KR20090095660A - 광 결합 및 시준 장치 - Google Patents

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일리야 아구로크
로니 린지
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피지컬 옵틱스 코포레이션
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Abstract

비결상 광 결합기와 시준기. 비결상 광 결합기와 시준기는 초점(150)을 통해 동일한 파장(142,144)의 빛을 내는 적어도 두 개의 광원(110,130)과 초점을 지난 후 동일한 파장의 빛을 수신하고 대기에서 동일한 파장의 빛을 시준하는 비결상 소자를 포함할 수 있다. 이 적어도 두 개의 광원(110,130)은 섬유 광원, 광섬유, 굴절률 분포형 렌즈(gradient index lenses), 섬유 레이저 또는 레이저 다이오드를 포함할 수 있다. 비결상 소자(160)는 입력면(165), 입력면에 근접해 위치한 포물면(paraboloid surface), 포물면에 근접해 위치한 원뿔면, 원뿔면에 근접해 위치하고 입력면(165)으로부터 비결상 소자(160)의 맞은편에 위치한 타원면을 포함할 수 있다. 포물면은 전체 내부 반사면을 포함할 수 있다.

Description

광 결합 및 시준 장치{Beam Combiner and Collimator}
본 발명은 광선형성 장치(Beamforming device)에 관계된다. 더 상세히 본 발명은 대기를 통해 빛을 결합시키고 시준하기 위한 방법과 장치에 관계된다.
현재 조명시스템은 빛을 전달하는데 사용될 수 있다. 이 전달된 빛은 광원과 수신기 사이에서 데이터를 전달하는데 사용될 수 있다. 예를 들어, 데이터는 광섬유를 거쳐 광원에서 수신기로 전해질 수 있다. 게다가 전달된 빛은 소형 물체(또는 휴대용 장치)에 사용될 수 있다. 예를 들면 레이저 시준이 목표의 위치를 정확히 지적하는데 사용될 수 있다. 또한 전달된 빛은 용도별로 사용될 수 있다. 예를 들면, 고성능 레이더는 표적 조명에 빛을 전달하는데 활용할 수 있다.
유감스럽게도 많은 현재의 조명 시스템은 수많은 응용기기(애플리케이션)에 대해 충분한 빛의 세기를 제공하지 못한다. 또한 다양한 응용을 위해 조명의 세기를증진시키면 엄청나게 비싼 가격과 공간 비용을 초래할 수 있다. 예를 들면 필요한 빛의 세기 조건 때문에 대기를 건너 고속의 데이터를 전달하는 데에는 비용이 매우 많이 든다. 또한 비용과 크기의 제약은 표적의 정확한 위치를 지적하기 위한 시스템과 같은, 많은 응용기기에 대해 광범위한 조명 시스템의 사용하는 것을 막을 수 있다. 예를 들어, 현재의 고성능 레이저 다이오드는 1 내지 4 와트 이상을 발생시키지 못한다. 이 빛의 세기는 밀도가 높은 대기 상태에서 전쟁장면을 삼차원적으로 연출하는데 불충분할 수 있다.
본 발명은 비결상 광 결합 및 시준기(NIBCC:nonimaging beam combiner and collimator, 이하에서 'NIBCC'라 함)를 제공한다. NIBCC는 초점을 통해 동일한 파장의 빛을 내는 적어도 두 개의 제 1 광원과 초점을 지난 후에 동일한 파장의 빛을 수신하고 대기에서 동일한 파장의 빛을 시준하는 비결상 소자(NIE:nonimaging element)를 포함할 수 있다. 적어도 두 개의 제 1 광원은 적어도 하나의 광섬유 광원, 광섬유, 굴절률 분포형 렌즈(gradient index lenses), 광섬유 레이저 및 레이저 다이오드를 포함할 수 있다. 시준기는 입력면, 입력면에 근접해 위치한 포물면, 포물면에 근접해 위치한 원뿔면, 원뿔면에 근접해 위치하고 입력면으로부터 시 준기의 맞은편에 위치한 타원면을 포함할 수 있다. 포물면은 전체 내부 반사 주 소자를 사용한다.
NIBCC는 또한 적어도 두 개의 제 2 광원을 포함할 수 있는데, 이 적어도 두개의 제 2 광원은 초점을 통해 동일한 제 2 파장의 빛을 발한다. 비결상 소자(NIE)는 또한 초점을 지난 후에 동일한 제 2 파장의 빛을 수용할 수 있고 대기를 통해 동일한 제 2 파장의 빛의 세기를합하기 위해 동일한 제 2 파장의 빛을 시준할 수 있다.
NIBCC는 또한 적어도 두 개의 제 1 광원 중 적어도 하나와 연결된 광원 제어기와 이 광원 제어기에 연결된 대기상태 감지장치를 포함할 수 있다. 광원 제어기는 대기상태 감지장치로 감지된 대기 상태를 기초로 적어도 두 개의 제 1 광원 중적어도 하나에 의해 방출된 빛을 제어할 수 있다. 광원 제어기는 또한 대기가 빛을 쉽게 전달한다는 것을 대기상태 감지장치가 감지할 때, 적어도 두 개의 제 1 광원 중 적어도 하나가 빛을 발하는 것을 중단하게 할 수 있다. 이 광원 제어기는 또한 대기가 빛을 쉽게 전달하지 못하는 것을 대기상태 감지장치가 감지할 때, 적어도 두 개의 제 1 광원 중 적어도 하나가 빛을 발하게 할 수 있다. 대기상태 감지장치는 레이저 레이더를 포함할 수 있다. 대기상태 감지장치로 감지된 대기상태를 기초로 하여, 광원 제어기는 대기를 통과한 빛의 빛의 세기(a power of the light)를 상승(boosting), 유지 및 낮추는 동작 중 적어도 하나를 이행할 수 있다. 대기상태 감지장치는 대기 중의 동일한 제 1 파장의 빛의 광선 내에서 대기 상태를 감지할 수 있다.
