KR102516526B1 - Wavelength compensation method and system of hologrpahic optical element - Google Patents

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Abstract

광기록 시 재생광과의 차이를 사전 보상하여 재생광의 왜곡을 방지할 수 있는 광학 구조와 그의 제작 방법이 제공된다. 본 발명의 실시예에 따른 홀로그래픽 광학소자의 파장 보상 방법은, 제작 장치가, 홀로그래픽 광학소자 내 관심영역을 복수 개의 국소 영역으로 분할하는 단계; 제작 장치가, 개별 국소 영역에 대하여 국소 기준빔 및 국소 신호빔을 도출하는 단계; 제작 장치가, 도출된 국소 기준빔 및 국소 신호빔을 종합하여 최종 기록에 필요한 보상 기준 파면 및 보상 신호 파면을 도출하는 단계; 제작 장치가, 보상 기준 파면 및 보상 신호 파면의 파면 근사화를 수행하는 단계; 및 제작 장치가, 근사화 결과를 기반으로, 홀로그래픽 광학소자의 광기록을 수행하는 단계;를 포함한다. 이에 의해, 보유한 레이저의 입광 조건을 조절함으로써 원하는 격자를 기록할 수 있어, 기록광-재생광 일치에 대한 요구 조건을 완화시킴으로써 제작되는 홀로그래픽 광학소자 기반의 HMD(Head-mounted Display), HUD(Head-up Display) 등에 있어 저렴하고 소형의 프로젝션 모듈을 활용할 수 있어, 소형화된 광원 및 저비용 광원 도입 등을 통한 고도화 개발이 가능하다. An optical structure capable of preventing distortion of reproduction light by pre-compensating for a difference from reproduction light during optical recording and a manufacturing method thereof are provided. A wavelength compensation method for a holographic optical element according to an embodiment of the present invention includes: dividing, by a manufacturing apparatus, a region of interest within a holographic optical element into a plurality of local regions; deriving, by a fabrication device, local reference beams and local signal beams for individual local regions; deriving, by a manufacturing device, a compensation reference wavefront and a compensation signal wavefront required for final recording by synthesizing the derived local reference beam and local signal beam; Performing, by a manufacturing device, wavefront approximation of the compensation reference wavefront and the compensation signal wavefront; and performing, by the fabrication device, optical recording of the holographic optical element based on the approximation result. Accordingly, it is possible to record a desired grating by adjusting the light incident condition of the possessed laser, and thus, a holographic optical element-based head-mounted display (HMD), HUD ( Head-up Display), etc., it is possible to use an inexpensive and small projection module, so advanced development is possible through the introduction of miniaturized light sources and low-cost light sources.

Description

홀로그래픽 광학소자의 파장 보상 방법 및 장치{Wavelength compensation method and system of hologrpahic optical element}Wavelength compensation method and system of holographic optical element {Wavelength compensation method and system of hologrpahic optical element}

본 발명은 영상 제공을 위한 홀로그래픽 광학소자 관련 기술에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 광기록 시 재생광과의 차이를 사전 보상하여 재생광의 왜곡을 방지할 수 있는 광학 구조와 그의 제작 방법에 관한 것이다. The present invention relates to a technology related to a holographic optical element for providing an image, and more particularly, to an optical structure capable of preventing distortion of reproduction light by pre-compensating for a difference from reproduction light during optical recording and a manufacturing method thereof. .

홀로그래픽 광학소자는 광기록을 통하여 기록될 때 사용한 레이저의 파장 및 방사각 등의 광특성과 동일한 입광 조건에서만 올바르게 동작하여 왜곡 없는 재생광을 출력하기 때문에, 기존에는 재생 조건과 동일한 특성의 레이저를 수배하여 홀로그래픽 광학소자의 광기록에 사용해왔다. Since the holographic optical element operates correctly only under the same light input conditions as the optical properties such as the wavelength and radiation angle of the laser used when recording through optical recording and outputs distortion-free reproduction light, conventional lasers with the same characteristics as the reproduction conditions Several times it has been used for optical recording of holographic optical elements.

