WO2022186464A1

WO2022186464A1 - 자극 반응형 동적 메타-홀로그래픽 소자

Info

Publication number: WO2022186464A1
Application number: PCT/KR2022/000025
Authority: WO
Inventors: 노준석; 김인기; 김원식; 김영기; 장재혁
Original assignee: 포항공과대학
Priority date: 2021-03-03
Filing date: 2022-01-03
Publication date: 2022-09-09
Also published as: US20240061376A1

Abstract

본 발명은 자극반응형 동적 메타홀로그래픽 소자에 관한 것이다. 본 발명의 일 측면에 따르면, 복수 개의 나노구조체가 제공되는 메타표면층; 및 상기 메타표면층의 일측에 제공되고, 외부자극에 의해 배열이 변경될 수 있는 복수 개의 셀을 포함하는 액정층을 포함하고, 상기 액정층은, 외부자극에 의해 복수 개의 상기 셀의 배열이 변경됨으로써 액정층을 투과하는 투과광의 편광상태를 변경시킬 수 있는 자극반응형 동적 메타홀로그래픽 소자가 제공될 수 있다.

Description

자극 반응형 동적 메타-홀로그래픽 소자

본 발명은 자극 반응형 동적 메타-홀로그래픽 소자에 관한 것이다.

홀로그램은 빛의 간섭을 이용하여 구현된 영상을 의미한다. 구체적으로, 홀로그램은 입체 형상을 재현할 수 있는 기술로서, 레이저의 특성을 이용하여 물체로부터 반사되는 물체파와 또 다른 각도에서 직진되는 기준파의 간섭 현상에 의해 물체 각 부분의 정보를 그대로 입체 형상으로 재생할 수 있는 기술을 의미한다.

최근, 광학 메타 표면(optical metasurfaces)이라고 불리는 인공적으로 생성된 2차원 재료 플랫폼에 의해 실현되는 평면 광학(Flat optics)을 이용하여 홀로그램을 구현하고자 하는 시도가 이루어지고 있다.

그러나, 이러한 종래의 시도에도 불구하고 광학 메타 표면을 활성화시켜 실시간(real time)으로 복수 개의 홀로그램 이미지를 구현할 수 있는 소자 또는 장치를 구현하지 못하였다.

본 발명의 실시예들은 상기와 같은 문제를 해결하기 위해 제안된 것으로서, 실시간(real time)으로 복수 개의 홀로그램 이미지를 구현할 수 있는 자극 반응형 동적 메타-홀로그래픽 소자를 제공하고자 한다.

또한, 외부자극(예를 들어, 전기, 온도, 압력)에 따라 서로 다른 홀로그램 이미지를 구현할 수 있는 자극 반응형 동적 메타-홀로그래픽 소자를 제공하고자 한다.

본 발명의 일측면에 따르면, 복수 개의 나노구조체가 제공되는 메타표면층; 및 상기 메타표면층의 일측에 제공되고, 외부자극에 의해 배열이 변경될 수 있는 복수 개의 셀을 포함하는 액정층을 포함하고, 상기 액정층은, 외부자극에 의해 복수 개의 상기 셀의 배열이 변경됨으로써 액정층을 투과하는 투과광의 편광상태를 변경시킬 수 있는 자극반응형 동적 메타홀로그래픽 소자가 제공될 수 있다.

또한, 복수 개의 나노구조체는, 제1 나노구조체그룹에 포함된 나노구조체와, 제2 나노구조체그룹에 포함된 나노구조체를 포함하고, 제1 나노구조체그룹에 포함된 나노구조체와 제2 나노구조체그룹에 포함된 나노구조체는 서로 직교하도록 배열되는 자극반응형 동적 메타홀로그래픽 소자가 제공될 수 있다.

또한, 상기 나노구조체는 수소화 비정질 실리콘으로 제공되는 자극반응형 동적 메타홀로그래픽 소자가 제공될 수 있다.

또한, 상기 나노구조체의 길이는 120nm 내지 250nm이고, 폭은 60nm 내지 150nm인 자극반응형 동적 메타홀로그래픽 소자가 제공될 수 있다.

또한, 복수 개의 상기 셀은 외부자극이 가해지지 않을 때 일방향으로 정렬되고, 일방향으로 정렬된 상기 셀은 외부자극이 가해짐에 따라 회전이 발생하여 상기 일방향과 다른 방향으로 재배열되는 자극반응형 동적 메타홀로그래픽 소자가 제공될 수 있다.

또한, 상기 액정층은, 일방향으로 정렬된 복수 개의 셀을 포함하는 제1 영역을 포함하고, 상기 일방향으로 정렬된 상기 셀이 외부자극이 가해짐에 따라 회전이 발생하여 상기 일방향과 다른 방향으로 재배열되는 제2 영역을 포함하는 자극반응형 동적 메타홀로그래픽 소자가 제공될 수 있다.

또한, 입사광이 상기 제1 영역을 투과하는 경우, 상기 투과광은 제1 편광상태가 되고, 입사광이 상기 제2 영역을 투과하는 경우, 상기 투과광은 제2 편광상태가 되는 자극반응형 동적 메타홀로그래픽 소자가 제공될 수 있다.

또한, 상기 셀은 4-시아노-4'-펜틸바이페닐로 제공되는 자극반응형 동적 메타홀로그래픽 소자가 제공될 수 있다.

또한, 상기 일방향은 상기 메타표면층의 상부기판의 접선 방향을 나타내는 자극반응형 동적 메타홀로그래픽 소자가 제공될 수 있다.

또한, 상기 액정층의 상측에는 상부기판이 제공되고, 상기 액정층의 하측에는 하부기판이 제공되고, 상기 상부기판과 상기 하부기판의 일측에는 상기 액정층에 기 설정된 전압을 인가할 수 있는 전극이 제공되는 자극반응형 동적 메타홀로그래픽 소자가 제공될 수 있다.

또한, 상기 액정층에 전기장이 생성되는 경우, 상기 셀은 전기장에 평행한 방향으로 회전되는 자극반응형 동적 메타홀로그래픽 소자가 제공될 수 있다.

또한, 상기 액정층의 두께는 5μm 내지 15μm로 제공되는 자극반응형 동적 메타홀로그래픽 소자가 제공될 수 있다.

또한, 상기 액정층에 전압이 인가되는 경우, 상기 셀은 메타표면층의 상부기판과 수직한 방향으로 회전하는 자극반응형 동적 메타홀로그래픽 소자가 제공될 수 있다.

또한, 상기 액정층에 입사하는 입사광은 상기 셀이 배열된 일방향에 대해서 45° 선형편광된 광으로 제공되는 자극반응형 동적 메타홀로그래픽 소자가 제공될 수 있다.

또한, 상기 외부자극은 온도 변화로 제공되고, 상기 액정층에 온도 변화가 발생하는 경우, 일방향으로 정렬된 셀이 다른 방향으로 재배열되는 자극반응형 동적 메타홀로그래픽 소자가 제공될 수 있다.

또한, 상기 액정층에 제공되는 셀은 시아노비페닐계 액정인 E7을 포함하는 자극반응형 동적 메타홀로그래픽 소자가 제공될 수 있다.

또한, 입사광이 제1 온도범위를 갖는 상기 액정층을 투과하는 경우, 상기 투과광은 제1 편광상태를 나타내고, 입사광이 제2 온도범위를 갖는 상기 액정층을 투과하는 경우, 상기 투과광은 제2 편광상태를 나타내는 자극반응형 동적 메타홀로그래픽 소자가 제공될 수 있다.

또한, 상기 자극반응형 동적 메타홀로그래픽 소자는, 상기 액정층의 적어도 일부분에 온도 변화를 일으킬수 있는 가열층을 더 포함하는 자극반응형 동적 메타홀로그래픽 소자가 제공될 수 있다.

또한, 입사광이 압력이 가해지지 않은 액정층을 투과하는 경우, 상기 투과광은 제2 편광상태를 나타내고, 입사광이 제1 압력을 갖는 액정층을 구과하는 경우, 상기 투과광은 제1 편광상태를 나타내는 자극반응형 동적 메타홀로그래픽 소자가 제공될 수 있다.

또한, 상기 제1 압력은 5kpa 내지 20kpa인 자극반응형 동적 메타홀로그래픽 소자가 제공될 수 있다.

본 발명의 실시예들에 따른 자극 반응형 동적 메타-홀로그래픽 소자는 실시간(real time)으로 복수 개의 홀로그램 이미지를 구현할 수 있다.

또한, 외부자극(예를 들어, 전기, 온도, 압력)에 따라 서로 다른 홀로그램 이미지를 구현할 수 있는 장점이 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 자극반응형 동적 메타홀로그래픽 소자(1)를 개략적으로 나타낸 도면이다.

도 2는 도 1의 자극반응형 동적 메타홀로그래픽 소자(1)의 메타표면층(10) 일부를 개략적으로 나타낸 도면이다.

도 3은 도 1의 메타표면층(10)의 상측을 구성하는 나노구조체(102)의 각도에 따른 투과광(L2)의 위상과 투과율을 나타내는 도면이다.

도 4는 도 1의 자극반응형 동적 메타홀로그래픽 소자(1)의 나노구조체(102)에 가시광선 파장(예를 들어, λ = 633 nm)을 갖는 입사광(L1)이 조사되었을때, 나노구조체(102)의 길이(L)와 폭(W)의 함수에 따른 교차편광투과효율(cross-polarized transmission efficiency)를 수치적으로 계산된 등고선맵(contour map)을 나타내는 도면이다.

도 5는 도 1의 자극반응형 동적 메타홀로그래픽 소자(1)의 일부분인 액정층(20)을 개념적으로 나타내는 도면이다.

도 6은 도 6의 액정층(20)에 전압(VAC)이 걸렸을때 액정층(20)을 투과하는 광의 편광상태를 나타낼 수 있는 프왕카레구(Poincare sphere)를 나타내는 도면이다.

도 7은 도 1의 자극반응형 동적 메타홀로그래픽 소자(1)에 입사광(L1)이 조사되었을때, 외부자극의 변화에 따라 복수 개의 홀로그램 이미지(I1, I2)가 맺히는 모습을 개략적으로 나타낸 도면이다.

도 8은 도 1의 자극반응형 동적 메타홀로그래픽 소자(1)와 이의 크기를 비교할 수 있는 연필을 함께 도시한 도면이다.

도 9는 도 1의 자극반응형 동적 메타홀로그래픽 소자(1)의 메타표면층(10)의 광학 현미경 도면 및 이를 확대한 나노구조체가 나타나는 도면이다.

도 10은 도 1의 자극반응형 동적 메타홀로그래픽 소자(1)를 포함하는 자극반응형 동적 메타홀로그래픽 구현 시스템(2)을 개략적으로 나타내는 도면이다.

도 11은 본 발명의 다른 실시예에 따른 자극반응형 동적 메타홀로그램 소자(1')를 개략적으로 나타내는 도면이다.

도 12는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 자극반응형 동적 메타홀로그램 소자(1'')를 개략적으로 나타내는 도면이다.

도 13은 종래 기술에서 활용되었던 스핀 각 운동량(a) 및 본 발명의 실시 예에서 활용되는 빛의 궤도 각 운동량(b)을 도시하는 개념도이다.

도 14는 본 발명의 또다른 실시 예에 따른 홀로그램 생성 장치의 구성을 도시하는 블록도이다.

도 15은 빛이 입사되는 위상판(a) 및 위상판의 컬럼의 높이 및 회전각에 의해 결정되는 진폭 및 위상이 표시된 복소평면(b)을 도시하는 개념도이다.

도 16은 특정한 값의 궤도 각 운동량을 갖는 빛의 진폭(a) 및 위상(b)의 예를 도시하는 개념도이다.

도 17는 위상판에 입사된 빛이 컬럼에 의해 편광되는 과정(a) 및 편광된 빛의 강도(b)를 도시하는 개념도이다.

도 18은 제1 이미지(a) 및 제n 이미지(b)가 각각 역 푸리에 변환되어 중첩되는 과정을 도시하는 개념도이다.

도 19는 상기 과정에 의해 복수 개의 위상판이 중첩되어 형성된 위상판을 실수부(a) 및 허수부(b)로 구분하여 도시하는 개념도이다.

도 20은 입사된 빛의 파장과 위상판에 형성되는 컬럼의 높이에 따른 교차 편광의 진폭 변화를 도시하는 그래프이다.

도 21은 입사된 빛의 파장과 위상판에 형성되는 컬럼의 높이에 따른 교차 편광의 초기 위상 지연 변화를 도시하는 그래프이다.

도 22는 상기 과정에 의해 도출된 결과를 최적화하기 위해 진폭 및 위상이 정규화된 결과를 도시하는 그래프이다.

도 23은 본 발명의 실시 예에 따른 홀로그램 생성 장치 및 생성 방법에 활용되는 데이터베이스부에 저장된 정보를 도시하는 개념도이다.

도 24는 상기 과정에 의해 제작된 위상판을 도시하는 개념도이다.

도 25는 상기 과정에 의해 제작된 위상판(a), 위상판의 부분 확대 사시도(b) 및 위상판의 컬럼을 나타내는 확대도(c)이다.

도 26은 본 발명의 실시 예에 따른 홀로그램 생성 방법의 흐름을 도시하는 순서도이다.

도 27는 도 26의 홀로그램 생성 방법 중 S100 단계의 흐름을 도시하는 순서도이다.

도 28은 도 26의 홀로그램 생성 방법 중 S200 단계의 흐름을 도시하는 순서도이다.

도 29는 도 26의 홀로그램 생성 방법 중 S300 단계의 흐름을 도시하는 순서도이다.

도 30 및 도 31는 본 발명의 실시 예에 따른 홀로그램 생성 장치 및 생성 방법에 의해 형성되는 생성 이미지를 도시하는 개념도이다.

이하에서는 본 발명의 구체적인 실시예들에 대하여 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

아울러 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 자극반응형 동적 메타홀로그래픽 소자(1)를 개략적으로 나타낸 도면이고, 도 2는 도 1의 자극반응형 동적 메타홀로그래픽 소자(1)의 메타표면층(10) 일부를 개략적으로 나타낸 도면이며, 도 3은 도 1의 메타표면층(10)의 상측을 구성하는 나노구조체(102)의 각도에 따른 투과광(L2)의 위상과 투과율을 나타내는 도면이고, 도 4는 도 1의 자극반응형 동적 메타홀로그래픽 소자(1)의 나노구조체(102)에 가시광선 파장(예를 들어, λ = 633 nm)을 갖는 입사광(L1)이 조사되었을때, 나노구조체(102)의 길이(L)와 폭(W)의 함수에 따른 교차편광투과효율(cross-polarized transmission efficiency)를 수치적으로 계산된 등고선맵(contour map)을 나타내는 도면이며, 도 5는 도 1의 자극반응형 동적 메타홀로그래픽 소자(1)의 일부분인 액정층(20)을 개념적으로 나타내는 도면이고, 도 6은 도 6의 액정층(20)에 전압(VAC)이 걸렸을때 액정층(20)을 투과하는 광의 편광상태를 나타낼 수 있는 프왕카레구(Poincarι sphere)를 나타내는 도면이며, 도 7은 도 1의 자극반응형 동적 메타홀로그래픽 소자(1)에 입사광(L1)이 조사되었을때, 외부자극의 변화에 따라 복수 개의 홀로그램 이미지(I1, I2)가 맺히는 모습을 개략적으로 나타낸 도면이고, 도 8은 도 1의 자극반응형 동적 메타홀로그래픽 소자(1)와 이의 크기를 비교할 수 있는 연필을 함께 도시한 도면이고, 도 9는 도 1의 자극반응형 동적 메타홀로그래픽 소자(1)의 메타표면층(10)의 광학 현미경 도면 및 이를 확대한 나노구조체가 나타나는 도면이다.

