KR20230029278A - 홀로그래픽 광학 소자 및 이의 제조 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 홀로그래픽 광학 소자 및 이의 제조 방법에 관한 것이다. 구체적으로, 좁은 각도 작동 범위로 인해 영상의 시야각 확보의 어려움을 개선한 과변조(overmodulation) 효과를 적용한 홀로그래픽 광학 소자 및 이의 제조 방법에 관한 것이다. 본 발명은 포토폴리머 수지를 포함하는 포토폴리머 수지층을 포함하고, 상기 포토폴리머 수지층의 일면에 조사되며 상기 포토폴리머 수지층의 법선과 각각 소정의 각도를 이루도록 각각 조사되는 제1 레이저 평행빔 및 제2 레이저 평행빔 간의 간섭현상에 의하여 형성된 간섭패턴이 기록되는 것을 특징으로 하는 홀로그래픽 광학 소자를 제공한다.

Description

홀로그래픽 광학 소자 및 이의 제조 방법{HOLOGRAPHIC OPTICAL ELEMENT AND MANUFACTURING METHOD THEREOF}

본 발명은 홀로그래픽 광학 소자 및 이의 제조 방법에 관한 것이다. 구체적으로, 좁은 각도 작동 범위로 인해 영상의 시야각 확보의 어려움을 개선한 과변조(overmodulation) 효과를 적용한 홀로그래픽 광학 소자 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 기술은 포토폴리머에 레이저 간섭 무늬를 기록하여 제작하는 HOE(Holographic Optical Element)는 회절도광판용 coupling 소자로 사용될 수 있으나, 좁은 각도 작동 범위로 인해 시야각 확보에 어려움이 있다.

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 증강이미지의 아이박스 및 시야각을 확보하기 위해 HOE의 각도 작동 범위를 증가시키는 장치 및 장치의 제조 방법을 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 발명의 일 측면에 따르면, 포토폴리머 수지를 포함하는 포토폴리머 수지층을 포함하고, 상기 포토폴리머 수지층의 일면에 조사되며 상기 포토폴리머 수지층의 법선과 각각 소정의 각도를 이루도록 각각 조사되는 제1 레이저 평행빔 및 제2 레이저 평행빔 간의 간섭현상에 의하여 형성된 간섭패턴이 기록되는 것을 특징으로 하는 홀로그래픽 광학 소자를 제공한다.

또한 본 발명은, 포토폴리머 수지를 포함하는 포토폴리머 수지층을 구비하는 단계; 및 상기 포토폴리머 수지층의 일면에 조사되며 상기 포토폴리머 수지층의 법선과 각각 소정의 각도를 이루도록 각각 조사되는 제1 레이저 평행빔 및 제2 레이저 평행빔 간의 간섭현상에 의하여 형성된 간섭패턴을 기록하는 단계를 포함하는 홀로그래픽 광학 소자의 제조 방법을 제공한다.

실시 예에 따라 상기 간섭패턴을 기록하는 단계는, 하기 수학식 1을 만족시키는 굴절률 변조(△n)를 갖도록 상기 제1 레이저 평행빔과 상기 제2 레이저 평행빔을 조사할 수 있다.

[수학식1]

(여기서, η는 광회절 효율이며, d는 포토폴리머 수지층의 두께이고, λ는 상기 제1 레이저 평행빔과 상기 제2 레이저 평행빔의 파장이며, θ은 상기 제1 레이저 평행빔과 상기 제2 레이저 평행빔 각각이 상기 포토폴리머 수지층 일면의 법선과 이루는 각이며, n은 상기 포토폴리머 수지층의 평균 굴절률이고, Λ은 상기 격자패턴의 주기이며, ф는 상기 격자패턴의 기움각을 나타낸다)

실시 예에 따라, 상기 간섭패턴을 기록하는 단계는, 상기 수학식 1을 만족시키는 굴절률 변조(△n)의 과변조(overmodulation)에 따른 광회절 효율 변화를 통해 회절 각도의 선택범위가 조절될 수 있다.

