KR20140085114A - 집적 홀로그램 광학소자 - Google Patents

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Abstract

집적 홀로그램 광학소자, 그 제조 방법 및 집적 홀로그램 기록 장치가 개시된다.
개시된 집적 홀로그램 광학소자는, 복수의 호겔의 2차원 어레이를 구비한다. 각 호겔은 신호빔의 각도나 초점거리 조정에 의해 복수의 호겔의 조합이 광학요소로서 작용하도록 홀로그래픽 요소가 기록된다.

Description

집적 홀로그램 광학소자{Integrated hologram optical element}
집적 홀로그램 광학소자에 관한 것으로, 보다 상세하게는 호겔(hogel) 기반의 집적 홀로그램 광학소자에 관한 것이다.
일반적인 광학요소는 볼록하고 오목한 형상의 유리나 이런 모양의 여러 요소들의 조합으로 이루어진다. 반면에, 홀로그래픽 광학요소는 평평한 면 모양의 얇은 홀로그래픽 기록매질 한 장으로 이루어져 있어서, 작은 공간에 집적하여 사용할 수 있다.
일반적으로 홀로그래픽 광학요소를 제작하기 위해서는 제작하고자 하는 광학요소의 실물 모델을 우선 제작하여야 한다. 제작된 광학요소를 신호빔의 위치에 두고, 기준이 되는 참조빔을 교차하여 간섭무늬가 발생하는 위치에 기록하고자 하는 홀로그램 기록매질을 위치하면, 모델이 되는 광학렌즈와 동일한 기능을 가지는 홀로그래픽 광학요소을 만들 수 있다. 그러나 이 방식으로 제작된 홀로그래픽 광학요소의 경우 모델이 되는 광학요소의 설계 한계를 넘어설 수 없는 근본적인 단점이 존재한다.
홀로그래픽 기록에 사용되는 광학요소의 설계 한계에 한정되지 않는 집적된 호겔(hogel)에 기반한 집적 홀로그램 광학소자, 집적 홀로그램 기록 장치 및 집적 홀로그램 광학소자 제조 방법을 제공한다.
본 발명의 실시예에 따른 집적 홀로그램 광학소자는, 복수의 호겔의 2차원 어레이를 구비하며, 각 호겔은 신호빔의 각도나 초점거리 조정에 의해 복수의 호겔의 조합이 광학요소로서 작용하도록 홀로그래픽 요소가 기록된다.
상기 각 호겔은 회절광학요소를 포함하도록 형성될 수 있다.
상기 각 호겔의 회절광학요소는 그 격자면이 집적 홀로그램 광학소자의 입사평면과 45도보다 큰 각도를 이루도록 형성될 수 있다.
이때, 상기 각 호겔의 회절광학요소는 상기 입사평면에 수직으로 입사되는 평행광이 45도보다 큰 반사각으로 반사되어 집적 홀로그램 광학소자를 통과하며 포커싱되거나 발산되어, 집적 홀로그램 광학소자가 렌즈로서 역할을 하도록 마련될 수 있다.
상기 각 호겔의 회절광학요소는 그 격자면의 기울기가 중심축에 대해 바깥쪽으로 갈수록 중심축에 대해 이루는 각도가 커지며, 상기 격자면이 중심축을 향하도록 마련될 수 있다.
상기 각 호겔의 회절광학요소는 그 격자면의 기울기가 중심축에 대해 바깥쪽으로 갈수록 중심축에 대해 이루는 각도가 커지며, 상기 격자면이 바깥쪽을 향하도록 마련될 수 있다.
상기 각 호겔의 회절광학요소는 복수의 호겔의 조합이 비축상 집속 렌즈로서 작용하도록 마련될 수 있다.
복수의 호겔의 2차원 어레이를 포함하는 층이 다층으로 이루어지고, 각 층에 포함된 복수의 호겔의 2차원 어레이는 특정 파장의 광에 대해 집속 렌즈로서 역할을 하도록 마련되어, 색수차가 없는 렌즈로 작용하도록 마련될 수 있다.
상기 각 호겔의 회절광학요소는, 복수의 호겔의 조합이 투과형 그레이팅으로서 작용하도록 마련될 수 있다.
다른 예로서, 상기 각 호겔의 회절광학요소는 그 격자면이 집적 홀로그램 광학소자의 입사평면과 45도보다 작은 각도를 이루도록 형성될 수 있다.
이때, 상기 각 호겔의 회절광학요소는 상기 입사평면에 수직으로 입사되는 평행광이 집적 홀로그램 광학소자에서 반사되면서 포커싱되거나 발산되어, 집적 홀로그램 광학소자가 곡면 거울로서 역할을 하도록 마련될 수 있다.
상기 각 호겔의 회절광학요소는 그 격자면의 기울기가 중심축에 대해 바깥쪽으로 갈수록 중심축과 이루는 각도가 작아지며, 상기 격자면이 중심축을 향하도록 마련될 수 있다.
상기 각 호겔의 회절광학요소는 그 격자면의 기울기가 중심축에 대해 바깥쪽으로 갈수록 중심축과 이루는 각도가 작아지며, 상기 격자면이 바깥쪽을 향하도록 마련될 수 있다.
상기 각 호겔의 회절광학요소는 복수의 호겔의 조합이 오프-축 곡면 거울로서 작용을 하도록 마련될 수 있다.
