KR20160120269A

KR20160120269A - 랜덤 파장계

Info

Publication number: KR20160120269A
Application number: KR1020167013912A
Authority: KR
Inventors: 키샨 드호라키아; 마이클 마질루; 클라우스 메츠거
Original assignee: 더 유니버시티 코트 오브 더 유니버시티 오브 세인트 앤드류스
Priority date: 2013-10-29
Filing date: 2014-10-29
Publication date: 2016-10-17
Also published as: EP3063515B1; AU2014343422A1; US10006811B2; US20180266890A1; ES2912116T3; AU2014343422B2; CA3237478A1; JP6983836B2; JP2019215351A; EP3225962B1; WO2015063481A3; WO2015063481A2; EP3063515A2; GB201319079D0; ES2910448T3; CN105705922B; US20160258817A1; US10429245B2; CA2928892A1; JP6727124B2

Abstract

스페클 패턴(speckle pattern)을 생성하기 위해 광을 산란하고 그에 의해 광을 랜덤화하는(randomizing), 무작위로 배치된 다수의 산란기를 갖는 랜더마이저(randomizer)와, 광의 적어도 하나의 광 특성 및/또는 광의 적어도 하나의 광 특성의 변화를 판단하기 위해 스페클 패턴을 검출하는 검출기를 포함하는 광학 시스템.

Description

랜덤 파장계{Random Wavelength meter}

본 발명은, 예를 들어, 분광계 또는 간섭계 등의 파장계(wavelength meter)와 같은 광학 시스템 및 파장 선택 방법에 관한 것이다.

시간 종속의 무질서한(disordered) 또는 랜덤(random) 매체를 통한 광 전파는 일반적으로 최초 빔(beam)의 모든 정보를 파괴하는 광학 분야의 랜덤화 프로세스(randomisation process)로서 간주된다. 그러나, 정적인 랜덤 매체에서 전파하는 간섭성(coherent) 빔은 초기의 공간적 및 시간적 간섭성(coherence)을 유지하면서 결정적인 스페클 패턴(speckle pattern)을 산출한다. 그런 성질은, 예를 들면, 컴퓨터 생성 홀로그램을 이용한 포컬 스팟(focal spot)들을 생성하고 마이크로 입자(micro-particle)들을 트랩(trap)하고 플라즈몬 나노 구조(plasmonic nano-structure)들을 일관되게 다루는, 여러 가지 신규한 광학 장치들의 설계에 이용된다.

시간 종속의 무질서한 또는 랜덤 매체에 기초한 장치들에 대한 중요한 점은 광학 분야에서의 정보 내용이 랜덤 매체(random medium)를 통해 전송될 때 유지된다는 것이다. 따라서, 정적인 파면 랜덤 프로세스(stationary wavefront randomisation process)는 산란 전의 광 분야의 상태를 검출하는데 이용될 수 있다.

파장계의 사용은 포토닉스(photonics) 기술에서 편재하고 있다. 그런 장치의 소형화는 매우 유리할 것이다. 다중 모드 광섬유는 B. Redding, S. M. Popoff, 및 H, Cao, Opt. Express 21, 6584 (2013), 및 B. Redding 및 H. Cao, Opt. Lett. 37, 3384 (2012)에서 설명된 바와 같이, 분광계로서 동작하기 위하여 파면 랜덤화(wavefront randomisation)를 생성하는데 사용될 수 있다. 그러나 두 개의 인접한 레이저 라인들 간의 8pm의 해상도를 달성하는 것은 실제로 현실화하기 힘든, 교란에 무관한 20m의 광섬유를 필요로 할 것이다. T. W. Kohlgraf-Owens 및 A. Dogariu, Opt. Lett. 35, 2236 (2010)을 참조하여, 스펙트럼 편광 측정은 랜덤 매체의 전송 매트릭스(transmission matrix)를 이용하여 수행될 수 있다는 것이 또한 개별적으로 인식되어 있다.

랩-온-어-칩(Lab-on-a-chip) 응용은 작은 집적 파장 검출기를 필요로 한다. 이를 달성하기 위한 한가지 방법은 특별히 설계된 광자 결정(photonic crystal)들로부터 만들어진 수퍼 프리즘 같은 주기적인 구조들을 통해 광을 전파하는 것이다. 이러한 결정들의 광 산란은 1.5 ㎛의 파장에서 0.4 ㎚의 해상도를 제공할 수 있다. 그러나 이러한 장치들은 면외 감지(out-of-plane detection) 및 자유 공간 전파(free space propagation)에 의존하고 따라서 온-칩 장치들에 완전히 집적되지 않는다.

본 발명에 따르면, 스페클 패턴을 제공하기 위해 광을 랜덤화하기 위한, 무작위로 배치된 입자들을 포함하는 랜더마이저(randomizer)와, 광의 하나 이상의 특성을 판단하기 위해 랜덤화된 광을 검출하고 분석하는 검출기를 포함하는 광학 시스템 또는 장치가 제시된다. 바람직하게, 랜더마이저는 투과형이다.

광의 하나 이상의 특성은 파장, 편광, 간섭성 및 빔 쉐이프(shape) 파라미터로부터 선택될 수 있다.

시스템 또는 장치는 파장계 또는 분광계 또는 간섭계일 수 있다.

바람직하게, 랜더마이저는 얇은 층 또는 필름을 포함한다. 얇은 층 또는 필름의 두께는 100㎛ 미만이고, 이상적으로는 50㎛ 미만일 수 있다.

본 발명은, 각기 다른 입사 빔(beam)에 대한 다른 스페클 패턴을 제공하는, 일반화된 간섭계로서 동작하는 파면 믹싱 프로세스(wavefront mixing process)를 제공한다. 이 특성은 예를 들면, 라게이르 가우스 빔(Laguerre-Gaussian beam)의 방위각 및 방사 모드를 동시에 측정하는데 사용될 수 있다. 동일한 접근법이 편광 상태 또는 파장과 같은 광 분야의 다른 특징적인 특성들을 측정하는데 사용될 수 있다.

랜더마이저는 예를 들면, 스페클 패턴이 형성되게 하는 알루미늄 입자들처럼, 램덤하게 배치되는 입자들의 필름 층을 포함할 수 있다.

랜더마이저는 매트릭스(martix) 내에 매달린 채 랜덤하게 배치된 입자들을 포함할 수 있다. 매트릭스는 부피가 있는 재료를 포함할 수 있거나 얇은 편평한 층일 수 있다.

랜더마이저는 예를 들면 알루미늄 입자들 같은 랜덤하게 배치된 입자들의 층을 포함할 수 있다. 랜더마이저는 생물학적 조직의 슬라이스처럼 생물학적 재료의 층 또는 슬라이스(slice)를 포함할 수 있다. 랜더마이저는 광원으로부터의 광로(optical path)의 전방 또는 광로 상에 배치될 수 있는 얇은 필름으로서 제공될 수 있다.

랜더마이저는 예를 들면, 패브리 페롯 캐비티(Fabry Perot cavity) 같은 광 캐비티 내에 배치될 수 있다.

랜더마이저는 반사형일 수 있다. 랜더마이저는 스페클 패턴을 생성하기 위하여 광을 내부적으로 반사하고 랜덤화하기 위한 공동(hollow) 소자를 포함할 수 있다. 랜더마이저는 예를 들면, 적분구(integrating sphere) 같은 공동 구 또는 공동 튜브를 포함할 수 있다.

단일 모드 광섬유는 랜더마이저로 단일 모드 광을 전송하기 위해 제공될 수 있다. 이것은 빔 사이즈 매칭 및 입사 빔 디멘젼(dimension)과 관련된 문제들을 방지한다.

