KR20010025981A - 독립적 간섭성 빔 어레이 발생장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 한 개의 간섭성 광원을 이용하여 복수개의 빔을 만들어 독립적으로 스위칭 할 수 있는 독립적 간섭성 빔 어레이 발생 장치에 관한 것이다. 본 발명에 따른 독립적 간섭성 빔 어레이 발생 장치는 하나의 광원에 위상격자와 SLM을 이용해 효율 높은 독립적인 간섭성 빔 어레이를 만들 수 있다. 필요한 만큼의 빔 어레이를 위상 격자(phase grating)의 설계 변경을 통하여 얼마든지 제작할 수 있으므로 요구되는 광원 어레이의 수에 능동적으로 대응할 수 있다.

Description

독립적 간섭성 빔 어레이 발생 장치{Apparatus for generating independent coherent beam arrays}

본 발명은 한 개의 간섭성 광원을 이용하여 복수개의 간섭성 빔 어레이를 만드는 장치 에 관한 것으로, 특히 각각의 빔을 독립적으로 스위칭 할 수 있는 독립적 간섭성 빔 어레이 발생 장치에 관한 것이다.

도 1은 미국 특허 US 4988153호에 기재된 홀로그래픽 메모리의 개략적 구성을 보여주는 도면이다. 이 도면에는 종래의 독립적인 간섭성 빔 어레이를 생성하기 위한 장치가 개략적으로 나타나 있다. 도시된 바와 같이, 종래의 독립적인 간섭성 빔 어레이 발생 장치에서는 복수개의 수직 공진기 면발광 레이저 다이오드(vertical cavity surface emitting laser diode)(14)가 2차원 평면상의 어레이 형태로 배열된 면발광 레이저 다이오드 어레이(12)가 광원 역할을 한다. 이 면발광 레이저 다이오드 어레이(12)에서 각 수직 공진기 면발광 레이저 다이오드(14)는 각각 독립적으로 스위칭된다. 이는 면발광 레이저 다이오드 어레이(12)에서 각 수직 공진기 면발광 레이저 다이오드(14)가 X, Y 셀렉터(SELECTOR)(16)에 의해 선택적으로 임의의 순서로 한 개씩 또는 여러개씩 독립적으로 켜지도록 구성되어 있기 때문이다.

각각 선택적으로 스위칭된 수직 공진기 면발광 레이저 다이오드(14)에서 나온 빔들은 콜리메이팅 렌즈(20)에 의해 평행광으로 만들어진다. 이 때 면발광 레이저 다이오드(14)의 위치 X, Y에 따라 평행광선과 홀로그래픽 메모리의 광축이 이루는 각도가 결정된다. 즉, 콜리메이팅 렌즈(20)에 의해 만들어진 평행광이 기록매체(10)에 입사하는 각이 조금씩 달라진다.

이러한 독립적 간섭성 빔 어레이 발생장치에 의해 만들어진 평행빔들에 의해 홀로그래픽 기록매체(10)에 영상들이 기록 또는 재현될 수 있다.

영상면(42) 상에 입력된 영상(40)은 기록 콜리메이팅 렌즈(46)를 거쳐 기록매체(10)에 기록된다. 그리고 평행빔의 입사각을 변화시켜 가면서 영상을 중첩 기록하여 미디어에는 영상들이 수많이 다중 기록될 수 있다. 이러한 영상 기록들은 상기 평행광이 기록매체(10)에 입사하는 입사각에 따라 재현되는데 평행광의 입사각과 동일한 각으로 기록매체(10)에 기록된 영상들 만이 재현된다.