실시 예에 따라 상기 굴절률 변조(△n)의 과변조(overmodulation)는, 상기 제1 레이저 평행빔 및 제2 레이저 평행빔의 조사되는 노광량 조절을 통해 이루어질 수 있다.

본 발명의 일 구현 예에 따른 홀로그래픽 광학 소자는 단순 노광량 조절을 통해 과변조(overmodulation) 효과를 이용하여 HOE의 각도 및 파장 범위를 증가시킬 수 있는 효과가 있다.

본 발명의 효과는 상술한 효과로 한정되는 것은 아니며, 언급되지 아니한 효과들은 본원 명세서 및 첨부된 도면으로부터 당업자에게 명확히 이해될 수 있을 것이다.

도 1은 Folding HOE의 좁은 각도 작동 범위를 나타내며, 증강이미지의 시야각이 제한되는 문제점을 나타낸다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 굴절률 변조에 따른 투과형 HOE grating의 효율을 나타낸다.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 홀로그래픽 광학 소자의 제조 방법을 나타낸다.
도 4는 Folding HOE의 굴절률 변조의 증가에 따른 효율 그래프를 나타낸다.
도 5는 본 발명의 실시 예에 따라 기록조건 효율 60%에서 과변조(overmodulation) 횟수에 따른 효율 그래프를 나타낸다.
도 6은 본 발명의 실시 예에 따라 과변조(overmodulation) 횟수 별 (a)폴딩 효율 (b)증강이미지의 실험 결과를 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.

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 Folding HOE의 좁은 각도 작동 범위를 나타내며, 증강이미지의 시야각이 제한되는 문제점을 나타낸다.

도 1을 참조하면 회절 도광판의 구조를 나타내며, in-coupling HOE에 입사되는 빛의 도파 방향을 나타내며, folding HOE를 통해 Out-coupling HOE로 출사되는 모습을 보여준다.

이 경우, Folding HOE의 좁은 각도 작동 범위 때문에 증강이미지의 시야각이 제한되는 문제가 있으며, 과변조(overmodulation) 정도를 조절하여 각도 작동 범위를 증가시킬 수 있다.

도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 굴절률 변조에 따른 투과형 HOE grating의 효율을 나타낸다.

도 2를 참조하면,굴절률 변조를 통해 투과형 HOE 효율이 사인 함수 형태로 나타남을 보여준다.

굴절률 변조(△n)의 과변조(overmodulation)는, 상기 제1 레이저 평행빔 및 제2 레이저 평행빔의 조사되는 노광량 조절을 통해 이루어지며, 투과형 HOE grating의 경우 효율이 사인함수 개형을 따르기 때문에, 효율이 굴절률 변조(△n)가 높아질수록 saturation 되는 것이 아니라 증가했다가 감소하는 것을 반복함을 보여준다.

도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 홀로그래픽 광학 소자의 제조 방법을 나타낸다.

본 발명의 제조 방법은 포토폴리머 수지를 포함하는 포토폴리머 수지층을 구비하는 단계; 및 상기 포토폴리머 수지층의 일면에 조사되며 상기 포토폴리머 수지층의 법선과 각각 소정의 각도를 이루도록 각각 조사되는 제1 레이저 평행빔 및 제2 레이저 평행빔 간의 간섭현상에 의하여 형성된 간섭패턴을 기록하는 단계를 포함 한다.

상기 간섭패턴을 기록하는 단계는, 하기 수학식 1을 만족시키는 굴절률 변조(△n)를 갖도록 상기 제1 레이저 평행빔과 상기 제2 레이저 평행빔을 조사하는 것을 특징으로 한다.