주성분 분석(Principal component analysis, PCA)은 광의 파장을 판단하기 위해 랜덤화된 광을 분석하는데 사용될 수 있다.

가변 광 소자 또는 장치는 랜더마이저에 입사하는 광을 변화시키기 위한 랜더마이저 전방에 제공될 수 있다. 가변 광 소자 또는 장치는 광의 진폭 및/또는 위상을 변화시키도록 동작할 수 있다. 가변 광 소자 또는 장치는 변형가능한 미러(mirror), 예컨대 액정 공간 광 변조기 같은 공간 광 변조기, 및 디지털 마이크로-미러 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.

다중 랜더마이저가 제공될 수 있다. 랜더마이저들은 주기적으로 공간을 차지할 수 있다. 랜더마이저들은 특정의 파장에서 가장 효율적인 스페클 패턴을 제공하도록 배치될 수 있다.

본 발명의 다른 측면에 따르면, 제어가능한 레이저 소스, 스페클 패턴을 생성하기 위해 제어가능한 레이저 소스로부터의 광을 랜덤화하기 위한 랜더마이저, 하나 이상의 광 특성을 판단하기 위해 스페클 패턴을 검출하고 분석하기 위한 검출기, 판단된 하나 이상의 광 특성에 기초하여 제어가능한 레이저 소스를 제어하기 위한 컨트롤러를 포함하는 레이저가 제공된다.

바람직하게 랜더마이저는 스페클 패턴을 생성하기 위해 광을 산란하고 그에 따라 광을 랜덤화하기 위한, 무작위로 배치된 다수의 산란기를 포함한다. 랜더마이저는 무작위로 배치된 입자들의 얇은 층 또는 필름을 포함할 수 있다. 랜더마이저는 무작위로 배치된 입자들이 매달려있는 매트릭스를 포함할 수 있다. 랜더마이저는 부피가 있는 재료를 포함할 수 있다.

랜더마이저는 반사형일 수 있다. 랜더마이저는 스페클 패턴을 생성하기 위하여 광을 내부적으로 반사하고 랜덤화하기 위한 공동 소자를 포함할 수 있다. 랜더마이저는, 예컨대 적분구(integrating sphere) 같은 공동 구, 또는 공동 튜브를 포함할 수 있다.

본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 제어가능한 레이저 소스의 출력을 안정화하기 위한 안정화 시스템이 제공된다. 안정화 시스템은, 스페클 패턴을 생성하기 위해 제어가능한 레이저 소스로부터의 광을 랜덤화하기 위한 랜더마이저; 하나 이상의 광 특성을 판단하기 위해 스페클 패턴을 검출하고 분석하기 위한 검출기; 및 판단된 하나 이상의 광 특성에 기초하여 제어가능한 레이저 소스를 제어하기 위한 컨트롤러를 포함한다. 바람직하게는, 랜더마이저는 스페클 패턴을 생성하기 위하여 광을 산란하고 그에 따라 광을 랜덤화하기 위한, 무작위로 배치된 다수의 산란기를 포함한다. 랜더마이저는 무작위로 배치된 입자들의 얇은 층 또는 필름을 포함할 수 있다. 랜더마이저는 무작위로 배치된 입자들이 매달려있는 매트릭스를 포함할 수 있다. 랜더마이저는 부피가 있는 재료를 포함할 수 있다.

다중 검출기가 제공될 수 있고, 스페클 패턴의 최소한의 부분이 다중 검출기 상에 입사된다. 스페클 패턴의 다른 부분들은 다른 검출기들 상에 입사될 수 있다. 다른 검출기들은 광의 다른 특성들을 판단하도록 동작할 수 있다. 상기 다른 검출기들은 광의 다른 특성들을 동시에 판단하도록 동작할 수 있다.

본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 광학 시스템이 제공된다. 광학 시스템은, 스페클 패턴을 생성하기 위해 광을 랜덤화하기 위한 랜더마이저, 하나 이상의 광 특성을 판단하기 위해 스페클 패턴을 검출하고 분석하기 위한 적어도 하나의 검출기, 및 랜더마이저 상에 입사되는 광을 변화시키기 위하여 랜더마이저 전방에 있는 가변 광 소자 또는 장치를 포함한다. 가변 광 소자 또는 장치는 광의 진폭 및/또는 위상을 변화시키도록 동작할 수 있다. 가변 광 소자 또는 장치는 변형가능한 거울, 예컨대 액정 공간 광 변조기 같은 공간 광 변조기, 및 디지털 마이크로-미러 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 다중 검출기 및 스페클 패턴을 다중 검출기로 방향을 전환하거나 지향하기 위한 수단들이 제공될 수 있다. 방향을 전환하거나 지향하기 위한 수단들은 스페클 패턴의 다른 부분들을 다른 검출기들로 전환하도록 동작할 수 있다. 방향을 전환하거나 지향하기 위한 수단은 하나 이상의 광학 장치들 또는 소자들을 포함할 수 있다. 예를 들면, 방향을 전환하거나 지향하기 위한 수단은 변형가능한 미러, 공간 광 변조기, 디지털 마이크로-미러 같은 제어가능한 빔 쉐이핑(shaping) 장치를 포함할 수 있다.

본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 스페클 패턴을 생성하기 위해 광을 랜덤화하기 위한 랜더마이저, 하나 이상의 광 특성을 판단하기 위해 스페클 패턴을 검출하고 분석하기 위한 다중 검출기, 스페클 패턴을 다중 검출기로 방향을 전환하거나 지향하기 위한 수단들을 포함하는 광학 시스템이 제공된다. 방향을 전환하거나 지향하기 위한 수단들은 스페클 패턴의 다른 부분들을 다른 검출기들로 전환하도록 동작할 수 있다. 방향을 전환하거나 지향하기 위한 수단들은 하나 이상의 광학 장치 또는 소자를 포함할 수 있다. 예를 들면, 방향을 전환하거나 지향하기 위한 수단은 변형가능한 미러, 공간 광 변조기, 디지털 마이크로-미러 같은 제어가능한 빔 쉐이핑(shaping) 장치를 포함할 수 있다. 가변 광 소자 또는 장치는 랜더마이저 상에 입사되는 광을 변화시키기 위하여 랜더마이저 전방에 제공될 수 있다.

현저하게 간단한 얇은 확산기의 산란 특성을 이용하여, 피코미터 단위의 정밀도로 단색 빔의 파장을 검출하는 것이 가능하다. 이러한 접근법은 랜덤화 매체 주변에 위치하는 광학 캐비티의 사용을 통해 더 나은 해상도로 확장될 수 있다. 이것은 초소형 분광계 및 스페클 분야의 해석에 기초한 레이저/빔 안정화를 위한 새로운 방법들을 가능하게 한다.

본 발명에 따르면, 스페클 패턴을 생성하기 위해 광을 랜덤화하기 위한 무작위로 배치된 입자들을 포함하는 랜더마이저(randomizer)와 하나 이상의 광 특성을 판단하기 위해 랜덤화된 광을 검출하고 분석하는 검출기를 포함하는 광학 시스템 또는 장치가 제시된다.

