KR102653719B1 - 회절 광학 요소 및 디스플레이 디바이스 - Google Patents

Abstract

본 발명은 제1 기판(10) 및 제2 기판(11)을 포함하고 그 사이에 액정 층(14)이 제공되는 회절 광학 요소에 관한 것이다. 회절 광학 요소는 또한 제1 기판(10) 상의 스트립 형상 전극들(12) 및 제2 기판(11) 상의 스트립 형상 전극들(13)을 포함한다. 제1 기판 상의 전극들은 제2 기판 상의 전극들에 대해 50°보다 더 큰 각도로 배치된다. 또한, 제1 기판 상의 전극들 및 제2 기판 상의 전극들은, 제1 기판 상의 전극들과 제2 기판 상의 전극들의 각각의 중첩 영역에 정의된 평면 외 필드(out-of-plane field)가 생성될 수 있는 방식으로 제어 가능하다. 회절 광학 요소는 바람직하게는 3차원 장면을 표현하기 위한 디스플레이 디바이스에서 사용될 수 있다.

Description

회절 광학 요소 및 디스플레이 디바이스

본 발명은 광을 제어하기 위한, 또는 광을 정의된 방향으로 지향시키기 위한, 또는 시야의 적응 또는 조정을 위한 회절 광학 요소에 관한 것이다.

또한, 본 발명은 이러한 유형의 회절 광학 요소를 갖는, 2차원 및/또는 3차원 오브젝트(object) 또는 장면을 표현하기 위한 디스플레이 디바이스에 관한 것이다.

예를 들어 광학 데이터 전송 시 또는 2차원 및/또는 3차원 정보를 표현하기 위한 디스플레이 디바이스 또는 디스플레이와 같이, 광 제어를 위해 또는 시야의 조정을 위해 광학 요소가 사용될 수 있는 많은 응용 분야가 존재한다. 이러한 유형의 디스플레이 디바이스, 특히 홀로그래픽 디스플레이 디바이스에서, 회절 광학 요소는 종종 광의 목표된 편향을 위해 사용된다. 예를 들어 회절 광학 요소는 디스플레이 디바이스에서 관찰자 추적을 위해 사용될 수 있어, 디스플레이 디바이스에 대한 관찰자의 위치가 변경될 때, 바람직하게는 3차원 장면을 생성하기 위한 광은 관찰자의 새로운 위치를 추적하거나 또는 관찰자의 새로운 위치로 향할 수 있다.

가상 관찰자 윈도우로도 또한 지칭될 수 있는 적어도 하나의 가상 관찰자 영역을 갖는 홀로그래픽 디스플레이 디바이스의 경우, 홀로그래픽으로 생성된 장면 또는 오브젝트는 이러한 장면의 관찰자의 눈이 가상 관찰자 영역의 위치에 위치되어 있는 경우에만 관찰될 수 있으므로, 관찰자가 이러한 가상 관찰자 영역을 통해 주시할 때, 표현된 장면을 관찰할 수 있다. 이를 위해, 관찰자는 디스플레이 디바이스에 대해 고정된 위치를 취해야 한다. 그러나, 디스플레이 디바이스에 대해 관찰자가 다른 위치로 이동하는 경우, 관찰자가 표현된 장면 또는 정보를 계속해서 관찰할 수 있도록, 관찰자의 눈의 새로운 위치의 가상 관찰자 영역이 추적되어야 한다.

디스플레이 디바이스에서 관찰자 추적의 공지된 가능성은, 입사광의 변조를 위해 그리고 재구성된 장면의 생성을 위해 제공되는 공간 광 변조 장치로 홀로그램을 인코딩하는 것 외에도 위상 응답(phase response)의 대응하는 인코딩을 통해 광을 추적하거나 또는 정의된 방향으로 지향시키는 것이다.

관찰자 추적을 위한 다른 가능성은, 회절 광학 요소 또는 예를 들어 회절 장치와 같은 장치를 사용하는 것이다. 이러한 유형의 회절 광학 요소 또는 장치는 제어 가능하게 형성된다.

US 8,860,896 B2호에는 예를 들어 제1 기판 및 제2 기판, 전극 어레이, 및 액정 분자들을 갖는 액정 층을 포함하는 위상 변조기가 개시되어 있다. 제1 기판은 제2 기판에 대해 대향하여 배치되고, 여기서 액정 층은 2개의 기판 사이에 배치된다. 전극 어레이는 단지 하나의 기판 상에만 스트립 형상 전극들을 포함하고, 여기서 다른 기판은 편평한 전극을 포함하거나 또는 전극을 포함하지 않는다. 이러한 유형의 위상 변조기에 의해, 하나의 기판 상의 평면 내(in-plane) 전극들의 제어를 통해 가변 회절 격자가 또한 구현될 수도 있다. 여기서 동일한 기판 상의 각각 2개의 스트립 형상 전극들 사이에 평면 내 필드가 생성된다. 이를 통해, 액정 층의 액정 분자들의 가변적인 배향을 생성하는 것이 가능하므로, 가변 격자 주기가 생성될 수 있다. 따라서, 위상 변조기에 특정 격자 주기로 회절 격자를 기록함으로써 광 편향이 수행될 수 있다.

각각 제1 기판 상의 스트립 형상 전극과, 제1 기판의 전극에 대해 평행하게 연장되는 제2 기판 상의 편평하거나 또는 마찬가지로 스트립 형상의 전극 사이의 평면 외 필드(out-of-plane field)를 사용하는 위상 디플렉터(phase deflector)가 US 2012/0206667 A1호에 설명되어 있다. 여기서 또한, 특정 격자 주기를 갖는 회절 격자를 위상 디플렉터에 기록함으로써, 광 편향이 전극 라인의 정렬에 수직인 방향으로 구현된다. 기록된 격자 주기의 변형을 통해, 광 편향의 각도가 변경될 수 있다.

US 2014/0055692 A1호는 홀로그래픽 디스플레이 디바이스에서 관찰자 추적을 위한 회절 장치의 사용을 설명한다. 이러한 회절 장치는 마찬가지로 적어도 하나의 기판 상에 스트립 형상 전극들을 포함한다. 전극 라인의 정렬에 수직인 방향으로의 광의 편향은 여기서 회절 장치에 특정 격자 주기를 갖는 회절 격자를 기록함으로써 또한 수행된다. 여기서 광 편향의 각도를 변경하기 위해 격자 주기가 변경될 수 있다. 회절 장치의 다양한 구성예가 설명된다. 여기서 일부 구성예에서, 각각 제1 기판 상의 스트립 형상 전극과, 제1 기판의 전극에 대해 평행하게 연장되는 제2 기판 상의 편평하거나 또는 마찬가지로 스트립 형상의 전극 사이에 평면 외 전기장이 사용된다.

여기에 열거된 모든 종래 기술의 요소들 및 장치들에서, 평면 내 필드 또는 평면 외 필드는 각각의 필드를 사용하여 회절 격자가 조정될 수 있는 각각의 액정(LC)(liquid crystal) 모드와 조합하여 사용된다.

생성된 평면 내 필드를 갖는 회절 장치는 예를 들어 US 8,860,896 B2호에 설명된 바와 같이, HAN(hybrid aligned nematic) 모드 또는 CIPR(continuous in plane rotation) 모드를 기반으로 할 수 있다.

생성된 평면 외 필드를 갖는 회절 장치는 예를 들어 ECB(electrically controlled birefringence) 모드를 기반으로 할 수 있으며, 여기서 또한 스멕틱(smectic) 액정을 사용하는 액정 모드를 기반으로 할 수도 있고, 여기서 액정 분자들은 평면 외 필드에서 평면 내 회전을 수행할 수 있다.

홀로그래픽 디스플레이 디바이스 또는 디스플레이에서, 일반적으로 관찰자 추적을 위해 수평 방향으로 그리고 또한 수직 방향으로의 광 편향이 필요하다.

종래 기술로부터, 예를 들어 US 2014/0055692 A1호에 설명된 바와 같이, 이를 위해 적어도 2개의 회절 장치로 구성된 어레이를 사용하는 것이 공지되어 있다. 제1 회절 장치의 전극들과 제2 회절 장치의 전극들은 서로에 대해 실질적으로 90도 회전된 방식으로 배치되거나 또는 2개의 회절 장치가 서로에 대해 회전된 방식으로 제공된다. 예를 들어 제1 회절 장치는 입사광을 수평 방향으로 편향시키고, 여기서 제2 회절 장치는 광을 수직 방향으로 편향시킨다. 또한 깊이 방향(z 방향)으로도 관찰자 추적을 수행할 수 있도록, 적어도 2개의 회절 장치가 사용된다. 적어도 2개의 회절 장치에는 각각 원통형 렌즈 함수(function)가 기록되고, 여기서 적어도 2개의 교차된 원통형 렌즈 함수는 구면 렌즈에 가깝다. 회절 장치는 또한 예를 들어 수평 또는 수평 라인에 대해 45도만큼 회전될 수 있거나 또는 경사질 수 있으므로, 제1 회절 장치는 광을 45도만큼 편향시키고, 제2 회절 장치는 광을 135도만큼 편향시킨다.

홀로그래픽 디스플레이 디바이스는 일반적으로 광 편향을 위해, 그리고 이에 따라 관찰자 추적을 위해 적어도 하나의 광 변조 장치 및 적어도 2개의 회절 장치를 포함한다.

광 변조 장치 및 회절 장치는 또한 적어도 하나의 기판 상에 ITO(Indium tin oxide; 인듐 주석 산화물) 전극들을 종종 포함하며, 그 굴절률은 주변 기판, 예를 들어 유리의 굴절률 및 액정 층의 굴절률과는 명백히 구별된다. ITO 전극과 기판 사이의 경계 표면에서 광이 반사됨으로써, 예를 들어 표현된 장면의 콘트라스트가 손상될 수 있다. 또한 ITO 전극에서 광이 흡수됨으로써, 표현된 장면의 밝기가 감소될 수 있다. 또한, 이러한 효과는 디스플레이 디바이스에서 ITO 전극 층의 개수가 증가함에 따라 더욱 강화될 수 있다.

종래 기술로부터, 예를 들어 US 2013/0222384 A1호와 같은 추가의 문헌이 공지되어 있고, 이는 회절 장치의 대안적 사용 가능성을 개시한다. 예를 들어 헤드 마운트 디스플레이(HMD)에서 넓은 관찰 각도 또는 넓은 시야(Field of View)를 가능하게 하기 위해, 회절 장치가 사용된다. 또한 이러한 회절 장치의 적용을 위해, 수평 광 편향을 위한 하나의 회절 장치와 수직 광 편향을 위한 하나의 회절 장치의 쌍 또는 광의 수평 및 수직 포커싱을 위한 회절 장치의 쌍이 일반적으로 사용된다. 헤드 마운트 디스플레이에서 적어도 하나의 회절 장치를 사용하는 경우, 적어도 하나의 반사성 회절 장치를 사용하는 것이 또한 특히 유리할 것이고, 이러한 반사성 회절 장치는 예를 들어 기판 상에 반사성 금속 전극들을 포함하거나 또는 다른 방식으로는 선택적으로 회절 장치를 통해 광 통로 방향으로 전극들의 상류 또는 하류에 배치되는 반사성 층, 예를 들어 금속 층 또는 유전체 미러 층과 조합되는 투과성 전극을 또한 포함한다.

그러나, 종종 홀로그래픽 디스플레이 디바이스에서 대략 동일한 지점 또는 위치에서 수평 및 수직으로의 광의 편향을 위한 한 쌍의 회절 장치가 필요하게 된다. 그러나 반사성 회절 장치의 사용은, 변조된 광이 광 경로에서 2개의 회절 장치를 통해 차례로 올바르게 통과되기 위해서, 광의 수직 편향 및/또는 수직 포커싱을 위한 회절 장치와, 광의 수평 편향 및/또는 수평 포커싱을 위한 회절 장치의 최소 간격을 필요로 한다.

