KR102418084B1 - 액정 가변 지연기에 걸쳐 광을 분배하는데 사용되는 출사동 확장기 - Google Patents

액정 가변 지연기에 걸쳐 광을 분배하는데 사용되는 출사동 확장기 Download PDF

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Abstract

광학 장치는 액정 가변 지연기를 포함한다. 출사동 확장기는 액정 가변 지연기에 광학적으로 커플링되고, 출사동 확장기는: 기준 광원으로부터 기준 광을 수신하는 적어도 하나의 광학 입력 피처; 및 기준 광원으로부터 기준 광을 수신하고 기준 광을 액정 가변 지연기의 하나 이상의 공간적으로 분리된 구역으로 확장시키도록 커플링된 하나 이상의 광학 커플링 부재를 포함한다.

Description

액정 가변 지연기에 걸쳐 광을 분배하는데 사용되는 출사동 확장기{EXIT-PUPIL EXPANDER USED DISTRIBUTE LIGHT OVER A LIQUID-CRYSTAL VARIABLE RETARDER}
본 개시 내용은 액정 가변 지연기에 걸쳐 광을 확장하는데 사용되는 출사동 확장기(exit-pupil expander)에 관한 것이다.
일 실시예에서, 광학 장치는 액정 가변 지연기를 포함한다. 출사동 확장기는 액정 가변 지연기에 광학적으로 커플링되고, 출사동 확장기는: 기준 광원으로부터 기준 광을 수신하는 적어도 하나의 광학 입력 피처; 및 기준 광원으로부터 기준 광을 수신하고 기준 광을 액정 가변 지연기의 하나 이상의 공간적으로 분리된 구역으로 확장시키도록 커플링된 하나 이상의 광학 커플링 부재를 포함한다.
다른 실시예에서, 기준 광은 출사동 확장기의 광학 입력부 안으로 커플링된다. 기준 광은 출사동 확장기의 하나 이상의 공간적으로 분리된 구역으로 확장된다. 확장된 기준 광은 액정 가변 지연기를 통과한다. 액정 가변 지연기를 통과하는 확장된 기준 광을 검출하는 것에 기초하여, 액정 가변 지연기의 공간 종속성 리타던스(retardance)가 결정된다.
이하의 설명은 다음의 도면을 참조하여 이루어지고, 여기서 동일한 도면 부호는 다수의 도면에서 유사한/동일한 구성요소를 식별하는데 이용될 수 있다. 도면은 반드시 축척에 맞게 도시된 것은 아니다.
도 1은 예시적인 실시예에 따른 광학 장치의 다이어그램이다.
도 2 및 도 3은 예시적인 실시예에 따른 출사동 확장기의 다이어그램이다.
도 4는 예시적인 실시예에 따른 편광 간섭계의 블록 다이어그램이다.
도 5-7은 다른 예시적인 실시예에 따른 액정 가변 지연기의 다이어그램이다.
도 8은 또 다른 예시적인 실시예에 따른 기기의 블록 다이어그램이다.
도 9 및 도 10은 예시적인 실시예에 따른 방법의 흐름도이다.
본 개시 내용은 광학 리타던스 제어에 사용되는 액정 장치에 관한 것이다. 일반적으로, 액정(LC) 재료는 전기장 또는 자기장과 같은 외부 자극을 인가함으로써 선택가능하게 변경될 수 있는 일부 결정 성질(예를 들어, LC 분자의 국소적인 평균 정렬을 나타내는 LC 지시자(director)와 같은, 내부 구조의 배향)을 갖는 액체이다. LC 지시자의 배향에서의 변화는 LC 재료의 광학 특성을 변화시켜, 예를 들어 LC 복굴절의 광축을 변경시킨다. 액정의 선택 가능한 배향은 광범위한 애플리케이션(예를 들어, 전자 디스플레이)을 가지지만, 본 개시 내용은 가변 광학 지연기 또는 LC 가변 지연기(LCVR)로서 알려진 부류의 장치에 관한 것이다.
LCVR은 액정을 통과하여 이동하는, 광의 두 개의 직교 편광 사이에 가변 광학 경로 지연, 또는 가변 리타던스를 생성한다. LCVR 내의 하나 이상의 액정 셀은 전기적으로 조정 가능한 복굴절 부재로서 기능한다. 액정 셀의 전극에 걸친 전압을 변화시킴으로써, 셀 분자는 그 배향을 변화시키고, 입사 편광 방향의 제1 광선과 직교 편광의 제2 광선(예를 들어, 정상 및 이상 광선) 사이에 가변 광학 경로 지연을 생성하는 것이 가능하다. 이 경로 지연은 제1 광선과 제2 광선 사이의 파장 종속성 위상 변이(shift)를 유발한다.
LCVR은 전기적으로 제어 가능한 광학 경로 지연을 생성하기 때문에 종종 간섭계, 특히 편광 간섭계 내에서 사용된다. 편광 간섭계는 편광 부재를 복굴절 부재와 결합하여 인터페로그램을 생성하고 이에 의해 복굴절 부재에 의해 유도되는 광학 경로 지연이 공간적으로 및/또는 시간적으로 변하는 공통 경로 간섭계(간섭계의 양 아암(arm)이 동일한 기하학적 경로를 따른다는 것을 의미함)이다.
LCVR로 편광 간섭계를 생성하기 위해서, LCVR은 공칭으로 평행 또는 수직한 편광 축을 갖는 제1 편광기와 제2 편광기 사이에 배치된다. LCVR의 슬로우 축(slow axis)(가변 광학 경로 지연을 갖는 편광 축)은 제1 편광기의 편광 방향에 대해 공칭으로 45도로 배향된다. 입사광은 제1 편광기에 의해 입사 편광 방향으로 편광된다. LCVR의 슬로우 축이 이 입사 편광 방향에 대해 45도이기 때문에, 편광된 입사광은 LCVR의 슬로우 축에 평행하게 편광된 광의 부분 및 이 축에 수직으로 편광된 광의 부분의 측면에서 설명될 수 있다.
