KR20030076091A - 액정에 의해 레이저 빔을 굴절시키는 패턴 스캐너 - Google Patents

Abstract

본 발명은 액정에 의해 레이저 빔을 반사시키는 패턴 스캐너에 관한 것으로, 레이저 빔을 반사시키기 위한 반사경 대신에 일차원 또는 이차원적인 그리드(grid) 위의 액정 물질에 전기적인 신호를 가하여 그 액정의 배열 상태에 따라 입사되는 빛의 굴절각을 조절하여 패턴에 이를 조사하도록 하는 액정에 의해 레이저 빔을 굴절시키는 패턴 스캐너를 제공하는데 그 목적이 있다.

이러한 목적은, 패턴 판독용 레이저 빔을 발생하는 레이저 원; 액정으로 구성되어 인가되는 전기적 신호에 따라 상기 레이저 빔을 여러 각도로 굴절시키는 회절 격자; 상기 회절 격자의 액정에 전기적인 신호를 인가하여 레이저 빔의 굴절각을 제어하는 각도 제어부; 상기 회절 격자에 의해 굴절되어 패턴에 조사된 다음 그 되어 반사되는 레이저 빔을 수광하여 전기적 신호로 변환하는 수광부; 상기 수광부로부터 출력되는 전기적 신호를 분석하여 패턴의 내용을 판독하는 패턴 해석부;로 구성됨으로써 달성된다.

Description

액정에 의해 레이저 빔을 굴절시키는 패턴 스캐너 {PATTERN SCANNER DEFLECTING LASER BEAM BY A LIQUID CRYSTAL DEVICE}

본 발명은 패턴 스캐너에 관한 것으로, 특히 액정의 특성을 이용하여 레이저 빔을 회절시켜 반사시킨 다음 이를 패턴에 조사함으로써 스캐닝을 행하도록 하는 패턴 스캐너에 관한 것이다.

일반적으로 상품에 인쇄되어 있는 패턴(예를 들면, 바코드)을 스캐닝하여 판독하는 스캐너에 있어서, 그 스캔 수단으로서 레이저 빔을 이용하게 된다.

이러한 레이저 빔을 이용하여 스캔 라인을 형성하는 장치로는, 대표적으로 도 1 에 도시한 구조를 들 수 있다.

레이저를 발생시키는 레이저 원(100)으로부터 발생된 입사빔(B)은 반사경(110)쪽으로 입력된다.

이때, 모터(120)가 구동하여 그 축에 구비된 캠(121)의 회전에 따라 상기 반사경(110)에 연속적인 떨림이 발생하게 된다.

미 설명 부호 '111'은 반사경을 지지하고 있는 지지 구조물이다.

상기 반사경(110)이 떨림에 따라 입사빔(B)은 여러 각으로 반사되고, 그 반사된 빔(B')은 바코드(130)에 조사된다.

상기 바코드(130)로부터 반사된 빔은 별도로 구비된 수광부(도시하지 않음)에서 수광하여 전기적인 신호로 바꾸어 바코드를 해석하게 되는 것이다.

이러한 기계적으로 빔을 반사하기 위한 구조를 갖는 특허는 미국특허5,902,989호, 미국 특허 5,866,894호, 그 밖의 많은 특허에 언급되어 있다.

이렇게 기계적인 구조로서 레이저 빔을 반사하기 위한 구조는 다음과 같은 문제점을 갖는다.

첫 번째, 기계적인 동작을 하므로 구조적 고장 우려가 존재한다.

두 번째, 기계적인 구조물이기 때문에 공간 활용성이 좋지 못하다. 즉, 모터, 캠 등의 몇 개의 디바이스가 구비되는 최소한의 공간이 필요하다.

세 번째, 모터를 구동하기 위하여 비교적 많은 전력 소모가 발생한다.

네 번째, 기계적 구조이기 때문에 저속 동작만이 가능하다.

다섯 번째, 레이저 빔의 위치 제어가 어렵다. 즉, 원하는 위치로 반사된 레이저 빔을 조사시키기가 어려운 문제점이 있다.

