KR20190000837A

KR20190000837A - 교번 빔 밀도 프로파일을 가진 근접장 빔 밀도 분포를 위한 광학 모듈러 시스템

Info

Publication number: KR20190000837A
Application number: KR1020180072202A
Authority: KR
Inventors: 울리케 닥터. 훅스; 스벤 키온케; 안나 뫼흘
Original assignee: 아스페리콘 게엠베하
Priority date: 2017-06-23
Filing date: 2018-06-22
Publication date: 2019-01-03
Also published as: ES2933506T3; KR102061417B1; US20180372990A1; PL3418794T3; EP3418794A1; EP3418794B1; DE102017113945B4; JP2019053277A; JP6726703B2; LT3418794T; DE102017113945A1

Abstract

본 발명은 위상판(1.1), 포커싱 렌즈(1.2) 및 빔 익스팬더(10)를 포함하는 광학 구성품들(1.2, 1.2, 10)의 모듈러 시스템과 관련되어 있다. 광학 구성품들(1.1, 1.2, 10)은 각각 하우징(2)에 장착되는데, 이는 제1 및 제2 미세 나사산(2.1, 2.3)을 구비하고 있다. 제1 및 제2 미세 나사산(2.1, 2.3)은 함께 나사결합될 수 있도록 형성된다. 장착형 위상판(1.1)은 광경로의 하류에 배치된 비구면 포커싱 렌즈(1.2)와 함께, 가우시안 프로파일을 가진 입사 빔 밀도 분포와 파장을 가지고 광축(X)으로 집속된 광을 적어도 한 영상면(B1 내지 B5)에서 교번 빔 밀도 프로파일(TP, TP', TP", DP, BP)을 가진 출사 빔 밀도 분포(LS)로 변환하기 위한 포커스 빔 성형기(1)를 형성한다.

Description

교번 빔 밀도 프로파일을 가진 근접장 빔 밀도 분포를 위한 광학 모듈러 시스템 {OPTICAL MODULAR SYSTEM FOR NEAR-FIELD BEAM DENSITY DISTRIBUTIONS WITH ALTERNATING BEAM DENSITY PROFILE}

본 발명은, 그 빔 밀도가 초점면(focal plane) 또는 영상면(image plane)의 초점 영역에서 광축 둘레로 회전 대칭적으로 분포되어 있는 포커싱된 출력 빔들을 만들기 위한 광학 모듈러 시스템과 관련되어 있는데, 여기서 영상면이 광축에 수직하므로 빔 밀도 프로파일을 따른 빔 밀도는 하나의 빔 밀도 최대값, 2개의 빔 밀도 최대값들 또는 일정한 빔 밀도의 중앙 영역을 가진다.

빔 밀도 프로파일은 광축 주변의 중앙 영역에서 일정할 수 있으며, 중앙 영역의 양측 가장자리들 모두에서 0으로 급격히 떨어질 수 있다. 이런 종류의 빔 밀도 프로파일은 아래에서 탑햇(top hat) 프로파일로서 언급될 것이다.

빔 밀도 프로파일은 광축 상에 놓인 빔 밀도 최소값의 양측 가장자리에 위치한 빔 밀도 최대값을 가진 이정점(bimodal)일 수 있다. 이런 종류의 빔 밀도 프로파일은 아래에서 도넛(donut) 프로파일로서 언급될 것이다.

빔 밀도 프로파일은 광축 상에 놓인 단일한 빔 밀도 최대값을 가진 단정점(unimodal)일 수도 있다. 이런 종류의 빔 밀도 프로파일은 아래에서 빔 웨이스트(beam-waist) 프로파일로서 언급될 것이다.

이런 종류의 빔 밀도 프로파일들의 총합은 아래에서 교번 빔 밀도 프로파일들로서 언급될 것인데, 이는 그런 빔 밀도 프로파일들이 최고 빔 밀도값과 최저 빔 밀도값 사이에서 본질적으로 교번하기 때문이다.

본 발명은 또한, 서로 다른 교번 빔 밀도 프로파일들이 서로 다른 영상면들에서 만들어지게 하고, 초점 주변에서 광축을 따라 배치되며 각각의 경우에 광축에 수직한 포커스 빔 성형기(focus beam shaper)로 지향되어 있기도 하다.

광축에 수직한 입사면에서의 분포가 회전 대칭인 가우시안 프로파일(Gaussian profile)을 가진 입력 빔 밀도에 의해 결정되는 집속된 입력 빔들의 번들(bundle)이 초점면에 포커싱된 출력 빔들로 변환되는 선행기술로부터 포커스 빔 성형기(focus beam shaper)들, 즉 FBS들이 알려져 있는데, 여기서 초점면에서의 빔 밀도 분포는 탑햇 프로파일을 따른다.

또한, 광학 파이버의 출사면으로부터 광학 파이버의 개구수(numerical aperture)에 의해 결정된 입체각(solid angle) 범위 내에서 발산 방식으로 출사되는 빛을 집속하기 위해 파이버 콜리메이터(fiber collimator)들이 알려져 있다.

또한, 집속된 빔 번들의 직경을 변화시킬 수 있는 빔 익스팬더들이 알려져 있다.

이에 더하여, 예컨대 빔 성형기들, 파이버 콜리메이터들 및/또는 빔 익스팬더들과 같은 광학 구성품들이 서로 연결되거나 서로에 대해 고정되며 광학적으로 조정될 수 있는 방법 및 장치들이 알려져 있다. 예를 들어, 광학 구성품들을 장착하기 위한 장착 장치들과 그런 장착 장치들이 서로에 대해 고정될 수 있는 고정 장치들을 포함하는 광학대(optical bench)들이 알려져 있다. 광학 구성품들이 오토콜리메이터(autocollimator)들의 도움으로 서로에 대해 중심 맞춰질 수 있으며 개별적인 구성품들의 광축들이 정렬되도록 배향될 수 있는 방법들도 알려져 있다.

