KR100280823B1

KR100280823B1 - Polarization dependent image generation unit using binary phase holograms

Info

Publication number: KR100280823B1
Application number: KR1019970057670A
Authority: KR
Inventors: 서호형
Original assignee: 정선종; 한국전자통신연구원
Priority date: 1997-11-03
Filing date: 1997-11-03
Publication date: 2001-02-01
Also published as: KR19990038046A

Abstract

본 발명은 이진 위상 홀로그램의 제조 방법과 이를 이용한 입력 빛의 편광에 따라 서로 다른 영상이 재생되도록 하는 장치에 관한 것으로서, 서로 다른 정보를 저장하고 있는 이진 위상 홀로그램을 서로 인접하게 제작하고 각 홀로그램 앞면에 편광 상태가 서로 수직인 편광 판을 부착한다. 그러면 입력 빛의 평광 상태에 따라서 홀로그램에 저장되어 있는 영상을 선택적으로 재생하거나 두 영상의 합성된 영상의 재생이 가능하다. 본 발명은 한번의 홀로그램 제작으로 여러 개의 영상을 동시에 선택적으로 재생시킬 수 있다는 효과가 있다.The present invention relates to a method for manufacturing a binary phase hologram and an apparatus for reproducing different images according to polarization of input light using the same, and to manufacturing binary phase holograms storing different information adjacent to each other, The polarizing plates in which the polarization states are perpendicular to each other are attached. Then, the image stored in the hologram can be selectively reproduced or the synthesized image of the two images can be reproduced according to the brightness of the input light. The present invention has the effect that it is possible to selectively reproduce several images at the same time by producing a single hologram.

Description

Polarization dependent image generation unit using binary phase holograms

본 발명은 편광을 이용한 이진 위상 홀로그램 영상의 선택적 재생방법에 관한 것으로, 특히 이를 이용한 입력 빛의 편광에 따라 서로 다른 영상이 재생되도록 하는 장치에 관한 것이다.The present invention relates to a method of selectively reproducing a binary phase hologram image using polarization, and more particularly, to an apparatus for reproducing different images according to polarization of input light using the same.

일반적으로 많은 광학 시스템이 빛의 편광에 의존한다. 편광을 이용하면 정보의 저장 용량을 증가 시킬 수 있을 뿐만 아니라 편광을 사용하지 않은 경우에 비해 그 응용성을 더욱 증가시킬 수 있다. 최근에는 편광이 조절되는 표면 방출 레이저에 대한 연구가 활발하게 되고 있다. 또한 복굴절을 이용해 편광 홀로그램을 제작한 연구도 보고되고 있다.In general, many optical systems rely on the polarization of light. The use of polarization not only increases the storage capacity of information, but also increases its applicability compared to the case where no polarization is used. Recently, research on surface emitting lasers in which polarization is controlled has been actively conducted. In addition, research on the fabrication of polarized holograms using birefringence has been reported.

따라서, 본 발명은 한번의 홀로그램 제작으로 여러개의 영상을 동시에 선택적으로 재생 시킬수 있는 편광을 이용한 이진 위상 홀로그램 영상의 선택적 재생방법을 제공하는 것이 그 목적이다.Accordingly, an object of the present invention is to provide a method of selectively reproducing a binary phase hologram image using polarization, which can selectively reproduce several images simultaneously by producing a single hologram.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명은 광마스크 및 포토 리소그라피를 이용한 노광공정으로 적어도 두 개 이상의 서로 다른 영상정보를 이진 위상 홀로그램에 저장하는 단계; 및 입력 빛의 편광에 따라 상기 이진 위상 홀로그램의 두 개 이상의 서로 다른 영상 정보를 선택적으로 재생시키는 단계로 이루어지는 것을 특징으로 한다.The present invention for achieving the above object comprises the steps of storing at least two or more different image information in a binary phase hologram in an exposure process using a photomask and photo lithography; And selectively reproducing two or more different image information of the binary phase hologram according to the polarization of the input light.

도 1은 본 발명에 따른 이진 위상 홀로그램의 제조과정의 흐름도.1 is a flow chart of the manufacturing process of the binary phase hologram according to the present invention.

도 2는 도 1의 위상 홀로그램 제작 방법에 의하여 제작된 홀로그램의 일부를 현미경으로 확대한 사진.FIG. 2 is an enlarged photograph of a part of the hologram manufactured by the method of manufacturing the phase hologram of FIG. 1 with a microscope; FIG.

도 3은 본 발명에 따른 입력 빛의 편광에 따라 다른 상을 재생시키는 광학 실험 장치도.3 is an optical experimental apparatus for reproducing different images according to polarization of input light according to the present invention.

