KR20220145347A - 양 및 음의 복굴절 분산들을 갖는 복굴절 재료들에 기초한 색지움 광학 디바이스 - Google Patents

양 및 음의 복굴절 분산들을 갖는 복굴절 재료들에 기초한 색지움 광학 디바이스 Download PDF

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KR20220145347A
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윤한 이
준렌 왕
루 루
펭린 펭
멩페이 왕
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메타 플랫폼즈 테크놀로지스, 엘엘씨
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Abstract

광학 디바이스는 음의 복굴절 분산 특성을 갖는 제1 복굴절 재료를 포함하는 제1 층을 포함한다. 광학 디바이스는 양의 복굴절 분산 특성을 갖는 제2 복굴절 재료를 포함하는 제2 층을 또한 포함한다. 제1 층 및 제2 층은 적어도 하나의 미리 결정된 광학 기능을 제공하도록 구조적으로 패터닝된다.

Description

양 및 음의 복굴절 분산들을 갖는 복굴절 재료들에 기초한 색지움 광학 디바이스
본 개시내용은 일반적으로 광학 디바이스들에 관한 것으로, 보다 구체적으로는, 양 및 음의 복굴절 분산(positive and negative birefringence dispersion)들을 갖는 복굴절 재료들에 기초한 색지움 광학 디바이스(achromatic optical device)에 관한 것이다.
시각적으로 매력적인 것, 경량인 것, 무색인 것, 및 전력 효율적인 것과 같은 특성들을 갖는 소비자 전자 디바이스들은 수요가 높다. 그에 따라, 이러한 디바이스들이 적응적이고, 광학적으로 효율적이며, 경량이고, 광대역일 수 있도록 이러한 디바이스들에서 사용되는 광학 컴포넌트들을 설계하는 것이 바람직하다. 이러한 디바이스들에서 광학 컴포넌트들의 광학적 성능을 향상시키면서 중량을 감소시키기 위한 기술은 연구 개발의 매력적인 주제가 되었다.
본 개시내용의 일 양상은 광학 디바이스를 제공한다. 광학 디바이스는 음의 복굴절 분산 특성을 갖는 제1 복굴절 재료를 포함하는 제1 층을 포함한다. 광학 디바이스는 양의 복굴절 분산 특성을 갖는 제2 복굴절 재료를 포함하는 제2 층을 또한 포함한다. 제1 층 및 제2 층은 적어도 하나의 미리 결정된 광학 기능을 제공하도록 구조적으로 패터닝된다.
일부 실시예들에서, 음의 복굴절 분산 특성은 광의 파장이 증가함에 따라 제1 복굴절 재료의 제1 복굴절이 증가한다는 것을 나타낼 수 있고, 양의 복굴절 분산 특성은 광의 파장이 증가함에 따라 제2 복굴절 재료의 제2 복굴절이 감소한다는 것을 나타낼 수 있다.
일부 실시예들에서, 제1 층의 제1 두께와 제1 복굴절 사이의 제1 곱과 제2 층의 제2 두께와 제2 복굴절 사이의 제2 곱의 합은, 미리 결정된 파장 범위 내의 광의 파장에 실질적으로 비례할 수 있다.
일부 실시예들에서, 제1 층 또는 제2 층 중 적어도 하나는 액정 중합체 막(liquid crystal polymer film)을 포함할 수 있다.
일부 실시예들에서, 제1 복굴절 재료는 음의 복굴절 분산 특성을 갖는 중합된 반응성 메조겐들("RM(reactive mesogen)들")을 포함할 수 있고, 제2 복굴절 재료는 양의 복굴절 분산 특성을 갖는 중합된 RM들을 포함할 수 있다.
일부 실시예들에서, 제1 층의 구조화된 패턴은 제1 평면 내 정렬 패턴(in-plane alignment pattern)으로 정렬된 음의 복굴절 분산 특성을 갖는 중합된 RM들을 포함할 수 있고, 제2 층의 구조화된 패턴은 제2 평면 내 정렬 패턴으로 정렬된 양의 복굴절 분산 특성을 갖는 중합된 RM들을 포함할 수 있다.
일부 실시예들에서, 광학 디바이스는 제1 층에 결합된 기판을 더 포함할 수 있다.
일부 실시예들에서, 광학 디바이스는 기판과 제1 층 사이에 배치되고 제1 층 또는 제2 층 중 적어도 하나에 대한 구조화된 패턴을 규정하도록 구성된 정렬 구조체를 더 포함할 수 있다.
일부 실시예들에서, 광학 디바이스는 수동 또는 능동 광학 디바이스를 포함할 수 있다.
본 개시내용의 다른 양상은 광학 디바이스를 제공한다. 광학 디바이스는 기판을 포함한다. 광학 디바이스는 기판에 결합된 복굴절 매질 층(birefringent medium layer)을 또한 포함한다. 복굴절 매질 층은 음의 복굴절 분산 특성을 갖는 제1 복굴절 재료와 양의 복굴절 분산 특성을 갖는 제2 복굴절 재료의 조합을 포함한다. 복굴절 매질 층은 적어도 하나의 미리 결정된 광학 기능을 제공하도록 구조적으로 패터닝된다.
일부 실시예들에서, 음의 복굴절 분산 특성은 광의 파장이 증가함에 따라 제1 복굴절 재료의 제1 복굴절이 증가한다는 것을 나타낼 수 있고, 양의 복굴절 분산 특성은 광의 파장이 증가함에 따라 제2 복굴절 재료의 제2 복굴절이 감소한다는 것을 나타낼 수 있다.
일부 실시예들에서, 제1 복굴절 재료 및 제2 복굴절 재료의 농도들은 미리 결정된 파장 범위와 관련하여 실질적으로 일정한 복굴절 매질 층의 총 위상 지연(total phase retardation)을 제공하도록 구성될 수 있다.
일부 실시예들에서, 복굴절 매질 층은 액정 중합체 막을 포함할 수 있다.
일부 실시예들에서, 제1 복굴절 재료는 음의 복굴절 분산 특성을 갖는 중합된 반응성 메조겐들("RM들")을 포함할 수 있고, 제2 복굴절 재료는 양의 복굴절 분산 특성을 갖는 중합된 RM들을 포함할 수 있다.
일부 실시예들에서, 복굴절 매질 층의 구조화된 패턴은, 혼합되어 미리 결정된 평면 내 정렬 패턴으로 정렬된, 음의 복굴절 분산 특성을 갖는 중합된 RM들과 양의 복굴절 분산 특성을 갖는 중합된 RM들을 포함할 수 있다.
일부 실시예들에서, 광학 디바이스는 기판과 복굴절 매질 층 사이에 배치되고 복굴절 매질 층의 구조화된 패턴을 적어도 부분적으로 규정하도록 구성된 정렬 구조체를 더 포함할 수 있다.
본 개시내용의 다른 양상은 광학 막을 제공한다. 광학 막은 음의 복굴절 분산 특성을 갖는 제1 복굴절 재료와 양의 복굴절 분산 특성을 갖는 제2 복굴절 재료의 조합을 포함하는 복굴절 매질 층을 포함한다. 복굴절 매질 층은 적어도 하나의 미리 결정된 광학 기능을 제공하도록 구조적으로 패터닝된다.
일부 실시예들에서, 복굴절 매질 층은 액정 중합체 막을 포함할 수 있다.
일부 실시예들에서, 제1 복굴절 재료는 음의 복굴절 분산 특성을 갖는 중합된 반응성 메조겐들("RM들")을 포함할 수 있고, 제2 복굴절 재료는 양의 복굴절 분산 특성을 갖는 중합된 RM들을 포함할 수 있다.
일부 실시예들에서, 복굴절 매질 층의 구조화된 패턴은, 혼합되어 미리 결정된 평면 내 정렬 패턴으로 정렬된, 음의 복굴절 분산 특성을 갖는 중합된 RM들과 양의 복굴절 분산 특성을 갖는 중합된 RM들을 포함할 수 있다.
본 발명의 하나 이상의 양상 또는 실시예에 통합하기에 적합한 것으로 본 명세서에서 설명되는 임의의 특징들이 본 개시내용의 임의의 및 모든 양상들 및 실시예들에 걸쳐 일반화 가능한 것으로 의도된다는 것이 이해될 것이다. 본 개시내용의 다른 양상들은 본 개시내용의 설명, 청구항들, 및 도면들을 바탕으로 본 기술 분야의 통상의 기술자에 의해 이해될 수 있다.
이하의 도면들은 다양한 개시된 실시예들에 따라 예시를 위해 제공되며, 본 개시내용의 범위를 제한하는 것으로 의도되지 않는다. 도면들에서:
도 1a는 양의 복굴절 분산 특성을 갖는 복굴절 재료에서의 파장 의존적 굴절률들의 다이어그램을 개략적으로 예시한다.
도 1b는 음의 복굴절 분산 특성을 갖는 복굴절 재료에서의 파장 의존적 굴절률들의 다이어그램을 개략적으로 예시한다.
도 2는 본 개시내용의 실시예에 따른, 음의 복굴절 분산 특성을 갖는 반응성 메조겐들("RM들") 및 양의 복굴절 분산 특성을 갖는 RM들의 파장 의존적 복굴절들의 프로파일들을 개략적으로 예시한다.
도 3a는 본 개시내용의 실시예에 따른, 색지움 박막 액정("LC(liquid crystal)") 광학 요소의 단면도를 개략적으로 예시한다.
도 3b는 본 개시내용의 다른 실시예에 따른, 색지움 박막 LC 광학 요소의 단면도를 개략적으로 예시한다.
도 3c는 본 개시내용의 다른 실시예에 따른, 색지움 박막 LC 광학 요소의 단면도를 개략적으로 예시한다.
도 3d는 본 개시내용의 다른 실시예에 따른, 색지움 박막 LC 광학 요소의 단면도를 개략적으로 예시한다.
도 4a는 본 개시내용의 실시예에 따른, 투과형 색지움 박막 LC 광학 요소의 다이어그램을 개략적으로 예시한다.
도 4b는 본 개시내용의 실시예에 따른, 도 4a에서의 LC 광학 요소가 위상 지연기로서 기능할 때 RM 배향들의 단면도를 개략적으로 예시한다.
도 4c는 본 개시내용의 실시예에 따른, 도 4a에서의 LC 광학 요소가 "PBP(Pancharatnam Berry Phase)" 렌즈로서 기능할 때 RM 배향들의 단면도를 개략적으로 예시한다.
도 4d는 본 개시내용의 실시예에 따른, 도 4c에서의 PBP 렌즈에서 RM 배향들의 일 부분의 다이어그램을 개략적으로 예시한다.
도 4e는 본 개시내용의 실시예에 따른, 도 4a에서의 LC 광학 요소가 PBP 격자로서 기능할 때 RM 배향들의 단면도를 개략적으로 예시한다.
도 4f는 본 개시내용의 실시예에 따른, 도 4e에서의 PBP 격자에서 RM 배향들의 일 부분의 다이어그램을 개략적으로 예시한다.
도 5a는 본 개시내용의 실시예에 따른, 반사형 색지움 박막 LC 광학 요소의 다이어그램을 개략적으로 예시한다.
도 5b는 본 개시내용의 실시예에 따른, 도 5a에서의 LC 광학 요소가 반사 PBP 격자로서 기능할 때 RM 배향들의 단면도를 개략적으로 예시한다.
도 6a는 본 개시내용의 실시예에 따른, 근안 디스플레이("NED(near-eye display)")의 다이어그램을 개략적으로 예시한다.
도 6b는 본 개시내용의 실시예에 따른, 도 6a에서의 NED의 전면 본체의 단면도를 개략적으로 예시한다.
본 개시내용에 따른 실시예들은 첨부 도면들을 참조하여 설명될 것이며, 첨부 도면들은 예시를 위한 예들일 뿐이며 본 개시내용의 범위를 제한하는 것으로 의도되지 않는다. 가능한 한, 동일한 또는 유사한 부분들을 참조하기 위해 도면들 전체에 걸쳐 동일한 참조 번호들이 사용되고, 이에 대한 상세한 설명은 생략될 수 있다.
게다가, 본 개시내용에서, 개시된 실시예들과 개시된 실시예들의 특징들이 조합될 수 있다. 설명된 실시예들은 본 개시내용의 실시예들의 전부가 아니라 일부이다. 개시된 실시예들에 기초하여, 본 기술 분야의 통상의 기술자는 본 개시내용에 따른 다른 실시예들을 도출할 수 있다. 예를 들어, 개시된 실시예들에 기초하여 수정들, 개조들, 대체들, 추가들, 또는 다른 변형들이 이루어질 수 있다. 개시된 실시예들의 그러한 변형들은 여전히 본 개시내용의 범위 내에 있다. 그에 따라, 본 개시내용은 개시된 실시예들로 제한되지 않는다. 그 대신에, 본 개시내용의 범위는 첨부된 청구항들에 의해 규정된다.
본 명세서에서 사용되는 바와 같이, 용어들 "결합하다", "결합된", "결합" 등은 광학적 결합, 기계적 결합, 전기적 결합, 전자기적 결합, 또는 이들의 조합을 포괄할 수 있다. 2 개의 광학 요소 사이의 "광학적 결합"은 2 개의 광학 요소가 광학 시리즈(optical series)로 배열되고, 하나의 광학 요소로부터 출력되는 광이 다른 광학 요소에 의해 직접적으로 또는 간접적으로 수용될 수 있는 구성을 지칭한다. 광학 시리즈는, 하나의 광학 요소로부터 출력되는 광이 다른 광학 요소들 중 하나 이상에 의해 투과, 반사, 회절, 변환, 수정, 또는 다른 방식으로 프로세싱 또는 조작될 수 있도록, 광 경로에 있는 복수의 광학 요소들의 광학적 배치를 지칭한다. 일부 실시예들에서, 복수의 광학 요소들이 배열되는 순서는 복수의 광학 요소들의 전체 출력에 영향을 미칠 수도 있거나 그렇지 않을 수 있다. 결합은 직접 결합 또는 간접 결합(예를 들면, 중간 요소를 통한 결합)일 수 있다.
"A 또는 B 중 적어도 하나"라는 문구는, A만, B만, 또는 A 및 B와 같은, A 및 B의 모든 조합들을 포괄할 수 있다. 마찬가지로, "A, B 또는 C 중 적어도 하나"라는 문구는, A만, B만, C만, A 및 B, A 및 C, B 및 C, 또는 A 및 B 및 C와 같은, A, B, 및 C의 모든 조합들을 포괄할 수 있다. "A 및/또는 B"라는 문구는 "A 또는 B 중 적어도 하나"라는 문구의 의미와 유사한 의미를 갖는다. 예를 들어, "A 및/또는 B"라는 문구는 A만, B만, 또는 A 및 B와 같은, A 및 B의 모든 조합들을 포괄할 수 있다. 마찬가지로, "A, B, 및/또는 C"라는 문구는 "A, B, 또는 C 중 적어도 하나"라는 문구의 의미와 유사한 의미를 갖는다. 예를 들어, "A, B, 및/또는 C"라는 문구는, A만, B만, C만, A 및 B, A 및 C, B 및 C, 또는 A 및 B 및 C와 같은, A, B, 및 C의 모든 조합들을 포괄할 수 있다.
