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KR102767847B1 - Grating device and method of manufacturing the same and optical apparatus including grating device - Google Patents

Grating device and method of manufacturing the same and optical apparatus including grating device Download PDF

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KR102767847B1
KR102767847B1 KR1020180141133A KR20180141133A KR102767847B1 KR 102767847 B1 KR102767847 B1 KR 102767847B1 KR 1020180141133 A KR1020180141133 A KR 1020180141133A KR 20180141133 A KR20180141133 A KR 20180141133A KR 102767847 B1 KR102767847 B1 KR 102767847B1
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KR
South Korea
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diffraction
diffraction grating
elements
grating element
light
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KR1020180141133A
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Korean (ko)
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KR20200025979A (en
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이성훈
마크 엘. 브롱거스마
브랜든 본
Original Assignee
삼성전자주식회사
더 보드 어브 트러스티스 어브 더 리랜드 스탠포드 주니어 유니버시티
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Publication date
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    • GPHYSICS
    • G02OPTICS
    • G02BOPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B5/00Optical elements other than lenses
    • G02B5/18Diffraction gratings
    • G02B5/1814Diffraction gratings structurally combined with one or more further optical elements, e.g. lenses, mirrors, prisms or other diffraction gratings
    • G02B5/1819Plural gratings positioned on the same surface, e.g. array of gratings

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  • General Physics & Mathematics (AREA)
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  • Diffracting Gratings Or Hologram Optical Elements (AREA)

Abstract

회절격자 소자와 그 제조방법과 상기 회절격자 소자를 포함하는 광학장치에 관해 개시되어 있다. 일 실시예에 의한 회절격자 소자는 광 반사 기판 상에 배치된 회절격자를 포함한다. 이러한 회절격자는 복수의 회절요소를 포함하고, 45°이상의 입사각으로 입사되는 광에 대해서 상기 복수의 회절요소 각각은 자신의 상부면에서 반사된 광과 자신의 밑면에서 반사된 광이 서로 상쇄 간섭을 일으키는 높이를 갖는다. 일 실시예에 의한 광학장치는 광원과 제1 회절격자 소자와 제2 회절격자 소자를 포함한다. 일 실시예에 의한 회절격자 소자의 제조방법은 광 반사 기판 상에 유전층을 형성한 다음, 상기 유전층을 패터닝하여 상기 기판 상에 회절격자를 이루는 복수의 회절요소를 형성한다. 유전층의 굴절률은 2.0이하이다.Disclosed are a diffraction grating element, a method for manufacturing the same, and an optical device including the diffraction grating element. According to one embodiment, the diffraction grating element includes a diffraction grating arranged on a light reflecting substrate. The diffraction grating includes a plurality of diffraction elements, and each of the plurality of diffraction elements has a height at which light reflected from its upper surface and light reflected from its lower surface destructively interfere with each other for light incident at an incident angle of 45° or more. According to one embodiment, the optical device includes a light source, a first diffraction grating element, and a second diffraction grating element. According to one embodiment, the method for manufacturing the diffraction grating element includes forming a dielectric layer on a light reflecting substrate, and then patterning the dielectric layer to form a plurality of diffraction elements forming a diffraction grating on the substrate. The refractive index of the dielectric layer is 2.0 or less.

Description

회절격자 소자와 그 제조방법과 회절격자 소자를 포함하는 광학장치{Grating device and method of manufacturing the same and optical apparatus including grating device}{Grating device and method of manufacturing the same and optical apparatus including grating device}

본 개시는 회절요소에 관한 것으로써, 보다 자세하게는 회절격자 소자와 그 제조방법과 회절격자 소자를 포함하는 광학장치에 관한 것이다.The present disclosure relates to a diffractive element, and more specifically, to a diffractive grating element, a method for manufacturing the same, and an optical device including the diffractive grating element.

회절격자는 빛의 진폭 및 위상에 주기적인 변화를 주는 광학장치로 볼 수 있다. 회절격자는 프리즘처럼 분광작용을 한다. 그러므로 회절격자를 이용하여 빛의 스펙트럼을 얻을 수 있다.A diffraction grating can be viewed as an optical device that gives periodic changes to the amplitude and phase of light. A diffraction grating acts like a prism to disperse light. Therefore, a diffraction grating can be used to obtain a spectrum of light.

회절격자는 빛의 진폭 및 위상에 주기적인 변화를 주기 위한 구조를 갖는데, 예를 들면 평면이나 오목한 유리판 혹은 금속판에 회절구멍, 장애물, 평행한 얇은 선 등이 주기적으로 새겨진 구조를 가질 수 있다.A diffraction grating is a structure that provides periodic changes to the amplitude and phase of light. For example, it can have a structure that is periodically engraved with diffraction holes, obstacles, or parallel thin lines on a flat or concave glass plate or metal plate.

회절격자는 투과형 회절격자와 반사형 회절격자로 분류할 수 있다. 투과형 회절격자는 투명기판에 많은 수의 슬릿(slit)이 일정한 간격으로 배열된 구조를 갖는다. 반사형 회절격자는 반사거울 등과 같이 불투명기판에 많은 선들이 일정한 간격으로 촘촘히 새겨진 구조를 갖는다.Diffraction gratings can be classified into transmission gratings and reflection gratings. Transmission gratings have a structure in which a large number of slits are arranged at regular intervals on a transparent substrate. Reflection gratings have a structure in which a large number of lines are engraved at regular intervals on an opaque substrate, such as a reflective mirror.

본 개시에서 고 입사각에 대한 회절효율을 높일 수 있는 회절격자 소자를 제공한다.In the present disclosure, a diffraction grating element capable of increasing diffraction efficiency for a high incident angle is provided.

