KR20210119625A

KR20210119625A - 기하학적 위상 광학 소자 및 이를 포함한 3차원 디스플레이 장치

Info

Publication number: KR20210119625A
Application number: KR1020200035809A
Authority: KR
Inventors: 김영; 권순범; 송병권; 안중권; 원강희; 이홍석; 홍종영
Original assignee: 삼성전자주식회사
Priority date: 2020-03-24
Filing date: 2020-03-24
Publication date: 2021-10-06
Also published as: US11880049B2; US20230236436A1; CN113448006A; US11635633B2; EP3885826A1; US20210302757A1

Abstract

기하학적 위상 광학 소자 및 이를 포함한 3차원 디스플레이 장치가 개시된다.
기하학적 위상 광학 소자는 액정층, 상기 액정층의 일 면에 구비된 제1전극 및 상기 액정층의 다른 면에 구비된 제2전극을 포함하고, 상기 제1전극과 제2전극에 전압이 인가되지 않을 때, 상기 액정층은 상기 액정의 배열에 따른 위상차가 π이고, 상기 액정층을 투과한 광이 제1 회절각을 가지고 회절하도록 구성되고, 상기 액정의 배열에 따른 위상차가 π/2가 되도록 하는 제1 전압이 상기 제1전극과 상기 제2전극에 인가될 때, 상기 액정층은 액정층을 투과한 광이 제2 회절각을 가지고 회절하도록 구성된다.

Description

기하학적 위상 광학 소자 및 이를 포함한 3차원 디스플레이 장치{Geometric phase optical element and 3 dimensional display apparatus}

예시적인 실시예는 기하학적 위상 광학 소자 및 이를 포함한 3차원 디스플레이 장치에 관한 것이다.

기하학적 광학 소자는 액정의 위상차에 의해 렌즈 또는 회절 소자로 동작할 수 있다. 기하학적 광학 소자는 일반 광학적 렌즈에 비해 디옵터의 변화가 크고 대면적화에 유리하며 응답 속도가 빠르다. 또한, 기하학적 광학 소자가 회절 소자로 동작하는 경우 일반 광학적 회절 소자에 비해 회절각(deflection angle)이 크며 효율이 높다. 이러한 기하학적 광학 소자는 얇게 제작이 가능하여 다양한 디스플레이 장치에 적용 가능하다.

예시적인 실시예는 회절 각을 조절할 수 있는 기하학적 위상 광학 소자를 제공한다.

예시적인 실시예는 기하학적 위상 광학 소자를 포함한 3차원 디스플레이 장치를 제공한다.

예시적인 실시예에 따른 기하학적 위상 광학 소자는, 액정이 배열된 액정층;

상기 액정층의 일 면에 구비된 제1전극; 및 상기 액정층의 다른 면에 구비된 제2전극;을 포함하고, 상기 제1전극과 제2전극에 전압이 인가되지 않을 때, 상기 액정층은 상기 액정의 배열에 따른 위상차가 π이고, 상기 액정층을 투과한 광이 제1 회절각을 가지고 회절하도록 구성되고, 상기 액정의 배열에 따른 위상차가 π/2가 되도록 하는 제1 전압이 상기 제1전극과 상기 제2전극에 인가될 때, 상기 액정층은 액정층을 투과한 광이 제2 회절각을 가지고 회절하도록 구성되며, 상기 액정의 배열에 따른 위상차가 0이 되도록 하는 제2 전압이 상기 제1전극과 상기 제2전극에 인가될 때, 상기 액정층은 액정층을 투과한 광이 제3 회절각을 가지고 회절하도록 구성되며, 제1 회절각 > 제2 회절각 > 제3 회절각의 관계를 가진다.

상기 제1전극과 제2전극에 전압이 인가되지 않을 때, 상기 제1 회절각은 다음 식을 만족할 수 있다.

<식>

sinθ₁=2λ/p

여기서, θ₁은 제1 회절각을, λ는 광의 파장을, p는 상기 액정층의 액정 배열 주기에 대응되는 피치를 나타낸다.

상기 제2 회절각은 다음 식을 만족할 수 있다.

<식>

sinθ₂=(λ/p)

여기서, θ₂는 제2 회절각을, λ는 광의 파장을, p는 상기 액정층의 액정 배열 주기에 대응되는 피치를 나타낸다.

상기 제3 회절각은 0도일 수 있다.

상기 기하학적 위상 광학 소자는, 상기 제21 전압이 인가될 때, 입사광이 좌원편광인 경우 투과광이 발산하도록 구성될 수 있다.

상기 투과광은 상기 입사광에 대해 (φ+ π/4)의 위상차를 가지며, φ 는 상기 액정 배열의 기준 축과 결정 축 사이의 각도를 나타낸다.

상기 기하학적 위상 광학 소자는, 상기 제21 전압이 인가될 때, 입사광이 우원편광인 경우 투과광은 수렴하도록 구성될 수 있다.

상기 투과광은 상기 입사광에 대해 (φ- π/4)의 위상차를 가지며, φ 는 상기 액정 배열의 기준 축과 결정 축 사이의 각도를 나타낼 수 있다.

상기 기하학적 위상 광학 소자가 복수 개 적층된 구조를 가질 수 있다.

상기 기하학적 위상 광학 소자의 개수가 N일 때, 상기 기하학적 위상 광학 소자에 의해 회절되는 광의 서로 다른 회절각의 개수는 (3^N-N+1)일 수 있다.

상기 액정층은 ECB(Electrically controlled birefringence) 모드, VA(Vertical Alignment) 모드, 하이브리드 모드, 및 TN(Twisted Nematic) 모드 중 하나를 포함할 수 있다.