광은 LCVR을 통과함에 따라, 제1 및 제2 편광 사이에 파장 종속성 상대 위상 변이를 획득하여, 편광 상태에서의 파장 종속성 변화를 초래한다. 제1 편광기에 대해 평행하게 또는 수직하게 배향된 제2 편광기, 또는 분석기는 LCVR의 슬로우 축에 평행하게 편광된 광의 부분을 수직으로 편광된 광의 부분과 간섭시켜, LCVR의 출력에서 파장 종속성 편광 상태를 광학 검출기 또는 초점면 배열 검출기에 의해 감지될 수 있는 파장 종속성 강도 패턴으로 변환시킨다. LCVR의 리타던스를 변화시키면서 이러한 강도를 감지함으로써, 입사광의 스펙트럼 특성을 확인하는데 사용할 수 있는 입사광의 인터페로그램을 측정하는 것이 가능하다.
LCVR에 기반한 편광 간섭계는 많은 용도를 가질 수 있다. 예를 들어, 이러한 장치는 초분광 이미징 애플리케이션에 사용될 수 있는데, 이는 비-스펙트럼-분해 검출기로 쉽게 검출되는 강도 패턴으로 입사광의 스펙트럼 정보를 인코딩하는 그 능력 때문이다. 초분광 이미징은 조밀하게(densely) 샘플링된, 미세하게 분해된 스펙트럼 정보가 각각의 픽셀에 제공되는 이미지를 포함할 수 있는, 초분광 데이터세트 또는 데이터 큐브를 획득하기 위한 방법 및 장치를 지칭한다.
편광 간섭계에 의해 제공된 파장 종속성 강도 패턴은 대략 입사광의 스펙트럼의 코사인 변환에 상응한다. 편광 간섭계의 출력에서의 공간 종속성 강도 패턴을 LCVR의 리타던스의 함수로서 기록함으로써, LCVR을 통해 이미지화된 장면의 모든 지점에 의해 생성된 인터페로그램이 동시에 샘플링될 수 있다. 이로부터, 기록된 공간 종속성 인터페로그램에, 리타던스 축을 따라 역 코사인 변환 또는 푸리에 변환과 같은 변환을 적용함으로써, 초분광 데이터 큐브가 공칭으로 복원될 수 있다.
초분광 데이터 큐브를 정확하게 계산하기 위해서, 상기의 변환을 적용하는데 사용되는 처리 기기는 각각의 개별 인터페로그램 샘플에 대해 그 유효 구경(clear aperture)을 통한 LCVR의 광학 경로 지연에 대한 정확한 지식을 가지고 있어야 한다. 이는, 예를 들어, LCVR을 통해 지시되고 LCVR의 슬로우 축에 대해 45도에서 선형적으로 편광되는 단색 기준 광원, 교정(calibration) 광원 또는 레이저에 의해 이루어질 수 있다. LCVR을 통과하고 소스 편광에 평행하게 편광된 광의 강도가 기록되고, 위상(및 그에 따라 광학 경로 지연)은, 다케다 푸리에 변환 방법과 같이 본 개시 내용이 속하는 기술 분야에 공지된 방법에 의해 계산된다. 그러나, 실제적인 이유로, 이 측정은 통상적으로 LCVR의 리타던스가 공간 종속성을 가지지 않는다는 가정을 사용하여, LCVR의 한 위치에서만 실행된다. 그러나, LCVR은 상당한 공간 종속성 리타던스 변화를 가질 수 있어서, 이 가정은 리타던스가 실제로 측정된 곳과는 실질적으로 리타던스가 상이한 LCVR의 위치를 통해 이미지화된 공간 종속성 인터페로그램의 구역으로부터의 초분광 데이터 큐브의 부분을 계산하는데 있어서 잠재적인 에러를 초래할 수 있다.
초분광 이미저에 통상적으로 사용되는 LCVR은 일반적으로 높은 레벨의 광학 리타던스에 액세스하기 위해 두꺼운 LC 층을 포함한다. 이러한 요구되는 LC 층 두께는 느리게, 잠재적으로는 초분광 이미징 장치에서 바람직한 것보다 훨씬 더 느리게 전환하는 LCVR을 초래한다. 적절한 전압 파형으로 LCVR을 동적으로 구동함으로써 그 자연적 완화 시간보다 훨씬 빠르게 LCVR을 전환할 수 있다. 그러나, LCVR이 더 빠르게 구동될수록, 공간 종속성이 순간 리타던스에 도입될 가능성이 더 커진다. 이것은 LCVR의 LC 셀이 일반적으로 완벽하게 편평하지 않거나 균질하지 않으며, 각각의 위치는 그 두께 또는 다른 위치 종속성 파라미터에 따라 다르게 응답하기 때문이다. 이를 해결하기 위해, 공간 종속성 리타던스는 초분광 데이터 큐브를 계산하는데 사용되는 변환 작업의 정확성을 향상시키기 위해 공칭 리타던스가 변경됨에 따라 LCVR에 걸쳐 여러 지점에서 측정될 수 있다. 초분광 이미징 프로세스에 대한 더 자세한 내용은 에이. 헤기(A. Hegyi) 및 제이. 마티니(J. Martini), 광학 익스프레스(Opt. Express) 23, 28742-28754 (2015)뿐만 아니라 2016년 5월 5일자 미국 특허 공개공보 제2016/0123811호에서 찾을 수 있다.
소형 폼 팩터(compact form factor)에서 두 개의 이미지를 결합하는 한 가지 기술은 "도파(waveguiding)"라고 지칭된다. 일반적으로, 디스플레이로부터의 광은 일부 형태의 커플링 부재, 예를 들어 회절 광학 부재를 사용하여 디스플레이 윈도우를 형성하는 유리 "도파관" 안으로 커플링된다. 그런 다음 제2 커플링 부재를 사용하여 디스플레이 윈도우 밖으로 커플링된다. 커플링 부재는 예를 들어, 회절 부재, 부분 반사 부재, 도파관 커플러 등일 수 있다. 이러한 장치는 잠망경(periscope)으로서 기능하고, 디스플레이의 출사동을 확장시킨다. 본 개시 내용이 속하는 기술 분야에서는 "출사동 확장기"로 알려져 있다. 본 개시 내용은 출사동 확장기와 액정 가변 지연기를 결합하는 장치 및 방법에 관한 것이다.
