WO2020204590A1 - 회절 도광판 및 이를 포함하는 디스플레이 장치 - Google Patents

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WO2020204590A1
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박성민
박정호
한상철
신부건
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주식회사 엘지화학
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Definitions

  • the present invention relates to a display device comprising a diffractive light guide plate and a diffractive light guide plate.
  • a display unit implementing augmented reality, mixed reality, or virtual reality includes a diffractive light guide plate using a diffraction phenomenon based on the wave nature of light.
  • FIG. 1 is a diagram schematically showing a diffractive light guide plate according to the prior art.
  • the diffractive light guide plate 10 includes an optical guide unit 11 and a plurality of diffractive optical elements 12, 13, and 14 provided on one or the other side of the optical guide unit 11 and having a plurality of linear grating patterns. can do.
  • the diffractive light guide plate 10 includes an input diffraction optical element 12 and an optical guide unit 11 for guiding the light output through the micro light source output element P to be input and guided onto the light guide unit 11. It is optically coupled to the input diffractive optical element 12 through diffraction, and the light received from the input diffractive optical element 12 can be diffracted in one dimension in the first direction (the x-axis direction in FIG. 1).
  • An output diffraction optical element 14 may be provided that is output from the optical guide 11 and directed toward the user's pupil with one-dimensional expansion in the y-axis direction in FIG. 1).
  • the main optical path for reaching the user's pupil of the light output through the micro light source output device (P) is the input diffraction optical device (12)-the intermediate diffraction optical device (13)-the output diffraction optical device (14)-the user's Since pupils are in order, the size of the optical image output from the optical guide unit 11 through the output diffractive optical element 14 depends on the area occupied by the output diffractive optical element 14.
  • the single input diffractive optical element 12, the single intermediate diffractive optical element 13, and the single output diffractive optical element 14 are disposed separately from each other on the optical guide unit 11 .
  • the area occupied by the output diffractive optical element 14 on the optical guide unit 11 may be limited to an area excluding the area occupied by the input diffractive optical element 12 and the intermediate diffractive optical element 13 on the optical guide unit 11. Inevitably, there was a limit to outputting a larger optical image.
  • a diffractive light guide plate having a structure as shown in FIG. 2 may be considered.
  • FIG. 2 shows a diffractive light guide plate including an optical guide portion 21, an input diffractive optical element 22, and two diffractive optical elements 23 and 24 having different linear grating patterns and coming into contact with each other.
  • FIG. 3A is a plan view schematically illustrating an example of an optical path proceeding through the diffractive light guide plate shown in FIG. 2, and FIG. 3B is a schematic view illustrating another example of an optical path proceeding through the diffractive light guide plate illustrated in FIG. 2. It is a floor plan.
  • the light guide part 21 guides light from the inside using total internal reflection.
  • the input diffraction optical element 22 may diffract the input light (L1, L1a, L1b) so that the light (L1, L1a, L1b) output from the light source is input and guided on the optical guide unit 21.
  • the two diffractive optical elements 23 and 24 may be configured to receive the diffracted light L2a and L2b, and the received light may be expanded one-dimensionally by diffraction.
  • the diffracted light (L2a, L2b) received from the input diffraction optical element 22 is diffracted while passing through the other diffractive optical elements 23 and 24, so that the optical path is changed, and the rest can be totally reflected by the existing optical path.
  • the light initially received from the input diffraction optical element 22 can be divided into a plurality of beams L3a and L3b while such diffraction is performed a plurality of times at a point spaced apart in a specific direction, in the end, one-dimensional expansion is achieved. I can.
  • Each of the two diffractive optical elements 23 and 24 receives the extended light (L3b, L3a) from the other diffractive optical elements 24 and 23, and the received light (L3b, L3a) is diffracted through the optical guide unit 21 ) Can be configured to be output from.
  • each of the two diffractive optical elements 23 and 24 can also receive extended light (L3b, L3a) from the other diffractive optical elements 24 and 23, and the received light can be expanded one-dimensionally by diffraction. .
  • a plurality of beams (L3b, L3a) formed by light expanded by the other diffractive optical elements (24, 23) are spaced apart from the light-receiving side (C) of each of the two diffractive optical elements (23, 24).
  • the direction in which there is a single beam (L3b, L3a) and the direction in which the plurality of beams (L4b, L4a) extended by the two diffractive optical elements (23, 24) are separated from each other cross each other. Two-dimensional expansion is performed based on the light L1a and L1b received by the optical device 120.
  • Each of the two diffractive optical elements (23, 24) receives the light (L3b, L3a) extended from the other diffractive optical elements (24, 23) and the light receiving side (C) is different from the diffractive optical elements (24, 23). It may be configured to be in contact with the side (C).
  • the light output from the light source is output from the optical guide unit 110 through the input diffractive optical element 22-two diffractive optical elements 23 and 24-other diffractive optical elements 24 and 23.
  • the light output from 110 may be combined with the light output by each of the other diffractive optical elements 24 and 23 to form one image light.
  • FIGS. 3A and/or 3B are cross-sectional views taken along line III-III' of the diffractive light guide plate shown in FIGS. 3A and/or 3B.
  • the light diffracted through each of the two diffractive optical elements 23 and 24 and output from the optical guide unit 21 may be output at a predetermined emission angle ( ⁇ , ⁇ ') with respect to one surface of the optical guide unit 21.
  • ⁇ , ⁇ ' a predetermined emission angle
  • the light L4a diffracted by the diffraction optical element 23 located on the upper side and outputted is tilted downward with a predetermined emission angle ⁇ with respect to one surface of the light guide unit 21 and is output.
  • the light L4b diffracted by the diffractive optical element 24 located at the lower side and outputted may be output by tilting upward with a predetermined emission angle ⁇ 'with respect to one surface of the optical guide unit 21.
  • the light diffracted by the diffractive optical element 23 located on the upper side and output by the light (L4a) and the diffractive optical element 24 located at the lower side to output the diffracted light The light (L4b) to form a crossing region (I) crossing each other. If the distance separated from one surface of the optical guide part 21 is as much as the eye relief where the user's pupil is located, the user's pupil must be located in the intersection area (I) so that the user can see a dark portion of the entire area. Without it, normal image light can be recognized.
  • the light (L4b) diffracted and output by the diffractive optical element 24 located on the lower side cannot be visually recognized by the user.
  • the image light visually recognized by may appear dark in the lower part based on the III-III' line.
  • the light (L4a) diffracted and output by the diffractive optical element 23 located on the upper side cannot be visually recognized by the user.
  • the image light visually recognized by the III-III' line may appear dark in the upper part.
  • a structure of a diffractive light guide plate capable of vertically forming an intersecting region I related to an eye motion box, which is an area in which normal image light can be visually recognized.
  • An object of the present invention is to provide a diffractive light guide plate capable of forming a large viewing angle and an eye motion box, and a display device including the diffractive light guide plate.
  • An embodiment according to an aspect of the present invention includes a light guide unit for guiding light; A first diffraction optical element having a linear grating repeatedly formed at a predetermined pitch so that light output from a light source is input and guided on the light guide unit to diffract the input light; And a virtual first linear pattern disposed on one surface of the optical guide part and in a region distinct from a region in which the first diffraction optical element is disposed, and repeatedly arranged at a predetermined pitch along a first direction and the first direction.
  • a second diffraction optical element having a two-dimensional pattern provided in an area where virtual second linear patterns repeatedly arranged at a predetermined pitch along another second direction intersect each other, and the horizontal cross-section of the two-dimensional pattern is
  • a diffractive light guide plate having an elliptical shape, wherein the elliptical long axis has a direction perpendicular to the extension direction of the linear grating provided in the first diffraction optical element and an angle formed by less than 20°.
  • the two-dimensional pattern may be formed to protrude from one surface of the light guide part.
  • the protrusion height of the 2D pattern may be 0.084 to 0.113 times the wavelength of light output from the light source.
  • the long axis of the ellipse shape may be 0.50 to 0.921 times the pitch of the linear grid and the linear pattern.
  • the short axis of the ellipse shape may be 0.084 to 0.113 times the pitch of the linear grid and the linear pattern.
  • the linear grating and the linear pattern have a size inversely proportional to each pitch and a grating vector defined in a direction perpendicular to a direction in which the linear grating and the linear pattern extend, and the first diffraction optical element
  • the sum of the lattice vectors of each of the linear grating, the first linear pattern and the second linear pattern of the second diffraction optical element may have a magnitude of zero.
  • the grating vectors of the linear grating of the first diffraction optical device, the first linear pattern of the second diffraction optical device, and the second linear pattern may have the same size.