도 1 내지 도 7에 도시된 메타표면층(10)과 액정층(20)의 각 구성(예를 들어, 나노구조체(102)와 셀(202)의 크기)은 이해를 돕기 위해 과장되게 도시하였다.

도 1 내지 도 9를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 자극반응형 동적 메타홀로그래픽 소자(1)는 복수 개의 나노구조체(102)가 제공되는 메타표면층(10); 및 외부자극에 의해 배열이 변경될 수 있는 복수 개의 셀(202)을 포함하는 액정층(20)을 포함할 수 있다.

자극반응형 동적 메타홀로그래픽 소자(1)에 입사광(L1)이 투과되는 경우, 외부자극에 따라 서로 다른 이미지가 출력될 수 있다. 본 실시예에서, 외부자극은 전기 변화, 온도 변화 및 압력 변화 중 하나인 것을 예로 들어 설명한다.

예를 들어, 자극반응형 동적 메타홀로그래픽 소자(1)에 외부자극이 가해지지 않을 때, 자극반응형 동적 메타홀로그래픽 소자(1)에 입사광(L1)이 도입되는 경우 제1 이미지가 출력될 수 있고, 외부자극이 가해질때 자극반응형 동적 메타홀로그래픽 소자(1)에 입사광(L1)이 도입되는 경우 제2 이미지가 출력될 수 있다.

본 실시예에서, 제1 이미지와 제2 이미지는 서로 다른 이미지로서, 각각 헬리콥터 및 비행기 형상을 예시하나(도 7 참조), 본 발명의 사상은 이에 한정되는 것은 아니며, 메타표면층(10)의 나노구조체(102)의 형상 및 배열에 따라 다른 이미지가 생성되는 것을 포함할 수 있다.

본 실시예에서 입사광(L1)은 외부에서 자극반응형 동적 메타홀로그래픽 소자(1)로 향하는 빛으로 이해될 수 있고, 투과광(L2)은 자극반응형 동적 메타홀로그래픽 소자(1)를 투과하여 자극반응형 동적 메타홀로그래픽 소자(1)와 멀어지는 방향으로 향하는 빛으로 이해될 수 있다.

입사광(L1)이 자극반응형 동적 메타홀로그래픽 소자(1)가 입사되고, 편광상태가 바뀐 투과광(L2)이 액정층(20)을 투과하여 메타표면층(10)으로 도입될 수 있고, 편광상태가 바뀐 투과광(L2)이 메타표면층(10)을 투과함으로써, 편광상태에 따라 서로 다른 홀로그램 이미지가 출력될 수 있다.

또한, 액정층(20)에 가해지는 외부자극에 따라 입사광(L1)이 액정층(20)을 투과하여 편광상태가 좌원편광된 광(L21) 또는 우원편광된 광(L22)으로 나올 수 있고, 이러한 편광상태가 변경된 광은 메타표면층(10)을 투과하여, 서로 다른 홀로그램 이미지를 출력될 수 있다. 외부자극에 따라 입사광(L1)의 편광상태를 변경시킬 수 있는 액정층(20)에 대한 보다 자세한 설명은 후술한다.

메타표면층(10)은 액정층(20)의 상측에 배치되는 상부기판(100)과 상부기판(100)의 상측에 배치되는 복수 개의 나노구조체(102)를 포함할 수 있다.

상부기판(100)은 평면 플레이트 형상일 수 있으며, 복수 개의 단위셀(111)이 연속적으로 배열되어 형성될 수 있다. 여기서, 평면은 x축과 y축 방향으로 연장되는 평면이고, z축은 평면과 수직한 방향으로 입사광(L1)이 진행하는 방향으로 이해될 수 있다.

하나의 단위셀(111)은 xy평면을 정면에서 보았을 때 한 변의 길이가 P인 정사각형 형상일 수 있다.

상부기판(100)은 이산화규소(SIO2)로 제공될 수 있으며, 상부기판(100)의 두께는 10nm 내지 300nm일 수 있다.

상부기판(100)의 상측에는 복수 개의 나노구조체(102)가 제공될 수 있다. 여기서, 나노구조체(102)는 수소화 비정질 실리콘(hydrogenated amorphous silicon, a-Si;H)으로 제공될 수 있다.

하나의 나노구조체(102)는 하나의 단위셀(111) 상에 배치될 수 있으며, 연속적으로 배치된 단위셀(111) 상에 배치된 나노구조체(102)가 배열되어 메타표면층(10)을 형성할 수 있다.

본 실시예의 나노구조체(102)는 길이(L), 폭(W), 높이(H)를 갖는 직육면체 형상을 가질 수 있다.

복수 개의 나노구조체(102)는 메타표면층(10)을 투과하는 투과광(L2)의 편광상태에 따라 서로 다른 홀로그램 이미지가 출력되는 크기 및 배열로 제공될 수 있다.

예를 들어, 좌원편광된 광(L21)이 메타표면층(10)을 투과하는 경우 제1 이미지(I1)가 생성되고, 우원편광된 광(L22)이 메타표면층(10)을 투과하는 경우 제2 이미지(I2)가 생성될 수 있다.

투과광(L2)의 편광상태에 따라 기 설정된 복수 개의 홀로그램 이미지가 출력되도록, 복수 개의 나노구조체(102)는 투과광(L2)의 대칭 위상 이동(symmetric phase shift)의 역전이 차단되도록 형성될 수 있다.

이러한 복수 개의 나노구조체(102)는 비대칭-스핀 궤도 상호작용(asymmetric-spin orbit interaction, A-SOI) 헬리시티(helicity)를 이용하도록 배열되는 것으로 이해될 수 있다.

구체적으로, 복수 개의 나노구조체(102)는 서로 수직방향으로 배열된 복수 개의 나노구조체를 포함할 수 있다.

예를 들어, 복수 개의 나노구조체(102)는 제1 나노구조체그룹(102A)으로 제공되는 제1 나노구조체(1021), 제2 나노구조체(1022), 제3 나노구조체(1023), 제4 나노구조체(1024)와 제2 나노구조체그룹(102B)으로 공되는 제5 나노구조체(1025), 제6 나노구조체(1026), 제7 나노구조체(1027), 제8 나노구조체(1028)를 포함하고, 제1 나노구조체그룹(102A)의 나노구조체(1021, 1022, 1023, 1024)는 제2 나노구조체그룹(102B)의 나노구조체(1025, 1026, 1027, 1028)와 직교하도록 배열될 수 있다.

또한, 제1 나노구조체그룹(102A)에 포함된 나노구조체(1021, 1022, 1023, 1024)는 서로 다른 크기를 갖되 동일한 각도를 갖도록 배열될 수 있다. 또한, 제2 나노구조체그룹(102B)에 포함된 나노구조체(1025, 1026, 1027, 1028)도 서로 다른 크기를 갖되, 동일한 각도를 갖도록 배열될 수 있다(도 3 참조, 도 3에 도시된 나노구조체는 나노구조체를 상측(xy 평면)에서 바라본 나노구조체를 나타낸다).

이와 같이 서로 직교하는 나노구조체를 포함하는 두개의 그룹은 8스텝으로 180도 위상 범위를 커버할 수 있다.

제1 나노구조체그룹(102A)의 나노구조체들과 제2 나노구조체그룹(102B)의 나노구조체들이 서로 수직하게 배열하고, 나노구조체들의 크기를 최적화함으로써, 나노구조체들이 배치된 방향과 무관한 추가 위상 이동(phase shift)을 달성할 수 있다. 이에 의해 편광상태에 따라 서로 다른 홀로그램 이미지를 출력할 수 있다.

도 4는 최적의 나노구조체(102)의 크기를 설계하기 위한 시뮬레이션을 나타낸다. 도 4의 흰색선이 최적의 나노구조체(102)의 길이(L)와 폭(W)으로 이해될 수 있다. 구체적으로, 나노구조체(102)는 길이(L) 120nm 내지 250nm 일 수 있으며, 폭(W)은 60nm 내지 150nm 일 수 있다.

보다 구체적으로, 나노구조체(102)의 길이(L)가 120nm 내지 160nm 일때, 나노구조체(102)의 폭(W)은 60nm 내지 120nm으로 제공될 수 있고, 나노구조체(102)의 길이(L)가 160nm 내지 250nm 일때, 나노구조체(102)의 폭(W)은 120nm 내지 150nm 일 수 있다.

이때, 나노구조체(102)의 높이(H)는 300nm 내지 500nm일 수 있으며, 바람직하게는 350nm 내지 400nm 일 수 있으며, 보다 바람직하게는 380nm 일 수 있다.

또한, 메타표면층(10)에 입사되는 투과광(L2)의 편광상태에 따라 복수 개의 홀로그램 이미지가 출력되는 과정을 보다 자세히 설명하면 아래와 같다.

메타표면층(10)을 투과한 투과광(L2)의 위상 이동(phase shift)은 하기와 같은 식으로 표현될 수 있다.

여기서,

는 위상 지연(phase retardation)을 나타내고,

는 나노구조체(102)의 회전각(rotation angle)을 나타내고,

= + 1 는 우원편광된 광(L22)을 나타내고, -1은 좌원편광된 광(L21)을 나타낸다.

여기서, 나노구조체(102)의 회전각(rotation angle)는 임의의 x축, 또는 y축을 기준으로 회전한 각일 수 있다.

또한,

는 스핀-독립적(spin-independent)이고,

는 스핀 의존적일 수 있다.

이러한 최적화를 통한 누적된 위상 이동은 전체 위상 이동을 보장하고, 비대칭-스핀 궤도 상호작용(asymmetric-spin orbit interaction, A-SOI)을 사용하는 파면 생성을 보장한다.

또한, 자극반응형 동적 메타홀로그래픽 소자(1)는 소형으로 제작될 수 있다. 예를 들어, 자극반응형 동적 메타홀로그래픽 소자(1)의 평면 크기(xy평면)는 2cm x 2cm 이하, 바람직하게는 1cm x 1cm 이하로 제공될 수 있다.

액정층(20)은 입사광(L1)을 투과시키고, 외부자극에 의해 셀(202)의 배열이 변경됨으로써, 액정층(20)을 투과하는 투과광(L2)의 편광상태를 변경시킬 수 있다. 여기서, 외부자극은 전기 변화, 온도 변화 및 압력 변화 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.

예를 들어, 입사광(L1)이 액정층(20)에 도입되고, 액정층(20)의 제1 영역(20A)에 투과된 투과광(L2)은 좌원편광된 광(L21)으로 편광상태가 변경되고, 액정층(20)의 제2 영역(20B)에 투과된 투과광(L2)은 우원편광된 광(L22)으로 편광상태가 변경될 수 있다. 이때, 액정층(20)을 투과한 편광상태가 변경된 투과광(L2)은 액정층(20)의 상측에 배치된 메타표면층(10)을 투과하여, 복수개의 이미지를 형성할 수 있다.

액정층(20)은 복수 개의 셀(202)을 포함할 수 있다.

예를 들어, 복수 개의 셀(202)은 외부자극이 가해지지 않을 때 일방향으로 정렬되고, 일방향으로 정렬된 상기 셀(202)은 외부자극이 가해짐에 따라 회전이 발생하여 상기 일방향과 다른 방향으로 정렬될 수 있다.

또는, 복수 개의 셀(202)은 제1 크기의 외부자극이 가해질 때 일방향으로 정렬되고, 일방향으로 정렬된 상기 셀(202)은 제1 크기보다 큰 제2 크기의 외부자극이 가해짐에 따라 회전이 발생하여, 상기 일방향과 다른 방향으로 정렬될 수 있다.

또한, 액정층(20)의 두께(d)는 5μm 내지 15μm 로 제공되고, 바람직하게 8μm 내지 12μm로 제공되고, 더욱 바람직하게는 10μm로 제공될 수 있다.

액정층(20)은 일방향으로 정렬된 복수 개의 셀(202)을 포함하는 제1 영역(20A)을 포함할 수 있고, 일방향으로 정렬된 상기 셀(202)이 외부자극이 가해짐에 따라 회전이 발생하여 상기 일방향과 다른 방향으로 정렬되는 제2 영역(20B)을 포함할 수 있다.

즉, 외부자극이 가해짐에 따라 액정층(20)은 제1 영역(20A) 및 제2 영역(20B) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 예를 들어, 액정층(20)의 일부에만 외부자극이 가해지는 경우, 액정층(20)은 제1 영역(20A)과 제1 영역(20A)을 동시에 포함할 수 있다.

입사광(L1)이 액정층(20)의 제1 영역(20A)을 투과하는 경우, 투과광(L2)은 제1 편광상태가 될 수 있고, 입사광(L1)이 액정층(20)의 제2 영역(20B)을 투과하는 경우, 투과광(L2)은 제2 편광상태가 될 수 있다.

본 실시예에서는 제1 편광상태를 갖는 투과광(L2)은 좌원편광된 광(L21)이고, 제2 편광상태를 갖는 투과광(L2)은 우원편광된 광(L22)인 것을 예로 들어 설명한다. 다만, 본 발명의 사상은 이에 한정되는 것은 아니며, 액정층(20)을 투과한 투과광(L2)은 다양한 편광상태를 가지는 것을 포함할 수 있다.

또한, 투과광(L2)은 액정층(20)의 상측에 배치된 메타표면층(10)을 투과하고, 투과광(L2)의 편광상태에 따라 메타표면층(10)에 의해 생성되는 이미지가 변경될 수 있다.

예를 들어, 액정층(20)에 의해 생성된 투과광(L2)이 좌원편광된 광(L21)인 경우, 좌원편광된 광(L21)은 메타표면층(10)을 투과함으로써 제1 이미지가 생성될 수 있다. 또한, 액정층(20)에 의해 생성된 투과광(L2)이 우원편광된 광(L22)인 경우, 우원편광된 광(L22)은 메타표면층(10)을 투과함으로써 제2 이미지가 생성될 수 있다.

이하에서는, 외부자극이 전기 변화로 제공되는 경우, 투과광(L2)의 편광상태를 변경시킬 수 있는 액정층(20)에 대해 구체적으로 설명한다.

전기 변화에 반응하는 액정층(20)의 경우, 각각의 셀(202)은 네마틱 액정셀(nematic liquid crystal)로 제공될 수 있다. 예를 들어, 네마틱 액정셀은 4-시아노-4'-펜틸바이페닐(4-Cyano-4'-pentylbiphenyl, 5CB)을 포함할 수 있다.

또한, 액정층(20)의 상측에는 메타표면층(10)의 상부기판(100)이 제공되고, 액정층(20)의 하측에는 하부기판(30)이 제공될 수 있다.

