KR20010079507A - 스위칭 가능한 홀로그래피 광학 시스템 - Google Patents

Abstract

광학 시스템(312) 및 이 광학 시스템을 사용하는 이미지 처리 및 표시 시스템이 개시되어 있다. 광학 시스템은 공통 축(334)상에 적어도 제 1 및 제 2 광학소자(330, 332)를 갖는다. 한 실시예에서, 제 1 및 제 2 광학소자 각각은 활성 상태 또는 비활성 상태에서 동작할 수 있고, 광 폴리머 및 액정 조합물(12)을 포함한다. 제 1 및 제 2 광학소자 각각은 비활성 상태에서 동작할 때 입사하는 광을 실질적으로 변경하지 않은 상태로 통과시키도록 구성된다. 그러나, 활성 상태에서 제 1 및 제 2 광학소자 각각은 입사하는 광을 실질적으로 변경하지 않은 상태로 통과시키지 않는다. 오히려, 제 1 및 제 2 광학소자 각각은 활성 상태에서 동작할 때 그 위에 입사하는 광을 실질적으로 변경한다.

Description

스위칭 가능한 홀로그래피 광학 시스템{SWITCHABLE HOLOGRAPHIC OPTICAL SYSTEM}

이미지 처리 및 표시 시스템은 본 기술 분야에서 잘 알려져 있다. 이미지 처리 및 표시 시스템은 예를 들면 군용 및 항공 전자 분야의 응용을 위한 야광(night vision) 시스템(즉 적외선 화상류와 표시된 부호류를 조합한 착용 가능한 야광 시스템), 캠코더 뷰 파인더, 원거리 참석(telepresence)(또는 확장된 현실) 및 문서 보안 분야의 응용을 위한 자외선 감응 시스템으로서 흔히 채택된다. 본질적으로 상기 시스템은 예를 들어 광 광출기 어레이를 사용해서 외부 신으로부터 이미지 광을 검지함으로써 동작한다. 검지된 광은 검출기에 의해 대응하는 전기신호로 변환되고, 상기 전기신호는 인위성을 제거하거나 또는 다른 방법으로 신호 품질을 향상시키 위해 프레임 단위로 처리된다. 처리된 신호는 최종적으로 사용자에 의한 이후의 시청을 위해 그에 따라 표시 광을 발생하는 광원에 제공된다.

많은 종래 기술의 이미지 처리 및 표시 시스템은 이미지 광을 광검출기 어레이상에 이미지 광을 집중하기 위해 유리 렌즈와 같은 종래의 광학 구성요소를 포함하는 광학 시스템을 사용한다. 그 결과로, 종래의 광학 구성요소를 사용하는 통상적인 광학 시스템은 대형화되고, 부피가 커지며, 복잡해지는 경향이 있다. 종래 기술의 이미지 처리 및 표시 시스템의 복잡성과 크기는 흔히 이 시스템에 사용된 광학소자의 수와 직접적으로 관련된다. 예를 들면, 야광 시스템은 서로 다른 파장 대역 또는 서로 다른 배율로 최적화된 개별적인 광학소자를 갖는 광학 시스템을 사용할 수 있다. 야광 시스템에서 한 광학소자는 적외선 이미지 광을 집중하는데 사용될 수 있는 반면에. 다른 광학소자는 단색 표시 광을 집중하기 위해 사용된다. 상충하는 시계 요건이 또한 종래 기술의 이미지 처리 및 표시 시스템의 크기 및 복잡성에 기여한다. 또한, 이미지 처리 및 표시 시스템들간의 근본적으로 상이한 요건들은 일반적으로 이들 시스템에 수용되는 광학소자들이 근본적으로 상이할 것을 요구한다.

본 발명은 광학소자에 관한 것으로서, 특히 이미지 처리 및 및 표시 시스템에서 사용하기 위한 스위칭 가능한 홀로그래피 소자에 관한 것이다.

본 발명의 기타 목적 및 이점은 첨부된 도면 및 이하의 상세한 설명을 참조함으로써 명백하게 이해될 것이다.

도 1은 상세한 설명의 가르침에 따라 이루어진 노출형의 폴리머가 분산된 액정(PDLC) 재료로 만들어진 전기적으로 스위칭 가능한 홀로그램의 단면도;

도 2는 (계면활성제를 첨가하지 않은) 상세한 설명의 가르침에 따라 만들어진 홀로그램의 정규화된 최종 투과 및 정규화된 최종 회절 효율과 이 홀로그램을 가로질러 적용된 rms 전압의 관계를 나타낸 그래프;

도 3은 회절 효율을 최소화하기 위해 상세한 설명의 가르침에 따라 만들어진 홀로그램을 스위칭하는데 필요한 임계 및 완전 스위칭 rms 전압과 rms 전압의 주파수의 관계를 나타낸 그래프;

도 4는 34중량%의 액정 계면활성제로 형성된 PDLC 재료와 29중량%의 액정 및 4중량%의 계면활성제로 형성된 PDLC 재료에 대해 인가된 전계의 함수로서 표시된 정규화된 회절 효율을 나타낸 그래프;

도 5는 도4의 계면활성제를 포함하는 PDLC 재료에 있어서 회절된 빔에 대한 스위칭 반응 시간 데이터를 나타낸 그래프;

도 6은 홀로그램의 정규화된 최종 투과 및 정규화된 최종 회절 효율을 나타낸 그래프;

도 7은 반사 회절격자를 기록하기 위한 통상적인 실험 장비의 입면도;

도 8a 및 도 8b는 상세한 설명의 가르침에 따라 만들어지고, 전계 부재시(도 8a) 및 전계 인가시(도 8b)에 회절 격자의 전면에 평행하게 배치되는 폴리머 채널과 PDLC 채널의 주기적인 평면을 갖고, 회절격자의 형성에 사용된 액정이 포지티브 유전 이방성을 갖는 반사 회절격자의 입면도;

도 9a 및 도 9b는 상세한 설명의 가르침에 따라 만들어지고, 전계 부재시(도 9a) 및 전계 인가시(도 9b)에 회절격자의 전면에 평행하게 배치된 폴리머 채널과 PDLC 채널의 주기적인 평면을 갖고, 회절격자의 형성에 사용된 액정이 네거티브 유전 이방성을 갖는 반사 회절격자의 입면도;

도 10a는 상세한 설명의 가르침에 따라 만들어지고, 헬름홀쯔(Helmholtz) 코일에 의해 발생된 자계내에 배치된 반사 회절격자의 입면도;

도 10b 및 도 10c는 전계 부재시(도 10b) 및 전계 인가시(도 10c)에 도 10a의 반사 회절격자의 입면도;

도 11a 및 도 11b는 폴리머 채널과 PDLC 채널의 주기적인 평면의 회절격자 벡터(G)의 배향을 보여주는 경사 투과 회절격자(도 11a) 및 경사 반사 회절격자(도 11b)의 측면도;

도 12는 상세한 설명의 가르침에 따라 만들어지고, 전단 응력이 적용될 때의 반사 회절격자의 입면도;

도 13은 상세한 설명의 가르침에 따라 만들어지고, 회절격자의 전면에 수직으로 배치된 폴리머 채널과 PDLC 채널의 주기적인 평면을 갖는 부파장 회절격자의 입면도;

도 14a는 상세한 설명의 가르침에 따라 만들어진 스위칭 가능한 부파장 회절격자로서, 부파장 회절격자가 반파장 플레이트로서의 기능을 함으로써 입사하는 방사의 편광이 90°만큼 회전되는 것을 도시한 입면도;

도 14b는 도 14a에 도시된 스위칭 가능한 반파장 플레이트가 교차된 편광기 사이에 배치됨으로써 입사하는 광이 통과되는 것을 도시한 입면도;

도 14c 및 도 14d는 도 14b에 도시된 스위칭 가능한 반파장 플레이트와 교차된 편광기의 측면도로서, 상기 플레이트에 전압을 적용함으로써 광의 편광이 더이상 회전되지 않고, 이에 따라 제 2 편광기에 의해 차단되는 효과를 도시한 도면;

도 15a는 상세한 설명의 가르침에 따라 만들어진 스위칭 가능한 부파장 회절격자의 측면도로서, 상기 부파장 회절격자가 1/4파장 플레이트로서의 기능을 함으로써 평면 편광이 부파장 회절격자에 통해 통과되고, 거울에 의해 역반사되며 빔 스플리터에 의해 반사되는 것을 도시한 도면;

도15b는 도 15a에 도시된 스위칭 가능한 부파장 회절격자의 측면도로서, 상기 플레이트에 전압을 적용함으로써 광의 편광이 더이상 변형되지 않고, 이에 따라 반사광이 빔 스플리터를 통과하는 것을 허용하는 것을 도시한 도면;

도 16a 및 도 16b는 상세한 설명의 가르침에 따라 만들어지고, 전계 부재시(도 16a) 및 전계 인가시(도 16b)에 회절격자의 전면에 수직으로 배치된 폴리머 채널과 PDLC 채널의 주기적인 평면을 갖고, 회절격자의 형성에 사용된 액정이 포지티브 유전 이방성을 갖는 투과 회절격자의 입면도;

도 17은 회절격자들이 적층되고 전기적으로 병렬로 연결됨으로써 부파장 회절격자의 스위칭 전압을 감소시키는 5개의 부파장 회절격자의 측면도;

도 18은 본 발명을 사용하는 이미지 처리 및 표시 시스템에 대한 도면;

도 19a는 이미지 처리 모드에서 동작하는 도18에 도시된 이미지 처리 및 표시 시스템에 대한 도면;

도 19b는 표시 모드에서 동작하는 도 18에 도시된 이미지 처리 및 표시 시스템에 대한 도면;

도 20a 내지 도 20d는 도 18의 시스템에서 사용될 수 있는 광학 시스템 예들에 대한 블럭도;

도 21은 도 18에 도시된 시스템에서 사용될 수 있는 광학 시스템의 한 실시예의 단면도;

도 22는 도18에 도시된 시스템의 동작 단계를 나타내는 흐름도; 및

도 23은 도18에 도시된 시스템의 동작 단계를 나타내는 흐름도이다.

본 발명은 각종 다른 형태로 변경 가능하지만 본 발명의 구체적인 실시예는 도면에서 실례로서 도시되어 있고, 이하에서 상세하게 설명될 것이다. 그러나, 도면 및 상세한 설명은 본 발명을 개시된 특정 형태에 제한하기 위한 것은 아니며, 이와는 반대로 본 발명은 첨부된 특허청구범위에 의해 한정된 본 발명의 취지 및 범위 내에 해당하는 모든 변경예, 등가물 및 기타 대안적인 실시예를 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

상기에서 개략적으로 설명한 문제들은 공통 축 상에 정렬된 적어도 제 1 및 제 2 광학소자를 갖는 광학 시스템에 의해 대부분 해결된다. 한 실시예에서, 제 1 및 제 2 광학소자 각각은 활성 상태 또는 비활성 상태에서 동작할 수 있고, 폴리머가 분산된 액정 재료로 형성된다. 제 1 및 제 2 광학소자 각각은 비활성 상태에서 동작할 때 그 위에 입사하는 광을 실질적으로 변경되지 않은 상태로 통과시키도록 구성된다. 그러나, 활성 상태에서는 제 1 및 제 2 광학소자 각각은 그 위에 입사하는 광을 실질적으로 변경되지 않은 상태로 통과시키지는 않는다. 그 보다, 제 1 및 제 2 광학소자 각각은 활성 상태에서 동작할 때 그 위에 입사하는 광을 실질적으로 변경한다.

한 실시예에서, 활성 상태에서 동작하는 제 1 광학소자는 그 위에 입사하는 광을 공간상의 초점 표면으로 집속시킴으로써 입사하는 광을 변경한다. 부가적으로, 제 1 광학소자는 그 위에 입사하는 광의 선택된 파장 대역만을 통과시킴으로써 입사하는 광을 변경하기 위해 활성 상태에서 동작할 수 있다. 한 실시예에서, 제 2 광학소자는 제 1 광학소자와 동일한 특성을 가질 수 있다. 대안적으로, 제 2 광학소자는 활성 상태에서 제 2 광학소자가 그 위에 입사하는 광을 반사시킴으로써 입사하는 광을 실질적으로 변경하도록 서로 다른 특성을 가질 수 있다. 부가적으로, 제 2 광학소자는 그 위에 입사하는 광의 선택된 파장 대역을 반사시킴으로써 입사하는 광을 실질적으로 변경하기 위해 활성 상태에서 동작할 수 있다.

한 실시예에서 제 1 및 제 2 광학소자는 전압원에 선택적으로 연결된다. 이 실시예에서, 제 1 광학소자는 비활성 상태에서 동작하며, 제 1 광학소자가 전압원에 연결될 때 광을 실질적으로 변경되지 않은 상태로 통과시킨다. 대조적으로, 제 1 광학소자가 전압원에서 분리될 때 제 1 광학소자는 활성 상태에서 동작하고, 그 위에 입사하는 광을 실질적으로 변경한다. 이 실시예에서, 제 2 광학소자는 전압원에 연결될 때 비활성 상태에서 동작하고, 단순히 그 위에 입사하는 광을 실질적으로 변경되지 않은 상태로 통과시킨다. 반대로, 제 2 광학소자는 전압원으로부터 분리될 때 활성 상태에서 동작하고, 입사하는 광을 실질적으로 변경하도록 작용한다. 따라서, 제 1 및 제 2 광학소자는 전압원으로부터 분리될 때 종래의 광학소자와 실질적으로 유사하게 동작한다. 그러나, 제 1 및 제 2 광학소자가 전압원으로부터 해제될 때 이들의 광학적 특성(선택된 광 대역폭을 통과시키거나 그 위에 입사하는 광을 집속하는 특성 등)이 제거된다.