  • the lattice vectors of the linear grating of the first diffraction optical device, the first linear pattern of the second diffraction optical device, and the second linear pattern of the second diffraction optical device may form an angle of 60° to each other.
  • An embodiment according to another aspect of the present invention is a light source for outputting image light forming an image; And it provides a display device including a diffraction light guide plate according to an aspect of the present invention.
  • the light received from the first diffraction optical element is expanded by each of the first and second lattice formed by a two-dimensional pattern arranged over the entire area of the second diffraction optical element, and Since the image light is output, the viewing angle can be formed large, and the eye motion box is also formed to be wide, so that it is possible to respond widely to the pupils of users having various physical conditions.
  • FIG. 1 is a diagram schematically showing a diffractive light guide plate according to the prior art.
  • FIG. 2 shows a diffractive light guide plate including an optical guide unit, an input diffractive optical element, and two diffractive optical elements having different linear grating patterns and coming into contact with each other.
  • 3A is a plan view schematically illustrating an example of an optical path proceeding through the diffractive light guide plate shown in FIG. 2.
  • 3B is a plan view schematically illustrating another example of an optical path proceeding through the diffractive light guide plate shown in FIG. 2.
  • FIG. 4 is a cross-sectional view taken along line IV-IV' of the diffractive light guide plate shown in FIGS. 3A and/or 3B.
  • FIG. 5 is a diagram schematically illustrating a diffractive light guide plate according to an aspect of the present invention.
  • FIG. 6 is a view showing a part of a second diffraction optical element region of the diffraction light guide plate shown in FIG. 5.
  • FIG. 7A is a plan view of a linear grating included in a first diffraction optical device
  • FIG. 7B is a plan view of a first linear pattern on a second diffraction optical device
  • FIG. 7C is a plan view of a second linear pattern on a second diffraction optical device.
  • FIG. 8 is a diagram showing a combination of grating vectors of each of a linear grating of a first diffraction optical element, a first linear pattern of a second diffraction optical element, and a second linear pattern of the diffraction light guide plate according to an aspect of the present invention .
  • 9A to 9K are diagrams showing the uniformity of light intensity distribution based on a simulation result of light output according to the horizontal, vertical length, and protrusion height of a two-dimensional pattern in a predetermined area of the second diffraction optical element.
  • 9L to 9N are diagrams showing the uniformity of light quantity distribution based on a simulation result of light output along a direction of a horizontal length of a two-dimensional pattern in a predetermined region of a second diffraction optical element.
  • FIG. 10A is an image of light output from a second diffraction optical element of an embodiment of the diffraction light guide plate according to an aspect of the present invention
  • FIG. 10B is a second diffraction pattern of a comparative example of a diffractive light guide plate having a circular horizontal cross section of a two-dimensional pattern. This is an image of light output from an optical device.
  • the term "light guide part” may be defined as a structure for guiding light from the inside using total internal reflection.
  • the condition for total internal reflection is that the refractive index of the optical guide portion must be greater than that of the surrounding medium adjacent to the surface of the optical guide portion.
  • the light guide unit may be formed of a glass and/or plastic material, and may be transparent or translucent.
  • the light guide portion may be formed in various layouts on a plate type.
  • the term “plate” refers to a three-dimensional structure having a predetermined thickness between one side and the other side opposite to the one side and the other side may be a substantially flat plane, but at least one of the side and the other side It may be formed to be curved one-dimensionally or two-dimensionally.
  • the plate-type optical guide portion may be curved one-dimensionally so that one surface and/or the other surface thereof may have a shape corresponding to a part of the side surface of the cylinder.
  • the curvature formed by the curvature has a sufficiently large radius of curvature to facilitate total internal reflection in order to guide light on the light guide part.
  • the term "diffraction optical device” may be defined as a structure for changing an optical path by diffracting light on an optical guide part.
  • the “diffraction optical device” may mean a portion in which a linear grating oriented in one direction on the optical guide portion is arranged in a predetermined direction to form a predetermined area while having a pattern.
  • the "diffraction optical device” may mean a protruding pattern protruding on one surface of the optical guide unit or a concave pattern concave formed on the surface of the optical guide unit to form a predetermined area.
  • linear grating refers to a protrusion shape having a predetermined height on the surface of the light guide unit (ie, a relief pattern) and/or a groove shape having a predetermined depth on the surface of the light guide unit (ie, an intaglio pattern Can mean ).
  • the orientation direction of the linear grating can be freely designed so that the optical path can be changed in the intended direction through diffraction by the diffractive optical element.
  • the diffractive light guide plate 100 may include an optical guide unit 110, a first diffraction optical element 120, and a second diffraction optical element 130.
  • the light guide unit 110 may guide light from the inside using total internal reflection.
  • the first diffraction optical device 120 may diffract the input light so that the light output from the light source is input and guided on the light guide unit 110.
  • the first diffraction optical device 120 may include a linear grating 121 repeatedly formed at a predetermined pitch.
  • the input diffraction optical device 120 may be disposed on one surface 110a or the other surface 110b of the optical guide unit 110.
  • the second diffraction optical device 130 may be disposed in an area different from the area in which the first diffraction optical device 120 is disposed on one surface 110a or the other surface 110b of the optical guide unit 110.
  • a first virtual linear pattern L1 that is repeatedly arranged at a predetermined pitch along the first direction and a predetermined pitch along a second direction different from the first direction.
  • An area where the virtual second linear patterns L2 that are repeatedly arranged cross each other may be defined.
  • the first direction may be defined as a direction perpendicular to the direction in which the first linear pattern L1 is extended
  • the second direction may be defined as a direction perpendicular to the direction in which the second linear pattern L2 is extended.
  • the first diffraction optical device 120 may have a one-dimensional pattern with a linear grating 121, while the second diffraction optical device 130 may have a two-dimensional pattern 131 provided in the cross region.
  • the 2D pattern may be a protruding pattern protruding on one surface 110a or the other surface 110b of the light guide unit or a concave pattern formed in a concave shape.
  • the two-dimensional pattern will be mainly described as a protruding pattern.
  • the two-dimensional patterns 131 are provided in the crossing area where the first linear pattern L1 and the two linear pattern L2 intersect, the two-dimensional patterns 131 are formed in the first linear pattern L1 and parallel to the first linear pattern L1. While configuring the grating L1 ′, a second grating L2 ′ parallel to the second linear pattern L2 may be configured.
  • Each of the first grating (L1') and the second grating (L2') receives light from the first diffraction optical element 120, and the received light is directed toward other types of gratings (L2', L1') by diffraction. It can be configured to be able to.
  • each of the first grating (L1') and the second grating (L2') is configured to receive the light diffracted from the first diffraction optical element 120, and the received light can be expanded one-dimensionally by diffraction. Can be.
  • the diffracted light received from the first diffraction optical element 120 is diffracted while passing through the first grating (L1') and/or the second grating (L2') to change the optical path, and the rest are to the existing optical path.
  • Total reflection can be achieved, but since the light initially received from the input diffraction optical element 120 can be divided into a plurality of beams while such diffraction is performed a plurality of times at a point spaced apart in a specific direction, eventually, a one-dimensional expansion can be achieved. have.
  • Each of the first grating (L1') and the second grating (L2') receives the expanded light from a different type of grating (L2', L1'), and the received light is output from the optical guide unit 110 by diffraction. It can be configured to be.
  • each of the first grid (L1') and the second grid (L2') also receives the expanded light from other types of gratings (L2', L1') and expands the received light one-dimensionally by diffraction. I can.
  • the direction in which the plurality of beams formed by the light received from the first diffraction optical element 120 and expanded by the first grid (L1') and/or the second grid (L2') are separated from each other The directions in which the plurality of beams, which are received from the gratings L2' and L1' of and expanded by the first grid L1' and/or the second grid L2', cross each other, so that the first The light output by the plurality of beams extended by the grating L1 ′ and the second grating L2 ′ has been expanded in two dimensions based on the light received by the first diffraction optical element 120 from the light source. Can be handled.
  • Each of the linear grid 121 and the linear patterns L1 and L2 is a grid vector defined by a'size' that is inversely proportional to a respective pitch (P1, P2, P3) and a'direction' perpendicular to the direction in which the linear grids extend It can have (V1, V2, V3).
  • the linear patterns L1 and L2 may be replaced with gratings L1 ′ and L2 ′.
  • the sizes of the lattice vectors V1, V2, and V3 may be defined by Equation 1 below.
  • P denotes a linear grid, a linear pattern, and/or a pitch of the grids.