도 4는 본 발명에 따라 도 3의 실험장치 및 방법으로 입력 빛의 편광 상태에 따라서 얻어진 영상 사진.4 is an image photograph obtained according to the polarization state of the input light by the experimental apparatus and method of FIG. 3 in accordance with the present invention.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명><Description of the symbols for the main parts of the drawings>

11 : 레이저 빛 12 ; λ/4판11: laser light 12; λ / 4 plate

13 ; 빛 확대기 14 ; 제 1 편광판13; Light expander 14; First polarizer

15 ; 제 2 편광판 16 ; 홀로그램15; Second polarizing plate 16; hologram

17 ; 렌즈 18 ; CCP카메라17; Lens 18; CCP Camera

19 ; 개인 컴퓨터19; Personal computer

본 발명은 기존의 효율이 높은 이진 위상 홀로그램(binary phase hologram)을 이용하면서입력 빛의 편광 상태에 따라 서로 다른 영상이 재생 되도록 하였다. 그 원리로는 효율이 높은 서로 다른 두 개의 홀로그램을 한 평면에 인접하게 설계 제작하고, 각각의 홀로그램 앞에 편광 상태가 수직인 편광 판을 부착시킨다. 비록 두개의 홀로그램의 중심은 적당한 간격으로 떨어져 있지만, 입력 빛이 각 홀로그램과 렌즈를 지나 퓨리에 변환(Fourier transform)된 영상의 중심은 서로 같게 된다.The present invention uses a conventional high efficiency binary phase hologram (binary phase hologram)Different images are reproduced according to the polarization state of the input light. The principle is to design and manufacture two highly efficient holograms adjacent to one plane, and attach a polarizing plate having a vertical polarization state in front of each hologram. Although the centers of the two holograms are spaced at reasonable intervals, the centers of the Fourier transformed images of the input light past each hologram and lens are equal to each other.

이차원 위상 홀로그램의 위상 투과 함수를 g(x,y)라 하고 이것의 퓨리에 변환을 G(m,n)이라 하면 스칼라 회절이론에 의하여 이 홀로그램이 파장이 λ인 레이저 빔과 초점거리가 f인 퓨리에 변환렌즈에 의한 초 평면(Focal Plane)에서 회절 된 영상은 수학식 1과 같이 나타낸다.If the phase transmission function of a two-dimensional phase hologram is called g (x, y) and its Fourier transform is G (m, n), the hologram is a Fourier whose focal length is f and a laser beam whose wavelength is λ by scalar diffraction theory. The image diffracted in the focal plane by the conversion lens is represented by Equation 1.

만약 두 개의 이진 위상 홀로그램이 한 평면에 인접해 있고 각 홀로그램의 앞에 놓인 편광의 상태가 서로 수직이라면 수학식 2와 같이 나타낸다.If two binary phase holograms are adjacent to one plane and the states of polarizations placed in front of each hologram are perpendicular to each other, Equation 2 is expressed.

여기서 P₀와 P₉₀은 각각 서로 수직인 편광 상태를 나타내고 이들의 곱 P₀P₉₀은 0이 된다. 또한 입력 빛의 편광 상태를 P_r이라 하면 출력은 수학식 3과 같이 된다.Here, P ₀ and P ₉₀ each represent a polarization state perpendicular to each other, and their product P ₀ P ₉₀ becomes zero. In addition, if the polarization state of the input light is P _r , the output becomes as shown in Equation 3 below.

| G(m,n) |^2 = (P_r P_0 )^2 | G_1 |^2 + (P_r P_90 )^2 | G_2 |^2 + P_r P_0 P_90 ( { G}`_{1} ^{*} G_2 e^{+i4pix_0 m} + G_1 { G}`_{2} ^{*} e^{-i4pix_0 m} )| G (m, n) | ^ 2 = (P_r P_0) ^ 2 | G_1 | ^ 2 + (P_r P_90) ^ 2 | G_2 | ^ 2 + P_r P_0 P_90 ({G} `_ {1} ^ {*} G_2 e ^ {+ i4pix_0 m} + G_1 {G}` _ {2} ^ {*} e ^ {-i4pix_0 m} )

수식 3에서 등호 오른쪽의 세 번째 항은 편광 상태가 서로 수직이기 때문에 사라지게 된다. 그리고 입력 빛의 편광이 P₀과 같다면 P_rP₀은 1이 되고 P_rP₉₀은 0이 되어 수식 3에서 | G_1 |^2만 남게 된다. 마찬가지로 입력 빛의 편광 P_r이 P₉₀과 같다면 수식 3의| G_2 |^2만 남게 된다. 그러나 P_r이 P₀과P₉₀의 중간 상태인 P₄₅이면 P_rP₀과 P_rP₉₀는 모두

