WO2020050532A1

WO2020050532A1 - 광 스캐닝 홀로그래피 시스템

Info

Publication number: WO2020050532A1
Application number: PCT/KR2019/010807
Authority: WO
Inventors: 김태근
Original assignee: 세종대학교 산학협력단
Priority date: 2018-09-03
Filing date: 2019-08-23
Publication date: 2020-03-12
Also published as: US20230350345A1; US11977353B2; US20230341814A1; US12050435B2; US20210341878A1

Abstract

본 발명은 광 스캐닝 홀로그래피 시스템에 관한 것이다. 본 발명은, 선편광 빔을 입사받아 음의 초점거리를 갖는 우현 원편광(right-handed circular polarized beam)의 제1 구면파 및 양의 초점거리를 갖는 좌현 원편광(left-handed circular polarized beam)의 제2 구면파를 생성하는 편광 감응형 렌즈와, 상기 생성된 제1 및 제2 구면파의 성분 중에서 소정 편광 방향의 빔 성분만을 통과시키는 제1 편광기와, 상기 제1 편광기를 통과한 제1 및 제2 구면파 사이에서 발생한 간섭 빔을 이용하여 대상물을 스캔하는 스캔수단, 및 상기 대상물로부터 반사된 빔을 검출하는 제1 광 검출기를 포함하는 인라인 스캐닝 홀로그래피 시스템를 제공한다. 이에 따르면, 편광 감응형 렌즈를 이용하여 단일의 광 경로에서 스캐닝 패턴을 형성함에 따라 높은 안정성 및 낮은 복잡도의 광학계 구조를 사용하여 외부 환경에 강인하고 안정적인 광 스캐닝 홀로그래피를 구현할 수 있다.

Description

광 스캐닝 홀로그래피 시스템

본 발명은 광 스캐닝 홀로그래피 시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 고효율 및 고품질의 광 스캐닝 홀로그래피를 구현할 수 있는 광 스캐닝 홀로그래피 시스템에 관한 것이다.

종래에 따른 광 스캐닝 기반의 물체의 홀로그램 획득 장치는 가간섭 광(coherent light; 간섭 가능한 광)을 제1 빔과 제2 빔으로 공간적으로 분리 후, 각각의 개별적인 광 경로를 따라 진행하는 제1 빔과 제2 빔을 개별 광 경로 상에서 시간과 공간적으로 광변조하고 이들을 다시 재결합하는 간섭계 구조를 이용하여 스캐닝 빔 패턴을 형성하였다.

하지만, 이와 같은 종래의 경우 스캐닝 패턴을 형성하기 위해서는 분리된 두 가지 광 경로에 의한 광 경로차가 가간섭 광의 가 간섭거리(coherence length)보다 짧아야 하므로 높은 가간섭성의 광원이 요구되고, 빛의 파장 단위의 높은 정밀도 및 안정성을 갖는 기구물이 요구된다.

또한, 광을 분리하고 다시 재결합하기 위한 부피가 큰 광학계가 필요함은 물론, 제1 빔과 제2 빔 각각을 시공간적으로 변조하기 위한 복잡한 전자광학 구조가 요구된다. 더욱이, 이처럼 복잡한 구조의 전자광학계는 진동 등과 같은 외부 환경 요인에도 매우 취약하여 안정성이 떨어지는 문제점이 있다.

또한, 기존의 광 스캐닝 방식의 경우 쌍영상 잡음과 배경 잡음 없이 실제 물체의 홀로그램을 획득하기 위해서는 함수 발생기에 의해 생성된 전기 신호에 따라 광의 위상을 변조하는 음향 광 변조기 또는 전자 광 변조기 같은 부가적이고 복잡한 변조 장치가 요구되었다.

하지만, 음향 광 변조기의 경우 부피가 크고 MHz 대역의 고주파 신호 생성 장치를 필요로 하며 높은 에너지의 음파 생성이 요구되므로 전력 손실이 큰 단점이 있다. 그리고, 전자 광 변조기의 경우 부피가 클 뿐만 아니라 고전압 생성을 위한 전압 증폭기를 필요로 하며 장치의 복잡도가 높은 단점이 있다.

이와 같은 문제점들은 기존의 광 스캐닝 홀로그램의 실용화에 있어 가장 큰 걸림돌로 작용하고 있다.

본 발명의 배경이 되는 기 한국공개특허 제2013-0081127호(2013.07.16 공개)에 있다.

본 발명은 고효율 및 고품질의 광 스캐닝 홀로그래피를 구현할 수 있는 광 스캐닝 홀로그래피 시스템을 제공하는데 목적이 있다.

본 발명은, 선편광 빔을 입사받아 음의 초점거리를 갖는 우현 원편광(right-handed circular polarized beam)의 제1 구면파 및 양의 초점거리를 갖는 좌현 원편광(left-handed circular polarized beam)의 제2 구면파를 생성하는 편광 감응형 렌즈와, 상기 생성된 제1 및 제2 구면파의 성분 중에서 소정 편광 방향의 빔 성분만을 통과시키는 제1 편광기와, 상기 제1 편광기를 통과한 제1 및 제2 구면파 사이에서 발생한 간섭 빔을 이용하여 대상물을 스캔하는 스캔수단, 및 상기 대상물로부터 반사된 빔을 검출하는 제1 광 검출기를 포함하는 인라인 스캐닝 홀로그래피 시스템를 제공한다.

또한, 상기 인라인 스캐닝 홀로그래피 시스템은, 상기 편광 감응형 렌즈의 전단에 위치하며, 외부로부터 입사된 선편광 빔을 위상 지연시켜 편광 방향을 변경하여 상기 편광 감응형 렌즈로 제공하는 선편광 방향 변환기를 더 포함할 수 있다.

또한, 상기 편광 감응형 렌즈는 기하 위상 렌즈(geometric phase lens)로 구성될 수 있다.

또한, 상기 인라인 스캐닝 홀로그래피 시스템은, 시간에 따라 위상 지연 값을 가변시키는 위상 변조 신호를 상기 선편광 방향 변환기에 인가하는 신호 생성부를 더 포함할 수 있다.

또한, 상기 위상 변조 신호는 상기 위상 지연 값이 시간에 따라 선형적으로 가변하는 주기적 램프 신호이며, 상기 간섭 빔은, 시간에 따라 헤테로다인 변조된 비선형 프레넬 윤대판 형태로서 아래의 수학식으로 정의될 수 있다.

여기서, λ는 사용된 빔의 파장, f_gp는 상기 편광 감응형 렌즈의 초점거리, (x₀ ²+y₀ ²)는 상기 선편광 빔의 광축에 직교하는 평면을 (x₀,y₀)로 하는 카타르시안 좌표계, z는 상기 제2 구면파의 초점위치로부터 상기 대상물까지의 거리, 시간 t에 따른 주기적 램프 신호는 Ω₀의 기울기를 가지며 0과 π 사이의 값을 가지는 Ω(t)=Ω_0·t의 함수로 표현된다.

또한, 상기 위상 변조 신호는 상기 위상 지연 값이 시간에 따라 {0,π/2,π}의 순서로 불연속 천이되는 위상 천이 신호이며, 상기 간섭 빔은, 시간에 따라 헤테로다인 변조된 비선형 프레넬 윤대판 형태로서 아래의 수학식으로 정의될 수 있다.

여기서, λ는 사용된 빔의 파장, f_gp는 상기 편광 감응형 렌즈의 초점거리, (x₀ ²+y₀ ²)는 상기 선편광 빔의 광축에 직교하는 평면을 (x₀,y₀)로 하는 카타르시안 좌표계, z는 상기 제2 구면파의 초점위치로부터 상기 대상물까지의 거리, P_n은 위상 천이에 사용된 n개의 서로 다른 위상들의 집합 {0,π/2,π}이다.

그리고, 본 발명은, 좌현 원편광의 평면파와 우현 원편광의 구면파를 중첩시켜 간섭 빔을 형성하는 제1 빔스플리터와, 상기 간섭 빔을 이용하여 대상물을 스캔하는 스캔수단과, 상기 대상물로부터 반사된 빔을 입사받아 제1 및 제2 출력 빔으로 분리하는 제2 빔스플리터와, 상기 제1 및 제2 출력 빔을 각각 편광시키는 제1 및 제2 편광기, 및 상기 제1 및 제2 편광기를 통과한 각각의 출력 빔을 검출하는 제1 및 제2 광검출기를 포함하는 기하 위상 스캐닝 홀로그래피 시스템을 제공한다.

또한, 본 발명은, 좌현 원편광의 평면파와 우현 원편광의 구면파를 중첩시켜 간섭 빔을 형성하는 제1 빔스플리터와, 상기 간섭 빔을 이용하여 대상물을 스캔하는 스캔수단과, 상기 대상물로부터 반사된 빔을 입사받아 제1 및 제2 출력 빔으로 분리하는 제2 빔스플리터와, 상기 제1 출력 빔을 제1a 및 제1b 출력 빔으로 분리하는 제3 빔스플리터와, 상기 제2 출력 빔을 제2a 및 제2b 출력 빔으로 분리하는 제4 빔스플리터와, 상기 제1a 및 제1b 출력 빔을 각각 편광시키는 제1 및 제2 편광기와, 상기 제2a 및 제2b 출력 빔을 각각 편광시키는 제3 및 제4 편광기, 및 상기 제1 내지 제4 편광기를 통과한 각각의 출력 빔을 검출하는 제1 내지 제4 광검출기를 포함하는 기하 위상 스캐닝 홀로그래피 시스템을 제공한다.

또한, 본 발명은, 좌현 원편광의 평면파와 우현 원편광의 구면파를 중첩시켜 간섭 빔을 형성하는 제1 빔스플리터와, 상기 간섭 빔을 이용하여 대상물을 스캔하는 스캔수단과, 상기 대상물로부터 반사된 빔을 입사받아 제1 및 제2 출력 빔으로 분리하는 제2 빔스플리터와, 상기 제1 출력 빔을 제1a 및 제1b 출력 빔으로 분리하는 제3 빔스플리터와, 상기 제1a 및 제1b 출력 빔을 각각 편광시키는 제1 및 제2 편광기와, 상기 제2 출력 빔을 편광시키는 제3 편광기, 및 상기 제1 내지 제3 편광기를 통과한 각각의 출력 빔을 검출하는 제1 내지 제3 광검출기를 포함하는 기하 위상 스캐닝 홀로그래피 시스템을 제공한다.

여기서, 상기 기하 위상 스캐닝 홀로그래피 시스템은, 입사되는 선편광 빔을 서로 직교하는 p-편광의 제1 빔 및 s-편광의 제2 빔으로 분리하는 편광 빔스플리터와, 상기 제1 빔을 좌현 원편광 빔으로 변환하는 제1 1/4 파장판과, 상기 제2 빔을 우현 원편광 빔으로 변환하는 제2 1/4 파장판과, 상기 좌현 원편광 빔을 확장하여 좌현 원편광의 평면파를 상기 제1 빔스플리터로 제공하는 제1 콜리메이터와, 상기 우현 원편광 빔을 확장하여 우현 원편광의 평면파를 제공하는 제2 콜리메이터, 및 상기 우현 원편광의 평면파를 구면파로 변환하여 상기 제1 빔스플리터로 제공하는 제1 렌즈를 더 포함할 수 있다.

또한, 상기 간섭 빔은, 기하 위상 프레넬 윤대판(Geometric Phase Fresnel Zone Plate) 형태로서 아래의 수학식으로 정의될 수 있다.

여기서, λ는 사용된 빔의 파장, (x₀ ²+y₀ ²)는 빔의 광축에 직교하는 평면을 (x₀,y₀)로 하는 카타르시안 좌표계, z는 상기 구면파의 초점위치로부터 상기 대상물까지의 거리, θ는 상기 편광 빔스플리터의 p-편광 축에 대해 시계 방향으로 선편광된 각도를 나타낸다.

또한, 상기 기하 위상 스캐닝 홀로그래피 시스템은, 상기 제1 및 제2 광검출기에서 검출된 제1 및 제2 전류 신호를 처리하여 상기 대상물의 복소수 홀로그램을 생성하는 전자처리부를 더 포함하며, 상기 제1 및 제2 광검출기는, 상기 제1 및 제2 편광기를 통과한 상기 제1 및 제2 출력 빔의 세기에 대응하여 상기 제1 및 제2 전류 신호(

,

)를 아래의 수학식과 같이 각각 생성할 수 있다.

여기서, O(x₀,y₀;z)는 상기 대상물의 반사율에 대한 3차원 분포로서 상기 대상물의 3차원 영상이며,

는 콘볼루션(convolution) 연산, λ는 사용된 빔의 파장, (x,y)는 상기 스캔수단에 의해 지정되는 스캔 빔의 스캔 위치, z는 상기 구면파의 초점위치로부터 상기 대상물까지의 거리, dc는 직류 바이어스 성분을 나타낸다.

또한, 상기 기하 위상 스캐닝 홀로그래피 시스템은, 상기 제1 내지 제4 광검출기에서 검출된 제1 내지 제4 전류 신호를 처리하여 상기 대상물의 복소수 홀로그램을 생성하는 전자처리부를 더 포함하며, 상기 제1 내지 제4 광검출기는, 상기 제1 내지 제4 편광기를 통과한 각각의 출력 빔의 세기에 대응하여 상기 제1 내지 제4 전류 신호를 아래의 수학식과 같이 각각 생성할 수 있다.

여기서,

은 상기 제1 내지 제4 광검출기에서 생성한 제n 전류 신호, n={1,2,3,4}, p_n은 상기 n으로 지정된 광검출기에서 생성된 홀로그램 신호의 천위된 위상, O(x₀,y₀;z)는 상기 대상물의 반사율에 대한 3차원 분포로서 상기 대상물의 3차원 영상이며,

는 콘볼루션(convolution) 연산, λ는 사용된 빔의 파장, (x,y)는 상기 스캔수단에 의해 지정되는 스캔 빔의 스캔 위치, z는 상기 구면파의 초점위치로부터 상기 대상물까지의 거리이다.

그리고, 본 발명은, 선편광 빔을 입사받아 음의 초점거리를 갖는 우현 원편광의 제1 구면파 및 양의 초점거리를 갖는 좌현 원편광의 제2 구면파를 생성하는 편광 감응형 렌즈와, 상기 생성된 제1 및 제2 구면파 사이에서 발생한 간섭 빔을 이용하여 대상물을 스캔하는 스캔수단과, 상기 대상물로부터 반사된 빔을 입사받아 제1 및 제2 출력 빔으로 분리하는 제1 빔스플리터와, 상기 제1 및 제2 출력 빔을 각각 편광시키는 제1 및 제2 편광기, 및 상기 제1 및 제2 편광기를 통과한 각각의 출력 빔을 검출하는 제1 및 제2 광검출기를 포함하는 기하 위상 인라인 스캐닝 홀로그래피 시스템을 제공한다.

또한, 본 발명은, 선편광 빔을 입사받아 음의 초점거리를 갖는 우현 원편광의 제1 구면파 및 양의 초점거리를 갖는 좌현 원편광의 제2 구면파를 생성하는 편광 감응형 렌즈와, 상기 생성된 제1 및 제2 구면파 사이에서 발생한 간섭 빔을 이용하여 대상물을 스캔하는 스캔수단과, 상기 대상물로부터 반사된 빔을 입사받아 제1 및 제2 출력 빔으로 분리하는 제1 빔스플리터와, 상기 제1 출력 빔을 제1a 및 제1b 출력 빔으로 분리하는 제2 빔스플리터와, 상기 제2 출력 빔을 제2a 및 제2b 출력 빔으로 분리하는 제3 빔스플리터와, 상기 제1a 및 제1b 출력 빔을 각각 편광시키는 제1 및 제2 편광기와, 상기 제2a 및 제2b 출력 빔을 각각 편광시키는 제3 및 제4 편광기, 및 상기 제1 내지 제4 편광기를 통과한 각각의 출력 빔을 검출하는 제1 내지 제4 광검출기를 포함하는 기하 위상 인라인 스캐닝 홀로그래피 시스템을 제공한다.

또한, 본 발명은, 선편광 빔을 입사받아 음의 초점거리를 갖는 우현 원편광의 제1 구면파 및 양의 초점거리를 갖는 좌현 원편광의 제2 구면파를 생성하는 편광 감응형 렌즈와, 상기 생성된 제1 및 제2 구면파 사이에서 발생한 간섭 빔을 이용하여 대상물을 스캔하는 스캔수단과, 상기 대상물로부터 반사된 빔을 입사받아 제1 및 제2 출력 빔으로 분리하는 제1 빔스플리터와, 상기 제1 출력 빔을 제1a 및 제1b 출력 빔으로 분리하는 제2 빔스플리터와, 상기 제1a 및 제1b 출력 빔을 각각 편광시키는 제1 및 제2 편광기와, 상기 제2 출력 빔을 편광시키는 제3 편광기, 및 상기 제1 내지 제3 편광기를 통과한 각각의 출력 빔을 검출하는 제1 내지 제3 광검출기를 포함하는 기하 위상 인라인 스캐닝 홀로그래피 시스템을 제공한다.

여기서, λ는 사용된 빔의 파장, f_gp는 상기 편광 감응형 렌즈의 초점거리, (x₀ ²+y₀ ²)는 상기 선편광 빔의 광축에 직교하는 평면을 (x₀,y₀)로 하는 카타르시안 좌표계, z는 상기 제2 구면파의 초점위치로부터 상기 대상물까지의 거리, θ는 광원으로부터 상기 선편광 빔을 생성하여 제공하는 광원측 편광기의 편광 축에 대해 시계 방향으로 선편광된 각도를 나타낸다.

