KR20210058859A - 설정 가능한 광학 장치 - Google Patents

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제이콥 안드레아스 제다이
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우니베르시다드 폴리테크니카 데 마드리드
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Abstract

설정 가능한 광학 장치는 광학 소자(1) 또는 직렬로 배열된 다양한 광학 소자(1)를 포함하고, 여기서 각각의 소자(1)는 광빔에 대한 입사 표면(21) 및 출사 표면(22)을 갖는 활성 영역(2)을 포함하고; 각각의 소자(1)는 적어도 하나의 제 1 투명 전극 및 적어도 하나의 투명 대향 전극(5)을 포함하고, 대응하는 전기 접속부가 둘레부(3)에 위치하며; 상기 장치는 각 소자(1)의 전극(4, 5) 사이에 전위차의 적용시, 각 소자(2)의 활성 영역(2)의 상이한 영역에서 정류 정도를 변경하는 전계가 발생되어서, 각각의 소자(1)에 변화하는 광로 프로파일을 생성함으로써, 각각의 전극에 인가된 전계에 따라서, 입사 광빔이 상이한 방식으로 집속될 수 있도록 설정된다.

Description

설정 가능한 광학 장치
본 발명은 임의의 입사 방사선의 위상 프로파일에 방사상 변화를 도입할 수 있는 설정 가능한(또는 재설정 가능한) 광학 장치에 관한 것이다.
상기 장치는 직렬의 하나 이상의 액정 셀을 기반으로 하고, 모든 전극이 셀의 주변으로부터 접근할 수 있도록 구조화된 전극이 제공되어서, 결과적으로 독립적으로 다이렉팅될 수 있다. 본 발명의 일부인 전극의 특정 설계는 재설정 가능한 렌즈 및 파면 교정기를 제조 가능하게 한다.
또한, 본 발명은 상술한 설정 가능한 광학 장치를 제조하는 방법에 관한 것이다.
본 발명의 장치 목적은 항공우주 산업, 의료 산업, 보안 산업, 운송 산업, 통신 산업 등과 같은 다양한 유형의 산업을 위한 광학 장치의 설계 및 상업화 분야에 적용된다.
일반적으로 사용되는 렌즈는 광굴절을 기반으로 한다. 또한, 광회절에 기반한 렌즈는 잘 알려져 있고, 또한 토폴로지 전하 없이(또는 제로 토폴로지 전하) 고정된 초점을 가진 회절 렌즈인 프레넬 렌즈라고도 알려져 있다.
나선형 회절 렌즈와 같은 특정 유형의 소용돌이 렌즈(vortex lense)가 최신 기술로 알려져 있다. 나선형 회절 렌즈는 그것의 토폴로지 전하에 의해 기술되는 프로파일, 및 초점 렌즈의 경우에는 초점 거리에 의해 특징지어진다.
광학 소용돌이 빔 또는 복수의 소용돌이는 덜 일반적이며, 일반 대중에게 잘 알려져 있지 않다. 소용돌이는 광의 위상이 빔의 중심 주위에서 방위각 방식으로 공간적으로 변하는 광학 빔이다. 일반적으로, 위상은 빔의 중심 주위로의 회전에서 2π의 정수 배수인 수만큼 달라진다. 2π의 정수배인 수는 소용돌이의 토폴로지 전하로 알려져 있다.
본 특허출원에 정의된 소자는 모두 입사 빔의 토폴로지 전하를 변경하는 소자이다.
마찬가지로, 나선형 형상 및 집속 능력을 갖는, 문헌 US 5408281 A에 개시된 것과 같은 콘택트 렌즈의 유형은 알려져 있다.
마찬가지로, 문헌 US 2008226844 A1가 설정 가능한 나선형 위상판과 관련하여 알려져 있지만, 비균일 정렬을 기반으로 하며 직렬의 렌즈를 사용하지 않는다.
마찬가지로, 액정 셀에서 재설정 가능한 공진 다이폴 구조를 기반하여, 테라헤르츠 및 밀리미터파 범위 내의 주파수에 대해서 재설정 가능한 빔 반사 어레이를 정의하는 문헌 WO 2012/080532가 알려져 있다.
현재까지, 하나의 동일한 수동 전극 구조를 사용하여, 상이한 전극에 적용되는 전계에만 의존적이고, 또한 픽셀화된 장치에 존재하는 에일리어싱 없이, 다른 초점 거리를 갖는 나선형 회절 렌즈를 생성하는 광학 장치는 알려져 있지 않다.
현재까지, 2개의 소용돌이 생성 구조를 직렬로 결합한 광학 장치는 알려져 있지 않다. 본 발명의 이러한 직렬 구조의 조합은 단일 장치에 의해 사실상 모든 유형의 광학 렌즈를 에뮬레이팅할 수 있게 할 뿐만 아니라, 필요에 따라 그 광학적 특징을 설정할 수 있게 한다.
이러한 유형의 장치는 공간 광 변조기(SLM)와 경쟁할 수 있으며, 더 높은 충전율을 갖지만, 에일리어싱을 갖지 않고 또한 그 활성 부분에 전자 부품이 부족하기 때문에 더 많은 광을 전송한다는 추가 이점이 있다. 또한, 구조적으로 및 전자적으로 더 간단하기 때문에 보다 저렴하다.
본 발명은 액정(LC)의 기본적 특성 중 일부, 특히 유전성 및 광학적 분자 이방성을 이용한다. 고유 유전율 이방성과 조합된 LC의 유체 성질은 거시적 규모에서 상기 재료는 그 자체가 배향하는 경향이 있어서 인가된 장에 가장 높은 유전 상수를 제공하는 것을 의미한다.
가장 일반적인 LC인 네마틱 칼라미틱 액정에 있어서, 분자는 가늘고 긴 형상을 갖고; 인디카트릭스(indicatrix)이라고도 칭해지는, 분자의 가장 긴 축은 대략 가장 높은 유전 상수의 축과 이방성의 광학축에 상응한다. 따라서 가장 높은 굴절률과 가장 높은 유전 상수는 분자의 가장 긴 축과 평행한다. 이들 재료를 양성 LC라고 칭한다.
음의 유전율 이방성을 갖는 LC가 있으며, 여기서 분자축은 가장 높은 굴절률(인디카트릭스)과 가장 낮은 유전 상수와 일치한다. 이 설명에 있어서, 단축의 이방성은 본 발명에서의 모든 관련 액정(LC) 경우에 대해 유효한 근사치인 것으로 가정된다.
청색 상 액정과 같은 다른 LC 재료에 있어서, 등방성 재료는 전계를 인가함으로써 이방성 재료로 변환될 수 있다. 이러한 경우에, 굴절률은 전계 방향으로 증가하고, 수직 방향으로 감소하는 경향이 있다.
또한, LC는 질서 있는 유체이다. 그들은 수백 ㎛까지 확장되는 분자간 점탄력에 의해 생성된 고유의 거시적 질서를 가지고 있으며, 이것은 외부장의 부재시 상대적으로 약한 표면 상호작용을 이용하여 정렬될 수 있게 한다.
따라서, LC의 체적이 단거리에 위치된 평행면을 가진 셀에 국한되어 있는 조건에서, 적절한 표면 처리를 통해 LC의 우선 정렬을 유도되어 재료의 나머지 부분으로 전달될 수 있다. 상기 정렬은 결국 외부 전계를 인가함으로써 최종적으로 변경될 수 있다. 한 상태와 다른 상태 사이에서의 전환은 정렬 방향과 전계 방향에 의해 규정된 평면에 의해 결정된다.
결과로서, LC를 통과하는 광에 의해 감지되는 굴절률 또는 복수의 굴절률이 인가된 전계를 통해 변경될 수 있어서, 입사각의 광로 길이(OLP) 또는 편광 상태(SOP)를 야기할 수 있다.
