KR20020006388A

KR20020006388A - 두께에 따라 빔의 세기 분포 조절이 용이한 연속 중성밀도필터

Info

Publication number: KR20020006388A
Application number: KR1020000040022A
Authority: KR
Inventors: 이혁수; 전형욱; 최용진; 장승필; 손정영
Original assignee: 박호군; 한국과학기술연구원
Priority date: 2000-07-12
Filing date: 2000-07-12
Publication date: 2002-01-19
Anticipated expiration: 2020-07-12
Also published as: KR100379246B1; US20020021511A1; JP2002122712A

Abstract

본 발명은 빛의 세기 분포를 조절하여 사용자가 원하는 빛의 세기 분포를 얻을 수 있도록 해주는 흡수형 중성 밀도 필터에 관한 것이다.

본 발명은 매질의 두께에 따라 빔의 흡수도를 조절함으로써 빔의 세기 분포를 조절할 수 있는 방식으로, 필터의 두께를 사용자가 원하는 형태로 제작함으로써 빔 세기 분포를 사용자가 원하는 형태로 조절할 수 있다.

일반적으로 연속형 중성밀도 필터를 제작하는데 어려움이 있으나, 본 발명에서는 상기 방식으로 큰 어려움 없이 다양한 형태의 연속적으로 변화하는 광밀도 함수를 갖는 연속 중성밀도 필터를 제작할 수 있다.

Description

두께에 따라 빔의 세기 분포 조절이 용이한 연속 중성밀도 필터{Continuous Neutral Density Filter Capable of Controlling the Intensity Distribution of Light Beam According to the Thickness of Filter}

본 발명은 두께에 따라 빔의 세기 분포 조절이 용이한 연속 중성밀도 필터에 관한 것으로, 특히 레이저에서 나오는 빔의 세기 분포를 사용자가 원하는 형태로 얻을 수 있는 필터를 용이하게 설계/제작 가능한 연속 중성밀도 필터(Continuous Neutral Density Filter)에 관한 것이다.

일반적으로 레이저에서 나온 빔을 초점 지운 후 이 빔의 영차 항만 공간 필터링(Spatial Filtering)시켜 이용하는 빔의 분포는 가우시안(Gaussian) 형태를 띄게 되는데, 이러한 빔의 세기 분포를 조절하기 위해서는 특수한 필터가 필요하다.

빔의 세기 분포를 전체적으로 줄이거나, 파장에 따른 선택을 할 경우에는 일반적인 중성밀도 필터를 이용하거나, 색 필터를 이용하면 되지만, 특수한 목적을 갖는 실험이나 장비에서 빔의 세기 분포를 가우시안이 아닌, 실험이나 장비에서 원하는 형태의 빔 세기 분포를 갖도록 하기 위해서는 필터에 대해 지름 방향으로 그 흡수도가 변화하는 연속중성밀도 필터의 제작이 필수적이다.

현재 사용중인 필터는 주로 공간 필터(Spatial Filter), 파장 필터(Band Pass Filter), 편광 필터(Polarizer) 그리고 빔의 전체적인 세기를 줄여주는, 즉 모든 파장에 대하여 균일한 특성의 광밀도 함수를 갖는 중성밀도 필터(Neutral Density Filter)등이 있다. 공간 필터는 매우 작은 구멍(Pinhole)을 이용하여 초점 지워진 빛의 일부분만 통과하게 함으로써 빛을 조절하는 것이며, 파장 필터는 일정한 파장대의 빛만이 통과하거나 통과하지 못하게 하여 빛을 제어하는 것이며, 편광 필터는 빛의 편광 성질을 이용하여 빛의 양과 편광을 조절하는 것이다.

중성밀도 필터는 주로 레이저나 광기기(Photometer) 등에 사용되며, 과도한 에너지로 인한 기기의 손상방지나 부정확한 결과를 얻는 것을 방지하기 위하여 사용된다. 이러한 중성밀도 필터는 빛을 제어하는 방식에 따라 크게 두 가지로 나눌 수 있다.

