KR100427755B1 - 위상회절격자형 광 저대역 통과 필터 - Google Patents

Abstract

본 발명은 위상회절격자형 광 저대역 통과 필터에 관한 것이다. 본 발명은 위상회절격자를 이용하는 광학영상장치에서 회절격자와 고체촬상소자의 거리가 가까워지거나, 광학영상장치의 조리개의 개구량이 작은 경우에 출력영상에 발생하는 격자무늬 잔상을 제거하기 위한 위상회절격자의 구조를 제공하는 데에 그 목적이 있다. 본 발명의 광 저대역 통과 필터는, 소정의 문턱 주파수보다 높은 공간 주파수 성분은 차단하거나 감쇠시키고 그 문턱 주파수보다 낮은 공간 주파수 성분은 통과시키는데, 0의 위상천이를 발생시키는 복수개의 제1 주 위상회절격자들과, 그 제1 주 위상회절격자들 사이사이에 위치하고, 소정의 각의 위상천이를 발생시키는 복수개의 제2 주 위상회절격자들과, 그 각각의 제1 주 위상회절격자와 그 각각의 제2 주 위상회절격자 사이에 배치된 복수개의 보조 위상회절격자들을 포함한다.

Description

위상회절격자형 광 저대역 통과 필터{Phase Grating Optical low pass filter}

본 발명은 위상회절격자형 광 저대역 통과 필터에 관한 것으로서, 특히 고체영상소자를 이용하는 영상 시스템 장치에서 위상회절격자(Phase grating)를 이용하여 저대역 공간 주파수만을 통과시키는 광 저대역 통과 필터(Optical low pass filter)의 격자구조에 관한 것이다.

도 1은 종래의 고체촬상소자를 이용한 영상 시스템의 구성도로서, 일반적인 캠코더(Camcorder; Camera-Recorder) 또는 디지털 카메라의 영상 시스템의 구성도를 보여주는 것이다. 영상 시스템에서 피사체의 동영상 또는 정지영상 등과 같은 입력영상(1)이 조리개(2)에 의해 그 양이 조절되어 광학렌즈계(3)를 통하여 집광된다. 이 집광된 입력영상(1)은 광 저대역 통과 필터(4)를 거친 후에 고체촬상소자(5)의 표면에 입사되는데, 이 고체촬상소자(5)는 수광소자로 구성되어 있다. 여기서, 광학렌즈계(3)는 입력영상(1)을 고체촬상소자(5)로 모아주기 위하여 오목렌즈와 볼록렌즈 등의 적절한 광학렌즈들의 수직적인 배열 즉 캐스케이드(cascade)로 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 있는데, 이들은 수광소자로 구성된 영상센서를 2차원으로 배열하여 입력영상의 광신호를 전기신호로 바꾸어 준다.

나이퀴스트의 샘플링 이론(Nyquist Sampling)에 따르면, 복원화면에서 에일리어싱(aliasing) 또는 무아르(Moire) 형상을 없애기 위해서 필요한 광 저주파 통과 필터의 차단 주파수는 샘플링 주기의 2배의 역수보다 커야 한다. 샘플링 공간주파수보다 작은 주파수 성분의 통과 특성을 억제하면 해상도 저하를 유발하므로, 상기 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 1의 고체촬상소자(5)의 2차원 수광소자 배열에서는이고,이다. 여기서, T는 수광소자의 반복주기이고, f_s는 샘플링 공간 주파수이고, f_c는 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.

종래의 광 저대역 통과 필터로는 수정 편광판을 이용한 복굴절판 필터와 위상회절격자형 광 저대역 필터가 있다. 복굴절판 필터는 입력광이 편광판을 통하여 4개의 점으로 분산되는 4선 분산기(4 Beam splitter)로 동작한다. 복굴절판 필터를 제조하기 위해서는 필요한 차단 주파수에 따라서 수정판의 두께를 조절해야 한다.따라서, 가격이 비싸고, 영상 시스템의 광학 렌즈계를 소형화하기가 곤란한 문제점이 있었다. 또한, 위상회절격자를 이용한 필터는 위상회절격자를 적절히 설계함으로써 필요한 주파수 특성을 만족시킬 수 있어서 가격이 저렴하고 차단 주파수 특성이 우수하다. 이에 대한 설명은 본 발명의 설명을 위하여 복굴절판 필터보다 다음에서 더 상세히 설명한다.