상기 각 호겔의 회절광학요소는, 복수의 호겔의 조합이 반사형 그레이팅으로서 작용을 하도록 마련될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 집적 홀로그램 기록 장치는, 홀로그램 기록매질이 올려지며, 상기 홀로그램 기록매질에 호겔 단위로 홀로그래픽 요소가 기록되어 복수의 호겔의 조합이 광학요소로서 작용하는 복수의 호겔의 2차원 어레이를 형성하기 위하여, 상기 홀로그램 기록매질을 x,y 방향으로 이동 가능하고, 각도 회전이 가능하도록 지지하는 스테이지와; 참조빔을 홀로그램 기록매질로 조사하는 참조빔 조사부와; 상기 홀로그램 기록매질에 상기 참조빔과 교차되게 신호빔을 조사하며, 상기 신호빔의 초점 거리를 임의로 조절할 수 있으며, 신호빔의 곡률을 조절할 수 있도록 된 신호빔 조사부;를 포함하며, 상기 홀로그램 기록매질에 각 호겔을 신호빔의 각도나 초점거리 조정에 의해 복수의 호겔의 조합이 광학요소로서 작용하도록 기록한다.
상기 참조빔 조사부와 신호빔 조사부는, 상기 홀로그램 기록매질에 같은 면을 통하여 교차되게 참조빔과 신호빔을 조사하여 간섭무늬를 생성시키도록 배치되어, 투과형 집적 홀로그램을 기록하도록 마련될 수 있다.
상기 참조빔 조사부와 상기 신호빔 조사부는, 상기 홀로그램 기록매질에 서로 반대 면을 통하여 교차되게 참조빔과 신호빔을 조사하여 간섭무늬를 생성시키도록 배치되어, 반사형 집적 홀로그램을 기록하도록 마련될 수 있다.
상기 참조빔은 콜리메이팅된 평행빔일 수 있다.
상기 홀로그램 기록매질에 복수의 호겔의 2차원 어레이를 형성하여, 본 발명의 실시예에 따른 집적 홀로그램 광학소자를 형성할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 집적 홀로그램 광학소자 제조 방법은, 스테이지에 올려진 홀로그램 기록매질에 참조빔을 조사하는 단계와; 신호빔을 상기 참조빔과 교차되게 조사하여, 상기 홀로그램 기록매질에 호겔 단위로 홀로그램 요소를 기록하며, 상기 스테이지를 x,y 방향으로 이동 및 각도 회전시킴과 동시에 상기 신호빔의 초점 거리와 곡률을 조정하면서 신호빔을 상기 참조빔과 교차되게 조사하여, 복수의 호겔의 조합이 광학요소로서 작용하도록 복수의 호겔의 2차원 어레이를 형성하는 단계;를 포함한다.
상기 참조빔과 상기 신호빔은 상기 홀로그램 기록매질에 같은 면을 통하여 교차되게 조사되어, 투과형 집적 홀로그램을 기록할 수 있다.
상기 참조빔과 상기 신호빔은 상기 홀로그램 기록매질에 서로 반대 면을 통하여 교차되게 조사되어, 반사형 집적 홀로그램을 기록할 수 있다.
상기 참조빔은 콜리메이팅된 평행빔일 수 있다.
상기한 바와 같은 본 발명의 실시예에 따른 집적 홀로그램 광학 소자 및 그 제조 방법, 집적 홀로그램 기록 장치에 따르면, 전체 홀로그래픽 요소를 기본 단위인 호겔로 나누어 집적하여 기록하므로, 홀로그래픽 기록에 사용되는 광학요소의 설계 한계에 한정되지 않고 임의로 집적 홀로그램 광학소자를 구현할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 집적 홀로그램 광학소자를 개략적으로 보여준다.
도 2는 도 1의 집적 홀로그램 광학소자의 단면도를 개략적으로 보여준다.
도 3 내지 도 11은 본 발명의 다양한 실시예에 따른 집적 홀로그램 광학소자를 개략적으로 보여준다.
도 12는 본 발명의 실시예에 따른 반사형 집적 홀로그램 광학소자를 제조하는데 사용할 수 있는 집적 홀로그램 기록 장치를 개략적으로 보여준다.
도 13은 본 발명의 실시예에 따른 투과형 집적 홀로그램 광학소자를 제조하는데 사용할 수 있는 집적 홀로그램 기록 장치를 개략적으로 보여준다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하면서, 본 발명의 실시예에 따른 집적 홀로그램 광학소자 및 그 제조 방법 및 집적 홀로그램 기록 장치를 상세히 설명한다. 이하의 도면들에서 동일한 참조부호는 동일한 구성요소를 나타내며, 도면상에서 각 구성요소의 크기나 두께 등은 설명의 명료성과 편의상 과장되어 있을 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 집적 홀로그램 광학소자는 전체 홀로그래픽 요소를 이보다 더 작은 기본 단위인 호겔(Hogel)로 나누어 집적하여 기록함으로써 전체 홀로그래픽 요소를 구성하도록 마련된다. 이때, 집적 홀로그램 광학소자의 전체 홀로그래픽 요소가 광학요소로서 기능을 하도록, 각 호겔에 형성되는 홀로그래픽 요소는 볼륨 홀로그램 타입의 회절광학요소(DOE)로써 기록될 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 집적 홀로그램 광학소자(10)를 개략적으로 보여준다. 도 2는 도 1의 집적 홀로그램 광학소자(10)의 단면도를 개략적으로 보여준다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 집적 홀로그램 광학소자(10)는, 호겔(hogel)을 기반으로 집적된 홀로그래픽 광학소자(integrated hogel-base holographic element:IHOE)로서, 복수의 호겔(20)의 2차원 어레이를 구비한다. 각 호겔(20)은 신호빔의 각도나 초점거리 조정에 의해 복수의 호겔(20)의 조합이 소정의 광학요소로서 작용하도록 각 호겔(20)에 기록된 홀로그래픽 요소가 홀로그래픽 볼륨 그레이팅(holographic volume grating) 형식으로 기록될 수 있다. 예를 들어, 각 호겔(20)이 회절광학요소(DOE) 구조를 포함하도록 홀로그래픽 요소가 홀로그래픽 볼륨 그레이팅 형식으로 기록될 수 있다.