도 1에서, 블록 다이어그램은 일 실시예에 따른 출사동 확장기(102)를 갖는 LVCR(100)을 사용하는 광학 장치를 도시한다. LCVR(100)은 기판(103)에 인접한 액정 층(101)을 포함한다. LCVR(100)은 미리 결정된 편광 상태로 시준된 단색광을 제공하는 레이저와 같은 기준 광원(104)에 인접해 있다. 다른 광원, 예를 들어, 발광 다이오드가 사용될 수 있고, 시준기, 편광기, 필터, 모드 시프터(mode shifter) 등과 같은, 광원(104) 또는 기판과 통합된 다른 광학 장치와 함께 사용될 수 있다. 광원(104)으로부터의 광은 이 실시예에서 도시된 바와 같이 LCVR(100)과 일체로 형성될 수 있는 유리 기판(108)을 포함하는 출사동 확장기(102) 안으로 커플링된다. 광원(104)으로부터의 광(105)(도면에서 파선으로 도시됨)은 입력 도파관, 입력면 또는 규정된 격자(ruled grating) 또는 홀로그래픽 격자(holographic grating)와 같은 회절 광학 부재와 같은 광학 입력 피처(106)를 통해 유리 기판(108) 안으로 커플링된다. 유리 기판은 광(109)을 기판(108) 밖으로 그리고 LCVR(100)을 통해 커플링시키는 복수의 제2 커플링 부재(110)로 광을 안내하는 도파관으로서 기능한다. 근안 디스플레이(near-eye display)와는 달리, 확장된 출사동의 각 시계(angular field-of-view) 는 매우 작아야 한다. 이는 LCVR(100)을 통한 광학 경로 지연의 각도 종속성이 문제가 되지 않기에 그러하다. 바람직한 실시예는 커플링된 광(109)이 LCVR(100)의 슬로우 축(slow axis)과 편광 축 사이에 공칭으로 45도 각도를 갖는 공칭 선형 편광 상태를 갖도록 보장할 것이다.
복수의 커플링 부재(110)가 유리 기판(108)의 주 표면 위에 공간적으로 분산되어 있다. 도시된 예에서, 주 표면은 xy 평면에 상응한다. 예를 들어, 초분광 이미징에 사용될 때, LCVR(100) 뒤에 초점면 배열 검출기(FPA)와 같은 검출기(114)가 있을 수 있다. LC 층(101)의 상이한 구역에 대한 광(105)의 커플링은 LCVR(100)을 통한 상이한 xy 좌표에서 순간 광학 경로 지연을 측정하는 것을 가능하게 한다. 검출기(114)는 이들 위치에서 상응하는 센서(예를 들어, 픽셀)를 가지며, 바람직한 실시예에서는 커플링된 광(109)의 편광에 평행하게 편광된 광의 강도를 분석함으로써 각각의 xy 좌표에서 광학 경로 지연에 대한 개별적인 측정이 이루어질 수 있다.
커플링 부재(110)는 출사동 확장기(102)로부터 방출된 광이 LCVR(100)의 하나 이상의 공간적으로 고유한 구역을 통해 분산되도록 한다. 출사동 확장기(102)가 광(109)을 z 방향으로 그리고 1차원 패턴으로부터, 예를 들어 y 방향에 평행한 선으로부터 방출하도록, 하나 이상의 커플링 부재(110)가 배열될 수 있다. 다른 실시예에서, 출사동 확장기(102)는 2차원 패턴을 방출할 수 있다. 도 2 및 도 3의 다이어그램은 2차원 패턴을 방출하며 도 1의 기기에 사용될 수 있는 출사동 확장기의 예를 도시한다.
도 2에서, 출사동 확장기는 기판(200)의 표면(200b) 상에 광학 입력 피처(202)(예를 들어, 회절 격자, 입력 도파관 등)를 갖는 투명 기판(200)을 포함한다. 광학 입력부(202)는, 에지를 포함하여, 기판(200)의 임의의 표면 상에 있을 수 있다. 광학 입력부(202)는 광원(204)으로부터 광을 수신하여 제1 경로(206), 예를 들어 기판(200)에 형성된 제1 수평 도파관을 따라 광을 지향시키도록 구성된다. 복수의 제1 커플링 부재(208)는 광의 일부를 제2 경로(210), 예를 들어 기판(200)에 형성된 제2 수직 도파관으로 반사시키도록 구성된다. 용어 "수평" 및 "수직"은 도면과 관련하여 편의상 사용되는 것이며 제한적인 것으로 간주되지 않는다는 것을 이해할 것이다; 출사동 확장기는 일반적으로 임의의 방향에서 동일하게 작동할 것이다.
복수의 제2 연결 부재(212)가 제2 광 경로(210)를 따라 배열되고, 부재(212) 상에 입사되는 광의 일부를 기판(200)의 출력 표면(200a)을 향해 반사하도록 구성된다. 제2 커플링 부재(212)는 직사각형 격자로 배열된 것으로 도시되어 있지만, 다른 패턴도 가능하다. 예를 들어, 커플링 부재(212)는, 예를 들어 더 큰 공간적 구배의 리타던스를 경험할 구역에서 부재(212)의 밀도를 증가시키는, LCVR의 선험적 인식에 기초하여 비균일하게 공간적으로 분포될 수 있다. 커플링 부재(208, 212) 각각은 광의 제1 부분을 반사시키고 광의 제2 부분을 광 경로를 따라 계속 전송하도록 구성될 것이라는 점에 유의한다. 예를 들어, 격자 위로 균일한 조명이 바람직하다고 가정하고 광학 손실이 없다고 가정하면, 가장 왼쪽의 광학 부재(208)는 입사광의 1/6을 음의 y 방향으로 반사시키고 입사광의 5/6을 x 방향으로 전송하도록 구성될 것이다. 다음 광학 부재는 1/5를 반사하고 4/5를 통과시키며, 각 부재는 가장 오른쪽 부재(208)가 모든 광을 반사할 때까지 상대적으로 더 큰 부분을 반사한다. 이들 값은 광학 손실, 제조 공차, 원하는 불균일한 강도 분배 등을 위해 조정될 수 있다.
