KR102686409B1 - 이미지 표시 광학장치 및 그 제조방법 - Google Patents

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Abstract

이미지 표시 광학장치 및 그 제조방법이 개시된다. 기판의 일측에 위치하고 빔을 입력받는 제1 회절소자와, 기판의 타측에 위치하고 제1 회절소자로부터 기판을 통해 도파된 빔을 출력하는 제2 회절소자를 포함하고, 제1 회절소자는 기 정의된 제1 초점거리에 해당하는 광학 파워를 가지는 회절패턴을 포함하고, 제2 회절소자는 기 정의된 제2 초점거리에 해당하는 광학 파워를 가지는 회절패턴을 포함하고, 제1 회절소자와 제2 회절소자 사이의 이격거리는 제1 초점거리 및 제2 초점거리의 합에 비례한다.

Description

이미지 표시 광학장치 및 그 제조방법{Image display optical apparatus and manufacturing method for the same}
본 발명의 실시 예는 이미지 표시를 위한 광학장치 및 그 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 증강현실 또는 가상현실을 표시할 수 있는 광학장치 및 그 제조방법에 관한 것이다.
종래 증강현실 또는 가상현실을 표시하는 헤드 마운티드 디스플레이(HMD, Head Mounted Display) 또는 다양한 종류의 웨어러블 디스플레이(Wearable Display) 장치가 존재한다. 증강현실 등을 표시하는 장치를 안경처럼 가볍고 얇게 만들기 위하여 도파관(waveguide)-EPE(Exit Pupil Expansion) 타입 제품이 개발되고 있다. 그러나 종래의 도파관-EPE 타입 제품은 광효율과 균일성(uniformity)을 높이면 화각이 좁아지고, 반대로 화각을 크게 하면 광효율과 균일성이 나빠지는 문제점이 있다.
본 발명의 실시 예가 이루고자 하는 기술적 과제는, 광효율과 균일성을 유지하면서 화각을 크게할 수 있는 이미지 표시용 광학장치 및 그 제조방법을 제공하는 데 있다.
상기의 기술적 과제를 달성하기 위한, 본 발명의 실시 예에 따른 광학장치의 일 예는, 기판; 상기 기판의 일측에 위치하고, 빔을 입력받는 제1 회절소자; 및 상기 기판의 타측에 위치하고, 상기 제1 회절소자로부터 상기 기판을 통해 도파된 빔을 출력하는 제2 회절소자;를 포함하고, 상기 제1 회절소자는 기 정의된 제1 초점거리에 해당하는 광학 파워를 가지는 회절패턴을 포함하고, 상기 제2 회절소자는 기 정의된 제2 초점거리에 해당하는 광학 파워를 가지는 회절패턴을 포함하고, 상기 제1 회절소자와 상기 제2 회절소자 사이의 이격거리는 상기 제1 초점거리 및 상기 제2 초점거리의 합에 비례한다.
상기의 기술적 과제를 달성하기 위한, 본 발명의 실시 예에 따른 광학장치의 제조방법의 일 예는, 기판에 제1 곡률로 구부러진 회절패턴을 가지는 제1 회절소자를 형성하는 단계; 및 상기 기판에 제2 곡률로 구부러진 회절패턴을 가지는 제2 회절소자를 형성하는 단계;를 포함하고, 상기 제1 회절소자와 상기 제2 회절소자 사이의 이격거리는 상기 제1 곡률에 해당하는 제1 초점거리 및 상기 제2 곡률에 해당하는 제2 초점거리의 합에 비례한다.
본 발명의 실시 예에 따르면, 광효율과 균일성을 유지하면서 화각을 크게 할 수 있다. 다른 실시 예로, 복수의 서브회절소자를 이용하여 수직방향의 화각을 크게 할 수 있다.
도 1은 본 발명의 이해를 돕기 위한 4-f 시스템의 일 예를 도시한 도면,
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 광학장치의 일 예의 구성을 도시한 도면,
도 3 내지 도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 광학장치를 통해 도파되는 광 경로를 도시한 도면,
도 6은 본 발명의 실시 예에 따른 광학장치를 안경 형태로 구현한 예를 도시한 도면,
도 7은 본 발명의 실시 예에 따른 광학장치의 다른 예의 구성을 도시한 도면,
도 8은 본 발명의 실시 예에 따른 광학장치의 기판을 통해 도파되는 빔의 경로를 도시한 도면,
도 9 내지 도 11은 본 발명의 실시 예에 따른 광학장치의 다른 예를 도시한 도면,
도 12는 본 발명의 실시 예에 따른 광학장치의 출력 이미지의 실험 예를 도시한 도면,
도 13은 회절소자의 피치별 회절 효율을 도시한 그래프,
도 14는 본 발명의 실시 예에 따른 광학장치의 또 다른 예를 도시한 도면, 그리고,
도 15는 본 발명의 실시 예에 따른 광학장치의 제조방법의 일 예를 도시한 도면이다.
