KR102676545B1

KR102676545B1 - 광학 디바이스 및 이를 포함하는 아이웨어

Info

Publication number: KR102676545B1
Application number: KR1020180137317A
Authority: KR
Inventors: 서대한; 김재진; 신부건; 송민수
Original assignee: 주식회사 엘지화학
Filing date: 2018-11-09
Publication date: 2024-06-20

Abstract

본 출원은 광학 디바이스 및 이를 포함하는 아이웨어에 관한 것이다. 상기 광학 디바이스는 색 분리 효율이 크고, 광 손실이 적으면서, 동시에 증가된 크기의 아이 박스를 형성할 수 있다. 또한, 상기 아이웨어는 사용자의 동공 위치와 무관하게, 일정한 형태를 가지는 홀로그램 영상을 제공할 수 있다.

Description

광학 디바이스 및 이를 포함하는 아이웨어{OPTICAL DEVICE AND EYEWEAR COMPRISING THE SAME}

본 출원은 광학 디바이스 및 이를 포함하는 아이웨어에 관한 것이다.

증강 현실(Augmented Reality, AR) 기술은 현실의 이미지에 3차원의 가상 이미지를 중첩시켜서 하나의 영상으로 투영하는 기술을 일컫는다. 증강 현실 기술은 다양한 장치(디바이스, device)에 적용되고 있다. 증강 현실 기술이 적용된 장치에 있어서, 특히, 사용자의 이용 편의성을 고려한 안경 형태의 웨어러블(wearable) 증강 현실 구현 장치가 각광을 받고 있다. 상기한 안경 형태의 웨어러블 장치에 있어서, 외부의 자연광은 렌즈부를 그대로 투과하여 사용자의 시야에 전달되어야 하고, 프로젝터에서 투사된 영상은 렌즈부에서 반사되어 사용자의 시야에 전달되어야 한다.

종래에는 상기한 웨어러블 장치의 렌즈로서, 물리적 패턴이 기록된 회절 광학 소자(Diffracted Optical Device, DOE)를 적용하였다. 그렇지만, DOE를 렌즈로 적용하는 경우, DOE가 낮은 색 분리 효율을 가지기 때문에, 프로젝터로부터 투사된 영상의 크로스톡(crosstalk) 현상 등의 문제를 유발하였다. 또한, DOE를 렌즈로 적용하는 도광(wave guiding) 방식의 경우에는 영상 전달을 위한 에너지 손실이 매우 큰 문제도 있었다.

상기한 문제점을 해결하기 위해, 반사형 홀로그래픽 소자를 렌즈로 적용하는 방식이 도입되었다. 그렇지만, 반사형 홀로그래픽 소자가 형성할 수 있는 출사 동공(exit pupil)의 일반적인 크기는 2 내지 6 mm로서, 상기한 출사 동공이 형성하는 아이 박스(eye-box, 사용자가 영상을 인식할 수 있는 영역)의 크기가 매우 작은 문제점이 있었다. 이와 같은 이유 때문에, 사용자의 움직임 등으로 인하여 사용자의 동공의 위치가 조금이라도 변경되면 프로젝터로부터 투사된 영상이 사용자에게 인식되지 않는 문제가 여전히 존재하였다.

이에, 복수의 출사 동공을 형성할 수 있는 단일의 반사형 홀로그래픽 소자를 렌즈로 적용하는 방식이 도입되었으며, 그 모식도를 도 1에 나타내었다. 하지만, 이 경우에는 사용자의 동공 위치에 따라서 사용자가 인식하는 영상의 형태가 달라지는 문제가 존재하였다.

본 출원은, 색 분리 효율이 크고, 광 손실이 적으면서, 동시에 증가된 크기의 아이 박스를 형성할 수 있는 광학 디바이스를 제공하고자 한다. 또한, 본 출원은 사용자의 동공 위치에 관계 없이 일정한 형태의 영상을 재생할 수 있는, 광학 디바이스를 제공하고자 한다.

본 출원에서 정의하는 각도는, 제조 오차(error) 또는 편차(variation) 등의 오차를 감안하여 이해되어야 한다. 예를 들어, 본 출원에서 용어, 수직, 평행, 직교, 또는 수평 등의 용어는, 그 용어가 사용되는 목적과 효과를 손상시키지 않는 범위 내에서의 실질적인 수직, 평행, 직교 또는 수평을 의미한다. 그리고, 상기 각각의 경우는, 예를 들면, 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 포함할 수 있다.

본 출원에서 언급하는 그 기준 파장에 따라서 달라지는 광학 물성, 예를 들어, 굴절률 또는 투과율 등은, 특별히 달리 규정하지 않는 한, 약 532 nm 파장의 광에 대한 물리량이다.

본 명세서 언급하는 어느 두 개의 방향이 이루는 각도는, 특별히 달리 규정하지 않는 한, 상기 두 개의 방향이 이루는 예각 내지 둔각 중 예각이거나, 또는 시계 방향 및 반시계 방향으로 측정된 각도 중에서 작은 각도를 의미할 수 있다. 따라서, 본 명세서에서 언급하는 각도는, 특별히 다르게 규정하지 않는 한, 양수이다. 그렇지만, 경우에 따라서는 시계 방향 또는 반시계 방향으로 측정된 각도 간의 측정 방향을 표시하기 위해서, 상기 시계 방향으로 측정된 각도를 양수로, 반시계 방향으로 측정된 각도를 음수로 표기할 수도 있다.

본 출원은 광학 디바이스에 관한 것이다. 본 출원의 광학 디바이스는, 복수의 광학 소자를 포함할 수 있다. 또한, 상기 광학 소자는 하나만의 출사 동공을 형성할 수 있는 광학 소자이다.

본 출원에서, 용어 "출사 동공(exit pupil)"은, 어떤 부재에 소정의 입사각으로 입사된 광이 상기 부재에서 반사될 때, 그 반사광이 형성하는 하나의 영역을 의미할 수 있다. 또한, 상기에서, 광학 소자가 하나의 출사 동공만을 형성할 수 있다는 것은, 상기 광학 소자에 입사된 광의 입사각과 무관하게 상기 광학 소자로부터 반사되는 광이 하나의 영역에 수렴할 수 있다는 것을 의미할 수 있다. 또한, 상기 출사 동공은 상기 광학 소자로부터 복수의 반사광이 형성되는 경우, 상기 복수의 반사광이 수렴하는 하나의 점일 수도 있으나, 반드시 하나의 점에 수렴할 필요는 없으며, 상기 복수의 반사광이 소정의 크기를 가지는 동일한 영역 내에 수렴하기만 하면 족하다.

상기에서, 출사 동공의 형상은 특별히 제한되지 않으며, 예를 들면 삼각형, 사각형 등의 다각형; 무정형; 원형; 또는 타원형일 수도 있다.

하나의 예시에서, 출사 동공의 크기는, 특별히 제한되지 않으나, 예를 들면, 1 mm 이하일 수 있다. 상기 값은, 다른 예시에서, 900 ㎛ 이하, 800 ㎛ 이하, 700 ㎛ 이하, 600 ㎛ 이하, 500 ㎛ 이하, 400 ㎛ 이하, 300 ㎛ 이하, 200 ㎛ 이하 또는 100 ㎛ 이하일 수 있고, 그 하한은 특별히 제한되는 것은 아니지만, 예를 들어, 10 ㎛ 이상, 20 ㎛ 이상, 또는 30 ㎛ 이상일 수 있다.