본 발명은 전술한 문제를 해결하기 위한 것으로, 레이저를 반사시키기 위한 반사경 대신에 일차원 또는 이차원적인 그리드(grid) 위의 액정 물질에 전기적인 신호를 가하여 그 액정의 배열 상태에 따라 입사되는 빛의 굴절각을 조절하여 패턴에 이를 조사하도록 하는 액정에 의해 레이저 빔을 글절시키는 패턴 스캐너를 제공하는데 그 목적이 있다.

도 1 은 종래의 바코드 스캐너의 빔 반사 장치를 나타낸 도.

도 2 는 본 발명에 따른 액정에 의해 레이저 빔을 굴절시키는 패턴 스캐너의 일 실시 예를 나타낸 도.

도 3 은 본 발명의 일실시 예에 따른 액정을 이용한 빔 회절 격자의 구조를 보인 도.

도 4 및 도 5 는 도 3 의 전극에 가해지는 전압을 조절하여 굴절각을 변화시키는 상태의 예를 보인 도.

도 6 은 두 개의 회절 격자를 이용하여 빔을 굴절시키는 예를 보인 도.

도 7 은 두 개의 회절 격자를 이용하여 빔을 2차원 굴절시키기 위한 예를 보인 도.

도 8 은 본 발명이 적용된 패턴 스캐너의 전체 구조를 보인 블록도.

도 9 는 본 발명에 의해 어느 특정 방향으로의 반사된 레이저 빔을 제어하는 동작을 설명하기 위한 도.

도 10 은 반사되는 레이저 빔의 반사각을 넓히기 위하여 렌즈를 구비한 상태를 보인 도.

도 11 은 레이저 빔을 반사시키지 않고 회절 격자에서 굴절 투과시켜 패턴에 조사하기 위한 본 발명의 다른 실시 예를 보인 도.

도 12 는 레이저 빔을 투과시키는 상태를 설명하기 위한 회절 격자의 구조를 보인 도.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

200 : 레이저 원 210 : 회절 격자

211 : 반사체 211' : 투과체

212 : 전극 213 : 액정

214 : 역전극 220 : 패턴

230 : 수광부 240 : 각도 제어부

250 : 패턴 해석부 260 : 렌즈

전술한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 의한 액정에 의해 레이저 빔을 굴절시키는 패턴 스캐너는,

패턴 판독용 레이저 빔을 발생하는 레이저 원;

액정으로 구성되어 인가되는 전기적 신호에 따라 상기 레이저 빔을 여러 각도로 굴절시키는 회절 격자;

상기 회절 격자의 액정에 전기적인 신호를 인가하여 레이저 빔의 굴절각을 제어하는 각도 제어부;

상기 회절 격자에 의해 굴절되어 패턴에 조사된 다음 그 되어 반사되는 레이저 빔을 수광하여 전기적 신호로 변환하는 수광부;

상기 수광부로부터 출력되는 전기적 신호를 분석하여 패턴의 내용을 판독하는 패턴 해석부;로 구성됨을 특징으로 한다.

이와 같이 구성되는 본 발명 액정에 의해 레이저 빔을 굴절시키는 패턴 스캐너를 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

도 2 는 본 발명에 의해 패턴 판독용 레이저 빔을 회절 격자에 의해 굴절시킨 다음 반사시켜 패턴에 조사하는 개념을 설명하기 위한 도이다.

이에 도시한 바와 같이, 레이저 원(200)으로부터 발생된 레이저 빔이 회절 격자(210)의 입사빔(B)으로 하여 입사된다.

상기 회절 격자(210)는 입사빔(B)을 여러 각도로 굴절시켜 반사시킴으로써 그 반사빔(B')이 패턴(220)(예를 들면, 바코드)에 조사되게 하는데, 이의 굴절 및 반사되는 원리를 도 3 내지 도 5 까지를 참조하여 설명한다.

도 3 은 네마틱(nematic)상태의 액정을 이용한 빔 회절 격자의 구조를 보인 도로서, 굳이 네마틱 상태의 액정뿐만이 아니라 페로 일렉트릭(ferroelectric) 상태의 액정 등 다양한 상태의 액정을 이용할 수 있을 것이다.

바닥층에 판 형태의 반사체(211)가 구비되고, 그 상부층에 그리드 형태로 다수의 전극(212)이 구비되며, 그 상부에 공간을 두고 투명의 역전극층(214)(counter-electrode)이 구비됨과 아울러, 상기 반사체(211)와 역전극층(214)사이에는 액정(213)이 구비된 것을 특징으로 한다.

