KR102291023B1

KR102291023B1 - 구조화된 광을 제공하는 회절 광학 장치

Info

Publication number: KR102291023B1
Application number: KR1020190078270A
Authority: KR
Inventors: 타소 알. 엠. 세일즈; 스티븐 에이치. 차크매키언; 조지 마이클 모리스
Original assignee: 비아비 솔루션즈 아이엔씨.
Priority date: 2018-06-28
Filing date: 2019-06-28
Publication date: 2021-08-18
Also published as: KR102505752B1; CA3048260C; CN110658573B; EP3588171A1; CA3048260A1; CN115390172A; JP7027376B2; CN110658573A; JP2020008850A; US20200004036A1; KR20200002014A; KR20210100581A

Abstract

회절 광학 요소로서, 상기 회절 광학 요소는 입력 조명을 복수의 상이한 회절 차수의 구조화된 광으로 회절시키는 위상 프로파일을 광학 재료의 표면을 따라 갖는 마이크로구조물을 포함하고, 상기 위상 프로파일은 적어도 부분적으로 위상이 언래핑(phase unwrapped)된, 상기 회절 광학 요소가 개시된다. 또한 상기 회절 광학 요소를 생성하는 방법이 개시된다.

Description

구조화된 광을 제공하는 회절 광학 장치{DIFFRACTIVE OPTICAL DEVICE PROVIDING STRUCTURED LIGHT}

관련 출원: 본 출원은, 전체 내용이 본 명세서에 병합된, 2018년 6월 28일자로 출원된 미국 가출원 번호 62/691,443의 우선권을 주장한다.

기술 분야: 본 발명은 회절 광학 요소로서, 상기 회절 광학 요소는 입력 조명을 복수의 상이한 회절 차수(diffraction order)의 구조화된 광(structured light)으로 회절시키는 위상 프로파일을 광학 재료의 표면을 따라 갖는 마이크로구조물을 포함하고, 상기 위상 프로파일은 적어도 부분적으로 위상이 언래핑(phase unwrapped)된, 상기 회절 광학 요소에 관한 것이다. 일 양태에서, 상기 구조화된 광은 제로(zero) 회절 차수에서 핫 스팟(hot spot)을 포함하지 않는다. 다른 양태에서, 상기 구조화된 광은 각각의 회절 차수에서 제공된 상기 구조화된 광의 광 세기의 균일성에 실질적으로 영향을 주는 임의의 결함을 포함하지 않는다. 상기 회절 광학 요소는 예를 들어 3차원(3D) 감지, 빔 형성 및 디스플레이를 위해 구조화된 광을 제공하는 조명 시스템에 사용될 수 있다.

다양한 응용에서, 단일 빔으로 구성된 복사선 소스를 다수의 공간적으로 격리된 빔릿(beamlet)으로 변환하는 것이 필요하다. 각각의 빔릿은 상기 다수의 빔릿 내의 다른 빔릿에 대해 미리 지정된 전력(power)으로 미리 지정된 방향으로 전파된다. 이러한 유형의 장치는 일반적으로 광학 회절 현상에 의존하는 "빔 스플리터"라고 지칭된다. 빔 스플리터에 의해 생성된 각각의 빔릿은 회절 차수이다. 각각의 회절 차수는 전송된 전력의 효율 또는 분율(fraction)과 관련된다. 이러한 방식을 구현하는 잘 알려진 접근법은 회절 광학 요소(diffractive optical element: DOE)에 기초한다. 회절 광학 요소는 용융 실리카 또는 중합체와 같은 기재 재료 상에 표면 릴리프(surface relief)를 패터닝하는 것에 의해 이미지 패턴을 투사(projection)하는 것을 허용할 수 있다. 표면 릴리프는 원거리에서 관찰된 회절 패턴이 원하는 포맷에 따라 맞추어지는 방식으로 파면 위상 내용을 변경함으로써 입사 조명 소스에 작용한다. 조명 시스템의 일례가 도 1에 도시되어 있다. 조명 소스, 일반적으로 기본 파장(λ)의 레이저는 투사될 조명 빔을 제공한다. 시준 광학 기기는 광학 장치 및 시스템의 광학 요건에 따라 조명 빔을 시준하는 데 사용될 수 있다. DOE는 조명 빔에 작용할 수 있으며, 관찰된 회절 패턴이 일부 특정 패턴을 투사하는 방식으로 조명 빔을 수정할 수 있다. 도 1의 예에서, 조명 소스는 원거리에서 5개의 공간적으로 분리된 빔(회절 차수)으로 변환된다. 일반적으로, 조명 빔 변환은 스팟 어레이 또는 보다 복잡한 이미지와 같은 임의의 사양을 따를 수 있다. DOE 자체는 일반적으로 복잡한 단위 셀을 가진 회절 격자(grating)로서 설명될 수 있다. 일반적인 DOE의 일례는 도 2에 도시되어 있다. 특히, DOE는 3x3 어레이와 같은 패턴 또는 어레이로 반복될 수 있는 단위 셀(대시 라인으로 표시됨)을 포함할 수 있다.

DOE는 (이진 요소(binary element)의 경우) π 또는 (연속 프로파일 요소의 경우) 2π의 위상 깊이를 갖는 얇은 요소일 수 있다. DOE는 일반적으로 "설계 파장"이라고 지칭되는 단일 파장 동작으로 한정될 수 있다. 설계 파장에서 벗어나면 바람직하지 않은 영향이 발생한다. 예를 들어, 제로 회절 차수의 상대적 전력은 다른 회절 차수에 비해 급격히 증가하는 경향이 있다. 이 중요한 영향은 피할 수 없는 것이다. 일부 경우에 제로 회절 차수는 물리적으로 차단될 수 있다. 일부 경우에 강한 제로 차수가 문제를 야기하지 않는 경우도 있을 수 있지만 특정 응용에서는 강한 제로 차수가 존재하는 것이 절대 용인될 수 없다. 이러한 응용 중 하나는 규정된 위치와 상대 세기를 갖는 회절 차수의 특정 분포인 원하는 패턴의 구조화된 광을 DOE를 사용하여 투사하는 3D 감지이다. 3D 감지 응용에서 구조화된 광 패턴은 적외선 레이저로 직접 관찰자를 향해 투사될 수 있다. 이 경우 관찰자를 향하는 강한 제로 차수가 눈에 안전 문제를 제기할 수 있어서, 이러한 유형의 응용에는 용인될 수 없다.

DOE를 여전히 사용하면서도 0 회절 차수 문제를 해결하기 위해, 기존의 접근법은 종종 유용한 솔루션을 생성하기 위해 효율을 희생할 필요가 있다. 이러한 접근법의 일례로 미국 특허 번호 8,630,039에 설명된 양면 DOE가 제안되었다. 이 접근법에서는 2개의 DOE가 기재의 양면에 준비되었다. 제1 DOE는 좀 더 복잡한 스팟 분포로 더 좁은 시야를 커버하는 패턴을 생성하였다. 더 넓은 시야를 가진 제2 DOE는 보다 단순한 스팟 분포를 생성하였다. 2개의 DOE를 조합하면 앞에서 설명한 눈의 안전 문제를 해결한 유용한 솔루션이 가능했다. 그러나 각각의 DOE는 표면 손실을 포함하지 않고 최대 이론 효율이 80%인 이진 위상 함수를 갖기 때문에 이 2개의 DOE 접근법을 일반적으로 구현하는 것은 비효율적이다. 따라서 2개의 DOE를 조합하면 이론상 최대 64%의 효율을 제공한다. 표면 손실을 고려하면 실제 효율은 약 50%일 가능성이 높다.

따라서, 제로 회절 차수에서 핫 스팟을 회피하면서, 미리-지정된 회절 차수 위치로 구조화된 광 분포를 효율적으로 생성하기 위해 단일-표면을 사용하는 광학 회절 장치를 제공하는 것이 요구된다.

일 양태에서, 회절 광학 요소로서, 상기 회절 광학 요소는 입력 조명을 복수의 상이한 회절 차수의 구조화된 광으로 회절시키는 위상 프로파일을 광학 재료의 표면을 따라 갖는 마이크로구조물을 포함하고, 상기 위상 프로파일은 적어도 부분적으로 위상이 언래핑된, 상기 회절 광학 요소가 개시된다.