하지만 HMD(Head-mounted Display)와 같이 소형/저전력 특성을 만족해야 하는 응용처에서 사용하는 광원은 칩 형태로 공급 가능한 레이저 다이오드 또는 LED를 선호하며, 이러한 재생광의 특성과 동일한 형태의 고출력 레이저를 구현하기는 매우 어렵기 때문에 임의의 파장 및 파면을 가지는 재생광에 대하여 사전 보상을 통한 HOE(Hologrpahic optical element) 기록 기술이 필요하다. However, laser diodes or LEDs that can be supplied in the form of chips are preferred for light sources used in applications where small/low power characteristics such as HMD (Head-mounted Display) must be satisfied, and high-power lasers with the same characteristics as these reproduction lights are to be realized. Since it is very difficult, HOE (Hologrpahic optical element) recording technology through pre-compensation for reproduction light having an arbitrary wavelength and wavefront is required.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은, HOE(Hologrpahic optical element)를 이용한 투시형(See-through) 디스플레이 개발에 있어, 기록광과 재생광 간의 차이(파장, 입광 방향 등) 및 매질 수축 현상을 고려하여, 재생 단계에서 사용자가 의도한 광파를 왜곡 및 효율 저하 없이 재현할 수 있는 광학적 보상 기록 방법 및 장치를 제공함에 있다.The present invention has been made to solve the above problems, and an object of the present invention is to develop a see-through display using a hologrpahic optical element (HOE), and the difference between recording light and reproduction light (wavelength , light incident direction, etc.) and medium shrinkage, it is an object of the present invention to provide an optical compensation recording method and apparatus capable of reproducing a light wave intended by a user in a reproducing step without distortion and efficiency degradation.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른, 홀로그래픽 광학소자의 파장 보상 방법은, 제작 장치가, 홀로그래픽 광학소자 내 관심영역을 복수 개의 국소 영역으로 분할하는 단계; 제작 장치가, 개별 국소 영역에 대하여 국소 기준빔 및 국소 신호빔을 도출하는 단계; 제작 장치가, 도출된 국소 기준빔 및 국소 신호빔을 종합하여 최종 기록에 필요한 보상 기준 파면 및 보상 신호 파면을 도출하는 단계; 제작 장치가, 보상 기준 파면 및 보상 신호 파면의 파면 근사화를 수행하는 단계; 및 제작 장치가, 근사화 결과를 기반으로, 홀로그래픽 광학소자의 광기록을 수행하는 단계;를 포함한다.According to an embodiment of the present invention for achieving the above object, a wavelength compensation method for a holographic optical element includes: dividing, by a manufacturing apparatus, a region of interest within the holographic optical element into a plurality of local regions; deriving, by a fabrication device, local reference beams and local signal beams for individual local regions; deriving, by a manufacturing device, a compensation reference wavefront and a compensation signal wavefront required for final recording by synthesizing the derived local reference beam and local signal beam; Performing, by a manufacturing device, wavefront approximation of the compensation reference wavefront and the compensation signal wavefront; and performing, by the fabrication device, optical recording of the holographic optical element based on the approximation result.

그리고 국소 기준빔 및 국소 신호빔을 도출하는 단계는, 개별 국소 영역에서 재생광 간 간섭을 통해 생성되어야 하는 격자 모델링을 수행하는 단계; 모델링된 격자를 매질 수축 및 파장 편차 보상에 따라 기록에 필요한 보상 격자로 변환하는 단계; 및 변환된 보상 격자를 생성할 수 있는 국소 기준빔 및 국소 신호빔을 도출하는 단계;를 포함할 수 있다. The step of deriving the local reference beam and the local signal beam may include performing grating modeling to be generated through interference between reproduction lights in individual local regions; converting the modeled grating into a compensation grating required for recording according to medium shrinkage and wavelength deviation compensation; and deriving a local reference beam and a local signal beam capable of generating a transformed compensation grating.

또한, 격자 모델링을 수행하는 단계는, 홀로그래픽 광학소자에 입광하는 파장의 투사빔을 편향시키는 경우, 필요한 격자 벡터가 홀로그래픽 기록매질 내에서 기설정된 격자 기울임 각도를 만족하는 벡터인 수 있다. Also, in the step of performing grating modeling, when deflecting a projected beam of a wavelength incident on a holographic optical element, a required grating vector may be a vector that satisfies a predetermined grating inclination angle in a holographic recording medium.

그리고 국소 기준빔 및 국소 신호빔의 입광 각도는, λ d 가 홀로그래픽 광학소자에 θ 1,d 로 입광하는 파장이고, θ 2,d 가 파장 λ d 의 투사빔이며, θ 1,r 가 국소 기준빔의 입광 각도이고, θ 2,r 가 국소 신호빔의 입광 각도이면, 하기 수식 1에 따라 정리될 수 있다. And, for the incident light angles of the local reference beam and the local signal beam, λ d is the wavelength of light incident to the holographic optical element at θ 1,d , θ 2,d is the projection beam with the wavelength λ d , and θ 1,r is the local If it is the incident angle of the reference beam and θ 2,r is the incident angle of the local signal beam, it can be arranged according to Equation 1 below.

(수식 1)

Figure 112020103688372-pat00001
(Equation 1)
Figure 112020103688372-pat00001

또한, 국소 기준빔 및 국소 신호빔의 입광 각도는, θ 1,r 가 국소 기준빔의 입광 각도이고,θ 2,r 가 국소 신호빔의 입광 각도이고, λ d 가 홀로그래픽 광학소자에 θ 1,d 로 입광하는 파장이고, θ 2,d 가 파장 λ d 의 투사빔이며,

Figure 112020103688372-pat00002
인 경우, 하기 수식 2에 따라 정리될 수 있다. In addition, for the incident angles of the local reference beam and the local signal beam, θ 1,r is the incident angle of the local reference beam, θ 2,r is the incident angle of the local signal beam, and λ d is θ 1 to the holographic optical element. ,d is the incident light wavelength, θ 2,d is the projection beam with the wavelength λd ,
Figure 112020103688372-pat00002
In the case of , it can be arranged according to Equation 2 below.

(수식 2)

Figure 112020103688372-pat00003
(Formula 2)
Figure 112020103688372-pat00003

더불어, 광기록을 수행하는 단계는, 개별 국소 영역에 대하여 도출된 국소 기준빔 및 국소 신호빔이 개별 국소 영역에 입광되도록 하여 광기록을 수행하되, 홀로그래픽 광학소자의 전체 영역에 대하여, 광기록을 반복적으로 수행함으로써, 최종적으로 요구되는 보상 기준 파면 및 보상 신호 파면이 구현되도록 할 수 있다. In addition, in the step of performing the optical recording, the local reference beam and the local signal beam derived for each local area are incident on the individual local area to perform the optical recording, but for the entire area of the holographic optical element, optical recording By repeatedly performing, it is possible to implement the finally required compensation reference wavefront and compensation signal wavefront.