SOP의 변경은 액정 디스플레이(LCD)가 형성되는 것에 기반한다. SOP를 제어함으로써, 편광자 1개 또는 편광자 2개를 사용하여 시스템을 통과하는 광의 양을 제어할 수 있다. LCD는 일반적으로 백라이트 또는 백미러가 설치된 LC 셀로 구성되고, 여기서 LC 셀은 편광자 사이에 위치된다. 셀은 세그먼트(영숫자식 디스플레이)의 형태, 또는 휴대폰, 프로젝터 및 TV에 적용되는 종료와 같은 픽셀의 직사각형 매트릭스의 형태로 전극에 의해 형성된 전기 여기 시스템을 갖는다.
OLP 변화는 LC 렌즈, 및 공간 광변조기(SLM)와 같은 보다 일반적인 LC 포토 닉 장치를 기반으로 한다. 이들 장치를 사용하면, 입사 파면의 편광 중 적어도 하나를 조작할 수 있다.
투명 LC 렌즈는 일반적으로 상이한 전압이 인가되는 동심 전극을 기반으로 한다. 다층 전극 어셈블리를 선택하지 않으면, 동심원 소자의 접속이 복잡해져서, 결과적으로 그 자체에 문제가 발생한다. 따라서, 매우 제한된 조정 가능 범위를 가진 복잡한 지시 체계를 사용해야 하거나, 또는 나선 형상으로 뒤얽힌 전극을 사용해야 한다.
SLM은 LCD의 상업적 생산으로부터 유래된 기술을 기반으로 하지만, 일반적으로 LCD 디스플레이에 필요한 Π의 지연 대신에 2Π의 최대 위상 지연을 달성하도록 제조되어야 한다. 고성능 SLM은 매우 고밀도의 직사각형 픽셀 어레이를 기반으로하므로, 파면을 거의 임의적으로 조정할 수 있다. 그러나, 대부분의 디스플레이는 픽셀 크기가 수십 ㎛(인간의 시력보다 작음)인 직시형 디스플레이이거나, 또는 LCoS(실리콘 액정)와 같은 투과형 또는 반사형 프로젝션 장치이다.
직시형 장치는 일반적으로 디스플레이가 가진 다수(수백만)의 개별 픽셀을 제어하는데 필요한 전극 수를 감소시키는 활성 매트릭스의 박막 트랜지스터(TFT)를 사용한다. 디스플레이의 활성 영역의 상당 부분이 TFT 및 그 회로에 의해 점유되어, 디스플레이의 소위 필 팩터(fill factor)(광 투과)를 감소시킨다. 이 문제는 투과형 프로젝션 장치에서 악화되며, 그 이유는 작은 크기의 픽셀은 실제로 이러한 장치의 해상도가 제한되는 지점까지 필 팩터를 감소시키기 때문이다. 반사 형 LCoS 장치에 있어서, 트랜지스터 및 마이크로전자 회로는 디스플레이 뒤에 설치되어, 필 팩터에 영향을 주지 않는다.
어느 경우에서도, 제어 전자 장치는 픽셀 상부 또는 활성 영역 하부에 있어서, 소정의 응용 분야, 특히 LC 셀이 강렬한 전자기 방사선 또는 이온화 방사선에 노출되어, 회로의 마이크로전자 및 나노전자 소자가 열화될 수 있는 것들에 있어서 바람직하지 않다.
본 발명은 이러한 맥락에서 제시된다. 다양한 형상을 갖는 전극으로 형성되고, 활성 영역 주변으로부터 향하는 임의의 수의 픽셀을 가진 임의의 프로파일의 LC 렌즈를 생성할 수 있는 투명 장치이다. 이 장치는 현재의 장치에 비해 수개의 이점이 있다:
·대부분의 고해상도 SLM과 달리 투명하다.
·활성 영역에 전자 소자가 부족하다.
·임의의 수의 개별 픽셀로 다이렉팅될 수 있으며, 전극 상호접속이 없거나 또는 어떤 영역에서도 겹치지 않는다.
·전극 사이의 간격에 의해서만 제한되는 매우 높은 필 팩터를 갖는다.
·본질적으로 에일리어싱이 없다.
액정 외에도, 전계가 인가되면 재료의 광학 이방성이 변하는 전기 광학 효과를 가진 기타 재료가 있다. 이들 재료에 있어서, 굴절률은 전계 방향으로 증가하고 수직 방향으로 감소하는 경향이 있고, 그 반대의 경우도 마찬가지이다. 본 발명에 있어서, LC는 리튬 니오베이트와 같은 전기 광학 효과를 갖는 재료 또는 포켈 또는 커 효과를 나타내는 액체로 대체될 수 있다.
종래 기술의 관점에서, 본 발명의 목적인 하기의 설정 가능한(및/또는 조정 가능한) 광학 장치가 제공된다.
본 발명의 설정 가능한 광학 장치 객체는 설정 가능한 광학 소자 또는 직렬로 배열된 다양한 설정 가능한 광학 소자를 포함한다. 각각의 광학 소자는 광빔의 입사 표면(또는 투명 기판) 및 출사 표면(또는 투명 기판)으로 구성된 활성 영역을 포함한다.
각각의 광학 소자는 적어도 하나의 제 1 투명 전극 및 적어도 하나의 투명 대향 전극(또는 제 2 전극)을 포함한다.
전극에 대한 전기적 접속부는 활성 영역을 관통하는 접속 트랙이 없도록 각각의 광학 소자의 둘레 영역에 위치한다.
가능한 실시형태에 따르면, 상기 장치가 제 1 전극의 각각의 섹션과 제 2 전극의 각각의 섹션 사이에 상이한 강도를 갖는 전계를 발생하게 설정되도록 광학 소자 중 적어도 하나의 제 1 전극은 섹션으로 분할된다.
상기 장치는 각 광학 소자의 전극의 상이한 섹션 사이에 전위차의 적용시, 각각의 광학 소자의 활성 영역의 상이한 영역에서 정류 정도를 변경하는 상이한 전계가 발생되어, 장치의 각각의 광학 소자에 다양한 OPL 프로파일을 생성한다. 이것은 제 1 전극의 섹션에 인가된 전계의 패턴에 따라, 소정의 토폴로지 전하 및 입사 광빔의 소정의 초점을 설정한다.
가능한 실시형태에 따르면, 광학 소자는 그에 상응하는 전극을 갖는 액정 셀(또는 중합 가능한 액정 셀)이다. 액정에 대한 대안으로서, 광학 소자는 다른 전기 광학 재료(전계의 존재 하에 굴절률을 변경할 수 있는 능력을 가짐) 및 그에 상응하는 전극으로 구성될 수 있다.
따라서, 각 광학 소자의 상이한 영역의 굴절률이 국부적으로 변경될 수 있게 하는 부분 정류(전극의 섹션의 수 및 배열에 따라 다름)가 있다.
또한, 가능한 실시형태에 따르면, 대향 전극도 섹션으로 분할된다. 이 경우에, 양 전극은 각각의 섹션에서 상이한 전위를 갖고 또한 각각의 섹션에서 동일한 전위를 갖도록 둘 다로 설정된다. 제 1 전극의 섹션 분포는 대향 전극의 섹션 분포와 다를 수 있으므로써, 광로 프로파일의 2개의 독립적인 세트를 생성하기 위해 장치를 재설정(조정)할 수 있게 되어, 다른 방식으로 토폴로지 전하 및 입사한 광빔의 초점을 변경한다.
대향 전극이 섹션으로 분할되지 않은 광학 소자, 또는 대향 전극이 섹션으로 분할된 광학 소자, 또는 하나는 섹션으로 분할된 대향 전극을 갖고, 다른 하나는 섹션으로 분할되지 않은 대향 전극을 갖는 일련의 광학 소자는 직렬로 배열될 수 있다.
