KR20220086667A - 광학 무선 파워 시스템의 안전 작동을 위한 광학 파워 미터 - Google Patents

Abstract

레이저 빔의 파워를 측정하는 시스템은 레이저 빔이 출구 조리개를 통해 지향되는 본질적으로 불투명한 인클로저를 포함한다. 인클로저는 출구 조리개를 통해 레이저빔의 대부분을 투과시키고, 레이저빔의 작은 부분을 반사시키도록 구성된 빔 스플리터; 레이저 빔의 반사된 작은 부분이 그 위에 충돌하도록 위치된 확산기 요소; 확산기 요소와 광 통신하는 적어도 하나의 검출기 요소로서, 검출기 요소가 그 위에 충돌하는 레이저 빔의 작은 부분의 확산된 광에 응답하여 신호를 제공하는, 검출기 요소; 및 출구 조리개를 통해 인클로저에 들어가고 빔 스플리터에 의해 반사된 임의의 광의 일부가 흡수기 요소에 충돌하고 본질적으로 흡수되도록 위치된 흡수기 요소를 포함한다.

Description

광학 무선 파워 시스템의 안전 작동을 위한 광학 파워 미터

본 발명은 레이저 기반 충전 시스템을 위한 정확한 파워 미터를 제공함으로써, 특히 레이저에 대한 과도한 노출을 방지하는데 사용하기 위한 모바일 장치의 원격 충전을 위한 안전 시스템 분야에 관한 것이다.

최근 몇 년 동안, 배터리로 작동되는 많은 모바일 시스템이 개발되었으며, 그들의 배터리는 전형적으로 약 1 내지 60 Wh의 용량을 가지므로, 이들 장치를 재충전해야 하기 전에 몇 시간 내지 몇 주 동안 작동할 수 있다. 그러한 모바일 시스템의 충전 시간은 전형적으로 12 시간 미만이므로, 충전기는 해당 시간 프레임 내에 배터리를 충전하기 위해서 약 1 내지 5W의 전력을 공급할 필요가 있다. 그러한 모바일 시스템을 위해서 원격 레이저 충전 시스템이 개발되어, 광학 파워를 전력으로 변환하고 충전하는 동안 모바일 장치를 전원에 유선으로 연결할 필요가 없다. 광학 파워와 전력 사이의 변환 효율을 고려하면, 광학 충전 시스템의 운반 빔의 광학 파워는 전형적으로 몇 와트이다.

안전을 보장하는 것은 원격 레이저 기반 충전 시스템의 요구 사항이다. 등급 I 레이저에 대한 접근 가능한 방출 한계(AEL)는 미국 연방 규정 21 CFR ~1040 및 기타 문서에 정의되어 있다. 등급 1 레이저는 정상적인 사용의 모든 조건에서 안전하다. 이는 육안으로 또는 전형적인 확대 광학장치(예를 들어, 망원경 또는 현미경)를 사용하여 레이저를 볼 때 최대 허용 노출(MPE)을 초과할 수 없음을 의미한다. 허용 가능한 시간보다 긴 시간 또는 허용 가능한 출력 제한보다 높은 출력에 사람이 노출되면, 시스템이 등급 I 레이저로 분류되지 않아서 그러한 레이저가 일반 대중에 적합하지 않다.

위에서 언급한 규정에 따르면 1060 nm에서 1W의 7 mm 가우시안 빔(Gaussian beam)에 대해 수 와트의 전력을 갖는 빔에 대한 허용 노출 시간이 마이크로초 정도로 짧기 때문에, 레이저 노출 시간이 허용 시간을 초과하기 전에 자동 빔 차단을 용이하게 하려면 효율적인 능동 안전 시스템이 필요하다. 그러한 안전 시스템은 안전한 작동을 보장하기 위해서 전송기에서 방출되는 광학 파워를 정확하게 측정해야 한다.

대부분의 현재 레이저 전력 전송 시스템에는 파워 미터가 포함되어 있지 않거나 장치의 장기간 작동에 대해 정확한 결과를 제공하는데 적합하지 않을 수 있는 파워 미터가 포함된다. 그러한 종래 기술 시스템은 시간 경과에 따라 자연적으로 발생하는 빔 형상의 변화, 파장의 변화 또는 시스템 자체의 광학 특성의 변화를 고려하지 않을 수 있다. 따라서 장기간에 걸쳐 안전한 작동을 보장할 만큼 충분히 신뢰할 수 없다.

예를 들어, US 2007/0019693 호에서 D.S.Graham의 ”Wireless power beaming to common electronic devices”에 대해 설명된 시스템은 포토다이오드(28)를 사용하여 렌즈의 후면 반사를 측정한다. 이러한 방법은 수신기에 도달하지 못했고 수신기에서 전력으로 변환되지 않았기 때문에 낭비되었을 빛만 사용하므로, 전력 효율적이다. 그러나 포토다이오드는 렌즈 정렬 불량, 먼지, 파장 변화에 민감하며(렌즈에는 일반적으로 유전체 코팅이 있으므로, 그러한 코팅은 파장 변화에 민감한 것으로 공지되어 있음) 재보정 없이는 시간이 지남에 따라 신뢰할 수 있는 측정을 제공하지 않는다. 또한 외부 소스의 포토다이오드 조명에도 매우 민감하다.

공동 발명자를 가지며 본 출원인이 공동으로 소유하고 있는 Della-Pergola의 US 2014/0126603 호는 또한, 누출 거울(leaking mirror)을 사용하여 빔을 단일 포토다이오드로 향하게 한다. 이러한 설계는 먼지, 정렬 불량 및 빔 형상 변경에 취약할 수도 있는데, 이는 특히 이들 구성 중 일부에 렌즈가 사용되기 때문이다. 본 출원과 공통의 발명자를 가지는 "system for optical wireless power supply"에 대한 US 9,312,701 호는 빔에서의 파워 손실 검출에 기초하여 빔 내의 물체 검출을 제안한다. 공동 발명자를 가지며 본 출원인이 공동으로 소유하고 있는 US 2014/0092929 호는 또한, 안전을 보장하기 위해 빔의 파워 및 형상을 모니터링할 것을 제안한다.

