KR20220035967A - 회절형 광학 요소 - Google Patents
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Abstract
회절형 광학 요소(1)를 생성하는 방법은 면(4)을 가지는 적어도 하나의 기판(3)을 제공하는 단계 및 처리 디바이스(5)를 사용하여 기판(3)의 표면(4)에 양각 구조체(2)를 생성하는 단계를 포함한다. 처리 디바이스(5)는 약 1 마이크로미터보다 작은 반경(R)을 가지는 팁(7)을 가지는 프로브(6)를 포함한다. 프로브(6)는 기판(3)에 대해서 이동될 수 있다. 양각 구조체(2)는, 제 3 방향(z)에 따른 양각 구조체(2)의 표면(8)과 기판(3)의 표면(4) 사이의 거리(D)가 본질적으로 연속적으로 변하도록, 팁(7)의 상기 기판(3)의 표면(4)에 대한 작용에 의해서 생성된다. 회절형 광학 요소(1)는 표면(8)을 가지는 양각 구조체(2)를 포함하는데, 적어도 상기 양각 구조체(2)의 부분 내에서 양각 구조체(2)의 표면(8)과 기판(3)의 표면(4) 사이의 거리(D)는 본질적으로 연속적으로 변한다. 가상 이미지 디스플레이 디바이스는 적어도 제 1 및 제 2의 이러한 회절형 광학 요소(1)를 포함한다.
Description
본 발명은 제 1 항에 따른 회절형 광학 요소를 생성하는 방법, 제 11 항에 따른 방법에 의하여 생성된 회절형 광학 요소, 및 제 12 항에 따른 회절형 광학 요소에 관한 것이다. 더 나아가, 본 발명은 제 15 항 및 제 16 항에 따른, 이러한 회절형 광학 요소를 포함하는 가상 이미지 디스플레이 디바이스에 관한 것이다.
회절형 광학 요소는 당업계에 잘 알려 있고, 전자기 방사선의 빔을 성형하고 정렬하기 위해서 흔히 사용된다. 이와 같이, 이들은 광학 및 분광학에서와 같은 다양한 애플리케이션을 찾고 있다. 내재된 물리적 원리는 회절이고, 여기에서 특정 입사각으로 회절형 광학 요소 상에 입사하는 전자기 방사선의 빔은 회절형 광학 요소로부터 특정 출사각으로 회절된다. 회절형 광학 요소는 주기적 또는 비주기적 구조체에 기반하고 있고, 이러한 구조체에 따른 굴절률 변조의 푸리에 스펙트럼이 입사 전자기 방사선이 어떻게 회절되는지를 제어한다. 회절형 광학 요소의 표면에 생성된 양각 구조체는 기술적 응용예에서 이러한 목적을 위해서 주로 사용된다. US 4 895 790을 보면, 멀티레벨 회절형 광학 요소를 생성하는 것에 대해서 알려져 있고, 여기에서 복수 개의 이진 마스크가 멀티레벨 구조체를 광학 요소 내에 시리얼 에칭하는 데에 사용된다. 그러나, 이러한 구조체를 제작하는데 있어서의 한계가 그들의 푸리에 스펙트럼에 걸친 제어를 방해하고 있고, 이것은 이제 회절형 광학 요소의 기능을 한정한다. 예를 들어, 회절형 광학 요소의 푸리에 스펙트럼에 걸친 제한된 제어는 회절형 광학 시스템의 소형화를 방해하고, 또한 회절된 이미지, 예컨대 컴퓨터-생성 홀로그램의 품질을 제한하고 있다. 통합된 홀로그램의 시스템으로의 광의 다색 인-커플링을 달성하기 위하여, Huang, Zhiqin, Daniel L. Marks and David R. Smith. "Out-of-plane computer-generated multicolor waveguide holography", Optica 6.2 (2019): 119-124는 세 개의 상이한 레이저 컬러를 세 가지 고도로 특정한 각도에서 인-커플링할 것을 제안한다. 이러한 인-커플링 시스템은 대형이고 복잡하며, 콤팩트한 웨어러블 디바이스가, 예를 들어 가상 현실 시스템의 분야에서 요구되기 때문에 이러한 분야에서는 실용적이지 않다. 유사한 단점이 Mukawa, Hiroshi, et al. "A full-color eyewear display using planar waveguides with reflection volume holograms", Journal of the society for information display 17.3 (2009): 185-193에 의해 제안된 솔루션에서도 관찰될 수 있는데, 여기에서는 하나의 회절형 광학 요소가 인-커플링될 광의 각각의 색상 에 대해서 사용된다.
본 발명의 목적은 종래 기술의 단점을 극복하는 것이다. 특히, 전자기 방사선의 하나 이상의 빔을 요구되는 방식으로 회절시키는 회절형 광학 요소를 간단하지만 높은 품질로 생산할 수 있게 하는 방법을 제공하는 것이 목적이다. 좀 더 자세하게 설명하면, 요구되는 푸리에 성분만을 포함시키고 모든 다른 원치 않는 푸리에 성분을 제거함으로써, 그 푸리에 스펙트럼에 걸친 전체 제어를 허용하는 회절형 광학 요소의 생산을 가능하게 하는 방법을 제공하는 것이 목적이다.
이러한 목적은 제 1 항에 따른 방법에 의하여 달성된다. 특히, 회절형 광학 요소를 생성하는 방법은, i) 제 1 방향 및 제 1 방향에 수직으로 진행하는 제 2 방향에 걸쳐서 연장되는 표면을 가지는 적어도 하나의 기판을 제공하는 단계, 및 ii) 처리 디바이스를 사용하여 기판의 표면에 양각 구조체를 생성하는 단계를 포함한다. 처리 디바이스는 팁을 가지는 프로브를 포함한다. 팁은 즉 약 1 마이크로미터보다 작고, 바람직하게는 약 20 나노미터보다 작은 반경을 가진다. 프로브는 기판에 상대적으로 제 1 방향, 제 2 방향 및 제 1 방향 및 제 2 방향에 수직으로 진행하는 제 3 방향으로 움직일 수 있고, 양각 구조체는 제 3 방향에 따른 양각 구조체의 표면 및 기판의 표면 사이의 거리가 제 1 방향 및 제 2 방향 중 적어도 하나에 따라서 본질적으로 연속적으로 변하도록, 기판의 표면에 대한 팁의 작용에 의해서 생성된다.
본 발명의 콘텍스트에서, "연속적으로 변한다(varies continuously)"라는 표현은 그 수학적 의미에서 이해되어야 한다. 즉, 제 1 방향 및 제 2 방향 중 적어도 하나에 따른 양각 구조체의 표면 및 기판의 표면 사이의 거리의 연속적인 변동은 도함수가 제 1 방향 및 제 2 방향 중 각각의 적어도 하나를 따라서 어느 곳에서도 연속적이고 상하한을 가지며 정의된다는 의미로 이해될 수 있다. 다르게 말하면, 양각 구조체는 임의의 스텝 또는 에지 또는 점프를 포함하지 않는 형상을 가진다. 또는, 비유적으로 말하자면, 양각 구조체의 표면은 매끄럽다. "본질적으로"라는 표현은 본 명세서에서, 양각 구조체가 처리 디바이스에 의해서, 특히 약 1 마이크로미터보다 작고, 바람직하게는 약 20 나노미터보다 작은 반경에 의해서 허용되는 한 연속적이라는 것을 표시할 것이다(후술되는 내용을 더 참조한다).
그러므로, 본 발명에 따른 방법은 연속적인 양각 구조체를 가지는 회절형 광학 요소를 생성하는 것을 가능하게 한다. 그러면 단일 회절형 광학 요소의 푸리에 스펙트럼이 제어될 수 있게 된다. 다르게 말하면, 본 발명에 따른 방법에 의해서 생성된 회절형 광학 요소는 광의 하나의 색상뿐만 아니라 특히 여러 색상과의 상호작용을 위해서 푸리에 스펙트럼에서 필요한 모든 정보를 보유한다. 다르게 말하면, 본 발명의 방법은 그레이스케일 양각 구조체를 가지는 회절형 광학 요소를 생성할 수 있게 한다. 이것은 종래의 기술의 시스템에서 그렇듯이 상이한 색상을 상이한 입사각으로 커플링하거나, 각각의 색상에 대한 회절형 광학 요소를 가져야 할 필요성을 없앤다. 따라서, 본 발명의 방법은 회절형 광학 기술의 단순화 및 소형화를, 특히 또한 다색 기능성을 요구하는 홀로그램의 애플리케이션에서 허용한다. 동시에, 더 높은 품질의 홀로그램이 생성될 수 있다.
이러한 목적을 위해서, 양각 구조체가 전체적으로 방금 설명된 연속적인 형상으로 이루어질 수 있다는 것에 주의해야 한다. 그러나, 양각 구조체가 방금 설명된 연속적 형상 뿐만 아니라 상이한 형상, 예를 들어 이진 형상인 하나 이상의 부분을 역시 포함할 수 있다는 것도 마찬가지로 착상가능하다. 그러므로, 처리 디바이스는 회절형 광학 요소의 최종 용도의 특정한 필요성에 따라서 양각 구조체를 생성할 수 있게 한다.
양각 구조체는 기판의 표면에 대한 팁의 기계적 및/또는 열적 작용에 의해서 생성되는 것이 바람직하다. 팁은 상기 양각 구조체를 생성할 때에 기판의 표면과 직접 접촉할 수 있다. 즉, 프로브의 팁은 기판의 표면에 즉시 작용할 수 있고, 예를 들어 이것이 작용하는 기판의 부분을 제거할 수 있다. 기계적 작용은 기판의 표면으로부터 재료를 물리적으로 제거하는 것일 수 있고, 즉 재료가 기판의 표면으로부터 선택적으로 제거되는 소거 기법(subtractive technique)일 수 있다. 열 작용은, 예를 들어 기판의 표면으로부터의 재료가 선택적으로 열적으로 분해 및/또는 제거되는 가열된 팁을 사용하여 적용될 수 있다. 팁을 가열하는 것은 프로브, 그리고 따라서 팁에 전류를 인가함으로써 달성될 수 있다. 물론, 이러한 작용들이 조합되고, 가열된 팁이 기판으로부터 재료를 기계적으로 제거하기 위해서 사용되는 것도 가능하다. 어떠한 경우에서도, 제 3 방향으로 표면으로부터 재료를 제거하는 것은 기판의 표면으로의 제 3 방향을 따라서 가열된 프로브, 그리고 따라서 팁을 이동시키고 밀어냄으로써 달성된다. z 방향에 따라서 프로브에 의해서 표면에 인가되는 힘의 세기는 변경함으로써, 제 3 방향에 대한 양각 구조체의 깊이가 제어된다. 처리 디바이스는 당업계에 공지된 열 스캐닝-프로브 리소그래피 디바이스에 대응하는 것이 바람직하다. 그러므로, SwissLitho AG 회사에 의해서 판매되는 것과 같은 상업적으로 입수가능한 열 스캐닝-프로브 리소그래피 디바이스를 사용하는 것이 특히 바람직하다. 특히 이러한 디바이스의 공간 분해능 때문에, 이러한 처리 디바이스를 사용하면, 공통 에칭 프로세스로부터 얻어지고 있는 연속적 양각 구조체와 비교할 때 제 1 방향 및/또는 제 2 방향으로의 더 큰 길이 스케일에 걸쳐서 연속적인 양각 구조체가 생성될 수 있다. 이러한 디바이스와 연관된 추가적인 장점은 양각 구조체가 생성될 때 프로브가 해당 양각 구조체를 판독하고 분석할 수 있는 능력에 있다. 즉, 팁은 양각 구조체를 샘플의 표면 내에 기록/생성/패터닝하는 동안에 샘플의 표면에 걸쳐서 스캔하고, 동시에 양각 구조체를 판독하거나 이미징하기 위해서 사용될 수 있다. 그러면 표면 양각 구조체의 정확하고 정밀한 프로파일을 초래하는 폐루프 피드백 시스템이 생성된다.
프로브는 제 1 방향 및/또는 제 2 방향으로, 약 0.1 나노미터 내지 50 마이크로미터의 스텝으로, 특히 약 0.1 나노미터 내지 100 나노미터의 스텝으로, 바람직하게는 5 나노미터 내지 50 나노미터의 스텝으로, 특히 바람직하게는 약 20 나노미터 미만의 스텝으로 이동될 수 있다. 추가적으로 또는 대안적인 예에서, 프로브는 제 3 방향으로, 약 0.1 나노미터 내지 1 마이크로미터의 스텝으로, 바람직하게는 0.2 나노미터 내지 25 나노미터의 스텝으로, 특히 바람직하게는 약 2 나노미터 미만의 스텝으로 이동될 수 있다.