가능한 실시형태에 따르면, 광학 소자는 가변의 나선형 회절 렌즈로서 작용한다. 적용된 패턴에 따라, 소정의 초점 거리 및 토폴로지 전하를 갖는 광로가 생성된다. 따라서, 제 1 적절한 전계 패턴의 적용시, 광학 소자의 광로 프로파일은 제 1 초점 거리와 제 1 토폴로지 전하를 갖는 나선형 회절 렌즈의 것과 상응하는 반면, 제 2 적절한 전계 패턴의 적용시, 광학 소자의 광로 프로파일은 제 2 초점 거리 및 제 2 토폴로지 전하를 갖는 나선형 회절 렌즈의 프로파일에 상응한다.
다른 가능한 실시형태에 따르면, 한 쌍의 광학 소자가 함께 작용하여 가변 회절 렌즈를 에뮬레이팅한다.
다른 가능한 실시형태에 따르면, 한 쌍의 광학 소자가 함께 작용하여 가변 액시콘을 에뮬레이팅한다.
다른 가능한 실시형태에 따르면, 한 쌍의 광학 소자가 함께 작용하여 가변 나선형 회절 렌즈를 에뮬레이팅한다.
또 다른 가능한 실시형태에 따르면, 한 쌍의 광학 소자가 함께 작동하여 렌즈, 액시콘 또는 나선형 위상판과 같은 시스템 중 적어도 2개의 조합을 에뮬레이팅한다.
따라서, 상응하는 전계의 인가시, 직렬로 배치된 인접한 광학 소자 중 적어도 하나의 광로 프로파일은 나선형 회절 렌즈의 광로 프로파일에 상응할 수 있는 반면, 직렬로 배치된 나머지 인접한 광학 장치 중 적어도 하나의 광로 프로파일은 나선형 위상판의 광로 프로파일에 사응할 수 있다.
특정 실시형태에 따르면, 직렬로 배치된 2개의 인접한 광학 소자의 제 1 전극은 섹션으로 분할되고, 광학 소자의 제 1 전극의 섹션의 분포는 인접한 광학 소자의 제 1 전극의 섹션 분포의 미러 이미지이다.
따라서, 상응하는 전계의 인가시, 직렬로 배치된 2개의 인접한 광학 소자의 정류 프로파일은 반대의 토폴로지를 갖는 2개의 나선형 회절 렌즈의 정류 프로파일에 상응하고, 또한 소자의 조합은 회절 렌즈를 에뮬레이팅한다.
또 다른 특정 실시형태에 따르면, 상응하는 전계의 인가시, 직렬로 배치된 2개의 인접한 광학 소자의 정류 프로파일은 2개의 나선형 회절 렌즈의 정류 프로파일과 상응한다. 바람직하게는, 양 나선형 회절 렌즈는 양 렌즈의 초점 거리가 일치하도록 양 렌즈 사이에 일정한 간격을 두고 직렬로 배치됨으로써, 조정 가능한 망원경 또는 빔 익스팬더로서 기능할 수 있게 되고, 렌즈의 토폴로지 전하와 초점을 변경할 수 있고, 적절한 전계 패턴을 광학 소자의 전극의 섹션에 적용할 수 있다.
다른 특정 실시형태에 따르면, 소자의 조합으로 광의 토폴로지 전하에 영향을 미치지 않는 장치가 얻어지도록, 제 3 소자가 이전 실시형태에 추가된다.
가능한 실시형태에 따르면, 적어도 하나의 광학 소자의 전극 중 적어도 하나는 인접한 액정의 정류 상태에 따라 가변적인 전자기 공명 주파수를 갖는 구조를 포함한다.
하나의 가능한 실시형태에 따르면, 전극은 테라헤르츠 및 밀리미터파 및 마이크로미터파 범위의 주파수에 대한 전자기 공명 주파수를 갖는 폴의 형태를 취한다. 다이폴에 분극 전계의 인가시, 이들 주파수에 대해 위상 프로파일이 생성될 수 있을 뿐만 아니라, 광빔에 대한 실시형태를 위해 생성된 위상 프로파일이 생성될 수 있다.
본 발명은 결과적으로 설정 가능한 광학 장치를 제조하는 방법을 고려한다.
상기 제조 방법은:
-직렬로 배치된 광학 소자 또는 다양한 광학 소자를 배열하는 단계로서, 각각의 광학 소자는 광빔을 위한 입사 표면 및 출사 표면으로 이루어진 활성 영역을 포함하며, 각각의 광학 소자는 적어도 하나의 제 1 투명 전극과 적어도 하나의 제 2 투명 전극을 포함하고, 각각의 광학 소자는 전극에 대한 전기적 접속을 갖고, 상기 전기적 접속은 활성 영역 외부의 각 광학 소자의 둘레 영역에 위치되고, 장치의 각각의 광학 소자는 입사 광빔의 토폴로지 전하를 변경하는 단계.
-각각의 광학 소자의 전극 사이에 전위차를 적용하여, 광학 소자의 굴절률을 변경하는 전계를 생성함으로써, 장치의 각각의 광학 소자에 있어서 선택적 정류 프로파일을 생성하고, 각각의 광학 소자의 광로 프로파일을 변경해서, 입사 광빔의 토폴로지 전하를 변경하는 단계를 포함한다.
바람직하게는, 상기 방법은 광학 소자가 액정 렌즈이고, 각각의 렌즈는 적어도 하나의 제 1 전극과 적어도 하나의 제 2 전극 사이에 위치된 액정 셀로 구성되는 것을 고려한다.
또한, 바람직하게는, 상기 방법은 렌즈의 액정은 중합성이며, 또한 반응성 메조겐(RM)이라고도 알려져 있다. 그 다음, 상기 방법은 중합성 액정을 경화(UV 방사선 또는 다른 경화 방법에 의해)하고, 고정된 또는 부분적으로 조정 가능한 위상을 갖는 변화 프로파일을 갖는 회절 장치를 얻을 가능성을 포함한다.
가능한 실시형태에 따르면, 상기 방법은 직렬로 배치된 2개의 인접한 광학 소자의 전극 사이에 전계를 인가하여, 2개의 나선형 회절 렌즈의 정류 프로파일에 상응하는 2개의 인접한 광학 소자의 정류 프로파일을 생성하는 단계를 포함한다. 마찬가지로, 가능한 실시형태에 따르면, 상기 방법은 양 렌즈의 초점 거리가 일치하도록, 양 렌즈의 사이에 소정 간격을 두고 양 나선형 회절 렌즈가 직렬로 배치되어 있음으로써, 조정 가능한 망원경 또는 빔 익스팬더로서 작용할 수 있게 되고, 렌즈의 토폴로지 전하를 변경한다.
상기 장치의 적어도 하나의 바람직한 실시형태에 대한 설명의 일부로서, 다음의 도면이 포함되며, 이는 제한이 아닌 예시로서 다음을 나타낸다.
도 1은 전형적인 액정(LC) 셀의 개략도를 도시한다.
도 2는 제 1 전극이 섹션으로 분할되고, LC가 양의 유전율 이방성을 갖는 액정 셀의 개략도를 도시한다.
도 3은 제 1 전극이 섹션으로 분할되고, LC가 음의 유전율 이방성을 갖는 액정 셀의 개략도를 도시한다.
도 4는 청색 상 LC의 개략도를 도시한다.
도 5는 상이한 네마틱 LC 정류의 정도(도 2 및 3)가 종이의 동일한 평면에서 선형으로 편광된 입사 광선에 미치는 영향을 개략적으로 도시한다.
도 6은 도 4에 도시된 것과 마찬가지로 청색 상 LC 장치에 있어서, 도 5에 나타낸 것과 동일한 상황을 도시한다.
