KR20210022040A

KR20210022040A - 광학 장치 및 레이저 시스템

Info

Publication number: KR20210022040A
Application number: KR1020217000498A
Authority: KR
Inventors: 토르스텐 벡; 다니엘 플램; 안드레아스 헤임스; 줄리안 헬스테른; 크리스티안 린겔; 펠릭스 마르샬; 실케 티에르펠더; 크리스토프 틸코른
Original assignee: 트룸프 레이저-운트 시스템테크닉 게엠베하
Priority date: 2018-06-22
Filing date: 2019-06-05
Publication date: 2021-03-02
Also published as: JP2021530860A; US20210103156A1; JP7431756B2; CN112313559A; TW202000355A; WO2019243043A1; DE102018115102A1; CN112313559B; TWI743493B

Abstract

본 발명은 적어도 2개의 레이저 광원들(12a-12f)로부터의 레이저 빔들(14a-14f)을, 결합 빔(18)으로 변환하는 광학 장치(16)에 관한 것으로서, 상기 광학 장치는 레이저 빔들(14a-14c)에 대해 적어도 2개의 개별 광 채널들(22a-22c)이 제공되도록 설계된 광학 빔 안내 시스템(20)을 포함하고, 각각의 광 채널(22a-22c)은 관련의 광 채널(22a-22c)의 채널 출력 빔(38a-38c)이 출사되는 광학 종단 수단(36a-36c)을 포함하고, 오직 하나의 광 채널(22a-22c)에만 관련되는 적어도 하나의 편향체(42a-42c)가 제공되며, 상기 편향체(42a-42c)는 관련의 광 채널(22a-22c)의 채널 출력 빔(38a-38c)만 캡처되고 그리고 상기 캡처된 채널 출력 빔(38a-38c)이 초점 영역(44)의 방향으로 편향되도록 설계된다.

Description

광학 장치 및 레이저 시스템

본 발명은 다수의 레이저 광원으로부터의 레이저 빔들을 빔 웨이스트(beam waist)를 갖는 결합 빔(combination beam)으로 변환하는 광학 장치(optical arrangement), 및 이러한 광학 장치를 포함하는 레이저 시스템을 기재하고 있다.

광학 장치에 대해 가능한, 그러나 배타적이지 않은, 적용 분야는 선형 빔 프로필을 갖는 유용한 배광(light distribution)을 생성하는 데 사용되는 레이저 시스템이다. 이러한 빔 프로필은, 예를 들어 반도체 또는 유리의 표면 가공에, 예를 들어 TFT 디스플레이의 생산에, 반도체의 도핑에, 태양 전지의 생산에, 또는 건물을 위해 미적으로 설계된 유리 표면의 생산에 사용된다. 여기서, 상기 선형 빔 프로필은 가공될 표면 위의 라인의 연장 방향과 직교하여 스캔된다. 방사선(radiation)은 표면 변형 프로세스(재결정화, 용융, 확산 프로세스)를 트리거할 수 있으며, 원하는 가공 결과가 얻어질 수 있다.

언급된 레이저 시스템의 경우에, 상기 레이저 빔은 특히 레이저 방사선을 재형상(reshape) 및/또는 균질화하는(homogenize) 광학 디바이스에 의해, 원하는 선형의 유용한 배광으로 변환된다. 레이저 방사선으로부터 선형의 유용한 배광을 발생하기 위한 광학 장치는, 예를 들어 WO 2018/019374 A1호에 개시되어 있다.

언급된 가공 프로세스에는 일반적으로 고강도 방사선 및/또는 긴 선형 강도 분포가 요망되기 때문에, 원하는 유용한 배광을 공급하기 위해서는 다수의 레이저 광원이 종종 사용되어야 한다.

라인 형성에 효과적인 광학 디바이스를 각각의 레이저 광원에 개별적으로 제공할 필요가 없도록, 다양한 레이저 광원들의 레이저 빔들을 병합하고, 이들을 결합 빔으로 번들링하는 것이, 특히 이들을 공간적으로 번들링하는 것이 바람직하다. 예를 들어, WO 2018/019374 A1호는 다수의 거울 및 렌즈를 통해 접혀진(folded) 빔 경로를 갖는 광학 장치를 개시하고 있으며, 다수의 레이저 광원들로부터의 레이저 빔들은 수렴 거울(converging mirror)에 의해 결합되어 결과적인 빔이 동시에 확장된다. DE 10 2008 027 229 B4호는 빔 형성 및 번들링을 위한 장치를 개시하고 있으며, 여기서 레이저 빔들의 그룹은 개별 광 채널에서 그 경로의 일부를 연장시키고, 또한 다수의 빔 그룹들 상에 동작하는 텔레스코픽(telescopic) 광학 시스템에 의해 결합된다. 이러한 장치는 개별적으로 연장되는 다수의 레이저 빔들을 동시에 캡처하는 광학 요소들을 포함하며, 이에 따라 큰 입사(entry) 개구를 가져야만 한다. 이는 광학 에러(예를 들어, 렌즈 에러)로 이어질 수 있으며, 개별 빔들을 서로 조정하거나 또는 미세 조정하는 것을 어렵게 할 수 있다. 또한, 대형-포맷 렌즈 구성요소들은 더 높은 비용 및 복잡한 설치 공간 요구사항으로 이어질 수 있다.

본 발명은 빔들이 다수의 레이저 빔들에 대해 병합되는 것을 가능하게 하는 것을 목적으로 하며, 이는 설치 공간 요구사항 및 광학 조정의 적용 시 유연성을 제공한다.

