KR100488337B1 - Rotational asymmetric aspheric lens - Google Patents
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Abstract
회전 비축대칭 비구면 렌즈가 개시된다. 입사면의 수직입사면은 볼록한 비구면, 수평입사면은 오목한 비구면을 가진다. 출사면의 수직출사면 및 수평출사면은 볼록한 비구면을 가진다. 광원으로부터 제1발산각으로 방출된 수직성분의 광은 수직입사면에서 제1굴절각으로 굴절되어 광축과 평행하게 진행하다가 수직출사면에서 제1수렴각으로 굴절되어 광섬유로 집속된다. 또한, 광원으로부터 제1발산각으로 방출된 수평성분의 광은 수평입사면에서 제3발산각으로 굴절 및 발산하여 진행하다가 수평출사면에서 제2수렴각으로 굴절되어 광섬유로 집속된다. 이로 인해 광원으로부터 방출되는 타원형의 광은 출사면에서 원형으로 정형화되며 광섬유로의 결합효율을 향상시키는 것이 가능하다.A rotating non-axisymmetric aspheric lens is disclosed. The vertical incidence plane of the incident surface has a convex aspherical surface, and the horizontal incidence surface has a concave aspheric surface. The vertical exit plane and the horizontal exit plane of the exit plane have convex aspherical surfaces. Light of the vertical component emitted from the light source at the first divergence angle is refracted at the first incidence angle at the vertical incidence plane and proceeds in parallel with the optical axis, and is then refracted at the first convergence angle at the vertical incidence plane and focused into the optical fiber. In addition, the horizontal component light emitted from the light source at the first divergence angle is refracted and diverged from the horizontal incidence plane to the third divergence angle, and is then refracted to the second convergence angle at the horizontal incidence plane and focused into the optical fiber. As a result, the elliptical light emitted from the light source is shaped into a circular shape at the exit surface and it is possible to improve the coupling efficiency to the optical fiber.
Description
본 발명은 회전 비축대칭 비구면 렌즈에 관한 것으로, 보다 상세하게는 비구면 렌즈를 이용하여 타원형의 레이저 빔을 원형화하는 회전 비축대칭 비구면 렌즈에 관한 것이다.The present invention relates to a rotating non-axisymmetric aspherical lens, and more particularly to a rotating non-axisymmetric aspherical lens using a non-spherical lens to circularize the elliptical laser beam.
레이저 다이오드(Laser Diode)를 신호전달의 매개 즉, 광원으로 사용하는 대표적인 예에는 광통신 및 광디스크 픽업용 광학계가 있다. Representative examples of using a laser diode as a medium for signal transmission, that is, a light source, include optical systems for optical communication and optical disk pickup.
광통신은 광대역폭으로 초고속 정보전송을 가능하게 하는 통신 방식으로서 마이크로파(수GHz)보다 큰 적외선 영역의 광파를 반송파로 사용한다. 광통신 시스템은 신호전달의 매개가 되는 레이저 빔, 레이저 빔을 전송하는 통신용 광섬유(Optical fiber) 및 레이저 빔 수신을 위한 포토 다이오드(Photo Diode)를 기본적으로 필요로 한다. 레이저 빔은 레이저 다이오드로부터 방출되며, 광섬유는 도파 원리를 이용하여 레이저 빔을 전송하는 광대역 전송로이다. 포토 다이오드는 레이저 빔과 같은 광신호를 전기신호로 변환하는 광전변환을 수행한다.Optical communication is a communication method that enables high-speed information transmission at a wide bandwidth, and uses an optical wave in an infrared region larger than microwaves (a few GHz) as a carrier wave. Optical communication systems basically require a laser beam that is a medium for signal transmission, an optical fiber for transmitting a laser beam, and a photo diode for receiving a laser beam. The laser beam is emitted from the laser diode, and the optical fiber is a broadband transmission path for transmitting the laser beam using the waveguide principle. The photodiode performs photoelectric conversion for converting an optical signal such as a laser beam into an electrical signal.
광디스크는 광디스크의 표면에 정보를 기록하는 고밀도 기록장치이다. 이러한 광디스크의 픽업용 광학계는 회전하는 광디스크의 금속 표면에 레이저 빔을 집속하여 정보를 기록하며, 광디스크의 표면에서 반사되는 빛으로 정보를 판독하거나 위치제어를 한다. An optical disc is a high density recording apparatus for recording information on the surface of an optical disc. The optical system for pickup of such an optical disk focuses a laser beam on a metal surface of a rotating optical disk to record information, and reads or positions the information by light reflected from the surface of the optical disk.
광통신 및 광디스크 픽업용 광학계에 사용되는 레이저 다이오드는 반도체의 유도 방출을 이용한 코히어런트 광을 방출하며 고속 데이터 전송(Gbps)에 사용된다. 이러한 레이저 다이오드는 갈륨(gallium : Ga), 알루미늄(aluminum : Al), 비소(arsenic : As) 등을 이용하여 레이저 빔을 방출한다. Laser diodes used in optical systems for optical communication and optical disk pick-up emit coherent light using the induced emission of semiconductors and are used for high-speed data transmission (Gbps). The laser diode emits a laser beam using gallium (Ga), aluminum (Al), arsenic (As), and the like.
도 1은 레이저 다이오드로부터 방출되는 일반적인 타원형의 레이저 빔을 도시한 도면, 도 2a 및 도 2b는 종래의 원통형 렌즈를 사용하는 시준기의 실시예를 도시한 도면이다.1 shows a typical elliptical laser beam emitted from a laser diode, and FIGS. 2A and 2B show an embodiment of a collimator using a conventional cylindrical lens.
레이저 다이오드(LD)로부터 방출되는 레이저 빔은 도 1에 도시된 바와 같이 타원형을 이룬다. 이는 수직방향(⊥)의 레이저 빔 발산각(θ⊥)이 수평방향(∥)의 레이저 빔 발산각(θ∥)에 비해 큰 값을 갖기 때문이다. 이 때, 수직방향(⊥)의 레이저 빔 발산각(θ⊥) 및 수평방향(∥)의 레이저 빔 발산각(θ∥) 비율은 대개 '2:1 내지 3:1'을 나타낸다.The laser beam emitted from the laser diode LD is elliptical as shown in FIG. 1. This is because the laser beam divergence angle θ 수직 in the vertical direction has a larger value than the laser beam divergence angle θ ∥ in the horizontal direction ∥. At this time, the ratio of the laser beam divergence angle θ ⊥ in the vertical direction and the laser beam divergence angle θ ∥ in the horizontal direction (′) usually represents '2: 1 to 3: 1'.
타원형의 레이저 빔은 광통신 시스템 또는 광학계의 신호대 잡음비(Signal To Noise Ratio: S/N ratio)를 감소시킴으로써 데이터의 선명도를 저하시킨다. 이를 해결하기 위해 광통신 시스템 또는 광학계는 삼각 프리즘 또는 원통형(Cylinder) 렌즈와 같은 정형소자를 사용하여 타원형의 레이저 빔을 원형으로 시준한다.The elliptical laser beam reduces the sharpness of the data by reducing the signal to noise ratio (S / N ratio) of the optical communication system or optical system. To solve this problem, an optical communication system or an optical system collimates an elliptical laser beam circularly using an orthopedic element such as a triangular prism or a cylindrical lens.