도 7은 위상에 미치는 영향이 두꺼운 렌즈(A)와 동일한 위상 회절 렌즈(프레넬 렌즈)(C)의 예를 도시한다.
도 8A는 토폴로지 전하 1의 나선형 위상판(SPP, spiral phase plate)의 예를 개략적으로 도시한다.
도 8B는 토폴로지 전하 2의 나선형 위상판(SPP)의 예를 개략적으로 도시한다.
도 9A는 토폴로지 전하 1의 쌍곡선 방사상의 변화가 도입된 나선형 회절 렌즈(SDL)를 도시한다.
도 9B는 토폴로지 전하 2의 쌍곡선 방사상의 변화가 도입된 나선형 회절 렌즈(SDL)를 도시한다.
도 10A는 도 9A의 나선형 회절 렌즈(SDL)와 직렬로 광학 소용돌이를 발생하는 나선형 위상판(SPP)으로 이루어진 실시형태를 도시한다.
도 10B는 도 9B의 나선형 회절 렌즈(SDL)와 직렬로 광학 소용돌이를 발생하는 나선형 위상판(SPP)으로 이루어진 실시형태를 도시한다.
도 11A는 도 10A에 도시된 배열의 정면도를 도시한다.
도 11B는 도 10B에 도시된 배열의 정면도를 도시한다.
도 12A는 도 11A에 도시된 배열을 2π 섹션으로 "슬라이싱"한 결과를 도시한다.
도 12B는 도 11B에 도시된 배열을 2π 섹션으로 "슬라이싱"한 결과를 도시한다.
도 13A는 토폴로지 전하가 1인 소용돌이를 발생하는데 사용되는 단순화된 8-전극 구조를 도시한다.
도 13B는 토폴로지 전하가 2인 소용돌이를 발생하는데 사용되는 단순화된 8-전극 구조를 도시한다.
도 14A는 토폴로지 전하가 1인 나선형 회절 렌즈(SDL)를 생성하기 위한 단순화된 8-전극 구조를 가진 회절 렌즈를 도시한다.
도 14B는 토폴로지 전하가 2인 나선형 회절 렌즈(SDL)를 생성하기 위한 단순화된 8-전극 구조를 가진 회절 렌즈를 도시한다.
도 15A는 토폴로지 전하가 1 및 -1인 직렬의 2개의 나선형 회절 렌즈를 도시한다.
도 15B는 토폴로지 전하가 2 및 -2인 직렬의 2개의 나선형 회절 렌즈를 도시한다.
도 16A는 도 15A의 나선형 회절 렌즈를 연결한 결과를 도시한다.
도 16B는 도 15B의 나선형 회절 렌즈를 연결한 결과를 나타낸다.
도 17A는 토폴로지 전하가 1 및 -1인 2개의 상이한 나선형 회절 렌즈의 직렬연결을 도시한다.
도 17B는 토폴로지 전하가 2 및 -2인 상이한 나선형 회절 렌즈의 직렬 연결을 도시한다.
도 18A는 도 17A의 나선형 회절 렌즈를 연결한 결과를 나타낸다.
도 18B는 도 17B의 나선형 회절 렌즈를 연결한 결과를 나타낸다.
도 19A는 도 14A에 도시된 것과 같은 나선형 회절 렌즈 구조를 도시하지만, 더욱 비틀린 나선형 패턴을 갖는다.
도 19B는 도 14B에 도시된 것과 같은 나선형 회절 렌즈 구조를 도시하지만, 더욱 비틀린 나선형 패턴을 갖는다.
본 발명은 이미 상술한 바와 같이 설정 가능한 광학 장치에 관한 것이다.
상기 장치는 광학 소자 또는 한 쌍의 광학 소자(1)를 기반으로 하며, 바람직하게는 다중 전극(4, 5)을 갖는 LC 셀이다.
각각의 LC 셀은 투명하고 또한 배향막 또는 배향제(1.d.1 및 1.d.2)로 처리된 전극(4, 5)을 갖는 2개의 투명 기판(1.b.1 및 1.b.2) 사이에 샌드위칭된 LC(1.a)를 갖는 전형적인 LC 셀(도 1 참조)처럼 구성된다.
대향 전극(5) 또는 상부 전극(도면 참조)과 제 1 전극(4) 또는 하부 전극(도면 참조) 사이에 전계가 인가되면, LC가 재료의 점도, 표면층(1.d.1 및 1.d.2)의 고정력, LC(1.a)의 두께 및 전계의 강도에 따라서 소정 지점까지 정렬된다.
임의의 정류 프로파일을 생성하기 위해서, 적어도 하나의 전극이 섹션(41)으로 분리되고, 적절한 전계가 전극의 각각의 섹션(41)과 대향 전극(5) 사이에 인가된다.
도 2, 3 및 4는 양의 네마틱 LC(도 2의 2.a), 음의 네마틱 LC(도 3의 3.a) 및 청색 상 LC(도 4의 4.a)에 있어서 3개의 상이한 정류 전압(V1<V2<V3)에 상응하는 3개의 상이한 정류 상태를 도시한다. 각각의 도면에 있어서, b 및 d로 표시된 층과 전극층(4, 5)은 도 1의 광학 소자(1)의 층과 유사하다. LC의 상태는 타원으로 표시되고(타원도는 이방성의 정도를 나타냄), 배향은 광축의 거시적 배향을 나타낸다.
네마틱 셀의 배향막(d)(도 2 및 3)은 양의 유전율 이방성(도 2)을 가진 액정의 경우에는 수평 배향을 생성하고, 음의 유전율 이방성(도 3)을 가진 액정의 경우에는 수직 배향을 생성하도록 조정된다. 따라서, LC의 정류는 기판에 수직인 평면에서 발생한다(종이의 평면에서 도 2 및 3). 청색 상 LC의 경우, 배향막(도 4의 d)이 필수적이지 않다.
도 5는 네마틱 LC(도 2 및 3)의 상이한 정류 정도가 종이의 동일한 평면에서 선형으로 편광되는 입사 광빔에 미치는 영향을 도시한다. 광이 등방성 매체(5.I)로부터 입사하여 이방성 매체(5.II)를 통과하고 새로운 등방성 매체(5.III)로 출사한다. 전극의 섹션(41)의 치수가 충분히 작으면, 입사 방향에서 약간 벗어난 방향에서 광이 재결합한다. 실선의 수평선 또는 거의 수평선은 평평한 입사파라는 가정 하에서 빔의 진행을 나타낸다.
도 6은 도 4에 기재된 바와 같이 청색 상 LC(6.II)를 갖는 장치에 있어서의 도 5와 동일한 상황을 도시한다. 이 경우, 입사 빔은 편광될 필요가 없다.
본 발명의 장치는 직렬로 조립된 광학 소자(1) 또는 다양한 광학 소자(1) 또는 LC 셀로 구성된다. 이들 각각은 입사 파면에 대해 상대적 위상차의 공간 분포를 도입한다. 유도된 위상차의 범위는 0∼360° 또는 0∼2π라디안 범위와 등가인 0∼전체 파장(λ)의 범위이다. 논의되는 본 발명의 실시형태에 따르면, LC 셀은 소정 거리로 연결 또는 분리될 수 있다. 제 2 경우에, 셀은 망원경 또는 빔 익스팬더와 같은 복합 광학 소자를 에뮬레이팅할 수 있다.
각각의 셀은 나선형 회절 렌즈(SDL) 또는 나선형 위상판(SPP)와 유사하게 기능한다. 플레이트 형태의 이들 렌즈에 있어서, 2π 라디안의 배수의 지연 사이의 위상 등가가 사용되어, 2π의 지연에 등가인 간격으로 장치의 광학 두께를 감소시킬 수 있다. 위상차는 도 2, 3 및 4에 도시된 예에서와 같이, 물리적 두께(잘 알려진 프레넬 렌즈의 현미경 버전) 또는 유효 굴절률을 수정함으로써 달성될 수 있다.
