KR102344866B1 - 회절 도광판 - Google Patents
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Abstract
본 출원은, 회절 도광판에 관한 것이다. 본 출원의 회절 도광판은, 총 크기를 감소시키지 않으면서 동시에, 상기 도광판으로부터 출력되는 영상의 면적을 증가시킬 수 있다. 또한, 본 출원의 회절 도광판은 사용자의 동공 위치에 제한이 없는 이점이 있다.
Description
본 출원은 2019년 3월 13일자 대한민국 특허청에 출원된 특허출원 제10-2019-0028514호의 우선일의 이익을 주장하며, 그 내용 전부는 본 출원에 참조로서 포함된다.
본 출원은, 회절 도광판 및 이의 용도에 관한 것이다.
증강 현실(Augmented Reality, AR) 기술은 현실의 이미지에 3차원의 가상 이미지를 중첩시켜서 하나의 영상으로 투영하는 기술을 지칭한다. 증강 현실을 구현하는 광학 디바이스는 광의 파동적 성질에 기초한 회절 현상을 이용하는 회절 도광판을 포함한다.
종래의 회절 도광판을 도 1에 개략적으로 나타내었다. 종래의 회절 도광판(10)은 각각 회절 격자가 형성된 입력 회절 광학 소자(11), 중간 회절 광학 소자(12) 및 출력 회절 광학 소자(13)를 포함한다. 구체적으로, 상기 입력 회절 광학 소자(11)는 광원(P)으로부터 입사된 광을 수광하고, 상기 수광된 광을 상기 중간 회절 광학 소자를 향하여 출력시키며, 상기 광을 상기 도광판 내에서 전반사하도록 구성된다. 상기 중간 회절 광학 소자(12)는 상기 입력 회절 광학 소자(11)로부터 회절된 광을 수광하고, 상기 수광된 광을 회절에 의하여 단일한 제 1 방향(예를 들어, 도 1의 z축과 평행한 방향)으로 상기 출력 회절 광학 소자를 향하여 확장하도록 구성된다. 상기 출력 회절 광학 소자(13)는 상기 중간 회절 광학 소자(12)에서 확장된 광을 수광하고, 상기 수광된 광을 회절에 의하여 단일한 제 2 방향(도 1의 y축과 평행한 방향)으로 확장된 상태로 사용자의 동공을 향하는 방향으로 출력할 수 있도록 구성된다.
광원(P)으로부터 출력된 광이 사용자의 동공으로 도달하기 위한 주된 광경로는, 입력 회절 광학 소자(11) → 중간 회절 광학 소자(12) → 출력 회절 광학 소자(13) → 사용자의 동공 순서로 이루어진다. 이 때, 상기 회절 도광판으로부터 출력되는 영상을 사용자가 인식할 수 있는 영역을 증가시키기 위해서는 중간 회절 광학 소자와 출력 회절 광학 소자의 크기가 증가할 수 밖에 없다.
그렇지만, 상기 도광판 내의 회절 광학 소자의 크기를 증가시키는 경우에는, 회절 도광판의 크기가 증가하게 된다. 이에 따라 상기 회절 도광판이 적용되는 광학 디바이스의 크기가 증가하기 때문에, 종래의 회절 도광판의 설계로는 광학 디바이스를 소형화 내지 경량화하고자 하는 기술적 추세에 부합하는데에는 한계가 있다.
도 1과 같은 구조를 가지는 회절 도광판의 문제점을 해결하기 위하여, 도 2와 같은 구조의 회절 도광판의 형태가 고려되었다. 구체적으로, 도 2와 같이, 입력 회절 광학 소자(120)와, 서로 다른 1차원 회절 패턴을 가지고, 서로 대향 배치된 제 1 영역(131)과 제 2 영역(132)을 가지는 출력 회절 광학 소자(130)를 포함하는 회절 도광판의 형태가 고려되었다. 상기 출력 회절 광학 소자가 종래의 중간 및 출력 회절 광학 소자의 역할을 대체하기 때문에, 도 2와 같은 형태의 회절 도광판은 총 크기를 감소시키지 않으면서도 출력 영상의 면적을 향상시킬 수 있었다.
도 2와 같은 형태의 회절 도광판에서는 출력 회절 광학 소자 내의 상기 제 1 영역과 제 2 영역이 상기 회절 도광판에 입력된 영상을 분할하여 출력한다. 이 때, 사용자가 상기 제 1 영역과 제 2 영역이 출력하는 영상을 모두 인식하기 위해서는, 사용자의 동공이 상기 영상 모두에 위치하여야 한다. 그렇지만, 도 2와 같은 형태의 회절 도광판이 출력하는 영상 모두를 사용자가 인식할 수 있는 영역(도 3의 α)의 크기는 상대적으로 작다. 따라서, 도 2와 같은 형태의 회절 도광판에서는, 동공의 위치가 약간이라도 변경되면 특히 상기 제 1 영역과 제 2 영역의 경계에서 출력되는 영상이 사용자에게 인식되지 않거나, 인식되더라도 상대적으로 흐리게 인식되는 문제가 있다. 즉, 도 2와 같은 형태의 회절 도광판에서 출력되는 영상을 모두 인식하기 위해서는 사용자의 동공의 위치가 제한적인 문제가 있다.
본 출원의 일 목적은 광학 디바이스의 소형화 내지 경량화에 적합한 회절 도광판을 제공하는 것이다.
본 출원의 다른 일 목적은 총 크기를 감소시키지 않으면서 동시에, 출력되는 영상의 면적을 증가시킬 수 있는 회절 도광판을 제공하는 것이다.
본 출원의 또 다른 일 목적은 사용자의 동공 위치에 제한이 없는 회절 도광판을 제공하는 것이다.
본 출원의 목적은 상술한 목적에 국한되지 않는다.
본 출원에서 정의되는 각도는, 제조 오차(error) 또는 편차(variation) 등을 고려하여 이해되어야 한다. 예를 들어, 본 출원에서 적용되는 용어 “수직”, “평행”, “직교”, 또는 “수평” 등의 용어는 그 용어가 뜻하고자 하는 의미를 손상시키지 않는 범위 내에서, 실질적인 수직, 평행, 직교 또는 수평을 의미할 수 있다. 그리고, 상기 용어 각각은 약 ±10 도 이내의 오차, 약 ±5 도 이내의 오차, 약 ±3 도 이내의 오차, 약 ±2 도 이내의 오차, 약 ±1도 이내의 오차 또는 약 ±0.5 도 이내의 오차를 감안하여 이해될 수 있다.
본 출원에서 언급하는 어느 두 방향이 이루는 각도는, 특별히 다르게 규정하지 않는 한, 상기 두 방향이 이루는 예각 내지 둔각 중 예각이거나, 상기 두 방향이 이루는 각도 중 절대값이 작은 값을 의미할 수 있다.
본 출원에서 언급하는 각도는, 특별히 다르게 규정하지 않는 한, 양수이다. 그렇지만, 경우에 따라서는 시계 방향 또는 반시계 방향으로 측정된 각도 간의 측정 방향을 나타내기 위해서, 상기 시계 방향으로 측정된 각도를 양수로, 반시계 방향으로 측정된 각도를 음수로 표기할 수도 있다.
본 출원에서, “면 방향”은 회절 도광판에서 최대 면적을 가지는 면과 평행한 방향, 예를 들어, 회절 도광판의 최단축을 제외한 나머지 두 축이 형성하는 면과 평행한 방향을 의미할 수 있다. 구체적으로, 회절 도광판에서 형성하는 서로 수직인 세 축을 각각 x축, y축 및 z축으로 표시하고, 상기에서 z축을 중력 방향과 평행한 방향으로 설정할 때, “x축 방향의 길이>z축 방향의 길이>y축 방향의 길이”의 관계 또는 “z축 방향의 길이>x축 방향의 길이>y축 방향의 길이”의 관계가 성립하는 경우, 상기 면 방향은 상기 회절 도광판의 x축과 z축이 형성하는 면과 평행한 방향을 의미할 수 있다.
본 출원에서, “두께 방향”은 상기 회절 도광판의 최대 면적을 가지는 면의 법선 방향(normal direction)을 의미할 수 있다. 즉 회절 도광판의 두께 방향은 면 방향 법선의 방향을 의미할 수 있고, 상기 예시에서는 y축 방향을 의미할 수 있다.
본 출원에서, 용어 “투과율”, 또는 “굴절률” 등의 광학적 물성의 기준 파장은, 회절 도광판을 적용하여 회절하고자 하는 광의 파장에 따라 결정될 수 있다. 예를 들어, 회절 도광판으로 가시광 영역의 광을 회절하고자 하는 경우, 상기 투과율 등은 400 nm 내지 700 nm의 범위 내의 어느 한 파장 또는 약 525 nm 파장의 광을 기준으로 한 수치일 수 있다. 다른 예시에서, 적외선 영역의 광을 회절하고자 하는 경우, 상기 투과율 등은, 예를 들어, 약 1000 nm 파장의 광을 기준으로 한 수치일 수 있다.
본 출원에서, 용어 “도광부”는 회절 도광판 내부로 광을 안내하는 기능을 수행하는 광학 요소를 의미할 수 있다. 또한, 상기 기능은 광의 회절에 의한 전반사를 통해 수행될 수 있다. 상기 도광부에서 전반사가 일어나기 위해서는, 상기 도광부의 굴절률이 도광부의 표면에 인접한 다른 매체의 굴절률보다 커야 한다. 상기 도광부는 대개 공기에 인접하기 때문에, 상기 도광부는 공기보다 굴절률이 큰 소재, 예를 들어, 유리 및/또는 플라스틱 등의 투명 또는 반투명한 소재 등으로 구성될 수 있다.
상기에서, 용어 “투명”은 가시광선의 파장, 예를 들어, 약 525 nm 파장의 광에 대한 투과율이 80 % 이상인 것을 의미할 수 있고, “반투명”은 가시광선의 파장, 예를 들어, 약 525 nm 파장의 광에 대한 투과율이 50 % 이상 80 % 미만인 것을 의미할 수도 있다.
본 출원에서, 용어 “회절 광학 소자(Diffraction Optical Element, DOE)”는 광을 하나 이상의 방향으로 회절시키며 해당 광의 경로를 변경하는 기능을 수행하는 광학 요소를 의미할 수 있다. 상기 회절 광학 소자는 회절 격자를 포함할 수 있다.
상기 “회절 격자(diffraction grating)”는 빛의 회절 현상을 이용하여 입사광의 스펙트럼을 파장에 따라 분리하는 광학 소자를 의미할 수 있다. 예를 들어 도광부의 입광면 및/또는 출광면에는 특정 간격을 가지는 복수의 평행선이 음각 또는 양각으로 형성되어 있을 수 있는데, 이렇게 형성된 평행선을 선형 회절 격자로 지칭할 수 있다. 즉 회절 격자는 상기 도광부의 입광면 및/또는 출광면에 형성된 물리적 요철 구조의 반복 패턴, 즉 라인-앤-스페이스(line-and-space, L/S) 패턴일 수 있다. 또한 상기에서 선형 회절 격자는 특정 방향으로 연장되는 형태를 가질 수 있다.
