KR102135748B1 - Apparatus for guiding optical wave paths - Google Patents

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KR102135748B1 KR1020150131104A KR20150131104A KR102135748B1 KR 102135748 B1 KR102135748 B1 KR 102135748B1 KR 1020150131104 A KR1020150131104 A KR 1020150131104A KR 20150131104 A KR20150131104 A KR 20150131104A KR 102135748 B1 KR102135748 B1 KR 102135748B1
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Abstract

본 발명은 광선 경로 제어 장치에 관한 것입니다.
구체적으로, 광선 경로 제어 장치는 가간섭성을 갖는 광선의 입사 파동장에 대한 특성을 이용하여 디스플레이의 활성 영역에 대응되는 크기로 확대된 균일한 세기의 광선을 출력시킨다.
The present invention relates to a light path control device.
Specifically, the light path control device outputs light of uniform intensity enlarged to a size corresponding to the active area of the display by using the characteristics of the incident wave length of the coherent light beam.

Description

광선 경로 제어 장치{APPARATUS FOR GUIDING OPTICAL WAVE PATHS}Light path control device {APPARATUS FOR GUIDING OPTICAL WAVE PATHS}

아래의 설명은 광선 경로 제어 장치에 관한 것으로써, 구체적으로는, 디스플레이 장치에 삽입되는 조명을 위한 광선의 경로를 제어하는 광선 경로 제어 장치에 관한 것이다.The following description relates to a light path control device, and more particularly, to a light path control device that controls a light path for illumination inserted into a display device.

홀로그래픽 디스플레이 기술은 물체를 공중에 입체적으로 표현하는 것으로, 이상적인 완전실감 3차원 디스플레이 기술이다. 구체적으로, 홀로그램 디스플레이 기술은 주어진 물체로 발생되는 파면(wave-front)을 그대로 재생함에 따라 사람의 눈에 실제로 그 물체가 존재하는 것과 동일한 효과를 주는 기술이다. 기존의 홀로그래픽 디스플레이 기술은 좌우 눈에 대응하는 화상이 눈의 움직임에 따라 다르게 표현됨에 따라 시차로 인한 눈의 피로감과 어지러움 증상이 발생했다.The holographic display technology is a three-dimensional display of objects, which is an ideal full-reality three-dimensional display technology. Specifically, the hologram display technology is a technology that gives the same effect as the actual existence of the object in the human eye as the wave-front generated by the given object is reproduced as it is. In the conventional holographic display technology, as the images corresponding to the left and right eyes are differently expressed according to the movement of the eyes, symptoms of eye fatigue and dizziness caused by parallax occurred.

최근에는 3차원 디스플레이 기술이 발전함에 따라 완벽한 시차와 깊이로 물체를 표현함으로써, 조절-폭주(accommodation-convergence) 불일치 문제에 따른 눈의 피로감과 어지러움 증상이 없게 되었다. 더 나아가, 홀로그래픽 디스플레이 기술은 시점의 이동에 따라 서로 다른 영상을 관찰할 수 있으며 시청을 위한 부수적인 장치(예, 안경)가 필요 없는 다수의 시청이 가능한 궁극의 3차원 디스플레이 기술로까지 발전했다. 하지만, 이러한 홀로그래픽 디스플레이 기술을 구현하기 위해서는 몇 가지 요구 사항들이 있다.In recent years, as the 3D display technology has developed, by expressing objects with perfect parallax and depth, there are no symptoms of eye fatigue and dizziness caused by the problem of accommodation-convergence mismatch. Furthermore, the holographic display technology has evolved to the ultimate three-dimensional display technology capable of observing different images according to the movement of the viewpoint and enabling multiple viewing without the need for ancillary devices (eg glasses) for viewing. . However, there are several requirements to implement such a holographic display technology.

첫 번째로, 홀로그래픽 디스플레이 기술은 광 시야각을 갖는 영상을 표현하고자 하는 디스플레이 소자가 필요하다. 다시 말해, 홀로그래픽 디스플레이 기술은 광 시야각을 갖는 영상이 표현하는 것으로써, 이를 위해서 픽셀 피치 (pixel pitch)의 크기가 가시광선의 파장 수준 (1 um 이하)인 디스플레이 표시 소자가 필요하다. First, the holographic display technology requires a display device to express an image having a wide viewing angle. In other words, the holographic display technology is expressed by an image having a wide viewing angle, and for this purpose, a display display element having a size of a pixel pitch of a wavelength of visible light (1 um or less) is required.

두 번째로, 홀로그래픽 디스플레이 기술은 홀로그래픽 이미지를 재생하기 위한 일전 수준 이상의 디스플레이 영역이 요구된다. 다시 말해, 홀로그래픽 디스플레이 기술은 영상에 따른 충분한 크기의 홀로그래픽 이미지를 재생해야 한다. 따라서, 공간광변조기의 디스플레이 영역은 일정 수준 이상 (2인치 이상)의 활성 영역(active area) 크기를 가져야 한다. 이를 위하여, 최근에는 소형 패널을 tiling함으로써 홀로그래피용 패널 크기를 확대하는 기술이 소개되고 있다.Second, the holographic display technology requires a display area of more than one level to reproduce a holographic image. In other words, the holographic display technology needs to reproduce a holographic image of a sufficient size according to an image. Therefore, the display area of the spatial light modulator should have an active area size of a certain level or more (2 inches or more). To this end, recently, a technique for expanding the size of a holographic panel by tiling a small panel has been introduced.

그러나, 이러한 타일링 구조는 이음매 경계선들의 존재로 인해서 재생된 홀로그램 영상에서도 이 경계선들로부터 야기되는 검은색 선들이 함께 나타남으로써 재생되는 홀로그램 화질을 더욱 악화시키는 문제점이 발생된다. 또한, 한편 현재 상용 가능한 디스플레이 소자만으로 표현할 수 있는 홀로그래픽 이미지 크기와 시야각의 범위는 매우 작기 때문에 이상적인 3차원 디스플레이로서의 홀로그래픽 디스플레이의 특성(운동 시차, 조절-폭주 일치, 양안 시차)들을 실제로 관찰하기가 쉽지 않다.However, such a tiling structure has a problem in that the hologram image reproduced by the presence of the seam boundary lines deteriorates the hologram image quality reproduced by the black lines resulting from the boundary lines. On the other hand, since the range of the holographic image size and viewing angle that can be expressed only with currently available display elements is very small, the characteristics of the holographic display as an ideal 3D display (movement parallax, control-runaway match, binocular parallax) are actually observed. Is not easy.

그래서, 디스플레이 소자에 부가적인 광학, 기계 제어 시스템 등을 결합해 그 한계를 극복하려는 연구가 많이 진행되고 있다. 그렇지만, 이러한 형태의 시스템은 큰 공간을 차지하고 광학적으로 정밀한 배열 과정 등을 필요하다. 홀로그래픽 디스플레이 시스템을 실제로 구현하더라도 벌키한 시스템 구조로 인해 이동이 쉽지 않다는 것이 큰 단점이다. 또한, 홀로그래픽 디스플레이는 레이저와 같은 가간섭성 (coherence)을 갖는 조명 광원을 주로 사용하게 되는데, 눈으로 장시간 동안 이러한 조명 광을 직접 보는 것은 위험하기 때문에 최적의 영상을 준비하기 위해서 대부분 카메라 촬영을 통해 간접적으로만 관측 및 시청을 해야 하는 경우도 발생한다.Therefore, many studies have been conducted to overcome the limitations by combining additional optical and mechanical control systems with display elements. However, this type of system takes up a large amount of space and requires an optically precise alignment process. The big disadvantage is that even if a holographic display system is actually implemented, it is not easy to move due to the bulky system structure. In addition, the holographic display mainly uses an illumination light source having coherence such as a laser. Since it is dangerous to directly see such illumination light for a long time with eyes, most of the camera shooting is performed to prepare an optimal image. Occasionally, observation and viewing are only necessary indirectly.

그러므로, 충분한 세기를 갖는 가간섭광은 홀로그램이 인코딩되는 공간광변조기의 활성영역에 균일한 세기로 조명을 해야한다. 나아가 이러한 홀로그래픽 영상 재생 시스템에서 가능한 한 작은 두께와 가벼운 무게를 가지면서 동시에 디스플레이 활성면적을 포함하도록 평판형 조명 장치로 이루어진 홀로그래픽 디스플레이를 제공하는 것이 필요하다.Therefore, the coherent light having sufficient intensity must illuminate the active area of the spatial light modulator where the hologram is encoded with a uniform intensity. Furthermore, it is necessary to provide a holographic display made of a flat-panel lighting device to include the display active area while having as small a thickness and light weight as possible in such a holographic image reproduction system.

본 발명은 공간광변조기와 같은 디스플레이의 활성 영역에 가간섭성을 갖는 광선이 균일한 세기로 조명되며, 최소의 두께를 갖는 평판형 광선 경로 제어 장치를 제공할 수 있다.The present invention can provide a planar light path control device having a minimum thickness in which light having coherence is illuminated with a uniform intensity in an active area of a display such as a spatial light modulator.

