KR100788054B1 - 광학 기기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 중간 초점 또는 광학 기기의 상 평면(4)에 위치하고 상기 광학 기기를 통과하는 빛의 회절간섭을 야기시켜 상기 광학 기기의 광학축(3)을 가로질러 서로 뒤바뀌어 놓여진 다수의 출사동공의 조합을 포함하는 확대 출사동공(6)을 만드는데 효과적인 다수 영역의 패턴을 구비하는 회절요소(7)를 포함하는, 관찰자가 보기 위한 광학상을 만들기 위한 수단을 구비한 광학 기기를 제공한다.

광학 기기, 출사동공, 광학요소, 회절요소

Description

광학 기기{OPTICAL INSTRUMENT}

본 발명은 광학 기기에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 물체의 상이 관찰자에 의해 관찰 가능한 출사동공(exit pupil)을 갖는 광학 기기에 관한 것이다.

종래의 광학 기기의 경우, 출사동공의 크기는 광학 기기의 조리개수의 함수 및 전체 배율에 의해 결정되고, 그에 따라 출사동공의 크기는 고정적이고 비교적 작은 치수로 이루어진다. 그 결과, 관찰자는 광학 기기로부터 상(image)을 적절히 관찰하거나 빛을 수신하기 위해서는 자신의 눈의 입사동공을 상기 광학 기기의 출사동공과 정확히 정렬시키는 것이 필요하다.

유럽특허출원 제 94905777.2 호는 확대된 출사동공을 구비한 광학 장치를 개시하고 있는데, 이 유럽특허출원에서 관찰자는 관찰자 자신의 눈을 확대된 출사동공내의 임의장소에 위치시킴으로써 상기 광학 장치로부터 상 또는 빛을 수신할 수 있는 자유를 만끽할 수 있다. 상기 확대된 출사동공은 광학 기기의 중간 초점 또는 상 평면(image plane)에 위치한 회절요소를 제공함으로써 얻어진다. 상기 회절요소는 기판 표면상에 일치하는 가장자리를 갖고 제 1 회절격자의 선들을 형성하는 다수의 제 1 평행홈 및 기판 표면상에 상기 제 1 평행홈에 수직으로 연장하고 일치하는 가장자리를 가지며 제 2 회절격자의 선들을 형성하는 다수의 제 2 평행홈을 구비한 기판을 포함한다. 유럽특허출원 제 94905777.2 호에 개시된 회절요소의 구성으로 인해, 확대된 출사동공이 생성되는 동안, 이 출사동공의 전체 범위에 걸쳐 빛 에너지 분포가 균일하지 않다는 사실이 확인되었다. 이러한 빛 에너지는 상기 확대된 출사동공의 중심 영역에서 최대 에너지 레벨을 가지며 상기 출사동공의 주변을 향해 상기 중심 영역으로부터 이격된 위치에서 감소하는 에너지 레벨을 갖는다. 더욱이, 상기 회절요소가 요구되는 확대된 출사동공의 범위에 걸쳐 보다 균일한 에너지 레벨 분포를 만들도록 설계되면, 상기 요구된 출사동공의 범위를 넘어서는 중대한 빛 에너지가 생성되고 이 에너지는 사용되지도 않고 소모된다.

본원의 제 1 발명에 따르면, 관찰자가 볼 수 있는 광학상(optical image)을 만들기 위한 수단을 구비한 광학 기기는, 상기 광학 기기의 중간 초점 또는 상 평면에 위치하고 상기 광학 기기의 광학축을 가로질러 서로 뒤바뀌어 놓여진 다수의 출사동공의 조합을 구비하는 확대된 출사동공을 만드는데 효과적인 다수의 영역 패턴을 갖는 회절요소를 포함한다.

본원의 제 2 발명에 따르면, 광학 기기에 사용하기 위한 회절요소는, 상기 회절요소를 통과하거나 이 회절요소에 의해 반사되는 광의 회절 간섭을 일으키고 이에 따라 상기 광학 기기의 광학축을 가로질러 서로 뒤바뀌어 놓여진 다수의 출사동공의 조합을 구비하는 확대된 출사동공을 만드는 효과적인 다수의 영역 패턴을 갖는다.

이하에서는, 첨부 도면을 참조하여 실례를 통해 본 명세서의 실시예를 설명하기로 한다.

