KR20170096488A - 회절광학장치 및 그 제조방법 - Google Patents

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Abstract

회절 패턴을 출력하는 회절광학장치에 있어서, 부피를 최소화 하고, 또렷한 이미지를 얻기 위해 빛의 진행 경로를 형성하는 코어 및 상기 코어의 외측을 감싸는 클래딩을 포함하는 광섬유 및 회절패턴을 구비하고, 상기 빛이 출사되는 상기 코어의 일단에 결합하고 상기 클래딩의 직경보다 같거나 작은 직경을 갖는 회절광학소자를 포함하는 것을 특징으로 하는 회절광학장치를 제공한다.

Description

회절광학장치 및 그 제조방법{DIFFRACTION OPTICAL DEVICE AND METHOD FOR MANUFACTURING THE SAME}
본 발명은 회절광학소자를 구비하여 특정 패턴 출력을 수행하는 회절광학장치 및 그 제조방법에 관한 것이다.
회절광학장치는 회절광학소자를 구비하여 특정 패턴을 출력할 수 있다. 특정 패턴은 육안으로 구분되어 다양한 역할을 수행할 수 있다.
예를 들어, 패턴 출력은 알림 기능을 수행할 수 있다. 이러한 알림 기능을 위한 패턴 출력은 회절광학소자의 패턴에 따라 달라질 수 있다.
회절광학장치에는 광섬유가 구비되어 광섬유를 통해 빛이 전반사 되어 공급될 수 있다.
광섬유를 통한 회절광학장치는 크게 광섬유 및 회절광학소자의 구성으로 이루어 진다. 광섬유를 통해 출사된 빛은 회절광학소자를 통과 및 회절되어 스크린 상에 출력되게 된다.
회절광학소자의 패턴, 간격 및 크기 그리고 겹침 횟수 등에 따라 스크린 상에 출력되는 패턴은 다양하게 정해질 수 있다.
일반적으로 빛을 출사하는 광섬유의 끝단과 회절광학소자는 일정 간격 이격되어 구비될 수 있다. 광섬유와 회절광학소자는 회절광학장치의 프레임에 고정되어 이격될 수 있다.
다만, 빛을 출사하는 광섬유의 일단과 회절광학소자가 일정 간격 이격되어 구비되는 종래의 회절광학장치는 다음과 같은 단점을 갖게 된다.
회절광학소자의 크기, 특히 회절광학소자의 직경이 커질 것을 필요로 한다. 즉, 광섬유에서 빛이 출사되면, 빛의 특성상 빛이 퍼지게 되고, 출사한 빛을 회절광학소자가 효율적으로 빛을 받기 위해서는 직경의 증가가 불가피 하다.
회절광학소자의 커지는 크기 및 회절광학소자와 광섬유 간의 거리가 커지면 회절광학장치의 부피도 커져야 한다.
한편, 회절광학소자와 광섬유 사이에 발생한 갭에 존재하는 다른 매질, 예를 들어 공기 등과 같은 물질로 인해 에너지 등의 손실과 빛의 산란 등이 발생하게 되어 출력되는 스크린 상의 이미지의 품질 저하를 가져올 수 있다.
본 발명은 전술한 문제인 회절광학장치의 부피 증가를 해결하는 것을 목적으로 한다. 또 다른 목적은 회절광학장치의 패턴 출력의 품질 저하, 에너지의 손실 증가를 해결하는 것을 그 목적으로 한다.
상기 또는 다른 목적을 달성하기 위해 본 발명의 일 측면에 따르면, 빛의 진행 경로를 형성하는 코어 및 상기 코어의 외측을 감싸는 클래딩을 포함하는 광섬유 및 회절패턴을 구비하고, 상기 빛이 출사되는 상기 코어의 일단에 결합하고 상기 클래딩의 직경보다 같거나 작은 직경을 갖는 회절광학소자;를 포함하는 것을 특징으로 하는 회절광학장치를 제공한다.
또한, 본 발명의 다른 측면에 따르면, 상기 광섬유를 감싸는 피복을 더 포함하고, 상기 회절광학소자의 직경은 상기 클래딩의 외측 직경과 동일하고 상기 피복에 의해 고정되는 것을 특징으로 하는 회절광학장치를 제공한다.
