KR100446602B1 - 다채널음향광변조장치 - Google Patents

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Abstract

다채널 음향광 변조장치가 개시된다. 음향광학 매질요소와, 상호 다른 파장을 갖고 음향광학 매질요소에 입사되는 복수의 광빔 각각에 대한 회절제어를 위해 외부로부터 상호 분리된 채널을 통해 인가되는 전기적 신호를 분리 수용하여 각각 다른 주파수의 음향파를 상기 음향광학 매질요소에 인가할 수 있도록 상기 광빔의 진행경로 측면이 되는 상기 음향광학 매질요소의 일측에 설치된 다채널 전기-음향 변환기를 구비한다. 이러한 다채널 음향광 변조장치에 의하면 상호 파장을 달리하는 복수의 광빔에 대해 동일한 회절각도로의 출사를 위한 변조를 동시에 할 수있고, 그에 따라 상호 나란하게 출력되는 광빔들의 주사를 위한 광학계 구성을 단순하게 할 수 있어 레이저 프로젝터와 같은 대화면 디스플레이 장치의 구성을 보다 소형화하는데 기여하게 된다.

Description

다채널 음향광 변조장치
본 발명은 다채널 음향광 변조 장치에 관한 것으로서, 상세하게는 상호 다른주파수의 초음파를 음향광학 매질요소에 분리 인가할 수 있도록 하여 서로 다른 파장을 갖고 나란하게 입사되는 광빔들의 회절제어를 동시에 할 수 있는 다채널 음향광 변조 장치에 관한 것이다.
최근, 표시화면의 대형화 요구에 따라 기존의 영상 수단인 CRT 또는 LCD(Liquid Crystal Display)가 안고 있는 제작의 어려움과 낮은 해상도를 극복할 수 있는 다양한 영상장치가 검토되고 있다.
대형 화면을 위한 영상 장치로서 화상 정보가 실려 있는 레이저광을 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. 일반적으로, 레이저 프로젝터는 광원으로서 크세논(Xe) 램프, 헬륨-네온(He-Ne) 레이저, 아르곤(Ar) 레이저 등을 많이 사용한다. 그런데, 이들중에서 시스템의 간소화 측면을 고려하여 크립톤-아르곤(Kr-Ar) 레이저가 주목을 받는다.
이러한 레이저 프로젝터는 광 발생부, 광 변조부, 영상신호 발생부, 주사부 및 스크린부로 구성된다. 광 발생부에서 소정의 빔을 발생시키면, 발생된 빔은 광 변조부에 입사되고, 광 변조부는 영상 신호 발생부로부터 제공되는 영상 신호에 따라 입사된 빔을 변조시킨다. 여기서, 변조된 빔에는 화소(pixel) 단위의 정보가 실리게 된다. 이와 같이 변조된 빔을 주사부를 통하여 스크린부에 순차적으로 연속 주사시킴으로써 스크린부에 영상이 표시된다.
영상신호에 의해 레이버 빔을 변조하기 위해 사용되고 있는 광 변조부의 광변조 장치로서 음향광 변조 장치(acousto-optical modulator; AOM), 광전기 변조 장치(electro-optical modulator; EOM) 및 음향광 조절 필터(acousto-optic tunable filter; AOTF)가 있다. 그 중에서 구동회로가 간단하다는 장점을 갖는 음향광 변조 장치가 현재 가장 많이 사용되고 있다.
도 1은 선행 음향광 변조장치(AOM)의 구조를 나타내 보인 사시도이다.
도면에 도시된 음향광 변조 장치(10)는 음향광학 매질요소(11)와, 이 음향광학 매질요소(11) 상측에 부착된 전극(13)을 통해 외부 구동회로(15)로부터 인가되는 전기적 신호에 따라 음향 탄성파를 발생시키는 전기-음향 변조기(12)가 설치되어 있다. 레이저 광이 통과하는 입/출사면(11a, 11b)은 반사에 의한 손실을 투과 손실을 줄이기 위한 반사 방지막(11c,11d)이 형성되어 있다.
이러한 음향광 변조장치(10)는 음향광학 매질요소(11)에 소정 파장을 갖고 입사되는 광빔에 대해 구동회로(15)에 의한 RF신호 인가 유무에 따라 출사면(11b)에서도 입사방향을 그대로 따르는 0차 회절광 외에 0차회절광의 진행방향과 소정각도로 어긋나 출사되는 1차회절광의 발생과 그 회절량이 결정된다.