상기에서, 출사 동공의 크기는 어느 하나의 출사 동공에서, 어느 한 지점과 다른 하나의 지점 사이의 최대 거리를 의미할 수 있다. 예를 들면, 상기 출사 동공이 원형인 경우, 상기 출사 동공의 크기는 상기 원형인 출사 동공의 최대 지름을 의미할 수 있다.

상기에서, 하나의 광학 소자로부터 형성된 출사 동공과, 다른 하나의 광학 소자로부터 형성된 출사 동공의 위치는 서로 다를 수 있다. 즉, 본 출원의 광학 디바이스는 복수 개의 광학 소자를 포함함으로써, 서로 다른 위치에 복수 개의 출사 동공을 형성할 수 있다. 예를 들어, 본 출원의 광학 디바이스가 n(여기서, n은 2 이상의 정수이다)개의 광학 소자를 포함하는 경우, 상기 광학 디바이스는 서로 다른 위치에 n개의 출사 동공을 형성할 수 있다.

상기에서, 광학 디바이스 내에 형성된 출사 동공 간의 거리는, 예를 들면, 1 mm 내지 10 mm의 범위 내일 수 있다. 상기 값은, 다른 예시에서, 1.5 mm 이상 또는 2 mm 이상일 수 있고, 9 mm 이하, 8 mm 이하, 7 mm 이하 또는6 mm 이하일 수도 있다.

본 출원에서, 용어 "아이박스(eye-box)"는, 하나 이상의 상기 출사 동공이 형성하는 가상의 영역을 의미할 수 있다. 상기에서, 아이박스가 사용자의 동공에 위치할 때, 사용자는 후술하는 영상을 인식할 수 있다.

하나의 예시에서, 상기 광학 디바이스는 상기한 광학 소자가 적층된 구조일 수 있다.

이하에서는, 도 2를 예시적으로 참조하여 본 출원의 광학 디바이스를 설명한다.

하나의 예시에서, 상기 광학 소자(10a, 10b)는 입광면에 제1 각도의 입사각으로 입사된 광(1)을 제2 각도의 반사각으로만 반사시키고, 입광면에 상기 제1 각도와는 다른 제3 각도의 입사각으로 입사된 광(3)을 상기 제2 각도와는 다른 제4 각도로만 반사시키되, 상기 제2 각도의 반사광(2)과 제4 각도의 반사광(4)은 동일한 지점에서 출사 동공을 형성할 수도 있다.

본 출원에서, 어떤 부재의 입광면은, 어떤 부재에 광이 입사될 때 그 부재의 표면 중 상기 입사광이 가장 먼저 접촉하는 면을 의미할 수 있다. 또한, 어떤 부재의 출광면은, 어떤 부재에서 광이 출사될 때, 그 부재의 표면 중 상기 출사광이 가장 먼저 접촉하는 면을 의미할 수 있다. 따라서, 어떤 부재에 입사된 광이 그 부재를 투과하는 경우에는 입광면과 출광면이 대향할 수 있고, 그 부재에서 반사되는 경우에는 입광면과 출광면이 동일한 평면 상에 존재할 수 있다.

본 출원에서, 용어 입사각은, 특별히 다르게 규정하지 않는 한, 입광면의 법선과 입사광이 형성하는 각도 중 절대값이 작은 각도를 의미할 수 있다. 또한, 용어 반사각은, 특별히 다르게 규정하지 않는 한, 출광면의 법선과 반사광이 형성하는 각도 중 절대값이 작은 각도를 의미할 수 있다. 상기에서, 법선을 기준으로 시계 방향으로 측정된 각도는 양수로 표시될 수도 있고, 반시계 방향으로 측정된 각도는 음수로 표시될 수도 있다.

하나의 예시에서, 상기 제1 각도 및 상기 제3 각도는 서로 달라야 한다. 또한, 상기 제1 각도 및 상기 제3 각도는 서로 다르면서, 각각 독립적으로, 0 도 초과이면서 90 도 미만일 수 있다. 상기 제1 각도는, 다른 예시에서, 5 도 이상, 10 도 이상, 15 도 이상, 20 도 이상, 25 도 이상, 30 도 이상, 35 도 이상, 40 도 이상, 45 도 이상, 50 도 이상, 또는 55 도 이상일 수 있고, 90 도 이하, 85 도 이하, 80 도 이하, 75 도 이하 또는 70 도 이하일 수 있으며, 약 60 도일 수 있다.

다른 예시에서, 상기 제1 각도 및 제3 각도는 서로 다르면서, 각각 독립적으로 -90 도 초과이면서 0 도 미만일 수 있다. 다른 예시에서, 상기 제1 각도는 -5도 이하, -10 도 이하, -15 도 이하, -20 도 이하, -25 도 이하, -30 도 이하, -35 도 이하, -40 도 이하, -45 도 이하, -50 도 이하, 또는 -55 도 이하일 수 있고, -85 도 이상, -80 도 이상, -75 도 이상, -70 도 이상 또는 -65 도 이상일 수 있으며, 약 -60 도일 수 있다.

하나의 예시에서, 상기 제2 각도는 상기 제1 각도와 다를 수 있다.

다른 예시에서, 상기 제2 각도는 상기 제4 각도와 달라야 한다. 상기 제2 각도와 상기 제4 각도가 동일한 경우, 서로 다른 각도의 입사각으로 입사된 광으로부터 반사된 광이 서로 평행하여 하나의 출사 동공을 형성할 수 없기 때문이다.

또 다른 예시에서, 상기 제2 각도 및 상기 제4 각도는 서로 다르면서, 각각 독립적으로 -90 도 초과 이면서 90 도 미만일 수 있다. 상기 제2 각도는 다른 예시에서, -80 도 이상, -70 도 이상, -60 도 이상, -50 도 이상, -40 도 이상, -30 도 이상, -10 도 이상 또는 -5 도 이상일 수 있고, 80 도 이하, 70 도 이하, 60 도 이하, 50 도 이하, 40 도 이하, 30 도 이하, 20 도 이하, 10 도 이하 또는 5도 이하일 수도 있으며, 0도 일수도 있다.

하나의 예시에서, 상기 제1 각도와 제2 각도의 합 또는 상기 제3 각도와 제4 각도의 합의 절대값은 0 도 내지 10 도의 범위 내일 수 있다. 상기 값은, 다른 예시에서 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 있다. 따라서, 상기 제1 각도와 제2 각도, 또는 상기 제3 각도와 제4 각도는, 서로 부호가 반대이면서, 그 수치는 실질적으로 서로 동일할 수 있다. 그렇지만, 상기 광학 소자는 하나의 출사 동공 만을 형성하기 때문에, 상기 제1 각도와 제2 각도의 합 및 상기 제3 각도와 제4 각도의 합 중 어느 하나의 절대값이 0 도인 경우, 다른 하나의 절대값은 0 도가 될 수 없다.

