KR102483017B1 - 불균일한 리타던스 간격에서 액정 가변 지연기를 통한 경로 지연 측정 - Google Patents

불균일한 리타던스 간격에서 액정 가변 지연기를 통한 경로 지연 측정 Download PDF

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Abstract

일정 기간에 걸쳐 액정 가변 지연기의 리타던스의 시간에 대한 1차 도함수를 변화시키고 리타던스를 단조롭게 변화시키는전압이 액정 가변 지연기에 인가된다. 상기 기간 동안 액정 가변 지연기를 통과하는 광의 인터페로그램이 측정된다.

Description

불균일한 리타던스 간격에서 액정 가변 지연기를 통한 경로 지연 측정{MEASURING PATH DELAY THROUGH A LIQUID-CRYSTAL VARIABLE RETARDER AT NON-UNIFORM RETARDANCE INTERVALS}
본 개시 내용은 경로 지연을 액정 가변 지연기(liquid-crystal variable retarder)를 통해 불균일한 리타던스(retardance) 간격으로 측정하는 것에 관한 것이다.
일 실시예에서, 일정 기간에 걸쳐 액정 가변 지연기의 리타던스의 시간에 대한 1차 도함수를 변화시키고 리타던스를 단조롭게 변화시키는 전압이 액정 가변 지연기에 인가된다. 액정 가변 지연기를 통과하는 광의 인터페로그램(interferogram)이 상기 기간 동안 측정된다.
다른 실시예에서는, 일정 기간에 걸쳐 액정 가변 지연기의 리타던스를 단조롭게 변화시키는 전압이 액정 가변 지연기에 인가된다. 액정 가변 지연기를 통과하는 광의 인터페로그램이 상기 기간 동안 리타던스의 불균일한 간격으로 샘플링된다.
이들 및 다른 특징 및 다양한 실시예의 태양은 이하의 상세한 설명과 첨부 도면에 비추어 이해될 수 있다.
이하의 설명은 다음의 도면들을 참조하여 이루어지고, 동일한 도면 부호는 다수의 도면에서 유사한/동일한 구성요소를 식별하는데 이용될 수 있다. 도면은 반드시 축척이 맞게 도시된 것은 아니다
도 1은 예시적 실시예에 따른 액정 가변 지연기를 통해 측정된 정규화된 인터페로그램의 그래프이다.
도 2는 예시적 실시예에 따른 액정 가변 지연기의 리타던스 응답 곡선의 그래프이다.
도 3 및 4는 예시적 실시예에 따른 편광 간섭계에 의해 측정된 인터페로그램에 다양한 리타던스 응답 곡선이 영향을 미칠 수 있는 방식을 보여주는 그래프이다.
도 5는 다른 예시적 실시예에 따른 액정 가변 지연기의 리타던스 응답 곡선의 그래프이다.
도 6은 예시적 실시예에 따른 액정 가변 지연기의 전압 파형 및 리타던스 응답의 그래프이다.
도 7은 예시적인 실시예에 따른 기기의 다이어그램이다.
도 8 및 도 9는 예시적인 실시예에 따른 방법의 흐름도이다;
도 10은 예시적 실시예에 따른 액정 가변 지연기에 대한 상이한 인터페로그램 샘플링 간격을 보여주는 그래프이다.
본 개시 내용은 간섭계를 이용하는 광학 장치의 제어에 관한 것이다. 간섭계는 간섭계를 통과하는 광의 성분 사이에 광학 경로 지연을 도입하도록 구성된다. 간섭계의 한가지 유형은 두개의 편광기 사이에 배치된 가변 광학 지연기를 사용하는 편광 간섭계이다. 가변 광학 지연기는 입사 편광 방향의 제1 광선과 직교 편광의 제2 광선(예를 들어 정상 광선 및 이상 광선) 사이에, 선택 가능한 경로 지연을 야기한다. 이러한 경로 지연은 편광 간섭계를 나가는 광은, 제1 광선과 제2 광선 사이에 파장 종속성 위상 변이를 야기하여, 광학 센서, 예를 들어 초점면 배열 검출기(focal-plane array)를 통해 검출되는 인터페로그램을 생성한다. 이러한 간섭계는 초분광 이미징(hyperspectral imaging)과 같은 고 스펙트럼 대역폭 광학 애플리케이션에 사용될 수 있다. 초분광 이미징은 조밀하게(densely) 샘플링된, 미세하게 분해된 스펙트럼 정보가 각각의 픽셀에 제공되는 이미지를 포함할 수 있는, 초분광 데이터세트 또는 데이터큐브(data-cube)를 얻기 위한 방법 및 장치를 지칭한다.
