KR100400389B1 - 홀로그램 위상회절격자형 광저대역 통과필터 - Google Patents

홀로그램 위상회절격자형 광저대역 통과필터 Download PDF

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KR100400389B1 KR10-2001-0044018A KR20010044018A KR100400389B1 KR 100400389 B1 KR100400389 B1 KR 100400389B1 KR 20010044018 A KR20010044018 A KR 20010044018A KR 100400389 B1 KR100400389 B1 KR 100400389B1
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Abstract

본 발명은 고체 영상 소자를 이용하는 영상 시스템 장치에서 홀로그램 위상회절격자(holographic phase grating)를 이용하여 저대역 공간 주파수만을 통과시키는 광저대역 통과필터(Optical low pass filter)에 관한 것이다. 본 발명에서는 고체촬상소자의 샘플링 공간 주파수의 절반인 이상적인 차단 주파수보다 저주파수 대역에서의 광입력은 최대로 전달하고, 차단 주파수보다 고주파수 대역에서의 전달함수는 억제하는 특성을 갖는 위상회절 홀로그램 격자를 광저주파수 필터로 제안하는 데에 그 목적이 있다. 본 발명의 광저대역 통과필터는 단위 홀로그램 격자들이 반복되어 배치되어 구성되고, 그 단위 홀로그램 격자는 입력광을 특정각만큼 위상천이시키는 단위 위상회절격자들의 2차원 배열로 구성되어 있다.

Description

홀로그램 위상회절격자형 광저대역 통과필터{Holographic Phase Grating Optical low pass filter}
본 발명은 고체 영상 소자를 이용하는 영상 시스템 장치에서 홀로그램 위상회절격자(holographic phase grating)를 이용하여 저대역 공간 주파수만을 통과시키는 광저대역 통과필터(Optical low pass filter)에 관한 것으로, 특히 고주파수 차단 특성과 저주파수에서의 해상도 특성을 최적화하기 위한 격자 구조의 설계 방법과 입사광의 분할방법을 제공한다.
도 1은 종래의 고체촬상소자를 이용한 영상 시스템의 구성도이다. 일반적인 캠코더(Camcorder; Camera-Recorder) 또는 디지털 카메라의 영상 시스템의 구성도를 보여주는 것이다. 영상 시스템에서 피사체의 동영상 또는 정지영상과 같은 입력영상(1)이 조리개(2)에 의해 그 양이 조절되어 광학렌즈계(3)를 통하여 집광된다. 이 집광된 영상(1)은 광 저대역 통과 필터(4)를 거친 후에 고체촬상소자(5)의 표면에 입사되는데, 이 고체촬상소자(5)는 수광소자로 구성되어 있다. 여기서, 광학 렌즈계(3)는 입력영상(1)을 고체촬상소자(5)로 모아주기 위하여 오목렌즈와 볼록렌즈 등의 광학렌즈들이 적절히 배열되어 구성된다. 일반적으로, 광학렌즈계(3)에는 입력영상(1) 중에 포함된 자외선을 차단하기 위한 자외선 차단필터 또는 적외선을 차단하기 위한 적외선 차단필터를 포함하고 있다. 일반적으로 자외선 차단필터 또는 적외선 차단필터의 제조는 렌즈 또는 투명 유리판에 적절한 물질을 코팅 처리함으로써 달성된다. 조리개(2)는 외부 환경과 입력영상(1)의 밝기에 따라 고체촬상소자(5)에 입사되는 빛의 세기를 조절하기 위하여 사용된다. 고체촬상소자(5)로는 현재 고체촬상소자인 CCD(Charge Coupled Devices) 영상센서 또는 90년대 들어서 사용되기 시작한 CMOS 영상센서가 널리 사용되고 있다.
도 2는 종래의 고체촬상소자의 화소배치 및 샘플링 주기를 도시한 도면이다. CMOS 영상센서는 도 2에서와 같이 수광소자로 구성된 영상센서를 2차원으로 배열하여 입력영상의 광신호를 전기신호로 바꾸어 준다. 수광소자의 수평 방향으로의 반복주기는 Px이고, 수직 방향으로의 반복주기는 Py이고, 대각선 방향으로의 반복주기는 Pxy가 된다. 도 2에서 각각의 사각형(20)은 화소(20)를 나타내고, 각각의 사각형(20) 안의 점(21)은 화소의 중심(21)을 나타낸다.
나이퀴스트의 샘플링 이론(Nyquist Sampling)에 따르면, 복원화면에서 에일리어싱(aliasing) 또는 무아르(Moire) 형상을 없애기 위해서 필요한 광 저주파수 통과 필터의 차단 주파수는 샘플링 주기의 2배의 역수보다 커야 한다. 차단 공간주파수보다 작은 주파수 성분의 통과 특성을 억제하면 해상도 저하를 유발하므로, 고체촬상소자(5)로부터 출력된 영상신호로부터 원래의 입력영상을 복원하는 데에는 광 저대역 통과 필터(4)의 차단 주파수가 고체촬상소자의 샘플링 공간 주파수의 반(1/2)이 되는 경우가 일반적으로 가장 이상적이다. 여기서, 샘플링 공간 주파수는 고체촬상소자(5)에서 수광소자들의 반복주기의 역수가 된다. 즉, 도 2의 고체촬상소자(5)의 2차원 수광소자 배열에서는이고,이다. 여기서, T는 수광소자의 반복주기이고, fs는 샘플링 공간 주파수이고, fc는 바람직한 광 저대역 통과 필터의 차단 주파수이다. 만일, 도 1의 영상 시스템에서 광 저대역 통과 필터를 사용하지 않고 높은 공간 주파수 스펙트럼을 갖는 영상 이미지를 촬영하면, 복원영상에는 원래의 이미지의 공간 주파수 스펙트럼이 반복되는 형태의 공간 주파수 스펙트럼을 갖는 에일리어싱(aliasing) 또는 무아르(moire) 형상이 나타난다. 따라서, 2차원 고체촬상소자(5)의 영상신호로부터 원래의 영상을 복원하기 위해서는 공간주파수의 원점으로부터 차단주파수의 한 주기까지의 입력 공간주파수 대역은 통과시키고 이보다 높은 공간주파수는 차단하는 광 저대역 통과 필터를 채택하는 것이 필요하다.
도 3은 이상적인 광저대역 통과필터와 렌즈의 주파수 전달특성을 도시한 도면이다. 차단주파수(fc)가 수광소자의 반복주기의 2배의 역수를 갖는 이상적인 광저대역 통과필터의 주파수 전달 특성(G1)과, 영상 시스템에 사용되는 광학 렌즈계의 주파수 전달 특성(G2)을 보여주고 있다.
종래의 광 저대역 통과 필터로는 수정 편광판을 이용한 복굴절판 필터와 위상회절격자형 광 저대역 필터가 있다. 복굴절판 필터는 도 4에 도시되어 있고, 위상회절격자형 광 저대역 필터는 도 6에 도시되어 있다.
