KR100654004B1

KR100654004B1 - 광선 편향기 및 스캐너

Info

Publication number: KR100654004B1
Application number: KR1020017002393A
Authority: KR
Inventors: 틴 엠 에이; 가젠드라 디 사반트
Original assignee: 피지컬 옵틱스 코포레이션
Priority date: 1998-08-24
Filing date: 1999-08-24
Publication date: 2006-12-04
Also published as: DE69915648D1; DE69915648T2; EP1105771B1; EP1105771A4; KR20010072956A; CN1320223A; US6169594B1; JP2002523802A; CN1124512C; WO2000011515A1; CA2341424C; CA2341424A1; EP1105771A1; TW432223B

Abstract

본 발명에 따른 광선 편향기(40)는 한 쌍의 결합된 마이크로프리즘 어레이(42,48)로 구성되는데 어레이 중 하나는 장에 감응하여 선택적으로 바뀔 수 있는 가변 굴절률 물질(48)로 이루어지고 상기 장의 크기 또는 세기는 공급되는 전압을 조절함으로써 통제된다. 다른 어레이(42)는 일정한 굴절률을 가지는 재료로 구성된다. 전도층(102,104, 82)은 가변 굴절률 어레이의 양쪽 면에 배치된다. 패널(68.70)은 어레이 앞쪽과 뒤쪽에 배치되는 것이 선호된다. 두 쌍의 어레이는 2차원 편향기를 직각으로 형성하는 마이크로프리즘과 서로 평행하게 배치될 수 있다. 100 마이크로세컨드보다 빠른 편향 반응 시간을 달성하기 위해서, 각각의 프리즘은 약 20 마이크로미터보다 길지 않은 높이와 약 100 마이크로미터보다 넓지 않은 너비를 가진다. 유리하게도, 각각의 프리즘 높이는 30 마이크로세컨드보다 빠른 반응 시간을 달성하기 위해서 약 15 내지 10 마이크로미터 이하이다. 편향기를 만드는 방법은 10 마이크로미터 이하의 높이를 가지는 어레이를 복제하기 위한 마스터를 만들도록 직접-묘화 전자 광선 리소그래피를 사용하는 것을 포함한다. 한 쌍의 편향기는 2차원에서 광선을 편향하는데 사용될 수 있고 스캐너에서 사용될 수 있다. 광선이 레이저일 때, 편향기는 레이저 영상 레이더 조립체에서 사용될 수 있다. 상기 스캐너와 레이저 영상 레이더 조립체는 스캔하는 동안 편향기를 움직이지 않으면서도 일정 대상물 또는 영역을 빠르게 스캔한다.

Description

광선 편향기 및 스캐너{BEAM DEFLECTOR AND SCANNER}

본 발명은 전자기 에너지 광선을 편향시키기 위한 광선 편향기에 관한 발명으로서, 특히, (1) 어레이로부터 이격된 대상물을 광선으로 스캔하는데 사용하기 위해 광선의 각도를 선택적으로 바꿀 수 있는 한 쌍 이상의 마이크로프리즘 어레이를 포함하는 광선 편향기, (2) 이러한 광선 편향기를 만드는 방법 및, (3) 레이저 레이더 또는 그외 다른 스캔 및 이미징 장치 등에 사용하기 위한, 1차원, 2차원 또는 3차원의 스캔을 구현할 수 있는 광선 편향기를 사용한 스캐너에 관한 것이다.

과거에, 어레이를 통과하는 광선의 각도를 선택적으로 바꾸기 위해서 마이크로프리즘 어레이를 사용하는 것은 공지되어 있었다. 이런 종류의 한 가지 어레이는 "Free-space optical interconnections with liquid-crystal microprism arrays", Katsuhiko Hirabayashi, Tsuyoshi Yammamoto, Masayasu Yamaguchi, Vol.34, No.14, Applied Optics, 10, May 1995의 논문에 개시되어 있다. 그러나, 전술한 어레이의 한 가지 단점은 사용되는 마이크로프리즘의 크기가 너무 크고, 이것을 통과하는 광의 각도를 바꾸기 위해서 어레이가 반응하는 속도가 제한된다는 점이다. 또다른 단점은, 어레이를 통과하는 광선이, 약 100미크론인 마이크로프리즘 중 하나의 크기보다 작은 직경을 가져야 한다는 것이다. 이에 따라, 넓은 영역을 일그러짐 없이 스캔하는데 사용함에 있어 제한을 받게 된다. 또, 큰 직경의 광선을 사용할 때, 상기 어레이는 이미지나 물체 스캐너에 사용하기 부적합하다. 왜냐하면, 해상도가 매우 불량하기 때문이다. 결과적으로, 전술한 어레이는 광학 상호 연결부 및 광학 스위치와 같은 상업적인 장치의 구성에 실용적이지 못하다. 왜냐하면 이러한 장치들은 상기 어레이가 제공하는 것보다 훨씬 빠른 스위칭 속도를 필요로 하기 때문이다. 어레이의 스위칭 속도가 비교적 느리기 때문에, 그리고 사용되는 마이크로프리즘의 크기(즉, 피치)가 커서 해상도가 불량하기 때문에, (1) 상기 어레이로부터 이격된 물체가 광선으로 스캔되는 경우, 또는 (2) 상기 어레이로부터 이격된 광원이나 물체로부터의 광이 스캔되는 경우, 상기 어레이가 스캐닝 장치에 사용될 수 없다.

과거에, 스캐너는 광원으로부터 방출되는 광선의 위치를 설정하기 위해서 빠르고 정확하게 거울을 움직이거나 진동하는 거울 및 모터로 구성되었다. 그러나 이런 기계 장치의 스캐닝 속도는 기대에 미치지 못한다. 왜냐하면, 각각의 움직이는 물체의 관성에 의해 스캐닝 속도가 저하되기 때문이다.

최근에, 광선의 스캔을 빠르고 정확하게 조종해야 한다는 필요성에 따라, 기계적 요소들의 움직임을 최소한으로 유지시켜 회전 및 병진 관성이 작아진 광학 시스템이 개발되고 있다. 이런 예는 집적 회로 기술을 기초로 한 변형 가능한 거울 어레이, 상보적인 짝을 이룬 마이크로 렌즈 어레이의 기계적 운동을 기초로 한 이중 광학 마이크로렌즈, 액정 상태의 격자 부분을 이용한 회절을 기초로 한 액정 스캐너 및, 입체 영상 판(holographic plate)을 기초로 한 원추형 광선 스캐너 및 컬렉터(collector)를 포함한다.

불행하게도, 전술한 모든 방법은 여러 가지 단점과 한계를 가진다. 예를 들어, 변형 가능한 거울 스캐너는 제조 비용이 많이 들고, 구경이 작고 스캔 속도가 느리며, 특히 1차원만 스캔이 가능하다. 이중 광학 마이크로렌즈 어레이는 수용 가능한 광선 시준 품질을 구현하기 위해 특별한 비구면 렌즈 구조와 비-평면 운동을 필요로 한다. 또한, 이중 광학 마이크로렌즈 어레이는 비-평면 운동을 위해 복잡한 고압(즉, 전압이 높은), 대형(즉, 부피가 큰) 압전 기계 드라이버를 필요로 하고, 비교적 낮은 킬로헤르츠 스캔 속도로 제한된다. 액정 회절에 기초한 액정 스캐너는 실험적 장비에 지나지 않으며, 회절각이 작고 노이즈가 다량 발생한다. 입체 영상 판에 기초한 원추형 광선 스캐너 및 컬렉터는 광선이 원추의 표면을 따라서만 방출되기 때문에 1차원 원추형 스캐닝만으로 제한된다. 따라서, 입체 영상 광학 소자들의 동평면 회전을 요구하게 된다.

장치를 움직이지 않으면서 광의 방향을 효과적으로 바꿀 수 있는 장치가 필요하다. 또한, 상용 장비에 적합할만큼 충분히 빠르게, 광선 왜곡없이 긴 직경을 가지는 물체로부터 광선의 방향을 바꿀 수 있는 마이크로프리즘 어레이가 필요하다. 또, 광원으로부터의 광뿐만 아니라, 물체로부터 반사되는 광을 이용하여 스캔하는 스캐너에 사용될 수 있는 광선 편향기가 또한 필요하다. 마이크로프리즘 어레이로부터 이격된 물체를 스캔하는 광원을 이용하는 스캐너에 사용하기 적합한 마이크로프리즘 어레이가 또한 필요하다. 2차원 스캔 또는 3차원 스캔이 가능한 스캐너에 사용될 수 있는 마이크로프리즘 어레이가 또한 필요하다. 소정의 영역, 이미지, 망막, 그리고 그외 다른 스캔가능한 물체를 스캔하는 데 사용될 수 있으면서 이동 부분을 가지지 않는 스캐너가 또한 필요하다.

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*본 발명에 따른 광선 편향기는, 일정하게 유지되는 굴절률을 가지는 재료로 만들어진 하나의 어레이와, 선택적으로 바뀔 수 있는 굴절률을 가지는 재료로 만들어진 다른 어레이를 가지는 한 쌍의 결합된 프리즘 어레이를 포함한다. 조작하는 동안, 광선이 광선 편향기를 통과할 때 편향되는 각을 제어하기 위해서 가변 굴절률 재료로 만들어진 어레이에 전기장 또는 자기장이 선택적으로 공급된다. 이 장의 세기, 전속(또는 자속), 전속 밀도(또는 자속 밀도)는 광선 편향기의 단자에 선택적으로 전압을 공급함으로써 제어된다. 장의 전속선(또는 자속선)은 가변 굴절률 프리즘의 길이와 평행하게 뻗어간다. 상기 광선 편향기는 조작하는 동안 움직이지 않는 것이 바람직하다.
각각의 어레이는 소정의 높이, 너비, 그리고 이 높이나 너비보다 긴 길이를 가지는 프리즘을 포함한다. 각각의 프리즘은 직각 삼각형을 포함한 삼각형의 횡단면을 가진다. 각 프리즘은 입사되는 광선을 향하여 배치된 면, 프리즘을 통과한 후에 광선이 방출되는 면, 그리고 측벽 면을 포함한다. 장의 존재 여부 또는 장의 변화에 빠르게 반응하도록, 가변 굴절률 프리즘은 약 20㎛보다 작은 높이를 가지며, 따라서 이 프리즘은 약 100㎲ 내에서 반응하는 마이크로프리즘이다. 다른 선호되는 실시예에서 30㎲ 미만의 빠른 응답을 위해 15㎛ 미만, 또는 10㎛ 미만의 짧은 프리즘 높이가 선호된다. 가변 굴절률 프리즘은 약 10°내지 60° 범위의 정점 각을 가지며, 0.15-0.3 범위에서 바뀌는 굴절률, 일반적으로 약 0.2의 굴절률을 가져서 30도 이상의 각도로 광선을 편향시킨다. 굴절률은 선택적으로 변하므로 광선은 약 0.5밀리라디안의 각 해상도 내에서 정확하게 편향될 수 있다. 가변 굴절률 프리즘의 굴절률은 선택적으로 바뀔 수 있어서, 일정 굴절률 프리즘의 굴절률과 일치할 수도 있고, 이때는 광선이 편향되지 않는다. 각각의 가변 굴절률 프리즘은 네마틱 액정 재료 또는 강유전성 크리스털 재료인 액정 재료로 만들어진다.

각각의 어레이는 다수의 마이크로프리즘 쌍으로 구성되며, 이때, 한 어레이의 마이크로프리즘들은 타 어레이의 인접 마이크로프리즘들 간의 틈 사이에 수용된다. 이에 따라, 결합된 어레이들은 장방형의 단면을 가지게 된다. 가변 굴절률 마이크로프리즘으로 구성된 어레이는, 광선이 일정 굴절률 마이크로프리즘의 어레이를 통과하기 전에 가변 굴절률 마이크로프리즘의 어레이를 통과하도록 배치된다.

결합된 어레이는 1차원에서 광선을 편향할 수 있는 광선 편향기로서 작동가능한 셀 또는 패널 조립체를 형성하는 가변 굴절률 프리즘의 각 측면에 전기 전도층을 가지는 한 쌍의 패널 사이에 배치된다. 상기 패널 사이에 스페이서가 배치되어 어레이의 둘레를 따라 뻗어간다. 각각의 패널과 각 전도 물질 층은 광 통과시 광선 흡수를 최소화시키도록 광선의 파장에 대해 투과성이다. 각각의 패널은 마이크로프리즘 어레이 중 하나가 부착되는 기판으로서 사용될 수 있다.

필요하다면, 하나의 전도층이 마이크로프리즘 어레이 사이에 배치될 수 있다. 이런 배치는 각각의 가변 굴절률 마이크로프리즘을 통해 불균일한 장을 제공하며, 이에 따라 정점 각이 효과적으로 증가되어, 최대 편향 각을 증가시키게 된다.

또다른 선호되는 실시예에서, 가변 굴절률 마이크로프리즘 어레이가 일정 굴절률 마이크로프리즘들의 한 쌍의 어레이 사이에 샌드위치 구조로 삽입되어, 가변 굴절률 마이크로프리즘들의 최대 정점 각을 증가시킬 수 있다. 바람직하다면, 가변 굴절률 프리즘의 어레이는, 각각의 프리즘이 등각 또는 등변 삼각형 횡단면을 가지도록 한 쌍의 결합된 프리즘 어레이일 수 있다.

바람직한 방향으로 가변 굴절률 마이크로프리즘의 분자를 정렬하도록 마이크로프리즘의 길이 방향과 평행하게 또는 직각으로 마찰될 수 있는 가변 굴절률 마이크로프리즘 어레이와 가변 굴절률 마이크로프리즘 어레이에 인접한 패널 사이에 정렬 층이 배치된다. 이 분자들을 정렬하기 위해서, 가변 굴절률 마이크로프리즘에 인접하여 배치된 일정 굴절률 마이크로프리즘의 각 표면은, 가변 굴절률 마이크로프리즘의 길이 방향과 평행하게 또는 직각으로 마찰될 수도 있다.