그리고 광기록을 수행하는 단계는, 단일 광학 소자를 통하여 보상 기록 파면의 구현이 어려운 경우, 공간광변조기(Spatial light modulator, SLM)를 이용하여, 레이저 빔을 복소 변조함으로써, 타겟이 되는 보상 기록 파면을 구현하고, 공간광변조기에 의해 복소 변조된 파면은, 홀로그래픽 기록매질의 표면에서 각 국소 영역의 보상 기준빔 및 보상 신호빔을 만족하도록 할 수 있다. And, in the step of performing the optical recording, if it is difficult to implement the compensation recording wavefront through a single optical element, the laser beam is complex-modulated using a spatial light modulator (SLM) to target the compensation recording wavefront. , and the wavefront complex-modulated by the spatial light modulator can satisfy the compensation reference beam and compensation signal beam of each local region on the surface of the holographic recording medium.

한편, 본 발명의 다른 실시예에 따른, 홀로그래픽 광학소자의 제작 장치는, 홀로그래픽 광학소자 내 관심영역을 복수 개의 국소 영역으로 분할하는 분할부; 개별 국소 영역에 대하여 국소 기준빔을 도출하는 국소 기준빔 패스; 개별 국소 영역에 대하여 국소 신호빔을 도출하는 국소 신호빔 패스; 국소 기준빔 패스와 국소 신호빔 패스 각각의 방향을 조절하는 복수의 방향조정부; 및 국소 기준빔 패스와 국소 신호빔 패스 각각에 대하여 레이저의 평행광을 보상 설계한 광파로 변환하는 복수의 파면조정부를 포함한다. Meanwhile, an apparatus for fabricating a holographic optical element according to another embodiment of the present invention includes a dividing unit dividing a region of interest in the holographic optical element into a plurality of local regions; a local reference beam path that derives a local reference beam for each local area; a local signal beam path for deriving local signal beams for individual local areas; a plurality of direction adjusting units for adjusting directions of each of the local reference beam path and the local signal beam path; and a plurality of wavefront adjusting units for converting the parallel light of the laser into a compensation designed light wave for each of the local reference beam path and the local signal beam path.

이상 설명한 바와 같이, 본 발명의 실시예들에 따르면, 보유한 레이저의 입광 조건을 조절함으로써 원하는 격자를 기록할 수 있어, 기록광-재생광 일치에 대한 요구 조건을 완화시킴으로써 제작되는 홀로그래픽 광학소자 기반의 HMD(Head-mounted Display), HUD(Head-up Display) 등에 있어 저렴하고 소형의 프로젝션 모듈을 활용할 수 있어, 소형화된 광원 및 저비용 광원 도입 등을 통한 고도화 개발이 가능하다. As described above, according to the embodiments of the present invention, it is possible to record a desired grating by adjusting the incident light conditions of the possessed laser, thereby relieving the requirements for matching recording light and reproducing light based on a holographic optical element. Since inexpensive and small projection modules can be used in HMD (Head-mounted Display) and HUD (Head-up Display), advanced development is possible through the introduction of miniaturized light sources and low-cost light sources.

또한 본 발명의 실시예들에 따르면, 목표로 하는 임의의 파면 조건에서 브래그 조건으로 동작 가능한 고효율 HOE 광학소자 제작이 가능하다.In addition, according to the embodiments of the present invention, it is possible to manufacture a high-efficiency HOE optical device capable of operating under a Bragg condition under an arbitrary target wavefront condition.

도 1은, HOE 렌즈 기반 투시형 디스플레이에서 파장 편차에 의한 재생빔 왜곡 문제의 설명에 제공된 도면,
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 홀로그래픽 광학소자의 파장 보상 방법의 설명에 제공된 흐름도,
도 3은, 국소 기준빔 및 국소 신호빔의 도출 과정에서의 재생광 조건 및 기록광 조건의 설명에 제공된 도면,
도 4는, 국소 기준빔 및 국소 신호빔으로부터 보상 기록 파면을 도출하는 과정의 설명에 제공된 도면, 그리고
도 5는, 파장 보상된 홀로그래픽 광학소자의 제작 장치의 설명에 제공된 도면이다.
1 is a diagram provided for explanation of a reproduction beam distortion problem due to a wavelength deviation in an HOE lens-based see-through display;
2 is a flowchart provided to explain a method for compensating a wavelength of a holographic optical element according to an embodiment of the present invention;
3 is a diagram provided for explanation of reproduction light conditions and recording light conditions in the process of deriving a local reference beam and a local signal beam;
4 is a diagram provided for explanation of a process of deriving a compensating recording wavefront from a local reference beam and a local signal beam;
5 is a diagram provided for explanation of an apparatus for manufacturing a wavelength-compensated holographic optical element.

이하에서는 도면을 참조하여 본 발명을 보다 상세하게 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to the drawings.

도 1은, HOE 렌즈 기반 투시형 디스플레이에서 파장 편차에 의한 재생빔 왜곡 문제의 설명에 제공된 도면이다. FIG. 1 is a diagram provided to explain the reproduction beam distortion problem due to wavelength deviation in a see-through display based on an HOE lens.