또한, 상기 기하 위상 인라인 스캐닝 홀로그래피 시스템은, 상기 제1 및 제2 광검출기에서 검출된 제1 및 제2 전류 신호를 처리하여 상기 대상물의 복소수 홀로그램을 생성하는 전자처리부를 더 포함하며, 상기 제1 및 제2 광검출기는, 상기 제1 및 제2 편광기를 통과한 상기 제1 및 제2 출력 빔의 세기에 대응하여 상기 제1 및 제2 전류 신호(

,

)를 아래의 수학식과 같이 각각 생성할 수 있다.

는 콘볼루션(convolution) 연산, λ는 사용된 빔의 파장, (x,y)는 상기 스캔수단에 의해 지정되는 스캔 빔의 스캔 위치, f_gp는 상기 편광 감응형 렌즈의 초점거리, z는 상기 제2 구면파의 초점위치로부터 상기 대상물까지의 거리, dc는 직류 바이어스 성분을 나타낸다.

또한, 상기 기하 위상 인라인 스캐닝 홀로그래피 시스템은, 상기 제1 내지 제4 광검출기에서 검출된 제1 내지 제4 전류 신호를 처리하여 상기 대상물의 복소수 홀로그램을 생성하는 전자처리부를 더 포함하며, 상기 제1 내지 제4 광검출기는, 상기 제1 내지 제4 편광기를 통과한 각각의 출력 빔의 세기에 대응하여 상기 제1 내지 제4 전류 신호를 아래의 수학식과 같이 각각 생성할 수 있다.

여기서,

는 상기 제1 내지 제4 광검출기에서 생성한 제n 전류 신호, n={1,2,3,4}, p_n은 상기 n으로 지정된 광검출기에서 생성된 홀로그램 신호의 천위된 위상, O(x₀,y₀;z)는 상기 대상물의 반사율에 대한 3차원 분포로서 상기 대상물의 3차원 영상이며,

는 콘볼루션(convolution) 연산, λ는 사용된 빔의 파장, (x,y)는 상기 스캔수단에 의해 지정되는 스캔 빔의 스캔 위치, f_gp는 상기 편광 감응형 렌즈의 초점거리, z는 상기 제2 구면파의 초점위치로부터 상기 대상물까지의 거리이다.

본 발명에 따른 인라인 스캐닝 홀로그래피 시스템에 의하면, 편광 감응형 렌즈를 이용하여 단일의 광 경로에서 스캐닝 패턴을 형성함에 따라 고효율 및 고품질의 광 스캐닝 홀로그래피를 구현할 수 있음은 물론 높은 안정성 및 낮은 복잡도의 광학계 구조를 사용하여 외부 환경에 강인하고 안정적인 이점이 있다.

또한, 본 발명에 따른 기하 위상 스캐닝 홀로그래피 시스템에 의하면, 광 신호를 변조하기 위한 복잡한 변조 장치의 사용 없이 편광에 따른 기하학적 구조를 이용하여 쌍영상 잡음과 배경 잡음이 없는 실제 물체의 복소수 홀로그램을 획득할 수 있어 구조의 복잡도를 낮출 수 있고 소형 및 경량화가 가능함은 물론, 에너지 소비에 민감한 모바일 기기에도 적용 가능하다.

또한, 본 발명에 따른 기하 위상 인라인 스캐닝 홀로그래피 시스템에 의하면, 편광 감응형 렌즈를 이용하여 단일의 광 경로에서 스캐닝 패턴을 형성함에 따라 높은 안정성 및 낮은 복잡도를 가지는 동시에, 편광에 따른 기하학적 구조를 이용하여 복잡한 변조 장치 없이도 쌍영상 잡음과 배경 잡음이 제거된 실제 물체의 복소수 홀로그램을 획득할 수 있어 고효율 및 고품질의 광 스캐닝 홀로그래피를 구현할 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 인라인 스캐닝 홀로그래피 시스템의 제1 실시예를 나타낸 도면이다.

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 편광 감응형 렌즈의 원리를 설명하는 도면이다.

도 3은 도 1의 신호 생성부에 의한 주기적 램프 신호를 설명하는 도면이다.

도 4는 본 발명에 따른 인라인 스캐닝 홀로그래피 시스템의 제2 실시예를 나타낸 도면이다.

도 5는 본 발명에 따른 인라인 스캐닝 홀로그래피 시스템의 제3 실시예를 나타낸 도면이다.

도 6은 본 발명에 따른 인라인 스캐닝 홀로그래피 시스템의 제4 실시예를 나타낸 도면이다.

도 7은 본 발명에 따른 인라인 스캐닝 홀로그래피 시스템의 제5 실시예를 나타낸 도면이다.

도 8은 본 발명에 따른 기하 위상 스캐닝 홀로그래피 시스템의 제1 실시예를 나타낸 도면이다.

도 9는 도 8의 변형 예를 나타낸 도면이다.

도 10은 본 발명에 따른 기하 위상 스캐닝 홀로그래피 시스템의 제2 실시예를 나타낸 도면이다.

도 11은 본 발명에 따른 기하 위상 스캐닝 홀로그래피 시스템의 제3 실시예를 나타낸 도면이다.

도 12는 본 발명에 따른 기하 위상 인라인 스캐닝 홀로그래피 시스템의 제1 실시예를 나타낸 도면이다.

도 13은 본 발명의 실시예에 따른 편광 감응형 렌즈의 원리를 설명하는 도면이다.

도 14는 본 발명에 따른 기하 위상 인라인 스캐닝 홀로그래피 시스템의 제2 실시예를 나타낸 도면이다.

도 15는 본 발명에 따른 기하 위상 인라인 스캐닝 홀로그래피 시스템의 제3 실시예를 나타낸 도면이다.

도 16은 본 발명에 따른 기하 위상 인라인 스캐닝 홀로그래피 시스템의 제4 실시예를 나타낸 도면이다.

도 17은 본 발명에 따른 기하 위상 인라인 스캐닝 홀로그래피 시스템의 제5 실시예를 나타낸 도면이다.

도 18은 도 17의 변형 예를 나타낸 도면이다.

도 19는 본 발명에 따른 기하 위상 인라인 스캐닝 홀로그래피 시스템의 제6 실시예를 나타낸 도면이다.

도 20은 도 19의 변형 예를 나타낸 도면이다.

그러면 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시 예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다.

본 발명은 고효율 및 고품질의 광 스캐닝 홀로그래피를 구현하기 위한 광 스캐닝 홀로그래피 시스템으로 크게 세 가지 종류로 구분된다.

그 첫 번째는 인라인 스캐닝 홀로그래피 시스템이고, 두 번째는 기하 위상 스캐닝 홀로그래피 시스템이며, 세 번째는 이들을 두 가지를 결합하여 구성한 기하 위상 인라인 스캐닝 홀로그래피 시스템이다.

가장 먼저, 인라인 스캐닝 홀로그래피 시스템을 설명한다.

인라인 스캐닝 홀로그래피 시스템은, 편광 감응형 렌즈를 이용하여 단일의 광 경로에서 스캐닝 패턴을 형성하고, 이를 통해 높은 안정성 및 낮은 복잡도의 광학계 구조를 가지는 고효율 및 고품질의 광 스캐닝 홀로그래피를 구현현다.

도 1에 나타낸 것과 같이, 제1 실시예에 따른 인라인 스캐닝 홀로그래피 시스템(1100)은 편광기(1110), 선편광 방향 변환기(1120), 신호 생성부(1125), 콜리메이터(1130), 편광 감응형 렌즈(1140), 편광기(1150), 스캔 수단(1160), 집광기(1170), 제1 광 검출기(1175), 전자처리부(1180)를 포함한다.

먼저, 광원은 전자기파를 발생시킨다. 본 발명의 실시예에서 광원으로는 가간섭 광을 출력하는 레이저 발생기, 그리고 가간섭성이 낮은 LED(light emitting diode) 램프, 결맞음 길이(coherence length)가 짧은 헬로겐 램프 등의 다양한 수단이 사용 가능하다.

편광기(1110)(linear polarizer)는 입력된 광원을 선편광 빔(linearly polarized light)으로 변환하여 선편광 방향 변환기(1120)로 제공한다. 도 1에서 광원 및 편광기(1110)는 생략될 수 있으며 이 경우 외부에서 만들어진 선편광 빔이 선편광 방향 변환기(1120)에 바로 입력될 수 있다. 또한, 도 1에서 광원이 생략되는 경우에는 외부에서 제공된 광원이 편광기(1110)로 바로 입력될 수 있다.

선편광 방향 변환기(1120)는 편광기(1110)로부터 입사된 선편광 빔을 위상 지연시켜 편광 방향을 변경하여 편광 감응형 렌즈(1140)로 출력 제공한다.

선편광 방향 변환기(1120)는 신호 생성부(1125)로부터 인가받은 위상 변조 신호를 기초로 선편광 빔의 위상 지연을 시간에 따라 가변시킬 수 있다. 위상 변조 신호는 시간 t에 따라 위상 지연 값을 가변시키는 신호로서, 신호 생성부(1125)의 함수 발생기에서 생성되며 Ω(t)의 함수로 표현된다.

본 발명의 실시예에서, 선편광 방향 변환기(1120)는 가변 파장판(1121)(variable wave plate) 및 1/4 파장판(1122)(quarter wave plate)을 포함하여 구성될 수 있다. 이들 각각의 파장판(wave plate)은 빛의 편광 상태를 바꿔주는 광학 소자로서 위상 지연자(retarder)로 불리운다.

가변 파장판(1121)은 입사된 선편광 빔을 신호 생성부(1125)의 위상 변조 신호에 따라 위상 지연(phase retardation)시켜 편광을 시간에 따라 가변시킨다. 그리고 1/4 파장판(1122)은 가변 파장판(1121)을 통과한 빔의 편광을 변경한다. 이러한 1/4 파장판(1122)은 입사된 빔에 λ/4의 위상 지연을 인가하여 편광 방향이 회전된 선편광 빔을 콜리메이터(1130)에 전달한다.

이와 같이, 가변 파장판(1121)은 편광기(1110)로부터 받은 선편광 빔의 편광을 함수발생기의 신호에 따라 변경하여 1/4 파장판(1122)으로 전달하고 1/4 파장판(1122)은 편광 방향이 회전된 선편광 빔을 출력한다. 여기서, 함수발생기는 1/4 파장판(1122)에서 출력되는 빔의 방향이 x₀ 축에 대해 시간에 따라 Ω(t)로 가변하도록 가변 파장판(1121)의 위상 지연을 만들어 낼 수 있다.

본 발명의 실시예에서, 가변 파장판(1121)은 전기 신호에 따라 빔의 위상 지연을 유도하는 전자-광 효과(electric-optic effect)를 이용한 포켈 셀(Pockels cell), 전기 신호에 따라 액정 디렉터의 방향을 변경하여 빔의 위상 지연을 가변시키는 액정 가변 파장판(Liquid Crystal Variable Waveplate) 등으로 구현될 수 있다. 물론, 가변 파장판(1121)은 전기 신호에 따라 빔의 편광을 변경시킬 수 있는 다양한 수단이 사용될 수 있다.

따라서, 도 1에서 선편광 방향 변환기(1120)는 가변 파장판(1121)과 1/4 파장판(1122)을 포함하여 구성되지만, 본 발명이 반드시 이에 한정되지 않는다.

예를 들어, 전 파장 액정 가변 파장판(full wave liquid crystal waveplate)을 가변 파장판(1121)으로 사용하면, 1/4 파장판(1122) 없이 선편광 방향 변환기(1120)을 구성할 수 있다. 또한, 광원의 대역폭이 넓은 경우 넓은 파장 영역에서 광의 편광 방향을 파장 의존성 없이 회전시키기 위해서는 도 1에 도시된 가변 파장판(1121)과 1/4 파장판(1122)을 제거하고 편광기(1110)를 모터 등을 이용하여 기계적으로 회전시키는 방법을 이용하여 편광 방향을 회전할 수 있다.

이를 위해, 선편광 방향 변환기(1120)는 편광기(1110) 및 모터(미도시)를 포함하여 구성될 수 있다. 이 경우 편광기(1110)는 편광이 랜덤한 광원을 입력받아 선편광 빔을 생성한다. 이때, 모터는 신호 생성부(1125)의 위상 변조 신호에 따라 편광기(1110)의 각도를 회전시켜서 편광기(1110)를 통과하는 선편광 빔의 편광 방향을 가변시켜 콜리메이터(1130)로 전달하면 된다. 이러한 경우 앞서와 동일한 효과를 낼 수 있다.

도 1에서는 설명의 편의상 편광기(1110)에서 선편광 빔을 형성하고, 가변 파장판(1121)은 입사된 선편광 빔에 위상 지연을 인가하여 편광을 변경하여 전달하고, 1/4 파장판(1122)은 편광 방향이 회전된 선편광 빔을 만들었지만, 1/2 파장판, 1/4 파장판, 편광기 및 가변 파장판을 이용한 다양한 조합을 통해 선편광 빔의 방향을 변경시킬 수도 있다. 즉, 선편광 방향 변환기(1120)는 선편광 빔에 위상 지연을 인가하여 선편광 빔의 편광 방향을 변경할 수 있는 다양한 수단으로 구현 가능하다.

콜리메이터(1130)(collimator)는 선편광 방향 변환기(1120)에서 출력된 빔을 확장시켜 편광 감응형 렌즈(1140)로 전달하며, 빔을 확장할 수 있는 다양한 수단으로 구현될 수 있다.

편광 감응형 렌즈(1140)(polarization sensitive lens)는 선편광 방향 변환기(1120)를 통과 후 확장된 선편광 빔을 입사받아, 음의 초점거리를 갖는 우현 원편광의 제1 구면파 및 양의 초점거리를 갖는 좌현 원편광의 제2 구면파를 동시에 생성한다.

여기서, 편광 감응형 렌즈(1140)는 기하 위상 렌즈(geometric phase lens)로 구성될 수 있다. 기하 위상 렌즈(1140)는 액정(liquid crystal)에 기반한 판카랏남 상(Pancharatnam-phase) 효과를 갖는 얇은 평판형 구조이며, 입력된 빛의 편광에 따라 입력 빔의 파면을 양과 음의 초점거리를 갖는 파면으로 변경하는 렌즈 역할을 한다. 기하 위상 렌즈는 공지된 것과 같이 마하젠더 간섭계 기반의 아날로그 홀로그램 레코딩 장치를 이용하여 제작될 수 있으며, 예를 들어 ImagineOptix사에서 제공하는 기성품을 사용할 수 있다.

도 2의 (a)와 같이, 기하 위상 렌즈(1140)는 우현 원편광(right-handed circular polarized beam)이 입사되면 해당 편광 방향에 감응하여 볼록 렌즈로 작용하여 양의 초점거리(+f_gp)를 갖는 좌현 원편광(left-handed circular polarized beam)의 구면파를 만들고, 도 2의 (b)와 같이 좌현 원편광이 입사되면 해당 편광 방향에 감응하여 오목 렌즈로 작용하여 음의 초점거리(-f_gp)를 갖는 우현 원편광의 구면파를 만든다.

다만, 본 발명의 실시예의 경우, 도 2의 (c)와 같이, 선편광(linearly polarized)의 파면이 기하 위상 렌즈(1140)에 입력되는데, 이 경우 기하 위상 렌즈(1140)는 입력된 빛의 에너지 세기를 거의 절반씩 나누어 음의 초점거리(-f_gp)를 갖는 우현 원편광의 구면파(이하, 제1 구면파)와 양의 초점거리(+f_gp)를 갖는 좌현 원편광의 구면파(이하, 제2 구면파)의 파면을 동시에 생성한다.

이처럼, 기하 위상 렌즈(1140)는 입사된 선편광 빔의 일부를 우현 원 편광으로 변경하여 입사되는 빔의 진행 방향과 반대 쪽에 초점을 위치시키는 제1 구면파를 형성하고, 이와 동시에 나머지를 좌현 원 편광으로 변경하여 입사되는 빔의 진행 방향 쪽에 초점을 위치시키는 제2 구면파를 형성한다.

이와 같이, 본 발명의 실시예는 편광 감응형 렌즈를 이용하여 단일의 광 경로에서 스캐닝 패턴을 형성함에 따라, 광원을 두 경로로 분리 후 재결합하여 간섭 패턴을 형성하는 종래 기법보다 더욱 고효율 및 고품질의 광 스캐닝 홀로그래피를 구현할 수 있음은 물론, 높은 안정성 및 낮은 복잡도의 광학계 구조를 사용하여 외부 환경에 강인하고 안정적인 이점이 있다.

편광 감응형 렌즈(1140)에서 인라인(In-Line)으로 도출된 제1 및 제2 구면파는 편광기(1150)(linear polarizer)로 전달된다.

편광기(1150)(linear polarizer)는 기하 위상 렌즈(1140)로부터 전달된 제1 및 제2 구면파의 성분 중에서 소정 편광 방향의 빔 성분만을 통과시킨다. 즉, 편광기(1150)는 미리 설정된 편광기(1150)의 편광 방향에 해당하는 편광 부분만을 통과시켜 스캔수단(1160)으로 전달한다.

스캔수단(1160)은 편광기(1150)를 통과한 제1 구면파 및 제2 구면파 사이에 발생한 간섭 빔(간섭 패턴)을 이용하여 촬영 대상물(1010)(이하, 대상물)을 스캔한다. 본 실시예에서 스캔수단(1160)은 거울 스캐너를 사용한다.

거울 스캐너는 대상물(1010)을 X 방향으로 스캔하는 수평 스캔 거울과, Y 방향으로 스캔하는 수직 스캔 거울을 갖는 X-Y 스캐너로 구성된다. 물론, 본 발명의 경우 스캔수단(1160)이 거울 스캐너로 한정되는 것은 아니며 이와 유사한 수단 또는 공지된 다른 스캔수단이 사용될 수도 있다.

스캔수단(1160)은 스캔 제어부(1185)로부터 스캐닝 제어신호를 받아 동작되며, 스캔 제어부(1185)는 스캔수단(1160)의 스캐닝 위치를 제어하기 위한 스캐닝 제어신호를 발생시킨다. 여기서, 스캐닝 제어신호는 수평 스캔 거울 및 수직 스캔 거울을 수평 방향 및 수직 방향으로 각각 제어하기 위한 수평 스캔 신호 및 수직 스캔 신호를 포함할 수 있다.