프로브, 그리고 따라서 팁을 제 1 방향 및 제 2 방향 중 적어도 하나를 따라서 방금 언급된 스텝으로 이동시킴으로써, 제 1 방향 및/또는 제 2 방향에 따라서 연장되는 복수 개의 융기부 및 함몰부를 가지는 양각 구조체를 생성하는 것이 가능해진다. 더욱이, 처음에 설명된 팁을 가지는 프로브를 사용함으로써, 제 1 방향 및 제 2 방향 각각을 따라서 바라볼 때 두 개의 연속적인 융기부 사이 또는 함몰부 사이의 최소 수평 거리가 약 20 나노미터보다 작은 양각 구조체를 생성하는 것이 가능하다. 특히, 최소 수평 거리는 약 10 나노미터이다. 더욱이, 약 10 나노미터보다 작은 최소 깊이를 가지는 양각 구조체를 생성하는 것도 마찬가지로 가능해진다. 특히, 최소 깊이는 약 0.2 나노미터이다. 상기 깊이는 표면, 그리고 따라서 기판의 제 1 방향 및 제 2 방향에 수직으로 진행하는 제 3 방향으로 연장되고, 제 1 방향 및 제 2 방향 각각을 따라서 바라볼 때 두 개의 연속적인 융기부 또는 함몰부 사이에 형성된다.
프로브, 그리고 따라서 팁은 제 1 방향 및/또는 제 2 방향으로 약 1 헤르쯔 내지 1,000 킬로헤르쯔, 바람직하게는 약 1 킬로헤르쯔 내지 500 킬로헤르쯔의 레이트로 이동될 수 있다. 동시에, 팁이 기판의 표면에 작용하는 것이 착상가능하다. 다르게 말하면, 프로브가 양각 구조체를 약 1 헤르쯔 내지 1000 킬로헤르쯔, 바람직하게는 약 1 킬로헤르쯔 내지 500 킬로헤르쯔의 레이트로 패터닝하도록 구성되는 것이 착상가능하다. 이와 유사하게, 프로브가 기록된 패턴을 주어진 레이트로 동시에 판독하도록, 즉 양각 구조체를 판독하도록 구성되는 것도 착상가능하다. 추가적으로 또는 대안적으로, 팁은 약 100 ℃ 내지 1,500 ℃의 범위, 바람직하게는 약 700 ℃ 내지 1,400 ℃의 범위 내의 온도로 가열될 수 있다. 이러한 파라미터는 각각, 생성될 양각 구조체의 치수에 따라서 설정되고 기판의 재료에 적응된다.
처리 디바이스는 제어기로 공급되는 제어기 데이터에 기반하여 프로브를 제어하도록 구성되는 제어기를 더 포함할 수 있는데, 제어기 데이터는 제 1 방향 및 제 2 방향이 걸쳐 있는 수평면을 따라서 양각 구조체를 규정하고 하나 이상의 함수에 기반한다. 하나 이상의 함수는 하나 이상의 연속 함수에 대응하는 것이 바람직하다. 제어기 데이터는 하나 이상의 정현 함수에 기반하는 것이 특히 바람직하다. 프로브의 운동을 제어하기 위하여 사용되는 착상가능한 함수의 다른 예들은 베셀 함수 또는 가우시안 함수이다. 그러므로, 제어기 데이터를 하나 이상의 연속적인 평활 함수(smooth function)에 기반하게 하는 것이 착상가능하다. 이러한 방식으로 프로브, 그리고 따라서 팁은 연속적이고 가능하게는 부드러운 움직임을 수행한다. 상기 연속적이고 가능하게는 또한 부드러운 움직임을 규정하는 공간적 프로파일이 팁이 기판의 표면에 작용할 때에 기판의 표면으로 전사된다.
하나 이상의 정현 함수는 다음 수학식에 의해서 표현될 수 있는데,
여기에서 파라미터 An은 진폭이며,
파라미터 kn은 공간 주파수이고,
파라미터 αn은 상기 수평면에 따른 각도 방향이며,
파라미터 φn은 위상이고,
파라미터 Δn은 상기 제 3 방향에 대한 오프셋이다.
회절형 광학 요소의 최종적인 적용예에 의존하여, 제어기 데이터를 진폭 An, 공간 주파수 kn, 각도 방향 αn, 위상 φn, 및 오프셋 Δn 중 적어도 하나의 적당하고 미리 결정된 값에 기반하게 하는 것이 착상가능하다.
특히, 진폭 An은 제 3 방향에 따른 진폭에 대응한다. 양각 구조체의 진폭은 입사 전자기 방사선의 회절의 세기 또는 효율에 관련된다. 예를 들어, 전자기 방사선이 높은 세기에서 회절되어야 할 경우, 진폭은 증가되어야 하고, 그 반대의 경우도 마찬가지이다.
공간 주파수는 에 의해서 주어지는데, 여기에서 , 는 수평면을 따라서 각도 방향 αn으로 연장되는 양각 구조체의 파장이다. 양각 구조체의 공간 주파수는 양각 구조체 상에 입사하는 전자기 방사선의 면내 파벡터가 출력 모드의 면내 파벡터에 매칭되도록 선택되는 것이 바람직한데, 이것은 다음의 모멘텀-매칭 수학식에 의하여 제공된다:
여기에서 , , 및 , 이다.
는 입사 전자기 방사선의 면내 파벡터이다.
는 회절된 출사 전자기 방사선의 면내 파벡터이다.
는 입사 전자기 방사선의 전파 방향과 나란한 단위 벡터이다.
는 회절된 출사 전자기 방사선의 전파 방향과 나란한 단위 벡터이다.
는 면내의 회절된 출사 전자기 방사선의 전파 방향의 단위 벡터이다.
는 면내의 입사 전자기 방사선의 전파 방향의 단위 벡터이다.
는 에 의해 주어지는 양각 구조체의 파벡터이다.
는 회절형 광학 요소를 규정하는 양각 구조체의 파장이다.
는 양각 구조체의 방향과 나란한 단위 벡터인데, 이것은 여기에서 기판의 표면과 나란하다.
는 기판의 표면과 법선인 방향에 대한, 여기에서는 제 3 방향에 대한 입사 전자기 방사선의 각도(본 명세서에서는 in이라고도 불림) 및 회절된 출사 전자기 방사선의 각도(본 명세서에서는 out이라고도 불림)이다.
는 입사 전자기 방사선이 통과하여 전파되는 매질의 굴절률이다.
는 회절된 출사 전자기 방사선이 통과하여 전파되는 매질의 굴절률 이다.
는 전자기 방사선의 진공 파장이다.
언급된 바와 같이, 위의 파라미터들은 회절형 광학 요소의 최종 적용예에 따라서 선택되는 것이 바람직하다. 이와 같이, 조사되고 회절형 광학 요소에 의해 회절될 전자기 방사선의 파장 및 기판의 굴절률이 알려지게 된다. 입사 전자기 방사선의 각도 및 회절된 출사 전자기 방사선의 각도도 역시 최종 적용예에 따라서 설정된다. 예를 들어, 회절형 광학 요소가 가상 이미지 디스플레이 디바이스에서 사용될 것이라면, 회절된 출사 전자기 방사선이 기판의 표면 평면에 평행하게 진행하게끔, 입사 전자기 방사선의 각도는 기판의 표면에 대해 법선인 방향에 대해서 수직 입사하도록, 즉 0° 설정되는 것이 바람직하고, 회절된 출사 전자기 방사선의 각도는 기판의 표면에 법선인 방향에 대하여 90°가 되도록 설정되는 것이 바람직하다.
위상 φn은, 양각 구조체가 전자기 방사선의 인입하는 빔을 대칭적 방식 또는 비대칭 방식으로 회절시키도록 선택되는 것이 바람직하다. 즉, 이러한 위상이 양각 구조체의 대칭, 및 그러므로 양각 구조체에서의 전자기 방사선의 광학적 회절, 즉 회절의 대칭을 결정한다. 양각 구조체가 대칭적이 되도록 위상이 선택된다면, 회절형 광학 요소는 입사 전자기 방사선의 동일한 양을 표면 변조의 방향에 법선인 방향, 즉 회절형 광학 요소의 제 1 방향 또는 제 2 방향에 상대적으로 양의 각도 및 음의 각도로 회절시킨다. 양각 구조체가 비대칭이 되도록 위상이 선택된다면, 회절형 광학 요소는 입사 전자기 방사선의 동일하지 않은 양을 회절형 광학 요소의 좌측과 우측으로 회절시킨다. 후자의 경우에 회절된 전자기 방사선을 특정 각도 방향으로 소위 라우팅하는 것이 가능해진다. (비)대칭적 양각 구조체는 본 명세서에서 양각 구조체의 표면에 걸쳐서 제 3 방향을 따라서 진행하는 거울면에 대하여 제 1 방향 또는 제 2 방향을 따라서 (비)대칭적인 것으로 이해되어야 한다. 즉, 위상은 양각 구조체가 제 2 방향(제 1 방향) 및 제 3 방향이 걸쳐 있는 평면에 따라서 진행하는 거울면에 대해서 제 1 방향(제 2 방향)을 따라서 대칭적이 되도록 선택될 수 있다.
예를 들어, 양각 구조체의 표면 프로파일, 즉 제 1 방향 및 제 2 방향이 걸쳐 있는 수평면 내의 양각 구조체의 표면은 수학식 에 의해서 주어지는 2-성분 정현파로서 규정될 수 있고, 여기에서 A1=2* A2, k2=2* k1 이며, 오프셋 Δ는 임의로 선택되며, 상대 위상 파라미터 φrel이 주어진 포인트 주위에서 x 축을 따른 함수의 거울 대칭을 결정한다. 상대 위상이 φrel= π/2가 되도록 선택된다면, 결과적으로 얻어지는 2-성분 정현 함수는 주어진 포인트 주위에서 x-축에 따라서 거울 대칭적이다. 상대 위상이 φrel= 0이 되도록 선택된다면, 결과적으로 얻어지는 2-성분 정현 함수는 x-축에 따라서 거울 비대칭적이다. 이러한 대칭 및 비대칭 표면 양각 프로파일은 입사 전자기 방사선을 각각 같은 세기 및 다른 세기로 출사 회절된 광의 양의 및 음의 각도로 회절시킬 것이다. 대칭적인 경우는 출사 회절 방사선의 양의 및 음의 각도 양자 모두에 대해서 회절된 광의 동일한 세기를 요구하는 애플리케이션에 대해서 바람직할 것이다. 비대칭적인 경우는 회절된 전자기 방사선을 블레이즈드(blazed) 격자에서와 같이 특정 회절 차수로 "라우팅(route)"시키고자 하는 애플리케이션에 대해서 바람직할 것이다.
상기 두 개 이상의 정현 함수 fn(x, y)는 다음 푸리에 급수에서 합산되는 것이 바람직하다:
예를 들어, 회절형 광학 요소가 650 나노미터의 적색, 550 나노미터의 녹색 및 475 나노미터의 청색을 구성하는 전자기 방사선을 회절시키기 위하여 사용될 경우, 제 1 단계에서 앞서 개략화된 정현 함수 fn=(x, y)이 이러한 세 개의 컬러 각각에 대해서 계산된다, 즉 n=3. 제 2 단계에서, 이러한 세 개의 정현 함수가 당업계에 공지된 바와 같이 푸리에 급수에서 합산된다.
제어기 데이터는 바람직하게는:
(i) 컴퓨팅 디바이스 내에서, 수평면 내에 생성될 양각 구조체를 하나 이상의 바람직하게는 정현 함수 fn(x, y)로써 규정하는 단계 - 상기 규정하는 단계에 의하여 모델 양각 구조체가 획득됨 -; 및
(ii) 상기 컴퓨팅 디바이스 내에서, 단계 (i)의 모델 양각 구조체를 픽셀들로 이산화(discretizing)하는 단계 - 상기 이산화하는 단계에 의하여 이산화된 제어기 데이터가 획득되고, 상기 이산화된 제어기 데이터는 바람직하게는 디지털 파일 내에, 특히 바람직하게는 비트맵 파일 내에 저장됨 -
에 의해서 생성된다.
컴퓨팅 디바이스는 당업계에 공지된 상업적으로 입수가능한 컴퓨팅 디바이스, 예를 들어 소프트웨어 툴 MATLAB®을 포함하는 컴퓨터에 대응할 수 있다. 전술된 하나 이상의 함수를 계산하고 추가적으로 처리할 수 있는 임의의 다른 소프트웨어 툴도 역시 사용될 수 있다는 것에 주의해야 한다. 이러한 방식으로, 앞서 규정된 파라미터들이 컴퓨팅 디바이스 내로, 예를 들어 소프트웨어 툴 MATLAB®에 입력되고, 이것은 이제 모델 양각 구조체를 계산한다. 다시 말해서, 모델 양각 구조체는, 진폭 An의 미리 결정된 값 및/또는 공간 주파수 kn의 미리 결정된 값 및/또는 각도 방향 αn의 미리 결정된 값 및/또는 위상 φn의 미리 결정된 값 및/또는 오프셋 Δn의 미리 결정된 값을 사용하여 계산되는 것이 바람직하다. 컴퓨팅 디바이스를 사용하면, 모델 양각 구조체는 후속하여 픽셀들로 이산화되는 것이 바람직하고, 상기 픽셀화된 데이터는 이제 비트맵 파일과 같은 디지털 파일 내에 저장된다. 디지털 파일은 프로브의 움직임을 제어하는 제어기 내로 공급되는 제어기 데이터를 포함한다.