다른 양태에서, 회절 광학 요소를 생성하는 방법으로서, 구조화된 광 패턴을 생성하는 위상 프로파일을 계산하는 단계; 2πP 언래핑된 위상 프로파일을 획득하기 위해 상기 구조화된 광 패턴의 계산된 위상 프로파일을 언래핑하는 단계; 상기 2πP 언래핑된 위상 프로파일을 생성하는 단계; 및 상기 생성된 2πP 언래핑된 위상 프로파일에 기초하여 광학 재료의 표면을 따라 마이크로구조물을 제조하는 단계를 포함하는 상기 회절 광학 요소를 생성하는 방법이 개시된다.

본 발명의 전술한 목적, 특징 및 장점은 첨부된 도면과 관련하여 이하의 설명을 읽음으로써 더욱 명백해질 것이다.
도 1은 조명 에너지를 시준 광학 기기를 통해 회절 광학 요소에 제공하는 조명 소스를 포함하는 조명 시스템을 도시하는 광학도;
도 2는 도 1의 2차원 회절 광학 요소의 예시도;
도 3은 도 1의 회절 광학 요소로부터 제로 회절 차수를 나타내는 3x3 스팟의 어레이 형태의 구조화된 광의 예시도;
도 4는 본 발명에 따른 회절 광학 요소의 블록도;
도 5a는 본 발명의 다른 양태에 따른 회절 광학 요소의 분해 블록도;
도 5b는 도 5a의 회절 광학 요소의 블록도;
도 6은 본 발명의 다른 양태에 따른 회절 광학 요소의 블록도;
도 7은 위상 지연이 0 및 9π 라디안(radian)인, 100개의 스팟을 투사하는 이진 회절 요소에 대한 비율(ρ)을 나타내는 그래프를 도시하는 도면;
도 8a 내지 도 8e는 원래의 2, 4, 8 및 16개의 레벨의 위상 함수의 양자화를 나타내는 5개의 그래프를 도시하는 도면;
도 9는 N_e = N₀ + 1인 경우 π 위상 시프트를 갖는 π-회절 요소에 대한 파장 디튜닝(detuning)(α)의 함수로서 정규화된 비율(ρ/N_s)을 나타내는 그래프를 도시하는 도면;
도 10은 일반적인 렌즈 위상 프로파일(점선)로부터 회절 렌즈 위상 프로파일(실선)의 2π-래핑을 나타내는 그래프를 도시하는 도면;
도 11은 구조화된 광의 41개의 스팟 또는 빔릿을 생성하는 1차원 구조화된 광 위상 프로파일의 일례의 위상 프로파일을 도시하는 도면;
도 12는 41개의 스팟 또는 빔릿을 생성하는 -20 내지 +20 회절 차수를 나타내는 도 10의 이상적인 위상 프로파일에 의해 생성된 1차원 회절 패턴의 그래프를 도시하는 도면;
도 13은 출력되는 조명 효율의 관점에서 다른 차수에 비해 제로 회절 차수의 세기(또는 전력)가 더 높은 것을 나타내는 5% 깊이 에러를 갖는 도 11의 위상 프로파일에 의해 생성된 회절 패턴의 그래프를 도시하는 도면;
도 14는, 완전히 언래핑될 때, 도 11의 초기 위상 프로파일이 8π-래핑된 위상 프로파일 형태(실선)의 위상 프로파일의 그래프로서, 여기서 도 11의 초기 위상 프로파일(점선)은 8π-래핑된 위상 프로파일에서의 위상 불연속성이 감소된 것을 보여주기 위해 도시된 도면;
도 15는 41개의 회절 차수 중에서 과도한 균일성 세기 에러를 나타내는 5% 깊이 에러를 갖는 도 14의 8π-래핑된 위상 프로파일에 의해 생성된 회절 패턴의 그래프를 도시하는 도면;
도 16은, 부분적으로 언래핑될 때, 도 11의 초기 위상 프로파일의 5% 깊이 에러를 갖는 4π-래핑된 위상 프로파일 형태의 회절 패턴의 그래프로서, 41개의 회절 차수 중에서 균일성 세기 에러가 감소되고 제로 회절 차수의 핫 스팟이 회피된 것을 도시하는 도면;
도 17은 위상 프로파일이 부분적으로 언래핑될 때 도 16의 회절 패턴을 생성하는 5% 깊이 에러를 갖는 4π-래핑된 위상 프로파일(실선)을 나타내는 위상 프로파일의 그래프로서, 도 11의 초기 위상 프로파일(점선)은 4π-래핑된 위상 프로파일에서의 위상 불연속성이 감소된 것을 보여주기 위해 도시된 도면; 및
도 18은 본 발명에 따라 구조화된 광을 제공하는 회절 광학 요소를 생성하는 방법의 흐름도.

본 발명의 회절 광학 요소(10)는, 입력 조명을 복수의 회절 차수의 구조화된 광으로 회절시키는 위상 프로파일을 광학 재료(12)의 표면을 따라 갖는 마이크로구조물(11)을 포함하고 상기 위상 프로파일은 적어도 부분적으로 위상이 언래핑된 것에 의해, 종래의 회절 광학 요소 및 주기적인 마이크로렌즈 어레이의 단점을 해결할 수 있다. 일 양태에서, 마이크로구조물의 위상 프로파일은 2πP 언래핑된 위상 프로파일이다. 본 발명의 회절 광학 요소(10)는 원거리에서 핫 스팟을 야기하는 강한 세기의 제로 회절 차수의 유해한 존재를 나타내지 않는다. 또한, 회절 광학 요소(10)는 종래의 회절 광학 요소보다 더 넓은 파장 범위에 걸쳐 강한 세기의 제로 회절 차수 없이 동작할 수 있다.

도 4 내지 도 6에 도시된 바와 같이, 회절 광학 요소(10)는 광학 재료(12)의 표면을 따라 마이크로구조물(11)을 포함할 수 있다. 광학 재료(12)는 자외선, 가시광선 및 적외선 스펙트럼 영역에서 광 또는 전자기 복사선과 같은 에너지 흐름을 조작할 수 있는 임의의 재료일 수 있다. 광학 재료(12)는 투명성, 투과율, 굴절률 등과 같은 재료의 특성에 기초하여 선택될 수 있다. 광학 재료(12)의 비-제한적인 예는 플라스틱(예를 들어, 중합체), 유리 또는 실리카를 포함한다. 광학 재료(12)는 단일 광학 재료(도 4 및 도 6)일 수 있고 또는 2개 이상의 다른 광학 재료를 포함하는 복합 광학 재료(도 5)일 수 있다.

도 4 내지 도 6에 도시된 바와 같이, 회절 광학 요소(10)는 광학 재료(12)의 표면을 따라 마이크로구조물(11)을 갖는 광학 재료(12)를 포함할 수 있다. 마이크로구조물(11)은 핫 엠보싱, 사출 성형, 반응성 이온 에칭 또는 이온빔 밀링과 같은 임의의 종래의 기술을 사용하여 형성될 수 있다. 마이크로구조물(11)은 입력 조명을 복수의 상이한 회절 차수의 구조화된 광으로 회절시킬 수 있는 2πP 언래핑된 위상 프로파일과 같은 위상 프로파일을 가질 수 있다. 위상 프로파일은 광학 재료(12)의 표면(14a)을 따라 적어도 부분적으로 위상 언래핑될 수 있다.

도 4와 관련하여, 회절 광학 요소(10)는 위상 프로파일이 연장되는 깊이에 각각 직교하는 하나 또는 2개의 치수를 따라 연장될 수 있는 제1 표면(14a)을 포함할 수 있다. 회절 광학 요소(10)는 단일 광학 재료(12)를 포함할 수 있다. 마이크로구조물(11)은 광학 재료(12)의 제1 표면(14a)을 따라 존재할 수 있다. 특히, 광학 재료의 표면(14a)을 따라 마이크로구조물(11)이 형성될 수 있다. 단일 광학 재료(12)의 표면은 단일 광학 재료(12)의 제2 표면(14b)에 대향할 수 있는 제1 표면(14a)일 수 있다. 일 양태에서, 광학 재료(12)의 제2 표면(14b)은 마이크로구조물(11)이 없을 수 있으며, 즉 편평하다.

동작 시, 회절 광학 요소(10)는 제1 표면(14a)을 따라 마이크로구조물(11)을 통해 입력 조명을 수신할 수 있다. 입력 조명은 임의의 광원일 수 있는데, 예를 들어, 3D 감지를 위해 적외선 파장(들) 또는 범위의 레이저와 같은 간섭성 광원으로부터의 광의 빔일 수 있다.

