KR101598394B1 - Full color holographic optical element and method for fabricating the same using photopolymer, waveguide-type head mounted display - Google Patents

Full color holographic optical element and method for fabricating the same using photopolymer, waveguide-type head mounted display Download PDF

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권기철
이승우
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Abstract

본 발명은 포토폴리머를 이용한 풀 컬러 홀로그래픽 광학소자 및 이의 제조방법과, 표시장치에 관한 것으로서, 소스 영상을 출력하는 마이크로 디스플레이와, 마이크로 디스플레이를 시준하는 시준 렌즈와, 광을 전반사시켜 유도하며, 광의 입사측과 출사측이 테이퍼진 도광판과, 커플 인 광학계(Couple in Optics)와 커플 아웃 광학계(Couple out Optics)가 형성되는 도광판(Light Guide Plate ; 유리 기판)의 양측을 테이퍼지게 형성하고 있으며; 웨지형 제1프리즘에 대해 포토폴리머 기록 입사각(

Figure 112014022494257-pat00044
)으로 물체 빔이 포트폴리머에 입사되며, 웨지형 제2프리즘에 대해 포토폴리머 기록 입사각(
Figure 112014022494257-pat00045
)으로 참조 빔이 포트폴리머에 입사되고, 포토폴리머 기록 입사각(
Figure 112014022494257-pat00046
)과 포토폴리머 기록 입사각(
Figure 112014022494257-pat00047
)의 합이 도광판의 내부전반사 각도가 되며, R(Red), G(Green), B(Blue)의 순서를 조절하여 순차적으로 조사하여 풀 컬러 홀로그래픽 광학소자를 제조한다. 본 발명에 따르면, 도파관 타입으로 형성된 HMD용 표시장치는 회절효율을 확보하면서 광량손실을 줄일 수 있고, 도광판의 두께를 줄일 수 있으므로 사람이 착용하기에 거부감이 없는 안경형 디스플레이로의 제작이 용이하다.The present invention relates to a full color holographic optical element using a photopolymer, a method of manufacturing the same, and a display device. The display includes a microdisplay for outputting a source image, a collimator lens for collimating the microdisplay, Both sides of a light guide plate on which an incident side and an emission side of light are tapered and a light guide plate (glass plate) on which Couple in Optics and Couple out Optics are formed are tapered; For the wedge-shaped first prism, the photopolymer recording angle of incidence (
Figure 112014022494257-pat00044
), The object beam is incident on the port polymer, and the photopolymer recording angle of incidence with respect to the wedge-
Figure 112014022494257-pat00045
), The reference beam is incident on the port polymer, and the photopolymer recording incident angle (
Figure 112014022494257-pat00046
) And photopolymer recording angle of incidence (
Figure 112014022494257-pat00047
) Is the total internal reflection angle of the light guide plate and is sequentially irradiated by adjusting the order of R (Red), G (Green), and B (Blue) to produce a full color holographic optical device. According to the present invention, a display device for an HMD formed of a waveguide type can reduce a light amount loss while ensuring a diffraction efficiency, and can reduce the thickness of a light guide plate, thereby making it easy to produce a spectacle type display with no resistance to wear.

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}BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a full color holographic optical element using a photopolymer,

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.
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a full-color holographic optical element and a display device, and more particularly, to a full color holographic optical element using a photopolymer and a full-color holographic optical element using a photopolymer applied to a waveguide type HMD. A holographic optical element, a manufacturing method thereof, and a display device.

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.The HMD (Head Mounted Display) is a video display device that can be used for a large image on a head like a pair of glasses or a helmet, and is configured to provide a virtual image by enlarging a panel of one inch or less through a plurality of optical systems.

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, 2, 3].
As described above, since the HMD can be viewed as a large screen through the optical system, development of the optical systems inside the HMD is most important. In order to design the optical system considering the optical system for viewing the pupil size and virtual image, eye relief, enlargement magnification, and angle of view (FOV) so that a virtual screen can be implemented using the optical system, many lens mirrors ), And half mirror (Half Mirror), which are bulky and heavier due to the inclusion of optical elements [1, 2, 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].On the other hand, when a holographic optical element (HOE) is applied to an HMD system, since the number of optical elements is significantly reduced, the system can be easily configured in a narrow space and is significantly lighter than a conventional HMD system , Which has the advantage of [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.T. Ando et al. Proposed to fabricate an HMD using this HOE [6]. However, this method has limitations in reducing volume. That is, since it is not a waveguide type, it can not be used in the form of glasses.

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.Y. Amitai et al. And I. Kasai et al. Proposed a spectacular display, which uses a holographic grating [7, 8]. This method can reduce the size but has low diffraction efficiency. It also does not offer full color.

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.
H. Mukawa et al. Proposed a full color eyewear display [9]. However, this also poses a problem of color uniformity.

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.
On the other hand, due to the properties of photopolymers with various advantages, they are widely applied to optical devices [10, 11], holographic storage [12], and holographic displays [13] ]. In this application, however, only the characteristics of the photopolymer in terms of monochromaticity are analyzed, and analysis of full color has not yet been performed.

