KR102115544B1 - Gap Filling Type Micro Lens Array To Improve Homogeneity And Efficiency - Google Patents

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KR102115544B1
KR102115544B1 KR1020180116256A KR20180116256A KR102115544B1 KR 102115544 B1 KR102115544 B1 KR 102115544B1 KR 1020180116256 A KR1020180116256 A KR 1020180116256A KR 20180116256 A KR20180116256 A KR 20180116256A KR 102115544 B1 KR102115544 B1 KR 102115544B1
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Abstract

본 발명은 상기 광학 기판의 일면에 기본 렌즈 및 서브 렌즈로 구분되어 배열된 갭 필링형 마이크로렌즈 어레이로서, 상기 기본 렌즈 및 서브 렌즈는 각각의 밑면 형상이 다각형, 원형, 타원형 또는 비정형 중 어느 하나로 동형 또는 이형이고, 하기 식(1)의 새그 프로파일(sag profile)을 만족하는 비구면형상이되, 상기 기본 렌즈 및 서브 렌즈는 하기 식(2)와 같이 피치 크기 및 새그값의 비율이 동일하며, 상기 기본 렌즈는 무작위로 배치되어, 인접한 기본 렌즈 사이 겹치는 부분이 있고, 상기 기본 렌즈 사이 개구부의 x, y축 방향 최대 길이는 상기 기본 렌즈 x, y축 방향 최대 피치 크기의 1~20%이며, 상기 서브 렌즈는 상기 개구부에 배치되되, 인접한 기본 렌즈 및 서브 렌즈와 겹치는 부분의 x, y축 방향 최대 길이는 상기 서브 렌즈의 x, y축 방향 최대 피치 크기의 1~20%인 것에 특징이 있는 갭 필링형 마이크로렌즈 어레이.에 관한 것이다.
식(1)

Figure 112018096232937-pat00007

z : 단일 렌즈의 X,Y 위치에 대한 높이값(새그값)
c : 단일 렌즈의 축별 곡률 (x-curvature, y-curvature
κ: 단일 렌즈의 비구면 계수 (conic constant)
Figure 112018096232937-pat00008

식(2)
Ssub=(Sbase ·Zsub)/Zbase
Ssub : 기본 렌즈의 최대 피치값(최대 직경)
Sbase : 서브 렌즈의 최대 피치값(최대 직경)
Zsub : 기본 렌즈의 새그값
Zbase : 서브 렌즈의 새그값The present invention is a gap-filling type microlens array, which is arranged on one side of the optical substrate by being divided into a basic lens and a sub-lens, wherein the basic lens and the sub-lens are the same as any one of polygonal, circular, elliptical, or irregular shapes. Or a heterogeneous, aspherical shape satisfying the sag profile of the following formula (1), wherein the basic lens and sub-lens have the same pitch size and the ratio of the sag value as in the following formula (2), The primary lenses are randomly arranged, and there are overlapping portions between adjacent primary lenses, and the maximum length in the x and y-axis directions of the openings between the primary lenses is 1 to 20% of the maximum pitch size in the x and y-axis directions, and the The sub-lens is arranged in the opening, and the maximum length in the x- and y-axis directions of the overlapping portions of the adjacent primary lens and the sub-lens is 1 to 20% of the maximum pitch size in the x and y-axis directions of the sub lens. It relates to a peeling type microlens array.
Expression (1)
Figure 112018096232937-pat00007

z: Height value for X, Y position of a single lens (sag value)
c: Axial curvature of a single lens (x-curvature, y-curvature
κ: single lens conic constant
Figure 112018096232937-pat00008

Expression (2)
S sub = (S baseZ sub ) / Z base
S sub : The maximum pitch value (maximum diameter) of the basic lens
S base : Sub-lens maximum pitch value (maximum diameter)
Z sub : Sag value of basic lens
Z base : Sag value of sub lens

Description

균질성 및 효율성 향상을 위한 갭 필링형 마이크로렌즈 어레이{Gap Filling Type Micro Lens Array To Improve Homogeneity And Efficiency }Gap Filling Type Micro Lens Array To Improve Homogeneity And Efficiency}

본 발명은 임의의 광원과 결합되어 작동하는 균질성 및 효율성 향상을 위한 갭 필링형 마이크로렌즈 어레이에 관한 것으로, 기본렌즈 및 서브렌즈로 구분되며, 기본 렌즈의 임의배열과 임의배열에 의한 중첩된 부분 및 중첩되지 않은 개구부에 있어서, 상기 개구부를 동일한 형상의 크기가 작은 서브렌즈로 채운 것에 특징이 있는 균질성 및 효율성 향상을 위한 갭 필링형 마이크로 렌즈 어레이에 관한 것이다. The present invention relates to a gap-filling type microlens array for improving the homogeneity and efficiency of operation in combination with an arbitrary light source, which is divided into a primary lens and a sub-lens, and overlaps a portion by random and random alignment of the basic lens and In the non-overlapping opening, it relates to a gap-filling type micro lens array for improving homogeneity and efficiency characterized by filling the opening with a sub-lens having a small size of the same shape.

레이져 빔의 균질화(homogeneity)는 레이져 재료 가공의 다양한 분야뿐만 아니라 레이져 측정 기술 및 분석에서도 중요한 문제이다. 레이져 빔 균질화 기술은 일반적으로 복잡한 위상 함수를 가진 회절광학소자(DOE), 비구면 렌즈(aspheric lens), 다각형 균질 막대(polygon homogenized rod), 마이크로 광학 요소 그룹(micro optic-element groups) 등을 이용한다. 비구면 렌즈 및 회절광학소자(DOE)는 일반적으로 가우시안 광원에서 플랫탑 분포를 생성하는 데 사용된다. Homogeneity of the laser beam is an important issue not only in various fields of laser material processing, but also in laser measurement technology and analysis. The laser beam homogenization technique generally uses a diffractive optical element (DOE) having a complex phase function, an aspheric lens, a polygon homogenized rod, and micro optic-element groups. Aspherical lenses and diffractive optical elements (DOEs) are commonly used to generate flat top distributions in Gaussian light sources.