픽셀은 제 1 방향 및/또는 제 2 방향으로 약 1 나노미터 내지 1 마이크로미터, 바람직하게는 약 10 나노미터의 길이를 가지는 것이 바람직하다. 더욱이, 픽셀들이 정사각형 또는 직사각형 픽셀의 형태로 제공되는 것이 바람직하다. 추가적이거나 대안적인 예에서, 픽셀을 제 3 방향을 따라서 전술된 단계 (ii)에서 적어도 2^(m)의 깊이 레벨 개수를 가지는 깊이 레벨로 이산화하는 것이 바람직한데, 여기에서 m은 적어도 3, 바람직하게는 적어도 5, 특히 바람직하게는 적어도 8이다. 다시 말해서, 제어기 데이터는 제 3 방향을 따라서 적어도 8, 바람직하게는 적어도 32, 특히 바람직하게는 적어도 256의 깊이 레벨 개수를 가지는 깊이 레벨로 이산화되는 픽셀화된 모델 양각 구조체를 포함하는 것이 바람직하다. 제어기는 깊이 레벨을 실수 깊이로 지정하도록 구성되는 것이 바람직한데, 실수 깊이는 제 3 방향에 따른 요구되는 양각 구조체의 깊이에 대응한다. 예를 들어, 요구되는 양각 구조체가 50 나노미터의 깊이를 가지고 제어기 데이터가 제 3 방향을 따라서 256 개의 깊이 레벨을 가지는 모델 양각 구조체를 포함하면, 제어기는 제 3 방향을 따라서 약 0.2 나노미터, 즉 50 나누기 256 나노미터의 스텝으로 기판에 작용하도록 구성될 수 있다. 제 1 및 제 2 방향 중 적어도 하나를 따라서 양각 구조체를 생성할 때, 팁에 인가되는 힘은 디지털 파일에 저장된 깊이 레벨에 따라서 변하는 것이 바람직하다. 제어기 데이터가 연속적이고 가능하게는 평활한(smooth) 이상의 함수에 기반하는 경우, 디지털 파일은 그레이-레벨 디지털 파일에 대응한다고 말할 수 있고, 여기에서 팁의 힘은 파일의 그레이-레벨에 따라서 인가된다. 비트맵-파일의 바람직한 케이스에서, 비트맵은 기판 내의 양각 구조체로 변환될 수 있는데, 여기에서 제 1, 제 2 및 제 3 방향으로의 하나의 특정 위치는 비트맵의 특정 그레이-레벨에 대응한다.
기판은 열감응성 재료, 바람직하게는 폴리머, 특히 바람직하게는 폴리(메틸 메타크릴레이트-코-메타크릴릭 산)(poly(methyl methacrylate-co-methacrylic acid)), 폴리프탈알데히드(polyphthalaldehyde; PPA), 또는 CSAR을 포함하거나 이것으로 이루어지는 것이 바람직하다. CSAR은 상업적으로 입수가능한 바와 같은, 할로겐화된 산 생성기기 첨가된 메틸 스티렌-코-α-크로로메타크릴레이트(methyl styrene-co-α-chloromethacrylate) 계열의 공중합체이다. 그러므로, 기판은 열에 반응성을 가지는 하나 이상의 폴리머를 포함할 수 있다. 이러한 경우에, 프로브의 가열성 팁이 기판의 표면 상에 배치될 수 있고, 기판을 가열된 팁과 접촉하는 위치에서 국소적으로 분해 및/또는 제거할 수 있다. 그러나, 기판의 재료의 국소 제거는 팁의 기계적 작용만으로 또는 팁의 열 및 기계적 작용의 조합에 의해서도 마찬가지로 착상가능하다.
양각 구조체를 처리 디바이스를 사용하여 생성하는 것은 당업계에 일반적으로 알려져 있는 방식에 따라서 수행될 수 있다. 예를 들어, 기판의 표면에 양각 구조체를 형성함으로써, 회절형 광학 요소가 획득되게 하는 것이 착상가능하다. 그러므로, 회절형 광학 요소는 무마스크의 직접-쓰기 기법에 따라서 생성될 수 있다. 그러나, 회절형 광학 요소의 최종 적용예에 의존하여, 예를 들어 리프트-오프, 에칭, 도금, 몰딩 등을 사용하여 다른 재료 내로 전사되는 레지스트 패턴으로서의 양각 구조체를 포함하고 있는 기판을 사용하는 것도 마찬가지로 착상가능하다.
그러므로, 일 양태에서, 유전체막 또는 금속막 또는 은막과 같은 전이 금속막 중 적어도 하나를 양각 구조체 상에 도포함으로써, 양각 구조체가 유전체막 또는 금속막 또는 전이 금속막 내에 생성되게 하는 것이 착상가능하다. 추가적인 단계에서, UV-경화성 에폭시 수지와 같은 경화성 수지가 유전체막 또는 금속막 또는 전이 금속막 상에 퇴적될 수 있다. 다시 추가적인 단계에서, 캐리어가 경화성 수지에 적용될 수 있는데, 캐리어는 유리와 같은 유전체 재료, 금속, 전이 금속, 실리콘과 같은 반도체 재료, 중합가능 폴리머, 또는 폴리머를 포함하는 것이 바람직하다. 다르게 말하면, 기판의 표면 내에 생성되는 양각 구조체는 유전체막 또는 금속막 또는 전이 금속막으로 전사된다. 그 후에, 경화성 수지가 경화될 수 있다. 다음 단계에서, 캐리어, 경화된 수지 및 양각 구조체의 음각(negative)을 포함하는 유전체막 또는 금속막 또는 전이 금속막이 기판으로부터 제거되도록 템플릿 스트리핑(template stripping)이 수행될 수 있다. 이렇게 생성된 템플릿 스트립은 템플릿을 규정하는 표면 양각 구조체의 음각인 프로파일을 가지는 회절형 광학 요소에 대응한다.
다른 양태에서, 이러한 방법이 추가 기판을 제공하는 단계를 더 포함하고, 추가 기판이 표면을 가지며 제 1 방향, 제 2 방향, 및 제 3 방향으로 연장되는 것이 착상가능하다. 기판은 추가 기판의 표면 상에 제공될 수 있고, 기판의 양각 구조체는 추가 기판의 표면 내로 에칭될 수 있다. 그렇게 함에 있어서, 기판의 양각 구조체가 추가 기판의 표면 내로 전사된다. 이를 통하여, 양각 구조체가 있는 표면을 가지는 추가 기판으로 이루어지는 회절형 광학 요소가 생성된다.
여기에서, 유전체막 또는 금속막 또는 은막과 같은 전이 금속막이 유사하게 추가 기판의 표면 내에 생성된 양각 구조체에 도포될 수 있는데, 여기에서 후속하여 앞서 설명된 템플릿 스트리핑이 수행된다는 것에 주의해야 한다.
추가 기판은 중합가능 재료, 폴리머, 금속, 은과 같은 전이 금속, 실리콘과 같은 반도체 재료, 또는 유리와 같은 유전체 재료를 포함하거나 이들로 이루어질 수 있다.
미처리된 상태인 기판 및/또는 추가 기판은 제 1 방향 및/또는 제 2 방향으로 적어도 약 1 밀리미터, 바람직하게는 약 1 밀리미터 내지 300 밀리미터만큼 측방향 연장부(lateral expansion)를 가질 수 있다. 미처리된 상태란 양각 구조체가 기판 및 추가 기판 각각의 표면 내에 생성되지 않은 상태를 가리킨다. 추가적으로 또는 대안적으로, 미처리된 상태인 기판 및/또는 추가 기판이 약 1 나노미터 내지 1 센티미터, 바람직하게는 약 100 마이크로미터 내지 1 밀리미터의 연장부를 가지는 것이 착상가능하다. 제 3 방향으로의 연장부는 미처리된 기판 및 추가 기판 각각의 두께에 대응한다.
양각 구조체는 제 1 방향 및/또는 제 2 방향으로의 약 100 나노미터 내지 50 마이크로미터, 바람직하게는 약 1 마이크로미터의 측방향 연장부로 연장되는 것이 바람직하다. 다르게 말하면, 양각 구조체는 제 1 및 제 2 방향으로 약 100 나노미터 내지 50 마이크로미터의 범위에 속하는, 바람직하게는 약 1 마이크로미터의 하나의 패터닝 영역의 필드 크기를 가지는 것이 바람직하다. 큰 양각 구조체를 가지기위해서, 기판의 표면 상에서 이러한 패터닝 영역들 중 하나 이상을 서로 스티칭하는 것이 착상가능하다. 또는, 하나의 큰 패터닝 영역을 가지는 큰 양각 구조체를 생성하는 것도 유사하게 착상가능하다.
다시 말해서, 하나 이상의 양각 구조체는 기판의 표면 내에 그리고 적용가능한 경우 추가 기판의 표면 내에 생성될 수 있고, 하나 이상의 양각 구조체는 제 1 방향 및/또는 제 2 방향에 대하여 서로 바로 인접하게 또는 서로 이격되게 배치되는 것이 바람직하다. 그렇게 함에 있어서, 동일하거나 상이한 제어기 데이터를 사용하면서 두 개 이상의 양각 구조체를 생성하는 것이 착상가능하다. 다르게 말하면, 양각 구조체는 동일하거나 상이한 형상을 가질 수 있다.
본 발명의 다른 양태에서, 회절형 광학 요소는 전술된 바와 같은 방법에 의해서 생성된다.
다른 양태에서도 마찬가지로, 표면을 가지는 기판을 포함하는 회절형 광학 요소가 제공된다. 기판은 제 1 방향으로, 제 1 방향에 수직으로 진행하는 제 2 방향으로, 그리고 제 1 방향 및 제 2 방향에 수직으로 진행하는 제 3 방향으로 연장된다. 이러한 표면은 표면을 가지는 양각 구조체를 포함한다. 적어도 양각 구조체의 부분에서, 제 3 방향에 따른 양각 구조체의 표면 및 기판의 표면 사이의 거리는 제 1 방향 및 제 2 방향 중 적어도 하나를 따라서 본질적으로 연속적으로 변한다. 적어도 양각 구조체의 부분은 제 1 방향 및 제 2 방향 중 적어도 하나를 따라서 바라볼 때 복수 개의 융기부 및 함몰부를 포함하고, 여기에서 다음 중 적어도 하나가 성립한다:
i. 제 1 방향 및 제 2 방향 중 적어도 하나를 따라서 a) 두 개의 연속적인 융기부 사이 및 b) 두 개의 연속적인 함몰부 사이 중 적어도 하나의 최소 수평 거리는 약 1 마이크로미터보다 작고, 바람직하게는 약 20 나노미터보다 작으며, 특히 바람직하게는 최소 거리는 약 10 나노미터이다, 그리고
ii. 제 3 방향으로 연장되고 a) 두 개의 연속적인 융기부 사이 및 b) 두 개의 연속적인 함몰부 사이 중 적어도 하나에 형성되는 최소 깊이는 제 1 방향 및 제 2 방향 중 적어도 하나를 따라서 약 100 나노미터보다 작고, 바람직하게는 약 10 나노미터보다 작으며, 특히 바람직하게는 최소 깊이가 약 0.2 나노미터이다.
다시 말해서, 회절형 광학 요소는 양각 구조체를 가지는 표면을 포함한다. 상기 양각 구조체가 이제 표면을 규정한다. 양각 구조체의 적어도 일부는, 제 1 방향 및/또는 제 2 방향에 따른 양각 구조체의 표면 및 기판 변동의 표면 사이의 거리가 본질적으로 연속적 방식으로 변하도록 구성된다. 여기에서, 마찬가지로, "본질적으로(essentially)" 및 "연속적(continuous)"이라는 표현은 전술된 바와 같이 이해될 것이다. 즉, "연속적"이라는 표현은 그 수학적 의미에서 이해되어야 하고, "본질적으로"라는 표현은 양각 구조체가 양각 구조체를 생성하도록 사용되는 처리 디바이스에 의해서, 특히 그 공간 분해능에 의해서 허용되는 한 연속적이라는 것을 표시할 것이다. 이러한 목적을 위해서, 양각 구조체가 방금 설명된 연속 형상의 일부만을 포함할 필요가 없고, 오히려 해당 형상의 전부로 이루어질 수 있다는 것에 주의해야 한다. 그러나, 양각 구조체가 방금 설명된 연속적 형상을 가지는 부분뿐만 아니라 상이한 형상, 예를 들어 이진 형상인 하나 이상의 부분을 역시 포함할 수 있다는 것도 마찬가지로 착상가능하다. 더욱이, 적어도 일부, 가능하게는 전체 양각 구조체는 방금 설명된 최소 수평 거리 및 최소 깊이(또는 수직 거리)를 포함한다. 그러나, 양각 구조체가 상기 최소 수평 거리 및 최소 깊이보다 큰 최소 수평 거리 및/또는 최소 깊이가 있는 다른 부분을 포함하는 것도 유사하게 착상가능하다. 예를 들어, 상기 최소 수평 거리는 약 100 마이크로미터보다 작을 수 있고, 상기 최소 깊이는 10 마이크로미터보다 작을 수 있다. 어떠한 경우에도, 양각 구조체가 더 큰 수평 거리 및/또는 깊이를 가지는 적어도 두 개 이상의 연속적인 융기부 또는 함몰부를 포함하는 것이 가능하다. 예를 들어, 두 개의 연속적인 함몰부 또는 융기부 사이의 양각 구조체의 깊이는 제 3 방향을 따라서 바라볼 때 약 10 나노미터보다 클 수 있고, 바람직하게는 약 30 나노미터보다 클 수 있으며, 특히 바람직하게는 약 50 나노미터보다 클 수 있다. 두 개의 연속적인 융기부 또는 함몰부 사이의 수평 거리는 제 1 및/또는 제 2 방향을 따라서 바라볼 때 약 100 나노미터보다 클 수 있고, 바람직하게는 약 10 마이크로미터보다 클 수 있다.