그리고, 본 출원인에 의해 제안된 HMD용 표시장치(출원번호 제10-2013-0056251호)는, 도광판(Light Guide Plate ; 유리 기판)의 양측에 커플 인 광학계(Couple in Optics)와 커플 아웃 광학계(Couple out Optics)를 구성하여 광을 유도(guiding)하는 기술을 제안한 바 있다. 여기서, 포토폴리머의 각도특성에 따라 40° ~ 55° 사이에서 95% 이상의 회절효율을 갖는 것을 확인할 수 있다. 그런데 이 때, 마이크로 디스플레이(Micro Display)에서 영상이 출력되어 도광판으로 입사할 때, 입사빔은 이상적인 평행 광선이 아니고 발산이 존재하게 된다. 만약 45°를 선택하면 마이크로 디스플레이에서 나오는 빔 중 임계각보다 작은 각도를 가지는 일부 빔은 도광판 내부전반사 조건에서 벗어나 외부로 발산되어 광량손실이 발생하게 된다.
The display device for HMD (Application No. 10-2013-0056251) proposed by the applicant of the present invention is an optical display device which includes Couple in Optics coupled to both sides of a light guide plate (light guide plate) Couple out Optics) has been proposed for guiding light. Here, it is confirmed that the diffraction efficiency is 95% or more in the range of 40 ° to 55 ° according to the angle characteristic of the photopolymer. At this time, when an image is output from a micro display and is incident on the light guide plate, the incident beam is not an ideal parallel beam but divergence exists. If 45 ° is selected, some of the beams emitted from the microdisplay having a smaller angle than the critical angle are diverted away from the total internal reflection condition of the light guide plate, resulting in loss of light quantity.

[1] J. E. Melzer and K. Moffitt, Head mounted displays: designing for the user (McGraw Hill, New York, 1997)[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).[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).[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).[4] W. C. Su, C. Y. Chen, and Y. F. Wang, "Stereogram Implementation 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).[5] B. C. Cho, J. S. Gu, and 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).[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).[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).[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).[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).[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).[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).[12] E. Fernandez, A. Marquez, S. Gallego, R. Fuentes, C. García, 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).[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).[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 커플 인 광학계(Couple in Optics)와 커플 아웃 광학계(Couple out Optics)가 형성되는 도광판(Light Guide Plate ; 유리 기판)의 양측을 테이퍼지게 형성하여 회절효율을 확보하면서 광량손실을 줄일 수 있고, 도광판의 두께를 줄일 수 있도록 하는 포토폴리머를 이용한 풀 컬러 홀로그래픽 광학소자 및 이의 제조방법과, 표시장치를 제공하는데 있다.
SUMMARY OF THE INVENTION It is therefore an object of the present invention to provide a light guide plate (Light Guide Plate) having a Couple in Optics and a Couple Out Optics The present invention provides a full color holographic optical element using a photopolymer, a method of manufacturing the same, and a display device, which can reduce the light amount loss while reducing the thickness of the light guide plate while maintaining the diffraction efficiency while securing both sides of the substrate have.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 포토폴리머를 이용한 풀 컬러 홀로그래픽 광학소자의 제조방법은, 웨지형 제1프리즘에 대해 포토폴리머 기록 입사각(

Figure 112014022494257-pat00001
)으로 물체 빔이 포트폴리머에 입사되며, 웨지형 제2프리즘에 대해 포토폴리머 기록 입사각(
Figure 112014022494257-pat00002
)으로 참조 빔이 상기 포트폴리머에 입사되고, 상기 포토폴리머 기록 입사각(
Figure 112014022494257-pat00003
)과 상기 포토폴리머 기록 입사각(
Figure 112014022494257-pat00004
)의 합이 도광판의 내부전반사 각도가 되며, R(Red), G(Green), B(Blue)의 순서를 조절하여 순차적으로 조사하는 것을 특징으로 한다.According to an aspect of the present invention, there is provided a method of manufacturing a full color holographic optical element using a photopolymer,
Figure 112014022494257-pat00001
), The object beam is incident on the port polymer, and the photopolymer recording angle of incidence with respect to the wedge-
Figure 112014022494257-pat00002
), A reference beam is incident on the port polymer, and the photopolymer recording angle of incidence
Figure 112014022494257-pat00003
) And the photopolymer recording angle of incidence (
Figure 112014022494257-pat00004
) Is the total internal reflection angle of the light guide plate, and the order of R (Red), G (Green), and B (Blue) is adjusted.

이 때, 상기 포토폴리머 기록 입사각(

Figure 112014022494257-pat00005
)은 35° ~ 50° 범위내에서 설정되고, 상기 포토폴리머 기록 입사각(
Figure 112014022494257-pat00006
)은 10° ~ 40° 범위내에서 설정되며, 상기 도광판의 내부전반사 각도는 45° ~ 90° 범위내에서 설정되는 것이 바람직하다. 구체적으로, 상기 포토폴리머 기록 입사각(
Figure 112014022494257-pat00007
)은 40°이고, 상기 포토폴리머 기록 입사각(
Figure 112014022494257-pat00008
)은 30°이며, 상기 도광판의 내부전반사 각도는 70°인 것이 바람직하다.At this time, the photopolymer recording angle of incidence (
Figure 112014022494257-pat00005
) Is set within a range of 35 DEG to 50 DEG, and the photopolymer recording angle of incidence
Figure 112014022494257-pat00006
Is set within a range of 10 ° to 40 °, and the total internal reflection angle of the light guide plate is set within a range of 45 ° to 90 °. Specifically, the photopolymer recording angle of incidence (
Figure 112014022494257-pat00007
) Is 40 [deg.], And the photopolymer recording angle of incidence
Figure 112014022494257-pat00008
) Is 30 [deg.], And the total internal reflection angle of the light guide plate is preferably 70 [deg.].