그러나, 이들 광학 소자는 입사광의 정렬 상태에 있어서 매우 작은 공차범위를 갖는다. 상기 약점을 극복하기 위해 다각형 균질 막대(polygon homogenized rod)는 고투과율 및 균일 분포된 출력광을 생성하는 요소로 한 지점에서 다른 지점으로 빛을 전송하면서 평면형 분포를 생성하기 위한 대체품으로 인정된다. 다각형 균질 막대(polygon homogenized rods)를 사용하는 성형 성능(shaping performance)은 입사 강도 분포와 무관하다. 그러나 다른 광학 소자에 비해 전송 효율이 낮다. However, these optical elements have a very small tolerance range in the alignment state of the incident light. In order to overcome the above weakness, a polygon homogenized rod is an element that generates high transmittance and uniformly distributed output light, and is recognized as a substitute for generating a planar distribution while transmitting light from one point to another. Shaping performance using polygon homogenized rods is independent of incident intensity distribution. However, the transmission efficiency is lower than that of other optical elements.

일반적으로, 마이크로렌즈 어레이(Micro-Lens Array, MLA)는 위상 함수, 비구면 렌즈 및 다각형 균질 막대의 상기 언급된 한계를 해결하는 데 적합하다. 또한, 회절광학소자(DOE)와 비교하여, 마이크로렌즈어레이(Micro-Lens Array, MLA)는 미광(stray light)이 적고 0차 회절 차수(zero diffraction order)가 없기 때문에, 원하는 출력 이미지 내에서 강도를 분배하는 데 큰 이점이 있다.In general, Micro-Lens Array (MLA) is suitable for solving the above-mentioned limitations of phase function, aspheric lens and polygonal homogeneous rod. In addition, compared to a diffraction optical element (DOE), since the micro-lens array (MLA) has less stray light and no zero diffraction order, intensity within a desired output image There is a great advantage in distributing it.

첫째, 마이크로렌즈 어레이(Micro-Lens Array, MLA)는 레이져 소스와 같은 입사광의 파장에 덜 민감하다. 둘째, 이러한 시스템은 입구 강도 프로파일(entrance intensity profile) 및 위상(phase)에서 쉽게 작동될 수 있다. 수직형 표면 방출 레이저(VCSEL)는 물론 레이저 다이오드(LD)에서도 사용이 용이하다. First, a micro-lens array (MLA) is less sensitive to the wavelength of incident light, such as a laser source. Second, such a system can be easily operated in the entrance intensity profile and phase. It is easy to use in vertical surface emitting laser (VCSEL) as well as laser diode (LD).

부가적인 광학 요소가 필요 없기 때문에 광학 패키지의 소형 크기가 달성될 수 있다. 마지막으로, 마이크로렌즈 어레이의 굴절 작용 원리 때문에, MLA 시스템은 매우 높은 효율을 제공하고 큰 조명 각도(illumination angle)에 만족한다.The small size of the optical package can be achieved because no additional optical elements are required. Finally, due to the principle of refraction of the microlens array, the MLA system provides very high efficiency and satisfies large illumination angles.

도 1는 MLA를 통한 출력 빔의 측정 된 강도 분포에 관한 것으로 (a) LD, (b) VCSEL의 정규배열 MLA에 관한 것이다. 최근 마이크로렌즈 어레이 시스템은 VCSEL과 정규배열 MLA로 구성된다. 그러나, 상기 정규배열 MLA는 주기적인 MLA의 구조로 인해, VCSEL에서 수평 및 수직 스트라이프 잡음을 발생시킨다. 이 현상은 LD가 광원으로 적용될 때도 원치 않는 날카로운 강도 피크를 발생시킨다. 스트라이프 및 샤프 강도 피크는 센서 모듈에서 노이즈로 인식되는 요소이다. Figure 1 relates to the measured intensity distribution of the output beam through the MLA (a) LD, (b) relates to the normal array MLA of the VCSEL. Recently, the microlens array system is composed of VCSEL and regular array MLA. However, the regular array MLA generates horizontal and vertical stripe noise in the VCSEL due to the structure of the periodic MLA. This phenomenon creates unwanted sharp intensity peaks even when LD is applied as a light source. The striped and sharp intensity peaks are factors perceived by the sensor module as noise.

상기와 같은 문제점을 이유로, 랜덤배열 MLA과 같이 무작위로 분포된 MLA는 마이크로 광학의 많은 분야에서 보편적으로 사용된다. 도 1는 MLA를 통한 출력 빔의 측정된 강도 분포에 관한 것으로 (c)LD 및 (d)VCSEL의 랜덤배열 MLA에 관한 도면이다. For the above problems, randomly distributed MLA, such as randomly arranged MLA, is commonly used in many fields of micro optics. FIG. 1 relates to the measured intensity distribution of the output beam through the MLA, and is a diagram of (c) LD and (d) VCSEL random array MLA.

통상 무작위로 분포된 MLA는 단위 렌즈의 임의의 위치 때문에 비주기성을 갖는다. 결과적으로, 출력 강도의 분포는 높은 균일성을 갖는다. 그러나, 상기 무작위 분포 마이크로렌즈 어레이 구조는 일반 MLA와 비교하여 약 30%의 효율성을 감소시킨다. 따라서, 무작위로 분산된 MLA를 사용하기 위해서는 단위렌즈 간의 높이 차이와 낮은 충전율을 극복하여야 한다..Usually, the randomly distributed MLA is aperiodic due to the arbitrary position of the unit lens. Consequently, the distribution of output intensity has a high uniformity. However, the randomly distributed microlens array structure reduces the efficiency by about 30% compared to normal MLA. Therefore, in order to use the randomly distributed MLA, it is necessary to overcome the height difference between the unit lenses and a low filling rate.

