KR20100075366A - 고속 광 셔터 및 그 동작방법과 고속 광 셔터를 포함하는 장치 - Google Patents

고속 광 셔터 및 그 동작방법과 고속 광 셔터를 포함하는 장치 Download PDF

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Abstract

고속 광 셔터 및 그 동작 방법과 고속 광 셔터를 포함하는 장치가 개시되어 있다. 광 셔터는 외부 작용에 의해 전반사각이 변화되는 전반사 면을 갖는 고체 상태의 투명 전기-광학(electro-optice) 매체를 포함한다. 상기 전기-광학 매체는 상기 외부 작용에 의해 전반사각이 변화되는 프리즘 또는 프리즘 어레이일 수 있다. 상기 전기-광학 매체 앞에 입사광 경로 변경수단을 더 구비할 수 있다. 또한, 상기 전기-광학 매체를 통과한 광이 입사되는 대상에 상기 광이 수직으로 입사되게 하는 광 경로 변경수단이 더 구비될 수 있다.

Description

고속 광 셔터 및 그 동작방법과 고속 광 셔터를 포함하는 장치{High speed optical shutter and method of operating the same and apparatus comprising the same}
본 발명은 광학 소자에 관한 것으로써, 보다 자세하게는 고속 광 셔터 및 그 동작 방법과 고속 광 셔터를 포함하는 광학 장치에 관한 것이다.
광 이미지를 제어 신호에 따라 투과 또는 차단하는 기능을 가진 광 셔터 (Optical Shutter)는 카메라 등과 같은 촬상용 기기와 LCD와 같은 디스플레이용 기기에 널리 사용되는 핵심 광학 모듈이다.
최근에 사물의 거리 정보를 얻기 위한 3차원 카메라(3D Camera) 또는 LADAR(Laser Radar) 기술이 연구 중에 있는데, 빛의 왕복거리 측정법 (Time-of-Flight)(TOF)을 이용하여 촬상 장치와 피사체 간의 거리를 측정하는 기능을 갖는다.
다양한 TOF 방법 중에 SLP(Shuttered Light Pulse)방법은 피사체에 특정 파장의 빛을 투사하고, 피사체로부터 반사된 동 파장의 광 이미지를 셔터링 한 후, 촬상소자를 통해 이미지를 얻고 일련의 처리과정을 거쳐 거리정보를 얻는 방법이 다. 이러한 방법에서 빛의 거리에 따른 이동 시간을 식별하기 위해 수 나노초(ns) 내외의 개폐 전환시간을 갖도록 빠른 셔터 구동이 필요하다. 이를 위한 고속 광 이미지 셔터로써 이미지 증강장치(Image Intensifier) 또는 반도체 기반 광 셔터(Optical Shutter) 기술이 제시 되었다.
그러나 이미지 증강장치는 동작상 고전압 및 진공 패키징이 필요한 고가의 장비이다. 반도체 기반의 광 셔터는 이미지 증강장치의 동작 및 구조 상의 난점을 극복할 수 있지만, GaAs 기판에서 반도체 제조 공정으로 제작되며 기존의 포토 다이오드(Photo-diode) 및 LED 소자에 비해 복잡한 구조를 가지므로 가격과 공정 난이도에 있어서 상대적으로 상용화가 쉽지 않다.
한편, 전기-광학효과(Electro-Optical effect)를 이용한 기존의 광 변조소자에는 커 셀(Kerr cell)이나 포켈 셀(Pockel cell)이 있다. 전기-광학 물질을 이용한 광 변조소자는 수십 GHz의 반응속도를 가진다. 그러므로 초고속 광 통신의 도파관(Wave Guide) 등에 활용되어 왔다.
이들 소자는 LiNbO3등으로 이루어진 비선형 결정의 편광성질이 주어진 전계 (Electric Field)에 따라서 변화하는 성질을 핵심원리로 사용한다. 즉, 편광의 각도를 외부 전계를 이용하여 제어하여 편광화된 입사광을 투과 또는 차단시키는 셔터 기능을 갖는다.
본 발명의 일 실시예는 고속 셔터링(shuttering)이 가능한 광 셔터를 제공한다.
본 발명의 다른 실시예는 이러한 광 셔터의 동작방법을 제공한다.
본 발명의 또 다른 실시예는 그러한 광 셔터를 포함하는 광학 장치를 제공한다.
본 발명의 일 실시예는 외부 작용에 의해 전반사각이 변화되는 전반사 면을 갖는 고체 상태 투명 전기-광학 매체를 포함하는 광 셔터를 제공한다.
상기 전기-광학 매체를 통과한 광이 입사되는 대상에 상기 광이 수직으로 입사되게 하는 광 경로 변경수단이 더 구비될 수 있다.
상기 전기-광학 매체 앞에 입사광 경로 변경수단이 더 구비될 수 있다.
상기 전기-광학 매체와 상기 광 경로 변경수단은 프리즘 또는 프리즘 어레이를 포함할 수 있다.
상기 전기-광학 매체와 상기 광 경로 변경수단의 프리즘은 형상이 동일하되, 서로 대칭성을 갖도록 배열될 수 있다.
상기 전기-광학 매체와 상기 광 경로 변경수단의 프리즘 어레이는 복수의 마이크로 프리즘을 포함하고, 상기 전기-광학 매체의 상기 마이크로 프리즘의 단면과 상기 광 경로 변경수단의 마이크로 프리즘의 단면이 대칭성을 갖도록 상기 전기-광 학 매체와 상기 광 경로 변경수단의 프리즘 어레이가 배열될 수 있다.
광 진행 경로 상에서 상기 전기-광학 매체와 상기 광 경로 변경수단 사이에 균일한 두께의 갭이 존재할 수 있다. 이때, 상기 갭은 공기 또는 상기 프리즘이나 상기 프리즘 어레이보다 굴절률이 작은 광학 매질로 채워질 수 있다.
상기 전기-광학 매체의 상기 프리즘의 일면 또는 상기 마이크로 프리즘의 일면에 광 흡수막이 부착되어 있고, 상기 일면은 전반사된 광이 입사되는 면일 수 있다.
상기 전기-광학 매체 앞에 입사광 경로 변경수단을 더 구비할 수 있다.
상기 입사광 경로 변경수단은 자신에게 입사되는 입사광이 상기 전기-광학 매체에 평행광으로 입사되도록 상기 입사광의 진행 경로를 변경하는 렌즈 유닛일 수 있다.
상기 전기-광학 매체는 상기 외부 작용에 따라 입사광이 전반사되거나 투과되는 프리즘 또는 프리즘 어레이일 수 있다.
상기 프리즘의 광 입사면 또는 상기 프리즘 어레이에 포함된 마이크로 프리즘의 광 입사면은 입사광과 경사져 있을 수 있다.
상기 프리즘 어레이는 스트라이프(strip) 형태의 복수의 마이크로 프리즘 또는 환형 마이크로 프리즘일 수 있다.
상기 외부 작용은 전압인가에 따라 발생되는 전기장일 수 있다.
상기 광 경로 변경수단의 프리즘 또는 프리즘 어레이의 광 진행 경로 상에 있지 않은 면에 광흡수막이 부착될 수 있다.
상기 전기-광학 매체 자체는 상기 전기-광학 매체로부터 방출된 광이 입사되는 대상에 대해 기울어져 있을 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시예에 의하면, 상기 전기-광학 매체에 전압을 인가하여 상기 전기-광학 매체의 전반사각을 변화시키는 광 셔터의 동작방법을 제공한다.
이러한 동작 방법에서, 상기 전압을 연속적으로 인가하여 상기 전기-광학 매체의 전반사각을 연속적으로 변화시킬 수 있다.
상기 전압의 파형은 사각파 또는 사인파일 수 있으며 그 파형은 사각파 또는사인파로 제한되지 않는다.
상기 전기-광학 매체는 프리즘 또는 프리즘 어레이일 수 있다.
상기 전기-광학 매체에 입사되는 입사광의 입사각은 상기 전기-광학 매체의 고정 전반사각 보다 작고, 상기 전압 인가에 의한 최소 전반사각 보다는 클 수 있다.
상기 전기-광학 매체에 입사되는 입사광의 입사각은 상기 전기-광학 매체의 고정 전반사각 보다 크고, 상기 전압 인가에 의한 최대 전반사각 보다는 작을 수 있다.
상기 전압인가에 따라 상기 전기-광학 매체의 전반사각은 작아질 수 있다.
상기 전압인가에 따라 상기 전기-광학 매체의 전반사각은 커질 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시예는 상기 본 발명의 실시예에 의한 광 셔터를 포함하는 광학 장치를 제공한다. 상기 광학 장치는 3D 카메라와 같은 거리 측정 카메라 또는 액정 디스플레이 장치일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의한 광 셔터를 이용하면, 고체의 전기-광학 물질의 전기-광학 효과를 이용하는 바, 광 셔터의 내구성을 보다 견고히 할 수 있다.
또한, 1ns의 빠른 셔터 속도로 광 셔터를 동작시킬 수 있는 바, 고속으로 이미지를 처리할 수 있다.
또한, 광 셔터를 박판 형태로 제작할 수 있어 소형화할 수 있다. 박판으로 결정 성장 후, 미세 가공이 가능한 구조인 바, 원자재 가격 및 공정비용을 줄일 수 있다.
이하, 본 발명의 일 실시예에 의한 전반사각 조절매체를 이용한 광 셔터 및그 동작 방법과 광 셔터를 포함하는 장치를 첨부된 도면들을 참조하여 상세하게 설명한다. 이 과정에서 도면에 도시된 층이나 영역들의 두께는 명세서의 명확성을 위해 과장되게 도시된 것이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 실시예에 의한 광 셔터는 전반사각을 조절하기 위한 능동형 고체 상태 매체(active solid state medium for controlling angle of total internal reflection)(30)를 포함할 수 있다. 전반사각을 조절하기 위한 능동형 고체 상태 매체(30)(이하, 전반사각 조절 매체)는 외부 작용에 의해 내부 전반사각이 변화되는 전반사 면을 갖는 매체일 수 있다. 전반사각 조절매체(30)는 다양한 형태의 전기-광학(electro-optical) 매체일 수 있다. 전반사각 조절매체(30) 는, 예를 들면 LiNbO3, KTN(KTaxLn1-xO3) 등과 같이 전기-광학 효과를 갖는 물질일 수 있다. 도 1에 도시한 전반사각 조절매체(30)의 형태는 상징적으로 나타낸 것이다. 상기 외부 작용이라 함은 전반사각 조절매체(30)의 결정 특성에 변화를 줄 수 있는 것일 수 있다. 상기 결정 특성의 일 예는 전반사각 조절매체(30)의 굴절률 특성일 수 있다. 상기 외부 작용에 의해 전반사각 조절매체(30)의 내부 전반사각은 고정 전반사각보다 작아질 수 있다. 상기 고정 전반사각은 상기 외부 작용이 없을 때, 전반사각 조절매체(30)의 전반사면(S1)에서 전반사각 조절매체(30)가 갖은 고유한 전반사각을 말한다. 그러므로 전반사각 조절매체(30)의 물질에 따라 전반사 조절매체(30)의 고유 전반사각은 달라질 수 있다. 상기 외부 작용은, 예를 들면 전기장일 수 있다. 상기 전기장은 전위차가 있는 두 전극 사이에서 발생된다. 따라서 전반사각 조절매체(30)를 전위차가 있는 두 전극 사이에 둠으로써 전반사각 조절매체(30)에 전기장을 인가할 수 있다. 상기 두 전극 중 하나는 전반사각 조절매체(30)의 입사면 쪽에, 나머지 한 전극은 출사면 쪽에 각각 구비될 수 있다. 전반사각 조절매체(30)의 결정 특성에 변화를 줄 수 있는 것이라면, 상기 외부 작용으로써 전기장외에 다른 것이 사용될 수도 있다. 상기 외부 작용은 시간에 따라 조절될 수 있다. 그러므로 상기 외부 작용은 연속적으로 변화될 수도 있고, 이에 따라 전반사각 조절매체(30)의 전반사각 또한 연속적으로 변화될 수 있다. 전반사각 조절매체(30)를 포함하는 광 셔터로부터 방출된 광은 이미지 센서(35)에 입사된다. 이미지 센서(35)는 CCD(Charge Coupled Device)나 CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor) 센서일 수 있고, 또한 전반사각 조절매체(30)로부터 주어지는 광 이미지를 전기적 신호로 변화하여 출력할 수 있는 임의의 광 센서일 수도 있다.