제1 요소가 제2 요소에, 제2 요소 상에, 제2 요소에서, 또는 적어도 부분적으로 제2 요소 내에 "부속된", "제공된", "형성된", "부착된", "장착된", "고정된", "연결된", "본딩된", "기록된", 또는 "배치된" 것으로 설명될 때, 제1 요소는, 퇴적, 코팅, 에칭, 본딩, 접착, 나사 체결(screwing), 압입(press-fitting), 스냅 피팅(snap-fitting), 클램핑 등과 같은, 임의의 적합한 기계적 또는 비기계적 방식을 사용하여 제2 요소에, 제2 요소 상에, 제2 요소에서, 또는 적어도 부분적으로 제2 요소 내에 "부속될", "제공될", "형성될", "부착될", "장착될", "고정될", "연결될", "본딩될","기록될", 또는 "배치될" 수 있다. 추가적으로, 제1 요소는 제2 요소와 직접 접촉할 수 있거나, 제1 요소와 제2 요소 사이에 중간 요소가 있을 수 있다. 제1 요소는 제2 요소의 임의의 적합한 측면에, 예컨대, 좌측, 우측, 전면, 후면, 상단, 또는 하단에 배치될 수 있다.
제1 요소가 제2 요소 "상에" 배치되거나 배열되는 것으로 도시되거나 설명될 때, "상에"라는 용어는 단지 제1 요소와 제2 요소 사이의 예시적인 상대 배향을 나타내기 위해 사용된다. 설명은 도면에 도시된 기준 좌표계에 기초할 수 있거나, 도면에 도시된 현재 뷰 또는 예시적인 구성에 기초할 수 있다. 예를 들어, 도면에 도시된 뷰가 설명될 때, 제1 요소가 제2 요소 "상에" 배치되는 것으로 설명될 수 있다. "상에"라는 용어는 수직 중력 방향으로 제1 요소가 제2 요소 위에 있다는 것을 반드시 암시하지는 않을 수 있다는 것이 이해된다. 예를 들어, 제1 요소와 제2 요소의 어셈블리가 180도 회전될 때, 제1 요소가 제2 요소 "아래쪽"에 있을 수 있다(또는 제2 요소가 제1 요소 "상에" 있을 수 있다). 따라서, 도면이 제1 요소가 제2 요소 "상에" 있는 것으로 도시할 때, 그 구성이 단지 예시적인 예라는 것이 이해된다. 제1 요소는 제2 요소에 대해 임의의 적합한 배향으로(예를 들면, 제2 요소 위에 또는 위쪽에, 제2 요소 아래에 또는 아래쪽에, 제2 요소 좌측에, 제2 요소 우측에, 제2 요소 뒤에, 제2 요소 전방에 등) 배치되거나 배열될 수 있다.
"평면 내 조작", "평면 내 배향", 및 "평면 내 정렬 패턴"이라는 문구들은, 제각기, 들어오는 광의 투과에 수직인 평면일 수 있는 횡단 평면(transverse plane)에서의 조작, 배향, 및 정렬 패턴을 지칭한다. 예를 들어, x-y-z 좌표계에서, 들어오는 광의 투과가 z축 방향을 따라 있을 때, 평면 내 조작, 평면 내 배향, 및 평면 내 정렬 패턴은, 제각기, x-y 평면 내에서 구성되는 조작, 배향, 및 정렬 패턴을 지칭할 수 있다.
본 개시내용에서 언급되는 파장 범위들, 스펙트럼들, 또는 대역들은 예시를 위한 것이다. 개시된 광학 디바이스, 시스템, 요소, 어셈블리, 및 방법은 가시 파장 범위는 물론, 자외선("UV(ultraviolet)") 파장 범위, 적외선("IR(infrared)") 파장 범위, 또는 이들의 조합과 같은, 다른 파장 범위들에 적용될 수 있다.
렌즈들, 파장판들, 격자들 등과 같은, 액정("LC") 광학 요소들은 광학 시스템들에서 널리 사용되어 왔다. 예를 들어, 그러한 광학 요소들은 증강 현실("AR(augmented reality)"), 가상 현실("VR(virtual reality)"), 또는 혼합 현실("MR(mixed reality)") 응용 분야들을 위한 근안 디스플레이들("NED들")에서 구현되어 왔다. NED들의 크기 및 중량을 감소시키기 위해 그리고 효율성을 증가시키기 위해서는 물론, 미래형(futuristic) 스마트 NED들을 실현하기 위해, 얇고 경량의 색지움(예를 들면, 광대역) 광학 요소들이 매우 바람직하다. 종래에는, 색지움 LC 광학 요소를 달성하기 위해, 상이한 비틀림각들을 가진 다수의 LC 층들이 기판에 도포된다. 그렇지만, 종래의 기술들은 큰 체적 및 색 수차와 같은 문제들을 겪는다.
색지움 특성을 달성하기 위한 종래의 기술들과 연관된 다양한 단점들을 극복하기 위해, 본 개시내용은 복굴절 매질 층 또는 막(예를 들면, 복굴절 매질의 층 또는 막)에 대한 형성 및 설계를 제공한다. 복굴절 매질 층은 미리 결정된 광학 기능을 갖는 광학 막으로서 기능할 수 있다. 일부 실시예들에서, 복굴절 매질은 광학 이방성일 수 있다. 복굴절 매질은 복수의 복굴절 재료들을 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 복굴절 매질은 액정("LC"), 예를 들면, 외부 필드(예를 들면, 외부 전기장, 자기장 또는 광 필드)에 의해 재배향 가능한 LC 분자를 포함하는 능동 LC, 및/또는 외부 필드에 의해 재배향 가능하지 않은 LC 분자를 포함하는 수동 LC를 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 복굴절 매질은 반응성 메조겐("RM")을 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 복굴절 매질은 중합된 RM을 포함할 수 있고, 복굴절 매질 막은 액정 중합체("LCP(liquid crystal polymer)") 막을 포함할 수 있다. 복굴절 매질 막은 얇고(예를 들면, 마이크로미터 단위의 두께) 색지움성(예를 들면, 광대역)일 수 있다. 복굴절 매질 막은 광학 이방성 분자(예를 들면, LC 및/또는 RM)가 미리 결정된 정렬 패턴으로 정렬되어, 이에 의해 적어도 하나의 미리 결정된 광학 기능을 제공하도록 구조적으로 구성되거나 제조(예를 들면, 패터닝)될 수 있다. 복굴절 매질 막은 다양한 방법들, 예를 들어, 광 강도 기반 방법, 광 편광 기반 방법, 광 위상 기반 방법, 나노제조(nanofabrication)(예를 들면, 나노임프린트(nanoimprint)) 기반 방법, 자기장 기반 방법, 전기장 기반 방법 등, 또는 이들의 조합에 의해 구조적으로 패터닝될 수 있다. 적어도 하나의 미리 결정된 광학 기능은, 예를 들어, 광 빔의 포커싱(focusing) 및/또는 디포커싱(defocusing), 광 빔을 편향시키는 것, 광 빔의 편광을 관리하는 것 등을 포함할 수 있다.
반응성 메조겐("RM")은 메조젠 기(mesogenic group) 및 중합에 적합한 하나 이상의 작용기를 함유하는 화합물이며, 후자는 "중합성 기(polymerizable group)"라고도 지칭된다. "메조젠 기"라는 용어는 저분자량 및 중합체 물질에서의 메조상(mesophase) 또는, 상세하게는, 액정 메조상 형성에 강하게 기여하기 위해 인력(attractive force) 및 척력(repulsive force) 양쪽 모두에서 충분한 이방성을 가진 분자 또는 거대분자의 일부를 지칭한다. 비-양친매성 유형(non-amphiphilic type)의 메조젠 기와 같은, 메조젠 기는 막대형(calamitic) 또는 접시형(discotic)일 수 있다. 일부 실시예들에서, 메조겐 기를 포함하는 화합물이 반드시 액정("LC") 상을 나타내는 것은 아닐 수 있다. 일부 실시예들에서, 메조겐 기를 포함하는 화합물은 다른 화합물과 혼합될 때, 또는 메조겐 화합물 또는 혼합물이 중합될 때 LC 상 거동을 나타낼 수 있다. 단순함을 위해, "액정" 또는 "LC"라는 용어는 메조겐 재료 및 LC 재료 양쪽 모두를 포괄할 수 있다. RM은 광학 이방성 및 유전 특성들, 자기 조립(self-assembly) 및, 예를 들면, 정렬 구조체(예를 들면, 정렬 층)를 통한 제어된 정렬을 포함하여, LC의 특징들과 유사한 특징들을 가지고 있다. 일부 실시예들에서, RM이 RM의 정렬 패턴을 안정화시키기 위해 인-시튜로 광중합(또는 광가교)되거나 열중합(또는 열가교)될 수 있도록, RM 모노머가 광 개시제 또는 열 개시제와 혼합될 수 있다. 중합된 RM은 그의 액정 정렬 및 광학 이방성 특성들을 유지할 수 있다. 따라서, RM은 중합성 메조겐 또는 액정 화합물 또는 중합성 LC라고도 지칭된다. 일부 실시예들에서, RM은 호스트 LC(예를 들면, RM이 아닌 LC)와 조합하여 사용될 수 있다. 일부 실시예들에서, RM은 호스트 LC 재료 없이 사용될 수 있다. 추가적으로, RM은 LC 재료가 아닌 다른 중합성 재료와 조합하여 사용될 수 있다.
본 개시내용의 실시예들은 복굴절 매질 막에 2 가지 유형의 RM: 복굴절이 양의 분산("PD(positive dispersion)") 특성을 갖는 RM(또는 양의 복굴절 분산 특성을 갖는 RM이라고 지칭됨) 및 복굴절이 음의 분산("ND(negative dispersion)") 특성을 갖는 RM(또는 음의 복굴절 분산 특성을 갖는 RM이라고 지칭됨)을 결합하여 실현되는 색지움 박막 액정 광학 요소를 제공한다. 본 설명에서는, 단순함을 위해, 복굴절이 양의 분산 특성을 갖는 재료는 PD 특성을 갖는 재료라고 지칭할 수 있다. 복굴절이 음의 분산 특성을 갖는 재료는 ND 특성을 갖는 재료라고 지칭될 수 있다. 그에 따라, 양의 복굴절 분산 특성을 갖는 RM은 PD 특성을 갖는 RM 또는 줄여서 PD-RM이라고도 지칭된다. 음의 복굴절 분산을 갖는 RM은 ND 특성을 갖는 RM 또는 줄여서 ND-RM이라고도 지칭된다. 일부 실시예들에서, LC 광학 요소의 복굴절 매질 막은 함께 적층된 PD-RM의 제1 층 및 ND-RM의 제2 층을 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, LC 광학 요소의 복굴절 매질 막은 RM의 단일 층을 포함할 수 있으며, 이는 체적 또는 중량으로, 1:1, 1:2, 1:3, 2:1, 3:1 등과 같은, 적합한 혼합 비율로 PD-RM과 ND-RM의 조합을 포함할 수 있다. 어느 구성에서든, RM은, ND 특성을 가지든 PD 특성을 가지든 간에, LC 광학 요소의 적어도 하나의 미리 결정된 광학 기능을 달성하기 위해 미리 결정된 패턴(예를 들면, 미리 결정된 평면 내 정렬 패턴)으로 정렬될 수 있다. 어느 구성에서나, LC 광학 요소는 관심 광학 스펙트럼(즉, 미리 결정된 파장 범위, 예를 들면, 가시 파장 범위)에 대해 색지움 특성(예를 들면, 광대역)을 달성할 수 있다. 일부 실시예들에서, 정렬된 RM은, ND 특성을 가지든 PD 특성을 가지든 간에, RM의 정렬 패턴을 안정화시키기 위해 추가로 광중합(또는 광가교)되거나 열중합(또는 열가교)될 수 있으며, 그 결과 LCP 막이 얻어진다. 일부 실시예들에서, 복굴절 매질 막은 상이한 복굴절 분산 특성들을 갖는 둘 이상의 유형의 PD-RM들을 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 복굴절 매질 막은 상이한 복굴절 분산 특성들을 갖는 둘 이상의 유형의 ND-RM들을 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 복굴절 매질 막은 상이한 복굴절 분산 특성들을 갖는 둘 이상의 유형의 PD-RM들 및 상이한 복굴절 분산 특성들을 갖는 둘 이상의 유형의 ND-RM들을 포함할 수 있다.
일부 실시예들에서, LC 광학 요소의 적어도 하나의 미리 결정된 광학 기능은 복굴절 매질의 광학 축의 조작(예를 들면, 평면 내 조작)에 기초할 수 있다. 그러한 박막 LC 광학 요소는 "PBP"(Pancharatnam Berry Phase) 요소, 기하학적 위상("GP(geometric phase)") 요소, 사이클로이드 회절 파장판("CDW(cycloidal diffractive waveplate)"), 편광 요소, 편광 체적 요소 또는 편광 체적 홀로그램("PVH(polarization volume hologram)") 요소라고 지칭될 수 있다. 일부 실시예들에서, 복굴절 매질의 광학 축의 조작은 복굴절 매질에 포함되는 RM의 정렬 패턴(예를 들면, 평면 내 정렬 패턴)을 구성하는 것에 의해 실현될 수 있다. 복굴절 매질에 포함되는 RM의 정렬 패턴에 따라, LC 광학 요소는 투과형 색지움 광학 요소, 반사형 색지움 광학 요소, 또는 투과형과 반사형 색지움 광학 요소 양쪽 모두로서 기능할 수 있다. LC 광학 요소는 광대역, 적응성(adaptive), 광학적 효율성(optically efficient), 경량, 및 맞춤성(customizable)과 같은 특성들을 가질 수 있는, 프리즘, 렌즈, 빔 굴절기, 렌즈 어레이, 프리즘 어레이, 또는 위상 지연기 등으로서 구현되거나 그에 포함될 수 있다. 일부 실시예들에서, LC 광학 요소는 수동일 수 있다. 일부 실시예들에서, LC 광학 요소는 능동일 수 있다.
복굴절 재료는 양의 복굴절 분산 특성 또는 음의 복굴절 분산 특성을 가질 수 있다. 양의 복굴절 분산 특성은 광(예를 들면, 입사 광)의 파장(λ)이 증가함에 따라 복굴절 재료의 복굴절(Δn)이 감소한다는 것을 나타낼 수 있다. 음의 복굴절 분산 특성은 광의 파장(λ)이 증가함에 따라 복굴절 재료의 복굴절(Δn)이 증가한다는 것을 나타낼 수 있다. 복굴절 Δn은 (ne-no)로서 정의될 수 있으며, 여기서 ne 및 no는, 제각기, 복굴절 재료의 이상 굴절률(extraordinary refractive index) 및 정상 굴절률(ordinary refractive index)이다.
