KR101895824B1 - 레이저 광의 스페클 제거장치 - Google Patents

레이저 광의 스페클 제거장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 입사되는 레이저 광을 다수의 분할광으로 분할시키는 빔스플리터; 상기 빔스플리터의 일측면에 면접하도록 위치하고, 상기 빔스플리터에 의해 분할되는 분할광들 중에서 어느 하나의 분할광을 반사시켜서 상기 빔스플리터에서 다른 분할광과 결합하여 출력되도록 하는 제 1 반사면이 상기 빔스플리터를 접하는 면을 제외한 면들에 각각 마련되는 렉탄귤라 프리즘; 및 상기 빔스플리터의 타측면에 면접하도록 위치하고, 상기 빔스플리터로부터 결합된 분할광들이 내측으로 입사되고, 상기 빔스플리터와 대향되는 면에 마련되는 제 2 반사면에 의해 내측으로 입사되는 분할광들을 반사시켜서 출력되도록 하는 람버스 프리즘;을 포함하도록 한 레이저 광의 스페클 제거장치에 관한 것이다.
본 발명에 따르면, 레이저 광의 분할과 동시에 분할되는 광의 경로차를 발생시킨 후 재결합하여 레이저 광의 간섭성을 저감시킬 수 있도록 하고, 경로차에 편광 변조까지 추가하여 스페클 제거 효과를 증폭시킬 수 있으며, 간단한 구성에 의해 콤팩트한 구조의 구현이 가능하고, 레이저 광의 영상 번짐이나 해상도 저하를 최소화 내지 제거할 수 있으며, 분할된 분할광들의 결합을 위한 조정이 편리하도록 할 수 있고, 고도의 정밀 가공에 대한 부담을 줄일 수 있다.

Description

레이저 광의 스페클 제거장치{Apparatus for removing speckle of laser light}
본 발명은 레이저 광의 스페클 제거장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 레이저 광의 분할과 동시에 분할되는 광의 경로차를 발생시킨 후 재결합하여 레이저 광의 간섭성을 저감시킬 수 있도록 구성된 레이저 광의 스페클 제거장치에 관한 것이다.
일반적으로, 레이저 광은 단파장 특성을 갖고 높은 광효율을 얻을 수 있는데, 이로 인해 프로젝터, 영상 픽업 장치 등과 같은 영상 투영 장치에 사용될 뿐만 아니라, 여러 계측 장비 등을 비롯하여 다양한 용도로 사용되고 있다.
레이저 광의 간섭성은 레이저 광이 조사된 표면 물체의 거칠기로 인한 산란과 간섭을 유발하게 되는데, 이는 반점과 같은 스페클 패턴(speckle pattern)을 형성하는 요인이 된다.
레이저 광의 스페클 패턴은 물체의 표면 변형 정보를 포함하며, 이를 기록함으로써 대상 물체 표면의 정보를 얻을 수 있다. 반면, 레이저 광을 영상 장치에 이용할 경우, 레이저 광의 스페클 패턴은 영상의 번짐이나 해상도의 저하를 초래하므로, 이를 감소 내지 제거할 필요가 있다.
종래에서 레이저 광의 스페클을 제거하는 기술로는 한국공개특허 제10-2007-0114476호의 "스페클 제거 방법과 스페클 제거 장치"가 제시된 바 있는데, 이는 스페클 제거 장치에 있어서, 레이저 광을 생성하는 광원과; 상기 레이저 광을 상호 직교하는 편광 모드들로 분할 및 결합해서 출력하는 편광 분할 필터와; 상기 편광 분할 필터의 상기 레이저 광을 출력하는 일단이 노출되게 삽입되며 상기 편광 분할 필터에서 분할된 편광 모드 중 하나를 반사시켜서 상기 편광 분할 필터로 귀환시키기 위한 다각 미러를 포함한다.
그러나, 이와 같은 종래 기술은 분할된 편광모드들을 결합하여 출력하기 위한 조정이 어렵고, 고도의 정밀 가공을 요구하게 됨으로써 제작시 어려움을 초래하였다.