[수학식1]

(여기서, η는 광회절 효율이며, d는 포토폴리머 수지층의 두께이고, λ는 상기 제1 레이저 평행빔과 상기 제2 레이저 평행빔의 파장이며, θ은 상기 제1 레이저 평행빔과 상기 제2 레이저 평행빔 각각이 상기 포토폴리머 수지층 일면의 법선과 이루는 각이며, n은 상기 포토폴리머 수지층의 평균 굴절률이고, Λ은 상기 격자패턴의 주기이며, ф는 상기 격자패턴의 기움각을 나타낸다)

상기 간섭패턴을 기록하는 단계는, 상기 수학식 1을 만족시키는 굴절률 변조(△n)의 과변조(overmodulation)에 따른 광회절 효율 변화를 통해 회절 각도의 선택범위가 조절될 수 있다.

본 발명의 광학 소자는 포토폴리머 수지를 포함하는 포토폴리머 수지층을 포함하고, 상기 포토폴리머 수지층의 일면에 조사되며 상기 포토폴리머 수지층의 법선과 각각 소정의 각도를 이루도록 각각 조사되는 제1 레이저 평행빔 및 제2 레이저 평행빔 간의 간섭현상에 의하여 형성된 간섭패턴이 기록될 수 있다.

도 3을 참조하면, HOE의 제작 조건은 기록 파장 및 기록 각도를 조절하며, Fold grating 기록 과정을 보여준다.

실시 예에 따라 기록파장은 532nm, 기록 각도는 ±68°, 피치(pitch)는 287nm, Slanted angle 0도, 사용 포토폴리머는 15um, 굴절률 변조(△n)~0.03 필름이 사용될 수 있다. 또한 기록 dosage는 과변조(overmodulation) 횟수에 따라 기록될 수 있다.

과변조(overmodulation) 0회 : 기록파워 0.8Mw, 기록시간 10s, dosage 8mJ

과변조(overmodulation) 1회 : 기록파워 0.8Mw, 기록시간 35s, dosage 28mJ

도 4는 Folding HOE의 굴절률 변조의 증가에 따른 효율 그래프를 나타낸다.

도 4를 참조하면, 도 4(a)는 기록조건 효율의 경우 공기 중에서 θ=68°, φ=0°로 회절이 일어나며, △n=0.015까지 효율이 높아지다 그 이상으로 증가할 경우 효율이 다시 작아지는 것을 확인할 수 있다.

효율 최대값 도달 이후는 modulation이 추가로 일어났다고 해서 과변조(overmodulation) 되었다고 한다. 과변조(overmodulation)가 되면 main peak(θ=68°)은 감소하다 다시 증가함을 반복하고, 옆의 side peak이 점점 증가하는 경향을 보인다.

도 4(b)는 folding 조건 효율의 경우 n=1.5 매질에서 θ=61°, φ=45°으로 빛이 입사되면 θ=61°, φ=-45°로 회절이 일어난다. 기록 상황보다 △n에 따른 그래프의 개형이 복잡하며, △n이 커질수록 각도 선택성 범위가 넓어지는 경향을 보인다.

도 5는 본 발명의 실시 예에 따라 기록조건 효율 60%에서 과변조(overmodulation) 횟수에 따른 효율 그래프를 나타낸다.

도 5를 참조하면, 효율이 X%일 때 n번째로 x%를 가지는 과변조(overmodulation) n-1회로 볼 수 있다. 예를 들어, 세번째로 60%에 도달하는 경우는 과변조(overmodulation) 2회에 해당된다. 그림은 기록조건 효율이 60% 일 때 과변조(overmodulation) 횟수별 기록조건/folding조건에서의 그래프이다. 여기서 검정, 빨강, 파랑, 초록 그래프는 각각 횟수를 의미한다.

도 5(a)는 기록조건의 경우 △n이 높아질수록 main peak(θ=68°)의 효율은 60%로 유사하지만 각도 작동 범위가 증가하고, side peak의 효율이 증가하는 것을 확인할 수 있다.

도 5(b)는 folding 조건의 경우 △n이 높아질수록 main peak(θ=61°)에서의 효율이 증가/감소를 반복하면서 전체적으로 각도 작동 범위가 증가하는 경향을 보임을 확인할 수 있다.