따라서, 본 발명의 과제는 종래 기술의 단점을 방지하고, 디스플레이 디바이스에 필요한 회절 장치의 개수를 감소시킬 수 있는 가능성을 제공하는 것이다.

또한, 본 발명의 과제는 정의된 제1 방향으로의 광 편향 및 정의된 제2 방향으로의 광 편향이 디스플레이 디바이스의 빔 경로의 대략 동일한 위치에서 수행될 수 있도록 하는 반사성 회절 장치에 대한 가능성을 제공하는 것이다.

본 발명에 따르면, 이러한 과제는 청구항 제1항의 특징을 갖는 회절 광학 요소에 의해 달성된다.

본 발명에 따르면, 상기 언급된 종래 기술의 단점이 방지될 수 있는 회절 광학 요소가 제공된다. 회절 광학 요소는 제1 기판 및 제2 기판을 포함하며, 그 사이에 액정 층이 제공된다. 또한, 회절 광학 요소는 제1 기판 상에 스트립 형상 전극들을 포함하고, 제2 기판 상에 스트립 형상 전극들을 포함하며, 여기서 제1 기판 상의 전극들은 제2 기판 상의 전극들에 대해 50°보다 더 큰 각도로 배치된다. 제1 기판 상의 전극들 및 제2 기판 상의 전극들은, 제1 기판 상의 전극들과 제2 기판 상의 전극들의 각각의 중첩 영역에 정의된 평면 외 필드(out-of-plane field)가 생성될 수 있는 방식으로 제어 가능하다.

이를 위해 2개의 기판은 서로 평행하게 배치되고, 각각 스트립 형상 전극들을 포함한다. 전극의 개수와 그 폭 및 간격(피치)도 또한 다양할 수 있으므로, 회절 광학 요소는 적용 분야에 따라 상이한 개수의 전극을 포함할 수 있다. 그러나 본 발명의 바람직한 실시예에서, 전극 폭 및 전극 간격은 기판 내에서 그리고 제1 및 제2 기판 상에서도 또한 동일하다. 그러나, 기판 상의 전극들이 예를 들어 일 영역에는 서로에 대해 정의된 간격 또는 동일한 폭을 포함하고, 동일한 기판 상의 다른 영역에는 서로에 대해 다른 간격 또는 다른 폭을 포함하는 것도 또한 가능하다. 이는 제1 기판 및 제2 기판 모두에 적용될 수 있다. 그러나, 제1 기판 상의 전극들은 제2 기판 상의 전극들에 대해 일정 각도로 배치된다. 각도는 유리하게는 > 50°이다. 바람직하게는, 2개의 기판의 전극들은 서로에 대해 수직으로 또는 서로에 대해 대략 90°의 각도로 배치된다. 제1 기판과 제2 기판 사이에 매립된 액정 층은 여기서 각각 제1 기판 상의 전극과 제2 기판 상의 전극 사이의 중첩 영역 또는 교차 영역에서 생성되는 평면 외 필드에 의해 제어된다. 여기서, 회절 광학 요소의 위상 프로파일은 사용되는 액정 모드에 따라, 액정 층의 액정 분자들의 평면 외 배향 또는 평면 내 배향에 의해 생성된다. 제1 기판과 제2 기판의 전극들에 인가되는 전압은 2개의 기판의 개별 전극들 사이에 평면 외 필드를 각각 생성하므로, 사용되는 액정 모드에 따라 액정 층의 액정 분자들이 회전되고, 대응하게 정렬된다.

이러한 유형으로 형성되는 회절 광학 요소에 의해, 광이 단지 하나의 정의된 방향으로만 편향될 수 있을 뿐만 아니라, 서로에 대해 상이한 2개의 방향으로 광이 동시에 편향되는 것도 또한 가능하다. 즉, 회절 광학 요소가 전극의 제어에 따라 단지 하나의 정의된 방향으로만 입사광을 편향시킬 수 있지만, 그러나 또한 필요한 경우, 광을 서로에 대해 상이한 2개의 방향으로 동시에 편향시키거나 또는 지향시킬 수 있다는 것을 의미한다. 따라서 유리하게는, 입사광이 적어도 하나의 방향으로 편향될 수 있도록 회절 광학 요소가 형성되는 것이 제공될 수 있다.

따라서, 이러한 방식으로 제1 방향뿐만 아니라, 제1 방향에 대해 일정 각도로 제공되는 제2 방향으로도 또한 입사광을 편향시킬 수 있는 회절 광학 요소가 제공된다. 따라서, 회절 광학 요소는 회절 장치로서 작용할 수 있다. 예를 들어 회절 광학 요소는 2차원 및/또는 3차원 정보 또는 장면을 표현하기 위한 디스플레이 디바이스에서 광의 편향을 위한 회절 장치로서 사용될 수 있다.

따라서 본 발명에 따르면, 디스플레이 디바이스에는 실질적으로 수평 방향 및 실질적으로 수직 방향으로의 광의 동시 편향을 위해, 회절 장치 형태의 단지 하나의 회절 광학 요소만이 사용될 수 있다. 따라서, 종래 기술에서 제공되는 바와 같은 2개의 개별 회절 장치는 더 이상 필요하지 않다. 이에 따라, 회절 장치로서 사용되는 본 발명에 따른 이러한 유형의 회절 광학 요소를 갖는 디스플레이 디바이스는 보다 컴팩트하고 비용 효율적으로 설계될 수 있다.

디스플레이 디바이스, 예를 들어 헤드 마운트 디스플레이에서 시야를 확대하기 위해 회절 광학 요소를 사용하는 것도 또한 가능하다.

본 발명의 다른 유리한 실시예 및 개발예는 종속 청구항으로부터 명백해질 것이다.

본 발명의 유리한 실시예에서, 회절 광학 요소가 정의된 격자 주기를 갖는 적어도 하나의 회절 격자를 포함하는 것이 제공될 수 있다.

인가된 정의된 전압에 의한 전극의 제어를 통해, 사전 결정되고 정의된 격자 주기를 갖는 회절 격자가 회절 광학 요소에 기록되거나 또는 회절 광학 요소에 생성될 수 있다. 여기서 격자 주기는 가변적이다. 격자 주기는 광의 편향 각도를 변경할 수 있도록, 전극에 인가되는 전압을 변경함으로써 변화될 수 있다. 이러한 방식으로, 정의된 위상 프로파일이 생성될 수 있으므로, 이에 따라 정의된 광 편향은 회절 광학 요소에 의해 구현될 수 있다.

유리하게는, 회절 광학 요소는 회절 광학 요소 상에 입사되는 광을 사전 결정된 방향으로 편향시키기 위해, 정의된 격자 주기를 갖는 회절 격자가 단지 하나의 기판 상의 전극들의 개별적인 제어를 통해 생성될 수 있는 방식으로 형성될 수 있다.

따라서, 제1 기판 또는 제2 기판 상의 전극들의 개별적이고 상이한 제어에 의해 특정 격자 주기의 회절 격자를 회절 광학 요소에 기록함으로써, 하나의 방향으로의 광 편향이 수행될 수 있다. 다른 기판의 전극들에는 상이한 전압 값이 인가되는 것이 아니라, 단지 모두에 대해 동일한 전압 값만이 인가된다. 광이 편향되는 방향은 각각의 기판 상의 전극들의 배치에 의존한다. 즉, 여기서 제1 기판 또는 제2 기판인지의 여부와는 관계 없이 기판 상의 전극들이 수평 방향으로 배치되면, 회절 광학 요소에 생성된 회절 격자의 광의 편향은 수직 방향으로 수행된다. 그러나, 전극들이 기판 상에 수직 방향으로 배치되면, 생성된 회절 격자에 의해 광 편향은 수평 방향으로 수행된다. 따라서, 회절 광학 요소에 의한 수평 방향으로의 광 편향을 위해, 기판 상에 수직으로 배치된 전극들이 제어 장치에 의해 제어되는 기판이 고려되어야 한다. 이는 회절 광학 요소의 제1 기판 및 제2 기판 모두와 관련될 수 있다. 예를 들어 회절 광학 요소가 디스플레이 디바이스에서 회절 장치로서 사용되고, 단지 한 방향으로의 광 추적만이 수행될 필요가 있는 경우, 예를 들어 표현된 정보 또는 장면의 관찰자가 단지 수평으로만 또는 단지 수직으로만 다른 위치로 이동하여, 관찰자가 표현된 장면을 계속 관찰할 수 있는 경우에, 단지 한 방향으로의 광 편향도 충분할 수 있다.

그러나, 예를 들어 관찰자가 수평 방향 및 수직 방향 모두에서 새로운 위치로 이동한 경우와 같이, 서로 상이한 2개의 방향으로 광을 편향시키거나 또는 지향시키는 것을 필요로 하는 경우, 본 발명에 따른 실시예에서는 회절 광학 요소 상에 입사되는 광을 서로에 대해 일정 각도로 존재하는 2개의 사전 결정된 방향으로 편향시키기 위해, 각각 정의된 격자 주기를 갖는 2개의 회절 격자가 제1 기판 상의 전극들 및 제2 기판 상의 전극들의 개별적인 제어를 통해 동시에 생성될 수 있는 것이 제공될 수 있다.

제1 방향에 대해 일정 각도로 존재하는 제2 방향, 바람직하게는 수직 방향으로의 추가적인 광 편향은 다른 기판 상의 전극들의 개별적인 제어를 통해, 동일한 회절 광학 요소에 특정 또는 정의된 격자 주기를 갖는 회절 격자를 추가적으로 기록하거나 또는 생성함으로써 수행될 수 있다. 이를 통해, 각각 정의된 격자 주기를 갖는 2개의 회절 격자가 회절 광학 요소에서 동시에 생성된다. 따라서, 제1 기판의 전극들 및 제2 기판 상의 전극들은 제어 장치에 의해 동시에 제어될 수 있으므로, 2개의 상이한 방향으로 광을 편향시키기 위한 2개의 위상 응답을 갖는 2개의 회절 격자가 동시에 생성된다. 예를 들어 광의 제1 편향 방향은 수평 방향일 수 있고, 광의 제2 편향 방향은 수직 방향일 수 있거나, 또는 그 반대도 또한 가능할 수 있다. 하나의 기판 상의 그리고 다른 기판 상의 회절 광학 요소에 상이한 격자 주기를 기록함으로써, 예를 들어 수평 방향 및 수직 방향으로 상이한 편향 각도가 구현될 수 있다. 기록된 격자 주기는 또한 렌즈 함수를 기록하기 위해 하나의 기판 내에서 또는 2개의 기판 내에서, 예를 들어 기판의 가장자리에서 중심까지 변경될 수 있다. 예를 들어 수평 방향으로의 편향은 수직 방향으로의 포커싱과 결합될 수 있거나, 또는 그 반대도 또한 가능하며, 또는 수평 및 수직 방향으로의 상이한 강도의 포커싱과도 또한 결합될 수 있다.

따라서, 제1 기판 상의 전극들이 실질적으로 수평으로 배치되고, 제2 기판 상의 전극들은 실질적으로 수직으로 배치되거나, 또는 제1 기판 상의 전극들이 실질적으로 수직으로 배치되고, 제2 기판 상의 전극들은 실질적으로 수평으로 배치되는 것이 유리하게 제공될 수 있다. 이러한 방식으로, 제1 기판의 전극들은 제2 기판의 전극들에 대해 실질적으로 대략 90°의 각도로 배치된다. 따라서, 2개의 광 편향 방향은 실질적으로 서로에 대해 수직이다. 이것은 실질적으로 수직 광 편향 방향 및 수평 광 편향 방향에 대응한다. 그러나, 이미 언급된 바와 같이, 2개의 기판의 전극이 서로에 대해 90° 미만의 각도로 배치되는 것도 또한 가능하다. 그러나 유리하게는, 각도가 50° 미만이어서는 안 되는데, 그렇지 않으면 광의 편향 방향이 더 이상 특별히 구별되지 않기 때문이다.

