KR101669825B1

KR101669825B1 - 공간광변조기를 이용한 홀로그래픽 광학소자의 제작방법

Info

Publication number: KR101669825B1
Application number: KR1020150044303A
Authority: KR
Inventors: 옥광호; 김대현
Original assignee: 주식회사 미래기술연구소
Priority date: 2015-03-30
Filing date: 2015-03-30
Publication date: 2016-10-27
Also published as: KR20160116500A

Abstract

본 발명은 공간광변조기를 이용한 홀로그래픽 광학소자의 제작방법으로서, 공간광변조기(20)의 픽셀단위로 노광된 영역과 노광되지 않은 영역의 노광패턴이 수록된 디지털이미지를 준비하는 단계와; 디지털이미지를 일정면적을 가지는 (X, Y)d 좌표의 복수 개로 구획하고, 구획된 각 좌표의 개별디지털이미지 (Xn, Yn)d 를 제어장치(1)에 저장하는 단계와; 작업판(10)의 상면에 포토플레이트(P)를 안치하는 단계와; 제1디지털이미지 (X1, Y1)d 에 수록된 노광된 영역과 노광되지 않은 영역의 노광패턴에 대한 제어신호를 공간광변조기(20)에 전송하고, 광발생장치(30)에서 생성된 광을 이용하여 포토플레이트(P)의 (X1, Y1)p에 제1디지털이미지 (X1, Y1)d 의 노광패턴을 기록하는 단계와; 제2, 3, . . n디지털이미지{(X2, Y2,)d, (X3, Y3)d, . . (Xn, Yn)d} 각각에 수록된 노광된 영역과 노광되지 않은 영역의 노광패턴에 대한 제어신호를 순차적으로 공간광변조기(20)에 전송하고, 광발생장치(30)에서 생성된 광을 이용하여 포토플레이트(P)의 {(X2, Y2)p, (X3, Y3)p, . . (Xn, Yn)p} 각각에 제2, 3, . . n디지털이미지{(X2, Y2,)d, (X3, Y3)d, . . (Xn, Yn)d} 각각의 노광패턴을 순차적으로 기록하는 단계를; 포함하여 이루어지는 것을 그 기술적 특징으로 한다.

Description

공간광변조기를 이용한 홀로그래픽 광학소자의 제작방법{Manufacturing method of holographic optical elements using spatial light modulator}

본 발명은 홀로그래픽 광학소자의 제작방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 대량의 픽셀이 마련되는 공간광변조기를 이용하여 포토레지스트의 일정영역을 의도하는 노광패턴으로 동시에 노광시키도록 구성함으로써 짧은 시간에 의도하는 노광패턴을 가지는 홀로그래픽 광학소자를 구현할 수 있으며, 나아가 대구경의 홀로그래픽 광학소자를 매우 용이하게 제작할 수 있는 방법에 관한 것이다.

홀로그래픽 광학소자(holographic optical elements, 또는 HOE)는 렌즈나 확산판, 그리고 반사경 등과 같이 광학 부품의 역할을 수행하거나, 또는 이들 광학 부품의 역할이 합쳐진 기능을 수행할 수 있도록 고안된 홀로그램이다.

이러한, 홀로그래픽 광학소자는 광학장치 자체를 소형화하거나 간편화할 수 있다는 장점이 있어 HUD(head up display)나 HMD(helmet mounted display) 등과 같은 특수 목적의 영상광학장치에 부품으로 사용되고 있으며, 근자 태양광발전에 있어 복층유리 사이에 판 형상으로 이루어지는 홀로그래픽 광학소자를 샌드위치 타입으로 삽입한 광량유도소자도 제안되고 있다.

도 3에는 종래 홀로그래픽 광학소자를 제작하는 방법이 개시되어 있는데 이를 살펴본다. 먼저, 작업판(1)에 사진건판과 같이 감광막이 마련되는 포토플레이트(P)를 안치한다. 포토플레이트(P)가 작업판(1)에 안치되면, 광발생장치(10)를 작동시킨다. 이에 따라, 생성된 광은 미러(12)를 거쳐 그레이팅(14)에 의해 회절된 다음, 집속렌즈(16)를 통해 포토플레이트(P)의 일측에 집속된다.

