WO2026005104A1 - 기하위상 렌즈를 이용한 광학계 및 장치 - Google Patents

기하위상 렌즈를 이용한 광학계 및 장치

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WO2026005104A1
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polarization component
converted
circular polarization
lens
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김학린
이재원
서진혁
신중엽
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Industry Academic Cooperation Foundation of KNU
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    • G02B27/4216—Diffraction optics, i.e. systems including a diffractive element being designed for providing a diffractive effect having a diffractive optical element [DOE] contributing to image formation, e.g. whereby modulation transfer function MTF or optical aberrations are relevant correcting geometrical aberrations

Definitions

  • the present invention relates to VR/AR/MR technology, and more particularly, to an HMD for implementing the same and an optical system built into the HMD.
  • VAC vergence-accomodation conflict
  • a conventional solution to VAC has been to vary the distance of the virtual image according to the change in the focal length of the optical system by physically moving the distance between the lenses within the optical system.
  • this has the problem of increasing the volume and weight of the entire optical system because the volume of the optical system is designed to include the physical and mechanical movement of the lenses. This causes physical fatigue to the user when wearing the device.
  • interest has been growing in optical devices based on geometric phase (GP), which can freely implement the wavefront profile characteristics that are spatially modulated in optical devices on a single-thickness thin film without changing the surface step of the optical device.
  • GP geometric phase
  • the purpose of the present invention is to provide an optical system using a GP lens and a quarter wave plate (QWP) to realize a more compact and simple optical system.
  • QWP quarter wave plate
  • An optical system includes a geometric phase lens, a quarter wave plate (QWP), and a mirror, wherein the quarter wave plate can be positioned between the geometric phase lens and the mirror.
  • QWP quarter wave plate
  • the geometric phase lens can operate as a convex lens having a focal power of +f by converting light of a right-circular polarization component incident on the front surface into light of a left-circular polarization component.
  • the light of the left-circular polarization component is converted into light of the linear polarization component through phase delay by the quarter-wave plate, and the light of the linear polarization component is converted into light of the left-circular polarization component while passing through the mirror and the quarter-wave plate again, and can be converted into light of the right-circular polarization component by being incident on the opposite surface of the geometric phase lens.
  • the geometric phase lens can operate as a convex lens having a focal power of -f by converting the left-circular polarization component of light incident on the front surface into the right-circular polarization component of light.
  • the light of the right-hand circular polarization component is converted into light of the linear polarization component through phase delay by the quarter-wave plate, and the light of the linear polarization component is converted into light of the right-hand circular polarization component while passing through the mirror and the quarter-wave plate again, and can be converted into light of the left-hand circular polarization component by being incident on the opposite surface of the geometric phase lens.
  • An optical system includes a Switchable HWP, a quarter wave plate (QWP), a mirror, a geometric phase lens, and a Switchable QWP, wherein the Switchable HWP, the quarter wave plate, the geometric phase lens, the Switchable QWP, and the mirror may be arranged in sequence.
  • the polarization component of the incident light is not converted and is converted into light of a left-circular polarization component by passing through the quarter-wave plate, and the light of the left-circular polarization component is converted into light of a right-circular polarization component by passing through the front surface of the geometric phase lens, and the light of the right-circular polarization component is converted from circular polarization to 90° linear polarization when the Switchable QWP is in the OFF state, and is reflected by a mirror to maintain 90° linear polarization.
  • the Switchable HWP when the Switchable HWP is controlled to ON, the polarization component of the incident light is not converted and is converted into light of a left-circular polarization component by passing through the quarter-wave plate, and the light of the left-circular polarization component is converted into light of a right-circular polarization component by passing through the front surface of the geometric phase lens, and when the Switchable QWP is in the ON state, the light of the right-circular polarization component can be transmitted without polarization modulation and reflected from the mirror to become light of a left-circular polarization component.
  • the Switchable HWP when the Switchable HWP is in the OFF state, the 0° linear polarization component is converted into a 90° linear polarization component, and is converted into light of a right-circular polarization component by passing through the quarter-wave plate, and the light of the right-circular polarization component is converted into a left-circular polarization component by passing through the front surface of the geometric phase lens, and when the Switchable QWP is in the ON state, the polarization state is transmitted without polarization modulation, and is reflected by the mirror and can be converted into light of a right-circular polarization component.
  • the 0° linear polarization component is converted into a 90° linear polarization component, and is converted into light of a right-circular polarization component by passing through the quarter-wave plate, and the light of the right-circular polarization component is converted into a left-circular polarization component by passing through the front surface of the geometric phase lens, and when the switchable QWP is in the OFF state, the circular polarization is converted into 0° linear polarization, and is reflected by the mirror to maintain the 0° linear polarization.
  • An optical system includes a Switchable HWP, a quarter wave plate, a geometric phase lens, a Switchable QWP, and a concave mirror, wherein the Switchable HWP, the quarter wave plate, the geometric phase lens, the Switchable QWP, and the concave mirror can be arranged in sequence.
  • the polarization component of the incident light passes through the quarter wave plate without being converted and is converted into light of a left-circular polarization component
  • the light of the left-circular polarization component is converted into light of a right-circular polarization component by passing through the front surface of the geometric phase lens
  • the light of the right-circular polarization component is converted from circular polarization to 90° linear polarization when the switchable QWP is in the OFF state, and is reflected by the concave mirror to maintain 90° linear polarization.
  • the Switchable HWP when the Switchable HWP is in the ON state, the polarization component of the incident light passes through the quarter wave plate without being converted and is converted into light of a left-circular polarization component, and the light of the left-circular polarization component passes through the front surface of the geometric phase lens and is converted into light of a right-circular polarization component, and when the Switchable QWP is in the ON state, the polarization state is transmitted without polarization modulation and can be reflected by the concave mirror and converted into light of a left-circular polarization component.
  • the 0° linear polarization component is converted into a 90° linear polarization component and is converted into light of a right-circular polarization component by passing through the QWP, and the light of the right-circular polarization component is converted into light of a left-circular polarization component by passing through the front surface of the geometric phase lens, and when the Switchable QWP is in the ON state, the light of the left-circular polarization component can be transmitted without polarization modulation and reflected by the concave mirror to be converted into light of a right-circular polarization component.
  • the 0° linear polarization component is converted into a 90° linear polarization component, and is converted into light of a right-circular polarization component by passing through the quarter-wave plate, and the light of the right-circular polarization component is converted into light of a left-circular polarization component by passing through the front surface of the geometric phase lens
  • the Switchable QWP is in the OFF state, the light of the left-circular polarization component is converted from circular polarization to 0° linear polarization, and the image is reflected on a concave mirror to maintain 0° linear polarization.
  • An HMD according to an embodiment of the present disclosure may have an optical system having the above-described characteristics.
  • the phase of a light wave passing through a geometric phase holographic lens can be controlled, thereby allowing for precise design and manufacture of any wavefront profile required in an optical device by means of a spatial geometric phase distribution of a phase delay optical axis.
  • optical elements in the form of flat optics that are much lighter and thinner than conventional refractive lenses.
  • Figure 1 illustrates a conventional optical system according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 illustrates an optical system including a geometric phase lens according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 3 illustrates an optical system using a geometric phase lens and a quarter wave plate according to an embodiment of the present invention.
  • Figures 4 to 11 illustrate examples of implementation of an optical system using a geometric phase lens and a quarter wave plate according to an embodiment of the present invention.
  • Figure 1 illustrates an example of a round trip optical system according to an embodiment of the present invention.
  • Figure 1 is a traditional optical system that amplifies refractive power by installing a general convex lens on a round-trip optical path.
  • optical system in the optical system, light is refracted once when it enters a convex lens, and when it hits a mirror and returns, it is refracted once more through the convex lens.
  • Such an optical system is used to provide greater refractive power through a lens with limited refractive power.
  • FIG. 2 illustrates an optical system including a geometric phase lens according to an embodiment of the present invention.
  • a conventional variable focus AR optical system (FIG. 2(a)) utilizing a geometric phase lens (GP lens) can express a virtual image plane having two different depth information by two lens modes (+f, -f) based on the state of incident circular polarization (right-hand circular polarization (RCP), left-hand circular polarization (LCP)) to the geometric phase lens (GP lens).
  • RCP right-hand circular polarization
  • LCP left-hand circular polarization
  • Fig. 2(b) can be designed so that the light passes through the geometric phase lens (GP lens) twice on the optical path by positioning the geometric phase lens (GP lens) between the beam-splitter (BS) and the mirror surface.