이와 같은 구성의 독립적 간섭성 빔 어레이 발생 장치를 홀로그래픽 정보 저장장치, 광학적 내부연결(Optical interconnection), 디스플레이 디바이스 등에 채용하는 경우 대부분의 응용분야에 있어서 필요한 광원의 수가 수십 ~ 수백개 이상이 된다. 그런데 이 경우 면발광 레이저 다이오드 어레이(12)의 제작은 기술적으로나 경제적으로 매우 어려운 것으로 알려져 있다. 기술적인 관점에서는 레이저 다이오드에서 발생하는 열의 제어와 방사되는 레이저 빔의 광량 및 방사각에 있어서의 균일성 확보 등이 매우 어렵다. 경제적으로는 매우 낮은 수율로 인해 가격 부담이 매우 크다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 개선하고자 창안한 것으로, 간섭성 빔 어레이를 만듦에 있어서 한 개의 간섭성 광원을 이용하여 간섭성 빔 어레이를 만들며 또한 이들 빔 어레이에서 각각의 빔을 독립적으로 스위칭 할 수 있는 독립적 간섭성 빔 어레이 발생 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.

도 1은 종래의 독립적 간섭성 빔 어레이 발생 장치의 개략적 구성을 보여주는 도면이고,

도 2는 본 발명에 따른 독립적 간섭성 빔 어레이 발생 장치의 개략적 구성을 보여주는 도면이며,

도 3은 도 2에서 다중 빔 어레이를 발생시키는 원리를 설명하기 위한 도면,

도 4a 및 도 4b는 각각 도 2의 공간 광 변조기(SLM)의 구성 및 기능을 설명하기 위한 도면,

도 5 및 도 6은 각각 도 2의 독립적 간섭성 빔 어레이 발생 장치의 동작을 설명하는 도면,

그리고 도 7 및 도 8은 각각 도 2의 독립적 간섭성 빔 어레이 발생 장치를 적용한 홀로그래픽 메모리 장치의 개략적 구성을 나타낸 도면들로서,

도 7은 물체광과 기준광의 간섭에 의해 영상 정보를 홀로그램 기록매체에 기록 과정을 나타내고, 도 8은 평행광이 홀로그램 기록매체에 입사하는 입사각에 따라 그 입사각에 대응하는 영상들이 재현되는 과정을 나타낸다.

＜도면의 주요부분에 대한 부호의 설명＞

10. 홀로그래픽 기록매체 12. 면발광 레이저 다이오드 어레이

14. 수직 공진기 면발광 레이저 다이오드

16. X, Y 셀렉터(SELECTOR) 20. 콜리메이팅 렌즈

40. 영상(image) 42. 영상광원

46. 기록 콜리메이팅 렌즈 111. 간섭성 광원

121. 콜리메이팅 렌즈 131. 위상격자

141. 푸리에 변환(Fourier transform) 렌즈

151, 편광 빔 스플리터(polarizing beam splitter)

161, 공간 광 변조기(spatial light modulator)

171 콜리메이팅 렌즈 140. 영상(image)

142. 영상광원 146. 기록 콜리메이팅 렌즈

240. 영상(image) 242. 영상광원

246. 기록 콜리메이팅 렌즈

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 독립적 간섭성 빔 어레이 발생 장치는, 하나의 광원; 상기 광원에서 방출되는 광을 평행광으로 만들어 주는 제1콜리메이팅 렌즈; 상기 콜리메이팅 렌즈로부터 입사되는 평행광을 복수개의 회절 배열들로 만들어 주는 위상 격자; 상기 위상 격자로부터 입사되는 상기 회절 배열들을 푸리에 변환하여 스폿 형태의 빔들이 되도록 집속시켜주는 푸리에 변환 렌즈; 상기 푸리에 변환 렌즈에 의해 푸리에 변환된 빔들을 선택적으로 반사시켜 주는 반사형 공간 광 변조기; 상기 푸리에 변환렌즈로부터 입사되는 푸리에 변환된 빔들은 상기 반사형 공간 광 변조기 쪽으로 통과시키고, 상기 반사형 공간 광 변조기에서 선택적으로 반사되어 재입사되는 빔은 그 경로는 변환시키는 빔스플리터; 및 상기 빔 스플리터로부터 입사되는 광을 평행광으로 만들어주는 제2콜리메이팅 렌즈;를 구비한 것을 특징으로 한다.

