KR20200020577A - 회절 격자 구조체, 이를 포함하는 증강 현실장치 및 회절 격자 구조체의 제조 방법 - Google Patents

회절 격자 구조체, 이를 포함하는 증강 현실장치 및 회절 격자 구조체의 제조 방법 Download PDF

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KR20200020577A
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드미트리 예브게니에비치 피스쿠노프
류재열
니콜라이 빅토르비치 무라베예프
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삼성전자주식회사
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Abstract

회절 격자 구조체, 이를 포함하는 증강 현실 장치 및 회절 격자 구조체의 제조 방법을 제공한다. 본 회절 격자 구조체는, 이격 배치되는 제1 및 제2 기판, 제1 및 제2 기판 사이에 배치되며, 간섭 패턴이 형성된 포토 디렉터층 및 포토 디렉터층상에 배치되며 액정들을 포함하는 액정층을 포함한다.

Description

회절 격자 구조체, 이를 포함하는 증강 현실장치 및 회절 격자 구조체의 제조 방법{A DIFFRACTION GRATING STRUCTURE, AUGMENTED REALITY APPARATUS INCLUDING THE SAME AND METHOD FOR FABRICATING THE DIFFRACTION GRATING STRUCTURE}
일 실시예는 다양한 구조의 회절 격자 구조체, 이를 포함한 증강 현실 장치 및 회절 격자 구조체의 제조 방법에 관한 것이다.
최근 실제 이미지에 대한 정보를 보완하고 정보 인식을 향상시키기 위해, 증강 현실 장치는 전자 장치에 표시된 실제 이미지에 가상 정보 또는 이미지가 추가함으로써 전자 장치의 사용자들 사이에서 인기를 얻고 있다.
시야각이 더 커질수록 증강 현실을 사용하여 더 많은 가상 정보를 배치시킬 수 있기 때문에 요즘의 증강 현실 장치는 사용자에게 가장 편안한 시야각(field of view)인 수평 방향으로 약 60 °까지 시야각을 증가시킬 필요가 있다.
증강 현실 장치의 핵심 구성 요소는 환경 이미지와 내부 디스플레이에 의해 생성된 이미지를 결합하는 이미지 결합 장치(결합기)이다. 현재까지 가장 콤팩트한 결합기는 도파로의 회절 격자에 기반하거나 홀로그래픽 광학 요소를 기반으로 개발되었다. 일반적으로 결합기는 입력단 및 출력단에 배치되는 회절 격자를 포함하는 도파로이며, 입력단에 위치한 제 1 회절 격자를 통과한 광은 도파로를 통해 전파하고, 출력단에 위치한 제 2 회절 격자를 통해 도파로로부터 출력된다.
도파로 및 회절 격자의 굴절률이 클수록 시야각이 커지기 때문에, 큰 시야각을 만들기 위해, 도파로 및 회절 격자 모두의 물질에 대한 굴절률이 상대적으로 큰 것이 유리하다. 상기한 회절 격자를 제조하는데 사용되는 폴리머들는 낮은 굴절 상수를 갖고 있기 때문에 홀로그래픽 격자의 물질은 낮은 굴절률을 갖는다. 또한 폴리머들에서 굴절률의 변조는 낮으며, 이는 높은 각도 선택도를 초래하는 높은 효율을 제공하기 위해 물질의 두께를 증가시킬 필요가 있으며, 이는 시야각을 제한시키게 된다. 게다가, 홀로그래픽 격자의 제조는 복잡한 화학적 처리 및 기계적 툴링이 필요하다. 도파로에 내장된 일반적인 회절 격자를 제조함에 있어서, 콤팩트한 결합기에 사용하기에 충분히 작은 크기의 구조체를 만드는 것은 어렵다.
홀로그래픽 격자 또는 일반적인 회절 격자 대신에, 액정들에 기반한 회절 격자를 사용하는 것도 가능하다. 상기한 액정들에 기반한 회절 격자는 고정된 투명 전극에 대응하는 전압을 액정 셀에 인가함으로써 광의 위상 변조가 제공된다. 액정 회절 격자의 굴절률은 홀로그래픽 회절 격자의 굴절률보다 크고, 액정 회절 격자의 사용시 시야각이 커진다. 그러나, 액정 셀을 사용하기 위해서는 전압인가, 즉 전원이 필요하고, 복수의 전극이 필요하며, 디자인이 복잡해진다. 또한, 액정 셀의 기판상에 있는 전극은 공간 해상도에 영향을 미친다.
액정들에 기반한 회절 격자의 상기한 단점을 제거 할 수 있는 해결책 중 하나는, 예를 들어, 2015 년 7 월 28 일 공개된 미국 특허 제 9,090,822 B2 호에 기재된 폴리머들의 사용이다. 미국 특허 제 9,090,822 B2 호에 개시된 내용은 중합성 화합물(polymerizable compounds), 그 제조 방법 및 광학 전자 - 광학 및 전자 목적을 위한 사용, 특히 액정들) 매체 및 액정들 디스플레이, 구체적으로, PS(polymer sustained) 또는 PSA(polymer sustained alignment) 유형의 액정들 디스플레이에 사용하는 것이다. 그러나, 이 용액의 결점은 개시된 폴리머들가 단지 셀 내의 액정들의 배향에만 사용된다는 것이다.
선행 기술의 주요 단점은 다음과 같다.
- 컴팩트한 회절 격자를 만들 때 통합 화학 처리 및/또는 기계 가공의 복잡성;
- 작은 시야각을 초래하는 낮은 굴절률 및 굴절률의 변조;
- 액정들을 사용할 경우, 투명 전극의 낮은 공간 해상도로 화질 저하;
- 액정들의 사용시 전원의 필요 및 복수 개의 전극과의 연결은 디자인을 복잡하게 함;
본 발명은 선행 기술의 전술한 단점을 제거하는 것에 관한 것이다.
컴팩트한 회절 격자 구조체 및 그 제조 방법을 제공한다.
전원이 없거나 2 개의 전극만으로 사용하는 회절 격자 구조체 및 그 제조 방법을 제공한다.
공간 해상도가 높은 회절 격자 구조체 및 그 제조 방법을 제공한다.
상기한 회절 격자 구조체를 포함하는 증강 현실 장치를 제공한다.
일 실시예에 따르는 회절 격자 구조체는, 이격 배치되는 제1 및 제2 기판; 상기 제1 및 제2 기판 사이에 배치되며, 간섭 패턴이 형성된 포토 디렉터층; 및 상기 포토 디렉터층상에 배치되며, 액정들을 포함하는 액정층;을 포함하고, 상기 액정들은 상기 간섭 패턴에 대응하여 배향된 액정들과 혼돈된 상태로 배열된 액정들을 포함한다.
그리고, 상기 배향된 액정들은 상기 포토 디렉터층 중 상기 간섭 패턴의 강도가 0이 아닌 영역상에 배열될 수 있다.
또한, 상기 혼돈된 상태로 배열된 액정들은 상기 포토 디렉터층 중 상기 간섭 패턴의 강도가 0인 영역상에 배열될 수 있다.
그리고, 상기 포토 디렉터층은, 폴리 이미드 물질을 포함할 수 있다.
또한, 상기 간섭 패턴은, 서로 다른 광 특성을 갖는 복수 개의 광의 조사에 의해 형성될 수 있다.
그리고, 상기 복수 개의 광 중 적어도 두 개는 편광 특성이 다를 수 있다.
또한, 상기 액정층은 폴리머들을 더 포함하고, 상기 폴리머들 중 적어도 일부는 중합될 수 있다.
그리고, 상기 중합된 폴리머는, 직교 구조체로 정렬될 수 있다.
또한, 상기 제1 기판 및 상기 제2 기판상에 각각 배치되는 제1 및 제2 전극;을 더 포함할 수 있다.
그리고, 상기 배향된 액정들과 상기 혼돈된 상태로 배열된 액정들은, 상기 액정층의 두께 방향으로 상기 제1 및 제2 전극과 중첩될 수 있다.
또한, 상기 혼돈된 상태로 배열된 액정들은, 상기 제1 및 제2 전극에 인가된 전압에도 혼돈된 상태를 유지할 수 있다.
그리고, 상기 배향된 액정들은 상기 제1 및 제2 전극에 인가되는 전압에 따라 배향 방향이 조절될 수 있다.