본 개시에서 넓은 시야를 확보할 수 있고, 부피를 최소화할 수 있는 회절격자 소자를 제공한다.In the present disclosure, a diffraction grating element capable of securing a wide field of view and minimizing the volume is provided.

본 개시에서 이러한 회절격자 소자를 포함하여 색 분산을 줄일 수 있는 광학장치를 제공한다.The present disclosure provides an optical device capable of reducing chromatic dispersion including such a diffraction grating element.

본 개시에서 대면적의 회절격자 소자를 용이하게 구현하면서 생산 비용도 줄일 수 있는 회절격자 소자의 제조방법을 제공한다.The present disclosure provides a method for manufacturing a diffraction grating element, which can easily implement a large-area diffraction grating element while reducing production costs.

본 개시에서 일 실시예에 의한 회절격자 소자는 광 반사 기판 상에 배치된 회절격자를 포함한다. 이러한 회절격자는 복수의 회절요소를 포함하고, 75°이상의 입사각으로 입사되는 광에 대해서 상기 복수의 회절요소 각각은 자신의 상부면에서 반사된 광과 자신의 밑면에서 반사된 광이 서로 상쇄 간섭을 일으키는 높이를 갖는다. In one embodiment of the present disclosure, a diffraction grating element includes a diffraction grating arranged on a light reflecting substrate. The diffraction grating includes a plurality of diffraction elements, and each of the plurality of diffraction elements has a height at which light reflected from its upper surface and light reflected from its lower surface cause destructive interference with each other for light incident at an incident angle of 75° or greater.

일 실시예에서 상기 기판과 상기 회절격자 사이에 스페이스층으로 유전층이 존재할 수 있고, 유전층의 두께는 입사광의 파장의 n배(n=1,2,3..)이다. 상기 기판은 굴절률이 서로 다른 유전체들을 포함하는 브래그 반사기(Bragg reflector)일 수 있다. 상기 회절격자의 굴절률은 2.0이하일 수 있다. 일 예로, 회절격자의 굴절률은 1.3~2.0일 수 있다.In one embodiment, a dielectric layer may exist as a spacer layer between the substrate and the diffraction grating, and the thickness of the dielectric layer is n times (n=1,2,3, etc.) the wavelength of incident light. The substrate may be a Bragg reflector including dielectrics having different refractive indices. The refractive index of the diffraction grating may be 2.0 or less. For example, the refractive index of the diffraction grating may be 1.3 to 2.0.

일 실시예에서 상기 복수의 회절요소는 각각 주 회절요소와 보조 회절요소를 포함할 수 있다. 상기 주 회절요소의 폭은 상기 보조 회절요소의 폭보다 클 수 있다. 상기 보조 회절요소는 서로 이격된 복수의 보조 회절요소들을 포함하고, 상기 복수의 보조 회절요소들의 폭은 서로 동일하거나 다를 수 있다. 상기 복수의 회절요소는 각각 주 회절요소와 복수의 보조 회절요소를 포함할 수 있고, 상기 복수의 보조 회절요소는 그 수가 증가하면서 고 회절효율을 얻을 수 있는 음의 회절각도 범위가 증가하도록 배치된 것일 수 있다.In one embodiment, the plurality of diffractive elements may each include a main diffractive element and an auxiliary diffractive element. The width of the main diffractive element may be greater than the width of the auxiliary diffractive element. The auxiliary diffractive element may include a plurality of auxiliary diffractive elements spaced apart from each other, and the widths of the plurality of auxiliary diffractive elements may be the same as or different from each other. The plurality of diffractive elements may each include a main diffractive element and a plurality of auxiliary diffractive elements, and the plurality of auxiliary diffractive elements may be arranged such that as the number of the plurality of auxiliary diffractive elements increases, a negative diffraction angle range capable of obtaining high diffraction efficiency increases.

일 실시예에서 상기 복수의 회절요소들은 모두 동일한 회절특성을 나타내도록 배치된 것일 수 있다.In one embodiment, the plurality of diffractive elements may be arranged so as to exhibit the same diffraction characteristics.

다른 실시예에서, 상기 복수의 회절요소들은 서로 다른 회절특성을 나타내도록 배치된 것일 수 있다.In other embodiments, the plurality of diffractive elements may be arranged to exhibit different diffraction characteristics.

상기 유전층은 단일층일 수 있다. 다른 실시예에서 상기 유전층은 적층된 제1 및 제2 유전층을 포함하고, 상기 제1 및 제2 유전층의 굴절률은 서로 다를 수 있다.The dielectric layer may be a single layer. In another embodiment, the dielectric layer comprises laminated first and second dielectric layers, and the refractive indices of the first and second dielectric layers may be different from each other.

일 실시예에서 상기 기판은 금속성 기판 또는 WGP(reflective wire gird polarizer) 일 수 있다.In one embodiment, the substrate may be a metallic substrate or a reflective wire gird polarizer (WGP).

일 실시예에서 상기 복수의 회절요소들은 모두 양의 회절특성 또는 음의 회절특성을 나타내도록 배치된 것일 수 있다. 상기 복수의 회절요소들 사이의 피치는 동일할 수 있다.In one embodiment, the plurality of diffractive elements may be arranged so as to exhibit either positive or negative diffraction characteristics. The pitch between the plurality of diffractive elements may be the same.

다른 예에서 상기 복수의 회절요소들은 양의 회절특성을 나타내는 회절요소들과 음의 회절특성을 나타내는 회절요소들을 포함할 수 있다.In another example, the plurality of diffraction elements may include diffraction elements exhibiting positive diffraction characteristics and diffraction elements exhibiting negative diffraction characteristics.

상기 유전층의 굴절률은 상기 회절격자의 굴절률과 같거나 보다 클 수 있다.The refractive index of the above dielectric layer may be equal to or greater than the refractive index of the above diffraction grating.

