KR20110011052A - Apparatus of controlling speckle contrast of light - Google Patents

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Abstract

PURPOSE: An apparatus for controlling the speckle contrast of light is provided to avoid problems generated from single mode optical fiber by guiding light to multi-mode fiber wound around a piezoelectric transducer. CONSTITUTION: A cylindrical piezoelectric transducer is vibrated in a radial direction. Multi mode optical fiber includes light in a plurality of modes which is guided into the core of the optical fiber. The multi mode optical fiber is composed of a glass core and a polymer cladding. The multi mode optical fiber is wound around the piezoelectric transducer. While the piezoelectric transducer is vibrated in the radial direction, light passes through the multi mode optical fiber.

Description

광선의 스페클 콘트라스트 제어장치{apparatus of controlling speckle contrast of light}Speckle Contrast Control of Rays {apparatus of controlling speckle contrast of light}

본 발명은 광선의 스페클 콘트라스트 제어장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 반지름 방향으로 진동하는 원통형 PZT에 MMF가 감겨있는 광선의 스페클 콘트라스트 제어장치에 관한 것이다.The present invention relates to a speckle contrast control device for light rays, and more particularly, to a speckle contrast control device for light rays in which MMF is wound around a cylindrical PZT vibrating in a radial direction.

광섬유는 코어(Core), 클래딩(Cladding), 그리고 코팅(Coating)의 구조로 구성되어 있다. 코어는 광신호 자체를 운송하며, 클래딩은 광신호를 코어에 유지시키는 역할을 한다.The optical fiber is composed of core, cladding, and coating. The core carries the optical signal itself, and the cladding serves to keep the optical signal in the core.

MMF는 광섬유 코어 안에 도파되는 빛의 모드가 여러 개인 광섬유를 말한다. 이 광섬유는 코어의 직경이 대개 50㎛ 이상이며, 계단형 굴절률 광섬유와 언덕형 굴절률 광섬유가 있다. SMF는 광섬유 코어의 직경을 작게 하고, 하나의 모드만 도파시키는 광섬유를 말한다.MMF refers to an optical fiber with multiple modes of light guided inside the optical fiber core. The optical fiber usually has a diameter of 50 µm or more, and has a stepped refractive index fiber and a hillside refractive index fiber. SMF refers to an optical fiber that reduces the diameter of the optical fiber core and guides only one mode.

광섬유에서의 빛의 전파는 맥스웰(Maxwell) 방정식으로 나타내어질 수 있다. 빛이 전파되는 매질의 굴절률 등의 재료상수와 광섬유의 코어와 클래딩(광도파로나 광섬유에서 코어를 둘러싸고 있는 굴절률이 낮은 영역)에서의 경계치 조건을 맥스 웰 방정식에 대입하면 광섬유에 따라 도파되는 광파의 파동방정식이 만들어진다. 이 파동방정식을 풀면 전자장(Electromagnetic Field) 분포를 알 수 있게 된다. 이러한 광섬유를 따라 존재하는 전자장 분포를 광섬유의 모드(Mode)라고 한다.The propagation of light in the optical fiber can be represented by the Maxwell equation. Material constants, such as the index of refraction of the medium through which light propagates, and boundary conditions in the core and cladding of the optical fiber and in the low refractive index surrounding the core in the optical waveguide or optical fiber The wave equation of Solving this wave equation reveals the distribution of the electromagnetic field. The distribution of electromagnetic fields along the optical fiber is called the mode of the optical fiber.

빛이 MMF를 통해 도파될 때, 모드간의 간섭으로 인해 광섬유 출력부에서 생기는 지저분한 형태의 스페클(speckle)을 감소시키기 위한 방법으로 공간 간섭성 조절과 시간 간섭성 조절이 있다. 두 경우 모두 광원에서의 간섭성을 조절하는 방법으로, 1) 광섬유 자체에 떨림과 같은 외부 섭동(External Perturbation)을 주거나 2) 서로 다른 주파수의 광원을 동시에 입사시키는 방법 등을 예로 들 수 있다. 공간 간섭성을 조절하는 1)의 경우, 광섬유를 원운동 하는 회전판에 설치하여 도파되는 빛의 위상에 변화를 준다. 그렇게 되면 출력부에서 무작위로 분포하는 스페클들이 시간이 지남에 따라 그 위치를 변화하며 마치 물이 끓는 듯한 모습을 보이는데, 일정 시간 동안 그러한 모습의 사진을 여러 장 찍어 광도 기반으로 전체 평균하면 스페클이 줄어든 형태의 이미지를 얻는다. 이와 같이 후보정을 요구하는 과정은 실시간으로 안정된 형태의 광선을 요구하는 레이저 가공이나 디스플레이 응용에서 치명적인 단점으로 작용할 뿐 아니라, 전하 결합 소자(Charge-Coupled Device, CCD)를 검출기로 채택할 시 포화 효과를 야기한다. 2)의 경우, 서로 다른 진동수를 가지는 광원을 비간섭적으로 주사시켜 시간 간섭성을 조절한다. 펄스 레이저에도 유효하다는 장점이 있지만, 이 역시 여러 이미지를 평균하는 후보정 과정을 동반하며, 가격적인 측면에서도 부담이 되고 구성 시스템의 크기나 복잡함도 매우 커지므로 집적 회로로 발전하는데 큰 장애가 된다.When light is guided through the MMF, spatial coherence control and temporal coherence control are provided as a way to reduce the speckle of speckles generated at the optical fiber output due to the interference between modes. In both cases, a method of controlling coherence in a light source may include 1) applying external perturbation such as vibration to the optical fiber itself, or 2) simultaneously injecting light sources of different frequencies. In the case of 1) to control the spatial coherence, the optical fiber is installed on the rotating plate to change the phase of light to be guided. Then, the randomly distributed speckles will change their position over time and look as if the water is boiling, taking several pictures of that shape over a period of time and averaging them based on luminance You get an image of this reduced form. The process of requesting candidate crystals is not only a fatal disadvantage in laser processing or display applications that require stable light in real time, but also has a saturation effect when a charge-coupled device (CCD) is used as a detector. Cause. In the case of 2), time coherence is controlled by incoherently scanning light sources having different frequencies. Although it has the advantage of being effective for pulsed lasers, it also has a candidate process for averaging multiple images, which is a burden in terms of cost, and also greatly increases the size and complexity of a configuration system, which is a major obstacle to the development of integrated circuits.

따라서 본 발명이 해결하고자 하는 첫 번째 과제는 집적회로에 집적가능하면서 SMF를 사용함으로써 발생할 수 있는 여러 문제점들을 피하면서 균질한 광선 형성이 가능한 광선의 스페클 콘트라스트 제어장치를 제공하는 것이다.Accordingly, the first problem to be solved by the present invention is to provide an apparatus for controlling speckle contrast of light beams capable of forming a homogeneous light beam while being able to integrate into an integrated circuit and avoiding various problems caused by using SMF.