NIBCC는 조각기에 활용될 수 있다. NIBCC는 또한 물체를 시준하기 위한 표적 지시 시스템에 활용될 수 있다.
NIBCC는 또한 대기 광학 네트워크(atmospheric optical network)에 활용될 수 있다. 대기 광학 네트워크는 대기 광학 데이터 노드(AODN: atmospheric optical data node)를 포함할 수 있다. 대기 광학 데이터 노드는 적어도 두 개의 제 1 광원을 포함할 수 있는데, 이 적어도 두 개의 제 1 광원은 초점을 통해 동일한 제 1파장의 빛을 방출한다. 대기 광학 데이터 노드는 또한 적어도 두 개의 제 2 광원을 또한 포함할 수 있는데, 이 적어도 두 개의 제 2 광원은 초점을 통해 동일한 제 2 파장의 빛을 방출한다. 대기 광학 데이터 노드는 또한 초점을 지난 후 동일한 제 1 파장의 빛을 수신하고 대기를 통해 동일한 제 1 파장의 빛의 세기를합하는 동일한 제 1 파장의 빛을 시준하는 비결상 소자(NIE)를 포함할 수 있으며, 초점을 지난 후에 동일한 제 2 파장의 빛을 수신하고 대기를 통해 동일한 제 2 파장의 빛의 세기(광도)를 합하기 위해 동일한 제 2 파장의 빛을 시준한다. 대기 광학 네트워크는 또한 제 2 대기 광학 데이터 노드를 포함할 수 있다.
대기 광학 네트워크는 또한 동일한 제 1 파장의 빛과 대기로부터의 동일한 제 2 파장의 빛을 수신하는 수신기를 포함할 수 있다. 이 수신기는 빛을 결합시키고 시준하기 위한 장치로부터 적어도 약 2 킬로미터, 10 킬로미터 또는 그 이상에 위치할 수 있다. 수신기는 동일한 제 2 파장의 빛으로부터 동일한 제 1 파장의 빛을 역 다중 송신하는 파장분할 역다중화기(wavelength division demultiplexer)를 포함할 수 있다.
대기 광학 네트워크는 또한 대기를 통해 평행광(collimated light)을 반사시키는 반사기를 포함할 수 있다. 대기 광학 네트워크는 또한 제 1 수신기와 제 2 수신기로 평행광을 반사시키는 반사기를 포함할 수 있다.
대기 광학 네트워크는 게다가 적어도 두 개의 제 1 광원 중 적어도 하나에 연결된 광원 제어기와 광원 제어기에 연결된 대기상태 감지장치를 포함할 수 있다.광원 제어기는 대기상태 감지장치로 감지된 대기 상태를 기초로 적어도 두 개의 제 1 광원 중 적어도 하나에 의해 방출된 빛을 제어할 수 있다. 이 광원 제어기는 또한 대기가 빛을 쉽게 전달하는 것을 대기상태 감지장치가 감지할 때, 적어도 두 개의 제 1 광원 중 적어도 하나가 빛을 발하는 것을 멈추게 할 수 있다. 이 광원 제어기는 또한 대기가 빛을 쉽게 전달하지 못하는 것을 대기상태 감지장치가 감지할 때, 적어도 두 개의 제 1 광원 중 적어도 하나가 빛을 발하게 할 수 있다.
대기상태 감지장치는 레이저 레이더를 포함할 수 있다. 광원 제어기는 대기상태 감지장치로 감지된 대기를 기초로 대기를 통해 빛의 세기를승압시키고, 유지하거나 낮출 수 있다. 대기상태 감지장치는 대기를 통해 동일한 제 1 파장의 광선 내에서 대기상태를 감지할 수 있다.
NIBCC(nonimaging beam combiner and collimator)는 다음 이점들을 제공한다.: 0.5mrad 발산의 고품질 평행광을 얻는다. 또한 기계적으로 견고하며 심지어 전쟁터 같은 조건에서도 동작시 주기적인 정렬을 필요로 하지 않는다. 게다가 성형 또는 다이아몬드-선삭(diamond-turning) 기술로 저렴하게 대량 생산된다. 그 위에, 금속원소 없이 만들어질 수 있기 때문에 전장에서 사용 시 적의 레이더를 통과하며; 따라서 스텔스 기술(stealth technology)을 지원한다. 또한 매우 소형인데; 종래의 광학적 접근수단보다 10배 작다. NIBCC의 크기는 2"x 2"x 3"보다 작을 수 있다. 게다가 쉽게 세척될 수 있는 외부 표면으로 인해 오염에 안정적이다. 또한 NIBCC에서 광경로차가 1 GHz 극초단파 신호의 가간섭 길이(coherence length)보다 짧도록 설계될 수 있기 때문에 1 GHz의 극초단파 변조 주파수에서 위상 가간섭 시준(phase coherent collimation)을 제공한다. 또한 효율성이 높은(NIBCC에서 반사방지 도료로 코팅된 경우에, 98% 이상의 투과율) 광 시준을 제공한다. 게다가, 더 많은 광선들이 NIBCC에 의해 결합 될수록 입사광선의 개개의 부분적 간극(aperture)이 더 작아지기 때문에, 개별적인 광선의 잠재 수차(potential aberration)가 작아질 수 있다. 더구나 NIBCC는 동일한 파장의 광선들을 결합시킬 수 있다.