회절 노이즈를 최소화하거나 방지하기 위해서, 포지티브 마이크로렌즈 어레이가 패널 조립체 앞쪽에 배치되고 네거티브 마이크로렌즈 어레이는 패널 조립체 뒤쪽에 배치될 수 있다. 또다른 선호되는 실시예에서, 네거티브 마이크로렌즈 어레이는 포지티브 마이크로렌즈 어레이와 패널 조립체 사이에 배치될 수 있다. 또다른 선호되는 실시예에서, 프리즘의 너비는 불규칙적인 반복되는 시퀀스에 의해 바뀔 수 있고, 이때, 단일 시퀀스의 너비 합계는 광선의 파장보다 길다. 너비의 합이 광선 파장의 100배 이상인 것이 선호된다.

패널 조립체의 온도를 요망 범위 내로 유지하기 위해서 온도 제어기가 사용될 수 있다. 이러한 온도 제어기는 바람직한 온도 범위 내로 유지되도록 감지된 온도에 따라 패널 조립체를 가열하는 가열기를 포함할 수 있다. 이러한 온도 제어기 중 또다른 종류는 온도로 인한 굴절률의 변화를 보상하도록 감지된 온도에 따라 전압을 제어한다.

셀 또는 패널 조립체를 제작할 때, 마이크로프리즘 어레이 중 하나(특히 일정 굴절률 마이크로프리즘 어레이)를 복제하기 위한 마스터는 요망하는 3차원 마스터 형태를 만들기 위해서 마스터의 기판에 배치된 에칭-저항 물질을 에칭하는 광선을 사용해 제작된다. 이 광선은 이온 광선인 것이 바람직하다. 왜냐하면 이온 광선은 빠른 반응 시간 구현에 필요한 충분히 작은 마이크로프리즘을 생성하기에 충분히 작은 높이를 가지는 에칭-저항 물질의 밸리(valley)를 에칭할 수 있기 때문이다. 에칭-저항 물질은, 광선이 입사되었을 때 에칭되어 분리될 수 있는 폴리메틸 메타아크릴레이트와 같은, 전자(electron)-광선 저항 물질이나 이온-광선 저항 물질이 선호된다. 마스터는, 복제하고자 하는 마이크로프리즘 어레이에 대해 상보적인 3차원 형태를 만들기에 충분한 시간동안 요망 강도로 레지스트 코팅을 선택적으로 비추는 직접-묘화 전자 광선 리소그래피(direct-write electron beam lithography)를 이용하여 제작된다. 마스터는 서브마스터(submasters)들을 제작하는 데 사용될 수 있다. 서브마스터들은 여러개를 함께 모아 더 큰 마스터를 제작할 수도 있고, 또는, 마이크로프리즘 어레이를 복제함에 있어 마스터로 사용될 수도 있다. (주: 서브마스터란 마스터(즉, 원판)와 모양 및 기능이 동일한 여벌의 마스터(원판)에 해당하는 것으로서, 그 기능은 위에 제시한 바와 같다)

일정 굴절률 마이크로프리즘 어레이를 복제할 때, 패널과 마스터 사이에 경화제를 공급한다. 이 경화제는, 마스터의 모든 바깥쪽 면을 덮고 패널이나 패널의 코팅과 접촉할 때까지, 융기부 사이의 마스터에 형성된 밸리 안으로 흘러들어간다. 상기 경화제는 그 후에 자외선이나 그외 다른 경화 방법에 의해 경화된다. 선호되는 경화제로는 광학 에폭시 등이 있다.

형성된 마이크로프리즘 어레이는 그 위에 배치된 다른 패널과 함께 진공 오븐 안에 배치되고, 형성된 마이크로프리즘 어레이와 상기 다른 패널 사이에 가변 굴절률 물질을 흡입하기 위해 진공이 이용된다. 가변 굴절률 물질은 액체 또는 유체 형태이다. 형성된 마이크로프리즘 어레이와 상기 다른 패널 사이의 씨일 사이에서 가변 굴절률 물질을 흡입하기 위해 진공이 이용되는 것이 바람직하다. 그 후에, 완성된 패널 조립체를 제거하고자 진공이 파괴되기 전에 일정 굴절률 물질이 요망 온도로 가열된다.

패널 조립체 중 두 개는 2차원 광선 편향기를 형성하는데 사용될 수 있다. (1) 패널 조립체 중 하나의 일정 굴절률 프리즘은 패널 조립체 중 다른 하나의 일정 굴절률 프리즘과 직각으로 놓이고, (2) 패널 조립체 중 하나의 가변 굴절률 프리즘은 패널 조립체 중 다른 하나의 가변 굴절률 프리즘과 직각으로 놓이도록, 상기 패널 조립체 중 두개가 배향된다. 직각으로 정렬된 꼬여있는 네마틱(twisted nematic) 액정 판인 편광기가 패널 조립체들 사이에 배치된다. 상기 편광기는 패널 조립체 중 하나 또는 둘에 대해 직각으로 정렬된다.

디지털 제어 회로는 두 방향(즉, 2차원)으로 광선 스캔을 행하도록 두 패널 조립체를 제어하는데 사용될 수 있다. 이에 따라, 2차원 광선 편향기가 2차원 스캐너의 일부를 구성할 수 있다. 상기 디지털 제어 회로는 한 쌍의 드라이버에 데이터를 제공하는 한개 이상의 조사표의 이용을 조율하는 소프트웨어를 구비한 컴퓨터를 포함하는 것이 바람직하며, 이에 따라, 드라이버 중 하나는 한 방향으로 요망 각도로 광선을 편향시키는 데 필요한 패널 조립체들 중 하나로 전압을 출력하고, 드라이버 중 다른 하나는 또다른 방향으로 요망 각도로 광선을 편향시키는 데 필요한 패널 조립체들 중 다른 하나로 전압을 출력한다.

한 가지 선호되는 스캐너 조립체에서, 광선 이미터(beam emitter)는 광선을 방출하고, 이 광선은 광선 편향기를 통과하여 이 편향기로부터 이격된 물체를 스캔하게 된다. 이 물체로부터 반사된 한개 이상의 광선이 역방향으로 편향기를 통과하며, 이 반사된 광선들은 검출기에 들어가게 된다. 검출기는 반사된 광선을, 컴퓨터 등에 의해 분석가능한 신호로 처리한다.

광선 편향기가 2차원 광선 편향기인 경우, 광선은 물체와, 물체 주변 영역을 수평으로 그리고 수직으로 스캔할 수 있다. 이러한 방식으로, 광선이 레이저 광선일 경우, 광선 편향기는 영역을 스캔하기 위한 레이저 이미징 레이더 스캐너의 일부분으로 사용될 수 있다.

2차원 광선 편향기는 스캔하는 동안 편향기를 움직이지 않으면서 약 100㎲보다 느리지 않게 30°X 30°로 스캔할 수 있다. 스캐너는 적어도 약 10킬로헤르츠의 프레임 속도로 장 내부에서 한 영역을 반복적으로 스캔할 수 있다.

본 발명에 따른 광선 편향기의 목적, 특징 및 장점은 : 어떠한 움직이는 부분도 사용하지 않는 완전 고체-상태의 구조물로 구성되고; 조작하는 동안 움직일 필요가 없어서 주기적으로 재정렬하지 않아도 되며; 30㎲보다 빠르게 유입 방향에 대해 30°이상의 각도로 광선을 편향할 수 있고; 경량이며; 옥외 및 극단적인 환경에서 작동할 수 있고; 소형, 경량, 모듈형, 일체형, 그리고 모놀리식 구조로 형성될 수 있으며; 1, 2, 3차원 스캐너를 형성할 수 있고; 다용도로 이용할 수 있으며; 빠르고 적은 비용으로 제작될 수 있고; 대량 생산될 수 있다는 것이다.

본 발명의 다른 목적, 특징 및 장점은, 상세한 설명 및 첨부 도면으로부터 당해 업자들이 분명히 이해할 것이다. 그러나 상세한 설명과 첨부 도면은, 본 발 명의 선호되는 실시예를 나타내지만, 예시에 불과한 것으로 본 발명을 제한하지 않는다. 본 발명의 범위에서 벗어나지 않으면서 다양하게 바꾸고 수정할 수 있으며 본 발명은 이런 모든 수정을 포함한다.

본 발명의 선호되는 실시예는 첨부 도면에 나타나 있고 이 도면에서 동일한 부호 번호는 동일한 부분을 나타낸다:

도 1 은 본 발명에 따른 사각형 또는 직사각형의 광선 편향기를 나타낸 정면도;

도 2 는 패널 조립체를 통과할 때 선택적으로 전자기 에너지 광선을 편향하기 위한 가변 굴절률을 가지는 재료로 이루어진 프리즘 어레이와 결합된 마이크로프리즘 어레이로 구성된 1차원 광선 편향기 셀 또는 패널 조립체의 측면도;

도 3 은 패널 조립체의 반쪽 부분을 나타낸 배면도;

도 4 는 패널 조립체의 반쪽 부분을 나타낸 정면도;

도 5 는 선호되는 광선 편향기 패널 조립체의 횡단면도;

도 6 은 다른 선호되는 광선 편향기 패널 조립체의 횡단면도;

도 7 은 패널 조립체에 적용되는 전압에 대한 패널 조립체를 통과하는 광선의 편향 각도를 나타낸 그래프;

도 8 은 선호되는 광선 편향기 패널 조립체의 횡단면도;

도 9 는 패널 조립체의 온도를 보정하기 위한 한 가지 선호되는 배치를 나타낸 도면;

도 10 은 광선 편향기를 통과하는 광선에 의해 발생되는 회절 노이즈를 줄이거나 방지하는 한 쌍의 마이크로 렌즈 어레이의 사용을 나타낸 도면;

도 11 은 광선 회절 노이즈를 줄이거나 방지하기 위한 마이크로렌즈 어레이의 선호되는 제 2 배치를 나타낸 도면;

도 12 는 선호되는 광선 편향기 패널 조립체를 나타낸 도면인데 여기에서 프리즘 세트의 너비는 광선 회절 노이즈를 줄이거나 제거하기 위해서 반복되는 불규칙적인 배치와 상이하다;

도 13 은 프리즘에 선택적으로 적용되는 전압에 의해 제공되는 전기장 또는 자기장이 존재할 때와 그렇지 않을 때 가변 굴절률 재료로 이루어진 단일 프리즘의 조작을 나타낸 도면;

도 14 는 마이크로프리즘 어레이를 복제하는데 사용되는 마스터를 제작하기 위해서 또는 마이크로프리즘 어레이를 복제하기 위해서 사용되는 마스터를 만드는 제 1 단계를 나타낸 도면;

도 15 는 바람직한 마이크로프리즘 어레이 형태와 상보적인 융기부와 밸리를 형성하기 위해서 기판에 의해 유지되는 광 감응 물질에 광을 적용하여 에칭한 후에 마스터를 만드는 제 2 단계를 나타낸 도면;

도 16 은 마스터와 몰딩된 기판 사이에 액체 경화제가 제공된 마이크로프리즘 어레이를 제작하는 몰딩 단계를 나타낸 도면;

도 17 은 광을 적용함으로써 경화제가 경화되는 경화 단계를 나타낸 도면;

도 18 은 몰딩되고 경화된 후에 마이크로프리즘 어레이를 나타낸 도면;

도 19 는 가변 굴절률을 가지는 물질로 구성된 마이크로프리즘 어레이를 제작하는 준비 단계를 나타낸 도면;

도 20과 21 은 평행을 이루거나 π-셀 패널 조립체를 형성하는 선호되는 제 1 방법에서 마찰을 나타낸 도면;

도 22 는 평행하지 않은 셀 패널 조립체를 형성하는 선호되는 제 2 방법에서 마찰을 나타낸 도면;

도 23 은 교차된 셀 패널 조립체를 형성하는 선호되는 제 3 방법에서 마찰을 나타낸 도면;

도 24 는 진공 오븐에서 가변 굴절률을 가지는 물질로 구성된 프리즘 어레이를 형성하는 것을 나타낸 도면;

도 25 는 한 쌍의 교차된 패널 조립체로 구성된 2차원 광선 편향기를 나타낸 도면;

도 26 은 Y-차원에서 다수 쌍의 광선을 편향하는 2차원 광선 편향기의 조작을 나타낸 도면;

도 27 은 X-방향으로 다수 쌍의 광선을 편향하는 2차원 광선 편향기의 조작을 나타낸 도면;

도 28 은 2차원 광선 편향기의 조작을 제어하기 위한 통제 개략도;

도 29 는 2차원 광선 편향기의 조작을 제어하기 위한 제어기의 선호되는 디지털 회로선도;

도 30 은 2차원 광선 편향기를 사용한 2차원 스캐너 조립체를 나타낸 도면;

도 31 은 2차원 광선 편향기를 사용한 레이저 영상 레이더 장치를 나타낸 도면; 및

도 32 는 타겟을 포착하거나 수색용으로 사용될 수 있는 미사일 또는 로켓 보드에서 레이저 영상 레이더 장치를 나타낸 도면.

* 부호 설명

40 ... 광선 편향기 42 ... 마이크로프리즘 어레이

82,102,104 ... 전도층 68,70 ... 패널

Ⅰ.서두

도 1과 2는 셀 또는 패널 조립체(46)의 일부분을 형성하는 어레이(44)에 배치된 다수 쌍의 프리즘(42)을 포함하는 본 발명에 따른 광선 편향기(40)를 나타낸다. 도 2에서, 굴절률 n의 물질(48)이 각 프리즘(42)의 일부분 위에 놓이는데, 이 굴절률 n은 선택적으로 바꿀 수 있으므로, 이 물질(48)에 대한 전기 제어에 따라, 패널 조립체(46)를 통과하는 전자기 복사 광선(50)의 편향 또는 스캔 각 α를 바꿀 수 있다. 선호되는 실시예에서, 가변 굴절률 물질(48)과 프리즘(42)을 광선(50)이 통과하게 되고, 이에 따라, 공급되는 전압의 크기에 좌우되는 각도 α로 광선(50)이 편향된다. 선호되는 실시예에서, 가변 굴절률 물질(48)은 다수 쌍의 프리즘 형태로 프리즘(42) 앞에 배치된다.

