로 형성된 렌즈로서 제2 실린더형 렌즈(61) 전방의 광로 상에 배치된다. 구체적으로 제3 실린더형 렌즈(70)는 제2 실린더형 렌즈(61)의 포컬 포인트(Focal Point) 근처만큼 이격된 위치에 배치되고, 그 곡면이 레이저 광 진행 방향을 지향하는 구조로 설치된다.
따라서, 제2 실린더형 렌즈(61)를 거친 라인 레이저 빔은 제2 실린더형 렌즈(61)의 포컬 포인트 근처에 위치한 제3 실린더형 렌즈(70)로 입사되고, 제3 실린더형 렌즈(70)로 입사된 라인 레이저 빔은 그 장축 길이가 더 길어진 라인 레이저 빔으로 변환되게 된다.
한편, 제2 실린더형 렌즈(61)가 그 곡면의 길이 방향(도3: D1)이 제1 방향을 향하도록 배치된다면, 제3 실린더형 렌즈(70)는 그 곡면의 길이 방향(도3: D2)이 상기 제1 방향과 상이한 제2 방향을 향하도록 배치되고, 바람직하게는 상기 제2 방향은 상기 제1 방향에 직교하는 방향인 것을 특징한다.
따라서, 제2 실린더형 렌즈(또는 제1 실린더형 렌즈)에 의해 변환된 라인 레이저 빔이 일 축(X) 방향으로 장축이 형성된 라인 레이저 빔이라면, 제3 실린더형 렌즈(70)에 의해 다시 변환된 상기 확장된 라인 레이저 빔은 상기 일 축(X)과 다른 방향(바람직하게는 직교 방향(Y))으로 장축을 갖는 라인 레이저 빔 형태로 출사되게 된다.
본 발명의 제4 실린더형 렌즈(71)는 한 축만 곡면을 갖고 다른 축은 비곡면으로 형성된 렌즈로서 제3 실린더형 렌즈(70)로부터 출사된 라인 레이저 빔을 수광하여 상기 라인 레이저 빔의 장축 길이를 증대시키는 기능을 한다.
따라서, 제4 실린더형 렌즈(71)는 제3 실린더형 렌즈(70) 전방의 광로 상에 배치되고, 세부적으로는 제3 실린더형 렌즈(70)와 마찬가지로 그 곡면이 레이저 광 진행 방향을 지향하는 구조로 설치된다.
또한, 제4 실린더형 렌즈(71)는 제3 실린더형 렌즈(70)로부터 출사되는 라인 레이저 빔의 단지 장축 길이를 증가시키고 그 증가량을 조절하기 위한 구성부이므로, 제4 실린더형 렌즈(71)는 그 곡면이 제3 실린더형 렌즈(70)의 곡면의 길이 방향과 동일한 방향(도3: D2, 제2 방향)을 향하도록 배치된다.
상기와 같은 구성에 의해 본 발명에 따른 라인 레이저 빔 제너레이터는 각 부분별 세기가 일정한 라인 형태의 레이저 빔을 생성하여 투사하되, 특히 대상물에 투사되는 라인 레이저 빔의 선폭과 길이를 자유롭게 조절할 수 있게 된다.
이하에서는 도 2 및 도 3을 참조하여 본 발명에 따른 라인 레이저 빔 제너레이터의 작동 원리에 대하여 상세히 설명하도록 한다.
도 2는 도 1의 각 구간에 따라 변환된 레이저 빔의 단면 형태를 나타낸 도면이고, 도 3은 본 발명의 제1 내지 제4 실린더형 렌즈의 배치 구조상 특징을 설명하기 위한 사시도이다.
도 2를 참조하면, 레이저 광원(20)으로부터 출사된 도트 레이저 빔(10)은 제1 마이크로 렌즈(30)로 입사되어 전방의 확산자(40)가 놓은 위치에 포커싱된다. 확산자(40)로 포커싱된 도트 레이저 빔은 확산자(40)가 회전하면서 레이저 빔을 산란시켜 스펙클이 제거된 도트 레이저 빔(11)으로 형성되고, 이렇게 생성된 도트 레이저 빔(11)은 다시 제2 마이크로 렌즈(50)로 입사되어 평행광(12)으로 변환된 후 전방의 제1 실린더형 렌즈(60)로 주사된다.
이 때 각 구간 별 레이빔의 형태와 사이즈를 살펴보면, 제1 실린더형 렌즈(60)로 입사되기 전에는 여전히 도트 형태의 레이저 빔(10,11,12)을 형성하게 되고, 빔 사이즈의 경우 확산자(40)를 거치면서 레이저 빔의 도트 면적이 작아진 후 제2 마이크로 렌즈(50)를 거치면서 평행광으로 되어 제1 실린더형 렌즈(60)로 입사된다.
그리고, 평행광으로 만들어진 도트 레이저 빔(12)이 제1 실린더형 렌즈(60)를 통과하면 도 2와 같이 라인(Line) 형태의 레이저 빔(13)으로 변환된다. 이 때, 제1 실린더형 렌즈(60)를 통해 생성된 라인 레이저 빔(13)은 그 장축이 일 축에 평행한 방향으로 형성되는데, 상기 일 축을 "X 축" 이라 가정하고, 이처럼 X 축으로 장축을 갖도록 형성된 라인 레이저 빔을 "X 축 라인빔"으로 칭하기로 한다.
