KR101690874B1 - 서로 수직한 편광으로 재생된 회절광학소자를 이용한 2차원 레이저 가공 방법 및 장치 - Google Patents

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Abstract

서로 수직한 편광으로 재생된 회절광학소자를 이용한 2차원 레이저 가공 방법 및 장치가 제시된다. 서로 수직한 편광으로 재생된 회절광학소자를 이용한 2차원 레이저 가공 방법은 레이저 빔을 제1 편광 광선 분배기(Polarizing Beam Splitter; PBS)를 통과시켜 복수의 레이저 빔으로 분리하는 단계; 분리된 상기 복수의 레이저 빔을 각각 회절광학소자(Diffractive optical element, DOE)를 통과시켜 위상을 변조하는 단계; 및 변조된 위상을 가진 상기 복수의 레이저 빔을 제2 편광 광선 분배기를 통과시켜 하나의 레이저 빔으로 결합하는 단계를 포함한다.

Description

서로 수직한 편광으로 재생된 회절광학소자를 이용한 2차원 레이저 가공 방법 및 장치{Method and Apparatus for 2D Laser Machining with Image Reconstructed by Diffractive Optical Elements Using Orthogonally Polarized Beams}
아래의 실시예들은 서로 수직한 편광으로 재생된 회절광학소자를 이용한 2차원 레이저 가공 방법 및 장치에 관한 것이다. 더욱 상세하게는, 회절광학소자를 이용하여 레이저 절단이 가능한 서로 수직한 편광으로 재생된 회절광학소자를 이용한 2차원 레이저 가공 방법 및 장치에 관한 것이다.
레이저 절단은 기계적 절단과는 달리 비접촉 방식으로 가공하기 때문에 정밀하고 좋은 품질의 가공이 가능하다. 인쇄회로기판(PCB) 절단 등의 정밀 가공 수요가 높아지면서 레이저 가공의 수요 또한 증가하고 있다.
현재 상용화된 레이저 가공기 대부분은 렌즈에 의해 집속된 단일 스팟(spot)을 스캐너로 이동하여 절단한다. 레이저 기술의 발전으로 kW급 이상의 고출력 레이저가 상용화되고 있지만, 스캔 방식의 레이저 가공은 100W 이내의 출력이면 충분하기 때문에 이를 기존의 가공기에 사용하는 것은 비효율적이다.
따라서 고출력 레이저를 효율적으로 레이저 가공기에 이용하기 위해서는 회절광학소자(Diffractive optical element, DOE)를 통해 2D 이미지로 재생하여 대면적 가공을 할 수 있다.
회절광학소자는 입사 레이저의 변소진폭(Complex amplitude)을 변조시킨 뒤 렌즈를 통과하여 2D 이미지를 재생할 수 있는 소자이며, 진폭만을 변조시키는 진폭 변조 타입, 위상만을 변조시키는 위상 변조 타입, 진폭과 위상 모두를 변조시키는 복소 진폭 변조 타입으로 나눌 수 있다. 진폭을 변조시키면 에너지의 손실이 발생하기 때문에 회절광학소자는 일반적으로 위상 변조 타입이 사용될 수 있다. 이러한 회절광학소자를 이용한 레이저 가공은 전세계적으로 연구가 이루어지고 있다.
한국공개특허 10-2010-0013623호는 회절광학소자를 이용한 레이저 가공 장치에 관한 것으로, 가공 라인 간의 간격을 조절할 수 있는 회절광학소자를 이용한 레이저 가공 장치에 관한 기술을 기재하고 있다.
또한, 논문 Hayasaki, Yoshio, et al. "Variable holographic femtosecond laser processing by use of a spatial light modulator." Applied Physics Letters 87.3 (2005): 031101.에서는 공간 광 변조기(Spatial Light Modulator; SLM)를 통하여 레이저 가공을 실험하였다. 공간 광 변조기(SLM)는 LCOS(liquid crystal on silicon)을 이용하여 빠른 속도로 각 픽셀에 입사하는 빛의 위상을 변조시키는 장치로서 회절광학소자로서 작동한다. 하지만 이러한 기존의 연구들은 다중 홀의 드릴링 정도의 수준에 그치고 있다.
실시예들은 서로 수직한 편광으로 재생된 회절광학소자를 이용한 2차원 레이저 가공 방법 및 장치에 관하여 기술하며, 보다 구체적으로 회절광학소자를 이용하여 레이저 절단이 가능한 서로 수직한 편광으로 재생된 회절광학소자를 이용한 2차원 레이저 가공 방법 및 장치에 관한 기술을 제공한다.
실시예들은 서로 수직한 편광으로 재생된 회절광학소자를 이용하여 스펙클이 감소된 연속적인 선 이미지를 재생하며, 패턴에 관계없이 절단이 용이한 서로 수직한 편광으로 재생된 회절광학소자를 이용한 2차원 레이저 가공 방법 및 장치를 제공하는데 있다.