NIBCC는 매우 저렴하고, 온도 편차와 진동에 대해 안정성을 유지할 수 있다. 작은 입체각에서 높은 밝기(광도)를 얻을 수 있는 능력 때문에 공항의 착륙 조명, 높은 계류주(mast)의 전방향 경고 진입등, 경찰 탐조등 및 헬리콥터 진입등과 같은 많은 분야에 상업적으로 적용하는 데 유리하다.
도 1은 제 1 실시예에 따라 대기를 통과하는 빛을 결합하고 시준하기 위한 NIBCC(nonimaging beam combiner and collimator)와 같은 시스템 또는 장치(100)의 예시적인 블록 다이어그램이다. 이 장치(100)는 광원(110,120,130) 및 비결상 소 자(NIE:non-imaging element)(160)를 포함할 수 있다. 광원(110,120, 130)은 적어도 두 개의 광원(110,130)을 포함할 수 있거나 두 개 이상의 광원(110,120, 130)을 포함할 수 있다. 이 광원(110,120,130)은 또한 섬유 광원, 광섬유, 굴절률 분포형 렌즈(gradient index lenses), 섬유 레이저, 레이저 다이오드 또는 광원으로서 유용한 다른 장치를 포함할 수 있다. NIE(160)는 입력면(165)과 출력면(167)을 포함할 수 있다. NIE(160)는 빛을 시준 및/또는 결합시키기 위한 장치를 포함할 수 있다. 동작시, 광원(11,120,130)은 NIE(160)의 입력면(165)을 향하는 빛(140,142,144)을 방출할 수 있다. 적어도 두 개의 광원들은 실질적으로 동일한 파장의 빛을 방출할 수 있다. 이 빛(140,142,144)은 실질적으로 초점(150)을 통해 NIE(160)의 입력면(165)으로 유도될 수 있다. NIE(160)는 빛(140,142,144)을 시준하고 결합시킬 수 있다. 그리고나서 NIE(160)는 출력면(167)을 통해 평행광과 결합광(170,172,174)을 출력할 수 있다. 초점(150)을 통해 수신된 빛을 시준하고 결합시킴으로서 NIE(160)는 출력면(167)을 거쳐 결합광(170,172,174)을 생성시키기 위해 수신된 빛(140,142,144)의 광도를 합할 수 있다. 따라서 예를 들면 하나의 광원으로 방사된 빛의 세기(광도)는 제 2 광원을 더함으로써 두 배, 제 3의 광원을 더함으로써 세배 등이 될 수 있다.
광원(120)은 광제어기와 대기상태 감지장치를 포함할 수 있고, 광원(110,130) 중 적어도 하나와 연결될 수 있다. 예를 들어 광원(120)은 라이더(lidar) 또는 레이저 레이더를 포함할 수 있고, 초점(150)을 통해 빛(140)을 방출할 수 있다. 여기서, 빛(140)은 NIE(160)를 통과하여 출력면(167)으로부터 빛(170)으로 방출될 수 있다. 이 빛(170)의 일부는 대기 상태에 따라 NIE(160)를 통해 뒤로 반사될 수 있다. 예를 들어 짙은 안개 또는 스모그는 깨끗한 대기보다 빛이 더 많이 뒤로 반사되게 할 수 있다. 이 빛은 NIE(160)를 통해 뒤쪽으로(즉, 광원쪽으로) 반사될 수 있다. 광원(120)의 대기상태 감지장치는 그리고나서 대기 상태에서의 변화들을 감지할 수 있다. 대기 상태가 변화할 때, 광원(120)의 광제어기는 광원(110,130)에 의해 방사된 빛을 제어할 수 있다. 예를 들어 대기 상태가 빛을 전달하기 어렵게 할 때, 광 제어기는 광원(110)과 같은 추가 광원들이 빛을 전달하거나 전달된 빛의 강도를 증가시키게 할 수 있다. 따라서 하나의 광원이 깨끗한 대기 상태에서 이용될 수 있고 그 이상의 광원들이 농후한 대기 상태를 보상하기 위해 증가될 수 있다.
도 2는 다른 실시예에 따라 NIBCC(200)와 같이 대기를 통과하는 빛을 결합시키고 시준하는 시스템 또는 장치의 예시적인 다이어그램이다. NIBCC(200)는 광원(205)과 NIE(Non-Imaging Element:비결상 소자)(250)를 포함할 수 있다. 광원(205)은 레이저 다이오드(210,212,214)와 굴절률 분포형(GRIN) 렌즈(230,232,234)를 포함할 수 있다. GRIN 렌즈(230,232,234)는 조명기 하우징(220)에 장착될 수 있다. NIE(250)는 입력면(252), 포물면(254), 원뿔면(256), 타원면(258)을 포함할 수 있다. 원뿔면(256)은 x-축(260)에 대해 원뿔형이다. 작용 중에 레이저 다이오드(210,212,214)는 초점(275)을 거쳐 빛의 형태로 GRIN 렌즈(230,232,234)를 통해 빛을 투영시킨다. 빛(240)은 입력면(252)을 통해 NIE(250)로 들어가고 x-축(260)에 평행한 출력광(270)처럼 반사되고 굴절된다.