도 1a는 PD 특성을 갖는 복굴절 재료의 파장 의존적 굴절률들의 다이어그램을 개략적으로 예시한다. 도 1a에 도시된 바와 같이, PD 특성을 갖는 복굴절 재료의 경우, 광의 파장(λ)이 증가함에 따라 이상 굴절률 ne는 상대적으로 빠르게 감소하는 반면 정상 굴절률 no는 상대적으로 천천히 감소한다. 그 결과, 광의 파장(λ)이 증가함에 따라 PD 특성을 갖는 복굴절 재료의 복굴절(Δn = ne - no)은 감소한다.
도 1b는 ND 특성을 갖는 복굴절 재료의 파장 의존적 굴절률들의 다이어그램을 개략적으로 예시한다. 도 1b에 도시된 바와 같이, ND 특성을 갖는 복굴절 재료의 경우, 광의 파장(λ)이 증가함에 따라 정상 굴절률 no는 상대적으로 빠르게 감소하는 반면 이상 굴절률 ne는 상대적으로 천천히 감소한다. 그 결과, 광의 파장(λ)이 증가함에 따라 ND 특성을 갖는 복굴절 재료의 복굴절(Δn = ne - no)은 증가한다.
도 2는 본 개시내용의 실시예에 따른, ND-RM들 및 PD-RM들의 파장 의존적 복굴절의 프로파일을 개략적으로 예시한다. 수평축은 파장(단위: nm)이고, 수직축은 복굴절이다. 도 2에 도시된 플롯은 일정한 축척으로 되어 있지 않으며, 파장이 증가함에 따라 ND-RM들 및 PD-RM들의 복굴절의 증가 및 감소 경향을 나타내도록 개략적으로 예시되어 있다. 도 2에 도시된 바와 같이, 곡선들(210 및 220)은, 제각기, PD-RM들 및 ND-RM들의 복굴절들을 나타낸다. 곡선(210)에 도시된 바와 같이, PD-RM들의 복굴절은 약 400 nm 내지 약 780 nm의 예시적인 파장 범위에서 파장이 증가함에 따라 감소한다. 일부 실시예들에서, PD-RM들의 복굴절은 약 400 nm로부터 약 550 nm로 파장이 증가함에 따라 상대적으로 빠르게 감소할 수 있고, 약 550 nm로부터 약 780 nm로 파장이 증가함에 따라 상대적으로 천천히 감소할 수 있다. 곡선(220)에 도시된 바와 같이, ND-RM들의 복굴절은 약 400 nm 내지 약 780 nm의 예시적인 파장 범위에서 파장이 증가함에 따라 증가한다. 일부 실시예들에서, ND-RM들의 복굴절은 약 400 nm로부터 약 550 nm로 파장이 증가함에 따라 상대적으로 빠르게 증가할 수 있고, 약 550 nm로부터 약 780 nm로 파장이 증가함에 따라 상대적으로 천천히 증가할 수 있다.
주로 PD-RM들인 층 또는 주로 ND-RM들인 층을 포함하는 LC 위상 지연기의 경우, LC 위상 지연기의 위상 지연, Г=2π*d*Δn (λ)/λ는 광의 상이한 파장들(λ)에 따라 달라질 수 있으며, 여기서 d는 PD-RM들의 층 또는 ND-RM들의 층의 두께이고, Δn(λ)은 파장 의존적인(즉, 파장의 함수인) 복굴절이고, λ는 광의 파장이다. 따라서, 주로 PD-RM들 또는 주로 ND-RM들을 포함하는 LC 위상 지연기의 대역폭은 좁을 수 있다. LC 위상 지연기의 대역폭은 위상 지연이 실질적으로 일정한 파장 범위 또는 대역을 지칭할 수 있다.
바람직한 파장 범위(예를 들면, 가시 파장 범위, UV 파장 범위, IR 파장 범위, 또는 이들의 조합)에서, PD-RM들의 PD 특성과 ND-RM들의 ND 특성이 서로를 보상할 수 있도록, PD-RM들과 ND-RM들은 적합한 방식으로 조합될 수 있다. 보상의 결과로서, 원하는 파장 범위에서 실질적으로 일정한 분산 특성이 달성될 수 있다. 예를 들어, 파장이 약 400 nm로부터 약 550 nm로 점진적으로 증가함에 따라, ND-RM들의 복굴절의 상대적으로 빠르게 증가하는 경향은 PD-RM들의 복굴절의 상대적으로 빠르게 감소하는 경향을 보상할 수 있다. 보상은 바람직한 파장 범위의 더 짧은(또는 더 하단의) 파장 범위(예를 들면, 약 400 nm 내지 약 550 nm)에서 실질적으로 일정한 분산 특성을 결과할 수 있다. 파장이 약 550 nm로부터 약 780 nm로 점진적으로 증가함에 따라, ND-RM들의 복굴절의 상대적으로 천천히 증가하는 경향은 PD-RM들의 복굴절의 상대적으로 천천히 감소하는 경향을 보상할 수 있다. 보상은 바람직한 파장 범위의 더 긴(또는 더 상단의) 파장 범위(예를 들면, 약 550 nm 내지 약 780 nm)에서 실질적으로 일정한 분산 특성을 결과할 수 있다. PD-RM들과 ND-RM들의 조합은 PD-RM들의 특성들과 ND-RM들의 특성들 사이에 있는 특성들(예를 들면, 복굴절, 복굴절 분산 특성)을 가질 수 있다.
도 3a는 본 개시내용의 실시예에 따른 색지움 박막 LC 광학 요소 또는 디바이스(300)의 x-z 단면도를 예시한다. 도 3a에 도시된 바와 같이, LC 광학 디바이스(300)는 기판(305), 기판(305)에(예를 들면, 상에) 배치된 정렬 구조체(310), 및 정렬 구조체(310)에(예를 들면, 상에) 배치된 복굴절 매질 층(311)(예를 들면, 정렬 층 또는 막)을 포함할 수 있다. 기판(305)은 그 위에 배치되는 다양한 층들 및/또는 막들에 지지 및 보호를 제공할 수 있다. 기판(305)은 적어도 가시 파장 대역(예를 들면, 약 380 nm 내지 약 700 nm)에서 실질적으로 투명할 수 있다. 일부 실시예들에서, 기판(305)은 또한 적외선("IR") 대역(예를 들면, 약 700 nm 내지 약 1 mm)의 일부 또는 전부에서 투명할 수 있다. 기판(305)은, 유리, 플라스틱, 사파이어, 또는 이들의 조합 등과 같은, 위에 열거된 파장 범위들의 광들에 대해 실질적으로 투명한 적합한 재료를 포함할 수 있다. 기판(305)은 강성, 반강성(semi-rigid), 가요성, 또는 반가요성(semi-flexible)일 수 있다. 일부 실시예들에서, 기판(305)은 다른 광학 요소 또는 디바이스의 일부이거나, 다른 광전기 요소 또는 디바이스의 일부일 수 있다. 예를 들어, 기판(305)은 고체 광학 렌즈이거나 고체 광학 렌즈의 일부일 수 있다. 일부 실시예들에서, 기판(305)은, 디스플레이 스크린과 같은, 기능 디바이스의 일부일 수 있다. 일부 실시예들에서, 기판(305)은 LC 광학 디바이스(300)를 제조, 보관, 또는 이송하는 데 사용될 수 있다. 일부 실시예들에서, LC 광학 디바이스(300)의 나머지가 제조되거나 다른 장소 또는 디바이스로 이송된 후에 기판(305)이 LC 광학 디바이스(300)의 나머지로부터 분리 가능하거나 제거 가능할 수 있다. 즉, 기판(305)은 제조, 이송, 및/또는 보관 시에 기판(305) 상에 제공되는 복굴절 매질 층(311)을 지지하기 위해 사용될 수 있고, LC 광학 디바이스(300)의 제조가 완료될 때, 또는 LC 광학 디바이스(300)가 광학 디바이스에 구현될 때 LC 광학 요소(300)의 복굴절 매질 층(311)으로부터 분리 또는 제거될 수 있다.
정렬 구조체(310)는 기판(305)의 표면에(예를 들면, 상에) 배치될 수 있다. 예를 들어, 도 3a에 도시된 바와 같이, 정렬 구조체(310)는 막, 층, 또는 플레이트 등으로서 기판(305)의 상부 표면에 배치(예를 들면, 코팅, 퇴적, 또는 부착)될 수 있다. 복굴절 매질 층(311)은 정렬 구조체(310)에(예를 들면, 상에) 배치될 수 있다. 복굴절 매질 층(311)은 복굴절 매질 층(311)에서의 RM 분자들을 미리 결정된 정렬 패턴으로 정렬시키도록 다양한 방법들에 의해 구조적으로 패터닝될 수 있다. 일부 실시예들에서, 복굴절 매질 층(311)에서의 RM 분자들의 미리 결정된 정렬 패턴은 정렬 구조체(310)에 의해 적어도 부분적으로 결정될 수 있다. 즉, 정렬 구조체(310)는 복굴절 매질 층(311)에서의 RM 분자들을 적어도 부분적으로 정렬시키도록 구성될 수 있다.
일부 실시예들에서, 정렬 구조체(310)는 하나 이상의 광 정렬 재료를 포함할 수 있는 광 정렬 재료("PAM(photo-alignment material)") 층을 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 광 정렬 재료들은 편광된 광 조사를 받을 때 배향 정렬(orientational ordering)될 수 있는 분자들을 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 분자들은 편광된 광 조사를 받을 때 정렬 구조 패턴으로 정렬될 수 있는 가늘고 긴 이방성 감광성 단위들(예를 들면, 소분자들 또는 중합체 분자들의 단편)을 포함할 수 있다. 감광성 단위들은 편광에 민감할 수 있다. 예를 들어, 감광성 단위들은 미리 결정된 편광을 갖는 광에 의해서는 정렬되고, 상이한 편광을 갖는 광에 의해서는 정렬되지 않을 수 있다. 일부 실시예들에서, 정렬 구조체(310)는 기계적으로 러빙된 층(예를 들면, 기계적으로 러빙된 중합체 층)을 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 정렬 구조체(310)는 이방성 나노임프린트를 갖는 중합체 층을 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 정렬 구조체(310)는 자기장 또는 전기장의 존재 시에 복굴절 매질 층(311)에서의 RM 분자들을 적어도 부분적으로 정렬시키도록 구성된 강유전성 또는 강자성 재료를 포함할 수 있다.
일부 실시예들에서, 복굴절 매질 층(311)은 제1 복굴절 재료 층(315)과 제2 복굴절 재료 층(320)의 스택을 포함할 수 있다. 제1 복굴절 재료 층(315)은 제1 복굴절 분산 특성을 갖는 제1 복굴절 재료를 포함할 수 있고, 제2 복굴절 재료 층(320)은 제2 복굴절 분산 특성을 갖는 제2 복굴절 재료를 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 제1 복굴절 재료는 중합된 RM들과 같은 중합된 재료를 포함할 수 있고, 제2 복굴절 재료는 중합된 RM들과 같은 중합된 재료를 포함할 수 있다. 즉, 제1 복굴절 재료 층(315) 및 제2 복굴절 재료 층(320)은 RM 모노머들을 중합하는 것에 의해 형성될 수 있다. 제1 복굴절 분산 특성은 제2 복굴절 분산 특성과 상이할(예를 들면, 반대일) 수 있다. 예를 들어, 제1 복굴절 분산 특성은 음의 복굴절 분산 특성(또는 양의 복굴절 분산 특성)일 수 있고, 제2 복굴절 분산 특성은 양의 복굴절 분산 특성(또는 음의 복굴절 분산 특성)일 수 있다. 일부 실시예들에서, 제1 복굴절 분산 특성을 갖는 제1 복굴절 재료는 음의 분산 복굴절 특성을 갖는 중합된 RM들(줄여서 중합된 ND-RM들이라고 지칭됨)을 포함할 수 있다. 제2 복굴절 분산 특성을 갖는 제2 복굴절 재료는 양의 복굴절 분산 특성을 갖는 중합된 RM들(줄여서 중합된 PD-RM들이라고 지칭됨)을 포함할 수 있다. 제1 복굴절 재료 층(315)과 제2 복굴절 재료 층(320)의 조합은 LC 광학 디바이스(300)의 전체 복굴절 분산 특성을 관심 광학 스펙트럼(즉, 미리 결정된 파장 범위, 예컨대, 가시 파장 범위)과 관련하여 실질적으로 일정하도록 만들 수 있으며, 이에 의해 관심 광학 스펙트럼과 관련하여 색지움 광학 특성을 달성할 수 있다.
일부 실시예들에서, 적합한 중합성 복굴절 재료를 중합(예를 들면, 광중합 또는 열중합)하는 것에 의해 제1 복굴절 재료 층(315) 및 제2 복굴절 재료 층(320)을 형성하기 위해 임의의 적합한 중합성 복굴절 재료가 사용될 수 있다. 중합성 복굴절 재료들은 LC들(예를 들면, RM들) 또는 광학 응용 분야들에 사용될 수 있는 임의의 다른 적합한 중합성 복굴절 재료들을 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 제1 복굴절 재료 층(315) 및 제2 복굴절 재료 층(320)을 형성하는 데 사용되는 중합성 복굴절 재료들은 상이한(예를 들면, 양 및 음의) 복굴절 분산 특성들을 갖는 동일한 재료(예를 들면, 양쪽 모두 RM들임)일 수 있다. 일부 실시예들에서, 제1 복굴절 재료 층(315) 및 제2 복굴절 재료 층(320)을 형성하는 데 사용되는 중합성 복굴절 재료들은 상이한(예를 들면, 양 및 음의) 복굴절 분산 특성들을 갖는 상이한 재료들(예를 들면, RM들 및 RM들 이외의 다른 중합성 복굴절 재료)일 수 있다.