도 4는 종래의 복굴절판 저대역 통과필터의 동작을 도시한 도면이다. 종래의 복굴절판 필터는 입력광이 편광판들(41, 42)을 통하여 4개의 점으로 분산되는 4선 분산기(4 Beam splitter)로 동작한다. 입사된 빛은 X-방향 편광판(41)에서 2개의 점으로 분산되고, 다시 분산된 각각의 빛은 Y-방향 편광판(42)에서 각각 2개의 점으로 분산되어 최종적으로는 4개의 점으로 분산된다. 이렇게 분산된 빛은 고체촬상 소자(43)에 입사된다. 복굴절판 필터를 제조하기 위해서는 필요한 차단 주파수에 따라서 수정판의 두께를 조절해야 한다. 따라서, 가격이 비싸고, 영상 시스템의 광학 렌즈계를 소형화하기가 곤란한 문제점이 있었다. 또한, 복굴절 판의 4선 분산에 의한 주파수 전달함수는의 형태를 가지므로 저주파수의 전달특성과 고주파수의 차단특성을 최적화하기에는 곤란하다.
도 5는 종래의 복굴절판 광저대역 통과필터의 특성을 도시한 도면이다. 이는 주파수 전달특성이에 비례하는 형태를 갖는 복굴절판을 광저대역 통과필터로 이용하여 영상 시스템을 구성하였을 때의 주파수 전달특성이다. 여기서, f는공간주파수이다. G1은 이상적인 광저대역 통과필터의 주파수 전달특성을 나타내고, G2는 광학렌즈계의 주파수 전달특성이며, G3은 복굴절판 필터의 주파수 전달특성을 나타낸다. 공간 주파수가 fc보다 작을 때에 G1과 G3의 차이는 이상적인 광저대역 통과필터의 주파수 전달특성과 복굴절판 필터의 주파수 전달특성의 차이로 인해 유발되는 해상도의 저하를 나타낸다. G4는 공간 주파수가 fc이상에서의 복굴절판 필터의 주파수 전달특성을 나타내는데, 이는 감쇄되지 않은 고주파 성분의 잉여부분이다. 입력영상에 고주파수 성분이 존재할 때에 고주파수 성분과 저주파수 성분이 섞여서 무아르(Moire) 현상이 나타나는 것은 바로 이 잉여부분(G4) 때문이다.
도 6은 종래의 위상회절격자형 저대역 통과필터의 동작을 도시한 도면이다. 이는 종래의 위상회절격자를 이용한 광 저대역 통과 필터의 동작을 설명하기 위한 1차원 위상회절격자의 기본도이다. 위상회절격자(10)의 표면은 일정한 반복주기를 갖는 요철구조의 격자로 구성되어 있다. 입력영상(1)은 위상회절격자(10)에 입사된다. 위상회절격자(10)의 수직 돌출부와 비돌출부에 의해 회절된 빛은 고체촬상소자(5)에 입사된다. 격자의 투과광에 대해서 회절격자의 수직 돌출부와 비돌출부의 위상차이는 격자의 두께에 의해서 결정되는 특정한 위상 천이각 Φ가 된다. 위상차 Φ는, Φ= 2π(η-1)t/λ로 결정된다. 여기서, π는 원주율, η는 줄무늬 물질의 굴절률, t는 격자의 두께, λ는 입사광의 파장이다. 입사광의 반사를 최소화하기 위해서 돌출부는 격자의 기판과 동일한 굴절상수(Refraction index)를 갖는 것이 바람직하다. 도 2의 격자의 공간 전달특성 I(x)을 수식으로 표현하면 다음과 같다.
여기서, δ(x)는 임펄스 함수(impulse function)를 나타낸다.
공간 전달특성 I(x)를 퓨리에 변환하면, 본 발명의 1차원 위상천이격자형 필터의 주파수 전달함수(LG)를 구할 수 있다. LG를 구해 보면 다음과 같다.
여기서, f는 공간주파수를, Dx는 주요최대점들간의 거리를 나타낸다. 주파수 전달함수 LG(f)가 광 저대역 통과 필터의 주파수 차단특성을 나타낸다. 그러나, 위에서의 언급한 종래의 위상회절격자형 광 저대역 통과 필터는 주파수 차단 특성이 우수하고 제조가격이 저렴하며, 필터가 차지하는 공간을 줄일 수 있는 등 장점이 많으나, 그것의 대부분은 이하의 도 7과 함께 설명하는 문제점으로 인하여 제품화에 성공하지 못하여 실제로 적용되지 못하고 있다.
도 7은 종래의 위상회절격자형 저대역 통과필터에 의한 분광패턴을 도시한 도면이다. 이는 도 6에서 설명된 종래의 위상회절격자형 저대역 통과필터에 의한 입사광의 분광패턴을 2차원으로 도시한 도면이다. 9개의 주요 최대점(11)과 기타 비주요 최대점들이 반복되는 형태를 보인다.
도 8은 종래의 9선 분광패턴의 주파수 전달함수를 도시한 도면이다. 이는 도 7에서 설명된 종래의 분광 패턴인 2차원 9선 분광패턴의 주파수 전달함수를 도시한 것이다. 여기서, L1, L2, L3, L4는 각각 α가 0.2, 0.3, 0.4, 0.6일 때의 주파수전달특성을 보여주고 있다. 차단 특성과 주파수 전달특성은 종래의 복굴절판 필터보다 우수하지만, 격자들이 규칙적으로 배치되어 있으므로, 격자기판과 고체촬상소자가 근접하는 경우에 또는 조리개의 F수가 큰 경우에 격자무늬 잔상의 발생이 문제가 된다. 또한, 도 7에서와 같이 계속 반복되어 나타나는 비주요 최대점들의 값의 크기가 주요 최대점(11)에 비하여 1/10 이하라 하더라도, 어두운 배경에서 밝은 부분을 촬영하는 경우에 밝은 부분이 반복해서 잔상으로 보이거나 밝은 물체의 가장 자리가 퍼져 보이는 문제가 있다. 상기의 잔상 또는 퍼짐 문제를 해소하기 위해서는 비주요 최대점 값을 주요 최대점에 비하여 제한하여 비주요 최대점의 크기를 주요 최대점에 비하여 무시할 수 있는 값 이하로 하여야 하는데, 종래의 회절격자에서는 이것이 불가능하였다.
도 9a는 종래의 존 플레이트형(zone plate type) 회절격자의 구조도이고, 도 9b는 종래의 존 플레이트형(zone plate type) 회절격자의 문제점을 도시한 도면이다. 이는 미국특허 제5555129 호에서 제안된 동심원 형상의 광학굴절요소(DOE: diffractive Optical Element)를 사용하는 광 저주파수 통과필터를 보여주고 있다. 동심원형상의 광학굴절요소의 회절작용에 의하여 입사광을 복수개로 분산시킴으로써 광 저주파수 통과필터로 동작되는 것이다. 그러나, 동심원 형태의 패턴을 2차원으로 배열하는 경우에는 도 9b에서와 같이 단위 패턴간에 불연속 경계구간이 발생된다. 이러한 불연속 경계 구간에 의해서 고체촬상소자에는 영상의 왜곡이 발생할 수 있으므로 종래의 동심원 형상을 이용한 광저주파수 통과필터를 실용화하기에는 불가능했다.
