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문제 정의
- 하지만 기존에 사용했던 스페클 저감 방법들은 소자를 구현하기 위한 광학계의 부피가 크기 때문에 소자의 소형화가 어렵다. 본 연구에서는 마이크로 렌즈의 설계를 통해 레이저의 공간정 간섭성을 조절하여 스페클 저감 효과를 얻음과 동시에 소자 효율을 높이고자 하였고, 진동 소자를 사용하여 시간적 간섭성을 저감하여 스페클 저감 효과를 높이고자 하였다. 설계한 소자는 reflow 공정과 imprinting 공정을 통해 손쉽게 제작되었으며, CCD 카메라를 포함하는 평가 광학계를 통해 그 특성을 평가 하였다.
- 본 연구에서는 소형 레이저 프로젝터에 적용 가능하며 향상된 스페클 저감 효율과 소자 효율을 가지는 광학 소자를 설계하고 이를 제작, 평가 하였다. 설계된 소자는 소자 효율과 공간적 간섭성을 조절하기 위한 곡면을 가지는 마이크로 렌즈와 시간적 간섭성을 저감하기 위한 진동 소자를 포함하며 Reflow 공정을 통해 손쉽게 제작 되었다.
제안 방법
- 다음으로 원형 패턴이 그려진 photo mask 를 통해 웨이퍼를 lithography 장비를 통해 352nm 파장과 2mW/cm2 의 파워를 가지는 ultraviolet(UV) 광원에 노출 시켰다. 그리고 devloper 를 사용하여 경화되지 않은 PR 을 제거하였으며, 원기둥 형태의 PR 패턴이 가공된 웨이퍼를 hot plate 를 사용하여 reflow 공정을 진행하여 몰드를 제작하였다.
- PR 이 코팅된 웨이퍼를 불순물 제거를 위해 hot plate 를 사용하여 90 도에 100 초 동안 prebake 공정을 진행하였다. 다음으로 원형 패턴이 그려진 photo mask 를 통해 웨이퍼를 lithography 장비를 통해 352nm 파장과 2mW/cm2 의 파워를 가지는 ultraviolet(UV) 광원에 노출 시켰다. 그리고 devloper 를 사용하여 경화되지 않은 PR 을 제거하였으며, 원기둥 형태의 PR 패턴이 가공된 웨이퍼를 hot plate 를 사용하여 reflow 공정을 진행하여 몰드를 제작하였다.
- 동시에 입사 광 내에 마이크로 렌즈를 밀집 시켜 렌즈의 효과를 높이기 위해, 입사 광의 직경 보다 작은 100μm 의 반경과 벌집 모양 구조의 패턴 밀도 0.9 를 가지도록 설계 되었다.
- 마이크로 렌즈의 곡률이 높을수록 초기 입사되는 레이저의 광 경로가 다양한 각도로 산란 되므로 스페클 저감 효과는 높지만 그만큼 감소된 직진성에 의해 스크린의 원하는 지점에 투사되는 광량이 감소하게 되므로 소자 효율이 감소한다. 따라서 우리는 소자와 스크린, 관측자의 간격을 고려하여 소자의 곡률을 설계하였고, 각각의 수치는 소자에서 스크린까지 200mm, 스크린에서 관측자까지 600mm 의 거리로 고려하였다. 거리와 소자의 재료를 고려한 출사 광선의 각도는 소자 효율을 위해 0.
- 9 를 가지도록 설계 되었다. 또한 각각 렌즈의 초점 거리에 의해 상이 흐려지는 효과를 막고 영상 이미지의 결상을 위해 doublet 렌즈를 포함하여 소자를 설계하였고, 소자에서 렌즈까지 거리는 소형 프로젝터 소자의 크기를 고려하여 50mm 로 선정하였다.
- 설계된 소자는 소자 효율과 공간적 간섭성을 조절하기 위한 곡면을 가지는 마이크로 렌즈와 시간적 간섭성을 저감하기 위한 진동 소자를 포함하며 Reflow 공정을 통해 손쉽게 제작 되었다. 또한 스페클 평가 광학계를 구성하여 향상된 소자 특성을 평가 및 분석하였다.
- 마이크로 렌즈는 렌즈의 곡률에 따른 광원의 산란을 통해 공간적 간섭성을 다양화 하며 투사 면의 특성에 의해 발생하는 보강, 상쇄 간섭을 줄여 효과적으로 스페클을 저감시킬 수 있다. 마이크로 렌즈의 곡률은 저감 소자로부터 투사 스크린까지 거리와 스페클 저감 소자의 굴절률을 고려하여 아래 수식들을 통해 설계 되었다.
- 마지막으로 제작된 복제 몰드를 사용하여 플라스틱 필름에 UV 경화성 폴리머로 렌즈를 복제하여 스페클 저감 소자를 완성하였다. 최종 제작된 소자는 3 차원 표면 측정기를 통해 측정되었으며, 설계한 수치대로 렌즈가 잘 제작 되었음을 fig.
