KR100194595B1 - 결합형 이진 위상 홀로그램 및 그 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 결합형 이진 위상 홀로그램과 그 제조방법에 관한 것으로서, 그 특징은 소정 개수의 이진 위상 홀로그램을 결합하여 다중 위상 홀로그램을 형성하는 결합형 이진 위상 홀로그램에 있어서, 제1상대 위상이 0이고 제2상대 위상이 각각 소정의 간격을 두고 정해진 소정 개수의 이진 위상 홀로그램들이 정확하게 밀착 정렬되어 소정 개수의 위상을 갖는 다중 위상 홀로그램의 특성을 갖는 데에 있으므로 그 효과는 다중 위상 홀로그램의 특성을 가지며 불필요한 역대칭상이 제거되고 종래의 이진 위상 홀로그램보다 회절 효율이 약 2배 정도 향상되고 두 개의 이진 위상 홀로그램을 제작하기 때문에 제작이 용이하여 제작비를 절감하는 데에 있다.

Description

결합형 이진 위상 홀로그램 및 그 제조방법

제1도는 두 개의 2진위상 홀로그램(a, b)를 결합하여 새로운 다중 위상 홀로그램(c)이 형성되는 원리도.

제2도는 결합형 이진 위상 홀로그램 설계과정의 흐름도.

제3도는 결합형 이진 위상 홀로그램 제조과정의 흐름도.

제4도는 결합형 이진 위상 홀로그램을 이용해 결과를 얻는 장치도.

본 발명은 결합형 이진 위상 홀로그램과 그 제조방법에 관한 것으로서, 특히 다중 위상 홀로그램의 특성을 갖는 결합형 이진 위상 홀로그램과 그 제조방법에 관한 것이다.

일반적으로, 홀로그램이란 간섭성이 좋은 레이저 광을 사용해 물체로부터의 반사광 또는 투과광과 레이저로부터의 직접광(이것을 참조광이라 함)을 간섭시켜 감광 재료에 이 간섭무늬를 기록한 것이다.

다시 말해서, 레이저 빔을 두 개로 나누어 한 쪽은 기록하려는 물체를 비추고 다른 한쪽은 직접 사진 건판으로 보내어 이 두 빔의 간섭 정보를 사진 건판에 기록한 것을 말한다.

사진이 진폭만으로 기록한 것에 대하여 홀로그램은 진폭과 더불어 위상으로 때로는 위상만으로 기록할 수 있기 때문에 3차원 영상의 기록 재생이 가능하다.

이는 위상이 원근의 정보를 가지고 있기 때문이다.

즉, 이 홀로그램에 또 다른 빛을 대면 물체가 존재할 때와 동일한 파면이 재생되어 입체상으로 볼 수 있다.

홀로그램의 용도로는 3차원 디스플레이, 광 메모리, 광 정보처리 등이 있다.

컴퓨터와 반도체 집적회로 기술의 발전으로 레이저를 사용하지 않고서도 이러한 홀로그램을 설계 및 제작할 수 있게 되었는데, 이러한 홀로그램을 CGH(Computer Generated Hologram)이라고 한다.

홀로그램을 설계할 때에 진폭을 균일화하고 위상(phase)만을 고려하면 재생시 명암에 의한 흡수가 거의 없기 때문에 효율을 높일수 있다.

그리고, 이진 위상 홀로그램이란, 2ⁿ개의 위상 중에서 n이 1인 경우를 말하는데, 이 이진 위상 홀로그램은 설계와 제작이 용이하며 최근에 자유 공간 광 연결이나 광 정보처리 분야에서 많은 연구가 되어 왔다.

그러나, 이진 위상 홀로그램에서는 위상의 수가 2개이기 때문에 홀로그램을 재생할 때에 원하는 영상 외에도 중앙점을 원점에 대하여 대칭인 역대칭된 상도 동시에 나타난다는 문제점이 있다.

왜냐하면, 특별한 경우가 아니라면 이러한 역대칭 상은 불필요하기 때문에 회절 효율이 절반으로 감소하기 때문이다.

그렇다고 위상의 수를 4개 이상으로 증가시켜 다중 위상 홀로그램을 만들면 이러한 역대칭 상의 문제가 해결되어 회절 효율이 증가되기는 하지만 제작 단계에서 공정의 수가 더 늘어난다는 문제점이 있다.