본 발명에 있어서, 상기 위상격자의 양방향 격자 주기를 각각 d_x, d_y라 하고, 상기 반사형 공간 광 변조기에 맺히는 스폿의 양 방향 간격을 각각 S_x, S_y라 하며, 상기 광원에서 방출되는 빔의 파장을 λ라 하며, 상기 푸리에 변환 렌즈의 초점거리를 f라 할 때,

S_x= λf/d_x

S_y= λf/d_y

의 관계를 만족시키는 것이 바람직하며, 상기 반사형 공간 광 변조기는 예를들면 마이크로 미러 반사기 혹은 반사형 액정 표시 패널로 이루어진다.

이하 도면을 참조하면서 본 발명에 따른 독립적 간섭성 빔 어레이 장치를 상세하게 설명한다.

본 발명에 따른 독립적 간성성 빔 어레이 장치는 한 개의 간섭성 광원으로부터 방출되는 빔을 위상 격자와 광세기 변조형 반사 공간 광변조기(spatial light modulator; SLM)를 이용하여 균일하면서도 높은 효율의 간섭성 빔 어레이를 만드는 것을 특징으로 하며, 특히 만들어지는 빔 어레이에서 각각의 빔을 독립적으로 스위칭할 수 있도록 만드는 것을 특징으로 한다.

이를 위하여, 위상격자를 사용하여 하나의 광원으로부터 방출된 빔을 복수개의 어레이 형태의 빔으로 만들고, 이들 어레이 형태의 빔들 중 필요한 빔을 반사형 공간 광 변조기(SLM)를 사용하여 선택하면 한 개의 빔을 독립적인 간섭성 광원으로 사용할 수 있다. 즉, 위상격자만 사용하면 독립적인 스위칭이 불가능하고, 공간 광 변조기(SLM)만 사용하면 한 개의 빔을 독립적인 간섭성 광원으로 볼 수 없기 때문에 위상격자와 광세기 변조형 반사 공간 광 변조기(SLM)를 결합하면 상기와 같은 목적을 달성할 수 있게 된다. 이러한 장치는 각도 다중화 홀로그래픽 정보저장장치에 있어서 기준빔의 빠른 어드레싱이나 광학적 내부연결(Optical interconnection), 그리고 1차원 또는 2차원 표시장치 등에 활용될 수 있다.

도 2는 본 발명에 따른 독립적 간섭성 빔 어레이 발생 장치의 개략적 구성을 보여주는 도면이다. 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 독립적 간섭성 빔 어레이 발생 장치는 한 개의 간섭성 광원(111), 간섭성 광원(111)에서 나온 빔을 평행빔으로 만드는 콜리메이팅 렌즈(121), 평행빔으로부터 다중 빔 어레이를 만드는 위상격자(131), 푸리에 변환(Fourier transform) 렌즈(141), 편광 빔 스플리터(polarization beam splitter)(151), 공간 광 변조기(spatial light modulator)(161) 및 콜리메이팅 렌즈(171)를 구비한다.

이러한 구성의 독립적 간섭성 빔 어레이 발생 장치는 다음과 같이 동작한다.

하나의 간섭성 광원(111)에서 나온 광선을 콜리메이팅 렌즈(121)로 평행광으로 변환시킨다. 평행광은 위상격자(131)를 이용해 1차원 또는 2차원 빔 어레이를 만든다. 이차원 빔 어레이로 만들어지는 과정은 도 3에 잘 나타나 있다.

도 3에서, 위상격자(131)에 입사한 평행빔은 회절격자(diffraction grating)에 의해 복수개의 회절 배열들로 쪼개진다. 이들 회절 배열들은 푸리에 변환 렌즈(141)에 의해 스폿들의 어레이로 집속된다. 이러한 모든 스폿들은 그 세기가 같아야 하는데 이는 위상격자(131)의 설계에 달려있다.

