KR20160056848A - 편광 이미징 필터 및 그 제조방법 - Google Patents

편광 이미징 필터 및 그 제조방법 Download PDF

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KR20160056848A
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야스히코 시모쓰마
기요타카 미우라
마사아키 사카쿠라
다카후미 오후치
나오아키 후쿠다
노리히로 이노우에
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히다치 조센 가부시키가이샤
고쿠리츠 다이가쿠 호진 교토 다이가쿠
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Abstract

편광자 어레이(2)를 구비한 편광 이미징 필터(1)로서, 상기 편광자 어레이(2)가, 투과축방향(4)이 서로 다른 복수의 편광자 유닛(3)을 2차원으로 2행 2열로 배열하여 이루어지는 것이고, 상기 편광자 어레이(2)에 있어서 배열된 복수의 편광자 유닛(3)의 투과축방향(4)이 규칙적이고, 상기 편광자 유닛(3)이 고굴절율부(11) 및 저굴절율부(12)의 주기구조를 구비하고, 상기 주기구조가 커버 글라스에 산소과잉 및 산소결함에 의하여 형성된 굴절율 변화영역이다.

Description

편광 이미징 필터 및 그 제조방법{POLARIZATION IMAGING FILTER AND METHOD FOR MANUFACTURING SAME}
본 발명은, 편광 이미징 필터(偏光 imaging filter) 및 그 제조방법에 관한 것이다.
편광 이미징 필터는 편광 이미징 센서(偏光 imaging sensor)에 사용되고, 당해 편광 이미징 센서에 대한 입력광(入力光)으로부터 소정 방향의 편광만을 투과시키는 것이다. 이에 따라 편광 이미징 센서는 입력광의 편광정보를 취득할 수 있다. 이 때문에 편광 이미징 필터에는, 입력광으로부터 불필요한 편광을 투과시키지 않기 위한 편광자 어레이(偏光子 array)가 구비된다. 이러한 편광자 어레이로서, 자기 클로닝법(self-cloning method)에 의하여 제작된 포토닉 결정 편광자(photonic 結晶 偏光子)를 사용한 것이 개시되어 있다(예를 들면 특허문헌1을 참조).
상기 포토닉 결정 편광자는, 특허문헌2의 도4 및 비특허문헌1의 도4(본원의 도17)에 나타내는 바와 같이 특정의 파장에 있어서 TM편광을 투과시키지만, TE편광을 투과시키지 않는 것이 명백하다. 즉 이 포토닉 결정 편광자는 상기 특정 파장의 입력광에 대하여 편광자로서 동작한다.
: 일본국 특허 제4274543호 공보 : 일본국 특허 제4294264호 공보 : 일본국 공개특허 특개2009―168795호 공보 : 일본국 공개특허 특개2004-310009호 공보
: 가와카미 쇼지로(Kawakami, Shojiro) 「포토닉 결정 편광자를 사용한 편광 이미징 카메라의 개발」 일본 전자정보통신학회 논문지 일반사단법인 전자정보통신학회 2007년 1월 1일 J90-C(1) p.17-24
그러나 상기 특허문헌1, 특허문헌2 및 비특허문헌1의 포토닉 결정 편광자는, 바꾸어 말하면 상기 특정 파장 이외의 입력광에 대해서는 편광자로서 동작하지 않는다. 구체적으로 설명하면 도17에 나타내는 바와 같이 상기 포토닉 결정 편광자는, 550nm 정도∼700nm 이하의 파장(부호(T))에 있어서 TE편광 및 TM편광 모두를 투과시켜 버린다.
여기에서 가시광의 파장은 400nm∼800nm이기 때문에, 상기 포토닉 결정 편광자는 가시광의 전파장 대역에서 편광자로서 동작하는 것은 아니다. 이 때문에 비특허문헌1에 「550nm 이상의 광은 양쪽 편광도 투과하기 때문에, 편광자의 이면에 다층막 필터(多層膜 filter)를 형성하고, 그 파장역(波長域)의 광은 커트(cut)하고 있다」라고 기재되어 있는 바와 같이 상기 포토닉 결정 편광자를 구비한 편광 이미징 필터는, 가시광 중에서 한정된 파장대역에만 기능을 하는 것이다.
또한 상기 포토닉 결정 편광자 즉 자기 클로닝법에 의하여 제작된 포토닉 결정 편광자는, 그 구조나 재료를 조정하면 편광자로서 동작하는 파장대역을 변화시키는 것도 가능하다. 그러나 가시광의 전파장 대역에서 편광자로서 동작시키기 위해서는, 상기 구조나 재료를 최적화하지 않으면 안 되어 제조가 간단하지 않다는 문제가 있다.
한편 와이어 그리드형(wire grid型)의 편광자는, 가시광의 전파장 대역에서 편광자로서 동작시키는 것도 가능하다(예를 들면 특허문헌3을 참조). 그러나 와이어 그리드형의 편광자는, 금속(투과성을 구비하지 않는다)으로 제작되기 때문에 투과성이 낮다는 문제가 있다.
