KR20170111141A - 초음파 소자를 이용한 스페클 저감 방법 및 이를 적용한 레이저 광원 시스템 - Google Patents

Abstract

초음파 소자를 이용한 스페클 저감 방법 및 이를 적용한 레이저 광원 시스템이 제공된다. 본 발명의 실시예에 따른 레이저 광원 시스템은, 레이저를 조사하는 레이저 광원과 초음파를 생성하여 레이저의 조사 경로에 방사하는 초음파 소자를 포함한다. 이에 의해, 초음파 소자를 레이저의 광경로에 조사함으로써, 레이저의 광량은 그대로 유지하면서 기계적인 움직임 없이도 레이저의 스페클을 저감시킬 수 있게 된다.

Description

초음파 소자를 이용한 스페클 저감 방법 및 이를 적용한 레이저 광원 시스템{Speckle Reduction Method using an Ultrasound Component and Laser Light Source applying the same}

본 발명은 레이저 광원에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 레이저의 스페클 현상을 저감시키기 위한 방법에 관한 것이다.

레이저(Laser)는 유도방출에 의한 빛의 증폭현상(Light Amplification by the Stimulated Emission of Radiation)으로, 결맞는 빛이 증폭되어 방출되는 광원을 말한다. 보통의 레이저 광원은 단색(monochromatic)이기 때문에 단일 파장과 색으로 결정되며, 멀리까지 진행해도 빛이 퍼지지 않는 특성을 가지고 있다. 또한 coherence를 가지고 있어 이 특성 때문에, 도 1에 도시된 바와 같이, 요철 등이 있는 불규칙한 표면에 주사하면 반사되는 빛의 간섭 현상 때문에 불규칙한 형태가 생기게 되는데, 이를 레이저 스페클이라고 한다.

도 2는 스페클 현상의 설명에 제공되는 이미지이다. 도 2의 좌측은 incoherent light를 사용한 경우이고, 도 2의 중앙은 coherent light를 사용한 경우이며, 도 2의 우측은 중앙의 이미지를 확대한 이미지이다.

보통 레이저에 의한 스페클 현상은 레이저의 간섭 패턴이 불규칙한 산란물체에 의해 반사되어 랜덤한 점들이 나타나는 현상이기 때문에, 도 2를 통해서 확인할 수 있는 바와 같이 간섭성(coherence)이 높은 빛일수록 뚜렷하게 나타나는 특징이 있다.

이러한 현상은 레이저를 이용한 디스플레이 장치에서 좋지 못한 특성으로 나타나는데, 레이저를 이용한 디스플레이의 경우 빛의 선명함과 자유초점(focus-free) 현상 때문에 선호되는 특성을 가지고 있는 반면에 스페클이 영상의 질을 저하시키는 단점이 있어서 이를 해결해야하는 문제점을 가지고 있다.

스페클은 아래와 같이 정의된다.

보통의 가우시안 스페클 패턴에서 스페클 값은 0에서 1사이에 존재하게 된다(fully developed speckle: 1). 이 스페클은 관찰 방법에 따라 free space optic에서 관찰하는 objective speckle과 imaging lens를 사용하여 관찰가능한 subjective speckle로 나뉘게 된다.

따라서 스페클을 결정하는 요인은 illumination condition, subjective speckle의 경우에는 관찰하는 카메라 렌즈의 clear aperture 사이즈, 카메라 렌즈의 f-number, 스크린과 카메라 렌즈 사이의 거리, 카메라의 photosensor의 integration time 등에 의해 영향을 받게 된다.

스페클 현상의 발생 원인이 coherence에서 기인 된다면 이는 감소방법도 coherence를 감소시키는 방법으로 해결할 수 있다. coherence 특성은 파장의 위상이 일치하지 않도록 조정하거나, 속도를 조절해서 파장이 어긋나도록 함으로써 감소시킬 수 있다.

