KR19990076349A - 반사형 홀로그래픽 광학 소자 특성 측정 시스템 - Google Patents

반사형 홀로그래픽 광학 소자 특성 측정 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은 반사형 홀로그래픽 광학 소자의 최대 회절 효율을 주는 파장, 각 및 분광 선택도, 격자 벡터의 방향 등에 관한 정보를 실시간 인-라인(in-line)으로 동시에 육안으로 측정할 수 있는 시스템에 관한 것으로서, 피측정 홀로그래픽 광학 소자의 Bragg 조건을 만족하는 입사각보다 큰 각도의 퍼짐각을 가지는 발산 또는 확산빔을 이용하여, 입사빔의 회절에 의한 반사로 피측정 홀로그래픽 광학 소자를 투과한 빔의 강도 분포에 생기는 어두운 링 패턴의 특성을 영상 처리에 의해 분석함으로서 홀로그래픽 광학 소자의 특성을 측정하기 위한 것이며, 이를 구현하기 위한 본 발명에 따른 시스템은 다파장 발진 레이저 광원, 확산판, 광각 대물렌즈 및 컴퓨터 등으로 구성되어 있다.

Description

반사형 홀로그래픽 광학 소자 특성 측정 시스템
본 발명은 레이저, 마이크로 대물렌즈, 빔 확산판(diffuser), 낮은 에프수(f-number) 렌즈, 확산 스크린(diffusive screen) 그리고 촬상 소자(charge coupled device: CCD) 카메라와 같은 영상 입력 장치 등으로 구성된 간단한 광학계를 이용하여 반사형(reflection type) 홀로그래픽 광학 소자 (holographic optical element :HOE)의 분광 및 각 선택도(spectral and angular selectivities), 최대 회절 효율(maximum diffraction efficiency)을 주는 파장, 그리고 기판에 대한 격자 벡터(grating vector)의 공간 방향(spatial orientation) 등의 특성을 HOE 기판의 위치별로 또는 전체에 대하여 실시간으로 동시에 측정하는 시스템에 관한 것이다.
HOE에 있어 각 선택도 및 분광 선택도는 각각 Bragg 조건을 만족하는 입사각의 편차(deviation)와 이 입사각에서의 파장 편차를 나타낸다. 반사형 HOE는 주로 필터(filter)나 영상 표시를 목적으로 하는 결합기(combiner) 또는 스크린 등으로 사용되어지므로, 각 및 분광 선택도는 반드시 측정되어져야 할 특성의 일부이다. 이 각 및 분광 선택도를 측정하는 종래의 방법은 단색분광계(monochrometer)와 광검지기(photodetector) 또는 분광광도계(spectrophotometer)와 같은 계측기를 사용하여 파장별 또는 입사 각도별 회절 효율을 측정하는 방법으로서 아래와 같은 문제점들을 가지고 있다.
(i) 입사빔의 입사 각도를 정확히 조절하기 위한 정밀 회전 테이블(rotating table) 또는 병진기(translator) 등을 필요로 하며, (ii) 광검지기의 위치가 고정되어 있어, 분광 선택도의 측정은 가능하나 각 선택도의 측정을 위해서는 다른 측정 장치를 필요로 하고, (iii) 각 선택도나 분광 선택도의 측정을 위해서는 입사빔의 위치나 파장을 변화시켜야 하므로 어느 한 위치나 파장에서 측정 후 HOE를 회전시키거나 위치를 바꾸어야 하며, HOE의 동조를 위해서는 수분 처리(wetting) 또는 가열(heating)에 의해 활성을 부풀리거나(swelling) 또는 수축(shrinkage)시켜가면서 동조 여부를 측정해야 하므로, 실시간 측정이 필요한 HOE의 동조(tuning) 과정에서는 사용할 수 없으며, (iv) 계측기로부터의 측정빔은 평행빔(collimated beam)이 아니므로 각 및 분광 선택도 측정에 오차가 생길 가능성이 크고, 또한 (v) 한 개의 HOE에 여러 격자 벡터가 기록되어 있을 때는 측정이 용이하지 않다는 등의 문제점을 가지고 있다.
이러한 문제점들은 HOE의 제작 과정에서 그 특성을 최적화시키는 것을 어렵게 하고 있다.
본 발명은 반사형 HOE의 제작 과정에서 그 특성을 최적화시킬 수 있도록, 발산 또는 확산 빔(diverging or diffusing beam)을 HOE에 조사시 이를 투과하는 투과빔의 강도분포가 HOE의 특성에 따라 달라지는 것을 이용하여, 각 선택도 및 분광 선택도와 격자 벡터의 방향을 동시에 그리고 실시간으로 측정하기 위한 것이다.