많은 안전 시스템은 전송기에서 방출되는 레이저 파워의 측정에 의존한다. 현재 기술은 레이저 파워를 측정하기 위해서 파워 미터를 사용하는 것을 제안하고, 때로는 빛의 일부를 포토다이오드에 커플링하기 위해서 렌즈 표면의 반사 또는 "누출" 미러를 사용하도록 지정하지만, 그러나 파워 미터의 정확한 교정을 장기간에 걸쳐 유지할 수 있는 시스템을 제공하지 못하여 안전한 작동을 위해 빈번한 재교정이 필요하다.

따라서, 종래 기술 시스템 및 방법의 단점 중 적어도 일부를 극복하는 원격 광학 충전 시스템의 안전성을 보장하기 위해서 장기적이고 정확하며 신뢰할 수 있는 파워 미터가 필요하다.

명세서의 이러한 섹션 및 다른 섹션에서 언급된 각각의 공보의 개시는 각각 그 전체가 원용에 의해 본 발명에 포함된다.

본 발명은 재교정 및/또는 세정이 필요 없이 장기간에 걸쳐 신뢰성 있고 정확한 광학 파워 측정을 보장하는 파워 측정 모듈을 이용하여 최소한의 전력 손실로 장기간에 걸쳐 안전한 운용이 가능한 레이저 기반 무선 전력 전송 시스템의 안전 시스템을 개시한다.

본 개시에 설명된 파워 측정 시스템은 고효율 및 저비용을 선호하는 더욱 전통적인 접근 방식에 비해 장기간의 신뢰성, 안전성 및 유지 보수가 필요 없는 작동을 제공한다. 시스템은 반사된 레이저 광과 환경으로부터의 표류 광이 모두 쉽게 충돌할 수 있는 방향과 위치에 검출기를 배치하는 대신에, 검출기가 레이저의 출구 조리개 근처에 배치되지만 레이저와 마주보아서, 인클로저(enclosure)에 들어오는 외부 광이 인클로저의 벽에 의해 흡수되고 검출기에 충돌하지 않는다는 점에서 이전 시스템과 상이하다. 또한, 현재 개시된 파워 미터는 메인 빔에 대한 낮은 파워 손실과 범위 손실 없이 파워 측정에 안정성을 제공하는 다수의 요인을 설명한다. 이들 요인에는 빔 모드, 파장, 온도, 광학 구성 요소의 열화 및 투과율과 반사의 변화, 광학 및 전자 표면의 먼지 축적, 메인 빔에서 내부 반사("고스트(ghost)")에 의한 측정 바이어싱(biasing) 및 외부 조명에 의한 측정의 바이어싱의 변화 측면에서 탄력성이 포함된다.

따라서, 본 개시에 설명된 장치의 예시적인 구현에 따라서 레이저 빔의 파워를 측정하는 시스템이 제공되며, 상기 시스템은 레이저 빔이 출구 조리개를 통해 지향되는 본질적으로 불투명한 인클로저를 포함하며, 인클로저는:

(ⅰ) 출구 조리개를 통해 레이저빔의 대부분을 투과시키고, 레이저빔의 작은 부분을 반사시키도록 구성된 빔 스플리터;

(ⅱ) 레이저 빔의 반사된 작은 부분이 그 위에 충돌하도록 위치된 확산기 요소;

(ⅲ) 확산기 요소와 광 통신하는 적어도 하나의 검출기 요소로서, 검출기 요소가 그 위에 충돌하는 레이저 빔의 작은 부분의 확산된 광에 응답하여 신호를 제공하는, 검출기 요소; 및

(ⅳ) 출구 조리개를 통해 인클로저에 들어가고 빔 스플리터에 의해 반사된 빛의 일부가 흡수기 요소에 충돌하고 본질적으로 흡수되도록 위치된 흡수기 요소를 포함한다.

그러한 시스템에서, 레이저는 인클로저에, 또는 인클로저 외부에 배치되고 그의 빔을 인클로저로 지향시킨다.

또한, 레이저에 대한 검출기의 광학적 커플링 효율은 인클로저 외측의 임의의 다른 위치에 대한 검출기의 광학적 커플링보다 실질적으로 더 클 수 있다.

또한, 빔 스플리터에 의해 전송된 빔의 주요 부분의 파면의 형태는 본질적으로 빔 스플리터를 통한 통과에 영향을 받지 않아야 한다.

위에서 설명된 임의의 시스템에서, 레이저 빔에 의해 전송된 파워 대 검출기 요소에 의해 수신된 파워의 비율은 빔의 파장이 평균값으로부터 최대 3 nm까지 변경될 때 본질적으로 고정되어야 한다. 또한, 레이저 빔에 의해 전송된 파워 대 검출기 요소에 의해 수신된 파워의 비율은 빔의 편광이 평균값으로부터 변경될 때 본질적으로 고정되어야 한다. 또한, 레이저 빔에 의해 전송된 파워 대 검출기 요소에 의해 수신된 파워의 비율은 빔의 빔 프로파일이 평균값으로부터 변경될 때 본질적으로 고정되어야 한다.

임의의 이들 시스템에서, 빔 스플리터는 투명한 전면과 반사 방지 후면을 포함할 수 있다. 또한, 확산기 요소는 빔 프로파일을 가로질러 빔으로부터의 신호를 균등화하도록 구성될 수 있다. 확산기 요소는 검출기 요소를 균질하게 조명하도록 구성된 오목 형상을 가질 수 있다.