제1 실린더형 렌즈(60)를 통해 생성된 X 축 라인빔(13)은 제1 실린더형 렌즈(60)와 대칭 구조로 배치된 제2 실린더형 렌즈(61)으로 입사되고, 따라서 상기 X 축 라인빔(13)은 여전히 그 장축 길이는 X 축을 향하고 있게 된다.
본 발명의 제2 실린더형 렌즈(61)는 광로 방향을 따라 그 위치를 조정할 수 있도록 형성되어, 제1 실린더형 렌즈(60)에 대한 제2 실린더형 렌즈(61)의 이격 거리 정도를 조정함으로써 라인 레이저 빔의 포커스 위치를 조절할 수 있게 된다.
상기 X 축 라인빔(13)이 제3 실린더형 렌즈(70)를 통과하게 되면 그 장축이 Y 축에 평행한 방향으로 형성된 라인 레이저 빔으로 전환되어 제4 실린더형 렌즈(71)로 입사된다.
그리고, 최종적으로 외부로 투사되는 라인빔(15)의 장축 길이(L1)의 증대 정도를 조절하는 것은 제4 실린더형 렌즈(71)를 광로 방향을 따라 그 위치를 조정할 수 있도록 형성하여, 제3 실린더형 렌즈(70)에 대한 제4 실린더형 렌즈(71)의 이격 거리 정도를 조정함으로써 달성 가능하다.
상기에서 본 발명의 바람직한 실시예가 특정 용어들을 사용하여 설명 및 도시되었지만 그러한 용어는 오로지 본 발명을 명확히 설명하기 위한 것일 뿐이며, 본 발명의 실시예 및 기술된 용어는 다음의 청구범위의 기술적 사상 및 범위로부터 이탈되지 않고서 여러가지 변경 및 변화가 가해질 수 있는 것은 자명한 일이다. 이와 같이 변형된 실시예들은 본 발명의 사상 및 범위로부터 개별적으로 이해되어져서는 안되며, 본 발명의 청구범위 안에 속한다고 해야 할 것이다.
20: 레이저 광원 30: 제1 마이크로 렌즈
40: 확산자 50: 제2 마이크로 렌즈
60: 제1 실린더형 렌즈 61: 제2 실린더형 렌즈
70: 제3 실린더형 렌즈 71: 제4 실린더형 렌즈

Claims (6)

  1. 도트 레이저 빔을 발생시키는 레이저 광원;
    상기 레이저 광원 전방의 광로 상에 배치되어 상기 도트 레이저 빔을 포커싱시키는 기능을 하는 제1 마이크로 렌즈;
    상기 제1 마이크로 렌즈 전방의 광로 상에 배치되어 상기 레이저 빔의 스펙클을 저감시키는 확산자;
    상기 확산자 전방의 광로 상에 배치되어 상기 도트 레이저 빔을 라인 레이저 빔으로 변환시키는 제1 실린더형 렌즈;
    상기 제1 실린더형 렌즈와 상호 대칭 구조로 배치된 제2 실린더형 렌즈;
    상기 제2 실린더형 렌즈 전방의 광로 상에 배치되어 상기 라인 레이저 빔의 장축 길이를 증대시키는 제3 실린더형 렌즈;를 포함하고,
    상기 제2 실린더형 렌즈는 그 곡면의 길이 방향이 제1 방향을 향하도록 배치되고, 상기 제3 실린더형 렌즈는 그 곡면의 길이 방향이 상기 제1 방향과 상이한 제2 방향을 향하도록 배치된 것을 특징으로 하는 라인 레이저 빔 제너레이터.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 제2 방향은 상기 제1 방향에 직교하는 방향인 것을 특징으로 하는 라인 레이저 빔 제너레이터.
  3. 제1 항에 있어서,
    상기 제3 실린더형 렌즈 전방의 광로 상에, 그 곡면의 길이 방향이 상기 제2 방향을 향하도록 배치되어 상기 라인 레이저 빔의 장축 길이를 증대시키는 제4 실린더형 렌즈를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 라인 레이저 빔 제너레이터.
  4. 제2 항에 있어서,
    상기 제2 실린더형 렌즈는 광로 방향을 따라 그 위치를 조정할 수 있도록 형성되어, 상기 제2 실린더형 렌즈의 위치 조정에 의해 워킹 디스턴스를 결정하도록 구성된 것을 특징으로 하는 라인 레이저 빔 제너레이터.
  5. 제3 항에 있어서,
    상기 제4 실린더형 렌즈는 광로 방향을 따라 그 위치를 조정할 수 있도록 형성되어, 상기 제4 실린더형 렌즈의 위치 조정에 의해, 상기 라인 레이점 빔의 장축 길이가 조절되도록 구성된 것을 특징으로 하는 라인 레이저 빔 제너레이터.
  6. 제1 항에 있어서,
    상기 확산자 전방에 배치되어 상기 확산자를 통과한 상기 도트 레이저 빔을 평행광으로 만드는 기능을 하는 제2 마이크로 렌즈를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 라인 레이저 빔 제너레이터.
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