일 실시예에 따른 서로 수직한 편광으로 재생된 회절광학소자를 이용한 2차원 레이저 가공 방법은 레이저 빔을 제1 편광 광선 분배기(Polarizing Beam Splitter, PBS)를 통과시켜 복수의 레이저 빔으로 분리하는 단계; 분리된 상기 복수의 레이저 빔을 각각 회절광학소자(Diffractive optical element, DOE)를 통과시켜 위상을 변조하는 단계; 및 변조된 위상을 가진 상기 복수의 레이저 빔을 제2 편광 광선 분배기를 통과시켜 하나의 레이저 빔으로 결합하는 단계를 포함한다.
여기서, 상기 복수의 레이저 빔으로 분리하기 이전에, 레이저 발생기로부터 출력된 상기 레이저 빔을 적어도 하나 이상의 렌즈를 통과시켜 원하는 크기로 조절하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 복수의 레이저 빔으로 분리하는 단계는 상기 레이저 빔을 반파장판(Half-wave Plate, HWP)을 통해 45도(degree)의 선편광을 갖도록 변환하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 복수의 레이저 빔으로 분리하는 단계는 상기 레이저 빔을 상기 제1 편광 광선 분배기를 통과시켜 동일 비율을 갖는 서로 수직한 편광의 p파와 s파의 상기 복수의 레이저 빔으로 분리하는 단계를 포함할 수 있다.
결합된 상기 하나의 레이저 빔을 푸리에 변환(Fourier transform)을 통해 연속적인 선을 재생하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 연속적인 선을 재생하는 단계는 결합된 상기 하나의 레이저 빔을 F-세타 렌즈(F-theta lens)를 통과시켜 상기 푸리에 변환을 할 수 있다.
다른 실시예에 따른 서로 수직한 편광으로 재생된 회절광학소자를 이용한 2차원 레이저 가공 장치는 레이저 빔을 출력하는 레이저 발생기; 상기 레이저 빔을 복수의 레이저 빔으로 분리하는 제1 편광 광선 분배기(Polarizing Beam Splitter, PBS); 분리된 상기 복수의 레이저 빔 각각의 위상을 변조하는 회절광학소자(Diffractive optical element, DOE); 및 변조된 위상을 가진 상기 복수의 레이저 빔을 하나의 레이저 빔으로 결합하는 제2 편광 광선 분배기를 포함한다.
여기서, 상기 레이저 발생기로부터 출력된 상기 레이저 빔을 적어도 하나 이상의 렌즈를 통과시켜 원하는 크기로 조절하는 렌즈부를 더 포함할 수 있다.
상기 제1 편광 광선 분배기는 상기 레이저 빔을 반파장판(Half-wave Plate, HWP)을 통해 45도(degree)의 선편광을 갖도록 변환할 수 있다.
상기 제1 편광 광선 분배기는 상기 레이저 빔을 동일 비율의 서로 수직한 편광을 갖는 p파와 s파의 상기 복수의 레이저 빔으로 분리할 수 있다.
결합된 상기 하나의 레이저 빔을 푸리에 변환(Fourier transform)을 통해 연속적인 선을 재생하여 레이저 절단을 수행하는 푸리에 변환부를 더 포함할 수 있다.
상기 푸리에 변환부는 결합된 상기 하나의 레이저 빔을 F-세타 렌즈(F-theta lens)를 통과시켜 상기 푸리에 변환을 할 수 있다.
또 다른 실시예에 따른 서로 수직한 편광으로 재생된 회절광학소자를 이용한 2차원 레이저 가공 방법은 하나의 목표 물체를 공간적으로 넓은 간격의 스팟(spot)들을 갖는 복수의 목표 물체로 분리하는 단계; 상기 복수의 목표 물체를 회절광학소자(Diffractive optical element, DOE)를 통과하여 위상을 변조하고 스펙클(Speckle)이 감소된 스팟들로 재생하는 단계; 및 위상이 변조된 상기 복수의 목표 물체를 서로 수직한 편광으로 중첩시켜 연속적인 선을 재생하는 단계를 포함한다.
상기 연속적인 선을 재생하는 단계는 상기 복수의 목표 물체를 서로 수직한 편광으로 중첩시킨 후 푸리에 변환(Fourier transform)을 통해 상기 연속적인 선을 재생할 수 있다.
실시예들에 따르면 서로 수직한 편광으로 재생된 회절광학소자를 이용하여 레이저 절단이 가능한 서로 수직한 편광으로 재생된 회절광학소자를 이용한 2차원 레이저 가공 방법 및 장치를 제공할 수 있다.
실시예들에 따르면 서로 수직한 편광으로 재생된 회절광학소자를 이용하여 스펙클이 감소된 연속적인 선 이미지를 재생하며, 패턴에 관계없이 절단이 용이한 서로 수직한 편광으로 재생된 회절광학소자를 이용한 2차원 레이저 가공 방법 및 장치를 제공할 수 있다.
도 1은 일반적인 회절광학소자를 이용한 레이저 가공을 나타내는 개념도이다.
도 2는 일반적인 회절광학소자를 이용에 따른 스펙클 발생을 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 일 실시예에 따른 서로 수직한 편광으로 회절광학소자를 재생하여 스펙클을 줄이는 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 일 실시예에 따른 서로 수직한 편광으로 재생된 회절광학소자를 이용한 2차원 레이저 가공 장치를 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 5는 다른 실시예에 따른 수직한 편광으로 재생된 회절광학소자를 이용한 2차원 레이저 가공 장치를 개략적으로 나타내는 예이다.