상기 각 호겔(20)의 회절광학요소는 그 격자면이 도 3, 도 4, 도 7, 도 9 및 도 10의 집적 홀로그램 광학소자(100,200,500,700,800)에서와 같이 입사평면(15)과 45도보다 큰 각도(예를 들어, 도 3에서 θ1)를 이루도록 형성될 수 있다. 이 경우, 입사평면(15)에 수직으로 입사되는 평행광은 각 호겔(20)의 회절광학요소의 격자면에 45도보다 큰 입사각으로 입사되므로, 각 호겔(20)의 회절광학요소는, 입사평면(15)에 수직으로 입사되는 평행광을 45도보다 큰 반사각으로 반사시키고, 집적 홀로그램 광학소자(10)는 도 3, 도 4, 도 7, 도 9 및 도 10의 집적 홀로그램 광학소자(100,200,500,700,800)와 같이 투과형 집적 홀로그램 광학소자로서 작용할 수 있다. 이러한 투과형 집적 홀로그램 광학소자(10)에 입사하는 광은 각 호겔(20)을 투과하면서, 호겔(20)에 기록된 홀로그래픽 볼륨 그레이팅에 의해 회절된다. 예를 들어, 도 3에서와 같이, 집적 홀로그램 광학소자(100)를 호겔 기반의 홀로그램 렌즈로서 역할을 하도록 구성하는 경우, 호겔(120)에 의해 회절된 광이 모여, 전체 입사광이 한점으로 집속될 수 있다.
한편, 상기 각 호겔(20)의 회절광학요소는 그 격자면이 도 5, 도 6, 도 8 및 도 11의 집적 홀로그램 광학소자(300,500,600,900)와 같이, 집적 홀로그램 광학소자(10)의 입사평면(15)에 대해 45도보다 작은 각도(예를 들어, 도 5에서 θ2)를 이루도록 형성될 수 있다. 이 경우, 입사평면(15)에 수직으로 입사되는 평행광은 각 호겔(20)의 회절광학요소의 격자면에 45도보다 작은 입사각으로 입사되므로, 각 호겔(20)의 회절광학요소는, 입사평면(15)에 수직으로 입사되는 평행광을 45도보다 작은 반사각으로 반사시키고, 집적 홀로그램 광학소자(10)는 도 5, 도 6, 도 8 및 도 11의 집적 홀로그램 광학소자(300,500,600,900)와 같이, 반사형 집적 홀로그램 광학소자로서 작용할 수 있다. 이러한 반사형 집적 홀로그램 광학소자(10)에 입사하는 광은 각 호겔(20)을 투과하면서, 호겔(20)에 기록된 홀로그래픽 볼륨 그레이팅에 의해 회절된다. 예를 들어, 도 5에서와 같이, 집적 홀로그램 광학소자(300)를 호겔 기반의 홀로그램이 곡면 거울로서 역할을 하도록 구성하는 경우, 호겔(320)에 의해 회절된 광이 모여, 전체 입사광이 한점으로 집속될 수 있다.
도 3 내지 도 11은 본 발명의 다양한 실시예에 따른 집적 홀로그램 광학소자(100,200,300,400,500,600,700,800,900)를 개략적으로 보여준다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 집적 홀로그램 광학소자(100)가 집속 렌즈로서 작용하도록 된 예를 보여준다.
도 3을 참조하면, 집적 홀로그램 광학소자(100)는, 복수의 호겔(120)의 2차원 어레이를 구비하며, 각 호겔(120)의 회절광학요소는 그 격자면(110)이 입사평면(15)에 수직으로 입사되는 평행광을 45도보다 큰 반사각으로 반사시켜 집적 홀로그램 광학소자(100)를 통과하도록 함과 아울러 복수의 호겔(120)의 조합이 평행광을 포커싱시키는 포지티브 포커스(positive focus)의 집속 렌즈로서 역할을 하도록 마련될 수 있다. 즉, 집적 홀로그램 광학소자(100)는 그 중심축(c)을 중심으로, 각 호겔(120)의 회절광학요소의 격자면(110)의 기울기가 중심축(c)에 대해 바깥쪽으로 갈수록 중심축(c)에 대해 이루는 각도가 커지며, 격자면(110)이 중심축(c)을 향하도록 구성될 수 있다. 이에 의해, 입사평면(15)에 수직으로 입사되는 평행광은 바깥쪽으로 갈수록 입사각 및 반사각이 커지기 때문에, 한점에 모아질 수 있게 된다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 집적 홀로그램 광학소자(200)가 발산 렌즈로서 작용하도록 된 예를 보여준다.
도 4를 참조하면, 집적 홀로그램 광학소자(200)는, 복수의 호겔(220)의 2차원 어레이를 구비하며, 각 호겔(220)의 회절광학요소는 그 격자면(210)이 입사평면(15)에 수직으로 입사되는 평행광을 45도보다 큰 반사각으로 반사시켜 집적 홀로그램 광학소자(200)를 통과하도록 함과 아울러 복수의 호겔(220)의 조합이 평행광을 발산시키도록 네거티브 포커스(negative focus)의 발산 렌즈로서 역할을 하도록 마련될 수 있다. 즉, 집적 홀로그램 광학소자(200)는 그 중심축(c)을 중심으로, 각 호겔(220)의 회절광학요소의 격자면(210)의 기울기가 중심축(c)에 대해 바깥쪽으로 갈수록 중심축(c)에 대해 이루는 각도가 커지며, 격자면(210)이 바깥쪽을 향하도록 구성될 수 있다. 이에 의해, 입사평면(15)에 수직으로 입사되는 평행광은 바깥쪽으로 갈수록 입사각 및 반사각이 커지기 때문에, 발산하게 된다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 집적 홀로그램 광학소자(300)가 오곡 곡면 거울로서 작용하도록 된 예를 보여준다.