상기 회절 광학 소자에서 변경되는 광의 경로는, 상기 광학 소자에 형성된 회절 격자의 양태에 따라서 달라질 수 있다. 따라서, 상기 회절 광학 소자가 가지는 회절 격자의 형태(연장 방향 등), 배치 간격, 격자의 깊이, 또는 상기 격자에 형성된 평행선이 음각 또는 양각인지 여부 등은 본 출원의 회절 도광판에서 의도하고자 하는 광경로에 따라서 적절히 배치 또는 조절될 수 있다.
본 출원은 회절 도광판에 관한 것이다. 이하에서는, 첨부된 도면을 참조하여 본 출원의 회절 도광판에 대해서 보다 구체적으로 설명한다.
도 4은 본 출원의 회절 도광판의 모식도이다.
본 출원의 회절 도광판(100)은 도광부가 형성하는 일면(상기 예시에서는, x축과 z축이 형성하는 면) 상에 형성된 복수의 회절 광학 소자(120, 130)를 포함한다. 구체적으로 상기 회절 도광판은 제 1 회절 광학 소자(120) 및 제 2 회절 광학 소자(130)를 포함한다. 또한, 상기 복수의 회절 광학 소자들은 도광부(110)의 일면(110a 또는 110b) 상에 배치될 수 있다. 상기 복수의 회절 광학 소자들은 도광부의 동일 면 상에 배치될 수 있다.
다른 예시에서, 제 1 회절 광학 소자는 입력 회절 광학 소자로도 지칭될 수 있으며, 제 2 회절 광학 소자는 출력 회절 광학 소자로도 지칭될 수 있다. 즉, 상기 제 1 회절 광학 소자로 입사하는 광이 영상 신호일 수 있고, 상기 제 2 회절 광학 소자가 영상 출력면을 형성할 수 있다. 첨부된 도면에서 제 1 회절 광학 소자는 원으로, 제 2 회절 광학 소자는 사각형으로 도시되어 있지만, 이에 제한되는 것은 아니다.
상기에서, 제 1 회절 광학 소자는 상기 회절 도광판으로 입사한 광을 수광할 수 있다. 또한, 상기 제 1 회절 광학 소자는 상기 수광된 광을 회절에 의하여 상기 제 2 회절 광학 소자를 향하여 출력시킬 수 있다.
상기에서, 제 2 회절 광학 소자는 상기 제 1 회절 광학 소자로부터 입사한 광을 출사시킬 수 있다. 출사된 광은 사용자에 동공을 향할 수 있다.
상기 제 1 회절 광학 소자로 입사하는 광은, 상기 제 1 회절 광학 소자의 법선과 -50 도 내지 50 도의 범위 내의 입사각으로 입사할 수 있다. 상기 입사각은, 다른 예시에서, -45 도 이상, -40 도 이상, -35 도 이상, -30 도 이상, -25 도 이상, -20 도 이상, -15 도 이상, -10 도 이상, -5 도 이상, -3 도 이상, -1 도 이상일 수 있고, 45 도 이하, 40 도 이하, 35 도 이하, 30 도 이하, 25 도 이하, 20 도 이하, 15 도 이하, 10 도 이하, 5 도 이하, 3 도 이하, 또는 1 도 이하일 수 있다.
상기 제 2 회절 광학 소자가 출사하는 광은, 상기 제 2 회절 광학 소자의 법선과 -50 도 내지 50 도의 범위 내의 출사각으로 출사할 수 있다. 상기 출사각은, 다른 예시에서, -45 도 이상, -40 도 이상, -35 도 이상, -30 도 이상, -25 도 이상, -20 도 이상, -15 도 이상, -10 도 이상, -5 도 이상, -3 도 이상, -1 도 이상일 수 있고, 45 도 이하, 40 도 이하, 35 도 이하, 30 도 이하, 25 도 이하, 20 도 이하, 15 도 이하, 10 도 이하, 5 도 이하, 3 도 이하, 또는 1 도 이하일 수 있다.
상기에서 제 1 회절 광학 소자의 법선은 상기 도광부의 입광면에 대한 법선일 수 있고, 상기 제 2 회절 광학 소자의 법선은 상기 도광부의 출광면에 대한 법선일 수 있다. 상기에서, 입광면은 입사광이 상기 제 1 회절 광학 소자에 입사하는 면이고, 출광면은 출사광이 상기 제 2 회절 광학 소자로부터 출사하는 면일 수 있다. 상기 입광면과 출광면은 상기 도광부의 동일 평면 상에 존재할 수도 있고, 서로 다른 평면 상에 존재할 수도 있으나, 상기 회절 도광판의 목적하는 기능과 제조 공정상의 이점 등을 고려하였을 때 동일 평면 상에 존재하는 것이 바람직할 수 있다.
하나의 예시에서, 상기 제 1 회절 광학 소자로 입사되는 광의 입사각의 절대값과 상기 제 2 회절 광학 소자가 출사하는 광의 출사각의 절대값의 차이의 절대값은 10 도 이하, 8 도 이하, 6 도 이하, 4 도 이하, 2 도 이하, 1 도 이하일 수 있고, 0 도 초과, 0.5 도 이상, 1 도 이상일 수 있다. 상기 입광면과 출광면이 상기 회절 도광판의 동일 평면 상에 존재하는 경우, 상기 입사각과 출사각은 서로 부호가 반대이면서, 동시에 각 각도의 절대값의 차이의 절대값이 상기 범위를 만족할 수 있다. 다른 예시에서, 상기 입광면과 출광면이 상기 회절 도광판의 다른 평면 상에 존재하는 경우, 상기 입사각과 출사각은 서로 부호가 같으면서, 동시에 각 각도의 차이의 절대값이 상기 범위를 만족할 수 있다.
본 출원에서, 용어 입사각은, 특별히 다르게 규정하지 않는 한, 입광면의 법선을 기준으로 측정된 각도이고, 상기 법선을 기준으로 시계 방향으로 측정된 각도는 양수로 반시계 방향으로 측정된 각도는 음수로 표시한다. 또한, 상기 입사각은 상기 입사광과 상기 법선이 이루는 각도 중 절대값이 작은 각도일 수 있다.
본 출원에서, 용어 출사각은, 특별히 다르게 규정하지 않는 한, 출광면의 법선을 기준으로 측정된 각도이고, 상기 법선을 기준으로 시계 방향으로 측정된 각도는 양수로 반시계 방향으로 측정된 각도는 음수로 표시한다. 또한, 상기 출사각은 상기 출사광과 상기 법선이 이루는 각도 중 절대값이 작은 각도일 수 있다.
제 1 회절 광학 소자는 회절 격자, 구체적으로 어느 한 방향으로 연장되는 선형 회절 격자를 포함한다. 전술한 것처럼, 선형 회절 격자는 도광부의 입광면 및/또는 출광면에 음각 또는 양각으로 형성된 복수의 평행선을 의미할 수 있고, 상기 평행선의 진행 방향은 상기 선형 회절 격자의 연장 방향일 수 있다. 또한 상기 평행선의 진행 방향은 상기 면 방향 내에서 진행될 수 있다. 구체적으로, 상기 예시에서 x축 및 z축이 형성하는 면 내에 상기 평행선의 진행 방향이 존재할 수 있다. 이하에서는 상기 제 1 회절 광학 소자가 포함하는 회절 격자의 연장 방향을 제 1 방향으로 지칭한다. 제 1 회절 광학 소자는 상기 선형 회절 격자에 의하여 입사광을 회절하여 제 2 회절 광학 소자를 향하여 출력시킬 수 있고, 상기 입사광이 상기 도광부 내에서 전반사되도록 할 수 있다.
상기 제 2 회절 광학 소자는 서로 다른 복수의 영역을 포함한다. 구체적으로, 상기 제 2 회절 광학 소자는 적어도 3개의 서로 다른 영역을 포함한다. 상기 제 2 회절 광학 소자는 제 1 내지 제 3 영역을 포함하고, 상기에서 제 3 영역은 상기 제 1 영역 및 제 2 영역 사이에 존재한다.
상기 제 1 및 제 2 영역은 서로 다른 방향으로 연장하는 선형 회절 격자를 포함한다. 또한 상기 제 1 및 제 2 영역의 선형 회절 격자의 연장 방향은 전술한 제 1 회절 광학 소자가 갖는 선형 회절 격자의 연장 방향과도 다르다. 이하에서는 상기 제 1 영역의 선형 회절 격자의 연장 방향을 제 2 방향으로, 상기 제 2 영역의 선형 회절 격자의 연장 방향을 제 3 방향으로 지칭한다. 상기 제 1 내지 제 3 방향은 서로 다른 방향이다. 단 상기 제 1 방향과 마찬가지로, 상기 제 2 및 제 3 방향 또한 상기 면 방향 내에서 진행될 수 있다. 구체적으로, 상기 예시에서 상기 제 2 및 제 3 방향 또한 x축 및 z축이 형성하는 면 내에 존재할 수 있다.
상기 제 3 영역 또한 회절 격자를 포함한다. 한편 상기 제 3 영역은 상기 제 1 영역과 제 2 영역 사이에 위치하기 때문에, 상기 제 3 영역의 회절 격자는 상기 제 1 및 제 2 영역의 선형 회절 격자가 중첩된 형태이다. 서로 연장 방향이 다른 선형 회절 격자가 중첩되면 각 선형 회절 격자의 진행 방향에 따른 평행선의 교점이 형성되고, 그 평행선은 도광부에서 음각 또는 양각으로 형성되어 있기 때문에, 상기 제 3 영역의 회절 격자는 점(넓은 의미로는 면) 형태의 복수의 기둥으로 구성된다. 따라서 상기 제 3 영역의 회절 격자는 상기 복수의 기둥들이 일정 또는 일정하지 않은 간격으로 인접하여 배치되어 있는 형태를 가질 수 있다.
상기 회절 도광판의 목적하는 기능과 제조 공정 상의 이점 등을 고려하였을 때, 상기 제 1 내지 제 3 영역은 상기 도광부의 동일 면 상에 존재하는 것이 바람직할 수 있다. 예를 들어, 후술하는 것처럼 상기 제 1 내지 제 3 영역을 임프린팅 공정 등으로 제조하는 경우에는 상기 제 1 내지 제 2 영역은 상기 도광부의 일면, 그리고 상기 제 3 영역이 상기 도광부의 타면 상에 존재하도록 하려면 임프린팅 과정이 두번 이상 진행(도광부의 어느 일면에 격자 형성 후, 상기 도광부를 뒤집어서 다른 면에 다른 격자를 형성할 수 밖에 없음)될 수 밖에 없는데, 상기 과정에서 가해지는 압력 때문에 어느 일 면에 손상이 발생하는 것이 불가피하기 때문이다.
