KR20060064021A - 분할 캐비티 가변형 파브리 페로 필터 - Google Patents

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KR20060064021A
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윌리엄 제이 거닝
윌리엄 에이치 사우스웰
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록크웰 싸이언티픽 라이센싱, 엘엘씨
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    • G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
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Abstract

본 발명은 입사각에 덜 민감한 가변형 파브리 페로 필터로서 캐비티(에어 갭)를 1보다 더 높은 유효 굴절률을 갖는 분할 캐비티로 대체함으로써 형성된다. 분할 캐비티는 가변 에어 갭의 양쪽에서 반사기 상에 형성된 한 쌍의 분할 캐비티 유전층을 포함한다. 유전층 각각은 필터의 조정 범위에서 최단 1/4보다 더 작은 광학 두께를 갖는다. 분할 캐비티는 가변 에어 갭의 양쪽에서 반사기 상에 형성되는 분할 캐비티 유전층 한쌍을 포함한다. 3층 분할 캐비티의 결과는 상기 필터의 조정 범위 내로 투과된 1/2파장의 정수배(m)와 실질적으로 동일한 유효 광학 두께를 갖는다.

Description

분할 캐비티 가변형 파브리 페로 필터{PARTITIONED-CAVITY TUNABLE FABRY-PEROT FILTER}
본 발명은 가변형 파브리 페로 필터(tunable Fabry-perot filter)에 관한 것이고, 보다 구체적으로는 입사각에 덜 민감한 분할 캐비티 가변형 파브리 페로 필터에 관한 것이다.
가변형 파브리 페로 필터는 파장의 좁은 대역 내에서 파장으로 광을 투과시키기 위해 사용되는 협대역 광 필터이다. 그러한 필터는 레이저를 조정하기 위해 또는 광 네트워크에서 채널을 부가/드롭(add/drop)하기 위해 사용될 수 있다. 이러한 시스템에 있어서, 광은 일반적으로 모든 광선이 서로에 대해 평행인 사준빔으로서 필터에 입사하도록 제어 가능하다. 다른 응용에서, 특히 천문학계에서, 파브리 페로 필터는 화상 시스템의 일부이고, 특정 정현파의 파장을 조정함으로써 물체를 감지하는데 사용될 수 있으며, 많은 화상 시스템에서, 작은 f넘버 시스템의 집광성을 최대화시키고 착란원(blur circle)을 최소화시키는 것이 바람직하다. 집광된 광은 시스템에서 한 포인트로 포커스되므로, 수직 입사각에서 f넘버에 의해 결정된 최대각으로 분산된 콘형(cone) 광으로 조명된다.
파브리 페로 필터는 간섭 필터의 특수한 경우이다. 표준 간섭 필터는 솔리드 캐비티층(solid cavity layer)을 둘러싸는, 한 쌍의 평면, 평행 반사기, 통상의 다층의 유전막을 포함한다. 이 구조는 광 공진기처럼 작용한다; 캐비티 광학 두께가 1/2 파장의 정수배와 동일한 파장이 캐비티에서 공진되어 투과된다. 반사기의 반사 대역 내에서 다른 파장은 반사된다. 투과 대역 중심 파장에 대한 조건은
(1) mλ = 2nd cosΘc
여기에서 m= 정수
n= 캐비티층 굴절률
d= 캐비티층 두께
Θc= 캐비티 층 내에서 광의 각도
= 아크사인[(sin Θc)/n];(여기에서, Θ는 공기중에서의 입사각)
λ = 투과 파장
로 주어진다.
광이 0°(수직 입사각)보다 큰 각도에서 필터에 작용할 때, 통과대역 파장은 더 짧은 파장으로 이동한다. Θc 는 더 높은 굴절률을 갖는 캐비티에 대해서 더 작아질 수 있으므로, 이 각 시프트는 더 높은 굴절률 재료를 캐비티층에 사용한 경우에 감소된다. 이것은 고정 파브리 페로 필터에서 공통적이다.
가변형 파브리 페로 필터는 솔리드 캐비티층을 가변 에어 갭으로 대체하는 간섭 필터의 특수한 경우이다. 에어 갭 공간을 조정함으로써, 공진 파장 경계가 변화되고, 이에 따라 통과대역 조정이 가능해진다. 가변형 파브리 페로 필터는 광의 입사각에 따라 통과대역과 중요한 의존관계가 있다. 에어 갭 캐비티의 굴절률은 1.0과 동일하므로, Θc 에 대해 최대 가능치와 그에 따른 입사각의 함수만큼 최대 파장 시프트로 귀착한다.
