KR20220061831A - 빔 확장기 및 빔 확장 방법 - Google Patents

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세르게이 에브게니예비치 두비닌
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Abstract

일 실시예는, 제1 광학 소자, 제2 광학 소자, 기판 형태의 복수 개의 도파관 요소가 적층되어 형성되는 도파관 집합체 및 상기 복수 개의 도파관 요소 사이의 계면에 마련되는 다이크로익 코팅을 포함하는 빔 확장기를 제공한다.
상기 제1 광학 소자는 외부로부터의 콜리메이팅된 입사빔을 상기 도파관 집합체 내에 입력하도록 구성되고, 상기 제2 광학 소자는 상기 도파관 집합체에 입력된 빔을 상기 도파관 집합체로부터 출력하도록 구성되며, 상기 도파관 집합체 내에 입력된 상기 입사빔은 상기 다이크로익 코팅에 의해다중 파면으로 분할되고, 상기 도파관 집합체 내에서 내부 전반사에 의해 상기 분할된 다중 파면이 혼합될 수 있다.
본 개시의 일 실시예에 따른, 빔 확장기를 이용하는 경우, 광학 시스템의 효율성을 향상시키면서 출력빔의 가간섭성과 콜리메이션을 유지하고 스페클을 줄이거나 제거할 수 있다.

Description

빔 확장기 및 빔 확장 방법{Beam expansion device and method for beam expansion}
본 개시의 일반적인 기술적 사상은 빔 확장기 및 빔 확장 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 3차원 영상 생성 장치, 홀로그래픽 표시 장치 등에 적용될 수 있는 빔 확장기 및 빔 확장 방법에 관한 것이다.
3차원 이미지를 생성하는 홀로그래픽 표시 장치와 같은 광학 시스템은, 수광한 콜리메이팅된 빔의 차원을 확장시키는 광학 장치인 빔 확장기를 포함할 수 있다. 빔 확장기의 효율을 향상시키기 위해서는, 빔 확장기가 적용되는 장치의 크기(예를 들어, 장치의 두께)의 소형화, 빔 확장기로부터 출력되는 빔의 균질화(homogenization) 향상, 빔 확장기로부터 출력되는 빔이 미리 결정된 형상과 치수의 특정 단면을 갖도록 하는 것 및 스페클(speckle) 콘트라스트 감소 등이 이루어져야 할 필요가 있다. 여기서 스페클이란, 무작위의 위상 변이(phase shifts) 및/또는 무작위의 강도(intensities)를 가지는 가간섭성의 빔들의 상호 간섭에 의한 무작위적인 간섭 패턴을 의미한다.
또한, 빔 확장기는 특정 형상의 단면을 가지며 향상된 균질성을 가지는 빔을 출력하고, 충분히 소형화된 크기를 가지며, 스페클 콘트라스트를 감소시키고, 출력빔의 가간섭성을 유지함과 동시에, 주어진 광원에 대한 별다른 조정 없이도 복수 개의 광원을 사용하는 것과 같은 효과를 가져오게 할 필요가 있다.
기존의 빔 확장기를 사용하는 경우, 레이저 빔의 가간섭성을 유지하면서 빔의 높은 균질성을 확보하기 어려울 수 있다. 또한, 빔 확장기에 입력되는 입사빔의 단면은 원형 또는 타원형 대칭의 성질을 가지는데, 이 경우, 입사광의 가간섭성과 시스템의 효율성을 유지하면서(예를 들어, 에너지 손실의 최소화) 빔의 균질성을 확보하고 입사빔의 단면 형상 및 치수 등을 원하는 대로 형성하는 것이 어려울 수 있다. 나아가, 가간섭성의 레이저 빔을 사용하는 경우, 광학적으로 거친 표면에서 산란된 파동의 무작위 간섭으로 인해 스페클 패턴이 생성될 수 있다.
특허 문헌 US 20040130790 A1 (Tasso Sales, 2004.08.07)을 통해, 빔 형성 및 균질화를 위한 랜덤 마이크로 렌즈 어레이가 알려져 있다. 이 특허 문헌에 따르면, 마이크로 렌즈 어레이는 확률 분포에 따라 서로 다른 마이크로 렌즈 요소를 포함한다. 위 특허 문헌에 개시된 마이크로 렌즈 어레이를 이용할 경우, 원하는 원거리-장 산란 패턴(far-field scatter pattern) 내에서 미리 결정된 강도(intensity) 프로파일을 갖는 빔을 형성하는 것이 가능하다. 마이크로 렌즈들 간에는, 마이크로 렌즈 표면 프로파일의 불규칙적인 변화(variation), 마이크로 렌즈의 경계에 대응되는 경계 프로파일, 마이크로 렌즈 어레이 내의 마이크로 렌즈들의 위치 관계에 대응되는 공간 분포 등의 차이가 있을 수 있다. 마이크로 렌즈 표면 프로파일은 빔의 강도 프로파일을 균질화하는 데 사용될 수 있다. 마이크로 렌즈 어레이에 포함된 마이크로 렌즈들의 불규칙한 분포 내의 경계 프로파일 변화(variation)는 원하는 산란 패턴 내에 미리 결정된 빔의 강도 프로파일을 적용하는 데 사용될 수 있다. 그러나, 위와 같은 마이크로 렌즈 어레이를 사용하는 경우, 콜리메이팅되지 않은 출력빔이 발생하고, 빔의 가간섭성이 손실되며, 빔의 단면 형성 및 균질화가 단일한 평면에서만 가능할 수 있다. 나아가, 위와 같은 마이크로 렌즈 어레이는 레이저 빔을 사용할 때 뚜렷하게 형성되는 스페클을 억제하지 못할 수 있고, 비교적 큰 크기의 장치에서 구현되어야 할 수 있다.
한편, 특허 문헌 US 9464779 B2(DIGILENS, INC., 2016.11.10)을 통해, 순차적인 컬러 조명을 위해 브래그 격자를 사용하여 여러 광원의 빔을 집광하는 광학 장치가 알려져 있다. 이 광학 장치는 제1 광원, 제2 광원, 집광 렌즈, 하나 이상의 브래그 격자를 구비하는 브래그 격자 조립체(assembly)를 포함할 수 있다. 집광 렌즈는 제1 광원 및 제2 광원으로부터의 빔을 각각 제1 입사각 및 제2 입사각으로 브래그 격자 조립체로 향하게 한다. 브래그 격자 조립체는 제1 광원 및 제2 광원으로부터의 빔을 공통 방향으로 회절시킨다. 브래그 격자는 예를 들어, 전기적으로 전환 가능한(switchable) 브래그 격자이며, 제1 광원 및 제2 광원은 LED 또는 레이저 다이오드일 수 있다. 이 광학 장치는, 빔을 수집하고 균질화하기 위해, 복수 개의 광원 및 전기적으로 전환 가능한 브래그 격자에 의해 형성된 조명 시스템을 포함할 수 있다. 이와 같은 브래그 격자를 포함하는 광학 장치를 이용하는 경우, 시간 분할 광 균질화(time split light homogenization), 전환 가능한 브래그 격자 사용으로 인한 헤이즈(Haze) 효과, 시스템에 포함된 구성 요소들의 정밀한 정렬의 어려움, 통합되지 않은 솔루션 및 하드웨어 구성 요소의 소형화의 한계 등과 같은 문제가 나타날 수 있다.
본 개시의 다양한 실시예에 따라, 빔 확장기 및 빔 확장 방법을 제공하고자 한다.
본 개시의 다양한 실시예에 따라, 출력빔의 균질화 향상, 출력빔이 미리 결정된 형상과 치수의 특정 단면을 갖도록 하는 것 및 스페클 콘트라스트 감소, 출력빔의 가간섭성을 유지 등을 가능하게 함과 동시에, 주어진 광원에 대한 별다른 조정 없이도 복수 개의 광원을 사용하는 것과 같은 효과를 가져오는 빔 확장기 및 빔 확장 방법을 제공하고자 한다.
일 실시예는,
제1 광학 소자, 제2 광학 소자, 기판 형태의 복수 개의 도파관 요소가 적층되어 형성되는 도파관 집합체 및 상기 복수 개의 도파관 요소 사이의 계면에 마련되는 다이크로익 코팅을 포함하는 빔 확장기를 제공한다.
상기 제1 광학 소자는 외부로부터의 콜리메이팅된 입사빔을 상기 도파관 집합체 내에 입력하도록 구성되고, 상기 제2 광학 소자는 상기 도파관 집합체에 입력된 빔을 상기 도파관 집합체로부터 출력하도록 구성될 수 있다.
상기 도파관 집합체 내에 입력된 상기 입사빔은 상기 다이크로익 코팅에 의해다중 파면으로 분할되고, 상기 도파관 집합체 내에서 내부 전반사에 의해 상기 분할된 다중 파면이 혼합될 수 있다.
상기 제2 광학 소자는 도파관 집합체로부터, 가간섭성을 가지며 콜리메이팅된 상태로 미리 결정된 단면 형상 및 빔 균질성을 가지는 빔을 출력하도록 구성될 수 있다.
상기 제1 광학 소자 및 상기 제2 광학 소자 중 적어도 어느 하나는 회절 광학 소자를 포함할 수 있다.