상기 목적은 청구항 1에 따른 광학 장치에 의해 달성된다. 이는 적어도 2개의 레이저 광원들로부터의 레이저 빔들을 결합 빔(combination beam)으로, 즉 개별 레이저 빔들로부터 병합된 광 빔으로, 특히 공간적으로 병합된 빔들의 번들(결합 빔 번들)의 형태로 변환하기 위한 장치이다. 상기 광학 장치는 상기 결합 빔이 빔 웨이스트(beam waist)를 갖도록 설계된다.

상기 광학 장치는 레이저 빔들에 대해 적어도 2개의 개별 광 채널을 제공하도록 설계된 광학 빔 안내 시스템을 포함한다. 이 정도로, 각각의 레이저 빔은 적어도 2개의 광 채널 중 하나로 연장된다. 각 광 채널은, 상기 광학 장치가 레이저 광원으로 작동 될 때, 관련된 광 채널의 채널 출력 빔이 출사하는 광학 종단 수단(optical terminating means)을 포함한다.

편향체(deflecting body)는 광 채널들 중 적어도 하나에 제공되며, 그리고 상기 관련된 광 채널과 관련되어 있다. 상기 편향체는 관련된 광 채널의 채널 출력 빔만 캡처되고 다른 광 채널의 채널 출력 빔은 이런 편향체에 의해서는 캡처되지 않도록 설계된다. 캡처된 채널 출력 빔은 편향체에 의해 상기 결합 빔의 초점 영역의 방향으로 지향되거나 또는 편향된다.

따라서 다수의 레이저 광원들로부터의 레이저 빔들은, 상기 빔 웨이스트 전방의 빔 경로에서 개별 광 채널로 안내된다. 광 채널은, 특히 광 빔이 다른 광 채널로부터 공간적으로 분리되도록 및/또는 광학적으로 분리되도록 상기 광 채널로 안내된다는 사실에 의해 구별된다. 광 채널은 광학적으로 유효한 다수의 구성요소들(렌즈들, 다이어프램들, 거울들, 등)을 포함할 수 있다. 특히, 상기 광학 종단 수단은 각각의 광 채널의 종단을 형성하는데, 이런 수단은 예를 들어 수렴 렌즈(converging lens)로서 설계된 수단이다.

레이저 빔들을 개별 광 채널들로 안내하면, 적어도, 각각의 광 채널의 광학적으로 유효한 구성요소들만 제한된 크기를 가져야만 한다는 이점을 제공하는데, 그 이유는 상기 관련된 광 채널의 광만 구성요소에 의해 캡처되어야 하기 때문이다. 특히, 실시예에 따라 큰 치수를 갖는 렌즈들이 요구되지 않으며, 이에 따라 구성 공간이 절약되고, 렌즈 에러가 감소될 수 있다. 또한, 개별 광 채널들에서 다양한 레이저 빔들의 빔 특성들이 서로 독립적으로 형성되고 그리고 미세 조정될 수 있다. 상기 개별 광 채널들은 전체 구조의 개선된 확장성으로도 나타난다. 전체 광학 구조를 변경하지 않고서도, 추가적인 채널이 추가될 수 있다.

상기 다양한 광학 종단 수단을 빠져나가는 빔들은 적어도 하나의 편향체에 의해 병합되어, 상기 결합 빔의 빔 웨이스트를 형성한다. 이와 관련하여, 빔 웨이스트의 배광은 다수의 레이저 광원들에 의해 공급된다. 상기 빔 웨이스트는 결합 빔이 가장 작은 빔 단면을 갖는 영역으로서, 즉 결합 빔의 가장 협소한 지점으로서 정의된다.

특히, 편향체들은 편향체 전방의 광의 전파 방향이 편향체 이후의 전파 방향으로부터 벗어나도록 설계된다. 이와 관련하여, 빔 웨이스트에 수렴하는 번들은 편향체들에 의해 다양한 채널 출력 빔들로부터 발생된다. 상기 편향체들은 전파 방향에 영향을 끼치는 데 바람직하게 사용된다. 서로 떨어져 있는 레이저 빔들은 대형-포맷 렌즈 없이 병합될 수 있다. 결과적으로, 서두에 개략적으로 서술한 문제가 감소될 수 있다.

기재된 장치에 의해, 개별 편향체들의 위치, 정렬 및/또는 설계를 변경하는 것이 가능하며, 따라서 특히 빔 웨이스트에서 결합 빔의 특성을 조정하는 것이 가능하다. 이와 관련하여, 빔 웨이스트 이후의 결합 빔에 대한 유효 발산 각도(effective divergence angle)는 편향체들의 위치, 정렬 및/또는 설계를 통해 특정될 수 있다.

현재의 맥락에서, 빔(광 빔, 레이저 빔, 채널 출력 빔, ...)은 기하학적 광학의 의미에서 이상적인 빔을 지정하는 것이 아니라, 물리적인 이유로 항상 유한한 정도의 단면을 갖는 실제 광 빔을 지정한다. 예를 들어, 레이저 빔의 경우, 빔 단면의 강도 곡선(intensity curve)은 레이저 광원과 관련된 레이저 모드들에 의해 영향을 받는다.

광학 장치는 상이한 레이저 광원들로부터 다수의(특히 > 3 ) 레이저 빔들을 병합하도록 바람직하게 설계된다. 특히, 광학 장치는 다수의(특히 > 3) 광 채널들을 포함한다. 예를 들어, 상기 광학 장치는 레이저 빔들이 광학 빔 안내 시스템의 입력측 영역에서 서로 나란히 연장되도록, 특히 나란히 그룹화되어 연장되도록 설계될 수 있다. 광 채널들은, 특히 채널당 레이저 광원으로부터 오직 하나의 레이저 광 빔만 연장되도록 각각 설계되었다. 특히, 편향체가 광 채널과 관련되거나, 또는 광 채널을 빠져나가는 채널 출력 빔이 결합 빔의 빔 웨이스트 내로 직접 전달된다.