도 1a에 도시한 바와 같이, 가변형 파브리 페로 필터의 투과 스펙트럼(10)은 수직 입사각(Θ=0°)으로부터의 증가치만큼 더 짧은 파장으로 이동한다. 도 1b는 스팩트럼 특성이 콘형으로 집광된 광에서 광선을 전체적으로 통합시킴으로써 추정되어지는 f넘버의 함수만큼 투과 스팩트럼(12)을 나타낸다. f넘버는 렌즈에서 빔 직경에 의해 분산되는 집광 렌즈의 초점의 길이로 정의된다. f넘버가 작아질수록 콘형 입사각은 커지므로, 파장 시프트도 더 커지고, 스팩트럼은 확장된다. 이러한 경우에 필터 스펙트럼은 더 짧은 파장으로 시프트되고 확장되며, 피크 전송이 감소하여, f넘버가 작아짐에 따라 그 영향이 증가한다.
도 1b에 도시된 투과 스펙트럼은 콘형의 입사광의 중심선이 필터 표면에 수직을 지향하는 것으로 가정한다. 사실상, 광 시스템에서, 초점면에서의 화상에 대한 각각의 포인트는 콘형의 입사광에 의해 조명되는데, 각각의 포인트는 법선에 대한 어떤 각에서 그것의 중심선을 갖는다. 화상의 포인트만이 콘형 입사광에 수직으로 조명된다. 결과적으로, 광학계 초점 평면에서의 광의 분산 각도는 "경사 효과(tilt effect)"에 기인하여 f넘버 시스템에 의해 간단히 함축되는 것보다 실질적으로 상당히 더 크다.
화상 시스템에서의 파브리 페로 필터에 따른 각도 영향을 감소시키는 하나의 기술은 집광 렌즈 정면에 필터를 배치하는 것이다. 이러한 방법으로, 필터는 (화상면에서 특정 포인트에 대응하는)대물면에서의 각 포인트로부터 시작되는 평행 사준빔으로 조명된다. 화상의 각 포인트가 상이한 입사각으로 시스템(및 필터)에 입사하는 광의 결과이기 때문에, 파장 시프트는 여전히 관측된다. 그러나, 집광 렌즈로부터 시작하는 추가 스펙트럼의 확장은 회피된다. 이러한 광학 아키텍처에서 필터 유효 구경(aperture)은 광학계의 그것만큼 커야만 하므로, 시스템의 크기, 무게, 가격은 증가한다. 게다가, 화상의 각 포인트에서 독립적으로 파장을 조정할 수 있는 분리된 필터 어레이를 사용할 수 없다.
가변형 파브리 페로 필터가 광학계에서 고용된 경우, 상기 시스템은 집광력의 손실 및 착란원에서 고용된 각의 범위를 최소화하기 위해서 큰 f넘버를 갖도록 일반적으로 설계된다. 본래의 초점면에서 필드 렌즈를 고용하고, 텔레센트릭계를 창조함으로써, "경사 효과"는 상당히 감소될 수 있다. 화상의 각 포인트는 광학 시스템 축에 평행한 중앙선을 갖는 콘형의 광으로 전환된다. 이것은 필터의 각도 영향을 감소시키는 효과를 갖지만, 입사 광선의 분산은 시스템 f넘버에 의해 여전히 영향받는다.
가변형 파브리 페로 필터의 각도 영향의 반응성을 감소시키는 기술 양자는 화상 시스템의 품질을 저하시킨다. 어느 쪽의 접근도 필터의 조정가능성(tunability)을 유지하면서 가변형 파브리 페로 필터의 각 반응성을 감소시키는 기술을 제안하지 못하고 있다.
본 발명은 입사각에 덜 민감하고 따라서 더 작은 f넘버와 더 높은 집광력을 갖는 결상 광학계에 사용하기에 적합한 가변형 파브리 페로 필터를 제공한다. 게다가, 필터의 배열은 공간 선택 파장을 조정하는 화상 시스템의 초점면 근처에 위치될 수 있다.
캐비티(에어 갭)를 1보다 큰 유효 굴절률(neff >1.0)을 갖는 분할 캐비티로 교환함으로써 달성할 수 있다. 분할 캐비티는 양쪽의 가변 에어 갭의 반사기 상에 형성된 한 쌍의 분할 캐비티 유전층을 포함한다. 3층 분할 캐비티의 결과 필터의 조정 범위 내에서 투과되는 1/2파장의 정수배(m)와 실질적으로 동일한 유효 광학 두께를 갖는다. 반사기는 다층의 박막 간섭 미러(thin film interference mirror)이거나 또는 얇은 금속막일 수도 있다. 분할 캐비티 각각은 필터의 조정 범위 내에 최단 파장의 1/4 보다 작은 광학 두께를 갖는다. 분할 캐비티 유전층은 균일한 조성의 박막층이거나 또는 그래디언트 인덱스층인 것이 좋다.
