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KR20230150775A - 광학 소자를 제작하는 방법 - Google Patents

광학 소자를 제작하는 방법 Download PDF

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KR20230150775A
KR20230150775A KR1020230136805A KR20230136805A KR20230150775A KR 20230150775 A KR20230150775 A KR 20230150775A KR 1020230136805 A KR1020230136805 A KR 1020230136805A KR 20230136805 A KR20230136805 A KR 20230136805A KR 20230150775 A KR20230150775 A KR 20230150775A
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KR
South Korea
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optical element
region
tessellation
microstructure
Prior art date
Application number
KR1020230136805A
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English (en)
Inventor
타소 알. 엠. 세일즈
조지 마이클 모리스
Original Assignee
비아비 솔루션즈 아이엔씨.
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Publication date
Application filed by 비아비 솔루션즈 아이엔씨. filed Critical 비아비 솔루션즈 아이엔씨.
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Abstract

본 발명은 스폿 패턴을 생성하는 방법에 관한 것으로, 광원으로부터 제1 광학 소자로 빔을 투사하는 단계로서, 제1 광학 소자는 제1 표면을 가진 제1 본체를 포함하고, 제1 표면은 제1 테셀레이션 시 규칙적으로 배열되는 복수의 영역을 가지며, 복수의 영역 중 각각의 영역은 미세구조의 임의의 공간적 분포를 갖고; 제1 광학 소자에 의해 수용된 빔을 제2 광학 소자에 출력하는 단계로서, 제2 광학 소자는 제2 표면을 가진 제2 본체를 포함하고, 제2 표면은 제2 테셀레이션 시 규칙적으로 배열되는 복수의 영역을 가지며, 복수의 영역 중 각각의 영역은 미세구조의 임의의 공간적 분포를 갖고; 제2 광학 소자에 의해 수용된 빔을 타깃 패턴을 형성하도록 출력하는 단계;를 포함한다.

Description

광학 소자를 제작하는 방법{METHOD OF MAKING AN OPTICAL ELEMENT}
관련 출원
본 출원은 미국 가출원 제62/751,337호(출원일: 2018년 10월 26일)의 우선권을 주장하고, 상기 기초출원의 전문은 참고로 본 명세서에 원용된다.
발명의 기술분야
본 발명은 표면을 가진 본체를 포함하는 광학 소자와 관련되고, 여기서 표면은 테셀레이션(tessellation) 시 규칙적으로 배열되는 복수의 영역을 갖고, 그리고 복수의 영역 중 각각의 영역은 미세구조의 임의의 공간적 분포를 갖는다. 광학 시스템은 광원; 및 광학 소자를 포함한다. 광학 소자 및 광학 시스템을 제작 및 사용하는 방법이 또한 개시된다.
3D 스캐닝 및 제스처 인식과 관련된 적용에서, 보통 약 700㎚ 내지 약 1000㎚의 범위 내 파장을 가진 레이저와 관련하여, 프로빙되는 장면 위에 광 패턴을 투사하도록 광학 컴포넌트를 활용한다. 광 패턴은 프로빙 기법에 좌우되고 그리고 다양한 형태, 예컨대, 스폿, 라인, 스트라이프, 체커보드 등의 규칙적인 격자를 취할 수 있다.
광 패턴을 투사하도록 사용되는 현재의 기법은 회절 차수의 특정한 분포를 생성하도록 하나 또는 다수의 회절 광학 소자를 필요로 한다. 회절 광학 소자(diffractive optical element: DOE)는 당연히 광 패턴, 예컨대, 회절 패턴을 생성하는 작업에 적합하다. DOE는 일반적으로 광의 하나의 파장이 간섭 및/또는 회절에 의해 광 패턴을 생성할 수 있는, 얇은 표면 구조체로서 설명될 수 있다. 따라서, DOE로부터 출력되는 광추면은 반비례와 관련되는 최소 특징부에 의해 규정된다. 즉, 점점 더 큰 확산각(spread angle)은 점점 더 작은 특징부를 필요로 한다. 그러나, DOE는 설계 파장 또는 공정 오차로부터의 편차에 매우 민감하고 주요한 결과는 제로 회절 차수(zero diffraction order)가 다른 회절 차수보다 훨씬 더 강하게 된다는 것이며, 이는 3D 감지 적용에서 용인될 수 없는 안구 안전 문제를 제기한다.