본 발명은 적은 수의 구성품 종류들을 포함하는 광학 모듈러 시스템을 제공하는 목적에 기초를 두고 있는데, 이는 특정한 입력 빔 분포와 특정한 출력 빔 분포와는 관계없이 표준화되어 제공된다. 동일한 및/또는 서로 다른 타입의 구성품들을 조합함으로써, 출사측에 위치한 영상면 내에서 교번 빔 밀도 프로파일을 가진 빔 밀도 분포를 만들어내는 출사 빔 광학 시스템이 가우시안 프로파일을 가진 많은 수의 입력 빔 밀도 분포들에 대해 생성될 수 있다. 또한, 본 발명은 동일한 및/또는 서로 다른 구성품 유형들이 서로에 대해 더욱 손쉽게 고정될 수 있고 및/또는 광학적으로 조정될 수 있도록 이런 유형의 광학 모듈러 시스템을 제공하는 목적에 기초를 두고 있다.

이 목적은 청구범위 제1항의 특징들을 구비한 광학 모듈러 시스템에 의해 본 발명에 따라 성취된다.

본 발명의 유리한 실시예들이 종속 청구항들의 주제이다.

본 모듈러 시스템은 장착형 광학 구성품들로서, 적어도 하나의 장착형 위상판(phase plate)과 적어도 하나의 장착형 포커싱 렌즈를 포함한다. 본 발명의 일실시예에서, 포커싱 렌즈는 포커싱 비구면 렌즈로서 디자인되어 있다. 적어도 하나의 장착형 위상판이 포커스 빔 성형기를 형성하기 위해 광경로에서 하류에 배치된 적어도 하나의 비구면 포커싱 렌즈에 연결될 수 있도록 설치된다.

이런 유형의 포커스 빔 성형기는 가우시안 프로파일을 가진 입사 빔 밀도 분포와 파장을 가지고 광축으로 집속된 빛을 광축에 수직한 적어도 하나의 영상면 내에서 교번 빔 밀도 프로파일을 가진 출사 빔 밀도 분포로 변환한다. 빔 밀도 프로파일은 광축에 수직한 프로파일 방향을 따른 영상면 내에서 빔 밀도 분포를 포함한다. 프로파일 방향을 따른 교번 빔 밀도 프로파일은 단정점 또는 이정점 빔 밀도 프로파일 또는 광축 주변의 중앙 영역에서 대략 일정하고 이 중앙 영역의 양측 가장자리에서 0으로 급격히 떨어지는 빔 밀도 프로파일을 가진다.

본 모듈러 시스템은 또한 광축에 집속된 동일한 파장의 단색광(monochromatic light)의 빔 번들의 직경의 회절 한계 변화(diffraction-limited changing)를 위한 적어도 하나의 빔 익스팬더를 포함한다.

장착형 광학 구성품들은 각각 광축에 동축으로 배치된 튜브형 하우징 내에 장착되는데, 여기서 광축과 동심으로 환형의 제1 스톱(stop)과 제1 미세 나사산(fine thread)이 하우징의 제1 단부에 배치되고, 환형의 제2 스톱과 제2 미세 나사산이 하우징의 반대편 제2 단부에 배치된다. 스톱들과 미세 나사산들은, 제1 광학 구성품의 제2 스톱이 제2 광학 구성품의 하우징의 제1 스톱과 접촉하되 장착형 제1 광학 구성품의 제2 미세 나사산이 제2 광학 구성품의 제1 미세 나사산으로 나사 결합될 수 있도록 적절히 형성되고 배치된다. 이 스톱 위치에서, 함께 나사 결합된 장착형 광학 구성품들은 그들의 광축들이 회절 한계 발산(diffraction-limited divergence) 내에 정렬되도록 배향된다.

본 발명의 일실시예에서, 포커스 빔 성형기의 광경로 내에서의 배치를 위한 적어도 하나의 빔 익스팬더가 장착형 위상판과 포커싱 비구면 렌즈 사이에 설치된다. 위상판을 빠져나온 빔 직경은 위상판과 포커싱 비구면 렌즈 사이에 배치된 빔 익스팬더에 의해 포커싱 비구면 렌즈의 광학적인 유효 직경으로 맞추어질 수 있다. 이 실시예의 장점은 빔 익스팬더의 추가 및 배치에 의해 집속된 입사빔 번들들의 서로 다른 직경들에 대해 포커스 빔 성형기들이 형성될 수 있다는 것이다. 따라서, 매우 적은 수의 서로 다르게 장착된 광학 구성품들을 가지고 특히 많은 수의 사용예들에 적합한 포커스 빔 성형기들을 만들어내기 위한 모듈러 시스템을 만드는 것이 가능하다.

본 발명의 일실시예에서, 포커스 빔 성형기의 포커싱 렌즈는, 서로 다른 초점 거리와 개구수를 가진 다양한 렌즈들이 손쉽게 상호 교환되며 단일하고 동일한 위상판과 조합될 수 있도록 본 발명의 하우징 내에 장착되고 배치된다. 이에 의해 간단히 출사측 포커싱 렌즈를 교환하는 것에 의해 서로 다른 거리들 또는 초점 거리들을 가진 초점면들에서 서로 다른 반경방향 범위를 가진 교번 빔 밀도 프로파일들을 만드는 것이 가능하다.

유리하게는, 하우징들 내에서의 광학 구성품들의 창의적인 배치는 단순히 나사결합시키는 것에 의해 광학 조립체들의 제조를 가능하게 한다. 이것은 또한 복잡한 조정 단계의 필요를 없애며, 고정밀도를 가진 광학 조립체들의 폭넓은 다양성과 회절 한계 광학 효과가 장착형 광학 구성품들을 조합하는 것에 의해 신뢰성 있게 만들어질 수 있다.