양각 구조체의 적어도 일부는 제 1 방향으로 연장되는 제 1 섹션을 따라서 바라볼 때 및/또는 제 2 방향으로 연장되는 제 2 섹션을 따라서 바라볼 때 주기적 또는 비주기적 형상을 포함할 수 있다. 바람직하게는, 이러한 형상은 처리 디바이스의 프로브를 제어하는 제어기 데이터의 결과이고, 바람직하게는 전술된 바와 같은 하나 이상의 정현 함수와 같은 하나 이상의 연속 함수에 기반한다.
양각 구조체의 적어도 일부는, 주어진 파장을 가지는 전자기 방사선의 적어도 하나의 빔이 적어도 하나의 요구되는 입사각으로 양각 구조체의 부분 상에 입사할 수 있고 및 적어도 하나의 요구되는 출사각으로 회절될 수 있도록 구성되는 것이 바람직하다. 다시 말해서, 양각 구조체의 적어도 일부는, 주어진 파장을 가지는 전자기 방사선의 빔이 임의의 요구되는 입사각으로 양각 구조체의 부분 상에 입사할 수 있고, 이것이 이제 임의의 요구되는 하나 이상의 출사각으로 회절될 수 있도록 하는 형상을 가지는 것이 바람직하다. 이것은 전자기 방사선의 두 개 이상의 빔에 대해서도 달성될 수 있는데, 여기에서 각각의 빔에 대하여, 양각 구조체의 적어도 일부는 빔을 요구되는 입사각으로부터 요구되는 출사각으로 회절시킬 주기적 또는 비주기적 성분을 보유한다. 다르게 말하면, 양각 구조체의 적어도 일부는 전술된 모멘텀-매칭 수학식이 달성되도록 구성되는 것이 바람직하다. 대안적으로, 양각 구조체의 적어도 일부가, 적어도 하나의 요구되는 입사각으로 양각 구조체의 부분 상에 입사하는 전자기 방사선의 적어도 하나의 빔이, 회절된 출사 전자기 방사선이 간섭하여 특정 광 필드를 형성하는 방식으로 양각 구조체의 부분으로부터 회절되게끔 구성되는 것도 역시 착상가능하다. 전자기 방사선의 하나의 빔이 양각 구조체의 부분 상에 입사하면 따라서 생성된 간섭 패턴은 상기 하나의 인입하는 전자기 빔의 회절 시에 생성되는 두 개 이상의 간섭 파면에 의해서 구성된다. 그러나, 간섭 패턴을 생성하는 것은 전자기 방사선의 두 개 이상의 인입하는 빔이, 회절된 출사 전자기 방사선이 간섭하여 특정 광 필드를 형성하게끔 양각 구조체의 부분으로부터 회절되는 경우에 대해서도 마찬가지로 가능한데, 여기에서 상기 간섭 패턴은 두 개 이상의 인입하는 빔의 두 개 이상의 간섭 파면에 의해서 구성된다. 다르게 말하면, 양각 구조체의 부분은, 전자기 방사선의 하나 이상의 빔이, 이들이 간섭하여 특정 광 필드를 생성하게 되는 방식으로 양각 구조체에서 회절되도록 구성될 수 있다. 이러한 양각 구조체는, 예를 들어 컴퓨터-생성 홀로그램의 분야에서 특히 바람직하다.
양각 구조체의 적어도 일부는, 제 1 파장을 가지고 제 1 입사각으로 상기 양각 구조체의 부분 상에 입사하는 전자기 방사선의 적어도 제 1 빔이 제 1 출사각으로 회절되고, 제 1 파장과 상이한 제 2 파장을 가지고 제 2 입사각으로 상기 양각 구조체의 부분 상에 입사하는 전자기 방사선의 적어도 제 2 빔이 제 2 출사각으로 회절되도록 구성될 수 있고, 여기에서,
i. 상기 제 1 입사각은 상기 제 2 입사각과 본질적으로 같고 상기 제 1 출사각은 상기 제 2 출사각과 본질적으로 같으며, 또는
ii. 상기 제 1 입사각이 상기 제 2 입사각과 본질적으로 같고 상기 제 1 출사각이 상기 제 2 출사각과 다르며, 또는
iii. 상기 제 1 입사각이 상기 제 2 입사각과 다르고 상기 제 1 출사각이 상기 제 2 출사각과 본질적으로 같으며, 또는
iv. 상기 제 1 입사각이 상기 제 2 입사각과 다르고 상기 제 1 출사각이 상기 제 2 출사각과 다르다.
입사각 및 출사각은 기판의 표면에 법선인 방향에 대해서 규정된다.
앞서 개략적으로 설명된 바와 같이, 본 발명에 따른 방법은 회절형 광학 요소의 최종 적용예에 적응되는 양각 구조체가 생성될 수 있게 한다. 이러한 목적을 위해서, 표면 양각 구조체는 하나 이상의 정현 함수에 기반하는 제어기 데이터에 의해서 생성될 수 있고, 여기에서 진폭 An, 공간 주파수 kn, 각도 방향 αn, 위상 φn, 및 오프셋 Δn의 미리 결정된 값들이 사용된다. 이러한 방식으로, 앞서 나열된 기준들(i. 내지 iv.) 중 하나를 만족시키는 표면 양각 구조체를 생성하는 것이 가능하다.
예를 들어, 회절형 광학 요소가, 증강 현실 디바이스에서 바람직하게 사용되기 때문에 소위 RGB-커플러, 즉 다색 적녹청-커플러에서 사용될 경우에, 양각 구조체는 앞서 언급된 기준 i. 에 따라서 구성되는 것이 바람직하다. 즉, 양각 구조체는, 그들의 파장이 다른 전자기 방사선의 세 개의 빔(여기에서: λ1 = 650 nm, λ2 = 550 nm, λ3 = 475 nm)이 공통된 특정 입사각으로 양각 구조체 상에 입사하고 공통 특정 출사각으로 양각 구조체에서 회절되도록 구성되는 것이 바람직하다. 공통 입사각은 기판의 표면에 법선인 방향에 대해서 규정되고, 바람직하게는 0°다. 공통 출사각은 기판의 표면에 법선인 방향에 대해서 규정되고, 바람직하게는 9이°다. 따라서, 빔들은 이들이 서로 그리고 기판의 표면에 대해서 평행하고 입사 방향에 대해서 수직으로 전파되는 방식으로 양각 구조체에서 회절된다. 그러나 전자기 방사선의 하나 이상의 빔이, 이들이 간섭하여 특정 광 필드를 형성하게 되는 방식으로 양각 구조체에서 회절되도록 구성되는 양각 구조체를 생성하는 것도 가능하다. 이러한 양각 구조체는, 예를 들어 컴퓨터-생성 홀로그램의 분야에서 바람직할 것이다.
다른 양태에서, 가상 이미지 디스플레이 디바이스가 제공되는데, 가상 이미지 디스플레이 디바이스는 방사선의 소스, 바람직하게는 이미지 디스플레이 요소, 기판, 및 전술된 바와 같은 적어도 제 1 및 제 2 회절형 광학 요소를 포함한다. 방사선의 소스는 전자기 방사선의 적어도 하나의 빔, 바람직하게는 적어도 하나의 이미지 프레임을 방출하도록 구성된다. 제 1 회절형 광학 요소는, 제 1 회절형 광학 요소 상에 입사하는 전자기 방사선 의적어도 하나의 빔이 기판 내로 커플링되고 기판을 따라서 전파되도록, 기판 위에 또는 안에 배치된다. 제 2 회절형 광학 요소는, 전자기 방사선의 적어도 하나의 빔이 기판으로부터 밖으로 커플링되도록 기판 위에 또는 안에 배치된다.
다른 양태에서, 가상 이미지 디스플레이 디바이스가 제공되는데, 가상 이미지 디스플레이 디바이스는 방사선의 소스, 기판, 및 전술된 바와 같은 적어도 하나의 회절형 광학 요소를 포함한다. 방사선의 소스는 전자기 방사선의 적어도 하나의 빔을 방출하도록 구성된다. 회절형 광학 요소는, 회절형 광학 요소 상에 입사하는 전자기 방사선의 적어도 하나의 빔이, 회절된 출사 전자기 방사선이 간섭하여 특정 광 필드를 형성하게 되는 방식으로 회절되도록, 기판 위에 또는 안에 배치된다.
상기 가상 이미지 디스플레이 디바이스가, 방사선의 소스로부터 방출되는 전자기 방사선의 적어도 하나의 빔이 상기 회절형 광학 요소 상에 입사하고, 전자기 방사선의 적어도 하나의 빔이 이제, 회절된 출사 전자기 방사선이 간섭하여 특정 광 필드를 형성하게 되는 방식으로 회절되도록 구성되고 배치되는 회절형 광학 요소를 포함하는 것이 착상가능하다. 그러나, 가상 이미지 디스플레이 디바이스가 전술된 바와 같은 두 개 이상의 회절형 광학 요소를 포함하는 것도 유사하게 착상가능하다. 이러한 경우에, 회절형 광학 요소 중 하나는 방사선의 소스로부터 방출되는 전자기 방사선을 기판 내로 커플링하기 위해서 사용될 수 있고, 따라서 인-커플링된 전자기 방사선은 기판을 따라서 전파된다. 다른 회절형 광학 요소는, 전파되는 전자기 방사선이, 회절된 출사 전자기 방사선이 간섭하여 전술된 바와 같은 특정 광 필드를 형성하게 되는 방식으로 기판 밖으로 회절되고 커플링되도록, 기판 상에서 구성되고 배치될 수 있다.
더욱이, 이미지 디스플레이 디바이스가 각각의 경우에 하나 이상의 광학 시스템, 예를 들어 전자기 방사선의 적어도 하나의 빔, 예를 들어 이미지 디스플레이 요소의 이미지 프레임을 수광하고, 전자기 방사선의 적어도 하나의 빔을 제 1 회절형 광학 요소로 릴레이하도록 구성되는 제 1 광학 시스템을 포함하는 것이 착상가능하다. 가상 이미지 디스플레이는 추가적인 광학 시스템과 같은 추가적인 컴포넌트를 포함할 수 있는데, 여기에서 상기 추가적인 광학 시스템은, 기판으로부터 밖으로 커플링되는 이미지 프레임과 같은 적어도 하나의 전자기 방사선을 수광하고 상기 전자기 방사선의 적어도 하나의 빔을 밖으로 릴레이하도록 배치되고 구성된다. 각각의 경우에 기판은 높은 굴절률을 가지는 재료에 대응하는 것이 바람직하다. 이러한 기판은 광 도파로라고도 불린다. 그러므로, 이미지 디스플레이 요소, 광학 시스템 및 광 도파로는 당업계에 공지되어 있는 컴포넌트들에 대응하는 것이 바람직하다. 더욱이, 가상 이미지 디스플레이는 사용자에 의해 착용되도록 구성될 수 있다.
본 발명에 따른 회절형 광학 요소가 사용된다는 사실은, 콤팩트하면서도 이미지 디스플레이 요소에 의해 생성되고 회절형 광학 요소에 의해 회절되는 이미지의 푸리에 스펙트럼에 걸친 완전한 제어를 가능하게 하는 가상 이미지 디스플레이 디바이스가 제공될 수 있게 한다.