도 2는 종래의 위상회절격자를 이용한 광 저대역 통과 필터의 동작을 설명하기 위한 1차원 위상회절격자의 기본도를 보여 주고 있다. 위상회절격자의 표면은 일정한 반복주기를 갖는 요철구조의 격자로 구성되어 있다. 격자의 투과광에 대해서 회절격자의 수직 돌출부와 비돌출부의 위상차이는 격자의 두께에 의해서 결정되는 특정한 위상 천이각 φ가 된다.상기 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 위해서는 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 전달특성I(x)를 퓨리에 변환하면, 본 발명의 1차원 위상천이격자형 필터의 주파수 전달함수(L_G)를 구할 수 있다. L_G를 구해 보면 다음과 같다.

여기서, f는 공간주파수를 나타낸다. 상기 주파수 전달함수(L_G)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 아래에서 설명하는 문제점으로 인하여 제품화에 성공하지 못하여 실제로 적용되지 못하고 있다.

이하, 그 이유를 설명한다. 도 2에서와 같이 입사광을 3개의 주요 최대점들(-X₀, 0, X₀)인 -1차, 0차, +1차로 3분할하기 위해서는 위상회절격자(10)의 기판면으로부터 고체촬상소자(5)에 위치한 화면(6)까지의 거리가 프라운호퍼(Fraunhofer) 회절을 만족시키기 위한 최소한의 거리 d_min이 필요하다. 화면(6)이 상기 최소거리 d_min보다 멀리 위치하는 경우에는 프라운호퍼(Fraunhofer) 회절을 만족하므로 위상회절격자(10)에서부터 화면(6)까지의 거리로 인해 회절형태가 바뀌지 않는다.

도 3은 종래의 위상회절격자를 이용한 영상 시스템의 문제점을 도시한 개념도이다. 도 3에서와 같이 고체 촬상 소자(5)가, 프라운호퍼 회절화면(7)을 만족시키는 최소거리 d_min보다 작은 곳에 위치하는 경우에는 위상회절격자(10)에 의해 입사광(1)의 회절모드(Mode)는 프레널(Fresnel) 회절로 바뀌어서 격자면으로부터 화면까지의 거리 d_s에 따라서 회절무늬의 모양이 변화하고 분균일한 형태의 잔상이 화면에 보이게 된다.

도 4A 내지 도 4D는 종래의 위상회절격자를 이용한 영상 시스템의 다른 문제점을 도시한 개념도이다. 도 4A 내지 도 4D에서는 입력광이 균일한 경우에 프레널(Fresnel) 회절에 의하여 광의 세기가 격자와 화면 사이의 거리에 따라서 변화하는 모양을 정성적으로 보여주고 있다. 도 4A는 위상회절격자를 나타낸 것이다. 격자(11)에 의하여 입력광의 위상이 회절하고 격자기판(12)의 바로 경계면에서의 광 투과율은 도 4B에 도시된 격자주기와 일치하는 주기적인 형태로 된다.여기서, 투과율 1은 위상의 회절이 없는 기준 투과광을 표시한다. 따라서, 격자에 의하여 위상이 φ만큼 회절된 투과광의 투과율은 복소함수인 exp(jφ)로 표시할 수 있다. 여기서 exp(·)는 자연지수함수를 나타내고 j는 허수를 나타낸다. 투과광의 세기(Intensity)는 투과율의 제곱에 비례하므로 투과율이 1인 경우와 투과율이 exp(jφ)인 경우 모두 투과광의 세기는 1이 된다.그러나, 격자의 경계면에서 투과율이 1에서 exp(jφ) 값으로 급격하게 변화하므로 투과광의 세기에는 불연속선이 있게 된다. 격자기판(12)에 매우 인접하게 화면을 배치한 경우에는 도 4C에 도시된 바와 같이 상기의 투과율 불연속에 의한 효과로 인해 광의세기가 불연속 경계면에서 투과율이 급격히 변화는 형태를 가진다. 격자 기판(12)에서 화면까지의 거리를 멀리하면 회절 효과에 의하여 경계면에서 투과광의 세기가 작은 부분은 보강되지만 도 4D에 도시된 바와 같이 회절에 의하여 측면으로 넓혀진다. 격자기판(12)에서 화면까지의 거리를 프라운호퍼 회절을 만족시키는 최소거리 d_min이상으로 하면 격자(11)에 의한 광의 세기의 불균일한 형태는 사라지고 위상회절격자(10)에 의한 주요최대점에 입력광이 분할되는 도 2의 형태를 보이게 된다.

