FOT: 빔 프로파일러에서 광섬유 테이퍼는 어떻게 사용됩니까?

광섬유 테이퍼란 무엇입니까?

광섬유 테이퍼는 구성 광섬유의 일관된 배열을 유지하면서 한쪽 끝에서 다른 쪽 끝까지 단면 직경이 점진적으로 변하는 개별 광섬유 묶음으로 융합된 것입니다.

• 비유: 빛의 깔때기를 상상해보세요. 하지만 이미지의 크기가 줄어들거나 커질 때 이미지의 내부 구조는 그대로 유지됩니다.
• 제작 방법: 광섬유 묶음을 정밀하게 가열하고 뽑아내어 각 광섬유의 상대적 위치가 테이퍼링 공정 전체에서 유지되도록 합니다.
• 주요 기능: 주된 역할은 광학 이미지를 넓은 영역에서 작은 영역으로 일관되게 전송(축소)하거나, 반대로 작은 영역에서 큰 영역으로 전송(확대)하는 것입니다.

빔 프로파일러에 광섬유 테이퍼가 사용되는 이유

특히 고출력 또는 대면적 레이저 광원에서 나오는 레이저 빔은 빔 프로파일러에 사용되는 일반적인 CCD 또는 CMOS 카메라 센서의 유효 감지 영역보다 훨씬 큰 경우가 많습니다. 광섬유 테이퍼는 이러한 불일치에 대한 훌륭한 해결책을 제공합니다.

• 빔 감소 및 이미지 전송: 테이퍼의 큰 입력단은 레이저 빔을 수신하도록 배치됩니다. 번들 내의 각 개별 파이버는 빔 강도 분포의 특정 부분을 포착합니다. 빛이 테이퍼진 부분을 통과하면서 이 공간 정보는 작은 출력단으로 정확하고 일관되게 전송되어 원래 빔 프로파일의 축소된 복제본을 생성합니다.
• 효율적인 센서 결합: 테이퍼의 작은 출력단에서 축소된 이미지는 카메라 센서에 직접 결합되거나 최소한의 릴레이 광학 장치와 결합될 수 있습니다. 이러한 직접적이고 밀접한 결합은 광 손실을 최소화하고 광학 설정을 크게 간소화합니다.

데모 보기: 광섬유 테이퍼 작동

빔 프로파일링에서 테이퍼의 주요 장점:

• 확장된 시야/대형 빔 처리: 빔 프로파일러가 기본 센서 크기보다 몇 배나 큰 레이저 빔을 측정할 수 있습니다.
• 컴팩트한 디자인: 크고 복잡한 다중 요소 렌즈 시스템이 필요 없으므로 더욱 컴팩트하고 공간 효율적인 빔 프로파일링 장비가 가능합니다.
• 견고성: 테이퍼는 고체 부품이기 때문에 진동으로 인한 정렬 불량의 영향을 덜 받아 시스템이 더욱 안정적이고 신뢰할 수 있습니다.
• 간소화된 광학 경로: 광학 구성 요소의 수를 줄여 시스템 설계, 조립 및 정렬 절차를 간소화합니다.
• 높은 광학 효율: 직접 결합을 통해 복잡한 다중 렌즈 시스템에서 일반적으로 발견되는 표면 반사와 흡수 손실을 최소화합니다.
• 센서 보호: 테이퍼는 인터페이스 역할을 하여 고출력 빔으로부터 섬세한 카메라 센서에 일정 수준의 열 또는 강도 보호를 제공할 수 있습니다.

왜 그냥 더 큰 센서 크기를 사용하지 않는 걸까?

엄청난 비용: CCD 및 CMOS 센서의 가격은 활성 영역이 증가함에 따라 거의 기하급수적으로 급등합니다. 더 큰 센서를 제조하는 것은 더욱 어려워져 수율이 낮아지고 단위당 비용이 크게 증가합니다.

제한된 공급 및 특수화: 매우 크고 고해상도의 센서는 표준 부품이 아닙니다. 이러한 센서는 종종 맞춤 제작되거나 소수의 전문 제조업체에서만 공급되므로 선택 폭이 제한되고 리드타임이 길어질 수 있습니다.

