KR20210108488A - 플라스틱으로 제조된 무열 레이저 광학계 - Google Patents

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예놉틱 옵틱컬 시스템즈 게엠베하
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Abstract

본 발명은 렌즈 및 플라스틱 하우징 및 물체 거리(S1)를 조정하기 위한 수동 조정 시스템을 포함하는, 초점에 집속된 레이저 방사선을 발생시키기 위한 무열화 장치에 관한 것이다. 수동 조정 장치는 유효 열팽창 계수(I)를 갖는다.
Figure pct00063
(I).

Description

플라스틱으로 제조된 무열 레이저 광학계
본 발명은 초점에 집속된 레이저 방사선을 발생시키기 위한 장치의 무열화(athermalization)에 관한 것이다.
DE112006002396은 온도 보정된 레이저 집속 광학계(optics)를 개시하며, 낮은 열팽창 계수를 갖는 스페이서가 레이저 소스와 집속 렌즈 사이에 제공된다. 이러한 배치에 따라, 온도 의존성을 감소시킬 수 있지만, 초점 위치의 온도 의존성을 보정할 수 없다.
US6650412는 만곡 요소(flexural element)에 의한 광학 장치의 온도 보정을 개시한다. 이러한 배치는 고비용의 금속 구성 요소를 필요로 한다.
EP0932113은 플라스틱으로 제조된 집속 렌즈를 갖는 파장-의존 열 보정된 광학계를 개시한다. 여기서 제안된 것은, 렌즈의 초점 거리의 열 변화를 보정하는, 집속 렌즈의 하류의 빔 경로에 배치된 회절 광학 요소이다. US5410563은 렌즈 및 프레넬 렌즈에 의해 레이저 빔을 시준하는 장치를 개시한다.
회절 요소 및 프레넬 렌즈는 바람직하지 않게 좋지 않은 효율을 갖는다. 또한, 회절 요소에서 후방 반사가 발생할 수 있으며, 이는 레이저 공진기를 방해할 수 있다.
US6292312는 무열화 렌즈 홀더를 개시한다. 상이한 크기의 동심 튜브로 구성된 알려진 튜브 장치의 대안으로서, 경사진 외측 원뿔형 쉘(shell)을 갖는 요소가 제안된다. 이러한 요소는 비선형일 수 있으며, 제한된 온도 범위 내의 보정을 허용할 수 있다.
EP0564376은 만곡 베어링 상에 장착된 만곡 플레이트 상에서 레버리지(leverage)에 의해 보정 링의 효과가 향상될 수 있는 무열화 시준을 개시한다. 이러한 목적을 위해, 복잡한 만곡 베어링이 필요하다.
GB2254959는 상이한 열팽창 계수를 갖는 2개의 동심 슬리브에 의한 레이저의 시준 렌즈의 무열화를 개시한다. 이러한 보정은 레이저 파장의 온도 의존성을 무시한다. 또한, 하우징 재료의 열팽창이 고려되지 않는다. 따라서, 제한된 온도 범위 내에서만 보정이 가능하다.
EP0318970은 온도 보정된 시준기를 갖는 레이저 요소를 개시한다.
US4861137은 초점 거리 플라스틱 렌즈 중 하나의 온도 의존성을 보정하기 위한 바이메탈 요소(bimetallic element)를 갖는 렌즈 홀더를 개시한다.
US4720168은 초점 렌즈의 분산과 함께 레이저의 파장 의존성과 관련하여 초점 거리를 보정하는 것을 개시한다.
Ali H. Al-Hamdani 및 Raghad I.Ibrahim의 "적외선 광학계의 무열화"(전류 공학 및 기술의 국제 저널, vol. 5, no. 5 3162~3165(2015년))는, 렌즈의 온도 의존성을 보정하기 위해, 광축을 따라 초점면 뒤에 배치된 상이한 열팽창 계수를 갖는 요소의 조합에 의해 초점면을 이동시키는 것을 개시한다.