도 1에서 신호 생성부(1125)의 위상 변조 신호는 위상 지연 값이 시간에 따라 선형적으로 가변하는 주기적 램프 신호로서, Ω(t)의 함수로 표현된다. 여기서, 신호 생성부(1125)는 두 개의 함수 즉, Ω(t)와 sin(12Ω(t))를 생성하여, 주기적 램프 신호인 Ω(t)는 선편광 방향 변환기(1120)로 전달하고, 헤테로다인 기준 신호인 sin(12Ω(t))는 전자처리부(1180)의 헤테로다인 검출기(1181)에 전달한다.

도 3과 같이 신호 생성부(1125)는 시간 t에 따른 가변하는 램프 신호 Ω(t)를 설정 주기(T)로 발생시킨다. 시간 t에 따른 주기적 램프 신호는 Ω₀의 기울기를 가지며, 0과 π 사이의 값을 가지는 Ω(t)=Ω_0·t의 함수로 표현될 수 있다.

즉, 신호 생성부(1125)의 함수 발생기는 2Ω(t)가 0에서 2π까지 시간에 따라 선형적으로 변경하도록 하는 주기적인 램프 신호인 Ω(t)를 생성하여 가변 파장판(1121)에 인가할 수 있다.

이처럼, 가변 파장판(1121)에 인가되는 위상 변조 신호가 주기적 램프 신호인 경우, 두 구면파에 의한 간섭 빔은 시간에 따라 헤테로다인 변조된 비선형 프레넬 윤대판 형태를 가지며, 아래의 수학식 1로 정의될 수 있다.

여기서, λ는 사용된 빔의 파장, f_gp는 편광 감응형 렌즈(1140)의 초점거리, (x₀ ²+y₀ ²)는 선편광 빔의 광축에 직교하는 평면을 (x₀,y₀)로 하는 카타르시안 좌표계, z는 제2 구면파의 초점위치로부터 대상물까지의 거리, Ω₀는 Ω(t) 함수의 기울기를 나타낸다.

제1 광 검출기(1175)는 대상물(1010)로부터 반사된 빔을 검출한다. 스캔수단(1160)에 의해 지정되는 스캔 빔의 스캔 위치에서 대상물(1010)로부터 반사된 빔은 제1 집광기(1170)에 의해서 공간적(spatially)으로 집적(integrated)된다. 여기서, 제1 집광기(1170)는 렌즈를 통해 구현될 수 있으며, 이외에도 오목 반사경을 포함한 영상(imaging) 또는 비 영상(non-imaging) 집광기 등의 공지된 다양한 집광수단으로 구현될 수 있다.

제1 광 검출기(1175)은 제1 집광기(1170)를 통해 공간적으로 집적된 빔을 검출하여 전류신호로 변환한다. 이때, 제1 광 검출기(1175)은 공간적으로 집적된 빔의 세기에 따라 전류를 생성한다. 제1 광 검출기(1175)는 광 다이오드를 사용하여 구현할 수 있으나, 본 발명이 반드시 이에 한정되지 않으며 광증배관(photo-multiplier tube) 등의 다양한 광 검출수단이 적용될 수 있다. 또한, 제1 집광기(1170) 없이도 제1 광 검출기(1175)의 검출 면으로 전달되어 들어오는 빛을 직접 검출할 수도 있다.

전자처리부(1180)는 제1 광 검출기(1175)에서 검출된 신호를 처리하여 대상물(1010)의 홀로그램을 생성한다. 이러한 전자처리부(1180)는 헤테로다인 검출기(1181), AD 컨버터(1182), 신호처리부(1183), 저장부(1184), 스캔 제어부(1185)를 포함할 수 있다.

헤테로다인 검출기(1181)는 제1 광 검출기(1175)로부터 전달받은 전류 신호를 처리하여 동 위상(in-phase) 출력신호와 사분위상(quadrature-phase) 출력신호를 생성한다.

헤테로다인 검출기(1181)는 전달받은 전류신호와 신호생성부(1125)의 함수발생기에서 생성한 변조신호인 sin(12Ω(t))를 이용하여 동 위상 신호를 제1 출력으로 생성하고 사분위상 신호를 제2 출력으로 생성한다. 동 위상 출력신호 및 사분위상 출력신호는 물체의 3차원 영상이 비선형 프레넬 윤대판에 의해서 인코드된 패턴에 해당된다.

AD 컨버터(1182)(Analog to Digital Converter)는 두 개의 입력 채널을 가지며 동 위상 신호와 사분위상 신호를 각 채널을 통해 입력받아 디지털 신호로 변환한다. 변환된 디지털 전류신호는 스캔수단(1160)의 스캐닝 위치와 함께 신호처리부(1183)로 제공된다.

신호처리부(1183)는 디지털 신호로부터 대상물(1010)의 복소수 홀로그램을 생성하고, 저장부(1184)는 생성된 복소수 홀로그램을 저장한다. 그리고 스캔 제어부(1185)는 대상물(1010)의 임의 위치에 대한 홀로그램 처리가 완료될 때마다 스캔수단(1160)의 스캔 위치를 변경시키는 제어 신호를 생성하여 스캔수단(1160)으로 전달한다.

물론, 도 1에 도시된 본 발명의 제1 실시예는 AD컨버터(1182)를 통해 디지털 신호로의 변환을 수행하기 전에 헤테로다인 검출을 실시하였지만, 제1 광 검출기(1175)에서 제공되는 전류신호와 신호 생성부(1125)에서 생성된 신호를 AD컨버터(1182)를 통해 디지털 신호로 변환한 다음, AD컨버터(1182)가 디지털 신호처리의 방법으로 디지털 헤테로다인 검출을 수행하여 신호처리부(1183)에 전달할 수 있음은 물론이다. 이 경우 헤테로다인 검출기(1181)의 구성이 불필요하게 된다.

도 4에 나타낸 것과 같이, 제2 실시예에 따른 인라인 스캐닝 홀로그래피 시스템(1200)은 편광기(1110), 선편광 방향 변환기(1120), 신호 생성부(1225), 콜리메이터(1130), 편광 감응형 렌즈(1140), 편광기(1150), 스캔 수단(1160), 집광기(1170), 제1 광 검출기(1175), 전자처리부(1280)를 포함한다. 도 4에서 도 1의 제1 실시예의 경우와 동일한 부호를 갖는 구성요소는 동일한 동작을 수행함을 의미하므로, 동일한 부호의 구성요소에 대한 별도의 설명은 생략한다.

이러한 도 4의 경우, 도 1과 달리, 신호 생성부(1225)에서 생성하는 위상 변조 신호는 위상 지연 값이 시간에 따라 {0,π/2,π}의 순서로 불연속 천이되는 위상 천이 신호에 해당한다. 이에 따라, 신호 생성부(1225)의 함수발생기는 Ω(t)가 {0,π/2,π}의 순서로 천이(shift)되도록 하는 위상 천이 신호인 Ω(t)를 생성하여 가변 파장판(1121)에 인가한다.

이 경우, 간섭 빔은 시간에 따라 헤테로다인 변조된 비선형 프레넬 윤대판 형태로서 아래의 수학식 2로 정의될 수 있다.

여기서, λ는 사용된 빔의 파장, f_gp는 편광 감응형 렌즈(1140)의 초점거리, (x₀ ²+y₀ ²)는 선편광 빔의 광축에 직교하는 평면을 (x₀,y₀)로 하는 카타르시안 좌표계, z는 제2 구면파의 초점위치로부터 대상물까지의 거리, P_n은 위상 천이에 사용된 n개의 서로 다른 위상들의 집합 {0,π/2,π}을 나타낸다.

이러한 도 4의 경우, 신호 생성부(1225)는 Ω(t) 신호만 생성하며, 전자처리부(1280)는 헤테로다인 검출기(1181)가 구비될 필요가 없으며, 디지털 신호처리의 방법으로 위상이 천위된 홀로그램 신호 검출을 수행할 수 있다.

전자처리부(1280)의 AD 컨버터(1282)는 제1 광 검출기(1175)에서 검출된 신호를 디지털 신호로 변환하며, 디지털 신호처리의 방법으로 위상이 천위된 홀로그램 신호 검출을 수행한다. 신호처리부(1283)는 위상이 천위된 홀로그램 신호로부터 대상물(1010)의 복소수 홀로그램을 생성하고, 저장부(1184)는 이를 저장한다. 스캔 제어부(1284)는 대상물(1010)의 임의 위치에 대한 홀로그램 처리가 완료될 때마다 스캔수단(1160)의 위치를 변경시키는 제어 신호를 생성한다.

도 5에 나타낸 것과 같이, 제3 실시예에 따른 인라인 스캐닝 홀로그래피 시스템(1300)은 편광기(1110), 선편광 방향 변환기(1120), 신호 생성부(1125), 콜리메이터(1130), 편광 감응형 렌즈(1140), 편광기(1150), 제1 렌즈(1355), 스캔 수단(1160), 집광기(1170), 제1 광 검출기(1175), 전자처리부(1180)를 포함한다.

이러한 도 5는 도 1의 제1 실시예의 구조에서 제1 렌즈(1355)가 추가로 삽입된 것을 나타내며, 동일한 부호의 구성요소에 대한 별도의 설명은 생략한다.

도 5에서 제1 렌즈(1355)는 편광 감응형 렌즈(1140)와 스캔수단(1160) 사이에 설치되어 제1 및 제2 구면파의 각 초점 간의 거리를 조정하고, 편광 감응형 렌즈 면의 패턴을 대상물 영역의 면으로 이미징하는 이미징 렌즈 역할을 한다.

즉, 기하 위상 렌즈 면을 제1 렌즈(1355)를 이용하여 확대 또는 축소하는 방식으로 대상물의 영역에 이미징하면, 기하 위상 렌즈 면에서의 패턴이 대상물에 이미징되어 투사될 수 있다.

제1 구면파의 초점 위치는 f1, 제2 구면파의 초점위치는 f2라 할 때, 도 1의 경우 f1과 f2 위치 간의 거리는 2f_gp 였지만, 도 5의 경우 f1과 f2 위치 간의 거리는 제1 렌즈(1355)의 축소 또는 확대율에 따라 2M² _imgf_gp로 변경된다.

또한 이러한 도 5의 경우, 간섭 빔은 시간에 따라 헤테로다인 변조된 비선형 프레넬 윤대판 형태로서, 아래의 수학식 3으로 정의될 수 있다.

여기서, M_img는 편광 감응형 렌즈(기하 위상 렌즈) 면의 패턴을 대상물 영역의 면으로 이미징 시 제1 렌즈(1355)에 의한 상의 축소 또는 확대 비율, z_img는 제2 구면파의 초점위치로부터 대상물까지의 거리, 2M² _imgf_gp는 조정된 제1 및 제2 구면파의 각 초점 간의 거리이다.

이와 같이 편광 감응형 렌즈(1140)와 대상물(1010) 사이에 제1 렌즈(1355)를 위치시켜 확대 또는 축소의 방법으로 두 구면파의 초점 간 거리가 변경된 새로운 제1 및 제2 구면파를 대상물의 면에 위치시킬 수 있다.

여기서 상술한 본 발명의 실시예들은 두 구면파가 모두 발산하는 영역에 물체를 위치시킨 것을 예시하지만, 헤테로다인 스캐닝 기반 홀로그램의 현미경 응용에 있어 분해능을 향상시키기 위한 방법을 이용하여, 두 구면파의 초점 사이(f1과 f2 위치 사이 지점)에 물체를 위치시킬 수도 있다.

이를 위해, 편광 감응형 렌즈(기하 위상 렌즈)와 대상물 사이에 이미징 렌즈를 위치시켜, 제1 구면파의 초점 위치(f1)를 대상물의 전면에 위치시키고 제2 구면파의 초점 위치(f2)를 대상물의 후면에 위치시키는 방식을 사용하여, 발산하는 구면파와 수렴하는 구면파의 역 방향 곡률의 간섭 패턴에 의해 인코딩된 물체의 홀로그램을 획득할 수 있으며, 이를 수치적으로 복원하여 분해능을 향상시킬 수 있다.

예를 들면, 기하 위상 렌즈와 대상물 사이에 이미징 렌즈를 위치시켜, 기하 위상 렌즈 면을 대상물 면에 이미징하면 수렴하는 제1 구면파와 발산하는 제2 구면파의 간섭 패턴으로 인코딩된 홀로그램을 얻을 수 있으며, 이 경우 간섭 패턴은 아래의 수학식 4와 같이 정의될 수 있다.

여기서, M_img는 편광 감응형 렌즈(기하 위상 렌즈) 면의 패턴을 대상물 면으로 이미징할 때 이미징 렌즈에 의한 상의 축소 또는 확대 비율, z_img는 제2 구면파의 초점위치로부터 대상물까지의 거리이다.

그 밖에도, 본 발명의 실시예는 편광 감응형 렌즈(1140)와 스캔수단(1160) 사이에 제2 렌즈(미도시)를 위치시켜, 평면파와 구면파 간의 간섭 패턴을 형성시킬 수 있다.

일반적으로 광 스캐닝 홀로그래피에서는 구면파와 평면파가 간섭된 선형 프레넬 윤대판으로 물체를 스캐닝하여 물체의 홀로그램을 획득한다. 기하 위상 렌즈와 물체 사이에 렌즈를 위치시키면 평면파와 구면파의 간섭 패턴을 형성시킬 수 있다. 따라서, 구면파와 평면파의 간섭에 의해 형성된 간섭 패턴인 선형 프레넬 윤대판으로 인코딩된 홀로그램을 얻을 수 있다.

이를 구체적으로 설명하면 다음과 같다. 이때 설명의 편의상 도 5의 355번 부호 자리에 제1 렌즈 대신 제2 렌즈가 배치된 것을 가정하여 설명한다.

제2 렌즈(미도시)는 편광 감응형 렌즈(1140)와 스캔수단(1160) 사이에 배치되되, 제2 구면파와 동일한 초점 위치(f2)에 초점이 형성되도록 배치된다. 이와 같이, 제2 렌즈(미도시)의 초점위치와 제2 구면파의 초점위치가 동일하게 되면, 제2 구면파는 평면파로 변환되고 제1 구면파는 구면파의 곡률이 제2 렌즈에 의해 추가된다.

이 경우, 간섭 빔은 제1 구면파와 평면파 간의 간섭에 의해 형성되는 선형 프레넬 윤대판 형태로서 아래의 수학식 5으로 정의될 수 있다.

여기서, z는 제2 렌즈에 의해 곡률이 더해진 제1 구면파의 초점위치로부터 대상물까지의 거리이다.

이와 같이, 제2 렌즈의 초점위치가 제2 구면파의 초점위치와 같도록 제2 렌즈를 삽입 배치할 경우, 구면파와 평면파 간의 간섭 패턴인 선형 프레넬 윤대판에 의해 인코딩된 홀로그램을 얻을 수 있다.

도 6에 나타낸 것과 같이, 제4 실시예에 따른 인라인 스캐닝 홀로그래피 시스템(1400)은 편광기(1110), 선편광 방향 변환기(1120), 신호 생성부(1225), 콜리메이터(1130), 편광 감응형 렌즈(1140), 편광기(1150), 제1 렌즈(1355), 스캔 수단(1160), 집광기(1170), 제1 광 검출기(1175), 전자처리부(1280)를 포함한다.

이러한 도 6은 제2 실시예에 따른 도 4의 구성에 앞서 상술한 제1 렌즈(1355)(또는 제2 렌즈)가 조합된 구조에 해당하므로 그에 대한 중복된 설명은 생략한다.

한편, 상술한 본 발명의 실시예들은 편광 감응형 렌즈로 기하 위상 렌즈를 사용한 것을 예시하고 있으나, 액정으로 형성된 편광 감응성(polarization sensitive) 투과형(transmission) 액정(liquid crystal) GRIN(graded index lens) 등과 같이, 편광에 따라 초점거리를 달리하는 다양한 렌즈를 사용할 수 있다.

구체적인 예로, p-편광 방향에 대해 정렬된 액정으로 구성되어 p-편광된 빛은 굴절시키고 s-편광된 빛은 통과시키는 편광 감응성 투과형 액정 GRIN 렌즈를 카르타시안 좌표계의 x-방향으로 정렬하여 위치시키고, 편광 감응성 투과형 액정 GRIN 렌즈와 편광기(1150) 사이에 1/4 파장판을 삽입할 수 있다. 이 경우 광원으로부터 출력된 빛은 편광기(1110)를 통해 선편광되어 가변 파장판(1121)에 전달되며, 가변 파장판(1121)에서 편광 방향이 변경된 선편광 빔은 콜리메이터(1130)에서 확장된 후 편광 감응성 투과형 액정 GRIN 렌즈를 통과하면서 p-편광 방향에 해당하는 부분은 구면파를 형성하고, s-편광 방향에 해당하는 부분은 평면파를 형성한다. 이때, 편광 감응성 투과형 액정 GRIN 렌즈와 편광기(1150) 사이에 삽입된 1/4 파장판에 의해, p-편광 부분의 구면파와 s-편광 부분의 평면파를 각각 우현 원편광과 좌현 원편광으로 변환하며, 변환된 빔은 편광기(1150)를 통과함으로써 수학식 5와 같이 평면파와 구면파의 간섭에 의해 형성된 간섭 패턴인 선형 프레넬 윤대판을 형성할 수 있다.

또한, 수학식 3 내지 5의 비선형 프레넬 윤대판과 역 곡률의 프레넬 윤대판을 형성하기 위해, 설명의 편의상 기하 위상 렌즈와 대상물 사이에 렌즈(제1 또는 제2 렌즈)를 삽입하는 것으로 설명하였으나, 콜리메이터(1130)와 편광 감응형 렌즈(1140) 사이 부분에 렌즈를 삽입하여 위치시키는 방식으로 수학식 3 내지 5를 형성할 수 있음은 물론이다.

