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KR102486832B1 - 회절 도광판 및 이를 포함하는 디스플레이 장치 - Google Patents

회절 도광판 및 이를 포함하는 디스플레이 장치 Download PDF

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KR102486832B1
KR102486832B1 KR1020180004483A KR20180004483A KR102486832B1 KR 102486832 B1 KR102486832 B1 KR 102486832B1 KR 1020180004483 A KR1020180004483 A KR 1020180004483A KR 20180004483 A KR20180004483 A KR 20180004483A KR 102486832 B1 KR102486832 B1 KR 102486832B1
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KR
South Korea
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optical element
diffractive optical
light
light guide
diffraction
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KR1020180004483A
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박성민
박정호
한상철
신부건
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주식회사 엘지화학
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Priority to US16/771,552 priority patent/US11982827B2/en
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Abstract

본 발명의 일 측면에 따른 실시예들은, 광을 안내하기 위한 광가이드부; 광원으로부터 광을 수광하고 수광된 광이 상기 광가이드부 상에서 안내될 수 있도록 수광된 광을 회절시키는 입력 회절 광학소자; 상기 입력 회절 광학소자로부터 회절된 광을 수광하고 수광된 광이 회절에 의해 1차원적으로 확장될 수 있도록 구성되는 중간 회절 광학소자; 및 상기 중간 회절 광학소자로부터 확장된 광을 수광하고 수광된 광이 회절에 의해 광가이드부로부터 출력되도록 구성되는 출력 회절 광학소자를 포함하며, 상기 중간 회절 광학소자와 출력 회절 광학소자는 상기 광가이드부 상에서 가로 방향을 따라 서로 구분되는 영역에 각각 분리 배치되며, 상기 중간 회절 광학소자는, 상기 광가이드부 상에서 세로 방향을 따라 이격 배치되는 메인 중간 회절 광학소자와 보조 중간 회절 광학소자를 포함하는 회절 도광판을 제공한다.

Description

회절 도광판 및 이를 포함하는 디스플레이 장치{DIFFRACTIVE LIGHT GUIDE PLATE AND DISPLAY DEVICE INCLUDING THE SAME}
본 발명은 회절 도광판 및 회절 도광판을 포함하는 디스플레이 장치에 관한 것이다.
최근 증강현실(AR: Augmented Reality), 혼합현실(MR: Mixed Reality), 또는 가상현실(VR: Virtual Reality)을 구현하는 디스플레이 유닛에 관심이 커지면서, 이를 구현하는 디스플레이 유닛에 대한 연구가 활발히 이루어지고 있는 추세이다. 증강현실, 혼합현실, 또는 가상현실을 구현하는 디스플레이 유닛은 광의 파동적 성질에 기초한 회절 현상을 이용하는 회절 도광판을 포함하고 있다.
이러한 회절 도광판은 광가이드부와, 광가이드부 일면 또는 타면 측에 마련되며 복수의 격자선 패턴을 갖는 복수의 회절 광학소자를 구비할 수 있다. 구체적으로 회절 도광판은 마이크로 광원출력소자를 통해 출력된 광이 입력되어 광가이드부 상에 안내되도록 하는 제1회절 광학소자와, 광가이드부를 통해 제1회절 광학소자와 광학적으로 커플링되며 제1광학소자로부터 수광된 광을 회절에 의해 제1방향으로의 1차원적인 확장이 이루어질 수 있도록 하는 제2회절 광학소자 및 광가이드부를 통해 제2회절 광학소자와 광학적으로 커플링되며 제2회절 광학소자로부터 수광된 광을 회절에 의해 제2방향으로의 1차원적인 확장이 이루어진 채 광가이드로부터 출력되어 사용자의 동공으로 향할 수 있도록 하는 제3회절 광학소자를 구비할 수 있다.
도 1a은 종래기술의 일예에 따른 회절 도광판을 개략적으로 나타낸 도면이고, 도 1b는 도 1a에 도시된 회절 도광판을 포함하는 디스플레이 장치를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 1a을 참조하면, 종래기술의 일예에 따른 회절 도광판(10)은 제1회절 광학소자(12)가 광가이드부(11)의 일측에 배치되고, 제2회절 광학소자(13)는 광가이드부(11)의 일측에서 타측을 향하는 가로 방향(도 1에서의 y축 방향)을 주된 방향으로 길게 연장되어 있는 형태를 가지며 광가이드부(11) 상에 배치되며, 제3회절 광학소자(14)는 제2 회절 광학소자(13)로부터 세로 방향(도 1에서의 x축 방향)을 주된 방향으로 광가이드부(11) 상에 이격 배치되는 구조일 수 있다. 즉, 광가이드부(11) 상에서 제1회절 광학소자(12), 제2 회절 광학소자(13) 및 제3회절 광학소자(14)이 배치되어 있는 경로가 전체적으로 “ㄱ”자 형태인 구조일 수 있다.
한편, 제2회절 광학소자(13)에서 회절에 의해 광이 1차원적으로 확장되는 제1방향은 가로 방향을 주된 방향으로 하면서, 회절 광학소자가 배치되어 있는 경로가 “ㄱ”자 형태인 경우에는, 제2회절 광학소자(13)가 제1회절 광학소자(12)로부터 가로 방향을 주된 방향으로 이동 및 수광한 광을 바로 세로 방향을 주된 방향으로 회절시키면 그 회절광을 제3회절 광학소자(14) 측으로 지향시킬 수 있다.