WO2017/204748(Microlens Array Diffusers)는 개별 렌즈의 위치가 다소 규칙적인 거의 동일한 렌즈 크기를 기반으로 일정한 범위 안에서 랜덤 배치가 되어 있고, 블록 형태의 배치가 아닌 각 개별 렌즈가 보이는 성능이 모두 다르기에 제품의 반복성(Repeatability)의 문제가 발생할 수 있으며, 설계의 복잡성에 의해서 재설계 및 추가 성능의 최적화 작업에 어려움이 있다.WO2017 / 204748 (Microlens Array Diffusers) is a product that the individual lenses are randomly arranged within a certain range based on the almost identical lens size where the positions of the individual lenses are rather regular, and the performance of each individual lens is different, not a block type arrangement. The repeatability problem may occur, and it is difficult to optimize the redesign and additional performance due to the complexity of the design.

상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출한 것으로서, 본 발명의 목적은 균질성 향상 및 효율 유지를 위해 랜덤 배열된 기본렌즈의 중첩되지 않은 개구부인 빈 공간을 서브렌즈로 충진시키는 갭 필링형 마이크로 렌즈 어레이를 제공하는 데 있다. In order to solve the above problems, an object of the present invention is to fill a gap filling type micro lens array that fills an empty space that is a non-overlapping opening of a randomly arranged primary lens with a sub-lens to improve homogeneity and maintain efficiency. To provide.

본 발명의 또 다른 목적은 기존의 정규배열 MLA에 비해 균질성을 향상시키고, 랜덤배열 MLA보다 효율이 30% 향상된 갭 필링형 마이크로 렌즈 어레이를 제공하는 데 있다. Another object of the present invention is to provide a gap-filling micro-lens array that improves homogeneity and improves efficiency by 30% compared to a randomly arranged MLA, compared to a conventional regular array MLA.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 상기 광학 기판의 일면에 기본 렌즈 및 서브 렌즈로 구분되어 배열된 갭 필링형 마이크로렌즈 어레이로서, 상기 기본 렌즈 및 서브 렌즈는 각각의 밑면 형상이 다각형, 원형, 타원형 또는 비정형 중 어느 하나로 동형 또는 이형이고, 하기 식(1)의 새그 프로파일(sag profile)을 만족하는 비구면형상이되, 상기 기본 렌즈 및 서브 렌즈는 하기 식(2)와 같이 피치 크기 및 새그값의 비율이 동일하며, 상기 기본 렌즈는 무작위로 배치되어, 인접한 기본 렌즈 사이 겹치는 부분이 있고, 상기 기본 렌즈 사이 개구부의 X,Y축 방향 최대 길이는 상기 기본 렌즈 X,Y축 방향 최대 피치 크기의 1~20%이며, 상기 서브 렌즈는 상기 개구부에 배치되되, 인접한 기본 렌즈 및 서브 렌즈와 겹치는 부분의 X,Y축 방향 최대 길이는 상기 서브 렌즈의 X,Y축 방향 최대 피치 크기의 1~20%인 것에 특징이 있는 갭 필링형 마이크로렌즈 어레이에 관한 것이다. In order to achieve the above object, the present invention is a gap-filling type microlens array that is divided and arranged into a primary lens and a sub-lens on one surface of the optical substrate, wherein each of the base and sub-lenses has a polygonal bottom shape, Either circular, elliptical, or irregular, homogeneous or heterogeneous, and the aspherical shape satisfying the sag profile of Equation (1) below. The ratio of the sag value is the same, the basic lenses are randomly arranged, and there are overlapping portions between adjacent basic lenses, and the maximum length in the X and Y axes of the openings between the basic lenses is the maximum pitch in the X and Y axes of the basic lenses. 1 to 20% of the size, and the sub-lens is disposed in the opening, and the maximum length in the X and Y axes of the portion overlapping with the adjacent primary lens and the sub lens is 1 of the maximum pitch size in the X and Y axes of the sub lens. It relates to a gap-filling type microlens array characterized by being ~ 20%.

식(1)Expression (1)

Figure 112018096232937-pat00001
Figure 112018096232937-pat00001

z : 단일 렌즈의 X,Y 위치에 대한 높이값(새그값)z: Height value for X, Y position of a single lens (sag value)

c : 단일 렌즈의 축별 곡률 (x-curvature, y-curvature)c: Axial curvature of a single lens (x-curvature, y-curvature)

κ: 단일 렌즈의 비구면 계수 (conic constant)κ: single lens conic constant

Figure 112018096232937-pat00002
Figure 112018096232937-pat00002

식(2) Expression (2)

Ssub=(Sbase ·Zsub)/Zbase S sub = (S baseZ sub ) / Z base

Ssub : 기본 렌즈의 최대 피치값(최대 직경)S sub : The maximum pitch value (maximum diameter) of the basic lens

Sbase : 서브 렌즈의 최대 피치값(최대 직경)S base : Sub-lens maximum pitch value (maximum diameter)

Zsub : 기본 렌즈의 새그값Z sub : Sag value of basic lens

Zbase : 서브 렌즈의 새그값Z base : Sag value of sub lens

또한 본 발명은 상기 기본 렌즈 및 서브 렌즈의 다각형 밑면은 직사각형 또는 정사각형인 것에 특징이 있는 갭 필링형 마이크로렌즈 어레이를 제공한다. In addition, the present invention provides a gap-filling microlens array characterized in that the polygonal bottom of the basic lens and the sub-lens is rectangular or square.

또한 본 발명은 상기 기본 렌즈 또는 서브 렌즈에서 동일한 렌즈의 겹치는 부분의 새그값은 겹친 기본 렌즈 중 어느 하나의 값인 것에 특징이 있는 갭 필링형 마이크로렌즈 어레이를 제공한다. In addition, the present invention provides a gap-filling type microlens array characterized in that the sag value of the overlapping portion of the same lens in the primary lens or the sub-lens is one of the overlapping primary lenses.

또한 본 발명은 상기 기본 렌즈 및 서브 렌즈의 상호 겹치는 부분에서 서브 렌즈의 새그값이 기본 렌즈의 새그값보다 큰 부분의 새그값은 서브 렌즈의 새그값을 갖고, 반대로 기본 렌즈의 새그값이 서브 렌즈의 새그값보다 큰 부분의 새그값은 기본 렌즈의 새그값을 갖는 것에 특징이 있는 갭 필링형 마이크로렌즈 어레이를 제공한다. In addition, according to the present invention, the sag value of a portion in which the sag value of the sub lens is greater than the sag value of the basic lens in the overlapping portion of the basic lens and the sub lens has a sag value of the sub lens, and conversely, the sag value of the basic lens is A sag value of a portion larger than the sag value of provides a gap-filling microlens array characterized by having a sag value of the basic lens.