상술한 광학 시스템은 센서 어레이, 센서 어레이에 의해 생성된 신호를 처리하기 위한 제 1 처리회로 및 제 1 처리회로에 의해 출력된 신호에 따라 표시 광을 생성하기 위한 광원을 포함하는 이미지 처리 및 표시 시스템에서 사용될 수 있다. 한 실시예에서, 활성 상태에서 동작하는 제 1 광학소자는 그 위에 입사하는 광을 집속한다. 이 집속된 광은 제 2 광학소자가 비활성 상태에 있을 때 변경되지 않은 상태로 제 2 광학소자를 통과한다. 센서 어레이는 집속된 광을 수신하고 이를 나타내는 복수의 신호를 생성한다. 이들 신호는 예를 들어 노이즈 성분을 제거하기 위해 처리되는 장소인 제 1 처리회로에 제공된다. 다음에 처리된 신호는 광원에 제공되고, 광원은 다시 이 그에 응답하여 표시 광을 발생한다. 이 표시 광은 비활성 상태에서 동작하는 실질적으로 변경되지 않은 상태로 제 1 광학소자를 통과한 후에 시스템의 사용자에 의한 시청을 위해 반사되는 장소인 제 2 광학소자에 제공될 수 있다.

1.스위칭 가능한 홀로그램 재료와 장치

한 실시예에서 본 발명은 모노머(monomer), 분산된 액정, 교차결합 모노머, 공개시제와 광개시제 염료를 포함하는 폴리머가 분산된 액정(PDLC) 재료로 형성된 홀로그래피 광학소자를 사용한다. 상기 PDLC 재료는 액정 및 경화된 폴리머의 깨끗하고 질서정연한 분리를 나타내고, 이에 따라 PDLC 재료는 높은 품질의 광학소자를 효율적으로 제공한다. 홀로그래피 광학소자에 사용된 PDLC 재료는 단일 스텝으로 형성될 수 있다. 홀로그래피 광학소자는 또한 도메인 크기, 형태, 밀도, 정렬 등과 같은 생서된 회절격자의 특징에 대한 원위치 제어를 허용하는 고유한 광중합성 프리폴리머(prepolymer) 재료를 사용할 수 있다. 게다가, 상기한 방법과 재료는 스위칭 가능한 투과 또는 반사형 홀로그래피 회절격자를 포함하는 광학소자에 대한 PDLC 재료를 제조하는데 사용될 수 있다.

본 발명에서 사용하기 위해 고려된 폴리머가 분산된 액정 재료, 방법 및 장치는 또한 R.L. Sutherland 등의 "Bragg Gratings in an Acrylate Polymer Consisting of Periodic Polymer dispersed Liquid-Crystal Planes", Chemistry of Materials, No. 5, 1533-1538페이지(1993); R. L. Sutherland 등의 "Electrically switchable volume gratings in polymer dispersed liquid crystals", Applied Physics Letters, Vol. 64, No. 9, 1074-1076페이지(1994); 및 T. J. Bunning 등의 "The Morphology and Performance of Holographic Transmission Gratings Recorded in Polymer dispersed Liquid Crystals", Polymer, Vol. 36, No. 14, 2699-2708페이지(1995)에 기술되어 있고, 이들 모두는 참조상 상세한 설명에 포함되어 있다. "Switchable Volume Hologram Materials and Devices"와 "Laser Wavelength Detection and Energy Dosimetry Badge"의 제목의 Sutherland 등의 미국 특허출원 제08/273,436호와 제5,698,343호 각각은 또한 참고상에 여기에 포함되어 있고, 체적 홀로그램 내의 투과 회절격자의 형성에 대한 배경 재료를 포함한다.

본 발명의 한 실시예에서 사용하기 위한 홀로그램이 형성될 수 있는 공정은 균질한 시동 혼합물의 제조 및 입사하는 광 패턴의 세기 만큼 다소 적은 양으로 사용된 성분의 선택에 의해 기본적으로 제어된다. 본 발명에서 사용된 폴리머가 분산된 액정(PDLC) 재료의 한 실시예에서는 단일 스텝으로 스위칭 가능한 홀로그램을형성한다. PDLC 재료의 한 실시예의 특징은 비균질한 정합 광 패턴에 의한 조명이 중합 가능한 모노머와 제 2 상(second phase) 재료, 특히 액정(LC)의 패턴화된 이방성(또는 역분산)을 개시한다는 것이다. 따라서, 양호하게 정의된 거의 순수한 폴리머 채널에 의해 분리된, 양호하게 정의된 제 2 상이 풍부한 재료의 채널을 교대하는 것은 단일 스텝 공정으로 제조될 수 있다.

생성된 PDLC 재료는 광화학적으로 경화된 폴리머 매트릭스내에서 상분리된 LC 소적(droplet)의 이방성 공간 분포를 가질 수 있다. 양호하게 정의된 LC가 풍분한 재료의 채널에서 PDLC 재료의 한 실시예의 작은 LC 기포에 의해 가능하게 되는 양호하게 정의된 1차 회절 및 0차 회절과는 반대로, 단일 스텝 공정에 의해 이루어진 종래의 PDLC 재료는 폴리머 매트릭스에서 보다 큰 LC 기포와 보다 작은 LC 기포의 영역만을 최선으로 얻을 수 있다. PDLC 재료에서 합리적으로 양호하게 정의된 교대의 LC가 풍분한 채널과 거의 순수한 폴리머 채널은 다중 스텝 공정에 의해 가능하지만, 상기 공정은 PDLC 재료의 한 실시예에 의해 가능하게 되는 폴리머 및 LC가 풍부한 채널의 크기 및 폭의 분산과 LC 소적 크기에 대한 정밀한 형태 제어를 달성할 수 없다.

명목상 10-20㎛ 두께의 스페이서에 의해 분리된 2개의 인듐주석산화물(ITO)이 코팅된 유리 슬라이드 사이에 혼합물을 코팅함으로써 동일한 것이 제조될 수 있다. 샘플은 종래의 홀로그래피 기록 셋업에 배치된다. 회절격자는 약 0.1-100㎽/㎠ 사이의 세기와 30-120초의 통상적인 노출 시간을 갖는 아르곤 이온 레이저의 488㎚ 라인을 이용하여 통상 기록된다. 2개의 빔 사이의 각은 세기 피크의 간격을변경하기 위해 변경되고, 따라서 생성된 회절격자는 홀로그램을 일정 간격으로 유지한다. 광중합은 광학 세기 패턴에 의해 유도된다. 예시적인 기록 장치에 대한 보다 상세한 설명은 참조상 본 명세서에 포함된 Diffractive and Holographic Optics Technology Ⅱ (1995)로부터 재판된 R. L. Sutherland 등의 "Switchable holograms in new photopolymer-liquid crystal composite materials", Society of Photo-Optical Instrumentation Engineers (SPIE), Proceedings Reprint, Volume 2402에서 찾을 수 있다.

PDLC 재료의 특징은 균질한 시동 혼합물의 제조에 사용된 성분과, 보다 작지만 입사하는 광 패턴의 세기에 의해 영향을 받는다. 한 실시예에서, 프리폴리머 재료는 광중합 가능한 모노머, 제 2 상 재료, 광개시제 염료, 공개시제, 사슬 증진체(또는 교차결합기) 및 선택적으로 계면 활성제의 혼합물을 포함한다.

한 실시예에서, 프리폴리머 혼합물의 2가지 주된 구성요소는 중합 가능한 모노머와 제 2 상 재료이고, 이것은 완전히 혼합 가능한 것이 바람직하다. 매우 기능화된 모노머는 어느 정도 축소되고, 제 2 상 재료를 압착하는 기밀하게 교차결합된 망을 형성하기 때문에 바람직할 수 있다. 결과로서, 제 2 상 재료는 폴리머 영역으로부터 이방성 있게 이동되고, 이에 따라 양호하게 정의된 폴리머가 부족하고 제 2 상 재료가 풍부한 영역 또는 도메인으로 분리된다. 매우 기능화된 모노머는 또한 홀로그램이 비교적 빠르게 형성되는 것을 허용하는, 상기 모노머와 연관된 교차결합이 빠른 운동에너지를 발생하기 때문에 바람직하고, 이에 따라서 제 2 상 재료는 대략 0.1 ㎛ 미만의 도메인에 존재할 것이다.

그러나, 매우 기능화된 모노머는 상대적으로 점성이 있다. 결과로서, 이들 모노머는 다른 재료와 잘 혼합하는 경향이 없고, 얇은 막에 확산하는 것이 어렵다. 따라서, 프리폴리머 재료의 기능성과 점성 모두를 최적화하기 위해 펜타-아크릴레이트를 디-, 트리- 및/또는 테트라-아크릴레이트와 조합한 혼합물을 사용하는 것이 바람직하다. 트리에틸렌글리콜 디아크릴레이트, 트리메틸올프로판 트리아크릴레이트, 펜타에리트리톨 트리아크릴레이트, 펜타에리트리톨 테트라크릴레이트, 펜타에리트리톨 펜타크릴레이트 등과 같은 적당한 아크릴레이트가 사용될 수 있다. 한 실시예에서, 트리- 내지 펜타-아크릴레이트의 대략 1:4 혼합물이 광학 플레이트상에 10-20㎛ 막을 형성하기 위해 유리한 혼합물을 제공하면서 균질한 혼합을 용이하게 하는 것이 발견되었다.

선택된 제 2 상 재료는 액정(LC)이다. 이것은 또한 생성된 홀로그램에 대한 전기광학 반응을 허용한다. 사용된 LC의 농도는 유효한 상분리가 경화된 샘플에서 발생하는 것을 허용할 만큼 충분히 커야 하지만, 견본을 불투명하게 또는 매우 흐리게 할 정도로 크지는 않다. 약 20중량% 아래에서 매우 작은 상분리가 발생하고, 회절 효율은 낮다. 약 35중량% 위에서, 샘플은 많이 산란되고, 회절효율과 투과율 모두가 감소한다. 대략 25중량%으로 제조된 샘플은 통상 양호한 회절 효율과 광투과율을 발생한다. 계면 활성제를 사용하는 프리폴리머 혼합무에서, LC의 농도는 계면 활성제의 양을 조절함으로써 광학 성능의 손실 없이 35중량% 까지 증가될 수 있다. 본 발명의 실시에서 사용이 고려된 적당한 액정은 Merck에 의해 E7, 4'-n-펜틸-4-시아노비페닐, 4'-n-헵틸-4-시아노비페닐, 4'-옥타옥시-4-시아노비페닐,4'-펜틸-4-시아노테르페닐, ∝-메톡시벤질리덴-4'-부틸아닐린 등으로 시판된 시아노비페닐의 혼합물을 포함할 수 있다. 다른 제 2 상 성분이 또한 가능하다.

본 발명의 실시에 사용된 폴리머가 분산된 액정 재료는 디펜타에리트리톨 히드록시펜타크릴레이트(예를 들면, Polysciences, Inc., Warrington, Pennsylvania로부터 이용가능), 액정 E7의 대략 10-40wt%(Merck에 의해 E7으로 시판된 시아노비페닐의 혼합물이며, 또한 BDH Chemicals, Ltd., London, England로부터 이용가능), 사슬증진 모노머 N-비닐피롤리디논("NVP")(미국 위스콘신 밀워키의 Aldrich Chemical Company로부터 이용가능), 공개시제 N-페닐글리신("NPG")(미국 위스콘신 밀워키의 Aldrich Chemical Company로부터 또한 이용가능) 및 광개시제 염료 로즈 벤갈 에스테르; (2,4,5,7-테트라이오도-3',4',5',6',-테트라클로로플루오레세인-6-아세테이트 에스테르)(미국 오하이오 마우미의 Spectragraph, Ltd.에 의해 RBAX로 시판된)를 포함하는 중합가능한 모노머의 균질한 혼합물인 프리폴리머 재료로 형성될 수 있다. 로즈 벤갈은 또한 Aldrich Chemical Company로부터의 로즈 벤갈 나트륨염(용해도에 대해 에스테르화되어야 하는)으로서 이용가능하다. 이 체계는 작은 액정 미세 소적을 형성하는 매우 빠른 경화 속도를 갖는다.

액정과 프로폴리머 재료의 혼합물은 적당한 수단(예를 들면, 초음파처리)에 의해 점성 용액으로 균질화되고, 명목상 15-100㎛ 두께, 바람직하게는 10-20㎛ 두께의 스페이서를 사용하여 인듐주석산화물(ITO) 코팅된 유리 슬라이드 사이에 확산된다. ITO는 전기적으로 전도성이고, 광학적으로 투명한 전극으로 기능한다. 유리 슬라이드상에의 프리폴리머 재료의 제조, 혼합 및 이동은 혼합물이 광에 매우민감하기 때문에 어두운 곳에서 행해지는 것이 바람직하다.

