KR20200116419A - 회절 도광판 및 이를 포함하는 디스플레이 장치 - Google Patents

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KR20200116419A
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Abstract

본 발명의 일 측면에 따른 실시예는, 광을 안내하기 위한 광가이드부; 광원으로부터 출력된 광이 입력되어 상기 광가이드부 상에서 안내될 수 있도록 미리 정해진 피치로 반복 형성된 선형 격자를 구비하여 상기 입력된 광을 회절시키는 제1회절 광학소자; 및 상기 광가이드부의 일면 상에 상기 제1회절 광학소자가 배치되는 영역과 구별되는 영역에 배치되되, 제1방향을 따라 미리 정해진 피치로 반복 나열되는 가상의 제1선형 패턴과 상기 제1방향과 다른 제2방향을 따라 미리 정해진 피치로 반복 나열되는 가상의 제2선형 패턴이 상호 교차하는 영역 내에 제공되는 2차원 패턴을 구비하는 제2회절 광학소자를 포함하며, 상기 2차원 패턴의 수평단면은 타원형상이며, 상기 타원형상의 장축이 상기 제1회절 광학소자가 구비하는 선형 격자의 연장 방향과 수직한 방향과 형성하는 각도는 20°미만인, 회절 도광판을 제공한다.

Description

회절 도광판 및 이를 포함하는 디스플레이 장치{DIFFRACTIVE LIGHT GUIDE PLATE AND DISPLAY DEVICE INCLUDING THE SAME}
본 발명은 회절 도광판 및 회절 도광판을 포함하는 디스플레이 장치에 관한 것이다.
최근 증강현실(AR: Augmented Reality), 혼합현실(MR: Mixed Reality), 또는 가상현실(VR: Virtual Reality)을 구현하는 디스플레이 유닛에 관심이 커지면서, 이를 구현하는 디스플레이 유닛에 대한 연구가 활발히 이루어지고 있는 추세이다. 증강현실, 혼합현실, 또는 가상현실을 구현하는 디스플레이 유닛은 광의 파동적 성질에 기초한 회절 현상을 이용하는 회절 도광판을 포함하고 있다.
도 1은 종래기술에 따른 회절 도광판을 개략적으로 나타낸 도면이다.
이러한 회절 도광판(10)은 광가이드부(11)와, 광가이드부(11)의 일면 또는 타면 측에 마련되며 복수의 선형 격자 패턴을 갖는 복수의 회절 광학소자(12, 13, 14)를 구비할 수 있다. 구체적으로 회절 도광판(10)은 마이크로 광원출력소자(P)를 통해 출력된 광이 입력되어 광가이드부(11) 상에 안내되도록 하는 입력 회절 광학소자(12)와, 광가이드부(11)를 통해 입력 회절 광학소자(12)와 광학적으로 커플링되며 입력 회절 광학소자(12)로부터 수광된 광을 회절에 의해 제1방향(도 1에서의 x축 방향)으로의 1차원적인 확장이 이루어질 수 있도록 하는 중간 회절 광학소자(13) 및 광가이드부(11)를 통해 중간 회절 광학소자(13)와 광학적으로 커플링되며 중간 회절 광학소자(13)로부터 수광된 광을 회절에 의해 제2방향(도 1에서의 y축 방향)으로의 1차원적인 확장이 이루어진 채 광가이드부(11)로부터 출력되어 사용자의 동공으로 향할 수 있도록 하는 출력 회절 광학소자(14)를 구비할 수 있다.
마이크로 광원출력소자(P)를 통해 출력된 광의 사용자의 동공으로 도달하기 위한 주된 광경로는, 입력 회절 광학소자(12) - 중간 회절 광학소자(13) - 출력 회절 광학소자(14) - 사용자의 동공 순이므로, 출력 회절 광학소자(14)를 통해 광가이드부(11)에서 출력되는 광이미지의 크기는 출력 회절 광학소자(14)가 차지하는 면적에 좌우된다.
한편, 종래기술에 따른 회절 도광판의 경우에는 단일 입력 회절 광학소자(12), 단일 중간 회절 광학소자(13) 및 단일 출력 회절 광학소자(14)가 광가이드부(11) 상에서 서로 분리되어 배치되므로, 광가이드부(11) 상에서 출력 회절 광학소자(14)가 차지하는 면적은 광가이드부(11) 상에서 입력 회절 광학소자(12) 및 중간 회절 광학소자(13)가 차지하는 면적을 제외한 면적으로 제한될 수밖에 없어, 보다 큰 광이미지를 출력하는데는 한계가 따랐다.
이러한 한계를 해결하기 위하여 도 2에 도시된 바와 같은 구조의 회절 도광판이 고려될 수 있다.
도 2는 광가이드부(21), 입력 회절 광학소자(22) 및 서로 다른 선형 격자 패턴을 가지며 맞닿아 있는 두 개의 회절 광학소자(23, 24)를 포함하는 회절 도광판을 도시한다.
도 3a는 도 2에 도시된 회절 도광판을 통해 진행되는 광경로의 일 예를 개략적으로 도시한 평면도이며, 도 3b는 도 2에 도시된 회절 도광판을 통해 진행되는 광경로의 다른 예를 개략적으로 도시한 평면도이다.
광가이드부(21)는 내부 전반사를 이용하여 내부에서 광을 안내한다.