일 구성예에서, 반사기는 다층의 박막 간섭 미러(1/4파장 스택)이고 분할 캐비티 유전층은 균일한 조성의 박막층이다. 필터의 조정 범위는 다층 반사기의 반사 대역폭으로 한정될 수 있다.
다른 구성예에 있어서, 반사기는 그래디언트 인덱스막이고, 일반적으로 루게이트 반사기로 일컬어지며, 분할 캐비티 유전층은 균일한 조성의 박막층이다. 루게이트 반사기는 1/4 파장 스택보다 복잡할지라도, 대역 밖의 광학 성질에 영향을 주는 고차 고조파를 제거한다.
다른 구성예에서, 반사기는 얇은 금속막이고 분할 캐비티 유전체는 균일한 조성 박막층이다. 얇은 금속막은 파장의 확장 범위를 통해 높은 반사율을 제공하며, 회로 기판상에 더 적은 스트레스를 준다. 그러나, 금속막에서의 흡수 작용은 필터의 피크 전송을 감소시킨다.
또 다른 구성예에서, 그래디언트 인덱스층은 금속 박막 또는 그래디언트 인덱스막 반사기 상에 형성된다. 이것은 그들의 제1 반사 대역의 외부에 미러의 잔여 반사력을 최소화하도록 한다. 그 결과, 그 필터는 제1 파장 범위를 조정할 수 있는 협대역 여파기 반응과 그 필터가 제1 파장 범위 내로 조정되어진 것처럼 변화를 거의 나타내지 않는 두 번째 파장 범위(거울면 반사력이 최소가되는 곳)에 대한 광대역 여파기 반응을 갖도록 설계되어 질 수도 있다.
분할 캐비티가 m>1을 갖는 필터에 대하여 각도 반응성을 감소시키지만, m=l, "최하위(lowest order)" 가변형 파브리 페로 필터에 가장 유효한 설계이다. m=l인 경우, 분할된 캐비티 대 에어 갭(n=1)에서의 2개의 캐비티 유전층 (n>1.0)에 대한 상대적인 가장 큰 체적분율과, 분할 캐비티에 대한 가장 유효한 굴절률을 가져온다. 이러한 필터는, 수mm에서 수cm의 광학 범위(dimensions)를 갖는, 단일 유효 구경 컴퍼넌트일 수도 있고, 또는 그것들은 매우 작은 개별적인 필터 소자이거나 또는 독립적으로 어드레스된 필터 소자의 배열인 MEMS 구조일 수도 있다.
본 발명의 이러한 그리고 다른 특징 및 이득은 당업자가 첨부된 도면과 함께, 하기의 바람직한 실시예의 상세한 설명으로부터 명백하게 될 수 있다.
도 1a 및 도 1b는, 전술한 바와 같은, f넘버와 상이한 입사각(Θ) 대 λ에 대한 투과 스펙트럼의 플롯.
도 2는 본 발명에 따른 분할 캐비티 가변형 파브리 페로 필터의 단면도.
도 3은 분할 캐비티에 대한 상이한 유효 굴절률에 대한 입사각에 비교하여 파브리 페로 필터에 대한 파장 시프트의 대략의 백분율의 플롯.
도 4a 및 4b는 각각, 파장 시프트를 예시하는 분할 캐비티 파브리 페로 필터 에 대한 f넘버와 파장에 대한 전송 플롯과, f넘버와 상이한 입사각에 대한 확장하는 스펙트럼의 플롯.
도 5는 다층의 박막 필름층을 포함하는 반사기를 예시하는 도면.
도 6은 그래디언트 인덱스 루게이트(rugate) 필름을 포함하는 반사기를 예시하는 도면.
도 7은 다층 또는 그래디언트 인덱스 분할된 캐비티층과 결합된 루게이트 반사기를 포함하는 분할된 캐비티 필터에 대한 광 스팩트럼의 플롯.
도 8은 화상 시스템에서의 본 발명에 따른 가변형 파브리 페로 필터의 개략도.
본 발명은 가변형 파브리 페로 필터(Fabry-perot filter)를 제공하며, 이 파브리 페로 필터는 입사각에 덜 민감해서 더 작은 f넘버 결상광학계(optical imaging system)에 사용하기에 적합하며 보다 높은 집광력(light gathering power) 및 보다 작은 착란원(blur circle)을 갖는다.
