KR102504396B1

KR102504396B1 - 변형 거울을 이용한 홀로그래픽 광학 소자 프린팅 방법

Info

Publication number: KR102504396B1
Application number: KR1020200184199A
Authority: KR
Inventors: 홍지수; 홍성희; 김영민; 정진수
Original assignee: 한국전자기술연구원
Priority date: 2020-12-28
Filing date: 2020-12-28
Publication date: 2023-02-28
Anticipated expiration: 2040-12-28
Also published as: WO2022145504A1; KR20220093469A

Abstract

변형 거울을 이용한 홀로그래픽 광학 소자 프린팅 방법이 제공된다. 본 발명의 실시예에 따른 홀로그래픽 프린터는, 광을 출사하는 광원, 광원에서 출사되는 광 중 일부를 변형 거울로 위상 변조하여 홀로그래픽 매질에 물체 광으로 입사시키는 광학 엔진 및 광원에서 출사되는 광 중 나머지를 홀로그래픽 매질에 참조 광으로 입사시키는 광학계를 포함한다. 이에 의해, 기록 시간을 크게 줄일 수 있고, 홀로그래픽 광학 소자의 품질을 향상시킬 수 있다.

Description

변형 거울을 이용한 홀로그래픽 광학 소자 프린팅 방법{Holographic Optical Element Printing Method Using Deformable Mirror}

본 발명은 홀로그래픽 프린팅 관련 기술에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 홀로그래픽 프린팅으로 홀로그래픽 광학 소자를 제작하는 방법에 관한 것이다.

기존의 홀로그래픽 프린팅은 도 1과 같이 낮은 정보량을 갖는 SLM(Spatial Light Modulator) 상에 표시된 디지털 영상 정보를 홀로그래픽 매질(holographic material) 위에 하나의 호겔(hogel)로 축소하여 이를 물체 광(object beam)으로 하고, 도 2에 도시된 바와 같이 별도의 참조 광(reference beam)과 간섭시켜 기록하되, 이를 타일링함으로써 디지털 정보로부터 아날로그 홀로그램에 준하는 높은 정보량을 갖는 홀로그램 영상을 재현하도록 하는 방법이다.

특히 SLM 상의 정보를 호겔로 축소할 때, 4f-시스템을 통해 spatial bandpass filtering을 함으로써 진폭과 위상을 모두 갖는 complex field 값을 기록할 수 있으며, 이를 통해 위상 정보를 필요로 하는 홀로그래픽 광학 소자(Holographic Optical Element : 홀로그래픽 광학 소자)를 프린팅을 통해 제작이 가능하다.

하지만 기존의 홀로그래픽 프린팅의 경우 complex field 값을 표현하기 위해 SLM의 1차 회절 성분을 이용하게 되고, 이 과정에서 대부분의 에너지가 집중된 DC값을 버리게 되어 매우 낮은 광효율을 갖게 된다.

그 결과로 홀로그램 프린팅시 홀로그래픽 매질에 전달되는 에너지가 낮아 호겔 당 기록 시간이 길어지게 되고, 이는 진동에 의한 홀로그램 기록 품질 저하, 전체적인 기록 시간 증대 등의 문제로 이어지게 된다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은, 변형 거울(Deformable mirror)를 이용하여 홀로그래픽 광학 소자를 프린팅할 수 있는 방법을 제공함에 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른, 홀로그래픽 프린터는, 광을 출사하는 광원; 광원에서 출사되는 광 중 일부를 변형 거울(deformable mirror)로 위상 변조하여 홀로그래픽 매질에 물체 광(object beam)으로 입사시키는 광학 엔진(Optical Engine); 및 광원에서 출사되는 광 중 나머지를 홀로그래픽 매질(holographic material)에 참조 광(reference beam)으로 입사시키는 광학계;를 포함한다.

본 발명의 일 실시예에 따른, 홀로그래픽 프린터는, 광원에서 출사되는 광 중 일부는 광학 엔진으로 전달하고, 나머지는 광학계 측으로 전달하는 제1 빔 스플리터(beam splitter);를 더 포함할 수 있다.