상기 광학 소자는, 입사광 내지 반사광이 상기한 제1 각도 내지 제4 각도를 만족할 수 있도록 구성함으로써, 입광면으로 입사된 광의 입사각과 무관하게 하나의 출사 동공을 형성할 수 있다.

하나의 예시에서, 상기 복수의 광학 소자는 서로 다른 출사 동공만 형성할 수 있으면, 서로 동일한 광학 소자일 수도 있거나, 혹은 서로 다른 광학 소자일 수도 있다. 상기에서, 복수의 광학 소자가 서로 같다는 것은, 각 소자에 동일한 입사각을 갖는 광이 입사되었을 때, 각 소자로부터 반사되는 광의 반사각 또한 동일한 것을 의미할 수 있다. 도 2는 복수의 광학 소자가 서로 동일할 때의 본 출원의 광학 디바이스를 도시한 것이다.

상기한 복수의 광학 소자가 서로 다른 경우의 본 출원의 광학 디바이스를 도 3에 도시하였다.

도 3에 도시된 바와 같이, 본 출원의 예시적 광학 디바이스가 서로 다른 광학 소자를 포함하는 경우, 구체적으로 제1 광학 소자(10a) 및 제2 광학 소자(10b)가 적층된 형태인 경우에 대해서 구체적으로 설명한다.

제1 광학 소자 및 제2 광학 소자 각각은 입광면에 제1 각도의 입사각으로 입사된 광(1)을 제2 각도의 반사각으로만 반사시킬 수 있다. 또한, 상기 제1 광학 소자 및 제2 광학 소자 각각은 입광면에 상기 제1 각도와는 다른 제3 각도의 입사각으로 입사된 광(3)을 상기 제2 각도와는 다른 제4 각도로만 반사시킬 수 있다. 이 때, 제1 광학 소자로부터 반사된 제2 각도의 반사광(2)과 제4 각도의 반사광(4), 제2 광학 소자로부터 반사된 제2 각도의 반사광(2')과 제4 각도의 반사광(4') 각각 동일한 지점에서 출사 동공을 형성할 수 있다. 또한, 상기에서 제1 광학 소자로부터 반사된 반사광의 반사각(2)은 제2 광학 소자로부터 반사된 반사광의 반사각(2')과 다를 수 있고, 제1 광학 소자로부터 반사된 반사광의 반사각(4)은 제2 광학 소자로부터 반사된 반사광의 반사각(4')과 다를 수 있다. 즉, 제1 광학 소자의 제2 각도와 제2 광학 소자의 제2 각도는 서로 다를 수 있고, 제1 광학 소자의 제4 각도와 제2 광학 소자의 제4 각도는 서로 다를 수 있다.

하나의 예시에서, 상기 광학 소자는 간섭 패턴을 포함할 수 있다. 상기 광학 소자에 형성된 간섭 패턴은 규칙적인 간섭 패턴일 수 있다. 상기에서, 간섭 패턴이 규칙적이라고 함은, 상기 간섭 패턴을 포함하는 광학 소자의 굴절률이 소정의 방향에 따라 규칙적으로 변화하는 것을 의미할 수 있다. 이 때, 상기 반사형 홀로그래픽 소자에 서로 다른 입사각을 가지는 복수의 광이 입사되더라도, 이로부터 반사되는 반사광이 형성하는 출사 동공은 하나의 영역에 형성될 수 있다.

하나의 예시에서, 상기 간섭 패턴은 면 방향으로 굴절률이 변화하는 굴절률 변화 패턴일 수 있다. 본 출원에서, 용어 "굴절률 변화 패턴"은 소정의 규칙을 가지고, 굴절률이 반복적으로 변화하는 패턴을 지칭할 수 있다. 본 출원에서는, 후술하는 도면 등을 통하여 상기 굴절률의 변화 패턴을 시각화하여 도시할 수도 있으나, 상기 굴절률 변화 패턴이 시각적으로 관찰 가능한 것에 국한되는 것은 아니다.

본 출원에서, 용어 "면 방향"은 광학 소자에서 최대 면적을 가지는 면의 방향을 의미할 수 있으며, 광학 소자의 최단축을 제외한 나머지 두 축이 형성하는 면의 방향을 의미할 수 있다. 즉, 광학 소자의 세 축을 x, y 및 z로 표시할 때, x>y>z 또는 y>x>z의 관계가 충족되는 경우, x축 및 y축이 형성하는 면의 방향을 의미할 수 있다.

상기에서, "두께 방향"은, 광학 소자의 최대 면적을 가지는 면의 법선 방향을 의미할 수 있다. 즉, 상기 두께 방향은 면 방향의 법선 방향을 의미할 수 있으며, 상기 예시에서 z축의 방향을 의미할 수 있다.

하나의 예시에서, 굴절률 변화 패턴은 중심점을 기준으로 동심 도형이 배치되는 동심 도형 단위를 포함할 수도 있다. 구체적으로, 상기 굴절률 변화 패턴은 상기 동심 도형 단위를 하나만 포함할 수도 있다. 본 출원에서 동심 도형(concentric figure)이란, 공통의 중심을 가지는 도형을 의미할 수 있다. 상기한 동심 도형은 광학 소자의 두께 방향에서 관찰하였을 때, 원형, 타원형, 또는 삼각형 이상의 다각형 등의 형상으로 관찰되는 형상을 가질 수 있다. 상기 동심 도형 단위는 서로 최대 직경이 다른 복수의 동심 도형을 포함할 수도 있다. 상기 동심 도형 단위가 복수의 동심 도형을 포함하는 경우에는, 상기 복수의 동심 도형의 전부 또는 일부가 동일한 중심점을 가질 수 있다. 상기에서, 동심 도형 형상이 타원인 경우, 중심은 타원의 장축 및 단축이 직교하는 점을 의미할 수 있다. 상기에서, 원, 타원 및 다각형은 수학적으로 엄밀한 원, 타원 또는 다각형 만을 의미하는 것은 아니며, 대략적으로 원, 타원 또는 다각형으로 인식될 수 있는 형상이면 충분하다.

하나의 예시에서, 동심 도형 단위는 중심점으로부터 반경 방향으로 고굴절 영역 및 저굴절 영역이 교대로 형성되어 있을 수 있다. 상기에서, 반경 방향은 전술한 면 방향과 평행한 방향을 의미할 수 있다. 다른 예시에서, 상기 동심 도형 단위는 광학 소자의 두께 방향에서 관찰하였을 때, 그 중심부가 고굴절 영역이고, 상기 고굴절 영역과 저굴절 영역이 반경 방향, 구체적으로는 면 방향을 따라 교대로 형성되어 있을 수 있다.

상기에서, 고굴절 영역이란, 굴절률이 상기 광학 소자의 평균 굴절률보다 높은 영역을 의미할 수 있다. 또한, 상기에서, 저굴절 영역이란, 굴절률이 상기 광학 소자의 평균 굴절률 보다 낮은 영역을 의미할 수 있다. 평균 굴절률 등에 대한 설명은 후술한다.