프리폴리머 재료의 광 세기에 대한 감도는 광개시제 염료와 그 농도에 의존한다. 염료의 농도가 높아질수록 높은 감도를 초래한다. 그러나, 대부분의 경우에서 광개시제 염료의 용해도는 염료의 농도를 제한하여, 프리폴리머 재료의 감도를 제한한다. 그럼에도 불구하고, 보다 일반적인 응용에 있어서 0.2-0.4중량%의 범위의 광개시제 염료 농도는 바람직한 감도를 얻고, 기록 공정에서 염료의 완벽한 표백을 허용하여 결과적으로 무색의 최종 샘플을 얻기에 충분하다는 것이 발견되었다. PDLC 재료를 생성하는데 유용한 광개시제 염료는 로즈 벤갈 에스테르 (2,4,5,7-테트라이오도- 3',4',5',6',-테트라클로로플루오레세인-6-아세테이트 에스테르); 로즈 벤갈 나트륨염; 에오신; 에오신 나트륨염; 4,5-디이오도수시닐 플루오레세인; 캄포퀴논; 메틸렌 블루 등이다. 이 염료들은 명목상 400㎚ 내지 700㎚의 가시 스펙트럼에 걸쳐서 파장을 기록하는 것을 허용한다. 600-900㎚ 흡수를 갖는 트리알킬보레이트 음이온을 갖는 양이온의 시아닌 염료 뿐만 아니라 스피로피란으로부터 유도된 메로시아닌 염료와 같은 적당한 적외선 근접 염료에 대해서도 또한 본 발명에서 유용성을 발견할 수 있다.

본 발명의 실시에서 사용된 공개시제는 프리폴리머 재료의 자유 라디칼 중합 반응에서 경화 속도를 제어한다. 생성된 PDLC 재료에서 최적 상분리 및 최적 회절 효율은 경화 속도의 함수이다. 2-3중량%의 범위의 공개시제를 사용하여 유리한 결과가 얻어진다는 것을 발견하였다. 적당한 공개시제는 N-페닐글리신; 트리에틸 아민; 트리에탄올아민; N,N-디메틸-2,6-디이소프로필 아닐린 등을 포함한다.

본 발명에 사용하기 적합한, 특히 가시광에 대한 다른 적당한 염료와 염료 공개시제 조합은 에오신 및 트리에탄올아민 또는 N-페닐글리신; 에리트로신 B 및 트리에탄올아민; 인돌리노카보시아닌 및 트리페닐 보레이트; 이오도벤조스피로피란 및 트리에틸아민 등을 포함한다.

본 발명의 실시에 사용된 사슬증진제(또는 교차결합기)는 프리폴리머 재료에서 성분의 용해도를 증가시키는 것 뿐만 아니라 중합의 속도를 증가시키는 것에도 도움을 준다. 사슬증진제는 펜타크릴레이트와 비교할 때 보다 작은 비닐 모노머인 것이 바람직하고, 이에 따라 입체 장애 때문에 이웃하는 펜타크릴레이트 모노머에 접근하기 어려운 사슬증진제는 펜타크릴레이트 모노머에서 아크릴레이트 위치와 반응할 수 있다. 따라서, 사슬증진제 모노머와 폴리머의 반응은 성장하는 폴리머의 전파속도를 증가시키고, 높은 분자량을 초래한다. 10-18중량% 범위의 일반적인 응용에서 사슬증진제는 회절 효율과 관련하여 성능을 최대화한다는 것이 발견되었다. 한 실시예에서, 적당한 사슬증진제는 N-비닐피롤리디논; N-비닐 피리딘; 아크릴로니트릴; N-비닐 카바졸 등으로부터 선택될 수 있다고 예측된다.

프리폴리머 재료에서 옥탄산과 같은 계면활성제 재료의 첨가는 스위칭 전압을 낮추고, 또한 회절 효율을 증가시킨다는 것이 발견되었다. 특히, 계면활성제를 포함하는 PDLC 재료에 대한 스위칭 전압은 계면활성제 없이 만들어진 PDLC 재료보다 상당히 낮다. 특별한 이론에 의해 제한되는 것은 바라지 않지만, 이런 결과들이 폴리머와 상분리된 LC 소적 사이의 고정력을 약화시키는데 공헌한다고 믿어진다. SEM 연구는 계면활성제를 포함하는 PDLC 재료에서 소적 크기가 30-50㎚의 범위로 감소되고, 분포가 보다 균질하다는 것을 보여주었다. 상기 재료에서 무작위 산란은 보다 작은 소적의 우세성 때문에 감소되고, 이에 따라 회절 효율은 증가한다. 소적의 형태가 계면활성제의 존재로 보다 구형화되고, 스위칭 전압의 감소에 기여한다고 믿어진다.

보다 일반적인 응용에 있어서, 계면 활성제의 5중량% 만큼 낮은 샘플은 스위칭 전압의 상당한 감소를 나타낸다고 발견되었다. 또한 낮은 스위칭 전압에 대하여 최적화될 때, 계면활성제의 농도는 약 10중량% 까지 변화할 수 있고(주로 LC 농도에 의존), 그 후 (가능한 경우에 LC의 전체 상분리의 감소에 기인한) 스위칭 전압의 증가 뿐만 아니라 회절 효율의 큰 증가가 존재한다는 것이 발견되었다. 적당한 계면활성제는 옥탄산; 헵탄산; 헥산산; 도데칸산; 데칸산 등을 포함한다.

계면활성제로서 옥탄산을 사용한 샘플에서, 아마도 옥타노산내 자유 카르복실(COOH)기의 존재 때문에 샘플의 전도도가 높게 관찰된다. 결과적으로, 높은 주파수(∼2KHz)의 전계가 연장된 시간 동안 가해지는 경우에 샘플의 온도가 상승한다. 이와 같이, 높은 회절효율 및 낮은 스위칭 전압을 희생하지 않고 계면활성제의 첨가에 의해서 높은 전도도를 감소시키는 것이 바람직하다. 적합한 전기적으로 스위칭 가능한 회절격자는 중합성 모노머, 미국 위스콘신주 밀워키의 Aldrich Chemicals Co.로부터 상용 가능한 비닐 네오노나노에이트("VN") C₈H₁₇CO₂CH=CH₂로부터 제조될 수 있다고 알려져 있다. 또한 사슬 증진제인 N-비닐피롤리디논("NVP") 및 계면활성제인 옥타노산이 VN의 6.5중량%와 대체되어 유익한 결과가 얻어졌다.VN은 또한 반응성 아크릴레이트 모노머기의 존재에 의해서 사슬 증진제로 작용한다. 이들 변형에서, 약 70%의 회절 효율을 갖는 높은 광학 품질의 샘플이 얻어지고, 생성된 회절격자가 사용되는 6V/㎛의 전계에 의해서 전기적으로 스위칭될 수 있다.

본 발명에서 사용되는 PDLC 재료는 모노머("LC 모노머")로서 액정 이작용기 아크릴레이트를 사용하여 제조될 수 있다. LC 모노머는 저분자량의 네마틱 LC 재료와의 높은 호환성에 의해 종래의 아크릴레이트 모노머보다 이점을 갖고, 이에 따라 보다 높은 농도의 저분자량 LC의 형성을 용이하게 하고, 높은 광학 품질을 갖는 시료를 제조할 수 있다. PDLC 재료내에 보다 높은 농도의저분자량 LC가 존재하면, 스위칭 전압이 크게 낮아진다(예를들면 ∼2V/㎛). LC 모노머를 사용하는 또 다른 이점은 네마틱 디렉터의 바람직한 배향 및 구성이 LC 소적에서 얻어질 수 있도록 호스트 LC 모노머 및 저분자량 LC를 미리 배열하기 위해서 홀로그램을 기록하면서 낮은 AC 또는 DC 전계를 인가할 수 있다는 것이다. 몇개의 적당한 LC 모노머의 화학식이 하기에 기술되어 있다:

·CH₂=CH-COO-(CH₂)₆O-C₆H₅-C₆H₅-COO-CH=CH₂

·CH₂=CH-(CH₂)₈-COO-C₆H₅-COO-(CH₂)₈-CH=CH₂

·H(CF₂)₁₀CH₂O-CH₂-C(=CH₂)-COO-(CH₂CH₂O)₃CH₂CH₂O-COO-CH₂C(=CH₂)-CH₂O(CF₂)₁₀H

반불소화(semifluorinated) 폴리머가 보다 약한 고착성과 또한 상당히 감소된 스위칭 전계를 나타낸다고 알려져 있다. 따라서, 이작용기인 반불소화 아크릴레이트모노머 및 액정이 본 발명에서 적당한 응용을 발견할 수 있다고 생각된다.

도 1을 참조하면, 상세한 설명의 가르침에 따라 제조된 폴리머가 분산된 노출형의 액정 재료로 이루어진 전기적으로 스위칭 가능한 홀로그램(10)의 단면도가 도시되어 있다. 폴리머가 분산된 액정 재료의 층(12)이 한쌍의 인듐주석산화물로 피복된 유리 슬라이드(14)와 스페이서(16) 사이에 개재된다. 홀로그램(10)의 내부는 층(12)이 간섭성 레이저광의 2개의 교차 빔으로부터 간섭 패턴에 노출될 때 형성된 브래그(Bragg) 투과 회절격자(18)를 보여준다. 노출시간 및 세기는 바람직한 액정 도메인 크기 및 회절효율에 따라 변경될 수 있다. 액정 도메인 크기는 광개시제, 공개시제 및 사슬증진제(또는 가교제)의 농도를 변경함으로써 제어될 수 있다. 네마틱 디렉터의 배향은 상기 회절격자가 ITO 전극을 가로지르는 외부 전계를 인가함으로써 기록되는 동안에 제어될 수 있다.

참고문헌 Applied Physics Letters article 및 여기에 참조상 포함되어 있는 도 2에 도시된 주사전자현미경 사진은 95㎽/㎠의 세기에서 아르곤 이온 레이저의 488㎚ 라인을 사용하는 36wt% 하중의 액정을 갖는 샘플에 기록되었던 회절격자의 표면에서 실시된다. 액정 도메인의 크기는 약 0.2㎛이고, 회절격자 간격은 약 0.54㎛이다. 대략 20㎛ 두께의 샘플은 브래그법에서 광을 회절한다.

도 2는 상세한 설명의 가르침에 따라 제조된 홀로그램의 정규화된 최종 회절효율 및 정규화된 최종 투과율과 홀로그램을 가로질러 인가된 평균제곱 전압("Vrms")의 관계에 대한 그래프이다. Δη는 1차 브래그 회절효율의 변화율이다. ΔT는 0차 투과율의 변화율이다. 도 2는 전압이 증가될 때 에너지가 1차 빔에서 0차 빔으로 전달되는 것을 보여준다. 대략 225Vrms에서 최소 회절효율이 존재한다. 피크 회절효율은 샘플 두께의 적당한 조정에 의해 프로브 빔의 파장 및 편광에 따라 100%에 도달할 수 있다. 최소 회절효율은 경화된 폴리머의 굴절지수가 액정의 최초 굴절지수에 동일하도록 강제하기 위해 PDLC 재료의 변수를 약간 조정함으로써 0%에 도달하도록 이루어질 수 있다.

사용되는 전압의 주파수를 증가시킴으로써, 최소 회절효율에 대한 스위칭 전압이 상당히 감소될 수 있다. 이것은 회절효율을 최소화하기 위해서 상세한 설명의 가르침에 따라 제조된 홀로그램을 스위칭하는데 필요한 임계 rms 전압(20) 및 완전 스위칭 rms 전압(22)과 rms 전압의 주파수 사이의 관계를 나타내는 그래프인 도 3에 도시되어 있다. 임계 및 완전 스위칭 rms 전압은 10kHz에서 각각 20Vrms 및 60Vrms로 감소된다. 보다 높은 주파수에서는 보다 낮은 값이 기대된다.

보다 작은 액정 소적의 크기는 그들의 배향을 스위칭하기 위해 높은 스위칭 전압을 취한다는 문제를 가지고 있다. 상기에서 기술된 바와 같이, 높은 주파수에서 교류 전류 스위칭 전압을 사용하는 것은 필요한 스위칭 전압을 감소시키는데 도움을 준다. 도 4에서 도시된 바와 같이, 전체 혼합물의 약 4-6중량%의 양으로 프리폴리머 재료에 계면활성제(예를들면, 옥타노산)를 첨가함으로써 1-2kHz의 보다 낮은 주파수에서 거의 50Vrms의 스위칭 전압을 갖는 홀로그램 샘플을 생성할 수 있다. 도 5에서 도시된 바와 같이, 또한 소적 크기의 관련된 감소를 갖는 계면활성제의 사용은 PDLC 재료의 스위칭 시간을 감소시킨다는 것이 발견되었다. 따라서, 계면활성제로 제조된 샘플은 25-44 마이크로초로 스위칭될 수 있다. 특정 이론에한정하고자 하지 않으면, 계면활성제가 액정과 경화된 폴리머 사이의 연결에서 액정이 고착력을 감소시킴으로써 스위칭 전압을 감소시키는 것으로 생각된다.

회절효율의 열적 제어가 도 5에서 도시되어 있다. 도 5는 상세한 설명의 가르침에 제조된 홀로그램의 정규화된 최종 회절효율 및 정규화된 최종 투과율과 온도의 관계에 대한 그래프이다.

여기에 기술된 폴리머가 분산된 액정 재료는 폴리머가 분산된 액정 시스템에 대한 특정 조성물의 체적 홀로그램을 기록하는 것에 대한 유용성을 성공적으로 나타낸다.