즉, 이러한 구조에서는 제2회절 광학소자(13)에서 제1회절 광학소자(12)으로부터 수광한 광을 홀수 번 회수만큼 회절시키는 것 만으로 제3회절 광학소자(14)로 지향시킬 수 있다(제3회절 광학소자로 지향시키기 위한 회절 회수 N = 2n-1, n은 x 축 방향을 향하여 회절되는 회수). 한편, 제2회절 광학소자(13)를 통해 수광된 광의 일부는 회절되고 나머지 일부는 전반사되며, 또다시 그 중 일부가 회절, 그리고 그 중 나머지가 전반사되는 형태로 회절과 전반사가 반복적으로 일어나게 된다. 따라서, 전반사가 진행되는 방향에 대하여 광이동경로가 바뀌는 회절이 복수 번 진행하게 되면 전반사가 진행되는 방향으로는 광량이 점점 줄어들게 된다. 따라서, 제2회절 광학소자(13)의 연장 방향인 가로 방향을 따라 회절율(회절되는 광량을 회절되기 전 광량으로 나눈 값)을 점진적으로 증가시키는 것만으로도, 제2회절 광학소자(30)로부터 회절에 의해 확장된 광들의 광량을 균일하게 하는 것을 용이하게 달성할 수 있는 장점이 있다.
제2회절 광학소자(13)가 배치되는 광가이드부(11)의 일정 영역에서 회절 및 전반사가 일어나는 영상광에 대하여 외광에 의한 간섭으로 인한 무지개 무늬가 생기는 현상이 일어날 수 있으며, 이를 방지하기 위하여 제2회절 광학소자(13)가 배치되는 광가이드부(11)의 일정 영역 상에 수광되는 외광의 수광율을 저감시키기 위한 저감층을 구비할 필요가 있다.
한편, 종래기술의 일 예에 따른 회절 도광판(10)은 제2회절 광학소자(13)와 제3회절 광학소자(14)은 세로 방향을 따라 서로 구분되는 영역(A, B)에 각각 분리 배치, 구체적으로는 제2회절 광학소자(13)은 세로 방향을 따라 서로 구분되는 영역 중 상부 영역(A)에 배치되고, 제3회절 광학소자(14)은 세로 방향을 따라 서로 구분되는 영역 중 하부 영역(B)에 배치되어 있다. 이 경우, 제2회절 광학소자(13)는 가로 방향을 따라 주된 방향으로 길게 연장되어 있으므로, 제2회절 광학소자(13)가 배치되는 광가이드부(11)의 일정 영역 상에 저감층(15)을 구비하면 도 1b에 도시된 디스플레이 장치와 같이 회절 도광판(10)이 적용될 수 있는 렌즈 상의 상측 영역을 저감층(15)이 상당부분 차지하게 되어 외관상 좋지 않은 단점이 있다.
도 2는 종래기술의 또 다른 일예에 따른 회절 도광판을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 2를 참조하면, 종래기술의 또 다른 일예에 따른 회절 도광판(20)은 제1회절 광학소자(22)가 광가이드부(21)의 일측에 배치되고, 제2회절 광학소자(23)는 광가이드부(21)의 상측에서 하측을 향하는 세로 방향(도 2에서의 x축 방향)을 주된 방향으로 길게 연장되어 있는 형태를 가지며 광가이드부(21) 상에 배치되며, 제3회절 광학소자(24)는 제2 회절 광학소자(23)의 하단부로부터 가로 방향(도 2에서의 y축 방향)을 주된 방향으로 광가이드부(21) 상에 이격 배치되는 구조일 수 있다. 즉, 광가이드부(21) 상에서 제1회절 광학소자(22), 제2 회절 광학소자(23) 및 제3회절 광학소자(24)이 배치되어 있는 경로가 전체적으로 “ㄴ”자 형태인 구조일 수 있다.
한편, 제2회절 광학소자(23)에서 회절에 의해 광이 1차원적으로 확장되는 제1방향은 세로 방향을 주된 방향으로 하므로, 회절 광학소자가 배치되어 있는 경로가 “ㄴ”자 형태인 경우에는 제2회절 광학소자(23)는 제1회절 광학소자(22)로부터 가로 방향을 주된 방향으로 이동 및 수광한 광에 대해 필수적으로 세로 방향을 주된 방향으로 회절시키는 것이 선행되어야 한다. 그리고 세로 방향을 주된 방향으로 회절된 광을 다시 가로 방향을 주된 방향으로 회절시켜야 그 회절광을 제3회절 광학소자(24) 측으로 지향시킬 수 있다.
즉, 이러한 구조에서는 제2회절 광학소자(23)에서 제1회절 광학소자(22)으로부터 수광한 광을 짝수 번 회수만큼 회절시켜야 제3회절 광학소자(24)로 지향시킬 수 있다(제3회절 광학소자로 지향시키기 위한 회절 회수 N = 2n, n은 x 축 방향 또는 y축 방향을 향하여 회절되는 회수).
한편, 전반사가 진행되는 방향에 대하여 광이동경로가 바뀌는 회절이 복수 번 진행하게 되면 전반사가 진행되는 방향으로는 광량이 점점 줄어들게 되는데, 제2회절 광학소자(23)로부터 짝수 번 회절에 의해 1차원적으로 확장된 광들의 광량을 균일하게 하려면 기본적으로 홀수 번 회절에 의한 경우보다 더 많은 광의 보강 간섭이 수반되어야 하므로, 가로 방향을 주된 방향으로 폭이 넓게 형성될 필요가 있다. 다만, 제2회절 광학소자(23)의 격자선 패턴은 광가이드부(21) 상에서 의도한 바의 전반사 경로를 조금씩 틀어지게 할 수 있다. 이렇게 제2회절 광학소자(23)를 세로 방향을 주된 방향으로 길게 하고, 가로 방향을 주된 방향으로 폭을 넓게 형성하게 되면 전반사 이동하는 광이 격자선 패턴을 더욱 많이 만나게 되므로, 회절 및 전반사 되는 광경로가 최초 설계의도한 바와는 달리 형성될 가능성이 있으며, 이는 제3회절 광학소자(34)를 통해 출력되는 영상광의 품질을 떨어뜨리는 문제를 유발하게 된다.
전술한 배경기술은 발명자가 본 발명의 실시예들의 도출을 위해 보유하고 있었거나, 도출 과정에서 습득한 기술 정보로서, 반드시 본 발명의 실시예들의 출원 전에 일반 공중에게 공개된 공지기술이라 할 수는 없다.