일 실시예에서 상기 제1 및 제2 유전층 중 상기 회절요소에 직접 접촉된 유전층의 굴절률은 상기 회절요소의 굴절률보다 크고, 상기 제1 및 제2 유전층 중 상기 회절요소에 직접 접촉된 유전층의 굴절률은 그 바로 아래에 구비된 유전층의 굴절률보다 클 수 있다.In one embodiment, the refractive index of the dielectric layer in direct contact with the diffractive element among the first and second dielectric layers may be greater than the refractive index of the diffractive element, and the refractive index of the dielectric layer in direct contact with the diffractive element among the first and second dielectric layers may be greater than the refractive index of the dielectric layer provided directly underneath it.

일 실시예에서 상기 양의 회절특성을 나타내는 회절요소들은 양의 회절특성의 정도가 서로 다르게 나타나도록 배열된 것일 수 있다. 상기 양의 회절특성을 나타내는 회절요소들의 피치는 서로 다를 수 있다.In one embodiment, the diffraction elements exhibiting the positive diffraction characteristic may be arranged so that the degree of the positive diffraction characteristic is different from each other. The pitches of the diffraction elements exhibiting the positive diffraction characteristic may be different from each other.

일 실시예에서 상기 음의 회절특성을 나타내는 회절요소들은 음의 회절특성의 정도가 서로 다르게 나타나도록 배열된 것일 수 있다. 상기 음의 회절특성을 나타내는 회절요소들의 피치는 서로 다를 수 있다.In one embodiment, the diffraction elements exhibiting the negative diffraction characteristic may be arranged so that the degree of the negative diffraction characteristic is different from each other. The pitches of the diffraction elements exhibiting the negative diffraction characteristic may be different from each other.

본 개시에서 일 실시예에 의한 광학장치는 광원부로부터 입사되는 광을 회절시키는 제1 회절격자 소자를 포함한다. 상기 제1 회절격자 소자는 상술한 본 개시에서 일 실시예에 의한 회절격자 소자의 특징들 중 어느 하나를 포함하는 회절격자 소자이다.In one embodiment of the present disclosure, an optical device includes a first diffraction grating element that diffracts light incident from a light source. The first diffraction grating element is a diffraction grating element that includes any one of the characteristics of the diffraction grating element according to one embodiment of the present disclosure described above.

일 실시예에 따르면, 상기 광원부는 직접 광을 방출하는 광원과 상기 광원으로부터 입사되는 광을 회절시켜 상기 제1 회절격자 소자에 입사광을 제공하는 제2 회절격자 소자를 포함할 수 있다.According to one embodiment, the light source unit may include a light source that directly emits light and a second diffraction grating element that diffracts light incident from the light source and provides incident light to the first diffraction grating element.

일 실시예에 따르면, 상기 제1 회절격자 소자와 상기 제2 회절격자 소자는 서로 동일한 회절특성을 나타내는 회절격자 소자일 수 있다.According to one embodiment, the first diffraction grating element and the second diffraction grating element may be diffraction grating elements exhibiting identical diffraction characteristics.

다른 실시예에 따르면, 상기 제1 회절격자 소자와 상기 제2 회절격자 소자는 서로 다른 회절특성을 나타내는 회절격자 소자일 수 있다.According to another embodiment, the first diffraction grating element and the second diffraction grating element may be diffraction grating elements exhibiting different diffraction characteristics.

다른 실시예에 따르면, 상기 광원부는 직접 광을 방출하는 광원과, 상기 광원으로부터 입사되는 광을 주어진 방향으로 회절시키는 제2 회절격자 소자와, 상기 제2 회절격자 소자의 회절광을 상기 제1 회절격자 소자에 전달하는 전달요소를 포함할 수 있다.According to another embodiment, the light source unit may include a light source that directly emits light, a second diffraction grating element that diffracts light incident from the light source in a given direction, and a transmission element that transmits the diffracted light of the second diffraction grating element to the first diffraction grating element.

일 실시예에 따르면, 상기 제1 회절격자 소자와 상기 제2 회절격자 소자 중 어느 한 소자의 회절면에 수직한 법선에 대해 나머지 소자는 45°보다 작은 각으로 경사지게 배치될 수 있다.According to one embodiment, the remaining elements may be arranged at an angle less than 45° with respect to a normal line perpendicular to the diffraction plane of one of the first diffraction grating elements and the second diffraction grating elements.

일 실시예에 따르면, 상기 제1 및 제2 회절격자 소자는 빔 확장기(beam expander) 역할을 하는 회절격자 소자일 수 있다.In one embodiment, the first and second diffraction grating elements may be diffraction grating elements that act as beam expanders.

다른 실시예에 따르면, 상기 제1 회절격자 소자는 렌즈 역할을 하는 회절격자 소자이고, 상기 제2 회절격자 소자는 빔 확장기 역할을 하는 회절격자 소자일 수 있다.In another embodiment, the first diffraction grating element may be a diffraction grating element that acts as a lens, and the second diffraction grating element may be a diffraction grating element that acts as a beam expander.

일 실시예에서 상기 전달요소는 광 반사기일 수 있다.In one embodiment, the transmitting element may be a light reflector.

본 개시에서 일 실시예에 의한 회절격자 소자의 제조방법은 광 반사 기판 상에 유전층을 형성한 다음, 상기 유전층을 패터닝하여 상기 기판 상에 회절격자를 이루는 복수의 회절요소를 형성한다. 여기서 유전층의 굴절률은 2.0이하이다.In one embodiment of the present disclosure, a method for manufacturing a diffraction grating element comprises forming a dielectric layer on a light reflecting substrate, and then patterning the dielectric layer to form a plurality of diffraction elements forming a diffraction grating on the substrate. Here, the refractive index of the dielectric layer is 2.0 or less.

