KR101603778B1 - 광 이미지 셔터 - Google Patents

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Abstract

개시된 광 이미지 셔터는 굴절률이 고정된 광학필터와 굴절률이 가변되는 광학필터를 포함한다. 이러한 광 이미지 셔터에서 상기 굴절률 고정 광학필터는 굴절률이 다른 두 층을 포함할 수 있고, 상기 두 층은 적어도 한 번 교번 적층될 수 있다. 상기 굴절률 가변 광학필터는 적어도 하나의 굴절률 가변층을 포함할 수 있고, 적어도 한 번 교번 적층되는 굴절률이 다른 두 층을 더 포함할 수 있다. 상기 굴절률 가변층에 전기장을 인가하기 위한 투명전극을 더 포함할 수 있다.

Description

광 이미지 셔터{Optical image shutter}
본 발명의 일 실시예는 광학소자에 관한 것으로써, 보다 자세하게는 광 이미지 셔터에 관한 것이다.
광 셔터(optical shutter)는 정보를 담고 있는 광 이미지(optical image)를 제어 신호에 따라 투과 또는 차단하는 기능을 갖는다. 광 셔터는 카메라 등과 같은 촬상용 장치와 LCD(Liquid Crystal Display)와 같은 디스플레이용 장치에 널리 사용되는 핵심 광학 모듈이다.
광 셔터를 기술별로 분류하면, 카메라 등에 사용되는 기계적 셔터, LCD에 사용되는 액정(Liquid Crystal)셔터, 프로젝션 디스플레이에 사용되는 디지털 마이크로거울 소자(Digital Micromirror Device), 회절격자 광 밸브(grating light-valve) 등의 마이크로 전기 기계 시스템(Micro-Electro-Mechanical System) 기반의 공간 광 변조기(Spatial Light Modulator), 레이저 레이다(Laser Radar), 3차원 카메라(3D camera)에 사용되는 증강장치(intensifier) 및 반도체 기반 광 셔터 등으로 분류할 수 있다.
광 셔터를 구동 원리와 셔터속도 관점에서 나열해 보면, 기계적 셔터는 가리 개를 전자기(Electro-magnetic) 모터로 구동하며 1ms 내외의 셔터 시간을 갖는다. 그리고 액정셔터는 전기장에 반응하는 액정의 회전운동에 의해 구동되며 수 ms의 셔터 시간을 갖는다. 또한, MEMS 기반의 공간 광 변조기는 미세구조를 정전기력으로 구동하여 수십 ㎲의 동작시간을 갖는다. 또한, 3차원 카메라에 사용되는 증강장치 및 반도체 기반 광 셔터는 반도체의 광전변환으로 구동되며 수 ns의 셔터시간을 갖는다.
상기 광 셔터외에 전기장에 따라 굴절률이 변하는 전광효과(Electro-Optical effect)를 이용한 광 변조소자가 있다. 상기 전광효과를 이용한 대표적인 광 변조소자는 커 효과(Kerr effect)를 이용한 커 셀(Kerr Cell) 또는 포켈 효과(Pockel effect)를 이용한 포켈 셀(Pockel cell) 등이다.
이러한 전광효과를 이용한 셀들은 주로 벌크 전광결정(bulk Electro-Optical crystal)을 사용하는데, 원하는 효과를 얻기 위해 통상 수천 볼트의 구동 전압이 필요하다.
본 발명의 일 실시예는 구동 전압을 낮출 수 있는 광 이미지 셔터를 제공한다.
굴절률이 고정된 광학필터와 굴절률이 가변되는 광학필터를 포함하는 광 이미지 셔터를 제공한다.
이러한 광 이미지 셔터에서 상기 굴절률 고정 광학필터는 굴절률이 다른 두 층을 포함할 수 있고, 상기 두 층은 적어도 한 번 교번 적층될 수 있다.
상기 굴절률 가변 광학필터는 적어도 하나의 굴절률 가변층을 포함할 수 있고, 적어도 한 번 교번 적층되는 굴절률이 다른 두 층을 더 포함할 수 있다.
상기 굴절률 가변층에 전기장을 인가하기 위한 투명전극을 더 포함할 수 있다.
상기 두 광학필터는 분리 또는 결합될 수 있다.
상기 굴절률 가변층은 전기 광학 효과(Electro-Optical effect)를 갖는 물질층일 수 있다.
상기 두 광학필터가 분리된 경우, 상기 두 광학필터는 동일 광 축 상에서 서로 평행하거나 하나가 나머지에 대해 기울어져 있을 수 있다.
상기 두 광학필터 사이에 다른 광학요소가 더 구비될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 의한 광 이미지 셔터는 전기광학 물질을 박막 형태로 이용하여 그 양단에 인가하는 전계(electric field)를 증가시킬 수 있다. 그러므로 광 이미지 셔터의 구동전압을 수백 볼트 이하, 예를 들면 200V 이하로 낮출 수 있다.
또한, 수동형 적층필름과 함께 광학적 특성 제어가 가능한 능동형 적층 필름을 이용하는 바, 응용 범위를 넓일 수 있고, 보다 고 품질의 이미지를 얻거나 보다 정확한 측정 결과를 얻을 수 있다.
또한, 전기광학 효과를 나타내는 전기광학 물질의 반응시간은 1ns 이하이므로, 고속 광 이미지 셔터를 구현할 수 있다. 따라서 본 발명의 일 실시예에 의한 광 이미지 셔터는 3차원 카메라뿐만 아니라 고속 셔터가 필요한 다른 장치, 예컨대, 고속 카메라, 디스플레이 등에 사용될 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 의한 광 이미지 셔터는 투명 기판 상에 박막 형태로 구성되어 두께가 얇으므로(기판 포함 총 두께는 100㎛~1mm 이하, 기판을 제외하면, 100㎛ 이하), 사이즈를 줄일 수 있고, 입사 이미지를 그대로 유지할 수 있어 해상도 저하도 방지할 수 있다.
또한, 기존의 안정화가 검증된 광학 필터 제조 공정을 그대로 이용할 수 있는 바, 제조가 용이하고 상용화 가능성이 높을 뿐만 아니라 대면적 공정이 가능하여 카메라용 셔터 및 평판 디스플레이에도 적용할 수 있다.