일실시예에 따르면, 광선 경로 제어 장치는 광원으로부터 출력된 광선(light beam)이 입사되는 제1 도광판 -상기 광선은 제1 입사각으로 제1 도광판의 주입면에 입사되어, 제1 투과각으로 투과됨-; 상기 제1 도광판에 입사된 광선이 제2 도광판의 내부로 투과되는 제1 격자 -상기 제1 격자를 통해 투과되는 광선은, 제1 격자의 격자면에 상기 제1 투과각에 대응하는 제1 입사각으로 입사되어, 제2 투과각으로 제2 도광판의 내부로 투과됨-; 상기 제1 격자를 통해 투과된 광선이 통과하여 제2 격자에 입사되는 제2 도광판 -상기 제2 도광판을 통과하는 광선은, 상기 제2 투과각과 제2 도광판의 굴절률에 따라 결정됨-; 및 상기 제2 도광판을 통과한 광선이 입사되는 제2 격자 -상기 제2 격자로 입사된 광선은 제2 격자의 일면에 대해 수직 방향으로 출력됨-를 포함할 수 있다.According to one embodiment, the light path control device is a first light guide plate to which a light beam output from a light source is incident-the light beam is incident on the injection surface of the first light guide plate at a first incident angle, and transmitted at a first transmission angle being-; A first grating through which the light incident on the first light guide plate is transmitted to the interior of the second light guide plate, wherein the light transmitted through the first grating is a first incident angle corresponding to the first transmission angle on the grating surface of the first grating. Is incident, and is transmitted into the second light guide plate at the second transmission angle-; A second light guide plate through which the light transmitted through the first grating passes through and enters the second grating, wherein the light passing through the second light guide plate is determined according to the second transmission angle and the refractive index of the second light guide plate; And a second grating through which the light passing through the second light guide plate is incident, and a light incident on the second grating is output in a direction perpendicular to one surface of the second grating.

일실시예에 따르면, 입사된 광선은 공기의 굴절률에 따른 상기 제1 도광판의 주입면에서 발생하는 표면 반사율을 고려하여 상기 주입면에 대하여 P-편광 상태로 입사될 수 있다.According to an embodiment, the incident light beam may be incident in a P-polarized state with respect to the injection surface in consideration of the surface reflectivity generated at the injection surface of the first light guide plate according to the refractive index of air.

일실시예에 따르면, 제1 격자를 통해 투과되는 광선은 상기 제1 격자의 회절 조건에 따라 제1 도광판의 굴절률과 동일한 굴절률을 갖는 제2 도광판의 내부로 투과될 수 있다.According to one embodiment, the light transmitted through the first grating may be transmitted into the second light guide plate having the same refractive index as the refractive index of the first light guide plate according to the diffraction conditions of the first grating.

일실시예에 따르면, 제1 투과각은 상기 제1 도광판에 입사된 광선의 입사각, 제1 격자의 격자 방향 및 제1 격자의 격자 주기에 의해 결정될 수 있다.According to an embodiment, the first transmission angle may be determined by an incident angle of light incident on the first light guide plate, a grating direction of the first grating, and a grating period of the first grating.

일실시예에 따르면, 제1 격자는 상기 제1 도광판과 공기 간의 상대적인 골절율을 고려하여 상기 광선이 제2 도광판의 내부로 진입 되도록 상기 투과각에 따른 기울기로 접합된 제1 도광판과 제2 도광판을 연결할 수 있다.According to one embodiment, the first grating is a first light guide plate and a second light guide plate bonded at a slope according to the transmission angle so that the light rays enter the interior of the second light guide plate in consideration of the relative fracture rate between the first light guide plate and the air Can connect.

일실시예에 따르면, 출력된 광선은 상기 주입면에서 입사된 광선의 입사 파동장에 의하여 제1 격자를 투과하기 전과 투과한 후에 광선의 폭이 확대될 수 있다.According to an embodiment, the width of the light beam may be enlarged before and after passing through the first grating by the incident wave field of the light beam incident on the injection surface.

일실시예에 따르면, 투과된 광선은 상기 제2 도광판의 내부로 투과된 광선의 입사 파동장에 의하여 제2 격자를 투과하기 전과 투과한 후에 광선의 폭이 확대될 수 있다.According to an embodiment, the transmitted light beam may have a wider width of light before and after passing through the second grating by the incident wave field of the light transmitted through the second light guide plate.

일실시예에 따르면, 출력된 광선은 가간섭성을 갖는 입사 파동장을 통해 생성되며, 공간적으로 균질한 세기를 가질 수 있다.According to an embodiment, the output light is generated through an incident wave field having coherence, and may have a spatially homogeneous intensity.

일실시예에 따르면, 제2 격자는 상기 제2 도광판을 통과한 광선의 입사각-상기 광선의 입사각은 제2 투과각과 제2 도광판의 굴절률로 결정됨-을 고려하여 제2 격자의 출광면에 수직한 각도로 출광되도록 제2 도광판의 일면에 연결될 수 있다.According to one embodiment, the second grating is perpendicular to the light exit surface of the second grating in consideration of the incident angle of the light passing through the second light guide plate, wherein the incident angle of the light is determined by the second transmission angle and the refractive index of the second light guide plate. It may be connected to one surface of the second light guide plate to be output at an angle.

일실시예에 따르면, 디스플레이는 상기 제2 격자의 출광면과 평행하여 접합되거나 또는 일정 거리 이격되는 평판 홀로그래픽 디스플레이일 수 있다.According to an embodiment, the display may be a flat-panel holographic display joined in parallel with the light exit surface of the second grating or spaced a certain distance.

일실시예에 따른 광선 경로 제어 장치는 공간광변조기와 같은 디스플레이의 활성영역을 충분히 포함하는 면적에 가간섭성을 갖는 광선을 균일한 세기로 조명하고, 동시에 최소의 두께를 갖는 평판형 광선 경로 제어 장치를 제공으로써 상용가능한 단일 모듈형 평판 홀로그래픽 디스플레이 시스템을 구현할 수 있다.The light path control device according to an embodiment illuminates light having coherence in a uniform intensity in an area sufficiently including an active area of a display such as a spatial light modulator, and simultaneously controls a flat type light path having a minimum thickness. By providing a device, a commercially available single modular flat panel holographic display system can be implemented.

도 1은 일실시예에 따른 광선 경로 제어 장치 및 디스플레이를 도시한 도면이다.
도 2는 일실시예에 따른 광선 경로 제어 장치의 측면도 및 정면도를 도시한 도면이다.
도 3은 일실시예에 따른 광선 경로 제어 장치로 입사되는 광선의 경로를 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 일실시예에 따른 제1 도광판의 주입면에서 광의 입사각과 반사율의 관계를 설명하기 위한 그래프이다.
도 5는 일실시예에 따른 주기적인 배열에 의한 투과형 회절 격자의 배치를 설명하기 위한 도면이다.
도 6은 일실시예에 따른 주기적인 굴절률 변화에 의한 투과형 그레이팅의 배치를 설명하기 위한 도면이다.
1 is a view showing a light path control device and a display according to an embodiment.
2 is a view showing a side view and a front view of a light path control apparatus according to an embodiment.
3 is a view for explaining a path of a light beam incident to the light path control apparatus according to an embodiment.
4 is a graph for explaining a relationship between an incident angle of light and a reflectance at an injection surface of a first light guide plate according to an embodiment.
5 is a view for explaining the arrangement of a transmission type diffraction grating by periodic arrangement according to an embodiment.
6 is a view for explaining the arrangement of the transmissive grating by a periodic refractive index change according to an embodiment.

이하, 본 발명의 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다. Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

도 1은 일실시예에 따른 광선 경로 제어 장치 및 디스플레이를 도시한 도면이다.1 is a view showing a light path control device and a display according to an embodiment.

도 1을 참고하면, 광선 경로 제어 장치(101)는 가간섭성을 갖는 광선의 입사 파동장에 대한 특성을 이용하여 디스플레이의 활성 영역에 대응되는 크기로 확대된 균일한 세기의 광선을 출력시킬 수 있는 조명 장치일 수 있다. 일례로, 광선 경로 제어 장치(101)는 슬림 스타일(slim style)의 BLU(Back Light Unit) 또는 FLU(Front Light Unit)로 구현되는 소형 레이저 모듈일 수 있다. 또한, 광선 경로 제어 장치(101)는 적어도 하나의 광학 컴포넌트를 포함함으로써, 입사된 광선에 대한 경로를 제어할 수 있다. 즉, 광선 경로 제어 장치(101)는 디스플레이(106)가 위치한 방향으로 광선의 경로가 제어되고, 광선의 폭이 확대되며 디스플레이(106)로 출력될 수 있다.Referring to FIG. 1, the light path control device 101 may output light having a uniform intensity enlarged to a size corresponding to an active area of a display by using characteristics of an incident wave field of light having coherence. It may be a lighting device. For example, the light path control device 101 may be a small-sized laser module implemented as a slim style back light unit (BLU) or front light unit (FLU). In addition, the light path control device 101 may control the path to the incident light beam by including at least one optical component. That is, the light path control device 101 may control the path of the light beam in the direction in which the display 106 is located, enlarge the width of the light beam, and output it to the display 106.