예시적인 실시예에 따른 3차원 디스플레이 장치는, 광원; 상기 광원으로부터의 빔을 안내하는 도광판; 상기 도광판으로부터 입사된 광의 회절각을 변화시키는 기하학적 위상 광학 소자; 및 상기 기하학적 위상 광학 소자를 투과한 광을 이용하여 홀로그램 영상을 형성하는 공간 광변조기;를 포함하고,

상기 기하학적 위상 광학 소자는, 액정이 배열된 액정층, 상기 액정층의 일 면에 구비된 제1전극, 및 상기 액정층의 다른 면에 구비된 제2전극을 포함하고, 상기 제1전극과 제2전극에 전압이 인가되지 않을 때, 상기 액정층은 상기 액정의 배열에 따른 위상차가 π이고, 상기 액정층을 투과한 광이 제1 회절각을 가지고 회절하도록 구성되고,

상기 액정의 배열에 따른 위상차가 π/2가 되도록 하는 제1 전압이 상기 제1전극과 상기 제2전극에 인가될 때, 상기 액정층은 액정층을 투과한 광이 제2 회절각을 가지고 회절하도록 구성되며,

상기 액정의 배열에 따른 위상차가 0이 되도록 하는 제2 전압이 상기 제1전극과 상기 제2전극에 인가될 때, 상기 액정층은 액정층을 투과한 광이 제3 회절각을 가지고 회절하도록 구성되며,

제1 회절각 > 제2 회절각 > 제3 회절각의 관계를 가질 수 있다.

예시적인 실시예에 따른 기하학적 위상 광학 소자는 전압을 인가하여 광의 회절 각을 조절할 수 있다. 기하학적 위상 광학 소자는 간단한 구조로 회절 각을 조절하고, 회절 각의 개수를 증가시킬 수 있다.

예시적인 실시예에 따른 기하학적 위상 광학 소자는 3차원 디스플레이 장치에 적용될 수 있다. 3차원 디스플레이 장치는 광의 회절 각을 조절하여 다양한 위치에 3차원 영상을 표시할 수 있다.

도 1은 예시적인 실시예에 따른 기하학적 위상 광학 소자에 전압을 인가하지 않은 경우를 도시한 것이다.
도 2는 예시적인 실시예에 따른 기하학적 위상 광학 소자에 π/2 위상차가 발생하도록 전압(V=Vq)을 인가한 경우를 도시한 것이다.
도 3은 예시적인 실시예에 따른 기하학적 위상 광학 소자에 π 위상차가 발생하도록 전압(V=Vs)을 인가한 경우를 도시한 것이다.
도 4는 도 1의 A-A 단면도의 일 예를 도시한 것이다.
도 5는 도 1의 A-A 단면도의 다른 예를 도시한 것이다.
도 6은 기하학적 위상 광학 소자에 전압이 V=0로 인가될 때, 기하학적 위상 광학 소자의 위치에 따른 위상 변화를 도시한 것이다.
도 7은 기하학적 위상 광학 소자에 전압이 V=0, V=Vs로 인가될 때, 기하학적 위상 광학 소자를 투과한 광의 회절 각의 변화를 나타낸 것이다.
도 8은 예시적인 실시예에 따른 기하학적 위상 광학 소자의 전압에 따른 위상 변화를 나타낸 것이다.
도 9는 기하학적 위상 광학 소자에 전압이 V=Vq로 인가될 때, 기하학적 위상 광학 소자의 위치에 따른 위상 변화를 도시한 것이다.
도 10은 기하학적 위상 광학 소자에 전압이 V=0, V=Vq, V=Vs로 인가될 때, 우원편광의 광이 기하학적 위상 광학 소자를 투과한 후의 경로도를 나타낸 것이다.
도 11은 기하학적 위상 광학 소자에 전압이 V=0, V=Vq, V=Vs로 인가될 때, 좌원편광의 광이 기하학적 위상 광학 소자를 투과한 후의 경로도를 나타낸 것이다.
도 12는 예시적인 실시예에 따른 기하학적 위상 광학 소자가 복수 개 적층된 구조를 도시한 것이다.
도 13은 예시적인 실시예에 따른 3차원 디스플레이 장치를 개략적으로 도시한 것이다.
도 14는 다른 예시적인 실시예에 따른 3차원 디스플레이 장치를 개략적으로 도시한 것이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 다양한 실시예에 따른 기하학적 위상 광학 소자 및 이를 포함한 3D 디스플레이 장치에 대해 상세히 설명한다. 이하의 도면들에서 동일한 참조부호는 동일한 구성요소를 지칭하며, 도면상에서 각 구성요소의 크기는 설명의 명료성과 편의상 과장되어 있을 수 있다. 제 1, 제 2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 구성요소들은 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.

단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 또한 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다. 또한, 도면에서 각 구성요소의 크기나 두께는 설명의 명료성을 위하여 과장되어 있을 수 있다. 또한, 소정의 물질층이 기판이나 다른 층 상에 존재한다고 설명될 때, 그 물질층은 기판이나 다른 층에 직접 접하면서 존재할 수도 있고, 그 사이에 다른 제3의 층이 존재할 수도 있다. 그리고, 아래의 실시예에서 각 층을 이루는 물질은 예시적인 것이므로, 이외에 다른 물질이 사용될 수도 있다.

또한, 명세서에 기재된 “...부”, “모듈” 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어 또는 소프트웨어로 구현되거나 하드웨어와 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.