또한, 상부기판(100)과 하부기판(30) 사이에 전극(도면 미도시)이 배치되어 액정층(20)에 기 설정된 전압(VAC)이 인가될 수 있으며, 전압(VAC)이 인가되는 경우 액정층(20)에 전기장(electric field, E)이 생성될 수 있다.

액정층(20)에 전압(VAC)이 인가되지 않거나, 또는 제1 크기의 전압(VAC)이 인가될 때, 복수 개의 셀(202)은 일방향으로 정렬될 수 있다. 여기서, 일방향은 메타표면층(10)의 상부기판(100)의 접선 방향으로 정렬될 수 있다.

또한, 액정층(20)에 제2 크기의 전압(VAC)이 인가될 때, 일방향으로 정렬된 셀(202)은 회전이 발생하여 일방향과 다른 방향으로 정렬될 수 있다. 여기서, 일방향으로 정렬된 셀(202)은 제1 영역(20A)에 배치되고, 일방향과 다른 방향으로 정렬된 셀(202)은 제2 영역(20B)에 배치되는 것으로 이해될 수 있다. 또한, 제1 영역(20A)에 배열된 복수 개의 셀(202)은 메타표면층(10)의 상부기판(100)의 접선 방향으로 정렬될 수 있다.

액정층(20)에 전압(VAC)이 인가되는 경우, 액정층(20)에는 전기장이 발생하고, 일방향으로 배열된 셀(202)은 전기장에 평행한 방향으로 회전됨으로써, 셀(202)의 재배열(reordering)이 일어날 수 있다. 셀(202)의 재배열은 일방향과 다른 방향으로 배열되는 것으로 이해될 수 있다.

또한, 액정층(20)에 전기장이 걸렸을때, 셀(202)이 회전하는 응답시간은 20ms 내지 30ms 일 수 있다.

셀(202)의 재배열은 셀(202)의 유효굴절율(effective refractive index)을 변경시킬 수 있으며, 유효굴절율(effective refractive index)의 변화는 하기 식으로 표현될 수 있다.

여기서, n_e는 extraordinary reflective index를 나타내고, n_o는 ordinary reflective index를 나타낼 수 있고, θ=0 는 접선 원점(tangential orientation)을 나타낼 수 있다.

따라서, 셀(202)의 위상 지연(phase retardation)을 실현할 수 있음에 따라 액정층(20)을 투과하는 투과광(L2)의 편광상태를 제어할 수 있다.

여기서, 셀(202)의 위상 지연(phase retardation)은 다음과 같은 식으로 표현될 수 있다.

여기서, d는 액정층(20)의 두께, λ는 액정층(20)에 입사하는 입사광(L1)의 파장으로 이해될 수 있으며, 입사광(L1)과 투과광(L2)의 파장은 동일할 수 있다.

또한, 위상 지연(phase retardation)의 변화는

에 영향을 미치는 다른 인자에 의해 제어될 수 있다. 예를 들어, 셀(202)의 위상 지연(phase retardation) 및 감도(sensitivity)는 액정층(20)의 두께를 조절하거나, 셀(202)의 배치 순서와 이방성 특성(anisotropic characteristics)이 다른 물질을 사용하여 실현될 수 있다.

또한, 전기 변화에 반응하는 액정층(20)의 경우, 액정층(20)에 발생되는 전기장에 종속하는 셀(202)의 위상 지연(phase retardation)에 의해 투과광(L2)의 편광상태가 변화될 수 있다.

예를 들어, 액정층(20)에 발생되는 전기장에 따라 입사광(L1)은 액정층(20)을 투과함으로써, 투과광(L2)은 좌원편광된 광(L21) 또는 우원편광된 광(L22)으로 나올 수 있다. 여기서, 전기장은 액정층(20)에 걸리는 전압(VAC)에 비례하는 것으로 이해될 수 있다.

또한, 액정층(20)에 특정 전압(VAC)을 걸었을때, 셀(202)이 재배열됨으로써, 투과광(L2)은 특정 편광상태가 되도록 제어될 수 있다.

구체적으로, 액정층(20)에 전압(VAC)이 인가되는 경우 셀(202)은 상부기판(100)과 하부기판(30)에 수직한 방향으로 회전하는 셀(202)의 위상 지연(phase retardation)이 발생하고, 입사광(L1)으로부터 변화하는 투과광(L2)의 편광상태를 변화시킬 수 있다.

예를 들어, 액정층(20)에 전압(VAC) 0.8V가 걸렸을때, 투과광(L2)은 좌원편광된 광(L21)으로 나올 수 있고, 전압(VAC) 1V가 걸렸을때, 투과광(L2)은 우원편광된 광(L22)으로 나올 수 있다.

또한, 액정층(20)에서 나오는 투과광(L2)이 좌원편광된 광(L21) 또는 우원편광된 광(L22)이 되도록, 입사광(L1)은 특정 조건으로 제공될 수 있다.

구체적으로, 입사광(L1)은 셀(202)이 배열된 일방향(예를 들어, rubbing direction)에 대해서 45° 선형편광(linearly polarized)된 광으로 제공될 수 있다. 여기서, 입사광(L1)의 파장은 600nm 내지 650nm(바람직하게는, 633nm)로 제공될 수 있다.

도 6은 도 5의 액정층(20)에 전압(VAC)이 걸렸을때 액정층(20)을 투과하는 광의 편광상태를 나타낼 수 있는 프왕카레구(Poincarι sphere)를 나타내는 도면이다.

4-시아노-4'-펜틸바이페닐(4-Cyano-4'-pentylbiphenyl, 5CB)로 제공되는 셀(202)이 25°C에 있는 경우, 액정층(20)에 전압(VAC)(VAC)이 0일때(외부자극이 가해지지 않을 때), 위상 지연(τ)은 18.2 rad일 수 있다. 18.2 rad는 도 6에 도시된 프왕카레구(Poincarι sphere)에서 회전축(S1 축)을 중심으로 한 입사광의 2.9 회전(turn)에 해당될 수 있다.

여기서, 프왕카레구(Poincare sphere)는 편광상태를 구면 위의 한점에 대응시켜 표시하는 구면으로 이해될 수 있다.

구체적으로, 전압(VAC)(VAC)이 0일때 셀(202)을 통과하는 광의 편광은 [S1, S2, S3] = [0,1,0]에서 시작하고, [0,0,1], [0,-1,0] , [0,0,-1] 를 연속적으로 지나서, S1축을 중심으로 2.9회전한 녹색 포인트에서 끝날 수 있다. 여기서, [0,0,1]은 우원편광된 광, [0,-1,0] 은 135도 선형편광(linearly polarized), [0,0,-1]는 좌원편광된 광을 나타낼 수 있다.

셀(202)에 전압(VAC)이 걸리는 경우 위상 지연(phase retardation)은 감소함에 따라 투과광(L2)의 편광 상태는 제어될 수 있다.

예를 들어, 전압(VAC)(VAC)이 0에서 6V로 증가하는 경우, 투과광(L2)의 편광상태는 프왕카레구(Poincarι sphere)에서 시계방향으로 회전하여 투과광의 편광이(도 6의 녹색 포인트) 측정될 수 있다.

도 10을 참조하면, 가시광선 영역 파장을 조사할 수 있는 광원(302); 광원(302)에서 나오는 광이 투과하는 반파장판(304, HWP); 반파장판(304, HWP)에서 나오는 광을 반사시킬 수 있는 제1 미러(306) 및 제2 미러(308); 제2 미러(308)에서 나오는 광을 45° 선형편광(linearly polarized)된 광으로 변환할 수 있는 편광기(310) 및 본 발명의 일 실시예에 따른 자극반응형 동적 메타홀로그래픽 소자(1) 및 복수 개의 홀로그램 이미지가 맺힐 수 있는 렌즈(312)를 포함하는 자극반응형 동적 메타홀로그래픽 구현 시스템(2)이 제공될 수 있다.

도 11을 참조하여, 외부자극이 온도 변화로 제공되는 경우, 투과광(L2)의 편광상태를 변경시킬 수 있는 액정층(20')에 대해 구체적으로 설명한다. 다만, 도 11에 도시된 실시예의 자극반응형 동적 메타홀로그램 소자(1')는 도 1에 도시된 실시예의 자극반응형 동적 메타홀로그래픽 소자(1)와 비교하여 액정층(20')에 차이가 있으므로, 차이점을 위주로 설명하며 동일한 부분에 대하여는 상술한 설명과 도면 부호를 원용한다.

도 11에 도시된 자극반응형 동적 메타홀로그램 소자(1')에 입사광(L1)을 투과시키는 경우, 온도 변화에 따라 서로 다른 이미지가 출력될 수 있다.

구체적으로, 액정층(20')은 일방향으로 정렬된 복수 개의 셀(202')을 포함하는 제1 영역(20A')을 포함할 수 있고, 일방향으로 정렬된 상기 셀(202')이 외부자극이 가해짐에 따라 회전이 발생하여 상기 일방향과 다른 방향으로 정렬되는 제2 영역(20B')을 포함할 수 있다. 여기서, 외부자극은 온도 변화로 이해될 수 있다.

입사광(L1)이 액정층(20')의 제1 영역(20A')을 투과하는 경우, 투과광(L2)은 제1 편광상태가 될 수 있고, 입사광(L1)이 액정층(20')의 제2 영역(20B')을 투과하는 경우, 투과광(L2)은 제2 편광상태가 될 수 있다.

또한, 투과광(L2)은 액정층(20')의 상측에 배치된 메타표면층(10)을 투과하고, 투과광(L2)의 편광상태에 따라 메타표면층(10)에 의해 생성되는 이미지가 변경될 수 있으며, 이에 대한 자세한 설명은 상술한 설명에 갈음한다.

온도 변화에 반응하는 액정층(20')의 경우, 액정층(20')은 네마틱상(nematic phase)으로 제공될 수 있다.

구체적으로, 액정층(20')에 제공되는 셀(202')은 지방족 꼬리(aliphatic tails)를 갖는 시아노비페닐(cyanobiphenyl)계 액정인 E7 (25도에서 Δn = 0.2116, 파장(λ) = 633 nm)을 포함할 수 있다.

액정층(20')의 두께는 5μm 내지 15μm 로 제공되고, 바람직하게 8μm 내지 12μm로 제공되고, 더욱 바람직하게는 10μm로 제공될 수 있다.

온도 변화에 반응하는 액정층(20')의 경우, 광의 손실없이 전체 가시광 영역에서 셀(202')의 위상 지연(phase retardation)을 구현할 수 있는 이점이 있다.

구체적으로, 액정층(20')이 가열되어 액정층(20')의 온도가 상승하면, 열에너지는 일방향으로 배열된 셀(202')을 재배열시킴(구체적으로는,

를 감소시키는 방향으로 셀(202')의 순서를 감소시킴)으로써, 셀(202')의 위상 지연(phase retardation)을 감소시킬 수 있다.

이러한 셀(202')의 재배열을 이용하여 상술한 전기 변화와 마찬가지로 투과광(L2)의 편광상태를 제어할 수 있다.

예를 들어, 액정층(20')은 -60°C 내지 60°C 에서 작동될 수 있다.

또한, 본 실시예의 자극반응형 동적 메타홀로그램 소자(1')는 액정층(20')에 온도 변화를 줄 수 있는 가열층(40)이 제공될 수 있다. 예를 들어, 가열층(40)은 하부기판(30)의 일측에 제공될 수 있다. 가열층(40)에 의해 액정층(20')에 온도 변화가 발생하는 경우, 액정층(20')에 있는 셀(202')이 재배열됨으로써, 입사광(L1)의 편광상태를 변경시킬 수 있다.

또한, 온도 변화에 반응하는 액정층(20')의 경우, 액정층(20')의 온도 변화에 종속하는 셀(202')의 위상 지연(phase retardation)에 의해 투과광(L2)의 편광상태가 변화될 수 있다.

예를 들어, 액정층(20')이 제1 온도범위가 경우, 투과광(L2)을 우원편광된 광(L22)으로 나올 수 있고, 액정층(20')이 제1 온도범위와 다른 제2 온도범위인 경우, 투과광(L2)은 좌원편광된 광(L21)으로 나올 수 있다.

예를 들어, 제1 온도범위는 20°C 내지 30°C일 수 있으며, 제2 온도범위는 40°C 내지 50°C일 수 있다. 보다 구체적으로는, 액정층(20')이 24°C일때 투과광(L2)은 우원편광된 광(L22)으로 나올 수 있고, 액정층(20')이 47°C일때 투과광(L2)은 좌원편광된 광(L21)으로 나올 수 있다.

다만, 이러한 온도 범위는 예시적인 것으로서, 본 발명의 사상은 이러한 온도범위에 제한되는 것은 아니다.

이러한 온도 변화에 따라 편광상태를 편화시킬 수 있고, 그에 따라 복수 개의 이미지를 생성할 수 있는바, 자극반응형 동적 메타홀로그램 소자(1')는 온도에 민감한 식품 (예: 해산물, 유제품) 또는 화학 물질 (예 : 포토 레지스트, 반응성 모노머)을 포함하는 패키지에 부착된 홀로그램 마크로 적용될 수 있다.

도 12을 참조하여, 외부자극이 압력 변화로 제공되는 경우, 투과광(L2)의 편광상태를 변경시킬 수 있는 액정층(20'')에 대해 구체적으로 설명한다. 다만, 도 12에 도시된 실시예의 자극반응형 동적 메타홀로그램 소자(1'')는 도 1에 도시된 실시예의 자극반응형 동적 메타홀로그래픽 소자(1)와 비교하여 액정층(20'')에 차이가 있으므로, 차이점을 위주로 설명하며 동일한 부분에 대하여는 상술한 설명과 도면 부호를 원용한다.

도 12에 도시된 자극반응형 동적 메타홀로그램 소자(1'')에 입사광(L1)을 투과시키는 경우, 압력 변화에 따라 서로 다른 이미지가 출력될 수 있다.

즉, 자극반응형 동적 메타홀로그램 소자(1'')를 터치하는 경우, 액정층(20'')에 압력 변화가 생김으로써 액정층(20'')을 투과하는 광의 편광상태의 변화가 생길 수 있고, 이러한 광이 메타표면층(10)을 투과함으로써 복수 개의 서로 다른 이미지가 출력될 수 있다.

구체적으로, 액정층(20'')은 메타표면층(10)의 상부기판(100)에 대해 제1 방향으로 정렬된 복수 개의 셀(202'')을 포함하는 제1 영역(20A''); 및 상부기판(100)과 제1 방향으로 정렬된 상기 셀(202'')에 압력이 가해짐에 따라 셀(202'')이 재배열되는 제2 영역(20B'')을 포함할 수 있다.

이때, 제1 방향은 상부기판(100)과 80도 내지 110도 사이일 수 있으며, 바람직하게는 90도(상부기판과 수직한 방향)일 수 있다.

입사광(L1)이 액정층(20'')의 제1 영역(20A'')을 투과하는 경우, 투과광(L2)은 제2 편광상태가 될 수 있고, 입사광(L1)이 액정층(20')의 제2 영역(20B'')을 투과하는 경우, 투과광(L2)은 제1 편광상태가 될 수 있다.

여기서, 제2 편광상태는 좌원편광된 광(L21)일 수 있고, 제1 편광상태는 우원편광된 광(L22)일 수 있다.

