다층 기하학적-위상 광학소자 제작

Abstract

여러 개의 물체 거리를 동시에 관측하기 위한 다시점 디스플레이나 다초점 카메라 등의 발전은 복합적인 위상 분포를 갖는 광학소자의 연구 개발에 의해 견인되고 있다. 이러한 복합적 위상 광학 소자의 대표적인 한 예로서, 여러 개의 초점을 동시에 형성하는 다초점 렌즈가 있다. 다중 홀로그램 방식이나 자유곡면 방식의 다초점 렌즈 등은 단일 광학 면에 복합적인 위상을 형성하기 위한 제작과정이 매우 까다롭거나, 서로 다른 위상을 갖는 렌즈를 array로 사용하거나 여러 장 겹쳐서 사용하게 되는 방식은 부피가 늘어나게 되어 실제 시스템 구현에 많은 어려움이 있다. 본 눈문에서 기하학적 위상 (Geometric-Phase: GP), 혹은 판차라트남 베리 위상 (Pancharatnam-Berry phase) 라고도 하는 광학 위상 변조 방식을 사용하여 수 mm 두께를 갖는 새로운 형태의 광학소자인 Geometric-Phase Optical Elements (GPOE)를 구현하였다. 단일 GP 층의 두께를 조정하거나 서로 다른 두께를 갖는 여러 개의 GP layer를 적층하여, 다양한 GPOE 렌즈를 구현하였으며, optical bench 측정 실험을 통하여 다초점 특성을 검증하였다. GPOE 렌즈의 위상 분포를 형성하기 위해, GP master pattern으로서 silicon wafer 위에 photoresist를 코팅하고 본 연구실에서 자체 개발한 Nano-Pixelated Gratings (NPG) system을 이용한 간섭 노광을 통하여 단일 pixel 면적이 (5 mm x 5 mm) 이고, 주기가 500 nm, 깊이가 100 nm 정도인 grating pixel array를 제작하였다. Master pattern을 이용한 UV 임프린팅 공정을 통해 stamp 제작, glass 기판 위에 stamp를 임프린팅하여 replica를 제작, 광경화성 액정 폴리머인 반응성 메조겐 (Reactive Mesogen, RM)을 스핀 코팅하는 과정을 통하여 GPOE 렌즈를 제작하였다. 이방성 복굴절 재료인 RM layer의 두께는 복굴절에 따른 광 경로 차이가 l/2, l/3, l/4 등이 되도록 조절하였으며, 두께가 서로 다른 단층 및 다층 RM layer로 적층하여 다양한 다초점 GPOE 렌즈를 구현하였다. GPOE 렌즈의 다초점 특성은 TF-PSF (through-focus point spread function), TF-MTF (through-focus modulation transfer function), TF-image 측정을 통하여 실험적으로 검증하였다. 본 연구를 통하여 Geometric Phase라는 새로운 방식의 광학 위상 변조 방식이 다양한 복합 기능을 갖는 새로운 광학 소자를 매우 얇고 flat한 형태로 구현할 수 있음을 확인할 수 있었으며, 제작 검증된 다초점 GPOE 렌즈는 다시점 디스플레이나 다초점 카메라 등으로 응용될 수 있을 것으로 기대된다.|The development of a multi-view display or a multi-focal camera for si multaneously observing the distance of several objects is being driven by r esearch and development of an optical elements having a complex phase di stribution. As a representative example of such a complex phase optical ele ment, there is a multifocal lens that simultaneously forms several focal poi nts. For multi-hologram or free-curvature multifocal lenses, the manufactur ing process to form a complex phase on a single optical surface is very di fficult, or lenses with different phases are used as an array or multiple lay ers are used. As the volume increases, there are many difficulties in imple menting the actual system. Geometric-Phase Optical elements(GPOE), a new type of optical elements with a thickness of several microm-thicks using an optical phase modulatio n method, also called Geometric-Phase (GP) or Pancharatnam-Berry phase in this article were fabricated. Various GPOE lenses were implemented by adjusting the thickness of a single GP layer or stacking multilayered GP la yers having different thicknesses, and multifocal characteristics were verifie d through optical bench measurement experiments. In order to form the phase distribution of the GPOE lens, a photoresist i s coated on a silicon wafer as a GP master pattern, and a single pixel are a (5 mm x 5 mm), with a period of 500 nm and a depth of about 100 nm, to fabricate a grating pixel array. The stamp was made through the UV i mprinting process using the master pattern, the replica was made by impri nting the stamp on the glass substrate, and the GPOE was made through the process of spin-coating reactive mesogen (RM), a photocurable liquid c rystal polymer. The thickness of the RM layer, which is an anisotropic bir efringent material, was adjusted so that the optical path difference accordin g to birefringence was l/2, l/3, l/4 etc, and various multifocal GPOE lenses were fabriccated with different thicknesses of single and multi-layer RM la yers. The multifocal characteristics of GPOE lenses were experimentally ve rified through TF-PSF (through-focus point spread function), TF-MTF (th rough-focus modulation transfer function), and TF-image measurements. Through this study, it was confirmed that a new optical phase modulatio n method called Geometric Phase can implement a new optical element wit h various complex functions in a very thin and flat form. It is expected to be applied to multifocal displays and cameras.