본 발명의 다양한 측면들이 첨부한 도면들을 참조하면서 설명될 것이다.
도 1은 스페클 패턴 분광계의 개략도이다.
도 2의 (a)는 785.1㎚와 785.6㎚ 사이에서 변화하는 레이저 파장의 함수로서 검출된 스페클 패턴의 PCA 분해를 보여주는 도면이다.
도 2의 (b)는 785.234㎚에서 관찰된 원시야(far-field) 스페클 패턴의 예를 보여주는 도면이다
도 2의 (C) 내지 (d)는 스페클 패턴에 의해 검출가능한 세 개의 제1 자유도(degree of freedom)에 상응하는 세 개의 제1 주성분 PC1, PC2, PC3을 보여주고 있다.
도 3은 알루미나(alumina)의 경우에서 측정된 파장 에러 분포를 보여주고 있다.
도 4는 패브리 페롯 캐비티 내에서 랜덤 확산기를 위한 모델화된 스페클 패턴 변동성을 보여준다.
도 5는 레이저 파라미터들을 제어하기 위해 스페클 패턴 검출을 사용하는 레이저 안정화 시스템의 개략도이다.
도 6은 적분구(integrating sphere)를 포함하는 파장 분광계의 개략도이다.
도 7은 파장 분광계의 튜브 기반 어셈블리의 개략도이다.
도 8은 스페클 패턴 분광계의 동작의 다양한 단계에 대한 개략도이다.
도 9는 다른 레이저 안정화 시스템의 개략도이다.
도 10은 제1 방법을 사용한 레이저 시스템의 고분석 트레이닝 및 확인을 보여준다.
도 11은 제2 방법을 사용한 레이저 시스템의 고분석 트레이닝 및 확인을 보여준다.

본 발명은 간섭성(coherent) 광(light)으로부터 스페클 패턴(speckle pattern)들을 생성하기 위한 랜덤(random) 산란기(scatter)들을 사용하여, 파장, 편광, 간섭(coherence) 같은 광의 특성들이 측정될 수 있다. 상기 랜덤 산란기들을 통해 통과된 광은 주성분 분석(principal component analysis)을 사용하여 분석된다. 상기 랜덤 산란기들 전방에서, 간섭성 빔(beam)은 많은 빔 조각들(beamlets)의 중첩으로서 보일 수 있다. 랜덤 산란기들을 통한 광의 전파 이후에, 간섭 패턴은 구성하는 빔 조각들 간에 관찰되고, 빔 조각들 각각은 변경된 방향들, 스팟(spot) 사이즈 및 상대적 위상들을 갖는다.

도 1은 단일 모드 광섬유 내로 가변 파장 광을 출력하는 조절가능한 레이저 소스를 갖는 분광계를 보여준다. 상기 광섬유로부터 방출된 광은 스페클 패턴(speckle pattern)을 형성하는 투과형 랜더마이저(randomizer) 상에 입사된다. 상기 랜더마이저를 통해 통과된 광은 CCD 카메라 상에 입사된다(Pike, Allied Vision Technologies, 픽셀 사이즈: 7.4㎛ × 7.4㎛). 검출기에서 검출된 상기 스페클 패턴은 파장 종속적이고 소스로부터의 광의 파장을 판단하는데 이용될 수 있다.

두 개의 레이저 소스가 도 1의 분광계를 테스트하는데 사용되었다: 조절가능한 좁은 선폭 리트만(Littman) 캐비티 다이오드 레이저 시스템(Sacher Lasertechnik, 785㎚, 선폭(line width)＜1MHz, TEC-510-0780-100) 및 Ti:sapphire 레이저(Spectra-Physics, 선폭 0.5GHz, tuneable 700㎚ 1000㎚, model 3900S). HighFinesse/Angstorm WS7 초정밀 파장계가 각각의 조절가능한 레이저 소스의 독립적인 교정을 위해 사용되었다. 다이오드 레이저 소스가 좁은 파장 범위 연구(≒ 0,5㎚)에 사용되었고, 반면에 Ti:sapphire 레이저 소스가 더 큰 파장 범위에 걸친 실험을 가능하게 했다. 레이저를 조절할 때 레이저 빔 가변성을 배제하기 위해 두 레이저 빔들은 단일 모드 광섬유 내로 그들의 출력을 커플링함으로써 여과되었다.

두 개의 다른 기하구조가 랜더마이저를 위해 고려되었다. 첫 번째 방법에서는, 랜덤(random) 알루미늄 입자들의 얇은 층이 사용되었다. 이것은 탈이온수와 5㎛의 평균 크기를 갖는 알루미나 입자들의, 상업적으로 이용가능한 용액의 작은 방울(≒ 5㎕)을 유리 기판 상에 떨어뜨림으로써 형성되었다. 유리 슬라이드(slide)는 두께가 160㎛ 이었고, 초음파 욕조 내에서 아세톤(Acetone) 및 이소프로판올(Isopropanol)에 5분 동안 담가두어 세척되었고, 100W에서 산소 기반 플라즈마 에싱(ashing)이 뒤따랐다. 건조 중인 방울의 표면의 컬링(curling)을 최소화하기 위해 탈이온수를 천천히 증발시키면서 처리가 이루어졌다(도 1의 (a), (b)를 보라). 건조된 방울은 두께가 40㎛ ± 10㎛ 일 것으로 측정되었다. 두 번째 방법에서는, 랜덤 확산기가 삽입된 두 개의 고 반사 레이저-캐비티 미러가 랜덤화된 패브리-페롯 캐비티를 생성하기 위해 사용되었다.

주어진 스페클 패턴에 대응하는 파장을 판단하기 위하여 랜덤 파장계는 교정되어야 한다. 이것은 검출될 각 파장에 대한 스페클 패턴을 기록함으로써 행해진다. 더 자세하게는, 패턴의 개수(N)가 측정되는데, 각각의 스페클 패턴은 CCD 카메라에 의해 측정된 강도(intensity)에 대응하는 2차원 어레이(array)에 의해 정의된다. 이것은 카메라에 의해 측정된 강도에 대응하는 더 높은 차원의 어레이(Aijk)를 제공하는데, 여기서 첨자 i와 j는 카메라 상의 픽셀 좌표이고, 첨자 k는 다른 측정값들 사이를 구별하는 인덱스이다. 이 다른 측정값들은 다른 파장들(λ)에 대응하거나, 동일한 파장을 갖지만 광학 시스템의 변동을 조사하는 다중의 노출들에 대응한다. 도 2의 (b)는 실험의 교정 부분에 사용된 예시적인 스페클 패턴을 보여준다.

교정이 완료되면, 다른 스페클 패턴들 간의 가장 큰 차이들은 다변수 주성분 분석(PCA)을 사용하여 측정된다. 첫 번째 단계에서, 평균 스페클 이미지는 매 측정된 이미지에서 차감된다(A＾ijk = Aijk - <A>ij, 여기서 <·>는 인덱스 k 동안의 평균을 나타낸다). 강도 어레이의 픽셀 좌표 부분은 평탄해진다(flattened)(예를 들면, 2 바이 이미지(2 by image)는 픽셀 (1,1)->1, 픽셀 (1,2)->2, 픽셀 (2,1)->4로서 평판해진다). 이 평탄화 과정(flattening process)은 고차 어레이를 노말 어레이(amk = A＾ijk)로 변환한다. 여기서, 인덱스 m= 1...N 은 (i,j) 페어(pair)로부터 선형 인덱스 m 까지의 고유의 매핑에 대응한다. 주 성분들은 매트릭스 M=aa^T 의 고유벡터를 계산함으로써 얻어진다. 여기서, 첨자 T 는 매트릭스 전위(matrix transposition)를 나타낸다. 공분산 매트릭스(covariance Matrix) M은 N 바이 N(N by N) 크기이다. 각각의 고유벡터는 N개의 원소를 갖고, 선형 인덱스 m을 페어 인덱스 (i,j)로 교환함으로써 이미지 형태로 재구성될 수 있다. 최대 고유값을 갖는 고유벡터는 제1 주성분으로 불리고, 두 번째로 큰 고유값을 갖는 고유벡터는 제2 주성분으로 불리는 것 등과 같은 방법으로 불린다.