또한, 디스플레이에 적용할 경우, 본 발명의 일 실시예에 의한 광 이미지 셔터를 단위화소로 하여, 어레이를 이루는 각 화소를 개별적으로 구동할 수 있고, 이 에 따라 디스플레이의 이미지를 시간별로 표시할 수도 있다.
이하, 본 발명의 일 실시예에 의한 광 이미지 셔터를 첨부된 도면들을 참조하여 상세하게 설명한다. 이 과정에서 도면에 도시된 층이나 영역들의 두께는 명세서의 명확성을 위해 과장되게 도시된 것이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 의한 광 이미지 셔터(이하, 광 셔터)(100)는 수동형 필터(passive filter)(40)와 능동형 필터(active filter)(42)를 포함한다. 수동형 필터(40)는 굴절률이 고정된 광학필터일 수 있다. 능동형 필터(42)는 굴절률이 가변될 수 있는 광학필터일 수 있다. 수동형 필터(40)에 입사된 광(38)은 수동형 필터(40)와 능동형 필터(42)를 차례로 통과한다. 수동형 필터(40)와 능동형 필터(42)의 배치에 따라 광(38)은 능동형 필터(42)에 먼저 입사될 수도 있다. 능동형 필터(42)를 통과한 광(50)은 릴레이 렌즈 세트(44)를 통과하여 광 이미지 센서(46)에 집광된다. 릴레이 렌즈 세트(44)의 초점은 광 이미지 센서(46)에 맞춰져 있다. 광 경로상 수동형 필터(40) 이전에 위치한 카메라 광학계에서 광 이미지 센서(46)에 집광되도록 설계가 된 경우 릴레이 렌즈 세트(44)를 생략할 수도 있다. 수동형 필터(40)와 능동형 필터(42)는 동일한 광축 상에 구비되어 있다. 수동형 필터(40)와 능동형 필터(42)는 이격되어 있다. 이격된 수동형 필터(40)와 능동형 필터(42) 사이에 제3의 광학요소가 구비될 수 있다. 예를 들면, 수동형 필터(40)를 통과한 광(48)의 경로를 변경하는 반사경이나 수동형 필터(40)를 통과한 광(48)의 일부를 다른 광학요소로 분할하는 광 분할기 등이 수동형 필터(40)와 능 동형 필터(42) 사이에 구비될 수 있다. 수동형 필터(40)와 능동형 필터(42)는 결합되어 단일체가 될 수도 있다. 이에 대해서는 후술한다.
수동형 필터(40)는 제1 기판(40a)을 포함하고, 제1 기판(40a) 상에 적층 박막들을 구비한다. 제1 기판(40a)은 투명기판일 수 있는데, 예를 들면, 유리기판이나 폴리머 기판일 수 있다. 제1 기판(40a)의 이면, 곧 능동형 필터(42)와 마주하는 면은 제1 반사방지막(anti-reflection film)(40d)이 덮일 수 있다. 제1 반사방지막(40d)은 선택적으로 구비할 수 있다. 제1 기판(40a) 상에 제1 굴절률을 갖는 제1 층(40b)과 제2 굴절률을 갖는 제2 층(40c)이 순차적으로 교번 적층될 수 있다. 상기 제1 굴절률은 상기 제2 굴절률보다 크거나 작을 수 있다. 수동형 필터(40)에서 입사광(38)이 첫째로 통과하는 층은 제1 층(40b)일 수 있다. 제1 층(40b)은, 예를 들면 마그네슘 불화물층일 수 있다. 제2 층(40c)은, 예를 들면 아연 황화물층일 수 있다. 제1 층(40b)의 두께는 λ1/4 일 수 있다. 여기서, λ1은 λc/n1으로 주어진다. λc는 입사광(38)의 임계 파장 또는 중심 파장을 나타내고, n1은 제1 층(40b)의 굴절률, 곧 상기 제1 굴절률을 나타낸다. 상기 중심파장(λc)은, 예를 들면 850nm일 수 있으나, 이 보다 길거나 짧을 수 있다. 제2 층(40c)의 두께는 λ2/4일 수 있다. 여기서 λ2는 λc/n2으로 주어진다. n2는 제2 층(40c)의 굴절률, 곧 상기 제2 굴절률을 나타낸다. 제1 기판(40a) 상에 적층된 제2 층들(40c) 중 선택된 하나의 두께는 나머지 제2 층(40c)의 두께보다 두꺼울 수 있다. 예를 들어, 상기 선택된 하나 의 제2 층(42b)의 두께는 (λ2)/2일 수 있다.
능동형 필터(42)는 릴레이 렌즈 세트(44)와 마주하는 제2 기판(42a)을 포함한다. 제2 기판(42a)은 투명기판일 수 있다. 제2 기판(42a)의 이면, 곧 릴레이 렌즈 세트(44)와 마주하는 면은 제2 반사 방지막(42e)으로 덮일 수 있다. 제2 반사 방지막(42e)은 제1 반사 방지막(40d)과 동일할 수 있다. 능동형 필터(42)는 제2 기판(42a) 상에 순차적으로 교번 적층된 복수의 제3 굴절률의 제3 층(42b)과 제4 굴절률의 제4 층(42c)을 포함할 수 있다. 제3 층(42b)은 제1 층(40b)과 동일할 수 있다. 그리고 제4 층(42c)은 제2 층(40c)과 동일할 수 있다. 따라서 제3 층(42b)의 두께는 제1 층(40b)과 동일하고, 제4 층(42c)의 두께는 제2 층(40c)과 동일할 수 있다. 능동형 필터(42)에서 수동형 필터(40)를 통과한 광(48)이 처음 통과하는 층은 제3 층(42b)일 수 있다. 능동형 필터(42)는 교번 적층된 복수의 제3 및 제4 층(42b, 42c) 사이에 능동층(42d)을 포함할 수 있다. 능동층(42d)은 외부 영향으로 굴절률이 변하는 물질층을 포함할 수 있다.
도 2는 도 1의 능동형 필터(42)의 능동층(42d)을 포함하는 영역(A1)을 확대하여 보여준다.
도 2를 참조하면, 능동층(42d)은 제1 및 제2 투명전극(E1, E2)과 그 사이에 구비된 제1 굴절률 가변층(L1)을 포함한다. 제1 굴절률 가변층(L1)은 전기광학 효과에 의해 굴절률이 변화는 층으로써, 예를 들면 LiNbO3층, KTN층 등일 수 있다.
