KR101496408B1

KR101496408B1 - 포토폴리머를 이용한 풀 컬러 홀로그래픽 광학소자 및 이의 제조방법과, 표시장치

Info

Publication number: KR101496408B1
Application number: KR20130056251A
Authority: KR
Inventors: 김남; 권기철; 이승우; 임영태
Original assignee: 충북대학교 산학협력단
Priority date: 2013-05-20
Filing date: 2013-05-20
Publication date: 2015-02-27
Also published as: KR20140136145A

Abstract

본 발명은 포토폴리머를 이용한 풀 컬러 홀로그래픽 광학소자 및 이의 제조방법과, 표시장치에 관한 것으로서, 제1포토폴리머에 참조 빔(Reference Beam)을 입사시키고, 제1포토폴리머에 참조 빔에 설정 각으로 적색 레이저의 물체 빔(Object Beam)을 입사시켜 적색광용 포토폴리머를 형성시키고, 제2포토폴리머에 참조 빔을 입사시키고, 제2포토폴리머에 참조 빔에 설정각으로 녹색 레이저와 청색 레이저가 합쳐진 물체 빔(Object Beam)을 입사시켜 녹색 및 청색광용 포토폴리머를 형성시켜, 적색광용 포토폴리머와 녹색 및 청색광용 포토폴리머를 적층시킴으로써, 회절효율 및 컬러 균일도를 향상시킬 수 있으며, 소형화가 가능하여 HMD에 용이하게 적용할 수 있다.

Description

포토폴리머를 이용한 풀 컬러 홀로그래픽 광학소자 및 이의 제조방법과, 표시장치{FULL COLOR HOLOGRAPHIC OPTICAL ELEMENT AND METHOD FOR FABRICATING THE SAME USING PHOTOPOLYMER, WAVEGUIDE-TYPE HEAD MOUNTED DISPLAY}

본 발명은 풀 컬러 홀로그래픽 광학소자 및 표시장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 포토폴리머를 사용하여 풀 컬러 홀로그래픽 광학소자를 제작하고, 이를 도파관(Waveguide) 타입 HMD에 적용한 포토폴리머를 이용한 풀 컬러 홀로그래픽 광학소자 및 이의 제조방법과, 표시장치에 관한 것이다.

HMD(Head Mounted Display)는 안경 또는 헬멧처럼 머리에 쓰고 대형 영상을 즐길 수 있는 영상표시장치이며, 1인치 이하의 패널을 여러 개의 광학계를 통해 확대하여 가상의 이미지를 제공하도록 구성되어 있다.

이와 같이, HMD는 영상을 광학계를 통해서 대형화면으로 볼 수 있으므로, HMD 내부의 광학계들에 대한 개발이 무엇보다 중요하다. 광학계를 사용하여 가상화면을 구현할 수 있도록 동공의 크기, 가상이미지를 보기 위한 광학계와 눈까지의 거리(Eye Relief), 확대 배율, 화각(FOV) 등을 고려하여 광학계를 설계하려면 많은 렌즈 미러(Mirror), 하프 미러(Half Mirror)와 같은 광학소자들이 내설됨으로 인해 부피가 커지고 무거울 뿐 아니라, 좁은 공간 내에 여러 소자를 장착해야 하므로 공정이 까다롭다는 단점이 있다[1 ~ 3].

한편, 홀로그래픽 광학소자(Holographic Optical Element : HOE)를 HMD 시스템에 적용하면, 광학소자의 매수가 현저히 줄어들기 때문에 좁은 공간에 시스템을 용이하게 구성할 수 있을 뿐 아니라, 기존의 HMD 시스템보다 상당히 가볍다는 장점이 있다[4, 5].

T. Ando et al.이 HOE를 이용하여 HMD를 제작하는 것을 제안한 바 있다[6]. 그러나 이 방법은 부피를 줄이는데 한계가 있다. 즉, 도파관(Waveguide) 타입이 아니기 때문에 안경형식으로 이용할 수 없다.

이에 Y. Amitai et al.와 I. Kasai et al.가 안경형 디스플레이를 제안하였으나, 이는 홀로그램 격자를 사용하고 있다[7, 8]. 이 방식은 사이즈는 줄일 수는 있지만 회절효율이 낮다. 또한 풀 컬러도 제공하지 않는다.

이에 H. Mukawa et al.가 풀 컬러 안경형 디스플레이(Full Color Eyewear Display)를 제안한 바 있다[9]. 그러나, 이 또한 컬러 균일도의 문제점이 존재한다.

