KR20230024571A - 투명 블록을 사용한 곡면 홀로그래픽 광학 소자 및 이의 제조 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 투명 블록을 사용한 곡면 홀로그래픽 광학 소자 및 이의 제조 방법 에 관한 것이다. 구체적으로, 포토폴리머 수지층과 투명 블록을 사용하여 간섭 패턴을 기록하는 곡면 홀로그래픽 광학소자 및 이의 제조 방법에 관한 것이다. 본 발명은 포토폴리머 수지를 포함하는 포토폴리머 수지층; 및 상기 포토폴리머 수지층의 일면에 소정의 곡률을 갖고 형성되어 외부에서 유입되는 평행빔을 투과시키는 투명 블록을 포함하고, 상기 투명 블록의 곡률 반경 중심선과 소정의 각을 형성하여 상기 투명 블록의 일면에 제1 레이저 평행빔이 조사되고 상기 포토폴리머 수지층으로 제2 레이저 평행빔이 조사되어 상기 제1 레이저 평행빔과 상기 제2 레이저 평행빔 간의 간섭현상에 의하여 형성되는 간섭패턴을 기록하는 것을 특징으로 하는 투명 블록을 사용한 곡면 홀로그래픽 광학 소자를 제공한다.

Description

투명 블록을 사용한 곡면 홀로그래픽 광학 소자 및 이의 제조 방법{CURVED HOLOGRAPHIC OPTICAL ELEMENT USING TRANSPARENT BLOCKS AND MANUFACTURING METHOD}

본 발명은 투명 블록을 사용한 곡면 홀로그래픽 광학 소자 및 이의 제조 방법 에 관한 것이다. 구체적으로, 포토폴리머 수지층과 투명 블록을 사용하여 간섭 패턴을 기록하는 곡면 홀로그래픽 광학소자 및 이의 제조 방법에 관한 것이다.

홀로그래피는 빛의 회절과 간섭현상을 이용하여 기록매체에 빛의 진폭 정보 뿐만 아니라 위상 정보까지 기록하고 재생하는 기술이다. 홀로그래픽 디스플레이는 보다 완벽한 입체를 보여 줄 수 있는 궁극의 3D 기술로, 영상의 입체정보를 기록할 수 있는 홀로그램 매질에는 은염 사진 건판, Dichromate, Gelatin, photochromic, photorefractive crystal, 포토폴리머(Photopolymer) 등 여러 종류가 있다.

홀로그래픽 디스플레이 장치는, 투명한 속성의 매질을 이용하여 이미지를 투사한 후 형상화하는 기술로 허공에 이미지를 띄우는 홀로그램이다. 홀로그래픽 디스플레이는 스크린 없이 이미지를 표현할 수 있다. 예를 들어, 투영 증강 모델에서 사용될 수 있다. 투영 증강 모델은 증강 현실 시스템에서 사용되며, 물리적인 입체 모델로 구성되어 컴퓨터 이미지가 현실감 있게 보이는 물체를 만들기 위해 투영된다.

최근 들어 홀로그램 매질 부분에서 많이 연구되고 있는 것은 포토폴리머이다. 포토폴리머는 고감도, 간단한 실시간 처리, 높은 회절효율, 고 분해능, 저렴한 가격 등의 장점 때문에 홀로그램 기록 응용에 손쉽게 사용할 수 있다. 홀로그래픽 디스플레이 기술에 포토폴리머를 기록 매질로 적용하기 위해서는 매질이 갖고 있는 광학적 특성을 분석해야 할 필요가 있다.

이와 관련 종래의 홀로그래픽 광학 소자는 기록 빔이 안경 렌즈에 입사한 후 입사면의 반대면에서 렌즈 내부로 다시 반사되는 빔이 존재하고, 이는 설계한 조건과 다른 조건으로 포토폴리머에 영향을 미치므로 광학 소자의 품질이 저하되는 문제점이 있다.

본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 내부 반사하는 빔이 포토폴리머에 영향을 미치지 않도록 설계되는 곡면 홀로그래픽 광학 소자를 제공하는 것이다.