또한, 본 발명의 다른 측면에 따르면, 상기 광섬유 및 상기 회절광학소자 사이에 구비되고 광학적으로 투명한 본딩 물질을 더 포함하고, 상기 회절광학소자의 직경은 상기 클래딩의 외측 직경보다 작은 것을 특징으로 하는 회절광학장치를 제공한다.
또한, 본 발명의 다른 측면에 따르면, 상기 클래딩의 내측면 일부를 측면으로 하는 함몰부를 더 포함하고, 상기 회절광학소자의 측면은 상기 함몰부의 측면과 접하도록 구비되는 것을 특징으로 하는 회절광학장치를 제공한다.
또한, 본 발명의 다른 측면에 따르면, 상기 클래딩의 내측면 일부를 측면으로 하는 함몰부를 더 포함하고, 상기 회절광학소자의 측면은 상기 함몰부의 측면과 접하도록 구비되는 것을 특징으로 하는 회절광학장치를 제공한다.
또한, 본 발명의 다른 측면에 따르면, 상기 회절광학소자의 외측면에 구비되는 코팅 부재를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 회절광학장치를 제공한다.
또한, 본 발명의 다른 측면에 따르면, 상기 코팅 부재의 내측면은 상기 회절광학소자의 외측면과 접하는 것을 특징으로 하는 회절광학장치를 제공한다.
또한, 본 발명의 다른 측면에 따르면, 상기 코팅 부재의 외측면 및 내측면 중 적어도 일측면은 볼록한 형상을 포함하는 것을 특징으로 하는 회절광학장치를 제공한다.
또한, 본 발명의 다른 측면에 따르면, 코어 및 클래딩을 포함하는 광섬유를 모재로부터 인출하는 단계, 상기 인출된 광섬유를 고정시키는 단계 및 상기 고정된 광섬유의 일단에 회절패턴을 가공하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 회절광학장치 제조 방법을 제공한다.
또한, 본 발명의 다른 측면에 따르면, 상기 회절패턴의 가공은 레이저 방식에 의한 것을 특징으로 하는 회절광학장치 제조 방법을 제공한다.
또한, 본 발명의 다른 측면에 따르면, 상기 회절패턴을 가공하는 단계는 상기 광섬유의 일단 영역에 열압착 방식으로 가공하는 것을 특징으로 하는 회절광학장치 제조 방법을 제공한다.
또한, 본 발명의 다른 측면에 따르면, 상기 광섬유의 일단 영역은 상기 코어만을 포함하는 것을 특징으로 하는 회절광학장치 제조 방법을 제공한다.
본 발명에 따른 회절광학장치 및 그 제조방법의 효과에 대해 설명하면 다음과 같다.
본 발명의 실시 예들 중 적어도 하나에 의하면, 회절광학장치의 전체부피를 최소화 할 수 있다는 장점이 있다.
또한, 본 발명의 실시 예들 중 적어도 하나에 의하면, 회절광학장치의 출력 이미지 품질이 향상될 수 있다는 장점이 있다.
또한, 본 발명의 실시 예들 중 적어도 하나에 의하면, 회절광학장치의 출력 이미지 품질이 향상될 수 있다는 장점이 있다.
본 발명의 적용 가능성의 추가적인 범위는 이하의 상세한 설명으로부터 명백해질 것이다. 그러나 본 발명의 사상 및 범위 내에서 다양한 변경 및 수정은 당업자에게 명확하게 이해될 수 있으므로, 상세한 설명 및 본 발명의 바람직한 실시 예와 같은 특정 실시 예는 단지 예시로 주어진 것으로 이해되어야 한다.
도 1은 종래의 회절광학장치에 관한 일 실시 예를 도시한 것이다.
도 2는 본 발명과 관련된 광섬유에 관한 일 실시 예를 도시한 것이다.
도 3은 본 발명과 관련된 회절광학장치 일단의 종단면이다.
도 4는 본 발명과 관련된 회절광학장치 일단의 종단면이다.