그리고, 디스플레이(106)는 광선 경로 제어 장치(101)로부터 출력된 균일한 세기의 광선을 변조하여 공간상의 입체영상을 표시할 수 있다. 여기서, 광선 경로 제어 장치(101)와 디스플레이(106)는 단일 모듈 형태로 서로 접합되거나(미도시), 또는 일정 간격으로 이격되어 디스플레이용 시스템(도시)으로 구현될 수 있다.In addition, the display 106 may display a stereoscopic image in space by modulating a light beam of uniform intensity output from the light path control device 101. Here, the light path control device 101 and the display 106 may be combined with each other in a single module form (not shown) or spaced apart at regular intervals to be implemented as a display system (not shown).

구체적으로, 광선 경로 제어 장치(101)는 디스플레이(106)로 광선을 출력하기 위하여, 광원으로부터 출력된 광선의 경로를 제어할 수 있다. 이를 위해, 광선 경로 제어 장치(101)는 디스플레이(106)에 출력되기 위한 광선이 입사될 수 있다. 여기서, 광선은 다음과 같은 단계를 거쳐 광선 경로 제어 장치(101)에 입사될 수 있다.Specifically, the light path control device 101 may control the path of the light beam output from the light source in order to output the light beam to the display 106. To this end, the light path control device 101 may be incident with light rays to be output to the display 106. Here, the light beam may be incident on the light beam path control device 101 through the following steps.

상세하게, 광선은 광원으로부터 출력되어 출력된 광을 모아 평행하도록 만드는 집광부를 통과할 수 있다. 이때, 광선을 가간섭성을 갖는 입사 파동장(wave field)의 특성을 나타낼 수 있다. 그리고, 집광부를 통과한 광선은 구별 가능한 지향성을 지닌 평면 파면이며, 공간적으로 균일한 세기를 가질 수 있다.In detail, the light beam may pass through a light condenser that collects the light output from the light source and makes it parallel. At this time, it is possible to indicate the characteristics of an incident wave field having coherence of light rays. In addition, the light beam passing through the light converging portion is a planar wavefront having distinguishable directivity, and may have a spatially uniform intensity.

여기서, 집광부는 광 투과 원리에 따라 광원에서 출력된 광선이 통과될 수 있다. 다시 말해, 집광부는 광선 경로 제어 장치(101)에서의 광선의 주입면에서 발생하는 표면 반사율을 고려하여 광선의 입사 효율을 높이기 위하여 P-편광 상태를 갖는 광선이 통과될 수 있다.Here, the light collecting unit may pass light emitted from the light source according to the light transmission principle. In other words, the light condensing unit may pass light having a P-polarization state in order to increase the incident efficiency of the light beam in consideration of the surface reflectivity generated at the light emitting surface of the light path control device 101.

이때, 광선 경로 제어 장치(101)는 디스플레이(106)의 위치에 따라 광선의 경로 제어 및 광선의 폭을 확대시키기 위하여 제1 광선 확대부 및 제2 광선 확대부를 포함할 수 있다. 제1 광선 확대부는 제1 도광판(102) 및 제1 격자(103)를 포함하고, 제2 광선 확대부는 제2 도광판(104) 및 제2 격자(105)를 포함할 수 있다. 그리고, 제1 광선 확대부 및 제2 광선 확대부는 서로 맞대도록 배치되어 일체적으로 접합되는 기하학적인 단면 구조를 가질 수 있다.At this time, the light path control device 101 may include a first light beam expanding unit and a second light beam expanding unit to enlarge the light beam path control and the light beam width according to the position of the display 106. The first light beam expander may include a first light guide plate 102 and a first grating 103, and the second light beam expander may include a second light guide plate 104 and a second grating 105. In addition, the first light beam expander and the second light beam expander may be disposed to face each other and have a geometric cross-sectional structure that is integrally joined.

제1 광선 확대부는 집광부로부터 출력된 광선이 입사되어 입사된 광선이 제1 격자를 통해 제2 도광판(104)의 내부로 투과되도록 광선의 경로를 제어할 수 있다. 이 때, 제1 격자를 통해 투과되는 광선은 입사 파동장에 의해 광선의 폭이 확대되어 제2 도광판의 내부로 투과될 수 있다.The first light beam expanding unit may control a path of the light beam such that the light beam outputted from the light collecting unit is incident and the incident light beam is transmitted through the first grid to the inside of the second light guide plate 104. At this time, the light transmitted through the first grating can be transmitted to the interior of the second light guide plate by expanding the width of the light beam by the incident wave field.

또한, 제2 광선 확대부는 제1 광선 확대부를 통해 투과된 광선이 제2 도광판(104)을 통과하여 제2 격자(105)를 통해 디스플레이(106)에 수직 방향으로 출력되도록 광선의 경로를 제어할 수 있다. 이 때, 제2 격자(105)를 통해 투과되는 광선은 입사 파동장에 의해 광선의 폭이 확대되어 디스플레이(106)로 출력될 수 있다.In addition, the second light beam expander controls the path of the light beam so that light transmitted through the first light beam expander passes through the second light guide plate 104 and is output in the vertical direction to the display 106 through the second grating 105. Can. At this time, the light beam transmitted through the second grating 105 may be output to the display 106 by expanding the width of the light beam by the incident wave field.

여기서, 제1 광선 확대부 및 제2 광선 확대부는 각각에 포함된 제1 격자 및 제2 격자의 회절 조건을 제어함으로써, 투과되는 광선의 경로를 제어할 수 있다. 일례로, 제1 격자 및 제2 격자는 피치가 P인 그레이팅의 면에 법선에 대하여 브래그 회절 조건을 만족하는 격자일 수 있다.Here, by controlling the diffraction conditions of the first grating and the second grating included in each of the first light expanding unit and the second light expanding unit, it is possible to control the path of the transmitted light. In one example, the first grating and the second grating may be gratings that satisfy the Bragg diffraction condition for a normal to the grating surface having a pitch of P.

결국, 광선 경로 제어 장치(101)는 제1 광선 확대부 및 제2 광선 확대부에 포함된 격자의 회절 조건에 따라 디스플레이(106)가 위치한 방향으로 광선의 경로를 제어할 수 있다. 또한, 광선 경로 제어 장치(101)는 제1 격자(103) 및 제2 격자(105)에 투과됨에 따라 광선의 입사 파동장에 의해 광선 간의 폭이 확대됨에 따라 디스플레이(106)의 활성 영역에 대응되는 크기로 광선의 입사 파동장을 확대시킬 수 있다.As a result, the light path control device 101 may control the path of the light beam in the direction in which the display 106 is positioned according to the diffraction conditions of the grating included in the first light beam expansion unit and the second light beam expansion unit. In addition, the light path control device 101 corresponds to the active area of the display 106 as the width between the light beams is expanded by the incident wave field of the light beam as it is transmitted through the first grating 103 and the second grating 105 The incident wave length of the light beam can be enlarged to a desired size.

그리고, 디스플레이(106)는 광선 경로 제어 장치(101)를 통해 활성 영역에 대응하는 크기로 확대된 광선을 수신하여 입체 영상을 표시할 수 있다.Then, the display 106 may receive a light beam enlarged to a size corresponding to the active area through the light beam path control device 101 and display a stereoscopic image.

도 2는 일실시예에 따른 광선 경로 제어 장치의 측면도 및 정면도를 도시한 도면이다.2 is a view showing a side view and a front view of a light path control apparatus according to an embodiment.

도 2의 (a)를 살펴보면, 광선 경로 제어 장치의 측면도는 제1 도광판, 제1 격자, 제2 도광판, 제2격자 및 디스플레이의 단면을 포함할 수 있다. 이하에서는 광선 경로 제어 장치의 측면도에 기초하여 광원으로부터 출력된 광선의 경로를 설명하도록 한다.Referring to (a) of FIG. 2, a side view of the light path control device may include a cross section of a first light guide plate, a first grating, a second light guide plate, a second grid, and a display. Hereinafter, the path of the light beam output from the light source will be described based on the side view of the light path control device.

광원으로부터 출력된 광선은 제1 도광판의 내부로 입사될 수 있다. 이 때, 출력된 광선은 제1 도광판의 주입면에 거의 수직한 방향으로 입사될 수 있다. 여기서, 출력된 광선은 도 2의 (b)에 도시된 광선 경로 제어 장치의 정면도에 기초하여 제1 도광판의 주입면(201)에 거의 수직하게 입사될 수 있다. 도 2의 (b)에 도시된 제1 도광판의 주입면(201)은 도 2의 (a)의 제1 도광판의 주입면에 대응할 수 있다.The light beam output from the light source may be incident into the first light guide plate. At this time, the output light beam may be incident in a direction substantially perpendicular to the injection surface of the first light guide plate. Here, the output light beam may be incident almost perpendicularly to the injection surface 201 of the first light guide plate based on the front view of the light beam path control device shown in FIG. 2B. The injection surface 201 of the first light guide plate illustrated in FIG. 2B may correspond to the injection surface of the first light guide plate of FIG. 2A.