더 상세히 설명하면, 동작시 레이저 다이오드(210,212,214)로부터의 빛은 혼기술(horn technology) 또는 종래의 광학 기술을 이용해 광섬유(216,218)에 연결된다. 다수의 GRIN 렌즈(230,232,234)는 빛을 NIE(250)의 초점(275)으로 나아가게 한다. NIE는 그리고 나서 출력광(270,272)으로 빛을 출력할 수 있다.
NIE(250)는 x-축(260)에 대해 회전대칭인 면들로 구성된다. 입력면(252)은 점(275)에 중심이 있는 구면이다. 점(275)으로부터의 광선들은 굴절되지 않고 입력면(252)을 지난다. A에서 B까지의 면(254)은 점(275)에 초점이 있는 포물선을 포함한다. 모든 광선 FC는 (광선 CE와 같이) 포물선 축에 평행한 방향에서 전체 내부 반사로 반사될 것이다. B에서 D까지의 원뿔면(256)은 x-축에 평행한 방향에서 광선 CE를 굴절시킬 것이다. D-L-S까지의 타원면(258)은 점(275)에 후면 초점이 있다. 이 면(256)은 예를 들면 출력광(272)과 같이 x-축에 평행한 방향에서 FP처럼 입사광을 직접 굴절시킬 것이다. NIE(250)의 획득각은 180°일 수 있다.(즉, NIE는 π입체각에서 빛을 모을 수 있다.) 이것은 또한 점광원(point sources)에 대해 수차가 없는 시준 소자이다. 점(275)에서의 초점 크기가 매우 작을 수 있기 때문에(~50㎛), NIE(250)는 0.5mrad 발산특성(divergence)을 가지는 출력 광선(outgoing beam)을 제공할 수 있다. 다이아몬드 선삭 기술을 이용하는 광학 플라스틱으로 만들어질 수 있는 NIE(250)에서 낮은 수차를 지원하기 위해, 획득각이 160°까지 줄어들 수 있다. 획득각의 이러한 감소는 모아진 빛의 양을 크게 감소시키지 않는다.
도 3은 한 실시예에 따른 대기 광학 네트워크 시스템(300)의 예시적인 블록 다이어그램이다. 이 시스템(300)은 데이터 원(310), 광원(320,322,324,326,328), 초점(335)을 거쳐 방출된 빛(330), NIE(340), 결합되고 시준된 빛(345)과 렌즈(350), 감지기(360) 및 터미널(372,374,376)을 포함할 수 있는 수신기를 포함할 수 있다. 작용 중에 데이터 원(310)은 광원(320-328)이 빛(330)으로 투영하도록 데이터를 제공할 수 있다. 예를 들어 데이터 원(310)은 광원(320-328)이 펄스광(pulsed light)을 방출하도록 2진수 데이터를 제공할 수 있다. 상이한 채널을 실현시키기 위해 광원(322,324)은 한 채널에 대해 제 1 파장의 빛을 발할 수 있다.또한 광원(326,328)은 분할 채널을 실현하기 위해 제 2 파장의 빛을 발할 수 있다. 따라서 제 1 채널의 데이터는 광원(322,324)에 의해 전달될 수 있고 제 2 채널의 데이터는 광원(326,328)에 의해 전달될 수 있다.
광원(320)은 광원(322,324,326,328)을 제어할 때 대기 상태를 감지하기 위해 광제어기와 대기상태 감지장치를 포함할 수 있다. 따라서 깨끗한 대기 상태에 대해, 더 적은 광원이 빛의 세기의 보존을 위해 사용될 수 있다. 농밀한 대기 상태에 대해, 동일한 파장의 추가 광원이 대기를 통해 빛의 세기의 전달을 증가시키기 위해 채널마다 사용될 수 있다. 광제어기와 대기상태 감지장치는 시스템(300)의 외부에 위치될 수 있다. 따라서 NIE(340)를 통해 빛을 수신하기 위한 광 제어기와 대기상태 감지장치가 불필요하다.
빛(330)은 초점(335)를 거쳐 NIE(340)에 전해진다. NIE(340)는 그리고나서 빛(345)을 결합시키고 시준할 수 있다. 이 빛(345)은 수신기의 렌즈(350)로 수신되고 초점이 맞춰져서 감지기(360)로 보내 질 수 있다. 감지기(360)는 그리고나서 상이한 터미널들(372,374,376)에 상이한 데이터 채널들을 분배할 수 있다. 예를 들면 감지기(360)는 탐지기 배열, 파장 분할 역다중화기, 광-전기 변환기 및/또는 분기/결합(add/drop) 다중화기/역다중화기를 포함할 수 있다. 터미널(372,374,376)은 추가 탐지기, 컴퓨터 터미널, 서버, 노드 또는 데이터를 활용할 수 있는 다른 어떤 것일 수 있다.