첫째로는 반사형으로 투과율과 반사율의 비를 조절하여 빛의 투과 양을 조절하는 필터이며, 필터를 연속적으로 사용하면 전체적인 필터 효과는 필터의 밀도 값을 더한 것과 같은 효과를 나타낸다.

두 번째는 흡수형(Absorptive) 중성밀도 필터로 파장에 따른 투과율이 가시영역에서 파장에 따른 특성을 띠고 있기도 하며 반사값은 작으며 주로 흡수에 의해 빛의 세기를 제어한다. 이러한 흡수형은 필터를 이루고 있는 물질과 필터의 두께에 의해 그 성능이 결정된다.

또한 중성밀도 필터는 그 제작 방식에 따라 일체형, 변화형(Variable ND Filter), 계단형(Stepped ND Filter), 연속형(Continuous ND Filter)의 필터로 나눌 수 있다.

일체형은 예를들어, 선글래스와 같이 전체가 하나의 필터 값을 갖는 것으로 대부분의 중성밀도 필터가 이에 속하며, 변화형은 길이에 따라 필터의 밀도가 연속적으로 변하는 필터로 구형일 경우 밀도가 원주 방향으로 변화하며 주로 빔 분할기로 사용된다. 또한 계단형은 필터의 밀도가 구간별로 일정한 값을 갖는 필터이다. 연속형은 구형의 경우 지름 방향으로 필터의 밀도가 변화하는 것을 말하며 이 필터는 빔의 전체적인 세기를 조절하기보다는 빔의 세기분포를 변화시키는 용도로 사용된다.

상기한 종래의 연속 중성 밀도 필터(Continuous Neutral Density Filter)는 필터의 매질에 물질을 코팅하거나 염료를 확산 흡수시켜서 제작되었다. 그런데 코팅 방식 필터인 경우는 빔의 세기가 렌즈와 같은 형상의 광밀도 분포 함수를 갖도록 연속 밀도 필터를 제작하기가 거의 불가능하며, 또한 첨가되는 물질(염료)의 확산 속도를 이용한 제작방식도 확산 속도에 따라 필터의 연속 광밀도 함수값이 정해지므로 이 방식 또한 사용자가 원하는 광밀도 분포를 갖는 필터를 제작하기가 거의 불가능하다.

따라서 본 발명은 이러한 종래기술의 문제점을 감안하여 안출된 것으로, 그 목적은 레이저에서 나오는 빔의 세기 분포를 사용자가 원하는 형태로 조절하여 얻을 수 있는 필터를 용이하게 설계/제작 가능한, 두께에 따라 빔의 세기 분포 조절이 용이한 연속 중성밀도 필터를 제공하는 데 있다.

도 1은 일반적인 렌티큘러용 광학판 형성 시스템의 구성도,

도 2는 필터의 반지름에 따라 광밀도가 반비례하는 광밀도 분포곡선을 갖는 원하는 연속 중성밀도 필터의 광밀도 분포 곡선을 나타낸 그래프,

도 3a는 본 발명의 제1실시예에 따른 연속 중성밀도 필터의 분해 단면도,

도 3b는 도 3a의 조립상태 측면도,

도 3c는 도 3b의 정면도,

도 4a는 제1실시예와 반대의 특성을 갖는 본 발명의 제2실시예에 따른 연속 중성밀도 필터의 측면도,

도 4b는 도 4a의 정면도,

도 4c는 제2실시예의 광밀도 분포 그래프이다.

* 도면의 주요부분에 대한 부호설명 *

1 ; 레이저 발생장치 2 ; 빔 팽창 및 수준기

3 ; 연속 중성밀도 필터 4 ; 초점 렌즈

5 ; 감광판 6 ; 감광유제층

7 ; 기록된 빔의 형태 8 ; 감광판 위치 조절기

9,9a ; 광밀도 분포곡선 10,18 ; 제1렌즈

11,17 ; 제2렌즈 12a,13a,17a ; 입사면

12b,13b,17b ; 출사면 20 ; 광축

30 ; 연속 중성밀도 필터

상기한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 흡수형 물질로 이루어지며 사용자가 원하는 필터의 광밀도 분포 함수값에 대응하여 필터의 두께가 설정되는 제1렌즈로 구성되는 것을 특징으로 하는 빔 세기분포 조정용 연속 중성밀도 필터를 제공한다.