상기 제1 광학 소자 및 상기 제2 광학 소자 중 적어도 어느 하나는 홀로 그래픽 광학 소자를 포함할 수 있다.
상기 빔 확장기는, 적어도 하나의 광원을 더 포함할 수 있다.
상기 적어도 하나의 광원은 레이저 다이오드를 포함할 수 있다.
상기 제1 광학 소자 및 상기 제2 광학 소자 중 적어도 어느 하나는 볼륨 브래그 격자(volume bragg's grating)의 형태를 포함할 수 있다.
상기 다이크로익 코팅은 다층 유전체 코팅 구조를 포함할 수 있다.
상기 다이크로익 코팅은 다층 간섭 미러 구조를 포함할 수 있다.
상기 다이크로익 코팅은, 상기 복수 개의 도파관 요소 중 서로 인접하는 제1 도파관 요소와 제2 도파관 요소 사이에 마련되는 제1 다이크로익 코팅, 서로 인접하는 상기 제2 도파관 요소와 제3 도파관 요소 사이에 마련되는 제2 다이크로익 코팅을 포함할 수 있다.
상기 제1 다이크로익 코팅의 투과율은 상기 제2 다이크로익 코팅의 투과율과 다를 수 있다.
상기 제1 다이크로익 코팅의 반사율은 상기 제2 다이크로익 코팅의 반사율과 다를 수 있다.
다른 일 실시예는,
제1 광학 소자를 이용하여 도파관 집합체 내로 콜리메이팅된 입사빔을 입력하는 단계, 상기 도파관 집합체의 내부에서, 상기 입사빔을 다중 파면으로 분리하고 상기 다중 파면을 전반사를 통해 혼합하는 단계, 및 제2 광학 소자를 이용하여 상기 도파관 집합체 내부에서 혼합된 빔을 상기 도파관 집합체로부터 출력하는 단계를 포함하는 빔 확장 방법을 제공한다.
상기 혼합된 빔을 상기 도파관 집합체로부터 출력하는 단계에서는,
상기 빔이 가간섭성을 가지며 콜리메이팅된 상태로 미리 결정된 단면 형상 및 빔 균질성을 가지면서 상기 도파관 집합체로부터 출력되도록 할 수 있다.
상기 제1 광학 소자 및 제2 광학 소자 중 적어도 어느 하나는 회절 광학 소자를 포함할 수 있다.
상기 제1 광학 소자 및 상기 제2 광학 소자 중 적어도 어느 하나는 홀로 그래픽 광학 소자를 포함할 수 있다.
상기 도파관 집합체로부터 출력되는 출력빔은 0.25° 보다 작은 발산각을 가지며 진행할 수 있다.
본 개시의 다양한 실시예에 따라, 출력빔의 가간섭성 및 콜리메이션을 유지하고 스페클을 최소화할 수 있는 빔 확장기 및 빔 확장 방법을 제공할 수 있다.
본 개시의 다양한 실시예에 따라, 출력빔의 균질화 향상, 출력빔이 미리 결정된 형상과 치수의 특정 단면을 갖도록 하는 것 및 스페클 콘트라스트 감소, 출력빔의 가간섭성을 유지 등을 가능하게 함과 동시에, 주어진 광원에 대한 별다른 조정 없이도 복수 개의 광원을 사용하는 것과 같은 효과를 가져오는 빔 확장기 및 빔 확장 방법을 제공할 수 있다.
도 1은 일 실시예에 따른 빔 확장기의 예시적인 구성을 간략하게 도시한 것이다.
도 2는 도 1의 다이크로익 코팅의 입사빔에 대한 동작 원리를 개략적 도시한 것이다.
도 3은 도 1의 빔 확장기에 적용될 수 있는 다른 일 실시예에 따른 다이크로익 코팅의 예시적인 구조를 간략하게 도시한 것이다.
도 4는 다른 일 실시예에 따른 빔 확장기의 예시적인 구성을 간략하게 도시한 것이다.
도 5는 또 다른 일 실시예에 따른 빔 확장기의 예시적인 구성을 간략하게 도시한 것이다.
도 6은 또 다른 일 실시예에 따른 빔 확장기의 예시적인 구성을 간략하게 도시한 것이다.
도 7은 또 다른 일 실시예에 따른 빔 확장기의 예시적인 구성을 간략하게 도시한 것이다.
도 8은 도 1의 빔 확장기 내부에서 입사빔에 대한 연속적인 재분배 및 혼합이 이루어질 때, 도파관 집합체에 포함되는 복수 개의 도파관 요소 사이에서 입사빔이 강도에 기초하여 분할되는 모습을 설명하기 위한 것이다.
도 9는 또 다른 일 실시예에 따른 빔 확장기의 예시적인 구성을 간략하게 도시한 것이다.
도 10은 또 다른 일 실시예에 따른 빔 확장기의 예시적인 구성을 간략하게 도시한 것이다.
도 11은 일 실시예에 따른 빔 확장 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
아래에서는 첨부한 도면을 참조하여 해당 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 다양한 실시예에 따른 빔 확장기 및 빔 확장 방법에 대해 상세히 설명한다. 도면에서 동일한 참조부호는 동일한 구성요소를 지칭하며, 각 구성요소의 크기나 두께는 설명의 명료성을 위하여 과장되어 있을 수 있다.
한편, 이하에서 설명되는 빔 확장기 및 빔 확장 방법은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성 요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 구성 요소들은 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 용어들은 하나의 구성 요소를 다른 구성 요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
이하에서, "상부" 나 "상"이라고 기재된 것은 접촉하여 바로 위에 있는 것뿐만 아니라 비접촉으로 위에 있는 것도 포함할 수 있다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
“상기”의 용어 및 이와 유사한 지시 용어의 사용은 단수 및 복수 모두에 해당하는 것일 수 있다. 모든 예들 또는 예시적인 용어의 사용은 단순히 기술적 사상을 상세히 설명하기 위한 것으로서 청구범위에 의해 한정되지 않는 이상 상기 예들 또는 예시적인 용어로 인해 범위가 한정되는 것은 아니다.
도 1은 일 실시예에 따른 빔 확장기(100)의 예시적인 구성을 간략하게 도시한 것이다.
도 1의 빔 확장기(100)는 출력빔의 균질성(homogeneity)을 향상시키고, 출력빔이 원하는 단면 형상을 갖도록 할 수 있다. 빔 확장기(100)는 포함된 구성 요소들을 조정할 필요 없이, 출력빔의 스페클 콘트라스트를 최소화하고 출력빔의 가간섭성과 콜리메이션을 유지시킬 수 있다. 또한, 빔 확장기(100)는 하나의 광원으로부터의 빔을 확장시키는 것으로서, 주어진 광원에 대한 별다른 조정 없이도 복수 개의 광원을 사용하는 것과 같은 효과를 가져올 수 있다.
스페클 콘트라스트는 복수 개의 위상이 겹쳐짐으로써 감소될 수 있다. 즉, 빔 확장기(100) 내부에서 복수 개의 갈래로 분할된 빔들이 합쳐짐으로써, 출력빔의 스페클 콘트라스트가 감소될 수 있다.
또한, 빔 확장기(100)에 포함된 다이크로익 코팅(40)(dichroic coatings)에 의해서 빔의 균질화의 효율성이 증가할 수 있다. 다이크로익 코팅(40)에 의해 빔이 분할됨으로써 서로 중첩될 수 있는 다중 파면이 생성될 수 있고, 이에 따라, 출력빔의 단면을 원하는 모양으로 형성할 수 있다. 예를 들어, 빔 확장기(100)의 출력측에서의 빔의 단면 모양은 다중 파면을 이동(shifting wave fronts)시킴으로써 원하는 대로 형성할 수 있다.
나아가, 다양한 특성을 갖는 다이크로익 코팅(40) 및 복수 개의 도파관 요소(30a, 30b)가 선택됨에 따라, 다양한 방법으로 도파관 집합체(30)에 입력된 빔이 다중 파면으로 분할될 수 있다. 예를 들어, 서로 다른 파면에 대해 연속적인 재분배(continuous redistribution) 및 혼합이 이루어지면서 강도(power)에 따라 서로 다른 복수 개의 도파관 요소(30a, 30b) 사이에서 빔이 분할될 수 있다. 또한, 도파관 집합체(30)의 출력측에서만 빔의 혼합이 이루어지면서 강도(power)에 따라 서로 다른 복수 개의 도파관 요소(30a, 30b) 사이에서 빔이 분할될 수 있다. 나아가, 빔의 파장에 따라 복수 개의 도파관 요소(30a, 30b) 사이에서 빔이 분할될 수 있다.
도파관 집합체(30)는 복수 개의 빔 진행 경로를 제공하고, 강도(power)에 따라 입력빔을 여러 약한 빔들로 분할하고, 분할된 빔들을 공간에서 서로에 다르게 쉬프트시킬 수 있다. 이에 따라, 빔의 단면의 치수가 입력 치수로부터 제2 광학 소자(20)의 표면의 크기에 대응하는 치수로 증가할 수 있다. 또한, 도파관 집합체(30)에 의해 복수 개의 빔 진행 경로가 생성됨으로써 스페클 콘트라스트가 감소될 수 있다. 이는 입사빔을 구성하는 모든 광선의 위상이 제2 광학 소자(20)의 평면에서 평균화되기 때문일 수 있다.
