KR102251126B1 - 포토폴리머를 이용한 풀컬러 홀로그램 광학소자 제조 방법 및 풀컬러 홀로그램 광학소자를 구비한 헤드업 디스플레이 장치 - Google Patents

포토폴리머를 이용한 풀컬러 홀로그램 광학소자 제조 방법 및 풀컬러 홀로그램 광학소자를 구비한 헤드업 디스플레이 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명의 렌즈 및 상기 렌즈의 초점거리보다 멀리 이격되어 위치하는 홀로그램 기록매질을 포함하는 풀컬러 홀로그램 광학소자 제조 장치에서의 풀컬러 홀로그램 광학소자 제조 방법에서, R(Red), G(Green), B(Blue)의 각 파장을 갖는 레이저 빔이 혼합된 신호빔을 상기 렌즈에 입사시키는 단계 및 R, G, B의 각 파장을 갖는 레이저 빔이 혼합된 참조빔을 상기 홀로그램 기록매질에 입사시키는 방식으로 홀로그램을 기록하는 단계를 포함하며, 상기 홀로그램 기록매질은 단일 매질로 구성된다.
본 발명에 의하면, 기존의 적층형태의 풀 컬러 홀로그램 광학소자가 아닌, 포토폴리머를 이용한 단일 매질에 홀로그램을 기록하여 제조함으로써, 반사광으로 인한 왜곡현상을 방지하고, 일정한 수율을 나타내며, 회절 효율을 향상시킬 수 있다는 효과가 있다.

Description

포토폴리머를 이용한 풀컬러 홀로그램 광학소자 제조 방법 및 풀컬러 홀로그램 광학소자를 구비한 헤드업 디스플레이 장치{Method for obtaining full-color hologram optical element using photopolymer, and head-up display apparatus with the same}
본 발명은 홀로그램 광학소자에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 풀컬러 홀로그램 광학소자를 제조하는 방법에 관한 것이다.
홀로그래피는 빛의 회절과 간섭현상을 이용하여 기록매체에 빛의 진폭 정보뿐만 아니라 위상 정보까지 기록하고 재생하는 기술이다. 홀로그래픽 디스플레이는 보다 완벽한 입체를 보여 줄 수 있는 궁극의 3D 기술이다. 영상의 입체정보를 기록할 수 있는 홀로그램 매질에는 은염 사진 건판, Dichromate, Gelatin, photochromic, photorefractive crystal, 포토폴리머(Photopolymer) 등 여러 종류가 있다.
최근 들어 홀로그램 매질 부분에서 많이 연구되고 있는 것은 포토폴리머이다. 포토폴리머는 고감도, 간단한 실시간 처리, 높은 회절효율, 고 분해능, 저렴한 가격 등의 장점 때문에 홀로그램 기록 응용에 손쉽게 사용할 수 있다. 홀로그래픽 디스플레이 기술에 포토폴리머를 기록매질로 적용하기 위해서는 매질이 갖고 있는 광학적 특성을 분석해야 할 필요가 있다.
홀로그램 매질을 이용한 홀로그램 광학소자는 주로 단색의 파장에 대응하여 회절 가능한 연구물들이 주를 이루는데, 아날로그 이미지 홀로그램과 달리 파장선택성과 각도선택성에 큰 영향을 받는 홀로그램 광학소자는 각 파장마다 특성이 다르기 때문이다.
최근 증강현실에 사용되고 있는 홀로그램 광학소자는 이러한 특성에 의해 한 장의 홀로그램 매질이 아닌 두 장 이상 적층하여 광학소자를 제작하는 방식을 취한다. 그러나, 이러한 구조는 적층 구조에서 각 층마자 증착되어 있는 홀로그램 매질의 굴절률에 의한 반사광으로 인한 왜곡정보와 일정한 수율을 가질 수 없다는 점이 단점으로 지적받고 있다.
한편, 21세기의 인간의 생활 공간을 살펴보면 크게 집, 일터, 그리고 이동공간, 세가지로 구분할 수 있다. 특히, 대부분의 이동공간을 차지하고 있는 것이 차량이다. 그래서, 차량에 있는 시간이 증가함에 따라 주거 공간에서 이용되는 전자제품들이 차량 안에서도 사용할 수 있도록 개발되고 있다.
예를 들어, 오디오 비디오 시스템 설치, 간이 냉장고 등이 들 수가 있다. 또한, 전자제품들이 발달됨에 따라 운전에 도움을 주는 분야에도 적용되어 편리를 도모 하고 있다. 대표적인 예로, 자동차 네비게이션이 있다. 그런데, 운전자는 시야에 있는 사물들을 확인해야 하며 차량이 주행상태도 확인하면서 운전해야 한다. 운전 중 운전자의 안전을 제공하고 차량 주행정보와 주변상황 정보를 효과적으로 운전자에게 전달해주는 매체로 개발중인 여러 시스템이 있는데, 그 중 HUD(Head Up Display)가 주요 관심사가 되고 있다.
이처럼 최근 차량의 운전석 전면(Front) 유리창(Windshield)에 다양한 차량 정보를 가상 이미지로 표시하여, 운전자가 차량 운전 중 전방을 계속 주시하면서 동시에, 차량 정보를 확인할 수 있도록 하기 위한 헤드업 디스플레이(HUD: Head Up Display) 시스템이 개발되어 차량에 탑재되고 있다.
헤드업 디스플레이란 차량이나 항공기 주행 중 운전자 정면 즉, 운전자의 주 시야선을 벗어나지 않는 범위에서 차량주행정보나 기타 정보를 제공하는 시스템이다.