고유값들의 분포는 파장이 변할 때 스페클 패턴이 액세스할 수 있는 자유도의 수를 판단하는 것을 가능하게 한다. 이 수를 계산하기 위한 한가지 방법은 그 합이 모든 고유값들의 합의 임계치의 90%와 같거나 또는 임계치에 유사한 고유값들의 개수를 판단하는 것이다. 이 수가 클수록 주어진 파장 변화에 대한 스페클 패턴 변동성이 더 크다. 랜덤 분광계의 파장 분해능은 자유도의 수가 클수록 더 크다.

주성분(PC)의 판단은 주성분 공간에서 스페클 패턴을 나타내는 것을 가능하게 한다. 각각의 측정된 스페클 패턴은 고정된 배경(평균 스페클 패턴)과 대부분의 변화들을 묘사하는 몇몇 주성분들의 가중 합으로 분해될 수 있다. 도 2의 c 내지 d는 스페클 패턴에 의해 검출가능한 세 개의 제1 자유도에 대응하는 세 개의 제1 주성분(PC1, PC2, PC3)을 보여준다. 세 개의 패턴들은 서로 유사해 보인다. 그러나, 그들의 고유벡터 기점 때문에 그 패턴들은 서로 직교하고(orthogonal), 각 패턴은 독립된 자유도에 대응한다. 게다가, 구조에 의해, 매트릭스 M은 그 고유벡터들이 서로 직교하는 양의 준정부호 대칭 매트릭스(positive semi-definite symmetric matrix)이다.

분해 후에, 각각의 스페클 패턴은 주성분 공간(PC 공간)에서의 포인트의 좌표에 대응하는 크기들의 작은 수에 의해 나타내어질 수 있다. 여기서는, 8개의 제1 주성분들이 각 패턴을 나타내는데 사용되었다. 도 2는 직접 조명에서 알루미나 랜더마이저를 사용하여 실험적 측정된 파장을 보여준다. 도 2의 (a)는 785.1㎚ 와 785.6㎚ 사이에서 변하는 레이저 파장의 함수로서의 검출된 스페클 패턴의 PCA(주성분 분석) 분해를 보여준다. 도 2의 (b)는 785.234㎚에서 관찰된 원시야 스페클 패턴의 예를 보여준다.

도 2의 (a)는 파장이 0.5㎚의 범위 내에서 변할 때 스페클 패턴에 의한 PC 공간(세 개의 제1 PC에 의해 정의된 서브공간)에서 설명되고 있는 매개변수 커브를 보여준다. 이것에서, 매개변수 커브는 파장의 함수로서 일정한 길이 변화를 갖지는 않는다. 이 효과는 우리의 접근법의 파장 분해능의 일정성에 부정적인 영향을 미칠 것이다. 도 2의 (a)에서, 단지 분해의 세 개의 제1 PC(주성분)만이 나타나고 있다. 도 2의 (c) 내지 (e)는 분해에서 사용된 세 개의 제1 주성분들을 보여준다. 각 스페클 패턴에 대한 5개의 분해 계수가 더 있다. 8개의 모든 분해 계수를 고려하는 것은 이 효과를 대폭 감소시키고, 어떻게 PCA 방법이 높은 해결법을 제공하는지를 설명한다.

파장계가 교정되면, 미지의 파장의 스페클 패턴은 기록된다. 이 패턴은 이전에 교정된 PC 공간에서 분해된다. 파장은 예를 들면 최근린(nearest neighbour), 마할라노비스(Mahalanobis) 거리 또는 선형 회귀(linear regression) 분류 방법을 사용하여 수립될 수 있다. 검출된 파장이 교정 세트의 일부라면, 모든 이들 분류 방법들은 (에러 없는) 완벽한 결과들을 제공한다.

도 3은 직접 조명에서의 알루미나 방울의 경우에 측정된 파장 에러 분포를 보여준다. 바 차트(bar chart)는 부분 최소 제곱 회귀(partial least squares regression)에 대한 에러 분포(바 차트) 및 최근린 분류에 대한 에러 분포(빨간 커브)를 보여준다. 회귀는 13pm의 표준 에러 편차를 갖는다. 최근린 분류는 에러가 없었다. 이 완벽한 결과는 파장 분류의 맥락에서의 접근법을 고려함으로써 이해될 수 있다. 실제로, 스페클 패턴 트레이닝 세트를 위해 사용된 스텝 사이즈보다 작은 스페클 패턴 변동들을 위하여, 분류 접근법은 에러가 전혀 없는 명목상의 분류 파장을 항상 제공할 것이다.

PC 공간에서의 매개변수 커브가 완만하고, 연속적이고, 부분적으로 선형이라면, 예를 들면 PC 공간에서의 부분 최소 제곱 회귀(partial least squares regression, PLS regression)를 사용하여 미지의 파장을 측정하는 것이 또한 가능하다. PLS는 파장을 검출하고, 미지의 파장이 필수적으로 교정 세트의 일부가 아니면 그것의 표준 에러 편차를 판단하는데 사용된다. 도 3은 에러의 표준 편차가 대략 13pm 인 것을 보여준다. 이것은 각 트레이닝 스텝 간의 선형 변화로부터 지역적으로 더 작은 편차들을 산출하는 트레이닝 세트에서 더 작은 파장 단계들을 고려함으로써 개선될 수 있다.

광 피드백 매커니즘을 포함시킴으로써 랜더마이저의 감도를 개선하는 방법들이 있다. 이것은 패브리 페롯 캐비티 내에 랜덤 산란 매체(random scattering medium)를 내설함으로써 달성할 수 있다. 두 장치들 간의 주요 차이점은 패브리 페롯 기반 장치를 통한 더 낮은 투과 강도와 CCD 검출기의 증가된 노출 시간에 대한 초래된 요구이다. 특정의 패브리 페롯 캐비티를 사용할 때 어떠한 해상도 개선은 관찰되지 않았다.

도 4는 증가하는 주기들의 수, 즉 증가하는 반사율을 갖는 두 개의 분산된 브래그(Brag) 반사기로 구성된 패브리 페럿 캐비티 내의 랜덤 확산기에 대한 모델화된 스페클 패턴 변동성을 보여준다. 다른 색상들은 다른 입사 파장들에 대응한다. 도 4는 이 구조의 잠재적인 장점을 보여주는데, 즉 스페클 패턴 대 파장 변화의 변동성은 캐비티가 더 많은 피드백을 제공할 때 증가된다. 이러한 향상은 투과 효율에서의 손실에 의해 궁극적으로 제한된다.

단일 파라미터의 검출을 넘어서는 트레이닝 방법을 일반화하는 것이 가능하고, 결과적으로 다중 파라미터들이 동시간에 측정될 수 있다. 이것은 빔 쉐이프(shape) 파라미터들 뿐만 아니라 편광 및 다중의 동시적인 파장들을 포함한다. 후자의 경우는 간단한 목적으로 만들어진 분광계의 구성을 가능하게 한다. 나아가, 다중의 빔 파라미터들에서의 변화들의 동시 검출은 모두가 광학적 빔들의 투과에 영향을 미치는 여러 광학적 현상에 대한 통찰을 줄 수 있다. 이 파라미터들의 미세한 변화들은 랜덤 확산기 내의 다중 산란에 의해 실제로 증폭될 수 있고, 고 감도로 검출될 수 있다.

도 1의 광학 시스템이 단일 랜더마이저를 나타내는 반면에, 다중의 그런 랜더마이저가 제공될 수 있다. 이것은 특정 파장에서의 감도를 향상시키는데 도움을 준다. 각 층의 위치는 특정 파장에서 최고의 효율을 내는 간섭 패턴을 제공하도록 선택된다. 실제로 다중의 층들은 한 방향으로 주기적이고 두 방향으로는 무작위적이어서, 그것들은 한 방향으로는 광결정(photonic crystal)처럼, 두 방향으로는 랜덤 산란기처럼 행동한다.