가 되어 | G_1 |^2와| G_2 |^2가 동시에 나타나게 된다. 상술한 바를 수학식 4로 나타내면 다음과 같다.In Equation 3, the third term to the right of the equal sign disappears because the polarization states are perpendicular to each other. If the polarization of the input light is equal to P ₀ , then P _r P ₀ is 1 and P _r P ₉₀ is 0. Only G_1 | ^ 2 remains. Likewise, if the polarization P _r of the input light is equal to P ₉₀ , the equation 3 | Only G_2 | ^ 2 remains. However, if P _r is P ₄₅ between P ₀ and P ₉₀ , then both P _r P ₀ and P _r P ₉₀

Have become | G_1 | ^ 2 and | G_2 | ^ 2 will appear at the same time. The above-described bar is represented by Equation 4 as follows.

이하, 첨부 도면을 참조하여 이진 위상 홀로그램의 제작 방법을 설명하면 다음과 같다.Hereinafter, a method of manufacturing a binary phase hologram will be described with reference to the accompanying drawings.

도 1은 본 발명에 따른 이진 위상 홀로그램의 제조과정의 흐름도이다. 도시된 바와같이 1에서는 설계된 홀로그램이 먼저 전자빔 리소그라피(electron beam lithography)를 이용해 홀로그램의 원형인 광 마스크를 만든다. 상기 광 마스크에는 두 개 이상의 서로다른 영상정보가 담겨져있다. 2에서는 쿼츠(fused silica) 표면에 포토 레지스터(PR)를 균일하게 스핀 코팅한다. 3에서는 상기 1에서 만든 광 마스크와 상기 2에서 만든 포토 레지스터가 입혀진 기판을 밀착시킨 후, 노광 시킨다. 4에서는 상기 3에서 노광 된 기판을 현상하여 위상형으로 만든다.1 is a flowchart of a process of manufacturing a binary phase hologram according to the present invention. As shown in Fig. 1, the designed hologram first uses electron beam lithography to create a circular photomask of the hologram. The photomask contains two or more different image information. In step 2, the photoresist (PR) is uniformly spin coated on the surface of the fused silica. In 3, the photomask made in 1 and the photoresist made in 2 are adhered to each other and then exposed. In 4, the substrate exposed in 3 is developed to form a phase.

이때, 코팅 된 포토레지스터의 두께가 홀로그램의 위상을 결정하고, 정확한 위상을 얻기 위한 조건식은 d=λ/2(n-1)이다. 여기서 d는 포토레지스터의 두께를 나타내고 n은 포토레지스터의 굴절률을 나타낸다. 한편, 0차빔의 세기가 제작된 홀로그램의 상대 위상차 ΔΦ와 밀접한 관계가 있다. 설계된 홀로그램의 한 주기내에 0의 위상과 π의 위상을 갖는 셀들 수가 거의 같다면 수학식 5와 같은 관계식이 유도된다.At this time, the thickness of the coated photoresist determines the phase of the hologram, and the conditional expression for obtaining the correct phase is d = λ / 2 (n-1). Where d represents the thickness of the photoresist and n represents the refractive index of the photoresist. On the other hand, the intensity of the zeroth order beam is closely related to the relative phase difference ΔΦ of the manufactured hologram. If the number of cells having a phase of 0 and a phase of π is approximately equal in one period of the designed hologram, a relation such as Equation 5 is derived.

0차빔의 세기가 사라지게 포토레지스터를 코팅하는 것이 바로 상대 위상이 정확하게 π가 되는 조건이 된다.Coating the photoresistor so that the intensity of the zero-order beam disappears is exactly the condition that the relative phase is exactly π.

본 발명에 따른 홀로그램은 각각 'H'와 'I'가 재생이 되도록 설계 되었다. 각 홀로그램의 한 주기가 128μm×128μm 되게 하고 이것을 80×80 (6,400)개 복사하여 제작하였다. 따라서 인접된 두 홀로그램의 총 크기는 20.48mm×10.24mm 이다.The hologram according to the present invention is designed such that 'H' and 'I' are regenerated, respectively. One cycle of each hologram was 128 μm × 128 μm, and 80 × 80 (6,400) copies were made. Therefore, the total size of two adjacent holograms is 20.48mm × 10.24mm.

도 2는 도 1의 위상 홀로그램 제작 방법에 의하여 제작된 홀로그램의 일부를 현미경으로 확대한 사진이다. 홀로그램의 중앙을 중심으로 왼쪽과 오른쪽에 서로 다른 정보를 저장하도록 설계 제작되었다.FIG. 2 is an enlarged photograph of a part of the hologram manufactured by the phase hologram manufacturing method of FIG. 1 under a microscope. It is designed to store different information on left and right around the center of hologram.