도 1에서 참조번호 L은 전반사각 조절매체(30)에 입사되는 입사광을 나타낸다. 전반사면(S1)에 입사하는 입사광(L)의 입사각은 주어진 각으로 고정될 수 있다. 이때, 상기 외부 작용의 크기에 따라 전반사각 조절매체(30)의 전반사각이 상기 고정 반사각보다 작아지는 경우, 입사광(L)의 상기 입사각은 전반사각 조절매체(30)의 고정 전반사각보다 작고, 상기 외부 작용에 의해 전반사각 조절매체(30)가 가질 수 있는 최소 전반사각보다는 클 수 있다. 반대로, 상기 외부 작용의 크기에 따라 전반사각 조절매체(30)의 전반사각이 상기 고정 반사각보다 커지는 경우, 입사광(L)의 상기 입사각은 전반사 조절매체(30)의 고정 반사각보다 크고, 상기 외부 작용에 의해 전반사각 조절매체(30)가 가질 수 있는 최대 전반사각보다는 작을 수 있다. 도 1에서 참조번호 Lt는 전반사각 조절매체(30)가 셔터 온(shutter-on) 상태일 때, 곧 상기 외부 작용에 의하던, 의하지 않던 입사광(L)이 전반사각 조절매체(30)의 내부 전반사면(S1)에서 전반사 없이 굴절된 광을 나타낸다. 굴절된 광(Lt)는 이미지 센서(35)에 입사된다. 따라서 굴절된 광(Lt)은 실제 측정하고자 하는 또는 얻고자 하는 정보를 갖는 광이 된다. 참조번호 Lr은 전반사각 조절매체(30)가 셔터 오프(shutter-off) 상태일 때, 곧 상기 외부 작용에 의해 전반사각 조절매체(30)의 전반사면(S1)에서의 내부 전반사각이 상기 고정 전반사각보다 작아졌을 때, 전반사각 조절매체(30)의 내부 전반사면(S1)에서 전반사된 광을 상징적으로 나타낸다.
도 2는 도 1의 전반사각 조절매체(30)가 전반사 프리즘(40)일 때의 광 셔터 구성을 보여준다.
도 2를 참조하면, 전반사 프리즘(40)은 직각 프리즘일 수 있다. 전반사 프리즘(40)의 경사면(40S2)은 전반사면이 된다. 입사광(40L)은 전반사 프리즘(40)의 입사면(40S1)에 수직하게 입사된다. 이미지 센서(42)는 전반사면인 경사면(40S2)과 마주하는 위치에 구비될 수 있다. 이미지 센서(42)는 입사광(40L)이 경사면(40S2)에서 굴절되어 도달될 수 있는 위치에 구비될 수 있다. 예컨대, 이미지 센서(42)는 굴절된 광(40T)이 이미지 센서(42)에 수직하게 입사될 수 있는 위치에 구비될 수도 있다. 이미지 센서(42)는 굴절된 광(40T)이 이미지 센서(42)에 경사지게 입사되는 위치에 구비될 수도 있는데, 이때는 프리즘(40)과 이미지 센서(42) 사이에 굴절광(40T) 경로 변경 수단을 구비할 수 있다. 굴절광(40T) 경로 변경 수단에 대해서는 후술한다.
도 2의 경우에서 입사광(40L)의 진행을 살펴보면, 입사광(40L)은 전반사 프리즘(40)의 입사면(40S1)을 통과하여 전반사면인 경사면(40S2)에 주어진 각(40A)으로 입사된다. 이때, 주어진 각(40A)이 프리즘(40)의 고정 전반사각이거나 그보다 크면 입사광(40L)은 경사면(40S2)에서 프리즘(40) 내부로 전반사되고, 따라서 입사광(40L)은 이미지 센서(42)에 도달되지 않는다. 참조번호 40R은 경사면(40S2)에서 전반사된 광을 나타낸다. 프리즘(40)의 전반사된 광(40R)이 방출되는 면에는 광 흡수수단(44)이 구비될 수 있다. 광 흡수수단(44)은 광 흡수막일 수 있다.
주어진 입사각(40A)이 프리즘(40)의 고정 전반사각보다 작으면, 입사광(40L) 은 전반사 조건을 만족하지 못하여 경사면(40S2)에서 굴절된다. 이렇게 굴절된 광(40T)은 이미지 센서(42)에 도달된다.
한편, 외부 작용으로써 전압인가에 따른 전기장(40E)이 프리즘(40)에 인가되면, 프리즘(40)의 내부 전반사각은 달라질 수 있는데, 첫째는 전기장(40E)의 세기가 증가함에 따라 프리즘(40)의 전반사각이 고정 전반사각보다 작아지는 경우이고, 둘째는 전기장(40E)의 세기가 증가함에 따라 프리즘(40)의 전반사각이 고정 전반사각보다 커지는 경우이다.
첫째의 경우, 입사광(40L)의 입사각(40A)은 프리즘(40)의 고정 전반사각보다 작고, 전기장(40E) 인가에 따라 프리즘(40)이 가질 수 있는 최소 전반사각보다는 크다.
둘째의 경우, 입사광(40L)의 입사각(40A)은 프리즘(40)의 고정 반사각보다 크고, 전기장(40E) 인가에 따라 프리즘(40)이 가질 수 있는 최대 전반사각보다는 작다. 이미지 센서(42)는 복수의 화소(pixel)(42P)를 포함하는데, 하나의 화소만 포함할 수도 있다. 이미지 센서(42)는 광 셔터의 전체 이미지 센서일 수도 있고, 적어도 하나의 화소를 포함하는, 전체 이미지 센서의 일부일 수도 있다. 달리 표현하면, 도 2에 도시한 프리즘(40)은 광 셔터의 전체 이미지 센서에 대응하는 전반사각 조절매체일 수도 있다. 또한, 프리즘(40)은 적어도 하나의 화소를 포함하는, 전체 이미지 센서의 일부에 대응하는 전반사각 조절매체일 수도 있다. 즉, 광 셔터는 전반사각 조절매체로써 한 개의 프리즘(40)만을 포함할 수도 있고, 도 2에 도시한 프리즘(40)을 복수개 사용하여 형성한 프리즘 어레이를 포함할 수도 있다. 후자의 경우, 도 2에 도시한 프리즘(40)은 상기 프리즘 어레이를 이루는 단위 프리즘이 된다.
도 3은 도 2의 직각 프리즘(40) 대신에 다른 형태의 프리즘(이하, 제2 프리즘)을 사용한 광 셔터를 보여준다.
도 3을 참조하면, 제2 프리즘(46)은 입사면(46S1)이 입사광(46L)에 대해 경사지게 구비되어 있다. 또한, 제2 프리즘(46)은 전반사면(46S2)이 이미지 센서(42)와 평행하도록 구비되어 있다. 입사면(46S1)과 전반사면(46S2)은 주어진 각을 이루는데, 이 각은 90도 보다 작다. 제2 프리즘(46)의 전반사면(46S2)에서 전반사된 광(46R)이 방출되는 면에는 광 흡수수단(44)이 구비되어 있다. 광 흡수수단(44)은 전반사된 광(46R)이 방출되는 면에 코팅된 광 흡수막일 수 있다. 이미지 센서(42)는 제2 프리즘(46)의 전반사면(46S2)에서 굴절된 광(46T)이 수직하게 또는 경사지게 입사되는 위치에 구비될 수 있다. 굴절된 광(46T)이 이미지 센서(42)에 경사지게 입사되도록 이미지 센서(42)가 배치된 경우에는 이미지 센서(42)와 제2 프리즘(46)의 전반사면(46S2) 사이에 굴절광(46T)의 광 경로를 변경시킬 수 있는 수단(미도시)을 더 구비할 수 있다. 상기 수단에 의해 굴절된 광(46T)은 이미지 센서(42)에 수직하게 입사하게 된다. 상기 수단에 대해서는 후술된다. 제2 프리즘(46)의 재질은 도 2의 프리즘(40)과 동일할 수도 있고, 다를 수도 있다.
도 3에서 입사광(46L)의 경로를 살펴본다. 먼저, 외부 작용이 없을 때의 입사광(46L)의 경로를 살펴본다. 입사광(46L)은 입사면(46S1)에 대해 주어진 입사각(46A)으로 입사된다. 입사각(46A)은 90도 보다 작다. 입사광(46L)은 입사 면(46S1)에서 주어진 각으로 1차 굴절된다. 이때, 입사광(46L)의 1차 굴절각은 스넬의 법칙에 따라 결정된다. 입사면(46S1)에서 1차 굴절된 입사광(46L)은 전반사면(46S2)에서 2차 굴절되어 이미지 센서(42)에 입사되거나 전반사되어 광 흡수수단(44)에 흡수된다. 입사광(46L)의 입사각(46A)에 따라 전반사면(46S2)에서 입사광(46L)이 2차 굴절되던가 전반사된다.
다음, 외부 작용이 존재할 때, 예컨대 전기장(46E)이 제2 프리즘(46)에 인가될 때의 입사광(46L)의 경로를 살펴본다. 상기 외부 작용의 세기에 따라 제2 프리즘(46)의 굴절율은 달라진다. 예컨대, 제2 프리즘(46)이 KTN(KTaLnO3) 프리즘인 경우, 상기 외부 작용의 세기를 조절하여 제2 프리즘(46)의 굴절률을 2.3∼2.4의 범위에서 조절할 수 있다.
제2 프리즘(46)의 전반사면(46S2)에서의 전반사각은 전기장(46E)의 세기가 증가함에 따라 감소하는 경우에 대해 살펴본다. 입사광(46L)의 입사각(46A)은 주어진 각으로 고정될 수 있다. 그리고 전반사면(46S2)에 입사되는 광, 곧 입사면(46S1)에서 1차 굴절된 광(46LR)이 전반사면(46S2)에 입사되는 입사각(46B)은 전반사면(46S2)에서의 고정 전반사각보다 작다. 그러므로 입사광(46L)은 1차 굴절된 광(46LR)이 제2 프리즘(46)의 고정 전반사각보다 작은 입사각(46B)으로 전반사면(46S2)에 입사될 수 있는 입사각(46A)으로 입사면(46S1)에 입사된다. 이와 같은 상태에서 전기장(46E)이 인가되면, 제2 프리즘(46)의 전반사면(46S2)에서의 전반사각은 자신의 고정 전반사각보다 작아진다. 이때, 인가되는 전기장(46E)의 세기는 전압으로 표현해서 0V∼150V 정도가 될 수 있다. 전기장(46E)의 세기가 최대일 때의 제2 프리즘(46)의 전반사각을 최소 전반사각이라 하면, 전반사면(46S2)에 대한 1차 굴절된 광(46LR)의 입사각(46B)은 상기 최소 전반사각보다 클 수 있다. 곧, 1차 굴절된 광(46LR)의 입사각(46B)은 제2 프리즘(46)의 고정 전반사각과 상기 최소 전반사각 사이의 값을 가질 수 있다. 그러므로 인가되는 전기장(46E)의 세기에 따라 전반사면(46S2)에서의 전반사각이 1차 굴절된 광(46LR)의 입사각(46B)보다 작아지면, 1차 굴절된 광(46LR)은 전반사면(46S2)에서 전반사되어 광 흡수수단(44)에 흡수된다. 전기장(46E)의 세기를 약하게 하여 제2 프리즘(46)의 전반사각이 1차 굴절된 광(46LR)의 입사각(46B)보다 크게 될 경우, 1차 굴절된 광(46LR)은 더 이상 전반사 조건에 있지 않으므로, 전반사면(46S2)을 통과하여 이미지 센서(42)를 향해 굴절된다. 이와 같이 제2 프리즘(46)에 인가되는 전기장(46E)의 세기를 조절함으로써, 제2 프리즘(46)의 전반사각을 조절할 수 있고, 그에 따라 전반사면(46S2)에 입사되는 1차 굴절된 광(46LR)의 전반사와 굴절을 조절할 수 있다.