본 실시예에서 설명하는 특정 실행들은 예시들로서, 어떠한 방법으로도 기술적 범위를 한정하는 것은 아니다. 명세서의 간결함을 위하여, 종래 전자적인 구성들, 제어 시스템들, 소프트웨어, 상기 시스템들의 다른 기능적인 측면들의 기재는 생략될 수 있다. 또한, 도면에 도시된 구성 요소들 간의 선들의 연결 또는 연결 부재들은 기능적인 연결 및/또는 물리적 또는 회로적 연결들을 예시적으로 나타낸 것으로서, 실제 장치에서는 대체 가능하거나 추가의 다양한 기능적인 연결, 물리적인 연결, 또는 회로 연결들로서 나타내어질 수 있다.

“상기”의 용어 및 이와 유사한 지시 용어의 사용은 단수 및 복수 모두에 해당하는 것일 수 있다.

방법을 구성하는 단계들은 설명된 순서대로 행하여야 한다는 명백한 언급이 없다면, 적당한 순서로 행해질 수 있다. 또한, 모든 예시적인 용어(예를 들어, 등등)의 사용은 단순히 기술적 사상을 상세히 설명하기 위한 것으로서 청구항에 의해 한정되지 않는 이상 이러한 용어로 인해 권리 범위가 한정되는 것은 아니다.

도 1은 예시적인 실시예에 따른 기하학적 위상 광학 소자(100)를 도시한 것이다.

기하학적 위상 광학 소자(100)는 액정(21)이 배열된 액정층(20), 액정층(20)의 일 면에 구비된 제1전극(31), 및 액정층(20)의 다른 면에 구비된 제2전극(32)을 포함한다. 제1전극(31)에 제1기판(11)이 구비되고, 제2전극(32)에 제2기판(12)이 구비될 수 있다. 제1전극(31)과 제2전극(32)은 투명 전극일 수 있다. 제1기판(11)과 제2기판(12)은 예를 들어, 투명 기판일 수 있다.

도 1은 제1전극(31)과 제2전극(32)에 전압이 인가되지 않았을 때, 액정 배열상태를 보인 것이다. 액정(21)의 결정 축(CX)이 광의 입사면(도 1의 XY면)에 대해 평행하게 배열될 수 있다. 액정(21)의 결정 축(CX) 방향이 예를 들어, 입사면(XY면)에 대해 평행한 상태에서 변하도록 액정(21)이 배열될 수 있다. 액정층(20)에 전압이 가해질 때, 전압에 따라 액정층(20)의 위상차가 0도 내지 360도 범위내에서 발생하도록 액정이 배열될 수 있다. 액정 배열에 대해서는 후술하기로 한다. 전압이 off일 때, 액정 배열에 따른 위상차가 π일 수 있다. 이 경우, 기하학적 위상 광학 소자(100)가 1/2 파장판(half wave plate)으로 동작할 수 있다. 전압 off 상태에서는 액정층(20)의 공간 상의 위상차에 의한 회절 효과로 인해 기하학적 광학 소자(100)는 렌즈 또는 회절 소자(deflector) 역할을 할 수 있다.

이 경우에는 기하학적 광학 소자(100)가 제1 초점 거리(f1)를 가지는 렌즈이거나 제1 회절각(θ1)을 가지는 회절 소자일 수 있다. 예를 들어, 기하학적 광학 소자(100)가 렌즈로 동작하는 경우, 입사광(Li)이 기하학적 광학 소자(100)를 통과할 때, 투과광(Lt)은 제1 초점 거리(f1)에 포커싱될 수 있다. 또는, 기하학적 광학 소자(100)가 회절 소자로 동작할 경우, 입사광(Li)이 기하학적 광학 소자(100)를 통과할 때, 투과광(Lt)은 제1 회절각(θ1)을 가지고 회절될 수 있다.

도 2는 제1전극(31)과 제2전극(32)에 액정(21)의 배열에 따른 위상차가 π/2가 되도록 하는 제1 전압(Vq)을 인가한 경우를 도시한 것이다. 이 경우, 기하학적 위상 광학 소자(100)가 1/4 파장판으로 동작할 수 있다. 따라서, 기하학적 위상 광학 소자(100)를 입사한 광이 좌원편광일 때, 투과 광은 선형 편광으로 변환되고, 기하학적 위상 광학 소자(100)를 입사한 광이 우원편광일 때, 투과 광은 선형 편광으로 변환될 수 있다.

이 경우에는 액정층(20)이 제2 초점 거리(f2)를 가질 수 있다. 제2 초점 거리(f2)가 제1 초점 거리(f1)보다 클 수 있다. 또한, 액정층(20)이 제2 회절각(θ2)을 가지는 회절 소자로 동작할 수 있다. 제2 회절각(θ2)이 제1 회절각(θ1)보다 클 수 있다. 예를 들어, 기하학적 광학 소자(100)가 렌즈로 동작하는 경우, 입사광(Li)이 기하학적 위상 광학 소자(100)를 통과할 때, 투과광(Lt)은 제2 초점 거리(f2)에 포커싱될 수 있다. 또는, 기하학적 위상 광학 소자(100)가 회절 소자로 동작할 경우, 입사광(Li)이 기하학적 위상 광학 소자(100)를 통과할 때, 투과광(Lt)은 제2 회절각(θ2)을 가지고 회절될 수 있다.

도 3은 제1전극(31)과 제2전극(32)에 액정층의 위상차가 0이 되도록 만들어 주는 제2 전압(Vs)을 인가한 경우를 도시한 것이다. 이 경우에는 광이 액정층(20)을 직진 투과한다.