제1 기판 상의 전극들 및 제2 기판 상의 전극들의 이러한 배치에 대해 대안적으로, 제1 기판 상의 전극들 및 제2 기판 상의 전극들은 각각 수평 라인에 대해 일정 각도로 배치되는 것이 제공될 수 있으며, 여기서 제1 기판의 전극들은 제2 기판의 전극들에 대해 일정 각도로 제공된다.

스트립 형상 전극들은 또한 제1 기판 및 제2 기판 상에 수평 또는 일반적인 수학적 수평 라인에 대해 정의된 각도로 회전되거나 또는 경사진 방식으로 배치될 수 있다. 각각의 기판 상에 전극들이 배치되는 각도는 0° 내지 90°의 범위, 바람직하게는 30° 내지 60°의 범위일 수 있다. 그러나, 약 45°의 각도가 바람직하다. 제1 기판의 전극들은 다시, 제2 기판의 전극들에 대해 일정 각도로, 예를 들어 50° 내지 90°의 각도로 배치된다. 예를 들어 제1 기판 상의 전극들이 수평 라인에 대해 약 45°의 각도로 배치되고, 제2 기판 상의 전극들이 수평 라인에 대해 약 135°의 각도로 배치되는 경우, 여기서 제1 방향으로의 광의 편향은 약 45°로 수행될 것이고, 제2 방향으로의 광의 편향은 약 135°로 수행될 것이다. 물론, 2개의 기판 상의 전극들의 배치는 반대도 또한 가능하게 수행될 수 있으므로, 제1 광 편향은 약 135°로 수행되고, 제2 광 편향은 45°로 수행될 것이다. 물론, 전극들은 수평에 대해 다른 각도로도 또한 기판 상에 배치될 수 있다.

또한, 제1 기판의 전극들과 제2 기판의 전극들의 서로 인접하게 위치되는 중첩 영역에는 주기적으로 반복되는 상이한 전기 평면 외 필드가 존재하는 것이 유리하게 제공될 수 있다.

이것은 각각 정의된 격자 주기를 갖는 2개의 회절 격자가 회절 광학 요소에 동시에 생성되는 경우이다. 이러한 방식으로, 정의된 평면 외 필드가 구현된다.

정의된 제1 방향으로의 광의 편향을 위한 제1 회절 격자 및 정의된 제2 방향으로의 광의 편향을 위한 제2 회절 격자가 동시에 생성되는 경우에, 제1 기판의 전극들과 제2 기판의 전극들 사이에 생성되는, 액정 층 내 제1 회절 격자를 생성하기 위한 전기장의 전속선 분포와, 제2 회절 격자를 생성하기 위한 전기장의 전속선 분포는 서로 상이할 수 있다. 즉, 제1 기판 상의 전극들에 대한 하나의 전극에서 다음 전극으로의 전기장의 변화는, 제2 기판 상의 전극에 대한 것과는 다르게 설정될 수 있다.

특히, 하나의 기판, 예를 들어 제1 기판 상의 전극들은 모두 상이한 전압 값에 의해 제어될 수 있으며, 여기서 전압은 제1 격자 주기를 갖는 제1 기판과 관련하여 특정 격자 주기에 의해 주기적으로 반복된다. 다른 기판, 예를 들어 제2 기판 상의 전극들도 마찬가지로 상이한 전압 값에 의해 제어될 수 있으며, 여기서 전압은 제2 격자 주기를 갖는 제2 기판과 관련하여 특정 격자 주기에 의해 마찬가지로 반복된다. (제1 및 제2) 격자 주기(들)는 선택적으로 동일하거나 또는 상이할 수 있으며, 즉 제1 기판 및 제2 기판 상의 격자 주기는 서로 독립적으로 설정될 수 있다.

대안적으로, 기판 상의 전극들이 상이한 전압 값에 의해 제어될 수 있어, 전압은 좁은 범위에 걸쳐, 예를 들어 수십 개의 전극들을 통해 국부적으로 주기적으로 반복되지만, 그러나 격자 주기는 넓은 범위에 걸쳐, 예를 들어 수천 개의 전극들을 통해 변경된다. 예를 들어 40개의 전극을 통해 4개의 주기가 10번 기록될 수 있고, 그런 다음 50개의 전극을 통해 5개의 주기가 10번 기록될 수 있다.

이것은 예를 들어 렌즈 함수와 같은 회절 구조를 기록하는데 사용될 수 있으며, 여기서 본 발명은 단순히 렌즈 함수에 한정되는 것이 아니라, 임의의 구조를 포함한다. 다시 말하자면, 하나의 기판 상에서, 제공된 격자 주기는 위치와 함께 정의된 방향으로 독립적으로 변경될 수 있다. 다른 기판 상에서, 제공된 다른 격자 주기는 위치와 함께 다른, 예를 들어 이에 대해 수직인 정의된 방향으로 독립적으로 변경될 수 있다. 예를 들어 사전 설정된 각도로 광을 수평 방향으로 편향시키기 위해, 기판의 수평 범위에 걸쳐 동일한 격자 주기가 제1 기판 상에 수평 방향으로 기록될 수 있다. 그러나, 제2 기판 상에는 기판의 수직 범위에 걸쳐 변경되는 격자 주기가 수직 방향으로 기록될 수 있다.

렌즈 함수 외에도, 예를 들어 수차 보정을 위한 상이한 위상 함수도 또한 하나의 기판 상에 그리고 다른 기판 상에 각각 기록될 수 있다.

본 발명의 다른 실시예에서, 회절 광학 요소에서 단지 하나의 회절 격자를 생성하기 위해, 하나의 기판 상의 전극의 동일한 전압 값에 의한 제어 및 다른 기판 상의 전극의 주기적으로 반복되는 각각 상이한 전압 값에 의한 제어가 제어 장치에 의해 제공되는 것이 제공될 수 있다. 예를 들어 하나의 기판, 예를 들어 제1 기판 상의 전극은 모두 0 볼트의 전압 값에 의해 제어될 수 있고, 여기서 다른 기판, 예를 들어 제2 기판 상의 전극은 예를 들어 0 볼트, 2.66 볼트 및 5.33 볼트의 각각 상이한 전압 값에 의해 제어될 수 있다. 이러한 인가된 전압은 회절 광학 요소 내 생성될 회절 격자에 요구되는 격자 주기에 따라 주기적으로 반복된다. 이를 통해, 단지 하나의 정의된 방향으로의 광 편향이 본 발명에 따른 회절 광학 요소에 의해 구현될 수 있고, 달성될 수 있다.

회절 광학 요소에서 단지 하나의 회절 격자가 생성되는 경우 및 2개의 상이한 회절 격자가 생성되는 경우 모두, 격자 주기는 물론 본원에서 사용된 단지 3개의 전극을 갖는 단순한 예시에 제한되지는 않으며, 특히 예를 들어 20개 또는 100개의 전극의 같은 더 긴 격자 주기 및 더 복잡한 전압 곡선도 또한 포함할 수 있다.

본 발명에 따르면, 정의된 격자 주기를 갖는 적어도 하나의 회절 격자가 평면 외 필드를 통해 생성될 수 있는 액정 모드가 제공될 수 있다.

본 발명은 평면 외 전기장에 의해 회절 격자를 생성하기 위한 주기적인 회절 구조가 회절 광학 요소에 기록될 수 있는 액정 모드를 사용한다.

적합한 액정 모드는 예를 들어 ECB 모드(electrically controlled birefringence mode), ULH 모드(uniformly lying helix mode) 또는 VA 모드(vertical alignment mode)일 수도 있다. 즉, 유리하게 제공되는 액정 모드는 ECB모드, ULH 모드 또는 VA 모드일 수 있다.

본 발명의 실시예에서, 평면 외 필드에서 액정 층의 액정 분자들의 광학 축도 또한 평면 외 회전되는 ECB 모드가 사용될 수 있다. 이러한 본 발명에 따른 실시예에서, 바람직하게는 선형 편광된 광이 사용될 수 있다.

본 발명의 다른 실시예에서, 액정 분자들은 액정 층에서 사용될 수 있으며, 이러한 액정 층은 평면 외 필드에서 실질적으로 자체의 광학 축의 평면 내 회전을 포함한다. 이들은 스멕틱 액정(smectic liquid crystals) 또는 콜레스테릭 액정(cholesteric liquid crystals)일 수 있다. 예를 들어 콜레스테릭 액정은 ULH 모드에서 사용된다. 스멕틱 또는 콜레스테릭 액정 및 대응하는 액정 모드를 사용할 때, 바람직하게는 원형 편광된 광이 사용될 수 있다.

본 발명의 다른 실시예에서 유리하게는, 액정 층에서 ≥ 2π, 바람직하게는 ≥ 4π의 광의 위상 변조가 구현될 수 있는 것이 제공될 수 있다.

액정 층에 유리하게는 2π보다 큰 광의 위상 변조의 범위가 제공되어야 한다. 즉, 전기장이 인가될 때, 전기장의 강도를 선택함으로써 최소값과 최대값 사이의 위상이 설정될 수 있으며, 최대값과 최소값의 차이는 2π보다 크다.

특히 바람직한 실시예에서, 액정 층에 의해 적어도 4π, 즉 ≥ 4π의 광의 위상 변조의 범위가 설정될 수 있어야 한다. 이것은 투과성으로 형성된 회절 광학 요소에 적용된다. 여기서 액정 층 내에서 ≥ 4π의 위상 변조를 구현하기 위해, 액정 층의 두께는 이에 따라 조정될 수 있는데, 즉 이 경우 액정 층은 예를 들어 반사성으로 형성된 회절 광학 요소의 액정 층보다 더 큰 두께를 포함한다.

반사성으로 형성된 회절 광학 요소의 경우, ≥ 4π의 광의 최대 위상 변조에 대한 이러한 값은 광의 이중 통과와 관련되는데, 즉 액정 층을 통한 광의 경로 및 복귀 경로와 관련된다. 많은 액정 모드에서, 액정 층을 통해 광이 이중으로 통과하면 위상 변조도 또한 두 배가 된다. ECB 모드의 경우, 예를 들어 액정 층을 통한 광의 단일 통과에서의 ≥ 2π의 위상 변조는 이중 통과에서의 ≥ 4π의 위상 변조에 대응한다.

또한 유리하게는, 적어도 하나의 제어 장치에 의해 적어도 하나의 기판의 전극들에 인가된 전압에 따라, 광의 위상의 선형 특성을 포함하는 위상 변조의 범위가 선택될 수 있는 것이 제공될 수 있다.

본 발명에 따르면, 기판의 전극들에 인가된 전압 및 결과적으로 인가된 평면 외 필드와 위상의 대략적인 선형 관계를 포함하는, 액정 층의 위상 변조의 범위가 사용된다.