일부 실시예들에서, 제1 복굴절 재료 층(315) 및 제2 복굴절 재료 층(320)은 제1 복굴절 재료 및 제2 복굴절 재료의 광학 이방성 분자들이, 제각기, 미리 결정된 평면 내 정렬 패턴으로 정렬되도록 구조적으로 패터닝되어, 이에 의해 적어도 하나의 미리 결정된 광학 기능을 제공할 수 있다. 제1 복굴절 재료 층(315) 및 제2 복굴절 재료 층(320)의 구조화된 패턴들은 정렬 구조체(310) 및 광학 디바이스(300)에 포함될 수 있는 다른 정렬 구조체들에 의해 규정될 수 있다. 일부 실시예들에서, 제1 복굴절 재료 층(315)의 구조화된 패턴은 제1 정렬 패턴으로 정렬된 중합된 ND-RM들을 포함할 수 있다. 제1 정렬 패턴은 정렬 구조체(310)에 의해 적어도 부분적으로 규정될 수 있다. 제2 층(320)의 구조화된 패턴은 제2 정렬 패턴으로 정렬된 중합된 PD-RM들을 포함할 수 있다. 제2 정렬 패턴은 정렬 구조체(310)에 의해 적어도 부분적으로 규정될 수 있다. 일부 실시예들에서, 제2 정렬 구조체가 제1 복굴절 재료 층(315) 상에 배치될 때, 제2 복굴절 재료 층(320)의 제2 정렬 패턴은 제2 정렬 구조체 - 그 위에 제2 층(320)이 배치될 수 있음 - 에 의해 적어도 부분적으로 규정될 수 있다. 일부 실시예들에서, 제1 정렬 패턴은 제2 정렬 패턴과 동일할 수 있다. 일부 실시예들에서, 제1 정렬 패턴은 제2 정렬 패턴과 상이할 수 있다. 논의를 위해, RM들은 중합성 복굴절 재료의 예로서 사용된다. 다른 적합한 중합성 복굴절 재료들이 또한 RM들 대신에 또는 RM들과 조합하여 사용될 수 있다. 다른 적합한 복굴절 재료들이 또한 RM들 대신에 사용될 수 있다.
예시를 위해, 이하의 설명에서는, 제1 액정 중합체("LCP") 층이 제1 복굴절 재료 층(315)의 예로서 사용된다(따라서, 제1 복굴절 재료 층(315)은 제1 LCP 층(315)이라고 지칭될 수 있다). 제2 LCP 층이 제2 복굴절 재료 층(320)의 예로서 사용된다(따라서, 제2 복굴절 재료 층(320)은 제2 LCP 층(320)이라고 지칭될 수 있다). 복굴절 매질 층(311)은 LCP 막 또는 층(311)이라고 지칭될 수 있다. 제1 LCP 층(315)은 정렬 구조체(310) 상에 배치될 수 있고 정렬 구조체(310)와 접촉할 수 있다. 정렬 구조체(310)는 기판(305)과 마주하는 제1 표면 및 반대편의 제2 표면을 포함할 수 있다. 제1 LCP 층(315) 및 제2 LCP 층(320)의 스택은 정렬 구조체(310)의 제2 표면 상에 배치될 수 있다. 예를 들어, 제1 LCP 층(315)은 정렬 구조체(310)의 제2 표면 상에 배치된(예를 들면, 그에 도포되거나 그 상에 코팅된) PD-RM 모노머들의 층을 중합하는 것에 의해 형성될 수 있다. 제2 LCP 층(320)은 제1 LCP 층(315) 상에 배치될 수 있다. 예를 들어, 제1 LCP 층(315)이 정렬 구조체(310) 상에 배치된 후에, ND-RM 모노머들의 층이 제1 LCP 층(315) 상에 배치될 수 있고(예를 들면, 그에 도포되거나 그 상에 코팅될 수 있고), 제2 LCP 층(320)이 제1 LCP 층(315) 상에 배치된(예를 들면, 그에 도포되거나 그 상에 코팅된) ND-RM 모노머들을 중합하는 것에 의해 형성될 수 있다.
제1 LCP 층(315) 및 제2 LCP 층(320)은 반대 분산 특성들을 갖는 중합된 RM들(예를 들면, 광중합된 RM들 또는 열중합된 RM들)을 포함하는 박막들일 수 있다. 제1 LCP 층(315) 및 제2 LCP 층(320)은 RM 기반 중합체 층들이라고도 지칭될 수 있다. 일부 실시예들에서, 제1 LCP 층(315)은 ND-RM 모노머들을 중합하는 것에 의해 형성되는 박막일 수 있고, 제2 LCP 층(320)은 PD-RM 모노머들을 중합하는 것에 의해 형성되는 박막일 수 있다. 일부 실시예들에서, 제1 LCP 층(315)은 PD-RM 모노머들을 중합하는 것에 의해 형성되는 박막일 수 있고, 제2 LCP 층(320)은 ND-RM 모노머들을 중합하는 것에 의해 형성되는 박막일 수 있다. 일부 실시예들에서, 제1 LCP 층(315) 및 제2 LCP 층(320)에서의 RM들의 정렬 패턴들은 정렬 구조체(310) 상에 RM들을 정렬시키는 것에 의해 실현될 수 있다. 이방성 계면 상호작용으로 인해, (정렬 구조체(310)가 PAM 층을 포함할 때) 정렬 구조체(310)에 포함된 광 정렬 재료들의 분자들의 감광성 단위들의 구조화된 패턴이 제1 LCP 층(315) 및 제2 LCP 층(320)을 형성하기 위해 중합되어야 하는 RM 모노머들의 정렬을 결정할 수 있다. 일부 실시예들에서, 복굴절 매질 층(311)이 광학 디바이스에 구현될 때 또는 복굴절 매질 층(311)이 제조된 후에 정렬 구조체(310)는 복굴절 매질 층(311)으로부터 박리 또는 분리될 수 있다.
일부 실시예들에서, 정렬 구조체(310)는 제1 정렬 구조체일 수 있다. 제2 LCP 층(320)에서의 RM 분자들의 구조화된 패턴을 향상시키기 위해, 일부 실시예들에서, 제2 정렬 구조체(도 3a에 도시되지 않음)가 제1 LCP 층(315)과 제2 LCP 층(320) 사이에 배치될 수 있다. 예를 들어, 제1 LCP 층(315)이 제1 정렬 구조체(310) 상에 배치된 후에, 제2 정렬 구조체가 제1 LCP 층(315) 상에 배치될 수 있다. 제2 LCP 층(320)은 제2 정렬 구조체 상에 배치될 수 있다. 일부 실시예들에서, 제2 정렬 구조체는 복굴절 매질 층(311)의 일부일 수 있으며, 복굴절 매질 층(311)이 광학 디바이스에 구현될 때 또는 복굴절 매질 층(311)이 제조된 후에 제1 LCP 층(315) 및 제2 LCP 층(320)으로부터 박리 가능하지 않을 수 있다.
복굴절 매질 층(311)에 포함된 LCP 층 수는, 3 개, 4 개, 5 개, 6 개 등과 같은, 임의의 적합한 수일 수 있다. 일부 실시예들에서, 정렬 구조체 수는 1 개 또는 2 개로 제한되지 않을 수 있으며, 3 개, 4 개, 5 개, 6 개 등과 같이, 2 개 초과일 수 있다. LCP 층 수 및 정렬 구조체 수는 특정 응용 분야들에 기초하여 결정될 수 있다. 일부 실시예들에서, LCP 계층들 중 적어도 하나는 하나 이상의 유형의 PD-RM들(또는 ND-RM들)을 포함할 수 있다. 둘 이상의 유형의 PD-RM들(또는 ND-RM들)이 포함될 때, 둘 이상의 유형의 PD-RM들(또는 ND-RM들)의 복굴절 분산 특성들은 동일할 수 있거나 상이할 수 있다.
논의를 위해, 실시예에서, 제1 LCP 층(315)은 PD-RM 모노머들을 중합하는 것에 의해 형성되는 박막이고, 제2 LCP 층(320)은 ND-RM 모노머들을 중합하는 것에 의해 형성되는 박막이다. 따라서, 제1 LCP 층(315)에 의해 제공되는 위상지연(Г1=2π*d1*Δn1(λ)/λ)은 파장(λ)이 증가함에 따라 감소할 수 있고, 제2 LCP 층(320)에 의해 제공되는 위상 지연(Г2=2π*d2*Δn2(λ)/λ)은 파장(λ)이 증가함에 따라 증가할 수 있으며, 여기서 Г1 및 Г2는, 제각기, 제1 LCP 층(315) 및 제2 LCP 층(320)의 위상 지연들을 나타내고; d1 및 d2는, 제각기, 제1 LCP 층(315) 및 제2 LCP 층(320)의 두께들을 나타내며; Δn1(λ) 및 Δn2(λ)는, 제각기, 제1 LCP 층(315) 및 제2 LCP 층(320)에서의 중합된 RM들의 파장 의존적 복굴절들을 나타낸다. 즉, 반대 분산 특성들을 갖는 중합된 RM들을 포함하는 제1 LCP 층(315) 및 제2 LCP 층(320)은 파장(λ)이 증가함에 따라 서로에 대해 위상 지연을 보상할 수 있다. 환언하면, 반대 분산 특성들을 갖는 중합된 RM들을 포함하는 제1 LCP 층(315) 및 제2 LCP 층(320)은 지연 보상 효과를 나타낼 수 있다. 따라서, 관심 광학 스펙트럼(예를 들면, 가시 파장 범위, 자외선 파장 범위, 또는 적외선 파장 범위)과 관련하여 중합된 PD-RM들 및 ND-RM들의 복굴절 분산 특성들의 적합한 프로파일들을 선택하는 것에 의해, 그리고 제1 LCP 층(315) 및 제2 LCP 층(320)의 두께들을 구성하는 것에 의해, LCP 막에 의해 제공되는 총 위상 지연(Г= Г1+Г2)은 위상 보상 효과로 인해 관심 광학 스펙트럼과 관련하여 실질적으로 일정할 수 있다.
RM들의 복굴절 분산 특성의 프로파일은 복굴절과 입사 광의 파장 사이의 관계를 지칭한다. 예를 들어, 일부 실시예들에서, RM들의 복굴절 분산 특성의 프로파일은 파장의 수학적 함수에 의해 표현될 수 있다. 제1 복굴절 분산 특성 및 제2 복굴절 분산 특성의 프로파일들은 프로파일들의 조합이 파장에 실질적으로 비례하는 함수(예를 들면, K*λ, 여기서 K는 파장 λ에 독립적인 상수임)에 의해 표현될 수 있는 결합된 프로파일을 결과할 수 있다. 즉, 두께들 및 복굴절 분산 특성들은 다음 조건을 실질적으로 충족시킬 수 있다: d1*Δn1(λ) + d2*Δn2(λ)는 미리 결정된 파장 범위에 대해 K * λ와 실질적으로 동일할 수 있다. 환언하면, 제1 LCP 층(315)의 제1 두께 d1과 제1 LCP 층(315)에서의 RM들의 제1 복굴절 Δn1(λ) 사이의 곱과 제2 LCP 층(320)의 제2 두께 d2와 제2 LCP 층(320)에서의 RM들의 제2 복굴절 Δn2(λ) 사이의 곱의 합은 파장 λ에 실질적으로 비례할 수 있다, 즉, K*λ일 수 있다. 그 결과, 총 위상 지연 Г= Г1+Г2는 2π *K* λ/λ = 2 π *K와 실질적으로 동일할 수 있으며, 이는 미리 결정된 파장 범위에서의 파장과 무관할 수 있다. 일부 실시예들에서, LC 광학 디바이스(300)는 0차 광학 디바이스(예를 들면, 0차 파장판)로서 기능할 수 있고, K는 0 초과 1 이하의 수, 예를 들어, 0.25, 0.5, 또는 1일 수 있다. 일부 실시예들에서, LC 광학 디바이스(300)는 다중 차수 광학 디바이스(예를 들면, 다중 차수 파장판)로서 기능할 수 있고, K는 1 초과의 수, 예를 들어, 1.25, 1.5, 또는 2일 수 있다. 위의 예시적인 관계는 일 실시예일 수 있다. 일부 실시예들에서, 총 위상 지연 Г= Г1+Г2는 파장 의존적일 수 있지만, 파장 의존적 변동이 충분히 작아서(예를 들면, ±1%, ±2%, ±3%, ±4%, ±5%, ±10%), 총 위상 지연은 여전히 실질적으로 파장 독립적인(예를 들면, 파장 범위에서 실질적으로 일정한) 것으로 간주될 수 있다.
일부 실시예들에서, LC 광학 요소(300)는 지연 보상 효과로 인해 관심 광학 스펙트럼(예를 들면, 가시 파장 범위, IR 파장 범위, UV 파장 범위, 또는 이들의 조합)과 관련하여 전체적인 실질적으로 일정한 위상 지연, 즉 광대역을 나타낼 수 있다. 관심 광학 스펙트럼과 관련하여 중합된 ND-RM들 및 중합된 PD-RM들의 복굴절 분산 특성들의 프로파일들은 관심 광학 스펙트럼과 관련하여 대응하는 RM 모노머들, 즉 중합 이전의 RM 모노머들의 복굴절 분산 특성들의 프로파일들에 기초하여 선택될 수 있다. 중합 이전의 RM 모노머들의 복굴절 분산 특성과 중합 이후의 중합된 RM들의 복굴절 분산 특성의 프로파일들은 실질적으로 동일할 수 있다.
도 3b는 본 개시내용의 다른 실시예에 따른 색지움 박막 LC 광학 요소 또는 디바이스(350)의 x-z 단면도를 예시한다. LC 광학 디바이스(350)는 도 3a에 도시된 LC 광학 디바이스(300)에 포함된 것들과 동일하거나 유사한 구조들 또는 요소들을 포함할 수 있다. 도 3b에 도시된 실시예에 포함된 동일하거나 유사한 구조들 또는 요소들에 대한 설명들은 도 3a에 도시된 실시예와 관련하여 이루어진 위의 설명들을 참조할 수 있다. 도 3b에 도시된 바와 같이, LC 광학 디바이스(350)는 기판(355), 기판(355) 상에 배치된 정렬 구조체(360), 및 정렬 구조체(360) 상에 배치된 복굴절 매질 층(370)을 포함할 수 있다. 기판(355) 및 정렬 구조체(360)는 도 3a에 도시된 기판(305) 및 정렬 구조체(310)와 유사할 수 있다.
도 3b에 도시된 복굴절 매질 층(370)은 제1 복굴절 분산 특성을 갖는 제1 복굴절 재료와 제2 복굴절 분산 특성을 갖는 제2 복굴절 재료의 조합을 포함하는 단일 박막일 수 있다. 제1 복굴절 분산 특성은 제2 복굴절 분산 특성과 상이할(예를 들면, 반대일) 수 있다. 예를 들어, 제1 복굴절 분산 특성은 음의 복굴절 분산 특성(또는 양의 복굴절 분산 특성)일 수 있고, 제2 복굴절 분산 특성은 양의 복굴절 분산 특성(또는 음의 복굴절 분산 특성)일 수 있다. 일부 실시예들에서, 제1 복굴절 재료는 중합된 RM들과 같은 중합된 복굴절 재료를 포함할 수 있고, 제2 복굴절 재료는 중합된 RM들과 같은 중합된 복굴절 재료를 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 제1 복굴절 분산 특성을 갖는 제1 복굴절 재료는 중합된 ND-RM들을 포함할 수 있다. 제2 복굴절 분산 특성을 갖는 제2 복굴절 재료는 중합된 PD-RM들을 포함할 수 있다.