도 5를 참조하면, 집적 홀로그램 광학소자(300)는, 복수의 호겔(320)의 2차원 어레이를 구비하며, 각 호겔(320)의 회절광학요소는 그 격자면(310)이 입사평면(15)에 수직으로 입사되는 평행광을 45도보다 작은 반사각으로 반사시켜 집적 홀로그램 광학소자(300)에서 반사되도록 함과 아울러 복수의 호겔(320)의 조합이 평행광을 포커싱시키는 포지티브 포커스의 오목 곡면 거울로서 역할을 하도록 마련될 수 있다. 즉, 집적 홀로그램 광학소자(300)는 그 중심축(c)을 중심으로, 각 호겔(320)의 회절광학요소의 격자면(310)의 기울기가 중심축(c)에 대해 바깥쪽으로 갈수록 중심축(c)에 대해 이루는 각도가 작아지며, 격자면(310)이 중심축(c)을 향하도록 구성될 수 있다. 이에 의해, 입사평면(15)에 수직으로 입사되는 평행광은 바깥쪽으로 갈수록 입사각 및 반사각이 커지기 때문에, 집적 홀로그램 광학소자(300)에 의해 반사되어 한점에 모아질 수 있게 된다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 집적 홀로그램 광학소자(400)가 볼록 곡면 거울로서 작용하도록 된 예를 보여준다.
도 6을 참조하면, 집적 홀로그램 광학소자(400)는, 복수의 호겔(420)의 2차원 어레이를 구비하며, 각 호겔(420)의 회절광학요소는 그 격자면(410)이 입사평면(15)에 수직으로 입사되는 평행광을 45도보다 작은 반사각으로 반사시켜 집적 홀로그램 광학소자(400)에서 반사되도록 함과 아울러 복수의 호겔(420)의 조합이 평행광을 발산시키는 네거티브 포커스의 볼록 곡면 거울로서 역할을 하도록 마련될 수 있다. 즉, 집적 홀로그램 광학소자(400)는 그 중심축(c)을 중심으로, 각 호겔(420)의 회절광학요소의 격자면(410)의 기울기가 중심축(c)에 대해 바깥쪽으로 갈수록 중심축(c)에 대해 이루는 각도가 작아지며, 격자면(410)이 바깥쪽을 향하도록 구성될 수 있다. 이에 의해, 입사평면(15)에 수직으로 입사되는 평행광은 바깥쪽으로 갈수록 입사각 및 반사각이 커지기 때문에 발산하게 된다.
도 7은 및 도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 집적 홀로그램 광학소자(500)(600)를 보인 것으로, 도 7은 집적 홀로그램 광학소자(500)가 비축상 렌즈(off-axis lens)로서 작용하도록 된 예를 보여주며, 도 8은 집적 홀로그램 광학소자(600)가 비축상 곡면 거울(off-axis mirror로서 작용하도록 된 예를 보여준다.
도 7을 참조하면, 집적 홀로그램 광학소자(500)는, 복수의 호겔(520)의 2차원 어레이를 구비하며, 각 호겔(520)의 회절광학요소는 그 격자면(510)이 입사평면(15)에 수직으로 입사되는 평행광을 45도보다 큰 반사각으로 반사시켜 집적 홀로그램 광학소자(500)를 통과하도록 함과 아울러 복수의 호겔(520)의 조합이 평행광을 비축상으로 포커싱시키는 비축상 집속 렌즈로서 작용하도록 마련될 수 있다. 즉, 집적 홀로그램 광학소자(500)는 그 소정 축을 중심으로, 각 호겔(520)의 회절광학요소의 격자면(510)의 기울기가 소정 축으로부터 멀어질수록 소정 축에 대해 이루는 각도가 커지며, 격자면(510)이 소정 축을 향하도록 구성될 수 있다. 이에 의해, 입사평면(15)에 수직으로 입사되는 평행광은 소정 축에서 멀어질수록 입사각 및 반사각이 커지기 때문에, 비축상의 한점에 모아질 수 있게 된다.
도 8을 참조하면, 집적 홀로그램 광학소자(600)는, 복수의 호겔(620)의 2차원 어레이를 구비하며, 각 호겔(620)의 회절광학요소는 그 격자면(610)이 입사평면(15)에 수직으로 입사되는 평행광을 45도보다 작은 반사각으로 반사시켜 집적 홀로그램 광학소자(600)에서 반사되도록 함과 아울러 복수의 호겔(620)의 조합이 평행광을 비축상으로 포커싱시키는 비축상 곡면 미러로서 작용하도록 마련될 수 있다. 즉, 집적 홀로그램 광학소자(600)는 그 소정 축을 중심으로, 각 호겔(620)의 회절광학요소의 격자면(610)의 기울기가 소정 축에 대해 바깥쪽으로 갈수록 소정 축에 대해 이루는 각도가 커지며, 격자면(610)이 소정 축을 향하도록 구성될 수 있다. 이에 의해, 입사평면(15)에 수직으로 입사되는 평행광은 소정 축에서 멀어질수록 입사각 및 반사각이 커지기 때문에, 집적 홀로그램 광학소자(600)에 의해 반사되어 비축상의 한점에 모아질 수 있게 된다.
