KR102454634B1 - 홀로그래픽 조준경 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 일측에 윈도우가 마련되고, 타측에 형성되는 개구를 통해 육안으로 상기 윈도우를 통해서 목표물을 볼 수 있도록 하는 본체; 상기 본체의 내측에 설치되고, 광을 조사하는 LD(Laser Diode); 상기 LD로부터 입사되는 광을 평행광으로 변환하는 콜리메이터렌즈(Collimator lens); 상기 콜리메이터렌즈로부터 입사되는 평행광을 분산시키고, 내부각이 각각 30도, 60도 및 90도인 프리즘; 상기 프리즘으로부터 입사되는 광을 회절시키는 회절격자; 및 상기 개구에 설치되고, 상기 회절격자에 의해 회절되는 광이 입사되어 조준선이나 조준점의 가상이미지를 제공하는 홀로그램;을 포함하도록 한 홀로그래픽 조준경에 관한 것이다.
본 발명에 따르면, 조준경의 크기를 줄이기 위해서 프리즘과 회절격자를 함께 사용하여 적절하게 보상하는 방식을 사용하고, 온도에 따른 광원의 파장 변이를 보상하는 방법으로서, 내부각이 30도, 60도, 90도이며, 나아가서, 재질이 BK7 글래스인 프리즘과 함께 회절격자를 이용하고, 이로 인해 파장의 변화에 따른 조준선이나 조준점의 이동이 거의 없는 홀로그래픽 사이트를 제공함으로써, 정확한 조준이 가능하도록 하는 효과를 가진다.

Description

홀로그래픽 조준경{Holographic sight}
본 발명은 홀로그래픽 조준경에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 온도에 따른 광원의 파장 변이를 보상하는 방법으로서, 내부각이 30도, 60도, 90도인 프리즘을 이용함으로써, 파장의 변화에 따른 조준선이나 조준점의 이동이 거의 없는 홀로그래픽 사이트를 제공하는 홀로그래픽 조준경에 관한 것이다.
일반적으로, 권총, 소총이나 기관총 등 같은 총기류의 조준 장치는 가늠자와 가늠쇠를 이용한 방법, 레이저 빔을 출사시켜 목표물을 조준하는 방법, 가상이미지를 이용하는 방법 등이 있다. 이 중에서도 가상이미지를 이용하는 방법은 빠른 조준이 가능하고, 빛이 목표물로 투사되지 않기 때문에 위치가 노출되지 않는 장점이 있다.
가상이미지를 이용하는 방법은 구면 반사경을 이용해서 레티클(reticle)의 가상이미지를 만드는 도트 사이트(dot sight)(또는 리플렉스 사이트(reflex sight))와 홀로그래피를 이용해서 가상이미지를 만드는 방법이 있다. 후자의 경우 다양한 형태의 패턴을 레티클로 활용할 수 있고 일부가 유실되어도 사용할 수 있다는 장점이 있다.
홀로그래피를 이용한 조준경은 도 1에 나타낸 바와 같은 HUD(Head up display)나 HMD(head mounted display) 광학계와 유사하게 조준선이나 조준점을 가상이미지로 재생하는 장치이다.
도 2에 도시된 홀로그래피 조준경은 도 1의 HUD 광학계의 LCD와 같은 디스플레이 소자와 반사경(렌즈)의 역할을 동시에 수행하는 홀로그램을 이용하는 방식이다. 여기서, 홀로그래피란 도 3에서와 같이, 참조파(reference wave)와 물체파(objective wave)의 간섭무늬를 기록하고, 이 간섭무늬에 참조파를 비추면 물체파의 3차원 영상을 얻을 수 있는 광학기술이다. 간섭무늬가 기록된 것을 홀로그램(hologram)이라고 한다. 기록할 때 사용한 참조파와 동일한 각도와 파장으로 빛을 홀로그램에 조사하면, 마치 물체가 기록할 때의 위치에 있는 것과 동일한 3차원 이미지를 얻을 수 있다.