도 4는 도 1의 A-A 단면도의 일 예를 도시한 것이다. 도 4는 기하학적 위상 광학 소자(100A)가 렌즈로 동작하는 예를 도시한 것이다. 제1전극(31)과 제2전극(32)에 제1전압(Vq)이 인가될 때, 액정(21)이 동심원 상에 그 배열 방향이 점진적으로 변하도록 배열되고, 액정의 위상 차가 π/2 일 수 있다. B-B 선은 액정(21)이 동심원 상에 배열될 때, 동심원의 직경의 연장선일 수 있다.

도 5는 도 1의 A-A 단면도의 다른 예를 도시한 것이다. 도 5는 기하학적 위상 광학 소자(100B)가 회절 소자로 동작하는 예를 도시한 것이다. 도 5에서 액정의 결정 축(CX)이 어느 일 방향(예를 들어, 도 5의 x 방향)을 따라 점진적으로 변하도록 배열될 때, 결정 축(CX)이 360도를 회전하는 주기에 대응되는 x 방향에 따른 피치를 P라고 한다. 여기서, x축을 기준 축이라고 한다. 기준 축은 예를 들어, 액정 분자의 결정 축(CX)의 각도를 나타내는 기준이 되는 축이라고 할 수 있다. 도 5에서 φ는 액정 분자의 결정 축(CX)과 기준 축(x) 사이의 각도를 나타낸다. 액정의 배열 방향의 변화에 따라 위상 차가 발생될 수 있다. 액정의 배열 방향의 변화는 액정층에 인가되는 전압에 의해 조절될 수 있다.

액정층(20)은 예를 들어, ECB(Electrically controlled birefringence) 모드, VA(Vertical Alignment) 모드, 하이브리드 모드, 및 TN(Twisted Nematic) 모드 중 하나를 포함할 수 있다.

다음은 도 5를 참조하여, V=0, V=Vq, V=Vs일 때 기하학적 위상 광학 소자의 동작 원리에 대해 설명한다.

도 5를 참조하면, 액정의 결정 축의 각도(φ)는 다음과 같이 나타낼 수 있다.

φ=2πx/p <식 1>

여기서, x는 기준 축(x축)에 대한 액정의 위치를 나타내고, p는 피치를 나타낸다.

다음, 좌원편광(LCP) 입사광 또는 우원편광(RCP) 입사광의 전기장 벡터는 다음과 같다.

<식 2>

여기서, E₊는 좌원편광(LCP) 입사광의 전기장 벡터를, E_는 우원편광(RCP) 입사광의 전기장 벡터를 나타낸다.

V=0일 때, 즉 전압이 off일 때, 기준 축(x축)에 대해 결정 축 각도(φ)를 가지고 배향된 1/2 파장판에 대응되는 액정층의 존스(Jones) 벡터(J_GPD)는 다음과 같다.

<식 3>

액정층을 투과한 광의 전기장 벡터(E'_±)는 다음과 같다.

<식 4>

식 4를 참조하면, 입사광이 좌원편광(LCP)인 경우 투과광은 우원편광(RCP)이 되고, (2φ)의 위상 변화가 발생하여 투과광이 도 7(a)의 아래 방향으로 회절될 수 있다. 입사광이 우원편광(RCP)인 경우 투과광은 좌원편광(LCP)이 되고 (-2φ)의 위상 변화가 발생하여 도 7(a)의 위쪽 방향으로 회절될 수 있다.

도 6은 V=0일 때의 액정의 위치 별 위상 변화를 도시한 것이다. 실선은 우원편광(RCP)을, 점선은 좌원편광(LCP)을 나타낸다. 좌원편광의 입사광에 대해 위상변화가 (2φ)가 발생하므로, 식 1을 참조할 때, φ=4πx/p가 되고, (x/p)에 대한 (위상 변화/π)를 나타낸 것이다. 예를 들어, 좌원편광의 입사광에 대해 (x/p)=0.5일 때, 위상 변화는 0이고, 좌원편광의 입사광에 대해 (x/p)=0.25일 때, 위상 변화는 π이다.

우원편광의 입사광에 대해 위상 변화가 (-2φ) 발생하므로, 식 1을 참조할 때, φ=(-4π)(x/p)가 되고, 도 6은 (x/p)에 대한 (위상 변화/π)를 나타낸 것이다. 예를 들어, 우원편광의 입사광에 대해 (x/p)=0.5일 때, 위상 변화는 0이고, 우원편광의 입사광에 대해 (x/p)=0.25일 때, 위상 변화는 (-π)이다.

전압이 off 일 때, 회절각(θ)은 다음과 같이 나타낼 수 있다.

<식 5>

여기서, OPD는 x=0과 x=x1인 지점을 지나는 투과광 간의 광로차를 나타내고, λ는 광의 파장을, p는 액정 배열의 피치를, φ는 액정의 결정 축의 각도를 나타낸다. 식 5를 참조하면, 전압이 off일 때, 회절각(θ)은 광의 파장(λ)과 액정 배열의 피치(p)에 의해 결정될 수 있다.

다음, 액정층에 액정 분자가 수직으로 배열되도록 전압을 인가하면 위상 차가 O이 되므로 광이 위상 광학 소자를 직진 통과한다.

도 8을 참조하면, 기하학적 위상 광학 소자는 인가 전압에 따라 위상 차가 변한다. 도 8을 참조하면, 위상 차가 π/2가 되도록 전압 Vq을 인가할 수 있다. 이 경우, 위상 광학 소자는 1/4 파장판으로 동작할 수 있다.

다음은 액정층에 위상차가 π/2가 되도록 전압 Vq를 인가한 경우의 존스 벡터를 나타낸다.

<식 6>

이때, 투과광의 전기장 벡터는 다음과 같이 계산된다.