상기한 바와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명은 레이저 광의 분할과 동시에 분할되는 광의 경로차를 발생시킨 후 재결합하여 레이저 광의 간섭성을 저감시킬 수 있도록 하고, 경로차에 편광 변조까지 추가하여 스페클 제거 효과를 증폭시키며, 간단한 구성에 의해 콤팩트한 구조의 구현이 가능하고, 레이저 광의 영상 번짐이나 해상도 저하를 최소화 내지 제거하며, 분할광들의 결합을 위한 조정이 편리하고, 고도의 정밀 가공에 대한 부담을 줄이도록 하는데 목적이 있다.
본 발명의 다른 목적들은 이하의 실시례에 대한 설명을 통해 쉽게 이해될 수 있을 것이다.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위해, 본 발명의 일측면에 따르면, 입사되는 레이저 광을 다수의 분할광으로 분할시키는 빔스플리터; 상기 빔스플리터의 일측면에 면접하도록 위치하고, 상기 빔스플리터에 의해 분할되는 분할광들 중에서 어느 하나의 분할광을 반사시켜서 상기 빔스플리터에서 다른 분할광과 결합하여 출력되도록 하는 제 1 반사면이 상기 빔스플리터를 접하는 면을 제외한 면들에 각각 마련되는 렉탄귤라 프리즘; 및 상기 빔스플리터의 타측면에 면접하도록 위치하고, 상기 빔스플리터로부터 결합된 분할광들이 내측으로 입사되고, 상기 빔스플리터와 대향되는 면에 마련되는 제 2 반사면에 의해 내측으로 입사되는 분할광들을 반사시켜서 출력되도록 하는 람버스 프리즘;을 포함하는, 레이저 광의 스페클 제거장치가 제공된다.
상기 빔스플리터는, 상기 분할광들이 직교하는 편광모드들일 수 있다.
상기 빔스플리터는, 상기 렉탄귤라 프리즘과 상기 람버스 프리즘 중 어느 하나의 입사면에 코팅으로 형성될 수 있다.
상기 렉탄귤라 프리즘은, 상기 제 1 반사면 중에서 어느 하나가 분할광인 편광모드를 선형편광에서 원편광으로 변환시키는 QW(quarter-wave) 반사 코팅으로 형성될 수 있다.
상기 람버스 프리즘에서 상기 분할광들이 출력되는 면에 상기 분할광들의 위상 시프트를 위하여, 마련되는 요철 형태의 한 옵티컬 페이즈 매트릭스를 더 포함할 수 있다.
상기 옵티컬 페이즈 매트릭스는, 일면 또는 양면에 다수의 요부가 서로 동일한 높이를 가지도록 형성될 수 있다.
상기 옵티컬 페이즈 매트릭스는, 일면 또는 양면에 다수의 요부가 서로 상이한 높이를 가지도록 형성될 수 있다.
상기 옵티컬 페이즈 매트릭스는, 양면에 요부가 각각 형성되되, 양면 각각의 요부가 서로 어긋나도록 형성될 수 있다.
상기 옵티컬 페이즈 매트릭스는, 일면 또는 양면에 형성되는 요부의 일측 또는 양측에 단을 이루는 단차부가 형성될 수 있다.
상기 옵티컬 페이즈 매트릭스는, 요부가 식각 공정에 의해 형성될 수 있다.
본 발명에 따른 레이저 광의 스페클 제거장치에 의하면, 레이저 광의 분할과 동시에 분할되는 광의 경로차를 발생시킨 후 재결합하여 레이저 광의 간섭성을 저감시킬 수 있도록 하고, 경로차에 편광 변조까지 추가하여 스페클 제거 효과를 증폭시킬 수 있으며, 간단한 구성에 의해 콤팩트한 구조의 구현이 가능하고, 레이저 광의 영상 번짐이나 해상도 저하를 최소화 내지 제거할 수 있으며, 분할광들의 결합을 위한 조정이 편리하도록 할 수 있고, 고도의 정밀 가공에 대한 부담을 줄일 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시례에 따른 레이저 광의 스페클 제거장치를 도시한 구성도이다.
도 2 및 도 3은 본 발명의 일 실시례에 따른 레이저 광의 스페클 제거장치에서 분할광 각각의 경로를 나타낸 구성도이다.
도 4 내지 도 8은 본 발명의 일 실시례에 따른 레이저 광의 스페클 제거장치에서 옵티컬 페이즈 매트릭스의 여러 실시례를 도시한 단면도이다.