액정 층에 사용되는 ECB 모드의 경우, 예를 들어 전극 어레이에 인가된 전압의 위상 변조의 의존성에 대해 대략 S자형 곡선이 종종 생성된다. 매우 작은 위상 값뿐만 아니라 매우 큰 위상 값에서도 또한, S자형 곡선에 따르면 인가된 전압에 대한 위상의 의존성은 바람직한 선형 특성과는 크게 상이하다. 그러나, 평균 위상 값의 경우, 인가된 전압에 따른 위상 값의 변화는 대략 선형이다. 본 발명에 따르면, 단지 곡선의 선형 섹션만이 기판의 전극들에 인가된 전압에 대한 위상 변조의 의존성에 대해 사용된다. 액정 층에서 광의 최대 위상 변조는 바람직하게는 예를 들어 ≥ 5π가 되도록 선택되므로, 기판의 전극들에 인가된 전압에 대한 광의 위상의 선형 특성을 갖는 범위에 대응하는 위상 변조의 부분은 또한 대략 4π의 위상 변조 범위를 포함한다.

본 발명의 본 발명에 따른 실시예에서, 회절 광학 요소는 반사성으로 형성된다. 본 발명의 바람직한 실시예에서, 회절 광학 요소는 반사성으로 형성될 수 있고, 액정 층의 액정 분자들이 평면 외 필드에서 자체의 광학 축의 평면 내 회전을 수행하는 액정 모드를 포함할 수 있다. 이를 위해, 액정 층은 예를 들어 스멕틱 액정을 포함할 수 있거나, 또는 ULH 모드의 액정 모드로서 사용될 수 있다.

본 발명에 따르면, 회절 광학 요소는 투과성 또는 반사성으로 형성될 수 있다.

본 발명에 따른 과제는 청구항 제17항의 특징을 갖는 디스플레이 디바이스에 의해 또한 달성된다.

본 발명에 따르면, 2차원 및/또는 3차원 오브젝트 또는 장면을 표현하기 위한 디스플레이 디바이스가 제공된다. 디스플레이 디바이스는 조명 장치, 적어도 하나의 공간 광 변조 장치 및 본 발명에 따른 적어도 하나의 회절 광학 요소를 포함한다.

디스플레이 디바이스는 특히 바람직하게는 3차원 장면 또는 오브젝트가 홀로그래픽 방식으로 재구성되고, 적어도 하나의 관찰자에게 제시되는 홀로그래픽 디스플레이 디바이스일 수 있다. 적어도 하나의 광원으로서 적어도 하나의 레이저 또는 발광 다이오드(LED)를 포함할 수 있는 조명 장치는 이를 위해 적어도 대략 간섭성인 광을 방출하며, 이러한 광은 이에 대응하여 적어도 하나의 공간 광 변조 장치 상으로 지향된다. 공간 광 변조 장치는 이에 대응하여 표현될 정보에 의해 이러한 광을 변조하고, 광학 시스템의 도움으로 표현될 장면 또는 오브젝트를 재구성한다. 본 발명에 따른 회절 광학 요소는 여기서 회절 장치로서 작용하고 이러한 회절 장치 상에 입사되는 광을 적어도 하나의 정의된 방향으로 편향시키거나 또는 확대된 시야를 생성하는 방식으로 디스플레이 디바이스 내에서 사용될 수 있고, 배치될 수 있다. 따라서, 이러한 회절 광학 요소는 일 실시예에서 디스플레이 디바이스에서 추적 요소로서 제공될 수 있고, 그런 다음 설명된 바와 같이 관찰자의 위치 변경에 대응하게 디스플레이 디바이스에서 제어될 수 있으므로, 광은 회절 광학 요소에 의해 디스플레이 디바이스에 대한 관찰자의 새로운 위치로 지향된다. 관찰자의 위치를 결정하거나 또는 검출하기 위해, 디스플레이 디바이스는 예를 들어 카메라와 같은 위치 감지 시스템을 포함할 수 있다. 이를 통해, 관찰자는 새로운 위치에서 표현된 장면을 또한 관찰할 수 있다.

다른 실시예에서, 회절 광학 요소는 예를 들어 확대된 시야를 생성할 수 있도록 광 변조 장치의 세그먼트화된 다중 이미지에 사용될 수 있다.

다른 실시예에서, 회절 광학 요소는 예를 들어 광 변조 장치의 이미지를 생성하는 디스플레이 디바이스에서, 예를 들어 헤드 업 디스플레이 또는 헤드 마운트 디스플레이에서, 광 변조 장치의 이미지의 깊이 평면을 변위시킬 수 있도록 사용될 수 있다.

디스플레이 디바이스는 예를 들어 본 발명에 따른 2개의 회절 광학 요소를 또한 포함할 수 있는데, 하나의 회절 광학 요소는 측면 방향 및 깊이 방향(z 방향)으로의 관찰자 추적을 위한 것이고, 다른 하나의 회절 광학 요소는 광 변조 장치의 세그먼트화된 다중 이미지 및 다중 이미지의 세그먼트의 깊이 평면의 변위를 위한 것이다.

본 발명의 유리한 실시예에서, 편광된 광의 방출을 위해 조명 장치가 제공되는 것이 제공될 수 있다.

여기서 선형 편광된 광뿐만 아니라 원형 편광된 광도 또한 사용될 수 있다. 선형 편광된 광은 특히 유리하게는 ECB 모드와 관련하여 액정 모드로서 사용되며, 여기서 평면 외 필드에서 액정 분자들의 광학 축이 또한 평면 외 회전된다.

바람직하게는 액정 모드가 ULH 모드인 경우, 즉 액정 층에 콜레스테릭 액정이 사용되는 경우, 또는 액정 층에 스멕틱 액정이 사용되는 경우, 원형 편광된 광이 사용될 수 있다. 이러한 액정은 생성된 평면 외 필드에서 실질적으로 자체의 광학 축의 평면 내 회전을 수행한다.

본 발명에 따르면, 제1 기판 상의 전극들 및/또는 제2 기판 상의 전극들을 제어하기 위해 적어도 하나의 제어 장치가 제공될 수 있다.

적어도 하나의 제어 장치는 여기서 제1 기판의 전극들뿐만 아니라 제2 기판의 전극들에도 또한 요구된 전압이 인가될 수 있는 방식으로 형성될 수 있으므로, 2개의 기판 사이에는 액정 층 내에 평면 외 (전기) 필드가 전파되거나 또는 생성된다.

또한 다른 실시예에서, 제1 기판의 전극들은 제어 장치에 의해 제어될 수 있고, 제2 기판의 전극들은 다른 제어 장치에 의해 제어될 수 있다.

본 발명의 교시를 유리한 방식으로 설계하고 그리고/또는 설명되는 예시적인 실시예 또는 구성예를 서로 조합하기 위한 다양한 가능성이 이제 존재한다. 이를 위해, 한편으로는 종속 청구항에 종속된 청구항을 참조해야 하고, 다른 한편으로는 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 예시적인 실시예에 대한 이하의 설명을 참조해야 하며, 교시의 바람직한 구성예도 또한 일반적으로 설명된다. 이 경우, 본 발명은 설명된 예시적인 실시예에 기초하여 원칙적으로 설명되지만, 그러나 이들에 제한되는 것은 아니다.

도 1은 종래 기술에 따른 액정 층의 액정 모드, 특히 ECB 모드의 개략도를 도시한다.
도 2는 ECB 모드를 사용하는 종래 기술에 따른 회절 장치의 개략도를 도시한다.
도 3은 종래 기술에 따른 추가의 회절 장치의 개략도를 도시한다.
도 4는 광 편향을 위해 ECB 모드가 사용되는, 종래 기술에 따른 2개의 회절 장치의 원칙적인 도면을 평면도로 도시한다.
도 5는 전기장이 인가되지 않은, 본 발명에 따른 회절 광학 요소의 원칙적인 도면을 사시도로 도시한다.
도 6은 전기장이 인가될 때의 도 5에 따른 본 발명에 따른 회절 광학 요소의 개략도를 사시도로 도시한다.
도 7은 생성된 전기장을 설명하기 위해, 도 6에 따른 회절 광학 요소의 개략도를 평면도로 도시한다.
도 8은 인가된 전압의 부호의 위상 변조에 의존하는 액정 모드를 사용하는, 종래 기술에 따른 회절 장치의 원칙적인 도면을 평면도로 도시한다.
도 9는 전압 부호에 의존하는 액정 모드가 사용되는, 본 발명에 따른 회절 광학 요소의 원칙적인 도면을 도시한다.
도 10은 액정 층에서 ECB 모드가 사용될 때 전극 어레이에 인가된 전압에 대한 위상 변조의 의존성에 대한 S자형 곡선의 그래프 도면을 도시한다.
도 11은 본 발명에 따른 디스플레이 디바이스의 원칙적인 도면을 평면도로 도시한다.

동일한 요소들/부품들/컴포넌트들은 또한 도면에서 동일한 참조 부호를 포함한다는 것이 간단히 언급된다.

도 1에 따르면, 종래 기술로부터 공지된 바와 같은 액정 모드 ECB가 간략하게 설명될 것이다. ECB 모드를 설명하기 위해, 도 1의 좌측의 도해 a)에는 전압이 인가되지 않은 광학 요소가 도시되어 있는 반면, 우측의 도해 b)에서는 광학 요소에 전압이 인가되어 있다. 도 1에 따른 광학 요소는 서로 평행하게 위치되는 2개의 기판(S1 및 S2)을 포함한다. 2개의 기판(S1 및 S2)은 각각 편평한 전극(E1, E2)을 포함한다. 2개의 기판(S1 및 S2) 사이에는 액정 분자들(LM)을 포함하는 액정 층(LL)이 제공된다. 전극(E1 및 E2)과 액정 층(LL) 사이에는 각각 액정 분자들(LM)의 사전 배향을 위해 제공되는 배향 층(alignment layer)(AL1, AL2)이 배치된다. 배향 층은 종래 기술로부터 공지되어 있으므로, 특히 이러한 배향 층에 대한 상세한 설명은 본 발명을 위한 필수적인 특징을 제공하지 않기 때문에, 본원에서는 더 이상 논의되지 않을 것이다. ECB 모드의 경우, 도 1의 도해 a)에 도시된 바와 같이, 전기장이 인가되지 않을 때 액정 분자들은 배향 층(AL1, AL2)으로 인해 기판 표면에 대해 실질적으로 평행하게 배향된다. ECB 모드의 경우, 2개의 기판(S1 및 S2) 상의 배향은 서로에 대해 반평행(anti-paraellel)하게 설정된다.

이제 도 1의 도해 b)에 따르면, 기판(S1 및 S2)의 전극(E1 및 E2)에 상이한 전압(Va, Vb)이 인가되면, 전극(E1 및 E2) 사이에 전기 평면 외 필드가 생성된다. 이러한 평면 외 필드는 점선으로 표현된 화살표에 의해 표시된다. 평면 외 필드는 여기서 액정 분자들(LM)을 수직으로 정렬시킨다. 즉, 액정 분자들(LM)은 평면 외 필드를 통해, 기판(S1, S2)의 표면에 대해 평행한 정렬로부터 기판 표면에 수직인 정렬로 강제된다. 그러나, 이러한 방식으로 달성된 액정 분자들(LM)의 수직 정렬은 인가된 필드의 강도에 따라, 또는 전극(E1 및 E2)에 인가되는 전압 값에 따라 상이한 정도로 수행된다.

광학 요소 상에 입사되는 광의 편광 상태에 따라, 전기장에서의 액정 분자들(LM)의 이러한 정렬은 광의 진폭 변조에 사용될 수 있는 광의 편광 회전으로 이어지거나, 또는 위상 변조로 이어진다. 이 경우, 특히 그 편광 방향이 배향 층에 의해 생성된 액정 분자들의 배향에 대해 평행한 선형 편광된 광이 사용될 때, 광의 위상 변조가 수행될 수 있다.