본 발명의 광학 시스템의 감도, 콘트라스트(contrast), 정밀도는 광장(light field)의 세기 또는 위상을 조절할 수 있는, 적어도 하나의 제어가능한 장치의 사용으로 조절될 수 있다. 그러한 제어가능한 장치들은 변형가능한 미러, 액정 공간 광 변조기, 디지털 마이크로-미러 장치를 포함한다. 제어가능한 장치는 랜더마이저의 입력 측에 배치된다. 그런 장치들을 사용하여 다중 패턴들이 동일한 빔으로부터 생성될 수 있다. 이것은 동시에 측정될 수 있는 정보의 양을 증가시킨다.

본 발명이 적절한 트레이닝을 사용하여, 파장 뿐만 아니라 편광 상태 및/또는 입사 빔의 형태를 검출하는데 사용될 수 있다는 점에서 본 발명은 일반적이다. 이것 때문에, 랜덤 분광계가 트레이닝되기 위한 자유도의 수치를 한정하는 것이 중요하다. 여기서는, 단일 모드 광섬유(SMF)가 단일 변수인 파장으로 시스템을 한정하는데 사용되었다. 실제로, 모노크로메이터(monochromator)의 입력측에서 파장의 변화만이 강도 변화를 일으킨다는 것을 보장하면서 단일 모드 광섬유는 모노크로메이터의 입력 슬릿으로서 동작한다. 그러나, 단일 모드 광섬유를 다중 모드 광섬유 또는 핀홀(pinhole)로 교체하는 것은 스페클 패턴의 파장 변동성에 빔 형태에 기인한 변화들을 더하게 될 것이다.

본 발명에 따라 단일 랜덤 매체를 사용하는 것은 이 무질서한 매체를 통한 광 투과와 연관된 큰 수치의 자유도를 활용하면서 피코미터(picometer)의 해상도를 갖는 파장계를 제공할 수 있다. 이 파장계의 실행은 800nm의 파장에서 13pm의 해상도 및 10nm의 대역폭을 달성하였다. 개념은 캐비티 내의 랜덤 매체들로 확장될 수 있다. 이것은 투과 강도의 희생으로 그것의 파장 감도를 강화시킬 수 있다. 이 개념은 특별한 분광계의 개발 및 레이저 안정화를 위한 사용에 확장될 수 있다.

도 5는 스페클 패턴 검출을 사용하여 레이저 특성을 안정화하는 레이저 안정화 시스템을 보여준다. 이것은 광로를 따르면서 스페클 패턴을 생성하기 위해 배열된 투과성 랜더마이저를 관통하는 출력 빔을 방출하는 컴퓨터로 제어되는 광 소스, 예컨대 레이저 또는 LED를 갖는다. 랜더마이저의 출력측에 검출기가 스페클 패턴을 검출하기 위해 제공되기 때문에 출력 빔의 하나 이상의 특성들을 판단한다. 판단된 특성들에 관련된 데이터는 레이저의 컴퓨터 제어 시스템으로 피드백되고 시스템은 요구되는 출력을 얻기 위해 레이저에 대한 하나 이상의 동작 파라미터들을 변화시킨다. 예를 들면, 캐비티 길이, 동작 온도, 펌프 전류가 그럴 수 있듯이, 내부/외부 캐비티 격자(grating)는 변화될 수 있다. 정말로 어떤 제어가능한 동작 파라미터는 요구된 출력이 달성될 때까지 검출기로부터의 피드백에 기초하여 변화될 수 있다.

어떤 환경에서, 데이터 획득 속도가 중요하다면, 주성분 분석의 일부는 광 영역에서 달성될 수 있다. 이것을 하기 위해, 변형가능한 미러, 공간 광 변조기, 디지털 마이크로-미러 같은 제어 가능한 빔 쉐이핑(shaping) 장치가 랜더마이저의 출력에 배치된다. 그리고 제어 가능한 빔 쉐이핑(shaping) 장치는 스페클 패턴의 특정 부분들이 서로 다른 검출기들로 지향하도록 배열된다. 이 새 빔들의 강도는 주 성분들에 상응할 것이다. 검출기들은 단일 광검출기들, 쿼드(quad) 광검출기들, 밸런스(balanced) 광검출기들, 또는 하나 이상의 이들 검출기들의 어레이(array)일 수 있다. 다중의 검출기들로부터 광전류를 추가하는 것 또는 삭감하는 것, 그리고 적절한 가중 요소들을 인가하는 것은 빠른 데이터 획득을 위한 주성분 계수를 제공한다. 이것은 도 5의 레이저 안정화 시스템에 요구될 것처럼 피드백 루프를 수행하기 위해 전형적으로 요구된다.

도 6은 랜더마이저의 다른 예를 보여준다. 이것은 적분구(integrating sphere)로 레이저 광을 제공하기 위한 광섬유와 적분구에 의해 생성된 스페클 패턴을 캡처하기 위한 카메라를 갖는다. 광섬유는 파장 변화가 빔 형태에 영향을 주지 않는 것을 보장하는 단일 모드 광섬유이다. 적분구는 낮은 손실로 입력 광장(light field)의 공간적 랜덤화를 제공하도록 배열된다.

적분구는 그것의 내부 표면 상에, 관심있는 파장에서 높은 반사성이 있는 코팅을 갖는다. 코팅은 위에서 설명한 얇은 확산기와 유사하게 그러나 반사에 의해 광을 확산시킨다. 광은 궁극적으로 카메라 또는 검출기들의 어레이로 출력 포트에서 검출될 때까지 구 내에서 앞뒤로 반사된다. 구 내에서, (도시되지 않은) 수 많은 코팅된 배플(baffle)들이 입력 포트와 출력 포트 간의 직접적 광로를 차단하기 위해 제공된다. 이상적으로 구의 재료는 작은 열 변동의 결과로 광학적 특성을 변화시키지 않도록 높은 열적 안정성을 가져야 한다. 구는 예컨대, 열전(thermoelectric) 펠티에(Peltier) 소자들을 사용하여 열적으로 안정화될 수 있다. 추가의 열 안정화가 항온 액조 내에서 적분구를 냉각함으로써 또한 달성될 수 있다. 적분구 내의 표면은 높은 확산 반사(diffusive reflection)를 보장하도록 처리된다. 적분구의 이미징부(imaging part)는 적분구의 출력 포트에 대응된다. 하나 이상의 광학 소자들이 스페클 패턴을 확대하거나 축소하는데 사용될 수 있다 하더라도 이 출력 포트에 대해 더 이상의 광학 기술이 요구되지 않는다.

측정되거나 안정화될 레이저 빔은 단일 모드 광섬유에 광학적으로 연결된다. 단일 모드 광섬유 밖으로 나오는 광은 파장이 변화하는 것처럼 그것의 빔 프로파일(profile)을 변화시키지는 않는다. 광섬유로부터의 출력 빔은 적분구의 입력 포트를 조명하는데 사용된다. 적분구는 높은 파장 감도의 스페클 패턴들을 생성한다. 이것은 출력 포트 및 카메라에 도달하기 전에 광장이 만드는 구 내에서의 많은 확산 반사들을 통해 달성된다. 실제로, 카메라는 광이 구 내에서 따르는 많은 경로들 간의 간섭으로부터 생성되는 스페클 패턴을 측정한다. 구 내에서의 연속적인 확산 반사들 간의 거리는 크기 때문에 이 스페클 패턴은 작은 파장 변화에 대해 크게 민감하다. 일반적으로, 스페클 파장 해상도/감도는 스페클 생성 장치 내의 광로 길이에 비례한다.