도 9는 본 발명의 일 실시례에 따른 레이저 광의 스페클 제거장치에서 옵티컬 페이즈 매트릭스의 제조 예를 순서적으로 도시한 단면도 및 제조후의 평면도이다.
도 10은 본 발명의 일 실시례에 따른 레이저 광의 스페클 제거장치에서 옵티컬 페이즈 매트릭스에 의한 스페클 저감을 설명하기 위한 도면이다.
도 11은 본 발명의 일 실시례에 따른 레이저 광의 스페클 제거장치에서 옵티컬 페이즈 매트릭스의 작용을 설명하기 위한 도면이다.
도 12는 본 발명의 일 실시례에 따른 레이저 광의 스페클 제거장치에서 청색광, 녹색광, 적색광의 위상 최적화를 설명하기 위한 그래프이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고, 여러 가지 실시례를 가질 수 있는 바, 특정 실시례들을 도면에 예시하고, 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니고, 본 발명의 기술 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 식으로 이해되어야 하고, 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 하기 실시례에 한정되는 것은 아니다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 실시례를 상세히 설명하며, 도면 부호에 관계없이 동일하거나 대응하는 구성요소에 대해서는 동일한 참조 번호를 부여하고, 이에 대해 중복되는 설명을 생략하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시례에 따른 레이저 광의 스페클 제거장치를 도시한 구성도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시례에 따른 레이저 광의 스페클 제거장치(100)는 빔스플리터(beam spliter; 110), 렉탄귤라 프리즘(rectangular prism; 120) 및 람버스 프리즘(rhombus prism; 130)을 포함할 수 있다.
빔스플리터(110)는 광원(200), 예컨대 레이저 다이오드(LD)로부터 조사되는 레이저 광을 다수의 분할광들(11,12)로 분할시킨다. 빔스플리터(110)는 분할광들(11,12)이 일례로 레이저 광으로부터 50:50로 분할되는 다수의 광들로서 편광모드일 필요는 없는데, 이와 달리 분할광들(11,12)이 다른 예로서, 직교하는 편광모드들일 수 있으며, 이 경우 편광모드들 중에서 어느 하나의 편광모드, 예컨대 레이저 광의 P편광(P-polarization)을 투과 및 굴절시키고, 다른 하나의 편광모드, 예컨대 S편광(S-polarization)을 반사시킴으로써 레이저 광을 분할시키며, 이렇게 분할된 편광모드들을 다시 결합시키는 역할을 하며, 일례로 50:50 빔스플리터가 사용될 수 있다. 이러한 분할광들 각각에 대한 경로를 도 2 및 도 3에 각각 나타내었다.
빔스플리터(110)는 렉탄귤라 프리즘(120)과 람버스 프리즘(130) 중 어느 하나의 입사면에 코팅으로 형성될 수 있다. 따라서, 렉탄귤라 프리즘(120)과 람버스 프리즘(130)은 빔스플리터(110)를 매개로 서로 접착 내지 접합될 수 있다.
렉탄귤라 프리즘(120)은 빔스플리터(110)의 일측면에 면접하도록 위치하고, 빔스플리터(110)에 의해 분할되는 분할광들(11,12) 중 어느 하나의 분할광(11)을 반사시켜서 빔스플리터(110)에서 다른 분할광(12)과 결합하여 출력되도록 하는 제 1 반사면(121,122)이 빔스플리터(110)를 접하는 면을 제외한 면들에 각각 마련된다.
렉탄귤라 프리즘(120)은 제 1 반사면(121,122) 중에서 어느 하나(122)가 분할광(11)인 편광모드를 선형편광에서 원편광으로 변환시키는 QW(quarter-wave) 반사 코팅으로 형성될 수 있다.
람버스 프리즘(130)은 빔스플리터(110)의 타측면에 면접하도록 위치하고, 빔스플리터(110)로부터 결합된 분할광들(11,12)이 내측으로 입사되고, 빔스플리터(110)와 대향되는 면에 마련되는 제 2 반사면(131)에 의해 내측으로 입사되는 분할광들(11,12)을 반사시켜서 외부로 출력되도록 한다.