편향체는 각각의 광 채널과 바람직하게 관련된다. 이는 특히 다양한 광 채널들의 채널 출력 빔들이 상기 관련 광학 종단 수단을 통과한 후 상기 빔 웨이스트의 방향으로 초기에 연장되지 않을 때 유리하다.

단순화된 구조는, 예를 들어 상기 장치의 작동 중 관련 광학 종단 수단을 통해 빠져나가는 채널 출력 빔이 초기에 초점 영역의 방향을 향하지 않는 전파 방향을 가질 때, 편향체가 오직 광 채널에만 관련된다는 사실로부터 기인한다. 이와 관련하여, 편향체는 특히 빔 웨이스트가 채널 출력 빔의 출사 방향에 있지 않은 광 채널에 대해서만 제공된다. 다른 채널 출력 빔들은 편향체 없이 빔 웨이스트로 안내될 수 있다.

현재의 맥락에서, 빔(광 빔, 레이저 빔, 채널 출력 빔, ...)의 전파 방향은 특히 포인팅 벡터(Poynting vector)의 공간 평균이라는 관점에서, 공간적으로 평균화된 출력 방향을 나타낸다.

상기 광학 빔 안내 시스템은, 모든 광 채널들(또는 그 광학 종단 수단들)을 빠져나가는 채널 출력 빔들이 모두 주 방향(main direction)에 평행한 전파 방향을 갖도록, 바람직하게 설계된다. 상기 주 방향은 특히 광학 빔 안내 시스템의 광축(optical axis)을 형성한다. 이와 관련하여, 채널 출력 빔들은 초기에는 서로 평행하게 다양한 광 채널들을 빠져나가며, 상기 편향체들에 의해 결합되어, 초점 영역에 빔 웨이스트를 형성한다.

그러나 채널 출력 빔들이 광학 종단 수단을 빠져나간 직후에 상이한 방향으로 연장되는 것도 가능하다. 예를 들어, 상기 광학 빔 안내 시스템은 광 채널들을 빠져나가는 채널 출력 빔들의 일부 또는 전부가 이미 초점 영역을 향한 지향성 성분(directional component)을 갖도록 설계될 수 있다. 이는 편향체에 의해 요구되는 편향을 감소시킨다.

적어도 하나의 편향체는, 캡처된 채널 출력 빔이 광 입사면을 통해 편향체 내로 방사되고 그리고 상이한 광 출사면을 통해 편향체를 빠져나가도록, 광학 전송 시스템으로서 바람직하게 설계된다. 상기 광 입사면은 바람직하게는 광 출사면에 대해 비스듬히 배향된다. 상기 광 입사면 및 광 출사면 자체는 평탄한 것이 바람직하다.

유리한 실시예에 따라, 상기 편향체는 레이저 빔들에 대해 투명한 재료로 일체(one piece)로 형성된다. 상기 재료는 레이저 빔들에 대해 1 보다 큰 굴절률을 바람직하게 가지며, 이에 따라 편향체의 경계면에서의 굴절 효과로 인해 편향이 발생한다.

편향체는 캡처된 채널 출력 빔의 발산 각도(divergence angle) 또는 발산 공간 각도(divergence spatial angle)가 상기 편향체에 의한 편향 전후에 실질적으로 변하지 않도록 유리하게 설계된다. 이와 관련하여, 편향체는 빔을 번들링(bundling)하기 위한 및/또는 확장(widening)하기 위한 렌즈 수단으로는 사용되지 않는 것이 바람직하며, 오히려 빔 웨이스트의 방향으로 관련 빔을 안내하고 편향시키는 데만 실질적으로 사용된다. 빔의 발산 특성을 변경하기 위한 광학 기능은 각각의 광 채널의 렌즈 수단에 의해, 특히 광학 종단 수단에 의해 제공될 수 있다. 이러한 실시예에 있어서, 임의의 포커싱 및 필수적인 편향은 상이한 광학 구성요소들에 의해 실시된다. 광학 기능의 이런 분리는 광학 장치의 조정을 단순화할 수 있다.

특히, 적어도 하나의 편향체가 광학 프리즘으로서 설계되는 것이 가능하다.

추가의 실시예에 있어서, 상기 광학 장치는 특히 빔 웨이스트 이후의 빔 경로에 또는 빔 웨이스트에 배치되는 렌즈 수단을 갖는다. 상기 렌즈 수단은 특히 후속의 빔 변환 요소에 결합되기 위한 결합 빔을 형성하도록 설계된다. 상기 렌즈 수단은 빔 웨이스트 이후의 결합 빔을 시준하거나 평행화하는 데 사용되는 콜리메이터 렌즈(collimator lens)로서 바람직하게 설계된다. 이는 결합 빔이 빔 웨이스트 이후에 바람직하지 않게 다시 발산되는 것을 방지한다. 그 후, 시준된 번들(collimated bundle) 또는 텔레센트릭으로 연장(telecentrically extending)되는 광 번들은, 예를 들어 선형 배광(linear light distribution)을 형성하기 위해 광학적으로 추가로 프로세싱될 수 있다.

상기 콜리메이터 렌즈는 적어도 한쪽 측부 상에 초점 면(focal plane) 또는 초점 라인(focal line)을 바람직하게 갖는다. 콜리메이터 렌즈는 상기 초점 면 또는 초점 라인이 초점 영역을 통해, 즉 빔 웨이스트를 통해 연장되도록 배치될 수 있다. 이와 관련하여, 빔 웨이스트는 콜리메이터 렌즈와 관련하여 초점 거리의 물체측에 바람직하게 배치된다. 상기 콜리메이터 렌즈는 예를 들어 수렴 렌즈로서 설계되었다. 특히, 콜리메이터 렌즈는 광학 장치의 실제 출력 개구를 형성한다. 그 후, 결합 빔은, 선택적으로 시준 후에, 상기 출력 개구를 통해 빠져나가서, 추가로 프로세싱될 수 있다.

