KR100413782B1 - Wideband antireflection film for acousto-optical tunable filter - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 음향 조절 필터(acousto-optical tunable filter; AOTF)에 관한것으로서, 광대역 반사 방지막을 적용하여 음향광학효율이 증대된 광음향 조절 필터(acousto-optical tunable filter: AOTF)에 관한 것이다.The present invention relates to an acoustic-optical tunable filter (AOTF), and to an optical-optical tunable filter (AOTF) in which an acoustic optical efficiency is increased by applying a broadband anti-reflection film.
90년대 들어 멀티미디어에 대한 수요가 늘고 기존 CRT(Cathode Ray Tube)의 단점을 보강하고 멀티미디어에 대응하기 위해 각종 대화면 디스플레이가 등장하고 있다. 그러나 기존의 영상 수단인 CRT나 LCB(Liquid Crystal Display)는 대형화될수록 제작이 어렵고, 해상도가 떨어져 실용화에 한계가 있다. 대형화면의 실현이 가능한 영상장치로 CRT와 LCD를 이용해 대형스크린 상태 화상을 투영하는 프로젝터 등이 있으나 이 또한 많은 문제점과 기술적 제약이 있다.In the 1990s, demand for multimedia has increased, and various large-screen displays have appeared to reinforce the shortcomings of the existing CRT (Cathode Ray Tube) and cope with multimedia. However, CRT or liquid crystal display (LCB), which are conventional imaging means, is more difficult to manufacture as it becomes larger, and there is a limit in practical use due to its low resolution. As an image device capable of realizing a large screen, there is a projector for projecting a large screen state image using CRT and LCD, but there are also many problems and technical limitations.
대형화면을 위한 다른 영상장치로서 화상정보가 실려있는 레이저쾅을 직접 스크린에 투사하는 레이저 프로젝터가 있다. 레이저 프로젝터는 대화면이 가능하고 높은 콘트라스트(contrast)를 가지며 광효율이 높고 왜곡이나 색 오차가 없고 거리에 무관한 휘도 및 콘트라스트 실현이 가능하며 대화면 HDTV(High Definition Television)에 적용될 수 있는 장점을 가진다.Another imaging device for large screens is a laser projector that directly projects a laser beam containing image information onto a screen. Laser projectors have the advantage of being able to have a large screen, high contrast, high light efficiency, no distortion or color error, realization of luminance and contrast regardless of distance, and a large-screen high definition television (HDTV).
일반적으로 레이저 프로젝터는 광원으로 Xe 램프, He-Ne 레이저, Ar 레이저 등을 많이 사용한다. 그런제 이들 중에 시스템의 간소화 측면을 고려하여 Kr-Ar 레이저가 주목을 받는다.Generally, laser projectors use Xe lamps, He-Ne lasers, Ar lasers, etc. as light sources. Among them, Kr-Ar lasers are attracting attention in view of the simplification of the system.
스크린에 레이저 빔 스폿(spot)을 주사하기 위해 사용되고 있는 광변조기로는 광음향 변조기(acousto-optical modulator: AOM), 광전기 변조기(electro-optical modulator: EOM) 및 광음향 조절 필터(AOTF)가 있다. 이 중 AOM이 가장 많이 사용되고 있는데 AOM은 구동 회로가 가장 간단하다는 장점이 있으나 시스템에 3개의 AOM을 사용해야 하므로 제조원가의 증가와 시스템이 복잡해지는 문제점이 있다.Optical modulators used to scan laser beam spots on screens include optical-optical modulators (AOMs), electro-optical modulators (EOMs) and optoacoustic control filters (AOTF). . Among them, AOM is the most widely used, but AOM has the advantage that the driving circuit is the simplest.