복수의 상이한 회절 차수의 구조화된 광은 다양한 형상, 형태 및/또는 패턴일 수 있다. 구조화된 광의 비-제한적인 예는 스팟의 어레이, 도트의 어레이, 빔릿의 어레이, 라인, 어레이, 기하학적 형상 등 및 이들의 조합을 포함한다. 구조화된 광은 제로 회절 차수가 다른 회절 차수와 실질적으로 동일한 세기를 갖도록 미리 지정된 회절 차수 위치를 가질 수 있다.

도 5a 내지 도 5b와 관련하여, 회절 광학 요소(10)는 제1 광학 재료(12a) 및 제2 광학 재료(12b)를 포함하는 복합 광학 재료일 수 있다. 복합체는 제2 외부 표면(16b)에 대향하는 제1 외부 표면(16a)을 가질 수 있다. 마이크로구조물(11)은 제1 복합 재료(12a)의 제1 외부 표면(16a)을 따라 형성될 수 있고, 제2 광학 재료(12b)의 내부 편평한 표면 상에 접합될 수 있다. 제2 광학 재료(12b)의 제2 외부 표면(16b)은 평탄할 수 있다. 이러한 방식으로, 복합 광학 재료(12a, 12b)(도 5a 내지 도 5b)를 갖는 회절 광학 요소(10)는 단일 광학 재료(12)(도 4)를 갖는 회절 광학 요소(10)와 동일한 설계를 가질 수 있다.

일 양태에서, 제2 광학 재료(12b)는 제1 광학 재료(12a)에 비해 강성의 플라스틱 또는 유리와 같이 더 큰 상대적 강성을 갖는 재료일 수 있다. 마이크로구조물(11)을 포함하는 제1 광학 재료(12a)는 도 5b에 도시된 바와 같이 제2 광학 재료(12b)에 부착될 수 있다. 일 양태에서, 광학 액상 접착제(도시되지 않음)는 제1 및 제2 광학 재료(12a, 12b)를 서로 부착시켜 복합 광학 재료를 형성하는데 사용될 수 있다. 광학 재료의 복합체가 제1 광학 재료(12a)의 제1 외부 표면(16a)을 따라 마이크로구조물(11)과 함께 그리고 선택적으로 제2 광학 재료(12b)의 제2 외부 표면(16b)을 따라 마이크로구조물(11) 없이 존재하는 한, 다른 부착 방식이 사용될 수 있다.

다른 양태에서, 회절 광학 요소(10)는, 도 6에 도시된 바와 같이, 광학 재료(12)의 제1 표면(14a)을 따라 마이크로구조물(11)을 포함하고, 광학 재료(12)의 제2 표면(14b)을 따라 마이크로구조물(17)을 포함할 수 있다. 마이크로구조물(11 및 17)은 2πP 언래핑된 위상 프로파일과 같은 동일하거나 상이한 위상 프로파일을 가질 수 있다. 일 양태에서, 제2 표면(14b)은 단일 광학 재료(12)의 제1 표면(14a)을 따라 마이크로구조물(11)과 동일한 위상 프로파일이거나, 예를 들어, 동일한 위상 프로파일을 갖는 마이크로구조물(17)을 가질 수 있다. 또 다른 양태에서, 제2 표면(14b)은 단일 광학 재료(12)의 제1 표면(14a)을 따라 마이크로구조물(11)과 상이한 위상 프로파일이거나, 예를 들어, 상이한 위상 프로파일을 갖는 마이크로구조물(17)을 가질 수 있다. 마이크로구조물(11, 17)은 전술한 바와 같이 광학 재료(12)로 형성될 수 있거나, 또는 동일한 광학 재료의 2개의 상이한 단편으로 형성되고 나서, 전술한 방식으로 서로 부착될 수 있다.

다른 양태에서, 회절 광학 요소(10)는 제1 광학 재료(12a)와 제2 광학 재료(12b)의 복합물일 수 있다. 제1 광학 재료(12a)는 마이크로구조물(11)을 포함하는 제1 외부 표면(16a)을 포함할 수 있다. 제2 광학 재료(12b)는 마이크로구조물(17)을 포함하는 제2 외부 표면(16b)을 포함할 수 있다. 제2 외부 표면(16b)은 복합 광학 재료의 제1 외부 표면(16a)을 따라 마이크로구조물(11)과 동일한 마이크로구조물(17)을 가질 수 있다. 다른 양태에서, 제2 외부 표면(16b)은 복합 광학 재료의 제1 외부 표면(16a)을 따라 마이크로구조물(11)과 다른 마이크로구조물(17)을 가질 수 있다.

도 6의 회절 광학 요소(10)는 2개의 구조화된 광 패턴, 즉 광학 재료(12)의 표면(14a)을 따라 마이크로구조물(11)의 제1 구조화된 광 패턴, 및 광학 재료(12)의 제2 표면(14b)을 따라 마이크로구조물(17)의 제2 구조화된 광 패턴을 갖는다. 제1 구조화된 광 패턴은 제2 구조화된 광 패턴과 동일하거나 상이할 수 있다. 회절 광학 요소(10)로부터 투사된 광은 유사하거나 다른 특성의 2개의 구조화된 광 패턴의 조합일 수 있다.

마이크로구조물(11)의 위상 프로파일은 광학 재료(12)의 표면을 따라 위상 불연속성을 감소시키기 위해 적어도 부분적으로 위상 언래핑될 수 있다. 다른 양태에서, 마이크로구조물(11)의 위상 프로파일은 최대 위상 언래핑(100%)보다 덜 언래핑될 수 있다. 언래핑된 위상 프로파일은 복수의 상이한 회절 차수 중 다른 회절 차수와 실질적으로 동일한 세기를 가질 수 있는 복수의 회절 차수 중 제로 회절 차수를 제공할 수 있다.

표면(14a)을 따라 마이크로구조물(11)은 위상 프로파일

을 가질 수 있으며, 여기서 Φ_P는 2πP-언래핑된 위상 프로파일이고, n은 표면의 굴절률이며, λ₀은 중심 파장이고, P는 복수의 회절 차수 각각에서 광의 세기가 실질적으로 동일할 수 있도록 장치로부터 출력된 구조화된 광의 회절 차수의 균일성 세기 에러의 기준 내에서 제로 회절 차수의 세기를 최소화하도록 선택된 정수이다. 일 양태에서, 위상 프로파일은 이러한 기준에서 또는 이러한 기준 내에서 균일성 또는 세기 에러를 최소화하기 위해 최대 언래핑보다 덜 언래핑된다. 위상 프로파일은 1차원 또는 2차원을 따를 수 있다.

마이크로구조물(11)을 한정하는 위상 프로파일은 표면(14a)을 따라 주기적일 수 있다. 표면(14a)은 하나의 차원을 따라 연장되지만, 위상 프로파일의 깊이 차원에 모두 직교하는 표면(14a)의 길이 및 폭의 2개의 직교 차원을 따라 연장될 수 있다. 최대 깊이 차원은 제로 회절 차수의 핫 스팟을 회피하면서 세기 에러의 허용 가능한 균일성을 얻을 수 있을 때까지 위상 불연속성을 감소시키기 위해 위상 프로파일의 연속 2π 언래핑마다 증가된다.

조명 파장이 특정 값(λ₀)을 취할 때 구조화된 광을 효율적으로 투사할 수 있는 회절 광학 요소(10)를 설계하는 것이 가능하다. 다른 파장 값(λ ≠ λ₀)인 경우 최적의 이미지 투사에 필요한 위상 관계가 더 이상 유효하지 않기 때문에 성능이 심각하게 저하될 수 있다. 전술한 바와 같이, 설계를 벗어난 파장에서 동작하는 사실상 모든 회절 광학 요소에서 관찰 가능한 주된 특징은 관심 패턴의 평균 세기에 대해 제로 회절 차수의 세기가 증가한다는 것이다. 설계 파장 밖에서 동작하는 것에 더하여, 투사된 회절 패턴의 각도가 확산됨에 따라, 시야(field-of-view: FOV)가 증가하여, 이론적인 표면 프로파일을 정확히 제조하는 것을 보장하는 것이 매우 어려워진다. 예를 들어, 위상 깊이 에러와 같은 위상 프로파일의 작은 변화만으로도 회절 광학 요소를 실용적으로 만들 만큼 충분히 제로 회절 차수를 최소화하는 것을 거의 불가능하게 할 수 있다.