또한 글라스에 펨토 세컨드 레이저(femto second laser)를 조사하여 형성되는 광학용 구조체가 특허문헌4에 개시되어 있다. 그러나 이 특허문헌4에는, 상기 광학용 구조체가 가시광의 전파장 대역에서 편광자로서 동작하는지는 개시되어 있지 않다.
그래서 본 발명은, 투과성이 높고 가시광의 전파장 대역에서 유효하게 기능을 하는 편광 이미징 필터 및 그 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 과제를 해결하기 위하여 제1발명의 편광 이미징 필터는, 편광자 어레이를 구비한 편광 이미징 필터로서,
상기 편광자 어레이가, 투과축방향에 있어서 서로 다른 복수의 편광자 유닛을 2차원으로 배열하여 이루어지는 것이고,
상기 편광자 어레이에 있어서 배열된 복수의 편광자 유닛의 투과축방향이 규칙적이고,
상기 편광자 유닛이, 고굴절율부 및 저굴절율부의 주기구조를 구비하고,
상기 주기구조가, 레이저광을 투과하는 기재에 산소과잉 및 산소결함에 의하여 형성된 굴절율 변화영역인 것이다.
또한 제2발명의 편광 이미징 필터는, 제1발명의 편광 이미징 필터에 있어서, 레이저광을 투과하는 기재가 편광 이미징 센서의 커버 글라스인 것이다.
또한 제3발명의 편광 이미징 필터의 제조방법은, 제1발명 또는 제2발명의 편광 이미징 필터의 제조방법으로서,
레이저광을 투과하는 기재에 펨토 세컨드 레이저를 조사함으로써, 상기 펨토 세컨드 레이저의 집광위치에 굴절율 변화영역을 형성하는 공정을 구비하는 것이다.
또한 제4발명의 편광 이미징 필터의 제조방법은, 제3발명의 편광 이미징 필터의 제조방법으로서,
편광 이미징 필터에 있어서의 원하는 위상차에 따라, 펨토 세컨드 레이저의 파라미터를 조정함과 아울러 편광자 어레이를 적층하는 것이다.
상기 편광 이미징 필터 및 그 제조방법에 의하면, 투과성이 높아 가시광의 전파장 대역에서 유효하게 기능을 할 수 있다.
도1은, 본 발명의 실시형태에 관한 편광 이미징 필터가 사용된 편광 이미징 센서의 구성을 나타내는 개략적인 사시도이다.
도2는 동(同) 편광 이미징 필터를 모식적으로 나타내는 평면도로서, 도2A가 투과축을 양쪽 화살표로 나타내는 도면이고, 도2B가 고굴절율부를 선으로 나타내는 도면이다.
도3은 동 편광 이미징 필터의 편광자 어레이를 모식적으로 나타내는 사시도로서, 도3A가 투과축을 양쪽 화살표로 나타낸 도면이고, 도3B가 원기둥 영역을 나타내는 도면이다.
도4는 동 편광자 어레이를 3층으로 적층한 사시도로서, 도4A가 도3A에 대응하는 도면이고, 도4B가 도3B에 대응하는 도면이다.
도5는, 동 편광자 어레이에 있어서의 위상차의 가성성을 나타내는 그래프이다.
도6은 동 편광자 어레이를 구성하는 편광자 유닛의 뮐러 행렬이며, 그 매트릭스 성분의 그래프를 좌측에 나타내고, 이 그래프의 행렬식을 우측에 나타낸다.
도7은 동 편광자 어레이에 4가지의 편광을 입력시켜서 촬영하는 실험을 나타내는 도면으로서, 도7A가 편광자 어레이를 모식적으로 나타내는 평면도, 도7B가 0°방향의 편광을 입력시킨 사진, 도7C가 45°방향의 편광을 입력시킨 사진, 도7D가 90°방향의 편광을 입력시킨 사진, 도7E가 135°방향의 편광을 입력시킨 사진이다.
도8은 동 편광 이미징 필터의 제조장치를 나타내는 도면으로서, 도8A가 개략적인 구성도이고, 도8B가 커버 글라스 및 이것에 조사된 펨토 세컨드 레이저의 확대도이다.
도9는 동 원기둥 영역을 형성하고 있는 상태를 나타내는 도8에 대응하는 도면이다.
도10은 동 펨토 세컨드 레이저의 자장방향을 45°회전시킨 상태를 나타내는 도8에 대응하는 도면이다.
도11은 동 펨토 세컨드 레이저의 자장방향을 45°회전시킨 채 원기둥 영역을 형성하고 있는 상태를 나타내는 도8에 대응하는 도면이다.
도12는 동 편광자 어레이를 모식적으로 나타내는 평면도로서, 투과축의 각도를 설명하기 위한 도면이다.
도13은 다른 실시형태에 관한 편광자 어레이를 모식적으로 나타내는 평면도로서, 투과축의 각도를 설명하기 위한 도면이다.