도 5A는 종래의 위상회절격자를 투명 덮개로 이용한 고체촬상소자의 패키지의 외형도이다. 이는 위상회절 격자형 광저대역 통과 필터를 고체촬상소자(5)의 투명창으로 사용하는 응용예를 보여주고 있다. 도 5A의 응용은 영상 시스템에서 광학계의 소요공간을 최소화하기 위하여 필수적이다.이때, 도면부호 8은 패키지본체를 의미한다.

도 5B는 도 5A에서 A-A 방향의 단면도이다. 도 5B에서 알 수 있듯이, 위상회절격자(10)와 고체촬상소자(5) 사이의 거리 ds가 매우 짧으므로 종래의 위상회절격자를 사용하는 경우에는 이 거리 ds를 프라운호퍼 회절에 필요한 최소거리 d_min이상으로 하는 것이 불가능하였다. 위상회절격자의 주기적인 잔상무늬는 조리개의 개방량을 줄일 때에도 나타난다.

도 6A와 도 6B는 종래의 위상회절격자를 이용한 영상 시스템에서 조리개의 개방도에 따른 문제점을 도시한 개념도로서 도 6A는 조리개의 개방도가 클 때이고, 도 6A는 종래의 위상회절격자를 이용한 영상 시스템에서 조리개의 개방도가 작을 때의 초점심도의 차이점을 도시한 개념도이다. 도 6A와 6B는 조리개의 개방량에 따른 초점 심도의 변화를 보여주고 있다. 광학 카메라에서 조리개의 개방량은 F수로나타내는데, F수는 렌즈의 유효반경을 초점거리로 나눈 값이다. 도 6A와 같이 조리개(2)의 개방정도가 클 때(즉, F 수가 작을 때)는 광학 렌즈계(3)의 유효반경이 크고 렌즈와 입사광(1)이 초점면(9)과 이루는 입사광의 회절광각 θ_d가 크다. 고체 촬상 소자(5)에 초점면(9)이 위치한다고 하면, 상기 초점면(9)의 면적에 약 1.414배 되는 면적의 광 경로를 일반적으로 초점심도(Depth of Focus; DOF) d_f라고 정의한다. 또한, θ_d는 입사광의 회절광각이다. 초점심도가 커지면 근거리와 원거리에 있는 입력 물체의 상이 동시에 초점이 맺히게 되고 초점심도 범위 안에 있는 상은 고체 촬상 소자(5)에서 모두 초점이 맺히게 된다. 도 6A의 경우처럼 입사광(1)의 회절광각 θ_d가 큰 경우에는 초점심도 d_f는 작다.

반면, 도 6B의 경우처럼 입사광(1)의 회절광각 θ_d가 작아지면 초점심도 d_f는 커진다. 만일, 조리개(2)의 개방량을 줄여서 초점심도 d_f가 격자와 고체 촬상 소자(5) 사이의 거리보다 커진다면 격자의 규칙적인 모양의 형상이 화면에서 보이게 된다. 이 경우 규칙적인 격자상이 고체촬상소자를 통하여 보이게 되는 것이다. 따라서, 종래의 격자구조를 가지는 위상회절격자형 광 저대역 필터에서는 F수의 증가에 따라서 특정 F수 이상에서부터는 회절 격자의 무늬가 고체촬상소자에 잔상으로 보이게 되는 문제점이 있다.

도 7A는 종래의 위상회절격자를 이용한 영상 시스템에서 조리개의 F수가 2.9로 작을 때의 출력영상을 나타낸 도면이고, 도 7B는 종래의 위상회절격자를 이용한영상 시스템에서 조리개의 F수가 22로 클 때의 출력영상을 나타낸 도면이다. 이 두 사진은 종래의 위상회절 격자를 채용한 디지털 카메라를 통하여 실험 측정된 출력영상들이다. F수에 따라 격자무늬 잔상이 출력영상에 나타남을 보여주고 있다.