도 1을 참조하면, 일 실시예에 따른 빔 확장기(100)는 제1 광학 소자(10), 제2 광학 소자(20), 도파관 집합체(30)(composite waveguide)를 포함할 수 있다. 또한, 도 1에는 도시되어 있지 않으나, 빔 확장기(100)는 광원(미도시)을 더 포함할 수 있다. 광원은 예를 들어, 가간섭성의 빔을 방출하는 광원일 수 있다. 예를 들어, 광원은 레이저 다이오드를 포함할 수 있다. 광원으로부터 방출되는 레이저 빔은 빔 단면에서 상이한 전기장 및 배광(light distribution) 프로파일을 가질 수 있다. 예를 들어, 광원으로부터 방출되는 레이저 빔은 가우시안 빔, 다중 모드 빔(multimode beam), 플랫 탑(flat-top) 빔, 수퍼 가우시안 빔(환형 빔(annular-shape beam)), Laguerre-Gaussian 빔 중 어느 하나를 포함할 수 있다. 광원으로부터의 가간섭성의 빔은 청색(약 460 nm의 파장), 적색(약 640 nm의 파장) 및 녹색(약 515 nm의 파장)의 세 가지 성분의 특정 단면 분포를 가질 수 있다. 이와 같이, 광원으로부터의 빔의 세 가지 성분의 특정 단면 분포는 예시적인 것으로서, 성분 및 파장 분포의 가능한 변형 중 하나일 뿐이다. 그러나, 이에 한정되는 것은 아니고, 광원은 빔 확장기(100) 외부에 별도로 마련될 수도 있다.
광원은 제1 광학 소자(10)의 평면에서 주어진 강도 분포를 가지는 가간섭성의 콜리메이팅된 빔을 생성할 수 있다. 이 경우, 제1 광학 소자(10)는 입사하는 가간섭성의 빔을 도파관 집합체(30)로 입력시키는 광학 격자(optical gratings)의 역할을 수행할 수 있다. 제2 광학 소자(20)는 도파관 집합체(30)에 포함되는 복수 개의 도파관 요소(30a, 30b)로부터의 빔을 출력하고 모든 출력빔을 모으도록 구성될 수 있다. 제2 광학 소자(20)는 출력빔이 높은 수준의 콜리메이션 및 균질성을 가지고, 원하는 단면 형상과 낮은 스페클 콘트라스트를 갖도록 할 수 있다.
도파관 집합체(30)는 복수 개의 기판이 적층된 구조를 포함할 수 있다. 도파관 집합체(30)에 포함되어 있는 복수 개의 기판은 미리 계산된 두께 비율을 가질 수 있다. 도파관 집합체(30)에 포함된 미리 계산된 두께 비율을 가지는 복수 개의 기판에 의해 파면 전파 경로(wave front propagation paths)가 다양하게 변화할 수 있다. 에너지 손실값 또는 복수 개의 기판 사이의 계면에서 발생하는 빔들의 간섭을 고려하고, 도파관 집합체(30)의 전체 두께를 고려하여 최적화 문제(optimization problem)를 해결함으로써, 도파관 집합체(30)에 포함되는 기판의 개수가 계산될 수 있다. 여기서, 복수 개의 기판은 복수 개의 도파관 요소(30a, 30b)(component waveguide)로 지칭될 수 있다. 도 1에는 복수 개의 도파관 요소(30a, 30b)가 두 개인 것으로 도시되어 있으나, 이에 한정되는 것은 아니며, 복수 개의 도파관 요소(30a, 30b)는 세 개 이상일 수 있다.
복수 개의 도파관 요소(30a, 30b)는 서로 동일하거나 서로 다른 광학 재료(예를 들어, 유리, 중합체 재료, 크리스탈 등)를 포함할 수 있다. 또한, 복수 개의 도파관 요소(30a, 30b)는 서로 다른 두께를 가질 수 있다. 나아가, 복수 개의 도파관 요소(30a, 30b)는 서로 다른 굴절률을 가질 수 있다. 도파관 집합체(30)의 특성은 복수 개의 도파관 요소(30a, 30b)의 조합에 따라 달라질 수 있다.
복수 개의 도파관 요소(30a, 30b)는 광학적으로 투명한 접착제, 광학 컨택(optical contact), 및/또는 침액(immersion liquid)을 사용하는 광학적으로 투명한 침지(optically transparent immersion)에 의해서 서로 결합될 수 있다. 이 경우, 광학적으로 투명한 침지에서 사용되는 침액은, 복수 개의 도파관 요소(30a, 30b)의 계면에서 발생할 수 있는 원치 않는 효과를 최소화하기 위해, 복수 개의 도파관 요소(30a, 30b) 사이에 발생할 수 있는 에어 갭을 채우고, 복수 개의 도파관 요소(30a, 30b)의 광학 파라미터와 가장 근접한 광학 파라미터를 갖도록 선택될 수 있다.
도파관 집합체(30) 복수 개의 도파관 요소(30a, 30b) 사이의 계면에 마련되는 다이크로익 코팅(40)을 더 포함할 수 있다. 다이크로익 코팅(40)에 의해 복수 개의 도파관 요소(30a, 30b)는 서로 분리될 수 있다. 후술하는 바와 같이, 제1 광학 소자(10)에 의해 도파관 집합체(30) 내부로 입사빔이 입력될 수 있다. 도파관 집합체(30) 내부로 입력된 빔은 다이크로익 코팅(40)을 통해 서로 다른 광학 경로를 통해 전파되는 다중 빔으로 분리될 수 있다. 다이크로익 코팅(40)에 의해 도파관 집합체(30) 내부로 입력된 빔이 여러 갈래로 분리되고, 분리된 여러 갈래의 빔들의 진행 경로들(optical paths)은 서로 다른 길이를 가지게 된다. 즉, 도파관 집합체(30) 내에 입력된 빔은 다이크로익 코팅(40)에 의해 다중 파면(multiple wave fronts)으로 분할될 수 있다.
도파관 집합체(30) 내에서 분리된 복수 개의 빔들은 서로 다른 위상 시프트 값(phase shift values)을 가진 상태로 서로 혼합될 수 있다. 예를 들어, 다이크로익 코팅(40)에 의해 생성된 다중 파면이 도파관 집합체(30) 내부에서 전반사하면서 서로 혼합될 수 있다. 내부 전반사를 통해 도파관 집합체(30) 내부에서 전파된 빔은, 후술하는 바와 같이, 제2 광학 소자(20)를 통해 도파관 집합체(30)로부터 출력될 수 있다.
다이크로익 코팅(40)에 의해 빔이 여러 갈래의 파면으로 분리되고, 서로 다른 강도 레벨 및/또는 파장을 가진 분리된 복수 개의 파면의 혼합이 일어날 있다. 혼합된 복수 개의 파면은 도파관 집합체(30)로부터 출력될 수 있다. 이에 따라, 출력빔의 균질성이 향상되고, 스페클 콘트라스트가 감소될 수 있고, 빔 확장기(100)로부터의 출력빔의 원하는 빔 단면 형상이 형성될 수 있다.
다이크로익 코팅(40)은 도파관 집합체(30)에 포함되는 복수 개의 도파관 요소(30a, 30b) 사이의 계면에 마련되는 것으로서, 광학적으로 투명한 유전성 재료로 형성된 복수 개의 얇은 층이 적층된 구조를 포함할 수 있다. 그러나 이에 한정되는 것은 아니고, 다이크로익 코팅(40)은 단층 구조를 포함할 수도 있다. 다이크로익 코팅(40)은 반사 코팅일 수 있다. 예를 들어, 다이크로익 코팅(40)은 금속화(metalized) 막 또는 산화(oxide) 막 형태를 포함할 수 있다. 또한, 다이크로익 코팅(40)은 반사 방지, 스펙트럼 선택(spectrally selective), 부분 투과(partially transmitting) 코팅을 포함할 수 있다. 다이크로익 코팅(40)은 스퍼터링 또는 화학 증착에 의해 형성될 수 있다.
다이크로익 코팅(40)은 복수 개의 도파관 요소(30a, 30b) 사이에서 빔을 재분배(redistribution)할 수 있다. 이에 따라, 제2 광학 소자(20)에서 출력되는 출력빔이 미리 결정된 정도의 균질성, 모양 및 치수를 가질 수 있다. 다시 말해, 복수 개의 도파관 요소(30a, 30b)를 포함하는 도파관 집합체(30)에서 복수 개의 진행 경로로 전파되는 빔이 생성됨으로써, 복수 개의 도파관 요소(30a, 30b) 사이에 보다 효율적인 에너지 재분배가 가능해지고 이에 따라, 빔이 보다 효율적으로 균질화될 수 있다. 이러한 방식에 따르면, 도파관 집합체(30)는 빔이 다양한 강도 프로파일(intensity profile)을 보이도록 할 수 있다. 따라서, 빔 확장기(100)는 다양한 강도 분포(intensity distributions)를 보이는 빔을 방출하는 복수 개의 광원을 포함할 필요가 없을 수 있다.