상기 제 2 회절 광학 소자에서는 상기 제 1 회절 광학 소자로부터 입사한 광이 특정 광경로를 거쳐서 출력되도록 상기 제 1 내지 제 3 영역이 적절히 배치된다. 구체적으로 상기 제 2 회절 광학 소자의 상기 제 1 내지 제 3 영역은, 상기 제 1 회절 광학 소자로부터 입사한 광이 직접 입사하도록 배치된다. 보다 구체적으로 상기 제 2 회절 광학 소자에서 상기 제 1 영역은 상기 제 1 회절 광학 소자로부터 입사한 광이 상기 제 2 및 제 3 영역을 거치지 않고 상기 제 1 영역으로 입사되도록 배치된다. 상기 제 2 영역은 상기 제 1 회절 광학 소자로부터 입사한 광이 상기 제 1 및 제 3 영역을 거치지 않고 상기 제 2 영역으로 입사되도록 배치된다. 상기 제 3 영역은 상기 제 1 회절 광학 소자로부터 입사한 광이 상기 제 1 및 제 2 영역을 거치지 않고 상기 제 3 영역으로 입사되도록 배치된다.
상기 제 1 회절 광학 소자로부터 입사한 광이 상기 제 1 영역을 거치면 상기 제 2 및/또는 제 3 영역으로 입사하며, 상기 제 2 및/또는 제 3 영역으로 입사된 상기 광은 외부로 출사된다. 마찬가지로, 제 1 회절 광학 소자로부터 입사한 광이 상기 제 2 영역을 거치면 상기 제 1 및/또는 제 3 영역으로 입사하며, 상기 제 1 및/또는 제 3 영역으로 입사된 상기 광은 외부로 출사된다. 또한 제 1 회절 광학 소자로부터 입사한 광이 상기 제 3 영역을 거치면 상기 제 1 및/또는 제 2 영역으로 입사하며, 상기 제 1 및/또는 제 2 영역으로 입사된 상기 광은 외부로 출사된다.
전술한 것처럼 상기 제 1 영역 및 제 2 영역은 선형 회절 격자를 포함하고, 선형 회절 격자는 도광부에 음각/양각으로 형성된 평행선인 라인-앤-스페이스 형태의 패턴이다. 이 때 상기 격자의 높이(또는 깊이), 그 격자의 피치(반복 거리, pitch), 및 그 평행선의 두께에 따라서 따라서 상기 제 2 회절 광학 소자로부터 출광되는 광의 출광 효율이 달라질 수 있다.
상기 제 2 회절 광학 소자로부터 출광되는 광의 출광 효율은 상기 제 3 영역의 회절 격자의 높이(또는 깊이)와 무관하게 다소 낮게 유지되는 경향이 있다. 회절 도광판 내부에서 전반사되는 광의 광량은 제 1 회절 광학 소자로부터 멀어지는 방향에 따라서 감소한다. 상기 회절 도광판으로부터 출사하는 광의 출광량을 균일하게 유지하기 위해서는 제 1 회절 광학 소자에 인접하는 영역은 상대적으로 낮은 출광 효율을 가지고, 제 1 회절 광학 소자로부터 멀어지는 영역은 상대적으로 높은 출광 효율을 가지도록, 출광 회절 광학 소자(제 2 회절 광학 소자) 내의 복수의 영역을 배치할 필요가 있다. 따라서, 회절 격자의 깊이(또는 높이)와 무관하게 출광 효율이 낮게 유지되는 제 3 영역이 회절 격자의 깊이(또는 높이)에 따라서 출광 효율이 조절될 수 있는 제 1 및 제 2 영역 사이에 배치되는 것이 적절하다. 한편, 도 6에 도시된 것처럼, 서로 다른 방향의 선형 회절 격자가 중첩된 형태만을 가지는 회절 격자가 형성된 제 2 회절 광학 소자를 설계하는 형태를 고려할 수 있지만, 전술한 것처럼, 상기 제 3 영역과 같이 서로 진행 방향이 다른 2종 이상의 선형 회절 격자가 중첩된 형태의 회절 격자의 경우 해당 격자의 피치, 폭, 또는 높이(또는 깊이) 등을 조절하더라도 해당 소자의 출광 효율이 대체로 낮기 유지된다. 따라서 이 경우에는 상기 제 2 회절 광학 소자로부터 출사되는 영상의 출광량이 고르지 못하는 문제가 있다.
상기에서 회절 격자의 높이(또는 깊이)는 상기 회절 격자에 형성된 음각 또는 양각의 깊이(또는 높이)를 의미할 수 있다. 구체적으로 상기 예시에서 x축 및 z축이 형성하는 면 상에 회절 격자가 형성되어 있고, 이의 음각 또는 양각이 상기 x축 및 z축이 형성하는 면 상에 형성되면, 상기 음각(또는 양각)의 y축 방향의 길이를 상기 회절 격자의 높이(또는 깊이)로 지칭할 수 있다.
상기 제 1 및 제 2 영역의 선형 회절 격자의 진행 방향(제 2 및 제 3 방향)과 상기 제 1 회절 광학 소자의 선형 회절 격자의 진행 방향(제 1 방향)은 삼각형을 이룰 수 있다. 전술한 것처럼 선형 회절 격자의 진행 방향은 상기 제 1 및 제 2 영역과 상기 제 1 회절 광학 소자 각각에 형성된 선형 회절 격자에서 그 평행선의 진행 방향을 의미할 수 있다. 따라서 상기 제 1 내지 제 3 방향이 형성하는 가상의 선을 모두 연결하면 삼각형이 형성될 수 있다.
상기 제 1 및 제 2 영역의 선형 회절 격자의 진행 방향, 즉 상기 제 2 방향 및 제 3 방향이 이루는 각도는 50 도 내지 70 도의 범위 내일 수 있다. 상기 각도는, 다른 예시에서, 53 도 이상, 55 도 이상, 57 도 이상 또는 59 도 이상일 수 있고, 67 도 이하, 65 도 이하, 63 도 이하, 또는 61 도 이하일 수 있고, 약 60 도 일 수 있다. 상기 각도는 제 2 및 제 3 방향이 이루는 각도 중에서 예각 또는 절대값이 작은 각도를 의미할 수 있다.
다른 예시에서 상기 제 1 및 제 2 영역의 선형 회절 격자는 각 선형 회절 격자의 교점을 기준으로 대칭일 수 있다. 즉, 상기 제 2 진행 방향과 상기 제 3 진행 방향을 이루는 교점을 연결한 가상의 선에 대하여, 상기 제 2 진행방향과 상기 제 3 진행 방향 각각이 이루는 각도의 합의 절대값은 -10 도 내지 10 도의 범위 내일 수 있다. 상기 각도는, 다른 예시에서, -9 도 이상, -8 도 이상, -7 도 이상, -6 도 이상, -5 도 이상, -4 도 이상, -3 도 이상, -2 도 이상, 또는-1 도 이상일 수 있고, 9 도 이하, 8 도 이하, 7 도 이하, 6 도 이하, 5 도 이하, 4 도 이하, 3 도 이하, 2 도 이하, 또는 1 도 이하일 수 있고, 약 0 도 일 있다.
상기 제 1 또는 제 2 영역의 선형 회절 격자의 진행 방향과 제 1 회절 광학 소자의 선형 회절 격자의 진행 방향이 이루는 각도는 50 도 내지 70 도의 범위 내일 수 있다. 즉 상기 제 1 방향 및 제 2 방향이 이루는 각도 또는 상기 제 1 방향 및 제 3 방향이 이루는 각도는 50 도 내지 70 도의 범위 내일 수 있다. 상기 각도는, 다른 예시에서, 53 도 이상, 55 도 이상, 57 도 이상 또는 59 도 이상일 수 있고, 67 도 이하, 65 도 이하, 63 도 이하, 또는 61 도 이하일 수 있고, 약 60 도 일 수 있다. 상기 각도는 제 1 방향과 제 2 방향이 이루는 각도(또는 제 1 방향과 제 3 방향이 이루는 각도) 중에서 절대값이 작은 각도를 의미할 수 있다. 상기 제 1 방향과 제 2 방향이 이루는 각도 및 상기 제 1 방향과 제 3 방향이 이루는 각도는 서로 같거나 다를 수 있고, 일 예시에서는 같은 것이 적절할 수 있다.
상기 제 1 또는 제 2 영역의 회절 격자의 평균 높이는 0 nm 초과 1 ㎛ 이하의 범위 내일 수 있고, 구체적으로는 1 nm 이상, 10 nm 이상, 20 nm 이상, 30 nm 이상, 40 nm 이상, 50 nm 이상, 100 nm 이상, 200 nm 이상, 또는 250 nm 이상일 수 있고, 900 nm 이하, 800 nm 이하, 700 nm 이하, 600 nm 이하, 500 nm 이하, 450 nm 이하, 400 nm 이하, 또는 350 nm 이하일 수 있다. 전술한 것처럼 상기 제 1 또는 제 2 영역은 선형 회절 격자를 포함하고, 상기 선형 회절 격자는 상기 도광부의 입광면 및/또는 출광면에 형성된 물리적 요철 구조의 반복 패턴, 즉 라인-앤-스페이스(line-and-space, L/S) 패턴일 수 있으므로, 상기 회절 격자의 높이는, 상기 라인-앤-스페이스에서의 돌출부의 높이 또는 깊이를 의미할 수 있다. 또한 상기 회절 격자의 평균 높이(또는 평균 깊이)는 상기 상기 회절 격자의 높이의 산술 평균일 수 있고, 또는 최대 높이와 최소 높이의 평균일 수 있다. 상기 제 1 및 제 2 영역의 회절 격자의 평균 높이(또는 평균 깊이)는 서로 같거나 다를 수 있으며, 일 예시에서는 같을 수도 있다. 구체적으로 상기 예시에서 x축 및 z축이 형성하는 면 상에 회절 격자가 형성되어 있고, 이의 음각 또는 양각이 상기 x축 및 z축이 형성하는 면 상에 형성되면, 상기 음각(또는 양각)의 y축 방향의 길이를 상기 회절 격자의 높이(또는 깊이)로 지칭할 수 있다.
상기 제 1 영역 또는 제 2 영역의 회절 격자의 평균 피치는 200 nm 내지 600 nm의 범위 내일 수 있다. 상기 평균 피치는 다른 예시에서, 210 nm 이상, 220 nm 이상, 230 nm 이상, 240 nm 이상, 250 nm 이상, 260 nm 이상, 270 nm 이상, 280 nm 이상, 290 nm 이상, 300 nm 이상, 310 nm 이상, 320 nm 이상, 330 nm 이상, 340 nm 이상, 350 nm 이상, 360 nm 이상, 370 nm 이상, 또는 380 nm 이상일 수 있고, 590 nm 이하, 580 nm 이하, 570 nm 이하, 560 nm 이하, 550 nm 이하, 540 nm 이하, 530 nm 이하, 520 nm 이하, 510 nm 이하, 500 nm 이하, 490 nm 이하, 480 nm 이하, 470 nm 이하, 460 nm 이하, 450 nm 이하, 440 nm 이하, 430 nm 이하, 420 nm 이하, 410 nm 이하 또는 400 nm 이하일 수 있다. 상기에서, 회절 격자의 피치는 상기 회절 격자에 형성된 어느 하나의 평행선과 다른 하나의 평행선 사이의 최단 거리를 의미할 수 있다. 회절 격자의 평균 피치는 상기 피치의 산술 평균 또는 상기 피치의 최소값과 최대값의 평균값을 의미할 수 있다. 상기에서 제 1 영역 및 제 2 영역의 회절 격자의 평균 피치는 서로 같거나 다를 수 있고, 일 예시에서는 같을 수도 있다.