도 4는 본 출원의 광학 소자의 굴절률 변화 패턴을 광학 소자의 두께 방향에서 관찰한 그림과, 광학 소자의 면 방향에서의 위치에 따른 굴절률의 그래프를 도시한 것이다. 상기에서, 동심 도형은 편의 상 원형으로 표시하지만, 본 출원의 동심 도형의 형상은 원형에 국한 되는 것은 아니다. 상기에서, 굴절률 변화 패턴은 동심 도형 단위를 하나만 포함할 수 있다. 도 4에 따르면, 상기 광학 소자(100)는 동심 도형 단위(110)을 가지는 굴절률 변화 패턴을 가질 수 있다. 상기 동심 도형 단위(110)는 고굴절 영역(112) 및 저굴절 영역(113)을 포함할 수 있고, 상기 고굴절 영역과 저굴절 영역은 교대로 형성되어 있을 수 있다. 도 4의 동심 도형 단위의 동심원으로 표시되는 선(111)은, 예를 들어, 평균 굴절률을 가지는 면을 의미할 수 있다. 상기에서, 평균 굴절률을 가지는 면은 상기 고굴절 영역과 상기 저굴절 영역의 계면을 의미할 수도 있다. 도 4에 도시된 것 처럼, 예시적인 동심 도형 단위(110)는, 중심부가 고굴절 영역(112)이고, 중심부로부터 반복되는 고굴절 영역(112)과 저굴절 영역(113)을 포함할 수 있다.

하나의 예시에서, 상기 광학 소자의 평균 굴절률은 1.4 내지 1.6의 범위 내일 수 있다. 다른 예시에서, 상기 범위는 1.41 이상, 1.42 이상, 1.43 이상, 1.44 이상, 1.45 이상, 1.46 이상, 1.47 이상, 1.48 이상 또는 1.49 이상일 수 있고, 1.59 이하, 1.58 이하, 1.57 이하, 1.56 이하, 1.55 이하, 1.54 이하, 1.53 이하, 1.52 이하 또는 1.51 이하일 수 있으나, 이에 특별히 제한되는 것은 아니다.

본 출원에서, 광학 소자 평균 굴절률은, 상기 광학 소자의 최대 굴절률과 최소 굴절률의 평균을 의미할 수 있다. 예를 들면, 상기 광학 소자의 최대 굴절률이 약 1.8이고, 최소 굴절률이 약 1.2인 경우, 상기 광학 소자의 평균 굴절률은 약 1.5일 수 있다. 또한, 상기 굴절률의 기준 파장은 전술한 바와 같고, 그 측정 방법 또한 공지이다. 예를 들면, 상기 굴절률은 메트리콘사 제조 프리즘 커플러를 사용하여, 532 nm 의 파장의 광을 기준 파장으로 측정할 수 있다.

하나의 예시에서, 상기 광학 소자의 최대 굴절률은 1.5 이상, 1.55 이상, 1.6 이상, 1.65 이상, 1.7 이상. 1.75 이상 또는 1.8 이상일 수 있고, 2.0 이하, 1.95 이하, 1.9 이하 또는 1.85 이하일 수 있다. 다른 예시에서, 상기 최대 굴절률은 후술하는 고굴절 영역의 최대 굴절률과 동일할 수도 있다.

다른 예시에서, 상기 광학 소자의 최소 굴절률은 1.0 이상, 1.05 이상, 1.1 이상, 1.15 이상 또는 1.20 이상일 수 있고, 1.5 이하, 1.45 이하, 1.4 이하, 1.35 이하, 1.3 이하, 또는 1.25 이하일 수 있다. 다른 예시에서, 상기 최소 굴절률은 후술하는 저굴절 영역의 최소 굴절률과 동일할 수도 있다.

하나의 예시에서, 상기 광학 소자의 최대 굴절률과 최소 굴절률의 차이는 0.002 내지 0.6의 범위 내일 수 있다. 상기 값은 특별히 제한되는 것은 아니지만, 예를 들어, 0.003 이상, 0.004 이상, 0.005 이상, 0.006 이상, 0.007 이상 또는 0.008 이상일 수 있고, 0.60 이하, 0.55 이하, 0.50 이하, 0.45 이하, 0.40 이하, 0.35 이하, 0.30 이하, 0.25 이하, 또는 0.20 이하일 수 있다.

이하에서는, 상기 값의 절반을 굴절률 모듈레이션(index modulation, △n)으로 지칭하기로 한다. 광학 소자에 포함되는 간섭 패턴은 광학 소자의 전체 영역에 걸쳐서 형성되어 있을 수 있고, 상기 간섭 패턴은 기록광의 정보에 따라 굴절률의 구배를 나타낼 수 있다. 이 때, 광학 소자의 굴절률 모듈레이션은 상기한 굴절률 구배에서의 최대값과 최소값의 차이의 절대값의 절반을 의미할 수 있다. 굴절률 모듈레이션을 조절하는 방식은 공지이며, 예를 들어, 광학 소자를 형성할 수 있는 재료에 레이저 노광을 통하여 간섭 패턴을 형성하여 광학 소자를 제조할 때, 상기한 레이저 노광의 조건(레이저의 세기, 노광 시간 등)이 변화함에 따라 상기 굴절률 모듈레이션이 조절될 수 있다.

하나의 예시에서, 동심 도형 단위는 굴절률이 연속적으로 변화할 수 있다. 상기에서, 굴절률이 연속적으로 변화한다고 함은, 동심 도형 단위의 고굴절 영역과 저굴절 영역의 굴절률이 연속적인 것을 의미할 수 있고, 상기 굴절률의 변화 형태가 연속 함수의 형태를 가지는 것을 의미할 수 있다.

하나의 예시에서, 상기 동심 도형 단위의 굴절률의 고굴절 영역의 최대 굴절률로부터 상기 저굴절 영역의 최소 굴절률까지의 구간은 단조 감소 함수(monotone decreasing function)의 형태로 굴절률이 감소할 수 있다. 다른 예시에서, 상기 동심 도형 단위의 굴절률의 저굴절 영역의 최소 굴절률로부터 상기 고굴절 영역의 최대 굴절률까지의 구간은 단조 증가 함수(monotone increasing function)의 형태로 굴절률이 증가할 수 있다.

본 출원에서 감소 함수란 정의역 E에 속하는 임의의 두 수 X₁ 및 X₂가 X₁>X₂의 관계를 만족할 때, 항상 f(X₁)>f(X₂)가 성립하는 함수 f(X)를 의미할 수 있으며, 증가 함수란 정의역 E에 속하는 임의의 두 수 X₁ 및 X₂가 X₁<X₂의 관계를 만족할 때, 항상 f(X₁) <f(X₂)가 성립하는 함수 f(X)를 의미할 수 있다.

하나의 예시에서, 상기 고굴절 영역과 저굴절 영역의 연속적인 굴절률의 변화는 사인 함수, 코사인 함수 또는 이들의 결합 함수 등의 형태를 띨 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 도 5는 본 출원의 광학 소자의 두께 방향에서 관찰한 위치에 따른 굴절률을 나타내는 모식도이다. 상기 고굴절 영역(112)와 저굴절 영역(113)은 직선으로 도시되었으나, 실제 굴절률(114)은 곡선일 수도 있다.