도 2에 도시한 바와 같이, 가변형 파브리 페로 필터는 한 쌍의 평면, 병렬의 반사기(22, 24), 일반적인 다층 유전체, 투광 기판(30, 32) 상의 그래디언트 인덱스 또는 금속 필름, 둘러싸는 가변 에어 갭(air gap)(34)을 포함한다. 통상의 에어 갭 캐비티는 효과적인 굴절률, 1보다 큰 neff (neff > 1. 0)를 갖는 분할 캐비티(36)로 대체된다. 더 높은 굴절률은 캐비티층 내의 입사각(Θc)을 감소시키고, 차례로 파장 이동 및 스펙트럼의 확장을 감소시킨다.
분할 캐비티(36)는 한 쌍의 분할 캐비티 전유전체층(38 및 40)을 포함하고, 한 쌍의 가변 에어 갭(34)의 양쪽과 반사기(22 및 24)에 형성된다. 각각의 분할 캐비티 유전체 층은 필터의 조정 범위 내에서 최단 파장의 1/4 보다 얇은 광학적 두께이다. 상기 층이 1/4 파장 이거나 또는 더 두꺼운 경우, 상기 층은 실제로 반사기의 일부가 되어, 원하지 않는 통과 대역을 생성하는 비정상적인 위상 간섭효과를 생성한다.
3층 분할 캐비티의 결과는 원하는 밴드 통과 파장에서 1/2파장의 정수배(m) 만큼 실질적으로 유효한 광학적 두께이다. 금속막 반사기의 경우에, 상기 광학적 두께는 정확히 정수배이다. 그러나, 유전체 필름 반사기의 경우에, 전기장 정상파는 상기 막까지 약간 확장될 수 있다. 필터의 피크 전송을 최대로 하기 위해서, 유전체 층(반사층 및 분할 캐비티층)은 에어 갭까지 대칭이어야만 한다. 반사파의 진폭 및 반사파의 위상이 각 반사기에서 상이하지 않을지라도, 축소된 필터 전송을 일으킨다.
실질적으로 평행 정렬된 반사기를 홀딩하기 위해서 만곡(flexure) 구조를 포함하는 압전기, 정전기 또는 전자기의 구동기와 같은 조정 메커니즘(42)은 조정 범위에 걸쳐 전송 파장을 변경하기 위해서 캐비티의 광학적 두께를 변경한다. 갭이 작아질 때, 분할 캐비티의 유효 굴절률은 분할 캐비티 유전체층 증가율의 상대적 기여율에 따라 증가한다. 이것은 캐비티 두께 대 파장의 관계를 수정하는 효과와, 또한 에어 갭이 감소할 때 필터의 각도 감도를 감소하는 효과를 갖는다. 필터 조정시, 조정 메커니즘은 이 비선형을 설명해야만 한다.
도 3에 도시한 바와 같이, 전유전체 파브리 페로 필터(all-dielectric Fabry-Perot)의 중심 파장Θ(50)은 입사각의 증가와 함께 파장을 더 낮게 이동시킬 것이다. 파장의 이동량은 필터 캐비티의 입사각과 유효 굴절률(neff)에 달려있다. 하기 수학식은 입사각이 15도인 사준광(collimated light)으로 필터의 퍼센트 파장 이동을 판정하기 위해 사용될 수 있다.
(2) Δλ%={1- [A]1/2 } * 100
(3) A = [1-(Ne/neff)2sin2Θ]
여기서 : Δλ% = 퍼센트 파장 이동
Ne = 외부 매체의 굴절률
neff = 필터의 유효 굴절률
Θ = 입사각
파브리 페로 필터는 수렴 광 또는 발산 광에 관련하여 비사준광을 조명하는 경우, 스팩트럼의 응답은 모든 결속된(solid) 입사각을 통한 응답을 통합함으로써 획득된다. 이것은 스펙트럼의 전송 대역의 유효 파장 이동, 유효 스펙트럼 확장, 및 피크 전송의 감소를 가져온다.
도 1a은 상이한 입사각의 사준광에 대하여 계산되는 통상의 에어 갭 파브리 페로 필터의 스팩트럼 전송 응답을 나타내고, 도 1b는 수렴하는 콘형(cone) 광 또는 상이한 f넘버 필터를 통해 통합되는 통상의 에어 갭 파브리 페로 필터의 스팩트럼 전송 응답을 나타낸다. 도 4a 및 도 4b에 관해서는, 본 발명의 분할 캐비티 필터에 대한 주어진 입사각 또는 f넘버 파장 이동(60)을 도시한다. 도 1a와 도 4a를 비교하면, neff
Figure 112006030421561-PCT00001
2.5인 분할 캐비티 필터에 대한 파장 이동은 neff=l인 통상의 에어 갭 필터 보다 덜 중요하다.