일부 실시예들에서, 복굴절 매질 층(370)은 반대 분산 특성들의 RM 모노머들(또는 임의의 다른 적합한 중합성 복굴절 재료들)의 혼합물, 예컨대, PD-RM 모노머들과 ND-RM 모노머들의 혼합물을 중합하는 것에 의해 형성될 수 있다. 즉, 복굴절 매질 층(370)은 상이한(또는 반대의) 복굴절 분산 특성들을 갖는 중합된 PD-RM들과 ND-RM들의 조합을 포함하는 박막일 수 있다. 일부 실시예들에서, 복굴절 매질 층(370)은 LCP 막 또는 층(370)이라고도 지칭될 수 있다. 일부 실시예들에서, 중합된 PD-RM들 및 ND-RM들은 LCP 막(370)에 균일하게 분포될 수 있다. 일부 실시예들에서, 중합된 PD-RM들의 중량 백분율은 중합된 ND-RM들의 중량 백분율과 상이할 수 있다. 중합된 PD-RM들과 ND-RM들의 조합에서 중합된 PD-RM들 및 중합된 ND-RM들의 중량 백분율은, 제각기, 중합 이전의 PD-RM 모노머들과 ND-RM 모노머들의 혼합물에서 PD-RM 모노머들 및 ND-RM 모노머들의 중량 백분율과 실질적으로 유사할 수 있다. 일부 실시예들에서, 중합된 PD-RM들의 체적 백분율은 중합된 ND-RM들의 체적 백분율과 동일하거나 상이할 수 있다.
일부 실시예들에서, 복굴절 매질 층(370)은 상이한 복굴절 분산 특성들을 갖는 둘 이상의 유형의 PD-RM들을 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 복굴절 매질 층(370)은 상이한 복굴절 분산 특성들을 갖는 둘 이상의 유형의 ND-RM들을 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 복굴절 매질 층(370)은 상이한 복굴절 분산 특성들을 갖는 둘 이상의 유형의 PD-RM들 및 상이한 복굴절 분산 특성들을 갖는 둘 이상의 유형의 ND-RM들을 포함할 수 있다. 상이한 복굴절 분산 특성들을 갖는 둘 이상의 유형의 PD-RM들 및/또는 상이한 복굴절 분산 특성들을 갖는 둘 이상의 유형의 ND-RM들의 조성들을 구성하는 것, 및 상이한 복굴절 분산 특성들을 갖는 둘 이상의 유형의 PD-RM들 및/또는 상이한 복굴절 분산 특성들을 갖는 둘 이상의 유형의 ND-RM들의 농도들(예를 들면, 중량 백분율, 체적 백분율, 및/또는 분포)을 구성하는 것을 통해, 복굴절 매질 층(370)에 의해 제공되는 위상 지연은 관심 광학 스펙트럼(예를 들면, 가시 파장 범위)과 관련하여 실질적으로 일정할 수 있다.
일부 실시예들에서, 색지움 박막 LC 광학 요소 또는 디바이스(350)는 2 개 이상의 복굴절 매질 층(370)을 포함할 수 있다. 각각의 복굴절 매질 층(370)은 하나 이상의 유형의 PD-RM들과 하나 이상의 유형의 ND-RM들의 조합을 포함할 수 있다. 각각의 복굴절 매질 층(370)에 포함된 복굴절 매질의 복굴절 분산 특성 프로파일은 서로 상이할 수 있다. 본 명세서에서 설명되는 PD-RM들과 ND-RM들의 다양한 조합들은 바람직한 파장 범위에서 전체적인 색지움 특성을 달성하도록 구현될 수 있다.
복굴절 매질 층(370)에 포함된 PD-RM들 및 ND-RM들의 조성들을 구성하는 것을 통해, 복굴절 매질 층(370)에 포함된 PD-RM들 및 ND-RM들의 복굴절 분산 특성들의 적합한 프로파일들이 관심 광학 스펙트럼(예를 들면, 가시 파장 범위)과 관련하여 실현될 수 있다. RM 모노머들의 혼합물에서 PD-RM 모노머들 및 ND-RM 모노머들의 농도들(예를 들면, 중량 백분율, 체적 백분율, 및/또는 분포)을 구성하는 것을 통해, 결합된 중합된 PD-RM들 및 ND-RM들에 의해 제공되는 지연 보상 효과로 인해 관심 광학 스펙트럼(예를 들면, 가시 파장 범위)과 관련하여 복굴절 매질 층(370)에 의해 제공되는 위상 지연이 실질적으로 일정할 수 있다. 그에 따라, LC 광학 디바이스(350)는 지연 보상 효과로 인해 관심 광학 스펙트럼(예를 들면, 가시 파장 범위)과 관련하여 전체적인 실질적으로 일정한 위상 지연, 즉 광대역을 나타낼 수 있다. 환언하면, 복굴절 매질 층(370)에 의해 제공되는 위상 지연은 관심 광학 스펙트럼(예를 들면, 가시 파장 범위)과 관련하여 실질적으로 파장 독립적(예를 들면, 색지움성)일 수 있다. 일부 실시예들에서, 중합 전후의 RM들의 복굴절 분산 특성의 프로파일들은 실질적으로 동일할 수 있다.
복굴절 매질 층(370)은 적어도 하나의 미리 결정된 광학 기능을 제공하기 위해 RM들(PD-RM들과 ND-RM들의 조합)의 미리 결정된 평면 내 정렬 패턴을 갖도록 구조적으로 패터닝될 수 있다. 미리 결정된 평면 내 정렬 패턴은 정렬 구조체(360)에 의해 적어도 부분적으로 규정될 수 있다. 예를 들어, PD-RM 모노머들과 ND-RM 모노머들의 혼합물이 정렬 구조체(360) 상에 배치될(예를 들면, 그에 도포되거나 그 상에 코팅될) 때, RM 모노머들은 정렬 구조체(360)에 의해 규정된 미리 결정된 정렬 패턴에 따라 정렬될 수 있다. RM 모노머들이 (예를 들면, UV 경화에 의해) 중합될 때, 중합된 RM들에서 RM 모노머들의 그러한 정렬이 유지될 수 있다.
도 3c는 본 개시내용의 다른 실시예에 따른 색지움 박막 LC 광학 요소 또는 디바이스(380)의 x-z 단면도를 예시한다. LC 광학 디바이스(380)는 도 3a에 도시된 LC 광학 디바이스(300)에 포함된 것들과 동일하거나 유사한 구조들 또는 요소들을 포함할 수 있다. 도 3c에 도시된 실시예에 포함된 동일하거나 유사한 구조들 또는 요소들에 대한 설명들은 도 3a에 도시된 실시예와 관련하여 이루어진 위의 설명들을 참조할 수 있다. 도 3c에 도시된 바와 같이, LC 광학 디바이스(380)는 기판(385) 및 기판(385) 상에 배치된 복굴절 매질 층(383)을 포함할 수 있다. 복굴절 매질 층(383)은 도 3a에 도시된 복굴절 매질 층(311) 또는 도 3b에 도시된 복굴절 매질 층(370)과 유사할 수 있다. 복굴절 매질 층(383)에 의해 제공되는 위상 지연은 관심 광학 스펙트럼(예를 들면, 가시 파장 범위)과 관련하여 실질적으로 일정할 수 있다. 환언하면, 복굴절 매질 층(383)에 의해 제공되는 위상 지연은 실질적으로 파장 독립적(예를 들면, 색지움성)일 수 있다.
복굴절 매질 층(383)의 구조화된 패턴은 기판(385)에 의해 제공되는 미리 결정된 정렬 패턴에 의해 결정될 수 있다. 즉, 복굴절 매질 층(383)에 포함된 광학 이방성 분자들이 기판(385) 상에 정렬될 수 있다. 예를 들어, 복굴절 매질 층(383)에 포함된 광학 이방성 분자들의 평면 내 정렬 패턴은 광학 이방성 분자들을 기판(385) 상에 정렬시키는 것에 의해 형성될 수 있다. 일부 실시예들에서, 기판(385)은, 비정질 또는 액정 중합체들, LC 특성들을 갖는 것들을 포함하는 가교성 모노머들과 같은, 유기 재료로부터 제조될 수 있거나, 메타표면들의 제조에 사용되는 금속들 또는 산화물들과 같은, 무기 재료로부터 제조될 수 있다. 기판(385)의 재료(들)는 등방성 또는 이방성일 수 있다. 일부 실시예들에서, 기판(385)은, 가시 대역과 같은, 전자기 주파수들의 범위에 대해 투명하거나 거의 투명한 레지스트 재료로 나노제조될 수 있다. 레지스트 재료는 열가소성, 중합체, 광학적으로 투명한 포토레지스트 등의 형태일 수 있다. 응고(set)되거나 경화된 후에, 레지스트 재료는 기판(385) 상에 배치된 복굴절 매질 층(383)에 대한 정렬을 제공할 수 있다. 즉, 기판(385)은 복굴절 매질 층(383)에 대한 정렬 구조체(예를 들면, 정렬 층)로서 기능할 수 있다. 다양한 정렬 패턴들 및 특징들이 기판(385)의 나노제조 기술들을 사용하여 실현될 수 있으며, 이는 높은 맞춤성(customizability)으로 복굴절 매질 층(383)의 정렬 패턴의 생성을 가능하게 한다.
도 3d는 본 개시내용의 다른 실시예에 따른 색지움 박막 LC 광학 요소 또는 디바이스(390)의 x-z 단면도를 예시한다. LC 광학 디바이스(390)는 도 3a에 도시된 LC 광학 디바이스(300)에 포함된 것들과 동일하거나 유사한 구조들 또는 요소들을 포함할 수 있다. 도 3d에 도시된 실시예에 포함된 동일하거나 유사한 구조들 또는 요소들에 대한 설명들은 도 3a에 도시된 실시예와 관련하여 이루어진 위의 설명들을 참조할 수 있다. 도 3d에 도시된 바와 같이, LC 광학 디바이스(390)는 기판(395) 및 기판(395) 상에 배치된 복굴절 매질 층(393)을 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 복굴절 매질 층(393)은 반대 복굴절 분산 특성들을 갖는 복굴절 재료들을 포함하는 제1 및 제2 층들을 포함할 수 있다(도 3a에 도시된 복굴절 매질 층(311)과 유사함). 일부 실시예들에서, 복굴절 매질 층(393)은 반대 복굴절 분산 특성들을 갖는 복굴절 재료들의 조합을 포함하는 단일 층을 포함할 수 있다(도 3b에 도시된 복굴절 매질 층(370)과 유사함). 복굴절 매질 층(393)에 의해 제공되는 위상 지연은 관심 광학 스펙트럼(예를 들면, 가시 파장 범위)과 관련하여 실질적으로 일정할 수 있다. 환언하면, 복굴절 매질 층(393)에 의해 제공되는 위상 지연은 실질적으로 파장 독립적(예를 들면, 색지움성)일 수 있다.
일부 실시예들에서, 복굴절 매질 층(393)은 편광된 광 조사에 의해 정렬되고 유도된 복굴절에 의해 광가교된 복굴절 재료들을 포함할 수 있다. 복굴절 재료들에서의 분자들은 감광성 단위들을 포함할 수 있다. 복굴절 재료들의 분자들에서의 감광성 단위들의 광 정렬은 복굴절 재료의 체적에서 발생할 수 있다. 예를 들어, 편광된 광의 홀로그래픽으로 생성된 패턴들로 조사가 제공되는 경우, 복굴절 매질 층(393)에서 감광성 단위들의 정렬 패턴들이 발생할 수 있다. 즉, 복굴절 재료들에서의 분자들의 평면 내 정렬 패턴은 편광된 광 조사에 의해 직접적으로 유도될 수 있다. 그러한 정렬 프로세스는 벌크 조정 광 정렬(bulk-mediated photoalignment)이라고 지칭될 수 있다.
일부 실시예들에서, 도 3a 내지 도 3d에 도시된 복굴절 매질 층 또는 막의 실시예들 중 하나 이상이 조합될 수 있다. 이 실시예의 LC 광학 디바이스에 의해 제공되는 위상 지연은 관심 광학 스펙트럼(예를 들면, 가시 파장 범위)과 관련하여 실질적으로 일정할 수 있다. 환언하면, 이 실시예의 LC 광학 디바이스에 의해 제공되는 위상 지연은 실질적으로 파장 독립적(예를 들면, 색지움성)일 수 있다. 예를 들어, 실시예에서, LC 광학 디바이스는 복굴절 매질 층(311)(도 3a에 도시됨)과 유사할 수 있는 제1 복굴절 매질 층 및 복굴절 매질 층(370)(도 3b에 도시됨)과 유사할 수 있는 제2 복굴절 매질 층을 포함할 수 있다. 실시예에서, LC 광학 디바이스는 복굴절 매질 층(311)(도 3a에 도시됨)과 유사할 수 있는 제1 복굴절 매질 층 및 복굴절 매질 층(383)(도 3c에 도시됨)과 유사할 수 있는 제2 복굴절 매질 층을 포함할 수 있다. 실시예에서, LC 광학 디바이스는 복굴절 매질 층(311)(도 3a에 도시됨)과 유사할 수 있는 제1 복굴절 매질 층 및 복굴절 매질 층(393)(도 3d에 도시됨)과 유사할 수 있는 제2 복굴절 매질 층을 포함할 수 있다. 실시예에서, LC 광학 디바이스는 복굴절 매질 층(370)(도 3b에 도시됨)과 유사할 수 있는 제1 복굴절 매질 층 및 복굴절 매질 층(383)(도 3c에 도시됨)과 유사할 수 있는 제2 복굴절 매질 층을 포함할 수 있다. 실시예에서, LC 광학 디바이스는 복굴절 매질 층(370)(도 3b에 도시됨)과 유사할 수 있는 제1 복굴절 매질 층 및 복굴절 매질 층(393)(도 3d에 도시됨)과 유사할 수 있는 제2 복굴절 매질 층을 포함할 수 있다. 실시예에서, LC 광학 디바이스는 복굴절 매질 층(383)(도 3c에 도시됨)과 유사할 수 있는 제1 복굴절 매질 층 및 복굴절 매질 층(393)(도 3d에 도시됨)과 유사할 수 있는 제2 복굴절 매질 층을 포함할 수 있다.
도 3a 내지 도 3d를 참조하면, 색지움 박막 LC 광학 디바이스(300, 350, 380, 또는 390)는 강성 또는 가요성 박막 LC 광학 요소일 수 있다. LC 광학 디바이스(300, 350, 380, 또는 390)가 가요성일 때, LC 광학 디바이스(300, 350, 380, 또는 390)는 굴곡 가능하거나, 변형 가능하거나, 폴딩 가능하거나, 롤링 가능하거나, 접힐 수 있다. 일부 실시예들에서, LC 광학 디바이스(300, 350, 380, 또는 390)는 만곡된 형상을 가질 수 있다. 가요성 LC 광학 디바이스(300 또는 350)는, 만곡된 표면 또는 가요성 구조와 같이, 강성 광학 요소가 바람직하지 않거나 적합하지 않을 수 있는 디바이스에 적용되거나 그러한 디바이스에서 구현될 수 있다. 일부 실시예들에서, LC 광학 디바이스(300, 350, 380, 또는 390)는 광학 기능에 영향을 미치지 않고 적합한 표면에 배치(예를 들면, 코팅, 부속, 부착 등)될 수 있다. 일부 실시예들에서, 다수의 LC 광학 디바이스들(300, 350, 380 또는 390)이 적층되거나 함께 결합되어 광학 시리즈를 형성할 수 있다. 일부 실시예들에서, LC 광학 디바이스(300, 350, 380, 390)는 수동 디바이스로서 기능할 수 있다.