도파관 집합체(30)에 포함된 복수 개의 도파관 요소(30a, 30b)의 적층 구조에 의해서, 보다 효율적으로 다중 파면의 혼합(복수 개의 도파관 요소(30a, 30b) 사이에서의 에너지 재분배)이 이루어질 수 있고, 출력빔의 균질성이 향상될 수 있다. 또한, 복수 개(예를 들어, 두 개)의 도파관 요소(30a, 30b)를 적층함으로써, 도파관 집합체(30)의 치수(예를 들어, 길이)가 감소될 수 있다. 도파관 집합체(30)에 포함되는 복수 개의 도파관 요소(30a, 30b)의 개수가 많아질수록 도파관 집합체(30)의 길이는 감소할 수 있다.
다이크로익 코팅(40)은 복수 개의 도파관 요소(30a, 30b) 사이에서 빔을 분할할 수 있고, 이에 따라, 보다 효율적인 빔 파면의 후속 혼합(subsequent mixing)이 이루어질 수 있다. 이에 따라, 빔의 균질화 및 스페클 억제의 효율성이 증가할 수 있다. 또한, 이와 동시에 빔을 독립된 복수 개의 파면(wave fronts)으로 분할하고 도파관 요소(30a, 30b) 사이에 빔을 재분배함으로써 도파관 집합체(30)의 전체 길이가 감소할 수 있다.
도파관 집합체(30)는 가우스 강도 분포(Gaussian distribution of intensities)를 갖는 빔을 빔 단면 내의 좌표에 관계없이 동일한 강도 분포를 갖는 빔으로 전환시킬 수 있다. 이에 따라, 출력빔은 높은 균질성을 가지게 되고, 스페클 콘트라스트가 감소될 수 있다. 이는, 빔이 다이크로익 코팅(40)에 의해 복수 개의 빔으로 분할되고, 복수 개의 도파관 요소(30a, 30b) 내부를 통해 전파되면서 혼합됨에 따라 달성될 수 있다.
복수 개의 도파관 요소(30a, 30b) 사이의 계면에 다이크로익 코팅(40)이 마련된 구성을 채택함으로써, 도파관 집합체(30)의 두께 및 길이가 감소될 수 있고, 이에 따라, 빔 확장기(100)는 소형화될 수 있다. 이에 따라, 빔 확장기(100)가 적용되는 디스플레이 장치의 두께가 작아질 수 있다. 빔 확장기(100)의 치수는 빔 확장기(100)가 사용되는 장치의 치수 및 배열에 의해 결정될 수 있다.
도파관 집합체(30)에서 입사빔이 여러 개의 빔으로 분기됨으로써 생성된 복수 개의 파면 각각은, 서로 다른 파면의 스페클 패턴과 다른 일시적으로 일정한 고유의 스페클 패턴을 생성한다. 도파관 집합체(30)에서 생성된 복수 개의 빔으로부터의 복수 개의 스페클 패턴들을 중첩시키면 제2 광학 소자(20)에 형성되는 스페클 패턴의 콘트라스트가 크게 감소할 수 있다. 제2 광학 소자(20)의 전체적인 스페클 패턴 콘트라스트는 √n 배만큼 감소할 수 있다. 여기서, n은 도파관 집합체(30)에 형성된 빔의 개수를 의미한다. 도파관 집합체(30)에 의해서 제2 광학 소자(20)로부터의 출력빔의 스페클 형성이 최대 80%까지 감소될 수 있다.
제1 광학 소자(10) 및/또는 제2 광학 소자(20)는 홀로그래픽 광학 소자(holographic optical element; HOE)로 구현될 수 있다. 또는, 제1 광학 소자(10) 및/또는 제2 광학 소자(20)는 회절 광학 소자(diffractive optical element; DOE)로 구현될 수 있다.
회절 광학 소자(DOE)와 홀로그래픽 광학 소자(HOE)는 실질적으로 동일한 물리적 원리를 기반으로 한다. 즉, 이러한 두가지 광학 소자는 실질적으로 회절 광학 소자로 지칭될 수 있다. 그러나, 회절 광학 소자는 표면 릴리프(surface relief)에서 회절이 발생하는 광학 소자인 반면 홀로그래픽 광학 소자는 광학 특성의 국부적인 변화로 인해 광학 소자에 포함된 물질 내에서 회절이 발생하는 볼륨 브래그 격자라는 점에서 다르다.
홀로그래픽 광학 소자(HOE)로 구현되는 광학 소자는 도파관 집합체(30)로 빔을 입력하고, 도파관 집합체(30)로부터 빔을 출력하는 것으로서 빔 확장기(100)의 소형화를 달성하는 데 사용될 수 있다. 또한, 홀로그래픽 광학 소자(HOE)로 구현되는 광학 소자는 빔 콜리메이션에도 사용될 수 있다.
제1 광학 소자(10) 및 제2 광학 소자(20)의 다양한 구조에 대해서 도 4 내지 도 7을 참조하여 후술한다.
제1 광학 소자(10)는 도파관 집합체(30)에 효과적으로 빔을 입력하기 위한 얇은 층 형상의 입력 광학 소자일 수 있다. 예를 들어, 제1 광학 소자(10)는 콜리메이팅된 입사빔을 도파관 집합체(30)에 입력할 수 있다. 빔 확장기(100)가 디스플레이 장치(예: 홀로그래픽 디스플레이 장치)의 구성 요소로 사용되는 경우, 디스플레이 장치의 동작 파장에 해당하는 가시광선의 얇은 스펙트럼 라인(thin spectral lines of visible light)이 제1 광학 소자(10)에 의해 회절되어 도파관 집합체(30)에 입력될 수 있다. 제1 광학 소자(10)에 의해 회절되지 못하는 가시광선은 도파관 집합체(30)에 입력되지 않을 수 있다.
제1 광학 소자(10)는 광원에 의해 생성된 특정 스펙트럼 대역의 빔에 대해 광학적으로 투명한 임의의 재료로 만들어 질 수 있다. 예를 들어, 제1 광학 소자(10)는 플라스틱, 유리, 수지, 폴리머, 포토 폴리머 중 어느 하나로 만들어질 수 있다. 또한, 제1 광학 소자(10)는, 도파관 집합체(30)와 별도로 마련되는 독립적인 소자, 도파관 집합체(30)의 표면에 부착되거나 도파관 집합체(30) 표면의 일부로 형성되는 소자, 도파관 집합체(30)에 통합되는 소자, 반사형 또는 투과형 광학 소자(양각 광학 소자 또는 볼륨 브래그 격자(VBG)) 중 어느 하나의 형태로 구현될 수 있다.
제2 광학 소자(20)는 빔이 원하는 수준의 콜리메이션 및 제2 광학 소자(20)의 평면에서 원하는 형상 및 치수의 단면을 가지는 상태로 도파관 집합체(30)로부터 효과적으로 출력되도록 하기 위한 얇은 층 형상의 출력 광학 소자(출력 광학 격자)일 수 있다. 예를 들어, 제2 광학 소자(20)는 출력빔의 가간섭성과 콜리메이션을 유지하면서, 출력빔이 도파관 집합체(30)에 의해 형성된 단면 형상을 가지도록 할 수 있다.
제2 광학 소자(20)로부터 출력되는 빔은 완벽하게 콜리메이팅되지 않을 수도 있다. 예를 들어, 제2 광학 소자(20)로부터 출력되는 빔은 어느 정도는 발산 또는 수렴할 수 있고, 이에 따라, 상당한 거리까지 도달한 빔의 단면의 크기는 제2 광학 소자(20)의 출력 표면에서의 빔의 단면의 크기와 다를 수 있다. 예를 들어, 빔 확장기(100)로부터 출력된 빔은 실린더 형상 대신 원뿔 형상의 광 경로에 따라 진행할 수 있다. 원뿔 형상의 광 경로는 각 측정법(angle measure)에 따라 측정되고, 0.25° 또는 15 각분(angular minutes)을 초과하지 않는 치수를 가질 수 있다.
제2 광학 소자(20)는 광원에 의해 생성된 특정 스펙트럼 대역의 빔에 대해 광학적으로 투명한 임의의 재료로 만들어 질 수 있다. 예를 들어, 제2 광학 소자(20)는 플라스틱, 유리, 수지, 폴리머, 포토 폴리머 중 어느 하나로 만들어질 수 있다. 또한, 제2 광학 소자(20)는, 도파관 집합체(30)와 별도로 마련되는 독립적인 소자, 도파관 집합체(30)의 표면에 부착되거나 도파관 집합체(30) 표면의 일부로 형성되는 소자, 도파관 집합체(30)에 통합되는 소자, 반사형 또는 투과형 광학 소자(양각 광학 소자 또는 볼륨 브래그 격자(VBG)) 중 어느 하나의 형태로 구현될 수 있다.
제1 광학 소자(10) 및/또는 제2 광학 소자(20)는 광학 격자 구조의 레코딩 프로세스에 따라 제조될 수 있다. 레코딩 프로세스는 각각 아날로그 레코딩과 디지털 레코딩의 두 가지 방법으로 구현될 수 있다.
아날로그 레코딩은 감광 물질에 참조빔과 물체빔 간의 간섭 패턴을 기록하는 방식이다. 간섭 패턴이 기록된 감광 물질에 레코딩에 사용된 빔들 중 하나, 또는 이로부터 변형된 빔이 조사되면, 회절에 의해서 모든 매개 변수에서 레코딩에 사용된 빔과 완전히 동일한 빔이 방출된다. 다시 말해, 일반적인 회절 격자는 두 콜리메이팅된 빔 사이의 간섭 패턴을 포함한다.