도 3에서, 출사동 확장기는 하나 이상의 표면 상에 둘 이상의 광학 입력부(302)(예를 들어, 회절 격자, 입력 도파관 등)을 갖는 투명 기판(300)을 포함한다. 광학 입력부(302)는 둘 이상의 광원(304)으로부터 광을 수신하고 둘 이상의 경로, 예를 들어 기판(300) 상에 형성된 수평 도파관을 따라 광을 지향시키도록 구성된다. 복수의 커플링 부재(308)는 기판(300)의 출사면(300a)으로부터의 광의 일부를 반사시키도록 구성된다. 커플링 부재(308)는 도 2와 관련하여 설명된 유사한 명칭의 부재와 유사하게 구성될 수 있다.
도 1에 도시된 광학 장치는 도 2 및 도 3에 도시된 피처의 임의의 조합을 이용하는 출사동 확장기를 이용할 수 있다. 도 2 및 도 3의 광학 커플러는, 상이한 유형의 광학 부재를 사용하여 출사동에서 상이한 패턴이 형성되도록 할 수 있다는 점에 유의한다. 예를 들어, 커플링 부재는 도 2 및 도 3에 도시된 점 대신에 선, 곡선 및 다른 형상을 형성할 수 있다. 출사동 확장의 다른 방법이 사용될 수 있다는 점이 언급되야 한다. 예를 들어, 출사동 확장기는 마이크로렌즈 어레이 또는 마이크로-광-전기-기계 장치를 사용하여 형성될 수 있고, 홀로그래픽 광학기가 위에 도시된 부분 반사 및/또는 굴절 부재에 추가하여 또는 대신하여 사용될 수 있다.
도 4에서, 다이어그램은 예시적인 실시예에 따른 광학 장치(401)를 포함하는 편광 간섭계(400)를 도시한다. 광학 장치(401)는 도 1과 관련하여 설명된 것과 유사한 LCVR(402) 및 출사동 확장기(404)를 포함한다. 출사동 확장기(404)는 LCVR(402)과 일체이거나 LCVR(402)과 분리될 수 있다. 기준 광원(406)(예를 들어, 레이저)은 광을 출사동 확장기(404) 안으로 커플링시키고, 출사동 확장기(404)는 이를 LCVR(402) 밖으로 검출기(408)를 향해 지향시킨다. 편광 간섭계(400)는 또한 편광 간섭계의 각각의 제1 및 제2 측면 상에 편광기(410, 412)를 포함한다. 편광기(412)는, 출사동 확장기(404) 밖으로 커플링된 광이 편광기(412)를 또한 통과하도록, LCVR(402)과 검출기(408) 사이에 배치된다. 광원(406)으로부터의 광은, 대안적인 경로(407a-b)로 나타낸 바와 같이, 출사동 확장기(404) 안으로 커플링되기 전에 편광기(412)를 통과할 수도 있고 통과하지 않을 수도 있다.
도 5에서, 다이어그램은 다른 예시적인 실시예에 따른 출사동 확장기(502)와 함께 사용되는 LCVR(500)을 도시한다. LCVR(500) 및 출사동 확장기(502)는 갭(504), 예를 들어 에어 갭을 통해 분리된다. 갭(504)은 출사동 확장기(502) 내의 도파관과 주변 매체 사이의 굴절률 콘트라스트를 증가시킨다. LCVR(500) 내의 액정 재료는, LCVR에 사용되는 다수의 투명 기판, 예를 들어 유리와 유사한 굴절률을 가져서, 그 기판 내의 안내(guided) 광학 모드의 수를 감소시킨다. 따라서, 많은 실시예에서 출사동 확장기(502)의 도파관 내에 원하는 안내 광학 모드를 충분히 유지하기 위해 갭(504)을 포함하는 것이 바람직할 수 있다. 이전의 도면들에서와 같이, 기준 광원(506) 및 검출기(508)는 LCVR(500) 및 출사동 확장기(502)와 함께 사용될 수 있다.
출사동 확장기는, 예를 들어, 도 5의 화살표(510)로 나타낸 바와 같이, 피사체로부터 LCVR을 통과할 외부 광을 불리하게 가리지 않도록 고려되어야 한다. 이는, 예를 들어 "저효율" 출사동 확장기를 사용하여, 예를 들어 광을 출사동 확장기의 안내 모드 밖으로 저효율로 커플링시키는 커플링 부재를 사용하여 이루어질 수 있다. 광학 상호성(optical reciprocity)에 의해, 이러한 저효율 커플러는 이미지 광(510)을 출사동 확장기(502)의 안내 모드 안으로 최소한으로 커플링시킬 것이고, 따라서 이미지 광(510)이 검출기(508)에 의해 이미지화될 수 있게 할 것이다. 광원(506)의 강도는 커플러의 저효율을 보상하기 위해 항상 증가될 수 있다.
도 6에서, 블록 다이어그램은 또 다른 예시적 실시예에 따른 출사동 확장기(600)를 도시한다. 확장기(600)는 점 또는 선의 패턴과 같이, LCVR(604)에 걸친 패턴 안으로 기준 광원(602)이 확장되도록 출사동을 제공하며, 출사동은 리타던스의 공간적 분포를 추정하기에 충분면서도 LCVR의 유효 구경을 불리하게 가릴 만큼 많지는 않은 지점으로 LCVR(604)을 공간적으로 샘플링한다. 따라서, 출사동 확장기(600)는 위에 도시된 실시예보다 더 적은 및/또는 더 작은 광학 커플링 부재 및 도파관을 포함할 수 있다. 예를 들어, 광학 커플링 부재 및 도파관은 LCVR(604)의 유효 구경의 1% 이하로 출사동의 영역을 확장시킬 수 있다. 일반적으로, 유효 구경은 광이 통과할 수 있는, LCVR(604)의 가려지지 않은 부분이며, 본 개시 내용에서는, 이미지 광이 통과하는 LCVR(604)의 가려지지 않은 부분을 포함하도록 의도된다.