또한, 상기 회절 격자 구조체의 공간 해상도는, 상기 회절 패턴의 해상도에 의해 결정될 수 있다.
그리고, 상기 제1 기판은 도파로일 수 있다.
한편, 일 실시예에 따른 증강 현실 장치는 도파로 및 앞서 기술한 회절 격자 구조체를 포함한다.
한편, 일 실시예에 따른 회절 격자 구조체의 제조 방법은, 기판상에 포터 디렉터층을 도포하는 단계; 서로 다른 광 특성을 갖는 복수 개의 광을 상기 포토 디렉터층에 조사하여 상기 포토 디렉터층에 간섭 패턴을 형성하는 단계; 및 상가 간섭 패턴이 형성된 포토 디렉터층상에 액정들을 배열시켜 상기 액정들 중 일부는 배향되게 배열시키고 상기 액정들 중 나머지는 혼돈된 상태로 배열시키는 단계; 을 포함할 수 있다.
그리고, 상기 액정들을 배열시키는 단계는, 상기 포토 디렉터층 중 상기 간섭 패턴의 강도가 0이 아닌 영역상에는 상기 액정들이 배향되게 배열되고, 상기 간섭 패턴의 강도 0인 영역상에는 상기 액정들이 혼돈된 상태로 배열될 수 있다.
또한, 상기 복수 개의 광 중 적어도 두 개는 편광 특성이 서로 다를 수 있다.
그리고, 상기 복수 개의 광은, 평면파, 구형파, 수렴파, 발산파, 평행파 중 적어도 하나의 조합일 수 있다.
또한, 상기 액정들과 폴리머를 혼합시키는 단계;를 더 포함할 수 있다.
콤팩트한 결합기에 사용할 수 있는 회절 격자 구조체를 제조할 수 있다.
일 실시예에 따른 회절 격자 구조체는 전력 공급이 필요없거나 적은 수의 전극으로 동작할 수 있다.
일 실시예에 다른 회절 격자 구조체는 높은 공간 해상도를 갖는 위상 변조기가 될 수 있다.
상기한 회절 격자 구조체로 인해 큰 시야각을 갖는 증강 현실 장치를 구현할 수 있다.
이하, 첨부 도면을 참조하여 본 발명의 요지를 설명한다.
도 1은 일 실시예에 따른 회절 격자 구조체를 도시한 도면이다.
도 2는 도 1의 회절 격자 구조체 중 제1 기판 및 포토 디렉터층을 도시한 도면이다.
도 3은 일 실시예에 따른 포토 디렉터층에 간섭 패턴을 형성하는 방법을 도시한 도면이다.
도 4는 일 실시예에 따른 간섭 패턴이 형성된 포토 디렉터층에 액정층이 배향되는 방법을 설명하는 도면이다.
도 5는 다른 실시예에 따른 회절 격자 구조체를 도시한 도면이다.
도 6a는 도 5의 회절 격자 구조체의 인가되는 제1 전압에 따른 굴절률 프로파일을 도시한 도면이다.
도 6b는 도 5의 회절 격자 구조체의 인가되는 제2 전압에 따른 굴절률 프로파일을 도시한 도면이다.
도 7은 다른 실시예에 따른 회절 격자 구조체를 도시한 도면이다.
도 8은 다른 일 실시예에 따른 액정들과 폴리머들의 혼합물에 기초한 회절 격자 구조체를 생성하는 방법을 설명하는 참조도면이다.
도 9a는 일 실시예에 따른 톱니형 굴절률 프로파일이 기록된 회절 격자 구조체를 제조하는 과정을 설명하는 참조도면이다.
도 9b는 일 실시예에 따른 굴절률의 직사각형 프로파일을 갖는 회절 격자 구조체를 제조하는 과정을 설명하는 참조도면이다.
도 9c는 일 실시예에 따른 굴절률의 정현파 프로파일을 갖는 회절 격자 구조체를 제조하는 과정을 설명하는 참조도면이다.
도 9d는 일 실시예에 따른 굴절률의 임의의 형상 프로파일을 갖는 회절 격자 구조체를 제조하는 과정을 설명하는 참조도면이다.
도 10는 일 실시예에 따른 프레넬 렌즈를 위한 간섭 패턴을 도시한 도면이다
도 11a는 일 실시예에 따른 포지티브 프레넬 렌즈로 동작할 수 있는 회절 격자 구조체를 제조하는 과정을 설명하는 참조도면이다.
도 11b는 일 실시예에 따른 네거티브 프레넬 렌즈로 동작할 수 있는 회절 격자 구조체를 제조하는 과정을 설명하는 참조도면이다.
도 12a는 도파로의 일 영역이 회절 격자 구조체의 기판이 되는 예를 도시한 도면이다.
도 12b는 회절 격자 구조체를 도파로의 일 영역에 결합시키는 예를 도시한 도면이다.
도 12c는 전극이 없는 회절 격자 구조체의 예를 도시한 도면이다.
도 12d는 기판이 이 없는 회절 격자 구조체의 예를 도시한 도면이다.
도 13a는 일 실시예에 따른 회절 격자 구조체를 포함한 증강 현실 장치의 예를 도시한 도면이다.
도 13b는 도 13a에 적용된 회절 격자 구조체의 굴절률 프로파일을 나타내는 도면이다.
도 14a는 다른 실시예에 따른 제1 및 제2 회절 격자 구조체를 포함하는 증강 현실 장치를 도시한 도면이다.
도 14b는 도 14a의 제1 회절 격자 구조체의 굴절률 프로파일을 나타내는 도면이다.
도 14c는 도 14a의 제2 회절 격자 구조체의 굴절률 프로파일을 나타내는 도면이다.
도 15a는 회절 격자 구조체로의 광 진행 경로와 시야각의 관계를 나타내는 참조도면이다.
도 15b는 회절 격자 구조체 및 도파로를 진행하는 광의 3개의 모드를 나타나는 도면이다.
도 16는 일 실시예에 따른 회절 격자 구조체의 주파수 함수로서의 시야각 그래프를 도시한 도면이다.
도 17는 일 실시예에 따른 시야각을 두 개의 성분으로 분할하는 예를 설명하는 참조도면이다.
도 18은 일 실시예에 따른 동적 회절 격자 구조체의 구현하는 방법을 설명하는 참조도면이다.
본 발명의 다양한 실시예는 첨부된 도면을 참조하여 더 상세히 설명될 것이다. 그러나, 본 발명은 많은 다른 형태로 구현될 수 있으며, 이하의 설명에서 제시되는 임의의 특정 구조 또는 기능에 한정되는 것으로 이해되어서는 안될 수 있다. 반대로, 이들 실시예는 본 발명의 설명을 보다 상세하고 완전하게 하기 위해 제공될 수 있다. 본 개시 내용에 기초하여, 본 발명의 범위는 본 실시예가 독립적으로 또는 임의의 다른 실시예와 관련하여 구현되는지 여부에 관계없이, 본 명세서에 개시된 본 발명의 임의의 실시예를 포함한다는 것은 당업자에게 자명하다. 예를 들어, 본 명세서에 개시된 구조체 또는 장치는 실제로 여기에 설명된 임의의 수의 실시예를 이용하여 구현될 수 있다. 또한, 본 발명의 임의의 실시예는 첨부된 청구범위에 열거된 하나 이상의 구성요소를 이용하여 구현될 수 있음을 이해해야 한다.
“예시적인"이라는 단어는 본 명세서에서 "예 또는 예시로서 이용 된"의 의미로 이용될 수 있다. 본 명세서에서 "예시적인"것으로 설명된 임의의 실시예는 다른 실시예보다 바람직하거나 유리한 것으로서 의무적으로 인식되어서는 안된다.
본 명세서에서 사용되는 “구성된다” 또는 “포함한다” 등의 용어는 명세서 상에 기재된 여러 구성 요소들, 또는 여러 단계들을 반드시 모두 포함하는 것으로 해석되지 않아야 하며, 그 중 일부 구성 요소들 또는 일부 단계들은 포함되지 않을 수도 있고, 또는 추가적인 구성 요소 또는 단계들을 더 포함할 수 있는 것으로 해석되어야 한다.
이하에서, "상부" 나 "상"이라고 기재된 것은 접촉하여 바로 위/아래/좌/우에 있는 것뿐만 아니라 비접촉으로 위/아래/좌/우에 있는 것도 포함할 수 있다. 이하 첨부된 도면을 참조하면서 오로지 예시를 위한 실시예에 의해 상세히 설명하기로 한다.