본 발명에 따른 광선 편향기(40)는, 바람직한 전위가 적용될 때부터 바람직한 각도가 달성될 때까지 반응 시간이 약 100마이크로세컨드(㎲)보다 느리지 않도록, 입사 광선(50)의 각 α를 빠르게 바꾸는 용도에 적합하다. 편향기(40)의 반응 시간 또는 스위칭 속도는 45㎲보다 빠른 것이 바람직하다.

단일 패널 조립체(46)가 사용되는 경우에, 각 쌍의 프리즘(42,48)은 패널 조립체(46)와 직교하는 방향으로 입사 광선(50)을 굴절하도록 상호 작용하여, 배출되는 광선(50')이 패널 조립체(46)를 떠날 때, 편향 각 α는 입사 광선(50)의 각에 대해 예각부터 0도의 범위 내에 있다. 예를 들어, 도 2에서 광선(50)이 통제할 수 있게 굴절될 때, 각 쌍의 프리즘(42,48)은 Y-방향으로 광선(50)을 굴절시킨다.

패널 조립체(46)에 접근할 때 입사 광선(50)이 패널 조립체와 직각을 이루도록, 광선(50)은 편광기에 의해 편광되어야 하고, 이 편광기는 도 2에서 도면 부호 51로 개략적으로 나타내었으며, 광선(50)을 발생시키는 광원(도시되지 않음)과 패널 조립체(46) 사이에 배치된다. 광선(50)이 프리즘(42,48)에 입사하는 곳에 편광기(51)가 사용되는 것이 바람직하다.

광원은 전자기 에너지 광선(50)을 발생시킨다. 광원은 약 0.3마이크로미터(㎛) 내지 30㎛ 사이의 파장 범위 내에 있는 광선(50)을 발생시키는 것이 바람직하다. 광원(가령, 레이저 광원)은 간섭 광(coherent light)의 광선(50)을 발생시킨다. 간섭광이 패널(46)에 직각으로 포커싱되는 경우, 편광기(51)가 사용될 필요가 없다. 광원이 비간섭성 광(noncoherent light)의 광선(50)을 제공할 수도 있다.

도 25-27에서, 두 개의 패널 조립체(46a,46b)가 서로 겹쳐진 곳에서, 패널 조립체(46a,46b)는, 편향기(52)로부터 이격 배치된 물체를 스캔하는데 광선(50)을 이용하도록, 2차원에서 광선(50)을 선택적으로 굴절하는데 사용되는 2차원 편향기(52)의 일부를 형성할 수 있다. 빠른 스위칭 속도 때문에, 스캐너 조립체는 한개 이상의 패널 조립체(46)와 한 쌍의 패널 조립체(46a,46b)로 형성될 수 있고, 고속 스캐닝을 필요로 하는 용도에 사용하기에 적합하다. 이 용도의 예는 거리계(range finders), 디스플레이, 프린터, 세공기(engraver), 복사기, 기계 영상 장치(machine vision system), 근접 차량 감지 시스템, 환경 모니터 장치 및 레이저 영상 레이더(LADAR) 등과같은 영상 레이더 등등이 있다.

Ⅱ. 1차원 광선 편향기

각각의 프리즘(42)은 프리즘 조립체(46)의 한쪽 면에서 다른 면까지 뻗어있고 일렬의(한 행(row)으로 구성된) 후방 어레이(44)를 구성하는 일정 굴절률 프리즘(42)인 것이 바람직하다. 단일 패널 편향기(40)는 가변 굴절률 프리즘(48)의 단일 칼럼과 결합된 일정 굴절률 프리즘(42)의 단일 칼럼을 포함한다. 도 1에 나타낸 패널 조립체(46)의 프리즘(42,48)들은 수평 방향이지만, 수평 방향 이외의 방향으로 배향될 수도 있다.

도 2에 나타낸 것처럼, 패널 조립체(46)의 각 결합된 쌍의 프리즘(42,48)은 직사각형의 횡단면을 가진다. 상기 패널 조립체(46)는 프리즘(42,48)에 의해 이격 배치된 전방 패널(68)과 후방 패널(70)을 포함한다. 도 3과 4에서, 각각의 패널(68,70)은 유입 광선(50)을 향하여 배치된 정면(72,74)과 입사 광선(50) 반대편에 배치된 배면(76,78)을 가진다. 각각의 패널(68,70)은 투명한 유리로 구성되지만, 적절한 고분자로 형성될 수 있다. 다른 적합한 패널 재료의 예는 석영(quartz) 결정, 붕규산염 유리, 적외선 투과 창, 폴리카보네이트, 아크릴, 그리고, 광선(50)의 파장에 투과성인 그외 다른 물질을 포함한다.

각각의 프리즘(42)은 우수한 투과성과 최소의 산란 손실을 가지는 우수한 광학 성질 및 표면 특성을 포함하면서도 광학 프리즘으로 적합하게 기능할 수 있는 일정 굴절률 물질로 형성되는 것이 바람직하다. 한 가지 선호되는 프리즘의 실시예에서, 프리즘(42)은 에폭시와 같은 고분자로 구성된다. 적합한 에폭시는 표 1에 기입된 알맞은 특징을 가지는 미국, New Jersey, North Brunswick 에 소재한 Norland Products, Inc.에 의해 생산, 분배되는 NOA 72 에폭시이다. 이 에폭시의 성질은 아래와 같다.

표 1

점도 155cps

굴절률 1.56

경도 Shore D 75

1Mhz에서 유전 상수 3.98

유전 세기(V/mil) 456

1Mhz에서 소산 벡터 0.0351

체적 저항(Ω/cm) 7.37 X 10¹⁴

표면 저항(Ω) 3.73 X 10¹²

프리즘 물질은 전기 절연체처럼 사용되고 전자가 일정 굴절률 프리즘(42)을 통과하는 것을 방지한다. 그외 다른 물질도 적합하다. 예를 들어, 또다른 고분자, 접착제, 광학 접착제 또는 에폭시 등이 사용될 수 있다. 예를 들어, 유리, 석영, 융합된 실리카, 적외선 투과 창, 폴리카보네이트 또는 아크릴이 사용될 수 있다.

도 3에서, 어레이(44)의 각 프리즘(42)은 동일한 횡단면 형태를 가진다. 각 프리즘(42)은 일반적으로 삼각형인 다각형 횡단면 형태를 가진다. 각각의 프리즘(42)은 입사 광선(50)에 대해 일정한 각도로 배치되는 평평한 광선-수용 면(56), 광선(50)이 프리즘(42)에서 방출되고 입사 광선(50)에 대해 직각으로 배치된 평평한 광선-방출 면(58), 그리고, 광선-방출 면(58)과 직각을 이루는 측벽 면(60)을 가진다.

각각의 프리즘(42)은 도 1의 라인(62)처럼 나타낸, 측벽 면(60)과 광선-수용 면(56) 사이의 교차점에서 정점(62)을 가진다. 도 1에 나타낸 것처럼, 각각의 정점 라인(62)은 하나의 프리즘(42)과 인접한 프리즘(42) 사이의 분할 라인이다. 각각의 프리즘은 정점(62)으로부터, 그리고 서로로부터 이격 배치된 한 쌍의 정점(64,66)을 또한 구비한다. 정점(64)은 빔-수용 면(56)과 빔-방출 면(58) 사이의 교차점에 의해 형성된다. 정점(66)은 측벽 면(60)과 광선-방출 면(58) 사이의 교차점에 의해 형성된다. 도 3에 나타낸 것처럼, 프리즘(42)의 하부 정점(64)은 인접한 프리즘(42)의 상부 정점(66)에 인접해 있다.

각 프리즘(42)은 정점 각 φ을 가지며, 이 정점 각은 후방 어레이(44)의 모든 프리즘(42)에 대해 동일하다. 정점 각 φ가 10도 내지 60도 범위 내에 있는 것이 선호된다. 선호되는 한 가지 실시예에서, φ는 57도이다. 다른 선호되는 실시예에서, φ는 약 45도이다. φ의 값은, 조립체가 통과 광선(500을 굴절할 수 있는 최대각 α_max, 스캔 또는 스위칭 속도, 각 프리즘(42,48)의 크기, 그리고 그 밖의 다른 인자 등등과 같은 한개 이상의 인자에 따라 선택할 수 있다. φ는, 광선 편향기(40)가 사용되는 장치와, 상기 인자에 대한 정규적 실험치 및 최적화치에 기초하여 선택될 수 있다.

후방 패널(70)은 각 프리즘(42)을 지탱하는 기판을 형성한다. 각 프리즘(42)의 광선-방출 면(58)은 패널(70)의 정면(74)에 접착제로 장착된다. 도 2에 나타낸 것처럼, 정렬층(80)이 광선-방출 면(58)과 프리즘(42)의 정면(56)에 배치된다. 이 정렬층(80)은 특정 방향을 따라(가령, 프리즘(42)의 길이를 따라) 가변 굴절률 물질(48)의 분자를 정렬할 수 있게 한다. 이 정렬층(80)은 폴리아미드 또는 폴리비닐알콜(PVA)로 구성된 얇은 층이다.

전기 전도 층(82)은 각 프리즘(42)의 광선-방출 면(58)과 후방 패널(70)의 정면(74) 사이에 배치된다. 이 전기 전도층(82)은 광학적으로 투과성이면서 전자 이동을 허용하는 물질로 이루어진다. 전기 전도성 물질은, 투과 광이 최소로 흡수되도록 하는 두께를 가진다. 사용하기에 적합한 선호되는 물질은 인듐 주석 산화물(ITO)이다.

상기 전기 전도층(82)은 전위 공급원, 즉 V로 나타낸 전압원과 연결된 한개 이상의 전극 또는 터미널(84)(도 1)과 연결된다. 전압원 V와 전기 전도층(82)은 하나 이상의 프리즘(48)의 굴절률을 선택적으로 제어하는데 사용되는 조작 중에 전기장을 발생하기 위해서 사용된다. 동일한 전속 또는 전속 밀도가 주어진 어레이(88)의 모든 프리즘(48)에 공급된다. 전압이 공급될 때, 주어진 어레이(88)의 모든 프리즘(48) 근방에 동일한 전압이 공급된다.

도 4에서, 가변 굴절률 프리즘(48)들 역시 어레이(88)로 배열된다. 이 어레이(88)는 후방 어레이(44) 앞에 배치되어 광원과 후방 어레이(44) 사이에 광학적으로 연결되며, 따라서, 광원에 의해 방출되는 광선(50)은 후방 어레이(44)의 적어도 하나의 프리즘(42)을 통과하기 전에 전방 어레이(88)의 프리즘(48) 중 적어도 하나를 통과할 것이다.

전술한 대로, 각각의 프리즘(48)은 굴절률 n의 물질로 만들어지며, 이 굴절률 n은 프리즘(48,42)을 통과할 때 광이 반사되거나 편향되는 각도를 선택적으로 제어하도록 선택적으로 바뀔 수 있다. 각각의 프리즘(48)은 전기장의 존재에 따라, 굴절률, n을 선택적으로 바꿀 수 있는 액정으로 만들어진다. 액정 재료로 만들어진 프리즘(48)을 제작할 때, 마찰 방향은 평행을 이루거나(π-셀), 평행을 이루지 않거나, 또는 교차될 수 있다.

적합한 액정 가변 굴절률을 가지는 물질과 그 물질 특성이 표 2에 나타나 있다.

표 2

표 2에 나타낸 * 값들은 외삽된 값이다.

표 2에서

η는 가변 굴절률 물질의 분자 회전 점도;

k₁₁은 가변 굴절률 물질의 휨 탄성 계수;

Δn은 가변 굴절률 물질의 굴절률, n의 최대 변화;

n_e는 어떠한 장도 공급되지 않을 때, 즉 액정이 "off" 상태일 때 물질의 굴절률; 및

Δε는 가변 굴절률 물질의 유전 상수.

전술한 모든 액정 가변 굴절률을 가지는 재료는 New York, Hawthorne에 소재한 E.M. Industries 사에서 시판되고 있다.

그외 다른 적합한 액정 물질도 사용될 수 있다. 물질의 분자가 (1) 전기장이 존재할 때, 즉, 스위치 온 시, (2) 전기장이 존재하지 않을 때, 즉, 스위치 오프시, 그리고 (3) 전기장의 세기, 전속 또는 전속 밀도의 변화시, 균질하게 정렬되고 빠르게 반응한다면 어떤 액정 물질도 사용될 수 있다. 예를 들어, 요망 특성을 가지는 네마틱, 강유전성, 그리고 비-강유전성인 액정 재료가 사용될 수 있다. 바람직한 전위가 적용될 때부터 바람직한 각도가 달성될 때까지 적절한 재료는 100㎲보다 느리지 않게 켜지고 꺼질 것이다. 물질의 반응 시간 또는 스위칭 속도는 45㎲보다 빠른 것이 선호된다. 프리즘(48)에서 사용되는 액정의 굴절률을 선택적으로 제어하기 위해서 자기장이 사용될 수 있다. 보다 빠른 반응 시간을 위해, 강유전체 액정 재료가 사용되는 것이 바람직하다.

가변 굴절률 재료가 액정 재료인 표 2에서, 전기장 또는 자기장의 존재에 반응하는 액정 재료의 능력은 상승 시간 T_r에 의해 측정되고, 전기장 또는 자기장의 부재에 반응하는 액정 재료의 능력은 이완 시간 T_d에 의해 측정된다. 따라서, 전기장이나 자기장의 공급이 없을 때, 각 프리즘(48)의 선택된 액정 물질의 분자는 쉽게 균질하게 정렬될 수 있어야 한다. 또, 액정 물질은 분자 배향 또는 정렬 특성이 우수하여야 한다. 상승 시간 T_r 및 이완 시간 T_d는 수학식 1을 이용해 표현될 수 있다:

위의 식에서

C₁과 C₂는 특정 종류의 액정 물질에 좌우되는 상수;

d는 액정 셀의 두께, 즉 프리즘(48)의 두께;

위의 두 식에서 분명히 알 수 있는 것처럼, Tr과 Td는 η와 d²에 비례하고 Tr은 Δε와 함께 감소하는 반면에, Td는 k₁₁과 함께 감소한다. 따라서 결합된 어레이(44,88)의 횡단면적 두께를 가능한 얇게 하면서, 낮은 η, 높은 Δε 및 높은 k₁₁을 가지는 액정 재료를 선택하기 위해서, 빠른 반응 시간 및 스위칭 속도를 달성하는 것이 선호된다. 액정 재료를 적합하게 하기 위해서, η는 300mPas보다 크지 않고, Δε는 20보다 작지 않으며, k₁₁은 10x10^-12N보다 작지 않다.