도 1은 발산빔을 반사형 HOE에 조사할 때 투과되는 빔의 강도 분포를 도시하는 도면.
도 2는 확산판을 통과한 레이저 빔을 반사형 HOE에 조사할 때 투과되는 빔의 강도 분포 특성 측정 방법을 예시하기 위한 도면.
도 3은 HOE 측정 시스템을 개략적으로 도시하는 도면.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
1 : 발산 레이저 빔
2 : 반사형 홀로그래픽 광학 소자의 활성층
3 : 확산 스크린(diffusive screen)
4 : 회절빔
8 : 격자 벡터 방향
10 : 레이저 빔의 발산점
12 : 격자 간격
15 : 링 폭
17 : 평행 레이저 빔
18 : 확산판
19 : 활성층
20 : 기판
21 : 반사형 홀로그래픽 광학 소자
22 : 마이크로 대물 렌즈
23 : 확산 스크린
24 : 조사빔이 직접 통과하는 부분
28 : 레이저
29 : 평행 레이저 빔
30 : 조사빔이 직접 통과하는 부분
31 : 확산판
32 : 피측정 반사형 홀로그래픽 광학 소자
33 : 카메라
34 : 컴퓨터
35 : 모니터
36 : 눈금 발생기(scale generator)
일반적으로, HOE는 홀로그램에 비해 격자 벡터의 크기와 방향이 일정하여 Bragg 조건을 만족하는 범위 내에서는 회절빔의 방향은 입사빔에 의해 정해지므로, 입사빔을 발산시켜 그 발산각이 Bragg 조건을 만족하는 입사 각도보다 크게 하여 HOE에 입사시키게 되면, 반사형의 경우 Bragg 조건을 만족하는 입사각에서는 회절에 의한 빔의 반사가 일어나므로 HOE를 투과한 빔의 강도 분포(intensity distribution)에는 회절빔의 위치와 회절 각도에 대응하는 일정폭을 가진 어두운 링형(ring type) 패턴이 형성된다. 이 링의 반경은 회절각에 의해 정해지며, 그 폭은 입사빔의 파장에 대응하는 각 선택도를 나타내며, 이 각 선택도를 이용해 분광 선택도를 구할 수 있다. 도 1은 이러한 원리를 설명하기 위한 도면으로, 발산하는 레이저빔을 반사형 HOE에 조사시 링형 패턴이 생기는 것을 도시하고 있다. 발산각 α가 Bragg 조건을 만족하는 입사각 θ와 각 선택도를 합친 것 보다 큰 레이저 빔(1)을 격자 벡터(8)의 방향이 HOE의 표면에 수직인 방향 과 이루는 각도가 ø인 반사형 HOE의 활성층(active layer)(2)에 조사하게 되면 이들 투과빔은 레이저빔의 발산점(10)에서 P 거리만큼 떨어져 HOE와 평행하게 놓여 있는 투명한 확산판(diffusive screen)(3) 상에 밝게 나타나는 원래의 발산빔 패턴 내에, 원형에 가까우며 폭이 위치에 따라 조금씩 달라지는 링형의 어두운 부분이 나타나게 된다. 이 링형의 중심(13) 위치는 발산빔 패턴의 중심(14)에 비해, 격자 벡터의 방향(8)과 HOE의 표면에 수직인 방향을 포함하는 평면과 확산판(3)이 교차하는 직선 상을 따라 약간 위로 치우쳐 있고, 링 폭(15)의 크기는 중심에 대해 대칭으로 변하며, 윗 부분의 폭이 아래 부분보다 크게 주어진다. 이 대칭 중심은 격자 벡터의 방향에 대한 정보를 제공하며, 3차원 영상 투사 스크린으로 사용되는 HOE에서와 같이 방향이 다른 여러 격자가 동시에 기록되어 있는 경우 이 격자의 상대적 위치를 각각 식별시켜 주는 역할을 한다. 이 링 중심(13)의 이동 방향과 그 위치는 HOE의 표면에 수직인 방향과 격자 벡터의 방향 편차의 크기를 나타내며, 링 폭의 크기는 Bragg 조건을 만족하는 입사각의 편차, 즉 각 선택도 Δθ1또는 Δθ2(이하, Δθ1or2라함)에 대응하는 굴절각에 있어서의 편차 Δθ' 1or2에 P/cos2θ' 1or2를 곱해준 것으로 주어진다. HOE의 활성층(2) 내에 파장 λ의 레이저빔이 입사각 θ1or2로입사되면, 이 입사빔은 회절되어 반사되므로 이 입사빔의 연장선이 공기 중에서 굴절되어 확산 스크린(3)과 만나는 위치는 어둡게 된다. 이 굴절각이θ' 1or2로 주어지면 아래의 관계식이 성립한다.