레이저 광원의 스페클을 감소시키는 방법은 크게 다음과 같은 방법으로 나눌 수 있다. 먼저 레이저를 향하는 스크린을 물리적으로 움직여서 스페클을 저감하는 방법, 광원의 coherence를 저감시켜 스페클을 감소시키는 방법, 그리고 광원의 이동경로를 광학계 조정을 통해 조작하여 저감하는 방법으로 나눌 수 있다.

가장 상용화되어 있는 스크린을 조작하는 방법은 기계적인 방법을 통해 스크린을 물리적으로 미세하게 진동시키거나 diffusive screen을 사용하여 광원의 coherence 특성을 저감시키는 방법이 있다.

불규칙한 산란 매질을 기계적인 움직임을 통해서 좌우/상하 또는 앞뒤로 움직여 랜덤한 점들을 average out하여 스페클을 줄일 수 있다. 도 3에 제시된 바와 같이 스페클 측정 환경을 구축하고 측정해 보면 작은 점 패턴이 무수하게 발생하여 영상의 질을 저하시키는 단점이 있지만, 산란 매질을 좌우로 빠르게 흔들어 도 4에 나타난 바와 같이 랜덤한 점들이 average out 되어 스페클이 감소되는 것을 볼 수 있다.

도 4의 상부는 일반적인 환경에서의 스페클 측정 결과이고, 도 4의 하부는 산란 매질을 기계적으로 움직여서 스페클을 감소시킨 결과이다. 회색 영상은 CCD를 통해 촬영된 영상이다.

하지만, 이 방법은 기계적인 움직임이 포함된다는 점이 가장 큰 단점이라고 할 수 있다.

광원의 coherence를 조절하는 방법은 파장이 다발로 묶여진 광원을 이용하여 coherence 특성을 줄이거나, 넓은 파장 범위를 갖는 광원을 사용하는 방법이 있으며 광원의 편광 특성을 다르게 하여 coherence특성을 감소시키는 방법이 있는데 보통 이 방법은 전광학방법(all-optical method)이라는 장점이 있지만 스페클 저감 정도가 앞의 방법에 비해 조금 작으며, 특수한 광원을 사용해야 한다는 단점이 있다.

마지막으로 광경로 조정을 통해 스페클을 저감시키는 방법은 광학계 내부에 소형 광학 소자를 이용하여 광경로를 바꾸는 방법이 있는데, 보통 diffusive screen, lens array, moving mirror (deformable mirror) 등을 사용하여 광학 경로를 미세하게 바꾸어 그 위상차이로 스페클을 감소시키는 방법이다.

즉, 스페클을 저감시키는 방법 중에서 가장 상용화되고 효과적인 방법은 물리적으로 광원을 미세하게 이동시켜 coherence를 저감시키는 방법인데, 이 방법은 비용이 적게 들며 확실하게 스페클을 저감시킨다는 장점이 있지만 반면 물리적인 움직임(기계적 움직임)이 장치에 포함되어야 하기 때문에 안정성에 문제가 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은, 레이저의 광량을 그대로 유지하면서 기계적인 움직임 없이도 레이저의 스페클을 저감시키기 위한 방법 및 이를 적용한 레이저 광원 시스템을 제공함에 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른, 레이저 광원 시스템은, 레이저를 조사하는 레이저 광원; 및 초음파를 생성하여, 상기 레이저의 조사 경로에 방사하는 초음파 소자;를 포함한다.

그리고, 상기 초음파 소자는, 상기 레이저의 조사 경로를 변경시키기 위해, 상기 초음파를 방사할 수 있다.

또한, 상기 초음파 소자는, 상기 레이저의 조사 경로의 측면에서 상기 초음파를 방사할 수 있다.

그리고, 상기 레이저의 조사 경로와 상기 초음파의 방사 경로는 수직할 수 있다.

또한, 상기 초음파 소자는, 상기 레이저의 조사 경로를 변경시키고자 하는 지점에서 위상이 동일한 초음파를 생성할 수 있다.

그리고, 상기 지점은, 상기 레이저의 coherence가 유지되는 지점일 수 있다.