분할 캐비티가 m > 1인 필터에 대하여 각 반응성이 감소할지라도, 이 설계는 m=1, "최하위(lowest order)" 가변형 파브리 페로 필터에 대해서 가장 효과적인 설계이다. m=1인 경우, 에어 갭(n=1)에 대한 분할 캐비티 내에서 2 분할 캐비티 유전층(n > 1.0)의 상대적인 체적분율은 가장 커서, 분할 캐비티에 대한 가장 효과적인 굴절률을 초래한다. 상업적 이득의 그러한 필터 및 파장(대략 0.4 내지 12.0 미크론)에 대해서, 공칭의 에어 갭은 매우 작으며, 1.0pm 초과 수 pm 미만의 범위이다.
분할 캐비티는 더 긴 적외선 파장(λ > 12.0㎛), 밀리미터 및 마이크로파 파장에서에서 파브리 페로 필터에 사용될 수도 있다. 이 필터는 수 mm 내지 수 cm의 광학 직경인 단일 유효 구경 컴포넌트여도 좋고, 또는 매우 작은 종속 필터 소자이거나 또는 독립적인 어드레스 필터 소자의 어레이인 MEMS 구조여도 좋다.
응용 및 필터 사양에 따라, 분할 캐비티를 형성하는 반사기 및 유전층은 다양하고 상이한 방법으로 구성될 수 있다. 전술한 바와 같이, 반사기는 다층 박막 간섭 미러 예를 들어, 1/4 파장 스택, 루게이트 반사기, 또는 얇은 금속막과 같은 그래디언트 인덱스 막으로 형성될 수도 있다. 또한, 분할 캐비티 유전층은 균일 또는 그래디언트 조성일 수도 있다.
첫번째 경우에서, 균일한 구성을 갖는 분할된 캐비티 유전층은 도 5에 예시된 유형의 1/4 파장 스택(70) 상에 형성된다. 스택은 높은 굴절률 및 낮은 굴절률의 대체층(72, 74)에서 대체되고, 각각의 층은 일반적으로 조정 범위의 중심 파장으로 일컬어지는 1/4 파장의 광학 두께 및 균일한 구성을 갖는다. 이것은 교차 단계에 대한 두께의 대략적인 굴절률 분포(76)를 생성한다. 스택은 파장의 제한 범위를 넘는 높은 반사를 생성한다. 물질의 낮은 굴절률과 높은 굴절률의 더 큰 차이가 범위를 확장시킨다. 쌍을 이루는 층 수의 증가는 스택의 반사력을 증가시키고 굴절 대역의 가장자리는 급경사가 된다. 이러한 구성의 장점은 높은 굴절률 및 통상적인 다층 광학 박막 처리 방법을 사용하는 상대적으로 용이한 제조에 있다.
두번째 경우에서, 균일한 구성을 갖는 분할된 캐비피 유전층은 도 6에 도시된 유형의 그래디언트 인덱스막(80)(루게이트 반사기) 상에 형성된다. 높고 낮은 굴절률의 교차 영역(82, 84)을 포함하는 두께의 굴절률의 연속적인 변화를 갖도록 코딩된다. 순수 형태에서, 루게이트 반사기는 2개의 상이한 물질의 공석 (codeposition)에 의해, 상대적인 증착율을 변화시킴에 의해 형성된다. 그 결과에 따른 막은 그 두께에 따라 변하는 조성으로 혼합된 혼합층으로 구성되어 있다. 다른 제조방법에서는, 그래디언트 인덱스 분포는 교차 물질의 매우 얇은 분리층을 증착시켜 달성할 수 있다. 일반적으로, 가장 두꺼운 층이 코팅이 광학적으로 연속적으로 그래디언트한 조성을 갖도록 나타나는 경우와 관련된 최단 파장의 1/10보다 작다면, 그 층을 연속하는 것처럼 작용할 것이다.
루게이트 반사기는 대략 정현파에 대한 두께인 굴절률 분포(86)를 갖는다. 정현파의 주기는 동등한 1/4 파 스택에서 싱글 HL 쌍의 광학 두께와 동일하다. 1/4 파 스택에서와 같이, 결과적인 반사 대역의 폭은 높은 굴절률과 낮은 굴절률의 차이에 비례한다. 1/4 파장과 같지 않은, 정현파 루게이트 반사기는 조정 대역 외부의 더 짧은 파장에서 원하는 광학 효과를 간섭할 수도 있는 홀수 반사 고조파를 나타내지 않는다. 그러나, 루게이트 필터는 제조가 더 어렵고 비용이 더 든다.