본 발명의 바람직한 실시예는, 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하기 위한 것이고 이들을 한정하려는 것이 아닌 도면을 참조하여 이하 설명된다. 도면에서,
도 1a는 제 1 상태의 본 발명에 따른 회절형 광학 요소를 생성하는 방법의 개략적인 예를 도시하는데, 여기에서 프로브를 포함하는 처리 디바이스는 양각 구조체를 생성하기 위해서 기판의 표면에 작용할 것이다;
도 1b는 제 2 상태인 도 1b에 따른 회절형 광학 요소를 생성하는 방법의 개략적인 예를 도시하는데, 여기에서 프로브를 포함하는 처리 디바이스는 기판의 표면에 작용한다;
도 2a는 본 발명의 방법에 따른 회절형 광학 요소를 생성하기 위한 상이한 제작 경로를 도시한다;
도 2b는 도 2a에 따른 제작 경로에 의해서 획득되는 그 외의 회절형 광학 요소의 개략적인 예를 도시한다;
도 3은 본 발명의 방법에 따른 양각 구조체의 공간 주파수를 결정하는 데에 적용되는 물리적 관계의 개략적인 예를 도시한다;
도 4는 전자기 방사선이 본 발명의 다른 실시형태에 따르는 회절형 광학 요소의 양각 구조체에 충돌할 경우의 가능한 회절 시나리오의 개략적인 예를 도시한다;
도 5는 전자기 방사선이 본 발명의 다른 실시형태에 따르는 회절형 광학 요소의 양각 구조체에 충돌할 경우의 가능한 다른 회절 시나리오의 개략적인 예를 도시한다;
도 6은 전자기 방사선이 도 5에 따른 회절형 광학 요소의 양각 구조체에 충돌할 경우의 가능한 다른 회절 시나리오의 개략적인 예를 도시한다;
도 7은 전자기 방사선이 본 발명의 다른 실시형태에 따르는 회절형 광학 요소의 양각 구조체에 충돌할 경우의 가능한 다른 회절 시나리오의 개략적인 예를 도시한다;
도 8a는 하나의 정현 모델 양각 구조체에 대한 비트맵을 도시한다;
도 8b는 도 8a의 쇄선 A-A를 따라 취해진 비트맵의 단면을 도시한다;
도 9a는 본 발명에 따르는, 단일 정현 프로파일의 형상인 양각 구조체를 포함하는 회절형 광학 요소의 토포그래피를 도시한다;
도 9b는 도 9a의 쇄선 B-B를 따라 취해진 토포그래피의 단면을 도시한다;
도 10a는 본 발명에 따르는, 단일 정현 프로파일의 형상인 양각 구조체를 포함하는 회절형 광학 요소의 스캐닝 전자 마이크로그래프를 도시한다;
도 10b는 도 10a에 따른 회절형 광학 요소의 수직 입사 시의 스펙트럼-분해된 반사 측정치를 보여준다;
도 11a는 3-성분 정현 모델 양각 구조체에 대한 비트맵을 도시한다;
도 11b는 도 11a의 쇄선 C-C를 따라 취해진 비트맵의 단면을 도시한다;
도 12a는 본 발명에 따르는, 3-성분 정현 프로파일의 형상인 양각 구조체를 포함하는 회절형 광학 요소의 토포그래피를 도시한다;
도 12b는 도 12a의 쇄선 D-D를 따라 취해진 토포그래피의 단면을 도시한다;
도 13a는 본 발명에 따르는, 3-성분 정현 프로파일의 형상인 양각 구조체를 포함하는 회절형 광학 요소의 스캐닝 전자 마이크로그래프를 도시한다;
도 13b는 도 11 및 도 12에 따른 회절형 광학 요소의 수직 입사에서의 스펙트럼-분해된 반사 측정치를 보여준다;
도 14a는 2차원 정현 모델 양각 구조체에 대한 비트맵을 도시한다;
도 14b는 도 14a에 따른 2차원 모델 양각 구조체에 대한 토포그래피 데이터를 보여준다;
도 14c는 도 14a 및 도 14b에 따른 비트맵 및 토포그래피 데이터로부터 얻어진 양각 구조체를 포함하는 회절형 광학 요소의 스캐닝 전자 마이크로그래프를 도시한다;
도 14d는 도 14c에 따른 회절형 광학 요소의 k-공간 반사 측정치를 도시한다;
도 15는 본 발명에 따르는 회절형 광학 요소를 포함하는 가상 이미지 디스플레이 디바이스의 개략적인 예를 도시한다;
도 16은 본 발명에 따르는 회절형 광학 요소를 포함하는 다른 가상 이미지 디스플레이 디바이스의 개략적인 예를 도시한다.
도 1a는 제 1 상태의 본 발명에 따른 회절형 광학 요소를 생성하는 방법의 개략적인 예를 도시하는데, 여기에서 프로브를 포함하는 처리 디바이스는 양각 구조체를 생성하기 위해서 기판의 표면에 작용할 것이다;
도 1b는 제 2 상태인 도 1b에 따른 회절형 광학 요소를 생성하는 방법의 개략적인 예를 도시하는데, 여기에서 프로브를 포함하는 처리 디바이스는 기판의 표면에 작용한다;
도 2a는 본 발명의 방법에 따른 회절형 광학 요소를 생성하기 위한 상이한 제작 경로를 도시한다;
도 2b는 도 2a에 따른 제작 경로에 의해서 획득되는 그 외의 회절형 광학 요소의 개략적인 예를 도시한다;
도 3은 본 발명의 방법에 따른 양각 구조체의 공간 주파수를 결정하는 데에 적용되는 물리적 관계의 개략적인 예를 도시한다;
도 4는 전자기 방사선이 본 발명의 다른 실시형태에 따르는 회절형 광학 요소의 양각 구조체에 충돌할 경우의 가능한 회절 시나리오의 개략적인 예를 도시한다;
도 5는 전자기 방사선이 본 발명의 다른 실시형태에 따르는 회절형 광학 요소의 양각 구조체에 충돌할 경우의 가능한 다른 회절 시나리오의 개략적인 예를 도시한다;
도 6은 전자기 방사선이 도 5에 따른 회절형 광학 요소의 양각 구조체에 충돌할 경우의 가능한 다른 회절 시나리오의 개략적인 예를 도시한다;
도 7은 전자기 방사선이 본 발명의 다른 실시형태에 따르는 회절형 광학 요소의 양각 구조체에 충돌할 경우의 가능한 다른 회절 시나리오의 개략적인 예를 도시한다;
도 8a는 하나의 정현 모델 양각 구조체에 대한 비트맵을 도시한다;
도 8b는 도 8a의 쇄선 A-A를 따라 취해진 비트맵의 단면을 도시한다;
도 9a는 본 발명에 따르는, 단일 정현 프로파일의 형상인 양각 구조체를 포함하는 회절형 광학 요소의 토포그래피를 도시한다;
도 9b는 도 9a의 쇄선 B-B를 따라 취해진 토포그래피의 단면을 도시한다;
도 10a는 본 발명에 따르는, 단일 정현 프로파일의 형상인 양각 구조체를 포함하는 회절형 광학 요소의 스캐닝 전자 마이크로그래프를 도시한다;
도 10b는 도 10a에 따른 회절형 광학 요소의 수직 입사 시의 스펙트럼-분해된 반사 측정치를 보여준다;
도 11a는 3-성분 정현 모델 양각 구조체에 대한 비트맵을 도시한다;
도 11b는 도 11a의 쇄선 C-C를 따라 취해진 비트맵의 단면을 도시한다;
도 12a는 본 발명에 따르는, 3-성분 정현 프로파일의 형상인 양각 구조체를 포함하는 회절형 광학 요소의 토포그래피를 도시한다;
도 12b는 도 12a의 쇄선 D-D를 따라 취해진 토포그래피의 단면을 도시한다;
도 13a는 본 발명에 따르는, 3-성분 정현 프로파일의 형상인 양각 구조체를 포함하는 회절형 광학 요소의 스캐닝 전자 마이크로그래프를 도시한다;
도 13b는 도 11 및 도 12에 따른 회절형 광학 요소의 수직 입사에서의 스펙트럼-분해된 반사 측정치를 보여준다;
도 14a는 2차원 정현 모델 양각 구조체에 대한 비트맵을 도시한다;
도 14b는 도 14a에 따른 2차원 모델 양각 구조체에 대한 토포그래피 데이터를 보여준다;
도 14c는 도 14a 및 도 14b에 따른 비트맵 및 토포그래피 데이터로부터 얻어진 양각 구조체를 포함하는 회절형 광학 요소의 스캐닝 전자 마이크로그래프를 도시한다;
도 14d는 도 14c에 따른 회절형 광학 요소의 k-공간 반사 측정치를 도시한다;
도 15는 본 발명에 따르는 회절형 광학 요소를 포함하는 가상 이미지 디스플레이 디바이스의 개략적인 예를 도시한다;
도 16은 본 발명에 따르는 회절형 광학 요소를 포함하는 다른 가상 이미지 디스플레이 디바이스의 개략적인 예를 도시한다.
도 1a 내지 도 2b에는 본 발명에 따르는 양각 구조체(2)를 포함하는 회절형 광학 요소(1)를 생성하는 방법에 관련된 상이한 양태들이 개시된다. 양각 구조체(2)를 생성하는 것과 연관된 내재된 물리적 관계 및 결과적으로 얻어지는 회절 시나리오들은 도 3 내지 도 7에 도시된다. 도 8 내지 도 14d에 대해서는, 본 발명에 따르는 회절형 광학 요소(1)의 상이한 예들이 도시되고, 그들의 생산 및 특성에 대한 양태들이 논의된다.
그러므로, 도 1a 및 도 1b로부터, 본 발명에 따른 회절형 광학 요소(1)를 생성하는 방법은 면(4)을 가지는 적어도 하나의 기판(3)을 제공하는 단계 및 처리 디바이스(5)를 사용하여 기판(3)의 표면(4)에 양각 구조체(2)를 생성하는 단계를 포함한다. 기판(3)은 제 1 방향(x), 제 1 방향(x)에 수직으로 진행하는 제 2 방향(y), 및 제 1 방향(x) 및 제 2 방향(y)에 수직으로 진행하는 제 3 방향(z)으로 연장된다. 기판(3)의 표면(4)은 제 1 방향(x) 및 제 2 방향(y)으로 연장되고, 제 1 방향(x) 및 제 2 방향(y)은 수평면(x-y)을 형성한다. 처리 디바이스(5)는 팁(7)을 가지는 프로브(6)를 포함한다. 팁(7)은 약 10 나노미터인 반경 R을 가진다. 프로브(6), 그리고 따라서 팁(7)은 기판(3)에 상대적으로 제 1 방향(x), 제 2 방향(y) 및 제 3 방향(z)으로 이동가능하다. 양각 구조체(2)는, 제 3 방향(z)에 따른 양각 구조체(2)의 표면(8)과 기판(3)의 표면(4) 사이의 거리(D)가 제 1 방향(x) 및 제 2 방향(y)중 적어도 하나를 따라서 본질적으로 연속적으로 변하도록, 팁(7)의 상기 기판(3)의 표면(4)에 대한 작용에 의해서 생성된다(예를 들어 도 4 내지 도 7, 도 9a, 도 10a, 도 12a, 도 13a 및 14c를 참조). 도 1b로부터 알 수 있는 바와 같이, 예를 들어 기판(3)의 표면(4)은 기판(3)이 처리 디바이스(5)에 의해서 처리되기 이전의 기판(3)의 표면인 것으로 이해된다. 다르게 말하면, 처리 디바이스(5)에 의해 기판(3)을 처리한 이후에, 상기 표면(4)은 양각 구조체(2)를 포함하는 영역 외부의 기판의 표면에 대응한다. 이제, 이것은 양각 구조체(2)의 표면(8)이 양각 구조체(2)를 포함하는 기판(3)의 표면에 대응한다는 것을 의미한다. 프로브(6)는 약 0.1 나노미터 내지 50 마이크로미터의 스텝으로, 예를 들어 약 20 나노미터 미만의 스텝으로 제 1 방향(x) 및 제 2 방향(y)으로 이동가능하고, 프로브(6)는 제 3 방향(z)으로 약 0.1 나노미터 내지 1 마이크로미터의 스텝으로, 바람직하게는 약 2 나노미터 미만의 스텝으로 이동가능하다. 이러한 작은 이동 스텝에 기인하여, 복수 개의 함몰부(9) 및 융기부(10)를 포함하는 양각 구조체(2)가 생성되는데, 여기에서 두 개의 연속적인 융기부(10) 및 함몰부(9) 사이의 제 1 방향(x) 및 제 2 방향(y)에 따른 최소 수평 거리(hd)는 약 10 나노미터이고, 제 3 방향(z)으로 연장하는 최소 깊이(vd)는 약 0.2 나노미터이다. 팁(9)은 기판(3)의 표면(4) 상에 작용하는 동안에 양각 구조체(2)의 표면(8)에 걸쳐 스캔하도록 더 구성된다. 그러면 표면 양각 구조체(2)의 정확하고 정밀한 프로파일을 초래하는 폐루프 피드백 시스템이 생성된다. 이러한 판독 프로세스는 도 1b에서 주름 화살표에 의해 개략적으로 표시된다.
프로브(6)의 특정 이동은, 프로브(6)를 제어하도록 구성되는 처리 디바이스(5)의 제어기(11)에 공급되는 특정한 제어기 데이터에 따라서 수행된다. 상기 제어기 데이터는 수평면(x-y)을 따라서 양각 구조체(2)를 규정하고, 이러한 예에서는 하나의 정현 함수 fn=1(x, y)(도 8a 내지 도 10b 참조) 또는 세 개의 정현 함수 fn=3(x, y)(도 11a 내지 도 13b 참조)에 기반하고 있으며, 여기에서 이다. 그러나, 임의의 개수의 정현 함수가 착상가능하다는 것에 주의해야 한다. 두 개 이상의 정현 함수가 있는 경우, 상기 정현 함수는 다음 푸리에 급수에서 합산된다 . 이러한 수학식에서의 파라미터는 진폭 An, 공간 주파수 kn, 수평면(x-y)에 따른 각도 방향 αn, 위상 φn, 및 제 3 방향(z)에 대한 오프셋 Δn에 대응한다.