발명의 목적
본 발명의 목적은, 넓은 온도 범위에 걸쳐서 작동 가능한, 초점에 집속된 레이저 방사선을 발생시키기 위한 저비용의 장치를 명시하는 것이다.
발명의 이점
초점에 집속된 레이저 방사선을 발생시키기 위한 본 발명의 장치는 넓은 온도 범위에 걸쳐서 작동 가능하고, 저비용으로 제조 가능하다. 플라스틱으로 제조된 단일 렌즈만이 장치를 위해 필요한 것이 바람직하다. 고비용의 유리 렌즈 또는 색지움 렌즈(achromatic lens) 조합을 사용해야 할 필요가 없게 할 수 있다.
목적의 달성
목적은, 청구항 제1항에 청구된 바와 같은 초점에 집속된 레이저 방사선을 발생시키기 위한 저비용의 장치, 및 청구항 제8항에 청구된 바와 같은 사용법에 의해 달성된다.
설명
초점(9)에 집속된 레이저 방사선을 발생시키기 위한 장치(1)는,
- 중심 파장(λ), 및 중심 파장의 온도 의존성(
Figure pct00001
)을 갖는 레이저 다이오드(3);
- 굴절률(n), 굴절률의 파장 의존성(
Figure pct00002
), 굴절률의 온도 의존성(
Figure pct00003
), 및 열팽창 계수(
Figure pct00004
)를 갖는 제1 플라스틱으로 제조된, 초점 거리(f)를 갖는 렌즈(8)로서, 렌즈는 초점(9)에서 레이저 방사선의 광 영상(optical image)을 야기하고, 광 영상은 물체 거리(s1)를 갖는, 렌즈(8);
- 열팽창 계수(
Figure pct00005
)를 갖는 제2 플라스틱으로 제조된 하우징(11);
- 물체 거리(s1)의 조정을 위한 유효 열팽창 계수(
Figure pct00006
)를 갖는 수동 조정 장치(12)를 포함하며, 유효 열팽창 계수는,
Figure pct00007
이다.
초점은 광축 상에 놓일 수 있지만, 반드시 그럴 필요는 없다. 기하학적 방사선 광학계의 목적을 위해, 초점은, 렌즈에 의해 회절된 수렴 광선의 교차점으로 간주될 수 있다. 파동 광학계의 관점에서, 초점은 가우스 빔 웨이스트(Gaussian beam waist), 즉 가우스 빔의 웨이스트일 수 있다.
바람직하게는, 제1 플라스틱은, 투명 플라스틱, 예를 들어, 폴리스티렌(PS), 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET), 폴리알릴디글리콜 카보네이트(PADC), 폴리카보네이트(PC), 폴리메틸메타크릴레이트(PMMA), 시클로올레핀 폴리머(COP) 또는 합성 수지, 예를 들어, 페놀 수지, 요소 수지, 멜라민 수지, 폴리에스테르 수지, 또는 에폭시 수지일 수 있다.
바람직하게는, 제2 플라스틱은, 예를 들어, PS, PVC, PET, PADC, PC, PMMA, PEEK, PE, PP, COP, 폴리술폰(PSU) 또는 합성 수지, 예를 들어 페놀 수지, 요소 수지, 멜라민 수지, 폴리에스테르 수지, 또는 에폭시 수지일 수 있다. 제2 플라스틱은, 예를 들어, 카본 또는 염료와 같은 혼합물을 사용하여 착색되거나/착색되고 광을 흡수하도록 변형될 수 있다. 마찬가지로, 바람직하게는, 제2 플라스틱은 섬유 강화될 수 있다.
장치는 전달 행렬(
Figure pct00008
)을 가질 수 있으며, 여기서 인덱스는 각각 0 내지 1의 범위일 수 있다. 여기서, 이는
Figure pct00009
는 렌즈 이후의 자유 빔의 전달 행렬이고,
Figure pct00010
는 렌즈 이전의 자유 빔의 전달 행렬이며,
Figure pct00011
는, 여기서 얇은 렌즈의 통상적인 근사치로 알려진 렌즈의 전달 행렬인 경우일 수 있다.