또한 AOM은 대역 폭이 좁기 때문에 고 해상도 구현을 위해 광대역 폭을 가지는 EOM의 사용이 증가되고 있으나 EOM 또한 시스템에 3개의 EOM을 사용해야 하며 고효율의 변조를 위해 고전압의 구동 회로가 필요하다는 단점이 있다.In addition, since AOM has a narrow bandwidth, the use of an EOM having a wide bandwidth for high resolution is increasing, but an EOM also requires three EOMs in a system and a high voltage driving circuit is required for high efficiency modulation.
한편 AOTF를 광변조기로 사용할 경우 1개의 소자만이 필요하다는 장점을 가지나 이 또한 협대역 폭을 갖는 문제점이 있다.On the other hand, when AOTF is used as an optical modulator, only one device is required, but this also has a problem of having a narrow bandwidth.
AOTF는 광원 속에 여러 가지 파장의 광이 섞여 있을 때 외부의 전기적 신호에 의해서 원하는 파장의 광원을 선택 출력하는 장치이다. 광학적인 방법으로 혼합된 광원을 걸러내기 위해서는 원하는 중심 파장과 그 대역폭을 가지는 광을 선택하도록 다층으로 코팅된 유리를 사용한다.AOTF is a device that selects and outputs a light source of a desired wavelength by an external electrical signal when light of various wavelengths is mixed in the light source. In order to filter out the mixed light source in an optical way, multilayered glass is used to select light having a desired center wavelength and its bandwidth.
그러나 선택하고자 하는 파장을 바꾸고자 할 때는 수동으로 필터를 바꾸어야 한다. 선택 파장이 느리면(파장선택에 걸리는 시간이 느린 경우) 문제가 없으나 필터를 순간적으로 바꾸고 출력하고자 하는 광출력이 급속하게 바뀔 때는 이러한 방법으로는 불가능하다.However, if you want to change the wavelength you want to select, you have to change the filter manually. If the selection wavelength is slow (when the time for wavelength selection is slow), there is no problem. However, this is not possible when the filter output is changed momentarily and the light output to be output is changed rapidly.
종래에는 Al2O3단층을 TeO2단결정에 코팅시켜 무반사 효과를 얻었으나 이와 같은 방법으로는 450-700nm 범위인 광대역 범위에 걸쳐 무반사 특성을 얻을 수 없다는 문제가 있다.Conventionally, the Al 2 O 3 single layer is coated on TeO 2 single crystal to obtain an anti-reflective effect, but there is a problem that the anti-reflective property cannot be obtained over a wide range of 450-700 nm by this method.
본 발명은 상기 문제점을 해결하도록 안출된 것으로서, 음향 광학 변환 효율을 증진된 쾅음향 조절 필터(acousto-optical tunable filter; AOTF)를 제공함에 그 목적이 있다.The present invention has been made to solve the above problem, and an object thereof is to provide an acoustic-optical tunable filter (AOTF) which improves the aco-optic conversion efficiency.
상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명에 따른 광음향 조절 필터는,In order to achieve the above object, the photoacoustic filter according to the present invention,
광입사면과 출사면을 가지는 TeO2단결정체와 광진행경로의 양측에 위치하도록 상기 단결정체의 접착되는 압전변환기를 구비한 음향조절필터에 있어서,A sound control filter having a TeO 2 single crystal having a light incident surface and an exit surface and a piezoelectric transducer bonded to the single crystal so as to be located at both sides of the optical path,
상기 광입사면과 출사면에 굴절률 1.38 인 MgF2와 굴절률 2.4인 TiO22로 된 반사방지막이 형성되되, 상기 반사 방지막은 설계중심파장이 550nm 일 때,An antireflection film made of MgF 2 having a refractive index of 1.38 and TiO 2 2 having a refractive index of 2.4 is formed on the light incident surface and the exit surface, and the antireflection film has a design center wavelength of 550 nm.
TeO2/0.51924L 0.18377H 0.01804L 0.28558H 0.25739L/공기TeO 2 /0.51924L 0.18377H 0.01804L 0.28558H 0.25739L / Air
(여기서, 숫자는 각 층의 두께이고, L은 MgF2이고, H는 TiO2)Where the number is the thickness of each layer, L is MgF 2 , and H is TiO 2 .