  • the lattice vectors (V1, V2, V3) of the linear grating 121 of the first diffraction optical element 120, the first linear pattern (L1) and the second linear pattern (L2) of the second diffraction optical element 130 The sum of is 0.
  • the lattice vectors V1 and V2 of each of the linear grating 121 of the first diffraction optical device 120, the first grating L1' and the second grating L2' of the second diffraction optical device 130 has a magnitude of zero.
  • the lattice vectors V1 and V2 of each of the linear grating 121 of the first diffraction optical device 120 and the first linear pattern L1 and the second linear pattern L2 of the second diffraction optical device 130 , V3) have the same size and each of the linear grating 121 of the first diffraction optical element 120, the first linear pattern L1 and the second linear pattern L2 of the second diffraction optical element 130 It is preferable that the lattice vectors of (V1, V2, V3) form an angle of 60° to each other. This is because all of the diffractive optical elements 120 and 130 can be molded by one mold having the same pitch of the grating pattern.
  • the first diffraction optical device 120 has a horizontal line H parallel to the x-axis and a linear grating 121 forming an angle of 90°, as shown in FIG. 7A
  • the second diffraction optical device As shown in FIG. 7B, a horizontal line H parallel to the x-axis and a first linear pattern L1 and/or a first grid L1' forming an angle of -30° and shown in FIG. 7C
  • a second linear pattern L2 and/or a second grid L2 ′ forming an angle of + 30° to the horizontal line H parallel to the x-axis may be provided.
  • each of the pitches P1, P2, and P3 are all the same, and thus, the sizes of the respective lattice vectors V1, V2, and V3 are all the same. Since the direction of the grating vectors (V1, V2, V3) is perpendicular to the direction in which the respective linear gratings, linear patterns, and gratings are extended, the grating vector (V1) of the linear grating 121 of the first diffraction optical device 120 The direction is parallel to the x-axis direction, and the grating vector (V2) direction of the first linear pattern (L1) and/or the first grid (L1') of the second diffraction optical element 130 is -120 with respect to the x-axis direction.
  • the second linear pattern (L2) of the second diffraction optical element 130 and/or the direction of the grating vector (V3) of the second grid (L2') is +120° to the x-axis direction. Can be achieved. Accordingly, the lattice vectors V1 and V2 of each of the linear grating 121 of the first diffraction optical device 120 and the first linear pattern L1 and the second linear pattern L2 of the second diffraction optical device 130 V3) forms an angle of 60° to each other, so that the sum of each lattice vector (V1, V2, V3) has a magnitude of zero.
  • the lattice vectors V1 and V2 of each of the linear grating 121 of the first diffraction optical device 120 and the first grating L1 ′ and the second grating L2 ′ of the second diffraction optical device 130 V3) forms an angle of 60° to each other, so that the sum of each lattice vector (V1, V2, V3) has a magnitude of zero.
  • the amount of the output light is the area where the second diffraction optical element 120 is disposed. It is necessary to determine the shape of the two-dimensional pattern that can be uniformly induced over
  • 9A to 9K are diagrams showing the uniformity of light intensity distribution based on a simulation result of light output according to the horizontal, vertical length and protrusion height of a two-dimensional pattern in a predetermined area of the second diffraction optical element.
  • the uniformity of the light quantity distribution may be defined by Equation 2 below.
  • U denotes the uniformity of the light quantity distribution in a predetermined area
  • Imax denotes a value with the highest light quantity per unit area in a predetermined area
  • Imin denotes a value with the lowest light quantity per unit area in a predetermined area.
  • the unit of I is (V/m)2.
  • the horizontal length (Lx) of the two-dimensional pattern 131 is a length in a direction close to perpendicular to the extension direction of the linear grating 121 provided in the first diffraction optical element 120
  • the vertical length of the two-dimensional pattern 131 (Ly) means a length in a direction close to parallel to the extension direction of the linear grating 121 provided in the first diffraction optical device 120.
  • the meaning of being perpendicular or close to parallel to a predetermined direction means that it is substantially perpendicular or parallel to a predetermined direction, preferably forming an angle of 20° or less with a predetermined direction, and more preferably It means achieving an angle of less than 5°.
  • FIG. 9A shows the uniformity of light intensity distribution when the protrusion height of the 2D pattern 131 is 40 nm
  • FIG. 9K shows the 2D pattern 131 by increasing the protrusion height of the 2D pattern 131 by 5 nm from FIG. 9B.
  • the wavelength of light used in this simulation is 532 nm, and the pitch of the linear grating, linear pattern and/or grating is 365 nm.
  • the uniformity of the light intensity distribution was formed higher than that of other shapes, and depending on the degree of the horizontal length (Lx) and the vertical length (Ly)
  • the uniformity of the light intensity distribution shows a variation, but when the horizontal length (Lx) is 420nm, the uniformity of the light intensity distribution generally shows higher uniformity than other cases.
  • the protrusion height of the two-dimensional pattern 131 is 40 nm, the uniformity of the light intensity distribution converges to 0 regardless of the horizontal length (Lx) and the vertical length (Ly), and the protrusion height of the two-dimensional pattern 131 is higher than a predetermined height. It could be derived that it should be secured.
  • the protrusion height of the 2D pattern 131 is 45 to 60 nm
  • the vertical length (Ly) of the 2D pattern 131 showing the level of uniformity of the light quantity distribution is 0.4 or more. And it is confirmed that a number of combinations of the horizontal length (Lx) are derived.
  • the protrusion height of the two-dimensional pattern is generally proportional to the wavelength of light used.
  • the protrusion height of the two-dimensional pattern is 0.084 to 0.113 times the wavelength of the used light in order to show a level of 0.4 or more uniformity of the light quantity distribution.
  • the vertical length (Ly) of the 2D pattern is linear grating, linear pattern and/or It is preferably 0.50 to 0.921 times the pitch of the gratings.
  • the horizontal length (Lx) of the 2D pattern is linear grating, linear pattern, and/or It is preferably 0.150 to 1.324 times the pitch of the gratings.
  • FIG. 9C is a case in which the protrusion height of the two-dimensional pattern 131 is 50 nm, and the horizontal length (Lx) portion of the two-dimensional pattern is the extension direction of the linear grating 121 provided by the first diffraction optical element 120 It shows the uniformity of the light quantity distribution when the light intensity is at 90°, and FIG. 9L shows that the horizontal length Lx of the two-dimensional pattern compared to FIG. 9C is the linear grating 121 provided by the first diffraction optical element 120. It shows the uniformity of the light quantity distribution when rotated by 10° in the counterclockwise direction based on the direction perpendicular to the extension direction, and FIG.
  • FIG. 9M is a first diffraction optical device in which the horizontal length (Lx) portion of the two-dimensional pattern is compared to FIG. 9C. It shows the uniformity of the light intensity distribution when rotated by 18° in a counterclockwise direction based on a direction perpendicular to the extension direction of the linear grating 121 provided by 120, and FIG. 9N shows a two-dimensional pattern compared to FIG. 9C. It shows the uniformity of the light quantity distribution when the horizontal length (Lx) is rotated by 20° in the counterclockwise direction based on a direction perpendicular to the extension direction of the linear grating 121 provided in the first diffraction optical device 120 will be.
  • the horizontal length (Lx) portion of the two-dimensional pattern is perpendicular to the extension direction of the linear grating 121 provided in the first diffraction optical element 120, or the horizontal length of the two-dimensional pattern.
  • the length (Lx) portion is rotated by less than 20° relative to the direction perpendicular to the extending direction of the linear grating 121 provided in the first diffraction optical element 120, the uniformity of the light intensity distribution exceeds 0. Can be.
  • the horizontal cross section of the two-dimensional pattern 131 is an elliptical shape, and the long axis of the elliptical shape is the first diffraction optical element 120 It is preferable to form an angle of less than 20 ° and a direction perpendicular to the extending direction of the linear grating 121.
  • a display device may include a light source (not shown) that outputs image light forming an image, and a diffraction light guide plate 100 according to an aspect of the present invention.
  • the image light output from the light source is input to the first diffraction optical element 120 and diffracted to be coupled to the first lattice L1' and the second lattice L2' of the second diffraction optical element 130.
  • the first grid (L1') and the second grid (L2') are coupled to diffract the received light to expand one-dimensionally, and the one-dimensionally expanded light is a different type of grating (L2', L1') It is coupled to and may be output from the optical guide unit 110 by diffraction.