영상 거리(s2)는, 하우징 재료의 온도 의존성(
Figure pct00012
)을 가질 수 있다. 이는 하우징의 열팽창을 통해 광축을 따라 타겟 초점 위치가 이동하거나 이동하도록 의도됨을 의미할 수 있다. 렌즈의 초점 거리(f)는, 3개의 열 영향 파라미터에 따라 좌우될 수 있다. 열팽창 계수(
Figure pct00013
)에 기초하여, 온도가 변화하는 경우, 초점 거리를 변화시키는 렌즈의 형상의 변화가 있을 수 있다. 굴절률의 온도 의존성(
Figure pct00014
)의 결과로서, 초점 거리의 변화가 있을 수 있다. 또한, 레이저의 파장, 즉, 레이저 방사선의 중심 파장은, 온도 의존성(
Figure pct00015
)으로 인한 온도의 변화에 따라 변화될 수 있다. 마찬가지로, 렌즈의 굴절률의 파장 의존성(
Figure pct00016
)으로 인해, 렌즈의 초점 거리의 변화가 이에 따라 있을 수 있다.
급수에 대한 전달 행렬의 1차 전개는,
Figure pct00017
을 나타내며,
기준 온도는 T 0이고, 기준 온도로부터의 온도 변화량은 ΔT이다. 전달 행렬의 미분은,
Figure pct00018
이며,
조정 장치의 유효 열팽창 계수는,
Figure pct00019
및
Figure pct00020
이다.
기준 온도에서 영상의 평면에서의 변환된 빔 벡터의 0번째 인덱스, 및 광학계의 개구 내에서 광축에 대한 빔의 임의의 각도(
Figure pct00021
)가 0인 조건에 따라,
Figure pct00022
이고,
기준 온도에서의 이미징 조건은 다음과 같이 획득된다:
Figure pct00023
마찬가지로, 이미징 조건은 상이한 온도에서 적용 가능해야 한다:
Figure pct00024
그리고 이제 이동된 이미징 평면에서,
Figure pct00025
이러한 목적을 위해, 이는,
Figure pct00026
인 경우이어야 한다.
위의 수식의 계산은, 조정 장치의 요구된 유효 열팽창 계수를 유도한다:
Figure pct00027
이는 본 발명에 따라 안출된다.
예를 들어, 렌즈는,
Figure pct00028
, n = 1.579,
Figure pct00029
, 및
Figure pct00030
인 제1 플라스틱 PC로 이루어질 수 있다. 렌즈는 초점 거리 f = 5 mm를 가질 수 있으며, 이는 물체 거리 s1 = 7 mm일 수 있고, 영상 거리 s2 = 17.5 mm일 수 있다. 하우징은,
Figure pct00031
인 제2 플라스틱, 흑화 PC로 이루어질 수 있다. 레이저 다이오드는, 온도 의존성
Figure pct00032
인 650 nm의 파장을 가질 수 있다. 이러한 실시예에서, 본 발명에 따라, 조정 장치의 유효 열팽창 계수(
Figure pct00033
)를 제공할 필요가 있다.
두꺼운 렌즈의 경우, 물체 거리(s1) 및 영상 거리(s2)는, 렌즈의 물체측/영상측 주평면과 관련하여 공지된 방식으로 각각 알려져 있을 수 있다. 얇은 렌즈의 근사치에서, 물체측 및 영상측 주평면이 거의 일치하기 때문에, 공통 주평면을 가정하는 것이 가능하다.
바람직한 실시형태에서, 본 발명의 장치는, 광 영상이 물체 거리의 5배(
Figure pct00034
) 초과의 영상 거리(s2)를 갖는 것을 특징으로 할 수 있다. 따라서, 이미징 작업은 확대일 수 있다. 마찬가지로, 바람직하게는, 본 발명의 장치는, 광학 영상이 물체 거리의 20배(
Figure pct00035
) 미만의 영상 거리(s2)를 갖는 것을 특징으로 할 수 있다. 영상 거리는 예를 들어, 5 mm 내지 25 mm일 수 있다.