  • GP lens geometric phase lens
  • the light with the right-circular polarization component is incident on the back of the geometric phase lens (GP lens), and the GP lens operates as a concave lens with a focal power of -f, which can cause the focal power of the entire optical system to be canceled out.
  • the effect is the same as if there is no lens.
  • the RCP Light Circular Polarization
  • LCP Left Circular Polarization
  • FIG. 3 illustrates an optical system in which a quarter-waveplate (QWP) is positioned between a geometric phase lens (GP lens) and a mirror according to an embodiment of the present invention.
  • QWP quarter-waveplate
  • a quarter-waveplate (hereinafter, QWP) is a type of polarizing filter used in optics, and is used to convert the polarization state of light.
  • the QWP is made of a double-refractive material of a specific thickness and is designed to delay the phase of passing light by 90 degrees, or 1/4 of a wavelength.
  • a switchable quarter-waveplate is a QWP designed to control polarization change by changing the bi-refractive property by electrical, thermal, or mechanical means as needed, and may mean an optical element that can control the polarization state by changing the polarization direction of light.
  • a quarter-waveplate QWP
  • GP lens geometric phase lens
  • a mirror by positioning a quarter-waveplate (QWP) between a geometric phase lens (GP lens) and a mirror, light with a right-circular polarization component incident on the front surface of the geometric phase lens (GP lens) is converted into light with a left-circular polarization component, and operates as a convex lens with a focal power of +f.
  • QWP quarter-waveplate
  • the linearly polarized light passes through the mirror and QWP again, is converted into left-circularly polarized light, and is incident on the opposite surface of the geometric phase lens (GP lens), where it is converted into right-circularly polarized light, and once again functions as a convex lens with a focal power of +f.
  • GP lens geometric phase lens
  • the focal power of the geometric phase lens (GP lens) in the entire optical system becomes +2f.
  • a single geometric phase lens can generate twice the focal power, which can be obtained by utilizing a relatively long focal lens instead of a single focal lens that requires a high-resolution optical recording pattern, and at the same time, a virtual image plane with a wide field of view can be obtained by applying the single focal lens to a focus-variable AR optical system.
  • FIGS 4 to 7 sequentially illustrate a method of controlling the focal length of the entire optical system by controlling the incident polarization to a geometric phase lens (GP lens) using a switchable half-waveplate (HWP) and a switchable QWP.
  • GP lens geometric phase lens
  • HWP switchable half-waveplate
  • a switchable half-waveplate is an HWP designed to control polarization change by changing the bi-refractive properties by electrical, thermal, or mechanical means as needed.
  • An HWP can mean an optical element that can control the polarization state by changing the polarization direction of light by rotating the electric field vector of light by 90 degrees.
  • An optical system may include a switchable half-waveplate (HWP), a QWP, a switchable QWP, and a geometric phase lens.
  • HWP switchable half-waveplate
  • QWP QWP
  • QWP switchable QWP
  • geometric phase lens a geometric phase lens
  • Figure 4 shows the lens mode and polarization degree inside the optical system when a geometric phase lens (GP lens) generates a lens effect of -f, -f.
  • GP lens geometric phase lens
  • light emitted from a micro-display is refracted at a specific angle by a passive convex lens and enters the optical system.
  • the incident light passes through a linear polarizer (LP) and can be converted into light with a 0° linear polarization component.
  • the converted light is incident on a switchable half-waveplate (HWP) made of a liquid crystal cell.
  • LP linear polarizer
  • HWP switchable half-waveplate
  • the above switchable HWP can perform a role of converting the polarization state of incident light into an output polarization component orthogonal to the incident polarization by transmitting the incident light without polarization modulation or delaying it under half-waveplate conditions, depending on whether a voltage is applied.
  • the polarization component of the incident light passes through without being converted and can be converted into light with a left-circular polarization component after passing through the QWP. Afterwards, it passes through the front surface of the geometric phase lens (GP lens) and is converted into a right-circular polarization component, and passes through the geometric phase lens (GP lens) operating in the lens mode with a focal power of -f.
  • GP lens geometric phase lens
  • light passing through a geometric phase lens passes through a switchable QWP that can transmit the polarization state of the incident light without polarization modulation or delay it under quarter-waveplate conditions depending on whether a voltage is applied thereafter.
  • the Switchable QWP when the Switchable QWP is OFF, the light is converted from circular polarization to 90° linear polarization, and maintains 90° linear polarization even when reflected from the mirror. In other words, the light passes through the Switchable QWP and becomes RCP.
  • the light converted to RCP passes through the back of the geometric phase lens (GP lens) and once again has a focal length of -f, so that the entire optical system has an additional focal length of -2f through the geometric phase lens (GP lens).
  • Figure 5 shows the lens mode and polarization degree inside the optical system when a geometric phase lens (GP lens) generates a lens effect of -f and +f.
  • GP lens geometric phase lens
  • a linear polarizer LP
  • HWP switchable half-waveplate
  • the above switchable HWP can change the polarization state of incident light to a component of outgoing polarization orthogonal to the incident polarization by transmitting the incident light without polarization modulation or delaying it under half-waveplate conditions, depending on whether a voltage is applied.
  • the polarization component of the incident light passes through without being converted, passes through the QWP, and is converted into light with a left-hand circular polarization component. Afterwards, it passes through the front surface of the geometric phase lens (GP lens) and is converted into a right-hand circular polarization component, and passes through the geometric phase lens (GP lens) which operates in lens mode with a focal power of -f.
  • GP lens geometric phase lens
  • a switchable QWP which can transmit the polarization state of the incident light without polarization modulation or delay it under quarter-waveplate conditions, depending on whether a voltage is applied.
  • the Switchable QWP when the Switchable QWP is in the ON state as shown in FIG. 5, light transmits the polarization state without polarization modulation and is reflected by the mirror to become the LCP. Thereafter, the light passes through the Switchable QWP again without polarization modulation, and the LCP passes through the back of the geometric phase lens (GP lens) to have a focal length of +f, so that the entire optical system can sequentially add the focal lengths of -f and +f through the geometric phase lens (GP lens).
  • GP lens geometric phase lens
  • Figure 6 shows the lens mode and polarization degree inside the optical system when a geometric phase lens (GP lens) generates +f and -f lens effects.
  • GP lens geometric phase lens
  • a microdisplay enters the optical system at a specific angle through a passive convex lens.
  • the light which passes through a linear polarizer (LP) and is converted into light with a 0° linear polarization component, enters a switchable half-waveplate (HWP) made of a liquid crystal cell.
  • LP linear polarizer
  • HWP switchable half-waveplate
  • the above switchable HWP can perform a role of converting the polarization state of incident light into an output polarization component orthogonal to the incident polarization by transmitting the incident light without polarization modulation or delaying it under half-waveplate conditions, depending on whether a voltage is applied.
  • Fig. 6 when voltage is applied to the Switchable HWP and it is in the OFF state, the 0° linear polarization component is converted into a 90° linear polarization component and passes through the QWP to be converted into light of a right-circular polarization component.
  • the light with the right-circular polarization component passes through the front surface of the geometric phase lens (GP lens) and is converted into the left-circular polarization component, passing through the geometric phase lens (GP lens) which operates in a lens mode with a focal power of +f.
  • GP lens geometric phase lens
  • the polarization state of the incident light passes through a switchable QWP that can transmit without polarization modulation or delay under quarter-waveplate conditions.
  • the Switchable QWP when the Switchable QWP is in the ON state, the polarization state is transmitted without polarization modulation, and is reflected by a mirror to become light of a right-circular polarization component (RCP). Afterwards, it passes through the Switchable QWP again, but is transmitted without polarization modulation, and the LCP passes through the back of the geometric phase lens (GP lens) and feels the focal length of +f, so that the entire optical system sequentially adds the focal lengths of +f and -f through the geometric phase lens (GP lens).
  • RCP right-circular polarization component
  • FIG. 7 shows the lens mode and polarization degree inside the optical system when a geometric phase lens (GP lens) according to an embodiment of the present invention generates a lens effect of +f and +f.
  • GP lens geometric phase lens
  • light emitted from the micro-display enters the optical system at a specific angle through a passive convex lens.
  • the incident light passes through a linear polarizer (LP), and the light converted into light with a 0° linear polarization component is incident on a switchable half-waveplate (HWP) made of a liquid crystal cell.
