KR19990088320A - 광코히런스저감방법과그장치,조명방법과그시스템,및광섬유다발 - Google Patents

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KR19990088320A
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스가누마히로시
이마이유따까
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이데이 노부유끼
소니 가부시끼 가이샤
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Abstract

필요한 최소한의 광경로 길이차를 갖는 광섬유들을 포함하는 광섬유 다발에 의해 코히런트 광의 코히런스의 감소를 실현하기 위하여, 코히런트 광의 코히런스는 출사광 빔의 코히런스 길이를 초과하는 길이차를 갖는 다수의 멀티모드 광섬유들이 다발화된 광섬유 다발이나, 입사 코히런트 광의 코히런스 길이의 60%를 초과하는 길이차를 갖는 다수의 멀티모드 광섬유들이 다발화된 광섬유 다발을 통해 감소된다.

Description

광 코히런스 저감 방법과 그 장치, 조명 방법과 그 시스템, 및 광섬유 다발{OPTICAL COHERENCE REDUCTION METHOD AND ITS DEVICE, ILLUMINATING METHOD AND ITS SYSTEM AND OPTICAL FIBER BUNDLE}
본 발명은 광 코히런스 저감 방법 및 장치, 조명 방법 및 시스템과 광섬유 다발에 관한 것이다.
종래에는, 투사형 액정 디스플레이, 계측 장치 등의 조명 장치에 사용되는 조명용 광원으로, 비용과 간편성과 같은 다양한 이유 때문에 램프와 발광 다이오드(LED) 등과 같은 비간섭성 광원이 사용되어 왔다.
한편, 고체 레이저, 가스 레이저 및 반도체 레이저 등의 레이저로부터 출사된 레이저 빔을 조명용으로 사용하기 위한 시도가 행해지고 있다. 레이저 빔은 지향성에서 우수함과 동시에 고강도를 갖고, 코히런스성이 큰 광 빔이지만, 고코히런스성에 기인한 스페클(speckle)(스페클 노이즈)이라는 기술적으로 가장 곤란한 문제점이 있다.
예를 들어, 반도체 레이저는 상당히 큰 광전 변환 계수를 갖고, 지향성면에서 우수한 레이저 빔을 출사하지만, 반도체 레이저는 고코히런스성에 기인한 스페클이라는 문제점 때문에 조명용 광원에 사용하는 것이 곤란하였다.
1970년대에는 레이저 빔을 사용하는 디스플레이(이하에서는 레이저 디스플레이라 함)에 대한 연구가 다방면으로 행해졌지만, 광원으로부터 출력 부족 및 변조 방법 등과 같은 문제점들에 더해서 스페클이 발생한다는 것이 실용화에 장해가되는 문제들 중 하나이다.
최근에, 고체 레이저의 파장 변환을 사용하는 고출력 레이저, 적(R), 녹(G) 및 청(B)의 삼원색으로 발진할 수 있는 반도체 레이저, 또한 액정과 마이크로 머신 등을 사용하는 공간 광변조기(라이트 벌브)와 같은 레이저 디스플레이의 주요 성분이 될 소자의 기술적인 발전이 비약적으로 진보하였다.
서로에 간섭하거나 관련되지 않는 상호 비간섭적인 N개의 스페클 패턴이 중첩될 경우, 그 합은 스페클 패턴 각각의 강도의 합이 되며, 이 때 스페클들의 콘트라스트는 1/√N 로 감소되는 것으로 알려져 있다.
그러므로, N개의 광섬유가 다발화(bundled)되고 광섬유 각각의 길이가 간섭성이 없는 양으로 미분된다면, 광섬유들간의 간섭은 무시될 수 있다. 이 때, 스페클은 각각의 광섬유에 의해 야기된 스페클 패턴들 I1, I2, ..., In의 강도의 중첩과 같다. 그러므로, 스페클의 콘트라스트는 균일하게 감소된다. 즉, 관련되지 않고 강도가 같은 N개의 스페클 패턴이 중첩될 경우, 콘트라스트는 1/√N 로 된다.
최근에, 스페클(패턴)은 반도체 노광 장치 분야에서 상당한 문제점을 보이고 있으므로, 그에 대한 대책이 취해지고 있다. 이것이 해상도가 향상됨에 따라 단파장 광원과 같은 엑시머 레이저가 도입된 배경이다.
예를 들어, 반도체 장치의 노광 처리에서, 도 7에 도시된 길이와 다른 소자들로 구성된 플라잉 아이 렌즈(20)가 코히런스 제어용으로 사용되는 코히런스 저감 방법, 즉 스페클 및 렌즈(21)에 대한 대책이 플라잉 아이 렌즈(20) 및 마스크(22)의 출사측 단면 사이의 거리 f에 의해 서로 분리된 위치에 배치된다. (시부야 및 우에하라의 일본 특허 출원 소60-230629호의 조명 광학 장치 참조)
그러나, 이 방법에 따르면, 플라잉 아이 렌즈(20)의 각 소자의 길이가 연장되고, 도 7에 도시된 바와 같이 각 소자로부터의 조명 영역의 크기가 다르기 때문에, 효율의 열화와 같은 문제점이 발생한다.
도 8에 도시된 프리즘(23)을 사용하여 동일한 효과를 실현하는 것이 일본 특허 출원 소63-22131호에서 제안되었다. 그러나, 이 방법은 코히런스 저감 효과가 불충분하며 광 손실이 크다는 문제점이 있다.
원리적으로, 동일한 효과가 굴절률의 분산을 사용하여 얻어질 수 있지만, 통상적인 굴절률 분산을 이용한 방법은 소자가 코히런스를 저감하기 위해 거대화된다는 문제점 때문에 충분한 효과를 얻는 것이 곤란하다.
또한, 코히런스 제어에 관한 여러 방법들이 제안되었다. 그러나, 어느 방법에 따르더라도, 피조명체와 육안 사이에 발생된 스페클은 디스플레이 및 현미경 등에서 충분하게 저감될 수 없었다. 또한, 스페클을 제거하기 위하여, 리소그래피 등에 따른 투영 노광 장치에서 보다 더 엄격한 코히런스 제어가 필요하다.
즉, 도 9에 도시된 바와 같이, 조명용 빔(a)에 의해 조명된 물체(24)의 상(27)은 렌즈(25)를 통해 스크린(26) 상에 형성된다. 조명용 빔(a)이 코히런트 광인 경우에, 물체(24)의 거친면 또는 렌즈(25)의 광학 표면의 상태에 기인해 위상이 불규칙하게 산란될 때, 스페클은 스크린(26) 상의 상(27)에 포함된다.
또한, 도 10에 개략적으로 도시된 바와 같이, 스크린 상의 물체의 상이 육안으로 관찰된다는 것은 안구 내의 망막 상에서 렌즈(31)를 경유해 물체(30)의 스크린(32) 상에 상을 결상한다는 것을 의미한다. 즉, 이 과정에서, 스크린(32) 및 안구(33) 상에서 빔의 산란에 의해 광 경로 상에 불규칙한 위상 변위가 야기되고, 스페클도 결상 과정에서 야기된다. 스페클이 스크린(32) 상의 상(image) 위에 중첩되지 않더라도 공간 코히런스가 상의 평면 상에 작용한다면, 도 9에 도시된 관찰자(28)의 망막(34)이나 육안 상에 2차 스페클이 야기된다.
리소그래피에 기초한 투영 노출 장치에 사용된 거울 및 회전 확산판의 섭동과 같은 방법은 코히런스를 저감되지 않고, 스페클을 이동시키면서 평균화하기 때문에, 이 방법들이 사용되더라도 육안 상에 야기된 스페클에 의한 효과는 바람직하지는 않다. 디스플레이 등에 이들 방법을 적용하기 위하여, 스크린 등의 피조명체와 육안 사이의 위치적 관계까 변화되도록, 스크린의 진동이 필요하게 된다. (에릭 지. 러슨, 안토니오 비. 내퍼레이트, 로버트 이. 노튼, 조셉 더블유. 굳맨이 기고한 1976년 출판된 미국 광학 학회지(Journal of Optical Society of America) vol. 66, No. 11의 1290면 내지 1294면의 "Speckle-free rear-projection screen using two screens in slow relative motion" 참조)
한편, 광섬유는 지금까지 통신용으로만 주로 개발되어 왔으며, 그 재료로는 석영 등으로 주로 구성된 유리 섬유가 주로 사용되어 왔다. 모드 분산을 피하기 위하여, 싱글 모드 광섬유가 주로 개발되었다.
유리 섬유에서는 가시 단파장 영역에서 분산이 증가되고 투과율은 열화된다. 그러므로, 가시 광선에의 광섬유 응용은 긴 거리의 전송이 필요치 않는 현미경 등과 같은 조명용 멀티모드 광섬유 다발에 제한되었다. 특히, 멀티모드 광섬유가 사용되는 경우에 출사 빔의 강도 분포는 균일하므로, 플라잉 아이 렌즈와 같은 복잡한 광 시스템이 필요하지 않다는 커다란 장점이 있다.