이하에서, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 실시 예에 따른 이미지 표시 광학장치와 그 제조방법에 대해 상세히 살펴본다.
도 1은 본 발명의 이해를 돕기 위한 4-f 시스템의 일 예를 도시한 도면이다.
도 1을 참조하면, 4-f 시스템(100,150)은 두 개의 렌즈(110-120 또는 160-170)를 이용하여 입사면(A)의 이미지를 출사면(B)에 그대로 전달하는 광학 시스템이다. 입사면(A)의 이미지가 제1 렌즈(120,170)로부터 f만큼 이격된 거리에 위치하면, 제2 렌즈(110,160)로부터 f만큼 이격된 위치의 출사면(B)에는 입사면(A)의 이미지가 그대로 전달된다.
4-f 시스템은 초점거리가 f인 2개의 렌즈(110-120 또는 160-170)로 구성된다. 4-f 시스템은 일반 렌즈(110,120)로 구성되거나 특정 방향의 광학 파워(optical power)를 가지는 실린더 렌즈(160,170)로 구성될 수 있다. 여기서, 광학 파워는 초점거리의 역수에 해당하는 값이다. x축의 광학 파워를 가진 실린더 렌즈는 x축의 빔에 대하여 4-f 시스템을 구성할 수 있다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 광학장치의 일 예의 구성을 도시한 도면이다.
도 2를 참조하면, 광학장치는 기판(200), 제1 회절소자(210) 및 제2 회절소자(220)를 포함한다. 광학장치는 제1 회절소자(210)를 향해 빔을 출력하는 광엔진부(225)를 더 포함할 수 있다. 이하에서는 설명의 편의를 위하여 광학장치가 광엔진부(225)를 포함하는 경우를 가정하여 설명한다.
기판(200)은 제1 회절소자에 의해 회절된 빔을 전반사(TIR, Total Internal Reflection)하여 전파하는 광 도파로(waveguide)를 제공한다. 빔은 콜리메이트된 빔(collimated beam)이다. 기판(200)은 광학유리, 광학플라스틱, 볼륨 홀로그램(volume Hologram)용 포토폴리머 등의 다양한 물질로 구성될 수 있다. 광학장치가 증강현실을 표현하는 경우에, 기판(200)은 실 세계(real world)에서 오는 광을 투과하는 물질로 구성될 수 있다. 다른 예로, 가상 현실을 표현하는 경우에, 기판(200)은 눈의 반대편의 기판에 광 차폐 수단을 배치하여 실 세계에서 오는 광을 차단할 수 있다. 이 외에도 기판(200)의 투명도는 실시 예에 따라 다양하게 변형 가능하다.
제1 회절소자(210) 및 제2 회절소자(220)는 회절격자(diffractive grating) 등으로 구현될 수 있다. 예를 들어, 제1 회절소자 및 제2 회절소자는 SRG(Surface Relief Grating), VHG(Volume Holographic Grating) 또는 PVG(Polarization Volume Grating) 등의 구조로 구현되어, 격자 높이 또는 굴절률 변조(refractive index modulation) 크기 또는 액정과 같은 이방성 물질의 회전각도를 조절하여 회절소자의 회절 각도 또는 회절 비율 등을 원하는 값으로 맞출 수 있다. 이 외에도 제1 회절소자(210) 및 제2 회절소자(220)는 위 예로 한정되는 것은 아니며 종래의 다양한 구조로 구현될 수 있다.
제1 회절소자(210)는 외부(즉, 광엔진부(225))로부터 빔을 입력받는 인커플러(in-coupler)의 역할을 수행하고, 제2 회절소자(220)는 빔을 외부(즉, 사용자의 눈(250))로 출력하는 아웃커플러(out-coupler)의 역할을 수행한다. 제1 회절소자(210)는 외부로부터 빔을 입력받으면 이를 제2 회절소자(220)의 방향으로 회절한다. 회절된 빔은 기판(220)을 도파하여 제2 회절소자(220)에 도달한다. 제2 회절소자(220)는 제1 회절소자(210)로부터 기판을 통해 도파된 빔을 외부로 출력한다.
본 실시 예는 제1 회절소자(210) 및 제2 회절소자(220)를 이용하여 도 1에서 살펴본 4-f 시스템을 구현한다. 이를 위해, 제1 회절소자(210)는 제1 초점거리의 광학 파워를 가진 회절패턴을 포함하고, 제2 회절소자(220)는 제2 초점거리의 광학 파워를 가진 회절패턴을 포함한다. 예를 들어, 제1 회절소자(210)를 도 2의 그림과 같이 제1 곡률로 구부러진 회절패턴으로 구현하여 수평방향(즉, x축 방향)에 대한 제1 초점거리의 광학 파워를 가지도록 할 수 있다. 또한 제2 회절소자(220)를 제2 곡률로 구부러진 회절패턴으로 구현하여 수평방향(즉, x축 방향)에 대한 제2 초점거리의 광학 파워를 가지도록 할 수 있다.