한편, 제2 프리즘(46)의 전반사면(46S2)에서 전반사각이 전기장(46E)의 세기에 따라 증가하는 경우, 전반사면(46S2)에 대한 1차 굴절된 광(46LR)의 입사각(46B)은 제2 프리즘(46)의 고정 전반사각보다 크다. 전기장(46E)의 세기가 상기 전압 범위에서 최대일 때의 제2 프리즘(46)의 전반사각을 최대 전반사각이라 하면, 1차 굴절된 광(46LR)의 입사각(46B)은 상기 최대 전반사각보다는 작다. 곧, 1차 굴절된 광(46LR)의 입사각(46B)은 제2 프리즘(46)의 고정 전반사각보다는 크고 상기 최대 전반사각보다는 작은 값을 가질 수 있다. 따라서 제2 프리즘(46)의 전반사각 이 전기장(46E)의 세기에 따라 증가하는 경우, 1차 굴절된 광(46LR)은 최초 전반사 조건을 만족하고 이후 전기장(46E) 인가에 따라 전반사 조건에서 벗어나 전반사면(46S2)을 통과하므로, 광 셔터는 최초 셔터-오프(shutter-off) 상태에서 시작하고, 전기장(46E)의 세기가 증가함에 따라 셔터-온(shutter-on) 상태가 된다. 앞서 기술한 제2 프리즘(46)의 전반사각이 전기장(46E)의 세기에 따라 감소하는 경우에는 이와 반대로 된다. 곧, 광 셔터는 최초 셔터-온 상태에서 시작되고 전기장(46E)의 세기가 증가함에 따라 셔터-오프 상태가 된다.
다음에는 전반사각 조절매체(30)와 광 경로 변경수단을 포함하는 광 셔터의 실시예에 대해 설명한다. 상기 광 경로 변경수단은 전반사각 조절매체(30)로부터 굴절된 광이 이미지 센서(35)에 수직하게 입사되게 한다. 하기 설명에서 앞에서 언급한 부재에 대해서는 사용한 참조번호를 그대로 사용한다.
도 4는 도 2에 도시한 광 셔터에 광 경로 변경수단이 구비된 경우를 보여준다.
도 4를 참조하면, 전반사 프리즘(40)과 이미지 센서(42) 사이에 광 경로 변경수단으로써 제3 프리즘(48)이 구비되어 있다. 전반사 프리즘(40)과 제3 프리즘(48)을 묶어서 외부 작용에 의해 전반사각이 달라지는 전반사 면을 갖는 고체 상태의 전기-광학 매체, 곧 광 셔터라 부를 수도 있다. 이때, 전반사 프리즘(40)은 외부 작용에 따라 전반사각이 달라지는 제1 매체로, 제3 프리즘(48)은 상기 제1 매체로부터 이미지 센서(42)로 입사되는 광을 항상 수직하게 하는 제2 매체로 부를 수 있다. 이러한 표현은 이미지 센서(44)에 입사되는 광이 이미지 센서(44)에 수직 하게 입사되게 하는 프리즘 또는 프리즘 어레이를 포함하여 2개의 프리즘 또는 2개의 프리즘 어레이를 포함하는 후술되는 모든 광 셔터에도 적용될 수 있다.
계속해서, 제3 프리즘(48)은 직각 프리즘이다. 제3 프리즘(48)은 전반사 프리즘(40)과 동일한 것일 수 있다. 전반사 프리즘(40)과 제3 프리즘(48)은 재질이 서로 다를 수도 있지만, 양쪽 프리즘의 굴절률은 공기의 굴절률보다 크다. 전반사 프리즘(40)과 제3 프리즘(48)은 경사면을 마주하고 있다. 두 프리즘(40, 48)의 경사면은 근접하지만, 접촉되지 않는다. 이에 따라 두 프리즘(40, 48)의 경사면 사이에 균일한 두께의 갭(50)이 형성된다. 갭(50)의 두께는, 예를 들면 1∼2㎛ 정도일 수 있다. 그러나 이보다 얇을 수도 있다. 공기가 갭(50)에 존재하지만, 갭(50)에는 다른 물질이 존재할 수도 있다. 이때, 갭(50)에 존재하는 물질은 투명하고, 그 굴절률은 두 프리즘(40, 48)의 굴절률보다 작다. 이 조건을 만족하는 한, 갭(50)에 존재할 수 있는 물질은 특정한 것으로 제한되지 않을 수 있다. 갭(50)의 두께는 균일하므로, 갭(50)은 전반사 프리즘(40)의 전반사면(40S2)을 통과한 광의 진행 방향을 진행 방향에 수직한 방향으로 주어진 거리만큼 평행이동시키는 광학 매질 역할을 한다. 이때, 평행이동되는 거리는 갭(50)의 두께에 비례한다. 제3 프리즘(48)의 경사면은 갭(50)을 통과한 광이 입사되는 입사면이고, 전반사 프리즘(40)의 경사면, 곧 전반사면(40S2)과 평행하게 마주한다. 그리고 제3 프리즘(48)의 광 방출면(48T)은 전반사 프리즘(40)의 입사면(40S1) 및 이미지 센서(42)와 평행하다. 따라서 갭(50)을 통과하여 제3 프리즘(48)에 입사된 광은 전반사 프리즘(40)에 입사된 광이 전반사면(40S2)에서 역방향으로 전반사 프리즘(40)을 통과하는 것과 동일 한 경로로 제3 프리즘(48)을 통과하게 된다. 그러므로 전반사 프리즘(40)의 입사면(40S1)에 수직하게 입사된 광은 제3 프리즘(48)의 광 방출면(48T)을 통과할 때는 광 방출면(48T)에 수직하게 방출된다. 곧, 광 방출면(48T)에서 굴절각은 0°가 된다. 이미지 센서(42)는 제3 프리즘(48)의 광 방출면(48T)과 평행하므로, 제3 프리즘(48)의 광 방출면(48T)을 통과한 광은 이미지 센서(42)에 수직하게 입사된다. 이와 같이 제3 프리즘(48)이 구비됨으로써, 전반사 프리즘(40)의 전반사면(40S2)에서 굴절된 광의 경로는 이미지 센서(42)의 수직하게 입사되도록 변경될 수 있다. 이와 같이 제3 프리즘(48)을 구비함으로써, 이미지 센서(42)를 전반사 프리즘(40) 바로 아래에 배치할 수 있으므로, 광 셔터의 수평 사이즈를 줄일 수 있다. 도 2 및 도 3의 경우에서는 입사광(40T, 46T)이 이미지 센서(42)에 수직하게 되도록 이미지 센서(42)를 배치할 수도 있다. 제3 프리즘(48)과 이미지 센서(42) 사이에 존재하는 광 매질은 갭(50)에 존재하는 광 매질과 동일할 수 있다.
도 5는 도 3의 광 셔터에 광 경로 변경수단이 구비된 경우를 보여준다.
도 5를 참조하면, 제2 프리즘(46)과 이미지 센서(42) 사이에 광 경로 변경수단으로써 제4 프리즘(52)이 구비되어 있다. 제4 프리즘(52)은 제2 프리즘(46)의 전반사면(46S2)으로부터 방출되는 광 경로를 변경시켜 이미지 센서(42)에 수직하게 입사되도록 한다. 제2 프리즘(46)의 입사면(46S1))에 입사되는 입사광(46L)은 이미지 센서(42)에 수직한 방향이다.
제4 프리즘(52)은 형태와 기능면에서 제2 프리즘(46)과 동일한 프리즘일 수 있다. 제4 프리즘(52)의 재질은 제2 프리즘(46)과 동일하거나 다를 수 있다. 재질 이 다른 경우에도 제2 및 제4 프리즘(46, 52)의 굴절률은 공기보다 높고, 두 프리즘(46, 52) 사이에 형성된 갭(54)에 채워진 광 매질의 굴절률보다 클 수 있다.
제4 프리즘(52)의 배치를 보면, 제4 프리즘(52)의 광 입사면(52S1)은 제2 프리즘(46)의 전반사면(46S2)에 해당하는 것인데, 두 면(52S1, 46S2)은 매우 근접해 있다. 그렇지만, 두면(52S1, 46S2)은 접촉되지 않는다. 이에 따라 제4 프리즘(52)의 광 입사면(52S1)과 제2 프리즘(46)의 전반사면(46S2) 사이에 갭(54)이 형성된다. 두 면(52S1, 46S2)은 서로 평행하게 대면하는 바, 갭(54)은 균일한 두께를 갖는다. 따라서 갭(54)은 도 4의 갭(50)과 동일한 기능을 할 수 있다. 제4 프리즘(52)의 광 방출면(52S2)은 제2 프리즘(46)의 광 입사면(46S1)에 해당한다. 이와 같은 제4 프리즘(52)의 배치에 따라서 갭(50)을 통과하여 제4 프리즘(52)에 입사된 광은 제2 프리즘(46)의 전반사면(46S2)에 입사된 광이 역방향으로 진행하는 경로와 동일한 경로를 따른다. 따라서 제4 프리즘(52)의 광 방출면(52S2)에서 굴절된 광이 진행방향은 제2 프리즘(46)의 입사면(46S1)에 입사되는 입사광(46L)과 평행하게 된다. 제2 프리즘(46)의 입사면(46S1)에 입사되는 입사광(46L)은 이미지 센서(42)에 수직하다. 따라서 제4 프리즘(52)의 광 방출면(52S2)으로부터 방출되는 광(52T)은 이미지 센서(42)에 수직하게 입사된다. 도 5에서 제2 및 제4 프리즘(46, 52)은 이미지 센서(42) 전체에 대응할 수 있으나, 이미지 센서 중 일부 화소에 대응하는 것일 수 있다. 예컨대, 제2 및 제4 프리즘(46, 52)은 이미지 센서(42)에 포함된 적어도 하나의 화소에 대응되거나 적어도 2개 이상의 화소에 대응될 수 있다. 광 셔터는 도 3에 도시한 제2 프리즘(46)을 복수개 포함하는 프리즘 어레이를 포함할 수도 있고, 도 5에 도시한 제2 및 제4 프리즘(46, 52) 구조를 복수개 포함하는 프리즘 어레이를 포함할 수도 있다.
도 6은 전반사각 조절매체의 입사면에 입사되는 광이 평행광이 되도록 입사광의 광 경로를 변경시키는 수단(이하, 입사광 경로 변경수단)을 포함하는 광 셔터에 대한 실시예를 보여준다. 상기 입사광 경로 변경수단은 렌즈 유닛일 수도 있다.
도 6을 참조하면, 전반사 프리즘(40)의 광 입사면(40S1)에 콜리메이팅 수단(collimating means)(58)이 구비되어 있다. 콜리메이팅 수단(58)은 전반사 프리즘(40)에 입사되는 광이 구면파 발산 광(40DL)일 때, 구면파 발산 광(40DL)을 전반사 프리즘(40)의 입사면(40S1)에 수직하게 입사되는 평면파 입사광(40L)으로 변화시킨다. 콜리메이팅 수단(58)은, 예를 들면 렌즈일 수 있다. 콜리메이팅 수단(58)의 광 방출면(58S2)은 전반사 프리즘(40)의 광 입사면(40S1)과 평행하고 서로 접촉되어 있다. 콜리메이팅 수단(58)의 광 입사면(58S1)은 볼록한 곡면이다.
도 7은 도 4의 경우에 입사광 광 경로 변경수단을 포함하는 광 셔터의 실시예를 보여준다.
도 7을 참조하면, 전반사 프리즘(40)의 광 입사면(40S1)에 콜리메이팅 수단(58)이 구비되어 있다. 콜리메이팅 수단(58)은 도 6에서 설명한 바와 같을 수 있다.
도 8은 도 3에 도시한 광 셔터에 입사광 경로 변경수단(58)이 더 구비된 예를 보여준다. 입사광 경로 변경수단(58)이 구비됨에 따라 구면파 발산 광(40DL)이 광 셔터에 입사되더라도 제2 프리즘(46)에 입사되는 광(46L)은 평면파인 평행광이 된다.
도 9는 도 5에 도시한 광 셔터에 입사광 경로 변경수단(58)이 더 구비된 예를 보여준다. 도 9에서 입사광 경로 변경수단(58)의 역할은 도 8의 경우와 동일할 수 있다.
다음에는 복수의 전반사각 조절매체(30)로 이루어진 어레이를 포함하는 광 셔터에 설명한다. 어레이를 포함하는 광 셔터에서 어레이를 이루는 단위 전반사각 조절매체(30)는 도 1 내지 도 5에 도시한 것과 동일하거나 유사할 수 있다.