도 7은 공동(hollow) 반사 랜더마이저의 다른 예를 보여준다. 이 경우에, 랜더마이저는 저손실 고안정성 광학 배열을 생성하기 위해 그것의 내부에 (예컨대 이전에 설명한 것처럼) 다중의 병행 확산기들을 갖는 반사 튜브이다. 도 7은 두 개의 확산기를 보여주지만, 더 많은 것이 연쇄를 형성하도록 사용될 수 있다는 것을 알 수 있다. 선택적으로, 튜브의 내부 표면은 적분구를 참조하면서 설명한 것처럼, 높은 반사성, 확산성 재료로 코팅될 수 있다. 전처럼, 광섬유는 반사 랜더마이저로 레이저 광을 제공하고 카메라는 반사 랜더마이저에 의해 생성되는 스페클 패턴을 캡처하기 위해 제공된다. 광섬유는 파장 변화가 빔 형태에 영향을 주지 않는 것을 보장하는 단일 모드 광섬유이다. 튜브 랜더마이저는 입력 광장의 공간 랜덤화에 저손실 및 고안정성을 제공하도록 배열된다.

도 6 및 도 7에서 보인 실시 예에서, 사용된 검출기는 카메라이다. 그러나, 예를 들면 쿼드런트 포토 다이오드(quadrant photo diode, QPD) 검출기들의 어레이와 같은 임의의 적절한 검출기가 사용될 수 있다. 또한, 공동(hollow) 반사기의 형태와 사이즈, 예를 들면 구 또는 튜브는 다른 파장 감도 및 환경 안정성(온도 등)을 얻도록 변화되거나 설계될 수 있다는 것을 알아야 한다.

도 8은 파장이 주기적으로 변조되는 레이저 빔의 평균 파장 변화를 측정하기 위한 방법을 보여준다. 첫 반 주기는 주성분 방법을 사용하여 스페클 패턴을 트레이닝(교정)하는데 사용되고, 후속하는 반 주기는 트레이닝을 확인(validation)(더블 체크)하는데 사용된다. 이 경우, 교정 및 확인 단계들은 스페클 패턴을 교정하는데 사용될 수 있는 절대적 파장 측정을 제공하는 외부의 파장계를 필요로 한다. 확인 단계에서, 외부 파장계는 스페클 파장계에 의해 검출되는 파장을 확인하는데 사용된다. 도면 왼편은 스페클 분광계에 의해 검출된 파장으로 중첩된, 표준 파장계에 의해 측정된 것으로서의 시간의 함수로서의 파장 변화를 보여준다. 도면의 오른 편은 레이저 빔, 랜더마이저, 카메라, 및 검출된 스페클 패턴으로 구성된 조직의 개략도를 보여준다. 도 8의 하부는 주성분 트레이닝 접근법을 묘사하고 있다. 네 개의 패널들은 주성분들 상으로의 검출된 스페클 패턴들의 투영에 대응한다. 차례로, 이것들은 제1 주성분 대 제2 주성분; 제1 주성분 대 제3 주성분; 제2 주성분 대 제3 주성분 및 제2 주성분 대 제4 주성분이다.

도 8을 참조하여 설명된 방법은 교정을 위한 외부 파장계의 사용을 필요로 한다. 다른 접근법에서, 외부 파장계에 대한 요구는 회피될 수 있다. 이 경우, 하나 이상의 광학 성분들, 예컨대 파장이 레이저 출력에서의 주기적인 진동을 야기하는 방식으로 변한다. 이 주기적인 진동들은 약간의 제1 주성분들에서의 주기적인 진동들로서 검출될 수 있다. 진동 크기를 아는 것은 이전의 교정 없이 피드백 루프를 생성하는데 사용될 수 있는 상대적인 파장 변화들의 측정 및 검출을 가능하게 한다. 이 접근법은 고주파 주기적 파장 진동들을 모니터링함으로써 열 이동 효과를 최소화하는데 사용될 수 있다. 파장 변조의 주파수가 열 변동의 대역폭보다 크다면 스페클 패턴 생성 장치의 열 이동과의 어떤 간섭을 피할 수 있을 정도의 짧은 시간 내에 레이저 빔의 파장 이동들을 측정하는 것이 가능하다.

도 9는 본 발명에 따른 파장 안정화 시스템을 갖는 레이저를 보여준다. 이것은 두 개의 반사기에 의해 한정되는 레이저 캐비티를 갖고, 반사기 중 하나는 약간의 광이 출력되는 것을 허용한다. 캐비티 내에, 이득(gain) 매체와 내부 캐비티 소자(intra-cavity element)가 제공된다. 레이저의 출력 측에, 스페클 패턴 파장계가 있다. 보이는 예에서, 스페클 패턴 파장계는 적분구 및 컨트롤러와 연결된 카메라/검출기를 갖는다. 그러나, 여기에서 설명된 다른 스페클 패턴 파장계들 중의 어떤 것이나 사용될 수 있다. 컨트롤러는 제1 미러, 이득 매체, 및 내부 캐비티 소자와 연결된다. 이 세 개의 구성들 각각은 레이저 출력에서의 파장을 변화시키도록 컨트롤러에 의해 제어될 수 있다. 따라서 레이저 출력은 다중 채널들을 통해 영향을 받을 수 있다. 미러의 위치를 변경함으로써 캐비티 길이를 변경할 수 있다. 이득 매체에 인가되는 전위를 변경함으로써 레이저 이득을 변경할 수 있다. (필터들 또는 빔 쉐이퍼(shaper)들 같은) 내부 캐비티 능동 소자들을 변경함으로써, 예를 들면 그것들을 광로 내로 또는 광로 밖으로 이동함으로써 다시 레이저 출력을 변경할 수 있다. 이 레이저 제어 채널들의 각각은 레이저 빔 특성들에서의 변경들을 생성하는데 사용될 수 있고, 레이저 빔 특성들은 랜더마이저 이후에 스페클 패턴을 변경할 때 검출될 수 있다.

도 9의 시스템은 외부 파장계를 사용하는 것 없이 상대적 파장 변경을 보상하기 위해 교정될 수 있다. 예로서, 레이저를 제어하는 입력 채널들은 (열적 노이즈 위의) (알려진) 고주파에서 변조될 수 있을 것이다. 각 채널은 다른 주파수로 변조될 수 있다. 그리고나서 각각의 변조 주파수에서의 스페클 패턴의 변화들이 판단된다. 이 변화들은 주성분 분석 또는 특이값 분해(singular value decomposition) 같은 실시간 다변량 분석(real-time multivariate analysis)을 사용하여 판단될 수 있다. 이러한 진동들을 모니터링하는 것은 레이저 시스템에서의 어떠한 추이도 검출될 수 있게 한다. 그리고 이것들은 레이저 제어 채널들을 통해 중화될 수 있다.

도 10 및 도 11은 두 가지 접근법들로부터의 결과를 보여준다. 도 10은 10pm의 해상도를 갖는 외부 파장계를 사용한 고 해상 트레이닝 및 확인을 보여준다. 도 10에서, 왼편은 트레이닝 데이터이고, 오른편은 확인이다. 도 11은 두 번째 접근법, 즉 상대적인 특성들을 사용하여 교정을 위한 외부 파장계의 요구를 피한 접근법을 사용한 고 해상 트레이닝 및 확인을 보여준다. 도 11에서, 트레이닝 데이터는 윗 편에 보인다. 트레이닝은 특이값 분해(singular value decomposition)를 사용하여 연속적이다. 이것은 트레이닝이 신 스페클 패턴이 획득될 때 구 스페클 패턴을 천천히 잊는다는 것을 의미한다. 확인 데이터는 도 11의 아래 편에 보인다. 여기서 해상도는 레이저 변조 진폭에 의해 제한된 20MHz(~ 0.1pm)이다.