또한, 상기 초음파 소자는, 초음파 트랜스듀서일 수 있다.

한편, 본 발명의 다른 실시예에 따른, 레이저 스페클 저감 방법은, 레이저를 조사하는 단계; 및 초음파를 생성하여, 상기 레이저의 조사 경로에 방사하는 단계;를 포함한다.

이상 설명한 바와 같이, 본 발명의 실시예들에 따르면, 초음파 소자를 레이저의 광경로에 조사함으로써, 레이저의 광량은 그대로 유지하면서 기계적인 움직임 없이도 레이저의 스페클을 저감시킬 수 있게 된다.

또한, 본 발명의 실시예들에 따르면, 기계적인 움직임이 없이 스페클을 감소시키기 때문에, 안정성이 확보된 향상된 영상을 표현할 수 있으며, 광량에도 변화가 없기 때문에 레이저 본연의 성질을 잘 이용할 수 있게 된다.

도 1 및 도 2는 레이저의 스페클 현상에 대한 설명에 제공되는 도면,
도 3은 기계적인 움직임을 통해 스페클을 저감하는 방법의 설명에 제공되는 도면,
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 광원 시스템을 도시한 도면, 그리고,
도 6은 초음파의 위상을 맞추어 세기가 강화되는 방법의 설명에 제공되는 도면이다.

이하에서는 도면을 참조하여 본 발명을 보다 상세하게 설명한다.

도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 광원 시스템을 도시한 도면이다. 본 발명의 실시예에 따른 레이저 광원 시스템은, 초음파를 이용하여 레이저의 스페클을 저감시킨다.

초음파를 이용하기 때문에, 기계적인 움직임 없이 레이저 광원의 스페클을 감소시킬 수 있어, 본 발명의 실시예에 따른 레이저 광원 시스템은 영상의 안정성을 보장할 수 있다.

이와 같은 기능을 수행하는 본 발명의 실시예에 따른 레이저 광원 시스템은, 도 5에 도시된 바와 같이, 레이저 광원(110) 및 초음파 트랜스듀서(Ultrasound Transducer)(120)를 포함하여 구축된다.

도 5에 도시된 카메라(10)와 스크린(20)은, 본 발명의 실시예에 따른 레이저 광원 시스템에 의한 레이저의 스페클 저감 성능을 측정하는데 사용하기 위한 장비들이다.

레이저 광원(110)은 레이저를 생성하여 조사한다.

초음파 트랜스듀서(120)는 초음파를 생성하여 방사하기 위한 소자로, 보통 비가청 주파수 대역인 20,000Hz 이상의 초음파를 생성한다.

초음파 트랜스듀서(120)는 미세하게 서로 다른 주파수 대역의 신호를 서로 변조하여 그 차이에 의해 사람의 가청 주파수 대역인 20-20000Hz의 음파를 생성할 수도 있으며, 각 변조된 파동의 위상을 원하는 위치에서 잘 맞추면 미세한 자극까지 전달할 수 있다.

초음파 트랜스듀서(120)에 의해 생성된 초음파가 레이저 광원(110)에 의해 생성된 레이저의 조사 경로에 방사되도록, 레이저 광원(110)의 조사면과 초음파 트랜스듀서(120)의 방사면을 배치한다.

초음파 트랜스듀서(120)에 의해 방사되는 초음파는 레이저 광원(110)에서 조사된 레이저의 경로를 미세하게 변경시키기 위한 것이다. 이를 위해, 초음파 트랜스듀서(120)는 레이저 조사 경로의 측면에서 초음파를 방사한다.

레이저의 조사 경로와 초음파의 방사 경로는 수직하게 구현할 수도 있지만, 반드시 그러한 것은 아니다.

레이저 경로를 미세하게 변경시키기 위해, 초음파 트랜스듀서(120)는 레이저 경로를 변경시키고자 하는 지점에서 위상이 동일한 초음파를 생성하여 방사한다. 광경로 변경을 위한 충분한 효과를 내도록 하기 위함이다.