광학 엔진은, 입사되는 광을 특정 폭 만큼만 통과시키는 애퍼처(aperture); 애퍼처를 통과한 광을 각기 다른 각도로 반사하여 광경로를 변경시키는 회전 거울(rotating mirror); 회전 거울에서 출사되는 광을 위상 변조하여 홀로그래픽 매질로 반사하는 변형 거울;을 포함할 수 있다.

회전 거울는, 제1 방향으로 θ°까지 회전하였다가, 제1 방향과 반대 방향인 제2 방향으로 θ°까지 회전할 수 있다.

변형 거울는, 회전 거울의 회전에 의해, 입사 광의 입사 각이 특정 범위 내에서 변동할 수 있다.

특정 범위는, -2θ°내지 +2θ°일 수 있다. 그리고, 특정 폭은, 변형 거울의 유효 폭과 동일할 수 있다.

광학 엔진은 애퍼처를 통과된 광을 반사하여 회전 거울로 입사시키고, 회전 거울에서 반사된 광을 투과시키는 제2 빔 스플리터; 제2 빔 스플리터에서 투과되는 광을 전달하는 제1 렌즈와 제2 렌즈; 제1 렌즈와 제2 렌즈를 통해 전달되는 광을 반사하여 변형 거울로 입사시키는 제3 빔 스플리터;를 더 포함할 수 있다.

회전 거울과 제1 렌즈 간의 거리는, 제1 렌즈의 초점 거리이고, 제1 렌즈와 제2 렌즈 간의 거리는, 제1 렌즈의 초점 거리와 제2 렌즈의 초점 거리의 합이며, 제2 렌즈로부터 제2 빔 스플리터를 통한 변형 거울 까지의 광경로의 길이는, 제2 렌즈의 초점 거리일 수 있다.

본 발명의 다른 실시예에 따른, 홀로그래픽 프린팅 방법은, 광을 출사하는 단계; 출사되는 광 중 일부를 변형 거울로 위상 변조하여 홀로그래픽 매질에 물체 광으로 입사시키는 단계; 및 광원에서 출사되는 광 중 나머지를 홀로그래픽 매질에 참조 광으로 입사시키는 단계;를 포함한다.

본 발명의 다른 실시예에 따른, 광학 엔진은, 입사되는 광을 특정 폭 만큼만 통과시키는 애퍼처; 애퍼처를 통과한 광을 각기 다른 각도로 반사하여 광경로를 변경시키는 회전 거울; 회전 거울에서 출사되는 광을 위상 변조하여 홀로그래픽 매질로 반사하는 변형 거울;을 포함한다.

한편, 본 발명의 다른 실시예에 따른, 광 변조 방법은, 입사되는 광을 특정 폭 만큼만 통과시키는 단계; 통과한 광을 각기 다른 각도로 반사하여 광경로를 변경시키는 단계; 광경로가 변경되는 광을 위상 변조하여 홀로그래픽 매질로 반사하는 단계;를 포함한다.

이상 설명한 바와 같이, 본 발명의 실시예들에 따르면, 변형 거울을 이용하여 홀로그래픽 광학 소자를 프린팅하여 제조함으로써, 기록 시간을 크게 줄일 수 있고, 홀로그래픽 광학 소자의 품질을 향상시킬 수 있다.

도 1. 홀로그래픽 프린팅 방식 - 호겔 및 타일링
도 2. 홀로그래픽 프린팅 방식 - 호겔의 기록 방법
도 3. 변형 거울의 작동원리 - Idle state
도 4. 변형 거울의 작동원리 - On state
도 5. 변형 거울 기반 파면 프린팅을 위한 광학 엔진
도 6 내지 도 8. 변형 거울 기반 파면 프린팅을 위한 광학 엔진
도 9. 변형 거울을 적용한 홀로그래픽 프린터

이하에서는 도면을 참조하여 본 발명을 보다 상세하게 설명한다.