상기 R, G, B의 조사시간은 모두 합하여 5초 이내인 것이 바람직하며, 상기 R, G, B의 조사 순서는 G, B, R 순으로 조사가 이루어지는 것이 바람직하다.
Preferably, the irradiation times of R, G, and B are all within 5 seconds, and the order of irradiation of R, G, and B is preferably G, B, and R in that order.

한편, 본 발명의 포토폴리머를 이용한 풀 컬러 홀로그래픽 광학소자를 갖는 표시장치는, 소스 영상을 출력하는 마이크로 디스플레이; 상기 마이크로 디스플레이를 시준하는 시준 렌즈; 광을 전반사시켜 유도하며, 광의 입사측과 출사측이 테이퍼진 도광판; 상기 도광판의 테이퍼진 일측에 형성되며, 상기한 제조방법으로 제조된 포토폴리머를 이용한 풀 컬러 홀로그래픽 광학소자를 갖는 커플 인 광학계(Couple in Optics); 및 상기 도광판의 테이퍼진 타측에 형성되며, 상기한 제조방법으로 제조된 포토폴리머를 이용한 풀 컬러 홀로그래픽 광학소자를 갖는 커플 아웃 광학계(Couple out Optics)를 포함하는 것이 바람직하다.Meanwhile, a display device having a full-color holographic optical element using the photopolymer of the present invention includes: a microdisplay for outputting a source image; A collimating lens for collimating the microdisplay; A light guide plate guiding the light totally reflected and tapered on an incident side and an output side of light; An optical system (Couple in Optics) which is formed on one side of the tapered side of the light guide plate and has a full-color holographic optical element using the photopolymer manufactured by the above manufacturing method; And a coupling-out optics provided on the other side of the tapered side of the light guide plate and having a full-color holographic optical element using the photopolymer manufactured by the manufacturing method described above.

상기 포토폴리머를 이용한 풀 컬러 홀로그래픽 광학소자를 갖는 표시장치는 안경형 표시장치일 수 있다.
The display device having the full-color holographic optical element using the photopolymer may be a head-mounted display device.

본 발명에 의한 포토폴리머를 이용한 풀 컬러 홀로그래픽 광학소자 및 이의 제조방법과, 표시장치에 따르면, 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 제작할 수 있다.According to the present invention, there is provided a full color holographic optical element, a manufacturing method thereof, and a display device using the photopolymer according to the present invention, which has a high diffraction efficiency for recording an image due to a change in refractive index according to the intensity of light, A full-color holographic optical element can be manufactured by using a photopolymer having advantages of high reliability, high resolution and the like.

또한 본 발명에 따르면, 도파관 타입으로 형성된 HMD용 표시장치는 회절효율을 확보하면서 광량손실을 줄일 수 있고, 도광판의 두께를 줄일 수 있으므로 사람이 착용하기에 거부감이 없는 안경형 디스플레이로의 제작이 용이하다.
Further, according to the present invention, a display device for an HMD formed of a waveguide type can reduce a light amount loss while securing a diffraction efficiency, and can reduce the thickness of a light guide plate, so that it is easy to manufacture a spectacle- .

도 1은 본 발명의 일실시예에 의한 HMD용 표시장치의 구성도이다.
도 2는 HOE 기록을 위한 개념도이다.
도 3은 각도선택성(a) 및 파장선택성(b)에 따른 포토폴리머의 회절효율 분포도이다.
도 4는 노출시간에 따른 회절효율을 측정한 결과 그래프이다.
도 5는 풀 컬러 홀로그래픽 광학소자의 기록(a) 및 재생(b) 과정을 나타낸 개념도이다.
도 6은 풀 컬러 HOE를 제작하기 위한 실험 셋업이다.
도 7은 풀 컬러 홀로그래픽 광학소자에 의해 출력된 해상도 패턴이다.1 is a configuration diagram of a display device for an HMD according to an embodiment of the present invention.
2 is a conceptual diagram for HOE recording.
3 is a diffraction efficiency distribution diagram of a photopolymer according to the angle selectivity (a) and the wavelength selectivity (b).
4 is a graph showing a result of measurement of diffraction efficiency according to exposure time.
5 is a conceptual diagram showing a recording (a) and a reproduction (b) process of the full-color holographic optical element.
Figure 6 is an experimental setup for making a full color HOE.
7 is a resolution pattern output by the full-color holographic optical element.