다만, 본 발명이 해결하고자 하는 과제는 상기 언급한 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 하기의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

본 발명은, 포토폴리머 수지를 포함하는 포토폴리머 수지층; 및 상기 포토폴리머 수지층의 일면에 소정의 곡률을 갖고 형성되어 외부에서 유입되는 평행빔을 투과시키는 투명 블록을 포함하고, 상기 투명 블록의 곡률 반경 중심선과 소정의 각을 형성하여 상기 투명 블록의 일면에 제1 레이저 평행빔이 조사되고 상기 포토폴리머 수지층으로 제2 레이저 평행빔이 조사되어 상기 제1 레이저 평행빔과 상기 제2 레이저 평행빔 간의 간섭현상에 의하여 형성되는 간섭패턴을 기록하는 것을 특징으로 하는 투명 블록을 사용한 곡면 홀로그래픽 광학 소자를 제공한다.

본 발명의 실시 예에 따른 투명 블록은, 상기 제1 레이저 평행빔의 입사면 일부분에 광 흡수층을 더 포함할 수 있다.

실시 예에 따라 상기 투명 블록은, 쿼츠 또는 PMMA(Polymethyl methacrylate)의 재질로 구성될 수 있다.

실시 예에 따라 본 발명은 상기 제2 레이저 평행빔이 상기 투명 블록의 측면에서 출사되도록 상기 투명 블록의 폭과 높이의 비율이 조절될 수 있다.

또한 본 발명은 포토폴리머 수지를 포함하는 포토폴리머 수지층 일면에 소정의 곡률을 갖고 적어도 일부분에 광 흡수층을 포함하는 투명 블록을 구비하는 단계; 상기 투명 블록의 곡률 반경 중심선과 소정의 각을 형성하여 상기 투명 블록의 일면에 제1 레이저 평행빔이 조사되고 상기 포토폴리머 수지층으로 제2 레이저 평행빔이 조사되는 단계; 및 상기 제1 레이저 평행빔과 상기 제2 레이저 평행빔 간의 간섭현상에 의하여 형성되는 간섭패턴을 기록하는 단계를 포함하는 투명 블록을 사용한 곡면 홀로그래픽 광학 소자의 제조방법을 제공한다.

실시 예에 따라 상기 투명블록의 타면은 상기 제1 레이저 평행빔과 수직하도록 형성될 수 있다.

실시 예에 따라, 상기 제2 레이저 평행빔이 상기 투명 블록의 측면에서 출사되도록 상기 투명 블록의 폭과 높이의 비율이 조절될 수 있다.

실시 예에 따라, 상기 제2 레이저 평행빔이 상기 투명 블록의 측면에서 출사되도록 상기 투명 블록의 폭과 높이의 비율이 조절될 수 있다.

본 발명의 일 구현예에 따른 투명 블록은 곡면으로 이루어진 기구에서 증강현실 구현이 가능하며 반사에 의한 회절효율 감소 및 영상 품질 저하를 방지하는 효과가 있다.

또한 본 발명은, 쉴드 렌즈의 뒷면 반사 후 프토폴리머에 입사하는 빔의 각이 달라지는 문제를 해결하여 원치 않은 간섭패턴이 발생하는 것을 최소화하여 영상 품질 및 HOE 효율의 저하를 방지할 수 있다.

도 1은 종래의 평면 기록과 곡면 기록의 특정 및 문제점을 나타낸다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 곡면 홀로그래픽 광학 소자를 나타낸다.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 곡면 홀로그래픽 광학 소자의 제조방법을 나타낸다.
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 투명 블록의 배치 과정(A) 및 조절과정(B)을 나타낸다.

본 명세서에서 사용되는 용어에 대해 간략히 설명하고, 본 발명에 대해 구체적으로 설명하기로 한다.