회절 광학 요소를 한정하는 표면 릴리프의 깊이가 증가되는 경우, 회절 광학 요소가 파장의 일부 특정 값(일반적으로 1 값 또는 2 값)에서 동작하는 것이 가능하다는 것이 입증되었다. 이 접근법의 이론적 근거는 전체 내용이 본 명세서에 병합된 문헌[S. Noach, A. Lewis, Y. Arieli, and N. Eisenberg, "Integrated diffractive and refractive elements for spectrum shaping", Appl. Opt. 35, 3635-3639 (1996)]에 언급된 바와 같이 총 깊이가 증가함에 따라 회절 광학 요소의 적절한 동작을 보장하는데 필요한 위상 관계가 충족될 수 있다는 것을 이해하는 것에 기초한다. 그러나 추론은 정확하지만, 총 깊이가 증가하는 것은 허용 가능한 다중 파장 성능을 위해 필요한 조건도 아니고 충분한 조건도 아니다. 이러한 접근법을 사용하면, 전체 내용이 본 명세서에 병합된 문헌[I. M. Barton, P. Blair, and M. Taghizadeh, "Dual-wavelength operation diffractive phase elements for pattern formation", Opt. Express 1, 54-59 (1997)]에 언급된 바와 같이 이미지가 2개의 이산 파장에서 만족스럽게 투사될 수 있는 것으로 나타났다. 이 경우, 표면 릴리프는 16개의 위상 레벨의 사용을 필요로 하였고 이미지는 제로 회절 차수가 투사된 구조화된 광(이미지)의 일부가 아닌 방식으로 축외에 형성되었다. 이미지를 오프셋시키는 중요한 이유는 여러 파장에서 동작할 때 세기가 상당히 증가하는 경향이 있는 제로 회절 차수를 사용하는 것을 피하기 위해서이다. 이것은 설계 자체가 제로 회절 차수를 억제하기 위해 최적화되지 않았거나 성능을 일정하게 저하시키는 제조 에러 때문일 수 있다. 그러나 이 접근법은 3D 감지와 같은 응용에는 사용될 수 없다.

임의의 이미지를 투사하는 회절 광학 요소를 생성하는 데 사용될 수 있는 몇 가지 전략이 있다. 이러한 전략은 단색 동작에 적합하며, 이로 총 위상 깊이가 2π 라디안인 위상 구조가 된다. 이진 위상 프로파일의 경우, 최대 위상 깊이는 π이지만 투사된 이미지는 더 이상 임의적이지 않고, 중심 대칭일 필요가 있다. 전술한 바와 같이, 종래의 연구는 이중 파장 동작 하에서 이미지를 투사하는데 적합한 요소를 설계할 수 있게 한다. 이를 위해, 최대 위상 깊이는 2π 라디안을 넘어 증가될 수 있다. 이 접근법은 이중 파장 동작에 편리할 수 있지만 적어도 두 가지 심각한 한계가 있다. 첫째, 이것은 제로 회절 차수의 세기를 정밀하게 제어할 수 없다. 이 상황에서, 일반적인 솔루션은 이미지를 오프셋시켜 제로 회절 차수로부터 이미지를 분리하는 것이다. 그 결과, 제로 회절 차수 세기가 증가하면 주 패턴은 영향을 받을 수 없지만 상당 부분의 에너지가 제로 회절 차수에 집중되기 때문에 효율이 확실히 떨어질 수 있다. 그러나 예를 들어 광학 감지를 위해 강한 제로 회절 차수의 존재를 용인할 수 없는 경우에는 이 옵션이 이용 가능하지 않다. 둘째, 깊은 회절 요소는 일반적으로 위상 함수가 다중 레벨 함수로 한정되는 경우에는 제조하는데 심각한 어려움을 제시한다. 이 경우, 제조하는데 여러 개의 마스크를 노출시킬 것을 필요로 할 수 있으며 각 마스크, 각 기본 마스크의 상대적 깊이 및 마스크 간 정렬에 대해 정확도를 보장해야 한다. FOV가 충분히 넓으면, 일반적으로 전폭이 20도 내지 30도를 넘는 경우, 이진 솔루션이 가장 보편적이다.

그러나, 단일 파장을 넘어 또는 넓은 FOV에 걸쳐 동작하는 효율적인 축상 회절 광학 요소를 설계하는데 이용 가능한 방법은 없다. 축상이란 용어는 제로 회절 차수를 포함하거나 제로 회절 차수 주위로 한정된 이미지를 투사할 수 있는 회절 광학 요소를 말한다. 이러한 요소 투사의 간단한 예는 원거리에서 어레이 형태로 배열된 이미지 스팟 분포인 스팟 어레이이다. 스팟 어레이의 일례는, 도 3에 도시된 바와 같이, 패턴의 일부로서 제로 회절 차수를 포함하는 3x3 어레이에 대해 도 2에 도시된다. 보다 일반적인 상황에서, 스팟의 분포는 "구조화된 광" 패턴이라고 지칭되고, 광 감지 응용에서 검출하는 것에 의해 요구되는 것과 같은 고유한 특징을 통합할 수 있는 특정 스팟 분포를 구성한다.

보다 정량적인 분석을 위해, 총 N_s개의 스팟을 투사하도록 설계된 회절 광학 요소의 경우를 고려한다. 단순화를 위해, 넓은 FOV 또는 광대역 동작은 아직 고려되지 않고 있다. 강한 제로 회절 차수의 출현을 이해하는 가장 쉬운 방법 중 하나는 설계 위상 깊이로부터의 편차를 이용하는 것이다. 이는 제조 상의 에러 또는 설계 파장으로부터의 동작 편차에 의해 발생할 수 있다. 이 두 상황은 전송 위상에서의 효과와 유사할 수 있다. 그래서, 특정 제조 방법을 고려할 필요 없이 깊이에 대한 민감도를 이해하는 방법으로 여러 파장에서의 동작 측면에서 문제를 검사하는 데 동등성을 사용한다. 나중에 위상 깊이 에러가 직접 고려된다. 요소의 구조는 위상 지연의 관점에서 한정될 수 있지만 실제 구현을 위해서는 실제 물리적 구조를 한정할 필요가 있다. 이것은 위상 구조를 구현하는 광학 재료와 관련된 설계 파장(λ₀) 및 대응 굴절률(n(λ₀))을 한정함으로써 이루어진다. Φ가 설계 파장(λ₀)에서 요소의 위상 함수를 나타내면, 파장(λ)에서 동작과 관련된 위상은 하기와 같이 α(λ)Φ로 주어진다:

여기서 n(λ)은 파장(λ)에서의 굴절률이다.

α 항은 목표 설계(α = 1)와 실제 동작 사이의 분리 거리를 나타내기 때문에 "파장 디튜닝" 계수라고 칭할 수 있다. 이것은 또한 파장에 따른 굴절률의 변화로 인한 분산 효과를 포함한다. 설명을 위해, 예를 들어, α = 0.8, 0.9, 1, 1.1 및 1.2(또는 동등하게 이들은 위상 깊이 스케일링 에러로 볼 수 있음)와 같은 5가지 동작 파장의 일례를 고려한다. 일례로서, 가시광선 λ₀ = 500 nm에서 전자기 스펙트럼의 일부와 분산을 무시하면, 동작 파장은 416.7 nm, 454.5 nm, 500 nm, 555.6 nm 및 625 nm가 된다. 그러나 결과를 α 항으로 표현하는 것은 가시적일 뿐만 아니라 스펙트럼의 특정 영역을 참조할 수 있기 때문에 보다 일반적인 접근법이다.