도 2에는 종래 기술에 따른 회절 장치에서의 ECB 모드의 사용이 원칙적으로 측면도로 도시되어 있다. 회절 장치는 2개의 기판(S1 및 S2)을 포함하며, 그 사이에 액정 층(LL)이 배치된다. 여기서 기판(S1)은 또한 편평한 전극(E1)을 포함하고, 복수의 개별 선형 전극(E2 내지 E_N)이 기판(S2) 상에 제공된다. 이러한 전극들(E2 내지 E_N)은 기판(S2) 상에 서로에 대해 평행하게 배치된다. 2개의 기판(S1 및 S2)은 액정 층(LL) 내 액정 분자들(LM)의 사전 배향을 위해 작용하는, 여기에 도시되지 않은 배향 층을 포함한다. 액정 분자들(LM)의 배향은 여기서 배향 층에 의해 기판(S1 및 S2)에 평행하고, 기판(S2)의 개별 전극들(E2, ..., E_N)에 수직인 정렬로 수행된다.

기판(S2) 상의 개별 선형 전극들(E2, E3, E4, E5, E6, ..., E_N)에 상이한 전압들(V0, V1, V2, V3)이 인가됨으로써, 그리고 기판(S1) 상의 편평한 전극(E1)에 전압(V0)이 인가됨으로써, 개별 전극들(E2, E3, E4, ..., E_N)과 편평한 전극(E1) 사이에는 각각 상이한 전기장들이 생성되고, 이는 도시된 화살표를 따라, 즉 여기서는 수직으로 액정 분자들(LM)의 상이한 정렬을 유도한다. 도 2에서 알 수 있는 바와 같이, 인가된 전압(V0, V1, V2 및 V3)은 주기적인 방식으로 반복된다. 이러한 방식으로, 각 전극(E2, ..., E_N)에 대해 서로 상이한 위상 변조가 설정될 수 있다.

도 3에는, 종래 기술에 따라 도 2에 따른 회절 장치의 측면도가 도시되어 있는데, 그러나 액정 분자들(LM)은 또한 여기에 도시되지 않은 배향 층으로 인해, 마찬가지로 기판(S1 및 S2)에 평행하게, 그러나 이제 기판(S2) 상의 개별 선형 전극들(E2, E3, E4, E5, E6, ..., E_N)에 평행하게 정렬된다. 따라서, 도 3에는 액정 분자들(LM)의 짧은 축에 대한 투사가 도시되어 있다. 또한, 여기서 도 2에 설명된 회절 장치에 따르면, 편평한 전극(E1)과 개별 전극들(E2, ..., E_N) 사이에 상이한 전기장들이 생성되며, 이는 액정 분자들(LM)의 대응하는 정렬을 유도한다.

이하에서, 본 발명의 예시적인 실시예가 우선 종래 기술과 비교하여 보다 상세히 설명된다. 또한, 여기서 ECB 모드의 사용 하에 비교가 수행된다.

도 4는 종래 기술에 따르면, 예를 들어 US 2014/0055692 A1호에서 디스플레이 디바이스에 광의 추적 장치로서 사용될 수 있는 것과 같은 2개의 회절 장치의 사용을 평면도로 도시한다. 단순화된 설명을 위해, 회절 장치의 전극 어레이에 인가된 전압에 대한 설정된 위상의 선형 의존성이 가정된다.

도 4의 도해 a)에 따른 제1 회절 장치는 제1 기판 상에 수직으로 배치된 스트립 형상 또는 선형 전극들(E2, E3, ..., E_N) 및 여기서 제1 기판과 마찬가지로 명확성을 위해 도시되지 않은 제2 기판 상의 편평한 전극(E1)을 포함한다. 2개의 기판(S1 및 S2)은 평행하게, 그리고 가능한 한 서로 합치되도록 배치된다. 회절 장치의 평면도의 표현으로 인해, 그리고 명확성을 이유로 기판(S1 및 S2) 및 예를 들어 배향 층 또는 액정 층과 같은 만일의 경우에 존재하는 층이 표현되지 않기 때문에, 전극들(E2, E3, ..., E_N) 및 편평한 전극(E1)은 적층 방식으로 위치되므로, 여기서는 단지 전극 어레이만 고려되어야 한다. 이러한 회절 장치에는 4개의 전극의 격자 주기를 갖는 회절 격자가 기록되고 생성된다. 이를 위해, 스트립 형상 전극들(E2, E3, ..., E_N)에 적절한 전압이 인가되고, 편평한 전극(E1)에 적절한 전압이 인가됨으로써, 스트립 형상 전극들(E2, E3, ..., E_N)과 편평한 전극(E1) 사이에 각각 전기장들이 생성되고, 주기적으로 반복되는 위상값 0; 0.5; π 및 1.5π가 회절 장치에 기록된다. 이러한 예시적인 실시예에서, 이는 편평한 전극(E1)에 0 볼트의 전압(0V)이 인가되고, 스트립 형상 전극들(E2, E3, ..., E_N)에는 0 볼트(0V), 2 볼트(2V), 4 볼트(4V) 및 6 볼트(6V)의 주기적으로 반복되는 전압이 인가됨으로써 수행된다.

ECB 모드가 사용될 때, 액정 층 내 설정된 액정 분자들의 위상은 부호에 의존하지 않고, 단지 존재하는 전극에 인가된 전압의 크기에만 의존한다. 따라서, 이러한 예시적인 실시예에서 4개의 전극의 격자 주기를 갖는 동일한 회절 격자를 설정하거나 또는 생성하기 위해, 대신에 0 볼트, -2 볼트, -4 볼트 및 -6 볼트의 전압도 또한 인가될 수 있다.

도 4의 도해 b)에는 2개의 회절 장치가 도시되어 있으며, 이제 도 4의 도해 a)에 따른 제1 회절 장치와 대조적으로, 제1 기판 상에 수평으로 배치된 스트립 형상 또는 선형 전극들(E2, E3, ..., E_N) 및 제2 기판 상에 편평한 전극(E1)을 포함한다. 여기서 또한, 명확성을 위해 단지 전극 어레이만 고려되어야 한다. 도해 b)에 따르면, 3개의 전극의 격자 주기를 갖는 회절 격자가 회절 장치에 기록되고 생성된다. 이를 위해, 여기서 스트립 형상 전극들(E2, E3, E_N)과 편평한 전극(E1) 사이에 적절한 전압이 인가됨으로써, 주기적으로 반복되는 위상 값 0, 0.66π 및 1.33π가 기록된다. 이는 이러한 위상 값을 설정할 수 있도록, 0 볼트(0V)의 전압을 갖는 편평한 전극(E1)과 0 볼트(0V), 2.66 볼트(2.66V) 및 5.33 볼트(5.33V)의 전압을 갖는 스트립 형상 전극들(E2, E3, E4, ..., E_N) 사이에 대응하는 전압이 인가됨으로써 수행된다.

도해 a)에 따른 제1 회절 장치에 의해, 광 편향은 수평 방향으로 수행된다. 도해 b)에 따른 제2 회절 장치에 의해, 광 편향은 수직 방향으로 수행된다.

도 5에는 이제 본 발명에 따른 회절 광학 요소가 사시도로 도시된다. 회절 광학 요소는 제1 기판(10) 및 제2 기판(11)을 포함한다. 제1 기판(10)이 수평 스트립 형상 또는 선형 전극들(12)을 포함하며, 여기서 제2 기판(11)은 수직 스트립 형상 또는 선형 전극들(13)을 포함한다. 물론, 제1 기판(10)이 또한 수직 방향으로 정렬되고 배치된 스트립 형상 전극들을 포함하고, 제2 기판은 수평 방향으로 정렬되고 배치된 스트립 형상 전극들을 포함할 수 있거나, 또는 전극들(12 및 13)은 자체의 기판 상의 수평 라인들에 대해 각각 일정 각도로 또한 배치될 수도 있다. 제1 기판 상의 스트립 형상 전극들(12) 및 제2 기판(11) 상의 스트립 형상 전극들(13) 모두 각각 서로에 대해 평행하게 배치된다. 이러한 방식으로, 2개의 기판(10, 11) 상에 또한 서로에 대해 교차되는 스트립 형상 전극(12, 13)을 포함하는 회절 광학 요소가 제공된다. 즉, 제1 기판(10) 상의 전극들(12)은 제2 기판(11)의 전극들에 대해 일정 각도, 여기서는 약 90°로 배치되므로, 전극들(12 및 13)은 서로에 대해 교차된 전극 어레이를 형성한다. 서로에 대해 평행하게 정렬되고 배치되는 2개의 기판(10 및 11) 사이에는 액정 분자들(15)을 포함하는 액정 층(14)이 제공된다. 2개의 기판(10 및 11) 상에는, 액정 층(14) 내 액정 분자들(15)의 사전 배향을 구현하는 배향 층(16 및 17)이 제공된다. 여기서 배향 층(16 및 17)은 액정 분자들(15)이 제2 기판(11)에 대해 평행하고, 그 위에 제공된 전극들(13)에 대해 평행하고, 제1 기판(10)에 대해 평행하지만, 그러나 그 위에 배치된 전극들(12)에 대해서는 수직으로 사전 배향되도록, 예를 들어 러빙(rubbing)에 의해 기판(10 및 11) 상에 제공된다.

도 5에 따른 회절 광학 요소는 제1 기판(10) 및 제2 기판(11)의 전극들(12 및 13)에 전압이 인가되지 않으므로, 액정 층(14) 내에 전기장이 전파될 수 없는 상태로 도시된다.

제1 기판(10)의 전극들(12)과 제2 기판(11)의 전극들(13)에 주기적인 전압이 인가됨으로써, 각각 정의된 격자 주기를 갖는 2개의 회절 격자가 회절 광학 요소에 기록되고 생성될 수 있다. 격자 주기는 여기서 2개의 회절 격자에 대해 서로 독립적으로 가변적으로 조정될 수 있다. 회절 광학 요소에서의 2개의 회절 격자의 생성은 도 6에 사시도로 도시되어 있으며, 여기서 도 5에 도시된 바와 같은 동일한 회절 광학 요소가 사용된다. 도 5 및 도 6에서 제1 기판(10)의 전극들(12)은 제2 기판(11)의 전극들(13)에 대해 약 90°의 각도로 배치되고, 전극들(12)의 수평 방향으로의 정렬 및 전극들(13)의 수직 방향으로의 정렬이 존재하기 때문에, 이에 따라 정의된 격자 주기를 갖는, 수평으로 존재하는 회절 격자 및 정의된 격자 주기를 갖는, 수직으로 존재하는 회절 격자가 회절 광학 요소에 기록되고 생성된다. 2개의 회절 격자가 여기서 동시에 생성된다. 이러한 방식으로, 단지 하나의 개별 광학 요소에 의해 일정 각도로 존재하는 2개의 상이한 방향으로 광이 동시에 편향될 수 있다. 그러나, 전극들(12 및 13)은 또한 수평 라인에 대해 일정 각도로 기판(10 및 11) 상에 배치될 수 있다. 예를 들어 전극들(12)은 수평 라인에 대해 약 45°의 각도로 배치될 수 있고, 전극들(13)은 기판(10 및 11) 상의 수평 라인에 대해 약 135°의 각도로 배치될 수 있다. 전극들(12 및 13)은 서로에 대해 정확한 수직, 즉 90°의 각도로 배치되지 않는 것도 또한 가능하다. 따라서, 전극들(12 및 13)은 예를 들어 서로에 대해 약 80°의 각도로 또한 배치될 수 있으며, 여기서 그 각도는 바람직하게는 50°보다 더 크다.