보통 시속 약 100m/h 운전 중에 시야를 계기판에 두었다가 도로로 시야를 고정시키는 시간(약 2초)에 약 55m 이동하기 때문에 위험은 존재한다. 이러한 위험을 줄이는 방법의 하나로 차량용 HUD를 개발하여 사용하고 있다. 차량용 HUD는 앞 유리창의 운전자의 주시야 선에 계기판의 정보(속력, 주행거리, RPM 등)를 나타나게 하여 운전자가 운전 중에도 쉽게 주행정보를 파약할 수 있도록 한다. 이로써 운전자는 도로로부터 눈을 떼지 않고도 중요한 주행정보를 인지함으로써 안전 운행을 할 수 있는 것이다.
일반적으로, 헤드업 디스플레이 시스템은 표시부, 광학계, 홀로그래픽 컴바이너(holographic combiner) 등으로 구성되어 차량 전방의 허공에 주행과 관련된 각종 정보를 운전자에게 보여주는 시스템이다.
도 1은 헤드업 디스플레이가 장착된 차량의 윈드실드에 맺히는 가상 이미지를 나타낸 것이다.
도 1에서 윈드실드에 차량 정보가 표시된 가상 이미지(10)가 표시되어 있는 것을 확인할 수 있다.
즉, 헤드업 디스플레이 장치는 현재 차량의 속도, 위치 등의 주행정보를 표시부 통해 소정의 이미지로 만들고, 그 이미지를 광학계를 사용하여 차량의 전면 유리창인 윈드실드(windshield)에 부착된 홀로그래픽 컴바이너에 투사시키게 되면, 차량 전방의 허공에 소정의 허상이 결상되어, 운전자는 그를 통해 시야를 돌려 계기판을 확인하지 않고도 현재 차량의 위치나 속도 등의 주행과 관련된 정보 등을 볼 수 있도록 하는 것이다.
이처럼, 차량용 헤드업 디스플레이는 운전자에게 내비게이션을 포함한 다양한 정보를 제공해준다. 그러나, 종래의 헤드업 디스플레이의 경우 대부분 고정된 위치에 영상정보가 재생되므로, 전방 주시가 필수적인 운전자들에게 시야의 주시 영역에 있어서 혼돈을 준다. 따라서, 차량용 헤드업 디스플레이의 연구 초점은 운전자의 시선 분산을 최소화함으로써, 안전한 시각적 정보를 제공할 수 있어야 한다.
대한민국 공개특허 10-2018-0113403
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 반사광으로 인한 왜곡현상을 방지하고, 일정한 수율을 나타내며, 회절 효율을 향상시킬 수 있도록, 포토폴리머를 이용한 단일 매질의 풀컬러 홀로그램 광학소자를 제조하는 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명의 목적은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 통상의 기술자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
이와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 렌즈 및 상기 렌즈의 초점거리보다 멀리 이격되어 위치하는 홀로그램 기록매질을 포함하는 풀컬러 홀로그램 광학소자 제조 장치에서의 풀컬러 홀로그램 광학소자 제조 방법에서, R(Red), G(Green), B(Blue)의 각 파장을 갖는 레이저 빔이 혼합된 신호빔을 상기 렌즈에 입사시키는 단계 및 R, G, B의 각 파장을 갖는 레이저 빔이 혼합된 참조빔을 상기 홀로그램 기록매질에 입사시키는 방식으로 홀로그램을 기록하는 단계를 포함하며, 상기 홀로그램 기록매질은 단일 매질로 구성된다.
본 발명의 일 실시예에서 상기 홀로그램 기록매질은 포토폴리머로 구현될 수 있다.
상기 풀컬러 홀로그램 광학소자 제조 장치는, 상기 포토폴리머에 홀로그램 격자를 기록할 때, R, G, B의 각 레이저 빔에 대한 반응속도를 측정하고, 각 레이저 빔의 반응속도 순서의 역순으로 레이저 빔의 세기를 설정할 수 있다.
레이저 빔을 상기 포토폴리머에 조사하여, 홀로그램 격자 형성이 시작되기 전까지 반응이 일어나지 않는 시간을 무반응 시간이라고 할 때, 상기 풀컬러 홀로그램 광학소자 제조 장치는, R, G, B의 각 레이저 빔에 대한 무반응 시간이 모두 동일하도록, R, G, B의 레이저 빔의 세기를 설정할 수 있다.
본 발명에 의하면, 기존의 적층형태의 풀 컬러 홀로그램 광학소자가 아닌, 포토폴리머를 이용한 단일 매질에 홀로그램을 기록하여 제조함으로써, 반사광으로 인한 왜곡현상을 방지하고, 일정한 수율을 나타내며, 회절 효율을 향상시킬 수 있다는 효과가 있다.
특히, 본 발명의 풀 컬러 홀로그램 광학소자는 차량용 HUD, 홀로그래픽 스크린, 홀로그래픽 렌즈, 웨어러블 디바이스 등에 폭 넓게 활용될 수 있을 것으로 예상된다.
도 1은 헤드업 디스플레이가 장착된 차량의 윈드실드에 맺히는 가상 이미지를 나타낸 것이다.
도 2는 기존 헤드업 디스플레이 장치를 도시한 것이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 헤드업 디스플레이 장치의 구조를 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 홀로그램 광학소자 렌즈를 이용한 재생 형태를 보여주는 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 홀로그램 광학소자 재생면의 등가구조도를 나타낸 것이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 운전자의 시점에서 바라 본 헤드업 디스플레이 장치의 구조를 나타낸 것이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 홀로그램 광학소자 렌즈의 제작 과정을 설명하기 위한 도면이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 풀 컬러 홀로그램 광학소자의 특성 기록 및 분석 시스템의 구조를 나타낸 도면이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 빔 세기 비 조건을 탐색하기 위한 흐름도이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 빔 세기 비와 무반응 시간의 관계를 확인하기 위한 흐름도이다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 빔 세기 비와 무반응 시간을 통해 회절 효율을 측정하기 위한 흐름도이다.