한편, 플라스틱 멀티모드 광섬유가 최근에 개발되어 주목되고 있다. (다까이끼 이시구레, 아이수께 니하이 및 야수히로 고이께가 기고한 1994년 7월 1일자 응용 광학학회지 vol. 33, No. 19의 4261면 내지 4266면의 "Graded-index polymer optical fiber for high-speed data communication" 참조) 플라스틱 멀티모드 광섬유는 저가이며, 유리 섬유에 비해, 가시 영역에서 투과율이 가장 크다는 점에 특징이 있다. 또한, 멀티모드 분산도 보통의 유리 섬유와 비교해 매우 크다.
최근에, 자외선 레이저 빔을 전송하기 위한 중공 도파로(hollow waveguide)도 연구되었다. (추보꾸라 하시신 및 구보가 기고한 제 58회 응용 물리학회 학술 연구 강연회 예고집 3a-SR-18의 "자외선 레이저 파워 전송용 중공 도파로의 개선" 참조)
스페클의 콘트라스트가 멀티모드 광섬유로 전송된 코히런트 광의 멀티모드 분산에 의해 감소된다는 것은 이미 알려진 사실이다. (이마이에 의해 기고되어 1979년 출판된 광학 학회지 vol. 8, No. 3의 128면 내지 134면의 "광섬유 스페클의 섭동 특성" 참조)
즉, 도 11에 도시된 바와 같이, 코어(6)와 클래드(5)로 구성된 멀티모드 광섬유(2)에서, 서로 다른 모드가 각각 제공되는 레이저 빔(광 빔, 36) 및 레이저 빔(광 빔, 37)이 다른 전파 속도로 각각 제공되기 때문에, 서로 다른 모드 성분을 각각 갖는 광 빔들은 멀티모드 광섬유(2)의 출사측단(38)에서 서로 다른 시간(t1, t2 및 t3)에 입사된 광 빔들에 대응한다. 그러므로, 상기 멀티모드 분산에 의한 확산이 코히런트 광 보다 커지면, 출사빔의 코히런스는 열화된다.
그러나, 독립 멀티모드 광섬유 등에서, 광 강도 면에서 충분히 큰 레이저 빔을 전파하는 것은 곤란하며, 각 광섬유로부터 출사된 광 빔은 이와 같은 멀티모드 광섬유들이 다발화되더라도 코히런스하게 구비되며, 코히런스를 제어하는 것, 즉 스페클을 충분히 저감하는 것이 곤란하고, 또한 멀티모드 광섬유를 실질적으로 조명에 적용하는 것도 곤란하여, 분산이 크고 가시 영역에서 높은 투과성을 갖는 광섬유가 필요하다.
디. 글로지(D. Gloge)는 멀티모드 약결합 광섬유의 반지름 방향 모드를 무시하고, 파워의 시간축 상의 전파에 대해서만 해석하여 멀티모드 광섬유의 임펄스 응답을 구하였다. (디. 글로지에 의해 기고되어 1973년에 출판된 "Bell Syst, Tech. Jour"의 vol. 52, No. 6의 801면 내지 816면 및 오고시 오까모또 등에 의해 기고되어 1983년에 옴사에 의해 출판된 "광섬유" 제9장 참조)
즉, 광섬유 내에서 전파된 광 빔들의 모드들이 약하게 결합될 경우에, 전파중에 굴절률의 변동, 광섬유 등의 휘어짐 때문에 모드들 사이에 파워의 이동이 발생한다. 특히, 다수의 모드들이 있고, 광 빔이 모드들 사이에서 파워의 이동을 통해 여러번 전파된다면, 하나의 입력 빔은 여러 모드들로 퍼질 것이다. 이와 같은 경우에는 광섬유의 광축 방향에서의 전달 함수만이 중요하다. 그러므로, 광축 상에서 동일한 전파 상수를 갖는 모드들이 하나의 그룹으로서 통계적으로 해석을 하는 것이 유효하게 될 수 있다.
1970년대에 스페클의 콘트라스트는 불규칙한 섬유 다발을 삽입하여 저감된다는 것이 증명되었다. (디. 코흘러, 더블유. 엘. 자이츠, 티. 알. 로리 및 디. 가든에 의해 기고되어 1974년에 출판된 광학 학회지 12의 24면 내지 28면의 "Speckle reduction in pulsed-laser photographs" 참조) 또한, 레이저 빔 소스의 코히런스 길이 이상의 코히런스 길이를 갖는 광섬유 다발을 사용하여 스페클을 감소하는 것이 제안되었다. (1998년 본 출원인에 의해 일본국에 특허 출원된 일본 특허 출원 평6-167640호 및 평10-25646호 참조)
그러나, 스페클의 콘트라스트를 저감하기 위해 섬유 다발의 수가 증가될 경우에, 최단 광섬유와 최장 광섬유간의 길이차는 광섬유들 사이의 길이차, 즉 광경로 차가 경미하더라도 커지게 된다. 예를 들어, 싱글 모드의 반도체 레이저가 광원으로 사용된다면, 전형적인 광원의 코히런스 길이는 대략 1 m 정도이다. 이와 같은 광경로 길이차를 발생시키기 위해서는 시스템이 커져야 하기 때문에, 다발의 개수에서의 증가는 실제적으로 곤란하다.
100개의 광섬유가 다발화되고, 1 ㎝인 광 경로 길이차가 광섬유들 사이에서 만들어지더라도 각 출사단 및 각 입사단이 각각 정렬된다면, 최단 광섬유와 최장 광섬유 사이의 길이차는 1 m이다. 이 경우에, 취급은 극히 불편하다.
또한, 광섬유가 연장된다면 연장된 양만큼 투과율이 열화되기 때문에, 광섬유의 길이(즉, 광섬유 다발에서 광경로의 길이차)는 광 이용 효율 관점에서 필요 충분하도록 최단화되는 것이 필요하다.
상술한 바와 같이, 지금의 환경에서는 간편하고, 저가이면서도 고성능인 코히런트 제어 기술이 충분치 않기 때문에, 조명용 광원으로 다양한 레이저들을 이용하는 것은 곤란하다. 이 때문에, 레이저 빔을 사용하는 디스플레이와 같은 조명 장치에 응용에는 한계가 있다.
특히, 상술한 문제점들이 광섬유 다발을 사용하여 해결될 경우, 광섬유의 길이 연장되어, 광섬유 내의 전파 손실이 증가되고, 광섬유 각각의 길이가 크게 다르기 때문에 광섬유들을 취급하는 것이 불편하다는 것 등의 큰 문제점들이 발생한다.
본 발명은 상술한 관점에서 발명되었으며, 다발 내의 광섬유 개수가 최소화되도록, 길이가 다른 멀티모드 광섬유들을 다발화함으로써 얻어진 광섬유 다발을 사용하여 광섬유의 코히런스를 충분히 감소시키기 위한 광 코히런스 저감 방법 및 그 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 또 다른 목적은 상술한 광 코히런스 저감 방법 및 그 장치에 따라서 광 빔의 코히런스 및 스페클 노이즈를 충분히 저감함으로써 얻어진 광 빔을 이용하여 조명용 광빔에 이용하는 조명 방법 및 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 광 빔의 코히런스를 충분히 저감하기 위해 광섬유의 개수가 최소가 되도록 길이가 서로 다른 멀티모드 광섬유들이 다발화되는 광섬유 다발을 제공하는 것이다.
즉, 본 발명은 출사광 빔들 사이의 코히런스 길이를 초과하는 광경로 길이의 차이를 갖는(즉, 출사광 빔들 사이에 코히런스 길이를 초과하는 광경로 길이에서의 차이를 갖는) 다수의 멀티모드 광섬유들을 사용하여 이들 멀티모드 광섬유들이 다발화되는 광섬유 다발을 통해 입사 코히런트 광의 코히런스를 저감하기 위한 광 코히런스 저감 방법(이하에서는 본 발명에 따른 코히런스 저감 방법이라 함)에 관한 것이다.
본 발명에 코히런스 저감 방법에 따르면, 입사 코히런트 광의 코히런스는 멀티모드 광섬유로부터 출사하는 출사광 빔의 코히런스 길이를 초과하는 광경로 길이차를 갖는 다수의 멀티모드 광섬유들을 다발화함으로써 얻이지는 광섬유 다발을 통해 감소되기 때문에, 2개의 임의의 멀티모드 광섬유들간의 광경로 길이차는 멀티모드 광섬유들 중 하나로부터 출사광 빔의 코히런스 길이를 초과하므로, 입사 코히런트 광의 코히런스를 충분히 저감하기 위해 최소한도로 필요한 광경로 길이차가 발생하게 된다.