제1 및 제2 투명전극(E1, E2)은 광학장치나 디스플레이 등에 사용될 수 있는 모든 투명전극 물질일 수 있다. 제1 및 제2 투명전극(E1, E2)의 일 예는 ITO전극이 될 수 있다. 제1 굴절률 가변층(L1)은 전기광학 효과에 의해 굴절률이 변하므로, 제1 및 제2 투명전극(E1, E2)는 제1 굴절률 가변층(L1)과 떨어져 있어도 무방하다. 따라서 제1투명전극(E1)은 능동형 필터(42)의 상기한 첫째층 상에 구비될 수도 있고, 상기한 첫째층과 제1 굴절률 가변층(L1) 사이에 위치할 수도 있다. 또한, 제2 투명전극(E2)은 능동형 필터(42)의 제일 아래층이 될 수도 있고, 능동형 필터(42)의 제일 아래층과 제1 굴절률 가변층(L1) 사이에 위치할 수도 있다. 이와 같이 여러 곳에 위치할 수 있는 제1 및 제2 투명전극(E1, E2)에 전압을 인가하여 제1 굴절률 가변층(L1)에 전기장을 인가할 수도 있지만, 제1 및 제2 투명전극(E1, E2)을 구비함이 없이 능동형 필터(42) 외부에서 혹은 광 이미지 셔터(100) 외부에서 제1 굴절률 가변층(L1)에 전기장을 인가할 수도 있다. 제1 굴절률 가변층(L1)의 두께는 λ/2 일 수 있다. 위의 λ는 λc/nL1으로 주어진다. nL1는 제1 굴절률 가변층(L1)의 굴절률이다.
도 1의 능동층(42d)은 복수의 굴절률 가변층을 포함할 수도 있다. 도 3은 이에 대한 일 예를 보여준다.
도 3을 참조하면, 제1 굴절률 가변층(L1)과 이격된 제2 굴절률 가변층(L2)이 구비될 수 있다. 제2 굴절률 가변층(L2)의 두께는 λ/2 일 수 있다. 위의 λ는 λc/nL2으로 주어진다. nL2는 제2 굴절률 가변층(L2)의 굴절률이다. 제2 굴절률 가변층(L2)은 제1 굴절률 가변층(L1)과 동일한 원리에 따라 굴절률이 변할 수 있다. 그러나 제2 굴절률 가변층(L2)의 물질은 제1 굴절률 가변층(L1)과 다를 수도 있다. 제3 및 제4 투명전극(E3, E4)에 인가되는 전압에 의해 발생되는 전기장에 의해 제2 굴절률 가변층(L2)의 굴절률이 변할 수 있다. 상술한 제1 및 제2 투명전극(E1, E2)과 제1 굴절률 가변층(L1) 사이의 관계가 제3 및 제4 투명전극(E3, E4)과 제2 굴절률 가변층(L2) 사이에도 적용될 수 있다. 도 3에서 제2 투명전극(E2)과 제3 투명전극(E3) 사이에 적어도 한 층의 소정의 굴절률을 갖는 유전층이 구비될 수 있다. 예를 들면, 제2 및 제3 투명전극(E2, E3) 사이에 제3 층(42b) 또는 제4 층(42c)이 존재할 수 있고, 적어도 하나의 제3 및 제4 층(42b, 42c)이 존재할 수 있다. 도 3의 능동층(42d)은 제1 및 제2 굴절률 가변층(L1, L2)외에 1개 이상의 굴절률 가변층을 더 포함할 수 있다.
한편, 도 3에 도시한 바와 같은 구성으로 2개의 굴절률 가변층을 포함할 수도 있지만, 도 2의 능동층(42d)에서 제1 및 제2 투명전극(E1, E2) 사이에 굴절률 가변층을 더 포함할 수 있다. 곧, 제1 및 제2 투명전극(E1, E2)는 적어도 2개의 굴절률 가변층에 공유될 수 있다. 이때, 적어도 2개의 굴절률 가변층은 서로 이격될 수 있다.
다음은 광 셔터(100)에 입사되는 광의 세기와 광 셔터(100)를 투과한 광의 세기 사이의 관계를 살펴본다.
도 1의 광 셔터(100)에서 수동형 필터(40)에 입사되는 광(38)의 세기를 E0라 하면, 수동형 필터(40)를 통과한 광(48)의 세기(Et)는 Et = T(λ)E0가 된다. 여기서 T(λ)는 수동형 필터(40)의 투과율 또는 전달함수이다. 수동형 필터(40)를 통과한 광(48)의 세기(Et)는 능동형 필터(42)에 입사하는 광의 세기가 된다. 능동형 필 터(42)를 투과한 광(50)의 세기(Et")는 Et" = T'(λ, V)Et가 된다. T'(λ, V)는 능동형 필터(42)의 투과율 또는 전달함수이다. V는 능동형 필터에 인가되는 전압을 나타낸다. Et = T(λ)E0이므로, 능동형 필터(42)를 투과한 광(50)의 세기(Et")는 다음 수학식 1로 주어진다.
Et" = T'(λ, V)T(λ)E0=T"(λ, V)E0
수학식 1은 광 셔터(100)에 입사하는 입사광(38)의 세기(E0)와 광 셔터(100)를 통과한 광(50)의 세기(Et") 사이의 관계를 보여준다. 수학식 1에서 T"(λ, V)는 광 셔터(100)의 전달함수로써, 수동형 필터(40)의 전달함수(T(λ))와 능동형 필터(42)의 전달함수(T'(λ, V))의 곱으로 주어진다. 광 셔터(100)가 수동형 필터(40)와 능동형 필터(42) 사이에 다른 광학요소를 포함하는 경우, 광 셔터(100)의 전달함수는 수동형 필터(40)의 전달함수와 상기 광학요소의 전달함수와 능동형 필터(42)의 전달함수의 곱으로 표현될 수 있다.
도 1의 수동형 필터(40)는 투과특성 또는 반사특성을 갖는, 로 패스 필터(low pass filter), 하이 패스 필터(high pass filter), 밴드 패스 필터(band pass filter), 모노 크로매틱 필터(mono chromatic filter), 노치 필터(notch filter), 쉐이프 필터(shape filter) 및 페브리-페럿 간섭 필터(Fabry-Perot interference filter) 중 어느 하나일 수 있다.