  • LP linear polarizer
  • HWP switchable half-waveplate
  • the above switchable HWP can change the polarization state of incident light to a component of outgoing polarization orthogonal to the incident polarization by transmitting the incident light without polarization modulation or delaying it under half-waveplate conditions, depending on whether a voltage is applied.
  • the 0° linear polarization component when voltage is applied to the Switchable HWP and it is in the OFF state, the 0° linear polarization component is converted into a 90° linear polarization component, and the converted light passes through the QWP and is converted into light of a right-circular polarization component.
  • the light with the right-circular polarization component passes through the front surface of the geometric phase lens (GP lens) and is converted into the left-circular polarization component, passing through the geometric phase lens (GP lens) which operates in a lens mode with a focal power of +f.
  • GP lens geometric phase lens
  • the polarization state of the incident light passes through a switchable QWP that can transmit without polarization modulation or delay under quarter-waveplate conditions.
  • the Switchable QWP when the Switchable QWP is OFF, circular polarization is converted to 0° linear polarization, and even when reflected from a mirror, the 0° linear polarization is maintained, and the light passes through the Switchable QWP and becomes an LCP.
  • the LCP passes through the back surface of the geometric phase lens (GP lens), it once again experiences a focal length of +f, so that the entire optical system gains a focal length of +2f through the geometric phase lens (GP lens).
  • FIGS. 8 to 11 an optical system is described in which the distance between the geometric phase lens (GP lens) and the concave mirror is not set to 0, and the mirror is a concave mirror having a focal length f.
  • GP lens geometric phase lens
  • FIG. 8 shows the lens mode and polarization degree inside the optical system when a geometric phase lens (GP lens) according to an embodiment of the present invention generates a lens effect of -f, -f.
  • GP lens geometric phase lens
  • light emitted from a microdisplay enters the optical system at a specific angle through a passive convex lens.
  • the incident light passes through a linear polarizer (LP) and is converted into light with a 0° linear polarization component.
  • the converted light is then incident on a switchable half-waveplate (HWP) made of liquid crystal cells.
  • LP linear polarizer
  • HWP switchable half-waveplate
  • the above switchable HWP can change the polarization state of incident light to a component of outgoing polarization orthogonal to the incident polarization by transmitting the incident light without polarization modulation or delaying it under half-waveplate conditions, depending on whether a voltage is applied.
  • the polarization component of the incident light passes through without being converted, passes through the QWP, and is converted into light with a left-hand circular polarization component.
  • the converted light then passes through the front surface of the geometric phase lens (GP lens), is converted into a right-hand circular polarization component, and passes through the geometric phase lens (GP lens) operating in lens mode with a focal power of -f.
  • the polarization state of the incident light passes through a switchable QWP that can transmit without polarization modulation or delay under quarter-waveplate conditions.
  • light is converted from circular polarization to 90° linear polarization when the Switchable QWP is OFF, maintains 90° linear polarization even when reflected from a concave mirror, and becomes RCP after passing through the Switchable QWP.
  • the RCP passes through the back surface of the geometric phase lens (GP lens) and once again experiences a focal length of -f, so that the entire optical system gains a focal length of -2f through the geometric phase lens (GP lens).
  • FIG. 9 shows the lens mode and polarization degree inside the optical system when a geometric phase lens (GP lens) according to an embodiment of the present invention generates a lens effect of -f and +f.
  • GP lens geometric phase lens
  • light emitted from a microdisplay enters the optical system at a specific angle through a passive convex lens.
  • the incident light passes through a linear polarizer (LP), and the light converted into light with a 0° linear polarization component enters a switchable half-waveplate (HWP) made of a liquid crystal cell.
  • LP linear polarizer
  • HWP switchable half-waveplate
  • the above switchable HWP can change the polarization state of incident light to a component of outgoing polarization orthogonal to the incident polarization by transmitting the incident light without polarization modulation or delaying it under half-waveplate conditions, depending on whether a voltage is applied.
  • the polarization component of the incident light passes through without being converted and is converted into light with a left-circular polarization component through the QWP.
  • the converted light then passes through the front of the geometric phase lens (GP lens) and is converted into a right-circular polarization component, passing through the geometric phase lens (GP lens) which operates in a lens mode with a focal power of -f.
  • GP lens geometric phase lens
  • the polarization state of the incident light passes through a switchable QWP that can transmit without polarization modulation or delay under quarter-waveplate conditions.
  • the Switchable QWP when the Switchable QWP is in the ON state, the polarization state is transmitted without polarization modulation and is reflected by a concave mirror to become an LCP.
  • the LCP senses the +f focal length as it passes through the back of the geometric phase lens (GP lens), and the entire optical system sequentially adds the -f and +f focal lengths through the geometric phase lens (GP lens).
  • FIG. 10 shows the lens mode and polarization degree inside the optical system when a geometric phase lens (GP lens) according to an embodiment of the present invention generates +f and -f lens effects.
  • GP lens geometric phase lens
  • a microdisplay enters the optical system at a specific angle through a passive convex lens.
  • the light which passes through a linear polarizer (LP) and is converted into light with a 0° linear polarization component, enters a switchable half-waveplate (HWP) made of a liquid crystal cell.
  • LP linear polarizer
  • HWP switchable half-waveplate
  • the switchable HWP can change the polarization state of incident light to an output polarization component orthogonal to the incident polarization by transmitting the incident light without polarization modulation or delaying it under half-waveplate conditions, depending on whether a voltage is applied.
  • the 0° linear polarization component is converted into a 90° linear polarization component and passes through the QWP to be converted into light with a right-circular polarization component.
  • the polarization state of the incident light passes through a switchable QWP that can transmit without polarization modulation or delay under quarter-waveplate conditions.
  • the Switchable QWP when the Switchable QWP is in the ON state, the polarization state is transmitted without polarization modulation and is reflected by the concave mirror to become RCP.
  • the LCP passes through the back of the geometric phase lens (GP lens) and senses the focal length of +f, so the entire optical system sequentially adds the focal lengths of +f and -f through the geometric phase lens (GP lens).
  • FIG. 11 shows the lens mode and polarization degree inside the optical system when a geometric phase lens (GP lens) according to an embodiment of the present invention generates a lens effect of +f and +f.
  • GP lens geometric phase lens
  • a micro-display enters the optical system at a specific angle through a passive convex lens.
  • the light which passes through a linear polarizer (LP) and is converted into light with a 0° linear polarization component, enters a switchable half-waveplate (HWP) made of a liquid crystal cell.
  • LP linear polarizer
  • HWP switchable half-waveplate
  • the switchable HWP can change the polarization state of incident light to an output polarization component orthogonal to the incident polarization by transmitting the incident light without polarization modulation or delaying it under half-waveplate conditions, depending on whether a voltage is applied.
  • the 0° linear polarization component is converted into a 90° linear polarization component and passes through the QWP to be converted into light with a right-circular polarization component.
  • the optical system according to the embodiment of the present invention can implement various focal lengths by using an optical system in which the distance between the geometric phase lens (GP lens) and the mirror is not set to 0, but the mirror is a concave mirror having a focal length f.
  • GP lens geometric phase lens
  • an AR/VR device using the optical system may be included, and specifically, a head-mounted device (HMD) equipped with the optical system may be implemented.
  • HMD head-mounted device

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Abstract

본 발명은 기하위상 렌즈, 쿼터 웨이브 플레이트(QWP) 및 미러를 포함하는 광학계에 관한 것으로서, 상기 쿼터 웨이브 플레이트는 상기 기하위상 렌즈와 미러 사이에 위치하며, 상기 기하위상 렌즈는 앞면으로 입사하는 우원편광 성분의 빛이 좌원편광 성분의 빛으로 변환됨으로써 +f의 초점력을 가지는 볼록렌즈로 동작하는 광학계를 제공한다.

Description

기하위상 렌즈를 이용한 광학계 및 장치
본 발명은 VR/AR/MR 기술, 구체적으로는 이를 구현하기 위한 HMD 및 그 HMD에 내장되는 광학계에 관한 것이다.
VR/AR/MR을 구현하기 위한 HMD에서 실제 사용자가 인지하는 이미지의 깊이 정보와 가상 이미지가 결상되는 거리의 불인치로 인해 사용자로 하여금 눈의 피로와 두통이 발행하는 문제가 발생한다. 이러한 초점-수렴 불일치(Vergence-accomodation conflict), 즉 VAC라고 명칭되는 문제를 해결할 수 있는 방안 중 하나로, 사용자가 초점면으로 인지하는 거리에 가상 이미지 깊이 정보에 상응할 수 있는 초점 가변 광학계가 주목받고 있다.