특히, 멀티모드 광섬유로부터 출사광 빔의 코히런스 길이를 초과하는 광경로 길이차를 갖는 다수의 멀티모드 광섬유들을 다발화하여 얻어진 광섬유 다발(멀티모드 광섬유 다발)이 사용되어, 멀티모드 광섬유로부터의 출사광 빔의 코히런스 길이가 입사 코히런트 광의 코히런스 길이보다 충분히 단축되기 때문에, 광원으로부터의 광 빔의 코히런스 길이를 초과하는 광경로 길이차를 갖는 다수의 광섬유들은 일본 특허 출원 평6-16740호 등에 개시된 바와 같이 다발화되며, 광섬유 각각의 길이는 다수의 광섬유가 상술한 바와 같이 다발화될 경우와 비교해 충분히 저감되므로, 각각의 광섬유가 다발화된 광섬유 다발은 소형화 및 경량화가 동시에 이루어질 수 있고, 입사 코히런트 광의 코히런스는 충분히 저감될 수 있다.
또한, 본 발명은 광 코히런스 저감 장치(이하에서는 본 발명에 따른 코히런스 저감 장치라 함)를 제공하는데, 출사광 빔의 코히런스 길이를 초과하는 광경로 길이차를 갖는 다수의 멀티모드 광섬유들(즉, 출사광 빔의 코히런스 길이를 초과하는 광경로 길이를 가짐)이 사용되어, 입사 코히런트 광의 코히런스는 본 발명에 따른 상술한 코히런스 저감 방법을 반복 실행하기 위한 장치와 같이 멀티모드 광섬유들이 다발화되는 광섬유 다발을 통해 저감된다.
또한, 본 발명은 출사광 빔의 코히런스 길이를 초과하는 광경로 길이차를 갖는 다수의 멀티모드 광섬유들(즉, 출사광 빔의 코히런스 길이를 초과하는 광경로 길이를 가짐)이 사용되는 조명 방법(이하에서는 본 발명에 따른 조명 방법이라 함)에 관한 것으로서, 광원으로부터 출사하는 입사 코히런트 광의 코히런스는 이들 멀티모드 광섬유들이 다발화된 광섬유 다발을 통해 저감되고, 저감된 코히런스를 갖는 광 빔은 조명용 광 빔에 이용된다.
본 발명에 따른 조명 방법에 따르면, 광원으로부터 출사하는 입사 코히런트 광의 코히런스가 멀티모드 광섬유로부터 출사하는 출사광 빔의 코히런스 길이를 초과하는 광경로 길이를 갖는 다수의 멀티모드 광섬유들이 다발화된 광섬유 다발을 통해 저감되고, 상술한 광섬유 다발에서 2개의 임의의 멀티모드 광섬유들간의 광경로 길이차는 멀티모드 광섬유들 중 어느 하나로부터의 출사광 빔의 코히런스 길이를 초과하므로, 입사 코히런트 광의 코히런스를 충분히 저감하기 위해 최소한도로 필요한 광경로 길이차가 발생되고, 감소된 코히런스를 갖는 광 빔이 조명용 광 빔에 효과적으로 사용될 수 있다.
특히, 멀티모드 광섬유로부터의 출사광 빔의 코히런스 길이를 초과하는 광경로 길이차를 갖는 다수의 멀티모드 고아섬유들을 다발화함으로써 얻어진 광섬유 다발이 사용되어, 멀티모드 광섬유로부터의 출사광빔의 코히런스 길이가 입사 코히런트 광의 코히런스 길이보다 충분히 짧아지기 때문에, 광원으로부터의 광 빔의 코히런스 길이를 초과하는 광경로 길이차를 갖는 다수의 광섬유들은 상술한 일본 특허 출원 평6-16740호 등에 개시된 바와 같이 다발화되는 것이 요구되지 않고, 다수의 광섬유들이 상술한 바와 같이 다발화되는 경우와 비교해 각 광섬유의 길이(즉, 광경로 길이차)는 충분히 저감될 수 있으므로, 광섬유 각각이 다발화된 광섬유 다발이 소형화 및 경량화될 수 있고, 입사 코히런트 광의 코히런스는 충분히 저감될 수 있고, 작은 스페클 노이즈를 갖는 조명용 광빔이 얻어질 수 있다.
또한, 본 발명은 출사광 빔의 코히런스 길이를 초과하는 광경로 길이차를 갖는 다수의 멀티모드 광섬유들이 사용된 조명 장치(이하에서는 본 발명에 따른 조명 장치라 함)를 제공하는데, 여기서 광원으로부터 출사하는 입사 코히런트 광의 코히런스는 이들 멀티모드 광섬유들이 다발화된 광섬유 다발을 통해 저감되며, 감소된 코히런스를 갖는 출사광 빔이 본 발명에 따른 상술한 조명 방법을 반복 실행하기 위한 장치로서 조명용 광 빔에 사용된다.
또한, 본 발명은 출사광 빔의 코히런스 길이를 초과하는 광경로 길이차를 갖는(즉, 출사광 빔의 코히런스 길이를 초과하는 광경로 길이차를 가짐) 다수의 멀티모드 광섬유가 다발화된 광섬유 다발(이하에서는 본 발명에 따른 광섬유 다발이라 함)을 제공한다.
본 발명에 따른 광섬유 다발에 있어서, 각 멀티모드 광섬유로부터 출사하는 광 빔의 코히런스 길이를 초과하는 광경로 길이차를 갖는 다수의 멀티모드 광섬유들이 다발화되고, 멀티모드 광섬유로부터 출사하는 광 빔의 코히런스 길이가 입사 코히런스 광의 코히런스 길이보다 충분히 짧아지며, 광원으로부터의 광 빔의 코히런스 길이를 초과하는 길이차를 갖는 다수의 광섬유들은 상술한 일본 특허 출원 평6-167640호에 개시된 바와 같이 다발화될 필요가 없으며, 각 광섬유의 길이(즉, 광경로 길이차)는 상기 경우와 비해 충분히 감소될 수 있으므로, 광섬유 다발은 소형화 및 경량화될 수 있으며, 코히런스를 충분히 감소시킬 수 있는 광섬유 다발이 얻어질 수 있다.
도 1a 및 1b는 본 발명의 제1 실시예에 사용될 수 있는 광섬유 다발을 도시하는 개략적인 도면들.
도 2는 제1 실시예와 등가인 조명 장치를 도시하는 개략적인 블럭도.
도 3은 본 발명의 작용을 설명하기 위해 임펄스 응답을 도시하는 그래프.
도 4는 (입사광 빔의 코히런스 길이 Lc가 70.0 ㎜인 경우에) 작용을 설명하기 위하여 광섬유로부터 출사하는 광 빔의 시간에 따른 코히런스 변화를 도시하는 그래프.
도 5는 (입사광 빔의 코히런스 길이 Lc가 70.0 ㎜인 경우에) 작용을 설명하기 위하여 광섬유로부터 출사하는 광 빔의 시간에 따른 코히런스 변화를 도시하는 또 다른 그래프.
도 6은 (입사광 빔의 코히런스 길이 Lc가 70.0 ㎜인 경우에) 작용을 설명하기 위하여 광섬유로부터 출사하는 광 빔의 시간에 따른 코히런스 변화를 도시하는 그래프.
도 7은 플라잉 아이 렌즈를 사용하는 종래 형태의 조명 장치를 도시하는 부분적인 개략도.
도 8은 프리즘을 사용하는 조명 장치를 도시하는 부분적인 개략도.
도 9는 코히런스 제어의 필요성을 설명하기 위한 개략도.
도 10은 또 다른 개략도.
도 11은 광섬유에서 모드 분산에 의해 코히런스를 감소시키는 원리를 설명하기 위한 개략도.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
1: 광섬유 다발
2: 멀티모드 광섬유
3: 입사단
4: 출사단
5: 클래드
6: 코어
먼저, 본 발명에 따른 코히런스 저감 방법 및 그 장치에 대해 각각 설명한다.
본 발명에 따른 코히런스 저감 방법 및 그 장치 각각에 있어서, 출사광 빔의 코히런스 길이를 초과하는 길이차를 갖는 멀티모드 광섬유들이 상술한 다수의 멀티모드 광섬유들에 사용되는 것이 바람직하다. 상술한 광섬유 다발에 있어서, 상기 입사광의 코히런스 길이의 60%를 초과하는 길이차를 갖는 멀티모드 광섬유들이 다발화된 멀티모드 광섬유 다발이 사용되는 것이 바람직하다. 또한, 상기 광섬유 다발은 상기 입사 코히런트 광의 코히런스 길이보다 짧은 길이차를 갖는 멀티모드 광섬유들이 다발화된 멀티모드 광섬유 다발일 수 있다.
이하에서 상세히 설명하겠지만, 멀티모드 광섬유로부터의 출사광 빔의 코히런스 길이는 입사전 광 빔(즉, 입사 코히런트 광)의 코히런스 길이의 대략 60% 정도 이다. 그러므로, 광원으로부터의 광 빔의 코히런스 길이를 초과하는 길이차를 갖는 다수의 광섬유들이 멀티모드 광섬유가 사용된 경우에 다발화되는 것이 필요치 않더라도, 광원으로부터의 광 빔의 코히런스 길이의 60%를 초과(또한, 100% 보다는 짧다)하는 길이차를 갖는 광섬유들이 다발화된다면, 코히런스를 감소시키는 충분한 효과가 얻어질 수 있으며, 또한 전체 장치에 대한 소형화 및 경량화를 이룰 수 있다. 상술한 입사 코히런트 광이 예를 들어 멀티모드 레이저 빔이라면, 멀티모드 광섬유로부터 출사하는 광 빔의 코히런스 길이가 더욱 짧아질 것이다.