도 10은 종래의 임의로 불규칙하게 분포된 격자를 이용한 광저대역 통과필터의 구조도이다. 종래의 임의로 불규칙하게 분포된 원형 격자를 이용한 광 저대역 통과필터이다. 이러한 저대역 통과필터는 고주파수 성분뿐만이 아니라 저주파수 광신호에 대한 통과특성이 나빠서 영상 시스템의 해상도가 떨어지는 단점이 있다.
상술한 바와 같은 이유들로 종래의 복굴절판을 이용한 광저대역 통과필터를 개선하고자 제안된 종래의 위상 회절격자형 필터들은 실용화되지 못하고 있었다.
본 발명에서는 고체촬상소자의 샘플링 공간 주파수의 절반인 이상적인 차단 주파수보다 저주파수 대역에서의 광입력은 최대로 전달하고, 차단 주파수보다 고주파수 대역에서의 전달함수는 억제하는 특성을 갖는 위상회절 홀로그램 격자를 광저주파수 필터로 제안하는 데에 그 목적이 있다.
또한, 상기의 위상회절 홀로그램 격자를 이용하여 최적의 주파수 전달특성을 갖도록 하는 광분산 패턴을 제시하는 데에 다른 목적이 있다.
또한, 본 발명의 홀로그램 격자형 광저대역 통과필터는 위상회절격자가 반복 규칙적으로 배치되어 있지 않으므로 조리개의 개방량이 작은 경우에도 회절격자의 격자무늬가 고체촬상소자에서 상이 맺히지 않아서 고체촬상소자의 투명창 덮개로 이용할 수 있는 홀로그램 격자형 광저대역 통과필터의 구조를 제공하는 데에 있다.
도 1은 종래의 고체촬상소자를 이용한 영상 시스템의 구성도.
도 2는 종래의 고체촬상소자의 화소배치 및 샘플링 주기를 도시한 도면,
도 3은 이상적인 광저대역 통과필터와 렌즈의 주파수 전달특성을 도시한 도면.
도 4는 종래의 복굴절판 저대역 통과필터의 동작을 도시한 도면.
도 5는 종래의 복굴절판 광저대역 통과필터의 특성을 도시한 도면.
도 6은 종래의 위상회절격자형 저대역 통과필터의 동작을 도시한 도면.
도 7은 종래의 위상회절격자형 저대역 통과필터에 의한 분광패턴을 도시한 도면.
도 8은 종래의 9선 분광패턴의 주파수 전달함수를 도시한 도면.
도 9a는 종래의 존 플레이트형(zone plate type) 회절격자의 구조도.
도 9b는 종래의 존 플레이트형(zone plate type) 회절격자의 이의 문제점을 도시한 도면.
도 10은 종래의 임의로 불규칙하게 분포된 격자를 이용한 광저대역 통과필터의 구조도.
도 11a는 본 발명의 홀로그램 위상회절격자의 단면 구성도.
도 11b는 본 발명의 단위 격자에 의한 회절 효과를 도시한 도면.
도 12는 본 발명의 홀로그램 위상회절격자의 평면 구성도.
도 13은 본 발명의 홀로그램 위상회절격자를 설계하기 위한 순서도
도 14는 본 발명의 제1 실시예에 따른 홀로그램 위상회절격자를 21선 분할기로 사용하는 경우에 화면에서의 바람직한 빛의 분포도.
도 15는 본 발명의 제1 실시예에 따른 홀로그램 위상회절격자를 21선 분할기로 사용하는 경우에 화면에서의 실제의 빛의 분포도.
도 16은 본 발명의 제1 실시예에 따른 21선 분광 홀로그램 위상회절격자에서 격자에 수직 또는 수평 방향의 빛의 주파수 전달함수를 도시한 도면.
도 17은 본 발명의 제1 실시예에 따른 21선 분광 홀로그램 위상회절격자에서 격자에 대각선 방향의 빛의 주파수 전달함수를 도시한 도면.
도 18은 본 발명의 제2 실시예에 따른 홀로그램 위상회절격자를 9선 분할기로 사용하는 경우에 화면에서의 실제의 빛의 분포도.
도 19는 본 발명의 제2 실시예에 따른 9선 분광 홀로그램 위상회절격자에서 격자에 수직 또는 수평 방향의 빛의 주파수 전달함수를 도시한 도면.
도 20a는 본 발명의 제3 실시예에 따른 홀로그램 위상회절격자를 고체촬상소자의 투명창으로 사용한 패키지의 사시도.
도 20b는 본 발명의 제3 실시예에 따른 홀로그램 위상회절격자를 고체촬상소자의 투명창으로 사용한 패키지의 단면도.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
α: 0차 주요 최대점에서 회절광의 세기
Px: 고체촬상소자의 화소의 수평방향 반복 주기
Py: 고체촬상소자의 화소의 수직방향 반복 주기
Pxy: 고체촬상소자의 화소의 대각선 방향 반복 주기
T : 고체촬상소자의 화소의 반복 주기
fc: 광저대역 필터의 이상 적인 차단 주파수
fm: 렌즈의 최대 전달 주파수
NA : 렌즈의 구경(Numerical aperture)
λ: 입사광의 파장
dmin: 위상회절 격자와 고체촬상소자 간의 거리
Φ, Φn: 위상 회절격자에 의한 위상차
Φmn: mn 좌표에 위치한 위상 회절격자에 의한 위상차
Ψ: 화면과 격자사이의 위상 회절각
Dx: 주요 최대점간의 거리
Dy: 주요 최대점간의 수직 거리
X0: 주요 최대점의 중심에서 중심까지의 수평 거리
Y0: 주요 최대점의 중심에서 중심까지의 수직 거리
DOE : Diffractive optical element
G1: 이상적인 광저대역 통과 필터특성
G2: 광학 렌즈계의 주파수 전달특성
G3: 복굴절판 필터의 주파수 전달특성
G4: 복굴절판 필터의 주파수 전달특성 중에서 잉여 부분
본 발명의 제1 측면에 따른 광저대역 통과필터는 소정의 주파수보다 높은 공간 주파수는 억제하고 그 특정 주파수보다 낮은 공간 주파수 성분은 통과시키는데, 그 광 저주파 통과 필터는 단위 홀로그램 격자들이 반복되어 배치되어 구성되고, 그 단위 홀로그램 격자는 입력광을 특정각만큼 위상천이시키는 단위 위상회절격자들의 2차원 배열로 구성되어 있으며, 그 단위 홀로그램 격자에 의한 입력광의 분할 패턴은 그 단위 위상회절격자들에 의한 회절 효과의 2차원 총합으로 구해지며, 그 광 저대역 통과 필터는 입사광을 복수개의 주요 선으로 분할하여 화면상에서 복수개 주요점과 복수개의 비주요점으로 분산시키며, 그 광 저대역 통과 필터에 의한 입사광의 그 복수개의 주요점과 비주요점들의 분할 패턴은 그 단위 홀로그램 격자에 의한 입사광의 회절효과에 의하여 결정되며, 그 복수개의 주요점에서의 광의 세기는 그 복수개의 비주요점에서의 광의 세기의 10배 이상이다.