도 4는 수동형 필터(40)가 로-패스 필터일 때, 수동형 필터(40)의 전달함수, 투과율 특성을 보여준다.
도 5는 수동형 필터(40)가 하이-패스 필터일 때, 수동형 필터(40)의 전달함수를 보여준다.
도 6은 수동형 필터(40)가 밴드 패스 필터일 때의 전달함수를 보여준다.
도 7은 수동형 필터(40)가 모노 크로매틱 필터일 때의 전달함수를 보여준다.
도 8은 수동형 필터(40)가 노치 필터일 때, 전달함수를 보여준다.
도 9는 수동형 필터(40)가 쉐이프 필터일 때, 전달함수를 보여준다.
도 4 내지 도 9를 통해서 수동형 필터(40)가 상기한 필터들 중 어느 하나일 때, 수동형 필터(40)의 투과율 특성 혹은 반사율 특성을 알 수 있다.
능동형 필터(42)는 능동층(42d)을 포함하기 때문에, 외부 영향에 의해, 예컨대 외부에서 인가되는 전압에 의한 전기장에 의해 중심 파장 또는 투과 한계 파장이 달라지는 필터일 수 있다. 달리 표현하면, 능동형 필터(42)는 전달함수가 외부 영향에 의해 달라질 수 있는 필터일 수 있다. 이러한 능동형 필터(42)를 가변 특성을 갖는 필터 혹은 편의 상 가변 필터라 한다. 능동형 필터(42)는 투과특성 또는 반사특성을 가지며 상기 가변 특성을 갖는 로-패스 필터(low pass filter)(이하, 가변 로-패스 필터)일 수 있다. 또한, 능동형 필터(42)는 투과특성 또는 반사특성을 갖는, 가변 하이-패스 필터, 가변 밴드 패스 필터, 가변 모노 크로매틱 필터, 가변 노치 필터, 가변 쉐이프 필터 및 가변 페브리-페럿 간섭 필터 중 어느 하나일 수 있다.
도 10 내지 도 15는 능동형 필터(42)로 사용될 수 있는 다양한 가변 필터의 전달함수, 곧 투과특성을 보여준다.
도 10은 능동형 필터(42)가 상기 가변 로-패스 필터일 때의 전달함수를 보여준다.
도 11은 능동형 필터(42)가 가변 하이-패스 필터일 때의 전달함수를 보여준다.
도 12는 능동형 필터(42)가 가변 밴드 패스 필터일 때의 전달함수를 보여준다.
도 13은 능동형 필터(42)가 가변 모노 크로매틱 필터일 때의 전달함수를 보여준다.
도 14는 능동형 필터(42)가 가변 노치 필터일 때의 전달함수를 보여준다.
도 15는 능동형 필터(42)가 가변 쉐이프 필터일 때의 전달함수를 보여준다.
도 10 내지 도 15에서 실선은 외부 영향이 없을 때의 능동형 필터(42)의 전달함수, 곧 투과특성을 나타내고, 점선으로 나타낸 그래프는 능동형 필터(42)에 전기장 등과 같은 외부 영향이 있을 때의 전달함수를 나타낸다. 상기 전기장은 능동형 필터(42) 외부에서 인가할 수도 있고, 능동형 필터(42)에 구비된 투명전극들(E1-E4)에 전압을 인가하여 인가할 수도 있다.
도 10 내지 도 15를 참조하면, 능동형 필터(42)에 외부 영향이 미칠 때, 전달함수의 중심파장 혹은 한계 파장은 오른쪽으로 시프트(shift)됨을 알 수 있다.
다음에는 광 셔터(100)의 전달함수에 대해 살펴본다.
수학식 1에서 알 수 있듯이, 광 셔터(100)의 전달함수(T"(λ, V))는 수동형 필터(40)의 전달함수(T(λ))와 능동형 필터(42)의 전달함수(T'(λ,V))의 곱으로 표 현된다. 도 16 내지 도 19는 수동형 필터(40)와 능동형 필터(42)가 상기한 어느 한 필터일 때, 광 셔터(100)의 전달함수(T"(λ, V))에 대한 예를 보여준다.
도 16은 수동형 필터(40)가 밴드 패스 필터이고, 능동형 필터(42)가 가변 모노 크로매틱 필터일 때, 광 셔터(100)의 전달함수(T"(λ, V))를 보여준다. 도 16에서 실선은 광 셔터(100)가 열렸을 때, 곧 능동형 필터(42)에 전압이 인가되지 않았을 때의 광 셔터(100)의 투과율을 나타내고, 점선은 광 셔터(100)가 닫혔을 때, 곧 능동형 필터(42)에 전압이 인가되었을 때의 광 셔터(100)의 투과율을 나타낸다. 도 16의 실선과 점선에 대한 설명은 도 17 내지 도 19에도 동일하게 적용될 수 있다.
도 16을 참조하면, 광 셔터(100)가 열린 상태일 때, 광 셔터(100)의 전달함수(T"(λ, V)), 곧 투과율은 능동형 필터(42)의 전달함수(T'(λ,V))를 따르고, 광 셔터(100)가 닫힌 상태일 때, 투과율은 무시할 수 있을 정도로 극히 낮아서 광 셔터(100)에 입사된 광은 광 셔터(100)에 의해 차단된 것으로 단정할 수 있다.
도 17은 수동형 필터(40)가 투과 한계 최대 파장이λ'c인 로-패스 필터이고, 능동형 필터(42)가 투과 한계 최소 파장이 λc(<λ'c)인 가변 하이-패스 필터일 때, 광 셔터(100)의 전달함수(T"(λ, V))를 보여준다.
도 17을 참조하면, 광 셔터(100)가 열린 상태일 때, 광 셔터(100)의 전달함수(T"(λ, V))는 밴드 패스 필터의 투과 특성을 나타내고, 광 셔터(100)가 닫힌 상태일 때는 투과율은 무시할 수 있을 정도로 극히 작다.
도 18은 수동형 필터(40)는 모노 크로메틱 필터이고, 능동형 필터(42)는 전 압이 인가되지 않았을 때의 중심파장이 모노 크로메틱 필터와 같은 가변 모노 크로메틱 필터일 때, 광 셔터(100)의 전달함수(T"(λ, V))를 보여준다.