추가의 실시예에 있어서, 상기 광학 빔 안내 시스템은 적어도 일부 광 채널들에 또는 각각의 광 채널에, 빔 형성을 위한 애너모픽(anamorphic) 광학 시스템, 특히 빔 형성을 위한 텔레스코프(telescope)를 포함하며, 상기 광 채널의 광학 종단 수단은 이런 광 채널에서 애너모픽 광학 시스템(특히 텔레스코프)의 구성요소이다. 텔레스코프는, 그 서로 마주 보는 초점 면이 일치하도록[대략적으로 케플러 텔레스코프(Keppler telescope) 방식으로], 특히 빔 경로에서 서로 뒤따르며 그리고 그 추가된 초점 거리로부터 거리를 두고 배치되는 2개의 수렴 렌즈를 포함할 수 있다. 상기 텔레스코프는 레이저 빔들이 관련의 광 채널에서 애너모픽하게 변형되도록, 적어도 하나의 광 채널에 애너모픽 텔레스코프로서 바람직하게 설계된다. 특히, 상기 텔레스코프는 광 채널에서 레이저 빔들의 전파 방향과 직교하는 축선을 따라 이미지 스케일의 원통형 변화(cylindrical change)를 가져오도록 설계된다.

상기 광학 빔 안내 시스템은 상기 빔 경로에 직렬로 배치되고 또한 2개의 상이한 왜곡 방향에 대해(특히 2개의 직교 방향에 대해) 동작하는 2개의 애너모픽 텔레스코프를, 각각의 광 채널에 바람직하게 포함한다. 결과적으로, 빔 특성이 2개의 직교 축선에 대해 조정될 수 있다.

서두에 설명한 목적은 선형 빔 단면을 갖는 유용한 배광을 발생하기 위한 레이저 시스템에 의해서도 달성된다. 상기 레이저 시스템은 레이저 빔들을 방출하기 위해 적어도 2개의 레이저 광원들을 포함한다. 레이저 시스템은 또한 상기 언급된 타입의 광학 장치를 포함하며, 여기서 상기 광학 장치는 레이저 광원들로부터의 레이저 빔들이 결합 빔으로 변환되도록 배치된다. 상기 결합 빔은 빔 경로를 따라 광학 재형상 시스템에 의해 추가로 프로세싱되어, 원하는 선형의 유용한 배광으로 재형상되며, 그리고 선택적으로 균질화된다. 상기 광학 재형상 시스템은 결합 빔의 빔 웨이스트 이후의 빔 경로에 배치된다. 다수의 레이저 광원들에 의해 공급된 결합 광 빔은 광학 장치에 의해 발생되고, 그 결합 광 빔은 상기 광학 재형상 시스템에 의해 원하는 선형의 유용한 배광으로 변환된다. 광학 장치, 특히 편향체 및/또는 광학 종단 수단을 조정함으로써, 상기 결합 빔의 빔 특성은 광학 재형상 시스템에 일치될 수 있다.

상기 광학 재형상 시스템은 빔 웨이스트에 또는 상기 빔 웨이스트에 공간적으로 근접하여, 선택적으로는 전술한 바와 같이 시준 렌즈(collimation lens) 이후의 빔 경로에 바람직하게 배치된다. 이에 따라, 상기 광학 재형상 시스템은 비교적 작은 공간 치수를 갖도록 설계될 수 있다.

본 발명의 추가 세부사항 및 가능한 실시예가 도면을 참조하여 이하에 보다 상세히 기재된다.
도 1은 선형의 유용한 배광을 발생하기 위한 레이저 시스템을 평면도로 개략적으로 도시하고 있다.
도 2는 도 1에 따른 레이저 시스템을 측면도로 개략적으로 도시하고 있다.
도 3은 광학 장치를 평면도로 개략적으로 도시하고 있다.
도 4는 추가적인 광학 장치를 평면도로 개략적으로 도시하고 있다.
도 5는 추가적인 광학 장치를 측면도로 개략적으로 도시하고 있다.
도 6은 도 5에 따른 광학 장치를 평면도로 개략적으로 도시하고 있다.
도 7은 2개의 광 채널들을 각각 포함하는 2개의 그룹들을 갖는 레이저 시스템을 개략적으로 도시하고 있다.
도 8은 2개의 광 채널들을 갖는 광학 장치를 개략적으로 도시하고 있다.
도 9는 2개의 광 채널들을 갖는 장치에 대해 도 6에 대응하는 모습을 도시하고 있다.

이하의 기재 및 도면에서는, 동일하거나 또는 대응하는 특징부에 대해 동일한 도면부호가 사용되었다.

도 1은 선형 빔 단면을 갖는 유용한 배광(L)을 발생하기 위한 레이저 시스템(10)의 개략도를 도시하고 있다.

일부 도면에는 오른손 데카르트 좌표계(right-handed Cartesian coordinate system)가 도시되어 있다. 기하학적 관계를 설명하기 위해 상기 좌표계의 정의된 방향을 참조하였지만, 이는 장치의 배열 및 정렬을 제한하려고 의도하는 것은 아니다. 특히, 레이저 시스템(10)의 개별 유닛들은 상이한 배향을 가질 수 있다. 도시된 예에 있어서, 유용한 배광은 X-Y 평면에서 Y 방향으로 선형으로 연장된다.