도14는 다른 실시형태에 관한 편광 이미징 필터의 제조방법을 나타내는 도면이다.
도15는 다른 실시형태에 관한 편광자 어레이를 나타내는 도면으로서, 도15A는 적층된 편광자 어레이의 사시도, 도15B는 층마다의 편광자 어레이의 평면도이다.
도16은 다른 실시형태에 관한 편광 이미징 필터를 나타내는 사시도이다.
도17은 종래의 포토닉 결정 편광자(자기 클로닝법에 의하여 제작된 것)에 대한 입력광의 파장과 투과율의 관계를 나타내는 그래프로서, 비특허문헌의 도4이다.
도18은, 동 편광 이미징 필터의 다른 실시형태에 관한 제조방법을 나타내는 도면이다.
이하에서는 본 발명의 실시형태에 관한 편광 이미징 필터(偏光 imaging filter)에 대하여 도면에 의거하여 설명한다.
우선 상기 편광 이미징 필터가 사용된 편광 이미징 센서(偏光 imaging sensor)의 개략에 대하여 설명한다.
도1에 나타내는 바와 같이 이 편광 이미징 센서(S)는, 가시광(可視光)(V)이 입력됨과 아울러 투과축방향(透過軸方向)(도1의 양쪽 화살표(4)로 나타낸다)의 편광을 투과시키는 편광 이미징 필터(1)와, 이 편광 이미징 필터(1)를 투과한 편광을 받는 수광모듈(受光module)(R)과, 이 편광을 받은 수광모듈(R)로부터의 정보를 처리하는 정보처리부(情報處理部)(I)를 구비한다. 이 정보처리부(I)는, 화상처리 및 연산을 함과 아울러 필요에 따라 상기 정보를 기억하는 공지의 구성부품으로 이루어진다. 또 상기 수광모듈(R)의 화소(畵素)(P)는 2차원으로 다수행 다수열(多數行 多數列)로 배열되지만, 본 실시형태에서는 설명 및 도면을 간단하게 하기 위하여 6행 6열로 배열된 것으로 한다. 또한 이하에서는 상기 편광 이미징 필터(1)에 있어서, 가시광(V)의 진행방향(도1에서 내부를 흰색으로 한 화살표의 방향)을 두께방향으로 하고, 이 두께방향과 직교하는 방향을 폭방향으로 하여 설명한다. 또한 가시광에는 여러 가지의 정의가 있지만, 본 실시형태에 있어서의 가시광(V)이라는 것은 그 파장이 400nm∼800nm인 광을 가리키는 것으로 한다.
그런데 통상의 편광 이미징 센서는, 편광 이미징 필터 이외에, 수광모듈을 보호하기 위한 별도의 커버 글라스(cover glass)를 구비한다. 그러나 본 실시형태에 관한 편광 이미징 센서(S)는, 상기 편광 이미징 필터(1)가 커버 글라스도 겸하고 있기 때문에 정확하게는 커버 글라스에 편광 이미징 필터의 기능을 갖게 하고 있기 때문에, 별도의 커버 글라스를 필요로 하지 않는다.
이하에서는 상기 편광 이미징 필터(1)에 대하여 상세하게 설명한다.
이 편광 이미징 필터(1)는, 도2A에 나타내는 바와 같이 편광자 유닛(偏光子 unit)(3)을 2차원으로 6행 6열(현실에서는 다수행 다수열)로 배열하여 이루어지는 것이다. 편광자 유닛(3)의 1개 1개는, 상기 수광모듈(R)의 화소(P)의 1개 1개에 대응한다(도1을 참조). 도2A의 파선부로 나타내는 바와 같이 2차원으로 2행 2열의 편광자 유닛(3)에 의하여 1개의 편광자 어레이(偏光子 array)(2)가 구성된다. 즉 편광자 어레이(2)는 편광자 유닛(3)을 2차원으로 2행 2열로 배열하여 이루어지는 것이다. 또한 도2A에 나타내는 바와 같이 1개의 편광자 유닛(3)은, 그 투과축(4)이 일방향(一方向)으로 되도록 구성되어 있다. 그리고 1개의 편광자 어레이(2)에 있어서, 배열된 4개(2행 2열)의 편광자 유닛(3)의 투과축방향(4)은 규칙적으로 되어 있다. 구체적으로는, 도12에 나타내는 바와 같이 각 편광자 어레이(2)에 있어서, 행 및 열에서 이웃하는 편광자 유닛(3)의 투과축(4)이 서로 45°를 이루고 있다. 이와 같이 투과축방향(4)을 규칙적으로 하는 것은, 편광의 방향 정보를 수광모듈(R)에 주기 위함이다. 구체적으로는 편광자 어레이(2)에 편광이 입력되면, 입력된 편광의 방향과 가까운 투과축방향(4)의 편광자 유닛(3)이 편광을 충분히 투과시키고, 입력된 편광의 방향과 먼 투과축방향(4)의 편광자 유닛(3)이 편광을 충분히 투과시키지 않는다. 이 때문에 편광자 어레이(2)를 투과한 편광으로부터, 입력된 편광의 방향이 명확하게 된다.