미국 특허 제8,630,039호는 예를 들어, 스폿 패턴을 생성하기 위한 DOE를 설명한다. 임의의 스폿 패턴은 종종 장면의 큰 부분을 캡처할 수 있도록 넓은 각 범위를 커버해야 한다. 넓은 각 장면을 조명하기 위해서, DOE는 매우 작은 특징부를 가진 패턴을 필요로 한다. 예를 들어, 파장 850㎚의 레이저를 사용하여 60도 범위를 커버하기 위해서, 1.7㎛의 최소 특징부를 가진 DOE가 필요할 것이다. 더 넓은 각 범위는 훨씬 더 작은 특징부를 필요로 할 것이다. 최대 효율을 위해서, DOE는 회색조의, 연속상 프로파일로서 설계 및 제조되어야 한다. 그러나, 이러한 작은 특징부를 가진 회색조의 DOE를 생성하는 것은 도전적일 수 있다. 대신에, 회색조 DOE는 일반적으로 최대 80%의 효율을 가진 2상 프로파일로 생성된다. 남아 있는 에너지는 주요 광 패턴의 외부에서 더 높은 회절 차수로 손실된다. 미국 특허 제8,630,039호에 개시된 바와 같은, 다수의 DOE의 사용은 제로 회절 차수를 다루는 것을 돕는다. 그러나, 다수의 DOE의 사용은 혼합 효과를 내고 그리고 실용 효율은 약 50% 내지 60%이다.
하나의 양상에서, 표면을 가진 본체를 포함하는 광학 소자가 개시되고, 표면은 테셀레이션 시 규칙적으로 배열되는 복수의 영역을 갖고, 그리고 복수의 영역 중 각각의 영역은 미세구조의 임의의 공간적 분포를 갖는다.
또 다른 양상에서, 광원; 및 표면을 가진 본체를 포함하는 광학 소자를 포함하는 광학 시스템이 또한 개시되고, 표면은 테셀레이션 시 규칙적으로 배열되는 복수의 영역을 갖고, 그리고 복수의 영역 중 각각의 영역은 미세구조의 임의의 공간적 분포를 갖는다.
또 다른 양상에서, 광학 시스템을 사용하는 방법이 더 개시되고, 방법은 광원으로부터의 입력 빔을 광학 소자로 투사하는 단계로서, 광학 소자는 표면을 가진 본체를 포함하고, 표면은 테셀레이션 시 규칙적으로 배열되는 복수의 영역을 갖고, 그리고 복수의 영역 중 각각의 영역은 미세구조의 임의의 공간적 분포를 갖는, 광원으로부터의 입력 빔을 광학 소자로 투사하는 단계; 및 입력 빔을 타깃 패턴으로 성형하는 단계를 포함한다.
다양한 실시형태의 추가의 특징 및 이점이 후속하는 설명에서 부분적으로 제시될 것이고, 그리고 부분적으로, 설명으로부터 분명해질 것이고, 또는 다양한 실시형태의 실행에 의해 알게 될 수도 있다. 다양한 실시형태의 목적 및 다른 이점은 특히 본 명세서의 설명에서 언급된 구성요소 및 결합물에 의해 실현될 것이고 획득될 것이다.
본 개시내용은 수개의 양상 및 실시형태에서 상세한 설명 및 첨부 도면으로부터 더 완전히 이해될 수 있다:
도 1은 본 발명의 양상에 따른, 광학 소자의 도면;
도 2a는 본 발명의 양상에 따른, 테셀레이션 시 규칙적으로 배열되는 복수의 영역의 도면;
도 2b는 테셀레이션 시 정사각형 외부 기하학적 경계를 가진 미세구조의 4개의 영역을 예시하는 도면(영역은 2개의 직교 면적에서 반복되는 시퀀스로 규칙적으로 배열됨);
도 2c는 체커보드 격자에서 정사각형 외부 기하학적 경계를 가진 미세구조의 2개의 영역의 도면;
도 3은 본 발명의 또 다른 양상에 따른, 테셀레이션 시 규칙적으로 배열되는 복수의 영역의 도면;
도 4는 본 발명의 또 다른 양상에 따른, 테셀레이션 시 규칙적으로 배열되는 복수의 영역의 도면;
도 5는 본 발명의 또 다른 양상에 따른, 테셀레이션 시 규칙적으로 배열되는 복수의 영역의 도면;
도 6은 본 발명의 또 다른 양상에 따른, 테셀레이션 시 규칙적으로 배열되는 복수의 영역의 도면;
도 7은 본 발명의 양상에 따른, 광학 소자를 포함하는 광학 시스템의 도면;
도 8은 정사각형, 원형, 육각형, 및 오각형 외부 기하학적 경계를 가진 다양한 미세구조에 대한 등고선 맵;
도 9는 새들-형상의 프로파일(saddle-shaped profile) 및 이들의 조합에 의해 규정된 다양한 미세구조에 대한 등고선 맵;
도 10은 본 발명의 양상에 따른, 광학 소자가 생성한 스펙클(speckle)을 가진 타깃 패턴을 예시하는 도면;
도 11은 미세구조가 초점 거리를 특징으로 하고 그리고 광학 소자 사이의 간격이 초점 거리와 일치하는 직렬의 광학 소자(10)의 도면; 및
도 12는 미세구조가 초점 거리를 특징으로 하고 그리고 테셀레이션 표면 사이의 본체의 두께가 상기 초점 거리와 일치하는 광학 소자의 도면.