세번째 경우에서, 균일한 조성을 갖는 분할 캐비티 유전층은 은과 같은 얇은 금속상에 형성된다. 이러한 경우에, 미러 반사기는 다층 간섭 효과가 아닌 물질의 반사력에 의존한다. 이 막은 다층의 유전 막보다 더 얇고 따라서 기판에 매우 적은 스트레스를 준다. 그러나, 금속막의 흡수는 중요하고, 100 % 미만에 최대의 이론적인 필터 전송을 감소시킬 수 있다.
네번째 경우에서, 필터는 파장의 하나의 밴드(90)에서 동조하는 협대역 파장을 제공하고, 도 7에 예시된 바와 같이, 다른 파장 대역(92) 내에 광대역 전송을 제공하도록 설계할 수 있다. 이것은 유전 박막의 2가지 특성에 달려있다. 첫째, 다 층의 반사 대역의 스펙트럼 폭 또는 루게이트 박막 미러로 한정한다. 좁은 파브리 페로 통과대역 특성은 반사력이 높은 파장에서 얻어진다. 코팅 반사력이 낮은 곳에서, 필터의 유효 통과대역이 상당히 확장된다. 미러 코팅이 반사 대역에 외부의 제로 반사율을 갖는 범위에서는, 필터는 투명한 윈도우 같이 빛을 나타내고, 광학 공명은 없으며, 전송 특성은 필터 에어 갭 공간과 완전하게 독립하는 것이다. 루게이트 필터는 단파장 반사 고조파를 방지하도록 설계될 수 있는 다층 반사기 이상의 이득을 갖는다.
이러한 이중의 기능을 할 수 있는 다른 특징은 분할 캐비티층으로서 그래디언트 인덱스 반사 방지층의 사용에 있다. 그래디언트 인덱스 반사 방지 코팅층은 높은 굴절률(반사기에 인접)에서 낮은 굴절률(에어 갭에 인접)로 점차적으로 변화된다. 이 막은 필터의 제1 조정 대역 외부에 광대역 영역을 생성하는 것을 돕는다.
이러한 특징을 나타내는 필터 설계의 예시중 하나는 적외선 대역(LWIR, 명목상 8-12 미크론)의 긴 파장에서의 협대역 동조를 허락하고, 적외선 대역(MWIR, 명목상 3-5 미크론)의 중간 파장에서의 광대역 전송을 허락한다. 미러 반사율이 3-5 미크론 대역폭으로 충분히(10% 미만) 낮은 경우, LWIR 조정으로 인한 MWIR 스펙트럼 전송에 영향이 거의 없을 것이다.
통상의 분할 캐비티층은 동조 밴드의 특정 파장 외부의 특정 파장, 예를 들어, 광대역 전송을 임팩팅하는 3-5대역에서 반사력을 실제로 증가시킨다. 그래디언트 인덱스 반사 방지 코팅층은 최고치(미러에 인접)에서 최저치(에어 갭에 인접)로 굴절률을 점차적으로 변화시킨다. 이것은 동조 대역에서 분할 캐비티층의 역할을 하는 동안 보다 짧은 파장에서 유효하게 그 층의 영향을 최소한으로 한다. 물론, 그것은 단일 고 굴절층으로서 시야를 개선하기에는 유효하지 않겠지만, 이것은 시스템 절충안이다.
반사기 설계 및 굴절률 분할 캐비티층 설계에서의 변경으로, 제1차 필터 조정 범위보다 더 긴 파장에서의 광대역 전송 응답을 달성하는 것도 또한 가능하다.
도 8은 결상 광학계(102)에 위치하는 본 발명의 분할 캐비티 파브리 페로 필터(100)를 나타낸다. 필터 또는 필터 어레이는 결상 광학계의 상평면에 위치하고, 검출기 어레이(108)의 정면에 대물렌즈(104)와 콜드 스톱(106)에 의해 정의된다. 필터는 대물렌즈(104)를 통해 상 평면(110)으로부터의 집속광에 의해 조명한다. 도시된 바와 같이, 필드 렌즈(112)가 필터의 정면에 위치하고, 주광선(chief rays)의 평행한 모든 광선, 필터의 입사각의 총 범위는 줄어든다. 다른 방법으로는, 상의 상이한 포인트에 대응하여 각 광선 번들(bundle)의 중심선 또는 주광선이 다른 각도에서 필터에 영향을 주므로 필드 렌즈는 생략될 수 있다.이 시스템 환경설정에서 분할 캐비티 필터를 사용하는 것은 통상의 에어 갭 파브리 페로 동조 필터를 사용하는 것보다 더 작은 f넘버 화상 시스템을 동작시킨다.