한편, 다양한 장점을 갖는 포토폴리머 특성상, 광학소자[10, 11], holographic storage[12], holographic display[13] 등에 많이 응용되고 있으며, 포토폴리머의 광학특성에 대해 많은 연구가 진행되고 있다[14]. 그러나 이러한 응용에 있어, 포토폴리머의 단색에 대한 특성만 분석되고 있을 뿐, 풀 컬러에 대해 분석은 아직까지 수행되지 못하고 있다.

[1] J. E. Melzer and K. Moffitt, Head mounted displays: designing for the user (McGraw Hill, New York, 1997) [2] M. G. Tomilin, "Head-mounted displays," J. Opt. Technol. 66, 528-533 (1999). [3] H. Hua, A. Girardot, C. Gao, and J. P. Rolland, "Engineering of head-mounted projective displays," Appl. Opt. 39, 3814-3824 (2000). [4] W. C. Su, C. Y. Chen, and Y. F. Wang, "Stereogram implemented with a holographic image splitter," Opt. Express 19, 9942-9949 (2011). [5] B. C. Cho, J. S. Gu, and E. S. Kim, "Implementation of multiview 3D display system using volume holographic optical element," Proc. SPIE 4567, 224-232 (2002). [6] T. Ando, K. Yamasaki, M. Okamoto, T. Matsumoto, and E. Shimizu, "Evaluation of HOE for head-mounted display," Proc. SPIE 3637, 110 (1999). [7] I. Kasai, Y. Tanijiri, T. Endo, and H. Ueda, "Actually wearable see-through display using HOE," Int. Conf. ODF 2, 117-120( 2000). [8] Y. Amitai, S. Reinhorn, and A. A. Friesem, "Visor-display design based on planar holographic optics," Appl. Opt. 34, 1352-1356 (1995). [9] H. Mukawa, K. Akutsu, I. Matsumura, S. Nakano, et al., "A full-color eyewear display using planar waveguides with reflection volume holograms," J. Soc. Info. Display 17, 185-193 (2009). [10] M. L. Piao, N. Kim, and J. H. Park, "Phase contrast projection display using photopolymer," J. Opt. Soc. Kor. 12, 319-325 (2008). [11] K. Y. Lee, S. H. Jeung, B. M. Cho, and N. Kim, "Photopolymer-based surface-normal input/output volume holographic grating coupler for 1550-nm optical wavelength," J. Opt. Soc. Kor. 16, 17-21 (2012). [12] E. Fernandez, A. Marquez, S. Gallego, R. Fuentes, C. Garcㅽa, and I. Pascual, "Hybrid ternary modulation applied to multiplexing holograms in photopolymers for data page storage," J. Lightwave Technol. 28, 776-783 (2010). [13] S. H. Stevenson, M. L. Armstrong, P. J. O'Connor, and D. F. Tipton, "Advances in photopolymer films for display holography," Proc. SPIE 2333, 60-70 (1995). [14] N. Kim and E. S. Hwang, "Analysis of Optical Properties with Photopolymers for Holographic Application." J. Opt. Soc. Kor. 10, 1-10 (2006).

따라서, 본 발명은 상기한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위해 이루어진 것으로서, 본 발명의 목적은 빛의 세기에 따른 굴절률 변화로 영상을 기록하는데 높은 회절효율을 가지며 또한 화학처리 없이 건조처리만으로 쉽게 홀로그램을 제작할 수 있고, 높은 신뢰성, 고분해능 등의 장점을 갖는 포토폴리머를 이용하여 풀 컬러 홀로그래픽 광학소자를 제작하고, 이를 도파관(Waveguide) 타입 HMD에 적용할 수 있는 포토폴리머를 이용한 풀 컬러 홀로그래픽 광학소자 및 이의 제조방법과, 표시장치를 제공하는데 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 포토폴리머를 이용한 풀 컬러 홀로그래픽 광학소자의 제조방법은, (a) 제1포토폴리머에 참조 빔(Reference Beam)을 입사시키고, 상기 제1포토폴리머에 상기 참조 빔에 설정 각으로 적색 레이저의 물체 빔(Object Beam)을 입사시켜 적색광용 포토폴리머를 형성시키는 단계; 및 (b) 제2포토폴리머에 상기 참조 빔을 입사시키고, 상기 제2포토폴리머에 상기 참조 빔에 설정각으로 녹색 레이저와 청색 레이저가 합쳐진 물체 빔(Object Beam)을 입사시켜 녹색 및 청색광용 포토폴리머를 형성시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 참조 빔은 상기 제1포토폴리머 또는 제2포토폴리머에 부착된 도광판(Light Guide Plate)을 경유하며, 상기 물체 빔은 상기 제1포토폴리머 또는 제2포토폴리머에 부착된 상기 설정각으로 회절시키는 프리즘을 경유한다. 이때, 상기 설정각은 40° ~ 60° 인 것이 바람직하며, 상기 설정각이 55° 인 것이 가장 바람직하다.