도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 파장별 빔 세기별 회절 효율 특성을 도시한 그래프이다.
도 13 내지 도 16은 본 발명의 일 실시예에 따른 파장별 빔 세기별 무반응 시간 특성을 도시한 그래프이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 갖고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 갖는 의미와 일치하는 의미를 갖는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
또한, 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 도면 부호에 관계없이 동일한 구성 요소는 동일한 참조 부호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
도 2는 기존 헤드업 디스플레이 장치를 도시한 것이다.
도 2에서 (a)는 볼록 렌즈를 이용한 헤드업 디스플레이 장치이고, (b)는 미러(mirror)를 이용한 헤드업 디스플레이 장치이고, (c)는 미러와 오목 렌즈를 이용한 헤드업 디스플레이 장치를 도시한 것이다.
도 2의 (a)의 경우, 운전자의 눈의 위치가 디스플레이 및 볼록 렌즈의 반대쪽에 위치하며, 운전자의 시점은 영상 정보를 확인하기 위해 볼록 렌즈 방향에 두기 때문에, 운전 중 부주의를 유발할 가능성이 있다.
도 2의 (b)의 경우, 디스플레이와 미러 사이의 광경로만큼 가상면이 생성되기 때문에 대부분 짧은 위치의 가상면을 제공하게 된다. 따라서 가상면의 위치를 더 넓히기 위해서는 디스플레이와 미러 사이에 광학계를 추가해야 한다.
도 2의 (c)의 경우, 도 2의 (b)의 구조에서 광학계로 오목렌즈가 추가된 구조이다. 그러나, 이러한 구조 역시 차량의 대시보드 근처에 많은 공간을 차지하게 된다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 헤드업 디스플레이 장치의 구조를 나타낸 도면이다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 헤드업 디스플레이 장치는 깊이 카메라(depth camera)(110), 컨트롤러(120), 모터 스테이지(motor stage)(130), 디스플레이(140), 홀로그램 광학소자(Hologram Optical Element, HOE) 렌즈(150)를 포함한다.
깊이 카메라(110)는 전방을 촬영하여 3차원의 거리 정보를 획득한다. 보다 구체적으로, 본 발명에서 깊이 카메라(110)는 전방 도로의 원근 거리 정보를 획득하거나, 지평선(horizon)을 기준으로 차량과의 거리를 계산하여 3차원 정보 정보를 획득할 수 있다.
컨트롤러(120)는 헤드업 디스플레이 장치의 전반적인 동작을 제어하는 구성요소로서, 디스플레이부(140)에 영상신호가 표출되도록 제어한다.
모터 스테이지(130)는 홀로그램 광학소자 렌즈(150)에 대하여 디스플레이부(140)를 전후로 이동시키는 역할을 한다.
디스플레이부(140)는 컨트롤러(120)의 제어에 따라 영상신호를 표출하는 역할을 한다.
홀로그램 광학소자 렌즈(150)는 미리 정해진 거리에 가상 스크린이 위치되도록 디스플레이부(140)에서 표출되는 영상을 반사시키는 소자이다.
본 발명의 일 실시예에서 컨트롤러(120)는 깊이 카메라(110)로부터 획득한 거리 정보를 기반으로 운전자의 주시점의 거리를 계산하여 가상 스크린이 재생되는 위치 정보를 계산하고, 계산한 위치 정보에 가상 스크린이 위치되도록 모터 스테이지(130)를 구동시킬 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서 가상 스크린이 재생되는 위치정보를 기반으로 계산된 홀로그램 광학소자 렌즈(150)와 디스플레이부(140) 사이의 거리 정보가 룩업 테이블(Look-Up Table)에 미리 저장되어 있을 수 있다. 이때, 컨트롤러(120)는 룩업 테이블을 참조하여, 가상 스크린의 위치 정보에 따라 디스플레이부(140)가 위치되도록 모터 스테이지(130)를 구동시킬 수 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 홀로그램 광학소자 렌즈를 이용한 재생 형태를 보여주는 도면이고, 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 홀로그램 광학소자 재생면의 등가구조도를 나타낸 것이다.
도 4 및 도 5를 참조하면, 렌즈 특성이 기록된 홀로그램 광학소자 렌즈(150)에 디스플레이부(140)로부터 영상을 입사시키면, 사람의 눈으로 영상의 정보가 전달된다.
본 발명의 헤드업 디스플레이 장치에서 홀로그램 광학소자 렌즈(150)와 디스플레이부 사이의 거리를 a라 하고, 홀로그램 광학소자 렌즈(150)와 운전자의 눈 사이의 거리를 b라 하면, 홀로그램 광학소자 렌즈(150)와의 거리가 b인 지점에 가상 스크린이 위치하도록하는 광학 특성을 갖는다.
즉, 도 4에서 본 발명의 헤드업 디스플레이 장치에서 홀로그램 광학소자 렌즈(150)를 기준으로 디스플레이부(140)까지의 거리를 a라 하고, 운전자의 눈까지의 거리를 b라 할 때, 본 발명의 홀로그램 광학소자 렌즈(150)는 도 5에 도시된 것과 같은 특성을 갖는다.