도2A는 상기 편광 이미징 필터(1)의 투과축(4)을 양쪽 화살표로 모식적으로 나타내는 도면이지만, 실제의 투과축(4)은 커버 글라스에 형성된 굴절율 변화영역(掘折率 變化領域)(고굴절율부(高掘折率部) 및 저굴절율부(低掘折率部)로 이루어진다)의 작용에 의하여 정해진다. 고굴절율부를 선으로 나타내면, 도2B에 나타내는 바와 같이 각 편광자 유닛(3)에 평행선(11)이 보인다. 즉 이 평행선(11)이, 산소과잉(酸素過剩)에 의하여 굴절율이 높아진 고굴절율부이다. 한편 상기 평행선 이외(12)가, 산소결함(酸素缺陷)에 의하여 굴절율이 낮아진 저굴절율부이다. 상기 고굴절율부(11) 및 저굴절율부(12)로 이루어지는 굴절율 변화영역은, 고굴절율부(11) 및 저굴절율부(12)가 교대로 나타나고 있기 때문에 주기구조(周期構造)라고 할 수 있다. 또한 도2A와 도2B의 비교에서 분명하게 나타내는 바와 같이 상기 투과축(4)의 방향은, 상기 고굴절율부(11)의 평행선과 직교하는 방향이다.
다음에 1개의 편광자 어레이(2)에 착안하여 설명한다.
도3A는 1개의 편광자 어레이(2)를 모식적으로 나타낸 사시도이고, 도3B는 도3A의 편광자 어레이(2)를 실제로 나타낸 사시도이다. 이 편광자 어레이(2)는, 도3B에 나타내는 바와 같이 복수의 원기둥 모양의 굴절율 변화영역(이하에서는 간단하게 원기둥 영역(5)이라고 한다)이 동일 평면상에서 병렬로(즉 뗏목 모양으로) 형성된 것이다. 각 원기둥 영역(5)은, 구(球) 모양의 굴절율 변화영역이 직선 모양으로 연속되어 이루어지는 것이다. 이 구 모양의 굴절율 변화영역은, 커버 글라스(레이저광을 투과하는 기재(基材)의 일례)에 펨토 세컨드 레이저(femto second laser)(펄스폭(pulse幅)이 10―12초∼10―15초인 펄스광 레이저(pulse光 laser))를 조사함으로써 당해 펨토 세컨드 레이저의 집광위치(集光位置)에 형성된다. 따라서 상기 각 원기둥 영역(5)은, 상기 커버 글라스에 펨토 세컨드 레이저를 조사함과 아울러 상기 커버 글라스와 펨토 세컨드 레이저를 일방향으로 상대이동시킴으로써, 당해 펨토 세컨드 레이저의 집광위치의 궤적에 형성된다. 또한 각 원기둥 영역(5)에 있어서의 고굴절율부(11)의 평행선은, 상기 펨토 세컨드 레이저의 자장방향(磁場方向)과 동일한 방향으로 형성된다.
그런데 도3에서는 커버 글라스에 형성된 편광자 어레이(2)가 1층인 예에 대하여 나타내었지만, 편광자 어레이(2)의 위상차(位相差)가 불충분하면(원하는 위상차에 충족되지 않으면), 도4에 나타내는 바와 같이 당해 편광자 어레이(2)를 복수 층으로 하더라도 좋다(도4에서는 3층인 예를 나타낸다). 편광자 어레이(2)를 복수 층으로 함으로써 이들 복수 층의 편광자 어레이(2)를 구비한 편광 이미징 필터(1)의 위상차는, 각 편광자 어레이(2)의 위상차를 층수(層數)로 곱한 것이 된다. 예를 들면 도5의 그래프에 나타내는 바와 같이 편광자 어레이(2)의 위상차가 0.3πrad 정도인 경우에, 1층이면 0.3πrad 정도, 2층이면 0.3πrad×2 정도, 3층이면 0.3πrad×3 정도의 위상차가 얻어지는 것을 실험적으로 확인하였다. 즉 상기 편광 이미징 필터(1)는, 적층(積層)하는 편광자 어레이(2)의 위상차에 대하여 가성성(加成性)이라고 할 수 있다. 또 1층인 편광자 어레이(2)의 위상차는, 조사(照射)하는 펨토 세컨드 레이저의 파라미터(parameter)를 변화시킴으로써 0∼0.367πrad(100nm)으로 변화될 수 있다.
이하에서는 상기 편광 이미징 필터(1)의 작용에 대하여 설명한다.
가시광(V)이 편광 이미징 필터(1)에 입력되면, 그 각 편광자 유닛(3)의 투과축방향(4)과 동일한 방향의 편광이 투과되고, 투과된 편광이 수광모듈(R)의 대응하는 각 화소(P)에서 받아진다. 또한 편광자 어레이(2)에 있어서 배열된 4개의 편광자 유닛(3)의 투과축방향(4)이 규칙적으로 되어 있음으로써 편광의 방향 정보가 수광모듈(R)에 주어지기 때문에, 투과시키는 편광의 정밀도가 향상된다. 또 이들 편광을 받은 수광모듈(R)은 편광의 방향, 밝기 및 색채 등의 정보를 정보처리부(I)로 송신한다.