본 발명은 상기 첫 번째 과제를 달성하기 위하여, 반지름 방향으로 진동하는 원통형 PZT; 및 광섬유의 코어 안에 도파되는 광선의 모드가 적어도 하나 이상인 MMF를 포함하고, 상기 MMF는 상기 PZT에 감겨 있으며, 상기 PZT가 반지름 방향으로 진동하는 동안 상기 광선이 상기 MMF를 통과하는 것을 특징으로 하는 광선의 스페클 콘트라스트 제어장치를 제공한다.The present invention is a cylindrical PZT vibrating in the radial direction to achieve the first object; And an MMF having at least one mode of light guided in the core of the optical fiber, the MMF wound around the PZT, wherein the light beam passes through the MMF while the PZT vibrates in a radial direction. Provides a speckle contrast control device.

또한, 상기 MMF는 유리 코어와 중합체 클래딩으로 구성될 수 있으며, 대표적으로 하드 폴리머 클래드 파이버(Hard Polymer-Clad Fiber, HPCF)가 있다.In addition, the MMF may be composed of a glass core and a polymer cladding, typically a hard polymer-clad fiber (HPCF).

본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 MMF로부터 출력된 광선을 통과시키는 대물렌즈; 및 상기 대물렌즈를 통과한 광선을 입력받아 통과시키는 별도의 MMF를 더 포함할 수 있다.According to an embodiment of the present invention, the objective lens for passing the light beam output from the MMF; And a separate MMF for receiving and passing a light beam passing through the objective lens.

또한, 상기 MMF로부터 출력된 광선을 통과시키는 대물렌즈; 및 상기 대물렌즈를 통과한 광선을 적어도 2개 이상의 광선으로 분리하는 광선 분리기를 더 포함할 수 있다.In addition, an objective lens for passing the light beam output from the MMF; And a light splitter configured to split the light beam passing through the objective lens into at least two light beams.

본 발명의 다른 실시예에 의하면, 상기 다중모드 광섬유의 단면형상은 D자 형태로 구성될 수 있다.According to another embodiment of the present invention, the cross-sectional shape of the multimode optical fiber may have a D-shape.

본 발명의 또 다른 실시예에 의하면, 라디오 주파수(Radio Frequency, RF)로 진동하는 정현파(Sine Wave) 전압을 상기 PZT에 인가함으로써, 상기 PZT가 반지름 방향으로 진동한다.According to another embodiment of the present invention, the PZT vibrates in the radial direction by applying a sine wave voltage oscillating at a radio frequency (RF) to the PZT.

또한, 상기 RF가 상기 PZT의 자연 진동수(Natural Frequency)일 때 상기 광선의 스페클 콘트라스트가 최소가 된다.In addition, the speckle contrast of the light beam is minimized when the RF is a natural frequency of the PZT.

본 발명에 따르면, 반지름 방향으로 진동하는 원통형 PZT에 감겨 있는 MMF에 광선을 도파시킴으로써, SMF를 사용함으로써 발생할 수 있는 여러 문제점들을 피하면서 균질한 광선 형성이 가능하므로 광섬유 가공 산업에서 중요한 역할을 할 수 있다. 또한, 본 발명에 따르면, 광선 분리기에 의한 분기에 상관없이 가상의 불완전한 간섭성(Virtual Partial Coherence, VPC)이 유지되는 점을 감안하여 색 합성기 및 분배기에 효과적으로 응용할 수 있다. 여기서"가상의" 라는 용어는 광원의 공간 간섭성 저하를 의미한다. 나아가, 본 발명에 따르면, 도파되는 빛의 위상 변화와 더불어 광섬유가 구부러졌을 때 생기는 모드간의 결합을 적용하여 높은 초당 프레임 수(Frames Per Second, fps)에서도 유효한 효과를 내므로 후보정 작업이 필요치 않은 실시간 광선 균질기를 제작할 수 있다. 또한 본 발명에 따르면 그 원리가 매우 간단하여 제작이 용이하고 구성 시스템의 크기가 상당히 작아 집적 소자로서의 발전도 가능하다.According to the present invention, by guiding the light beam to the MMF wound in the cylindrical PZT vibrating in the radial direction, it is possible to form a homogeneous light beam while avoiding various problems that can be caused by the use of SMF can play an important role in the optical fiber processing industry. have. In addition, the present invention can be effectively applied to color synthesizers and splitters in consideration of the fact that virtual incomplete coherence (VPC) is maintained regardless of branching by the light splitter. The term "virtual" here means a decrease in the spatial coherence of the light source. Furthermore, according to the present invention, the combination of the modes generated when the optical fiber is bent together with the phase change of the guided light produces an effective effect even at high frames per second (fps), thereby eliminating the need for candidate work. A ray homogenizer can be produced. In addition, according to the present invention, the principle is very simple, making it easy to manufacture and the size of the configuration system is quite small, so that it can be developed as an integrated device.

이하, 바람직한 실시예를 들어 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다. 그러나 이들 실시예는 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위한 것으로, 본 발명의 범위가 이에 의하여 제한되지 않는다는 것은 당업계의 통상의 지식을 가진 자에게 자명할 것이다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to preferred examples. However, these examples are intended to illustrate the present invention in more detail, it will be apparent to those skilled in the art that the scope of the present invention is not limited thereby.

본 발명에서는 반지름 방향으로 진동하는 원통형 PZT에 축을 중심으로 MMF를 팽팽하게 감은 뒤, PZT에 RF 영역의 정현파 형태로 전기 신호를 주고 PZT를 진동시켜 MMF가 음향 광학적 효과를 받도록 유도한다. 음향 광학적 효과란 떨림과 같은 외부 섭동에 의한 광섬유를 구성하는 물질의 유효 굴절률에 변화를 주는 효과이다. RF란, 약 3 Hz부터 300 GHz까지의 주파수로서, 이 범위의 주파수는 전파를 생성/감지하는데 사용되는 교류 전기 신호의 주파수에 대응한다.In the present invention, the MMF is wound around the axis of the cylindrical PZT oscillating in the radial direction, and the PZT is subjected to an electric signal in the form of a sine wave in the RF region and the PZT is vibrated to induce the MMF to receive an aco-optic effect. Acousto-optic effect is an effect of changing the effective refractive index of the material constituting the optical fiber by external perturbation such as shaking. RF is a frequency from about 3 Hz to 300 GHz, and the frequency in this range corresponds to the frequency of the AC electrical signal used to generate / sense the radio wave.

유효한 음향 광학적 효과를 내기 위해 PZT의 떨림이 MMF에 잘 전달돼야 하므로, MMF가 끊기지 않는 조건하에서 최대한 팽팽하게 PZT의 외벽둘레 맞대는 것이 중요하다. 이때 MMF가 비틀림 없이 최대한 팽팽하게 PZT에 권선되도록 하기 위해 광섬유의 단면 형상을 D자 형태로 구성하고, 그 평평한 면을 PZT의 외벽둘레에 맞대게 할 수 있다.Since the vibrations of the PZT must be well transmitted to the MMF in order to have an effective aco-optic effect, it is important to face the outer wall of the PZT as tightly as possible without the MMF breaking. In this case, in order to allow the MMF to be wound as tightly as possible on the PZT, the cross-sectional shape of the optical fiber may be configured in a D-shape, and the flat surface may face the outer wall of the PZT.