이 명세서 및 도면 전반에 걸쳐, 유사한 참조 부호는 유사한 구성요소를 식별한다.
전술한 개괄적인 설명 및 다음의 상세한 설명 둘 다가 단지 예시적이고 설명적이며, 그리고 본 교시내용의 다양한 실시형태의 설명을 제공하도록 의도된다는 것이 이해된다.
따라서, 본 발명의 목적은 개선된 광학 소자를 제공하는 것이고, 광학 소자는 표면을 가진 본체를 포함할 수 있고, 표면은 테셀레이션 시 규칙적으로 배열되는 복수의 영역을 갖고, 그리고 복수의 영역 중 각각의 영역은 미세구조의 임의의 공간적 분포를 갖는다. 광학 시스템은 광원(2), 및 광학 소자(10)를 포함할 수 있다.
광학 소자는 광원(2), 예컨대, 레이저로부터 입력 빔(5)을 수용할 수 있다. 광학 소자는 입력 빔(5)을 타깃 패턴(7, 9), 예컨대, 스폿의 임의의 분포로서 투사할 수 있다. 광학 소자는 입력 빔(5)을 고효율로 투사하는 것, 및/또는 제로 회절 차수에서 더 높은 강도 없이 스펙클을 가진 타깃 패턴(7, 9)을 투사하는 것과 같은, 수개의 특성을 나타낼 수 있다. 하나의 양상에서, 광학 소자는 광학 소자에 대하여 광원(2)의 어떠한 이동을 변화시키지 않는 스펙클을 가진 타깃 패턴(7, 9)으로서 입력 빔(5)을 투사할 수 있다.
도 1은 표면(12), 예컨대, 제1 표면(12a) 및 제2 표면(12b)을 가진 본체(11)를 포함하는, 본 발명의 양상에 따른, 광학 소자(10)를 예시한다. 도 7은 본 발명의 또 다른 양상에 따른, 제2 광학 소자(10b)와 직렬인 제1 광학 소자(10a)를 포함하는 광학 시스템(100)을 예시한다. 제1 광학 소자(10a) 및 제2 광학 소자(10b)의 각각은 유사하게 설명될 수 있다. 예를 들어, 제1 광학 소자(10a)는 표면(12), 예컨대, 제1 표면(12a) 및 제2 표면(12b)을 가진 제1 본체(11a)를 포함할 수 있고; 그리고 제2 광학 소자(10b)는 표면(12), 예컨대, 제1 표면(12a) 및 제2 표면(12b)을 가진 제2 본체(11b)를 포함할 수 있다. 간결성을 위해서, 광학 소자(10, 10a, 및 10b), 본체(11, 11a, 및 11b) 및 표면(12, 12a, 및 12b)과 관련된 본 명세서의 개시내용은 달리 나타내지 않는 한, 각각의 컴포넌트에 동일하게 적용 가능하다.
광학 소자(10)의 본체(11)는 광학 물질을 포함할 수 있다. 본체(11)로서 사용되기에 적합한 광학 물질의 비제한적인 예는 유리 또는 플라스틱, 예컨대, UV-경화 폴리머, 폴리카보네이트, 아크릴, 용융 실리카, 실리콘 또는 실리콘의 변종, 예컨대, 비정질 실리콘을 포함한다. 다른 광학 물질이 또한 사용될 수 있다. 게다가, 본체(11)는 단일의 광학 물질 또는 다수의 층에 함께 결합된 다수의 광학 물질을 포함할 수 있고, 다수의 층은 기계적 지지를 위한 기판 및 반사-방지 코팅을 위한 층과 같은, 다른 층 또는 ITO 코팅 및 금속 코팅과 같은, 다른 목적을 위한 다른 층을 포함할 수 있다.