도 2a 및 도 2b를 참조하면, 종래의 원통형 렌즈를 이용한 시준기(200)는 시준기렌즈(210), 제1원통형 렌즈(220) 및 제2원통형 렌즈(230)를 갖는다. 시준기(200)는 타원형의 레이저 빔을 원형으로 정형화하기 위해 광통신 시스템 또는 광학계에 구비되는 장치이다. 시준기 렌즈(210)는 수평방향의 직경(D2)보다 큰 직경(D1)을 갖는 수직방향의 레이저 빔을 수평하게 시준한 후, 제1 및 제2원통형 렌즈(220, 230)를 사용하여 레이저 빔을 정형화한다.2A and 2B, the collimator 200 using the conventional cylindrical lens has a collimator lens 210, a first cylindrical lens 220, and a second cylindrical lens 230. The collimator 200 is a device provided in an optical communication system or an optical system for shaping an elliptical laser beam into a circle. The collimator lens 210 horizontally collimates the laser beam in the vertical direction having the diameter D1 larger than the diameter D2 in the horizontal direction, and then uses the first and second cylindrical lenses 220 and 230. Formalize.
제1원통형 렌즈(220) 및 제2원통형 렌즈(230)는 수평방향으로만 곡률이 있는 원통형 렌즈이다. 이러한 제1 및 제2원통형 렌즈(220, 230)를 투과한 수직방향의 레이저 빔은 도 2a와 같이 수직방향의 직경(D1) 크기를 유지한다. 반면, 수평방향의 직경(D2)은 도 2b와 같이 수직방향의 직경(D1) 크기로 확대된다. 즉, 타원형의 레이저 빔은 시준기(200)를 투과함으로써 수직방향의 직경(D1)과 수평방향의 직경(D2)이 동일한 원형으로 정형화된다.The first cylindrical lens 220 and the second cylindrical lens 230 are cylindrical lenses having curvature only in the horizontal direction. The vertical laser beams passing through the first and second cylindrical lenses 220 and 230 maintain the diameter D1 in the vertical direction as shown in FIG. 2A. On the other hand, the diameter D2 in the horizontal direction is enlarged to the size of the diameter D1 in the vertical direction as shown in FIG. 2B. That is, the elliptical laser beam is shaped into a circle having the same diameter D1 in the vertical direction and the diameter D2 in the horizontal direction by passing through the collimator 200.
그런데, 종래의 시준기를 이용한 빔 정형화 장치는 수직방향의 직경 및 수평방향의 직경이 동일하도록 하기 위해 정밀도가 높은 두 매의 원통형 렌즈를 사용하여야 하며 두 매의 원통형 렌즈의 정확한 정렬을 필요로 한다. 그러나 높은 정밀도를 요구하는 렌즈의 제작 및 원통형 렌즈의 정확한 정렬에는 한계가 있다. However, the conventional beam shaping device using a collimator must use two cylindrical lenses with high precision in order to have the same diameter in the vertical direction and the horizontal direction, and requires precise alignment of the two cylindrical lenses. However, there are limitations in the manufacture of lenses requiring high precision and the precise alignment of cylindrical lenses.
또한, 종래의 빔 정형화 장치는 레이저 다이오드로부터 방출되는 레이저 빔의 집속을 위해 시준기를 대신하여 회전축대칭 렌즈 또는 구면 렌즈를 이용한다. 그러나, 회전축대칭 렌즈를 사용하는 경우 타원형으로 방출된 레이저 빔을 원형으로 정형화할 수 없다는 문제점이 있다. 또한, 구면 렌즈를 사용하는 경우에는 렌즈의 주변부로 들어간 빛과 중심부로 들어간 빛이 한곳에 집속되지 못하여 구면수차가 발생함으로써 결합효율을 저하시킨다. 또한, 회전축대칭 렌즈 또는 구면 렌즈를 사용하면 레이저 다이오드 자체가 가지고 있는 비점수차를 해소할 수 없다. In addition, the conventional beam shaping device uses a rotation axis symmetric lens or spherical lens in place of the collimator for focusing the laser beam emitted from the laser diode. However, there is a problem in that when the rotation axisymmetric lens is used, the laser beam emitted in an elliptical shape cannot be shaped into a circle. In addition, in the case of using a spherical lens, the light entering the periphery of the lens and the light entering the center cannot be focused in one place, resulting in spherical aberration, thereby lowering the coupling efficiency. In addition, the use of a rotation axisymmetric lens or spherical lens can not eliminate the astigmatism of the laser diode itself.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 1매의 렌즈를 이용하여 비점수차를 보상하고 타원형의 레이저 빔을 원형화하며 구면수차를 최소화할 수 있도록 하는 회전 비축대칭 비구면 렌즈를 제공하는 데 있다.SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made in an effort to provide a non-symmetrical aspheric lens capable of compensating astigmatism using a single lens, circularizing an elliptical laser beam, and minimizing spherical aberration.
상기의 기술적 과제를 달성하기 위해, 본 발명에 따른 회전 비축대칭 비구면 렌즈는, 광원으로부터 제1발산각으로 방출된 수직성분의 광을 제1굴절각으로 굴절시켜 광축과 평행하게 진행시키는 수직입사면과 상기 제1발산각보다 작은 제2발산각으로 방출된 수평성분의 광을 제3발산각으로 굴절시켜 발산시키는 수평입사면으로 이루어진 제1면; 및 평행하게 진행하는 상기 수직성분의 광을 제1수렴각으로 굴절시켜 상기 광축의 집점으로 수렴시키는 수직출사면과 상기 제3발산각으로 발산하는 상기 수평성분의 광을 제2수렴각으로 굴절시켜 상기 집점으로 수렴시키는 수평출사면으로 이루어진 제2면;을 포함하며, 상기 집점은 상기 제2면으로부터 상기 제2면의 외부방향으로 일정거리 떨어진 상기 광축에 위치한다. In order to achieve the above technical problem, the rotational non-axisymmetric aspherical lens according to the present invention, and the vertical incidence plane for refracting the light of the vertical component emitted at the first divergence angle from the light source at a first refractive angle and parallel to the optical axis; A first surface comprising a horizontal incidence surface that refracts and emits light of a horizontal component emitted at a second divergent angle smaller than the first divergent angle at a third divergent angle; And refracting the light of the vertical component traveling in parallel at a first convergence angle to refracting the vertical emission surface converging to the focal point of the optical axis and the light of the horizontal component diverging at the third diverging angle at a second convergence angle. And a second surface formed of a horizontal emission surface converging to the focal point, wherein the focal point is positioned on the optical axis spaced a predetermined distance away from the second surface in the outward direction of the second surface.
보다 상세하게는, 상기 제1면의 상기 수직입사면은 볼록한 비구면이며 상기 수평입사면은 오목한 비구면이다. 또한, 상기 제2면의 상기 수직출사면 및 상기 수평출사면은 상기 볼록한 비구면이다. More specifically, the vertical incidence surface of the first surface is a convex aspheric surface and the horizontal incidence surface is a concave aspheric surface. In addition, the vertical exit surface and the horizontal exit surface of the second surface are the convex aspheric surface.
상기 수직입사면의 곡률면 특성은 다음식에 의해 구한다.The curvature surface characteristic of the vertical incidence surface is obtained by the following equation.
여기서, RV1은 상기 수직입사면의 주곡률반경, hV1은 상기 수직성분의 광이 상기 제1굴절각으로 굴절되는 상기 수직입사면의 위치로부터 상기 광축까지의 최단거리, θV0는 상기 제1발산각, n은 상기 제1면의 굴절률을 의미한다.Here, R V1 is the main radius of curvature of the vertical incidence plane, h V1 is the shortest distance from the position of the vertical incidence plane where the light of the vertical component is refracted at the first refractive angle to the optical axis, θ V0 is the first The divergence angle, n, refers to the refractive index of the first surface.