본 발명에서 사용되는 용어는 본 발명에서의 기능을 고려하면서 가능한 현재 널리 사용되는 일반적인 용어들을 선택하였으나, 이는 당 분야에 종사하는 기술자의 의도 또는 판례, 새로운 기술의 출현 등에 따라 달라질 수 있다. 또한, 특정한 경우는 출원인이 임의로 선정한 용어도 있으며, 이 경우 해당되는 발명의 설명 부분에서 상세히 그 의미를 기재할 것이다. 따라서 본 발명에서 사용되는 용어는 단순한 용어의 명칭이 아닌, 그 용어가 가지는 의미와 본 발명의 전반에 걸친 내용을 토대로 정의되어야 한다.

명세서 전체에서 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있음을 의미한다. 또한, 명세서에 기재된 "...부", "모듈" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어 또는 소프트웨어로 구현되거나 하드웨어와 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다. 또한, 명세서 전체에서 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, "그 중간에 다른 구성을 사이에 두고" 연결되어 있는 경우도 포함한다.

본 명세서의 HOE는 HOLOGRAPHIC OPTICAL ELEMENT의 약자로 '홀로그래픽 광학 소자'와 동의어로 사용될 수 있다.

아래에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시 예를 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시 예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.

도 1은 종래의 평면 기록(A)과 곡면 기록(B)의 특정 및 문제점을 나타낸다.

도 1을 참조하면, (B)와 같이 곡면 기록 시 쉴드 렌즈 뒷면 반사에 의해 위치에 따라 뒷면 반사 후 포토폴리머에 입사하는 빔의 입사작이 달라질 수 있다. 즉, 반사되어 HOE로 들어오는 빔은 unwanted grating으로 기록되어 HOE의 효율과 영상 품질을 저하시킬 수 있다.

홀로그래픽 광학 소자를 생산하기 위해, 기록 소자가 지지 소자 상에 적층될 수 있다. 이 후, 상기 기록 소자는 원하는 패턴을 가지는 홀로그래픽 광학 소자를 생성하기 위해 소정의 노출 시간 동안 최소한 하나의 기록 빔에 의해 조사될 수 있다. 일반적으로, 높은 품질을 가지는 홀로그래픽 광학 소자를 생성하는 것이 바람직하다. 특히, 균일한 회절 효율을 가지는 홀로그래픽 광학 소자를 제조하는 것이 목표이다.

도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 곡면 홀로그래픽 광학 소자를 나타낸다.

도 2를 참조하면, 본 발명은 포토폴리머 수지층과 투명 블록을 포함하고 투명 블록의 곡률 반경 중심선과 평행빔이 소정의 각을 형성하여 평행빔 간의 간섭현상에 의하여 형성되는 간섭패턴을 기록하도록 설계될 수 있다. 이를 통해 도 1에서 나타난 문제점을 해결하는데, 특히 투명 블록을 사용하여 입사하는 빔의 뒷면 반사에 의한 unwanted grating의 형성을 방지할 수 있다.

본 발명에 따르면, 포토폴리머 수지층은 포토폴리머 수지를 포함하며, 투명 블록은 상기 포토폴리머 수지층의 일면에 소정의 곡률을 갖고 형성되어 외부에서 유입되는 평행빔을 투과시킬 수 있도록 구성될 수 있다.

포토폴리머는 임의의 물리적 상태(액체, 고체, 페이스트 등)일 수 있으며, 표준 조건 하에서 그러한 고체 및 그러한 액체를 포함할 수 있다. 포토폴리머는 일반적으로, 예를 들어 에틸렌계 불포화 광중합성 부분 및 방사 파장에 감응성인 적어도 하나의 성분을 갖는 중합 광개시계를 나타내는 하나 이상의 모노머 또는 올리고머를 포함한다. 이들은 가시 광선에 대한 스펙트럼 감도의 범위를 증가시킬 수 있게 하는 광개시제 및 감광제의 조합물을 포함할 수 있다.

실시 예에 따라, 투명 블록의 곡률 반경 중심선과 소정의 각을 형성하여 상기 투명 블록의 일면에 제1 레이저 평행빔이 조사되고 상기 포토폴리머 수지층으로 제2 레이저 평행빔이 조사될 수 있다.