도 10은 도 2의 전반사 프리즘(40)을 단위 전반사각 조절매체로 사용한 어레이를 포함하는 광 셔터에 대한 실시예를 보여준다. 앞에서 설명한 부재에 대해서는 사용한 참조번호를 그대로 사용한다.
도 10을 참조하면, 광 셔터는 제1 기판(62)과 제1 프리즘 어레이(60)를 포함한다. 제1 프리즘 어레이(60)는 제1 기판(62)의 광 방출면에 부착되어 있다. 제1 기판(62)은 입사광에 대해서 투명하고 외부 작용에 따라 굴절률이 변화하는 전기-광학 기판일 수 있다. 제1 기판(62)은 제1 프리즘 어레이(60)를 이루는 마이크로 프리즘(60A)과 동일한 재질일 수 있다. 또한, 제1 기판(62)은 마이크로 프리즘(60A)의 굴절률에 가까운 굴절률을 갖는 재질일 수 있다. 제1 기판(62)으로, 예를 들면 유리 또는 사파이어 등을 사용할 수 있다. 제1 기판(62)에 입사되는 입사광은 평행광일 수 있다. 마이크로 프리즘(60A)은 도 2에 도시한 전반사 프리즘(40)과 모양, 재질 및 기능이 동일할 수 있다. 마이크로 프리즘(60A)의 전반사광이 방출되는 면에 광 흡수수단(44)이 부착되어 있다. 제1 프리즘 어레이(60)는 복수의 마이크로 프리즘(60A)으로 구성된다.
제1 프리즘 어레이(60)는 제1 기판(62)의 이면, 곧 광 방출면 상에 마이크로 프리즘(60A)으로 사용될 전기-광학 기판을 제1 프리즘 어레이(60)의 두께(t1) 이상으로 증착하거나 성장시킨 다음, 상기 전기-광학 기판을 절삭 및 식각하여 형성할 수 있다. 이때, 상기 절삭으로 상기 증착 또는 성장된 전기-광학 기판의 두께를 조절할 수 있고, 상기 식각에 의해 상기 절삭된 전기-광학 기판은 제1 프리즘 어레이(60)와 같은 모양이 될 수 있다. 제1 프리즘 어레이(60)를 형성하는 다른 방법은 제1 기판(62)과 상기 전기-광학 기판을 별도로 형성한 다음, 제1 기판(62)과 별도로 제작된 상기 전기-광학 기판을 본딩하고, 본딩된 상기 전기-광학 기판을 상기한 바와 같이 절삭 및 식각하는 방법이다. 한편, 상기 절삭 및 식각으로 상기 전기-광학 기판을 제1 프리즘 어레이(60)와 같은 모양으로 패터닝한 다음, 방향성 증착 공정을 이용하여 각 마이크로 프리즘(60A)의 전반사면(60S2)에서 전반사된 광이 방출되는 면에 광 흡수수단(44)을 형성할 수 있다. 도 10의 (B)도는 제1 프리즘 어레이(60)의 평면도이다. (B)도를 참조하면, 복수의 마이크로 프리즘(60A)은 스트라이프(strip) 형태로 배열되어 있다. 도 10의 (A)도는 도 10의 (B)도를 10A-10A' 방향으로 절개한 단면을 보인 것이다.
도 10에서 제1 프리즘 어레이(60)의 전반사면(60S2)에서 굴절된 광(40T)은 이미지 센서(42)에 경사지게 입사되는, 곧 0보다 큰 입사각으로 입사되는 것으로 도시되었으나, 굴절된 광(40T)은 이미지 센서(42)에 수직하게 입사될 수 있다. 이것을 실현하기 위한 방법 중 하나는 이미지 센서(42)에 굴절된 광(40T)이 수직하게 입사되도록 이미지 센서(42)를 점선으로 나타낸 바와 같이 제1 기판(62)에 대해 경사지게 배치하는 것이다.
다른 한 방법은 도 11에 도시한 바와 같이, 이미지 센서(42)와 제1 프리즘 어레이(60) 사이에 제2 프리즘 어레이(64)를 구비하는 것이다. 제2 프리즘 어레이(64)는 제1 프리즘 어레이(60)의 전반사면(60S2)에서 굴절된 광(40T)이 이미지 센서(42)에 수직하게 입사하도록 굴절된 광(40T)의 경로를 변경하는 수단이다. 달리 표현하면, 제2 프리즘 어레이(64)는 제1 기판(62)에 입사되는 입사광의 진행 방향과 동일하도록 굴절된 광(40T)의 진행 방향을 변경하는 수단이다. 제1 및 제2 프리즘 어레이(60, 64)는 각각의 마이크로 프리즘(60A, 64A)이 도 4의 전반사 프리즘(40)과 제3 프리즘(48)의 경우처럼 배치되어 갭(50)에 해당하는 갭(도 13의 72)을 형성하도록 근접하여 배치된다. 이러한 배치의 예는 도 13에서 볼 수 있다. 그러나 도 11에서는 제1 및 제2 프리즘 어레이(60, 64)를 명확히 도시하기 위해 편의 상, 제1 및 제2 프리즘 어레이(60, 64)의 상하 이격거리를 실제보다 크게 도시하였다. 제2 프리즘 어레이(64)와 이미지 센서(42) 사이에는 제2 기판(66)이 구비되어 있다. 제2 프리즘 어레이(64)는 제2 기판(66)의 광 입사면 상에 구비되어 있다. 제2 프리즘 어레이(64)는 복수의 마이크로 프리즘(64A)을 포함한다. 마이크로 프리즘(64A)은 도 4의 제3 프리즘(48)과 모양, 재질 및 기능면에서 동일할 수 있다. 제2 기판(66)은 제2 프리즘 어레이(64)의 마이크로 프리즘(64A)의 재질과 동일할 수 있다. 또한, 제2 기판(66)의 재질은 마이크로 프리즘(64A)의 굴절률에 가까운 굴절률을 갖는 재질일 수 있다. 또한, 제2 기판(66)의 재질은 제1 기판(62)과 동일할 수 있다. 제1 프리즘 어레이(60)의 마이크로 프리즘(60A)에 대한 제2 프리즘 어레이(64)의 마이크로 프리즘(64A)의 배치는 도 4에 도시한 전반사 프리즘(40)에 대한 제3 프리즘(48)의 배치와 동일할 수 있다.
한편, 도 10에 도시한 광 셔터에서 제1 기판(62)에 입사되는 입사광이 구면파일 때, 곧 평행광이 아닐 때는 도 12에 도시한 바와 같이 제1 기판(62)의 광 입사면 상에 입사광 경로 변경 수단(68)이 더 구비될 수 있다. 입사광 경로 변경 수단(68)은 자신에게 입사되는 입사광(68L)의 경로를 변경시켜 제1 기판(62)의 광 입사면에 평행광이 입사되도록 한다. 달리 표현하면, 입사광 경로 변경수단(68)은 자신에게 입사되는 입사광(68L)의 진행방향이 동일한 방향이 되도록 입사광(68L)의 경로를 변경시킨다. 이에 따라 제1 프리즘 어레이(60)에 입사되는 광은 평행광이 되어 각 마이크로 프리즘(60a)의 입사면이 수직하게 입사된다. 입사광 경로 변경수단(68)은, 예를 들면 프레넬 렌즈 시트(Fresnel lens sheet)일 수 있다.
다음, 도 11에 도시한 광 셔터에서 제1 기판(62)에 입사되는 입사광이 구면파일 때는 도 13에 도시한 바와 같이, 제1 기판(62)의 광 입사면 상에 입사광 경로 변경 수단(70)이 더 구비될 수 있다. 입사광 경로 변경 수단(70)은 도 12의 입사광 경로 변경 수단(68)과 동일할 수 있다.
도 14는 복수의 마이크로 프리즘으로 구성된 프리즘 어레이를 포함하는 광 셔터의 다른 실시예를 보여준다.
도 14의 (A)도를 참조하면, 광 셔터는 제3 프리즘 어레이(74)와 이미지 센서(42)를 포함한다. 제3 프리즘 어레이(74)는 제3 기판(74A)과 복수의 마이크로 프 리즘(74B)를 포함할 수 있다. 마이크로 프리즘(74B)은 전반사각 조절매체의 일 예를 나타낸 것이다. 그러므로 마이크로 프리즘(74B) 대신에 다른 종류의 전반사각 조절매체가 구비될 수도 있다. 제3 기판(74A)은 이미지 센서(42)에 대해 주어진 각으로 기울어져 있다. 이에 따라 제3 기판(74A)의 광 입사면(74AS)도 이미지 센서(42)에 대해 동일한 각으로 기울어지게 된다. 제3 기판(74A)의 광 입사면(74AS) 상에 복수의 마이크로 프리즘(74B)이 배열되어 있다. 복수의 마이크로 프리즘(74B)은 계단식으로 배열되어 있다. 복수의 마이크로 프리즘(74B)은 제3 기판(74A)의 광 입사면(74AS)에 부착되어 있다.
설명의 이해를 돕기 위해, 도 14의 (B)도에는 제3 기판(74A)과 마이크로 프리즘(74B)을 이격된 상태로 도시하였다. 마이크로 프리즘(74B)은 직각 프리즘으로써, 도 10의 마이크로 프리즘(60A)과 동일할 수 있다. 마이크로 프리즘(74B)은 경사면, 곧 전반사면(74S2)이 제3 기판(74A)의 광 입사면(74AS)과 접촉된다. 이때, 마이크로 프리즘(74B)의 입사광(40L)이 입사되는 면(74S1)은 이미지 센서(42)와 평행할 수 있다. 그러므로 이미지 센서(42)와 제3 기판(74A) 사이의 내각(76)은 마이크로 프리즘(74B)의 광 입사면(74S1)과 전반사면(74S2) 사이의 내각과 같다. 다만, 이미지 센서(42)가 제3 프리즘 어레이(74)로부터 입사되는 광(74T)에 수직하게 배치된 경우에는 이미지 센서(42)와 제3 기판(74A) 사이의 내각(76)은 마이크로 프리즘(74B)의 광 입사면(74S1)과 전반사면(74S2) 사이의 내각과 다를 수 있다. 제3 기판(74A)은 마이크로 프리즘(74B)를 통과한 광에 대해 투명한 기판일 수 있다. 제3 기판(74A)의 굴절률은 공기의 굴절률보다 크고, 외부 작용에 의한 마이크로 프리 즘(74B)의 최소 굴절률 보다 작을 수 있다. 광 셔터에 입사되는 입사광(40L)은 외부 작용의 조건에 따라 마이크로 프리즘(74B)의 전반사면(74S2)에서 전반사되거나 굴절된다. 그러므로 제3 기판(74A)의 광 입사면(74AS)은 마이크로 프리즘(74B)의 전반사면(74S2)에서 굴절된 광이 입사되는 면이다. 상기 외부 작용, 예컨대 전기장(40E)에 의해 마이크로 프리즘(74B)의 전반사면(74S2)에서 전반사된 광(74R)은 마이크로 프리즘(74B)의 입사면과 직각인 면(이하, 직각면)을 통해 방출된다. 그런데, 상기 직각면은 광 흡수수단(44)으로 덮여 있다. 따라서 전반사된 광(74R)은 광 흡수수단(44)에 흡수되는 바, 전반사된 광(74R)은 이웃한 마이크로 프리즘(74B)에 입사되지 않는다.
마이크로 프리즘(74B)은 도면에서 볼 수 있듯이 제3 기판(74A)의 광 입사면(74AS)의 제일 높은 부분에서 제일 낮은 부분까지 계단식으로 차례차례 배열되어 있다. 이에 따라 상기 외부 작용으로 전반사면(74S2)에서 전반사된 광(74R)이 광 입사면(74AS)에 평행하게 진행한다고 하면, 전반사된 광(74R)은 이웃한 다른 마이크로 프리즘에 영향을 주지 않을 수도 있으므로, 도 14에서 광 흡수수단(44)은 구비되지 않을 수도 있다.