또한 본 발명은 상기 기본 렌즈의 개구부는 상기 서브 렌즈로 완전히 채워져서 남은 개구부가 없는 것에 특징이 있는 갭 필링형 마이크로렌즈 어레이를 제공한다. In addition, the present invention provides a gap-filling type microlens array characterized in that the opening of the primary lens is completely filled with the sub-lens and there is no remaining opening.

본 발명은 랜덤배열된 기본렌즈의 중첩되지 않은 개구부인 빈 공간을 서브렌즈로 충진시키는 갭 필링형 마이크로 렌즈 어레이는 기존의 정규 및 랜덤배열 마이크로렌즈 어레이에 비해 균질성 향상 및 약 30%정도 효율 향상의 효과가 있다. The present invention is a gap filling type micro lens array that fills an empty space, which is a non-overlapping opening of a randomly arranged primary lens, with a sub-lens. It works.

본 발명의 또 다른 목적은 기존의 정규배열 MLA에 비해 균질성을 향상시키고, 랜덤배열 MLA보다 효율이 30% 향상된 갭 필링형 마이크로 렌즈 어레이를 제공하는 데 있다. Another object of the present invention is to provide a gap-filling micro-lens array that improves homogeneity and improves efficiency by 30% compared to a randomly arranged MLA, compared to a conventional regular array MLA.

도 1는 MLA를 통한 출력 빔의 측정 된 강도 분포에 관한 것으로 (a) LD, (b) VCSEL의 정규배열 MLA 및 (c) LD 및 (d) VCSEL의 랜덤배열 MLA에 관한 도면이다.
도 2은 본 발명의 갭 필링형 마이크로렌즈 어레이에 관한 것으로 (a) 서브 렌즈를 삽입하여 100% 갭 필링된 디자인과 (b) 단면도이다.
도 3은 본 발명의 기본 렌즈(Base lens)와 서브 렌즈(Sub lens)의 중첩된 경우 단면형상을 보여주는 도면이다
도 4는 두 가지 유형의 설계로 제작된 샘플으로 (a) 기본렌즈가 무작위로 분산된 MLA, (b) 기본렌즈가 무작위로 분산되고 빈 공간이 서브 렌즈로 인해 충진된 MLA에 관한 도면이다.
도 5는 (a) 기본렌즈가 무작위로 분산된 MLA, (b) 기본렌즈가 무작위로 분산되고 빈 공간이 충진된 MLA의 출력시뮬레이션에 대한 도면이다.
도 6은 VCSEL을 이용한 빔 정형(beam shaping) 및 X,Y축 프로파일의 출력 강도 분포 실험 결과에 대한 것으로 (a) 기본렌즈가 규칙적으로 배열된 MLA (b) 기본렌즈가 무작위로 분산된 MLA (c) 기본렌즈가 무작위로 분산된 MLA의 빈 공간이 서브렌즈로 충진된 MLA에 대한 도면이다.
도 7은 본 발명의 기본 렌즈(Base lens)와 서브 렌즈(Sub lens)의 중첩된 경우 단면형상을 보여주는 도면이다.
FIG. 1 relates to the measured intensity distribution of the output beam through the MLA (a) LD, (b) normal array MLA of VCSEL and (c) LD and (d) random array MLA of VCSEL.
Figure 2 relates to the gap-filling type microlens array of the present invention (a) is a 100% gap-filled design and (b) cross-sectional view by inserting a sub-lens.
3 is a view showing a cross-sectional shape when the base lens and the sub lens of the present invention overlap.
FIG. 4 is a sample of two types of designs, (a) a MLA with a randomly distributed primary lens, and (b) a MLA with a randomly distributed primary lens and an empty space filled by a sub-lens.
FIG. 5 is a diagram for output simulation of (a) the MLA in which the primary lens is randomly distributed, and (b) the MLA in which the primary lens is randomly distributed and the empty space is filled.
FIG. 6 shows the results of experiments of beam shaping and output intensity distribution of X and Y-axis profiles using VCSEL (a) MLA in which the primary lenses are regularly arranged (b) MLA in which the primary lenses are randomly distributed ( c) This is a diagram of an MLA in which an empty space of an MLA in which the primary lens is randomly distributed is filled with a sub-lens.
7 is a view showing a cross-sectional shape when the base lens and the sub lens of the present invention overlap.

이하 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 우선, 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명은 본 발명의 요지를 모호하지 않게 하기 위하여 생략한다.Hereinafter, a preferred embodiment of the present invention will be described in detail. First, in describing the present invention, detailed descriptions of related known functions or configurations are omitted so as not to obscure the subject matter of the present invention.

본 명세서에서 사용되는 정도의 용어 '약', '실질적으로' 등은 언급된 의미에 고유한 제조 및 물질 허용오차가 제시될 때 그 수치에서 또는 그 수치에 근접한 의미로 사용되고, 본 발명의 이해를 돕기 위해 정확하거나 절대적인 수치가 언급된 개시 내용을 비양심적인 침해자가 부당하게 이용하는 것을 방지하기 위해 사용된다.As used herein, the terms 'about', 'substantially', etc. are used in the sense of or close to the numerical values when manufacturing and material tolerances unique to the stated meaning are presented, and to understand the present invention. To aid, accurate or absolute figures are used to prevent unscrupulous use of the disclosed disclosure by unscrupulous infringers.

본 발명은 광학 기판; 및 상기 광학기판의 일면에 기본 렌즈 및 서브 렌즈로 구분되어 배열된 갭 필링형 마이크로렌즈 어레이에 관한 것으로, The present invention is an optical substrate; And a gap-filling microlens array arranged on one side of the optical substrate and divided into a basic lens and a sub-lens,

상기 기본 렌즈 및 서브 렌즈는 각각의 밑면 형상이 다각형, 원형, 타원형 또는 비정형 중 어느 하나로 동형 또는 이형이고 하기 식(1)의 새그 프로파일(sag profile)을 만족하는 비구면형상을 갖는다. Each of the base lens and the sub-lens has an aspherical shape in which each base shape is either a polygon, a circular shape, an elliptical shape, or an irregular shape, and sag profile of the following formula (1) is satisfied.