본 발명의 실시예에서는 변형 거울(deformable mirror)을 이용한 홀로그래픽 광학 소자의 프린팅 방법을 제시한다.

본 발명의 실시예에서는 홀로그래픽 광학 소자를 홀로그래픽 프린팅의 방법으로 제조함에 있어, SLM을 대신하여 변형 거울을 이용함으로써, 필터링 해야 하는 DC값 없이 위상 정보를 표현함으로써 호겔당 프린팅 시간을 크게 줄이고, 결과적으로 기록된 홀로그래픽 광학 소자의 품질을 향상시키고, 전체 기록 시간을 크게 줄일 수 있도록 한다.

도 3과 도 4는 변형 거울의 일반적인 구조 및 작동원리에 대해 보여준다. 보통 변형 거울은 거울 역할을 하는 멤브레인 표면(membrane surface)와 그 밑에 전기적으로 구동 가능한 다수의 액츄에이터들로 이루어져 있다.

구동 시에는 각 액츄에이터의 전극(electrode)에 가해지는 전압을 조절하여 액츄에이터 별로 서로 다른 거리를 이동시킬 수 있다. 이를 통해 멤브레인 표면의 표면 형상을 변화시킬 수 있으며, 이에 의해 반사되는 파면의 위상을 변화시킬 수 있다.

이러한 변형 거울은 픽셀화 되지 않은 구조이기 때문에 DC값을 필터링할 필요가 없으며, 입력광에 대해 매우 높은 에너지 효율을 가지는 동시에 위상 변조를 할 수 있다.

따라서 변형 거울을 기존의 홀로그램 프린터의 SLM 대신 사용함으로써 호겔당 기존 프린터 대비 크게 짧은 기록시간을 갖도록 하며 홀로그래픽 광학 소자를 기록할 수 있다.

하지만 보통 변형 거울은 전극의 개수가 일반적으로 수백개 이내로 제한되기 ?문에, 수K의 해상도를 갖는 SLM에 비해 공간적 해상도가 크게 떨어진다. 따라서 변형 거울로 표현 가능한 공간 주파수의 값이 SLM에 비해 현저히 적어서 변형 거울을 이용한 프린팅을 통해 제작한 홀로그래픽 광학 소자의 회절 가능 각도가 매우 작아지게 된다.

이를 보완하기 위해, 본 발명의 실시예에 따른 변형 거울을 적용한 홀로그래픽 프린터는 단순히 SLM을 변형 거울로 대치하는 것이 아니라, 큰 공간 주파수를 갖는 carrier wave에 변형 거울의 정보를 실어줌으로써, 변형 거울의 표현 공간주파수의 한계를 보완하여 준다.

도 5는 이를 실현하기 위한 광학 엔진이다. 왼쪽 애퍼처(aperture)(110)의 위쪽에서 입사하는 collimated laser beam은 d의 폭을 갖는 애퍼처(110)를 통과한다. 이 때 d는 변형 거울(170)의 유효 폭과 같다. 애퍼처(110)에 의해 입사되는 collimated laser beam은 d의 폭 만큼만 제한적으로 통과된다.

애퍼처(110)를 통과한 collimated laser beam은 빔 스플리터(beam splitter)(130)에 의해 반사된 후 회전 거울(rotating mirror)(120)에서 다시 반사되어, 초점거리 f를 갖는 렌즈(140)에 도달한다. 이 때, 회전 거울(120)와 렌즈(140) 사이의 거리는 렌즈(140)의 초점거리 f와 같다.

렌즈(140)를 통과한 후의 광경로는 2f 만큼의 거리를 전파 후 다시 초점거리 f의 렌즈(150)에 도달한다. 렌즈(140)와 렌즈(150) 간의 거리는 렌즈(140)의 초점거리 f와 렌즈(150)의 초점거리 f의 합 2f이다.

두 번째 렌즈(150)를 통과 후 빔 스플리터(160)에 의해 반사되어 변형 거울(170)의 면에 도달하게 된다. 이 때 두 번째 렌즈(150)를 통과한 후 빔 스플리터(160)에서 반사되어 변형 거울(170)의 면에 도달하기 까지의 광경로 s+t는 렌즈(150)의 초점거리 f와 같다.