도 2를 참조할 때, 위상격자(131)에서 양방향으로 형성된 격자들의 주기를 각각 d_x, d_y라 하고, 반사형 공간 광 변조기(161)에 맺히는 스폿의 양 방향으로의 간격을 각각 S_x, S_y라 하며, 광원(111)에서 방출되는 빔의 파장을 λ라 하며, 푸리에 변환 렌즈(141)의 초점거리를 f라 할 때, 반사형 공간 광 변조기(161)에 맺히는 스폿들 간의 양방향으로의 간격은 다음 수학식으로 표시된다.

S_x= λf/d_x

S_y= λf/d_y

또한, 이러한 스폿들을 나타내는 빔 어레이는 빔스플리터(beam splitter)(151)을 통과한 후 공간 광변조기(161)의 픽셀(i,j) 어레이에 1 대 n (n ∈ N)으로 입사하여 스폿들을 형성하게 된다. 도 4a는 1:1(n=1)로 입사하는 경우에 픽셀 어레이에 맺히는 스폿들을 보여주고, 도 4b는 1:2(n=2)로 입사하는 경우에 픽셀 어레이에 맺히는 스폿들을 보여준다.

이와 같이, 반사형 공간 광 변조기(161)에 도달한 다중 빔 어레이들은 선택적으로 반사된다. 이는 반사형 공간 광 변조기(161)는 상기 픽셀들에 대응하는 마이크로 미러가 어레이 모양으로 형성된 마이크로 미러 반사기와 같은 구조를 갖거나 반사형 액정 표시 패널과 같은 구조를 가지고 있기 때문에 각 픽셀에 대응하여 입사하는 광들을 선택적으로 반사시킬 수 있기 때문이다.

선택적으로 반사된 빔은 다시 빔 스플리터(beam splitter)(161)를 거치게 되는데, 빔 스플리터(161)에서 입사된 반사빔은 처음의 경로를 따르지 않고 진행방향이 변환되어 콜리메이팅 렌즈(171)에 도달하게 된다. 콜리메이팅 렌즈에 도달한 반사빔은 평행광으로 되어 평행하게 진행된다. 이 평행빔이 중심 광축과 이루는 각도는 도 5 및 도 6에 도시된 바와 같이 공간 광변조기(161)에 맺히는 스폿 위치(i,j)에 따라 결정된다.

도 5는 공간 광 변조기(161)의 가장 가장자리(P_H)의 픽셀에 스폿을 맺는 빔이 반사되어 빔스플리터(151)과 콜리메이팅 렌즈(171)를 거쳐 형성되는 평행광이 이루는 방향과 공간 광 변조기(161)의 중심(P_C)의 픽셀에 스폿을 맺는 빔이 반사되어 빔스플리터(151)과 콜리메이팅 렌즈(171)를 거쳐 형성되는 평행광이 이루는 방향 사이에는 최대의 방향 변위 각도 θ_H를 이루게 되는 것을 보여준다.

도 6은 공간 광 변조기(161)의 1/4 위치(P_M)의 픽셀에 스폿을 맺는 빔이 반사되어 빔스플리터(151)과 콜리메이팅 렌즈(171)를 거쳐 형성되는 평행광이 이루는 방향과 공간 광 변조기(161)의 중심(P_C)의 픽셀에 스폿을 맺는 빔이 반사되어 빔스플리터(151)과 콜리메이팅 렌즈(171)를 거쳐 형성되는 평행광이 이루는 방향 사이에는 최대의 방향 변위 각도 θ_M를 이루게 되는 것을 보여준다.

그리고 도 7 및 도 8은 각각 상기와 같은 본 발명의 독립적 간섭성 빔 어레이 발생 장치를 적용한 홀로그래픽 메모리 장치의 개략적 구성을 나타낸 도면들이다. 이러한 독립적 간섭성 빔 어레이 발생장치에 의해 만들어진 평행빔들에 의해 홀로그래픽 기록매체(110, 210)에 기록된 영상들이 재현될 수 있다.