광선이 지나가는 광도파로(Optical Waveguide)가 외부에서 교란을 받을 때, 위상변조 및 광도파로를 지나는 광선의 모드들 간의 결합 때문에 광도파로 출력부에서 광선의 패턴 분포는 변조(Modulation)된다. 공간상의 모드들(spatial modes)을 균질하게 하기 위해서는 반송파 위상(Carrier-Phase)이 검출 시스템의 반응 시간보다 시간 스케일에서 상대적으로

Figure 112009045928359-PAT00001
라디안 이상 더 빠르게 변해야 한다. 광도 파로는 광전력(Optical Power)을 도파할 수 있는 구조로서, 광통신에서 광신호를 전달하도록 설계된 광섬유가 대표적이다. When the optical waveguide through which the ray passes is disturbed from the outside, the pattern distribution of the ray at the optical waveguide output is modulated due to the phase modulation and the coupling between the modes of the ray passing through the waveguide. In order to homogenize the spatial modes, the carrier phase is relatively on the time scale rather than the response time of the detection system.
Figure 112009045928359-PAT00001
It should change faster than radians. An optical waveguide is a structure capable of guiding optical power, and an optical fiber designed to transmit an optical signal in optical communication is typical.

모드 결합에 의한

Figure 112009045928359-PAT00002
번째 모드의 전력 변화는 다음의 수학식 1과 같이 나타내어진다.By mode combination
Figure 112009045928359-PAT00002
The power change in the first mode is represented by Equation 1 below.

Figure 112009045928359-PAT00003
Figure 112009045928359-PAT00003

여기서,

Figure 112009045928359-PAT00004
은 광도파로를 지나는 광선들의 모드
Figure 112009045928359-PAT00005
Figure 112009045928359-PAT00006
사이의 전력 결합 계수,
Figure 112009045928359-PAT00007
은 모드
Figure 112009045928359-PAT00008
의 초기 전력,
Figure 112009045928359-PAT00009
은 광도파로에 있는 모드들의 총 수를 의미한다. 만일 전파 위치(Propagation Position)
Figure 112009045928359-PAT00010
에 따른 광섬유 변형 함수
Figure 112009045928359-PAT00011
가 광섬유 길이
Figure 112009045928359-PAT00012
에 대하여 알려져 있는 경우, 길이
Figure 112009045928359-PAT00013
에 대한 모드
Figure 112009045928359-PAT00014
Figure 112009045928359-PAT00015
사이의 전력 결합 계수는 다음의 수학식 2와 같이 나타내어진다.here,
Figure 112009045928359-PAT00004
Is the mode of rays passing through the optical waveguide
Figure 112009045928359-PAT00005
and
Figure 112009045928359-PAT00006
Power coupling coefficient between,
Figure 112009045928359-PAT00007
Silver mode
Figure 112009045928359-PAT00008
Initial power,
Figure 112009045928359-PAT00009
Is the total number of modes in the optical waveguide. Propagation Position
Figure 112009045928359-PAT00010
Optical fiber strain function
Figure 112009045928359-PAT00011
Fiber optic length
Figure 112009045928359-PAT00012
Length, if known
Figure 112009045928359-PAT00013
Mode for
Figure 112009045928359-PAT00014
and
Figure 112009045928359-PAT00015
The power coupling coefficient between is represented by Equation 2 below.

Figure 112009045928359-PAT00016
Figure 112009045928359-PAT00016

여기서

Figure 112009045928359-PAT00017
은 광섬유 구조에 따른 상수이고,
Figure 112009045928359-PAT00018
은 다음의 수학식 3과 같이 나타내어진다.here
Figure 112009045928359-PAT00017
Is a constant according to the optical fiber structure,
Figure 112009045928359-PAT00018
Is expressed as in Equation 3 below.

Figure 112009045928359-PAT00019
Figure 112009045928359-PAT00019

여기서

Figure 112009045928359-PAT00020
Figure 112009045928359-PAT00021
은 각각 모드
Figure 112009045928359-PAT00022
Figure 112009045928359-PAT00023
의 전파 상수(Propagation Constant)이다. 이상의 수학식 1, 2, 3을 이용하여 도 1에 도시된 압전소자-광섬유 조합(Piezo-Fiber Assembly, PFA)에 진동을 가할 때의 변화를 이하 살펴보기로 한다.here
Figure 112009045928359-PAT00020
and
Figure 112009045928359-PAT00021
Each mode
Figure 112009045928359-PAT00022
and
Figure 112009045928359-PAT00023
Propagation constant of. A change in applying vibration to the piezo-fiber assembly (PFA) shown in FIG. 1 using Equations 1, 2, and 3 will now be described.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 PFA의 개념도 및 진동을 가할 때의 변화를 나타낸다. 도 1(a)은 사용된 HPCF의 구조 및 크기와 굴절률 분포를 나타내고, 도 1(b)은 PZT가 전기 신호에 의해 반지름 방향으로 팽창할 때를 전후하여 PZT에 감긴 광섬유에 일어나는 변화를 개략적으로 나타낸다.1 is a conceptual diagram of a PFA according to an embodiment of the present invention and shows a change when applying vibration. Fig. 1 (a) shows the structure and size and refractive index distribution of the HPCF used, and Fig. 1 (b) schematically shows the change in the optical fiber wound on the PZT before and after the PZT expands in the radial direction by the electrical signal. Indicates.

따라서 도 1에 도시된 PFA에서의

Figure 112009045928359-PAT00024
은 다음의 수학식 4와 같이 수정될 수 있다.Therefore, in the PFA shown in FIG.
Figure 112009045928359-PAT00024
May be modified as in Equation 4 below.

Figure 112009045928359-PAT00025
Figure 112009045928359-PAT00025

여기서

Figure 112009045928359-PAT00026
는 PZT 둘레에 감긴 코일의 총 수이고,
Figure 112009045928359-PAT00027
은 PZT에 1회전 감긴 길이에 대한 광섬유 변형 함수이고,
Figure 112009045928359-PAT00028
는 PZT의 초기 바깥 반지름이다. 따라서 수학식 4에 포함된
Figure 112009045928359-PAT00029
Figure 112009045928359-PAT00030
로 다시 표현될 수 있다. 이 때
Figure 112009045928359-PAT00031
는 광섬유가 원형으로 굽혀짐에 따른 변형 함수이고,
Figure 112009045928359-PAT00032
은 PZT 반지름의 증가분이다. PZT에 감긴 광섬유는 전반에 걸쳐 동시에 팽창하기 때문에
Figure 112009045928359-PAT00033
은 전파 위치에 독립적인 요소이다. 만일 정현파 전압(
Figure 112009045928359-PAT00034
,
Figure 112009045928359-PAT00035
는 진폭,
Figure 112009045928359-PAT00036
는 각 주파수,
Figure 112009045928359-PAT00037
는 시간)을 PZT에 인가하는 경우, PZT의 진동하는 반지름 증가분
Figure 112009045928359-PAT00038
은 다음의 수학식 5와 같이 표현된다. here
Figure 112009045928359-PAT00026
Is the total number of coils wound around the PZT,
Figure 112009045928359-PAT00027
Is the fiber strain function for the length wound one turn on PZT,
Figure 112009045928359-PAT00028
Is the initial outer radius of PZT. Therefore, the equation 4
Figure 112009045928359-PAT00029
silver
Figure 112009045928359-PAT00030
Can be represented again. At this time
Figure 112009045928359-PAT00031
Is the deformation function as the optical fiber bends in a circle,
Figure 112009045928359-PAT00032
Is the increase in PZT radius. Because the optical fiber wound on PZT expands simultaneously throughout
Figure 112009045928359-PAT00033
Is an element independent of the propagation position. If sinusoidal voltage (
Figure 112009045928359-PAT00034
,
Figure 112009045928359-PAT00035
Is the amplitude,
Figure 112009045928359-PAT00036
Is each frequency,
Figure 112009045928359-PAT00037
Is the oscillating radius increase of PZT
Figure 112009045928359-PAT00038
Is expressed as in Equation 5 below.