도 8A는 종래의 수직형 위상회절격자의 격자구조의 1차원 단면도이고, 도 8B는 종래의 사선형 위상회절격자의 격자구조의 1차원 단면도이며, 도 8C는 종래의 곡선형 위상회절격자의 격자구조의 1차원 단면도이다. 상기의 회절격자무늬가 F수가 증가함 따라서 고체촬상소자에 보이는 문제를 개선하기 위하여 도 8B의 사선형 격자 단면구조 또는 도 8C의 정현파 곡선형 단면구조를 고려할 수 있다. 상기 사선형 또는 곡선형 격자 단면구조는 선행기술 미국특허 제5737042호와 미국특허 제5471344호 등에서 제안되었다. 종래의 사선형 또는 곡선의 단면구조를 갖는 위상회절격자는 사선면 또는 곡선면으로 입사된 광이 상기 곡면의 렌즈 효과에 의하여 불규칙한 각도로 회절하게 되며 광 저대역 필터의 공간 주파수 전달특성을 저하시킨다. 또한, 종래의 사선형 또는 곡선의 단면구조를 갖는 위상회절 격자는 미세한 곡선형 또는 사선형 격자의 구조를 제작하기에는 제조공정이 매우 어려운 문제점이 있다.

상기의 이유로 종래의 복굴절판을 이용한 광 저대역 통과 필터를 개선하고자 제안된 종래의 위상회절격자형 필터들은 실용화되지 못하고 있었다.

본 발명은 위상회절격자를 이용하는 광학영상장치에서 회절격자와 고체촬상소자의 거리가 가까워지거나, 광학영상장치의 조리개의 개구량이 작은 경우에 출력영상에 발생하는 격자무늬 잔상을 제거하기 위한 위상회절격자의 구조를 제공하는 데에 그 목적이 있다.

본 발명은 고체영상소자를 이용하는 영상장치 시스템에서 위상회절격자(Phase grating)를 이용하여 저대역 공간 주파수만을 통과시키는 광 저대역 통과 필터(Optical low pass filter)를 제공하는 데에 다른 목적이 있다.

본 발명은 CCD 영상센서 또는 CMOS 영상센서 등 반도체 고체촬상소자를 이용한 영상 장치에서 복수개(n개)의 보조 위상회절격자를 0과 φ의 위상천이를 발생시키는 주 회절격자간의 천이부에 구성함으로써 프레넬(Fresnel) 회절에 의한 잔상을 제거하는 데에 또 다른 목적이 있다.

도 1은 종래의 고체촬상소자를 이용한 영상 시스템의 구성도.

도 2는 종래의 위상회절격자와 회절 효과를 나타낸 개념도.

도 3은 종래의 위상회절격자를 이용한 영상 시스템의 문제점을 도시한 개념도.

도 4a 내지 도 4d는 종래의 위상회절격자를 이용한 영상 시스템의 다른 문제점을 도시한 개념도.

도 5A는 종래의 위상회절격자를 투명 덮개로 이용한 고체촬상소자의 패키지의 외형도.

도 5B는 도 5A에서 A-A 방향의 단면도.

도 6A는 종래의 위상회절격자를 이용한 영상 시스템에서 조리개의 개방도가 클 때를 도시한 개념도.

도 6B는 종래의 위상회절격자를 이용한 영상 시스템에서 조리개의 개방도가 작을 때의 초점 심도의 차이점을 도시한 개념도.

도 7A는 종래의 위상회절격자를 이용한 영상 시스템에서 조리개의 F수가 2.9로 작을 때의 출력영상을 나타낸 도면.

도 7B는 종래의 위상회절격자를 이용한 영상 시스템에서 조리개의 F수가 22로 클 때의 출력영상을 나타낸 도면.

도 8A는 종래의 수직형 위상회절격자의 격자구조의 1차원 단면도.

도 8B는 종래의 사선형 위상회절격자의 격자구조의 1차원 단면도.

도 8C는 종래의 곡선형 위상회절격자의 격자구조의 1차원 단면도.

도 9는 본 발명에 따른 위상회절격자형 광 저대역 통과 필터의 격자구조의 1차원 단면도.

도 10a 내지 도 10c는 본 발명에 따른 위상회절격자의 격자구조에 의하여 프레넬 회절의 개선 효과를 나타낸 단면도.