도 9는 본 발명의 다른 실시예에 따른 집적 홀로그램 광학소자(700)를 개략적으로 보인 것으로, 색수차가 없는 렌즈(chromatic aberration free lens)로서 기능을 하도록 마련된 예를 보여준다.
도 9를 참조하면, 집적 홀로그램 광학소자(700)는, 복수의 호겔(720)의 2차원 어레이를 포함하는 층이 다층(710a)(710b)(710c)으로 이루어지고, 각 층(710a)(710b)(710c)에 포함된 복수의 호겔(720)의 2차원 어레이는 입사평면(15)에 수직으로 입사되는 특정 파장의 광에 대해 집속 렌즈로서 역할을 하도록 마련될 수 있다. 또한, 각 층(710a)(710b)(710c)에 포함된 복수의 호겔(720) 각각의 회절광학요소는 그 격자면(710)이 입사평면(15)에 수직으로 입사되는 평행광을 45도보다 큰 반사각으로 반사시켜 집적 홀로그램 광학소자(700)를 통과하도록 함과 아울러 각층마다 복수의 호겔(720)의 조합이 각각 서로 다른 특정 파장의 평행광을 포커싱시키는 집속 렌즈로서 역할을 하도록 마련될 수 있다. 도 9에서는 집적 홀로그램 광학소자(700)가 각각이 복수의 호겔(720)의 2차원 어레이를 포함하는 세 개의 층(710a)(710b)(710c)으로 이루어진 예를 보여준다. 세 층(710a)(710b)(710c) 각각에 형성된 복수의 호겔(720)은 예를 들어, 적색광(R), 녹색광(G), 청색광(B)에 대해 각각 집속 렌즈로서 역할을 하도록 마련될 수 있다. 이 경우, 적색(R), 녹색(G), 청색(B)의 광을 한점에 포커싱할 수 있으므로, 색수차가 없는 집속 렌즈가 구현될 수 있다.
여기서, 집속 렌즈가 구현되도록, 도 3의 집적 홀로그램 광학소자(100)와 마찬가지로, 상기 집적 홀로그램 광학소자(700)의 각 층(710a)(710b)(710c)에 형성되는 복수의 호겔(720) 2차원 어레이에서, 각 호겔(720)의 회절광학요소의 격자면(710)의 기울기는 집적 홀로그램 광학소자(700)의 중심축(c)에 대해 바깥쪽으로 갈수록 중심축(c)에 대해 이루는 각도가 커지며, 격자면(710)이 중심축(c)을 향하도록 구성될 수 있다. 이에 의해, 입사평면(15)에 수직으로 입사되는 평행광은 바깥쪽으로 갈수록 입사각 및 반사각이 커지기 때문에, 한점에 모아질 수 있게 된다.
도 9에서와 같이, 집적 홀로그램 광학소자(700)를 복수의 호겔(720) 2차원 어레이를 포함하는 층(710a)(710b)(710c)의 다층 구조로 형성하고, 다층 구조의 각 층(710a)(710b)(710c)을 서로 다른 파장의 광에 대해 렌즈로서 역할을 하도록 복수의 호겔(720)의 2차원 어레이를 기록하는 경우, 색수차가 없는 집속 렌즈를 구현할 수 있다. 도 9에서는 집적 홀로그램 광학소자(700)가 3개의 층(710a)(710b)(710c)을 포함하는 경우를 보여주는데, 이는 예시적인 것으로, 설계 조건에 따라 4개 또는 그 이상의 층을 포함하는 구조로 형성될 수도 있다.
도 10 및 도 11은 본 발명의 다른 실시예에 따른 집적 홀로그램 광학소자(800)(900)를 보인 것으로, 도 10은 집적 홀로그램 광학소자(800)가 투과형 그레이팅(transmission grating)으로서 작용하도록 마련된 예를 보여주며, 도 11은 집적 홀로그램 광학소자(900)가 반사형 그레이팅(reflection grating)으로서 작용하도록 마련된 예를 보여준다.
도 10을 참조하면, 집적 홀로그램 광학소자(800)는, 복수의 호겔(820)의 2차원 어레이를 구비하며, 각 호겔(820)의 회절광학요소는 그 격자면(810)이 입사평면(15)에 수직으로 입사되는 평행광을 45도보다 큰 반사각으로 반사시켜 집적 홀로그램 광학소자(800)를 통과하도록 함과 아울러, 각 호겔(820)이 그레이팅으로서 역할을 하도록 마련될 수 있다. 이때, 각 호겔(820)의 회절광학요소의 격자면(810)의 기울기는 서로 동일할 수 있다.
도 11을 참조하면, 집적 홀로그램 광학소자(900)는, 복수의 호겔(920)의 2차원 어레이를 구비하며, 각 호겔(920)의 회절광학요소는 그 격자면(910)이 입사평면(15)에 수직으로 입사되는 평행광을 45도보다 작은 반사각으로 반사시켜 집적 홀로그램 광학소자(900)에서 반사되도록 함과 아울러, 각 호겔(920)이 그레이팅으로서 역할을 하도록 마련될 수 있다. 이때, 각 호겔(920)의 회절광학요소의 격자면(910)의 기울기는 서로 동일할 수 있다.
그레이팅은 잘 알려져 있는 바와 같이, 입사되는 광의 파장에 따라 회절각이 달라진다. 따라서, 예를 들어, 집적 홀로그램 광학소자(900)에 백색광이 입사되는 경우, 입사되는 백색광은 적색광(R), 녹색광(G), 청색광(B)으로 분기될 수 있다.