모듈러 시스템의 다른 장점은 교번 빔 밀도 프로파일의 반경방향 범위가 포커스 빔 성형기와, 포커스 빔 성형기의 출사측에 배치되며 또한 본 발명의 하우징 내에 장착된 적어도 하나의 빔 익스팬더를 함께 나사결합하는 것에 의해 손쉽게 바뀔 수 있다는 것이다.

이에 더하여, 장착형 빔 익스팬더에 의해, 장착형 위상판을 빠져나가는 빔의 직경을 광경로의 하류에 장착된 포커싱 렌즈에 맞추어 조절하는 것이 유리하게 가능하다. 장착형 위상판, 장착형 빔 익스팬더, 장착형 포커싱 렌즈로 일루어진 이런 타입의 포커스 빔 성형기는 주어진 개구수에서 가능한 가장 짧은 초점 거리를 가진 포커싱 렌즈들의 활용을 가능하게 하며 따라서 특별히 짧은 전체 길이를 가능하게 한다.

또한, 포커스 빔 성형기 상의 입사측에 배치된 장착형 위상판은 입사측에 배치된 적어도 하나의 빔 익스팬더에 나사결합될 수 있다. 그 결과, 입사빔의 직경을 입사측에 배치된 위상판에 맞추어 조절하는 것이 손쉽게 가능하다.

본 발명의 일실시예에서, 모듈러 시스템은 광학 파이버로부터의 단색광을 제공하기 위한 입사부와 광축을 따라 집속된 광을 출사시키기 위한 출사부를 가진, 콜리메이터 하우징에 장착된 적어도 하나의 파이버 콜리메이터를 추가로 포함한다. 각각의 경우에 모듈러 시스템의 파이버 콜리메이터, 포커스 빔 성형기, 적어도 하나의 빔 익스팬더에 대해 지정된 파장 범위들은 이들 광학 구성품들의 조합이 기능할 수 있는 적어도 하나의 겹침 영역을 가진다.

파이버 콜리메이터의 출사부에서 광축과 동심으로, 출사측 스톱과 출사측 미세 나사산이, 파이버 콜리메이터의 출사측 미세 나사산이 하우징에 장착된 제2 광학 구성품의 제1 미세 나사산으로 나사결합되어, 파이버 콜리메이터의 출사측 스톱이 접촉하며 제2 광학 구성품의 제1 스톱을 파이버 콜리메이터와 제2 구성품의 광축들이 회절 한계 발산 내에 정렬되도록 배향하는 스톱 위치로 가게 할 수 있다.

유리하게는, 이 실시예는 추가적인 조정 없이 광학 구성품들을 함게 나사결합하여 형성된 광학 조립체로 레이저 발생원으로부터의 광을 공급하는 것을 가능하게 한다.

본 발명의 일실시예에서, 파이버 콜리메이터는 조정 가능하게 만들어진다. 장착형 포커스 탑햇 빔 성형기를 구비하며 선택적으로 하나 또는 그 이상의 장착형 빔 성형기를 가지는 이런 조정 가능한 파이버 콜리메이터는 그로부터 형성된 광학 조립체의 조정이 특히 손쉽기 때문에 유리하다.

본 발명의 일실시예에서, 제1 빔 익스팬더는 1.5의 배율을, 제2 빔 익스팬더는 1.75의 배율을, 제3 빔 익스팬더는 2.0의 배율을 가진다. 이런 단계적인 빔 익스팬더들을 함께 나사결합하는 것에 의해, 빔 확산을 위한 광학 조립체들이 폭넓은 전체 배율의 범위에 걸쳐, 그리고 추가적인 조정 없이 전체 배율의 미세한 간격들에서 만들어질 수 있다.

본 발명의 일실시예에서, 모듈러 시스템은 복수의 광학 구성품 세트들을 포함하는데, 여기서 광학 구성품들의 한 세트는 공급된 단색광의 한 파장에 대하여 제공된다. 결과적으로, 회절 한계 영상 정확도를 유지하는 광학 조립체들의 형성이 다중적인 파장들에 대해서도 모듈러 시스템으로 가능해진다.

본 발명의 일실시예에서, 모듈러 시스템은 길이방향 축에 동심으로, 그리고 수직되게 배치된 제1 스톱과 제1 미세 나사산, 그리고 길이방향 축을 따라 반대편의 제2 스톱과 제2 미세 나사산을 구비한 적어도 하나의 나사산 어댑터를 포함한다. 나사산 어댑터의 미세 나사산들은, 그들이 장착형 광학 구성품의 하우징의 미세 나사산으로 나사결합되어 스톱 위치로 될 수 있도록 형성되고 배치되는데, 여기서 나사산 어댑터의 스톱이 장착형 광학 구성품의 스톱과 접촉하고, 그 스톱을 나사산 어댑터의 길이방향 축이 광학 구성품의 회절 한계 발산 이내에서 장착형 광학 구성품의 광축과 정렬되도록 배향한다.

나사산 어댑터의 일실시예에서, 그 제1 및 제2 미세 나사산들과 그 제1 및 제2 스톱들은 본 발명의 하우징의 제1 미세 나사산에 맞추어지도록, 그리고 본 발명의 하우징의 제1 스톱에 맞추어지도록 형성되고 배치된다. 나사산 어댑터의 이런 실시예에 의해, 나사산 어댑터를 통해 제1 하우징의 제1 미세 나사산을 제2 하우징의 제1 미세 나사산으로 나사결합하는 것이 가능하다. 따라서, 나사산 어댑터를 통해 예컨대 장착형 나팔 모양 빔 익스팬더의 통상적으로 입사측에 배치된 제1 미세 나사산을 의도된 빔 방향과 반대로 장착형 포커스 빔 성형기의 제1 미세 나사산으로 나사결합하는 것이 가능한데, 이로써 이 나사결합 배치에서 빔 익스팬더는 포커스 빔 성형기의 입사부에서 빔 감축 효과를 가진다.