도 11은 본 발명에 따른 위상회절격자를 사용했을 때의 F수 22에서의 출력영상을 나타낸 도면.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

1 : 입력영상/입사광 2 : 조리개

3 : 광학 렌즈계 4 : 광 저주파 통과 필터

5 : 고체 촬상 소자 6 : 화면

7 : 회절화면 8 : 패키지 본체

9 : 초점면 10 : 위상회절격자

11: 격자 12 : 격자기판

110 : 0 주 위상회절격자 120 : 보조 위상회절격자

130 : Φ주 위상회절격자 140 : 격자기판

α : 0차 주요 최대점에서 회절광의 세기

Φ: 위상회절격자에 의한 위상차

θ: 고체 촬상 소자와 격자 사이의 위상 회절각

θ_d: 입사광의 회절광각

X₀: 1차 주요 최대점의 위치

d_min: 프라운호퍼(Fraunhofer) 회절을 만족하기 위하여 필요한 회절격자와 고체 촬상 소자 사이의 최소거리

d_s: d_min보다 작은, 회절격자에서 고체 촬상 소자 사이의 거리

d_f: 초점심도

n : 보조 위상격자의 개수

e^jφ/n: 자연지수함수로서 exp(jφ/n)와 동일한 표현

121, 122, 123 : 보조 위상격자의 길이

본 발명의 제1 측면에 따른 광 저대역 통과 필터는, 소정의 문턱 주파수보다 높은 공간 주파수 성분은 차단하거나 감쇠시키고 그 문턱 주파수보다 낮은 공간 주파수 성분은 통과시키는데, 0의 위상천이를 발생시키는 제1 주 위상회절격자와, 소정의 각의 위상천이를 발생시키는 제2 주 위상회절격자와, 그 제1 주 위상회절격자와 그 제2 주 위상회절격자 사이에 배치된 복수개의 보조 위상회절격자들을 포함한다.

본 발명의 제2 측면에 따른 광 저대역 통과 필터는, 소정의 문턱 주파수보다 높은 공간 주파수 성분은 차단하거나 감쇠시키고 그 문턱 주파수보다 낮은 공간 주파수 성분은 통과시키는데, 0의 위상천이를 발생시키는 복수개의 제1 주 위상회절격자들과, 그 제1 주 위상회절격자들 사이사이에 위치하고, 소정의 각의 위상천이를 발생시키는 복수개의 제2 주 위상회절격자들과, 그 각각의 제1 주 위상회절격자와 그 각각의 제2 주 위상회절격자 사이에 배치된 복수개의 보조 위상회절격자들을 포함한다.

본 발명의 제3 측면에 따른 광 저대역 통과 필터의 제1 주 위상회절격자들과 제2 주 위상회절격자들은 2차원 평면상에 가로축과 세로축으로 각각에 대하여 서로 번갈아 가며 규칙적으로 배열된다.

본 발명의 제4 측면에 따른 광 저대역 통과 필터의 복수개의 보조 위상회절격자들의 각각의 위상천이 값들은, 그 제2 주 위상회절격자의 위상천이 값을 그 복수개의 보조 위상회절격자의 개수보다 하나 더 많은 개수로 나눈 값만큼 씩 그 제1

주 위상회절격자로부터 그 제2 주 위상회절격자 쪽으로 순차적으로 증가한다.

본 발명의 제5 측면에 따른 광 저대역 통과 필터는, 그 제1 주 위상회절격자들과 그 제2 주 위상회절격자들과 그 복수개의 보조 위상회절격자들 아래에 배치된 투명한 격자기판을 더 포함한다.

본 발명의 1차원 회절격자의 광 전달 특성을 살펴보면, 도 2에서와 같이 격자면에 수직으로 입사한 평행광이 고체촬상소자면에 도달하면 -1차, 0차, +1차의 주요 최대점(Principal Maxima)을 갖으며 그 외의 지점에서는 광의 세기가 매우 작은 광 전달특성을 갖는다. 여기서, 0차 주요 최대점의 광의 세기를 α라고 하면 +1차와 -1차의 광은 각각 원점에서 X₀와 -X₀만큼 떨어진 곳에 위치하게 되며 이들의 세기는 (1-α)/2 이 된다. 주요 최대점 사이의 작은 값들은 주요 최대점의 값에 비하여 무시할 수 있는 값이다.