θ1＝θ2+ 2ø
식 (1)에서 n은 HOE 활성층(2)의 굴절율(refractive index)을 나타낸다. 활성층(2)의 격자 주기(grating period)(12) Λ는 Bragg 조건에 의해 다음과 같이 표시된다.
식 (4)에서 -는 θ1, +는 θ2의 경우이며, λ=2nΛ되는 파장이 이 HOE의 최대 회절 효율을 주는 파장이다. 식 (1), (2), (4)로부터 Λ는 다음과 같이 주어진다.
식 (5)로부터 주어진 Λ에서는, HOE의 특성 시험을 위해 사용하는 레이저의 파장이 2nΛ 보다는 크지 않아야 하며, λ값이 적을수록 R1or2가 크게 됨을 알 수 있다. 본 발명에 따른 측정 정도는 파장이 다른 여러 레이저빔을 사용하여 향상될 수 있다. 격자 벡터 K는
로 주어진다. 일반적인 홀로그램에서 각 선택도 Δθ 및 분광 선택도 Δλ는 다음과 같은 관계를 가지고 있다.
식 (1)로부터 Δθ는 다음과 같이 주어지므로,
측정에 의해 Δθ'를 구하면 Δλ는 식 (7)로부터 구해진다.
본 발명에 따른 다른 실시예에서는, 도 2에서 예시하는 바와 같이 발산빔 대신에 확산판을 이용하여 반사형 HOE의 특성을 측정하는 방식을 사용한다. 평행 레이저 빔(collimated laser beam)(17)을 반사형 HOE(21)의 활성층(19)과 평행하며 아주 근접하게 놓여 있는 확산판(18)을 통해 HOE(21)의 활성층(19)에 조사시키고, 그 투과광을 활성층(19)에 근접하여 평행하게 놓여 있는 수치개구(numerical aperture)가 아주 큰 대물렌즈(objective lens)(22)를 통해 이 렌즈(22)의 초점(focal point)에 위치해 있는 확산 스크린(23)에 투사시키면, 확산 스크린(23) 상에 도 1에서와 같은 빔 패턴이 형성된다. HOE(21)의 기판(20)의 위치는 측정에 영향을 미치지 않는다. 도 2와 같은 확산판을 사용하는 방식에서는, 확산판(18)에 의해 확산되는 빔의 확산각이 HOE(21)의 Bragg 조건을 만족하는 입사각과 각 선택도를 합친 값보다는 커야하며, 확산판(18)에 의해 확산된 빔은 평행빔의 집합체로 볼 수 있으므로 렌즈(22)를 투과한 빛은 그 초점 평면에 가장 뚜렷한 상을 맺는다. 확산판(18)에 조사빔 (평행 레이저 빔)(17)이 직접 통과할 수 있는 부분(24)을 만들어 놓으면, 이 부분을 통과한 빛은 HOE(21)의 기판(20)이 쐐기형이 아닌 경우에는 HOE(21)를 수직으로 통과하여 렌즈(22)의 중앙을 지나 확산 스크린(23)에 생기는 강도 분포의 중심점 O를 형성한다. 만약 HOE 내에 투과형 기생 간섭 무늬(parasitic fringe)가 있을 경우에는, 확산판을 직접 투과한 빔이 이 무늬에 의해 회절되어 회절빔이 생기게 되므로, 상기 부분(24)를 통과한 빛은 이 기생 간섭 무늬의 존재에 대한 정보도 준다. HOE(21)에 기록된 격자가 표면과 평행이 아닌 경우에는 링의 중심이 강도 분포의 중심 O와 다른 곳에 생긴다. 식 (1) 내지 (8)에서 P를 렌즈(22)의 초점 거리 F로 대신하면 확산판의 경우에 정확한 응용이 가능하다. 단백석인 오팔로 만든 확산체에 빛의 직접 통과 부분을 따로 만들지 않아도 된다.