상기 레이저 시스템(10)은, 예를 들어 연관된 레이저 빔들(14a 내지 14f)을 각각 방출하기 위한 다수의 레이저 광원들(12a 내지 12f)을 포함할 수 있다. 물론, 다수의 레이저 빔들(예를 들어, 14a 내지 14c, 또는 14a 내지 14f)을 방출하는 데 적합한 하나의 레이저 광원도 사용될 수 있다. 도시된 예에 있어서, 레이저 광원들(12a 내지 12f)은 상기 레이저 빔들(14a 내지 14f)이 레이저 시스템(10)의 입력측 영역에 3개의 레이저 빔들을 각각 포함하는 2개의 그룹들로 연장되도록 배치된다. 예를 들어, 상기 레이저 빔들(14a 내지 14f)은 공통 평면에(도시된 예에서는 Y-Z 평면에) 배치된다.

상기 레이저 빔들(14a 내지 14f)은, 다수의 레이저 빔들(14a 내지 14c 및 14d 내지 14f)을 각각의 경우에 결합 빔(18)으로 변환하는 데 사용되는 광학 장치(16)에 입사된다. 도시된 예에 있어서, 광학 장치(16)는 제1 그룹의 레이저 빔들(14a 내지 14c)이 결합 빔(18)으로 병합되고, 제2 그룹의 레이저 빔들(14d 내지 14f)이 결합 빔(18')으로 병합되도록 설계된다. 자세한 설명은, 상기 제1 그룹의 레이저 빔들(14a 내지 14c) 및 이들에 작용하는 광학 구성요소들만 예시적으로 참조되었다. 제2 그룹의 레이저 빔들(14d 내지 14f)이 그에 따라 광학적으로 처리될 수 있다.

광학 장치(16)에 있어서, 레이저 빔들(14a 내지 14c)은 초기에는 개별 광 채널들(22a 내지 22c)을 제공하는 광학 빔 안내 시스템(20)으로 연장된다. 도시된 예에 있어서, 각 레이저 빔들(14a 내지 14c)은 각각의 광 채널(22a 내지 22c)로 연장된다. 광 채널들(22a 내지 22c)로 안내되는 레이저 빔들(14a 내지 14c)은, 광학 빔 결합 시스템(24)으로 전달되고, 결합 빔(18)을 형성하도록 그 내부에서 병합된다.

그 후, 결합 빔(18)은, 상기 결합 빔(18)을 원하는 선형의 유용한 배광(L)으로 재형상하는 광학 재형상 시스템(26)을 통해 안내된다. 상기 광학 재형상 시스템(26)에 대해 다양한 실시예가 가능하다. 예를 들어, 광학 재형상 시스템(26)은 초기에 결합 빔(18)의 빔 특성을 이방성으로 변경하는 빔 변환 요소(28)를 포함할 수 있다. 도시된 예에 있어서, 상기 빔 변환 요소(28)는 Y 방향으로 결합 빔(18)의 빔 파라미터 곱(product) 또는 회절 지수(diffraction index)(M²)를 증가시키며, 또한 X 방향으로 빔 파라미터 곱 또는 회절 지수(M²)를 감소시킨다(도 2 참조).

상기 광학 재형상 시스템은 바람직한 방향(예를 들어 Y 방향)으로 강도 분포를 균질화하도록 설계된, 개략적으로 도시된 균질기(homogenizer)(30)를 포함할 수도 있다.

도 2는 도 1에 따른 레이저 시스템(10)을 측면도로 개략적으로 도시하고 있다. 도시된 예에 있어서, 레이저 빔들(14a 내지 14f) 모두는 하나의 평면에서 연장되며, 이에 따라 도 2에 따른 뷰에서는 상하로 있다. 본 발명의 기본적인 양태는 레이저 빔들(14a 내지 14f)을, 오직 하나의 동작 방향(도시된 예에서는 Y 방향)에 대해서만 병합하고 결합하는 광학 장치(16)로 구성될 수 있다. 이와 관련하여, 상기 광학 장치(16)는 특히 레이저 빔들(14a 내지 14f)이 바람직한 방향과 직교하는 방향(도시된 예에서는, X 방향)에 대해 실질적으로 영향을 받지 않은 상태로 유지되도록 설계될 수 있다. 상기 광학 빔 안내 시스템(20)은 또한 광 채널들(22a 내지 22c)에 안내된 레이저 빔들(14a 내지 14c)을 미리 형성하도록 바람직하게 설계된다. 예를 들어, 각각의 광 채널들에서 빔 특성들에 영향을 끼치기 위해, 적어도 하나의 텔레스코프(32, 32')가 적어도 하나의 광 채널(22a 내지 22c)에 제공될 수 있다. 이러한 텔레스코프(32, 32')는 광학 빔 형성 시스템으로서 동작하며, 또한 특히 광 채널(14a 내지 14f)에서 빔 단면을 변경하도록 설계될 수 있다. 상기 텔레스코프는 애너모픽 광학 특성들을 갖는 것이 가능하다. 예를 들어, 애너모픽 텔레스코프(32)가 광 채널(22a 내지 22c)에 제공될 수 있으며, 상기 텔레스코프는 제1 방향(도시된 예에서는, Y 방향)에 대해 빔 특성들에 영향을 끼친다. 또한, 추가적인 텔레스코프(32')가 빔 경로의 앞에 또는 뒤에 제공될 수 있으며, 상기 텔레스코프는 이와 직교하는 방향(도시된 예에서는, X 방향; 도 2 참조)으로 빔 특성들을 변경한다. 상기 텔레스코프들(32, 32')에 대해서는 다양한 실시예가 가능하다. 예를 들어, 텔레스코프들(32, 32')은 갈릴레오 텔레스코프(Galileo telescope) 또는 케플러 텔레스코프로서 설계될 수 있다. 특히, 텔레스코프들(32, 32')을 적어도 2개의 수렴 렌즈(34a, 34b 또는 34a', 34b')의 배열로서 설계하는 것이 가능하며, 상기 수렴 렌즈들은 그 초점 면이 빔 경로에서 그들 사이에 일치하도록 설계된다.