도 7은 위상에 미치는 영향이 두꺼운 렌즈(A)와 동일한 위상 회절 렌즈(C)의 예를 도시한다. 렌즈는 두께가 λ/(n1-n2)인 섹션(B)으로 절단되고, 여기서 n1은 재료의 인덱스(일반적으로 유리, n1
Figure pct00001
1.5)이고, n2는 주변 매체(일반적으로 공기, n2
Figure pct00002
1.0)의 인덱스이다.
회절 렌즈는 0∼λ의 공간적 OPL 변화를 갖지만, 제 1 근사치에서 OPL 변화가 훨씬 더 큰 두꺼운 렌즈와 동일한 작동을 한다.
회절 렌즈의 상이한 지점을 통해 전파되는 파면의 상이한 영역 사이의 상대적 위상 지연 δ는 (2π/λ)·(n1-n2)·d이며, 여기서 d는 두께이다. 각각의 섹션은 0과 λ/(n1-n2) 사이의 두께 d에 대해 0과 2π 사이의 상대적 지연 δ를 생성한다.
도 7에 도시된 경우에 있어서, 지연 또는 OPL에서의 차이는 상이한 매체(일반적으로 공기와 유리 또는 플라스틱 렌즈)에서 상이한 비율로 전파되는 파면으로부터 비롯된다.
동일한 공간 OPL 변화는 d는 일정하지만, 상술한 바와 등가의 섹션에서의 굴절률의 공간 분포가 있는 평행한 면을 가진 평면형 장치를 사용하여 달성될 수 있다.
현재 제안된 장치에 가장 쉽게 적응시킬 수 있는 전기 광학 재료는 전계에 의해 정류된 LC이지만, LC의 상태는 자계 또는 열을 통해 수정되어, 동일한 효과를 달성할 수 있다.
또한, 전기광학적이고, 또한 전계를 인가하여 굴절률을 변경 또는 재배향될 수 있는, 리튬 니오베이트(LiNbO3)와 같은 대체 재료, 또는 포켈스 효과 또는 커 효과를 나타내는 액체가 있다.
본 발명은 일반적으로 LC로 제작된 재설정 가능한 광학 소자(1), 또는 일반적으로 LC로 제작된, 직렬로 서로 부착되거나 또는 소정 거리에 위치된 다양한 재설정 가능한 광학 소자(1)에 의해 형성된 광학 장치(1)에 관한 것이다. 상기 소자는 외부 제어에 의해 수정될 수 있는 소정의 가변 광학 특성을 가지고 있다. LC 소자는 토폴로지 전하와 초점 거리가 재설정될 수 있는 나선형 회절 렌즈(SDL)이다. 소자의 초점 거리는 유한 또는 무한으로 설계될 수 있다. 초점 거리가 무한일 경우, SDL은 도 8에 도시한 것과 같이 나선형 위상판(SPP)으로 변환한다. 이들 플레이트의 전극(41)의 섹션은 비나선형 원형 섹터의 형상(도 13A 및 도 13B)을 갖고; SPP 플레이트의 이름은 위상 지연에 의해 채택된 나선형 프로파일을 나타낸다.
유한 초점 거리를 갖는 나선형 회절 렌즈 SDL은 전극(41)의 섹션이 나선형 섹터의 형상을 갖는 LC 셀로 제조된다. 각각의 섹션(41)은 중심에 매우 가까운 원점을 가지며, 외부 둘레 영역에 접근함에 따라 넓어지고 회전한다. 전극(41)의 모든 섹션은 둘레 영역에 도달하므로, 독립적인 접점을 사용하여 직접 여기를 통해 외부 제어 전자기기에 접속될 수 있다.
나선형 형상의 전극의 섹션(41)(도 14A 및 14B 참조)은 직렬의 2개의 LC 소자의 작용의 결과로서 생성되는 파면의 왜곡을 결정한다. 직렬의 2개의 LC 소자를 갖는 장치는 전극(41)의 섹션의 수에 의존적인 충실도로 종래의 위상을 갖는 회절 렌즈(도 7C)를 에뮬레이팅할 수 있다. 이상적인 위상을 가진 회절 렌즈를 정확하게 에뮬레이팅하기 위해서는 무한한 수의 소자가 필요로 되고: 전극의 섹션(41)의 수가 많을수록 더 큰 근사치가 달성된다.
본 발명의 다른 실시형태가 이하에 기재된다.
바람직한 실시형태 중 제 1 실시형태는 직렬의 2개의 소자로 이루어진다.
이 실시형태에 있어서, LC 셀 중 하나는 도 8A 및 8B에 도시된 바와 같이, 재설정 가능한 방위각 가변 위상 프로파일을 갖는 나선형 위상판(SSP)이다. 가장 어두운 음영은 0 라디안의 위상차에 해당하는 한편, 밝은 영역은 2π 라디안의 차이를 나타낸다. 도면에 도시된 패턴은 토폴로지 전하가 1(도 8A) 및 2(도 8B)인 광학 소용돌이를 발생하는 지연 플레이트에 해당한다. 도 8A 및 8B에 도시된 패턴은 동일한 소자의 두 가지 구성이다.
이 실시형태의 다른 재설정 가능한 LC 소자는 0과 2π 라디안 사이의 위상 지연 프로파일을 생성할 목적으로 상이한 전압에서 여기되는 전극의 다수의 섹션(41)에 의해 형성된 나선형 성분을 갖는다.
도 9A는 소자가 토폴로지 전하가 1인 쌍곡선 방사상 변화를 도입하는 나선형 회절 렌즈(SDL) 구성인 것을 도시한다. 또한, 도 9B의 동일한 소자의 구성에 있어서, 방사상 위상 변화는 쌍곡선이지만, 토폴로지 전하는 2이고 초점 거리는 도 9A의 절반이다. 일반적으로, 토폴로지 전하는 나선의 수에 의해 결정되는 반면, 초점 거리가 작을수록 각 나선의 회전이 커진다. 이전 항목에서와 같이, 그레이스케일 범위는 0(흑색)~2π 라디안(백색)의 범위의 지연을 나타낸다. 도 9A 및 9B에 도시된 패턴은 동일한 소자의 두 가지 구성이다.
도 10은 나선형 회절 렌즈(SDL)와 직렬로 광학 소용돌이를 발생하는 나선형 위상판(SPP)으로 이루어진 실시형태를 도시한다. 일반적으로 광로와 일치하는 중심 축이 표시된다. 언급된 두 구성은 도 10A 및 10B에 나타낸다.
도 9A의 나선형 회절 렌즈와 도 8A의 나선형 위상판을 직렬로 배치하면, 도 11A에 도시된 위상판과 등가의 위상 지연이 발생한다. 마찬가지로, 도 9B의 나선형 회절 렌즈와 도 8B의 나선형 위상판은 도 11B의 위상판과 등가의 지연을 생성한다. 도 11A 및 도 11B의 위상 지연은 0(흑색)~4π 라디안(백색)의 범위이다.
도 11의 분포는 도 7A의 렌즈와 유사한 방식으로 2π 라디안의 배수 지연 사이의 위상 등가를 이용하여 2π 섹션으로 슬라이싱될 수 있다. 결과적으로, 도 12의 위상 분포가 얻어진다. 도 12A와 도 12B의 위상 지연은 0(흑색)~2π 라디안(백색)의 범위이다.
도 12의 2개의 위상차 맵은 도 9의 나선형 회절 렌즈(SDL)의 정의에 기초한 쌍곡선 위상 변화를 가진 위상을 갖는 회절 렌즈에 해당한다. 따라서, 상기 맵, 및 결과적으로 2개의 구성은 상이한 초점을 가진 위상을 갖는 2개의 회절 렌즈에 해당한다.