나사산 어댑터의 다른 실시예에서, 그 제1 및 제2 미세 나사산들과 그 제1 및 제2 스톱들은 본 발명의 하우징의 제2 미세 나사산에 맞추어지도록, 그리고 본 발명의 하우징의 제2 스톱에 맞추어지도록 형성되고 배치된다. 나사산 어댑터의 이런 실시예에 의해, 나사산 어댑터를 통해 제1 하우징의 제2 미세 나사산을 제2 하우징의 제2 미세 나사산으로 나사결합하는 것이 가능하다. 따라서, 나사산 어댑터를 통해 예컨대 장착형 나팔 모양 빔 익스팬더의 통상적으로 출사측에 배치된 제2 미세 나사산을 의도된 빔 방향과 반대로 장착형 포커스 빔 성형기의 제2 미세 나사산으로 나사결합하는 것이 가능한데, 이로써 이 나사결합 배치에서 빔 익스팬더는 포커스 빔 성형기의 출사부에서 빔 감축 효과를 가진다.

유리한 방식으로, 모듈러 시스템을 가지고 만들어질 수 있는 서로 다른 광학 시스템들의 수가 따라서 나사산 어댑터를 통해 크게 증대될 수 있다.

본 발명의 예시적인 실시예들이 도면들을 활용하여 이하에서 더 상세히 설명될 것이다.

도 1a는 포커스 빔 성형기를 통과하는 광경로를 개략적으로 나타낸다.
도 1b는 포커스 빔 성형기의 서로 다른 영상면들에서 교번 빔 밀도 프로파일들을 개략적으로 나타낸다.
도 2는 하우징에 장착된 포커스 빔 성형기를 개략적으로 나타낸다.
도 3은 빔 익스팬더 내의 광경로를 개략적으로 나타낸다.
도 4는 하우징에 장착된 빔 익스팬더를 개략적으로 나타낸다.
도 5는 다단으로 배치된 빔 익스팬더들 내의 광경로를 개략적으로 나타낸다.
도 6은 하우징에 장착된 파이버 콜리메이터를 개략적으로 나타낸다.
도 7은 조정 가능한 파이버 콜리메이터들을 개략적으로 나타낸다.
도 8은 나사산 어댑터를 개략적으로 나타낸다.

모든 도면에서 서로 대응하는 부분들에는 동일한 참조부호들이 제공되어 있다.

도 1a는 종래 기술에 따라 입사부(E)와 출사부(A)를 구비한 포커스 빔 성형기(1)를 통과하는 광경로를 개략적으로 나타내고 있다. 위상판(1.1)이 입사측에 배치되어 있다. 비구면 포커싱 렌즈(1.2)가 출사측에 배치되어 있다.

위상판(1.1)은, 광축(X)으로 집속되는 입사광 빔(ES)이 광축(X) 주변의 중앙 영역에서 지연되거나 위상 변이되도록 형성되는데, 여기서 획득된 위상 변이는 대략 π이다. 이것은 위상판(1.1)으로부터 나온 빔 번들(IS)내의 빔 밀도가 수학적으로 그 종속 변수가 광축(X)으로부터의 거리인 제1종 0차 베셀 함수(Bessel function of the first kind and zero order)에 의해 묘사되는 에어리상(Airy pattern)을 따른다는 결과를 가진다. 이런 위상 플레이드들(1.1)및 이들의 구축 및 제조를 위한 방법들은 종래 기술로부터 알려져 있다.

포커싱 렌즈(1.2)는 광축(X)으로 집속된 빔 번들(IS) 내의 빔들이 출사측 초점(F)에서 회절 제한(diffraction-limited)되어 포커싱되도록 형성된다. 이런 비구면 포커싱 렌즈들(1.2)은 종래 기술로부터 알려져 있다. 미리 결정된 초점 거리(f)를 고려하면서 이런 포커싱 렌즈들(1.2)을 구축하는 방법들도 알려져 있다.

알려진 바와 같이 에어리상에 따라 분포된 집속된 빔 번들(IS)을 포커싱함으로써, 탑햇 프로파일을 가진 빔 밀도 분포가 초점(F)을 포함하는 초점면에 형성된다. 탑햇 프로파일의 원형 내부 영역의 범위는 포커싱 렌즈(1.2)의 초점 거리에 의해 결정된다. 내부 영역의 가장자리에서 빔 밀도 감소의 가파르기는 회절에 의해 제한된다.

탑햇 프로파일에 더하여, 교번 빔 밀도 프로파일은 도 1b에서 개략적으로 나타낸 바와 같이 영상면들(B1 내지 B5)에서 초점(F)에 대한 거리(x)의 함수로서 형성된다. 광축(X) 둘레에서 회전 대칭적으로 분포된 빔 밀도가 광축(X)을 따라 길이방향 단면(LS)으로 나타내어져 있다. 따라서 광축(X)에 수직한 프로파일 방향(y)을 따른 빔 밀도 프로파일은 광축 상에 위치한 영점(y = 0)에 대해 거울 대칭이다.

거리 x = x1 < 0에서 초점(F) 이전에 위치한 제1 영상면(B1)에서, 빔 밀도 프로파일은 제1 탑햇 프로파일(TP')의 형상을 가진다. 초점(F)의 방향으로 인접한 제2 거리 x = x2, x1 < x2 < 0에서, 영상면(B2) 내의 빔 밀도 프로파일은 이정점 빔 밀도 프로파일 또는 도넛 프로파일(DP)의 형상을 가진다. 거리 x = 0에서 초점면과 일치하는 영상면(B3) 내에서 빔 밀도 프로파일은 제2 탑햇 프로파일(TP)의 형상을 가지는데, 이는 더 가파른 측면들을 가지며 제1 탑햇 프로파일(TP')보다 더 좁은 빔 고밀도의 영역을 가진다.