이와 같은 광경로에 의해 두 개의 렌즈(140,150)는 4f 시스템을 이루게 된다.

도 6 내지 도 8은 회전 거울(120)에 의해 변형 거울(170)에 carrier wave를 인가해주는 방법을 보여준다.

도 6은 회전 거울(120)이 회전하지 않았을 때 collimated laser beam의 광경로를 보여준다. 앞서 설명한 바와 같이 애퍼처(110)를 통과한 collimated laser beam은 화살표 선의 경로를 따라 빔 스플리터(130)에서 반사되어 회전 거울(120) 면에서 반사되어 렌즈 두 개(130,140)를 통과한 후 다시 빔 스플리터(160)에서 반사되어 변형 거울(170)의 면에 도달한다.

이 때 입사광은 변형 거울(170)의 면에 수직으로 입사하며, carrier wave의 공간 주파수는 0이 된다.

도 7과 도 8은 회전 거울(120)이 위 아래로 회전했을 때 광경로를 보여준다. 회전 거울(120)이 θ만큼 회전했을 때, 회전 거울(120)의 면에서 반사된 입사광은 화살표 선을 따라서 2θ만큼의 각도를 가지고 반사되어 진행하게 되며, 빔 스플리터(130)와 두 개의 렌즈(140,150)를 지나 빔 스플리터(150)에서 반사된 후 변형 거울(170)의 면에 도달하게 된다.

이 때 입사광은 변형 거울(170)의 면에 2θ만큼의 각도를 가지고 입사하게 되며, 변형 거울(170)의 면의 위상 정보가 입사광의 기울어진 각도에 해당하는 공간 주파수를 carrier frequency로 하여 spectral domain에서 shift되게 된다.

이와 같이 회전 거울(120)은 애퍼처(110)를 통과한 광을 각기 다른 각도로, 구체적으로 오른쪽 방향으로 θ°까지 회전하였다가 왼쪽 방향으로 θ°까지 회전하면서 반사하여 광경로를 변경시킨다.

그리고 회전 거울(120)에 의해, 변형 거울(170)은 입사 광의 입사 각이 특정 범위 내에서, 구체적으로 입사 축에서 왼쪽 방향으로 2θ° 부터 오른쪽 방향으로 2θ°까지 변동되는 것이다.

도 9는 도 5의 변형 거울(170)을 위한 광학 엔진(100)을 홀로그래픽 프린팅에 적용시킨 시스템의 개념도이다.

레이저(Laser)(10)로부터 출발한 광은 Spatial filter(20)를 거친 후에 collimated laser beam으로 collimation 되는데, 이는 빔 스플리터(30)를 통해 물체 광(object beam)을 생성하기 위한 광경로와 참조 광(reference beam)을 생성하기 위한 광경로로 나누어진다.

참조 광을 생성하기 위한 광은 두 개의 거울(40,50)을 통해 반사되어, 홀로그래픽 매질(holographic material)(80)로 입사된다.

또한 물체 광을 생성하기 위한 광은 광학 엔진(100)의 애퍼처(110)로 입사되며, 도 6 내지 도 8에 설명된 바와 같은 광경로를 거쳐 최종적으로 변형 거울(170)의 면에 의해 반사되어 회절 광으로 출력된다.

이렇게 출력된 빛은 f_in의 초점거리를 가지는 렌즈(60)와 f_o의 초점거리를 가지는 렌즈(70)로 구성된 축소 광학계를 통해 f_o/_in의 배율로 변형 거울(170) 면의 위상 분포를 축소시켜 홀로그래픽 매질(80)의 면에 이미징 시키게 되며, 이렇게 이미징된 위상 정보가 참조 광과의 간섭을 통해 하나의 호겔로써 홀로그래픽 매질면에 기록 된다.

각 호겔을 기록할 때, 회전 거울(120)의 회전각을 조절함으로써 기록되는 호겔 정보에 carrier frequency를 인가하며 기록할 수 있다.