어레이(88)의 각 프리즘(48)은 일반적인 횡단면 형태를 가지는데 삼각형 형태가 선호된다. 각각의 프리즘(48)은 입사 광선(50)의 방향과 직각으로 배치된 광선-수용 면(90)을 가진다. 광선-방출 면(92)은 광선-수용 면(90)에 대해 예각으로 배치되고 입사 광선(50)의 방향에 대해 일정한 각도로 배치된다. 측벽 표면(94)은 입사 광선(50)의 방향과 평행을 이룬다.

각각의 프리즘(48)은 측벽 표면(94)과 광선-방출 면(92) 사이의 교차점에 의해 형성된 정점(96)을 가진다. 광선-수용 면(90)과 광선-방출 면(92) 사이의 교차점은 또다른 정점(98)을 형성하고 광선-수용 면(90)과 측벽 면(94) 사이의 교차점은 또다른 정점(100)을 형성한다.

제 1 패널(68)은 각각의 프리즘(48)을 지탱하는 기판을 형성한다. 각 프리즘(48)의 광선-수용 면은 패널(68)의 뒷면(76)에 장착되는 것이 선호된다. 도 2에 나타난 것처럼, 패널(68)의 뒷면(76)과 각 프리즘(48)의 광선-수용 면(90) 사이에 전기 전도 층(102)이 배치된다. 이 전기 전도층(102)은 상술한 전기 전도층(82)과 실질적으로 동일하다. 이 전기 전도층(102)은 전극 또는 단자(86)(도 1)와 전기적으로 연결되고 이 단자(86)는 다시 전압원 V에 전기적으로 연결된다.

도 2-4에서, 두 어레이(44,88)가 함께 조립될 때, 각 프리즘(42)의 광선-수용 면(56)과 각 프리즘(48)의 광선-방출 면(92) 사이에 정렬층(104)이 배치된다. 이 정렬층(104)은 상술한 정렬층(80)과 실질적으로 동일하다.

도 5는 또다른 선호되는 패널 구조를 나타낸다. 도 5는, 각각의 패널(68,70) 사이에 스페이서(105)가 있다는 것을 제외하고는 도 2와 유사하다. 상기 스페이서(105)는 프리즘(42,48) 어레이의 둘레에 배치되고 DuPont MYLAR 필름과 같은 탄성 막으로 만들어진다. 도 5에 도시된 대로, 어레이(44)의 프리즘(42)은 베이스 부분(45)에서 위로 뻗어있다. 또, 도 5에서 정렬 층(80)은 프리즘 어레이 뒤쪽에 배치되지 않고 프리즘 어레이(88) 앞쪽에 배치된다.

도 6은 또다른 선호되는 패널 구조를 나타낸다. 도 6에 나타난 것처럼, 각각의 인접한 쌍의 프리즘(42,48) 사이에 또다른 전기 전도층(106)이 배치될 수 있다. 이 층(106)은 면(58,74) 사이의 층(82) 대신에 프리즘(42)의 광선-수용 면(56)에 코팅된다. 이 층(106)은, 인접한 가변 굴절률 프리즘(48) 간에 불균일한 장을 형성함으로써 패널(46) 통과시 광선(50)의 수렴 및 발산을 방지하여 광선(50) 형태를 유지시킬 수 있게 한다. 상기 층(106)은 ITO로 만들어지고, 상기 층(106)에 의해, 복굴절성, 즉, Δn이 프리즘(48)의 전체 어레이(88)를 사이에서 좀더 균일해진다.

각 프리즘(42)의 평면(56)에 전도성 물질로 이루어진 층(106)을 제공하면 도 2와 5에 나타낸 패널에 비해, 최대 편향각 α_max이 증가한다. 이것은, 전기장이 각 프리즘(48)의 베이스(94)에 인접한 곳보다 각 프리즘(48)의 팁(98)에 인접한 곳에서 더 강해서, 각 프리즘(48)의 유효 굴절률 변화가 팁(98) 인접부보다 베이스(94) 인접부에서 더 커지기 때문이다. 결과적으로, 각 프리즘(48)의 유효 정점 각은 증가되고, 광학 경로도 증가되어서 정점 각 φ가 실제 값보다 큰 것처럼 작용하므로, 도 2와 5에 나타낸 패널과 비교해 주어진 정점 각 σ에 대해 보다 큰 최대 편향 각 α_max를 발생시킨다. σ와 φ는 실질적으로 동일한 것이 바람직하다.

두 어레이(44,88)가 함께 조립될 때, 전방 어레이(88)의 각 프리즘(48)은 각 프리즘(42) 바로 앞에 놓인 삼각형 횡단면을 가지는 틈에 수용된다. 이 사이에 배치된 정렬 층(104)은 이것을 함께 유지하도록 돕는다. 이처럼, 정렬 층(104)은 특정 프리즘(48)을 향하는 인접한 프리즘(42)의 광선-수용 면(56)과 각 프리즘(48)의 광선-방출 면(92)을 결합하는 접착 부분으로서 사용된다. 함께 조립될 때, 결합된 어레이(44,88)는 직사각형 횡단면을 가지는 프리즘 조립체를 형성한다.

반응 및 스위칭 속도를 높이기 위해서, 각각의 프리즘(42,48)은 비교적 작다. 각각의 프리즘(42,48)은 프리즘의 높이, 깊이 또는 두께를 나타내는 피치 p를 가진다. 각 프리즘(42,48)은 약 20㎛보다 길지 않은 높이 p를 가진다. 오프-상태 굴절률 n_e로 되돌아가는, 액정 프리즘(48)이 스위칭-오프되는 속도는 두께가 증가함에 따라 감소하므로, 각 프리즘(48,42)의 두께를 최소화하는 것이 바람직하다. 약 100㎲ 이하의 빠른 반응 시간을 달성하기 위해서, 각각의 프리즘(42,48)은 약 20㎛보다 길지 않은 높이 p를 가진다. 각 프리즘의 높이 p가 15㎛ 이하인 것이 바람직하고, 반응 시간을 줄이기 위해서 10㎛ 이하로 할 수도 있다. 프리즘(48)이 액정 가변 굴절률 물질로 만들어질 때, 스위칭-오프 시간을 더욱 줄일 수 있도록, 제작이 완료되었을 때 π-셀 구조로 이루어진 패널 조립체(46)를 형성하기 위해 제작 중에 평행하게 마찰(rubbing)이 이루어진다.

각 프리즘(42)의 높이 p는 모든 어레이(44)의 프리즘(42)에 대해 실질적으로 동일하다. 마찬가지로, 각 프리즘(48)의 높이 p는 어레이(88)의 모든 프리즘(48)에 대해 동일하다. 각 프리즘(42)의 높이 p는 각 프리즘(48)의 높이 p와 상이할 수 있지만, 거의 동일한 것이 선호된다. 각각의 프리즘(42,48)은 직각삼각형의 횡단면을 가지므로, 두 프리즘(42,48)의 높이 p는 프리즘(42,48)의 측벽 표면(60,94)의 길이와 동일하다.

각 프리즘(42,48)의 너비 w는 약 100㎛보다 크지 않은 것이 선호된다. 한 가지 선호되는 실시예에서, 프리즘 너비 w는 약 30㎛이고 더 좁을 수도 있다.

전압원 V는, 각각의 가변 굴절률 프리즘(48)의 굴절률, n을 바꾸는 방식으로 단자(84,86)에 공급되는 전압을 바꿀 수 있는 가변 전압원이다. 전압원 V는 방형파를 발생시키는 교류 광원이다. 단자(84,86)에 적용되는 전압은 0 내지 10볼트 사이에서 선택적으로 바뀔 수 있다. 프리즘 두께에 따라, 전압은 더 높아질 수 있다. 예를 들어, 20㎛ 이상의 프리즘 두께에 대해, 전압은 10볼트보다 높아질 수 있다.

전압원 V는 또다른 회로(가령, 아날로그 또는 디지털 회로)에 연결될 수 있는데, 이러한 회로는 각각의 단자로 제공될 수 있는 전압 V의 크기를 선택적으로 제어하는데 사용된다. 예를 들어, 디지털 회로는 광선(50)이 굴절되는 각을 정확하게 제어하기 위해 공급되는 전압 크기를 제어하도록 컴퓨터 프로그램과 함께 사용될 수 있다. 이런 컴퓨터 프로그램은 바람직한 굴절률을 발생시키기 위해서 요구되는 전압과 프리즘(48)의 다수의 굴절률을 서로 상관시키는 방정식같은 함수 또는 조사표에 액세스할 수 있다.

상기 조사표 또는 방정식은, 광선이 패널(46)을 통과할 때 전압을 공급하여 광선(50)의 굴절 각도를 측정함으로써, 주어진 공급 전압에 대해 달성된 굴절률의 실험치에 근거하여 도출될 수 있다. 도 7은 프리즘(48)을 가지는 고분자 마이크로프리즘 어레이 광선 편향기(40)에 대해 개발된 데이터의 예를 나타내는데, 각각의 프리즘은 2" X 2" 구경 크기를 가지는 패널(46)에 배치된 E7 네마틱 액정으로 만들어지며, 25㎛의 길이와 30㎛의 높이를 가진다. 도 7에서 플롯(108)으로 나타낸 것처럼, 편향기 최대 편향각 α_max는 약 20도이고 최소 편향각 α_min은 -8도이다. 어떠한 전압도 공급되지 않을 때, α는 약 20도이다. 포물선형 플롯(108)으로 나타낸 것처럼, 전압이 0V 내지 25V 범위 내에서 선택적으로 바뀔 때, α는 20도 이하에서 0도까지 선택적으로 변한다 따라서, 도 1에 나타낸 패널 조립체(46)에 대해, 전술한 대로 구성되었을 때, α는 20도 이하의 α_max 로부터, 0도보다 크지 않도록 제한되는 최소 α 까지의 범위 내에 있다.

도 8은 선호되는 제 2 실시예의 광선 편향기(40')의 패널 조립체(110) 일부분을 나타낸다. 상기 패널 조립체(110)는 한 쌍의 프리즘(42)의 바깥쪽 어레이(44,44')와 가변 굴절률 프리즘(114)의 중간 어레이(112)를 포함하는데 각각은 등변 삼각형의 횡단면을 가진다. 각각의 프리즘(114)은 부호 번호 120으로 나타낸 점선에서 결합되는 한 쌍의 프리즘(48)으로 구성될 수 있다. 어레이(44')는, 라인(120) 둘레에서 거울 대칭을 이룬다는 점을 제외하고는 어레이(44)와 동일하다. 패널 조립체(110)는 이중 마이크로프리즘 어레이 조립체를 형성하는 제 1 쌍의 어레이(44,88)와 제 2 쌍의 어레이(88,44)로 구성된다. 전방 패널(68)과 전방 프리즘 어레이(44) 사이에 전도층(118)이 배치되고 후방 패널(70)과 후방 프리즘 어레이(44') 사이에 또다른 전도층(118)이 배치된다. 패널 조립체(110)는 패널 조립체(46)에 비해 훨씬 큰 최대 편향 각 α_max를 가진다. 패널 조립체(110)의 α_max는 패널 조립체(46)의 α_max보다 두배 이상 크다.

광선 편향기(40,40')가 섭씨 60도 이하의 온도인 옥외에서 사용될 때처럼 온도가 중요한 인자인 곳에서, 온도 보정이 이용될 수 있다. 군사용 및 항공용으로, 온도가 크게 바뀌는 경우에, 이런 종류의 온도 보정이 이용되는 것이 바람직하다. 주위 온도가 60℃ 이상인 곳에서, 온도 보정은 필요하지 않다. 온도가 일정한 실내에서 사용될 때, 온도 보정은 필요하지 않을 수도 있다.

도 9에서 광선 편향기(40)는, 비교적 일정한 온도로, 그리고, 편향기(40)의 반응 시간이 느려지지 않는 온도로, 굴절률 프리즘(48)의 어레이(88)를 유지하도록 구성된 온도 보정 장치(122)를 포함한다. 상기 보정 장치(122)는 패널 조립체(46)를 가열하기 위해서 패널 조립체(46)와 접촉하는 열전기 가열기(124)를 포함한다. 열전기 가열기(124)는 전체 패널 조립체를 캡슐 속에 둘러싸는 열 재킷을 포함한다.

상기 가열기(124)는 패널 조립체(46)를 둘러싸고 있는 주위의 온도를 감지하는 센서(130)와 연결되는 제어기(128)를 포함한 회로(126)에 의해 통제된다. 상기 제어기(128)는 가령 프로그래밍가능한 제어기일 수 있고, 상기 센서(130)는 가령, 열전쌍(thermocouple), 서미스터(thermistor), 등등일 수 있다. 전압원 V로부터 전력이 회로(26)에 공급된다.

제어기(128)는 주위 온도를 나타내는 센서(130)로부터의 신호를 제공받아, 바람직한 온도에서 패널 조립체(46)의 온도를 비교적 일정하게 유지하도록 가열기(124)로 흐르는 전류를 조절한다. 패널 조립체(46)와 연결된 또다른 온도 센서는 패널 조립체(46)의 실제 온도에 대한 피드백을 제어기(128)에 제공할 수 있다. 이 피드백은 가열기(124)로 흐르는 전류를 조절하는데 사용될 수도 있다.

또다른 선호되는 보정 기법으로, 제어기(128)는 패널 조립체의 감지된 온도뿐만 아니라 감지된 주위 운동에 따라 도 8의 단자(84,86)에 공급되는 전압을 조절할 수 있다. 감지 온도에 따라 전압을 조절하는데 조사표가 사용될 수 있다.