도 18을 참조하면, 광 셔터(100)가 열린 상태일 때, 곧 능동형 필터(42)에 전압이 인가되지 않았을 때, 광 셔터(100)는 수동형 필터(40)와 동일한 모노 크로메틱 필터 특성을 나타내는 반면, 광 셔터(100)가 닫힌 상태일 때, 곧 능동형 필터(42)에 전압이 인가되었을 때, 광 셔터(100)의 투과율은 무시해도 무방할 정도로 극히 작다.
도 19는 수동형 필터(40)가 모노 크로메틱 필터이고, 능동형 필터(42)가 쉐이프 필터일 때, 광 셔터(100)의 전달함수(T"(λ, V))를 보여준다. 도 19의 능동형 필터의 전달함수를 나타내는 그래프에서 제1 그래프(G1)는 능동형 필터(42)에 전압이 인가되지 않았을 때(이하, 제1 경우)의 능동형 필터(42)의 전달함수, 곧 투과율을 나타내고, 제2 그래프(G2)는 수동형 필터(40)에 대해 능동형 필터(42)가 완전한 투과특성을 갖도록 능동형 필터(42)에 제1 전압(V1)을 인가하였을 때(이하, 제2 경우), 능동형 필터(42)의 전달함수를 나타내며, 제3 그래프(G3)는 수동형 필터(40)에 대해 능동형 필터(42)가 반투과 특성을 갖도록 능동형 필터에 제2 전압(V2)을 인가하였을 때(이하, 제3 경우), 능동형 필터(42)의 전달함수를 나타낸다. 상기 제2 전압(V2)은 상기 제1 전압(V1)보다 작다.
도 19의 광 셔터의 전달함수를 나타내는 그래프에서 제1 그래프(G11)는 상기 제1 경우의 광 셔터의 투과율을, 제2 그래프(G22)는 상기 제2 경우의 투과율을, 제3 그래프(G33)는 상기 제3 경우의 투과율을 나타낸다.
도 19를 참조하면, 상기 제1 경우, 수동형 필터(40)의 중심파장(λc)은 능동형 필터(42)의 스톱 밴드의 중심 파장과 일치한다. 그러므로 상기 제1 경우, 광 셔터(100)는 닫힌 상태가 되어 광 셔터(100)의 투과율은 제1 그래프(G11)를 통해 알 수 있듯이 무시할 수 있을 정도로 극히 작다. 상기 제2 경우, 광 셔터(100)는 완전히 열린 상태가 되어 광 셔터(100)의 투과율은 수동형 필터(40)의 투과율을 따른다. 상기 제3 경우, 제3 그래프(G33)를 통해 알 수 있듯이, 광 셔터(100)의 투과율은 상기 제2 경우일 때보다는 작고 상기 제1 경우일 때보다는 크다. 곧, 광 셔터(100)는 반 투과특성을 갖는다. 도 19의 결과로부터 수동형 필터(40)와 능동형 필터(42)를 도 19의 경우와 같이 구성할 경우, 능동형 필터(42)에 인가하는 전압을 연속적으로 변화시키면, 광 셔터(100)의 전달함수((T"(λ, V)), 곧 투과율은 인가 전압에 따라 연속적으로 변함을 알 수 있다.
도 20은 도 19의 경우에서 광 셔터(100)의 전달함수를 중심파장(λc)과 인가전압(V)의 함수로 나타낸다.
도 20을 참조하면, 능동형 필터(42)에 인가되는 전압(V)에 따른 중심파장(λc)에서의 투과율 변화는 연속적이다. 따라서 광 셔터(100)가 도 19에 도시한 전달함수를 갖는 수광필터(40) 및 능동형 필터(42)를 포함하는 경우, 광 셔터(100)는 입사광을 원하는 비율로 통과시키는 변조기(modulator)로 사용될 수도 있다.
도 10 내지 도 19의 설명에서 능동형 필터들의 전달함수, 곧 투과율 밴드는 전압인가에 따라 오른쪽으로 시프트되는 것으로 설명하였으나, 전압인가 방법, EO 재료의 결정방향에 따라 능동층(42d)의 굴절율은 줄어들 수도 있는 바, 능동형 필터들의 투과율 밴드는 반대로, 곧 왼쪽으로 시프트될 수도 있다. 따라서 전압인가에 따라 광 셔터의 온 상태 또는 오프 상태는 반대로 설정될 수도 있다.
광 셔터의 온 상태와 오프 상태는 인가전압을 조절하여 조절 가능하지만, 전압이 인가될 때 광 셔터의 상태가 반드시 온 상태나 오프 상태가 아닐 수도 있다. 곧, 광 셔터의 상태는 전압이 인가될 때, 온 상태와 오프 상태의 중간 상태일 수도 있다.
광 셔터(100)에서 수동형 필터(40)와 능동형 필터(42)가 투과특성을 갖느냐, 반사특성을 갖느냐에 따라 수동형 필터(40)와 능동형 필터(42)는 다양하게 배치될 수 있다. 도 21 내지 도 26은 이에 대해 예를 보여준다.
도 21은 수동형 필터(40)와 능동형 필터(42)가 동일 광축 상에 일렬로 평행하게 정렬된 경우를 보여준다. 도 21에서는 수동형 필터(40)와 능동형 필터(42)의 투과 특성을 사용하여 셔터를 구성한다. 이때, 능동형 필터(42)의 투과밴드는 능동형 필터(42)가 온 또는 오프 상태일 때, 수동형 필터(40)의 투과밴드와 적어도 일부 영역에서 겹칠 수 있다.
도 22는 동일 광축 상에서 능동형 필터(42)에 대해 수동형 필터(40)가 경사지게 배치된 경우를 보여준다. 도 22에서는 수동형 필터(40)의 반사특성과 능동형 필터(42)의 투과특성을 사용하여 셔터를 구성한다. 이때, 능동형 필터(42)가 온 또는 오프 상태일 때, 능동형 필터(42)의 투과밴드는 수동형 필터(40)의 반사밴드와 적어도 일부 영역에서 겹칠 수 있다.