제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성 요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 구성 요소들은 용어들에 의하여 한정되어서는 안된다. 용어들은 하나의 구성 요소를 다른 구성 요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
도 1은 일 실시예에 따른 회절 격자 구조체(100)를 도시한 도면이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 회절 격자 구조체(100)는, 이격 배치되는 제 1 및 제2 기판(120), 제1 및 제2 기판(110, 120) 사이에 배치되며 간섭 패턴(132)이 형성된 포토 디렉터층(130) 및 포토 디렉터층(130)상에 배치되며 액정들(11)을 포함하는 액정층(140)을 포함할 수 있다.
제1 및 제2 기판(110, 120)은 투광성이 있는 기판일 수 있다. 예를 들어, 제1 및 제2 기판(110, 120)은 유리 기판일 수 있다.
포토 디렉터층(130)은 간섭 광정렬(interference photoalignment)을 야기할 수 있도록 간섭 패턴(132)에 형성되어 있을 수 있다. 간섭 패턴(132)은 광 특성이 서로 다른 복수 개의 광을 포토 디렉터층(130)에 조사함으로써 형성될 수 있다. 예를 들어, 서로 간섭하는 두 개의 편광된 광이 포토 디렉터층(130)에 조사되고, 광의 간섭 패턴에 대응하여 포토 디렉터층(130)의 분자들이 배향될 수 있다. 이를 간섭 광 배향 방법(interference photoalignment method)이라고 칭할 수 있다. 포토 디렉터층(130)의 분자들은 광의 간섭 패턴의 강도가 0아닌 위치에서는 배향되고, 광의 간섭 패턴의 강도가 제로-세기 대역을 갖는 위치에서는 배향되지 않는다. 이와 같이, 광의 간섭 패턴에 의해 포토 디렉터층(130)에 분자들의 배열 패턴을 간섭 패턴(132)이라고 칭할 수 있다.
포토 디렉터층(130)은 박막 형태일 수 있으며, 광 민감성 물질로 형성될 수 있다. 예를 들어, 포토 디렉터층(130)은 폴리이미드와 같은 물질로 형성될 수 있다.
포토 디렉터층(130) 상에 액정층(140)이 배치될 수 있다. 액정층(140)은 액정들(140)을 포함할 수 있다. 액정들(11)이 배향된 포토 디렉터층(130)에 떨어질 때, 액정들(11)은 포토 디렉터층(130)의 배향된 분자들의 방향을 따라 배향된다. 즉, 액정들(11)은 간섭 패턴(132)의 강도가 0이 아닌 위치에서는 배향되고, 간섭 패턴(132)이 강도가 제로-세기 대역을 갖는 위치에서 배향되지 않거나 혼돈된 배열(in a chaotic arrangement), 즉, 임의의 배열로 배치될 수 있다. 특히 간섭 패턴의 강도가 최대인 위치에서 액정들은 잘 배향될 수 있다.
도 2 내지 도 4는 도 1의 회절 격자 구조체(100)를 제조하는 방법을 개념적으로 설명하는 참조도면이다. 도 2에 도시된 바와 같이, 제1 기판(110)에서 포토 디렉터층(130)을 형성할 수 있다. 포토 디렉터층(130)은 포토 디렉터층(130)은 박막 형태일 수 있으며, 광 민감성 물질로 형성될 수 있다.
도 3에 도시된 바와 같이, 포토 디렉터층(130)에 간섭 패턴(132)을 형성할 수 있다. 간섭 패턴(132)은 광 특성이 서로 다른 복수 개의 광(L1, L2)을 포토 디렉터층(130)에 조사함으로써 형성될 수 있다. 예를 들어, 서로 간섭하는 두 개의 편광된 광(L1, L2)이 포토 디렉터층(130)에 조사되고, 광의 간섭 패턴에 대응하여 포토 디렉터층(130)의 분자들이 배향될 수 있다. 포토 디렉터층(130)의 분자들은 광의 간섭 패턴의 강도가 최대가 되는 위치에서는 잘 배향되어, 광의 간섭 패턴의 강도가 제로-세기 대역을 갖는 위치에서는 배향되지 않는다.
도 4에 도시된 바와 같이, 간섭 패턴(132)이 형성된 포토 디렉터층(130)에 액정들(11)을 도포함으로서 액정층을 형성할 수 있다. 액정들(11)이 배향된 포토 디렉터층(130)에 떨어질 때, 액정들(11)은 포토 디렉터층(130)의 배향된 분자들의 방향을 따라 배향된다. 즉, 액정들(11)은 간섭 패턴(132)의 강도가 0이 아닌 위치에서는 배향되고, 간섭 패턴(132)이 강도가 제로-세기 대역을 갖는 위치에서 배향되지 않거나 혼돈된 배열(in a chaotic arrangement), 즉, 임의의 배열로 배치될 수 있다.
상기와 같은 회절 격자 구조체(100)의 공간 해상도는 간섭 패턴(132)의 해상도에 의해 정의될 수 있다. 다시 말해, 일 실시예에 따른 회절 격자 구조체(100)는 액정들(11)의 크기에 의해 정의될 수 있는 바, 기계적 회절 격자 구조체에서 구현할 수 없는 높은 공간 해상도를 구현할 수 있다.
도 1에서는 제1 기판(110)상에 포토 디렉터층(130)이 배치되는 것으로 도시되어 있으나, 이에 한정되지 않는다. 제2 기판(120) 또는 제1 및 제2 기판(110, 120) 모두에 포토 디렉터층(130)이 배치될 수 있다. 또는 별도의 기판없이 이격 배치되는 두 개의 포토 디렉터층(130)이 배치될 수도 있다.
도 5는 다른 실시예에 따른 회절 격자 구조체(100a)를 도시한 도면이다. 도 5에 도시된 회절 격자 구조체(100a)는 제1 및 제2 기판(110, 120) 각각에 제1 및 제2 전극(150, 160)이 더 배치될 수 있다. 제1 및 제2 전극(150, 160)은 투명 전극일 수 있다. 예를 들어, 제1 및 제2 전극(150, 160)은 전류를 전도시키고 투명한 ITO, IZO, 카본 튜브 및 다른 물질과 같은 물질로 제조 될 수 있다. 도 5의 회절 격자 구조체(100a)는 제1 및 제2 전극(150, 160)에 전압이 인가됨에 따라 액정층(140)의 굴절률이 조절될 수 있다.
제1 및 제2 전극(150, 160)에 인가된 전압에 의해 액정층(140)에 전기장이 형성되면, 액정들(11)은 전기장 선을 따라 회전하는 경향이 있다. 예비 배향된(preliminary oriented) 액정들(11)은 서로의 방향을 방해하지 않고 동일한 방향으로 회전할 수 있다. 혼돈되게 배열된(Chaotically arranged) 액정들(11)은 서로 다른 방향으로 회전하려고 시도하여 서로의 방향을 바꾸고 서로를 방해하기 때문에 회전하지 못한다.
그리하여, 제1 및 제2 전극(150, 160)에 전압이 인가되면, 간섭 패턴(132)에 대응하여 배향된 액정들(11)은 인가된 전압에 의해 재정렬되고, 액정층(140) 중 배향된 액정들(11)이 있는 영역(141)(이하 '제1 영역'이라고 한다. )의 굴절률이 변한다. 그리하여, 제1 영역(141)을 통과한 통과하는 광의 위상은 변경된 굴절률에 대응하여 변조될 수 있다. 혼돈된 순서로 배열된 액정들(11)은 인가된 전압에 반응하지 않으며, 굴절률이 변하지 않는다. 즉, 평균 굴절률을 유지한다. 그리하여, 액정층(140) 중 혼돈된 순서로 배열된 액정들(11)이 있는 영역(142)(이하 '제2 영역'이라고 한다.)을 통과한 광의 위상은 전압 인가와 무관하게 일정한 크기로 변조된다.
결과적으로, 전압이 인가될 때, 배향된 액정들(11)은 굴절률을 변화시키지만, 혼돈으로 배열된 액정들(11)은 인가된 전압에 반응하지 않고 그 특성을 변화시키지 않는다. 그리하여, 상기와 같은 회절 격자 구조체(100a)의 공간 해상도는 전극들의 거리가 아닌 간섭 패턴(132)의 해상도에 의해 정의될 수 있다. 다시 말해, 기계적 회절 구조체에의 회절 패턴의 해상도는 전극들간의 간격에 의해 정의되지만 일 실시예에 따른 회절 격자 구조체(100)는 액정들(11)의 크기에 의해 정의될 수 있는 바, 기계적 회절 격자 구조체(100)에서 구현할 수 없는 높은 공간 해상도를 구현할 수 있다.