Figure 112009045928359-PAT00039
Figure 112009045928359-PAT00039

여기서

Figure 112009045928359-PAT00040
은 각주파수
Figure 112009045928359-PAT00041
의 함수로서, 단위 전압 당 진폭을 의미한다. 시간에 따른 변화량이 모드간의 결합에 영향을 미치므로
Figure 112009045928359-PAT00042
으로부터 시간 독립적인 함수
Figure 112009045928359-PAT00043
를 제외하고 수학식 4의
Figure 112009045928359-PAT00044
을 다시 표현하면 다음의 수학식 6과 같다.here
Figure 112009045928359-PAT00040
Angular frequency
Figure 112009045928359-PAT00041
Means the amplitude per unit voltage. The amount of change over time affects the coupling between modes.
Figure 112009045928359-PAT00042
Time independent function from
Figure 112009045928359-PAT00043
Except for Equation 4
Figure 112009045928359-PAT00044
To be expressed again as shown in Equation 6 below.

Figure 112009045928359-PAT00045
Figure 112009045928359-PAT00045

여기서

Figure 112009045928359-PAT00046
함수는 정규화(Normalization) 되었다. 수학식 6을 수학식 2에 대입하면 다음의 수학식 7과 같은 결과를 얻는다.here
Figure 112009045928359-PAT00046
The function is normalized. Substituting Equation 6 into Equation 2 yields the same result as Equation 7 below.

Figure 112009045928359-PAT00047
Figure 112009045928359-PAT00047

여기서

Figure 112009045928359-PAT00048
이다. here
Figure 112009045928359-PAT00048
to be.

수학식 7에 따르면, 광섬유 구조에 따른 상수

Figure 112009045928359-PAT00049
, PZT의 재료적 및 전기적 특성을 나타내는
Figure 112009045928359-PAT00050
, 광섬유를 압전소자에 감은 횟수
Figure 112009045928359-PAT00051
, PZT에 인가된 전압의 진폭
Figure 112009045928359-PAT00052
와 같은 요소에 의해 모드 결합이 영향 받음을 알 수 있다. 모드 결합 상수
Figure 112009045928359-PAT00053
은 전파 상수 차이(
Figure 112009045928359-PAT00054
)에 따른
Figure 112009045928359-PAT00055
함수에 비례한다. 전파 상수 차이(
Figure 112009045928359-PAT00056
)는 고차 모드들 사이에서 작은 값을 가지므로, 변수가 0에 가까울수록 높은 값을 갖는
Figure 112009045928359-PAT00057
함수의 성질 때문에 광섬유 내에서 도파된 광선의 모드간 결합은 낮은 차수의 모드들 사이에서보다 높은 차수의 모드들 사이에서 효율적일 것이다.
Figure 112009045928359-PAT00058
Figure 112009045928359-PAT00059
Figure 112009045928359-PAT00060
에 동시에 의존하므로 모드 결합의 효율을 극대화시키기 위해서는
Figure 112009045928359-PAT00061
가 최적화 되어야 한다.According to Equation 7, constant according to the optical fiber structure
Figure 112009045928359-PAT00049
Material and electrical properties of PZT
Figure 112009045928359-PAT00050
, The number of times the optical fiber is wound on the piezoelectric element
Figure 112009045928359-PAT00051
, The amplitude of the voltage applied to the PZT
Figure 112009045928359-PAT00052
By elements such as It can be seen that mode combining is affected. Mode coupling constants
Figure 112009045928359-PAT00053
Is the propagation constant difference (
Figure 112009045928359-PAT00054
)In accordance
Figure 112009045928359-PAT00055
Proportional to function Propagation constant difference (
Figure 112009045928359-PAT00056
) Has a small value between higher-order modes, so the closer the variable is to 0, the higher the value.
Figure 112009045928359-PAT00057
Due to the nature of the function, the intermodal coupling of the light guided within the optical fiber will be more efficient between higher order modes than between lower order modes.
Figure 112009045928359-PAT00058
Is
Figure 112009045928359-PAT00059
Wow
Figure 112009045928359-PAT00060
At the same time, to maximize the efficiency of mode combining
Figure 112009045928359-PAT00061
Should be optimized.

이러한 모드 결합과 위상변조에 의해 PFA를 통과하는 광선은 VPC를 갖도록 변한다. 도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 광선의 스페클 콘트라스트 제어장치에서의 VPC는 광섬유의 길이나 분기되는 개수에 관계없이 일정하게 유지되는 것을 알 수 있다. 이러한 특성은 레이저 가공장치, 외과수술, 및 디스플레이 응용장치 등에 특히 유용하다.This mode combining and phase modulation causes the light rays passing through the PFA to change to have a VPC. As shown in Figure 4, it can be seen that the VPC in the speckle contrast control device of the light beam according to an embodiment of the present invention is kept constant regardless of the length of the optical fiber or the number of branches. This property is particularly useful for laser processing, surgical and display applications.

한편, 광섬유 내에서 도파되는 빛의 모드가 많을수록 광섬유 출력부에 분포하는 스페클 형상이 중첩되어 균질해질 확률이 높으므로, 사용되는 MMF의 코어 직경은 클수록 유리하다. 큰 코어 직경에 더하여 광섬유의 효율적인 음향 광학적 효 과 유도를 위해 클래딩이나 코팅에 의한 방해 효과를 최소로 하여 광섬유가 PZT의 진동에 민감하게 반응하도록 한다. 이러한 목적에 부합하는 상용화 된 제품으로 SSCP사의 HPCF를 들 수 있다. 이 광섬유는 직경이 200㎛의 유리 코어를 가지며 그 바깥으로 15㎛ 두께의 중합체 클래딩으로 둘러싸여 있다. 이 HPCF를 바깥직경 38mm, 두께 2mm, 높이 38mm인 미국 EDO Corporation사의 원통형 PZT EC-64의 축을 중심으로 끊어지지 않으면서도 최대한 팽팽하게 20번 감은 뒤 에폭시로 견고하게 부착하여 PFA를 만든다. 사용된 PZT는 정현파 형태의 전기신호를 가해줄 때 이론적인 분석에 의해 24kHz 부근에서 자연 진동수를 취하고, 반지름 방향으로 최대의 진폭을 가지면서 같은 진동수로 떨게 된다. 이러한 떨림이 HPCF에 음향 광학적 효과를 유도하여 위상 변화와 모드 결합을 발생시켜 매우 짧은 시간에도 충분한 평균효과를 내므로, 광섬유 출력부에서 얼룩이 없는 균질한 광선을 실시간으로 얻을 수 있다. 실제로 30 fps CCD 카메라가 검출기로 사용된 실험에서 실시간으로 균질한 형태의 광선이 확인되었고, 100 fps에 상당한다는 사람의 눈으로도 안정적이고 균질한 광선을 확인할 수 있다.On the other hand, the more the mode of light guided in the optical fiber, the higher the likelihood that the speckle shapes distributed in the optical fiber output part will be overlapped and homogeneous, so the core diameter of the MMF used is advantageous. In addition to the large core diameters, the interference of the cladding or coating is minimized to induce efficient acoustic and optical effects of the optical fiber, making the optical fiber sensitive to vibrations of the PZT. Commercialized products that serve this purpose include SSCP's HPCF. This optical fiber has a glass core 200 mu m in diameter and is surrounded by a 15 mu m thick polymer cladding. This HPCF is wound around 20 times as tightly as possible without breaking around the axis of cylindrical PZT EC-64 of EDO Corporation of 38mm in outer diameter, 2mm in thickness, and 38mm in height, and then firmly attached with epoxy to make PFA. The applied PZT takes a natural frequency around 24 kHz by theoretical analysis when applying a sinusoidal electrical signal, and trembles with the same frequency with maximum amplitude in the radial direction. This vibration induces an aco-optic effect in the HPCF, resulting in phase shift and mode coupling, resulting in a sufficient average effect even in a very short time, so that a homogeneous light spot without spots can be obtained in real time at the optical fiber output. In fact, in the experiment where a 30 fps CCD camera was used as a detector, homogeneous light beams were observed in real time, and even a human eye that equivalent to 100 fps can identify stable and homogeneous light beams.