광학 소자(10)의 본체(11)는 표면(12), 예컨대, 제1 표면(12a) 및 제2 표면(12b)을 포함할 수 있다. 제1 표면(12a)은 제2 표면(12b)과 반대 위치로 지향될 수 있다. 하나의 양상에서, 광학 소자(10)는 임의의 수의 표면(12), 예를 들어, 1개의 표면, 2개의 표면, 3개의 표면 등을 포함할 수 있다. 광학 소자(10)의 표면(12)의 수는 광학 소자(10)의 형상에 좌우될 수 있다.
본체(11)의 표면(12), 예컨대, 제1 표면(12a) 및/또는 제2 표면(12b)은 테셀레이션 시 규칙적으로 배열되는 복수의 영역(22)을 가질 수 있다. 복수의 영역(22) 중 각각의 영역(20)은 외부 기하학적 경계를 가질 수 있고 그리고 복수의 영역(22) 중 인접한 영역의 외부 경계와 접할 수 있다(갭 없음). 도 2a에 도시된 바와 같이, 복수의 영역(22)은 예를 들어, 3 × 3 어레이로 규칙적으로 배열된다. A, B, C, 및 D로 나타낸 바와 같은, 각각의 영역(20)은 도 2b에 도시된 바와 같이, 복수의 영역(22)의 2개의 직교 면적에서 반복되는 시퀀스로 배열될 수 있다. 도 2c는 체커보드에 배열되는, 상이한 패턴으로 나타낸, 2개의 영역을 예시한다.
복수의 영역(20) 중 각각의 영역(22)의 외부 기하학적 경계는 임의의 다각형 형상, 예를 들어, 삼각형, 정사각형, 직사각형, 오각형, 육각형, 칠각형, 팔각형 등일 수 있다. 하나의 양상에서, 복수의 영역 중 각각의 영역은 동일한 외부 기하학적 경계를 가질 수 있다. 도 2a에 도시된 바와 같이, 각각의 영역(20)은 정사각형 형상을 가질 수 있고 그리고 복수의 영역(22)은 또한 정사각형의 형상으로, 테셀레이션 시 규칙적인 배열을 또한 형성할 수 있다. 하나의 양상에서, 외부 기하학적 경계는 임의적인 형상일 수 있다. 각각의 영역(20)은 미세구조, 예컨대, 새들-형상의 미세구조의 임의의 공간적 분포를 포함할 수 있다. 도 3에 도시된 바와 같이, 각각의 영역(20)은 육각형 형상을 가질 수 있고 그리고 복수의 영역(22)은 임의적인 형상으로, 테셀레이션 시 규칙적인 배열을 형성할 수 있다. 하나의 실시예에서, 각각의 영역(20)은 새들-형상의 미세구조의 임의의 공간적 분포를 포함할 수 있다.
하나의 양상에서, 복수의 영역(22) 중 2개 이상의 영역(20)은 테셀레이션 시 상이한 외부 기하학적 경계를 가질 수 있다. 도 4에 도시된 바와 같이, 복수의 영역(22) 중 제1 영역(20a)은 육각형 형상의 외부 기하학적 경계를 갖는다. 복수의 영역(22) 중 제2 영역(20b)은 세장형 다이아몬드 형상의 외부 기하학적 경계를 갖는다. 복수의 영역(22)은 제1 영역(20a) 및 제2 영역(20b)을 포함하고, 제1 영역 및 제2 영역의 외부 기하학적 경계는 상이하다. 도 5는 제1 영역(20a)이 오각형 형상의 외부 기하학적 경계를 가진 복수의 영역(22)을 예시한다. 복수의 영역(22) 중 제2 영역(20b)은 육각형 형상의 외부 기하학적 경계를 갖는다.
테셀레이션은 예를 들어, 복수의 영역(22) 중 각각의 영역(20)이 동일한 외부 기하학적 경계를 갖는 것을 포함하여, 도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이 단순할 수 있다. 하나의 양상에서, 테셀레이션은 도 4 내지 도 6에 도시된 바와 같이 복잡할 수 있고, 예를 들어, 복수의 영역(22) 중 2개 이상의 영역(20)(20a, 20b, 20c, 20d)은 상이한 외부 기하학적 경계를 가질 수 있다. 도 6에 도시된 바와 같이, 복수의 영역(22)은 오각형 형상의 외부 기하학적 경계를 가진 제1 영역(20a), 육각형 형상의 외부 기하학적 경계를 가진 제2 영역(20b), 세장형 다이아몬드 형상의 외부 기하학적 경계를 가진 제3 영역(20c), 및 임의적인 형상, 예컨대, 별 형상의 외부 기하학적 경계를 가진 제4 영역(20d)을 포함한다.