이상적인 동작 조건 이외에, 회절 광학 요소의 성능은 여러 방식으로 영향을 받을 수 있으며, 그러나, 제로 회절 차수는 일반적으로 가장 민감하고 쉽게 느껴지는 파라미터이다. 재구성 에러 및 효율과 같은 다른 측면도 저하될 수 있지만, 이들은 일반적으로 최소화될 수 있는 반면, 이미지 제약 조건의 일부 세트에서, 제로 회절 차수 성능은 상당히 개선될 수 없다. 이러한 이유로, 선택된 성능 척도는 제로 회절 차수의 효율과 구조화된 광 패턴에서 나머지 스팟의 평균 효율 사이의 비율이며, 이는 그리스 문자(r)로 표시된다. N_s개의 스팟이 원하는 패턴으로 존재하는 경우, 각 스팟의 평균 효율의 상한은 1/N_s로 주어진다. 실제로 실제 회절 효율은 이 값보다 더 낮을 수 있다. 따라서, ρ에는 상한이 있다. 간략화를 위해, 투사된 이미지는 제로 회절 차수를 사용하지 않는 것으로 고려되는데, 이는 설계상 제로 회절 차수에 집중된 최소 에너지가 존재함을 의미한다. 회절 광학 요소는 α = 0.8, 0.9, 1, 1.1 및 1.2에서의 ρ 값이 또한 이상적으로 0이어야 하는 것을 암시하는, 이상적으로 제로의 동작 파장에서 제로 회절 차수 효율을 가져야 한다. 실제로, 이러한 값은 설계 자체 또는 제조 에러로 인해 0이 되지 않는다.

단지 2개의 위상 레벨 및 총 위상 깊이(Mπ)(여기서 M은 홀수의 자연수(1, 3, 5, ...))를 갖는 회절 광학 요소의 경우를 고려한다. 이것은 요소가 0 또는 Mπ 라디안의 위상 지연만을 부여할 수 있다는 것을 의미한다. 이러한 요소에 대한 비율(ρ)은 다음과 같이 주어진다:

M = 1인 경우는 일반적인 이진 회절 광학 요소이다. 또한 총 위상 깊이가 단지 π이기 때문에 제조하는 것이 가장 쉽다. 원하는 파장 디튜닝에 대한 ρ의 값은 표 1에 표시되어 있다. 표 1은 종래 기술에 따라 100개의 스팟을 투사하는 이진 회절 요소에 대한 각각의 파장 디튜닝에서의 비율(ρ)을 나타내며, 두 위상 레벨은 0 및 Mπ 라디안이다.

구조화된 광을 가장 실용적으로 응용하기 위해, 스팟의 총 수는 수 천 또는 수 십만 개 정도의 스팟일 수 있다. 예로서, 훨씬 더 적은 수의 스팟을 사용하여 문제의 규모를 나타낼 수 있다. 표 I에서 알 수 있듯이 이진 요소에 대한 최상의 솔루션은 총 위상 깊이가 π일 때 발생하는데, 이는 위상 지연이 깊을수록 다중 파장 성능이 향상되거나 또는 이와 동등하게 깊이 에러에 대한 민감도가 낮아진다는 개념과 상충하는 것으로 보인다는 것이 주목된다. α = 0.8과 1.2 사이에서 연속 스펙트럼에 대한 일반적인 성능은 도 7에 도시되어 있다. 파장 디튜닝과 깊이 에러의 동등성을 고려하면, 이 플롯은 스팟의 수가 작은 경우에도 이진 설계의 강한 감도를 명확하게 보여준다.

이진 솔루션 밖으로 이동하여, 다중 위상 레벨을 갖는 회절 광학 요소를 고려한다. 간단한 예로서, 다시 한번, 제로 회절 차수 효율이 0으로 설정된 100개의 스팟의 구조화된 광 패턴을 투사하는 4 레벨 회절 광학 요소를 고려한다. 이 경우,

여기서 총 위상 깊이는 이제 2πM이고, M은 자연수(1, 2, 3, ...)이다. 4 레벨 요소의 성능은 표 2에 표시되어 있다. 이진 설계에 비해, 4 레벨 설계는 다양한 거동을 나타내지만 모든 관심 파장 또는 위상 스케일링 에러에 대해 허용 가능한 성능을 나타낼 수는 없다. 요소가 더 깊어짐에 따라, 더 나은 성능이 관찰되는 좁은 스펙트럼 범위를 찾을 수는 있지만, 구조에 대한 단일 깊이는 광대역의 동작이 훨씬 더 적은 α의 모든 특정 값에 대해 허용 가능한 성능을 가능하게 한다. 다시 한번, 이러한 결과는 마스크 오정렬을 포함하여 제조 에러에 의해 더 저하될 수 있다. 표 2는 총 위상 깊이 2πM의 값을 증가시키기 위해 몇 가지 파장 디튜닝 값에서 평가된 100개의 스팟을 투사하는 4 레벨 회절 광학 요소(제로 회절 차수는 억제됨)에 대한 비율(ρ)을 나타낸다.

그럼에도 불구하고, 이 접근법은 아래에 설명된 최적의 설계 접근법에 대한 힌트를 제공한다: 즉, 동시에 위상 레벨의 수를 늘리고 총 위상 깊이를 증가시킨다. 그러나 총 깊이를 단순히 늘리면 위에서 보는 바와 같이 설계 성능 기준을 충족하기에 충분하지 않을 수 있으며, 위상 레벨을 추가하는 것은 특히 넓은 FOV의 경우에서처럼 스팟의 수가 증가함에 따라 기본적으로 제조 문제와 관련하여 다른 어려움을 나타낸다. 본 발명에 의해 제공되는 솔루션은 이산 레벨을 갖는 회절 광학 요소로부터 멀리 이동하고, 연속적으로 변하는 그레이 스케일 위상 프로파일을 고려하는 것이다. 이 경우, 위상 레벨에 대한 제약이 제거될 수 있으며, 위상 프로파일은 제한없이 임의의 값을 취할 수 있다.

더 이동하기 전에, 다음의 정의가 제공된다. 제1 단계는 구조화된 광 패턴의 구조일 수 있다. 이는 주어진 FOV 내에서 관심 스팟의 수와 분포를 의미한다. 계산적으로, 투사된 이미지와 위상 함수는 R개의 행과 C개의 열을 갖는 행렬로 정의된다. 총 픽셀 수는 N = RxC이다. 회절 법칙에 따라 전파되어 원하는 구조화된 광 패턴을 생성하는 빔 분할을 제공하는 회절 광학 요소에 대한 복잡한 투과 함수가 결정될 필요가 있다. 최대 효율을 위해 위상 전용 솔루션이 제공되지만 이 프로세스는 일반적으로 복잡한 (위상 및 진폭) 투과 기능에도 적용된다. 설계 프로세스 자체는 반복적일 수 있으며, 이는 이미지와 빔 스플리터 평면 사이에서 반복 전파되는 것과 관련되고, 각 단계는 충분한 반복 횟수 후에 만족스러운 솔루션을 찾을 수 있는 방식으로 보정 계수를 포함한다. 이러한 반복 설계 방법은 전체 내용이 본 명세서에 병합된 문헌[Gerchberg and Saxton, "A practical algorithm for the determination of phase from image and diffraction plane pictures" R. W. Gerchberg and W. O. Saxton, Optik 35(2), 237-246]의 세미나 논문에 설명된 프로토타입 구현으로 잘 알려져 있다.

반복적인 설계는 모든 픽셀에 대해 연속적으로 변하는 위상 지연을 갖는 솔루션을 제공할 수 있다. 실제로, 그레이 스케일 위상 프로파일조차도 일반적으로 8 비트(256 위상 레벨) 또는 16 비트(65535 위상 레벨) 패턴과 같은 일부 양자화를 수반하고, 이는 모든 실용적인 목적으로, 연속적인 것으로 고려될 수 있다. 실례로, Φ가 위상 함수를 나타내는 경우, 이산 위상 값은 Φ_k = 2πk/(L - 1)(여기서 k = 1, 2, ···, L로 정의되고, L은 총 레벨 수이다(총 위상은 이제 2π라고 가정한다)임이 주목된다. 위상 양자화의 예는 도 8a 내지 도 8e에 도시되어 있다. 16 레벨(도 8e)에서 양자화는 원래의 연속 프로파일과 잘 일치한다. 위상 양자화의 목표가 가능한 연속 프로파일을 가장 잘 모방하는 것이라면, 8 비트 깊이(도 8d) 또는 16 비트 깊이(도 8e)가 효과적일 수 있다.

