KR100810355B1 - 스페클 제거 방법과 스페클 제거 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명에 따른 레이저 광의 스페클 제거 방법은 레이저 광을 상호 직교하는 편광 모드들로 분리하는 과정과, 분리된 편광 모드들이 서로 다른 위상을 갖도록 편광 모드들 중 하나의 위상을 변조하는 과정과, 서로 다른 위상을 갖는 편광 모드들을 간섭시켜서 출력하는 과정을 포함한다. 본 발명의 또 다른 측면에 따른 스페클 제거 장치는 레이저 광을 생성하는 광원과, 상기 레이저 광을 상호 직교하는 편광 모드들로 분할 및 결합해서 출력하는 편광 분할 필터와, 상기 편광 분할 필터의 상기 레이저 광을 출력하는 일단이 노출되게 삽입되며 상기 편광 분할 필터에서 분할된 편광 모드 중 하나를 반사시켜서 상기 편광 분할 필터로 귀환시키기 위한 다각 미러를 포함한다.

스페클, 압전 소자, 레이저

Description

스페클 제거 방법과 스페클 제거 장치{METHOD OF REDUCTION SPECKLE AND SPECKLE REDUCTION DEVICE}

도 1은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 스페클 제거 장치를 도시한 도면,

도 2는 도 1에 도시된 다각 미러가 분해된 평면 상태를 도시한 도면,

도 3은 도 1에 도시된 다각 미러의 측면을 도시한 도면.

본 발명은 레이저 광원에 관한 발명으로서 특히 레이저 스페클을 억제할 수 있는 레이저 광원에 관한 발명이다.

레이저 광은 우수한 간섭성으로 인해서 영상 픽업 장치, 프로젝터와 같은 영상 투영 장치 또는 다수의 계측 장비 등 다양한 용도로 다양하게 사용되고 있다. 반면에, 레이저 광의 간섭성은 레이저 광이 조사된 표면 물체의 거칠기로 인한 산란과 간섭을 유발하며, 이는 반점과 같은 스페클 패턴(speckle pattern)을 형성하게 되는 요인이 된다.

상술한 레이저 광의 스페클 패턴은 물체의 표면 변형 정보를 포함하며 스페클 패턴을 주기적으로 기록함으로써 대상 물체 표면의 정보를 얻을 수 있다. 즉, 레이저 광의 스페클 패턴은 물체의 변위나 변형, 속도의 측정, 진동의 해석, 이중성의 관측, 광학계나 감광 재료의 MTF(Modulation Transfer function)의 측정 등에 이용될 수 있다.

반면에, 레이저 광을 영상 장치에 이용할 경우에 스페클 패턴은 영상의 번짐이나 해상도 저하의 요인으로서 해결해야될 문제의 대상이 된다. 종래에는 간유리를 이용해서 인위적인 산란을 유도하거나, 인위적인 진동을 유발해서 스페클 패턴을 제거하는 등의 물리적인 방법이 제안되고 있다.

그러나, 종래 스페클 패턴을 제거하기 위한 수단들은 부피가 커지는 등의 문제가 있다. 즉, 근래에 소형화되는 영상 장치에 적용하는 데 있어서 부적절한 형태를 갖게 된다.

본 발명은 작은 부피로도 스페클 패턴을 억제할 수 있는 스페클 제거 수단과 그를 이용한 레이저 광 모듈을 제공하는 데 목적이 있다.

본 발명의 제1 측면에 따른 레이저 광의 스페클 제거 방법은,

레이저 광을 상호 직교하는 편광 모드들로 분리하는 과정과;

분리된 편광 모드들이 서로 다른 위상을 갖도록 편광 모드들 중 하나의 위상을 변조하는 과정과;

서로 다른 위상을 갖는 편광 모드들을 간섭시켜서 출력하는 과정을 포함한다.

본 발명의 제2 측면에 따른 스페클 제거 장치는,

레이저 광을 생성하는 광원과;

상기 레이저 광을 상호 직교하는 편광 모드들로 분할 및 결합해서 출력하는 편광 분할 필터와;

상기 편광 분할 필터의 상기 레이저 광을 출력하는 일단이 노출되게 삽입되며 상기 편광 분할 필터에서 분할된 편광 모드 중 하나를 반사시켜서 상기 편광 분할 필터로 귀환시키기 위한 다각 미러를 포함한다.

이하에서는 첨부도면들을 참조하여 본 발명의 실시 예를 상세히 설명하기로 한다. 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지기능, 혹은 구성에 대한 구체적인 설명은 본 발명의 요지를 모호하지 않게 하기 위하여 생략한다.