상기한 바와 같이 본 발명의 집적 홀로그램 광학소자(10,100,200,300,400,500,600,700,800,900)에 따르면, 복수의 호겔(20,120,220,320.420,520,620,720,820,920)의 2차원 어레이를 구비하며, 각 호겔(20,120,220,320.420,520,620,720,820,920)을 신호빔의 각도나 초점거리를 조정하면서 홀로그래픽 요소를 기록함으로써, 복수의 호겔(20,120,220,320.420,520,620,720,820,920)의 조합이 소정의 광학요소로서 작용하도록 할 수 있다.
상기한 바와 같은 호겔(20,120,220,320.420,520,620,720,820,920) 기반의 집적 홀로그램 광학소자(10,100,200,300,400,500,600,700,800,900)를 기록하는데 예를 들어, 도 12 및 도 13에서와 같은 기록 장치를 사용할 수 있다.
도 12 및 도 13은 본 발명의 실시예에 따른 집적 홀로그램 광학소자를 제조하는데 사용할 수 있는 집적 홀로그램 기록 장치를 개략적으로 보여준다. 도 12는 반사형 집적 홀로그램을 기록할 수 있도록 마련된 집적 홀로그램 기록 장치를 보여주며, 도 13은 투과형 집적 홀로그램을 기록할 수 있도록 마련된 집적 홀로그램 기록 장치를 보여준다.
도 12 및 도 13을 참조하면, 집적 홀로그램 기록장치는, 홀로그램 기록매질(1000) 즉, 홀로그래픽 필름이 올려지는 스테이지(1100)와, 참조빔을 홀로그램 기록매질(1000)로 조사하는 참조빔 조사부(1200)와, 상기 홀로그램 기록매질(1000)에 상기 참조빔과 교차되게 신호빔을 조사하는 신호빔 조사부(1300)를 포함한다.
상기 스테이지(1100)는, 홀로그램 기록매질(1000)에 호겔 단위로 홀로그래픽 요소가 기록되어 복수의 호겔의 조합이 광학요소로서 작용하는 복수의 호겔의 2차원 어레이를 형성하기 위하여, 홀로그램 기록매질(1000)을 x,y 방향으로 이동 가능하고 각도 회전이 가능하도록 지지한다. 즉, 스테이지(1100)는 x,y 방향으로 이동 가능하며 각도 회전이 가능하도록 마련된다.
상기 참조빔 조사부(1200)는, 홀로그램 기록매질(1000)에 콜리메이팅된 평행빔인 참조빔을 조사하도록 마련된다.
상기 신호빔 조사부(1300)는, 상기 신호빔의 초점 거리를 임의로 조절할 수 있으며, 신호빔의 곡률을 조절할 수 있도록 마련된다.
도 12에서는, 홀로그램 기록매질(1000)에 반사형 집적 홀로그램을 기록하도록, 상기 참조빔 조사부(1200)와 신호빔 조사부(1300)가, 홀로그램 기록매질(1000)에 서로 반대 면을 통하여 교차되게 참조빔과 신호빔을 조사하여 간섭무늬를 발생시키도록 배치된 예를 보여준다.
도 13에서는, 홀로그램 기록매질(1000)에 투과형 집적 홀로그램을 기록하도록, 상기 참조빔 조사부(1200)와 신호빔 조사부(1300)가, 홀로그램 기록매질(1000)에 같은 면을 통하여 교차되게 참조빔과 신호빔을 조사하여 간섭무늬를 발생시키도록 배치된 예를 보여준다. 도 13에서 참조번호 1500은 광로변환기 예컨대, 빔분할기를 나타낸다. 광로변환기(1500)는 예를 들어, 참조빔은 투과시키고 신호빔은 반사시켜, 홀로그램 기록매질(1000)에 참조빔과 신호빔이 교차되어 조사되도록 마련될 수 있다. 여기서, 참조빔은 광로변환기(1500)에 의해 반사되고, 신호빔은 광로변환기(1500)를 투과하여, 참조빔과 신호빔이 교차되게 홀로그램 기록매질(1000)에 조사되도록 참조빔 조사부(1200)와 신호빔 조사부(1300)가 배치될 수도 있다.
도 12 및 도 13에서와 같은 기록 장치에 있어서, 참조빔은 평행광으로 콜리메이팅되어 홀로그램 기록매질(1000)에 입사된다. 회절되는 신호빔의 곡율을 조절하기 위해, 임의로 초점거리 조절이 가능한 망원경과 같은 장비를 신호빔 조사부(1300)에 사용할 수 있다.
상기와 같은 집적 홀로그램 기록 장치를 이용하여, 홀로그램 기록매질(1000)에 각 호겔의 홀로그래픽 요소를 신호빔의 각도나 초점거리를 조정하면서 기록하며, 복수의 호겔의 조합이 광학요소로서 작용하도록 복수의 호겔의 2차원 어레이를 형성할 수 있다.
즉, 스테이지(1100)에 올려진 홀로그램 기록매질(1000)에 참조빔을 조사하고, 신호빔을 상기 참조빔과 교차되게 조사하여, 상기 홀로그램 기록매질(1000)에 호겔 단위로 홀로그램 요소를 기록하며, 상기 스테이지(1100)를 x,y 방향으로 이동 및 각도 회전시킴과 동시에 상기 신호빔의 초점 거리와 곡률을 조정하면서 신호빔을 상기 참조빔과 교차되게 조사하면, 복수의 호겔의 조합이 광학요소로서 작용하도록 복수의 호겔의 2차원 어레이를 형성할 수 있다.