도 3에서 알 수 있는 바와 같이, 상기 광학 빔 안내 시스템(20)은 각각의 광 채널(22a 내지 22c)에 대해 광학 종단 수단(36a 내지 36c)을 갖는다. 별도의 광학 종단 수단(36a 내지 36c)은 각각의 개별 광 채널(22a 내지 22c)과 바람직하게 관련된다. 관련의 광 채널(22a 내지 22c)에 안내된 레이저 방사선은 관련 광학 종단 수단(36a 내지 36c)을 통해 관련의 채널 출력 빔(38a 내지 38c)으로서 출사된다. 이와 관련하여, 정확히 하나의 채널 출력 빔(38a 내지 38c)이 각각의 개별 광 채널(22a 내지 22c)과 관련된다.

상기 광학 종단 수단(36a 내지 36c)은 관련의 광 채널(22a 내지 22c)에서 텔레스코프(32)의 렌즈에 의해 유리하게 제공될 수 있다. 바람직하게는, 관련의 텔레스코프(32)의 출력측 렌즈(34b)는 관련의 광 채널(22a 내지 22c)에 광학 종단 수단(36a 내지 36c)을 형성한다.

광학 빔 안내 시스템(22)은, 채널 출력 빔들(38a 내지 38c)이 관련 광학 종단 수단(36a 내지 36c)(도 3 참조)을 빠져나간 후, 초기에 모두 주 방향(40)으로 연장되도록 설계될 수 있다. 특히, 광 채널들(22a 내지 22c)은 채널 출력 빔들(38a 내지 38c)이 광축[주 방향(40)으로 연장되는 광축]에 대해 대칭적으로 배치되도록 설계되는 것이 가능하다. 도 3의 예에 있어서, 채널 출력 빔들(38a 내지 38c)은 Y-Z 평면에서 중앙 채널 출력 빔(38b)에 대해 축방향으로 대칭으로 연장된다. 이와 관련하여, 중간 채널 출력 빔(38b)은 시스템의 광축 상의 주 방향(40)으로 연장된다. 그러나 이러한 실시예는 필수적인 것이 아니다. 채널 출력 빔들(38a 내지 38c)이 특히 수렴 광 번들을 형성하도록 서로에 대해 부분적으로 비스듬히 연장되는 것이 유리할 수도 있다.

광학 장치(16)는 또한 다수의 편향체들(42a 내지 42c)을 포함한다. 각각의 편향체(42a 내지 42c)는 광 채널들(22a 내지 22c) 중 하나와 관련된다. 관련의 편향체(42a 내지 42c)는, 상기 편향체가 오직 각각의 관련의 광 채널(22a 내지 22c)의 채널 출력 빔(38a 내지 38c)만 캡처하도록 치수를 가지며 그리고 배치된다. 특히, 관련의 편향체(42a 내지 42c)는 각각의 관련 광학 종단 수단(36a 내지 36c)의 영역에 배치된다.

상기 편향체들(42a 내지 42c)은 광학 전송 시스템(optical transmission system)으로서, 즉 전송 효과(transmitting effect)를 갖는 광학체(optical body)로서 바람직하게 설계된다. 그러나 편향체들(42a 내지 42c)이 광학 반사 시스템(optical reflection system)으로서, 특히 거울의 결합 배열로서 각각 설계되는 것도 가능하다. 편향체들은 상기 편향체(42a 내지 42c)에 의해 캡처된 채널 출력 빔(38a 내지 38c)이 광학 장치(16)의 초점 영역(44)으로 편향되도록, 그리고 상기 결합 빔(18)의 빔 웨이스트(46)가 그 곳에 형성되도록, 각각의 관련의 채널 출력 빔들(38a 내지 38c) 상에 동작한다.

특히, 관련의 캡처된 채널 출력 빔(38a 내지 38c)은 편향체(42a 내지 42c)의 경계면들에서 굴절에 의해 편향된다. 특히, 각각의 편향체는 광 입사면(48)을 가지며, 이를 통해 각각의 캡처된 채널 출력 빔(38a 내지 38c)이 상기 관련의 관련 편향체(42a 내지 42c)에 결합된다. 상기 편향체(42a 내지 42c)는 또한 광 출사면(50)을 가지며, 이를 통해 캡처된 그리고 결합된 채널 출력 빔(38a 내지 38c)이 다시 편향체(42a 내지 42c)를 떠나 초점 영역(44)을 향한 지향성 성분을 갖는다. 이는 특히 광 입사면에 대해 비스듬하게 배향된 광 출사면에 의해 달성될 수 있다.

도시된 예에 있어서, 편향체들(42a 내지 42c)은 광학 프리즘들 형태의 단일체들(mololithic bodies)로서 설계된다.

정확히 하나의 편향체(42a 내지 42c)가 각각의 광 채널(22a 내지 22c)과 관련되어 있다면 유리할 수 있다(도 3 참조). 이는 각각의 채널 출력 빔(38a 내지 38c)에 대한 전파 방향을 정밀하게 조정할 수 있게 하며, 따라서 빔 웨이스트(46)에서 결합 빔(18)의 특성에 영향을 끼칠 수 있다.

그러나, 빠져나가는 채널 출력 빔(38a 내지 38c)이 원하는 초점 영역(44)의 방향으로 전파되지 않는 광 채널들(22a 내지 22c)에 대해서만, 편향체들(42a 내지 42c)을 제공하는 것이 유리할 수도 있다. 대응의 실시예가 도 4에 예로서 도시되어 있다. 중앙 광 채널(22b)의 광학 종단 수단(36b)을 통해 출사되는 채널 출력 빔(38b)은, 이미 주 방향(40)으로 시스템의 광축 상으로 연장되어, 초점 영역(44)을 향하고 있다. 이와 관련하여, 편향체에 의한 편향의 필요성은 없다. 그러나 엣지측(edge-side) 광 채널들(36a 및 36c)에 대해서는, 대응하는 관련의 편향체들(42a 및 42c)이 제공된다. 이런 실시예는 콤팩트한 광학 빔 결합 시스템(24)으로 이어진다.