편광 간섭계는 가변 광학 지연기로서 하나 이상의 액정(LC) 셀을 사용할 수 있다. 이러한 장치는 본 개시 내용에서 액정 가변 지연기(LCVR)로 언급된다. 일반적으로, 액정(LC) 재료는 전기장 또는 자기장과 같은 외부 자극을 인가함으로써 선택 가능하게 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 광학 축을 변경시킨다.
LCVR은 액정을 통과하여 이동하는, 광의 두개의 직교 편광 사이에 가변 광학 경로 지연(가변 리타던스라고도 함)을 생성한다. LCVR 내의 하나 이상의 액정 셀은 전기적으로 조정가능한 복굴절 요소로서 기능한다. 액정 셀의 전극에 걸친 전압을 변화시킴으로써, 셀 분자는 그 배향을 변경하며, 일정 기간에 걸쳐 광학 경로 지연을 제어 가능하게 변화시키는 것이 가능하다.
LCVR로 편광 간섭계를 생성하기 위해서는, LCVR이 공칭으로 평행한 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 LCVR를 통과함에 따라, 제1 및 제2 편광 사이에 파장 종속적인 상대적 위상 변이를 획득하여, 편광 상태에 파장 종속적 변화가 나타난다. 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 종속적 편광 상태를 광학 검출기(예를 들어, 초점면 배열 검출기)에 의해 감지될 수 있는 파장 종속적 강도 패턴으로 변환시킨다. LCVR의 리타던스를 변화시키면서 이러한 강도 패턴을 감지함으로써, 입사광의 스펙트럼 특성을 확인하는데 사용할 수 있는 입사광의 인터페로그램을 측정하는 것이 가능하다. 이러한 스펙트럼 특성은 초분광 이미징에 사용될 수 있다.
초분광 이미저(hyperspectral imager)는 공간 분해 광학 검출기가 순간적인 인터페로그램 강도를 기록하는 동안 간섭계의 리타던스를 스캔한다. 인터페로그램은 이미지의 각 지점에서 동시에 기록되고, 인터페로그램은 리타던스에 대해 푸리에 변환되어 초분광 데이터 큐브가 얻어진다. 가변 광학 지연기의 리타던스 대 시간 궤적(또는 유사하게, 인터페로그램 샘플링 간격의 변화)을 적절하게 고려함으로써 향상될 수 있은 성능 인자(예를 들어, 감도, 스펙트럼 해상도)가 많이 있다. 예를 들어, 선형 리타던스 대 시간 궤적(또는 각각의 균일한 인터페로그램 샘플링 간격)은 모든 애플리케이션에 대해 최적이 아닐 수 있다.
간섭계에 의해 제공되는 스펙트럼 해상도가, 아래 식 (1a) 및 (1b)에 나타낸 바와 같이, 간섭계의 최대 광학 경로 지연 또는 최대 리타던스
Figure 112018125765829-pat00001
의 역과 (정의되는 방식에 따라서) 실질적으로 동일하다는 것이 간섭계 기술분야에서 공지되어 있다. 식 (1a)은 파수(wavenumber)의 측면에서 해상도
Figure 112018125765829-pat00002
를 정의하고, 식 (1b)는 파장의 측면에서 해상도
Figure 112018125765829-pat00003
을 정의한다. 따라서, 주어진 최대 경로 지연에 대해, 스펙트럼 해상도 빈(bin)은 더 긴 파장보다 더 짧은 파장에 대해 훨씬 더 조밀하게 (파장에서) 이격될 것이다.
Figure 112018125765829-pat00004
(1a)
Figure 112018125765829-pat00005
(1b)
이러한 불균일한 스펙트럼 해상도는 신호 자체의 샷 노이즈(shot noise)에 의해 감도가 제한되는 상황에서 측정될 광대역 스펙트럼에 부정적인 영향을 미친다. 광대역 스펙트럼이 상이한 파장에서 단위 파장 당 대략 동일한 강도를 갖는다면, 인터페로그램 신호는 더 긴 파장에서보다 더 짧은 파장에서 스펙트럼 해상도 빈 당 훨씬 약할 것이다. 그러나 모든 파장으로부터의 샷 노이즈는 재구성된 스펙트럼에 걸쳐 균등하게 분배될 것이고, 따라서 신호-대-잡음이 더 짧은 파장에서 상당히 낮을 것이다. 이러한 현상은 본 실시예의 초분광 이미저와 같이, 간섭계를 이용하는 임의의 샷 노이즈 제한성 스펙트럼 측정 시스템의 검출 가능한 광학 스펙트럼에 걸친 동적 범위를 효과적으로 제한한다.