로 표현되는 조건의 광학적 두께를 가지는 점에 특징이 있다.It is characterized by having an optical thickness of the condition expressed by.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 한 바람직한 실시예를 상세히 설명한다.Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
제1도는 본 발명에 따른 AOTF의 개략적 구조도이다.1 is a schematic structural diagram of an AOTF according to the present invention.
상기 본 발명에 따른 AOTF는 비등방 매질, 즉 TeO2단결정체(10)에서 광의 음향 광학 회절 현상을 이용한다. AOTF에 사용되는 TeO2의 단결정체(10)는 씨드(seed)를 이용한 CZ(Czochralski)법, 즉 인상법에 의해 제작된다. 단결정체(10)를 제작함에 있어서는, 씨드를 성장대상물질이 용해되어 있는 물질의 용액에 담군 상태에서, 용액을 서서히 냉각시킴과 아울러 씨드를 회전시키면서 서서히 위로 당겨 올리는과정을 통해 씨드에 결정이 성장되게 되는데, 이 결정은 포인트 그룹(point group)은 D4(422)에 속하고 변형된 금홍석(rutile) 구조를 가진다. 파장 550nm에서의 오디나리(ordinary) 및 엑스트라 오디나리(extraordinary) 광의 굴절률은 각각 2.294와 2.452이다.The AOTF according to the present invention utilizes an acoustic optical diffraction phenomenon of light in an anisotropic medium, that is, TeO 2 single crystal 10. The TeO 2 single crystal 10 used for AOTF is produced by a CZ (Czochralski) method using a seed, that is, a pulling method. In the production of the single crystal 10, the seed is grown in the seed through a process of gradually cooling the solution and gradually pulling up while rotating the seed while the seed is immersed in the solution of the substance in which the growth target material is dissolved. The decision is that the point group belongs to D4 422 and has a modified rutile structure. The refractive indices of ordinary and extraordinary light at a wavelength of 550 nm are 2.294 and 2.452, respectively.
제1도에 도시된 바와 같이, 마름모형상의 TeO2단결정체(10)의 대향된 양측면, 즉 광진행 경로의 양측에 RF 신호(Radio Frequency Signal, 12)가 인가되는 압전변환기(11)가 접착되어 있고, 광입사면(13)과 출사면(14)에 후술되는 것으로 본 발명을 특징지우는 광대역반사방지막(20)이 적층되어 있다.As shown in FIG. 1, piezoelectric transducers 11 to which RF signals (Radio Frequency Signals) 12 are applied to opposite sides of the diamond-shaped TeO 2 single crystals 10, that is, both sides of the light traveling path, are bonded. The broadband anti-reflection film 20 which characterizes this invention by laminating | stacking on the light incident surface 13 and the emission surface 14 is laminated | stacked.