바람직하게는, 레이저 다이오드는, 단일-모드 레이저 다이오드일 수 있다. 이는 빔 선질 계수(quality factor) M2 < 1.3인 레이저 방사선을 방출할 수 있다. 바람직하게는, 레이저 다이오드는, 600 nm 내지 800 nm의 파장 범위로부터 선택될 수 있다. 레이저 다이오드의 중심 파장은, 온도에 따라, 예를 들어, 0.25...0.40 nm/K만큼 변경될 수 있다. 레이저 방사선은 선형 편광일 수 있다.
바람직하게는, 본 발명의 장치는, 초점이 빔 선질 계수 M2 < 1.3을 갖는 영상 빔 웨이스트의 형태를 취하는 것을 특징으로 할 수 있다. 바람직하게는, 렌즈는 비구면 렌즈의 형태를 취할 수 있다. 이는 하나 또는 2개의 비구면을 가질 수 있다. 결과적으로, 레이저 다이오드의 빔 선질 계수를 달성하는 것이 가능하다. 렌즈는 회전 대칭 렌즈일 수 있다. 대안적으로, 비점수차 렌즈를 사용하는 것도 가능하다. 이 경우, 빔 경로는 자오적 평면(meridional plane)에 지정될 수 있다. 원기둥 렌즈의 경우, 이는 활성 평면일 수 있다. 일반적으로, 비점수차 렌즈의 경우, 최단 초점 거리를 갖는 자오적 평면을 사용하는 것이 가능하다. 레이저 다이오드는, 비점수차 렌즈를 통해 보정될 수 있는 비점수차를 가질 수 있다.
조정 장치의 유효 열팽창 계수는
Figure pct00036
일 수 있다.
조정 장치는, 열팽창 계수
Figure pct00037
를 갖는 제1 스트레처(stretcher)를 포함할 수 있다. 바람직하게는, 제1 스트레처의 팽창 계수는, 하우징의 열팽창 계수(
Figure pct00038
)보다 더 클 수 있다. 바람직하게는, 제1 스트레처의 길이(l a)는, 물체 길이(s1)보다 더 클 수 있다. 조정 장치는, 제1 스트레처에 반작용하고 더 낮은 열팽창 계수(
Figure pct00039
)를 갖는 제2 스트레처(14)를 포함하는 것도 가능하다. 바람직하게는, 이는
Figure pct00040
인 경우일 수 있다. 제2 스트레처는 길이(l b)를 가질 수 있다. 길이(l b)는, 대략 거리(s1)만큼 길이(l a)보다 더 짧을 수 있다. 제1 스트레처는 제3 플라스틱으로 이루어질 수 있다. 제2 스트레처는, 제4 플라스틱, 유리, 세라믹, 예를 들어, Al2O3, ZrO, 또는 금속으로 이루어질 수 있다. 2개의 구조물의 조합은, 제1 스트레처의 열팽창 계수를 초과하는 열팽창 계수를 달성할 수 있다. 조정 장치의 유효 열팽창 계수는,
Figure pct00041
일 수 있다. 제1 스트레처 및/또는 제2 스트레처는 튜브형 형태일 수 있다.
바람직하게는, 제3 플라스틱은, 예를 들어, PS, PVC, PET, PADC, PC, PMMA, PEEK, PE, PP, PSU, COP, 또는 합성 수지, 예를 들어 페놀 수지, 요소 수지, 멜라민 수지, 폴리에스테르 수지, 또는 에폭시 수지일 수 있다. 제3 플라스틱은, 예를 들어, 카본 또는 염료와 같은 혼합물을 사용하여 착색되거나/착색되고 광을 흡수하도록 변형될 수 있다.