도 10은 편향기(40a)를 작동하는 동안 광선 회절 노이즈를 줄이는데 사용되는 광선 편향기(40a)의 또다른 선호되는 실시예를 나타낸다. 회절 노이즈를 줄이기 위해서, 편향기(40a)는 패널(46) 뒤쪽에 배치된 네거티브 마이크로렌즈 어레이(134)와 패널(46)과 각 광선(50)의 광원 사이에 배치된 포지티브 마이크로렌즈 어레이(132)를 이용한다. 포지티브 마이크로렌즈 어레이(132)는 도 11에 나타낸 어레이(132)를 형성하도록 배치된 다수 쌍의 인접한 볼록 렌즈를 포함한다. 네거티브 마이크로렌즈 어레이(132)는 도 10에 나타낸 어레이(134)를 형성하도록 배치된 다수 쌍의 인접한 오목 렌즈를 포함한다. 포지티브 마이크로렌즈 어레이(132)는 각 광선(50)을 포커싱시킴으로서 회절 노이즈를 감소시키므로 프리즘(42)의 모서리를 피할 수 있고, 네거티브 마이크로렌즈(134)는 광선(50)이 패널(46)을 통과한 후에 광선(50)을 시준하거나 확산시킨다.

도 11은, 네거티브 마이크로렌즈 어레이(134)가 포지티브 마이크로렌즈 어레이(132)와 패널(46) 사이에 배치된 광선 편향기(40b)의 다른 선호되는 실시예를 나타낸다. 이 편향기(40b)는 회절 노이즈를 감소시킨다. 광선 편향기(40a,40b)는 미세구경 액정 마이크로프리즘 어레이 구조로 이루어지는 것이 선호된다.

도 12는 회절 노이즈를 감소시키는 광선 편향기(40c)의 다른 선호되는 실시예를 나타낸다. 상기 광선 편향기(40c)는, 각각 동일한 피치를 가지지만 서로 다른 너비 d1,d2,d3,d4 및 d5를 가지는 프리즘(42)을 포함한 불규칙 액정 마이크로프리즘 어레이다. 프리즘 너비의 시퀀스는 어레이(44) 전체에 걸쳐 반복된다. 프리즘 너비의 합, d1+d2+d3+d4+d5는 광선(50)의 파장보다 크다. 프리즘 너비의 합은 광선(50) 파장의 약 100배 이상이다. 이런 구조 때문에, 회절은 거의 무시할 만하다.

도 1, 2와 13에서, 작동시에, 어떠한 전기도 단자(84,86)에 인가되지 않을 때 각 가변 굴절률 프리즘(48)의 굴절률 n_lc는 인접한 프리즘(42)의 굴절률, n_poly보다 크고, 광선(50)은 도 2에 나타낸 방식으로 편향되어서, 패널(46) 밖으로 방출되는 광선(50')은 입사 광선(50)에 대해 예각 α로 배치된다. 도 2에 나타낸 것처럼, 전기가 제공되지 않을 때 광선(50)이 편향되는 각 α가 최대, α_max일 때 n_lc와 n_poly 사이의 차이가 가장 크다. 적어도 약 30도의 α_max를 달성하기 위해서, 전기 공급이 없을 때 n_lc와 n_poly사이의 굴절률 차이는 약 0.15 이상이고 0.2가 선호된다.
*전기가 단자(84,86)에 인가될 때, 프리즘(48)의 굴절률 n_lc는 감소하여서 편향 각 α가 줄어들게 한다. 전기가 단자(84,86)에 인가될 때, 전기는 각각의 전도층(82,102)에 제공되어서 각 프리즘(48)을 통과하거나 층(82,102) 사이에 뻗어있는 전기장을 상승시킨다. 전기 세기, 즉 전압이 증가함에 따라, 편향 각 α는, 도 2에 나타낸 것처럼 0도에 접근할 때까지 감소한다. 공급 전압이 증가될 때 n_poly에 접근하거나 동일해질 때까지 n_lc는 감소한다. n_lc= n_poly일 때_,α=0도이고 광선(50)은 편향되지 않으면서 패널(46)을 통하여 직선으로 통과한다. 선호되는 한 가지 실시예에서, n_lc= n_{pol y}=1.5일 때 α는 0도이다. 도 7에서, α가 0도인 값보다 전압이 증가된다면, 광선(50)은 반대 방향으로 편향되어서 편향각 α는 음의 값을 가진다. 패널(46)의 단자(84.86)에 공급되는 전압의 크기를 선택적으로 제어함으로써, 패널(46)을 통과할 때 광선(50)의 편향각 α를 0.5밀리라디안의 범위 내에서 정확하게 제어될 수 있다. 광선(50)의 편향각 α는, 원하는 편향 각의 약 0.5밀리라디안 범위 내에서 광선(50)을 편향시키기 위해, 단자(84,86)에 전압을 정확하게 공급하도록 제어 회로에 의해 제어될 수 있다. 0.5밀리라디안만큼 작은 각 증분으로 광선(50)을 편향할 수 있도록 선택적으로 전압이 공급될 수도 있다.

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도 13은, 프리즘(48)에 어떤 전압도 공급되지 않을 때 가변 굴절률 재료로 이루어진 분자(136)들의 정렬을 나타낸다. 도 13에 도시되는 광선(50)은, 종이 평면과 직각 방향으로 편광된 광선으로서, 가변 굴절률 프리즘(48)의 정면(90)에 도달한다. 이때, 상기 정면(90)의 가변 굴절률 물질의 분자(136)가 광 편광 방향과 평행하게 정렬된다. 평면(90,92) 사이의 프리즘(48) 내부의 분자(도시되지 않음)뿐만 아니라 인접한 쌍의 프리즘(42,44) 사이의 접촉면의 일부를 구성하는 표면(92)의 분자들도 동일한 방향으로 정렬된다. 입사광은 가변 굴절률 프리즘(48)에서 광 굴절률, n_lc를 가진다. 패널(46)을 통과하는 광은 Snell의 법칙에 따라 편향된다:

n_lc*sinθ₁= n_poly*sinθ₂

그러나, 약 1-2볼트의 임계 전압 V_th보다 큰 전압이 한 쌍의 인접한 프리즘(42,48)을 가로질러 공급될 때, 프리즘(48)의 분자는 각 프리즘(48)의 전도층 사이, 즉 층(82,102) 사이에서 발생되는 전기장의 방향을 따라 정렬된다. 평면(90,92) 상의 얇은 분자(136) 층은 전기장을 따라 하나의 방향으로 재정렬하지 않는다. 도 13에서, 전기장의 전속선(137) 방향은 종이 평면과 직각을 이룬다. 즉, 전속선(137)은 프리즘(48)의 길이 방향과 평행하게 종이 밖으로 뻗어있다. 분자(136)는 제작 중에 마찰 방향으로 배향된 채로 유지된다. 그러나, 이런 얇은 분자(136) 층은 프리즘(42,48) 사이를 통과하는 광 빔(50)에 거의 영향을 미치지 않는다.

V_th보다 큰 비교적 높은 전압이 공급될 때, n_lc0의 굴절률은 다음 식을 만족시키는 프리즘(42)과 프리즘(48) 사이의 접촉면에서 편향각 θ₂를 발생시킨다:

n_lc0*sinθ₁= n_poly*sinθ₂

이 식에서 공급 전압이 프리즘(42,48)에 대해 0볼트와 포화 전압 Vsat 범위 내에 있을 때, 굴절률 nlc는 편광 방향 및 가변 굴절률 물질의 분자 배향에 따라 달라진다.

이 식에서

(전기장 방향)는 광선(50)의 편광 방향이고

(분자 배향)은 가변 굴절률 물질 방향 지시기(variable refractive index director)이다. 이 방향 지시기는 위치 함수이므로, 굴절률은 각 지점마다 변한다. 주어진 지점에서도, 굴절률은 광선 편광 방향에 따라 변한다. 유효 굴절률, n_eff는 수학식 4로 나타낼 수 있다:

수학식 4에서 β는 전기장 방향과 자기장 배향 사이의 각도이다.

Ⅲ. 제작 방법

패널 조립체나 셀(46)을 제작할 때, 패널 조립체(46)는 전방 기판(68), 선택적으로 바꿀 수 있는 가변 굴절률을 가진 물질(48) 층, 일정 굴절률 물질로 이루어진 어레이(44) 또는 프리즘(42), 그리고 후방 기판(70)으로 구성된다. 도 2에 나타낸 패널 조립체(46)를 제작할 때, 후방 기판(70)은 전도층(82)으로 코팅되고, 어레이(44) 또는 프리즘(42)(마이크로프리즘(42)이 선호됨)은 기판(70)과 층(82)의 상단에서 엠보스 가공된다. 스페이서(105)가 두 기판(68,70) 사이에 배치될 때, 이 기판(68,70)들이 함께 놓이게 되고 가변 굴절률 물질이 기판(68, 70) 사이에 삽입되어, 어레이(44)와 상부 기판(70) 사이에 형성된 틈을 채운다. 이 틈이 가변 굴절률 재료로 채워질 때, 셀이나 패널 조립체(46)의 제작이 완료된다.

도 14와 15에서, 패널 조립체(46)가 대량 생산될 수 있도록, 마스터(138)는 기판(70)에 프리즘(42)을 엠보스 가공하는데 사용하도록 구성된다. 도 14는 도 15에 나타낸 마스터(138)로 제작될 블랭크(blank)(140)를 나타낸다. 이 블랭크(140)는 에너지 광선 저항층(146)과 중간 층(144)을 지닌 기판(142)으로 구성된다.

기판은 석영 유리, 실리카, 붕규산염과 같은 유리로 구성된다. 중간 층(144)은 ITO, 크롬이나 그 밖의 적합한 반사 물질로 만들어진다. 광선 저항층(146)은 전자 광선, 이온 광선, 또는, 충돌했을 때 층(146)의 일부분을 선택적으로 제거하거나 기화시킬 수 있는 적절한 고 에너지 밀도를 가지는 또다른 광선인 에너지 광선(148)을 이용하여 에칭될 수 있는 물질로 구성된다.

선호적으로, 상기 광선 저항 층(146)은 폴리메틸 메타아크릴레이트(PMMA)와 같은 이온 광선 레지스트로 만들어지므로, 직접-묘화 전자 광선 리소그래피 중에 이미터에 의해 발생된 하나 이상의 광선(148)은 층(146)에 도달하여, 원하는 마스터 3차원 요철 패턴(154)을 형성할 수 있다. 광선(148)에 층(146)을 노출시키는 노출 세기 및 지속 시간은 각 층(146) 부분을 얼마나 깊이 에칭할 것인가를 결정한다.

도 14에 나타낸 것처럼, 마스터(138)를 제작할 때, 블랭크(140)는 층(146)의일부분을 에칭하여 제거할 수 있는 광선(148)(다수 쌍의 광선(148)이 선호됨)으로 조사된다. 도 15에 나타낸 것처럼, 조사가 완료되었을 때, 에칭은 다수 쌍의 직립한 삼각형 융기부(150)를 포함하는 요철 패턴(154)을 형성한다. 이 삼각형 융기부(150)들은 인접 융기부(150)들 사이에 삼각형 틈(152)을 형성하며, 이 틈(152) 위치에 형성될 어레이(44)의 프리즘(42)에 대해 상보적 형태를 가진다.

또다른 선호되는 제작 방법에서, 블랭크(140)는 석영 조성물로 이루어진 유리로 구성된다. 이온-광선은 나중에 마스터(138)로 사용될 유리 블랭크에 3차원 요철 패턴(154)을 밀링한다. 유리하게도, 상기 마스터는 감광선 수지(photopolymer)를 사용함으로써 또는 높은 광학 등급 사출 성형을 이용해, 기판(70)과 함께 프리즘 어레이(44)를 대량 생산하는데 사용될 수 있다.

도 15에 나타낸 마스터(138)는 보다 큰 마스터를 형성하기 위해서 여러개를 붙여 만든 서브마스터(submaster)를 포함할 수 있다. 예를 들어, 서브마스터가 1cm X 1cm의 크기를 가지는 경우에, 다수의 서브마스터(138)들이 각각의 변을 따라 붙여져서, 서브마스터들의 어레이를 형성할 수 있다. 이 서브마스터들의 어레이가 대형의 마스터를 형성하게 되며, 가령, 7.5㎝ X 7.5㎝, 또는 이보다 더 큰 마스터를 형성할 수 있다. 서브마스터들을 결합시킬 때 스티칭(stitching: 꿰매기 공법)이 이용되는 경우에, 서브마스터(138) 결합부에서의 불연속 지점의 크기가 약 0.1㎛보다 작은 것이 바람직하다.

이런 식으로, 비교적 큰 패널 조립체(46)를 만들기 위해 대형 마스터가 제작될 수 있다. 예를 들어, 1㎝ X 1㎝인 패널 조립체(46)는 일부 용도에 적합하고, 3㎝ X 3㎝인 패널 조립체는 다른 용도에 적합하며, 7.5㎝ X 7.5㎝인 패널 조립체는 또다른 용도에 적합하다. 패널 조립체를 복제하는데 사용되는 마스터는 도시된 대로 직사각형이거나, 원형, 또는 그 밖의 다른 형태를 가질 수 있다.

도 16에서, 도 15에 나타낸 마스터(138)는 일체형 구조이고 감광선 수지(photopolymer)로 구성된 다른 마스터(156)를 제작하는 데 사용된다. 이 감광선 수지(photopolymer) 마스터(156)는 도 4에 나타낸 후반부(158)처럼, 패널 조립체(46)의 반쪽 부분(158)을 복제하기 위해서 사용된다. 이를 실시하기 전에, 패널(70)은 전도층(82)으로 코팅되고 정렬층(80)으로 또 코팅된다. 그 후에, 패널(70)은 마스터(156)와 인접하여 배치되고, 한 방울 또는 두 방울의 소량의 경화제(160)가 패널(70)과 마스터(156) 사이에 공급된다. 경화제(160)로는 마스터(156)의 융기부 사이의 틈 안으로 흘러들어가는 액체가 선호된다. 상기 경화제(160)는 마스터(156)와 상보적인 형태로 경화되어, 패널(70)에 어레이(44)를 일체형으로 형성한다.