상기 입사 코히런트 광의 코히런스 길이가 Lc 이고, 코어의 굴절률이 ncore인 n번째 멀티모드 광섬유의 길이가 Ln (n = 1, 2, ..., m) 이며, 아래의 수학식 1을 만족하는 길이 Ln을 갖는 m개의 멀티모드 광섬유들이 다발화된 멀티모드 광섬유 다발이 상술한 광섬유 다발에 사용된다.
즉, 상술한 광섬유 다발에서 임의의 두 멀티모드 광섬유들 사이의 광경로 길이차 (Ln+1 - Ln)이 입사 코히런트 광의 코히런스 길이 Lc의 60%를 코어의 굴절률 ncore로 나누어 얻어진 값 이상이라면, 상술한 입사 코히런트 광의 코히런스는 충분히 감소될 수 있다.
또한, 광섬유 다발에서 입사 코히런트 광의 입사단 및 출사단이 각각 정렬되는 것이 바람직하다. 그 결과, 상기 광섬유 다발 내로 입사하는 광 빔의 입사 효율이 향상됨과 동시에, 광섬유 다발로부터 출사하는 광 빔이 균일화되고, 광의 이용 효율이 향상될 수 있다.
다음으로, 본 발명에 따른 조명 방법 및 조명 장치에 대해 설명한다.
본 발명에 따른 조명 방법 및 조명 장치 각각에 있어서, 출사광 빔의 코히런스 길이를 초과하는 길이차를 멀티모드 광섬유들이 상술한 다수의 멀티모드 광섬유들에 사용되는 것이 바람직하다. 상기 광섬유 다발에 있어서는, 상기 입사 코히런트 광의 코히런스 길이의 60%를 초과하는 길이차를 갖는 멀티모드 광섬유들이 다발화된 멀티모드 광섬유 다발이 사용되는 것이 바람직하다. 또한, 상기 광섬유 다발은 입사 코히런트 광의 코히런스 길이보다 짧은 길이차를 갖는 멀티모드 광섬유가 다발화된 멀티모드 광섬유 다발일 수 있다.
상세한 것을 후술하겠지만, 멀티모드 광섬유로부터의 출사광 빔의 코히런스 길이는 입사전 광 빔(즉, 입사 코히런트 광)의 코히런스 길이의 대략 60% 정도이다. 그러므로, 광원으로부터의 광 빔의 코히런스 길이를 초과하는 길이차를 갖는 다수의 광섬유들이 멀티모드 광섬유가 사용된 경우에 다발화되는 것이 필요치 않더라도, 광원으로부터의 광 빔의 코히런스 길이의 60%를 초과(또한, 100% 보다는 짧다)하는 길이차를 갖는 광섬유들이 다발화된다면, 코히런스를 감소시키는 충분한 효과가 얻어질 수 있으며, 또한 스페클릉 감소시키는 충분한 효과가 달성됨과 동시에, 모든 조명 장치의 소형화 및 경량화를 달성할 수 있다.
상기 입사 코히런트 광의 코히런스 길이가 Lc 이고, 코어의 굴절률이 ncore인 n번째 멀티모드 광섬유의 길이가 Ln (n = 1, 2, ..., m) 이며, 아래의 수학식 2를 만족하는 길이 Ln을 갖는 m개의 멀티모드 광섬유들이 다발화된 멀티모드 광섬유 다발이 상술한 광섬유 다발에 사용된다.
즉, 상술한 광섬유 다발에서 임의의 두 멀티모드 광섬유들 사이의 광경로 길이차 (Ln+1 - Ln)이 입사 코히런트 광의 코히런스 길이 Lc의 60%를 코어의 굴절률 ncore로 나누어 얻어진 값 이상이라면, 상술한 입사 코히런트 광의 코히런스는 충분히 감소될 수 있고, 작은 스페클 노이즈를 갖는 조명용 광 빔이 얻어진다.
또한, 광섬유 다발에서 입사 코히런트 광의 입사단 및 출사단이 각각 정렬되는 것이 바람직하다. 그 결과, 상기 광섬유 다발 내로 입사하는 광 빔의 입사 효율이 향상됨과 동시에, 광섬유 다발로부터 출사하는 광 빔이 균일화되고, 광의 이용 효율이 향상될 수 있다.
또한, 상기 입사 코히런트 광은 반도체 레이저로부터 출사된 레이저 빔이나 고체 레이저로부터 출사된 레이저 빔의 파장을 비선형적으로 변환함에 의해 얻어진 레이저 빔일 수 있다.
즉, 상기 광원에 있어서, 반도체 레이저 및 고체 레이저와 같은 임의의 레이저 빔 소스가 사용될 수 있고, 충분히 감소된 코히런스를 갖고 지향성에서 우수하며 큰 광 강도를 갖는 레이저 빔이 조명용 광 빔으로 사용될 수 있다. 또한, 상기 입사 코히런트 광은 싱글모드 레이저 빔일 수 있지만, 멀티모드 광섬유로부터 출사하는 광 빔의 코히런스 길이가 단축되기 때문에 멀티모드 레이저 빔이 바람직할 수 있다.
예를 들어, 상기 조명용 광 빔은 디스플레이, 계측 장치, 형광 현미경 등의 현미경 및 반도체 장치의 미세 가공용 노출 장치 등의 노출 장치에 사용될 수 있다.
다음으로, 본 발명에 따른 광섬유 다발을 설명한다.
본 발명에 따른 광섬유 다발에 있어서, 출사광 빔의 코히런스 길이를 초과하는 길이차를 갖는 멀티모드 광섬유들이 상기 다수의 멀티모드 광섬유에 사용되는 것이 바람직하다. 상기 광섬유 다발은 입사 코히런트 광의 코히런스 길이의 60%를 초과하는 길이차를 갖는 멀티모드 광섬유들이 다발화된 광섬유 다발(멀티모드 광섬유 다발)일 수 있다. 또한, 상기 광섬유 다발은 입사 코히런트 광의 코히런스 길이를 초과하지 않는 길이차를 갖는 멀티모드 광섬유들이 다발화된 광섬유 다발일 수 있다.
상세한 것은 후술하겠지만, 멀티모드 광섬유로부터의 출사광 빔의 코히런스 길이는 입사전 광 빔(즉, 입사 코히런트 광)의 코히런스 길이의 60% 정도이다. 그러므로, 광원으로부터의 광 빔의 코히런스 길이를 초과하는 길이차를 갖는 다수의 광섬유들이 멀티모드 광섬유가 사용된 경우에 다발화되는 것이 필요치 않더라도, 광원으로부터의 광 빔의 코히런스 길이의 60%를 초과(또한, 100%를 초과하지 않음)하는 길이차를 갖는 광섬유들이 다발화된다면, 코히런스를 감소시키는 충분한 효과가 얻어질 수 있으며, 또한 스페클릉 감소시키는 충분한 효과가 달성됨과 동시에, 모든 조명 장치의 소형화 및 경량화를 달성할 수 있다.
상기 입사 코히런트 광의 코히런스 길이가 Lc 이고, 코어의 굴절률이 ncore인 n번째 멀티모드 광섬유의 길이가 Ln (n = 1, 2, ..., m) 이며, 아래의 수학식 3을 만족하는 길이 Ln을 갖는 m개의 멀티모드 광섬유들이 다발화된 멀티모드 광섬유 다발이 상술한 광섬유 다발에 사용된다.
즉, 상술한 광섬유 다발에서 임의의 두 멀티모드 광섬유들 사이의 광경로 길이차 (Ln+1 - Ln)이 입사 코히런트 광의 코히런스 길이 Lc의 60%를 코어의 굴절률 ncore로 나누어 얻어진 값 이상이라면, 상술한 입사 코히런트 광의 코히런스는 충분히 감소될 수 있다.
또한, 광섬유 다발에서 입사 코히런트 광의 입사단 및 출사단이 각각 정렬되는 것이 바람직하다. 그 결과, 상기 광섬유 다발 내로 입사하는 광 빔의 입사 효율이 향상됨과 동시에, 광섬유 다발로부터 출사하는 광 빔이 균일화되고, 광의 이용 효율이 향상될 수 있다.
다음으로, 본 발명의 작용을 설명한다.
광섬유 다발의 길이 및 그 광섬유 다발을 구성하는 광섬유들 사이의 길이차를 결정하기 위하여, 광섬유로부터 출사하는 광 빔의 시간에 따른 코히런스가 필요하다.
특히,멀티모드 광섬유들 중에서의 모드 분산이 멀티모드 레이저 빔의 코히런스 길이와 같다면, 광섬유들 사이의 길이차가 대략적인 코히런스 길이인지의 여부는 자명하지 않게 된다. 그러므로, 멀티모드 광섬유의 임펄스 응답 이론을 사용하여 고아섬유로부터 출사하는 광 빔의 시간에 따른 코히런스 길이를 구해야 한다.