도 5에서 (a)의 경우, 대물렌즈를 기록할 때, a 만큼의 초점거리를 설정하여 기록하면 재생 시 최대 거리인 b에서 가상 스크린(510)면이 형성된다. 이때, 영상 품질은 홀로그램 광학소자로 제작된 렌즈의 특성에 따라 조금씩 변하며 최대 초점 거리 a보다, 디스플레이부(140)와 홀로그램 광학소자 렌즈(150) 렌즈 사이의 거리가 5~10% 정도 짧은 거리에서 깨끗한 품질의 영상이 생성된다. 이는 홀로그램 광학소자 렌즈를 기록할 때 대칭 또는 비대칭의 각도를 형성해야 하기 때문에 중심축에 대한 각도의 오차가 발생하기 때문이다.
도 5에서 (b)의 경우, (a)의 경우에 비해 디스플레이부(140)와 홀로그램 광학소자 렌즈(150) 렌즈 사이와의 거리가 좁혀질 때의 영상이 결상되는 구조를 나타낸 것이다. 홀로그램 광학소자 렌즈를 이용한 렌즈의 경우, 가상 스크린(510)까지의 거리가 줄어들며, 그에 해당하는 스크린의 폭 또한 줄어들 뿐, 왜곡의 문제나 결상의 가부에 대한 문제는 발생하지 않는다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 운전자의 시점에서 바라 본 헤드업 디스플레이 장치의 구조를 나타낸 것이다.
도 6을 참조하면, 운전자의 시점에서, 윈드실드(Windshield)(620)에 가상 스크린 면(610)이 위치한 것을 확인할 수 있다. 그리고, 도로(630)와 지평선(Road horizon)(640)이 표시되어 있다.
깊이 카메라(110)는 도로 전방의 원근법을 사용하거나 또는 지평선(Road horizon(640)을 기준으로 차량과의 거리를 계산하여 가상 스크린이 재생되는 위치 정보를 계산한다.
그리고, 컨트롤러(120)는 깊이 카메라(110)에서 계산된 정보를 토대로 미리 계산된 룩업 테이블을 참조하여 디스플레이부(140) 위치를 이동시킨다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 홀로그램 광학소자 렌즈의 제작 과정을 설명하기 위한 도면이다.
홀로그램 기록매질(750)은 대물렌즈(710, 또는 볼록렌즈)를 이용하여 렌즈를 복사한다. 도 7에서, 대물렌즈(710)의 초점거리는 720에 해당하는 거리이다. 도 7에서, 홀로그램 기록매질(750)은 대물렌즈(710)의 초점에서 730에 해당하는 거리 만큼 떨어진 위치에 위치한다. 분해능이 가능한 범위 내에서, 730의 길이는 720 보다 클 수도 있고 작을 수도 있다.
도 7의 730은 도 5의 (a)에서 a 에 해당한다. a는 복사된 홀로그램 기록매질(750)에 대응하는 홀로그램 광학소자 렌즈(150)의 초점거리의 최대값이다. 도 5의 (b)의 a 는 730보다 작지만 분해능이 가능한 거리이다. 예를 들어, 730이 100mm일 경우 도 5의 (b)의 a는 100mm 보다 작다. 만약, 도 5의 (b)의 a가 50mm 라고 해도, 원래 홀로그램 기록매질(750)이 가지고 있는 초점의 경향성(원래 대물렌즈가 가지고 있는 Numerical Aperture : NA)은 유지되기 때문에, 홀로그램 광학소자 렌즈(150)의 초점거리는 여전히 100mm 이다.　
따라서, 디스플레이부(140)의 영상에 대한 포커싱이 가능하므로, 도 5 (b)의 가상 스크린(510) 면의 폭이 도 5 (a)의 가상 스크린(510) 면의 폭보다 작아지더라도 영상이 깨끗하게 결상된다. 다시 말해서, 일단 렌즈 특성을 복사하면, 복사한 렌즈의 초점거리와 상관 없이, 도 5 (b)의 a가 복사한 렌즈의 NA 각도 내에 포함되어 있다면 b만큼 떨어진 위치의 가상면에 영상이 깨끗하게 결상된다.
다시 도 7을 참조하면, 본 발명에서 제안하는 홀로그램 광학소자 렌즈를 제작하는 방법은, 피사계 심도가 크거나 NA(Numerical Aperture)가 큰 제1렌즈(710)에 633nm, 532nm, 473nm의 파장을 갖는 레이저가 혼합된 신호빔(Signal beam)을 입사시키면, 제1렌즈(710)의 초점거리(720)에 신호빔이 수렴된 후, 초점면을 지나면 발산 형태로 변하여 홀로그램 기록매질(750)에 입사된다. 일반적으로 높은 NA 값을 갖는 렌즈를 이용하면 짧은 초점거리를 갖는 대신 초점면으로 수렴되는 각도가 크다.
제1렌즈(710)의 초점면을 지나는 신호빔으로부터 원하는 면적과 초점거리만큼 홀로그램 기록매질(750)을 이격시킨 후, 참조빔(Reference beam)을 이용하여 홀로그램 기록매질(750)에 기록하면, 원하는 홀로그램 기록면의 면적과 초점 거리를 갖는 홀로그램 광학소자 렌즈를 제작할 수 있다.