US 2014/0300966 A1
본 발명은 광가이드부 상에서 영상을 형성하는 영상광을 1차원적으로 확장하는 회절 광학소자와 확장된 영상광을 광가이드로부터 출력하는 회절 광학소자가 광가이드부 상에서 가로 방향을 따라 이격 배치되어 있는 구조를 가지되, 영상 품질이 떨어지는 것을 방지할 수 있는 회절 도광판 및 그 회절 도광판을 포함하는 디스플레이 장치를 제공하고자 한다.
다만, 본 발명이 해결하고자 하는 과제는 상기 언급한 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 하기의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명의 일 측면에 따른 실시예들은, 광을 안내하기 위한 광가이드부; 광원으로부터 광을 수광하고 수광된 광이 상기 광가이드부 상에서 안내될 수 있도록 수광된 광을 회절시키는 입력 회절 광학소자; 상기 입력 회절 광학소자로부터 회절된 광을 수광하고 수광된 광이 회절에 의해 1차원적으로 확장될 수 있도록 구성되는 중간 회절 광학소자; 및 상기 중간 회절 광학소자로부터 확장된 광을 수광하고 수광된 광이 회절에 의해 광가이드부로부터 출력되도록 구성되는 출력 회절 광학소자를 포함하며, 상기 중간 회절 광학소자와 출력 회절 광학소자는 상기 광가이드부 상에서 가로 방향을 따라 서로 구분되는 영역에 각각 분리 배치되며, 상기 중간 회절 광학소자는, 상기 광가이드부 상에서 세로 방향을 따라 이격 배치되는 메인 중간 회절 광학소자와 보조 중간 회절 광학소자를 포함하며, 상기 메인 중간 회절 광학소자는 상기 광가이드부를 통해 상기 입력 회절 광학소자와 광학적으로 커플링되어 상기 입력 회절 광학소자로부터 수광된 회절광을 회절에 의해 상기 보조 중간 회절 광학소자 측으로 지향시키며, 상기 보조 중간 회절 광학소자는 상기 광가이드부를 통해 상기 메인 중간 회절 광학소자와 광학적으로 커플링되어 상기 메인 중간 회절 광학소자로부터 수광된 회절광을 회절에 의해 상기 출력 회절 광학소자 측으로 지향시키는 회절 도광판을 제공한다.
본 실시예에 있어서, 상기 보조 중간 회절 광학소자의 연장 방향은 상기 메인 중간 회절 광학소자의 연장 방향에 대해 경사져 있는 것이 바람직하다.
본 실시예에 있어서, 상기 메인 중간 회절 광학소자는 그 연장 방향을 따라 일측에서 타측까지의 회절율이 점진적으로 증가하는 것이 바람직하다.
본 실시예에 있어서, 상기 보조 중간 회절 광학소자는 그 연장 방향을 따라 일측에서 타측까지의 회절율이 동일한 것이 바람직하다.
본 실시예에 있어서, 상기 보조 중간 회절 광학소자의 회절율은 상기 메인 중간 회절 광학소자의 최대 회절율보다 더 높은 것이 바람직하다.
본 실시예에 있어서, 상기 중간 회절 광학소자는 상기 광가이드부의 일면 측에 배치되며, 상기 광가이드부의 일면 측 또는 타면 측에는 상기 중간 회절 광학소자가 위치하는 영역과 대응하는 영역에 상기 광원으로부터 출력된 광 외의 외광의 수광율을 저감시키기 위한 저감부가 배치될 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따른 실시예는, 영상을 형성하는 영상광을 출력하는 광원; 및 본 발명의 일 측면에 따른 회절 도광판을 포함하는 디스플레이 장치를 제공한다.
본 발명의 실시예들에 따르면, 광가이드부 상에서 영상을 형성하는 영상광을 1차원적으로 확장하는 중간 회절 광학소자와 확장된 영상광을 광가이드로부터 출력하는 출력 회절 광학소자가 광가이드부 상에서 가로 방향을 따라 이격 배치되어 있는 구조를 가지되, 중간 회절 광학소자는 광가이드부 상에서 세로 방향을 따라 서로 이격 배치되는 메인 중간 회절 광학소자와 보조 중간 회절 광학소자를 포함하는 구조를 구비하도록 함으로써, 영상품질이 떨어지는 것을 방지할 수 있다.
도 1a은 종래기술의 일예에 따른 회절 도광판을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 1b는 도 1a에 도시된 회절 도광판을 포함하는 디스플레이 장치를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 2는 종래기술의 또 다른 일예에 따른 회절 도광판을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 측면에 따른 회절 도광판을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 4a 내지 4c는 도 3의 Ⅳ-Ⅳ 단면도로서, 메인 중간 회절 광학소자에서의 회절율 조절을 위한 여러가지 실시예를 나타낸 도면이다.
도 5는 본 발명의 다른 측면에 따른 디스플레이 장치의 일 실시예를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 6은 본 발명의 다른 측면에 따른 디스플레이 장치의 다른 실시예를 개략적으로 나타낸 도면이다.
본 발명은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 한편, 본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함한다(comprises)" 및/또는 "포함하는(comprising)"은 언급된 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자는 하나 이상의 다른 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다. 제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 구성요소들은 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
본 명세서에서, 용어 "광가이드부"는 내부 전반사를 이용하여 내부에서 광을 안내하는 구조로 정의될 수 있다. 내부 전반사를 위한 조건은 광가이드부의 굴절률이 광가이드부의 표면에 인접한 주변 매체의 굴절률보다 커야 한다. 광가이드부는 유리 및/또는 플라스틱 소재를 포함하여 형성될 수 있으며, 투명 또는 반투명할 수 있다. 광가이드부는 플레이트 타입에 다양한 레이아웃으로 형성될 수 있다. 여기서, 용어 "플레이트"는 일면 및 그 반대측인 타면 사이에 소정의 두께를 가지는 3차원 구조체를 의미하며, 그 일면 및 타면은 실질적으로 평탄한 평면일 수도 있지만, 그 일면 및 타면 중 적어도 하나의 면은 1차원적 또는 2차원적으로 만곡되어 형성될 수 있다. 예를 들어, 플레이트 타입의 광가이드부는 1차원적으로 만곡되어 그 일면 및/또는 타면이 원기둥의 측면 중 일부와 대응되는 형상을 가질 수 있다. 다만, 그 만곡에 의해 형성되는 곡률은 광가이드부 상에서 광을 안내하기 위해 내부 전반사가 용이하도록 충분히 큰 곡률 반경을 갖는 것이 바람직하다.