도 4에서와 같이, 조준경의 조준선 또는 조준점(reticle)을 물체파로 하는 홀로그램을 제작하여 사용하는 조준경을 홀로그래피 조준경이라고 한다. 간섭성이 좋은 레이저에서 나온 빛을 렌즈를 통해 평행광으로 만들고 회절격자(grating)를 통해 광경로를 변경하여 홀로그램을 조사하여 홀로그램의 허상을 재생한다. 홀로그래피에서 사용하는 레이저 광원은 일반적으로 반도체 LD(laser diode)를 사용하는데, 도 5에서와 같이, LD는 온도에 따라 파장이 변동하게 되어 재생상의 위치가 변경된다. 아래의 표 1에서는 온도에 따른 파장이동량을 파장대역으로 구분해 표시하였다. 이에 따르면, 붉은색(Red) 대역이 다른 색(Green/Blue) 대역보다 변화량이 많다.
파장 파장이동량
Red ~0.2nm/°C
Green/Blue ~0.04nm/°C
위에서 언급한 파장 이동은 홀로그램에서 재생되는 상의 위치(각도)를 변경하게 되므로, 이를 그대로 홀로그래픽 조준경에 사용할 경우, 조준의 정확도를 저하시키는 원인이 되었다. 따라서, 홀로그래픽 조준경에서의 파장 이동에 대한 문제점을 보다 효과적으로 개선시킬 필요성을 가지게 되었다.
1. 한국공개특허 제10-2013-0057761호의 "홀로그래피 소자, 이를 포함한 3차원 영상 표시 장치 및 홀로그래피 영상 처리 방법"(2013년 06월 03일 공개) 2. 미국등록특허 제05483362호의 "Compact holographic sight"(1996년 01월 09일 등록)
상기한 바와 같은 종래 기술의 개선에 대한 필요성으로서, 본 발명은 조준경의 크기를 줄이기 위해서 프리즘과 회절격자를 함께 사용하여 적절하게 보상하는 방식을 사용하고, 온도에 따른 광원의 파장 변이를 보상하는 방법으로서, 내부각이 30도, 60도, 90도이며, 나아가서, 재질이 BK7 글래스인 프리즘과 함께 회절격자를 이용하고, 이로 인해 파장의 변화에 따른 조준선이나 조준점의 이동이 거의 없는 홀로그래픽 사이트를 제공함으로써, 정확한 조준이 가능하도록 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, 일측에 윈도우가 마련되고, 타측에 형성되는 개구를 통해 육안으로 상기 윈도우를 통해서 목표물을 볼 수 있도록 하는 본체; 상기 본체의 내측에 설치되고, 광을 조사하는 LD(Laser Diode); 상기 LD로부터 입사되는 광을 평행광으로 변환하는 콜리메이터렌즈(Collimator lens); 상기 콜리메이터렌즈로부터 입사되는 평행광을 분산시키고, 내부각이 각각 30도, 60도 및 90도인 프리즘; 상기 프리즘으로부터 입사되는 광을 회절시키는 회절격자; 및 상기 개구에 설치되고, 상기 회절격자에 의해 회절되는 광이 입사되어 조준선이나 조준점의 가상이미지를 제공하는 홀로그램;을 포함하는, 홀로그래픽 조준경이 제공된다.
상기 LD로부터 조사되는 광을 상기 본체 내에서 목표물의 물체광 진행 방향에 교차되는 방향으로 다수로 전환하여 상기 콜리메이터렌즈에 조사되도록 하는 다수의 미러를 더 포함할 수 있다.
상기 콜리메이터렌즈는, 2장의 렌즈가 부착되어 있는 더블릿(doublet)으로 이루어지고, 유리 재질로 이루어질 수 있다.
상기 프리즘은, 상기 콜리메이터렌즈에 의해 변환된 평행광이 단변에 해당하는 면을 통해 입사되고, 경사면에 상기 회절격자가 부착되며, SCHOTT社의 BK7 글래스로 제작될 수 있다.