압력 변화에 반응하는 액정층(20'')의 두께는 15μm 내지 25μm 로 제공되고, 바람직하게 18μm 내지 22μm로 제공되고, 더욱 바람직하게는 20μm으로 제공될 수 있다.

액정층(20'')에 압력이 가해지지 않을때, 셀(202'')은 제1 방향으로 정렬될 수 있고,

액정층(20'')에 압력이 가해질 때(예를 들어, 손가락으로 터치하는 경우), 셀(202'')이 재배열됨으로써 위상 지연(phase retardation)이 증가될 수 있다.

이와 같이 압력에 따른 셀(202'')의 재배열을 이용하여 투과광(L2)의 편광상태를 제어할 수 있다.

또한, 압력 변화에 반응하는 액정층(20'')의 경우, 액정층(20'')의 압력 변화에 종속하는 셀(202'')의 위상 지연(phase retardation)에 의해 투과광(L2)의 편광상태가 변할 수 있다.

예를 들어, 액정층(20'')에 압력이 가해지지 않는 경우, 투과광(L2)은 제2 편광상태를 나타내고, 액정층(20'')에 제1 압력이 가해지는 경우, 투과광(L2)은 제1 편광상태를 나타낼 수 있다.

여기서, 제1 압력은 5kpa 내지 20kpa 일 수 있으며, 바람직하게는 10kpa일 수 있다.

또한, 액정층(20'')에 가해지는 압력의 민감도는 셀(202'')의 구조 및 하부기판(30)과 상부기판(100)의 탄성을 통해 제어될 수 있다.

압력 변화에 반응하는 액정층(20'')이 제공되는 경우, 자극반응형 동적 메타홀로그램 소자(1'')는 간단한 터치로 복수 개의 홀로그램 이미지를 전환할 수 있으며, 자극반응형 동적 메타홀로그램 소자(1'')는 제품 또는 예술품에 대한 스마트 안전 라벨 등에 적용가능할 수 있다.

특히, 양방향 터치반응형 액정층(20'')을 적용하는 경우, 영구적으로 전환된 홀로그램 마크를 스캔하여 외부 접촉이나 충격을 구별 할 수있는 스마트 센서로 적용될 수 있다.

이상 본 발명의 실시예에 따른 자극반응형 동적 메타홀로그래픽 소자 및이를 구현하는 시스템을 구체적인 실시 형태로서 설명하였으나, 이는 예시에 불과한 것으로서, 본 발명은 이에 한정되지 않는 것이며, 본 명세서에 개시된 기초 사상에 따르는 최광의 범위를 갖는 것으로 해석되어야 한다. 당업자는 개시된 실시형태들을 조합, 치환하여 적시되지 않은 형상의 패턴을 실시할 수 있으나, 이 역시 본 발명의 범위를 벗어나지 않는 것이다. 이외에도 당업자는 본 명세서에 기초하여 개시된 실시형태를 용이하게 변경 또는 변형할 수 있으며, 이러한 변경 또는 변형도 본 발명의 권리범위에 속함은 명백하다.

이하에서는, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 홀로그램 생성 장치 및 생성 방법 (Hologram generating apparatus and method of generating the same)에 대해 설명한다.

본 실시예의 홀로그램 생성 장치 및 생성 방법은 이미지에 포함된 정보를 변환할 수 있는 홀로그램 생성 장치 및 생성 방법을 제공함을 일 목적으로 한다.

또한, 이미지에 포함된 정보를 용이하게 변환할 수 있는 홀로그램 생성 장치 및 생성 방법을 제공함을 일 목적으로 한다.

또한, 복수 개의 이미지에 포함된 정보를 용이하게 변환할 수 있는 홀로그램 생성 장치 및 생성 방법을 제공함을 일 목적으로 한다.

또한, 상기 목적을 용이하고도 효과적으로 달성할 수 있는 홀로그램 생성 장치 및 생성 방법을 제공함을 일 목적으로 한다.

이하, 도 13 내지 도 31의 도면들을 참조하여 본 발명의 실시 예에 따른 홀로그램 생성 장치(1001) 및 생성 방법을 상세하게 설명한다. 이하의 설명에서는 본 발명의 특징을 명확하게 하기 위해, 일부 구성 요소들에 대한 설명이 생략될 수 있다.

1. 용어의 정의

이하의 설명에서 사용되는 "이미지(image)"라는 용어는 방사, 전하, 반사성 등의 공간 분포를 동일한, 또는 다른 물리적인 성질의 공간 분포로 사상시킨 것을 의미한다. 일 실시 예에서, 이미지는 홀로그램일 수 있다.

이하의 설명에서 사용되는 "홀로그램(hologram)"이라는 용어는 3차원으로 표현된 영상을 의미한다. 홀로그램은 정지 영상 또는 동영상으로 표현될 수 있다. 일 실시 예에서, 홀로그램은 홀로그래피의 원리에 의해 생성될 수 있다.

이하의 설명에서 사용되는 "메타 물질(meta material)"이라는 용어는 자연계에 존재하지 않는 특성을 구현하기 위해 빛의 파장과 비슷하거나 더 작은 크기로 만든 금속이나 유전물질로 설계된 메타 원자(Meta atom)의 주기적인 배열로 이루어진 물질을 의미한다. 일 실시 예에서, 메타 물질은 빛, 전자파, 음파 등의 파동과 상호 작용될 수 있다.

이하의 설명에서 사용되는 "메타 표면(meta surface)"라는 용어는 메타 물질로 형성된 구조체를 의미한다. 일 실시 예에서, 메타 표면은 그 자체가 메타 물질로 형성될 수 있다. 다른 실시 예에서, 메타 표면은 이종(heterogeneity)의 물질의 표면으로 형성될 수 있다.

이하의 설명에서 사용되는 "원본 이미지(1002)"라는 용어는 저장하고자 하는 정보를 포함하는 이미지를 의미한다. 일 실시 예에서, 원본 이미지(1002)는 디지털 방식으로 저장된 정지 영상 또는 동영상의 형태로 형성될 수 있다.

이하의 설명에서 사용되는 "원본 정보"라는 용어는 원본 이미지(1002)가 포함하는 정보를 의미한다. 일 실시 예에서, 원본 정보는 빛 또는 전기적 신호의 형태로 구현될 수 있다.

이하의 설명에서 사용되는 "생성 이미지(1003)"라는 용어는 원본 이미지(1002)의 정보를 갖되, 원본 이미지(1002)와는 별도로 형성된 이미지를 의미한다. 생성 이미지(1003)는 정지 영상 또는 동영상의 형태로 형성될 수 있다. 일 실시 예에서, 생성 이미지(1003)는 홀로그램의 형태로 형성될 수 있다.

이하의 설명에서 사용되는 "생성 정보"라는 용어는 생성 이미지(1003)를 형성하기 위한 정보를 의미한다. 따라서, 생성 정보라는 용어는 생성 이미지(1003)가 포함하는 정보로 정의될 수도 있다.

이하의 설명에서 사용되는 "기준 정보"라는 용어는 연산부(10010)가 원본 정보를 이용하여 생성 정보를 연산하기 위한 근거로 활용되는 정보를 의미한다. 후술될 바와 같이, 기준 정보는 데이터베이스부(10020)에 저장될 수 있다.

이하의 설명에서 사용되는 "빛(B)"이라는 용어는 시각 신호를 만들어낼 수 있는 전자기파를 의미한다. 일 실시 예에서, 빛(B)은 레이저(laser)로 구비될 수 있다. 다른 실시 예에서, 빛(B)은 자외선, 가시광선 및 적외선을 모두 포함하는 개념으로 사용될 수 있다.

이하의 설명에서 사용되는 "제1 빛"이라는 용어는 빛(B) 중, 원본 이미지(1002)의 원본 정보를 포함하는 빛(B)을 의미한다.

이하의 설명에서 사용되는 "제2 빛"이라는 용어는 빛(B) 중, 생성 이미지(1003)를 생성하기 위해 조사되는 빛(B)을 의미한다.

이하의 설명에서 사용되는 "통전 가능한 연결"이라는 용어는 두 개 이상의 부재가 서로 전류 또는 전기적 신호가 전달 가능하게 연결됨을 의미한다. 일 실시 예에서, 통전 가능한 연결은 도선 부재 등 유선의 방식 또는 블루투스, 와이파이(Wi-Fi) 등 무선의 방식으로 형성될 수 있다.

2. 본 발명의 실시 예에 따른 홀로그램 생성 장치(1001)의 설명

도 13을 참조하면, 이하에서 설명될 본 발명의 실시 예에 따른 홀로그램 생성 장치(1001) 및 생성 방법은, 빛(B)의 다양한 성질 중 "궤도 각 운동량(ℓ)Angular Momentum, OAM)"을 활용함을 전제한다.

빛(B)의 궤도 각 운동량(ℓ)은 전기장의 공간 분포에 의해 결정되는 빛(B)의 각 운동량의 성분 중 하나이다. 빛(B)의 궤도 각 운동량(ℓ)은 빛(B)이 진행되는 방향을 따르는 진행 축을 중심으로 하여 발생되는 나선형의 파면(W.S)에 따라 결정될 수 있다.

빛(B)의 궤도 각 운동량(ℓ)은 정수로 표현될 수 있다. 또한, 빛(B)은 상기 값에 상응하는 나선형의 파면(W.S)을 형성하며 진행된다.

예를 들어, 그 값이 1인 경우, 빛(B)이 진행하며 형성되는 파면(W.S)은 시계 방향 및 반 시계 방향 중 어느 하나의 방향으로 360°만큼 1회 회전된 형태로 형성된다. 또한, 그 값이 -1인 경우, 빛(B)이 진행하며 형성되는 파면(W.S)은 시계 방향 및 반 시계 방향 중 다른 하나의 방향으로 360°만큼 1회 회전된 형태로 형성된다.

이때, 궤도 각 운동량(ℓ)은 이론상 무제한으로 형성될 수 있다. 따라서, 종래 기술에 따라 스핀 각 운동량(σ)(Spin Angular Momentum, SAM)을 이용하여 정보를 전달할 경우 1 또는 -1의 두 가지 형태의 정보만이 전달될 수 있음에 비해, 궤도 각 운동량(ℓ)을 이용할 경우 전달될 수 있는 정보의 갯수가 무한대가 될 수 있다.

본 발명의 실시 예에 따른 홀로그램 생성 장치(1001)는 원본 이미지(1002)의 정보를 포함하는 빛(B)을 수신하고, 이를 저장 또는 판독 가능한 형태인 생성 이미지(1003)로 변환할 수 있다. 이를 위해, 홀로그램 생성 장치(1001)는 연산부(10010) 및 연산된 결과에 따라 이미지를 생성하기 위한 광 생성부(30)를 포함한다.

일 실시 예에서, 원본 이미지(1002)는 컴퓨터 또는 전자 기기 등을 통해 출력되는 디지털 형식의 이미지 파일로 구비될 수 있다. 또한, 홀로그램 생성 장치(1001)가 생성하는 생성 이미지(1003)는 2차원 또는 3차원의 홀로그램 형태일 수 있다.

도 14 내지 도 25를 참조하면, 도시된 실시 예에 따른 홀로그램 생성 장치(1001)는 연산부(10010), 데이터베이스부(10020) 및 광 생성부(30)를 포함한다.

이때, 연산부(10010) 및 데이터베이스부(10020)는 서로 통전 가능하게 연결된다. 연산부(10010) 및 데이터베이스부(10020) 중 어느 하나의 구성 요소는 다른 하나 이상의 구성 요소에 전류 또는 전기적 신호를 전달할 수 있다.

(1) 연산부(10010)의 설명

연산부(10010)는 원본 이미지(1002)의 정보를 포함하는 빛(B)을 다양한 방법을 이용하여 생성 이미지(1003)를 생성하기 위한 정보의 형태로 연산한다.

이때, 원본 이미지(1002)의 정보는 "원본 정보", 생성 이미지(1003)를 생성하기 위해 연산되는 정보는 "생성 정보"로 정의될 수 있다.

연산부(10010)는 원본 이미지(1002)의 원본 정보를 전달받을 수 있다. 원본 이미지(1002)가 디지털 파일의 형태로 구비되는 실시 예에서, 연산부(10010)는 원본 이미지(1002)를 전기 통신의 방식으로 전달받을 수 있다.

연산부(10010)는 전달받은 원본 정보를 표현하는 제1 빛의 궤도 각 운동량(ℓ)을 이용하여 원본 정보를 포함하는 생성 이미지(1003)를 형성하기 위한 생성 정보를 연산한다.

연산부(10010)는 데이터베이스부(10020)와 통전 가능하게 연결된다. 연산부(10010)가 후술될 다양한 연산을 수행하기 위해 필요한 근거 데이터는 데이터베이스부(10020)에서 전달받을 수 있다.

연산부(10010)는 정보의 입력, 출력, 연산 및 저장이 가능한 임의의 형태로 구비될 수 있다. 일 실시 예에서, 연산부(10010)는 중앙처리장치(CPU), 마이크로프로세서(Microprocessor) 및 SD(Secure Disk), SSD(Solid State Disk), HDD(Hard Disk), RAM(Random Access Memory) 등을 포함하여 구비될 수 있다.

도시된 실시 예에서, 연산부(10010)는 푸리에 연산 유닛(10011), 역 푸리에 연산 유닛(10012), 위상판 연산 유닛(10013) 및 위상판 중첩 유닛(10014)을 포함한다.

이하에서 설명될 연산부(10010)의 각 구성 요소는 서로 통전 가능하게 연결된다.

이하에서는 연산부(10010)의 각 구성 요소가 수행하는 기능을 먼저 설명한 후, 수식을 이용하여 해당 과정을 보다 구체적으로 설명한다.

푸리에 연산 유닛(10011)은 원본 이미지(1002)를 형성하는 빛(B)의 궤도 각 운동량(ℓ)에 대응되는 복소 진폭 필드값을 연산한다. 연산된 복소 진폭 필드값은 푸리에 변환의 형태로 연산될 수 있다.

푸리에 연산 유닛(10011)은 단일의 원본 이미지(1002)를 형성하는 복수 개의 빛(B)의 궤도 각 운동량(ℓ)을 이용하여 복소 진폭 필드값을 연산할 수 있다.

구체적으로, 푸리에 연산 유닛(10011)은 상기 궤도 각 운동량(ℓ)에 의해 결정되는 2차원 디랙-빗 함수(Dirac-comb function)과 임의의 위상(random phase)를 곱하여 복소 진폭 필드값에 대한 푸리에 변환을 연산할 수 있다.

역 푸리에 연산 유닛(10012)은 푸리에 연산 유닛(10011)이 연산한 푸리에 변환을 다시 연산부(10010)가 변환한다. 역 푸리에 연산 유닛(10012)은 푸리에 연산 유닛(10011)과 통전 가능하게 연결된다.

구체적으로, 역 푸리에 연산 유닛(10012)은 푸리에 연산 유닛(10011)이 연산한 푸리에 변환값을 역 푸리에 변환하여, 원본 이미지(1002)의 진폭(Amplitude)과, 역 푸리에 연산된 위상(Inverse Fourier Transform phase, iFT phase)을 연산한다.