본 발명의 몇몇의 예시적인 실시예를 나타내고 기술하였지만, 당업자에 의해 다수의 변형 및 대체 실시예가 행해질 수 있다. 청구항에서 한정하는 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않고, 변형 및 대체 실시예를 고려하여 행할 수 있다.

Claims (26)

  1. 제2 더 넓은 대역에 걸쳐 가변가능한 통과대역 파장을 중심으로 하는 제1 대역 파장으로 광을 투과시키는 가변형 광학 필터로서,
    실질적으로 평행 정렬되고 가변 에어 갭에 의해서 분리되는 제1 및 제2 반사기;
    상기 제1 반사기 상의 제1 유전층, 상기 가변 에어 갭 및 제2 반사경 상의 제2 유전층을 포함하는 분할 캐비티로서, 상기 분할 캐비티는 통과대역 파장의 1/2파장의 정수배와 실질적으로 동일한 유효 광학 두께를 갖고, 1보다 큰 유효 굴절률을 가지며, 상기 제1 및 제2 유전층 각각은 상기 제2 더 넓은 대역 내의 최단 파장의 1/4보다 작은 광학 두께를 갖는 것인 분할 캐비티; 및
    상기 반사기들 중 적어도 하나를 이동시킴으로써 상기 가변 에어 갭을 변화시켜 상기 통과대역 파장을 조정하는 조정 매커니즘
    을 포함하는 가변형 광학 필터.
  2. 제1항에 있어서, 상기 제1 및 제2 반사기 각각은, 각각의 높은 굴절률과 낮은 굴절률이 교호하고 각각이 제2의 더 넓은 대역에서 기준 파장의 1/4와 동일한 광학 두께를 갖는 복수의 층을 포함하는 1/4 파장 스택(stack)을 포함하는 것인 가변형 광학 필터.
  3. 제2항에 있어서, 상기 제1 및 제2 유전층 각각은 상기 1/4 파장 스택 내의 높은 굴절률 층과 동일한 재료를 포함하는 것인 가변형 광학 필터.
  4. 제1항에 있어서, 상기 제1 및 제2 반사기 각각은 금속막을 포함하는 것인 가변형 광학 필터.
  5. 제1항에 있어서, 상기 제1 및 제2 반사기 각각은 굴절률이 연속적으로 변조되는 그래디언트 인덱스 루게이트 반사기를 포함하는 것인 가변형 광학 필터.
  6. 제1항에 있어서, 상기 제1 및 제2 유전층은 광학 두께가 동일한 것인 가변형 광학 필터.
  7. 제6항에 있어서, 상기 제1 및 제2 유전층 각각은 그것의 두께 전체에 걸쳐 일정한 굴절률을 갖는 단일 재료를 포함하는 것인 가변형 광학 필터.
  8. 제1에 있어서, 상기 제1 및 제2 유전층 각각은 상기 가변 에어 갭에 가까운 낮은 값에서 반사기에 가까운 높은 값까지 단조롭게 변화하는 굴절률을 갖는 그래디언트 인덱스층을 포함하는 것인 가변형 광학 필터.
  9. 제8에 있어서, 상기 필터는 상기 제2 더 넓은 대역 외부의 고정 대역 내의 파장으로 광을 투과시키는 것인 가변형 광학 필터.
  10. 제1에 있어서, 상기 분할 캐비티는 상기 대역통과 파장의 1/2과 동일한 유효 광학 두께를 갖는 것인 가변형 광학 필터.
  11. 제1에 있어서, 상기 가변 에어 갭은 상기 대역통과 파장의 1/2보다 작은 광학 두께를 갖고, 상기 분할 캐비티는 1보다 더 큰 유효 굴절률을 갖는 것인 가변형 광학 필터.
  12. 제1에 있어서, 상기 조정 매커니즘은 압전기, 정전기 또는 전자기의 구동기 중 하나를 포함하는 것인 가변형 광학 필터.
  13. 실질적으로 평행 정렬이 유지되는, 제2 더 넓은 대역에 걸쳐 가변가능한 통과대역 파장을 중심으로 하는 제1 대역 파장으로 광을 투과시키는 가변 에어 갭에 의해 분리되는 제1 및 제2 반사기;
    상기 제1 반사기 상의 제1 유전층; 및
    상기 제2 반사기 상의 제2 유전층
    을 포함하고,
    상기 제1 및 제2 유전층 각각은 상기 제2 더 넓은 대역 내에 최단 파장의 1/4 파장보다 작은 광학 두께를 갖는 것인 가변형 광학 필터.