본 발명은 레이저 광의 스페클 제거 방법 및 장치에 관한 발명으로서, 스페클 제거 대상인 레이저 광을 구성하는 상호 직교하는 편광 모드들을 분할하고, 분할된 분리된 편광 모드들이 서로 다른 위상을 갖도록 편광 모드들 중 하나의 위상을 변조해서 서로 다른 위상을 갖는 편광 모드들을 간섭시키는 스페클 제거 방법 및 장치에 관한 발명이다. 위상의 변조는 광 경로 차를 인위적으로 발생시키는 방법이 사용 가능하며 다수의 반사 미러를 사용하는 등의 구조가 사용될 수 있다.

도 1은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 스페클 제거 장치를 도시한 도면이고, 도 2와 도 3은 도 1에 도시된 다각 미러를 도시한 도면이다. 도 1 내지 도 3을 참조하면, 본 발명에 따른 스페클 제거 장치(100)는 레이저 광을 생성하는 광원(120)과, 상기 레이저 광을 상호 직교하는 편광 모드들로 분할 및 결합해서 출력하는 편광 분할 필터(130)와, 상기 편광 분할 필터(130)의 상기 레이저 광을 출력하는 일단이 노출되게 삽입되며 상기 편광 분할 필터(130)에서 분할된 편광 모드 중 하나를 반사시켜서 상기 편광 분할 필터(130)로 귀환시키기 위한 다각 미러(110)를 포함한다.

상기 편광 분할 필터(130)는 상기 다각 미러(110)에 입사되는 레이저 광(101)의 경로에 대해서 임의의 각도로 경사지게 형성된 편광 필터(131)를 포함하며, 상기 편광 필터(131)는 다수의 유전체 물질들이 다층 적층된 다층 박막 구조로 형성될 수 있다. 상기 편광 필터(131)는 상기 레이저 광(101)을 이루는 편광 모드들(102,103)을 분리해서 분리된 편광 모드 중 하나(103)는 투과시키고, 다른 하나(102)는 반사시킨다. 예를 들자면, 상기 편광 필터(131)은 레이저 광(101)을 TE 및 TM 모드(102,103)로 분리해서 TE 모드(103)를 투과시키고, TM 모드(102)는 다각 미러(110)로 반사시킨다. 상기 다각 미러(110)는 상기 TM 모드(102)를 상기 편광 분할 필터(130)로 귀환시킨다. 반대로 상기 편광 분할 필터(130)는 TM 모드(102)를 투과시키고, TE 모드(103)를 반사시킬 수도 있다.

상기 다각 미러(110)는 제1 내지 제4 광학계(113,114,115,116)로 구성되며, 상기 제1 내지 제4 광학계(113,114,115,116)는 각각 제조된 후 조립되거나 또는 일 체로 형성될 수 있다. 상기 제1 및 제2 광학계(113,115)는 상기 편광 분할 필터(130)의 측면에 접하며 상기 편광 분할 필터(130)에서 반사된 편광 모드(102)를 반사시키기 위한 각각의 반사면(113a,115a)을 구비한다. 즉, 상기 제1 광학계(115)는 상기 편광 분할 필터(130)에서 분리된 TM 모드(102)를 상기 제3 광학계(114)로 반사시키고 상기 제3 광학계(114)는 TM 모드(102)를 상기 제2 광학계(113)로 반사시킨다. 또한, 상기 제2 광학계(113)는 상기 제3 광학계(114)에서 반사된 TM 모드(102)를 상기 편광 분할 필터(130)로 반사시킨다.

결과적으로 상기 편광 분할 필터(130)는 상기 제1 내지 제4 광학계(113,114,115,116)를 거쳐서 위상 변조된 TM 모드와 TE 모드를 결합해서 상기 스페클 제거 장치(100)의 외부로 출력한다.

상기 제3 광학계(114)는 상기 광원(120)에 대면하며 상기 광원(120)에서 생성된 레이저 광(101)이 입사되는 입사면(111)과 상기 제1 광학계(115)에서 반사된 편광 모드를 상기 제2 광학계(113)로 반사시키기 위한 각각의 반사면들(114a, 114b)을 구비한다.

상기 제4 광학계(116)는 상기 제1 및 제2 광학계(113,115)와 상기 제3 광학계(114)의 사이에 위치되며, 상기 제4 광학계(116)는 압전 소자가 사용될 수 있다. 즉, 도 3에 도시된 바와 같이 외부로부터 인가된 전압에 의해 입사된 편광 모드를 위상 변조시킨다.

본 발명에서의 위상 변조는 두 가지 측면에서 정의 가능하다. 첫 번째는 편광 분할 필터(130)에서 분리된 편광 모드들 중 하나를 다각 미러(110)에서 다수에 걸쳐 반사시킴으로써 분리된 편광 모드들 간의 경로 차를 유발하는 측면과, 두 번째는 상기 제4 광학계(116)에서 외부로부터 인가되는 전압의 변화에 의한 진동을 제4 광학계(116)를 진행하는 해당 편광 모드에 전달하는 측면으로 정의될 수 있다.