도 5(a), 도 5(b) 및 도 5(c)는 본 발명과 관련된 회절광학장치 일단의 광섬유의 종단면을 도시한 것이다.
도 6은 본 발명과 관련된 회절광학장치 광섬유 일단의 종단면을 도시한 것이다.
도 7은 본 발명과 관련된 회절광학장치 일단의 종단면을 도시한 것이다.
도 8은 본 발명과 관련된 회절광학장치 일단의 종단면을 도시한 것이다.
도 1은 종래의 회절광학장치(200)에 관한 일 실시 예를 도시한 것이다.
광섬유(210)를 통한 회절광학장치(200)는 크게 광섬유(210) 및 회절광학소자(220)의 구성으로 이루어 진다. 광섬유(210)를 통해 출사된 빛은 회절광학소자(220)를 통과 및 회절되어 스크린(230) 상에 출력되게 된다.
회절광학소자(220)의 패턴, 간격 및 크기 그리고 겹침 횟수 등에 따라 스크린(230) 상에 출력되는 패턴은 다양하게 정해질 수 있다.
일반적으로 빛을 출사하는 광섬유(210)의 끝단과 회절광학소자(220)는 S 간격만큼 이격되어 구비될 수 있다. 광섬유(210)와 회절광학소자(220)는 회절광학장치(200)의 프레임에 고정되어 이격될 수 있다.
다만, 빛을 출사하는 광섬유(210)의 일단과 회절광학소자(220)가 일정 간격 이격되어 구비되는 종래의 회절광학장치(200)는 다음과 같은 단점을 갖게 된다.
회절광학소자(220)의 크기, 특히 회절광학소자(220)의 직경 D가 커질 것을 필요로 한다. 즉, 광섬유(210)에서 빛이 출사되면, 빛의 특성상 빛이 퍼지게 되고, 출사한 빛을 회절광학소자(220)가 효율적으로 빛을 받기 위해서는 직경의 증가가 불가피 하다.
회절광학소자(220)의 커지는 크기 및 회절광학소자(220)와 광섬유(210) 간의 거리가 커지면 회절광학장치(200)의 부피도 커져야 한다.
한편, 회절광학소자(220)와 광섬유(210) 사이에 발생한 갭에 존재하는 다른 매질, 예를 들어 공기 등과 같은 물질로 인해 에너지 등의 손실과 빛의 산란 등이 발생하게 되어 출력되는 스크린(230) 상의 이미지의 품질 저하를 가져올 수 있다.
따라서, 본 발명은 회절광학소자(220)와 광섬유(210) 사이의 거리를 최소화 하는 것을 목적으로 한다.
도 2는 본 발명과 관련된 광섬유(110)에 관한 일 실시 예를 도시한 것이다.
광섬유(110)는 빛이 전반사되며 통과하는 코어(111)와 코어(111)를 둘러싸는 클래딩(112)의 구성으로 형성될 수 있다.
코어(111)는 클래딩(112)에 비해 상대적으로 밀한 매질을, 클래딩(112)은 코어(111)에 비해 상대적으로 소한 매질로 구성되어 빛의 전반사를 구현할 수 있다.
필요에 따라 빛은 전반사가 아닌 좁은 코어(111) 직경을 통해 직진하여 출사될 수도 있다. 이러한 방식을 싱글모드로 칭할 수 있다.
코어(111) 및 클래딩(112)을 포함하는 광섬유(110)는 피복(113)에 의해서 물리적, 전기적으로 보호될 수 있다. 피복(113)은 일반적으로 비전도 물질의 탄성소재를 포함할 수 있다. 특히 고무, 합성수지 등의 재료를 포함할 수 있다.
<제1 실시 예>
이하 설명하는 제1 실시 예들은 회절광학소자(120)가 별도의 부재로 구비되어 광섬유(110)에 결합하는 예를 설명하도록 한다.
<제1-1 실시 예>
도 3은 본 발명과 관련된 종래의 회절광학장치 일단의 종단면이다.
회절광학장치(100)의 회절광학소자(120)는 광섬유(110) 클래딩(112)의 외측 직경 I와 같은 외측 직경을 포함할 수 있다.