상술한 바와 같이, 글로지(D. Gloge)는 멀티모드 약결합 광섬유의 반지름 방향 모드를 무시하고, 파워의 시간축 상의 전파에 대해서만 해석하여 멀티모드 광섬유의 임펄스 응답을 구하였다. (디. 글로지에 의해 기고되어 1973년에 출판된 "Bell Syst, Tech. Jour"의 vol. 52, No. 6의 801면 내지 816면, 디. 글로지에 의해 기고되어 1972년에 출판된 "Bell Syst, Tech. Jour"의 vol. 51, No. 8의 1767면 내지 1783면 및 오고시 오까모또 등에 의해 기고되어 1983년에 옴사에 의해 출판된 "광섬유" 제9장 참조)
즉, 광섬유 내에서 전파된 광 빔들의 모드들이 약하게 결합될 경우에, 전파중에 굴절률의 변동, 광섬유 등의 휘어짐 때문에 모드들 사이에 파워의 이동이 발생한다. 특히, 다수의 모드들이 있고, 광 빔이 모드들 사이에서 파워의 이동을 통해 여러번 전파된다면, 하나의 입력 빔은 여러 모드들로 퍼질 것이다. 이와 같은 경우에는 광섬유의 광축 방향에서의 전달 함수만이 중요하다.
그러므로, 광축 상에서 동일한 전파 상수를 갖는 모드들이 하나의 그룹으로서 통계적으로 해석을 하는 것이 유효하게 될 수 있다. 멀티모드 광섬유에서의 코히런스 전파(propagation)는 상술한 임펄스 응답의 글로지에 의해 아래와 같은 해석의 결과를 사용하여 해석된다.
먼저, 충분히 긴 멀티모드 광섬유의 파워 임펄스 응답 Q(z, t)가 아래의 수학식 4에 의해 구해진다. 수학식 2는 멀티모드 광섬유의 입사단으로부터 거리 z만큼 떨어진 한 지점에서 시간 t에서의 임펄스 응답을 도시한다.
그러나, 수학식 4에서 광섬유 코어의 반지름이 a, 광 빔의 파장이 λ, 코어의 굴절률이 n1, 모드 감쇠 상수는 A이고, 파워 커플링 계수가 d0라면, 수학식 2에서의 γ∞, Θ∞, 및 T는 다음 수학식 5에서 주어진다.
광섬유의 출사단에서의 진폭 u(t)는 임펄스 응답 Q(z, t)에 기초해 다음 수학식 6에서 주어진다.
즉, 입사광 빔의 시간에 따른 코히런스 함수가 γ라면, 출사광 빔의 시간 코히런스 함수가 상기 수학식들을 이용하는 수학식 7에서 보이는 바와 같이 구해진다. 그러나, 수학식 7은 시간 t1및 시간 t1+t' 에서 시간 코히런스를 나타낸다.
도 4 내지 6은 광섬유 길이 L이 1m, 5m, 10m 및 100m이고, 입사광 빔의 코히런스 길이 Lc가 0.7㎜(도 6에 도시됨), 7㎜(도 5에 도시됨) 및 70㎜(도 4에 도시됨)인 경우에 시간 코히런스 측정 결과를 도시한다. 임펄스 응답의 측정 데이타(미쯔비시, MH4001, NA = 0.3 m, SI)에 따라서 피팅(fitting)이 행해지며, γ∞, T 및 Θ∞ 2은 다음과 같다.
γ∞, = 0.045 (1/m)
T = 0.45 ns
Θ∞ 2= 8.1 × 10-3
도 3 내지 6은 측정 결과를 도시한다.
광섬유로부터 출사하는 광 빔의 코히런스 길이가 광섬유 상으로의 입사전 광 빔의 실선으로 도시된 코히런스 길이와 비해 대략 60% 정도까지 감소된다는 것을 도 4 내지 6으로부터 알 수 있다.
또한, 광섬유의 길이가 연장되기 때문에, 광 빔의 코히런스 길이가 경미하게 길어진다는 것을 알 수 있다. 이러한 현상은 입사광 빔의 코히런스 길이가 도 4에 도시된 것 만큼 긴 경우에 특히 현저하며, 멀티모드 광섬유의 멀티모드 분산에 의한 균일화 현상에 의해 발생된다.
또한, 광섬유의 길이가 연장되기 때문에, 비대칭성 임펄스 응답이 대칭적인 가우스 분포에 접근하고, 펄스 길이가 연장되며, 컷오프가 변하지 않더라도, 상관성이 펄스 전후에서 증가된다는 것을 도 5로부터 알 수 있다.
어떤 경우에나, 광섬유의 길이가 단지 필요충분하게 되어야 하기 때문에, 길이는 실제적으로 대략 수 미터(m) 정도인 것이 바람직하다. 광섬유의 불필요한 길이는 무게와 부피면에서 비경제적일뿐 아니라 전파동안의 광 빔 손실이 증가되도록 한다. 또한, 반도체 레이저에 의해 출사된 레이저 빔, 멀티모드 고체 레이저에 의해 출사된 레이저 빔 및 비선형적인 광 효과를 사용하여 파장을 변환함으로써 얻어진 레이저 빔의 코히런스 길이는 대략 수 ㎜ 내지 수십 ㎜ 정도로 설정될 수 있다.
그러므로, 실용적인 설계 범위에서, 출사광 빔의 코히런스 길이가 입사광 빔의 코히런스 길이의 60% 정도로까지 감소되고, 각각의 광섬유로부터의 출사광 빔의 코히런스 길이를 초과하거나 광원으로부터 출사된 광 빔의 코히런스 길이의 60% 정도를 초과하는 광경로 길이차를 갖는 멀티모드 광섬유들을 다발화하여 코히런스가 충분히 감소될 수 있음을 상기 측정 결과로부터 알 수 있다.
즉, 광원으로부터 출사된 광 빔의 코히런스 길이가 Lc 이고, 코어의 굴절률이 ncore인 n번째 멀티모드 광섬유의 길이가 Ln 이면, 아래 수학식 8을 만족하는 길이 Ln (n = 1, 2, ..., m)을 갖는 n개의 멀티모드 광섬유를 다발화하여 충분히 감소될 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명에서는 다음과 같은 표현이 효과적이다.
(광경로 길이차) ≥ (출사광 빔의 Lc의 60%)/(굴절률)
광경로 길이차를 구하기 위한 수단에 있어서, 가장 쉬운 방법은 상술한 바와 같이 길이차를 갖는 광섬유들의 다발을 사용하는 것이지만, 도 8에 도시된 프리즘 및 도 7에 도시된 플라잉 아이 렌즈 등과 같은 수단이 사용되는 경우에, 광경로 길이차는 상술한 작용에 기초해 결정될 수도 있다. 상기 멀티모드 광섬유는 스텝 인덱스형(step index) 광섬유일 수도 있고 그래이드 인덱스형(graded index) 광섬유일 수도 있다. 특히 스텝 인덱스형 플라스틱 광섬유가 바람직하다.
이하에서는 본 발명의 양호한 실시예들을 설명한다.
제1 실시예
도 1에 도시된 바와 같이, 각각의 광섬유로부터의 출사광 빔의 코히런스 길이를 초과하는 길이차를 갖는 다수의 멀티모드 광섬유들(2a, 2b, 2c, 2d, ...)의 입사단(3, 입사측 섬유 다발부) 및 출사단(4, 출사측 섬유 다발부)가 각각 정렬되고, 이들을 다발화하여 출사광 빔의 코히런스 길이를 초과하는 길이차를 갖는 다수의 광섬유들로 구성된 멀티모드 광섬유 다발(1)이 구성된다.
특히, 입사단(3) 및 출사단(3)의 다발은 출사하는 입사 레이저 빔의 결합 효율면에서 도 1b에 도시된 바와 같이 가능한한 밀집되게 만드는 것이 바람직하다. 대칭성을 고려하면, 정육각형을 구성하는 배치, 결정 구조의 한 형태인 HCP 구조(Hexagonal closest packing structure)가 가장 적당하다.
또한, 각 멀티모드 광섬유(2a, 2b, 2c, 2d, ...)는 굴절률이 큰 코어(6) 및 굴절률이 상대적으로 작은 클래드(6)로 구성된 이중 구조를 가지며, 각각의 길이는 멀티모드 광섬유 다발(1) 내에서 다르다. 길이차, 즉 광경로 길이차는 본 발명의 특징적 구성에 따라서 출사광 빔의 코히런스 길이를 초과하는 길이차를 가져야만 한다. 또한, 상기 길이차는 입사 코히런트 광의 코히런스 길이의 60%를 초과지만 100%는 초과하지 않는 것이 더욱 바람직하다.