도 6은 일 실시예에 따른 서로 수직한 편광으로 재생된 선 이미지를 나타내는 도면이다.
도 7은 일 실시예에 따른 스펙클을 없애기 위하여 2개로 나누어진 목표 물체를 나타내는 도면이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 실시예들을 설명한다. 그러나, 기술되는 실시예들은 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 이하 설명되는 실시예들에 의하여 한정되는 것은 아니다. 또한, 여러 실시예들은 당해 기술분야에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다. 도면에서 요소들의 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위해 과장될 수 있다.
도 1은 일반적인 회절광학소자를 이용한 레이저 가공을 나타내는 개념도이다.
도 1을 참조하면, 회절광학소자(Diffractive optical element, DOE)를 통해 2D 이미지로 재생하여 대면적 가공을 함으로써, 고출력 레이저를 효율적으로 레이저 가공기에 이용할 수 있다.
여기서, 회절광학소자(DOE)는 입사 레이저의 변소진폭(Complex amplitude)을 변조시킨 뒤 렌즈(또는 푸리에 렌즈(Fourier lens))를 통과하여 가공면에 2D 이미지를 재생할 수 있다.
회절광학소자(DOE)를 통과하기 전, 후 및 가공면(Image plane)에서의 복소 진폭(complex amplitude)을 다음과 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112015043963229-pat00001

도 2는 일반적인 회절광학소자를 이용에 따른 스펙클 발생을 설명하기 위한 도면이다.
도 2를 참조하면, 회절광학소자를 이용하여 레이저 절단이 어려운 이유를 두 가지로 설명할 수 있다.
첫째, 레이저 절단에 필요한 레이저는 고출력이기 때문에 회절광학소자가 높은 손상 문턱값(damage threshold)을 가져야 한다. 공간 광 변조기(SLM)의 경우는 20W 이내의 낮은 파워를 사용해야 하기 때문에 재생된 이미지가 높은 세기를 갖지 못한다. 하지만 용융실리카(fused silica) 등은 이보다 약 10,000배의 높은 손상 문턱값(damage threshold)을 갖기 때문에, 이러한 매질로 회절광학소자를 제작하면 가능할 수 있다.
둘째, 스펙클(Speckle)이 발생하여 회절광학소자로 재생된 이미지의 품질을 떨어뜨린다. 회절광학소자의 위상 분포는 Gerchberg-Saxton(GS) 알고리즘[Gerchberg, Ralph W. "A practical algorithm for the determination of phase from image and diffraction plane pictures." Optik 35 (1972): 237.]이나 optimal-rotation-angle(ORA) 알고리즘[Bengtsson, Jorgen. "Kinoform design with an optimal-rotation-angle method." Applied optics 33.29 (1994): 6879-6884.] 등을 통해서 얻을 수 있으며, 이러한 알고리즘들의 공통점은 재생된 이미지에서의 스팟(spot)들이 무작위한 위상을 갖는다는 점이다. 연속적인 선을 재생하기 위해서 스팟(spot)들 사이의 간격을 1 픽셀로 좁힐 경우, 도 2에 도시된 바와 같이, 스팟(spot)들 사이에서 무작위한 간섭 세기가 나타나므로 균일하지 못하고 불연속적인 선을 재생할 수밖에 없다.
여기서, 도 2a는 회절광학소자를 이용하여 연속적인 선을 재생하려 할 경우, 스펙클이 생기는 모습에서 목표 물체(또는 타겟(target))를 나타낸다. 도 2b는 상기의 목표 물체(target)에 대한 2D 이미지를 나타내며, 도 1c는 이미지 프로파일을 나타낸다.
아래에서는 이러한 문제들을 극복하여 스펙클이 감소된 연속적인 선 이미지를 재생할 수 있는 방법을 제시하고자 한다. 이는 정적인(static) 이미지를 재생할 수 있기 때문에 공간 광 변조기(SLM)뿐 아니라 용융실리카(fused silica)로 제작된 회절광학소자로도 재현할 수 있는 방법이므로 레이저 절단에 사용될 수 있다.
도 3은 일 실시예에 따른 서로 수직한 편광으로 회절광학소자를 재생하여 스펙클을 줄이는 방법을 설명하기 위한 도면이다.
예를 들어, 도 3c와 같이 1 픽셀 간격으로 연결되어 있는 목표 물체(또는 타겟(target))의 선을 3a 및 3b와 같이 2 픽셀 간격으로 연결되어 있는 2개의 목표 물체(target)으로 분리할 수 있다.
이러한 2개의 목표 물체(target) 각각을 알고리즘을 통해 회절광학소자의 위상을 생성한 뒤 재생하면 3d, 3e와 같이 스펙클이 감소된 스팟(spot)들로 재생될 수 있다. 상기의 두 이미지를 서로 수직한 편광으로 중첩시키면 상호간에 간섭이 일어나지 않기 때문에 3f와 같이 연속적인 선을 얻을 수 있다.
이는 도 2c에 도시된 바와 같이 한 개의 회절광학소자를 사용했을 때와 비교했을 때 훨씬 균일한 선이 재생되는 것을 알 수 있다.