상기 단계 (a) 및 (b)는, 상기 물체 빔 조사 후, 강도 350μW/㎠의 자외선을 1 ~ 5분간 조사하는 단계를 더 포함할 수 있으며, 상기 단계 (a)와 단계 (b) 사이에, 상기 적색광용 포토폴리머를 건조시키는 단계를 더 포함할 수 있다.

상기 적색광용 포토폴리머에 상기 제2포토폴리머를 적층시켜 상기 단계 (b)를 진행할 수 있다.

한편, 본 발명은 상기한 제조방법에 의해 제조된 결과물로서, 적색광용 포토폴리머와 녹색 및 적색광용 포토폴리머를 적층한 풀 컬러 홀로그래픽 광학소자를 특징으로 한다.

한편, 본 발명의 포토폴리머를 이용한 풀 컬러 홀로그래픽 광학소자를 갖는 표시장치는, 소스 영상을 출력하는 디스플레이; 상기 디스플레이를 시준하는 시준 렌즈; 상기 시준 렌즈를 통과한 광을 회절시키는 상기한 방법으로 제조된 풀 컬러 홀로그래픽 광학소자를 갖는 커플 인 광학계(Couple in Optics); 회절된 광을 전반사시켜 유도하는 도광판(Light Guide Plate); 및 상기 도광판을 통해 유도된 회절된 광을 출력시키는 상기한 방법으로 제조된 풀 컬러 홀로그래픽 광학소자를 갖는 커플 아웃 광학계(Couple out Optics)를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 포토폴리머를 이용한 풀 컬러 홀로그래픽 광학소자를 갖는 표시장치는 안경형 표시장치로서 적용될 수 있다.

상술한 바와 같이, 본 발명에 의한 포토폴리머를 이용한 풀 컬러 홀로그래픽 광학소자 및 이의 제조방법과, 표시장치에 따르면, 도파관 타입으로 형성된 HMD용 표시장치는 도광판의 사이즈를 임의로 줄일 수 있으므로 사람이 착용하기에 거부감이 없는 안경형 디스플레이로의 제작이 용이하다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 의한 HMD용 표시장치의 구성도이다.
도 2는 HOE 기록을 위한 개념도이다.
도 3은 포토폴리머의 광학특성분석을 위한 실험 셋업이다.
도 4는 회절효율을 측정한 결과 그래프이다.
도 5는 입사각도에 따른 포토폴리머의 회절효율 분포도이다.
도 6은 각도 선택성에 따른 포토폴리머의 회절효율 분포도이다.
도 7은 기록각도에 따른 수축률을 나타낸 그래프이다.
도 8은 풀 컬러 HOE를 제작하기 위한 실험 셋업이다.
도 9는 단색 HMD용 HOE의 출력 효율을 나타낸 도면이다.
도 10은 단색 HOE를 HMD용 표시장치에 적용한 결과 영상이다.
도 11은 도 10의 couple out 측에서 카메라로 캡쳐한 RGB 컬러에 대한 출력 영상이다.
도 12는 한 장의 포토폴리머를 이용한 풀 컬러 HOE의 출력효율 결과이다.
도 13은 3층 적층의 포토폴리머를 이용한 풀 컬러 HOE의 출력효율 결과이다.
도 14는 2층 적층의 포토폴리머를 이용한 풀 컬러 HOE의 출력효율 결과이다.
도 15는 풀 컬러 HOE를 HMD용 표시장치에 적용한 결과 영상이다.
도 16은 도 15의 couple out 측에서 카메라로 캡쳐한 RGB 컬러에 대한 출력 영상이다.

먼저, 본 발명은 홀로그램 기록 매질인 포토폴리머를 이용하여 도파관(Waveguide) 타입 HMD(Head Mounted Display)용 풀 컬러 홀로그래픽 광학소자(Full Color HOE(Holographic Optical Element))를 제작하기 위한 것이다.