제1 회절소자(210) 및 제2 회절소자(220) 사이의 간격은 4-f 시스템을 구현하도록 제1 초점거리 및 제2 초점거리의 합에 비례할 수 있다. 예를 들어, 제1 초점거리 및 제2 초점거리가 길어지면 제1 회절소자(210)와 제2 회절소자(220) 사이의 간격은 4-f 시스템을 구현하기 위하여 멀어지고, 반대로 제1 초점거리 및 제2 초점거리가 짧아지면 제1 회절소자(210)와 제2 회절소자(220) 사이의 간격은 4-f 시스템을 구현하기 위하여 짧아진다. 즉, 제1 회절소자(210)와 제2 회절소자(220) 사이의 간격은 제1 회절소자(210)의 제1 초점거리 및 제2 회절소자(220)의 제2 초점거리에 의해 결정될 수 있다.
일 실시 예로, 제1 회절소자(210)의 제1 초점거리와 제2 회절소자(220)의 제2 초점거리는 동일할 수 있다. 예를 들어, 제1 회절소자(210)와 제2 회절소자(220)는 동일 곡률의 회절패턴으로 구성되어 수평방향(즉, x축 방향)에 대한 동일한 초점거리의 광학 파워를 가지는 회절패턴으로 구현될 수 있다.
제1 회절소자(210)에 입사되는 빔은 원형의 빔 또는 타원형의 빔일 수 있다. 예를 들어, 가로방향(x축 방향)의 화각을 크게 하기 위하여 제1 회절소자(210)에 입사되는 빔은 장축이 수평방향(x축 방향)인 타원형 빔일 수 있다.
광엔진부(225)는 제1 회절소자(210)에 콜리메이트된 빔을 출력한다. 광엔진부(225)는 이미지광을 출력하는 디스플레이부(240)와 이미지광을 콜리메이트된 빔으로 변환하여 출력하는 렌즈(230)를 포함할 수 있다. 렌즈(230)는 도 1에서 살핀 일반 렌즈(120) 또는 실린더 렌즈(170) 등 실시 예에 따라 다양한 모양의 렌즈로 구현될 수 있다. 렌즈(230)의 초점거리는 앞서 살핀 제1 회절소자(210)의 제1 초점거리와 동일하거나 상이할 수 있다
광엔진부(225)의 렌즈를 실린더 렌즈로 구현하는 경우에, 광엔진부(225)는 기판(200)의 수평방향(x축 방향)에 대한 광학 파워를 가진 콜리메이트된 빔을 제1 회절소자(210)를 향해 출력할 수 있다. 이때 출력되는 빔의 모양은 x축 방향의 장축을 가진 타원형일 수 있다.
도 3 내지 도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 광학장치를 통해 도파되는 광 경로를 도시한 도면이다.
도 3 내지 도 5를 함께 참조하면, 제1 회절소자(210)는 입사한 빔을 회절하여 기판(200)을 통해 제2 회절소자(220) 방향으로 전달한다. 도 3 내지 도 5는 설명의 편의를 위하여 수평방향(x축)의 세 개의 광 경로만을 도시하고 있다. 제2 회절소자(220)는 수신한 빔을 회절하여 눈을 향해 출력한다. 제2 회절소자(220)는 도 2와 같이 수직방향(y축 방향)으로 빔을 복수 개 복제하여 출력할 수 있다. 다만 도 3 내지 도 5는 설명의 편의를 위하여 제2 회절소자(220)에서 출력되는 하나의 빔을 도시하고 있다.
도 1에서 살핀 4-f 시스템과 같이 입사면(A)의 이미지가 출사면(B)에 그대로 전달될 수 있도록 제1 회절소자(210)와 제2 회절소자(220)는 4-f 시스템을 구성한다. 예를 들어, 제1 회절소자(210)의 앞쪽에 위치한 입사면(A)의 이미지가 제2 회절소자(220)의 앞쪽에 위치한 출사면(B)에 그대로 전달될 수 있도록 입사면(A) - 제1 회절소자 - 제2 회절소자 - 출사면(B)는 4-f 시스템을 구성한다. 도 5를 참조하면, 제1 회절소자(210)는 제1 초점거리의 광학 파워를 가지므로 제1 초점거리(f1)에서 수렴하고, 제2 회절소자(220)는 제2 초점거리의 광학 파워를 가지므로 제2 초점거리(f2)에서 수렴한다. 제1 회절소자(210)와 제2 회절소자(220) 사이에 제1 초점거리 및 제2 초점거리가 형성되도록 제1 회절소자(210)와 제2 회절소자(220)는 일정 거리(L1+L2) 이격되어 배치된다.
도 6은 본 발명의 실시 예에 따른 광학장치를 안경 형태로 구현한 예를 도시한 도면이다.