상기 다각형은 직사각형 또는 정사각형이 바람직하나 이에 한정되는 것은 아니다. The polygon is preferably rectangular or square, but is not limited thereto.

식(1)Expression (1)

Figure 112018096232937-pat00003
Figure 112018096232937-pat00003

z : 단일 렌즈의 X,Y 위치에 대한 높이값(새그값)z: Height value for X, Y position of a single lens (sag value)

c : 단일 렌즈의 축별 곡률 (x-curvature, y-curvature)c: Axial curvature of a single lens (x-curvature, y-curvature)

κ: 단일 렌즈의 비구면 계수 (conic constant)κ: single lens conic constant

Figure 112018096232937-pat00004
Figure 112018096232937-pat00004

또한 상기 기본 렌즈 및 서브 렌즈는 하기 식(2)와 같이 피치 크기 및 새그값의 비율이 동일하다. In addition, the ratio of the pitch size and the sag value of the basic lens and the sub-lens is the same as in the following equation (2).

식(2) Expression (2)

Ssub=(Sbase ×Zsub)/Zbase S sub = (S base × Z sub ) / Z base

Ssub : 기본 렌즈의 최대 피치값(최대 직경)S sub : The maximum pitch value (maximum diameter) of the basic lens

Sbase : 서브 렌즈의 최대 피치값(최대 직경)S base : Sub-lens maximum pitch value (maximum diameter)

Zsub : 기본 렌즈의 새그값Z sub : Sag value of basic lens

Zbase : 서브 렌즈의 새그값Z base : Sag value of sub lens

상기 기본 렌즈는 무작위로 배치된다. 다만, 기본 렌즈 사이에 개구부의 X, Y축 방향 최대 길이는 상기 기본 렌즈 X,Y축 방향 최대 피치 크기의 1~20%이며, 반대로 상기 기본 렌즈 X, Y축 방향 최대 피치 크기의 1~ 20% 겹치는 부분이 생길 수 있다. The primary lenses are randomly placed. However, the maximum length in the X and Y axis directions of the opening between the basic lenses is 1 to 20% of the maximum pitch size in the X and Y axis directions of the opening, and conversely, the basic lens X and 1 to 20 of the maximum pitch size in the Y axis direction. % Overlap may occur.

이때 겹치는 부분의 새그값은 2배의 새그값이 아닌 1배의 새그값을 가진다. 즉, 상기 기본 렌즈 또는 서브 렌즈에서 동일한 렌즈의 겹치는 부분의 새그값은 겹친 기본 렌즈 중 어느 하나의 값이다. At this time, the sag value of the overlapping portion has a sag value of 1 time, not a sag value of 2 times. That is, the sag value of the overlapping portion of the same lens in the primary lens or the sub-lens is a value of any one of the overlapping primary lenses.

이어서 상기 서브 렌즈는 상기 개구부에 배치된다. 이때 인접한 기본 렌즈 및 서브 렌즈와 겹치는 부분의 X,Y축 방향 최대 길이는 상기 서브 렌즈의 X,Y축 방향 최대 피치 크기의 1~20%로 한정된다. Subsequently, the sub lens is disposed in the opening. At this time, the maximum length in the X and Y axes of the portion overlapping the adjacent primary lens and the sub lens is limited to 1 to 20% of the maximum pitch size in the X and Y axes of the sub lens.

기본적으로 상기 기본 렌즈는 식 (3)과 같은 랜덤 배열을 갖는다. Basically, the basic lens has a random arrangement as shown in equation (3).

식(3) Expression (3)

P(i,j) = [Px(i,j),Py(i,j)],P (i, j) = [P x (i, j), P y (i, j)],

Px(i,j) = PRx(i,j) + rand([-Pmx, Pmx])×D,P x (i, j) = P Rx (i, j) + rand ([-P mx , P mx ]) × D,

Py(i,j) = PRy(i,j) + rand([-Pmy, Pmy])×D,P y (i, j) = P Ry (i, j) + rand ([-P my , P my ]) × D,

여기서, i 및 j는 각각 행 및 열 인덱스이고, P(i,j)는 각각 수평 성분 Px(i,j) 및 수직 성분 Py (i,j)이고, PRy(i,j)는 개구부 없고 겹치는 부분이 없는 연속적인 배열인 규칙적인 배열의 MLA에 대한 기본 렌즈의 원래 좌표를 나타내며, Pmx 및 Pmy는 무작위 계수의 제한이며 D는 기본 렌즈의 개구부 길이 비를 말한다. Where i and j are the row and column indices, respectively, P (i, j) is the horizontal component P x (i, j) and the vertical component P y (i, j), respectively, and P Ry (i, j) is The original coordinates of the primary lens for the regular array MLA, which is a continuous array with no openings and no overlapping parts, P mx and P my are the limits of the random coefficient, and D is the opening length ratio of the primary lens.

상기 D값이 0.01~0.2을 가질 수 있으며, 바람직하게는 0.1~0.2이며 이 경우 기본 렌즈의 최대 개구부의 길이는 x, y축 방향 최대 피치 크기의 1~20%에 해당됩니다. The D value may have 0.01 to 0.2, preferably 0.1 to 0.2, and in this case, the length of the maximum opening of the basic lens corresponds to 1 to 20% of the maximum pitch size in the x and y axes.

도 2는 본 발명의 갭 필링형 마이크로렌즈 어레이에 관한 것으로 (a)서브 렌즈를 삽입하여 100% 갭 필링된 디자인과 (b)단면도이다. Figure 2 relates to the gap-filling type microlens array of the present invention (a) is a 100% gap-filled design and (b) cross-sectional view by inserting a sub-lens.