도 4는 일 실시예에 따른 서로 수직한 편광으로 재생된 회절광학소자를 이용한 2차원 레이저 가공 장치를 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 4를 참조하면, 서로 수직한 편광으로 재생된 회절광학소자를 이용한 2차원 레이저 가공 장치(100)는 레이저 발생기(110), 제1 편광 광선 분배기(130), 회절광학소자(140), 및 제2 편광 광선 분배기(150)를 포함할 수 있으며, 렌즈부(120)를 더 포함할 수 있다.
레이저 발생기(110)는 레이저를 발생시켜 레이저 빔을 출력할 수 있다.
렌즈부(120)는 레이저 발생기(110)로부터 출력된 레이저 빔을 적어도 하나 이상의 렌즈(121, 122)를 통과시켜 원하는 크기로 조절할 수 있다. 예를 들어, 레이저 발생기(110)에서 나온 출력(output) 레이저 빔은 렌즈 1(Lens 1, 121)과 렌즈 2(Lens 2, 122)를 통해 원하는 빔 크기로 조절될 수 있다. 여기서, 렌즈부(120)는 필요에 따라 하나 이상의 렌즈가 사용되며, 생략하는 것도 가능하다.
제1 편광 광선 분배기(Polarizing Beam Splitter, PBS)(130)는 하나의 레이저 빔을 복수의 레이저 빔으로 분리할 수 있다.
여기서, 제1 편광 광선 분배기(130)는 레이저 빔을 반파장판(Half-wave Plate, HWP)(131)을 통해 45도(degree)의 선편광을 갖도록 변환할 수 있다.
또한, 제1 편광 광선 분배기(130)는 레이저 빔을 동일 비율의 서로 수직한 편광을 갖는 p파와 s파의 복수의 레이저 빔으로 분리할 수 있다.
예를 들어 레이저 빔이 선편광을 갖는다고 가정할 경우, 레이저 빔이 반파장판(HWP, 131)을 통해 45도(degree)의 선편광을 갖는 빔으로 변환되고, 제1 편광 광선 분배기(PBS1, 130)를 통해 p파와 s파로 갈라지되 같은 비율로 갈라질 수 있다.
회절광학소자(Diffractive optical element, DOE)(140)는 분리된 복수의 레이저 빔 각각의 위상을 변조할 수 있다.
제2 편광 광선 분배기(150)는 변조된 위상을 가진 복수의 레이저 빔을 하나의 레이저 빔으로 결합할 수 있다. 예를 들어, 각각의 복수의 레이저 빔은 제1 회절광학소자(DOE1, 140)와 제2 회절광학소자(DOE2, 140)를 통과하여 위상이 변조되고, 제2 편광 광선 분배기(PBS2, 150)를 통하여 한 개의 빔으로 합쳐질 수 있다.
그리고, 결합된 하나의 레이저 빔을 푸리에 변환(Fourier transform)을 통해 연속적인 선을 재생하여 레이저 절단을 수행하는 푸리에 변환부(160)를 더 포함할 수 있다. 푸리에 변환부(160)는 결합된 하나의 레이저 빔을 F-세타 렌즈(F-theta lens)를 통과시켜 푸리에 변환을 수행할 수 있다.
상기의 설명으로 바탕으로 레이저 가공에 적용하기 위한 셋업(set-up)을 예를 들어 설명하기로 한다.
실제 레이저 가공에 적용하기 위해서는 도 4에 도시된 바와 같은 셋업(set-up)이 필요하다. 레이저 발생기(110)에서 나온 출력(output) 레이저 빔은 렌즈 1(Lens 1, 121)과 렌즈 2(Lens 2, 122)를 통해 원하는 빔 크기로 조절될 수 있다. 레이저 빔이 선편광을 갖는다고 가정할 때, 이는 반파장판(HWP, 131)을 통해 45도(degree)의 선편광을 갖는 빔으로 변환되고, 제1 편광 광선 분배기(PBS1, 130)을 통해 p파와 s파로 같은 비율로 갈라질 수 있다.
각각의 레이저 빔은 제1 회절광학소자(DOE1, 140)와 제2 회절광학소자(DOE2, 140)를 통과하여 위상이 변조되고, 위상이 변조된 각각의 레이저 빔은 제2 편광 광선 분배기(PBS2, 150)를 통과하여 하나의 레이저 빔으로 합쳐질 수 있다. 그리고, 합쳐진 레이저 빔은 F-세타 렌즈(F-theta lens)를 통하여 푸리에 변환(Fourier transform)되어 절단 목표 상에서 균일하고 연속적인 선을 재생하여 레이저 절단을 할 수 있다.
여기서 F-세타 렌즈(F-theta lens)를 사용하는 이유는, 기존의 렌즈들은 회절광학소자(DOE, 140)를 재생하는 과정에서 수차를 야기하며 이는 가공 품질에 심각한 영향을 초래하지만 F-세타 렌즈(F-theta lens)는 이러한 수차들을 모두 보정하여 설계되기 때문이다.
이하, 일 실시 형태에 따른 서로 수직한 편광으로 재생된 회절광학소자를 이용한 2차원 레이저 가공 방법을 하나의 실시 예를 통해 상세히 설명하기로 한다.