도 1 은 회절요소를 포함하는 현미경의 광학요소들을 도시한 선도이다.

도 2 는 회절 광학요소의 표면의 일부를 도시한 평면도이다.

도 3 은 도 2 의 선 3 - 3 을 따라 절취한 회절요소의 단면도이다.

도 4 는 투과 회절요소를 이용한 투시 현미경의 광학요소들을 도시한 선도이다.

도 5 는 반사 회절요소를 이용한 투시 현미경의 대체 실시예를 도시한 선도이다.

도 6 은 도 5 에서 도시된 투시 현미경의 대체 구성을 도시한 선도이다.

도 7 은 결합형 프레넬 렌즈 시스템 및 회절 어레이를 이용한 투시 현미경의 광학요소들을 도시한 선도이다.

우선, 도 1 을 참조하면, 현미경은 광학축(3)상에 정렬되는 대물 렌즈(1) 및 접안 렌즈(2)를 포함한다. 상기 대물렌즈는 물체면(5)에 있는 물체의 중간 상(intermediate image)을 초점 또는 상평면(image plane)(4)에 만든다. 관찰자의 눈이 참조부호(6)에 위치한 출사동공과 정렬되면, 상기 중간상 및 상기 물체의 확대된 상이 관찰될 수 있다. 상기 현미경의 중간 초점 또는 상평면(4)에 투과 회절요소(7)가 위치한다. 상기 회절요소(7)가 없다면, 비교적 작은 크기의 출사동공이 상기 위치(6)에서 만들어질 것이다. 그러나, 상기 회절요소는 서로에 대해 상기 광학축(3)을 가로질러 뒤바뀌어 놓이는 위치(6)에서 다수의 출사동공을 만드는데 효과적이다. 조합하는 경우, 상대적으로 이동 위치하는 다수의 출사동공은 상기 회절요소(7)가 없는 경우에 형성될 수 있는 상기 출사동공보다 횡방향의 범위가 큰 확대된 출사동공을 형성한다.

원한다면, 물체의 구경은 구경 조리개(8)에 의해 한정될 수도 있다. 상기 구경 조리개(8)는 원형으로 구성되고, 이때 출사동공 역시 원형으로 이루어진다. 그러나, 상기 물체의 구경은 원형이 아닌, 예컨대 장방형, 정방형 또는 6 각형의 형태로 구성될 수도 있다. 조합시 상기 확대된 출사동공을 형성하는 다수의 출사동공은 각각 상기 구경 조리개(8)에 해당하는 형상으로 만들어진다. 상기 출사동공이 광학축을 가로질러 뒤바뀌어 놓이는 것 및 상기 다수의 각 출사동공의 빛 에너지는 상기 확대된 출사동공의 일정 범위에 걸친 빛 에너지 분포를 결정한다. 상기 확대된 출사동공이 관찰자의 눈에 단일의 연속적인 확대 출사동공으로 보이는 것이 바람직하다. 더욱이, 상기 출사동공들이 상기 현미경의 광학축(3)에 횡방향으로 위치하고, 상기 다수의 각 출사동공의 빛 에너지가 상기 확대된 출사동공의 범위에 걸쳐 필요한 빛 에너지 분포를 만드는 것이 바람직하다. 통상, 상기 확대된 출사동공의 범위에 걸쳐 필요한 빛 에너지 분포는 실제로 균일하고, 상기 필요한 정도의 확대 출사동공의 주변 가장자리는 빛 에너지에 있어서 비교적 급격한 기울기를 가짐으로써 상기 확대 출사동공의 필요한 범위를 넘어 중요하지 않은 빛 에너지 레벨이 존재하게 된다. 그러나 원하면, 상기 빛 에너지 분포는 상기 확대 출사동공의 중심에 위치하는 영역에서 최대값으로 상승하여 관찰자가 상기 확대 출사동공의 중심과 정렬되는 눈 위치에 접근하는 경향이 있다.