도 9는 본 발명에 따른 위상회절격자형 광 저대역 통과 필터의 격자구조의 1차원 단면도이다. 도 8A에 나타난 종래의 단면구조에서 회절위상각이 각기 0과 φ에 해당하는 주 위상회절격자(110, 130)의 천이부 사이에 복수개인 n개의 보조 위상회절격자(120)를 배치한다. 이 때 주 위상회절격자(110, 130)와 각 복수개의 보조 위상회절격자(120)에 의한 위상차는 0, φ/(n+1), 2φ/(n+1), 3φ/(n+1), …, nφ/(n+1), φ로 천이하게 되므로 상기 주 위상회절격자(110, 130)의 경계면에서 투과율의 급격한 변화량을 줄일 수 있다. 각각의 격자(110, 120, 130)는 격자기판(140) 위에 형성되어 있다.

도 10a 내지 도 10c는 본 발명에 따른 위상회절격자의 격자구조에 의하여 프레넬 회절의 개선 효과를 나타낸 단면도이다. 도 10a는 본 발명의 상기 복수개의 보조 위상회절격자(120)의 수가 3인 경우의 실시예의 효과를 보여주고 있다. 3개의 측면영역의 보조 위상회절격자(120)에 의한 위상천이는 각각 0, φ/4, 2φ/4, 3φ/4, φ가 되고, 이에 따른 격자기판의 경계면에 매우 인접한 곳에서의 투과율은 도 10b에 나타난 바와 같이 각각 1, exp(jφ/4), exp(j2φ/4), exp(j3φ/4), exp(jφ) 값을 갖는다. 투과광의 세기는 상기 투과율의 제곱에 비례하므로, 상기 투과율을 갖는 지점에서의 투과광의 세기는 도면에서 도시된 바와 같이 된다. 이웃한 격자간에 투과광의 위상 변화량이 jφ/4이므로 종래의 격자에서의 투과율(도 4b)에 비하여 변화량이 작고 결과적으로 상기 경계점에서의 위상 불연속에 의한 광 세기값의 변화량도 줄일 수 있게 된다. 격자기판(140)의 격자면에서는 도 10b에 나타난 경우보다 조금 멀리 떨어진 곳에서의 광의 세기의 분포함수가 도 10c에 도시된 바와 같이 투과광의 회절에 의하여 상기 경계면의 불연속 저점들이 좌우로 분산되므로 저점의 값은 증가하면서 평활해져서 완만한 형태를 가지게 된다. 경계면에서의 저점값과 평탄한 부분들의 빛의 세기의 차이가 해당 고체촬상소자의 광감지 범위 이하로 줄어들면 격자의 경계면에 의한 규칙적인 격자 무늬 잔상이 고체촬상소자의 최종 출력화면에서는 검출되지 않는다. 따라서, 본 발명의 실시예의 복수개의 보조 위상회절격자(120)에 의하여 프레넬(Fresnel) 회절에 의한 격자무늬 잔상을 제거하는 효과를 갖는다.

복수개의 위상회절 격자의 수가 많아지면 프레넬(fresnel) 회절에 의한 잔상을 줄일 수 있는 반면, 0와 φ의 주 위상회절 격자가 차지하는 면적의 비율이 감소하고 저대역 통과필터의 주파수 전달 특성이 나빠지게 되므로 n의 값을 최적하는 것이 필요하다. 상기 n값은 고체촬상소자의 수광소자의 반복배열 주기와 광학계의 필요 최대 F수에 따라 설계되어야 하는데, 본 발명의 발명자들의 컴퓨터 시뮬레이션과 실험결과에 의하면 상기 n값의 범위는 1에서 10 사이의 값이 바람직하다. 또한, 최적의 격자구조를 갖기 위해서는 보조 위상회절격자의 길이(121 내지 123)의 최적 설계가 필요하다. 상기 보조 위상회절격자(120)의 길이는 상기 보조격자의 개수 n값과 같이 고려되어서 정해야 하므로, 격자의 구조에 따른 프레넬 회절의 패턴을 컴퓨터 시뮬레이션을 통하여 계산하여야 한다.