그리고, 일 실시예에 따른 회절 격자 구조체(100a)를 생성하기 위해, 전압이 인가될 때 혼돈된 액정들(11)(chaotic liquid crystal)이 위치한 부분은 그 특성을 변화시키지 않고, 배향된 액정들(11)이 위치한 부분은 인가된 전압에 따라 굴절률을 변화시키므로 2 개의 전극만 사용하여도 충분하다. 그리하여, 배향된 액정들(11)과 상기 혼돈된 상태로 배열된 액정들(11)은 액정층(140)의 두께 방향으로 제1 및 제2 전극(150, 160)에 중첩된다.
도 6a 및 도 6b는 회절 격자 구조체의 인가되는 전압에 따른 굴절률 프로파일을 도시한 도면이다. 굴절률 프로파일을 변경하기 위하여, 일 실시예에 따른 회절 격자 구조체(100b)는 서로 이격 배치되는 제1 및 제2 기판(110a, 120a), 제1 및 제2 기판(110a, 120a) 사이에 배치되는 액정층(140) 및 제1 및 제2 기판(110a, 120a) 각각에 배치되는 제1 및 제2 전극(150, 160)을 포함할 수 있다. 여기저 제1 및 제2 기판(110a, 120a) 중 적어도 하나는 회절 패턴이 형성된 포토 디렉터층(미도시)을 포함할 수 있다. 상기한 포토 디렉터층은 기판(110a, 120a)과 액정층(140) 사이에 배치될 수 있다. 회절 격자 구조체(100b)는 단지 두 개의 전극이 이용될 수 있으며, 회절 격자 구조체(100b) 중 배향된 액정들(11)이 있는 제1 영역(141)은 인가된 전압에 의존하여 굴절률을 변화시킨다.
도 6a는 제1 전압(V1)을 인가할 때의 굴절률 프로파일을 도시한 도면이고, 도 6b는 제2 전압(V2)을 인가할 때의 굴절률 프로파일을 도시한 도면이다. 액정들(11)이 배향된 제1 영역(141)에서의 굴절률의 제어는 인가된 전압에 따라 가능하기 때문에, 회절 격자 구조체(100b)의 능률(efficiency) 제어가 가능하다.
혼돈되게 배향된(chaotically-oriented) 액정들(11)이 배열된 제2 영역(142)에는 전압 변화가 있어도, 굴절률 변화는 관찰되지 않는다. 이러한 회절 격자 구조체(100)의 공간 해상도는 회절 격자 구조체(100b)의 형성에 사용되는 간섭 패턴(132)의 주기에 의해 정의된다.
도 7은 다른 실시예에 따른 회절 격자 구조체를 도시한 도면이다. 도 7에 도시된 바와 같이, 회절 격자 구조체(100c)는 이격 배치되는 제 1 및 제2 기판(110b, 120b) 및 제1 및 제2 기판(110b, 120b) 사이에 배치되며 액정들(11)을 포함하는 액정층(140a)을 포함할 수 있다.
제 1 및 제2 기판(110b, 120b) 중 적어도 하나는 배향층(미도시)을 더 포함할 수 있다. 상기한 배향층은 기계적 배향 방법 또는 간섭 광 배향 방법에 의해 형성될 수 있다. 배향층 중 광에 의해 간섭 패턴이 형성된 배향층을 간섭 패턴을 포함하는 포토 디렉터층이라고 칭할 수 있다. 별도의 배향층 없이 제1 및 제2 기판(110b, 120b)이 배향될 수도 있다. 그리하여, 제1 및 제2 기판(110b, 120b)은 배향층이 포함된 기판이라고 칭할 수 있다.
액정층(140a)에는 폴리머들(12)를 더 포함할 수 있다. 액정들(11)이 포함된 회절 격자 구조체(100)는 액정들(11)이 고굴절률을 가지고 있기 때문에 광범위의 굴절률 변조가 가능하다. 반면에 폴리머들(12)들은 액정들(11)을 고정시키는 기능을 한다. 폴리머는 포토 폴리머일 수 있다.
액정들(11)과 폴리머들(12)를 포함하는 회절 격자 구조체(120b)를 생성하기 위해 액정들(11)과 폴리머들(12)를 포함하는 혼합물을 준비하는 단계를 포함할 수 있다. 이를 위해, PDLC (Polymer Dispersed Liquid Crystals)가 사용되는데, 즉, 혼합물을 준비하는 단계는 폴리머들(12)와 그 안에 분산된 액정들(11)의 혼합물을 준비하는 단계를 포함하고, 액정들(11) 중 폴리머들(12)의 농도는 대략 30 % 내지 80 %의 범위 내일 수 있다.
폴리머들(12)는 액정들(11)과 폴리머들(12)의 혼합물에서 경화되고, 액정들(11)의 개재물(inclusions of the liquid crystals)은 폴리머들(12) 구조체 내에 있다. 상기한 개재물은 일반적으로 미크론 또는 나노 크기를 갖는다. 전기장이 인가될 때 상기 개재물은 폴리머들(12)에 대한 상대적인 위치를 변화시키지 않지만, 개재물내 액정들(11)은 전기장을 가로 질러 배향된다.
폴리머들(12)를 갖는 액정 혼합물을 준비하는 것도 가능하며, 이때 포토 리머의 농도는 매우 낮고 약 1 % 이하일 수 있다. 이러한 혼합물에는 액정들(11)의 개재물은 포함되어 있지 않으며, 반대로 액정들(11) 그룹은 폴리머들(12) 분자들로 구성된 작은 영역들에 의해 분리될 수 있다.
도 8은 다른 일 실시예에 따른 액정들(11)과 폴리머들(12)의 혼합물(140 b)에 기초한 회절 격자 구조체(100c)를 생성하는 방법을 설명하는 참조도면이다. 액정들(11)과 폴리머들(12)들을 포함하는 혼합물을 제1 및 제2 기판(110b, 120b) 사이에 배치시킨다. 폴리머들(12)의 분자들은 원으로 표시되고, 액정들(11)의 분자들은 타원으로 나타낸다. 도 8에 도시된 바와 같이, 배향된 방향을 갖는 액정들(11)과 폴리머들(12)의 혼합물, 즉 액정층(140b)은 제1 및 제2 기판(110b, 120b) 사이에 위치된다. 액정들(11)이 배향층상에 떨어지면, 이들은 즉, 기판의 길이를 따라, 배향층이 획득한 방위에 따른 방위를 취한다. 배향층의 방위는 기계적 배향 방법 또는 간섭 광 배향 방법에 의해 형성될 수 있다.
한편, 각각의 기판(110b, 120b)상에는 전극들(150, 160a)이 배치될 수 있다. 전극들(150, 160a)의 배열은, 예를 들어, 환형, 동심형, 불규칙형 등 임의적일 수 있으며, 전극 그 자체의 형상도 임의적일 수 있다. 소정 배열의 전극을 선택하는 것이 가능하며, 상기한 전극 배열은 생성될 회절 격자 구조체(100c)에 부과된 요구에 의해 결정되고, 예를 들어 생성될 회절 격자 구조체(100c)의 바람직한 주기에 의해 결정된다.
전기장을 생성하기 위해, 전위가 서로 다른 두 개 이상의 도체, 즉, 전극들(150, 160a)이 필요하다. 도 8에서 하부에 도시된 하부 전극(150)은 소위 전체 또는 제로 전위를 제공하는 것으로 하나의 전극으로 제공될 수 있다. 도 8에서 상부에 도시된 상부 전극(160a)은 서로 독립적인 복수 개의 단위 전극을 포함할 수 있다. 각 단위 전극은, 전체 또는 제로 (zero)와 다른 전위(전압)가 제공되며, 이는 인가된 전압에 따라 (전극들 아래) 액정들(11)이 서로 상이한 배향을 갖는 영역을 생성할 수 있다. 전극의 주기는 요구되는 회절 격자 구조체(100c)의 주기에 대응할 수 있다. 전압의 값은 액정들(11)의 선택된 혼합물에 의존한다.