한편, 종래 VAC를 해결하기 위한 방안으로는 광학계 내부의 렌즈 간의 거리를 물리적 이동에 따른 광학계의 초점거리 가변에 따른 가상 이미지의 거리를 가변하는 방식을 사용하였다. 이는 렌즈의 물리적, 기계적 움직임을 포함하여 광학계의 부피를 설계하기 때문에, 전체 광학계의 부피 및 무게가 증가한다는 문제점이 있다. 이는 사용자로 하여금 기기의 착용시 물리적인 피로감을 느끼게 하였다. 이를 해결하기 위한 방안으로 최근 광소자에서 공간 변조되는 파면 프로파일 특성을 광소자의 표면 단차 변화 없이 단일 두께 박막 상에서 자유로이 구현할 수 있는 기하 위상(Geometric Phase, 이하 GP) 기반의 광학 소자에 관한 관심이 증가하고 있다.
본 발명의 목적은 GP 렌즈 및 쿼터 웨이브 플레이트(QWP)를 이용한 광학계를 제공하여 보다 소형화되고 간편한 광학계를 구현하기 위함이다.
본 개시의 실시 예에 따른 광학계는 기하위상 렌즈, 쿼터 웨이브 플레이트(QWP) 및 미러를 포함하고, 상기 쿼터 웨이브 플레이트는, 상기 기하위상 렌즈와 미러 사이에 위치할 수 있다.
또한, 상기 기하위상 렌즈는, 앞면으로 입사하는 우원편광 성분의 빛이 좌원편광 성분의 빛으로 변환됨으로써, +f의 초점력을 가지는 볼록렌즈로 동작할 수 있다.
또한, 상기 좌원편광 성분의 빛은, 상기 쿼터 웨이브 플레이트에 의해 위상지연을 통해 선편광 성분의 빛으로 전환되고, 상기 선편광 성분의 빛은 상기 미러(mirror)와 상기 쿼터 웨이브 플레이트를 다시 지나며 좌원편광 성분의 빛으로 전환되고, 상기 기하위상 렌즈의 반대면으로 입사되어 우원편광 성분의 빛으로 변환될 수 있다.
또한, 상기 기하위상 렌즈는, 앞면으로 입사하는 좌원편광 성분의 빛이 우원편광 성분의 빛으로 변환됨으로써, -f의 초점력을 가지는 볼록렌즈로 동작할 수 있다.
또한, 상기 우원편광 성분의 빛은, 상기 쿼터 웨이브 플레이트에 의해 위상지연을 통해 선편광 성분의 빛으로 전환되고, 상기 선편광 성분의 빛은 상기 미러와 상기 쿼터 웨이브 플레이트를 다시 지나며 우원편광 성분의 빛으로 전환되고, 상기 기하위상 렌즈의 반대면으로 입사, 좌원편광 성분의 빛으로 변환될 수 있다.
본 개시의 실시 예에 따른 광학계는 Switchable HWP, 쿼터 웨이브 플레이트(QWP), 미러, 기하위상 렌즈 및 Switchable QWP를 포함하고, 상기 Switchable HWP, 상기 쿼터 웨이브 플레이트, 상기 기하위상 렌즈, 상기 Switchable QWP 및 상기 미러가 순서대로 배치될 수 있다.
또한, 상기 Switchable HWP가 ON 상태이면, 입사광의 편광성분은 변환되지 않고 상기 쿼터 웨이브 플레이트를 지나 좌원편광 성분의 빛으로 변환되고, 상기 좌원편광 성분의 빛은 상기 기하위상 렌즈 앞면을 통과하여 우원편광 성분의 빛으로 변환되고, 상기 우원편광 성분의 빛은, 상기 Switchable QWP가 OFF 상태인 경우, 원편광에서 90°선편광으로 변환되고, 미러에서 반사되어 90°선편광을 유지할 수 있다.
또한, 상기 Switchable HWP이 ON 제어되면, 입사광의 편광성분은 변환되지 않고 상기 쿼터 웨이브 플레이트를 지나 좌원편광 성분의 빛으로 변환되고, 상기 좌원편광 성분의 빛은 상기 기하위상 렌즈 앞면을 통과하여 우원편광 성분의 빛으로 변환되고, 상기 우원편광 성분의 빛은 Switchable QWP가 ON 상태인 경우, 편광 상태를 편광 변조 없이 투과하고, 상기 미러에서 반사되어 좌원편광 성분의 빛이 될 수 있다.
또한, 상기 Switchable HWP이 OFF 상태이면, 0° 선편광 성분이 90° 선편광 성분으로 변환되고, 상기 쿼터 웨이브 플레이트를 지나 우원편광 성분의 빛으로 변환되고, 상기 우원편광 성분의 빛은 상기 기하위상 렌즈 앞면을 통과하며 좌원편광 성분으로 변환되고, 상기 Switchable QWP가 ON 상태일 때, 편광 상태를 편광 변조 없이 투과하고, 상기 미러에서 반사되어 우원편광 성분의 빛으로 변환될 수 있다.
또한, 상기 switchable HWP가 OFF 상태인 경우, 0° 선편광 성분이 90° 선편광 성분으로 변환되고, 상기 쿼터 웨이브 플레이트를 지나 우원편광 성분의 빛으로 변환되고, 상기 우원편광 성분의 빛은 상기 기하위상 렌즈 앞면을 통과하여 좌원편광 성분으로 변환되고, 상기 Switchable QWP가 OFF 상태인 경우, 원편광에서 0°선편광으로 변환되고, 상기 미러에서 반사되어 0°선편광을 유지할 수 있다.
본 개시의 실시 예에 따른 광학계는 Switchable HWP, 쿼터 웨이브 플레이트, 기하위상 렌즈, Switchable QWP 및 오목거울을 포함하고, 상기 Switchable HWP, 상기 쿼터 웨이브 플레이트, 상기 기하위상 렌즈, 상기 Switchable QWP 및 상기 오목거울이 순서대로 배치될 수 있다.
또한, 상기 switchable HWP가 ON 상태인 경우, 입사광의 편광성분은 변환되지 않고 통과하여 상기 쿼터 웨이브 플레이트를 지나 좌원편광 성분의 빛으로 변환되고, 상기 좌원편광 성분의 빛은 상기 기하위상 렌즈 앞면을 통과하여 우원편광 성분의 빛으로 변환되고, 상기 우원편광 성분의 빛은 상기 Switchable QWP가 OFF 상태일 때 원편광에서 90°선편광으로 변환되고, 상기 오목거울에서 반사되어 90°선편광을 유지할 수 있다.
또한, 상기 Switchable HWP가 ON 상태인 경우, 입사광의 편광성분은 변환되지 않고 통과하여 상기 쿼터 웨이브 플레이트를 지나 좌원편광 성분의 빛으로 변환되고, 상기 좌원편광 성분의 빛은 상기 기하위상 렌즈의 앞면을 통과하여 우원편광 성분으로 변환되고, 상기 Switchable QWP가 ON 상태일 때 편광 상태를 편광 변조 없이 투과하고, 상기 오목거울에 반사되어 좌원편광 성분의 빛으로 변환될 수 있다.
또한, 상기 Switchable HWP가 OFF 상태인 경우, 0° 선편광 성분이 90° 선편광 성분으로 변환되어 QWP를 지나 우원편광 성분의 빛으로 변환되고, 상기 우원편광 성분의 빛은 상기 기하위상 렌즈 앞면을 통과하여 좌원편광 성분의 빛으로 변환되고, 상기 Switchable QWP가 ON 상태일 때, 상기 좌원편광 성분의 빛은 편광 상태를 편광 변조 없이 투과하고, 상기 오목거울에 반사되어 우원편광 성분의 빛으로 변환될 수 있다.
또한, 상기 Switchable HWP이 OFF 상태인 경우, 0° 선편광 성분이 90° 선편광 성분으로 변환되고, 상기 쿼터 웨이브 플레이트를 지나 우원편광 성분의 빛으로 변환되고, 상기 우원편광 성분의 빛은 상기 기하위상 렌즈 앞면을 통과하여 좌원편광 성분의 빛으로 변환되고, 상기 Switchable QWP가 OFF 상태일 때, 상기 좌원편광 성분의 빛은 원편광에서 0°선편광으로 변환되고, 상이 오목거울에 반사되어 0°선편광을 유지할 수 있다.