입력 회절 광학소자(22)는 광원으로부터 출력된 광(L1, L1a, L1b)이 입력되어 광가이드부(21) 상에서 안내될 수 있도록 입력된 광(L1, L1a, L1b)을 회절시킬 수 있다.
두 개의 회절 광학소자(23, 24)는 회절된 광(L2a, L2b)을 수광하고 수광된 광이 회절에 의해 1차원적으로 확장될 수 있도록 구성될 수 있다. 입력 회절 광학소자(22)로부터 수광된 회절광(L2a, L2b)은 다른 회절 광학소자(23, 24)를 거치면서 일부는 회절되어 광경로가 변경되며, 나머지는 기존 광경로로 전반사될 수 있는데, 입력 회절 광학소자(22)로부터 최초 수광된 광은 이러한 회절이 특정 방향으로 이격된 지점에서 복수 회 이루어지면서 복수의 빔(L3a, L3b)으로 분할될 수 있기 때문에, 결국 1차원적인 확장이 이루어질 수 있다.
두 개의 회절 광학소자(23, 24) 각각은 다른 회절 광학소자(24, 23)로부터 확장된 광(L3b, L3a)을 수광하고 수광된 광(L3b, L3a)이 회절에 의해 광가이드부(21)로부터 출력되도록 구성될 수 있다. 한편, 두 개의 회절 광학소자(23, 24) 각각 또한 다른 회절 광학소자(24, 23)로부터 확장된 광(L3b, L3a)을 수광하고 수광한 광을 회절에 의해 1차원적으로 확장할 수 있다. 이 때 두 개의 회절 광학소자(23,24) 각각의 수광측(C) 기준으로, 다른 회절 광학소자(24, 23)에 의해 확장된 광이 형성하는 복수의 빔(L3b, L3a)이 이격되어 있는 방향과, 단일 빔(L3b, L3a) 기준 두 개의 회절 광학소자(23, 24)에 의해 확장된 복수의 빔(L4b, L4a)이 이격되어 있는 방향은 서로 교차하게 되므로, 결국 광원으로부터 입력 회절 광학소자(120)가 수광하는 광(L1a, L1b) 기준으로는 2차원적인 확장이 이루어지게 된다.
두 개의 회절 광학소자(23, 24) 각각은 다른 회절 광학소자(24, 23)로부터 확장된 광(L3b, L3a)을 수광하는 수광측(C)이 다른 회절 광학소자(24, 23)의 수광측(C)에 맞닿아 있도록 구성될 수 있다. 광원으로부터 출력된 광은 입력 회절 광학소자(22) - 두 개의 회절 광학소자(23, 24) - 다른 회절 광학소자(24, 23)을 거쳐 광가이드부(110)로부터 출력되는데, 이렇게 광가이드부(110)로부터 출력되는 광은 다른 회절 광학소자(24, 23) 각각에 의해 출력된 광이 모여 하나의 이미지광을 형성할 수 있다.
즉, 두 개의 회절 광학소자(23, 24)를 모두 출력 회절 광학소자로 이용하기 때문에 도 1에 도시된 바와 같이, 단일 출력 회절 광학소자를 이용하는 경우보다 공간을 효율적으로 이용하면서도 시야각이 더 큰 이미지광을 형성할 수 있다.
도 4는 도 3a 및/또는 도 3b에 도시된 회절 도광판을 Ⅲ-Ⅲ' 선을 따라 절취한 단면도이다.
두 개의 회절 광학소자(23, 24) 각각을 통해 회절되어 광가이드부(21)로부터 출력되는 광은 광가이드부(21)의 일면에 대해 소정의 출사각(θ, θ')으로 출력될 수 있다. 도 4 기준으로, 상측에 위치한 회절 광학소자(23)에 의해 회절되어 출력되는 광(L4a)는 광가이드부(21)의 일면에 대해 소정의 출사각(θ)을 가지고 하방으로 기울어져 출력되며, 하측에 위치한 회절 광학소자(24)에 의해 회절되어 출력되는 광(L4b)는 광가이드부(21)의 일면에 대해 소정의 출사각(θ')을 가지고 상방으로 기울어져 출력될 수 있다.
광가이드부(21)의 일면으로부터 소정 거리 이격된 위치에서, 상측에 위치한 회절 광학소자(23)에 의해 회절되어 출력되는 광(L4a)과 하측에 위치한 회절 광학소자(24)에 의해 회절되어 출력되는 광(L4b)은 서로 교차되는 교차영역(I)을 형성한다. 광가이드부(21)의 일면으로부터 이격된 거리가 사용자의 동공이 위치하는 아이 릴리프(Eye Relief) 만큼의 거리라면, 사용자의 동공은 교차영역(I)에 위치하여야 사용자는 전체 영역 중 어둡게 보이는 부분 없이 정상적인 이미지광을 시인할 수 있다. 만약, 사용자의 동공이 교차영역(I)의 상측에 위치한 영역(A)에 위치하면 하측에 위치한 회절 광학소자(24)에 의해 회절되어 출력되는 광(L4b)이 사용자에 의해 시인될 수 없어 사용자에 의해 시인되는 이미지광은 Ⅲ-Ⅲ' 선 단면 기준으로 하방이 어둡게 보일 수 있다. 반대로, 사용자의 동공이 교차영역(I)의 하측에 위치한 영역(B)에 위치하면 상측에 위치한 회절 광학소자(23)에 의해 회절되어 출력되는 광(L4a)이 사용자에 의해 시인될 수 없어 사용자에 의해 시인되는 이미지광은 Ⅲ-Ⅲ' 선 단면 기준으로 상방이 어둡게 보일 수 있다.