검출기 소자와 관련하여, 검출기 요소는 한 쌍의 인접한 검출기를 포함하며검출기는 검출된 빔이 한 쌍의 검출기 모두에 충돌하도록 위치된다. 그러한 경우에, 레이저 빔은 레이저 다이오드에 의해 생성되며, 한 쌍의 검출기는 레이저 빔의 고속 축이 검출기의 중심을 연결하는 라인과 평행하도록 배열되어야 한다.

마지막으로, 이들 시스템 모두에서 출구 조리개를 통해 투과되는 레이저 빔의 대부분은 소스 레이저 빔의 80% 초과일 수 있다.

현재 청구된 발명은 도면과 함께 취해진 다음의 상세한 설명으로부터 더욱 완전하게 이해되고 인식될 것이다.
도 1은 1050 nm 파장과 7 mm 직경의 빔에 대해 최대 허용 노출 시간이 파워의 함수로 어떻게 감소하는지 보여준다.
도 2a 및 2b는 종래 기술의 빔 스플리터와 검출기 사이의 몇 가지 차이점과 본 발명의 설명에 개시된 것을 보여준다.
도 3은 재보정 없이 장기간에 걸쳐 광학 충전 시스템의 파워를 정확하게 측정하기 위한 예시적인 시스템을 도시한다.
도 4는 핫스팟이 식별되는, 장축과 단축에 걸쳐 가변 파워를 갖는 다이오드 레이저의 전형적인 빔 프로파일을 도시한다.
도 5는 장축 및 단축에 걸친 파워 변화를 예시하는 예시적인 레이저를 도시한다.
도 6a 및 도 6b는 파워 미터에 의한 측정의 정확도를 개선하기 위한 추가적인 구조적 구성요소를 도시한다.
도 7은 예시적인 구현에서 파워 미터의 구성요소를 도시한다.

1050 nm 파장과 7 mm 직경의 빔에 대한 최대 허용 노출 시간을 보여주는 그래프인 도 1을 먼저 참조하며, 빔 파워의 함수로서 허용 노출 시간의 감소를 보여준다.

이제 빔 스플리터가 전파 방향의 반대 방향으로, 그리고 출력 파워에 비례하는 신호를 제공하기 위해 검출기를 향하여 방출된 레이저 빔의 작은 부분을 반사하기 위해서 빔 스플리터가 사용되는 방법을 예시하는 종래 기술의 빔 전송 시스템을 도시하는 도 2a를 참조한다. 전형적으로, 빔의 약 98%가 투과되고 레이저 광의 2%가 후방으로 반사되어 검출기에 충돌한다. 그러나 검출기는 대부분의 레이저 광이 투과되는 조리개를 향하고 있기 때문에, 조리개로 들어오는 환경으로부터의 입사광도 검출기에 영향을 미치므로 얻은 측정값이 왜곡될 수 있다.

많은 종래 기술 시스템은 전력 측정 센서를 순방향이 아닌 역방향 또는 후방 방향으로 공지된 방향으로 배치한다는 점에서, 외부 조명의 간섭에 취약하게 만드는 설계 문제를 겪고 있다.

소위 "레이저의 역방향(backward direction of the laser)"은 파워 미터가 그에 대해 민감한 파장에 대해 레이저에서 파워 미터 또는 포토다이오드로(photodiode)의 전송 효율이 전송기 외부의 적어도 한 지점에서의 전송 효율에 비해 더 작은 모든 방향이다.

소위 "레이저의 순방향(forward direction of the laser)"은 파워 미터가 그에 대해 민감한 파장에 대해 레이저(21B)에서 파워 미터 또는 포토다이오드로의 전송 효율이 전송기 외부의 임의의 지점으로부터의 전송 효율에 비해 더 큰 방향으로 정의된다.

따라서, 후방 방향에서, 시스템 외부로부터 검출기(25B)로의 광의 커플링은 검출기에 대한 광학 반사 레이저(21A)의 커플링보다 더 크다. 예를 들어, 누설 백 미러는 종종 파워 측정에 사용된다. 레이저의 백미러는 특정 레이저 파장에 대해 높은 반사율을 갖도록 설계되었으며 전형적으로 외부에서 올 때 전력 측정을 위조할 수 있는 다른 파장에 대해 투과성이다. 파워 미터가 레이저의 백미러 뒤에 위치하는 경우, 약 0.1%의 레이저 광이 검출기에 커플링될 수 있고, 외부로부터의 광의 5% 정도가 레이저에 커플링될 수 있다. 레이저의 파워를 측정하기 위해 빔의 작은 부분이 분리되어 파워 미터나 검출기로 향한다. 레이저에 대한 검출기의 구성과 스플리터의 각도는 모두 검출기의 정확도에 영향을 미친다. Graham의 US 2007/0019693 호는 스플리터로서 렌즈 후면을 사용하여 렌즈 표면으로부터 후면 반사를 측정한다. US 2014/0126603 호에서 Della Pergola는 (또한 "역" 방향으로)레이저의 백미러를 파워 측정을 위한 커플러로서 사용한다. 이 경우 레이저 백미러가 빔 스플리터이다.

도 2a에 도시된 것은 검출기(25A)를 역방향으로 갖는 이전에 사용된 기술에 따라 구성된 파워 미터가다. 빔 스플리터(23A)는 레이저 빔(22A)이 스플리터에 의해 분할되고 빔(24A)의 작은 비율이 후방으로 반사되어 검출기(25A)에 도달하도록 위치되며, 레이저 빔의 주요 부분은 출구 개구로부터 방출된다. 그러나 또한, 외부에서 들어오는 표류 광(26A)은 출구 구멍을 통해 검출기(25A)에 도달하여 측정에 영향을 미치고 정확도가 감소한다. 이는 검출기가 레이저에 대해 역방향을 향하고, 즉, 레이저의 역방향으로 그리고 외부 세계를 향하고 있기 때문에 발생한다.