본 명세서에서, 용어 "회절 광학소자"는 광가이드부 상에서 광을 회절시켜 광경로를 변경하기 위한 구조로 정의될 수 있다. 여기서, "회절 광학소자"는 광가이드부 상에 일방향으로 배향된 복수 격자선이 미리 정한 방향으로 배열되어 패턴을 가지면서 소정의 면적을 형성하는 부분을 의미할 수 있다.
본 명세서에서, 용어 "격자선"은 광가이드부 표면 상에 소정의 높이를 가지는 돌기 형태(즉, 양각 패턴) 및/또는 광가이드부 표면 상에 소정의 깊이를 가지는 홈 형태(즉, 음각 패턴)를 의미할 수 있다. 여기서, 격자선의 배향 방향은 회절 광학소자에 의한 회절을 통해 의도한 방향으로 광경로가 변경될 수 있도록 자유롭게 설계될 수 있다.
본 명세서에서, 용어 "회절 광학소자의 연장 방향"은, 광가이드부 상에 회절 광학소자가 배치되어 형성하는 소정의 영역에 대해 대략 수직하게 교차된 2개의 방향을 기준으로 정의될 수 있는 길이와 폭을 구분하고자 하는 경우, 그 2개의 방향 중 더 길게 산출할 수 있는 방향인 길이 방향을 의미할 수 있다.
본 명세서에서, 용어 "주된 방향"은, 특정 요소가 연장된 방향 등을 설명하고자 할 때 실제 그 연장된 방향은 기준 방향과 평행 또는 기준 방향에 대하여 45 ˚이하(시계방향 및 반시계방향 모두 포함)로 기울어져 있을 수 있는 경우, '특정 요소는 기준 방향을 주된 방향으로 연장'의 문구와 같이 사용될 수 있다.
본 명세서에서, 용어 "회절율"은, 광가이드부 상에서 내부 전반사되는 광이 회절 광학소자에 의해 일부 회절되어 광경로가 변경되고 나머지는 회절되기 전의 광경로를 따라 전반사될 수 있는데, 회절되어 광경로가 변경된 회절광의 광량을 회절되기 직전의 광량으로 나눈 값을 의미할 수 있다.
본 명세서에서, 용어 "외광의 수광율"은, 광가이드부의 일면 측 또는 타면 측을 향해 진행되는 외광의 광량 대비 그 외광이 광가이드부의 일면 또는 타면에 도달하여 수광되는 광량의 비율을 의미할 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 측면에 따른 회절 도광판을 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 3을 참조하면, 회절 도광판(100)은 광가이드부(110), 입력 회절 광학소자(120), 중간 회절 광학소자(130) 및 출력 회절 광학소자(140)을 포함할 수 있다.
광가이드부(110)는 내부 전반사를 이용하여 내부에서 광을 안내할 수 있다.
입력 회절 광학소자(120)는 광원(200)으로부터 광(L1)을 수광하고 수광된 광이 광가이드부(110) 상에서 안내될 수 있도록 수광된 광을 회절시킬 수 있다. 이러한 입력 회절 광학소자(120)는 광가이드부(110)의 일면(110a) 일측(예를 들어, 도 3 기준 좌측) 상에 배치될 수 있다.
중간 회절 광학소자(130)는 입력 회절 광학소자(120)로부터 회절된 광(L2)을 수광하고 수광된 광이 회절에 의해 1차원적으로 확장될 수 있도록 구성될 수 있다. 입력 회절 광학소자(120)로부터 수광된 회절광은 중간 회절 광학소자(130)를 거치면서 일부는 회절되어 광경로가 변경되며, 나머지는 기존 광경로로 전반사될 수 있는데, 광학소자(120)로부터 최초 수광된 광은 이러한 회절이 특정 방향으로 이격된 지점에서 복수 회 이루어지면서 복수의 빔(L3)으로 분할될 수 있기 때문에, 결국 1차원적인 확장이 이루어질 수 있다.
출력 회절 광학소자(140)는 중간 회절 광학소자(130)로부터 확장된 광(L3b)을 수광하고 수광된 광이 회절에 의해 광가이드부(110)로부터 출력되도록 구성될 수 있다. 한편, 출력 회절 광학소자(140) 또한 중간 회절 광학소자(130)로부터 수광한 광을 회절에 의해 1차원적으로 확장할 수 있다. 이 때 출력 회절 광학소자(140)의 수광측(140a) 기준으로 중간 회절 광학소자(130)에 의해 확장된 광이 형성하는 복수의 빔(L3b)이 이격되어 있는 방향과, 단일 빔(L3b) 기준 출력 회절 광학소자(140)에 의해 확장된 복수의 빔(L4)이 이격되어 있는 방향은 서로 교차(예를 들어, 직교)하게 되므로, 결국 광원(200)으로부터 입력 회절 광학소자(120)가 수광하는 광 기준으로는 2차원적인 확장이 이루어지게 된다.
중간 회절 광학소자(130)와 출력 회절 광학소자(140)는 광가이드부(110) 상에서 가로 방향(도 3 기준 y축 방향)을 따라 서로 구분되는 영역(S1, S2)에 각각 분리 배치될 수 있다. 상세히, 중간 회절 광학소자(130)는 서로 구분되는 제1영역(S1) 및 제2영역(S2) 중 입력 회절 광학소자(120)에 인접한 제1영역(S1)에 배치되며, 출력 회절 광학소자(140)는 그보다 우측(도 3 기준)에 위치한 제2영역(S2)에 배치될 수 있다.