이를 위해 본 발명에서는 HOE의 기록매질인 포토폴리머의 R, G, B 각 컬러에 대한 전반적인 광학특성을 분석한다. 분석결과, 포토폴리머는 R, G, B 각 레이저에 대해 97%의 높은 회절효율을 나타내고, 여러 다양한 각도에서도 90% 이상의 회절효율을 나타내는 것을 확인하였다. 또한 비교적 넓은 각도 선택성을 가지며, 수축률은 각의 컬러에 대해 약 1.2%, 1.3%, 1.2%로 비슷하게 나타나는 것을 확인하였다.

이와 같이, 포토폴리머의 특성분석 데이터를 바탕으로 풀 컬러 HOE의 제작에 필요한 최적의 기록조건을 찾고, 풀 컬러 표현 방법에 대해 다양한 시도를 통해 2층 적층구조가 가장 효율적인 HOE의 제작 방법임을 확인하였다.

이하, 본 발명의 포토폴리머를 이용한 풀 컬러 홀로그래픽 광학소자 및 이의 제조방법과, 표시장치에 대하여 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 의한 HMD용 표시장치의 구성도이다.

도 1을 참조하면, 본 발명의 HMD용 표시장치는, 소스 영상을 출력하는 마이크로 디스플레이(Micro Display)(11)와, 마이크로 디스플레이(11)를 시준하는 시준 렌즈(12)와, 시준 렌즈(12)를 통과한 광을 회절시키는 커플 인 광학계(Couple in Optics)(13)와, 회절된 광을 전반사시켜 유도하는 도광판(Light Guide Plate ; 유리 기판)(14)과, 도광판(14)을 통해 유도된 회절된 광을 출력시키는 커플 아웃 광학계(Couple out Optics)(15)를 포함한다.

커플 인 광학계와 커플 아웃 광학계는 도광판(14)의 양측에 형성되며, 커플 인 광학계와 커플 아웃 광학계는 본 발명에서 제시하는 풀 컬러 홀로그래픽 광학소자로 구성한다.

이와 같이 도파관 타입으로 형성된 HMD용 표시장치는 도광판(14)의 사이즈를 임의로 줄일 수 있으므로 사람이 착용하기에 거부감이 없는 안경형 디스플레이로의 제작이 용이하다는 장점이 있다.

한편, 도 1에서 α는 HOE의 회절각도이다. 도광판(14) 내부에서의 전반사를 통해 광이 전파하므로 식(1)의 스넬 법칙에 따라,

--- (1)

이다. 여기서, 도광판(14)의 굴절률은

이고, 공기의 굴절률은

이다. 그러므로

이다.

또한, 본 발명의 HMD용 표시장치에 포토폴리머를 적용하려면, 기록시 공기 중에서 90° 이상의 빔을 포토폴리머에 입사하여야만 포토폴리머의 내부에서 42° 이상의 회절 각도를 만족시킨다. 이는 시스템적으로 기록이 불가능하기 때문에, 도 2와 같이 프리즘을 이용해 참조 빔과 물체 빔을 입사시킨다.

도 2는 HOE 기록을 위한 개념도이다.

도 2를 참조하면, 기록유닛(2)은 포토폴리머(21) 양측으로 제1프리즘(22)과 제2프리즘(23)을 형성시키고 있다.

도광판(도 1의 14)을 통하여 제1프리즘(22)으로 포토폴리머(21)에 수평방향으로 참조 빔(reference beam)을 입사시키고, 제2프리즘(23)을 통하여 포토폴리머에 참조 빔과 40° ~ 60°(바람직하게 55°의 각도)를 이루도록 물체 빔을 입사시킨다.

한편, 포토폴리머의 광학적 특성은 홀로그램 격자 제작에 있어 중요한 기초 데이터를 제공한다. 특성분석을 위한 광학 셋업으로부터 포토폴리머의 R, G, B 각 컬러에 대한 에너지에 따른 회절효율, 입사각도에 따른 회절효율, 각도선택성에 따른 특성, 수축에 따른 광학 특성 등을 분석하며, 특성 분석결과로부터 최적의 기록 조건을 찾아 HOE 샘플을 제작하고 및 성능 테스트를 진행하도록 한다.

도 3은 포토폴리머의 광학특성분석을 위한 실험 셋업이다.

도 3을 참조하면, 특성분석을 하기 위하여 검출기(Detector)로 회절 빔의 세기와 투과 빔의 세기를 각각 측정하여 식(2)을 이용하여 회절효율을 구하고, 본 발명에서 사용되는 R, G, B 레이저의 파장은 각각 633nm, 532nm, 473nm 이다.