상기 수평입사면의 곡률면 특성은 다음식에 의해 구한다.The curvature surface characteristic of the horizontal incidence surface is obtained by the following equation.
여기서, RH1은 상기 수평입사면의 주곡률반경, hH1은 상기 수평성분의 광이 상기 제3발산각으로 굴절되는 상기 수평입사면의 위치로부터 상기 광축까지의 최단거리, θH0는 상기 제2발산각, θH1은 상기 제3발산각, n은 상기 제1면의 굴절률을 의미한다.Here, R H1 is the main radius of curvature of the horizontal incidence plane, h H1 is the shortest distance from the position of the horizontal incidence plane where the light of the horizontal component is refracted at the third divergent angle from the optical axis, θ H0 is the first The divergence angle, θ H1 is the third divergence angle, n is the refractive index of the first surface.
상기 수직출사면의 곡률면 특성은 다음식에 의해 구한다.The curvature surface characteristic of the vertical exit surface is obtained by the following equation.
여기서, RV2는 상기 수직출사면의 주곡률반경, hV2는 상기 수직성분의 광이 상기 제1수렴각으로 굴절되는 상기 수직입사면의 위치로부터 상기 광축까지의 최단거리, θV2는 상기 제1수렴각, n은 상기 제2면의 굴절률을 의미한다.Here, R V2 is the principal radius of curvature of the vertical exit surface, h V2 is the shortest distance from the position of the vertical incident surface where the light of the vertical component is refracted at the first convergence angle from the optical axis, θ V2 is the second 1 convergence angle, n means the refractive index of the second surface.
상기 수평출사면의 곡률면 특성은 다음식에 의해 구한다.The curvature surface characteristic of the horizontal exit surface is obtained by the following equation.
여기서, RH2는 상기 수평출사면의 주곡률반경, hH2는 상기 수평성분의 광이 상기 제2수렴각으로 굴절되는 상기 수평출사면의 위치로부터 상기 광축까지의 최단거리, θH1은 상기 제3발산각, θH2는 상기 제2수렴각, n은 상기 제2면의 굴절률을 의미한다.Here, R H2 is the main radius of curvature of the horizontal exit surface, h H2 is the shortest distance from the position of the horizontal exit surface where the light of the horizontal component is refracted at the second convergence angle from the optical axis, θ H1 is the first The divergence angle, θ H2 is the second convergence angle, n is the refractive index of the second surface.
바람직하게는, 상기 수직성분의 광 및 상기 수평성분의 광이 상기 제1면에 도달하는 각각의 앞면 초점 거리(Forward Focal Length)는 동일하며 각각의 상기 앞면 초점 거리는 다음식에 의해 구한다.Preferably, each forward focal length at which the light of the vertical component and the light of the horizontal component reach the first surface is the same and each of the front focal lengths is obtained by the following equation.
여기서, RV1, RH1, RV2 및 RH2는 각각 상기 수직입사면, 상기 수평입사면, 상기 수직출사면 및 상기 수평출사면에 대한 상기 주곡률반경, t는 상기 광축과 접해 있는 상기 제1면 및 상기 제2면 사이의 거리, n은 상기 제1면 및/또는 상기 제2면의 굴절률을 의미한다.Here, R V1 , R H1 , R V2 and R H2 are the main radii of curvature with respect to the vertical incidence plane, the horizontal incidence plane, the vertical emission plane and the horizontal emission plane, respectively, and t is the first axis in contact with the optical axis. The distance between one surface and the second surface, n means the refractive index of the first surface and / or the second surface.
나아가, 상기 제1면 및 상기 제2면은 유리 소재로 이루어지며 또한, 플라스틱 소재로 이루어진다.Further, the first surface and the second surface is made of a glass material, and also made of a plastic material.
본 발명에 따르면, 회전 비축대칭 비구면 렌즈를 이용함으로써 비점수차를 보상하고 타원형의 레이저 빔을 원형으로 정형화하며 구면수차를 최소화함으로써 레이저 빔의 결합효율을 극대화할 수 있다. According to the present invention, it is possible to maximize the coupling efficiency of the laser beam by compensating astigmatism, shaping the elliptical laser beam into a circle and minimizing spherical aberration by using a rotating non-axisymmetric aspherical lens.
이하에서는 주어진 도면을 참조하여 본 발명을 보다 상세하게 설명한다. 또한, 이하에서는 레이저 다이오드, 비구면 렌즈 및 광섬유를 가지는 광통신 시스템을 실시예로 들어 설명한다. Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to the given drawings. In the following description, an optical communication system having a laser diode, an aspherical lens, and an optical fiber is described as an embodiment.
도 3은 본 발명에 따른 회전 비축대칭 비구면 렌즈의 광축에 수직인 수직평면에서의 레이저 빔 경로를 설명하기 위한 도면이다.3 is a view for explaining a laser beam path in a vertical plane perpendicular to the optical axis of the rotational asymmetric aspheric lens according to the present invention.
도 3을 참조하면, 비구면 렌즈의 수직평면은 Y축, 광축방향은 Z축으로 표현되며, 레이저 다이오드(Laser Diode)에서 방출된 레이저 빔 중 수직성분의 레이저 빔을 고려한다. 수직평면은 수직입사면 및 수직출사면을 갖는다. 수직입사면은 입사면의 길이방향 즉, 수직방향에 대한 면이며, 수직출사면은 출사면의 수직방향에 대한 면이다. Referring to FIG. 3, the vertical plane of the aspherical lens is represented by the Y axis and the optical axis direction by the Z axis, and the laser beam of the vertical component is considered among the laser beams emitted from the laser diode. The vertical plane has a vertical incidence plane and a vertical exit plane. The vertical incidence plane is a plane in the longitudinal direction of the entrance plane, that is, the vertical direction, and the vertical exit plane is a plane in the vertical direction of the exit plane.
도 3에서 비구면 렌즈의 수직입사면은 실선, 수직출사면은 굵은 실선, 비구면 렌즈 내의 표면은 점선, 광축은 일점쇄선, 레이저 빔의 굴절각에 따른 광경로는 이점쇄선으로 도시된다. 또한, 도 3을 참조하면, 수직성분의 레이저 빔이 방출하는 레이저 다이오드의 일단부터 광축과 수직입사면이 접하는 접점까지의 거리는 s1, s1부터 광축과 출사면이 접하는 접점까지의 거리는 t, t부터 광섬유(Optical Fiber)가 위치한 곳까지의 거리는 s2로 표시하며, t는 비구면 렌즈의 두께이다.In FIG. 3, the vertical incidence plane of the aspherical lens is represented by a solid line, the vertical emission plane is a thick solid line, the surface in the aspherical lens is dotted, the optical axis is a dashed line, and the optical path according to the refractive angle of the laser beam is shown by a double-dotted line. 3, the distance from one end of the laser diode emitted by the laser beam of the vertical component to the contact point where the optical axis is in contact with the vertical incidence plane is s 1 , and the distance from the s 1 to the contact point where the optical axis is in contact with the exit plane is t, The distance from t to where the optical fiber is located is expressed as s 2 , where t is the thickness of the aspherical lens.