임의의 수의 영역(20)이 복수의 영역(22)에서 사용될 수 있다. 부가적으로 또는 대안적으로, 복수의 영역(22) 중 각각의 영역(20)은 미세구조의 동일한 또는 상이한 임의의 공간적 분포를 가질 수 있다. 복수의 영역(22) 중 영역(20)은 타깃 패턴(7, 9)의 최상의 콘트라스트를 위한 테셀레이션을 형성하도록 규칙적인 배열로 배치될 수 있다.
각각의 영역(20)은 서로 상이한 임의의 공간적 분포를 가질 수 있다. 명확하게 하기 위해서, 각각의 영역(20)은 영역(20) 내 미세구조의 임의의 공간적 분포에 의해 형성될 수 있다. 미세구조의 임의의 분포는 영역의 크기, 미세구조의 크기, 다른 변수, 및 이들의 조합에 기초할 수 있다. 각각의 영역(20) 내 미세구조의 임의의 공간적 분포는 타깃 패턴(7, 9) 내 규칙적인 아티팩트(artifact)를 최소화할 수 있고 그리고 타깃 패턴(7, 9) 내 임의의 스폿 분포를 생성할 수 있다.
도 1을 다시 참조하면, 광학 소자(10)는 복수의 영역(22)이 테셀레이션, 예컨대, 제1 테셀레이션 시 규칙적으로 배열되는 제1 표면(12a)을 가진 본체(11)를 포함할 수 있다. 본체(11)는 복수의 영역(22)이 테셀레이션, 예컨대, 제1 표면(12a)의 제1 테셀레이션과 동일한 또는 상이한 제2 테셀레이션 시 규칙적으로 배열되는 제2 표면(12b)을 포함할 수 있다.
도 7을 다시 참조하면, 광학 시스템(100)이 개시된다. 광학 시스템(100)은 광원(2); 및 광학 소자(10a, 10b)를 포함할 수 있다. 도 7에 도시된 바와 같이, 광학 소자(10a)는 제1 본체(11a)를 포함할 수 있고, 그리고 광학 소자(10b)는 제2 본체(11b)를 포함할 수 있다. 제1 본체(11a) 및 제2 본체(11b)의 각각은 도 1의 광학 소자(10)에 관하여 위에서 설명된 바와 같을 수 있다. 예를 들어, 제1 본체(11a)는 복수의 영역(22)이 테셀레이션, 예컨대, 제1 테셀레이션 시 규칙적으로 배열되는 표면(12a)을 가질 수 있고, 그리고 복수의 영역(22) 중 각각의 영역(20)은 미세구조의 임의의 공간적 분포를 갖는다. 또 다른 실시예로써, 제2 본체(11b)는 복수의 영역이 테셀레이션, 예컨대, 제2 테셀레이션 시 규칙적으로 배열되는 표면(12b)을 가질 수 있고, 그리고 복수의 영역(22) 중 각각의 영역(20)은 미세구조의 임의의 공간적 분포를 갖는다. 이 방식으로, 제1 본체(11a)는 광원(2)으로부터 입력 빔(5)을 수용할 수 있고 그리고 제1 테셀레이션에 기초하여 타깃 패턴(7)을 출력할 수 있다. 제2 본체(11b)는 타깃 패턴(7)을 수용할 수 있고 그리고 제2 테셀레이션에 기초하여 제2 타깃 패턴(9)을 출력할 수 있다.
단일의 본체(11)(도 1)에 2개의 표면(12a, 12b)이 있거나(도 1) 또는 제1 본체(11a)에 제1 표면(12a) 그리고 제2 본체(11b)에 제2 표면(12b)이 있는(도 7) 경우에, 타깃 패턴(7, 9)의 각 범위를 확장시키는 것이 가능할 수 있다. 이 경우에, 표면(12a, 12b) 중 하나는 마이크로렌즈 어레이의 형태를 취할 수 있다.