상기 제 1 또는 제 2 영역의 회절 격자의 평균 폭은 상기 회절 패턴의 평균 피치의 0.1 배 내지 0.9 배의 범위 내일 수 있다. 상기 값은 다른 예시에서, 상기 회절 패턴의 평균 피치의 0.2 배 이상, 0.3 배 이상, 0.4 배 이상 또는 0.5 배 이상일 수 있고, 0.8 배 이하, 0.7 배 이하, 0.6 배 이하 또는 0.5 배 이하일 수 있다. 상기에서 회절 격자의 폭은, 상기 회절 격자에 형성된 어느 하나의 평행선의 폭을 의미할 수 있다. 상기 회절 격자의 평균 폭은 상기 폭의 산술 평균 또는 상기 폭의 최소값과 최대값의 평균값을 의미할 수 있다. 상기 제 1 영역 및 제 2 영역의 회절 격자의 평균 폭은 서로 같거나 다를 수 있고, 일 예시에서는 같을 수도 있다.
상기 제 1 또는 제 2 영역의 굴절률은 1.0 초과 내지 2.0 이하의 범위 내일 수 있다. 상기 굴절률은 다른 예시에서, 1.1 이상, 1.2 이상, 1.3 이상, 1.4 이상, 1.5 이상, 1.6 이상, 1.7 이상, 또는 1.8 이상일 수 있고, 1.9 이하, 또는 1.8 이하일 수 있다. 상기 굴절률의 기준 파장은 525 nm일 수 있다. 상기 굴절률을 측정하는 방식은 공지이다. 예를 들면, 상기 굴절률은 메트리콘社의 프리즘 커플러를 적용하여 상기 제조사의 매뉴얼에 따라 측정할 수 있다.
상기에서, 제 1 또는 제 2 영역의 회절 격자의 평균 폭, 평균 높이 또는 평균 피치와 상기 제 1 또는 제 2 영역의 굴절률 등은 본 출원의 회절 도광판의 설계 변수(예를 들어, 회절 대상 광의 파장, 또는 출광 영상 영역의 넓이 등)에 따라 다양하게 변경될 수 있다.
전술한 것처럼 상기 제 3 영역의 회절 격자는 상기 제 1 영역과 제 2 영역 각각의 회절 격자가 중첩된 형태이고, 서로 연장 방향이 다른 선형 회절 격자가 중첩되면 각 선형 회절 격자의 진행 방향에 따른 평행선의 교점이 형성되며, 그 평행선은 도광부에서 음각 또는 양각으로 형성되어 있기 때문에, 상기 제 3 영역의 회절 격자는 점(넓은 의미로는 면) 형태의 복수의 기둥으로 구성된다. 즉 상기 제 3 영역의 회절 격자는 상기 제 2 회절 광학 소자의 일면 상에 형성된 복수의 기둥들의 반복 형태를 가질 수 있다. 상기 기둥의 단면은 원형 또는 타원형 등의 곡선 도형; 삼각형, 사각형, 또는 오각형 등의 다각형; 또는 무정형 등의 형태를 가질 수 있다. 일 예시에서 상기 기둥의 단면은 원형 또는 타원형 등의 곡선 도형일 수 있다.
상기 제 3 영역의 회절 격자의 평균 피치, 구체적으로 상기 제 3 영역의 회절 격자를 구성하는 복수의 기둥의 평균 피치는 200 nm 내지 600 nm의 범위 내일 수 있다. 상기 평균 피치는 다른 예시에서, 210 nm 이상, 220 nm 이상, 230 nm 이상, 240 nm 이상, 250 nm 이상, 260 nm 이상, 270 nm 이상, 280 nm 이상, 290 nm 이상, 300 nm 이상, 310 nm 이상, 320 nm 이상, 330 nm 이상, 340 nm 이상, 350 nm 이상, 360 nm 이상, 370 nm 이상, 또는 380 nm 이상일 수 있고, 590 nm 이하, 580 nm 이하, 570 nm 이하, 560 nm 이하, 550 nm 이하, 540 nm 이하, 530 nm 이하, 520 nm 이하, 510 nm 이하, 500 nm 이하, 490 nm 이하, 480 nm 이하, 470 nm 이하, 460 nm 이하, 450 nm 이하, 440 nm 이하, 430 nm 이하, 420 nm 이하, 410 nm 이하 또는 400 nm 이하일 수 있다. 상기에서, 제 3 영역의 회절 격자의 피치는 상기 제 3 영역의 회절 격자를 구성하는 어느 하나의 점 형태의 기둥의 중심과, 상기 기둥과 인접하는 점 형태의 기둥들의 중심들이 형성하는 삼각형에서 어느 한 꼭지점에서 나머지 두개의 꼭지점이 형성한 선분을 향하는 선분의 길이를 의미할 수 있다. 상기에서 제 3 영역의 회절 격자의 평균 피치는, 상기 피치의 산술 평균 또는 상기 피치의 최소값과 최대값의 평균값일 수 있다.
상기에서 제 3 영역의 회절 격자의 평균 폭, 구체적으로 상기 제 3 영역의 회절 격자의 기둥의 평균 폭은 상기 회절 격자의 평균 피치의 0.1 배 이상 1.3 배 이하일 수 있다. 상기 값은 다른 예시에서, 상기 회절 격자의 평균 피치의 0.2 배 이상, 0.3 배 이상, 0.4 배 이상 또는 0.5 배 이상일 수 있고, 1.2 배 이하, 1.1 배 이하, 1.0 배 이하, 0.9 배 이하, 0.8 배 이하, 0.7 배 이하, 0.6 배 이하 또는 0.5 배 이하일 수 있다.
상기에서 제 3 영역의 회절 격자의 기둥의 평균 폭은 100 nm 내지 400 nm의 범위 내일 수 있다. 상기 평균 폭은, 110 nm 이상, 120 nm 이상, 130 nm 이상, 140 nm 이상, 150 nm 이상, 160 nm 이상, 170 nm 이상, 180 nm 이상, 190 nm 이상, 또는 200 nm 이상일 수 있고, 390 nm 이하, 380 nm 이하, 370 nm 이하, 360 nm 이하, 350 nm 이하, 340 nm 이하, 330 nm 이하, 320 nm 이하, 310 nm 이하, 300 nm 이하, 290 nm 이하, 280 nm 이하, 270 nm 이하, 260 nm 이하, 250 nm 이하, 240 nm 이하, 230 nm 이하, 220 nm 이하, 210 nm 이하, 또는 200 nm 이하일 수 있다. 상기에서 회절 격자의 기둥의 폭은, 상기 제 3 영역의 회절 격자에 형성된 기둥 중 어느 하나의 기둥의 폭을 의미할 수 있다. 구체적으로, 상기 기둥의 단면이 원인 경우에는 상기 폭은 원의 지름을 의미할 수 있고, 타원인 경우에는 장축의 길이를 의미할 수 있다. 상기 폭은 상기 기둥의 단면이 삼각형인 경우에는 각 변의 높이 중 최대 길이를, 사각형 이상의 다각형인 경우에는 복수의 대각선의 길이의 최대값을 의미할 수 있다. 상기 폭은 상기 기둥의 단면이 무정형인 경우 일말단 타말단 사이의 길이의 최대값을 의미할 수 있다. 또한, 상기 기둥의 평균 폭은 상기 격자에 형성된 복수의 도형의 폭의 산술 평균 또는 상기 폭의 최소값 및 최대값의 평균값을 의미할 수 있다.
상기 제 3 영역의 회절 격자의 평균 높이, 구체적으로 상기 제 3 영역의 회절 격자의 기둥의 평균 높이는 0 nm 초과 1 ㎛ 이하의 범위 내일 수 있고, 구체적으로는 1 nm 이상, 10 nm 이상, 20 nm 이상, 30 nm 이상, 40 nm 이상, 50 nm 이상, 100 nm 이상, 200 nm 이상, 또는 250 nm 이상일 수 있고, 900 nm 이하, 800 nm 이하, 700 nm 이하, 600 nm 이하, 500 nm 이하, 450 nm 이하, 400 nm 이하, 또는 350 nm 이하일 수 있다. 상기에서, 제 3영역의 회절 격자의 의 높이는 상기 기둥이 상기 영역의 표면으로부터 이격된 최단 거리를 의미할 수 있고, 평균 높이는 상기 회절 패턴을 구성하는 복수 도형의 높이의 산술 평균, 또는 상기 높이의 최대값 및 최소값의 평균값을 의미할 수 있다. 구체적으로 상기 예시에서 x축 및 z축이 형성하는 면 상에 회절 격자가 형성되어 있고, 이의 음각 또는 양각이 상기 x축 및 z축이 형성하는 면 상에 형성되면, 상기 음각(또는 양각)의 y축 방향의 길이를 상기 회절 격자의 높이(또는 깊이)로 지칭할 수 있다.
상기 제 3 영역의 굴절률은 1.0 초과 내지 2.0이하의 범위 내일 수 있다. 상기 굴절률은 다른 예시에서, 1.1 이상, 1.2 이상, 1.3 이상, 1.4 이상, 1.5 이상, 1.6 이상, 1.7 이상, 또는 1.8 이상일 수 있고, 1.9 이하, 또는 1.8 이하일 수 있다. 상기 굴절률의 기준 파장은 525 nm일 수 있다. 상기 굴절률을 측정하는 방식은 공지이다. 예를 들면, 상기 굴절률은 메트리콘社의 프리즘 커플러를 적용하여 상기 제조사의 매뉴얼에 따라 측정할 수 있다.
상기에서, 제 3 영역의 회절 격자의 평균 폭, 평균 높이 또는 평균 피치, 또는 상기 제 3 영역의 굴절률 등은 상기 회절 도광판의 설계 변수(예를 들어, 회절 대상 광의 파장, 또는 출광 영상 영역의 넓이 등)에 따라 다양하게 변경될 수 있다.
상기에서 제 1 내지 제 3 영역 각각에 형성된 회절 격자의 경사각은 특별히 제한되지 않는다. 상기 경사각은, 예를 들어, 상기 제 2 회절 광학 소자의 법선을 기준으로, -45 도 이상, -40 도 이상, -35 도 이상, -30 도 이상, -25 도 이상, -20 도 이상, -15 도 이상, -10 도 이상, -5 도 이상일 수 있고, 45 도 이하, 40 도 이하, 35 도 이하, 30 도 이하, 25 도 이하, 20 도 이하, 15 도 이하, 10 도 이하 또는 5도 이하일 수 있으며, 약 0도일 수도 있다. 상기에서, 회절 격자의 경사각은, 상기 회절 격자에 형성된 평행선 또는 기둥이 상기 제 1 또는 2 회절 광학 소자의 법선과 이루는 각도 중 절대 값이 작은 각도를 의미할 수 있다.