<식 7>

여기서, (E'₊)는 좌원편광(LCP) 입사광의 전기장 벡터를, (E'_)는 우원편광(RCP) 입사광의 전기장 벡터를 나타낸다.

식 7에 따르면, 입사광이 우원편광인 경우 투과광은 선형 편광이 되고, (φ-π/4)의 위상 차가 발생한다. 도 10(a)는 V=0일 때, 우원편광의 입사광이 제1 회절각(θ1)을 가지고 투과되는 것을 보인 것이다. 도 10(b)는 V=Vs일 때, 우원편광의 입사광이 직진 투과되는 것(이 경우 회절각은 0)을 보인 것이다. 도 10(c)는 우원편광의 입사광이 제3 회절각(θ3)을 가지고 투과되는 것을 보인 것이다. 제3 회절각(θ3)이 제1회절각(θ1)의 1/2 값을 가질 수 있다.

식 7을 참조하면, 입사광이 우원편광인 경우 투과광은 선형편광이 되고, (φ-π/4)의 위상차가 발생하고, 입사광이 좌원편광인 경우 투과광은 선형편광이 되고, (φ+π/4)의 위상차가 발생한다.

x=0(결정 축 각도가 0)과 x=x₁(결정 축 각도가 φ) 지점을 지나는 투과광의 광로차(OPD)는 다음과 같다.

OPD=λφ/2π <식 8>

따라서, 회절각(θ)은 다음과 같다.

<식 9>

V=0일 때의 식 5와 V=Vq일 때의 식 9를 비교하면, V=Vq일 때의 sinθ가 V=0일 때의 sinθ의 1/2로 감소된다. 따라서, V=Vq일 때, V=0인 경우에 비해, 회절 각(θ)이 약 1/2로 줄어드는 상태를 만들 수 있다. 또한, V=Vq일 때의 제2 초점 거리가 V=0일 때의 제1 초점 거리보다 길 수 있다.

도 9는 위상 광학 소자에 V=Vq를 인가할 때, 위상 광학 소자의 위치(x)에 따른 위상 변화를 나타낸 것이다.

식 1을 참조하면, V=Vq일 때, 우원편광의 입사광에 대해, (φ-π/4)의 위상 차가 발생되므로, 식 1은 다음과 같이 변형될 수 있다.

(φ-π/4)= 2πx/p

φ=(2π)x/p - (π/4) <식 10>

식 1을 참조하면, V=Vq일 때, 좌원편광의 입사광에 대해, (φ+π/4)의 위상 차가 발생되므로, 식 1은 다음과 같이 변형될 수 있다.

(φ+π/4)= 2πx/p

φ=(2π)x/p + (π/4) <식 11>

이상 설명한 바와 같이, 위상 차가 π/2가 되도록 하는 전압(Vq)을 위상 광학소자에 인가하여 제1회절각과 제2회절각 사이에 제3회절각이 하나 더 구비되도록 할 수 있다. 또는, 기하학적 위상 광학 소자가 렌즈로 기능하는 경우에는 제1 초점 거리와 제2 초점 거리 사이에 제3 초점 거리가 하나 더 구비될 수 있다. 또한, 예시적인 실시예에 따른 기하학적 위상 광학 소자는 위상 변화에 변곡점이 없어 회절 효율이 향상될 수 있다.

도 10(a)는 V=0 일 때, 우원편광(RCP)의 광이 입사한 경우 위상 광학 소자(100)를 투과한 광은 좌원편광(LCP)으로 변화되고, θ1의 회절각을 가지고 회절될 수 있다.

도 10(b)는 V=Vs일 때, 위상 광학 소자(100)의 액정층의 위상차가 0이 되어, 우원편광(RCP)의 광이 위상 광학 소자(100)를 직진 투과한다.

도 10(c)는 V=Vq일 때, 위상 광학 소자(100)의 액정층의 위상차가 π/2가 되어, 우원편광(RCP)의 광이 선형 편광(LP)으로 변환되고, θ2 (θ2< θ1)의 회절각을 가지고 회절될 수 있다. 여기서, Vs>Vq이다. 이 경우는 빔이 수렴하는 경우를 나타낸다.

도 11(a)는 V=0 일 때, 좌원편광(LCP)의 광이 입사한 경우 위상 광학 소자(100)를 투과한 광은 우원편광(RCP)으로 변화되고, (-θ1)의 회절각을 가지고 회절될 수 있다.

도 11(b)는 V=Vs일 때, 위상 광학 소자(100)의 액정층의 위상차가 0이 되어, 좌원편광(LCP)의 광이 위상 광학 소자(100)를 직진 투과한다.

도 11(c)는 V=Vq일 때, 위상 광학 소자(100)의 액정층의 위상 차가 π/2가 되어, 좌원편광(LCP)의 광이 선형 편광(LP)으로 변환되고, (-θ2) (θ2< θ1)의 회절각을 가지고 회절될 수 있다. 이 경우는 빔이 발산하는 경우를 나타낸다.

도 12는 예시적인 실시예에 따른 기하학적 위상 광학 소자가 2개 이상 구비된 경우를 도시한 것이다.

도 12(a)는 제1 위상 광학 소자(110)를 도시한 것으로, 입사광(Li)이 인가된 전압에 따라 제1 투과광(L₁₁), 제2 투과광(L₁₂), 및 제3 투과광(L₁₃)으로 투과될 수 있다. V1=Vs1일 때, 제1 투과광(L₁₁)이 제1 회절각을 가지고 투과되고, V1=Vq1일 때, 제2 투과광(L12)이 제2 회절각(θ12)을 가지고 투과되고, V1=0일 때, 제3 투과광(L13)이 제3 회절각(θ13)을 가지고 투과될 수 있다. 여기서, Vq1<Vs1이고, Vq1은 제1 위상 광학 소자(110)의 액정층의 위상차가 π/2가 되도록 하는 전압일 수 있다. 여기서, θ11<θ12<θ13의 관계를 가질 수 있다. 여기서, 회절 각은 제1 위상 광학 소자(110)의 법선과의 사잇각을 나타낸다. 제1 투과광(L11)은 직진 투과하는 광일 수 있다. 다시 말해, 제1 회절각이 0도일 수 있다.