압전 변환기(11)에 무선 주파수(radio frequency) 신호(12)를 가하면 압전 변환기(11)가 여기되어 음향파(15)가 매질 내에 생긴다. 이 때, TeO2(10)에 압전 변환기(11)에서 음향 에너지가 전달되어 그 에너지 분포에 따라 TeO2(10)의 굴절률이 달라지게 되고 이것이 격자 역할을 하게된다. 이러한 이동하는 상 격자(phase grating)가 적절한 조건하에서 입사광(16)의 일부를 회절 시킨다. 일정한 음향파에서 제한된 광파의 대역만이 상 정합(phase-matching) 조건을 만족하며 회절한다. 무선 주파수가 변하면 광학적 통과 대역(optical passhand)의 중심이 변하고 이에 맞는 상 정합 조건을 만족한다. 음향파와 광파가 전파되는 방향이 다르므로 음향파와 광파는 매우 다른 각도로 결정 내에서 전파되며 이러한 구조에서 0차 비임(beam)(17)과 회절 비임(18)(19)은 분리된다. 본 발명에서 사용된 복굴절 결정은 TeO2단결정으로 음향 광학 효율이 매우 높은 장점을 가지며 가시 영역 및 빛의파장이 약 4.5㎛까지에서 유용하나 TeO2특성상 350nm 이하의 파장 범위에서는 광의 투과 특성이 없어지기(transmission cutoff) 때문에 자외선 영역에서는 사용이 불가능하며 자외선 영역에서도 광의 투과 특성이 양호한 결정성 수정(crystalline quartz)을 사용한다.When a radio frequency signal 12 is applied to the piezoelectric transducer 11, the piezoelectric transducer 11 is excited to generate an acoustic wave 15 in the medium. At this time, the acoustic energy is transmitted from the piezoelectric transducer 11 to the TeO 2 (10) be the refractive index of TeO 2 (10) depending on the energy distribution, and this is the lattice role. This moving phase grating diffracts a portion of the incident light 16 under appropriate conditions. In a constant acoustic wave, only a limited band of light waves diffraction satisfying the phase-matching condition. Changing the radio frequency changes the center of the optical passhand and meets the matching conditions. Since acoustic and light waves propagate in different directions, acoustic and light waves propagate in the crystal at very different angles, and in this structure the zero-order beam 17 and the diffraction beams 18 and 19 are separated. Being a birefringent crystal used in the invention have the advantage of very high acousto-optic efficiency TeO 2 single crystal is not useful for a TeO 2 characteristics of light transmission characteristics in the wavelength range of 350nm or less in the visible region and the wavelength of light to about 4.5㎛ Due to the (transmission cutoff), it is impossible to use in the ultraviolet region, and crystalline quartz which has good light transmission characteristics in the ultraviolet region is used.
본 발명은 전술한 바와 같이 TeO2단결정체(10)의 레이저 입출사면(13)(14)에, 레이저 광 파장 450-700nm 범위의 광대역에서 반사율 1% 이하의 무반사 특성을 갖는 광대역반사방지막(20)이 형성되어 있다. 이 반사방지막(20)은 일반적인 RF 스퍼터링법에 의해 형성된다.As described above, the broadband anti-reflection film 20 having the antireflection property of 1% or less reflectance on the laser entrance and exit surfaces 13 and 14 of the TeO 2 single crystal 10 at a wide band of 450-700 nm laser light wavelength. ) Is formed. This antireflection film 20 is formed by a general RF sputtering method.
제2도는 TeO2단결정체(10)의 광입사면(13)과 출사면(14)에 형성되는 적층된 광대역반사방지막(20)의 적층구조를 보인 도면이다.FIG. 2 is a diagram showing a lamination structure of the stacked broadband antireflection film 20 formed on the light incident surface 13 and the exit surface 14 of the TeO 2 single crystal 10.
반사방지막(20)은 굴절률 1.38인 MgF2와 굴절률 2.4인 TiO2층이 교번적으로 적층되어 있는 것으로서 제2도에는 5층 적층체로 되어 있다. 반사방지막(20)의 각 층의 구성은 설계 중심 파장 550nm에서 다음과 같은 광학 두께를 갖는다.The antireflection film 20 is formed by alternately stacking MgF 2 having a refractive index of 1.38 and a TiO 2 layer having a refractive index of 2.4, and a two-layered laminate is shown in FIG. Each layer of the antireflection film 20 has the following optical thickness at the design center wavelength of 550 nm.
TeO2/0.51924L 0. 18377H 0.01804L 0.28558H 0.25739L/공기TeO 2 /0.51924L 0.18377H 0.01804L 0.28558H 0.25739L / Air
여기서 L은 MgF2층, H는 TiO2층을 나타낸다.L represents an MgF 2 layer and H represents a TiO 2 layer.
제3도는 본 발명에 따른 TeO2결정의 광학 코팅 설계 결과를 나타내는 그래프로서 상기 디자인을 컴퓨터를 사용하여 최적화 시킨 결과로 400에서 800nm 파장 범위에서 반사율 값을 나타낸다.3 is a graph showing the optical coating design results of the TeO 2 crystals according to the present invention, showing the reflectance values in the 400 to 800 nm wavelength range as a result of optimizing the design using a computer.