상술한 바와 같이 길이차를 갖는 다수의 멀티모드 광섬유를 다발화하는 방법에 있어서, 각 광섬유들 모두는 도 1에 도시된 바와 같이 출사광 빔의 코히런스 길이를 초과하는 길이만큼 다른 광섬유들보다 길게 되도록 곡선형으로 접힐 수 있고, 접힌 부분(14)이 있더라도, 멀티모드 광섬유 다발(1)의 입사단(3) 및 출사단(4)은 각각 광섬유들 사이에서 공통적이거나 동일한 위치에 배치된다. 상술한 바와 같이, 둘러싸인 공간은 폴더 등에 의해 효과적으로 사용되며, 상술한 길이차는 멀티모드 광섬유들(2a, 2b, 2c, 2d, ...)이 사용되기 때문에 용이하고도 컴팩트하게 달성될 수 있다. 이와 같은 형태의 광섬유는 도 1에 도시된 것에 한정되지 않고, 광섬유의 접힌 부분의 곡률 크기를 이용하는 임의의 형태로도 구성될 수 있다.
그러므로, 도 1에 도시된 멀티모드 광섬유 다발(1)에서, 다수의 멀티모드 광섬유들(2a, 2b, 2c, 2d, ...)이 다발화된 입사측(3) 상의 섬유 다발 부분 상에 입사된 코히런트 광 α는 멀티모드 광섬유 다발(1)을 통해 이상적인 비간섭성 광 빔을 충분히 감소된 코히런스를 갖는 광 빔으로서 출사한다.
즉, 입사측(3) 상의 섬유 다발 부분 상에 입사된 코히런트 광 α(특히 레이저 빔)는 동일하거나 거의 동일한 광 강도로 각 멀티모드 광섬유(2a, 2b, 2c, 2d, ...) 상에 입사되며, 각각의 멀티모드 광섬유들의 모드 분산에 의해 감소된 시간 코히런스 및 공간 코히런스를 갖는 광 빔들 (a), (b), (c), (d), ...로서 출사한다.
각각의 멀티모드 광섬유는 본 발명의 특징적인 구조에 따라서 길이차(광경로 길이차)를 갖기 때문에, 각 멀티모드 광섬유의 출사측(4) 상의 섬유 다발 부분으로부터 출사하는 광 빔들 (a), (b), (c), (d), ...은 상기 광경로 길이차에 대응하는 위상차를 가지므로, 각 멀티모드 광섬유들로부터 출사하는 광 빔들은 상호 간섭성을 갖게 되며, 이들 광 빔들(특히 멀티모드 레이저 빔들)이 합성될 때에는 광 강도가 크면서도 우수한 지향성을 갖고 동시에 감소된 코히런스를 갖는 실질적으로 비간섭성인 광 빔이 된다.
그러므로, 입사 코히런트 광은 상술한 바와 같이 간단하게 구성된 광섬유 다발을 통해 입사 코히런트 광을 전파함으로써 비간섭성 광 빔으로 사실상 전환되어, 상술한 디스플레이, 계측 장치, 현미경 및 노출 장치 등에 특별히 사용되는 스페클이 감소된 조명용 광 빔에 사용될 수 있다. 또한, 코히런스가 멀티모드 광 섬유들(멀티모드 광섬유 다발)을 통해 감소되기 때문에, 코히런스 저감 효과는 충분하며, 강도 분포는 균일하다. 또한, 광 손실이 매우 적다는 장점이 있다.
도 2는 도 1에 도시된 멀티모드 광섬유 다발(1)을 이용한 디스플레이(레이저 디스플레이)를 도시한다.
도 2에 도시된 디스플레이에서, 우선 레이저 공진기(7)로부터 출사하는 레이저 빔이 렌즈(8) 상에 입사한 다음, 렌즈(8)에 의해 집광된 레이저 빔들이 멀티모드 광섬유 다발(1)의 입사단(3) 상에 입사한다.
멀티모드 광섬유 다발(1) 및 광섬유(9)를 통해 출사하는 레이저 빔들은 렌즈(10)를 통해 예를 들어 투과형 액정 디스플레이 소자들로 구성된 공간 광 변조기(투과형 광 밸브, 11)를 조명한다. 광섬유(9)는 한 다발의 멀티모드 광섬유일 수 있거나, 출사단(4)에서 멀티모드 광섬유 다발(1)에 결합된 또 다른 광섬유일 수 있다.
공간 광 변조기(11)에 의한 상은 렌즈(10)로부터 광을 높은 강도로 조명함에 의해서 투영 렌즈(12)를 통해 스크린(13) 상에 고휘도, 고정밀도 및 충분한 콘트라스트로 투영된다. 상술한 바와 같이, 공간 광 변조기(11)를 조명하기 위한 조명용 광의 코히런스가 상술한 효과에 의해 감소되기 때문에, 스크린을 관찰하는 관찰자의 망막과 스크린 상에서 스페클이 감소된다.
레이저 공진기(7)에 있어서, 고체 레이저, 반도체 레이저, 기체 레이저, 색소 레이저 등이 사용될 수 있고, Nd: YAG 레이저의 제2 및 제5 고조파 등의 고조파가 사용될 수도 있다. 광을 삼원색으로 얻기 위하여, 레이저 이외에도 LED 및 램프와 같은 광원이 레이저 빔 소스와 함께 사용될 수도 있다. 또한, 광원이 하나일 필요는 없으며, 다수의 광원들이 사용될 수도 있다. 그 결과, 출력이 낮더라도 고효율을 갖고 용이하게 취급할 수 있는 반도체 레이저가 사용될 수 있다. 이 경우에도, 다수의 광원들로부터 출사된 광 빔들이 합성될 때, 본 발명에 따른 광섬유 다발이 사용될 수 있다.
다음으로, 도 1 및 2에 도시된 광 시스템이 사용되고, 광원으로 고체 레이저의 고조파(Nd: YAG 레이저의 제2 및 제5 고조파)나 반도체 레이저가 사용되는 경우의 설계예를 설명한다.
플라스틱 광섬유(POF)에 있어서는, 다음의 사양을 갖는 플라스틱 광섬유가 고려된다.
플라스틱 광섬유의 사양
NA: 0.3
코어 및 클래드의 굴절률: 1.495
광섬유 타입: 스텝 인덱스형 광섬유
<제1 설계예>
광원으로 사용된 Nd: YAG 레이저의 제2 고조파를 갖는 스페클 제거용 광 시스템:
광원: Nd: YAG 레이저 SHG
출력: 5 W
모드: 종횡 멀티모드
파장: 532 ㎚
파장폭 (±): 0.004 ㎚
코히런스 길이: 7 ㎜
빔 스페클 콘트라스트: 1 까지
POF 투과율: 0.08 ㏈/m
5 m 투과율: 90% 까지
광섬유 길이차: ＞ 2.8 ㎜
스페클 허용 콘트라스트 10%: 100개 이상
스페클 허용 콘트라스트 5%: 400개 이상
즉, 입사 코히런트 광의 코히런스 길이 Lc가 7 ㎜이고, 코어의 굴절률 ncore는 1.495인 n번째 광섬유의 길이가 Ln 인 경우에, (Ln+1- Ln), 즉 n번째 멀티모드 광섬유와 (n+1)번째 멀티모드 광섬유 사이의 광경로 길이차 L은 상술한 수학식 1에기초해 다음과 같이 되며, 광섬유들간의 길이차가 2.8 ㎜ 보다 크게 얻어진다.
또한, 최단 광섬유의 길이가 1 m 이고, 광섬유간의 길이차가 1 이라면, 스페클 허용 콘트라스트가 10% 및 5% 인 경우에 각각이 1 내지 2 m 인 길이를 갖는 100개의 광섬유들이 다발화되고, 각각이 1 내지 5 m 인 길이를 갖는 100개의 광섬유들이 각각 다발화되는 것이 바람직하다.
<제2 설계예>
적색 반도체 레이저가 광원으로 사용된 스페클 제거용 광 시스템:
광원: 반도체 레이저
출력: 30 mW
모드: 종횡 멀티모드
파장: 650 ㎚
파장폭 (±): 2 ㎚
코히런스 길이: 20 ㎜
빔 스페클 콘트라스트: 0.65
POF 투과율: 0.12 ㏈/m
5 m 투과율: 85%
광섬유 길이차: ＞ 8.0 ㎜
스페클 허용 콘트라스트 10%: 43개 이상
스페클 허용 콘트라스트 5%: 169개 이상
즉, 입사 코히런트 광의 코히런스 길이 Lc가 20 ㎜이고, 코어의 굴절률 ncore는 1.495인 n번째 광섬유의 길이가 Ln 인 경우에, (Ln+1- Ln), 즉 n번째 멀티모드 광섬유와 (n+1)번째 멀티모드 광섬유 사이의 광경로 길이차 L은 상술한 수학식 1에기초해 다음과 같이 되며, 광섬유들간의 길이차가 8.0 ㎜ 보다 크게 얻어진다.
또한, 최단 광섬유의 길이가 1 m 이고, 광섬유간의 길이차가 2 ㎝라면, 스페클 허용 콘트라스트가 10% 및 5% 인 경우에, 각각이 1 내지 1.86 m 인 길이를 갖는 43개의 광섬유들이 다발화되고, 각각이 1 내지 4.38 m 인 길이를 갖는 169개의 광섬유들이 각각 다발화되는 것이 바람직하다.