또한, 도 1 및 도 5에 도시된 제1 및 제3 실시예의 경우 함수 발생기에서 가변 파장판(1121)의 변조 신호로 Ω(t)를 생성하여 가변 파장판(1121)에 전달하고, 헤테로다인 기준신호로 sin(12Ω(t))를 생성하여 헤테로다인 검출기(1181)에 전달하였으나, 후술하는 도 7과 같이 빔 스플리터 및 제2 광 검출기를 이용하여 헤테로다인 기준신호를 생성할 수도 있다.

도 7에 나타낸 것과 같이, 제5 실시예에 따른 인라인 스캐닝 홀로그래피 시스템(1500)은 편광기(1110), 선편광 방향 변환기(1120), 신호 생성부(1125), 콜리메이터(1130), 편광 감응형 렌즈(1140), 편광기(1150), 스캔 수단(1160), 집광기(1170), 제1 광 검출기(1175), 빔 스플리터(1565), 제2 광 검출기(1566), 전자처리부(1180)를 포함한다.

이러한 도 7은 도 1의 구성에 빔 스플리터(1565) 및 제2 광 검출기(1566)가 부가된 경우에 해당한다. 빔 스플리터(1565)는 편광기(1150)와 스캔수단(1160) 사이에 설치되어, 편광기(1150)를 통과한 빔의 일부를 투과시켜 스캔수단(1160)에 전달하고 나머지를 반사시킨다.

제2 광 검출기(1566)는 빔 스플리터(1565)에 의한 반사되는 빔의 경로 상에 위치하여, 빔 스플리터(1565)로부터 반사된 빔을 검출한다. 물론 빔 스플리터(1565)로부터 반사된 빔은 제2 집광기(1567)에 의해 공간적으로 집적된 후 제2 광 검출기(1566)에서 검출된다.

이러한 제2 광 검출기(1566)는 반사된 빔을 검출하여 이를 기초로 비팅 신호 sin(12Ω(t))을 생성한다. 비팅 신호는 앞서 사용된 헤테로다인 기준 신호와 동일한 것을 알 수 있다. 따라서 제2 광 검출기(1566)는 비팅신호를 기준 신호로 하여 헤테로다인 검출기(1181)에 입력할 수 있다.

이러한 제5 실시예의 경우 신호 생성부(1525)는 주기적 램프 신호 Ω(t)를 생성하여 선편광 방향 변환기(1120)에 인가하며, 제2 광 검출기(1566)는 반사된 빔을 기초로 생성한 헤테로다인 기준 신호 sin(12Ω(t))를 전자처리부(1180)의 헤테로다인 검출기(1181)로 인가하면 된다.

상술한 제1 내지 제5 실시예는 대상체(1010)로부터 반사된 빛을 집광하는 것으로 설명하였으나, 대상체(1010)가 형광하는 형광체인 경우 대상체(1010)로부터 형광된 빛을 제1 집광기(1170)를 이용하여 집광하여 제1 광검출기(1175)에 전달하고 제1 광 검출기(1175)는 제1 집광기(1170)를 통해 공간적으로 집적된 빔을 검출하여 형광체의 홀로그램을 레코딩할 수 있다. 이때, 제1 광검출기(1175)와 대상체(1010) 사이에 대상체(1010)로부터 형광된 빛의 파장에 해당하는 빛을 필터링해서 제1 광검출기(1175)에 전달하도록 하는 이색성 거울(dichroic mirror)을 포함한 광학 필터를 위치시켜, 광학 노이즈를 저감할 수 있다.

또한, 대상물(1010)이 빛을 투과하는 투과형 대상물(1010)인 경우 대상물(1010)을 투과한 빛의 경로에 제1 집광기(1170)와 제1 광검출기(1175)를 위치시켜, 대상물을 투과한 빛을 제1 집광기(1170)를 이용해 집광하여 제1 광검출기(1175)에 전달하고, 제1 광 검출기(1175)는 제1 집광기(1170)를 통해 공간적으로 집적된 빔을 검출하여 투과형 대상물(1010)의 홀로그램을 레코딩할 수 있다.

또한, 제1 내지 제5 실시예에서 제1 광검출기(1175)와 대상체(1010) 사이에 푸리에 렌즈(Fourier lens)와, 푸리에 렌즈의 초점에 위치한 핀홀(pin-hole)로 구성된 공간 필터(spatial filter)를 각각 위치시켜 대상체(1010)로부터 반사 또는 투과된 빛을 공간적으로 필터링하면, 대상체(1010)의 위상 분포를 포함한 홀로그램을 얻을 수 있다.

이상과 같은 본 발명에 따른 인라인 스캐닝 홀로그래피 시스템에 의하면, 편광 감응형 렌즈를 이용하여 단일의 광 경로에서 스캐닝 패턴을 형성함에 따라 고효율 및 고품질의 광 스캐닝 홀로그래피를 구현할 수 있음은 물론 높은 안정성 및 낮은 복잡도의 광학계 구조를 사용하여 외부 환경에 강인하고 안정적인 이점이 있다.

다음은 도 8 내지 도 11을 참조하여 기하 위상 스캐닝 홀로그래피 시스템을 설명한다.

기하 위상 스캐닝 홀로그래피 시스템은, 기하 위상 검출 방식을 이용함에 따라, 광 신호를 변조하기 위한 복잡한 변조 장치 없이도, 쌍영상 잡음과 배경 잡음이 제거된 실제 물체의 복소수 홀로그램을 획득할 수 있는 구조를 제안한다.

도 8에 나타낸 것과 같이, 제1 실시예에 따른 인라인 스캐닝 홀로그램 장치(2100)는 편광 빔스플리터(2110), 제1 및 제2 1/4 파장판(2115,2120), 제1 및 제2 콜리메이터(2125,2130), 제1 렌즈(2135), 제1 빔스플리터(2140), 스캔수단(2145), 집광기(2150), 제2 빔스플리터(2155), 제1 및 제2 편광기(2160a,2160b), 제1 및 제2 광검출기(2170a,2170b), 전자처리부(2180)를 포함한다.

우선, 광원으로부터 출력된 선편광(linearly polarized) 빔은 제1 거울(M1)에 전달되고, 제1 거울(M1)은 전달받은 선편광 빔을 편광 빔스플리터(2110)(polarizing beam splitter)에 입시사킨다.

편광 빔스플리터(2110)는 입사되는 선편광 빔을 서로 직교하는 p-편광의 제1 빔 및 s-편광의 제2 빔으로 분리한다.

편광 빔스플리터(2110)에 전달되는 빔의 도파 방향에 대해 수직한 평면에 대하여 상호 직교하는 편광 부분을 나누어, 편광 빔스플리터(2110)가 투과시키는 편광을 p-편광이라 하고, 반사시키는 편광을 s-편광이라 한다.

p-편광의 축 방향은 편광 빔스플리터(2110)와 제1 1/4 파장판(2115) 사이의 경로 상에 양방향 화살표로 도시하였고, s-편광의 축 방향은 편광 빔스플리터(2110)와 제2 1/4 파장판(2120) 사이의 경로 상에 p-편광의 축 방향에 직교한 방향의 양방향 화살표로 도시하였다.

여기서, 선편광 빔의 편광 방향을 p-편광 축에 대해 45도 회전된 방향으로 위치시켜, 편광 빔스플리터(2110)에 p-편광의 방향에 대해 45로 회전된 방향을 갖는 선편광 빔이 전달된다. 따라서 선편광 빔은 편광 빔스플리터(2110)의 p-편광 축에 대해 45도 회전된 편광 방향으로 입사된다.

편광 빔스플리터(2110)는 전달받은 선편광 빔 중 p-편광 부분을 통과시켜 제1 1/4 파장판(2115)으로 전달하고, s-편광 부분을 반사시켜 제2 1/4 파장판(2120)으로 전달한다. 제1 및 제2 1/4 파장판(2115,2120)(quarter wave plate)은 입사되는 빔의 편광을 변경한다.

제1 1/4 파장판(2115)은 p-편광의 제1 빔을 좌현 원편광 빔(left-handed circular polarized beam)으로 변환하여 제2 거울(M2)로 전달하고, 제2 1/4 파장판(2120)은 s-편광의 제2 빔을 우현 원편광 빔(right-handed circular polarized beam)으로 변환하여 제3 거울(M3)로 전달한다.

제2 거울(M2)은 전달받은 좌현 원편광 빔을 빔 확장기인 제1 콜리메이터(2125)로 전달하고, 제3 거울(M3)은 전달받은 우현 원편광 빔을 제2 콜리메이터(2130)로 전달한다.

제1 콜리메이터(2125)는 좌현 원편광 빔을 콜리메이션하여 평면파를 형성시켜 제1 빔스플리터(2140)로 전달한다. 즉, 제1 콜리메이터(2125)는 좌현 원편광 빔을 확장하여 좌현 원편광의 평면파를 제1 빔스플리터(2140)로 제공한다.

제2 콜리메이터(2130)는 우현 원편광 빔을 콜리메이션하여 평면파를 형성시켜 제1 렌즈(2135)로 전달한다. 즉, 제2 콜리메이터(2130)는 우현 원편광 빔을 확장하여 우현 원편광의 평면파를 제1 렌즈(2135)로 제공한다. 여기서, 제1 렌즈(2135)는 우현 원편광의 평면파를 다시 구면파로 변환하여 제1 빔스플리터(2140)로 제공한다.

좌현 원편광의 평면파와 우현 원편광의 구면파는 제1 빔스플리터(2140)의 일면과 타면을 통해 각각 들어와 서로 중첩된다. 즉, 제1 빔스플리터(2140)는 좌현 원편광의 평면파와 우현 원편광의 구면파를 상호 중첩시켜 간섭 빔을 형성하며, 형성한 간섭 빔을 스캔수단(2145)으로 전달한다.

이때, 간섭 빔은 기하 위상 프레넬 윤대판(Geometric Phase Fresnel Zone Plate) 형태로서 아래의 수학식 6으로 정의될 수 있다.

여기서, λ는 사용된 빔의 파장, (x₀ ²+y₀ ²)는 빔의 광축에 직교하는 평면을 (x₀,y₀)로 하는 카타르시안 좌표계, z는 상기 구면파의 초점위치로부터 대상물까지의 거리, θ는 편광 빔스플리터의 p-편광 축에 대해 시계 방향으로 선편광된 각도를 나타낸다.

즉, 도 8의 제1 빔스플리터(2140)를 통해 중첩된 우현 원평광된 구면파와 좌현 원편광된 평면파 중에서 편광 빔스플리터(2110)의 p-편광 축에 대해서 시계방향으로 θ의 각을 갖는 축 방향으로 선편광된 부분의 간섭 패턴은 위상이 2θ 만큼 천위된 프레넬 윤대판(Fresnel zone plate)이 된다. 이때, 편광축의 기하적인 회전각에 의해 간섭패턴의 위상이 천위되므로, 이러한 형태를 기하 위상 프레넬 윤대판(Geometrical Phase Fresnel Zone Plate)이라 한다.

스캔수단(2145)은 제1 빔스플리터(2140)로부터 전달받은 간섭 빔을 이용하여 대상물을 스캔한다. 스캔수단(2145)은 이러한 간섭 빔을 응답지령빔으로 하여 촬영 대상물(이하, 대상물)(2010)을 스캔한다.

대상물을 스캔하기 위한 응답지령빔의 세기 패턴은 수학식 7과 같이 정의될 수 있다.

여기서, dc는 구면파 세기 패턴과 평면파 세기 패턴의 합으로, 이상적인 경우에는 공간에 따른 변화가 없고 실제의 경우에도 공간에 따른 변화가 아주 작은 직류 바이어스(direct current bias) 성분이다.

본 실시예에서 스캔수단(2145)은 거울 스캐너를 사용한다. 거울 스캐너는 대상물(2010)을 X 방향으로 스캔하는 수평 스캔 거울과, Y 방향으로 스캔하는 수직 스캔 거울을 갖는 X-Y 스캐너로 구성된다. 물론, 본 발명의 경우 스캔수단(2145)이 거울 스캐너로 한정되는 것은 아니며 이와 유사한 수단 또는 공지된 다른 스캔수단이 사용될 수도 있다.

본 발명의 실시예는 거울 형태의 스캔수단(2145)에 우현 원편광된 구면파와 좌현 원편광된 평면파가 중첩된 빔이 전달되고, 스캔수단(2145)은 기하 위상 프레넬 윤대판을 대상물을 가로질러 이동시킴에 따라, 대상물을 스캐닝할 수 있도록 한다.

스캔수단(2145)은 전자처리부(2180)에 마련된 스캔 제어부(2185)로부터 스캐닝 제어신호를 받아 동작되며, 스캔 제어부(2185)는 스캔수단(2145)의 스캐닝 위치를 제어하기 위한 스캐닝 제어신호를 발생시킨다. 여기서, 스캐닝 제어신호는 수평 스캔 거울 및 수직 스캔 거울을 수평 방향 및 수직 방향으로 각각 제어하기 위한 수평 스캔 신호 및 수직 스캔 신호를 포함할 수 있다.

물론, 이렇게 거울 스캐너를 이용하는 대신 대상물을 대물판 위에 위치시키고, 대물판을 수평 이동하여 대상물을 스캔할 수 있음은 물론이다. 본 발명은 이외에도 전자광 편향기(electrooptic deflector)를 이용하는 등 다양한 방법을 이용하여 대상물을 스캔할 수 있다.

스캔수단(2145)에 의해 지정되는 스캔 빔의 스캔 위치에서 대상물(2010)로부터 반사된 빔은 집광기(2150)에 의해서 공간적(spatially)으로 집적(integrated)된다.

여기서, 집광기(2150)는 렌즈를 통해 구현될 수 있으며, 이외에도 오목 반사경을 포함한 영상(imaging) 또는 비 영상(non-imaging) 집광기 등의 공지된 다양한 집광수단으로 구현될 수 있다.

집광기(2150)에 의해 집광된 빔은 제2 빔스플리터(2155)로 전달된다. 제2 빔스플리터(2155)는 집광기(2150)로부터 집광된 빔을 전달받아 제1 및 제2 출력 빔으로 분리한다. 제2 빔스플리터(2155)는 집광기(2150)에 의해 집광된 빛 중 일부를 통과시켜 제1 편광기(2160a)로 전달하고, 일부를 반사시켜 제2 편광기(2160b)로 전달한다. 즉, 통과된 제1 출력 빔은 제1 편광기(2160a)로, 반사된 출력 제2 빔은 제2 편광기(2160b)로 전달된다.

제1 및 제2 편광기(2160a,2160b)는 전달받은 제1 및 제2 출력 빔을 각각 편광시킨다. 여기서, 제2 편광기(2160b)는 제1 편광기(2160a)의 편광 방향을 기준으로 시계 방향으로 45도 회전된 편광 방향으로 위치시킨다.

제1 편광기(2160a)는 제2 빔스플리터(2155)로부터 전달받은 제1 출력 빔 중 제1 편광기(2160a)의 편광 방향으로 편광된 빔을 투과시켜 제1 광검출기(2170a)로 전달한다. 마찬가지로, 제2 편광기(2160b)는 전달받은 제2 출력 빔 중 제2 편광기(2160b)의 편광 방향으로 편광된 빔을 투과시켜 제2 광검출기(2170b)로 전달한다.

제1 및 제2 광검출기(2170a,2170b)는 제1 및 제2 편광기(2160a,2160b)에 대응하여 설치되며, 제1 및 제2 편광기(2160a,2160b)를 통과한 각각의 출력 빔을 검출한다.

제1 및 제2 광검출기(2170a,2170b)는 광 다이오드로 구현될 수 있으나, 본 발명이 반드시 이에 한정되지 않으며, 광증배관(photo-multiplier tube) 등 다양한 광 검출수단이 적용될 수 있다. 또한, 집광기 없이도 광 검출수단의 검출 면으로 전달되어 들어오는 빛을 직접 검출할 수도 있다.

제1 및 제2 광검출기(2170a,2170b)는 집광기(2150)를 통해 공간적으로 집적된 빔 중 제1 편광기(2160a)의 방향으로 편광된 편광 부분과 제2 편광기(2160b) 방향으로 편광된 편광 부분을 검출하여 전류 신호로 변환하는데, 편광 부분의 세기에 따라 전류를 생성한다.

즉, 제1 및 제2 광검출기(2170a,2170b)는 제1 및 제2 편광기(2160a,2160b)를 통과한 제1 및 제2 출력 빔의 세기에 대응하여 제1 및 제2 전류 신호를 생성한다.

스캔수단(2145)에 의해 지정되는 스캔 빔의 스캔 위치에 대해 제1 광검출기(2170a)에서 생성된 제1 전류신호는 제1 편광기 방향의 기하 위상 프레넬 윤대판과 대상물의 3차원 영상분포가 인코드된 패턴에 해당하고, 제2 광검출기(2170b)에서 생성된 제2 전류신호는 제2 편광기 방향의 기하 위상 프레넬 윤대판과 대상물의 3차원 영상분포가 인코드된 패턴에 해당한다.

제2 편광기(2160b)의 편광 방향은 제1 편광기(2160a)의 편광 방향을 기준으로 시계 방향으로 45도 회전되어 있다. 따라서, 제1 및 제2 광검출기에서 각각 생성한 제1 및 제2 전류 신호(

,

)는 제1 편광기(2160a)의 편광 방향을 기준으로 아래의 수학식 8과 수학식 9와 같이 정의될 수 있다.

여기서, O(x₀,y₀;z)는 대상물의 반사율(reflectance)에 대한 3차원 분포로서 대상물의 3차원 영상이며,

는 콘볼루션(convolution) 연산, λ는 사용된 빔의 파장, (x,y)는 스캔수단에 의해 지정되는 스캔 빔의 스캔 위치, z는 구면파의 초점위치로부터 대상물까지의 거리(대상물의 깊이 위치), dc는 직류 바이어스 성분이다.