LCVR 유효 구경의 1%의 작은 커버리지로도, 출사동 확장기(600)는 충분히 공간적으로 분배된 구역에 걸쳐 기준 광을 분배시켜서 공간 종속성 리타던스를 높은 정확도로 추정할 수 있다는 것에 유의한다. 예를 들어, 리타던스가 개별로 측정될 600개의 정사각형(30 Х 20 격자)으로 분할된 LCVR의 30 mm Х 20 mm (600 mm2) 유효 구경을 고려한다. 또한 이 예에서, 출사동 확장기는, 각각의 면적이 약 (0.1 mm)2 = 0.01 mm2인 30 Х 20개의 정사각형 출력 커플러의 격자로 기준 광을 분배한다고 가정한다. 이러한 경우, 출력 커플러의 전체 면적은 600 Х 0.01 mm2가 될 것이며, 이는 전체 유효 구경 면적의 (6 mm2)/(600 mm2) = 1%이다. 간략화를 위해, 상기 계산에서, 출력 커플러 이외의 커플링 부재 및 도파관에 의한 유효 구경의 폐색(obscuration)은 포함하지 않았다는 점에 유의한다(그러나 유효 구경에 대한 이들의 영향도 또한 포함될 수 있다).
위의 내용과 함께, 또는 위의 내용과 별도로, 리타던스의 각각의 위치를 샘플링하는데 사용되는 인터페로그램의 동상(in-phase) 및 직교 위상(quadrature) 성분이 측정될 수 있도록, 레이저 광을 2개의 미리 정해진 편광 상태, 예를 들어 선형 및 원형 편광 상태로 분할하는 것이 유용할 수 있다. 이들 두 측정은 시간 다중화 또는 공간 다중화를 이용하여 이루어질 수 있다. 예를 들어, 도 6에 도시된 바와 같이, 출사동 확장기(600) 내의 선택적인 피처(606)는 출사동 확장기(600)를 통해 전파하는 광의 일부(608)가 선형 편광 상태로부터 원형 편광 상태로 회전하게 하면서 광의 나머지(610)는 선형 편광 상태로 남아 있게 할 수 있다. 선형 및 원형 편광된 기준 광의 인터페로그램으로부터의 순간 강도 또는 동상 및 직교 위상 강도를 비교함으로써, LCVR을 통한 기준 광의 순간 위상 지연, 모듈로(modulo) 2π를 계산하는 것이 가능하다.
피처(606)는 1개 편광의 90° 이상기(phase shifter) 및 2개 편광의 재결합부가 뒤따르는 도파관-기반 편광 비임(beam) 분리기일 수 있다. 분할된 광 비임(608, 610)은 출사동 확장기(600)를 통해 이동하는 인접한 도파관 안으로 커플링될 것이고, 각각의 편광에 대해 공통 또는 개별적인 커플링 부재(605)를 사용하여 출사동 확장기(600) 밖으로 커플링된다. 인접한 도파관의 각 세트는 두 개의 별개의 어레이 또는 점이나 선의 패턴을 생성하며, 하나의 어레이 또는 패턴으로부터의 광은 다른 광에 대해 편광 회전된다. 도면에서 알 수 있듯이, 별도의 어레이 또는 패턴(또는 그 요소)은 동상 또는 직교 위상 인터페로그램 성분이 검출기(615)에 의해 가능한 한 서로 가깝게 측정될 수 있도록 근접하여 배치될 수 있다. 비임-분할 및 편광 성분의 배열은, 분할된 광 비임(608, 610)의 편광 상태가 출사동 확장기를 빠져 나올 때 설명된 바와 같이, 예를 들어 선형 및 원형 편광이 되어야 하는 것이어야 한다는 점에 유의한다.
피처(606)는 본 개시 내용에 설명된 실시예 중 임의의 실시예에 사용될 수 있다. 다른 실시예에서, 2개의 광원(예를 들어, 도 3에 도시된 바와 같은 2개의 상이한 광원(304))은 광원으로부터의 광이 상이한 편광으로 출사동 확장기 안으로 커플링되고 별도의 도파관을 통해 출사동 확장기를 통해 분배되도록 구성될 수 있다. 다시 말하면, 이는 하나 이상의 추가 광원 및 입력 커플링 부재 그리고 출사동 확장기 내에 상이한 도파관을 도입함으로써 본 개시 내용에 설명된 실시예 중 임의의 실시예와 함께 사용될 수 있다.
위에서 설명한 리타던스의 측정은 LCVR을 통해 출사동 확장기로부터 통과하는 광의 두 개의 편광의 상대 위상을 검출하는 것에 의존하기 때문에, 그리고 위상은 직접 측정된 모듈로 2ð만 될 수 있기 때문에, 리타던스의 측정에는 내재적인 모호성이 있다는 점에 유의한다. 일부 실시예에서, 출사동 확장기를 사용하는 측정은, (비록 그렇게 정확하지는 않을 수 있지만) 리타던스의 절대적 측정을 제공하는 대안적인 양태 중 하나와 결합된다. 그러한 대안적 측정의 일례가 도 6에 도시되어 있으며, 여기서 플레이트(612, 614) 및 처리 회로(616)는 커패시턴스 센서로서 사용된다. 이 센서는 1993년 9월 21일자 미국 특허 제5,247,378호에 교시된 바와 같이 리타던스에 따라 단조롭게 변화하는, LCVR(604) 내의 액정 층(들)(604)에 걸친 그리고 플레이트(612, 614) 사이의 커패시턴스를 검출할 수 있다. 커패시턴스는 평균 리타던스를 반영할 수 있으며, 출사동 확장기를 통해 확인되는 공간 종속성 리타던스는 LCVR(604)의 리타던스의 절대적인, 공간 종속성의, 정확한 측정치를 찾기 위해 평균 리타던스와 결합될 수 있다.
도 7에서, 블록 다이어그램은 예시적인 실시예에 따라 간섭 패턴을 생성하는 출사동 확장기(700)를 도시한다. 별개의 광학 커플링 부재(702, 704)는, 예를 들어 이 예에서는 z 축에 대해, 상이한 출력 각도(701, 703)로 확장기(700) 밖으로 광을 커플링시킨다. xy 평면 내의 부재(702, 704) 사이의 그 상대적인 간격(706) 및 부재(702, 704)와 검출기(710) 사이의 거리(708)와 조합하여 이들 각도(701, 703)를 선택함으로써, 간섭 패턴이 검출기(710)의 선택 구역 상에 생성될 수 있다. 다른 실시예에서, 거리(706, 708) 및 각도(701, 703)는, LCVR(711)을 나가는 광선이 검출기(710)의 인접하면서도 겹치지는 않는 구역으로 지향되어 간섭 패턴이 생성되지 않도록, 선택될 수 있다.