그리고, 주입면에 입사되는 광선의 입사각은 도광판과 공기 간의 굴절률을 고려하여 투과각이 θ가 되는 조건을 만족할 수 있다. 여기서, 투과각은 제1 격자(103)를 통해 제2 도광판의 내부로 진입하기 위한 조건일 수 있다. 보다 구체적으로, 제1 광선 확대부와 제2 광선 확대부는 광선이 입사되는 방향이 상이할 수 있다.In addition, the incident angle of the light incident on the injection surface may satisfy the condition that the transmission angle becomes θ in consideration of the refractive index between the light guide plate and the air. Here, the transmission angle may be a condition for entering the interior of the second light guide plate through the first grating 103. More specifically, the first light beam expander and the second light beam expander may have different directions in which light rays are incident.

따라서, 제1 광선 확대부는 제2 광선 확대부의 내부로 광선이 진입할 수 있도록 제2 광선 확대부의 내부 방향으로 기울어져 접합될 수 있다. 이때, 기울기는 제1 광선 확대부를 구성하는 제1 도광판의 주입면으로 입사되는 광선의 제1 입사각에 대하여 제1 투과각(θ)으로 나타낼 수 있다. 여기서, 제1 입사각은 제1 도광판으로 입사되는 광선의 입사각을 의미할 수 있다. 그리고, 제1 투과각은 제1 도광판으로 투과되는 광선의 투과각을 의미할 수 있다.Accordingly, the first light beam expanding unit may be inclined and joined in the inner direction of the second light beam expanding unit so that light rays may enter the inside of the second light beam expansion unit. In this case, the inclination may be represented by a first transmission angle θ with respect to the first incident angle of the light incident on the injection surface of the first light guide plate constituting the first light expanding unit. Here, the first incident angle may mean an incident angle of light incident on the first light guide plate. Further, the first transmission angle may mean a transmission angle of light transmitted through the first light guide plate.

따라서, 제1 광선 확대부와 제2 광선 확대부는 제1 투과각에 따른 (θ)의 기울기로 접합될 수 있다. 그리고, 광원으로부터 출력된 광선은 제2 광선 확대부의 내부로의 진입을 위한 제1 격자의 제2 입사각을 고려하여 제1 투과각(θ)이 되는 조건을 만족하는 제1 입사각으로 제1 도광판의 주입면에 입사할 수 있다.Therefore, the first light-expansion unit and the second light-expansion unit may be joined at a slope of (θ) according to the first transmission angle. Then, the light output from the light source is the first light guide plate that satisfies the condition that becomes the first transmission angle θ in consideration of the second angle of incidence of the first grating for entering the interior of the second light beam expansion unit. It can enter the injection surface.

또한, 광원으로부터 출력된 광선은 제1 도광판의 굴절률과 공기층의 굴절률 간의 상대적인 굴절률을 고려함으로써, 제1 투과각(θ)이 되는 조건을 만족하며 제1 도광판의 주입면을 통해 투과될 수 있다. 제1 투과각은 제1 도광판에 입사된 광선의 제1 입사각, 제1 격자의 격자 방향 및 제1 격자의 격자 주기에 의해 결정될 수 있다.In addition, by considering the relative refractive index between the refractive index of the first light guide plate and the refractive index of the air layer, the light beam output from the light source satisfies the condition that becomes the first transmission angle θ and can be transmitted through the injection surface of the first light guide plate. The first transmission angle may be determined by a first incident angle of light incident on the first light guide plate, a lattice direction of the first grating, and a lattice period of the first grating.

그리고, 제1 도광판에 입사된 광선은 제1 도광판의 내부를 통과하여 제1 격자를 통해 제2 도광판의 내부로 투과될 수 있다. 여기서, 제1 격자를 통해 투과되는 광선은, 제1 격자의 격자면에 대하여 제2 투과각으로 투과될 수 있다. 즉, 제1 격자는 제1 도광판에 입사된 광선의 제1 투과각을 제2 입사각으로 사용되어 제1 도광판을 통과한 광선이 제2 투과각으로 제2 도광판의 내부로 투과될 수 있다.Then, the light incident on the first light guide plate may pass through the interior of the first light guide plate and be transmitted through the first grid to the interior of the second light guide plate. Here, light rays transmitted through the first grating may be transmitted at a second transmission angle with respect to the grating surface of the first grating. That is, in the first grating, the first transmission angle of the light incident on the first light guide plate is used as the second angle of incidence, so that the light passing through the first light guide plate can be transmitted to the interior of the second light guide plate at the second transmission angle.

여기서, 제1 격자는 위에서 언급한 제1 투과각에 대하여 광선이 도광판의 내부로 진입될 수 있는 회절격자로써, 광선의 경로를 제어할 수 있도록 설계된 광학 컴포넌터일 수 있다.Here, the first grating may be an optical component designed to control the path of the light beam as a diffraction grating through which the light beam may enter the interior of the light guide plate for the first transmission angle mentioned above.

제1 격자를 통해 투과된 광선은 제2 격자에 입사되기 위하여 제2 도광판을 통과할 수 있다. 여기서, 제1 격자를 통해 투과된 광선은 상기 제2 격자에 입사각으로 입사되고, 상기 입사각은 상기 제2 투과각과 제2 도광판의 굴절률에 따라 결정될 수 있다. 일례로, 제1 격자를 통해 투과된 광선은 제2 도광판의 내부로 진입하여 제2 격자와 대면하고 있는 제2 도광판의 일면에 대하여 Ф각도를 가질 수 있다. 여기서, Ф각도는 제2 격자에 의해 디스플레이로 수직한 방향으로 출력될 수 있는 조건을 만족할 수 있다.The light beam transmitted through the first grating may pass through the second light guide plate to enter the second grating. Here, the light transmitted through the first grating is incident on the second grating at an incident angle, and the incidence angle may be determined according to the second transmission angle and the refractive index of the second light guide plate. As an example, the light beam transmitted through the first grating may enter the inside of the second light guide plate and have a φ angle with respect to one surface of the second light guide plate facing the second grating. Here, the Ф angle may satisfy a condition that can be output in the vertical direction to the display by the second grid.

광선 경로 제어 장치는 광선에 대하여 입사 파동장에 대한 광선의 폭을 확대시킬 수 있다. 또한, 제2 격자는 제2 도광판을 통과한 광선이 위의 입사각 Ф일 경우, 광선이 공기층 또는 디스플레이를 향하여 출력될 수 있는 회절격자로써, 광선의 경로를 제어할 수 있도록 설계된 광학 컴포넌터일 수 있다.The light path control device may enlarge the light beam width with respect to the incident wave field with respect to the light beam. Further, the second grating may be an optical component designed to control the path of the light beam as a diffraction grating that can be output toward the air layer or the display when the light beam passing through the second light guide plate has an incident angle Ф above. .

이때, 디스플레이는 제2 격자로부터 출력된 광선을 입체 영상으로 표시함에 따라 제2 도광판과 제2 격자의 일면의 크기는 디스플레이의 활성 영역과 동일할 수 있다.At this time, as the display displays the light beam output from the second grid as a stereoscopic image, the size of one surface of the second light guide plate and the second grid may be the same as the active area of the display.

결국, 위에서 상술한 바와 같은 과정을 통하여 광선 경로 제어 장치에서 출력된 광선은 디스플레이의 활성영역에 대응되는 크기로 확대된 평면 파동장의 특징을 가질 수 있다. 이와 동시에, 광선 경로 제어 장치에서 출력된 광선은 균일한 광 세기를 갖는 것을 특징으로 할 수 있다.As a result, the light output from the light path control device through the above-described process may have a characteristic of a plane wave field enlarged to a size corresponding to the active area of the display. At the same time, the light output from the light path control device may be characterized in that it has a uniform light intensity.

도 3은 일실시예에 따른 광선 경로 제어 장치로 입사되는 광선의 경로를 설명하기 위한 도면이다.3 is a view for explaining a path of a light beam incident to the light path control apparatus according to an embodiment.

도 3을 참고하면, 광선 경로 제어 장치는 제1 도광판(302)의 주입면(301)으로 광선이 입사될 수 있다. 여기서, 입사된 광선은 공기의 굴절률에 따른 상기 제1 도광판(302)의 주입면(301)에서 발생하는 표면 반사율을 고려하여 주입면(301)에 대하여 P-편광 상태로 입사될 수 있다.Referring to FIG. 3, in the light path control device, light rays may be incident on the injection surface 301 of the first light guide plate 302. Here, the incident light beam may be incident in the P-polarized state to the injection surface 301 in consideration of the surface reflectivity generated at the injection surface 301 of the first light guide plate 302 according to the refractive index of air.