빔 밀도 프로파일이 단정점 빔 밀도 프로파일 또는 빔 웨이스트 프로파일(BP)의 형상을 가지는 영상면(B4)은 초점(F) 이후의 거리 x = x4 > 0에 놓인다. 더 먼 거리 x = x5 > x4에서, 영상면(B5) 내의 빔 밀도 프로파일은 제3 탑햇 프로파일(TP")의 형상을 가지는데, 이는 제2 탑햇 프로파일(TP)에 비해 덜 가파른 측면을 가지며 제1 탑햇 프로파일(TP')에 비해 더 좁은 빔 고밀도 영역을 가진다. 따라서 광축을 따라 작동 거리를 변경함으로써 특정한 사용예에 최적인 다양한 빔 밀도 분포들을 대상물 또는 작업물 상으로 조사하는 것이 유리한 방식으로 가능하다.

도 2는 위상판(1.1)과, 광경로 내에서 하류에 배치된 포커싱 렌즈(1.2)를 구비한 포커스 빔 성형기(1)의 배치를 개략적으로 나타내고 있다. 위상판(1.1)과 렌즈(1.2)는 각각 튜브형 하우징(2)에 장착되어 있다.

하우징(2)은 입사측 제1 미세 나사산(2.1), 환형 입사측 제1 스톱(2.2), 출사측 제2 미세 나사산(2.3) 및 환형 출사측 제2 스톱(2.4)를 구비한다. 입사측 제1 미세 나사산(2.1)은 입사부(E)를 마주보는 그 단부에 입사측 제1 스톱(2.2)이 배치된 외측 나사산으로서 형성되어 있다. 출사측 제2 미세 나사산(2.3)은 입사부(E)를 마주보는 그 단부에 출사측 제2 스톱(2.4)이 하우징(2)의 내측 표면 내의 반경방향 돌기로서 형성된 내측 나사산으로서 형성되어 있다.

미세 나사산들(2.1, 2.3), 스톱들(2.2, 2.4) 및 하우징(2)은 광축(X)에 대해 동축으로 배치되어 있다. 스톱들(2.2, 2.4)은 각각 환형 스톱 표면들(2.2.1, 2.4.1)을 가지는데, 이들은 광축(X)에 대해 수직하게 배치되어 있다. 미세 나사산들(2.1, 2.3) 및 스톱들(2.2, 2.4)은, 제1 하우징(2)의 제1 미세 나사산(2.1)이 제2 하우징(2)의 제2 미세 나사산(2.3)으로 나사결합되거나 제1 하우징(2)의 제2 미세 나사산(2.3)이 제2 하우징(2)의 제1 미세 나사산(2.1)으로 나사결합될 수 있는 점에서 제1 및 제2 하우징(2)이 함께 나사결합될 수 있도록 상응되게 형성되고 배치된다.

그러므로, 유리하게는, 하우징들(2) 내에 장착된 서로 다른 초점 거리(f)와 개구수(numerical aperture)를 가진 포커싱 렌즈들(1.2)이 역시 하우징(2) 내에 장착된 동일한 위상판(1.1)과 조합될 수 있는데, 이 위상판(1.1)은 렌즈(1.2)에 대해 입사측 상에 나사결합되어 있다. 장착형 포커싱 렌즈들(1.2)은 장착형 포커싱 비구면 렌즈들로서 형성될 수 있다. 다양한 초점 거리(f)를 가진 초점면들에 대해 영상면들(B1 내지 B5)에서 각각의 영상면들(B1 내지 B5) 내에서 다양한 반경방향 범위들로 교번 빔 밀도 프로파일들을 만들도록, 장착형 포커싱 렌즈들(1.2)에 의해 적은 수의 서로 다른 구성품들을 가지고 포커스 빔 성형기(1)를 제조하는 것이 가능하다.

도 3은 입사측 제1 광학 표면(10.1)과 출사측 제2 광학 표면(10.2)을 가진 단일체 광학 요소로서 만들어진 빔 익스팬더(10) 내에서 광경로를 나타내고 있다. 빔 익스팬더(10)는 입사빔 번들(ES)이 출사빔 번들(AS)로 변환되도록 한다. 출사빔 번들(AS)은 입사빔 번들(ES)에 비하여 변경된 직경을 가지지만, 이 변경된 직경에 맞추어 축적이 조정된 동일한 빔 밀도 분포를 가진다. 광학 표면들(10.1, 10.2)이 비구면 표면들로서 만들어진 회절 한계 빔 익스팬더들(10)은 종래 기술로부터 알려져 있다.

도 4는 광학 표면들(10.1, 10.2)을 가진 단일체 광학 요소를 수용하기 위한 튜브형 하우징(2) 내의 장착형 빔 익스팬더의 배치를 개략적으로 나타내고 있다.

하우징(2)은 도 2에 묘사된 하우징과 유사하다. 특히, 이것은 유사하게 형성되고 배치된 미세 나사산들(2.1, 2.3) 및 스톱들(2.2, 2.4)을 구비하고 있다.

따라서, 각각 하우징들(2) 내에 배치된 장착형 포커스 빔 성형기들(1) 및 장착형 빔 익스팬더들(10)은 함께 나사결합될 수 있는데, 여기서 포커스 빔 성형기(1)의 출사측 제2 미세 나사산(2.3)이 빔 익스팬더(10)의 입사측 제1 미세 나사산(2.1)으로 나사결합될 수 있으며, 포커스 빔 성형기(1)의 입사측 제1 미세 나나산(2.1)은 빔 익스팬더(10)의 출사측 제2 미세 나사산(2.3)으로 나사결합될 수 있다.

이 예에서, 2개의 하우징들(2)은 스톱들(2.2, 2.4)의 스톱 표면들(2.2.1, 2.4.1)이 스톱 위치에서 서로에 대해 압박될 수 있을 때까지 나사결합될 수 있다. 미세 나사산들(2.1, 2.3)과 스톱 표면들(2.2.1, 2.4.1)이 매우 정밀하게 만들어지며 광학 요소들(1.1, 1.2, 10.1, 10.2)이 하우징들(2) 내에 매우 정확하게 배치되어서, 각각 하우징(2) 내에 배치된 장착형 포커스 빔 성형기(1)와 장착형 빔 익스팬더의 광축들(X)이 회절 한계에 의해 결정되는 공차 범위 이내로 정렬될 수 있다. 바꾸어 말해: 하우징(2) 내에 장착된 포커스 빔 성형기(1)와 빔 익스팬더(10)가 스톱 위치로 나사결합되면, 광학 기능의 정확도가 회절에 의해 제한되는 광학 조립체가 도출된다.