도 8에서, 블록도는 예시적인 실시예에 따른 기기(800)를 도시한다. 기기(800)는 중앙 처리 유닛, 서브 프로세서, 디지털 신호 프로세서 등과 같은 하나 이상의 프로세서를 포함할 수 있는 장치 제어기(802)를 포함한다. 제어기(802)는 아래에서 더 상세하게 설명될 기능적 모듈을 포함하는 메모리(804)에 결합된다. 메모리(804)는 휘발성 및 비 휘발성 메모리의 조합을 포함할 수 있으며, 본 개시 내용이 속하는 기술 분야에 공지된 바와 같이 명령 및 데이터를 저장할 수 있다.
기기는 기기(800) 외부로부터 광을 수신하는 외부 광학 인터페이스(808)를 포함하는 광학 섹션(806)을 포함한다. 외부 광학 인터페이스(808)는 광을 기기(800) 외부로부터 내부 광학 구성요소로 전달하기에 적합한 창, 렌즈, 필터, 조리개 등을 포함할 수 있다. 이 예에서, 외부 광학 인터페이스(808)는 외부 렌즈(810)에 결합된 것으로 도시되어 있다.
편광 간섭계(812)는 기기(800)의 광학 섹션(806)에 위치된다. 편광 간섭계(812)는 예를 들어 전기적 신호 라인을 통해 제어기(802)에 결합된다. 제어기(802)는 편광 간섭계(812)에 신호를 인가하여 간섭계(812)의 일부인 LCVR(812a)에 시변(time-varying) 광학 경로 지연 또는 리타던스를 일으킨다. 이러한 시변 광학 경로 지연은 광학 경로 지연의 함수로서 변화하는 인터페로그램을 생성한다. 인터페로그램은 제어기(802)에 또한 결합된 이미지 센서(814) (예를 들어, 초점면 배열 검출기, 센서 픽셀의 어레이)에 의해 검출된다.
편광 간섭계(812)는 전술한 실시예와 유사하게 구성될 수 있는 LCVR(812a)을 포함한다. 외부 광학 인터페이스(808)와 LCVR(812a) 사이에는 출사동 확장기(812b)가 위치한다. 출사동 확장기(812b)는 광원(816)으로부터 기준 광(817a)(예를 들어, 편광된 및/또는 시준된 단색광)을 수신하고 LCVR(812a)의 주 표면에 걸쳐 광을 확장시킨다. 간섭계(812)의 다른 측면 상의 광 검출기(예를 들어, 센서(814) 또는 선택적인 개별 검출기(815))는 이 확장된 광(817b)을 검출하고, 공간 종속성 광 검출기 신호, 예를 들어, 검출기(814, 815)상의 복수의 위치에서 각각 획득되는 개별 광 강도 측정치를 나타내는 신호를 생성한다. 제어기(802)는 광 검출기 신호로부터 공간 종속성 리타던스 측정치를 추출한다.
확장된 기준 광(817b)은 LCVR(812a)를 통과하는 (예를 들어 렌즈(810)로부터 수신된 이미지로부터의) 다른 광(809)과 함께 또는 별도로 검출될 수 있다는 점에 유의한다. 예를 들어, 광학 인터페이스(808)는 확장된 광의 측정을 실시하기에 충분한 시간 동안 입사광을 차단하는 셔터를 포함할 수 있다. 다른 실시예에서, 확장된 기준 광(817b)은 이미지 광(809)과 시간 다중화(time multiplexed)될 수 있다. 그러한 경우에, 광원(816)은 검출기(814, 815)에서의 매우 짧은 노출과 함께 높은 강도로 펄스화된다. 확장된 기준 광(817b)의 높은 강도는 이미지 광(809)의 영향을 최소화할 것이다. 예를 들어, 확장된 기준 광(817b)의 강도가 이미지 광(809)의 강도의 100x 또는 10,000%였다면, 확대된 기준 광(817b)을 측정하기 위해 전술한 매우 짧은 노출은 동일한 시간-적분 강도를 생성하도록 이미지 광(809)을 측정하는데 사용된 노출 시간의 0.01x 또는 1%의 노출 시간을 가질 수 있을 것이다. 따라서, 이미지 광(809)은 확장된 기준 광(817b)의 측정에서 최대 1%의 에러를 야기할 것이다.
다른 실시예에서는, 확장된 기준 광(817b)의 강도가 이미지 광(809)과 유사하게 되도록 조정되어, 이들 광 모두가 동일한 노출에서 동시에 캡처될 수 있다. 확장된 기준 광(817b)이 충분한 강도를 갖는다면, 이는 검출기(710)에 의해서 복원된 스펙트럼 데이터에서 측정 가능한 스펙트럼 피크 - 이는 단색 광원(816)의 알려진 파장에 상응한다 - 를 유발해야 한다. 측정된 피크 파장과 광원(816)의 알려진 파장 사이의 차이는, 예를 들어 이미지 위치의 함수로서 초분광 이미저의 파장 에러를 교정(calibrate)하기 위해 사용될 수 있다.
시간의 함수로서, 공간 종속성 리타던스 측정치는 기록된 인터페로그램으로부터 초분광 데이터 큐브를 계산하기 위해 이미지 프로세서(820)에서 사용될 수 있다. 일반적으로, 리타던스 제어기(818)는, 역시 시간의 함수로서, 이미지 센서(814)에서 공간 종속성 인터페로그램을 생성하는, 시변 리타던스 궤적을 달성하기 위해 제어 신호를 LCVR(812a)에 인가하도록 장치 제어기(802)에 지시한다. 이미지 프로세서(820)는 각 위치에서 인터페로그램을 리타던스의 함수로서 먼저 계산한 다음 모든 인터페로그램을 리타던스에 대해 푸리에 변환함으로써 초분광 데이터 큐브를 계산하기 위해, 공간 및 시간 종속성 리타던스 측정치와 인터페로그램을 결합시킬 수 있다. 이러한 이미지 처리의 일부 또는 전부는 데이터 전송 인터페이스(822)를 통해 기기(800)에 결합된 컴퓨터(824)와 같은 외부 장치에 의해 수행될 수 있다. 이러한 경우에, 컴퓨터(824)는 또한 출사동 확장기(812b)를 통해 얻어진 공간 종속성 리타던스 측정치를 수신할 수 있다.