도 6을 참조하면, 광학장치는 광엔진부(225)와 제1 회절소자(210) 사이에 반사부(600)를 포함한다. 반사부(600)는 광엔진부(225)에서 출력되는 빔의 방향을 변경하여 제1 회절소자(210)에 입력되도록 한다. 광학장치의 제1 회절소자(210) 및 제2 회절소자(220), 광엔진부(225) 등의 구성은 도 2 내지 도 5에서 살핀 바와 동일하다.
도 7은 본 발명의 실시 예에 따른 광학장치의 다른 예의 구성을 도시한 도면이다.
도 7을 참조하면, 광학장치는 제2 회절소자(720)의 빔 출력방향이 도 2의 제2 회절소자(220)의 빔 출력방향과 상이하며, 나머지 구성(700,710,730,740)은 도 2의 광학소자의 구성(200,210,239,240)과 동일하다. 제2 회절소자(720)의 빔 출력방향은 실시 예에 따라 다양하게 변형 가능하다.
도 8은 본 발명의 실시 예에 따른 광학장치의 기판을 통해 도파되는 빔의 경로를 도시한 도면이다.
도 8을 참조하면, 제1 회절소자(210,710)에 입사되는 빔의 각도에 따라 기판(200,700)을 도파하는 빔의 경로가 달라진다. 제1 회절소자(210,710)에 의한 회절각도는 다음 수학식과 같이 구할 수 있다.
Figure 112022063182525-pat00001
여기서, θi는 입사각도, θd는 회절각도, n은 기판의 굴절률, λ는 빔의 파장, tp는 회절소자의 피치(즉, 주기)를 나타낸다.
빔은 기판(200,700) 내에서 전반사를 통해 이동하므로, 빔이 실제 이동한 거리는 제1 회절소자(210,710)와 제2 회절소자(220,720) 사이의 간격(예를 들어, 도 5의 L1+L2) 보다 길다. 빔이 실제 이동한 거리(이하, 광학이동거리(OPL,Optical path length))는 다음과 같이 구할 수 있다.
Figure 112022063182525-pat00002
여기서, t는 기판(200,700)의 두께, 진행거리는 제1 회절소자(210,710)와 제2 회절소자(220,720) 사이의 간격(도 5의 L1+L2), 'TIR수'는 제1 회절소자(210,710)와 제2 회절소자(220,720) 사이의 스텝(step) 수, d는 빔이 기판(200,700)의 일측면에서 전반사하여 타측면까지 이동한 거리를 나타낸다.
일정 굴절률을 가진 기판에서 4-f 시스템을 구현하기 위한 초점거리(f)는 다음과 같이 구할 수 있다.
Figure 112022063182525-pat00003
여기서, OPL은 광의 실제 이동 거리를 나타내고, n은 기판(200,700)의 굴절률을 나타낸다.
기판의 두께(t)가 0.98㎜, 격자의 피치(tp)가 0.423㎛, 파장(λ)이 0.532㎛, 굴절률(n)이 1.519일 때, 위 수학식 1 내지 수학식 3을 참조하여, 4-f 시스템 구현을 위한 초점거리를 구하면 다음 표와 같다.
입사각도 tp(㎛) θd TIR 수 step(㎜) 진행거리
(㎜)		 OPL(㎜) f(㎜)
0° 0.423 55.9° 13 2.72 35.3 42.7 14
10° 0.423 70.4° 6 5.18 31.3 33 10.9
-10° 0.423 45.5° 21 1.87 39.4 55.2 18.2
입사각도(θi)가 커지면 회절각도(θd)도 커져 빔은 긴 스텝(step)으로 진행하고, 반대로 입사각도(θi)가 작으면 회절각도(θd)도 작아져 빔은 짧은 스텝으로 진행한다. 따라서 제1 회절소자(210)와 제2 회절소자(220) 사이의 간격(즉, 진행거리)이 일정한 경우에 입사각도(θi)가 클수록 빔의 이동경로(OPL)가 작아지므로 4-f 시스템 구현을 위하여 필요한 초점거리는 짧아져야 한다. 반대로 입사각도(θi)가 작을수록 빔의 이동경로(OPL)가 길어지므로 4-f 시스템 구현을 위하여 필요한 초점거리는 길어져야 한다.
입사각도에 따라 필요한 초점거리가 달라지므로, 입사각도(θi) 0°를 기준으로 4-f 시스템을 위한 초점거리가 되도록 제1 회절소자(210) 및 제2 회절소자(220)를 배치하면, 0°가 아닌 다른 각도로 입사한 빔은 제2 회절소자(220)의 출사면에서 디포커스(defocus)가 발생할 수 있다. 대략 ±5°에 대하여 디포커스를 허용할 수 있다면, 도 2의 광학장치의 세로방향(y축 방향)의 화각은 최대 10°(-5°~ +5°) 정도가 될 수 있다.
도 9 내지 도 11은 본 발명의 실시 예에 따른 광학장치의 다른 예를 도시한 도면이다. 도 9은 광학장치의 전반적인 구조를 도시한 도면이고, 도 10은 광학장치의 측면을 도시한 도면이고, 도 11은 광학장치의 정면을 도시한 도면이다.