본 발명의 하우징(2)의 디자인은, 입사측 및/또는 출사측에서 빔 직경을 변화시킴으로써 이런 포커스 빔 성형기(1)가 다양한 광학 조립체들에 융통성 있게 활용될 수 있도록, 장착형 포커스 빔 성형기(1)가 하나 또는 두 개의 장착형 빔 익스팬더들(10)과 함께 나사결합되는 것을 가능하게 한다. 예를 들어, 위상판(1.1)의 입사측 상류에 빔 익스팬더(10)를 나사결합하는 것에 의해, 지나치게 작은 입사측 빔 직경이 위상판(1.1)의 직경으로 유리하게 확장될 수 있다. 아래에서 더욱 상세히 설명되는 나사산 어댑터(30)를 이용하는 것에 의해 빔 익스팬더(10)의 변환 방향을 뒤집을 수 있고, 따라서 나사산 어댑터(30)에 의해 빔 익스팬더(10)를 통상적인 변환 방향과 반대로 위상판(1.1)의 입사측 상류에 나사결합함으로써 지나치게 큰 입사측 빔 직경을 감소시키는 것도 가능하다.

유사하게, 장착형 위상판(1.1)과 렌즈(1.2) 사이에 빔 익스팬더(10)를 나사결합하는 것에 의해, 선택적으로는 빔 방향의 역전을 위해 2개의 나사산 어댑터들(30)을 이용하는 것에 의해 광경로에서 하류에 배치된 렌즈(1.2)의 직경에 맞추어 빔 직경이 적용될 수 있다.

이 경우, 적어도 하나의 빔 익스팬더(10)에 대한 포커스 빔 성형기(1)의 추가적인 조정이 필요하지 않다는 것이 본 발명의 장점이다.

도 5에 나타낸 바와 같이 빔 익스팬더(10)는 또한 빔 직경에서 더 큰 변화를 얻기 위해 다단으로 배치될 수도 있다. 유리하게는, 하우징들(2) 내에 장착된 빔 익스팬더들(10)이 이 목적을 위해 추가적인 조정 없이 나사결합될 수 있다. 본 발명의 일실시예에서, 미세 나사산들(2.1, 2.3) 및 스톱 표면들(2.2.1, 2.4.1)은 매우 정밀하게 만들어지며, 광학 요소들(1.1, 1.2, 10.1, 10.2)이 하우징들(2) 내에 매우 정밀하게 배치되어서, 미리 결정된 수의 다단 장착 빔 익스팬더들(10)의 광축들(X)이 회절 한계에 의해 결정되는 공차 내에 정렬된다. 바꾸어 말해: 미리 결정된 수의 각각의 하우징(2) 내에 장착된 빔 익스팬더들(10)이 나사결합되면, 나사결합된 개별적인 빔 익스팬더들(10)의 배율들의 곱으로서 도출되는 배율을 가지며 광학 기능의 정확도가 회절에 의해 제한되는 광학 조립체가 생성된다. 따라서, 제한된 수의 개별적인 장착형 빔 익스펜더들(10)을 가지고 나사결합하는 것에 의해 매우 미세한 구배로 폭넓은 범위에 걸쳐 선택될 수 있는 배율을 가진 광학 조립체들로서의 빔 익스팬더들을 만들어내는 것이 가능하다.

본 발명의 일실시예에서, 빔 익스팬더들(10)은 2.0, 1.75 또는 1.5의 배율을 가지며, 가장 큰 배율을 가진 빔 익스팬더(10)가 가장 작은 빔 직경을 가진 지점에 놓이도록 나사결합된다.

도 6은 다른 광학 구성품으로서, 광학 파이버를 수용하기 위한 입사측 파이버 수용부(20.4)를 구비하고 하우징(102)에 장착된 파이버 콜리메이터(20)를 개략적으로 나타내고 있다. 파이버 콜리메이터(20)는 광학 파이버로부터 나온 광이 광축(X)으로 집속된 출사빔 번들(AS)로 집속되도록 한다. 적어도 부분적으로 비구면으로 형성되고 회절 한계 집속된 출사빔 번들(AS)을 만들어내는 광학 요소들을 구비한 파이버 콜리메이터들(20)이 종래기술로부터 알려져 있다.

본 발명에 따르면, 파이버 콜리메이터(20)에는, 도 2에 묘사된 하우징(2)의 입사측 제1 미세 나사산(2.1)과 입사측 제1 스톱(2.2)에 맞추어 형성되고 배치된 출사측 미세 나사산(102.3)과 출사측 스톱(102.4)을 구비한 콜리메이터 하우징(102)이 제공된다. 따라서, 파이버 콜리메이터(20) 또한 장착형 포커스 빔 성형기(1)에 조정 없이 나사결합될 수 있다. 선택적으로, 하나 또는 그 이상의 장착형 빔 익스팬더들(10)이 장착형 파이버 콜리메이터(20)와 장착형 포커스 빔 성형기(10) 사이에 나사결합될 수 있다.

한 예시적인 실시예에서, 파이버 콜리메이터(20)는 조정 가능한 파이버 콜리메이터로서 디자인되는데, 이는 독일 특허 출원 DE 10 2017 205 590.1에 더욱 상세히 묘사되어 있으며 도 7에 나타내어져 있다. 조정 가능한 파이버 콜리메이터(20)는 광학 파이버로부터 빛을 공급하기 위한 입사부(E)와, 광축(X)을 따라 집속된 광을 출사하기 위한 출사부(A)를 구비한다. 이런 조정 가능한 파이버 콜리메이터는, 입사측 상의 그 초점(F)이 광축(X) 상에 놓이는 수렴 렌즈(20.2)가 장착되는 콜리메이터 하우징(102)을 포함한다. 콜리메이터 하우징(102)은 출사측 미세 나사산(102.3)과 출사측 스톱(102.4)을 구비한다.