레이저 다이오드에서 θV0의 발산각으로 방출된 수직성분의 레이저 빔은 수직입사면의 한 정점(spot1)에서 굴절된다. 이 때 수직입사면의 주곡률반경은 RV1이다. 수직입사면에서 굴절된 레이저 빔은 비구면 렌즈내에서 광축과 평행하게 진행하며, 이 때의 굴절각 θV1 = 0°이다. θV1 = 0°로 평행하게 진행하는 수직성분의 레이저 빔은 주곡률반경 RV2를 갖는 수직출사면에서 θV2의 각으로 굴절 및 수렴되어 광섬유에 입사된다.The laser beam of the vertical component emitted at the divergence angle of θ V0 from the laser diode is refracted at one vertex spot1 of the vertical incidence plane. At this time, the radius of curvature of the vertical incidence plane is R V1 . The laser beam refracted at the vertical incidence plane runs parallel to the optical axis in the aspherical lens, with the refractive angle θ V1 = 0 °. The laser beam of the vertical component running parallel to θ V1 = 0 ° is refracted and converged at an angle of θ V2 at the vertical exit plane having the principal curvature radius R V2 and incident on the optical fiber.
수직입사면에서 굴절되어 진행하는 수직성분의 레이저 빔은 근축 근사(Paraxial Approximation)에 의해 [수학식 1]로 표현된다. The laser beam of the vertical component that is refracted at the vertical incidence plane is expressed by Equation 1 by paraxial approximation.
근축 근사는 모든 광이 진행축 즉, 광축과 거의 평행하도록 작은 각을 이루면서 진행하는 것을 말한다. [수학식 1]에서 θV0는 레이저 다이오드에서 방출된 수직성분을 갖는 레이저 빔의 발산각, θV1는 수직입사면의 한 정점(spot1)에서 굴절되어 진행하는 레이저 빔의 진행각 또는 굴절각, hV1은 레이저 다이오드로부터 방출된 타원형의 레이저 빔 중 수직방향의 반경이며 또한, 레이저 빔이 굴절되는 한 정점(spot1)으로부터 광축까지의 최단거리, n은 비구면 렌즈의 굴절률, RV1은 수직입사면의 주곡률반경을 의미한다. 공기의 굴절률은 1이며, 유리 소재로 이루어진 비구면 렌즈의 굴절률은 1.45 내지 1.85의 크기를 갖는다.Paraxial approximation means that all the light travels at a small angle such that all light is substantially parallel to the traveling axis, that is, the optical axis. In Equation 1, θ V0 is the divergence angle of the laser beam having a vertical component emitted from the laser diode, θ V1 is the propagation angle or refraction angle of the laser beam that is refracted at one vertex of the vertical incidence plane and h, h V1 is the vertical radius of the elliptical laser beam emitted from the laser diode and V1 is the shortest distance from the spot1 to the optical axis as long as the laser beam is refracted, n is the refractive index of the aspherical lens, and R V1 is the It means main curvature radius. The refractive index of air is 1, and the refractive index of an aspherical lens made of a glass material has a size of 1.45 to 1.85.
비구면 렌즈의 수직입사면을 투과한 레이저 빔은 비구면 렌즈내에서 광축과 평행하게 진행하기 위해 θV1 = 0°의 조건을 만족하여야 한다. θV1 = 0°를 [수학식 1]에 대입하면 [수학식 2]에 의해 입사면에서의 주곡률반경 RV1을 구할 수 있다.The laser beam transmitted through the vertical incidence plane of the aspherical lens must satisfy the condition θ V1 = 0 ° in order to travel parallel to the optical axis in the aspherical lens. Substituting θ V1 = 0 ° into [Equation 1], the main curvature radius R V1 at the incident surface can be obtained by [Equation 2].
[수학식 2]에서 n > 1, hV1 > 0이므로 수직입사면에서의 주곡률반경 RV1은 양수의 값을 갖는다. 즉, 비구면 렌즈의 수직입사면은 볼록한 비구면을 형성한다.In Equation 2, since n> 1 and h V1 > 0, the radius of curvature R V1 in the vertical incidence plane has a positive value. That is, the vertical incident surface of the aspherical lens forms a convex aspherical surface.
비구면 렌즈의 볼록한 수직입사면에서 굴절된 레이저 빔은 광축에 평행한 방향으로 진행한다. 그리고 일정거리(t)를 진행한 레이저 빔은 수직출사면에서 굴절 및 수렴된다. [수학식 3]은 비구면 렌즈의 수직출사면에서 굴절 및 수렴된 후 광섬유로 집속되는 레이저 빔의 진행을 표현한 식이다. The laser beam refracted at the convex vertical incidence plane of the aspherical lens runs in a direction parallel to the optical axis. In addition, the laser beam that has traveled a predetermined distance t is refracted and converged at the vertical emission surface. [Equation 3] is an expression representing the progress of the laser beam is focused on the optical fiber after refracted and converged in the vertical exit plane of the aspherical lens.
[수학식 3]에서 θV1은 입사면의 한 정점(spot1)에서 굴절되어 진행하는 레이저 빔의 진행각 또는 굴절각으로서 θV1 = 0°, hV2는 비구면 렌즈의 수직출사면에서 굴절되는 순간의 수직성분을 갖는 레이저 빔의 반경이며 또한, 레이저 빔이 굴절 및 수렴되는 수직출사면의 한 정점(spot2)으로부터 광축까지의 최단거리, n은 비구면 렌즈의 굴절률, RV2는 수직출사면의 주곡률반경을 의미한다.In Equation 3, θ V1 is the propagation angle or refraction angle of the laser beam that is refracted at one vertex of the incident surface, θ V1 = 0 °, and h V2 is the moment of refraction at the vertical exit surface of the aspherical lens. Radius of a laser beam having a vertical component, and the shortest distance from one spot2 of the vertical exit plane to which the laser beam is refracted and converged to the optical axis, n is the refractive index of the aspherical lens, and R V2 is the main curvature of the vertical exit plane Means the radius.
[수학식 3]에 의해 수직출사면에서의 주곡률반경 RV2는 [수학식 4]와 같이 표현된다.According to Equation 3, the radius of curvature R V2 at the vertical emission surface is expressed by Equation 4.
[수학식 4]에서 n > 1, hV1 > 0이므로 입사면에서의 주곡률반경 RV2는 음수의 값을 갖는다. 즉, 비구면 렌즈의 수직출사면은 볼록한 비구면을 형성한다.In Equation 4, since n> 1 and h V1 > 0, the radius of curvature R V2 at the incident surface has a negative value. That is, the vertical exit surface of the aspherical lens forms a convex aspherical surface.
도 4는 본 발명에 따른 회전 비축대칭 비구면 렌즈의 광축에 수직인 수평평면에서의 레이저 빔 경로를 설명하기 위한 도면이다.4 is a view for explaining a laser beam path in a horizontal plane perpendicular to the optical axis of the rotational asymmetric aspheric lens according to the present invention.
도 4를 참조하면, 비구면 렌즈의 수평평면은 X축, 광축방향은 Z축으로 표현되며, 레이저 다이오드(Laser Diode)에서 방출된 레이저 빔 중 수평성분의 레이저 빔을 고려한다. 수평평면은 수평입사면 및 수평출사면을 갖는다. 수평입사면은 입사면의 길이방향 즉, 수평방향에 대한 면이며, 수평출사면은 출사면의 수평방향에 대한 면이다. 도 4에서 비구면 렌즈의 수평입사면은 실선, 수평출사면은 굵은 실선, 비구면 렌즈 내의 표면은 점선, 광축은 일점쇄선, 레이저 빔의 굴절각에 따른 광경로는 이점쇄선으로 도시된다. Referring to FIG. 4, the horizontal plane of the aspherical lens is represented by the X axis and the optical axis direction by the Z axis, and the laser beam of the horizontal component is considered among the laser beams emitted from the laser diode. The horizontal plane has a horizontal incidence plane and a horizontal exit plane. The horizontal incidence plane is a plane in the longitudinal direction of the entrance plane, that is, the horizontal direction, and the horizontal exit plane is a plane in the horizontal direction of the exit plane. In FIG. 4, the horizontal incidence plane of the aspherical lens is represented by a solid line, the horizontal emission plane is a thick solid line, the surface of the aspherical lens is dotted, the optical axis is a dashed line, and the optical path according to the refraction angle of the laser beam is shown by a double-dotted line.