도 9 내지 도 11을 함께 참조하면, 광학장치는 기판(900), 제1 회절소자(910) 및 제2 회절소자(920)를 포함한다. 기판(900)은 복수의 층(layer)(902,904)으로 구성된다. 본 실시 예는 설명의 편의를 위하여 2개의 층(902,904)으로 구성된 기판(900)을 도시하고 있으나, 이는 하나의 예일 뿐 기판(900)은 3개 이상의 층으로 구성될 수 있다. 이하에서는 기판(900)이 2개의 층(902,904)으로 구성된 경우를 가정하여 설명한다.
본 실시 예는 입사각도가 클 때 발생하는 디포커스 문제를 해결하여 수직방향의 화각을 크게하거나 화질을 향상시키기 위하여 복수의 서브회절소자를 이용한다.
구체적으로, 제1 회절소자(910)는 복수의 층(902,904)에 존재하는 복수의 제1 서브회절소자(912,914,916)를 포함한다. 복수의 제1 서브회절소자(912,914,916)를 하나의 층에 구현할 수 있으나, 이 경우 크로스 토크(cross-talk)가 발생할 수 있으므로, 복수의 제1 서브회절소자(912,914,916)를 복수의 층(902,904)에 분산 배치된다. 예를 들어, 제1 회절소자(910)는 기판(900)의 제1 층(902)에 위치한 제1-1 서브회절소자(912)와 기판(900)의 제2 층(904)에 위치한 제1-2 서브회절소자(914) 및 제1-3 서브회절소자(916)를 포함한다. 도 11과 같이 제1-1 서브회절소자(912), 제1-2 서브회절소자(914) 및 제1-3 서브회절소자(916)는 정면에서 바라보았을 때 서로 중첩되지 않도록 배치될 수 있다. 예를 들어, 기판(900)의 제1 층(902)에는 입사각도 0도의 빔을 입력받는 제1-1 서브회절소자(912)를 배치하고, 제1-1 서브회절소자(912)의 위치를 기준으로 위쪽 및 아래쪽에서 각각 일정 각도의 빔을 입력받도록 제1-2 서브회절소자(914) 및 제1-3 서브회절소자(916)를 기판(900)의 제2 층(904)에 배치할 수 있다.
본 실시 예는 복수의 제1 서브회절소자(912,914,916)의 피치를 각각 서로 다르게 한다. 예를 들어, 기판의 두께(t)가 0.98㎜, 파장(λ)이 0.532㎛, 굴절률(n)이 1.519일 때, 서로 다른 피치를 가진 회절소자에 대한 4-f 시스템의 초점거리를 구하면 다음 표와 같다.
입사각도 tp(㎛) θd TIR 수 step(㎜) 진행거리
(㎜)		 OPL(㎜) f(㎜)
0° 0.423 55.9° 13 2.72 35.3 42.7 14
10° 0.58 45.9° 16 1.9 30.4 42.3 13.9
-10° 0.35 62.4° 11 3.52 38.7 43.7 14.4
표 2를 살펴보면, 회절소자의 피치를 서로 다르게 하면, 입사각도가 +10°및 -10°일 때의 초점거리를 입사각도 0°일 때의 초점거리와 기 정의된 오차 범위 내에서 동일하게 할 수 있다.
기판(900)의 제1 층(902)에 위치한 제1-1 서브회절소자(912)의 피치를 0.423㎜로 구현하고, 제1-2 서브회절소자(914)의 피치를 0.35㎜, 제1-3 서브회절소자(916)의 피치를 0.58㎜로 각각 구현하면, 입사각도 -10°~10°사이의 빔에 대하여 모두 동일한 초점거리를 구현할 수 있다.
제2 회절소자(920) 또한 제1 회절소자(910)와 마찬가지로 복수의 층(902,904)에 복수의 제2 서브회절소자(922,924,926)를 포함한다. 예를 들어, 제2 회절소자(920)는 기판(900)의 제1 층(902)에 위치한 제2-1 서브회절소자(922)와 기판(900)의 제2 층(904)에 위치한 제2-2 서브회절소자(924) 및 제2-3 서브회절소자(924)를 포함한다. 도 11과 같이 제2-1 서브회절소자(922), 제2-2 서브회절소자(924) 및 제2-3 서브회절소자(926)는 정면에서 보았을 때 서로 중첩되지 않도록 배치될 수 있다. 예를 들어, 기판(900)의 제1 층(902)에 제2-1 서브회절소자(922)를 배치하고, 기판(900)의 제2 층(904)에 제2-1 서브회절소자(922)의 위치를 기준으로 위쪽 및 아래쪽에 각각 제2-2 서브회절소자(924) 및 제2-3 서브회절소자(926)를 배치할 수 있다.