상기 홀로그램은, 상단이 전방을 향하여 수직선을 기준으로 10도 기울어지게 상기 개구에 설치될 수 있다.
본 발명에 따른 홀로그래픽 조준경에 의하면, 조준경의 크기를 줄이기 위해서 프리즘과 회절격자를 함께 사용하여 적절하게 보상하는 방식을 사용하고, 온도에 따른 광원의 파장 변이를 보상하는 방법으로서, 내부각이 30도, 60도, 90도이며, 나아가서, 재질이 BK7 글래스인 프리즘과 함께 회절격자를 이용하고, 이로 인해 파장의 변화에 따른 조준선이나 조준점의 이동이 거의 없는 홀로그래픽 사이트를 제공함으로써, 정확한 조준이 가능하도록 하는 효과를 가진다.
도 1은 종래의 기술에 따른 HUD/HMD의 원리를 설명하기 위한 구성도이다.
도 2는 종래의 기술에 따른 홀로그래피 조준경의 원리를 설명하기 위한 구성도이다.
도 3은 종래의 기술에 따른 홀로그래피의 기록을 설명하기 위한 구성도이다.
도 4는 종래의 기술에 따른 홀로그래피를 이용한 조준경의 예를 도시한 구성도이다.
도 5는 홀로그램에서 설계파장과 다른 빛이 입사될 경우 빛의 경로를 나타낸다.
도 6은 본 발명의 일 실시례에 따른 홀로그래픽 조준경을 도시한 배면도이다.
도 7은 도 6의 A-A선에 따른 단면도이다.
도 8은 본 발명의 일 실시례에 따른 홀로그래픽 조준경의 요부를 도시한 측면도이다.
도 9는 본 발명의 일 실시례에 따른 홀로그래픽 조준경에서 프리즘과 회절격자를 이용한 색수차 보상을 설명하기 위한 측면도이다.
도 10은 본 발명의 일 실시례에 따른 홀로그래픽 조준경에서 색수차 보상에 따른 각도 변화를 시뮬레이션한 결과를 나타낸 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 6은 본 발명의 일 실시례에 따른 홀로그래픽 조준경을 도시한 배면도이고, 도 7은 도 6의 A-A선에 따른 단면도이고, 도 8은 본 발명의 일 실시례에 따른 홀로그래픽 조준경의 요부를 도시한 측면도이다.
도 6 내지 도 8을 참조하면, 본 발명의 일 실시례에 따른 홀로그래픽 조준경(100)은 본체(110), LD(Laser Diode; 120), 콜리메이터렌즈(170), 프리즘(130), 회전격자(140) 및 홀로그램(150)을 포함할 수 있다.
본체(110)는 일측에 윈도우(111)가 마련되고, 타측에 형성되는 개구(112)를 통해 육안으로 윈도우(111)를 통해서 목표물을 볼 수 있도록 한다. 여기서, 윈도우(111)는 본체(110)의 일측을 통해 목표물을 볼 수 있도록 광투과성재질로서, 예컨대 투명재질의 글래스나 합성수지 등으로 이루어질 수 있다.
LD(120)는 본체(110)의 내측에 설치되고, 광을 조사하도록 한다. LD(120)는 붉은색 대역 또는 녹색 대역의 광을 조사하도록 하는데, 본 실시례에서는 붉은색 대역인 640nm 파장의 광을 이용한다. 또한 LD(120)는 PCB(121) 상에 마련될 수 있는데, 이 경우, PCB(121)가 본체(110) 내에 고정됨으로써, 정해진 위치에 고정된다.
콜리메이터렌즈(Collimator lens; 170)는 LD(120)로부터 입사되는 광을 평행광으로 변환하도록 한다.
콜리메이터렌즈(170)는 2장의 렌즈가 부착되어 있는 더블릿(doublet)으로 이루어질 수 있고, 온도에 따른 변화를 최소화하도록 유리 재질로 이루어질 수 있다.
프리즘(130)은 콜리메이터렌즈(170)로부터 입사되는 평행광을 분산시키고, 내부각이 각각 30도, 60도 및 90도인 직각삼각형 단면을 가진다.