상기 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은 이진 위상 홀로그램의 역대칭 상이 생기는 문제를 해결하면서 동시에 제작이 용이한 결합형 이진 위상 홀로그램 및 그 제조방법을 제공함에 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 특징은 소정 개수의 이진 위상 홀로그램을 결합하여 다중 위상 홀로그램을 형성하는 결합형 이진 위상 홀로그램에 있어서, 제1상대 위상이 0이고 제2상대 위상이 각각 소정의 간격을 두고 정해진 소정 개수의 이진 위상 홀로그램들이 정확하게 밀착 정렬되어 소정 개수의 위상을 갖는 다중 위상 홀로그램의 특성을 갖는 데에 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 특징은 2개의 이진 위상 홀로그램을 결합하여 다중 위상 홀로그램을 형성하는 결합형 이진 위상 홀로그램 제조방법에 있어서, 제1대 상대 위상이 0이고 제2상대 위상이 약 π인 주 이진 위상 홀로그램을 설계하는 제1과정과 제1상대 위상이 0이고 제2상대 위상이 약 π/2이고 제3상대 위상이 약 π이고 제4상대 위상이 약 3π/2인 다중 위상 홀로그램을 설계하는 제2과정과 상기 다중 위상 홀로그램의 위상에서 상기 주 이진 위상 홀로그램의 위상을 빼서 보조 이진 위상 홀로그램을 도출하는 제3과정과 상기 제1과정에서 설계한 주 이진 위상 홀로그램을제작하는 제4과정과 상기 제3과정에서 설계한 보조 이진 위상 홀로그램을 제작하는 제5과정 및 제4과정에서 제작한 주 이진 위상 홀로그램과 상기 제5과정에서 제작한 보조 이진 위상 홀로그램을 정확하게 밀착 정렬시켜 다중 위상 홀로그램의 특성을 갖는 결합형 이진 위상 홀로그램을 제작하는 제6과정을 포함하는 데에 있다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 일 실시예를 상세히 설명한다.

두 개의 이진 위상 홀로그램을 따로따로 설계 제작하여 이 두 개를 물리적으로 합치는 방법인데, 결과적으로는 위상의 수가 4개인 다중 위상 홀로그램의 효과를 거두는 방법이다.

제1도는 두 개의 2진 위상 홀로그램 (a)와 (b)를 결합하여 새로운 다중 위상 홀로그램(c)이 형성되는 원리도이다.

제1도를 참조하여 두 개의 2진 위상 홀로그램 (a)와 (b)를 결합하여 새로운 다중 위상 홀로그램(c)을 형성하는 원리를 상세히 설명한다.

먼저 홀로그램의 모든 정보는 N×N개의 작은 셀(cell)들로 이루어진 사각형에 저장된다.

그리고 나서 이 사각형을 복사해 여러개의 동일한 사각형으로 구성된 적당한 크기의 홀로그램 건판을 만든다.

이론적으로는 한 개의 사각형으로도 홀로그램을 만들 수 있으나, 실재로는 한 개의 사각형의 크기가 너무 작기 때문에(수백㎛×수백㎛) 수십개 이상의 사각형을 가로와 세로로 주기적으로 배열한다.

주 홀로그램(a)의 상대적인 위상은 제1상대 위상이 0이고 제2상대 위상이 π로서 각 셀의 상대 위상으로 0 또는 π를 취하는데 이는 종래의 이진 위상 홀로그램과 동일하다.

또한, 보조 홀로그램(b)의 상대적인 위상은 제1상대 위상이 0이고 제2상대 위상이 π/2로서 각 셀의 상대 위상으로 0 또는 π/2를 취하도록 정해진다.

그러면 이 두 개의 홀로그램이 결합하여 만들어지는 새로운 결합형 이진 위상 홀로그램(c)의 상대적인 위상은 0, π/2, π, 3π/2로 다중 위상 홀로그램의 특성을 갖게 된다.

그런데, 각각의 셀은 원하는 결과가 나오도록 각 셀들의 위상을 결정해 준다.

이러한 작업은 컴퓨터를 이용한 최적화 작업을 통해 이루어진다.

제2도는 결합형 이진 위상 홀로그램 설계과정의 흐름도이다.

제2도를 참조하여 본 발명에 따른 결합형 이진 위상 홀로그램 설계 과정을 설명하면 다음과 같다.

먼저, 주 홀로그램을 만드는 과정을 설명한다.

S1에서는 각 셀의 초기 위상을 0 또는 π로 무작위로 결정한다.

S2에서는 상기 S1에서 결정된 위상을 갖는 셀들로 이루어진 하나의 사각형을 고속 푸리에 변환하여 홀로그램으로부터 회절되는 빛의 진폭 및 회절 효율과 균일도를 나타내는 코스트 함수 C를 계산한다.

S3에서는 임의의 셀을 선택하여 그것의 위상을 0은 π로 π는 0으로 바꾸고 새로운 코스트 함수 C'을 계산한다.

S4에서는 두 코스트 함수 C와 C'을 비교한다.

상기 S4에서 C'가 C보다 크거나 같다고 판단되면, S6에서는 원래의 바꾸기 전의 위상값으로 복원하고, 상기 S3으로 진행한다.

상기 S4에서 C'가 C보다 작다고 판단되면, S5에서는 상기 S3에서 계산된 상기 코스트 함수 C'가 원하는 수준에 이르렀는지 판단한다.