여기에서 가시광(V)의 전파장 대역(全波長 帶域)에 대한 편광자 유닛(3)의 특성을 알기 때문에, 상기 가시광(V)의 파장을 다양하게 변화시켜서 시료에 입력하고, 시료로부터 출력되는 광으로부터 뮐러 행렬(Mueller matrix)의 매트릭스 성분을 계측하였다. 이 계측에 사용한 장치는 분광 폴라리미터(分光 polarimeter) Poxi-spectra(일본의 도쿄 인스트루먼츠사(Tokyo Instruments, Inc.)의 제품)이고, 상기 시료는, 가로와 세로가 각각 2mm인 석영유리에 굴절율 변화영역을 형성한 것이다. 이 굴절율 변화영역은, 직선 모양이고 선폭(線幅)이 1.5μm인 고굴절율부가 2.0μm의 피치(pitch)로 형성되고, 이들 고굴절율부의 사이에 저굴절율부가 형성된 주기구조이다. 즉 상기 시료를 상기 편광자 유닛(3)과 동일한 구성으로 하였다. 또한 상기 파장의 변화는 구체적으로 설명하면 400nm∼800nm이다. 왜냐하면, 본 실시형태에 관한 가시광(V)에 있어서 400nm는 가장 짧은 파장(색채는 보라색)이고, 800nm는 가장 긴 파장(색채는 빨강)으로서, 가시광(V)의 전파장 대역에 대한 편광자 유닛(3)의 특성을 알 수 있기 때문이다. 이 결과 상기 편광자 유닛(3)의 뮐러 행렬의 매트릭스 성분이 도6의 좌측에 나타내는 16개의 그래프와 같이 되었다. 한편 이들을 수식으로 나타낸 이론식이 도6의 우측에 나타내는 행렬식과 같다. 여기에서 도6에 있어서 θ는 상기 시료의 투과축방향이고, δ는 상기 시료의 위상차이다. 또한 도6에 있어서 E = 0°(E는 전장방향(電場方向)이다)는 투과축과 평행한 직선편광(TM편광이라고 한다)이고, E = 90°는 투과축과 수직인 직선편광(TE편광이라고 한다)이다. 이 도6에 나타내는 바와 같이 M23 및 M32에서는, 파장이 400nm∼800nm에 있어서 E = 0°와 E = 90°에서 매트릭스 성분이 크게 다르다. 구체적으로 설명하면 E23에서는, 파장이 400nm∼800nm에 있어서 E = 0°의 매트릭스 성분이 1.0∼0.5이고, E = 90°의 매트릭스 성분이 ―1.0∼―0.5이다. 또한 E32에서는, 파장이 400nm∼800nm에 있어서 E = 0°의 매트릭스 성분이 ―1.0∼―0.5이고, E = 90°의 매트릭스 성분이 1.0∼0.5이다. 이 때문에 상기 M23의 매트릭스 성분 즉 원편광(圓偏光)을 45°편광으로 변환하는 성분에 의하여, 파장이 400nm∼800nm에 있어서 투과축방향과 평행한 편광(TM편광)은 그대로 투과되지만, 투과축방향과 수직인 편광(TE편광)은 역전(逆轉)하여 투과된다. 바꾸어 말하면 M23의 매트릭스 성분에 의하여 TM편광은 45°로 투과되고, TE편광은 ―45°로 투과된다. 또한 상기 M32의 매트릭스 성분 즉 45°편광을 원편광으로 변환하는 성분에 의하여, 파장이 400nm∼800nm에 있어서 투과축방향과 평행한 편광(TM편광)은 역전하여 투과되지만, 투과축방향과 수직인 편광(TE편광)은 그대로 투과된다. 바꾸어 말하면 M32의 매트릭스 성분에 의하여 TM편광은 시계방향으로 투과되고, TE편광은 반시계방향으로 투과된다. 즉 파장이 400nm∼800nm에 있어서 TM편광과 TE편광에 의하여 시료로부터 출력된 편광상태가 다르게 된다. 이에 따라 상기 편광자 유닛(3)이 파장판으로서 동작하고 있다는 것을 알 수 있다.