지금까지 변형 거울을 이용한 홀로그래픽 광학 소자 프린터 및 이를 이용한 홀로그래픽 광학 소자 프린팅 방법에 대해 바람직한 실시예를 들어 상세히 설명하였다.

위 실시예에서 제시한 홀로그래픽 프린터에서 광학 엔진 만을 분리하여 구현하는 경우도 본 발명의 기술적 사상이 적용될 수 있다.

또한, 이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 도시하고 설명하였지만, 본 발명은 상술한 특정의 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진자에 의해 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 이러한 변형실시들은 본 발명의 기술적 사상이나 전망으로부터 개별적으로 이해되어져서는 안될 것이다.

10 : 레이저(laser)
60,70 : 축소 광학계
80 : 홀로그래픽 매질(holographic material)
100 : 광학 엔진(Optical Engine)
110 : 애퍼처(aperture)
120 : 회전 거울(rotating mirror)
130,160 : 빔 스플리터(beam splitter)
140,150 : 렌즈(lens)
170 : 변형 거울(deformable mirror)

Claims

광을 출사하는 광원;
광원에서 출사되는 광 중 일부를 변형 거울(deformable mirror)로 위상 변조하여 홀로그래픽 매질에 물체 광(object beam)으로 입사시키는 광학 엔진(Optical Engine); 및
광원에서 출사되는 광 중 나머지를 홀로그래픽 매질(holographic material)에 참조 광(reference beam)으로 입사시키는 광학계;를 포함하고,
광학 엔진은,
입사되는 광을 특정 폭 만큼만 통과시키는 애퍼처(aperture);
애퍼처를 통과된 광을 반사하여 회전 거울로 입사시키고, 회전 거울에서 반사된 광을 투과시키는 제2 빔 스플리터;
제2 빔 스플리터를 통해 입사되는 광을 각기 다른 각도로 반사하여 광경로를 변경시켜 제2 빔 스플리터로 전달하는 회전 거울(rotating mirror);
제2 빔 스플리터에서 투과되는 광을 전달하는 제1 렌즈와 제2 렌즈;
제1 렌즈와 제2 렌즈를 통해 전달되는 광을 반사하여 변형 거울로 입사시키고, 변형 거울에서 반사되는 광을 홀로그래픽 매질로 투과시키는 제3 빔 스플리터;
제3 빔 스플리터로부터 전달되는 광을 위상 변조하여 제3 빔 스플리터로 반사하는 변형 거울;을 포함하는 것을 특징으로 하는 홀로그래픽 프린터.
청구항 1에 있어서,
광원에서 출사되는 광 중 일부는 광학 엔진으로 전달하고, 나머지는 광학계 측으로 전달하는 제1 빔 스플리터(beam splitter);를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 홀로그래픽 프린터.
삭제
청구항 1에 있어서,
회전 거울는,
제1 방향으로 θ°까지 회전하였다가, 제1 방향과 반대 방향인 제2 방향으로 θ°까지 회전하는 것을 특징으로 하는 홀로그래픽 프린터.
청구항 4에 있어서,
변형 거울는,
회전 거울의 회전에 의해, 입사 광의 입사 각이 특정 범위 내에서 변동되는 것을 특징으로 하는 홀로그래픽 프린터.
청구항 5에 있어서,
특정 범위는,
-2θ°내지 +2θ°인 것을 특징으로 하는 홀로그래픽 프린터.
청구항 1에 있어서,
특정 폭은,
변형 거울의 유효 폭과 동일한 것을 특징으로 하는 홀로그래픽 프린터.
삭제
청구항 1에 있어서,
회전 거울과 제1 렌즈 간의 거리는,
제1 렌즈의 초점 거리이고,