이하, 본 발명의 포토폴리머를 이용한 풀 컬러 홀로그래픽 광학소자 및 이의 제조방법과, 표시장치에 대하여 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.Hereinafter, a full-color holographic optical element using the photopolymer of the present invention, a method of manufacturing the same, and a display device will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

도 1은 본 발명의 일실시예에 의한 HMD용 표시장치의 구성도이다.1 is a configuration diagram of a display device for an HMD according to an embodiment of the present invention.

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, 광을 전반사시켜 유도하며, 광의 입사측과 출사측이 테이퍼진 도광판(Light Guide Plate ; 유리 기판)(13)과, 도광판(13)의 테이퍼진 일측에 형성되어 시준 렌즈(12)를 통과한 광을 회절시키는 커플 인 광학계(Couple in Optics)(14)와, 도광판(13)의 테이퍼진 타측에 형성되어 도광판(13)을 통해 유도된 회절된 광을 출력시키는 커플 아웃 광학계(Couple out Optics)(15)를 포함한다.1, a display device for an HMD according to the present invention includes a micro display 11 for outputting a source image, a collimator lens 12 for collimating the micro display 11, (Light guide plate) 13 which is tapered on the incident side and the outgoing side of light and a couple (light guide plate) 13 which is formed on a tapered side of the light guide plate 13 and which diffracts light that has passed through the collimator lens 12 (Couple in Optics) 14 for outputting the diffracted light, which is formed on the other side of the tapered side of the light guide plate 13, through the light guide plate 13 do.

여기서, 도광판(13)의 테이퍼진 양측에 형성되는 커플 인 광학계(14)와 커플 아웃 광학계(15)는, 본 발명에서 제시하는 풀 컬러 홀로그래픽 광학소자로 구성한다.Here, the optical system 14 and the coupling-out optical system 15, which are couples formed on both sides of the light guide plate 13 on both sides of the light guide plate 13, are constituted by the full-color holographic optical element of the present invention.

이와 같이, 양측이 테이퍼진 도파관 타입으로 형성된 HMD용 표시장치는 도광판(13)의 두께를 임의로 줄일 수 있으므로 사람이 착용하기에 거부감이 없는 안경형 디스플레이로의 제작이 용이하다는 장점이 있다. 즉, 도광판(13) 양측의 테이퍼진 기울기와 이에 형성된 풀 컬러 홀로그래픽 광학소자(HOE)의 격자 기울기를 통해, 풀 컬러 홀로그래픽 광학소자의 회절효율을 보장하면서 내부전반사 기울기 각도를 크게 하여 얇고 가벼운 HMD용 표시장치를 제작할 수 있다.
As described above, the display device for an HMD having a waveguide type with both sides tapered has the advantage that the thickness of the light guide plate 13 can be reduced arbitrarily, and thus it is easy to manufacture a spectacular display having no resistance to wear by a person. That is, through the tapered inclination of both sides of the light guide plate 13 and the lattice inclination of the full-color holographic optical element (HOE) formed thereon, the total internal inclination angle is increased while ensuring the diffraction efficiency of the full color holographic optical element, A display device for an HMD can be manufactured.

한편, 본 발명의 HMD용 표시장치에 포토폴리머를 적용하려면, 기록시 공기 중에서 90° 이상의 빔을 포토폴리머에 입사하여야만 포토폴리머의 내부에서 설정각, 예를 들어 40° 이상의 회절 각도를 만족시킨다. 이는 시스템적으로 기록이 불가능하기 때문에, 도 2와 같이 프리즘을 이용해 참조 빔과 물체 빔을 입사시킨다.
In order to apply the photopolymer to the display device for the HMD of the present invention, a beam of at least 90 degrees in air should be incident on the photopolymer during recording, so that the diffraction angle is set within the photopolymer, for example, 40 degrees or more. Since it is impossible to systematically record, the reference beam and the object beam are incident using a prism as shown in FIG.

도 2는 HOE 기록을 위한 개념도이다.2 is a conceptual diagram for HOE recording.

도 2를 참조하면, 기록유닛(2)은, 포토폴리머 기록 입사각을 형성시키는 웨지형 제1프리즘(21) 및 웨지형 제2프리즘(22)과, 웨지형 제1프리즘(21)과 웨지형 제2프리즘(22) 사이에 형성된 포토폴리머(23)를 포함한다.2, the recording unit 2 includes a wedge-shaped first prism 21 and a wedge-shaped second prism 22 forming a photopolymer recording angle of incidence, a wedge-shaped first prism 21 and a wedge- And a photopolymer (23) formed between the second prisms (22).

웨지형 제1프리즘(21)에는 포토폴리머 기록 입사각(

Figure 112014022494257-pat00009
)으로 물체 빔이 입사되며, 웨지형 제2프리즘(22)에는 포토폴리머 기록 입사각(
Figure 112014022494257-pat00010
)으로 참조 빔이 입사된다. 여기서, 웨지형 제2프리즘(22)은 도광판(13)일 수 있다.The wedge-shaped first prism 21 is provided with a photopolymer recording angle of incidence
Figure 112014022494257-pat00009
, And the wedge-shaped second prism 22 is provided with a photopolymer recording angle of incidence
Figure 112014022494257-pat00010
The reference beam is incident. Here, the wedge-shaped second prism 22 may be the light guide plate 13.