도 4는 한 실시예에 따른 수신기(400)의 예시적인 블록 다이어그램이다. 수신기(400)는 도 3에 도시된 시스템(300)의 감지기(360)로서 작동할 수 있다. 수신기(400)는 탐지기(420), 광학 펌프(430), 광-전자 탐지기(442,444,446,448), 시험장치(450) 및 음향-광 분기/결합 다중화기/역다중화기(AOADM:acousto-optic add/drop multiplexer/demultiplexer)(452)를 포함할 수 있다. 작동 중에 탐지기(420)는 대기로부터 빛(410)을 수신할 수 있다. 탐지기(420)는 렌즈 또는 분광기(beam splitter), 탐지기 회로소자, 광 감지기, 파장 분할 역다중화기 등등을 포함할 수 있다. 이 탐지기는 그리고나서 빛(410)으로부터 수신기(400)의 다른 소자들까지 수신된 데이터를 분배할 수 있다. 이 데이터는 광학 또는 전기 데이터로서 분배될 수 있다. 이 광학 펌프(430)는 광 데이터 또는 빛으로 데이터를 수신할 수 있고, 그리고 나서 연속적인 전송을 위해 빛을 증폭시킬 수 있다. 광-전자 탐지기(442-448)는 빛으로 데이터를 수신할 수 있고 전기 시스템에 의한 사용을 위해 이 빛을 전기 신호로 변환할 수 있다. 각각의 탐지기(442-448)는 빛(410)으로부터 역다중화된 분리 채널을 수신할 수 있다. 탐지기(442-448)는 그리고나서 2차 장치에 대한 전송을 위해 광 데이터를 전기 신호로 변환시킬 수 있다.
시험장치(450)는 다양한 기준을 기초로 한 대기 상태를 검사하고 다른 장치들을 적절히 제어할 수 있다. 예를 들면, 시험장치(450)는 대기 상태의 검사를 위해 인밴드(in-band) 라이더를 사용할 수 있다. AOADM(acousto-optic add/drop multiplexer/deemultiplexer, 452)은 데이터를 전하는 빛의 추가적인 파장의 형태에서 추가 채널들을 더하거나 뺄 수 있고, 추가 NIBCC(nonimaging beam combiner and collimator)들의 사용에 의해 빛의 전송을 지속시킬 수 있다. AOADM(452)은 또한 연속된 전송을 위해 수신된 신호들을 재생키실 수 있다. AOADM(452)은 광영역(optical domain)에서 전적으로 기능들을 수행할 수 있거나 전기적 영역(electrical domain)으로 변환을 수행한 후 광영역으로 복귀할 수도 있다. AOADM(452)은 그리고나서 다른 수신기들에 신호를 보낸다.
도 5는 한 실시예에 따른 NIBCC(nonimaging beam combiner and collimator)를 활용하는 기본 시스템(500)의 예시적인 도면이다. 기본 시스템(500)은 제 1 대기 광학 데이터 노드(AODN:atmospheric optical data node, 이하에서 'AODN'이라 함)(510), 제 2 AODN(520), 시준되고 결합된 빛(530), 제 1 구조물(540)와 제 2 구조물(550)를 포함할 수 있다. 제 1 AODN(510)은 제 1 구조물(540)에 장착될 수 있다. 제 2 AODN(520)은 제 2 구조물(550)에 장착될 수 있다. 구조물들(540,550)은 건물, 탑 또는 AODN을 수용하기에 편리한 다른 어떠한 구조체일 수 있다. 이 구조물40,550)들은 예를 들면 대략 10km 떨어져서 위치할 수 있다. AODN은 도 1에 도시된 장치(100)와 같은 대기를 통해 빛을 결합시키고 시준하기 위한 장치를 포함할 수 있다. 동작시에 제 1 AODN(510)은, 결합되고 시준된 빛(530)의 형태로, 데이 터를 제 2 AODN(520)으로 전송할 수 있다. 따라서 기본 시스템(500)은 교내 네트워크와 같이 도시권 통신망(metropolitan area network)(MAN)을 실현시키도록 활용될 수 있거나, 광역 통신망(wide area network)(WAN)을 실현시키도록 이용될 수 있다.
도 6은 한 실시예에 따른 NIBCC들을 활용하는 네트워크(600)의 예시적인 도면이다. 네트워크(600)는 구조물(610-614), AODN(620-624) 및 반사기(630)를 포함할 수 있다. 작동 중에, AODN(621)은 빛을 이용해 전송된 데이터를 수신하고 그 빛을 AODN(622,623)으로 재생, 반사 또는 굴절시킬 수 있다. AODN(623)은 빛으로부터 전송된 데이터를 활용할 수 있고, 또한 반사기(630)에 빛을 전송할 수 있다. 반사기(630)는 빛을 AODN(624)으로 반사시킬 수 있다. 따라서 반사기(630)는 AODN(623)에서 AODN(624)까지 직접적인 경로를 차단하는 장애물을 극복하는데 사용될 수 있다. 네트워크(600)는 WAN 또는 MAN을 실현시키도록 활용될 수 있다. 모든 AODN(620-624)은 도 4에 도시된 것과 같이 수신기와, 도 1과 도 2에 도시된 것과 같은 NIBCC(nonimaging beam combiner and collimator)를 활용할 수 있다.