도 2 를 참조하면, 상기 회절요소(6)는 상기 현미경의 광학축(3)의 횡방향으로 연장하는 표면(10)을 갖는 기판(9)을 포함한다. 다수의 영역(12)으로 이루어진 패턴(11)이 상기 표면(10)상에 형성된다. 상기 회절요소를 통과하는 빛은 상기 영역(12)이 존재함으로 인해 회절 간섭을 받게 되고, 그 결과 상기 회절요소가 없는 경우에 형성되는 비교적 작은 출사동공 대신, 상대적으로 가로질러 뒤바뀌어 놓여진 다수의 출사동공이 형성되어 조합시 확대 출사동공을 형성한다. 상기 영역(12)의 패턴(11)은 상기 기판의 표면(10) 전체에 걸쳐 연장되거나, 상기 표면의 일부에 걸쳐 연장되거나 상기 표면(10)의 나머지 영역 상에서 중복형성(replicated)될 수도 있다.

장방형 형태 및 서로 다른 크기로 이루어진 영역들을 설명의 목적으로만 도 2 에 도시하였다. 그러나, 상기 영역(12)은 동일하거나 유사한 크기 및 형상으로 이루어지거나, 또는 회절요소를 통과하는 빛이 회절되어 조합시 넓어진 출사동공을 형성하는 다수의 출사동공층군이 되는 경우 상기 영역은 패턴(11) 내의 소정위치에 위치하는 상태로 그 미리 정해진 형상이나 치수가 서로 달라질 수 있음을 알아야 할 것이다. 상기 회절요소에 대해 추가로 요구되는 사항은 상기 출사동공을 상대적으로 뒤바뀌어 놓이게하고 각 출사동공에서 상기 빛 에너지 레벨에 의해 출사동공이 확대됨으로써 상기 확대 출사동공의 필요한 일정 범위에 걸쳐 필요한 빛 에너지를 분포하게 하는 것이다. 도 2 에 도시된 영역은 장방형이거나 상호 수직한 두 방향으로 연장된 직선형의 변들에 의해 형성된다. 그러나, 상기 영역은 비직선형의 변들에 의해 형성되는 다양한 형상으로 구성될 수도 있음을 알아야 한다. 즉, 상기 변들은 아치형일 수도 있고, 상기 요구되는 빛 에너지 분포를 갖는 필요한 범위의 확대 출사동공을 제공하기 위해 2 가지 이상의 방향으로 연장될 수도 있다.

상기 영역(12)은 2 차원이 되도록 형성되고, 상기 표면(10)상에서 연장하거나 이 표면(10)에 직접 인접하도록 형성될 수 있다. 잉크 패턴의 증착 또는 화학선 포토레지스트(actinic photoresist)의 노출 및 후속현상에 의해 2 차원 영역이 형성될 수도 있다. 이와는 달리, 상기 영역은 3 차원이 되도록 형성됨으로써, 이 영역(12)은 도 3 에 도시된 바와 같이 상기 표면(10)의 나머지 영역으로부터 소정 높이까지 연장하는 돌출부이거나, 상기 표면(10)의 나머지 영역아래의 소정 깊이의 함몰부가 된다.

상기 영역(12)의 패턴은 다양한 방법으로 형성될 수 있다. 예컨대, 상기 영역의 패턴은 레이저 파면(波面) 간섭 패턴을 상기 기판(9)의 표면(10)상에 증착된 화학선 포토레지스트속에 홀로그래픽으로 노출시킴으로써 형성될 수도 있다. 상기 영역(12)을 형성하는 또 다른 방법의 예는 전자비임을 이용하여 푸리에 변환 패턴을 상기 화학선 포토레지스트속에 직접 기입하는 것이다. 이러한 노출 이후에, 상기 포 토레지스트가 현상되어 상기 요구되는 영역(12) 패턴이 만들어진다.

상기 영역(12)을 형성하는 방법의 예들이 앞에서 설명되었지만, 이들 방법은 예로 제공된 것이고 본 발명을 이들 특수한 방법에 의해 상기 영역의 형성에 한정시키는 것으로 간주해서는 안 된다는 것을 이해해야 한다.