이때, 그레이팅(14)에 의해 회절된 광 중에서, + 1차 회절광 및 -1차 회절광을 제외하고 나머지 회절광은 그레이팅(14) 하부에 위치하는 아이리스(15)에 의해 제거된다. 따라서, 집속렌즈(16)에 의해 포토플레이트(P)에 집속되는 것은 아이리스(15)를 통과한 + 1차 회절광 및 -1차 회절광에 의한 간섭무늬이며, 이러한 간섭무늬 패턴이 포토플레이트(P)의 감광막에 노광되는 것이다. 도 4는 홀로그래픽 광학소자의 노광패턴을 보여주는 단면 사진으로서, 골부분이 노광영역이다.

그런데, 홀로그래픽 광학소자는 광을 이용하는 수단이기 때문에, 집속렌즈(16)를 통해 포토플레이트(P)에 집속됨으로써 형성되는 간섭무늬의 크기는 적어도 픽셀단위로 이루어져야 광학소자로 기능할 수 있다. 만일, 간섭무늬를 기록해야 할 포토플레이트의 크기가 가로, 세로 100mm 정도이고, 1픽셀을 대략 가로, 세로 1㎛ 정도로 본다면, 전술한 단계를 반복하여 포토플레이트 전체에 간섭무늬를 형성할려면 적어도 수십일 이상이 걸리게 된다. 이러한 문제점으로 인해 홀로그래픽 광학소자는 아직까지 특수한 분야에만 접목되고 있을 뿐 다른 산업분야에 폭 넓게 적용되고 있지 못하다.

대한민국 등록특허 제0227179호, 대한민국 등록특허 제0590519호, 대한민국 공개특허 제2013-0022081호

본 발명은 이러한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위해 제안된 것으로서, 본 발명의 목적은 일정한 품질을 가지는 홀로그래픽 광학소자를 보다 짧은 시간에 제작할 수 있음은 물론 대구경의 홀로그래픽 광학소자를 매우 용이하게 제작할 수 있는 방법을 제공함에 있다.

본 발명은 이러한 목적을 달성하기 위하여, 작업판(10)과, 작업판(10)의 수직상방으로 일정간격 이격되어 위치하는 공간광변조기(20)와, 작업판(10)의 일측에 마련되는 광발생장치(30)와, 작업판(10)과 공간광변조기(20) 사이에 위치하되 광발생장치(30)와 광축을 공유하는 빔스플릿(22)과, 작업판(10)과 빔스플릿(22) 사이에 위치하되 공간광변조기(20)와 광축을 공유하는 집속렌즈(26)와, 공간광변조기(20) 및 광발생장치(30)를 제어하는 제어장치(1)를 포함하는 광학계를 구성하는 단계와; 공간광변조기(20)의 픽셀단위로 노광된 영역과 노광되지 않은 영역의 노광패턴이 수록된 디지털이미지를 준비하는 단계와; 디지털이미지를 일정면적을 가지는 (X, Y)d 좌표의 복수 개로 구획하고, 구획된 각 좌표의 개별디지털이미지 (Xn, Yn)d 를 제어장치(1)에 저장하는 단계와; 작업판(10)의 상면에 포토플레이트(P)를 안치하는 단계와; 제1디지털이미지 (X1, Y1)d 에 수록된 노광된 영역과 노광되지 않은 영역의 노광패턴에 대한 제어신호를 공간광변조기(20)에 전송하고, 광발생장치(30)에서 생성된 광을 빔스플릿(22)을 통해 공간광변조기(20)로 조사하여 제1디지털이미지 (X1, Y1)d 에 수록된 노광된 영역과 노광되지 않은 영역의 노광패턴에 따라 광을 반사시킨 다음 집속렌즈(26)를 통해 포토플레이트(P)의 (X1, Y1)p에 제1디지털이미지 (X1, Y1)d 의 노광패턴을 기록하는 단계와; 제2, 3, . . n디지털이미지{(X2, Y2,)d, (X3, Y3)d, . . (Xn, Yn)d} 각각에 수록된 노광된 영역과 노광되지 않은 영역의 노광패턴에 대한 제어신호를 순차적으로 공간광변조기(20)에 전송하고, 광발생장치(30)에서 생성된 광을 빔스플릿(22)을 통해 공간광변조기(20)로 조사하여 제2, 3, . . n디지털이미지{(X2, Y2,)d, (X3, Y3)d, . . (Xn, Yn)d} 각각에 수록된 노광된 영역과 노광되지 않은 영역의 노광패턴에 따라 광을 반사시킨 다음 집속렌즈(26)를 통해 포토플레이트(P)의 {(X2, Y2)p, (X3, Y3)p, . . (Xn, Yn)p} 각각에 제2, 3, . . n디지털이미지{(X2, Y2,)d, (X3, Y3)d, . . (Xn, Yn)d} 각각의 노광패턴을 순차적으로 기록하는 단계를; 포함하여 이루어지는 것을 그 기술적 특징으로 한다.