본 개시의 실시 예에 따른 HMD는 상술한 특징을 가지는 광학계를 구비할 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따르면, GP 렌즈를 사용함으로써 기하위상 홀로그래픽 렌즈를 통과한 광파의 위상을 조절함으로써 위상 지연 광축의 공간적 기하위상 분포에 의해 광소자에서 요구되는 임의의 파면 프로파일을 정밀한 설계 및 제작할 수 있다.
또한, 기존의 굴절렌즈 대비 매우 가볍고 얇은 flat optics 형태의 광소자 구현이 가능하다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 기존 광학계를 나타낸 것이다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 기하위상 렌즈를 포함하는 광학계를 나타낸 것이다.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 기하위상 렌즈 및 쿼터 웨이브플레이트를 이용한 광학계를 나타낸 것이다.
도 4 내지 도 11은 본 발명의 실시 예에 따른 기하위상 렌즈 및 쿼터 웨이브플레이트를 이용한 광학계의 구현 예시를 나타낸 것이다.
이하, 본 발명의 상세에 대하여 설명한다.
이하에 설명하는 실시 예는 본 발명의 일례일 뿐이며, 본 발명은 다양한 형태로 변형될 수 있다. 따라서, 이하에 개시된 특정 구성 및 기능은 청구 범위를 제한하지 않는다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 Round trip 광학계의 예시를 나타낸 것이다.
도 1은, 일반적으로 Round-trip 광경로상에 일반 볼록렌즈를 설치하여 굴절력을 증폭시키는 전통적인 광학계이다.
도 1을 참조하면, 상기 광학계에서는 빛이 볼록렌즈(Convex lens)로 입사할 때 한 번 굴절이 일어나고, 미러(mirror)를 맞고 다시 돌아올 때 한 번 더 볼록렌즈(Convex lens)를 통해 굴절이 일어나게 된다. 이와 같은 광학계는 제한된 굴절력을 가지는 lens를 통해 보다 더 큰 굴절력을 제공할 때 사용한다.
이를 통해 VR/AR/MR HMD에서 낮은 배율의 lens로 고화각의 영상을 구현이 가능하다. 하지만 일반적인 굴절 Convex lens는 HMD의 폼팩터(Form-factor)관점에서 무게와 크기에서 한계가 존재한다. 이하 상기 볼록렌즈(Convex lens)를 기하 위상 렌즈(Geometric phase lens)로 대체하여 사용할 방법을 제시한다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 기하위상 렌즈를 포함하는 광학계를 나타낸 것이다.
도 2를 참조하면, 기하위상 렌즈(GP lens)를 활용한 기존의 가변 초점 AR 광학계(도 2(a))는 기하위상 렌즈(GP lens)로의 입사 원편광 (우원편광(RCP), 좌원편광(LCP)) 상태에 기초하여 2가지 렌즈 모드 (+f, -f)에 의한 두 개의 서로 다른 깊이 정보를 가지는 가상이미지면을 표현할 수 있다.
또한, 도 2(b)는 기하위상 렌즈(GP lens)의 위치를 빔 스플리터(beam-splitter, BS)와 미러(mirror)면 사이에 위치시킴으로써 빛의 광 경로 상에서 기하위상 렌즈(GP lens)를 두 번 거치게 설계할 수 있다.
상기 광학계에서 기하위상 렌즈(GP lens)의 앞면으로 우원편광(RCP) 성분의 빛이 입사하면 빛의 편광상태는 좌원편광(LCP) 성분으로 변환되며, 이는 GP 렌즈가 +f의 초점력을 가지는 볼록 렌즈로 동작하도록 한다. 이후, 좌원편광 성분의 빛이 거울에 반사되며 광경로가 역전되어 우원편광 성분으로 변환된다.
이후 우원편광 성분의 빛이 기하위상 렌즈(GP lens)의 뒷면으로 입사하게 되며, GP 렌즈는 -f의 초점력을 가지는 오목렌즈로 동작하여, 전체 광학계의 초점력이 상쇄되는 효과가 발생할 수 있다. 즉, 광학계 전체로 보았을 때 렌즈가 없는 것과 같은 효과가 나타난다.
한편, 상기 RCP (Right Circular Polarization)와 LCP (Left Circular Polarization)는 두 가지 유형의 원형 편광을 나타내는 것으로 빛이나 다른 전자기파의 전기장이 특정 방향으로 회전하면서 진행하는 편광 상태를 나타낸다.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 기하위상 렌즈(GP lens)와 미러(Mirror)사이에 쿼터 웨이브플레이트(quarter-waveplate, (QWP))를 위치시킨 광학계를 나타낸 것이다.
본 발명의 실시 예에 따르면, quarter-waveplate(이하, QWP)는 광학에서 사용되는 중요한 편광 필터의 일종으로, 빛의 편광 상태를 변환하는 데 사용된다. 상기 QWP는 특정 두께의 이중굴절 소재로 만들어져 있으며, 통과하는 빛의 위상을 90도, 즉 1/4 파장만큼 지연시키도록 설계되어 있다.
또한, switchable quarter-waveplate는, 필요에 따라 전기적, 열적, 또는 기계적 방법으로 이중굴절 속성을 변화시켜 편광 변화를 조절할 수 있게 설계한 QWP로, 빛의 편광 방향을 변경함으로써 편광 상태를 조절할 수 있는 광학 소자를 의미할 수 있다.
도 3을 참조하면, 기하위상 렌즈(GP lens)와 미러(Mirror)사이에 quarter-waveplate (QWP)를 위치시킴으로써, 기하위상 렌즈(GP lens)의 앞면으로 입사하는 우원편광 성분의 빛이 좌원편광 성분의 빛으로 변환되며 +f의 초점력을 가지는 볼록렌즈로 동작한다.
이후 QWP에 의해 위상지연을 통해 선편광 성분의 빛으로 전환된다.
선편광 성분의 빛은 미러(mirror)와 QWP를 다시 지나며 좌원편광 성분의 빛으로 전환되어 기하위상 렌즈(GP lens)의 반대면으로 입사, 우원편광 성분의 빛으로 변환되면서 다시 한번 +f의 초점력을 가지는 볼록렌즈로 동작한다.
즉, 전체 광학계에서 기하위상 렌즈(GP lens)에 의한 초점력은 +2f가 된다.
이와 반대로, 다양한 실시 예에 따라 처음 기하위상 렌즈(GP lens)로 입사하는 원편광을 좌원편광 성분으로 변경하면 전체 광학계의 초점거리가 -2f로 나타나게 됨은 동일한 원리로 이해될 수 있을 것이다.
상기 실시예에 기초하면, 한 장의 기하위상 렌즈(GP lens)로 두 배의 초점력을 발생시킬 수 있으며, 이는 높은 해상도의 광 기록 패턴이 요구되는 단초점 렌즈를 비교적 장초점 렌즈를 활용하여 얻을 수 있음과 동시에 단 초점 렌즈를 초점가변 AR 광학계에 적용함에 따라 넓은 화각의 가상이미지면을 얻을 수 있다.
이하 본 발명의 실시예에 따른 다양한 실시예를 추가로 설명한다.
도 4 내지 도 7은 switchable half-waveplate(HWP)를 사용하여 기하위상 렌즈(GP lens)로의 입사편광과 Swtichable QWP를 제어하여 전체 광학계의 초점거리를 제어하는 방법을 차례로 나타낸 것이다.
먼저, switchable half-waveplate(HWP)는, 필요에 따라 전기적, 열적, 또는 기계적 방법으로 이중굴절 속성을 변화시켜 편광 변화를 조절할 수 있게 설계한 HWP로, HWP는 빛의 전기장 벡터를 90도 회전시켜, 빛의 편광 방향을 변경함으로써 편광 상태를 조절할 수 있는 광학 소자를 의미할 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따른 광학계는 switchable half-waveplate(HWP), QWP, Switchable QWP 및 기하위상 렌즈를 포함할 수 있다.
도 4는 기하위상 렌즈(GP lens)가 -f, -f의 렌즈 효과를 발생시키는 경우에 대한 광학계 내부의 렌즈 모드 및 편광도를 나타낸다.
본 발명의 실시 예에 따르면, 마이크로 디스플레이(Micro-display)에서 발산되는 빛은 볼록 렌즈(passive convex lens)에 의해 특정 각도로 굴절되어 광학계 내부로 입사한다.
입사한 빛은 Linear polarizer (LP)를 통과하며 0° 선편광 성분의 빛으로 전환될 수 있다. 전환된 빛은 액정 cell로 제작된 switchable half-waveplate (HWP)로 입사한다.