  • FIG. 10A is an image captured of light output from a second diffraction optical element of an embodiment of a diffraction light guide plate according to an aspect of the present invention
  • FIG. 10B is a second comparative example of a diffractive light guide plate having a circular horizontal cross section of a two-dimensional pattern. This is an image of light output from a diffractive optical element.
  • the light output from the second diffraction optical element of the comparative example is focused on the left and right direction rather than the vertical direction, and the light is output, whereas the light output from the second diffraction optical element of the present invention is also in the vertical direction including the left and right directions. It can be seen that the light is distributed and uniformly output.

Abstract

본 발명의 일 측면에 따른 실시예는, 광을 안내하기 위한 광가이드부; 광원으로부터 출력된 광이 입력되어 상기 광가이드부 상에서 안내될 수 있도록 미리 정해진 피치로 반복 형성된 선형 격자를 구비하여 상기 입력된 광을 회절시키는 제1회절 광학소자; 및 상기 광가이드부의 일면 상에 상기 제1회절 광학소자가 배치되는 영역과 구별되는 영역에 배치되되, 제1방향을 따라 미리 정해진 피치로 반복 나열되는 가상의 제1선형 패턴과 상기 제1방향과 다른 제2방향을 따라 미리 정해진 피치로 반복 나열되는 가상의 제2선형 패턴이 상호 교차하는 영역 내에 제공되는 2차원 패턴을 구비하는 제2회절 광학소자를 포함하며, 상기 2차원 패턴의 수평단면은 타원형상이며, 상기 타원형상의 장축이 상기 제1회절 광학소자가 구비하는 선형 격자의 연장 방향과 수직한 방향과 형성하는 각도는 20°미만인, 회절 도광판을 제공한다.

Description

회절 도광판 및 이를 포함하는 디스플레이 장치
본 발명은 회절 도광판 및 회절 도광판을 포함하는 디스플레이 장치에 관한 것이다.
최근 증강현실(AR: Augmented Reality), 혼합현실(MR: Mixed Reality), 또는 가상현실(VR: Virtual Reality)을 구현하는 디스플레이 유닛에 관심이 커지면서, 이를 구현하는 디스플레이 유닛에 대한 연구가 활발히 이루어지고 있는 추세이다. 증강현실, 혼합현실, 또는 가상현실을 구현하는 디스플레이 유닛은 광의 파동적 성질에 기초한 회절 현상을 이용하는 회절 도광판을 포함하고 있다.
도 1은 종래기술에 따른 회절 도광판을 개략적으로 나타낸 도면이다.
이러한 회절 도광판(10)은 광가이드부(11)와, 광가이드부(11)의 일면 또는 타면 측에 마련되며 복수의 선형 격자 패턴을 갖는 복수의 회절 광학소자(12, 13, 14)를 구비할 수 있다. 구체적으로 회절 도광판(10)은 마이크로 광원출력소자(P)를 통해 출력된 광이 입력되어 광가이드부(11) 상에 안내되도록 하는 입력 회절 광학소자(12)와, 광가이드부(11)를 통해 입력 회절 광학소자(12)와 광학적으로 커플링되며 입력 회절 광학소자(12)로부터 수광된 광을 회절에 의해 제1방향(도 1에서의 x축 방향)으로의 1차원적인 확장이 이루어질 수 있도록 하는 중간 회절 광학소자(13) 및 광가이드부(11)를 통해 중간 회절 광학소자(13)와 광학적으로 커플링되며 중간 회절 광학소자(13)로부터 수광된 광을 회절에 의해 제2방향(도 1에서의 y축 방향)으로의 1차원적인 확장이 이루어진 채 광가이드부(11)로부터 출력되어 사용자의 동공으로 향할 수 있도록 하는 출력 회절 광학소자(14)를 구비할 수 있다.
마이크로 광원출력소자(P)를 통해 출력된 광의 사용자의 동공으로 도달하기 위한 주된 광경로는, 입력 회절 광학소자(12) - 중간 회절 광학소자(13) - 출력 회절 광학소자(14) - 사용자의 동공 순이므로, 출력 회절 광학소자(14)를 통해 광가이드부(11)에서 출력되는 광이미지의 크기는 출력 회절 광학소자(14)가 차지하는 면적에 좌우된다.
한편, 종래기술에 따른 회절 도광판의 경우에는 단일 입력 회절 광학소자(12), 단일 중간 회절 광학소자(13) 및 단일 출력 회절 광학소자(14)가 광가이드부(11) 상에서 서로 분리되어 배치되므로, 광가이드부(11) 상에서 출력 회절 광학소자(14)가 차지하는 면적은 광가이드부(11) 상에서 입력 회절 광학소자(12) 및 중간 회절 광학소자(13)가 차지하는 면적을 제외한 면적으로 제한될 수밖에 없어, 보다 큰 광이미지를 출력하는데는 한계가 따랐다.
이러한 한계를 해결하기 위하여 도 2에 도시된 바와 같은 구조의 회절 도광판이 고려될 수 있다.
도 2는 광가이드부(21), 입력 회절 광학소자(22) 및 서로 다른 선형 격자 패턴을 가지며 맞닿아 있는 두 개의 회절 광학소자(23, 24)를 포함하는 회절 도광판을 도시한다.
도 3a는 도 2에 도시된 회절 도광판을 통해 진행되는 광경로의 일 예를 개략적으로 도시한 평면도이며, 도 3b는 도 2에 도시된 회절 도광판을 통해 진행되는 광경로의 다른 예를 개략적으로 도시한 평면도이다.
광가이드부(21)는 내부 전반사를 이용하여 내부에서 광을 안내한다.
입력 회절 광학소자(22)는 광원으로부터 출력된 광(L1, L1a, L1b)이 입력되어 광가이드부(21) 상에서 안내될 수 있도록 입력된 광(L1, L1a, L1b)을 회절시킬 수 있다.
두 개의 회절 광학소자(23, 24)는 회절된 광(L2a, L2b)을 수광하고 수광된 광이 회절에 의해 1차원적으로 확장될 수 있도록 구성될 수 있다. 입력 회절 광학소자(22)로부터 수광된 회절광(L2a, L2b)은 다른 회절 광학소자(23, 24)를 거치면서 일부는 회절되어 광경로가 변경되며, 나머지는 기존 광경로로 전반사될 수 있는데, 입력 회절 광학소자(22)로부터 최초 수광된 광은 이러한 회절이 특정 방향으로 이격된 지점에서 복수 회 이루어지면서 복수의 빔(L3a, L3b)으로 분할될 수 있기 때문에, 결국 1차원적인 확장이 이루어질 수 있다.
두 개의 회절 광학소자(23, 24) 각각은 다른 회절 광학소자(24, 23)로부터 확장된 광(L3b, L3a)을 수광하고 수광된 광(L3b, L3a)이 회절에 의해 광가이드부(21)로부터 출력되도록 구성될 수 있다. 한편, 두 개의 회절 광학소자(23, 24) 각각 또한 다른 회절 광학소자(24, 23)로부터 확장된 광(L3b, L3a)을 수광하고 수광한 광을 회절에 의해 1차원적으로 확장할 수 있다. 이 때 두 개의 회절 광학소자(23,24) 각각의 수광측(C) 기준으로, 다른 회절 광학소자(24, 23)에 의해 확장된 광이 형성하는 복수의 빔(L3b, L3a)이 이격되어 있는 방향과, 단일 빔(L3b, L3a) 기준 두 개의 회절 광학소자(23, 24)에 의해 확장된 복수의 빔(L4b, L4a)이 이격되어 있는 방향은 서로 교차하게 되므로, 결국 광원으로부터 입력 회절 광학소자(120)가 수광하는 광(L1a, L1b) 기준으로는 2차원적인 확장이 이루어지게 된다.
두 개의 회절 광학소자(23, 24) 각각은 다른 회절 광학소자(24, 23)로부터 확장된 광(L3b, L3a)을 수광하는 수광측(C)이 다른 회절 광학소자(24, 23)의 수광측(C)에 맞닿아 있도록 구성될 수 있다. 광원으로부터 출력된 광은 입력 회절 광학소자(22) - 두 개의 회절 광학소자(23, 24) - 다른 회절 광학소자(24, 23)을 거쳐 광가이드부(110)로부터 출력되는데, 이렇게 광가이드부(110)로부터 출력되는 광은 다른 회절 광학소자(24, 23) 각각에 의해 출력된 광이 모여 하나의 이미지광을 형성할 수 있다.
즉, 두 개의 회절 광학소자(23, 24)를 모두 출력 회절 광학소자로 이용하기 때문에 도 1에 도시된 바와 같이, 단일 출력 회절 광학소자를 이용하는 경우보다 공간을 효율적으로 이용하면서도 시야각이 더 큰 이미지광을 형성할 수 있다.