상술한 바와 같이, 본 실시예에 따르면,
(1) 간편하고, 저렴하면서도 고성능인 코히런스 제어가 다양한 레이저에 대하여 실행되고, 스페클이 감소된 상태로 물체 조명용 광원에 사용될 수 있다.
(2) 멀티모드 광섬유 다발의 효율이 향상될 수 있으며, 다발의 소형화 및 경량화를 이룰 수 있으며, 제조 비용이 감소될 수 있다.
(3) 멀티모드 광섬유들의 공감 모드들의 중첩에 의해 낮은 비용으로도 좁은 공간에서 조명의 균일화가 용이하게 달성될 수 있다.
(4) 디스플레이, 계측 장치, 현미경 및 노광 장치와 같은 광학 장치가 광전 변환 효율이 높은 레이저를 사용하여 구성될 수 있다. 그 결과, 광학 장치들의 성능이 향상되고, 이 광학 장치들이 소형화되며, 제조 비용을 감소한다.
본 발명의 양호한 실시예가 상술되었지만,본 발명은 이 실시예에 제한되지 않는다.
예를 들어, 상기 멀티모드 광섬유들의 길이가 상기 다수의 멀티모드 광섬유들 중 어느 것을 휘게함으로써 코히런트 광의 코히런스 길이를 초과하도록 멀티모드 광섬유의 길이차가 발생될 수 있지만, 그 휘어지는 방법은 상술한 것에 제한되지 않고, 상술한 길이 조건을 만족하도록 다양한 형태로 선택될 수 있다. 특히, 투과성이 크고, 곡률 반경이 크기 때문에, 상술한 멀티모드 광섬유가 플라스틱 광섬유인 것이 바람직하다.
그렇지 않으면, 중공 멀티모드 광섬유가 상기 멀티모드 광섬유에 사용될 수도 있고, 상기 입사 코히런트 광이 자외선 레이저 빔(즉, 자외선 레이저 빔 출사용 레이저가 상기 광원으로 사용될 수 있음)일 수 있으므로, 계측 장치, 현미경 및 노광 장치 등의 광원용 자외선 광 빔을 사용하는 광학 장치가 구현될 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 조명 방법 및 조명 장치 각각에 있어서, 상기 조명광을 이용하여 마이크로 미러 등으로 구성된 공간 광 변조기 및 액정 소자를 조명하고, 스크린 상에 상을 투영하여 스페클이 방지되어, 또한 고휘도 및 고 정밀도를 갖는 디스플레이가 구현된다.
또한, 계측 정밀도가 큰 계측 장치는 조명용 광을 사용하여 계측된 물체를 조명하고, 그 물체의 형태를 반사 및/또는 투과광 빔의 강도 등으로 계측하여 구현된다. 또한, 상기 조명용 광을 사용하는 형광 현미경 등의 현미경이 구현된다. 또한, 고 콘트라스트를 갖고 촛점 거리가 긴 노광 상은 광원으로 상기 조명용 광(특히, 자외선 레이저 빔)을 사용하여, 마스크 등을 통해 특히 자외선 노광 장치에 의해 피노광 물체를 조명하여 얻어진다.
본 발명에 따른 코히런스 저감 방법에 따르면, 출사광 빔의 코히런스 길이를 초과하는 광경로 길이차를 갖는 다수의 멀티모드 광섬유들이 사용되고, 입사 코히런트 광의 코히런스가 이들 멀티모드 광섬유들이 다발화된 광섬유 다발에 의해 감소되기 때문에, 광섬유 다발에서 임의의 2개의 멀티모드 광섬유들간의 광경로 길이차가 어느 멀티모드 광섬유로부터의 출사광의 코히런스 길이보다 커지므로, 입사 코히런트 광의 코히런스를 충분히 감소하기 위한 최소한도로 필요한 광경로 길이차가 발생된다.
특히, 멀티모드 광섬유로부터의 출사광 빔의 코히런스 길이를 초과하는 광경로 길이차를 갖는 다수의 멀티모드 광섬유들이 다발화된 광섬유 다발이 사용되고, 멀티모드 광섬유로부터의 출사광 빔의 코히런스 길이가 상술한 바와 같은 입사 코히런트 광의 코히런스 길이보다 충분히 짧아지기 때문에, 광원의 코히런스 길이를 초과하는 길이차를 갖는 다수의 광섬유들이 상술한 일본 특허 출원 평6-167640호에 개시된 바와 같이 다발화될 필요가 없으며, 각 광섬유의 길이는 다수의 광섬유들이 다발화된 상기 경우에 비해 충분히 저감될 수 있으므로, 이와 같은 광섬유들을 다발화하는 광섬유 다발이 소형 경량화될 수 있음과 동시에, 입사 코히런트 광의 코히런스는 충분히 저감될 수 있다.
본 발명에 따른 코히런스 저감 장치에 따르면, 출사광 빔의 코히런스 길이를 초과하는 광경로 길이차를 갖는 다수의 멀티모드 광섬유들이 사용되고, 입사 코히런트 광의 코히런스가 이들 멀티모드 광섬유들이 다발화된 광섬유 다발을 통해 저감되기 때문에, 본 발명에 따른 코히런스 저감 방법이 반복하여 실행될 수 있으며, 소형화되고 간편한 광 코히런스 저감 장치가 구현될 수 있다.
본 발명에 따른 조명 방법에 따르면, 출사광 빔의 코히런스 길이를 초과하는 광경로 길이차를 갖는 다수의 멀티모드 광섬유들이 사용되기 때문에, 광원으로부터 출사된 입사 코히런트 광의 코히런스가 이들 멀티모드 광 섬유들이 다발화된 광섬유 다발을 통해 저감되며, 저감된 코히런스를 갖는 광 빔이 조명용 광 빔으로 사용되고, 광섬유 다발에서 임의의 2개의 멀티모드 광섬유들간의 광경로 길이차는 어느 멀티모드 광섬유로부터의 출사광 빔의 코히런스 길이보다 커지므로, 입사 코히런트 광의 코히런스를 충분히 저감하는데 최소한도로 필요한 광경로 길이차가 발생하며, 저감된 코히런스를 갖는 광 빔이 조명용 광 빔으로 효과적으로 사용될 수 있다.
본 발명에 따른 조명 장치에 따르면, 출사광 빔의 코히런스 길이를 초과하는 광경로 길이차를 갖는 다수의 멀티모드 광섬유들이 사용되기 때문에, 광원으로부터 출사된 입사 코히런트 광의 코히런스 이들 멀티모드 광섬유들이 광섬유 다발을 통해 저감되고, 저감된 코히런스를 갖는 출사광 빔이 조명용 광 빔으로 사용되며, 본 발명에 따른 조명 방법이 반복적으로 실행될 수 있고, 소형화되고 간편한 조명 장치가 구현될 수 있다.
본 발명에 따른 광섬유 다발에서, 각각의 멀티모드 광섬유들로부터의 출사광 빔의 코히런스 길이를 초과하는 광경로 길이차를 갖는 다수의 멀티모드 광섬유들이 상술한 바와 같이 다발화되기 때문에, 멀티모드 광섬유로부터의 출사광 빔의 코히런스 길이는 입사 코히런트 광의 코히런스 길이보다 충분히 짧아지고, 광원의 코히런스 길이를 초과하는 길이차를 갖는 다수의 광섬유들이 일본 특허 출원 평6-167640호에 개시된 바와 같이 다발화될 필요가 없으며, 각각의 광섬유의 길이는 광원의 코히런스 길이를 초과하는 길이차를 갖는 다수의 광섬유들이 다발화된 경우에 비해 충분히 저감될 수 있으므로, 소형화되고 코히런스를 충분히 저감하는 기능을 갖는 광섬유 다발이 구현될 수 있다.

Claims (34)

  1. 광 코히런스 저감(optical coherence reduction) 방법에 있어서,
    출사광 빔의 코히런스 길이를 초과하는 광경로 길이차(difference in optical path length)를 갖는 다수의 멀티모드 광섬유들이 사용되고,
    입사 코히런트 광의 코히런스는 상기 멀티모드 광섬유들이 다발화된 광섬유 다발을 통해 저감되는
    광 코히런스 저감 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 출사광 빔의 코히런스 길이를 초과하는 길이차를 갖는 멀티모드 광섬유들이 상기 다수의 멀티모드 광섬유로 사용되는 광 코히런스 저감 방법.
  3. 제2항에 있어서, 상기 입사 코히런트 광의 코히런스 길이의 60%를 초과하는 길이차를 갖는 멀티모드 광섬유들이 다발화되어 있는 멀티모드 광섬유 다발이 상기 광섬유 다발로 사용되는 광 코히런스 저감 방법.
  4. 제3항에 있어서, 상기 입사 코히런트 광의 코히런스 길이의 100%를 초과하지 않는 길이차를 갖는 멀티모드 광섬유들이 다발화된 멀티모드 광섬유 다발이 상기 광섬유 다발로 사용되는 광 코히런스 저감 방법.