상기 switchable HWP는 전압의 인가 유무에 따라 입사광의 편광 상태를 편광 변조없이 투과, 혹은 half-waveplate 조건으로 지연시켜 입사 편광과 직교하는 출사편광 성분으로 전환시킬 수 있는 역할을 수행할 수 있다.
예를 들어, Switchable HWP에 전압이 인가되어 ON 상태인 경우, 입사광의 편광성분은 변환되지 않고 그대로 통과하여 QWP를 지나 좌원편광 성분의 빛으로 변환될 수 있다. 이후 기하위상 렌즈(GP lens) 앞면을 통과하며 우원편광 성분으로 변환되며, -f의 초점력을 가지는 렌즈모드로 동작하는 기하위상 렌즈(GP lens)를 지나게 된다.
실시 예에 따르면, 기하위상 렌즈를 지난 빛은 이후 전압의 인가 유무에 따라 입사광의 편광 상태를 편광 변조없이 투과, 혹은 quarter-waveplate 조건으로 지연시킬 수 있는 switchable QWP를 지나게 된다.
도 4와 같이, Switchable QWP가 OFF 상태인 경우, 빛은 원편광에서 90°선편광으로 변환되고, mirror에서 반사되어도 90°선편광을 유지하게된다. 즉, 빛은 Switchable QWP를 지나 RCP가 된다. RCP로 변환된 빛은 기하위상 렌즈(GP lens) 뒷면을 통과하며 다시 한번 -f의 초점거리를 가지게 되어 전체 광학계는 기하위상 렌즈(GP lens)를 통해 -2f의 초점거리가 더해지게된다.
도 5는 기하위상 렌즈(GP lens)가 -f, +f의 렌즈 효과를 발생시키는 경우에 대한 광학계 내부의 렌즈 모드 및 편광도를 나타낸 것이다.
도 5를 참조하면, 도 4의 설명과 마찬가지로, Micro-display에서 발산되는 빛은 passive convex lens에 의해 특정 각도를 가지며 광학계 내부로 입사한다. 입사한 빛은 Linear polarizer (LP)를 통과하며 0° 선편광 성분의 빛으로 전환된 빛은 액정 cell로 제작된 switchable half-waveplate (HWP)로 입사한다.
상기 switchable HWP는 전압의 인가 유무에 따라 입사광의 편광 상태를 편광 변조없이 투과, 혹은 half-waveplate 조건으로 지연시켜 입사 편광과 직교하는 출사편광 성분으로 전환시킬 수 있는 역할을 한다.
Switchable HWP에 전압이 인가되어 ON 상태인 경우 입사광의 편광성분은 변환되지 않고 그대로 통과하여 QWP를 지나 좌원편광 성분의 빛으로 변환된다. 이후 기하위상 렌즈(GP lens) 앞면을 통과하며 우원편광 성분으로 변환, -f의 초점력을 가지는 렌즈모드로 동작하는 기하위상 렌즈(GP lens)를 지난다.
기하위상 렌즈를 지난 빛은 이후 전압의 인가 유무에 따라 입사광의 편광 상태를 편광 변조없이 투과, 혹은 quarter-waveplate 조건으로 지연시킬 수 있는 switchable QWP를 지난다.
본 발명의 실시 예에 따르면, 도 5와 같이 Switchable QWP가 ON 상태일 때 빛은 편광 상태를 편광 변조 없이 투과하고, mirror에서 반사되어 LCP가 된다. 이후 빛은 다시 Switchable QWP를 지나지만 편광 변조 없이 투과하고, LCP가 기하위상 렌즈(GP lens) 뒷면을 통과하며 +f의 초점거리를 갖게 되어 전체 광학계는 기하위상 렌즈(GP lens)를 통해 -f와 +f의 초점거리가 순서대로 더해질 수 있을 것이다.
도 6는 기하위상 렌즈(GP lens)가 +f, -f의 렌즈 효과를 발생시키는 경우에 대한 광학계 내부의 렌즈 모드 및 편광도를 나타낸 것이다.
도 6을 참조하면, Micro-display에서 발산되는 빛은 passive convex lens에 의해 특정 각도를 가지며 광학계 내부로 입사한다. Linear polarizer (LP)를 통과하며 0° 선편광 성분의 빛으로 전환된 빛은 액정 cell로 제작된 switchable half-waveplate (HWP)로 입사한다.
상기 switchable HWP는 전압의 인가 유무에 따라 입사광의 편광 상태를 편광 변조없이 투과, 혹은 half-waveplate 조건으로 지연시켜 입사 편광과 직교하는 출사편광 성분으로 전환시킬 수 있는 역할을 수행할 수 있다.
도 6에 따라, Switchable HWP에 전압이 인가되어 OFF 상태인 경우, 0° 선편광 성분이 90° 선편광 성분으로 변환되어 QWP를 지나 우원편광 성분의 빛으로 변환된다.
이후 우원편광 성분의 빛은 기하위상 렌즈(GP lens) 앞면을 통과하며 좌원편광 성분으로 변환, +f의 초점력을 가지는 렌즈모드로 동작하는 기하위상 렌즈(GP lens)를 지난다.
이후 전압의 인가 유무에 따라 입사광의 편광 상태를 편광 변조없이 투과, 혹은 quarter-waveplate 조건으로 지연시킬 수 있는 switchable QWP를 지난다.
본 발명의 실시 예에 따르면, Switchable QWP가 ON 상태일 때 편광 상태를 편광 변조 없이 투과하고, 미러(mirror)에서 반사되어 우원편광 성분의 빛(RCP)이 된다. 이후 다시 Switchable QWP를 지나지만 편광 변조 없이 투과하고, LCP가 기하위상 렌즈(GP lens) 뒷면을 통과하며 +f의 초점거리를 느끼게 되어 전체 광학계는 기하위상 렌즈(GP lens)를 통해 +f와 -f의 초점거리가 순서대로 더해진다.
도 7은 본 발명의 실시 예에 따른, 기하위상 렌즈(GP lens)가 +f, +f의 렌즈 효과를 발생시키는 경우에 대한 광학계 내부의 렌즈 모드 및 편광도를 나타낸 것이다.
도 7을 참조하면, Micro-display에서 발산되는 빛은 passive convex lens에 의해 특정 각도를 가지며 광학계 내부로 입사한다.
입사된 빛은 Linear polarizer (LP)를 통과하며 0° 선편광 성분의 빛으로 전환된 빛은 액정 cell로 제작된 switchable half-waveplate (HWP)로 입사한다.
상기 switchable HWP는 전압의 인가 유무에 따라 입사광의 편광 상태를 편광 변조없이 투과, 혹은 half-waveplate 조건으로 지연시켜 입사 편광과 직교하는 출사편광 성분으로 전환시킬 수 있는 역할을 한다.
실시 예에 따르면, Switchable HWP에 전압이 인가되어 OFF 상태인 경우, 0° 선편광 성분이 90° 선편광 성분으로 변환되고, 변환된 빛은 QWP를 지나 우원편광 성분의 빛으로 변환된다.
이후 우원편광 성분의 빛은 기하위상 렌즈(GP lens) 앞면을 통과하며 좌원편광 성분으로 변환, +f의 초점력을 가지는 렌즈모드로 동작하는 기하위상 렌즈(GP lens)를 지난다.
이후 전압의 인가 유무에 따라 입사광의 편광 상태를 편광 변조없이 투과, 혹은 quarter-waveplate 조건으로 지연시킬 수 있는 switchable QWP를 지난다.
실시 예에 따르면, Switchable QWP가 OFF 상태일 때 원편광에서 0°선편광으로 변환되고, 미러(mirror)에서 반사되어도 0°선편광을 유지, Switchable QWP를 지나 LCP가 된다. LCP가 기하위상 렌즈(GP lens) 뒷면을 통과하며 다시 한번 +f의 초점거리를 느끼게 되어 전체 광학계는 기하위상 렌즈(GP lens)를 통해 +2f의 초점거리가 더해진다.
위와 같이, 도 4 내지 도 7에서 기하위상 렌즈(GP lens)를 통해 다양한 초점거리를 갖는 광학계를 구현하였다.
이하 도 8 내지 도 11에서, 기하위상 렌즈(GP lens)와 오목거울 사이의 거리를 0으로 두지 않고 mirror를 초점거리 f를 갖는 오목거울(concave mirror)를 둔 광학계에 대해 설명한다.