서로 수직한 편광으로 재생된 회절광학소자를 이용한 2차원 레이저 가공 방법은 레이저 빔을 제1 편광 광선 분배기(Polarizing Beam Splitter; PBS)를 통과시켜 복수의 레이저 빔으로 분리하는 단계; 분리된 복수의 레이저 빔을 각각 회절광학소자(Diffractive optical element, DOE)를 통과시켜 위상을 변조하는 단계; 및 변조된 위상을 가진 복수의 레이저 빔을 제2 편광 광선 분배기를 통과시켜 하나의 레이저 빔으로 결합하는 단계를 포함하여 이루어진다.
여기서, 복수의 레이저 빔으로 분리하기 이전에, 레이저 발생기로부터 출력된 레이저 빔을 적어도 하나 이상의 렌즈를 통과시켜 원하는 크기로 조절하는 단계를 더 포함하여 이루어질 수 있다.
이와 같은 실시예에 따르면, 서로 수직한 편광으로 재생된 회절광학소자를 이용하여 스펙클이 감소된 연속적인 선 이미지를 재생할 수 있다.
아래에서는 도 3 및 도 4를 참조하여 본 실시예의 각 공정에 대하여 보다 상세히 설명한다.
먼저, 레이저 발생기로부터 출력된 레이저 빔을 제1 편광 광선 분배기(Polarizing Beam Splitter; PBS)를 통과시켜 복수의 레이저 빔으로 분리할 수 있다.
이 때, 복수의 레이저 빔으로 분리하기 이전에 레이저 발생기로부터 출력된 레이저 빔을 적어도 하나 이상의 렌즈를 통과시켜 원하는 크기로 조절할 수 있다.
레이저 빔이 선편광을 갖는다고 가정할 때, 복수의 레이저 빔으로 분리하기 위해 레이저 빔을 반파장판(Half-wave Plate, HWP)을 통해 45도(degree)의 선편광을 갖는 레이저 빔으로 변환할 수 있다.
그리고 레이저 빔을 제1 편광 광선 분배기를 통과시켜 동일 비율을 갖는 서로 수직한 편광의 p파와 s파의 복수의 레이저 빔으로 분리할 수 있다.
다음으로, 분리된 복수의 레이저 빔을 각각 회절광학소자(Diffractive optical element, DOE)를 통과시켜 위상을 변조할 수 있고, 변조된 위상을 가진 복수의 레이저 빔을 제2 편광 광선 분배기를 통과시켜 하나의 레이저 빔으로 결합할 수 있다.
그리고 결합된 하나의 레이저 빔을 푸리에 변환(Fourier transform)을 통해 연속적인 선을 재생할 수 있다. 여기서, 결합된 하나의 레이저 빔을 F-세타 렌즈(F-theta lens)를 통과시킴으로써 푸리에 변환되어 절단 목표 상에서 균일하고 연속적인 선을 재생하여 레이저 절단을 수행할 수 있다.
F-세타 렌즈(F-theta lens)를 사용하는 이유는, 기존의 렌즈들은 회절광학소자(DOE)를 재생하는 과정에서 수차를 야기하며 이는 가공 품질에 심각한 영향을 초래하지만 F-세타 렌즈(F-theta lens)는 이러한 수차들을 모두 보정하여 설계되기 때문이다.
따라서, 실시예들에 따르면 서로 수직한 편광으로 재생된 회절광학소자를 이용하여 스펙클이 감소된 연속적인 선 이미지를 재생하며, 패턴에 관계없이 절단이 용이한 서로 수직한 편광으로 재생된 회절광학소자를 이용한 2차원 레이저 가공 방법을 제공할 수 있다.
도 5는 다른 실시예에 따른 수직한 편광으로 재생된 회절광학소자를 이용한 2차원 레이저 가공 장치를 개략적으로 나타내는 예이다.
도 5를 참조하면, 수직한 편광으로 재생된 회절광학소자를 이용한 2차원 레이저 가공 장치를 이용하여 연속적이고 균일한 선을 재생할 수 있으며, 이는 도 5와 같은 셋업(set-up)을 예로 확인할 수 있다.
이 실험에서는 공간 광 변조기(SLM)을 이용하여 두 홀로그램을 재생한 뒤 두 빔의 편광을 서로 수직하게 만들어 편광 광선 분배기(PBS)로 합치고, 렌즈(lens)를 통해서 푸리에 변환(Fourier transform)된 이미지를 전하결합소자(Charge Coupled Device, CCD)로 관측할 수 있다.
도 6은 일 실시예에 따른 서로 수직한 편광으로 재생된 선 이미지를 나타내는 도면이다.
도 6a는 서로 수직한 편광으로 재생된 선 이미지의 실험(위, Exp.) 및 시뮬레이션(아래, Sim.)을 나타내며, 도 6b는 재생된 선 세기의 프로파일을 나타낸다.
도 6을 바탕으로 표 1에서 재생된 선의 분석 결과를 나타낼 수 있다. 표 1은 일 실시예에 따른 서로 수직한 편광으로 재생된 선 세기의 평균, 표준 편차 및 상대표준편차(Relative Standard Deviation, RSD)를 나타낼 수 있다.