레이저 경로를 변경시키고자 하는 지점은 레이저의 coherence가 유지되는 지점인 레이저 광원(110)의 앞단이다. 초음파 트랜스듀서(120)는 이 지점에 위상이 동일한 조절된 초음파를 방사하여 레이저 경로를 미세하게 바꾸어줌으로써 스페클을 감소시킨다.

도 6에는 초음파 트랜스듀서(120)의 위상을 맞추어 세기를 강화하는 방법이 나타나 있다.

이와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 레이저 광원 시스템은, 기계적인 움직임 없이, 전기적인 신호에 의해 생성한 초음파를 이용하여 레이저 경로를 변경하여 스페클을 감소시킨다.

또한, Coherence를 유지하는 레이저의 세기에 별다른 영향을 미치지 않기 때문에 기존에 언급된 광학계를 삽입하여 광경로를 바꾸는 방법과 달리, 레이저 광량을 감소시키지도 않는다.

지금까지, 초음파 소자를 이용한 스페클 저감 방법 및 이를 적용한 레이저 광원 시스템에 대해 바람직한 실시예들을 들어 상세히 설명하였다.

본 발명의 실시예에 따른 스페클 저감 방법 및 이를 적용한 레이저 광원 시스템은, 레이저의 간섭 패턴이 불규칙한 산란물체에 의해 반사되어 랜덤한 점들이 나타나는 스페클 현상을 감소시키기 위하여 초음파 소자를 이용하여 광경로를 미세하게 조정하였다.

본 발명의 실시예에 따른레이저 광원 시스템을 구성하는 레이저 광원(110)과 초음파 트랜스듀서(120)의 사양과 규격에 대한 제한은 없다. 필요에 따라 적정의 소자를 이용하면 된다.

나아가, 초음파 트랜스듀서(120)에 의해 생성할 초음파의 종류에 대해서도, 레이저 광원(110)에 의해 생성되는 레이저에 종속적으로 결정할 수 있음은 물론이다.

또한, 이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 도시하고 설명하였지만, 본 발명은 상술한 특정의 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진자에 의해 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 이러한 변형실시들은 본 발명의 기술적 사상이나 전망으로부터 개별적으로 이해되어져서는 안될 것이다.

110 : 레이저 광원
120 : 초음파 트랜스듀서(Ultrasound Transducer)

Claims (8)

1. 레이저를 조사하는 레이저 광원; 및
   초음파를 생성하여, 상기 레이저의 조사 경로에 방사하는 초음파 소자;를 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저 광원 시스템.
   
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 초음파 소자는,
   상기 레이저의 조사 경로를 변경시키기 위해, 상기 초음파를 방사하는 것을 특징으로 하는 레이저 광원 시스템.
   
3. 청구항 2에 있어서,
   상기 초음파 소자는,
   상기 레이저의 조사 경로의 측면에서 상기 초음파를 방사하는 것을 특징으로 하는 레이저 광원 시스템.
   
4. 청구항 3에 있어서,
   상기 레이저의 조사 경로와 상기 초음파의 방사 경로는 수직하는 것을 특징으로 하는 레이저 광원 시스템.
   
5. 청구항 2에 있어서,
   상기 초음파 소자는,
   상기 레이저의 조사 경로를 변경시키고자 하는 지점에서 위상이 동일한 초음파를 생성하는 것을 특징으로 하는 레이저 광원 시스템.
   
6. 청구항 5에 있어서,
   상기 지점은,
   상기 레이저의 coherence가 유지되는 지점인 것을 특징으로 하는 레이저 광원 시스템.
   
7. 청구항 1에 있어서,
   상기 초음파 소자는,
   초음파 트랜스듀서인 것을 특징으로 하는 레이저 광원 시스템.
   
8. 레이저를 조사하는 단계; 및
   초음파를 생성하여, 상기 레이저의 조사 경로에 방사하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저 스페클 저감 방법.
   

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