도 7에 도시된 바와 같이, PDLC 반사 회절격자는 인듐주석산화물로 피복된 유리 슬라이드(114a)상에 프리폴리머 재료(112)의 혼합물의 몇개의 소적을 배치함으로써 제조된다. 제 2 인듐주석산화물로 피복된 슬라이드(114b)가 첫번째 것에 대해 압착되고, 이에 따라 슬라이드(114a)와 슬라이드(114b) 사이의 영역이 프리폴리머 재료(112)로 충전된다. 슬라이드의 분리는 균일한 스페이서(118)를 사용함으로써 대략 20㎛로 유지되는 것이 바람직하다. 프리폴리머 재료의 제조, 혼합 및 이동이 어두운 곳에서 실시되는 것이 바람직하다. 일단 조립되면, 거울(116)은 유리 플레이트(114b) 바로 뒤에 배치될 수 있다. 샘플에서 거울 까지의 거리는 레이저의 간섭 길이보다 실질적으로 짧아야 하는 것이 바람직하다. PDLC 재료는 30-120초의 통상적인 노출시간에 대략 0.1-100mWatts/㎠의 세기로 유리 플레이트의 전체면을 충전할 수 있도록 확장되는 아르곤 이온 레이저의 488nm 라인에 노출되는 것이 바람직하다. 확장된 빔내에서 구조적 및 분해적 간섭은 필름의 두께를 통해서 주기적인 세기 프로파일을 설정한다.

한 실시예에서, 반사 회절격자를 제조하는데 사용되는 프리폴리머 재료는 모노머, 액정, 교차결합 모노머, 공개시제 및 광개시제 염료를 포함한다. 반사 회절격자는 모노머 디펜타에리트리톨 히드록시펜타크릴레이트(DPHA)의 전체 중량에 대해 ("E7"로 상업적으로 잘 알려져 있는) 시아노 비페닐의 혼합물을 포함하는 액정의 37중량%, N-비닐피롤리디논("NVP")을 포함하는 교차결합 모노머의 10중량%, 공개시제인 N-페닐글리신("NPG")의 2.5중량% 및 로즈 벤갈 에스테르를 포함하는 광개시제 염료의 10^-5내지 10^-6g mole을 포함하는 프리폴리머 재료로부터 제조될 수 있다. 또한, 투과 회절격자와 마찬가지로, 계면활성제의 첨가는 투과 회절격자와 관련하여 상기한 유익한 성질을 이용할 수 있을 것으로 기대된다. 또한 프리폴리머 개시재료의 유사한 범위 및 변형이 적당한 반사 회절격자의 형성에서 잘 사용할 수 있을 것으로 기대된다.

생성된 재료는 표면에 수직으로 회절격자 벡터를 갖는 165nm의 주기율을 갖는 미세 회절격자를 포함하는 저전압 고해상도 주사전자현미경("LVHRSEM")에 의해 측정될 수 있다. 이와 같이, 도 8a에서 도시된 바와 같이, 회절격자(130)은 전면(134)에 대해서 평행인 폴리머 채널(130a) 및 PDLC 채널(130b)의 주기적인 평면을 포함한다. 상기 주기적인 평면과 조합된 회절격자 간격은 공기/필름에서 필름/기판 인터페이스 까지의 샘플의 전체 두께에 걸쳐서 비교적 일정하게 유지된다.

비록 간섭이 투과 및 반사 회절격자를 제조하기 위해서 사용되지만, 반사 회절격자의 형태는 크게 다르다. 특히, 유사한 액정 농도를 갖는 투과 회절격자와는 달리, 개별적인 소적의 매우 작은 유착이 명백하다는 것이 측정되었다. 또한, 재료내에 존재하였던 소적은 50 내지 100nm 사이의 직경을 갖는 매우 작은 것이다. 또한, 액정의 투과 회절격자는 통상적으로 회절격자의 40% 미만을 포함하는 것과는 달리, 반사 회절격자의 액정이 풍부한 성분이 상당히 크다. 보다 좁은 회절격자 간격(∼0.2마이크론)과 같은 반사 회절격자와 연관된 보다 작은 주기성 때문에 높은 세기에서의 경화의 완결과 낮은 세기 영역 사이의 시간 차이가 훨씬 작다고 생각된다. 또한, 작은 소적 직경에 의해서 입증된 바와 같이 빠른 중합화는 겔화 동안 매트릭스내 액정의 많은 비율을 포함하고, 작은 소적을 보다 큰 영역으로 확산 또는 보다 큰 소적로의 성장은 제외한다.

흡수 스펙트럼내 반사 노치의 분석은 주기적 굴절지수 모듈이 필름의 두께에 걸쳐서 배치된다는 결론을 지지한다. 아르곤 이온 레이저의 488nm 라인으로 형성된 PDLC 재료에서, 반사 노치는 통상적으로 정상적인 입사에 대하여 대략 472nm의 반사 파장 및 비교적 좁은 대역폭을 갖는다. 기록 파장과 반사 파장(대략 5%) 사이의 작은 차이는 필름의 수축이 크게 문제가 되지 않는 것을 나타낸다. 게다가, 회절격자의 성능은 여러달에 걸쳐서 안정된 것임을 알 수 있다.

상기한 한 실시예에서 사용된 재료에 부가하여, 트리에틸렌글리콜 디아크릴레이트, 트리메틸롤프로판트리아크릴레이트, 펜타에리트리톨 트리아크릴레이트, 펜타에리트리톨 테트라크릴레이트, 펜타에리트리톨 펜타아크릴레이트 등과 같은 모노머를 사용하여 PDLC 재료가 제조될 수 있다. 유사하게, N-페닐글리신 대신에 트리에틸아민, 트리에탄올아민, N,N-디메틸-2,6-디이소프로필아닐린 등과 같은 다른 공개시제가 사용될 수 있다. 아르곤 이온 레이저의 458nm, 476nm, 488nm 또는 514nm 라인을 사용하는 것이 바람직한 경우에는 광개시제 염료 로즈 벤갈 나트륨염, 에오신, 에오신 나트륨염, 플루오레세인 나트륨염 등이 유익한 결과를 제공할 것이다. 633nm 라인이 사용되는 경우에는 메틸렌 블루가 사용될 것이다. 마지막으로, 4'-펜틸-4-시아노비페닐 또는 4'-헵틸-4-시아노비페닐과 같은 다른 액정이 사용될 수 있다.

도 8a을 참조하면, 회절격자(130)의 전면(134)에 대해 평행하게 배치된 폴리머 채널(130a) 및 PDLC 채널(130b)의 주기적인 평면을 갖는 상세한 설명에 따라 제조된 반사 회절격자(130)에 대한 입면도가 도시되어 있다. 액정 도메인의 대칭축(136)은 회절 격자(130)의 주기적 채널(130a, 130b)에 수직이고, 회절 격자(130)의 전면(134)에 수직인 방향으로 형성된다. 따라서, 도 8에서 도시된 바와 같이, 전계(E)가 인가될 때, 대칭축(136)은 이미 전계(E)와 정렬하여 저에너지 상태이고, 재배향될 것이다. 따라서, 상기한 절차에 따라 형성된 반사 회절격자는 정상적으로 스위칭되지 않을 것이다.

일반적으로, 반사 회절격자는 좁은 파장 대역을 반사하는 경향이 있으며, 이 때문에 상기 회절격자는 반사 필터로서 사용될 수 있다. 그러나, 한 실시예에서, 반사 회절격자는 스위칭 가능하도록 형성된다. 특히, 스위치 가능한 반사 회절격자는 네가티브 유전 이방성 LC(또는 낮은 교차 주파수를 갖는 LC), 인가된 자계, 인가된 전당응력 또는 경사 회절격자를 사용하는 것으로 이루어질 수 있다.

네가티브 유전 이방성(Δε)을 갖는 액정은 인가된 전계에 수직방향으로 회전한다고 알려져 있다. 도 9a에 도시된 바와 같이, 네가티브 Δε를 갖는 액정으로 형성된 액정 도메인의 대칭축(136)은 또한 회절격자(130)의 주기적인 채널(130a, 130b) 및 회절격자의 전면(135)에 수직방향으로 배치될 것이다. 그러나, 도 9b에 도시된 바와 같이, 전계 E가 상기 회절격자를 가로질러 인가될 때, 네가티브 Δε 액정의 대칭축은 비틀리고, 회절격자의 주기적인 평면 및 필름에 수직방향인 전계(E)에 수직방향으로 재배치된다. 결과적으로, 반사 회절격자가 반사 상태와 투과 상태 사이에서 스위칭될 수 있다. 다음의 네가티브 Δε 액정 등은 본 발명의 방법 및 장치에서 사용될 것으로 기대된다.

액정이 본질적으로(또는 합성) 포지티브 또는 네가티브 Δε를 갖는 것을 알 수 있다. 따라서, 저주파수에서 포지티브 Δε를 갖지만 고주파수에서 네거티브가 되는 LC를 사용하는 것이 가능하다. Δε의 부호가 변화하는 (인가된 전압의) 주파수는 교차 주파수로 불린다. 교차 주파수는 LC 조성물로 변화할 수 있고, 통상적인 값은 1-10kHz의 범위이다. 따라서, 적당한 주파수로 동작함으로써 반사 회절격자는 스위칭될 수 있다. 낮은 교차 주파수 재료가 포지티브 및 네가티브 유전체 이방성 액정의 조합으로부터 제조될 수 있을 것으로 기대된다. 그런 조합을 사용하기 위한 적당한 포지티브 유전체 액정은 하기에서 볼 수 있는 바와 같이 4개의 고리를 포함한다.

상기 조합을 사용하기 위한 적당한 네가티브 강유전체 액정이 하기에 개시되어 있는 피리다진으로 이루어진다:

양자의 액정재료들은 스위스의 LaRoche & Co.로부터 이용할 수 있다. 상기 조합에서 포지티브 및 네가티브 액정의 비율을 변화시킴으로써 교차 주파수 형태 1.4-2.3kHz가 실온에서 얻어진다. 이 실시예에서 사용하기에 적당한 다른 조합은 하기의 조합이다: p-펜틸페닐-2-클로로-4-(p-펜틸벤조일옥시) 벤조에이트 및 벤조에이트. 이들 재료는 Kodak Company로부터 이용할 수 있다.

보다 상세한 관점에서, 스위칭 가능한 반사 회절격자는 포지티브 Δε 액정을 사용하여 형성될 수 있다. 도 10a에 도시된 바와 같이, 상기 회절격자는 경화공정 동안 자계에 PDLC 개시 재료를 노출시킴으로써 형성될 수 있다. 자계는 헬름홀츠 코일(도 10a에 도시되어 있음), 영구 자석의 사용 또는 다른 적절한 수단을 사용함으로써 제조될 수 있다. 자계(M)는 회절격자(400)를 형성하기 위해 사용되는 유리 플레이트(도시하지 않음)의 전면에 평행하게 배치되는 것이 바람직하다. 결과적으로, 액정의 대칭축(146)은 액정이 유동성을 갖는 동안 자계를 따라 배향된다. 중합이 완료한 때, 자계가 제거될 수 있고, 액정의 대칭축의 배열은 변경되지 않고 유지된다(도 10b 참조). 도 10c에 도시된 바와 같이 전계가 인가될 때, 포지티브 Δε 액정은 전계의 방향으로 재배향되고, 이것은 회절격자의 전면 및 회절격자의 주기적인 채널에 수직이다.

도 11a는 경사 투과 회절격자(148)를 도시하며, 도 11b는 경사 반사 회절격자(150)를 도시한다. 회절격자 벡터(G)의 방향이 회절격자 표면에 평행하지 않으면 홀로그래피 투과 회절격자는 경사진 것으로 간주된다. 홀로그래피 반사 회절격자에서, 회절격자 벡터(G)가 회절격자 표면에 수직이 아니면 회절격자는 경사진 것으로 간주된다. 경사 회절격자는 비쥬얼 디스플레이, 미러, 라인 필터, 광학 스위치 등과 같은 비경사 회절격자와 동일하게 많이 사용된다.

본질적으로, 경사 홀로그래피 회절격자는 회절된 빔의 방향을 제어하는데 사용된다. 예를 들면, 반사 홀로그램에서 경사 회절격자는 회절된 빔으로부터 필름의 거울반사를 분리하는데 사용된다. PDLC 홀로그래피 회절격자에 있어서, 경사 회절격자는 더욱 많은 이점을 가진다. 경사는 접선 또는 수직(homeotropic) 배향 처리된 액정을 사용할 때 회절격자의 변조 깊이가 전계에 의해 제어되는 것을 허용한다. 이것은 경사가 회절격자 벡터에 접선 및 수직인 방향으로 전계의 성분을 제공하기 때문이다. 특히, 반사 회절격자에 대하여, LC 도메인 대칭축은 회절격자 벡터(G)를 따라 배향될 것이고, 세로방향으로 인가된 전계(E)에 의해 필름 평면에 수직 방향으로 스위칭될 수 있다. 이것은 경사 반사 회절격자의 회절효율의 스위칭에 대한 대표적인 기하학적 형태이다.

경사 반사 회절격자를 기록할 때, 2개의 직각 유리 프리즘의 빗변사이에 샘플을 위치시키는 것이 바람직하다. 다음에 의사 회절격자의 기록을 초래하는 후반사를 제거하기 위해 중성 밀도 필터가 인덱스 매칭 유동체를 사용하여 프리즘의 후면과 광학접촉하여 배치될 수 있다. 입사하는 레이저 빔은 종래의 빔 스플리터에 의해 프리즘의 전면으로 유도되는 2개의 빔으로 분할된 다음에, 소정 각도로 샘플에 중첩된다. 따라서, 빔은 반대 측면으로부터 샘플로 도입된다. 이 프리즘 결합 기술은 광이 보다 큰 각도로 샘플로 도입되는 것을 하용한다. 생성된 회절격자의 경사는 프리즘 조립체가 회전되는 각도(즉, 한 입사 빔의 방향과 빔이 프리즘에 도입되는 프리즘 전면의 법선 사이의 각도)에 의해 결정된다.