일반적으로 홀로그래픽 광학소자(Hologrpahic optical element, HOE)는 서로 다른 방향에서 입광하는 두 광파(기준빔 및 신호빔)의 간섭 패턴을 기록매질(예: 포토폴리머, 광굴절폴리머, 실버할라이드 등)에 기록함으로써 제작된다. In general, a holographic optical element (HOE) transfers the interference patterns of two light waves (a reference beam and a signal beam) incident from different directions to a recording medium (e.g., photopolymer, photorefractive polymer, silver halide, etc.) created by recording

이때, 기록된 간섭 패턴은 홀로그래픽 기록매질 내에 주기적으로 반복되는 형태의 체적 격자(Volume grating)을 형성하며, 추후 재생 단계에서 입광하는 투사빔이 체적 격자의 브래그 조건(Bragg condition)을 만족할 경우 회절 현상을 통하여 재생빔을 출력한다. 만일 입광하는 빛이 기록된 체적 격자의 브래그 조건에서 벗어날 경우, 회절광의 세기 저하 및 출광 방향 왜곡 등의 문제가 발생하기 때문이다. At this time, the recorded interference pattern forms a periodically repeated volume grating in the holographic recording medium, and diffraction occurs when the incident beam in a later reproduction step satisfies the Bragg condition of the volume grating. A reproduction beam is output through the development. This is because if the incident light deviates from the Bragg condition of the recorded volume grating, problems such as a decrease in the intensity of diffracted light and distortion of the outgoing light direction occur.

도 1은, 렌즈 기능의 HOE를 이용한 투시형 디스플레이가 대표적인 예시된 도면이다. 1 is a representative example of a see-through display using an HOE with a lens function.

구체적으로, 도 1a는, 투사계에서 출발한 가상 영상이 사용자 안구 전면의 HOE 렌즈를 통하여 회절 및 집광됨으로써 사용자의 동공으로 가상 영상을 투사하는 시스템이 예시된 도면이다. Specifically, FIG. 1A is a diagram illustrating a system for projecting a virtual image onto a user's pupil by diffracting and condensing a virtual image starting from a projection system through an HOE lens in front of the user's eyeball.

만일, 투사빔의 파장(λ d )이 HOE 렌즈의 기록광 파장(λ r )과 다를 경우, 도 1b에 예시된 바와 같이 해당 파장 편차에 따라 HOE 렌즈의 집광 위치가 변질되며 영상의 색상이 번지거나 경우에 따라 관측이 불가능한 경우가 발생하게 된다. If the wavelength of the projected beam ( λ d ) is different from the recording light wavelength ( λ r ) of the HOE lens, as illustrated in FIG. Or, in some cases, observation may not be possible.

이를 보상하기 위하여, HOE 렌즈의 광학적 기록에 있어, 본 실시예에 따른 홀로그래픽 광학소자의 파장 보상 방법을 제안하고자 한다. In order to compensate for this, a method for compensating the wavelength of the holographic optical element according to the present embodiment is proposed in the optical recording of the HOE lens.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 홀로그래픽 광학소자의 파장 보상 방법의 설명에 제공된 흐름도이다. 2 is a flowchart provided to explain a method for compensating a wavelength of a holographic optical element according to an embodiment of the present invention.

본 실시예에 따른 홀로그래픽 광학소자의 파장 보상 방법은 HOE를 이용한 투시형(See-through) 디스플레이 개발에 있어, 기록광과 재생광 간의 차이(파장, 입광 방향 등) 및 매질 수축 현상을 고려하여, 재생 단계에서 사용자가 의도한 광파를 왜곡 및 효율 저하 없이 재현할 수 있다. The wavelength compensation method of the holographic optical element according to the present embodiment considers the difference between recording light and reproduction light (wavelength, incident light direction, etc.) and medium shrinkage in the development of a see-through display using HOE. , in the reproduction step, the light wave intended by the user can be reproduced without distortion and efficiency degradation.

이를 위해, 본 실시예에 따른 홀로그래픽 광학소자의 파장 보상 방법은, 파장 보상된 홀로그래픽 광학소자의 제작 장치를 이용하여, 홀로그래픽 광학소자 내 관심영역을 복수 개의 국소 영역으로 분할하고(S210), 개별 국소 영역에 대하여 국소 기준빔 및 국소 신호빔을 도출할 수 있다. To this end, the method for compensating the wavelength of the holographic optical element according to the present embodiment divides the region of interest in the holographic optical element into a plurality of local regions using an apparatus for manufacturing a wavelength-compensated holographic optical element (S210). , local reference beams and local signal beams can be derived for individual local regions.

구체적으로, 홀로그래픽 광학소자의 파장 보상 방법은, 국소 기준빔 및 국소 신호빔을 도출하는 과정에서, 개별 국소 영역에서 재생광 간 간섭을 통해 생성되어야 하는 격자 모델링을 수행하고(S220), 모델링된 격자를 매질 수축 및 파장 편차 보상에 따라 기록에 필요한 보상 격자로 변환하여(S230), 변환된 보상 격자를 생성할 수 있는 국소 기준빔 및 국소 신호빔을 도출할 수 있다(S240).Specifically, in the wavelength compensation method of the holographic optical element, in the process of deriving a local reference beam and a local signal beam, grating modeling to be generated through interference between reproduction lights in individual local areas is performed (S220), and the modeled The grating is converted into a compensation grating required for recording according to medium shrinkage and wavelength deviation compensation (S230), and a local reference beam and a local signal beam capable of generating the converted compensation grating can be derived (S240).