도 11은 본 발명에 따른 위상회절격자를 사용했을 때의 F수 22에서의 출력영상을 나타낸 도면이다. 이는 실시예에서 제시한 4개의 보조측면 위상회절격자 구조를 채택한 디지털 카메라에서 F수 22일 때의 출력영상이다. 도 7B의 격자 줄무늬 잔상이 본 발명의 격자구조에서는 나타나지 않는 것을 알 수 있다.

본 발명에서는 고체촬상소자의 샘플링 공간 주파수의 절반인 이상적인 차단 주파수 보다 저주파 대역에서의 광입력은 전달하고, 차단 주파수보다 고주파 대역에서의 전달함수는 억제하는 특성을 갖는 위상회절격자형 광 저대역 통과 필터에서 격자면에서 화면까지의 거리를 줄여서 상기 광저대역 통과 필터를 고체촬상소자의 투명창 덮개로 이용할 수 있고, 조리개의 개방량이 작은 경우에도 회절격자의 격자무늬가 고체촬상소자에서 상이 맺히지 않도록 하는 위상회절격자의 구조를 제공하고자 한다.

본 발명의 실시에 의하여 고체촬상소자를 이용한 영상 시스템을 구현할 때 필수적인 종래의 광 저대역 통과 필터에 의한 조리개의 개방정도가 감소함에 따라서 특정 F수에서부터 격자의 줄무늬 잔상이 보이는 문제점을 해결할 수 있다. 또한, 본 발명의 실시에 의하여 격자면에서 화면까지의 거리를 가깝게 배치할 수 있어서 격자를 고체촬상소자의 투명창 덮개로 이용하여 고체촬상소자의 패키지와 광 저대역 통과 필터를 하나의 부품에 집적하기에 용이하여서 영상 시스템에서 광학계의 부피를 줄일 수 있는 장점이 있다.

Claims (5)

1. 소정의 문턱 주파수보다 높은 공간 주파수 성분은 차단하거나 감쇠시키고 상기 문턱 주파수보다 낮은 공간 주파수 성분은 통과시키는 광 저대역 통과 필터에 있어서,

   0의 위상천이를 발생시키는 제1 주 위상회절격자와,

   소정의 각의 위상천이를 발생시키는 제2 주 위상회절격자와,

   상기 제1 주 위상회절격자와 상기 제2 주 위상회절격자 사이에 배치된 복수개의 보조 위상회절격자들을 포함하는 것을 특징으로 하는 광 저대역 통과 필터.
2. 소정의 문턱 주파수보다 높은 공간 주파수 성분은 차단하거나 감쇠시키고 상기 문턱 주파수보다 낮은 공간 주파수 성분은 통과시키는 광 저대역 통과 필터에 있어서,

   0의 위상천이를 발생시키는 복수개의 제1 주 위상회절격자들과,

   상기 제1 주 위상회절격자들 사이사이에 위치하고, 소정의 각의 위상천이를 발생시키는 복수개의 제2 주 위상회절격자들과,

   상기 각각의 제1 주 위상회절격자와 상기 각각의 제2 주 위상회절격자 사이에 배치된 복수개의 보조 위상회절격자들을 포함하는 것을 특징으로 하는 광 저대역 통과 필터.
3. 제2 항에 있어서,

   상기 제1 주 위상회절격자들과 상기 제2 주 위상회절격자들은 2차원 평면상에 가로축과 세로축으로 각각에 대하여 서로 번갈아 가며 규칙적으로 배열되는 것을 특징으로 하는 광 저대역 통과 필터.
4. 제1 항 내지 제3 항 중 어느 한 항에 있어서,

   상기 복수개의 보조 위상회절격자들의 각각의 위상천이 값들은, 상기 제2 주 위상회절격자의 위상천이 값을 상기 복수개의 보조 위상회절격자의 개수보다 하나더 많은 개수로 나눈 값만큼씩 상기 제1 주 위상회절격자로부터 상기 제2 주 위상회절격자 쪽으로 순차적으로 증가하는 것을 특징으로 하는 광 저대역 통과 필터.
5. 제4 항에 있어서,

   상기 제1 주 위상회절격자들과 상기 제2 주 위상회절격자들과 상기 복수개의 보조 위상회절격자들 아래에 배치된 투명한 격자기판을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 광 저대역 통과 필터.