LCVR(812a)의 예상-대-실제 리타던스에 에러가 있는 경우, 실제 리타던스보다 예상 리타던스가 스펙트럼 데이터 또는 초분광 데이터 큐브를 계산하기 위해 사용된다면 결과적인 스펙트럼 데이터 또는 초분광 데이터 큐브에 에러가 있을 것이다. 리타던스 제어기(818)는 실제 리타던스가 시간의 함수로서 예상되거나 원하는 리타던스를 더 밀접하게 따르게 하기 위해, 피드백 또는 피드포워드 제어 모델에 대한 입력으로서 출사동 확장기(812) 및 광 검출기(814, 815)를 통해 측정된 공간 종속성 리타던스를 사용할 수 있다. 공간 종속성 리타던스 측정치는, 예를 들어 LCVR(812a)에 인가되는 전기 신호를 조정함으로써, 원하는 목표 리타던스 궤적으로부터의 편차가 검출되고 보상이 제공될 수 있도록 결합(예를 들어 공간적으로 평균화)될 수 있다. 이들 제어 모델은 또한, 예를 들어 도 6에 도시된 바와 같이, LCVR(812a) 내의 하나 이상의 LC 셀의 커패시턴스 측정치를 이용할 수 있다. 대안적으로, LCVR(812a)은 각각의 기판 상에 둘 이상의 전극 (예를 들어, 전극 쌍(812aa-812ac))을 포함하여, 각 전극 쌍에 걸친 전압 신호의 독립적인 제어에 의해 리타던스의 공간 종속성 제어가 가능할 수 있다. 이 경우, LCVR(812a)의 단일 제어 구역 인근의 공간 종속성 리타던스 측정치가 단지 그 구역에 걸쳐서만 평균화되어 해당 구역에 대해서만 LCVR(812a) 제어 신호를 보상하는데 사용될 것이다.
복수의 전극 쌍(812aa-812ac)을 이용하면, LCVR(812a)의 상이한 구역의 더 정확한 리타던스 제어를 가능하게 할 수 있으며, 이는 LCVR(812a)의 공간 종속성 리타던스 변화로부터 초래되는 스펙트럼 데이터에서의 에러를 줄일 수 있다. LCVR(812a)을 통과하는 이미지 광(809)이 렌즈(810)에 의해 이미지 센서(814) 상에 포커싱되고 렌즈(810)가 큰 구경 조리개(aperture-stop)를 갖는다면, 하나의 이미지 센서 위치에 상응하는 이미지 광의 광선은 LCVR(812a)의 상이한 위치를 통과할 것이고, 따라서 상이한 리타던스를 겪을 수 있다. 이는, LCVR(812a)의 공간 종속성 리타던스에 대한 지식이 저하(degrade)를 보상하는데 유용하지 않을 방식으로, 인터페로그램 콘트라스트를 감소시키고 스펙트럼 데이터의 측정을 저하시킬 것이다. 이 경우, 다수의 전극 쌍(812aa-812ac)에 의해 가능해지는 공간 종속성 리타던스 제어는 높은 인터페로그램 콘트라스트를 유지하고 이런 종류의 측정 저하를 방지하기 위해 LCVR(812a)의 순간 리타던스의 공간적 균질성을 증가시키는데 사용될 수 있을 것이다.
도 9에서, 흐름도는 예시적인 실시예에 따른 방법을 도시한다. 이 방법은 기준 광을 출사동 확장기의 광학 입력부 안으로 커플링시키는 것(900)을 포함한다. 기준 광은 출사동 확장기의 하나 이상의 공간적으로 분리된 구역으로 확장된다(901). 확장된 기준 광은 LCVR을 통과한다(902). LCVR을 통과하는 확장된 기준 광의 검출(903)에 기초하여, LCVR의 공간 종속성 리타던스가 결정된다(904).
도 10에서, 흐름도는 다른 예시적인 실시예에 따른 방법을 도시한다. 이 방법은 출사동 확장기에 의해 간섭계를 통해 확장된 기준 광(예를 들어, 단색, 간섭 광)을 검출하는 것에 기초하여 편광 간섭계의 공간 종속성 리타던스를 결정하는 것(1000)을 포함한다. 이미지로부터의 광은 편광 간섭계를 통과하여 인터페로그램을 형성한다(1001). LCVR의 공간 종속성 리타던스는, 예를 들어 LCVR의 광학 리타던스의 공간적 변화로 인한 인터페로그램에서의 에러를 줄이기 위해 이용된다(1002). 초분광 데이터 큐브는 보정된 인터페로그램에 기초하여 선택적으로 획득될 수 있다(1003).
상술한 다양한 실시예는 특정 결과를 제공하기 위해 상호 작용하는 회로, 펌웨어 및/또는 소프트웨어 모듈을 사용하여 구현될 수 있다. 관련 기술 분야의 통상의 기술자는, 본 개시 내용이 속하는 기술 분야에서 일반적으로 공지된 지식을 사용하여, 모듈화된 레벨로 또는 전체로서, 상술한 기능을 용이하게 구현할 수 있다. 예를 들어, 본 개시 내용에 도시된 흐름도 및 제어 다이어그램은 프로세서에 의한 실행을 위해 컴퓨터 판독 가능 명령어/코드를 생성하는데 사용될 수 있다. 이런 명령은 비 일시적 컴퓨터 판독 가능 매체 상에 저장될 수 있고 본 개시 내용이 속하는 기술 분야에 공지된 바와 같이 실행을 위해 프로세서로 전송될 수 있다. 위에서 보여준 구조 및 절차는 전술한 기능을 제공하는데 사용될 수 있는 실시예의 대표적인 예일 뿐이다.
달리 표시되지 않는 한 명세서 및 청구 범위에 사용된 특징부의 크기, 양 및 물리적 특성을 표현하는 모든 숫자는 모든 경우에서 "약"이라는 용어에 의해 변경되는 것으로 이해되어야 한다. 따라서, 달리 표시하지 않는 한, 전술한 명세서 및 첨부된 청구 범위에 제시된 수치 파라미터는 본 개시 내용에 개시된 교시를 이용하여 본 개시 내용이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 얻고자 하는 원하는 특성에 따라 변할 수 있는 근사치이다. 종료점에 의한 수치 범위의 사용은 해당 범위 내의 임의의 범위와 해당 범위 내의 모든 숫자를 포함한다(예를 들어, 1 내지 5는 1, 1.5, 2, 2.75, 3, 3.80, 4 및 5를 포함한다).