이때, 역 푸리에 연산 유닛(10012)이 연산한 진폭 및 위상은 복소 진폭 필드값(Complex Amplitude Field Value)으로 표현될 수 있다.

이때, 역 푸리에 연산 유닛(10012)이 역 푸리에 변환한 결과값은 원본 이미지(1002)에서 발산된 복수 개의 빛(B) 각각에 대한 것임이 이해될 것이다.

역 푸리에 연산 유닛(10012)이 연산한 결과값은 위상판 연산 유닛(10013)으로 전달되어, 단일의 이미지를 변환하기 위한 연산을 수행하기 위해 활용된다. 역 푸리에 연산 유닛(10012)과 위상판 연산 유닛(10013)은 통전 가능하게 연결된다.

위상판 연산 유닛(10013)은 푸리에 연산 유닛(10011) 및 역 푸리에 연산 유닛(10012)이 연산한 결과값을 이용하여, 특정한 궤도 각 운동량 번호(l)를 갖는 빛이 입사될 경우 특정 이미지를 출력하기 위한 연산 과정을 수행한다.

달리 표현하면, 위상판 연산 유닛(10013)은 단수 개의 원본 이미지(1002)에 대한 생성 이미지(1003)를 생성하는 광 생성부(30)의 위상판 구조값을 연산한다.

위상판 연산 유닛(10013)은 역 푸리에 연산 유닛(10012)이 연산한 진폭 및 위상에, 제1 빛, 즉 원본 이미지(1002)의 정보를 포함하는 빛(B)의 궤도 각 운동량(ℓ)의 위상을 가산한다.

또한, 위상판 연산 유닛(10013)은 제1 빛의 궤도 각 운동량(ℓ)이 가산된 진폭 및 위상에, 생성 이미지(1003)가 생성될 공간의 초점 거리에 대한 렌즈의 위상을 더 가산한다.

이하의 설명에서는 위상판 연산 유닛(10013)이 위상판(10040) 및 위상판(10040)에 구비되는 컬럼(column)(10042)의 구조를 연산함을 전제하여 설명된다. 대안적으로, 위상판 연산 유닛(10013) 및 후술될 위상판 중첩 유닛(10014)은 광 변조기에서 생성 이미지(1003)를 생성하기 위한 근거 데이터를 연산하게 구성될 수 있다.

어느 경우라도, 원본 이미지(1002)의 빛(B)을 생성 이미지(1003)의 빛(B)으로 변환하는 과정은 동일한 바, 이하에서는 위상판 연산 유닛(10013) 및 위상판 중첩 유닛(10014)이 위상판(10040)을 제작하기 위한 구조를 연산함을 전제하여 설명한다.

도 15에 도시된 바와 같이, 위상판(10040)에는 베이스(10041)에서 돌출되는 복수 개의 컬럼(10042)이 구비될 수 있다. 각 컬럼(10042)은 고유값의 높이(H) 및 각도(Θ)를 갖는다. 각 컬럼(10042)의 높이(H) 및 각도(Θ)에 따라, 위상판(10040)에 의해 편광되는 빛(B)이 형성하는 생성 이미지(1003)가 변경될 수 있다.

도 17에 도시된 바와 같이, 위상판 연산 유닛(10013)은 각 컬럼(10042)의 높이(H), 컬럼(10042)의 폭(W) 및 위상(Θ) 등과 관련된 정보를 이용하여 위상판(10040)과 관련된 구조를 연산할 수 있다.

도시된 실시 예에서, 높이(H)는 컬럼(10042)의 높이를, 폭(W)은 컬럼(10042)의 폭(또는 너비)를, 위상(Θ)은 컬럼의 평면 내에서의 회전 각도를 의미한다. 또한, LCP는 좌 원형 편파(Left-handed Circular Polarization)을, RCP는 우 원형 편파(Right-handed Circular Polarization)을 의미한다.

더 나아가, Ex 및 Ey는 선형 편광 상태를 의미하며, |Ex|^2 및 |Ey|^2는 정규화(normalize)된 강도(intensity)를 의미한다.

후술될 바와 같이, 상기 정보들은 데이터베이스부(10020)에 저장된다. 이에, 위상판 연산 유닛(10013)은 데이터베이스부(10020)와 통전 가능하게 연결되어, 데이터베이스부(10020)에 저장된 상기 정보들을 전달받을 수 있다.

이때, 데이터베이스부(10020)에는 각 컬럼의 위치, 방향 등 배치 방식과 관련된 정보가 저장될 수 있다. 즉, 저장된 정보는 원본 이미지(1002)에서 발산되는 복수 개의 빛(B) 모두와 관련된 정보를 포함한다.

따라서, 위상판 연산 유닛(10013)이 연산하는 위상판(10040)의 구조는, 단일의 원본 이미지(1002)에 대한 정보를 포함하는 복수 개의 빛(B)에 대응되는 구조와 관련된 정보를 포함함이 이해될 것이다.

위상판 연산 유닛(10013)이 연산한 위상판 구조값은 위상판 중첩 유닛(10014)에 전달되어, 복수 개의 원본 이미지(1002)를 단수 개의 생성 이미지(1003)로 변환하기 위한 광 생성부(30)의 위상판 구조 중첩값을 연산하기 위해 활용된다. 위상판 연산 유닛(10013)과 위상판 중첩 유닛(10014)은 통전 가능하게 연결된다.

위상판 중첩 유닛(10014)은 위상판 연산 유닛(10013)이 연산한 단일의 원본 이미지(1002)에 대한 위상판 구조값을 중첩하여, 복수 개의 원본 이미지(1002)에 대한 위상판 구조 중첩값을 연산한다.

상술한 바와 같이, 위상판 연산 유닛(10013)은 단수 개의 원본 이미지(1002)에 대한 위상판 구조값을 연산한다. 위상판 연산 유닛(10013)이 연산한 위상판 구조값에 의해 형성되는 생성 이미지(1003)는 단수 개의 원본 이미지(1002)에 대한 정보만을 포함하게 된다.

이에, 위상판 중첩 유닛(10014)은 생성 이미지(1003)에 복수 개의 원본 이미지(1002)가 포함될 수 있도록, 위상판 연산 유닛(10013)이 연산한 서로 다른 원본 이미지(1002)에 대한 위상판 구조값을 중첩한다.

이를 위해, 위상판 중첩 유닛(10014)은 서로 다른 원본 이미지(1002)에 대해 상기 과정을 반복하여, 서로 다른 원본 이미지(1002)에 대한 위상판 구조값을 각각 연산하도록 푸리에 연산 유닛(10011) 및 역 푸리에 연산 유닛(10012) 및 위상판 연산 유닛(10013)을 제어할 수 있다.

따라서, 위상판 중첩 유닛(10014)이 연산한 위상판 구조 중첩값은 광 생성부(30)가 복수 개의 원본 이미지(1002)를 단수 개의 생성 이미지(1003)로 변환하기 위한 정보를 포함한다.

구체적으로, 위상판 중첩 유닛(10014)은 선정된 원본 이미지(1002)의 개수에 따라 푸리에 연산 유닛(10011), 역 푸리에 연산 유닛(10012) 및 위상판 연산 유닛(10013)이 상기 과정을 반복하도록 제어할 수 있다.

또한, 위상판 중첩 유닛(10014)은 상기 과정이 반복되어 도출된 진폭 및 위상을 각각 중첩하여, 복수 개의 원본 이미지(1002)에 대한 생성 정보를 연산할 수 있다.

이때, 위상판 중첩 유닛(10014)이 연산하는 생성 정보에는 상술한 궤도 각 운동량(ℓ)의 위상 및 렌즈의 위상이 모두 가산된 결과가 포함됨이 이해될 것이다.

도 18에 도시된 바와 같이, 위상판 중첩 유닛(10014)이 위상판 구조의 중첩값은 복수 개의 이미지의 진폭(H)(i), 위상(Θ)(ii), 궤도 각 운동량(ℓ)및 FT lens 위상(iv)과 관련된 정보를 포함할 수 있다. 이때, 위상판 중첩 유닛(10014)에 의해 연산된 중첩값은 도 18의 (a) 및 도 18의 (b)에 각각 도시된 서로 다른 원본 이미지(1002)의 정보를 모두 포함한다.

즉, 도 18은 제1 이미지(Image frame 1) 내지 제n 이미지(Image frame n)이 각각 변환되는 과정을 도시한다. 도 18에 도시된 "iFT"는 inverse Fourier Transform, 즉 역 푸리에 변환을 의미한다.

일 실시 예에서, 위상판 중첩 유닛(10014)이 연산한 위상판 구조 중첩값은 복소 진폭 필드값으로 표현될 수 있다. 즉, 도 19에 도시된 바와 같이, 연산된 위상판 구조 중첩값은 진폭(도 19의 (a)) 및 위상(도 19의 (b))으로 표현될 수 있다.

도 20 및 도 21에 도시된 바와 같이, 위상판 중첩 유닛(10014)은 연산된 위상판 구조 중첩값을 진폭(H) 및 위상(Θ)으로 구분하고, 진폭 변조를 수행할 구간과 관련된 연산을 수행할 수 있다. 이때, 도 20 및 도 21에 세로 방향으로 연장된 검은색 직선(B.L)은 진폭 변조가 수행될 컬럼(10042)의 범위를 나타낸다.

일 실시 예에서, 위상판 중첩 유닛(10014)은 연산된 위상판 구조 중첩값을 검증하기 위한 절차를 수행할 수 있다. 도 22에 도시된 바와 같이, 위상판 중첩 유닛(10014)은 특정 파장에서 서로 다른 높이(H)를 갖는 것으로 연산된 복수 개의 컬럼(10042)의 블레이즈 위상 격자(blazed phase grating)를 디지털화하여 검증할 수 있다.

위상판 중첩 유닛(10014)은 연산된 위상판 구조 중첩값을 다양한 좌표계를 이용하여 배치할 수 있다.

위상판 중첩 유닛(10014)이 연산한 위상판 구조 중첩값은 광 생성부(30)에 전달되어, 광 생성부(30)를 제작하기 위한 근거 데이터로 활용된다. 위상판 중첩 유닛(10014)과 광 생성부(30)는 통전 가능하게 연결된다.

이하, 상술한 연산부(10010)의 각 구성에 의해 원본 이미지(1002)의 정보를 포함하는 빛(B)이 생성 이미지(1003)를 표현하기 위해 연산되는 과정을 도 18을 참조하여 부연 설명한다.

먼저, 원본 이미지(1002)가 선정된다. 도 18에서는 원본 이미지(1002)가 "Image frame"이라고 표시되었다. 선정된 원본 이미지(1002)는 해당 이미지를 구성하는 복수 개의 정보를 포함한다.

푸리에 연산 유닛(10011)은 선정된 원본 이미지(1002)의 정보를 포함하는 빛(B)에 대한 디랙-빗 함수(Dirac comb function)과 디퓨저 배열(diffuser array)를 곱하여 푸리에 변환을 연산한다. 도 18에서는 좌측으로부터 두 번째의 평면이 디랙-빗 함수, 좌측으로부터 세 번째 평면이 디퓨저 배열에 해당된다.

이때, 디랙-빗 함수는 서로 이격되어 나란하게 배치되는 복수 개의 격자를 포함한다. 디랙-빗 함수에 구비되는 격자의 직경 및 복수 개의 격자 사이의 간격은 궤도 각 운동량(ℓ)의 번호에 따라 결정될 수 있다.

디랙-빗 함수와 디퓨저 배열이 곱해져서 산출된 결과물은 역 푸리에 연산 유닛(10012)에 의해 역 푸리에 연산된다. 상기 연산에 의해, 궤도 각 운동량(ℓ)의 진폭(Amplitude) 및 역 푸리에 변환의 위상(iFT phase)가 획득된다. 도 33에서는 "iFT" 우측의 두 개의 평면이 각각 연산된 진폭(A) 및 위상(Θ)을 나타낸다(즉, 좌측으로부터 네 번째 및 세 번째 평면).

역 푸리에 변환된 결과값은 위상판 연산 유닛(10013)에 전달된다. 위상판 연산 유닛(10013)은 상기 결과값에 다양한 인자를 가산하여, 단수 개의 원본 이미지(1002)의 정보를 모두 포함하는 결과를 산출한다.

먼저, 위상판 연산 유닛(10013)은 상기 결과값에, 원본 이미지(1002)의 정보를 포함하는 빛(B) 중 특정 궤도 각 운동량(ℓ)을 갖는 빛(B)을 입사시켰을 때, 해당 정보를 포함하는 빛(B)이 편광되게 하는 회전 위상(helical phase)을 가산한다.

또한, 위상판 연산 유닛(10013)은 상기 결과값에, 생성 이미지(1003)를 특정 초점에 맺히도록 유도하는 렌즈(lens)의 상(phase)을 가산한다.

이에 따라, 위상판 구조값이 연산될 수 있다.

위상판 중첩 유닛(10014)은 위상판 연산 유닛(10013)이 복수 개의 원본 이미지(1002)마다 가산한 각 위상판 구조값을 중첩하여 위상판 중첩값을 연산한다.

따라서, 위상판 중첩 유닛(10014)이 연산하는 위상판 중첩값에 의해 생성되는 생성 이미지(1003)는, 복수 개의 원본 이미지(1002)가 포함하는 모든 정보를 포함할 수 있게 된다.

위상판 중첩 유닛(10014)이 연산한 위상판 중첩값은 광 생성부(30)에 전달된다.

상술한 과정을 수식을 이용하여 설명하면 다음과 같다.

[수식 1]

이때, 수식 1의

은 원본 이미지(2)를 형성하는 빛(B)의 이미지 평면(Image plane)에서의 전자기장의 분포를 나타내는 식으로, 원본 이미지(2)로 이해될 수 있다.

또한, 수식 1은

를 푸리에 변환하여

을 얻을 수 있음을 의미한다.

,

는 공간 주파수 성분으로,

는 공간 주파수 성분으로 이루어진 홀로그램 평면(hologram plane)의 위상 및 진폭을 의미한다.

[수식 2]

수식 2의

는 수식 1에서 도출된 홀로그램 평면

에 나선 상(helical phase)의 OAM mode number(궤도 각 운동량 번호)(ℓ)이 더해진 위상과 진폭을 의미한다.

즉,

는 수식 1에서 도출된 홀로그램 평면

에,

를 곱하여 도출될 수 있다.

[수식 3]

수식 3의

은 원본 이미지(2)의 정보가 표현되는 생성 이미지(3)의 홀로그램 평면에서의 진폭 및 위상을 의미한다.

와 같이, 수식 2의

를 역 푸리에 변환하면

가 도출될 수 있다.

또한,

는, 원본 이미지(2)에 대한 정보를 포함하는

에

의 푸리에 변환을 곱하면,

, 즉 생성 이미지(3)가 연산됨을 의미한다.

[수식 4]

한편,

는 수식 4와 같이 표현될 수 있다. 도 4에 도시된 바와 같이,

는 궤도 각 운동량(ℓ)에 따라 형상이 변경될 수 있다.

이에 수식 1 내지 수식 4를 통해 도출된 결과를 토대로 2차원 디랙-빗 함수(Dirac-comb function)에서 활용되는 격자의 직경 및 격자의 간격이 결정될 수 있다.