다음으로, 도 8에 도시된 바와 같이, 각 전극(150, 160a)에는 전압이 공급되고, 액정들(11)은 공급된 전압에 따라 회전한다. 그리하여, 폴리머들(12)는 정렬되고 그 사이에 배향된 액정들(11)이 정렬되도록 폴리머들(12) 자체가 이동된다. 공급된 전압의 값은 회절 격자 구조체(100c)의 요구되는 파라미터에 의존한다. 전기장을 받는 액정들(11)은 회전하여 전기장 선에 나란하게 된다.
하부 전극(150)과 상부 전극(160a)에 의해 액정층(140b)에 전기장이 인가될 때, 액정들(11)은 회전하고 특정 위치를 취하여 폴리머들(12) 분자들을 끌어 당길 수 있다. 폴리머들(12)들은 액정들(11) 중 배향된 액정들(11)이 배열된 사이로 직교 구조체로 정렬된다. 회절 격자 구조체(100c)를 고정시키기 위해, 액정층(140)은 자외선 방사 또는 열에 노출될 수 있다(이 방법은 선택된 폴리머들(12) 유형의 특성에 의존한다). 즉, 폴리머들(12)의 분자들은 중합되며(polymerized), 이것은 액정들 군들이 배열된 폴리머들(12) 영역들은 직교 구조체를 갖게 된다.
도 8의 회절 격자 구조체(100c)를 생성하는 과정을 보다 상세히 설명한다.
무엇보다, 액정들(11)은 정확한 배향 없이는 수직면(기판의 길이 또는 도파로(220)의 길이에 대해 수직한 면)에서 회전 할 수 없다. 그러므로, 전압을 통해 액정들(11)이 수직 회전하도록 배향층에는 기판의 길이를 따라 배향이 제공될 필요가 있다. 액정들(11)의 회전 값(각도)은 인가된 전압의 값에 의존한다. 액정 혼합물(또는 액정층)(140b)을 기판 사이에 배치시키기 전에, 배향층이 각각의 기판 상에 도포된다. 그렇게 함에 있어서, 배향층은 기판의 길이를 따라 배향되어 있어서, 액정들(11)이 배향층 상에 떨어질 때 액정들(11)은 배향층에 의해 획득된 방위에 따른 방위를 취한다. 배향층은 상술된 임의의 공지된 방법, 예를 들어, 배향층을 러빙하거나 포토 배향으로 배향될 수 있다. 러빙과 같은 기계적 방식으로 배향층을 배향시키는 경우, 회절 격자 구조체(100c)의 공간 해상도는 이격 배치된 전극간 주기에 의해 결정되고, 간섭 패턴과 같은 포토 배향으로 배향층을 배향시키는 경우, 회절 격자 구조체(100c)의 공간 해상도는 간섭 패턴의 주기에 의해 결정될 수 있다.
이하 전극간 주기에 기초한 굴절률 프로파일에 대해 설명한다.
전압 인가에 따라 회절 격자 구조체(100c)의 임의의 굴절률 프로파일을 생성할 수 있다. N 그룹내 인접한 전극들간의 전압은 함수 Dn(V)로 정의될 수 있으며, Dn 는 굴절률의 변화이고, V는 전압이다. 전압이 혼합물에 인가될 때, 액정들(11)이 회전하여, 회전각과 Dn은 인가 전압에 따라 달라진다. 동시에, 하나의 특정 전극 아래의 모든 액정들(11)은 동일한 각도로 회전한다. 전압이 클수록 회전각은 커진다. 한계 회전 각도는 90도이며, 특정 전압 Vmax가 그에 상응한다. 전압 값이 상기한 특정 전압 보다 크다 할지라도 액정들(11)은 더 이상 회전하지 않는다. 액정들(11)의 다양한 배향(회전)은 도파로(220) 내의 굴절률의 변조를 야기하며, 그 결과 필요한 위상 패턴이 생성된다.
전극들, 예를 들어, 단위 전극들 각각은 자신의 특정 전압이 공급될 수 있다. 예를 들어, 다음과 같이 전압이 교번적으로 제공될 수 있다. 제로 전압과 다르면서 동일한 전압을 갖는 N 개의 전극과 제로 전압을 갖는 M 전극이 교번적으로 배열될 수 있다. 여기서, N=1, M=1이고, N+M은 회절 격자 구조체(100)의 주기를 구성할 수 있다. 그러면, 회절 격자 구조체(100)는 직선 굴절률 프로파일을 가질 수 있다.
상기한 바와 같이 인가된 전압의 적용과 동시에, 혼합물에 자외선을 조사하거나 가열하여, 폴리머들(12)가 중합된다. 폴리머들(12) 고정 공정은 중합으로 지칭되며, 여기서 액정들(11)은 폴리머들(12) 분자들 사이에 고정되므로, 액정들(11)은 더 이상 방향을 변경할 수 없다. 폴리머들(12)이 중합된 회절 격자 구조체를 위상 변조가 기록되었다고 할 수 있다. 전압 및 전력 소스는 제거되고, 도파로(220) 위에 기록된 회절 격자 구조체가 배치될 수 있다. 상기한 회절 격자 구조체는 미리 결정된 위상 변조를 가질 수 있다.
도 9a는 일 실시예에 따른 톱니형 굴절률 프로파일이 기록된 회절 격자 구조체(100c)를 제조하는 과정을 설명하는 참조도면이다.
도 9a에 도시된 바와 같이, 톱니형 굴절률 프로파일 중 하나의 치형을 얻기 위해, 제2 기판(120b)의 길이를 따라 배치된 n개의 이산된 전극들(160a)을 이용하여 전압 V1, V2, Vn 이 폴리머들(12) 및 액정들(11)의 혼합물(140b)에 적용될 수 있다. 이산된 전극들(160a)에는 굴절률의 바람직한 프로파일에 따라 특정 전압이 공급된다. 전극들의 수 및 인가되는 전압들 V1, V2, ..., Vn 은 프로파일 내 원하는 수의 치형에 대응한다. 일단 전압이 공급되면, 상기 전압에서의 결과적인 구조체는 자외선에 방사되거나 가열(사용된 폴리머들(12)의 타입에 의존함)되고, 상기 광 또는 열에 의해 폴리머들(12)는 중합된다. 폴리머들(12)의 중합에 의해, 폴리머들(12) 분자들은 고정되고 액정들(11)을 그 결속에 맞춰진다. 따라서, 액정들(11)이 폴리머들(12) 분자들에 끼워질 때, 액정들(11)도 고정된다. 그 결과, 고정된 회절 격자 구조체(100d)를 획득할 수 있고, 그러한 회절 격자 구조체(100d)는 전압 인가 없이도 이용될 수 있다.
도 9b는 일 실시예에 따른 굴절률의 직사각형 프로파일을 갖는 회절 격자 구조체(100e)를 제조하는 과정을 설명하고, 도 9c는 일 실시예에 따른 굴절률의 정현파 프로파일을 갖는 회절 격자 구조체(100f)를 제조하는 과정을 설명하는 도면이며, 도 9d는 일 실시예에 따른 굴절률의 임의의 형상 프로파일을 갖는 회절 격자 구조체(100g)를 제조하는 과정을 설명하는 참조도면이다. 상기와 같이, 단위 전극에 인가되는 전압의 크기로 다양한 형태의 굴절률 프로파일을 회절 격자 구조체에 기록할 수 있다.
다음은 간섭 패턴(132)의 주기에 기초한 굴절률 프로파일에 대해 설명한다. 간섭 패턴(132)은 광 특성이 서로 다른 가간섭성의 광을 포토 디렉터층(130)에 조사함으로써 형성될 수 있다.
2 개의 파가 포토 디렉터층(130)의 조사에 사용되면, 포토 디렉터층(130)을 조사하는 간섭 패턴(132)은 밴드처럼 보이지만, 액정층(140)이 도포된 후의 굴절률 프로파일은 직사각형이 될 수 있다.
도 10는 일 실시예에 따른 프레넬 렌즈를 위한 간섭 패턴(132a)을 도시한 도면이다. 평면파와 구형파를 이용하는 경우, 도 10에 도시된 바와 같이, 포토 디렉터층(130a)에는 링 형태의 간섭 패턴(132a)이 생성될 수 있다.