Figure 112015043963229-pat00002
이와 같이, 일 실시예에 따른 서로 수직한 편광으로 재생된 선 이미지는 단일 홀로그램으로 재생된 이미지보다 더욱 균일하고 연속적인 선 이미지를 재생할 수 있다.
이하에서, 일 실시 형태에 따른 서로 수직한 편광으로 재생된 회절광학소자를 이용한 2차원 레이저 가공 방법을 또 다른 실시 예를 통해 상세히 설명하기로 한다.
서로 수직한 편광으로 재생된 회절광학소자를 이용한 2차원 레이저 가공 방법은 하나의 목표 물체를 공간적으로 넓은 간격의 스팟(spot)들을 갖는 복수의 목표 물체로 분리하는 단계; 복수의 목표 물체를 회절광학소자(Diffractive optical element, DOE)를 통과하여 위상을 변조하고 스펙클(Speckle)이 감소된 스팟들로 재생하는 단계; 및 위상이 변조된 복수의 목표 물체를 서로 수직한 편광으로 중첩시켜 연속적인 선을 재생하는 단계를 포함하여 이루어질 수 있다.
여기서, 연속적인 선을 재생하는 단계는 복수의 목표 물체를 서로 수직한 편광으로 중첩시킨 후 푸리에 변환(Fourier transform)을 통해 연속적인 선을 재생할 수 있다.
예를 들어, 컴퓨터 홀로그램을 이용하여 실재하지 않는 물체의 홀로그램을 만들 수 있지만 이미지의 질을 감소시키는 스펙클이 관측된다. 이를 줄이기 위하여 하나의 목표 물체를 두 개로 나누어 각각 스펙클이 감소된 홀로그램으로 만들고, 이를 서로 수직한 편광을 갖는 빔으로 재생하여 간섭 현상 없이 결합함으로써 스펙클을 감소시킬 수 있다.
컴퓨터 홀로그램(Computer-generated hologram)을 이용하면 실재하지 않는 물체에 대하여 홀로그램 제작이 가능하다. 이를 위한 가장 대표적인 방법은 R. W. Gerchberg와 W. O. Saxton이 개발한 GS 알고리즘이며 홀로그램과 이미지는 서로 푸리에 변환 관계에 있다. 이미지의 샘플링 포인트에서의 진폭은 알고리즘으로 제어가 가능하지만 샘플링 포인트 사이에서는 진폭은 보강 간섭 및 상쇄 간섭에 의하여 무작위적으로 나타나며 이를 스펙클이라 한다. 이는 이미지의 품질을 저하시키는 원인이 된다.
스펙클을 줄이기 위한 방법으로, 같은 목표 물체로 생성된 여러 개의 홀로그램을 순차적으로 재생시켜서 시간에 대하여 평균된 이미지를 관측할 수 있다. 이 경우 많은 수의 홀로그램을 사용할수록 스펙클이 감소한다.
스펙클을 줄이기 위한 다른 방법으로는 점상 진폭 분포 함수(point spread function)들이 서로 겹치지 않게 목표 물체를 만드는 것이다.
도 7은 일 실시예에 따른 스펙클을 없애기 위하여 2개로 나누어진 목표 물체를 나타내는 도면이다. 도 7에 도시된 바와 같이, 연속적인 목표 물체를 서로 소정 간격을 가진 2개의 목표 물체로 나누어 각각을 홀로그램으로 만들어서 재생하면 각각의 이미지는 스펙클이 감소될 수 있다. 이러한 2개의 홀로그램을 서로 수직한 편광을 갖는 빔으로 재생하는 경우, 이미지 평면에서는 2개의 홀로그램들의 이미지에 의한 간섭이 관측되지 않으므로 본래의 목표 물체에 대한 이미지를 얻을 수 있다.
그리고, 도 5에서와 같은, 실험 셋업으로 한 개의 빔을 두 개로 나누어 공간 광 변조기에 입사시켜 두 홀로그램에 의한 이미지를 CCD에서 관측할 수 있다. 이미지가 CCD에 입사하기 전, 한쪽 홀로그램에 의한 이미지의 편광을 HWP를 이용하여 90도 회전시켜서 두 홀로그램의 이미지가 서로 간섭이 발생하지 않도록 함으로써, 스펙클이 감소된 이미지를 얻을 수 있다.
즉, 홀로그램에 의한 이미지의 스펙클을 줄이기 위하여 하나의 목표 물체를 두 개로 나누어 각각을 홀로그램으로 생성한 뒤, 서로 수직한 편광으로 재생하여 CCD에서 관측할 수 있다.
이와 같이, 실시예들에 따르면 서로 수직한 편광으로 재생된 회절광학소자를 이용하여 스펙클이 감소되어 균일한 연속적인 선 이미지를 재생할 수 있다.