도 17에서, 경화제(160)는 자외선 광(162)을 사용해 경화될 수 있다. 경화된 후에, 패널 조립체 반쪽 부분(158)은 마스터(156)에서 제거되고 마스터(156)는 또다른 패널 조립체 반쪽 부분(158)을 제작하는데 사용된다. 도 18은 마스터(156)로부터 분리된 후에 완성된 패널 조립체 반쪽 부분(158)을 나타낸다.

전술한 방식으로 형성될 수 있는 선호되는 경화제(160)의 예는 표 1에서와 같은 특성을 가지는 Norland NOA 72 에폭시이다. 약 10㎛ 내지 20㎛보다 두껍지 않은 프리즘(42)의 3" X 3" 스퀘어 어레이(44)를 제작할 때, NOA 72 에폭시(160)가 한 방울 또는 두 방울만 필요하다. 바람직한 특성을 가지는 NOA 72 에폭시는, 경화하는데 자외선만을 필요로하며, 어떤 열도 필요로 하지 않는다. NOA 72는 450nm 내지 3㎛ 범위의 광범위한 파장에 대해 95% 이상의 우수한 광 투과 특성을 가지므로 바람직하다. 추가적으로, NOA 72는 -40℃ 내지 110℃의 넓은 온도 범위에 대해 우수한 열 안정성을 가지며, 군사용 광학 장비에 사용하기 적합하다.

도 19에서, 프리즘(48)으로 가변 굴절률 물질을 제작할 때, 고정 재료 층(164)이 전도 물질 층(102) 위에 도포된다. 고정 층(164)은 얇고 2-300Å 두께보다 두껍지 않다. 고정 층은 가변 굴절률 물질을 패널(68)에 고정시키는 것을 돕는다. 이 고정 층(164)은 가변 굴절률 물질의 분자 정렬을 또한 돕는다.

선호되는 한 가지 고정 물질은 스핀 코팅에 의해 전도층(102)의 상부에 도포되는 DuPont PI2555 폴리이미드이다. 스핀 코팅 이후에, 고정 층(164)은 전도층(102)에 결합하도록 베이킹 된다. 그 후에, 이 고정 층(164)은 고정 층(164) 내부에 포켓들을 형성하도록 마찰(rubbing)되고, 이 포켓에서 가변 굴절률 물질의 분자들이 걸려(trapping) 정렬된다.

스핀 코팅 중에, 약 3000rpm의 스핀 속도는 2000Å 두께의 고정 물질 층(164)을 형성한다. 베이킹 중, 이 층(164)은 한 시간동안 약 275℃의 온도로 베이킹 된다. 베이킹 한 후에, 이 층(164)은 층(164) 내부에 그루브(grooves)를 만들기 위해서 Yoshikawa "Finepuff" 라는 브랜드의 마찰 파일 직물 등을 사용해 일 방향으로 마찰되는데, 가변 굴절률 물질이 패널(68)에 도포될 때 이러한 그루브에 가변 굴절률 물질이 걸려(trapping) 정렬된다.

도 20-24에서, 각 어레이(44)의 프리즘(42)의 노출 면(56,60)은, 가변 굴절률 물질이 도포될 때 가변 굴절률 물질의 분자를 정렬하기 위해서 마찰될 수도 있다. 이런 마찰 때문에, 가변 굴절률 물질의 분자 정렬은 개선된다.

도 20과 21에 나타낸 것처럼, 평행한 셀 또는 π-셀을 형성하도록 패널(68) 위의 고정 층(164)에서 동일 방향을 따라, 그리고, 각 프리즘(42)의 길이 방향으로 마찰이 이루어질 수 있다. 도 22에서, 프리즘(42)은 길이 방향을 횡단하여 마찰될 수 있고 고정 층(164)은 교차된 셀을 형성하기 위해서 프리즘 마찰 방향과 직교하는 방향으로 마찰될 수 있다. 도 23에서, 프리즘(42)과 고정 층(164)은 비평행 셀을 형성하도록 반대 방향으로 마찰될 수 있다.

도 24에서, 전방 패널(68)은 프리즘(42)들의 어레이(44)와 후방 패널(70) 위에 배치되고, 스페이서(105)가 패널(68,70)들을 이격 배치한다. 이 패널(68,70)이 이격 배치되었을 때, 프리즘(42), 스페이서(105) 및 전방 패널(68) 사이에 공동이 형성된다. 전체 조립체는 진공 오븐(166)의 컨테이너 안에 배치되고 가변 굴절률 물질을 공동 안으로 끌어당기기 위해서 공동에 진공이 도입된다. 선호적으로, 진공 오븐(166)의 온도는 가변 굴절률 물질의 양호한 초기 정렬을 구현하도록 제어된다. 이 오븐(166)은 균일한 프리즘(48)의 어레이(88)를 달성하도록 가변 굴절률 물질의 등방성을 유지하는 온도에서 작동한다. 공동을 채운 후에, 완성된 패널 조립체 또는 셀(46)은 컨테이너에서 올려지고(lifting) 진공 상태가 해제되어서, 패널 조립체(46)가 오븐(166)에서 분리될 수 있다.

마스터(156)가 마스터(138)로부터 만들어진다면, 마스터(156)를 만드는데 다음 단계가 실시된다. 첫째, 니켈이나 구리 마스터는 특정 애스펙트 비율을 가지도록 다이아몬드를 사용해 회전된다. 둘째, 니켈이나 구리 마스터로 만들어진 구조물은 압축 또는 사출 성형을 통하여 플라스틱 서브마스터로 옮겨진다. 셋째, 고무 서브마스터(rubber submaster)(156)가 플라스틱 서브마스터로부터 형성된다. 끝으로, 최종 프리즘 구조물이 다중 자외선 복제에 의해 마스터(156)에 부가되며, 이때, 이 프리즘 구조물은 원하는 각과 원하는 애스펙트 비율을 가질 것이다.

Ⅳ.2차원 광선 편향기

도 25-27은, 제 1 패널 조립체(46a)를 통과하는 광선(50)이 한 방향으로 편향되고 제 2 패널 조립체(46b)를 통과하는 광선이 다른 방향으로 편향될 수 있도록 서로에 대해 직교하는 한 쌍의 셀 또는 패널 조립체(46a,46b)를 가지는 2차원 광선 편향기(52)를 나타낸다. 이런 식으로, 편향기(52)를 통과하는 광선(50)의 광자는 1차원 또는 2차원으로 편향되어서, 텔레비젼 화상 관에서 전자총이 전자를 조향하는 것처럼 선택적으로 조향될 수 있다.

도 25-27에 나타낸 것처럼, 패널 조립체(46b)의 프리즘과 직교하도록 패널 조립체(46a)의 프리즘(42)이 교차 방식으로 구성됨으로서, 패널 조립체(46a,46b)가 배향된다. 두 교차된 패널 조립체(46a,46b) 사이에는, 편광 회전자로서 사용되는 비교적 얇은 트위스트 네마틱 액정 판(168)이 있다. 상기 편광 회전자(168)는 제 1 패널 조립체(46a)를 통과한 후에 광선(50)의 편광을 회전시켜서, 제 2 패널 조립체(46b)를 통과하기 전에 적절히 편광된다. 편광 회전자(168)는 90도로 광선(50)의 편광을 회전시키는 것이 선호된다.

모든 층(46a,168,46b)은 일체형, 모놀리식 구조로 이루어진 편향기(52)를 형성하도록 샌드위치 형태로 삽입된다. 편향기(52)의 횡단면적 두께는 2-3밀리미터에 불과한 것이 일반적이다. 횡단면적 두께가 10밀리미터보다 작은 것이 선호된다.

도 25에 나타낸 것처럼, 제 1 패널 조립체(46a)를 통과하는 광선(50)은 통과하는 패널 조립체(46a)의 프리즘(42)의 세로축과 직각 방향으로 편향되고 입사 광선(50)의 방향에 대해 예각을 이루는 각 α₁으로 편향된다. 편광 회전자(168)에 의해 편광이 변화된 후, 한번 편향된 광선(50')은 제 2 패널 조립체(46b)를 통과할 때 또다시 편향된다. 광선(50')이 제 2 패널 조립체(46b)를 통과함에 따라, 광선(50')은 입사 방향에 대해 예각인 α₂로 편향된다. 이러한 편향은 광선(50')이 통과하는 패널 조립체(46b)의 프리즘(42)의 길이방향 축에 수직인 방향의 편향에 해당한다. 제 2 패널 조립체(46b)에 의해 편향된 후에, 2회 편향된 광선(50")은 제 2 패널 조립체(46b)로부터 나온다.

이런 식으로, 단일 광선(50)은 광선 편향기(52)를 통과할 때 수평 및 수직 두 방향으로 편향될 수도 있고 수평 또는 수직 방향으로(즉, 한 방향으로) 편향될 수도 있다. 또, 다수 쌍의 광선(50)은 광선 편향기(52)를 동시에 통과함에 따라 수평, 수직 방향으로 동시에 편향될 수 있고 수평 또는 수직 방향으로만 편향될 수도 있다. 예를 들어, 도 25는 수평 및 수직으로 단일 광선(50)을 편향하는 편향기(52)를 나타낸다. 도 26은 수직 방향, 예를 들어 Y-방향으로만 동시에 다수 쌍의 광선(50)을 편향하는 편향기(52)를 나타낸다. 도 27은 수평 방향, 예를 들어 X-방향으로만 동시에 다수 쌍의 광선(50)을 편향하는 편향기를 나타낸다. 각 차원으로의 선택적 광선 제어에 의해, 편향기(52)는 단일 광선(50) 또는 다수의 광선(50)을 상하, 앞뒤로 스캔하여서 편향기(52)로부터 이격된 물체를 스캔한다. 유리하게도, 각각의 광선(50)은 편향기(52)를 움직이지 않으면서 편향된다.

각 패널 조립체(46a,46b)는 특정 패널 조립체(46a,46b)의 편향 각도를 독립적으로 바꾸도록 각각 변할 수 있는, 분리된 전원 V1, V2에 연결된다. 필요할 경우, 광선 편향기(52)는 패널 조립체(46b)의 패널(68) 없이, 그리고, 패널 조립체(46a)의 패널(70) 없이 구성될 수 있다.

도 28과 29는 편향기(52)를 통과하는 광선(50)의 편향을 X 및 Y 차원과 같은 2차원으로 제어하도록 패널 조립체(46a,46b)에 공급되는 전압을 독립적으로 제어할 수 있는 회로를 나타낸다. 도 28에서, 편향기(52)는 편향기(52)를 통과할 때 비교적 정확하게 광선(50)을 편향하도록 X-스캐너 구동부(176)와 Y-스캐너 구동부(178)에 의해 사용되는 인가 전압 조사표(174)의 사용을 조율하도록 인터페이스 소프트웨어(172)와 협동 작용하는 컴퓨터(170)에 의해 제어된다. 상기 X-스캐너 구동부(176)는 X-방향으로 광선(50)을 정확하게 편향하고 Y-스캐너 구동부(178)는 Y-방향으로 광선(50)을 편향한다.

예를 들어, X-스캐너 구동부(176)는 패널 조립체(46a)를 통과할 때 바람직한 각 α₁, α₂로 광선(50)을 정확하게 편향하도록 전압원 V1로부터 패널 조립체(46a)에 인가되는 전압의 크기를 제어한다. 또, Y-스캐너 구동부(178)는 바람직한 각 α₂ 또는 α_y로 1회 편향된 광선(50')을 정확하게 편향하도록 전압원 V2로부터 패널 조립체(46b)에 인가되는 전압의 크기를 제어한다.

컴퓨터(170)에 의해 명령된, 주어진 세트의 편향 각 α_x, α_y에 대해, 소프트웨어(172)는 조사표(174)에 액세스하여, 바람직한 편향 각 α_x, α_y를 달성하는 각각의 구동부(176,178)에 대한 적정 전압 값을 선택한다. 이러한 적정 전압 값은 각각의 구동부(176,178)에 의해 기준값으로서 사용되어, 패널 조립체(46a,46b)에 적정 전압 값과 부합하는 출력 전압을 구동할 수 있게 한다.

편향기(52)가 기설정된 패턴으로 상하, 전후로 광선(50)을 스캔할 수 있도록 편향기(52)와 협력하기 위한 회로(180)가 도 29에 나타나 있다. 유리하게도, 스캐너 회로(180)는 필드 프로그래머블 게이트 어레이(FPGA)에서 구현되는 고속 전자 제어 서브시스템에 의해 구동된다.

각각의 패널 조립체(46a,46b)에 대한 적합한 전압 레벨은 10비트 구조로 이루어진 X-카운터(182)와 Y-카운터(184)에 의해 디지털로 생성된다. 발생되는 적절한 전압 레벨은 컴퓨터(170)와 같은 컴퓨터로부터 전달되는 바람직한 X 및 Y 편향 각 α_x, α_y에 대응하는 것이 바람직하다. X-조사표(186)와 Y-조사표(188)는 메모리에 저장되어 있는 것이 바람직하며, 각각의 조사표(186, 188)는 액정 재료(48)같은 가변 굴절률 물질에 의해 나타낸 전압에 대한 비선형 반응을 보정한다. 이런 비선형 반응의 예는 도 7에 도시되어 있다. 각각의 조사표(186,188)는 SDRAM 집적 회로 내부에 저장되지만 다른 저장 장치에 저장될 수 있다. 각각의 조사표(186,188)는 EEPROM과 같은 다른 저장 장치(190,192)에 포함된 계수표와 각각 통신할 수 있다. 각각의 조사표(186,188)로부터의 출력은 10비트 구조의 디지털-아날로그 변환기(194,196)에 의해 변환된다. 각각의 변환기(194,196)로부터 출력된 아날로그 전압은 해당 패널 조립체(46a,46b)의 단자(84,86)에 인가되기 전에 버퍼링 및 증폭된다.