이러한 수학식 8과 수학식 9에 의한 제1 및 제2 전류 신호는 전자처리부(2180) 내의 제1 및 제2 dc 제거 필터(2181a,2181b)로 각각 전달된다.

전자처리부(2180)는 제1 및 제2 광검출기에서 검출된 제1 및 제2 전류 신호를 처리하여 대상물의 복소수 홀로그램을 생성하며, 제1 및 제2 dc 제거 필터(2181a,2181b), AD 컨버터(2182), 신호처리부(2183), 저장부(2184) 및 스캔 제어부(2185)를 포함한다.

제1 및 제2 dc 제거 필터(2181a,2181b)는 제1 및 제2 전류 신호로부터 각각 직류 바이어스 성분 즉, dc 성분을 제거하여 AD 컨버터(2182)에 입력시킨다.

제1 및 제2 dc 제거 필터(2181a,2181b)는 수학식 8, 9에서 dc와 대상물의 반사율 분포가 콘볼루션된 부분을 제거하여 아래의 수학식 10, 11과 같은 신호를 출력으로 생성하여 AD 컨버터(2182)로 전달한다.

AD 컨버터(2182)는 각각의 필터를 통해 dc 성분이 필터링된 제1 및 제2 전류 신호를 디지털 신호로 변환한다. 이러한 AD 컨버터(2182)는 두 개의 입력 채널을 가지며 수학식 10의 동위상 신호와 수학식 11의 π/2 위상 신호를 각 채널을 통해 입력받아 디지털 신호로 변환한다.

신호처리부(2183)는 변환된 디지털 신호로부터 대상물의 복소수 홀로그램을 생성하고, 저장부(2184)는 생성된 복소수 홀로그램을 저장한다.

이때 복소수 홀로그램은 아래의 수학식 12와 같이 정의될 수 있다.

여기서,

는

로부터 dc 성분을 제거한 상태의 값,

는

로부터 dc 성분을 제거한 상태의 값을 나타낸다.

스캔 제어부(2185)는 대상물의 임의 위치에 대한 홀로그램 처리가 완료될 때마다 스캔수단(2145)의 위치를 변경시키는 제어 신호를 생성하여 스캔수단(2145)으로 전달한다. 물론, 이를 위해, 신호처리부(2183)는 수학식 1O과 11을 수학식 12와 같이 복소수 더하기 방법으로 더하여 각각의 스캔 위치에 대한 2차원 배열을 형성하고 저장부(2184)는 이를 저장한다.

여기서, 제1 및 제2 dc 제거 필터(2181a,2181b)를 생략하는 대신, AD 컨버터(2182)가 제1 및 제2 광검출기(2170a,2170b)의 출력을 받아서 이를 디지털 신호로 변환 후 디지털 신호처리 방식을 통해 dc 제거 필터링을 수행할 수도 있다.

이외에도, 신호처리부(2183)는 수학식 10, 11에 대하여 각각의 스캔 위치에 따른 2차원 배열을 형성하여 저장부(2184)로 전달한 다음, 스캔이 종료되면 저장부(2184)로부터 읽어들여 수학식 10, 11에 대응하는 2차원 배열을 수학식 12의 복소수 더하기 방법으로 더한 후 다시 저장부(2184)에 저장할 수 있다.

여기서 수학식 12는 종래의 광 스캐닝 홀로그램을 이용하여 획득한 복소수 홀로그램과 동일한데, 이는 곧 복잡한 광 변조기를 사용하지 않고도 기존과 동일한 형태의 홀로그램을 생성할 수 있음을 의미한다.

본 발명의 제1 실시예에서는 선편광 빔을 편광 빔스플리터(2110)를 통해 p-편광과 s-편광으로 분리한 다음 제1 1/4파장판(2115)과 제2 1/4 파장판(2120)을 이용하여 우현 원편광 빔과 좌현 원편광 빔을 생성하였으나, 본 발명이 반드시 이에 한정되지 않으며, 공지된 다양한 간섭수단을 이용하여 우현 원편광과 좌현 원편광을 생성할 수 있다.

도 9는 도 8의 변형 예를 나타낸 도면이다. 이러한 도 9는 좌현 원편광 빔과 우현 원편광 빔을 생성하는 다른 실시예를 나타낸다.,

도 9의 경우 도 8의 편광 빔스플리터(2110), 제1 1/4파장판(2115) 및 제2 1/4파장판(2120)을 제거하는 대신, 편광 빔스플리터(2110)의 위치에는 편광에 무관한 빔스플리터(2111)를 위치시키고, 제2 1/4 파장판(2120)의 위치에는 1/2 파장판(2121)(half wave plate)을 위치시키며, 광원에서는 선편광 빔이 아닌 좌현 원편광 빔을 생성하여 빔스플리터(2111)로 전달한다.

빔스플리터(2111)는 광원으로부터 입사되는 좌현 원편광 빔의 일부를 투과시켜 제2 거울(M2)에 전달하고 일부를 반사시켜 1/2 파장판(2121)에 전달한다. 1/2 파장판(2121)은 전달받은 좌현 원편광 빔을 우현 원편광 빔으로 변환하여 제3 거울(M3)로 전달한다. 즉, 이와 같은 방식을 통해서도 우현 원편광 빔과 좌현 원편광 빔을 생성할 수 있다. 이후의 동작은 앞서 도 8의 원리와 동일하다.

도 10에 나타낸 것과 같이, 제2 실시예에 따른 기하 위상 스캐닝 홀로그래피 시스템(2200)은 편광 빔스플리터(2110), 제1 및 제2 1/4 파장판(2115,2120), 제1 및 제2 콜리메이터(2125,2130), 제1 렌즈(2135), 제1 빔스플리터(2140), 스캔수단(2145), 집광기(2150), 제2 빔스플리터(2155), 제1 및 제2 편광기(2160a,2160b), 제1 및 제2 광검출기(2170a,2170b), 전자처리부(2180), 제2 렌즈(2390)를 포함한다.

이러한 도 10의 제2 실시예는 도 8에 의한 제1 실시예의 구조에서 제1 빔스플리터(2140)와 대상물 사이에 제2 렌즈(2390)를 추가로 삽입한 것이다. 따라서 도 10에서 도 8의 제1 실시예의 경우와 동일한 부호를 갖는 구성요소는 동일한 동작을 수행함을 의미하므로, 동일한 부호의 구성요소에 대한 별도의 설명은 생략한다.

도 10의 경우 제2 렌즈(2390)는 제1 빔스플리터(2140)와 스캔수단(2145) 사이에 위치하며, 제1 콜리메이터(2125)에서 생성된 좌현 원편광의 평면파를 제1 구면파로 변환한다. 이때, 제1 빔스플리터(2140)에서 형성되는 간섭 빔은 서로 다른 초점 위치를 갖는 좌현 원편광의 구면파와 우현 원편광의 구면파 간의 중첩에 의해 형성되는 비선형 프레넬 윤대판 형태를 가지게 된다.

구체적으로, 제2 렌즈(2390)는 제1 콜리메이터(2125)에서 생성된 좌현 원편광의 평면파를 제1 구면파로 변환하여 대상물로 전달하며, 제2 콜리메이터(2130)와 제1 렌즈(2135)에 의해 형성된 우현 원편광의 제2 구면파의 초점 위치를 대상물 쪽으로 전달한다.

이때, 제2 렌즈(2390)를 통과하여 형성된 제1 구면파의 제1 초점의 위치와, 제1 렌즈(2135)를 통과하여 초점 위치가 변경된 제2 구면파의 제2 초점의 위치가 대상물과 제2 렌즈(2390) 사이에 위치할 경우, 대상물을 스캔하는 스캔 빔은 서로 다른 초점 위치를 갖는 발산하는 두 구면파의 중첩에 의해 비선형 프레넬 윤대판이 된다.

또한, 비선형 윤대판을 이용하여 대상물을 스캔하고 대상물로부터 반사된 빔을 제1 실시예의 경우와 같이 집광하여 처리하면 대상물의 비선형 홀로그램을 획득하여 저장부에 저장할 수 있다. 저장부에 저장된 비선형 홀로그램은 수학식 13과 같이 표현된다.

여기서, d는 제1 구면파의 초점과 제2 구면파의 초점 사이의 거리이다. 비선형 홀로그램의 경우 본 출원인에 의한 한국공개특허 제2013-0081127호(22013.07.16 공개)에 따라 d를 조정하여 축소 및 확대에 따른 왜곡을 보정할 수 있다. d는 렌즈의 이미징 법칙에 따라 제2 렌즈(2390)의 위치와 초점거리를 변경하여 조정할 수 있다.

또한, 대상물을 제1 구면파의 초점위치와 제2 구면파의 초점위치 사이에 위치시키는 경우, 발산하는 구면파와 수렴하는 구면파의 역 방향 곡률의 간섭에 의해 형성된 패턴으로 인코드된 물체의 홀로그램을 획득하고 수치적으로 복원하여 분해능을 향상시킬 수 있다. 이는 수학식 14와 같이 주어진다.

다음은 본 발명의 제3 실시예를 설명한다. 제3 실시예는 추가적인 광검출기를 부가하여 제1 및 제2 dc 제거 필터(2181a,2181b) 사용 없이도 dc 성분을 제거함은 물론 노이즈에 강건한 홀로그램을 획득하는 방식이다.

도 11에 나타낸 것과 같이, 제3 실시예에 따른 기하 위상 스캐닝 홀로그래피 시스템(2300)은 편광 빔스플리터(2110), 제1 및 제2 1/4 파장판(2115,2120), 제1 및 제2 콜리메이터(2125,2130), 제1 렌즈(2135), 제1 빔스플리터(2140), 스캔수단(2145), 집광기(2150), 제2 내지 제4 빔스플리터(2455a,2455b,2455c), 제1 내지 제4 편광기(2460a,2460b,2460c,2460d), 제1 내지 제4 광검출기(2470a,2470b,2470c,2470d), 전자처리부(2480)를 포함한다.

이러한 도 11의 제3 실시예는 도 8의 제1 실시예의 구조에서 집광 부분의 구성이 변경된 것이다. 따라서 도 11에서 도 8의 제1 실시예와 동일한 부호를 갖는 구성요소는 동일한 동작을 수행함을 의미하므로, 동일한 부호의 구성요소에 대한 별도의 설명은 생략한다.

이하에서는 집광기(2150) 이후의 구성 부분을 중점적으로 설명한다.

제2 빔스플리터(2455a)는 집광기(2150)에서 집광된 빔을 입사받아 제1 및 제2 출력 빔으로 분리한다. 제2 빔스플리터(2455a)에서 투과된 제1 출력 빔은 제3 빔스플리터(2455b)로, 반사된 제2 출력 빔은 제4 빔스플리터(2455c)에 전달된다.

제3 빔스플리터(2455b)는 제1 출력 빔을 다시 제1a 및 제1b 출력 빔으로 분리한다. 제3 빔스플리터(2455b)에서 투과된 제1a 출력 빔은 제1 편광기(2460a)로 전달되고, 반사된 제1b 출력 빔은 제2 편광기(2460b)로 전달된다.

제4 빔스플리터(2455c)는 제2 출력 빔을 다시 제2a 및 제2b 출력 빔으로 분리한다. 제4 빔스플리터(2455c)에서 투과된 제2a 출력 빔은 제3 편광기(2460c)로 전달되고, 반사된 제2b 출력 빔은 제4 편광기(2460d)로 전달된다.

이때, 제2, 제3 및 제4 편광기(2460b,2460c,2460d)는 각각 제1 편광기(2460a)의 편광 방향을 기준으로 시계 방향으로 45도, 90도, 135도 회전된 편광 방향을 가진다.

제1 내지 제4 광검출기(2470a,2470b,2470c,2470d)는 제1 내지 제4 편광기(2460a,2460b,2460c,2460d)에 각각 대응하여 설치되어, 제1 내지 제4 편광기(2460a,2460b,2460c,2460d)를 통과한 각각의 출력 빔을 검출한다.

여기서, 제1 내지 제4 광검출기(2470a,2470b,2470c,2470d)는 앞서 제1 실시예와 같이, 제1 내지 제4 편광기(2460a,2460b,2460c,2460d)를 통과한 각각의 출력 빔의 세기에 대응하여 제1 내지 제4 전류 신호를 각각 생성한다.

검출된 제1 내지 제4 전류 신호는 제n 전류 신호(

)로 명명하며, 아래의 수학식 15와 같이 정의될 수 있다.

여기서, n={1,2,3,4}로, 제1,2,3,4 광검출기에 각각 대응하는 인덱스이다.

또한, p_n은 n으로 지정된 n번째 광검출기에서 각각 생성된 홀로그램 신호의 천위된 위상, O(x₀,y₀;z)는 대상물의 반사율에 대한 3차원 분포로서 대상물의 3차원 영상이며,

는 콘볼루션(convolution) 연산, λ는 사용된 빔의 파장, (x,y)는 스캔수단(2145)에 의해 지정되는 스캔 빔의 스캔 위치, z는 구면파의 초점위치로부터 대상물까지의 거리이다.

이러한 수학식 15에 의한 제1 내지 제4 전류 신호는 각각 전자처리부(2480) 내의 AD 컨버터(2482)로 전달된다.

전자처리부(2480)는 제1 내지 제4 광검출기에서 검출된 제1 내지 제4 전류신호를 처리하여 대상물의 복소수 홀로그램을 생성하며, AD 컨버터(2482), 신호처리부(2483), 저장부(2484) 및 스캔 제어부(2485)를 포함한다.

AD 컨버터(2482)는 제1 내지 제4 전류 신호를 디지털 신호로 변환한다. AD 컨버터(2482)는 4개의 입력 채널을 가지며 수학식 15의 0 위상, π/2 위상, π 위상, 3π/2 위상를 각 채널을 통해 입력받아 디지털 신호로 변환한다. 변환된 디지털 전류신호는 스캔수단(2145)의 스캐닝 위치와 함께 신호처리부(2483)로 제공된다.

신호처리부(2483)는 변환된 디지털 신호로부터 대상물의 복소수 홀로그램을 생성하고, 저장부(2484)는 생성된 복소수 홀로그램을 저장한다.

이때 복소수 홀로그램은 아래의 수학식 16과 같이 정의될 수 있다.

스캔 제어부(2485)는 대상물의 임의 위치에 대한 홀로그램 처리가 완료될 때마다 스캔수단(2145)의 위치를 변경시키는 제어 신호를 생성하여 스캔수단(2145)으로 전달한다. 물론, 이를 위해, 신호처리부(2483)는 수학식 15에 의한 각각의 위상에 따른 신호를 수학식 16과 같이 복소수 더하기 방법으로 더하여 각각의 스캔 위치에 대한 2차원 배열을 형성하고 저장부(2484)는 이를 저장한다.

이외에도, 신호처리부(2483)는 수학식 15의 각 위상에 따른 신호에 대하여 각각의 스캔 위치에 따른 2차원 배열을 형성하여 저장부(2484)로 전달한 다음, 스캔이 종료되면 저장부(2484)로부터 읽어들여 수학식 15의 각각의 위상에 따른 신호에 대응하는 2차원 배열을 수학식 16의 복소수 더하기 방법으로 더한 후 다시 저장부(2484)에 저장할 수 있다.

다음은 본 발명의 제4 실시예에 관하여 설명한다. 본 발명의 제4 실시예는 제3 실시예의 도면인 도 11에서 점선 박스 내의 제4 빔 스플리터(2455c), 제4 편광기(2460d), 제4 광검출기(2470d)를 제거한 경우이다.

이때, 제2 및 제3 빔스플리터(2455a,2455b)의 동작은 제3 실시예와 동일하다. 제3 실시예와 다른 점은 제2 빔스플리터(2455a)에서 반사된 제2 출력 빔이 제3 편광기(2460c)에 전달되어 편광되며, 제3 편광기(2460c)를 통해 편광된 빔은 제3 광검출기(2470c)에서 검출된다.

이러한 제4 실시예의 경우 제1,제2,제3 광검출기(2470a,2470b,2470c)에서 출력된 3개의 전류 신호를 3개 채널을 갖는 AD 컨버터를 이용하여 디지털 신호로 변환하여 신호 처리부에 전달하고, 신호 처리부는 이를 수학식 17의 방법으로 처리하여 복소수 홀로그램을 얻을 수 있다.

이상과 같은 본 발명에 따른 기하 위상 스캐닝 홀로그래피 시스템에 따르면, 광 신호를 변조하기 위한 복잡한 변조 장치의 사용 없이 편광에 따른 기하학적 구조를 이용하여 쌍영상 잡음과 배경 잡음이 없는 실제 물체의 복소수 홀로그램을 획득할 수 있어 구조의 복잡도를 낮출 수 있고 소형 및 경량화가 가능함은 물론, 에너지 소비에 민감한 모바일 기기에도 적용 가능한 이점을 제공한다.

다음은 도 12 내지 도 20을 참조하여 기하 위상 인라인 스캐닝 홀로그래피 시스템을 설명한다.

기하 위상 인라인 스캐닝 홀로그래피 시스템은, 편광 감응형 렌즈를 이용하여 단일의 광 경로에서 스캐닝 패턴을 형성함에 따라 높은 안정성 및 낮은 복잡도를 가지며, 기하 위상 검출 방식을 이용함에 따라 복잡한 변조 장치 없이도 쌍영상 잡음과 배경 잡음이 제거된 실제 물체의 복소수 홀로그램을 획득할 수 있다.

도 12에 나타낸 것과 같이, 제1 실시예에 따른 기하 위상 인라인 스캐닝 홀로그래피 시스템(3100)은 편광기(3110), 콜리메이터(3120), 편광 감응형 렌즈(3130), 스캔수단(3140), 집광기(3150), 제1 빔스플리터(3155), 제1 및 제2 편광기(3160a,3160b), 제1 및 제2 광검출기(3170a,3170b), 전자처리부(3180)를 포함한다.