상기 반사체(211)는 실리콘 재질의 판 형태로 되어 있으며, 이러한 회절 격자는 박막 제조 기술에 의하여 초소형 및 대량 생산이 가능하다.

또한, 이와 같은 회절 격자를 SLM(Spatial Light Modulator)라 칭하고, 주로 통신용 광 스위치에 이용된다.

레이저 원(200)으로부터 입사되는 입사빔(B)은 역전극층(214)을 투과하여 입사되고, 액정(213)의 배열되는 상태에 따라 그 굴절되는 각을 달리하여 반사되며, 그 반사빔(B')은 패턴(220)으로 조사된다.

이때, 상기 액정(213)의 배열 상태의 조절은 전극(212)에 인가되는 전압을 조절하여 인덱스 프로파일(index profile)을 제어함으로써 가능하게 된다.

상기 전극(210)은 그리드 형태로 어느 한 방향으로 일정하게 배열되어 1차원적인 스캐닝이 이루어진다.

상기 인덱스 프로파일을 제어하는 예를 도 4 및 도 5에서 설명한다.

도 4 는 큰 반사각을 갖도록 인덱스 프로파일을 제어하는 경우를 보인 도로서, 위상 램프(PR)(phase ramp)의 폭을 조절함에 있어 전압 펄스를 순차적으로 비교적 좁은 위상 램프 구간 내에서 감소시켜 해당 전극(212)에 인가시킴으로써 액정이 큰 반사각을 갖도록 배열되게 한다.

이때, 상기 각 전압 펄스는 첫 번째 전압 펄스는 첫 번째 전극 즉, 가장 왼쪽의 전극에 인가되고, 그 다음 전압 펄스는 두 번째 전극에 인가되며, 이렇게 순차적으로 각 전압 펄스가 해당 전극에 각각 인가되는 것이다.

도 5 는 적은 반사각을 갖도록 인덱스 프로파일을 제어하는 경우를 보인 도로서, 위상 램프(PR)(phase ramp)의 폭을 조절함에 있어 전압 펄스를 순차적으로 비교적 넓은 위상 램프 구간 내에서 감소시켜 해당 전극(212)에 인가시킴으로써 액정이 적은 반사각을 갖도록 배열되게 한다.

한편, 레이저 빔이 이보다 큰 반사각을 갖고 또한 조밀한 움직임의 제어가 가능하도록 하기 위하여 2장 이상의 회절 격자를 이용할 수 있을 것이다.

즉, 도 6에 도시한 바와 같이 두 개의 회절 격자 A, B를 이용하는 경우, A의 회절 격자의 반사체를 실리콘 대신 ITO(Indium Tin Oxide)를 도포한 투명 기판(예를 들면 유리 또는 사파이어 등)을 이용하여 투과형으로 제작한다.

이 경우, 입사빔(B)은 회절 격자 A를 투과하면서 1차 굴절이 발생하고, 회절격자 B에서 2차 굴절이 발생하므로 큰 굴절, 즉 큰 반사각을 가지게 된다.

또한, 반사빔(B')은 회절 격자 A를 또다시 투과함으로써 다시 굴절이 발생하여 더 큰 반사각을 가지게 되는 것이다.

상기 회절 격자 A와 B는 서로 동일한 그리드(grid) 방향을 가지고 배치되어있으므로 1차원적인 굴절만을 발생하지만, 이를 각각 수직 방향으로 배치한 경우 2차원적인 굴절을 발생하게 된다.

즉, 회절 격자 A의 그리드가 수평 방향으로 배치되고, 그 하부에 회절 격자 B의 그리드가 수직 방향으로 배치된다면, 입사빔(B)이 수평 방향(H)에서 입사된 경우 회절 격자 A에서 수평 방향의 굴절을 일으켜 하부로 투과시키게 되고, 그 굴절된 입사빔(B)은 회절 격자 B에서 수직 방향(V)으로 2차원적인 반사가 이루어진다.

그 2차원적으로 반사된 반사빔(B')은 회절 격자 A에서 다시 한번 수평 방향(H)으로 굴절이 이루어지는 것이다.