상기 작업판(10)은 디지털이미지의 각 좌표 (X, Y)d에 연동되어 X, Y 방향으로 그 이동이 제어될 수 있다.

본 발명은 종래와 같이 픽셀단위로 일일이 노광하지 않고 대량의 픽셀을 가지는 공간광변조기를 이용하여 포토플레이트의 일정영역을 동시에 노광시키는 방식을 제안함으로써 의도하는 노광패턴을 가지는 홀로그래픽 광학소자의 제작 소요시간을 현저히 단축시킬 수 있으며, 대구경의 홀로그래픽 광학소자를 매우 용이하게 제작하는 것이 가능하다.

도 1은 본 발명에 따른 홀로그래픽 광학소자를 제조하기 위해 사용되는 광학계의 개략적인 일 구성도.
도 2는 본 발명에 따라 제어장치에 저장되는 노광패턴의 일례를 보여주는 개략적인 구성도.
도 3은 종래 홀로그래픽 광학소자를 제조하는 방법을 보여주는 개략적인 일 구성도.
도 4는 홀로그래픽 광학소자의 개략적인 단면구성도.

본 발명에 따른 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 살펴보면 다음과 같은데, 본 발명의 실시예를 상술함에 있어 본 발명의 기술적 특징과 직접적인 관련성이 없거나, 또는 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 사항에 대해서는 그 상세한 설명을 생략하기로 한다.

먼저, 광학계를 구성한다. 광학계는 포토플레이트(P)에 의도하는 노광패턴을 기록하는 장치로서 도 1에 개시된 것과 같이, 제어장치(1), 작업판(10), 공간광변조기(20), 광발생장치(30), 빔스플릿(22) 및 집속렌즈(26)를 포함하여 이루어질 수 있다.

제어장치(1)는 광발생장치(30) 및 공간광변조기(20)를 제어하는 수단으로서, 노광패턴이 저장되는 데이터저장부가 구비된다. 제어장치는 데이터저장부 및 제어부가 마련되는 통상적인 단말기로 이루어질 수 있다.

작업판(10)은 포토플레이트(P)가 안치되는 부분으로서, 본 발명은 작업판(10)이 X축구동수단(12) 및 Y축구동수단(16)에 의해 X, Y 방향으로 그 이동이 제어되는 경우를 배제하지 않는다. 작업판(10)의 이동은 후술할 디지털이미지의 각 좌표 (X, Y)d에 연동된다. X축구동수단(12) 및 Y축구동수단(16) 각각은 모터로 이루어질 수 있으며, 제어장치(1)에 의해 그 구동이 제어된다.

