[논문]컴팩트한 Spot형 UV 경화기 광학계를 구현하기 위한 TIR 렌즈 설계 및 응용에 관한 연구

김유림; 허승예; 이상욱; 김완진

doi:10.13067/jkiecs.2022.17.2.255

[국내논문] 컴팩트한 Spot형 UV 경화기 광학계를 구현하기 위한 TIR 렌즈 설계 및 응용에 관한 연구
A study on the Design and Application of a TIR Lens for Realizing A Compact Spot-Type UV Curing Machine Optical System 원문보기

한국전자통신학회 논문지 = The Journal of the Korea Institute of Electronic Communication Sciences, v.17 no.2, 2022년, pp.255 - 264

김유림 (한밭대학교 대학원 응용광학과) , 허승예 (한밭대학교 대학원 응용광학과) , 이상욱 (원광대학교 기계설계공학과) , 김완진 (한밭대학교 기계소재융합시스템공학과)

초록
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종래의 spot형 UV경화기는 복수의 렌즈를 이용한 collimator 광학계를 구성하여 광속을 광케이블로 입사하도록 하고 있다. 전달 광 효율을 높이기 위해 3매 이상의 렌즈로 구성된 collimator 광학계가 필요하며 이에 따라 광학계 정렬에 어려움이 있고, 시스템을 컴팩트하게 구현하기 어렵다. 본 연구에서는 3매 렌즈로 구성된 collimator 광학계와 동등한 수준의 스폿 직경 및 광 효율을 구현할 수 있는 단일 TIR 렌즈 collimator 설계하였다. 이를 통해 최소 조도 편차를 갖는 경화 위치에서의 광 효율이 33.2 % 수준으로 참조 collimator 광학계의 성능과 유사한 수준을 확보하였고, 경화면에서의 조도 편차는 18.8 % 수준으로 양호한 성능을 확보하였다. 또한, 이미지 면에서의 조도 평탄화 기능을 갖는 fly-eye lens를 condensing 렌즈 앞단에 배치함으로써, TIR 렌즈만 적용한 경화 광학계와 비교할 때, 유효 경화영역 직경이 5.0 mm에서 3.0 mm 로 줄어 보다 높은 경화 에너지 밀도를 구현할 수 있었으며, 조도 편차는 14.4 % 수준으로 현격히 개선할 수 있음을 확인하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

The conventional spot-type UV curing machine configures a collimator optical system using a plurality of lenses so that the light beam is incident through an optical cable. In order to increase the transmission light efficiency, a collimator optical system composed of three or more lenses is required, and accordingly, it is difficult to align the optical system, and it is difficult to implement the system compactly. In this study, a single TIR lens collimator that can realize the same level of spot diameter and light efficiency as the conventional collimator optical system composed of three lenses was designed. Through this, the light efficiency at the curing area with the minimum illuminance deviation was 33.2 %, which was similar to the performance of the reference collimator optical system, and the illuminance deviation on the curing area was 18.8 %, ensuring acceptable performance. In addition, by arranging a fly-eye lens with field flattening function at the front end of the condensing lens, the effective curing area diameter was reduced from 5.0 mm to 3.0 mm, enabling higher curing energy density to be realized. In addition, it was confirmed that the illuminance deviation can be greatly improved to a level of 14.4%.

Keyword

표/그림 (22)

그림 그림 1. 3매 렌즈로 구성된 collimation 렌즈를 이용한 spot형 UV경화기 구성도 Fig. 1 Configuration diagram of spot type UV curing machine with a collimator composed of 3 lenses
그림 그림 2. LED 배광 분포 예시 Fig. 2 Example of luminous intensity of light flux emitted from LED
그림 그림 3. TIR 렌즈와 광속지향 예시 Fig. 3 Example of TIR lens and lightflux
그림 그림 4. Fly-eye 렌즈 시스템 계략도 Fig. 4 Schematic of a fly-eye lens system
그림 그림 5. 3매 렌즈로 구성된 collimator 렌즈계 Fig. 5 Collimator with three lenses
그림 그림 6. collimation 렌즈 배광분포도 Fig. 6 Light distribution of collimating lens
그림 그림 7. CODE V를 이용한 condenser 렌즈 설계 Fig. 7 Condenser lens design using CODE V
그림 그림 8. 성능 비교를 위해 재구성한 spot형 UV 경화 광학계 Fig. 8 Spot type UV curing optical system reconstructed for performance comparison
표 표 1. Condenser 렌즈 세부 정보 Table 1. Details about condenser lenses
그림 그림 9. 재구성한 경화 광학계의 작동 거리별 조도 그래프 및 유효경화영역 직경 Fig 9. Illuminance graph and effective curing area diameter by working distance of the reconstructed curing optical system
그림 그림 10. 일반적인 TIR 렌즈 구조 Fig. 10 Typical TIR lens structure
표 표 2. 재구성한 경화 광학계의 경화 위치별 주요 성능 Table 2. Main performance of the reconstructed curing optical system by curing position
그림 그림 11. 1차 TIR 렌즈 형상 Fig. 11 1^st TIR lens shape and lightflux propagation
표 표 3. TIR 렌즈 형상 최적화 결과 Table 3. Result of optimization of TIR lens shape
그림 그림 12. 3차 TIR 렌즈 기반 경화 광학계 Fig. 12 Curing optics with the 3^rd TIR lens
그림 그림 13. TIR 렌즈의 배광 분포도 Fig 13. Light distribution of TIR lens
그림 그림 14. 3차 TIR 렌즈를 적용한 경화 광학계의 경화 위치 별 조도 그래프 및 유효 경화 영역 Fig 14. Illuminance graph and effective curing area for each focusing distance of the curing optics with the 3^rd TIR lens applied
표 표 4. TIR 렌즈 기반 경화 광학계의 경화 위치 별 유효 경화 영역 주요 성능 Table 4. Key performance TIR lens-based curing optical system
그림 그림 15. 입사각 ± 6 ° 일 때 Fly-eye lens 유무에 따른 경화거리 10 mm 에서의 시뮬레이션 결과 Fig. 15 Simulation results at a curing distance of 10 mm with or without fly-eye lens when the incident angle is ± 6 °
표 표 5. Fly-eye lens 설정값에 따른 경화 광학계의 경화 거리 별 조도 그래프 비교 Table 5. Comparison of illuminance graph by curing distance of curing optical system according to fly-eye lens setting value
그림 그림 16. 3차 TIR 렌즈 + fly-eye lens를 적용한 경화 광학계의 경화 위치별 조도 그래프 및 유효 경화 영역 Fig. 16 Illuminance graph and effective curing area for each curing position of the curing optical system with the 3rd TIR lens + fly-eye lens applied
표 표 6. TIR 렌즈 + fly-eye lens 기반 경화 광학계의 경화 위치 별 유효 경화 영역 주요 성능 Table 6. TIR lens + fly-eye lens-based curing optical system's effective curing area by curing position Main performance

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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