편광기(3110)(linear polarizer)는 입력된 광원을 선편광 빔(linearly polarized light)으로 변환하여 콜리메이터(3120)로 제공한다. 도 12에서 광원 및 편광기(3110)는 생략될 수 있으며 이 경우 외부에서 만들어진 선편광 빔이 콜리메이터(3120)로 바로 입력될 수 있다. 또한, 도 12에서 광원이 생략되는 경우에는 외부에서 제공된 광원이 편광기(3110)로 바로 입력될 수 있다.

콜리메이터(3120)(collimator)는 편광기(3110)에서 출력된 빔을 확장시켜 편광 감응형 렌즈(3130)로 전달하며, 빔을 확장할 수 있는 다양한 수단으로 구현될 수 있다.

편광 감응형 렌즈(3130)(polarization sensitive lens)는 콜리메이터(3120)를 통해 확장된 선편광 빔을 입사받아, 음의 초점거리를 갖는 우현 원편광의 제1 구면파 및 양의 초점거리를 갖는 좌현 원편광의 제2 구면파를 동시에 생성한다.

여기서, 편광 감응형 렌즈(3130)는 기하 위상 렌즈(geometric phase lens)로 구성될 수 있다. 편광 감응형 렌즈(3130)는 액정(liquid crystal)에 기반한 판카랏남 상(Pancharatnam-phase) 효과를 갖는 얇은 평판형 구조이며, 입력된 빛의 편광에 따라 입력 빔의 파면을 양과 음의 초점거리를 갖는 파면으로 변경하는 렌즈 역할을 한다. 기하 위상 렌즈는 공지된 것과 같이 마하젠더 간섭계 기반의 아날로그 홀로그램 레코딩 장치를 이용하여 제작될 수 있으며, 예를 들어 ImagineOptix사에서 제공하는 기성품을 사용할 수 있다.

도 13의 (a)와 같이, 기하 위상 렌즈(편광 감응형 렌즈; 3130)는 우현 원편광(right-handed circular polarized beam)이 입사되면 해당 편광 방향에 감응하여 볼록 렌즈로 작용하여 양의 초점거리(+f_gp)를 갖는 좌현 원편광(left-handed circular polarized beam)의 구면파를 만들고, 도 13의 (b)와 같이 좌현 원편광이 입사되면 해당 편광 방향에 감응하여 오목 렌즈로 작용하여 음의 초점거리(-f_gp)를 갖는 우현 원편광의 구면파를 만든다.

다만, 본 발명의 실시예의 경우, 도 13의 (c)와 같이, 선편광(linearly polarized)의 파면이 기하 위상 렌즈에 입력되는데, 이 경우 기하 위상 렌즈는 입력된 빛의 에너지 세기를 거의 절반씩 나누어 음의 초점거리(-f_gp)를 갖는 우현 원편광의 구면파(이하, 제1 구면파)와 양의 초점거리(+f_gp)를 갖는 좌현 원편광의 구면파(이하, 제2 구면파)의 파면을 동시에 생성한다.

이처럼, 편광 감응형 렌즈(3130)는 입사된 선편광 빔의 일부를 우현 원 편광으로 변경하여 입사되는 빔의 진행 방향과 반대 쪽에 초점을 위치시키는 제1 구면파를 형성하고, 이와 동시에 나머지를 좌현 원 편광으로 변경하여 입사되는 빔의 진행 방향 쪽에 초점을 위치시키는 제2 구면파를 형성한다.

편광 감응형 렌즈(3130)에서 인라인(In-Line)으로 도출된 제1 및 제2 구면파는 스캔수단(3140)으로 전달된다. 여기서 제1 구면파와 제2 구면파는 인라인 구조 상에서 상호 중첩되면서 간섭 빔을 형성하게 된다.

스캔수단(3140)은 제1 및 제2 구면파 사이에서 발생한 간섭 빔을 이용하여 대상물을 스캔한다.

이때, 간섭 빔은 기하 위상 프레넬 윤대판(Geometric Phase Fresnel Zone Plate) 형태로서 아래의 수학식 18로 정의될 수 있다.

여기서, λ는 사용된 빔의 파장, f_gp는 상기 편광 감응형 렌즈의 초점거리, (x₀ ²+y₀ ²)는 선편광 빔의 광축에 직교하는 평면을 (x₀,y₀)로 하는 카타르시안 좌표계, z는 제2 구면파의 초점위치로부터 대상물까지의 거리, θ는 편광기(3110)의 편광 축에 대해 시계 방향으로 선편광된 각도를 나타낸다.

즉, 도 12의 편광 감응형 렌즈(3140)를 통해 생성된 제1 구면파와 제2 구면파 중에서 편광기(3110)의 편광 축에 대해서 시계방향으로 θ의 각을 갖는 축 방향으로 선편광된 부분의 간섭 패턴은 위상이 2θ 만큼 천위된 비선형 프레넬 윤대판이 된다. 이때, 편광축의 기하적인 회전각에 의해 간섭패턴의 위상이 천위되므로, 이러한 형태를 기하 위상 프레넬 윤대판(Geometrical Phase Fresnel Zone Plate)이라 한다.

스캔수단(3140)은 편광 감응형 렌즈(3130)로부터 전달받은 간섭 빔을 이용하여 대상물을 스캔한다. 스캔수단(3140)은 이러한 간섭 빔을 응답지령빔으로 하여 촬영 대상물(이하, 대상물)을 스캔한다.

대상물을 스캔하기 위한 응답지령빔의 세기 패턴은 수학식 19와 같이 정의될 수 있다.

여기서, dc는 구면파 세기 패턴과 구면파 세기 패턴의 합으로, 이상적인 경우에는 공간에 따른 변화가 없고 실제의 경우에도 공간에 따른 변화가 아주 작은 직류 바이어스(direct current bias) 성분이다.

본 실시예에서 스캔수단(3140)은 거울 스캐너를 사용한다. 거울 스캐너는 대상물(3010)을 X 방향으로 스캔하는 수평 스캔 거울과, Y 방향으로 스캔하는 수직 스캔 거울을 갖는 X-Y 스캐너로 구성된다. 물론, 본 발명의 경우 스캔수단(3140)이 거울 스캐너로 한정되는 것은 아니며 이와 유사한 수단 또는 공지된 다른 스캔수단이 사용될 수도 있다.

본 발명의 실시예는 거울 형태의 스캔수단(3140)에 우현 원편광된 구면파와 좌현 원편광된 구면파가 중첩된 빔이 전달되고, 스캔수단(3140)은 기하 위상 프레넬 윤대판을 대상물을 가로질러 이동시킴에 따라, 대상물을 스캐닝할 수 있도록 한다.

스캔수단(3140)은 전자처리부(3180)에 마련된 스캔 제어부(3185)로부터 스캐닝 제어신호를 받아 동작되며, 스캔 제어부(3185)는 스캔수단(3140)의 스캐닝 위치를 제어하기 위한 스캐닝 제어신호를 발생시킨다. 여기서, 스캐닝 제어신호는 수평 스캔 거울 및 수직 스캔 거울을 수평 방향 및 수직 방향으로 각각 제어하기 위한 수평 스캔 신호 및 수직 스캔 신호를 포함할 수 있다.

스캔수단(3140)에 의해 지정되는 스캔 빔의 스캔 위치에서 대상물(3010)로부터 반사된 빔은 집광기(3150)에 의해서 공간적(spatially)으로 집적(integrated)된다.

여기서, 집광기(3150)는 렌즈를 통해 구현될 수 있으며, 이외에도 오목 반사경을 포함한 영상(imaging) 또는 비 영상(non-imaging) 집광기 등의 공지된 다양한 집광수단으로 구현될 수 있다.

집광기(3150)에 의해 집광된 빔은 제1 빔스플리터(3155)로 전달된다. 제1 빔스플리터(3155)는 집광기(3150)로부터 집광된 빔을 전달받아 제1 및 제2 출력 빔으로 분리한다. 제1 빔스플리터(3155)는 집광기(3150)에 의해 집광된 빛 중 일부를 통과시켜 제1 편광기(3160a)로 전달하고, 일부를 반사시켜 제2 편광기(3160b)로 전달한다. 즉, 통과된 제1 출력 빔은 제1 편광기(3160a)로, 반사된 출력 제2 빔은 제2 편광기(3160b)로 전달된다.

제1 및 제2 편광기(3160a,3160b)는 전달받은 제1 및 제2 출력 빔을 각각 편광시킨다. 여기서, 제2 편광기(3160b)는 제1 편광기(3160a)의 편광 방향을 기준으로 시계 방향으로 45도 회전된 편광 방향으로 위치시킨다.

제1 편광기(3160a)는 제1 빔스플리터(3155)로부터 전달받은 제1 출력 빔 중 제1 편광기(3160a)의 편광 방향으로 편광된 빔을 투과시켜 제1 광검출기(3170a)로 전달한다. 마찬가지로, 제2 편광기(3160b)는 전달받은 제2 출력 빔 중 제2 편광기(3160b)의 편광 방향으로 편광된 빔을 투과시켜 제2 광검출기(3170b)로 전달한다.

제1 및 제2 광검출기(3170a,3170b)는 제1 및 제2 편광기(3160a,3160b)에 대응하여 설치되며, 제1 및 제2 편광기(3160a,3160b)를 통과한 각각의 출력 빔을 검출한다.

제1 및 제2 광검출기(3170a,3170b)는 광 다이오드로 구현될 수 있으나, 본 발명이 반드시 이에 한정되지 않으며, 광증배관(photo-multiplier tube) 등 다양한 광 검출수단이 적용될 수 있다. 또한, 집광기 없이도 광 검출수단의 검출 면으로 전달되어 들어오는 빛을 직접 검출할 수도 있다.

제1 및 제2 광검출기(3170a,3170b)는 집광기(3150)를 통해 공간적으로 집적된 빔 중 제1 편광기(3160a)의 방향으로 편광된 편광 부분과 제2 편광기(3160b) 방향으로 편광된 편광 부분을 검출하여 전류 신호로 변환하는데, 편광 부분의 세기에 따라 전류를 생성한다.

즉, 제1 및 제2 광검출기(3170a,3170b)는 제1 및 제2 편광기(3160a,3160b)를 통과한 제1 및 제2 출력 빔의 세기에 대응하여 제1 및 제2 전류 신호를 생성한다.

스캔수단(3140)에 의해 지정되는 스캔 빔의 스캔 위치에 대해 제1 광검출기(3170a)에서 생성된 제1 전류신호는 제1 편광기 방향의 기하 위상 프레넬 윤대판과 대상물의 3차원 영상분포가 인코드된 패턴에 해당하고, 제2 광검출기(3170b)에서 생성된 제2 전류신호는 제2 편광기 방향의 기하 위상 프레넬 윤대판과 대상물의 3차원 영상분포가 인코드된 패턴에 해당한다.

제2 편광기(3160b)의 편광 방향은 제1 편광기(3160a)의 편광 방향을 기준으로 시계 방향으로 45도 회전되어 있다. 따라서, 제1 및 제2 광검출기(3170a,3170b)에서 각각 생성한 제1 및 제2 전류 신호(

,

)는 제1 편광기(3160a)의 편광 방향을 기준으로 아래의 수학식 20과 수학식 21과 같이 정의될 수 있다.

여기서, O(x₀,y₀;z)는 대상물의 반사율에 대한 3차원 분포로서 대상물의 3차원 영상이며,

는 콘볼루션(convolution) 연산, λ는 사용된 빔의 파장, (x,y)는 스캔수단에 의해 지정되는 스캔 빔의 스캔 위치, f_gp는 편광 감응형 렌즈의 초점거리, z는 제2 구면파의 초점위치로부터 대상물까지의 거리(대상물의 깊이 위치), dc는 직류 바이어스 성분을 나타낸다.

이러한 수학식 20과 수학식 21에 의한 제1 및 제2 전류 신호는 전자처리부(3180) 내의 제1 및 제2 dc 제거 필터(3181a,3181b)로 각각 전달된다.

전자처리부(3180)는 제1 및 제2 광검출기(3170a,3170b)에서 검출된 제1 및 제2 전류 신호를 처리하여 대상물의 복소수 홀로그램을 생성하며, 제1 및 제2 dc 제거 필터(3181a,3181b), AD 컨버터(3182), 신호처리부(3183), 저장부(3184) 및 스캔 제어부(3185)를 포함한다.

제1 및 제2 dc 제거 필터(3181a,3181b)는 제1 및 제2 전류 신호로부터 각각 직류 바이어스 성분 즉, dc 성분을 제거하여 AD 컨버터(3182)에 입력시킨다.

제1 및 제2 dc 제거 필터(3181a,3181b)는 수학식 20, 21에서 dc와 대상물의 반사율 분포가 콘볼루션된 부분을 제거하여 아래의 수학식 22, 23과 같은 신호를 출력으로 생성하여 AD 컨버터(3182)로 전달한다.

AD 컨버터(3182)는 각각의 필터를 통해 dc 성분이 필터링된 제1 및 제2 전류 신호를 디지털 신호로 변환한다. 이러한 AD 컨버터(3182)는 두 개의 입력 채널을 가지며 수학식 22의 동위상 신호와 수학식 23의 π/2 위상 신호를 각 채널을 통해 입력받아 디지털 신호로 변환한다.

신호처리부(3183)는 변환된 디지털 신호로부터 대상물의 복소수 홀로그램을 생성하고, 저장부(3184)는 생성된 복소수 홀로그램을 저장한다.

이때 복소수 홀로그램은 아래의 수학식 24와 같이 정의될 수 있다.

여기서,

는

로부터 dc 성분을 제거한 상태의 값,

는

로부터 dc 성분을 제거한 상태의 값을 나타낸다.

스캔 제어부(3185)는 대상물의 임의 위치에 대한 홀로그램 처리가 완료될 때마다 스캔수단(3140)의 위치를 변경시키는 제어 신호를 생성하여 스캔수단(3140)으로 전달한다. 신호처리부(3183)는 수학식 22와 23을 수학식 24와 같이 복소수 더하기 방법으로 더하여 각각의 스캔 위치에 대한 2차원 배열을 형성하고 저장부(3184)는 이를 저장한다.

여기서, 제1 및 제2 dc 제거 필터(3181a,3181b)를 생략하는 대신, AD 컨버터(3182)가 제1 및 제2 광검출기(3170a,3170b)의 출력을 받아서 이를 디지털 신호로 변환 후 디지털 신호처리 방식을 통해 dc 제거 필터링을 수행할 수도 있다.

이외에도, 신호처리부(3183)는 수학식 22, 23에 대하여 각각의 스캔 위치에 따른 2차원 배열을 형성하여 저장부(3184)로 전달한 다음, 스캔이 종료되면 저장부(3184)로부터 읽어들여 수학식 22, 23에 대응하는 2차원 배열을 수학식 24의 복소수 더하기 방법으로 더한 후 다시 저장부(3184)에 저장할 수 있다.

여기서 수학식 24는 종래의 광 스캐닝 홀로그램을 이용하여 획득한 복소수 홀로그램과 동일한데, 이는 곧 복잡한 광 변조기를 사용하지 않고도 복잡한 간섭계 구조 없이 인라인 구조를 통하여 기존과 동일한 형태의 홀로그램을 생성할 수 있음을 의미한다. 이러한 도 12의 구성은 추후 도 14, 도 17 및 도 18로 응용될 수 있다.

도 14에 나타낸 것과 같이, 제2 실시예에 따른 기하 위상 인라인 스캐닝 홀로그래피 시스템(3200)은 편광기(3110), 콜리메이터(3120), 편광 감응형 렌즈(3130), 제1 렌즈(3235), 스캔수단(3140), 집광기(3150), 제1 빔스플리터(3155), 제1 및 제2 편광기(3160a,3160b), 제1 및 제2 광검출기(3170a,3170b), 전자처리부(3180)를 포함한다.

이러한 도 14는 도 12의 제1 실시예의 구조에서 제1 렌즈(3235)가 추가로 삽입된 것을 나타내며, 동일한 부호의 구성요소에 대한 별도의 설명은 생략한다.

도 14에서 제1 렌즈(3235)는 편광 감응형 렌즈(3130)와 스캔수단(3140) 사이에 설치되어 제1 및 제2 구면파의 각 초점 간의 거리를 조정하고, 편광 감응형 렌즈 면의 패턴을 대상물 영역의 면으로 이미징하는 이미징 렌즈 역할을 한다.

즉, 기하 위상 렌즈 면을 제1 렌즈(3235)를 이용하여 확대 또는 축소하는 방식으로 대상물의 영역에 이미징하면, 기하 위상 렌즈 면에서의 패턴이 대상물에 이미징되어 투사될 수 있다.

제1 구면파의 초점 위치는 f1, 제2 구면파의 초점위치는 f2라 할 때, 도 12의 경우 f1과 f2 위치 간의 거리는 2f_gp 였지만, 도 14의 경우 f1과 f2 위치 간의 거리는 제1 렌즈(3235)의 축소 또는 확대율에 따라 2M² _imgf_gp로 변경된다.

또한 이러한 도 14의 경우, 간섭 빔은 기하 위상 비선형 프레넬 윤대판 형태로서, 아래의 수학식 25로 정의될 수 있다.

여기서, M_img는 편광 감응형 렌즈(기하 위상 렌즈) 면의 패턴을 대상물 영역의 면으로 이미징 시 제1 렌즈(3235)에 의한 상의 축소 또는 확대 비율, z_img는 제2 구면파의 초점위치로부터 대상물까지의 거리, 2M² _imgf_gp는 조정된 제1 및 제2 구면파의 각 초점 간의 거리이다.

이와 같이 편광 감응형 렌즈(3130)와 대상물(3010) 사이에 제1 렌즈(3235)를 위치시켜 확대 또는 축소의 방법으로 두 구면파의 초점 간 거리가 변경된 새로운 제1 및 제2 구면파를 대상물의 면에 위치시킬 수 있다.