공간광변조기(20, spatial light modulator)는 내부에 픽셀단위(㎛ 간격)로 집적된 수십만 내지 수백만개의 마이크로 거울을 입력되는 제어신호에 따라 개별적으로 제어해 반사시키는 장치이다. 즉, 제어신호가 입력되어 작동하는 마이크로 거울로 입사하는 광은 외부로 반사되지 않고(on/이하 비노광), 제어신호가 입력되지 않아 작동하지 않는 마이크로 거울로 입사하는 광은 외부로 반사된다(off/이하 노광). 본 발명은 이러한 공간광변조기에 마련되는 마이크로 거울의 on/off 작동구성을 이용한다. 공간광변조기(20)는 작업판(10)의 수직상방으로 일정간격 이격되어 위치한다.

광발생장치(30)는 레이저광으로 이루어지며, 작업판(10)의 일측에 마련된다. 도면에 개시되지는 않았지만 광발생장치(30)의 일측에는 필터가 마련될 수도 있다. 빔스플릿(22)은 광발생장치(30)에서 생성된 광을 반사시켜 공간광변조기(20)로 전달하는 수단으로, 작업판(10)과 공간광변조기(20) 사이에 위치하며 광발생장치(30)와 광축을 공유한다. 빔스플릿은 반투과미러로 이루어질 수 있다.

집속렌즈(26)는 공간광변조기(20)에서 반사되는 광을 일정크기로 집속하는 수단으로, 작업판(10)과 빔스플릿(22) 사이에 위치하며 공간광변조(20)와 광축을 공유한다. 집속렌즈(26)에 의해 포토플레이트(P)의 감광막에 집속되는 면적은 적어도 공간광변조기(20)에 마련되는 개별 마이크로 거울이 인식될 수 있는 정도로 조절되는 것이 바람직하다. 이러한 집속렌즈(26)에 의한 노광면적은 집속렌즈(26)와 포토플레이트(P) 사이의 간격에 의해 조절될 수 있다. 도면부호 24는 필터이다.

광학계가 구성되면, 노광패턴의 일례를 보여주는 도 2에 개시된 것과 같이, 공간광변조기(20)의 픽셀단위로 노광된 영역과 노광되지 않은 영역(이하 노광/비노광)의 노광패턴이 수록된 디지털이미지를 준비한다. 여기에서 노광/비노광이란 공간광변조기(20)에 마련되는 마이크로 거울의 비작동(off)/작동(on)에 대응되는 것으로서, 전술한 바와 같이 노광부분의 픽셀(검은색으로 표기된 각 픽셀)은 마이크로 거울이 작동하지 않고, 비노광부분의 픽셀(흰색으로 표기된 각 픽셀)은 마이크로 거울이 작동한다. 이러한 노광패턴은 구현하고자 하는 홀로그래픽 광학소자에 따라 다양하게 변경될 수 있음은 물론이다.

픽셀단위로 노광/비노광의 노광패턴이 수록된 디지털이미지를 준비되면, 이를 다시 일정면적을 가지는 (X, Y)d 좌표의 복수 개로 구획하고, 구획된 각 좌표의 개별디지털이미지 (Xn, Yn)d 를 제어장치(1)에 저장한다. (X, Y)d 좌표 구역은 사용되는 공간광변조기(20)에 따라 달라질 수 있다. 즉, 공간광변조기에 마련되는 픽셀개수에 따라 준비된 디지털이미지를 이에 맞추어 적절하게 분할하면 될 것이다.

노광/비노광의 노광패턴을 가지며 각 좌표별로 구획된 개별디지털이미지가 제어장치(1)에 저장되면, 작업판(10)의 상면에 포토플레이트(P)를 안치한다. 포토플레이트(P)는 관련업계에서 널리 사용되고 있는 포토레지스트 플레이트 중의 어느 하나로 이루어질 수 있다.