기록유닛(2)의 기하학적 구조에서와 같이,

Figure 112014022494257-pat00011
이며,
Figure 112014022494257-pat00012
이다.As in the geometry of the recording unit 2,
Figure 112014022494257-pat00011
Lt;
Figure 112014022494257-pat00012
to be.

여기서,

Figure 112014022494257-pat00013
와
Figure 112014022494257-pat00014
는 포토폴리머 기록 입사각도,
Figure 112014022494257-pat00015
는 웨지형 제1프리즘(21)의 웨지 기울기,
Figure 112014022494257-pat00016
는 도광판(13)의 내부전반사 각도를 각각 나타낸다.here,
Figure 112014022494257-pat00013
Wow
Figure 112014022494257-pat00014
Is a photopolymer recording angle of incidence,
Figure 112014022494257-pat00015
The wedge inclination of the wedge-shaped first prism 21,
Figure 112014022494257-pat00016
Represents the total internal reflection angle of the light guide plate 13, respectively.

일례로서,

Figure 112014022494257-pat00017
일 때 임계각을 고려하여
Figure 112014022494257-pat00018
은 20° ~ 50°일 수 있다.As an example,
Figure 112014022494257-pat00017
Considering the critical angle when
Figure 112014022494257-pat00018
Lt; RTI ID = 0.0 > 20 < / RTI >

만약,

Figure 112014022494257-pat00019
이 20°, 30°, 40°, 50°일 경우,
Figure 112014022494257-pat00020
에 대응하는 풀 컬러 홀로그래픽 광학소자의 공간주파수는 각각 5930 lines/mm, 5617 lines/mm, 5931 lines/mm, 5904lines/mm 이다.
if,
Figure 112014022494257-pat00019
20 °, 30 °, 40 °, and 50 °,
Figure 112014022494257-pat00020
The spatial frequencies of the full-color holographic optical element corresponding to each of the light-emitting elements are 5930 lines / mm, 5617 lines / mm, 5931 lines / mm, and 5904 lines / mm, respectively.

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, 각도선택성 및 파장선택성에 따른 특성 등을 분석하며, 특성 분석결과로부터 최적의 기록 조건을 찾아 HOE 샘플을 제작하고 및 성능 테스트를 진행할 수 있다.
On the other hand, optical properties of photopolymers provide important basic data for the production of holographic gratings. From the optical setup for characterization, the diffraction efficiency according to the energy of each color of R, G and B of the photopolymer, the diffraction efficiency according to the incident angle, the characteristic according to the angle selectivity and the wavelength selectivity are analyzed and the optimum The HOE sample can be prepared and the performance test can be performed.

도 3은 각도선택성(a) 및 파장선택성(b)에 따른 포토폴리머의 회절효율 분포도이다.3 is a diffraction efficiency distribution diagram of a photopolymer according to the angle selectivity (a) and the wavelength selectivity (b).

도 3을 참조하면, Kogelnik's 이론에 의하여 풀 컬러 홀로그래픽 광학소자의 입사각에 따른 각도선택성과 파장선택성을 계산하면, 공간주파수, 5931 lines/mm에서 넓은 각도선택성과 좁은 파장선택성을 가지며, 이는 HMD용 표시장치에 적용되는 풀 컬러 홀로그래픽 광학소자의 이상적인 특성요소이다.Referring to FIG. 3, the angular selectivity and the wavelength selectivity according to the incidence angle of the full-color holographic optical element are calculated by Kogelnik's theory, and it has wide angle selectivity and narrow wavelength selectivity at a spatial frequency of 5931 lines / mm. Is an ideal characteristic element of a full-color holographic optical element applied to a display device.

이와 같은 결과로부터, 포토폴리머 기록 입사각을

Figure 112014022494257-pat00021
와
Figure 112014022494257-pat00022
로 정할 수 있다. 이에 웨지형 제1프리즘(21)의 웨지 기울기,
Figure 112014022494257-pat00023
는 30°가 되며, 도광판(13)내 광의 내부전반사 각도는 70°가 된다.
From these results, it was found that the photopolymer recording angle of incidence
Figure 112014022494257-pat00021
Wow
Figure 112014022494257-pat00022
. The wedge inclination of the wedge-shaped first prism 21,
Figure 112014022494257-pat00023
And the total internal reflection angle of the light in the light guide plate 13 becomes 70 °.

도 4는 노출시간에 따른 회절효율을 측정한 결과 그래프이다.4 is a graph showing a result of measurement of diffraction efficiency according to exposure time.

본 출원인에 의해 기존에 제안되었던 HMD 구조에 있어, 도광판(13) 양쪽에 부착된 풀 컬러 홀로그래픽 광학소자는 포토폴리머 층(layer)을 두 개 겹쳐서 표현한 시스템이다.In the HMD structure proposed by the present applicant, a full-color holographic optical element attached to both sides of the light guide plate 13 is a system in which two photopolymer layers are overlapped.

한편, 본 발명에서는 풀 컬러 홀로그래픽 광학소자로서, 한 장의 포토폴리머 층(layer)으로 표현한 시스템을 제안한다.On the other hand, the present invention proposes a system represented by a single photopolymer layer as a full-color holographic optical element.