도 6에는 명확성을 이유로, 단지 제1 기판(10)의 2개의 전극(12) 및 제2 기판(11)의 2개의 전극(13)에 대한 전기장의 인가만이 도시되어 있다. 이를 위해, 제2 기판(11)의 전극들(13)에는 전압(Vu1 및 Vu2)이 인가되고, 제1 기판의 전극들(12)에는 전압(Vo1 및 Vo2)이 도시되지 않은 제어 장치에 의해 인가된다. 전압(Vu1)은 여기서 전압(Vu2)의 값과는 상이하며, 전압(Vo1)은 전압(Vo2)의 값과는 상이하다. 이 경우, 하부 전극과 상부 전극의 중첩 영역 또는 교차 영역에는 각각 특정 전기장, 예를 들어 Vo1-Vu1 또는 Vo1-Vu2 또는 Vo2-Vu1 또는 Vo2-Vu2가 생성된다. 전극들(12, 13)에 인가된 전압 값이 높을수록, 전기장 내 액정 분자들의 움직임이 더 커지는데, 즉 액정 분자들의 광학 축의 평면 외 회전이 더 커진다. 도 6에서 알 수 있는 바와 같이, 제2 기판(11)의 하나의 전극(13)에 전압(Vu2)이 인가되고, 이러한 전압은 제2 기판(11)의 다른 전극(13)에 인가되는 전압 값(Vu1)보다 더 높은 전압 값을 포함한다. 따라서, 전극들(12 및 13) 사이에 평면 외 필드가 형성되고, 여기서 높은 전압(Vu2)이 인가될 때의 액정 분자들(15)은, 낮은 전압 값(Vu1)이 인가될 때의 액정 분자들(15)보다 자체의 광학 축의 더 큰 평면 외 회전을 수행한다. 즉, 전극(13)에 높은 전압 값(Vu2)이 인가되는 경우, 액정 분자들(15)의 광학 축은 이러한 영역에서 도 5에 따른 평행한 사전 배향으로부터 제2 기판(11)에 거의 수직인 방향으로 이동되어, 필요한 회절 격자를 생성할 수 있다는 것을 의미한다. 낮은 전압 또는 더 낮은 전압(Vu1)이 인가되는 전극(13)의 영역의 액정 분자들(15)은 마찬가지로 평면 외 회전을 수행하지만, 그러나 액정 분자들(15)의 광학 축이 제2 기판(11) 상에 수직으로 위치되는 것이 아니라, 오히려 인가된 전압 값에 의존하는 정의된 각도로 위치되도록 더 작은 회전을 수행한다.

따라서, 개별 전극들(12 및 13) 사이에 생성된 전기 평면 외 필드는 상이한 강도의 평면 외 필드, 여기서 도 6에서는 기판(10 및 11)에 대해 액정 분자들(15)이 더 평행하거나 또는 더 수직인 정렬을 각각 유도한다. 이러한 방식으로, 기판(10 및 11)에 대한 액정 분자들(15)의 더 평행하거나 또는 더 수직인 도시된 정렬 및 이에 따라 회절 광학 요소 상에 입사된 광의 위상 변조가 전극에서 전극으로 수직 방향뿐만 아니라 수평 방향으로도 또한 변형될 수 있다.

도 7에는 도 5 및 도 6에 따른 회절 광학 요소의 2개의 기판(10 및 11)의 전극들(12 및 13)에 적절한 전압이 인가되는 것에 대한 예시가 도시되어 있다. 회절 광학 요소는 여기서 제1 기판(10)의 평면도로 도시되어 있고, 여기서 단지 전극 어레이만이 고려된다.

여기서 제1 기판(10)의 전극들(12)에는 0 볼트(0V), -2.66 볼트(-2.66V) 및 -5.33 볼트(-5.33V)의 전압이 주기적으로 반복되어 인가되고, 여기서 제2 기판(11)의 전극들(13)에는 이에 반대되는 부호를 갖는 0 볼트(0V), 2 볼트(2V), 4 볼트(4V) 및 6 볼트(6V)의 전압이 인가된다. 예를 들어 제2 기판(11) 상의 6 볼트의 인가된 전압을 갖는 전극(13)과 제1 기판(10) 상의 -5.33 볼트의 인가된 전압을 갖는 전극(12) 사이의 중첩 영역 또는 교차 영역(20)에는 이에 따라 총 6V + 5.33V = 11.33 볼트의 전압이 인가된다. 결과적으로, 전극들(12 및 13)에 인가된 전압과 광의 위상 사이의 선형 관계가 가정되고, 액정 층(14)이 또한 2π 초과의 위상 변조를 수행할 수 있는 경우, 이러한 전극(12 및 13)의 중첩 영역(20)에 2.83π의 광의 위상 변조가 수행되는 것이 제공된다. 도 7에 따른 이러한 예시적인 실시예에서, 개별 전극(12 및 13)의 중첩 영역(20)에 각각 위상 값이 생성되며, 이러한 위상 값은 여기서 수평 방향으로 볼 때 하나의 전극(12)에서 다음 또는 인접한 전극(12)으로 0.5π의 위상 차이 및 수직 방향으로 볼 때 하나의 전극(13)에서 다음 또는 인접한 전극(13)으로 0.67π의 위상 차이를 포함한다. 바람직하게는, 4π보다 더 큰 위상 변조가 달성되어야 한다. 회절 격자의 격자 주기는 인접하는 개별 전극들에 인가되는, 상이하게 사용되는 전압 값들에 의해 변경되고 정의될 수 있으므로, 정의된 주기가 결정된다.

회절 광학 요소에 2개의 회절 격자가 동시에 생성되면, 제1 기판(10)의 전극들(12)과 제2 기판(11)의 전극들(13) 사이에 생성되는, 액정 층(14) 내 제1 회절 격자를 생성하기 위한 전기 평면 외 필드의 전속선 분포 및 제2 회절 격자를 생성하기 위한 전속선 분포는 상이하게 형성된다. 또한, 교차된 전극들(12 및 13)에 의해 생성되는 서로 인접하게 위치되는 중첩 영역(20)에는 상이한, 그러나 주기적으로 인가된 전압 값에 따라 주기적으로 반복되는 전기 평면 외 필드가 존재한다.

결과적으로, 이제 종래 기술에 따른 2개의 회절 장치의 조합과 유사한 방식으로 단지 하나의 개별 광학 요소만으로도 제1 방향, 예를 들어 수직 방향 및 제2 방향, 예를 들어 수평 방향 모두로 입사광이 편향되는 것이 가능하다. ECB 모드 또는 VA 모드가 사용되는 경우, 회절 광학 요소 상에 입사되는 광은 선형 편광되어야 하고, 이에 따라 대응하는 광의 위상 변조가 수행될 수 있다.

회절 광학 요소의 2개의 기판의 전극에 인가된 전압의 부호는 또한 교환될 수 있으므로, 제1 기판에는 양의 전압이 인가되고, 제2 기판에는 음의 전압이 인가된다.

회절 광학 요소에 의해 입사광이 단지 한 방향으로만 편향되어야 하는 것이 요구되는 경우, 여기서 회절 광학 요소에는 정의된 격자 주기를 갖는 단지 하나의 회절 격자만이 생성될 수 있으며, 이에 의해 광은 이에 대응하여 필요한 방향으로 편향되는 것이 또한 가능하다. 이를 위해, 하나의 기판의 전극들에는 모두 동일한 전압이 가해지고, 여기서 회절 광학 요소의 다른 기판의 전극들에는 주기적으로 반복되는 상이한 전압 값을 갖는 전압이 각각 인가되므로, 2개의 기판의 전극 사이에는 평면 외 필드가 존재하고, 액정 층의 액정 분자들은 대응하는 평면 외 회전을 수행한다. 이를 통해, 정의된 격자 주기를 갖는 회절 격자가 회절 광학 요소에 기록되거나 또는 생성되고, 광은 정의된 방향으로 편향될 수 있다.

도 7에 기초하여 도시되고 설명된 회절 광학 요소의 예시적인 실시예는 액정 분자들의 정렬이 단지 두 기판의 전극들에 인가되는 전압의 크기에만 의존하는 액정 모드에 적용될 수 있다.

또한, 본 발명에 따른 회절 광학 요소를 액정 층의 액정 모드에 적용하는 것도 또한 가능하며, 광의 위상 변조는 두 기판의 전극들에 인가된 전압의 부호에 의존한다.

전기 평면 외 필드에 액정 분자들의 광학 축의 평면 내 회전을 포함하는 액정 모드의 경우, 이러한 경우 원형 편광된 광이어야 하는 광의 위상 변조는 액정 층의 단일 통과 시 액정 분자들의 두 배의 회전 각도에 비례한다. 반사성으로 형성된 회절 광학 요소에서 액정 층을 통해 광이 이중으로 또는 두 번 통과되면, 주어진 적절한 구성에서, 즉 액정 층과 미러 사이에 배치되고 1/4 파장 층에 대응하는 추가적인 지연 층과 함께, 반파장 층에 대응하는 액정 층의 광학 두께가 제공되고, 이를 통해 광이 액정 층을 통해 제1 통로와 제2 통로 사이를 통과하면, 위상 변조는 액정 분자들의 광학 축의 4배의 회전 각도에 비례할 수 있다. 따라서, 액정 분자들의 광학 축이 최대 ±90도까지 회전되는 경우, 반사성으로 형성된 회절 광학 요소에 대해 4π의 위상 변조 범위(-90도 회전 각도에 대해 -2π 내지 +90도 회전 각도에 대해 +2π)가 생성될 수 있다.

또한, 여기서 종래 기술과 본 발명에 따른 회절 광학 요소 간의 비교가 수행되어야 하며, 여기서 다시, 비교를 위해 단지 요소의 전극 어레이만이 고려되어야 한다.

도 8은 도해 a) 및 b)에서 액정 분자들의 광학 축의 부호 의존적인 평면 내 회전에 의해 광의 위상 변조를 생성하는 종래 기술에 따른 회절 장치를 각각 도시한다. 도 8의 도해 a)에는 회절 장치가 평면도로 도시되어 있고, 이러한 회절 장치는 2개의 기판(여기에 도시되지 않음)을 포함하고, 그 사이에 액정 층(마찬가지로 도시되지 않음)이 매립된다. 2개의 기판 중 하나의 기판은 스트립 형상의 수직으로 배치된 전극들(E2, E3, ..., E_N)을 포함하고, 다른 기판은 편평한 전극(E1)을 포함한다. 편평한 전극(E1)은 도 4에서와 같이 흰색 영역으로 도시되어 있다. 편평한 전극(E1)에는 0 볼트(0V)의 전압이 인가된다. 0π 미만의 위상 변조를 생성하기 위해서는 스트립 형상 전극들(E2, E3, ..., E_N)에 음의 전압이 인가되고, 여기서 0π 초과의 위상 변조를 생성하기 위해서는 스트립 형상 전극들(E2, E3, ..., E_N)에 양의 전압이 인가된다. 도해 a)로부터 알 수 있는 바와 같이, 편평한 전극(E1)에는 0 볼트의 전압이 인가되고, 스트립 형상 전극들(E2, E3, ..., E_N)에는 -3 볼트(-3V), -1 볼트(-1V), 1 볼트(1V), 3 볼트(3V)의 전압이 인가되며, 이는 주기적으로 반복된다. 또한, 여기서 액정 층에서 평면 외 필드가 생성되지만, 그러나 액정 분자들의 광학 축은 이에 대응하여 평면 내 정렬된다. ULH 모드에서는, 예를 들어 콜레스테릭 위상에서 액정 분자들의 나선형 배치가 존재한다. 이러한 나선은 평면 외 필드에 의해 변형된다. 나선의 변형은 액정 분자들의 광학 축의 회전에 대응한다. 따라서 이러한 경우, 액정 분자들의 광학 축은 개별 액정 분자들의 배향과 일치하는 것이 아니라, 많은 액정 분자들의 배향의 평균화로부터 기인한다.

