Beam steering changes the beam direction to various angles, and it is used in drones, autonomous vehicles, laser marking, 3D printer, robot, microscopy, and AR/VR, and substantial research effort has been made to achieve beam steering. Beam steering is implemented through a beam steering device, and the driving method of the beam steering device is classified into a mechanical method and a non-mechanical method. The mechanical method includes gimbal, galvo mirror, Risley prism, and a microelectromechanical systems (MEMS) mirror. The gimbal is a structure that allows objects to rotate around an axis. It is mainly used for imaging applications, but it is bulky and heavy. The Galvo mirror is fast and accurate, but bulky and achieves only one-dimensional scan, which means two mirrors are required for two-dimensional beam steering. Risley prism scans by rotating two or more prisms. It has high resolution, large field of view, but low scan rate. The MEMS mirror is fast, lightweight, and compact, but it has a low fill factor and reflective property, which causes volume problem. The non-mechanical method includes a liquid crystal and silicon-based optical phased array (OPA), electrowetting-based liquid lens, and electrowetting-based liquid prism. Since the non-mechanical beam steering method does not use mechanical motion, it has low power consumption and little noise, but these methods are still in the research stage. The optical phased array using liquid crystal has a wide beam steering angle but it has low operating speed and only 1D scan is possible. The silicon-based optical phased array is compact and has low power consumption, but it requires an additional device for 2D scan. The method using the electrowetting-based liquid lens is capable of 2D beam steering, but the beam is distorted. Electrowetting-based liquid prism is also capable of 2D beam steering, but additional research about the liquid-liquid interface and the chamber structure-related stability is required.
In this dissertation, a liquid prism with a new form factor was developed by analyzing the operating principle and liquid prism structure of the previously proposed electrowetting-based beam steering. The sidewalls of the liquid prism and the liquid-liquid interface of the liquid prism were mathematically analyzed using vectors. Using this analyzed information, the relationship between the position information of the target object to be beam steered and the tilting angle of the liquid prism was presented. A high-performance liquid prism was implemented through new fabrication processes such as chamber material, substrate cutting method, liquid selection, and sealing process. A solution to the oil isolation problem inherent in the liquid prism structure was also presented. The relationship between the influence of gravity and the chamber size of the liquid prism was presented, and the flatness of the two liquids was quantitatively measured. It was proved that the liquid-liquid interface was almost flat through a low RMS values and a large RoC values, and the response time was measured for various chamber sizes. Beam steering angle of ±10. 5 °, transmissivity of 85 %, and a resolution of 14.25 lp/mm were implemented.
Using the developed liquid-based beam steering device, the possibility to apply to image stitching, LiDAR, and confocal microscopy was presented. Two or more pictures that overlap a certain part were taken by adjusting the beam steering angle of the liquid prism, and image stitching was achieved using a keypoint matching algorithm. In addition, through the optical design combined with a wide-angle lens, the beam steering angle of the liquid prism has been improved up to ±68 °, realizing the specifications to be applied to the LiDAR. Finally, the liquid prism was combined with an electrowetting-based focus-tunable liquid lens, and the possibility of using it in a confocal microscopy was presented by demonstrating three dimensional beam steering without any mechanical operation.