본 발명에 따른 바람직한 실시에의 제작과정을 다음에 설명한다.The production process of the preferred embodiment according to the present invention is described next.
TeO2결정의 광의 입출사면을 평균 거칠기가 10nm 이하, 평활도 λ/10 이상, 평행도 10초 이하로 정밀 가공한다. 정밀 가공 후의 TeO2결정을 유기 용제(111-TCE, 아세톤, IPA)로 세척하여 스퍼터 장비에 장입한다. 이 때, 스퍼터링은 RF 마그네트론 스퍼터 방식을 사용하고 99.9%의 TiO2, 99.9%의 MgF2타겟을 사용하여 아르곤 가스를 변화시키며 스퍼터링한다. 스퍼터링시 기판을 회전시켜 막두깨 균일도를 향상시키고 박막의 광학적 두께는 광학 간섭식 막두께 측정 방법으로 모니터링하고 제작한 박막의 반사율 측정은 분광 광도계(히다찌 UV4002)로 이루어진다.The light entering and exiting surface of the TeO 2 crystal is precisely processed with an average roughness of 10 nm or less, smoothness λ / 10 or more, and parallelism 10 seconds or less. The TeO 2 crystal after precision processing is washed with an organic solvent (111-TCE, acetone, IPA) and charged into the sputtering equipment. At this time, sputtering uses sputtering with argon gas using RF magnetron sputtering method and using 99.9% TiO 2 and 99.9% MgF 2 target. In sputtering, the film thickness is improved by rotating the substrate, and the optical thickness of the thin film is monitored by the optical interference film thickness measuring method and the reflectance measurement of the manufactured thin film is made of a spectrophotometer (Hitachi UV4002).
TeO2결정체의 레이저 입사면과 출사면에 대해 파장 450-700nm 범위에 걸쳐 반사율이 1.0% 이하가 되도록 하는 반사 방지막을 제작하여 반사에 의한 손실을 줄여 음향 광학 변환 효율 저하를 막을 수 있다.The anti-reflective film can be manufactured to have a reflectivity of 1.0% or less over the wavelength range of 450-700 nm with respect to the laser incidence plane and the outgoing plane of the TeO 2 crystal, thereby reducing the loss due to reflection, thereby preventing the decrease in the aco-optic conversion efficiency.
본 발명은 도면에 도시된 일 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상적 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허 청구 범위의 기술적 사상에 의해 정해져야만 할 것이다.Although the present invention has been described with reference to one embodiment shown in the drawings, this is merely exemplary, and those skilled in the art will understand that various modifications and equivalent other embodiments are possible. Therefore, the true technical protection scope of the present invention will be defined by the technical spirit of the appended claims.
제1도는 본 발명에 따른 음향조절필터의 개략적 단면도이다.1 is a schematic cross-sectional view of a sound control filter according to the present invention.
제2도는 본 발명에 따른 음향조절필터에 형성되는 팡대역 반사방지막의 적층구조를 보인다.2 shows a laminated structure of a pan-band anti-reflection film formed on the acoustic control filter according to the present invention.
제3도는 본 발명에 따른 음향조절필터의 반사방지막의 반사률-파장 특성선도이다.3 is a reflectance-wavelength characteristic diagram of the anti-reflection film of the acoustic control filter according to the present invention.
*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명* Explanation of symbols for main parts of the drawings
10: TeO2단결정체 11: 압전 변환기10: TeO 2 single crystal 11: piezoelectric transducer
12: RF신호 13: 입사면12: RF signal 13: incident surface
14: 출사면 15: 음향파14: exit surface 15: acoustic wave
16: 입사광 17: 0차 비임16: incident light 17: 0th beam
18, 19; 회절 비임18, 19; Diffraction beam
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| E701 | Decision to grant or registration of patent right | ||
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