또한, 입사된 광선은 제1 도광판(302)의 주입면(301)을 통해 제1 투과각으로 투과될 수 있다. 그리고, 입사된 광선은 제1 도광판(302)을 통과하여 제1 격자를 통해 제2 도광판(304)의 내부로 투과될 수 있다. 여기서, 입사된 광선은 제1 격자의 회절 조건에 따라 제1 도광판의 굴절률과 동일한 굴절률을 갖는 제2 도광판의 내부로 투과될 수 있다. 그리고, 제2 도광판을 통과하는 광선은, 제2 격자에 입사각으로 입사되고, 상기 입사각은 상기 투과각과 제2 도광판의 굴절률에 따라 결정될 수 있다.Further, the incident light beam may be transmitted at a first transmission angle through the injection surface 301 of the first light guide plate 302. In addition, the incident light beam may pass through the first light guide plate 302 and be transmitted through the first grating into the second light guide plate 304. Here, the incident light beam may be transmitted to the interior of the second light guide plate having the same refractive index as that of the first light guide plate according to the diffraction conditions of the first grating. Further, the light beam passing through the second light guide plate is incident on the second grating at an incident angle, and the incident angle may be determined according to the transmission angle and the refractive index of the second light guide plate.

이때, 제1 격자(303)를 투과한 광선은 주입면(301)에서 입사된 광선의 입사 파동장에 의하여 제1 격자를 투과하기 전의 광선의 폭(d1)에 비해 투과한 후에 광선의 폭(d2)이 확대될 수 있다. 다시 말해, 제1 격자(303)를 투과한 광선은 광원으로부터 출력된 광선이 갖는 입사 파동장과 다른 폭을 갖는 연속된 광 흐름을 통해 제2 도광판(304)을 통과할 수 있다. 따라서, 제2 도광판(304)을 통과하는 광선은 주입면(301)에 입사되는 파동장의 크기보다 확대될 수 있다.At this time, the light beam transmitted through the first grating 303 is compared to the width d1 of the light beam before passing through the first grating due to the incident wave length of the light incident from the injection surface 301 ( d2) can be enlarged. In other words, the light transmitted through the first grating 303 may pass through the second light guide plate 304 through a continuous light flow having a width different from the incident wave field of the light output from the light source. Therefore, the light beam passing through the second light guide plate 304 may be enlarged than the size of the wave field incident on the injection surface 301.

제1 격자를 통해 투과된 광선은 광선의 폭(d2)으로 제2 도광판을 통과하여 제2 격자에 입사될 수 있다. 그리고, 2 격자(305)로 입사된 광선은 제2 격자의 일면에 대해 수직 방향으로 출력될 수 있다. 여기서, 제2 격자(305)에 투과된 광선은 제2 도광판의 내부로 투과된 광선의 입사 파동장에 의하여 제2 격자(305)를 투과하기 전의 광선의 폭(d2)에 비해 투과한 후의 광선의 폭(d3)이 확대되어 출력될 수 있다.The light beam transmitted through the first grating may pass through the second light guide plate at the width d2 of the light beam and enter the second grating. In addition, the light beam incident on the two gratings 305 may be output in a direction perpendicular to one surface of the second grating. Here, the light transmitted through the second grating 305 is compared to the width d2 of the light before passing through the second grating 305 by the incident wave field of the light transmitted through the second light guide plate, and then transmitted. The width d3 of may be enlarged and output.

그리고, 제2 격자(305)를 통해 출력된 광선은 디스플레이에 전달될 수 있다. 여기서, 디스플레이는, 제2 격자(305)의 출광면과 평행하여 접합되거나 또는 일정 거리 이격되는 평판 홀로그래픽 디스플레이일 수 있다. 그리고, 디스플레이는 디스플레이의 활성 영역에 대응하여 크기가 확대된 광선을 입체 영상으로 표시할 수 있다. 결국, 광선 경로 제어 장치는 광선이 갖는 입사 파동장의 특성을 이용하여 디스플레이의 활성 영역에 대응되는 크기로 확대시킬 수 있다.In addition, the light beam output through the second grating 305 may be transmitted to the display. Here, the display may be a flat-panel holographic display joined in parallel with the light exit surface of the second grating 305 or spaced a certain distance. In addition, the display may display a light beam having an enlarged size corresponding to the active area of the display as a stereoscopic image. As a result, the light path control device may enlarge the image to a size corresponding to the active area of the display by using the characteristics of the incident wave field of the light beam.

도 4는 일실시예에 따른 제1 도광판의 주입면에서 광선의 입사각과 반사율의 관계를 설명하기 위한 그래프이다.4 is a graph for explaining a relationship between an incident angle of a light ray and a reflectance at an injection surface of a first light guide plate according to an embodiment.

도 4를 참고하면, 광원으로부터 출력된 광선은 제1 도광판의 주입면을 통해 제1 도광판의 내부로 주입될 때, 제1 도광판의 굴절률(nA)과 공기의 골절률 n0=1을 고려할 수 있다. 제1 도광판의 골절률과 공기의 골절률을 고려하였을 때, 출력된 광선의 입사각(Ф)과 투과각(θ)의 관계는 수학식 1과 같이 나타낼 수 있다.Referring to FIG. 4, when the light output from the light source is injected into the interior of the first light guide plate through the injection surface of the first light guide plate, the refractive index nA of the first light guide plate and the fracture index n0 of air may be considered. . When considering the fracture rate of the first light guide plate and the fracture rate of air, the relationship between the incident angle (Ф) and the transmission angle (θ) of the output light beam can be expressed as in Equation 1.

Figure 112015090176935-pat00001
Figure 112015090176935-pat00001

광원으로부터 출력된 광선은 수학식 1에 기초하였을 때, 제1 도광판의 주입면에 대하여 광선의 편광 상태에 따라 도 4에 도시된 것 같은 반사율의 차이가 발생할 수 있다. 여기서, 편광 상태는 제1 도광판의 주입면에서 전기장의 진동면의 방향이 일정한 빛을 의미하며, 크게 S 편광 상태와 P 편광 상태로 구분될 수 있다. S 편광 상태는 제1 도광판의 주입면에 수평으로 진동하는 파형을 의미하며, 선택적인 반사가 가능한 상태를 의미할 수 있다. P 편광 상태는 S파에 수직으로 진동하는 파형을 의미하며 선택적인 투과가 가능한 상태를 의미할 수 있다.When the light beam output from the light source is based on Equation 1, a difference in reflectance as shown in FIG. 4 may occur depending on the polarization state of the light beam with respect to the injection surface of the first light guide plate. Here, the polarization state means light having a constant direction of the vibration surface of the electric field at the injection surface of the first light guide plate, and may be largely divided into an S polarization state and a P polarization state. The S polarization state means a waveform that vibrates horizontally on the injection surface of the first light guide plate, and may mean a state in which selective reflection is possible. The P polarization state means a waveform oscillating perpendicular to the S wave, and may mean a state in which selective transmission is possible.

그리고, 본 발명은 편광 상태에 기초하여 광선이 공기층에서 유전체인 제1 도광판으로 입사할 경우를 가정할 수 있다. 가정에 따라, 출력된 광선의 S 편광 상태와 P 편광 상태는 입사각(Ф)이 10도 이내에서 제1 도광판에 의한 반사율의 차이가 유사하게 나타난다. 그러나, 출력된 광선은 10도 이상에서부터 P 편광 상태에서의 제1 도광판에 의한 반사율이 항상 더 적게 나타날 수 있다.In addition, the present invention may assume that light is incident from the air layer to the first light guide plate as a dielectric based on the polarization state. According to the assumption, the S polarization state and the P polarization state of the output light beam show a similar difference in reflectance by the first light guide plate when the incident angle (Ф) is within 10 degrees. However, the output light ray may always exhibit less reflectance by the first light guide plate in the P polarization state from 10 degrees or more.

즉, 출력된 광선은 10도 이상에서부터 P 편광 상태를 가질 때, 제1 도광판의 주입면에 의한 투과율이 향상됨을 확인할 수 있다. 여기서, 투과율은 수학식 2와 같이 나타낼 수 있다.That is, when the output light beam has a P polarization state from 10 degrees or more, it can be seen that the transmittance by the injection surface of the first light guide plate is improved. Here, the transmittance can be expressed as Equation (2).

Figure 112015090176935-pat00002
Figure 112015090176935-pat00002

따라서, 광선 경로 제어 장치는 제1 도광판의 내부로 광선의 주입 효율을 높이기 위하여 입사각이 큰 경우, P 편광 상태를 갖는 광선이 이용될 수 있다. 특히나, 70도~90도 근처일 경우, 광선 경로 제어 장치는 표면 반사율을 낮추기 위하여 반사 억제에 대한 해결 방안을 별도로 고려해야 한다. 그러므로, 광선 경로 제어 장치는 최적의 광선 주입 효율을 고려할 때, 제1 도광판의 내부로 입사되는 광선의 입사각을 60도 이내의 조건으로 설계할 수 있다.Therefore, when the incident angle is large in order to increase the injection efficiency of the light into the first light guide plate, the light path control device may use light having a P polarization state. In particular, in the case of 70 to 90 degrees, the light path control device needs to separately consider a solution to suppressing reflection in order to lower the surface reflectance. Therefore, when considering the optimal light injection efficiency, the light path control device can design the incident angle of the light incident into the first light guide plate within 60 degrees.