여기에서 TE편광(투과축방향(4)과 수직인 편광)의 상기 편광자 유닛(3)으로부터 출력된 분을 차폐함으로써 상기 편광자 유닛(3)은 편광자로서 동작한다. 왜냐하면 TM편광과 TE편광에 의하여 시료로부터 출력된 편광상태가 서로 다르므로, 상기 편광자 유닛(3)으로부터 출력된 TE편광분을 차폐하더라도 TM편광분을 차폐하게 않아 즉 TM편광(투과축방향(4)과 평행한 편광)을 투과시킴과 아울러 TE편광(투과축방향(4)과 수직인 편광)을 투과시키지 않기 때문이다. 또한 편광자 유닛(3)으로부터 출력된 TE편광(투과축방향(4)과 수직인 편광)분을 차폐하기 위해서는 즉 소광비(消光比)를 원하는 값까지 올리기 위해서는, 상기 편광자 어레이(2)의 층수를 증가시키거나 별도의 파장판을 커버 글라스(30)에 부착하는 것이 필요하다. 이와 같이 함으로써, 편광 이미징 필터(1)는 가시광(V)의 전파장 대역에 있어서 투과축방향(4)의 편광을 투과시킴과 아울러 투과축방향(4)이 아닌 편광을 투과시키지 않게 된다. 이상에 의하여, 상기 편광 이미징 필터(1)는 가시광(V)의 전파장 대역(400nm∼800nm)에서 편광자로서 동작한다고 할 수 있다.
소광비를 원하는 값까지 올린 편광자 유닛(3)이 편광자로서 동작하는가에 대하여 실제로 실험을 하였다. 이 실험에서는, 상기 편광자 유닛(3)을 2차원으로 2행 2열로 배열하여 이루어지는 편광자 어레이(2) 즉 도7A에 나타내는 편광자 어레이(2)에 4가지의 편광을 각각 입력시킨 것을 촬영하고, 투과된 편광의 강도를 눈으로 확인하였다. 이들 촬영한 각각의 사진을 도7B∼도7E에 나타낸다. 도7B에 나타내는 바와 같이 입력시킨 편광이 0°방향(E = 0°)이면, 이 편광의 방향과 동일한 방향의 투과축(4)을 구비하는 편광자 유닛(3) 즉 도7B의 편광자 어레이(2)에 있어서 좌측 하부의 편광자 유닛(3)이 가장 밝아졌다. 마찬가지로 도7C에 나타내는 바와 같이 입력시킨 편광이 45°방향(E = 45°)이면, 이 편광자 어레이(2)에 있어서 좌측 상부의 편광자 유닛(3)이 가장 밝아졌다. 마찬가지로 도7D에 나타내는 바와 같이 입력시킨 편광이 90°방향(E = 90°)이면, 이 편광자 어레이(2)에 있어서 우측 상부의 편광자 유닛(3)이 가장 밝아졌다. 마찬가지로 도7E에 나타내는 바와 같이 입력시킨 편광이 135°방향(E = 135℃)이면, 이 편광자 어레이(2)에 있어서 우측 하부의 편광자 유닛(3)이 가장 밝아졌다. 이들의 결과로부터, 소광비를 올린 편광자 유닛(3)은 투과축방향(4)의 편광을 투과시킴과 아울러 투과축방향(4)이 아닌 편광이 투과되지 않는 것이 분명하다. 즉 소광비를 원하는 값까지 올림으로써 편광자 유닛(3)은 편광자로서 동작한다고 할 수 있다.
이하에서는 상기 편광 이미징 필터(1)의 제조방법에 대하여 도면에 의거하여 설명한다.
우선 상기 제조방법에 사용하는 제조장치에 대하여 설명한다.
이 제조장치는, 도8A에 나타내는 바와 같이 펨토 세컨드 레이저(20)를 출력하는 출력기(出力器)(21)와, 이 출력기(21)로부터 출력된 펨토 세컨드 레이저(20)에 있어서의 소정의 직선편광만을 투과시키는 직선편광판(直線偏光板)(22)과, 이 직선편광판(22)을 투과한 펨토 세컨드 레이저(20)를 커버 글라스(30)를 향하여 반사시키는 미러(mirror)(23)와, 이 미러(23)에서 반사된 펨토 세컨드 레이저(20)를 집광하는 렌즈(lens)(24)를 구비한다.
다음에 이 제조장치(21∼24)를 사용한 상기 제조방법에 대하여 설명한다.
도8A에 나타내는 바와 같이 상기 펨토 세컨드 레이저(20)가 집광되는 위치 즉 편광자 어레이(2)를 형성하고 싶은 위치에 커버 글라스(30)를 미리 설치하여 둔다. 그리고 출력기(21)에서 펨토 세컨드 레이저(20)를 출력시키면, 도8A 및 도8B에 나타내는 바와 같이 당해 펨토 세컨드 레이저(20)가 커버 글라스(30)의 내부에 집광된다. 여기에서 펨토 세컨드 레이저(20)의 파라미터 즉 파장, 펄스 수 및 에너지 등은 형성하고 싶은 주기구조에 따라 변화시킨다. 이들 파라미터를 변화시키면, 주기구조에 있어서 고굴절율부(11) 및 저굴절율부(12)의 간격, 고굴절율부(11) 및 저굴절율부(12)의 굴절율 차이, 형성되는 원기둥 영역(5)의 횡단면지름 및 이들 원기둥 영역(5)으로 구성되는 편광자 어레이(2)의 위상차(0∼100nm) 등이 변화된다.