도 2a로부터 알 수 있는 바와 같이, 상기 하나의 정현 함수 또는 푸리에 급수는 컴퓨팅 디바이스(12) 내에서 생성되고, 이것에 의하여 푸리에 표면 디자인의 소위 모델 양각 구조가 획득된다. 다음 단계에서, 상기 모델 양각 구조체는 픽셀들로 이산화되고, 이것에 의해서 비트맵 파일과 같은 디지털 파일에 저장되는 이산화된 제어기 데이터가 획득된다. 도 2a에서 이러한 단계는 그레이스케일 비트맵 생성이라고 불리는데, 그 이유는 정현 함수에 의해서 연속성이 제공되는 결과 여기에서 그레이스케일 비트맵이 생성되기 때문이다. 회절형 광학 요소(1)의 요구되는 최종 적용예에 의존하여, 그러면 회절형 광학 요소(1)의 추가적인 생성을 위해서 적절한 제작 스킴이 선택된다.
도 1, 도 2a 및 도 2b로부터 더 알 수 있는 바와 같이, 상기 상이한 제작 스킴은 당업계에 공지된 바와 같은 직접 기록, 에칭 또는 템플릿 스트리핑을 망라한다. 즉, 기판(3)은 PPA 또는 PMMA/MA와 같은 폴리머일 수 있는데, 여기에서 양각 구조체(2)는 표면(4)에 대한 프로브(6)의 작용에 의하여 상기 기판(3)의 표면(4) 내에 생성되고, 이것에 의해서 회절형 광학 요소(1)가 획득된다. 이러한 프로세스가 도 1에 도시된다. 그러나, 도 2b로부터 알 수 있는 바와 같이, 이러한 폴리머 기판(3)을 스핀 코팅을 사용하여 추가 기판(14)의 표면(15) 상에 적용하는 것도 역시 착상가능하다(예를 들어, 단계 (a)를 참조). 다음 단계 (b)에서, 양각 구조체(2)는 표면(4) 상에서 작용하는 팁(7)을 이용하여 추가 기판(14)에 적용되는 폴리머의 표면(4) 내에 생성된다. 이를 통하여, 다른 회절형 광학 요소(1)가 생성된다. 그러나, 폴리머 기판(3) 및 추가 기판(14)으로 이루어지는 상기 2-층 구조체가 에칭 프로세스 또는 템플릿 스트리핑 프로세스를 겪는 경우에는, 상이한 회절형 광학 요소(1)가 획득된다(단계 (c) 참조). 전자의 경우, 유전체막 또는 금속막 또는 은막(16)과 같은 전이 금속막이 폴리머 층(3) 내에 생성된 양각 구조체(2)에 적용될 수 있어서, 양각 구조체(2)가 막(16) 내에 생성된다(단계 (d) 참조). 추가적인 단계에서, UV-경화성 에폭시 수지와 같은 경화성 수지가 상기 막(16) 위에 퇴적된다. 다시 추가적인 단계 (e)에서, 유리 플레이트와 같은 캐리어(19)가 경화성 수지에 도포된다. 그러면, 경화성 수지가 다음 단계 (f)에서 경화된다. 다음 단계 (f)에서, 캐리어(19), 경화된 수지 및 양각 구조체(2)를 포함하는 막(16)이 기판(3)으로부터 제거된다. 템플릿 스트리핑에 의해서 생성된, 이렇게 생산된 양각 구조체(2)는 회절형 광학 요소(1)에 대응한다. 이러한 예에서, 이러한 그레이스케일 회절형 광학 요소(1)의 생산은, 약 750℃의 온도로 가열되는 팁(7), 약 10 nm의 통상적인 픽셀 크기, 약 50-100 nm의 제 3 방향(z)으로의 양각 구조체(2)의 총 깊이, 약 10-20 마이크로미터의 수평면(x-y) 내의 양각 구조체(2)의 치수를 가지고 수행된다.
후속하는 설명에서, 본 발명에 따른 방법에 의해서 얻어지는 상이한 회절형 광학 요소들(1)이 더 자세하게 논의된다. 이러한 회절형 광학 요소(1) 모두는 처리 디바이스(5)의 프로브(6)를 제어하기 위하여 사용되고 그들의 파라미터의 미리 결정된 값을 가지는 하나 이상의 정현 함수에 기반하는 제어기 데이터를 공통적으로 가진다.
이용된 하나의 내재된 물리적 원리는 모멘텀-매칭 원리인데, 이것은 입사 전자기 방사선의 면내 파벡터가 출사 전자기 방사선의 면내 파벡터에 매칭되도록 회절형 광학 요소(1)의 양각 구조체(2)의 공간 주파수를 선택할 수 있게 한다. 상기 원리는 본 출원의 "[발명의 내용]" 섹션에서 상세히 설명되고, 도 3에 개략적으로 예시된다. 도 3에서, 은 출사 전자기 방사선의 면내 파벡터이고, 은 입사 전자기 방사선의 면내 파벡터이며, 는 입사 전자기 방사선의 전파 방향과 나란한 단위 벡터이고, 는 회절형 광학 요소(1)의 파벡터이며, in은 법선 방향(쇄선)에 대한 입사 전자기 방사선의 각도이다.
도 4 내지 도 7에 착상가능한 상이한 회절 시나리오들이 묘사된다. 즉, 도 4에서 주어진 파장을 가지는 전자기 방사선 EMin이 본 발명에 따르는 회절형 광학 요소(1)의 양각 구조체(2) 상에 각도 θin으로 입사한다. 이러한 예에서, 상기 전자기 방사선 EMin은 양각 구조체(2) 위로부터, 예를 들어 양각 구조체(2)를 포함하는 기판(3)의 표면(4) 위에 도포되는 최상층(미도시)으로부터 입사한다. 최상층은 필수적인 것이 아니라는 것에 주의해야 한다. 그 대신에, 최상층이 존재하지 않고 전자기 방사선이 진공 환경 또는 공기 환경으로부터 입사하는 것도 유사하게 착상가능하다. 더욱이, 이것이 임의의 방향으로부터, 예컨대 양각 구조체(2)를 포함하는 기판(3) 내부로부터 또는 그 아래로부터 양각 구조체(2) 상에 입사할 수도 있다는 것에 주의해야 한다. 입사 전자기 방사선 EMin은 출사 전자기 방사선 EMout으로서 양각 구조체(2)로부터 회절되고, 양각 구조체(2)의 디자인에 의존하여, 최상층으로 되돌아가는 방향으로(θdiff,1), 기판(3) 내로 들어가는 방향으로(θdiff,2) 이동하고, 또는 기판(3)을 통과하여 다른 쪽으로 회절되도록(θdiff,3), 회절될 수 있다. 도 5는 본 발명에 따르는 그레이스케일 회절형 광학 요소(1)의 일 실시형태를 도시하는데, 여기에서 양각 구조체(2)는 최상층(미도시)으로부터의 입사 전자기 방사선 EMin이 기판(3)을 따라서 이동하는 도파로 모드 EMout로 회절되도록 도파로 층인 기판(3) 내에 바로 생성된다. 도 6은 그레이스케일 회절형 광학 요소(1)의 일 실시형태를 예시하는데, 여기에서 양각 구조체(2)는 도파로 층으로부터의 입사 전자기 방사선 EMin이 최상층(미도시) 내에서 EMout으로서 전파되는 자유공간 모드로 회절되도록, 도파로 층인 기판(3)에 바로 생성된다. 같은 내용이 회절형 광학 요소(1)의 바닥 층 내로 회절되는 모드에 대해서도 얻어질 수 있다. 특히, 도 7은 증강-현실 디바이스에서 흔히 사용되는 도파로 층 스택 내에서 RGB 커플러로서의 역할을 수행하는 본 발명에 따르는 회절형 광학 요소(1)의 일 실시형태를 도시한다. 여기에서, 최상층의 형태인 기판(3)은 높은 굴절률을 가지는 폴리머, 예컨대 CSAR로 제작되는 층에 대응한다. 그러나, 높은 굴절률을 가지는 다른 재료들도 유사하게 착상가능하다. 상기 최상층은, 최상층이 도파로 모드를 지원하도록 중간 층의 형태인 추가 기판(14)보다 높은 굴절률을 가진다. 상기 중간 층(14)에 대한 착상가능한 재료는 열적으로 성장된 실리콘 이산화물(SiO2) 등이다. 적색, 녹색, 및 청색 광 EMin(글자 "R", "G" 및 "B"에 의해서 추가적으로 구별됨)은 수직 입사로부터 회절형 광학 요소(1)에 도달하고, 이것이 도파로 모드로 커플링되고 EMout으로서 도파로를 따라 이동하도록, 소정 각도로 회절된다. 더욱이, 바닥 층을 형성하는 추가 기판(17)은, 제 3 방향(z)에 따라서 최상층(3)으로부터 중간 층(14)을 향해 바라볼 때 중간 층(14) 이후에 배치된다. 상기 바닥 층(17)은 실리콘으로 제작될 수 있지만, 다른 재료도 마찬가지로 착상가능하다.
처음에 언급된 바와 같이, 회절형 광학 요소(1)의 최종 적용예에 의존하여 제어기 데이터는, 정현 함수에 기반하여 모델 양각 구조체(18)를 규정하기 위하여 사용되는 진폭 An, 공간 주파수 kn, 각도 방향 αn, 위상 φn, 및 오프셋 Δn의 미리 결정된 값에 기반할 수 있다. 도 8a는 단일 정현 표면 양각에 대한 그레이스케일 비트맵(13)을 보여준다. 정현 변조는 제 1 방향(x)을 따라서 일어나고, 모델 양각 구조체(18)는 제 2 방향(y)에 따라서 일정하다. 비트맵(13)은 10 nm의 변 길이를 가지는 사각 픽셀을 사용하여 구성된다. 모델 양각 구조체(18)는 제 3 방향(z)을 따라서 256 개의 깊이 레벨(8-비트 정밀도)로 분할되고, 도 8b를 참조한다.
도 9a는 폴리머 레지스트(3) 내에 생성된 단일 정현 양각 구조체(2)의 토포그래피를 도시한다. 토포그래피는 패터닝 프로세스 도중에 열 스캐닝 프로브(6)에 의해서 인 시츄로 측정된다. 그레이스케일 색상 맵은 측정된 포인트의 높이를 표시하는데, 여기에서 제로 값은 패터닝된 구역(2) 밖의 평평한 표면(4)으로 정규화된다. 도 9a의 쇄선을 따라서 취해진 토포그래피의 단면은 1 마이크로미터(100 개의 픽셀)에 걸쳐서 평균화되었다. 블랙 라인은 요구되는 양각 구조체(2)의 근사화이고, 이러한 경우에는 이것은 비트맵(13) 및 양각 구조체(2)를 생성하도록 사용되었던 단일 정현파이다. 근사화된 정현 함수는 공식 에 의해서 표현된다. 근사화 파라미터는 정현 함수의 진폭, 공간 주파수, 위상, 및 오프셋, 각각을 규정하는 파라미터들에 대해서 24.8 nm, 10.1 마이크로미터-1, -3.14 라디안, -32.9 nm의 값들을 반환한다.
도 10a는 은면(silver surface; 16) 상에 생성된 단일 정현 양각 구조체(2)의 스캐닝 전자 마이크로그래프를 보여준다. 양각 구조체(2)는 템플릿 스트리핑을 사용하여 은면(16)으로 전사되었고, 여기에서는 도 9a의 폴리머 표면(4)이 템플릿으로서 사용되었다. 도 10b는 도 10a에서 도시되는, 은면(16) 상으로의 단일 정현 양각 구조체(2)의 수직 입사에서의 스펙트럼-분해된 반사 측정치에 대응한다. 약 1.9 eV의 광자 에너지에서의 반사도의 감소는, 양각 구조체(2) 상에 입사하는 전자기 방사선이 은면(16)을 따라서 전파되는 모드로 회절된다는 것을 보여준다.
도 11a는 3-성분 정현 모델 양각 구조체(18)에 대한 그레이스케일 비트맵(13)을 도시한다. 정현 변조는 제 1 방향(x)을 따라서 일어나고, 모델 양각 구조체(18)는 제 2 방향(y)에 따라서 일정하다. 비트맵(13)은 10 nm의 변 길이를 가지는 사각 픽셀을 사용하여 구성된다. 모델 양각 구조체(18)는 제 3 방향(z)을 따라서 256 개의 깊이 레벨(8-비트 정밀도)로 분할되고, 도 11b를 참조한다.