--- (2)

여기서, I_D는 회절 빔의 세기이고, I_T는 투과 빔의 세기이다.

도광판(31)에 형성된 포토폴리머(32)에 대하여, 물체 빔을 도광판(31)으로 입사시키고, 참조 빔을 포토폴리머(32)로 입사시켜, 포토폴리머(32)로부터 회절된 회절 빔을 검출기(33)에서 검출하고, 도광판(31)을 투과한 투과 빔을 검출기(34)에서 검출한다. 검출된 회절 빔과 투과 빔은 각각 파워미터(35, 36)로 입력되어, 포토폴리머(32)의 노출 에너지에 따른 회절효율, 기록각도에 따른 회절효율, 각도 선택성에 따른 회절효율, 수축에 관한 광학특성을 분석한다.

여기서, 포토폴리머(32)에서의 홀로그램 기록 원리는 밝은 영역과 어두운 영역에서의 굴절률 차에 있다. 이와 같은 포토폴리머(32)의 굴절률 변화는 입사 빔의 세기에 가장 큰 영향을 받기 때문에 입사 빔의 세기 변화에 따른 특성을 분석하여야 한다. 즉, R, G, B 각각의 컬러에 대해서 노출시간에 따른 특성과 노출 에너지에 따른 특성을 분석한다. 이때, 내부전반사에 의한 다중스폿 발생을 억제하기 위해 물체 빔과 매질면의 법선사이의 각도를 45°로 하고, 참조 빔은 매질의 법선과 같은 방향으로 조사한 다음 홀로그램을 기록한다. 이와 같은 실험을 통해 회절효율을 측정한 결과는 도 4에 도시되어 있다.

도 4의 (a)는 R, G, B 각각의 컬러에 대해 노출시간에 따른 회절효율을 나타낸 것이고, 도 4의 (b)는 R, G, B 각각의 컬러에 대해 노출 에너지에 따른 회절효율을 나타낸 것이다.

도 4를 참조하면, red와 green의 경우 노출 에너지가 150mJ/cm² 일 때 97%의 최대 회절효율을 나타내며, blue는 노출 에너지가 200mJ/cm² 일 때 97%의 최대 회절효율을 나타낸다. 포토폴리머에 입사하는 에너지가 증가할수록 기록 빔에 의한 회절격자의 생성이 강화되므로, 투과 빔의 세기는 점점 감소하게 되며, 회절 빔의 세기는 점점 증가한다. 모든 모노머는 폴리머로 변하며, 회절효율은 포화상태에서 더 이상 변하지 않는다. 테스트 결과로부터 포토폴리머는 세 가지 컬러에 대해 비슷한 에너지특성을 갖고 있으며, 최대 97%의 매우 높은 회절효율을 나타내고 있다. 아래의 기타 파라미터들의 특성에 대한 측정 실험에서 노출 에너지에 있어, red와 green은 150mJ/cm², blue는 200mJ/cm² 인 조건하에서 진행하기로 한다.

한편, 입사각도에 따른 특성을 분석하기 위하여 물체 빔과 매질법선 사이 각도는 10° ~ 70°까지 5°간격으로 변화시켜 R, G, B 각각의 컬러에 대해 각각의 회절효율을 측정한다. 이 결과는 도 5에 도시되어 있다.

도 5는 입사각도에 따른 포토폴리머의 회절효율 분포도이다.

도 5를 참조하면, Red는 10° ~ 60° 사이에서 90% 이상의 회절효율 갖고, green은 10° ~ 60° 사이에서 90% 이상의 회절효율을 가지며, blue는 30° ~ 60° 사이에서 90% 이상의 효율을 갖는다. 즉, 두 빔의 입사각의 합이 30° ~ 60° 범위 내에서는 기록구조와 관계없이 최소 90% 이상의 회절효율을 갖는 격자의 설계가 가능함을 알 수 있다.

다음으로, 포토폴리머의 각도 선택성 특성을 분석한다. 각도 선택성은 Kogelnik의 2광파 결합이론에서 유도될 수 있다. Bragg 각 편차에 의한 회절효율의 이론적 시뮬레이션 값과, 실제 실험으로 측정한 값들의 분포는 도 6과 같다.

도 6은 각도 선택성에 따른 포토폴리머의 회절효율 분포도이다.