디지털 레코딩은 필요한 빔 생성에 필요한 광학 소자(예를 들어, 회절 광학 소자 또는 홀로그래픽 광학 소자)에 대한 계산 및 모델링을 한 이후에, 리소그라피, 화학적 방법, 기계적 방법 또는 다른 어떠한 마이크로구조물 생성 기술을 이용하여 광학 소자를 구현하는 방식이다.
도파관 집합체(30)를 통해 전파되는 빔은 제2 광학 소자(20)에 의해 회절되어 도파관 집합체(30)로부터 출력되고, 이에 따라, 홀로그램을 기록하는 데에 사용된 빔이 높은 수준으로 재현될 수 있다. 또한, 도파관 집합체(30)로부터 출력된 빔은 필요한 수준의 콜리메이션 및 원하는 빔 단면 형상을 가질 수 있다.
빔 확장기(100)로부터의 출력빔은 80% 이상의 균질성을 가질 수 있다. 예를 들어, 디스플레이 장치에 대한 VESA 표준 및 스페클 패턴 콘트라스트(전체 필드에 걸쳐 소정의 크기를 가지는 영역에서 최소값을 갖는 스페클 밝기와 최대값을 갖는 스페클 밝기의 비율)에 따라 빔의 균질성이 평가될 수 있다.
빔 확장기(100)는 입력측에 서로 다른 다양한 준-단색(quasi-monochromatic) 입사 광원들이 주어질 때와 동일한 균질성과 단면 형상을 가지는 빔을 출력할 수 있다. 또한, 빔 확장기(100)에 가간섭성 광원으로부터의 빔을 입력하는 경우, 빔 확장기(100)는 공간적 가간섭성을 가지고 억제된 스페클 콘트라스트를 가지는 빔을 출력할 수 있다. 또한, 빔 확장기(100)로부터의 출력빔을 이용하여 생성된 홀로그램 이미지의 색상 등급과 편광이 향상될 수 있고, 이에 따라, 상당히 사실적인 3차원 이미지가 생성될 수 있다.
도 1에 도시된 것과는 달리, 예를 들어, 빔 확장기(100)는 홀로그래픽 광학 소자로 구현되는 제1 광학 소자(10) 및 제2 광학 소자(20)와, Eagle Glass 브랜드 유리인, 각각 0.4mm, 0.7mm, 1.0mm의 두께를 가지는 3개의 도파관 요소를 포함하는 45mm 길이의 도파관 집합체(30)를 포함할 수 있다. 이 경우, 3개의 도파관 요소는 투과율과 반사율이 1:1인 다이크로익 코팅(40)에 의해 서로 분리될 수 있다. 빔 확장기(100)에는 적색빔 및 청색빔이 입력될 수 있다. 9mm 직경을 가지는 반도체 레이저 다이오드로부터 방출되며 가우스 에너지 분포를 가지는 빔은 75%의 균질도와 82% 감소한 스페클을 가지는 적색빔 및 67%의 균질도와 79% 감소한 스페클을 가지는 청색빔을 포함하는 5x5mm 정사각형 단면의 빔으로 변환될 수 있다. 이와 같이, 빔 확장기(100)의 출력측에서 높은 수준의 빔 균질성이 달성될 수 있고, 빔 확장기(100)로부터 현저히 감소된 스페클 패턴 콘트라스트를 가지며 원하는 단면 형상 및 크기를 가지는 콜리메이팅된 빔이 출력될 수 있다.
도 2는 도 1의 다이크로익 코팅(40)의 입사빔(IB)에 대한 동작 원리를 개략적 도시한 것이다. 도 3은 도 1의 빔 확장기(100)에 적용될 수 있는 다른 일 실시예에 따른 다이크로익 코팅(41)의 예시적인 구조를 간략하게 도시한 것이다.
도 2를 참조하면, 굴절률 n을 가지는 다이크로익 코팅(40)에 입사빔(IB)이 입사될 수 있다. 입사빔(IB)의 일부가 다이크로익 코팅(40)에 의해서 반사되어 반사빔(RB)이 생성되고, 다른 일부가 다이크로익 코팅(40)을 투과하여 다이크로익 코팅(40) 내부에서 전반사하며 전파될 수 있다. 다이크로익 코팅(40) 내부에서 전반사하며 전파되는 빔의 일부가 다이크로익 코팅(40)을 투과하여 다이크로익 코팅(40) 외부로 전파되는 투과빔(TB)이 생성될 수 있다.
다이크로익 코팅(40)은 복수 개의 간섭 미러(interference mirror)가 적층된 구조를 포함할 수 있다. 복수 개의 간섭 미러는 서로 다른 굴절률을 가지는 유전체를 포함할 수 있다. 이에 따라, 다이크로익 코팅(40)은 유전체 미러로 지칭될 수 있다. 유전체 기반의 다이크로익 코팅(40)은 금속 기반 간섭 미러와 비교하여 비교적 큰 반사율(최대 99.9 %)을 가질 수 있다. 또한, 유전체 기반의 다이크로익 코팅(40)은 금속 거울에 비해, 빔을 비교적 적게 흡수하고, 이에 따라 빔 손실을 크게 감소시킬 수 있다. 나아가, 복수 개의 간섭 미가 적층된 구조를 가지는 다이크로익 코팅(40)을 이용하는 경우, 금속 기반 간섭 미러의 반사율과 관련된 제한을 극복하고 파장의 동작 범위를 크게 확장시킬 수 있다. 복수 개의 간섭 미러의 적층 구조에 포함된 간섭 미러 각각의 반사율을 원하는 대로 형성할 수 있다. 복수 개의 간섭 미러의 적층 구조에 포함된 간섭 미러 각각은 특정 스펙트럼 영역에서 높은 반사율을 가지며 다른 스펙트럼 영역에 대해서는 거의 투명하도록 만들어 질 수 있다.
복수 개의 간섭 미러의 적층 구조의 효과는 다중 빔 간섭(multi-beam interference)을 기반으로 하는데, 이 다중 빔 간섭은 복수 개의 간섭 미러의 적층 구조의 계면에서 빔이 반사될 때 발생할 수 있다.
도 3을 참조하면, 다이크로익 코팅(41)은 비교적 높은 굴절률(nhigh)을 가지는 제1 유전층(40a)과 비교적 낮은 굴절률(nlow)을 가지는 제2 유전층(40b)이 교번적으로 적층된 구조를 포함할 수 있다. 다시 말해, 다이크로익 코팅(41)은 복수 개의 제1 유전층(41a)과 제2 유전층(41b)이 적층되어 형성된 다층 유전체 코팅일 수 있다.
도파관 집합체(30)에 포함된 복수 개의 도파관 요소(30a, 30b) 내에서 여러 번 반복되는 빔의 반사와 빔들 간의 상호 작용으로 인해 다중 빔 간섭이 발생할 수 있다. 이 경우, 복수 개의 도파관 요소(30a, 30b)의 개수 또는 형성 물질에 따라, 도파관 집합체(30)에 포함된 복수 개의 도파관 요소(30a, 30b) 중 일부는 비교적 더 강해지거나(more intense) 비교적 덜 강해질 수(less intense) 있다(빔이 반사/투과되는지 여부 또는 빔의 파장에 따라).
도 4는 다른 일 실시예에 따른 빔 확장기(110)의 예시적인 구성을 간략하게 도시한 것이다. 도 5는 또 다른 일 실시예에 따른 빔 확장기(120)의 예시적인 구성을 간략하게 도시한 것이다.
도 4의 빔 확장기(110)와 도 5의 빔 확장기(120)는 각각 도 1의 제1 광학 소자(10)의 형태와 다른 제1 광학 소자(11), 제1 광학 소자(12)를 포함한다는 점을 제외하고는 도 1의 빔 확장기(100)와 실질적으로 동일할 수 있다. 도 4 및 도 5 각각에는 제1 광학 소자(11) 및 제1 광학 소자(12)와 실질적으로 동일한 구조의 제2 광학 소자가 생략되어 있다. 도 4 및 도 5를 설명함에 있어, 도 1 내지 도 3과 중복되는 내용은 생략한다.
도 4를 참조하면, 빔 확장기(110)는 제1 광학 소자(11), 도파관 집합체(30), 제2 광학 소자 및 다이크로익 코팅(40)을 포함할 수 있다.
제1 광학 소자(11)는 프리즘일 수 있다. 프리즘으로 구현되는 제1 광학 소자(11)의 일 표면은 빔의 전파를 방해하지 않도록 하기 위해 도파관 집합체(30)의 상부 표면과 광학적으로 접촉하여 마련될 수 있다. 여기서 도파관 집합체(30)의 상부 표면이란, 도파관 집합체(30)에 대해 빔이 입사하는 면을 의미한다. 프리즘 형태의 제1 광학 소자(11)의 다른 일 표면은 제1 광학 소자(11) 내에서의 빔의 전반사를 방해하는 각도로 기울어져 마련될 수 있고, 이에 따라, 제1 광학 소자(11)에 의해 도파관 집합체(30)로 빔이 입력될 수 있다.
도 5를 참조하면, 빔 확장기(120)는 제1 광학 소자(12), 도파관 집합체(30), 제2 광학 소자 및 다이크로익 코팅(40)을 포함할 수 있다.