후속의 빔 변환 요소(28)와 결합하기 위한 결합 빔(18)을 준비하기 위해, 광학 장치(16)는 렌즈 수단(52)을 포함할 수 있다. 특히, 렌즈 수단은 결합 빔(18)을 시준하는 데 사용되고 및/또는 이를 주 방향(40)에 대해 평행화하는 데 사용되는 콜리메이터 렌즈(52)로서 설계될 수 있다. 상기 콜리메이터 렌즈(52)는 빔 웨이스트(46) 후속의 빔 경로에 바람직하게 배치된다. 콜리메이터 렌즈(52)는 결합 빔(18)을 바람직하게 완전히 캡처하며, 이와 관련하여 특히 빔 웨이스트(46)의 영역에서 발산 각도로 조정된다.

상기 콜리메이터 렌즈는 초점 면(54)을 정의하는 수렴 렌즈로서 바람직하게 설계된다. 상기 콜리메이터 렌즈(52)는 특히 초점 면(54)이 빔 웨이스트(46)를 통해 연장되도록 배치된다. 결과적으로, 결합 빔(18)이 콜리메이터 렌즈(52)를 통과한 후 평행화되고, 이와 관련하여 작은 발산 각도를 갖는 후속의 빔 변환 요소(28)에 입사된다. 상기 콜리메이터 렌즈가 빔 웨이스트(46) 전방의 빔 경로에 배치되는 확산 렌즈로서 설계되는 것도 가능하다.

채널 출력 빔들(38a 내지 38c)은 원칙적으로 광학 종단 수단(36a 내지 36c)후속의 빔 경로에 배치된 단일의 원통형 렌즈(56)에 의해 편향될 수도 있다(도 6 참조).

상기 원통형 렌즈(56)는 특히 광 채널들(22a, 22b, 22c)이 나란히 배열되는 평면에서 광을 번들링하도록 동작한다. 이와 관련하여, 원통형 렌즈(56)는 광 채널들(22a 내지 22c)이 나란히 연장되는 평면과 직교하여 연장되는 축선을 바람직하게 갖는다.

상기 원통형 렌즈(56)는 모든 채널 출력 빔들(38a 내지 38c)이 캡처되고 상기 초점 영역(44)에 의해 번들링되어 그 곳에 빔 웨이스트를 형성하도록 치수를 갖는 것이 바람직하다. 이러한 실시예는 원통형 렌즈(56)에 대한 추가적인 구성요소가 실질적으로 생략될 수 있는 특히 간단한 광학 빔 결합 시스템(24')을 형성한다(도 6 참조).

특히, 큰 초점 길이를 갖는 원통형 렌즈(56)가 선택되었을 때, 상기 결합 빔(18)은 빔 웨이스트(46)의 영역에서 작은 발산 각도를 가지며, 그 후 후속의 빔 변환 요소(28)에 직접 공급된다.

도 6과 관련하여 기재된 광학 빔 결합 시스템(24')은 애너모픽 효과를 가지며, 따라서 빔 결합 평면과 직교하는 섹션에서 결합 빔(18)의 빔 특성에 거의 영향을 끼치지 않는다(도 5 참조).

도 1 내지 도 6은 예를 들어 3개의 광 채널들(22a 내지 22c)에서 레이저 빔들을 병합하여 결합 빔(18)을 형성하는 광학 장치(16)를 도시하고 있다. 이런 실시예가 필수적인 것은 아니다. 특히, 장치에 있어서 광 채널들의 수는 상이하게 선택될 수 있다.

이는 2개의 광 채널을 사용하여 작동되는 광학 장치(16)를 각각 도시하는 도 7 내지 도 9를 참조하여 설명된다. 레이저 빔들은, 예를 들어 2개의 레이저 빔들을 각각 포함하는 2개의 그룹들로 연장된다. 예시를 위해, 광 채널들(22a, 22b)에 2개의 레이저 빔들(14a, 14b)을 갖는 하나의 그룹만이 설명된다.

도 1의 실시예와 유사하게, 광학 장치(16)의 레이저 빔들(14a, 14b)은 초기에는 2개의 개별 광 채널들(22a, 22b)을 제공하는 광학 빔 안내 시스템(20)으로 연장된다. 광 채널들(22a, 22b)에 안내된 레이저 빔들(14a, 14b)은 광학 빔 결합 시스템(24)으로 전달되고, 그 안에서 결합되어 결합 빔(18)을 형성한다. 그 후, 결합 빔(18)은 다시 빔 변환 요소(28)를 통해 안내되며, 상기 빔 변환 요소는 결합 빔(18)을 원하는 선형의 유용한 배광(L)으로 재형상하는 데 기여한다.

관련의 채널 출력 빔(38a 또는 38b)은 관련의 광 채널(22a 또는 22b)의 광학 종단 수단(36a 또는 36b)을 통해 출사된다(도 8 참조). 도시된 예에 있어서, 편향체(42a 또는 42b)는 채널 출력 빔들이 병합되어 기재된 방식으로 빔 웨이스트(46)를 형성하도록, 각각의 광 채널(22a 또는 22b)과 관련되어 있다.

2개의 광 채널들(22a, 22b)을 갖는 장치인 경우에, 원통형 렌즈(56)에 의해 채널 출력 빔들(36a, 36b)을 편향시키는 것이 도 9에 도시되어 있다. 원통형 렌즈(56)는 광학 종단 수단(36a, 36b)의 후속의 빔 경로에 배치되어, 2개의 광 채널들(22a, 22b)을 캡처한다.