또한, 도 4를 참조하면, 레이저 다이오드의 일단부터 레이저 빔이 방출하는 시작점까지의 비점수차량은 Δs, 레이저 다이오드의 일단부터 광축과 수평입사면이 접하는 접점까지의 거리는 s1, s1부터 광축과 수평출사면이 접하는 접점까지의 거리는 t, t부터 광섬유(Optical Fiber)가 위치한 곳까지의 거리는 s2로 표시하며, t는 비구면 렌즈의 두께이다.Referring to FIG. 4, the astigmatism amount from one end of the laser diode to the start point emitted by the laser beam is Δs, and the distance from one end of the laser diode to the contact point where the optical axis and the horizontal incidence surface are in contact is s 1 , s 1 from the optical axis. The distance from the t and t to the contact point where the horizontal exit surface is in contact is expressed as s 2 , where t is the thickness of the aspherical lens.
수평성분의 레이저 빔은 레이저 다이오드의 일단으로부터 비점수차량 Δs만큼 뒤에 위치한 시작점에서 방출된다. θH0의 발산각으로 방출된 수평성분의 레이저 빔은 수평입사면의 한 정점(spot1)에서 굴절된다. 수평입사면의 주곡률반경은 RH1이다. 수평입사면에서 굴절된 레이저 빔은 비구면 렌즈내에서 발산하며, 이 때의 반사각은 θH1이다. θH0보다 큰 각으로 발산하는 수평성분의 레이저 빔은 주곡률반경 RH2를 갖는 수평출사면에서 θH2의 각으로 굴절 및 수렴되어 광섬유에 입사된다.The horizontal component laser beam is emitted at the starting point located behind the astigmatism amount Δs from one end of the laser diode. The laser beam of the horizontal component emitted at the divergence angle of θ H0 is refracted at one vertex spot1 of the horizontal incidence plane. The radius of curvature of the horizontal incidence plane is R H1 . The laser beam refracted at the horizontal incidence plane diverges in the aspherical lens, and the reflection angle at this time is θ H1 . The laser beam of a horizontal component diverging at an angle greater than θ H0 is refracted and converged at an angle of θ H2 at the horizontal emission plane having the principal curvature radius R H2 and incident on the optical fiber.
수평입사면에서 굴절되어 진행하는 수평성분의 레이저 빔은 [수학식 5]와 같이 표현된다.The laser beam of the horizontal component that is refracted at the horizontal incidence plane is expressed as shown in [Equation 5].
[수학식 5]에서 θH0는 레이저 다이오드에서 방출된 수평성분을 갖는 레이저 빔의 발산각, θH1은 수평입사면의 한 정점(spot1)에서 굴절되어 발산하는 레이저 빔의 진행각 또는 발산각, hH1은 레이저 다이오드로부터 방출된 타원형의 레이저 빔 중 수평방향의 반경이며 또한, 레이저 빔이 발산된 한 정점(spot1)으로부터 광축까지의 최단거리, n은 비구면 렌즈의 굴절률, RH1은 수평입사면의 주곡률반경을 의미한다. 공기의 굴절률은 1이며, 유리 소재로 이루어진 비구면 렌즈의 굴절률은 1.45 내지 1.85의 크기를 갖는다.In Equation 5, θ H0 is the divergence angle of the laser beam having a horizontal component emitted from the laser diode, θ H1 is the propagation angle or divergence angle of the laser beam refracted and diverged at a spot1 of the horizontal incidence plane, h H1 is the horizontal radius of the elliptical laser beam emitted from the laser diode, the shortest distance from the spot1 from which the laser beam is emitted to the optical axis, n is the refractive index of the aspherical lens, R H1 is the horizontal incidence plane Means the radius of curvature of. The refractive index of air is 1, and the refractive index of an aspherical lens made of a glass material has a size of 1.45 to 1.85.
[수학식 5]에 의해 수평입사면에서의 주곡률반경 RH2는 [수학식 6]과 같이 표현된다.By Equation 5, the radius of curvature R H2 at the horizontal incidence plane is expressed as shown in Equation 6.
수평입사면에서 굴절된 수평성분의 레이저 빔은 수평출사면에서 수직성분의 레이저 빔의 직경과 동일한 크기를 가져야 한다. 이를 위해, 수평성분의 레이저 빔은 수평입사면에서 θH0보다 더 큰 각으로 발산되어야 한다. n > 1, hH1 > 0인 [수학식 6]에서 θH1 > θH0이므로 RH1은 음수값을 갖는다. 즉, 비구면 렌즈의 수평입사면은 오목한 비구면을 형성한다.The laser beam of the horizontal component refracted at the horizontal incidence plane should have the same size as the diameter of the laser beam of the vertical component at the horizontal exit plane. For this purpose, the laser beam of the horizontal component must diverge at an angle larger than θ H0 at the horizontal incidence plane. In Equation 6, where n> 1, h H1 > 0, θ H1 > θ H0, so R H1 has a negative value. That is, the horizontal incident surface of the aspherical lens forms a concave aspheric surface.
비구면 렌즈의 수평입사면에서 굴절된 수평성분의 레이저 빔은 일정각도 θH1로 발산하여 진행한다. 그리고 일정각도 θH1로 일정거리(t)를 진행한 레이저 빔은 수평출사면에서 굴절 및 수렴된다. [수학식 7]은 비구면 렌즈의 수평출사면에서 굴절 및 수렴된 후 광섬유로 집속되는 레이저 빔의 진행을 표현한 식이다.The laser beam of the horizontal component refracted by the horizontal incidence plane of the aspherical lens diverges by a predetermined angle θ H1 . The laser beam, which has traveled a certain distance t at a predetermined angle θ H1 , is refracted and converged at the horizontal emission surface. Equation 7 expresses the progress of the laser beam focused on the optical fiber after refracting and converging at the horizontal exit surface of the aspherical lens.
[수학식 7]에서 θH1은 입사면의 한 정점(spot1)에서 굴절되어 진행하는 레이저 빔의 진행각 또는 발산각으로서 θH1 > θH0이며, hH2는 비구면 렌즈의 수평출사면에서 굴절되는 순간의 수평성분을 갖는 레이저 빔의 반경이며 또한, 레이저 빔이 굴절 및 수렴되는 수평출사면의 한 정점(spot2)으로부터 광축까지의 최단거리, n은 비구면 렌즈의 굴절률, RH2는 수평출사면의 주곡률반경을 의미한다.[Equation 7] θ H1 is the propagation angle or divergence angle of the laser beam that is refracted at one point (1) of the incident surface is θ H1 > θ H0 , h H2 is refracted at the horizontal exit surface of the aspherical lens The radius of the laser beam with the instantaneous horizontal component, and the shortest distance from one spot2 of the horizontal exit plane to which the laser beam is refracted and converged to the optical axis, n is the refractive index of the aspherical lens, and R H2 is the horizontal exit plane It means main curvature radius.
수평출사면에서의 주곡률반경 RH2는 [수학식 7]에 의해 [수학식 8]과 같이 표현된다.The radius of curvature R H2 at the horizontal exit surface is expressed by Equation 8 by Equation 7.