본 발명의 제2 측면에 따른 광저대역 통과필터는 소정의 주파수보다 높은 공간 주파수는 억제하고 그 특정 주파수보다 낮은 공간 주파수 성분은 통과시키는데, 그 광 저대역 통과 필터는 단위 홀로그램 격자들의 주기적인 반복 배열로 구성되어 있고, 그 단위 홀로그램 격자는 입력광을 특정각만큼 위상천이시키는 단위 위상회절격자들의 2차원 평면 배열로 구성되어 있고, 그 광 저대역 통과 필터에 의한 입사광의 분할 패턴은 입력광이 투과하는 영역에 있는 그 단위 회절격자에 의한 입사광의 위상 회절효과의 2차원 총합으로 결정되며, 입력광의 그 분할 패턴은 복수개의 주요점과 복수개의 비주요점들로 구성되고, 그 주요점에서의 광의 세기는 그 비주요점에서의 광의 세기의 10배 이상이다.
본 발명의 제3 측면에 따른 광저대역 통과필터에 의한 입사광의 그 주요점과 비주요점들의 분할 패턴에서 주요점의 개수는 21개이며, 그 21개 주요점의 광의 세기의 총합은 전체 입력광의 세기의 60% 이상의 값을 가진다.
본 발명의 제4 측면에 따른 광저대역 통과필터는 입사광을 21개의 주요 점과 복수개의 비주요 점으로 분산시키며, 그 21개 주요점의 광의 세기의 총합은 전체 입력광의 세기의 60% 이상의 값을 가지며, 그 21개의 주요점들은 중심점을 기준으로 하여 수평과 수직 방향으로 대칭을 만족하는 분포를 하고 있다.
본 발명의 제5 측면에 따른 광저대역 통과필터에 의한 입사광의 그 주요점과 비주요점들의 분할 패턴에서 주요점의 개수는 9개이며, 그 9개 주요점의 광의 세기의 총합은 전체 입력광의 세기의 60% 이상의 값을 가진다.
본 발명의 제6 측면에 따른 광저대역 통과필터는 입사광을 9개의 주요 점과 복수개의 비주요 점으로 분산시키며, 그 9개 주요점의 광의 세기의 총합은 전체 입력광의 세기의 60% 이상의 값을 가지며, 그 9개의 주요점들은 중심점을 기준으로 하여 수평과 수직 방향으로 대칭을 만족하는 분포를 하고 있다.
본 발명의 제7 측면에 따른 광저대역 통과필터는 고체촬상소자의 투명창 덮개로 배치된다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명한다.
도 11a는 본 발명의 홀로그램 위상회절격자의 단면 구성도이고, 도 11b는 본 발명의 단위 격자에 의한 회절 효과를 도시한 도면이다. 도 11a는 본 발명의 홀로그램 위상회절격자형 광저대역 통과필터의 1차원 단면구조를 보여주고 있다. 두께 t를 갖는 하나의 회절격자에 의해서 입사광의 위상은= 2π(η-1)t/λ만큼 천이된다. 여기서, η는 격자의 굴절율, λ는 입사광의 파장이다. 도 11a의 단면구조에서 회절 위상각이 각기 최소 위상 천이값 0과 최대 위상 천이값사이의 단위 값을 갖는 복수개의 위상회절격자를 배치한다. 홀로그램 격자가 n개의 위상차를 갖는 격자들의 조합으로 이루어져 있다고 가정하면, 각 단위 격자들에 의한 위상 천이는의 값을 갖도록 격자의 두께를 조절해야 한다. 입사광은 격자에 의하여 위상이 천이되고, 격자로부터 일정거리 떨어져 있는 고체촬상소자에서의 광의 진폭은 격자의 구조를 푸리에 변환한 형태의 분포를 갖는다. 도 11b와 같이 만일 단위격자가 입력광을 위상만큼 천이시키는 일정한 폭 W0을 갖는 수직형이고 격자의 위치가 중심에서 n번째라고 가정하면, 격자의 함수는 다음과 같이 표현된다.
여기서 j는 허수이고, x'는 격자축에서의 거리를 나타내는 변수이고, rect(·)는 그림 11b와 같은 단위 사각형을 나타내는 함수이다. 상기 함수 f(x')를 푸리에 변환하여 화면에서의 광분포 함수를 구하면 다음과 같다.
여기서,이다. 단위 회절격자에 의한 광신호의 진폭 분포가 sinc(·) 함수이므로 격자를 적절히 배치하여 원하는 영역으로 복수개의 격자에 입사된 입력광을 모을 수 있다. 이러한 단위 격자가 N개 배열되어 있다면, 전체 격자에 의한 진폭 특성은 각 단위 격자들에 의한 전달특성의 합이 되므로 다음과 같이 된다.
도 12는 본 발명의 홀로그램 위상회절격자의 평면 구성도이다. 본 발명의 홀로그램 위상회절격자는 단위 홀로그램 격자(20)를 반복 배치하여 구성한다. 단위 홀로그램 격자(20)는 0에서 특정각사이의 위상 천이를 위한 단위격자들의 배열이며, 단위 격자 M×N개가 평면 배열되어 있다. 단위홀로그램 격자는 수평방향으로 N개 수직 방향으로는 M개의 단위 위상회절격자를 배치하므로, 이들에 의한 광의 분산특성은 다음과 같다.