- 본 연구에서는 소형 레이저 프로젝터에 적용 가능하며 향상된 스페클 저감 효율과 소자 효율을 가지는 광학 소자를 설계하고 이를 제작, 평가 하였다. 설계된 소자는 소자 효율과 공간적 간섭성을 조절하기 위한 곡면을 가지는 마이크로 렌즈와 시간적 간섭성을 저감하기 위한 진동 소자를 포함하며 Reflow 공정을 통해 손쉽게 제작 되었다. 또한 스페클 평가 광학계를 구성하여 향상된 소자 특성을 평가 및 분석하였다.
- 본 연구에서는 마이크로 렌즈의 설계를 통해 레이저의 공간정 간섭성을 조절하여 스페클 저감 효과를 얻음과 동시에 소자 효율을 높이고자 하였고, 진동 소자를 사용하여 시간적 간섭성을 저감하여 스페클 저감 효과를 높이고자 하였다. 설계한 소자는 reflow 공정과 imprinting 공정을 통해 손쉽게 제작되었으며, CCD 카메라를 포함하는 평가 광학계를 통해 그 특성을 평가 하였다. 그 결과, 제작된 소자는 48.
- 또한 스페클 수치 측정을 위한 CCD 카메라와 결상을 위한 doublet 렌즈를 앞서 선정한 스크린의 거리를 고려하여 위치시켰다. 스페클 패턴은 앞서 설명하였듯 전체 광량에 대비하여 각 위치별 상쇄, 보강 간섭의 표준편차를 의미하므로 CCD 카메라를 통해 수집된 결과를 바탕으로 다음 수식들을 통해 소자의 스페클 값과 저감 효율을 계산하였다.
- 마이크로 렌즈에 의한 공간적 간섭성 저감과 동시에 시간적 간섭성을 저감 시키기 위한 진동 소자의 구동 조건은 일반적으로 알려진 사람의 인지속도인 17ms 보다 빠른 속도인 100Hz 로 선정하였다. 실험에는 일반적으로 진동 실험에 사용하는 가진기를 통해 소자를 한 축으로 진동 시켜 주어그 특성을 평가하였다.
- 앞서 구성한 광학계를 통해 제작한 스페클 저감 소자의 특성을 평가하였다. Fig.
- 앞서 설계한 소자를 reflow 공정과 imprinting 공정을 통해 제작하였다. 포토레지스트(PR)의 코팅 두께는 원하는 렌즈의 곡률 제작을 위해 다음 수식을 통해 계산 되었다.
- 스페클 저감 소자는 프로젝터 내의 광학계에 포함되며 미러에 입사 되기 이전에 레이저 광원의 간섭성을 저감시키는 역할을 한다. 우리는 스페클 저감을 위한 방법으로 Fig.2 와 같이 마이크로 렌즈를 사용한 공간적 간섭성 저감과 진동 소자에 의한 시간적 간섭성 저감을 사용하였다.
- 이후, 패턴을 복제하기 위한 복제 몰드를 열경화성 폴리머인 poly(dimethylsiloxane) (PDMS)를 통해 제작하였다.
- 앞서 설계한 소자를 reflow 공정과 imprinting 공정을 통해 제작하였다. 포토레지스트(PR)의 코팅 두께는 원하는 렌즈의 곡률 제작을 위해 다음 수식을 통해 계산 되었다.
대상 데이터
- 마이크로 렌즈에 의한 공간적 간섭성 저감과 동시에 시간적 간섭성을 저감 시키기 위한 진동 소자의 구동 조건은 일반적으로 알려진 사람의 인지속도인 17ms 보다 빠른 속도인 100Hz 로 선정하였다. 실험에는 일반적으로 진동 실험에 사용하는 가진기를 통해 소자를 한 축으로 진동 시켜 주어그 특성을 평가하였다.
- 3 과 같다. 우선 공정을 위해 실리콘 웨이퍼를 기판으로 사용하였으며, 이소프로필 알코올, 아세톤 그리고 DI water 를 사용해 기판을 세척하였다. 그리고 계산된 두께만큼의 PR 을 spin coater 를 통해 웨이퍼에 코팅하였다.
- 5 와 같이 구성하였다. 평가를 위한 광원은 프로젝션 디스플레이에서 파랑색으로 사용되는 405nm 파장의 블루 레이저 다이오드를 사용하였으며, 광량 제어를 위한 ND 필터를 추가로 사용하였다. 또한 스페클 수치 측정을 위한 CCD 카메라와 결상을 위한 doublet 렌즈를 앞서 선정한 스크린의 거리를 고려하여 위치시켰다.
데이터처리
- 거리와 소자의 재료를 고려한 출사 광선의 각도는 소자 효율을 위해 0.5°로 선정 하였으며, 그 결과 최적 렌즈의 곡률은 0.15 로 수식을 통해 계산 되었다.