도 12(b)는 제2 위상 광학 소자(120)를 도시한 것으로, 입사광(Li)이 인가된 전압에 따라 제4 투과광(L₂₁), 제5 투과광(L₂₂), 및 제6 투과광(L₂₃)으로 투과될 수 있다. V1=Vs2일 때, 제4 투과광(L₂₁)이 제4 회절각(θ₂₁)을 가지고 투과되고, V1=Vq2일 때, 제5 투과광(L₂₂)이 제5 회절각(θ₂₂)을 가지고 투과되고, V1=0일 때, 제6 투과광(L₂₃)이 제6 회절각(θ₂₃)을 가지고 투과될 수 있다. 여기서, Vq2<Vs2이고, Vq2는 제2 위상 광학 소자(120)의 액정층의 위상차가 π/2가 되도록 하는 전압일 수 있다. 여기서, θ21<θ22<θ23의 관계를 가질 수 있다. 제4 투과광(L21)은 직진 투과하는 광일 수 있다. 다시 말해, 제4 회절각이 0도일 수 있다.

식 9를 참조하면, 회절각(θ)은 광의 파장(λ)과 액정층의 피치(p)에 의해서도 달라질 수 있다. 따라서, 제1 및 제2 위상 광학 소자(110)(120)의 액정층의 피치(p)에 따라 각각 다른 회절각을 가지는 투과광의 상태가 만들어질 수 있다.

도 12(c)를 참조하면, 제1 위상 광학 소자(110)와 제2 위상 광학 소자(120)를 적층하고, 제1 위상 광학 소자(110)에 제1 전압(V1)을 인가하고, 제2 위상 광학 소자(120)에 제2 전압(V2)을 인가할 때, 5개의 회절각을 가지는 투과광을 만들 수 있다. 여기서, 제1 위상 광학 소자(110)에 의한 직진 투과광(L11)과 제2 위상 광학 소자(120)에 의해 직진 투과광(L21)은 0도의 회절각을 가진다.

예를 들어, N개의 위상 광학 소자를 적층하는 경우, 회절각의 수는 (3^N-N+1)가 될 수 있다. 복수 개의 위상 광학 소자를 이용하여 회절각을 더욱 미세하게 변화시킬 수 있다.

도 13은 실시예에 따른 3차원 디스플레이 장치의 개략적인 구조를 보이는 단면도이다.

3차원 디스플레이 장치(200)는 빔(L)을 제공하는 광원(210), 광원(210)으로부터의 빔을 안내하는 도광판(220)과, 빔을 회절시키는 기하학적 위상 광학 소자(250)와, 홀로그램 영상을 형성하는 공간 광변조기(260)를 포함할 수 있다.

광원(210)은 복수의 파장 대역을 포함하는 가간섭성 광을 방출하는 가간섭성 광원일 수 있다. 높은 가간섭성을 갖는 광을 제공하기 위하여, 광원(210)으로서, 예컨대, 레이저 다이오드(laser diode; LD)가 사용될 수 있다. 그러나, 광이 어느 정도의 공간 간섭성(spatial coherence)을 가지고 있다면 공간 광변조기(260)에 의해 광이 회절 및 변조될 수 있기 때문에, 광원(210)으로서, 예를 들어, 발광 다이오드(light emitting diode; LED)를 사용하는 것도 가능하다. 발광 다이오드 외에도 공간 간섭성을 갖는 광을 방출한다면 다른 어떤 광원도 사용이 가능하다. 또한, 도 13에는 편의상 광원(210)이 단지 하나의 블록으로만 표시되어 있지만, 광원(120)은 다수의 점광원 어레이를 포함할 수도 있다. 예를 들어, 광원(210)은 다수의 적색 발광 레이저, 다수의 녹색 발광 레이저, 및 다수의 청색 발광 레이저를 포함할 수 있다.

도광판(220)은 투명한 유리 또는 투명한 플라스틱으로 이루어질 수 있다. 예를 들어, 도광판(220)의 재료로서 PMMA(PolyMethyl MethAcrylate)를 사용할 수 있다. 도광판(220)은 예를 들어, 빔을 전달하는 광도파로의 역할을 할 수 있도록 직육면체의 형상을 가질 수 있다. 도광판(220)의 한 쪽 단부로 입사한 빔은 내부 전반사를 통해 반대쪽 단부까지 전달될 수 있다.

기하학적 위상 광학 소자(250)는 광의 회절 각을 변화시켜 3차원 디스플레이 장치의 시점을 변화시킬 수 있다. 기하학적 위상 광학 소자(250)는 도 1 내지 도 12를 참조하여 설명한 기하학적 위상 광학 소자들이 적용될 수 있다.