상기 제1렌즈의 일측면은 광축에 수직이고 타측면은 상기 광밀도 분포 함수값에 대응하는 곡면을 이루는 형태로 구성될 수 있다.

또한, 상기 필터는 상기 제1렌즈로부터 출사되는 빔의 형태 변형을 막기 위한 제2렌즈를 더 포함하며, 상기 제2렌즈는 제1렌즈와 동일하거나 실질적으로 동일한 굴절률을 갖는 물질로 이루어지며, 일측면이 상기 제1렌즈의 타측면 곡면에 대응하는 곡면으로 이루어지고 타측면이 광축에 수직인 형태로 구성될 수 있다.

이 경우, 상기 제1 및 제2 렌즈는 광 접촉(Optical Contact) 방식의 접합 및 제1 및 제2 렌즈와 동일한 굴절률을 갖는 접착제를 사용한 접합 중 어느 하나의 방식에 의해 더블렛 형태로 제작되는 것이 바람직하다.

상기 제1렌즈와 제2렌즈는 유리와 플라스틱 및 이들과 유사한 특성을 갖는 물질 중 어느 하나로 이루어지며, 광흡수용 색소가 첨가된 것 또는 광흡수 특성을 갖는 유리와 플라스틱 및 이들과 유사한 특성을 갖는 물질 중 어느 하나로 이루어진 것을 사용한다.

바람직하게는, 상기 제1렌즈와 제2렌즈의 물질은 모든 파장에 대하여 흡수 특성의 차이가 적은 물질로 선택되는 것이 바람직하다.

본 발명의 중성밀도 필터에 있어서, 상기 사용자가 원하는 필터의 광밀도 분포 함수값(A(x,y))은 원하는 조사 빔의 세기 분포 함수(F(Kx, Ky))에 따라 구해진다.

상기한 바와같이 본 발명의 연속 중성밀도 필터에서는 두께에 따라 빔의 세기 분포가 조절될 수 있는 것을 이용하여 사용자가 원하는 광밀도 분포에 따라 흡수형 필터의 입사면과 출사면 사이의 두께를 결정하여 필터를 제작할 수 있어 필터의 설계/제작이 용이하게 이루어질 수 있다. 그 결과 상기 필터를 이용하여 레이저에서 나오는 빔의 세기 분포를 사용자가 원하는 형태로 쉽게 조절 가능하다.

(실시예)

이하에 상기한 본 발명을 바람직한 실시예가 도시된 첨부도면을 참고하여 더욱 상세하게 설명한다.

첨부된 도 1은 일반적인 렌티큘러용 광학판 형성 시스템의 구성도, 도 2는 필터의 반지름에 따라 광밀도가 반비례하는 광밀도 분포곡선을 갖는 원하는 연속 중성밀도 필터의 광밀도 분포 곡선을 나타낸 그래프, 도 3a는 본 발명의 제1실시예에 따른 연속 중성밀도 필터의 분해 단면도, 도 3b는 도 3a의 조립상태 측면도, 도 3c는 도 3b의 정면도이다.

도 1에는 일반적인 렌티큘러(lenticular)용 광학판을 형성하기 위한 시스템이 도시되어 있다. 입체표시 등의 다양한 용도로 이용되는 렌티큘러는 각각의 셀마다 광학렌즈가 배열된 다수의 광학렌즈를 구비하고 있는 데 이들은 하나 하나의 단위가 반원형을 이루고 있는 미세한 렌즈의 집합으로 구성된다.

상기한 시스템에서는 레이저 발생장치(1)로부터 발생된 레이저빔을 빔팽창/수준기(2)를 거쳐 가우시안(Gaussian) 형태의 빔 분포를 갖는 빔이 얻어질 때 빔의 세기 분포가 렌즈 형상의 광밀도 분포를 갖도록 하여 초점렌즈(4)를 통하여 감광판(5)의 일지점에 빔을 조사하여 단위 렌즈 셀을 형성할 수 있게 처리한다.