도 7에서, 홀로그램을 대칭으로 기록하기 위해서 홀로그램 기록매질(750)을 제1렌즈(710)의 수평 방향에 수직인 수직축을 기준으로 θ° 만큼 기울인다. 그리고, 633nm, 532nm, 473nm의 레이저가 혼합된 참조빔(Reference beam)을 제1렌즈(710)의 수평축에 대하여 2θ° 만큼 기울여 홀로그램 기록매질(750)에 입사시킨다. 포토폴리머의 경우, 홀로그램 광학소자 렌즈의 면적이 약 4인치 수준이고, 제1렌즈(710)의 수평축에 대하여 2θ°의 각도가 15~30° 로 참조빔을 입사시킬 때, 재생 시 왜곡이 적고 회절효율이 높은 홀로그램 광학소자 렌즈를 제작할 수 있다. 특히, 제1렌즈(710)의 수평축에 대하여 2θ°의 각도가 15° 일 경우 왜곡면이 최소화되고, 25~30°에서는 회절효율이 가장 높다. 만약 30° 이상일 경우, 홀로그램 광학소자 렌즈의 면적이 4인치에서는 양쪽 눈에 매칭되는 영상이 하나만 재생되는 경우가 발생하므로, 2θ°의 각도가 30° 이상을 구현하기 위해서는 4인치보다 큰 홀로그램 기록매질을 사용해야 한다.
이를 정리하면, 본 발명의 제1렌즈(710) 및 제1렌즈(710)의 초점거리보다 멀리 이격되어 위치하는 홀로그램 기록매질(750)을 포함하는 풀컬러 홀로그램 광학소자 제조 장치에서의 풀컬러 홀로그램 광학소자 제조 방법에서, R(Red), G(Green), B(Blue)의 각 파장을 갖는 레이저 빔이 혼합된 신호빔을 제1렌즈(710)에 입사시키는 단계 및 R, G, B의 각 파장을 갖는 레이저 빔이 혼합된 참조빔을 홀로그램 기록매질(750)에 입사시키는 방식으로 홀로그램을 기록하는 단계를 포함한다.
본 발명에서는 홀로그램 기록매질(750)을 단일 매질로 구현할 수 있으며, 이에 대한 상세한 설명을 후술하기로 한다.
포토폴리머(Photopolymer)는 크게 커버 레이어(Cover layer(polyethylene film)), 포토폴리머 레이어(photopolymer layer), 기판 레이어(substrate layer)로 이루어지며, 기존에는 기판 레이어(substrate layer)를 감싸는 커버 레이어(cover layer)가 주를 이루었으나, 최근에는 커버 레이어 대신 TAC(cellulose triacetate film)를 주로 이용한다.
포토폴리머 내부는 매트릭스 전구체와 파장 반응에 대응하는 이미징(imaging) 컴포넌트들이 상호 결합된 매트릭스 구조로 구성되어 있으며, 홀로그램 기록시 생성되는 간섭 패턴에 의해 굴절률이 변화하며 격자를 생성하게 된다. 이 때 이미징 컴포넌트는 파장별로 결합 반응에 대한 특성이 다르다.
본 발명은 이러한 포토폴리머에서 이미징 컴포넌트의 결합 반응을 최적화하는 기록 방법과, 이를 통해 한 장의 매질에 R(red), G(green), B(blue) 파장의 회절 효율을 각 50% 이상으로 향상시키는 방법을 제안한다.
본 발명은 다음과 같은 시스템과 기록 방법을 제안한다.
먼저, 본 발명에서는 반사형 회절 격자의 입사 각도에 따른 회절 효율을 측정하는 것을 제안한다. 홀로그램 광학소자의 경우, 대칭 및 비대칭 구조로 사용하고자 하는 응용 분야에 따라 기록 각도 또한 달라진다. 일반적으로 포토폴리머의 경우 R, G, B 파장별 반응 속도, 회절 효율, 기록 시간 등의 특성이 각각 다르나, 기록 각도에 대한 회절 효율 측면에서는 비슷한 경향성을 갖는다. 따라서 기록광의 경우 렌즈 특성을 갖고 포토폴리머에 수직으로 입사하도록 하고, 참조광의 경우 각기 다른 각도로 포토폴리머에 입사할 때의 회절 효율 특성을 분석한다. 이 방법은 대칭과 비대칭 형태로 모두 기록할 수 있으나, 대칭 형태가 비대칭 형태에 비해 회절 효율이 약 1~2% 더 높게 나오기 때문에, 입사 각도에 대한 빠르고 정확한 결과 확인이 가능하며, HUD에 사용될 홀로그램 광학소자와 같이 입사각과 회절각이 중요한 분야에 적용할 수 있다. 그리고, 이렇게 확인된 결과를 토대로 최고 효율이 나올 수 있는 대칭 및 비대칭 홀로그램 광학소자의 입사 각도를 설정할 수 있다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 풀 컬러 홀로그램 광학소자의 특성 기록 및 분석 시스템의 구조를 나타낸 도면이다.
도 8은 R, G, B 레이저를 이용하여 반사형 포토폴리머를 기록하여 렌즈 특성을 갖는 홀로그램 광학소자를 기록 및 특성 분석을 위한 시스템의 구조도이다.
도 8을 참조하면, 홀로그램 광학소자 기록 및 특성 분석 시스템(800)은 그린 레이저(801), 레드 레이저(802), 블루 레이저(803), 빔 스티어링(Beam steering)(804), 어네뉴에이터(attenuator)(805), 제1 하프웨이브 플레이트(Half wave plate)(806), 제1 셔터(Shutter)(807), 제1 미러(mirror)(808), 제2 미러(809), 제3 미러(810), 공간 필터(spatial filter)(811), 제1 렌즈(812), 제1 개구부(aperture)(813), PBS(polarization beam splitter)(814), 제2 셔터(815), 제2 하프웨이브 플레이트(816), 제1 회전 스테이지(817), 제2 회전 스테이지(818), 제3 회전 스테이지(819), 포토폴리머(820), 제4 미러(821), 제5 미러(822), 제2 렌즈(823), 제2 개구부(824), 옵티컬 파워 미터(Optical power meter)(825), 셔터 컨트롤러(840), 모터 컨트롤러(850)를 포함한다.