흥미로운 부가 설명으로서, 전체 내용이 본 명세서에 병합된 문헌[V. Kettunen, J. Simonen, M. Kuittinen, O. Rippoll and H. P. Herzig, "Diffractive elements designed to suppress unwanted zero order due to surface depth error" in OSA Trends in Optics and Photonics (TOPS), Vol. 75, Diffractive Optics and Micro-Optics, OSA Technical Digest, Postconference Edition (Optical Society of America, Washington DC, 2002), pp. 58-60]에 의해 제시되고 또한 전체 내용이 본 명세서에 병합된 미국 특허 번호 6,118,559에 개시된 바와 같은 제로 회절 차수 문제를 해결하는데 3단계 DOE가 상당히 효과적일 수 있다. 이 경우, 이전에 한정된 비율(ρ)은 다음과 같이 볼 수 있다:

여기서, N_e는 (0을 포함하는) π의 짝수 배인 위상 레벨의 수이고, N_o는 π의 홀수 배인 위상 레벨의 수이다. 예로서, 위상 함수가 위상 레벨 0, π 및 2π를 포함하면, N_e = 2 및 N_o = 1이다. 단 두 가지 조합, 즉 N_e = N_o 또는 N_e = N_o + 1만이 가능하다는 것이 명확하다. 또한 제로 차수 회절 효율은 설계상 0으로 설정되는 것으로 가정한다. 도 9의 플롯은 이 경우에 성능을 도시한다. 원칙적으로 3 레벨 솔루션은 향상된 0 차수 성능을 제공할 수 있지만, 패턴의 이산적 특성은 많은 수의 스팟 또는 넓은 FOV에 대해 매우 어려울 수 있는 다중 마스크 제조 방법을 여전히 요구할 수 있다. 다시, 본 발명에 의해 제공되는 솔루션에서, 회절 광학 요소에 대한 위상 함수는 다수의 마스크를 필요로 하지 않고 제조될 수 있는 연속적으로 변하는 위상 프로파일에 의해 한정될 수 있다.

따라서, 특정 구조화된 광 패턴이 주어지면, 위상 함수는 게르히베르그-삭스톤(Gerchberg-Saxton) 방법에 따라 반복 설계 접근법을 통해 또는 원하는 다른 반복 설계에 의해 계산될 수 있다. 이러한 설계 방법은 고속 푸리에 변환(Fast Fourier Transform)을 사용하여 위상 평면과 이미지 평면 사이에 주로 연속적인 전파를 사용한다. 설계 사이클은 궁극적으로 총 2π 위상 시프트에 대해 －π 내지 π 범위 내에서 한정된 위상 함수 단위 셀을 제공한다. 절대 위상 값은 중요하지 않으므로 총 위상 지연만이 고려된다. 본 발명의 회절 광학 요소(10)가 제로 회절 차수 문제없이 동작할 수 있는 솔루션이 이제 설명된다.

위상 구조의 총 위상 깊이를 증가시키기 위해, "위상 언래핑"이라고 지칭되는 기술이 사용된다. 일반적인 반복 설계 방법은 수학적으로 아크탄젠트 연산(arctangent operation)으로 위상 함수를 계산한다. 그 결과, 주어진 위치에서 이것은 -π 내지 π 사이의 간격에 있는 위상 값만을 제공할 수 있다. 일반적으로, 주어진 점(x, y)에서의 위상 함수는 다음 일반적인 관계로 설명될 수 있다:

여기서 Φ₀은 위상 값이 총 2π 위상 범위로 래핑된 위상 맵을 나타낸다. 함수 Φ_P는 P(x,y)가 정수인 위상 맵을 나타내고, 여기서 위상 함수의 불연속성을 최대한 제거하기 위해 2π의 정수배를 더하거나 빼는 것에 의해 위상이 언래핑된다. 간략화를 위해, P(x,y)는 위상 맵 위치의 함수라고 암시적으로 이해하면서 P로 기록된다. 반복 설계 방법으로 인한 위상 함수는 Φ₀로 주어지고, 계산된 위상은 모듈로 -2π로 래핑된다고 언급된다. 즉, 총 위상 깊이는 총 2π 위상 범위로 제한된다.

위상 함수의 언래핑이 광학 설계에 사용되었지만, 본 발명 이전까지 이것은 구조화된 광을 제공하는 회절 광학 요소에 적용되지 않았었다. 예를 들어, 위상 언래핑은 Devaney의 미국 특허 번호 4,562,540에 설명된 회절 단층 촬영에 사용되었고, Apter 등의 미국 특허 공개 번호 20100321635에 개시된 회절 위상 요소를 갖는 안과용 렌즈에 사용되었고, 그리고 위상 함수에서 불연속성을 제거하기 위해 Bahk의 미국 특허 번호 9,921,111에 설명된 간섭계에도 사용되었는데, 이들 문헌 모두의 전체 내용은 본 명세서에 병합된다.

위상 함수를 모듈로 -2π 래핑하거나 또는 동등하게 2π-래핑하는 것은, 전체 내용은 본 명세서에 병합된, 예를 들어, 문헌[D.A. Buralli, G.M. Morris and J. R. Rogers, "Optical performance of holographic kinoforms", Appl. 0pt. 28, 976-983 (1989)]에서 회절 렌즈를 한정하는 데에도 설명된다. 이 프로세스는 도 10에 도시되어 있다. 회절 렌즈의 경우, 매우 얇은 요소를 생성하기 위해 렌즈 위상을 의도적으로 래핑한다. 이러한 유형의 위상 프로파일로부터 회절 렌즈의 고유한 특성이 나타난다. 구조화된 광 패턴을 위한 위상 함수의 경우, 일반적으로 방법은 Φ₀으로 주어지는 2π-래핑된 위상을 생성하고, 본 발명의 개념은 종래 기술에서 수행되는 것과는 달리 더 깊은 위상 패턴을 얻기 위해 위상 프로파일을 실제로 언래핑하는 것이다.

회절 렌즈의 경우, 래핑 및 언래핑 동작은 상당히 간단하지만, 회절 광학 요소(10)에 대한 구조화된 광 패턴을 생성하는 보다 일반적인 위상 구조는, 전체 내용이 본 명세서에 병합된, 예를 들어, 문헌[Dennis C. Ghiglia and Mark D. Pritt, Two-Dimensional Phase Unwrapping, Theory, Algorithms, and Software, Wiley-Interscience, 1^sted., 1998]에 설명된 위상 언래핑을 위해 적용되는 계산 방법을 사용할 수 있다. 그러나 다른 위상 언래핑 방법이 사용될 수도 있다. 본 발명의 개념을 설명하기 위해, 간략화를 위해 1차원 위상 프로파일의 경우를 고려한다. 원칙은 일반적인 2차원 위상 프로파일과 동일하지만 시각화하기가 쉽다. 가장 중요한 것은, 제로 회절 차수의 거동은 두 경우에 유사하다.

일예로서, 41개의 스팟 또는 빔릿의 매우 간단한 분포를 생성하는 도 11에 도시된 위상 프로파일을 고려한다. 도 11의 이상적인 위상 프로파일에 의해 생성된 회절 패턴은 도 12에 도시되어 있다. 그러나 일부 에러가 발생하자마자 이상적인 성능이 손실된다. 이것은 위상 깊이가 5% 에러인 경우에 도 13에 예시되어 있다. 이전 논의에서 예상한 바와 같이 이상적인 위상과의 편차로 인한 주된 결과는 제로 회절 차수의 세기가 신속히 증가한다는 것이다. 또한 관심 있는 다양한 회절 차수의 균일성이 저하됨을 알 수 있다. 균일성 에러(σ)의 일반적인 척도는 다음 식으로 제공된다:

여기서, I_max 및 I_min은 각각 관심 있는 차수 중에서 최대 및 최소 세기 값이다. 이 특정 예에서, 이론적인 균일성은 1.68%이다. 5% 위상 깊이 에러에서, 균일성 에러는 제로 회절 차수를 포함하지 않는 13.45%로 증가한다.