도 2는 최소의 스페클 콘트라스트 조건을 찾기 위해 자연 진동수 부근에서 10 피크전압(Peak-to-Peak Voltage, Vpp)으로 함수 생성기의 구동 주파수를 미세하게 변화시켜가며 콘트라스트 값을 측정한 그래프이다. FIG. 2 is a graph of contrast value measured by varying the driving frequency of the function generator at 10 peak-voltage (Vpp) near a natural frequency to find the minimum speckle contrast condition.

실험에 사용된 HPCF는 200㎛ 직경의 유리 코어, 15㎛ 두께의 중합체 클래딩으로 구성된다. HPCF는 코어 굴절률과 클래딩 굴절률이 각각 1.45와 1.40인 계단형 굴절률 구조를 갖는다. HPCF의 개구수(Numerical Aperture, NA)는 0.37에서 0.48에 이르는 값을 갖는다. NA라 함은, 광학 렌즈의 성질을 나타내는 척도의 하나이다. 확대경을 이용하여 태양광을 집광하면 밝기가 증가하여 종이를 태울 수 있는 예처럼, 렌즈에 평행광선을 입사시키면 렌즈를 통과한 빛은 초점에서 한 점에 집광된다. 이 때 렌즈의 끝단과 초점을 잇는 선이 렌즈의 중심과 초점을 잇는 선에 이루는 각을

Figure 112009045928359-PAT00062
라 하면, 이의 정현값을 NA라 한다. 일반적인 광섬유가 유리 코어와 유리 클래딩을 갖는 반면, HPCF는 유리 코어와 중합체 클래딩을 갖는다. HPCF가 훨씬 더 큰 직경의 코어 및 더 큰 코어-클래딩 굴절률 차이를 가지기 때문에 일반 광섬유보다 더 많은 모드를 유지한다.The HPCF used in the experiments consisted of a 200 μm diameter glass core, 15 μm thick polymer cladding. HPCF has a stepped refractive index structure with a core refractive index and a cladding refractive index of 1.45 and 1.40, respectively. The numerical aperture (Numerical Aperture, NA) of the HPCF has a value ranging from 0.37 to 0.48. NA is one of the measures which show the property of an optical lens. As in the case of condensing sunlight with a magnifying glass, the brightness increases and the paper can be burned. When a parallel ray is incident on the lens, the light passing through the lens is condensed at a point at the focal point. At this time, the angle between the end of the lens and the line connecting the focal point of the lens
Figure 112009045928359-PAT00062
In other words, its sine value is called NA. Typical optical fibers have a glass core and glass cladding, while HPCF has a glass core and polymer cladding. Since HPCF has much larger diameter cores and larger core-cladding refractive index differences, it maintains more modes than ordinary optical fibers.

납-지르코산염-티탄산염(Lead-Zirconate-Titanate)으로 제작된 원통형 PZT 둘레에 5미터 길이의 HPCF를 상기의 방법대로 부착한다. 실험결과 HPCF를 20번을 초과하여 감는 경우, 강력한 모드 결합 및 구부림으로 인한 광학적 손실로 인해 출력부에서 낮은 전력의 가우시안 광선(Gaussian Beam)이 관찰되므로 감는 횟수가 20회를 넘지 않도록 한다. RF 영역의 정현파 구동 신호가 PZT에 인가되면 광섬유는 반지름 방향으로 팽창하는 PZT에 의해 진동하여 음향 광학적 효과를 받게 되므로, 상기에 기술한대로 도파되는 빛의 위상변조 및 모드간 결합이 발생하게 된다.A 5-meter long HPCF was attached in the manner described above around a cylindrical PZT made of Lead-Zirconate-Titanate. Experimental results show that if the HPCF is wound more than 20 times, a low power Gaussian beam is observed at the output due to optical loss due to strong mode coupling and bending, so that the number of windings is less than 20 times. When the sinusoidal driving signal of the RF region is applied to the PZT, the optical fiber is vibrated by the PZT expanding in the radial direction to receive the aco-optic effect. Thus, phase modulation of the waveguided light and the coupling between modes occur.

이하에서는 HPCF로 이루어진 PFA에 대하여 구동 주파수에 따른 스페클 감소 영향을 살펴보기로 한다. 스페클의 정도를 나타내는 단위로 가장 많이 사용되는 물리량이 콘트라스트인데 이는 수학식 8과 같이 선택된 영역에서의 광도의 표준편차를 평균값으로 나누어 나타내며 그 값이 작을수록 출력부의 광선이 균질함을 의미 한다.Hereinafter, the influence of the speckle reduction according to the driving frequency on the PFA made of HPCF will be described. Contrast is the most used physical quantity as a unit representing the degree of speckle. The standard deviation of the luminance in the selected area is divided by an average value as shown in Equation 8, and the smaller the value, the more uniform the light rays of the output part.

Figure 112009045928359-PAT00063
Figure 112009045928359-PAT00063

여기서

Figure 112009045928359-PAT00064
는 광도(Intensity),
Figure 112009045928359-PAT00065
는 광도의 평균값,
Figure 112009045928359-PAT00066
는 스페클 형상 내에서의 광도의 표준편차이다.
Figure 112009045928359-PAT00067
이 증가함에 따라 변조 효과는 증가하고, 스페클 콘트라스트가 감소된다. 실험결과 PZT의 자연 진동수(24.16kHz)에서 스페클 콘트라스트가 최소가 된다. 스페클 콘트라스트와 구동 주파수의 관계를 나타낸 도 2를 참조하면, 근접장 및 원거리장 모두 24.16kHz에서 최소의 콘트라스트 값을 가짐을 알 수 있으나 그 정도를 비교했을 때 근접장에서의 효과가 원거리장에서의 효과보다 훨씬 큰 것을 알 수 있다.here
Figure 112009045928359-PAT00064
Is intensity,
Figure 112009045928359-PAT00065
Is the mean value of luminosity,
Figure 112009045928359-PAT00066
Is the standard deviation of luminous intensity within the speckle shape.
Figure 112009045928359-PAT00067
As this increases, the modulation effect increases and the speckle contrast decreases. Experimental results show that the speckle contrast is minimal at the natural frequency (24.16 kHz) of the PZT. Referring to FIG. 2 showing the relationship between the speckle contrast and the driving frequency, it can be seen that both the near and the far field have a minimum contrast value at 24.16 kHz. You can see that it is much larger.