프리즘(130)은 콜리메이터렌즈(170)에 의해 변환된 평행광이 단변에 해당하는 면을 통해 입사되고, 경사면에 회절격자(140)가 부착되며, SCHOTT社의 BK7 글래스로 제작될 수 있다. 독일 SCHOTT社의 BK7 글래스는 B가 보로실리케이트를 나타내고, K가 크라운 유리를 나타내는데, 보로실리케이트와 크라운 유리의 장점들을 혼합해놓은 글래스로서, 기포 및 불순물이 없고, 무색 투명하며, 순도높은 원재로 구성되어 있고, 광학품질이 우수하다.
회절격자(140)는 프리즘(130)으로부터 입사되는 광을 회절시키도록 한다. 회절격자(140)는 체적형 회절격자로서 입사광이 대부분 1차 회절광으로 회절한다. 또한 회절격자(140)는 SCHOTT社의 BK7 글래스로 제작될 수 있으며, SCHOTT社의 BK7 글래스에 대해서는 프리즘(130)에서 이미 설명한 바와 같다. 도 9에서는 장파장으로 이동한 파장으로 재생했을 경우 회절격자(140)에 의해 보상되는 방식을 보여주는데, 이 경우 회절격자(140)는 홀로그램(150)의 간섭무늬와 동일한 주기를 갖는 것을 사용할 수 있다.
홀로그램(150)은 본체(110)의 개구(112)에 설치되고, 회절격자(140)에 의해 회절되는 광이 입사되어 조준선이나 조준점의 가상이미지를 제공하도록 한다. 따라서, 홀로그램(150)에는 윈도우(111)를 통한 목표물 등 배경과 함께 조준선이나 조준점의 가상이미지를 사용자의 눈에 제공하도록 한다.
홀로그램(150)은 상단이 전방을 향하여 수직선을 기준으로 10도 기울어지게 개구(111)에 설치될 수 있다. 홀로그램(150)은 이와 같은 기울기로 인해, 자신에 의해 재생되는 빛이 홀로그램 섭스트레이트(substrate)에 의해 반사되어 반대편에서도 홀로그램을 볼 수 있게 되는 것을 방지하도록 한다.
본 발명의 일 실시례에 따른 홀로그래픽 조준경(100)은 LD(120)로부터 조사되는 광을 본체(110) 내에서 목표물의 물체광 진행 방향에 교차되는 방향으로 다수로 전환하여 콜리메이터렌즈(170)에 조사되도록 하는 다수의 미러(161,162)를 더 포함할 수 있다. 미러(161,162)는 본 실시례에서처럼 물체광 진행 방향에 교차하여 왕복하도록 2개로 이루어져 있으며, 이로 인해 필요에 따른 광 경로를 전환시키면서도 콤팩트한 본체(110)를 구현할 수 있다.
이와 같은 구성을 가지는 본 발명에 따른 홀로그래픽 조준경에 따르면, LD(120)에서 조사되는 광이 2개의 미러(161,162)를 거쳐서 콜리메이터렌즈(170)에 입사하고, 콜리메이터렌즈(170)를 투과하면서 평행광으로 변환된다. 평행광은 내부각이 각각 30도, 60도, 90도인 프리즘(130)을 거쳐 회절격자(140)에서 회절해서 홀로그램(150)으로 입사된다.
회절격자(140)는 체적형 회절격자로서, 입사광이 대부분 1차 회절광으로 회절한다. 홀로그램(150)은 10도 정도 상단이 전방으로 기울어지도록 배치됨으로써, 원하지 않는 실상이 조준경 앞쪽으로 형성되는 것을 피할 수 있도록 한다.
프리즘(130)은 내각이 30도, 60도, 그리고 90도로 이루어져 있고 회절격자(140)와 함께 파장 이동에 따른 홀로그램(150)에서의 각도 변화를 최소화하도록 하는데, 분산이 주요한 요소이다.