이상에서 설명된 장치는 하드웨어 구성요소, 소프트웨어 구성요소, 및/또는 하드웨어 구성요소 및 소프트웨어 구성요소의 조합으로 구현될 수 있다. 예를 들어, 실시예들에서 설명된 장치 및 구성요소는, 예를 들어, 프로세서, 컨트롤러, ALU(arithmetic logic unit), 디지털 신호 프로세서(digital signal processor), 마이크로컴퓨터, FPA(field programmable array), PLU(programmable logic unit), 마이크로프로세서, 또는 명령(instruction)을 실행하고 응답할 수 있는 다른 어떠한 장치와 같이, 하나 이상의 범용 컴퓨터 또는 특수 목적 컴퓨터를 이용하여 구현될 수 있다. 처리 장치는 운영 체제(OS) 및 상기 운영 체제 상에서 수행되는 하나 이상의 소프트웨어 애플리케이션을 수행할 수 있다. 또한, 처리 장치는 소프트웨어의 실행에 응답하여, 데이터를 접근, 저장, 조작, 처리 및 생성할 수도 있다. 이해의 편의를 위하여, 처리 장치는 하나가 사용되는 것으로 설명된 경우도 있지만, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는, 처리 장치가 복수 개의 처리 요소(processing element) 및/또는 복수 유형의 처리 요소를 포함할 수 있음을 알 수 있다. 예를 들어, 처리 장치는 복수 개의 프로세서 또는 하나의 프로세서 및 하나의 컨트롤러를 포함할 수 있다. 또한, 병렬 프로세서(parallel processor)와 같은, 다른 처리 구성(processing configuration)도 가능하다.
소프트웨어는 컴퓨터 프로그램(computer program), 코드(code), 명령(instruction), 또는 이들 중 하나 이상의 조합을 포함할 수 있으며, 원하는 대로 동작하도록 처리 장치를 구성하거나 독립적으로 또는 결합적으로(collectively) 처리 장치를 명령할 수 있다. 소프트웨어 및/또는 데이터는, 처리 장치에 의하여 해석되거나 처리 장치에 명령 또는 데이터를 제공하기 위하여, 어떤 유형의 기계, 구성요소(component), 물리적 장치, 가상 장치(virtual equipment), 컴퓨터 저장 매체 또는 장치, 또는 전송되는 신호 파(signal wave)에 영구적으로, 또는 일시적으로 구체화(embody)될 수 있다. 소프트웨어는 네트워크로 연결된 컴퓨터 시스템 상에 분산되어서, 분산된 방법으로 저장되거나 실행될 수도 있다. 소프트웨어 및 데이터는 하나 이상의 컴퓨터 판독 가능 기록 매체에 저장될 수 있다.
실시예에 따른 방법은 다양한 컴퓨터 수단을 통하여 수행될 수 있는 프로그램 명령 형태로 구현되어 컴퓨터 판독 가능 매체에 기록될 수 있다. 상기 컴퓨터 판독 가능 매체는 프로그램 명령, 데이터 파일, 데이터 구조 등을 단독으로 또는 조합하여 포함할 수 있다. 상기 매체에 기록되는 프로그램 명령은 실시예를 위하여 특별히 설계되고 구성된 것들이거나 컴퓨터 소프트웨어 당업자에게 공지되어 사용 가능한 것일 수도 있다. 컴퓨터 판독 가능 기록 매체의 예에는 하드 디스크, 플로피 디스크 및 자기 테이프와 같은 자기 매체(magnetic media), CD-ROM, DVD와 같은 광기록 매체(optical media), 플롭티컬 디스크(floptical disk)와 같은 자기-광 매체(magneto-optical media), 및 롬(ROM), 램(RAM), 플래시 메모리 등과 같은 프로그램 명령을 저장하고 수행하도록 특별히 구성된 하드웨어 장치가 포함된다. 프로그램 명령의 예에는 컴파일러에 의해 만들어지는 것과 같은 기계어 코드뿐만 아니라 인터프리터 등을 사용해서 컴퓨터에 의해서 실행될 수 있는 고급 언어 코드를 포함한다. 상기된 하드웨어 장치는 실시예의 동작을 수행하기 위해 하나 이상의 소프트웨어 모듈로서 작동하도록 구성될 수 있으며, 그 역도 마찬가지이다.
이상과 같이 실시예들이 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기의 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 예를 들어, 설명된 기술들이 설명된 방법과 다른 순서로 수행되거나, 및/또는 설명된 시스템, 구조, 장치, 회로 등의 구성요소들이 설명된 방법과 다른 형태로 결합 또는 조합되거나, 다른 구성요소 또는 균등물에 의하여 대치되거나 치환되더라도 적절한 결과가 달성될 수 있다.
그러므로, 다른 구현들, 다른 실시예들 및 특허청구범위와 균등한 것들도 후술하는 특허청구범위의 범위에 속한다.