그러므로, 수평 방향(H)으로 입사된 입사빔(B)은 'D'만큼의 수직 방향(V)의 거리를 두고 반사되는 것이다.

도 8 은 본 발명이 적용된 패턴 스캐너의 전체 구조를 보인 블록도로서, 화살표는 레이저 빔의 경로이다.

레이저 원(200)으로부터 발생된 레이저 빔은 회절 격자(210-1)(210-2)에서 1차원 또는 2차원적으로 굴절 및 반사된다.

이때, 각도 제어부(240)는 도 4 및 도 5 에 도시한 바와 같은 인덱스 프로파일을 제어하기 위한 펄스 전압을 발생하여 회절 격자(210-1)(210-2)에 제공하는 것이다.

상기 각도 제어부(240)는 도 6에서와 같이 같은 그리드 방향을 가지는 회절 격자 A, B를 제어하는 경우 한 방향의 인텍스 프로파일만을 각각 제어하면 되고,도 7에서와 같이 회절 격자 A, B의 그리드의 방향이 서로 수직인 경우 각각의 방향에 대하여 인덱스 프로파일을 발생하여야 할 것이다.

회절 격자(210-1)(210-2)를 통한 레이저 빔은 1차원 또는 2차원 패턴(220)에 조사되어 반사되고, 그 반사된 레이저 빔은 수광부(230)에서 수광하여 전기적인 신호로 변환한 다음 그 전기적 신호를 패턴 해석부(250)로 제공함으로써 그 내용을 파악하게 된다.

상기 패턴 해석부(250)의 기능과 동작은 공지의 기술이므로 굳이 상세한 설명은 하지 않는다.

한편, 상기 각도 제어부(240)의 제어에 따라 스캐닝 되는 범위를 조절할 수 있을 것이다.

즉, 각도 제어부(240)가 인덱스 프로파일을 제어함에 있어 레이저 빔이 굴절되어 반사되는 각을 일정각 범위내에서만 가능토록 제어함으로써 어느 특정 부분만을 스캐닝 가능토록 할 수 있을 것이다.

예를 들면, 도 9에 도시한 바와 같이 입사빔(B)을 1차원 또는 2차원 패턴에 조사할 때 패턴이 존재하는 구간만을 스캐닝 하도록 함으로써 스캐닝의 신뢰도를 높일 수 있다.

결국, 1차적으로 넓은 범위를 스캐닝한 다음 패턴이 존재하는 구간을 파악하고, 2차적으로 패턴이 존재하는 구간만을 스캐닝할 수 있다는 것이다.

한편, 본 발명에서 언급한 회절 격자는 한 방향의 그리드를 갖는 경우를 예시하였지만, 수직과 수평 방향의 그리드를 동시에 갖는 회절 격자도 적용될 수 있다.

이 경우에도 각도 제어부(240)는 수직과 수평 방향의 인덱스 프로파일을 제어할 수 있는 전압 펄스를 출력하여야 한다.

그러나, 수직 또는 수평 방향의 그리드를 갖는 회절 격자를 각각 이용하여 2차원적인 스캐닝을 행하는 경우와, 수직과 수평 방향의 그리드를 모두 갖는 회절 격자를 이용함에 있어 차이점은 분명하다.

예를 들면, 어느 한 방향의 그리드를 갖는 회절 격자에는 그리드를 4000개 정도 배치할 수 있지만, 수직과 수평 방향의 그리드를 모두 갖는 회절 격자의 경우 각 방향에 대하여 400개 정도의 그리드만을 가지게 된다.

그러므로, 한 방향의 그리드를 갖는 회절 격자를 수직과 수평 방향으로 두 개를 설치하여 사용하는 경우 4000 * 4000 = 16,000,000개 정도의 그리드를 설치한 효과로서 레이저 빔의 정밀한 움직임 제어가 가능하지만, 수직과 수평 방향의 그리드를 모두 갖는 회절 격자를 사용하는 경우 400 * 400 = 160,000개 정도의 그리드를 설치한 효과만을 가지게 되어 레이저 빔의 움직임 제어의 정밀도가 떨어지게 된다.

그러나, 이러한 수직과 수평 방향의 그리드를 모두 갖는 회절 격자도 본 발명에 적용될 수 있다.