도 12에 도시된 바와 같이, 스위칭 가능한 반사 회절격자는 인가된 전단응력이 존재하는 경우에 형성될 수 있다. 이 방법에 있어서, 전단응력은 자계(M)의 방향을 따라 인가된다. 이것은 예를 들면 폴리머가 계속 소프트한 상태인 동안에 프리폴리머 혼합물을 개재하는 2개의 ITO 코팅 유리면에 동일한 장력 및 정반대의 장력을 인가함으로써 달성될 수 있었다. 이 전단응력은 응력의 방향으로 LC 도메인을 변형하고, 생성된 LC 도메인 대칭축은 PDLC 평면에 평행하고, 스위칭을 위해 인가된 전계의 방향에 수직인 응력의 방향을 선택적으로 따를 것이다.

상세한 설명에 따라 제조된 반사 회절격자는 컬러 반사형 디스플레이, 레이저 보호용 스위칭 가능한 파장 필터, 반사형 광학소자 등에 적용될 수 있다.

한 실시예에서, PDLC 재료는 형태 복굴절로 알려진 특성을 나타내도록 제조될 수 있으며, 이에 의해 회절격자를 통과한 편광은 변형된 편광을 가질 것이다. 상기 회절격자는 부파장 회절격자로 알려져 있고, PDLC 평면에 수직인 광축을 갖는, 캘사이트, 포타슘, 디하이드로겐 포스페이스 또는 리튬 니오베이트와 같은 네가티브 단축성 결정처럼 동작한다. 도 13을 참조하면, 회절격자(200)의 전면(204)에 수직으로 배치된 폴리머 평면(200a)과 PDLC 평면(200b)의 주기적인 평면을 갖는 상세한 설명에 따라 제조된 투과 회절격자(200)의 입면도가 도시되어 있다. 광축(206)은 폴리머 평면(200a)과 PDLC 평면(200b)에 수직으로 배치되어 있다. 각각의 폴리머 평면(200a)은 두께(t_p)와 굴절지수(n_p)를 가지며, 각각의 PDLC면(200b)은 두께(t_PDLC)와 굴절지수(n_PDLC)를 가진다.

PDLC 평면과 폴리머 평면의 조합 두께는 실질적으로 광파장보다 작으며(즉, (t_PDLC+t_p)≪λ), 회절격자는 형태 복굴절을 나타낼 것이다. 후술되는 바와 같이, 편광에서 이동 크기는 회절격자의 길이에 비례한다. 따라서, 정해진 광 파장에 대하여 부파장 회절격자의 길이(L)를 신중하게 선택함으로써 편광 평면을 회전하거나 또는 원형 편광된 광을 형성할 수 있다. 결과적으로, 상기 부파장 회절격자는 각각 반파장 또는 1/4파장 플레이트로서 작용하도록 설계될 수 있다. 따라서, 이 공정의 이점은 재료의 복굴절이 간단한 설계 변수에 의해 제어될 수 있으며, 특정 파장에서 재료의 정해진 복굴절에 의존하기 보다는 특정 파장에 대하여 최적화될 수 있다.

반파장 플레이트를 형성하기 위해, 부파장 회절격자의 지연도는 1/2파장와 동일, 즉 지연도=λ/2이어야 하며, 1/4파장 플레이트를 형성하기 위해, 지연도는 1/4파장과 동일, 즉 지연도=λ/4이어야 한다. 지연도는 이하의 식으로 나타내는 바와 같이 최초 굴절지수(n_o)와 부파장 회절격자의 특정 굴절지수(n_e)의 차인 최종 복굴절,과 관련이 있다고 알려져 있다.

따라서, 반파장 플레이트, 즉 1/2 파장과 동일한 동등한 지연도에 대하여, 부파장 회절격자의 길이는 아래와 같이 선택된다.

유사하게, 1/4파장 플레이트, 즉 1/4 파장과 동일한 지연도에 대하여, 부파장 회절격자의 길이는 아래와 같이 선택된다.

도 14a에 도시된 바와 같이, 예를 들어 입사하는 광의 편광이 반파장 플레이트(212)의 광축(210)에 대해 45°각도일 경우, 평면 편광은 보존되지만, 플레이트를 빠져나가는 파장의 편광은 90°로 이동될 것이다. 따라서, 이제 반파장 플레이트(212)가 교차 편광기(214, 216) 사이에 배치되는 도 14b 및 도 14c를 참조하면, 입사하는 광이 통과될 것이다. 도 14d에 도시된 바와 같이, 적절한 스위칭 전압이인가되면, 광의 편광은 회전되지 않으며, 광은 제 1 편광기에 의해 차단될 것이다.

1/4파장 플레이트에 대하여, 편광된 광은 원형으로 편광된 광으로 변환된다. 따라서, 이제 1/4파장 플레이트(217)가 편광 빔 스플리터(218)와 미러(219) 사이에 배치되는 도 15a를 참조하면, 반사된 광은 빔 스플리터(218)에 의해 반사될 것이다. 도 15b에 도시된 바와 같이, 적절한 스위칭 전압이 인가되면, 반사된 광은 빔 스플리터를 통과하고, 입사하는 빔에 대해 역반사될 것이다.

이제 도 16a를 참조하면, 상기한 방법에 따라 기록되고, 회절격자(230)의 전면(234)에 수직으로 배치된 폴리머 채널(230a)과 PDLC 채널(230b)의 주기적인 평면을 갖는 부파장 회절격자(230)의 입면도가 도시되어 있다. 도 16a에 도시된 바와 같이, 액정 도메인의 대칭축(232)은 회절격자의 전면(234)에 평행하고, 회절격자(230)의 주기적인 채널(230a, 230b)에 수직인 방향으로 배치되어 있다. 따라서, 도 15b에 도시된 바와 같이, 전계(E)가 회절격자를 가로질러 인가되면, 대칭축(232)은 회절격자의 전면(234)에 수직이고 회절격자(230)의 주기적인 채널(230a, 230b)에 평행인 전계(E)를 따른 방향으로 변형되어 재배향된다. 그 결과로, 부파장 회절격자(230)는 입사하는 방사의 편광을 변화시키는 상태와 그렇지 않은 상태 사이에서 스위칭될 수 있다. 특정 이론에 한정되지 않으면, 액정 도메인 대칭축(232)의 방향은 회절격자의 기록 동안 모노머와 액정의 이방성 확산의 결과로서 발생하는 표면 장력 경사도에 의한 것으로 생각되며, 이 경사도는 액정 도메인 대칭축을 주기적인 평면에 수직 방향으로 배향되도록 한다.

Bone and Wolf, Priniciples of Optics, 5^thEd, New York(1975)에 기술된 바와 같이, 부파장 회절격자의 복굴절은 다음 식으로 주어진다.

여기에서,

n_o= 부파장 회절격자의 최초 굴절지수

n_e= 임시 굴절지수

n_PDLC= PDLC 평면의 굴절지수

n_p= 폴리머 평면의 굴절지수

n_LC= 입사하는 광 파장에 의해 보여진 액정의 유효 굴절지수

f_PDLC= t_PDLC/(t_PDLC+ t_p)

fp = t_p/(t_PDLC+ t_p)

따라서, t_PDLC= n_p이면 부파장 회절격자의 최종 복굴절은 0일 것이다.

전계가 0일때 최대이고 전계의 임의 값(E_MAX)에서 폴리머의 굴절지수(n_p)와 동일한 값을 갖는 액정의 유효 굴절지수(n_LC)는 인가된 전계의 함수이다. 따라서, 전계의 인가에 의해, 액정의 굴절지수(n_LC)와 PDLC 평면의 굴절지수는 변경될 수 있다. 상기한 관계를 사용하면, 부파장 회절격자의 최종 복굴절은 n_PDLC가 n_p와 동일할 때, 즉 n_LC= n_p일 때 최소가 될 것이다. 따라서, 전계의 인가에 의해 PDLC 평면의 굴절지수가 폴리머 평면의 굴절지수와 동일하면, 즉 n_PDLC= n_p이면, 부파장 회절격자의 복굴절은 차단될 것이다.

최종 복굴절에 대한 다음 식, 즉은 Born and Wolf(앞에서 제시된)에서 정해진 식으로부터 얻어진다.

여기에서, n_AVG= (n_e+ n_o)/2이다.

게다가, PDLC 평면(n_PDLC)의 굴절지수는 하기의 관계에 의해 입사 광파, n_LC, 및 주변 폴리머 평면의 굴절지수로 표시되는 액정의 유효 굴절지수에 관계된다는 것이 알려져 있고, 그 관계는 다음과 같다.

여기서, f_LC는 PDLC 평면내의 폴리머에 분산된 액정의 체적 부분이고, f_LC= [V_LC/(V_LC+V_P)]이다.

실례로서, 전계가 없을 때의 액정에 대한 유효 굴절지수의 대표적인 값은 n_LC= 1.7이고, 폴리머 층에 대해서는 n_P= 1.5이다. 상기 PDLC 평면과 상기 폴리머 평면의 두께가 같고(즉, t_PDLC= t_P, f_PDLC= 0.5 = f_P), f_LC= 0.35인 회절격자에 대하여, 부파장 회절격자의 최종 복굴절(Δn)은 약 0.008이다. 따라서, 입사하는 광이 0.8㎛의 파장을 가질 때, 부파장 회절격자의 길이는 반파장 플레이트에 대하여 50㎛, 1/4 파장 플레이트에 대하여 25㎛일 것이다. 게다가, 약 5V/㎛의 전계의 인가에 의해, 액정의 굴절지수는 폴리머의 굴절지수과 차단된 부파장 회절격자의 복굴절과 동일하게 될 수 있다. 따라서, 반파장 플레이트에 대한 스위칭 전압(V_n)은 대략 250V이고, 1/4 파장에 대한 전압은 대략 125V이다.

상기 전압을 인가함으로써, 플레이트는 수 마이크로초의 단위로 온과 오프(제로 지연) 상태 사이에서 스위칭될 수 있다. 비교예로서, 현재의 포켈스 셀(Pockels cell) 기술은 약 1000 - 2000V의 전압으로 수 나노초(nanosecond)의 시간으로 스위칭될 수 있고, 벌크 네마틱 액정은 대략 5V의 전압으로 수 밀리초의 단위로 스위칭될 수 있다.

대안적인 실시예에서, 도 17에 도시된 바와 같이, 부파장 회절격자의 스위칭 전압은 여러 부파장 회절격자(220a-220e)를 서로 적층하고, 이들을 전기적으로 병렬로 연결함으로써 감소될 수 있다. 실례로서, 각각 10㎛의 길이를 갖는 5개의 회절격자를 적층한 것은 반파장 플레이트에 필요한 두께를 형성한다고 알려져 있다. 각각의 회절격자는 투명 전극으로서 작용하는 인듐주석산화물 코팅을 포함하기 때문에, 샘플의 길이는 50㎛ 보다 어느 정도 크다. 그러나, 상기 플레이트를 적층한 것에 대한 스위칭 전압을 50V에 불과하다.

상세한 설명에 따른 부파장 회절격자는 통신, 색측정, 분광법, 레이저 보호 및 그와 유사한 것에 사용되는 가변 필터 뿐만 아니라 표시 장치와 레이저 광학 장치를 위한 광학 스위치 및 편광 광학 장치의 영역에 적절히 적용될 것으로 기대된다. 유사하게, 전기적으로 스위칭 가능한 투과형 회절격자는 광빔이 편향되거나 홀로그래피 영상이 스위칭되어야 하는 경우에 많은 응용 분야를 갖는다. 이러한 응용 분야에는 광학 스위치, 광학 연산을 위한 재프로그램 가능한 NxN 광학 상호접속, 레이저 수술용 빔 조향 장치, 레이저 레이더용 빔 조향 장치, 홀로그래피 영상 기억 및 복구 장치, 디지털 줌 광학 장치(스위칭 가능한 홀로그래피 렌즈), 그래픽 예술과 오락 분야 등이 있다.

스위칭 가능한 홀로그램은 상기 홀로그램의 회절효율이 전계의 인가에 의해 변조될 수 있고, 완전한 온 상태(높은 회절효율)에서 완전한 오프 상태(낮거나 0의 회절효율) 까지 스위칭될 수 있는 것이다. 스태틱 홀로그램은 홀로그램의 특성이 인가된 전계와는 독립적으로 고정된어 있는 것이다. 상세한 설명에 따라 높은 콘트라스트 상태의 홀로그램이 또한 형성될 수 있다. 상세한 설명의 변형에서, 홀로그램은 이전에 설명한 바와 같이 기록된다. 다음에, 경화된 폴리머 필름이 짧은 지속 시간동안 실온에서 적절한 용매에 담겨지고, 최종적으로 건조된다. 액정(E7)에 대하여, 메탄올이 만족스러운 응용을 보였다. 다른 가능한 용매는 에탄올과 같은 알콜, 헥산과 헵탄과 같은 탄화수소 및 그와 유사한 것을 포함한다. 재료가 건조될 때, 높은 회절효율을 갖는 높은 콘트라스트 상태의 홀로그램이 결과로 나타난다. 제 2 상 도메인이 빈(공기) 공간(n~1)으로 대체되기 때문에, 높은 회절효율은 필름에서의 큰 비율의 변조(Δn~0.5)의 결과이다.