도 3은 PZT에 실험적으로 구한 자연 진동수 24.16kHz 및 구동 전압 40Vpp를 가했을 때 근접장 및 원거리장에서 광섬유 출력부에 해당하는 단면을 찍은 실제 사진이다.

Figure 112009045928359-PAT00068
는 녹색 원 안 영역에 해당하는 광도의 콘트라스트 값을 말하며, 도 2와 비교해 봄으로써 구동전압은 10Vpp이건 40Vpp이건 별 차이가 없음을 알 수 있다. 도 3의 아래 부분은 녹색 직선으로 표시된 부분의 20배 확대된 사진인데 주기적인 무늬가 있음을 알 수 있다. 이는 간섭에 의한 결과가 아닌 CCD 카메라 성능으로 인해 발생하는 것으로 고려 대상은 아니지만, 선 광도 분포를 측정하거나 콘트라스트를 계산할 때 품질저하를 일으킬 수 있음을 염두에 두어야 한다.FIG. 3 is an actual photograph of a cross section corresponding to an optical fiber output section in the near and far fields when the natural frequency 24.16 kHz and the driving voltage 40 Vpp were experimentally obtained in the PZT.
Figure 112009045928359-PAT00068
Denotes the contrast value of the luminance corresponding to the green circle area, and as compared with FIG. 2, it can be seen that there is no difference in whether the driving voltage is 10 Vpp or 40 Vpp. The lower part of FIG. 3 is a 20 times magnified picture of the part indicated by the green straight line, and it can be seen that there is a periodic pattern. This is not a result of interference, but due to CCD camera performance, but should be taken into account, however, it is important to keep in mind that quality can be degraded when measuring linearity distribution or calculating contrast.

도 3을 참조하면 PZT가 진동하지 않는 경우 높은 콘트라스트를 갖는 현저한 스페클을 HPCF 출력부에서 관찰할 수 있다. 반면 PZT가 진동하는 경우, 모드 결합과 위상변조에 의해 스페클 콘트라스트가 눈에 띄게 감소하였다. 근접장에서 콘트라스트 값이 0.124에서 0.088까지 감소하여 29%의 콘트라스트 감소율을 보였으며, 원거리장에서 0.221에서 0.192까지 감소하여 13.1%의 감소율을 보였다. 높은 감소율은 HPCF의 중합체 클래딩이 일반 광섬유보다 외부 진동에 민감하게 반응하는 특징에 기인한다.Referring to FIG. 3, when the PZT does not vibrate, a marked speckle with high contrast can be observed at the HPCF output. On the other hand, when PZT oscillates, the speckle contrast is markedly reduced by mode coupling and phase modulation. In the near field, the contrast value decreased from 0.124 to 0.088, which was 29%, and the far field decreased from 0.221 to 0.192, which was 13.1%. The high reduction rate is due to the characteristic that the polymer cladding of HPCF is more sensitive to external vibration than ordinary fiber.

도 4는 도 3에서 녹색 직선으로 표시된 부분의 광도 분포이다. PZT가 떨림으로써 지저분한 선 광도 분포가 크게 진정되어 근접장의 경우 플랫-탑(Flat-Top) 형태를, 원거리장의 경우 가우시안과 흡사한 형태를 보인다. 도 4에서는 통계적인 분석을 위해 절대광도

Figure 112009045928359-PAT00069
대신에 상대광도
Figure 112009045928359-PAT00070
를 사용한다. 광도의 평균값은 도 3에 도시된 녹색 원들 내 영역으로부터 얻을 수 있다.4 is a light intensity distribution of a portion indicated by a green straight line in FIG. 3. The trembling of the PZT causes the messy line luminosity distribution to be soothed that it is flat-top in the near field and Gaussian in the far field. Figure 4 shows the absolute brightness for statistical analysis
Figure 112009045928359-PAT00069
Relative brightness instead
Figure 112009045928359-PAT00070
Use The average value of the luminous intensity can be obtained from the area in the green circles shown in FIG. 3.

다음으로, 간섭성을 가지는 광원이 HPCF를 통한 장거리 도파 및 분기할 때에 PZT 진동에 미치는 영향을 살펴보기로 한다. Next, the influence of the coherent light source on the PZT vibration when long-distance waveguide and branching through the HPCF will be described.

도 5는 PFA를 통과한 광선이 대물렌즈를 통해 길이 100미터의 HPCF에 입사됐을 때 PZT 진동에 따른 출력부에서의 변화를 보여준다. FIG. 5 shows the change in the output part according to the PZT oscillation when the ray passing through the PFA is incident on the HPCF having a length of 100 meters through the objective lens.

PFA를 통과한 광선이 20배율의 대물렌즈를 거쳐 100미터 길이의 HPCF에 다시 입사되었을 때의 출력은 도 5에 도시된 바와 같다. 진동이 없는 경우 콘트라스트가 0.135이지만, 진동이 있는 경우 0.088로 감소하였다. The output when the ray passing through the PFA is incident again to the 100-meter-long HPCF through the 20x objective lens is shown in FIG. 5. In the absence of vibration, the contrast was 0.135, but in the presence of vibration it was reduced to 0.088.

도 6은 PFA를 통과한 광선이 20배율의 대물렌즈를 통해 1×3 HPCF 광선 분리기에 입사됐을 때 각 출력부에서의 변화를 보여준다. PZT가 진동하는 경우 스페클 콘트라스트가 진동하지 않는 경우에 비하여 감소하였음을 알 수 있다. 도 5와 도 6을 고려할 때, 간섭성의 광원이 PFA를 통해 VPC를 가지게 되면 도파 길이나 분기수에 상관없이 계속 그 성질을 유지함을 알 수 있다.FIG. 6 shows the change in each output when the light passing through the PFA is incident on a 1 × 3 HPCF beam splitter through a 20x objective lens. It can be seen that when the PZT vibrates, the speckle contrast is reduced compared to the case where the speckle contrast does not vibrate. 5 and 6, when the coherent light source has a VPC through the PFA, it can be seen that the properties are maintained regardless of the waveguide length or branch number.

본 발명의 일 실시예에 따른 광선의 스페클 콘트라스트 제어장치의 가장 큰 특징은 매우 효과적인 얼룩 감소 및 균질 광선 생성이라는 장점에도 불구하고 구성하는 시스템의 크기가 매우 작다는 것이다. 총 직경 230㎛의 HPCF를 촘촘히 20번 감는다고 가정하더라도 축의 길이가 5mm 이하가 된다. 본 발명의 타당성을 증명하기 위한 실험에서는 높이가 38mm인 PZT가 사용되었으나 기존에 발표된 논문을 참고하면 알 수 있듯이 이론적으로나 실험적으로나 원통형 PZT의 높이가 반지름 방향으로의 진동에 미치는 영향은 없다. 따라서 고안된 소자는 가로×세로×높이의 크기를 38mm×38 mm×5mm로 집적할 수 있다.The biggest feature of the speckle contrast control device of the light beam according to an embodiment of the present invention is that despite the advantages of highly effective spot reduction and homogeneous light beam generation, the constituting system is very small in size. Assuming that the HPCF with a total diameter of 230 µm is wound 20 times, the length of the shaft is 5 mm or less. In the experiment to prove the validity of the present invention, a PZT having a height of 38 mm was used, but as can be seen from a previously published paper, theoretically and experimentally, the height of the cylindrical PZT has no influence on the vibration in the radial direction. Therefore, the designed device can integrate the size of width × length × height into 38mm × 38mm × 5mm.