또한, 도 10에서 도시한 바와 같이, 회절 격자(210)의 전면부에 렌즈(260)를 구비하여 반사빔(B')의 굴절되는 각을 더욱 넓게 할 수 있다.

보통, 회절 격자(210)로 입사되어 반사되는 레이저 빔의 굴절각은 그리 크지않으므로, 패턴의 광대역 스캔을 행하는 경우 렌즈(260)를 구비하여 그 레이저 빔의 조사되는 범위를 넓게 할 수 있는 것이다.

도 11 은 레이저 원(200)으로 발생한 레이저 빔이 회절 격자(210')에서 반사되어 패턴(220)에 조사되지 않고, 회절 격자(210')를 투과하면서 굴절된 레이저 빔이 곧바로 패턴(220)에 조사되는 경우를 보여준다.

회절 격자(210')는 레이저 원(200)으로부터 입사되는 레이저 빔(B)을 투과시키면서 굴절시켜 그 굴절된 빔(B')을 곧바로 패턴(220)에 조사하게 된다.

이 경우에는 회절 격자(210')에 반사체를 구비하지 않거나 또는 별도의 반사체를 구비하지 않는 경우이다.

도 12 는 이러한 회절 격자(210')의 구조를 보인 도로서, 도 3에 도시한 형태와 동일하고 다만 실리콘 재질의 반사체 대신에 본 발명의 일 실시 예에서 설명하였듯이 ITO(Indium Tin Oxide)를 도포한 투명 기판을 이용하여 투과형으로 제작한다.

그러므로, 입사된 레이저 빔(B)은 투과하면서 굴절된 각을 갖는 레이저 빔(B')으로 패턴에 곧바로 조사되는 것이다.

이러한 액정(213')의 배열을 위한 인덱스 프로파일 및 전극(212')에 인가되는 각도 제어부(240)의 전압 펄스는 본 발명의 일 실시 예에서 충분히 설명하였으므로 재차 설명하지 않는다.

또한, 본 발명의 일 실시 예에서 설명한 바와 동일하게 동일 방향의 그리드를 갖는 2개의 회절 격자를 설치한 경우 그 굴절되는 각이 큰 일차원적 패턴의 스캐닝이 가능하게 된다.

그리고, 수직과 수평 방향의 그리드를 모두 갖는 회절 격자를 이용하는 경우나 수직과 수평 방향의 그리드를 각각 갖는 회절 격자 2개를 이용하는 경우에는 투과되어 굴절되는 레이저 빔에 의해 이차원적 패턴의 스캐닝이 이루어 질 수 있는 것이다.

결국, 회절 격자를 반사체로 하지 않고 투과체로 형성하여 그 투과된 레이저 빔을 패턴에 곧바로 조사하는 방식만 다르고, 나머지 기술 내용은 본 발명의 일 실시 예와 동일하다.

또한, 렌즈를 구비하여 패턴의 광대역 스캐닝도 행할 수 있는 것이다.

이상에서 설명한 바와 같이 본 발명에 따르면 다음과 같은 효과를 갖게 된다.

첫 번째, 기계적인 부분이 없는 1차원 및 2차원 패턴 스캐너를 제작할 수 있으므로, 그 내구성이 뛰어나다.

두 번째, 박막 제조 기술에 의하여 초소형으로 회절 격자를 제조할 수 있기 때문에 디바이스 구조물 내에서의 공간 활용성이 뛰어나고, 적은 비용으로 대량 생산이 가능하다.

세 번째, 적은 전류 환경 하에서 구동이 가능하므로 전력 소모가 극소화된다.

네 번째, 전기적인 신호에 의해 조사되는 레이저 빔의 방향을 어느 특정 위치로만 국한할 수 있어 패턴 스캐닝 시 정밀한 스캐닝을 구현할 수 있다.

다섯 번째, 회절 격자의 이중화에 의하여 더 큰 반사각과 2차원적인 회절을 쉽게 구현할 수 있다.

여섯 번째, 기계적인 구조보다 고속 동작이 가능하다.