도 12a는 폴리머 레지스트(3) 내의 3-성분 정현 양각 구조체(2)의 토포그래피를 도시한다. 토포그래피는 패터닝 프로세스 도중에 열 스캐닝 프로브(6)에 의해서인 시츄로 측정된다. 그레이스케일 색상 맵은 측정된 포인트의 높이를 표시하는데, 여기에서 제로 값은 패터닝된 구역(2) 밖의 평평한 표면(4)으로 정규화된다. 도 12b에서 도시되는 단면은 1 마이크로미터(100 개의 픽셀)에 걸쳐서 평균화되었다. 블랙 라인은 요구되는 양각 구조체의 근사화이고, 이러한 경우에는 이것은 비트맵(13) 및 모델 양각 구조체(18)를 생성하도록 사용되었던 3-성분 정현파이다. 근사화된 정현 함수는 공식 에 의해서 표현된다. 근사화 파라미터는 제 1 정현 함수의 진폭, 공간 주파수, 및 위상 각각을 규정하는 파라미터들에 대해서 10.5 nm, 10.1 마이크로미터-1, -3.0 라디안의 값들을 반환한다. 근사화 파라미터는 제 2 정현 함수의 진폭, 공간 주파수, 및 위상 각각을 규정하는 파라미터들에 대해서 8.8 nm, 12.1 마이크로미터-1, -1.3 라디안의 값들을 반환한다. 근사화 파라미터는 제 3 정현 함수의 진폭, 공간 주파수, 및 위상 각각을 규정하는 파라미터들에 대해서 7.6 nm, 14.1 마이크로미터-1, 0.95 라디안의 값들을 반환한다. 근사화 파라미터는 오프셋 파라미터에 대해서 -34.9 nm의 값을 반환한다.
도 13a는 은면(16) 상의 3-성분 정현 양각 구조체(2)의 스캐닝 전자 마이크로그래프를 보여준다. 양각 구조체(2)는 템플릿 스트리핑을 사용하여 은면(16)으로 전사되었고, 여기에서는 도 12a에 도시된 것과 유사한 폴리머 표면(4)이 템플릿으로서 사용되었다. 도 13b는 도 11 및 도 12 로부터의 프로파일을 가지는 은면(16) 상으로의 3-성분 정현 양각 구조체(2)의 수직 입사에서의 스펙트럼-분해된 반사 측정치에 대응한다. 약 1.9 eV, 약 2.2 eV, 및 약 2.6 eV의 광자 에너지에서의 반사도의 감소는, 양각 구조체(2) 상에 수직 입사하는 특정 파장을 가지는 광이 은면(16)을 따라서 전파되는 모드로 회절된다는 것을 보여준다.
도 14a는 2차원 그레이스케일 모델 양각 구조체(18)에 대한 비트맵(13)을 도시한다(8중 회전 대칭을 가지는 준결정(quasicrystal)). 도 14b는 상기 2차원 그레이스케일 패턴에 대한 토포그래피 데이터를 보여준다. 도 14c는 상기 2차원 그레이스케일 양각 구조체(2)의 스캐닝 전자 마이크로그래프를 보여준다. 도 14d는 8중 회전 대칭을 보여주는, 2차원 그레이스케일 양각 구조체(2)의 k-공간 반사 측정치에 대응한다.
도 15 및 도 16은 본 발명에 따르는 회절형 광학 요소(1)를 포함하는 가상 이미지 디스플레이 디바이스(20)의 상이한 실시형태들을 보여준다. 특히, 도 15는 이미지 디스플레이 요소(21)의 형태인 방사선의 소스, 렌즈(22), 예를 들어 시준 렌즈의 형태인 광학 시스템, 광 도파로의 형태인 기판(3), 및 본 발명에 따르는 세 개의 회절형 광학 요소(1)를 포함하는 가상 이미지 디스플레이 디바이스(20)를 도시한다. 이미지 디스플레이 디바이스(21)는 이미지 프레임 EMin을 생성하도록 구성되고, 이것은 렌즈(22)를 사용하여 광 도파로(3)의 표면(4)에 제공되는 제 1 회절형 광학 요소(1a) 상으로 시준된다. 제 1 회절형 광학 요소(1a)는, 입사 이미지 프레임 EMin이 광 도파로(3) 내로 커플링되고 광 도파로(3)를 따라서 전파될 수 있도록 구성된다. 제 1 회절형 광학 요소(1a)의 양각 구조체(2)의 표면 프로파일에 기인하여, 입사 이미지 프레임 EMin은 이들이 광 도파로(3) 내에서 반대 방향을 따라서 전파되도록 회절된다. 그러면, 전파되는 이미지 프레임들 중 하나가 제 2 회절형 광학 요소(1b)에서 광 도파로(3)으로부터 밖으로 커플링되고, 전파되는 이미지 프레임 중 다른 것은 제 3 회절형 광학 요소(1c)에서 광 도파로(3)으로부터 밖으로 커플링된다. 도 15로부터 알 수 있는 바와 같이, 제 2 및 제 3 회절형 광학 요소(1b, 1c)는, 아웃-커플링된 빔 EMout이 서로 평행하게 전파되도록 구성된다.
도 16에 따른 가상 이미지 디스플레이 디바이스(20)는, 입사 전자기 방사선이 광 도파로의 형태인 기판(3) 내로 커플링되도록 구성되는 제 1 회절형 광학 요소(1a)를 포함한다. 이러한 예에서, 상기 제 1 회절형 광학 요소(1a)의 양각 구조체(2)는, 상이한 파장을 가지는 전자기 방사선의 세 개의 빔들이 광 도파로 내로 커플링되도록 구성된다. 여기에서, 상기 세 개의 빔 대응은 적색, 녹색 및 청색 광 EMin, R, EMin, G 및 EMin_B에 대응한다. 제 1 회절형 광학 요소(1a)는, 세 개의 빔이 서로 나란하고 그리고 광 도파로(3)의 표면(4)에 평행하게 전파되도록 더 구성된다. 전파하는 빔이 제 2 회절형 광학 요소(1b) 상에 입사하면, 상기 빔들은 제 2 회절형 광학 요소으로부터 밖으로 커플링된다. 이러한 예에서, 제 2 회절형 광학 요소(1b)는 아웃-커플링된 빔들 EMout이 서로 간섭하여, 간섭 패턴이 특정 광 필드를 형성하도록 생성되게 하도록 구성된다. 상기 간섭 패턴들은 예를 들어 홀로그램, 을 구성할 수 있다.
여기에서, 두 도면 모두에 따른 가상 이미지 디스플레이 디바이스(20)는 높은 굴절률을 가지는 재료로 제작되는 광 도파로의 형태인 기판(3)을 포함한다. 상기 광 도파로는 중간 층의 형태로 추가 기판(14) 상에 배치되고, 이것은 이제 앞에서 도 7을 참조하여 설명된 바와 같이 바닥 층(17) 상에 배치된다.
도면에 도시된 회절형 광학 요소(1)는 폴리(메틸 메타크릴레이트-co-메타크릴릭 산)(PMMA/MA, 33% 메타크릴릭 산, AR-P 617.03, Allresist)를 열감응성 폴리머로서 사용함으로써 생성되는데, 그 안에 그레이스케일 양각 구조체(2)가 열 스캐닝-프로브 리소그래피를 사용하여 생성, 즉 패터닝되었다. 추가 기판으로서, 2 -인치 실리콘 웨이퍼가 임의의 세정 또는 추가적인 준비 단계가 없이 공장 패키징으로부터 바로 입수되었다. PMMA/MA의 약 150 nm-두께의 막이 2-단계 스핀-코팅 프로세스를 사용하여 실리콘 기판 상에 스핀-코팅되었다(단계 1: 5 초 스핀 시간, 500 rpm 스핀 속도, 500 rpm/s 가속도; 단계 2: 40 초 스핀 시간, 2000 rpm 스핀 속도, 2000 rpm/s 가속도). 스핀-코팅 이후에, PMMA/MA 층이 있는 기판이 180에서 ℃의 열판 상에서 5 분 동안 베이킹되었다.
여기에서는 그레이스케일 모델 양각 구조체인 모델 양각 구조체는 MATLAB에서 설계되었다. 모델 양각 구조체를 규정하기 위하여 해석적인 정현 함수가 사용되었다. 그 후에, 모델 양각 구조체는 제 1 및 제 2 방향(x, y)으로 10 nm의 측면 길이를 가지는 정방형 픽셀들로 이산화되었다. 제 3 방향(z)에 따른 양각 구조체(2)의 깊이는 256 개의 깊이 레벨로 이산화되었고, 8 -비트 그레이스케일 비트맵을 생성한다.
그레이스케일 양각 구조체(2)는 상업적으로 입수가능한 열 스캐닝-프로브 리소그래피 툴(5)(NanoFrazor Explore, SwissLitho AG)을 사용하여 PMMA/MA 층 내에 제작되었다. 비트맵 양각 구조체, 즉 이산화된 제어기 데이터가 툴에 업로드되었고, 여기에서 8-비트 깊이 정보가 PMMA/MA 층 내의 물리적 패터닝 깊이로 지정되었다. 실리콘-기반 열 스캐닝-프로브 캔틸레버(6)(SwissLitho AG에 의해서 제공됨)가 툴(5) 내에 로딩되었다. 툴(5)은 PMMA/MA 층 내에 간단한 패턴을 기록하고, 이러한 패턴의 토포그래피를 인-시츄로 측정하며, 팁(7) 온도 및 쓰기 힘을 조절하여 패턴 디자인 및 측정된 패턴 깊이 사이의 오차를 최소화함으로써, 제 1, 제 2 및 제 3 방향(x, y, 및 z)으로 교정되었다. 교정된 이후에, 툴이 요구되는 패터닝 기능을 수행하였다.
패터닝 이후에, PMMA/MA 층은 그레이스케일 표면 패턴 또는 양각 구조체(2)를 은면으로 전사하기 위한 템플릿으로서의 역할을 했다. 패터닝된 폴리머 템플릿이 열 기화기(Kurt J. Lesker Nano36)로 로딩되었고, 여기에서 약 1 ×10-7 토르의 진공 레벨까지 감압 펌핑되었다. 기화는 25 /s의 퇴적 레이트로 텅스텐 보트 내의 펠릿(99.99%, Kurt J. Lesker)으로 수행되어서, 고품질의 광학적으로 두꺼운 은막(>500nm)이 있는 템플릿을 커버했다. 기화 이후에, UV-경화성 에폭시가 은막 상에 퇴적되고, 유리 현미경 슬라이드가 그 위에 배치되었다. 에폭시는 UV 램프 아래에서 2 시간 동안 경화되었고, 그 후에 은막이 템플릿으로부터 회수되어 그레이스케일 표면 패턴(2)이 템플릿과 접촉했던 은막의 부드러운 측면 상에 형성되게 했다.
광학적 측정이 공기 대물렌즈(air objective)가 있는 반전된 광학적 현미경(Nikon, Ti-U)을 사용하여 수행되었다. 샘플이 브로드밴드 할로겐 램프로 조사되었고, 반사된 광이 수집되고 격자 분광계에 부착된 상보적-금속-산화물-반도체(CMOS) 카메라 상에 이미징되었다. 조명 광 및 반사광은 빔 스플리터를 사용하여 분리되었다. 선형 편광자가 TE-편광 광을 필터링 아웃하기 위해서 수집 경로에 배치되었다.