포토플레이트(P)가 안치되면, 제어장치(1)에 저장된 개별디지털이미지 중에서 제1디지털이미지 (X1, Y1)d 에 수록된 노광/비노광의 노광패턴에 대한 제어신호를 공간광변조기(20)에 전송하고, 광발생장치(30)를 작동시킨다. 이에 따라, 광발생장치(30)에서 생성된 광(①)은 빔스플릿(22)을 통해 공간광변조기(20)로 입사한다(②).

공간광변조기(20)에 제1디지털이미지 (X1, Y1)d 에 수록된 노광/비노광의 노광패턴에 대한 제어신호가 입력된 상태에서 광이 입사하면, 공간광변조기(20)에 마련되는 각 마이크로 거울들은 노광패턴에 대한 제어신호에 따라 비작동(off)/작동(on) 하면서 입사하는 광을 반사시킨다(③). 즉, 공간광변조기(20)로 입사된 광 중에서 노광패턴에 따라 비작동(off)되는 마이크로 거울들로 입사한 광들만이 반사되어 출사된다.

공간광변기(20)에서 변조되어 출사된 광은 집속렌즈(26)를 거쳐 일정크기로 집속되어, 포토플레이트(P)의 (X1, Y1)p 좌표 영역을 노광한다(④). 이에 따라, 포토플레이트(P)의 (X1, Y1)p 좌표 영역에는 제1디지털이미지 (X1, Y1)d 좌표 영역에 수록된 노광패턴을 기록되는 것이다. 만일, 포토플레이트가 포지티브 타입이면 공간광변조기의 비작동(off) 부분이 포토플레이트의 골을 이루게 되며, 포토플레이트가 네가티브 타입이면 공간광변조기의 작동(on) 부분이 포토플레이트의 골을 이루게 된다(도 4 참조). 즉, 한번의 작업으로 일정크기의 면적에 대해 의도하는 패턴으로 노광을 수행할 수 있게 되는 것이다.

제1디지털이미지에 대한 노광작업이 완료되면, 광발생장치(30)의 작동이 중지되며(만일 별도의 셔터가 매개되는 경우에는 광발생장치의 작동이 중지되지 않아도 무방), X, Y축구동수단(12, 16)의 작동으로 인해 작업판(10)이 이동한다. 작업판(10)의 이동 정도는 디지털이미지의 각 좌표 (X, Y)d에 연동되어 이루어짐은 전술한 바와 같다.

작업판(10)이 다음 작업위치로 이동하면, 제2디지털이미지 (X2, Y2,)d에 수록된 노광/비노광의 노광패턴에 대한 제어신호를 공간광변조기(20)에 전송하고, 광발생장치(30)를 작동시킨다. 광발생장치(30)에서 생성된 광은 제1디지털이미지의 경우와 동일하게 빔스플릿(22)을 통해 공간광변조기(20)로 입사하고, 공간광변조기(20)에서 변조된 광은 집속렌즈(26)를 통해 일정크기로 집속된 다음 포토플레이트(P)의 (X2, Y2)p 좌표 영역에는 제2디지털이미지 (X2, Y2)d 좌표 영역에 수록된 노광패턴을 기록한다.

제2디지털이미지에 대한 노광작업이 완료되면, 작업판(10)을 디지털이미지의 각 좌표 (X, Y)d와 연동시켜 이동시켜 가며, 제3, 4, . . n디지털이미지에 대한 노광작업을 포토플레이트(P)의 해당 좌표 영역에 순차적으로 수행한다. 제n디지털이미지에 대한 노광작업이 완료되면 도 2에 예시적으로 표현된 것과 같은 의도된 노광패턴이 포토플레이트(P)에 기록되는 것이다. 이후, 포토플레이트(P)를 현상하게 되면 도 2에 개시된 것과 같은 노광패턴이 구현된 홀로그래픽 광학소자를 얻게 된다.