복수의 제2 서브회절소자(922,924,926)의 각 피치는 복수의 제1 서브회절소자(912,914,916)의 각 피치와 일대일 대응될 수 있다. 예를 들어, 제2-1 서브회절소자(922)의 피치는 제1-1 서브회절소자(912)의 피치와 동일하고, 제2-2 서브회절소자(924)의 피치는 제1-3 서브회절소자(916)의 피치와 동일하고, 제2-3 서브회절소자(926)의 피치는 제1-2 서브회절소자(914)의 피치와 동일할 수 있다.
도 10을 다시 참조하면, 입사각도 0°의 빔은 제1 층(902)의 제1-1 서브회절소자(912)로 입사되어 제1 층(902)을 통해 도파되고 제2-1 서브회절소자(922)에서 출력된다. 입사각도 -10°의 빔은 제2 층(904)의 제1-2 서브회절소자(914)로 입사되어 제2 층(904)을 통해 도파되고, 제2-3 서브회절소자(926)에서 출력된다. 입사각도 +10°의 빔은 제2 층(904)의 제1-3 회절소자(916)로 입사되어 제2 층(904)을 통해 도파되고, 제2-2 서브회절소자(924)에서 출력된다.
각 서브회절소자들(910,920)이 서로 중첩하여 배치되지 않도록, 제1 서브회절소자(912,914,916)와 제2 서브회절소자(922,924,926) 사이의 간격은 서로 다르게 설정될 수 있다. 예를 들어, 표 2를 참조하면, 입사각도 0°의 빔을 처리하는 제1-1 서브회절소자(912)와 제2-1 서브회절소자(922) 사이의 간격(진행거리)을 35.3㎛으로 설정하고, 입사각도 -10°의 빔을 처리하는 제1-2 서브회절소자(914)와 제2-3 서브회절소자(926) 사이의 간격(진행거리)을 30.4㎛로 설정하고, 입사각도 +10°의 빔을 처리하는 제1-3 서브회절소자(916)와 제2-2 서브회절소자(924) 사이의 간격(진행거리)을 38.7㎛로 설정할 수 있다. 서로 다른 입사각도에 대하여 동일한 초점거리와 서로 다른 진행거리를 가지도록 각 회절소자의 피치가 결정될 수 있다.
본 실시 예의 광학장치는 다양한 입사각도의 빔을 각각의 서브회절소자를 통해 처리하여 다양한 입사각도의 빔이 모두 4-f 시스템을 만족하도록 한다. 따라서 대략 ±5°에 대하여 디포커스를 허용할 수 있다면, 표 2에 해당하는 광학장치는 수직방향의 화각을 최대 30°(-15°~ +15°)로 구현할 수 있다.
다른 실시 예로, 서브회절소자를 이용하여 화질을 향상시킬 수 있다. 예를 들어, 각 서브회절소자에 입사하는 빔의 입사각도의 간격을 0°, 3°, -3°등과 같이 좁게 하여 4-f 시스템의 초점이 보다 정확하게 맞춰지도록 할 수 있다.
본 실시 예는 제1 회절소자(910) 및 제2 회절소자(920)를 각각 3개의 서브회절소자로 구현한 예를 도시하고 있으나, 이는 하나의 예일 뿐 수직 화각을 증가시키거나 또는 화질을 향상시키기 위한 서브회절소자의 수는 2개 또는 4개 이상 등 다양하게 구현될 수 있다.
도 12는 본 발명의 실시 예에 따른 광학장치의 출력 이미지의 실험 예를 도시한 도면이다.
도 12를 참조하면, (b)의 이미지(1210)는 도 2와 같이 하나의 회절소자를 이용하여 구현된 광학장치에 (a)의 이미지(1200)를 입력하였을 때 출력되는 이미지이고, (c)의 이미지(1220)는 두 개의 서로 다른 피치를 가진 서브회절소자를 이용하여 구현된 광학장치에 (a)의 이미지(1200)를 입력하였을 때 출력되는 이미지이다. 2개의 서로 다른 피치를 이용하여 구현된 광학장치의 출력 이미지(1220)가 하나의 피치를 이용하여 구현된 광학장치의 출력 이미지(1210)보다 더 선명함을 알 수 있다.
도 13은 회절소자의 피치별 회절 효율을 도시한 그래프이다.
도 13을 참조하면, 회절소자의 피치가 달라지면 회절효율(diffraction efficiency)이 유효한 입사각도의 범위가 달라지며, 유효한 입사각도의 범위가 대략 10°내외 임을 알 수 있다. 따라서 도 9 내지 도 11과 같이 서로 다른 세 개의 피치를 가진 회절소자를 이용하여 광학장치를 구현하면 하나의 피치를 가진 회절소자로 구현된 광학장치보다 수직방향의 화각을 대략 3배 이상 증가시킬 수 있다.
도 14는 본 발명의 실시 예에 따른 광학장치의 또 다른 예를 도시한 도면이다.