도 11a 및 도 11b는 일 실시예에 따른 프레넬 렌즈로 동작할 수 있는 회절 격자 구조체(100h, 100i)를 제조하는 과정을 설명하는 참조도면이다. 평면파를 평판-평행파 (wave 1)를 이용하고 구형파로 발산파 (wave 2)를 이용한 경우, 링 형태의 간섭 패턴(132a)이 포토 디렉터층(130a)에 형성될 수 있다. 그리고, 제1 및 제2 기판(110c, 120c)중 적어도 하나는 상기한 포토 디렉터층(130a)을 포함할 수 있다. 제1 및 제2 기판(110c, 120c) 사이에 액정층(140b)을 형성할 때, 도 11a에 도시된 바와 같이, 액정들(11)은 이러한 간섭 패턴(132a)에 따라 각각 배향될 수 있다. 액정층(140b)에는 액정들(11)뿐만 아니라 폴리머들(12)를 포함하고 있어, 폴리머들(12)를 중합시킬 수 있다. 그 결과, 회절 격자 구조체(100h)는 포지티브 프레넬 렌즈로 형성될 수 있다.
평면파가 평판-평행파 (wave 3)이고 구형파가 수렴파(wave 4)인 경우, 도 11b에 도시된 바와 같이, 회절 격자 구조체(100i)는 네거티브 프레넬 렌즈가 될 수 있다. 다시 말해, 이러한 구조체는 프레넬 렌즈(Fresnel lens)로 사용될 수 있으며, 이러한 구조체는 약100 마이크로 미터 정도의 두께를 갖는다. 이러한 구조체는 예를 들어, 처방 렌즈(prescription lenses) 제조와 같은 응용 분야에 적용될 수 있다. 도면에는 도시되어 있지 않지만, 제1 및 제2 기판(110c, 120c) 각각에는 제1 및 제2 전극(미도시)이 더 배치될 수 있으며, 제1 및 제2 전극에 인가된 전압을 이용하여 배향된 액정들(11)의 배향 방향을 조절할 수 있다. 프레넬 렌즈의 굴절률을 조절할 수 있다.
앞서 기술한 회절 격자 구조체는 도파로를 회절 격자 구조체의 기판으로 하여 도파로상에 직접 형성될 수도 있고, 개별적인 기판을 이용하여 회절 격자 구조체를 제조한 후 회절 격자 구조체의 기판을 도파로에 부착시킬 수도 있다. 회절 격자 구조체를 제조할 때, 사용되었던 전극의 구조체는 형성 후 제거될 수 있고, 회절 격자 구조체상에 남을 수도 있다.
회절 격자 구조체로부터 전극을 제거할 수 있기 위해, 회절 격자 구조체의 기판 상에 제거 가능하게 도포되는 희생 기판상에 만들어질 수 있다. 예를 들어, 회절 격자 구조체를 형성하는 경우, 예를 들어, 실리콘 기판을 폴리머들와 액체의 혼합물 즉 액정층이 도포된 기판에 고정할 수 있으며, 필요에 따라 기배열된 전극들이 상기 실리콘 기판에 도포될 수 있다. 회절 격자 구조체를 형성 한 후에, 실리콘 기판은 얻어진 구조체로부터 쉽게 제거될 수 있다. 그 결과, 전원을 사용할 필요가 없다.
도 12a 내지 12d는 도파로(220)에 배치된 회절 격자 구조체의 다양한 예를 도시한 도면이다. 도 12a에 도시된 바와 같이, 도파로(220)의 일 영역이 회절 격자 구조체(210)의 기판이 될 수 있다. 그리하여, 회절 격자 구조체(210)는 도파로(220)상에 직접 제조할 수 있다. 또는 도 12b에 도시된 바와 같이, 개별적인 기판을 이용하여 회절 격자 구조체(210a)를 제조한 후 도파로(220)의 일 영역상에 결합시킬 수 있다.
회절 격자 구조체가 고정된 굴절률 프로파일을 갖는 경우, 회절 격자 구조체에서 전극을 제거할 수 있다. 그리하여, 도 12c에 도시된 바와 같이, 전극이 없는 회절 격자 구조체(210b)를 도파로(220)의 일 영역상에 배치시킬 수 있다. 또는, 회절 격자 구조체가 중합된 폴리머들를 포함하는 경우, 액정층은 중합된 폴리머들에 의해 고정될 수 있다. 그리하여, 기판없이 액정층만으로도 회절 격자 구조체의 기능을 수행할 수 있는 바, 도 12d에 도시된 바와 같이, 액정층만을 포함한 회절 격자 구조체(210c)를 도파의 일 영역상에 배치시킬 수도 있다.
도 13a는 일 실시예에 따른 회절 격자 구조체(340)를 포함한 증강 현실 장치(300)의 예를 도시한 도면이고, 도 13b는 도 13a에 적용된 회절 격자 구조체(340)의 굴절률 프로파일을 나타내는 도면이다.
도 13a에 도시된 증강 현실 장치는 디스플레이(310), 가상 이미지와 현실 이미지를 사용자의 눈에 일치시키기 위해 사용되는 광학 시스템(320), 도파로(330), 도파로(330)상에 배치되고 회절 격자 구조체(340)를 포함할 수 있다.
도 13a에 포함된 회절 격자 구조체(340)는 도 13b에 도시된 바와 같인 굴절률 프로파일을 가질 수 있다. 도 13a에 도시된 바와 같이, 굴절률 프로파일 중 왼쪽의 톱니 모양 프로파일(410)은 광의 입력을 허용하고, 오른쪽의 톱니 모양 프로파일(420)은 광의 출력을 허용할 수 있다. 도파로(330)의 길이는 축 x에 그려지며 Dn 은 축 y에 그려져 있다.
도 13a에 도시된 증강 현실 장치는 다음과 같이 동작할 수 있다.
1. 디스플레이(310)에 의해 방출되고 광학 시스템(320)을 통과하는 광은 회절 격자 구조체(340)가 형성된 도파로(330)로 입사되는데, 광은 회절 격자 구조체(340)에서 회절하여 도파로(330)로 입사된다.
2. 따라서, 회절 격자 구조체(340)의 왼쪽 톱니 모양의 굴절률 프로파일(410)은 동작 회절 차수의 효율이 최대가 되도록 형성된다 (여기서, 회절 차수는 회절 격자 구조체(340)상에서 회절된 광 중 잘 정의된 방향으로 전파되는 일부로 정의될 수 있다)
3. 다음으로, 광은 회절 격자 구조체(1340)의 가운데여 형성된 프로파일(430) 때문에 전체 내부 반사에 의해 도파로(330)를 통해 전파된다.
4. 광은 출력 프로파일(420)을 갖는 회절 격자 구조체(240)의 으로 진행한다여기서 출력 프로파일(420)은 오른쪽 톱니 모양의 프로파일을 의미한다.
5. 도파로(330) 및 회절 격자 구조체(340)의 물질은 투명할 수 있다. 따라서 사용자는 도파로(330)를 통과하는 이미지와 도파로(330) 뒤의 실제 뷰(a real view)를 동시에 볼 수 있다.
즉, 도파로(330) 중 왼쪽 톱니 모양 프로파일(410)이 있는 영역에 들어가고 전체 내부 반사로 인해 도파로(330)(제로 변조 선)를 통해 전파된 후 도파로(330) 중 오른쪽 톱니 모양 프로파일(420)이 있는 영역에서 밖으로 출력될 수 있다. 이러한 톱니 모양의 프로파일(410, 420)은 90% 보다 큰 회절 효율로 광의 입력과 출력을 허용할 수 있다. 그것은 회절 이론 및 회절 격자 구조체 이론으로부터 알려져 있다. 이러한 효율이 일 실시예에 따른 회절 격자 구조체에서도 얻어진다면, 넓은 시야각을 유지하는 각을 선택할 수 있다. 그리하여, 본 발명은 높은 회절 효율과 함께 넓은 시야를 생성하는 것이 가능하다.
도 14a는 다른 실시예에 따른 제1 및 제2 회절 격자 구조체(340a, 340b)를 포함하는 증강 현실 장치(300a)를 도시한 도면이고, 도 14b는 도 14a의 제1 회절 격자 구조체(340a)의 굴절률 프로파일을 나타내는 도면이며, 도 14c는 도 14a의 제2 회절 격자 구조체(340b)의 굴절률 프로파일을 나타내는 도면이다.