일부 실시예들에서, 색지움 박막 LC 광학 디바이스(300, 350, 380, 또는 390)에 포함된 복굴절 재료들(예를 들면, RM 모노머들)은 중합되지 않을 수 있고, 색지움 박막 LC 광학 디바이스(300, 350, 380, 또는 390)는, 예를 들면, 외부 전기장 하에서 스위칭 가능한, 능동 디바이스로서 기능할 수 있다. 일부 실시예들에서, 색지움 박막 LC 광학 디바이스(300, 350, 380, 또는 390)에 포함된 복굴절 재료들은 능동 LC들을 포함할 수 있고, 색지움 박막 LC 광학 디바이스(300, 350, 380, 또는 390)는, 예를 들면, 외부 전기장 하에서 스위칭 가능한, 능동 디바이스로서 기능할 수 있다. 일부 실시예들에서, 색지움 박막 LC 광학 디바이스(300, 350, 380, 또는 390)는, 2 개 이상의 전극 층과 같은, 추가적인 층들을 포함할 수 있다. 예를 들어, 도 3a에 도시된 LC 광학 디바이스(300)에서, 전극 층들이 스위치에 대한 구동 전압을 제공하기 위해 제1 복굴절 재료 층(315) 및 제2 복굴절 재료 층(320)을 포함하는 복굴절 매질 층(311)을 사이에 두도록 배치될 수 있다. 도 3b에 도시된 LC 광학 디바이스(350)에서, 전극 층들이 스위치에 대한 구동 전압을 제공하기 위해 단일 층 복굴절 매질 층(370)을 사이에 두도록 배치될 수 있다. 도 3c에 도시된 LC 광학 디바이스(380)에서, 전극 층들이 스위치에 대한 구동 전압을 제공하기 위해 제1 복굴절 재료 층(381) 및 제2 복굴절 재료 층(382)을 사이에 두도록 배치될 수 있다. 도 3d에 도시된 LC 광학 디바이스(390)에서, 전극 층들이 스위치에 대한 구동 전압을 제공하기 위해 복굴절 매질 층(393)을 사이에 두도록 배치될 수 있다. 전극 층들은, 플라스틱 막 상에 배치된 인듐 주석 산화물("ITO(indium tin oxide)")과 같은, 가요성 투명 전도성 층을 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 플라스틱 막은 폴리에틸렌 테레프탈레이트("PET(polyethylene terephthalate)")를 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 플라스틱 막은 실질적으로 낮은 복굴절을 갖는 한 유형의 가요성 플라스틱인 셀룰로오스 트리아세테이트("TAC(cellulose triacetate)")를 포함할 수 있다.
일부 실시예들에서, LC 광학 디바이스(300, 350, 380, 또는 390)의 적어도 하나의 미리 결정된 광학 기능은 복굴절 매질 막에 포함된 복굴절 매질의 광학 축의 조작에 기초할 수 있다. 일부 실시예들에서, 복굴절 매질의 광학 축의 조작은 정렬 구조체(310 또는 360) 상에 광학 이방성 분자들을 정렬시키는 것을 통해 광학 이방성 분자들(예를 들면, RM 모노머들)의 평면 내 정렬 패턴을 구성하는 것에 의해 실현될 수 있다. 일부 실시예들에서, 복굴절 매질의 광학 축의 조작은 기판(385)에 의해 광학 이방성 분자들을 정렬시키는 것을 통해 광학 이방성 분자들(예를 들면, RM 모노머들)의 평면 내 정렬 패턴을 구성하는 것에 의해 실현될 수 있다. 일부 실시예들에서, 복굴절 매질의 광학 축의 조작은 편광된 광 조사 하에서 광학 이방성 분자들을 정렬시키는 것(예를 들면, 직접적으로 정렬시키는 것)을 통해 광학 이방성 분자들의 평면 내 정렬 패턴을 구성하는 것에 의해 실현될 수 있다. 위에서 논의된 바와 같이, RM 모노머들의 정렬이 중합 후에 유지될 수 있다. 즉, LCP 막에 포함된 중합된 RM들은 중합될 때 LCP 막을 형성하는 RM 모노머들과 실질적으로 동일한 정렬 패턴을 가질 수 있다. 광학 이방성 분자들의 형성된 정렬 패턴에 따라, LC 광학 디바이스(300, 350, 380, 또는 390)는, 프리즘, 렌즈, 빔 굴절기, 렌즈 어레이, 프리즘 어레이, 위상 지연기 등과 같은, 투과 광학 요소, 반사 광학 요소, 또는 투과 광학 요소 및 반사 광학 요소 양쪽 모두로서 기능할 수 있다. 색지움 박막 LC 광학 요소들 또는 디바이스들의 다양한 설계들이 설명된다. 이러한 설계들은 단지 예시일 뿐이며, 색지움 박막 LC 광학 요소들 또는 디바이스의 다른 설계들은 본 명세서에서 설명되는 원리들에 기초하여 도출될 수 있다.
도 4a는 본 개시내용의 실시예에 따른, 본 명세서에서 설명되는 개시된 복굴절 매질 막 또는 층을 포함할 수 있는, 투과형 색지움 박막 LC 광학 요소 또는 디바이스(400)이다. 복굴절 매질 막에서의 광학 이방성 분자들의 정렬 패턴에 따라, 박막 LC 광학 디바이스(400)는, 프리즘, 렌즈, 빔 굴절기, 렌즈 어레이, 프리즘 어레이, 또는 위상 지연기 등과 같은, 투과 광학 요소로서 기능할 수 있다. 논의를 위해, 이하의 설명에서, RM들은 복굴절 매질 막에 포함된 광학 이방성 분자들의 예로서 사용되며, 복굴절 매질 막은 LCP 막을 포함할 수 있다.
도 4b는 도 4a에 도시된 박막 LC 광학 디바이스(400)가 본 개시내용의 실시예에 따른 LC 위상 지연기(400)로서 기능할 때 RM들의 정렬 패턴(410)의 x-y 단면도를 예시한다. 도 4b에 도시된 바와 같이, RM들의 정렬 방향(예를 들면, 도 4b의 y-축에서)은 전체 LC 위상 지연기(400)에 걸쳐 균일할 수 있다. 일부 실시예들에서, RM들의 균일한 정렬은 균일하게 정렬된 정렬 구조체 상에 (중합된 후에 LCP 막을 형성하는) RM 모노머들을 정렬시키는 것에 의해 실현될 수 있다. 투과 광의 위상을 효과적으로 변경하기 위해, 선형 편광된 입사 광은 그의 편광 축을 실질적으로 RM들의 정렬 방향을 따라 정렬시키도록 구성될 수 있다.
LC 위상 지연기(400)는 또한 광학 디바이스 또는 광학 시스템에서 편광 관리 컴포넌트로서 기능하도록 효과적으로 구성될 수 있다. 예를 들어, LC 위상 지연기(400)가 반파장판일 때, 제1 편광 방향을 갖는 선형 편광된 입사 광은 제1 편광 방향에 수직인 제2 편광 방향을 갖는 선형 편광된 출력 광으로 변환될 수 있다. LC 위상 지연기(400)가 반파장판일 때, 원 편광된 입사 광은 반전된 방향성을 갖는 원 편광된 출력 광으로 변환될 수 있다. LC 위상 지연기(400)가 1/4 파장판일 때, 선형 편광된 입사 광은 원 편광된 출력 광으로 변환될 수 있다. 일부 실시예들에서, LC 위상 지연기(400)가 입사 광의 편광을 제어하도록 구성될 때, 선형 편광된 입사 광의 편광 축은 LC 위상 지연기(400)에 포함된 RM들의 정렬 방향에 대해 약 35 내지 50° 각도로 배향될 수 있다.
도 4c는 도 4a에 도시된 박막 LC 광학 디바이스(400)가 PBP 렌즈(400)로서 기능할 때 RM들의 정렬 패턴(420)의 x-y 단면도를 예시한다. 도 4c에 도시된 바와 같이, PBP 렌즈(400)는 RM들의 평면 내 배향(방위각 θ)에 기초하여 각자의 렌즈 프로파일을 생성할 수 있으며, 여기서 위상 차이는 T = 2θ일 수 있다. RM 분자들의 방위각들은, 가변 피치
Figure pct00001
로, PBP 렌즈(400)의 중심(424)으로부터 가장자리(edge)(422)까지 연속적으로 변할 수 있다. 피치는 RM 분자들 사이의 거리로서 정의되며, 여기서 방위각은 초기 상태로부터 약 180°만큼 회전된다. 대조적으로, 종래의 LC 렌즈는 복굴절(Δn), 액정들의 층 두께(d), 및 다수(N 개)의 프레넬 구역들(프레넬 렌즈 설계의 경우에)에 기초하여 렌즈 프로파일을 생성하며, 여기서 위상 차이는 T= d*Δn(λ)*N*2π/λ이다. 그에 따라, PBP 렌즈(400)는 큰 애퍼처 크기를 가질 수 있고, 본 개시내용의 실시예에 따른 얇은 LCP 막(예를 들면, 복굴절 매질 층(311, 370, 383, 또는 393), 또는 이들의 조합)을 포함할 수 있다.
도 4d는 도 4c에 도시된 PBP 렌즈(400)에서 y 축을 따라 취해진 RM 정렬(430)의 단면을 도시한다. 도 4d에 도시된 바와 같이, PBP 렌즈(400)의 중심(424)으로부터 가장자리(422)를 향해 이동하는 것에 의해 RM들의 배향의 연속적인 평면 내 회전이 가속될 수 있고, 이로써 획득되는 주기적 구조(예를 들면, 피치)의 주기가 감소할 수 있다. PBP 렌즈(400)에서의 광학 위상 지연은 RM들의 배향들의 연속적인 평면 내 회전과 연관된 기하학적 위상으로 인해 발생하여, 렌징 효과(lensing effect)를 결과할 수 있다. 예를 들어, 렌즈 중심(424)에서의 피치(
Figure pct00002
0)가 가장 클 수 있고, 가장자리(422)에서의 피치(
Figure pct00003
r)가 가장 작을 수 있다, 즉,
Figure pct00004
이다. x-y 평면에서, 렌즈 반경(r) 및 렌즈 초점
Figure pct00005
을 갖는 PBP 렌즈의 경우, 방위각 θ는
Figure pct00006
을 충족시킬 수 있고, 여기서 λ는 입사 광의 파장이다.
도 4c에 도시된 PBP 렌즈(400)는 2 개의 개별 광학 상태: 포커싱 상태 및 디포커싱 상태를 갖는 수동 PBP 렌즈일 수 있다. 수동 PBP 렌즈의 상태는 수동 PBP 렌즈에 입사하는 광의 편광의 방향성 및 PBP 렌즈(400)에서의 RM 디렉터들의 회전의 방향성에 의존할 수 있다. 일부 실시예들에서, 수동 PBP 렌즈는 좌방향성 편광을 갖는 입사 광에 응답하여 디포커싱 상태에서 작동하고, 우방향성 편광을 갖는 입사 광에 응답하여 포커싱 상태에서 작동할 수 있다. 일부 실시예들에서, 수동 PBP 렌즈는 우방향성 편광을 갖는 입사 광에 응답하여 디포커싱 상태에서 작동하고, 좌방향성 편광을 갖는 입사 광에 응답하여 포커싱 상태에서 작동할 수 있다. 포커싱 상태는 시스템에 광학 굴절력(optical power)을 가산할 수 있고(즉,
Figure pct00007
의 양의 초점을 가짐), 디포커싱 상태는 시스템으로부터 광학 굴절력을 감산할 수 있다(즉,
Figure pct00008
의 음의 초점을 가짐).
일부 실시예들에서, 입사 광의 편광(예를 들면, 방향성)이 다른 광학 디바이스에 의해 전환될 때 수동 PBP 렌즈는 포커싱 상태와 디포커싱 상태 사이에서 스위칭 가능할 수 있다. 예를 들어, 능동 편광 스위치는 수동 PBP 렌즈에 결합될 수 있다. 수동 PBP 렌즈는 능동 편광 스위치로부터 출력되는 광을 수용할 수 있다. 능동 편광 스위치는 수동 PBP 렌즈에 입사하는 광의 편광을 제어(예를 들면, 전환)할 수 있다. 능동 편광 스위치는, 능동 편광 스위치의 작동 상태(예를 들면, 스위칭 상태 또는 비-스위칭 상태)에 따라, 입사 광의 편광을 제1 편광 방향(예를 들면, 제1 방향성)으로부터 제1 편광 방향과 상이한(예를 들면, 반대인) 제2 편광 방향(예를 들면, 제2 방향성)으로 변환할 수 있거나, 입사 광의 편광을 유지할 수 있다. 일부 실시예들에서, 능동 편광 스위치는 스위칭 가능한 반파장판("SHWP(switchable half-wave plate)")을 포함할 수 있다. 능동 편광 스위치의 전환 속도는 수동 PBP 렌즈의 전환 속도를 결정할 수 있다.
도 4e는 도 4a에 도시된 박막 LC 광학 디바이스(400)가 PBP 격자 또는 편향기(400)로서 기능할 때 정렬 패턴(440)의 x-y 단면도를 예시한다. 도 4f는 도 4e에 도시된 PBP 격자(400)에서 y 축을 따라 취해진 RM 정렬(450)의 일 부분의 다이어그램을 개략적으로 예시한다. 도 4e 및 도 4f에 도시된 바와 같이, PBP 격자(400)에서, RM들의 평면 내 배향(예를 들면, 방위각들)은, 균일한 피치
Figure pct00009
로, PBP 격자(400)의 중심(444)으로부터 가장자리(442)까지 선형 반복 패턴으로 변할 수 있다. PBP 격자(400)의 피치
Figure pct00010
는 패턴의 반복된 부분들 사이의 y 축을 따른 거리의 절반일 수 있다. 피치
Figure pct00011
는 PBP 격자(400)의 광학적 특성들을, 부분적으로, 결정할 수 있다. 예를 들어, PBP 격자(400)의 광학 축(예를 들어, z 축)을 따라 입사하는 원 편광된 광은 회절 차수들 m = +1, -1, 및 0에 제각기 대응하는 1차(primary) 광, 켤레(conjugate) 광, 및 누설 광을 포함하는 격자 출력을 가질 수 있다. 피치
Figure pct00012
는 상이한 회절 차수들에서 광의 회절 각도들(예를 들면, 빔 조종 각도들)을 결정할 수 있다. 일반적으로, 피치
Figure pct00013
가 작을수록, 주어진 파장의 광에 대한 회절 각도가 커진다.