제2 회전 스테이지(818)와 제3 회전 스테이지(819)에는 각각 미러(821, 822)가 장착되어 있으며, 제1 회전 스테이지(817)에는 홀로그램 광학소자인 포토폴리머(820)가 장착된다.
그린 레이저(801)는 그린 파장대의 레이저 광원을 출력하고, 레드 레이저(802)는 레드 파장대의 레이저 광원을 출력하고, 블루 레이저(803)는 블루 파장대의 레이저 광원을 출력한다.
그린 레이저(801), 레드 레이저(802), 블루 레이저(803)에서 출력되는 광원 방향으로, 빔 스티어링(804), 어테뉴에이터(805), 제1 하프웨이브 플레이트(806), 제1 셔터(807)가 순차적으로 각각 위치할 수 있다.
그린 레이저(801), 레드 레이저(802), 블루 레이저(803)에서 발생하는 레이저의 출력을 제어하기 힘든 경우, 어테뉴에이터(805)를 통과시킴으로써 레이저 출력을 감쇠시킬 수 있다.
그리고, 하프웨이브 플레이트(806)는 레드, 그린, 블루 파장대의 레이저 빔의 파장을 1/2로 조절하는 역할을 한다.
그리고, 제1 셔터(807)를 통해 레드, 그린, 블루 레이저의 출력 여부를 제어한다.
제1 미러(808)는 그린 파장대의 레이저를 반사시키도록 코팅된 미러이고, 제2 미러(809)는 그린 파장대의 레이저를 투과시키고 레드 파장대의 레이저를 반사시키도록 코팅된 미러이고, 제3 미러(810)는 그린 및 레드 파장대의 레이저를 통과시키고 블루 파장대의 레이저를 반시키도록 코팅된 미러이다.
제1 미러 내지 제3 미러(808~810)에 투과 및 반사된 레이저 빔은 공간 필터(811)를 통과하여 합쳐지고, 제1 렌즈(812)와 제1 개구부(813))를 통과한다. 제1 개구부(813)의 경우 최종 기록단에서의 빔 크기를 제어하기 위해 사용되며 제1 개구부(813)의 크기에 따라 다양한 크기의 빔을 사용할 수 있다.
제1 개구부(813)를 통과한 레이저 빔은 PBS(814)를 통과하여 두 방향으로 분리되며, 제2 회전 스테이지(818)와 제3 회전 스테이지(819)로 전달된다. 여기서, PBS(814)와 제2 회전 스테이지(818) 사이에 제2 셔터(815)가 위치하고, 제3 회전 스테이지(819)와 제1 회전 스테이지(817) 사이에 제2 개구부(824)가 위치한다.
리니어 스테이지(Linear stage)(830)는 제1 회전 스테이지(817)가 직선으로 이동할 수 있도록 마련된다.
셔터 컨트롤러(840)는 제1 셔터(807) 및 제2 셔터(815)의 동작을 제어한다.
모터 컨트롤러(850)는 제1 회전 스테이지(817), 제2 회전 스테이지(818), 제3 회전 스테이지(819)의 구동을 제어하는 역할을 한다.
PBS(814)는 주 광원으로부터 입사되는 빔을 두 개의 광 경로로 분리한다.
그리고, 제2 회전 스테이지(818)는 PBS(814)에서 분리된 광 경로 중에서 제1 광 경로 상에 위치하고, 제3 회전 스테이지(819)는 PBS(814)에서 분리된 광 경로 중에서 제2 광 경로 상에 위치한다.
그리고, 제1 회전 스테이지(817)는 리니어 스테이지(830) 상에 위치하고, 포토폴리머(820)가 장착되어 있다.
옵티컬 파워 미터(825)는 레이저 빔이 포토폴리머(820)에 입사하여 홀로그램에 의해 발생하는 회절 현상을 기록하는 역할을 한다.
홀로그램 광학소자 기록 및 특성 분석 시스템(800)에서 세 개의 광원에 각각 위치한 어테뉴에이터(attenuator)(805)로 출력을 제어할 수 있고, 제1 회전 스테이지(817) 내지 제3 회전 스테이지(819)를 이용해 입사각도를 제어할 수 있다.
또한 기록된 포토폴리머의 회절 특성을 측정하기 위한 옵티컬 파워 미터(825)를 구비하여 기록매질의 특성을 분석할 수 있다. 이때, 옵티컬 파워 미터(825)는 홀로그램 기록시 각도 등에 따라 위치가 변할 수 있다.
또한, 본 발명에서는 첫 번째 입사 각도를 기준으로 각 R/G/B 파장을 이용하여 홀로그램을 기록할 때의 빔 세기의 비에 대한 조건을 분석한다.
홀로그램 격자(grating or interference pattern)을 기록할 때, 홀로그램 기록매질의 제한된 공간 내에 이미징 컴포넌트(모노머, Dye, 개시제 등의 여러 요소)는 한정된 자원을 갖기 때문에, 각 파장별로 그 자원을 서로 나누어 격자를 형성한다. 이 때 R, G, B 파장을 각각 기록하거나 또는 순차적으로 기록하는 것 보다 동시에 기록할 때, 형성되는 격자에 대한 회절 효율이 높다. 따라서 동시에 각 파장을 기록하기 위해서는 우선 각 파장의 빔 세기 비를 알아야 한다. 이는 포토폴리머 내부의 이미징 컴포넌트의 반응 속도가 파장에 따라 다르기 때문에 어떠한 파장이 빨리 반응하고 어떠한 파장이 늦게 반응하는지 파악하는 것이 중요하다. 왜냐하면 늦게 반응하는 파장이 소모할 자원을 빠르게 반응하는 파장 기록에서 사용할 수 있기 때문에 이미징 컴포넌트의 균등한 자원 할당을 위한 조건을 구하는 것이 중요하다. 예를 들어, 회절 격자 기록시 반응속도가 R>G>B 순서라고 할 경우 기록할 때의 빔 세기는 B>G>R 순서가 되어야 비슷한 회절 효율을 갖는 홀로그램 광학소자를 제작할 수 있는 것이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 빔 세기 비 조건을 탐색하기 위한 흐름도이다.