하나의 예시에서, 굴절률이 연속적으로 변화하는 경우, 상기 광학 소자의 굴절률의 변화 형태는 하기 일반식 1을 만족할 수 있다:

[일반식 1]

일반식 1에서 R은 532 nm의 광원에 대한 굴절률이고, r은 동심 도형

의 중심으로부터의 거리(단위: mm)이며, a_(n)은 0 초과 5 이하의 실수이고, b는 0 초과 300이하의 실수이며, φ_(n)은 0° 내지 90°의 범위 내의 실수이다.

상기 일반식 1에서 a_(n)은 5 이하, 4.6 이하, 4.2 이하, 3.8 이하, 3.4 이하, 3.0 이하, 2.8 이하, 2.6 이하, 2.4 이하, 2.2 이하, 2.0 이하, 1.9 이하, 1.8 이하, 1.7 이하 또는 1. 65 이하의 실수일 수 있고, 하한은 특별히 제한되는 것은 아니나 예를들어 0 초과일 수 있다.

또한 상기 일반식 1에서 b는 300 이하, 280 이하, 260 이하, 240 이하, 220 이하, 200 이하, 180 이하, 160 이하, 140 이하, 120 이하 또는 100 이하의 실수일 수 있고, 하한은 특별히 제한되는 것은 아니나 예를들어 0 초과일 수 있다.

상기 일반식 1에서 n은 중심점부터 반경방향으로 순차적인 상기 동심 도형 단위의 평균 굴절률을 가지는 면에 대한 인덱스이다.

하나의 예시에서, 고굴절 영역 및 저굴절 영역이 교대로 형성되어 있을 때, 상기 고굴절 영역 및 저굴절 영역의 간격은 중심점으로부터 반경 방향으로 진행하면서 좁아지도록 형성되어 있을 수 있다. 상기 고굴절 영역 및 저굴절 영역의 간격이 좁아 진다는 것은, 동심 도형의 중심에 가까울수록 고굴절 영역 및/또는 저굴절 영역의 폭이 넓은 것을 의미할 수 있으며, 반경 방향으로 갈수록 고굴절 영역 및/또는 저굴절 영역의 폭이 좁은 것을 의미할 수 있다. 도 6은 본 출원의 예시적인 동심 도형 단위를 면 방향에서 바라본 모식도이다. 도 6에서, 패턴이 표시된 부분은 고굴절 영역을 나타내고, 패턴이 없는 부분은 저굴절 영역을 나타낸다. 도 6을 참조하면, 고굴절 영역의 간격(R₁, R₃-R₂, R₅-R₄)이 반경 방향으로 갈수록 좁아지도록 형성되어 있을 수 있다. 즉, 고굴절 영역의 간격은 R₁ > (R₃-R₂) > (R₅-R₄)의 관계를 만족하도록 형성되어 있을 수 있다. 또한, 저굴절 영역의 간격(R₂-R₁, R₄-R₃)은 반경 방향으로 갈수록 좁아지도록 형성되어 있을 수 있다. 즉, 저굴절 영역의 간격은 (R₂-R₁) > (R₄-R₃)의 관계를 만족하도록 형성되어 있을 수 있다, 상기와 같이 고굴절 영역 및 저굴절 영역을 중심점으로부터 반경 방향으로 진행하면서 좁아지도록 형성하면, 상기 광학 소자로부터 반사되는 광이 입사광의 입사각과 무관하게 하나의 출사 동공을 형성할 수 있다.

하나의 예시에서, 본 출원의 동심 도형 단위의 고굴절 영역 또는 저굴절 영역의 반경(r_n)은 하기 일반식 2로 계산될 수 있다.

[일반식 2]

일반식 2에서 n은 중심점부터 반경방향으로 순차적인 상기 동심 도형 단위의 평균 굴절률을 가지는 면에 대한 인덱스이고, b는 0 초과 300 이하의 실수이며, k는 0 초과 10 이하의 실수이다. 상기 r_n은 상기 동심 도형의 중심으로부터 n번째 인덱스까지의 거리를 나타내며, 단위는 mm이다.

상기 일반식 2로 계산되는 고굴절 영역의 반경은, 동심 도형의 중심으로부터 고굴절 영역의 최소 굴절률을 가지는 지점까지의 거리를 의미할 수 있다. 또한 일반식 2로 계산되는 저굴절 영역의 반경은, 동심 도형의 중심으로부터 저굴절 영역의 최대 굴절률을 가지는 지점까지의 거리를 의미할 수 있다. 즉, 상기 일반식 2로 계산되는 반경은 전술한 평균 굴절률을 가지는 지점까지의 거리를 의미할 수 있다. 도 6을 참조하면, n이 1인 경우 상기 반경 r_n은 도 6의 R₁일 수 있고, n이 2인 경우 상기 반경 r_n은 도 6의 R₂일 수 있으며, n이 3인 경우 상기 반경 r_n은 R₃일 수 있다.

상기 일반식 2에서 b는 300 이하, 280 이하, 260 이하, 240 이하, 220 이하, 200 이하, 180 이하, 160 이하, 140 이하, 120 이하 또는 100 이하의 실수일수 있고, 하한은 특별히 제한되는 것은 아니나 예를들어 0 초과일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.

상기 일반식 2에서 k는 10 이하, 9 이하, 8 이하, 7 이하, 6 이하, 5 이하 또는 4 이하일 수 있으며, 하한은 특별히 제한되는 것은 아니나 예를 들어 0 초과일 수 있다.

상기 일반식 2는 다른 예시에서 하기 일반식 3으로 표시될 수 있다.

[일반식 3]

상기 일반식 3에서 r_(n) 및 n에 대한 설명은 전술한 일반식 2와 동일하다. 즉, 고굴절 영역 또는 저굴절 영역의 반경이 상기 일반식 2 또는 3을 만족함으로써, 상기 고굴절 영역 및 저굴절 영역의 폭이 중심점으로부터 반경 방향으로 갈수록 좁아질 수 있다.

본 출원의 동심 도형 단위의 직경은 특별히 제한되는 것은 아니며, 광학 소자의 두께 및 영상을 재생할 수 있는 재생광의 파장 등에 의해서 결정될 수 있다. 예를 들면, 동심 도형 단위의 직경은 0.2mm 내지 6mm일 수 있다. 상기 동심 도형 단위의 직경은, 0.20 mm 이상, 0.40 mm 이상 또는 0.80 mm 이상일 수 있으며, 6 mm 이하, 4.8 mm 이하, 3.6 mm 이하, 2.4 mm 이하 또는 1.8 mm 이하일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 동심 도형 단위의 직경은, 예를 들면, 동심 도형 단위의 어느 하나의 동심 도형의 중심과 인접하는 다른 동심 도형의 중심을 직선으로 연결한 값의 절반에 해당하는 값을 의미할 수 있다.