이에 수식 1 내지 수식 4를 통해 도출된 결과를 토대로 2차원 디랙-빗 함수(Dirac-comb function)에서 활용되는 격자의 직경 및 격자의 간격이 결정될 수 있다(도 33 참조).

상기 수식 1 내지 수식 2는 원본 이미지(1002)의 정보를 표현하는 복수 개의 빛(B) 중 어느 하나의 빛(B)에 대한 복소 진폭 필드값을 연산하기 위한 식으로 이해될 수 있다. 즉, 원본 이미지(1002)의 정보를 표현하는 복수 개의 빛(B) 모두에 대한 복소 진폭 필드값이 연산되기 위해서는, 상기 과정에 의해 연산된 각 빛(B)에 대한 복소 진폭 필드값이 중첩되어야 한다.

연산된 각 빛(B)에 대한 복소 진폭 필드값이 중첩되는 과정은 다음의 수식 5 내지 수식 8을 통해 이해될 수 있다.

[수식 5]

"

"은 OAM 멀티플렉싱 홀로그램(OAM multiplexing hologram)의 복소 진폭 필드(complex amplitude field)를 의미한다. 또한, "

" 및 "

"는 각각 각 이미지 채널의 진폭 및 위상 정보를 의미하며, "

"는 원본 이미지(2)를 형성하는 개별적인 빛(B)의 이미지 평면에서의 전자기장의 분포를 의미한다.

또한, "

" 및 "

"는 각각 헬리컬 모드 인덱스(helical mode index) 및 방위각(azimuthal angle)을 의미하며,

는 허수를 의미하는 가상 기호(imaginary symbol), "

"은 멀티플렉싱 채널의 개수(즉, 이미지의 총 개수)를 의미한다.

따라서, 원본 이미지(2)를 형성하는 복수 개의 빛(B)이 모두 반영된 전자기장인

은, 상기 수식으로 표현되는 개별적인 빛(B)의 이미지 평면에서의 전자기장의 분포를 모두 중첩하여 연산될 수 있음이 이해될 것이다.

복수 개의 빛(B)이 복소 진폭 필드값으로 연산된 결과값은 다음 수식 4와 같이 푸리에 변환의 형태로 표현될 수 있다.

[수식 6]

여기서, "

"는 푸리에 변환 인자(Fourier transform operator), "

"는 각 인자의 컨벌루션(convolution)의 중첩(superposition)을 의미한다.

상술한 바와 같이, 본 발명의 실시 예에 따른 홀로그램 생성 장치(1001)는 빛(B)의 궤도 각 운동량(ℓ)을 이용하여 복소 진폭 필드값을 연산한다. 따라서, 궤도 각 운동량(ℓ)의 진폭(H) 및 위상(Θ)이 모두 반영될 수 있어, 보다 정확한 정보의 연산이 가능하다. 또한, 출력되는 빛(B)에 의해 형성되는 생성 이미지(1003)의 정확도 및 해상도 또한 향상될 수 있다.

더 나아가, 각 빛(B)의 진폭을 개별적으로 제어할 수 있게 되어, 생성 이미지(1003)의 해상도 및 품질이 향상될 수 있다.

반면, 종래 기술과 같이 위상만을 이용하는 경우는 생성 이미지(1003)와 관련된 수식이 다음과 같이 연산된다.

[수식 7]

상기 수식 7에서,

는 각 이미지 채널에 대해 반복적으로 검색된 위상 전용 홀로그램을 의미한다.

따라서, 종래 기술에 따른 푸리에 변환은 다음과 같이 연산될 수 있다.

[수식 8]

따라서, 수식 8에 따르면 종래 기술을 이용하여 생성 이미지(1003)를 연산할 경우, 진폭(H)이 반영될 수 없다. 따라서, 종래 기술에 의해 연산된 생성 이미지(1003)의 경우 각 빛(B)의 진폭(H)과 관련된 정보가 반영되지 못해, 생성 이미지(1003)의 해상도 및 품질이 저하될 염려가 있다.

이에 반해, 도 15 및 도 16에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시 예에 따른 홀로그램 생성 장치(1001)는 빛(B)의 궤도 각 운동량(ℓ)으로부터 진폭(H) 및 위상(Θ)을 획득하여 생성 이미지(1003)를 형성하기 위한 정보를 연산할 수 있다.

알려진 바와 같이 궤도 각 운동량(ℓ)은 이론상 무제한인 바, 생성 이미지(1003)에 포함될 수 있는 정보의 종류 또한 무제한일 수 있다.

도 24 및 도 25을 참조하면, 연산부(10010)에 의해 연산된 값에 따라 제작된 위상판(10040)이 도시된다. 도시된 실시 예에서, 광 생성부(30)는 베이스(10041) 및 컬럼(10042)을 포함한다.

베이스(10041)는 위상판(10040)의 몸체를 형성한다. 베이스(10041)는 판형으로 구비되어, 복수 개의 컬럼(10042)이 결합될 수 있다. 달리 표현하면, 컬럼(10042)은 베이스(10041)의 일 면에서 그 외측으로 연장 형성된다.

도시된 실시 예에서, 베이스(10041)는 원형의 단면을 갖고 소정의 높이를 갖게 형성된 원판 형으로 구비된다. 베이스(10041)의 형상은 컬럼(10042)과 결합되어 원본 이미지(1002)의 빛(B)을 이용하여 생성 이미지(1003)를 생성할 빛(B)을 조사할 수 있는 임의의 형태로 구비될 수 있다.

베이스(10041)는 단수 개 형성된다. 즉, 단수 개의 베이스(10041)에는 정보의 저장 또는 변환 대상인 복수 개의 원본 이미지(1002)에서 발산된 복수 개의 빛(B)이 입사될 수 있다.

베이스(10041)는 투명한 소재로 형성될 수 있다. 따라서, 광 생성부(30)에 입사된 빛(B)은 베이스(10041)를 통과하여 컬럼(10042)으로 진행될 수 있다. 일 실시 예에서, 베이스(10041)는 실리카(silica) 또는 알루미나(alumina) 등으로 형성될 수 있다.

베이스(10041)는 컬럼(10042)과 연속된다.

컬럼(10042)은 광 생성부(30)에 입사된, 원본 이미지(1002)에서 발산된 빛(B)이 통과되며 변환되어, 생성 이미지(1003)를 형성하기 위한 빛(B)을 발산한다. 컬럼(10042)이 상기 과정을 수행하는 원리는 상술한 홀로그램 생성 원리를 참조하여 이해될 것이다.

컬럼(10042)은 기둥 형상으로 형성될 수 있다. 보다 구체적으로, 컬럼(10042)은 그 연장 방향의 일측 단부가 베이스(10041)에 결합되고, 그 연장 방향의 타측 단부가 베이스(10041)에 반대되게 연장된 기둥 형상이다.

도시된 실시 예에서, 컬럼(10042)은 사각형의 단면을 갖고, 베이스(10041)에 반대되는 방향으로 연장 형성된 기둥 형상이다. 컬럼(10042)은 여타 다각기둥, 원기둥 또는 타원기둥 등 다양한 입체도형으로 형상이 변경될 수 있음은 상술한 바와 같다.

컬럼(10042)은 빛(B)이 투과될 수 있는 폴리머(polymer) 소재로 형성될 수 있다. 또한, 컬럼(10042)은 투과된 빛(B)의 진폭(H)과 위상(Θ)을 각각 독립적으로 제어할 수 있는 복굴절 소재로 형성될 수 있다.

컬럼(10042)은 복수 개 구비될 수 있다. 복수 개의 컬럼(10042)은 각각 복수 개의 원본 이미지(1002)에서 발산된 복수 개의 빛(B) 중 어느 하나에 대응되어, 생성 이미지(1003)를 형성하는 어느 하나의 빛(B)을 생성할 수 있다.

일 실시 예에서, 복수 개의 컬럼(10042)은 서로 이격되어 배치될 수 있다. 복수 개의 컬럼(10042)의 배치 방식은 위상판 연산 유닛(10013)이 연산한 위상판 구조값 또는 위상판 중첩 유닛(10014)이 연산한 위상판 구조 중첩값에 따라 결정될 수 있다.

광 생성부(30)에서 조사된 빛(B)은 위상판(10040)에 의해 편광되며 생성 이미지(1003)를 생성할 수 있다. 또한, 위상판(10040) 대신 광 변조기가 구비되어, 생성 이미지(1003)가 생성될 수도 있음은 상술한 바와 같다.

(2) 데이터베이스부(10020)의 설명

다시 도 14를 참조하면, 도시된 실시 예에 따른 홀로그램 생성 장치(1001)는 데이터베이스부(10020)를 포함한다.

데이터베이스부(10020)는 연산부(10010)가 위상판(10040)의 구조 또는 광 변조기가 생성 이미지(1003)를 생성하기 위한 생성 정보를 연산하기 위한 근거 데이터를 제공한다. 데이터베이스부(10020)가 저장하는 상기 근거 데이터는 "기준 정보"로 정의될 수 있다.

데이터베이스부(10020)는 연산부(10010)와 통전 가능하게 연결된다.

도 23에 도시된 바와 같이, 데이터베이스부(10020)는 특정한 궤도 각 운동량℃을 갖는 빛(B)이 조사될 경우, 특정한 이미지를 생성하기 위한 컬럼(10042)의 길이(각도(Θ) 및 위치와 관련된 내용을 복소평면(P)(도 23의 (a)) 또는 위상(Θ) 및 진폭(H)을 각 축으로 하는 64단계의 직교좌표계로 표현할 수 있다(도 23의 (b)).

이때, 도 23의 (a)에 도시된 별 모양의 표시는 도 23의 (b)에 도시된 컬럼(10042)과 각각 대응됨이 이해될 것이다.

데이터베이스부(10020)는 정보의 입력, 저장 및 출력이 가능한 임의의 형태로 구비될 수 있다. 일 실시 예에서, 데이터베이스부(10020)는 RAM, ROM, HDD, SSD, SD 메모리 카드 등으로 구비될 수 있다.

(3) 광 생성부(30)의 설명

광 생성부(30)는 연산부(10010)의 연산 결과를 이용하여 생성 이미지(1003)를 생성한다. 이때, 광 생성부(30)에서 조사되는 제2 빛은 연산부(10010)에서 위상판(10040)의 구조를 연산하는 기준이 된, 특정한 번호의 궤도 각 운동량((ℓ) 또는 OAM number)를 갖는 빛(B)임이 이해될 것이다.

광 생성부(30)가 메타 표면(metasurface)로 구비되는 실시 예에서, 광 생성부(30)는 연산부(10010)가 계산한 위상판 구조값에 상응하는 메타 표면을 형성한다. 즉, 광 생성부(30)는 연산된 위상판 구조값 또는 위상판 구조 중첩값에 대응되는 컬럼(10042)의 형상, 각도 및 배치 방식에 따라 메타 표면을 형성한다.

원본 이미지(1002)를 형성하는 특정한 값의 궤도 각 운동량(ℓ)을 갖는 빛(B)은 메타 표면에 조사된다. 조사된 빛은 편광되며 원본 이미지(1002)의 정보를 모두 포함하는 생성 이미지(1003)를 생성한다.

또한, 광 생성부(30)가 광 변조기로 구비되는 실시 예에서, 광 생성부(30)는 연산부(10010)가 계산한 위상판 구조값이 적용된다.

원본 이미지(1002)를 형성하는 특정한 값의 궤도 각 운동량(ℓ)을 갖는 빛(B)은 광 변조기를 통과되며 원본 이미지(1002)의 정보를 모두 포함하는 생성 이미지(1003)를 생성할 수 있다.

3. 본 발명의 실시 예에 따른 홀로그램 생성 방법의 설명

본 발명의 실시 예에 따른 홀로그램 생성 방법은 상술한 홀로그램 생성 장치(1001)의 구성을 통해, 원본 이미지(1002)를 생성 이미지(1003)로 변환할 수 있다. 이때, 생성 이미지(1003)는 복수 개의 원본 이미지(1002)에서 발산되는 빛(B)의 궤도 각 운동량(ℓ)을 이용하여, 품질의 저하 또는 왜곡 없이 생성될 수 있다.

이하, 도 26 내지 도 29를 참조하여 본 발명의 실시 예에 따른 홀로그램 생성 방법을 상세하게 설명한다.

도 26을 참조하면, 도시된 실시 예에 따른 홀로그램 생성 방법은 원본 이미지(1002)의 원본 정보가 연산부(10010)에 전달되는 단계(S100), 연산부(10010)가 전달받은 원본 정보를 표현하는 제1 빛의 궤도 각 운동량(ℓ)을 이용하여 원본 정보를 포함하는 생성 이미지(1003)를 생성하기 위한 생성 정보를 연산하는 단계(S200) 및 광 생성부(30)가 연산된 생성 정보에 따라 제2 빛을 조사하여, 공간에 생성 이미지(1003)를 생성하는 단계(S300)를 포함한다.

(1) 원본 이미지(1002)의 원본 정보가 연산부(10010)에 전달되는 단계(S100)의 설명

원본 이미지(1002)의 정보를 포함하는 원본 정보가 연산부(10010)에 전달되는 단계(S100)의 설명이다. 본 단계(S100)에서, 원본 정보는 다양한 형태로 연산부(10010)에 전달될 수 있다.

원본 이미지(1002)가 디지털 파일의 형식으로 구비되는 실시 예에서, 원본 정보는 전기적 신호의 형태일 수 있다. 이때, 원본 정보에는 색상, 명도, 채도, 위치 등의 정보가 포함될 수 있다

본 단계(S100)를 통해, 홀로그램 생성 장치(1001)는 생성 이미지(1003), 즉 홀로그램을 생성하기 위한 소스(source)가 되는 데이터를 획득할 수 있다.

이하, 도 27을 참조하여 본 단계(S100)를 상세하게 설명한다.

먼저, 생성 이미지(1003)로 변환하기 위한 대상인 하나 이상의 원본 이미지(1002)가 선정된다(S110). 이때, 원본 이미지(1002)는 단수 개 또는 복수 개 선정될 수 있다.

특히, 본 발명의 실시 예에 따른 홀로그램 생성 방법은 복수 개의 원본 이미지(1002)를 단일의 생성 이미지(1003)로 품질의 저하 또는 왜곡 없이 변환할 수 있다. 이에, 이하에서는 복수 개의 원본 이미지(1002)가 선정됨을 전제로 설명한다.

선정된 원본 이미지(1002)는 다양한 정보를 포함한다. 상기 정보가 원본 정보로 정의될 수 있음은 상술한 바와 같다.

선정된 원본 이미지(1002)의 원본 정보는 연산부(10010)에 전달된다(S120). 원본 이미지(1002)가 디지털 파일 형식으로 구비되는 실시 예에서, 연산부(10010)는 원본 이미지(1002)를 저장하는 임의의 저장 매체와 통전 가능하게 연결될 수 있다.

대안적으로, 원본 이미지(1002)는 실제 공간에 빛(B)을 발산하는 유형물로 구비될 수 있다. 상기 실시 예에서, 연산부(10010)는 발산된 빛(B)(즉, 제1 빛)을 감지하기 위한 임의의 형태로 구비될 수 있다.