한편, 중간 회절 광학소자(130) 상에 광원 외에서 입력되는 외광이 입사하게 되면 광원에서 출력되어 수광 및 회절되는 영상광에 간섭이 발생하여 중간 회절 광학소자(130)가 위치하는 영역에 무지개 무늬가 생길 수 있다. 따라서, 중간 회절 광학소자(130)에 수광되는 외광의 수광율을 저감시키기 위한 저감부를 구비할 필요가 있다.
본 발명의 실시예에 따라 중간 회절 광학소자(130)와 출력 회절 광학소자(140)을 가로 방향으로 구분되는 영역에 각각 분리배치하게 되면, 실제 안경 타입의 헤드 마운트 디스플레이 장치(도 5 또는 도 6 참조)를 디자인함에 있어 입력 회절 광학소자(120), 중간 회절 광학소자(130)를 착용자의 코에 의해 지지되는 지지부(320)에 인접하는 영역 또는 착용자의 귀에 의해 지지되는 다리부(530)에 인접하는 영역에 밀집되게 배치할 수 있다. 아울러, 출력 회절 광학소자(140)는 입력 회절 광학소자(120), 중간 회절 광학소자(130)와는 멀리 이격되어 있으며 착용자의 동공의 위치에 대응하는 영역에 배치할 수 있게 된다. 결국 중간 회절 광학소자(130)에 수광되는 외광의 수광율을 저감시키기 위한 저감부(150) 또한, 지지부(320)에 인접하는 영역 또는 다리부(530)에 인접하는 영역에 밀집 배치된 중간 회절 광학소자(130)와 대응되는 영역에 배치할 수 있게 되므로, 착용자가 외부 환경을 시인하는데 있어 저감부(150)에 의한 방해를 최소화할 수 있다.
중간 회절 광학소자(130)는 광가이드부(110) 상에서 세로 방향(도 3 기준 x축 방향)을 따라 이격 배치되는 메인 중간 회절 광학소자(131)와 보조 중간 회절 광학소자(132)를 포함할 수 있다. 여기서, 메인 중간 회절 광학소자(131)와 보조 중간 회절 광학소자(132)가 광가이드부(110) 상에서 세로 방향을 따라 이격 배치되는 형태는 상호간의 연장 방향이 서로 평행한 상태로 세로 방향을 따라 이격 배치된 형태로 한정하는 것은 아니며, 광가이드부(110) 상에 격자선 패턴이 형성되어 있지 않은 영역을 사이에 두고 배치되는 형태라면 어떠한 이격 배치 형태도 가능할 수 있다.
메인 중간 회절 광학소자(131)는 광가이드부(110)를 통해 입력 회절 광학소자(120)와 광학적으로 커플링되어 입력 회절 광학소자(120)로부터 수광된 회절광을 회절에 의해 보조 중간 회절 광학소자(132) 측으로 지향시킬 수 있다. 본 실시예에서 메인 중간 회절 광학소자(131)와 보조 중간 회절 광학소자(132)는 세로 방향을 따라 이격 배치되어 있으므로, 메인 중간 회절 광학소자(131)에 의해 회절되는 광은 세로 방향(도 3 기준 x축 방향)을 주된 방향으로 하여 광가이드부(110) 상에서 내부 전반사를 통해 진행될 수 있다.
메인 중간 회절 광학소자(131)는 가로 방향(도 3 기준 y축 방향)을 주된 방향으로 하여 연장될 수 있다.
메인 중간 회절 광학소자(131)는 그 연장 방향을 따라 일측(도 3 기준 좌측)에서 타측(도 3 기준 우측)까지의 회절율이 점진적으로 증가할 수 있다. 메인 중간 회절 광학소자(131)가 입력 회절 광학소자(120)로부터 수광한 광은 메인 중간 회절 광학소자(131)의 연장 방향을 주된 방향으로 하여 광가이드부(110) 상에서 내부 전반사되며 이동하며, 격자선 패턴에 의해 전반사경로 상에서 회절에 의해 일부 광이 분기되어 광경로가 보조 중간 회절 광학소자(132) 측을 향하게 된다. 결국 메인 회절 광학소자(131)의 연장 방향을 주된 방향으로 하는 전반사경로를 따라갈수록 광량은 줄어들게 된다. 즉, 격자선 패턴에 의해 회절하고자 하는 광량 또한 상기 전반사경로를 따라갈수록 줄어들게 되므로, 메인 회절 광학소자(131)에 있어 연장 방향을 따라 회절율이 높아지도록 함으로써, 메인 회절 광학소자(131)를 통해 회절되어 보조 중간 회절 광학소자(132) 측으로 지향되는 확장된 광, 즉 복수의 제1빔(L3a)은 서로간 광량이 비슷해질 수 있다.
도 4a 내지 4c는 도 3의 Ⅳ-Ⅳ 단면도로서, 메인 중간 회절 광학소자에서의 회절율 조절을 위한 여러가지 실시예를 나타낸 도면이다.
도 4a를 참조하면, 메인 중간 회절 광학소자(131)가 포함하는 복수의 격자선은 광가이드부(110)의 일면(110a) 상에 소정의 높이(h1)를 가지는 돌기 형태(131a)로 구비될 수 있다. 이러한 돌기 형태(131a)의 격자선은 메인 중간 회절 광학소자(131)의 연장 방향을 따라 소정의 주기(d1)를 가지고 배치될 수 있다. 아울러, 돌기 형태(131a)의 격자선은 메인 중간 회절 광학소자(131)의 연장 방향을 따라 일측에서 타측으로 갈수록 높이(h1)가 점진적으로 높아질 수 있다. 여기서, 돌기 형태(131a)의 격자선 높이(h1)가 높아지는 정도는, 연장 방향을 따라 소정의 비율로 지속적으로 증가하는 형태일 수도 있지만, 소정의 구간 내에서는 일정하다가 다른 구간으로 넘어가면 더 증가하는 스텝 함수 형태를 취할 수도 있다.