조정 가능한 파이버 콜리메이터(20)는 미세 나사산(20.3.4)을 가진 마운트(20.3)와, 광학 파이버를 수용하기 위한 파이버 커플링(20.4.3)을 구비하고, 반경방향 외측으로 돌출된 유지 스톱(20.4.6)을 구비하며, 슬리브 재킷(sleeve jacket) 내에 편심 고정 스크류(20.5)를 회전 가능하게 수용하기 위한 편심 수용부(20.4.5)를 구비하고, 슬리브 재킷의 안쪽에 배치되고 마운트(20.3)의 미세 나사산(20.3.4) 내에서 가이드되며 광축 둘레로의 회전 운동을 광축을 따르는 파이버 수용부(20.4)의 마운트(20.3)에 대한 길이방향 변위로 전환하는 미세 나사산(20.4.2)을 구비하며, 마운트(20.3)를 동심되게 수용하는 튜브형 파이버 수용부(20.4)를 더 포함한다.

조정 가능한 파이버 콜리메이터(20)는 파이버 수용부(20.4)를 환형으로 둘러싸고 이에 대해 회전 가능하며 마운트(20.3)에 대해서는 회전 불가능한 조정 쉘(20.6)을 더 포함한다. 조정 쉘(20.6)은, 마운트(20.3)에 대해 길이바향으로 움직일 수 있고, 고정 스크류(20.5)의 스크류 헤드(20.5.2)를 수용하도록 외주를 따라 오목하게 된 고정 하프쉘(20.6.2)을 포함한다. 조정 쉘(20.6)은 고정 스크류(20.5)를 통해 정치 마찰에 의해 유지 스톱(20.4.6)에 대해 고정 위치로 압박되며 또한 그것을 통해 해제 위치로 해제된다.

장착형 포커스 빔 성형기(1) 및 선택적으로 하나 또는 그 이상의 장착형 빔 성형기들(10)을 구비한 이런 조정 가능한 파이버 콜리메이터는, 그로부터 형성되는 광학 조립체의 조정이 특히 용이하기 때문에 유리하다.

도 8은 내측 나사산으로부터 외측 나사산으로의 전환을 위한 나사산 어댑터(30)를 나타내고 있다. 나사산 어댑터(30)는 길이방향 축(L)을 따라 연장된 튜브형으로 형성되며 한 단부에 외측 나사산으로서 형성된 제1 미세 나사산(30.1)과 제1 스톱(30.2)을 가진다. 반대편 단부에서, 나사산 어댑터(30)는 역시 외측 나사산으로서 형성된 제2 미세 나사산(30.3)과 제2 스톱(30.4)을 구비한다. 각각의 경우에 나사산 어댑터(30)의 미세 나사산(30.1, 30.3)이 제1 하우징(2, 102) 및 제2 하우징(2)의 제2 미세 나사산(2.3, 102.3)에 나사결합되어 스톱 위치로 갈 수 있도록, 미세 나사산들(30.1, 30.3)과 스톱들(30.2, 30.4)은 하우징(2, 102)의 내측 나사산으로서 형성된 제2 나사산(2.3, 102.3) 및 제2 스톱(2.4, 102.4)에 맞추어 형성되고 배치된다. 이 스톱 위치에서, 나사산 어댑터(30)의 길이방향 축(L)은 제1 및 제2 하우징(2) 내에 장착되고 예시적으로 빔 익스팬더(10)로 만들어진 광학 구성품들의 광축들(X)과 정렬된다.

유사한 방식으로, 미세 나사산(30.1, 30.3)은 외측 나사산으로서 형성된 제1 나사산(2.1)에 맞춰지도록 내측 나사산으로서 만들어질 수 있으며 스톱들(30.2, 30.4)은 하우징(2)의 제1 스톱에 대응하도록 만들어질 수 있다.

나사산 어댑터(30)는, 광학 구성품의 빔 방향이 나사산 어댑터(30)와 하우징(2) 내에 장착된 광학 구성품을 함께 나사결합하는 것에 의해 뒤집어질 수 있다는 점 덕택으로, 모듈러 시스템을 가지고 만들어낼 수 있는 광학 조립체들의 수를 확장시킨다.

1 포커스 빔 성형기, 광학 구성품 1.1 위상판
1.2 포커싱 렌즈 2 하우징
2.1, 2.3 제1, 제2 미세 나사산 2.2, 2.4 제1, 제2 스톱
2.2.1, 2.4.1 스톱 표면 \
10 빔 익스팬더, 광학 구성품
10.1, 10.2 제1, 제2 광학 표면
20 파이버 콜리메이터, 광학 구성품
20.2 수렴 렌즈 20.3 마운트
20.3.4 미세 나사산 20.4 파이버 수용부
20.4.2 미세 나사산 20.4.3 파이버 커플링
20.4.5 편심 수용부 20.4.6 고정 스톱
20.5 고정 스크류 20.5.2 스크류 헤드
20.6 조정 쉘
20.6.2 길이방향 이동 가능한 고정 하프쉘
20.6.2.2 고정 슬롯 102 콜리메이터 하우징
30 나사산 어댑터
30.1, 30.3 제1, 제2 미세 나사산
30.2, 30.4 제1, 제2 스톱 102.3 출사측 미세 나사산
102.4 출사측 스톱
x 거리 y 프로파일 방향
A 출사부 AS 출사빔 번들
E 입사부 ES 입사빈 번들
F 초점 f 초점 거리
L 길이방향 축
LS 빔 밀도 분포의 길이방향 단면
X 광축
TP', TP, TP" 제1, 제2, 제3 탑햇 프로파일
DP 도넛 프로파일 BP 빔 웨이스트 프로파일