Claims (14)

  1. 레이저 빔을 제1 편광 광선 분배기(Polarizing Beam Splitter; PBS)를 통과시켜 복수의 레이저 빔으로 분리하는 단계;
    분리된 상기 복수의 레이저 빔을 각각 회절광학소자(Diffractive optical element, DOE)를 통과시켜 위상을 변조하는 단계;
    변조된 위상을 가진 상기 복수의 레이저 빔을 제2 편광 광선 분배기를 통과시켜 하나의 레이저 빔으로 결합하는 단계; 및
    결합된 상기 하나의 레이저 빔을 푸리에 변환(Fourier transform)을 통해 연속적인 선을 재생하는 단계
    를 포함하고,
    상기 복수의 레이저 빔으로 분리하는 단계는,
    상기 레이저 빔을 반파장판(Half-wave Plate, HWP)을 통해 45도(degree)의 선편광을 갖도록 변환하는 단계; 및
    45도(degree)의 선편광을 갖도록 변환된 상기 레이저 빔을 상기 제1 편광 광선 분배기를 통과시켜 동일 비율을 갖는 서로 수직한 편광의 p파와 s파의 상기 복수의 레이저 빔으로 분리하는 단계
    를 포함하며,
    상기 회절광학소자를 통과시켜 위상을 변조하는 단계는,
    고출력 레이저를 레이저 가공기에 이용하여 대면적 가공을 수행하기 위해 높은 손상 문턱값(damage threshold)을 갖는 용융 실리카(fused silica)로 이루어진 상기 회절광학소자를 복수 개 형성하되 서로 수직 방향으로 배치하여 분리된 상기 복수의 레이저 빔을 각각 입사 레이저의 변소진폭(Complex amplitude)을 변조를 통해 위상 변조하여 2D 이미지로 재생하며, 상기 복수의 레이저 빔이 상호 간섭을 발생시키지 않도록 서로 수직한 방향으로 결합되게 상기 제2 편광 광선 분배기로 안내하고,
    상기 연속적인 선을 재생하는 단계는,
    결합된 상기 하나의 레이저 빔을 F-세타 렌즈(F-theta lens)를 통과시켜 상기 회절광학소자를 재생하는 과정에서 발생되는 수차를 보정하고 상기 푸리에 변환(Fourier transform)되어, 상기 회절광학소자를 통과한 복수의 상기 2D 이미지를 결합함에 따라 절단 목표 상에서 스펙클이 감소된 균일하고 연속적인 선을 재생하여 패턴에 관계없이 레이저 절단을 수행하는 것
    을 특징으로 하는 서로 수직한 편광으로 재생된 회절광학소자를 이용한 2차원 레이저 가공 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 레이저 빔으로 분리하기 이전에, 레이저 발생기로부터 출력된 상기 레이저 빔을 적어도 하나 이상의 렌즈를 통과시켜 원하는 크기로 조절하는 단계
    를 더 포함하는 서로 수직한 편광으로 재생된 회절광학소자를 이용한 2차원 레이저 가공 방법.
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 레이저 빔을 출력하는 레이저 발생기;
    상기 레이저 빔을 복수의 레이저 빔으로 분리하는 제1 편광 광선 분배기(Polarizing Beam Splitter, PBS);
    분리된 상기 복수의 레이저 빔 각각의 위상을 변조하는 회절광학소자(Diffractive optical element, DOE);
    변조된 위상을 가진 상기 복수의 레이저 빔을 하나의 레이저 빔으로 결합하는 제2 편광 광선 분배기; 및
    결합된 상기 하나의 레이저 빔을 푸리에 변환(Fourier transform)을 통해 연속적인 선을 재생하여 레이저 절단을 수행하는 푸리에 변환부
    를 포함하고,
    상기 제1 편광 광선 분배기는,
    상기 레이저 빔을 반파장판(Half-wave Plate, HWP)을 통해 45도(degree)의 선편광을 갖도록 변환하며, 45도(degree)의 선편광을 갖도록 변환된 상기 레이저 빔을 동일 비율의 서로 수직한 편광을 갖는 p파와 s파의 상기 복수의 레이저 빔으로 분리하고,
    상기 회절광학소자는,
    고출력 레이저를 레이저 가공기에 이용하여 대면적 가공을 수행하기 위해 높은 손상 문턱값(damage threshold)을 갖는 용융 실리카(fused silica)로 이루어져 복수 개 형성되되 서로 수직 방향으로 배치되어 분리된 상기 복수의 레이저 빔을 각각 입사 레이저의 변소진폭(Complex amplitude)을 변조를 통해 위상 변조하여 2D 이미지로 재생하며, 상기 복수의 레이저 빔이 상호 간섭을 발생시키지 않도록 서로 수직한 방향으로 결합되게 상기 제2 편광 광선 분배기로 안내하고,
    상기 푸리에 변환부는
    결합된 상기 하나의 레이저 빔을 F-세타 렌즈(F-theta lens)를 통과시켜 상기 회절광학소자를 재생하는 과정에서 발생되는 수차를 보정하고 상기 푸리에 변환(Fourier transform)되어, 상기 회절광학소자를 통과한 복수의 상기 2D 이미지를 결합함에 따라 절단 목표 상에서 스펙클이 감소된 균일하고 연속적인 선을 재생하여 패턴에 관계없이 레이저 절단을 수행하는 것
    을 특징으로 하는 서로 수직한 편광으로 재생된 회절광학소자를 이용한 2차원 레이저 가공 장치.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 레이저 발생기로부터 출력된 상기 레이저 빔을 적어도 하나 이상의 렌즈를 통과시켜 원하는 크기로 조절하는 렌즈부
    를 더 포함하는 서로 수직한 편광으로 재생된 회절광학소자를 이용한 2차원 레이저 가공 장치.
  9. 삭제
  10. 삭제
  11. 삭제
  12. 삭제
  13. 삭제
  14. 삭제
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