수평입사면에서 발산각 θH1으로 발산된 수평성분의 레이저 빔은 수평출사면의 한 정점(spot2)에서 θH2로 다시 굴절된다. 수평성분의 레이저 빔이 굴절되는 수평출사면의 한 정점(spot2)에서 수평성분의 레이저 빔의 반경과 수직성분의 레이저 빔의 반경은 동일한 크기를 갖는다. 수평출사면의 한 정점(spot2)에서 굴절되는 레이저 빔은 광섬유로 수렴하기 위해 일정한 θH2의 굴절각을 유지하며 진행한다. 즉, θH1> 0, n > 1인 [수학식 8]은 θH2 < 0인 조건을 만족해야 한다. 이를 위해, RH2는 음수값을 갖는다. 즉, 비구면 렌즈의 수평출사면은 볼록한 비구면을 형성한다.The laser beam of the horizontal component emitted at the divergence angle θ H1 at the horizontal incidence plane is refracted back to θ H2 at one peak spot2 of the horizontal incidence plane. The radius of the laser beam of the horizontal component and the radius of the laser beam of the vertical component have the same size at a spot spot2 of the horizontal emission surface on which the laser beam of the horizontal component is refracted. The laser beam refracted at one spot spot2 of the horizontal exit plane proceeds while maintaining a constant refraction angle of θ H2 to converge to the optical fiber. That is, [Equation 8] having θ H1 > 0 and n> 1 must satisfy the condition that θ H2 <0. For this purpose, R H2 has a negative value. That is, the horizontal exit surface of the aspherical lens forms a convex aspherical surface.
또한, 도 4를 참조하면, 수평출사면에서 수평성분의 레이저 빔 높이는 다음의 [수학식 9]와 같이 표현할 수 있다.In addition, referring to FIG. 4, the laser beam height of the horizontal component on the horizontal emission surface may be expressed as Equation 9 below.
[수학식 9]에서 tanθH1의 θH1은 미세한 각을 가지므로 tanθH1 ≒ θ H1이다.Tanθ θ H1 of H1 from the equation (9)] is because of the finer each tanθ H1 ≒ θ H1.
도 3 및 도 4와 같은, 본 발명에 따른 회전 비축대칭 비구면 렌즈를 광통신에 접목시킴으로써 레이저 다이오드에서 방출되는 레이저 빔을 광섬유에 효율적으로 집속할 수 있으며 최대의 결합효율을 얻을 수 있다. By combining the rotational axisymmetric aspheric lens according to the present invention as shown in FIGS. 3 and 4 to optical communication, the laser beam emitted from the laser diode can be efficiently focused on the optical fiber and the maximum coupling efficiency can be obtained.
도 5는 본 발명에 따른 레이저 빔을 정형화하는 회전 비축대칭 비구면 렌즈가 적용된 실시예를 도시한 도면, 도 6은 본 발명에 따른 회전 비축대칭 비구면 렌즈를 이용하여 레이저 빔을 정형화하는 실시예를 도시한 도면이다. FIG. 5 illustrates an embodiment in which a rotating axymmetric aspheric lens is applied to shape a laser beam according to the present invention. FIG. 6 illustrates an embodiment of shaping a laser beam using a rotational asymmetric aspheric lens according to the present invention. One drawing.
도 5를 참조하면, 본 발명에 따른 회전 비축대칭 비구면 렌즈(520)가 적용된 실시예는 레이저 다이오드(Laser Diode)(510), 회전 비축대칭 비구면 렌즈(520) 및 광섬유(Optical Fiber)(530)를 갖는다. 도 5에서 수직성분을 갖는 레이저 빔은 굵은 실선, 광축은 일점쇄선, 수평성분을 갖는 레이저 빔은 이점쇄선으로 도시된다. Referring to FIG. 5, an embodiment in which a rotating non-axisymmetric aspheric lens 520 is applied according to the present invention includes a laser diode 510, a rotating non-symmetric aspheric lens 520, and an optical fiber 530. Has In FIG. 5, a laser beam having a vertical component is shown by a thick solid line, an optical axis is a dashed line, and a laser beam having a horizontal component is shown by a double-dotted line.
이하에서는 회전 비축대칭 비구면 렌즈(520)를 비구면 렌즈(520)로 축약하여 칭한다. Hereinafter, the rotational non-axisymmetric aspherical lens 520 is abbreviated as an aspherical lens 520.
레이저 다이오드(510)는 수직성분 및 수평성분을 갖는 타원형의 레이저 빔을 방출한다. 타원형의 레이저 빔이 방출되는 이유는 수직방향의 레이저 빔 발산각이 수평방향의 레이저 빔 발산각에 비해 큰 값을 갖기 때문이다. 타원형의 레이저 빔은 비구면 렌즈(520)를 투과하면서 원형으로 정형화된다. 비구면 렌즈(520)의 제1면(522) 및 제2면(524)은 수직방향 및 수평방향에 대해 각각의 주곡률(CV1, CH1, C V2, CH2)을 갖는 비구면이다. 이는 레이저 빔이 수직성분 및 수평성분의 레이저 빔으로 방출되기 때문이다. 각각의 이하에서 제1면(522)은 입사면(522), 제2면(524)은 출사면(524)이라 칭한다.The laser diode 510 emits an elliptical laser beam having a vertical component and a horizontal component. The reason why the elliptical laser beam is emitted is because the laser beam divergence angle in the vertical direction has a larger value than the laser beam divergence angle in the horizontal direction. The elliptical laser beam is circularly shaped while passing through the aspherical lens 520. The first surface 522 and the second surface 524 of the aspherical lens 520 are aspherical surfaces having respective major curvatures C V1 , C H1 , C V2 , and C H2 in the vertical direction and the horizontal direction. This is because the laser beam is emitted as a laser beam of vertical and horizontal components. In each of the following, the first surface 522 is called the incident surface 522 and the second surface 524 is called the exit surface 524.
비구면 렌즈(520)의 입사면(522) 및 출사면(524)은 레이저 빔의 두 성분에 의해 수직방향(Y축) 및 수평방향(X축)의 입사면 및 출사면을 갖는다. 입사면(522)의 수직방향은 수직입사면, 수평방향은 수평입사면이라 칭하며, 출사면(524)의 수직방향은 수직출사면, 수평방향은 수평출사면이라 칭한다. 수직입사면은 레이저 빔의 수직성분이 도달하는 면이며 수평입사면은 레이저 빔의 수평성분이 도달하는 면이다. 이로 인해, 입사면(522)의 수직입사면은 볼록한 비구면, 수평입사면은 오목한 비구면을 갖는다. 또한, 출사면(524)의 수직출사면은 볼록한 비구면, 수평입사면은 볼록한 비구면을 갖는다. 즉, 비구면 렌즈(520)는 회전 비축대칭 특성을 갖게 된다. The entrance face 522 and the exit face 524 of the aspherical lens 520 have an entrance face and an exit face in a vertical direction (Y axis) and a horizontal direction (X axis) by two components of the laser beam. The vertical direction of the incident surface 522 is called a vertical incident surface, the horizontal direction is called a horizontal incident surface, and the vertical direction of the exit surface 524 is called a vertical exit surface, and the horizontal direction is called a horizontal exit surface. The vertical incidence plane is the plane where the vertical component of the laser beam reaches and the horizontal incidence plane is the plane where the horizontal component of the laser beam reaches. For this reason, the vertical incidence surface of the incident surface 522 has a convex aspheric surface, and the horizontal incidence surface has a concave aspheric surface. In addition, the vertical exit surface of the exit surface 524 has a convex aspherical surface, and the horizontal incident surface has a convex aspheric surface. That is, the aspherical lens 520 has a rotational non-axisymmetric characteristic.