도 8에 도시된 광학 소용돌이를 발생하는 나선형 위상판을 에뮬레이팅하기 위해서, 양 구조에 공통적인 각을 이룬 섹션(41)의 전극의 기하학적 구조를 사용할 수 있다. 도 13은 토폴로지 전하가 1(도 13A) 및 2(도 13B)를 생성하는데 사용되는 전극(4)의 8개의 섹션의 단순화된 구조를 도시한다. 도 13의 그레이스케일은 전극에 인가된 싱이한 전계 강도를 나타낸다. 인가된 전계가 클수록 그레이의 수준이 더 밝아진다.
마찬가지로, 도 9의 나선형 회절 렌즈 구조는, 도 14에 도시된 바와 같이, 전극의 섹션(41)의 공통의 기하학적 구조와 근사하게 될 수 있다. 이전 경우에서와 같이, 8개의 전극의 섹션(41)을 갖는 단순화된 구조는 1(도 14A) 및 2(도 14B)의 토폴로지 전하를 생성하는데 사용된다. 도 14의 그레이스케일은 LC 셀에서 등거리 위상차를 생성할 목적으로 전극의 섹션(41)에 인가된 상이한 전계 강도를 나타낸다. 인가된 전계가 클수록 그레이의 수준이 밝아진다.
도 14에서의 활성 영역은 나선형 영역으로 감소된다. 외부 부분은 양 토폴로지에서 다이렉팅된 8개의 전극의 섹션(41)을 관찰하기 위한 시각적 가이드일 뿐이며, 잠재적으로 전극의 섹션(41)의 접속 영역일 수 있다.
도 13의 전극의 섹션(41) 패턴을 갖는 하나와 도 14의 패턴을 갖는 다른 하나의 2개의 LC 셀을 직렬로 결합함으로써, 도 12에 도시된 것과 같은 회절 렌즈로서 기능하는 장치가 얻어진다. 초점 거리는 2개 이상의 값 사이에서 변경될 수 있으며, 전극(4)의 각각의 섹션에 인가되는 전압을 수정할 수 있다.
달성될 수 있는 상이한 초점 거리의 수는 양 패턴을 포함하는 전극(4)의 섹션 수에 의해 결정된다. 마찬가지로, 전극(4)의 섹션의 수는 전극의 이산 패턴이 이상적인 유사한 위상 변화를 재현하는 충실도를 더 높거나 또는 낮게 설정한다. 도면의 예에서는, 단순화를 위해 8개의 전극만이 사용되었다. 본 발명의 실제 장치는 일반적으로 수십 또는 수백 개의 전극의 섹션(41)을 포함한다.
바람직한 제 2 실시형태는 재설정 가능한 나선형 회절 렌즈를 형성하는 전극의 섹션(41)을 갖는 2개의 LC 셀에 의해 형성된다. 그 근본적인 특징은 셀이 반대의 토폴로지 전하: 즉 하나는 시계 방향으로 위상차를 증가하는 반면, 다른 하나는 반시계 방향으로 증가하는 반대의 토폴로지 전하를 갖는다는 것이다. 2개의 렌즈는 동일한 토폴로지 전하 및 초점 거리를 갖게 설계된다. 토폴로지 전하는 상쇄되기 때문에, 얻어지는 위상차에 각운동량이 부족하다. 이러한 방식으로, 재설정 가능하다는 장점 및 둘레 영역(3) 또는 외부 부분에서의 전극의 섹션(41)의 접속을 갖고, 활성 영역(2) 또는 내부 부분을 입사 표면 및 출사 표면이 없고 또한 접속 및 전자부품이 없는 상태로 한, 종래의 회절 렌즈와 같이 거동하는 회절 렌즈가 얻어진다.
도 15는 직렬의 2개의 나선형 회절 렌즈를 도시한다. 도 15A의 렌즈는 토폴로지 전하 1과 -1을 갖도록 구성되는 반면, 도 15B의 렌즈는 토폴로지 전하 2와 -2를 갖도록 구성된다.
도 15A의 나선형 회절 렌즈를 직렬로 연결하고, 2π 라디안의 배수의 지연 사이의 위상 등가를 이용하여 출사 위상차 맵을 2π 섹션으로 분할함으로써, 도 12에 도시된 것과 유사한 위상차 분포(도 16A)를 생성한다. 마찬가지로, 도 15B의 나선형 렌즈는 도 16B에 도시된 분포를 생성한다.
바람직한 제 1 실시형태와 유사한 방식으로, 도 16의 두 구성이 도 14에 도시된 바와 같이 상이한 전계를 인가함으로써 동일한 패턴의 전극의 섹션(41)으로 달성될 수 있다.
바람직한 제 2 실시형태의 2개의 LC셀은 동일할 수 있고, 단 직렬 어셈블리에 있어서 셀 중 하나가 회전하여 나선형의 회전 방향이 반전되도록 2개의 동일한 면이 서로 마주하게 함으로써, 각각의 셀에 있어서 토폴로지 전하의 부호가 각 셀에 있어서 반대가 되게 한다.
바람직한 제 3 실시형태에 있서, 2개의 재설정 가능한 LC 셀이 반대 토폴로지 전하로 구성되어 직렬로 사용되고, 즉 이들은 각각 시계 방향 및 반시계 방향으로 위상이 증가한다. 셀은 나선형 회절 렌즈로 구성된 전극의 섹션(41)을 갖는다. 바람직한 제 2 실시형태와 달리, 나선의 수, 결과적으로 토폴로지 전하가 동일하더라도, 나선은 동일한 초점 거리를 생성하도록 반드시 조정될 필요는 없다. 따라서, 출사 빔은 유도된 각운동량 없이 위상차 프로파일을 갖게 된다.
상기 2개의 바람직한 실시형태는 이것의 특별한 경우이다. 한 실시형태는 LC 셀 중 하나가 무한 초점 거리를 갖는 나선형 회절 렌즈, 즉 나선형 위상판인 극단적 경우일 것이다. 다른 한 실시형태는 양 렌즈의 초점 거리가 동일한 경우이다.
도 17은 토폴로지 전하가 2개씩 동일하지만, 부호가 반대인 상이한 나선형 렌즈를 나타낸다. 각각의 셀은 가변 초점 거리를 갖는다. 도 17A는 각각 토폴로지 전하 1과 -1로 구성된 2개의 셀을 도시한다. 렌즈를 직렬로 배치함으로써, 위상차 분포가 생성되며, 도 12에 도시된 것과 같이 2π 섹션으로 슬라이싱하면, 도 18A에 도시된 것과 같은 나선형 회절 렌즈가 생성된다.
도 17B는 각각 토폴로지 전하 2와 -2로 구성된 2개의 셀을 도시한다. 판을 직렬로 배치하면, 위상차 분포가 생성되며, 도 12에 도시된 것과 같이 2π 섹션으로 슬라이싱하면, 도 18B에 도시된 것과 같은 회절 위상을 가진 렌즈가 생성된다.
이 바람직한 제 3 실시형태에 있어서, 2개의 LC 셀의 활성 전극의 섹션(41)의 패턴은 일반적으로 상이하다. 예를 들면, 셀 중 하나는 도 14에 도시된 것과 같은 패턴을 가질 수 있는 한편, 다른 하나는 도 19에 도시된 것과 같이 상이한 더욱 비틀린 패턴을 가질 수 있다. 도 19의 소자에 의해 생성된 임의의 0이 아닌 토폴로지 전하의 나선형 렌즈는 도 14의 동등한 렌즈보다 초점 거리가 짧다.