유사하게, 상세한 설명에 따라 높은 복굴절을 갖는 스태틱 부파장의 파장플레이트가 또한 형성될 수 있다. 공기에 대한 굴절지수가 대부분의 액정에 대한 굴절지수보다 매우 낮다는 사실 때문에, 대응하는 반파장 플레이트의 두께도 그에 따라 감소될 것이다. 상세한 설명에 따라 합성된 파장 플레이트는 편광 광학 장치를 사용하는 많은 응용 분야, 특히 적절한 파장과 적절한 복굴절을 갖는 재료가 고비용 또는 체적이 너무 커서 를 이용할 수 없는 경우에 사용될 수 있다.

폴리머가 분산된 액정과 폴리머가 분산된 액정 재료는 모노머가 아직 중합되지 않았거나 경화되지 않은 용액, 약간의 중합이 발생한 용액 및 완전히 중합이 끝난 용액을 포함한다. 해당 기술 분야에서 통상적인 지식을 가진 사람들은 해당 기술 분야에서 사용되는 표준 용어의 사용, 즉 폴리머가 분산된 액정(문법적으로 완전히 중합된 매트릭스에 분산된 액정을 언급하는)이 보다 문법적으로 정확한 프리폴리머가 분산된 액정 재료 또는 보다 문법적으로 정확한 폴리머가 분산된 액정 재료에 대한 시동재료의 전부 또는 일부를 포함하는 것을 의미한다는 것을 분명히 이해할 것이다.

2. 이미지 처리 및 표시 시스템

도 18은 본 발명에서 사용하는 이미지 처리 및 표시 시스템(310)의 한 실시예를 나타낸다. 더 구체적으로, 도 18은 광학 시스템(312), 센서 어레이(314), 이미지 신호 처리기(316), 시스템 제어회로(320), 외부 데이터 신호 처리기(322) 및 광원(324)을 갖는 이미지 처리 및 표시 시스템(310)을 도시한다. 광학 시스템(312)의 수차를 보정하기 위하여 종래의 여러 광학소자(도시되지 않음)가 필요할 수 있다. 부가적으로, 이미지 릴레이 광학 장치와 표시 조명 광학 장치가 또한 필요할 수 있다. 광학 시스템(312), 이미지 신호 처리기(316) 및 외부 데이터 신호 처리기(322)에 연결된 시스템 제어회로(320)가 도시되어 있다. 비록 도시되지 않지만, 시스템 제어회로(320)는 또한 센서 어레이(314)와 광원(324)에 연결될 수 있다. 시스템 제어회로(320)는 시스템(310)내의 다양한 구성요소를 제어하는 제어신호를 제공한다.

한 실시예에서, 광학 시스템(312)은 하나 이상의 광학소자를 갖는 제 1 그룹(330)과 제 2 그룹(332)을 각각 포함할 수 있다. 한 실시예에서, 하나 이상의 광학소자는 상기한 폴리머가 분산된 액정(PDLC)으로부터 형성된 다이나믹 또는 스위칭 가능한 홀로그램 층을 포함할 수 있다. 예를 들면, 스위칭 가능한 홀로그램은 액정의 미세 소적이 밀집된 영역을 형성하고 선명한 광학 폴리머의 영역에 의해 산재되는 PDLC 재료가 상분리를 겪는 홀로그램 기록 공정에서 형성될 수 있다. 생성된 스위칭 가능한 홀로그램은 아래에 보다 상세히 기술되는 바와 같이 높은 회절효율과 활성 및 비활성 상태 사이에서의 고속 스위칭을 나타낸다.

한 실시예에서, PDLC 이외의 재료로 형성된 스위칭 가능한 홀로그래피 층 또는 층들이 또한 제 1 (330) 또는 제 2 그룹(332)에서 각각 사용되는 것을 생각할 수 있다. 부가적으로 상기 제 1 및 제 2 그룹(330, 332)의 각각 또는 그 중의 하나는 하나 이상의 스위칭 불가능한 홀로그래피 광학소자 또는 스태틱 홀로그래피 광학소자를 구성할 수 있다.

도 18에 도시된 실시예에서, 광학소자의 제 1 및 제 2 그룹(330, 332)은 각각 정렬되어 공통축상에 정렬된다. 그러나, 광학소자의 제 1 및 제 2 그룹(330,332)은 계속 이미지 처리 및 표시 시스템에서 사용되는 동안 서로 떨어져 배치될 수 있다. 뿐만 아니라, 광학소자의 제 1 및 제 2 그룹(330, 332)이 공통축(334) 상에서 정렬되는 동안 서로에 대하여 경사질 수 있다.

도 21은 도 18에 도시된 광학 시스템(312)의 한 실시예의 단면도를 나타낸다. 도 21에 도시된 실시예에서, 제 1 및 제 2 그룹(330, 332)은 각각 단일 광학소자(340, 342)를 포함한다. 또한, 도 21은 서로 인접하여 배치되고 공통축(334)을 따라 정렬된 제 1 및 제 2 그룹의 광학소자(340, 342)를 도시하는 반면, 본 발명은 그것에 제한되지 않는다. 오히려, 제 1 및 제 2 광학소자(340, 342)는 개별적인 축상에 서로 떨어져 배치될 수 있다.

도 21에 도시된 실시예에서, 각각의 광학소자(340, 342)는 한 쌍의 실질적으로 투명하고 전기적으로 비전도성인 층(344), 한 쌍의 실질적으로 투명하고 전기적으로 전도성인 층(346) 및 한 실시예에서 홀로그램을 기록하는 폴리머가 분산된 액정(PDLC)을 포함하는 하나의 스위칭 가능한 홀로그래피 층(350)을 포함한다. 도 21의 각각의 광학소자의 구조는 도 1에 도시된 것과 동일하다. 한 실시예에서, 상기의 실질적으로 투명하고 전기적으로 비전도성인 층(344)은 유리를 포함하는 반면, 실질적으로 투명하고 전기적으로 전도성인 층(346)은 인듐주석산화물(ITO)을 포함한다. 본 실시예에서, 모든 층들(344-350)은 공통축(334)상에서 마치 팬케익처럼 정렬된다. 선택적으로, 도 21에 도시된 시스템의 층들(344-350)은 매우 얇은 단면 두께를 가질 수 있기 때문에, 단면에서 충분히 얇은 집합체를 제공할 수 있다. 특히, 스위칭 가능한 층(350)은 5-12 마이크론의 통상적인 단면 두께를 갖고,반면 유리층(344)은 0.4-0.8 밀리미터의 통상적인 단면 두께를 가질 수 있다. 명백하게, ITO 층(346)은 실질적으로 투명하도록 충분히 얇아야 한다. 코팅의 광학 특성은 두께와 굴절지수에 의존한다. 따라서, ITO 층은 적절한 굴절지수를 가져야 한다.

한 실시예에서, ITO 층(346)은 전압원(도 21에는 도시되지 않음)에 선택적으로 연결된다. 도 21에서, ITO 층(346)은 시스템 제어기(320)를 통해서 선택적으로 전압원에 연결되도록 구성된다(도 18 참조). 한 실시예에서, 제 1 및 제 2 광학소자(340, 342)의 ITO 층(346)은 각각 시스템 제어기(320)에 의해 교대로 전압원에 연결된다. 광학소자(340과 342) 중 하나의 ITO 층이 전압원에 연결될 때, 그에 대응하는 광학소자는 비활성 상태에서 동작한다고 말한다. 특히, 광학소자(340, 342) 중 하나의 ITO 층이 전압원에 연결될 때, 전계가 그 사이에 발생된다. 전계는 본질적으로 홀로그래피 층(350)에 기록된 홀로그램을 지우도록 동작하고, 그에 따라서 상기 층에 입사하는 광이 실질적으로 변경되지 않은 상태로 통과할 수 있다. 광학소자(340, 342) 중 하나의 ITO 층이 전압원으로부터 분리될 때, 광학소자는 활성 상태에서 동작한다고 말한다. 특히, 광학소자(340, 342) 중 하나의 ITO 층이 전압원에서 분리될 때, 그 사이에 전계는 존재하지 않고, 홀로그래피 층(350)에 기록된 홀로그램은 그 위에 입사하는 광을 실질적으로 변경한다.

상기한 바와 같이, 비활성 광학소자에 입사하는 광은 실질적으로 변경되지 않는다. 반대로, 활성 광학소자는 그 위에 입사하는 광을 실질적으로 변경한다. 그 구성에 의존하는 활성 상태에 있는 광학소자는 집속 렌즈, 발산 렌즈, 반사기(거울) 또는 대역 통과 필터와 같은 모든 종래의 광학소자와 매우 동일한 기능을 할 수 있다. 예를 들면, 광학소자(340)는 그 위에 입사하는 광이 그에 어느 정도 인접한 공간에 있는 초점 표면에 집속하도록 활성 상태의 집속 렌즈와 같이 동작하도록 구성될 수 있다. 광학소자(342)는 회절에 의해 입사하는 광을 반사하기 위해 활성 상태에서 동작하도록 구성될 수 있다. 반사형 광학소자는 표면에 수신되는 제 1 입사광을 회절하여 제 1 회절광을 발생하고, 제 1 회절광은 제 1 입사광을 수신하는 표면으로부터 방출된다. 제 1 회절광은 제 1 입사광의 입사각과 다른 각도로 반사 광학소자의 표면으로부터 방출될 수 있다.

부가적으로, 각각의 광학소자(340과 342) 또는 그 중의 하나는 입사광의 좁은 파장 대역에 대해서 동작할 수 있다. 그러나, 비활성 상태에서 광학소자(340, 342) 각각은 실질적인 변화없이 입사광을 통과시킨다. 따라서, 광학소자(340, 342)가 비활성 상태에서 동시에 동작하는 경우, 입사광은 실질적인 변화없이 통과할 것이다.

상기한 스위칭 가능한 층(350)은 활성일 때 종래의 광학소자와 같은 기능이 가능하다. 한 실시예에서, 스위칭 가능한 층(350)은 홀로그래피 기술을 이용하여 홀로그램을 기록하는 PDLC 재료를 포함한다. 스위칭 가능한 층이 활성 상태에 있을 때, 홀로그램은 종래의 광학소자로서 작용한다. 이상적으로, 광학소자는 높은 회절 효율과 빠른 스위칭 속도로 특징지워지는 홀로그램이 기록될 수 있는 PDLC 재료에 기초한다. 상기와 같은 시스템에서, 홀로그램은 회절 또는 활성 상태에서 투과 또는 비활성 상태로 스위칭될 수 있다. 한 실시예에서, 홀로그램은 높은 회절효율을 달성하기 위하여 브래그(Bragg) 형태일 필요가 있다. 한 실시예에서, 홀로그램은 층(350)내에 기록 빔(즉, 기준 빔과 대상 빔)에 의해 형성된 간섭 패턴의 결과이다. PDLC 재료과 레이저 광의 상호 작용은 광 중합의 원인이 된다. 액정 소적은 홀로그램 공정 동안 기록 빔의 교차에 의해 형성되는 밝은 줄무늬 영역에 새겨진다. 전압이 ITO 층(346)에 인가될 때, 층(350)에 있는 액정 소적이 층(350)의 유효 굴절지수를 재설정하고 변경하며, 그에 따라서 본질적으로 그곳에 기록되어 있는 홀로그램을 지울 수 있다. 층(350)에서 사용되는 재료는 높은 스위칭 속도(예를 들면, 상기 재료는 수십 마이크로초 단위로 스위칭될 수 있고, 상기 시간은 종래의 액정 표시 장치 재료과 비교해서 매우 빠른 시간이다)와 높은 회절 효율로 동작하도록 구성된다.

도 20a 내지 도 20d는 도 18에 도시된 광학 시스템(312)의 여러 실시예의 블럭도이다. 한 실시예에서, 도 20a에 도시된 광학 시스템(312)는 도 21에 도시된 광학 시스템(312)과 매우 유사하다. 도 20a에 도시된 실시예에서, 제 1 그룹(330)은 활성 상태에서 동작할 때 적외선 광을 집속하도록 구성된 단일 광학소자를 포함한다. 제 2 그룹(332)은 활성 상태일 때 그 위에 입사하는 단색 광을 반사하도록 구성된 단일 광학소자를 포함한다. 도 20a에서 광학소자는 비활성 상태일 때 모든 광을 실질적으로 변화되지 않은 상태로 통과시킨다. 도 20a에 도시된 광학 시스템(312)은 적외선 이미지 처리 및 표시 시스템에 사용될 수 있다.

도 20b는 제 1 및 제 2 그룹(330, 332)을 갖는 대안적인 광학 시스템(312)을 도시하고, 상기 그룹은 각각 3개의 개별적인 광학소자를 갖는다. 특히, 제 1그룹(330)은 3개의 광학소자(340a-340c)를 포함하고, 제 2 그룹(332)은 3개의 광학소자(342a-342c)를 포함한다. 제 1 그룹에 있는 광학소자(340a-340c) 각각은 도 21에 도시된 광학소자(340)와 동일하다. 특히, 각각의 광학소자(340a-340c)는 활성 상태일 때 그 위에 입사하는 광을 집속하도록 동작한다. 그러나, 각각의 광학소자(340a-340c)는 도 21에 도시된 광학소자(340)와는 한 가지 중요한 측면에서 다프다. 도 21에 도시된 광학소자(340)가 활성 상태에서 적외선 광을 통과시키도록 최적화되는 반면에, 도 20b에 도시된 각각의 광학소자(340a-340c)는 가시광의 좁은 대역을 통과시키도록 최적화된다. 예를 들면, 광학소자(340a)는 활성일 때 적색광의 좁은 대역을 통과시키도록 최적화되고, 광학소자(340b)는 활성일 때 청색광의 좁은 대역을 통과시키도록 최적화되며, 광학소자(340c)는 활성일 때 녹색광의 좁은 대역을 통과시키도록 최적화된다. 제 2 그룹(332)의 광학소자(342a-342c) 각각은 도 21에 도시된 광학소자(342)와 유사하다. 다시 말하면, 광학소자(342a-342c) 각각은 활성일 때 회절에 의해 입사광을 반사하도록 동작한다. 그러나, 도 20b에 도시된 광학소자(342a-342c) 각각은 도 21에 도시된 광학소자(342)와 한 가지 재료적인 측면에서 다르다. 도 21에 도시된 광학소자(342)가 그 위에 입사하는 단색광을 반사하도록 최적화되는 반면에, 도 20b에 도시된 광학소자(342a-342c) 각각은 가시광의 좁은 대역을 반사하도록 최적화된다. 예를 들면, 광학소자(342a)는 활성일 때 그 위에 입사하는 적색광을 반사하도록 최적화되고, 광학소자(342b)는 활성일 때 그 위에 입사하는 청색광을 반사하도록 최적화되며, 광학소자(342c)는 활성일 때 그 위에 입사하는 녹색광을 반사하도록 최적화된다.