성능 균형:

• 노이즈 증가: 대형 센서는 픽셀 수가 늘어나고 활성 영역이 넓어지기 때문에 더 많은 전자 노이즈(예: 암전류)가 축적될 수 있습니다.
• 느린 판독 속도: 매우 큰 센서에서 방대한 양의 데이터를 판독하면 프레임 속도가 크게 낮아져 동적 빔 변화를 분석하기 어려워집니다.
• 열 관리: 대형 센서는 일반적으로 더 많은 열을 발생시키므로 최적의 성능을 유지하려면 더욱 복잡하고 비용이 많이 드는 냉각 솔루션이 필요합니다.
• 더 큰 폼 팩터: 대형 센서의 카메라 본체, 전자 장치 및 전반적인 패키징은 본질적으로 더 크고 무겁습니다.

기존 장비 활용: 많은 사용자의 경우 광섬유 테이퍼에 투자하면 기존의 고품질 소형 센서 카메라를 활용할 수 있어 전체 시스템을 점검하지 않고도 더 큰 빔 측정 기능으로 비용 효율적인 업그레이드 경로를 제공합니다.

시야를 넓히기 위해 렌즈 시스템을 사용해 보는 건 어떨까요?

렌즈를 사용하면 이미지를 축소하고 시야를 더 작은 센서로 효과적으로 "확장"할 수 있지만 정확한 빔 프로파일링을 위한 높은 충실도를 달성하려면 테이퍼가 본질적으로 극복해야 할 상당한 과제가 있습니다.

설계 및 수정의 복잡성:

• 다중 요소 요구 사항: 단순한 단일 렌즈는 넓은 시야를 작은 센서에 이미징할 때 심각한 수차를 발생시킵니다. 고성능 축소 렌즈 시스템은 다양한 광학 결함을 보정하기 위해 정밀하게 배열된 다양한 유리 재질로 제작된 여러 개의 개별 렌즈 요소를 필요로 합니다.
• 비구면 표면: 구면수차를 최소화하고 평평한 이미지 평면을 보장하려면 값비싼 비구면 렌즈 요소가 필요할 수 있습니다.
• 정확도를 위한 텔레센트릭 렌즈: 고정밀 빔 크기 측정을 위해서는 물체 측 텔레센트릭 렌즈가 이상적입니다. 이 렌즈는 빔 위치의 미세한 변화에도 배율이 일정하게 유지되고, 주광선이 광축과 평행을 이루도록 하여 원근 왜곡을 최소화합니다. 그러나 텔레센트릭 렌즈 설계는 일반적으로 길고 무겁고 복잡합니다.

내재적 수차(정확도의 주요 문제):

• 기하학적 왜곡(배럴/핀쿠션): 빔이 시야 가장자리로 확장됨에 따라 일반 렌즈는 왜곡을 발생시켜 직선이 곡선으로 보이게 합니다. 이는 빔의 실제 모양, 크기 및 균일성을 측정하는 데 있어 부정확한 결과를 초래하며, 특히 원형이 아닌 경우 더욱 그렇습니다.
• 상면 만곡: 단순한 렌즈는 빛을 카메라 센서의 완벽하게 평평한 면이 아닌 곡면에 초점을 맞춥니다. 즉, 빔의 중심에 초점이 맞으면 가장자리는 초점이 맞지 않고, 그 반대의 경우도 마찬가지입니다. 따라서 빔 전체에 걸쳐 선명하고 정확한 윤곽을 포착하는 것이 불가능합니다.
• 색수차: 레이저 소스에 여러 파장이 있거나 주변 빛이 있는 경우, 각기 다른 파장이 서로 다른 지점에 초점을 맞춰 흐릿함과 색상 변색이 발생합니다.
• 기타 단색수차: 구면수차, 코마수차, 비점수차는 이미지 품질을 더욱 저하시켜 흐릿함, 비대칭성, 선명도 손실을 초래하며, 이는 모두 빔 프로파일링 정확도를 손상시킵니다.

정렬 문제: 다중 요소 렌즈 시스템을 조립하고 정밀하게 정렬하는 것은 매우 힘들고 시간이 많이 소요되는 과정입니다. 약간의 정렬 오류도 수차를 유발하거나 악화시킬 수 있으므로, 신중하고 반복적인 조정이 필요합니다.

전반적인 비용 고려 사항: 개별적인 간단한 렌즈는 비용이 저렴할 수 있지만, 복잡하고 수차가 교정되고 정확한 빔 프로파일링에 적합한 원심 렌즈 시스템을 설계, 제조(또는 고품질 기성품 조달)하고 정밀하게 조립하는 총 비용은 광섬유 테이퍼 비용을 쉽게 초과할 수 있습니다.

물리적 발자국: 고성능 렌즈 시스템, 특히 원심 렌즈 시스템은 일반적으로 컴팩트한 광섬유 테이퍼보다 훨씬 더 길고 크기 때문에 빔 프로파일러의 전체 크기가 커집니다.