(2) 연산부(10010)가 전달받은 원본 정보를 표현하는 제1 빛의 궤도 각 운동량(ℓ)을 이용하여 원본 정보를 포함하는 생성 이미지(1003)를 생성하기 위한 생성 정보를 연산하는 단계(S200)의 설명

연산부(10010)가 원본 이미지(1002)에서 전달받은 원본 정보를 표현하는 제1 빛의 궤도 각 운동량(ℓ)을 이용하여, 원본 정보를 포함하는 생성 이미지(1003)를 생성하는 근거 정보가 되는 생성 정보를 연산하는 단계(S200)이다. 연산된 생성 정보는 광 생성부(30)에 전달되어, 원본 정보를 포함하는 생성 이미지(1003)를 생성하기 위해 활용된다.

이하, 도 28을 참조하여 본 단계를 상세하게 설명한다.

먼저, 푸리에 연산 유닛(10011)은 전달받은 원본 정보를 이용하여 푸리에 변환값을 연산한다(S210). 구체적으로, 푸리에 연산 유닛(10011)은 전달받은 원본 정보에 2차원 디랙-빗 함수(2D Dirac-comb function)과 디퓨저 배열(diffuser array)를 곱하여 푸리에 변환값을 연산한다.

상기 단계(S210)가 수행되는 과정은 상술한 도 18을 참조하여 이해될 것이다.

역 푸리에 연산 유닛(10012)은 푸리에 연산 유닛(10011)이 연산한 푸리에 변환값을 역 푸리에 변환하여, 진폭 및 위상을 연산한다(S220). 이때, 역 푸리에 연산 유닛(10012)이 연산하는 진폭 및 위상은, 원본 정보를 포함하는 제1 빛의 특정 궤도 각 운동량(ℓ)에 대한 진폭 및 위상임이 이해될 것이다.

상술한 바와 같이, 연산된 진폭 및 위상은 복소 진폭 필드값(Complex Amplitude Field Value)으로 표현될 수 있다.

역 푸리에 연산 유닛(10012)이 연산한 진폭 및 위상은 위상판 연산 유닛(10013)으로 전달된다.

위상판 연산 유닛(10013)은 연산된 진폭 및 위상을 생성 이미지(1003)로 표현하기 위한 생성 정보를 연산한다.

구체적으로, 위상판 연산 유닛(10013)은 연산된 진폭 및 위상에, 궤도 각 운동량(ℓ)의 위상을 가산한다(S230). 이때, 상기 위상은 특정 OAM 번호(OAM Number)를 갖는 빛이 입사되었을 때 원본 이미지(1002)가 복원되게 하는 궤도 각 운동량(ℓ)의 나선 상(helical Phase)이다.

또한, 위상판 연산 유닛(10013)은 상기 나선 상이 가산된 진폭 및 위상에, 생성 이미지(1003)가 생성될 공간의 초점 거리에 대한 렌즈(lens)의 위상을 더 가산한다(S240).

즉, 본 단계(S240)는 연산된 생성 정보에 따라 실제 공간에서, 특정 초점에 생성 이미지(1003)가 생성되도록 조정하는 렌즈의 위상이 반영되는 단계이다.

본 단계(S240)에 의해 연산된 진폭 및 위상은, 위상판 중첩 유닛(250)으로 전달된다.

위상판 중첩 유닛(10014)은 복수 개의 원본 이미지(1002)의 개수만큼 상기 단계들(S210 내지 S240)을 반복하여, 획득된 복수 개의 생성 정보를 중첩하여 복수 개의 원본 이미지(1002)와 같은 정보를 포함하는 생성 정보를 연산한다.

이를 위해, 위상판 중첩 유닛(10014)은 원본 이미지(1002)가 선정되는 단계(S110)에서 선정된 원본 이미지의 개수를 연산한다. 위상판 중첩 유닛(10014)은 연산된 원본 이미지의 개수만큼 상기 단계들(S210 내지 S250)을 반복하여, 복수 개의 원본 이미지 각각에 대한 진폭 및 위상이 연산되도록 푸리에 연산 유닛(10011), 역 푸리에 연산 유닛(10012) 및 위상판 연산 유닛(10013)을 제어할 수 있다(S250).

상기 단계(S250)에 의해, 복수 개의 원본 이미지(1002)를 표현하는 복수 개의 원본 정보가, 복수 개의 생성 정보로 각각 연산될 수 있다.

또는, 위상판 중첩 유닛(10014)은 선정된 복수 개의 원본 이미지(1002)마다, 진폭 및 위상을 각각 연산하고, 궤도 각 운동량(ℓ)의 나선 상 및 렌즈의 위상을 각각 가산하여 복수 개의 생성 정보를 연산하고, 이를 중첩할 수 있다(S260). 본 단계(S260)는 위상판 중첩 유닛(10014)이 진폭 및 위상을 반복하여 연산하고, 이들을 중첩한다는 점에서 상술한 단계(S250)와 차이가 있다.

따라서, 복수 개의 생성 정보가 연산 및 중첩되는 과정은, 상술한 두 개의 단계(S250, S260) 중 어느 하나의 단계에 의해 진행될 수 있음이 이해될 것이다.

위상판 중첩 유닛(10014)에 의해 연산 및 중첩된 진폭 및 위상, 즉 생성 정보는 광 생성부(30)로 전달된다(S270). 위상판 중첩 유닛(10014)과 광 생성부(30)는 통전 가능하게 연결된다.

(3) 광 생성부(30)가 연산된 생성 정보에 따라 제2 빛을 조사하여, 공간에 생성 이미지(1003)를 생성하는 단계(S300)의 설명

연산부(10010)가 연산한 생성 정보에 따라 광 생성부(30)가 제2 빛을 조사하여, 실제 공간에 생성 이미지(1003)를 생성하는 단계(S300)이다. 이하, 도 29를 참조하여 본 단계를 상세하게 설명한다.

상술한 바와 같이, 광 생성부(30)는 메타 표면을 이용하여 생성 이미지(1003)를 생성하기 위한 형태로 구비될 수 있다. 대안적으로, 광 생성부(30)는 광 변조기로 구비되어, 생성 정보를 포함하는 제2 빛을 직접 조사하여 생성 이미지(1003)를 생성할 수 있다.

이에, 이하의 설명에서는 광 생성부(30)가 메타 표면을 이용하는 경우 및 광 생성부(30)가 광 변조기로 구비되는 경우를 나누어서 설명한다.

먼저, 광 생성부(30)가 메타 표면을 이용하여 생성 이미지(1003)를 생성하는 단계(S310)를 설명한다.

광 생성부(30)는 연산된 생성 정보에 대응되는 위상판(10040), 구체적으로 컬럼(10042)의 구조 및 배치 방식이 반영된 메타 표면을 구현한다(S311).

구현된 메타 표면에 광 생성부(30)가 제2 빛을 조사하면, 연산된 생성 정보를 포함하는 생성 이미지(1003)가 공간에 생성된다(S312).

다음으로, 광 생성부(30)가 광 변조기로 구비되어 생성 이미지(1003)를 생성하는 단계(S320)를 설명한다.

광 생성부(30)가 광 변조기로 구비되는 경우, 광 생성부(30)는 연산된 생성 정보에 따라 제2 빛의 진폭 및 위상 등을 조정한다. 조정된 제2 빛은 공간에 조사되어, 생성 이미지(1003)를 생성할 수 있다.

이때, 상술한 과정을 거쳐 연산된 생성 정보는 원본 이미지(1002)의 원본 정보를 포함하는 바, 생성된 생성 이미지(1003) 또한 원본 정보를 모두 포함함이 이해될 것이다.

4. 본 발명의 실시 예에 따른 홀로그램 생성 장치(1001) 및 생성 방법의 효과의 설명

상술한 바와 같이, 본 발명의 실시 예에 따른 홀로그램 생성 장치(1001) 및 생성 방법은 빛(B)의 궤도 각 운동량(ℓ)을 이용하여 원본 이미지(1002)를 생성 이미지(1003)로 변환할 수 있다.

달리 표현하면, 본 발명의 실시 예에 따른 홀로그램 생성 장치(1001) 및 생성 방법은 빛(B)의 특정 궤도 각 운동량(ℓ)을 이용하여, 원본 이미지(1002)의 정보를 포함하는 생성 이미지(1003)를 생성할 수 있다. 일 실시 예에서, 생성 이미지(1003)가 홀로그램일 수 있음은 상술한 바와 같다.

본 발명의 실시 예에 따른 홀로그램 생성 장치(1001) 및 생성 방법이 빛(B)의 궤도 각 운동량(ℓ)을 이용함에 따라, 생성 이미지(1003)가 포함할 수 있는 정보의 개수가 제한받지 않을 수 있다. 즉, 빛(B)의 궤도 각 운동량(ℓ)은 이론적인 한계값이 존재하지 않으므로, 생성 이미지(1003)가 포함할 수 있는 정보 또한 이론적인 한계값이 존재하지 않게 된다.

따라서, 본 발명의 실시 예에 따른 홀로그램 생성 장치(1001) 및 생성 방법은 생성 이미지(1003)가 포함하는 정보의 다양성에 의해, 홀로그램 뿐만 아니라 광통신, 홀로그래픽 비디오(holographic video) 및 위변조 방지 기술 등에 적용될 수 있다.

이하, 도 30 및 도 31을 참조하여 본 발명의 실시 예에 따른 홀로그램 생성 장치(1001) 및 생성 방법의 효과를 상세하게 설명한다.

도 30을 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 홀로그램 생성 장치(1001) 및 생성 방법에 의해 형성된 생성 이미지(1003)의 일 예가 도시된다. 도시된 실시 예에 따른 생성 이미지(1003)는 회전되는 삼각형을 표현하는 홀로그래픽 비디오 디스플레이로 이해될 수 있다.

시간의 흐름 및 궤도 각 운동량(ℓ)의 변화에 따라, 생성 이미지(1003)에 도시된 삼각형의 방향이 서로 다르게 나타난다. 즉, 생성 이미지(1003)는 복수 개의 원본 이미지(1002)가 변환되어 시간의 흐름에 따라 배치됨에 따라, 동화상(dynamic image)으로 표현될 수 있다.

도 31을 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 홀로그램 생성 장치(1001) 및 생성 방법에 의해 형성된 생성 이미지(1003)의 다른 예가 도시된다. 도시된 실시 예에 따른 생성 이미지(1003)는 회전되는 나선 형상을 표현하는 홀로그래픽 비디오 디스플레이로 이해될 수 있다.

시간의 흐름 및 궤도 각 운동량(ℓ)의 변화에 따라, 생성 이미지(1003)에 도시된 나선의 방향이 서로 다르게 나타난다. 즉, 생성 이미지(1003)는 복수 개의 원본 이미지(1002)가 변환되어 시간의 흐름에 따라 배치됨에 따라, 동화상(dynamic image)으로 표현될 수 있다.

이상 설명한 본 발명의 실시 예에 따른 홀로그램 생성 장치(1001) 및 생성 방법은 이론적으로 개수의 제한이 없는 빛(B)의 궤도 각 운동량(ℓ)을 이용하여 원본 이미지(1002)를 생성 이미지(1003)로 변환한다.

따라서, 생성 이미지(1003)에 표현될 수 있는 정보의 종류 및 개수가 증가됨은 물론, 동화상 등 시간의 흐름에 따라 변화되는 영상까지 표현될 수 있다. 따라서, 생성 이미지(1003)의 품질 저하나 왜곡 없이도 정보의 변환이 가능해져, 생성 이미지(1003)의 활용도가 증가될 수 있다.

더 나아가, 생성 이미지(1003)는 단일의 광 생성부(30)에 의해 생성될 수 있다. 따라서, 생성 이미지(1003)에 다양한 정보를 표현하기 위해 구비되어야 하는 장치의 구조가 간명해질 수 있다.

이상 본 발명의 바람직한 실시 예를 참조하여 설명하였지만, 당 업계에서 통상의 지식을 가진 자라면 이하의 청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역을 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

이하는 상술한 실시예들의 나열이다.

항목 1은 복수 개의 나노구조체가 제공되는 메타표면층; 및 상기 메타표면층의 일측에 제공되고, 외부자극에 의해 배열이 변경될 수 있는 복수 개의 셀을 포함하는 액정층을 포함하고, 상기 액정층은, 외부자극에 의해 복수 개의 상기 셀의 배열이 변경됨으로써 액정층을 투과하는 투과광의 편광상태를 변경시킬 수 있는 자극반응형 동적 메타홀로그래픽 소자가 제공될 수 있다.

항목 2는 복수 개의 나노구조체는, 제1 나노구조체그룹에 포함된 나노구조체와, 제2 나노구조체그룹에 포함된 나노구조체를 포함하고, 제1 나노구조체그룹에 포함된 나노구조체와 제2 나노구조체그룹에 포함된 나노구조체는 서로 직교하도록 배열되는 항목 1의 자극반응형 동적 메타홀로그래픽 소자가 제공될 수 있다.

항목 3은, 상기 나노구조체는 수소화 비정질 실리콘으로 제공되는 항목 1및 항목 2의 자극반응형 동적 메타홀로그래픽 소자가 제공될 수 있다.

항목 4는, 상기 나노구조체의 길이는 120nm 내지 250nm이고, 폭은 60nm 내지 150nm인 항목 1 내지 항목 3의 자극반응형 동적 메타홀로그래픽 소자가 제공될 수 있다.

항목 5는, 복수 개의 상기 셀은 외부자극이 가해지지 않을 때 일방향으로 정렬되고, 일방향으로 정렬된 상기 셀은 외부자극이 가해짐에 따라 회전이 발생하여 상기 일방향과 다른 방향으로 재배열되는 항목 1 내지 항목 4의 자극반응형 동적 메타홀로그래픽 소자가 제공될 수 있다.

항목 6은, 상기 액정층은, 일방향으로 정렬된 복수 개의 셀을 포함하는 제1 영역을 포함하고, 상기 일방향으로 정렬된 상기 셀이 외부자극이 가해짐에 따라 회전이 발생하여 상기 일방향과 다른 방향으로 재배열되는 제2 영역을 포함하는 항목 1 내지 항목 5의 자극반응형 동적 메타홀로그래픽 소자가 제공될 수 있다.

항목 7은, 입사광이 상기 제1 영역을 투과하는 경우, 상기 투과광은 제1 편광상태가 되고, 입사광이 상기 제2 영역을 투과하는 경우, 상기 투과광은 제2 편광상태가 되는 항목 1 내지 항목 6의 자극반응형 동적 메타홀로그래픽 소자가 제공될 수 있다.

항목 8은, 상기 셀은 4-시아노-4'-펜틸바이페닐로 제공되는 항목 1 내지 항목 7의 자극반응형 동적 메타홀로그래픽 소자가 제공될 수 있다.

항목 9는, 상기 일방향은 상기 메타표면층의 상부기판의 접선 방향을 나타내는 항목 1 내지 항목 8의 자극반응형 동적 메타홀로그래픽 소자가 제공될 수 있다.

항목 10은, 상기 액정층의 상측에는 상부기판이 제공되고, 상기 액정층의 하측에는 하부기판이 제공되고, 상기 상부기판과 상기 하부기판의 일측에는 상기 액정층에 기 설정된 전압을 인가할 수 있는 전극이 제공되는 항목 1 내지 항목 9의 자극반응형 동적 메타홀로그래픽 소자가 제공될 수 있다.