그리고 홀로그래픽 광학소자의 파장 보상 방법은, 파장 보상된 홀로그래픽 광학소자의 제작 장치를 이용하여, 도출된 국소 기준빔 및 국소 신호빔을 종합하여 최종 기록에 필요한 보상 기준 파면 및 보상 신호 파면을 도출하고(S250), 보상 기준 파면 및 보상 신호 파면의 파면 근사화를 수행하며(S260), 근사화된 보상 파면을 위한 홀로그래픽 광학소자의 광기록 셋업을 구현하여(S270), 근사화 결과를 기반으로, 홀로그래픽 광학소자의 광기록을 수행할 수 있다(S280). In addition, the wavelength compensation method of the holographic optical element derives the compensation reference wavefront and compensation signal wavefront required for final recording by synthesizing the derived local reference beam and local signal beam using a manufacturing apparatus for the wavelength-compensated holographic optical element. (S250), performs wavefront approximation of the compensation reference wavefront and compensation signal wavefront (S260), implements the optical recording setup of the holographic optical element for the approximated compensation wavefront (S270), and based on the approximation result, Optical recording of the graphic optical element may be performed (S280).

즉, 홀로그래픽 광학소자의 파장 보상 방법은, 전체 홀로그래픽 광학소자의 영역을 매우 적은 국소 영역의 집합으로 분할한 뒤, 각 국소 영역에서 생성되어야 하는 격자를 모델링하고 이를 보상하기 위한 평면파 형태의 국소 기준빔과 국소 신호빔을 도출한다. That is, the wavelength compensation method of the holographic optical element divides the entire area of the holographic optical element into a set of very few local areas, models a grating to be generated in each local area, and then models a local area in the form of a plane wave to compensate for it. A reference beam and a local signal beam are derived.

이는 전체 홀로그래픽 광학소자 내의 격자가 비록 복잡하고 비주기적이라 할지라도, 충분히 많은 개수의 국소 영역으로 분할할 경우 개별 국소 영역은 주기적이고 단순한 형태의 격자로 근사가 가능하기 때문이다. This is because even if the grating in the entire holographic optical element is complex and non-periodic, when divided into a sufficiently large number of local areas, individual local areas can be approximated with periodic and simple gratings.

따라서, 개별 국소 영역에서의 파장 및 수축 보상은 주기적 격자를 기반으로 하여 빠르게 수행될 수 있고, 도출된 국소 기준빔과 국소 신호빔을 전체 HOE영역을 대상으로 종합하여 실제 기록에 필요한 보상 파면(보상 기준 파면 및 보상 신호 파면)을 도출할 수 있다.Therefore, wavelength and shrinkage compensation in individual local regions can be quickly performed based on the periodic grating, and the derived local reference beam and local signal beam are synthesized over the entire HOE region to obtain a compensation wavefront (compensation reference wavefront and compensation signal wavefront) can be derived.

이를 통해, 파장, 방사각 등의 광특성이 다른 재생빔을 고려하여 기록 단계에서 기록빔 간의 각도와 파면을 변조하여 그 차이를 보상할 수 있다. Through this, it is possible to compensate for the difference by modulating the angle and the wavefront between the recording beams in the recording step in consideration of the reproduction beams having different optical characteristics such as wavelength and radiation angle.

도 3은, 국소 기준빔 및 국소 신호빔의 도출 과정에서의 재생광 조건 및 기록광 조건의 설명에 제공된 도면이다.FIG. 3 is a diagram provided for explanation of reproduction light conditions and recording light conditions in the process of deriving local reference beams and local signal beams.

도 3을 참조하면, 재생 단계에서 HOE에 θ 1,d 로 입광하는 파장 λ d 의 투사빔을 θ 2,d 로 편향시키고자 한다면, 필요한 격자 벡터는 홀로그래픽 기록매질 내에서 θ g,d 의 격자 기울임 각도를 만족하여야 한다. Referring to FIG. 3, if a projected beam with a wavelength λ d entering the HOE at θ 1, d is deflected to θ 2,d in the regeneration step, the required grating vector is θ g,d within the holographic recording medium. The grid tilt angle must be satisfied.

이를 바탕으로, 매질의 수축을 고려하여 기록 단계에서 필요한 격자를 도출하고(도 3의 θ g,r 로 기울어진 격자 벡터), 이 기록 필요 격자의 브래그 조건을 만족하는 파장 λ r 의 두 벡터 쌍을 구한다. Based on this, a grating required in the recording step is derived in consideration of the shrinkage of the medium (the grating vector tilted at θ g,r in FIG. save

이때, 벡터쌍은 각각 국소 기준빔 및 국소 신호빔의 입광 방향을 의미하며, 입광 각도 θ 1,r , θ 2,r 은 재생 단계와는 파장 및 수축 정도에 따라 변동이 있게 된다. At this time, the vector pair means the light incident direction of the local reference beam and the local signal beam, respectively, and the light incident angles θ 1,r and θ 2,r vary according to the wavelength and contraction degree from the regeneration stage.

예를 들어, λ d 가 홀로그래픽 광학소자에 θ 1,d 로 입광하는 파장이고, θ 2,d 가 파장 λ d 의 투사빔이며, θ 1,r 가 국소 기준빔의 입광 각도이고, θ 2,r 가 국소 신호빔의 입광 각도이고, 매질 수축이 매우 작다면, 국소 기준빔 및 국소 신호빔의 입광 각도는, 면, 하기 수식 1에 따라 정리될 수 있다. For example, λd is the wavelength of light incident on the holographic optical element at θ 1,d , θ 2,d is the projection beam of wavelength λd , θ 1,r is the incident angle of the local reference beam, and θ 2 , r is the light incident angle of the local signal beam and the medium shrinkage is very small, the light incident angles of the local reference beam and the local signal beam can be arranged according to Equation 1 below.