이와 같은 특성을 갖는 비구면 렌즈(520)를 구비하는 경우 레이저 빔의 광경로는 도 6에 도시된 바와 같다. 도 6을 참조하면, 비구면 렌즈(520)의 수직방향은 실선, 수평방향은 점선, 수직성분을 갖는 레이저 빔의 광경로는 굵은 실선, 수평성분을 갖는 레이저 빔의 광경로는 이점쇄선, 광축은 일점쇄선으로 도시된다. 또한, 레이저 다이오드(510)의 일단부터 수평성분의 레이저 빔이 방출되는 시작점까지의 비점수차량은 Δs, 레이저 다이오드의 일단부터 광축과 입사면이 접하는 접점까지의 거리는 s1, s1부터 광축과 출사면이 접하는 접점까지의 거리는 t, t부터 광섬유(530)가 위치한 곳까지의 거리는 s2로 표시하며, t는 비구면 렌즈(520)의 두께이다.When the aspherical lens 520 having the above characteristics is provided, the optical path of the laser beam is shown in FIG. 6. Referring to FIG. 6, the aspheric lens 520 has a solid line in the vertical direction, a dotted line in the horizontal direction, a thick solid line in the optical path of the laser beam, and a dashed chain line in the optical path of the laser beam having the horizontal component. It is shown by the dashed-dotted line. In addition, the astigmatism amount from one end of the laser diode 510 to the start point at which the horizontal component laser beam is emitted is Δs, and the distance from one end of the laser diode to the contact point where the optical axis and the incidence surface are in contact is from s 1 , s 1 to the optical axis. The distance from the t-t, t to the place where the optical fiber 530 is located is represented by s 2 , and t is the thickness of the aspherical lens 520.
먼저 비구면 렌즈(520)의 수직방향(Y축)을 투과하는 수직성분의 레이저 빔을 고려한다. 레이저 다이오드(510)에서 θV0의 발산각으로 방출된 수직성분의 레이저 빔은 볼록한 입사면(522)에서 θV1 = 0°의 각으로 굴절되어 진행한다. 광축과 평행하게 진행하는 수직성분의 레이저 빔은 볼록한 출사면(524)에서 θV2의 각으로 굴절되어 광섬유(530)로 수렴된다.First, a laser beam having a vertical component passing through the vertical direction (Y axis) of the aspherical lens 520 is considered. The laser beam of the vertical component emitted at the divergence angle of θ V0 from the laser diode 510 is refracted at an angle of θ V1 = 0 ° at the convex incident surface 522 and proceeds. The laser beam of a vertical component running parallel to the optical axis is refracted at an angle of θ V2 at the convex exit surface 524 and converged into the optical fiber 530.
한편, 비구면 렌즈(520)의 수평방향(X축)을 투과하는 수평성분의 레이저 빔을 고려하면, 레이저 다이오드(510)에서 θH0의 발산각으로 방출된 수평성분의 레이저 빔은 오목한 입사면(522)에서 θH1의 각으로 굴절 및 발산되어 진행한다. 일정각도 θH1으로 발산되어 진행하는 수평성분의 레이저 빔은 볼록한 출사면(524)에서 θH2의 각으로 굴절되어 광섬유(530)로 수렴된다.On the other hand, considering the laser beam of the horizontal component transmitted through the horizontal direction (X axis) of the aspherical lens 520, the laser beam of the horizontal component emitted at the divergence angle of θ H0 from the laser diode 510 is a concave incident surface ( At 522, the light is refracted and diverged at an angle θ H1 to proceed. A laser beam of a horizontal component diverging at a predetermined angle θ H1 is refracted at an angle of θ H2 at the convex exit surface 524 and converged into the optical fiber 530.
이와 같은 구성은 IMT-2000, 광 중계기 등의 광통신 시스템에 적용가능하다. 이는 비구면 렌즈(520)를 구비함으로써 광통신에서 사용되는 레이저 빔의 광섬유에 대한 결합효율을 향상시킬 수 있기 때문이다. Such a configuration is applicable to optical communication systems such as IMT-2000, optical repeaters, and the like. This is because the aspheric lens 520 can be provided to improve the coupling efficiency of the laser beam used in the optical communication with the optical fiber.
이하에서는 도 3 내지 도 6을 참조하여 비점수차 보상, 타원형 레이저 빔의 원형화 및 구면수차 최소화를 위한 본 발명에 따른 회전 비축대칭 비구면 렌즈의 제한조건에 대해 설명한다.Hereinafter, with reference to Figures 3 to 6 will be described the constraints of the rotation asymmetric aspheric lens according to the present invention for astigmatism compensation, circularization of the elliptical laser beam and minimizing spherical aberration.
비점수차 보상을 위해서는 비구면 렌즈(520)의 수직방향의 앞면 초점 거리(Forward Focal Length : FFL)와 수평방향의 FFL이 동일하여야 한다. 이 조건은 [수학식 10]으로 나타낼 수 있다. To compensate for astigmatism, the forward focal length (FFL) in the vertical direction of the aspherical lens 520 and the FFL in the horizontal direction should be the same. This condition can be expressed by [Equation 10].
[수학식 10]에서 RV1, RH1, RV2 및 RH2는 각각 수직입사면, 수평입사면, 수직출사면 및 수평출사면에 대한 주곡률반경, t는 광축과 접해 있는 입사면(522) 및 출사면(524) 사이의 거리, n은 비구면 렌즈(520)의 굴절률을 의미한다. [수학식 10]을 만족함으로써 수직방향의 FFL 및 수평방향의 FFL이 동일하게 되며, 이로 인해 비점수차는 보상된다.In Equation 10, R V1 , R H1 , R V2, and R H2 are principal curvature radii for the vertical incidence plane, the horizontal incidence plane, the vertical emission plane, and the horizontal emission plane, respectively, and t is the incident plane in contact with the optical axis (522). ) And the distance between the exit surface 524, n means the refractive index of the aspherical lens 520. By satisfying [Equation 10], the FFL in the vertical direction and the FFL in the horizontal direction are the same, and thus astigmatism is compensated.
레이저 다이오드(510)로부터 방출되는 타원형의 레이저 빔을 원형으로 정형화하기 위해서는 비구면 렌즈(520)의 출사면(524)에서 굴절되는 순간의 수직성분 레이저 빔의 반경과 수평성분의 레이저 빔의 반경이 동일하여야 한다. 도 3 및 도 4를 참조하면, hV2 = hH2이어야 하며 [수학식 8]은 [수학식 11]과 같이 표현될 수 있다.In order to shape the elliptical laser beam emitted from the laser diode 510 into a circular shape, the radius of the vertical component laser beam and the horizontal component of the horizontal laser beam are equal to each other when they are refracted by the exit surface 524 of the aspherical lens 520. shall. 3 and 4, h V2 = h H2 , and Equation 8 may be expressed as Equation 11 below.
도 6을 참조하여 [수학식 11]을 정리하면 [수학식 12]와 같이 표현된다.Referring to FIG. 6, Equation 11 is summarized as Equation 12.
여기서, 수직성분의 레이저 빔은 수직입사면에서 굴절되어 .광축과 평행하게 진행하므로 θV1 = 0°이다.Here, the laser beam of the vertical component is refracted at the vertical incidence plane and proceeds in parallel with the optical axis, so θ V1 = 0 °.