도 2b에는 입사 배경 광의 간섭 문제에 대한 새로운 해결책에 따라 구성된 예시적인 파워 미터가 도시된다. 이러한 구성에서, 검출기(25B)는 출구 개구 근처에 배치되지만 레이저에 대해 전방 방향으로, 즉 레이저에 대면하는 방향으로 향하며 외부 세계에 대해 역방향이다. 따라서 인클로저에 들어오는 표류 광은 검출기에 영향을 미치지 않으므로 레이저 출력 판독에 영향을 미치지 않는다. 이러한 구현에서, 빔 스플리터는 다시 빔의 98%가 투과되고 2%가 검출기를 향해 반사되도록 할 수 있다. 이러한 구성에서, 검출기(25B)는 레이저 빔(24B)의 2%가 스플리터(23B)에 충돌한 후 편향되어 검출기(25B)에 도달하지만 표류 광 빔(26B)으로부터의 전력은 거의 도달하지 않도록 위치된다.

레이저가 도 1에 도시되어 있지만. 불투명한 인클로저 내에 포함된 도 2b에 도시된 바와 같이, 파워 미터는 외부에서 생성된 레이저 빔을 측정하기 위한 별도의 장치로 구성될 수도 있다는 것이 잘 이해된다. 이러한 경우에, 인클로저에는 조리개가 있어야 하며, 레이저는 빔이 조리개에 들어갈 수 있도록 위치해야 한다. 외부 광의 유입을 줄이기 위해서 레이저는 가능한 한 조리개에 가깝게 위치하거나 조리개가 있는 인클로저 벽과 접촉해야 한다.

이제, 전력 검출기(27)를 향하는 순방향(22)으로 레이저(21)로부터 이동하는 레이저 빔의 작은 부분을 분리하도록 설계된 전력 측정기 모듈에 사용하기 위한 증가된 빔 스플리터(26)를 도시하는 도 3이 참조된다. 스플리터(26)는 또한, 후방 방향(24)으로부터 오는 광을 손실 요소(25), 전형적으로 빔 범위의 파장을 흡수하는 성분으로 전환시키며, 후방 빔의 임의의 상당한 부분이 검출기를 향해 추가로 반사되는 것을 방지하도록 반사된 빔의 대부분을 흡수한다. 도 2b에 도시된 바와 같이, 이들 구성요소는 특히 스플리터(23) 및 손실 요소(25) 상의 먼지 축적을 방지하기 위해서 광학적으로 불투명한 인클로저에 밀봉된다.

레이저 빔, 특히 다중 모드 다이오드 레이저 빔은 종종 빔 형상 변화를 경험한다. 도 4는 이제, 고속 축(33) 및 저속 축(34)이 표시된 레이저 빔 프로파일(32)을 보여주는 전형적인 빔 형상의 이미지를 보여준다. 대각선(35)으로 표시된 소위 "핫스팟(hot spot)"은 전체 빔(32)의 형상과 마찬가지로 레이저의 정상 작동 중에 종종 형상, 위치 및 강도를 변경한다. 빔 형상의 이러한 동적 변화가 파워 측정 결과를 변경하는 것을 방지하려면 전체 빔을 균일한 효율로 샘플링해야 하며, 이는 일반적으로 전체 빔을 검출기에 초점을 맞춤으로써 달성된다. 그러나 이러한 구성은 빔 및 검출기에 대한 포커싱 요소의 정렬에 민감하고 시간이 지남에 따라 드리프트(drift)하는 경향이 있어 재정렬 또는 재교정이 필요하다.

이제 다이오드 레이저 빔의 축의 다른 도면을 예시하는 도 5가 참조된다. 빔(42)은 단일 종 방향 모드 다이오드 레이저 또는 다중 종 방향 모드 다이오드 레이저인 다이오드 레이저(41)로부터 방출된다. 그러한 다이오드 레이저로부터의 빔(42)은 일반적으로 다이오드 이미터로부터 약 25 내지 50°에서 발산하는 소위, 고속 축(43)과 다이오드 이미터로부터 5 내지 20°에서 발산하는 저속 축(44)과 같이 다르게 작동하는 두 개의 서로 다른 직교 축(43, 44)을 가지고 있다. 저속 축(44)을 가로지르는 모드는 전형적으로 고속 축을 가로지르는 모드에 비해 훨씬 덜 일관되고 훨씬 덜 안정적이다. 따라서, 고속 축(43) 방향의 빔 단면은 일반적으로 가우시안 형상(Gaussian shape)(45)에 가깝고 시간이 지남에 따라 크게 변하지 않는다.

저속 축(44)의 파워 프로파일 일관성이 부족하기 때문에, 샘플러는 균일한 효율로 빔의 전체 저속 축(44)을 샘플링해야 한다. 고속 축(43)의 샘플링은 그 방향의 파워 프로파일이 더 안정적이고 임의의 주어진 섹션에서의 샘플링이 그 방향의 전체 빔 프로파일을 계속 대표할 것이기 때문에 덜 민감하다. 결과적으로, 공간에서 고속 축(43)의 일부의 불균일한 샘플링이 일부 경우에 충분하다.