본 발명의 일 실시예에 따른 광선의 스페클 콘트라스트 제어장치는 이론적으로 구한 자연 진동수 부근에서 가장 낮은 콘트라스트 값을 나타내는 진동수를 실험적으로 결정한 뒤, 신호발생기를 이용해 해당 진동수를 일정하게 가해주기만 하면 되므로 작동 절차가 매우 간단하다. HPCF의 구조 특성상 구부림에 의한 강력한 모드 결합 때문에 다른 일반 다중모드 광섬유의 경우처럼 PZT에 높은 전압을 인가할 필요가 없으므로 증폭기도 필요하지 않다. 실제로 40Vpp를 사용한 결과가 10 Vpp에서의 결과와 오차 범위 내에서 같음을 알 수 있다.The speckle contrast control device of the light beam according to an embodiment of the present invention operates after only experimentally determining the frequency representing the lowest contrast value near the theoretical natural frequency, and then applying a constant frequency using a signal generator. The procedure is very simple. Due to the HPCF's structural nature, the strong mode coupling by bending eliminates the need for a high voltage applied to the PZT, as is the case with other conventional multimode optical fibers, thus eliminating the need for an amplifier. In fact, we can see that the results using 40Vpp are the same within the margin of error as the results at 10Vpp.

본 발명의 일 실시예에 따른 광선의 스페클 콘트라스트 제어장치는 광섬유 레이저를 이용한 가공에 활용될 수 있다. “Fiber Laser Market Review and Forecast”에 따르면 광섬유를 이용하는 레이저 기술은 킬로와트(kW)급 레이저 시장에서 이미 20억 달러의 커다란 점유를 기록한 바 있다. 또한 산업용 레이저 시장에서 2010년까지 35%의 놀라운 성장률을 보일 것으로 예상된다. 위의 광섬유 레이저에는 에르븀 첨가 광섬유 증폭기(Erbium doped fiber amplifier, EDFA) 외에도 일반적으로 SMF가 사용되는데, 출력부에서의 광선이 가우시안 형태를 띤다는 장점이 있으나, 광원을 광섬유에 입사시킬 때 발생하는 낮은 연결 효율이나 고출력에 의한 광섬유 자체의 광학적 손상 및 불안정함 등의 단점이 있어 쓰임새에 한계가 있었다. 고안된 광섬유기반 광선 균질기는 MMF를 사용하여 위에서 언급된 문제들을 해결함과 동시에 모드간의 간섭에 의한 스페클 문제를 해결하여 광섬유 레이저 시스템에서 사용가능한 광섬유의 자유도를 늘린다. 이는 계속적으로 성장하는 광섬유 레이저 가공 시장에서 충분한 가치를 발휘할 것으로 기대된다. SMF가 아닌 HPCF를 사용함으로써 균질한 광선 형성이 가능하므로 광섬유 가공 산업에서 중요한 역할을 할 수 있다. 기존의 SMF는 출력부가 가우시안 형태를 나타내므로 광선의 가장자리가 중심부보단 덜 깎이는 문제가 있었지만 본 발명의 경우 플랫-탑 형태를 나타내어 광선을 쬐어주는 전 구간에 걸쳐 균질한 가공 효과를 나타낼 것이다. 실험은 파장이 635nm인 헬륨네온 레이저에 대해서만 행하여졌지만 532nm 파장의 녹색 및 473nm 파장의 파란색 광원의 경우에도 동일하게 적용될 수 있으므로 분기에 상관없 이 VPC가 유지되는 점을 감안하여 색 합성기 및 분배기에 효과적으로 응용할 수 있다. 최근 보고된 3개 출력부 광섬유 기반 색 합성기는 현재 일반적으로 사용되는 액정화면(Liquid Crystal Display, LCD)의 백라이트 유닛(back light unit, BLU)을 이용한 방법보다 훨씬 더 다양한 색과 순백색의 광원을 생성할 수 있어 발광다이오드(Light-Emitting Diode, LED) 기반 BLU의 또 다른 대안으로 관심을 받고 있다. 모드간의 간섭으로 인해 나타나던 스페클 때문에 지금까지는 LED만이 사용되었지만, 고안된 기술은 높은 간섭성의 레이저 및 레이저 다이오드(Laser Diode, LD)도 사용 가능하게 하여 광섬유 기반 디스플레이 응용의 폭을 넓힐 것으로 기대된다. 그 밖에도 간섭성에 기인하는 스페클 문제로 인해 레이저 광원이 사용되지 못했던 그 밖의 많은 분야에 사용될 것으로 기대된다.The speckle contrast control device of the light beam according to an embodiment of the present invention can be utilized for processing using a fiber laser. According to the “Fiber Laser Market Review and Forecast,” fiber-optic laser technology already has a large share of $ 2 billion in the kilowatt (kW) laser market. It is also expected to see an impressive growth rate of 35% in the industrial laser market by 2010. In addition to Erbium doped fiber amplifiers (EDFAs), SMF is generally used for the above-mentioned fiber laser, which has the advantage of having a Gaussian shape at the output. Due to the disadvantages of optical damage and instability of the optical fiber itself due to connection efficiency or high power, there was a limit to its use. The proposed fiber-based light homogenizer solves the problems mentioned above using MMF and solves the speckle problem caused by the interference between modes to increase the degree of freedom of optical fiber available in the fiber laser system. This is expected to be of sufficient value in the ever-growing fiber laser processing market. The use of HPCF rather than SMF allows for homogeneous beam formation and therefore plays an important role in the fiber processing industry. Conventional SMF had a problem that the edge of the light beam is less sharply cut than the center part because the output part is Gaussian, but in the case of the present invention, the flat-top shape will exhibit a homogeneous processing effect over the entire area of the light beam. The experiment was conducted only for helium neon lasers with a wavelength of 635 nm, but the same applies to the green light source at 532 nm wavelength and the blue light source at 473 nm wavelength, so that the VPC is maintained regardless of branching. It can be applied. The recently reported three-output fiber-based color synthesizer produces a much wider range of colors and pure white light sources than the back light unit (BLU) of liquid crystal displays (LCDs) currently used in the market. As a result, it is attracting attention as another alternative to a light-emitting diode (LED) -based BLU. Although only LEDs have been used until now because of the speckle that appeared due to the interference between modes, the proposed technology is expected to expand the breadth of fiber-based display applications by enabling the use of highly coherent lasers and laser diodes (LDs). It is also expected to be used in many other areas where laser light sources are not available due to speckle problems due to coherence.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 PFA의 개념도 및 진동이 가해졌을 때 광섬유 단면의 변화를 나타낸다.1 is a conceptual diagram of a PFA according to an embodiment of the present invention and shows a change in optical fiber cross section when vibration is applied.