일 실시예에 따르면, 상기 유전층을 패터닝하는 과정은 일 면에 상기 복수의 회절요소에 대응되는 회절요소 패턴이 새겨진 템플리트(template)를 상기 유전층 상에 정렬하고, 정렬된 상태로 상기 템플리트를 상기 유전층에 찍은 다음, 상기 템플리트를 제거하는 과정을 포함한다.According to one embodiment, the process of patterning the dielectric layer includes aligning a template having a diffractive element pattern corresponding to the plurality of diffractive elements engraved on one side thereof on the dielectric layer, imprinting the template onto the dielectric layer in an aligned state, and then removing the template.

일 실시예에 따르면, 75°이상의 입사각으로 입사되는 광에 대해서 상기 복수의 회절요소 각각은 자신의 상부면에서 반사된 광과 자신의 밑면에서 반사된 광이 서로 상쇄 간섭을 일으키는 높이를 가질 수 있다.According to one embodiment, for light incident at an angle of incidence of 75° or greater, each of the plurality of diffractive elements may have a height at which light reflected from its upper surface and light reflected from its lower surface cause destructive interference with each other.

다른 실시예에서 상기 기판과 상기 유전층 사이에 스페이스층을 더 형성할 수 있다.In another embodiment, a spacer layer may be further formed between the substrate and the dielectric layer.

일 실시예에서 상기 복수의 회절요소 각각은 주 회절요소와 보조 회절요소를 포함할 수 있다. 상기 보조 회절요소는 복수의 보조 회절요소를 포함할 수 있다. 상기 복수의 회절요소는 모두 동일한 피치 또는 서로 다른 피치를 갖도록 형성할 수 있다. 상기 복수의 보조 회절요소는 그 수가 증가하면서 고 회절효율을 얻을 수 있는 음의 회절각도 범위가 증가하도록 배치될 수 있다.In one embodiment, each of the plurality of diffractive elements may include a primary diffractive element and an auxiliary diffractive element. The auxiliary diffractive element may include a plurality of auxiliary diffractive elements. The plurality of diffractive elements may all be formed to have the same pitch or different pitches. The plurality of auxiliary diffractive elements may be arranged so that as the number of the plurality of auxiliary diffractive elements increases, the negative diffraction angle range for which high diffraction efficiency can be obtained increases.

다른 실시예에서 상기 복수의 회절요소의 일부는 주 회절요소와 보조 회절요소를 포함하고, 나머지는 주 회절요소만 포함할 수 있다.In other embodiments, some of the plurality of diffractive elements may include a main diffractive element and an auxiliary diffractive element, while others may include only a main diffractive element.

개시된 일 실시예에 의한 회절격자 소자에서 회절요소는 75°이상의 입사각으로 비스듬히 입사되는 입사광에 대해서 0차 회절광을 상쇄시킬 수 있는 높이를 갖는다. 또한, 음의 회절광을 일으키는 회절요소에 대해서는 주 회절요소와 함께 보조 회절요소를 적절히 배치하여 2차 이상의 고차 회절광을 제거한다. 이에 따라 1차 회절광에 대해서 1에 가까운 높은 회절효율을 얻을 수 있다. 개시된 회절격자 소자에서 회절요소들의 구성과 제원(높이, 피치 등)은 수평에 가까운 높은 입사각을 갖는 입사광의 회절에 최적화되어 있어 회절격자 소자의 전체 부피는 매우 얇아진다. 그러므로 개시된 회절격자 소자를 다른 장치에 적용할 경우, 해당 장치의 부피를 기존보다 줄일 수 있을 것이다.In the diffraction grating element according to the disclosed embodiment, the diffraction elements have a height capable of canceling out the 0th-order diffracted light for incident light obliquely incident at an incident angle of 75° or more. In addition, for the diffraction elements causing negative diffracted light, auxiliary diffraction elements are appropriately arranged together with the main diffraction elements to remove the 2nd-order or higher diffracted light. Accordingly, a high diffraction efficiency close to 1 can be obtained for the 1st-order diffracted light. In the disclosed diffraction grating element, the configuration and specifications (height, pitch, etc.) of the diffraction elements are optimized for the diffraction of incident light having a high incident angle close to the horizontal, so that the overall volume of the diffraction grating element becomes very thin. Therefore, when the disclosed diffraction grating element is applied to another device, the volume of the device can be reduced compared to the existing one.

또한, 회절요소의 피치나 보조 회절요소 수의 조절을 통해 회절광의 출력각(output angle)을 조절할 수 있으므로, 넓은 범위의 출력각을 확보할 수도 있다. 이는 개시된 회절격자 소자가 디스플레이에서 시야각을 확대하는데 기여할 수 있음을 시사한다.In addition, since the output angle of the diffraction light can be controlled by adjusting the pitch of the diffraction elements or the number of auxiliary diffraction elements, a wide range of output angles can be secured. This suggests that the disclosed diffraction grating element can contribute to expanding the viewing angle in a display.

또한, 개시된 회절격자 소자의 경우, 2개를 광학적으로 결합하여 사용함으로써, 1개만 사용할 때 회절광에 나타날 수 있는 색 분산을 줄이거나 제거할 수 있다.In addition, in the case of the disclosed diffraction grating elements, by optically combining two of them, color dispersion that may appear in diffracted light when only one is used can be reduced or eliminated.