따라서, 본 발명의 홀로그램 격자형 위상회절격자에 의한 입사광의 분산패턴은 단위 홀로그램 격자내부(20)의 단위격자들을 적절히 배치함으로써 조절할 수 있는데, 단위 홀로그램 격자내부(20)에 있는 M×N개의 격자에 의한 빛의 위상 회절 효과를 모두 고려해야 한다. 그런데, 단위격자 M×N개가 평면 배열에 의한 광 분포함수를 제공하는 수학식 1을 이용하여 화면상에 원하는 분광패턴을 갖도록 격자 배열을 설계할 수 있다. 본 발명의 발명자들은 원하는 입력광의 분산 패턴을 갖는 홀로그램 격자구조를 설계하기 위하여 컴퓨터 시뮬레이션 방법을 이용하고 있다. 컴퓨터를 이용한 홀로그램 격자 구성방법은 CGH(Computer Generated Hologram)이라는 방식으로 알려져 있다. 발명자들이 사용하고 있는 방법은 분산 광선간의 거리가 일정한 값을 갖도록 하는 방식으로서 Pixel oriented CGH라 한다. 종래의 Pixel oriented CGH 방식은 선행기술(Computer aided design of computer generated holograms for electron beam fabrication, Applied Optics, Vol. 28, pp. 3387-3396) 등에서 소개되어 있다. 종래의 Pixel oriented CGH 방식은 컴퓨터의 연산능력이 현재보다 떨어졌던 시기에 사용되던 방식이다. 본 발명자들이 사용하는 방식은 먼저 M×N개의 격자의 위상 천이 값을 임의의 값으로 배열하여 초기조건을 임의배열(random array)로 한다. 그 다음, 각 격자에 0에서 특정각사이의 위상 천이를 위한 단위격자를 할당하며 각기 조건에서 수학식 1의 연산을 수행한다. 할당된 격자의 위상각이 원하는 분광패턴을 만드는 데에 유리한 방향이면 취하고 불리한 방향이면 다른 값으로 바꾼다. 상기의 연산 과정을 반복적으로 수행하면 원하는 분광패턴을 만족시키는 M×N개의 격자의 위상 천이 배열을 구성할 수 있다. 동일한 형태의 분광패턴을 발생시키기 위한 홀로그램 격자는 한 가지 격자 배열로 수렴되는 경우도 있지만, 초기의 배열조건에 따라서 다른 격자 배열을 갖는 경우가 일반적이다.
분산 패턴에서 주요 최대점들의 광의 세기의 총합과 전체 입사광의 세기의비율을 효율이라고 하는데, 상기 효율에 따라 저대역 필터의 최대 해상도가 결정되므로 효율을 높이는 것이 매우 중요하다. 고효율을 위하여 바람직한 분산 패턴은 상하 및 좌우 대칭형을 갖고 원형에 가까운 모양을 가져야 한다. 본 발명의 홀로그램 격자에서는 약 60% ∼ 95% 사이의 효율을 갖도록 단위 홀로그램 회절격자를 제작할 수 있다. 동일한 형태의 분광패턴을 발생시키기 위한 홀로그램 격자는 여러 가지가 형태가 된다.
도 13은 본 발명의 홀로그램 위상회절격자를 설계하기 위한 순서도이다. 이는 본 발명의 홀로그램 격자형 광저대역 통과 필터를 설계하기 위한 순서를 나타낸다. S1에서는 필요한 광 저대역 통과 필터의 차단 특성을 만족하는 주파수 전달 특성을 결정한다. S2에서는 상기 주파수 차단 특성을 달성하기 위하여 차단특성을 만족하는 입력광의 분산 패턴을 9선 또는 21선 또는 기타의 패턴으로 결정한다. S3에서는 상기 입력광의 분산 패턴을 만족하기 위한 N×M개의 단위 격자로 구성된 단위 홀로그램 격자에서 해당 N과 M값을 결정하고 단위 홀로그램 격자의 위상천이 개수를 결정한다. 상기 N×M개의 단위 격자를 임의의 초기 위상천이 값을 갖도록 random array로 초기화한다. 다음으로 상기 홀로그램 (N×M) 개의 단위 격자중 순차적으로 1개의 위상 천이 값을 변경한다. S4에서는 "수학식 1"을 이용하여 홀로그램 격자에 의한 광의 분산 패턴 구한다. S5에서는 단위위상 격자에 의한 회절 효과가 설정된 입력광의 분산 패턴을 설정하는 데에 적당한 값인지 판단한다. 이는 S2에서 결정한 입력광의 분산 패턴을 형성하기 위하여 N×M개의 단위 격자의 위상 천이값을 변화시키면서 할당된 위상 천이값이 바람직한 회절을 유발하는지를 판단하는 것이다. 여기서, 단위위상 격자에 의한 회절 효과가 설정된 입력광의 분산 패턴을 설정하는 데에 적당한 값이 아니라고 판단되면, S6으로 진행한다. S6에서는 해당 단위 격자의 위상 천이값을 변경하고 S4로 진행한다. S4에서 단위위상 격자에 의한 회절 효과가 설정된 입력광의 분산 패턴을 설정하는 데에 적당한 값이라고 판단되면, S7으로 진행한다. 즉, S4 ∼ S6은 순차적으로 N×M개의 단위 격자의 위상 천이 값을 변화시키면서 할당된 위상 천이 값이 앞서 결정한 입력광의 분산 패턴을 형성하기 위하여 바람직한 회절을 유발하면 취하고 그렇지 않으면 다른 값을 할당하는 과정을 반복해서 수행하는 것이다. S7에서는 홀로그램 격자에 의한 광의 분산 패턴이 설정 값을 만족하는지 판단한다. 즉, S4 ∼ S6에서의 반복 연산결과가 S2에서 결정한 입력광의 분광 패턴과 허용 가능한 오차 범위 내에서 일치하는지 판단하는 것이다. 여기서, 반복 연산결과가 S2에서 결정한 입력광의 분광 패턴과 허용 가능한 오차 범위 내에서 일치하면 S8로 진행하고, 그렇지 않으면, S4로 진행한다. S8에서는 N×M개의 단위 격자에 할당된 위상 천이값으로 단위 홀로그램격자를 구성하며, 단위 홀로그램 격자를 반복 배치하여 홀로그램 격자형 광저대역 통과 필터를 구성한다.
아래의 실시예들은 입력광을 21선 또는 9선으로 분산하는 홀로그램 위상회절 격자를 이용하는 경우에 유효 주파수 전달특성을 설명하고자 제시하였다. 본 발명의 홀로그램 위상회절격자는 아래의 실시예들에서 제시한 바와 같이 입력광을 21선 또는 9선으로 분산하는 형태가 우선적으로 활용 가능하지만, 본 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 21선 또는 9선에 변화를 가하는 분산 패턴의 변형 설계는본 발명에서 제시하는 이론을 활용하여 설계하는 것이 가능하다. 분산 패턴의 변화의 예로써는 첫째로 상기 9선 패턴을 4 내지 11선으로 변형하거나, 상기 21선 패턴을 16내지 26선 정도로 변형하는 것을 포함한다. 분산 패턴의 변화의 다른 예로써는 21선에서 점과 점 사이의 거리를 줄이는 대신에 분산 패턴의 수를 늘려서 21선의 배수와 21선의 배수에서 몇 선을 가감하여 변형 설계하는 것이 가능하다. 그러므로 본 발명의 범위는 실시예에서 제시한 21선 또는 9선의 분산 패턴에 의하여 제한되지 않는다.
〈제1 실시예〉
제1 실시예는 위에서 설명한 본 발명의 특징들을 21선 분광기에 의한 홀로그램 위상회절격자형 광저대역 통과필터에 적용한 것이다. 제1 실시예에서 제시하는 홀로그램격자형 광저대역 통과 필터가 입력광을 21선으로 분할하는 역활을 할 때 21선 분광기에 의한 광저대역 통과 필터의 주파수 전달 특성을 산출하면서 제1 실시예를 상세히 설명한다.