전술한 것처럼, 상기 제 3 영역의 회절 격자는 상기 제 1 및 제 2 영역에 형성된 선형 회절 격자가 중첩된 형태이다. 즉, 상기 제 3 영역에는 제 1 영역의 선형 회절 격자와 실질적으로 동일한 방향으로 진행하는 선형 회절 격자 및 제 2 영역의 선형 회절 격자와 실질적으로 동일한 방향으로 진행하는 선형 회절 격자가 모두 존재할 수 있다. 상기 제 1 영역의 선형 회절 격자의 진행 방향(제 2 방향)과 제 2 영역의 선형 회절 격자의 진행 방향(제 3 방향)은 다르기 때문에, 상기 제 3 영역에는 상기 제 2 방향과 제 3 방향이 형성하는 교점이 복수 개 형성되어 있을 수 있다. 이하에서는 상기 제 3 영역에 형성된 회절 격자에 대하여 보다 구체적으로 설명한다.
상기 제 3 영역의 회절 격자를 구성하는 점 형태의 복수의 기둥 중 6 개의 기둥은, 상기 6 개의 기둥을 연결하는 가상의 선이 육각형을 이루도록 선택될 수 있다. 이 때, 상기 육각형의 어느 한 변이 제 1 회절 광학 소자의 회절 격자의 진행 방향(제 1 방향)과 이루는 각도는 -10 도 내지 10 도의 범위 내일 수 있다. 상기 각도는, 다른 예시에서, -9 도 이상, -8 도 이상, -7 도 이상, -6 도 이상, -5 도 이상, -4 도 이상, -3 도 이상, -2 도 이상, 또는-1 도 이상일 수 있고, 9 도 이하, 8 도 이하, 7 도 이하, 6 도 이하, 5 도 이하, 4 도 이하, 3 도 이하, 2 도 이하, 또는 1 도 이하일 수 있고, 약 0 도 일 있다. 상기 각도는 상기 육각형의 어느 한 변과 상기 제 1 방향이 이루는 각 중 절대값이 작은 각도일 수 있다. 즉, 상기 육각형의 어느 한 변(A1)은 제 1 회절 광학 소자의 선형 회절 격자의 진행 방향과 실질적으로 평행할 수 있다.
또한, 상기 육각형의 다른 한 변이 상기 제 2 방향과 이루는 각도는 -10 도 내지 10 도의 범위 내일 수 있다. 상기 각도는, 다른 예시에서, -9 도 이상, -8 도 이상, -7 도 이상, -6 도 이상, -5 도 이상, -4 도 이상, -3 도 이상, -2 도 이상, 또는-1 도 이상일 수 있고, 9 도 이하, 8 도 이하, 7 도 이하, 6 도 이하, 5 도 이하, 4 도 이하, 3 도 이하, 2 도 이하, 또는 1 도 이하일 수 있고, 약 0 도 일 있다. 상기 각도는 상기 육각형의 다른 한 변과 상기 제 2 방향이 이루는 각 중 절대값이 작은 각도일 수 있다. 즉, 상기 육각형의 다른 한 변(A2)은 제 1 영역의 선형 회절 격자의 진행 방향과 실질적으로 평행할 수 있다.
또한, 상기 육각형의 다른 한 변이 상기 제 3 방향과 이루는 각도는 -10 도 내지 10 도의 범위 내일 수 있다. 상기 각도는, 다른 예시에서, -9 도 이상, -8 도 이상, -7 도 이상, -6 도 이상, -5 도 이상, -4 도 이상, -3 도 이상, -2 도 이상, 또는-1 도 이상일 수 있고, 9 도 이하, 8 도 이하, 7 도 이하, 6 도 이하, 5 도 이하, 4 도 이하, 3 도 이하, 2 도 이하, 또는 1 도 이하일 수 있고, 약 0 도일 수 있다. 상기 각도는 상기 육각형의 다른 한 변과 상기 제 3 방향이 이루는 각 중 절대값이 작은 각도일 수 있다. 즉, 상기 육각형의 다른 한 변(A3)은 제 2 영역의 선형 회절 격자의 진행 방향과 실질적으로 평행할 수 있다.
상기 육각형의 변 중에서 제 1 방향과 -10 도 내지 10 도의 범위 내의 각도를 이루는 변(A1) 및 상기 변과 마주보는 변(A1')이 이루는 각도는 -10 도 내지 10 도의 범위 내일 수 있다. . 상기 각도는, 다른 예시에서, -9 도 이상, -8 도 이상, -7 도 이상, -6 도 이상, -5 도 이상, -4 도 이상, -3 도 이상, -2 도 이상, 또는 -1 도 이상일 수 있고, 9 도 이하, 8 도 이하, 7 도 이하, 6 도 이하, 5 도 이하, 4 도 이하, 3 도 이하, 2 도 이하, 또는 1 도 이하일 수 있고, 약 0 도 일 있다. 상기 각도는 A1과 A1'이 이루는 각 중 절대값이 작은 각도일 수 있다. 즉, 상기 육각형의 어느 한 변(A1) 및 이와 마주보는 변(A1')은 실질적으로 평행할 수 있다.
상기 육각형의 변 중에서 제 2 방향과 -10 도 내지 10 도의 범위 내의 각도를 이루는 변(A2) 및 상기 변과 마주보는 변(A2')이 이루는 각도는 -10 도 내지 10 도의 범위 내일 수 있다. 상기 각도는, 다른 예시에서, -9 도 이상, -8 도 이상, -7 도 이상, -6 도 이상, -5 도 이상, -4 도 이상, -3 도 이상, -2 도 이상, 또는-1 도 이상일 수 있고, 9 도 이하, 8 도 이하, 7 도 이하, 6 도 이하, 5 도 이하, 4 도 이하, 3 도 이하, 2 도 이하, 또는 1 도 이하일 수 있고, 약 0 도 일 있다. 상기 각도는 A2와 A2'이 이루는 각 중 절대값이 작은 각도일 수 있다. 즉, 상기 육각형의 어느 한 변(A2) 및 이와 마주보는 변(A2')은 실질적으로 평행할 수 있다.
상기 육각형의 변 중에서 제 3 방향과 -10 도 내지 10 도의 범위 내의 각도를 이루는 변(A3) 및 상기 변과 마주보는 변(A3')이 이루는 각도는 -10 도 내지 10 도의 범위 내일 수 있다. 상기 각도는, 다른 예시에서, -9 도 이상, -8 도 이상, -7 도 이상, -6 도 이상, -5 도 이상, -4 도 이상, -3 도 이상, -2 도 이상, 또는-1 도 이상일 수 있고, 9 도 이하, 8 도 이하, 7 도 이하, 6 도 이하, 5 도 이하, 4 도 이하, 3 도 이하, 2 도 이하, 또는 1 도 이하일 수 있고, 약 0 도 일 있다. 상기 각도는 A3와 A3'이 이루는 각 중 절대값이 작은 각도일 수 있다. 즉, 상기 육각형의 어느 한 변(A3) 및 이와 마주보는 변(A3')은 실질적으로 평행할 수 있다.
상기 제 1 및 제 2 회절 광학 소자에 회절 격자를 형성하는 방법은 특별히 제한되지 않으며, 공지된 방식을 적용하여 상기 회절 격자를 형성할 수 있다. 예를 들어, 도광부로 적용될 수 있는 유리 또는 플라스틱 등의 소재 상에 소정의 패턴이 형성된 마스크를 위치시킨 후, 레이저, 전자 빔 또는 극자외선 등으로 노광하여 회절 격자를 직접 형성하는 방식(리소그래피) 또는 상기 소재에 요철 구조의 패턴이 형성된 부재 등을 이용하여 회절 격자를 전사하는 방식(임프린팅) 등이 적용될 수 있다.
상기 제 1 회절 광학 소자(120)와 제 2 출력 회절 광학 소자 내의 제 1 및 제 2 영역(131, 132) 각각은 상기 소자들의 선형 회절 격자의 피치(P1, P2, P3)에 반비례하는 “크기”와, 상기 선형 회절 격자의 진행 방향에 수직인 “방향”으로 정의되는 격자 벡터(V1, V2, V3)를 가질 수 있다. 상기 격자 벡터의 크기는 아래의 수학식 1로 정의될 수 있다.
[수학식 1]
│V│=2π/P
상기에서, │V│는 격자 벡터의 크기를 의미하며, P는 상기 선형 회절 격자의 피치를 의미한다.
도 10은 본 출원의 제 1 회절 광학 소자, 제 1 영역 및 제 2 영역의 격자 벡터의 바람직한 조합을 도시한 것이다. 일 예시에서, 제 1 회절 광학 소자(120)와 제 1 및 제 2 영역(130, 140) 각각의 격자 벡터(V1, V2, V3)의 합은 영벡터일 수 있다. 즉, 상기 격자 벡터 각각에 부여된 좌표의 성분을 모두 더하면, 모든 성분이 0인 벡터가 형성될 수 있다.
상기 제 1 영역에 형성된 선형 회절 격자와 상기 제 2 영역에 형성된 선형 회절 격자는 서로 대칭이고, 제 1 회절 광학 소자(120)와 제 1 및 제 2 영역(131, 132) 각각의 격자 벡터(V1, V2, V3)는 서로 같은 크기를 가지며, 제 1 회절 광학 소자(120)와 제 1 및 제 2 영역(131, 142) 각각의 격자 벡터(V1, V2, V3) 중 2개의 벡터가 이루는 각도는 각각 50 도 내지 70 도의 범위 내일 수 있다. 상기 각도는, 다른 예시에서, 53 도 이상, 55 도 이상, 57 도 이상 또는 59 도 이상일 수 있고, 67 도 이하, 65 도 이하, 63 도 이하, 또는 61 도 이하일 수 있고, 약 60 도 일 수 있다. 상기 각도는 상기 세 벡터 중 두 벡터의 방향이 이루는 각도 중에서 절대값이 작은 각도를 의미할 수 있다. 도 10에 도시된 것처럼, V1 내지 V3 각각이 이루는 각도는 약 60 도인 것이 가장 적절하지만, 이에 제한되는 것은 아니다.
본 출원에서 가장 적절한 회절 격자 배치 형태를 도 11a 내지 11c에 도시하였다. 상기 제 1 회절 광학 소자(120)의 선형 회절 격자의 진행 방향은 도 11a에 도시된 것처럼, x축과 평행한 수평선(H)과 90 도의 각도를 형성(직교)할 수 있다(이는 전술한 오차 범위 내에서 이해될 수도 있다). 또한, 상기 제 1 영역(131)의 선형 회절 격자의 진행 방향은, 도 11b에 도시된 것처럼, x축과 평행한 수평선(H)과 30 도의 각도를 이룰 수 있다(이는 전술한 오차 범위 내에서 이해될 수도 있다). 그리고, 상기 제 2 영역(132)의 선형 회절 격자의 진행 방향회절 패턴은, 도 11c에 도시된 것처럼, x축과 평행한 수평선(H)과 -30 도의 각도를 이룰 수 있다(이는 전술한 오차 범위 내에서 이해될 수도 있다).