또한, 동심 도형 단위의 피치는 특별히 제한되지 않으며, 광학 소자가 적용되는 광학 디바이스의 용도를 고려하여 선택될 수 있다. 상기 동심 도형 단위의 피치는 예를들어, 0.2mm 내지 12mm일 수 있다. 상기 피치는 0.20 mm 이상, 0.40 mm 이상 또는 0.80 mm 이상일 수 있으며, 12 mm 이하, 11.8 mm 이하, 11.6 mm 이하, 11.4 mm 이하, 11.2mm 이하 또는 11.0 mm 이하일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 상기 동심 도형 단위의 피치는, 예를 들면, 동심 도형 단위의 어느 하나의 동심 도형의 중심과 인접하는 다른 동심 도형의 중심을 직선으로 연결한 값일 수 있다.

하나의 예시에서, 본 출원의 광학 소자는 내부 및/또는 외부에 요철 구조를 포함하지 않을 수 있다. 광학 소자가 내부에 요철 구조를 포함한다는 것은, 광학 소자의 내부로 함입된 구조를 의미할 수 있으며, 광학 소자 외부에 요철 구조를 포함한다는 것은 광학 소자의 외부로 돌출된 구조를 가지는 것(마이크로 렌즈 어레이(MLA: micro lens array) 등)을 의미할 수 있다.

하나의 예시에서, 상기 광학 소자의 두께는 특별히 제한되지는 않지만, 예를 들면, 5㎛ 이상일 수 있다. 구체적으로, 상기 두께는 약 5 ㎛ 이상, 6 ㎛ 이상, 7 ㎛ 이상 또는 8 ㎛ 이상일 수 있고, 500㎛ 이하, 490 ㎛ 이하, 480 ㎛ 이하, 470 ㎛ 이하, 460 ㎛ 이하, 450 ㎛ 이하, 440 ㎛ 이하, 430 ㎛ 이하, 420 ㎛ 이하, 410 ㎛ 이하 또는 400 ㎛ 이하일 수 있다. 또한, 상기 광학 디바이스에 포함되는 복수의 광학 소자는 두께가 서로 동일할 수도 있고, 서로 다를 수도 있다.

하나의 예시에서, 상기 광학 소자는 홀로그래픽 소자일 수 있다.

본 출원에서, 용어 홀로그래피(또는 홀로그래픽)란, 홀로그램이라 불리우는 3차원의 상을 재생하기 위하여, 기록 매질에 간섭 패턴을 형성하는 기술을 의미할 수 있다. 또한, 용어 홀로그래픽 소자(HOE, Holographic Optical Element)란, 상기와 같이 간섭 패턴이 형성된 기록 매질을 포함하는 소자를 의미할 수 있다. 구체적으로, 홀로그래픽 소자는 기록 매질에 기록광을 이용하여 간섭 패턴을 기록한 소자를 의미할 수 있다. 예를 들어, 기록 매질에 어떤 물체의 3차원의 상을 형성하고자 하는 경우, 기록광 중 일부는 상기 물체를 투과한 후 감광 매질에 물체광으로서 조사되도록 하고, 기록광 중 나머지 일부는 상기 물체를 투과하지 않고 감광 매질에 직접 참조광으로서 조사되도록 하면, 상기 기록 매질에 상기 물체의 상을 재생할 수 있는 간섭 패턴이 형성될 수 있다. 또한, 상기에서 간섭 패턴은 홀로그래픽 소자에 조사되는 재생광을 회절 시킬 수 있는 회절 격자의 역할을 할 수 있고, 상기 회절된 광이 홀로그램으로 재생될 수 있다.

기록 매질의 종류는 당업계에서 공지되어 있으며, 예를 들면, 상기 기록 매질은 감광(photosensitive) 입자를 포함하는 필름 형태의 부재일 수도 있고, 이는 당업계에서 감광 재료로도 호칭된다. 상기한 감광 재료는, 기록광의 조사에 의하여 간섭 패턴이 형성될 수 있는 재료이면, 그 종류는 특별히 제한되지 않으며, 감광 재료로 기능할 수 있는 것으로 알려진 물질이 사용될 수 있다. 상기 감광 재료로는, 예를 들어, 포토폴리머(photopolymer), 포토레지스트(photoresist), 실버 팔라이드 에멀젼(silver halide emulsion), 중크롬산 젤라틴(dichromated gelatin), 포토그래픽 에멀젼(photographic emulsion), 포토써모플라스틱(photothermoplastic) 또는 광회절(photorefractive) 재료 등이 사용될 수 있다.

상기 홀로그래픽 소자는, 예를 들면, 상기한 감광 재료(예를 들어, 포토폴리머)만으로 이루어진 필름 형태일 수도 있고, 또는 기재와 포토폴리머의 층을 합지한 형태 등의 중층 구조의 필름 형태일 수도 있다. 또한, 상기 기재는 폴리에틸렌 테레프탈레이트 등의 고분자 기재일 수도 있고, 유리 등의 무기물로 구성된 기재일 수도 있다.

하나의 예시에서, 상기 홀로그래픽 소자는 반사형 홀로그래픽 소자일 수 있다. 상기에서, "반사형 홀로그래픽 소자"란, 소정의 입사각으로 입사된 광을 상기 입사각과는 다른 각도로 반사시키는 홀로그래픽 소자를 의미할 수 있다.

전술한 바와 같이, 감광성인 기록 매질에 간섭 패턴이 기록된 소자를 홀로그래픽 소자로 칭하므로, 상기 홀로그래픽 소자, 구체적으로 반사형 홀로그래픽 소자는 간섭 패턴을 포함할 수 있다. 또한, 상기 반사형 홀로그래픽 소자에 포함되는 간섭 패턴에는 전술한 간섭 패턴에 대한 설명의 내용이 그대로 적용될 수 있다.

하나의 예시에서, 어떤 홀로그래픽 소자가 반사형 홀로그래픽 소자로 기능하기 위해서는, 이에 형성된 간섭 패턴의 법선이 홀로그래픽 소자의 입광면 또는 출광면의 법선과 이루는 각도에 따라서 구별될 수 있다. 구체적으로, 상기 반사형 홀로그래픽 소자는 하기 식 1을 만족할 수 있도록 구성될 수 있다. 다시 말해, 간섭 패턴을 포함하는 홀로그래픽 소자가 식 1을 만족하는 경우에는 반사형 홀로그래픽 소자로 기능할 수 있다:

[식 1]

│θ_G│≤θ_c

식 1에서, θ_G은 상기 간섭 패턴의 법선이 홀로그래픽 소자의 입광면 또는 출광면의 법선과 이루는 각도 중 절대값이 작은 각도(단위: 도)일 수 있고, θ_c는 홀로그래픽 소자의 임계각(단위: 도)일 수 있다.

본 출원에서, 용어 "임계각"은 어떤 부재의 입광면에 입사된 광의 전반사가 시작될 때, 그 광의 입사각 중 양의 값을 의미할 수 있다. 홀로그래픽 소자의 임계각(θ_c)은, 소정의 파장에 대한 홀로그래픽 소자의 굴절률, 또는 평균 굴절률이 n일 때 arcsin(n)로 계산될 수 있다. 따라서, 홀로그래픽 소자의 평균 굴절률이 결정되면 이의 임계각이 결정될 수 있고, 이에 따라 홀로그래픽 소자 내의 간섭 패턴의 θ_G 값이 상기한 식 1을 충족하도록 설계하는 경우, 그 홀로그래픽 소자는 반사형 홀로그래픽 소자가 될 수 있다. 또한, 홀로그래픽 소자 내의 간섭 패턴의 θ_G 값이 결정되면, 간섭 패턴의 피치(pitch) 또한 결정될 수도 있다.