그러나, 종래의 음향광 변조장치(10)가 하나의 특정파장의 광빔에 대해서만 광의 변조가 이루어지도록 그 활용범위가 제한되어 있어, 컬러표시용 레이저 프로젝터에 적용되는 경우 파장을 달리하는 적, 녹, 청색의 광빔을 함께 변조할 수 없어 각각의 색을 담당하도록 제작된 음향광 변조장치(10)들을 독립적으로 설치해야 하기 때문에 설치에 필요한 점유공간이 넓어지고, 색상별 광신호들을 모아 주사부로 제공하기 위한 광학요소들이 추가됨으로써 전체부피가 커지고, 시스템이 복잡해지는 단점들이 있다.
본 발명은 상기의 문제점들을 개선하기 위하여 창안된 것으로서, 파장을 달리하는 광빔들을 하나의 변조장치를 통해 함께 변조할 수 있도록 하는 음향광 변조 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
도 1은 선행 음향광 변조장치의 구조를 나타내보인 사시도이고,
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 다채널 음향광 변조 장치를 나타내보인 사시도이고,
도 3은 도 2의 다채널 음향광 변조장치의 광변조원리를 설명하기 위한 측면도이다.
< 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 >
10: 음향광 변조장치 11, 21: 음향광학 매질요소
11a, 21a: 입사면 11b, 21b: 출사면
12: 전기-음향 변조기 13, 24, 25, 26: 전극
15, 27, 28, 29: 구동회로 20: 다채널 음향광 변조장치
22: 다채널 전기-음향 변조기 23: 음향매질요소
23a: 접촉층
상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 음향광 변조 장치는 음향광학 매질요소와; 상호 다른 파장을 갖고 상기 음향광학 매질요소에 입사되는 복수의 광빔에 대해 상기 광빔 각각에 대한 회절제어를 위해 외부로부터 상호 분리된 채널을 통해 인가되는 전기적 신호를 분리 수용하여 각각 다른 주파수의 음향파를 상기 음향광학 매질요소에 인가할 수 있도록 상기 광빔의 진행경로 측면이 되는 상기 음향광학 매질요소의 일측에 설치된 다채널 전기-음향 변환기;를 포함한다.
바람직하게는 상기 다채널 전기-음향 변환기는 상기 음향광학 매질요소에 부착되어 인가된 전기적 신호에 의해 음향파를 발생하는 소재로 된 음향매질요소와; 상기 음향매질요소의 상기 음향광학 매질요소와 대하는 맞은편에 외부로부터 채널별로 분리 인가되는 전기적 신호를 각각 수용하기 위해 일정거리를 두고 마련된 전극들;을 구비하고, 상기 전극 각각에서 상기 음향광학 매질요소까지의 거리에 해당하는 상기 음향매질요소의 두께는 상호 다른 값을 갖는다.
또한, 상기 전극 각각에서의 상기 음향매질요소의 두께차이는 상기 음향광학매질요소에 적, 녹, 청색의 상호 다른 파장을 갖는 3개 색상의 광빔이 동일한 입사각으로 나란하게 입사될 때 각 색상의 1차 회절광이 상호 동일한 출사각으로 나란하게 출사되며 동시에 최대 회절효율을 얻도록 결정된 3개의 상호 다른 음향파의 주파수 생성에 맞도록 각각 결정된다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 음향광 변조 장치를 보다 상세히 설명한다.
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 음향광 변조 장치를 나타내보인 사시도이다.
도면을 참조하면, 음향광 변조장치(20)는 음향광학 매질요소(21)와, 그 상측에 마련된 다채널 전기-음향 변조기(21)를 갖는다.
상기 음향광학 매질요소(21)의 재료로는 용융 석영, PbMoO4, TeO2, Te 유리 및 중(重)플린트(Schwer-Flint) 유리(SF4) 등이 있다. 이들중에서 PbMoO4나 TeO2결정 재료는 비교적 고주파용이고, 유리 재료는 가격은 저렴하지만 고주파에서 전파 손실이 크기 때문에 주로 저주파용으로 사용된다.
음향광학 매질요소(21)의 재료로서 TeO2단결정이 사용된 경우에는, 레이저 광의 입, 출사면(21a, 21b)에서 TeO2단결정 매질 내의 흡수 및 표면에서의 반사 등에 의해 레이저 광의 투과에 있어서 약 25% 이상의 감소를 야기한다. 이러한 광 투과손실을 고려하여 TeO2단결정을 음양광학 매질요소(21)의 구성 재료로서 사용하는경우에는 레이저 광의 출력 파워의 효율을 높이기 위하여 반사 방지막(미도시)을 입 출사면(21a, 21b)에 코팅한다. 이러한 반사방지막은 TeO2단결정외에 음양광학 매질요소(21)의 구성 재료로서 적용될 수 있는 타재료에 대해서도 필요에 따라 적용된다.