이제, 빔 파워의 정확한 측정을 보장하기 위한 해결책을 설명하는 도 6a 및 6b가 참조된다. 어떤 경우에는 전체 빔을 검출기 파워 미터에 집중시키는 것이 비실용적이거나 불가능하다. 그러한 경우에, 분할 빔의 균일한 샘플링은 확산된 광이 검출기(50, 59) 각각에 충돌하는 확산기(56, 57)에 빔이 충돌하도록 함으로써 달성된다. 확산기의 목적은 검출기에 의해 수집된 광이 확산기에 떨어지는 빔의 각각의 부분을 동일하게 대표하여 샘플링 비율이 빔의 각각의 부분에 대해 동일하도록 하는 것이다. 그러한 확산기(56, 57)와 파워 검출기(50, 59) 사이의 파워 미터의 광로 길이가 저속 축 상의 빔 직경보다 실질적으로 길다면(빔 경로 길이의 요소가 빔 직경의 30 배인 경우 충분한 것으로 간주되면), 간단한 확산기저를 사용하여 파워 미터로 전체 빔을 거의 균일하게 샘플링할 수 있다. 파워 미터의 광학 길이가 더 짧은 시스템에서 확산기와 파워 미터의 다른 지점 사이의 거리 차이로 인해 샘플링이 균일하지 않을 수 있으며, 이는 차례로 빔 형상 변화에 대한 민감도를 유발할 수 있다. 이는 확산기(56)의 다른 측면으로부터의 빔이 검출기(50)에 충돌하는 것으로 도시되는 도 6a에 예시되어 있으며, 도시된 예에서 빔의 좌측으로부터의 광이 빔의 우측으로부터의 광보다, 그에 더 가까운 검출기에 더 큰 신호를 생성할 것이 분명하다. 빔 프로파일이 다이오드 레이저 방출의 저속 축의 경우와 같이 프로파일 전체에 걸쳐 주어진 위치에서 다양한 강도를 나타내는 경우, 위에 언급된 기준보다 경로 길이가 더 짧은 시스템에서 빔 프로파일의 변화에 대한 과도한 의존을 생성할 것이다.

많은 경우에, 직경 빔의 30 배인 그러한 긴 광학 경로는 실용성의 이유로 바람직하지 않을 수 있으므로, 3 가지 대안 해결책이 별도로 또는 함께 구현될 수 있다. 첫째, 렌즈, 집속 거울 또는 망원경(도 6a 및 도 6b에는 표시되지 않음)과 같은 광학 장치를 사용하여 확산기에 의해 샘플링된 빔에서 가장 가까운 지점과 확산기에 의해 샘플링된 가장 먼 지점 사의 차이를 가능한 한 짧게 유지하면서 더 짧은 공간에 맞도록 광학 경로를 압축할 수 있다. 둘째, 계획된 가변 반사율 또는 투과율을 갖는 확산기(56)는 빔의 상이한 위치들 사이의 상이한 거리 및 각도를 보상하기 위해서 사용될 수 있어 샘플링이 균일하게 된다. 셋째, 도 6b에 도시된 바와 같이, 저속 축을 따라 입사하는 광에 대해 전형적으로 오목하거나 두 축에 대해 오목한 형상의 확산기(57)가 사용될 수 있으므로, 빔의 서로 다른 지점 사이의 광학 경로 길이가 더 균일해진다. 검출기(50, 59)가 확산기의 곡률 중심 가까이에 배치되면, 확산기의 각각의 지점에서 확산기까지의 거리는 동일하다. 전형적으로, 완벽한 원형 조리개에서 약간의 편차는 빔에 의한 확산기의 균일한 축외 조명을 허용한다. 이러한 3 가지 해결책은 함께 또는 별도로 사용할 수 있으며; 광학 설계 분야의 당업자는 그러한 시스템 및 이들의 조합을 설계 및 구축하는 방법을 알고 있을 것이다. 따라서 이들 3 가지 기능의 조합을 구현하면 빔 모드 변경에 대한 탄력성을 얻을 수 있다.

도 6b에 도시된 바와 같이, 단일 검출기 요소 대신에 한 쌍의 검출기(50, 59)를 사용하는 것이 유리하다. 검출기는 이들을 연결하는 라인이 레이저 다이오드의 고속 축 방향과 광학적으로 평행하도록 배치된다. 따라서 두 검출기는 확산된 빔의 중심에서 약간 벗어난 경우에도 유사한 신호를 생성한다. 이는 도 7에 더 명확하게 예시된다. 이들 유사한 신호는 시스템이 보정을 벗어나는 경우 경고를 제공하는데 사용될 수 있는데, 이는 두 신호가 다르기 시작하므로 전력 수준 감소, 빔 종료, 및/또는 기술자 호출과 같은 위험한 작동을 방지하는 정확한 조치의 수행을 가능하게 하기 때문이다.

확산기 기반 검출 체제의 구현은 일반적으로 광이 확산기에서 멀어지는 여러 방향으로 확산되기 때문에, 광학 검출기에 의해 광을 수집하기 위해서 전체 입체각의 작은 부분만을 사용한다. 따라서, 이들 구성 중 하나에 대한 확장은 확산된 빔 내에서 그러한 검출기를 여러 개 구현하여 여러 동시 파워 표시 신호를 제공함으로써 얻을 수 있다. 파워 이외의 원래 빔의 속성에 대한 이들 모든 신호의 의존성이 없기 때문에 이들 신호가 서로에 대해 한 번만 보정되어야 하게 보장하며, 이러한 보정은 빔 프로파일의 변화에도 불구하고 유지된다. 특히, 원통형 확산기의 경우 실린더 축을 따라 다중 검출기가 위치될 수 있다.