다수의 서로 다른 파장을 갖는 빛을 포함하는 다색광이 회절요소에 의해 영향을 받을 때, 상기 빛의 회절은 상기 빛의 파장에 좌우된다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러나, 종종 현미경 및 다색광을 이용한 다른 광학 기기를 작동하는 것이 바람직할 때도 있다. 상대적으로 뒤바뀌어 놓여진 다수의 출사동공의 형성으로 인해 관찰된 색 줄무늬 효과(color fringing effect)가 감소하고 관찰자에 의해 관찰된 상이 향상된다. 더욱이, 상기 다수의 출사동공이 중첩(overlapping)됨으로 인해, 색 줄무늬 효과가 제거되는 경향이 있고 그 결과, 관찰된 색 줄무늬가 줄어든다.

출사동공 어레이를 포함하는 확대 출사동공을 만들기 위해 회절요소를 이용한 다른 형태의 광학 기기에 대해 도 4 내지 도 7 을 참조하여 이하에서 설명하기로 한다.

도 4 는 대물 렌즈(20), 투시 접안렌즈(21) 및 시야 렌즈(22,23)를 구비하는 투시 현미경을 도시한 것이다. 이 투시 현미경의 구성에서, 상기 투시 접안렌즈는 상기 대물 렌즈(20)의 구경의 상을 비추거나, 중간 평면(25)에서 중간 출사동공을 형성하기 위해 구경 조리개(24)의 구경의 상을 비춘다. 상기 시야 렌즈(22,23)는 관찰자를 위해 위치(26)에서 상기 평면(25)에 형성된 중간 출사동공의 상을 최종 출사동공으로 내보낸다. 상기 대물 렌즈(20) 및 상기 투시 접안렌즈(21)는 평면(28)에 있는 물체의 상을 시야 렌즈(22,23) 중간의 평면(27)에서 형성한다. 상기 평면(27)에 투과형 회절요소(29)가 배치되어 상기 중간 평면(25)에서의 중간 출사동공의 다수의 상을 생성하여 예를 들면 상기 위치(26)에서 최종 확대 출사동공을 형성한다.

도 5 는 도 1 에 도시된 현미경 및 도 4 에 도시된 투시 현미경의 투과형 회절요소에서 상을 형성하는 대신 상이 반사형 회절요소(30)에 형성되는 투시 현미경의 또 다른 실시예를 도시한 것이다. 거울(34)을 통해 관찰자의 눈(33)으로 보기 위한 상을 형성하도록 단일의 시야 렌즈(31) 및 반사요소(32)가 배치된다. 상기 반사요소(32)의 표면에 인접하도록 회절요소(35)가 배치된다. 상기 회절요소(35)는 도 5 에 도시된 바와 같이 분리요소이거나, 상기 반사요소(32)와 통합될 수도 있고, 상기 반사요소(32)의 반사표면상에 형성될 수도 있다. 시야렌즈(31) 및 평면거울(32) 대신에, 오목 부분 - 구면을 갖는 반사요소(40)가 도 6 에 도시된 바와 같이 설치될 수도 있다. 회절요소(41)가 상기 오목 반사요소와 통합될 수도 있고, 상기 반사요소의 오목 부분 - 구면의 오목한 표면상에 형성되어 상기 반사요소의 표면의 곡면형태를 가질 수 있다.

따라서, 본 발명은 반사 회절수단 또는 해당 시야렌즈 또는 거울시스템을 갖는 반사 회절요소에 의해 조합시 관찰자의 눈을 위한 관찰 위치에서 확대 출사동공을 형성하는 다수의 출사동공을 만들어내는 광학 기기의 중간상 평면(intermediate image plane)에 위치하는 광학 회절요소를 구비한 광학 기기를 제공한다는 것을 이해할 수 있을 것이다.

원하면, 도 4 에 도시된 바와 같이, 굴절 시야렌즈를 이용하는 대신, 프레넬 렌즈가 설치될 수 있고 회절요소를 형성하는 영역의 패턴이 상기 프레넬 렌즈의 표면상에 형성될 수 있다. 따라서, 도 7 에 도시된 바와 같이, 단일의 광학요소(52)가 상기 위치(26)에서 확대 출사동공을 형성하도록 상대적으로 뒤바뀌어 놓여진 다수의 출사동공을 발생시키기 위해 상기 시야렌즈 시스템 및 회절요소의 기능을 수행할 수도 있다.