빔 스티어링은 진행하는 빔의 방향을 다양한 각도로 변경하는 것으로, 드론, 자율주행 자동차, 레이저 마킹, 3D 프린터, 로봇, 현미경, AR/VR 등의 응용분야에서 사용되고 있으며 빔 스티어링을 구현하기 위한 많은 연구가 진행 중이다. 빔 스티어링은 빔 스티어링 디바이스를 통해서 구현이 되고, 빔 스티어링 디바이스의 구동 방법은 기계식 방식과 비기계식 방식으로 분류가 된다. 기계식 방식은 짐벌(Gimbal), 갈보 거울 (Galvo mirror), 라이즐리 프리즘 (Risley Prism), 초미세 전기기계 시스템 거울 (MEMS mirror) 등이 있다. 짐벌은 하나의 축을 중심으로 물체가 회전할 수 있도록 만들어진 구조물로 영상에 주로 사용이 되지만 부피가 크고 무겁다는 단점이 있다. 갈보 거울의 경우 빠르고 정확하지만 부피가 매우 크고 1차원 스캔만 되기 때문에 2차원 빔 스티어링을 위해서는 두 개의 거울이 필요하다. Risley prism은 둘 이상의 프리즘을 회전시켜서 스캐닝 하는 방식으로, 높은 해상력과 넓은 시야각을 가지지만 동작 속도가 느리다. 초미세 전기기계 시스템 거울의 경우 빠르고 가볍고 컴팩트하지만, 필팩터(fill factor)가 낮고 반사 방식이기 때문에 부피에서 손해를 볼 수 있다. 비기계식 방식은 액정 및 실리콘 기반의 광 위상 배열을 이용한 방식, 전기습윤 액체 렌즈, 전기 습윤 액체 프리즘을 이용한 방식이 있다. 비 기계식 방식은 기계적인 동작을 사용하지 않기 때문에 낮은 전력 소비를 가지고 소음도 거의 없지만 아직은 연구 단계에 있는 것이 많다. 액정을 이용한 광 위상 배열 방식은 넓은 시야각을 가지지만 속도가 느리고 1D 스캔만 가능하다. 실리콘을 이용한 광 위상 배열 방식은 컴팩트하고 전력소비가 작지만 2D 스캔을 위해서는 추가적인 장치가 필요하다. 전기습윤 기반 액체 렌즈를 이용하는 방식은 2D 스캔이 가능하지만 왜곡이 심하다. 전기습윤 기반 액체 프리즘은 2D 스캔이 가능하지만 두 액체 계면과 챔버 구조와 관련된 안정성에 대한 추가적인 연구가 필요하다.
본 연구에서는 전기 습윤 기반 액체 프리즘 방식의 빔 스티어링의 동작 원리 및 액체 프리즘 구조를 분석하여, 새로운 폼 팩터를 가지는 액체 프리즘을 개발했다. 액체 프리즘의 격벽과 액체 프리즘을 구성하는 두 액체의 계면을 벡터를 이용하여 수학적으로 해석했다. 이 분석된 정보를 이용하여 빔 스티어링을 하고자 하는 목표물의 위치 정보와 액체 프리즘의 틸팅 각도의 관계를 제시하였다. 챔버 재질, 기판 커팅 방식, 액체 선정, 실링 과정 등의 새로운 공정 과정을 도입하였고 고성능의 액체 프리즘을 구현했다. 또한 액체 프리즘 구조에서 본질적으로 생기는 기름 고립 문제에 대한 해결책을 제시하였다. 중력에 의한 영향력과 챔버 사이즈에 관한 관계를 정립하였고 두 액체 간의 평평한 정도를 정량적으로 측정하였다. 낮은 RMS값과 큰 RoC 값을 통해 계면이 평평함을 증명하였고, 다양한 챔버 사이즈에 대해서 응답 시간을 측정하였다. ±10.5 °의 빔 스티어링 각도, 85 % 이상의 투과도, 14.25 lp/mm의 해상도 등의 측정을 통해 디바이스의 성능을 검증했다.
이렇게 개발된 액체 기반 빔 스티어링 디바이스을 이용하여 이미지 스티칭, 라이다, 공초점 현미경 등에 적용할 수 있는 가능성을 제시했다. 액체 프리즘의 빔 스티어링 각도를 조절하여 일정 부분이 겹치는 두 장 이상의 사진을 촬영한 후, 키 포인트 매칭 알고리즘을 이용하여 이미지 스티칭을 구현하였다. 또한 광각 렌즈를 결합한 광학 설계를 통해 기존의 액체 프리즘이 가지는 빔 스티어링 각도를 ±68 ° 이상까지 개선하여 라이다에 적용할 스펙을 구현하였다. 마지막으로 전기 습윤 기반의 초점 가변 액체 렌즈와 결합을 하여 기계적인 동작이 전혀 없는 3차원 빔 스티어링을 검증하여 공초점 현미경에 사용될 가능성을 제시하였다.