도 4e에 도시된 PBP 격자(400)는 수동 PBP 렌즈의 광학 상태들과 유사한 두 가지 광학 상태: 양의 상태 및 음의 상태를 갖는 수동 PBP 격자일 수 있다. 일부 실시예들에서, 양의 상태 및 음의 상태에서, PBP 격자(400)는, 제각기, 특정 파장의 입사 광을 양의 각도(예를 들면, +θ) 및 음의 각도(예를 들면, -θ)로 회절시킬 수 있다. 추가적으로, PBP 격자(400)는 입사 광의 방향성과 반대인 방향성을 갖는 광을 출력할 수 있다. PBP 격자(400)의 광학 상태는 원 편광된 입사 광의 방향성에 의존할 수 있다. 일부 실시예들에서, PBP 격자(400)는 우방향성 원 편광된 광에 응답하여 양의 상태에서 작동할 수 있고, 좌방향성 원 편광된 광에 응답하여 음의 상태에서 작동할 수 있다. 일부 실시예들에서, PBP 격자(400)는 좌방향성 원 편광된 광에 응답하여 양의 상태에서 작동할 수 있고, 우방향성 원 편광된 광에 응답하여 음의 상태에서 작동할 수 있다.
PBP 격자(400)는 입사 광의 방향성이 다른 광학 디바이스(예를 들면, 능동 편광 스위치)에 의해 전환될 때 양의 상태와 음의 상태 사이에서 스위칭 가능할 수 있다. 예를 들어, 능동 편광 스위치는 PBP 격자(400)에 결합될 수 있다. PBP 격자(400)는 능동 편광 스위치로부터 출력되는 광을 수용할 수 있다. 편광 스위치는 PBP 격자(400)에 입사하는 광의 편광을 제어(예를 들면, 전환)할 수 있다. 편광 스위치는, 능동 편광 스위치의 작동 상태(예를 들면, 스위칭 상태 또는 비-스위칭 상태)에 따라, 입사 광의 편광을 제1 편광 방향(예를 들면, 제1 방향성)으로부터 제1 편광 방향과 상이한(예를 들면, 반대인) 제2 편광 방향(예를 들면, 제2 방향성)으로 변환할 수 있거나, 입사 광의 편광을 유지할 수 있다. 일부 실시예들에서, 편광 스위치는 SHWP를 포함할 수 있다. 편광 스위치의 전환 속도는 PBP 격자(400)의 전환 속도를 결정할 수 있다.
도 4a 내지 도 4f에 도시된 투과 박막 LC 광학 요소들 또는 디바이스들에 추가하여, 반사 박막 LC 광학 디바이스들이 또한 실현될 수 있다. 도 5a는 본 개시내용의 실시예에 따른, 반사형 색지움 박막 LC 광학 요소 또는 디바이스(500)의 개략 다이어그램을 예시한다. 도 5b는 본 개시내용의 실시예에 따른, 도 5a에 도시된 LC 광학 디바이스(500)가 반사 PBP 격자로서 기능할 때 RM 정렬(510)의 y-z 단면도를 예시한다. 반사 PBP 격자는, 그의 물리적 특성들로 인해, 반사 편광 체적 격자("RPVG(reflective polarization volume grating)")라고도 지칭될 수 있다. 도 5b에 도시된 바와 같이, RPVG(500)는 z 방향을 따라 실질적으로 높은 정도의 비틀림을 포함할 수 있다(예를 들면, RPVG(500)에서의 RM들은 나선형 구조를 가질 수 있다). 입사 광의 위상을 변조하는 것을 통해 입사 광을 회절시키는 도 4e에 도시된 투과 PBP 격자와 상이하게, RPVG(500)는 브래그 반사(또는 경사진 다층 반사)를 통해 입사 광을 회절시킬 수 있다. RPVG(500)는 RPVG(500)의 나선형 구조의 방향성과 동일한 방향성을 갖는 원 편광된 광을 주로 회절시키고, 투과 광의 편광을 변경하지 않고 다른 편광들을 갖는 광을 주로 투과시킬 수 있다. 예를 들어, 원 편광된 입사 광이 RPVG(500)의 나선형 구조의 방향성과 반대인 방향성을 가질 때, 입사 광은 주로 0차로 투과될 수 있고, 편광이 실질적으로 유지될(예를 들면, 영향을 받지 않을) 수 있다. RPVG(500)의 회절 효율은 막 두께(예를 들면, z 방향을 따라 RPVG(500)에 포함된 복굴절 매질 층의 두께)의 함수일 수 있다. 예를 들어, RPVG(500)의 회절 효율은 두께에 따라 단조적으로 증가하고 이어서 점진적으로 포화될(예를 들면, 실질적으로 일정하게 유지될) 수 있다.
양의 복굴절 분산 특성 및 음의 복굴절 분산 특성을 갖는 RM들에 기초한 색지움 박막 LC 광학 요소들 또는 디바이스들은 예시를 위한 것이다. 색지움 박막 LC 광학 요소들 또는 디바이스들은 또한, 양의 복굴절 분산 특성 및 음의 복굴절 분산 특성을 갖는 RM들에 기초한 색지움 박막 LC 광학 요소들 또는 디바이스들에 대한 동일한 설계 원리들에 따라, 양의 복굴절 분산 특성 및 음의 복굴절 분산 특성을 갖는 적합한 복굴절 재료들(예를 들면, 능동 LC들, 수동 LC들, 능동 LC들과 수동 LC들의 조합)에 기초하여 구성될 수 있다. 일부 실시예들에서, 색지움 박막 LC 광학 요소가 능동 LC들 또는 능동 LC들과 수동 LC들의 조합을 포함할 때, 색지움 박막 LC 광학 요소는, 외부 필드, 예를 들면, 외부 전기장에 의해 스위칭 가능할 수 있는, 능동 색지움 박막 LC 광학 요소로서 기능할 수 있다. 예를 들어, 능동 색지움 박막 LC 광학 요소가 도 4a 내지 도 5b에 도시된 것과 유사한 구조를 가질 때, 능동 색지움 박막 LC 광학 요소는 능동 PBP 광학 요소로서 기능할 수 있다. 예를 들어, 능동 PBP 격자로서 기능하는 능동 색지움 박막 LC 광학 요소는 LC들에 인가되는 외부 필드를 통해 양/음의 상태와 중성 상태 사이에서 스위칭 가능할 수 있다. 중성 상태에서, 능동 PBP 격자는 입력 광을 회절시키지 않을 수 있으며, 능동 PBP 격자를 통해 투과되는 광의 편광에 영향을 미칠 수 있거나 그렇지 않을 수 있다. 일부 실시예들에서, 능동 PBP 격자는 LC들에 인가되는 외부 전기장을 통해 중성 상태로 스위칭 가능할 수 있다.
유사하게, 능동 PBP 렌즈로서 기능하는 능동 색지움 박막 LC 광학 디바이스는 LC들에 인가되는 외부 필드를 통해 포커싱/디포커싱 상태와 중성 상태 사이에서 스위칭 가능할 수 있다. 중성 상태에서, 능동 PBP 렌즈는 입력 광을 포커싱/디포커싱하지 않을 수 있고, 능동 PBP 렌즈를 통해 투과되는 광의 편광에 영향을 미칠 수 있거나 그렇지 않을 수 있다. 일부 실시예들에서, 능동 PBP 렌즈는 LC들에 인가되는 외부 전기장을 통해 중성 상태로 스위칭 가능할 수 있다.
본 개시내용의 실시예들에 따른 색지움 박막 액정 광학 요소들 또는 디바이스들은 다양한 분야들에서 구현될 수 있다. 그러한 구현들은 본 개시내용의 범위 내에 있다. 일부 실시예들에서, 개시된 색지움 박막 LC 광학 요소들 또는 디바이스들은 증강 현실("AR"), 가상 현실("VR"), 및/또는 혼합 현실("MR")을 위한 근안 디스플레이들("NED들")에서 다기능 광학 컴포넌트들로서 구현될 수 있다. 예를 들어, 개시된 색지움 박막 LC 광학 요소들 또는 디바이스들은 눈 추적 컴포넌트들, 다수의 초점들 또는 가변 초점을 실현하기 위한 수용 컴포넌트들, 디스플레이 해상도 향상 컴포넌트들, 동공 조종 요소들, 및 광대역 파장판(예를 들면, 1/4 파장판 또는 반파장판) 등으로서 구현될 수 있으며, 이는 NED들의 중량을 크게 줄이고 광학 성능을 향상시킬 수 있다. 그 결과, 개시된 색지움 박막 LC 광학 요소들 또는 디바이스들은 미래형 스마트 안경에서 구현될 수 있다.
도 6a는 본 개시내용의 실시예에 따른, 근안 디스플레이("NED")(600)의 다이어그램을 예시한다. 도 6b는 본 개시내용의 실시예에 따른, 도 6a에 도시된 NED(600)의 전면 본체의 단면도를 예시한다. NED(600)는, 색지움 박막 LC 광학 디바이스(300, 350, 380 또는 390)와 같은, 개시된 색지움 박막 LC 광학 요소들 또는 디바이스들 중 하나 이상을 포함할 수 있다.
도 6a에 도시된 바와 같이, NED(600)의 실시예는 헤드 마운티드 디스플레이일 수 있다. NED(600)는 전면 본체(605) 및 밴드(610)를 포함할 수 있다. 밴드(610)는 전면 본체(605)를 사용자의 머리에 고정시키도록 구성될 수 있다. 전면 본체(605)는 전자 디스플레이(630)의 하나 이상의 전자 디스플레이 요소, 관성 측정 유닛("IMU(inertial measurement unit)")(615), 하나 이상의 위치 센서(620), 및 하나 이상의 로케이터(locator)(625)를 포함할 수 있다. 전면 본체(605)는 다른 요소들을 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 도 6a에 도시된 하나 이상의 요소는 생략될 수 있다. 도 6a에 도시된 실시예에서, 위치 센서들(620)은 IMU(615) 내에 위치할 수 있고, IMU(615)도 위치 센서들(620)도 사용자에게 보이지 않을 수 있다. 일부 실시예들에서, IMU(615), 위치 센서들(620), 및 로케이터들(625)은 단일 장치로서 통합될 수 있고, NED(600)의 자세 및/또는 위치 정보를 제공하도록 구성될 수 있다. NED(600)는 VR, AR 또는 MR 디바이스로서 기능하거나 이에 포함될 수 있다. NED(600)가 AR 또는 MR 디바이스로서 기능하거나 이에 포함될 때, NED(600)의 부분들 및 그의 내부 컴포넌트들은 적어도 부분적으로 투명할 수 있다.
도 6b에 도시된 바와 같이, 전면 본체(605)는 출사동(670)에 이미지 광을 함께 제공하는 전자 디스플레이(630) 및 가변 초점 블록(660)을 포함할 수 있다. 출사동(670)은 사용자의 눈(665)이 위치되는 전면 본체(605)의 위치를 지칭할 수 있다. 예시를 위해, 도 6b는 단일 눈(665)과 연관된 NED(600)의 단면도를 도시한다. NED(600)는, 사용자의 다른 눈에 변경된 이미지 광을 제공하기 위해, 가변 초점 블록(660)과 별개의 다른 가변 초점 블록을 포함할 수 있다는 것이 이해된다. 추가적으로, NED(600)는 눈 추적 시스템(도시되지 않음)을 포함할 수 있다. 눈 추적 시스템은, 예를 들면, 사용자의 한쪽 눈 또는 양쪽 눈을 조명하도록 구성된 하나 이상의 광원, 및 광원들에 의해 방출되고 한쪽 눈 또는 양쪽 눈에 의해 반사되는 광에 기초하여 사용자의 한쪽 눈 또는 양쪽 눈의 이미지들을 캡처하도록 구성된 하나 이상의 카메라를 포함할 수 있다.
전자 디스플레이(630)는 이미지들을 사용자에게 디스플레이할 수 있다. 일부 실시예들에서, 전자 디스플레이(630)는 사용자의 각각의 눈(665)에 대한 도파관 디스플레이 또는 적층형 도파관 디스플레이를 포함할 수 있다. 예를 들어, 적층형 도파관 디스플레이는 도파관 디스플레이들의 스택을 포함하는 다색 디스플레이(예를 들면, 적색-녹색-청색("RGB(red-green-blue)") 디스플레이)일 수 있으며, 그의 각자의 단색 광원들은 상이한 색상들의 광들을 방출하도록 구성되어 있다. 도파관 디스플레이는 이미지 광을 생성하도록 구성된 광원 어셈블리 및 확장된 이미지 광을 사용자의 눈(665)에 출력하도록 구성된 출력 도파관을 포함할 수 있다. 출력 도파관은 광원 어셈블리로부터의 광을 출력 도파관 내로 결합시키도록 구성된 하나 이상의 커플링 요소, 출력 도파관으로부터의 광을 사용자의 눈(665)으로 분리시키도록 구성된 하나 이상의 디커플링 요소, 및 하나 이상의 커플링 요소에 의해 출력되는 광을 하나 이상의 디커플링 요소로 지향시키도록 구성된 하나 이상의 지향 요소를 포함할 수 있다.
종래의 기술들에 기초한 기존의 NED들에서, 커플링 요소, 지향 요소, 및 디커플링 요소는, 예를 들어, 회절 격자, 홀로그래픽 격자, 하나 이상의 캐스케이드형 반사기, 하나 이상의 프리즘 표면 요소, 및/또는 홀로그래픽 반사기들의 어레이일 수 있다. 대조적으로, 개시된 실시예들에서, 커플링 요소, 지향 요소, 및 디커플링 요소는, 도 4e와 도 4f 및 도 5a와 도 5b에 도시된 PBP 격자들과 같은, 대응하는 구조화된 RM 정렬 패턴을 갖는 개시된 색지움 박막 LC 광학 디바이스들에 의해 실현될 수 있다. 표면 부조 격자들("SRG(surface-relief grating)들") 및 홀로그래픽 격자들("HG(holographic grating)들")과 같은, 종래의 NED들에서 사용되는 다양한 격자들과 비교하여, PBP 격자로서 기능하는 개시된 색지움 박막 LC 광학 디바이스는 큰 시야 및 넓은 파장 스펙트럼(예를 들면, 가시 파장들의 대역)에 걸쳐 높은 효율을 가지며, VR, AR, 또는 MR 응용 분야들에 사용되는 도파관 커플링 NED들에 대한 큰 장점들을 제공한다. 게다가, 도 5a 및 도 5b에 도시된 RPVG는 지정된 편광을 갖는 원 편광된 광의 편향 및 다른 편광들을 갖는 다른 광들의 그를 통한 투과를 가능하게 하기 때문에, RPVG가 AR 응용 분야들을 위한 NED들에서 디스플레이된 이미지들과 현실 세계 광을 결합시키는 결합기로서 사용될 때, 현실 세계 조명의 전체 투과율이 증가될 수 있다.