도 11a 내지 11c에 도시된 것처럼, 각각의 선형 회절 격자의 피치(P1, P2, P3)는 모두 동일한 경우, 상기 수학식 1에 따라서, 상기 각각 격자 벡터의 크기는 모두 동일하다. 상기에서, 격자 벡터(V1, V2, V3)의 방향은 각각의 선형 회절 격자의 진행 방향에 대략 수직인 경우, 제 1 회절 광학 소자(120)의 격자 벡터(V1)의 방향은 x축 방향과 대략 평행할 수 있고, 제 1 영역의 격자 벡터(V2)의 방향은 x축 방향에 대해 약 -60 도의 각도를 이룰 수 있으며, 제 2 영역의 격자 벡터(V3)의 방향은 x축 방향에 대해 약 60 도의 각도를 이룰 수 있다. 이에 따라서, 제 1 회절 광학 소자와 제 1 및 제 2 영역 각각의 격자 벡터는 서로 약 60 도의 각도를 형성하고, 각각의 크기가 대략 동일할 수 있기 때문에, 상기 벡터를 모두 더하면 0벡터가 형성될 수 있게 된다.
본 출원의 회절 도광판은 증강현실(Augmented Reality, AR) 구현 기기에의 적용에 적합한 이점이 있다. 상기 회절 도광판에서 상기 제 2 회절 광학 소자 내의 제 1 내지 제 3 영역 각각이 차지하는 영역(또는 길이)의 비율을 적절히 조절하였을 때 특히 적합하다.
도 5는 본 출원의 회절 도광판이 출력하는 영상을 사용자가 인식할 수 있는 영역을 개략적으로 도시한 측면도이다. 구체적으로 본 출원의 회절 도광판이 형성하는 서로 수직인 세 축을 x축, y축 및 z축으로 설정하되, 상기에서 z축이 중력 방향과 평행한 방향이 되도록 설정하였을 때, 상기 제 1 영역(131)의 z축 방향의 길이(Z1), 제 2 영역(132)의 z축 방향의 길이(Z2) 및 제 3 영역(133)의 z축 방향의 길이(Z3) 사이의 관계가 적절히 조절될 수 있다.
일 예시에서, 상기 제 1 내지 제 3 영역의 z축 방향의 길이의 합계(Z1+Z2+Z3)와 상기 제 3 영역의 z축 방향의 길이(Z3)의 비율(Z3/(Z1+Z2+Z3))은 0.3 내지 0.9의 범위 내일 수 있다. 상기 비율은 다른 예시에서, 0.33 이상, 0.35 이상, 0.37 이상, 0.39 이상, 0.40 이상 또는 0.41 이상 일 수 있고, 0.89 이하, 0.87 이하, 0.85 이하 또는 0.84 이하일 수 있다.
상기 제 1 영역의 z축 방향의 길이(Z1)와 제 2 영역의 z축 방향의 길이(Z2)의 비율(Z1/Z2)도 적절히 조절 가능하다. 상기 비율은 일 예시에서, 0.9 내지 1.1의 범위 내일 수 있다. 상기 비율은 다른 예시에서, 0.93 이상, 0.95 이상, 0.97 이상 또는 0.99 이상일 수 있고, 1.07 이하, 1.05 이하, 1.03 이하 또는 1.01 이하일 수 있으며, 바람직하게는 1 정도일 수 있다. 상기 비율을 만족하는 범위 내에서 상기 제 1 영역의 z축 방향의 길이(Z1) 및 제 2 영역의 z축 방향의 길이(Z2) 각각 또한 적절히 조절될 수 있다. 상기 Z1 또는 Z2 값은 상기 비율을 만족하면서, 1 mm 내지 15 mm의 범위 내일 수 있다. 상기 값은 다른 예시에서, 1.5 mm 이상, 2.0 mm 이상, 2.2 mm 이상 또는 2.3 mm 이상일 수 있고, 14 mm 이하, 13 mm 이하, 12 mm 이하 또는 11 mm 이하일 수 있다.
상기 제 3 영역의 z축 방향의 길이(Z3)도 적절히 조절될 수 있다. 상기 길이(Z3)는 일 예시에서, 15 nm 내지 25 mm의 범위 내일 수 있다.
후술하겠지만, 상기 Z1 또는 Z2 값은 상기 회절 도광판을 아이웨어 등의 증강현실 구현 장치 등에 적용하였을 때, 안정 거리(Eye Relief, 사용자의 동공과 렌즈 간의 최단 거리, 예를 들어, 좌안용 렌즈에서 좌안 동공까지의 최단 거리 또는 우안용 렌즈에서 우안 동공까지의 최단 거리) 등을 고려하여 적절히 조절될 수 있다.
또한 상기 Z3 값은 상기 회절 도광판을 아이웨어 등의 증강현실 구현 장치 등에 적용하였을 때 상기 아이웨어에서 출사되는 영상을 인식할 수 있는 사용자 동공의 가동 범위(Eye motion box, EMB)의 z축 방향의 길이에 따라서 적절히 결정될 수 있다. 일반적으로는, 상기 가동 범위의 z축 방향의 길이와 상기 제 3 영역의 z축 방향의 길이가 같게 되도록(이 경우 +/- 5% 이내 정도의 오차를 고려할 수 있다) 설정할 수 있다.
도 5에 도시된 것처럼, Z1 또는 Z2의 값은 전술한 안정 거리와, 시야각(회절 도광판에서 출사되는 광의 초점에서 상기 출력 회절 광학 소자 양 말단까지의 두 방향이 이루는 각도, 도 5의 θ)에 따라서 결정될 수 있다. 구체적으로, 상기 Z1 또는 Z2의 값은 하기 수학식 1에 따라 결정될 수 있다:
[수학식 1]
Y=Xⅹtan(θ/2)
상기 수학식 1에서, Y는 Z1 또는 Z2 값이고, X는 안정 거리, θ는 시야각이며, 상기 안정 거리와 시야각은 상기에서 정의한 것과 같다.
상기 안정 거리는 15 mm 내지 30 mm의 범위 내로 설정하는 것이 일반적이다. 또한 상기 시야각은 18 도 내지 40 도의 범위 내로 설정하는 것이 일반적이다. 따라서 이와 같은 값을 상기 수학식 1에 대입하였을 때 전술한 Z1 또는 Z2의 값을 도출해낼 수 있다.
상기에서 제 1 내지 제 3 영역은 동일한 폭 및 너비를 가질 수 있기 때문에, 상기에서 상기 제 1 내지 제 3 영역 각각의 넓이는 상기 제 1 내지 제 3 영역 각각의 z축 방향의 길이의 비율에 따라 결정될 수 있다. 한편, 제 2 회절 광학 소자가 상기 도광부에서 형성하는 단면이 사각형이 아닌 경우, 상기 비율은 해당 도형의 z축 방향의 선 중에서 그 길이가 가장 큰 선분 내에서, 제 1 내지 제 3 영역에 해당하는 선분의 길이의 비를 의미할 수 있다.
도 7a 내지 도 7c는 각각 도 4에 도시된 본 출원의 회절 도광판에서의 광경로를 예시한 평면도이다.
제 1 회절 광학 소자는, 입력 회절 광학 소자일 수 있다. 입력 회절 광학 소자는 광원으로부터 입사된 광을 수광하고, 상기 수광된 광을 회절에 의하여 상기 도광부 내로 전반사시키는 기능을 수행하는 광학 요소를 의미할 수 있다.
제 2 회절 광학 소자는, 출력 회절 광학 소자일 수 있다. 출력 회절 광학 소자는 상기 입력 회절 광학 소자에서 전반사된 광을 수광하고, 상기 수광된 광을 회절에 의하여 상기 도광부에서 출력시키는 기능을 수행하는 광학 요소를 의미할 수 있다.
상기 도광부(110)로 입사된 광, 구체적으로 제 1 회절 광학 소자(120)로 입사된 광은 회절에 의하여 상기 도광부 내에서 전반사된다. 전술한 것처럼, 어떤 소자의 내부에서 광의 전반사가 일어나기 위해서는 그 소자의 굴절률이 해당 소자와 인접하는 매체의 굴절률보다 커야 한다. 상기 도광부는 일반적으로 공기에 인접하기 때문에, 상기 도광부는 공기보다 굴절률이 높은 소재, 예를 들어, 유리 또는 플라스틱 등의 소재로 구성될 수 있다. 또한, 상기 제 1 및 제 2 회절 광학 소자는 상기 도광부 상에 형성되기 때문에, 이를 구성하는 소재 또한 상기 도광부와 같을 수 있다.
상기 제 1 회절 광학 소자(120)에서는 광원으로부터 입사된 광(L1a, L1b, L1c)이 상기 제 1 회절 광학 소자에 형성된 회절 격자에 의하여 회절될 수 있다. 상기 회절된 광은 상기 제 1 회절 광학 소자를 거쳐서 상기 도광부 내로 전반사된다. 상기 제 1 회절 광학 소자는 상기 전반사된 광을 상기 제 2 회절 광학 소자를 향하여 출사시킬 수 있다.
이 때 상기 제1 회절 광학 소자로부터 제 2 회절 광학 소자를 향하여 입사되는 광 중에서, 제 1 영역으로 입사되는 광은 상기 제 2 영역 및 제 3 영역을 거치지 않고 상기 제 1 영역으로 입사될 수 있다. 또한 제 2 영역으로 입사되는 광은 상기 제 1 영역 및 제 3 영역을 거치지 않고 상기 제 2 영역으로 입사될 수 있다. 제 3 영역으로 입사되는 광은 상기 제 1 영역 및 제 2 영역을 거치지 않고 상기 제 3 영역으로 입사될 수 있다.
제 1 및 제 2 영역 각각(131, 132)은 상기 제 1 회절 광학 소자로부터 출사된 광을 단일 방향으로 확장할 수 있다. 구체적으로, 상기 제 1 및 제 2 영역 각각은 상기 제 1 회절 광학 소자에서 출사된 광(L2a, L2b)을 수광하고, 상기 수광된 광을 회절에 의하여 단일 방향으로 확장시킬 수 있다. 상기 제 1 회절 광학 소자(120)로부터 출사된 광(L2a, L2b) 중 일부는 제 1 영역(131) 또는 제 2 영역(132)를 거치면서 회절되어 그 경로가 변경될 수 있고, 나머지 일부는 기존의 광경로로 전반사 될 수 있다. 또한, 상기 제 1 및 제 2 영역 각각은 다른 영역에서 확장된 광(L3a, L3b, L3c)을 수광하고, 상기 수광된 광을 회절에 의하여 상기 제 2 회절 광학 소자로부터 출사(L4a, L4b, L4c)시킬 수 있다. 예를 들어, 상기 제 1 영역(131)은 상기 제 2 영역(132) 및/또는 제 3 영역(133)로부터 확장된 광(L3b 및/또는 L3c)을 수광하고, 상기 수광된 광을 회절에 의하여 상기 회절 도광판에서 출력(L4b, L4c)시킬 수 있다. 또한, 상기 제 2 영역(132)는 상기 제 1 영역(131) 및/또는 제 3 영역(133)으로부터 확장된 광(L3a 및/또는 L3c)을 수광하고, 상기 수광된 광을 회절에 의하여 상기 제 2 회절 광학 소자로부터 출사(L4a, L4c)시킬 수 있다.