본 시스템의 다른 전형적인 측면은 도 6b에 도시된 바와 같이 먼지로부터 밀봉의 중요성이다. 샘플러와 빔 경로의 다른 요소에 먼지가 쌓이면 샘플링 비율이 변경되어 빔 전력이 부정확하게 측정될 수 있다. 이러한 먼지 문제를 피하기 위해서, 시스템은 예를 들어, 먼지 인클로저(58)에 의해 밀봉되거나 먼지가 샘플링 시스템에 도달하는 것을 방지하기 위해서 미로 공기 경로를 사용하여 외부와 내부 사이의 공기 경로를 연장하고 복잡하게 만들 수 있다. 확산기(57) 및 검출기(50, 59)는 차광 인클로저(55) 내에 추가로 포함될 수 있으므로, 모듈에 들어가는 임의의 광은 샘플링 측정의 정확도에 감소된 영향을 미칠 것이다.

빔이 입사하는 파워 미터의 인클로저(615) 외부에 있는 이러한 예시적인 배열에 위치된, 레이저 소스(621)로부터 나오는 광학 빔(610)의 전력을 추적하기 위한 하나의 예시적인 체제를 개략적으로 도시하는 도 7이 이제 참조되며, 여기서 빔은 입구 조리개(602)을 통해 진입한다. 그러나 레이저는 도 2b의 예시적인 시스템에 도시된 바와 같이 인클로저 내에 위치될 수 있다. 이전 구현에서와 같이, 검출기(601, 609)를 향해 입사 빔의 일부를 편향시키기 위해 빔 스플리터(607)가 사용된다. 이러한 모듈(600)에서, 빔(610)은 스플리터(607)에 의해 출구 구멍(603) 밖으로 수신기를 향하는 메인 빔(611)과 전체 레이저 빔의 알려진 작은 부분을 구성하는 더 작은 샘플링된 부분(612)으로 분할된다. 빔 샘플(612)은 차광 인클로저(616)에 들어가고, 여기서 그것이 확산기 요소(608)에 충돌한다. 확산기 요소(608)는 구형, 원통형, 또는 충돌 빔의 파면을 스크램블링(scrambling)하는 것을 용이하게 하는 다른 형상일 수 있어서, 각각의 광자의 방향이 다른 광자에 대해 랜덤하거나 거의 그와 동일하도록 할 수 있다. 산란된 빔의 일부는 빔(617)의 고속 축이 두 개의 검출기의 중심을 연결하는 라인과 평행하고 저속 축이, 검출기가 서로 인접하는 방향을 따르는 방식으로 한 쌍의 검출기(601, 609)에 충돌한다. 이러한 구성에서, 두 검출기 모두 저속 축의 전체 길이를 커버하므로, 둘 다 해당 방향을 따라 빔 프로파일에서 가능한 노이즈가 있는 무작위 변화를 동등하게 커버하는 반면에, 고속 축을 따라 더 안정적인 가우스 프로파일은 각각에 의해 부분적으로 커버될 수 있는데, 이는 각각의 부품이 시간이 지남에 따라 상당히 안정적으로 유지되기 때문이다.

원통형 확산기는 예를 들어, 다중 모드 에지 방출 다이오드 레이저를 사용할 때 들어오는 빔의 두 축에서 원래 빔의 공간 분포가 비-대칭인 경우 가장 잘 작동한다. 도 6의 도면 부호 57에 표시된 것처럼 확산기의 곡선 축은 더 강한 공간적 변화를 특징으로 하는 빔의 축과 정렬되며, 도 3 및 도 4에서 이는 각각 레이저의 저속 축(34, 44)이다. 그런 다음 두 검출기는 광학 신호를 전기 신호로 변환하고 신호의 파워를 측정한다. 이러한 정보는 안전 결정에 사용된다.

도 7에서, 메인 광학 빔(611)의 일부가 파워 미터 쪽으로 다시 반사되는 것으로 도시되며, 이러한 광(613)은 조리개(603)를 통해 외부로부터 시스템으로 들어간다. 조리개(603)에 들어가는 스퓨리어스(spurious light) 광은 또한, 레이저 빔의 반사 이외의 소스로부터의 주변 광일 수 있다. 이러한 입사광(613)은 빔 스플리터(607)에 충돌하고, 충돌하는 광의 일부는 빔(614)으로 반사되어 빔 흡수기(605)에 충돌한다. 빔 흡수기(605)는 반사된 빔(614)이 시스템(600)의 구성요소를 둘러싸고 에워싸는 인클로저(615) 내부에서 더 반사되는 것을 방지한다.

도 7에 도시된 것과 같은 구성을 사용하여, 검출기 쌍(601, 609)에서의 결과적인 전기 신호는 파워 이외의 원래 빔의 속성에 크게 둔감하다. 그러한 다른 속성에는 편광, 파장 및 공간 분포가 포함되지만 이에 제한되지는 않는다. 파워 측정을 위해서 종래 기술에서 제안된 해결책은 전형적으로 스플리터에서 낮은 결합 계수를 사용하는 것을 제안한다. 파워의 < 0.5% 또는 심지어 < 0.2%의 전형적인 커플링 계수 값은 스플리터에서 광을 커플링하기 위한 유전체 코팅을 사용하여 가능하며, 전형적으로 특히 확산기에서 뿐만 아니라 다른 부품에서도 추가 손실이 발생한다. 유전체 스플리터를 사용할 수 있지만, 이들은 다음과 같은 다수의 단점을 가진다. 레이저, 특히 다이오드 레이저는 세로 모드 홉(longitudinal mode hop) 및 파장 변화 유형을 경험하므로, 시간이 지남에 따라 파장 및/또는 대역폭이 약간 이동한다. 유전체 코팅은 파장 변화에 민감하므로 유전체 코팅을 사용하면 시스템이 이들 파장 변화에 민감하여 안전하지 않게 될 수 있다. 파장 내성 유전체 코팅을 사용할 수 있지만 비용이 더 많이 소요된다.