도 4b를 참조하면, 메인 중간 회절 광학소자(131)가 포함하는 복수의 격자선은 광가이드부(110)의 일면(110a) 상에 소정의 깊이(h2)를 가지는 홈 형태(131b)로 구비될 수 있다. 이러한 홈 형태(131b)의 격자선은 메인 중간 회절 광학소자(131)의 연장 방향을 따라 소정의 주기(d2)를 가지고 배치될 수 있다. 아울러, 홈 형태(131b)의 격자선은 메인 중간 회절 광학소자(131)의 연장 방향을 따라 일측에서 타측으로 갈수록 깊이(h2)가 점진적으로 깊어질 수 있다. 여기서, 홈 형태(131b)의 격자선 깊이(h2)가 깊어지는 정도는, 연장 방향을 따라 소정의 비율로 지속적으로 증가하는 형태일 수도 있지만, 연장 방향을 따라 소정의 구간 내에서는 일정하다가 다른 구간으로 넘어가면 더 증가하는 스텝 함수 형태를 취할 수도 있다.
도 4c를 참조하면, 메인 중간 회절 광학소자(131)가 포함하는 복수의 격자선은 광가이드부(110)의 일면(110a) 상에 소정의 높이(h3)를 가지는 돌기 형태(131c)로 구비될 수 있다. 이러한 돌기 형태(131a)의 격자선은 메인 중간 회절 광학소자(131)의 연장 방향을 따라 소정의 주기(d3a)를 가지고 배치될 수 있다. 한편, 돌기 형태(131a)의 격자선은 상기 주기(d3a) 내에서 소정의 폭(d3b)를 가질 수 있는데, 격자선의 폭(d3b)을 격자선의 주기(d3a)로 나눈 값(d3b/d3a)을 “듀티(duty)”로 정의하기로 한다. 여기서, 격자선의 듀티는 메인 중간 회절 광학소자(131)의 연장 방향을 따라 일측에서 타측으로 갈수록 커질 수 있다. 여기서, 격자선의 듀티가 커지는 정도는, 연장 방향을 따라 소정의 비율로 지속적으로 증가하는 형태일 수도 있지만, 소정의 구간 내에서는 일정하다가 다른 구간으로 넘어가면 더 증가하는 스텝 함수 형태를 취할 수도 있다.
보조 중간 회절 광학소자(132)는 광가이드부(110)를 통해 메인 중간 회절 광학소자(131)와 광학적으로 커플링되어 메인 중간 회절 광학소자(131)로부터 수광된 회절광을 회절에 의해 출력 회절 광학소자(140) 측으로 지향시킬 수 있다. 본 실시예에서 중간 회절 광학소자(130)와 출력 회절 광학소자(140)는 가로 방향을 따라 서로 구분된 영역에 각각 배치되어 있으므로, 보조 중간 회절 광학소자(132)에 의해 회절되는 광은 가로 방향(도 3 기준 y축 방향)을 주된 방향으로 하여 광가이드부(110) 상에서 내부 전반사를 통해 진행될 수 있다.
보조 중간 회절 광학소자(132)의 연장 방향은 메인 중간 회절 광학소자(131)의 연장 방향에 대해 광가이드부(110) 상의 하측(도 3 기준)을 향하여 경사져 있는 것이 바람직하다. 한편, 보조 중간 회절 광학소자(132)에 의해 회절되는 광은 광가이드부(110) 상의 우측(도 3 기준)을 향하여 내부 전반되면서 출력 회절 광학소자(140) 측으로 진행되며, 대략 메인 중간 회절 광학소자(131)의 연장 방향을 주된 방향으로 하여 광경로를 형성할 수 있다. 만약, 본 실시예에서와 달리, 보조 중간 회절 광학소자의 연장 방향이 메인 중간 회절 광학소자의 연장 방향과 대략 평행하다면, 출력 회절 광학소자 측으로 진행되는 광은 보조 중간 회절 광학소자의 연장 방향을 따라 차지하고 있는 격자선과 반복적으로 만나게 되며, 그 때마다 광경로는 조금씩 틀어질 수 있다. 이러한 경우에는, 의도한 광경로를 형성하기 어려우며, 결국 광에 의해 형성되는 영상의 품질은 떨어지게 된다. 한편, 본 실시예에서와 같이, 보조 중간 회절 광학소자(132)의 연장 방향이 메인 중간 회절 광학소자(131)의 연장 방향에 대해 광가이드부(110) 상의 하측(도 3 기준)을 향하여 경사져 있다면, 출력 회절 광학소자(140) 측으로 진행되는 광은 보조 중간 회절 광학소자(132)의 연장 방향에 대해 광가이드부(110) 상의 상측(도 3 기준)을 향하여 경사진 방향으로 진행하므로, 결국 그 진행되는 광은 보조 중간 회절 광학소자(132)의 연장 방향을 따라 차지하고 있는 격자선과 만나는 횟수가 전술한 경우보다 확연히 줄어들 수 있으며, 광경로가 의도하지 않은 경로로 틀어지는 것을 방지할 수 있다. 결국 광에 의해 형성되는 영상의 품질을 높은 수준으로 유지할 수 있는 장점이 있다.