도 8은 본 발명의 실시 예에 따른, 기하위상 렌즈(GP lens)가 -f, -f의 렌즈 효과를 발생시키는 경우에 대한 광학계 내부의 렌즈 모드 및 편광도를 나타낸다.
도 8을 참조하면, Micro-display에서 발산되는 빛은 passive convex lens에 의해 특정 각도를 가지며 광학계 내부로 입사한다. 입사한 빛은 Linear polarizer (LP)를 통과하며 0° 선편광 성분의 빛으로 전환된다. 전환된 빛은 액정 cell로 제작된 switchable half-waveplate (HWP)로 입사한다.
상기 switchable HWP는 전압의 인가 유무에 따라 입사광의 편광 상태를 편광 변조없이 투과, 혹은 half-waveplate 조건으로 지연시켜 입사 편광과 직교하는 출사편광 성분으로 전환시킬 수 있는 역할을 한다.
상기 Switchable HWP가 ON 상태인 경우, 입사광의 편광성분은 변환되지 않고 그대로 통과하여 QWP를 지나 좌원편광 성분의 빛으로 변환된다. 변환된 빛은 이후 기하위상 렌즈(GP lens) 앞면을 통과하며 우원편광 성분으로 변환, -f의 초점력을 가지는 렌즈모드로 동작하는 기하위상 렌즈(GP lens)를 지난다.
이후 전압의 인가 유무에 따라 입사광의 편광 상태를 편광 변조없이 투과, 혹은 quarter-waveplate 조건으로 지연시킬 수 있는 switchable QWP를 지난다.
본 발명의 실시 예에 따르면, 빛은 Switchable QWP가 OFF 상태일 때 원편광에서 90°선편광으로 변환되고, 오목거울에서 반사되어도 90°선편광을 유지, Switchable QWP를 지나 RCP가 된다. RCP가 기하위상 렌즈(GP lens) 뒷면을 통과하며 다시 한번 -f의 초점거리를 느끼게 되어 전체 광학계는 기하위상 렌즈(GP lens)를 통해 -2f의 초점거리가 더해진다.
도 9는 본 발명의 실시 예에 따른 기하위상 렌즈(GP lens)가 -f, +f의 렌즈 효과를 발생시키는 경우에 대한 광학계 내부의 렌즈 모드 및 편광도를 나타낸다.
도 9를 참조하면, Micro-display에서 발산되는 빛은 passive convex lens에 의해 특정 각도를 가지며 광학계 내부로 입사한다. 입사된 빛은 Linear polarizer (LP)를 통과하며, 0°선편광 성분의 빛으로 전환된 빛은 액정 cell로 제작된 switchable half-waveplate (HWP)로 입사한다.
상기 switchable HWP는 전압의 인가 유무에 따라 입사광의 편광 상태를 편광 변조없이 투과, 혹은 half-waveplate 조건으로 지연시켜 입사 편광과 직교하는 출사편광 성분으로 전환시킬 수 있는 역할을 한다.
상기 Switchable HWP가 ON 상태인 경우, 입사광의 편광성분은 변환되지 않고 그대로 통과하여 QWP를 지나 좌원편광 성분의 빛으로 변환된다.
변환된 빛은 이후 기하위상 렌즈(GP lens) 앞면을 통과하며 우원편광 성분으로 변환, -f의 초점력을 가지는 렌즈모드로 동작하는 기하위상 렌즈(GP lens)를 지난다.
이후 전압의 인가 유무에 따라 입사광의 편광 상태를 편광 변조없이 투과, 혹은 quarter-waveplate 조건으로 지연시킬 수 있는 switchable QWP를 지난다.
본 발명의 실시 예에 따르면, Switchable QWP가 ON 상태일 때 편광 상태를 편광 변조 없이 투과하고, 오목거울에서 반사되어 LCP가 된다.
이후 다시 Switchable QWP를 지나지만 편광 변조 없이 투과하고. LCP가 기하위상 렌즈(GP lens) 뒷면을 통과하며 +f의 초점거리를 느끼게 되어 전체 광학계는 기하위상 렌즈(GP lens)를 통해 -f와 +f의 초점거리가 순서대로 더해진다
도 10은 본 발명의 실시 예에 따른 기하위상 렌즈(GP lens)가 +f, -f의 렌즈 효과를 발생시키는 경우에 대한 광학계 내부의 렌즈 모드 및 편광도를 나타낸다.
도 10을 참조하면, Micro-display에서 발산되는 빛은 passive convex lens에 의해 특정 각도를 가지며 광학계 내부로 입사한다. Linear polarizer (LP)를 통과하며 0° 선편광 성분의 빛으로 전환된 빛은 액정 cell로 제작된 switchable half-waveplate (HWP)로 입사한다.
실시 예에 따르면, 상기 switchable HWP는 전압의 인가 유무에 따라 입사광의 편광 상태를 편광 변조없이 투과, 혹은 half-waveplate 조건으로 지연시켜 입사 편광과 직교하는 출사편광 성분으로 전환시킬 수 있는 역할을 한다.
상기 Switchable HWP가 OFF 상태인 경우, 0° 선편광 성분이 90° 선편광 성분으로 변환되어 QWP를 지나 우원편광 성분의 빛으로 변환된다.
이후 기하위상 렌즈(GP lens) 앞면을 통과하며 좌원편광 성분으로 변환, +f의 초점력을 가지는 렌즈모드로 동작하는 기하위상 렌즈(GP lens)를 지난다.
이후 전압의 인가 유무에 따라 입사광의 편광 상태를 편광 변조없이 투과, 혹은 quarter-waveplate 조건으로 지연시킬 수 있는 switchable QWP를 지난다.
본 발명의 실시 예에 따르면, Switchable QWP가 ON 상태일 때 편광 상태를 편광 변조 없이 투과하고, 오목거울에서 반사되어 RCP가 된다.
이후 다시 Switchable QWP를 지나지만 편광 변조 없이 투과하고. LCP가 기하위상 렌즈(GP lens) 뒷면을 통과하며 +f의 초점거리를 느끼게 되어 전체 광학계는 기하위상 렌즈(GP lens)를 통해 +f와 -f의 초점거리가 순서대로 더해진다.
도 11은 본 발명의 실시 예에 따른, 기하위상 렌즈(GP lens)가 +f, +f의 렌즈 효과를 발생시키는 경우에 대한 광학계 내부의 렌즈 모드 및 편광도를 나타낸다.
도 11을 참조하면, Micro-display에서 발산되는 빛은 passive convex lens에 의해 특정 각도를 가지며 광학계 내부로 입사한다. Linear polarizer (LP)를 통과하며 0° 선편광 성분의 빛으로 전환된 빛은 액정 cell로 제작된 switchable half-waveplate (HWP)로 입사한다.
실시예에 따르면, 상기 switchable HWP는 전압의 인가 유무에 따라 입사광의 편광 상태를 편광 변조없이 투과, 혹은 half-waveplate 조건으로 지연시켜 입사 편광과 직교하는 출사편광 성분으로 전환시킬 수 있는 역할을 한다.
상기 Switchable HWP가 OFF 상태인 경우, 0° 선편광 성분이 90° 선편광 성분으로 변환되어 QWP를 지나 우원편광 성분의 빛으로 변환된다.
이후 기하위상 렌즈(GP lens) 앞면을 통과하며 좌원편광 성분으로 변환, +f의 초점력을 가지는 렌즈모드로 동작하는 기하위상 렌즈(GP lens)를 지난다. 이후 전압의 인가 유무에 따라 입사광의 편광 상태를 편광 변조없이 투과, 혹은 quarter-waveplate 조건으로 지연시킬 수 있는 switchable QWP를 지난다.
상기 Switchable QWP가 OFF 상태일 때 원편광에서 0°선편광으로 변환되고, 오목거울(mirror)에서 반사되어도 0°선편광을 유지, Switchable QWP를 지나 LCP가 된다. LCP가 기하위상 렌즈(GP lens) 뒷면을 통과하며 다시 한번 +f의 초점거리를 느끼게 되어 전체 광학계는 기하위상 렌즈(GP lens)를 통해 +2f의 초점거리가 더해진다.
앞서 설명한 바와 같이 본 발명의 실시예에 따른 광학계는 기하위상 렌즈(GP lens)와 mirror 사이의 거리를 0으로 두지 않고 mirror를 초점거리 f를 갖는 오목거울(concave mirror)를 둔 광학계를 이용하여 다양한 초점거리를 구현할 수 있을 것이다.