Claims

적어도 2개의 레이저 광원들(12a-12f)로부터의 레이저 빔들(14a-14f)을, 빔 웨이스트(46)를 갖는 결합 빔(18)으로 변환하는 광학 장치(16)에 있어서,
상기 광학 장치(16)는, 상기 레이저 빔들(14a-14c)에 대해 적어도 2개의 개별 광 채널들(22a-22c)이 제공되도록 설계된 광학 빔 안내 시스템(20)을 포함하고, 각각의 광 채널(22a-22c)은 상기 관련의 광 채널(22a-22c)의 채널 출력 빔(38a-38c)을 출사하는 광학 종단 수단(36a-36c)을 포함하고,
오직 하나의 광 채널(22a-22c)과 관련된 적어도 하나의 편향체(42a-42c)가 제공되며, 상기 편향체(42a-42c)는, 상기 관련의 광 채널(22a-22c)의 상기 채널 출력 빔(38a-38c)만 캡처되고 또한 상기 캡처된 채널 출력 빔(38a-38c)이 초점 영역(44)의 방향으로 편향되도록 설계되는, 광학 장치(16).
청구항 1에 있어서,
최대 하나의 편향체(42a-42c)가 하나의 광 채널(22a-22c)과 관련되는, 광학 장치(16).
청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
각각의 광 채널(22a-22c)에 대해 하나의 편향체(42a-42c)가 제공되는, 광학 장치(16).
청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
편향체(42a-42c)는, 상기 광 채널(22a, 22c)의 상기 광학 종단 수단(36a, 36c)을 통해 출사하는 채널 출력 빔(38a, 38c)이, 상기 초점 영역(44)의 방향을 향하지 않는 전파 방향을 가질 때만, 광 채널(22a-22c)과 관련되는, 광학 장치(16).
청구항 1 내지 청구항 4 중의 어느 한 항에 있어서,
상기 광학 빔 안내 시스템(20)은 상기 광 채널들(22a-22c)로부터 출사되는 상기 채널 출력 빔들(38a-38c)이 모두 공통의 주 방향(40)과 평행한 전파 방향을 갖도록 설계되는, 광학 장치(16).
청구항 1 내지 청구항 5 중의 어느 한 항에 있어서,
상기 편향체(42a-42c)는 광학 전송 시스템으로서 설계되고, 상기 캡처된 채널 출력 빔(38a-38c)은 광 입사면(48)을 통해 상기 편향체(16) 내로 방사되고, 광 출사면(50)을 통해 상기 편향체(42a-42c)로부터 출사되는, 광학 장치(16).
청구항 6에 있어서,
상기 광 입사면(48)은 상기 광 출사면(50)에 대해 비스듬하게 연장되는, 광학 장치(16).
청구항 1 내지 청구항 7 중의 어느 한 항에 있어서,
상기 편향체(42a-42c)는 상기 레이저 빔들에 투명한 재료로 단일체로 형성되는, 광학 장치(16).
청구항 1 내지 청구항 8 중의 어느 한 항에 있어서,
상기 편향체(42a-42c)는, 상기 캡처된 채널 출력 빔(38a-38c)의 발산이 상기 편향체(42a-42c)에 의해 편향되기 전과 후에 변하지 않도록 설계되는, 광학 장치(16).
청구항 1 내지 청구항 9 중의 어느 한 항에 있어서,
상기 편향체(42a-42c)는 광학 프리즘으로서 설계되는, 광학 장치(16).
청구항 1 내지 청구항 10 중의 어느 한 항에 있어서,
상기 편향체(42a-42c)는 광학 반사 시스템으로서 설계되는, 광학 장치(16).
청구항 1 내지 청구항 11 중의 어느 한 항에 있어서,
상기 빔 웨이스트(46)의 후속의 빔 경로에 또는 상기 빔 웨이스트(46)에 배치되는 렌즈 수단(52)이 제공되는, 광학 장치(16).
청구항 12에 있어서,
상기 렌즈 수단은 적어도 한쪽 측부 상에 초점 면(54) 또는 초점 라인을 갖는 콜리메이터 렌즈(52)로서 설계되고, 상기 콜리메이터 렌즈(52)는 상기 초점 면(54) 또는 초점 라인이 상기 초점 영역(44)을 통해 연장되도록 배치되는, 광학 장치(16).
청구항 1 내지 청구항 13 중의 어느 한 항에 있어서,
각각의 광 채널(22a-22c)의 상기 광학 빔 안내 시스템(20)은 빔 형성을 위한 텔레스코프(32)를 포함하며, 상기 광학 종단 수단(36a-36c)은 각각의 광 채널(22a-22c)에서 상기 텔레스코프(32)의 구성요소인, 광학 장치(16).
청구항 14에 있어서,
상기 텔레스코프(32)는 애너모픽 텔레스코프로서 설계되는, 광학 장치(16).
선형 빔 단면을 갖는 유용한 배광(L)을 발생하는 레이저 시스템(10)으로서:
- 적어도 2개의 레이저 광원들(12a-12f), 여기서 각각의 레이저 광원(12a-12f)은 적어도 하나의 레이저 빔(14a-14f)을 방출하도록 설계되고;
- 청구항 1 내지 청구항 15 중의 어느 한 항에 따른 광학 장치(16), 여기서 상기 광학 장치(16)는 상기 레이저 광원들(12a-12f)의 상기 레이저 빔들(14a-14f)이 상기 결합 빔(18)으로 변환되도록 배치되고;
- 상기 결합 빔(18)으로부터 선형 강도 프로필을 형성하는 광학 재형상 시스템(26);
을 포함하며,
상기 광학 재형상 시스템(26)은 상기 결합 빔(18)의 상기 빔 웨이스트(46) 이후의 빔 경로에 배치되는, 레이저 시스템(10).