도 9를 참조하면, R/G/B의 빔 세기 비의 조건을 탐색하기 위하여(S901), R, G, B 파장 기록시 반응속도를 측정한다(S903). 그리고, R, G, B의 반응속도의 순서와 반대가 되도록 R, G, B의 빔 세기를 설정한다(S905~S927). 즉, 반응속도가 빠를수록 빔 세기가 약해지도록 R, G, B의 빔 세기 비를 설정하는 것이다.
예를 들어 R 파장이 가장 빠른 반응 속도를 가질 경우, G 파장과 B파장의 반응속도를 고려할 때 G파장이 B파장 보다 빠르다면, 반응속도의 빠르기 순서는 R>G>B의 순서이며, 이에 따라 빔 세기 비는 B>G>R이 되도록 하며, 홀로그램 기록 시 B 파장의 최대 빔 세기는 1mW/cm2 로 설정한다.
이처럼 홀로그램 격자(grating or interference pattern) 기록시 홀로그램 기록매질의 제한된 공간 내에 이미징 컴포넌트(모노머, 다이, 개시제 등의 여러요소)가 한정되어 있어서 각 파장별로 자원을 서로 나누어 격자가 생성된다. 이 때 R, G, B 를 각각 기록하는 것 보다 동시에 기록할 때 회절효율이 높다.
따라서 동시에 기록하기 위해서는 각 파장의 빔 세기 대비 반응속도에 대한 특성을 알아야 하는데, 가장 빨리 반응하는 파장의 순서를 파악한다.
이때 격자 기록시 파장별 빔세기가 1mw/cm2 이상으로 높으면 반응시간이 빨라 회절 효율이 수초 이내에 포화영역까지 도달해서 회절효율이 낮아진다.
또한 파장별 빔세기가 너무 낮으면, 장시간 노출로 인해 모노머가 폴리머화 되기전에 광 개시제나 다이(Dye)가 반응을 일으켜 회절 효율이 낮게 된다.
따라서, 기록 반응 속도가 빠를 수록 최종적으로 동시에 기록할 때 빔이 약해져야 하므로, 본 발명에서는 이에 대한 특성을 분석하였다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 빔 세기 비와 무반응 시간의 관계를 확인하기 위한 흐름도이다.
도 10은 도 9의 조건 탐색으로 설정된 최대 빔 세기의 파장이 정해지면 나머지 파장들의 빔 세기를 낮게 설정하여 순차적으로 0~500 초(s) 동안 홀로그램을 기록하고, 이때의 무반응 시간을 측정하는 알고리즘으로서, R, G, B의 최대 세기를 1mW/cm2 로 설정한 실시예이다.
일반적으로 포토폴리머를 이용한 홀로그램은 특정한 에너지 이상을 받아야 홀로그램 격자가 천천히 형성된다. 이 때 반응이 일어나지 않는 구간을 무반응 구간이라고 한다. 앞서 언급했듯이 포토폴리머 내부의 한정된 자원을 동시에 균일하게 할당하여 격자가 생성되어야 하므로 R, G, B 파장 모두 같은 무반응 시간을 갖는 조건을 찾는 것이 본 발명의 핵심이다.
도 10을 참조하면, 파장별 무반응 시간을 측정하기 위하여(S101), R, G, B의 최대 세기를 기준으로 약 5%씩 빔 세기를 줄이며 무반응 시간을 측정한다(S103~S113). 만약 B 파장의 최대가 1mW/cm2 이면(S111), G와 B 파장은 각각 0.5mW/cm2 로 설정하고, 20회 정도 빔 세기별 무반응 시간을 측정한다(S113).
그리고, 빔 세기 비와 무반응 시간과의 상관 그래프를 출력한다(S115).
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 빔 세기 비와 무반응 시간을 통해 회절 효율을 측정하기 위한 흐름도이다.
도 11은 도 10에서 도출된 빔 세기 비에 따른 무반응 시간에 대한 그래프 또는 측정결과를 통해 동일한 무반응 시간에서의 R, G, B 파장의 세기를 검색하는 알고리즘이다.
도 11에서는 도 10으로부터 도출된 빔 세기 비와 무반응 시간을 통해 R, G, B 각 파장의 동일한 무반응 시간을 기반으로 같은 시간을 갖는 빔 세기 비를 통해 회절 효율을 측정한다. R, G, B의 최대 빔 세기로부터 각각 해당하는 순서에 따라 빔 세기를 5%씩 감소시키며 회절효율을 측정한다. 만약 회절효율이 이전 데이터에서 확보한 최대 회절효율보다 낮아지면 더 이상 효율이 향상되지 않기 때문에 작업을 마친다. 이로부터 확보된 R, G, B의 최적 빔 세기의 데이터를 통해 50% 이상의 세기를 갖는 최적 기록 조건을 확인할 수 있다.