다채널 전기-음향 변조기(22)는 음향광학 매질요소(21)에 음향파를 인가하는 매체가되는 음향매질요소(23)와, 상기 음향매질요소(23) 상면에 일정간격으로 채널별로 이격 배치된 3개의 전극(24)(25)(26)이 마련되어 있다.
음향매질요소(23)는 전기적 신호인가에 의해 소망하는 주파수의 음향파를 발생시켜 음향광학 매질요소(21)에 인가할 수 있는 소재가 적용되는 데 바람직하게는 압전소재(piezoeoectric material) 예컨데, LiNbO3, 석영(quartz), PZT등이 적용된다.
음향매질요소(23)와 음향광학 매질요소(21)의 접착되는 부분에 도전성 물질로 된 접착층(23a)을 갖는다.
음향매질요소(23)의 두께(t)는 채널별 전극(24)(25)(26) 설치영역에서 발생시켜야할 음향파의 주파수에 따라 결정되는데 제조상의 용이성과 그 이용을 함께 고려하면 설정된 채널수에 대응하여 결정된 두께들을 포함하는 범위에서 점진적으로 두께가 증가하는 경사진 형상을 사용하면, 해당 두께부분에 전극(24)(25)(26)을 설치함에 의해 제작이 간단해지는 장점이 있다.
채널별 구동회로(27)(28)(29) 각각은 음향매질요소(23) 상측에 마련된전극(24)(25)(26)과, 그에 대응하는 하부의 접촉층(23a)과 접속되어 있다.
이러한 다채널 음향광 변조장치가 파장이 다른 광빔을 변조하는 과정을 도 2 및 도 3을 함께 참조하면서 설명한다.
입사되는 광빔의 변조원리를 먼저, 하나의 광빔 예컨데, 청색광빔에 대해 살펴볼 경우 그 구동회로(29)에서 전극(26)을 통해 인가되는 RF(radio frequency) 신호에 따라서 음향매질요소(23)를 통해 음향광학 매질요소(21) 내에 음향파에 의한 에너지가 전달된다. 이때 음향광학 매질요소(21) 내에는 격자역활을 하는 초음파(acoustic wave)면(21c)을 발생시켜 입사된 광의 일부를 회절시킴으로써 1차회절빔을 포함하는 광빔이 출사면(21b)을 통해 출력된다. 만약, 구동회로(29)가 구동되지 않을 경우에는 회절되지 않은 0차회절빔만 출력된다.
여기서, 1차회절빔에 적용되는 브래그조건(Bragg's condition)은 다음의 수수학식 1과 같다.
Figure pat00001
수학식1 중 λ는 음향광학 매질요소(21) 내에서의 광의 파장이고, f는 초음파의 주파수이고, V는 음향광학 매질요소내에서의 음파속도이다. 이러한 수학식1은 타 파장의 광빔에 대해서도 적용된다.
수학식 1에서 알수 있는 바와 같이 초음파면(21c)에 대해 파장을 달리하여 입사되는 광빔 각각이 동일한 각도에서 그 1차회절광빔이 출사되도록 하기 위해서는 초음파의 주파수(f)가 그에 대응하여 바뀌어야 한다.
따라서, 동일한 각도로 나란하게 입사되는 적(R), 녹(G), 청색(B)의 광빔에 대해 그 1차 회절빔이 상호 동일한 회절각도(θB)에서 출사되도록 제어하기 위해서는 각 색상 광빔의 파장 차이에 대응하여 음향광학 매질요소(21)에 인가되는 초음파의 주파수(f)도 달리 조절되어야 한다. 이를 위해 수학식 1을 이용하여 입사되는 적, 녹, 청색 광빔의 파장이 각각 647nm(nano meter), 514nm, 488nm으로 선택된 경우 세 파장의 빔에 대해 동일한 회절각도(θB)로 출사되는 1차 회절빔을 얻기 위해 적색 광빔의 회절제어를 위해 적용된 초음파의 주파수가 150MHz(mega hertz)로 적용된 경우, 녹색 광빔에 대해서는 계산에 의해 188.81MHz, 청색 광빔에 대해서는 198.87MHz의 주파수의 각각 적용되어야 한다.