한편 본 발명의 실시 예에 따르면 상기 광학계를 이용한 AR/VR기기가 포함될 수 있으며, 구체적으로 상기 광학계가 구비된 헤드마운트디바이스(HMD)가 구현될 수 있을 것이다.
또한, 이상에서 서비스 및 실시 예들을 중심으로 설명하였으나 이는 단지 예시일 뿐 본 발명을 한정하는 것이 아니며, 본 발명이 속하는 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 본 서비스 및 실시 예의 본질적인 특성을 벗어나지 않는 범위에서 이상에 예시되지 않은 여러 가지의 변형과 응용이 가능함을 알 수 있을 것이다. 예를 들어, 실시 예들에 구체적으로 나타난 각 구성 요소는 변형하여 실시할 수 있는 것이다. 그리고 이러한 변형과 응용에 관계된 차이점들은 첨부한 청구 범위에서 규정하는 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims (16)

  1. 기하위상 렌즈;
    쿼터 웨이브 플레이트(QWP); 및
    미러;를 포함하고,
    상기 쿼터 웨이브 플레이트는,
    상기 기하위상 렌즈와 미러 사이에 위치하는,
    광학계.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 기하위상 렌즈는, 앞면으로 입사하는 우원편광 성분의 빛이 좌원편광 성분의 빛으로 변환됨으로써, +f의 초점력을 가지는 볼록렌즈로 동작하는,
    광학계.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 좌원편광 성분의 빛은,
    상기 쿼터 웨이브 플레이트에 의해 위상지연을 통해 선편광 성분의 빛으로 전환되고,
    상기 선편광 성분의 빛은 상기 미러(mirror)와 상기 쿼터 웨이브 플레이트를 다시 지나며 좌원편광 성분의 빛으로 전환되고,
    상기 기하위상 렌즈의 반대면으로 입사되어 우원편광 성분의 빛으로 변환되는,
    광학계.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 기하위상 렌즈는, 앞면으로 입사하는 좌원편광 성분의 빛이 우원편광 성분의 빛으로 변환됨으로써, -f의 초점력을 가지는 볼록렌즈로 동작하는,
    광학계.
  5. 제 4항에 있어서,
    상기 우원편광 성분의 빛은,
    상기 쿼터 웨이브 플레이트에 의해 위상지연을 통해 선편광 성분의 빛으로 전환되고,
    상기 선편광 성분의 빛은 상기 미러와 상기 쿼터 웨이브 플레이트를 다시 지나며 우원편광 성분의 빛으로 전환되고,
    상기 기하위상 렌즈의 반대면으로 입사, 좌원편광 성분의 빛으로 변환되는,
    광학계.
  6. Switchable HWP;
    쿼터 웨이브 플레이트(QWP);
    미러;
    기하위상 렌즈 및
    Switchable QWP를 포함하고,
    상기 Switchable HWP, 상기 쿼터 웨이브 플레이트, 상기 기하위상 렌즈, 상기 Switchable QWP 및 상기 미러가 순서대로 배치된,
    광학계.
  7. 제 6항에 있어서,
    상기 Switchable HWP가 ON 상태이면, 입사광의 편광성분은 변환되지 않고 상기 쿼터 웨이브 플레이트를 지나 좌원편광 성분의 빛으로 변환되고,
    상기 좌원편광 성분의 빛은 상기 기하위상 렌즈 앞면을 통과하여 우원편광 성분의 빛으로 변환되고,
    상기 우원편광 성분의 빛은,
    상기 Switchable QWP가 OFF 상태인 경우, 원편광에서 90°선편광으로 변환되고, 미러에서 반사되어 90°선편광을 유지하는,
    광학계.
  8. 제 6항에 있어서,
    상기 Switchable HWP이 ON 제어되면, 입사광의 편광성분은 변환되지 않고 상기 쿼터 웨이브 플레이트를 지나 좌원편광 성분의 빛으로 변환되고,
    상기 좌원편광 성분의 빛은 상기 기하위상 렌즈 앞면을 통과하여 우원편광 성분의 빛으로 변환되고,
    상기 우원편광 성분의 빛은
    Switchable QWP가 ON 상태인 경우, 편광 상태를 편광 변조 없이 투과하고, 상기 미러에서 반사되어 좌원편광 성분의 빛이 되는,
    광학계.
  9. 제 6항에 있어서,
    상기 Switchable HWP이 OFF 상태이면, 0° 선편광 성분이 90° 선편광 성분으로 변환되고, 상기 쿼터 웨이브 플레이트를 지나 우원편광 성분의 빛으로 변환되고,
    상기 우원편광 성분의 빛은 상기 기하위상 렌즈 앞면을 통과하며 좌원편광 성분으로 변환되고,
    상기 Switchable QWP가 ON 상태일 때, 편광 상태를 편광 변조 없이 투과하고, 상기 미러에서 반사되어 우원편광 성분의 빛으로 변환되는,
    광학계.
  10. 제 6항에 있어서,
    상기 switchable HWP가 OFF 상태인 경우, 0° 선편광 성분이 90° 선편광 성분으로 변환되고, 상기 쿼터 웨이브 플레이트를 지나 우원편광 성분의 빛으로 변환되고,
    상기 우원편광 성분의 빛은 상기 기하위상 렌즈 앞면을 통과하여 좌원편광 성분으로 변환되고,
    상기 Switchable QWP가 OFF 상태인 경우, 원편광에서 0°선편광으로 변환되고, 상기 미러에서 반사되어 0°선편광을 유지하는,
    광학계.
  11. Switchable HWP;
    쿼터 웨이브 플레이트;
    기하위상 렌즈;
    Switchable QWP 및
    오목거울을 포함하고,
    상기 Switchable HWP, 상기 쿼터 웨이브 플레이트, 상기 기하위상 렌즈, 상기 Switchable QWP 및 상기 오목거울이 순서대로 배치된,
    광학계.
  12. 제 11항에 있어서,
    상기 switchable HWP가 ON 상태인 경우, 입사광의 편광성분은 변환되지 않고 통과하여 상기 쿼터 웨이브 플레이트를 지나 좌원편광 성분의 빛으로 변환되고,
    상기 좌원편광 성분의 빛은 상기 기하위상 렌즈 앞면을 통과하여 우원편광 성분의 빛으로 변환되고,
    상기 우원편광 성분의 빛은 상기 Switchable QWP가 OFF 상태일 때 원편광에서 90°선편광으로 변환되고, 상기 오목거울에서 반사되어 90°선편광을 유지하는,
    광학계.
  13. 제 11항에 있어서,
    상기 Switchable HWP가 ON 상태인 경우, 입사광의 편광성분은 변환되지 않고 통과하여 상기 쿼터 웨이브 플레이트를 지나 좌원편광 성분의 빛으로 변환되고,
    상기 좌원편광 성분의 빛은 상기 기하위상 렌즈의 앞면을 통과하여 우원편광 성분으로 변환되고,
    상기 Switchable QWP가 ON 상태일 때 편광 상태를 편광 변조 없이 투과하고, 상기 오목거울에 반사되어 좌원편광 성분의 빛으로 변환되는,
    광학계.
  14. 제 11항에 있어서,
    상기 Switchable HWP가 OFF 상태인 경우, 0° 선편광 성분이 90° 선편광 성분으로 변환되어 QWP를 지나 우원편광 성분의 빛으로 변환되고,
    상기 우원편광 성분의 빛은 상기 기하위상 렌즈 앞면을 통과하여 좌원편광 성분의 빛으로 변환되고,
    상기 Switchable QWP가 ON 상태일 때, 상기 좌원편광 성분의 빛은 편광 상태를 편광 변조 없이 투과하고, 상기 오목거울에 반사되어 우원편광 성분의 빛으로 변환되는,
    광학계.
  15. 제 11항에 있어서,
    상기 Switchable HWP이 OFF 상태인 경우, 0° 선편광 성분이 90° 선편광 성분으로 변환되고, 상기 쿼터 웨이브 플레이트를 지나 우원편광 성분의 빛으로 변환되고,
    상기 우원편광 성분의 빛은 상기 기하위상 렌즈 앞면을 통과하여 좌원편광 성분의 빛으로 변환되고,
    상기 Switchable QWP가 OFF 상태일 때, 상기 좌원편광 성분의 빛은 원편광에서 0°선편광으로 변환되고, 상이 오목거울에 반사되어 0°선편광을 유지하는,
    광학계.
  16. 제 1항 내지 제 15항 중 어느 한 항의 광학계를 구비한 HMD.
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