스멕틱 액정 분자들은 예를 들어 전기장 내 정렬로 이어지는 자발적 편광을 포함한다. 분자 축에 대한 편광의 상대적인 배향으로 인해, 전기장에 평행한 편광의 정렬은 액정 분자들의 광학 축이 전기장에 수직으로 회전되도록 유도된다. 따라서, 광학 축은 또한 필드 방향에 수직인 평면에서 회전되고, 이에 따라 평면 외 필드가 인가될 때 평면 내 회전된다.

이러한 방식으로, 위상 단계가 -0.75π, -0.25π, 0.25π 및 0.75π인 격자 주기가 4인 회절 격자가 회절 장치에서 구현된다.

도해 a)에 따르면, 회절 장치는 이제 입사광을 수평 방향으로 편향시킨다.

도 8의 도해 b)에는 그 구조 측면에서 도해 a)에 따른 회절 장치에 대응하는 회절 장치가 도시되어 있는데, 그러나 2개의 기판 중 하나 상에 수직으로 제공되는 스트립 형상 전극들(E2, E3, ..., E_N)을 포함한다. 편평한 전극(E1)에는 다시 0 볼트(0V)의 전압 값이 인가되며, 스트립 형상 전극들(E2, E3, ..., E_N)에는 이제 -2.66 볼트(-2.66V), 0 볼트(0V) 및 +2.66 볼트(+2.66V)의 전압 값이 인가된다. 전극들(E1 및 E2, E3, ..., E_N) 사이에 평면 외 필드가 생성되므로, -0.66π, 0π 및 +0.66π의 위상 단계가 액정 분자들의 광학 축의 평면 내 회전을 통해 구현된다. 이러한 방식으로, 회절 장치에서 3의 격자 주기를 갖는 회절 격자가 구현된다.

도해 b)에 따른 회절 장치는 이제 입사광을 수직 방향으로 편향시킨다.

도 9에는 이제 액정 모드, 예를 들어 ULH 모드를 사용하는 본 발명에 따른 회절 광학 요소가 도시되어 있으며, 광의 위상 변조는 전극에 인가된 전압의 부호에 의존하고, 액정 층에 생성된 평면 외 필드에서 액정 분자들이 평면 내 회전되거나 또는 정렬된다. 도 7에 대해 이미 언급된 바와 같이, 여기에는 또한 명확성을 위해 단지 전극 어레이만이 도시된다.

여기서도 또한 평면도로 도시된 도 9에 따른 회절 광학 요소는 다시 제1 및 제2 기판을 포함하며, 그 사이에 액정 분자들을 갖는 액정 층이 제공된다. 그러나, 스트립 형상 또는 선형, 여기서는 수직 전극들(120)을 포함하는 단지 제1 기판(100)만을 도 9에서 볼 수 있다. 보이지 않는 제2 기판도 마찬가지로 스트립 형상 또는 선형 전극들(130)을 포함한다. 전극(120) 및 전극(130) 모두는 각각 제공되는 자체의 기판 상에 서로 평행하게 배치된다. 또한, 제2 기판의 전극들(130)은 여기서 제1 기판(100)의 전극들(120)에 대해 90°의 각도로 배치되는데, 즉 전극들(120 및 130)은 자체의 대응하는 기판 상에서 서로 교차된 방식으로 배치된다. 또한 이러한 유형의 회절 광학 요소에서는, 전극들(120 및 130)이 서로에 대해 정확히 90°의 각도로 배치되는 것이 요구되는 것이 아니라, 전극들(120 및 130)은 서로에 대해 약 50° 내지 약 90°의 각도 범위에 위치되는 각도로 또한 배치될 수 있다.

각각 가변적으로 정의된 격자 주기를 갖는 2개의 회절 격자를 생성하기 위해, 이제 도시되지 않은 제어 장치에 의해 개별 전극들(120 및 130)에 전압이 인가된다. 도 9에서 알 수 있는 바와 같이, -2.66 볼트(-2.66V), 0 볼트(0V) 및 +2.66 볼트(+2.66V)의 전압이 제1 기판(100)의 전극들(120)에 인가되고, +3 볼트(3V), +1 볼트(1V), -1 볼트(-1V) 및 -3 볼트(-3V)의 전압이 제2 기판의 전극들(130)에 인가된다. 전극들(120 및 130)에 인가된 전압 값은 여기서 각각 주기적으로 반복된다. 예를 들어 도시된 제1 기판(100) 상의 2개의 전극(120 및 130)의 도 9에 도시된 좌측 상부 중첩 영역 또는 교차점(200)에 대해 -2.66 볼트의 전압이 인가되고, 여기서 도시되지 않은 제2 기판 상에는 +3 볼트의 전압이 인가된다. 이 경우, 중첩 영역(200)에서 이러한 두 전극(120 및 130) 사이의 전압 차이(ΔU)는 다음의 공식에 따른다: 제1 기판(U2)의 전극의 전압 값 -(마이너스) 제2 기판(U1)의 전극의 전압 값 (-2.66V - 3V) = -5.66V. 따라서, 이러한 중첩 영역(200)에는 전압 차이(ΔU = -5.66V)가 존재한다. 결과적으로, 회절 광학 요소의 전극들(120 및 130)에 인가된 이러한 음의 전압에 대해, 액정 층의 이러한 중첩 영역(200)에서 -1.41π의 광의 위상 변조가 수행된다. 도 9에서 볼 수 있는 바와 같은 2개의 기판의 전극들(120 및 130)에 인가된 이러한 전압에 의해, 정의된 격자 주기를 갖는 2개의 회절 격자가 액정 층 내 평면 외 필드의 생성을 통해, 그리고 이를 통해 대응하는 정렬 또는 배향이 액정 분자들의 광학 축의 평면 내 회전을 통해 생성된다. 이를 통해, 전극들(120 및 130)의 대응하는 중첩 영역들(200)에는 입사광의 위상 변조를 위해 예를 들어 -1.41π, -0.91π 또는 -0.75π, -0.25π의 표시된 전압 값이 생성된다. 도 9에서 또한 알 수 있는 바와 같이, 각각 2개의 인접한 전극들(120 또는 130) 사이에는 수평 방향으로 볼 때 각각 0.5π의 위상 차이가 존재하고, 수직 방향으로 볼 때 0.67π (modulo 2π)의 위상 차이가 존재한다.

따라서, 회절 광학 요소는 이러한 방식으로 입사된, 바람직하게는 원형 편광된 광을 한 방향으로, 여기서는 수평 방향으로, 그리고 다른 방향으로도, 여기서는 수직 방향으로도 또한 편향시킬 수 있다. 이를 위해, 정의된 격자 주기를 갖는 2개의 회절 격자가 회절 광학 요소에서 동시에 생성될 수 있다. 그러나, 원하는 경우에 필요하다면, 회절 광학 요소에서 정의된 격자 주기를 갖는 단일의 회절 격자만이 생성되는 것도 또한 여기서 가능하다. 이 경우, 회절 격자는 2개의 기판 중 단지 하나 상의 전극들에 의해서 생성되므로, 이러한 전극들에는 주기적으로 반복되는 상이한 전압이 인가되고, 다른 기판의 전극들에는 모든 전극에 대해 동일한 전압이 인가된다. 따라서, 평면 외 필드가 마찬가지로 생성되는데, 그러나 회절 광학 요소에는 단일의 회절 격자만이 기록된다. 또한, 여기서 ≥ 2π, 바람직하게는 ≥ 4π의 광의 위상 변조가 제공된다.

액정 층의 최대 위상 변조가 예를 들어 4π 미만인 경우, 일반적으로 볼 때 액정 분자들의 광학 축의 평면 내 회전 시, 광학 축의 최대 회전 각도는 90도 미만이기 때문에, 경우에 따라서는 회절 광학 요소의 회절 효율에 약간의 제한이 발생될 수 있다. 그럼에도 불구하고, 광의 위상의 더 작은 변조 범위를 가진 회절 광학 요소의 구성은 2개의 상이한 방향으로의 필요한 광의 편향을 허용한다.

일반적으로 회절 광학 요소의 액정 층에는, 기판의 전극들에 인가되는 전압 및 이에 따라 인가되는 평면 외 필드와 위상의 대략적인 선형 관계를 포함하는 위상 변조 범위가 사용되는 것이 바람직하다. 이는 도 10을 참조하여 설명된다.

액정 층에 사용되는 ECB 모드의 경우, 도 10에 도시된 바와 같이, 회절 광학 요소의 전극 어레이에 인가된 전압의 위상 변조의 의존성에 대해 대략 S자형 곡선이 종종 생성된다. 도 10의 S자형 곡선에 따르면, 매우 작은 위상 값뿐만 아니라 매우 큰 위상 값에서도 또한, 인가된 전압에 대한 위상의 의존성은 바람직한 선형 특성과는 크게 상이하다. 그러나 도 10에 점선으로 구분된 영역을 통해 표시된 바와 같이, 평균 위상 값의 경우, 인가된 전압에 따른 위상 값의 변화는 대략 선형이다. 바람직하게는, 단지 곡선의 선형 섹션만이 기판의 전극들에 인가된 전압의 위상 변조의 의존성을 위해 사용된다. 액정 층에서 광의 최대 위상 변조는 바람직하게는 예를 들어 ≥ 5π가 되도록 충분히 크게 선택되므로, 기판의 전극들에 인가된 전압에 대한 광의 위상의 선형 특성을 갖는 범위(도 10에서 점선으로 표시된 영역 참조)에 대응하는 위상 변조의 부분은 또한 대략 4π의 위상 변조 범위를 포함한다.

회절 광학 요소는 투과성뿐만 아니라 반사성으로도 또한 형성될 수 있다. 투과성으로 형성된 회절 광학 요소에 대해 ≥ 4π의 위상 변조가 달성되기 위해서는, 액정 층의 두께를 조정하거나 또는 이에 상응하게 형성해야 하는데, 즉 반사성으로 형성된 회절 광학 요소에 대한 것보다 더 큰 두께를 제공하는 것을 필요로 할 수 있다. 따라서, 반사성으로 형성된 회절 광학 요소의 경우 액정 층을 통한 광의 이중 통과로 인해, 이러한 반사성 회절 광학 요소는 ≥ 4π의 광의 위상 변조를 위해, 투과성으로 형성된 회절 광학 요소보다 더 얇게 설계될 수 있다는 것을 의미한다.

액정 층에서 생성된 평면 외 필드에서 2개의 기판 상의 개별 전극들 사이에 원하지 않는 평면 내 필드가 또한 추가적으로 존재할 수 있기 때문에, 원하지 않는 평면 내 필드를 생성할 수 있는 영역은 그 면적이 가능한 한 작게 유지되어야 한다. 이는 개별 기판 상의 개별 전극들 사이의 면적이 이상적으로 가능한 한 작게 유지되도록 2개의 기판 상의 스트립 형상 전극들이 형성되는 경우에 보장될 수 있다. 즉, 개별 기판 상에 서로 평행하게 배치된 개별 전극들 사이에는 단지 가능한 한 작은 갭(gap)만이 존재해야 한다는 것을 의미한다. 따라서 정밀 해상 방식 구조체에 대한 일반적인 라인/공간(라인 폭 및 사이 공간) 지정에서, 라인(라인 폭)은 가능한 한 커야 하고, 공간(사이 공간)은 가능한 한 작아야 한다. 이것은 일반적인 제조 공차를 고려하여 적용된다. 예를 들어 공간이 너무 작으면, 전극 구조체가 생산될 때 인접한 전극들 사이의 단락 위험이 증가된다. 실질적으로, 공간은 가능한 한 작게 선택되지만, 그러나 전극 구조체가 좋은 수율로 생산될 수 있을 만큼은 충분히 크다.