도 2a를 다시 참조하면, 파선의 정사각형은 복수의 영역(22) 중 영역(20)을 도시하고, 각각의 영역(20)은 미세구조의 임의의 공간적 분포를 갖는다. 하나의 양상에서, 복수의 영역(22) 중 각각의 영역(20)은 미세구조의 동일한 임의의 공간적 분포를 갖는다. 또 다른 양상에서, 복수의 영역(22) 중 2개 이상의 영역은 미세구조의 상이한 임의의 공간적 분포를 갖는다. 미세구조의 임의의 공간적 분포는 광원(2), 예컨대, 가간섭성 광원으로부터의 입력 빔(5)을 도 7에 도시된 바와 같은 타깃 패턴(7, 9)으로 성형할 수 있다. 미세구조는 예를 들어, 미국 특허 제6,410,213호에 설명된 바와 같은, 다양한 방법, 예컨대, 미세-복제(micro-replication), 고온 엠보싱(hot embossing), 사출-성형, 반응성-이온 에칭, 또는 이온-빔 밀링, 또는 단일 점 레이저 라이팅(single-point laser writing)에 의해 형성될 수 있다.
미세구조는 분석적인 또는 수치적인 형태로 규정될 수 있다. 예를 들어, 미세구조는 곡률의 반경, 원추 상수(conic constant), 및 가능하게는 비구면 계수를 가진 렌즈의 형상을 취할 수 있다. 공보["Efficient Structured Light Generator," A. Betzold, G. M. Morris, and T. R. M. Sales, in　Frontiers in Optics 2016, OSA Technical Digest (Optical Society of America, 2016), paper FTu5A.4]에서, 원추 프로파일에 기초한, 즉, 곡률의 반경 및 원추 상수에 의해 실질적으로 설명되는 마이크로렌즈가 개시된다. 그러나, 자체적으로 또는 원추 렌즈와 결합하여, 참고로 본 명세서에 편입되는, 세일즈(Sales) 등의 미국 특허 제7,813,054호에 설명된 바와 같은, 새들 렌즈 또는 미세구조의 사용이 균일한 스폿 패턴을 생성하기 위한 능력에 기인하여 추가의 개선을 제공한다는 것이 발견되었다. 각각의 영역(20)의 미세구조는 새들 형상을 포함할 수 있다. 새들 형상인 것 이외에 다른 미세구조가 각각의 영역(20)에서 사용될 수 있다.
새들 형상의 미세구조는 다음과 같이 규정된 새그 함수(sag function)를 가질 수 있다:
, (1)
가장 단순한 경우에, α는 실상수이고, Rx 및 Ry는 곡률 반경을 나타내고, 그리고 kx 및 ky는 원추 상수이고, 그리고 p는 실수이다. 미세구조는 또한 로 표기될 수 있고, (2) 다시 α는 실상수이다. 미세구조의 시각적 외면에 기인하여, 방정식 (1) 및 방정식 (2)에 의해 설명되는 미세구조는 새들 형상의 렌즈이다.
도 8은 외부 기하학적 경계가 원형, 정사각형, 육각형, 및 오각형인, 미세구조의 등고선 맵을 예시한다. 외부 기하학적 경계는 함수 및 일반적인 경계 함수에 의해 수학적으로 규정될 수 있고, 불규칙한 경계, 다각형 경계, 및 임의적인 형상의 경계를 포함한다. 방정식 (1) 및 방정식 (2)에 설명된 바와 같은 새들-형상의 미세구조의 등고선 도면, 및 정사각형 경계를 가진 이들의 조합물이 도 9에 도시된다. 새들 형상의 미세구조의 다른 관련된 특성은 미국 특허 제7,813,054호에 설명되고, 상기 기초내용은 참고로 본 명세서에 편입된다.
위에서 논의된 바와 같이, 광학 시스템(100)은 스폿의 임의의 분포를 가진 타깃 패턴(7, 9)을 생성할 수 있다. 광학 시스템(100)은 또한 다른 컴포넌트, 예컨대, 장면 스캐닝 및 깊이 프로파일링을 위한 센서 및 컴퓨터 알고리즘을 포함할 수 있다.
타깃 패턴(7, 9)은 복수의 영역 중 영역(20)의 각각 내 미세구조의 임의의 공간적 분포에 따른, 스폿의 임의의 분포일 수 있다. 미세구조의 임의의 공간적 분포는 광원(2)으로부터의 입력 빔(5)을 스펙클을 가진 타깃 패턴(7, 9)으로 성형할 수 있다. 스폿의 임의의 분포는 명시된 각 범위에 걸칠 수 있고, 그리고 2개의 수직 방향에서 동일하거나 또는 상이할 수 있다. 조명 움직임에 대하여 고정된 스펙클 및 제로 회절 차수의 더 높은 강도 없이, 스폿의 이러한 임의의 분포는 3D 감지를 위한 적용에서 구조광을 제공할 때 유용할 수 있다.