회절 도광판을 구비하는 디스플레이 유닛을 이용하는 사용자들은 개별 신체적 특성에 의해 광가이드부의 일면 측 상하 방향 기준으로 동공이 위치할 수 있는 지점이 다양할 수 있다. 따라서, 정상적인 이미지광을 시인할 수 있는 영역인 아이모션박스(Eye Motion Box)와 관련된 교차영역(I)을 상하로 길게 형성할 수 있는 회절 도광판의 구조가 요구된다.
전술한 배경기술은 발명자가 본 발명의 실시예들의 도출을 위해 보유하고 있었거나, 도출 과정에서 습득한 기술 정보로서, 반드시 본 발명의 실시예들의 출원 전에 일반 공중에게 공개된 공지기술이라 할 수는 없다.
본 발명은 시야각 및 아이모션박스를 크게 형성할 수 있는 회절 도광판 및 그 회절 도광판을 포함하는 디스플레이 장치를 제공하고자 한다.
다만, 본 발명이 해결하고자 하는 과제는 상기 언급한 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 하기의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명의 일 측면에 따른 실시예는, 광을 안내하기 위한 광가이드부; 광원으로부터 출력된 광이 입력되어 상기 광가이드부 상에서 안내될 수 있도록 미리 정해진 피치로 반복 형성된 선형 격자를 구비하여 상기 입력된 광을 회절시키는 제1회절 광학소자; 및 상기 광가이드부의 일면 상에 상기 제1회절 광학소자가 배치되는 영역과 구별되는 영역에 배치되되, 제1방향을 따라 미리 정해진 피치로 반복 나열되는 가상의 제1선형 패턴과 상기 제1방향과 다른 제2방향을 따라 미리 정해진 피치로 반복 나열되는 가상의 제2선형 패턴이 상호 교차하는 영역 내에 제공되는 2차원 패턴을 구비하는 제2회절 광학소자를 포함하며, 상기 2차원 패턴의 수평단면은 타원형상이며, 상기 타원형상의 장축이 상기 제1회절 광학소자가 구비하는 선형 격자의 연장 방향과 수직한 방향과 형성하는 각도는 20°미만인, 회절 도광판을 제공한다.
본 실시예에 있어서, 상기 2차원 패턴은 상기 광가이드부의 일면으로부터 돌출 형성될 수 있다.
본 실시예에 있어서, 상기 2차원 패턴의 돌출 높이는, 상기 광원으로부터 출력된 광의 파장 대비 0.084 내지 0.113 배일 수 있다.
본 실시예에 있어서, 상기 타원 형상의 장축은, 상기 선형 격자 및 상기 선형 패턴의 피치 대비 0.50 내지 0.921 배일 수 있다.
본 실시예에 있어서, 상기 타원 형상의 단축은, 상기 선형 격자 및 상기 선형 패턴의 피치 대비 0.084 내지 0.113 배일 수 있다.
본 실시예에 있어서, 상기 선형 격자 및 상기 선형 패턴은 각각의 피치에 반비례하는 크기 및 상기 선형 격자 및 선형 패턴이 연장된 방향과 수직한 방향으로 정의되는 격자 벡터를 가지며, 상기 제1회절 광학소자의 선형 격자, 상기 제2회절 광학소자의 상기 제1선형 패턴 및 상기 제2선형 패턴 각각의 격자 벡터의 합은 0의 크기를 가질 수 있다.
본 실시예에 있어서, 상기 제1회절 광학소자의 선형 격자, 상기 제2회절 광학소자의 상기 제1선형 패턴 및 상기 제2선형 패턴 각각의 격자 벡터는 서로 동일한 크기를 가질 수 있다.
본 실시예에 있어서, 상기 제1회절 광학소자의 선형 격자, 상기 제2회절 광학소자의 상기 제1선형 패턴 및 상기 제2선형 패턴 각각의 격자 벡터는 서로 60 °의 각을 형성할 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따른 실시예는 영상을 형성하는 영상광을 출력하는 광원; 및 본 발명의 일 측면에 따른 회절 도광판을 포함하는 디스플레이 장치를 제공한다.
본 발명의 실시예에 따르면, 제2회절 광학소자 전 영역에 걸쳐 배치된 2차원 패턴에 의해 구성된 제1격자 및 제2격자 각각에 의해 제1회절 광학소자로부터 수광된 광을 확장하고 또한 확장된 영상광을 출력하므로, 시야각을 크게 형성할 수 있고 또한 아이모션박스 또한 넓게 형성하여 다양한 신체 조건을 가지는 사용자의 동공들에 폭넓게 대응 가능하다는 장점이 있다.
도 1은 종래기술에 따른 회절 도광판을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 2는 광가이드부, 입력 회절 광학소자 및 서로 다른 선형 격자 패턴을 가지며 맞닿아 있는 두 개의 회절 광학소자를 포함하는 회절 도광판을 도시한다.
도 3a는 도 2에 도시된 회절 도광판을 통해 진행되는 광경로의 일 예를 개략적으로 도시한 평면도이다.
도 3b는 도 2에 도시된 회절 도광판을 통해 진행되는 광경로의 다른 예를 개략적으로 도시한 평면도이다.
도 4는 도 3a 및/또는 도 3b에 도시된 회절 도광판을 Ⅳ-Ⅳ' 선을 따라 절취한 단면도이다.