보조 중간 회절 광학소자(132)는 그 연장 방향을 따라 일측(도 3 기준 좌측)에서 타측(도 3 기준 우측)까지의 회절율이 실질적으로 동일한 것이 바람직하다. 보조 중간 회절 광학소자(132)는 복수의 제1빔(L3a)을 수광하여 회절에 의해 출력 중간 회절 광학소자(140) 측으로 지향하도록 하여, 광경로가 변경된 복수의 제2빔(L3b) 형태로 광가이드부(110)를 통해 내부 전반사될 수 있도록 한다. 이 때, 본 실시예에서 복수의 제1빔(L3a)은 서로간 광량이 비슷하므로, 보조 중간 회절 광학소자(132)에 의해 제1빔(L3a)이 회절되는 각 지점에서의 회절율이 실질적으로 동일해야 광경로가 변경된 복수의 제2빔(L3b)의 서로간 광량 또한 서로 비슷해질 수 있다. 여기서, 보조 중간 회절 광학소자(132)의 회절율은 메인 중간 회절 광학소자(131)의 최대 회절율보다 더 높은 것이 바람직하며, 특히 100%에 가까울수록 바람직하다. 보조 중간 회절 광학소자(132)는 수광된 제1빔(L3a)을 거의 대부분 회절에 의해 광경로가 변경될 수 있도록, 즉 광경로를 제2빔(L3b) 형태로 변경하는데, 이 때 제2빔(L3b)의 광량이 제1빔(L3a) 대비하여 급격히 줄어드는 것을 최소화하기 위함이다.
중간 회절 광학소자(130)는 광가이드부(110)의 일면(110a) 측에 배치될 수 있다. 광가이드부의 일면(110a) 측 또는 타면(110b) 측에는 중간 회절 광학소자(130)가 위치하는 영역과 대응하는 영역에 광원(200)으로부터 출력된 광(L) 외의 외광의 수광율을 저감시키기 위한 저감부(150)가 배치될 수 있다. 여기서, 저감부(150)는 광가이드부의 일면(110a) 측 또는 타면(110b) 측에 중간 회절 광학소자(130)가 위치하는 영역과 대응하는 영역을 커버할 수 있는 필름층일 수 있으며, 불투명한 물질, 예를 들어 검은 색을 물질을 포함할 수 있다. 저감부(150)는 예를 들어 검은 색 잉크를 포함하여 형성될 수 있다. 저감부(150)의 다른 태양은, 광가이드부의 일면(110a) 측 또는 타면(110b) 측에 중간 회절 광학소자(130)가 위치하는 영역과 대응하는 영역으로부터 광가이드부(110)으로부터 이격되는 방향으로 소정 거리 이격되어 배치되는 플라스틱 또는 유리 구조물일 수 있다. 이러한 플라스틱 또는 유리 구조물 또한 불투명한 물질, 예를 들어 검은 색을 물질, 더욱 상세하게는 검은색 잉크를 포함하여 형성될 수 있다.
도 5는 본 발명의 다른 측면에 따른 디스플레이 장치의 일 실시예를 개략적으로 나타낸 도면이다.
디스플레이 장치(1000)는 영상을 형성하는 영상광을 출력하는 광원(미도시)과, 전술한 본 발명의 일측면에 따른 회절 도광판(100)을 포함할 수 있다. 여기서, 디스플레이 장치(1000)는 안경테 형상을 띄는 본체(300)에 회절 도광판(100)이 결합된 형태의 구조인 헤드 마운트 타입 디스플레이 장치일 수 있다. 여기서, 본체(300)는 회절 도광판(100)이 결합될 수 있는 한 쌍의 테두리부(310)와, 한 쌍의 테두리부(310)의 일측을 서로 연결하며 착용자의 코(미도시)에 의해 지지되는 지지부(320)와, 테두리부(310)의 타측에 연결되며 착용자의 귀(미도시)에 의해 지지되는 다리부(330)를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 회절 도광판(100) 및/또는 디스플레이 장치(1000)는 중간 회절 광학소자(130)와 출력 회절 광학소자(140)을 광가이드부(110)의 가로 방향(도 5 기준 y축 방향)을 따라 서로 구분되는 영역에 각각 분리 배치하므로, 더욱 상세하게는 중간 회절 광학소자(130)는 착용자의 코(미도시)에 의해 지지되는 지지부(320)에 인접하는 영역(S1a)에 밀집되어 배치되고, 출력 회절 광학소자(140)는 착용자의 귀에 의해 지지되는 다리부(330)에 인접하는 영역(S2a)에 배치될 수 있다. 때문에, 중간 회절 광학소자(130)가 위치하는 영역과 대응하는 광가이드부(110) 타면(110b) 상의 영역에 저감부(150)를 배치하더라도, 저감부(150)에 의해 착용자의 시야가 흐려지는 것을 최소화할 수 있는 장점이 있다.
도 6은 본 발명의 다른 측면에 따른 디스플레이 장치의 다른 실시예를 개략적으로 나타낸 도면이다.
디스플레이 장치(2000)는 영상을 형성하는 영상광을 출력하는 광원(미도시)과, 전술한 본 발명의 일측면에 따른 회절 도광판(100)을 포함할 수 있다. 여기서, 디스플레이 장치(2000)는 안경테 형상을 띄는 본체(500)에 회절 도광판(100)이 결합된 형태의 구조인 헤드 마운트 타입 디스플레이 장치일 수 있다. 여기서, 본체(500)는 회절 도광판(100)이 결합될 수 있는 한 쌍의 테두리부(510)와, 한 쌍의 테두리부(510)의 일측을 서로 연결하며 착용자의 코(미도시)에 의해 지지되는 지지부(520)와, 테두리부(510)의 타측에 연결되며 착용자의 귀(미도시)에 의해 지지되는 다리부(530)를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 회절 도광판(100) 및/또는 디스플레이 장치(2000)는 중간 회절 광학소자(130)와 출력 회절 광학소자(140)을 광가이드부(110)의 가로 방향(도 5 기준 y축 방향)을 따라 서로 구분되는 영역에 각각 분리 배치하므로, 더욱 상세하게는 중간 회절 광학소자(130)는 착용자의 귀(미도시)에 의해 지지되는 다리부(530)에 인접하는 영역(S1b)에 밀집되어 배치되고, 출력 회절 광학소자(140)는 착용자의 코(미도시)에 의해 지지되는 지지부(520)에 인접하는 영역(S2b)에 배치될 수 있다. 때문에, 중간 회절 광학소자(130)가 위치하는 영역과 대응하는 광가이드부(110) 타면(110b) 상의 영역에 저감부(150)를 배치하더라도, 저감부(150)에 의해 착용자의 시야가 흐려지는 것을 최소화할 수 있는 장점이 있다.