그리고, 광선 경로 제어 장치는 광선의 굴절률의 변화로 인한 표면 반사 현상을 최소화하기 위하여 제1 광선 확대부 및 제2 광선 확대부를 서로 맞대도록 배치할 수 있다. 다시 말해, 광선 경로 제어 장치는 제1 광선 확대부에서 제2 광선 확대부로 광선이 주입됨에 따른 도광판에 의한 표면반사 현상을 최소화시키기 위해 출력된 광선의 투과각에 따라 서로 맞대도록 배치할 수 있다.In addition, the light path control device may arrange the first light beam expanding unit and the second light beam expanding unit to face each other in order to minimize the surface reflection phenomenon due to the change in the refractive index of the light beam. In other words, the light path control device may be arranged to face each other according to the transmission angle of the output light beam in order to minimize the surface reflection phenomenon caused by the light guide plate as light is injected from the first light beam expansion unit to the second light beam expansion unit.

또한, 광선 경로 제어 장치는 제1 광선 확대부 및 제2 광선 확대부를 서로 맞대도록 배치할 수 있으며, 제1 도광판 및 제2 도광판 간의 굴절률을 동일하게 유지할 수 있다. 즉, 광선 경로 제어 장치는 제1 도광판 및 제2 도광판에 대하여 동일한 굴절률을 갖는 유전체를 사용함으로써, 유전 물질 간의 굴절률 값의 일관성을 제공할 수 있다. 그리고, 광선 경로 제어 장치는 유전 물질 간의 굴절률 값의 일관성에 따라 종래의 공기틈의 존재로 인해 경계면 사이를 통과하는 과정에서 발생되는 빛샘(light leakage)과 같은 광 손실 문제를 근원적으로 해결할 수 있다. 더욱이 광 부품들 사이에 위치 변동 또는 방향 비틀림 등의 발생에 따른 정밀 배열(alignment) 작업을 해야하는 별도의 수고를 최소화할 수 있다.In addition, the light path control device may be arranged so that the first and second light expanders face each other, and maintain the same refractive index between the first light guide plate and the second light guide plate. That is, the light path control device may provide consistency of refractive index values between dielectric materials by using a dielectric having the same refractive index for the first and second light guide plates. In addition, the light path control device may fundamentally solve a problem of light loss such as light leakage generated in the process of passing between the interface surfaces due to the existence of a conventional air gap according to the consistency of the refractive index values between dielectric materials. Moreover, it is possible to minimize the extra effort of performing precise alignment due to occurrence of positional shift or direction distortion between optical components.

도 5는 일실시예에 따른 주기적인 배열에 의한 투과형 회절 격자의 배치를 설명하기 위한 도면이다.5 is a view for explaining the arrangement of a transmission type diffraction grating by periodic arrangement according to an embodiment.

도 5를 참고하면, 광선 경로 제어 장치는 제1 격자 및 제2 격자를 포함할 수 있다. 여기서, 제1 격자 및 제2 격자는 주기적인 배열에 의한 투과형 회절 격자를 의미할 수 있다. 이하에서는 제1 격자 및 제2 격자를 통합하여 투과형 회절 격자라고 표현하도록 한다.Referring to FIG. 5, the light path control device may include a first grating and a second grating. Here, the first grating and the second grating may mean a transmission type diffraction grating by periodic arrangement. Hereinafter, the first grating and the second grating are combined to be expressed as a transmission diffraction grating.

일반적으로, 투과형 회절 격자는 주기적인 슬릿(slit)의 배열 구조 또는 주기적인 굴절률 변화를 갖는 물질로 형성될 수 있다. 구체적으로, 투과형 회절 격자는 피치가 P인 그레이팅으로 형성될 수 있다. 이 때, 그레이팅의 법선(501)에 대해서 입사각과 투과각은 각각

Figure 112015090176935-pat00003
Figure 112015090176935-pat00004
으로 주어질 수 있다. 그리고, 그레이팅의 하부 매질의 굴절률과 그레이팅의 상부 매질의 굴절률은 각각
Figure 112015090176935-pat00005
Figure 112015090176935-pat00006
으로 주어질 수 있다. 이 때, 그레이팅의 하부 매질과 상부 매질은 위에서 언급한 바와 같이 동일한 굴절률로 나타날 수 있다. 그리고, 그레이팅의 하부 매질과 상부 매질은 각각 본 발명에 구성된 제1 도광판 및 제2 도광판에 대응할 수 있다.In general, the transmission type diffraction grating can be formed of a material having a periodic slit arrangement structure or a periodic refractive index change. Specifically, the transmission type diffraction grating may be formed by grating having a pitch of P. At this time, the angle of incidence and the angle of transmission with respect to the normal 501 of the grating are respectively
Figure 112015090176935-pat00003
and
Figure 112015090176935-pat00004
Can be given as In addition, the refractive index of the lower medium of the grating and the refractive index of the upper medium of the grating, respectively,
Figure 112015090176935-pat00005
and
Figure 112015090176935-pat00006
Can be given as At this time, the lower medium and the upper medium of the grating may have the same refractive index as mentioned above. Further, the lower medium and the upper medium of the grating may respectively correspond to the first light guide plate and the second light guide plate configured in the present invention.

또한, 우측 광선(503)의 경로와 좌측 광선(502)의 경로 간의 차이는 수학식 3과 같이 나타낼 수 있다.In addition, the difference between the path of the right ray 503 and the path of the left ray 502 may be expressed as Equation (3).

Figure 112015090176935-pat00007
Figure 112015090176935-pat00007

그리고, 그레이팅에 의한 회절광은 수학식 3을 통해 결정된 광선의 경로 간의 차이 값이 파장의 정수배가 되어야 하므로, m차 회절광은 수학식 4과 같이 나타낼 수 있다.In addition, since the difference value between the paths of the light beams determined through Equation 3 should be an integer multiple of the wavelength of the diffracted light by grating, the m-th order diffracted light can be expressed as Equation 4.

Figure 112015090176935-pat00008
Figure 112015090176935-pat00008

따라서, 본 발명에서 사용되는 투과형 회절 격자는 수학식 5과 같이 나타낼 수 있다.Therefore, the transmission type diffraction grating used in the present invention can be expressed as Equation (5).

Figure 112015090176935-pat00009
Figure 112015090176935-pat00009

도 6은 일실시예에 따른 주기적인 굴절률 변화에 의한 투과형 그레이팅의 배치를 설명하기 위한 도면이다.6 is a view for explaining the arrangement of the transmissive grating by a periodic refractive index change according to an embodiment.

도 6을 참고하면, 광선 경로 제어 장치는 주기적인 굴절률의 변화에 의한 제1 격자 및 제1 격자에 대한 최소한의 두께를 나타낼 수 있다. 보다 구체적으로, 광선 경로 제어 장치는 제1 격자 및 제2 격자를 포함할 수 있다. 여기서, 제1 격자 및 제2 격자는 주기적인 배열에 의한 투과형 회절 격자를 의미할 수 있다. 이하에는 제1 격자 및 제2 격자를 통합하여 투과형 회절 격자라고 표현하도록 한다.Referring to FIG. 6, the light path control device may exhibit a minimum thickness for the first grating and the first grating due to a periodic change in refractive index. More specifically, the light path control device may include a first grating and a second grating. Here, the first grating and the second grating may mean a transmission type diffraction grating by periodic arrangement. Hereinafter, the first grating and the second grating are combined to be expressed as a transmission diffraction grating.

투과형 회절 격자는 피치가 P인 그레이팅의 면에 법선에 대하여 입사각(

Figure 112015090176935-pat00010
)과 투과각(
Figure 112015090176935-pat00011
)으로 주어질 수 있으며, 입사각(
Figure 112015090176935-pat00012
)과 투과각(
Figure 112015090176935-pat00013
)은 반사의 법칙에 의해 각각
Figure 112015090176935-pat00014
으로 주어질 수 있다.The transmission diffraction grating has an angle of incidence relative to the normal to the surface of the grating with the pitch P
Figure 112015090176935-pat00010
) And transmission angle (
Figure 112015090176935-pat00011
), the angle of incidence (
Figure 112015090176935-pat00012
) And transmission angle (
Figure 112015090176935-pat00013
), respectively, by the law of reflection
Figure 112015090176935-pat00014
Can be given as

그리고, 그레이팅의 굴절율이 n일 경우, 일반적으로 그레이팅의 하부 매질의 굴절률과 그레이팅의 상부 매질의 굴절률은 각각

Figure 112015090176935-pat00015
Figure 112015090176935-pat00016
으로 주어질 수 있다. 여기서, 투과형 회절 격자에서 사용되는 투과광의 진행 방향은 Bragg grating 회절 조건에 의해서 수학식 6과 같이 나타낼 수 있다.In addition, when the refractive index of the grating is n, in general, the refractive index of the lower medium of the grating and the refractive index of the upper medium of the grating, respectively,
Figure 112015090176935-pat00015
and
Figure 112015090176935-pat00016
Can be given as Here, the traveling direction of the transmitted light used in the transmission type diffraction grating can be expressed as Equation 6 by Bragg grating diffraction conditions.