도 5는 본 발명의 일 측면에 따른 회절 도광판을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 6은 도 5에 도시된 회절 도광판 중 제2회절 광학소자 영역의 일부를 도시한 도면이다.
도 7a는 제1회절 광학소자에 포함된 선형 격자의 평면도이며, 도 7b는 제2회절 광학소자 상의 제1선형 패턴의 평면도이고, 도 7c는 제2회절 광학소자 상의 제2선형 패턴의 평면도이다.
도 8 은 본 발명의 일 측면에 따른 회절 도광판이 포함하는 제1회절 광학소자의 선형 격자, 제2회절 광학소자의 제1선형 패턴 및 제2선형 패턴 각각의 격자 벡터들의 조합을 도시한 도면이다.
도 9a 내지 도 9k는 제2회절 광학소자의 소정 영역에 있어, 2차원 패턴의 가로, 세로 길이 및 돌출높이에 따라 출력되는 광의 시뮬레이션 결과를 기초로 광량 분포의 균일도를 나타낸 도면이다.
도 9l 내지 도 9n은 제2회절 광학소자의 소정 영역에 있어, 2차원 패턴의 가로 길이의 방향에 따라 출력되는 광의 시뮬레이션 결과를 기초로 광량 분포의 균일도를 나타낸 도면이다.
도 10a는 본 발명의 일 측면 따른 회절 도광판의 일 실시예의 제2회절 광학소자에서 출력되는 광을 촬상한 이미지이며, 도 10b는 2차원 패턴의 수평단면이 원형인 회절 도광판의 비교예의 제2회절 광학소자에서 출력되는 광을 촬상한 이미지이다.
본 발명은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 한편, 본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함한다(comprises)" 및/또는 "포함하는(comprising)"은 언급된 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자는 하나 이상의 다른 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다. 제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 구성요소들은 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
본 명세서에서, 용어 "광가이드부"는 내부 전반사를 이용하여 내부에서 광을 안내하는 구조로 정의될 수 있다. 내부 전반사를 위한 조건은 광가이드부의 굴절률이 광가이드부의 표면에 인접한 주변 매체의 굴절률보다 커야 한다. 광가이드부는 유리 및/또는 플라스틱 소재를 포함하여 형성될 수 있으며, 투명 또는 반투명할 수 있다. 광가이드부는 플레이트 타입에 다양한 레이아웃으로 형성될 수 있다. 여기서, 용어 "플레이트"는 일면 및 그 반대측인 타면 사이에 소정의 두께를 가지는 3차원 구조체를 의미하며, 그 일면 및 타면은 실질적으로 평탄한 평면일 수도 있지만, 그 일면 및 타면 중 적어도 하나의 면은 1차원적 또는 2차원적으로 만곡되어 형성될 수 있다. 예를 들어, 플레이트 타입의 광가이드부는 1차원적으로 만곡되어 그 일면 및/또는 타면이 원기둥의 측면 중 일부와 대응되는 형상을 가질 수 있다. 다만, 그 만곡에 의해 형성되는 곡률은 광가이드부 상에서 광을 안내하기 위해 내부 전반사가 용이하도록 충분히 큰 곡률 반경을 갖는 것이 바람직하다.
본 명세서에서, 용어 "회절 광학소자"는 광가이드부 상에서 광을 회절시켜 광경로를 변경하기 위한 구조로 정의될 수 있다. 여기서, "회절 광학소자"는 광가이드부 상에 일방향으로 배향된 선형 격자가 미리 정한 방향으로 배열되어 패턴을 가지면서 소정의 면적을 형성하는 부분을 의미할 수 있다. 또 다른 예로, "회절 광학소자"는 광가이드부의 일면 상에 돌출 형성된 돌출 패턴 또는 그 일면 상에 오목 형성된 오목 패턴이 소정의 규칙을 가지고 배열되어 소정의 면적을 형성하는 부분을 의미할 수도 있다.
본 명세서에서, 용어 "선형 격자"는 광가이드부 표면 상에 소정의 높이를 가지는 돌기 형태(즉, 양각 패턴) 및/또는 광가이드부 표면 상에 소정의 깊이를 가지는 홈 형태(즉, 음각 패턴)를 의미할 수 있다. 여기서, 선형 격자의 배향 방향은 회절 광학소자에 의한 회절을 통해 의도한 방향으로 광경로가 변경될 수 있도록 자유롭게 설계될 수 있다.
도 5 내지 도 8을 참조하면, 회절 도광판(100)은, 광가이드부(110), 제1회절 광학소자(120) 및 제2회절 광학소자(130)을 포함할 수 있다.
광가이드부(110)는 내부 전반사를 이용하여 내부에서 광을 안내할 수 있다.
제1회절 광학소자(120)는 광원으로부터 출력된 광이 입력되어 광가이드부(110) 상에서 안내될 수 있도록 입력된 광을 회절시킬 수 있다. 이러한 제1회절 광학소자(120)는 미리 정해진 피치로 반복 형성된 선형 격자(121)를 구비할 수 있다.
이러한 입력 회절 광학소자(120)는 광가이드부(110)의 일면(110a) 또는 타면(110b) 상에 배치될 수 있다.
제2회절 광학소자(130)는 광가이드부(110)의 일면(110a) 또는 타면(110b) 상에 제1회절 광학소자(120)가 배치되는 영역과 구별되는 영역에 배치될 수 있다.
