기하학적-위상 다초점 렌즈의 광학적 특성 평가

Abstract

기존 복합 렌즈를 사용하거나, 회절광학소자(diffractive optical elements, 이하 DOE)를 이용한 다초점 렌즈 제작 방식의 단점을 극복하기 위해 기하학적 위상(geometric phase)을 이용한 다초점 렌즈를 제작, 설계, 특성 평가하였다. Geometric phase lens(GPL) 제작 과정에서 GPL 내의 자외선 반응성 액정인 reactive mesogen(RM)의 두께를 조절함으로써 위상을 변화시켰다. 두께 1/2 파장, 1/3 파장, 1/4 파장으로 제작한 GPL과 기존 단초점 렌즈를 결합하여 다초점 GPL(Multifocal-Geometric phase lens, MF-GPL) 이중 초점 렌즈, 삼중 초점 렌즈를 구현하였으며, Field tracing 기반 시뮬레이션 툴을 이용하여 설계 및 분석을 진행하였다. Optical bench 실험을 통하여 제작된 MF-GPL의 Through focus-Point spread function(TF-PSF), Through focus-Modulation transfer function(TF-MTF), Through focus Image 측정 및 분석하여, GPL 내 RM 두께 조절로 초점 개수와 초점에서의 intensity를 조절 가능함을 보였다. 또한 설계 치와 실험 치를 비교 분석하여 MF-GPL의 유용성을 검증하였다. Geometric phase를 이용한 geometric phase optical element(GPOE)는 DOE와 달리, RM의 광축 방향 제어로 phase를 조절한다. 이는 광학 소자의 구조 변경에 비해 정확한 phase profile 구현과 고분해능 phase 제어, 그리고 flat하고 compact한 광학 소자 구현 가능으로 소자의 소형화 및 경량화를 가능하게 한다. 이와 같은 이유로 geometric phase를 이용한 GPOE가 연구되고 있다. |In order to overcome the shortcomings of a multifocal lens manufacturing method using an existing composite lens or using diffractive optical elements (DOE), a multifocal lens using a geometric phase was manufactured, designed, and evaluated. During the geometric phase lens (GPL) manufacturing process, the phase was changed by controlling the thickness of reactive mesogen(RM), an anisotropic medium in the GPL. By combining the GPL manufactured with 1/2 wavelength, 1/3 wavelength, and 1/4 wavelength thickness and the single-focal lens, a multifocal GPL (Multifocal-Geometric phase lens, MF-GPL) bifocal lens and trifocal lens were manufactured. Design and analysis were carried out using a field tracing-based simulation tool. By measuring and analyzing the Through focus-point spread function(TF-PSF), Through focus-Modulation transfer function(TF-MTF), and Through focus Image of the MF-GPL manufactured through the optical bench experiment. It was shown that the number of focal and the intensity at the focal position can be controlled by controlling the thickness of the RM in the GPL. In addition, the usefulness of MF-GPL was verified by comparative analysis of design values and experimental values. The geometric phase optical element(GPOE) using the geometric phase adjusts the phase by controlling the optical axis direction of RM. This makes it possible to reduce the size and weight of the device by realizing an accurate phase profile, high resolution phase control, and realizing a flat and compact optical device. For this reason, GPOE is being studied.