도 14는 본 발명의 홀로그램 위상회절격자를 21선 분할기로 사용하는 경우에 화면에서의 바람직한 빛의 분포도이다. 도 14는 본 발명의 홀로그램 격자의 실시예로서, 수학식 1을 이용하여 적절하게 설계된 홀로그램 격자에 의하여 입력광을 21개의 광선으로 분광한 분산 패턴을 보여주고 있다. 분산광선은 서로 가로 방향으로는 X0, 세로 방향으로는 Y0만큼 떨어져 있다. 광의 효율을 높이기 위하여 분산 패턴은 상하좌우 대칭을 만족하는 것이 바람직하다. 효율에 의하여 해상도의 최대값이 정해지므로 효율을 높이는 것은 매우 중요하다. 상기 21선 분산 패턴은중심점(0, 0)을 기준으로 상하좌우 대칭을 만족하고 있으며 전체 분산 패턴의 외형이 원형에 가장 가까운 구성을 하고 있다. 도 14에서 원안의 좌표는 분산광의 좌표 위치를 표시하고 있다.
도 15는 본 발명의 홀로그램 위상회절격자를 21선 분할기로 사용하는 경우에 화면에서의 실제의 빛의 분포도이다. 상기에서 설명한 효율이 100% 미만이므로 주요 21점(12) 이외에도 복수개의 비주요 점들이 도 15와 같이 분포된다. 그러나, 본 발명의 홀로그램 격자를 이용하는 경우에는 비주요점들의 광의 세기는 주요점들(12)에 비하여 무시할 수 있는 수준 이하로 억제할 수 있으므로, 주파수 전달함수의 특성을 결정하는 데에는 큰 영향을 미치지 못한다. 또한, 상기 비주요점들에서의 광의 세기가 주요점들의 값에 비하여 무시할 수 있는 수준 이하이므로 종래의 격자형 필터에서 발생되는 어두운 배경에서 밝은 부분을 촬영하는 경우의 가장자리 퍼짐 현상 및 반복 잔상 효과를 제거할 수 있다. 여기서, 무시할 수 잇는 수준이란, 비주요점들에서의 광의 세기가 주요점들에서의 광의 세기의 10% 이하의 값을 갖는 범위에 있으며 비주요점에 의하여 광저대역 통과 필터의 주파수 전달 특성의 변화가 미미한 수준이고 비주요점들에 의하여 잔상의 발생 등 문제점이 미미한 수준이 있는 경우를 의미한다.
도 14와 같이 입사광의 분광패턴이 상하대칭 및 좌우대칭을 만족하는 21선 분광 형태인 경우의 광저대역 통과필터의 전달함수를 아래에서 구하였다. 각 분산광이 해당 좌표점에 델타 함수로 모인다고 가정하면 광의 분포함수는 다음과 같다.
분광패턴이 상하대칭 및 좌우대칭을 만족하는 21선 분광 형태인 경우에 각 좌표점에서의 광의 세기는 다음과 같이 정의할 수 있다.
a(0, 0) = A
a(1, 0) = a(-1, 0) = a(0, 1) = a(0, -1) = B
a(1, 1) = a(-1, 1) = a(1, 1) = a(1, -1) = C
a(2, 0) = a(-2, 0) = a(0, 2) = a(0, -2) = D
a(2, 1) = a(2, -1) = a(-2, 1) = a(-2, -1) = a(1, 2) = a(-1, 2) = a(1, -2) = a(-1, -2) = E
여기서, a(x, y)는 21분산광의 세기의 총합으로 각 좌표에서의 광의 세기를 나눈 값 즉, 정규화된 값으로서, A + 4B + 4C + 4D + 8E = 1의 조건을 만족한다.상기 전달광의 분포함수를 푸리에 변환하면, 저대역 통과필터의 진폭전달함수를 구할 수 있다.
여기서, ξ는 수평 방향의 공간주파수를 η는 수직 방향의 공간주파수를 나타낸다. 광 주파수 전달함수는 상기 함수의 절대값이다. 좌표를 직각좌표계에서 원통좌표계로 변환하면, ξ = ρcosθ, η = ρsinθ가 된다. 여기서 ρ는 원점으로부터의 거리이고, θ는 x축과 이루는 각도이다. 수평방향(x방향)으로 전달함수 특성을 구하면, θ = 0˚이므로 η도 0˚가된다. 이때 진폭 전달함수는 다음과 같다.
여기서, C0= A + 2B + 2D, C1= 2B + 4C + 4E, C2= 2D + 4E이다.
도 16은 본 발명의 21선 분광 홀로그램 위상회절격자에서 격자에 수직 또는 수평 방향의 빛의 주파수 전달함수를 도시한 도면이고, 도 17은 본 발명의 21선 분광 홀로그램 위상회절격자에서 격자에 대각선 방향의 빛의 주파수 전달함수를 도시한 도면이다. 도 16은 C0, C1, C2에 따른 주파수 전달함수,의 값을 보여주고 있다. 도 16에서는 C0= 0.3, C1= 0.4, C2= 0.3의 비율을 만족하는 경우에 약 1/2X0크기의 차단 주파수 특성을 갖으며, 고주파수의 전달특성은 1/X0의 1.6배까지 20%를 넘지 않는다. 전달특성은 C0= 0.3, C1= 0.4, C2= 0.3의 비율을 만족하는 경우에 차단 주파수의 3배까지의 고주파수 성분에 대한 통과 특성이 20% 이하로서 매우 우수한 해상도와 고주파수 차단 특성을 가짐을 알 수 있다.
도 16을 살펴보면, C0, C1, C2가 기타의 조건을 갖는 경우에도 C0의 값이 0.2 이상인 경우에는 차단 주파수의 2배까지의 고주파수의 통과 특성이 30% 이하로 제한되는 우수한 고주파수 차단특징을 갖는다. y방향의 전달특성은 θ = 90˚이므로 ξ = 0˚가된다. 이때 전달함수는 상기 x 방향의 전달함수와 동일한 형태가 되므로 동일 조건에서 최적이 된다. x, y축과 45˚방향에 대해서 전달함수는 다음과 같다.
따라서, 진폭 전달함수는 다음과 같다.
상기 C0= A + 2B + 2D = 0.3, C1= 2B + 4C + 4E = 0.4, C2= 2D + 4E = 0.3의 조건을 만족하는 조건 중에서 주파수 응답을 구하면, A = 0.1, B = 0.05, C =0.025, D = 0.05, E = 0.05인 경우의 주파수 전달함수는 도 17의 L22와 같다. 도 17의 L22는 A = 0.1, B = 0.05, C = 0.1, D = 0.05, E = 0.0125인 조건에서의 주파수 전달특성이다. 본 발명의 홀로그램 격자에 의한 21선 분광패턴에서는 대각선 방향인 45˚방향에 대해서도 우수한 주파수 전달특성을 가짐을 알 수 있다.