이에 본 발명에서 제안하는 한 장의 포토폴리머 층(layer)으로 표현한 시스템에서는 기록유닛(2)을 통해 고효율 및 컬러 균일도를 갖는 풀 컬러 홀로그래픽 광학소자를 제작한다.Thus, in the system represented by a single photopolymer layer proposed in the present invention, a full-color holographic optical element having high efficiency and color uniformity is manufactured through the recording unit 2.

도 4를 참조하면, 시간에 따른 포토폴리머 특성 그래프에서와 같이, Red (633 nm), Green (532 nm), Blue (473 nm)에서 각각 다른 특성을 나타낸다. 즉, 5초 전후에서 포토폴리머의 광중합반응은 포화상태에 도달하고, 10초 이후부터는 회절효율이 하락하는 것을 확인할 수 있다.
Referring to FIG. 4, different characteristics are shown in red (633 nm), green (532 nm) and blue (473 nm), respectively, as shown in the photopolymer characteristic graph with time. That is, the photopolymerization reaction of the photopolymer reaches a saturated state at around 5 seconds, and the diffraction efficiency decreases after 10 seconds.

도 5는 풀 컬러 홀로그래픽 광학소자의 기록(a) 및 재생(b) 과정을 나타낸 개념도이다.5 is a conceptual diagram showing a recording (a) and a reproduction (b) process of the full-color holographic optical element.

도 5a 및 도 5b를 참조하면, R, G, B 세 가지 파장을 한 장의 포토폴리머에 순차적으로 입사하여 풀 컬러 홀로그래픽 광학소자를 제작한다. 세 개 파장의 기록순서 배열에 의해 RGB, RBG, GRB, GBR, BRG, BGR, 이렇게 6가지 조합이 있다. 각각의 파장에 대해 모두 균일한 광중합반응이 일어나게 하기 위해서 짧은 노출이 이루어지는 것이 바람직하다. 노출시간에 따른 광학특성에서 알 수 있듯이, 포토폴리머 광중합반응이 진행되는 시간은 5초이면 충분하다. 총 노출 시간이 5초를 초과하면, 5초 이후에 기록되는 파장 대에서는 격자형성이 어렵기 때문이다.5A and 5B, three wavelengths of R, G, and B are successively incident on a single photopolymer to produce a full-color holographic optical element. There are six combinations of RGB, RBG, GRB, GBR, BRG, and BGR according to the recording order arrangement of the three wavelengths. It is preferable that a short exposure is performed in order to cause a uniform photopolymerization reaction for each wavelength. As can be seen from the optical characteristics according to the exposure time, 5 seconds is sufficient for the photopolymer photopolymerization reaction to proceed. If the total exposure time exceeds 5 seconds, it is difficult to form a lattice at the wavelength band recorded after 5 seconds.

RGB 기록순서의 경우 예를 들면, 먼저 633 nm 파장에서 빔 세기 4 ㎽/㎠로 1.7s 노출을 하고, 바로 532 nm 파장에서 빔 세기 2.5 ㎽/㎠로 1.7s 노출을 하고, 마지막으로 473 nm 파장에서 빔 세기 2.5 ㎽/㎠로 1.7s 노출을 하여 기록과정을 마무리 한다. 결론적으로 각 파장에서의 회절효율이 최대 10% 정도 손실이 되더라도 전반적인 높은 출력효율과 컬러 균일도를 고려했을 때 순차적으로 기록하는 방법이 효과적이다. 6가지 기록순서에 따른 출력효율을 [표 1]과 같다.
In the case of the RGB recording order, for example, a beam intensity of 4 ㎽ / ㎠ at a wavelength of 633 nm was first exposed for 1.7 s, a beam intensity of 2.5 ㎽ / ㎠ was irradiated at a wavelength of 532 nm for 1.7 s, At a beam intensity of 2.5 mW / cm < 2 > for 1.7 seconds. In conclusion, even if the diffraction efficiency at each wavelength is lost by about 10%, sequential recording method is effective considering overall high output efficiency and color uniformity. Table 1 shows the output efficiency according to the six recording sequences.

Figure 112014022494257-pat00024
Figure 112014022494257-pat00024

도 6은 풀 컬러 HOE를 제작하기 위한 실험 셋업이다.Figure 6 is an experimental setup for making a full color HOE.

먼저, 도 6의 참조부호에 대해 설명한다.First, reference numerals of FIG. 6 will be described.

Laser : 레이저Laser: Laser

S : 셔터S: Shutter

H :

Figure 112014022494257-pat00025
H:
Figure 112014022494257-pat00025

M : MirrorM: Mirror

DM : Dichroic MirrorDM: Dichroic Mirror

SF : Spatial FilterSF: Spatial Filter

L : LensL: Lens

PBS : Polarization Beam SplitterPBS: Polarization Beam Splitter

2 : 기록유닛
2: recording unit

도 6을 참조하면, 각 레이저에서 출력된 빔에 대하여 셔터를 이용하여 순차적으로 빔 출력의 순서를 결정하며, 포토폴리머의 양 방향에서 도 2에서와 같이

Figure 112014022494257-pat00026
와
Figure 112014022494257-pat00027
의 포토폴리머 기록 입사각으로 빔을 입사시켜 반사형 홀로그램 격자를 기록한다.Referring to FIG. 6, the order of beam output is sequentially determined by using a shutter with respect to the beam output from each laser, and in both directions of the photopolymer,
Figure 112014022494257-pat00026
Wow
Figure 112014022494257-pat00027
A beam is incident on the photopolymer recording angle of incidence angle, and a reflective hologram grating is recorded.