도 6을 참조하면, 계산된 포토폴리머의 각도 선택성은 r, g, b 세 컬러에 대해 각각, red는 ±6.7°, green은 ±6°, blue는 ±5.4°이고, 실제 실험을 통해 획득한 측정값은 red는 ±6.6°, green은 ±6°, blue는 ±5.3°이다. 본 실험을 통해 포토폴리머는 비교적 넓은 각도 선택성을 갖고 있다는 것을 확인할 수 있다.

마지막으로, 반사형 비대칭 구조에서 제일 중요한 파라미터중의 하나인 수축률 특성에 대해 분석한다. 대칭구조 기록시와는 달리 비대칭 구조에서는 매질의 수축현상이 발생한다. 그러므로 실제 기록했던 입사각에서 최대회절효율이 측정되지 않고, Shift된 Bragg각에서 최대 회절효율이 측정되는 현상이 나타난다. 각도에 의한 수축률 분포는 도 7과 같다.

도 8은 풀 컬러 HOE를 제작하기 위한 실험 셋업이다.

먼저, 도 8의 참조부호에 대해 설명한다.

S : Splitter

NDF : Neutral Density Filter

H :

M : Mirror

DM : Dichroic Mirror

SF : Spatial Filter

L : Lens

A : Aperture

PBS : Polarization Beam Splitter

2 : 기록유닛

81, 82 : 검출기

83, 84 : 파워미터

도 8을 참조하면, 레이저에서 출력된 빔을 SF, 렌즈를 통해 평행 광으로 만들고 빔 분리기로 물체 빔과 참조 빔을 생성한다. 물체 빔과 참조 빔을 매질인 포토폴리머에 양 방향에서 조사하여 반사형 홀로그램 격자를 기록한다. 한편, 셔터를 이용하여 사용하려고 하는 레이저를 조절한다.

여기서 주의해야 할 점은

, 또한 실제 마이크로 디스플레이(도 1의 11)로 영상을 couple in 했을 때, 입사 빔은 이상적인 평행 광선이 아니고 어느 정도의 발산이 존재한다. 빔이 전파과정에 도광판(도 1의 14) 내부에서 빠져나오는 것을 방지하기 위해서는 회절 각도가 크면 클수록 좋다. 마지막으로 각도특성에서 보면 입사각이 30° ~ 55°사에서 90% 이상의 회절효율을 갖는 것을 확인할 수가 있다. 이런 원인들을 종합하면,

가 가장 이상적인 각도임을 확인할 수 있다.

본 발명의 풀 컬러 HOE를 제작하는 과정은, 두께 191μm의 제1포토폴리머의 일측에는 두께 20mm의 도광판(도 3의 31)과 타측에는 두께 30mm의 프리즘을 부착시키고 도광판(도 3의 31)을 통하여 제1포토폴리머에 수평방향으로 참조 빔(reference beam)을 입사시키며, 프리즘을 통하여 제1포토폴리머에 참조 빔과 40° ~ 60°(바람직하게 55°의 각도)를 이루도록 적색 레이저의 물체 빔을 입사시켜 적색(red)광용 포토폴리머를 형성시키고 강도 350μW/㎠의 자외선을 1 ~ 5분간(바람직하게 2분) 조사하는 적색광 기록 단계와, 형성된 적색광용 포토폴리머를 20 ~ 30 시간 상온에서 건조시킨 후, 건조된 적색광용 포토폴리머에 동일한 두께의 제2포토폴리머를 접착시킨 다음, 적색광용 포토폴리머 측에는 도광판(도 3의 31)을 제2포토폴리머 측에는 두께 30mm의 프리즘을 부착시킨 후 제2포토폴리머에 수평방향으로 참조 빔(reference beam)을 입사시키며, 프리즘을 통하여 제2포토폴리머에 참조 빔과 40° ~ 60°(바람직하게 55°의 각도)를 이루도록 녹색과 파랑 레이저가 합쳐진 물체 빔을 입사시켜 녹색(green) 및 파랑(blue)광용 포토폴리머를 형성시키고 강도 350μW/㎠의 자외선을 1 ~ 5분간(바람직하게 2분) 조사하는 녹색(green) 및 파랑(blue) 기록 단계를 포함한다.

한편, 본 발명과의 비교를 위해 실험한 결과들이다.

먼저, 특성 분석으로부터 최적의 기록조건으로 R, G, B 각 컬러에 대해 HOE를 기록하였으며, 이때 각 컬러에 대한 HOE의 출력 효율은 도 9와 같이 red는 55%, green은 54%, blue는 50% 이다. 이때의 효율 측정은 회절 빔 대 입사 빔의 비이다. 이는 포토폴리머의 흡수, 재생하는 과정에서 도광판(도 1의 14)에 의해 손실되는 효율을 모두 고려한 것이다.