도 2는 최소의 스페클 콘트라스트 조건을 찾기 위해 자연 진동수 부근에서 10 Vpp로 함수 생성기의 구동 주파수를 미세하게 변화시켜가며 콘트라스트 값을 측정한 그래프이다.FIG. 2 is a graph of contrast values measured by varying the driving frequency of the function generator at 10 Vpp near the natural frequency to find the minimum speckle contrast condition.

도 3은 PZT에 실험적으로 구한 자연 진동수 24.16kHz 및 구동 전압 40Vpp를 가했을 때 근접장 및 원거리장에서 광섬유 출력부에 해당하는 단면을 찍은 실제 사진이다.FIG. 3 is an actual photograph of a cross section corresponding to an optical fiber output section in the near and far fields when the natural frequency 24.16 kHz and the driving voltage 40 Vpp were experimentally obtained in the PZT.

도 4는 도 3에서 녹색 직선으로 표시된 부분의 광도 분포이다.4 is a light intensity distribution of a portion indicated by a green straight line in FIG. 3.

도 5는 PFA를 통과한 광선이 대물렌즈를 통해 길이 100미터의 HPCF에 입사됐을 때 PZT 진동에 따른 출력부에서의 변화를 보여준다.FIG. 5 shows the change in the output part according to the PZT oscillation when the ray passing through the PFA is incident on the HPCF having a length of 100 meters through the objective lens.

도 6은 PFA를 통과한 광선이 대물렌즈를 통해 1×3 HPCF 광선 분리기에 입사됐을 때 각 출력부에서의 변화를 보여준다.Figure 6 shows the change in each output when the light beams passing through the PFA are incident on the 1x3 HPCF light splitter through the objective lens.

Claims (8)

반지름 방향으로 진동하는 원통형 PZT; 및Cylindrical PZT oscillating in radial direction; And 광섬유의 코어 안에 도파되는 광선의 모드가 적어도 하나 이상인 MMF를 포함하고, A MMF having at least one mode of light waveguided in the core of the optical fiber, 상기 MMF는 상기 PZT에 감겨 있으며, 상기 PZT가 반지름 방향으로 진동하는 동안 상기 광선이 상기 MMF를 통과하는 것을 특징으로 하는 광선의 스페클 콘트라스트 제어장치.And the MMF is wound around the PZT, wherein the light beam passes through the MMF while the PZT vibrates in the radial direction. 제 1 항에 있어서,The method of claim 1, 상기 MMF는 유리 코어와 중합체 클래딩으로 구성된 것을 특징으로 하는 광선의 스페클 콘트라스트 제어장치.And said MMF is comprised of a glass core and a polymer cladding. 제 1 항에 있어서, The method of claim 1, 상기 MMF는 HPCF인 것을 특징으로 하는 광선의 스페클 콘트라스트 제어장치.Speckle contrast control device of the light beam, characterized in that the MMF is HPCF. 제 1 항에 있어서, The method of claim 1, 상기 MMF로부터 출력된 광선을 통과시키는 대물렌즈; 및An objective lens for passing the light beam output from the MMF; And 상기 대물렌즈를 통과한 광선을 입력받아 통과시키는 별도의 MMF를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 광선의 스페클 콘트라스트 제어장치.Speckle contrast control device of the light beam further comprises a separate MMF for receiving and passing the light beam passing through the objective lens. 제 1 항에 있어서, The method of claim 1, 상기 MMF로부터 출력된 광선을 통과시키는 대물렌즈; 및An objective lens for passing the light beam output from the MMF; And 상기 대물렌즈를 통과한 광선을 적어도 2개 이상의 광선으로 분리하는 광선 분리기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 광선의 스페클 콘트라스트 제어장치.And a light splitter for separating the light beams passing through the objective lens into at least two light beams. 제 1 항에 있어서, The method of claim 1, 상기 MMF의 단면형상은 D자 형태로 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 광선의 스페클 콘트라스트 제어장치.Speckle contrast control device for light rays, characterized in that the cross-sectional shape of the MMF is formed in a D-shape. 제 1 항에 있어서, The method of claim 1, RF로 진동하는 정현파 전압을 상기 PZT에 인가함으로써, 상기 PZT 반지름 방향으로 진동하는 것을 특징으로 하는 광선의 스페클 콘트라스트 제어장치.Speckle contrast control device for light rays, characterized in that the oscillating in the PZT radial direction by applying a sine wave voltage oscillating by RF to the PZT. 제 7 항에 있어서, The method of claim 7, wherein 상기 RF가 상기 PZT의 자연 진동수일 때 상기 광선의 스페클 콘트라스트가 최소가 되는 것을 특징으로 하는 광선의 스페클 콘트라스트 제어장치.Speckle contrast control device of the light beam, characterized in that the speckle contrast of the light beam is minimized when the RF is a natural frequency of the PZT.
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Cited By (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2018142262A1 (en) * 2017-02-02 2018-08-09 Novartis Ag Fiber-based mode mixing techniques for surgical laser illumination
US10398312B2 (en) 2017-02-02 2019-09-03 Novartis Ag Frequency-based mode mixing for surgical laser illumination
US10779905B2 (en) 2017-02-02 2020-09-22 Alcon Inc. Focusing optics for mixed mode surgical laser illumination
CN112099248A (en) * 2020-09-28 2020-12-18 中国华录集团有限公司 Laser speckle weakening device and method based on magneto-optical effect depolarization
US11006822B2 (en) 2017-02-02 2021-05-18 Alcon Inc. Pixelated array optics for mixed mode surgical laser illumination
US11065077B2 (en) 2017-02-02 2021-07-20 Alcon Inc. Mechanical optics for mixed mode surgical laser illumination
WO2022132664A1 (en) * 2020-12-14 2022-06-23 Life Technologies Corporation Reduced speckle illumination systems and methods

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20230163138A (en) 2022-05-23 2023-11-30 (주) 오로스테크놀로지 Laser illumination system with reduced speckle noise

Family Cites Families (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2007193108A (en) * 2006-01-19 2007-08-02 Nano Photon Kk Speckle reduction apparatus and laser microscope

Cited By (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2018142262A1 (en) * 2017-02-02 2018-08-09 Novartis Ag Fiber-based mode mixing techniques for surgical laser illumination
US10398312B2 (en) 2017-02-02 2019-09-03 Novartis Ag Frequency-based mode mixing for surgical laser illumination
US10687912B2 (en) * 2017-02-02 2020-06-23 Alcon Inc. Fiber-based mode mixing techniques for surgical laser illumination
US10779905B2 (en) 2017-02-02 2020-09-22 Alcon Inc. Focusing optics for mixed mode surgical laser illumination
US11006822B2 (en) 2017-02-02 2021-05-18 Alcon Inc. Pixelated array optics for mixed mode surgical laser illumination
US11065077B2 (en) 2017-02-02 2021-07-20 Alcon Inc. Mechanical optics for mixed mode surgical laser illumination
CN112099248A (en) * 2020-09-28 2020-12-18 中国华录集团有限公司 Laser speckle weakening device and method based on magneto-optical effect depolarization
CN112099248B (en) * 2020-09-28 2023-10-24 中国华录集团有限公司 Device and method for weakening laser speckles based on depolarization of magneto-optical effect
WO2022132664A1 (en) * 2020-12-14 2022-06-23 Life Technologies Corporation Reduced speckle illumination systems and methods

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