Figure 112015090176935-pat00017
Figure 112015090176935-pat00017

그리고, 수학식 6에 기초하여 그레이팅의 굴절률에 대한 상부 매질과 하부 매질의 굴절률이

Figure 112015090176935-pat00018
이라고 가정할 수 있다. 즉, 투과형 회절 격자에서 투과된 광선의 방향은 광선의 입사각, 격자 방향 및 격자 주기에 의해 결정될 수 있다.And, based on the equation (6), the refractive index of the upper medium and the lower medium to the refractive index of the grating is
Figure 112015090176935-pat00018
Can be assumed. That is, the direction of the light beam transmitted from the transmission type diffraction grating may be determined by the incident angle of the light beam, the grating direction, and the grating period.

결국, 광선 경로 제어 장치는 광선의 입사각, 격자 방향 및 격자 주기를 고려하여 그레이팅을 설계함으로써, 원하는 방향으로 광선의 경로를 제어할 수 있다. 나아가, 광선 경로 제어 장치는 10um 정도의 충분한 두께(d)를 갖도록 투과형 회절 격자의 두께를 설계함으로써, 투과되는 광선의 회절 효율(diffraction efficiency)을 향상시킬 수 있다. 또한, 광선 경로 제어 장치는 최소화된 두께(d)를 가짐에 따라 높은 각도의 선택성(high angular selectivity)을 제공할 수 있다. 즉, 광선 경로 제어 장치는 작은 각도의 발산(small angular divergence) 특성에 의해 우수한 각도 선택성을 갖는다.As a result, the ray path control apparatus can control the path of the ray in a desired direction by designing grating in consideration of the incident angle of the ray, the grating direction, and the grating period. Furthermore, the light path control device may improve the diffraction efficiency of transmitted light by designing the thickness of the transmission type diffraction grating to have a sufficient thickness (d) of about 10 um. In addition, the light path control device can provide high angular selectivity as it has a minimized thickness d. That is, the light path control device has excellent angle selectivity due to small angular divergence characteristics.

따라서, 본 발명에서 제안하는 광선 제어 장치는 고 투과 효율 및 우수한 각도 선택성(high angular selectivity)을 출력 광에 제공할 수 있는 주기적인 굴절률 변화에 의한 투과형 회절 격자를 사용하도록 설계가 가능할 수 있다.Therefore, the light control device proposed in the present invention may be designed to use a transmission diffraction grating by a periodic refractive index change that can provide high light transmission efficiency and high angular selectivity to output light.

본 발명의 실시 예에 따른 장치들은 다양한 컴퓨터 수단을 통하여 수행될 수 있는 프로그램 명령 형태로 구현되어 컴퓨터 판독 가능 매체에 기록될 수 있다. 상기 컴퓨터 판독 가능 매체는 프로그램 명령, 데이터 파일, 데이터 구조 등을 단독으로 또는 조합하여 포함할 수 있다. 상기 매체에 기록되는 프로그램 명령은 본 발명을 위하여 특별히 설계되고 구성된 것들이거나 컴퓨터 소프트웨어 당업자에게 공지되어 사용 가능한 것일 수도 있다.Devices according to an embodiment of the present invention may be recorded in a computer readable medium by being implemented in the form of program instructions that can be executed through various computer means. The computer-readable medium may include program instructions, data files, data structures, or the like alone or in combination. The program instructions recorded on the medium may be specially designed and configured for the present invention or may be known and usable by those skilled in computer software.

이상과 같이 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다.As described above, although the present invention has been described by limited embodiments and drawings, the present invention is not limited to the above embodiments, and various modifications and variations from these descriptions will be made by those skilled in the art to which the present invention pertains. This is possible.

그러므로, 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니 되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.Therefore, the scope of the present invention should not be limited to the described embodiments, but should be determined not only by the claims to be described later, but also by the claims and equivalents.

101: 광선 경로 제어 장치
102: 제1 도광판
103: 제1 격자
104: 제2 도광판
105: 제2 격자
106: 디스플레이
101: light path control device
102: first light guide plate
103: first grid
104: second light guide plate
105: second grid
106: display

Claims (20)