회절광학소자(120)의 외측 직경과 광섬유(110) 클래딩(112)의 외측 직경이 동일한 경우, 회절광학소자(120)는 광섬유(110)의 클래딩(112)을 감싸는 피복(113)에 의해 같이 감싸져 고정될 수 있다.
광섬유(110)의 클래딩(112) 외측 직경보다 같거나 작은 직경을 포함하는 경우 회절광학소자(120)는 광섬유(110)의 일단의 면에 결합할 수 있다. 결합방식은 본딩 물질(140)에 의한 결합으로 이루어 질 수 있다. 특히 클래딩(112)의 외측 직경보다 회절광학소자(120)의 직경이 작은 경우 본딩 물질(140)은 필수적으로 구비될 필요가 있다.
이 때 본딩 물질(140)은 광학적으로 투명한 물질을 포함할 수 있다. 광섬유(110)를 통과한 빛이 회절광학소자(120)에 손실 없이 통과하기 위함이다.
또는 본딩 물질(140) 없이 회절광학소자(120)가 피복(113)에 끼워 맞춤 결합되어 고정될 수 있다. 이 경우 회절광학소자(120)와 광섬유(110) 사이에 별도의 본딩 물질(140)을 필요로 하지 않아 빛이 광학적으로 왜곡 또는 손실 없이 회절광학소자(120)를 통과할 수 있으며, 생산 비용의 절감을 가져올 수 있다.
피복(113)과 회절광학소자(120)의 결합 신뢰도를 향상시키기 위해, 피복(113)은 탄성물질을 포함하고, 회절광학소자(120)의 직경은 광섬유(110)의 직경 I보다 더 크게 구비될 수 있다. 특히, 피복(113)의 재질은 러버, 폴리머 재질의 합성 수지가 될 수 있다.
<제1-2 실시 예>
도 4는 본 발명과 관련된 회절광학장치 일단의 종단면이다.
광섬유(110)의 코어(111)와 클래딩(112)의 구성을 기준으로 나누었을 때, 빛이 출사하는 광섬유(110)의 일단 영역에 있어서 코어(111)는 클래딩(112)에 비해 깊이 H의 함몰부(150)를 가질 수 있다. 함몰부(150)는 클래딩(112)의 내측면 일부를 측면으로 할 수 있다.
광섬유(110) 일단의 함몰부(150)는 코어(111)에 클래딩(112)이 입혀진 모재에 일단 영역이 절단되는 절단 단계를 거치고, 이후 레이저 가공을 통해 함몰부(150)가 절삭될 수 있다.
가공되는 레이저의 두께는 코어(111)의 직경에 대응되는 크기를 통해 가공될 수도 있으나, 이 경우, 코어(111)의 중앙부가 코어(111)의 주변부에 비해 더 깊게 패이는 문제가 발생할 수 있으므로 레이저의 두께는 코어(111)의 직경보다 상대적으로 작은 레이저를 이동 시키며 가공하여 함몰면이 고르게 형성되는 함몰부(150)의 가공이 가능하다.
레이저를 통한 가공은 펨토초(femtosecond) 레이저, 피코초(picosecond) 레이저 또는 자외선 레이저 중 하나로 가공될 수 있다.
회절광학소자(120)는 가공된 함몰부(150)에 결합할 수 있다. 빛은 클래딩(112)을 제외한 코어(111)의 영역에서만 나아가므로 회절광학소자(120)는 코어(111)의 직경과 동일하게 형성될 수 있다.
코어(111)의 직경과 회절광학소자(120)의 직경 A가 동일하게 형성되는 경우 끼워 맞춤 방식에 의해 광섬유(110)의 함몰부(150)에 회절광학소자(120)가 안정적으로 결합할 수 있다. 즉, 회절광학소자(120)의 측면은 함몰부(150)의 측면과 접하도록 구비될 수 있다.
<제2 실시 예>
이하 설명하는 제2 실시 예들은 별도의 회절광학소자(120)가 광섬유(110)에 결합하는 것이 아닌, 광섬유(110)의 일단이 가공되어 회절광학소자(120)의 역할을 수행하는 경우를 개시하고 있다.
즉, 회절광학소자(120)는 코어(111)와 동일 소재의 일체형으로 구비될 수 있다.