회절 구조체에서 가능한 한 큰 편향 각도를 달성할 수 있도록, 전극의 서로에 대해 가능한 한 작은 간격(피치)이 유리하다. 그러나, 매우 작은 피치의 경우, 단락을 방지하기 위해 전극 사이의 특정 간격이 유지되어야 할 때, 라인/공간 비율은 다시 불리해질 것이다. 예를 들어 전극의 폭이 1.5 마이크로미터이고, 다음 전극과의 사이 공간이 0.5 마이크로미터인 2 마이크로미터의 전극 피치가 존재한다. 물론, 본 발명이 이러한 수치에 제한되는 것은 아니다.

도 11에는 이제 오브젝트 또는 장면과 같은 2차원 및/또는 3차원 정보를 표현하기 위한 디스플레이 디바이스, 특히 홀로그래픽 디스플레이 디바이스가 도시되어 있다. 디스플레이 디바이스는 광의 방출을 위한 조명 장치(30)를 포함한다. 조명 장치는 여기서 바람직하게는 편광된 광, 특히 선형 편광된 광 또는 원형 편광된 광을 방출하는 적어도 하나의 광원을 포함할 수 있다. 또한, 디스플레이 디바이스는 픽셀을 포함하는 적어도 하나의 공간 광 변조 장치(31)를 포함하며, 이는 표현될 장면 또는 오브젝트에 따라 광의 진폭 및/또는 위상을 변조하기 위해 조명 장치의 광으로 조명된다. 적어도 하나의 공간 광 변조 장치(31)와 함께, 광학 시스템(32)은 바람직하게는 홀로그래픽으로 생성된 장면을 재구성하고 표현하는 역할을 한다. 광 방향으로 적어도 하나의 공간 광 변조 장치(31)의 하류에는, 도 5, 도 6, 도 7 및 도 9에 설명된 바와 같이 형성될 수 있는 회절 광학 요소(33)가 제공된다. 적어도 하나의 공간 광 변조 장치(31) 및 회절 광학 요소(33)는 제어 장치(34)에 연결되고, 이에 의해 이러한 요소들(31 및 33)이 이에 대응하여 제어될 수 있다. 그러나, 회절 광학 요소(33)는 또한 자체의 제어 장치에 의해 제어될 수도 있다. 따라서, 제어 장치(34)에 의해 회절 광학 요소(33)의 전극들에 대응하는 전압이 인가될 수 있어, 정의된 격자 주기를 갖는 적어도 하나의 회절 격자를 생성할 수 있다. 회절 광학 요소(33)의 전극들의 제어에 따라, 이러한 회절 광학 요소는 가변 회절 격자 또는 가변 회절 구조를 포함한다. 회절 광학 요소(33)에 존재하는 회절 격자에 의해, 적어도 하나의 광 변조 장치(31)에 의해 변조된 광은 사전 설정 가능한 방식으로 가변적으로 회절될 수 있고, 적어도 하나의 필요한 측면 방향 또는 축방향으로 편향될 수 있다.

이러한 회절 광학 요소는 이제 관찰자 평면(35)에 생성된 적어도 하나의 가상 관찰자 윈도우(36)의 측면 추적을 가능하게 하고, 이를 통해 관찰자의 눈(37)은 표현된 장면을 관찰할 수 있도록 주시해야 한다. 관찰자가 다른 위치로 이동하면, 회절 광학 요소(33)에 의해 이제 참조 번호(37')로 표시되어 있는 새로운 눈 위치의 가상 관찰자 윈도우(36)가 추적될 수 있다. 관찰자의 새로운 관찰자 위치에서의 가상 관찰자 윈도우는 참조 번호 36'로 표시되어 있다. 이를 위해, 회절 광학 요소(33)의 기판의 전극에 대응하는 사전 정의된 전압이 인가됨으로써, 이에 대해 필요한 격자 주기를 갖는 대응하는 회절 격자가 회절 광학 요소(33)에 기록된다. 따라서 회절 광학 요소에 의해, 가상 관찰자 윈도우(36)의 추적은 단일의 정의된 측면 방향으로만 또는 서로에 대해 일정 각도로 제공되는 2개의 정의된 측면 방향으로도 또한 동시에 수행될 수 있다. 축방향(z 방향)으로의 가상 관찰자 윈도우(36)의 추적은 또한 회절 광학 요소에 의해, 회절 광학 요소에 렌즈 함수를 기록함으로써 가능하다. 이것은 공간 광 변조 장치(31)에 대한 관찰자의 새로운 위치에 의존한다.

본 발명에 따른 이러한 유형의 회절 광학 요소를 디스플레이 디바이스에 제공함으로써, 이러한 회절 광학 요소는 광 편향을 위해 2개의 회절 장치가 제공될 때보다, 그 구조 측면에서 더 컴팩트하게 설계될 수 있다.

회절 광학 요소는 기본적으로 광 편향이 회절에 의해 허용되기 때문에, 바람직하게는 3차원 장면 또는 오브젝트를 표현하기 위한 디스플레이 디바이스와는 다른 장치에서 회절 광학 요소를 사용하는 것도 또한 가능하다. 따라서, 회절 광학 요소는 일반적으로 광 편향이 요구되거나 또는 필요한 장치에 사용될 수 있다.

본 발명은 여기에 도시된 예시적인 실시예들에 제한되지는 않는다. 다른 실시예 또는 예시적인 실시예도 또한 가능하다. 마지막으로, 위에서 설명된 예시적인 실시예들은 단지 청구된 교시의 설명을 위한 것이고, 이러한 교시는 예시적인 실시예들에 제한되는 것으로 의도되지 않는다는 것을 특히 주목해야 한다.

Claims (19)

1. 회절 광학 요소에 있어서,
   - 제1 기판 및 제2 기판 - 상기 제1 기판과 상기 제2 기판 사이에는 액정 층이 제공됨 - ,
   - 상기 제1 기판 상의 스트립 형상 전극들 및 상기 제2 기판 상의 스트립 형상 전극들 - 상기 제1 기판 상의 전극들은 상기 제2 기판 상의 전극들에 대해 50°보다 더 큰 각도로 배치됨 - ,
   을 포함하고,
   - 상기 제1 기판 상의 전극들 및 상기 제2 기판 상의 전극들은, 상기 제1 기판 상의 전극들과 상기 제2 기판 상의 전극들의 각각의 중첩 영역에 정의된 평면 외 필드(out-of-plane field)가 생성될 수 있는 방식으로 제어 가능하고,
   - 정의된 제1 방향으로의 광의 편향을 위한 제1 회절 격자 및 정의된 제2 방향으로의 광의 편향을 위한 제2 회절 격자가 동시에 생성되는 경우에, 하나의 전극에서 다음 전극으로의 전기장의 변화는 상기 제1 기판 상의 상기 전극들과 상기 제2 기판 상의 상기 전극들에 대해 다르게 설정되는 것인, 회절 광학 요소.
2. 제1항에 있어서,
   상기 회절 광학 요소는 입사광이 적어도 하나의 방향으로 편향될 수 있도록 설계되는 것인, 회절 광학 요소.
3. 제2항에 있어서,
   정의된 격자 주기를 갖는 적어도 하나의 회절 격자를 더 포함하는, 회절 광학 요소.
4. 제1항에 있어서,
   상기 회절 광학 요소 상에 입사되는 광을 사전 결정된 방향으로 편향시키기 위해, 정의된 격자 주기를 갖는 회절 격자가 단지 하나의 기판 상의 상기 전극들의 개별적인 제어를 통해 생성될 수 있는 것인, 회절 광학 요소.
5. 제1항에 있어서,
   상기 회절 광학 요소 상에 입사되는 광을 서로에 대해 비스듬히 제공되는 사전 결정된 2개의 방향으로 편향시키기 위해, 각각 정의된 격자 주기를 갖는 2개의 회절 격자가 상기 제1 기판 상의 전극들 및 상기 제2 기판 상의 전극들의 개별적인 제어를 통해 동시에 생성될 수 있는 것인, 회절 광학 요소.
6. 제1항에 있어서,
   상기 제1 기판 상의 전극들이 수평으로 배치되고 상기 제2 기판 상의 전극들은 수직으로 배치되거나, 또는 상기 제1 기판 상의 전극들이 수직으로 배치되고 상기 제2 기판 상의 전극들은 수평으로 배치되는 것인, 회절 광학 요소.
7. 제1항에 있어서,
   상기 제1 기판 상의 전극들 및 상기 제2 기판 상의 전극들은 각각 수평 라인에 대해 비스듬히 배치되고, 상기 제1 기판의 전극들은 상기 제2 기판의 전극들에 대해 비스듬히 제공되는 것인, 회절 광학 요소.
8. 제1항에 있어서,
   상기 제2 기판의 전극들과 상기 제1 기판의 전극들의 서로 인접하게 위치되는 중첩 영역에는 주기적으로 반복되는 상이한 전기 평면 외 필드가 존재하는 것인, 회절 광학 요소.
9. 제1항에 있어서,
   정의된 제1 방향으로의 광의 편향을 위한 제1 회절 격자 및 정의된 제2 방향으로의 광의 편향을 위한 제2 회절 격자가 동시에 생성되는 경우에, 상기 제1 기판의 전극들과 상기 제2 기판의 전극들 사이에 생성되는, 상기 액정 층 내 상기 제1 회절 격자를 생성하기 위한 전기장의 전속선 분포와, 상기 제2 회절 격자를 생성하기 위한 전기장의 전속선 분포는 상이한 것인, 회절 광학 요소.
10. 제1항에 있어서,
    단일의 회절 격자는 제어 장치에 의해 하나의 기판 상의 상기 전극들을 동일한 전압 값에 의해 제어하고 다른 기판 상의 상기 전극들을 주기적으로 반복되는 각각 상이한 전압 값에 의해 제어함으로써 생성되는 것인, 회절 광학 요소.
11. 제1항에 있어서,
    정의된 격자 주기를 갖는 적어도 하나의 회절 격자가 평면 외 필드에 의해 생성될 수 있는 액정 모드가 제공되는 것인, 회절 광학 요소.
12. 제11항에 있어서,
    상기 액정 모드는 ECB 모드, ULH 모드 또는 VA 모드인 것인, 회절 광학 요소.
13. 제1항에 있어서,
    상기 액정 층에서, ≥ 2π, 또는 ≥ 4π의 광의 위상 변조가 구현될 수 있는 것인, 회절 광학 요소.
14. 제13항에 있어서,
    적어도 하나의 기판의 상기 전극들에 인가되는 전압에 따라, 상기 광의 위상의 선형 특성을 갖는 상기 위상 변조의 범위가 선택될 수 있는 것인, 회절 광학 요소.
15. 제1항에 있어서,
    상기 회절 광학 요소는 투과성 또는 반사성으로 설계되는 것인, 회절 광학 요소.
16. 제15항에 있어서,
    상기 회절 광학 요소는 반사성으로 설계되고, 상기 액정 층의 액정 분자들이 평면 외 필드에서 평면 내(in-plane) 회전을 수행하는 액정 모드를 갖는 것인, 회절 광학 요소.
17. 2차원의 오브젝트(object) 또는 장면과 3차원의 오브젝트 또는 장면, 중 적어도 하나를 표현하기 위한 디스플레이 디바이스에 있어서,
    조명 장치, 적어도 하나의 공간 광 변조 장치, 및 제1항 내지 제16항 중 어느 한 항에 따른 적어도 하나의 회절 광학 요소를 포함하는, 디스플레이 디바이스.
18. 제17항에 있어서,
    상기 조명 장치는 편광된 광의 방출을 위해 제공되는 것인, 디스플레이 디바이스.
19. 제17항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 회절 광학 요소의 제1 기판 상의 전극들 및 제2 기판 상의 전극들, 중 적어도 하나를 제어하기 위해 적어도 하나의 제어 장치가 제공되는 것인, 디스플레이 디바이스.

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