제1 광학 소자(12)는 프리즘일 수 있다. 프리즘으로 구현되는 제1 광학 소자(12)의 일 표면은 빔의 전파를 방해하지 않도록 하기 위해 도파관 집합체(30)의 좌측단부 표면과 광학적으로 접촉하여 마련될 수 있다. 프리즘 형태의 제1 광학 소자(12)의 다른 일 표면은 제1 광학 소자(12) 내에서의 빔의 전반사를 방해하는 각도로 기울어져 마련될 수 있고, 이에 따라, 제1 광학 소자(12)에 의해 도파관 집합체(30)로 빔이 입력될 수 있다.
도 6은 또 다른 일 실시예에 따른 빔 확장기(130)의 예시적인 구성을 간략하게 도시한 것이다. 도 7은 또 다른 일 실시예에 따른 빔 확장기(140)의 예시적인 구성을 간략하게 도시한 것이다.
도 6의 빔 확장기(130)와 도 7의 빔 확장기(140)는 각각 도 1의 제1 광학 소자(10)의 형태와 다른 제1 광학 소자(13), 제1 광학 소자(14)를 포함한다는 점을 제외하고는 도 1의 빔 확장기(100)와 실질적으로 동일할 수 있다. 도 6 및 도 7 각각에는 제1 광학 소자(13) 및 제1 광학 소자(14)와 실질적으로 동일한 구조의 제2 광학 소자가 생략되어 있다. 도 6 및 도 7을 설명함에 있어, 도 1 내지 도 3과 중복되는 내용은 생략한다.
도 6을 참조하면, 빔 확장기(130)는 제1 광학 소자(13), 도파관 집합체(30), 제2 광학 소자 및 다이크로익 코팅(40)을 포함할 수 있다.
제1 광학 소자(13)는 투과형 홀로그래픽 광학 소자일 수 있다. 투과형 홀로그래픽 광학 소자는 복잡한 구조의 형태를 가지는 실질적으로 평평한 광학 소자일 수 있다. 투과형 홀로그래픽 광학 소자의 복잡한 구조의 형태는 표면 릴리프, 마이크로 구조(예를 들어, 버블, 다른 물질의 입자를 포함하는 구조 등) 또는 빔의 동작 파장에 견줄만한 크기를 가지며, 기계적, 열적, 화학적 효과에 의해 형성된 광학적으로 불규칙한 물질 등을 포함할 수 있다.
투과형 홀로그래픽 광학 소자로 구현되는 제1 광학 소자(13)는 도파관 집합체(30)의 상부 표면과 광학적으로 접촉하여 마련될 수 있다. 여기서 도파관 집합체(30)의 상부 표면이란, 도파관 집합체(30)에 대해 빔이 입사하는 면을 의미한다.
도 7을 참조하면, 빔 확장기(140)는 제1 광학 소자(14), 도파관 집합체(30), 제2 광학 소자 및 다이크로익 코팅(40)을 포함할 수 있다.
제1 광학 소자(14)는 반사형 홀로그래픽 광학 소자일 수 있다. 반사형 홀로그래픽 광학 소자는 복잡한 구조의 형태를 가지는 실질적으로 평평한 광학 소자일 수 있다. 반사형 홀로그래픽 광학 소자의 복잡한 구조의 형태는 표면 릴리프, 마이크로 구조(예를 들어, 버블, 다른 물질의 입자를 포함하는 구조 등) 또는 빔의 동작 파장에 견줄만한 크기를 가지며, 기계적, 열적, 화학적 효과에 의해 형성된 광학적으로 불규칙한 물질 등을 포함할 수 있다.
반사형 홀로그래픽 광학 소자로 구현되는 제1 광학 소자(14)는 도파관 집합체(30)의 하부 표면과 광학적으로 접촉하여 마련될 수 있다. 여기서 도파관 집합체(30)의 하부 표면이란, 도파관 집합체(30)의 상부 표면과 마주하는 면을 의미한다.
도 8은 도 1의 빔 확장기(100) 내부에서 입사빔에 대한 연속적인 재분배(redistribution) 및 혼합(mixing)이 이루어질 때, 도파관 집합체(30)에 포함되는 복수 개의 도파관 요소(30a, 30b) 사이에서 입사빔이 강도(power)에 기초하여 분할되는 모습을 설명하기 위한 것이다.
도 8을 참조하면, 빔이 도파관 집합체(30)에 포함된 복수 개의 도파관 요소(30a, 30b) 사이에서 분할되고, 빔에 대해 연속적인 재분배 및 혼합이 이루어질 수 있다. 이것은 도파관 집합체(30)에서의 빔의 다중 내부 전반사에 의해 달성될 수 있다. 이 경우, 도파관 집합체(30)에 포함된 복수 개의 도파관 요소(30a, 30b) 사이의 계면에 마련된 다이크로익 코팅(40)은 빔의 일부를 투과시키고, 빔의 다른 일부를 반사시킨다.
이와 같이, 빔 확장기(100)에 포함된 복수 개의 도파관 요소(30a, 30b) 사이에서 강도에 따라 빔이 분할되어 빔에 대한 연속적인 재분배 및 혼합이 이루어질 수 있다. 이에 따라, 빔 확장기(100) 내에서 빔이 보다 강하게 혼합되므로, 빔 확장기(100)는 보다 효율적이고 컴팩트해 질 수 있다. 또한, 이러한 빔 확장기(100)는 단색광(monochromatic light)에 더 적합할 수 있다.
도 9는 또 다른 일 실시예에 따른 빔 확장기(150)의 예시적인 구성을 간략하게 도시한 것이다. 설명의 편의를 위해, 도 9에는 제1 광학 소자 및 제2 광학 소자가 생략되어 있다.
도 9를 참조하면, 빔 확장기(150)는 복수 개의 도파관 요소(31a, 31b, 31c)를 포함하는 도파관 집합체(31), 복수 개의 도파관 요소(31a, 31b, 31c)의 계면들 사이사이에 각각 마련된 복수 개의 다이크로익 코팅(42a, 42b)을 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 다이크로익 코팅은, 복수 개의 도파관 요소(31a, 31b, 31c) 중 서로 인접하는 제1 도파관 요소(31a)와 제2 도파관 요소(31b) 사이에 마련되는 제1 다이크로익 코팅(42a), 서로 인접하는 제2 도파관 요소(31b)와 제3 도파관 요소(31c) 사이에 마련되는 제2 다이크로익 코팅(42b)을 포함할 수 있다.
빔 확장기(150)에 포함되는 복수 개의 다이크로익 코팅(42a, 42b) 각각의 투과율과 반사율은 서로 다를 수 있다. 복수 개의 다이크로익 코팅(42a, 42b)의 투과율과 반사율은 빔 확장기(150)의 필요한 총 효율을 달성하기 위해 적절하게 선택될 수 있다. 예를 들어, 제1 다이크로익 코팅(42a) 투과율은 제2 다이크로익 코팅(42b)의 투과율과 다를 수 있다. 또한, 제1 다이크로익 코팅(42a)의 반사율은 제2 다이크로익 코팅(42b)의 반사율과 다를 수 있다.
제1 광학 소자(미도시)에 의해 도파관 집합체(31)로 입력되는 빔은 복수 개의 도파관 요소(31a, 31b, 31c) 사이에서 강도에 따라 분할될 수 있다. 또한, 강도에 따라 분할된 빔들은 도파관 집합체(31)의 출력측에서 복수 개의 도파관 요소(31a, 31b, 31c)에 의해 혼합될 수 있다. 예를 들어, 도파관 집합체(31)는 세 개의 도파관 요소(31a, 31b, 31c)를 포함할 수 있다. 예를 들어, 도파관 집합체(31)는 제1 도파관 요소(31a), 제2 도파관 요소(31b) 및 제3 도파관 요소(31c)가 적층된 구조를 포함할 수 있다. 또한, 복수 개의 다이크로익 코팅(42a, 42b)이 세 개의 도파관 요소(31a, 31b, 31c)의 계면에 마련될 수 있다.
복수 개의 다이크로익 코팅(42a, 42b)은 복수 개의 도파관 요소(31a, 31b, 31c) 사이의 계면들 각각에 배열될 수 있다. 이 경우, 복수 개의 다이크로익 코팅(42a, 42b)은 복수 개의 도파관 요소(31a, 31b, 31c) 각각에서 전파하는 빔을 투과시키지 않을 수 있다. 빔은 제2 광학 소자(미도시)의 평면에서 도파관 집합체(31)로부터 출력되기 전에, 도파관 집합체(31)의 단부 근처에서 혼합될 수 있다.
빔이 강도에 따라 복수 개의 도파관 요소(31a, 31b, 31c) 사이에서 분할되고 도파관 집합체(31)의 출력측에서 복수 개의 도파관 요소(31a, 31b, 31c)에 의해 혼합되는 구성은 구현이 쉽고, 디스플레이 장치, TV 등과 같은 대량 생산 장치에 적용될 경우 경제적일 수 있다.
도 10은 또 다른 일 실시예에 따른 빔 확장기(160)의 예시적인 구성을 간략하게 도시한 것이다.