또한, 개시된 회절격자 소자에서 회절요소들은 굴절률이 2.0이하인 물질(예컨대, 폴리머)로 형성된다. 이에 따라 개시된 회절격자 소자는 나노 임프린트 제조방법을 사용하여 형성할 수 있으므로, 대구경의 회절격자 소자를 용이하게 형성할 수 있을 뿐만 아니라 생산 비용도 줄일 수 있다.In addition, in the disclosed diffraction grating element, the diffraction elements are formed of a material (e.g., a polymer) having a refractive index of 2.0 or less. Accordingly, the disclosed diffraction grating element can be formed using a nanoimprint manufacturing method, so that not only can a large-diameter diffraction grating element be easily formed, but also the production cost can be reduced.

도 1은 일 실시예에 의한 회절격자 소자를 나타낸 단면도이다.
도 2는 다른 실시예에 의한 회절격자 소자를 나타낸 단면도이다.
도 3은 또 다른 실시예에 의한 회절격자 소자를 나타낸 단면도이다.
도 4는 도 2의 회절격자 소자에 대한 입체도이다.
도 5는 또 다른 실시예에 의한 회절격자 소자의 단면도이다.
도 6은 또 다른 실시예에 의한 회절격자 소자의 단면도이다.
도 7은 또 다른 실시예에 의한 회절격자 소자의 단면도이다.
도 8 내지 도 11은 앞에 설명한 실시예에 의한 회절격자 소자의 회절요소 형태에 따른 회절효율을 알아보기 위해 실시한 시뮬레이션 결과를 나타낸 그래프들이다.
도 12a 내지 도 12c는 일 실시예에 의한 회절격자 소자가 빔 확장기(beam expander)로 사용된 경우를 나타낸 단면도이다.
도 13은 일 실시예에 의한 회절격자 소자가 렌즈로 사용된 경우를 나타낸 단면도이다.
도 14는 일 실시예에 의한 회절격자 소자가 디스플레이 장치의 한 구성요소로 사용된 경우를 나타낸 단면도이다.
도 15는 일 실시예에 의한 회절격자 소자를 포함하는 광학장치를 나타낸 단면도이다.
도 16은 일 실시예에 의한 회절격자 소자를 포함하는 다른 광학장치를 나타내 단면도이다.
도 17은 일 실시예에 의한 회절격자 소자를 포함하는 또 다른 광학장치를 나타낸 단면도이다.
도 18과 도 19는 도 17을 18-18’방향으로 절개한 단면도이다.
도 20 내지 도 24는 일 실시예에 의한 회절격자 소자의 제조방법에서 회절격자를 임프린트(imprint)하는데 사용되는 템플리트(template)를 제조하는 과정을 단계별로 나타낸 단면도들이다.
도 25 내지 도 29는 도 20 내지 도 24에서 형성한 템플리트를 이용하여 일 실시예에 의한 회절격자 소자를 형성하는 방법을 나타낸 단면도들이다.
Fig. 1 is a cross-sectional view showing a diffraction grating element according to one embodiment.
Fig. 2 is a cross-sectional view showing a diffraction grating element according to another embodiment.
Fig. 3 is a cross-sectional view showing a diffraction grating element according to another embodiment.
Figure 4 is a three-dimensional diagram of the diffraction grating element of Figure 2.
Fig. 5 is a cross-sectional view of a diffraction grating element according to another embodiment.
Fig. 6 is a cross-sectional view of a diffraction grating element according to another embodiment.
Fig. 7 is a cross-sectional view of a diffraction grating element according to another embodiment.
Figures 8 to 11 are graphs showing the results of simulations conducted to determine the diffraction efficiency according to the diffraction element shape of the diffraction grating element according to the previously described example.
FIGS. 12A to 12C are cross-sectional views showing a case where a diffraction grating element according to one embodiment is used as a beam expander.
Fig. 13 is a cross-sectional view showing a case where a diffraction grating element according to one embodiment is used as a lens.
Fig. 14 is a cross-sectional view showing a case where a diffraction grating element according to one embodiment is used as a component of a display device.
Fig. 15 is a cross-sectional view showing an optical device including a diffraction grating element according to one embodiment.
FIG. 16 is a cross-sectional view showing another optical device including a diffraction grating element according to one embodiment.
FIG. 17 is a cross-sectional view showing another optical device including a diffraction grating element according to one embodiment.
Figures 18 and 19 are cross-sectional views taken along the 18-18' direction of Figure 17.
FIGS. 20 to 24 are cross-sectional views showing step-by-step the process of manufacturing a template used to imprint a diffraction grating in a method for manufacturing a diffraction grating element according to one embodiment.
FIGS. 25 to 29 are cross-sectional views showing a method of forming a diffraction grating element according to one embodiment using the template formed in FIGS. 20 to 24.

이하, 일 실시예에 의한 회절격자 소자와 그 제조방법과 회절격자 소자를 포함하는 광학장치를 첨부된 도면들을 참조하여 상세하게 설명한다. 이 과정에서 도면에 도시된 층이나 영역들의 두께는 명세서의 명확성을 위해 과장되게 도시된 것이다.Hereinafter, a diffraction grating element and a method for manufacturing the same and an optical device including the diffraction grating element according to one embodiment will be described in detail with reference to the attached drawings. In this process, the thicknesses of layers or regions illustrated in the drawings are exaggerated for the clarity of the specification.

도 1은 일 실시예에 의한 회절격자 소자를 보여준다.Figure 1 shows a diffraction grating element according to one embodiment.