더 짧은 파장에서 감도를 제한하는 추가 인자가 있다. 검출기의 응답성은 더 짧은 파장에서 감소한다; 이는 단위 에너지 당 더 적은 광자와 (따라서 더 적은 광전자가 생성됨) 더 낮은 양자 효율이 결합된 결과이다. 물질 흡수는 더 짧은 파장에서 증가하는 경향이 있다. 가변 광학 지연기의 유효 구경(clear aperture)에 걸친 경로 지연 비균질성은 파장이 짧아짐에 따라 더 큰 위상 불확실성을 야기하며, 따라서 기록된 인터페로그램에는 결잃음(decoherence)이 더 많고 인터페로그램 프린지 콘트라스트(fringe contrast)가 더 적다.
도 1에서, 적층된 그래프는 예시적인 실시예에 따른 편광 간섭계를 통해 측정된, 상이한 파장의 협대역 소스의 정규화된 인터페로그램을 도시한다. 협대역 소스는 하단 그래프에서 400 nm에서 시작하여 1,000 nm까지 10 nm 증분으로 증가한다. 수평축은 리타던스가 아니라 시간이지만, 리타던스는 시간에 거의 선형으로 종속된다. 이러한 그래프의 중요한 특징은 파장이 최상부 그래프에서 하단까지 감소함에 따라 제로(zero) 경로 지연 주변의 영역까지 신호 크기가 붕괴되는 것이다. 제로 경로 지연 지점은 대략, 모든 파장의 위상이 일치하는 영역(100)에 대응한다.
낮은 단파장 감도는, 해상도 빈의 크기를 증가시키도록 최대 광학 경로 지연을 감소시킴으로써 부분적으로 해결될 수 있다. 이는 스펙트럼 해상도가 가장 좋은 더 짧은 파장에서는 허용 가능할 수 있지만, 이미 비교적 낮은 스펙트럼 해상도를 갖는 더 긴 파장에서는 허용 가능하지 않을 것이다. 또는, 동일한 적분 시간을 갖는 샘플을 더 많이 취하거나 샘플 당 더 길게 적분하여 전체 적분 시간을 늘림으로써 해결될 수 있겠지만, 이러한 것이 언제나 가능하지는 않을 수 있다.
가변 광학 지연기의 리타던스가 너무 빨리 스캔되면, 제어하기가 더 어려우며, 따라서 샘플 사이의 경로 지연 간격은 불균일할 것이며, 일부 실시예에서는 푸리에 변환 전에 내삽을 필요로 할 것이다. 그러나, 이러한 내삽은 또한 더 짧은 파장에서 더 큰 신호 손실을 야기할 것이다. 그리고, 샘플링 속도가 인터페로그램의 나이퀴스트 주파수에 가까울수록, 프린지 콘트라스트가 더 적게 되는데, 이는 샘플이 각각의 샘플 간격에 대한 신호의 시간 적분을 나타내기 때문이다. 가장 짧은 파장에서 프린지 당 N개의 샘플이 있는 경우, 이는 프린지 당 단지 하나의 샘플이 있을 주파수에서 첫번째 제로를 갖는 싱크 필터(sinc filter)로 신호를 필터링하는 것에 상응한다. 따라서 신호는 sinc(π/N) 만큼 감쇄될 것이다. 나이퀴스트 주파수에서 이는 2/π
Figure 112018125765829-pat00006
64%이지만, 추가 위상 오프셋이 있는 경우 인터페로그램의 실수 부분만 측정될 수 있기 때문에 인터페로그램 은 더 감쇄될 것이다.
더 긴 파장의 광의 존재 하에서 더 짧은 파장의 인터페로그램을 측정하는 본질적인 한계가 주어지면, 더 긴 파장으로부터의 신호를 잠재적으로 희생하여 더 짧은 파장을 우선적으로 샘플링하는 것이 바람직할 것이다. 이는 제로 경로 지연 부근에서 샘플링 밀도를 증가시키는 것 및/또는 더 짧은 파장에 기여하는 신호가 대부분 위치하는 제로 경로 지연 부근(예를 들어, 도 1의 영역(100) 부근)에서 샘플에 대한 적분 시간을 증가시키는 것에 의해 이루어질 수 있다. 동일한 총 획득 시간을 유지하기 위하여, 더 긴 파장으로부터의 신호는 존재하지만 더 짧은 파장으로부터의 신호는 존재하지 않는, 더 긴 경로 지연에서 인터페로그램의 부분을 측정하는데 더 적은 시간이 소요될 것이다.