이 때, 제1 레이저 평행빔과 상기 제2 레이저 평행빔 간의 간섭현상에 의하여 형성되는 간섭패턴을 기록하는 것을 특징으로 한다.

투명 블록은, 제1 레이저 평행빔의 입사면 일부분에 광 흡수층을 더 포함할 수 있으며, 복굴절이 적은 매질인 쿼츠 또는 PMMA(Polymethyl methacrylate)의 재질로 구성될 수 있다.

실시 예에 따라 투명 블록을 사용하지 않는 경우 회절효율은 70%인데 반하여, 투명 블록을 사용하여 기록한 HOE 회절효율은 90% 이상이 된다. 또한 제2 레이저 평행빔이 상기 투명 블록의 측면에서 출사되도록 상기 투명 블록의 폭과 높이의 비율이 조절될 수 있으며 회절효율 또한 조절될 수 있다.

도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 곡면 홀로그래픽 광학 소자의 제조방법을 나타낸다.

도 3을 참조하면, 본 발명은 투명 블록을 구비하는 단계와 평행빔을 조사하는 단계를 포함하고, 마지막으로 간섭패턴을 기록하는 단계를 포함할 수 있다.

실시 예에 따라 투명 블록을 구비하는 단계는, 포토폴리머 수지를 포함하는 포토폴리머 수지층 일면에 소정의 곡률을 갖고 적어도 일부분에 광 흡수층을 포함하여 구성될 수 있다. 평행빔이 조사되는 단계는 투명 블록의 곡률 반경 중심선과 소정의 각을 형성하여 상기 투명 블록의 일면에 제1 레이저 평행빔이 조사되고 상기 포토폴리머 수지층으로 제2 레이저 평행빔을 조사할 수 있다. 투명블록의 타면은 상기 제1 레이저 평행빔과 수직하도록 형성될 수 있다.

홀로그래피의 원리는 기 준광이라 불리는 빔과 물체광이라 불리는 두 개의 빔을 광에 반응하는 물질 (Photoactive material)에 입사 시 키고 이때 두 빔이 중첩함으로써 발생하는 간섭 패턴을 기록하는 것이다. 기록된 물질에 기준광을 조사하게 되 면 물체광이 그대로 재생되어 나오게 된다.

본 발명의 홀로그램 간섭패턴을 기록하는 방법은, 회절 홀로그램 광학 소자의 회절 격자를 구현하는 간섭패턴 기록 시 제1 레이저 평행빔과 제2 레이저 평행빔 두 빛의 간섭 무늬의 패턴이 건판상에 기록하는 과정을 포함한다.

즉, 각 평행빔하며, 되는 단계를 포함하며, 상기 회절 홀로그램 광학 소자는, 패턴 기록을 위한 참조광과, 물체광을 입사시킬 수 있는 건판을 포함할 수 있고, 간섭패턴은 참조광과 물체광의 간섭 무늬에 따른 패턴 격자를 포함할 수도 있다.

도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 투명 블록의 배치 과정(A) 및 조절과정(B)을 나타낸다.

도 4를 참조하면, 마지막으로 제1 레이저 평행빔과 상기 제2 레이저 평행빔 간의 간섭현상에 의하여 형성되는 간섭패턴을 기록할 수 있다. 실시 예에 따라 제2 레이저 평행빔이 상기 투명 블록의 측면에서 출사되도록 상기 투명 블록의 폭과 높이의 비율이 조절될 수 있다.

실시 예에 따라 투명 블록을 사용하지 않는 경우 회절효율은 70%인데 반하여, 투명 블록을 사용하여 기록한 HOE 회절효율은 90% 이상이 된다. 또한 제2 레이저 평행빔이 상기 투명 블록의 측면에서 출사되도록 상기 투명 블록의 폭과 높이의 비율이 조절될 수 있으며 회절효율 또한 조절될 수 있다.