상기 제 3 영역(132)는 상기 제 1 회절 광학 소자로부터 출사된 광(L2c)을 두 방향으로 확장(L3c)하거나, 상기 광이 상기 제 2 회절 광학소자로부터 출사(L4c)되도록 할 수 있다. 상기 제 1 회절 광학 소자(120)로부터 회절된 광(L2c) 중 일부는 제 3 영역(133)을 거치면서 회절되어 그 경로가 변경될 수 있고, 나머지 일부는 기존의 광경로로 전반사 될 수 있다. 상기 제 3 영역은 상기 제 1 회절 광학 소자에서 전반사된 광을 수광하고, 상기 수광된 광을 회절에 의하여 두 방향, 예를 들어, 제 1 영역(131) 및 제 2 영역(132)을 향하는 방향으로 확장시킬 수 있다. 또한, 상기 제 3 출력 회절 광학 소자는 상기 제 1 회절 광학 소자로부터 수광된 광을 회절에 의하여 상기 제 2 회절 광학 소자로부터 출사되도록 할 수 있다. 상기 제 3 영역은 상기 제 2 회절 광학 소자 내의 다른 영역에서 확장된 광을 상기 제 2 회절 광학 소자로부터 출사되도록 할 수도 있다. 상기 제 3 영역은 다른 영역, 예를 들어, 상기 제 1 영역 및/또는 제 2 영역에서 확장된 광을 수광하고, 상기 수광된 광을 회절에 의하여 상기 제 2 회절 광학 소자로부터 출사시킬 수 있다.
전술한 것처럼, 도 2와 같은 형태의 회절 도광판이 출력하는 영상 모두를 사용자가 인식할 수 있는 영역(도 3의 α)의 크기는 상대적으로 작기 때문에, 도 2와 같은 형태의 회절 도광판에서 출력되는 영상을 모두 인식하기 위해서는 사용자의 동공의 위치가 제한적인 문제가 있다.
그렇지만, 본 출원의 회절 도광판은 도 5에 도시된 것처럼, 제 1 회절 광학 소자로부터 출사된 광이 하나의 회절 광학 소자(제 2 회절 광학 소자)에서 출사될 수 있도록 구성되기 때문에, 도광판의 총 영역을 증가시키지 않더라도 출사되는 영상의 크기를 증가시킬 수 있다. 이 때 상기 제 2 회절 광학 소자의 면적은 예를 들면, 1 cm2 내지 50 cm2의 범위 내일 수 있다. 상기 면적은, 다른 예시에서 1 cm2 이상, 2 cm2 이상, 3 cm2 이상, 4 cm2 이상, 5 cm2 이상, 6 cm2 이상, 7 cm2 이상, 8 cm2 이상, 9 cm2 이상, 또는 10 cm2 이상일 수 있고, 45 cm2 이하, 40 cm2 이하, 35 cm2 이하, 30 cm2 이하, 25 cm2 이하, 20 cm2 이하, 15 cm2 이하 또는 10 cm2 이하일 수 있다.
또한, 본 출원의 회절 도광판이 출력하는 영상 모두를 사용자가 인식할 수 있는 영역의 크기(α)가 상대적으로 크기 때문에, 사용자 동공의 위치가 제한되지 않는 이점이 있다.
본 출원은, 다른 예시에서, 상기 회절 도광판의 용도를 제공한다. 구체적으로, 본 출원은 상기 회절 도광판을 포함하는 증강현실 또는 가상현실 디바이스를 제공한다.
예를 들어, 상기 디바이스는 아이웨어일 수 있다. 상기 아이웨어는 좌안용 렌즈와 우안용 렌즈; 상기 좌안용 렌즈와 우안용 렌즈를 지지하는 프레임을 포함할 수 있다. 또한, 상기 좌안용 렌즈 및 우안용 렌즈는 각각 상기 회절 도광판을 포함할 수 있다.
상기에서, 아이웨어는 프로젝터를 추가로 포함할 수 있다. 상기 프로젝터는 상기 프레임에 위치할 수 있다. 또한, 상기 프로젝터는 상기 좌안용 렌즈 및 우안용 렌즈 중 적어도 하나의 렌즈에 재생광을 투사하는 것일 수 있다.
상기 아이웨어의 구동 방식은 공지이다. 예를 들면, 상기 아이웨어는 상기 프로젝터로부터 입사된 광이 상기 회절 도광판을 거쳐서 출력되고, 상기 출력된 광을 사용자가 인식할 수 있도록 구동될 수 있다.
본 출원의 회절 도광판은 광학 디바이스의 소형화 내지 경량화에 적합한 이점이 있다.
본 출원의 회절 도광판은 총 크기를 감소시키지 않으면서 동시에, 출력되는 영상의 면적을 증가시킬 수 있다.
본 출원의 회절 도광판은 사용자의 동공 위치에 제한이 없는 이점이 있다.
도 1은 종래의 회절 도광판 구조를 개략적으로 도시한 것이다.
도 2는 도 1에 따른 회절 도광판의 문제점을 해결하기 위하여 도입된 회절 도광판의 구조를 개략적으로 도시한 것이다.
도 3은 도 2에 따른 회절 도광판이 출사하는 영상을 인식할 수 있는 사용자의 동공의 범위를 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 본 출원의 회절 도광판 구조를 개략적으로 도시한 것이다.
도 5는 도 4에 따른 회절 도광판이 출사하는 영상을 인식할 수 있는 사용자의 동공의 범위를 설명하기 위한 도면이다.
도 7a 내지 도 7c는 본 출원의 회절 도광판에서의 광경로를 예시적으로 도시한 평면도이다.
도 8은 본 출원의 회절 도광판의 제 1 회절 광학 소자와, 제 1 영역 및 제 2 영역의 격자 벡터의 조합을 도시한 것이다.
도 9a 내지 도 9c는 본 출원의 회절 도광판의 제 1 회절 광학 소자, 제 1 영역 및 제 2 영역에 형성된 회절 격자를 예시한 것이다.
도 10은 실험예 1에 따른 회절 광학 소자의 회절 격자의 높이에 대한 출광 효율을 도시한 것이다.
도 11은 실험예 2의 회절 광학 소자의 개략도이다.
도 12는 실험예 2에 따른 회절 광학 소자의 회절 격자의 높이에 대한 출광 효율을 도시한 것이다.
도 13은 비교예의 제 2 회절 광학 소자의 SEM 사진이다.
도 14는 비교예의 회절 도광판이 출력하는 영상의 시뮬레이션 결과이다.
도 15는 비교예의 회절 도광판이 출력하는 영상을 촬영한 사진이다.
도 16은 실시예의 회절 도광판이 출력하는 영상의 시뮬레이션 결과이다.
도 2는 도 1에 따른 회절 도광판의 문제점을 해결하기 위하여 도입된 회절 도광판의 구조를 개략적으로 도시한 것이다.
도 3은 도 2에 따른 회절 도광판이 출사하는 영상을 인식할 수 있는 사용자의 동공의 범위를 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 본 출원의 회절 도광판 구조를 개략적으로 도시한 것이다.
도 5는 도 4에 따른 회절 도광판이 출사하는 영상을 인식할 수 있는 사용자의 동공의 범위를 설명하기 위한 도면이다.
도 7a 내지 도 7c는 본 출원의 회절 도광판에서의 광경로를 예시적으로 도시한 평면도이다.
도 8은 본 출원의 회절 도광판의 제 1 회절 광학 소자와, 제 1 영역 및 제 2 영역의 격자 벡터의 조합을 도시한 것이다.
도 9a 내지 도 9c는 본 출원의 회절 도광판의 제 1 회절 광학 소자, 제 1 영역 및 제 2 영역에 형성된 회절 격자를 예시한 것이다.
도 10은 실험예 1에 따른 회절 광학 소자의 회절 격자의 높이에 대한 출광 효율을 도시한 것이다.
도 11은 실험예 2의 회절 광학 소자의 개략도이다.
도 12는 실험예 2에 따른 회절 광학 소자의 회절 격자의 높이에 대한 출광 효율을 도시한 것이다.
도 13은 비교예의 제 2 회절 광학 소자의 SEM 사진이다.
도 14는 비교예의 회절 도광판이 출력하는 영상의 시뮬레이션 결과이다.
도 15는 비교예의 회절 도광판이 출력하는 영상을 촬영한 사진이다.
도 16은 실시예의 회절 도광판이 출력하는 영상의 시뮬레이션 결과이다.
이하 실시예를 통하여 본 출원을 구체적으로 설명하지만, 본 출원의 범위가 하기 실시예에 의해 제한되는 것은 아니다.
실험예
하기의 실험예에서, LIGHTTRANS社의 VIrtualLab 소프트웨어의 RCWA(Rigorous Coupled Wave Analysis) 기능을 사용하여 해당 회절 광학 소자를 설계하고, 상기 소자의 출광 효율을 계산하였다.
실험예 1
525 nm 파장 광에 대한 굴절률이 약 1.8인 유리 기판 표면에, 도 9a와 같이 단일 방향으로 약 388 nm의 평균 피치로 이격되고, 홈 형태의 평균 폭이 상기 평균 피치의 약 0.55 배인 선형 회절 격자가 형성된 회절 광학 소자를 설계하였다. 상기 회절 광학 소자 내부에서 전반사되는 약 525 nm 파장의 광이 회절에 의하여 상기 회절 광학 소자의 표면에서 대기를 향하여 출광하는 효율을 하기 식 1에 따라 측정하였다. 상기 회절 패턴의 높이(도면에는 depth로 도시함)에 대한 상기 회절 광학 소자의 출광 효율을 산출한 결과를 도 10에 나타내었다:
[식 1]
출광 효율(%) = (A/B) X 100
상기 식 1에서, A는 회절 광학 소자에서 출력되는 광의 광량이고, B는 회절 광학 소자 내부에서 전반사되는 광의 총 광량이다.
실험예 2
525 nm 파장 광에 대한 굴절률이 약 1.8인 유리 기판 표면에, 지름이 약 200 nm인 원기둥형 홈이 도 11과 같이 대략 정육각형의 형태로 배치된 형태의 회절 광학 소자를 설계하였다. 구체적으로, 상기 회절 광학 소자에는 평균 피치가 약 388 nm인 선형 회절 격자가 형성되었다.
상기 회절 광학 소자 내부에서 전반사되는 약 525 nm 파장의 광이 회절에 의하여 상기 회절 광학 소자의 표면에서 대기를 향하여 출광하는 효율을 하기 식 1에 따라 측정하였다. 상기 회절 격자의 높이(도면에는 depth로 도시함)에 대한 상기 회절 광학 소자의 출광 효율을 산출한 결과를 도 12에 나타내었다:
도 10 및 도 12에 따르면, 본 출원의 제 1 회절 광학 소자, 제2 회절 광학 소자의 제 1 영역 또는 제 2 영역과 같이 선형 회절 격자를 가지는 경우, 그 격자의 높이(또는 깊이)에 따라서 출광 효율이 달라지는 것을 확인할 수 있다. 또한, 제 3 영역과 같이 선형 회절 격자가 중첩된 형태의 회절 격자를 가지는 소자의 경우, 그 깊이(또는 높이)와 무관하게 출광 효율이 대체로 낮은 점(5% 이하)을 확인할 수 있다.