이때, 도 12에서와 같이, 홀로그램 기록매질(1000)에 서로 반대 면을 통하여 교차되게 참조빔과 신호빔을 조사하면, 도 5, 도 6, 도 8 및 도 11을 참조로 전술한 바와 같은 반사형 회절광학소자로서 작용할 수 있는 본 발명의 실시예에 따른 집적 홀로그램 광학소자(300,400,600,900)를 제조할 수 있다.
또한, 도 13에서와 같이, 홀로그램 기록매질(1000)에 같은 면을 통하여 교차되게 참조빔과 신호빔을 조사하면, 도 3, 도 4, 도 7, 도 9 및 도 10을 참조로 전술한 바와 같은 투과형 회절광학소자로서 작용할 수 있는 본 발명의 실시예에 따른 집적 홀로그램 광학소자(100,200,500,700,800)를 제조할 수 있다.
이상에서 설명한 바와 같은 본 발명의 실시예에 따른 집적 홀로그램 광학소자, 그 제조 방법 및 기록 장치에 따르면, 다수의 호겔의 조합을 통해 전체 홀로그래픽 요소를 구성할 수 있으며, 광축 방향으로 홀로그램 기록매질(1000) 즉, 홀로그래픽 필름 두께만큼 두께를 줄일 수 있어, 광학 렌즈나 곡면 거울의 소형화가 가능하다. 즉, 기존의 광학요소들이 차지하는 부피를 광축 방향으로 홀로그래픽 필름의 두께까지 줄일 수 있어, 공간적인 장점이 있다. 고도로 높은 개구수(ultra-high numerical aperture)의 구현이 가능하며, 모델이 없는 광학요소 없이도 임의의 홀로그래픽 요소 디자인이 가능하다. 호겔을 기록할 때, 신호빔의 각도와 초점거리를 조절하여 전체 집적 홀로그램 광학소자 렌즈 또는 거울의 개구수를 조절할 수 있다. 각 호겔을 기록할 때, 좌표별 회절 효율을 임의로 조절하여 집적 홀로그램 광학소자 렌즈 즉, 홀로그래픽 렌즈를 투과(혹은 반사)하는 광의 세기 프로파일(intensity profile)을 조절할 수 있어, 렌즈뿐만 아니라 프로파일 마스크의 기능을 동시에 부여할 수 있다. 집적 홀로그램 광학소자 렌즈는 일반 렌즈의 구면수차를 줄이거나 없애도록 설계할 수 있으며, 호겔의 해상도를 높여 향상된 예컨대, 초점에서 향상된 빔 프로파일을 얻을 수 있다. 또한, 다층 RGB 집적 홀로그램 광학소자를 이용하여, 전색성(panchromatic) 집적 홀로그램 광학소자를 제작할 수 있다.
10,100,200,300,400,500,600,700,800,900...집적 홀로그램 광학소자
15...입사평면 20,120,220,320,420,520,620,720,820,920....호겔
110,210,310,410,510,610,710,810,910...격자면
1000...홀로그램 기록매질 1100...스테이지
1200...참조빔 조사부 1300...신호빔 조사부

Claims (25)

  1. 복수의 호겔의 2차원 어레이를 구비하며, 각 호겔은 신호빔의 각도나 초점거리 조정에 의해 복수의 호겔의 조합이 광학요소로서 작용하도록 홀로그래픽 요소가 기록된 집적 홀로그램 광학소자.
  2. 제1항에 있어서, 상기 각 호겔은 회절광학요소를 포함하도록 형성된 집적 홀로그램 광학소자.
  3. 제2항에 있어서, 상기 각 호겔의 회절광학요소는 그 격자면이 집적 홀로그램 광학소자의 입사평면과 45도보다 큰 각도를 이루도록 형성되는 집적 홀로그램 광학소자.
  4. 제3항에 있어서, 상기 각 호겔의 회절광학요소는 상기 입사평면에 수직으로 입사되는 평행광이 45도보다 큰 반사각으로 반사되어 집적 홀로그램 광학소자를 통과하며 포커싱되거나 발산되어, 집적 홀로그램 광학소자가 렌즈로서 역할을 하도록 마련된 집적 홀로그램 광학소자.
  5. 제4항에 있어서, 상기 각 호겔의 회절광학요소는 그 격자면의 기울기가 중심축에 대해 바깥쪽으로 갈수록 중심축에 대해 이루는 각도가 커지며, 상기 격자면이 중심축을 향하도록 마련된 집적 홀로그램 광학소자.
  6. 제4항에 있어서, 상기 각 호겔의 회절광학요소는 그 격자면의 기울기가 중심축에 대해 바깥쪽으로 갈수록 중심축에 대해 이루는 각도가 커지며, 상기 격자면이 바깥쪽을 향하도록 마련된 집적 홀로그램 광학소자.
  7. 제3항에 있어서, 상기 각 호겔의 회절광학요소는 복수의 호겔의 조합이 비축상 집속 렌즈로서 작용하도록 마련된 집적 홀로그램 광학소자.
  8. 제3항에 있어서, 복수의 호겔의 2차원 어레이를 포함하는 층이 다층으로 이루어지고, 각 층에 포함된 복수의 호겔의 2차원 어레이는 특정 파장의 광에 대해 집속 렌즈로서 역할을 하도록 마련되어, 색수차가 없는 렌즈로 작용하도록 된 집적 홀로그램 광학소자.
  9. 제3항에 있어서, 상기 각 호겔의 회절광학요소는, 복수의 호겔의 조합이 투과형 그레이팅으로서 작용하도록 마련된 집적 홀로그램 광학소자.