도 14의 (C)도는 제3 프리즘 어레이(74)의 평면도이다. 도 14의 (A)도에 도시한 제3 프리즘 어레이(74)는 (C)도를 14A-14A 방향으로 절개한 단면의 보인 것이다. 도 14에서 마이크로 프리즘(74B)과 이미지 센서(42)의 화소는 일대 일로 대응한다. 그러나 한 개의 마이크로 프리즘(74B)이 2개 또는 그 이상의 화소에 대응될 수도 있다. 이러한 사실은 도 10 내지 도 13에서 설명한 프리즘 어레이를 포함하는 광 셔터에도 적용될 수 있고, 후술되는 광 셔터에도 적용될 수 있다. 이와 같이 한 개의 프리즘 어레이가 복수의 화소에 대응되는 경우, 프리즘 어레이 형성을 위한 공정 마진을 크게 할 수 있으므로, 프리즘 어레이를 보다 용이하게 형성할 수 있다.
한편, 도 14의 광 셔터에서 입사광(40L)이 비평행광일 때, 곧 입사광(40L)의 파면(wave surface)이 평면이 아닐 때, 예컨대 구면파일 때는 도 15에 도시한 바와 같이 제3 프리즘 어레이(74)의 앞쪽에 입사광(40L)의 경로를 변경시키는 수단(80)을 더 구비할 수 있다. 입사광 경로 변경수단(80)은 앞서 기술한 입사광 경로 변경수단들과 동일할 수 있다.
다른 한편으로, 도 16에 도시한 바와 같이 제3 프리즘 어레이(74)와 이미지 센서(42) 사이에 제4 프리즘 어레이(84)를 더 구비할 수 있다. 제4 프리즘 어레이(84)는 광 경로 변경수단이다. 제4 프리즘 어레이(84)에 의해서 제3 프리즘 어레이(74)로부터 이미지 센서(42)로 굴절된 광(도 14의 74T)은 이미지 센서(42)에 수직하게 입사된다. 제4 프리즘 어레이(84)는 제3 기판(74A)과 복수의 마이크로 프리즘(84B)을 포함한다. 제3 및 제4 프리즘 어레이(74, 84)는 제3 기판(74A)을 공유할 수 있다. 제3 기판(74A)은 2개의 기판을 본딩한 것일 수 있다. 이때, 두 기판 중 하나는 제3 프리즘 어레이(74)에 포함될 수 있고, 나머지 한 기판은 제4 프리즘 어레이(84)에 포함될 수 있다. 제4 프리즘 어레이(84)의 마이크로 프리즘(84B)은 제3 프리즘 어레이(74)의 마이크로 프리즘(74B)과 동일할 수 있다. 제4 프리즘 어레이(84)의 마이크로 프리즘(84B)은 제3 기판(74A)의 광 방출면(74AT)에 부착되어 있 다. 마이크로 프리즘(84B)의 경사면이 제3 기판(74A)의 광 방출면(74AT)에 접촉된다. 마이크로 프리즘(84B)의 광 방출면(84S1)은 마이크로 프리즘(74B)의 광 입사면(74S1)에 대응되고, 두 면(74S1, 84S1)이 서로 평행하도록 마이크로 프리즘(84B)이 부착되어 있다. 제4 프리즘 어레이(84)의 마이크로 프리즘(84B)은 각각 제3 프리즘 어레이(74)의 마이크로 프리즘(74B)과 수직으로 일대 일로 대응된다. 도 16에서 입사광(40L)이 제3 프리즘 어레이(74)의 마이크로 프리즘(74B), 제3 기판(74A) 및 제4 프리즘 어레이(84)의 마이크로 프리즘(84B)을 통과하여 이미지 센서(42)에 수직하게 입사되는 과정은 도 4에서 입사광(40L)이 전반사 프리즘(40), 갭(50) 및 제3 프리즘(48)을 통과하여 이미지 센서(42)에 수직하게 입사되는 과정과 다르지 않다.
도 16의 광 셔터에서 비 평행광이 입사광으로 사용될 때는 도 17에 도시한 바와 같이 제3 프리즘 어레이(74) 앞쪽에 입사광 경로 변경 수단(90)을 구비하여 비 평행 입사광(68L)을 평행한 입사광(40L)으로 변경할 수 있다. 입사광 경로 변경 수단(90)은 도 15에서 설명한 입사광 경로 변경 수단(80)과 동일할 수 있다.
도 18은 프리즘 어레이를 포함하는 광 셔터의 또 다른 실시예를 보여준다. 앞에서 설명한 부재에 대해서는 사용한 참조번호를 그대로 사용한다.
도 18의 (A)도를 참조하면, 광 셔터는 제4 프리즘 어레이(94)를 포함한다. 제4 프리즘 어레이(94)는 도 1의 전반사각 조절매체(30)의 다른 실시예일 수 있다. 제4 프리즘 어레이(94)는 제4 기판(94A)과 복수의 마이크로 프리즘(94B)을 포함한다. 제4 기판(94A)은 이미지 센서(42)와 평행할 수 있다. 그러나 이미지 센서(42) 는 제4 프리즘 어레이(94)에서 오는 입사광(46T)이 자신에게 수직하게 입사되도록 배치될 수 있는데, 이 경우에는 이미지 센서(42)는 제4 기판(94A)과 평행하지 않을 수 있다. 마이크로 프리즘(94B)은 제4 기판(94A)의 광 입사면 상에 구비되어 있다. 제4 기판(94A)의 입사면 상에 마이크로 프리즘(94B)을 형성하는 공정은 도 10의 제1 프리즘 어레이(60)를 형성하는 공정과 기본적으로 동일할 수 있다. 마이크로 프리즘(94B)은 사이즈만 다를 뿐, 도 3의 제2 프리즘(46)과 동일할 수 있다. 따라서 도 18에서 입사광(46L)이 마이크로 프리즘(94B)을 통과하면서 굴절광(46T)이 되는 과정이나 전반사 되는 과정은 도 3의 제2 프리즘(46)에서 설명한 바와 같을 수 있다.
제4 기판(94A)은 입사광(46L)에 대해 투명한 기판이다. 제4 기판(94A)은 마이크로 프리즘(94B)과 동일한 전기-광학 특성을 갖는 물질로써, 외부 작용, 예컨대 전기장(46E)이 인가되는 상태에서 전기장(46E)의 세기에 따라 마이크로 프리즘(94B)과 동일하게 굴절률이 변할 수 있다. (B)도는 제4 프리즘 어레이(94)의 평면도이다. (A)도의 제4 프리즘 어레이(84)는 (B)도를 18A-18A 방향으로 절개한 단면을 보인 것이다.
다음, 도 19는 프리즘 어레이를 갖는 광 셔터의 또 다른 실시예를 보여준다.
도 19를 참조하면, 도 19에 도시한 광 셔터는 도 18의 광 셔터에서 이미지 센서(42)와 제4 프리즘 어레이(94) 사이에 제5 프리즘 어레이(98)가 더 구비된 경우이다. 제5 프리즘 어레이(98)는 광 경로 변경수단의 일 예에 불과하다. 그러므로 제5 프리즘 어레이(98) 대신에 그와 동등한 기능을 하는 다른 광 경로 변경수단이 구비될 수도 있다. 제5 프리즘 어레이(98)는 셔터 온 상태에서 제4 프리즘 어레이(94)로부터 이미지 센서(42)로 진행하는 광(46T)의 진행 방향이 이미지 센서(42)에 수직한 방향이 되도록 광(46T)의 경로를 변경한다. 이러한 제5 프리즘 어레이(98)가 구비됨으로써, 도 19의 광 셔터에서 이미지 센서(42)와 제4 프리즘 어레이(94)는 동일한 수직 광축 상에 위치할 수 있다. 이에 따라 광 셔터의 수평 사이즈를 줄일 수 있고, 광이 이미지 센서(42)에 수직하게 입사하므로, 이미지 센서(42)의 광 센싱 효율을 높일 수 있다.
계속해서, 제4 프리즘 어레이(94)와 제5 프리즘 어레이(98) 사이에 갭(100)이 존재한다. 갭(100)은, 예를 들면 10㎛이하일 수 있다. 갭(100)의 두께는 균일하다. 갭(100)은 소정의 굴절률을 갖는 광학 매질로 채워질 수 있다. 갭(100)을 채우는 상기 광학 매질의 굴절률은 제4 및 제5 프리즘 어레이(94, 98)의 굴절률보다 작다. 갭(100)을 채우는 상기 광학 매질은, 예를 들면 공기 또는 기판(94A, 98A)보다 굴절률이 작은 다른 물질일 수 있다. 따라서 갭(100)을 통과하는 광은 단순히 진행방향으로 갭(100)의 두께에 비례해서 수평 이동된다. 그러므로 갭(100)의 두께는 이미지 센서(42)의 위치를 고려하여 적절히 결정할 수 있다.
제5 프리즘 어레이(98)는 제5 기판(98A)과 함께 복수의 마이크로 프리즘(98B)을 포함한다. 제5 기판(98A)은 제4 기판(94A)과 동일한 전기-광학 물질일 수 있다. 또한, 제5 기판(98A)은 제4 기판(94A)과 동일한 두께일 수 있다. 제5 기판(98A)과 제4 기판(94A)은 서로 평행하고, 갭(100)을 사이에 두고 마주한다. 각 마이크로 프리즘(98B)은 배열된 방향을 제외하고는 제4 프리즘 어레이(94)의 마이 크로 프리즘(94B)과 전기-광학적 특성이 동일할 수 있다. 제5 프리즘 어레이(98)에서 마이크로 프리즘(98B)은 제5 기판(98A)의 광 방출면(98AS2) 상에 부착되어 있다. 각 마이크로 프리즘(98B)은 제4 프리즘 어레이(94)의 마이크로 프리즘(94B)과 일대 일로 대응한다. 각 마이크로 프리즘(98B)은 배열형태는 제4 프리즘 어레이(94)의 각 마이크로 프리즘(94B)을 y축을 중심으로 180도 회전한 다음, x축을 중심으로 180도 회전한 경우와 동일하다. 제4 프리즘 어레이(94)의 마이크로 프리즘(94B)의 전반사 된 광이 방출되는 면에는 광 흡수수단(44)이 구비되어 있는데, 이 면에 대응하는 제5 프리즘 어레이(98)의 마이크로 프리즘(98B)의 면에도 광 흡수수단(98C)이 구비되어 있다. 이때, 광 흡수수단(98C)은 선택적인 것으로 구비하지 않을 수도 있다. 입사광(46L)의 진행 방향은 실질적으로 두 마이크로 프리즘(94B, 98B)에 의해서 변경되고, 두 마이크로 프리즘(94B, 98B)의 모양과 전기-광학적 특성은 도 5의 제2 및 제4 프리즘(46, 52)와 동일하다. 따라서 셔터 온 상태에서 도 19의 광 셔터에 입사된 광(46L)이 제4 및 제5 프리즘 어레이(94, 98)를 통과하여 이미지 센서(42)에 입사되는 과정은 도 5의 제2 및 제4 프리즘(46, 52)을 통과하여 이미지 센서(42)에 입사되는 과정과 사실상 동일할 수 있다.
도 18의 광 셔터에 입사되는 광(46L)은 평행광이다. 그러나 광 셔터에는 발산 구면파와 같은 비평행광이 입사될 수 있다. 이와 같은 경우에는 도 20에 예시한 광 셔터의 경우처럼, 제3 프리즘 어레이(94) 앞쪽에 입사광 경로 변경수단(110)을 구비할 수 있다. 입사광 경로 변경수단(110)은, 예를 들면 프레넬 렌즈일 수 있다. 입사광 경로 변경수단(110)은 입사되는 구면파 광(68L)을 평행광(46L)으로 변화시 킨다.
한편, 도 19에 도시한 광 셔터에 입사되는 광도 비 평행광일 수 있는데, 이 경우에는 도 21에 도시한 광 셔터의 예와 같이, 제3 프리즘 어레이(94) 앞쪽에 입사광 경로 변경수단(120)을 구비할 수 있다. 도 21에 도시된 입사광 경로 변경수단(120)은 도 20에 도시한 입사광 경로 변경수단(110)과 동일할 수 있다.
도 20 및 도 21에 예시된 광 셔터에서 입사광 경로 변경수단(110, 120)은 제3 프리즘 어레이(94)와 직접 접촉되도록 정렬될 수도 있다. 그러나 제3 프리즘 어레이(94)와 입사광 경로 변경수단(110, 120) 사이에 두께가 균일한 투명 평판이 더 구비될 수도 있다.