(수식 1)

Figure 112020103688372-pat00004
(Equation 1)
Figure 112020103688372-pat00004

또한, 국소 기준빔 및 국소 신호빔의 입광 각도는, θ 1,r 가 국소 기준빔의 입광 각도이고,θ 2,r 가 국소 신호빔의 입광 각도이고, λ d 가 홀로그래픽 광학소자에 θ 1,d 로 입광하는 파장이고, θ 2,d 가 파장 λ d 의 투사빔이며,

Figure 112020103688372-pat00005
인 경우, 하기 수식 2에 따라 정리될 수 있다. In addition, for the incident angles of the local reference beam and the local signal beam, θ 1,r is the incident angle of the local reference beam, θ 2,r is the incident angle of the local signal beam, and λ d is θ 1 to the holographic optical element. ,d is the incident light wavelength, θ 2,d is the projection beam with the wavelength λd ,
Figure 112020103688372-pat00005
In the case of , it can be arranged according to Equation 2 below.

(수식 2)

Figure 112020103688372-pat00006
(Formula 2)
Figure 112020103688372-pat00006

도 4는, 국소 기준빔 및 국소 신호빔으로부터 보상 기록 파면을 도출하는 과정의 설명에 제공된 도면이다. 4 is a diagram provided for explanation of a process of deriving a compensation recording wavefront from a local reference beam and a local signal beam.

국소 기준빔 및 국소 신호빔은 HOE 제작 및 광기록 과정에서 개별 국소 영역에 입광되어야 하는 조건이므로, 이를 전체 HOE 영역에 대하여 반복함으로써, 최종적으로 요구되는 보상 기준 파면 및 보상 신호 파면이 구현되도록 할 수 있다. Since the local reference beam and the local signal beam are conditions that must be received in individual local regions in the HOE fabrication and optical recording process, by repeating this for the entire HOE region, the finally required compensation reference wavefront and compensation signal wavefront can be implemented. there is.

하지만 이러한 과정을 거친 보상 기록 파면은 그 형태가 복잡하여 단일 광학 소자를 통하여 구현하기가 어려울 수 있다. However, the compensating recording wavefront that has undergone this process has a complicated shape and may be difficult to implement using a single optical device.

이 경우 복잡한 형태의 광파를 기록 과정에서 재현하기 위하여 공간광변조기(Spatial light modulator, SLM)와 홀로그래피의 원리를 이용할 수 있다. In this case, a Spatial Light Modulator (SLM) and the principle of holography may be used to reproduce a complex light wave in a recording process.

이때, 타겟이 되는 보상 기록 파면은 레이저 빔을 복소 변조함으로써 구현될 수 있으며, 이 때 SLM에서 복소 변조된 파면은 홀로그래픽 기록매질의 표면에서 각 국소 영역의 보상 기준빔, 보상 신호빔을 만족하여야 한다.At this time, the target compensation recording wavefront can be implemented by complex-modulating the laser beam. In this case, the complex-modulated wavefront in the SLM must satisfy the compensation reference beam and compensation signal beam of each local region on the surface of the holographic recording medium. do.

더불어, 필요 시 제작 장치의 용이한 구현을 위하여 복잡한 형태의 파면을 지니는 기록 필요 광파를 단순한 형태로 근사할 수 있음은 물론이다. In addition, it goes without saying that a recording-required light wave having a complicated wavefront can be approximated in a simple form for easy implementation of a manufacturing device when necessary.

예를 들어 도 4와 같이 보상 기록 파면으로 수렴하는 형태의 광파가 요구될 경우, 각각 하나(혹은 복수)의 초점을 가지는 구면파(혹은 구면파 어레이)로 근사함으로써 파장 보상된 홀로그래픽 광학소자의 제작 장치의 구현 비용을 절감할 수 있다. For example, when a light wave converging to a compensation recording wavefront is required as shown in FIG. 4, a device for producing a wavelength-compensated holographic optical element by approximating a spherical wave (or spherical wave array) each having one (or multiple) focal points implementation cost can be reduced.

도 5는, 파장 보상된 홀로그래픽 광학소자의 제작 장치의 설명에 제공된 도면이다. 5 is a diagram provided for explanation of an apparatus for manufacturing a wavelength-compensated holographic optical element.

통상 풀컬러로 동작하는 홀로그래픽 광학소자를 제작함에 있어, 재생광과 기록광 간의 파장 편차는 적녹청 각 대역에서 그 정도가 상이하다. In manufacturing a holographic optical element that normally operates in full color, the wavelength deviation between reproduction light and recording light is different in each band of red, green and blue.

따라서 홀로그래픽 광학소자를 기록할 때에는 적녹청 각 파장에 대해서 단계별 기록(Sequential recording)이 적합하며, 파장 별로 보상 기록 파면을 구현하기 위한 스킴이 다를 수 있으므로, 도 5에 예시된 바와 같이 기준빔과 신호빔 양 쪽에서 입사광의 방향 및 초점 위치 등을 미세 조정할 수 있는 광기록 장치가 필요하다. Therefore, when recording a holographic optical element, sequential recording is suitable for each wavelength of red, green, and blue, and since the scheme for implementing a compensation recording wavefront for each wavelength may be different, as illustrated in FIG. 5, the reference beam and An optical recording device capable of finely adjusting the direction and focus position of incident light on both sides of a signal beam is required.