도 4는 도 3a 및/또는 도 3b에 도시된 회절 도광판을 Ⅲ-Ⅲ' 선을 따라 절취한 단면도이다.
두 개의 회절 광학소자(23, 24) 각각을 통해 회절되어 광가이드부(21)로부터 출력되는 광은 광가이드부(21)의 일면에 대해 소정의 출사각(θ, θ')으로 출력될 수 있다. 도 4 기준으로, 상측에 위치한 회절 광학소자(23)에 의해 회절되어 출력되는 광(L4a)는 광가이드부(21)의 일면에 대해 소정의 출사각(θ)을 가지고 하방으로 기울어져 출력되며, 하측에 위치한 회절 광학소자(24)에 의해 회절되어 출력되는 광(L4b)는 광가이드부(21)의 일면에 대해 소정의 출사각(θ')을 가지고 상방으로 기울어져 출력될 수 있다.
광가이드부(21)의 일면으로부터 소정 거리 이격된 위치에서, 상측에 위치한 회절 광학소자(23)에 의해 회절되어 출력되는 광(L4a)과 하측에 위치한 회절 광학소자(24)에 의해 회절되어 출력되는 광(L4b)은 서로 교차되는 교차영역(I)을 형성한다. 광가이드부(21)의 일면으로부터 이격된 거리가 사용자의 동공이 위치하는 아이 릴리프(Eye Relief) 만큼의 거리라면, 사용자의 동공은 교차영역(I)에 위치하여야 사용자는 전체 영역 중 어둡게 보이는 부분 없이 정상적인 이미지광을 시인할 수 있다. 만약, 사용자의 동공이 교차영역(I)의 상측에 위치한 영역(A)에 위치하면 하측에 위치한 회절 광학소자(24)에 의해 회절되어 출력되는 광(L4b)이 사용자에 의해 시인될 수 없어 사용자에 의해 시인되는 이미지광은 Ⅲ-Ⅲ' 선 단면 기준으로 하방이 어둡게 보일 수 있다. 반대로, 사용자의 동공이 교차영역(I)의 하측에 위치한 영역(B)에 위치하면 상측에 위치한 회절 광학소자(23)에 의해 회절되어 출력되는 광(L4a)이 사용자에 의해 시인될 수 없어 사용자에 의해 시인되는 이미지광은 Ⅲ-Ⅲ' 선 단면 기준으로 상방이 어둡게 보일 수 있다.
회절 도광판을 구비하는 디스플레이 유닛을 이용하는 사용자들은 개별 신체적 특성에 의해 광가이드부의 일면 측 상하 방향 기준으로 동공이 위치할 수 있는 지점이 다양할 수 있다. 따라서, 정상적인 이미지광을 시인할 수 있는 영역인 아이모션박스(Eye Motion Box)와 관련된 교차영역(I)을 상하로 길게 형성할 수 있는 회절 도광판의 구조가 요구된다.
전술한 배경기술은 발명자가 본 발명의 실시예들의 도출을 위해 보유하고 있었거나, 도출 과정에서 습득한 기술 정보로서, 반드시 본 발명의 실시예들의 출원 전에 일반 공중에게 공개된 공지기술이라 할 수는 없다.
본 발명은 시야각 및 아이모션박스를 크게 형성할 수 있는 회절 도광판 및 그 회절 도광판을 포함하는 디스플레이 장치를 제공하고자 한다.
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 따른 실시예는, 광을 안내하기 위한 광가이드부; 광원으로부터 출력된 광이 입력되어 상기 광가이드부 상에서 안내될 수 있도록 미리 정해진 피치로 반복 형성된 선형 격자를 구비하여 상기 입력된 광을 회절시키는 제1회절 광학소자; 및 상기 광가이드부의 일면 상에 상기 제1회절 광학소자가 배치되는 영역과 구별되는 영역에 배치되되, 제1방향을 따라 미리 정해진 피치로 반복 나열되는 가상의 제1선형 패턴과 상기 제1방향과 다른 제2방향을 따라 미리 정해진 피치로 반복 나열되는 가상의 제2선형 패턴이 상호 교차하는 영역 내에 제공되는 2차원 패턴을 구비하는 제2회절 광학소자를 포함하며, 상기 2차원 패턴의 수평단면은 타원형상이며, 상기 타원형상의 장축이 상기 제1회절 광학소자가 구비하는 선형 격자의 연장 방향과 수직한 방향과 형성하는 각도는 20°미만인, 회절 도광판을 제공한다.
본 실시예에 있어서, 상기 2차원 패턴은 상기 광가이드부의 일면으로부터 돌출 형성될 수 있다.
본 실시예에 있어서, 상기 2차원 패턴의 돌출 높이는, 상기 광원으로부터 출력된 광의 파장 대비 0.084 내지 0.113 배일 수 있다.
본 실시예에 있어서, 상기 타원 형상의 장축은, 상기 선형 격자 및 상기 선형 패턴의 피치 대비 0.50 내지 0.921 배일 수 있다.
본 실시예에 있어서, 상기 타원 형상의 단축은, 상기 선형 격자 및 상기 선형 패턴의 피치 대비 0.084 내지 0.113 배일 수 있다.
본 실시예에 있어서, 상기 선형 격자 및 상기 선형 패턴은 각각의 피치에 반비례하는 크기 및 상기 선형 격자 및 선형 패턴이 연장된 방향과 수직한 방향으로 정의되는 격자 벡터를 가지며, 상기 제1회절 광학소자의 선형 격자, 상기 제2회절 광학소자의 상기 제1선형 패턴 및 상기 제2선형 패턴 각각의 격자 벡터의 합은 0의 크기를 가질 수 있다.
본 실시예에 있어서, 상기 제1회절 광학소자의 선형 격자, 상기 제2회절 광학소자의 상기 제1선형 패턴 및 상기 제2선형 패턴 각각의 격자 벡터는 서로 동일한 크기를 가질 수 있다.
본 실시예에 있어서, 상기 제1회절 광학소자의 선형 격자, 상기 제2회절 광학소자의 상기 제1선형 패턴 및 상기 제2선형 패턴 각각의 격자 벡터는 서로 60 °의 각을 형성할 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따른 실시예는 영상을 형성하는 영상광을 출력하는 광원; 및 본 발명의 일 측면에 따른 회절 도광판을 포함하는 디스플레이 장치를 제공한다.
본 발명의 실시예에 따르면, 제2회절 광학소자 전 영역에 걸쳐 배치된 2차원 패턴에 의해 구성된 제1격자 및 제2격자 각각에 의해 제1회절 광학소자로부터 수광된 광을 확장하고 또한 확장된 영상광을 출력하므로, 시야각을 크게 형성할 수 있고 또한 아이모션박스 또한 넓게 형성하여 다양한 신체 조건을 가지는 사용자의 동공들에 폭넓게 대응 가능하다는 장점이 있다.
도 1은 종래기술에 따른 회절 도광판을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 2는 광가이드부, 입력 회절 광학소자 및 서로 다른 선형 격자 패턴을 가지며 맞닿아 있는 두 개의 회절 광학소자를 포함하는 회절 도광판을 도시한다.
도 3a는 도 2에 도시된 회절 도광판을 통해 진행되는 광경로의 일 예를 개략적으로 도시한 평면도이다.
도 3b는 도 2에 도시된 회절 도광판을 통해 진행되는 광경로의 다른 예를 개략적으로 도시한 평면도이다.
도 4는 도 3a 및/또는 도 3b에 도시된 회절 도광판을 Ⅳ-Ⅳ' 선을 따라 절취한 단면도이다.
도 5는 본 발명의 일 측면에 따른 회절 도광판을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 6은 도 5에 도시된 회절 도광판 중 제2회절 광학소자 영역의 일부를 도시한 도면이다.
도 7a는 제1회절 광학소자에 포함된 선형 격자의 평면도이며, 도 7b는 제2회절 광학소자 상의 제1선형 패턴의 평면도이고, 도 7c는 제2회절 광학소자 상의 제2선형 패턴의 평면도이다.
도 8 은 본 발명의 일 측면에 따른 회절 도광판이 포함하는 제1회절 광학소자의 선형 격자, 제2회절 광학소자의 제1선형 패턴 및 제2선형 패턴 각각의 격자 벡터들의 조합을 도시한 도면이다.
도 9a 내지 도 9k는 제2회절 광학소자의 소정 영역에 있어, 2차원 패턴의 가로, 세로 길이 및 돌출높이에 따라 출력되는 광의 시뮬레이션 결과를 기초로 광량 분포의 균일도를 나타낸 도면이다.