람버스 프리즘(130)에서 분할광들(11,12)이 출력되는 면에는 분할광들(11,12)의 위상 시프트(phase shift)를 위하여, 요철 형태의 한 옵티컬 페이즈 매트릭스(optical phase matrix; 140)가 마련될 수 있다. 여기서, 요철의 의미는 일례로 요부의 형성에 의해 요부가 형성되는 부분과 요부가 형성되지 아니하는 부분에 의해 형성되는 요철을 의미할 수 있고, 다른 예로서 홈부의 형성에 의해 홈부가 형성되는 부분과 홈부가 형성되지 아니하는 부분에 의해 형성되는 요철을 의미할 수 있으며, 또 다른 예로서, 요부와 홈부의 형성에 의해 요철을 형성하는 것을 의미할 수 있는데, 요부와 홈부는 서로 간에 상대적인 개념으로서, 상대적으로 돌출되는 부분이 요부이고, 상대적으로 삽입되는 부분이 홈부일 수 있다.
도 4를 참조하면, 옵티컬 페이즈 매트릭스(140)는 섭스트레이트(substrate; 141)의 일면에 다수의 요부(142)가 서로 동일한 높이(h)를 가지도록 형성될 수 있다. 또한 옵티컬 페이즈 매트릭스(140)는 이러한 다수의 요부(142)가 섭스트레이트(141)의 양면에 형성될 수도 있다.
도 5를 참조하면, 옵티컬 페이즈 매트릭스(240)는 섭스트레이트(241,242)의 양면에 요부(243,244)가 각각 형성되되, 양면 각각의 요부(243,244)가 서로 어긋나도록 형성될 수 있다. 이때 섭스트레이트(241,242) 각각은 별개로 이루어져서 접착 내지 접합됨으로써 옵티컬 페이즈 매트릭스(240)를 형성할 수 있고, 각각에 형성되는 요부(243,244)의 높이(h,h')를 서로 달리할 수 있다.
도 6을 참조하면, 옵티컬 페이즈 매트릭스(340)는 섭스트레이트(341)의 일면에 다수의 요부(342)가 서로 상이한 높이를 가지도록 형성될 수 있다. 또한 옵티컬 페이즈 매트릭스(340)는 이러한 다수의 요부(342)가 섭스트레이트(341)의 양면에 각각 형성될 수 있다.
도 7을 참조하면, 옵티컬 페이즈 매트릭스(440)는 섭스트레이트(441)의 일면 또는 양면에 형성되는 요부(442)의 일측에 단일 또는 다수의 단을 이루는 단차부(443)가 형성될 수 있다.
도 8을 참조하면, 옵티컬 페이즈 매트릭스(540)는 섭스트레이트(541)의 일면 또는 양면에 형성되는 요부(542)의 양측에 단일 또는 다수의 단을 이루는 단차부(543)가 형성될 수 있다.
이러한 여러 실시례에 따른 옵티컬 페이즈 매트릭스(140,240,340,440,540)는 요부(142,243,244,342,442,542)가, 예컨대 도 9에서와 같이, UV광을 이용하는 노광(exposure) 및 현상(develop) 과정을 거쳐서, 식각(etching) 공정에 의해 형성될 수 있고, UV 몰딩(UV molding) 및 재생(reproduction)과 몰드의 분리(separation)에 의해 최종적으로 올티컬 페이즈 매트릭스를 제조할 수 있다.
도 10을 참조하면, 옵티컬 페이즈 매트릭스는 사용하는 경우, 미사용하는 경우에 비하여 스페클 저감이 49.30%, 상대 강도(relative intensity)가 87.12%임을 알 수 있다.
도 11에서와 같이, 옵티컬 페이즈 매트릭스는 각 광선 경로에 대해 경로 차이를 발생시키기 위한 구조를 가진다. 이를 참조하여, 분할광들에 대한 위상차는 아래의 수학식 1에 의해 구할 수 있다. 또한, 적색광, 녹색광 및 청색광 각각에 대한 위상차와 위상깊이를 아래의 표 1에 나타낸다.
Figure 112016070314275-pat00001
여기서, 위상차(phase difference)는 Φ, 파장(wavelength)은 λ, 위상깊이(phase depth)는 d, 굴절률(refractive index)은 n이다.