바람직하게는, 제4 플라스틱은, 예를 들어, 액정 폴리머(LCP), PS, PVC, PET, PADC, PC, PMMA, PEEK, PE, PP, PSU COP 또는 합성 수지, 예를 들어 페놀 수지, 요소 수지, 멜라민 수지, 폴리에스테르 수지, 또는 에폭시 수지일 수 있다. 제4 플라스틱은, 예를 들어, 카본 또는 염료와 같은 혼합물을 사용하여 착색되거나/착색되고 광을 흡수하도록 변형될 수 있다. 마찬가지로, 바람직하게는, 제4 플라스틱은, 섬유로 강화되거나/강화되고 세라믹 입자로 충전될 수 있다. 이러한 방식으로, 시재료에 비해, 열팽창 계수(
Figure pct00042
)를 감소시키는 것이 가능하다. 바람직한 섬유는, 아라미드, 유리, 또는 탄소 섬유일 수 있다.
본 발명의 장치는 적어도 -40℃ 내지 +85℃의 온도 범위 내에서 무열화될 수 있다. 바람직하게는, 제3 플라스틱은, 지정된 온도 범위의 최대 온도를 초과하는 유리 전이 온도를 가질 수 있다. 특히 바람직하게는, 제1 및 제2 플라스틱은, 지정된 온도 범위의 최대 온도를 초과하는 유리 전이 온도를 가질 수도 있다.
물리적 또는 기술적 파라미터의 측정을 수행하기 위한 목적으로 샘플을 조명하기 위해, 본 발명의 장치(1)를 사용하는 것이 바람직할 수 있다. 측정될 파라미터는, 예를 들어, 광의 편광 평면의 회전, 특정 파장의 광에서의 샘플의 흡수, 샘플에 존재하는 입자 또는 이질물에서의 광의 산란, 샘플 중의 입자의 크기 또는 수, 또는 샘플의 형광 방사선의 강도일 수 있다.
도면은 다음을 도시한다:
도 1은 제1 실시예를 도시한다.
실시예
본 발명은 이하에서 실시예로 설명된다.
도 1은 제1 실시예를 도시한다. 초점(9)에 집속된 레이저 방사선을 발생시키기 위한 도시된 장치(1)는,
- 중심 파장(λ), 및 중심 파장의 온도 의존성(
Figure pct00043
)을 갖는 레이저 다이오드(3);
- 굴절률(n), 굴절률의 파장 의존성(
Figure pct00044
), 굴절률의 온도 의존성(
Figure pct00045
), 및 열팽창 계수(
Figure pct00046
)를 갖는 제1 플라스틱으로 제조된, 초점 거리(f)를 갖는 렌즈(8)로서, 렌즈는 초점(9)에서 레이저 방사선의 광 영상을 야기하고, 광 영상은 물체 거리(s1)를 갖는, 렌즈(8);
- 열팽창 계수(
Figure pct00047
)를 갖는 제2 플라스틱으로 제조된 하우징(11);
- 물체 거리(s1)의 조정을 위한 유효 열팽창 계수(
Figure pct00048
)를 갖는 수동 조정 장치(12)를 포함하며, 유효 열팽창 계수는,
Figure pct00049
이다.
장치는 광축(2)을 갖는다. 레이저 다이오드는, 레이저 다이오드 칩(5)이 배치된 레이저 다이오드 하우징(4)을 포함한다. 레이저 다이오드 하우징(4)의 전방은, 레이저 방사선(7)이 방출되는 윈도우를 구비한다. 레이저 다이오드의 전기 접점은, 접점 핀(6)에 의해 제조된다. 레이저 다이오드는, 렌즈(8)에 의해 초점(9)에 집속되는 광선(7) 다발을 방출한다. 초점은 도면에서 가우스 빔 웨이스트로서 표시된다. 하우징(11)에 연결되거나 하우징(11) 내에 통합되는 측정 챔버의 형태를 취할 수 있는 측정 체적(10) 내에 초점이 있다.
또한, 열팽창 계수
Figure pct00050
를 갖는 제1 스트레처(13), 및 제1 스트레처에 반작용하고 열팽창 계수
Figure pct00051
를 갖는 제2 스트레처(14)를 포함하는 조정 장치(12)가 있다. 제1 스트레처는 제3 플라스틱으로 이루어진다.