도 7은 한 실시예에 따른 조각기(700)의 예시적인 블록 다이어그램이다. 조각기(700)는 광원(710,720,730)과 NIE(Non-Imaging Element, 740)를 포함할 수 있다. 작동 중에 이 광원들(710,720,730)은 초점을 통해 NIE(740)로 빛(735)을 투영시킬 수 있다. NIE(740)는 그리고나서 객체(760)를 향하는 빛(750)처럼 이 빛을 결합시키고 시준할 수 있다. 따라서 NIE(740)는 광원(710,720,730)으로부터 방출된 빛(735)의 세기(광도)의 합과 같은 높은 광도의 빛을 발생시킬 수 있다. 조각 기(700)는 빛을 이용함으로써 객체(760)와 같은 다양한 객체들을 조각하는데 이용될 수 있다.
도 8은 한 실시예에 따른 표적 지시 시스템(800)의 예시적인 도면이다. 표적지시 시스템(800)은 광원(810,820,830) 및 NIE(Non-Imaging Element ,840)를 포함할 수 있다. 작동 중에 이 광원들(810,820,830)은 초점을 통해 NIE(840)으로 빛(835)을 방출시킬 수 있다. 그리고나서 NIE(840)는 빛을 결합시키고 시준하며 그것을 빛(850)처럼 출력할 수 있다. 따라서 광원들(810,820,830)의 빛의 세기은 NIE(840)에 의해 높은 광도의 빛(850)을 발생시키도록 결합될 수 있다. 그리고나서 높은 광도의 빛(850)은 객체(860)를 조준하는데 이용될 수 있다.
도 9는 한 실시예에 따라서, 도 2에 도시된 NIBCC와 같이, NIBCC(900) 설계의 예시적인 도면이다. NIBCC(900)는 NIE(910) 및 섬유(925,935,945)의 배열에 부착된 GRIN 렌즈(920,930,940)를 포함할 수 있다. NIE(910)는 전체 반구로부터 빛을 집중시킬 수 있다. 최대 수용되는 광선은 FA이다. 측면 AB는 전체 내부 반사각 K 또는 이 각도보다 더 큰 각도에서 빛을 반사시키는 회전 포물면이다.
h sin k = 1, (1-2)
여기서 h는 비결상 소자 물질의 반사계수이다. 모든 광선들은 광축(optical axis)(FO)으로부터 각도 θ에서 반사될 것이다. 원뿔면(BD)에서 굴절된 후에, 나아가는 광선들은 축(FO)에 평행할 것이다. 여기서 n은 굴절계수이다.
n sin α = sin β (1-3)
삼각형 FEM에서, 나아가는 광선γ가 축(FO)에 평행하다면:
β = 90° - φ (1-4)
삼각형 CNE에서, EM이 원뿔면(DB)에 직각이면:
α = 180° - θ - δ (1-5)
그러므로
δ = 180° - β (1-6)
또는 식(1-4)를 고려하면,
δ = 180° - 90° + φ = 90° + φ (1-7)
그러므로
α = 180° - φ - 90° = 90° - θ - φ (1-8)
비결상 소자의 설계를 결정하는 주요 방정식은 식(1-3)의 설명이다:
n sin(90° - θ - φ) = sin(90° - φ), 또는
n cos(θ + φ) = cos(φ). (1-9)
θ = 90° - 2K이고 각 K는 식(1-2)로부터 알려져 있으므로, 식(1-9)에서 Φ의 크기를 알 수 있다.
면 DLS는 볼록한 타원면이다. 후면 초점은 점F에 있다. 타원면의 이심률ε가
ε = 1/n (1-10)
이라면 모든 광선들은 도 10에 도시된 바와 같이 x축에 평행하게 존재할 것으로 알려져 있다. 만일 r1 = FA이고 r2 = AF1 이라면:
r1 = a + εx (1-11)
여기서 a는 타원 축의 1/2이다. 도 10에서 각도 φ가 도 9의 φ와 같다면, 그러한 상태는 도 11에 반영된다. 선분 FD는 각도 φ에 대한 r1이다. r1을 알기 위해 삼각형 FAD를 생각해보자:
r1 / sin(90 - θ) = h / sin(180 - 90 + θ - 90 + φ), (1-12)
또는
r1 / cos θ = h / sin(θ + φ), (1-13)
r1 = h cos θ / sin(θ + φ).
초점 F가 x = -aε(도 10)인 위치에 있기 때문에, 점 D의 x 좌표는:
xD = -aε + r1 cosφ (1-14)
그러나 식(1-11)로부터:
r1 = a + εxD 또는 (1-15)
r1 = a + ε(-aε + r1 cos φ).
식(1-15)는 변수 a를 결정할 것이다:
Figure 112009044594504-PAT00001
(1-16)
식(1-16)에서 변수 a와 식(1-10)에서 변수 ε는 타원을 결정할 것이다. 도 9에 도시된 디자인은 이론적으로 수차가 없다. 그러나 실제로는 GRIN 렌즈에 대한 종단 섬유의 상이기 때문에 점 F에 집중된 빛이 한정된 크기를 갖는다. 이는 나아가는 빛의 발산을 이끌 것이다.