광원으로부터 출력된 광선(light beam)이 입사되는 제1 도광판 -상기 광선은 제1 입사각으로 제1 도광판의 주입면에 입사되어 제1 투과각으로 투과됨-;과 상기 제1 도광판에 접합되어 상기 제1 도광판에 입사된 광선이 제2 도광판의 내부로 투과되는 제1 격자 -상기 제1 격자를 통해 투과되는 광선은, 제1 격자의 격자면에 상기 제1 투과각에 대응하는 제2 입사각으로 입사되어 제2 투과각으로 제2 도광판의 내부로 투과됨-;를 포함하는 제1 광선 확대부; 및
상기 제1 격자를 통해 투과된 광선이 통과하여 제2 격자로 입사시키는 제2 도광판 -상기 제2 도광판을 통과하는 광선은, 상기 제2 투과각과 제2 도광판의 굴절률에 따라 결정됨-;과 상기 제2 도광판에 접합되어 상기 제2 도광판을 통과한 광선이 입사되는 제2 격자 -상기 제2 격자로 입사된 광선은 제2 격자의 일면에 대해 수직 방향으로 출력됨-를 포함하는 제2 광선 확대부
를 포함하고,
상기 제1 격자를 통해 투과되는 광선은,
상기 제1 격자의 회절 조건에 따라 제1 도광판의 굴절률과 동일한 굴절률을 갖는 제2 도광판의 내부로 투과되고,
상기 제1 광선 확대부와 제2 광선 확대부는,
상기 제1 광선 확대부를 구성하는 제1 격자의 일면이 제2 광선 확대부를 구성하는 제2 도광판의 일면과 서로 맞닿도록 배치되어 일체형으로 접합됨으로써 기하학적인 단면 구조를 가지고,
상기 제1 격자를 통해 투과되는 광선이 상기 제2 도광판의 내부로 진입 되도록 상기 제1 투과각에 따른 기울기로 상기 제1 광선 확대부와 제2 광선 확대부가 연결되는 광선 경로 제어 장치.
A first light guide plate through which light beams output from a light source are incident, wherein the light beam is incident at an injection surface of the first light guide plate at a first incident angle and transmitted at a first transmission angle; and bonded to the first light guide plate to A first grating through which the light incident on the first light guide plate is transmitted to the interior of the second light guide plate-The light transmitted through the first grating is a second incident angle corresponding to the first transmission angle on the grating surface of the first grating. A first light beam expanding unit including; incident to and transmitted into the second light guide plate at a second transmission angle; And
A second light guide plate through which light transmitted through the first grating passes through and enters the second grating, wherein light rays passing through the second light guide plate are determined according to the second transmission angle and the refractive index of the second light guide plate; and the first 2 A second light beam enlargement unit including a second grating joined to the light guide plate and through which the light passing through the second light guide plate is incident, wherein light incident to the second grating is output in a direction perpendicular to one surface of the second grating.
Including,
The light transmitted through the first grid,
According to the diffraction conditions of the first grating is transmitted to the interior of the second light guide plate having the same refractive index as the refractive index of the first light guide plate,
The first light beam expanding unit and the second light beam expanding unit,
One surface of the first lattice constituting the first light beam expanding unit is disposed to be in contact with each other and one surface of the second light guide plate constituting the second light beam expanding unit to have a geometric cross-sectional structure,
A light path control device connected to the first light beam expansion unit and the second light beam expansion unit at a slope according to the first transmission angle so that the light beam transmitted through the first grating enters the interior of the second light guide plate.
제1항에 있어서,
상기 입사된 광선은,
공기의 굴절률에 따른 상기 제1 도광판의 주입면에서 발생하는 표면 반사율을 고려하여 상기 주입면에 대하여 P-편광 상태로 입사되는 광선 경로 제어 장치.
According to claim 1,
The incident light beam,
A light path control device incident on the injection surface in a P-polarized state in consideration of the surface reflectivity generated at the injection surface of the first light guide plate according to the refractive index of air.
삭제delete 제1항에 있어서,
상기 제1 투과각은,
상기 제1 도광판에 입사된 광선의 제1 입사각, 제1 격자의 격자 방향 및 제1 격자의 격자 주기에 의해 결정되는 광선 경로 제어 장치.
According to claim 1,
The first transmission angle,
A light path control device determined by a first incident angle of light incident on the first light guide plate, a grating direction of the first grating, and a grating period of the first grating.
삭제delete 제1항에 있어서,
상기 출력된 광선은,
상기 주입면에서 입사된 광선의 입사 파동장에 의하여 제1 격자를 투과하기 전과 투과한 후에 광선의 폭이 확대되는 광선 경로 제어 장치.
According to claim 1,
The output light beam,
A beam path control device in which the width of a beam is enlarged before and after passing through the first grating by the incident wave field of the light incident from the injection surface.
제1항에 있어서,
상기 투과된 광선은,
상기 제2 도광판의 내부로 투과된 광선의 입사 파동장에 의하여 제2 격자를 투과하기 전과 투과한 후에 광선의 폭이 확대되는 광선 경로 제어 장치.
According to claim 1,
The transmitted light,
A light beam path control device in which a width of a light beam is enlarged before and after passing through the second grating by an incident wave field of the light beam transmitted into the second light guide plate.
제1항에 있어서,
상기 출력된 광선은,
가간섭성을 갖는 입사 파동장을 통해 생성되며, 공간적으로 균질한 세기를 갖는 광선 경로 제어 장치.
According to claim 1,
The output light beam,
A light path control device generated through a coherent incident wave field and having a spatially homogeneous intensity.
제1항에 있어서,
상기 제2 격자는,
상기 제2 도광판을 통과한 광선의 입사각-상기 광선의 입사각은 제2 투과각과 제2 도광판의 굴절률로 결정됨-을 고려하여 제2 격자의 출광면에 수직한 각도로 출광되도록 제2 도광판의 일면에 연결되는 광선 경로 제어 장치.
According to claim 1,
The second grid,
Considering the angle of incidence of light passing through the second light guide plate, the angle of incidence of the light beam is determined by the second transmission angle and the refractive index of the second light guide plate. Connected light path control device.
삭제delete 광원으로부터 출력된 광선을 평행한 직진 형태의 광선으로 변환하는 집광부;
상기 집광부로부터 출력된 광선이 제1 도광판의 주입면에 입사되어 상기 입사된 광선의 입사 파동장에 따라 제1 격자를 통해 제2 도광판의 내부로 투과되는 제1 광선 확대부-상기 제1 격자를 통해 투과되는 광선은, 상기 입사 파동장에 의해 광선의 폭이 확대되어 제2 도광판의 내부로 투과됨-; 및
상기 제1 광선 확대부를 통해 투과된 광선이 제2 도광판을 통과하여 통과한 광선의 입사 파동장에 따라 제2 격자를 통해 디스플레이에 수직 방향으로 출력되는 제2 광선 확대부-상기 제2 격자를 통해 투과되는 광선은 상기 입사 파동장에 의해 광선의 폭이 확대되어 디스플레이로 출력됨-;
를 포함하고,
상기 제1 격자를 통해 투과되는 광선은,
상기 제1 격자의 회절 조건에 따라 제1 도광판의 굴절률과 동일한 굴절률을 갖는 제2 도광판의 내부로 투과되고,
상기 제1 광선 확대부와 제2 광선 확대부는,
상기 제1 광선 확대부를 구성하는 제1 격자의 일면이 제2 광선 확대부를 구성하는 제2 도광판의 일면과 서로 맞닿도록 배치되어 일체형으로 접합됨으로써 기하학적인 단면 구조를 가지고,
상기 제1 격자를 통해 투과되는 광선이 상기 제2 도광판의 내부로 진입 되도록 제1 투과각에 따른 기울기로 상기 제1 광선 확대부와 제2 광선 확대부가 연결되는 광선 경로 제어 장치.
A light condenser for converting light beams output from the light source into parallel straight beams;
The first light beam enlargement unit-the first grating transmitted through the first grating through the first grating in accordance with the incident wave length of the incident light incident on the injection surface of the first light guide plate by the light output from the light converging unit The light transmitted through the light beam is enlarged by the incident wave field, and transmitted through the second light guide plate; And
A second light beam expanding unit outputs through the second light guiding plate in a vertical direction to a display through a second grid according to the incident wave length of the light beam passing through the second light guide plate through the second light grid The transmitted light is output to the display by expanding the width of the light by the incident wave field;
Including,
The light transmitted through the first grid,
According to the diffraction conditions of the first grating is transmitted to the interior of the second light guide plate having the same refractive index as the refractive index of the first light guide plate,
The first light beam expanding unit and the second light beam expanding unit,
One surface of the first lattice constituting the first light beam expander is disposed to be in contact with each other and one surface of the second light guide plate constituting the second light beam expander, and has a geometric cross-sectional structure.
A light path control device connected to the first light beam expansion unit and the second light beam expansion unit at a slope according to a first transmission angle so that the light beam transmitted through the first grating enters the interior of the second light guide plate.
제11항에 있어서,
상기 제1 광선 확대부는,
상기 광원으로부터 출력된 광선(light beam)이 입사되는 제1 도광판 -상기 광선은 제1 입사각으로 제1 도광판의 주입면에 입사되어 제1 투과각으로 투과되며, 제1 격자에 대해 수직 방향으로 출력됨-; 및
상기 제1 도광판에 입사된 광선이 제2 도광판의 내부로 투과되는 제1 격자 -상기 제1 격자를 통해 투과되는 광선은, 제1 격자의 격자면에 상기 제1 투과각에 대응하는 제2 입사각으로 입사되어 제2 투과각으로 제2 도광판의 내부로 투과됨-;
를 포함하는 광선 경로 제어 장치.
The method of claim 11,
The first light beam expanding unit,
A first light guide plate from which the light beam output from the light source is incident-The light beam is incident on the injection surface of the first light guide plate at a first incident angle and transmitted at a first transmission angle, and output in a vertical direction with respect to the first grid being-; And
A first grating through which the light incident on the first light guide plate is transmitted to the interior of the second light guide plate, wherein the light transmitted through the first grating is a second incident angle corresponding to the first transmission angle on the grating surface of the first grating. Is incident and is transmitted into the second light guide plate at the second transmission angle-;
Light beam path control device comprising a.
제12항에 있어서,
상기 입사된 광선은,
공기의 굴절률에 따른 상기 제1 도광판의 주입면에서 발생하는 표면 반사율을 고려하여 상기 주입면에 대하여 P-편광 상태로 입사되는 광선 경로 제어 장치.
The method of claim 12,
The incident light beam,
A light path control device incident on the injection surface in a P-polarized state in consideration of the surface reflectivity generated at the injection surface of the first light guide plate according to the refractive index of air.
삭제delete 제12항에 있어서,
상기 제1 투과각은,
상기 제1 도광판에 입사된 광선의 제1 입사각, 제1 격자의 격자 방향 및 제1 격자의 격자 주기에 의해 결정되는 광선 경로 제어 장치.
The method of claim 12,
The first transmission angle,
A light path control device determined by a first incident angle of light incident on the first light guide plate, a grating direction of the first grating, and a grating period of the first grating.
삭제delete 제12항에 있어서,
상기 제2 광선 확대부는,
상기 제1 격자를 통해 투과된 광선이 통과하여 제2 격자에 입사되는 제2 도광판 -상기 제2 도광판을 통과하는 광선은, 상기 제2 투과각과 제2 도광판의 굴절률에 따라 결정됨-; 및
상기 제2 도광판을 통과한 광선이 입사되는 제2 격자 -상기 제2 격자로 입사된 광선은 제2 격자의 일면에 대해 수직 방향으로 출력됨-
를 포함하는 광선 경로 제어 장치.
The method of claim 12,
The second light beam expanding unit,
A second light guide plate through which the light transmitted through the first grating passes through and enters the second grating, wherein the light passing through the second light guide plate is determined according to the second transmission angle and the refractive index of the second light guide plate; And
A second grating through which the light passing through the second light guide plate is incident-A light incident on the second grating is output in a direction perpendicular to one surface of the second grating-
Light beam path control device comprising a.
제17항에 있어서,
상기 투과된 광선은,
상기 제2 도광판의 내부로 투과된 광선의 입사 파동장에 의하여 제2 격자를 투과하기 전과 투과한 후에 광선의 폭이 확대되는 광선 경로 제어 장치.
The method of claim 17,
The transmitted light,
A light beam path control device in which a width of a light beam is enlarged before and after passing through the second grating by an incident wave field of the light beam transmitted into the second light guide plate.
제17항에 있어서,
상기 출력된 광선은,
가간섭성을 갖는 입사 파동장을 통해 생성되며, 공간적으로 균질한 세기를 갖는 광선 경로 제어 장치.
The method of claim 17,
The output light beam,
A light path control device generated through a coherent incident wave field and having a spatially homogeneous intensity.
제17항에 있어서,
상기 제2 격자는,
상기 제2 도광판을 통과한 광선의 입사각을 고려하여 제2 격자의 출광면에 수직한 각도로 출광되도록 제2 도광판의 일면에 연결되는 광선 경로 제어 장치.
The method of claim 17,
The second grid,
A light path control device connected to one surface of the second light guide plate so that light is emitted at an angle perpendicular to the light exit surface of the second grating in consideration of the incident angle of the light beam passing through the second light guide plate.
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