도 14a에 도시된 바와 같이, 도파로(330)의 입력단에 제1 회절 격자 구조체(340a) 및 도파로(330)의 출력단에 제2 회절 격자 구조체(340b)가 배치될 수 있다. 그리고, 제1 및 제2 회절 격자 구조체(340a, 340b) 각각에는 원하는 굴절률 프로파일이 기록되어 있을 수 있다. 예를 들어, 제1 회절 격자 구조체(340a)는 도 13b에 도시된 바와 같은 굴절률 프로파일이 기록되어 있고, 제2 회절 격자 구조체(340b)는 도 14c에 도시된 바와 같은 굴절률 프로파일이 기록되어 있을 수 있다. 그렇게함으로써, 제1 및 제2 회절 격자 구조체(340a, 340b)는 동일한 물질 및 상이한 물질 모두로 형성될 수 있다.
일 실시예에 따른 회절 격자 구조체는 증강 현실 안경 이외에도 자동차의 유리창 상에 만들어지는 증강 현실 장치용 결합기의 회절 격자 구조체로 사용될 수 있다. 이러한 사용으로, 결합기의 회절 격자 구조체를 작동시키기 위해 추가적인 전원은 필요하지 않다.
다음은 회절 격자 구조체의 광 입사와 시야각에 대해 설명한다.
도 15a는 회절 격자 구조체로의 광 진행 경로와 시야각의 관계를 나타내는 참조도면이다.
도 15a은 도파로(520)에 도입된 필드를 보여 주므로 화살표가 도파로(520)로 떨어진다. 회절 격자 구조체(510)은 동일한 주파수를 가진 입력 회절 격자 구조체 및 출력 회절 격자 구조체일 수 있다. 그리하여, 도파로(520)에 도입된 시야각은 도파로(520)에서 출력된 시야각과 동일하다. 시야각은 도파로(520)에 도입될 수 있는 최대 각도 치수를 의미한다. 결합기가 회절 격자 구조체(510)에 사용되는 경우에, 시야각은 두 개의 각도, 즉, 내부 반사각(aTIR) 및 광이 도파로(220)에서 전파할 수 있는 최대각(aslip)에 의해 제한된다.
다시 말해, 도 15a에 도시된 바와 같이, 시야각(a1, a2)는 각(aTIR 및 as lip )에 의해 결정된다. 즉, 시야각(a1, a2)는 회절 격자 구조체(510)의 특성 및 도파로(520)의 물질에 의해 결정된다. 광이 도파로(520)에서 전파할 수 있는 총 내부 반사각(aTIR) 및 최대각(aslip)은 하기 수학식 1의 회절식에 의해 각도(a1, a2)와 관련된다.
[수학식 1]
n*sinas lip - sina1 = λT, 또는
n*sinaTIR - sina1 = λT,
여기서, λ는 파장이고,
T는 회절 주파수이며,
n는 도파로(520)의 굴절률이다.
즉,
a1 = arcsine (n* sinas lip - λT).
aTIR= arcsine (1/n)는 일반적으로 알려져 있는 바,
a2 = arcsine (1 - λT)이다.
일반적으로 a1 는 a2와 같지 않다. 그러나 광학 시스템(미도시)의 광 축이 도파로(520)와 수직하게 배치하는 것이 편리하기 때문에 인체 공학적인 관점에서 a1 = a2인 각도 배열이 가장 이상적이다. 이 경우, 광학 시스템은 관자 놀이(temple)내의 측두(temporal fossa)에 가까이 위치하여야 할 것이다. 또는, 광학 시스템은 헤드(head) 또는 귀 뒤측(side behind ears)의 프로젝터에 있는 것이 좋다. 첫 번째 경우는 불가능하며 두 번째 경우는 불편하다.
가상 현실 시스템에서 광학 시스템의 입력 필드, 도파로에 도입될 수 있는 필드 및 도파로에서 출력되는 필드 (시야각이라고도 함)라는 3개의 필드가 구별될 수 있다. 세 필드 모두는 최적으로 계산된 시스템에서 일치한다. 따라서, 시야각 (field of view)은 도파로에 도입될 수 있은 최대 각도 치수를 의미한다.
3개의 모드가 도파로(520)의 법선에 대한 광학 시스템의 광축의 축 경사에 따라 가능하다. 이때 광학 시스템은 축 대칭일 수 있다.
도 15b는 회절 격자 구조체(510) 및 도파로(520)를 진행하는 광의 3개의 모드를 나타나는 도면이다. 도 15b에 도시된 바와 같이, 제1 모드는 광학 시스템의 광축이 회절 격자 구조체(510)에 대해 어느 한 각도(one angle)로 기울어져 있을 때의 모드이고, 제2 모드는 광학 시스템의 광축이 회절 격자 구조체(510)에 수직일 때의 모드이며, 제3 모드는 광학 시스템의 광축이 회절 격자 구조체(510)에 또 다른 각도(another angle)로 기울어져 있을 때의 모드이다.
도 16는 일 실시예에 따른 회절 격자 구조체(510)의 주파수 함수로서의 시야각 그래프를 도시한 도면이다. 곡선 1은 회절 격자 구조체(510)의 주파수 함수로서의 각도 a1 의 변화에 대응하고, 곡선 2는 회절 격자 구조체(510)의 주파수 함수로서의 각도 a2 에 대응하며, 곡선 3은 고정된 주기 격자(주기는 굴절률 프로파일의 반복 지점 사이의 거리이다.)에 대한 시야각의 변화에 대응한다.
곡선 4는 곡선 1과 2의 합으로서 주파수 조정이 가능한 회절 격자 구조체의 시야각을 정의할 수 있다.
구조적으로 광축을 하나의 각도로 비스듬하게 기울이는 것이 항상 편리하지만은 않기 때문에 사람은 중앙 구역(b)에서 매우 자주 작업해야 한다. 주파수 재조정은 회절 격자 구조체에 인가되는 전압에 의존하기 때문에 회절 격자 구조체를 사용함에 있어서, 회절 격자 구조체의 주파수를 변화시키는 것이 가능하다. 결과적으로, 곡선 4에 따라 넓은 시야각, 예를 들어, 왼쪽 그래프에 도시된 영역(a)를 획득할 수 있다. 그러나, 광학 시스템이 기울어지면 시야각은 시프트(shift)될 수 있다. 추가적인 전환(Further switching)은 회절 격자 구조체(의 주파수 변화를 가능하게 한다. 결과적으로 곡선 4에 따라 넓은 시야각, 예를 들어, 그래프의 오른쪽에 있는 대칭 영역(c)와 같은 시야각을 얻을 수 있다. 그러나, 시야각은 왼쪽으로 시프트될 것이다.
도 17는 일 실시예에 따른 시야각을 두 개의 성분으로 분할하는 예를 설명하는 참조도면이다. 회절 격자 구조체(510)가 단일 주기를 갖는다면, 회절 격자 구조체(510)은 전체 넓은 시야각을 도파로(520)에 입력시킬 수 없다. 그리하여, 큰 시야각을 복수 개의 성분으로 분할하여 순차적으로 입출력하는 것이 가능하다. 도 16에서는 하나의 시야각을 제1 모드와 제3 모드를 사용하여 두 부분으로 분할하는 것을 보여준다. 그러나, 이에 한정되지 않는다. 시야각은 두 개 이상의 부분으로 나눌 수 있음도 물론이다. 부분들 사이의 전환이 빠르면 눈은 전환을 간과하지 않고 하나의 큰 시야각으로 인식할 것이다. 두 모드 사이의 전환이 빠르면 우리는 필드 합을 얻을 수 있다. 그리하여, 눈이 간과(overlook)하지 않는 전환율이 필요하다. 예를 들어, 필드를 2 부분으로 나눌 때 스위칭 속도는 약 120 Hz인 것이 좋고, 필드를 3부분으로 나눌 대 스위칭의 속도는 약 180 Hz인 것이 좋다. 그러한 주파수에서, 사용자는 플리커 (flicker) 및 다른 부정적인 영향 없이 안정적으로 전체 시야를 인식할 것이다.
상기와 같은 시야각의 조절은 회절 격자 구조체의 주파수 즉, 주기를 조정함으로써 구현될 수 있다. 주기 또는 주파수가 조정될 수 있는 회절 격자 구조체를 동적 회절 격자 구조체라고 할 수 있다. 동적 회절 격자 구조체(100)는 앞서 기술한 간섭 패턴(132), 중합 및 전압 인가 등으로 구현될 수 있다.