제2회절 광학소자(130)가 배치되는 영역 내에는 제1방향을 따라 미리 정해진 피치로 반복 나열되는 가상의 제1선형 패턴(L1)과 제1방향과 다른 제2방향을 따라 미리 정해진 피치로 반복 나열되는 가상의 제2선형 패턴(L2)이 상호 교차하는 영역이 정의될 수 있다. 제1방향은 제1선형 패턴(L1)이 연장된 방향과 수직한 방향으로 정의될 수 있으며, 제2방향은 제2선형 패턴(L2)이 연장된 방향과 수직한 방향으로 정의될 수 있다.
제1회절 광학소자(120)는 선형 격자(121)로 1차원 패턴을 구비하는 반면 제2회절 광학소자(130)는 상기 교차 영역 내에 제공되는 2차원 패턴(131)을 구비할 수 있다. 여기서, 2차원 패턴은 광가이드부의 일면(110a) 또는 타면(110b) 상에 돌출 형성된 돌출 패턴 또는 오목 형성된 오목 패턴일 수 있다. 본 실시예에서, 2차원 패턴은 돌출 패턴인 것을 중심으로 설명하기로 한다.
2차원 패턴(131)들은 제1선형 패턴(L1) 및 2선형 패턴(L2)가 교차하는 교차 영역 내에 제공되기 때문에, 2차원 패턴(131)들은 제1선형 패턴(L1)과 평행한 제1격자(L1')를 구성함과 동시에 제2선형 패턴(L2)과 평행한 제2격자(L2')를 구성할 수 있다.
제1격자(L1') 및 제2격자(L2') 각각은 제1회절 광학소자(120)로부터 광을 수광하고 수광된 광이 회절에 의해 다른 종류의 격자(L2', L1')를 향할 수 있도록 구성될 수 있다. 또한, 제1격자(L1') 및 제2격자(L2') 각각은 제1회절 광학소자(120)로부터 회절된 광을 수광하고 수광된 광이 회절에 의해 1차원적으로 확장될 수 있도록 구성될 수 있다. 제1회절 광학소자(120)로부터 수광된 회절광은 제1격자(L1') 및/또는 제2격자(L2')를 거치면서 일부는 회절되어 광경로가 변경되며, 나머지는 기존 광경로로 전반사될 수 있는데, 입력 회절 광학소자(120)로부터 최초 수광된 광은 이러한 회절이 특정 방향으로 이격된 지점에서 복수 회 이루어지면서 복수의 빔으로 분할될 수 있기 때문에, 결국 1차원적인 확장이 이루어질 수 있다.
제1격자(L1') 및 제2격자(L2') 각각은 다른 종류의 격자(L2', L1')로부터 확장된 광을 수광하고 수광된 광이 회절에 의해 광가이드부(110)로부터 출력되도록 구성될 수 있다. 한편, 제1격자(L1') 및 제2격자(L2') 각각 또한 다른 종류의 격자(L2', L1')로부터 확장된 광을 수광하고 수광한 광을 회절에 의해 1차원적으로 확장할 수 있다. 이 때 제1회절 광학소자(120)로부터 수광되어 제1격자(L1') 및/또는 제2격자(L2')에 의해 확장된 광이 형성하는 복수의 빔이 이격되어 있는 방향과, 다른 종류의 격자(L2', L1')로부터 수광되어 제1격자(L1') 및/또는 제2격자(L2')에 의해 확장된 복수의 빔이 이격되어 있는 방향은 서로 교차하게 되므로, 결국 제1격자(L1') 및 제2격자(L2')에 의해 확장된 복수의 빔들에 의해 출력된 광은, 광원으로부터 제1회절 광학소자(120)가 수광하는 광 기준으로 2차원적인 확장이 이루어진 것으로 취급할 수 있다.
상기 선형 격자(121) 및 선형 패턴(L1, L2) 각각은 각각의 피치(P1, P2, P3)에 반비례하는 '크기' 및 선형 격자들이 연장된 방향과 수직한 '방향'으로 정의되는 격자 벡터(V1, V2, V3)를 가질 수 있다. 여기서, 선형 패턴(L1, L2)는 격자(L1', L2')로 대체될 수 있다. 격자 벡터(V1, V2, V3)의 크기는 아래의 수학식 1로 정의될 수 있다.
[수학식 1]
Figure pat00001
여기서,
Figure pat00002
는 격자 벡터 크기를 의미하며, P 는 선형 격자, 선형 패턴 및/또는 격자들의 피치를 의미한다.
제1회절 광학소자(120)의 선형 격자(121), 제2회절 광학소자(130)의 제1선형 패턴(L1) 및 제2선형 패턴(L2) 각각의 격자 벡터(V1, V2, V3)의 합은 0의 크기를 가진다. 마찬가지로, 제1회절 광학소자(120)의 선형 격자(121), 제2회절 광학소자(130)의 제1격자(L1') 및 제2격자(L2') 각각의 격자 벡터(V1, V2, V3)의 합은 0의 크기를 가진다.
이 때, 제1회절 광학소자(120)의 선형 격자(121), 제2회절 광학소자(130)의 제1선형 패턴(L1) 및 제2선형 패턴(L2) 각각의 격자 벡터(V1, V2, V3)는 서로 동일한 크기를 가지고, 제1회절 광학소자(120)의 선형 격자(121), 제2회절 광학소자(130)의 제1선형 패턴(L1) 및 제2선형 패턴(L2) 각각의 격자 벡터(V1, V2, V3)는 서로 60 °의 각을 형성하는 것이 바람직하다. 동일한 피치의 격자 패턴을 가지는 하나의 몰드에 의해 각각의 회절 광학소자들(120, 130)을 모두 성형할 수 있기 때문이다.