Claims (11)

1. 패턴 판독용 레이저 빔을 발생하는 레이저 원;

   액정으로 구성되어 인가되는 전기적 신호에 따라 상기 레이저 빔을 여러 각도로 굴절시키는 회절 격자;

   상기 회절 격자의 액정에 전기적인 신호를 인가하여 레이저 빔의 굴절각을 제어하는 각도 제어부;

   상기 회절 격자에 의해 굴절되어 패턴에 조사된 다음 그 되어 반사되는 레이저 빔을 수광하여 전기적 신호로 변환하는 수광부;

   상기 수광부로부터 출력되는 전기적 신호를 분석하여 패턴의 내용을 판독하는 패턴 해석부;로 구성됨을 특징으로 하는 액정에 의해 레이저 빔을 굴절시키는 패턴 스캐너.
2. 제 1 항에 있어서, 회절 격자는

   바닥층에 투명한 판 형태의 투과층이 구비되고, 그 상부층에 그리드 형태로 다수의 전극이 구비되며, 그 상부에 공간을 두고 투명의 역전극층(counter-electrode)이 구비됨과 아울러, 상기 투과층과 역전극층 사이에는 액정이 구비된 것을 특징으로 하는 액정에 의해 레이저 빔을 굴절시키는 패턴 스캐너.
3. 제 1 항에 있어서, 회절 격자는

   바닥층에 절연을 위한 판 형태의 반사체가 구비되고, 그 상부층에 그리드 형태로 다수의 전극이 구비되며, 그 상부에 공간을 두고 투명의 역전극층(counter-electrode)이 구비됨과 아울러, 상기 반사체와 역전극층 사이에는 액정이 구비된 것을 특징으로 하는 액정에 의해 레이저 빔을 굴절시키는 패턴 스캐너.
4. 제 1 항에 있어서, 회절 격자는

   액정으로 구성되어 인가되는 전기적 신호에 따라 상기 레이저 빔을 여러 각도로 굴절시켜 투과시키는 제 1 회절 격자;

   한쪽 면이 반사체로 형성된 액정으로 구성되어 상기 제 1 회절 격자로부터 투과되어 인가되는 레이저 빔을 인가되는 전기적 신호에 따라 여러 각도로 굴절시켜 반사시키는 제 2 회절 격자;로 구성됨을 특징으로 하는 액정에 의해 레이저 빔을 굴절시키는 패턴 스캐너.
5. 제 4 항에 있어서, 제 1 회절 격자는

   바닥층에 투명한 판 형태의 투과층이 구비되고, 그 상부층에 그리드 형태로 다수의 전극이 구비되며, 그 상부에 공간을 두고 투명의 역전극층(counter-electrode)이 구비됨과 아울러, 상기 투과층과 역전극층 사이에는 액정이 구비된 것을 특징으로 하는 액정에 의해 레이저 빔을 굴절시키는 패턴 스캐너.
6. 제 4 항에 있어서, 제 2 회절 격자는

   바닥층에 절연을 위한 판 형태의 반사체가 구비되고, 그 상부층에 그리드 형태로 다수의 전극이 구비되며, 그 상부에 공간을 두고 투명의 역전극층(counter-electrode)이 구비됨과 아울러, 상기 반사체와 역전극층 사이에는 액정이 구비된 것을 특징으로 하는 액정에 의해 레이저 빔을 굴절시키는 패턴 스캐너.
7. 제 6 항에 있어서, 상기 반사체는 실리콘 재질의 판 형태로 되어 있는 것을 특징으로 하는 액정에 의해 레이저 빔을 굴절시키는 패턴 스캐너.
8. 제 4 항에 있어서, 제 1 회절 격자와 제 2 회절 격자는 그리드의 방향이 서로 수직 방향으로 배치된 것을 특징으로 하는 액정에 의해 레이저 빔을 굴절시키는 패턴 스캐너.
9. 제 1 항에 있어서, 회절 격자는 수직과 수평 방향의 그리드가 함께 구비된 것임을 특징으로 하는 액정에 의해 레이저 빔을 굴절시키는 패턴 스캐너.
10. 제 1 항에 있어서, 회절 격자의 전면부에 렌즈를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 액정에 의해 레이저 빔을 굴절시키는 패턴 스캐너.
11. 제 1 항에 있어서, 각도 제어부는 액정의 인덱스 프로파일(index profile)을 제어하여 레이저 빔의 굴절각을 제어하는 것을 특징으로 하는 액정에 의해 레이저 빔을 굴절시키는 패턴 스캐너.