도 23은 수동형 필터(40)와 능동형 필터(42)가 동일 광축 상에 정렬되어 있되, 수동형 필터(40)에 대해 능동형 필터(42)가 경사지게 배치된 경우를 보여준다. 도 23에서는 수동형 필터(40)의 투과특성과 능동형 필터(42)의 반사특성을 사용하여 셔터를 구성한다. 이때, 능동형 필터(42)가 온 또는 오프 상태일 때, 능동형 필터(42)의 반사밴드는 수동형 필터(40)의 투과밴드와 적어도 일부 영역에서 겹칠 수 있다.
도 24는 수동형 필터(40)와 능동형 필터(42)가 동일 광축 상에 정렬되어 있되, 수동형 필터(40)는 입사광(38)을 능동형 필터(42)로 반사하도록 배치되어 있고, 능동형 필터(42)는 수동형 필터(40)로부터 반사된 광을 광 이미지 센서(미도시)로 반사하도록 배치된 경우를 보여준다. 도 24에서 능동형 필터(42)가 온 또는 오프 상태일 때, 능동형 필터(42)의 반사밴드는 수동형 필터(40)의 반사밴드와 적어도 일부 영역에서 겹칠 수 있다.
도 25는 피사체로부터 입사되는 광이 능동형 필터(42)에 입사되고 다시 능동형 필터(42)로부터 방출되도록 수동형 필터(40)와 능동형 필터(42)가 배치된 경우를 보여준다. 도 25에서 수동형 필터(40)는 능동형 필터(42)를 투과하여 입사되는 광을 능동형 필터(42)로 반사시키도록 배치되어 있다. 수동형 필터(40)와 능동형 필터(42)는 이격되어 있고, 일렬로 정렬되어 있으며 서로 평행하다. 능동형 필터(42)가 온 또는 오프 상태일 때, 능동형 필터(42)의 투과밴드는 수동형 필터(40)의 반사밴드와 적어도 일부 영역에서 겹칠 수 있다. 수동형 필터(40) 앞쪽에 광 분할기(40e)가 구비될 수 있고, 광 분할기(40e) 뒤쪽에 광 이미지 센서가 구비될 수 있다.
한편, 도 25에서 광 분할기(40e)를 구비하는 대신, 능동형 필터(42)에 입사되는광을 점선으로 나타낸 바와 같이 주어진 각으로 비스듬하게 입사시킬 수 있다. 이와 같이 능동형 필터(42)에 사입사된 광은 능동형 필터(42)를 투과하고 수동형 필터(40)로부터 반사된 다음, 다시 능동형 필터(42)를 투과하여 능동형 필터(42)의 상부면에 대해 주어진 각으로 경사진 방향으로 진행한다. 이와 같은 경우, 수동형 필터(40)는 능동형 필터(42) 밑면이 부착되게 구비될 수 있다. 그리고 광 이미지 센서는 능동형 필터(42)로부터 광이 방출되는 방향에 위치할 수 있다.
도 26은 도 25와 반대로 수동형 필터(40)와 능동형 필터(42)가 배치된 경우를 보여준다. 곧, 피사체로부터 입사되는 광은 수동형 필터(40)에 입사되고 다시 수동형 필터(40)로부터 방출되도록 수동형 필터(40)와 능동형 필터(42)가 배치되어 있다. 능동형 필터(42)는 수동형 필터(40)를 투과하여 입사되는 광을 수동형 필터(40)로 반사시키도록 배치되어 있다. 도 26에서, 능동형 필터(42)가 온 또는 오프 상태일 때, 능동형 필터(42)의 반사밴드는 수동형 필터(40)의 투과밴드와 적어도 일부 영역에서 겹칠 수 있다. 도 21 내지 도 26외에 다른 배치가 더 있을 수 있다. 또한, 도 21 내지 도 26의 배치에서 수동형 필터(40)와 능동형 필터(42) 사이에 다른 광학요소, 예를 들면 광 분할기나 반사경이나 광 변조기 등이 구비될 수도 있다.
도 25에서 설명한 광 분할기와 사입사 광과 광 이미지 센서의 위치와 수동형 필터(40)와 능동형 필터(42)의 부착 등에 대한 설명은 도 26의 경우에도 그대로 적 용될 수 있다.
도 1과 도 21 내지 도 26에 도시한 광 이미지 셔터는 수동형 필터(40)와 능동형 필터(42)를 각각 별개로 형성한 다음, 형성된 수동형 필터(40)와 능동형 필터(42)를 도 1과 도 21 내지 도 26에 도시한 바와 같은 형태로 정렬하여 형성할 수 있다. 이때, 수동형 필터(40)는 기판(40a) 상에 제1 층(40b)과 제2 층(40c)을 적어도 한 번 순차적으로 교번 적층하여 형성할 수 있다. 또한, 능동형 필터(42)는 기판(42a) 상에 제3 및 제4 층(42b, 42c)을 적어도 한 번 순차적으로 교번 적층하여 형성하되, 적어도 하나의 굴절률 가변층(L1)을 포함하도록 형성할 수 있다. 굴절률 가변층(L1)의 형성과 함께 능동형 필터(42)에 굴절률 가변층(L1)에 전기장을 인가하기 위한 제3 및 제4 투명전극(E3, E4)을 더 형성할 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 의하면, 도 1의 수동형 필터(40)와 능동형 필터(42)는 단일 기판에 적층될 수도 있다. 도 27 내지 도 29는 이에 대한 예를 보여준다.
도 27을 참조하면, 기판(80) 상에 능동형 필터층(82), 인터페이스층(84) 및 수동형 필터층(86)이 순차적으로 적층되어 있다. 기판(80)의 이면은 반사 방지막(88)으로 코팅될 수 있다. 기판(80)은 투명기판일 수 있다. 능동형 필터층(82)는 도 1의 능동형 필터(42)에서 기판(42a)과 반사방지막(42d)를 제거한 나머지 부분과 동일할 수 있다. 따라서 능동형 필터층(82)에 대한 자세한 구성은 도시하지 않았다. 수동형 필터층(86)은 도 1의 수동형 필터(40)에서 기판(40a)과 반사방지막(40d)을 제외한 나머지 부분과 동일할 수 있다. 따라서 수동형 필터층(86)에 대 한 자세한 구성은 도시하지 않았다. 인터페이스층(84)은 수동형 필터층(86)과 능동형 필터층(82)의 구분을 위한 것으로, 능동형 필터층(82) 상에 적층되는 수동형 필터층(86)의 첫번째 층일 수 있다.