하나의 양상에서, 테셀레이션 시 20개의 각각의 영역의 규칙적인 배열을 규정하는 구간(period)이 입력 빔(5)의 크기보다 더 작을 수 있어서 타깃 패턴(7, 9)의 콘트라스트를 증가시키고 그리고 광학 소자(10)에 대한 입력 빔(5)의 어떤 움직임을 변경하는 것으로부터 타깃 패턴(7, 9) 내 임의의 스펙클을 고정시킨다.
타깃 패턴(7, 9)이 생성될 수 있고 여기서 제로 회절 차수는 강도의 면에서 스폿의 임의의 분포 내 해당하는 다른 것과 구별하기 어렵다. 제로 회절 차수 강도는 스폿의 임의의 분포 내 임의의 다른 스폿과 동일한 에너지 함량을 제공할 수 있다. 이 방식으로, 안구 안전과 관련된 모든 문제가 제거될 수 있다. 또한, 일반적으로, 단일의 표면 패턴이 고효율을 보장하는 타깃 패턴(7, 9)을 생성하도록 사용될 수 있다. 도 7의 광학 시스템에 예시된 바와 같이, 직렬로 사용되는 다수의 광학 소자(10a, 10b)는 다른 이유로, 예컨대, 기존의 제작 방법에 의해 제작될 수 있는 것을 넘어 유효 입력 빔(5) 범위를 증가시키도록 활용될 수 있다. 이러한 조건에서, 광학 소자(10a, 10b) 중 하나는 단순한 마이크로렌즈 어레이일 수 있다.
복수의 영역(22) 중 각각의 영역(20)은 격자 방정식(grating equation)(수직 입사용)에 의해 2개의 스폿 사이의 각 간격을 결정할 수 있다:
, (3)
θm은 차수 m에 대한 회절각이고, λ는 입력 빔의 파장이고, 그리고 Λ는 격자 간격이다. 전체 테셀레이션 기하학적 구조는 미세구조의 임의의 공간적 분포에 대한 직접적인 상관관계를 가질 수 있다. 예를 들어, 정사각형 어레이 테셀레이션(예를 들어, 도 2a 내지 도 2c 참조)은 정사각형 격자에 관한 회절 차수를 생성한다. 유사하게, 육각형 격자 테셀레이션(예를 들어, 도 3을 참조)은 육각형 격자에 관한 차수를 생성한다. 각 간격은 격자 간격에 좌우될 수 있고, 이는 상이한 방향에 따라 동일하거나 또는 상이할 수 있다. 미세구조의 임의의 공간적 분포는 테셀레이션을 생성하도록 복수의 영역(22) 내 각각의 영역(20)의 규칙적인 배열에 따라 복잡한 임의의 스폿 분포를 생성할 수 있다. 테셀레이션 기하학적 구조는 스폿 기하학적 구조를 결정할 수 있고, 반면에 복수의 영역(22) 중 각각의 영역(20)은 다양한 회절 차수 간의 전력의 분포를 결정한다. 즉, 영역(20)의 각각 내 미세구조는 "켜짐 또는 꺼짐"에 의해 임의의 스폿 패턴을 생성하는 회절 차수를 갖는다.
광학 소자를 제작하는 방법은 복수의 영역(22)의 규칙적인 배열을 선택하여 테셀레이션을 형성하는 단계를 포함할 수 있다. 방법은 또한 각각의 영역(20)을 복수의 영역(22)에 할당하여 격자 간격을 형성하는 단계를 포함한다. 방법은 또한 각각의 영역(20)에 미세구조를 임의로 공간적으로 분포시켜서 복수의 영역을 형성하는 단계를 포함한다. 하나의 양상에서, 각각의 영역 내 미세구조는 새들 형상의 미세구조를 단독으로, 또는 다른 형상의 미세구조를 함께 포함할 수 있다.
미국 특허 제7,813,054호에 설명된 것과 같은 미세구조는 따로 사용될 때 임의의 스펙클 패턴을 생성할 수 있다. 즉, 레이저와 같은, 광원(2)으로부터의 입력 빔(5)을 수용할 때 미세구조의 영역(20)은 스펙클 및 저 해상도를 가진 타깃 패턴(7, 9)을 발생시킬 수 있다. 입력 빔(5)을 수용하는 각각의 영역(20)의 특정한 위치에 따라, 스펙클 패턴이 변경될 수 있다.