도 14를 참조하면, 수직방향의 화각을 크게하기 위하여 빔을 입력받는 제1 회절소자를 복수의 서브회절소자(1400,1420)로 구현하고, 빔을 출력하는 제2 회절소자 또한 복수의 서브회절소자(1410,1430)로 구현한다.
구체적으로, 제1 회절소자는 기판의 제1 층(902)에 위치한 복수의 제1-1 서브회절소자(1400)와 제2 층(904)에 위치한 복수의 제1-2 서브회절소자(1420)를 포함한다. 복수의 제1-1 서브회절소자(1400)는 서로 다른 입사각도의 빔을 입력받아 회절하는 제1-1-1 서브회절소자(1402), 제1-1-2 서브회절소자(1404), 제1-1-3 서브회절소자(1406)로 구성되고, 복수의 제1-2 서브회절소자(1420)는 서로 다른 입사각도의 빔을 입력받아 회절하는 제1-2-1 서브회절소자(1422), 제1-2-2 서브회절소자(1424), 제1-2-3 서브회절소자(1426), 제1-2-4 서브회절소자(1428)로 구성된다. 복수의 제1-1 서브회절소자(1400)와 복수의 제1-2 서브회절소자(1420)는 표 2와 같이 서로 다른 피치를 가지도록 하여 동일한 초점거리를 형성하고, 정면에서 바라보았을 때 서로 중첩되지 않도록 배열할 수 있다.
제2 회절소자는 기판의 제1 층(902)에 위치한 복수의 제2-1 서브회절소자(1410)와 제2 층(904)에 위치한 복수의 제2-2 서브회절소자(1430)를 포함한다. 복수의 제2-1 서브회절소자(1410)는 서로 다른 입사각도의 빔을 입력받아 회절하는 제2-1-1 서브회절소자(1412), 제2-1-2 서브회절소자(1414), 제2-1-3 서브회절소자(1416)로 구성되고, 복수의 제2-2 서브회절소자(1430)는 서로 다른 입사각도의 빔을 입력받아 회절하는 제2-2-1 서브회절소자(1432), 제2-2-2 서브회절소자(1434), 제2-2-3 서브회절소자(1436), 제2-2-4 서브회절소자(1438)로 구성된다. 복수의 제2-1 서브회절소자(1410)와 복수의 제2-2 서브회절소자(1430)의 각 피치는 복수의 제1-1 서브회절소자(1400)와 복수의 제1-2 서브회절소자(142)의 각 피치와 일대일 대응될 수 있다.
도 15는 본 발명의 실시 예에 따른 광학장치의 제조방법의 일 예를 도시한 도면이다.
도 15를 참조하면, 기판에 제1 곡률의 회절패턴을 가진 제1 회절소자를 형성한다(S1500). 예를 들어, 기판은 복수의 층으로 구성되고, 제1 회절소자는 도 9와 같이 각 층에 위치한 복수의 서브회절소자로 형성될 수 있다.
기판에 제2 곡률의 회절패턴을 가진 제2 회절소자를 형성한다(S1510). 예를 들어, 기판은 복수의 층으로 구성되고, 제2 회절소자는 도 9와 같이 각 층에 위치한 복수의 서브회절소자로 형성될 수 있다.
제1 회절소자와 제2 회절소자 사이의 간격은 제1 회절소자의 제1 곡률에 해당하는 제1 초점거리와 제2 회절소자의 제2 곡률에 해당하는 제2 초점거리에 비례한다. 수학식 1 내지 수학식 3을 참조하며, 제1 회절소자 및 제2 회절소자의 각 피치 및 초점거리, 제1 회절소자와 제2 회절소자 사이의 간격을 결정할 수 있다. 예를 들어, 제1 회절소자와 제2 회절소자 사이의 간격(표 2의 진행거리)을 미리 설정하였다면, 입사각도 0°의 빔이 4-f 시스템을 구성하기 위한 필요한 초점거리를 구하고, 그 초점거리의 광학 파워를 가지도록 제1 회절소자 및 제2 회절소자의 곡률 및 피치를 결정할 수 있다. 또는 입사각도 0°의 빔에 대한 초점거리를 미리 설정한 후 이를 만족하기 위한 제1 회절소자와 제2 회절소자 사이의 간격, 피치 및 회절패턴의 곡률 등을 결정할 수 있다.
이제까지 본 발명에 대하여 그 바람직한 실시 예들을 중심으로 살펴보았다. 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 구현될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 개시된 실시 예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.