도 16의 조건 표시
도 16의 표시 조 건
L11 C0= 0.0, C1= 0.5, C2= 0.5
L12 C0= 0.3, C1= 0.35, C2= 0.35
L13 C0= 0.2, C1= 0.5, C2= 0.3
L14 C0= 0.3, C1= 0.4, C2= 0.3
L15 C0= 0.28, C1= 0.42, C2= 0.3
L16 C0= 0.3, C1= 0.55, C2= 0.15
〈제2 실시예〉
제2 실시예는 위에서 설명한 방법으로 제작한 9선 분광기에 의한 홀로그램 위상회절격자형 광저대역 통과필터이다. 제2 실시예에서 제시하는 홀로그램격자형 광저대역 통과 필터가 입력광을 9선으로 분할하는 역활을 할 때 9선 분광기에 의한 광저대역 통과 필터의 주파수 전달 특성을 산출하면서 제2 실시예를 상세히 설명한다.
도 18은 본 발명의 홀로그램 위상회절격자를 9선 분할기로 사용하는 경우에 화면에서의 실제의 빛의 분포도이다. 도 18은 본 발명의 위상회절 홀로그램 격자를 9선 분광기로 적용한 경우의 분광패턴이다. 본 발명의 홀로그램 격자에 의한 분광패턴에서는 9개의 주요 최대점(13)과 복수개의 비주요 최대점으로 입력광이 분산된다. 비주요 최대점들의 분광패턴은 도 7에서 도시한 종래의 위상회절격자형 필터의 분광 형태와는 다르다. 종래의 분광패턴에서는 주요 9개 최대점(11)의 패턴이 연속해서 비주요 최대점에 나타나는 형태이므로 수평 또는 수직 방향으로 3개씩의 비주요 최대점들이 반복되는 형태를 보인다. 즉, 도 6의 종래 위상회절 격자에 의한 분광 패턴의 2차원 도면인 도 7에서는 중심 좌표 (0, 0)의 대각선 방향으로는 비주요 최대점들이 나타나지 않는다. 반면, 본 발명의 홀로그램 격자에서는 (0, 0) 좌표의 중심에서 대각선 방향으로도 비주요 최대점이 나타난다. 본 발명의 홀로그램 격자를 이용한 9선 분광패턴의 경우에는 효율을 종래의 격자를 이용한 경우보다 높일 수 있고 비주요 최대점들의 값의 크기를 주요 최대점들(13)의 값에 비하여 무시할 수 있는 수준 이하로 억제할 수 있다. 각 분산광이 각 좌표점에 델타 함수로 모인다고 가정하면 광의 분포함수는 다음과 같다.
분광패턴이 상하대칭 및 좌우대칭을 만족하는 9선 분광 형태인 경우에 각 좌표점에서의 광의 세기는 다음과 같이 정의할 수 있다.
a(0, 0) = a
a(0, 1) = a(0, -1) = b
a(1, 0) = a(-1, 0) = c
a(1, 1) = a(-1, 1) = a(1, 1) = a(1, -1) = d
여기서, a(x, y)는 9분산광(13)의 세기의 총합으로 각 좌표에서의 광의 세기를 나눈 값 즉, 정규화된 값으로써, a + 2b + 2c + 4d = 1의 조건을 만족한다. 상기 전달광의 분포함수를 푸리에 변환하면, 저대역 통과필터의 진폭 전달함수를 구할 수 있다.
여기서, ξ는 수평방향의 공간 주파수를 나타내고, η는 수직방향의 공간 주파수를 나타낸다. 광주파수 전달함수는 상기 함수의 절대값이다.
좌표를 직각좌표계에서 원통좌표계로 변환하면, ξ= ρcosθ, η = ρsinθ가 된다. 여기서 ρ는 원점으로부터의 거리이고, θ는 x축과 이루는 각도이다. 수평 방향(x방향)으로 전달함수 특성을 구하면, θ = 0°이므로 η는 0이 된다. 이때 진폭전달함수는 다음과 같다.
수직방향(y방향)으로의 전달함수 특성은 구하면, θ = 90°이므로 ξ가 0이므로 수학식 2와 동일한 형태가 된다.
도 19는 본 발명의 9선 분광 홀로그램 위상회절격자에서 격자에 수직 또는 수평 방향의 빛의 주파수 전달함수를 도시한 도면이다. 이는 도 18의 분광패턴에 의한 주파수 전달함수를 나타내고 있다. 도 19의 L31, L32, L33, L34는 {(a+2c)와(2b+4d)}가 각각 {0.2, 0.8}, {0.3, 0.7}, {0.4, 0.6}, {0.6, 0.4}일 때의 주파수 전달특성을 보여주고 있다. {(a+2c)와 (2b+4d)}가 {0.4, 0.6}, {0.6, 0.4}인 조건에서는 고주파 성분의 통과율을 20% 이하로 억제하여 우수한 주파수 차단 특성을 얻을 수 있다. 본 발명의 주요 9선의 분광패턴에 의한 주파수 전달특성은 종래의 회절격자에 의한 전달특성과 매우 유사하다. 그러나. 분광 효율을 높일 수 있으므로 종래의 회절격자에 비하여 해상도를 높일 수 있고, 비주요 최대점들의 값을 주요 최대점(13)의 값에 비하여 공학적으로 이용 시에 무시할 수 있는 값 이하로 억제할 수 있다.
〈제3 실시예〉
도 20a는 본 발명의 제3 실시예에 따른 홀로그램 위상회절격자를 고체촬상소자의 투명창으로 사용한 패키지의 사시도이고, 도 20b는 본 발명의 제3 실시예에 따른 홀로그램 위상회절격자를 고체촬상소자의 투명창으로 사용한 패키지의 단면도이다. 패키지 본체(50)에 고체촬상소자(52)가 설치되어 있고, 그 위에 홀로그램 위상회절격자(51)가 고체촬상소자(52)를 위한 투명창으로 설치되어 있다. 그리고, 외부와의 연결을 위하여 패키지 본체(50)에 연결선(bonding wire)(53)과 핀(54)이 설치되어 있다. 홀로그램 위상회절격자(51)를 고체촬상소자의 투명창으로 사용하면 고체촬상 소자의 투명창이 광저대역 통과 필터의 역할을 하기 때문에 도 1에서 제시한 영상 시스템의 구성에서 광학 소자들이 차지하는 부피를 줄여서 제품을 소형화할 수 있을 뿐만 아니라, 영상 시스템의 제조원가도 절감할 수 있다. 종래의 도 6에서 제시한 위상회절 격자형 광저대역 통과 필터에서는 이를 투명창으로 사용하는 경우에 홀로그램 위상회절격자(51)로부터 촬상소자의 화소까지의 거리(dmin)가 매우 가까우므로 조리개의 개방도가 작을 때 회절 격자의 규칙적인 무늬가 잔상으로 나타날 수 있다. 광학 시스템에서는 조리개의 개방도를 F수로 표시하는데 F수가 크면 조리개의 개방도가 작음을 표시한다.