도 22는 본 발명의 또 다른 실시예에 의한 광 셔터를 보여준다.
도 22를 참조하면, 광 셔터는 제6 및 제7 프리즘 어레이(130, 140)를 포함한다. 제7 프리즘 어레이(140)와 제6 프리즘 어레이(130)는 이미지 센서(42) 위쪽으로 순차적으로 정렬되어 있다. 제6 및 제7 프리즘 어레이(130, 140)와 이미지 센서(42)는 동일한 광축 상에 정렬되어 있다. 제6 및 제7 프리즘 어레이(130, 140) 사이에는 갭(G2)이 존재한다. 이 갭(G2)은 제6 및 제7 프리즘 어레이(130, 140)의 특정 면 사이의 갭으로써, 도 22에 도시한 바와 같이 크지 않다. 도 22에서는 도시와 도면의 이해를 돕기 위해 편의 상 갭(G2)을 크게 표시하였다. 갭(G2)은 사실 도 23에서 볼 수 있듯이, 제1 환형 마이크로 프리즘(130B)의 경사면과 제2 환형 마이크로 프리즘(140B)의 경사면 사이에 존재하는 갭이다. 갭(G2)의 간격은, 예를 들면 10㎛이하일 수 있다.
제6 프리즘 어레이(130)는 외부 작용, 예컨대 인가 전기장(E1)의 세기 또는 인가되는 전압의 크기에 따라 입사광(L1)이 제7 프리즘 어레이(140)로 진행하는 것을 허용하던가(셔터-온) 또는 차단하는(셔터-오프) 기능을 갖고 있다. 제7 프리즘 어레이(140)는 광 셔터가 셔터-온 상태일 때, 제6 프리즘 어레이(130)로부터 오는 광의 경로를 변경시켜 광이 이미지 센서(42)에 수직하게 입사되게 하는 기능을 갖고 있다. 제6 프리즘 어레이(130)는 제6 기판(130A)과 복수의 제1 환형(annular) 마이크로 프리즘(130B)을 포함한다. 제6 기판(130A)은 제1 환형 마이크로 프리즘(130B)과 전기-광학 특성이 동일한 물질, 예를 들면 굴절률이 인가되는 전기장(E1)에 따라 변화하는 투명 물질일 수 있다. 제6 기판(130A)은 도 10의 제1 기판(62)과 동일할 수 있다. 제1 환형 마이크로 프리즘(130B)은 각각 사이즈가 다르다.
도 22의 (B)도는 제6 프리즘 어레이(130)의 밑면도이다.
(B)도를 참조하면, 제1 환형 마이크로 프리즘(130B)의 어레이는 중심에 직경이 가장 작은 환형 마이크로 프리즘이 존재하고, 그 둘레를 직경 순서대로 환형 마이크로 프리즘들이 순차적으로 둘러싸고 있다. 이러한 제1 환형 마이크로 프리즘(130B)의 단면은 (A)도에서 볼 수 있듯이 도 10의 제1 프리즘 어레이(60)의 마이크로 프리즘(60A)과 같은 직각 프리즘이다. 따라서 입사광(L1)이 제6 프리즘 어레이(130)의 환형 마이크로 프리즘(130B)을 통과하는 과정(전반사면에서 전반사되는 과정이나 굴절되는 과정)은 도 2나 도 10에서 설명한 바와 동일할 수 있다. 제6 프리즘 어레이(130)의 각각의 제1 환형 마이크로 프리즘(130B)의 전반사면(130S1)에 서 전반사된 광(RL1)이 입사되는 면에는 광 흡수수단(135)이 부착되어 있다. 광 흡수수단(135)은 도 2에서 설명한 광 흡수수단(44)과 동일할 수 있다. 제7 프리즘 어레이(140)는 제7 기판(140A)과 복수의 제2 환형 마이크로 프리즘(140B)을 포함한다.
제7 기판(140A)은 제6 기판(130A)과 전기-광학적 특성이 동일한 기판일 수 있다. 제6 및 제7 기판(130A, 140A)은 서로 평행하며 두께가 균일할 수 있다. 제2 환형 마이크로 프리즘(140B)은 제1 환형 마이크로 프리즘(130B)의 카운터 파트(counterpart) 역할을 한다. 제2 환형 마이크로 프리즘(140B)의 단면을 보면, 제2 환형 마이크로 프리즘(140B)은 도 11의 제2 프리즘 어레이(64)의 마이크로 프리즘(64A)과 동일하다. 따라서 제1 및 제2 환형 마이크로 프리즘(130B, 140B)이 일대 일로 대응되는 배열 관계는 도 11에 도시한 제1 및 제2 프리즘 어레이(60, 64)의 배열 관계와 동일하다. 그러므로 입사광(L1)이 제1 및 2 환형 마이크로 프리즘(130B, 140B)을 통과하여 이미지 센서(42)에 수직하게 입사하는 광(TL1)이 되는 과정은 도 11에서 입사광이 제1 및 제2 프리즘 어레이(60, 64)의 마이크로 프리즘(60A, 64A)을 통과하는 과정과 다르지 않다.
한편, 도 22의 광 셔터에 입사되는 광이 비 평행광일 때는 도 23에 도시한 바와 같이 제6 프리즘 어레이(130) 앞쪽에 입사광 경로 변경수단(150)을 구비할 수 있다. 입사광 경로 변경수단(150)은 앞서 기술한 입사광 경로 변경수단들(80, 90, 110, 120)과 동일한 것일 수 있다. 입사광 경로 변경수단(150)은 입사되는 비 평행광(NL1)의 경로를 변경시켜 평행광으로 방출한다.
도 24는 본 발명의 또 다른 실시예에 의한 광 셔터를 보여준다.
도 24를 참조하면, 광 셔터는 제8 및 제9 프리즘 어레이(160, 170)를 포함한다. 제8 프리즘 어레이(160)에 입사광(L1)이 입사된다. 제9 프리즘 어레이(170)는 제8 프리즘 어레이(160)와 이미지 센서(42) 사이에 구비되어 있다. 제8 및 제9 프리즘 어레이(160, 170) 및 이미지 센서(42)는 동일 광축 상에 배열되어 있다. 제8 프리즘 어레이(160)은 외부 작용에 따라 입사광(L1)을 차단하거나 통과시킨다. 제9 프리즘 어레이(170)는 광 경로 변경수단의 일 예이고, 제8 프리즘 어레이(160)로부터 오는 광의 경로를 변경시켜 광이 이미지 센서(42)에 수직하게 입사되게 한다. 제8 및 제9 프리즘 어레이(160, 170)와 이미지 센서(42)는 전체적으로 평행하게 배열되어 있다. 제8 및 제9 프리즘 어레이(160, 170)은 이격되어 있다. 따라서 제8 및 제9 프리즘 어레이(160, 170) 사이에 갭(G3)이 존재한다. 갭(G3)은 소정의 광학 물질로 채워져 있다. 이때, 상기 광학 물질의 굴절률은 제8 및 제9 프리즘 어레이(160, 170)보다 작다. 상기 광학 물질은 공기일 수 있으나, 다른 물질일 수도 있다. 제8 프리즘 어레이(160)는 제8 기판(160A)과 복수의 제3 환형 마이크로 프리즘(160B)을 포함한다. 제8 기판(160A)은 제3 환형 마이크로 프리즘(160B)과 동일한 전기-광학 특성을 갖는 물질일 수 있다. 제8 기판(160A)은 도 10의 제1 기판(62)과 동일할 수 있다. 제8 기판(160A)은 이미지 센서(42)에 평행할 수 있다. 제3 환형 마이크로 프리즘(160B)은 제8 기판(160A)의 광 입사면 상에 부착되어 있다. 제3 환형 마이크로 프리즘(160B)은 외부 작용에 따라 굴절률이 변화하여 전반사각이 달라지는 전기-광학 물질일 수 있다. 복수의 제3 환형 마이크로 프리즘(160B)의 배열을 보면, 도 24의 (B)도에 도시한 바와 같이 가운데에 직경이 가장 작은 환형 마이크로 프리즘이 존재한다. 그리고 나머지 환형 마이크로 프리즘들은 직경이 작은 순서대로 상기 가장 작은 환형 마이크로 프리즘을 둘러싼다. 제3 환형 마이크로 프리즘(160B)에서 전반사된 광(RL2)이 방출되는 면에는 광 흡수수단(180)이 구비되어 있다. 광 흡수수단(180)은 앞서 기술한 광 흡수수단(44)과 동일할 수 있다.
제9 프리즘 어레이(170)는 제9 기판(170A)과 복수의 제4 환형 마이크로 프리즘(170B)을 포함한다. 제9 기판(170A)은 갭(G3)을 사이에 두고 제8 기판(160A)과 마주한다. 제9 기판(170A)은 제8 기판(160A) 및 이미지 센서(42)와 평행할 수 있다. 제9 기판(170A)은 제8 기판(160A)과 동일한 전기-광학 특성을 갖는 기판일 수 있다. 제9 기판(170A)은 제4 환형 마이크로 프리즘(170B)과 동일한 전기-광학 특성을 가질 수 있다. 또한, 제9 기판(170A)은 전기-광학 특성을 갖는 기판은 아니지만, 투명하고 그 굴절률은 제4 환형 마이크로 프리즘(170B)의 굴절률에 가까운 기판일 수 있다. 제4 환형 마이크로 프리즘(170B)은 제3 환형 마이크로 프리즘(160B)에 대응되거나 유사한 형태로 배열될 수 있다. 제4 환형 마이크로 프리즘(170B)은 제9 기판(170A)의 광 방출면에 부착되어 있다.
도 24의 (A)도를 참조하면, 제3 및 제4 환형 마이크로 프리즘(160B, 170B)의 단면은 각각 도 19의 제3 프리즘 어레이(94)의 마이크로 프리즘(94B)과 제4 프리즘 어레이(98)의 마이크로 프리즘(98B)과 동일하다. 그리고 셔터-온 상태에서 입사광(L1)이 제3 환형 마이크로 프리즘(160B)에서 제4 환형 마이크로 프리즘(170B)을 통과하는 과정은 기본적으로 도 19의 광 셔터에서 입사광(46L)이 제3 프리즘 어레 이(94)의 마이크로 프리즘(94B)에서 제5 프리즘 어레이(98)의 마이크로 프리즘(98B)을 통과하는 과정과 동일할 수 있다. 그러므로 셔터-온 상태에서 제9 프리즘 어레이(170)를 통과하여 이미지 센서(42)를 향하는 광(TL2)은 이미지 센서(42)에 수직하게 입사된다. 제4 환형 마이크로 프리즘(170B)의 단면은 제3 환형 마이크로 프리즘(160B)의 단면을 y축을 중심으로 180°회전시킨 다음, x축을 중심을 180°회전시킨 것과 동일하다. 제3 환형 마이크로 프리즘(160B)의 전반사된 광(RL2)의 방출면에 대응하는, 제4 환형 마이크로 프리즘(170B)의 면에 광 흡수수단(190)이 부착되어 있다. 셔터-온 상태에서 제4 환형 마이크로 프리즘(170B)에 입사된 광은 굴절면(170S2)에서 굴절되어 이미지 센서(42)에 입사된다. 이러한 과정에서 굴절면(170S2)에서 일부 반사광(미도시)이 발생될 수 있다. 이렇게 발생된 반사광은 이웃한 제4 환형 마이크로 프리즘을 간섭할 수 있다. 광 흡수수단(190)은 굴절면(170S2)에서 반사되는 상기 반사광을 흡수한다. 따라서 광 흡수수단(190)을 구비함으로써, 제4 환형 마이크로 프리즘(170B) 사이에 광 간섭을 방지할 수 있다. 상기 반사광의 광량이 작을 경우, 광 흡수수단(190)을 구비하는 것은 생략할 수도 있다.
한편, 도 24의 광 셔터에 입사되는 광(L1)이 비 평행광일 때는 도 25에 도시한 바와 같이 제8 프리즘 어레이(160) 앞쪽에 입사광 경로 변경수단(200)을 구비할 수 있다. 입사광 경로 변경수단(200)은, 예를 들면 프레넬 렌즈일 수 있다. 입사광 경로 변경수단(200)에 입사되는 비 평행광(NL1)은 입사광 경로 변경수단(200)을 통과하면서 광 경로가 달라져서 제8 프리즘 어레이(160)에는 평행광(L1)으로 입사된 다.