통상, 상기 회절요소가 상기 광학 기기의 다른 광학요소들에 대해 정지상태로 남아 있을 것으로 간주된다. 그러나, 몇몇 경우에, 상기 광학 기기의 다른 광학요소들에 대해 회절요소를 이동시키는 것, 예를 들어 상기 회절요소의 평면에 수직인 축을 중심으로 상기 회절요소를 회전시키거나, 오목 부분 - 구면요소의 경우, 상기 회절요소의 중심축을 중심으로 상기 회절요소를 회전시키는 것이 바람직하다. 이러한 회전은 전기모터 및 상기 전기모터에서 상기 회절요소까지의 구동 변속장치를 설치함으로써 이루어질 수 있다.

지금까지는, 본 발명은 현미경과 관련하여 설명되었지만, 현미경에 한정되지 않고 다른 형태의 광학 기기 또는 장치를 위한 확대 출사동공을 만들기 위해 이용될 수도 있다는 것을 이해해야 한다.

전술한 바와 같이, 상기 회절요소는 분리 요소이거나, 광학 장치의 렌즈 또는 거울과 같은 또 다른 광학요소와 일체로 형성될 수 있다. 상기 회절요소가 렌즈 또는 거울과 같은 또 다른 광학요소와 일체로 형성되면, 상기 다른 광학요소는 회절요소의 기판 역할을 수행하고, 상기 영역의 패턴은 상기 다른 광학요소의 표면상에 형성된다.

본 명세서에서는 렌즈, 거울 또는 다른 광학요소를 참조한 경우, 이러한 광학요소는 단일의 광학요소 또는 광학요소들의 조합으로 구성되는 복합 광학요소를 포함할 수도 있다는 것을 이해해야 한다.

Claims (15)

1. 관찰자가 볼 수 있도록 광학상을 만들기 위한 광학기기로서, 중간 초점 또는 상 평면에 위치하는 회절요소를 포함하되, 상기 회절요소는 이 회절요소를 통과하거나 이 회절요소에 의해 반사되는 다색광의 회절간섭을 일으키는데 효과적인 다수 영역으로 된 패턴의 다수의 중복형성부(replications)를 포함하고, 상기 다수 영역들은 서로 다른 크기와 형상으로 이루어진 영역들을 포함하며, 상기 다수의 중복형성부는 광학기기의 광학축을 가로질러 서로 뒤바뀌어 놓여 확대 출사동공의 범위 전체에 걸쳐서 균일한 빛 에너지 분포를 가지는 단일의 연속적인 확대 출사동공으로 보일 수 있도록하는 다수의 출사동공을 만들도록 구성된 것을 특징으로 하는 광학기기.
2. 제 1 항에 있어서, 다수 영역의 영역들은 2 차원인 것을 특징으로 하는 광학 기기.
3. 제 1 항에 있어서, 다수 영역의 영역들은 3 차원인 것을 특징으로 하는 광학기기.
4. 제 3 항에 있어서, 다수 영역의 영역들은 돌기부들을 포함하는 것을 특징으로 하는 광학기기.
5. 제 4 항에 있어서, 돌기부들은 하나의 높이를 갖는 상태로 형성된 것을 특징으로 하는 광학기기.
6. 제 4 항에 있어서, 돌기부들은 하나보다 더 많은 높이를 갖는 상태로 형성된 것을 특징으로 하는 광학기기.
7. 제 3 항에 있어서, 다수 영역의 영역들은 함몰부들을 포함하는 것을 특징으로 하는 광학기기.
8. 제 7 항에 있어서, 함몰부들은 하나의 깊이를 갖는 상태로 형성되는 것을 특징으로 하는 광학기기.
9. 제 7 항에 있어서, 함몰부들은 하나보다 더 많은 깊이를 갖는 상태로 형성되는 것을 특징으로 하는 광학기기.
10. 제 1 항에 있어서, 다수의 중복형성부는 확대 출사동공의 범위 외에서는 무의미한 빛 에너지 레벨을 형성하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 광학기기.
11. 제 1 항에 있어서, 다수의 중복형성부(replications)는 다수의 출사동공이 중첩(overlapping)되도록 구성되는 것을 특징으로 하는 광학기기.
12. 삭제
13. 삭제
14. 삭제
15. 제 1 항에 있어서, 광학요소를 포함하고, 회절요소가 광학요소의 표면상에 형성되거나 광학요소의 표면과 일체로 형성되는 것을 특징으로 하는 광학기기.

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