바람직한 리타던스 대 시간 궤적(본 명세서에서는 "리타던스 응답 곡선"이라고도 함)의 일반적인 형태는, 더 작은 리타던스에서 더 얕고 더 큰 리타던스에서 더 가파른 기울기를 가질 것이며, 이를 수하적으로 알맞게 모델링할 수 있는 여러 가지 방법이 있다(여기에서 "더 작은" 및 "더 큰"은 리타던스의 크기 또는 절대 값을 의미함에 주의). 리타던스 응답을 정의하는 한 가지 방법은, 구간적(piecewise) 선형 곡선으로서, 리타던스 스윕(sweep)의 서로 다른 간격에 일정한 리타던스 속도(리타던스의 시간 미분)를 배정하는 것이다. 이는 도 2에 도시되며, 여기서 리타던스 곡선(200)은 3개의 선형 구간(200a-c)을 포함한다. 각각의 섹션(200a-c)은 단조롭게 증가하는 리타던스 값을 가지며, 이전 섹션과 비교하여 더 큰 리타던스 기울기(이는 시간에 대한 리타던스의 1차 도함수 또는 리타던스 속도에 해당한다)를 가진다. 이 도면에서, LCVR의 제로 리타던스 지점(202)은 제1 세그먼트(200a)의 중간 어딘가에 존재할 가능성이 있다.
리타던스 응답 곡선을 정의하는 또 다른 방법은 일정한 리타던스 가속도(리타던스 속도의 시간 미분)를 적용하는 것이다. 이는 각 파장에서 위상에 선형 처프(chirp)를 부여할 것이다. 이제, 상대 리타던스 속도가
Figure 112018125765829-pat00007
로 선형적으로 증가하는 상대 시간 변수
Figure 112018125765829-pat00008
{0 ... 1}를 가정하면, 식 (2)에 표시된 공식을 사용하여,
Figure 112018125765829-pat00009
의 일정한 상대 가속도로, 리타던스가
Figure 112018125765829-pat00010
= 0에서 0으로부터
Figure 112018125765829-pat00011
= 1에서
Figure 112018125765829-pat00012
로 증가하는 리타던스 응답 곡선을 생성할 수 있다. 임의의 일정한 리타던스 값이 식 (2)의 우변에 가산될 수 있고, 이는 여전히 원하는 일정한 가속 특성을 갖는 리타던스 응답 곡선을 생성할 것이라는 점에 유의한다; 이는, 예를 들어, 약간 음의 경로 지연에서 시작하여 제로 경로 지연 지점을 통해 큰 양의 경로 지연까지 증가하는 리타던스 응답 곡선을 생성하는데 유용할 것이다.
Figure 112018125765829-pat00013
(2)
도 3 및 도 4에서는, 그래프는, α = 1인 선형 리타던스 응답 곡선으로부터 α = 6인 처프 곡선으로의 스위칭 결과로 445 nm (청색) LED의 인터페로그램이 변하는 방식을 보여준다. 데이터는 리타던스 응답 곡선을 특성화하는데 사용되는 기준 광원의 인터페로그램을 포함한다. 그래프(300, 301)는 선형 리타던스 응답 곡선에 대한 측정치이며 그래프(400, 401)는 처프 곡선의 측정치이다. 그래프(300, 400)는 청색 LED의 공간적으로 평균화된 인터페로그램이며, 그래프(301, 401)는 기준 소스의 인터페로그램이다. 처프 곡선은 인터페로그램 표준 편차에 의해 측정된 선형 곡선에 비해 청색 LED의 측정된 신호를 약 31% 증가시킨다.
프레임 개수(예를 들어, 인터페로그램 샘플 개수)에 대한 측정된 리타던스가 도 5에서, 정상 획득(500) 및 처프 획득(502)에 대해 도시되어 있다. 리타던스는 기준 레이저의 측정 위상 지연을 측정하는 것에 기초하여 얻어졌다. 위상 속도는, 식 (2)를 사용하여, 일정한 가속도로, 시작부터 끝까지 α = 6의 인자만큼 증가되었다. 위상 지연은 다케다(Takeda) 방법을 사용하여 기준 레이저 인터페로그램(예를 들어 인터페로그램(301, 401))으로부터 얻었지만, LCVR의 하나 이상의 셀의 커패시턴스 측정을 통해 더 직접적으로 측정될 수도 있다.
지수함수적인 리타던스 대 시간 곡선을 산출하도록, 순간 리타던스 속도는 또한 순간 리타던스로 스케일링될 수도 있다. 이 곡선은 아래 관점으로부터 비편향(unbiased) 방식으로 각각의 파장을 처리함으로써 발생될 것이다: 주어진 파장이 N 진동에 도달하면 그 파장의 위상 속도는 파장과 독립적이어야 한다. 주어진 시점에서 주어진 파장에 대한 위상 속도는
Figure 112018125765829-pat00014
이다. 위상 속도는 리타던스가 N 파장과 같을 때, 따라서 Γ = Nλ일때, 각각의 파장에 대해 동일한 값일 수 있다. 이 위상 속도 값이
Figure 112018125765829-pat00015
로 매개변수화되면, 결과로서 아래 식 (3) 및 (4)가 나오며, 여기서 n은 해당 파장에서 프린지 당 프레임 수이고 texp는 프레임 당 시간이며,
Figure 112018125765829-pat00016
는 프레임 개수이다.