테셀레이션을 형성하기 위한 복수의 영역(22)의 규칙적인 배열은 미세구조에 대한 광원(2)의 이동의 경우에 스펙클을 가진 타깃 패턴(7, 9)의 이동을 방지할 수 있다. 이 경우에, 타깃 패턴(7, 9)은 제자리에 고정된 것으로 말할 수 있다. 게다가, 복수의 영역(22)의 규칙적인 배열은 3D 감지 적용에 유용하게 만드는 타깃 패턴(7, 9)의 콘트라스트의 증가를 발생시킬 수 있다. 파장 633㎚의 레이저와 같은, 광원(2)에 의해 조명될 때, 광학 소자(10)의 실제 구현예로부터 스펙클을 가진 타깃 패턴(7, 9)으로부터의 사진이 도 10에 도시된다.
각각의 영역(20) 내 미세구조는 특정한 초점 거리를 가질 수 있다. 하나의 양상에서, 제1 표면(12a) 상의 초점 거리는 2개의 광학 소자(10a, 10b)(도 11)가 직렬로 사용되거나 또는 단일의 광학 소자(10)(도 12)가 사용되는지에 상관없이 제2 표면(12b) 상의 초점 거리와 매칭될 수 있다. 거울 대칭성에 기인하여, 서로 맞대고 배치될 때, 하나의 광학 소자(10) 내 각각의 미세구조는 다른 광학 소자의 거울 이미지와 마주본다.
광학 시스템(100)을 사용하는 방법이 또한 개시되고, 방법은 광원(2)으로부터의 입력 빔(5)을 광학 소자(10)로 투사하는 단계로서, 광학 소자(10)는 표면(12)을 가진 본체(11)를 포함하고, 표면(12)은 테셀레이션 시 규칙적으로 배열되는 복수의 영역(22)을 갖고, 그리고 복수의 영역(22) 중 각각의 영역(20)은 미세구조의 임의의 공간적 분포를 갖는, 광원으로부터의 입력 빔을 광학 소자로 투사하는 단계; 및 입력 빔(5)을 타깃 패턴(7, 9)으로 성형하는 단계를 포함한다. 방법은 또한 광학 소자(10)에 대한 입력 빔(5)의 어떤 움직임을 변경하는 것으로부터 미세구조의 임의의 공간적 분포로부터 임의의 스펙클을 고정시키는 단계를 포함할 수 있다.
이 범위의 개시내용은 폭넓게 해석된다. 본 개시내용이 본 명세서에 개시된 디바이스, 행위 및 기계적 작업을 달성하기 위한 등가물, 수단, 시스템 및 방법을 개시하는 것이 의도된다. 개시된 각각의 구성, 회절 광학 소자, 광학 시스템, 방법, 수단, 기계적 구성요소 또는 메커니즘에 대해, 본 개시내용이 또한 이의 개시내용에 포함되고 그리고 본 명세서에 개시된 많은 양상, 메커니즘 및 구성을 실행하기 위한 등가물, 수단, 시스템 및 방법을 교시하는 것이 의도된다. 부가적으로, 본 개시내용은 구성 및 이의 많은 양상, 특징 및 구성요소에 관한 것이다. 이러한 구성은 이의 용도 및 작업에 있어서 동적일 수 있고, 본 개시내용은 제작의 구성 및/또는 안료의 사용의 등가물, 수단, 시스템 및 방법을 포함하는 것으로 의도되고 그리고 이의 많은 양상은 본 명세서에 개시된 작업 및 기능의 설명 및 정신과 일치한다. 본 출원의 청구범위는 마찬가지로 폭넓게 해석된다.
본 명세서의 발명의 설명은 이의 많은 실시형태에서 단지 사실상 예시적이고 따라서, 본 발명의 요지로부터 벗어나지 않는 변경이 본 발명의 범위 내에 있는 것으로 의도된다. 이러한 변경은 본 발명의 정신 및 범위로부터 벗어나는 것으로서 간주되지 않는다.
2: 광원 5: 입력 빔
10: 광학소자 12: 표면
20: 영역 22: 복수의 영역

Claims (1)

  1. 광학 소자를 제작하는 방법에 있어서,
    복수의 영역의 규칙적인 배열을 선택하여 테셀레이션을 형성하는 단계; 및
    각각의 영역에 미세구조를 임의로 공간적으로 분포시켜서 상기 복수의 영역을 형성하는 단계;를 포함하는 광학 소자를 제작하는 방법.
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