도 1을 참조하면, 일 실시예에 의한 회절격자 소자(5)는 기판(10)과 기판(10) 상에 마련된 복수의 회절요소(20)를 포함한다. 기판(10)은 입사광을 반사시킬 수 있는 물질층일 수 있다. 곧, 기판(10)은 입사광을 반사시키는 광 반사기판일 수 있다. 일 예로 기판(10)은 금속성 미러 혹은 금속을 포함하여 광 반사 특성을 나타내는 기판 혹은 금속기판일 수 있다. 다른 예에서 기판(10)으로 반사형 와이어 그리드 편광자 (reflective wire gird polarizer, WGP)가 사용될 수도 있다. 복수의 회절요소(20) 전체를 통칭해서 회절격자라 할 수 있다. 회절요소들(20)은 기판(10)의 일 면 상에 배치될 수 있다. 일 예로 회절요소들(20)은 기판(10)의 상부면 상에 배치될 수 있다. 복수의 회절요소(20)는 서로 이격되어 있다. 회절요소들(20)은 기판(10) 상에서 서로 주어진 피치(P1)를 갖도록 분포될 수 있다. 회절요소들(20)은 주어진 높이(H1)를 갖고 주어진 폭(W1)을 갖는다. 회절요소들(20)의 이러한 제원들이 달라지면, 회절요소들(20)에 의한 회절 특성도 달라질 수 있다. 회절요소들(20)의 굴절률은 2.0 이하일 수 있는데, 일 예로 고효율 동작과 작은 종횡비를 위해 회절요소들(20)의 굴절률은 1.35~2.0 정도일 수 있다. 회절요소들(20)은 폴리머(polymer) 또는 SiO2와 같은 저 손실 유전체 물질을 포함하여 형성된 것일 수 있다. 여기서 ‘저 손실’은 입사광 흡수 손실이 낮음을 의미한다. 곧, 회절요소들(20)에 의한 입사광의 흡수 손실은 낮다. 회절요소들(20)의 높이(H1)는 입사광의 파장과 연계하여 결정될 수 있다. 이렇게 함으로써, 상쇄 간섭을 통해 회절의 영차(zeroth order) 광을 제거할 수 있다. 예컨대, 회절요소들(20)의 상부면에서 반사되는 광(L1)과 회절요소들(20)의 바닥에서 반사되는 광(L2) 사이에 경로차가 발생되는데, 회절요소들(20)의 높이(H1)를 상기 경로차가 상부면에서 반사되는 광(L1)과 바닥에서 반사되는 광(L2) 사이에 상쇄간섭이 일어나는 조건을 갖는 만족하는 높이로 설정할 수 있다. 이러한 높이 특성은 회절효율을 높이는 한 원인이 될 수 있다. 복수의 회절요소들(20)은 또한 주어진 필 팩터(fill factor)를 갖도록 마련될 수 있다. 상기 필 팩터는 한 개의 주기(P1) 상에 있는 회절격자 커버리지(grating coverage)로 정의된다. 일 예에서 복수의 회절요소(20)의 필 팩터는 입사광에 대해서 각 회절요소(20)의 상부면으로부터 반사된 광의 퍼센트와 각 회절요소(20)의 바닥면으로부터 반사된 광의 퍼센트가 동일하도록 설정될 수 있다. 이때, 광 흡수손실(absorption loss)은 제외한다. 이러한 필 팩터는 입사광, 광 흡수율, 회절요소(20)의 굴절률 등에 따라 달라질 수 있다. 복수의 회절요소(20)의 굴절률이 낮을 수록 보다 큰 필 팩터가 요구될 수 있다.Referring to FIG. 1, a diffraction grating element (5) according to one embodiment includes a substrate (10) and a plurality of diffraction elements (20) provided on the substrate (10). The substrate (10) may be a material layer capable of reflecting incident light. In other words, the substrate (10) may be a light reflecting substrate that reflects incident light. For example, the substrate (10) may be a metallic mirror or a substrate or metal substrate that exhibits light reflection characteristics, including a metal. In another example, a reflective wire grid polarizer (WGP) may be used as the substrate (10). The entirety of the plurality of diffraction elements (20) may be collectively referred to as a diffraction grating. The diffraction elements (20) may be arranged on one surface of the substrate (10). For example, the diffraction elements (20) may be arranged on an upper surface of the substrate (10). The plurality of diffraction elements (20) are spaced apart from each other. The diffractive elements (20) may be distributed on the substrate (10) to have a given pitch (P1). The diffractive elements (20) have a given height (H1) and a given width (W1). If these specifications of the diffractive elements (20) change, the diffraction characteristics by the diffractive elements (20) may also change. The refractive index of the diffractive elements (20) may be 2.0 or less. For example, for high-efficiency operation and small aspect ratio, the refractive index of the diffractive elements (20) may be about 1.35 to 2.0. The diffractive elements (20) may be formed by including a low-loss dielectric material such as a polymer or SiO2. Here, ‘low loss’ means that the absorption loss of incident light is low. That is, the absorption loss of incident light by the diffractive elements (20) is low. The height (H1) of the diffractive elements (20) may be determined in connection with the wavelength of the incident light. By doing so, the zeroth order light of the diffraction can be removed through destructive interference. For example, a path difference occurs between the light (L1) reflected from the upper surface of the diffractive elements (20) and the light (L2) reflected from the bottom of the diffractive elements (20), and the height (H1) of the diffractive elements (20) can be set to a height that satisfies the condition that destructive interference occurs between the light (L1) reflected from the upper surface and the light (L2) reflected from the bottom. This height characteristic can be one cause of increasing the diffraction efficiency. A plurality of diffractive elements (20) can also be provided to have a given fill factor. The fill factor is defined as the diffraction grating coverage on one period (P1). In one example, the fill factor of the plurality of diffractive elements (20) may be set so that the percentage of light reflected from the upper surface of each diffractive element (20) and the percentage of light reflected from the bottom surface of each diffractive element (20) are the same for the incident light. At this time, the light absorption loss is excluded. This fill factor may vary depending on the incident light, the light absorption rate, the refractive index of the diffractive element (20), etc. The lower the refractive index of the plurality of diffractive elements (20), the larger the fill factor may be required.