게다가, 도 6b에 도시된 가변 초점 블록(660)은, 광이 사용자의 눈(들)으로부터 미리 결정된 초점 거리들에 나타나도록, 전자 디스플레이(630)로부터 방출되는 광의 거리를 조정하도록 구성될 수 있다. 가변 초점 블록(660)은 광학 시리즈로 배열된 하나 이상의 가변 초점 구조체를 포함할 수 있다. 가변 초점 구조체는 제어기로부터의 지시들에 따라 그의 초점을 동적으로 조정하도록 구성된 광학 디바이스이다. 가변 초점 구조체는 고정된 광학 굴절력을 갖는 하나 이상의 단일 초점 렌즈 및/또는 조정 가능한(또는 가변적인) 광학 굴절력을 갖는 하나 이상의 가변 초점 렌즈를 포함할 수 있다. 하나 이상의 가변 초점 렌즈는, 도 4c에 도시된 PBP 렌즈와 같은, 대응하는 구조화된 RM 정렬 패턴을 갖는 개시된 색지움 박막 LC 광학 디바이스들에 의해 실현될 수 있다.
VR, AR 또는 MR 응용 분야들에 사용되는 NED들의 설계 사양들은 전형적으로 인간의 눈의 수렴-조절(vergence-accommodation)(예를 들면, 약 ±2 디옵터 이상), 빠른 전환 속도(예를 들면, 약 300ms 이하의 전환 시간을 가짐), 및 우수한 이미지 품질에 적응하기 위한 광범위한 광학 굴절력을 포함한다. 종래의 LC 렌즈들이 일반적으로 상대적으로 높은 굴절률 또는 상대적으로 큰 두께(이들은 전환 속도를 감소시킴)를 갖는 LC 재료들을 사용하기 때문에, 종래의 LC 렌즈들은 이러한 응용 분야들에 적합하지 않을 수 있다. 대조적으로, 본 명세서에서 개시된 바와 같은, PBP 렌즈로서 기능하는 박막 LC 광학 요소는 상대적으로 낮은 굴절률을 갖는 RM 재료들을 사용하여 설계 사양들을 충족시키도록 구성될 수 있다. 더욱이, PBP 렌즈로서 기능하는 박막 LC 광학 요소는 광대역이고, 얇으며(예를 들면, 도 3b에 도시된 단일 복굴절 매질 층(370)은 약 2㎛만큼 얇을 수 있음), 높은 전환 속도(예를 들면, 300ms 이하의 전환 시간을 가짐)를 갖는다.
추가적으로, 일부 실시예들에서, 가변 초점 블록(660)은 수용된 광을 확대하고, 이미지 광과 연관된 광학 오차들을 정정하고/하거나, NED(600)의 사용자에게 정정된 이미지 광을 제시하도록 구성될 수 있다. 가변 초점 블록(660)은, 애퍼처, 프레넬 렌즈, 볼록 렌즈, 오목 렌즈, 필터, 또는 이미지 광에 영향을 미칠 수 있는 임의의 다른 적합한 광학 요소와 같은, 광학 시리즈로 배열된 하나 이상의 광학 요소를 추가로 포함할 수 있다. 하나 이상의 광학 요소는 또한 RM들의 대응하는 평면 내 정렬 패턴을 갖는 개시된 박막 LC 광학 디바이스들에 의해 실현될 수 있다.
본 개시내용의 실시예들에 대한 전술한 설명은 예시를 위해 제시되었다. 이는 총망라한 것으로 의도되지도 않고 본 개시내용을 개시된 정확한 형태들로 제한하는 것으로 의도되지도 않는다. 관련 기술 분야의 통상의 기술자는 이상의 개시내용을 바탕으로 수정들 및 변형들이 가능하다는 것을 이해할 수 있다.
이 설명의 어떤 부분들은 정보에 대한 동작들의 알고리즘들 및 심벌 표현들과 관련하여 본 개시내용의 실시예들을 설명할 수 있다. 이 동작들은, 기능적으로, 계산적으로, 또는 논리적으로 설명되어 있지만, 컴퓨터 프로그램들 또는 동등한 전기 회로들, 마이크로코드 등에 의해 구현될 수 있다. 게다가, 일반성을 잃지 않고, 이러한 동작들의 배열들을 모듈들로서 지칭하는 것이 또한 때로는 편리한 것으로 입증되었다. 설명된 동작들 및 그들의 연관된 모듈들은 소프트웨어, 펌웨어, 하드웨어, 또는 이들의 임의의 조합들로 구체화될 수 있다.
본 명세서에서 설명되는 단계들, 동작들, 또는 프로세스들 중 임의의 것이 하나 이상의 하드웨어 또는 소프트웨어 모듈로, 단독으로 또는 다른 디바이스들과 조합하여, 수행되거나 구현될 수 있다. 일 실시예에서, 소프트웨어 모듈은 설명된 단계들, 동작들, 또는 프로세스들 중 일부 또는 전부를 수행하기 위해 컴퓨터 프로세서에 의해 실행될 수 있는 컴퓨터 프로그램 코드를 포함하는 컴퓨터 판독 가능 매체를 포함하는 컴퓨터 프로그램 제품으로 구현된다.
본 개시내용의 실시예들은 또한 본 명세서에서의 동작들을 수행하기 위한 장치에 관한 것일 수 있다. 이 장치는 요구된 목적들을 위해 특별히 구성될 수 있고/있거나, 컴퓨터에 저장된 컴퓨터 프로그램에 의해 선택적으로 활성화되거나 재구성되는 범용 컴퓨팅 디바이스를 포함할 수 있다. 그러한 컴퓨터 프로그램은 비일시적, 유형적 컴퓨터 판독 가능 저장 매체, 또는, 컴퓨터 시스템 버스에 결합될 수 있는, 전자 명령어들을 저장하기에 적합한 임의의 유형의 매체들에 저장될 수 있다. 게다가, 본 명세서에서 언급되는 임의의 컴퓨팅 시스템들은 단일 프로세서를 포함할 수 있거나, 증대된 컴퓨팅 능력을 위해 다수의 프로세서 설계들을 이용하는 아키텍처들일 수 있다.
본 개시내용의 실시예들은 또한 본 명세서에서 설명되는 컴퓨팅 프로세스에 의해 생성되는 제품에 관한 것일 수 있다. 그러한 제품은 컴퓨팅 프로세스로부터 결과되는 정보 - 이 정보는 비일시적, 유형적 컴퓨터 판독 가능 저장 매체에 저장됨 - 를 포함할 수 있고, 본 명세서에서 설명되는 컴퓨터 프로그램 제품 또는 다른 데이터 조합의 임의의 실시예를 포함할 수 있다.
게다가, 도면에 예시된 실시예가 단일 요소를 나타낼 때, 해당 실시예가 복수의 그러한 요소들을 포함할 수 있다는 것이 이해된다. 마찬가지로, 도면에 예시된 실시예가 복수의 그러한 요소들을 나타낼 때, 해당 실시예가 단지 하나의 그러한 요소를 포함할 수 있다는 것이 이해된다. 도면에 예시된 요소 수는 단지 예시를 위한 것이며, 실시예의 범위를 제한하는 것으로 해석되어서는 안 된다. 더욱이, 달리 언급되지 않는 한, 도면에 도시된 실시예들은 상호 배타적이지 않으며, 임의의 적합한 방식으로 조합될 수 있다. 예를 들어, 하나의 실시예에 도시되어 있지만 다른 실시예에 도시되지 않은 요소들은 그럼에도 불구하고 다른 실시예에 포함될 수 있다.
예시적인 구현들을 예시하기 위해 다양한 실시예들이 설명되었다. 개시된 실시예들에 기초하여, 본 기술분야의 통상의 기술자는 본 개시내용의 범위를 벗어나지 않으면서 다양한 다른 변경들, 수정들, 재배열들, 및 대체들을 수행할 수 있다. 따라서, 본 개시내용이 위의 실시예들을 참조하여 상세히 설명되었지만, 본 개시내용이 위에서 설명된 실시예들로 제한되지 않는다. 본 개시내용은 본 개시내용의 범위를 벗어나지 않으면서 다른 균등한 형태들로 구체화될 수 있다. 본 개시내용의 범위는 첨부된 청구항들에 규정되어 있다.

Claims (15)

  1. 광학 디바이스로서,
    음의 복굴절 분산 특성(negative birefringence dispersion property)을 갖는 제1 복굴절 재료를 포함하는 제1 층; 및
    양의 복굴절 분산 특성을 갖는 제2 복굴절 재료를 포함하는 제2 층
    을 포함하고,
    상기 제1 층 및 상기 제2 층은 적어도 하나의 미리 결정된 광학 기능을 제공하도록 구조적으로 패터닝되는 것인, 광학 디바이스.
  2. 제1항에 있어서, 상기 음의 복굴절 분산 특성은 광의 파장이 증가함에 따라 상기 제1 복굴절 재료의 제1 복굴절이 증가한다는 것을 나타내고, 상기 양의 복굴절 분산 특성은 상기 광의 상기 파장이 증가함에 따라 상기 제2 복굴절 재료의 제2 복굴절이 감소한다는 것을 나타내며; 상기 제1 층의 제1 두께와 상기 제1 복굴절 사이의 제1 곱과 상기 제2 층의 제2 두께와 상기 제2 복굴절 사이의 제2 곱의 합은, 미리 결정된 파장 범위 내의 상기 광의 파장에 실질적으로 비례하는 것인, 광학 디바이스.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 제1 층 또는 상기 제2 층 중 적어도 하나는 액정 중합체 막(liquid crystal polymer film)을 포함하는 것인, 광학 디바이스.
  4. 제1항, 제2항 또는 제3항에 있어서, 상기 제1 복굴절 재료는 상기 음의 복굴절 분산 특성을 갖는 중합된 반응성 메조겐들("RM(reactive mesogen)들")을 포함하고, 상기 제2 복굴절 재료는 상기 양의 복굴절 분산 특성을 갖는 중합된 RM들을 포함하고; 바람직하게,
    상기 제1 층의 구조화된 패턴은 제1 평면 내 정렬 패턴(in-plane alignment pattern)으로 정렬된 상기 음의 복굴절 분산 특성을 갖는 중합된 RM들을 포함하며,
    상기 제2 층의 구조화된 패턴은 제2 평면 내 정렬 패턴으로 정렬된 상기 양의 복굴절 분산 특성을 갖는 중합된 RM들을 포함하는 것인, 광학 디바이스.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제1 층에 결합된 기판을 더 포함하고; 바람직하게, 상기 기판과 상기 제1 층 사이에 배치되고, 상기 제1 층 또는 상기 제2 층 중 적어도 하나에 대한 구조화된 패턴을 규정하도록 구성된 정렬 구조체를 더 포함하는, 광학 디바이스.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 광학 디바이스는 수동 또는 능동 광학 디바이스를 포함하는 것인, 광학 디바이스.
  7. 광학 디바이스로서,
    기판; 및
    상기 기판에 결합되고 음의 복굴절 분산 특성을 갖는 제1 복굴절 재료와 양의 복굴절 분산 특성을 갖는 제2 복굴절 재료의 조합을 포함하는 복굴절 매질 층(birefringent medium layer)
    을 포함하고,
    상기 복굴절 매질 층은 적어도 하나의 미리 결정된 광학 기능을 제공하도록 구조적으로 패터닝되는 것인, 광학 디바이스.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 음의 복굴절 분산 특성은 광의 파장이 증가함에 따라 상기 제1 복굴절 재료의 제1 복굴절이 증가한다는 것을 나타내고,
    상기 양의 복굴절 분산 특성은 상기 광의 파장이 증가함에 따라 상기 제2 복굴절 재료의 제2 복굴절이 감소한다는 것을 나타내는 것인, 광학 디바이스.
  9. 제7항 또는 제8항에 있어서, 상기 제1 복굴절 재료 및 상기 제2 복굴절 재료의 농도들은 미리 결정된 파장 범위와 관련하여 실질적으로 일정한 상기 복굴절 매질 층의 총 위상 지연(total phase retardation)을 제공하도록 구성되는 것인, 광학 디바이스.
  10. 제7항, 제8항 또는 제9항에 있어서, 상기 복굴절 매질 층은 액정 중합체 막을 포함하는 것인, 광학 디바이스.
  11. 제7항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제1 복굴절 재료는 상기 음의 복굴절 분산 특성을 갖는 중합된 반응성 메조겐들("RM들")을 포함하고, 상기 제2 복굴절 재료는 상기 양의 복굴절 분산 특성을 갖는 중합된 RM들을 포함하며; 바람직하게 상기 복굴절 매질 층의 구조화된 패턴은, 혼합되어 미리 결정된 평면 내 정렬 패턴으로 정렬된, 상기 음의 복굴절 분산 특성을 갖는 상기 중합된 RM들과 상기 양의 복굴절 분산 특성을 갖는 상기 중합된 RM들을 포함하는 것인, 광학 디바이스.
  12. 제7항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 기판과 상기 복굴절 매질 층 사이에 배치되고 상기 복굴절 매질 층의 구조화된 패턴을 적어도 부분적으로 규정하도록 구성된 정렬 구조체를 더 포함하는, 광학 디바이스.
  13. 광학 막으로서,
    음의 복굴절 분산 특성을 갖는 제1 복굴절 재료와 양의 복굴절 분산 특성을 갖는 제2 복굴절 재료의 조합을 포함하는 복굴절 매질 층
    을 포함하고,
    상기 복굴절 매질 층은 적어도 하나의 미리 결정된 광학 기능을 제공하도록 구조적으로 패터닝되는 것인, 광학 막.
  14. 제13항에 있어서, 상기 복굴절 매질 층은 액정 중합체 막을 포함하는 것인, 광학 막.
  15. 제13항 또는 제14항에 있어서, 상기 제1 복굴절 재료는 상기 음의 복굴절 분산 특성을 갖는 중합된 반응성 메조겐들("RM들")을 포함하고, 상기 제2 복굴절 재료는 상기 양의 복굴절 분산 특성을 갖는 중합된 RM들을 포함하며; 바람직하게 상기 복굴절 매질 층의 구조화된 패턴은, 혼합되어 미리 결정된 평면 내 정렬 패턴으로 정렬된, 상기 음의 복굴절 분산 특성을 갖는 상기 중합된 RM들과 상기 양의 복굴절 분산 특성을 갖는 상기 중합된 RM들을 포함하는 것인, 광학 막.
KR1020227030723A 2020-03-05 2021-02-02 양 및 음의 복굴절 분산들을 갖는 복굴절 재료들에 기초한 색지움 광학 디바이스 KR20220145347A (ko)

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