본 발명인 갭 필링형 마이크로렌즈 어레이는 상기 식(3)의 조건으로 무작위로 배치된 기본 렌즈에 무작위로 배치된 서브 렌즈를 중첩하여 설계된다. 다만, 무작위로 분포된 기본 렌즈는 하나만 설계되었지만 임의로 분산된 서브 렌즈는 기본 렌즈 사이의 빈 공간인 개구부를 모두 채우도록 설계된다. 즉, 서브 렌즈는 기본 렌즈 사이에 삽입되어져 결국 기본 렌즈 사이의 개구부에 서브 렌즈가 삽입된다. The present invention, the gap-filling type microlens array is designed by superimposing a randomly arranged sub-lens on a basic lens randomly arranged under the condition of equation (3). However, only one randomly distributed primary lens is designed, but the randomly distributed sub-lens is designed to fill all the empty openings between the primary lenses. That is, the sub-lens is inserted between the basic lenses, and eventually the sub-lenses are inserted into the openings between the basic lenses.

도 3은 본 발명의 기본 렌즈(Base lens)와 서브 렌즈(Sub lens)의 중첩된 경우 단면형상을 보여주는 도면이다.3 is a view showing a cross-sectional shape when the base lens and the sub lens of the present invention overlap.

상기 기본 렌즈 및 서브 렌즈의 중첩되는 부분의 새그값은 가장 높은 값의 새그값을 갖는다. 즉, 상기 기본 렌즈 또는 서브 렌즈에서 동일한 렌즈의 겹치는 부분의 새그값은 2배가 아닌 1배이며, 또한 상기 기본 렌즈 및 서브 렌즈의 상호 겹치는 부분에서 서브 렌즈의 새그값이 기본 렌즈의 새그값보다 큰 부분의 새그값은 서브 렌즈의 새그값을 갖고, 반대로 기본 렌즈의 새그값이 서브 렌즈의 새그값보다 큰 부분의 새그값은 기본 렌즈의 새그값을 갖는다.The sag value of the overlapping portion of the primary lens and the sub-lens has the highest sag value. That is, the sag value of the overlapping portion of the same lens in the primary lens or the sub-lens is 1 time instead of 2 times, and the sag value of the sub-lens in the mutually overlapping portion of the primary lens and the sub-lens is greater than the sag value of the primary lens. The sag value of the portion has a sag value of the sub lens, and on the contrary, a sag value of the portion where the sag value of the basic lens is greater than the sag value of the sub lens has a sag value of the basic lens.

결과적으로 상기 기본 렌즈의 개구부는 상기 서브 렌즈로 완전히 채워져서 남은 개구부가 없게 된다.As a result, the opening of the primary lens is completely filled with the sub-lens so that there is no remaining opening.

본 발명은 리소그래피 기술에 기초한 2광자 중합반응(Two Photon Polymerization, TPP)을 사용하여 제작될 수 있다. 기본 렌즈는 전체 활성 영역에서 처음 인쇄된 다음 서브 렌즈는 기본 렌즈 사이의 간격에 인쇄된다. 설계 및 계산을 단순화하기 위해, 본 발명의 기본 렌즈 및 서브 렌즈의 구조는 두 방향 (즉, X 및 Y 축)으로 분석된다. 본 발명 갭 필링 마이크로렌즈 어레이의 구조는 외곽 부분이 어두워지는 현상인 비네팅(vignetting)효과 및 높이 차이를 최소화하는 방향으로 디자인된다.The present invention can be produced using a two-photon polymerization (TPP) based on lithography technology. The primary lens is first printed in the entire active area, then the sub-lens is printed in the gap between the primary lenses. To simplify design and calculation, the structure of the basic lens and sub-lens of the present invention is analyzed in two directions (ie, X and Y axes). The structure of the gap filling microlens array of the present invention is designed in a direction to minimize the vignetting effect and height difference, which is a phenomenon in which the outer portion is darkened.

도 4는 두 가지 유형의 설계로 제작된 샘플으로 (a)는 기본 렌즈가 무작위로 분산된 마이크로렌즈 어레이이고 (b)는 기본 렌즈가 무작위로 분산되고 개구부가 서브 렌즈로 충진된 마이크로렌즈 어레이에 관한 도면이고, 도 5는 상기 도 3 (a),(b)구조의 어레이 출력시뮬레이션에 대한 도면이다.FIG. 4 is a sample produced with two types of designs, (a) is a microlens array in which the primary lenses are randomly distributed, and (b) is a microlens array in which the primary lenses are randomly dispersed and the openings are filled with sub-lenses. FIG. 5 is a diagram of an array output simulation of the structures (a) and (b) of FIG. 3.

도 4(a)는 기본 렌즈 중 개구부가 10㎛이내의 빈 공간을 보여주며, 빈 공간은 렌즈 역할을 수행하지 않는다. 따라서, 빈 공간을 통해 빛이 새어 나가고 중앙에 강한 세기가 발생된다. 즉, 도 5의 (a)과 같이 강도 분포는 가우시안 프로파일로 측정된다. 반면, 그림 4(b)는 활성 영역에서 100% 채우기 비율을 보여 주며 높이 차이는 서브 렌즈로 인해 최소화된다. 최종적으로, 광선은 통과하지 않고 활성 영역에서 굴절되고 목표 이미지에 균일하게 분산되어 그림 5(b)의 탑 햇(Top Hat)모양을 형성합니다. 이는 서브 렌즈를 삽입하여 활성 영역 내에서 광도를 제어할 수 있음을 의미합니다.4 (a) shows an empty space within 10 µm of the opening among the basic lenses, and the empty space does not serve as a lens. Therefore, light leaks through the empty space and a strong intensity is generated in the center. That is, as shown in Fig. 5 (a), the intensity distribution is measured with a Gaussian profile. On the other hand, Figure 4 (b) shows a 100% fill ratio in the active area and the height difference is minimized due to the sub-lens. Finally, the light beam does not pass but is refracted in the active area and uniformly dispersed in the target image, forming the top hat shape of Figure 5 (b). This means that the sub-lens can be inserted to control the luminosity within the active area.