측정 체적(10)은, 물리적 또는 기술적 파라미터의 측정을 수행하기 위한 목적으로 샘플을 수용하도록 의도될 수 있다. 측정될 파라미터는, 예를 들어, 광의 편광 평면의 회전, 특정 파장의 광에서의 샘플의 흡수, 샘플에 존재하는 입자 또는 이질물에서의 광의 산란, 샘플 중의 입자의 크기 또는 수, 또는 샘플로부터의 형광 방사선의 강도일 수 있다. 측정될 광 산란은, 고전적 산란, 미에 산란(Mie scatter), 또는 레일리 산란(Rayleigh scatter)일 수 있다.
참조 번호
1: 초점에 집속된 레이저 방사선을 발생시키기 위한 장치
2: 광축
3: 레이저 다이오드
4: 레이저 다이오드 하우징
5: 레이저 다이오드 칩
6: 전기 접점
7: 집속된 빔
8: 렌즈
9: 초점
10: 측정 체적
11: 하우징
12: 조정 장치
13: 제1 스트레처
14: 제2 스트레처

Claims (8)

  1. 초점(9)에 집속된 레이저 방사선을 발생시키기 위한 장치(1)로서,
    - 중심 파장(λ), 및 상기 중심 파장의 온도 의존성(
    Figure pct00052
    )을 갖는 레이저 다이오드(3);
    - 굴절률(n), 상기 굴절률의 파장 의존성(
    Figure pct00053
    ), 상기 굴절률의 온도 의존성(
    Figure pct00054
    ), 및 열팽창 계수(
    Figure pct00055
    )를 갖는 제1 플라스틱으로 제조된, 초점 거리(f)를 갖는 렌즈(8)로서, 상기 렌즈는 상기 초점(9)에서 상기 레이저 방사선의 광 영상을 야기하고, 상기 광 영상은 물체 거리(s1)를 갖는, 렌즈(8);
    - 열팽창 계수(
    Figure pct00056
    )를 갖는 제2 플라스틱으로 제조된 하우징(11);
    - 상기 물체 거리(s1)를 조정하기 위한 유효 열팽창 계수(
    Figure pct00057
    )를 갖는 수동 조정 장치(12)를 포함하며,
    상기 유효 열팽창 계수는,
    Figure pct00058
    인,
    초점(9)에 집속된 레이저 방사선을 발생시키기 위한 장치(1).
  2. 제1항에 있어서,
    상기 광 영상은, 상기 물체 거리의 5배(
    Figure pct00059
    ) 초과의 영상 거리(s2)를 갖는 것을 특징으로 하는, 장치(1).
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 레이저 다이오드(3)는, 빔 선질 계수 M2 < 1.3인 레이저 방사선을 방출하는 것을 특징으로 하는, 장치(1).
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 초점(9)은, 빔 선질 계수 M2 < 1.3을 갖는 영상 빔 웨이스트의 형태를 취하거나/취하며,
    상기 렌즈(8)는, 비구면 렌즈의 형태를 취하는 것을 특징으로 하는, 장치(1).
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 조정 장치의 상기 유효 열팽창 계수는,
    Figure pct00060
    인 것을 특징으로 하는, 장치(1).
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 조정 장치(12)는, 열팽창 계수
    Figure pct00061
    를 갖는 제1 스트레처(13), 및 상기 제1 스트레처에 반작용하고 열팽창 계수
    Figure pct00062
    를 갖는 제2 스트레처(14)를 가지며,
    상기 제1 스트레처는 제3 플라스틱으로 이루어지는 것을 특징으로 하는, 장치(1).
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
    적어도 -40℃ 내지 +85℃의 온도 범위 내에서 무열화되거나/무열화되며,
    상기 제3 플라스틱이 상기 온도 범위를 초과하는 유리 전이 온도를 갖는 것을 특징으로 하는, 장치(1).
  8. 물리적 또는 기술적 파라미터의 측정을 수행하기 위한 목적으로 샘플을 조명하기 위한 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 따른 장치(1)의 사용법.
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