복수의 회절요소(20)의 피치(P1)에 따라 회절격자 소자(5)의 회절특성은 달라질 수 있다. 복수의 회절요소(20)의 피치(P1)에 따라 회절격자 소자(5)는 양의 회절특성 또는 음의 회절특성을 나타낼 수 있다. 회절요소(20)에서 입사광(L0)이 입사광(L0)을 방출하는 광원이 있는 쪽으로 회절될 때, 회절격자 소자(5)는 양의 회절특성을 나타낸다거나 갖는다고 말할 수 있다. 이 경우의 회절광(L3)은 양의 출력각(positive output angle)을 갖는다. 달리 말하면, 도 1에서 회절요소(20)에 입사된 입사광(L0)이 기판(10)의 상부면에 수직한 기준선(10L)의 좌측으로 회절되는 회절광(L3)으로 나타나는 경우, 회절격자 소자(5)는 양의 회절특성을 갖는다거나 회절요소(20)는 양의 회절특성을 갖는다고 말할 수 있다. 반대로, 입사광(L0)이 상기 광원이 있는 쪽과 반대 방향으로 회절되는 경우, 곧, 입사광(L0)이 기준선(10L)의 우측으로 회절되는 회절광(L4)으로 나타나는 경우, 회절격자 소자(5)는 음의 회절특성을 나타낸다거나 갖는다고 말할 수 있으며, 회절요소(20)가 음의 회절특성을 나타내거나 갖는다고 말할 수도 있다. 이 경우의 회절광(L4)은 음의 출력각을 갖는다. 기판(10) 상에 배치된 복수의 회절요소(20)가 모두 기하학적으로 동일한 형태이고, 회절요소(20) 간 피치(P1)도 동일할 경우, 회절격자 소자(5)는 전체적으로 피치(P1)에 따라 양의 회절 특성을 갖거나 음의 회절 특성을 가질 수 있다.The diffraction characteristics of the diffraction grating element (5) may vary depending on the pitch (P1) of the plurality of diffraction elements (20). Depending on the pitch (P1) of the plurality of diffraction elements (20), the diffraction grating element (5) may exhibit positive or negative diffraction characteristics. When the incident light (L0) is diffracted in the diffraction element (20) toward the light source that emits the incident light (L0), it can be said that the diffraction grating element (5) exhibits or has positive diffraction characteristics. In this case, the diffracted light (L3) has a positive output angle. In other words, when the incident light (L0) incident on the diffraction element (20) in FIG. 1 appears as diffracted light (L3) that is diffracted to the left of the reference line (10L) that is perpendicular to the upper surface of the substrate (10), it can be said that the diffraction grating element (5) has a positive diffraction characteristic or the diffraction element (20) has a positive diffraction characteristic. Conversely, when the incident light (L0) is diffracted in the opposite direction to the side where the light source is, that is, when the incident light (L0) appears as diffracted light (L4) that is diffracted to the right of the reference line (10L), it can be said that the diffraction grating element (5) exhibits or has a negative diffraction characteristic, and it can also be said that the diffraction element (20) exhibits or has a negative diffraction characteristic. In this case, the diffracted light (L4) has a negative output angle. When multiple diffraction elements (20) arranged on a substrate (10) are all geometrically identical and the pitch (P1) between the diffraction elements (20) is the same, the diffraction grating element (5) may have positive or negative diffraction characteristics overall depending on the pitch (P1).

한편, 후술되지만, 복수의 회절요소(20)의 일부 회절요소의 피치가 나머지 회절요소와 다를 경우, 회절격자 소자(5)는 영역에 따라 서로 다른 회절특성을 나타낼 수 있다. 예컨대, 복수의 회절요소(20) 중 왼쪽 2개의 회절요소는 음의 회절특성을 나타내는 피치를 갖도록 배치될 수 있고, 오른 쪽 2개의 회절요소는 양의 회절특성을 나타내는 피치를 갖도록 배치될 수 있다. 결과적으로, 회절격자 소자(5)는 복수의 회절요소(20)의 회절특성에 따라 다양한 광학요소(예, 광 확장기, 렌즈 등)로 사용될 수 있다. 이에 대해서는 후술된다.Meanwhile, as will be described later, when the pitches of some of the diffraction elements (20) are different from the remaining diffraction elements, the diffraction grating element (5) may exhibit different diffraction characteristics depending on the region. For example, among the diffraction elements (20) on the left, the two diffraction elements may be arranged to have pitches exhibiting negative diffraction characteristics, and the two diffraction elements on the right may be arranged to have pitches exhibiting positive diffraction characteristics. As a result, the diffraction grating element (5) may be used as various optical elements (e.g., optical expanders, lenses, etc.) depending on the diffraction characteristics of the diffraction elements (20). This will be described later.

회절격자 소자(5)에서 회절요소(20)에 입사되는 입사광(L0)의 입사각(θ1)은 45°이상일 수 있다. 일 예로 입사각(θ1)의 범위는 75°≤θ1<90°일 수 있다. 이와 같이 입사각(θ1)이 45°이상으로 상대적으로 크고, 상대적으로 넓은 범위의 회절광을 얻을 수 있기 때문에, 초소형 회절격자 소자를 구현할 수 있다.The incident angle (θ1) of the incident light (L0) incident on the diffraction element (20) in the diffraction grating element (5) may be 45° or more. For example, the range of the incident angle (θ1) may be 75°≤θ1<90°. Since the incident angle (θ1) is relatively large at 45° or more and a relatively wide range of diffraction light can be obtained, an ultra-small diffraction grating element can be implemented.