도 3은 본 발명에 따른 HOE 측정 시스템의 개략도를 도시하고 있다. 다파장(multi-wavelengths) 레이저(28)로부터 평행화된 파장별 레이저빔(29)은 이 레이저빔(29)의 직경보다 적은 직경의 비확산(non-diffusive) 부분(30)을 가진 확산판(31)에 조사되며, 확산판(31)을 거친 빔은 이 판과 평행하게 놓여 있는 피측정 HOE(32)를 거쳐 이 HOE와 평행하며, 레이저빔(29)과 광학축(optical axis)을 같이하는 광각(wide angle) 대물 렌즈와 같은 광학 렌즈를 장착한 CCD 또는 비디오 카메라(33)에 그 투과광의 강도 분포가 직접 기록되며, 비디오 카메라와 같은 영상 입력 장치(33)에 연결된 컴퓨터(34)를 통해 모니터(35)에 그 분포가 표시된다. 이 컴퓨터(34)는 다파장 레이저(28)의 발진 파장을 변화시키며, 눈금 발생기(scale generator)(36)를 통해 다파장 레이저(28)의 발진 파장에 맞는 눈금을 제작하여 모니터(35)에 카메라(33)의 영상과 동시에 표시해 준다. 컴퓨터(34)는 피측정 HOE(32)에 관한 모든 특성을 HOE의 방향별로 표시해 준다.
또한, 컴퓨터(34)는 카메라(33)로부터의 영상을 표시하고 처리하며, 상기 영상으로부터 피측정 HOE(32)의 특성을 계산하여 표시하고, 레이저(28)의 발진 파장을 필요에 따라 변화시키며, 사용되는 레이저 발진 파장에 해당되는 눈금을 상기 눈금 발생기(36)로부터 발진시키며, 또한 눈금의 패턴을 회전시켜 상기 영상의 원하는 위치에 고정시킬 수 있는 기능을 가질 수 있다.
이와 같이, 본 발명에 따른 홀로그래픽 광학 소자 특성 측정 시스템에 의하면, 발산 또는 확산 빔을 HOE에 조사할 때 이 투과빔의 강도 분포가 HOE의 특성에 따라 달라지는 것을 이용하여, 각 선택도 및 분광 선택도, 최대 회절 효율을 주는 파장, 및 기판에 대한 격자 벡터의 공간 방향의 특성을 동시에 그리고 실시간으로 측정할 수 있다.
비록 본 발명이 앞서의 상세한 설명에 의해 특별히 도시되고 설명되었지만, 첨부된 특허 청구 범위에 의해 정의된 발명의 본질과 범위에서 벗어나지 않고도 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진자가 다양한 다른 변형과 변경을 가할 수 있다는 것은 자명하다.

Claims (17)

  1. 반사형 홀로그래픽 광학 소자(reflection type holographic optical element)의 특성을 측정하는 시스템에 있어서,
    레이저 빔을 발생시키기 위한 레이저 광원,
    상기 레이저 광원으로부터의, 상기 레이저빔을 확산시키기 위한 확산판(diffusive screen),
    상기 확산판과 평행하게 놓여 있는 홀로그래픽 광학 소자,
    상기 홀로그래픽 광학 소자에 평행하게 놓여있는 광학 렌즈,
    상기 광학 렌즈에 평행하게 놓여있는 영상 투사 스크린,
    상기 확산판, 상기 홀로그래픽 광학 소자, 상기 광학 렌즈, 및 상기 영상 투사 스크린을 차례로 통과하여 입사되는 레이저빔을 수신하기 위한 빔 수신 수단, 및
    상기 빔 수신 수단에 결합되어 상기 빔 수신 수단으로부터의 레이저 빔 영상으로부터 상기 홀로그래픽 광학 소자의 특성을 계산하기 위한 수단
    을 포함하는 시스템.
  2. 반사형 홀로그래픽 광학 소자의 특성을 측정하는 시스템에 있어서,
    레이저 빔을 발생시키기 위한 레이저 광원,
    상기 레이저 광원으로부터의 상기 레이저빔을 확산시키기 위한 확산판,
    상기 확산판과 평행하게 놓여 있는 홀로그래픽 광학 소자,
    상기 확산판, 상기 홀로그래픽 광학 소자를 차례로 통과하여 입사되는 레이저빔을 수신하기 위한 빔 수신 수단,
    상기 빔 수신 수단에 결합되어 상기 빔 수신 수단으로부터의 레이저 빔 영상으로부터 상기 레이저 빔의 발진 파장에 맞는 눈금을 생성하는 눈금 발생기(scale generator), 및
    상기 빔 수신 수단으로부터의 레이저 빔 영상을 처리하기 위한 수단
    을 포함하는 시스템.