도 6은 VCSEL을 이용한 빔 정형(beam shaping) 및 X, Y축 프로파일의 출력 강도 분포 실험 결과에 대한 것으로 (a) 기본렌즈가 규칙적으로 배열된 MLA(비교예 1) (b) 기본렌즈가 무작위로 분산된 MLA(비교예 2) (c) 기본렌즈가 무작위로 분산된되고 개구부가 서브렌즈로 충진된 MLA(실시예)에 대한 도면이다. FIG. 6 shows the results of beam shaping and output intensity distribution experiments of X and Y-axis profiles using VCSEL (a) MLA in which the primary lenses are regularly arranged (Comparative Example 1) (b) the primary lenses are random MLA dispersed (Comparative Example 2) (c) This is a diagram for an MLA (Example) in which the primary lens is randomly dispersed and the opening is filled with a sub-lens.

상기 세가지 마이크로렌즈 어레이를 광원으로 VCSEL에 올려놓고 작동시킨 다음 근적외선(NIR) 카메라를 사용하여 관찰했다. The three microlens arrays were placed on a VCSEL as a light source, operated, and then observed using a near infrared (NIR) camera.

비교예 1인 기본렌즈가 규칙적으로 배열된 MLA는 도 6(a)와 같이 목표 이미지 내의 균질성이 감소되었다. 보다 자세하게는 x축 단면의 상대적 강도 세기가 각도(angle) O~±30°에서 균질하지 않음을 알 수 있다.The MLA in which the basic lenses of Comparative Example 1 were regularly arranged has reduced homogeneity in the target image as shown in FIG. 6 (a). More specifically, it can be seen that the relative intensity intensity of the cross section of the x-axis is not homogeneous at an angle O ~ ± 30 °.

비교예 2는 상기 현상을 개선하기 위해 기본 렌즈를 랜덤하게 분산된 MLA이다. 도 5(b)와 같이 근적외선(NIR) 카메라에 찍힌 사진에서 음영의 줄무늬가 제거되었음을 보여준다. 이는 비교예 1보다 상대적인 강도 세기의 균질성이 향상됨을 알 수 있다. 그러나 전체적으로 비교예 1 및 실시예보다 각도(angle) O~±30°인 대상 이미지 내에서 상대적 강도 세기가 낮아 전체적인 효율이 감소하고, 특히 각도(angle) O°부근에서 VCSEL의 빔의 확산보다 통과되는 비율이 커서 다른 각도보다 상대적인 세기가 상당하다. 결과적으로 대상 이미지의 프로파일이 플랫탑(flat-top) 분포가 아닌 가우스(Gaussian) 분포로 변경되었다.Comparative Example 2 is a randomly distributed MLA of the basic lens to improve the phenomenon. As shown in Fig. 5 (b), it shows that the stripes of the shadow were removed from the picture taken by the near infrared (NIR) camera. This can be seen that the homogeneity of the relative strength intensity is improved than Comparative Example 1. However, overall, the relative intensity is low in the target image having an angle O to ± 30 ° compared to Comparative Example 1 and the example, thereby reducing the overall efficiency, and particularly passing through the diffusion of the beam of the VCSEL near the angle O °. Since the ratio is large, the relative intensity is greater than other angles. As a result, the profile of the target image was changed to a Gaussian distribution rather than a flat-top distribution.

본 발명에 해당되는 실시예는 도 6(c)는 같이 앞의 두 가지 유형 MLA인 비교예 1,2의 한계를 보완한다. 이미지의 상대적인 강도 세기를 보면 효율은 비교예 2의 무작위로 분산된 MLA에 비해 약 30% 향상 된다. 결국 무작위로 분포된 기본 렌즈의 개구부에 서브 렌즈를 삽입함으로써 균질성을 향상시키는 플랫 탑(flat-top) 분배가 나타난다. 결과적으로 서브 렌즈가 기본 렌즈 사이 빈 공간의 개구부에 위치하여 보충적인 렌즈로서의 역할을 한다는 것이 증명된다.In the embodiment corresponding to the present invention, FIG. 6 (c) complements the limitations of Comparative Examples 1 and 2, which are the two types of MLA. Looking at the relative intensity of the image, the efficiency is improved by about 30% compared to the randomly distributed MLA of Comparative Example 2. Eventually, a flat-top distribution that improves homogeneity appears by inserting a sub-lens into the opening of a randomly distributed primary lens. As a result, it is proved that the sub-lens is located in the opening of the empty space between the primary lenses and serves as a complementary lens.

도 6은 본 발명의 갭 필링형 마이크로렌즈 어레이에 있어서 기본 렌즈 및 서브 렌즈의 다양한 형태에 대한 일 예를 보여주는 도면이다. 본 발명의 특징은 기본 렌즈의 랜덤 분포 및 기본 렌즈 사이의 겹친부분과 빈 공간인 개구부가 생성되고, 상기 개구부를 기본 렌즈와 형상이 동일하지만 크기가 작은 서브 렌즈로 채움으로써 비교예보다 효율이 약 30% 향상되고 강도 세기의 균질성이 확보된 특징을 갖는 것이다. 6 is a view showing an example of various types of the basic lens and the sub-lens in the gap-filling type microlens array of the present invention. The feature of the present invention is that the random distribution of the basic lens and the overlapping portion between the basic lens and the opening, which is an empty space, are created, and the opening is filled with a sub-lens having the same shape as the basic lens but having a smaller size, which is less efficient than the comparative example. It is 30% improved and has the characteristic of securing the homogeneity of strength.

따라서, 상기 기본 렌즈 및 서브 렌즈의 밑면의 형상을 사각형 이외에 원형으로 하거나 이외 다른 다양한 형태로 하더라도, 상기 랜덤 분포 및 개구부 채움으로 동일한 효과가 발생될 수 있다. Therefore, even if the shapes of the undersides of the basic lens and the sub-lens are circular or other various shapes other than a square, the same effect may be generated by the random distribution and opening of the opening.