이 회로를 사용할 때, 하나 이상의 광선(50)은 초당 수천 번씩 상하, 전후로 스캔될 수 있다. 하나 이상의 광선(50)은 10킬로헤르츠 이상의 속도로 지정 반복 패턴으로 스캔을 행할 수 있다.

Ⅴ.스캐너

도 30은 2차원 광선 편향기(52)를 사용하는 스캐너 조립체(198)를 나타낸다. 상기 조립체(198)는 이미터(200)를 가지는데 상기 이미터로부터 한개 이상의 광선(50)이 방출된다. 이 광선(50)은 광선 디렉터 조립체(202)를 향하여 방사된다. 이러한 광선 디렉터 조립체(202)는 한 쌍의 이격 배치된 거울(204, 206)을 포함하여, 이미터(200)를 편향기(52) 배면으로부터 측방으로 이격되게 배치할 수 있다. 이 광선(50)은 편향기(52)를 통해 조향되며, 가령, 도 28과 29에 나타낸 회로와 같은 회로가 광선(50")을 2차원으로 편향시켜서, 편향기(52)로부터 이격 배치된 물체(208)를 스캔한다.

이 물체(208)는 광선(50")으로 스캔되는 2차원 또는 3차원 표면이나 형태를 가진다. 물체(208)에 충돌하는 광선(50")에 의해, 한개 이상의 광선(210)이 검출기(212)를 향해 반사되고, 검출기(212)는 이 광선(210)을 수신한다. 상기 검출기(212)는 특정한 목적을 위해, 반사된 광선(212)을 분석할 수 있는 분석기(도시되지 않음)와 통신가능하게 연결되는 것이 바람직하다. 상기 분석기는 정보 추출이나 이미지 형성을 위해 반사된 광선(210)을 분석할 수 있는 한개 이상의 프로세서, 디지털 회로, 그리고 소프트웨어를 포함할 수 있다. 필요할 경우, 이와 다른 형태의 분석이 반사 광선(210)에 대해 구현될 수 있다.

이런 식으로 스캔될 수 있는 물체(208)는 2차원 및 3차원 물체의 스캐닝을 포함한다. 본 발명의 스캐너로 스캔될 수 있는 몇 가지 물체의 예는 종이, 망막, 인체, 그리고 표적 등을 포함한다. 다른 곳에도 사용할 수 있다. 예를 들어, 상기 스캐너(198)는 스캐너(198)를 구비한 위성으로부터 지구를 스캐닝하기에 적합하다. 또, 스캐너는 물체(208)로부터 반사되거나 방출되는 광선을 스캐닝하기에 적합하다.

상기 이미터(200)는 레이저같은 시준된 광의 광원인 것인 바람직하다. 상기 검출기(212)는 이미터(200)로부터 방출된 광의 반사된 광선(210)을 감지하여 전기 신호를 발생시키도록 구성되고 배치된다. 적절한 검출기(212)의 예는 디지털 카메라뿐만 아니라 고체 촬상 소자(CCD)를 포함한다.

VI. 레이저 이미징 레이더(Laser Imaging Radar)
도 31 및 도 32는 스캐너 조립체(198)와 유사한 레이저 이미징 레이더 스캐너 조립체(214)를 도시한다. 이 조립체(214)는 2차원 광선 편향기(52)를 이용하며, 통상적으로 운송장비(216)(일례에 해당됨)에 포함된다. 도 32에 도시되는 운송장치가 로켓이나 미사일에 해당하지만, 항공기, 위성 등, 그외 다른 적절한 운송장비가 될 수도 있다.
도 32에 도시되는 레이저(224)는 1.2 ~ 1.5 미크론의 파장을 가진 적외선 레이저일 수 있다. 레이저(224)는 2차원을 신속하게 스캔하기 위해 약 1 cm 이하의 광선 직경을 가진다.
편향기(52)는 3.5 인치의 직경을 가진다. 요망 영역(244)을 스캔하기 위해, 편향기(52)는 약 30°x 30°의 시야(field of view)를 가지며, 전체 영역(244)을 한번 스캔하는 데 100 미크론 이상 걸리지 않는다. 따라서, 편향기(52)는 X방향으로 약 30°의 최대 스캔 각 α_x,max과 Y방향으로 약 30°의 최대 스캔 각 α_y,max을 가진다.
레이저 이미징 레이더 조립체(214)는 다음과 같은 사양을 가지는 것이 바람직하다.

표 3

위의 표 3에서, 클리어 구경(Clear aperture)은, 광선(50)이 실제로 통과할 수 있는 광선 편향기의 크기이다. 지정 해상도(Pointing resolution)는, X-방향(α_x) 및 Y-방향(α_y)으로 얼마나 정확하게 광선(50)이 편향될 수 있는지를 나타낸다. 반응 시간(Response time)은 전체 장에 대해 편향기(52)가 얼마나 빠르게 스캔을 반복할 수 있는지를 나타낸다. 투과율(Transmission)은 편향기(52)를 통하여 얼마나 효율적으로 광이 투과되는지 반영한 것이다. 레이저 파장(Laser wavelength)은 광선(50)이 방출되는 레이저(224)의 바람직한 파장이다. 전체 광선 에너지(Total beam energy)는 8ns의 펄스 발생 시간 동안 레이저(224)에 의해 방출되는 에너지 양이다.

이러한 요망 특성들을 구현하기 위해, 각 패널 조립체(46a,46b)의 각각의 프리즘(48,42)은 약 30㎲의 반응 시간을 가지는 액정 물질(48)을 사용해 10㎛ 이하의 높이 또는 피치를 가진다. 액정 물질(48)은 강유전성 액정 물질이 선호된다. 프리즘(48)을 형성하는데 사용되는 액정 물질(48)은 약 0.25 또는 0.26의 복굴절성(Δn)을 가져서 α_max는 0볼트 내지 10볼트의 전압이 공급될 때 45도만큼의 크기를 가질 수 있다.

표 4

매개변수	값	결과
마이크로프리즘 크기	10um x 10 um x 7.5 cm (45~60°프리즘 각도)	us-ms 속도 구현을 위해 액정 두께 <= 10um
액정 물질	고속 네마틱 또는 강유전성 액정(△n = 0.2~0.3)	스캔각 >= 30°
액정 마이크로프리즘	- 평행 정렬 - 균일/불균일 전기장	해당 액정에 대해 최고 △n 병렬 ITO층
구경 크기	3" x 3" (7.5cm x 7.5cm)	7500 x 7500 마이크로프리즘 어레이
지정 해상도	6200 urad	10-비트 해상도
광선 발산도	< 200 urad	파장 에러 < 2.6 λ λ = 1.54 um
응답 시간	< 100 us ~ ms	DHFLC의 경우 30us 응답 (강유전성 액정)
투과율	> 80%	계면에서 프레스넬 반사 손실
스캔각	>= 30°x 30°	△n 이 약 0.2인 액정 물질
레이저 손상 한도	> 1 J/1ns 펄스	1.064 um (Nd: YAG 레이저)

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위의 표 4에 나타낸 특성을 가지는 2차원 편향기(52)가 구성될 수 있다. 바람직한 파장 또는 파장 영역 및 광선 직경을 가지는 바람직한 광선(50)을 발생시키는 적절한 레이저의 예는 네오디윰:YAG 레이저이다.

3차원 스캐닝 조립체를 만들고자 할 경우, 세 개의 패널 조립체(46)가 샌드위치 형태로 형성될 수 있다. 이때, 각각의 인접한 쌍의 패널 조립체(46)들 사이에 한 층의 트위스트 네마틱 액정 판(168)이 삽입되는 구조를 가진다.

필요할 경우, 2차원 광선 편향기(52)는 움직이는 물체(242)에 레이저 광선(50) 또는 그외 다른 고에너지 밀도 광선을 선택적으로 조향하게 하기 위한 타겟 장치로서 사용될 수 있다. 타겟 장치(52)에 대한 한 가지 용례는 다가오는 항공기, 미사일 또는 로켓 물체(242)에 광선(50)을 조향하여 이를 파괴하는 것이다. 타겟 장치(52)는 조작중에 움직이지 않으며, 시간당 수백 내지 수천 마일의 속도로 움직이는 물체(242)로 광선을 향하게 하기 위해서 충분히 빠르게 2차원 공간에서 광선(50)의 방향을 설정할 수 있다.

위의 명세서와 도면은 본 발명의 선호되는 실시예를 상세히 설명하고 나타내었지만, 본 발명이 관련된 당해 분야의 업자들은 본 발명의 범위에서 벗어나지 않으면서 다양하게 수정하고 구조할 수 있으며 다양한 실시예와 용도가 가능하다는 것을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 범위는 첨부된 청구항에 의해서만 제한된다.

Claims

전자기 에너지 광선을 편향하기 위한 광선 편향기에 있어서, 상기 광선 편향기는,

a) 전기장 또는 자기장의 존재 시 변할 수 있는 굴절률을 가진 제 1 프리즘(48)으로서, 이때, 광선이 입사되는 제 1 프리즘의 제 1 면, 그리고, 광선이 방출되는 제 1 프리즘의 제 2 면을 가지는 특징의 상기 제 1 프리즘(48),

b) 일정하게 유지되는 굴절률을 가진 제 2 프리즘(42)으로서, 이때, 상기 제 2 프리즘은 광선이 입사되는 상기 제 2 프리즘의 제 1 면, 그리고 광선이 방출되는 상기 프리즘의 제 2 면을 가지며, 상기 제 1 프리즘의 제 2 면이 제 2 프리즘의 제 1 면과 인접하여 배치되도록 제 1 프리즘과 제 2 프리즘이 결합되는 특징의 상기 제 2 프리즘,

c) 전기장이나 자기장이 제 1 프리즘을 통하여 뻗어가도록 구성된 전기장 또는 자기장 공급 수단, 그리고

를 포함하며, 이때, 상기 전기장 또는 자기장의 전속 또는 자속 변화는 제 1 프리즘의 굴절률을 바꾸어서, 광선이 프리즘을 통과할 때 광선이 편향되는 각도를 바꾸는 것을 특징으로 하는 전자기 에너지 광선을 편향하기 위한 광선 편향기.
제 1 항에 있어서, 상기 제 1 프리즘(48)과 제 2 프리즘(42)은 삼각형 단면을 가지며, 그 피치는 100㎛ 이하여서, 전기장이나 자기장의 변화에 반응하는 응답 속도가 100㎲보다 빠른 것을 특징으로 하는 광선 편향기.
제 2 항에 있어서, 상기 피치는 광선의 방향과 평행한 방향의 프리즘의 두께를 포함하는 것을 특징으로 하는 광선 편향기.
제 2 항에 있어서, 상기 광선은 100㎛보다 작은 직경을 가지는 것을 특징으로 하는 광선 편향기.
제 2 항에 있어서, 상기 제 1 프리즘과 제 2 프리즘 각각은 30㎛ 이하의 너비를 가지는 것을 특징으로 하는 광선 편향기.
제 2 항에 있어서, 전기장이나 자기장의 변화에 따라 상기 제 1 프리즘의 굴절률이 바뀌는 것을 특징으로 하는 광선 편향기.
제 1 항에 있어서, 제 1 프리즘과 제 2 프리즘은 20㎛ 이하의 피치와 삼각형 횡단면을 가져서, 제 1 프리즘은 30㎲ 이내의 시간에서 자기장 또는 전기장 변화에 감응하여 굴절률을 바꾸는 것을 특징으로 하는 광선 편향기.
제 1 항에 있어서, 제 1 프리즘과 제 2 프리즘은 30㎛ 이하의 너비와 15㎛ 이하의 피치와 삼각형의 횡단면을 가지므로 제 1 프리즘은 30㎲ 이내의 시간에서 전기장 또는 자기장 변화에 감응해 굴절률을 바꾸는 것을 특징으로 하는 광선 편향기.
제 8 항에 있어서, 제 1 프리즘과 제 2 프리즘의 피치는 10㎛ 이하인 것을 특징으로 하는 광선 편향기.
제 8 항에 있어서, 상기 광선 편향기는,

- 상기 제 1 프리즘의 제 1 면에 인접하게 배치되는 제 1 전도층(102),

- 상기 제 2 프리즘의 제 2 면에 인접하게 배치되는 제 2 전도층(82), 그리고

- 상기 제 1, 2 전도층에 전기적으로 연결된 전압원으로서, 상기 전압원으로부터의 전압이 상기 제 1, 2 전도층에 인가될 때 제 1 프리즘을 통해 전기장이나 자기장을 공급하기 위한 특징의 상기 전압원

을 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 광선 편향기.
제 10 항에 있어서, 제 1 전도층과 제 2 전도층은 인듐 주석 산화물(ITO)로 이루어지는 것을 특징으로 하는 광선 편향기.
제 8 항에 있어서, 상기 광선 편향기는,

- 상기 제 1 프리즘의 제 1 면에 인접하게 배치되는 제 1 전도층,

- 상기 제 1, 2 프리즘 사이에 배치된 제 2 전도층, 그리고

- 상기 제 1, 2 전도층에 전기적으로 연결된 전압원으로서, 상기 전압원으로부터의 전압이 상기 제 1, 2 전도층에 인가될 때 상기 제 1 프리즘을 통해 전기장이나 자기장을 공급하는 특징의 상기 전압원

을 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 광선 편향기.
제 1 항에 있어서, 제 1 프리즘과 제 2 프리즘은 (1) 삼각형의 횡단면을 가지고, (2) 10㎛보다 짧은 피치를 가지며, (3) 45° 내지 60° 범위의 정점 각을 가지는 것을 특징으로 하는 광선 편향기.
제 13 항에 있어서, 상기 피치는 광선의 방향과 평행을 이루는 방향으로 최대 횡단면 두께를 가지고, 제 1 프리즘의 정점 각은 제 1 프리즘의 제 1 면과 제 2 면 사이에서 일정한 각을 이루며, 제 2 프리즘의 정점 각은 제 2 프리즘의 제 1 면과 제 2 면 사이에서 일정한 각을 이루는 것을 특징으로 하는 광선 편향기.
제 13 항에 있어서, 제 1 프리즘과 제 2 프리즘은 1cm 이상의 길이를 가지는 것을 특징으로 하는 광선 편향기.
제 3 항에 있어서, 제 1 프리즘은 가변 굴절률 물질로 이루어지고 이 굴절률은 공급되는 전기 또는 자기장의 세기와 전속이나 자속에 따라 0.2만큼 변할 수 있는 것을 특징으로 하는 광선 편향기.
제 7 항에 있어서, 상기 광선 편향기는,