다음에는 상술한 광 셔터에 대한 시뮬레이션 모델에 대해 설명하고, 상기 시뮬레이션 모델로부터 얻어지는 동작 특성을 살펴본다.
도 26은 상기 시뮬레이션 모델의 일 예를 보여준다. 이러한 시뮬레이션 모델은 카메라 광학계에 사용될 수도 있다.
도 26을 참조하면, 상기 시뮬레이션 모델에서 하부전극(212), 하부 프리즘 어레이(214), 상부 프리즘 어레이(216), 상부전극(218) 및 입사광 경로 변경수단(220)이 순차적으로 적층되어 있다. 적층된 요소들은 계면에서 접촉될 수 있다. 상기 시뮬레이션 모델 아래에, 곧 하부전극(212) 밑에 CCD 이미지 센서(210)가 구비되어 있다. 결과적으로 시뮬레이션 모델의 상기 적층물들은 CCD 이미지 센서(210) 상에 존재한다. CCD 이미지 센서(210) 상에는 하부전극(212), 하부 프리즘 어레이(214), 상부 프리즘 어레이(216) 및 상부전극(218)을 포함하는 적층물의 측면에 접촉되는 조절 프레임(adjusting frame)(222)이 구비되어 있다. 조절 프레임(222)은 상하부 프리즘 어레이(216, 214)의 이격거리를 조절한다. 조절 프레임(222)을 이용하여 상하부 프리즘 어레이(216, 214)의 각 마이크로 프리즘(216B, 214B)의 마주하는 경사면들 사이의 갭(G4)을 10㎛보다 작게 조절할 수 있다. 상부 프리즘 어레이(216)는 단면이 직각 프리즘인 복수의 환형 마이크로 프리즘(216B)을 포함한다. 환형 마이크로 프리즘(216B)의 수직면, 곧 전반사면인 경사면에서 전반사된 광이 방출되는 면에는 광 흡수수단(224)이 구비되어 있다. 하부 프리즘 어레이(214)는 상부 프리즘 어레이(216)로부터 입사되는 광의 경로를 변경시키는 광 경 로 변경수단이며, CCD 이미지 센서(210)에 입사되는 광이 CCD 이미지 센서(210)에 수직하게 입사되게 한다. 하부 프리즘 어레이(214)는 상부 프리즘 어레이(216)의 카운터 파트이고, 복수의 환형 마이크로 프리즘(214B)를 포함한다. 하부 프리즘 어레이(214)의 환형 마이크로 프리즘(214B)은 상부 프리즘 어레이(216)의 환형 마이크로 프리즘(216B)의 카운터 파트이며, 각 환형 마이크로 프리즘들(214B, 216B)은 일대 일로 대응한다. 입사광 경로 변경수단(220)은 프레넬 렌즈일 수 있다. 상기 시뮬레이션 모델에서 상부 및 하부 프리즘 어레이(216, 214)의 재질은 KTN일 수 있다. 상부 및 하부전극(218, 212)은 투명 전극으로써, 양 전극 사이에는 0∼250V 정도의 전압이 인가될 수 있고, 이 전압은 연속적으로 변화시킬 수 있다. 상기 시뮬레이션 모델의 가로 폭은 1cm 정도이고, 상부 및 하부 프리즘 어레이(216, 214)의 전체 높이는 10마이크로미터일 수 있다. 상기 시뮬레이션 모델의 전체 두께는 1mm 정도이다.
도 27은 도 26의 시뮬레이션 모델에 대한 등가 회로를 나타낸다. 도 27에서 Vshutter는 도 26의 상하부 프리즘 어레이(216, 214)에 인가되는 전압을 나타낸다. 그리고 Cshutter는 상하부 프리즘 어레이(216, 214)이가 갖는 커패시턴스(capacitance)를 나타낸다. 또한, Ru는 회로 상의 부하 저항을 나타낸다. 또한, V는 도 26의 광 셔터를 포함하는 광학장치에 인가되는 전압을 나타낸다.
도 28은 도 26의 시뮬레이션 모델에 대한 인가 전압-투과율 특정을 보여준다. 도 28에서 가로축은 상기 시뮬레이션 모델에서 상하부 전극(218, 212)을 통해서 상하부 프리즘 어레이(216, 214)에 인가되는 전압을 나타낸다. 그리고 세로축은 이러한 인가 전압에 따른 상하부 프리즘 어레이(216, 214)의 투과율을 나타낸다.
KTN 재질의 상부 프리즘 어레이(216)에서 마이크로 프리즘(216B)의 고정 전반사각은 26도 정도이다. 상부 프리즘 어레이(216)는 외부 작용, 곧 인가 전압에 따라 전반사각이 작아지도록 형성된 것으로 간주한다. 그리고 상부 프리즘 어레이(216)의 마이크로 프리즘(216B)의 경사면, 곧 전반사면에 입사되는 이미지 광의 입사각은 26도보다는 작고, 상기 전압 인가에 따라 얻을 수 있는 최소 전반사각 보다는 큰 범위에서 일정하게 유지한다. 예를 들면, 상기 최소 전반사각이 24°라면, 상기 이미지 광의 입사각은 25°로 유지할 수 있다.
도 28을 참조하면, 인가전압이 0일 때(인가되는 전기장의 세기가 0일 때), 상기 시뮬레이션 모델의 투과율은 100%에 가까운 값이 된다. 따라서 상기 시뮬레이션 모델은 셔터-온 상태인 것을 알 수 있다. 인가 전압이 증가(인가되는 전기장의 세기가 증가)함에 따라 상기 시뮬레이션 모델의 투과율은 0%에 가까운 것을 볼 수 있다. 곧, 인가전압이 증가함에 따라 상부 프리즘 어레이(216)의 전반사각은 고정 전반사각인 26°보다 작아지기 시작해서 상기 이미지 광의 입사각보다 작아지게 된다. 이에 따라 상부 프리즘 어레이(216)에 입사되는 이미지 광은 모두 전반사된다. 결과적으로 상기 시뮬레이션 모델은 셔터-오프 상태가 된다. 도 28에서 인가 전압에 따라 투과율은 연속적으로 변한다. 이러한 결과에 따라 주어진 인가 전압 범위에서 인가 전압을 연속적으로 변화시킴으로써 투과율을 연속적으로 제어할 수 있다.
한편, 상기 시뮬레이션 모델에서 상부 프리즘 어레이(216)가 외부 작용, 곧 인가 전압에 따라 전반사각이 커지도록 형성된 것이라면, 인가 전압에 따른 영향은 도 28과 반대로 나타난다. 곧, 인가 전압이 0일 때, 상기 시뮬레이션 모델은 셔터오프 상태이고, 인가 전압이 증가하면서 상기 시뮬레이션 모델은 셔터-온 상태가 된다.
도 29는 상기 시뮬레이션 모델에 전압을 인가하였을 때, 인가 전압에 대한 시간반응, 곧 셔터링 상태 변화 속도를 보여준다.
도 29를 참조하면, 전압이 인가된 후, 1ns만에 투과율은 80%보다 커지는 것을 알 수 있다. 이러한 결과는 전압을 인가하여 셔터-오프 상태의 상기 시뮬레이션 모델을 셔터-온 상태로 변화시키는데 1ns 정도밖에 걸리지 않는다는 것을 의미한다. 이러한 셔터링 상태 변화는 가역적이므로, 도 29의 결과는 셔터-온 상태를 셔터-오프 상태로 변화시키는 시간도 1ns 정도라는 것을 의미한다. 1ns 정도의 셔터 속도는 기존의 이미지 처리용 고속 셔터에 비해 매우 빠른 것이다. 따라서 고속으로 이미지를 변형 또는 변조할 수 있다.
도 30 내지 도 35는 상기 시뮬레이션 모델에 인가되는 전압의 형태에 따른 셔터 속도를 보여준다.
도 30 내지 도 32는 상기 인가되는 전압의 파형이 사각파일 때, 투과율 변화를 보여주고, 도 33 내지 도 35는 상기 인가 전압의 파형이 사인파일 때, 투과율 변화를 보여준다. 상기 전압의 파형은 사각파 또는 사인파로 제한되지 않는다.
도 30 내지 도 32를 참조하면, 인가 전압이 사각파일 때, 10MHz까지는 투과율 변화가 안정적이고, 1GHz에서는 투과율 변화에 왜곡이 나타난다. 도 33 내지 도 35를 참조하면, 인가 전압이 사인파일 때는 1GHz까지 투과율 변화가 안정적인 것을 알 수 있다.
도 36은 상술한 광 셔터를 포함하는 광학장치의 일 예로써, 거리측정용 카메라 시스템일 수 있다.
도 36을 참조하면, 광학장치는 광원(710), 광원 드라이버(720), 카메라 컨트롤러(730), 광 이미지 센서(750), 제1 및 제2 렌즈(LZ1, LZ2), 필터(780), 광 셔터(770)를 포함할 수 있다. 제1 렌즈(LZ1), 필터(780), 광 셔터(770), 제2 렌즈(LZ2) 및 광 이미지 센서(750)는 일렬로 배열되어 있고, 동일 광축 상에 있을 수 있다. 광원(710)으로부터 피사체(700)에 조사되는 조사광(TL)이 방출된다. 이때, 조사광(TL)은 소정의 파장을 갖는 광, 예를 들면 적외선일 수 있다. 조사광(TL)은 펄스파 또는 사인파 형태로 조사될 수 있다. 광원(710)은 광원 드라이버(720)에 의해 제어된다. 광원 드라이버(720)의 동작은 카메라 컨트롤러(730)에 의해 제어된다. 카메라 컨트롤러(730)는 광 셔터(770)와 광 이미지 센서(750)의 동작을 제어한다. 광 이미지 센서(750)는, 예를 들면 CCD나 CMOS일 수 있다. 제1 렌즈(LZ1)는 피사체(700)로부터 반사되어 오는 반사광(RL)을 필터(780)에 입사되기에 적합하게 모아준다. 필터(780)는 반사광(RL) 중에서 조사광(TL)을 제외한 잡광을 제거하기 위한 대역필터로써, 예를 들면 IR 대역 필터일 수 있다. 제2 렌즈(LZ2)는 광 셔터(770)로부터 방출되는 광을 광 이미지 센서(750)로 집광시키는 역할을 한다. 광 셔터(770)는 상술한 본 발명의 실시예들에 의한 광 셔터 중 어느 하나일 수 있다.
상술한 본 발명의 실시예에 의한 광 셔터들은 3D 카메라 외에도 LADAR 또는 디스플레이 장치, 예컨대 액정 디스플레이 장치(LCD)에 적용될 수 있고, 이외에도 입사광의 투과와 차단을 고속으로 제어하는 광학소자가 필요한 장치에는 어디에나 적용될 수 있다.
상기한 설명에서 많은 사항이 구체적으로 기재되어 있으나, 그들은 발명의 범위를 한정하는 것이라기보다, 바람직한 실시예의 예시로서 해석되어야 한다. 때문에 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 의하여 정하여 질 것이 아니고 특허 청구범위에 기재된 기술적 사상에 의해 정하여져야 한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 의한 광 셔터의 구성 개념을 나타낸 단면도이다.
도 2는 도 1의 전반사각 기록매체(30)가 전반사 프리즘일 때의 광 셔터 구성을 나타낸 단면도이다.
도 3은 도 2의 직각 프리즘(40) 대신에 다른 형태의 프리즘을 사용한 광 셔터의 단면도이다.
도 4는 도 2에 도시한 광 셔터에 광 경로 변경 수단이 구비된 경우를 나타낸 단면도이다.
도 5는 도 3의 광 셔터에 광 경로 변경수단이 구비된 경우를 나타낸 단면도이다.
도 6은 전반사각 조절매체의 입사면에 입사되는 광이 평행광이 되도록 입사광의 광 경로를 변경시키는 수단을 포함하는 광 셔터에 대한 실시예를 나타낸 단면도이다.
도 7은 도 4의 경우에 입사광 광 경로 변경수단을 포함하는 광 셔터의 실시예를 나타낸 단면도이다.
도 8은 도 3에 도시한 광 셔터에 입사광 경로 변경수단이 더 구비된 예를 나타낸 단면도이다.