이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능함은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 명백할 것이다. The present invention described above is not limited by the above-described embodiments and the accompanying drawings, and various substitutions, modifications and changes are possible within the scope of the present invention without departing from the technical spirit of the present invention. It will be obvious to those who have the knowledge of

Claims (5)

광학 기판;
상기 광학기판의 일면에 기본 렌즈 및 서브 렌즈로 구분되어 배열된 갭 필링형 마이크로렌즈 어레이로서,
상기 기본 렌즈 및 서브 렌즈는 각각의 밑면 형상이 다각형, 원형, 타원형 또는 비정형 중 어느 하나로 동형 또는 이형이고, 하기 식(1)의 새그 프로파일(sag profile)을 만족하는 비구면형상이되,
상기 기본 렌즈 및 서브 렌즈는 하기 식(2)와 같이 피치 크기 및 새그값의 비율이 동일하며,
상기 기본 렌즈는 하기 식(3)에 의한 무작위 배치되고,
상기 기본 렌즈는 인접한 기본 렌즈와 X, Y축 방향 최대 피치 크기의 1~ 20% 겹치는 일부분이 있으며,
상기 기본 렌즈 사이 개구부의 X,Y축 방향 최대 길이는 상기 기본 렌즈 X,Y축 방향 최대 피치 크기의 1~20%이며
상기 서브 렌즈는 상기 개구부에 배치되되, 인접한 기본 렌즈 및 서브 렌즈와 겹치는 부분의 X, Y축 방향 최대 길이는 상기 서브 렌즈의 X,Y축 방향 최대 피치 크기의 1~20%이고, 상기 기본 렌즈 및 서브 렌즈의 중첩되는 부분의 새그값은 가장 높은 값의 새그값을 갖는 것에 특징이 있는 갭 필링형 마이크로렌즈 어레이.

식(1)
Figure 112020014623439-pat00016

z : 단일 렌즈의 X,Y 위치에 대한 높이값(새그값)
c : 단일 렌즈의 축별 곡률 (x-curvature, y-curvature)
κ: 단일 렌즈의 비구면 계수 (conic constant)
Figure 112020014623439-pat00017


식(2)
Ssub=(Sbase ×Zsub)/Zbase
Ssub : 기본 렌즈의 최대 피치값(최대 직경)
Sbase : 서브 렌즈의 최대 피치값(최대 직경)
Zsub : 기본 렌즈의 새그값
Zbase : 서브 렌즈의 새그값

식(3)
P(i,j) = [Px(i,j),Py(i,j)],
Px(i,j) = PRx(i,j) + rand([-Pmx, Pmx])×D,
Py(i,j) = PRy(i,j) + rand([-Pmy, Pmy])×D,

i 및 j : 각각 행 및 열 인덱스
P(i,j) : 각각 수평 성분 Px(i,j) 및 수직 성분 Py (i,j)로 구분
PRx(i,j), PRy(i,j) : 개구부 없고 겹치는 부분이 없는 연속적인 배열인 규칙적인 배열의 MLA에 대한 기본 렌즈의 원래 좌표를 나타내며, Pmx 및 Pmy는 무작위 계수의 제한이며 D는 기본 렌즈의 개구부 길이 비
D : 0.01~0.2
Optical substrates;
A gap-filling microlens array, which is divided into a basic lens and a sub-lens on one surface of the optical substrate,
The base lens and the sub-lens have an aspherical shape satisfying a sag profile of Equation (1) below, wherein each base shape is homogeneous or heterogeneous in one of polygonal, circular, elliptical, or irregular shapes.
The basic lens and the sub-lens have the same pitch size and sag ratio as shown in the following equation (2),
The basic lens is randomly placed by the following formula (3),
The basic lens has a portion overlapping with the adjacent basic lens by 1 to 20% of the maximum pitch size in the X and Y axes,
The maximum length of the opening between the basic lenses in the X and Y axes is 1 to 20% of the maximum pitch size of the basic lenses in the X and Y axes.
The sub-lens is disposed in the opening, and the maximum length in the X- and Y-axis directions of an overlapping portion of the adjacent primary lens and the sub-lens is 1 to 20% of the maximum pitch size in the X and Y-axis directions of the sub-lens, and the primary lens And the sag value of the overlapping portion of the sub-lens has the highest sag value.

Expression (1)
Figure 112020014623439-pat00016

z: Height value for X, Y position of a single lens (sag value)
c: Axial curvature of a single lens (x-curvature, y-curvature)
κ: single lens conic constant
Figure 112020014623439-pat00017


Expression (2)
S sub = (S base × Z sub ) / Z base
S sub : The maximum pitch value (maximum diameter) of the basic lens
S base : the maximum pitch value (maximum diameter) of the sub lens
Z sub : Sag value of the main lens
Z base : Sag value of sub lens

Expression (3)
P (i, j) = [P x (i, j), P y (i, j)],
P x (i, j) = P Rx (i, j) + rand ([-P mx , P mx ]) × D,
P y (i, j) = P Ry (i, j) + rand ([-P my , P my ]) × D,

i and j: row and column index, respectively
P (i, j): divided into horizontal component P x (i, j) and vertical component P y (i, j) respectively
P Rx (i, j), P Ry (i, j): represents the original coordinates of the primary lens for a regular array of MLAs, a continuous array with no openings and no overlapping parts, where P mx and P my are random coefficients Limit and D is the ratio of the opening length of the primary lens
D: 0.01 ~ 0.2
제1항에 있어서,
상기 기본 렌즈 및 서브 렌즈의 다각형 밑면은 직사각형 또는 정사각형인 것에 특징이 있는 갭 필링형 마이크로렌즈 어레이.
According to claim 1,
The gap filling type microlens array is characterized in that the base of the main lens and the sub lens has a polygonal bottom or a square.
제1항에 있어서,
상기 기본 렌즈 또는 서브 렌즈에서 동일한 렌즈의 겹치는 부분의 새그값은 겹친 기본 렌즈 중 어느 하나의 값인 것에 특징이 있는 갭 필링형 마이크로렌즈 어레이.
According to claim 1,
The gap filling type microlens array characterized in that the sag value of the overlapping portion of the same lens in the primary lens or the sub-lens is one of the overlapping primary lenses.
삭제delete 제1항에 있어서,
상기 기본 렌즈의 개구부는 상기 서브 렌즈로 완전히 채워져서 남은 개구부가 없는 것에 특징이 있는 갭 필링형 마이크로렌즈 어레이.
According to claim 1,
The gap-filling microlens array is characterized in that the opening of the primary lens is completely filled with the sub-lens and there is no remaining opening.
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