아울러, 본 발명의 실시예들에 따른 회절 도광판(100) 및/또는 디스플레이 장치(1000, 2000)에 있어, 입력 회절 광학소자(120)으로부터 수광된 광을 메인 중간 회절 광학소자(131)에서의 회절에 의해 세로 방향(도 3 및 5 기준 x축 방향)을 주된 방향으로 하여 광경로를 변경시키고 그 광경로가 변경된 광을 보조 중간 회절 광학소자(132)에서의 회절에 의해 가로 방향(도 3 및 5 기준 y축 방향)을 주된 방향으로 광경로를 재차 변경시키더라도, 메인 중간 회절 광학소자(131)와 보조 중간 회절 광학소자(132)가 광가이드부(110)의 세로 방향을 따라 서로 이격되어 있고, 특히 보조 중간 회절 광학소자(132)의 연장 방향이 메인 중간 회절 광학소자(131)의 연장 방향에 대해 경사져 있으므로, 상기와 같은 적어도 2번의 광경로 변경을 위해 가로 방향으로 길게 연장된 길이 및 세로 방향으로 길게 연장된 폭을 가지는 단일의 중간 회절 광학소자를 사용하는 경우보다, 광이 진행하면서 격자선을 만나는 횟수를 줄일 수 있는 장점이 있다. 따라서, 진행되는 광이 격자선을 만날 때마다 광경로가 의도하지 않은 경로로 틀어지는 것을 최소화할 수 있는 장점이 있다.
비록 본 발명이 상기 언급된 바람직한 실시예와 관련하여 설명되었지만, 발명의 요지와 범위로부터 벗어남이 없이 다양한 수정이나 변형을 하는 것이 가능하다. 따라서 첨부된 특허청구의 범위에는 본 발명의 요지에 속하는 한 이러한 수정이나 변형을 포함할 것이다.
100 : 회절 도광판
110 : 광가이드부
120 : 입력 회절 광학소자
131 : 메인 중간 회절 광학소자
132 : 보조 중간 회절 광학소자
140 : 출력 회절 광학소자
150 : 저감부
200 : 광원
1000, 2000 : 디스플레이 장치

Claims (7)

  1. 광을 안내하기 위한 광가이드부;
    광원으로부터 광을 수광하고 수광된 광이 상기 광가이드부 상에서 안내될 수 있도록 수광된 광을 회절시키는 입력 회절 광학소자;
    상기 입력 회절 광학소자로부터 회절된 광을 수광하고 수광된 광이 회절에 의해 1차원적으로 확장될 수 있도록 구성되는 중간 회절 광학소자; 및
    상기 중간 회절 광학소자로부터 확장된 광을 수광하고 수광된 광이 회절에 의해 광가이드부로부터 출력되도록 구성되는 출력 회절 광학소자를 포함하며,
    상기 중간 회절 광학소자와 출력 회절 광학소자는 상기 광가이드부 상에서 가로 방향을 따라 서로 구분되는 영역에 각각 분리 배치되며,
    상기 중간 회절 광학소자는, 상기 광가이드부 상에서 세로 방향을 따라 이격 배치되는 메인 중간 회절 광학소자와 보조 중간 회절 광학소자를 포함하며,
    상기 메인 중간 회절 광학소자는 상기 광가이드부를 통해 상기 입력 회절 광학소자와 광학적으로 커플링되어 상기 입력 회절 광학소자로부터 수광된 회절광을 회절에 의해 상기 보조 중간 회절 광학소자 측으로 지향시키며,
    상기 보조 중간 회절 광학소자는 상기 광가이드부를 통해 상기 메인 중간 회절 광학소자와 광학적으로 커플링되어 상기 메인 중간 회절 광학소자로부터 수광된 회절광을 회절에 의해 상기 출력 회절 광학소자 측으로 지향시키며,
    상기 메인 중간 회절 광학소자는 그 연장 방향을 따라 일측에서 타측까지의 회절율이 점진적으로 증가하기 위해 상기 광가이드부의 일면 상에 소정의 높이를 가지는 돌기 형태인 복수의 격자선을 구비하고, 상기 격자선은 상기 메인 중간 회절 광학소자의 연장 방향을 따라 소정의 주기와 상기 주기 내에서 소정의 폭을 가지며, 상기 격자선의 폭을 상기 격자선의 주기로 나눈 값이 상기 메인 중간 회절 광학소자의 연장 방향을 따라 일측에서 타측으로 갈수록 커지는 것을 특징으로 하는, 회절 도광판.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 보조 중간 회절 광학소자의 연장 방향은 상기 메인 중간 회절 광학소자의 연장 방향에 대해 경사져 있는, 회절 도광판.
  3. 삭제
  4. 제1항에 있어서,
    상기 보조 중간 회절 광학소자는 그 연장 방향을 따라 일측에서 타측까지의 회절율이 동일한, 회절 도광판.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 보조 중간 회절 광학소자의 회절율은 상기 메인 중간 회절 광학소자의 최대 회절율보다 더 높은, 회절 도광판.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 중간 회절 광학소자는 상기 광가이드부의 일면 측에 배치되며,
    상기 광가이드부의 일면 측 또는 타면 측에는 상기 중간 회절 광학소자가 위치하는 영역과 대응하는 영역에 상기 광원으로부터 출력된 광 외의 외광의 수광율을 저감시키기 위한 저감부가 배치되는, 회절 도광판.
  7. 영상을 형성하는 영상광을 출력하는 광원; 및
    제1항, 제2항, 제4항 내지 제6항 중 어느 한 항에 따른 회절 도광판을 포함하는 디스플레이 장치.
KR1020180004483A 2018-01-12 2018-01-12 회절 도광판 및 이를 포함하는 디스플레이 장치 Active KR102486832B1 (ko)

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