도 7은 물체광과 기준광의 간섭에 의해 영상 정보를 홀로그램 기록매체에 기록 과정을 나타낸다. 영상면(142) 상에 입력된 영상(140)은 기록 콜리메이팅 렌즈(146)를 거쳐서, 상기 독립적 간섭성 빔 어레이 발생장치에 의해 만들어져 홀로그래픽 기록매체(110)에 입사하는 평행빔과 간섭되어 홀로그래픽 기록매체(110)에 기록된다. 그리고 평행빔의 입사각을 변화시켜 가면서 영상을 중첩되게 기록하여 미디어에는 영상들이 수많이 다중 기록될 수 있다.

또한, 도 8은 평행광이 홀로그램 기록매체에 입사하는 입사각에 따라 그 입사각에 대응하는 영상들이 재현되는 과정을 나타낸다. 상기 독립적 간섭성 빔 어레이 발생 장치에 의해 만들어진 평행광이 기록매체(210)에 입사하는 입사각에 따라 재현된다. 평행광의 입사각과 동일한 각으로 기록매체(210)에 기록된 영상들 만이 기록 콜리메이팅 렌즈(246)을 거쳐 촬상면(242) 상에 영상(240)으로 재현된다.

이상 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 독립적 간섭성 빔 어레이 발생 장치는 하나의 광원에 위상격자와 SLM을 이용해 효율 높은 독립적인 간섭성 빔 어레이를 만들 수 있다. 필요한 만큼의 빔 어레이를 위상 격자(phase grating)의 설계 변경을 통하여 얼마든지 제작할 수 있으므로 요구되는 광원 어레이의 수에 능동적으로 대응할 수 있다.

이는 빔 어레이 발생 장치를 채용하는 각종 응용 장치에서 요구하는 빔의 수에 관계없이 하나의 광원만 있으면 되므로 가격적인 면에서 월등히 유리하며, 시스템 구성도 간단하므로 제작이나 조립에 있어서 간편하다.

Claims (3)

1. 하나의 광원;

   상기 광원에서 방출되는 광을 평행광으로 만들어 주는 제1콜리메이팅 렌즈;

   상기 콜리메이팅 렌즈로부터 입사되는 평행광을 복수개의 회절 배열들로 만들어 주는 위상 격자;

   상기 위상 격자로부터 입사되는 상기 회절 배열들을 푸리에 변환하여 스폿 형태의 빔들이 되도록 집속시켜주는 푸리에 변환 렌즈;

   상기 푸리에 변환 렌즈에 의해 푸리에 변환된 빔들을 선택적으로 반사시켜 주는 반사형 공간 광 변조기;

   상기 푸리에 변환렌즈로부터 입사되는 푸리에 변환된 빔들은 상기 반사형 공간 광 변조기 쪽으로 통과시키고, 상기 반사형 공간 광 변조기에서 선택적으로 반사되어 재입사되는 빔은 그 경로는 변환시키는 편광 빔스플리터; 및

   상기 빔 스플리터로부터 입사되는 광을 평행광으로 만들어주는 제2콜리메이팅 렌즈;를

   구비한 것을 특징으로 하는 독립적 간섭성 빔 어레이 발생 장치.
2. 제1항에 있어서,

   상기 위상격자의 양방향 격자 주기를 각각 d_x, d_y라 하고, 상기 반사형 공간 광 변조기에 맺히는 스폿의 양 방향 간격을 각각 S_x, S_y라 하며, 상기 광원에서 방출되는 빔의 파장을 λ라 하며, 상기 푸리에 변환 렌즈의 초점거리를 f라 할 때,

   S_x= λf/d_x

   S_y= λf/d_y

   의 관계를 만족시키는 것을 특징으로 하는 독립적 간섭성 빔 어레이 발생 장치.
3. 제1항에 있어서,

   상기 반사형 공간 광 변조기는 마이크로 미러 반사기 혹은 반사형 액정 표시 패널로 이루어진 것을 특징으로 하는 독립적 간섭성 빔 어레이 발생 장치.