예를 들면, 기하 위상 렌즈와 대상물 사이에 이미징 렌즈를 위치시켜, 기하 위상 렌즈 면을 대상물 면에 이미징하면 수렴하는 제1 구면파와 발산하는 제2 구면파의 간섭 패턴으로 인코딩된 홀로그램을 얻을 수 있으며, 이 경우 간섭 패턴은 아래의 수학식 26과 같이 정의될 수 있다.

그 밖에도, 본 발명의 실시예는 편광 감응형 렌즈(3130)와 스캔수단(3140) 사이에 제2 렌즈(미도시)를 위치시켜, 평면파와 구면파 간의 간섭 패턴을 형성시킬 수 있다.

이를 구체적으로 설명하면 다음과 같다. 이때 설명의 편의상 도 14의 235번 부호 자리에 제1 렌즈 대신 제2 렌즈가 배치된 것을 가정하여 설명한다.

제2 렌즈(미도시)는 편광 감응형 렌즈(3130)와 스캔수단(3140) 사이에 배치되되, 제2 구면파와 동일한 초점 위치(f2)에 초점이 형성되도록 배치된다. 이와 같이, 제2 렌즈(미도시)의 초점위치와 제2 구면파의 초점위치가 동일하게 되면, 제2 구면파는 평면파로 변환되고 제1 구면파는 구면파의 곡률이 제2 렌즈에 의해 추가된다.

이 경우, 간섭 빔은 제1 구면파와 평면파 간의 간섭에 의해 형성되는 선형 프레넬 윤대판 형태로서 아래의 수학식 27로 정의될 수 있다.

다음은 본 발명의 제3 실시예를 설명한다. 제3 실시예는 제1 실시예에 추가적인 광검출기를 부가하여, 제1 및 제2 dc 제거 필터(3181a,3181b) 사용 없이도 dc 성분을 제거함은 물론, 노이즈에 강건한 홀로그램을 획득하는 방식이다.

도 15에 나타낸 것과 같이, 제3 실시예에 따른 기하 위상 인라인 스캐닝 홀로그래피 시스템(3300)은 편광기(3110), 콜리메이터(3120), 편광 감응형 렌즈(3130), 스캔수단(3140), 집광기(3150), 제1 내지 제3 빔스플리터(3355a,3355b,3355c), 제1 내지 제4 편광기(3360a,3360b,3360c,3360d), 제1 내지 제4 광검출기(3370a,3370b,3370c,3370d), 전자처리부(3380)를 포함한다.

이러한 도 15의 제3 실시예는 도 12의 제1 실시예의 구조에서 집광 부분의 구성이 변경된 것이다. 따라서 도 15에서 도 12의 제1 실시예와 동일한 부호를 갖는 구성요소는 동일한 동작을 수행함을 의미하므로, 동일한 부호의 구성요소에 대한 별도의 설명은 생략한다. 또한, 이러한 도 15의 구성은 추후 도 17, 도 19 및 도 20으로 응용될 수 있다.

이하에서는 집광기(3150) 이후의 구성 부분을 중점적으로 설명한다.

제1 빔스플리터(3355a)는 집광기(3150)에서 집광된 빔을 입사받아 제1 및 제2 출력 빔으로 분리한다. 제1 빔스플리터(3355a)에서 투과된 제1 출력 빔은 제2 빔스플리터(3355b)로, 반사된 제2 출력 빔은 제3 빔스플리터(3355c)에 전달된다.

제2 빔스플리터(3355b)는 제1 출력 빔을 다시 제1a 및 제1b 출력 빔으로 분리한다. 제2 빔스플리터(3355b)에서 투과된 제1a 출력 빔은 제1 편광기(3360a)로 전달되고, 반사된 제1b 출력 빔은 제2 편광기(3360b)로 전달된다.

제3 빔스플리터(3355c)는 제2 출력 빔을 다시 제2a 및 제2b 출력 빔으로 분리한다. 제3 빔스플리터(3355c)에서 투과된 제2a 출력 빔은 제3 편광기(3360c)로 전달되고, 반사된 제2b 출력 빔은 제4 편광기(3360d)로 전달된다.

이때, 제2, 제3 및 제4 편광기(3360b,3360c,3360d)는 각각 제1 편광기(3360a)의 편광 방향을 기준으로 시계 방향으로 45도, 90도, 135도 회전된 편광 방향을 가진다.

제1 내지 제4 광검출기(3370a,3370b,3370c,3370d)는 제1 내지 제4 편광기(3360a,3360b,3360c,3360d)에 각각 대응하여 설치되어, 제1 내지 제4 편광기(3360a,3360b,3360c,3360d)를 통과한 각각의 출력 빔을 검출한다.

여기서, 제1 내지 제4 광검출기(3370a,3370b,3370c,3370d)는 앞서 제1 실시예와 같이, 제1 내지 제4 편광기(3360a,3360b,3360c,3360d)를 통과한 각각의 출력 빔의 세기에 대응하여 제1 내지 제4 전류 신호를 각각 생성한다.

검출된 제1 내지 제4 전류 신호는 제n 전류 신호(

)로 명명하며, 아래의 수학식 28과 같이 정의될 수 있다.

는 콘볼루션(convolution) 연산, λ는 사용된 빔의 파장, (x,y)는 스캔수단(3140)에 의해 지정되는 스캔 빔의 스캔 위치, f_gp는 편광 감응형 렌즈의 초점거리, z는 제2 구면파의 초점위치로부터 대상물까지의 거리이다.

이러한 수학식 28에 의한 제1 내지 제4 전류 신호는 각각 전자처리부(3380) 내의 AD 컨버터(3382)로 전달된다.

전자처리부(3380)는 제1 내지 제4 광검출기에서 검출된 제1 내지 제4 전류신호를 처리하여 대상물의 복소수 홀로그램을 생성하며, AD 컨버터(3382), 신호처리부(3383), 저장부(3384) 및 스캔 제어부(3385)를 포함한다.

AD 컨버터(3382)는 제1 내지 제4 전류 신호를 디지털 신호로 변환한다. AD 컨버터(3382)는 4개의 입력 채널을 가지며 수학식 28의 0 위상, π/2 위상, π 위상, 3π/2 위상를 각 채널을 통해 입력받아 디지털 신호로 변환한다. 변환된 디지털 전류신호는 스캔수단(3140)의 스캐닝 위치와 함께 신호처리부(3383)로 제공된다.

신호처리부(3383)는 변환된 디지털 신호로부터 대상물의 복소수 홀로그램을 생성하고, 저장부(3384)는 생성된 복소수 홀로그램을 저장한다.

이때 복소수 홀로그램은 아래의 수학식 29와 같이 정의될 수 있다.

스캔 제어부(3385)는 대상물의 임의 위치에 대한 홀로그램 처리가 완료될 때마다 스캔수단(3140)의 위치를 변경시키는 제어 신호를 생성하여 스캔수단(3140)으로 전달한다. 물론, 이를 위해, 신호처리부(3383)는 수학식 28에 의한 각각의 위상에 따른 신호를 수학식 29와 같이 복소수 더하기 방법으로 더하여 각각의 스캔 위치에 대한 2차원 배열을 형성하고 저장부(3384)는 이를 저장한다.

이외에도, 신호처리부(3383)는 수학식 28의 각 위상에 따른 신호에 대하여 각각의 스캔 위치에 따른 2차원 배열을 형성하여 저장부(3384)로 전달한 다음, 스캔이 종료되면 저장부(3384)로부터 읽어들여 수학식 28의 각각의 위상에 따른 신호에 대응하는 2차원 배열을 수학식 29의 복소수 더하기 방법으로 더한 후 다시 저장부(3384)에 저장할 수 있다.

다음은 제3 실시예에 대한 변형 예를 설명한다. 이는 제3 실시예의 도면인 도 15에서 점선 박스 내의 제3 빔스플리터(3355c), 제4 편광기(3360d), 제4 광검출기(3370d)를 제거한 경우이다.

이때, 제1 및 제2 빔스플리터(3355a,3355b)의 동작은 제3 실시예와 동일하다. 제3 실시예와 다른 점은 제1 빔스플리터(3355a)에서 반사된 제2 출력 빔이 제3 편광기(3360c)에 바로 전달되어 편광되며, 제3 편광기(3360c)를 통해 편광된 빔은 제3 광검출기(3370c)에서 검출된다.

이러한 변형예의 경우 제1,제2,제3 광검출기(3370a,3370b,3370c)에서 출력된 3개의 전류 신호를 3개 채널을 갖는 AD 컨버터를 이용하여 디지털 신호로 변환하여 신호 처리부에 전달하고, 신호 처리부는 이를 수학식 30의 방법으로 처리하여 복소수 홀로그램을 얻을 수 있다.

이상과 같은 본 발명에 따르면, 광 신호를 변조하기 위한 복잡한 변조 장치의 사용 없이 편광에 따른 기하학적 구조를 이용하여 쌍영상 잡음과 배경 잡음이 없는 실제 물체의 복소수 홀로그램을 획득할 수 있어 구조의 복잡도를 낮출 수 있고 소형 및 경량화가 가능함은 물론, 에너지 소비에 민감한 모바일 기기에도 적용 가능하다.

도 16은 도 15의 제3 실시예의 구조에서 편광 감응형 렌즈(3130)와 스캔수단(3140) 사이에 렌즈(3435)가 추가로 삽입된 것으로, 그 원리는 앞서 도 14의 경우와 같으며, 동일 구성요소에 대한 별도의 설명은 생략한다. 이와 같이, 렌즈(3435)를 추가 삽입할 경우 앞서 수학식 25 내지 수학식 27과 같은 효과를 얻을 수 있다.

이하에서는 기하 위상 인라인 스캐닝 홀로그래피 시스템의 진동, 광원의 요동, 광정렬 오류 등에 따라, 스캔수단(3140)에 의해 지정되는 스캔 빔의 스캔 위치에서 발생되는 위상 요동(phase fluctuation)을 상쇄하여, 위상 요동에 더욱 강건한 홀로그램을 획득하기 위한 기법을 제시한다.

도 17은 본 발명에 따른 기하 위상 인라인 스캐닝 홀로그래피 시스템의 제5 실시예를 나타낸 도면이다. 이러한 도 17의 경우 도 12의 제1 실시예의 구조에 대해 위상 요동 보상 기능이 부가된 것이다.

도 17에 나타낸 것과 같이, 제5 실시예에 따른 기하 위상 인라인 스캐닝 홀로그래피 시스템(3500)은 편광기(3110), 콜리메이터(3120), 편광 감응형 렌즈(3130), 스캔수단(3140), 제1 집광기(3150), 제1 빔스플리터(3155), 제1 및 제2 편광기(3160a,3160b), 제1 및 제2 광검출기(3170a,3170b), 전자처리부(3180-1), 제2 빔스플리터(3590), 제2 집광기(3595), 그리고 R-집광부("R" 표기 요소)를 포함한다.

이러한 도 17은 시스템(3500)의 진동에 의한 위상 요동을 보정하도록, 도 12의 제1 실시예의 구조에서 제2 빔스플리터(3590), 제2 집광기(3595), 그리고 R-집광부("R" 표기 요소)가 추가적으로 삽입된 것을 나타낸다. 나머지 동일한 부호의 구성요소에 대한 별도의 설명은 생략한다.

우선, 도 17은 도 12와 비교할 때, 편광 감응형 렌즈(3130)와 스캔수단(3140) 사이에 제2 빔스플리터(3590)가 추가로 배치된 것을 알 수 있다.

제2 빔스플리터(3590)는 편광 감응형 렌즈(3130)에 의해 만들어진 간섭 빔의 일부분을 투과시켜 대상물의 스캔에 사용하도록 하고 일부를 반사시켜 R-집광부로 전달하는 역할을 한다.

즉, 제2 빔스플리터(3590)는 일측에 입사되는 간섭 빔의 일부를 투과시켜 타측의 스캔수단(3140)으로 전달하고 일부를 반사시켜 하측의 제2 집광기(3595)로 전달한다. 이때, 제2 집광기(3595)는 제2 빔스플리터(3590)에서 반사된 간섭 빔을 공간적으로 집적한다. 이러한 제2 집광기(3595)는 제1 집광기(3150)와 동일한 소자로 구현될 수 있다.

제2 집광기(3595)에 의해 집광된 빔은 R-집광부로 전달된다. R-집광부는 제2 빔스플리터(3590)에서 반사된 빔을 처리한다. 여기서, R-집광부(3155-R + 3160a-R,3160b-R + 3170a,3170b)는 제1 집광기(3150)의 후단에 위치한 요소(3155 + 3160a,3160b + 3170a,3170b)와 대칭되는 형태로 배치된다.

구체적으로, R-집광부는 제1 집광기(3150)의 후단에 위치한 제1 빔스플리터(3155), 제1 및 제2 편광기(3160a,3160b), 제1 및 제2 광검출기(3170a,3170b)와 각각 대칭 형태로 배치되는 제1-R 빔스플리터(3155-R), 제1-R 및 제2-R 편광기(3160a-R,3160b-R), 그리고 제1-R 및 제2-R 광검출기(3170a-R,3170b-R)를 포함한다.

R-집광부 내부 요소들에 의한 빔의 분리, 편광, 검출 원리는 앞서 상술한 것과 동일하므로 상세한 설명은 생략한다. 이와 같이, R-집광부의 마지막 경로인 제1-R 및 제2-R 광검출기(3170a-R,3170b-R)를 통해 검출된 빔은 전자처리부(3180-1)로 전달된다.

전자처리부(3180-1)는 제1-R 및 제2-R 광검출기(3170a-R,3170b-R)에서 검출된 제1-R 및 제2-R 전류 신호를 시스템(3500)의 진동에 의한 위상 요동을 보상하기 위한 제1 및 제2 위상 보정 기준 신호로 사용한다.

또한, 도 17의 전자처리부(3180-1)는 도 12와 비교하면, 제1 및 제2 dc 제거 필터(3181a,3181b)와 함께 제1-R 및 제2-R dc 제거 필터(3181c,3181d)를 추가로 포함한다.

즉, 앞서 도 12의 제1 실시예에서 대상물로부터 반사된 빔을 집광하여 검출된 제1 및 제2 전류 신호에 대해 신호 처리 전 제1 및 제2 dc 제거 필터(3181a,3181b)를 통해 dc 제거를 수행하였듯이, 도 17의 제5 실시예는 스캔수단(3140)의 전단에서 간섭 빔을 집광하여 검출한 제1-R 및 제2-R 전류 신호(이하, 제1 및 제2 위상 보정 기준 신호)로부터 제1-R 및 제2-R dc 제거 필터(3181c,3181d)를 통해 dc 성분을 제거하는 과정을 추가로 포함한다.

dc 성분이 제거된 제1-R 및 제2-R 전류 신호는 아래의 수학식 31 및 15와 같이 표현될 수 있다.

여기서,

는 시스템의 진동, 광원의 요동, 광정렬 오류 등(이하, '시스템의 진동'으로 포괄 명명)에 따른 스캔수단(3140)에 의해 지정되는 스캔 빔의 스캔 위치에서의 위상 요동(phase fluctuation)이다.

물론, 도 17에서 전차처리부(3180-1)는 도 12에서와 동일한 방법으로 제1 및 제2 광검출기(3170a,3170b)에서 검출된 제1 및 제2 전류 신호를 처리하여 대상물의 복소수 홀로그램을 생성하며, 이에 추가적으로 제1-R 및 제2-R 광검출기(3170a-R,3170b-R)에서 검출된 제1-R 및 제2-R 전류 신호를 처리하여 위상 보정을 위한 복소수 홀로그램을 생성한다. 그리고, 위상 보정을 위한 복소수 홀로그램을 대상물의 복소수 홀로그램에 반영하여 시스템의 진동에 의한 위상 요동을 보정한다.

이를 위해, AD 컨버터(3182-1)는 dc 성분이 제거된 제1 및 제2 위상 보정 기준 신호를 디지털 신호로 변환한다. 신호 처리부(3183-1)는 변환된 디지털 신호로부터 위상 보정을 위한 복소수 홀로그램을 생성한 다음, 위상 보정을 위한 복소수 홀로그램의 켤레복소수(complex conjugate)를 저장부(3184-1)에 저장된 대상물의 복소수 홀로그램에 곱하여 시스템(3500)의 위상 요동을 보정한다.

더욱 구체적으로 설명하면, AD 컨버터(3182-1)는 수학식 31의 동위상 신호와 수학식 32의 π/2 위상 신호를 각 채널을 통해 입력받아 디지털 신호로 변환한다. 신호처리부(3183-1)는 변환된 디지털 신호로부터 위상 보정을 위한 복소수 홀로그램을 생성하고 저장부(3184-1)에 저장한다.

이때, 위상 보정을 위한 복소수 홀로그램은 아래의 수학식 33과 같이 정의될 수 있다.

스캔 제어부(3185-1)는 대상물의 임의 위치에 대한 홀로그램 처리가 완료될 때마다 스캔수단(3140)의 위치를 변경시키는 제어 신호를 생성하여 스캔수단(3140)으로 전달한다. 물론, 이를 위해 신호처리부(3183-1)는 수학식 31과 32를 수학식 33과 같이 복소수 더하기 방법으로 더하여 각각의 스캔 위치에 대한 2차원 배열을 형성하고 저장부(3184-1)는 이를 저장한다.

물론, 이 경우 역시, AD 컨버터(3182-1)가 제1-R 및 제2-R 광검출기(3170a-R,3170b-R)의 출력을 받아서 이를 디지털 신호로 변환 후 디지털 신호처리 방식을 통해 dc 제거 필터링을 수행할 수도 있다.

