[논문 리뷰] Direct-Write Digital Holography. Development and research of a hologram printer

John Tapsell|ArXiv.org|2009. 02. 03.

Advanced Optical Imaging Technologies참고 문헌 57인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 액정 on 실리콘(LCOS) 디스플레이를 사용하여 간섭 무늬를 점진적 방식으로 투사함으로써 백색광에서 관찰 가능한 투과형 홀로그램을 직접 작성하는 디지털 홀로그래피 시스템을 제시한다. 이 시스템은 마이크로렌즈 어레이와 무초점 망원경을 활용하여 회절 효율, 대trast 및 시야 깊이를 향상시키며, 0.3 mm 해상도로 초당 40 holopixels의 속도를 달성하여 고해상도, 사무실용 홀로그램 인쇄를 위한 실현 가능한 길을 보여준다.

ABSTRACT

Chapter 1 gives a brief history of the field of holography along with an overview of this thesis. A more detailed description of holography is provided in Chapter 2 along with a discussion of digital holography. Chapter 3 examines the design of a one-step monochromatic hologram printer capable producing white-light viewable transmission holograms created with the aid of an LCOS display system and printed in a dot-matrix sequence. The lens system employed includes a microlens array and an afocal relay telescope which are both quantitatively examined in order to maximise the contrast, diffraction efficiency and depth of view of the final hologram image. A brief overview of speckle reduction techniques and their applicability to pulsed digital holography is presented along with experimental results of the use of a microlens array to reduce speckle effects. Chapter 4 presents an analysis of the unwanted side effects of the angular intensity distribution of a hologram pixel, using a case study for analysis. Chapter 5 examines methods for increasing both the printing speed and resolution of the hologram printer. Chapter 6 describes the analysis and design of a temperature-energy feedback system to correct for pulsed laser instabilities arising from mode beating due to temperature variations. Chapter 7 provides a conclusion to the work and discusses possible future developments.

연구 동기 및 목표

• 백색광에서 관찰 가능한 투과형 홀로그램을 단일 단계 과정으로 제작할 수 있는 단색 홀로그램 프린터를 설계하고 제작하는 것.
• 특히 마이크로렌즈 어레인지와 무초점 망원경을 최적화하여 홀로그램의 회절 효율, 대비 및 시야 깊이를 극대화하는 광학 시스템을 개발하는 것.
• 마이크로렌즈 어레이를 사용하여 펄스 디지털 홀로그래피에서 스펙클 노이즈를 줄이고, 그 효과를 평가하는 것.
• 향상된 출력 공급, 소프트웨어 제어 및 스테이지 이동을 통해 인쇄 속도와 해상도를 향상시키는 것.
• 열적 드프트로 인한 모드 비트를 보완하기 위해 온도-에너지 피드백 시스템을 사용하여 레이저 출력을 안정화하는 것.

제안 방법

• 펄스 레이저 소스와 LCOS 공간 광학 조절 장치를 사용하여 점진적 방식으로 홀로그램 간섭 무늬를 생성한다.
• 마이크로렌즈 어레이와 무초점 중계 망원경(L1–L4)을 활용하여 빛의 꼬리무늬를 형상화하고 전달함으로써 파면 품질을 향상시키고 빛의 산산조각 나기를 줄인다.
• 정량적 광학 모델링을 적용하여 홀로그램 영상 품질을 극대화하기 위한 최적의 초점 거리와 렌즈 간격을 결정한다.
• 레이저 출력을 모니터링하고, 캐비티 길이 변화에 대응하기 위해 가열된 금속 블록 조절을 통해 안정화하기 위해 고안된 맞춤형 에너지 미터와 디지털 온도 제어기를 통합한다.
• 소프트웨어 기반 영상 사전처리 및 스테이지 제어를 구현하여 인쇄 속도와 해상도를 향상시킨다.
• 온도 및 에너지 측정 값을 조합한 피드백 루프를 통해 열적 드프트와 모드 비트로 인한 레이저 불안정성에 동적으로 보정한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 단일 단계 과정을 통해 고대비, 백색광에서 관찰 가능한 투과형 홀로그램을 제작할 수 있는 직접적 작성 홀로그램 프린터는 어떻게 설계할 수 있는가?
• RQ2 마이크로렌즈 어레이와 무초점 망원경의 어떤 광학 구성이 인쇄된 홀로그램의 회절 효율, 대비 및 시야 깊이를 극대화하는가?
• RQ3 마이크로렌즈 어레지는 펄스 디지털 홀로그래피에서 스펙클 노이즈를 어느 정도 줄일 수 있으며, 이는 스펙클의 공간적 구조에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 열적 드프트로 인한 레이저 불안정성을 보완하기 위해 펄스 레이저 시스템에서 어떤 조치를 취해야 하는가? 이를 통해 일관된 에너지 출력을 유지할 수 있는가?
• RQ5 사무실 프린터 기준에 도달하기 위해 필요한 시스템 수준의 개선(하드웨어, 소프트웨어, 피드백 제어)은 무엇인가?

주요 결과

• 홀로그램 프린터는 초기 4 holopixels/초에서 크게 향상된 0.3 mm 지름 해상도로 초당 40 holopixels의 인쇄 속도를 달성하였다.
• 마이크로렌즈 어레이는 스펙클 반복 구조의 크기를 약 2.5배 감소시켜 효과적인 스펙클 분리가 이루어졌음을 시사한다.
• 온도-에너지 피드백 시스템은 열적 드프트에 대응하여 레이저 출력을 성공적으로 안정화시켜 시간이 지남에 따라 일관된 에너지 수준을 유지하였다.
• 무초점 망원경과 마이크로렌즈 어레이를 포함한 광학 시스템 설계는 회절 효율과 대비를 향상시켜 고품질의 백색광에서 관찰 가능한 홀로그램을 가능하게 하였다.
• 시스템은 가우시안 빛의 프로파일을 사용하여 최적의 재생 각도를 밝게 할 수 있었으며, 이는 비축 방향 강도를 약간 감소시키는 대가를 치르는 방식이었다. 이는 더 넓은 효과적 시야 창을 가능하게 하였다.
• 600 DPI(0.04 mm 픽셀 크기)로 확장 가능한 것이 입증되었지만, 50 Hz에서 A4 크기 홀로그램을 인쇄하는 데 8일이 소요될 것으로 예상되어 정렬 및 속도 문제를 부각시켰다.