출력기(21)에서 펨토 세컨드 레이저(20)를 출력시킨 후에는, 도9에서 내부를 흰색으로 한 화살표로 나타내는 바와 같이 펨토 세컨드 레이저(20)와 커버 글라스(30)를 일방향으로 상대이동시킨다. 이 상대이동시키는 방향은, 원기둥 영역(5)을 형성하고 싶은 방향 즉 커버 글라스(30)의 폭방향으로 한다. 그리고 원기둥 영역(5)에 형성되는 고굴절율부(11)의 평행선의 방향은, 도9b에 상세하게 나타내는 바와 같이 펨토 세컨드 레이저(20)의 자장방향과 동일하게 된다.
원기둥 영역(5)이 원하는 길이만큼 얻어지면, 도10에서 내부를 흰색으로 한 화살표로 나타내는 바와 같이 직선편광판(22)을 45°회전시킴으로써, 커버 글라스(30)에 도달하는 펨토 세컨드 레이저(20)의 자장방향을 45°회전시킨다. 이 때에 원기둥 영역(5)에 있어서의 고굴절율부(11)의 평행선도 45°회전된다. 그리고 도11에서 내부를 흰색으로 한 화살표로 나타내는 바와 같이 상기 상대이동을 동일한 방향으로 계속함으로써, 고굴절율부(11)의 평행선이 45°회전한 상태의 원기둥 영역(5)이 형성된다. 고굴절율부(11)의 평행선이 45°회전한 상태의 원기둥 영역(5)이 원하는 길이만큼 얻어지면, 편광자 어레이(2)를 구성하는 원기둥 영역(5)이 1개 형성된다.
상기한 공정을 반복함으로써, 도2B에 나타내는 바와 같이 편광자 유닛(3)이 2차원으로 6행 6열로 배열되고 즉 편광자 어레이(2)가 2차원으로 3행 3열로 배열되어 편광 이미징 필터(1)가 제조된다.
또한 배열된 1층의 편광자 어레이(2)의 위상차가 불충분하면, 원하는 위상차를 충족시킬 때까지 다른 층의 편광자 어레이(2)를 형성한다. 또 새롭게 형성하는 다른 층의 편광자 어레이(2)는, 이미 형성한 편광자 어레이(2)의 상측(펨토 세컨드 레이저(20)의 도달측)으로 한다.
이와 같이 상기 편광 이미징 필터(1)에 의하면, 커버 글라스(30)(레이저광을 투과하는 기재)의 산소과잉 및 산소결함에 의하여 구성되기 때문에, 투과성이 높고 또 가시광(V)의 전파장 대역에서 편광자로서 동작하므로 당해 전파장 대역에서 유효하게 기능을 할 수 있다.
또한 편광자 어레이(2)에 있어서 배열된 복수의 편광자 유닛(3)의 투과축방향(4)이 규칙적이기 때문에, 투과시키는 편광의 정밀도가 향상되어 더 유효하게 기능을 할 수 있다.
또한 커버 글라스(30)에 편광 이미징 필터(1)의 기능을 갖게 하기 때문에, 편광 이미징 센서(S)에 사용할 때에 별도의 커버 글라스(30)를 불필요하게 할 수 있다.
또한 상기 편광 이미징 필터(1)의 제조방법에 의하면, 상기 효과를 얻을 수 있는 편광 이미징 필터(1)를 간단하게 제조할 수 있다. 특히 통상의 이미징 센서에 사용되는 기존의 커버 글라스(30)에 편광 이미징 필터(1)의 기능을 간단하게 갖게 함으로써 상기 이미징 센서를 용이하게 편광 이미징 센서(S)로 개조할 수 있다.
또한 펨토 세컨드 레이저(20)의 파라미터를 조정함과 아울러, 편광자 어레이(2)를 적층하는 간단한 공정에 의하여 편광 이미징 필터(1)의 위상차를 용이하게 원하는 위상차로 할 수 있다.
(실시형태)
이하에서는 상기 실시형태를 더 구체적으로 나타낸 실시예에 관한 편광 이미징 필터(1)에 대하여 설명한다.
우선 기존의 CCD카메라(커버 글라스(30), 수광모듈(R) 및 정보처리부(I)를 구비한다)로부터 커버 글라스(30)를 떼어내고, 이 커버 글라스(30)를 상기 실시형태에 관한 제조장치(21∼24)에 설치하였다.
그리고 펨토 세컨드 레이저(20)의 파라미터를 조정하여, 형성되는 원기둥 영역(5)의 횡단면지름이 2μm가 되도록 하였다. 또한 상기 제조장치(21∼24)에 있어서 미러(23)와 렌즈(24)의 사이에 공간위상조정기(空間位相調整器)(도면에 나타내는 것은 생략)를 배치하고, 펨토 세컨드 레이저(20)를 복수 개로 나누어서 커버 글라스(30)에 도달시켰다.
그 후에 복수 개의 펨토 세컨드 레이저(20)와 커버 글라스(30)를 상대이동시켜서, 동시에 복수 개의 원기둥 영역(5)을 형성하여 편광 이미징 필터(1)를 제조하였다. 또 이 상대이동의 속도는 2mm/sec로 하였다.