HOE의 성능을 테스트하기 위하여 각 컬러에 대해 두 장의 HOE를 제작하여 도 10과 같이 도광판(도 1의 14)에 부착하여 제안한 HMD 시스템에 적용하여 실험을 진행하였다. 마이크로 디스플레이(도 1의 11)를 이용하여 couple in 쪽에 영상을 조사하고 couple out 쪽에는 카메라로 영상을 캡처 하였다. 그 결과 영상은 도 11에 나타난 바와 같다. 도 11의 (a)는 입력 영상이고, 도 11의 (b), (c), (d)는 각각 R, G, B 컬러에 대한 출력 영상이다.

이어서, 풀 컬러 HMD를 실현하기 위하여 풀 컬러 구현 방법에 대해 설명한다. 먼저, 세 가지 컬러를 합쳐서 한 장의 포토폴리머에 HOE를 기록한다.

동시에 기록을 했을 때, inter modulation 현상이 일어나기 때문에 단색을 기록했을 때 보다 회절 효율이 낮게 나타난다. 레이저로 출력 효율을 측정한 결과, 도 12와 같이, red는 16%, green은 20%, blue는 10%로 나타났다. 이는 컬러의 균일도가 일치하지 않고 또한 효율도 전체적으로 매우 낮은 결과이다.

한편, 풀 컬러 HMD를 실현하기 위하여 회절효율이 제일 높은 순으로 차례로 적층한다. 이렇게 기록한 HOE의 출력 효율은, 도 13과 같이, red는 10%, green은 23%, blue는 30%로 나타났다. 3층으로 적층하면 제일 외곽 층에 있는 HOE에서 효율이 많이 떨어지기 때문에, 이에 적층방법을 2층으로 변경하는 것이 바람직하다.

즉, 효율이 가장 높은 red HOE와, green HOE과 blue HOE를 합한 HOE를 적층하여 기록한다. 이에 레이저를 이용하여 효율을 측정한 결과, 도 14과 같이, 출력 효율에 있어 red는 40%, green은 44%, blue는 42%로 나타났다. 이는 각 컬러마다 평균 40%의 높은 효율을 나타내기 때문에 최종 적층구조로 선택하여 HMD 시스템에 적용한 것이다.

상기한 설명을 통해 제작된 풀 컬러 HOE의 성능을 테스트하기 위해, 도 15와 같이 HMD 시스템에 적용한다. 두 장의 풀 컬러 HOE를 도광판(도 1의 14)에 부착한 후, 마이크로 디스플레이(도 1의 11)를 이용하여 couple in 쪽에 영상을 조사하고 couple out 쪽에는 카메라로 영상을 캡처한다. 그 결과, 영상은 도 16에 나타난 바와 같다.

도 16으로부터 포토폴리머를 이용하여 풀 컬러 HOE를 제작하여 HMD에 적용 가능하다는 것을 확인할 수 있다.

상기한 본 발명을 요약하면 다음과 같다.

기존의 HMD의 광학계 중 디스플레이 소자에서 도광판 안으로 들어오는 couple in 광학계와 도광판 안에서 내부 전반사에 의해 진행하는 영상을 동공으로 입사시키는 couple out 광학계를 HOE로 구현하였다. HOE의 기록매질로는 포토폴리머를 사용하였으며, 이를 실현하기 위해서 포토폴리머의 R, G, B 각 컬러에 대한 전반적인 광학특성을 분석하였다. 그 결과 포토폴리머의 노출 에너지에 따른 특성은 red와 green 레이저에 대해 노출 에너지가 150mJ/cm² 일 때 97%의 최대회절효율을 나타내며, blue 레이저에 대해 노출 에너지가 200mJ/cm² 일 때 97%의 최대회절효율을 나타낸다. 빔이 노출이 계속되면 효율은 점차 떨어지면서 나중에는 포화상태에 도달하여 더 이상 변하지 않는다. 포토폴리머는 세 가지 컬러에 대해 비슷한 에너지특성을 갖고 있으며, 최대로 97%의 매우 높은 회절효율을 나타냈다. 기록 각도에 따른 특성은 red는 10° ~ 60° 사이에서 90% 이상의 회절효율 갖고 green은 10° ~ 60° 사이에서 90% 이상의 회절효율을 가지며 blue는 30° ~ 60° 사이에서 90% 이상의 효율을 갖는다. 각도선택성에 따른 특성은 입사각 45°일 때 red는 ±6.6°, green은 ±6°, blue는 ±5.3°이다. 본 실험을 통해 포토폴리머는 비교적 넓은 각도 선택성을 갖고 있다는 것을 확인할 수 있다. 마지막으로, 포토폴리머의 수축률은 R, G, B 각각의 컬러에 대해 약 1.2%, 1.3%, 1.2%이다. 전반적으로 포토폴리머는 R, G, B 컬러에 대해 비슷한 광학 특성을 나타낸다.