  3. 반사형 홀로그래픽 광학 소자의 특성을 측정하는 시스템에 있어서,
    레이저 빔을 발생시키기 위한 레이저 광원,
    상기 레이저 빔을 발산시키기 위한 발산 수단,
    상기 발산 수단과 평행하게 놓여 있는 홀로그래픽 광학 소자,
    상기 홀로그래픽 광학 소자에 평행하게 놓여있는 영상 투사 스크린,
    상기 발산 수단, 상기 홀로그래픽 광학 소자, 및 상기 영상 투사 스크린을 차례로 통과하여 입사되는 레이저빔을 수신하기 위한 빔 수신 수단, 및
    상기 빔 수신 수단에 결합되어 상기 빔 수신 수단으로부터의 레이저 빔 영상으로부터 상기 홀로그래픽 광학 소자의 특성을 계산하기 위한 수단
    을 포함하는 시스템.
  4. 제1항에 있어서, 상기 레이저 광원의 파장은 측정되는 상기 홀로그래픽 광학 소자를 레이저로 수직(normal)으로 조사(illumination)시 반사되는 파장과 같거나 또는 그 보다 더 짧은 시스템.
  5. 제1항에 있어서, 상기 레이저 광원은 한 개 이상의 동조 가능한 발진 파장을 가지는 시스템.
  6. 제1항에 있어서, 상기 확산판에 입사하는 레이저 빔은 평행광인 시스템.
  7. 제1항 또는 제5항에 있어서, 상기 확산판에 의한 산란광의 퍼짐각은 상기 광학 렌즈의 입력 각 개구(input angle apeture)와 같거나 더 크게 되는 시스템.
  8. 제1항 또는 제5항에 있어서, 상기 확산판에 의한 산란광의 퍼짐각은 측정되는 상기 홀로그래픽 광학 소자의 Bragg 조건을 만족하는 입사각보다 더 크게 되는 시스템.
  9. 제1항, 제5항 또는 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 확산판은 상기 레이저 빔이 조사되는 부분에 상기 레이저 빔의 직경보다 적은 직경을 가지는 비확산(non-diffusive) 투명부를 가지는 시스템.
  10. 제1항에 있어서, 상기 확산판은 빛의 투과와 산란을 동시에 시킬 수 있는 산란체의 특성을 가지는 시스템.
  11. 제1항, 제5항, 제6항, 또는 제10항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 확산판을 직접 투과한 빛은 상기 광학 렌즈의 광학축과 일치하며, 또한 상기 영상 투사 스크린에 표시되는 상의 중심이 되는 시스템.
  12. 제1항에 있어서, 상기 영상 투사 스크린은 눈금판을 가지며, 상기 눈금판은 최대 회절 효율을 주는 파장, 회절 각도, 및 각 선택도(angular selectivity)와 분광 선택도(spectral selectivity)의 비의 눈금을 포함하는 시스템.
  13. 제1항에 있어서, 상기 계산 수단은 상기 빔 수신 수단으로부터의 레이저 빔 영상을 표시하는 시스템.
  14. 제1항에 있어서, 상기 영상 투사 스크린은 상기 광학 렌즈의 초점 거리에 위치한 시스템.
  15. 제2항에 있어서, 상기 눈금 발생기는 최대 회절 효율을 주는 파장, 회절 각도, 및 각 선택도와 분광 선택도의 비의 눈금을 사용 파장 별로 계산하여 상기 레이저 빔 영상과 중첩하여 표시하는 시스템.
  16. 제2항에 있어서, 상기 빔 수신 수단으로부터의 레이저 빔 영상을 처리하기 위한 수단은 상기 레이저 빔 수신 수단으로부터의 상기 레이저 빔 영상을 표시하고 처리하며, 상기 레이저 빔 영상으로부터 측정되는 상기 홀로그래픽 광학 소자의 특성을 계산하여 표시하고, 상기 눈금 발생기가 사용되는 레이저 발진 파장에 해당되는 눈금을 상기 눈금 발생기로부터 발생시키도록 제어하며, 또한 눈금의 패턴을 회전시켜 상기 레이저 빔 영상의 원하는 위치에 고정시킬 수 있는 기능을 가지는 시스템.
  17. 제16항에 있어서, 상기 레이저 빔 영상을 처리하기 위한 수단은 상기 레이저 광원의 발진 파장을 필요에 따라 변화시키는 시스템.
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