본 출원에서, 용어 "굴절률"은 특별히 달리 규정하지 않는 한, 진공에서의 굴절률을 1로 정의하고, 매질에서의 빛의 속력과 진공에서의 빛의 속력과 비교하여 정한 굴절률인 절대 굴절률을 의미한다.

하나의 예시에서, 어떤 홀로그래픽 소자가, 반사형 홀로그래픽 소자인지 여부는, 동일한 조성을 가지는 홀로그래픽 소자를 노광하는 방식으로 결정될 수 있다. 상기 방식은 공지이나, 예를 들면, 어떤 감광 재료에 레이저 노광을 통하여 간섭 패턴을 형성하여 홀로그래픽 소자를 제조할 때, 물체광과 참조광이 입사되는 방향에 따라서 그 홀로그래픽 소자가 반사형인지 여부가 결정될 수 있다.

보다 구체적으로, 홀로그래픽 소자 제조 시에 조사되는 물체광과 참조광이 감광 재료의 서로 다른 면에 입사되면, 상기 식 1을 만족하는 반사형 홀로그래픽 소자가 제조될 수 있다. 여기서, 물체광은 홀로그래픽 소자를 제조할 때, 기록광이 기록 대상 물체의 표면에서 난반사되어 감광 재료에 도달하는 빛을 의미하고, 참조광은 기록광이 직접 감광 재료에 도달하는 빛을 의미한다.

보다 더 구체적으로, 홀로그래픽 소자 제조 시, 물체광의 상기 홀로그래픽 소자로의 입사각을 조절하여 상기 반사형 홀로그래픽 소자가 하나의 출사 동공을 형성하도록 할 수 있다. 상기에서, 참조광의 상기 홀로그래픽 소자로의 입사각이 상기 제1 각도일 때, 상기 물체광의 상기 홀로그래픽 소자로의 입사각이 상기 제2 각도가 되고, 참조광의 상기 홀로그래픽 소자로의 입사각이 상기 제3 각도일 때, 상기 물체광의 상기 홀로그래픽 소자로의 입사각이 상기 제4 각도가 되도록 상기 물체광의 입사각을 조절하면, 상기한 반사형 홀로그래픽 소자가 제조될 수 있다. 즉, 상기와 같은 조건으로 물체광의 입사각을 조절하면, 하나의 출사 동공을 형성할 수 있는 반사형 홀로그래픽 소자가 제조될 수 있다. 반면, 참조광의 상기 홀로그래픽 소자로의 입사각이 상기 제1 각도(제3 각도)임에도, 상기 제2 각도(제4 각도) 외의 다른 각도의 입사각으로 물체광을 조사하는 경우에는, 2 이상의 출사 동공을 형성하는 반사형 홀로그래픽 소자가 제조되며, 본 출원에서 목적하는 반사형 홀로그래픽 소자가 제조되지 않는다.

상기와 같은 광학 디바이스는, 추가적인 구성을 포함할 수도 있다. 예를 들면, 상기 광학 디바이스는, 전술한 광학 디바이스에 포함될 수 있는 것 이외에도, 필요한 경우 추가적으로 광의 경로를 제어할 수 있는 프리즘 또는 반사판과 같은 광경로 제어기를 추가로 포함할 수도 있다. 다른 예시에서, 상기 광학 디바이스는 복수의 광학 디바이스에 전술한 것과 같은 기재가 개재된 구조일 수도 있다.

또한, 상기 광학 디바이스는, 상기한 구성 외에도 추가적인 광학 요소를 포함할 수 있다. 예를 들면, 상기 광학 디바이스는, 루버 플레이트와 같은 광학 요소를 포함할 수도 있다. 이러한 루버 플레이트 등은, 상기 광학 소자의 일면, 예를 들면, 입광면 또는 상기 입광면의 반대 면에 구비될 수도 있다.

본 출원은 또한, 상기한 광학 디바이스를 포함하는 아이웨어에 관한 것이다. 상기 광학 디바이스는 좌안용 렌즈와 우안용 렌즈; 상기 좌안용 렌즈와 우안용 렌즈를 지지하는 프레임을 포함할 수 있다. 즉, 본 출원의 아이웨어의 형태는 공지된 안경의 형상과 동일할 수 있다. 하나의 예시에서, 상기 좌안용 렌즈 및 우안용 렌즈는 각각 상기의 광학 디바이스를 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 공지이나, 예를 들면, 상기 프로젝터에서 투사되는 재생광이 상기 반사형 홀로그래픽 소자의 제조 과정에서 언급한 참조광의 입사각과 동일한 입사각을 가지도록 조사될 수 있다.

다른 예시에서, 상기 재생광의 파장은 재생하고자 하는 홀로그램의 색상에 따라 달라질 수 있고, 그 조절 방식은 특별히 제한되지 않는다.

본 출원의 광학 디바이스는 색 분리 효율이 크고, 광 손실이 적으면서, 동시에 증가된 크기의 아이 박스를 형성할 수 있다.

본 출원의 광학 디바이스를 포함하는 아이웨어는 사용자의 동공 위치와 무관하게, 일정한 형태를 가지는 홀로그램 영상을 제공할 수 있다.

도 1은 종래의 광학 디바이스의 모식도이다.
도 2는 하나의 예시에 따른 본 출원의 광학 디바이스의 모식도이다.
도 3은 다른 예시에 따른 본 출원의 광학 디바이스의 모식도이다.
도 4는 본 출원의 광학 소자의 굴절률 변화 패턴을 광학 소자의 두께 방향에서 관찰한 그림과, 광학 소자의 면 방향에서의 위치에 따른 굴절률의 그래프를 도시한 것이다.
도 5는 본 출원의 광학 소자의 두께 방향에서 관찰한 위치에 따른 굴절률을 나타내는 모식도이다.
도 6은 본 출원의 예시적인 동심 도형 단위를 면 방향에서 바라본 모식도이다.
도 7은 실시예의 광학 디바이스가 형성한 출사 동공의 사진이다.
도 8a 내지 도 8c는 각각 도 7의 ① 내지 ③의 출사 동공을 촬영한 사진이다.
도 9는 비교예의 광학 디바이스가 형성한 출사 동공의 사진이다.
도 10a 내지 도 10c는 각각 도 9의 ① 내지 ③의 출사 동공을 촬영한 사진이다.

이하, 실시예 및 비교예를 통하여 본 출원에 대해서 보다 상세하게 설명한다. 다만, 본 출원이 하기의 실시예 및 비교예에 의해서 제한되는 것은 아니다.

실시예

광학 소자의 제조.