도 3은 본 발명에 따른 입력 빛의 편광에 따라 다른 상을 재생시키는 광학 실험 장치도를 나타낸다. 레이저 빛(11)을 λ/4 판(12)을 통과시켜 원 편광으로 만들고 빛 확대기(13)를 통과시켜 확대 시켜 평행광으로 만든다. 이 빔은 다음의 회전시킬 수 있는 제 1 편광 판(14)을 지난다. 서로 수직 상태의 제 2 편광 판(15)을 홀로그램(16) 앞에 놓고 제 1 편광 판(14)을 회전시켜 입력 빛의 편광을 임으로 바꾸워 준다. 홀로그램을 지나 회절 된 빛은 렌즈(17)를 지나 출력면인 렌즈의 초 평 명에 출력 영상을 재생시키게 된다. 이때 출력면에 놓인 광 검출기인 CCD 카메라(18)에 의하여 회절 된 영상을 검출하고, 이 영상은 프레임 그레버(Frame grabber)를 통해 개인 컴퓨터(19)에 보내지고 그 결과를 모니터에 나타낸다.3 shows an optical experiment apparatus for reproducing different images according to polarization of input light according to the present invention. The laser light 11 is passed through the λ / 4 plate 12 to make circularly polarized light, and the light is passed through the light expander 13 to be enlarged to make parallel light. This beam passes through the next rotatable first polarizing plate 14. The polarization of the input light is randomly changed by placing the second polarization plate 15 in the perpendicular state to the hologram 16 and rotating the first polarization plate 14. The light diffracted past the hologram passes the lens 17 to reproduce the output image on the ultra-high resolution of the lens, which is the output surface. At this time, the image diffracted by the CCD camera 18, which is an optical detector placed on the output surface, is detected, and the image is sent to the personal computer 19 through a frame grabber and the result is displayed on the monitor.

도 4는 본 발명에 따라 도 3의 실험장치 및 방법으로 입력 빛의 편광 상태에 따라서 얻어진 영상 사진을 나타낸다.4 is an image photograph obtained according to the polarization state of the input light by the experimental apparatus and method of FIG. 3 according to the present invention.

도 4a는 입력 빛의 편광이 'H'영상의 홀로그램의 평광과 평행한 경우이고, 도 4b는 'I'영상의 홀로그램의 편광과 평행한 경우다. 그리고 도 4c는 입력 빛의 편광이 이 둘의 중간 상태의 편광을 가질 때의 결과이며 두 개의 영상이 겹쳐서 재생이 된다. 한편 각 결과에서 볼 수 있듯이 회절 된 영상의 중앙인 0차 부분이 거의 나타나지 않기 때문에 홀로그램의 거의 정확하게 π의 위상을 갖도록 제작되었음을 알 수 있다.4A illustrates a case where the polarization of the input light is parallel to the flatness of the hologram of the 'H' image, and FIG. 4B illustrates a case where the polarization of the hologram of the 'I' image is parallel. 4C is a result when the polarization of the input light has the polarization of the intermediate state of the two, and the two images are reproduced by being superimposed. On the other hand, as can be seen from each result, since the zeroth order portion of the diffracted image is hardly shown, it can be seen that the hologram is manufactured to have a phase of π almost accurately.

상술한 바와같이 본 발명은 한번의 홀로그램의 제작으로 입력 빛의 편광 상태에 따라서 여러 가지의 출력을 얻을 수 있어 광 정보처리에 응용성 및 유용성을 증가 시켜 주는 효과가 있다.As described above, the present invention can obtain various outputs according to the polarization state of the input light by producing one hologram, thereby increasing the applicability and usefulness in optical information processing.

Claims

Storing at least two or more different image information in a binary phase hologram by an exposure process using a photomask and photolithography; And

And selectively reproducing two or more different image information of the binary phase hologram according to polarization of the input light.

The method of claim 1,

Binary phase hologram manufacturing step of storing the two or more different image information

Forming a circular photomask of holograms containing two or more different image information using electron beam lithography:

Uniformly coating the photoresist on the substrate surface:

And performing a light exposure process on the photoresist-coated substrate using the photomask, and then developing the exposed photoresist to form a binary phase hologram storing at least two different image information. Selective reproduction method of binary phase hologram image using polarization.

The method of claim 1,

The selectively reproducing the two or more different image informations may include providing a first polarizing plate, a second polarizing plate perpendicular to each other, and a binary phase hologram in which the two or more different image informations are stored.

Making the input light into parallel light and rotating the first polarizing plate to randomly select the polarization of the input light;

And selectively detecting at least two different image information stored in the binary phase hologram by passing the selected polarized light through the second polarizing plate and the binary phase hologram perpendicular to each other. Selective reproduction method of binary phase hologram image using