공간 광변조기(260)는 홀로그램 신호에 따라 입사 빔을 회절시켜 변조하기 위한 홀로그램 패턴을 형성할 수 있다. 공간 광변조기(260)로는 위상 변조만 수행할 수 있는 위상 변조기, 진폭 변조만 수행할 수 있는 진폭 변조기, 및 위상 변조와 진폭 변조를 모두 수행할 수 있는 복합 변조기 중 어느 하나를 사용할 수 있다. 도 13에는 공간 광변조기(260)가 투과형 공간 광변조기인 것으로 도시되어 있지만 반사형 공간 광변조기를 사용하는 것도 가능하다. 투과형인 경우, 공간 광변조기(260)는 예를 들어 GaAs와 같은 화합물 반도체 기반의 반도체 변조기, 또는 LCD(liquid crystal device)를 사용할 수 있다. 반사형인 경우에, 공간 광변조기(260)는 예를 들어 DMD(digital micromirror device) 또는 LCoS(liquid crystal on silicon)를 사용할 수 있다.

도광판(220)에는 입력 커플러(230), 도광판(220)에 의해 가이드되어 진행되는 빔의 출사를 위한 출력 커플러(240)가 더 마련될 수 있다. 입력 커플러(230)는 도광판(220)에 대한 광 결합 효율을 높일 수 있다. 출력 커플러(240)는 그레이팅을 포함할 수 있다. 그레이팅은 출사되는 광의 회절 효율을 이용하여 광 출력 효율을 높일 수 있다.

도광판(220)을 통해 출사되는 지향성 빔은 기하학적 위상 광학 소자(250)를 통해 공간 광변조기(260)에 입사할 수 있다. 공간 광변조기(260)는 입사 빔을 변조하기 위한 간섭 무늬를 갖는 홀로그램 패턴을 형성하는 역할을 할 수 있다. 공간 광변조기(260)에서 형성되는 홀로그램 패턴에 의해 입사 빔이 회절 및 변조됨으로써 소정의 공간 상의 위치에 홀로그램 영상이 재생될 수 있다. 좌안 위치에는 좌안 홀로그램 영상이, 우안 위치에는 우안 홀로그램 영상이 재생될 수 있다.

도 14는 실시예에 따른 3차원 디스플레이 장치의 개략적인 구조를 보이는 단면도이다.

3차원 디스플레이 장치(300)는 빔을 제공하는 광원(310), 광원(310)으로부터의 빔을 안내하는 도광판(330), 빔의 회절 각을 변화시키는 기하학적 위상 광학 소자(350) 및 홀로그램 영상을 형성하는 공간 광변조기(360)를 포함할 수 있다. 또한, 기하학적 위상 변조 광학계(350)에 의해 회절 각이 변하도록 제어하는 제어부(370)가 더 구비될 수 있다. 또한, 시청자의 위치를 추적하는 위치 검출 센서(380)가 더 구비될 수 있다.

광원(310)은 도 13을 참조하여 설명한 광원(210)과 실질적으로 동일하므로 여기서는 상세한 설명을 생략한다.

도광판(330)은 투명한 유리 또는 투명한 플라스틱으로 이루어질 수 있다. 예를 들어, 도광판(330)의 재료로서 PMMA(PolyMethyl MethAcrylate)를 사용할 수 있다. 기하학적 위상 광학 소자(350)는 광의 회절 각을 변화시켜 3차원 디스플레이 장치의 시점을 변화시킬 수 있다. 기하학적 위상 광학 소자(350)는 도 1 내지 도 12를 참조하여 설명한 기하학적 위상 광학 소자들이 적용될 수 있다.

공간 광변조기(360)는 영상 신호 처리부(390)로부터 제공되는 홀로그램 신호에 따라 입사 빔을 회절시켜 변조하기 위한 홀로그램 패턴을 형성할 수 있다.

위치 검출 센서(380)는 시청자의 위치를 추적하고, 시청자의 위치를 제어부(370)에 전송할 수 있다. 제어부(370)가 시청자의 위치에 따라 기하학적 위상 광학 소자(350)를 제어하여 빔이 시청자의 눈으로 향하도록 할 수 있다.

도 14를 참조하면, 광원(310)이 도광판(330)에 대해 기하학적 위상 광학 소자(350)와 같은 방향에 배치될 수 있다.

상기한 실시예들은 예시적인 것에 불과한 것으로, 당해 기술분야의 통상을 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다. 따라서, 예시적인 실시예에 따른 진정한 기술적 보호범위는 하기의 특허청구범위에 기재된 발명의 기술적 사상에 의해 정해져야만 할 것이다.