이처럼, 본 발명은 포토플레이트에 대해 개개 픽셀단위로 노광하는 것이 아니라, 공간광변조기를 이용하여 일정면적의 좌표 단위로 노광하는 방식이라는 점에서 보다 신속하게 홀로그래픽 광학소자를 제작할 수 있게 됨은 물론, 대구경의 홀로그래픽 광학소자도 매우 용이하게 제작할 수 있게 된다.

상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예들에 한정하여 설명하였으나 이는 단지 예시일 뿐이며, 본 발명은 이에 한정되지 않고 여러 다양한 방법으로 변경되어 실시될 수 있으며, 나아가 개시된 기술적 사상에 기초하여 별도의 기술적 특징이 부가되어 실시될 수 있음은 자명하다 할 것이다.

10 : 작업판 20 : 공간광변조기
22 : 빔스플릿 26 : 집속렌즈

Claims

작업판(10)과, 작업판(10)의 수직상방으로 일정간격 이격되어 위치하는 공간광변조기(20)와, 작업판(10)의 일측에 마련되는 광발생장치(30)와, 작업판(10)과 공간광변조기(20) 사이에 위치하되 광발생장치(30)와 광축을 공유하는 빔스플릿(22)과, 작업판(10)과 빔스플릿(22) 사이에 위치하되 공간광변조기(20)와 광축을 공유하는 집속렌즈(26)와, 공간광변조기(20) 및 광발생장치(30)를 제어하는 제어장치(1)를 포함하는 광학계를 구성하는 단계와;
공간광변조기(20)의 픽셀단위로 노광된 영역과 노광되지 않은 영역의 노광패턴이 수록된 디지털이미지를 준비하는 단계와;
디지털이미지를 일정면적을 가지는 (X, Y)d 좌표의 복수 개로 구획하고, 구획된 각 좌표의 개별디지털이미지 (Xn, Yn)d 를 제어장치(1)에 저장하는 단계와;
작업판(10)의 상면에 포토플레이트(P)를 안치하는 단계와;
제1디지털이미지 (X1, Y1)d 에 수록된 노광된 영역과 노광되지 않은 영역의 노광패턴에 대한 제어신호를 공간광변조기(20)에 전송하고, 광발생장치(30)에서 생성된 광을 빔스플릿(22)을 통해 공간광변조기(20)로 조사하여 제1디지털이미지 (X1, Y1)d 에 수록된 노광된 영역과 노광되지 않은 영역의 노광패턴에 따라 광을 반사시킨 다음 집속렌즈(26)를 통해 포토플레이트(P)의 (X1, Y1)p에 제1디지털이미지 (X1, Y1)d 의 노광패턴을 기록하는 단계와;
제2, 3, . . n디지털이미지{(X2, Y2,)d, (X3, Y3)d, . . (Xn, Yn)d} 각각에 수록된 노광된 영역과 노광되지 않은 영역의 노광패턴에 대한 제어신호를 순차적으로 공간광변조기(20)에 전송하고, 광발생장치(30)에서 생성된 광을 빔스플릿(22)을 통해 공간광변조기(20)로 조사하여 제2, 3, . . n디지털이미지{(X2, Y2,)d, (X3, Y3)d, . . (Xn, Yn)d} 각각에 수록된 노광된 영역과 노광되지 않은 영역의 노광패턴에 따라 광을 반사시킨 다음 집속렌즈(26)를 통해 포토플레이트(P)의 {(X2, Y2)p, (X3, Y3)p, . . (Xn, Yn)p} 각각에 제2, 3, . . n디지털이미지{(X2, Y2,)d, (X3, Y3)d, . . (Xn, Yn)d} 각각의 노광패턴을 순차적으로 기록하는 단계를;
포함하여 이루어지는 공간광변조기를 이용한 홀로그래픽 광학소자의 제작방법.
제1항에 있어서,
상기 작업판(10)은 디지털이미지의 각 좌표 (X, Y)d에 연동되어 X, Y 방향으로 그 이동이 제어되는 것을 특징으로 하는 공간광변조기를 이용한 홀로그래픽 광학소자의 제작방법.