도 10을 참조하면, 빔 확장기(160)는 복수 개의 도파관 요소(32a, 32b, 32c)를 포함하는 도파관 집합체(32), 복수 개의 도파관 요소(32a, 32b, 32c)의 계면들 사이사이에 각각 마련된 복수 개의 다이크로익 코팅(43a, 43b)을 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 다이크로익 코팅은, 복수 개의 도파관 요소(32a, 32b, 32c) 중 서로 인접하는 제1 도파관 요소(32a)와 제2 도파관 요소(32b) 사이에 마련되는 제1 다이크로익 코팅(43a), 서로 인접하는 제2 도파관 요소(32b)와 제3 도파관 요소(32c) 사이에 마련되는 제2 다이크로익 코팅(43b)을 포함할 수 있다.
빔 확장기(160)에 포함되는 복수 개의 다이크로익 코팅(43a, 43b) 각각의 투과율과 반사율은 서로 다를 수 있다. 복수 개의 다이크로익 코팅(43a, 43b)의 투과율과 반사율은 빔 확장기(160)의 필요한 총 효율을 달성하기 위해 적절하게 선택될 수 있다. 예를 들어, 제1 다이크로익 코팅(43a) 투과율은 제2 다이크로익 코팅(43b)의 투과율과 다를 수 있다. 또한, 제1 다이크로익 코팅(43a)의 반사율은 제2 다이크로익 코팅(43b)의 반사율과 다를 수 있다.
도 10을 참조하면, 복수 개의 도파관 요소(32a, 32b, 32c) 사이에서 빔이 파장에 따라 분할될 수 있다. 예를 들어, 도파관 집합체(32)는 세 개의 도파관 요소(32a, 32b, 32c)를 포함할 수 있다. 예를 들어, 도파관 집합체(32)는 제1 도파관 요소(32a), 제2 도파관 요소(32b) 및 제3 도파관 요소(32c)가 적층된 구조를 포함할 수 있다. 또한, 복수 개의 다이크로익 코팅(43a, 43b)이 세 개의 도파관 요소(32a, 32b, 32c)의 계면에 마련될 수 있다.
예를 들어, 제1 도파관 요소(32a)와 제2 도파관 요소(32b) 사이에는 제1 다이크로익 코팅(43a)이 마련될 수 있다. 적색 스펙트럼 빔(B1)은 제1 다이크로익 코팅(43a)에 의해 투과되지 못하고, 제1 도파관 요소(32a) 내부에서 전반사를 통해 전파될 수 있다. 또한, 제2 도파관 요소(32b)와 제3 도파관 요소(32c) 사이에는 제2 다이크로익 코팅(43b)이 마련될 수 있다. 녹색 스펙트럼 빔(B2)은 제1 다이크로익 코팅(43a)을 통해 투과되고, 제2 다이크로익 코팅(42b)에 의해 투과되지 못할 수 있다. 녹색 스펙트럼 빔(B2)은 제1 도파관 요소(32a) 및 제2 도파관 요소(32b) 내부에서 전반사를 통해 전파될 수 있다. 나아가, 청색 스펙트럼 빔(B3)은 제1 다이크로익 코팅(43a)과 제2 다이크로익 코팅(43b)을 통해 투과될 수 있다. 청색 스펙트럼 빔(B3)은 제1 도파관 요소(32a), 제2 도파관 요소(32b) 및 제3 도파관 요소(32c) 내부에서 전반사를 통해 전파될 수 있다. 이 경우, 빔의 전반사는 복수 개의 도파관 요소(32a, 32b, 32c) 사이에 마련된 복수 개의 다이크로익 코팅(43a, 43b) 사이가 아니라, 도파관 집합체(32)의 상하부 외부 표면 사이에서 일어날 수 있다.
파장에 따라 복수 개의 도파관 요소(32a, 32b, 32c) 사이에서 빔이 분할되는 실시예는 강도에 따라 빔이 분할되는 다른 실시예와 비교하여 다소 더 큰 크기의 도파관 집합체(32)가 필요하지만 여러 파장에 대해 사용될 수 있다는 장점이 있다.
도 1 내지 도 10을 참조하여 설명한 다양한 빔 확장기(100, 110, 120, 130, 140, 150, 160)는 적어도 하나의 광원을 포함할 수 있다. 이는 빔 확장기(100, 110, 120, 130, 140, 150, 160) 자체와 시스템 전체의 개념에 의해 규정될 수 있다. 빔 확장기(100, 110, 120, 130, 140, 150, 160)는 특정 어플리케이션의 일부일 수 있다. 외부 광원을 사용한 본 개시의 다양한 실시예에 따른 빔 확장기(100, 110, 120, 130, 140, 150, 160)는 실험실 벤치(laboratory benches), 계측(metrology), 최종 사용자 장치(디스플레이 장치, 증강 현실 안경, 또는 가상 현실 안경) 등에 적용되는 별도의 장치로 사용될 수 있다. 본 개시의 다양한 실시예에 따른 빔 확장기(100, 110, 120, 130, 140, 150, 160)에 광원이 통합된 실시예는 하드웨어 구성 요소를 표준화하기 위해 사용자 장치에서 사용될 수 있다.
본 개시의 다양한 실시예에 따른 빔 확장기(100, 110, 120, 130, 140, 150, 160)의 외부에 마련되거나 빔 확장기(100, 110, 120, 130, 140, 150, 160)에 통합된 광원은 예를 들어, 레이저 다이오드일 수 있다. 레이저 다이오드는 제1 광학 소자의 평면에서 특정 강도 분포를 갖는 가간섭성의 콜리메이팅된 빔을 생성한다. 그러나, 이에 한정되는 것은 아니며, 본 개시의 다양한 실시예에 따른 빔 확장기(100, 110, 120, 130, 140, 150, 160)에 대해 입사빔을 제공하는 광원은, 레이저 광원이 아닌 좁은 스펙트럼 대역을 가진 임의의 소스, 예를 들어, 발광 다이오드(LED) 또는 유기 발광 다이오드(OLED)일 수 있다. 그러나 본 개시의 다양한 실시예에 따른 빔 확장기(100, 110, 120, 130, 140, 150, 160)에 대해 입사빔을 제공하는 광원이 상기한 예들에 제한되는 것은 아니다. 예를 들어, 광원은 여러 개의 좁은 스펙트럼 라인의 빔을 생성하는 가스 방전 램프일 수도 있다.
본 개시의 일 실시예에 따르면, 가우시안 분포의 강도를 가지는 가간섭성의 콜리메이팅된 빔(예를 들어, 레이저 빔)이 본 개시의 다양한 실시예에 따른 빔 확장기(100, 110, 120, 130, 140, 150, 160)에 포함된 제1 광학 소자에 입사한다. 또한, 본 개시의 다양한 실시예에 따른 빔 확장기(100, 110, 120, 130, 140, 150, 160)에 포함된 도파관 집합체 내부에서 입사빔이 복수 개의 빔으로 분할될 수 있다. 도파관 집합체 내부에서 분할된 복수 개의 빔은 입사빔의 에너지를 유지하는 데에 필요한 빔 패턴을 가질 수 있다.
본 개시의 다양한 실시예에 따른 빔 확장기(100, 110, 120, 130, 140, 150, 160)에 포함된 도파관 집합체를 통해 빔이 전파되는 동안, 복수 개의 빔(파면)이 혼합되어 높은 수준의 빔 균질성이 달성되고, 복수 개의 빔은 증가한 입사 면적을 가진 상태로 제2 광학 소자에 도달한다. 제2 광학 소자는 원하는 형상의 단면을 가지며 도파관 집합체를 통해 하나의 지점으로 전파된 혼합된 모든 빔을 결합하고, 결합된 빔을 도파관 집합체로부터 출력한다. 제2 광학 소자에 의해 출력된 빔은 높은 수준의 콜리메이션과 균질성을 가지며 원하는 단면 형상과 낮은 스페클 콘트라스트를 가질 수 있다. 제2 광학 소자의 평면 내의 빔은 제2 광학 소자의 형상 및 크기에 실질적으로 대응하는 형상 및 크기의 단면을 가질 수 있다. 이에 따라, 빔의 단면의 크기는 제2 광학 소자의 평면의 크기를 넘어서지 않고, 이에 따라, 콜리메이팅된 출력빔에 의한 조명은 높은 효율을 가질 수 있다.
본 개시의 다양한 실시예에 따른 빔 확장기(100, 110, 120, 130, 140, 150, 160)는, 복수 개(두 개 이상)의 도파관 요소와 이들 사이사이에 마련된 다이크로익 코팅을 포함할 수 있다. 이러한 구조에 따라, 본 개시의 다양한 실시예에 따른 빔 확장기(100, 110, 120, 130, 140, 150, 160)로부터의 출력빔의 균질성 정도가 80% 이상 증가하며, 스페클 콘트라스트가 감소할 수 있다. 이는 본 개시의 다양한 실시예에 따른 빔 확장기(100, 110, 120, 130, 140, 150, 160)가 가우스 분포를 갖는 빔을 빔 단면의 좌표에 관계없이 동일한 강도 분포를 갖는 빔으로 변환하기 때문일 수 있다. 이와 같이, 레이저 다이오드와 같은 하나의 광원으로부터의 입사빔은 복수 개의 빔으로 분할될 수 있다. 분할된 빔들은 각각 복수 개의 2차 광원의 역할을 할 수 있다. 또한, 본 개시의 다양한 실시예에 따른 빔 확장기(100, 110, 120, 130, 140, 150, 160)에 포함된 도파관 집합체에 의해서 가우스 분포를 가진 빔이 빔의 단면의 좌표에 관계없이 일정한 강도 분포를 가진 빔으로 변환되므로 광의 균질성이 향상될 수 있다. 나아가, 입사빔이 분할되어 형성된 복수 개의 2차 광원으로부터의 빔이 도파관 집합체를 통해 전파되고 혼합됨으로 인해서 빔의 스페클이 제거될 수 있다.