항목 11은, 상기 액정층에 전기장이 생성되는 경우, 상기 셀은 전기장에 평행한 방향으로 회전되는 항목 1 내지 항목 10의 자극반응형 동적 메타홀로그래픽 소자가 제공될 수 있다.

항목 12는, 상기 액정층의 두께는 5μm 내지 15μm로 제공되는 항목 1 내지 항목 11의 자극반응형 동적 메타홀로그래픽 소자가 제공될 수 있다.

항목 13은, 상기 액정층에 전압이 인가되는 경우, 상기 셀은 메타표면층의 상부기판과 수직한 방향으로 회전하는 항목 1 내지 항목 12의 자극반응형 동적 메타홀로그래픽 소자가 제공될 수 있다.

항목 14는, 상기 액정층에 입사하는 입사광은 상기 셀이 배열된 일방향에 대해서 45° 선형편광된 광으로 제공되는 항목 1 내지 항목 13의 자극반응형 동적 메타홀로그래픽 소자가 제공될 수 있다.

항목 15는, 상기 외부자극은 온도 변화로 제공되고, 상기 액정층에 온도 변화가 발생하는 경우, 일방향으로 정렬된 셀이 다른 방향으로 재배열되는 항목 1 내지 항목 14의 자극반응형 동적 메타홀로그래픽 소자가 제공될 수 있다.

항목 16은, 상기 액정층에 제공되는 셀은 시아노비페닐계 액정인 E7을 포함하는 항목 1 내지 항목 15의 자극반응형 동적 메타홀로그래픽 소자가 제공될 수 있다.

항목 17은, 입사광이 제1 온도범위를 갖는 상기 액정층을 투과하는 경우, 상기 투과광은 제1 편광상태를 나타내고, 입사광이 제2 온도범위를 갖는 상기 액정층을 투과하는 경우, 상기 투과광은 제2 편광상태를 나타내는 항목 1 내지 항목 16의 자극반응형 동적 메타홀로그래픽 소자가 제공될 수 있다.

항목 18은, 상기 자극반응형 동적 메타홀로그래픽 소자는, 상기 액정층의 적어도 일부분에 온도 변화를 일으킬수 있는 가열층을 더 포함하는 항목 1 내지 항목 17의 자극반응형 동적 메타홀로그래픽 소자가 제공될 수 있다.

항목 19는, 입사광이 압력이 가해지지 않은 액정층을 투과하는 경우, 상기 투과광은 제2 편광상태를 나타내고, 입사광이 제1 압력을 갖는 액정층을 구과하는 경우, 상기 투과광은 제1 편광상태를 나타내는 항목 1 내지 항목 18의 자극반응형 동적 메타홀로그래픽 소자가 제공될 수 있다.

항목 20은, 상기 제1 압력은 5kpa 내지 20kpa인 자극반응형 항목 1 내지 항목 19의 동적 메타홀로그래픽 소자가 제공될 수 있다.

항목 21은, 원본 이미지의 원본 정보를 전달받아, 상기 원본 정보를 표현하는 제1 빛의 궤도 각 운동량을 이용하여 상기 원본 정보를 포함하는 생성 이미지를 형성하기 위한 생성 정보를 연산하는 연산부; 상기 연산부와 통전 가능하게 연결되며, 상기 생성 정보를 연산하기 위한 기준 정보를 저장하는 데이터베이스부; 및 상기 연산부와 통전 가능하게 연결되며, 연산된 상기 생성 정보에 따라 제2 빛을 조사하여 상기 생성 이미지를 형성하는 광 생성부를 포함하는, 홀로그램 생성 장치가 제공될 수 있다.

항목 22는 상기 원본 이미지는, 디지털 파일의 형태로 구비되는, 항목 30의 홀로그램 생성 장치가 제공될 수 있다.

항목 23는 상기 연산부는, 상기 원본 정보에 2차원 디랙-빗 함수(2D Dirac comb function)과 디퓨저 배열(diffuser array)를 곱하여 푸리에 변환값을 연산하는 푸리에 연산 유닛을 포함하는, 항목 21 및 항목 22의 홀로그램 생성 장치가 제공될 수 있다.

항목 24은, 상기 연산부는, 연산된 상기 푸리에 변환값을 역 푸리에 변환하여, 상기 원본 이미지의 진폭(Amplitude)과, 역 푸리에 연산된 위상(Inverse Fourier Transform phase)을 연산하는 역 푸리에 연산 유닛을 포함하는, 항목 21 내지 항목 23의 홀로그램 생성 장치가 제공될 수 있다.

항목 25는, 연산된 상기 진폭 및 상기 위상은 복소 진폭 필드값으로 표현되는, 항목 21 내지 항목 24의 홀로그램 생성 장치가 제공될 수 있다.

항목 26은, 상기 연산부는, 연산된 상기 진폭 및 상기 위상에, 상기 궤도 각 운동량의 위상을 가산하는 위상판 연산 유닛을 포함하는, 항목 21 내지 항목 25의 홀로그램 생성 장치가 제공될 수 있다.

항목 27은, 상기 위상판 연산 유닛은, 상기 궤도 각 운동량의 위상이 가산된 상기 진폭 및 상기 위상에, 상기 생성 이미지가 생성될 공간의 초점 거리에 대한 렌즈의 위상을 더 가산하는, 항목 21 내지 항목 26의 홀로그램 생성 장치가 제공될 수 있다.

항목 28은, 상기 원본 이미지는 복수 개 구비되며, 상기 연산부는, 복수 개의 상기 원본 이미지마다 상기 진폭 및 상기 위상을 각각 연산하고, 상기 궤도 각 운동량의 위상 및 상기 렌즈의 위상을 각각 가산하여 중첩하는 위상판 중첩 유닛을 포함하는, 항목 21 내지 항목 27의 홀로그램 생성 장치가 제공될 수 있다.

항목 29는, 상기 광 생성부는, 상기 연산부가 연산한 상기 생성 정보에 따라 제작되며, 메타표면(metasurface)에 형성된 위상판 및 광 변조기 중 어느 하나로 구비되는, 항목 21 내지 항목 28의 홀로그램 생성 장치가 제공될 수 있다.

항목 30은, (a) 원본 이미지의 원본 정보가 연산부에 전달되는 단계; (b) 상기 연산부가 전달받은 상기 원본 정보를 표현하는 제1 빛의 궤도 각 운동량을 이용하여 상기 원본 정보를 포함하는 생성 이미지를 생성하기 위한 생성 정보를 연산하는 단계; 및 (c) 광 생성부가 연산된 상기 생성 정보에 따라 제2 빛을 조사하여, 공간에 상기 생성 이미지를 생성하는 단계를 포함하는, 홀로그램 생성 방법이 제공될 수 있다.

항목 31은, 상기 (a) 단계는, (a1) 하나 이상의 원본 이미지가 선정되는 단계를 포함하는, 항목 39의 홀로그램 생성 방법이 제공될 수 있다.

항목 32는, 상기 (b) 단계는, (b1) 푸리에 연산 유닛이 상기 원본 정보에 2차원 디랙-빗 함수(2D Dirac comb function)과 디퓨저 배열(diffuser array)를 곱하여 푸리에 변환값을 연산하는 단계; 및 (b2) 역 푸리에 연산 유닛이 상기 푸리에 변환값을 역 푸리에 변환하여 진폭 및 위상을 연산하는 단계를 포함하는, 항목 30 및 항목 31의 홀로그램 생성 방법이 제공될 수 있다.

항목 33은, 연산된 상기 진폭 및 상기 위상은 복소 진폭 필드값으로 표현되는, 항목 30 내지 항목 32의 홀로그램 생성 방법이 제공될 수 있다.

항목 34는, 상기 (b) 단계는, (b3) 위상판 연산 유닛이 연산된 상기 진폭 및 상기 위상에, 상기 궤도 각 운동량의 위상을 가산하는 단계; 및 (b4) 상기 위상판 연산 유닛이 상기 궤도 각 운동량의 위상이 가산된 상기 진폭 및 상기 위상에, 상기 생성 이미지가 생성될 공간의 초점 거리에 대한 렌즈의 위상을 더 가산하는 단계를 포함하는, 항목 30 내지 항목 33의 홀로그램 생성 방법이 제공될 수 있다.

항목 35는, 상기 (b) 단계는, 상기 원본 이미지는 복수 개 구비되고, (b5) 위상판 중첩 유닛이 복수 개의 상기 원본 이미지마다 상기 진폭 및 상기 위상을 각각 연산하고, 상기 궤도 각 운동량의 위상 및 상기 렌즈의 위상을 각각 가산하여 중첩하는 단계를 포함하는, 항목 30 내지 항목 34의 홀로그램 생성 방법이 제공될 수 있다.

항목 36은, 상기 (c) 단계는, (c1) 상기 광 생성부가 메타표면(metasurface)로 구비되는 경우, 연산된 상기 생성 정보에 대응되는 위상판이 상기 메타표면으로 구현되는 단계; 및 (c2) 상기 광 생성부가 상기 메타표면에 상기 제2 빛을 조사하여 상기 공간에 상기 생성 이미지가 생성되는 단계를 포함하는, 항목 30 내지 항목 35의 홀로그램 생성 방법이 제공될 수 있다.

항목 37은, 상기 (c) 단계는, (c3) 상기 광 생성부가 광 변조기로 구비되는 경우, 연산된 상기 생성 정보에 따라 상기 광 변조기에 의해 상기 제2 빛이 조사되어 상기 공간에 상기 생성 이미지가 생성되는 단계를 포함하는, 항목 30 내지 항목 36의 홀로그램 생성 방법이 제공될 수 있다.

본 실시예들은 메타물질에 관련된 산업분야인 자극반응형 동적 메타홀로그래픽 소자 및 홀로그램 생성 장치에 이용가능하다.

Claims

복수 개의 나노구조체가 제공되는 메타표면층; 및

상기 메타표면층의 일측에 제공되고, 외부자극에 의해 배열이 변경될 수 있는 복수 개의 셀을 포함하는 액정층을 포함하고,

상기 액정층은,

외부자극에 의해 복수 개의 상기 셀의 배열이 변경됨으로써 액정층을 투과하는 투과광의 편광상태를 변경시킬 수 있는

자극반응형 동적 메타홀로그래픽 소자.
제1 항에 있어서,

복수 개의 나노구조체는,

제1 나노구조체그룹에 포함된 나노구조체와,

제2 나노구조체그룹에 포함된 나노구조체를 포함하고,

제1 나노구조체그룹에 포함된 나노구조체와 제2 나노구조체그룹에 포함된 나노구조체는 서로 직교하도록 배열되는

자극반응형 동적 메타홀로그래픽 소자.
제2 항에 있어서,

상기 나노구조체는 수소화 비정질 실리콘으로 제공되는

자극반응형 동적 메타홀로그래픽 소자.
제1 항에 있어서,

상기 나노구조체의 길이는 120nm 내지 250nm 이고, 폭은 60nm 내지 150nm인

자극반응형 동적 메타홀로그래픽 소자.
제1 항에 있어서,

복수 개의 상기 셀은 외부자극이 가해지지 않을 때 일방향으로 정렬되고,

일방향으로 정렬된 상기 셀은 외부자극이 가해짐에 따라 회전이 발생하여 상기 일방향과 다른 방향으로 재배열되는

자극반응형 동적 메타홀로그래픽 소자.
제1 항에 있어서,

상기 액정층은,

일방향으로 정렬된 복수 개의 셀을 포함하는 제1 영역을 포함하고,

상기 일방향으로 정렬된 상기 셀이 외부자극이 가해짐에 따라 회전이 발생하여 상기 일방향과 다른 방향으로 재배열되는 제2 영역을 포함하는

자극반응형 동적 메타홀로그래픽 소자.
제6 항에 있어서,

입사광이 상기 제1 영역을 투과하는 경우, 상기 투과광은 제1 편광상태가 되고,

입사광이 상기 제2 영역을 투과하는 경우, 상기 투과광은 제2 편광상태가 되는

자극반응형 동적 메타홀로그래픽 소자.
제1 항에 있어서,

상기 셀은 4-시아노-4'-펜틸바이페닐로 제공되는

자극반응형 동적 메타홀로그래픽 소자.
제5 항에 있어서,

상기 일방향은 상기 메타표면층의 상부기판의 접선 방향을 나타내는

자극반응형 동적 메타홀로그래픽 소자.
제1 항에 있어서,

상기 액정층의 상측에는 상부기판이 제공되고,

상기 액정층의 하측에는 하부기판이 제공되고,

상기 상부기판과 상기 하부기판의 일측에는 상기 액정층에 기 설정된 전압을 인가할 수 있는 전극이 제공되는

자극반응형 동적 메타홀로그래픽 소자.
제1 항에 있어서,

상기 액정층에 전기장이 생성되는 경우, 상기 셀은 전기장에 평행한 방향으로 회전되는

자극반응형 동적 메타홀로그래픽 소자.
제1 항에 있어서,

상기 액정층의 두께는 5μm 내지 15μm 로 제공되는

자극반응형 동적 메타홀로그래픽 소자.
제1 항에 있어서,

상기 액정층에 전압이 인가되는 경우, 상기 셀은 메타표면층의 상부기판과 수직한 방향으로 회전하는

자극반응형 동적 메타홀로그래픽 소자.
제1 항에 있어서,

상기 액정층에 입사하는 입사광은 상기 셀이 배열된 일방향에 대해서 45° 선형편광된 광으로 제공되는

자극반응형 동적 메타홀로그래픽 소자.
제1 항에 있어서,

상기 외부자극은 온도 변화로 제공되고,

상기 액정층에 온도 변화가 발생하는 경우, 일방향으로 정렬된 셀이 다른 방향으로 재배열되는

자극반응형 동적 메타홀로그래픽 소자.
제1 항에 있어서,

상기 액정층에 제공되는 셀은 시아노비페닐계 액정인 E7을 포함하는

자극반응형 동적 메타홀로그래픽 소자.
제6 항에 있어서,

입사광이 제1 온도범위를 갖는 상기 액정층을 투과하는 경우, 상기 투과광은 제1 편광상태를 나타내고,

입사광이 제2 온도범위를 갖는 상기 액정층을 투과하는 경우, 상기 투과광은 제2 편광상태를 나타내는

자극반응형 동적 메타홀로그래픽 소자.
제1 항에 있어서,

상기 자극반응형 동적 메타홀로그래픽 소자는,

상기 액정층의 적어도 일부분에 온도 변화를 일으킬수 있는 가열층을 더 포함하는

자극반응형 동적 메타홀로그래픽 소자.
제1 항에 있어서,

입사광이 압력이 가해지지 않은 액정층을 투과하는 경우, 상기 투과광은 제2 편광상태를 나타내고,

입사광이 제1 압력을 갖는 액정층을 구과하는 경우, 상기 투과광은 제1 편광상태를 나타내는

자극반응형 동적 메타홀로그래픽 소자.
제19 항에 있어서,

상기 제1 압력은 5kpa 내지 20kpa인

자극반응형 동적 메타홀로그래픽 소자.