조건에 맞는 180°의 입사각을 갖는 NIE가 매우 좁은 구간의 굴절률(refractive index)을 가지는 광학 물질을 위해 존재한다. 이러한 구간의 굴절률은 1.7 내지 1.85로 굴절률의 크기를 제한한다. 감소하는 지수(index)에 의해 NIE의 타원형 부분이 팽창함으로써, NIE의 형상 분해가 이루어진다. 이것은 감소하는 지수(식(1-0))로 인해 편심(이심률, eccentricity)이 증가하고 작은 타원형 축의 절대값을 증가시키기 때문에 일어난다. 이러한 지수 감소는 전체 내부 반사각k(도 9)와 그로 인한 점 D 높이의 증가를 이끈다. 지수가 커지면, 타원은 줄어들고, 그것은 한 번 더 형상 분해를 이끌 것이다. 도 12는 한 실시예에 따른 상이한 크기의 굴절률에 대한 NIE 형상을 나타내는 도면이다.
다이아몬드 선삭은 NIE 제조업에 실행할 수 있는 유일한 기술이다. 그러나 유리가 있는 다이아몬드 선삭을 사용하는 것은 파열된 층을 만든다. 어떤 디자인은 광학 플라스틱-아크릴로 만들어질 수 있다. 아크릴은 굴절률(refractive index)이 1.5이다. NIE의 입사각은 굴절률(refractive index)을 조절하기 위해, 180°에서 160°와 같은 더 작은 값까지 감소될 수 있다. 도 13은 한 실시예에 따른 감소된 입사각의 결합을 도시한 예시적인 도면이다.
도 13에서 기울어진 포물선 AB에 대해 전체 내부 반사는 점 A에서 시작한다. 각 k의 큰 크기에도 불구하고, 각 θ는 NIBCC의 소형 타원형 부분을 지지하기에 충분히 크다(광선 PD는 내려가고 점 D는 F에 가까워진다). 이 경우에 타원은 팽창하 지 않는다. 최초에 θ = 90° - 2K이고, 이제 θ = 90 = 2k +(90 - α/2)이다. 타원 부분은 그것이 이 도면에서 충분히 작더라도, NIBCC에서 수차의 주요 원인이다. 그러므로 광섬유 조명 조립체는 NIBCC의 수용 각도에 따라야 한다.
도 14는 한 실시예에 따라 양질의 초점 광학적 특성을 얻기 위해 사용될 수 있는 평볼록(plano-convex) GRIN렌즈(1410)와 추가적인 볼록렌즈(1420)를 활용하는 초점 광학장치(1400)의 예시적인 도면이다. 추가적인 볼록렌즈(1420)는 수차를 보상하고 0.35의 섬유 개구와 같은 입력 개구를 만든다. 초점 광학장치(1400)는 도 15에 도시된 바와 같이 우수한 수차 보정을 제공한다. 0, 0.02㎜, 0.031㎜의 객체 높이에 대한 세 개의 점확산 함수가 도시된다. 점의 크기는 직경에서 약 0.015㎜이다. 이것은 초점 시스템에 대한 섬유 팀의 상이 도 16에 도시된 바와 같이 나타날 것이라는 것을 의미한다.
도 17은 또 다른 더 복잡한 실시예에 따른 초점 광학장치(1700)의 예시적인 도면이다. 이 초점 광학장치(1700)는 GRIN 렌즈(1720), 볼록렌즈(1730) 및 오목렌즈(1710)를 포함할 수 있다. 오목렌즈(1710)는 볼록렌즈(1730)의 위쪽에 투영해 동공을 지나도록 하기 위해 사용될 수 있다.
도 18은 또 다른 실시예에 따른 초점 광학장치(1800)의 예시적인 도면이다. 초점 광학장치는 GRIN 렌즈(1810), 오목렌즈(1820), 볼록렌즈(1830)를 포함할 수 있다. 이 초점 광학장치(1800)의 상의 질은 도 14의 객체에 대한 것보다 10 우수하다. 시야의 경계에서 점의 최대 크기는 약 2㎛이다. 도 19는 한 실시예에 따른 네 개의 시야에 대한 초점 광학장치(1800)의 점확산 함수의 예시적인 도면이다.
전개된 초점 객체의 배출 개구는 0.449 또는 26°이다. 이와 같이 광원뿔의 양각(double angle)은 52°이다. 7개의 초점 광학장치 또는 객체들의 배열은 약 156°에서 NIBCC의 입구 원뿔(entrance cone)을 커버할 수 있다. 객체의 광학적 특성은 기계적 하우징으로 만들어질 수 있다. 하우징 벽의 최소 두게는 0.2㎜가 될 수 있다. 도 18에 도시된 1.154㎜의 상 거리로, 광선중지의 최소 반각은 약 9°이다. 도 20은 한 실시예에 따른 초점 객체(2000)의 하우징 설계의 예시적인 도면이다.
도 21은 한 실시예에 따른 초점 객체(2000)를 갖는 NIBCC에서 입사광 배열의 예시적인 도면이다. 도 21의 배열은 최적에 가깝고 현재의 마이크로 객체 제조기술로 이루어질 수 있다.
본 발명은 그에 관한 특정 실시예로 기술되었지만, 많은 대안, 수정 및 변형이 당해 업자에게 명백할 것이 분명하다. 따라서 여기 설명된 것처럼 본 발명의 선호된 실시예들은 설명적이나 제한적이지 않다. 수정과 전술적 변형이 가능하다. 또한 본 발명의 취지와 범위 내에서 다양한 변화가 가능하다.
본 발명의 선호된 실시예들은 다음 도면들을 참조로 묘사될 것인데 있어서 숫자들은 소자들을 나타낸다.