이와 같이 감광판(5)에 조사되는 빔의 세기 분포가 예를들어, 도 2에 도시된 바와같은 렌즈 형상의 광밀도 분포를 갖도록 하기 위하여는 가우시안 형태의 빔 분포를 갖는 빔에 대하여 빔의 세기 분포를 각 부분에 따라 연속적으로 조절하기 위한 연속 중성밀도 필터(3)가 필요하다.

도 1에서 미설명 부재번호 6은 감광유제층이고, 7은 x축을 따라 기록된 빔의 형태, 8은 감광판(5)에 다수의 렌즈 형태로 레이저 빔이 조사되도록 감광판(5)을 x, y 방향으로 순차적으로 이동시키기 위한 감광판 위치 조절기를 가리킨다.

이 경우, 상기와 같은 처리에 필요한 연속 중성밀도 필터(3)는 중앙부분에 대하여는 빔의 감쇄량을 크게 하고, 필터의 주변부로 갈수록 감쇄량을 적게 처리하여 광빔을 통과시키는 특성을 가져야 한다.

본 발명에서는 흡수형 중성밀도 필터인 경우 필터의 두께에 비례하여 광빔의 흡수량이 증가한 다는 점을 이용하여 발명을 완성하게 되었다.

이하에 상기와 같은 레이저 빔의 세기 분포를 조절하기 위한 연속 중성밀도 필터의 설계 원리에 대하여 상세하게 설명한다.

즉, 도 1에서와 같이 연속 중성밀도 필터(3)를 이용하여 레이저 빔의 세기 분포를 도 2와 같은 광밀도 분포 곡선(9)을 갖도록 조절하고자 한다면 감광판(5)에기록되는 빔의 세기 분포 함수(F(Kx,Ky))는 하기와 같은 수학식 1과 같이 나타낼 수 있다.

여기서, Kx, Ky 는 x, y축으로의 파수(波數: Wavenumber), d 는 초점 지워 지는 빔의 크기, A(x,y)는 사용자가 원하는 중성밀도 필터(3)의 광밀도 분포 함수, I₀는 빔세기 상수값을 나타낸다.

상기 수학식 1에서 사용자가 원하는 빔의 세기 분포(F(Kx, Ky))를 대입하고, 역 프리에 변환(Inverse Fourier Transform)을 한 후에 가우시안 식으로 나누면 원하는 광밀도 분포 함수(A(x,y))를 얻을 수 있다.

본 발명의 기본원리는 사용자가 원하는 중성밀도 필터(3)의 광밀도 분포 함수(A(x,y))를 매질의 두께로 표현하는 것이다.

즉, 사용자가 원하는 A(x,y) 분포가 도 2와 같이 빔 세기 분포 조절을 위한 광밀도 분포를 갖는 경우 본 발명의 제1실시예에 따른 연속 중성밀도 필터(3)는 흡수형으로서 도 3a 및 도 3b와 같이 필터(3)의 출사면(12a) 프로필이 광축(20)에 수직인 입사면(12a)에 대하여 원하는 광밀도 함수값과 같은 곡면, 즉 연속적으로 가변되는 두께를 갖도록 빔의 빛 세기 형태를 조절하기 위한 제1렌즈(10)와, 상기 제1렌즈(10)로부터 출사된 빔의 형태 변형을 막기 위하여 제1렌즈(10)의 출사면(12b)과 반대 형상의 입사면(13a)을 가지며 수직의 출사면(13b)을 갖는 제2렌즈(11)로 구성되어 있다.

상기와 같이 볼록렌즈 형상을 이루는 제1렌즈(10)는 흡수형으로서 중앙부분일수록 빔이 통과하는 길이가 길기 때문에 통과하는 빔의 감쇄량이 크고, 필터의 주변부로 갈수록 빔이 통과하는 길이가 짧기 때문에 빔의 감쇄량이 상대적으로 작은 특성을 갖는다.

따라서, 상기한 볼록렌즈 형상의 제1렌즈(10)는 가우시안 형태의 광밀도 분포를 갖는 빔을 도 2와 같이 완만한 포물선 형태의 렌즈 형상으로 변환할 때 유용하게 사용할 수 있다.