  14. 제13항에 있어서, 상기 제1 및 제2 반사기 각각은 (a) 높은 굴절률과 낮은 굴절률이 교호하는 복수 층을 포함하는 1/4파장 스택 또는 (b) 연속적으로 변조되는 굴절률을 갖는 그래디언트 인덱스 루게이트 반사기 중 하나를 포함하는 것인 가변형 광학 필터.
  15. 제14항에 있어서, 상기 제1 및 제2 유전층 각각은 그것의 두께 전체에 걸쳐 일정한 굴절률을 갖는 단일 물질을 포함하는 것인 가변형 광학 필터.
  16. 제15항에 있어서, 상기 제1 및 제2 유전층 각각은 상기 1/4 파장 스택 내의 높은 굴절률 층과 동일한 재료를 포함하는 것인 가변형 광학 필터.
  17. 제14항에 있어서, 상기 제1 및 제2 유전층 각각은 상기 가변 에어 갭에 가까운 낮은 값에서 반사기에 가까운 높은 값까지 단조롭게 변화하는 굴절률을 갖는 그래디언트 인덱스층을 포함하는 것인 가변형 광학 필터.
  18. 제17항에 있어서, 상기 필터는 상기 제2 더 넓은 대역 외부의 고정 대역 내의 파장으로 광을 투과시키는 것인 가변형 광학 필터.
  19. 제13항에 있어서, 상기 분할 캐비티는 상기 대역통과 파장의 1/2과 동일한 유효 광학 두께를 갖고, 상기 가변 에어 갭은 최하위 필터로 정의된 대역통과 파장의 1/2 보다 작은 광학 두께를 갖는 것인 가변형 광학 필터.
  20. 제2 더 넓은 대역에 걸쳐 가변가능한 통과대역 파장을 중심으로 하는 제1 대역 파장으로 광을 투과시키는 가변형 광학 필터로서,
    광학 기판;
    상기 광학 기판상의 제1 반사기;
    상기 제1 반사기의 상부면의 제1 유전층;
    제2 반사기;
    상기 제2 반사기의 하부면의 제2 유전층; 및
    상기 제2 반사기가 상기 제1 반사기에 실질적으로 평행 정렬되고 상기 에어 갭에 의해 분리되어 최하위 필터를 형성하는 상기 광학 기판 상의 조정 매커니즘을 포함하고,
    상기 에어 갭은 가변하여 상기 제2 더 넓은 대역을 걸쳐 상기 제1 대역을 조정하고, 상기 제1 및 제2 유전층 각각은 상기 제2 더 넓은 대역 내에 최단 파장의 1/4 파장보다 더 작은 광학 두께를 갖는 것인 가변형 광학 필터.
  21. 제20항에 있어서, 상기 제1 유전체, 상기 가변 에어 갭 및 상기 제2 유전층은 상기 대역통과의 파장의 1/2과 실질적으로 동일한 유효 광학 두께를 갖고, 1보다 큰 유효 굴절률을 갖는 분할 캐비티로 정의되는 것인 가변형 광학 필터.
  22. 제21항에 있어서, 상기 제1 및 제2 반사기 각각은 (a) 높은 굴절률과 낮은 굴절률이 교호하는 복수 층을 포함하는 1/4파장 스택 또는 (b) 연속적으로 변조되는 굴절률을 갖는 그래디언트 인덱스 루게이트 반사기 중 하나를 포함하는 것인 가변형 광학 필터.
  23. 제22항에 있어서, 상기 제1 및 제2 유전층 각각은 그것의 두께 전체에 걸쳐 일정한 굴절률을 갖는 단일 재료를 포함하는 것인 가변형 광학 필터.
  24. 제23항에 있어서, 상기 제1 및 제2 유전층 각각은 상기 1/4 파장 스택 내의 높은 굴절률 층과 동일한 재료를 포함하는 가변형 광학 필터.
  25. 제22항에 있어서, 상기 제1 및 제2 유전층 각각은 상기 가변 에어 갭에 가까운 낮은 값에서 반사기에 가까운 높은 값까지 단조롭게 변화하는 굴절률을 갖는 그래디언트 인덱스층을 포함하는 것인 가변형 광학 필터.
  26. 제25항에 있어서, 상기 필터는 상기 제2 더 넓은 대역 외부의 고정 대역 내의 파장으로 광을 투과시키는 것인 가변형 광학 필터.
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