레이저들에서, 레이저 캐비티 내의 능동 이득 매체의 광 특성들은 매우 온도 의존적이다. 보통, 이득 매체는 예컨대, 열전대(thermo couple)를 사용한, 이득 매체의 온도를 측정하는 서모스탯(thermostat)의 사용을 통해 온도 안정화된다. 본 발명에 따라 스페클 패턴 변화들을 모니터링함으로써 이득 매체의 온도 변화에 기인한 출력에의 영향은 모니터링될 수 있고, 그것의 광 특성을 (예컨대, 구동 전류를 변화시킴으로써) 직접적으로 안정화하는데 피드백 루프가 사용된다.

본 발명은 레이저를 안정화하는데 사용될 뿐만 아니라 광 센서 같은 광학 구성요소들을 안정화하는데도 사용될 수 있다. 특히, 본 발명의 스페클 패턴들은 온도 의존적인 광학 구성요소들을 안정화하거나 제어하거나 모니터링하는데 사용될 수 있다. 온도 의존성은 열 팽창, 열 수축, 온도에 따른 굴절률 변화에 기인할 수 있다. 실제에 있어서, 이 변화들의 몇몇은 미세하다. 그러나, 스페클 패턴 변화는 이 미세한 변화들을 검출하고 광학 시스템에서의 영향 온도 변화를 측정하는데 사용될 수 있다. 이 온도 변화는 온도에 영향을 주는 하나 이상의 파라미터들을 제어하도록 조절된 피드백 루프에서 모니터링되거나 사용될 수 있다. 온도 의존 광학적 변화들은 단지 파장 변화와는 결합 되진 않겠지만 빔 형태 및 편광은 또한 변경될 수 있다. 이 경우에, 스페클 패턴 장치는 파장 변화만을 검출할 때 사용되는 단일 모드 광섬유를 입력에 포함하지 않을 것이다.

위에서 설명된 모든 예들에서, 검출기는 광의 하나 이상의 파라미터들 및/또는 그런 파라미터들에의 변화를 판단하기 위하여 스페클 패턴들을 분석하기 위한 프로세서 또는 분석기를 포함할 수 있다. 대안으로, 분석 프로세서 또는 분석기는 어떤 검출 소자로부터 분리되어 제공될 수 있다. 동등하게, 모든 경우에, 다중 검출기 또는 검출기들의 어레이가 제공될 수 있고, 스페클 패턴의 최소 부분이 다중 검출기들에 입사될 수 있다. 스페클 패턴의 다른 부분들은 다른 검출기들에 입사될 수 있다. 다른 검출기들은 광의 다른 특성들을 판단하도록 동작할 수 있다. 다른 검출기들은 광의 다른 특성들을 동시에 판단하도록 동작할 수 있다.

본 발명은 고 해상도, 고 감도의 스페클 패턴 파장계를 제공한다. 이것은 어느 선택된 파장에서 레이저 파장의 고정을 가능하게 한다. 게다가, 레이저 장치의 시간적인, 스펙트럼형의, 공간적인 진폭 변동을 중화하는 것이 가능하기 때문에 연속적인 파동에서의 초안정적 광 소스 및 레이저 장치의 펄스 동작 체제를 가능하게 한다. 또한, 특징화된 스페클 패턴은 이미징 애플리케이션을 위한 구조화된 조명을 위한 "다이얼 주문형" 스페클 패턴으로서 사용될 수 있다.

통상의 기술자는 본 발명으로부터 이탈하지 않고서 개시된 내용들의 변형을 예상할 수 있을 것이다. 예를 들면, 분석 기술이 PCA를 바탕으로 설명되었지만, 다른 패턴 검출 방법들이 사용될 수 있다는 것을 예상할 수 있다. 또한, 특정의 실시 예가 랜덤화된 입력 빔을 필터링하기 위해 단일 모드 광섬유를 사용하였지만, 이것이 필수적인 것은 아니다. 파장에 민감할 뿐만 아니라, 스페클 패턴은 빔 형태 및 광장의 편광에 민감하다. 이 파라미터들에 대한 정보가 요구된다면, 단일 모드 광섬유는 사용되지 않을 것이다. 따라서, 특정 실시 예의 위 설명은 한정을 목적으로 한 것이 아니라 단지 예시적인 방법으로 만들어진 것이다. 사소한 변형이 설명된 동작에 대한 의미있는 변경 없이도 행해질 수 있음은 통상의 기술자에게 명백할 것이다.