참조 번호들의 목록
1,1a, 1b,1c 회절형 광학 요소
2
양각 구조체
3
기판
4
기판의 표면
5
처리 디바이스
6
프로브
7
팁
8
양각 구조체의 표면
9
함몰부
10
융기부
11
제어기
12
컴퓨팅 디바이스
13
비트맵
14
추가 기판
15
추가 기판의 표면
16
막
17
추가 기판
18
모델 양각 구조체
19
캐리어
20
가상 이미지 디스플레이 디바이스
21
이미지 디스플레이 요소
22
광학 시스템
x
제 1 방향
y
제 2 방향
z
제 3 방향
x-y
수평면
D
거리
R
반경
hd
수평 거리
vd
깊이
EMin
입사 전자기 방사선
EMout
출사 전자기 방사선
Claims (16)
- 회절형 광학 요소(1)를 생성하는 방법으로서,
- 제 1 방향(x) 및 상기 제 1 방향(x)에 수직으로 진행하는 제 2 방향(y)으로 연장되는 표면(4)을 가지는 적어도 하나의 기판(3)을 제공하는 단계; 및
- 처리 디바이스(5)를 사용하여 상기 기판(3)의 표면(4) 내에 양각 구조체(relief structure; 2)를 생성하는 단계를 포함하고,
상기 처리 디바이스(5)는 팁(7)을 가지는 프로브(6)를 포함하며,
상기 팁(7)은 약 1 마이크로미터보다 작고, 바람직하게는 약 20 나노미터보다 작은 반경(R)을 가지고,
상기 프로브(6)는 상기 기판(3)에 상대적으로 상기 제 1 방향(x), 상기 제 2 방향(y) 및 상기 제 1 방향(x) 및 상기 제 2 방향(y)에 수직으로 진행하는 제 3 방향(z)으로 이동가능하며,
상기 양각 구조체(2)는, 상기 제 3 방향(z)에 따른 상기 양각 구조체(2)의 표면(8)과 상기 기판(3)의 표면(4) 사이의 거리(D)가 상기 제 1 방향(x) 및 상기 제 2 방향(y) 중 적어도 하나를 따라서 본질적으로 연속적으로 변하도록, 상기 팁(7)의 상기 기판(3)의 표면(4)에 대한 작용(action)에 의하여 생성되는, 회절형 광학 요소 생성 방법. - 제 1 항에 있어서,
상기 양각 구조체(2)는 상기 팁(7)의 상기 기판(3)의 표면(4)에 대한 기계적 및/또는 열적 작용에 의하여 생성되고, 및/또는
상기 팁(7)은 상기 양각 구조체(2)를 생성할 때에 상기 기판(3)의 표면(4)과 직접 접촉하며, 및/또는
상기 처리 디바이스(5)는 바람직하게는 열 스캐닝-프로브 리소그래피 디바이스인, 회절형 광학 요소 생성 방법. - 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 프로브(6)는 약 0.1 나노미터 내지 50 마이크로미터의 스텝으로, 특히 약 0.1 나노미터 내지 100 나노미터의 스텝으로, 바람직하게는 5 나노미터 내지 50 나노미터의 스텝으로, 특히 바람직하게는 약 20 나노미터 미만의 스텝으로 상기 제 1 방향(x)으로 및/또는 상기 제 2 방향(y)으로 이동되고, 및/또는
상기 프로브(6)는 약 0.1 나노미터 내지 1 마이크로미터의 스텝으로, 바람직하게는 0.2 나노미터 내지 25 나노미터의 스텝으로, 특히 바람직하게는 약 2 나노미터 미만의 스텝으로 상기 제 3 방향(z)으로 이동되며, 및/또는
상기 프로브(6)는 약 1 헤르쯔 내지 1,000 킬로헤르쯔, 바람직하게는 약 1 킬로헤르쯔 내지 500 킬로헤르쯔의 레이트로 상기 제 1 방향(x) 및/또는 상기 제 2 방향(y)으로 이동되는, 회절형 광학 요소 생성 방법. - 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 처리 디바이스(5)는, 제어기(11)에 공급되는 제어기 데이터에 기반하여 상기 프로브(6)를 제어하도록 구성되는 상기 제어기(11)를 더 포함하고,
상기 제어기 데이터는 상기 제 1 방향(x) 및 상기 제 2 방향(y)이 걸쳐 있는 수평면(x-y)을 따라서 양각 구조체(2)를 규정하고, 하나 이상의 함수 f(x, y)에 기반하며,
상기 제어기 데이터는 바람직하게는 하나 이상의 연속 함수에 기반하고, 특히 바람직하게는 하나 이상의 정현 함수에 기반하는, 회절형 광학 요소 생성 방법. - 제 4 항에 있어서,
상기 하나 이상의 정현 함수는 수학식
에 의하여 표현되고,
파라미터 An은 진폭이며,
파라미터 kn은 공간 주파수이고,
파라미터 αn은 상기 수평면(x-y)에 따른 각도 방향이며,
파라미터 φn은 위상이고,
파라미터 Δn은 상기 제 3 방향(z)에 대한 오프셋인, 회절형 광학 요소 생성 방법. - 제 4 항 또는 제 5 항에 있어서,
상기 제어기 데이터는 두 개 이상의 정현 함수 fn(x, y)에 기반하고,
상기 두 개 이상의 정현 함수 fn(x, y)는 푸리에급수
로 합산되는, 회절형 광학 요소 생성 방법. - 제 4 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제어기 데이터는,
(i) 컴퓨팅 디바이스(12) 내에서, 상기 수평면(x-y) 내에 생성될 양각 구조체(2)를 하나 이상의 바람직하게는 정현 함수 fn(x, y)로써 규정하는 단계 - 상기 규정하는 단계에 의하여 모델 양각 구조체(18)가 획득됨 -; 및
(ii) 상기 컴퓨팅 디바이스(12) 내에서, 단계 (i)의 모델 양각 구조체(18)를 픽셀들로 이산화(discretizing)하는 단계 - 상기 이산화하는 단계에 의하여 이산화된 제어기 데이터가 획득되고, 상기 이산화된 제어기 데이터는 바람직하게는 디지털 파일 내에, 특히 바람직하게는 비트맵 파일 내에 저장됨 -에 의하여 생성되는, 회절형 광학 요소 생성 방법. - 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
유전체막 또는 금속막 또는 은막(16)과 같은 전이 금속막 중 적어도 하나가 상기 양각 구조체(2) 상에 도포됨으로써, 상기 양각 구조체(2)가 상기 유전체막 또는 금속막 또는 전이 금속막(16) 내에 생성되고,
UV-경화성 에폭시 수지와 같은 경화성 수지가 상기 유전체막 또는 금속막 또는 전이 금속막(16) 상에 퇴적되며,
캐리어(19)가 경화성 수지에 도포되고, 상기 캐리어(19)는 바람직하게는 유리와 같은 유전체 재료, 금속, 전이 금속, 실리콘과 같은 반도체 재료, 중합가능 폴리머, 또는 폴리머를 포함하며,
상기 경화성 수지가 경화되고,
상기 캐리어(19), 경화된 수지 및 상기 양각 구조체(2)의 음각(negative)을 포함하는 상기 유전체막 또는 금속막 또는 전이 금속막(16)이 상기 기판(3)으로부터 제거되도록, 템플릿 스트리핑(template stripping)이 수행되는, 회절형 광학 요소 생성 방법. - 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 방법은 추가 기판(14)을 제공하는 단계를 더 포함하고,
상기 추가 기판(14)은 상기 제 1 방향(x) 및 상기 제 2 방향(y)으로 연장되는 표면(15)을 가지며,
상기 기판(3)은 상기 추가 기판(14)의 표면(15) 상에 제공되고,
상기 기판(3)의 양각 구조체(2)가 상기 추가 기판(14)의 표면(15) 내로 에칭되는, 회절형 광학 요소 생성 방법. - 제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 하나 이상의 양각 구조체(2)는 상기 기판(3)의 표면(4) 내에 그리고 적용가능한 경우 상기 추가 기판(14)의 표면(15) 내에 생성되고,
상기 하나 이상의 양각 구조체(2)는 바람직하게는 상기 제 1 방향(x) 및/또는 상기 제 2 방향(y)에 대하여 서로 바로 인접하게 또는 서로 이격되게 배치되는, 회절형 광학 요소 생성 방법. - 회절형 광학 요소(1)로서,
제 1 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 따른 방법에 의하여 생성되는, 회절형 광학 요소(1). - 표면(4)이 있는 기판(3)을 포함하는 회절형 광학 요소(1)로서,
상기 기판(3)은 제 1 방향(x)으로, 상기 제 1 방향(x)에 수직으로 진행하는 제 2 방향(y)으로, 그리고 상기 제 1 방향(x) 및 상기 제 2 방향(y)에 수직으로 진행하는 제 3 방향(z)으로 연장되고,
상기 표면(4)은 표면(8)을 가지는 양각 구조체(2)를 포함하고, 적어도 상기 양각 구조체(2)의 부분 내에서 상기 제 3 방향(z)에 따른 상기 양각 구조체(2)의 표면(8)과 상기 기판(3)의 표면(4) 사이의 거리(D)가 상기 제 1 방향(x) 및 상기 제 2 방향(y) 중 적어도 하나를 따라서 본질적으로 연속적으로 변하며,
상기 제 1 방향(x) 및 상기 제 2 방향(y) 중 적어도 하나를 따라서 바라볼 때 적어도 상기 양각 구조체(2)의 부분은 복수 개의 융기부(10) 및 함몰부(9)를 포함하고,
i. 상기 제 1 방향(x) 및 상기 제 2 방향(y) 중 적어도 하나에 따른 a) 두 개의 연속적인 융기부(10) 사이 및 b) 두 개의 연속적인 함몰부(9) 사이 중 적어도 하나의 최소 수평 거리(hd)는 약 1 마이크로미터보다 작고, 바람직하게는 약 20 나노미터보다 작으며, 특히 바람직하게는 상기 최소 수평 거리(hd)가 약 10 나노미터이고,
ii. 상기 제 3 방향(z)으로 연장되고, 상기 제 1 방향(x) 및 상기 제 2 방향(y) 중 적어도 하나를 따라서 a) 두 개의 연속적인 융기부(10) 사이 및 b) 두 개의 연속적인 함몰부(9) 사이 중 적어도 하나에 형성되는 최소 깊이(vd)는 약 100 나노미터보다 작고, 바람직하게는 약 10 나노미터보다 작으며, 특히 바람직하게는 상기 최소 깊이가 약 0.2 나노미터인, 회절형 광학 요소(1). - 제 11 항 또는 제 12 항에 있어서,
적어도 상기 양각 구조체(2)의 부분은,
주어진 파장을 가지는 전자기 방사선의 적어도 하나의 빔이, 적어도 하나의 요구되는 입사각(Θin)으로 상기 양각 구조체(2)의 부분 상에 입사할 수 있고, 적어도 하나의 요구되는 출사각(Θout)으로 회절될 수 있도록 구성되고,
상기 양각 구조체는 바람직하게는,
상기 전자기 방사선의 적어도 하나의 빔이, 회절된 출사 전자기 방사선이 간섭하여 특정 광 필드(specific light field)를 형성하게 되는 방식으로 회절되도록 구성되는, 회절형 광학 요소(1). - 제 11 항 내지 제 13 항 중 어느 한 항에 있어서,
적어도 상기 양각 구조체(2)의 부분은,
제 1 파장을 가지고 제 1 입사각(Θin,1)으로 상기 양각 구조체(2)의 부분 상에 입사하는 전자기 방사선의 적어도 제 1 빔이 제 1 출사각(Θout,1)으로 회절되고, 제 1 파장(λ1)과 상이한 제 2 파장을 가지고 제 2 입사각(Θin,2)으로 상기 양각 구조체(2)의 부분 상에 입사하는 전자기 방사선의 적어도 제 2 빔이 제 2 출사각(Θout,2)으로 회절되도록 구성되고,
i. 상기 제 1 입사각(Θin,1)이 상기 제 2 입사각(Θin,2)과 본질적으로 같고 상기 제 1 출사각(Θout,1)은 상기 제 2 출사각(Θout,2)과 본질적으로 같으며, 또는
ii. 상기 제 1 입사각(Θin,1)이 상기 제 2 입사각(Θin,2)과 본질적으로 같고 상기 제 1 출사각(Θout,1)이 상기 제 2 출사각(Θout,2)과 다르며, 또는
iii. 상기 제 1 입사각(Θin,1)이 상기 제 2 입사각(Θin,2)과 다르고 상기 제 1 출사각(Θout,1)이 상기 제 2 출사각(Θout,2)과 본질적으로 같으며, 또는
iv. 상기 제 1 입사각(Θin,1)이 상기 제 2 입사각(Θin,2)과 다르고 상기 제 1 출사각(Θout,1)이 상기 제 2 출사각(Θout,2)과 다른, 회절형 광학 요소(1). - 가상 이미지 디스플레이 디바이스(20)로서,
- 방사선의 소스, 바람직하게는 이미지 디스플레이 요소(21),
- 기판(3), 및
- 제 11 항 내지 제 14 항 중 어느 한 항에 청구된 바와 같은 적어도 하나의 제 1 및 제 2 회절형 광학 요소(1a, 1b)를 포함하고,
상기 방사선의 소스는 전자기 방사선의 적어도 하나의 빔, 바람직하게는 적어도 하나의 이미지 프레임을 방출하도록 구성되며,
상기 제 1 회절형 광학 요소(1a)는, 상기 제 1 회절형 광학 요소(1) 상에 입사하는 상기 전자기 방사선의 적어도 하나의 빔이 상기 기판(3) 내로 커플링되고 상기 기판(3)을 따라서 전파되도록, 상기 기판(3) 위에 또는 기판 안에 배치되고,
상기 제 2 회절형 광학 요소(1b)는, 전자기 방사선의 전파되는 적어도 하나의 빔이 상기 기판(3)으로부터 밖으로 커플링되도록, 상기 기판(3) 위에 또는 기판 내에 배치되는, 가상 이미지 디스플레이 디바이스(20). - 가상 이미지 디스플레이 디바이스(20)로서,
- 방사선의 소스,
- 기판(3), 및
- 제 11 항 내지 제 14 항 중 어느 한 항에 청구된 바와 같은 적어도 하나의 제 1 및 제 2 회절형 광학 요소(1a, 1b)를 포함하고,
상기 방사선의 소스는 전자기 방사선의 적어도 하나의 빔을 방출하도록 구성되며,
상기 회절형 광학 요소(1a, 1b)는, 상기 회절형 광학 요소(1) 상에 입사하는 상기 전자기 방사선의 적어도 하나의 빔이, 회절된 출사 전자기 방사선이 간섭하여 특정 광 필드를 형성하게 되는 방식으로 회절되도록, 상기 기판(3) 위에 또는 기판 내에 배치되는, 가상 이미지 디스플레이 디바이스(20).
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