일 실시예로서, 제1회절 광학소자(120) 는 도 7a에 도시된 바와 같이, x축과 나란한 수평선(H)과 90˚의 각도를 이루는 선형 격자(121)를 가지고, 제2회절 광학소자(130)는 도 7b에 도시된 바와 같이, x축과 나란한 수평선(H)과 - 30˚의 각도를 이루는 제1선형 패턴(L1) 및/또는 제1격자(L1')와 도 7c에 도시된 바와 같이, x축과 나란한 수평선(H)과 + 30˚의 각도를 이루는 제2선형 패턴(L2) 및/또는 제2격자(L2')을 가질 수 있다. 각각의 피치(P1, P2, P3)는 모두 동일하여 이에 의한 각각의 격자 벡터(V1, V2, V3)의 크기는 모두 동일하다. 격자 벡터(V1, V2, V3)의 방향은 각각의 선형 격자, 선형 패턴, 격자들이 연장된 방향과 수직하기 때문에, 제1회절 광학소자(120)의 선형 격자(121)의 격자 벡터(V1) 방향은 x 축 방향과 평행하며, 제2회절 광학소자(130)의 제1선형 패턴(L1) 및/또는 제1격자(L1')의 격자 벡터(V2) 방향은 x축 방향에 대해 -120˚의 각도를 이루며, 제2회절 광학소자(130)의 제2선형 패턴(L2) 및/또는 제2격자(L2')의 격자 벡터(V3) 방향은 x축 방향에 대해 +120˚의 각도를 이룰 수 있다. 이로써, 제1회절 광학소자(120)의 선형 격자(121), 제2회절 광학소자(130)의 제1선형 패턴(L1) 및 제2선형 패턴(L2) 각각의 격자 벡터(V1, V2, V3)는 서로 60 °의 각을 형성하여, 각각의 격자 벡터(V1, V2, V3)의 합은 0의 크기를 가지게 된다. 아울러, 제1회절 광학소자(120)의 선형 격자(121), 제2회절 광학소자(130)의 제1격자(L1') 및 제2격자(L2') 각각의 격자 벡터(V1, V2, V3)는 서로 60 °의 각을 형성하여, 각각의 격자 벡터(V1, V2, V3)의 합은 0의 크기를 가지게 된다.
한편, 제2회절 광학소자(120)가 배치되는 영역에서는 회절에 의한 광들이 광가이드부(110)를 통해 출력되기 때문에, 출력되는 광들의 광량이 제2회절 광학소자(120)가 배치되는 영역에 걸쳐 균일하게 유도할 수 있는 2차원 패턴의 형상을 결정할 필요가 있다.
도 9a 내지 9k는 제2회절 광학소자의 소정 영역에 있어, 2차원 패턴의 가로, 세로 길이 및 돌출높이에 따라 출력되는 광의 시뮬레이션 결과를 기초로 광량 분포의 균일도를 나타낸 도면이다.
광량 분포의 균일도는 아래의 수학식 2로 정의될 수 있다.
[수학식 2]
U = 1 - ((Imax - Imin) / (Imax + Imin))
여기서, U는 소정 영역에서의 광량 분포의 균일도, Imax 는 소정 영역에서 단위면적당 광량이 가장 높은 수치, Imin 은 소정 영역에서 단위면적당 광량이 가장 낮은 수치를 나타낸다. I의 단위는 (V/m)2 이다.
2차원 패턴(131)의 가로 길이(Lx)는 제1회절 광학소자(120)가 구비하는 선형 격자(121)의 연장 방향과 수직에 가까운 방향의 길이이며, 2차원 패턴(131)의 세로 길이(Ly)는 제1회절 광학소자(120)가 구비하는 선형 격자(121)의 연장 방향과 평행에 가까운 방향의 길이를 의미한다. 여기서, 소정의 방향과 수직 또는 평행에 가깝다는 의미는 실질적으로 소정의 방향과 수직 또는 평행하다는 의미이며, 바람직하게는 소정의 방향과 20 °이하의 각도를 이루고, 더욱 바람직하게는 소정의 방향과 5 °이하의 각도를 이루는 것을 의미한다.
도 9a 는 2차원 패턴(131)의 돌출높이가 40nm 인 경우의 광량 분포의 균일도를 나타낸 것이며, 도 9b 부터 2차원 패턴(131)의 돌출높이를 5nm씩 늘려가 도 9k는 2차원 패턴(131)의 돌출높이가 90nm 인 경우의 광량 분포의 균일도를 나타낸 것이다.
본 시뮬레이션에서 이용된 광의 파장은 532 nm 이며, 선형 격자, 선형 패턴 및/또는 격자들의 피치는 365 nm 이다.
대체적으로 2차원 패턴(131)의 세로 길이(Ly)가 가로 길이(Lx)보다 더 긴 경우 및 세로 길이(Ly)와 가로 길이(Lx)가 같은 경우에는 광량 분포의 균일도가 0에 가까운 결과를 보였다.