Figure 112018125765829-pat00017
, 해를 갖는 경우 (3)
Figure 112018125765829-pat00018
(4)
적분상수는 최대 리타던스
Figure 112018125765829-pat00019
가 마지막 프레임 M에 도달해야 한다는 사실을 이용하여 풀 수 있다. 요약하면, 이는 각각의 파장이 N회 진동한 이후에 프린지 당 n회 샘플링되는, M 프레임에서 리타던스
Figure 112018125765829-pat00020
까지 스캔하기 위한 (하나의 관점에서) 최적의 리타던스 궤적이다. 다른 실시예에서, 시간에 대한 리타던스의 제1 도함수는, 일정 시간 간격에 걸쳐 시간에 대해 일정한 오프셋을 리타던스에 더한 값에 비례한다:
Figure 112018125765829-pat00021
.
임의의 적절한 리타던스 궤적은 역으로도 움직일 수 있다. 그러나 일반적으로 LCVR 전극이 일반적으로 더 높은 전압 크기로 유지되는 방향으로부터 전극이 일반적으로 더 낮은 전압 크기로 유지되는 방향으로 리타던스 스캔을 시작할 필요가 있을 수 있으며, LC 셀 유형에 따라(예를 들어, 평면 또는 수직 정렬형) 이는 리타던스 속도의 부호를 결정한다. 일반적인 아이디어는 더 높은 리타던스에 비해서 더 낮은 리타던스에서 LCVR 리타던스에 대해 대부분의 제어를 하는 것인데, 그 이유는, 전술한 바와 같이, 여기가 단파장으로부터의 신호가 존재하는 곳이고, 단파장은 적절하게 측정하기 위해서 리타던스에 대한 더 큰 제어를 필요로 하기 때문이다.
도 6에는, 각각 200 프레임 또는 샘플로, LCVR에 의한, 2개의 후속 인터페로그램 획득에 대한 전압 파형(600)(좌측 눈금) 및 기준 소스의 위상 지연(602)(우측 눈금)이 그래프로 도시되어 있다. 왼쪽 눈금은 LCVR 셀에 걸친 AC 전압의 크기에 액정 유전체 이방성의 부호(이는 AC 전압의 주파수를 수정함으로써 변경될 수 있다)를 곱한 값에 관하여 매겨져 있다. 양의 유전체 이방성에서 가장 높은 전압은 낮은 리타던스 지점에 해당한다. 곡선(602)의 최소 리타던스 지점은 편의를 위해 ~ 0 rad로 변이되었지만, LCVR의 제로 경로 지연 지점(604)은 ~ 15 rad에서 발생한다는 점에 유의한다. 전압은 프리데릭츠(Freedericksz) 전압(606) 근처까지 천천히 낮추어지고, 리타던스와 리타던스 속도가 계속 증가함에 따라 해당 감도 지점 근방에 유지된다. 리타던스 속도를 더욱 가속시키기 위해, 유전체 이방성의 부호는 지점(608)에서 변경되고, 전압 크기는 획득이 끝날 때까지 빠르게 증가한다. 그 다음, 전압 크기는 양의 유전체 이방성 주파수에서 빠르게 상승되어(610), 다음 획득 이전에 셀 상태를 신속하게 리셋한다.
액정 셀의 응답 시간은 인가 전압의 제곱에 따라 변경되므로, 양의 단축 복굴절을 갖는 평면 또는 균질 셀에 있어서 더 높은 전압 크기가 더 낮은 리타던스에 해당하는 경우, 셀은 더 빠르게 응답하며, 따라서, 더 낮은 리타던스에서 제어가 더 용이하다. 대안적으로, 음의 단축 복굴절(및 음의 유전체 이방성)을 갖는 셀은 동일한 결과를 생성할 것이다.
도 6에 도시된 바와 같이 더 높은 전압으로부터 더 낮은 전압으로 스위핑하는 또 다른 이유는, 이는 프리데릭츠 전이 임계 전압(606)(이 전압 위의 전압에서는 액정 분자가 인가된 장에 응답하여 회전하게 된다) 아래로부터 위로 액정 셀을 스위핑하는 것을 방지한다는 점이다. 이 전압은 외부 조건에 민감할 수 있어서, 이 지점 주변의 리타던스 거동을 제어하기 어렵게 만든다. 임계 거동은 일반적으로 셀 전압이 임계 전압을 양의 방향으로 교차할 때 발생하고, 셀이 완화되는(relaxing) 경우에는 발생하지 않는다. 이상적으로는 셀 전압이, LC 분자의 약간의 기울기를 인가된 장 측으로 유지하고 이에 따라 인가된 장에 대한 현저히 더 빠른 응답을 유지하기 위하여, 언제나 이 임계 전압 위에 유지된다.