한편, 레이저 다이오드(510)로부터 방출된 레이저 빔은 레이저 빔이 집속되는 광섬유(530)에서 구면수차를 발생한다. 이러한 구면수차는 다음의 [수학식 13] 및 [수학식 14]의 비구면 계수 A 및 B를 최적화함으로써 최소화할 수 있다. [수학식 13]은 본 발명에 따른 회전 비축대칭 비구면 렌즈의 입사면(522)의 자유곡면방정식, [수학식 14]는 본 발명에 따른 회전 비축대칭 비구면 렌즈의 출사면(524)의 자유곡면방정식이다. On the other hand, the laser beam emitted from the laser diode 510 generates spherical aberration in the optical fiber 530 to which the laser beam is focused. Such spherical aberration can be minimized by optimizing the aspherical coefficients A and B in Equations 13 and 14 below. [Equation 13] is a free surface equation of the incident surface 522 of the rotational non-axisymmetric aspheric lens according to the present invention, [Equation 14] is a free surface of the exit surface 524 of the rotational non-axisymmetric aspheric lens according to the present invention Equation.
[수학식 13] 및 [수학식 14]에서 ZInput Surface(X,Y)는 수직입사면 및 수평입사면에 대한 임의의 위치(X,Y)에서의 렌즈 입사면의 광축방향높이, ZOutput Surface(X,Y)는 수직출사면 및 수평출사면에 대한 임의의 위치(X,Y)에서의 렌즈 출사면의 광축방향높이, CV1, CH1, CV2 및 CH2는 각각 수직입사면, 수평입사면, 수직출사면 및 수평출사면에 대한 주곡률이며, 각각의 주곡률은 [수학식 2], [수학식 6], [수학식 4] 및 [수학식 8]에서 구한 각각의 주곡률반경의 역수이다. 또한, 아래첨자 i 및 j는 정수, Ai1 및 Ai2는 수직방향(Y축)의 비구면 계수(Aspheric Constant in Y-axis), Bj1 및 Bj2는 수평방향(X축)의 비구면 계수(Aspheric Constant in X-axis), kV1, kH1, kV2 및 kH2는 각각 수직입사면, 수평입사면, 수직출사면 및 수평출사면에 대한 원추 상수(Konic Constant)를 의미한다. 비구면 계수 A 및 B를 최적화하기 위해서는 구면수차 오차를 목적함수로 설정한 후 비선형 커브 근사법(Nonlinear Curve Fitting)과 같은 수치해석적인 방법을 이용한다.In [Equation 13] and [Equation 14], Z Input Surface (X, Y) is the optical axis height of the lens incidence plane at an arbitrary position (X, Y) with respect to the vertical incidence plane and the horizontal incidence plane, Z Output. Surface (X, Y) is the height of the optical axis of the lens exit plane at any position (X, Y) with respect to the vertical exit plane and the horizontal exit plane, C V1 , C H1 , C V2 and C H2 , respectively , The main curvatures for the horizontal incidence plane, the vertical exit plane, and the horizontal exit plane, and the major curvatures are obtained from Equation 2, Equation 6, Equation 4, and Equation 8, respectively. It is the inverse of the principal curvature radius. Subscripts i and j are integers, A i1 and A i2 are aspheric coefficients in the vertical direction (Y axis), and B j1 and B j2 are aspherical coefficients in the horizontal direction (X axis). Aspheric Constant in X-axis), k V1 , k H1 , k V2 and k H2 mean Konic Constants for the vertical incidence plane, the horizontal incidence plane, the vertical emission plane and the horizontal emission plane, respectively. To optimize the aspherical coefficients A and B, we set the spherical aberration error as the objective function and use numerical methods such as nonlinear curve fitting.
본 발명에 따른 회전 비축대칭 비구면 렌즈에 의하면, 1매의 회전 비축대칭 비구면 렌즈를 구비함으로써 레이저 다이오드로부터 방출되는 레이저 빔의 비점수차를 보상하며, 타원형 빔을 원형화하고, 구면수차를 최소화할 수 있다. 이로 인해 레이저 다이오드로부터 방출되는 레이저 빔을 광섬유에 입사시킬 때 레이저 빔의 집속효율 및 결합효율을 극대화할 수 있다. 또한, 본 발명은 유리(glass) 또는 플라스틱(plastic) 소재를 이용하여 비구면 렌즈를 제조함으로써 대량생산이 가능하며 생산원가가 낮아 제조비용의 절감효과가 있다.According to the rotational non-axisymmetric aspherical lens according to the present invention, by providing a single rotational non-axisymmetric aspherical lens, the astigmatism of the laser beam emitted from the laser diode can be compensated, the elliptical beam can be circularized, and the spherical aberration can be minimized. have. As a result, when the laser beam emitted from the laser diode is incident on the optical fiber, the focusing efficiency and coupling efficiency of the laser beam may be maximized. In addition, the present invention can be mass-produced by manufacturing an aspherical lens using a glass (glass) or plastic (plastic) material, the production cost is low, there is an effect of reducing the manufacturing cost.
이상에서 대표적인 실시예를 통하여 본 발명에 대하여 상세하게 설명하였으나, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 상술한 실시예에 대하여 본 발명의 범주에서 벗어나지 않는 한도내에서 다양한 변형이 가능함을 이해할 것이다. 그러므로 본 발명의 권리범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 안되며 후술하는 특허청구범위 뿐만 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다. Although the present invention has been described in detail through the representative embodiments, those skilled in the art to which the present invention pertains can make various modifications without departing from the scope of the present invention with respect to the embodiments described above. Will understand. Therefore, the scope of the present invention should not be limited to the described embodiments, but should be defined by the claims below and equivalents thereof.
도 1은 일반적인 레이저 다이오드로부터 방출되는 타원형의 레이저 빔을 도시한 도면,1 shows an elliptical laser beam emitted from a typical laser diode,
도 2a 및 도 2b는 종래의 원통형 렌즈를 사용하는 시준기의 실시예를 도시한 도면,2A and 2B show an embodiment of a collimator using a conventional cylindrical lens,
도 3은 본 발명에 따른 회전 비축대칭 비구면 렌즈의 광축에 수직인 수직평면에서의 레이저 빔 경로를 설명하기 위한 도면,3 is a view for explaining a laser beam path in a vertical plane perpendicular to the optical axis of a rotating asymmetric aspheric lens according to the present invention;
도 4는 본 발명에 따른 회전 비축대칭 비구면 렌즈의 광축에 수직인 수평평면에서의 레이저 빔 경로를 설명하기 위한 도면,4 is a view for explaining a laser beam path in a horizontal plane perpendicular to the optical axis of a rotational asymmetric aspheric lens according to the present invention;
도 5는 본 발명에 따른 레이저 빔을 정형화하는 회전 비축대칭 비구면 렌즈가 적용된 실시예를 도시한 도면, 그리고,FIG. 5 is a view showing an embodiment in which a rotating non-axisymmetric aspherical lens for shaping a laser beam according to the present invention is applied; and
도 6은 본 발명에 따른 회전 비축대칭 비구면 렌즈를 이용하여 레이저 빔을 정형화하는 실시예를 도시한 도면이다. FIG. 6 is a diagram illustrating an embodiment of shaping a laser beam using a rotating non-axisymmetric aspheric lens according to the present invention.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *Explanation of symbols on the main parts of the drawings
510 : 레이저 다이오드 520 : 비구면 렌즈510: laser diode 520: aspherical lens
522 : 입사면 524 : 출사면522: entrance plane 524: exit plane
530 : 광섬유530: fiber optic
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