여기서, 상호 다른 파장을 갖는 각 색상의 광빔에 대해 동일한 회절각도를 얻기 위해 상호 달리 인가될 초음파의 설정 주파수 각각에 따라 압전소재가 적용되는 음향매질요소(23)를 구동하기 위해서는 그 두께가 아래의 수학식2에 의해 조절된다.
Figure pat00002
수학식2에서 t는 음향매질요소(23)의 두께이고, V는 음향광학 매질요소(21)내에서의 음파속도이다. 그리고, f0는 음향 매질요소(23)에 적용된 소재와 음항광학매질요소(21)에 음향매질요소를 접착하기 위해 사용되는 물질의 종류 및 그 두께에 의해 결정되는 소정의 비례상수값에 인가할 초음파 주파수가 곱해져 얻어지는 주파수값이다. 따라서, 상호 다를 주파수로 구동되어 그 발생 초음파의 주파수(f)를 달리하기 위한 음향 매질요소(21)의 두께는 수학식2에 따라 달리 조정된다.
이러한 조건을 만족시키도록 적, 녹, 청색의 광빔에 대해 동일 회절각도로 그 1차 회절빔이 출사되도록 하기 위해 점진적으로 그 두께를 달리하는 음향매질요소(23)상의 결정된 두께(t1, t2, t3)에 해당하는 영역에 형성된 3개의 전극(24)(25)(26)과, 접촉층(23a)을 통해 독립적 채널을 형성하는 구동회로들(27)(28)(29)에 의한 구동에 의해 3개 색상의 광빔이 동시 변조된다.
본 발명에 따른 다채널 음향광 변조장치에 의하면 상호 파장을 달리하는 복수의 광빔에 대해 동일한 회절각도로의 출사를 위한 변조를 동시에 할 수있고, 그에 따라 상호 나란하게 출력되는 광빔들의 주사를 위한 광학계 구성이 단순해져 레이저 프로젝터와 같은 대화면 디스플레이 장치의 구성을 보다 소형화하는데 기여하게 된다.

Claims (7)

  1. 음향광학 매질요소와;
    상호 다른 파장을 갖고 상기 음향광학 매질요소에 입사되는 복수의 광빔에 대해 상기 광빔 각각에 대한 회절제어를 위해 외부로부터 상호 분리된 채널을 통해 인가되는 전기적 신호를 분리 수용하여 각각 다른 주파수의 음향파를 상기 음향광학 매질요소에 인가할 수 있도록 상기 광빔의 진행경로 측면이 되는 상기 음향광학 매질요소의 일측에 설치된 다채널 전기-음향 변환기;를 구비하며,
    상기 다채널 전기-음향 변환기는
    상기 음향광학 매질요소에 부착되어 인가된 전기적 신호에 의해 음향파를 발생하는 소재로 된 음향매질요소와;
    상기 음향매질요소의 상기 음향광학 매질요소와 대하는 맞은편에 외부로부터 채널별로 분리 인가되는 전기적 신호를 각각 수용하기 위해 일정거리를 두고 마련된 전극들;을 구비하고,
    상기 전극 각각에서 상기 음향광학 매질요소까지의 거리에 해당하는 상기 음향매질요소의 두께는 상호 다른 것을 특징으로 하는 다채널 음향광 변조장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 음향매질 요소는 상기 두께가 점진적으로 변하는 경사를 갖는 형상으로 된 것을 특징으로 하는 다채널 음향광 변조장치.
  3. 제1항에 있어서, 상기 전극들은 적, 녹 , 청색의 광빔에 각각 대응하는 3개인 것을 특징으로 하는 다채널 음향광 변조장치.
  4. 제1항에 있어서, 상기 전극 각각에서의 상기 음향매질요소의 두께차이는 상기 음향광학 매질요소에 적, 녹, 청색의 상호 다른 파장을 갖는 3개 색상의 광빔이 동일한 입사각으로 나란하게 입사될 때 각 색상의 1차 회절광이 상호 동일한 출사각으로 나란하게 출사될 수 있도록 결정된 3개의 상호 다른 음향파의 주파수 생성에 맞도록 각각 결정된 것을 특징으로 하는 다채널 음향광 변조장치.
  5. 제1항에 있어서, 상기 음양광학 매질요소는 TeO2로 조성된 것을 특징으로 하는 다채널 음향광 변조장치.
  6. 제1항에 있어서, 상기 음향매질 요소는 압전소재로 조성된 것을 특징으로 하는 다채널 음향광 변조장치.
  7. 제6항에 있어서, 상기 압전소재는 LiNbO3인 것을 특징으로 하는 다채널 음향광 변조장치.
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