한편, 상기 제1렌즈(10)가 평 볼록렌즈(plano-convex lens)이므로 출사되는 빔을 초점에 수렴시키는 역할을 하게 되는데 이러한 현상을 막기 위해서 제2렌즈(11)는 오목렌즈concave lens) 구조를 가지며 제1렌즈(10)와 굴절률이 같거나 차이가 매우 작은 물질로 이루어진다.

상기 제1 및 제2 렌즈(10,11) 사이에는 광 접촉(Optical Contact) 방식을 택하거나, 굴절률이 같은 접착제를 사용하여 결합된 접합형 더블렛(Doublet) 형태로 제작되어 필터(3) 전체적으로 입사면과 출사면 사이의 거리가 동일하게 설정함에 의해 빔이 굴절되지 않고 직진하도록 한다. 즉, 제1렌즈와 제2렌즈(10,11)는 굴절률이 동일하므로 입사빔의 방향과 관계없이 사용될 수 있다.

도 4a 및 도 4b에 도시된 제2실시예의 연속 중성밀도 필터(30)는 제1실시예의 필터(3)와 반대로 광밀도 분포 곡선(9a)이 도 4c와 같이 필터의 중앙부분에 대하여는 빔의 감쇄량을 작게 하고, 필터의 주변부로 갈수록 감쇄량을 크게 처리하여광빔을 통과시키는 특성을 갖는다.

따라서, 제2실시예는 흡수형으로서 필터(30)의 출사면(18b) 프로필이 광축에 수직인 입사면(18a)에 대하여 원하는 광밀도 함수값과 같은 곡면, 즉 연속적으로 가변되는 두께를 갖도록 빔의 빛 세기 형태를 조절하기 위한 제1렌즈(18)와, 상기 제1렌즈(18)로부터 출사된 빔의 형태 변형을 막기 위하여 제1렌즈(18)의 출사면(18b)과 반대 형상의 입사면(17a)을 가지며 수직의 출사면(17b)을 갖는 제2렌즈(17)로 구성되어 있다.

제2실시예의 필터(30)인 경우에도 제1실시예와 동일하게 제1렌즈(18)와 제2렌즈(17)는 서로 짝을 이루어 빛이 초점 지워지거나 발산하는 것을 막게 두 렌즈의 굴절률은 서로 동일하게 설정하며, 필터(30)의 두께가 동일하게 설정하는 것이 필요하다. 또한, 이 경우에도 제1렌즈와 제2렌즈(18,17)는 굴절률이 동일하므로 입사빔의 방향과 관계없이 사용될 수 있다.

이러한 제1 및 제2 실시예의 중성밀도 필터(3,30)는 재질이 플라스틱 또는 유리나 이들과 유사한 특성을 갖는 물질을 이용하여 이에 빛을 흡수하기 위한 색소를 넣거나 또는 물질 자체가 빛을 흡수할 수 있는 물질이라면 그 물질의 특성을 그대로 사용하는 것이 가능하다. 이 경우 상기 첨가되는 색소나 물질의 흡수특성은 모든 파장에 대하여 광 흡수 특성의 차이가 크지 않은 것이 바람직하다.

상기 제1 및 제2 실시예의 필터(3,30)는 사용자가 원하는 광밀도 분포 함수(A(x,y))에 대응하여 필터의 매질 두께를 결정할 수 있고, 그 결과 필터 두께를 이용하여 빛의 흡수정도를 조절함에 의해 빛의 세기 분포를 변화시키는 것이 가능하게 된다.

따라서, 본 발명에서는 사용자가 원하는 빔의 세기 분포(F(Kx, Ky))와 광밀도 분포 함수(A(x,y))가 어떠한 분포를 가질지라도 연속 광밀도 필터의 제작은 두께의 조절만으로 간단하게 이루어질 수 있다.

상기한 실시예 설명에 있어서는 필터가 제1 및 제2 렌즈의 조합으로 이루어진 것을 예를들어 설명하였으나, 모든 부분의 필터의 두께가 일정하게 보장된다면 빛의 세기를 조절하기 위한 제1렌즈는 일측면이 수직면이 아닌 양볼록렌즈 형상을 이루며 또한 제2렌즈는 양측에서 제1렌즈에 접합된 2개의 오목렌즈 구조 또는 상기와 반대의 구조를 이루는 것도 가능하다.