이를 위해, 본 실시예에 따른, 홀로그래픽 광학소자의 제작 장치는, 홀로그래픽 광학소자 내 관심영역을 복수 개의 국소 영역으로 분할하는 분할부(501), 개별 국소 영역에 대하여 국소 기준빔을 도출하는 국소 기준빔 패스(502), 개별 국소 영역에 대하여 국소 신호빔을 도출하는 국소 신호빔 패스(503), 국소 기준빔 패스와 국소 신호빔 패스 각각의 방향을 조절하는 복수의 방향조정부(510) 및 국소 기준빔 패스와 국소 신호빔 패스 각각에 대하여 레이저의 평행광을 보상 설계한 광파로 변환하는 복수의 파면조정부(520)를 포함한다. To this end, an apparatus for manufacturing a holographic optical element according to the present embodiment includes a division unit 501 for dividing a region of interest in the holographic optical element into a plurality of local regions, and a division unit 501 for deriving a local reference beam for each local region. A local reference beam path 502, a local signal beam path 503 for deriving local signal beams for individual local areas, a plurality of direction adjusting units 510 for adjusting the direction of each of the local reference beam path and the local signal beam path, and It includes a plurality of wavefront adjusting units 520 for converting the parallel light of the laser into light waves of compensation design for each of the local reference beam path and the local signal beam path.

즉, 홀로그래픽 광학소자의 제작 장치는, 국소 신호빔 패스와 국소 기준빔 패스를 포함하여 홀로그래픽 매질 위치에서 간섭을 일으키도록 설계된다. That is, the apparatus for manufacturing a holographic optical element is designed to cause interference at a location of a holographic medium including a local signal beam path and a local reference beam path.

그리고 각 빔 패스에서는 빔 패스의 방향을 조절하는 방향조정부(510), 레이저의 평행광을 보상 설계한 광파로 변환하는 파면조정부(520)가 광파의 초점(530)의 위치를 기록하려는 단계별 파장에 맞추어 이동시키는 역할을 수행한다. In each beam pass, a direction adjuster 510 for adjusting the direction of the beam pass and a wavefront adjuster 520 for converting the parallel light of the laser into a light wave with a compensation design are used to record the position of the focal point 530 of the light wave according to the step-by-step wavelength to be recorded. It plays a role in moving.

방향조정부(510)는 상하좌우로의 회전이동을 지원하기 위하여 최소 1축 이상의 미세한 회전 기능을 지원하여야 한다. The direction adjusting unit 510 must support a fine rotation function of at least one axis in order to support vertical and horizontal rotational movement.

예를 들면, 방향조정부(510)는 Galvo Mirror, MEMS Mirror 등을 이용한 2축 전동 스캐닝 장치로 구현될 수 있다. For example, the direction adjusting unit 510 may be implemented as a two-axis electric scanning device using a galvo mirror, MEMS mirror, or the like.

파면조정부(520)는 1축 방향의 이동을 지원하여야 하며, 전동 스테이지와 연계된 구면, 비구면, 자유곡면 등의 단일 렌즈 혹은 렌즈 군으로 구성될 수 있다. The wavefront adjusting unit 520 should support movement in one axis direction, and may be composed of a single lens or a group of lenses such as a spherical surface, an aspheric surface, and a free curved surface associated with a motorized stage.

구체적으로, 파면조정부(520)는, 광기록을 수행하는 과정에서는, 1축 이상의 미세 조정 가능한 이동(translation)을 지원하고 각 빔패스의 전체 방향을 1축 이상으로 미세 조정 가능한 회전(rotation)을 지원하게 된다. Specifically, in the process of performing optical recording, the wavefront adjusting unit 520 supports finely adjustable translation of one axis or more and finely adjustable rotation of the entire direction of each beam path in one or more axes. will support

만일 전술한 바와 같이 복잡한 보상 기록 파면을 근사하지 않을 경우, 파면조정부(520)는 렌즈/렌즈군 대신 SLM 및 필터링 광학계를 통하여 복소 변조 기능을 수행하는 시스템으로 구현될 수도 있다.As described above, if a complex compensation recording wavefront is not approximated, the wavefront adjuster 520 may be implemented as a system that performs a complex modulation function through an SLM and a filtering optical system instead of a lens/lens group.

이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 도시하고 설명하였지만, 본 발명은 상술한 특정의 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진자에 의해 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 이러한 변형실시들은 본 발명의 기술적 사상이나 전망으로부터 개별적으로 이해되어져서는 안될 것이다.Although the preferred embodiments of the present invention have been shown and described above, the present invention is not limited to the specific embodiments described above, and is common in the art to which the present invention pertains without departing from the gist of the present invention claimed in the claims. Of course, various modifications are possible by those who have knowledge of, and these modifications should not be individually understood from the technical spirit or prospect of the present invention.

501 : 분할부
502 : 국소 기준빔 패스
503 : 국소 신호빔 패스
510 : 방향조정부
520 : 파면조정부
530 : 광파의 초점
501: division part
502: local reference beam pass
503: local signal beam pass
510: direction adjustment unit
520: wave front adjustment unit
530: focus of light wave

Claims (8)