SMF ; 싱글 모드 광섬유 randomiser : 랜더마이저

Claims

스페클 패턴을 생성하기 위해 광을 산란하고 랜덤화하는(randomxing), 랜덤하게(randomly) 배치된 다수의 산란기를 갖는 랜더마이저와, 적어도 하나의 광 특성 및/또는 적어도 하나의 광 특성의 변화를 판단하기 위해 상기 스페클 패턴을 검출하는 검출기를 포함하는 광학 시스템.
제 1 항에 있어서,
상기 적어도 하나의 광 특성은 상기 광의 파장, 상기 광의 편광, 공간 모드(spatial mode) 중 하나 이상을 포함하는 광학 시스템.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 랜더마이저는 랜덤하게 배치된 입자들, 예를 들면 알루미늄 입자들을 포함하는 광학 시스템.
제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 하나에 있어서,
상기 랜더마이저는 얇은 필름 또는 얇은 층에 랜덤하게 배치된 입자들을 포함하는 광학 시스템.
제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 하나에 있어서,
상기 랜더마이저는 매트릭스(matrix) 내에 매달린 채 랜덤하게 배치된 입자들을 포함하는 광학 시스템.
제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 하나에 있어서,
상기 랜더마이저는 랜덤하게 배치된 산란기들을 포함하는 생물학적 재료를 포함하는 광학 시스템.
제 6 항에 있어서,
상기 생물학적 재료는 생물학적 조직을 포함하는 광학 시스템.
제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 하나에 있어서,
상기 랜더마이저는 광학 캐비티(cavity)인 광학 시스템.
제 8 항에 있어서,
상기 광학 캐비티는 패브리 페롯 캐비티(Fabry Perot cavity)인 광학 시스템.
제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 하나에 있어서,
단일 모드 광을 상기 랜더마이저로 전송하기 위한 단일 모드 광섬유를 포함하는 광학 시스템.
제 1 항 내지 제 10 항 중 어느 하나에 있어서,
상기 검출기는 상기 광의 파장을 판단하기 위해 랜덤화된 광을 분석하는 주성분 분석(PCA)을 사용하도록 마련된 광학 시스템.
제 1 항 내지 제 11 항 중 어느 하나에 있어서,
상기 랜더마이저는 두께가 100 ㎛ 미만인, 바람직하게는 50 ㎛ 미만인 필름 층을 포함하는 광학 시스템.
제 1 항 내지 제 12 항 중 어느 하나에 있어서,
상기 랜더마이저는 투과형인 광학 시스템.
제 1 항 내지 제 13 항 중 어느 하나에 있어서,
상기 랜더마이저는 반사형인 광학 시스템.
제 14 항에 있어서,
상기 랜더마이저는 스페클 패턴을 생성하기 위해 내부적으로 광을 반사하고 랜덤화하는 공동 소자(hollow element)를 포함하는 광학 시스템.
제 15 항에 있어서,
상기 랜더마이저는 공동구(hollow sphere), 예를 들면 적분구, 또는 공동 튜브(hollow tube)를 포함하는 광학 시스템.
제 1 항 내지 제 16 항 중 어느 하나에 있어서,
상기 랜더마이저 전방에 상기 랜더마이저에 입사되는 상기 광을 변화시키는 가변 광 소자 또는 장치를 더 포함하는 광학 시스템.
제 17 항에 있어서,
상기 가변 광 소자 또는 장치는 광의 진폭 및/또는 위상을 변화시키도록 동작하는 광학 시스템.
제 17 항 또는 제 18 항에 있어서,
상기 가변 광 소자 또는 장치는 변형가능한 미러, 예를 들면 액정 공간 광 변조기 같은 공간 광 변조기, 디지털 마이크로-미러 중 적어도 하나를 포함하는 광학 시스템.
제 1 항 내지 제 19 항 중 어느 하나에 있어서,
다중 검출기와, 상기 스페클 패턴을 상기 다중 검출기로 방향을 전환하기 위한 수단을 포함하는 광학 시스템.
제 20 항에 있어서,
상기 방향을 전환하기 위한 수단은 상기 스페클 패턴의 다른 부분들을 다른 검출기들로 방향을 전환하도록 동작하는 광학 시스템.
제 20 항 또는 제 21 항에 있어서,
상기 방향을 전환하기 위한 수단은, 변형가능한 미러, 공간 광 변조기, 디지털 마이크로-미러 같은 제어가능한 빔 쉐이핑(shaping) 장치를 포함하는 광학 시스템.
제 1 항 내지 제 22 항 중 어느 하나에 있어서,
파장계 또는 분광계 또는 간섭계로서 마련된 광학 시스템.
제 1 항 내지 제 23 항 중 어느 하나에 있어서,
다중 랜더마이저를 포함하는 광학 시스템.
제 1 항 내지 제 24 항 중 어느 하나에 있어서,
레이저를 포함하고, 상기 광학 시스템은 시간의 함수로서 스페클 패턴을 모니터링함으로써 상기 레이저 출력에서의 변화를 모니터링하는 광학 시스템.
제어가능한 레이저 소스와,
스페클 패턴을 생성하기 위해 상기 제어가능한 레이저 소스로부터의 광을 랜덤화하기 위한 랜더마이저와,
하나 이상의 광 특성 및/또는 하나 이상의 광 특성의 변화를 판단하기 위해 상기 스페클 패턴을 검출하기 위한 검출기와,
판단된 상기 하나 이상의 광 특성 및/또는 하나 이상의 광 특성의 변화에 기초하여 상기 제어가능한 레이저 소스를 제어하기 위한 컨트롤러를 포함하는 레이저.
제 26 항에 있어서,
상기 랜더마이저는 스페클 패턴을 생성하기 위해 광을 산란하고 랜덤화하는, 랜덤하게 배치된 다수의 산란기를 포함하는 레이저.
제 26 항 또는 제 27 항에 있어서,
상기 랜더마이저는 투과형인 레이저.
제 26 항 내지 제 28 항 중 어느 하나에 있어서,
상기 랜더마이저는 반사형인 레이저.
제 29 항에 있어서,
상기 랜더마이저는 스페클 패턴을 생성하기 위해 내부적으로 광을 반사하고 랜덤화하는 공동 소자를 포함하는 레이저.
제 30 항에 있어서,
상기 랜더마이저는 공동구, 예를 들면 적분구, 또는 공동 튜브인 레이저.
제 26 항 내지 제 31 항 중 어느 하나에 있어서,
상기 컨트롤러는 레이저 캐비티의 길이 및 레이저 이득 매체 중 적어도 하나를 제어하거나 변화시키도록 동작하는 레이저.
제 26 항 내지 제 32 항 중 어느 하나에 있어서,
상기 컨트롤러는 내부 캐비티 소자의 적어도 하나의 특성을 제어하거나 변화시키도록 동작하는 레이저.
제어가능한 광 소스 또는 레이저 소스의 출력을 안정화하기 위한 안정화 시스템으로서,
상기 안정화 시스템은,
스페클 패턴을 생성하기 위해 상기 제어가능한 레이저/광 소스로부터의 광을 랜덤화하기 위한 랜더마이저와,
하나 이상의 광 특성 및/또는 하나 이상의 광 특성의 변화를 판단하기 위해 상기 스페클 패턴을 검출하기 위한 검출기와,
판단된 상기 하나 이상의 광 특성 및/또는 하나 이상의 광 특성의 변화에 기초하여 상기 제어가능한 레이저 소스를 제어하기 위한 컨트롤러를 포함하는 안정화 시스템.
제 34 항에 있어서,
다중 검출기가 제공되고, 상기 스페클 패턴의 적어도 한 부분이 상기 다중 검출기에 입사되는 안정화 시스템.
제 35 항에 있어서,
상기 스페클 패턴의 다른 부분들은 다른 검출기들에 입사되는 안정화 시스템.
제 35 항 또는 제 36 항에 있어서,
상기 다른 검출기들은 상기 광의 다른 특성들을 판단하도록 동작하는 안정화 시스템.
제 37 항에 있어서,
상기 다른 검출기들은 상기 광의 상기 다른 특성들을 동시에 판단하도록 동작하는 안정화 시스템.
스페클 패턴을 생성하기 위해 광을 랜덤화하기 위한 랜더마이저와,
상기 광의 하나 이상의 광 특성을 판단하기 위해 상기 스페클 패턴을 검출하기 위한 적어도 하나의 검출기와,
상기 랜더마이저의 전방에서 상기 랜더마이저에 입사되는 상기 광을 변화시키기 위한 가변 광 소자 또는 장치를 포함하는 광학 시스템.
제 39 항에 있어서,
상기 가변 광 소자 또는 장치는 광의 진폭 및/또는 위상을 변화시키도록 동작하는 광학 시스템.
제 39 항 또는 제 40 항에 있어서,
상기 가변 광 소자 또는 장치는 변형가능한 미러, 예를 들면 액정 공간 광 변조기 같은 공간 광 변조기, 디지털 마이크로-미러 중 적어도 하나를 포함하는 광학 시스템.
제 39 항 내지 제 41 항 중 어느 하나에 있어서,
다중 검출기와, 상기 스페클 패턴을 상기 다중 검출기로 방향을 전환하기 위한 수단을 포함하는 광학 시스템.
제 42 항에 있어서,
상기 방향을 전환하기 위한 수단은 상기 스페클 패턴의 다른 부분들을 다른 검출기들로 방향을 전환하도록 동작하는 광학 시스템.
제 42 항 또는 제 43 항에 있어서,
상기 방향을 전환하기 위한 수단은, 변형가능한 미러, 공간 광 변조기, 디지털 마이크로-미러 같은 제어가능한 빔 쉐이핑(shaping) 장치를 포함하는 광학 시스템.
스페클 패턴을 생성하기 위해 광을 랜덤화하기 위한 랜더마이저와,
상기 광의 하나 이상의 광 특성을 판단하기 위해 상기 스페클 패턴을 검출하기 위한 다중 검출기와,
상기 스페클 패턴을 상기 다중 검출기로 방향을 전환하기 위한 수단을 포함하는 광학 시스템.
제 45 항에 있어서,
상기 방향을 전환하기 위한 수단은 상기 스페클 패턴의 다른 부분들을 다른 검출기들로 방향을 전환하도록 동작하는 광학 시스템.
제 45 항 또는 제 46 항에 있어서,
상기 방향을 전환하기 위한 수단은, 변형가능한 미러, 공간 광 변조기, 디지털 마이크로-미러 같은 제어가능한 빔 쉐이핑(shaping) 장치를 포함하는 광학 시스템.
제 45 항 내지 제 47 항 중 어느 하나에 있어서,
상기 랜더마이저 전방에서 상기 랜더마이저로 입사되는 상기 광을 변화시키기 위한 가변 광 소자 또는 장치를 포함하는 광학 시스템.