비교예
도 2와 같이 선형 회절 격자를 가지는 제 1 회절 광학 소자와, 서로 다른 진행 방향의 선형 회절 격자를 가지는 제 1 및 제 2 영역을 가지는 제 2 회절 광학 소자가 배치된 회절 도광판을 설계하였다. 상기 제 1 회절 광학 소자의 선형 회절 격자의 진행 방향은 도 2의 z 축 방향과 동일한 방향을 가지고, 상기 제 1 및 제 2 영역의 선형 회절 격자의 진행 방향은 각각 도 2의 x축과 약 30 도 및 약 -30 도의 방향을 이루도록 설계하였다. 상기에서, 각 회절 격자의 피치는 약 388 nm, 폭은 상기 피치의 약 0.55 배, 높이는 약 100 nm였다.
비교예의 제 2 출력 회절 광학 소자를 SEM(Scanning Electron Microscope, HITACHI S 4800)으로 촬영하였고, 그 사진을 도 13에 나타내었다. 그리고 상기 회절 도광판의 제 1 회절 광학 소자의 법선을 기준으로 약 0 도(도 14의 (a)) 및 약 5 도(도 14의 (b))의 입사각으로 입사된 영상이 상기 제 2 회절 광학 소자의 법선으로부터 출력되는 영상의 시뮬레이션 결과를 도 14에 나타내었다. 상기 회절 도광판의 제 1 회절 광학 소자에 프로젝터(Miniray, Sekonix社)를 이용하여 영상을 약 5 도의 입사각으로 입력하고, 해당 영상을 상기 도광판의 제 2 회절 광학소자로부터 출력시킨 영상을 CMOS(complementary metal-oxide semiconductor) 카메라(DCC1645C, Thorlabs社)를 이용하여 촬영한 사진을 도 15에 나타내었다.
도 14 및 도 15에 따르면, 비교예에 따른 회절 도광판에서는 입력되는 영상이 각 출력 회절 광학 소자에서 분할되어 출력되기 때문에, 영상의 입사각이 약간(약 5도)이라도 변경되면, 영상의 일부가 출력되지 않아서, 도 15에 나타낸 것처럼 출력 회절 광학 소자 내의 복수의 영역들이 인접하는 부위에 대응하는 영상이 명확하게 인식되지 않는 점을 확인할 수 있다.
실시예
실험예 2와 같되 그 깊이가 약 50 nm인 회절 광학 소자를 제 2 회절 광학 소자의 제 3 영역으로서, 제 1 영역 및 제 2 영역 사이에 배치한 것을 제외하고는 비교예와 동일한 방식으로 회절 도광판을 제조하였다. 이 때 상기 제 2 회절 광학 소자의 제 3 영역의 길이(도 4의 z축과 평행한 방향의 길이, Z3)가 상기 제 2 회절 광학 소자에서 차지하는 비율(Z3/(Z1+Z2+Z3))은 대략 0.33 정도였다.
그리고 상기 회절 도광판의 제 1 회절 광학 소자의 법선을 기준으로 약 0 도(도 16의 (a)) 및 약 5 도(도 16의 (b))의 입사각으로 입사된 영상이 상기 제 2 회절 광학 소자의 법선으로부터 출력되는 영상의 시뮬레이션 결과를 도 16에 나타내었다.
도 16에 따르면, 회절 도광판에 입사되는 영상은 제 2 회절 광학 소자 내의 각 영역에서 모두 출력되는 것을 알 수 있다. 구체적으로, 도 16에 따르면, 본 출원과 같이 서로 다른 진행 방향의 선형 회절 격자들이 형성되어 있는 회절 광학 소자 사이에 상기 선형 회절 격자들이 중첩된 형태의 회절 격자가 형성되어 있는 회절 광학 소자를 배치한 회절 도광판은, 입력 영상의 입사각과 무관하게 각 영역에 해당하는 영상을 모두 출력할 수 있음을 확인할 수 있다.
Claims (22)
- 제 1 및 제 2 회절 광학 소자를 포함하고, 상기 제 1 회절 광학 소자는 상기 제 1 회절 광학 소자로 입사한 광을 수광하여 상기 제 2 회절 광학 소자를 항하여 출력할 수 있는 소자이며, 상기 제 2 회절 광학 소자는 상기 제 1 회절 광학 소자로부터 입사한 광을 상기 제 2 회절 광학 소자에서 출사시킬 수 있는 소자인 회절 도광판으로서,
상기 제 1 회절 광학 소자는 제 1 방향으로 연장되는 선형 회절 격자를 포함하고,
상기 제 2 회절 광학 소자는 제 1 내지 제 2 영역 및 상기 제 1 내지 제 2 영역 사이에 존재하는 제 3 영역을 포함하며,
상기 제 1 영역은 상기 제 1 방향과는 다른 제 2 방향으로 연장되는 선형 회절 격자를 포함하고,
상기 제 2 영역은 상기 제 1 및 제 2 방향과는 다른 제 3 방향으로 연장되는 선형 회절 격자를 포함하며,
상기 제 3 영역은 상기 제 1 및 제 2 영역의 선형 회절 격자가 중첩된 형태의 회절 격자를 포함하고,
상기 제 1 내지 제 3 영역은, 상기 제 1 회절 광학 소자로부터 입사되는 광이 상기 제 2 및 제 3 영역을 거치지 않고, 상기 제 1 영역으로 입사되고, 상기 광이 상기 제 1 및 제 3 영역을 거치지 않고, 상기 제 2 영역으로 입사되며, 또한 상기 광이 상기 제 1 및 제 2 영역을 거치지 않고 상기 제 3 영역으로 입사되도록 배치되어 있으며,
상기 회절 도광판이 형성하는 서로 수직인 세 축을 x축, y축 및 z축으로 설정하되, 상기에서 z축이 중력 방향과 평행한 방향이 되도록 설정하였을 때, 상기 제 1 내지 제 3 영역의 z축 방향의 길이의 합계(Z1+Z2+Z3)와 상기 제 3 영역의 z축 방향의 길이(Z3)의 비율(Z3/(Z1+Z2+Z3))은 0.3 내지 0.9의 범위 내인 회절 도광판. - 제 1 항에 있어서,
상기 제 1 내지 제 3 방향은 삼각형을 이루는 회절 도광판. - 제 2 항에 있어서,
상기 제 2 방향 및 제 3 방향이 이루는 각도는 50 도 내지 70 도의 범위 내인 회절 도광판. - 제 3 항에 있어서,
상기 제 1 방향 및 제 2 방향이 이루는 각도 또는 상기 제 1 방향 및 제 3 방향이 이루는 각도는 50 도 내지 70 도의 범위 내인 회절 도광판. - 제 1 항에 있어서,
상기 제 1 또는 제 2 영역의 회절 격자의 평균 피치는 200 nm 내지 600 nm의 범위 내인 회절 도광판. - 제 1 항에 있어서,
상기 제 1 또는 제 2 영역의 회절 격자의 평균 높이가 1 nm 내지 1 ㎛의 범위 내인 회절 도광판. - 제 5 항에 있어서,
상기 제 1 또는 제 2 영역의 회절 격자의 평균 폭은 상기 회절 격자의 평균 피치의 0.1 배 내지 0.9 배의 범위 내인 회절 도광판. - 제 1 항에 있어서,
제 1 또는 제 2 영역의 굴절률은 525 nm 파장의 광에 대해서 1.0 초과 2.0 이하의 범위 내인 회절 도광판. - 제 1 항에 있어서,
상기 제 3 영역의 회절 격자는, 점 형태의 복수의 기둥으로 구성되며, 상기 복수의 기둥 중 6 개의 기둥을 상기 6 개의 기둥을 연결하는 가상의 선이 육각형을 이루도록 선택하였을 때,
상기 육각형의 어느 한 변의 방향이 상기 제 1 방향과 이루는 각도가 -10 도 내지 10 도의 범위 내이며,
상기 육각형의 다른 한 변의 방향이 상기 제 2 방향과 이루는 각도가 -10 도 내지 10 도의 범위 내이고,
상기 육각형의 또 다른 한 변의 방향이 상기 제 3 방향과 이루는 각도가 -10 도 내지 10도의 범위 내인 회절 도광판. - 제 9 항에 있어서,
상기 육각형의 변 중에서 상기 제 1 방향과 -10 도 내지 10 도 범위 내의 각도를 이루는 변 및 상기 변과 마주보는 변이 이루는 각도는 -10도 내지 10도의 범위 내이고,
상기 육각형의 변 중에서 상기 제 2 방향과 -10도 내지 10도의 범위 내의 각도를 이루는 변 및 상기 변과 마주보는 변이 이루는 각도는 -10도 내지 10도의 범위 내이며,
상기 육각형의 변 중에서 상기 제 3 방향과 -10도 내지 10도의 범위 내의 각도를 이루는 변 및 상기 변과 마주보는 변이 이루는 각도는 -10도 내지 10도의 범위 내인 회절 도광판. - 제 9 항에 있어서,
상기 제 3 영역의 회절 격자의 기둥의 평균 피치는 200 nm 내지 600 nm의 범위 내인 회절 도광판. - 제 9 항에 있어서,
상기 제 3 영역의 회절 격자의 기둥의 평균 높이는 1 nm 내지 1 ㎛의 범위 내인 회절 도광판. - 제 11 항에 있어서,
상기 제 3 영역의 회절 격자의 기둥의 평균 폭은 상기 기둥의 평균 피치의 0.1 배 내지 1.3 배의 범위 내인 회절 도광판. - 제 9 항에 있어서,
상기 제 3 영역의 굴절률은 525 nm 파장의 광에 대해서 1.0 초과 2.0 이하의 범위 내인 회절 도광판. - 삭제
- 제 1 항에 있어서,
상기 제 1 영역의 z축 방향의 길이(Z1)와 상기 제 2 영역의 z축 방향의 길이(Z2)의 비율(Z1/Z2)은 0.9 내지 1.1의 범위 내인 회절 도광판. - 제 1 항에 있어서,
상기 제 3 영역의 z축 방향의 길이(Z3)는 15 mm 내지 25 mm의 범위 내인 회절 도광판. - 제 16 항에 있어서,
상기 제 1 영역의 z축 방향의 길이(Z1)는 또는 상기 제 2 영역의 z축 방향의 길이(Z2)는 1 mm 내지 15 mm의 범위 내인 회절 도광판. - 제 1 항에 있어서,
상기 제 1 회절 광학 소자로 입사하는 광은 영상 신호이고, 상기 제 2 회절 광학 소자는 영상 출력면을 형성하는 회절 도광판. - 제 1 항에 있어서,
상기 제 2 회절 광학 소자의 면적은 1 cm2 내지 50 cm2의 범위 내인 회절 도광판. - 좌안용 렌즈와 우안용 렌즈; 및 상기 좌안용 렌즈와 우안용 렌즈를 지지하는 프레임을 포함하며,
상기 좌안용 렌즈 및 우안용 렌즈는 각각 제 1 항의 회절 도광판을 포함하는 아이웨어. - 제 21 항에 있어서,
상기 프레임에 위치하고, 상기 좌안용 렌즈 및 우안용 렌즈 중 적어도 하나의 렌즈에 재생광을 투사하는 프로젝터를 추가로 포함하는 아이웨어.
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