11,12:기판, 20:액정층
21:액정, 31,32:전극
CX:결정 축

Claims

액정이 배열된 액정층;
상기 액정층의 일 면에 구비된 제1전극; 및
상기 액정층의 다른 면에 구비된 제2전극;을 포함하고, 상기 제1전극과 제2전극에 전압이 인가되지 않을 때, 상기 액정층은 상기 액정의 배열에 따른 위상차가 π이고, 상기 액정층을 투과한 광이 제1 회절각을 가지고 회절하도록 구성되고,
상기 액정의 배열에 따른 위상차가 π/2가 되도록 하는 제1 전압이 상기 제1전극과 상기 제2전극에 인가될 때, 상기 액정층은 액정층을 투과한 광이 제2 회절각을 가지고 회절하도록 구성되며,
상기 액정의 배열에 따른 위상차가 0이 되도록 하는 제2 전압이 상기 제1전극과 상기 제2전극에 인가될 때, 상기 액정층은 액정층을 투과한 광이 제3 회절각을 가지고 회절하도록 구성되며,
제1 회절각 > 제2 회절각 > 제3 회절각의 관계를 가지는 기하학적 위상 광학 소자.
제1항에 있어서,
상기 제1전극과 제2전극에 전압이 인가되지 않을 때, 상기 제1 회절각은 다음 식을 만족하는 기하학적 위상 광학 소자.
<식>
sinθ₁=2λ/p
여기서, θ₁은 제1 회절각을, λ는 광의 파장을, p는 상기 액정층의 액정 배열 주기에 대응되는 피치를 나타낸다.
제1항에 있어서,
상기 제2 회절각은 다음 식을 만족하는 기하학적 위상 광학 소자.
<식>
sinθ₂=(λ/p)
여기서, θ₂는 제2 회절각을, λ는 광의 파장을, p는 상기 액정층의 액정 배열 주기에 대응되는 피치를 나타낸다.
제1항에 있어서,
상기 제3 회절각은 0도인 기하학적 위상 광학 소자.
제1항에 있어서,
상기 제1 전압이 인가될 때, 입사광이 좌원편광인 경우 투과광이 발산하도록 구성된 기하학적 위상 광학 소자.
제5항에 있어서,
상기 투과광은 상기 입사광에 대해 (φ+ π/4)의 위상차를 가지며, φ 는 상기 액정 배열의 기준 축과 결정 축 사이의 각도를 나타내는 기하학적 위상 광학 소자.
제1항에 있어서,
상기 제1 전압이 인가될 때, 입사광이 우원편광인 경우 투과광은 수렴하도록구성된 기하학적 위상 광학 소자.
제7항에 있어서,
상기 투과광은 상기 입사광에 대해 (φ- π/4)의 위상차를 가지며, φ 는 상기 액정 배열의 기준 축과 결정 축 사이의 각도를 나타내는 기하학적 위상 광학 소자.
제1항에 있어서,
상기 기하학적 위상 광학 소자가 복수 개 적층된 구조를 가지는 기하학적 위상 광학 소자.
제9항에 있어서,
상기 기하학적 위상 광학 소자의 개수가 N일 때, 상기 기하학적 위상 광학 소자에 의해 회절되는 광의 서로 다른 회절각의 개수는 (3^N-N+1)인 기하학적 위상 광학 소자.
제1항에 있어서,
상기 액정층은 ECB(Electrically controlled birefringence) 모드, VA(Vertical Alignment) 모드, 하이브리드 모드, 및 TN(Twisted Nematic) 모드 중 하나를 포함하는 기하학적 위상 광학 소자.
광원;
상기 광원으로부터의 빔을 안내하는 도광판;
상기 도광판으로부터 입사된 광의 회절각을 변화시키는 기하학적 위상 광학 소자; 및
상기 기하학적 위상 광학 소자를 투과한 광을 이용하여 홀로그램 영상을 형성하는 공간 광변조기;를 포함하고,
상기 기하학적 위상 광학 소자는, 액정이 배열된 액정층, 상기 액정층의 일 면에 구비된 제1전극, 및 상기 액정층의 다른 면에 구비된 제2전극을 포함하고,
상기 제1전극과 제2전극에 전압이 인가되지 않을 때, 상기 액정층은 상기 액정의 배열에 따른 위상차가 π이고, 상기 액정층을 투과한 광이 제1 회절각을 가지고 회절하도록 구성되고,
상기 액정의 배열에 따른 위상차가 π/2가 되도록 하는 제1 전압이 상기 제1전극과 상기 제2전극에 인가될 때, 상기 액정층은 액정층을 투과한 광이 제2 회절각을 가지고 회절하도록 구성되며,
상기 액정의 배열에 따른 위상차가 0이 되도록 하는 제2 전압이 상기 제1전극과 상기 제2전극에 인가될 때, 상기 액정층은 액정층을 투과한 광이 제3 회절각을 가지고 회절하도록 구성되며,
제1 회절각 > 제2 회절각 > 제3 회절각의 관계를 가지는 3차원 디스플레이 장치.
제12항에 있어서,
상기 제1전극과 제2전극에 전압이 인가되지 않을 때, 상기 제1 회절각은 다음 식을 만족하는 3차원 디스플레이 장치.
<식>
sinθ₁=2λ/p
여기서, θ₁은 제1 회절각을, λ는 광의 파장을, p는 상기 액정층의 액정 배열 주기에 대응되는 피치를 나타낸다.
제12항에 있어서,
상기 제2 회절각은 다음 식을 만족하는 3차원 디스플레이 장치.
<식>
sinθ₂=(λ/p)
여기서, θ₂는 제2 회절각을, λ는 광의 파장을, p는 상기 액정층의 액정 배열 주기에 대응되는 피치를 나타낸다.
제12항에 있어서,
상기 제3 회절각은 0도인 3차원 디스플레이 장치.
제12항에 있어서,
상기 제1 전압이 인가될 때, 입사광이 좌원편광인 경우 투과광이 발산하도록 구성된 3차원 디스플레이 장치.
제16항에 있어서,
상기 투과광은 상기 입사광에 대해 (φ+ π/4)의 위상차를 가지며, φ 는 상기 액정 배열의 기준 축과 결정 축 사이의 각도를 나타내는 3차원 디스플레이 장치.
제12항에 있어서,
상기 제1 전압이 인가될 때, 입사광이 우원편광인 경우 투과광은 수렴하도록구성된 3차원 디스플레이 장치.
제18항에 있어서,
상기 투과광은 상기 입사광에 대해 (φ- π/4)의 위상차를 가지며, φ 는 상기 액정 배열의 기준 축과 결정 축 사이의 각도를 나타내는 3차원 디스플레이 장치.
제12항에 있어서,
상기 기하학적 위상 광학 소자가 복수 개 적층된 구조를 가지는 3차원 디스플레이 장치.
제20항에 있어서,
상기 기하학적 위상 광학 소자의 개수가 N일 때, 상기 기하학적 위상 광학 소자에 의해 회절되는 광의 서로 다른 회절각의 개수는 (3^N-N+1)인 3차원 디스플레이 장치.