도 9l 내지 도 9n은 제2회절 광학소자의 소정 영역에 있어, 2차원 패턴의 가로 길이의 방향에 따라 출력되는 광의 시뮬레이션 결과를 기초로 광량 분포의 균일도를 나타낸 도면이다.
도 10a는 본 발명의 일 측면 따른 회절 도광판의 일 실시예의 제2회절 광학소자에서 출력되는 광을 촬상한 이미지이며, 도 10b는 2차원 패턴의 수평단면이 원형인 회절 도광판의 비교예의 제2회절 광학소자에서 출력되는 광을 촬상한 이미지이다.
본 발명은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 한편, 본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함한다(comprises)" 및/또는 "포함하는(comprising)"은 언급된 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자는 하나 이상의 다른 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다. 제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 구성요소들은 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
본 명세서에서, 용어 "광가이드부"는 내부 전반사를 이용하여 내부에서 광을 안내하는 구조로 정의될 수 있다. 내부 전반사를 위한 조건은 광가이드부의 굴절률이 광가이드부의 표면에 인접한 주변 매체의 굴절률보다 커야 한다. 광가이드부는 유리 및/또는 플라스틱 소재를 포함하여 형성될 수 있으며, 투명 또는 반투명할 수 있다. 광가이드부는 플레이트 타입에 다양한 레이아웃으로 형성될 수 있다. 여기서, 용어 "플레이트"는 일면 및 그 반대측인 타면 사이에 소정의 두께를 가지는 3차원 구조체를 의미하며, 그 일면 및 타면은 실질적으로 평탄한 평면일 수도 있지만, 그 일면 및 타면 중 적어도 하나의 면은 1차원적 또는 2차원적으로 만곡되어 형성될 수 있다. 예를 들어, 플레이트 타입의 광가이드부는 1차원적으로 만곡되어 그 일면 및/또는 타면이 원기둥의 측면 중 일부와 대응되는 형상을 가질 수 있다. 다만, 그 만곡에 의해 형성되는 곡률은 광가이드부 상에서 광을 안내하기 위해 내부 전반사가 용이하도록 충분히 큰 곡률 반경을 갖는 것이 바람직하다.
본 명세서에서, 용어 "회절 광학소자"는 광가이드부 상에서 광을 회절시켜 광경로를 변경하기 위한 구조로 정의될 수 있다. 여기서, "회절 광학소자"는 광가이드부 상에 일방향으로 배향된 선형 격자가 미리 정한 방향으로 배열되어 패턴을 가지면서 소정의 면적을 형성하는 부분을 의미할 수 있다. 또 다른 예로, "회절 광학소자"는 광가이드부의 일면 상에 돌출 형성된 돌출 패턴 또는 그 일면 상에 오목 형성된 오목 패턴이 소정의 규칙을 가지고 배열되어 소정의 면적을 형성하는 부분을 의미할 수도 있다.
본 명세서에서, 용어 "선형 격자"는 광가이드부 표면 상에 소정의 높이를 가지는 돌기 형태(즉, 양각 패턴) 및/또는 광가이드부 표면 상에 소정의 깊이를 가지는 홈 형태(즉, 음각 패턴)를 의미할 수 있다. 여기서, 선형 격자의 배향 방향은 회절 광학소자에 의한 회절을 통해 의도한 방향으로 광경로가 변경될 수 있도록 자유롭게 설계될 수 있다.
도 5 내지 도 8을 참조하면, 회절 도광판(100)은, 광가이드부(110), 제1회절 광학소자(120) 및 제2회절 광학소자(130)을 포함할 수 있다.
광가이드부(110)는 내부 전반사를 이용하여 내부에서 광을 안내할 수 있다.
제1회절 광학소자(120)는 광원으로부터 출력된 광이 입력되어 광가이드부(110) 상에서 안내될 수 있도록 입력된 광을 회절시킬 수 있다. 이러한 제1회절 광학소자(120)는 미리 정해진 피치로 반복 형성된 선형 격자(121)를 구비할 수 있다.
이러한 입력 회절 광학소자(120)는 광가이드부(110)의 일면(110a) 또는 타면(110b) 상에 배치될 수 있다.
제2회절 광학소자(130)는 광가이드부(110)의 일면(110a) 또는 타면(110b) 상에 제1회절 광학소자(120)가 배치되는 영역과 구별되는 영역에 배치될 수 있다.
제2회절 광학소자(130)가 배치되는 영역 내에는 제1방향을 따라 미리 정해진 피치로 반복 나열되는 가상의 제1선형 패턴(L1)과 제1방향과 다른 제2방향을 따라 미리 정해진 피치로 반복 나열되는 가상의 제2선형 패턴(L2)이 상호 교차하는 영역이 정의될 수 있다. 제1방향은 제1선형 패턴(L1)이 연장된 방향과 수직한 방향으로 정의될 수 있으며, 제2방향은 제2선형 패턴(L2)이 연장된 방향과 수직한 방향으로 정의될 수 있다.
제1회절 광학소자(120)는 선형 격자(121)로 1차원 패턴을 구비하는 반면 제2회절 광학소자(130)는 상기 교차 영역 내에 제공되는 2차원 패턴(131)을 구비할 수 있다. 여기서, 2차원 패턴은 광가이드부의 일면(110a) 또는 타면(110b) 상에 돌출 형성된 돌출 패턴 또는 오목 형성된 오목 패턴일 수 있다. 본 실시예에서, 2차원 패턴은 돌출 패턴인 것을 중심으로 설명하기로 한다.
2차원 패턴(131)들은 제1선형 패턴(L1) 및 2선형 패턴(L2)가 교차하는 교차 영역 내에 제공되기 때문에, 2차원 패턴(131)들은 제1선형 패턴(L1)과 평행한 제1격자(L1')를 구성함과 동시에 제2선형 패턴(L2)과 평행한 제2격자(L2')를 구성할 수 있다.
제1격자(L1') 및 제2격자(L2') 각각은 제1회절 광학소자(120)로부터 광을 수광하고 수광된 광이 회절에 의해 다른 종류의 격자(L2', L1')를 향할 수 있도록 구성될 수 있다. 또한, 제1격자(L1') 및 제2격자(L2') 각각은 제1회절 광학소자(120)로부터 회절된 광을 수광하고 수광된 광이 회절에 의해 1차원적으로 확장될 수 있도록 구성될 수 있다. 제1회절 광학소자(120)로부터 수광된 회절광은 제1격자(L1') 및/또는 제2격자(L2')를 거치면서 일부는 회절되어 광경로가 변경되며, 나머지는 기존 광경로로 전반사될 수 있는데, 입력 회절 광학소자(120)로부터 최초 수광된 광은 이러한 회절이 특정 방향으로 이격된 지점에서 복수 회 이루어지면서 복수의 빔으로 분할될 수 있기 때문에, 결국 1차원적인 확장이 이루어질 수 있다.
제1격자(L1') 및 제2격자(L2') 각각은 다른 종류의 격자(L2', L1')로부터 확장된 광을 수광하고 수광된 광이 회절에 의해 광가이드부(110)로부터 출력되도록 구성될 수 있다. 한편, 제1격자(L1') 및 제2격자(L2') 각각 또한 다른 종류의 격자(L2', L1')로부터 확장된 광을 수광하고 수광한 광을 회절에 의해 1차원적으로 확장할 수 있다. 이 때 제1회절 광학소자(120)로부터 수광되어 제1격자(L1') 및/또는 제2격자(L2')에 의해 확장된 광이 형성하는 복수의 빔이 이격되어 있는 방향과, 다른 종류의 격자(L2', L1')로부터 수광되어 제1격자(L1') 및/또는 제2격자(L2')에 의해 확장된 복수의 빔이 이격되어 있는 방향은 서로 교차하게 되므로, 결국 제1격자(L1') 및 제2격자(L2')에 의해 확장된 복수의 빔들에 의해 출력된 광은, 광원으로부터 제1회절 광학소자(120)가 수광하는 광 기준으로 2차원적인 확장이 이루어진 것으로 취급할 수 있다.
상기 선형 격자(121) 및 선형 패턴(L1, L2) 각각은 각각의 피치(P1, P2, P3)에 반비례하는 '크기' 및 선형 격자들이 연장된 방향과 수직한 '방향'으로 정의되는 격자 벡터(V1, V2, V3)를 가질 수 있다. 여기서, 선형 패턴(L1, L2)는 격자(L1', L2')로 대체될 수 있다. 격자 벡터(V1, V2, V3)의 크기는 아래의 수학식 1로 정의될 수 있다.