제작 장치가, 홀로그래픽 광학소자 내 관심영역을 복수 개의 국소 영역으로 분할하는 단계;
제작 장치가, 개별 국소 영역에 대하여 국소 기준빔 및 국소 신호빔을 도출하는 단계;
제작 장치가, 도출된 국소 기준빔 및 국소 신호빔을 종합하여 최종 기록에 필요한 보상 기준 파면 및 보상 신호 파면을 도출하는 단계;
제작 장치가, 보상 기준 파면 및 보상 신호 파면의 파면 근사화를 수행하는 단계; 및
제작 장치가, 근사화 결과를 기반으로, 홀로그래픽 광학소자의 광기록을 수행하는 단계;를 포함하고,
국소 기준빔 및 국소 신호빔을 도출하는 단계는,
개별 국소 영역에서 재생광 간 간섭을 통해 생성되어야 하는 격자 모델링을 수행하는 단계;
모델링된 격자를 매질 수축 및 파장 편차 보상에 따라 기록에 필요한 보상 격자로 변환하는 단계; 및
변환된 보상 격자를 생성할 수 있는 국소 기준빔 및 국소 신호빔을 도출하는 단계;를 포함하며,
격자 모델링을 수행하는 단계는,
홀로그래픽 광학소자에 입광하는 파장의 투사빔을 편향시키는 경우, 필요한 격자 벡터가 홀로그래픽 기록매질 내에서 기설정된 격자 기울임 각도를 만족하는 벡터이고,
국소 기준빔 및 국소 신호빔의 입광 각도는,
λd 가 홀로그래픽 광학소자에 θ1,d 로 입광하는 파장이고, θ2,d 가 파장 λd 의 투사빔이며, θ1,r 가 국소 기준빔의 입광 각도이고, θ2,r 가 국소 신호빔의 입광 각도이면, 하기 수식 1에 따라 정리되며,
국소 기준빔 및 국소 신호빔의 입광 각도는,
θ1,r 가 국소 기준빔의 입광 각도이고,θ2,r 가 국소 신호빔의 입광 각도이고, λd 가 홀로그래픽 광학소자에 θ1,d 로 입광하는 파장이고, θ2,d 가 파장 λd 의 투사빔이며,
Figure 112022114871538-pat00015
인 경우, 하기 수식 2에 따라 정리되고,
광기록을 수행하는 단계는,
개별 국소 영역에 대하여 도출된 국소 기준빔 및 국소 신호빔이 개별 국소 영역에 입광되도록 하여 광기록을 수행하되, 홀로그래픽 광학소자의 전체 영역에 대하여, 광기록을 반복적으로 수행함으로써, 최종적으로 요구되는 보상 기준 파면 및 보상 신호 파면이 구현되도록 하고,
광기록을 수행하는 단계는,
단일 광학 소자를 통하여 보상 기록 파면의 구현이 어려운 경우, 공간광변조기(Spatial light modulator, SLM)를 이용하여, 레이저 빔을 복소 변조함으로써, 타겟이 되는 보상 기록 파면을 구현하고,
공간광변조기에 의해 복소 변조된 파면은,
홀로그래픽 기록매질의 표면에서 각 국소 영역의 보상 기준빔 및 보상 신호빔을 만족하며,
공간광변조기에 의해 복소 변조된 파면은,
보상 기록 파면으로 수렴하는 형태의 광파가 요구될 경우, 각각 하나의 초점을 가지는 구면파 또는 복수의 초점을 가지는 구면파 어레이로 근사되는 것을 특징으로 하는 홀로그래픽 광학소자의 파장 보상 방법.
(수식 1)
Figure 112022114871538-pat00007

(수식 2)
Figure 112022114871538-pat00009

Dividing, by a fabrication device, a region of interest within the holographic optical element into a plurality of local regions;
deriving, by a fabrication device, local reference beams and local signal beams for individual local regions;
deriving, by a manufacturing device, a compensation reference wavefront and a compensation signal wavefront required for final recording by synthesizing the derived local reference beam and local signal beam;
Performing, by a manufacturing device, wavefront approximation of the compensation reference wavefront and the compensation signal wavefront; and
Performing, by the manufacturing device, optical recording of the holographic optical element based on the approximation result;
The step of deriving a local reference beam and a local signal beam,
performing grating modeling to be generated through interference between reproduction lights in individual local regions;
converting the modeled grating into a compensation grating required for recording according to medium shrinkage and wavelength deviation compensation; and
Deriving a local reference beam and a local signal beam capable of generating a transformed compensation grating;
The step of performing lattice modeling is,
When deflecting a projected beam of a wavelength entering a holographic optical element, a required grating vector is a vector that satisfies a predetermined grating tilt angle in a holographic recording medium,
The incident angles of the local reference beam and the local signal beam are
λ d is the wavelength of light incident on the holographic optical element at θ 1,d , θ 2,d is the projection beam of wavelength λ d , θ 1,r is the incident angle of the local reference beam, and θ 2,r is the local reference beam. If the angle of incidence of the signal beam is arranged according to Equation 1 below,
The incident angles of the local reference beam and the local signal beam are
θ 1,r is the incident angle of the local reference beam, θ 2,r is the incident angle of the local signal beam, λ d is the wavelength of light incident on the holographic optical element at θ 1,d , and θ 2,d is the wavelength It is a projection beam of λ d ,
Figure 112022114871538-pat00015
If , it is arranged according to Equation 2 below,
The steps of performing optical recording include:
Optical recording is performed by allowing the local reference beam and the local signal beam derived for each local area to enter the individual local area, and the optical recording is repeatedly performed for the entire area of the holographic optical element, so that finally required ensure that a compensation reference wavefront and a compensation signal wavefront are implemented;
The steps of performing optical recording include:
When it is difficult to implement a compensation recording wavefront through a single optical element, a spatial light modulator (SLM) is used to complex-modulate a laser beam to implement a compensation recording wavefront as a target,
The wavefront complex modulated by the spatial light modulator is
Satisfying the compensation reference beam and compensation signal beam of each local area on the surface of the holographic recording medium,
The wavefront complex modulated by the spatial light modulator is
A wavelength compensation method for a holographic optical element, characterized in that, when a light wave converging to a compensation recording wavefront is required, it is approximated with a spherical wave having one focus or an array of spherical waves having a plurality of focus points.
(Equation 1)
Figure 112022114871538-pat00007

(Formula 2)
Figure 112022114871538-pat00009

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