2차원 패턴(131)의 가로 길이(Lx)가 세로 길이(Ly)보다 긴 경우에는 광량 분포의 균일도가 다른 형상보다 더 높게 형성되었으며, 가로 길이(Lx) 및 세로 길이(Ly)의 정도에 따라 광량 분포의 균일도는 편차를 보이나, 가로 길이(Lx)가 420nm 인 경우 대체적으로 광량 분포의 균일도는 다른 경우에 비해 높은 균일도를 보였다.
2차원 패턴(131)의 돌출높이가 40nm 인 경우에는 가로 길이(Lx) 및 세로 길이(Ly) 정도에 무관하게 광량 분포의 균일도는 0에 수렴하여 2차원 패턴(131)의 돌출높이는 소정 이상의 높이를 확보하여야 함을 도출할 수 있었다.
도 9a 내지 도 9k에 도시된 결과를 살펴보면, 2차원 패턴(131)의 돌출 높이가 45 내지 60 nm 인 경우 광량 분포의 균일도가 0.4 이상 수준을 보이는 2차원 패턴(131)의 세로 길이(Ly) 및 가로 길이(Lx)의 조합이 다수 도출되는 것으로 확인된다. 광량 분포의 균일도가 같은 경우, 2차원 패턴의 돌출 높이는 이용되는 광의 파장에 비례하는 것이 일반적이다.
본 시뮬레이션에 이용되는 광의 파장은 532 nm 이므로, 광량 분포의 균일도가 0.4 이상 수준을 보이려면 2차원 패턴의 돌출 높이는 이용되는 광의 파장의 0.084 내지 0.113 배인 것이 바람직하다.
그리고 도 9a 내지 도 9k에 도시된 결과를 살펴보면, 2차원 패턴(131)의 세로 길이(Ly)가 189 nm 내지 336 nm 인 경우 광량 분포의 균일도가 0.4 이상 수준을 보이는 2차원 패턴(131)의 세로 길이(Ly) 및 가로 길이(Lx)의 조합이 다수 도출되는 것으로 확인된다.
본 시뮬레이션에 이용되는 선형 격자, 선형 패턴 및/또는 격자들의 피치는 365 nm 이므로, 광량 분포의 균일도가 0.4 이상 수준을 보이려면 2차원 패턴의 세로 길이(Ly)는 선형 격자, 선형 패턴 및/또는 격자들의 피치 대비 0.50 내지 0.921 배인 것이 바람직하다.
그리고 도 9a 내지 도 9k에 도시된 결과를 살펴보면, 2차원 패턴(131)의 가로 길이(Lx)가 420 nm 내지 483 nm 인 경우 광량 분포의 균일도가 0.4 이상 수준을 보이는 2차원 패턴(131)의 세로 길이(Ly) 및 가로 길이(Lx)의 조합이 다수 도출되는 것으로 확인된다.
본 시뮬레이션에 이용되는 선형 격자, 선형 패턴 및/또는 격자들의 피치는 365 nm 이므로, 광량 분포의 균일도가 0.4 이상 수준을 보이려면 2차원 패턴의 가로 길이(Lx)는 선형 격자, 선형 패턴 및/또는 격자들의 피치 대비 0.150 내지 1.324 배인 것이 바람직하다.
한편, 도 9c 는 2차원 패턴(131)의 돌출높이가 50nm 인 경우이고, 2차원 패턴의 가로 길이(Lx) 부분이 제1회절 광학소자(120)가 구비하는 선형 격자(121)의 연장 방향과 90 °를 이루고 있을 때의 광량 분포의 균일도를 나타낸 것이고, 도 9l은 도 9c 대비 2차원 패턴의 가로 길이(Lx) 부분이 제1회절 광학소자(120)가 구비하는 선형 격자(121)의 연장 방향과 수직한 방향 기준 반시계 방향으로 10°만큼 회전된 상태일 때의 광량 분포의 균일도를 나타낸 것이고, 도 9m은 도 9c 대비 2차원 패턴의 가로 길이(Lx) 부분이 제1회절 광학소자(120)가 구비하는 선형 격자(121)의 연장 방향과 수직한 방향 기준 반시계 방향으로 18°만큼 회전된 상태일 때의 광량 분포의 균일도를 나타낸 것이며, 도 9n은 도 9c 대비 2차원 패턴의 가로 길이(Lx) 부분이 제1회절 광학소자(120)가 구비하는 선형 격자(121)의 연장 방향과 수직한 방향 기준 반시계 방향으로 20°만큼 회전된 상태일 때의 광량 분포의 균일도를 나타낸 것이다.
도 9c 및 도 9l 내지 도 9m을 살펴보면, 2차원 패턴의 가로 길이(Lx) 부분이 제1회절 광학소자(120)가 구비하는 선형 격자(121)의 연장 방향과 수직하거나, 2차원 패턴의 가로 길이(Lx) 부분이 제1회절 광학소자(120)가 구비하는 선형 격자(121)의 연장 방향과 수직한 방향 기준 20°미만만큼 회전된 상태일 때의 광량 분포의 균일도가 0 을 초과하여 달성될 수 있다.
종합해보면, 제2회절 광학소자(130)가 배치된 영역 전체적으로 광이 균일하게 출력되기 위해서는 2차원 패턴(131)의 수평단면은 타원형상이고, 타원형상의 장축은 제1회절 광학소자(120)가 구비하는 선형 격자(121)의 연장 방향과 수직한 방향과 20 °미만의 각도를 형성하는 것이 바람직하다.