이 때, 포토폴리머 기록 입사각(

Figure 112014022494257-pat00028
)은 35° ~ 50° 범위내에서 설정될 수 있고, 포토폴리머 기록 입사각(
Figure 112014022494257-pat00029
)은 10° ~ 40° 범위내에서 설정될 수 있으며, 이에 도광판의 내부전반사 각도는 45° ~ 90° 범위내에서 설정될 수 있다.At this time, the photopolymer recording angle of incidence (
Figure 112014022494257-pat00028
) Can be set within the range of 35 DEG to 50 DEG, and the photopolymer recording angle of incidence (
Figure 112014022494257-pat00029
Can be set within a range of 10 ° to 40 °, and the total internal reflection angle of the light guide plate can be set within a range of 45 ° to 90 °.

여기서, 상기한 도 3에서와 같이 풀 컬러 홀로그래픽 광학소자의 이상적인 특성요소로서, 포토폴리머 기록 입사각을

Figure 112014022494257-pat00030
와
Figure 112014022494257-pat00031
로 정하는 것이 바람직하다.
As an ideal characteristic element of the full-color holographic optical element as shown in FIG. 3, the photopolymer recording angle of incidence
Figure 112014022494257-pat00030
Wow
Figure 112014022494257-pat00031
.

이와 같이, 본 발명의 풀 컬러 HOE를 제작하는 과정은, 웨지형 제1프리즘(21)에 대해 포토폴리머 기록 입사각(

Figure 112014022494257-pat00032
)으로 물체 빔이 포트폴리머에 입사되며, 웨지형 제2프리즘(22)에 대해 포토폴리머 기록 입사각(
Figure 112014022494257-pat00033
)으로 참조 빔이 포트폴리머에 입사되고, 포토폴리머 기록 입사각(
Figure 112014022494257-pat00034
)과 포토폴리머 기록 입사각(
Figure 112014022494257-pat00035
)의 합이 도광판(13)의 내부전반사 각도가 되도록 R, G, B를 순차적으로 조사한다.As described above, the process of manufacturing the full-color HOE of the present invention is the same as the process of manufacturing the full-color HOE of the present invention,
Figure 112014022494257-pat00032
, The object beam is incident on the port polymer, and the photopolymer recording angle of incidence (< RTI ID = 0.0 >
Figure 112014022494257-pat00033
), The reference beam is incident on the port polymer, and the photopolymer recording incident angle (
Figure 112014022494257-pat00034
) And photopolymer recording angle of incidence (
Figure 112014022494257-pat00035
) Are sequentially irradiated with R, G, and B so that the sum becomes the total internal reflection angle of the light guide plate (13).

이 때, R, G, B 조사시간은 모두 합하여 5초 이내에서 이루어지는 것이 바람직하며, G, B, R 순으로 조사가 이루어지는 것이 바람직하다.
In this case, it is preferable that the R, G, and B irradiation times are all made within 5 seconds in total, and it is preferable that the irradiation is performed in the order of G, B, and R.

도 7은 풀 컬러 홀로그래픽 광학소자에 의해 출력된 해상도 패턴이다.7 is a resolution pattern output by the full-color holographic optical element.

도 7을 참조하면, 각각 기록된 풀 컬러 홀로그래픽 광학소자에서 재생되어 출력된 해상도 패턴을 CCD 카메라로 캡처한 것으로서, 실험결과에서와 같이, G, B, R 기록순서로 한 장의 포토폴리머 층에 기록했을 때 가장 높은 컬러 균일도와 출력 효율을 얻을 수 있다.
Referring to FIG. 7, the resolution pattern reproduced and output from each recorded full-color holographic optical element is captured by a CCD camera. As shown in the experimental results, in a G, B, and R recording order, The highest color uniformity and output efficiency can be obtained.

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.
While the present invention has been particularly shown and described with reference to exemplary embodiments thereof, it is to be understood that the invention is not limited to the disclosed exemplary embodiments, but, on the contrary, is intended to cover various modifications and equivalent arrangements included within the spirit and scope of the invention.