  5. 제3항에 있어서, 상기 입사 코히런트 광의 코히런스 길이가 Lc 이고, 코어의 굴절률이 ncore인 n번째 멀티모드 광섬유의 길이가 Ln 이면, 수학식
    을 만족하는 길이 Ln (n = 1, 2, ..., m) 을 갖는 m개의 멀티모드 광섬유들이 다발화되어 있는 멀티모드 광섬유 다발이 상기 광섬유 다발로 사용되는 광 코히런스 저감 방법.
  6. 제1항에 있어서, 상기 광섬유 다발에서 코히런트 광이 입사하는 입사단 및 그 출사단이 각각 정렬되는(aligned) 광 코히런스 저감 방법.
  7. 광 코히런스 저감 장치에 있어서,
    출사광 빔의 코히런스 길이를 초과하는 광경로 길이차를 갖는 다수의 멀티모드 광섬유들이 사용되고,
    입사 코히런트 광의 코히런스는 상기 멀티모드 광섬유들이 다발화된 광섬유 다발을 통해 저감되는
    광 코히런스 저감 장치.
  8. 제7항에 있어서, 출사광 빔의 코히런스 길이를 초과하는 길이차를 갖는 멀티모드 광섬유들이 상기 다수의 멀티모드 광섬유로 사용되는 광 코히런스 저감 장치.
  9. 제8항에 있어서, 상기 입사 코히런트 광의 코히런스 길이의 60%를 초과하는 길이차를 갖는 멀티모드 광섬유들이 다발화된 멀티모드 광섬유 다발이 상기 광섬유 다발로 사용되는 광 코히런스 저감 장치.
  10. 제9항에 있어서, 상기 입사 코히런트 광의 코히런스 길이의 100%를 초과하지 않는 길이차를 갖는 멀티모드 광섬유들이 다발화된 멀티모드 광섬유 다발이 상기 광섬유 다발로 사용되는 광 코히런스 저감 장치.
  11. 제9항에 있어서, 상기 입사 코히런트 광의 코히런스 길이가 Lc 이고, 코어의 굴절률이 ncore인 n번째 멀티모드 광섬유의 길이가 Ln 이면, 수학식
    을 만족하는 길이 Ln (n = 1, 2, ..., m) 을 갖는 m개의 멀티모드 광섬유들이 다발화되어 있는 멀티모드 광섬유 다발이 상기 광섬유 다발로 사용되는 광 코히런스 저감 장치.
  12. 제7항에 있어서, 상기 광섬유 다발에서 코히런트 광이 입사하는 입사단 및 그 출사단이 각각 정렬되는(aligned) 광 코히런스 저감 장치.
  13. 조명 방법에 있어서,
    출사광 빔의 코히런스 길이를 초과하는 광경로 길이차를 갖는 다수의 멀티모드 광섬유들이 사용되고,
    광원으로부터 출사된 입사 코히런트 광의 코히런스는 이들 멀티모드 광섬유들이 다발화된 광섬유 다발을 통해 저감되며,
    코히런스가 저감된 광 빔이 조명용 광 빔으로 이용되는
    조명 방법.
  14. 제13항에 있어서, 출사광의 코히런스 길이를 초과하는 길이차를 갖는 멀티모드 광섬유들이 상기 다수의 멀티모드 광섬유로 사용되는 조명 방법.
  15. 제14항에 있어서, 상기 입사 코히런트 광의 코히런스 길이의 60%를 초과하는 길이차를 갖는 멀티모드 광섬유들이 다발화된 멀티모드 광섬유 다발이 상기 광섬유 다발로 사용되는 조명 방법.
  16. 제15항에 있어서, 상기 입사 코히런트 광의 코히런스 길이의 100%를 초과하지 않는 길이차를 갖는 멀티모드 광섬유들이 다발화된 멀티모드 광섬유 다발이 상기 광섬유 다발로 사용되는 조명 방법.
  17. 제15항에 있어서, 상기 입사 코히런트 광의 코히런스 길이가 Lc 이고, 코어의 굴절률이 ncore인 n번째 멀티모드 광섬유의 길이가 Ln 이면, 수학식
    을 만족하는 길이 Ln (n = 1, 2, ..., m) 을 갖는 m개의 멀티모드 광섬유들이 다발화되어 있는 멀티모드 광섬유 다발이 상기 광섬유 다발로 사용되는 조명 방법.
  18. 제13항에 있어서, 상기 광섬유 다발에서 코히런트 광이 입사하는 입사단 및 그 출사단이 각각 정렬되는(aligned) 조명 방법.
  19. 제13항에 있어서, 상기 입사 코히런트 광은 반도체 레이저로부터 출사된 레이저 빔, 고체 레이저로부터 출사된 레이저 빔, 또는 고체 레이저로부터 출사된 레이저 빔의 파장을 비선형 변환함으로써 얻어지는 레이저 빔인 조명 방법.
  20. 제13항에 있어서, 상기 조명용 광 빔은 디스플레이, 계측 장치, 현미경 또는 노광 장치의 조명 광으로 이용하는 조명 방법.
  21. 조명 장치에 있어서,
    출사광 빔의 코히런스 길이를 초과하는 광경로 길이차를 갖는 다수의 멀티모드 광섬유들이 사용되고,
    광원으로부터 출사된 입사 코히런트 광의 코히런스는 이들 멀티모드 광섬유들이 다발화된 광섬유 다발을 통해 저감되고,
    코히런스가 저감된 출사광 빔이 조명용 광 빔으로 이용되는
    조명 장치.
  22. 제21항에 있어서, 출사광의 코히런스 길이를 초과하는 길이차를 갖는 멀티모드 광섬유들이 상기 다수의 멀티모드 광섬유로 사용되는 조명 장치.
  23. 제22항에 있어서, 상기 입사 코히런트 광의 코히런스 길이의 60%를 초과하는 길이차를 갖는 멀티모드 광섬유들이 다발화된 멀티모드 광섬유 다발이 상기 광섬유 다발로 사용되는 조명 장치.
  24. 제23항에 있어서, 상기 입사 코히런트 광의 코히런스 길이의 100%를 초과하지 않는 길이차를 갖는 멀티모드 광섬유들이 다발화된 멀티모드 광섬유 다발이 상기 광섬유 다발로 사용되는 조명 장치.
  25. 제23항에 있어서, 상기 입사 코히런트 광의 코히런스 길이가 Lc 이고, 코어의 굴절률이 ncore인 n번째 멀티모드 광섬유의 길이가 Ln 이면, 수학식
    을 만족하는 길이 Ln (n = 1, 2, ..., m) 을 갖는 m개의 멀티모드 광섬유들이 다발화된 멀티모드 광섬유 다발이 상기 광섬유 다발로 사용되는 조명 장치.
  26. 제21항에 있어서, 상기 광섬유 다발에서 코히런트 광이 입사하는 입사단 및 그 출사단이 각각 정렬되는(aligned) 조명 장치.
  27. 제21항에 있어서, 상기 입사 코히런트 광은 반도체 레이저로부터 출사된 레이저 빔, 고체 레이저로부터 출사된 레이저 빔, 또는 고체 레이저로부터 출사된 레이저 빔의 파장을 비선형 변환함으로써 얻어지는 레이저 빔인 조명 장치.
  28. 제21항에 있어서, 상기 조명용 광 빔은 디스플레이, 계측 장치, 현미경 또는 노광 장치의 조명 광으로 이용하는 조명 장치.
  29. 광섬유 다발에 있어서,
    출사광 빔의 코히런스 길이를 초과하는 광경로 길이차를 갖는 다수의 멀티모드 광섬유들이 다발화된
    광섬유 다발.
  30. 제29항에 있어서, 출사광 빔의 코히런스 길이를 초과하는 멀티모드 광섬유들이 상기 다수의 멀티모드 광섬유로 사용되는 광섬유 다발.
  31. 제30항에 있어서, 상기 입사 코히런트 광의 코히런스 길이의 60%를 초과하는 길이차를 갖는 멀티모드 광섬유들이 다발화되는 광섬유 다발.
  32. 제31항에 있어서, 상기 입사 코히런트 광의 코히런스 길이의 100%를 초과하지 않는 길이차를 갖는 멀티모드 광섬유들이 다발화되는 광섬유 다발.
  33. 제31항에 있어서, 상기 입사 코히런트 광의 코히런스 길이가 Lc 이고, 코어의 굴절률이 ncore인 n번째 멀티모드 광섬유의 길이가 Ln 이면, 수학식
    을 만족하는 길이 Ln (n = 1, 2, ..., m) 을 갖는 m개의 멀티모드 광섬유들이 다발화되는 광섬유 다발.
  34. 제29항에 있어서, 상기 광섬유 다발에서 코히런트 광이 입사하는 입사단 및 그 출사단이 각각 정렬되는(aligned) 광섬유 다발.
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KR100940435B1 (ko) * 2008-11-26 2010-02-10 한국광기술원 2차원 광섬유 스캐닝 모듈, 이를 구비하는 광섬유 스캐닝 시스템 및 방법

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