도 1은 제 1 실시예에 따라 대기를 통해 빛을 결합시키고 시준하기 위한 시스템의 예시적인 블록 다이어그램;
도 2는 다른 실시예에 따라 대기를 통해 빛을 결합시키고 시준하기 위한 시스템 또는 장치의 예시적인 다이어그램;
도 3은 한 실시예에 따른 대기 광학 네트워크 시스템의 예시적 블록 다이어그램;
도 4는 한 실시예에 따른 수신기의 예시적인 블록 다이어그램;
도 5는 한 실시예에 따른 NIBCC들을 활용하는 시스템의 예시적인 도면;
도 6은 한 실시예에 따른 NIBCCs를 활용하는 네트워크의 예시적인 도면;
도 7은 한 실시예에 따른 조각기의 예시적인 블록 다이어그램;
도 8은 한 실시예에 따른 표적 지시 시스템의 예시적인 도면;
도 9는 한 실시예에 따른 NIBCC 설계의 예시적인 도면;
도 10은 광선이 x-축에 평행하게 나가는 방법의 예시적인 도면;
도 11은 다른 실싱에 따른 NIBCC 설계의 예시적인 도면;
도 12는 한 실시예에 따른 상이한 크기의 굴절률(refractive index)에 대한 NIBCC 형태의 예시적인 도면;
도 13은 한 실시예에 따른 감소된 입사각에 대한 결합 방식의 예시적인 도 면;
도 14는 한 실시예에 따른 초점 광학장치의 예시적인 도면;
도 15는 초점 광학장치가 유효한 수차 보정을 제공하는 방법의 예시적인 도면;
도 16은 초점 시스템에 대한 섬유 팁(fiber-tip) 상의 예시적인 도면;
도 17은 다른 실시예에 따른 초점 광학장치의 예시적인 도면;
도 18은 다른 실시예에 따른 초점 광학장치의 예시적인 도면;
도 19는 한 실시예에 따른 네 개의 시점들(field-of-view points)에 대한 초점 광학장치의 점확산 함수(point spread function)의 예시적인 도면;
도 20은 한 실시예에 따른 초점 물체의 하우징 설계의 예시적인 도면;
도 21은 한 실시예에 따른 초점 물체를 갖는 NIBCC에서 입사광선의 배열의 예시적인 도면.
* 부호설명 *
150,275.335 : 초점
160,250,340,740,840,910 : NIE(Non-Imaging Element)
170,172,174 : 결합광
200,900 : NIBCC(NonImaging Beam Combiner and Collimator)
210,212,214 : 레이저 다이오드 216,218,925,935,945 : 섬유
220 : 하우징 254 : 포물면
230,232,234,920,930,940,1410,1720 : GRIN 렌즈
270 : 출력광 300 : 대기광학 네트워크 시스템
372,374,376 : 터미널 400 : 수신기
442,444,446,448 : 광전자 탐지기 450 : 시험장치
452 : AOADM (Acousto-Optic Add/drop Muliplexer/demultiplexer)
510 : AODN(Atmospheric Optical Data Node)
510,550,610-614 : 구조체 700 : 조각기
800 : 표적지시 시스템 1400,1700,1800 : 초점광학
1420,1730,1830 : 볼록렌즈 1710,1820 : 오목렌즈

Claims (2)

  1. 대기를 통과하는 빛을 결합하고 시준하는 광 결합 및 시준 장치에 있어서,
    둘 이상의 제 1 광원으로서, 상기 둘 이상의 제 1 광원이 한 공유 초점을 통해 제 1 파장의 빛을 방출하는 것이 특징인 둘 이상의 상기 제 1 광원과;
    상기 빛이 상기 공유 초점을 지난 후, 상기 제 1 파장의 빛을 수신하고 시준하여 대기를 통해 상기 제 1파장의 빛의 세기(a power of the light)를 합하는 것이 특징인 비결상 소자를 포함하며;
    양질의 초점 광학적 특성을 얻기 위해 사용될 수 있는 평볼록(plano-convex) GRIN렌즈(1410)와 추가적인 볼록렌즈(1420)를 활용하는 초점 광학장치(1400)를 포함하고, 상기 추가적인 볼록렌즈(1420)는 수차를 보상하고 0.35의 섬유 개구와 같은 입력 개구를 만들도록 구성됨을 특징으로 하는 광 결합 및 시준 장치.
  2. 대기를 통과하는 빛을 결합하고 시준하는 광 결합 및 시준 장치에 있어서,
    둘 이상의 제 1 광원으로서, 상기 둘 이상의 제 1 광원이 한 공유 초점을 통해 제 1 파장의 빛을 방출하는 것이 특징인 둘 이상의 상기 제 1 광원과;
    상기 빛이 상기 공유 초점을 지난 후, 상기 제 1 파장의 빛을 수신하고 시준하여 대기를 통해 상기 제 1파장의 빛의 세기(a power of the light)를 합하는 것이 특징인 비결상 소자를 포함하며;
    GRIN 렌즈(1720), 볼록렌즈(1730) 및 오목렌즈(1710)를 더욱더 포함하고, 오 목렌즈(1710)는 볼록렌즈(1730)의 위쪽에 투영해 동공을 지나도록 하기 위해 사용될 수 있도록 구성됨을 특징으로 하는 광 결합 및 시준 장치.
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