본 발명자들은 선행출원(특허-2001-0024935)에서 위상회절 격자형 광저대역 통과 필터와 고체촬상소자 간의 거리가 매우 가까운 경우에 잔상을 억제하는 격자 구조를 제시하였으나 보조 위상격자들을 위상회절 격자의 측면부에 제조해야 했다. 반면, 홀로그램 격자는 격자의 패턴이 일정한 단일 격자의 반복 패턴이 아니고 단위 홀로그램격자 내에서 회절격자의 패턴에 규칙성이 없으므로 F수가 큰 경우에 격자무늬에 의한 잔상을 억제하는 효과가 종래의 위상회절격자형 광저대역 통과필터보다 우수하다. 본 발명의 홀로그램 위상회절 격자형 광 저대역 통과 필터는 불규칙한 격자의 배치 구조를 갖도록 홀로그램을 설계할 수 있으므로 선행출원에서 제시된 구조에 비하여 보조회절 격자를 사용하지 않아도 되는 장점이 있다. 본 발명의 홀로그램 격자에서는 불규칙한 단위 회절 격자의 배치에 의하여 격자의 가장 자리부에 의한 잔상이 연속되지 않으므로 잔상이 억제되는 효과가 있다. 따라서, 본 발명의 홀로그램 위상회절 격자는 고체촬상소자의 투명창 덮개에 적용하는데 종래의 회절격자에 비하여 유리하다.
본 발명에서는 홀로그램 위상 회절격자형 광저대역 통과필터를 광분산기로이용한 광저대역 통과필터를 제시하였다. 본 발명의 실시예에 의하여 고체촬상소자를 이용한 영상 시스템을 구현할 때의 종래의 복굴절판 필터나, 위상회절격자형 필터보다 광저대역 필터의 주파수 전달특성의 해상도를 키우고 차단 특성을 향상시킬 수 있다.
또한, 종래의 위상회절격자형 광저대역 통과필터를 고체촬상소자의 투명창으로 사용함으로써 조리개의 개방 정도가 감소함에 따라, 특정 F수 이상에서부터 격자의 줄무늬 잔상이 보이는 문제점을 해결할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 의하여 격자면에서 화면까지의 거리를 가깝게 배치할 수 있으므로, 격자를 고체촬상소자의 투명창으로 이용하여 고체촬상소자의 패키지와 광저대역 통과필터를 하나의 부품에 집적하기에 용이하여서 영상시스템에서 광학계의 부피를 줄일 수 있는 장점이 있다.

Claims (7)

  1. 소정의 주파수보다 높은 공간 주파수는 억제하고 상기 특정 주파수보다 낮은 공간 주파수 성분은 통과시키는 광 저대역 통과 필터에 있어서,
    상기 광 저주파 통과 필터는 단위 홀로그램 격자들이 반복되어 배치되어 구성되고,
    상기 단위 홀로그램 격자는 입력광을 특정각만큼 위상천이시키는 단위 위상회절격자들의 2차원 배열로 구성되어 있으며,
    상기 단위 홀로그램 격자에 의한 입력광의 분할 패턴은 상기 단위 위상회절격자들에 의한 회절 효과의 2차원 총합으로 구해지며,
    상기 광 저대역 통과 필터는 입사광을 복수개의 주요 선으로 분할하여 화면상에서 복수개 주요점과 복수개의 비주요점으로 분산시키며,
    상기 광 저대역 통과 필터에 의한 입사광의 상기 복수개의 주요점과 비주요점들의 분할 패턴은 상기 단위 홀로그램 격자에 의한 입사광의 회절효과에 의하여 결정되며,
    상기 복수개의 주요점에서의 광의 세기는 상기 복수개의 비주요점에서의 광의 세기의 10배 이상인 것을 특징으로 하는 광 저주파 통과 필터.
  2. 소정의 주파수보다 높은 공간 주파수는 억제하고 상기 특정 주파수보다 낮은공간 주파수 성분은 통과시키는 광 저대역 통과 필터에 있어서,
    상기 광 저대역 통과 필터는 단위 홀로그램 격자들의 주기적인 반복 배열로 구성되어 있고,
    상기 단위 홀로그램 격자는 입력광을 특정각만큼 위상천이시키는 단위 위상회절격자들의 2차원 평면 배열로 구성되어 있고,
    상기 광 저대역 통과 필터에 의한 입사광의 분할 패턴은 입력광이 투과하는 영역에 있는 상기 단위 회절격자에 의한 입사광의 위상 회절효과의 2차원 총합으로 결정되며,
    입력광의 상기 분할 패턴은 복수개의 주요점과 복수개의 비주요점들로 구성되고,
    상기 주요점에서의 광의 세기는 상기 비주요점에서의 광의 세기의 10배 이상인 것을 특징으로 하는 광 저대역 통과 필터.
  3. 제1 항 또는 제2 항에 있어서,
    상기 광 저대역 통과 필터에 의한 입사광의 상기 주요점과 비주요점들의 분할 패턴에서 주요점의 개수는 21개이며,
    상기 21개 주요점의 광의 세기의 총합은 전체 입력광의 세기의 60% 이상의 값을 가지는 것을 특징으로 하는 광 저주파 통과 필터.
  4. 제1 항 또는 제2 항에 있어서,
    상기 광 저대역 통과 필터는 입사광을 21개의 주요 점과 복수개의 비주요 점으로 분산시키며,
    상기 21개 주요점의 광의 세기의 총합은 전체 입력광의 세기의 60% 이상의 값을 가지며,
    상기 21개의 주요점들은 중심점을 기준으로 하여 수평과 수직 방향으로 대칭을 만족하는 분포를 하고 있는 것을 특징으로 하는 광저대역 통과필터.
  5. 제1 항 또는 제2 항에 있어서,
    상기 광 저대역 통과 필터에 의한 입사광의 상기 주요점과 비주요점들의 분할 패턴에서 주요점의 개수는 9개이며,
    상기 9개 주요점의 광의 세기의 총합은 전체 입력광의 세기의 60% 이상의 값을 가지는 것을 특징으로 하는 광 저주파 통과 필터.
  6. 제1 항 또는 제2 항에 있어서,
    상기 광 저대역 통과 필터는 입사광을 9개의 주요 점과 복수개의 비주요 점으로 분산시키며,
    상기 9개 주요점의 광의 세기의 총합은 전체 입력광의 세기의 60% 이상의 값을 가지며,
    상기 9개의 주요점들은 중심점을 기준으로 하여 수평과 수직 방향으로 대칭을 만족하는 분포를 하고 있는 것을 특징으로 하는 광저대역 통과필터.
  7. 제1 항 또는 제2 항에 있어서,
    상기 광저대역 통과필터가 고체촬상소자의 투명창 덮개로 배치되는 것을 특징으로 하는 광저대역 통과필터.
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