상기 S5에서 상기 코스트 함수 C'가 원하는 수준에 이르지 않았다고 판단되면, 상기 S3으로 진행한다.

상기 S5에서 상기 코스트 함수 C'가 원하는 수준에 이르렀다고 판단되면, 종료한다.

상술한 바와 같이 주 홀로그램(a)을 만들고, 같은 방법으로 다중 위상 홀로그램(c)을 만들어 다중 위상 홀로그램(c)의 위상에서 주 홀로그램(a)의 위상을 빼면 보조 홀로그램(b)을 얻을수 있다.

제3도는 결합형 이진 위상 홀로그램 제조과정의 흐름도이다.

제3도를 참조하여 결합형 이진 위상 홀로그램 제조과정을 설명하면 다음과 같다.

S21에서는 전자빔 리소그래피(electron beam lithography)를 이용해 홀로그램의 원형인 광 마스크를 만든다.

S22에서는 상기 S21에서 만든 광 마스크를 이용하여 광학적으로 투명한 위상 홀로그램을 포토레시스트 식각 기법으로 만든다.

S23에서는 상기 S21 내지 S22에서 만든 두 개의 위상 홀로그램 중 한 개는 고정시키고 다른 한 개는 미세 위치 조정 나사를 이용해 두 개를 정확하게 밀착하여 정렬시켜 결합형 이진 위상 홀로그램을 만든다.

제4도는 결합형 이진 위상 홀로그램을 이용해 결과를 얻는 장치도이다.

제4도를 참조하여, 결합형 이진 위상 홀로그램을 이용해 결과를 얻는 방법을 다음에 설명한다.

코히어런트(coherent)한 빛(1)이 렌즈(9)와 핀 구멍(10)을 통하여 방사되면, 그 방사된 빛(2)이 렌즈(11)를 통하여 평행하게 진행한다.

평행하게 진행하는 빛(3)이 결합형 이진 위상 홀로그램(12)을 통과하면, 결합형 이진 위상 홀로그램(12)에 의해 회절된 빛(4)은 렌즈(13)를 통하여 모인다.

그 모이는 빛(5)의 초점 위치에서 CCD카메라(6)가 그 빛(5)을 포착하여 전기 신호로 컴퓨터(7)에 전달한다.

컴퓨터(7)는 그 신호를 화성 처리하여 모니터(8)에 출력한다.

그러므로, 상술한 바와 같은 본 발명의 효과는 다중 위상 홀로그램의 특성을 가지며 불필요한 역대칭상이 제거되고 종래의 이진 위상 홀로그램보다 회절 효율이 약 2배 정도 향상되고 두 개의 이진 위상 홀로그램을 제작하기 때문에 제작이 용이하여 제작비를 절감하는 데에 있다.

Claims (3)

1. 소정 개수의 이진 위상 홀로그램을 결합하여 다중 위상 홀로그램을 형성하는 결합형 이진 위상 홀로그램에 있어서, 제1상대 위상이 0이고 제2상대 위상이 각각 소정의 간격을 두고 정해진 소정 개수의 이진 위상 홀로그램들이 정확하게 밀착 정렬되어 소정 개수의 위상을 갖는 다중 위상 홀로그램의 특성을 갖는 것을 특징으로 하는 결합형 이진 위상 홀로그램.
2. 제1항에 있어서, 상기 제 2상대 위상들의 상기 소정의 간격이 π를 이진 위상 홀로그램의 개수로 나눈 값에 근사하는 것을 특징으로 하는 결합형 이진 위상 홀로그램.
3. 2개의 이진 위상 홀로그램을 결합하여 다중 위상 홀로그램을 형성하는 결합형 이진 위상 홀로그램 제조방법에 있어서, 제1상대 위상이 0이고 제2상대 위상이 약 π인 주 이진 위상 홀로그램을 설계하는 제1과정과; 제1상대 위상이 0이고 제2상대 위상이 약 π/2이고 제3상대 위상이 약 π이고 제4상대 위상이 약 3π/2인 다중 위상 홀로그램을 설계하는 제2과정과; 상기 다중 위상 홀로그램의 위상에서 상기 주 이진 위상 홀로그램의 위상을 빼서 보조 이진 위상 홀로그램을 도출하는 제3과정과; 상기 제1과정에서 설계한 주 이진 위상 홀로그램을 제작하는 제4과정과; 상기 제3과정에서 설계한 보조 이진 위상 홀로그램을 제작하는 제5과정; 및 상기 제4과정에서 제작한 주 이진 위상 홀로그램과 상기 제5과정에서 제작한 보조 이진 위상 홀로그램을 정확하게 밀착 정렬시켜 다중 위상 홀로그램의 특성을 갖는 결합형 이진 위상 홀로그램을 제작하는 제6과정을 포함하는 것을 특징으로 하는 결합형 이진 위상 홀로그램 제조방법.