도 6은 본 발명의 실시 예에 따라 과변조(overmodulation) 횟수 별 (a)폴딩 효율 (b)증강이미지의 실험 결과를 나타낸다.

도 6을 참조하면, 과변조(overmodulation) 횟수별 실제 실험 결과를 알 수 있다.

도 6(a)의 경우 기록조건 효율이 60%로 동일한 경우, 과변조(overmodulation) 0회, 1회 샘플의 folding 효율 측정 결과를 알 수 있다.

즉 과변조(overmodulation)가 일어난 경우가 일어나지 않은 경우에 비해 중심 효율이 증가하고, 각도 선택성이 증가한 것을 확인할 수 있다.

도 6(b)의 경우 각 샘플을 이용하여 2D expansion 도광판을 제작한 뒤 증강 이미지를 촬영한 것으로 과변조(overmodulation) 0회의 경우보다 1회의 경우에서 시야각이 확장된 것을 확인할 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 수지층을 구비하는 단계; 및
   상기 포토폴리머 수지층의 일면에 조사되며 상기 포토폴리머 수지층의 법선과 각각 소정의 각도를 이루도록 각각 조사되는 제1 레이저 평행빔 및 제2 레이저 평행빔 간의 간섭현상에 의하여 형성된 간섭패턴을 기록하는 단계를 포함하는 홀로그래픽 광학 소자의 제조 방법.
   
2. 1 항에 있어서,
   상기 간섭패턴을 기록하는 단계는,
   하기 수학식 1을 만족시키는 굴절률 변조(△n)를 갖도록 상기 제1 레이저 평행빔과 상기 제2 레이저 평행빔을 조사하는 것을 특징으로 하는 홀로그래픽 광학 소자의 제조 방법.
   [수학식1]
   

   

   
   (여기서, η는 광회절 효율이며, d는 포토폴리머 수지층의 두께이고, λ는 상기 제1 레이저 평행빔과 상기 제2 레이저 평행빔의 파장이며, θ은 상기 제1 레이저 평행빔과 상기 제2 레이저 평행빔 각각이 상기 포토폴리머 수지층 일면의 법선과 이루는 각이며, n은 상기 포토폴리머 수지층의 평균 굴절률이고, Λ은 상기 격자패턴의 주기이며, ф는 상기 격자패턴의 기움각을 나타낸다)
   
3. 제 2 항에 있어서,
   상기 간섭패턴을 기록하는 단계는,
   상기 수학식 1을 만족시키는 굴절률 변조(△n)의 과변조(overmodulation)에 따른 광회절 효율 변화를 통해 회절 각도의 선택범위가 조절되는 것을 특징으로 하는 홀로그래픽 광학 소자의 제조 방법.
   
4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 굴절률 변조(△n)의 과변조(overmodulation)는,
   상기 제1 레이저 평행빔 및 제2 레이저 평행빔의 조사되는 노광량 조절을 통해 이루어지는 것을 특징으로 하는 홀로그래픽 광학 소자의 제조 방법.
   
5. 청구항 2 내지 청구항 4 중 어느 한 항의 제조 방법으로 제조된 홀로그래픽 광학소자.
   
6. 포토폴리머 수지를 포함하는 포토폴리머 수지층을 포함하고,
   상기 포토폴리머 수지층의 일면에 조사되며 상기 포토폴리머 수지층의 법선과 각각 소정의 각도를 이루도록 각각 조사되는 제1 레이저 평행빔 및 제2 레이저 평행빔 간의 간섭현상에 의하여 형성된 간섭패턴이 기록되는 것을 특징으로 하는 홀로그래픽 광학 소자.
   
7. 제 6 항에 있어서,
   굴절률 변조(△n)의 과변조(overmodulation)에 따른 광회절 효율 변화를 통해 회절 각도의 선택범위가 조절되는 것을 특징으로 하는 홀로그래픽 광학 소자.

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