200,700,900: 기판
210,710,910: 제1 회절소자 220,720,920: 제2 회절소자

Claims (15)

  1. 기판;
    상기 기판의 일측에 위치하고, 빔을 입력받는 제1 회절소자; 및
    상기 기판의 타측에 위치하고, 상기 제1 회절소자로부터 상기 기판을 통해 도파된 빔을 출력하는 제2 회절소자;를 포함하고,
    상기 제1 회절소자는 기 정의된 제1 초점거리에 해당하는 광학 파워를 가지는 회절패턴을 포함하고,
    상기 제2 회절소자는 기 정의된 제2 초점거리에 해당하는 광학 파워를 가지는 회절패턴을 포함하고,
    상기 제1 회절소자와 상기 제2 회절소자 사이의 이격거리는 상기 제1 초점거리 및 상기 제2 초점거리의 합에 비례하는 것을 특징으로 하는 광학장치.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 제1 초점거리 및 상기 제2 초점거리는 동일한 것을 특징으로 하는 광학장치.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 빔은 장축이 수평방향인 타원형 빔인 것을 특징으로 하는 광학장치.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 제1 회절소자 및 상기 제2 회절소자는 수평방향의 광학 파워를 형성하도록 일정 곡률로 구부러진 회절패턴을 포함하는 것을 특징으로 하는 광학장치.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 기판의 수평방향에 대한 광학 파워를 가지는 콜리메이트된 빔을 출력하는 광엔진부;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 광학장치.
  6. 제 5항에 있어서, 상기 광엔진부는,
    이미지광을 출력하는 디스플레이부; 및
    상기 이미지광을 수평방향의 광학 파워를 가지는 빔으로 변환하여 출력하는 실린더렌즈;를 포함하는 것을 특징으로 하는 광학장치.
  7. 제 5항에 있어서,
    상기 광엔진부와 상기 제1 회절소자 사이에 위치하여 상기 광엔진부에서 출력된 콜리메이트된 빔을 상기 제1 회절소자로 반사하는 반사부;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 광학장치.
  8. 제 1항에 있어서,
    상기 기판은 적어도 둘 이상의 층을 포함하고,
    상기 제1 회절소자는 상기 적어도 둘 이상의 층에 각각 위치한 복수의 제1 서브회절소자를 포함하고,
    상기 제2 회절소자는 상기 적어도 둘 이상의 층에 각각 위치한 복수의 제2 서브회절소자를 포함하고,
    상기 복수의 제1 서브회절소자의 피치는 서로 상이하고,
    상기 복수의 제2 서브회절소자의 피치는 서로 상이한 것을 특징으로 하는 광학장치.
  9. 제 8항에 있어서,
    상기 복수의 제1 서브회절소자의 각 피치와 상기 복수의 제2 서브회절소자의 각 피치는 일대일 대응되는 것을 특징으로 하는 광학장치.
  10. 제 8항에 있어서,
    상기 기판의 각 층에 위치한 상기 복수의 제1 서브회절소자는 서로 중첩되지 않도록 배열하고,
    상기 기판의 각 층에 위치한 상기 복수의 제2 서브회절소자는 서로 중첩되지 않도록 배열하는 것을 특징으로 하는 광학장치.
  11. 제 8항에 있어서,
    상기 복수의 제1 서브회절소자는,
    상기 기판의 제1 층에 위치한 제1-1 서브회절소자; 및
    상기 기판의 제2 층에 위치하고, 상기 제1-1 서브회절소자의 위치를 기준으로 위쪽 및 아래쪽에 각각 위치하는 제1-2 서브회절소자 및 제1-3 서브회절소자;를 포함하고,
    상기 복수의 제2 서브회절소자는,
    상기 기판의 제1 층에 위치한 제2-1 서브회절소자; 및
    상기 기판의 제2 층에 위치하고, 상기 제2-1 서브회절소자의 위치를 기준으로 위쪽 및 아래쪽에 각각 위치하는 제2-2 서브회절소자 및 제2-3 서브회절소자;를 포함하는 것을 특징으로 하는 광학장치.
  12. 기판에 제1 곡률로 구부러진 회절패턴을 가지는 제1 회절소자를 형성하는 단계; 및
    상기 기판에 제2 곡률로 구부러진 회절패턴을 가지는 제2 회절소자를 형성하는 단계;를 포함하고,
    상기 제1 회절소자와 상기 제2 회절소자 사이의 이격거리는 상기 제1 곡률에 해당하는 제1 초점거리 및 상기 제2 곡률에 해당하는 제2 초점거리의 합에 비례하는 것을 특징으로 하는 광학장치의 제조방법.
  13. 제 12항에 있어서,
    상기 제1 곡률 및 상기 제2 곡률은 동일한 것을 특징으로 하는 광학장치의 제조방법.
  14. 제 12항에 있어서, 상기 제1 회절소자를 형성하는 단계는,
    상기 기판을 구성하는 제1 층에 적어도 하나 이상의 서브회절소자를 형성하는 단계; 및
    상기 기판을 구성하는 제2 층에 적어도 하나 이상의 서브회절소자를 형성하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 광학장치의 제조방법.
  15. 제 14항에 있어서, 상기 제2 회절소자를 형성하는 단계는,
    상기 제1 층에 적어도 하나 이상의 서브회절소자를 형성하는 단계; 및
    상기 제2 층에 적어도 하나 이상의 서브회절소자를 형성하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 광학장치의 제조방법.
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