이외에도, 신호처리부(3183-1)는 수학식 31, 32에 대하여 각각의 스캔 위치에 따른 2차원 배열을 형성하여 저장부로 전달한 다음, 스캔이 종료되면 저장부로부터 읽어들여 수학식 31, 32에 대응하는 2차원 배열을 수학식 33의 복소수 더하기 방법으로 더한 후 다시 저장부에 저장할 수 있다.

한편, 저장부에 저장된 대상물의 홀로그램에는 스캔수단에 의해 지정되는 스캔 위치에서의 위상 요동 성분이 포함되어 있기 때문에, 신호처리부(3183-1)는 수학식 33에 의해 구해진 위상 요동의 켤레 복소수를 저장부에 저장된 대상물의 홀로그램에 곱해서 위상 요동을 보정한다.

도 18은 도 17의 변형 예를 나타낸 도면이다. 이러한 도 18은 도 17에 렌즈(3235)가 더 부가된 것이며, 렌즈에 의한 효과는 도 14를 통해 설명한 바 있으므로 중복 설명은 생략한다.

도 19는 본 발명에 따른 기하 위상 인라인 스캐닝 홀로그래피 시스템의 제6 실시예를 나타낸 도면이다. 이러한 도 19의 경우 도 15의 제3 실시예의 구조에 위상 요동 보상 기능이 부가된 것이다.

도 19에 나타낸 것과 같이, 제6 실시예에 따른 기하 위상 인라인 스캐닝 홀로그래피 시스템(3600)은 편광기(3110), 콜리메이터(3120), 편광 감응형 렌즈(3130), 스캔수단(3140), 제1 집광기(3150), 제1 내지 제3 빔스플리터(3355a,3355b,3355c), 제1 내지 제4 편광기(3360a,3360b,3360c,3360d), 제1 내지 제4 광검출기(3370a,3370b,3370c,3370d), 전자처리부(3380-1), 제4 빔스플리터(3690), 제2 집광기(3695), 그리고 R-집광부("R" 표기 요소)를 포함한다.

이러한 도 19는 시스템(3600)의 진동에 의한 위상 요동을 보정하도록, 도 15의 제3 실시예의 구조에서 제4 빔스플리터(3690), 제2 집광기(3695), 그리고 R-집광부("R" 표기 요소)가 추가적으로 삽입된 것을 나타낸다. 나머지 동일한 부호의 구성요소에 대한 별도의 설명은 생략한다.

우선, 도 19는 도 15와 비교할 때, 편광 감응형 렌즈(3130)와 스캔수단(3140) 사이에 제4 빔스플리터(3690)가 추가로 배치된 것을 알 수 있다. 제4 빔스플리터(3690)는 편광 감응형 렌즈(3130)에 의해 만들어진 간섭 빔의 일부분을 투과시켜 대상물의 스캔에 사용하도록 하고 일부를 반사시켜 R-집광부로 전달하는 역할을 한다.

즉, 제4 빔스플리터(3690)는 일측에 입사되는 간섭 빔의 일부를 투과시켜 타측의 스캔수단(3140)으로 전달하고 일부를 반사시켜 하측의 제2 집광기(3695)로 전달한다. 이때, 제2 집광기(3695)는 제2 빔스플리터(3690)에서 반사된 간섭 빔을 공간적으로 집적하며, 제1 집광기(3150)와 동일 소자로 구현될 수 있다.

제2 집광기(3695)에 의해 집광된 빔은 R-집광부로 전달된다. R-집광부는 제4 빔스플리터(3690)에서 반사된 빔을 처리한다. 도 19에서 R-집광부(3355a-R,3355b-R,3355c-R + 3360a-R,3360b-R,3360c-R,3360d-R + 3370a-R,3370b-R,3370c-R,3370d-R)는 제1 집광기(3150)의 후단에 위치한 요소(3355a,3355b,3355c + 3360a,3360b,3360c,3360d + 3370a,3370b,3370c,3370d)와 대칭되는 형태로 배치된다.

구체적으로, R-집광부는 제1 집광기(3150)의 후단에 위치한 제1 내지 제3 빔스플리터(3355a~3355c), 제1 내지 제4 편광기(3360a~3360d), 제1 내지 제4 광검출기(3370a~3370d)와 각각 대칭 형태로 배치되는 제1-R 내지 제3-R 빔스플리터(3355a-R,3355b-R,3355c-R), 제1-R 내지 제4-R 편광기(3360a-R,3360b-R,3360c-R,3360d-R), 그리고 제1-R 내지 제4-R 광검출기(3370a,3370b,3370c,3370d)를 포함한다.

R-집광부 내부 요소들에 의한 빔의 분리, 편광, 검출 원리는 앞서 상술한 것과 동일하므로 상세한 설명은 생략한다. R-집광부의 마지막 경로인 제1-R 내지 제4-R 광검출기(3370a,3370b,3370c,3370d)를 통해 검출된 빔은 전자처리부(3380-1)로 전달된다.

전자처리부(3380-1)는 제1-R 내지 제4-R 광검출기(3370a,3370b,3370c,3370d)에서 검출된 제1-R 내지 제4-R 전류 신호를 시스템(3600)의 진동에 의한 위상 요동을 보상하기 위한 제1 내지 제4 위상 보정 기준 신호로 사용한다.

앞서 도 15의 구성의 경우 dc 제거 필터 없이도 dc 제거가 가능하였기 때문에 도 19 역시 별도로 dc 제거 필터를 필요로 않는다.

제1-R 내지 제4-R 전류 신호 아래의 수학식 34 및 35와 같이 표현될 수 있다.

여기서,

는 위상 요동 성분을 나타낸다.

물론, 도 19에서 전차처리부(3380-1)는 도 15에서와 동일한 방법으로 제1 내지 제4 광검출기(3370a~370d)에서 검출된 제1 내지 제4 전류 신호를 처리하여 대상물의 복소수 홀로그램을 생성하며, 이에 추가적으로 제1-R 내지 제4-R 광검출기(3370a-R ~ 370d-R)에서 검출된 제1-R 내지 제4-R 전류 신호를 처리하여 위상 보정을 위한 복소수 홀로그램을 생성한다.

그리고, 위상 보정을 위한 복소수 홀로그램을 대상물의 복소수 홀로그램에 반영하여 시스템의 진동에 의한 위상 요동을 보정한다. 위상 보정을 위한 복소수 홀로그램은 아래의 수학식 36과 같이 정의될 수 있다.

도 20은 도 19의 변형 예를 나타낸 도면이다. 이러한 도 20은 도 19에 렌즈(3435)가 더 부가된 것이며, 렌즈에 의한 효과는 앞서 설명한 바 있으므로 중복 설명은 생략한다.

이상과 같은 본 발명의 제1 내지 제6 실시예는 대상체로부터 반사된 빛을 집광하는 것으로 설명하였으나, 대상체가 형광하는 형광체인 경우 대상체로부터 형광된 빛을 집광기를 이용하여 집광하여 각각의 광검출기에 전달하고 각각의 광검출기는 집광기를 통해 공간적으로 집적된 빔을 검출하여 형광체의 홀로그램을 레코딩할 수 있다. 이때, 각각의 광검출기와 대상체 사이에 대상체로부터 형광된 빛의 파장에 해당하는 빛을 필터링해서 광검출기에 전달하도록 하는 이색성 거울(dichroic mirror)을 포함한 광학 필터를 위치시켜, 광학 노이즈를 저감할 수 있다.

또한, 대상물이 빛을 투과하는 투과형 대상물인 경우 대상물을 투과한 빛의 경로에 집광기와 각각의 광검출기를 위치시켜, 대상물을 투과한 빛을 집광기를 이용해 집광하여 각각의 광검출기에 전달하고, 각각의 광검출기는 집광기를 통해 공간적으로 집적된 빔을 검출하여 투과형 대상물의 홀로그램을 레코딩할 수 있다.

또한, 제1 내지 제6 실시예에서 각각의 광검출기와 대상체 사이에 푸리에 렌즈(Fourier lens)와, 푸리에 렌즈의 초점에 위치한 핀홀(pin-hole)로 구성된 공간 필터(spatial filter)를 각각 위치시켜 대상체로부터 반사 또는 투과된 빛을 공간적으로 필터링하면, 대상체의 위상 분포를 포함한 홀로그램을 얻을 수 있다.

이상과 같은 본 발명에 따르면, 편광 감응형 렌즈를 이용하여 단일의 광 경로에서 스캐닝 패턴을 형성함에 따라 고효율 및 고품질의 광 스캐닝 홀로그래피를 구현할 수 있음은 물론 높은 안정성 및 낮은 복잡도의 광학계 구조를 사용하여 외부 환경에 강인하고 안정적인 이점이 있다.

본 발명은 도면에 도시된 실시 예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시 예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.

Claims

선편광 빔을 입사받아 음의 초점거리를 갖는 우현 원편광의 제1 구면파 및 양의 초점거리를 갖는 좌현 원편광의 제2 구면파를 생성하는 편광 감응형 렌즈;

상기 생성된 제1 및 제2 구면파의 성분 중에서 소정 편광 방향의 빔 성분만을 통과시키는 제1 편광기;

상기 제1 편광기를 통과한 제1 및 제2 구면파 사이에서 발생한 간섭 빔을 이용하여 대상물을 스캔하는 스캔수단; 및

상기 대상물로부터 반사된 빔을 검출하는 제1 광 검출기를 포함하는 인라인 스캐닝 홀로그래피 시스템.
청구항 1에 있어서,

상기 편광 감응형 렌즈의 전단에 위치하며, 외부로부터 입사된 선편광 빔을 위상 지연시켜 편광 방향을 변경하여 상기 편광 감응형 렌즈로 제공하는 선편광 방향 변환기를 더 포함하는 인라인 스캐닝 홀로그래피 시스템.
청구항 1에 있어서,

상기 편광 감응형 렌즈는 기하 위상 렌즈(geometric phase lens)로 구성된 인라인 스캐닝 홀로그래피 시스템.
청구항 2에 있어서,

시간에 따라 위상 지연 값을 가변시키는 위상 변조 신호를 상기 선편광 방향 변환기에 인가하는 신호 생성부를 더 포함하는 인라인 스캐닝 홀로그래피 시스템.
청구항 4에 있어서,

상기 위상 변조 신호는 상기 위상 지연 값이 시간에 따라 선형적으로 가변하는 주기적 램프 신호이며,

상기 간섭 빔은,

시간에 따라 헤테로다인 변조된 비선형 프레넬 윤대판 형태로서 아래의 수학식으로 정의되는 인라인 스캐닝 홀로그래피 시스템:

여기서, λ는 사용된 빔의 파장, f_gp는 상기 편광 감응형 렌즈의 초점거리, (x₀ ²+y₀ ²)는 상기 선편광 빔의 광축에 직교하는 평면을 (x₀,y₀)로 하는 카타르시안 좌표계, z는 상기 제2 구면파의 초점위치로부터 상기 대상물까지의 거리, 시간 t에 따른 주기적 램프 신호는 Ω₀의 기울기를 가지며 0과 π 사이의 값을 가지는 Ω(t)=Ω_0·t의 함수로 표현된다.
청구항 4에 있어서,

상기 위상 변조 신호는 상기 위상 지연 값이 시간에 따라 {0,π/2,π}의 순서로 불연속 천이되는 위상 천이 신호이며,

상기 간섭 빔은,

시간에 따라 헤테로다인 변조된 비선형 프레넬 윤대판 형태로서 아래의 수학식으로 정의되는 인라인 스캐닝 홀로그래피 시스템:

여기서, λ는 사용된 빔의 파장, f_gp는 상기 편광 감응형 렌즈의 초점거리, (x₀ ²+y₀ ²)는 상기 선편광 빔의 광축에 직교하는 평면을 (x₀,y₀)로 하는 카타르시안 좌표계, z는 상기 제2 구면파의 초점위치로부터 상기 대상물까지의 거리, P_n은 위상 천이에 사용된 n개의 서로 다른 위상들의 집합 {0,π/2,π}이다.
좌현 원편광의 평면파와 우현 원편광의 구면파를 중첩시켜 간섭 빔을 형성하는 제1 빔스플리터;

상기 간섭 빔을 이용하여 대상물을 스캔하는 스캔수단;

상기 대상물로부터 반사된 빔을 입사받아 제1 및 제2 출력 빔으로 분리하는 제2 빔스플리터;

상기 제1 및 제2 출력 빔을 각각 편광시키는 제1 및 제2 편광기; 및

상기 제1 및 제2 편광기를 통과한 각각의 출력 빔을 검출하는 제1 및 제2 광검출기를 포함하는 기하 위상 스캐닝 홀로그래피 시스템.
청구항 7에 있어서,

입사되는 선편광 빔을 서로 직교하는 p-편광의 제1 빔 및 s-편광의 제2 빔으로 분리하는 편광 빔스플리터;

상기 제1 빔을 좌현 원편광 빔으로 변환하는 제1 1/4 파장판;

상기 제2 빔을 우현 원편광 빔으로 변환하는 제2 1/4 파장판;

상기 좌현 원편광 빔을 확장하여 좌현 원편광의 평면파를 상기 제1 빔스플리터로 제공하는 제1 콜리메이터;

상기 우현 원편광 빔을 확장하여 우현 원편광의 평면파를 제공하는 제2 콜리메이터; 및

상기 우현 원편광의 평면파를 구면파로 변환하여 상기 제1 빔스플리터로 제공하는 제1 렌즈를 더 포함하는 기하 위상 스캐닝 홀로그래피 시스템.
청구항 8에 있어서,

상기 간섭 빔은,

기하 위상 프레넬 윤대판(Geometric Phase Fresnel Zone Plate) 형태로서 아래의 수학식으로 정의되는 기하 위상 스캐닝 홀로그래피 시스템:

여기서, λ는 사용된 빔의 파장, (x₀ ²+y₀ ²)는 빔의 광축에 직교하는 평면을 (x₀,y₀)로 하는 카타르시안 좌표계, z는 상기 구면파의 초점위치로부터 상기 대상물까지의 거리, θ는 상기 편광 빔스플리터의 p-편광 축에 대해 시계 방향으로 선편광된 각도를 나타낸다.
청구항 7에 있어서,

상기 제1 및 제2 광검출기에서 검출된 제1 및 제2 전류 신호를 처리하여 상기 대상물의 복소수 홀로그램을 생성하는 전자처리부를 더 포함하며,

상기 제1 및 제2 광검출기는,

상기 제1 및 제2 편광기를 통과한 상기 제1 및 제2 출력 빔의 세기에 대응하여 상기 제1 및 제2 전류 신호(
,
)를 아래의 수학식과 같이 각각 생성하는 기하 위상 스캐닝 홀로그래피 시스템:

여기서, O(x₀,y₀;z)는 상기 대상물의 반사율에 대한 3차원 분포로서 상기 대상물의 3차원 영상이며,
는 콘볼루션(convolution) 연산, λ는 사용된 빔의 파장, (x,y)는 상기 스캔수단에 의해 지정되는 스캔 빔의 스캔 위치, z는 상기 구면파의 초점위치로부터 상기 대상물까지의 거리, dc는 직류 바이어스 성분을 나타낸다.
선편광 빔을 입사받아 음의 초점거리를 갖는 우현 원편광의 제1 구면파 및 양의 초점거리를 갖는 좌현 원편광의 제2 구면파를 생성하는 편광 감응형 렌즈;

상기 생성된 제1 및 제2 구면파 사이에서 발생한 간섭 빔을 이용하여 대상물을 스캔하는 스캔수단;

상기 대상물로부터 반사된 빔을 입사받아 제1 및 제2 출력 빔으로 분리하는 제1 빔스플리터;

상기 제1 및 제2 출력 빔을 각각 편광시키는 제1 및 제2 편광기; 및

상기 제1 및 제2 편광기를 통과한 각각의 출력 빔을 검출하는 제1 및 제2 광검출기를 포함하는 기하 위상 인라인 스캐닝 홀로그래피 시스템.
청구항 11에 있어서,

상기 편광 감응형 렌즈는 기하 위상 렌즈(geometric phase lens)로 구성된 기하 위상 인라인 스캐닝 홀로그래피 시스템.
청구항 11에 있어서,

상기 간섭 빔은,

기하 위상 프레넬 윤대판(Geometric Phase Fresnel Zone Plate) 형태로서 아래의 수학식으로 정의되는 기하 위상 인라인 스캐닝 홀로그래피 시스템:

여기서, λ는 사용된 빔의 파장, f_gp는 상기 편광 감응형 렌즈의 초점거리, (x₀ ²+y₀ ²)는 상기 선편광 빔의 광축에 직교하는 평면을 (x₀,y₀)로 하는 카타르시안 좌표계, z는 상기 제2 구면파의 초점위치로부터 상기 대상물까지의 거리, θ는 광원으로부터 상기 선편광 빔을 생성하여 제공하는 광원측 편광기의 편광 축에 대해 시계 방향으로 선편광된 각도를 나타낸다.
청구항 11에 있어서,

상기 제1 및 제2 광검출기에서 검출된 제1 및 제2 전류 신호를 처리하여 상기 대상물의 복소수 홀로그램을 생성하는 전자처리부를 더 포함하며,

상기 제1 및 제2 광검출기는,

상기 제1 및 제2 편광기를 통과한 상기 제1 및 제2 출력 빔의 세기에 대응하여 상기 제1 및 제2 전류 신호(
,
)를 아래의 수학식과 같이 각각 생성하는 기하 위상 인라인 스캐닝 홀로그래피 시스템:

여기서, O(x₀,y₀;z)는 상기 대상물의 반사율에 대한 3차원 분포로서 상기 대상물의 3차원 영상이며,
는 콘볼루션(convolution) 연산, λ는 사용된 빔의 파장, (x,y)는 상기 스캔수단에 의해 지정되는 스캔 빔의 스캔 위치, f_gp는 상기 편광 감응형 렌즈의 초점거리, z는 상기 제2 구면파의 초점위치로부터 상기 대상물까지의 거리, dc는 직류 바이어스 성분을 나타낸다.