마지막으로, 후속 이미지 획득을 위해 리타던스 궤적을 빠르게 반복하는 것이 바람직하다. 리타던스 궤적의 시작이 고전압 크기에 해당하면, 셀 상태는 초기 상태가 저전압 크기에 해당하는 경우였다면 가능했을 것보다 훨씬 더 빠르게 그 초기 구성으로 되돌아 갈 수 있다. 처프 획득에 필요한 높은 리타던스 속도를 달성하기 위해, 획득 중에 셀을 높은 리타던스 상태로 능동적으로 구동하는 것이 여전히 바람직할 수 있다. 이 경우, 이중 주파수 LC를 사용하는 것이 유리할 것이다. LC 셀의 구동 주파수를 변화시킴으로써, 유전체 이방성의 부호가 변경될 것이고, 셀을 그 고 리타던스 상태로 구동하기 위해 셀 전압이 다시 상승될 수 있다. 유전체 이방성의 부호 변화를 통해 셀을 그 고 리타던스 또는 "오프" 상태로 능동적으로 구동함으로써 셀이 리셋될 수 있다고 하더라도, 이 전이는 "온" 상태로 능동적으로 구동하는 것만큼 빠르지 않는데, 이는 전이 주파수 위의 음의 유전체 이방성의 크기가 일반적으로 전이 주파수 아래의 양의 유전체 이방성의 크기보다 작기 때문이다. 따라서 이미지 획득 사이의 빠른 리셋으로서, "온" 상태로의 구동을 이용하는 것이 여전히 바람직할 수 있다.
도 7에서, 블록도는 예시적인 실시예에 따라 이미지 처리를 수행하는 기기(700)를 도시한다. 기기(700)는 중앙 처리 유닛, 서브 프로세서, 그래픽 처리 유닛, 디지털 신호 프로세서 등과 같은 하나 이상의 프로세서를 포함할 수 있는 장치 제어기(702)를 포함한다. 제어기(702)는 아래에서 더 상세하게 설명될 기능적 모듈을 포함하는 메모리(704)에 커플링된다. 메모리(704)는 휘발성 및 비 휘발성 메모리의 조합을 포함할 수 있으며, 당업계에 공지된 바와 같이 명령 및 데이터를 저장할 수 있다.
기기(700)는 기기(700) 외부로부터 광을 수신하는 외부 광학 인터페이스(708)를 구비하는 광학 섹션(706)을 포함한다. 외부 광학 인터페이스(708)는 광(709)을 기기(700) 외부로부터 내부 광학 구성요소로 전달하기에 적합한 창, 렌즈, 필터, 조리개 등을 포함할 수 있다. 이 예에서, 외부 광학 인터페이스(708)는 외부 렌즈(710)에 커플링된 것으로 도시되어 있다.
편광 간섭계(712)는 기기(700)의 광학 섹션(706)에 위치된다. 편광 간섭계(712)는 예를 들어 전기적 신호 라인을 통해 제어기(702)에 커플링된다. 제어기(702)는 편광 간섭계(712)에 신호를 인가하여 간섭계(712)의 일부인 LCVR(712a)에 시변(time-varying) 광학 경로 지연 또는 리타던스를 일으킨다. 이러한 시변 광학 경로 지연은 광(709)의 상이한 편광들 사이의 변이를 유발하여, 결과적으로 광학 경로 지연의 함수로서 변화하는 인터페로그램을 형성하는 출력 광(711)을 생성한다. 인터페로그램은 제어기(702)에 또한 커플링된 이미지 센서(714)(예를 들어, 초점면 배열 검출기, 센서 픽셀의 어레이)에 의해 검출된다. 이미지 센서(714)는 인터페로그램에 기초하여 스틸 이미지 및/또는 비디오 프레임을 형성할 수 있다.
리타던스 제어기(718)는 시변 리타던스 궤적을 획득하기 위해 LCVR(712a)에 제어 신호를 인가하도록 장치 제어기(702)에 지시한다. 이미지 프로세서(720)(기기(700) 및/또는 컴퓨터(724) 내에 전체적으로 또는 부분적으로 구현될 수 있음)는 이 리타던스 궤적을, 이미지 센서(714)에서 검출된 인터페로그램과 함께 시변 경로 지연을 측정하는데 사용한다. 각각의 검출된 인터페로그램은 LCVR(712a)의 대응하는 위치에서 경로 지연의 함수로서 변환을 계산함으로써 처리될 수 있으며, 그리고 함께 위치의 함수로서 처리된 인터페로그램은 초분광 데이터 큐브를 초래한다. 초분광 데이터 큐브는 스틸 이미지 및 비디오 중 하나 또는 둘 모두로서 제공될 수 있다.