두께 약 15㎛이고 넓이가 50 mmX70 mm(가로X세로)인 포토폴리머(Bayfol HX, Covestro社, 532 nm 파장 광에 대한 최대굴절률 1.53, 최소굴절률 1.47)에 빔 스플리터(beam splitter)를 이용하여 물체광과 참조광으로 분할된 기록광(광량: 약 10 mJ/cm², 파장: 약 532 nm)을 조사하여 상기 포토폴리머 상에 간섭 패턴을 형성하여 반사형 홀로그래픽 소자(광학 소자)를 제조하였다.

구체적으로, 상기 포토폴리머의 일면 상에, 중심광의 입사각이 -60 도이고, 수렴각이 24 도(입사광: -48도 내지 -72도)인 참조광을 조사하고, 상기 참조광이 조사된 면의 반대면에는 중심광의 입사각이 0도이고, 수렴각이 60도(입사각: -60도 내지 60도)인 물체광을 조사하여 반사형 홀로그래픽 소자를 제조하였다. 이 때 참조광의 중심광의 입사각이 -60 도일 때, 상기 참조광의 중심광과 포토폴리머의 내부에서 교차하는 물체광의 중심광의 입사각이 0도로 일정하게 유지되도록 하였다.

상기 반사형 홀로그래픽 소자에 형성된 간섭 패턴에는 면 방향에서, 직경이 약 1.2 mm인 원형의 동심 도형이 하나 존재하였고, 이들 간의 피치는 약 0.2 mm였다.

광학 디바이스의 제조

상기에서 제조된 광학 소자 3개를 적층하되, 광학 소자가 두께 약 1 mm인 유리판을 매개로 부착되도록 적층시켜서 광학 디바이스를 제조하였다.

비교예

광학 소자의 제조.

구체적으로, 상기 포토폴리머의 일면 상에, 중심광의 입사각이 -60 도이고, 수렴각이 24 도(입사광: -48도 내지 -72도)인 참조광을 조사하고, 상기 참조광이 조사된 면의 반대면에는 중심광의 입사각이 0도이고, 수렴각이 60도(입사각: -60도 내지 60도)인 물체광을 조사하여 홀로그래픽 소자를 제조하였다. 이 때 물체광의 광원 위치를 조절하여, 참조광의 중심광의 입사각이 -60 도일 때, 참조광의 중심광과 포토폴리머의 내부에서 교차하는 물체광의 중심광의 입사각이 일정하게 유지되지 않도록 하였다..

광학 디바이스의 제조

상기에서 제조된 광학 소자 자체를 광학 디바이스로 적용하였다.

평가

상기 실시예 및 비교예에서 제조된 광학 디바이스에, 공지의 프로젝터를 이용하여, 중심광의 입사각이 -60 도이고, 수렴각이 24 도(입사광: -48도 내지 -72도)인 재생광을 조사함으로써 상기 광학 디바이스를 작동시켰다.

실시예의 광학 디바이스가 형성한 출사 동공의 사진을 도 7에 나타내었다. 도 7에 따르면, 실시예의 광학 디바이스는 세 개의 출사 동공을 동시에 형성하며, 출사 동공 간의 거리가 약 4 mm인 것을 확인 할 수 있다. 또한, 도 7의 ① 내지 ③ 각각의 출사 동공이 정면으로 인식되는 위치에서 촬영한 사진을 각각 도 8a 내지 도 8c 각각에 나타내었다. 도 8a 내지 도 8c에 따르면, 본 출원의 광학 디바이스는 바라보는 위치와 상관 없이 일정한 형태를 가지는 홀로그램을 재생할 수 있음을 알 수 있다.

비교예의 광학 디바이스가 형성한 출사 동공의 사진을 도 9에 나타내었다. 도 9에 따르면, 비교예의 광학 디바이스는 세 개의 출사 동공을 동시에 형성하며, 출사 동공 간의 거리가 4 mm인 것을 확인 할 수 있다. 또한, 도 9의 ① 내지 ③ 각각의 출사 동공이 정면으로 인식되는 위치에서 촬영한 사진을 각각 도 10a 내지 도 10c에 나타내었다. 도 10a 내지 도 10c에 따르면, 비교예의 광학 디바이스는 바라보는 위치에 따라서 홀로그램이 형성되는 위치 또한 달라지는 것을 알 수 있다.

Claims

복수의 광학 소자가 적층되어 있는 구조를 포함하는 광학 디바이스로서,
상기 복수의 광학 소자 각각은 하나의 출사 동공 만을 형성하고,
상기 복수의 광학 소자 각각은, 동일한 입사각의 광을 동일한 반사각으로 반사하도록 구성되고,
상기 복수의 광학 소자 각각이 형성하는 하나의 출사 동공의 위치는 서로 다르며,
상기 광학 디바이스는, 서로 다른 위치에 복수의 출사 동공을 형성하도록 구성되어 있는 광학 디바이스.
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제1 항에 있어서, 상기 광학 소자는 제1 각도의 입사각으로 입사된 광을 제2 각도의 반사각으로만 반사시키고, 상기 제1 각도와는 다른 제3 각도의 입사각으로 입사된 광을 상기 제2 각도와는 다른 제4 각도의 반사각으로만 반사시키되, 상기 제2 각도의 반사광과 제4 각도의 반사광은 하나의 점 또는 동일한 영역에서 수렴하도록 구성되어 있는 광학 소자인 광학 디바이스.
제1 항에 있어서, 상기 광학 소자는 간섭 패턴을 포함하는 광학 디바이스.
제5 항에 있어서, 상기 간섭 패턴은 면 방향으로 굴절률이 변화하는 굴절률 변화 패턴이고, 상기 면 방향은 상기 광학 소자의 두께 방향과 수직한 방향인 광학 디바이스.
제6 항에 있어서, 상기 굴절률 변화 패턴은 중심점을 기준으로 동심 도형이 배치되는 동심 도형 단위를 포함하는 광학 디바이스.
제7 항에 있어서, 상기 동심 도형 단위는 중심점으로부터 반경 방향으로 고굴절 영역 및 저굴절 영역이 교대로 형성되어 있는 광학 디바이스.
제8 항에 있어서, 상기 고굴절 영역은 최대 굴절률이 1.5 내지 2.0인 광학 디바이스.
제8 항에 있어서, 상기 저굴절 영역은 최소 굴절률이 1.0 내지 1.5인 광학 디바이스.
제7 항에 있어서, 상기 동심 도형 단위는 굴절률이 연속적으로 변화하는 광학 디바이스.
제1 항에 있어서, 상기 광학 소자는 홀로그래픽 소자인 광학 디바이스.
제12 항에 있어서, 상기 홀로그래픽 소자는 반사형 홀로그래픽 소자인 광학 디바이스.
좌안용 렌즈와 우안용 렌즈; 상기 좌안용 렌즈와 우안용 렌즈를 지지하는 프레임을 포함하는 아이웨어로서, 상기 좌안용 렌즈 및 우안용 렌즈는 각각 제1 항의 광학 디바이스를 포함하는 아이웨어.
제14 항에 있어서, 상기 프레임에 위치하고, 상기 좌안용 렌즈 및 우안용 렌즈 중 적어도 하나의 렌즈에 재생광을 투사하는 프로젝터를 추가로 포함하는 아이웨어.