제1 렌즈와 제2 렌즈 간의 거리는,
제1 렌즈의 초점 거리와 제2 렌즈의 초점 거리의 합이며,
제2 렌즈로부터 제2 빔 스플리터를 통한 변형 거울 까지의 광경로의 길이는,
제2 렌즈의 초점 거리인 것을 특징으로 하는 홀로그래픽 프린터.
광원이, 광을 출사하는 단계;
광학 엔진이, 출사되는 광 중 일부를 변형 거울로 위상 변조하여 홀로그래픽 매질에 물체 광으로 입사시키는 단계; 및
광학계가, 광원에서 출사되는 광 중 나머지를 홀로그래픽 매질에 참조 광으로 입사시키는 단계;를 포함하고,
광학 엔진이, 출사되는 광 중 일부를 변형 거울로 위상 변조하여 홀로그래픽 매질에 물체 광으로 입사시키는 단계는,
광학 엔진의 애퍼처(aperture)가, 입사되는 광을 특정 폭 만큼만 통과시키는 단계;
광학 엔진의 제1 빔 스플리터가, 애퍼처를 통과한 광을 반사하여 회전 거울(rotating mirror)로 입사시키는 단계;
광학 엔진의 회전 거울이, 제1 빔 스플리터를 통해 입사되는 광을 각기 다른 각도로 반사하여 광경로를 변경시켜 제1 빔 스플리터로 전달하는 단계;
광학 엔진의 제1 빔 스플리터가, 회전 거울에서 반사된 광을 투과시키는 단계;
광학 엔진의 제1 렌즈와 제2 렌즈가, 제1 빔 스플리터에서 투과되는 광을 전달하는 단계;
광학 엔진의 제2 빔 스플리터가, 제1 렌즈와 제2 렌즈를 통해 전달되는 광을 반사하여 변형 거울로 입사시키는 단계;
광학 엔진의 변형 거울이, 제2 빔 스플리터로부터 전달되는 광을 위상 변조하여 제2 빔 스플리터로 반사하는 단계;
광학 엔진의 제2 빔 스플리터가, 변형 거울에서 반사되는 광을 홀로그래픽 매질로 투과시키는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 홀로그래픽 프린팅 방법.
입사되는 광을 특정 폭 만큼만 통과시키는 애퍼처(aperture);
애퍼처를 통과한 광을 반사하여 회전 거울로 입사시키고, 회전 거울에서 반사된 광을 투과시키는 제1 빔 스플리터;
제1 빔 스플리터를 통해 입사되는 광을 각기 다른 각도로 반사하여 광경로를 변경시켜 제1 빔 스플리터로 전달하는 회전 거울(rotating mirror);
제1 빔 스플리터에서 투과되는 광을 전달하는 제1 렌즈와 제2 렌즈;
제1 렌즈와 제2 렌즈를 통해 전달되는 광을 반사하여 변형 거울로 입사시키고, 변형 거울에서 반사되는 광을 홀로그래픽 매질로 투과시키는 제2 빔 스플리터;
제2 빔 스플리터로부터 전달되는 광을 위상 변조하여 제2 빔 스플리터로 반사하는 변형 거울;을 포함하는 것을 특징으로 하는 광학 엔진.
애퍼처(aperture)가, 입사되는 광을 특정 폭 만큼만 통과시키는 단계;
제1 빔 스플리터가, 애퍼처를 통과한 광을 반사하여 회전 거울(rotating mirror)로 입사시키는 단계;
회전 거울이, 제1 빔 스플리터를 통해 입사되는 광을 각기 다른 각도로 반사하여 광경로를 변경시켜 제1 빔 스플리터로 전달하는 단계;
제1 빔 스플리터가, 회전 거울에서 반사된 광을 투과시키는 단계;
제1 렌즈와 제2 렌즈가, 제1 빔 스플리터에서 투과되는 광을 전달하는 단계;
제2 빔 스플리터가, 제1 렌즈와 제2 렌즈를 통해 전달되는 광을 반사하여 변형 거울로 입사시키는 단계;
변형 거울이, 제2 빔 스플리터로부터 전달되는 광을 위상 변조하여 제2 빔 스플리터로 반사하는 단계;
제2 빔 스플리터가, 변형 거울에서 반사되는 광을 홀로그래픽 매질로 투과시키는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 광 변조 방법.