본 발명의 다른 측면에 따른 디스플레이 장치(미도시)는 영상을 형성하는 영상광을 출력하는 광원(미도시)과, 본 발명의 일 측면에 따른 회절 도광판(100)을 포함할 수 있다. 광원으로부터 출력된 영상광은 제1회절 광학소자(120)에 입력 및 회절되어 제2회절 광학소자(130)의 제1격자(L1') 및 제2격자(L2')에 커플링되며, 제1격자(L1') 및 제2격자(L2')는 커플링되어 수광된 광을 회절시켜 1차원적으로 확장하며, 1차원적으로 확장된 광은 다른 종류의 격자(L2', L1')에 커플링되고 회절에 의해 광가이드부(110)로부터 출력될 수 있다. 제2회절 광학소자(120) 전 영역에 걸쳐 배치된 2차원 패턴에 의해 구성된 제1격자(L1') 및 제2격자(L2') 각각에 의해 제1회절 광학소자(120)로부터 수광된 광을 확장하고 또한 확장된 영상광을 출력하므로, 시야각을 크게 형성할 수 있고 또한 아이모션박스 또한 넓게 형성하여 다양한 신체 조건을 가지는 사용자의 동공들에 폭넓게 대응 가능하다는 장점이 있다.
도 10a는 본 발명의 일 측면에 따른 회절 도광판의 일 실시예의 제2회절 광학소자에서 출력되는 광을 촬상한 이미지이며, 도 10b는 2차원 패턴의 수평단면이 원형인 회절 도광판의 비교예의 제2회절 광학소자에서 출력되는 광을 촬상한 이미지이다.
비교예의 제2회절 광학소자에서 출력되는 광은 상하 방향 보다는 좌우 방향에 치중되어 광이 출력되는 반면, 본 발명의 실시예의 제2회절 광학소자에서 출력되는 광은 좌우 방향을 포함하여 상하 방향으로도 광이 분포되어 균일하게 출력되는 것을 확인할 수 있다.
비록 본 발명이 상기 언급된 바람직한 실시예와 관련하여 설명되었지만, 발명의 요지와 범위로부터 벗어남이 없이 다양한 수정이나 변형을 하는 것이 가능하다. 따라서 첨부된 특허청구의 범위에는 본 발명의 요지에 속하는 한 이러한 수정이나 변형을 포함할 것이다.
100 : 회절 도광판
110 : 광가이드부
120 : 제1회절 광학소자
121 : 선형 격자
130 : 제2회절 광학소자
131 : 2차원 패턴
L1 : 제1선형 패턴
L2 : 제2선형 패턴
L1' : 제1격자
L2' : 제2격자

Claims (9)

  1. 광을 안내하기 위한 광가이드부;
    광원으로부터 출력된 광이 입력되어 상기 광가이드부 상에서 안내될 수 있도록 미리 정해진 피치로 반복 형성된 선형 격자를 구비하여 상기 입력된 광을 회절시키는 제1회절 광학소자; 및
    상기 광가이드부의 일면 상에 상기 제1회절 광학소자가 배치되는 영역과 구별되는 영역에 배치되되, 제1방향을 따라 미리 정해진 피치로 반복 나열되는 가상의 제1선형 패턴과 상기 제1방향과 다른 제2방향을 따라 미리 정해진 피치로 반복 나열되는 가상의 제2선형 패턴이 상호 교차하는 영역 내에 제공되는 2차원 패턴을 구비하는 제2회절 광학소자를 포함하며,
    상기 2차원 패턴의 수평단면은 타원형상이며, 상기 타원형상의 장축이 상기 제1회절 광학소자가 구비하는 선형 격자의 연장 방향과 수직한 방향과 형성하는 각도는 20°미만인, 회절 도광판.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 2차원 패턴은 상기 광가이드부의 일면으로부터 돌출 형성된, 회절 도광판.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 2차원 패턴의 돌출 높이는, 상기 광원으로부터 출력된 광의 파장 대비 0.084 내지 0.113 배인, 회절 도광판.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 타원 형상의 장축은, 상기 선형 격자 및 상기 선형 패턴의 피치 대비 0.50 내지 0.921 배인, 회절 도광판.
  5. 제2항에 있어서,
    상기 타원 형상의 단축은, 상기 선형 격자 및 상기 선형 패턴의 피치 대비 0.084 내지 0.113 배인, 회절 도광판.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 선형 격자 및 상기 선형 패턴은 각각의 피치에 반비례하는 크기 및 상기 선형 격자 및 선형 패턴이 연장된 방향과 수직한 방향으로 정의되는 격자 벡터를 가지며,
    상기 제1회절 광학소자의 선형 격자, 상기 제2회절 광학소자의 상기 제1선형 패턴 및 상기 제2선형 패턴 각각의 격자 벡터의 합은 0의 크기를 가지는, 회절 도광판.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 제1회절 광학소자의 선형 격자, 상기 제2회절 광학소자의 상기 제1선형 패턴 및 상기 제2선형 패턴 각각의 격자 벡터는 서로 동일한 크기를 가지는, 회절 도광판.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 제1회절 광학소자의 선형 격자, 상기 제2회절 광학소자의 상기 제1선형 패턴 및 상기 제2선형 패턴 각각의 격자 벡터는 서로 60 °의 각을 형성하는, 회절 도광판.
  9. 영상을 형성하는 영상광을 출력하는 광원; 및
    제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 따른 회절 도광판을 포함하는 디스플레이 장치.

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