실시 예에 따른 간섭패턴은 마스터에 의한 제작뿐만 아니라 컴퓨터 프로그램을 이용하여 제작될 수 있다 (CGH: computer generated hologram). CGH란 두 빔이 만나서 만드는 간섭 패턴을 수학적으로 계산하여 간섭패턴을 만드는 것이 다. 계산된 간섭패턴을 마스크로 제작하거나 LCD 패널에 띄워 기준광을 비추게 되면 실제 두 빔을 중첩시켜 만든 홀로그램과 마찬가지로 물체광이 재생될 수 있다.

포토폴리머가 부착되는 투명 블록의 기록면은 타겟 안경이나 고글과 같은 곡률로 제작될 수 있으며, 입사빔이 반대면에서 내부 반사하는 영역에 반사 방지 필름을 부착하여 반사를 방지할 수도 있다.

본 발명의 실시 예에 따라 곡면에서 작동하는 홀로그래픽 광학소자를 제작할 수 있으며, 기록용 소재에서 내부 반사하는 빔에 의한 설계되지 않은 간섭을 방지하도록 제작될 수 있으며, 이를 통해 기록 영역의 균일도도 개선시킬 수 있다.

이상에서 본 발명은 비록 한정된 실시예에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.

Claims (7)

1. 포토폴리머 수지를 포함하는 포토폴리머 수지층; 및
   상기 포토폴리머 수지층의 일면에 소정의 곡률을 갖고 형성되어 외부에서 유입되는 평행빔을 투과시키는 투명 블록을 포함하고,
   상기 투명 블록의 곡률 반경 중심선과 소정의 각을 형성하여 상기 투명 블록의 일면에 제1 레이저 평행빔이 조사되고 상기 포토폴리머 수지층으로 제2 레이저 평행빔이 조사되어 상기 제1 레이저 평행빔과 상기 제2 레이저 평행빔 간의 간섭현상에 의하여 형성되는 간섭패턴을 기록하는 것을 특징으로 하는 투명 블록을 사용한 곡면 홀로그래픽 광학 소자.
   
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 투명 블록은,
   상기 제1 레이저 평행빔의 입사면 일부분에 광 흡수층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 투명 블록을 사용한 곡면 홀로그래픽 광학 소자.
   
3. 제 1 항에 있어서,
   상기 투명 블록은,
   쿼츠 또는 PMMA(Polymethyl methacrylate)를 포함하는 비복굴절성의 재질로 구성되는 것을 특징으로 하는 투명 블록을 사용한 곡면 홀로그래픽 광학 소자.
   
4. 제 1 항에 있어서,
   상기 제2 레이저 평행빔이 상기 투명 블록의 측면에서 출사되도록 상기 투명 블록의 폭과 높이의 비율이 조절되는 것을 특징으로 하는 투명 블록을 사용한 곡면 홀로그래픽 광학 소자.
   
5. 포토폴리머 수지를 포함하는 포토폴리머 수지층 일면에 소정의 곡률을 갖고 적어도 일부분에 광 흡수층을 포함하는 투명 블록을 구비하는 단계;
   상기 투명 블록의 곡률 반경 중심선과 소정의 각을 형성하여 상기 투명 블록의 일면에 제1 레이저 평행빔이 조사되고 상기 포토폴리머 수지층으로 제2 레이저 평행빔이 조사되는 단계; 및
   상기 제1 레이저 평행빔과 상기 제2 레이저 평행빔 간의 간섭현상에 의하여 형성되는 간섭패턴을 기록하는 단계를 포함하는 투명 블록을 사용한 곡면 홀로그래픽 광학 소자의 제조방법.
   
6. 제 5 항에 있어서,
   상기 투명블록의 타면은 상기 제1 레이저 평행빔과 수직하도록 형성되는 것을 특징으로 하는 투명 블록을 사용한 곡면 홀로그래픽 광학 소자의 제조방법.
   
7. 제 5 항에 있어서,
   상기 제2 레이저 평행빔이 상기 투명 블록의 측면에서 출사되도록 상기 투명 블록의 폭과 높이의 비율을 조절되는 과정을 더 포함하는 투명 블록을 사용한 곡면 홀로그래픽 광학 소자의 제조방법.
   

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