[수학식 1]
Figure PCTKR2020004442-appb-img-000001
여기서,
Figure PCTKR2020004442-appb-img-000002
는 격자 벡터 크기를 의미하며, P 는 선형 격자, 선형 패턴 및/또는 격자들의 피치를 의미한다.
제1회절 광학소자(120)의 선형 격자(121), 제2회절 광학소자(130)의 제1선형 패턴(L1) 및 제2선형 패턴(L2) 각각의 격자 벡터(V1, V2, V3)의 합은 0의 크기를 가진다. 마찬가지로, 제1회절 광학소자(120)의 선형 격자(121), 제2회절 광학소자(130)의 제1격자(L1') 및 제2격자(L2') 각각의 격자 벡터(V1, V2, V3)의 합은 0의 크기를 가진다.
이 때, 제1회절 광학소자(120)의 선형 격자(121), 제2회절 광학소자(130)의 제1선형 패턴(L1) 및 제2선형 패턴(L2) 각각의 격자 벡터(V1, V2, V3)는 서로 동일한 크기를 가지고, 제1회절 광학소자(120)의 선형 격자(121), 제2회절 광학소자(130)의 제1선형 패턴(L1) 및 제2선형 패턴(L2) 각각의 격자 벡터(V1, V2, V3)는 서로 60 °의 각을 형성하는 것이 바람직하다. 동일한 피치의 격자 패턴을 가지는 하나의 몰드에 의해 각각의 회절 광학소자들(120, 130)을 모두 성형할 수 있기 때문이다.
일 실시예로서, 제1회절 광학소자(120) 는 도 7a에 도시된 바와 같이, x축과 나란한 수평선(H)과 90˚의 각도를 이루는 선형 격자(121)를 가지고, 제2회절 광학소자(130)는 도 7b에 도시된 바와 같이, x축과 나란한 수평선(H)과 - 30˚의 각도를 이루는 제1선형 패턴(L1) 및/또는 제1격자(L1')와 도 7c에 도시된 바와 같이, x축과 나란한 수평선(H)과 + 30˚의 각도를 이루는 제2선형 패턴(L2) 및/또는 제2격자(L2')을 가질 수 있다. 각각의 피치(P1, P2, P3)는 모두 동일하여 이에 의한 각각의 격자 벡터(V1, V2, V3)의 크기는 모두 동일하다. 격자 벡터(V1, V2, V3)의 방향은 각각의 선형 격자, 선형 패턴, 격자들이 연장된 방향과 수직하기 때문에, 제1회절 광학소자(120)의 선형 격자(121)의 격자 벡터(V1) 방향은 x 축 방향과 평행하며, 제2회절 광학소자(130)의 제1선형 패턴(L1) 및/또는 제1격자(L1')의 격자 벡터(V2) 방향은 x축 방향에 대해 -120˚의 각도를 이루며, 제2회절 광학소자(130)의 제2선형 패턴(L2) 및/또는 제2격자(L2')의 격자 벡터(V3) 방향은 x축 방향에 대해 +120˚의 각도를 이룰 수 있다. 이로써, 제1회절 광학소자(120)의 선형 격자(121), 제2회절 광학소자(130)의 제1선형 패턴(L1) 및 제2선형 패턴(L2) 각각의 격자 벡터(V1, V2, V3)는 서로 60 °의 각을 형성하여, 각각의 격자 벡터(V1, V2, V3)의 합은 0의 크기를 가지게 된다. 아울러, 제1회절 광학소자(120)의 선형 격자(121), 제2회절 광학소자(130)의 제1격자(L1') 및 제2격자(L2') 각각의 격자 벡터(V1, V2, V3)는 서로 60 °의 각을 형성하여, 각각의 격자 벡터(V1, V2, V3)의 합은 0의 크기를 가지게 된다.
한편, 제2회절 광학소자(120)가 배치되는 영역에서는 회절에 의한 광들이 광가이드부(110)를 통해 출력되기 때문에, 출력되는 광들의 광량이 제2회절 광학소자(120)가 배치되는 영역에 걸쳐 균일하게 유도할 수 있는 2차원 패턴의 형상을 결정할 필요가 있다.
도 9a 내지 9k는 제2회절 광학소자의 소정 영역에 있어, 2차원 패턴의 가로, 세로 길이 및 돌출높이에 따라 출력되는 광의 시뮬레이션 결과를 기초로 광량 분포의 균일도를 나타낸 도면이다.
광량 분포의 균일도는 아래의 수학식 2로 정의될 수 있다.
[수학식 2]
U = 1 - ((Imax - Imin) / (Imax + Imin))
여기서, U는 소정 영역에서의 광량 분포의 균일도, Imax 는 소정 영역에서 단위면적당 광량이 가장 높은 수치, Imin 은 소정 영역에서 단위면적당 광량이 가장 낮은 수치를 나타낸다. I의 단위는 (V/m)2 이다.
2차원 패턴(131)의 가로 길이(Lx)는 제1회절 광학소자(120)가 구비하는 선형 격자(121)의 연장 방향과 수직에 가까운 방향의 길이이며, 2차원 패턴(131)의 세로 길이(Ly)는 제1회절 광학소자(120)가 구비하는 선형 격자(121)의 연장 방향과 평행에 가까운 방향의 길이를 의미한다. 여기서, 소정의 방향과 수직 또는 평행에 가깝다는 의미는 실질적으로 소정의 방향과 수직 또는 평행하다는 의미이며, 바람직하게는 소정의 방향과 20 °이하의 각도를 이루고, 더욱 바람직하게는 소정의 방향과 5 °이하의 각도를 이루는 것을 의미한다.
도 9a 는 2차원 패턴(131)의 돌출높이가 40nm 인 경우의 광량 분포의 균일도를 나타낸 것이며, 도 9b 부터 2차원 패턴(131)의 돌출높이를 5nm씩 늘려가 도 9k는 2차원 패턴(131)의 돌출높이가 90nm 인 경우의 광량 분포의 균일도를 나타낸 것이다.
본 시뮬레이션에서 이용된 광의 파장은 532 nm 이며, 선형 격자, 선형 패턴 및/또는 격자들의 피치는 365 nm 이다.
대체적으로 2차원 패턴(131)의 세로 길이(Ly)가 가로 길이(Lx)보다 더 긴 경우 및 세로 길이(Ly)와 가로 길이(Lx)가 같은 경우에는 광량 분포의 균일도가 0에 가까운 결과를 보였다.
2차원 패턴(131)의 가로 길이(Lx)가 세로 길이(Ly)보다 긴 경우에는 광량 분포의 균일도가 다른 형상보다 더 높게 형성되었으며, 가로 길이(Lx) 및 세로 길이(Ly)의 정도에 따라 광량 분포의 균일도는 편차를 보이나, 가로 길이(Lx)가 420nm 인 경우 대체적으로 광량 분포의 균일도는 다른 경우에 비해 높은 균일도를 보였다.
2차원 패턴(131)의 돌출높이가 40nm 인 경우에는 가로 길이(Lx) 및 세로 길이(Ly) 정도에 무관하게 광량 분포의 균일도는 0에 수렴하여 2차원 패턴(131)의 돌출높이는 소정 이상의 높이를 확보하여야 함을 도출할 수 있었다.
도 9a 내지 도 9k에 도시된 결과를 살펴보면, 2차원 패턴(131)의 돌출 높이가 45 내지 60 nm 인 경우 광량 분포의 균일도가 0.4 이상 수준을 보이는 2차원 패턴(131)의 세로 길이(Ly) 및 가로 길이(Lx)의 조합이 다수 도출되는 것으로 확인된다. 광량 분포의 균일도가 같은 경우, 2차원 패턴의 돌출 높이는 이용되는 광의 파장에 비례하는 것이 일반적이다.
본 시뮬레이션에 이용되는 광의 파장은 532 nm 이므로, 광량 분포의 균일도가 0.4 이상 수준을 보이려면 2차원 패턴의 돌출 높이는 이용되는 광의 파장의 0.084 내지 0.113 배인 것이 바람직하다.
그리고 도 9a 내지 도 9k에 도시된 결과를 살펴보면, 2차원 패턴(131)의 세로 길이(Ly)가 189 nm 내지 336 nm 인 경우 광량 분포의 균일도가 0.4 이상 수준을 보이는 2차원 패턴(131)의 세로 길이(Ly) 및 가로 길이(Lx)의 조합이 다수 도출되는 것으로 확인된다.