결과적으로 상술한 위상 변조에 의해서 분리된 편광 모드들 간의 미세한 파장 차(△λ)가 발생하게 된다. 서로 다른 위상으로 변조된 편광 모드들 간의 결합은 광의 가간섭성 특성을 저하시켜서

배 정도의 스페클 감소 효과를 얻을 수 있다.

그 외에도 스페클 제거는 확산 미러와 같은 산란에 의한 방법이 사용되기도 하며, 아래의 <수학식 1>과 같이 나타낼 수 있다.

위의 <수학식 1>에서, RΩ는 스페클을 의미하고, Ω_proj는 물체(스크린)에서 반사된 광의 Ω_det는 광원에서 생성된 광의 산란 정도를 나타낸다.

본 발명에 따른 스페클 제거 방법 및 장치는 아래의 수학식들과 같이 파장 변이로부터 이해될 수 있다. 아래 <수학식 2>와 <수학식 3>의 R_λ는 파장 변이에 의한 스페클을 의미한다.

<수학식 2>에서 N_λ는 광원에서 생성된 파장의 수(Mode)를 의미한다. 즉, 스페클은 레이저 광원에서 생성된 파장의 모드 수에 따라서 나타남을 의미한다.

<수학식 3>에서 Δλ는 레이저 광원에서 생성된 광원의 파장 선폭(spectral linewidth)를 의미하고 δλ는 해당 광의 파장을 의미한다.

아래의 <수학식 4>는 광의 위상 변이와 파장 선폭의 관계를 나타내는 수학식 이다. 즉, <수학식 3>에 나타난 파장 변이는 아래의 <수학식 4>에 나타난 바와 같이 해당 광의 위상 변이로부터도 유도될 수 있음을 알 수 있다.

<수학식 4>의 Δλ는 레이저 광원에서 생성된 광원의 파장 선폭(spectral linewidth)를 의미하고, Δτ는 선폭에 따른 시간 차를 의미하고, c는 λ와 Δτ와의 관계를 보상하기 위한 상수이다.

위의 수학식에 따른 각 변이들을 이용해서 아래의 <수학식 5>와 같이 스페클 팩터(factor)를 최소화시킬 수 있다.

본 발명에 따른 레이저 광의 스페클 패턴을 제거하는 수단 및 그를 이용한 레이저 광 모듈은 별도의 복잡한 구성 없이도, 스페클 패턴을 억제할 수 있는 이점이 있다. 본 발명은 작은 부피에도 적용 가능하고, 해상도 저하 등의 부가적인 문제 발생도 최소화시킬 수 있다. 또한, 본 발명은 다각 미러의 일부를 압전 소자 등으로 구성함으로써 레이저 광의 위상을 필요에 따라서 조절할 수 있다.

Claims (6)

1. 삭제
2. 스페클 제거 장치에 있어서,

   레이저 광을 생성하는 광원과;

   상기 레이저 광을 상호 직교하는 편광 모드들로 분할 및 결합해서 출력하기 위한 편광 분할 필터와;

   상기 광원과 상기 편광 분할 필터의 사이에 위치되며, 결합된 편광 모드들을 출력하는 상기 편광 분할 필터의 일면을 제외한 측면 둘레를 둘러싸도록 상기 편광 분할 필터와 일체로 성형된 제1 내지 제4 광학계로 이루어진 다각 미러를 포함하며;

   상기 제1 및 제2 광학계 각각은 상기 편광 분할 필터의 서로 다른 일 면에 접하고, 상기 제4 광학계는 상기 편광 분할 필터와 상기 제3 광학계의 사이에 위치되어 상기 제3 광학계로 입력된 레이저 광을 상기 편광 분할 필터로 출력하고, 상기 제1 광학계에서 반사된 편광 모드를 진동에 의해 위상 변조시켜서 상기 제2 광학계로 출력함을 특징으로 하는 스페클 제거 장치.
3. 제2 항에 있어서,

   상기 제4 광학계는 일면이 상기 제1 및 제2 광학계와 상기 편광 분할 필터에 접하고, 상기 편광 분할 필터에 접하는 상기 제4 광학계의 일면에 반대의 일면은 상기 제3 광학계에 접하게 위치됨을 특징으로 하는 스페클 제거 장치.
4. 삭제
5. 제3 항에 있어서,

   상기 제4 광학계는 압전 소자를 포함함을 특징으로 하는 스페클 제거 장치.
6. 제2 항에 있어서,

   상기 편광 분할 필터는 다층 박막 구조의 편광 필터를 포함함을 특징으로 하는 스페클 제거 장치.

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