도 5(a), 도 5(b) 및 도 5(c)는 본 발명과 관련된 회절광학장치(100) 일단의 광섬유(110)의 종단면을 도시한 것이다.
도 5(a)는 광섬유(110)의 모재의 종단면을 도시한 것이고, 도 5(b)는 도 5(a)에서 코어(111)의 일단이 클래딩(112)의 일단에 비해 일정 영역 더 돌출되도록 가공된 종단면을 나타낸 것이다.
광섬유(110)의 일단에 있어서, 코어(111)의 일단을 클래딩(112)의 일단보다 더 돌출되게 가공하고, 돌출된 코어(111)의 추가 가공을 통해 회절광학소자(120)의 역할을 수행하도록 할 수 있다.
예를 들어, 광섬유(110)는 광섬유(110)의 모재를 고온 가열하여 한쪽 끝에서 뽑아내어 인출할 수 있다. 인출된 광섬유(110)는 일반적으로 코어(111)와 클래딩(112)의 길이가 동일하여 동일 평면상의 단부를 형성하게 된다.
일단부의 코어(111)의 돌출부를 형성하기 위해, 클래딩(112)의 일단부를 제거하는 과정을 거치게 된다. 클래딩(112)의 일단부를 제거하기 위해 샌딩분사장치를 이용할 수 있다. 또는 압력을 작용시킨 상태로 마모시켜 클래딩(112)의 일단부를 제거할 수도 있다.
도 5(c)는 도 5(b)에서 열 압착 방식을 통해 회절패턴부(1111)가 형성된 것을 도시한 것이다.
돌출된 코어(111)는 열 압착을 통해 회절광학소자(120)의 역할을 하는 회절패턴부(1111)를 형성 할 수 있다. 열 압착을 통해 회절패턴부(1111)를 형성하는 경우 코어(111)의 회절패턴부(1111)는 압착되어 코어(111)의 직경보다 더 크게 형성될 수 있다.
직경이 커진 회절 패턴부는 코어(111)의 가장 자리에서 출사된 빛이 회절패턴부(1111)를 통과하지 않고 출사되어 패턴 출력에 노이즈를 생성하는 것을 최소화 하는 역할을 수행할 수 있으며, 코어(111)와 클래딩(112)의 결합 신뢰도를 더욱 상승시킬 수 있다.
열 압착 공정에 의한 돌출된 코어(111)의 가공 이외에 레이저를 통한 가공이 이루어 질 수 있다. 이러한 레이저는 극초단파 레이저를 통해 정밀하게 가공이 가능하다.
도 6은 본 발명과 관련된 회절광학장치(100) 광섬유(110) 일단의 종단면을 도시한 것이다.
상기 도 5의 실시 예와는 달리, 클래딩(112) 및 코어(111)의 구분 없이 레이저 가공을 통해 광섬유(110)의 일단에 회절패턴부(1111)를 형성할 수 있다.
레이저를 통한 가공은 펨토초(femtosecond) 레이저, 피코초(picosecond) 레이저 또는 자외선 레이저 중 하나로 가공될 수 있다.
도 7은 본 발명과 관련된 회절광학장치(100) 일단의 종단면을 도시한 것이다.
코어(111) 및 클래딩(112)에 회절광학소자(120)가 결합하거나 가공된 이후에 회절광학소자(120)의 보호를 위해 코팅 공정이 행해질 수 있다. 코팅 부재(160)는 광경로를 확보 할 수 있는 투명한 물질을 포함할 수 있다.
코팅 부재(160)의 내측면은 회절광학소자(120) 또는 회절패턴부(1111)와 접하도록 구비될 수 있으며, 외측면은 평평한 면의 형상을 포함할 수 있다. 회절광학소자(120)를 통과하여 일정 출력 패턴이 형성된 빛이 코팅 부재(160)의 형상으로 인해 굴절 또는 산란되어 의도했던 출력 패턴이 변형되는 것을 최소화 하기 위함이다.
도 8은 본 발명과 관련된 회절광학장치(100) 일단의 종단면을 도시한 것이다.