성능/효과
- 설계한 소자는 reflow 공정과 imprinting 공정을 통해 손쉽게 제작되었으며, CCD 카메라를 포함하는 평가 광학계를 통해 그 특성을 평가 하였다. 그 결과, 제작된 소자는 48.33%의 저감 효율과 41.29%의 소자 효율을 달성하였다. 이는 공간적 간섭성과 시간적 간섭성을 동시에 저감 시켰을 때 얻을 수 있는 결과로, 진동 소자 없이 공간적 간섭성 저감을 통해 스페클을 저감 시킬 경우는 저감 효율이 없음을 확인하였다.
- 6(b)는 진동 소자 없이 제작된 소자를 사용하였을 때의 스페클 패턴으로, 앞서 설명하였듯 마이크로 렌즈에 의한 초점 거리에 맞추어 CCD 카메라를 위치시켰기 때문에 각각 마이크로 렌즈에 의해 이미지가 결상되어 그 중심의 광량이 강하고, 주변으로 갈수록 렌즈 곡률에 의한 효과로 광량이 비슷하지만 앞선 스페클 패턴과 다른 형태의 간섭무늬가 발생함을 알 수 있었다. 다시 말해 전체적인 공간적 간섭성은 저감 시켰으나, 렌즈에 의한 결상 효과 때문에 다른 형태의 간섭 패턴이 발생하여 전체적인 스페클 저감 효율은 얻을 수 없음을 확인하였다. 하지만 제작한 저감 소자를 진동 소자와 동시에 사용하였을 때 앞서 공간적 간섭성이 저감되어 형성된 간섭패턴에 시간적 간섭성 저감 효과가 더해져 fig.
- 이상적으로 동일 세기의 광이 소자에 입사하게 되면 높은 광량을 나타내는 peak 부분의 광 세기가 모두 같겠지만, 형성된 스페클 패턴에 의한 광 분포의 영향을 받아 위치 별 peak 값이 차이가 남을 확인하였다. 마지막으로 소자를 진동 시켰을 때 앞서 설명한 대로 위치 별 광 분포가 평균화 되어 거의 균일한 광 분포를 나타내었다.
- 29%의 소자 효율을 달성하였다. 이는 공간적 간섭성과 시간적 간섭성을 동시에 저감 시켰을 때 얻을 수 있는 결과로, 진동 소자 없이 공간적 간섭성 저감을 통해 스페클을 저감 시킬 경우는 저감 효율이 없음을 확인하였다. 이는 공간적 간섭성 보다 시간적 간섭성이 스페클 저감이 더 큰 영향을 미친다는 것을 의미한다.
- 이에 비해 저감 소자만을 사용한 경우는 reference 에 비해 상대적으로 광량은 낮지만 마이크로 렌즈 분포에 의해 비교적 규칙적으로 높은 광량을 가지는 광 분포를 나타낸다. 이상적으로 동일 세기의 광이 소자에 입사하게 되면 높은 광량을 나타내는 peak 부분의 광 세기가 모두 같겠지만, 형성된 스페클 패턴에 의한 광 분포의 영향을 받아 위치 별 peak 값이 차이가 남을 확인하였다. 마지막으로 소자를 진동 시켰을 때 앞서 설명한 대로 위치 별 광 분포가 평균화 되어 거의 균일한 광 분포를 나타내었다.
- 이는 마이크로 렌즈에 의해 형성된 균일한 공간적 간섭 패턴이 1축 진동을 통해 서로 평균값을 가지게 되어 전체적으로 균일한 광 분포를 얻었음을 의미한다. 하지만 소자 설계 시 각도에 따라 예상했던 소자 효율 보다 결과 값이 낮게 측정 되었는데 이는 소자에 존재하는 계면의 거칠기 특성에 의한 산란과 소자를 통과하면서 소자의 재료 특성에 의한 흡수가 영향을 미친 것으로 보이며, 소자 제작 시 발생한 가공 오차 또한 소자 효율에 영향을 미쳤을 것으로 생각된다. 이러한 부분은 PET 필름을 사용 하지 않고 동일 재료로 소자를 제작하고, 입사 면의 반사 방지 코팅을 적용하며 정밀하게 소자를 제작할 경우 보완될 수 있을 것으로 생각된다.
후속연구
- 하지만 소자 설계 시 각도에 따라 예상했던 소자 효율 보다 결과 값이 낮게 측정 되었는데 이는 소자에 존재하는 계면의 거칠기 특성에 의한 산란과 소자를 통과하면서 소자의 재료 특성에 의한 흡수가 영향을 미친 것으로 보이며, 소자 제작 시 발생한 가공 오차 또한 소자 효율에 영향을 미쳤을 것으로 생각된다. 이러한 부분은 PET 필름을 사용 하지 않고 동일 재료로 소자를 제작하고, 입사 면의 반사 방지 코팅을 적용하며 정밀하게 소자를 제작할 경우 보완될 수 있을 것으로 생각된다.
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