도 18은 일 실시예에 따른 동적 회절 격자 구조체(600)의 구현하는 방법을 설명하는 참조도면이다. 동적 회절 격자 구조체(600)를 실현하기 위해, 전술한 간섭 광 배향 기술을 사용할 수 있다. 제1 및 제2 기판(110d, 120d) 중 적어도 하나에는 포토 디렉터층(미도시)이 도포되어 있다. 포토 디렉터층은 포토 마스크를 통해 (이 기술은 종래 기술로부터 공지 됨) 또는 간섭 패턴에 의해 트레이닝될 수 있다. 제1 및 제2 기판(110d, 120d) 사이에 액정층(140b)을 형성할 때, 포토 디렉터층 중 배향된 영역에 떨어지는 액정들은 배향되고, 배향되지 않는 영역에 떨어지는 액정들은 혼란 상태를 유지한다.
액정층(140)의 부분 중합을 위해 포토 마스크(M)를 사용할 수 있다. 전극들(150, 160)에 전압이 인가된 상태에서 액정층(140b)을 중합시킬 수 있다. 그러면, 액정층 중 포토 마스크(M)의 제1 영역(a) 아래의 영역(143)은 중합되고 포토 마스크(M)의 제2 영역(b) 아래의 영역(144)은 중합되지 않는다. 전극들(150, 160)에 전압이 인가되지 않더라도, 중합된 영역(143) 내의 액정들(11)은 항상 회전되어 있다. 포토 마스크가 도색되지 않은 제2 영역(b) 아래의 영역(144)은 중합되지 않고 액정들(11)은 내부에서 이동 가능하다. 중합되지 않는 영역(144)내의 액정들(11)은 인가된 전압에 의해 회전하고, 굴절률을 변화시킨다. 전압이 없는 경우, 액정들(11)은 원래의 상태로 되돌아 간다.
도 18의 왼쪽에 도시된 배향된 액정들(11)의 2 열에 대응하는 부분은 중합될 수 있는 폴리머들(12)와 액정들(11)의 혼합물을 사용하여 형성될 수 있다. 그리하여, 이 영역(143)에 있는 굴절률은 인가된 전압에 의존하지 않고 일정하다. 이 액정들(11)의 다음 3 열에 대응하는 부분(144)은 간섭광 배향 방법에 의해 얻어지는데, 즉, 이 부분에서 액정들(11)의 2 개의 에지 열은 혼돈된 상태로 배열되고, 인가된 전압에 응답하지 않는다. 그리고, 상기한 부분 중 가운데 열에 있는 액정들(11)만 액정들(11)의 가운데 열만이 인가된 전압에 따라 배향되어 그 자체로 굴절률을 변화시킨다. 그리하여, 아래 도시된 그래프에 반영된다. 다시 말해, 전압이 인가되지 않을 때의 회절 격자 구조체(600)의 주기는 T2이고, 전압이 인가되었을 때의 회절 격자 구조체(600)의 주기는 T1이고, 전압에 따라 회절 격자 구조체(600) 주파수 조정이 가능하다.
본 발명의 또 다른 형태는 도면 및 본 발명의 실시예의 설명을 고려하면 명백해질 것이다. 당업자는 본 발명의 다른 실시예가 가능하고 본 발명의 특정 요소가 본 발명의 사상을 벗어나지 않으면서 다수의 양태로 변형될 수 있음을 이해할 것이다. 따라서, 도면들 및 설명은 제한으로서가 아닌 예시로서 고려되어야 한다. 첨부된 청구 범위에서, 단수로 언급된 요소는 명시 적으로 다르게 언급되지 않는 한 그러한 복수의 요소의 존재를 배제하지 않는다.
100, 100a, 100b, 100c, 100d, 100e, 100f, 100g, 100h,100i, 210, 210a, 210b, 210c, 340, 340a, 340b, 510, 600: 회절 격자 구조체
110, 110a, 110b, 110c: 제1 기판
120, 120a, 120b, 120c: 제2 기판
130, 130a, 130b: 포토 디렉터층
140, 140a, 140b: 액정층
150: 제1 전극
160, 160a: 제2 전극
220, 330: 도파로

Claims (20)

  1. 이격 배치되는 제1 및 제2 기판;
    상기 제1 및 제2 기판 사이에 배치되며, 간섭 패턴이 형성된 포토 디렉터층; 및
    상기 포토 디렉터층상에 배치되며, 액정들을 포함하는 액정층;을 포함하고,
    상기 액정들은 상기 간섭 패턴에 대응하여 배향된 액정들과 혼돈된 상태로 배열된 액정들을 포함하는 회절 격자 구조체.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 배향된 액정들은
    상기 포토 디렉터층 중 상기 간섭 패턴의 강도가 0이 아닌 영역상에 배열되는 회절 격자 구조체.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 혼돈된 상태로 배열된 액정들은
    상기 포토 디렉터층 중 상기 간섭 패턴의 강도가 0인 영역상에 배열되는 회절 격자 구조체.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 포토 디렉터층은,
    폴리 이미드 물질을 포함하는 회절 격자 구조체.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 간섭 패턴은,
    서로 다른 광 특성을 갖는 복수 개의 광의 조사에 의해 형성되는 회절 격자 구조체.
  6. 제 5항에 있어서,
    상기 복수 개의 광 중 적어도 두 개는 편광 특성이 다른 회절 격자 구조체.
  7. 제 1항에 있어서,
    상기 액정층은 폴리머를 더 포함하고,
    상기 폴리머 중 적어도 일부는 중합된 회절 격자 구조체.
  8. 제 7항에 있어서,
    상기 중합된 폴리머는,
    직교 구조체로 정렬되는 회절 격자 구조체.
  9. 제 1항에 있어서,
    상기 제1 기판 및 상기 제2 기판상에 각각 배치되는 제1 및 제2 전극;을 더 포함하는 회절 격자 구조체.
  10. 제 9항에 있어서,
    상기 배향된 액정들과 상기 혼돈된 상태로 배열된 액정들은,
    상기 액정층의 두께 방향으로 상기 제1 및 제2 전극과 중첩되는 회절 격자 구조체.
  11. 제 9항에 있어서,
    상기 혼돈된 상태로 배열된 액정들은,
    상기 제1 및 제2 전극에 인가된 전압에도 혼돈된 상태를 유지하는 회절 격자 구조체.
  12. 제 9항에 있어서,
    상기 배향된 액정들은
    상기 제1 및 제2 전극에 인가되는 전압에 따라 배향 방향이 조절되는 회절 격자 구조체.
  13. 제 1항에 있어서,
    상기 회절 격자 구조체의 공간 해상도는,
    상기 회절 패턴의 해상도에 의해 결정되는 회절 격자 구조체.
  14. 제 1항에 있어서,
    상기 제1 기판은 도파로인 회절 격자 구조체.
  15. 도파로; 및
    상기 도파로 상에 배치되며, 제1항 내지 제14항 중 어느 한 항에 따른 회절 격자 구조체; 를 포함하는 증강 현실 장치.
  16. 기판상에 포터 디렉터층을 도포하는 단계;
    서로 다른 광 특성을 갖는 복수 개의 광을 상기 포토 디렉터층에 조사하여 상기 포토 디렉터층에 간섭 패턴을 형성하는 단계; 및
    상가 간섭 패턴이 형성된 포토 디렉터층상에 액정들을 배열시켜 상기 액정들 중 일부는 배향되게 배열시키고 상기 액정들 중 나머지는 혼돈된 상태로 배열시키는 단계; 을 포함하는 회절 격자 구조체의 제조 방법.
  17. 제 16항에 있어서,
    상기 액정들을 배열시키는 단계는,
    상기 포토 디렉터층 중 상기 간섭 패턴의 강도가 0이 아닌 영역상에는 상기 액정들이 배향되게 배열되고, 상기 간섭 패턴의 강도 0인 영역상에는 상기 액정들이 혼돈된 상태로 배열되는 회절 격자 구조체의 제조 방법.
  18. 제 16항에 있어서,
    상기 복수 개의 광 중 적어도 두 개는 편광 특성이 서로 다른 회절 격자 구조체의 제조 방법.
  19. 제 16항에 있어서,
    상기 복수 개의 광은,
    평면파, 구형파, 수렴파, 발산파, 평행파 중 적어도 하나의 조합인 회절 격자 구조체의 제조 방법.
  20. 제 16항에 있어서,
    상기 액정들과 폴리머를 혼합시키는 단계;를 더 포함하는 회절 격자 구조체의 제조 방법.
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