바람직한 제 4 실시형태에 있어서, 장치를 형성하는 LC 셀은 반드시 상보적인 토폴로지를 가질 필요는 없다. 결과적으로, 등가 나선형 회절 렌즈는 2개의 셀의 합계의 토폴로지 전하를 갖는 판일 수 있다. 이 실시형태는 토폴로지 전하가 기능적 특성과 무관한 시스템에 적용될 수 있다. 또한, 토폴로지 전하를 갖는 광빔의 특징인 중앙 단일 지점을 유지하는 것이 중요한 시스템에서 유용하고; 이러한 경우에 명백히 토폴로지 전하의 소거는 적합하지 않다.
상기 3개의 바람직한 실시형태는 이것의 특별한 경우이다.
바람직한 제 5 실시형태에 있어서, 종래의 연속 전극(5) 또는 본 발명에서 언급된 종래의 전극의 패턴이 액정의 여기 및 그에 따른 위상차의 발생으로 대체된다. 전극은 상호 접속된 공진 폴의 매트릭스로 대체된다. 이들 공진 폴은 일반적으로 WO 2012080532 A1에 기재된 바와 같이 마이크로파 영역(GHz 또는 THz)의 주파수에서 공명한다. 장치의 구조는 도 1에 도시된 것과 같이 유지되며, 장치는 상기 나타낸 것과 동일한 유형의 위상 변위 패턴을 생성한다.
근본적인 차이점은 전자기파와 장치 간의 상호 작용에 있다. 위상 변위는 이전 실시형태에서와 같이 가변 지수를 갖는 재료를 통과할 때 전자기파의 지연의 결과가 아니라, 가변 공진 주파수를 갖는 다이폴(또는 전극의 섹션)과 전자기파 사이의 상호작용의 결과이다. 다이폴 또는 다이폴 세트의 공진 주파수를 변경함으로써, 전자기파에 도입되는 위상 변위가 변경된다. 다이폴의 공진 주파수, 결과적으로 다이폴에 의해 도입된 위상 지연은 인접 LC의 정류 상태에 의해 결정된다. 인용된 특허문헌에서와 같이, LC의 정류 상태는 공진 다이폴를 저주파 AC 전기 신호 및 소망하는 전압에 접속함으로써 제어된다.
이전 실시형태와 대응하여, 전극(4)의 섹션(41)에 상응하는 모든 다이폴은 오직 LC의 단일 정류 상태에 의해 특징지어진다. 다이폴은 상기 나타낸 전극(4)과 동일한 영역에서 상호 접속되고 분포된다.
상술한 모든 구현에 있어서, 2개의 광학 소자(1) 또는 렌즈를 0이 아닌 거리에 배치할 가능성이 있다.
바람직한 제 6 실시형태에 따르면, 양 렌즈의 초점 거리가 일치하도록 2개의 나선형 회절 렌즈(SDL)가 주어진 거리에 배치된다. 양 소자의 토폴로지 전하와 그에 따른 초점 거리를 변경함으로써, 양 장치 사이의 초점 거리의 일치점의 위치가 변경될 수 있다. 따라서, 조정 가능한 망원경 또는 빔 익스팬더, 또는 더욱 복잡한 광학 장치가 생성될 수 있다. 소망에 따라, 제 3 광학 소자(1), 예를 들면 나선형 위상판을 포함함으로써, 임의의 잔여 토폴로지 전하를 제거할 수 있다.
바람직한 제 7 실시형태는 전체 중 가장 간단한 구현이지만, 출사빔의 토폴로지 전하가 무관한 환경에만 적용될 수 있다. 이것은 US 005408281 A에 있는 것과 같은 안구내 렌즈의 경우일 수 있다. 이 실시형태는 상술한 특정 전극 설계를 가진 단일 소자로 이루어지며, 초점 조정 장치로서의 최종적인 적용, 특히 재설정 가능한 초점을 갖는 렌즈의 생성은 혁신적인 기여를 나타낸다.
LC 장치는 일반적으로 셀의 제 1 전극(4)(또는 제 1 판)에 전극의 섹션(41)의 패턴, 및 셀의 반대측 부분에 대향 전극(5) 또는 연속 전극을 가지며; 이 대향 전극(5)(또는 제 2 전극)은 접지면으로 알려져 있으며, 도 2, 3 및 4에 연속적으로 표시된다.
바람직한 제 8 실시형태는 제 5 실시형태를 제외한 이전 실시형태의 소자의 변형이다. 차이점은 하나 이상의 소자의 대향 전극(5)이 동일한 광학 소자(1)의 제 1 전극(4)과 같이 섹션(41)으로 분할된다는 사실에 있다(도 2, 3 및 4). 그러나, 대향 전극(5)의 섹션의 패턴은 제 1 전극(4)의 섹션(41) 패턴과 다르다.
이러한 방식으로, 전극(4 또는 5) 중 하나는 도 14와 같은 나선형 렌즈에 상응하는 패턴을 가질 수 있는 반면, 동일한 셀의 다른 인접한 전극(5 또는 4)은 도 19의 나선형 렌즈에 사응하는 패턴을 가질 수 있다.
동일한 셀에 2개의 전극(4 및 5)의 패턴이 있을 경우에는, 어떤 재구성 가능한 나선형 렌즈 구조가 활성화될지를 다이렉팅에 의해 선택할 수 있어서, 셀의 대향 전극(전극(5 또는 4))의 나선형은 모든 섹션이 동일한 전압에서 서로 상호접속된 상태로 둘 수 있다.
바람직한 제 9 실시형태에 있어서, 하나 이상의 소자는 중합성 액정으로 충전된다. 이것에 의해, 장치는 전계로 조정되고, 또한 전계가 인가되는 동안 경화(일반적으로 UV 광에 의해)되게 됨으로써, 액정이 중합되는 즉시 고정된 렌즈 프로파일을 얻을 수 있다. 일단 LC가 중합되면, 렌즈는 극히 미세한 렌즈로서 셀로부터 제거 될 수 있어서, 이 실시형태에서의 전극(4 및 5)은 반드시 투명할 필요는 없다.
이 실시형태는 다른 고정 또는 조정 가능한 광학 소자와 연결되어 사용될 수 있는, 토폴로지 전하가 있거나 없는 고정 렌즈를 제조하는 혁신적인 방법을 나타ㄴ낸.
하나 이상의 LC 소자에 있어서, 전극(4) 또는 양 전극(전극 및 대향 전극)의 섹션(41)의 형상은 렌즈의 공칭 초점 거리와 구면 수차 모두에 관련하여 렌즈의 특징을 결정한다. 쌍곡선, 구형 또는 임의의 다른 2차 프로파일을 가진 렌즈 또는 액시콘을 생성하는 것은 간단하다; 전극의 섹션을 적절하게 설계함으로써 구형 또는 다른 수차를 도입하는 것도 가능한다.
따라서, 제 1 전극(4) 또는 활성 전극을 설계하는 과정은 다음과 같다:
·렌즈는 적절한 경우 수차를 포함한 소망하는 프로파일로 규정된다.
·이 렌즈는 회절 렌즈에 상응하는 섹션 0-2π로 슬라이싱된다.
·소망하는 토폴로지의 광학 소용돌이로 구성된 나선형 위상판이 이 회절 렌즈에서 차감된다.
·얻어진 나선형 회절 렌즈는 0-2π 간격으로 다시 슬라이싱된다.
·아날로그 변형은 사용될 이산 섹션(41)의 수에 따라 이산된다.
·각각의 이산 섹션(41)은 LC 셀의 주변으로부터 중앙까지 확장된다(상기 섹션은 연속적이거나 다이폴 세트일 수 있음).
·각각의 이산 섹션(41)에 대해서는, 접촉 영역이 활성 영역 외부에 규정된다.
·2개의 전극은 적절한 배향막 또는 배향제로 제조 및 처리된다.
·셀에는 설계된 패턴을 가진 적어도 하나 또는 잠재적으로 2개의 전극(4 및 5)이 조립된다.