도 28은 도 27에서 수동형 필터층(86)과 능동형 필터층(82)의 위치가 바뀐 경우를 보여준다. 도 28의 경우, 인터페이스층(84)은 수동형 필터층(86)의 마지막 층일 수 있다.
도 29는 기판(80)의 어느 한 면, 예컨대 상부면에 능동형 필터층(82)이 구비되고, 기판(80)의 다른 면, 예컨대 하부면에 수동형 필터층(86)이 구비된 경우를 보여준다.
도 27 및 도 28에 도시한 바와 같은 광 셔터는 투명기판(80) 상에 능동형 필터층(82)과 인터페이스층(84)과 수동형 필터층(86)을 순차적으로 적층하거나 투명기판(80) 상에 수동형 필터층(86)과 인터페이스층(84)과 능동형 필터층(82)을 순차적으로 적층하여 형성할 수 있다. 이때, 능동형 필터층(82)과 수동형 필터층(86)은 도 1의 능동형 필터(42)와 수동형 필터(40)를 형성할 때와 동일하게 형성할 수 있다.
한편, 도 29에 도시한 광 셔터의 경우, 투명기판(80)의 한 면에 수동형 필터층(86) 및 능동형 필터층(82) 중 어느 한 층을 먼저 형성한 다음, 투명기판(80)의 다른 면에 나머지 층을 형성하여 형성할 수 있다. 또는 독립된 2개의 투명기판 상에 수동형 필터(86)와 능동형 필터(82)를 각각 형성한 다음, 상기 2개의 기판을 본딩하여 형성할 수도 있다.
다음에는 광 셔터(100)를 검증하기 위해 실시한 시뮬레이션에 대해 설명한다.
시뮬레이션을 위해, 도 1의 광 셔터(100)에서 능동형 필터(42)의 기판(42a)과 수동형 필터(40)의 기판(40a)은 유리기판으로 설정하였다. 그리고 수동형 필터(40)와 능동형 필터(42)는 모두 투과특성을 갖는 모노 크로메틱 필터인 것으로 설정하였다. 또한, 수동형 필터(40)의 기판(40a) 상에 적층된 적층필름의 층 수는 19층으로 설정하고, 제1 층(40b)은 굴절률 1.35의 마그네슘 불화물로, 제2 층(40c)은 굴절률 2.30의 아연 황화물로 각각 설정하였다. 또한, 수동형 필터(40)에 입사되는 광의 투과 중심파장(λc)은 850nm로 설정하였고, 제1 층(40b)의 두께는 157nm, 제2 층(40c)의 두께는 92nm로 설정하였다. 다만, 제2 층(40c) 중 하나의 두께는 184nm로 설정하였다. 또한, 능동형 필터(42)의 기판(42a) 상에 적층된 적층필름의 층 수는 19층으로 설정하되, 그 중 1층은 단일층의 가변 굴절률층을 포함하는 능동층(42d)으로 설정하였다. 능동형 필터(42)의 제3 층(42b)은 수동형 필터(40)의 제1 층(40b)과 동일하고, 제4 층(42c)은 제2 층(40c)과 동일한 것으로 설정하였다. 능동층(42d)의 가변 굴절률층(L1)은 굴절률 2.31인 KTN층으로 설정하였고, 그 두께는 182nm로 설정하였다. 또한, 가변 굴절률층(L1)의 상면 및 하면에 각각 제1 및 제2 투명전극(E1, E2)이 부착되어 있고, 제1 및 제2 투명전극(E1, E2)의 두께는 100nm로 설정하였다. 제1 및 제2 투명전극(E1, E2) 사이에 0V의 전압을 인가하여 광 셔터(100)를 열린 상태로 유지하였고, 제1 및 제2 투명전극(E1, E2) 사이에 20V의 전압을 인가하여 광 셔터(100)를 닫힌 상태로 유지하였다. 가변 굴절률층(L1)의 굴절률 변화량(Δn)은 10-3 ⅹE(V/㎛) = 0.11로 설정하였다. 수동형 필터(40)의 기판(40a)의 밑면과 능동형 필터(42)의 기판(42a)의 밑면은 반사 방지막으로 코팅된 것으로 설정하였다.
도 30 및 도 31은 각각 상기 시뮬레이션에 사용한 수동형 필터(40)와 능동형 필터(42)의 투과특성을 보여준다.
도 30을 참조하면, 수동형 필터(40)는 중심파장이 850nm인 단파장 투과특성을 나타낸다.
도 31을 참조하면, 제1 및 제2 투명전극(E1, E2) 사이에 0V의 전압이 인가될 때(이하, 제1 모드), 곧 광 셔터(100)가 오픈 상태일 때, 능동형 필터(42)는 중심파장이 850nm인 단파장 투과 특성을 나타낸다(제1 그래프(GG1) 참조). 제1 및 제2 투명전극(E1, E1) 사이에 20V의 전압이 인가될 때(이하, 제2 모드), 곧 광 셔터(100)가 닫힌 상태일 때, 능동형 필터(42)는 중심파장이 870nm로 이동된 단파장 투과 특성을 나타낸다.
도 32는 상기 시뮬레이션 결과를 보여준다. 도 32에서 제1 그래프(G31)는 능동형 필터(42)가 상기 제1 모드일 때의 광 셔터(100)의 투과 특성을 나타내고, 제2 그래프(G32)는 능동형 필터(42)가 상기 제2 모드일 때의 광 셔터(100)의 투과 특성을 나타낸다.
도 32를 참조하면, 상기 제1 모드에서 광 셔터(100)는 중심파장이 850nm인 단파장 투과특성을 나타내고, 상기 제2 모드에서 광 셔터(100)는 2% 이하의 극히 낮은 투과율을 보인다.