다른 한편으로, 금속 표면의 프레넬 반사(Fresnel reflection)는 전형적으로 파장 변화에 훨씬 덜 민감하다. 현재 설명된 시스템에서 프레넬 반사 또는 기존의 유전체 코팅 스플리터 대신에 금속 표면 반사를 기반으로 하는 스플리터를 사용하는 것이 더 유리하다. 몇몇 구현에서, 출력 빔이 분할되는 것과 반대되는 스플리터의 표면은 반사 방지 코팅으로 코팅될 수 있다. 특히 고출력 또는 대형 빔과 함께 사용하기 위해서 몇몇 구현에서는 물방울 무늬 금속 코팅이 사용될 수도 있다.

바람직한 제 1 샘플러는 스플리터(607)의 전형적으로 투명한 광학 표면의 전면, 즉 레이저 빔을 마주하는 면에서 프레넬 반사를 사용한다. 후방 면은 전형적으로 반사를 방지하기 위해서 반사 방지 코팅되어 있지만, 특히 샘플러가 얇고 면이 약간 평행하지 않은 경우 양쪽 표면에서 반사하는 것이 일부 상황에서 유리할 수 있다. 샘플러는 빔으로 덮인 영역에 걸쳐 공간적으로 일관성이 있으므로, 빔 형상의 변화에 대한 민감도를 줄이며, 그러한 구조는 고정된 파장을 가지는 고정된 편광 빔을 샘플링하는데 매우 적합하다.

프레넬 반사가 빔(610)의 작은 부분을 샘플링하도록 샘플링 각도가 선택된다. 전형적으로 Brewster 각도의 0% 내지 75%인 작은 각도는 편광과 무관하다는 장점을 가진다. Brewster 각도의 75% 내지 120%의 더 큰 각도는 편광에 더 민감하지만, 더 높은 투과율(특히 "P" 편광)을 허용하므로 더 높은 효율을 제공한다. 45°에 가까운 각도는 전형적으로 가장 컴팩트한 구조를 허용하며, 컴팩트한 시스템이 필요할 때 유리할 수 있다. 유리한 일 실시예에서, 우세한 편광은 샘플러 축에서 "P" 편광으로 설정되며, 따라서 ~45°의 입사각에서의 샘플링 비율은 0°에 가까운 각도에서의 샘플링에 비해 작으며(~1 내지 1.3%), 여기서 샘플링 비율은 전형적으로 3 내지 5%이다. 이러한 방식으로, 파장 및 편광 변화에 대한 탄력성이 달성된다.

따라서, 본 발명의 검출 장치는 확산된 빔의 입체각의 일부로부터만 광을 수집하는 광학 검출기(601, 609)가 뒤따르는 확산 요소(608)를 포함한다. 확산 요소는 확산된 분포가 빔의 원래 방향을 따라 생성되는 투과형이거나 확산 면에서 반사를 통해 생성되는 반사형일 수 있다. 도 7은 후자의 경우를 나타낸다. 완벽한 확산기는 샘플링된 빔의 편광이나 파장에 의존하지 않는 보편적인 램버시안 분포(Lambertian distribution)를 생성한다. 이러한 분포의 고정된 입체각은 광학 검출기에 의해 수집되고 파워 표시 신호로 변환되기 때문에, 이러한 표시 신호는 또한 샘플링된 빔의 편광 및 파장에 둔감하다. 편광 및 파장에 대한 잔류 의존성이 파워 추적 시스템의 요구되는 정확도와 관련하여 무시할 수 있도록 실용적인 확산기가 선택된다.

일 실시예에서, 광학 검출기(601, 609)는 확산기로부터 충분히 큰 거리에 위치되어 전체 확산기 영역이 본질적으로 검출기에 대해 동일한 거리 및 각도를 공유한다. 그러한 기하학적 구조는 확산기의 모든 좌표가 전력 표시 신호에 동등하게 기여하도록 보장하므로, 이러한 신호는 원래 빔의 공간 분포에 둔감하다. 실제로, 샘플링된 빔의 주어진 측면 범위에 대해 검출 거리는 잔여 기하학적 차이가 파워 추적 시스템의 요구되는 정확도와 관련하여 무시할 수 있는 감도를 생성하도록 선택된다.

광학 검출기에 의해 수집되는 광의 양, 따라서 관련 파워 표시 신호의 크기는 수집 입체각에 의해 결정되며, 이는 차례로 검출 거리와 검출기 영역에 따라 달라진다. 다른 실시예에서, 검출기 영역은 약간 더 큰 광검출기 바로 위에 배치된 핀홀 구멍에 의해 결정된다. 그러한 설계는 의도하지 않게 감광성인 검출기 영역을 마스킹하여 정확한 크기의 활성 영역을 제공한다. 그러한 핀홀의 전형적인 직경은 300 μm일 수 있지만 이에 제한되지 않는다. 다른 구현에서 검출기 영역은 의도하지 않은 우발적 감광성의 효과가 파워 추적 시스템의 정확도에 영향을 미치지 않도록 충분히 크다. 또 다른 실시예에서, 의도하지 않은 감광성은 예상 신호의 일부로서 특징지어진다.

다른 구현에서, 샘플링된 빔은 확산기에 초점이 맞춰져 그 측면 범위를 크게 줄인다. 그러한 설계는 검출 거리를 감소시킬 수 있고, 따라서 원래 빔의 공간 분포에 대한 파워 표시 신호의 내성을 희생하지 않으면서 보다 컴팩트한 시스템을 초래한다.

또 다른 구현에서, 확산기는 구형 프로파일을 가지며; 그러한 요소의 간단한 구현은 구형 확산 반사기이다. 이러한 구의 원점에 광학 검출기를 배치할 때, 모든 확산기 포인트는 이러한 경우에 구의 반경인 검출 거리에 관계없이 검출기에 대해 동일한 거리를 공유한다. 따라서 모든 검출 거리에 대해 원래 빔의 공간 분포에 대한 종속성이 없음이 보장된다.