언래핑된 위상 프로파일은 도 14에 도시된다. 회절 패턴이 5% 위상 깊이 에러를 포함하는 언래핑된 위상 프로파일로 계산되는 경우, 도 15에 도시된 결과가 얻어진다. 회절 패턴이 강한 격리된 0 차수를 더 이상 나타내지 않는다는 것을 바로 알 수 있다. 총 위상 깊이가 최대이고 강한 제로 차수를 완전히 제거할 것으로 예상되더라도 위상 프로파일의 완전한 언래핑은 바람직하지 않음이 밝혀졌다. 그 이유는, 더 깊은 위상 프로파일이 제로 회절 차수 문제를 해결하지만, 균일성 에러도 증가시키기 때문이다. 도 15의 예에서는, σ = 63.29%로 원래의 2π-래핑된 위상 프로파일과 비교하여 균일성이 현저하게 저하된다. 그러나, 동일하지만 4π-래핑된 위상 프로파일을 고려하면, 도 16에 도시된 바와 같이, 성능이 상당히 향상된다. 이제, 균일성 에러는 위상 깊이 에러의 동일한 레벨에서 원래의 2π-래핑된 위상 프로파일보다 약간 더 나쁜 σ = 18.66%로 주어지지만, 허용 가능한 균일성 에러의 기준은 특정 응용에 따른다. 원래의 2π-래핑된 위상 프로파일에 비해 대응하는 4π-래핑된 것이 도 17에 도시되어 있다. 보다 일반적인 경우, 최적의 언래핑 정도가 결정될 필요가 있으며, 일반적으로 구조화된 광 패턴뿐만 아니라 다른 파라미터, 예를 들어, 제조 방법에 의해 도입될 수 있는 위상 에러의 유형 및 FOV에 의존한다. 그럼에도 불구하고, 이 예는 도 18에 도시된 블록도에 도시된 바와 같이 회절 광학 요소(10)를 생성하는 방법을 도시한다.

회절 광학 요소를 생성하는 방법은 구조화된 광 패턴을 생성하는 위상 프로파일을 계산하는 단계(단계 21); 2πP 언래핑된 위상 프로파일을 얻기 위해 구조화된 광 패턴의 위상 프로파일을 언래핑하는 단계로서, 여기서 P는 2πP 언래핑된 위상 프로파일에서 불연속성을 감소시키기 위해 2π의 정수배를 더하거나 빼도록 선택된, 상기 위상 프로파일을 언래핑하는 단계(단계 22); 상기 2πP 언래핑된 위상 프로파일을 생성하는 단계(단계 25); 및 생성된 2πP 언래핑된 위상 프로파일에 기초하여 광학 재료의 표면을 따라 마이크로구조물을 제조하는 단계(단계 26)를 포함할 수 있다. 상기 방법은 구조화된 광 패턴을 한정하는 단계(단계 20)를 더 포함할 수 있다. 상기 방법은 상기 획득된 2πP 언래핑된 위상 프로파일의 성능을 평가하는 단계를 더 포함할 수 있다(단계 23). 상기 방법은 P를 최적화하는 단계(단계 24)를 더 포함할 수 있다. 상기 방법은 복수의 회절 차수에서 다른 회절 차수와 실질적으로 동일한 세기를 갖는 0 회절 차수를 나타낼 수 있는 회절 광학 요소(10)를 산출한다.

상기 방법은 회절 광학 요소(10)에 의해 생성될 구조화된 광 패턴을 한정하는 단계를 포함할 수 있다(단계 20). 일 양태에서, 구조화된 광 패턴 내의 스팟의 수뿐만 아니라 이들의 분포, 설계 파장 및 FOV가 한정될 수 있다. 비 제한적인 예시적인 구조화된 광 패턴은 스팟, 도트, 빔릿, 라인, 기하학적 형상, 어레이 또는 이들의 조합을 포함한다.

상기 방법은 한정된 구조화된 광 패턴을 제공하기 위해 복수의 회절 차수로 광을 회절시키는 위상 프로파일을 계산하는 단계를 포함할 수 있다(단계 21). 계산하는 단계는, 예를 들어, 게르히베르그-삭스톤 알고리즘 또는 그 변형 알고리즘들 중 하나를 사용하는 것을 포함한다. 단계(21)의 결과는 도 11의 이전 예에 도시된 바와 같이 완전히 래핑된 위상 프로파일일 수 있고, 여기서 도 11은, 41개의 스팟 또는 회절 차수의 1차원 구조화된 광 패턴을 위해 2π-래핑된 계산된 위상 프로파일(φ₀)이다.

상기 방법은 최적의 언래핑 레벨을 획득하기 위해 계산된 위상 프로파일을 언래핑하는 단계를 포함할 수 있다. 전술한 바와 같이 반복적인 언래핑 방법을 사용하여, 위상 프로파일을 언래핑하는 하나 또는 수 개의 사이클이 발생하고(단계 22), 각 사이클이 평가된다(단계 23). 도 11의 예에서는, 5%의 설정 깊이 에러에서 도 14의 위상 프로파일에 대한 도 15의 계산된 회절 패턴, 또는 도 17의 위상 프로파일에 대한 도 16의 계산된 회절 패턴을 볼 수 있다. 5%와는 다른 에러도 원하는 대로 설정될 수 있다.

상기 방법은 2πP 언래핑된 위상 프로파일에 필적하는 균일성을 제공하면서 제로 회절 차수를 최소화하기 위해 P의 값을 최적화하는 단계를 포함한다(단계 24). 다시 말해, P는 제로 회절 차수가 복수의 회절 차수 중 다른 회절 차수와 실질적으로 동일한 세기(또는 전력)가 될 때까지 2πP 언래핑된 위상 프로파일의 불연속성을 감소시키기 위해 2π의 정수배를 더하거나 빼는 것에 의해 선택된다.

41개의 스팟 또는 회절 차수의 1차원 구조화된 광 패턴의 예에서, 단계(22 및 23)의 결과는 적어도 부분적으로 언래핑된 위상 프로파일을 도시하는 도 17의 위상 프로파일의 실선으로 도시되는데, 이는 과도한 균일성 세기 에러를 피하기 위해서는 최대 언래핑보다 덜 언래핑되는 것이 바람직하기 때문이다. 비교를 위해 도 11의 원래의 위상 프로파일은 결과적인 2πP 언래핑된 위상 프로파일에서 불연속성이 감소된 것을 나타내기 위해 도 17에 점선으로 도시되어 있다. 도 17의 프로파일은 도 15에 도시된 바와 같이, 과도한 균일성 에러를 야기할 수 있기 때문에 도 14에 도시된 바와 같이 최대 언래핑보다 덜 언래핑된다(즉, 함수(φ₀)의 최대 언래핑 미만이다). 도 17에 도시된 바와 같이 더 제한적으로 언래핑하면 위상 깊이 에러의 존재 시에 이상적인 솔루션에 비해 균일성 에러의 최소 저하로 만족스러운 성능을 제공할 수 있다. 실제로, 위상 깊이 에러의 존재 시에 이상적인 솔루션에 비해 균일성 에러의 최소 저하로 성능을 평가하기 위해 추가적인 에러 소스를 사용할 수 있다. 실제로, 최적의 언래핑도를 확인하기 위해 추가적인 에러 소스를 사용하여 이에 대해 성능을 평가할 수 있다. 예를 들어, 코너와 날카로운 에지를 라운딩하는 것이 깊이 에러에 더하여 중요한 역할을 할 수 있다. 1차원 패턴의 이 특별한 예는 쉽게 시각화되고 설명될 수 있다는 간단한 이유 때문에 선택되었다. 그러나, 동일한 프로세스는 보다 복잡한 구조화된 광 패턴 또는 2차원 기하 형상으로 직접 확장될 수 있고, 이때 단계(21)의 초기 위상 함수 및 2차원의 경우 단계(22 및 23)의 언래핑 방법만이 유일한 차이이다.

최적의 P가 단계(24)에서 식별되면, 방법은 다음의 수식을 사용함으로써 단계(25)에서 2πP 언래핑된 위상 프로파일(s)을 생성하는 단계를 포함할 수 있다:

여기서 Φ_P는 2πP-언래핑된 위상 프로파일이다. 동일한 접근법은 1D 또는 2D 기하 형상에서 스팟의 수에 관계없이 복잡한 구조화된 광 패턴의 경우에 적용될 수 있다. 다시, 선형 스팟 패턴의 예는 설명의 용이한 시각화 및 명료함을 위해 사용되었지만, 다른 1D 또는 2D 구조화된 광 패턴이 단계(20)에서 한정될 수 있다.

방법은 생성된 2πP 언래핑된 위상 프로파일에 기초하여 광학 재료(12)의 표면을 따라 마이크로구조물을 제조하는 단계를 포함할 수 있다. 이것은 단계(22 내지 24)로부터 초래된 2πP 언래핑된 위상 프로파일을 갖는 표면(14a)을 따라 마이크로구조물(11)을 생성할 수 있다. 2πP 언래핑된 위상 프로파일은 입력 조명을, 다른 회절 차수와 실질적으로 동일한 세기를 갖는 제로 회절 차수를 갖는 구조화된 광으로 회절시킬 수 있다. 마이크로구조물을 한정하는 2πP 언래핑된 위상 프로파일은 2πP 언래핑된 위상 프로파일이 회절 광학 요소(10)의 각 단위 셀에서 반복되도록 표면(14a)을 따라 주기적일 수 있다. 3x3 셀 어레이의 단위 셀의 일례는 도 2에 도시되어 있지만, 표면(14a)을 따른 셀의 수는 회절 광학 요소(10)의 특정 응용에 의존한다.