이 편광자 이미징 필터는, 편광자 유닛(3)이 2차원으로 648행 488열로 배열되어 이루어지는 것으로 하고, 각 편광자 유닛(3)을 가로와 세로가 각각 7.4μm인 정사각형으로 하였다. 또한 1개의 편광자 유닛(3)으로서, 횡단면지름이 2μm인 원기둥 영역(5)을 동일 평면상에서 병렬로 인접하게 형성하였다.
이와 같이 본 실시예에 관한 편광 이미징 필터(1) 및 그 제조방법에 의하면, 상기 실시형태에 관한 것과 동일한 효과를 얻을 수 있다.
또한 본 실시예에 관한 제조방법에 의하면, 동시에 복수 개의 원기둥 영역(5)을 형성하기 때문에 편광 이미징 필터(1)의 제조시간을 단축할 수 있었다.
그런데 상기 실시형태 및 실시예에서는, 각 편광자 어레이(2)에 있어서, 도12에 나타내는 바와 같이 행 및 열에 있어서 이웃하는 편광자 유닛(3)의 투과축(4)이 서로 45°를 이루고 있는 예에 대하여 설명하였지만, 도13에 나타내는 바와 같이 30° 또는 60°이더라도 좋으며, 규칙적이면 좋다.
또한 상기 실시형태 및 실시예에서는, 커버 글라스(30)에 편광 이미징 필터(1)의 기능을 용이하게 갖게 하는 예에 대하여 설명하였지만, 별도의 새로운 글라스에 편광 이미징 필터(1)의 기능을 용이하게 갖게 하더라도 좋다.
또한 상기 실시형태 및 실시예에서는, 편광 이미징 센서(S)에 사용되는 편광 이미징 필터(1)에 대하여 설명하였지만, 편광 이미징 센서(S)에 한정되지 않아, 편광안경 등 다른 용도의 것이더라도 좋다.
또한 상기 실시형태 및 실시예에서 설명한 원기둥 영역(5)을 형성하는 방법은 일례에 지나지 않아, 도18에 나타내는 바와 같이 동일한 방향의 평행선(11)을 구비하는 부분마다 원기둥 영역(5)을 형성하더라도 좋다.
또한 상기 실시형태 및 실시예에서는, 원기둥 영역(5)을 커버 글라스(30)의 폭방향으로 형성하는 예에 대하여 설명하였지만, 도14에 나타내는 바와 같이 커버 글라스(30)의 두께방향으로 형성하더라도 좋다.
또한 상기 실시형태에 있어서 도4에서는 동일한 편광자 어레이(2)를 적층한 것에 대하여 설명하였지만, 도15에 나타내는 바와 같이 층마다 투과축방향(4)의 배열이 서로 다른 편광자 어레이(2)로 하더라도 좋다.
또한 상기 실시형태 및 실시예에서는, 편광자 어레이(2)의 적층에 대하여 상세하게 설명하지 않았지만, 도16에 나타내는 바와 같이 평면에서 볼 때에 서로 다른 장소의 편광자 어레이(2)마다 적층하는 수가 달라지도록 하더라도 좋다.

Claims (4)

  1. 편광자 어레이(偏光子 array)를 구비한 편광 이미징 필터(偏光 imaging filter)로서,
    상기 편광자 어레이가, 투과축방향(透過軸方向)에 있어서 서로 다른 복수의 편광자 유닛(偏光子 unit)을 2차원으로 배열하여 이루어지는 것이고,
    상기 편광자 어레이에 있어서 배열된 복수의 편광자 유닛의 투과축방향이 규칙적이고,
    상기 편광자 유닛이, 고굴절율부(高掘折率部) 및 저굴절율부(低掘折率部)의 주기구조(週期構造)를 구비하고,
    상기 주기구조가, 레이저광을 투과하는 기재(基材)에 산소과잉(酸素過剩) 및 산소결함(酸素缺陷)에 의하여 형성된 굴절율 변화영역(屈折率 變化領域)인 것을 특징으로 하는 편광 이미징 필터.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 레이저광을 투과하는 기재가, 편광 이미징 센서의 커버 글라스(cover glass)인 것을 특징으로 하는 편광 이미징 필터.
  3. 제1항 또는 제2항의 편광 이미징 필터의 제조방법으로서,
    상기 레이저광을 투과하는 기재에 펨토 세컨드 레이저(femto second laser)를 조사함으로써, 상기 펨토 세컨드 레이저의 집광위치(集光位置)에 굴절율 변화영역을 형성하는 공정을 구비하는 것을 특징으로 하는 편광 이미징 필터의 제조방법.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 편광 이미징 필터에 있어서의 원하는 위상차(位相差)에 따라, 펨토 세컨드 레이저의 파라미터(parameter)를 조정함과 아울러 편광자 어레이를 적층(積層)하는 것을 특징으로 하는 편광 이미징 필터의 제조방법.
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