- 제 1 어레이로 배열되는 다수 쌍의 제 1 프리즘, 그리고

- 제 2 어레이로 배열되는 다수 쌍의 제 2 프리즘

을 포함하며, 제 1 프리즘의 제 1 어레이와 제 2 프리즘의 제 2 어레이는 함께 결합되고, 제 1 어레이와 제 2 어레이는 광선의 방향과 직각 방향으로 배향되는 것을 특징으로 하는 광선 편향기.
제 17 항에 있어서, 상기 광선 편향기는,

- 제 1, 제 2 어레이의 한 면에 배치된 제 1 패널(68), 그리고

- 제 1, 제 2 어레이의 다른 면에 배치된 제 2 패널(70)

을 포함하며, 상기 제 1 패널과 제 2 패널은 광선의 방향과 직각 방향으로 배향되고, 상기 제 1 패널(68), 제 1 어레이(48), 제 2 어레이(42) 및 제 2 패널(70)은 패널 조립체(46)를 형성하는 것을 특징으로 하는 광선 편향기.
제 18 항에 있어서, 상기 광선 편향기는,

- 패널 조립체 전방에 배치된 광선 편광기(51)로서, 광선이 패널 조립체를 통과하기 전에 광선이 상기 광선 편광기(51)를 통과하게 하는 특징의 상기 광선 편광기(51)

를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 광선 편향기.
제 18 항에 있어서, 상기 광선 편향기는,

- 상기 두 패널 중 하나와, 상기 두 어레이 중 하나 사이에 배열된 제 1 전도층,

- 상기 두 패널 중 다른 하나와, 상기 두 어레이 중 다른 하나 사이에 배열된 제 2 전도층, 그리고

- 상기 제 1, 2 전도층에 전기적으로 연결된 전압원으로서, 상기 전압원에 의해 각각의 제 1 프리즘에 공급되는 전기장의 크기가 동일한 특징의 상기 전압원

을 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 광선 편향기.
제 20 항에 있어서, 상기 제 1 전도층은 제 1 패널과 제 1 어레이 사이에 배치되고, 상기 제 2 전도층은 제 2 패널과 제 2 어레이 사이에 배치되는 것을 특징으로 하는 광선 편향기.
제 20 항에 있어서, 상기 두 전도층 중 하나는 상기 제 1, 2 어레이 사이에 배치되어, 각각의 제 1 프리즘에 불균일한 전기장이나 자기장을 생성하는 것을 특징으로 하는 광선 편향기.
제 18 항에 있어서, 상기 광선 편향기는,

- 패널 조립체와 통신가능하게 연결되어 패널 조립체의 온도를 보정하는 수단

을 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 광선 편향기.
제 23 항에 있어서, 온도 보정 수단은 온도 센서와, 상기 패널 조립체에 접촉하는 가열기를 포함하는 것을 특징으로 하는 광선 편향기.
제 24 항에 있어서, 상기 온도 센서는 패널 조립체와 접촉하지 않고,

상기 가열기는 온도 센서에 의해 감지된 온도에 감응해 패널 조립체를 선택적으로 가열하는, 패널 조립체와 접촉하는 전기 가열식 열 블랭킷(thermal blanket: 즉, 전기 담요)을 포함하는 것을 특징으로 하는 광선 편향기.
제 18 항에 있어서, 상기 광선은 다수의 광선을 포함하고, 다수의 광선 중 하나가 제 1, 2 프리즘 각각을 통과하여 제 1, 제 2 프리즘 각각에 의해 편향되는 것을 특징으로 하는 광선 편향기.
제 18 항에 있어서, 상기 광선 편향기는,

- 상기 패널 조립체 전방에 배치되는 포지티브 마이크로렌즈 어레이(132)로서, 광선이 상기 패널 조립체를 통과하기 전에 포지티브 마이크로렌즈 어레이를 통과하게 하는 특징의 상기 포지티브 마이크로렌즈 어레이(132), 그리고

- 상기 패널 조립체 후방에 배치되는 네거티브 마이크로렌즈 어레이(134)로서, 광선이 상기 네거티브 마이크로렌즈 어레이를 통과하기 전에 상기 패널 조립체를 통과하게 하는 특징의 상기 네거티브 마이크로렌즈 어레이(134)

를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 광선 편향기.
제 18 항에 있어서,

- 상기 패널 조립체 전방에 배치되는 포지티브 마이크로렌즈 어레이(132)로서, 광선이 상기 패널 조립체를 통과하기 전에 포지티브 마이크로렌즈 어레이를 통과하게 하는 특징의 상기 포지티브 마이크로렌즈 어레이(132), 그리고

- 상기 포지티브 마이크로렌즈 어레이와 상기 패널 조립체 사이에 배치되는 네거티브 마이크로렌즈 어레이(134)

를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 광선 편향기.
제 18 항에 있어서,

제 1 어레이와 제 2 어레이는 각각 5개 이상의 프리즘을 포함하고,

제 2 프리즘 중 하나는 제 1 너비를 가지고, 제 2 프리즘 중 두 번째는 제 2 너비를 가지며, 제 2 프리즘 중 세 번째는 제 3 너비를 가지고, 제 2 프리즘 중 네 번째는 제 4 너비를 가지고 제 2 프리즘 중 다섯 번째는 제 5 너비를 가지며,

이 너비들은 서로 다르고, 그리고

제 1 너비, 제 2 너비, 제 3 너비, 제 4 너비 및 제 5 너비의 합계는 회절 노이즈를 줄이기 위해 광선 파장의 100배보다 큰 것을 특징으로 하는 광선 편향기.
제 18 항에 있어서, 상기 패널 조립체는 1인치 이상의 길이와 1인치 이상의 높이를 가지는 것을 특징으로 하는 광선 편향기.
제 30 항에 있어서, 패널 조립체는 3.5인치 이상의 길이와 3.5인치 이상의 높이를 가지는 것을 특징으로 하는 광선 편향기.
제 31 항에 있어서, 상기 패널 조립체는 10mm 이하의 두께를 가지는 것을 특징으로 하는 광선 편향기.
제 18 항에 있어서, 상기 광선은 100㎛ 이하의 직경을 가지며,

상기 광선은 패널 조립체를 통과할 때 30°만큼의 각도로 선택적으로 편향될 수 있는 것을 특징으로 하는 광선 편향기.
제 33 항에 있어서, 상기 광선은 0도 내지 30도 범위 내에서 선택적으로 편향될 수 있는 것을 특징으로 하는 광선 편향기.
제 33 항에 있어서, 상기 광선은 요망 편향 각도의 0.5밀리라디안 내에서 선택적으로 편향될 수 있는 것을 특징으로 하는 광선 편향기.
제 33 항에 있어서, 상기 광선은 0.3㎛ 내지 30㎛ 범위의 파장을 가지는 광으로 구성되는 것을 특징으로 하는 광선 편향기.
제 33 항에 있어서, 상기 광선은 시준 광으로 구성되는 것을 특징으로 하는 광선 편향기.
제 37 항에 있어서, 상기 시준 광은 레이저에 의해 발생되는 것을 특징으로 하는 광선 편향기.
제 38 항에 있어서, 상기 광선은 적외선 광으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 광선 편향기.
제 39 항에 있어서, 상기 적외선 광은 1.2㎛ 내지 1.5㎛ 범위의 파장을 가지는 것을 특징으로 하는 광선 편향기.
제 18 항에 있어서, 상기 광선 편향기는,

- 한 패널 조립체가 다른 한 패널 조립체에 인접하게 배치되는 형태의 한 쌍의 패널 조립체(46a, 46b)로서, 이때, 한 패널 조립체의 제 1 어레이의 프리즘들은 다른 한 패널 조립체의 제 1 어레이의 프리즘들과 직교하고, 한 패널 조립체의 제 2 어레이의 프리즘들은 다른 한 패널 조립체의 제 2 어레이의 프리즘들과 직교하여서, 한 패널 조립체는 한 방향으로 광선을 편향하고 다른 한 패널 조립체는 다른 한 방향으로 광선을 편향하는 특징의 상기 한 쌍의 패널 조립체(46a, 46b)

를 포함하는 것을 특징으로 하는 광선 편향기.
제 41 항에 있어서, 상기 한 패널 조립체는 한 차원(즉, 한 방향)으로 광선을 편향하고 다른 한 패널 조립체는 다른 한 차원(즉, 다른 한 방향)으로 광선을 편향하는 것을 특징으로 하는 광선 편향기.
제 42 항에 있어서, 상기 한 패널 조립체는 수평으로 광선을 편향하고, 다른 한 패널 조립체는 수직으로 광선을 편향하는 것을 특징으로 하는 광선 편향기.
제 39 항에 있어서, 상기 광선 편향기는,

- 패널 조립체 사이에 배치된 편광판(168)

을 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 광선 편향기.
제 16 항에 있어서, 상기 가변 굴절률 물질은 액정으로 구성되는 것을 특징으로 하는 광선 편향기.
제 45 항에 있어서, 각각의 제 1 프리즘은 강유전성 액정으로 구성되는 것을 특징으로 하는 광선 편향기.
제 45 항에 있어서, 각각의 제 1 프리즘은 네마틱 액정(nematic liquid crystal)으로 구성되는 것을 특징으로 하는 광선 편향기.
광선 편향기에 있어서, 상기 광선 편광기는,

a) 광선을 방출하는 광원,

b) 광선의 방향에 가로질러 어레이로 배열되는 다수 쌍의 프리즘으로서, 각 프리즘은 삼각형 횡단면, 20㎛ 이하의 피치, 그리고 40도 내지 65도 범위의 정점 각을 가지며, 각 쌍의 인접 프리즘들은 그 사이에 공동을 가져서 상기 어레이 내부에 다수의 공동을 형성하는 특징의 상기 다수의 쌍의 프리즘,

c) 상기 어레이에서 각각의 공동에 수용된 가변 굴절률 물질로서, 0.15 이상 변할 수 있는 굴절률을 가진 상기 가변 굴절률 물질,

d) 상기 어레이와 인접하여 배치된 제 1 단자,

e) 상기 가변 굴절률 물질에 인접 배치된 제 2 단자, 그리고

f) 상기 제 1, 2 단자와 전기적으로 연결된 전압원

을 포함하며, 이때,

상기 단자들에 전압을 인가하면 상기 가변 굴절률 물질에 전기장이 생성되고, 이에 따라, 상기 가변 굴절률 물질의 굴절률이 변화하며,

상기 단자들에 인가되는 전압의 크기를 선택적으로 제어할 수 있도록 상기 전압원이 선택적 및 가변적으로 구성되어 상기 가변 굴절률 물질의 굴절률을 선택적으로 제어할 수 있고, 이에 따라, 광선이 상기 가변 굴절률 물질 및 상기 어레이를 통과할 때 상기 광선이 편향되는 각도를 선택적으로 제어할 수 있고, 그리고

상기 광선이 30도만큼 편향될 수 있는 것을 특징으로 하는 광선 편향기.
제 48 항에 있어서, 상기 광선이 상기 어레이의 프리즘들 중 하나를 통과하기 전에 상기 광선은 상기 가변 굴절률 물질을 통과하는 것을 특징으로 하는 광선 편향기.
제 49 항에 있어서, 상기 가변 굴절률 물질은 0.2만큼 변할 수 있는 굴절률을 가지는 액정으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 광선 편향기.
제 48 항에 있어서, 상기 광선 편향기는,

- 상기 가변 굴절률 물질에 인접 배치된 투과성 물질의 제 1 패널로서, 광선이 상기 가변 굴절률 물질을 통과하기 전에 제 1 패널을 통과하게 하는 특징의 상기 제 1 패널,

- 상기 어레이에 인접 배치된 투과성 물질의 제 2 패널로서, 광선이 상기 제 2 패널을 통과하기 전에 상기 프리즘들 중 하나를 통과하게 하는 특징의 상기 제 2 패널

을 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 광선 편향기.
제 51 항에 있어서, 제 1, 제 2 패널은 모두 유리로 이루어지는 것을 특징으로 하는 광선 편향기.
제 51 항에 있어서, 상기 어레이의 각 프리즘은 에폭시로 구성되는 것을 특징으로 하는 광선 편향기.
제 51 항에 있어서, 상기 어레이의 각 프리즘은 유리로 이루어지는 것을 특징으로 하는 광선 편향기.
제 48 항에 있어서, 광선은 가변 굴절률 물질을 통과하기 전에 어레이의 프리즘을 통과하는 것을 특징으로 하는 광선 편향기.
광선을 편향시키기 위한 광선 편향기에 있어서, 상기 광선 편향기는,

a) 전기장이나 자기장의 존재 시에 가변적인 굴절률을 가지는 마이크로프리즘들의 제 1 어레이로서, 각 마이크로프리즘의 높이는 20 미크론보다 작아, 마이크로프리즘이 100마이크로세컨드 이내의 시간에서 장의 변화에 반응하는 특징의 상기 제 1 어레이

b) 상기 제 1 어레이와 결합된 마이크로프리즘들의 제 2 어레이로서, 제 2 어레이의 마이크로프리즘 각각은 20마이크로미터 이하의 높이를 가지는 특징의 상기 제 2 어레이, 그리고,

c) 전기장이나 자기장이 제 1 어레이의 마이크로프리즘을 통해 뻗어가도록 구성된 전기장 또는 자기장 공급 수단

을 포함하며, 이때,

상기 전기장 또는 자기장의 전속 또는 자속 변화는 제 1 어레이의 마이크로프리즘들의 굴절률을 변화시켜서, 마이크로프리즘을 통과하는 광선의 편향 각을 변화시키는 것을 특징으로 하는 광선 편향기.