도 32의 결과로부터 기존에 알려진 재료를 사용하여 중심파장이 850nm인 단파장을 갖는 이미지를 효과적으로 셔터링(shuttering)할 수 있음을 알 수 있다. 또한, 상기 시뮬레이션에서 가변 굴절률층(L1)의 재료로 사용한 KTN은 1ns 이하의 반응속도를 갖고 있으므로, 광 셔터(100)의 셔터링 속도는 1ns보다 짧을 수 있다. 또한, 상기 시뮬레이션을 통해서 수동형 필터(40)와 능동형 필터(42)로 사용되는 필터들의 적절한 조합과 가변 굴절률층(L1)으로 사용되는 재료에 따라 광 셔터(100)는 중심파장이 850nm와 다른 단파장을 갖는 이미지에 대해서도 효과적으로 셔터링 할 수 있음을 알 수 있다.
셔터링 속도가 1ns 이하로 빠른 광 셔터(100)는 3D 카메라뿐만 아니라 고속 카메라, 적외선 이미저(IR Imager), 레이저 레이다(laser radar)에 사용될 수 있다. 또한, 그러한 광 셔터(100)가 디스플레이에 사용될 경우, 광 셔터(100)를 단위 화소(pixel)로 사용하고, 복수의 광 셔터(100)를 어레이 형태로 구성하여 각각의 화소를 개별적으로 구동함으로써 디스플레이를 통해 표시되는 영상을 시간별로 표시할 수도 있다.
상술한 광 이미지 셔터에서 수동형 필터와 능동형 필터의 조합을 통해 입사광을 다양한 형태의 파형, 예를 들면 사인파형, 램프(ramp)파형, 스퀘어(square)파형 등으로 변조할 수 있는 바, 상술한 광 이미지 셔터는 광 이미지 변조기로 작용할 수도 있다.
상기한 설명에서 많은 사항이 구체적으로 기재되어 있으나, 그들은 발명의 범위를 한정하는 것이라기보다, 바람직한 실시예의 예시로서 해석되어야 한다. 때문에 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 의하여 정하여 질 것이 아니고 특허 청구범위에 기재된 기술적 사상에 의해 정하여져야 한다.
도 1은 본 발명의 실시에에 의한 광 이미지 셔터의 구성을 보여주는 단면도이다.
도 2 및 도 3은 도 1의 능동형 필터의 영역(A1)에 대한 보다 자세한 구성을 보여주는 확대 단면도들이다.
도 4 내지 도 9는 도 1의 수동형 필터의 전달함수를 보여준다.
도 10 내지 도 15는 도 1의 능동형 필터의 전달함수를 보여준다.
도 16 내지 도 19는 다양한 수동형 필터 및 능동형 필터에 대한 도 1의 광 셔터의 전달함수를 보여준다.
도 20은 도 19의 광 셔터 전달함수 특성을 다르게 나타낸 것으로써, 능동형 필터에 인가되는 전압(V)에 따른 중심파장(λc)에서의 투과율 변화를 나타낸 그래프이다.
도 21 내지 도 26은 도 1의 광 셔터에 포함된 수동형 필터와 능동형 필터의 다양한 정렬 형태를 나타낸 단면도들이다.
도 27 내지 도 29는 수동형 필터와 능동형 필터가 단일 기판에 구비된 경우를 나타낸 단면도들이다.
도 30은 본 발명의 실시예에 의한 광 이미지 셔터의 동작 검증을 위한 시뮬레이션에 사용한 수동형 필터의 투과특성을 나타낸 그래프이다.
도 31은 본 발명의 실시예에 의한 광 이미지 셔터의 동작 검증을 위한 시뮬레이션에 사용한 능동형 필터의 투과특성을 나타낸 그래프이다.
도 32는 본 발명의 실시에에 의한 광 이미지 셔터의 동작 검증을 위한 시뮬레이션의 결과를 나타낸 그래프이다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호설명>
38:입사광 40:수동형 필터
40a, 42a:제1 및 제2 투명기판
40b, 40c, 42b, 42c:제1 내지 제4 층
40d, 42e:반사 방지막 40e:광 분할기
42:능동형 필터 42d:능동층
44:릴레이 렌즈 세트 46:광 이미지 센서
48:수동형 필터 투과광(능동형 필터 입사광)
50:광 이미지 셔터 투과광 80:투명기판
82:능동형 필터층 84:인터페이스층
86:수동형 필터층 88:반사방지막
A1:능동형 필터의 능동층을 포함하는 영역
E1-E4:제1 내지 제4 투명전극 L1, L2:제1 및 제2 가변 굴절률

Claims (11)

  1. 고정된 굴절률을 갖는 제1 광학필터; 및
    제2 광학필터;를 포함하고,
    상기 제2 광학필터는,
    굴절률이 다르고 교번 적층된 복수의 비가변 굴절률층; 및
    굴절률 가변층;을 포함하는 광 이미지 셔터.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1 광학필터는 제1 굴절률의 제1 층과 상기 제1 굴절률과 다른 제2 굴절률의 제2 층을 포함하고,
    상기 제1 및 제2 층은 적어도 한 번 교번 적층되는 광 이미지 셔터.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 제2 광학필터는 복수의 굴절률 가변층을 포함하는 광 이미지 셔터.
  4. 삭제
  5. 제 3 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 굴절률 가변층에 전기장을 인가하기 위한 투명전극을 더
    포함하는 광 이미지 셔터.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1 광학필터는 로-패스 필터, 하이-패스 필터, 밴드 패스 필터, 모노 크로매틱 필터, 노치 필터, 쉐이프 필터 및 페브리-페럿 간섭 필터 중 어느 하나인 광 이미지 셔터.
  7. 제 1 항 또는 제 6 항에 있어서,
    상기 제2 광학필터는 가변 로-패스 필터, 가변 하이-패스 필터, 가변 밴드 패스 필터, 가변 모노 크로매틱 필터, 가변 노치 필터, 가변 쉐이프 필터 및 가변 페브리-페럿 간섭 필터 중 어느 하나인 광 이미지 셔터.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 광학필터는 분리 또는 결합된 광 이미지 셔터.
  9. 제 3 항에 있어서,
    상기 굴절률 가변층은 전기 광학 효과(Electro-Optical effect)를 갖는 물질층인 광 이미지 셔터.
  10. 제 8 항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 광학필터가 분리된 경우, 상기 제1 및 제2 광학필터는 동일 광 축 상에서 서로 평행하거나 하나가 나머지에 대해 기울어져 있는 광 이미지 셔터.
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 광학필터 사이에 다른 광학요소가 더 구비된 광 이미지 셔터.
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