·셀은 적절한 복굴절을 가진 소망하는 액정으로 충전되고, 밀봉된다.
·전기적 접속은 전극 수에 맞게 이루어진다.
·광학 소용돌이를 발생하는 나선형 회절 렌즈나 나선형 위상판이 반드시 동일할 필요는 없지만, 관련이 있는 경우 유사한 방식으로 제조된 다른 셀과 직렬로 조립된다.
그 결과 함께 연결되어 작동하는 LC 소자 또는 다양한 재설정 가능한 LC 소자가 생성되며, 각각의 소자와 어셈블리는 재설정될 수 있는, 자체 토폴로지 전하와 렌티큘러 프로파일을 갖는 나선형 회절판으로 간주되어야 한다.

Claims (15)

  1. 광빔의 입사 표면(21) 및 출사 표면(22)으로 이루어진 활성 영역(2) 및 둘레 영역(3)을 갖는 설정 가능한 광학 소자(1)를 포함하는 설정 가능한 광학 장치로서,
    상기 광학 전극(1)은 섹션(41)으로 분할된 적어도 하나의 제 1 투명 전극(4) 및 적어도 하나의 투명 대향 전극(5)을 포함하고, 상기 광학 소자(1)는 상기 전극(4, 5) 및/또는 섹션(41)에 대한 전기 접속부를 갖고, 상기 전기 접속부는 광학 소자(1)의 둘레 영역(3)에 위치되어 있고, 상기 장치는 제 1 전극(4)의 각각의 섹션(41)과 대향 전극(5) 사이에 전위차의 적용시, 제 1 전극(4)의 섹션(41)에 상응하는 영역에서 각각 광학 소자(1)의 정류 정도를 선택적으로 변경하는 전계가 발생함으로써, 제 1 전극(4)의 섹션(41)에 인가된 전계의 패턴에 따라, 입사 광빔의 소정의 토폴로지 전하 및 소정의 초점을 설정하는 광로 프로파일을 생성하도록 설정되고, 상기 장치는 제 1 적합한 전계의 패턴의 적용시, 광학 소자(1)의 광로 프로파일은 제 1 초점 거리 및 제 1 토폴로지 전하를 갖는 나선형 회절 렌즈의 광로 프로파일에 상응하고, 또한 제 2 적합한 전계의 패턴의 적용시, 광학 소자(1)의 광로 프로파일은 제 2 초점 거리 및 제 2 토폴로지 전하를 갖는 나선형 회절 렌즈의 광로 프로파일에 상응하도록 설정되고, 또한 상기 대향 전극(5)은 섹션으로 분할되고, 결과적으로 양 전극(4, 5)은 각각의 섹션에서 다른 전위를 갖고 또한 각각의 섹션에서 동일한 전위를 갖도록 둘 다로 설정되고, 또한 상기 제 1 전극(4)의 섹션 분포는 대향 전극(5)의 제 2 분포와 상이함으로써, 상기 장치가 2개의 독립된 광로 프로파일의 세트를 생성하기 위해 재설정되게 할 수 있어서, 토폴로지 전하 및 입사 광빔의 초점을 상이한 방식으로 변경하는 것을 특징으로 하는 설정 가능한 광학 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    제 1 광학 소자(1), 및 상기 제 1 광학 소자(1)와 직렬로 배치된 제 2 광학 소자(1)를 포함하고, 상기 제 1 광학 소자(1)는 섹션으로 분할되지 않은 대향 전극(5)을 갖고, 또한 상기 제 2 광학 소자(2)는 섹션으로 분할된 대향 전극(5)을 갖는 것을 특징으로 하는 설정 가능한 광학 장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    직렬로 배치된 2개의 광학 소자(1)를 포함하는 것을 특징으로 하는 설정 가능한 광학 장치.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    하나 이상의 광학 소자(1)에 있어서의 정류 재료는 액정인 것을 특징으로 하는 설정 가능한 광학 장치.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    하나 이상의 광학 소자(1)에 있어서의 정류 재료는 중합성 액정인 것을 특징으로 하는 설정 가능한 광학 장치.
  6. 제 2 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상응하는 전계의 인가시, 직렬로 배치된 인접한 광학 소자(1)의 광로 프로파일은 나선형 회절 렌즈의 광로 프로파일에 상응하도록 설정되는 것을 특징으로 하는 설정 가능한 광학 장치.
  7. 제 2 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상응하는 전계의 인가시, 직렬로 배치된 인접한 광학 소자(1)의 광로 프로파일은 나선형 위상판의 광로 프로파일에 상응하도록 설정되는 것을 특징으로 하는 설정 가능한 광학 장치.
  8. 제 2 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상응하는 전계의 인가시, 직렬로 배치된 인접한 광학 소자(1) 중 적어도 하나의 광로 프로파일은 나선형 회절 렌즈의 광로 프로파일에 상응하고, 또한 직렬로 배치된 나머지 인접한 광학 소자(1) 중 적어도 하나의 광로 프로파일은 나선형 위상판의 광로 프로파일에 상응하도록 설정되는 것을 특징으로 하는 설정 가능한 광학 장치.
  9. 제 6 항에 있어서,
    2개의 나선형 회절 렌즈는 양 렌즈의 초점 거리가 일치하도록 이들 사이에 소정의 간격을 두고 직렬로 배치됨으로써, 조정 가능한 망원경 또는 빔 익스팬더로서 기능하게 될 수 있고, 렌즈의 토폴로지 전하와 초점을 변경할 수 있고, 적절한 전계 패턴을 광학 소자의 전극의 섹션에 적용할 수 있는 것을 특징으로 하는 설정 가능한 광학 장치.
  10. 제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 전극(4, 5) 중 하나는 인접한 액정의 정류 상태에 따라 가변적인 전자기 공명 주파수를 갖는 구조를 포함하는 것을 특징으로 하는 설정 가능한 광학 장치.
  11. 직렬로 배열된 제 1 항에 기재된 적어도 2개의 광학 소자(1)를 배열하는 단계;
    각각의 광학 소자(1)의 제 1 전극(4)의 섹션(41)과 대향 전극(5) 사이에 전위차의 패턴을 적용하여, 정류 프로파일을 변경하는 전계를 생성하고, 결과적으로 입사 광빔의 토폴로지 전하를 변경하는 광학 소자(1)의 광로 프로파일을 생성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 설정 가능한 광학 장치의 제조방법.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 광학 소자(1)는 전자-광학 재료로서 액정을 사용하는 것을 특징으로 하는 설정 가능한 광학 장치의 제조방법.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 광학 소자(1)는 전자-광학 재료로서 중합성 액정을 사용하고, 또한 상기 방법은 중합성 액정을 경화시켜, 고정된 또는 부분적으로 조정 가능한 위상을 갖는 변화 프로파일을 갖는 회절 장치를 얻는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 설정 가능한 광학 장치의 제조방법.
  14. 제 11 항 내지 제 13 항 중 어느 한 항에 있어서,
    직렬로 배열된 2개의 인접한 광학 소자(1)의 전극(4, 5) 사이에 전계를 인가하여, 2개의 나선형 회절 렌즈의 정류 프로파일에 상응하는 2개의 인접한 광학 소자(1)의 정류 프로파일을 생성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 설정 가능한 광학 장치의 제조방법.
  15. 제 14 항에 있어서,
    양 나선형 회절 렌즈를 양 렌즈의 초점 거리가 일치하도록 이들 사이에 소정 간격을 두고 직렬로 배치하는 단계로서, 이것에 의해 이들을 조정 가능한 망원경 또는 빔 익스팬더로서 기능하게 할 수 있고, 렌즈의 토폴로지 전하를 변경할 수 있는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 설정 가능한 광학 장치의 제조방법.
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