Red 630nm Green 520nm Blue 450nm
Φ (π) d (nm) Φ (π) d (nm) Φ (π) d (nm)
1/10 56.25 1/10 46.43 1/10 40.18
2/10 112.5 2/10 92.86 2/10 80.36
3/10 168.75 3/10 139.29 3/10 120.54
4/10 225 4/10 185.71 4/10 160.71
5/10 281.25 5/10 232.14 5/10 200.89
6/10 337.5 6/10 278.57 6/10 241.07
7/10 393.75 7/10 325 7/10 281.25
8/10 450 8/10 371.43 8/10 321.43
9/10 506.25 9/10 417.86 9/10 361.61
1 562.5 1 464.29 1 401.79
도 12를 참조하면, RGB 파장에 대한 광학 위상깊이를 나타내는데, 이를 참조하여 옵티컬 페이즈 매트릭스를 설계할 수 있다.
이와 같은 구성을 가지는 본 발명에 따른 레이저 광의 스페클 제거장치에 따르면, 레이저 광의 분할과 동시에 분할되는 광의 경로차를 발생시킨 후 재결합하여 레이저 광의 간섭성을 저감시킬 수 있도록 하고, 경로차에 편광 변조까지 추가하여 스페클 제거 효과를 증폭시킬 수 있다.
또한 본 발명에 따르면, 간단한 구성에 의해 콤팩트한 구조의 구현이 가능하고, 레이저 광의 영상 번짐이나 해상도 저하를 최소화 내지 제거할 수 있다. 또한 본 발명에 따르면, 분할된 분할광들의 결합을 위한 조정이 편리하도록 할 수 있고, 고도의 정밀 가공에 대한 부담을 줄일 수 있다.
이와 같이 본 발명에 대해서 첨부된 도면을 참조하여 설명하였으나, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 이루어질 수 있음은 물론이다. 그러므로, 본 발명의 범위는 설명된 실시례에 한정되어서는 아니되며, 후술하는 특허청구범위뿐만 아니라 이러한 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
10 : 레이저 광
11,12 : 분할광
110 : 빔스플리터
120 : 렉탄귤라 프리즘
121,122 : 제 1 반사면
130 : 람버스 프리즘
131 : 제 2 반사면
140,240,340,440,540 : 옵티컬 페이즈 매트릭스
141,241,242,341,441,541 : 섭스트레이트
142,243,244,342,442,542 : 요부
200 : 광원

Claims (10)

  1. 입사되는 레이저 광을 다수의 분할광으로 분할시키는 빔스플리터;
    상기 빔스플리터의 일측면에 면접하도록 위치하고, 상기 빔스플리터에 의해 분할되는 분할광들 중에서 어느 하나의 분할광을 반사시켜서 상기 빔스플리터에서 다른 분할광과 결합하여 출력되도록 하는 제 1 반사면이 상기 빔스플리터를 접하는 면을 제외한 면들에 각각 마련되는 렉탄귤라 프리즘;
    상기 빔스플리터의 타측면에 면접하도록 위치하고, 상기 빔스플리터로부터 결합된 분할광들이 내측으로 입사되고, 상기 빔스플리터와 대향되는 면에 마련되는 제 2 반사면에 의해 내측으로 입사되는 분할광들을 반사시켜서 출력되도록 하는 람버스 프리즘;
    상기 람버스 프리즘에서 상기 분할광들이 출력되는 면에 상기 분할광들의 위상 시프트를 위하여, 마련되는 요철 형태의 한 옵티컬 페이즈 매트릭스;
    를 포함하고,
    상기 렉탄귤라 프리즘은,
    상기 제 1 반사면 중에서 어느 하나가 분할광인 편광모드를 선형편광에서 원편광으로 변환시키는 QW(quarter-wave) 반사 코팅으로 형성되고,
    상기 옵티컬 페이즈 매트릭스는,
    일면 또는 양면에 다수의 요부가 서로 동일한 높이를 가지도록 형성되고,
    일면 또는 양면에 형성되는 요부의 일측 또는 양측에 단을 이루는 단차부가 형성되는, 레이저 광의 스페클 제거장치.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 삭제
  8. 삭제
  9. 삭제
  10. 청구항 1에 있어서,
    상기 옵티컬 페이즈 매트릭스는,
    요부가 식각 공정에 의해 형성되는, 레이저 광의 스페클 제거장치.
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