단계(25)에서 수식(7)으로부터 결정된 2πP 언래핑된 위상 프로파일을 갖는 광학 재료의 표면을 따라 마이크로구조물을 제조하는 것은 다양한 기술에 의해 수행될 수 있다. 예를 들어, 제조하는 것은 전체 내용이 본 명세서에 병합된 미국 특허 6,410,213에 설명된 바와 같이 직접 레이저 기록일 수 있으며, 이는 기재 상에 코팅된 감광성 레지스트를 노출시키기 위해 집속된 레이저 빔을 이용한다. 레이저 빔은 광학 재료(12)의 표면(14a)을 스캔할 때 변조되고 현상 후 연속적인 아날로그 표면을 얻을 수 있다. 레이저 기록은 포토레지스트에서 위상 구조를 생성할 수 있고, 이 포토레지스트는 마이크로 복제 또는 전기 도금과 같은 다른 기술에 의해 다른 재료로 전사될 수 있다. 이러한 방식으로, 핫 엠보싱, 사출 성형 또는 복제와 같은 대량으로 부품을 생산하기 위해 내구성 있는 마스터가 생성될 수 있다. 포토레지스트 또는 패턴의 적절한 복제물은 또한 반응성 이온 에칭 공정 또는 이온 빔 밀링 또는 유사한 방법에 의해 다른 광학 재료(12)로 전사될 수 있다.

전술한 바와 같이, 제2 표면(14b) 및 제2 외부 표면(16b)은 제1 표면(14a) 및 제1 외부 표면(16a)의 마이크로구조물(11)과 동일하거나 상이할 수 있는 마이크로구조물(17)을 가질 수 있다. 마이크로구조물(17)이 요구되는 경우, 단계(20-26)는 표면(12)으로부터 제공된 구조화된 광 패턴의 입력 조명을 사용하여 원하는 구조화된 광 패턴을 갖는 표면(17)을 제공하도록 반복될 수 있다. 마이크로구조물(17)이 마이크로구조물(11)의 거울 이미지일 경우, 제조 단계(26)만이 수행된다.

회절 광학 요소의 기본 기능들 중 하나는 각각의 개별 빔이 특정 방향과 관련되거나 또는 유사하게 공간의 위치 및 세기와 관련된, 공간의 지정된 영역에 걸쳐 조명을 분배하는 것일 수 있다. 주어진 입력 빔으로부터 빔의 분포는 고효율로 및 제로 회절 차수의 핫 스팟이 존재함이 없이 달성될 수 있다.

회절 광학 요소는 안면 인식 실내 모니터링(예를 들어, 자동차), 라이더(LIDAR) 등을 포함하지만 이로 제한되지 않는 많은 응용에 사용될 수 있다.

전술한 설명으로부터, 입력 조명 빔을 구조화된 광 패턴으로 회절시키는 회절 광학 요소가 제공되었음이 명백하다. 본 발명에 따라 본 명세서에 설명된 광학 요소 및 방법의 변형 및 수정은 이 기술 분야에 통상의 지식을 가진 자에게 명백할 것이다. 따라서, 전술한 설명은 예시적인 것일 뿐 본 발명을 제한하는 것으로 해석되어서는 안 된다.

Claims

회절 광학 요소로서,
입력 조명을 복수의 상이한 회절 차수의 구조화된 광으로 회절시키는 위상 프로파일을 광학 재료의 표면을 따라 갖는 마이크로구조물을 포함하되;
상기 위상 프로파일은 적어도 부분적으로 위상 언래핑(phase unwrapped)되고, 최대 언래핑보다 덜 언래핑되고,
상기 위상 프로파일은 식
이되, 식 중, Φ_p는 2πP-언래핑된 위상 프로파일이고, n은 상기 표면의 굴절률이고, λ₀은 중심 파장이고, P는 상기 복수의 회절 차수 각각에서의 광의 세기가 실질적으로 동일하도록 상기 회절 광학 요소로부터 출력된 구조화된 광의 회절 차수의 균일성 세기 에러의 기준 내에서 제로 회절 차수의 세기를 최소화하도록 선택된 정수인, 회절 광학 요소.
삭제
삭제
제1항에 있어서, 상기 표면은 상기 위상 프로파일이 연장되는 깊이 차원에 각각 직교하는 하나 또는 2개의 차원을 따라 연장되는, 회절 광학 요소.
제1항에 있어서, 상기 광학 재료는 단일 광학 재료인, 회절 광학 요소.
제5항에 있어서, 상기 단일 광학 재료의 표면은 상기 단일 광학 재료의 제2 표면에 대향하는 제1 표면인, 회절 광학 요소.
제6항에 있어서, 상기 제2 표면은 상기 단일 광학 재료의 상기 제1 표면을 따른 상기 마이크로구조물과 동일한 마이크로구조물을 갖는, 회절 광학 요소.
제6항에 있어서, 상기 제2 표면은 상기 단일 광학 재료의 상기 제1 표면을 따라 상기 마이크로구조물과 상이한 마이크로구조물을 갖는, 회절 광학 요소.
제6항에 있어서, 상기 제2 표면은 평탄한, 회절 광학 요소.
제1항에 있어서, 상기 광학 재료는 2개 이상의 상이한 광학 재료를 포함하는 복합 광학 재료인, 회절 광학 요소.
제10항에 있어서, 상기 복합 광학 재료는 제2 외부 표면에 대향하는 제1 외부 표면을 갖는, 회절 광학 요소.
제11항에 있어서, 상기 제2 외부 표면은 상기 복합 광학 재료의 상기 제1 외부 표면을 따라 상기 마이크로구조물과 동일한 마이크로구조물을 갖는, 회절 광학 요소.
제11항에 있어서, 상기 제2 외부 표면은 상기 복합 광학 재료의 상기 제1 외부 표면을 따른 상기 마이크로구조물과는 다른 마이크로구조물을 갖는, 회절 광학 요소.
제11항에 있어서, 상기 제2 외부 표면은 평탄한, 회절 광학 요소.
제1항에 있어서, 상기 위상 프로파일은 2πP 언래핑된 위상 프로파일이고 상기 표면을 따라 주기적인, 회절 광학 요소.
회절 광학 요소를 생성하는 방법으로서,
구조화된 광 패턴을 생성하는 위상 프로파일을 계산하는 단계;
2πP 언래핑된 위상 프로파일을 획득하기 위해 상기 구조화된 광 패턴의 계산된 위상 프로파일을 언래핑하는 단계;
상기 2πP 언래핑된 위상 프로파일을 생성하는 단계; 및
생성된 2πP 언래핑 위상 프로파일에 기초하여 광학 재료의 표면을 따라 마이크로구조물을 제조하는 단계를 포함하고,
상기 위상 프로파일은 식
이되, 식 중, Φ_p는 2πP-언래핑된 위상 프로파일이고, n은 상기 표면의 굴절률이고, λ₀은 중심 파장이고, P는 복수의 회절 차수 각각에서의 광의 세기가 실질적으로 동일하도록 상기 회절 광학 요소로부터 출력된 구조화된 광의 회절 차수의 균일성 세기 에러의 기준 내에서 제로 회절 차수의 세기를 최소화하도록 선택된 정수인, 회절 광학 요소를 생성하는 방법.
제16항에 있어서, 구조화된 광 패턴을 한정하는 단계를 더 포함하는, 회절 광학 요소를 생성하는 방법.
제16항에 있어서, 상기 획득된 2πP 언래핑된 위상 프로파일의 성능을 평가하는 단계를 더 포함하는, 회절 광학 요소를 생성하는 방법.
제16항에 있어서, P를 최적화하는 단계를 더 포함하는, 회절 광학 요소를 생성하는 방법.
제16항에 있어서, 상기 회절 광학 요소는 복수의 회절 차수 중 다른 회절 차수와 실질적으로 동일한 세기를 갖는 제로 회절 차수를 나타내는, 회절 광학 요소를 생성하는 방법.