11 : 마이크로 디스플레이
12 : 시준 렌즈
13 : 도광판
14 : 커플 인 광학계
15 : 커플 아웃 광학계
2 : 기록유닛
21 : 웨지형 제1프리즘
22 : 웨지형 제2프리즘11: Microdisplay
12: Collimating lens
13:
14: couple optical system
15: Coupling-out optical system
2: recording unit
21: wedge type first prism
22: wedge type second prism

Claims (8)

소스 영상을 출력하는 마이크로 디스플레이;
상기 마이크로 디스플레이를 시준하는 시준 렌즈;
광을 전반사시켜 유도하며, 광의 입사측과 출사측이 테이퍼진 도광판;
테이퍼진 상기 도광판에 평행하게 형성된 단층의 포토폴리머를 이용하여 상기 소스 영상을 상기 도광판으로 반사시키는 커플 인 광학계(Couple in Optics); 및
테이퍼진 상기 도광판에 평행하게 형성된 단층의 포토폴리머를 이용하여 상기 도광판을 통해 도파된 상기 소스 영상을 출사시키는 커플 아웃 광학계(Couple out Optics)를 포함하며,
상기 단층의 포토폴리머는,
웨지형 제1프리즘에 대해 포토폴리머 기록 입사각(
Figure 112015099733843-pat00057
)으로 물체 빔이 상기 단층의 포토폴리머에 입사되며,
웨지형 제2프리즘에 대해 포토폴리머 기록 입사각(
Figure 112015099733843-pat00058
)으로 참조 빔이 상기 단층의 포토폴리머에 입사되고,
상기 포토폴리머 기록 입사각(
Figure 112015099733843-pat00059
)과 상기 포토폴리머 기록 입사각(
Figure 112015099733843-pat00060
)의 합이 상기 도광판의 내부전반사 각도가 되며,
R(Red), G(Green), B(Blue)의 순서를 조절하여 순차적으로 조사하여 제조된 포토폴리머를 이용한 풀 컬러 홀로그래픽 광학소자를 갖는 표시장치.
A micro display for outputting a source image;
A collimating lens for collimating the microdisplay;
A light guide plate guiding the light totally reflected and tapered on an incident side and an output side of light;
An optical system (Couple in Optics) which couples the source image to the light guide plate using a single-layer photopolymer formed parallel to the tapered light guide plate; And
(Couple-Out Optics) that emits the source image guided through the light guide plate using a single-layer photopolymer formed in parallel with the tapered light guide plate,
The photopolymer of the single layer has,
For the wedge-shaped first prism, the photopolymer recording angle of incidence (
Figure 112015099733843-pat00057
The object beam is incident on the photopolymer of the single layer,
For the wedge-shaped second prism, the photopolymer recording angle of incidence (
Figure 112015099733843-pat00058
), A reference beam is incident on the photopolymer of the single layer,
The photopolymer recording angle of incidence (
Figure 112015099733843-pat00059
) And the photopolymer recording angle of incidence (
Figure 112015099733843-pat00060
) Is the total internal reflection angle of the light guide plate,
Color holographic optical element using a photopolymer produced by sequentially irradiating a red (R), a green (G), and a blue (B).
제1항에 있어서,
상기 포토폴리머를 이용한 풀 컬러 홀로그래픽 광학소자를 갖는 표시장치는 안경형 표시장치인 포토폴리머를 이용한 풀 컬러 홀로그래픽 광학소자를 갖는 표시장치.
The method according to claim 1,
A display device having a full-color holographic optical element using the photopolymer has a full-color holographic optical element using a photopolymer that is a spectral display device.
제1항에 있어서,
상기 포토폴리머 기록 입사각(
Figure 112015033076908-pat00040
)은 35° ~ 50° 범위내에서 설정되고, 상기 포토폴리머 기록 입사각(
Figure 112015033076908-pat00041
)은 10° ~ 40° 범위내에서 설정되며,
상기 도광판의 내부전반사 각도는 45° ~ 90° 범위내에서 설정되는 포토폴리머를 이용한 풀 컬러 홀로그래픽 광학소자를 갖는 표시장치.
The method according to claim 1,
The photopolymer recording angle of incidence (
Figure 112015033076908-pat00040
) Is set within a range of 35 DEG to 50 DEG, and the photopolymer recording angle of incidence
Figure 112015033076908-pat00041
) Is set within a range of 10 DEG to 40 DEG,
Wherein the total internal reflection angle of the light guide plate is set within a range of 45 DEG to 90 DEG.
제3항에 있어서,
상기 포토폴리머 기록 입사각(
Figure 112015033076908-pat00042
)은 40°이고, 상기 포토폴리머 기록 입사각(
Figure 112015033076908-pat00043
)은 30°이며,
상기 도광판의 내부전반사 각도는 70°인 포토폴리머를 이용한 풀 컬러 홀로그래픽 광학소자를 갖는 표시장치.
The method of claim 3,
The photopolymer recording angle of incidence (
Figure 112015033076908-pat00042
) Is 40 [deg.], And the photopolymer recording angle of incidence
Figure 112015033076908-pat00043
) Is 30 [deg.],
Color holographic optical element using a photopolymer having an internal total reflection angle of 70 占 of the light guide plate.
제1항에 있어서,
상기 R, G, B의 조사시간은 모두 합하여 5초 이내인 포토폴리머를 이용한 풀 컬러 홀로그래픽 광학소자를 갖는 표시장치.
The method according to claim 1,
Wherein the irradiation times of the R, G, and B are all within 5 seconds.
제1항에 있어서,
상기 R, G, B의 조사 순서는 G, B, R 순으로 조사가 이루어지는 포토폴리머를 이용한 풀 컬러 홀로그래픽 광학소자를 갖는 표시장치.The method according to claim 1,
Color holographic optical element using a photopolymer in which the irradiation order of R, G, and B is irradiated in order of G, B, and R. 삭제delete 삭제delete
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