도 20b에 도시된 각각의 광학소자(340a-340c, 342a-342c)는 시스템 제어기(320)(도 20b에는 도시되지 않음)에 연결된다. 도 21에 도시된 시스템과 마찬가지로, 도 20b에 도시된 광학소자(340a-340c, 342a-342c)의 하나만이 활성화되는 반면, 나머지 광학소자는 비활성화된다. 예를 들면, 시스템 제어기(320)는 광학소자(340a)를 활성화하여 시스템(312)은 그 위에 입사하는 적색광의 좁은 대역을 통과시키고 집속하도록 동작한다. 대안적으로, 시스템 제어기(320)는 광학소자(342c)를 활성화할 수 있는 반면, 도 20b에 도시된 나머지 광학소자는 비활성화한다. 이 구성에서, 광학 시스템(312)은 그 위에 입사하는 녹색광의 좁은 대역을 반사하도록 동작한다. 광학소자(340a-340c, 342a-342c)의 특성은 그룹(330)의 광학소자가 그룹(330)의 연속하는 광학소자의 활성화 사이에서 활성화되는 그룹(332)의 한 광학소자에 이어세 빨리 활성화될 수 있도록 활성과 비활성 상태 사이에서 빠른 스위칭을 가능하게 한다. 이러한 방법으로 동작하기 때문에, 도 20b에 도시된 광학 시스템(312)은 가시 색상으로 이미지 처리 및 표시가 가능한 시스템(310)(도 18 참조)에서 사용될 수 있다.

도 20c는 각각 4개의 광학소자를 갖는 제 1 및 제 2 그룹(330, 342)의 광학 시스템(312)을 도시하는 블럭도이다. 예를 들면, 제 1 그룹(330)은 4개의 광학소자(340a-340d)를 포함하는 반면에, 제 2 그룹(332)은 4개의 광학소자(342a-342d)를 포함한다. 광학소자(340a-340d) 각각은 도 20b에 도시된 광학소자(340a-340d)와 매우 유사하다. 광학소자(340d)는 도 21에 도시된 광학소자(340)와 상당히 유사하다. 따라서, 도 20c에 도시된 광학소자(340a-340c)는 활성일 때 가시광의 좁은 대역을 집속하도록 최적화되고, 광학소자(340d)는 활성일 때 적외선 광의 좁은 대역을 집속하도록 최적화된다. 도 20c에 도시된 광학소자(342a-342c)는 도 20b에 도시된 광학소자(342a-342c)와 매우 유사하다. 도 20c에 도시된 광학소자(342d)는 도 21에 도시된 광학소자와 매우 유사하다. 따라서, 도 20c에 도시된 광학소자(342a-342c) 각각은 활성일 때 회절에 의해 가시광의 좁은 대역을 반사하도록 최적화된다. 도20c와 같이 도시된 광학소자(342d)는 활성일 때 단색광을 반사하도록 최적화된다. 도 20b에 도시된 광학소자와 마찬가지로, 도 20c에 도시된 광학소자는 각각 시스템 제어기(320)(도 20c에는 도시되지 않음)에 연결된다. 동작에 있어서, 시스템 제어기(320)는 한번에 하나의 광학소자만 활성화하도록 동작하는 반면에, 나머지 광학소자는 비활성화된다. 도 20c에 도시된 광학 시스템(312)은 적외선 이미지 처리 및 표시 시스템이나 가시 대역 색상의 이미지 처리 및 표시 시스템 중의 한 시스템으로서 구성될 수 있는 이미지 처리 및 표시 시스템에서 사용될 수 있다.

도 20d는 동일하지 않은 수의 광학소자를 갖는 제 1 그룹(330) 및 제 2 그룹(332)을 갖는 광학 시스템(312)을 나타낸다. 특히, 제 1 그룹(330)은 6개의 광학소자(340a-340f)를 포함하는 반면에, 제 2 그룹(332)은 4개의 광학소자(342a-342d)를 포함한다. 이 예에서, 도 20d의 광학소자(340a-340d)는 실질적으로 도 20c에 도시된 광학소자(340a-340d)와 유사하다. 부가적으로 도 20d의 광학소자(342a-342d)는 실질적으로 도 20c의 광학소자(342a-342d)와 유사하다. 도 20d는 제 1 그룹(330)에 부가적인 광학소자(340e, 340f)를 부가한다. 이 예에서,광학소자(340e, 340f)는 광학소자(340d)와 실질적으로 유사하게 동작한다. 즉, 광학소자(340e, 340f)는 그 위에 입사하는 적외선 광을 집속하기 위해 활성 상태에서 동작한다. 그러나, 광학소자(340d-340f)는 집속 배율이 상이할 수 있다. 특히, 광학소자(342f)는 광학소자(342d)와 비교할 때 서로 다른 배율로 그 위에 입사하는 적외선 광을 집중할 수 있다. 도 20d에 도시된 각각의 광학소자(340a-340d)는 시스템 제어기(320)(도 20d에는 도시되지 않음)에 결합된다. 도 20a 내지 도 20c에 도시된 시스템과는 다르게, 도 20d에서는 시스템 제어기(320)에 의해 어느 시점에서 하나 이상의 광학소자가 활성화될 수 있다. 특히, 도 20d에 도시된 광학소자(342d, 340f)가 시스템 제어기(320)에 의해 활성화될 수 있는 반면에, 나머지 광학소자는 비활성화된다. 예를 들어 광학소자(342d, 340f)를 동시에 활성화함으로써 광학소자(342d, 340f) 각각의 초점 배율의 곱인 초점 배율로 적외선 광을 집속할 수 있다는 효과가 얻어진다. 본질적으로 도 3d에 도시된 시스템은 다중 배율로 광을 집속할 수 있는 고체상태의 광학 시스템으로서 동작할 수 있다. 명백히, 보다 복잡한 광학 처리가 도 20d에 도시된 광학 시스템(312)을 사용하여 이미지 처리 및 표시 시스템(310)에 의해 실시될 수 있고, 이에 따라 도 20a 내지 도 20c에 도시된 광학 시스템 중 하나를 사용하여 이미지 처리 및 표시 시스템에 의해 실시될 수 있다.

이미지 처리 및 표시 시스템(10)이 스태틱(static) 광학 시스템(312)과 함께 사용될 수 있다. 예를 들어 도 20b에 도시된 시스템(312)은 상기한 전기적으로 스위칭 가능한 광학소자 대신에 스태틱 광학소자(342a-342c 및 340a-340c)를 사용할수 있다. 그러나, 스태틱 체적 홀로그램에 의해 한정된 스태틱 광학소자는 광학 크로스토크로 손해를 입는다. 전기적으로 스위칭 가능한 홀로그램에 의해 한정된 광학소자는 광학 크로스토크로 손해를 입지 않기 때문에 유리하다.

이제 도 19a 및 도 19b로 돌아가 도 18에 도시된 이미지 처리 및 표시 시스템의 처리 단계를 보다 상세히 기술한다. 도 19a는 이미지 처리 모드에서 동작하는 도 18의 이미지 처리 및 표시 시스템(310)를 보여주고, 도 19b는 표시 모드에서 동작하는 도 18의 이미지 처리 및 표시 시스템(310)을 보여준다. 시스템(310)은 시스템 사용자에 대하여 외부 신의 실시간 이미지 처리 및 표시가 가능하도록 이미지 처리 및 표시 모드 사이를 빠르게 교대한다. 도 18에 도시된 이미지 처리 및 표시 시스템(310)은 도 20a 내지 도 20d에 도시된 광학 시스템 중 하나를 사용할 수 있다. 그러나, 다른 광학 시스템이 도 18에서 사용될 수 있다.

이제 도 20a에 도시된 광학 시스템(312)을 사용하는 도 18에 도시된 이미지 처리 및 표시 시스템(310)와 관련하여 도 19a 및 도 19b를 설명한다. 도 19a에서, 외부 신으로부터의 이미지 광(352)이 광학소자(342)에 입사한다. 상기한 바와 같이, 광학소자(342)와 광학소자(340)은 시스템 제어회로(320)에 의해 제어된다. 이미지 처리 모드에서, 광학소자(342)는 비활성화되는 반면에, 광학소자(340)는 온 또는 활성화된다. 따라서, 광대역 이미지 신 광(352)은 실질적으로 변경되지 않은 상태로 광학소자(342)를 통과한다. 그러나, 이 예에서 광학소자(340)는 외부 신의 협대역 적외선 광(354)을 통과시키고 집속하도록 동작한다. 센서 어레이(314)가 광학소자(340)를 통과한 적외선 이미지 광(354)의 초점 표면에 배치된다.

한 실시예에서 센서 어레이(314)는 전하결합소자(CCD) 어레이를 포함할 수 있다. 대안적으로 센서 어레이(314)는 그 위에 입사하는 광을 대응하는 아날로그 신호로 변환하도록 구성된 광커패시터 어레이, 광다이오드 어레이 또는 다른 장치 어레이를 포함할 수 있다. 도 19a에 도시된 예에서 센서 어레이(314)는 적외선 이미지 광(354)을 전기신호 프레임으로 변환하도록 최적화된다. 그러나, 센서 어레이(314)는 그 위에 입사하는 광의 선택 대역을 검치하도록 최적화될 수 있다. 게다가, 이미지 센서 어레이(314)는 서로 다른 시간에 광학 시스템(312)을 통과하는 서로 다른 대역폭의 광이 센서 어레이(314)에 의해 검출될 수 있도록 각각이 특정 대역폭에 대하여 최적화되는 어레이 세트를 포함할 수 있다. 마지막으로, 센서 어레이(314)는 경로 설정, 선처리 또는 아날로그 신호 프레임을 디지털 신호 프레임으로 변환하기 위해 내부에 접속되는 회로를 가질 수도 있고, 그렇지 않을 수도 있다.

이미지 신호 처리기(316)는 센서 어레이(314)에 의해 발생된 이미지 신호 프레임을 수신하도록 구성된다. 신호가 아날로그 형태이면, 아날로그-디지털 변환기를 사용하는 이미지 신호 처리기(316)는 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환한다. 이미지 신호 처리기는 내장된 소프트웨어를 실행하는 디지털 신호 처리기를 포함할 수 있다. 한 실시예에서, 이미지 신호 처리기(316)는 광원(324)과 광학소자(342)를 사용하는 이후의 표시를 위해 센서 어레이(314)로부터 수신된 신호 프레임을 미리 조정한다. 이미지 신호 처리기(316)는 콘트라스트 향상, 특징 추출 또는 컴퓨터가 생성한 데이터를 광원(324)에 의해 생성된 표시 광에 삽입하는 등의 기능을실행할 수 있다. 부가적으로, 이미지 신호 처리기(316)는 센서 어레이(314)로부터 수신된 신호 프레임으로부터 고정된 패턴 또는 무작위 패턴의 노이즈를 필터할 수 있다. 이미지 신호 처리기(316)는 시스템 제어회로(320)에 의해 제공된 제어신호에 따라 전기신호 프레임을 처리하기 시작한다. 완료시에 이미지 신호 처리기(316)는 처리 완료 신호를 시스템 제어회로에 제공한다.

상기한 바와 같이 도 19b는 표시 모드에서 동작하는 도 18의 시스템(310)을 보여준다. 이미지 신호 처리기(316)로부터 처리 완료 신호를 수신할 때, 시스템 제어회로(320)는 광학소자(340)를 비활성화하고, 광학소자(342)를 활성화한다. 시스템 제어회로(320)는 또한 광원(324)에 처리된 전기신호 프레임을 제공하도록 이미지 신호 처리기(316)에 지시한다. 신호 프레임의 수신에 응답하여, 광원(324)은 단색 광의 표시 프레임을 생성한다. 한 실시예에서, 광원(324)은 액정 표시를 포함할 수 있다. 광원(324)은 전기신호 프레임을 대응하는 전기휘도 프레임으로 변환할 수 있는 장치를 포함할 수 있다. 또한, 광방출 표시 소자에 결합된 광감응성 소자를 갖는 표시를 사용함으로써 개별적인 광원(324)과 개별적인 센서 어레이(314)에 대한 요구가 제거될 수 있다.