도 10을 참조하면, 회절격자(140)의 입사각은 60도, 회절각은 5.5도가 되어 10도 경사진 홀로그램(150)에는 45.5도로 입사한다. 45.5도로 홀로그램(150)에 입사한 빛은 0도로 회절하게 된다. 프리즘(130) 경사면에 위치하는 회절격자(140)는 아래의 수학식 1에 의해 결정된다.
Figure 112022082264347-pat00001
여기서, m은 회절차수, λ는 파장이고, n은 프리즘(130)의 굴절률, θi는 입사각, θr은 회절각이며, d는 격자 주기이다. 수학식 1에 의해 격자 주기는 0.52㎛이다.
홀로그램(150)의 격자 주기는 아래의 수학식 2에 의해 결정된다.
Figure 112022082264347-pat00002
여기서, m은 회절차수, λ는 파장이고, θi는 입사각, θr은 회절각이며, d는 격자 주기이다. 수학식 2에 의해 격자 주기는 0.72㎛이다.
도 11을 참조하면, 홀로그램(150)의 회절각이 0도에서 벗어나는 정도를 시뮬레이션 한 결과를 표시한다. 여기서, 온도 변화가 -50℃에서 75℃로 변할 경우 파장이 625 ~ 650㎛ 구간에 있게 되고, 회절각은 1MOA(Minute of angle)이내로 제한되는 것을 보여준다.
이와 같은 본 발명에 따른 홀로그래픽 조준경에 따르면, 조준경의 크기를 줄이기 위해서 프리즘과 회절격자를 함께 사용하여 적절하게 보상하는 방식을 사용하고, 온도에 따른 광원의 파장 변이를 보상하는 방법으로서, 내부각이 30도, 60도, 90도이며, 나아가서, 재질이 BK7 글래스인 프리즘과 함께 회절격자를 이용하고, 이로 인해 파장의 변화에 따른 조준선이나 조준점의 이동이 거의 없는 홀로그래픽 사이트를 제공함으로써, 정확한 조준이 가능하도록 한다.
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.
110 : 본체 111 : 윈도우
112 : 개구 113 : 고정부
114 : 제 1 고정링 115 : 제 2 고정링
120 : LD 121 : PCB
130 : 프리즘 140 : 회절격자
150 : 홀로그램 161,162 : 미러
170 : 콜리메이터렌즈

Claims (5)

  1. 일측에 윈도우가 마련되고, 타측에 형성되는 개구를 통해 육안으로 상기 윈도우를 통해서 목표물을 볼 수 있도록 하는 본체;
    상기 본체의 내측에 설치되고, 광을 조사하는 LD(Laser Diode);
    상기 LD로부터 입사되는 광을 평행광으로 변환하는 콜리메이터렌즈(Collimator lens);
    상기 콜리메이터렌즈로부터 입사되는 평행광을 분산시키고, 내부각이 각각 30도, 60도 및 90도인 프리즘;
    상기 프리즘으로부터 입사되는 광을 회절시키는 회절격자;
    상기 개구에 설치되고, 상기 회절격자에 의해 회절되는 광이 입사되어 조준선이나 조준점의 가상이미지를 제공하는 홀로그램;
    상기 LD로부터 조사되는 광을 상기 본체 내에서 목표물의 물체광 진행 방향에 교차되는 방향으로 다수로 전환하여 상기 콜리메이터렌즈에 조사되도록 하는 다수의 미러;
    을 포함하고,
    상기 콜리메이터렌즈는,
    2장의 렌즈가 부착되어 있는 더블릿(doublet)으로 이루어지고, 유리 재질로 이루어지고,
    상기 홀로그램은,
    상단이 전방을 향하여 수직선을 기준으로 10도 기울어지게 상기 개구에 설치되는, 홀로그래픽 조준경.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 청구항 1 에 있어서,
    상기 프리즘은,
    상기 콜리메이터렌즈에 의해 변환된 평행광이 단변에 해당하는 면을 통해 입사되고, 경사면에 상기 회절격자가 부착되는, 홀로그래픽 조준경.
  5. 삭제
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