인터페로그램의 단파장 성분의 측정 감도를 증가시키기 위해, 제어기(702)는 LCVR(712a)의 전극(712aa)에 전압을 인가한다. 전압은 일정 기간에 걸쳐 LCVR(712a)의 리타던스의 시간에 대한 1차 도함수를 변화시키고 리타던스를 단조롭게 변화시킨다. 해당 기간 동안 LCVR(712a)을 통과하는 광의 인터페로그램이, 예를 들어 이미지 센서(714)에 의해 측정된다. 이미지 프로세서(720)는 그 측정된 인터페로그램을 해당 기간에 걸쳐 리타던스의 함수로서 변환하여, 광(709)을 스펙트럼적으로 분해할 수 있다.
도 8에서, 흐름도는 예시적인 실시예에 따른 방법을 도시한다. 상기 방법은 액정 가변 지연기에 전압을 인가하는 단계(800)를 포함한다. 전압은 일정 기간에 걸쳐 액정 가변 지연기의 리타던스의 시간에 대한 1차 도함수를 변화시키고 리타던스를 단조롭게 변화시킨다. 해당 기간 동안, 액정 가변 지연기를 통과하는 광의 인터페로그램이 측정된다(801). 상기 방법은 선택적으로, 광을 스펙트럼적으로 분해하기 위해 해당 기간에 걸쳐 그 측정된 인터페로그램을 리타던스의 함수로서 변환하는 단계(802)를 포함할 수 있다.
도 9에서, 흐름도는 예시적인 실시예에 따른 방법을 도시한다. 이 방법은 일정 기간에 걸쳐 액정 가변 지연기의 리타던스를 단조롭게 변화시키는 전압을 액정 가변 지연기에 인가하는 단계(900)를 포함한다. 액정 가변 지연기를 통과하는 광의 경로 지연은 해당 기간 동안 불균일한 리타던스 간격으로 측정된다(901).
도 10에서, 그래프(1000)은 LCVR을 통해 측정된 인터페로그램이 예시적인 실시예에 따라 상이한 리타던스 범위에 상응하는 상이한 간격으로 샘플링될 수 있는 방식을 도시한다. 인터페로그램을 측정하는 것은 제1 샘플링 시간(1006)에서 제1 리타던스(1004)를 중심으로 하는 제1 리타던스 범위(1002) 내의 광을 샘플링하는 것을 포함한다. 이 범위(1002)는 더 낮은 리타던스 범위이며, 이는 수직 방향으로 증가하는 경로 지연을 갖는 더 높은 리타던스 범위인 제2 및 제3 리타던스 범위(1010, 1018)보다 이 범위가 제로 경로 지연에 더 가깝다는 것을 의미한다. 제2 리타던스 범위(1010)의 광을 샘플링하는데 사용된 제2 샘플링 시간 (1008)에서 취해진 것보다 더 많은 수의 샘플이 제1 샘플링 시간(1006)에서 취해지며, 여기서 제2 리타던스 범위는 제2 리타던스(1012)를 중심으로 하며, 제2 리타던스(1012)는 제1 리타던스(1004)보다 크기가 더 크다(제로 경로 지연으로부터 더 멀다). 제1 기간(1006)과 제2 기간(1008) 사이의 샘플 수의 이러한 차이는, 액정 가변 지연기를 통과하는 광의 인터페로그램이 제1 및 제2 기간(1006, 1008)을 포함하는 기간 동안 불균일한 리타던스 간격으로 샘플링되게 한다.
제1 리타던스 범위(1002)는 제2 리타던스 범위(1010)와 동일하거나 상이한 크기일 수 있다. 이는 도시된 바와 같은 선형 지연 곡선(1014)에, 또는 도 2에 도시된 바와 같은 곡선(200)과 유사한 구간적 선형 곡선이나, 도 5에 도시된 바와 같은 곡선(502)에 유사한 부드러운 곡선과 같은, 리타던스 및 그 1차 도함수가 증가하는 리타던스 곡선에 적용될 수 있다는 점에 유의한다. 주어진 샘플링 시간에서 취해진 샘플의 개수를 달리하는 것은, 샘플링 시간(1020)에서 샘플링되는 제3 리타던스 범위(1018)에 의해 나타낸 바와 같이, 3개 이상의 리타던스 범위에 적용될 수 있다.

Claims (20)

  1. 일정 기간에 걸쳐 액정 가변 지연기의 리타던스의 시간에 대한 1차 도함수를 변화시키고 리타던스를 단조 변환시키는 전압을 액정 가변 지연기에 인가하는 단계; 및
    상기 기간 동안 상기 액정 가변 지연기를 통과하는 광의 인터페로그램(interferogram)을 측정하는 단계를 포함하는, 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 인터페로그램은 단파장 성분 및 장파장 성분을 포함하고, 상기 1차 도함수의 변화 및 상기 리타던스의 단조로운 변화는 상기 인터페로그램의 단파장 성분의 측정 감도를 증가시키는, 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 인터페로그램을 측정하는 단계는, 제1 샘플링 시간에 걸쳐 제1 리타던스에 중심을 둔 제1 리타던스 범위 내에서 광을 샘플링하는 단계를 포함하고, 상기 제1 샘플링 시간은 상기 제1 리타던스보다 크기가 더 큰 제2 리타던스에 중심을 두고 제1 리타던스 범위와 동일한 크기인 제2 리타던스 범위의 광을 샘플링하는데 사용되는 제2 샘플링 시간보다 큰, 방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 1차 도함수의 변화 및 상기 리타던스의 단조로운 변화는 높은 리타던스 범위보다 긴 시간 동안의 낮은 리타던스 범위를 통해 전이하는 것을 초래하는, 방법.