  10. 제2항에 있어서, 상기 각 호겔의 회절광학요소는 그 격자면이 집적 홀로그램 광학소자의 입사평면과 45도보다 작은 각도를 이루도록 형성되는 집적 홀로그램 광학소자.
  11. 제10항에 있어서, 상기 각 호겔의 회절광학요소는 상기 입사평면에 수직으로 입사되는 평행광이 집적 홀로그램 광학소자에서 반사되면서 포커싱되거나 발산되어, 집적 홀로그램 광학소자가 곡면 거울로서 역할을 하도록 마련된 집적 홀로그램 광학소자.
  12. 제11항에 있어서, 상기 각 호겔의 회절광학요소는 그 격자면의 기울기가 중심축에 대해 바깥쪽으로 갈수록 중심축과 이루는 각도가 작아지며, 상기 격자면이 중심축을 향하도록 마련된 집적 홀로그램 광학소자.
  13. 제11항에 있어서, 상기 각 호겔의 회절광학요소는 그 격자면의 기울기가 중심축에 대해 바깥쪽으로 갈수록 중심축과 이루는 각도가 작아지며, 상기 격자면이 바깥쪽을 향하도록 마련된 집적 홀로그램 광학소자.
  14. 제10항에 있어서, 상기 각 호겔의 회절광학요소는 복수의 호겔의 조합이 오프-축 곡면 거울로서 작용을 하도록 마련된 집적 홀로그램 광학소자.
  15. 제10항에 있어서, 상기 각 호겔의 회절광학요소는, 복수의 호겔의 조합이 반사형 그레이팅으로서 작용을 하도록 마련된 집적 홀로그램 광학소자.
  16. 홀로그램 기록매질이 올려지며, 상기 홀로그램 기록매질에 호겔 단위로 홀로그래픽 요소가 기록되어 복수의 호겔의 조합이 광학요소로서 작용하는 복수의 호겔의 2차원 어레이를 형성하기 위하여, 상기 홀로그램 기록매질을 x,y 방향으로 이동 가능하고, 각도 회전이 가능하도록 지지하는 스테이지와;
    참조빔을 홀로그램 기록매질로 조사하는 참조빔 조사부와;
    상기 홀로그램 기록매질에 상기 참조빔과 교차되게 신호빔을 조사하며, 상기 신호빔의 초점 거리를 임의로 조절할 수 있으며, 신호빔의 곡률을 조절할 수 있도록 된 신호빔 조사부;를 포함하며,
    상기 홀로그램 기록매질에 각 호겔을 신호빔의 각도나 초점거리 조정에 의해 복수의 호겔의 조합이 광학요소로서 작용하도록 기록하는 집적 홀로그램 기록 장치.
  17. 제16항에 있어서, 상기 참조빔 조사부와 신호빔 조사부는, 상기 홀로그램 기록매질에 같은 면을 통하여 교차되게 참조빔과 신호빔을 조사하여 간섭무늬를 생성시키도록 배치되어, 투과형 집적 홀로그램을 기록하도록 마련된 집적 홀로그램 기록 장치.
  18. 제16항에 있어서, 상기 참조빔 조사부와 상기 신호빔 조사부는, 상기 홀로그램 기록매질에 서로 반대 면을 통하여 교차되게 참조빔과 신호빔을 조사하여 간섭무늬를 생성시키도록 배치되어, 반사형 집적 홀로그램을 기록하도록 마련된 집적 홀로그램 기록 장치.
  19. 제16항에 있어서, 상기 참조빔은 콜리메이팅된 평행빔인 집적 홀로그램 기록 장치.
  20. 제16항에 있어서, 홀로그램 기록매질에 복수의 호겔의 2차원 어레이를 형성하여, 청구항 1항 내지 15항 중 어느 한 항의 집적 홀로그램 광학소자를 형성하는 집적 홀로그램 기록 장치.
  21. 스테이지에 올려진 홀로그램 기록매질에 참조빔을 조사하는 단계와;
    신호빔을 상기 참조빔과 교차되게 조사하여, 상기 홀로그램 기록매질에 호겔 단위로 홀로그램 요소를 기록하며, 상기 스테이지를 x,y 방향으로 이동 및 각도 회전시킴과 동시에 상기 신호빔의 초점 거리와 곡률을 조정하면서 신호빔을 상기 참조빔과 교차되게 조사하여, 복수의 호겔의 조합이 광학요소로서 작용하도록 복수의 호겔의 2차원 어레이를 형성하는 단계;를 포함하는 집적 홀로그램 광학소자 제조 방법.
  22. 제21항에 있어서, 상기 참조빔과 상기 신호빔은 상기 홀로그램 기록매질에 같은 면을 통하여 교차되게 조사되어, 투과형 집적 홀로그램을 기록하는 집적 홀로그램 광학소자 제조 방법.
  23. 제21항에 있어서, 상기 참조빔과 상기 신호빔은 상기 홀로그램 기록매질에 서로 반대 면을 통하여 교차되게 조사되어, 반사형 집적 홀로그램을 기록하는 집적 홀로그램 광학소자 제조 방법.
  24. 제21항에 있어서, 상기 참조빔은 콜리메이팅된 평행빔인 집적 홀로그램 광학소자 제조 방법.
  25. 제21항에 있어서, 상기 집적 홀로그램 광학소자는 청구항 1항 내지 15항 중 어느 한 항의 집적 홀로그램 광학소자인 집적 홀로그램 광학소자 제조 방법.
KR1020120155321A 2012-12-27 2012-12-27 집적 홀로그램 광학소자 KR102005449B1 (ko)

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