Claims

광학 구성품들(1.1, 1.2, 10)로서
- 적어도 하나의 위상판(1.1),
- 적어도 하나의 비구면 포커싱 렌즈(1.2), 및
- 동일한 파장의 단색광의 광축(X)으로 집속된 빔 번들의 직경의 회절 한계 변화를 위한 적어도 하나의 빔 익스팬더(10)
를 포함하되,
이들 각각은 광축(X)에 동축으로 배치된 튜브형 하우징(2)에 장착되고,
여기서 광축(X)과 동심으로 환형 제1 스톱(2.2)과 제1 미세 나사산(2.1)이 하우징(2)의 제1 단부에 배치되고,
제1 장착형 광학 구성품(1, 10)의 제2 미세 나사산(2.3)이 제2 광학 구성품(1, 10)의 제1 미세 나사산(2.1)으로 나사결합되어, 제1 광학 구성품(1, 10)의 하우징(2)의 제2 스톱(2.4)이 제2 광학 구성품(1, 10)의 하우징(2)의 제1 스톱(2.2)과 접촉하고, 제1 및 제2 광학 구성품들(1, 10)의 광축들(X)이 회절 한계 발산 이내에 정렬되도록 제1 스톱(2.2)을 배향하는 스톱 위치로 가도록 환형 제2 스톱(2.4)과 제2 미세 나사산(2.3)이 형성되고 배치되며,
광경로에서 하류에 배치된 비구면 포커싱 렌즈(1.2)와 함께 가우시안 프로파일을 가진 입사 빔 밀도 분포 및 파장을 가지고 광축(X)으로 집속된 광을 적어도 하나의 영상면(B1 내지 B5) 내에서 교번 빔 밀도 프로파일(TP, TP', TP", DP, BP)을 가진 출사 빔 밀도 분포(LS)로 변환하기 위한 포커스 빔 성형기(1)를 형성하도록 적어도 하나의 장착형 위상판(1.1)이 설치되는 모듈러 시스템.
제1항에 있어서, 포커스 빔 성형기(1)의 광경로 내에서의 배치를 위한 적어도 하나의 빔 익스팬더(10)가 장착형 위상판(1.1)과 포커싱 비구면 렌즈(1.2) 사이에 설치되는 것을 특징으로 하는 모듈러 시스템.
제1항 또는 제2항에 있어서, 하우징(2)에 장착된 서로 다른 초점 거리(f)의 포커싱 렌즈들(1.2)이 위상판(1.1)과 교환 가능하게 조합되어 포커스 빔 성형기(1)를 형성할 수 있는 것을 특징으로 하는 모듈러 시스템.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 광학 구성품으로서 광학 파이버로부터 동일한 파장의 단색광을 제공하기 위한 입사부(E)와 광축(X)을 따라 집속된 광을 출사하기 위하나 출사부(A)를 구비하고, 콜리메이터 하우징(102) 내에 장착된 적어도 하나의 파이버 콜리메이터(20)를 더 포함하되, 여기서 파이버 콜리메이터(2)의 출사부(A)에서 광축과 동심으로, 파이버 콜리메이터(20)의 출사측 미세 나사산(102.3)이 하우징(2)에 장착된 제2 광학 구성품(1, 10)의 제1 미세 나사산(2.1)으로 나사결합되어서, 파이버 콜리메이터(20)의 출사측 스톱(102.3)이 제2 광학 구성품(1, 10)의 제1 스톱(2.2)과 접촉하고, 파이버 콜리메이터(2)와 제2 광학 구성품(1, 10)의 광축들(X)이 회절 한계 발산 이내에 정렬되도록 제1 스톱(2.2)을 배향하는 스톱 위치로 갈 수 있도록 출사측 스톱(102.4)과 출사측 미세 나사산(102.3)이 배치된 모듈러 시스템.
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 제1 빔 익스팬더(10)는 1.5의 배율을 가지고, 제2 빔 익스팬더910)는 1.75의 배율을 가지며, 제3 빔 익스팬더(10)는 2.0의 배율을 가진 것을 특징으로 하는 모듈러 시스템.
제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 복수 세트의 광학 구성품들(1, 10, 20)을 포함하되, 한 세트의 광학 구성품들(1, 10, 20)은 공급되는 단색광의 한 파장에 대해 제공되는 모듈러 시스템.
제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 길이방향 축(L)에 수직하고 동축으로 배치된 제1 스톱(30.2)과, 제1 미세 나사산(30.1)과, 길이방향 축(L)을 따라 반대되는 제2 스톱(30.4)과, 제2 미세 나사산(30.3)을 구비한 적어도 하나의 나사산 어댑터(30)를 더 포함하되, 나사산 어댑터(30)의 미세 나사산들(30.1, 30.3)은 장착형 광학 구성품(1, 10)의 하우징(2)의 미세 나사산(2.1, 2.3)으로 나사결합되어서, 나사산 어댑터(30)의 길이방향 축(L)이 광학 구성품(1, 10)의 회절 한계 발산 이내에서 장착형 광학 구성품(1, 10)의 광축(X)과 함께 정렬되도록 나사산 어댑터(30)의 스톱(30.2, 30.4)이 장착형 광학 구성품(1, 10)의 스톱(2.2, 2.4)과 접촉하고 스톱(2.2, 2.4)을 배향하는 스톱 위치로 갈 수 있는 모듈러 시스템.
제7항에 있어서, 적어도 하나의 나사산 어댑터(30)가 적어도 하나의 빔 익스팬더(10)에서 빔 방향의 역전을 위해 제공되는 것을 특징으로 하는 모듈러 시스템.
제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 적어도 하나의 포커싱 렌즈(1.2)는 포커싱 비구면 렌즈(1.2)로서 디자인된 것을 특징으로 하는 모듈러 시스템.