  5. 제1항에 있어서,
    시간에 대한 리타던스의 상기 1차 도함수는 일정 시간 간격에 걸쳐 시간에 대해 일정한 오프셋과 리타던스를 더한 값에 비례하는, 방법.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 1차 도함수는 구간적 상수 함수에 따라 변화되는, 방법.
  7. 제1항에 있어서,
    시간에 대한 리타던스의 2차 도함수는 상기 기간 내에서 시간 간격에 걸쳐 일정한, 방법.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 광을 스펙트럼적으로 분해하기 위해 상기 기간에 걸쳐 상기 측정된 인터페로그램을 상기 리타던스의 함수로서 변환하는 단계를 더 포함하는, 방법.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 전압을 인가하는 단계는 프리데릭츠 전압(Freedericksz voltage) 보다 높은 기간의 시작에서 제 1 전압 크기를 인가하는 단계, 및 상기 기간 동안 상기 전압을 상기 프리데릭츠 전압의 제 2 전압 크기로 감소시키는 단계를 포함하는, 방법.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 제 1 전압은 상기 기간의 끝에서 재인가되는, 방법.
  11. 제9항에 있어서,
    상기 전압의 주파수 성분은 상기 액정 가변 지연기 내의 액정이 유전체 이방성의 부호 변화에 응답하도록 하는 상기 기간의 끝에서 변화되는, 방법.
  12. 일정 기간에 걸쳐 액정 가변 지연기의 리타던스를 단조 변환시키는 전압을 액정 가변 지연기에 인가하는 단계; 및
    상기 기간 동안 상기 액정 가변 지연기를 통과하는 광의 인터페로그램을 불균일한 리타던스 간격으로 샘플링하는 단계를 포함하는, 방법.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 인터페로그램은, 리타던스의 시간에 대한 1차 도함수를 변경시키면서, 균일한 시간 간격으로 샘플링되는, 방법.
  14. 제12항에 있어서,
    상기 리타던스는 균일한 속도로 변화하고, 상기 인터페로그램은 불균일한 시간 간격들로 샘플링되는, 방법.
  15. 액정 가변 지연기를 포함하는 편광 간섭계; 및
    상기 액정 가변 지연기에 결합된 제어기를 포함하고,
    상기 제어기는:
    일정 기간에 걸쳐 상기 액정 가변 지연기의 리타던스의 시간에 대한 1차 도함수를 변화시키고 리타던스를 단조 변환시키는 전압을 액정 가변 지연기에 인가하도록; 그리고
    상기 기간 동안 액정 가변 지연기를 통과하는 광의 인터페로그램을 측정하도록 작동가능한, 기기.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 인터페로그램은 단파장 성분 및 장파장 성분을 포함하고, 상기 1차 도함수의 변화 및 상기 리타던스의 단조로운 변화는 인터페로그램의 단파장 성분의 측정 감도를 증가시키는, 기기.
  17. 제15항에 있어서,
    상기 리타던스의 단조로운 변화 및 상기 1차 도함수의 변화는 높은 리타던스 범위보다 긴 시간 동안의 낮은 리타던스 범위를 통해 전이하는 것을 초래하는, 기기.
  18. 제15항에 있어서,
    시간에 대한 리타던스의 2차 도함수는 상기 기간 내에서 일정 시간 간격에 걸쳐 일정한, 기기.
  19. 제15항에 있어서,
    상기 1차 도함수는 구간적 상수 함수에 따라 변화되는, 기기.
  20. 제15항에 있어서,
    상기 전압을 인가하는 것은 프리데릭츠 전압 보다 높은 기간의 시작에서 제 1 전압 크기를 인가하는 것, 및 상기 기간 동안 상기 전압을 상기 프리데릭츠 전압의 제 2 전압 크기로 감소시키는 것을 포함하는, 기기.
KR1020180161789A 2017-12-29 2018-12-14 불균일한 리타던스 간격에서 액정 가변 지연기를 통한 경로 지연 측정 KR102483017B1 (ko)

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US15/858,609 2017-12-29
US15/858,609 US10379043B2 (en) 2017-12-29 2017-12-29 Measuring path delay through a liquid-crystal variable retarder at non-uniform retardance intervals

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