광원(324)은 그로부터 발산하는 단색 이미지 광(356)이 비활성화된 광학소자(340)에 수용되도록 배치된다. 광학소자(340)가 비활성화되기 때문에, 그 위에 입사하는 단색 광은 실질적으로 변경되지 않은 상태로 활성화된 광학소자(342)를 통과한다. 그러나, 활성화된 광학소자(342)는 단색 이미지 광(356)을 반사하도록 동작하고, 반사된 광은 관측위치(360)에서 사용자를 향하여실질적으로 변경되지 않은 상태로 광학소자(340)를 다시 통과한다. 광학소자는 또한 관찰위치(360)에서 사용자에게 제공된 관측 영역을 조정하기 위해 그로부터 반사된 광을 변경할 수 있다. 도 19b에 도시된 표시 모드에서 관측위치(360)에서 시스템을 사용하는 사용자는 도 19a를 참조하여 기술된 이미지 처리 모드 동안 이미지 처리된 외부 신의 적외선 광의 단색 표시를 관측한다. 다시 말해서 이미지 처리 모드 동안에 캡처된 이미지는 표시 모드 동안에 표시된다.

도 19b에 도시된 표시 모드에서, 시스템(310)은 캡처된 이미지의 표시 프레임 상에 부호의 표시 프레임을 중첩하기 위해 선택적으로 동작한다. 예를 들어, 시스템(310)이 항공전자공학 애플리케이션에서 사용될 때, 대기속도와 고도와 같은 비행 정보를 포함하는 표시 프레임은 이미지 처리 모드 동안에 캡처된 이미지 프레임상에 중첩될 수 있다. 외부 데이터 신호 처리기(322)는 표시 부호에 대응하는 전기신호 프레임을 생성하도록 구성된다. 특히, 외부 데이터 신호 처리기(322)는 예를 들어 비행 정보에 대응하는 하나 이상의 외부 데이터 신호를 수신할 수 있다. 외부 데이터 신호 처리기(322)는 내장 소프트웨어를 갖는 디지털 신호 처리기를 포함할 수 있다. 외부 데이터 신호의 수신에 응답하여, 외부 데이터 신호 처리기는 광원(324)에 제공되는 전기신호 프레임을 생성한다. 광원(324)은 부호 신호 프레임을 수신할 때 그에 대응하는 광 프레임을 생성한다.

시스템 제어회로(320)는 부호 및 이미지 광의 프레임이 빠르게 교대되어 표시될 수 있도록 이미지 신호 처리기(316)에 부가하여 외부 데이터 신호 처리기(322)의 동작을 제어한다. 따라서, 이미지 신호 처리기가 광원(324)에 처리된 이미지 신호 프레임을 전송한 후에 시스템 제어회로(320)는 광원(324)에 부호 신호 프레임을 통과시키기 위해 외부 데이터가 노드 처리기(322)를 통과하도록 한다. 따라서, 광원(324)은 이미지 광 프레임을 생성하고, 이어서 부호 광 프레임을 생성한다. 광원(324)은 교대 프레임이 관측위치(360)에서 사용자에게 일체화된 것으로 보이도록 이미지 광 프레임과 부호 광 프레임을 번갈아 생성한다.

도 22는 도 19a 및 도 19b를 참조하여 기술된 바와 같이 시스템의 이미지 처리 및 표시 모드를 나타내는 흐름도이다. 스텝(370)에서, 시스템 제어회로(320)는 광학소자(340)를 활성화하고, 광학소자(342)를 비활성화한다. 스텝(372)에서, 외부 신으로부터의 이미지 광은 실질적으로 변경되지 않은 상태로 비활성화된 소자(342)를 통과한다. 스텝(380)에서, 활성화된 소자(340)는 광학소자(342)를 통과한 협대역 이미지 광을 집속한다. 스텝(376)에서, 활성화된 광학소자(340)에 의해 집속된 이미지 광은 센서 어레이(342)에 의해 이미지 신호 프레임에 집속된다. 그 후, 시스템 제어회로(320)는 스텝(380)에 도시된 바와 같이 광학소자(340)를 비활성화하고, 광학소자(342)를 활성화한다. 이미지 신호 처리기(316)는 스텝(382)에 도시된 바와 같이 센서 어레이(314)에 의해 생성된 이미지 신호 프레임을 처리한다. 처리된 이미지 신호 프레임은 스텝(384)에 도시된 바와 같이 광원(324)에 제공되어 표시 광 프레임으로 변환된다. 생성된 이미지 광 프레임은 비활성화된 광학소자(340)를 실질적으로 변경되지 않은 상태로 통과된다. 그러나, 광학소자(342)가 활성화되면 광학소자(342)는 스텝(386-392)에 도시된 바와 같이 생성된 이미지 광 프레임을 비활성화된 광학소자(340)를 통해 다시 시스템 사용자의 관측위치로 반사하도록 동작한다. 시스템이 이미지 처리를 계속하면, 처리는 스텝(370)으로 복귀하고, 이에 따라 시스템 제어회로(320)는 이미지 처리 모드가 가능하도록 광학소자(342)를 활성화하고 광학소자(340)를 비활성화한다.

도 23은 제 1 및 제 2 그룹(330, 332)내에 복수의 광학소자를 갖는 도 18에 도시된 이미지 처리 및 표시 시스템의 처리 단계를 나타내는 흐름도이다. 스텝(400)에서, 시스템 제어회로(320)는 그룹(330)내의 하나 이상의 광학소자를 활성화하는 반면에, 그룹(330, 332)내의 나머지 모든 광학소자를 비활성화한다. 스텝(402)에서, 외부 신으로부터의 이미지 광은 실질적으로 변경되지 않은 상태로 그룹(332)의 비활성화된 광학소자를 통과하는 반면에, 그룹(330)의 하나 이상의 활성화된 광학소자는 센서 어레이(314)상에 선택 대역의 광을 집속하도록 동작한다. 스텝(404)에서, 센서 어레이(34)는 집속된 광 대역에 대응하는 이미지 신호 프레임을 생성한다. 그 후, 시스템 제어회로(320)는 그룹(332)내의 적어도 하나의 광학소자를 활성화하는 반면에, 시스템(312)내의 나머지 광학소자들은 비활성화한다. 센서 어레이(314)에 의해 생성된 프레임 신호는 스텝(410)에 도시된 바와 같이 이미지 신호 처리기(316)에 의해 처리된다. 처리된 신호 프레임은 광원(324)에 제공되고, 이제 광원(324)은 스텝(412)에 도시된 바와 같이 그에 응답하여 표시 광 프레임을 생성한다. 광원(324)에 의해 생성된 표시 광 프레임은 실질적으로 변경되지 않은 상태로 그룹(330)에서 비활성화된 광학소자를 통과한다. 그러나, 그룹(330)의 광학소자를 통과하는 광은 스텝(416)에 도시된 바와 같이 반사되고, 가능하다면 시스템 제어회로(320)에 의해 활성화된 그룹(332)의 하나 이상의 광학요소에 의해 확대된다. 반사되고, 가능한 경우에 확대된 표시 광은 스텝(420)에 도시된 바와 같이 광학 시스템(310) 사용자의 관측위치로 실질적으로 변경되지 않은 상태로 그룹(330)의 비활성화된 광학소자를 다시 통과한다. 시스템이 외부 신의 이미지 처리와 표시를 계속하면, 처리는 스텝(422)에 도시된 바와 같이 스텝(400)으로 복귀한다.

본 발명은 특정 실시예를 참조하여 기술되었지만, 이 실시예는 설명을 위한 것이고, 이에 한정되지는 않는다. 기술된 실시예에 대한 변형, 수정, 부가 및 개선이 가능하다. 이들 변형, 수정, 부가 및 개선은 다음 청구의 범위에 기술된 바와 같이 본 발명의 범위내에 포함된다.

Claims (12)

1. 비활성 상태에서 동작할 때 그 위에 입사하는 광을 실질적인 변경 없이 통과시키도록 구성되고, 활성 상태에서 동작할 때 그 위에 입사하는 광을 실질적으로 변경하도록 구성되는, 폴리머가 분산된 액정 재료로 형성된 제 1 스위칭가능 홀로그래피 층을 포함하는 제 1 광학소자; 및

   비활성 상태에서 동작할 때 그 위에 입사하는 광을 실질적인 변경 없이 통과시키도록 구성되고, 활성 상태에서 동작할 때 그 위에 입사하는 광을 실질적으로 변경하도록 구성되는, 폴리머가 분산된 액정 재료로 형성된 제 2 스위칭가능 홀로그래피 층을 포함하는 제 2 광학소자를 포함하며,

   상기 제 1 및 제 2 광학소자는 비활성 상태에 있을 때 동일한 광을 실질적인 변경 없이 통과하도록 배치되는 것을 특징으로 하는 스위칭 가능한 홀로그래피 광학 장치.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 제 2 광학소자는 활성 상태에서 동작할 때 그 위에 입사하는 광을 반사하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 스위칭 가능한 홀로그래피 광학 장치.
3. 비활성 상태에서 동작할 때 그 위에 입사하는 광을 실질적인 변경 없이 통과시키도록 구성되고, 활성 상태에서 동작할 때 그 위에 입사하는 광을 변경하도록구성되는, 활성 상태 및 비활성 상태 사이에서 스위칭 가능한 제 1 홀로그래피 층을 포함하는 제 1 광학소자; 및

   비활성 상태에서 동작할 때 그 위에 입사하는 광을 실질적인 변경 없이 통과시키도록 구성되고, 활성 상태에서 동작할 때 그 위에 입사하는 광을 변경하도록 구성되는, 활성 상태 및 비활성 상태 사이에서 스위칭 가능한 제 2 홀로그래피 층을 포함하는 제 2 광학소자를 포함하며,

   상기 제 1 및 제 2 광학소자는 비활성 상태에 있을 때 그 위에 입사하는 동일한 광을 실질적인 변경 없이 통과시키도록 배치되는 것을 특징으로 하는 스위칭 가능한 홀로그래피 광학 장치.
4. 제 3 항에 있어서,

   상기 제 1 및 제 2 광학소자 각각은 브래그(Bragg) 형태 홀로그램을 포함하는 것을 특징으로 하는 스위칭 가능한 홀로그래피 광학 장치.
5. 제 3 항에 있어서,

   상기 제 1 광학소자는 활성 상태에서 동작할 때 그 위에 입사하는 광을 집속하도록 구성되고, 상기 제 2 광학소자는 활성 상태에서 동작할 때 그 위에 입사하는 광을 반사하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 스위칭 가능한 홀로그래피 광학 장치.
6. 비활성 상태에서 동작할 때 그 위에 입사하는 광을 실질적인 변경 없이 통과시키도록 구성되고, 활성 상태에서 동작할 때 그 위에 입사하는 광을 실질적으로 변경하도록 구성되는, 폴리머가 분산된 액정 재료로 형성된 제 1 스위칭가능 홀로그래피 층을 포함하는 제 1 광학소자;

   비활성 상태에서 동작할 때 그 위에 입사하는 광을 실질적인 변경 없이 통과시키도록 구성되고, 활성 상태에서 동작할 때 그 위에 입사하는 광을 실질적으로 변경하도록 구성되며, 상기 제 1 광학소자와 공통 축상에 정렬되는, 폴리머가 분산된 액정 재료로 형성된 제 2 스위칭가능 홀로그래피 층을 포함하는 제 2 광학소자;

   상기 제 1 광학소자에 의해 실질적으로 변경된 광을 검지하는 것에 응답하여 전기신호를 생성하도록 구성되는, 상기 제 1 광학소자에 의해 실질적으로 변경된 광을 검지하도록 구성된 광센서 어레이;

   상기 광센서어레이에 의해 발생된 전기신호를 수신하고 처리하도록 구성되고, 상기 광센서 어레이와 데이터통신하는 제 1 처리회로; 및

   상기 제 1 처리회로로부터 처리된 전기신호를 수신하고, 처리된 전기신호를 수신하는 것에 응답하여 광을 생성하도록 구성되는, 상기 제 1 처리회로와 데이터통신하는 광원을 포함하는 것을 특징으로 하는 스위칭 가능한 홀로그래피 광학 장치.
7. 제 6 항에 있어서,

   상기 제 2 광학소자는 비활성 상태에서 동작할 때 상기 광원에 의해 생성된광을 반사하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 스위칭 가능한 홀로그래피 광학 장치.
8. 제 6 항에 있어서,

   상기 제 2 광학소자는 활성 상태에서 동작할 때 상기 광원에 의해 생성된 광을 반사하고 발산하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 스위칭 가능한 홀로그래피 광학 장치.
9. 제 6 항에 있어서,

   상기 제 2 광학소자는 활성 상태에서 동작할 때 상기 광원에 의해 생성된 선택 파장 대역의 광을 반사하고 발산하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 스위칭 가능한 홀로그래피 광학 장치.
10. 제 6 항에 있어서,

    상기 제 1 및 제 2 광학소자는 각각 상기 제 1 및 제 2 스위칭가능 홀로그래피 층에 기록된 제 1 및 제 2 스위칭가능 홀로그램을 각각 포함하는 것을 특징으로 하는 스위칭 가능한 홀로그래피 광학 장치.
11. 제 6 항에 있어서,

    신호를 수신하여 처리하도록 구성되는, 상기 광원과 데이터 통신하는 제 2신호 처리기를 추가로 포함하고, 상기 광원은 상기 제 2 신호 처리기로부터 처리된 신호를 수신하고, 상기 제 2 신호 처리기로부터 처리된 신호를 수신하는 것에 응답하여 광을 생성하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 스위칭 가능한 홀로그래피 광학 장치.
12. 제 6 항에 있어서,

    상기 제 1 및 제 2 광학소자를 선택적으로 활성화하도록 구성되는, 상기 제 1 및 제 2 광학소자와 데이터 통신하는 시스템 제어회로를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 스위칭 가능한 홀로그래피 광학 장치.