본 개시의 다양한 실시예에 따른 빔 확장기(100, 110, 120, 130, 140, 150, 160)의 주어진 용도에 따라, 빔은 제2 광학 소자에 의해 빔 확장기(100, 110, 120, 130, 140, 150, 160) 외부로 출력될 수 있다. 빔 확장기(100, 110, 120, 130, 140, 150, 160)로부터의 출력빔은 렌즈 또는 거울과 같은 방향 전환 소자 등의 외부에 마련된 다른 장치를 향할 수 있다. 또한, 빔 확장기(100, 110, 120, 130, 140, 150, 160)로부터의 출력빔은 스크린, 액정 패널, 이미지를 생성하는 매트릭스 등에 직접 조명될 수 있다.
본 개시의 다양한 실시예에 따른 빔 확장기(100, 110, 120, 130, 140, 150, 160)는 다른 응용에서 홀로그래픽 및/또는 다른 3차원 이미지를 생성하기 위한 조명 수단으로 사용될 수 있다. 예를 들어, 본 개시의 다양한 실시예에 따른 빔 확장기(100, 110, 120, 130, 140, 150, 160)는 디스플레이 및 텔레비전 세트와 같은 상이한 디스플레이 장치에서 사용될 수 있다. 본 개시의 다양한 실시예에 따른 빔 확장기(100, 110, 120, 130, 140, 150, 160)는 다양한 애플리케이션을 위한 증강 현실 또는 가상 현실(AR/VR) 시스템, 헬멧 장착 디스플레이 장치, 차량 헤드업 디스플레이, 차량 윈드 스크린에 정보를 투사하는 시스템, 지문 스캐너 등에서 이미지를 생성하는 데에 사용될 수 있다. 상기한 본 개시의 다양한 실시예에 따른 빔 확장기(100, 110, 120, 130, 140, 150, 160)의 적용 분야는 예시일 뿐이며 이에 한정되는 것은 아니다.
도 11은 일 실시예에 따른 빔 확장 방법을 설명하기 위한 흐름도이다. 도 11을 설명함에 있어, 도 1의 빔 확장기(100)의 구조를 참조한다.
도 11을 참조하면, 일 실시예에 따른 빔 확장 방법은, 도파관 집합체(30)에 입사빔을 입력하는 단계(S101), 도파관 집합체(30)에 입력된 빔을 복수 개의 파면 형태를 가지는 복수 개의 빔으로 분할하는 단계(S102), 도파관 집합체(30)로부터 빔을 출력하는 단계(S102)를 포함할 수 있다.
제1 단계(S101)에서, 콜리메이팅된 가간섭성의 빔은 제1 광학 소자(10)에 의해 도파관 집합체(30)에 입력된다. 하나 이상의 실시예에서, 가간섭성의 입사빔은 상이한 전기장 및 빔 분포 단면 프로파일 중 하나를 갖는 레이저 빔일 수 있다.
제2 단계(S102)에서, 입사빔은 도파관 집합체(30)에 의해 제2 광학 소자(20)의 평면으로 진행한다. 이 경우, 제1 광학 소자(10)에서 제2 광학 소자(20)로 향하는 빔은 복수 개의 파면 형태로 도파관 집합체(30)의 내부에서 전반사하며 진행한다. 입사빔의 복수 개의 파면 형태는 입사빔이 강도(intensity), 파장, 위상 등에 따라 분할됨으로써 형성된다. 여러 파면으로 분할된 빔은 도파관 집합체(30)를 통해 혼합되면서 전파되고, 이에 따라 빔의 균질성이 증가할 수 있다.
제3 단계(S103)에서, 제2 광학 소자(20)에 의해 도파관 집합체(30)로부터 가간섭성의 빔이 출력된다.
상기한 다양한 실시예들은 예시적인 것에 불과한 것으로, 당해 기술분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 것을 이해할 수 있다. 따라서, 예시적인 다양한 실시예에 따른 진정한 기술적 보호범위는 하기의 특허청구범위에 기재된 발명의 기술적 사상에 의해 정해져야만 할 것이다.
10, 11, 12, 13, 14: 제1 광학 소자
20: 제2 광학 소자
30, 31, 32: 도파관 집합체
30a, 30b, 31a, 31b, 31c, 32a, 32b, 32c: 도파관 요소
40, 41, 42a, 42b, 43a, 43b: 다이크로익 코팅
100, 110, 120, 130, 140, 150, 160: 빔 확장기

Claims (17)

  1. 제1 광학 소자;
    제2 광학 소자;
    기판 형태의 복수 개의 도파관 요소가 적층되어 형성되는 도파관 집합체; 및
    상기 복수 개의 도파관 요소 사이의 계면에 마련되는 다이크로익 코팅; 을 포함하며,
    상기 제1 광학 소자는 외부로부터의 콜리메이팅된 입사빔을 상기 도파관 집합체 내에 입력하도록 구성되고, 상기 제2 광학 소자는 상기 도파관 집합체에 입력된 빔을 상기 도파관 집합체로부터 출력하도록 구성되며,
    상기 도파관 집합체 내에 입력된 상기 입사빔은 상기 다이크로익 코팅에 의해다중 파면으로 분할되고, 상기 도파관 집합체 내에서 내부 전반사에 의해 상기 분할된 다중 파면이 혼합되는, 빔 확장기.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 제2 광학 소자는 도파관 집합체로부터, 가간섭성을 가지며 콜리메이팅된 상태로 미리 결정된 단면 형상 및 빔 균질성을 가지는 빔을 출력하도록 구성되는, 빔 확장기.
  3. 제1 항에 있어서,
    상기 제1 광학 소자 및 상기 제2 광학 소자 중 적어도 어느 하나는 회절 광학 소자를 포함하는, 빔 확장기.
  4. 제1 항에 있어서,
    상기 제1 광학 소자 및 상기 제2 광학 소자 중 적어도 어느 하나는 홀로 그래픽 광학 소자를 포함하는, 빔 확장기.
  5. 제1 항에 있어서,
    적어도 하나의 광원을 더 포함하는, 빔 확장기.
  6. 제5 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 광원은 레이저 다이오드를 포함하는, 빔 확장기.
  7. 제1 항에 있어서,
    상기 제1 광학 소자 및 상기 제2 광학 소자 중 적어도 어느 하나는 볼륨 브래그 격자(volume bragg's grating)의 형태를 포함하는, 빔 확장기.
  8. 제1 항에 있어서,
    상기 다이크로익 코팅은 다층 유전체 코팅 구조를 포함하는, 빔 확장기.
  9. 제1 항에 있어서,
    상기 다이크로익 코팅은 다층 간섭 미러 구조를 포함하는, 빔 확장기.
  10. 제1 항에 있어서,
    상기 다이크로익 코팅은,
    상기 복수 개의 도파관 요소 중 서로 인접하는 제1 도파관 요소와 제2 도파관 요소 사이에 마련되는 제1 다이크로익 코팅, 서로 인접하는 상기 제2 도파관 요소와 제3 도파관 요소 사이에 마련되는 제2 다이크로익 코팅을 포함하는, 빔 확장기.
  11. 제10 항에 있어서,
    상기 제1 다이크로익 코팅의 투과율은 상기 제2 다이크로익 코팅의 투과율과 다른, 빔 확장기.
  12. 제10 항에 있어서,
    상기 제1 다이크로익 코팅의 반사율은 상기 제2 다이크로익 코팅의 반사율과 다른, 빔 확장기.
  13. 제1 광학 소자를 이용하여 도파관 집합체 내로 콜리메이팅된 입사빔을 입력하는 단계;
    상기 도파관 집합체의 내부에서, 상기 입사빔을 다중 파면으로 분리하고 상기 다중 파면을 전반사를 통해 혼합하는 단계; 및
    제2 광학 소자를 이용하여 상기 도파관 집합체 내부에서 혼합된 빔을 상기 도파관 집합체로부터 출력하는 단계; 를 포함하는 빔 확장 방법.
  14. 제13 항에 있어서,
    상기 혼합된 빔을 상기 도파관 집합체로부터 출력하는 단계에서는,
    상기 빔이 가간섭성을 가지며 콜리메이팅된 상태로 미리 결정된 단면 형상 및 빔 균질성을 가지면서 상기 도파관 집합체로부터 출력되도록 하는, 빔 확장 방법.
  15. 제13 항에 있어서,
    상기 제1 광학 소자 및 제2 광학 소자 중 적어도 어느 하나는 회절 광학 소자를 포함하는, 빔 확장 방법.
  16. 제13 항에 있어서,
    상기 제1 광학 소자 및 상기 제2 광학 소자 중 적어도 어느 하나는 홀로 그래픽 광학 소자를 포함하는, 빔 확장 방법.
  17. 제13 항에 있어서,
    상기 도파관 집합체로부터 출력되는 출력빔은 0.25° 보다 작은 발산각을 가지며 진행하는, 빔 확장 방법.
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