도 9는 도 5에 도시한 광 셔터에 입사광 경로 변경수단이 더 구비된 예를 나타낸 단면도이다.
도 10A는 도 2의 전반사 프리즘(40)을 단위 전반사각 조절매체로 사용한 어 레이를 포함하는 광 셔터에 대한 실시예를 나타낸 단면도이고, 도 10B는 평면도이다.
도 11은 도 10에서 이미지 센서(42)와 제1 프리즘 어레이(60) 사이에 제2 프리즘 어레이(64)가 구비된 경우를 나타낸 단면도이다.
도 12는 도 10에서 제1 기판의 광 입사면 상에 입사광 경로 변경 수단이 더 구비된 광 셔터의 단면도이다.
도 13은 도 11에서 제1 기판의 광 입사면 상에 입사광 경로 변경 수단이 더 구비된 광 셔터의 단면도이다.
도 14는 복수의 마이크로 프리즘으로 구성된 프리즘 어레이를 포함하는 광 셔터의 다른 실시예를 나타낸 단면도이다.
도 15는 도 14의 광 셔터에서 제3 프리즘 어레이의 앞쪽에 입사광의 경로를 변경시키는 수단이 구비된 경우를 나타낸 단면도이다.
도 16은 도 14의 광 셔터에서 제3 프리즘 어레이와 이미지 센서 사이에 제4 프리즘 어레이가 더 구비된 경우를 나타낸 단면도이다.
도 17은 도 16의 광 셔터에서 제3 프리즘 어레이(74) 앞쪽에 입사광 경로 변경 수단을 구비한 경우를 나타낸 단면도이다.
도 18은 프리즘 어레이를 포함하는 광 셔터의 또 다른 실시예를 나타낸 단면도이다.
도 19는 프리즘 어레이를 갖는 광 셔터의 또 다른 실시예를 나타낸 단면도이다.
도 20은 도 18의 광 셔터에서 제3 프리즘 어레이 앞쪽에 입사광 경로 변경수단을 구비하는 광 셔터를 나타낸 단면도이다.
도 21은 도 19에 도시한 광 셔터에서 제3 프리즘 어레이 앞쪽에 입사광 경로 변경수단을 구비하는 경우를 나타낸 단면도이다.
도 22는 본 발명의 또 다른 실시예에 의한 광 셔터를 나타낸 단면도 및 밑면도이다.
도 23은 도 22의 광 셔터에서 제6 프리즘 어레이 앞쪽에 입사광 경로 변경수단(150)이 구비된 경우를 나타낸 단면도이다.
도 24는 본 발명의 또 다른 실시예에 의한 광 셔터를 나타낸 단면도이다.
도 25는 도 24의 광 셔터에서 제8 프리즘 어레이 앞쪽에 입사광 경로 변경수단이 구비된 경우를 나타낸 단면도이다.
도 26은 본 발명의 실시예에 의한 광 셔터의 시뮬레이션 모델을 나타낸 단면도이다.
도 27은 도 26의 시뮬레이션 모델에 대한 등가 회로를 나타낸다.
도 28은 도 26의 시뮬레이션 모델에 대한 인가 전압-투과율 특정을 나타낸 그래프이다.
도 29는 도 26의 시뮬레이션 모델에 전압을 인가하였을 때, 인가 전압에 대한 시간반응, 곧 상승시간(rising time)을 나타낸 그래프이다.
도 30 내지 도 35는 도 26의 시뮬레이션 모델에 인가되는 전압의 형태에 따른 셔터 속도를 보여준다.
도 36은 본 발명의 실시예에 의한 광 셔터를 포함하는 광학장치의 구성을 보여준다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호설명>
30:전반사각 조절 매체 40:전반사 프리즘
35, 42, 210:이미지 센서 44, 98C, 135, 190:광 흡수수단
46, 48, 52:제2 내지 제4 프리즘 50, 54, 72, 100, G2, G3, G4:갭
60, 64, 76, 94, 98, 130, 140, 160, 170:제1 내지 제9 프리즘 어레이
62, 66, 74A, 94A, 98A, 130A, 140A, 160A, 170A:제1 내지 제9 기판
68,70, 80, 90, 110, 120, 150, 200, 220:입사광 경로 변경 수단
76:내각 212:하부전극
214:하부 프리즘 어레이 216:상부 프리즘 어레이
218:상부전극 222:조절 프레임
216B:환형 마이크로 프리즘
710:광원 720:광원 드라이버
730:카메라 컨트롤러 750:광 이미지 센서
780:필터 770:광 셔터
40A, 46B:입사각
40S1, 46S1, 52S1, 58S1, 74AS, 74S1:광 입사면
40L, 46L, 68L, L1:입사광 40T, 46T, 74T, TL2:굴절된 광
40R, 46R, RL1:전반사된 광 40DL:구면파 입사광
40E, 46E, E1:전기장 42P:화소(pixel)
40S2, 46S2, S1, 60S2, 74S2, 130S1:전반사면
48T, 52S2, 58S2, 74AT, 98AS2:광 방출면
52T:광 방출면(52S2)으로부터 방출되는 광
58:콜리메이팅 수단(collimating means)
60a, 64A,74B, 84B, 94B, 98B:마이크로 프리즘
68L, NL1:비평행 입사광
130B, 140B, 160B, 170B:제1 내지 제4 환형 마이크로 프리즘
170S2:굴절면
L:전반사각 조절매체(30)에 입사되는 입사광
Lt:굴절된 광 LZ1, LZ2:제1 및 제2 렌즈
t1: 제1 프리즘 어레이(60)의 두께

Claims (33)

  1. 외부 작용에 의해 전반사각이 변화되는 전반사 면을 갖는 고체 상태 투명 전기-광학 매체를 포함하는 광 셔터.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 전기-광학 매체를 통과한 광이 입사되는 대상에 상기 광이 수직으로 입사되게 하는 광 경로 변경수단이 더 구비된 광 셔터.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 전기-광학 매체 앞에 입사광 경로 변경수단이 더 구비된 광 셔터.
  4. 제 2 항에 있어서,
    상기 전기-광학 매체와 상기 광 경로 변경수단은 프리즘 또는 프리즘 어레이를 포함하는 광 셔터.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 전기-광학 매체와 상기 광 경로 변경수단의 프리즘은 형상이 동일하되, 서로 대칭성을 갖도록 배열된 광 셔터.
  6. 제 4 항에 있어서,
    상기 전기-광학 매체와 상기 광 경로 변경수단의 프리즘 어레이는 복수의 마이크로 프리즘을 포함하고, 상기 전기-광학 매체의 상기 마이크로 프리즘의 단면과 상기 광 경로 변경수단의 마이크로 프리즘의 단면이 대칭성을 갖도록 상기 전기-광학 매체와 상기 광 경로 변경수단의 프리즘 어레이가 배열된 광 셔터.
  7. 제 6 항에 있어서, 상기 마이크로 프리즘은 환형(annular) 마이크로 프리즘인 광 셔터.
  8. 제 3 항에 있어서,
    상기 입사광 경로 변경수단은 자신에 입사되는 광을 상기 전기-광학 매체에 평행광으로 방출하는 렌즈 유닛인 광 셔터.
  9. 제 4 항에 있어서,
    광 진행 경로 상에서 상기 전기-광학 매체와 상기 광 경로 변경수단 사이에 균일한 두께의 갭이 존재하는 광 셔터.
  10. 제 6 항에 있어서,
    상기 전기-광학 매체의 상기 프리즘의 일면 또는 상기 마이크로 프리즘의 일면에 광 흡수막이 부착되어 있고, 상기 일면은 전반사된 광이 입사되는 면인 광 셔 터.
  11. 제 9 항에 있어서,
    상기 갭은 공기 또는 상기 프리즘이나 상기 프리즘 어레이보다 굴절률이 작은 광학 매질로 채워진 광 셔터.
  12. 제 1 항에 있어서,
    상기 전기-광학 매체 앞에 입사광 경로 변경수단을 더 구비하는 광 셔터.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 광 경로 변경수단은 프리즘 또는 프리즘 어레이인 광 셔터.
  14. 제 12 항에 있어서,
    상기 입사광 경로 변경수단은 자신에게 입사되는 입사광이 상기 전기-광학 매체에 평행광으로 입사되도록 상기 입사광의 진행 경로를 변경하는 렌즈 유닛인 광 셔터.
  15. 제 1 항에 있어서,
    상기 전기-광학 매체는 상기 외부 작용에 따라 입사광이 전반사되거나 투과되는 프리즘 또는 프리즘 어레이인 광 셔터.
  16. 제 15 항에 있어서,
    상기 프리즘의 광 입사면 또는 상기 프리즘 어레이에 포함된 마이크로 프리즘의 광 입사면은 입사광과 경사져 있는 광 셔터.
  17. 제 13 항 또는 제15 항에 있어서,
    상기 프리즘 어레이는 스트라이프(strip) 형태의 복수의 마이크로 프리즘 또는 환형 마이크로 프리즘인 광 셔터.
  18. 제 1 항에 있어서,
    상기 외부 작용은 전압인가에 따라 발생되는 전기장인 광 셔터.
  19. 제 15 항에 있어서,
    상기 프리즘의 일면 또는 상기 마이크로 프리즘의 일면에 광 흡수막이 부착되어 있고, 상기 일면은 전반사된 광이 입사되는 면인 광 셔터.
  20. 제 16 항에 있어서,
    상기 광 경로 변경수단의 프리즘 또는 프리즘 어레이의 광 진행 경로 상에 있지 않은 면에 광흡수막이 부착되어 있는 광 셔터.
  21. 제 1 항에 있어서,
    상기 전기-광학 매체 자체가 상기 전기-광학 매체로부터 방출된 광이 입사되는 대상에 대해 기울어져 있는 광 셔터.
  22. 광 셔터를 포함하는 카메라에 있어서,
    상기 광 셔터는 청구항 1 또는 청구항 2의 광 셔터인 카메라.
  23. 제 22 항에 있어서,
    상기 전기-광학 매체 앞에 입사광 경로 변경수단이 더 구비된 카메라.
  24. 제 22 항에 있어서,
    상기 광 셔터가 청구항 2의 광 셔터일 때, 상기 전기-광학 매체와 상기 광 경로 변경수단은 프리즘 또는 프리즘 어레이를 포함하는 디스플레이 장치.
  25. 광 셔터를 포함하는 디스플레이 장치에 있어서,
    상기 광 셔터는 청구항 1 또는 청구항 2의 광 셔터인 디스플레이 장치.
  26. 제 25 항에 있어서,
    상기 전기-광학 매체 앞에 입사광 경로 변경수단이 더 구비된 디스플레이 장치.
  27. 제 25 항에 있어서,
    상기 광 셔터가 청구항 2의 광 셔터일 때, 상기 전기-광학 매체와 상기 광 경로 변경수단은 프리즘 또는 프리즘 어레이를 포함하는 디스플레이 장치.
  28. 청구항 1의 전기-광학 매체를 포함하는 광 셔터의 동작 방법에 있어서,
    상기 전기-광학 매체에 전압을 인가하여 상기 전기-광학 매체의 전반사각을 변화시키는 광 셔터의 동작방법.
  29. 제 28 항에 있어서,
    상기 전압을 연속적으로 인가하여 상기 전기-광학 매체의 전반사각을 연속적으로 변화시키는 광 셔터의 동작방법.
  30. 제 28 항에 있어서,
    상기 전압인가에 따라 상기 전기-광학 매체의 전반사각이 작아지는 광 셔터의 동작방법.
  31. 제 28 항에 있어서,
    상기 전압인가에 따라 상기 전기-광학 매체의 전반사각이 커지는 광 셔터의 동작방법.
  32. 제 28 항에 있어서,
    상기 전기-광학 매체에 입사되는 입사광의 입사각은 상기 전기-광학 매체의 고정 전반사각 보다 작고, 상기 전압 인가에 의한 최소 전반사각 보다는 큰 광 셔터의 동작방법.
  33. 제 28 항에 있어서,
    상기 전기-광학 매체에 입사되는 입사광의 입사각은 상기 전기-광학 매체의 고정 전반사각 보다 크고, 상기 전압 인가에 의한 최대 전반사각 보다는 작은 광 셔터의 동작방법.
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