Claims (19)

  1. 액정 가변 지연기(LCVR);
    LCVR에 광학적으로 커플링된 출사동 확장기; 및
    상기 LCVR의 서로 다른 공간 구역을 덮는 둘 이상의 전극 쌍을 포함하고,
    상기 출사동 확장기는:
    기준 광원으로부터 기준 광을 수신하는 하나 이상의 광학 입력 피처; 및
    기준 광원으로부터 기준 광을 수신하여 기준 광을 LCVR의 하나 이상의 공간적으로 분리된 구역으로 확장하도록 커플링된 하나 이상의 광학 커플링 부재를 포함하고,
    상기 확장된 기준 광을 통해 측정된 공간 종속성 리타던스 측정치는 상기 둘 이상의 전극 쌍 각각에 적용되는 별도의 리타던스 제어 신호를 형성하는 데 사용되는, 광학 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    입력 피처와 광학 커플링 부재 중 하나 이상이 회절 광학 부재를 포함하는, 광학 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 하나 이상의 광학 커플링 부재는 2차원 패턴으로 상기 기준 광을 확장하는, 광학 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    LCVR과 출사동 확장기 사이에 갭을 포함하는, 광학 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    출사동 확장기가 LCVR과 일체로 형성되는, 광학 장치.
  6. 액정 가변 지연기(LCVR); 및
    LCVR에 광학적으로 커플링된 출사동 확장기를 포함하고,
    상기 출사동 확장기는:
    기준 광원으로부터 기준 광을 수신하는 하나 이상의 광학 입력 피처; 및
    기준 광원으로부터 기준 광을 수신하여 기준 광을 LCVR의 하나 이상의 공간적으로 분리된 구역으로 확장하도록 커플링된 하나 이상의 광학 커플링 부재를 포함하고,
    상기 기준 광은 상기 LCVR의 유효 구경의 1% 이하로 확장되는, 광학 장치.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 LCVR은 상기 LCVR의 서로 다른 공간 구역을 덮는 둘 이상의 전극 쌍을 포함하고, 상기 확장된 기준 광을 통해 측정된 공간 종속성 리타던스 측정치는 상기 둘 이상의 전극 쌍 각각에 적용되는 별도의 리타던스 제어 신호를 형성하는 데 사용되는, 광학 장치.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 하나 이상의 광학 커플링 부재는 2차원 패턴으로 상기 기준 광을 확장하는, 광학 장치.
  9. 제6항에 있어서,
    상기 출사동 확장기가 상기 LCVR과 일체로 형성되는, 광학 장치.
  10. 기준 광을 제공하는 광원;
    광학 장치로서, 액정 가변 지연기(LCVR)의 서로 다른 공간 구역을 덮는 둘 이상의 전극 쌍을 포함하는 상기 액정 가변 지연기(LCVR); 및 LCVR에 광학적으로 커플링된 출사동 확장기를 포함하며, 상기 출사동 확장기는, 광원으로부터 기준 광을 수신하는 하나 이상의 광학 입력 피처; 및 광원으로부터 기준 광을 수신하여 기준 광을 LCVR의 하나 이상의 공간적으로 분리된 구역으로 확장하도록 커플링된 하나 이상의 광학 커플링 부재를 포함하는, 광학 장치;
    LCVR 을 통과하는 확장된 기준 광을 검출하고 이에 응답하여 전기 신호를 생성하도록 구성된 초점면 배열 검출기; 및
    초점면 배열 검출기에 커플링된 제어기로서, 전기 신호에 기초하여 LCVR의 공간 종속성 리타던스를 결정하고; 상기 둘 이상의 전극 쌍 각각에 공간 종속성 리타던스 측정치를 기초로 하는 별도의 리타던스 제어 신호를 적용하도록 구성된 상기 제어기를 포함하는, 기기.
  11. 제10항에 있어서,
    광학 장치의 각각의 제1 및 제2 측면 상에 제1 및 제2 편광기를 더 포함하고, 제어기는 LCVR을 통과하는 이미지에 영향을 주는 시변 리타던스를 생성하기 위해 LCVR에 걸쳐 가변 전압을 인가하도록 구성되고, LCVR 및 편광기를 통과하는 이미지는 초점면 배열 검출기를 통해 검출되는 인터페로그램을 형성하는, 기기.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 제어기는 상기 공간 종속성 리타던스를 사용하여 상기 LCVR의 광학 리타던스의 공간적 변화에 대한 상기 인터페로그램을 보정하도록 추가로 구성되는, 기기.
  13. 제11항에 있어서,
    상기 확장된 기준 광은 상기 초점면 배열 검출기를 통해 검출되기 전에 상기 이미지와 결합하는, 기기.
  14. 제10항에 있어서,
    기준 광은 단색의 실질적으로 시준된 광을 포함하는, 기기.
  15. 제10항에 있어서,
    상기 LCVR의 평균 리타던스를 나타내는 신호를 제공하는 커패시턴스 센서에 있어서, 상기 공간 종속성 리타던스는 LCVR의 절대적인 공간 종속성 리타던스를 얻기 위해 상기 평균 리타던스와 결합되는, 상기 커패시턴스 센서를 더 포함하는, 기기.
  16. 제10항에 있어서,
    출사동 확장기가 LCVR과 일체로 형성되는, 기기.
  17. 제10항에 있어서,
    상기 기준 광은 상기 LCVR의 유효 구경의 1% 이하로 확장되는, 기기.
  18. 제10항에 있어서,
    광학 경로는 도파관을 포함하는, 기기.
  19. 제10항에 있어서,
    상기 출사동 확장기는 적어도 하나의 광학 입력 피쳐를 갖는 평면 투명 기판 및 면내 방향으로 상기 평면 투명 기판 내에서 상기 기준 광을 분배하는 상기 평면 투명 기판 내 복수의 광학 경로를 포함하고, 상기 하나 이상의 광학 커플링 부재는 LCVR에 대한 상기 기준 광을 반사시키는, 기기.
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