도 7의 실시 예와 달리 코팅 부재(160)의 내측면 또는 외측면 중 적어도 일면(1601)은 볼록한 형상을 띨 수 있다. 종래의 광섬유(110)에서 빛이 출사되어 회절광학소자(120)까지 빛이 도달하여 통과하는데 있어서 일정 거리가 확보되므로 빛의 굴절에 의해 빛의 경로 폭이 확대될 수 있으나, 본원 발명의 경우에는 광섬유(110)를 통과한 빛이 회절광학소자(120)를 곧바로 통과하기 때문에 코팅 부재(160)가 확대 렌즈의 역할을 수행할 수도 있다.
본 발명은 본 발명의 정신 및 필수적 특징을 벗어나지 않는 범위에서 다른 특정한 형태로 구체화될 수 있음은 당업자에게 자명하다.
상기의 상세한 설명은 모든 면에서 제한적으로 해석되어서는 아니되고 예시적인 것으로 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 첨부된 청구항의 합리적 해석에 의해 결정되어야 하고, 본 발명의 등가적 범위 내에서의 모든 변경은 본 발명의 범위에 포함된다.
100: 회절광학장치 110: 광섬유
111: 코어 1111: 회절패턴부
112: 클래딩 113: 피복
120: 회절광학소자 130: 스크린
140: 본딩 물질 150: 함몰부
160: 코팅 부재 1601: 코팅 부재 일면

Claims (12)

  1. 빛의 진행 경로를 형성하는 코어 및 상기 코어의 외측을 감싸는 클래딩을 포함하는 광섬유; 및
    회절패턴을 구비하고, 상기 빛이 출사되는 상기 코어의 일단에 결합하고 상기 클래딩의 직경보다 같거나 작은 직경을 갖는 회절광학소자;를 포함하는 것을 특징으로 하는 회절광학장치.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 광섬유를 감싸는 피복을 더 포함하고,
    상기 회절광학소자의 직경은 상기 클래딩의 외측 직경과 동일하고 상기 피복에 의해 고정되는 것을 특징으로 하는 회절광학장치.
  3. 제1 항에 있어서,
    상기 광섬유 및 상기 회절광학소자 사이에 구비되고 광학적으로 투명한 본딩 물질을 더 포함하고,
    상기 회절광학소자의 직경은 상기 클래딩의 외측 직경보다 작은 것을 특징으로 하는 회절광학장치.
  4. 제1 항에 있어서,
    상기 클래딩의 내측면 일부를 측면으로 하는 함몰부를 더 포함하고,
    상기 회절광학소자의 측면은 상기 함몰부의 측면과 접하도록 구비되는 것을 특징으로 하는 회절광학장치.
  5. 제1 항에 있어서,
    상기 코어와 상기 회절광학소자는 동일 소재의 일체형으로 구비되는 것을 특징으로 하는 회절광학장치.
  6. 제1 항에 있어서,
    상기 회절광학소자의 외측면에 구비되는 코팅 부재를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 회절광학장치.
  7. 제6 항에 있어서,
    상기 코팅 부재의 내측면은 상기 회절광학소자의 외측면과 접하는 것을 특징으로 하는 회절광학장치.
  8. 제6 항에 있어서,
    상기 코팅 부재의 외측면 및 내측면 중 적어도 일측면은 볼록한 형상을 포함하는 것을 특징으로 하는 회절광학장치.
  9. 코어 및 클래딩을 포함하는 광섬유를 모재로부터 인출하는 단계;
    상기 인출된 광섬유를 고정시키는 단계; 및
    상기 고정된 광섬유의 일단에 회절패턴을 가공하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 회절광학장치 제조 방법.
  10. 제9 항에 있어서,
    상기 회절패턴의 가공은 레이저 방식에 의한 것을 특징으로 하는 회절광학장치 제조 방법.
  11. 제9 항에 있어서,
    상기 회절패턴을 가공하는 단계는 상기 광섬유의 일단 영역에 열압착 방식으로 가공하는 것을 특징으로 하는 회절광학장치 제조 방법.
  12. 제11 항에 있어서,
    상기 광섬유의 일단 영역은 상기 코어만을 포함하는 것을 특징으로 하는 회절광학장치 제조 방법.
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