상기한 바와같이 본 발명에서는 필터의 두께를 사용자가 원하는 형태로 제작하므로써 빔 세기 분포를 사용자가 원하는 형태로 조절할 수 있다. 기존의 방식으로는 레이저 빔의 세기 분포를 원하는 형태로 조절하는 것이 거의 불가능하였으나, 본 발명을 적용하여 레이저 빔의 세기 분포 조절을 사용자가 원하는 전 분야에서 사용이 가능하다.

이상에서는 본 발명을 특정의 바람직한 실시예를 예를들어 도시하고 설명하였으나, 본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 아니하며 본 발명의 정신을 벗어나지 않는 범위내에서 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진자에 의해 다양한 변경과 수정이 가능할 것이다.

Claims

흡수형 물질로 이루어지며 사용자가 원하는 필터의 광밀도 분포 함수값에 대응하여 필터의 두께가 설정되는 제1렌즈로 구성되는 것을 특징으로 하는 빔 세기분포 조정용 연속 중성밀도 필터.
제1항에 있어서, 상기 제1렌즈의 일측면은 광축에 수직이고 타측면은 상기 광밀도 분포 함수값에 대응하는 곡면을 이루는 것을 특징으로 하는 빔 세기분포 조정용 연속 중성밀도 필터.
제1항에 있어서, 상기 제1렌즈는 유리, 플라스틱 및 이들과 유사한 특성을 갖는 물질 중 어느 하나로 이루어지며, 광흡수용 색소가 첨가된 것을 특징으로 하는 빔 세기분포 조정용 연속 중성밀도 필터.
제1항에 있어서, 상기 제1렌즈는 광흡수 특성을 갖는 유리, 플라스틱 및 이들과 유사한 특성을 갖는 물질 중 어느 하나로 이루어진 것을 특징으로 하는 빔 세기분포 조정용 연속 중성밀도 필터.
제3항 또는 제4항에 있어서, 상기 제1렌즈의 물질은 모든 파장에 대하여 흡수 특성의 차이가 적은 물질로 선택되는 것을 특징으로 하는 빔 세기분포 조정용연속 중성밀도 필터.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 제1렌즈로부터 출사되는 빔의 형태 변형을 막기 위한 제2렌즈를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 빔 세기분포 조정용 연속 중성밀도 필터.
제6항에 있어서, 상기 제2렌즈는 제1렌즈와 동일하거나 실질적으로 동일한 굴절률을 갖는 물질로 이루어지며, 일측면이 상기 제1렌즈의 타측면 곡면에 대응하는 곡면으로 이루어지고 타측면이 광축에 수직인 것을 특징으로 하는 빔 세기분포 조정용 연속 중성밀도 필터.
제7항에 있어서, 상기 제1 및 제2 렌즈는 광 접촉(Optical Contact) 방식의 접합 및 제1 및 제2 렌즈와 동일한 굴절률을 갖는 접착제를 사용한 접합 중 어느 하나의 방식에 의해 더블렛 형태로 제작되는 것을 특징으로 하는 빔 세기분포 조정용 연속 중성밀도 필터.
제6항에 있어서, 상기 제1 및 제2 렌즈는 더블렛 형태로 제작되고, 필터의 광축방향 두께는 동일하게 설정되는 것을 특징으로 하는 빔 세기분포 조정용 연속 중성밀도 필터.
제1항에 있어서, 상기 사용자가 원하는 필터의 광밀도 분포 함수값(A(x,y))은 원하는 조사 빔의 세기 분포 함수(F(Kx, Ky))에 따라 하기 수학식 2로부터 구해지는 것을 특징으로 하는 빔 세기분포 조정용 연속 중성밀도 필터.

여기서, Kx, Ky는 각각 x, y축으로의 파수(波數: Wavenumber), d는 초점 지워 지는 빔의 크기, I₀는 빔세기 상수값임.