포토폴리머의 특성분석 데이터를 바탕으로 HOE의 제작에 필요한 최적을 기록조건을 찾았고, 그 조건에서 HOE 샘플을 제작하였으며, 패턴 타깃을 사용하여 포토폴리머의 해상도를 확인하였다. 제안한 HMD에 적용에 적합하다고 판단하여 HMD에 적용할 HOE의 기록구조와 풀 컬러 구현방법을 연구하였다. 풀 컬러 구현으로는 적층방법을 선택하였으며, 추후 제작된 HOE를 제안한 HMD 시스템에 적용하여 마이크로 디스플레이로 영상을 테스트한 결과 포토폴리머를 이용하여 HMD용 풀 컬러 HOE의 제작이 가능하다는 것을 확인하였다.

이상에서 몇 가지 실시예를 들어 본 발명을 더욱 상세하게 설명하였으나, 본 발명은 반드시 이러한 실시예로 국한되는 것이 아니고 본 발명의 기술사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양하게 변형실시될 수 있다.

11 : 마이크로 디스플레이
12 : 시준 렌즈
13 : 커플 인 광학계(Couple in Optics)
14 : 도광판(Light Guide Plate)
15 : 커플 아웃 광학계(Couple out Optics)

Claims

제1포토폴리머의 일측에 형성된 도광판으로 참조 빔을 입사시키고, 상기 제1포토폴리머의 타측에 형성된 프리즘으로 상기 참조 빔과 40° ~ 60° 범위내에서 적색 레이저의 물체 빔을 입사시켜 적색광용 포토폴리머를 형성시키는 단계;
상기 적색광용 포토폴리머에 대해, 적색 기록을 위한 자외선을 조사하는 단계;
상기 적색광용 포토폴리머를 건조시키는 단계;
상기 적색광용 포토폴리머에 제2포토폴리머를 접착시키는 단계;
상기 적색광용 포토폴리머에 도광판을 부착시키고, 상기 제2포토폴리머에 프리즘을 부착시키는 단계;
상기 적색광용 포토폴리머에 부착된 도광판으로 참조 빔을 입사시키고, 상기 제2포토폴리머에 부착된 프리즘으로 상기 참조 빔과 40° ~ 60° 범위내에서 녹색 및 청색이 결합된 레이저의 물체 빔을 입사시켜 녹색 및 청색광용 포토폴리머를 형성시키는 단계; 및
상기 녹색 및 청색광용 포토폴리머에 대해, 녹색 및 청색 기록을 위한 자외선을 조사하는 단계를 포함하는 포토폴리머를 이용한 풀 컬러 홀로그래픽 광학소자의 제조방법.
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청구항 1의 방법을 이용하여 제조된 것을 특징으로 하는 포토폴리머를 이용한 풀 컬러 홀로그래픽 광학소자.
소스 영상을 출력하는 디스플레이;
상기 디스플레이를 시준하는 시준 렌즈;
상기 시준 렌즈를 통과한 광을 회절시키는 청구항 1의 방법으로 제조된 포토폴리머를 이용한 풀 컬러 홀로그래픽 광학소자를 갖는 커플 인 광학계(Couple in Optics);
회절된 광을 전반사시켜 유도하는 도광판(Light Guide Plate); 및
상기 도광판을 통해 유도된 회절된 광을 출력시키는 청구항 1의 방법으로 제조된 포토폴리머를 이용한 풀 컬러 홀로그래픽 광학소자를 갖는 커플 아웃 광학계(Couple out Optics)를 포함하는 포토폴리머를 이용한 풀 컬러 홀로그래픽 광학소자를 갖는 표시장치.
제10항에 있어서,
상기 포토폴리머를 이용한 풀 컬러 홀로그래픽 광학소자를 갖는 표시장치는 안경형 표시장치인 포토폴리머를 이용한 풀 컬러 홀로그래픽 광학소자를 갖는 표시장치.