본 시뮬레이션에 이용되는 선형 격자, 선형 패턴 및/또는 격자들의 피치는 365 nm 이므로, 광량 분포의 균일도가 0.4 이상 수준을 보이려면 2차원 패턴의 세로 길이(Ly)는 선형 격자, 선형 패턴 및/또는 격자들의 피치 대비 0.50 내지 0.921 배인 것이 바람직하다.
그리고 도 9a 내지 도 9k에 도시된 결과를 살펴보면, 2차원 패턴(131)의 가로 길이(Lx)가 420 nm 내지 483 nm 인 경우 광량 분포의 균일도가 0.4 이상 수준을 보이는 2차원 패턴(131)의 세로 길이(Ly) 및 가로 길이(Lx)의 조합이 다수 도출되는 것으로 확인된다.
본 시뮬레이션에 이용되는 선형 격자, 선형 패턴 및/또는 격자들의 피치는 365 nm 이므로, 광량 분포의 균일도가 0.4 이상 수준을 보이려면 2차원 패턴의 가로 길이(Lx)는 선형 격자, 선형 패턴 및/또는 격자들의 피치 대비 0.150 내지 1.324 배인 것이 바람직하다.
한편, 도 9c 는 2차원 패턴(131)의 돌출높이가 50nm 인 경우이고, 2차원 패턴의 가로 길이(Lx) 부분이 제1회절 광학소자(120)가 구비하는 선형 격자(121)의 연장 방향과 90 °를 이루고 있을 때의 광량 분포의 균일도를 나타낸 것이고, 도 9l은 도 9c 대비 2차원 패턴의 가로 길이(Lx) 부분이 제1회절 광학소자(120)가 구비하는 선형 격자(121)의 연장 방향과 수직한 방향 기준 반시계 방향으로 10°만큼 회전된 상태일 때의 광량 분포의 균일도를 나타낸 것이고, 도 9m은 도 9c 대비 2차원 패턴의 가로 길이(Lx) 부분이 제1회절 광학소자(120)가 구비하는 선형 격자(121)의 연장 방향과 수직한 방향 기준 반시계 방향으로 18°만큼 회전된 상태일 때의 광량 분포의 균일도를 나타낸 것이며, 도 9n은 도 9c 대비 2차원 패턴의 가로 길이(Lx) 부분이 제1회절 광학소자(120)가 구비하는 선형 격자(121)의 연장 방향과 수직한 방향 기준 반시계 방향으로 20°만큼 회전된 상태일 때의 광량 분포의 균일도를 나타낸 것이다.
도 9c 및 도 9l 내지 도 9m을 살펴보면, 2차원 패턴의 가로 길이(Lx) 부분이 제1회절 광학소자(120)가 구비하는 선형 격자(121)의 연장 방향과 수직하거나, 2차원 패턴의 가로 길이(Lx) 부분이 제1회절 광학소자(120)가 구비하는 선형 격자(121)의 연장 방향과 수직한 방향 기준 20°미만만큼 회전된 상태일 때의 광량 분포의 균일도가 0 을 초과하여 달성될 수 있다.
종합해보면, 제2회절 광학소자(130)가 배치된 영역 전체적으로 광이 균일하게 출력되기 위해서는 2차원 패턴(131)의 수평단면은 타원형상이고, 타원형상의 장축은 제1회절 광학소자(120)가 구비하는 선형 격자(121)의 연장 방향과 수직한 방향과 20 °미만의 각도를 형성하는 것이 바람직하다.
본 발명의 다른 측면에 따른 디스플레이 장치(미도시)는 영상을 형성하는 영상광을 출력하는 광원(미도시)과, 본 발명의 일 측면에 따른 회절 도광판(100)을 포함할 수 있다. 광원으로부터 출력된 영상광은 제1회절 광학소자(120)에 입력 및 회절되어 제2회절 광학소자(130)의 제1격자(L1') 및 제2격자(L2')에 커플링되며, 제1격자(L1') 및 제2격자(L2')는 커플링되어 수광된 광을 회절시켜 1차원적으로 확장하며, 1차원적으로 확장된 광은 다른 종류의 격자(L2', L1')에 커플링되고 회절에 의해 광가이드부(110)로부터 출력될 수 있다. 제2회절 광학소자(120) 전 영역에 걸쳐 배치된 2차원 패턴에 의해 구성된 제1격자(L1') 및 제2격자(L2') 각각에 의해 제1회절 광학소자(120)로부터 수광된 광을 확장하고 또한 확장된 영상광을 출력하므로, 시야각을 크게 형성할 수 있고 또한 아이모션박스 또한 넓게 형성하여 다양한 신체 조건을 가지는 사용자의 동공들에 폭넓게 대응 가능하다는 장점이 있다.
도 10a는 본 발명의 일 측면에 따른 회절 도광판의 일 실시예의 제2회절 광학소자에서 출력되는 광을 촬상한 이미지이며, 도 10b는 2차원 패턴의 수평단면이 원형인 회절 도광판의 비교예의 제2회절 광학소자에서 출력되는 광을 촬상한 이미지이다.
비교예의 제2회절 광학소자에서 출력되는 광은 상하 방향 보다는 좌우 방향에 치중되어 광이 출력되는 반면, 본 발명의 실시예의 제2회절 광학소자에서 출력되는 광은 좌우 방향을 포함하여 상하 방향으로도 광이 분포되어 균일하게 출력되는 것을 확인할 수 있다.
비록 본 발명이 상기 언급된 바람직한 실시예와 관련하여 설명되었지만, 발명의 요지와 범위로부터 벗어남이 없이 다양한 수정이나 변형을 하는 것이 가능하다. 따라서 첨부된 특허청구의 범위에는 본 발명의 요지에 속하는 한 이러한 수정이나 변형을 포함할 것이다.

Claims (9)

  1. 광을 안내하기 위한 광가이드부;
    광원으로부터 출력된 광이 입력되어 상기 광가이드부 상에서 안내될 수 있도록 미리 정해진 피치로 반복 형성된 선형 격자를 구비하여 상기 입력된 광을 회절시키는 제1회절 광학소자; 및
    상기 광가이드부의 일면 상에 상기 제1회절 광학소자가 배치되는 영역과 구별되는 영역에 배치되되, 제1방향을 따라 미리 정해진 피치로 반복 나열되는 가상의 제1선형 패턴과 상기 제1방향과 다른 제2방향을 따라 미리 정해진 피치로 반복 나열되는 가상의 제2선형 패턴이 상호 교차하는 영역 내에 제공되는 2차원 패턴을 구비하는 제2회절 광학소자를 포함하며,
    상기 2차원 패턴의 수평단면은 타원형상이며, 상기 타원형상의 장축이 상기 제1회절 광학소자가 구비하는 선형 격자의 연장 방향과 수직한 방향과 형성하는 각도는 20°미만인, 회절 도광판.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 2차원 패턴은 상기 광가이드부의 일면으로부터 돌출 형성된, 회절 도광판.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 2차원 패턴의 돌출 높이는, 상기 광원으로부터 출력된 광의 파장 대비 0.084 내지 0.113 배인, 회절 도광판.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 타원 형상의 장축은, 상기 선형 격자 및 상기 선형 패턴의 피치 대비 0.50 내지 0.921 배인, 회절 도광판.
  5. 제2항에 있어서,
    상기 타원 형상의 단축은, 상기 선형 격자 및 상기 선형 패턴의 피치 대비 0.084 내지 0.113 배인, 회절 도광판.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 선형 격자 및 상기 선형 패턴은 각각의 피치에 반비례하는 크기 및 상기 선형 격자 및 선형 패턴이 연장된 방향과 수직한 방향으로 정의되는 격자 벡터를 가지며,
    상기 제1회절 광학소자의 선형 격자, 상기 제2회절 광학소자의 상기 제1선형 패턴 및 상기 제2선형 패턴 각각의 격자 벡터의 합은 0의 크기를 가지는, 회절 도광판.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 제1회절 광학소자의 선형 격자, 상기 제2회절 광학소자의 상기 제1선형 패턴 및 상기 제2선형 패턴 각각의 격자 벡터는 서로 동일한 크기를 가지는, 회절 도광판.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 제1회절 광학소자의 선형 격자, 상기 제2회절 광학소자의 상기 제1선형 패턴 및 상기 제2선형 패턴 각각의 격자 벡터는 서로 60 °의 각을 형성하는, 회절 도광판.
  9. 영상을 형성하는 영상광을 출력하는 광원; 및
    제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 따른 회절 도광판을 포함하는 디스플레이 장치.
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