검출기/센서는 전형적으로 확산기 표면에서 곡률 반경의 1/2에서 발견되는 곡선 확산기(원통형 또는 구형)의 초점에서 멀리 위치하는 것이 가장 양호하다. 기계적 설계에 따라서, 확산기에 의해 생성된 넓은 빔은 특정 기계적 요소에 부딪혀 광학 검출기를 향해 정반사 또는 확산 반사될 수 있다. 이러한 기여는 직접 수집에 의해서만 예상되는 값 이상으로 파워 표시 신호를 증가시킨다. 바람직한 실시예에서, 모든 잠재적인 기계적 반사기는 파워 표시 신호에 대한 기여가 무시할 수 있는 거리에 배치된다. 다른 실시예에서, 간접 수집 경로를 차단하기 위해서 배플이 배치되고; 이들은 자체 반사가 검출기에 도달할 수 없는 셔터이다. 또 다른 실시예에서, 관련 기계적 요소는 파워 표시 신호에 대한 기여를 최소화하기 위해서 흡수 재료로 코팅된다. 그러한 코팅은 예를 들어, 이스라엘 키랴트 가트(Kiryat Gat) 소재의 Acktar Advanced Coatings Ltd.로부터 이용 가능한 Metal Velvet™일 수 있다.

당업자는 본 발명이 위에서 구체적으로 도시되고 설명된 것에 의해 제한되지 않는다는 것을 인식할 것이다. 오히려, 본 발명의 범주는 전술한 다양한 특징의 조합 및 하위 조합뿐만 아니라, 위의 설명을 읽을 때 당업자에게 발생하고 종래 기술에 없는 변형 및 수정을 모두 포함한다.

Claims (14)

1. 레이저 빔의 파워를 측정하는 시스템으로서,
   레이저 빔이 출구 조리개를 통해 지향되는 본질적으로 불투명한 인클로저를 포함하며, 인클로저는:
   출구 조리개를 통해 레이저빔의 대부분을 투과시키고, 레이저빔의 작은 부분을 반사시키도록 구성된 빔 스플리터;
   레이저 빔의 반사된 작은 부분이 그 위에 충돌하도록 위치된 확산기 요소;
   확산기 요소와 광 통신하는 적어도 하나의 검출기 요소로서, 검출기 요소가 그 위에 충돌하는 레이저 빔의 작은 부분의 확산된 광에 응답하여 신호를 제공하는, 검출기 요소; 및
   출구 조리개를 통해 인클로저에 들어가고 빔 스플리터에 의해 반사된 임의의 광의 일부가 흡수기 요소에 충돌하고 본질적으로 흡수되도록 위치된 흡수기 요소를 포함하는,
   레이저 빔의 파워를 측정하는 시스템.
2. 제 1 항에 있어서,
   레이저는 인클로저에 배치되는,
   레이저 빔의 파워를 측정하는 시스템.
3. 제 1 항에 있어서,
   레이저는 인클로저 외측에 배치되고 그의 빔을 인클로저로 지향시키는,
   레이저 빔의 파워를 측정하는 시스템.
4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
   레이저에 대한 검출기의 광학적 커플링 효율은 인클로저 외측의 임의의 다른 위치에 대한 검출기의 광학적 커플링보다 실질적으로 더 큰,
   레이저 빔의 파워를 측정하는 시스템.
5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
   빔 스플리터에 의해 전송된 빔의 주요 부분의 파면의 형태는 본질적으로 빔 스플리터를 통한 통과에 영향을 받지 않는,
   레이저 빔의 파워를 측정하는 시스템.
6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
   레이저 빔에 의해 전송된 파워 대 검출기 요소에 의해 수신된 파워의 비율은 빔의 파장이 평균값으로부터 최대 3 nm까지 변경될 때 본질적으로 고정되는,
   레이저 빔의 파워를 측정하는 시스템.
7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
   레이저 빔에 의해 전송된 파워 대 검출기 요소에 의해 수신된 파워의 비율은 빔의 편광이 평균값으로부터 변경될 때 본질적으로 고정되는,
   레이저 빔의 파워를 측정하는 시스템.
8. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
   레이저 빔에 의해 전송된 파워 대 검출기 요소에 의해 수신된 파워의 비율은 빔의 빔 프로파일이 평균값으로부터 변경될 때 본질적으로 고정되는,
   레이저 빔의 파워를 측정하는 시스템.
9. 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서,
   빔 스플리터는 투명한 전면과 반사 방지 후면을 포함하는,
   레이저 빔의 파워를 측정하는 시스템.
10. 제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서,
    확산기 요소는 빔 프로파일을 가로질러 빔으로부터의 신호를 균등화하도록 구성되는,
    레이저 빔의 파워를 측정하는 시스템.
11. 제 1 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서,
    확산기 요소는 검출기 요소를 균질하게 조명하도록 구성된 오목 형상을 포함하는,
    레이저 빔의 파워를 측정하는 시스템.
12. 제 1 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 있어서,
    검출기 요소는 한 쌍의 인접한 검출기를 포함하며 검출기는 검출된 빔이 한 쌍의 검출기 모두에 충돌하도록 위치되는,
    레이저 빔의 파워를 측정하는 시스템.
13. 제 12 항에 있어서,
    레이저 빔은 레이저 다이오드에 의해 생성되며, 한 쌍의 검출기는 레이저 빔의 고속 축이 검출기의 중심을 연결하는 라인과 평행하도록 배열되는,
    레이저 빔의 파워를 측정하는 시스템.
14. 제 1 항 내지 제 13 항 중 어느 한 항에 있어서,
    출구 조리개를 통해 투과되는 레이저 빔의 대부분은 소스 레이저 빔의 80% 초과인,
    레이저 빔의 파워를 측정하는 시스템.

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