도 11을 참조하면, 회절효율 향상 기법을 위해 빔 세기 비 무반응시간 데이터(S201, S203)로부터 R, G, B의 빔 세기 비를 확인하고, 무반응 시간을 비교하여 최대 회절 효율을 갖는 빔 세기 출력을 확보할 수 있다(S205~S251).
예를 들어, R이 1mW/cm2 의 최대 빔 세기 출력을 갖고(S205), R>G>B의 빔 세기 비 순서일 때(S207), R의 무반응 시간과 G, B의 무반응 시간을 비교하고, 동일한 무반응 시간이면(S209), 회절 효율을 측정하되, 빔 세기를 5%씩 감소시키며 회절효율을 측정한다(S211). 회절 효율이 이전 데이터에서 확보한 최대 회절 효율보다 낮아지면 더 이상 효율이 향상되지 않기 때문에 작업을 종료한다.
이런 식으로 R, G, B의 빔 세기 비에 대한 모든 경우에 따라 최대 회절 효율을 갖는 빔 세기 비의 출력을 산출할 수 있다.
도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 파장별 빔 세기별 회절 효율 특성을 도시한 그래프이다.
도 12의 그래프를 참조하면, 이 실시예에서 R=0.1, G=0.11, B=0.25 (mW/cm2)일 때 가장 높은 평균 56.84%의 회절효율(Diffraction efficien)을 갖는 것을 확인할 수 있으며, R=0.01, G=0.011, B=0.025 (mW/cm2)일 때 급격하게 회절효율이 저하되는 것을 확인할 수 있다.
도 13 내지 도 16은 본 발명의 일 실시예에 따른 파장별 빔 세기별 무반응 시간 특성을 도시한 그래프이다.
도 13은 블루(B) 빔의 473nm 파장의 무반응 시간 특성을 도시한 것이고, 도 14는 그린(G) 빔의 532nm 파장의 무반응 시간 특성을 도시한 것이고, 도 15는 레드(R) 빔의 633nm 파장의 무반응 시간 특성을 도시한 것이고, 도 16은 도 13 내지 도 15의 세가지 파장의 무반응 시간 특성을 하나의 그래프로 도시한 것이다.
이렇게 본 발명에서는 빔 세기별 동일한 무반응 시간을 갖는 조건을 탐색하여 최대 회절 효율을 갖는 홀로그램 광학소자를 제작할 수 있다.
이상 본 발명을 몇 가지 바람직한 실시예를 사용하여 설명하였으나, 이들 실시예는 예시적인 것이며 한정적인 것이 아니다. 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 지닌 자라면 본 발명의 사상과 첨부된 특허청구범위에 제시된 권리범위에서 벗어나지 않으면서 다양한 변화와 수정을 가할 수 있음을 이해할 것이다.
110 깊이 카메라 120 컨트롤러
130 모터 스테이지 140 디스플레이부
150 홀로그램 광학소자 렌즈 801 그린 레이저
802 레드 레이저 803 블루 레이저
804 빔 스티어링 805 어네뉴에이터
806 제1 하프웨이브 플레이트 807 제1 셔터
808 제1 미러 809 제2 미러
810 제3 미러 811 공간 필터
812 제1 렌즈 813 제1 개구부
814 PBS 815 제2 셔터
816 제2 하프웨이브 플레이트 817 제1 회전 스테이지
818 제2 회전 스테이지 819 제3 회전 스테이지
820 포토폴리머 821 제4 미러
822 제5 미러 823 제2 렌즈
824 제2 개구부 825 옵티컬 파워 미터
840 셔터 컨트롤러 850 모터 컨트롤러

Claims (5)

  1. 렌즈 및 상기 렌즈의 초점거리보다 멀리 이격되어 위치하는 홀로그램 기록매질을 포함하는 풀컬러 홀로그램 광학소자 제조 장치에서의 풀컬러 홀로그램 광학소자 제조 방법에서,
    R(Red), G(Green), B(Blue)의 각 파장을 갖는 레이저 빔이 혼합된 신호빔을 상기 렌즈에 입사시켜서 상기 렌즈의 초점거리의 초점거리의 초점면에 수렴된 후, 발산 형태로 상기 홀로그램 기록매질에 입사되도록 하는 단계; 및
    R, G, B의 각 파장을 갖는 레이저 빔이 혼합된 참조빔을 이용하여 상기 홀로그램 기록매질에 홀로그램을 기록하는 단계를 포함하며,
    상기 풀컬러 홀로그램 광학소자 제조 장치는 상기 홀로그램 기록매질이 상기 렌즈의 수평 방향에 수직인 수직축을 기준으로 θ°만큼 기울어져 있는 경우, 상기 렌즈의 수평축을 기준으로 2θ°의 각도로 상기 참조빔을 상기 홀로그램 기록매질에 입사시켜서 기록하고,
    상기 홀로그램 기록매질은 단일 매질의 포토폴리머이고,
    상기 풀컬러 홀로그램 광학소자 제조 장치는, 상기 포토폴리머에 홀로그램 격자를 기록할 때, R, G, B의 각 레이저 빔에 대한 반응속도를 측정하고, 각 레이저 빔의 반응속도 순서의 역순으로 레이저 빔의 세기를 설정하되,
    레이저 빔을 상기 포토폴리머에 조사하여, 홀로그램 격자 형성이 시작되기 전까지 반응이 일어나지 않는 시간을 무반응 시간이라고 할 때, 상기 풀컬러 홀로그램 광학소자 제조 장치는, R, G, B의 각 레이저 빔에 대한 무반응 시간이 모두 동일하고, 최대 회절 효율을 갖도록, R, G, B의 레이저 빔의 세기를 설정하는 것을 특징으로 하는 풀컬러 홀로그램 광학소자 제조 방법.
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