다른 실시예에서, 회절격자 소자(5)의 회절요소(20)는 도 2에 도시한 제2 회절요소(30) 또는 도 3에 도시한 제3 회절요소(40)로 대체될 수 있다. 복수의 회절요소(20) 모두가 도 2의 제2 회절요소(30) 또는 도 3의 제3 회절요소(40)로 대체될 수 있다. 또 다른 실시예에서, 복수의 회절요소(20) 중 일부만 도 2의 회절요소(30)나 도 3의 회절요소(40)로 대체될 수도 있다. 이 경우에 회절격자 소자(5)가 2가지 회절특성을 동시에 나타낼 수 있다.In another embodiment, the diffraction element (20) of the diffraction grating element (5) may be replaced with the second diffraction element (30) illustrated in FIG. 2 or the third diffraction element (40) illustrated in FIG. 3. All of the plurality of diffraction elements (20) may be replaced with the second diffraction element (30) illustrated in FIG. 2 or the third diffraction element (40) illustrated in FIG. 3. In another embodiment, only some of the plurality of diffraction elements (20) may be replaced with the diffraction element (30) illustrated in FIG. 2 or the diffraction element (40) illustrated in FIG. 3. In this case, the diffraction grating element (5) may exhibit two diffraction characteristics simultaneously.

도 2를 참조하면, 기판(10) 상에 형성된 제2 회절요소(30)는 주 회절요소(30A)와 보조 회절요소(30B)를 포함한다. 주 회절요소(30A)와 보조 회절요소(30B)는 서로 이격되어 있으며, 서로 접촉되지 않는다. 주 회절요소(30A)의 높이와 보조 회절요소(30B)의 높이는 서로 동일할 수 있다. 주 회절요소(30A)의 폭(W2)은 보조 회절요소(30B)의 폭(W3)보다 넓다. 제2 회절요소(30)는 음의 회절특성을 나타내는 피치를 갖도록 구비될 수 있다. 이에 따라 제2 회절요소(30)에 입사된 광(L30)은 기준선(10L)의 오른 쪽으로 회절된다. 회절효율을 높일 수 있는 방법의 하나가 회절광에서 고차 성분(예컨대, 2차 이상의 회절광)이 제거하는 것인데, 이를 위해 구비된 것이 보조 회절요소(30B)이다. 보조 회절요소(30B)의 존재로 인해 고차 회절성분의 위상과 상쇄간섭을 일으킬 수 있는 회절성분이 발생한다. 이에 따라, 회절광에 포함된 원하지 않는 고차 회절성분이 제거될 수 있다. 이를 감안하여 보조 회절요소(30B)의 폭(W3), 주 회절요소(30A)와 보조 회절요소(30B) 간 간격 등이 설정될 수 있다. 이러한 보조 회절요소(30B)를 포함함으로써, 1에 가까운 회절효율을 얻을 수 있다.Referring to FIG. 2, the second diffractive element (30) formed on the substrate (10) includes a main diffractive element (30A) and an auxiliary diffractive element (30B). The main diffractive element (30A) and the auxiliary diffractive element (30B) are spaced apart from each other and do not contact each other. The height of the main diffractive element (30A) and the height of the auxiliary diffractive element (30B) may be the same. The width (W2) of the main diffractive element (30A) is wider than the width (W3) of the auxiliary diffractive element (30B). The second diffractive element (30) may be provided to have a pitch exhibiting a negative diffraction characteristic. Accordingly, light (L30) incident on the second diffractive element (30) is diffracted to the right of the reference line (10L). One way to increase diffraction efficiency is to remove high-order components (e.g., diffracted light of the second or higher order) from the diffracted light, and an auxiliary diffraction element (30B) is provided for this purpose. Due to the presence of the auxiliary diffraction element (30B), a diffraction component that can cause phase cancellation interference with the high-order diffraction component is generated. Accordingly, undesired high-order diffraction components included in the diffracted light can be removed. Taking this into account, the width (W3) of the auxiliary diffraction element (30B), the interval between the main diffraction element (30A) and the auxiliary diffraction element (30B), etc. can be set. By including the auxiliary diffraction element (30B), a diffraction efficiency close to 1 can be obtained.

1개의 주 회절요소에 대해 복수의 보조 회절요소가 구비될 수 있는데, 도 3은 이에 대한 일 예를 보여준다.Multiple auxiliary diffraction elements can be provided for one main diffraction element, and Fig. 3 shows an example of this.

도 3을 참조하면, 기판(10) 상에 형성된 제3 회절요소(40)는 주 회절요소(40A)와 제1 내지 제3 보조 회절요소(40B, 40C, 40D)를 포함한다. 보조 회절요소는 2개 또는 3개 이상 구비될 수도 있다. 이러한 보조 회절요소를 구비함으로써, 측면 큰 각 입사에서도 넓은 회절각을 얻을 수 있고, 회절효율도 높아질 수 있다. 또한, 보조 회절요소의 수에 비례해서 높은 회절효율을 얻을 수 있는 회절각도의 범위가 넓어질 수 있다.Referring to FIG. 3, the third diffraction element (40) formed on the substrate (10) includes a main diffraction element (40A) and first to third auxiliary diffraction elements (40B, 40C, 40D). Two or three or more auxiliary diffraction elements may be provided. By providing these auxiliary diffraction elements, a wide diffraction angle can be obtained even at a large lateral angle of incidence, and the diffraction efficiency can also be increased. In addition, the range of diffraction angles at which high diffraction efficiency can be obtained can be widened in proportion to the number of auxiliary diffraction elements.

주 회절요소(40A)의 높이는 제1 내지 제3 보조 회절요소(40B, 40C, 40D)의 높이와 서로 동일할 수 있다. 제1 내지 제3 보조 회절요소(40B, 40C, 40D)의 높이는 서로 동일할 수 있다. 주 회절요소(40A)의 폭(W4)은 제1 내지 제3 보조 회절요소(40B, 40C, 40D) 각각의 폭보다 넓다. 주 회절요소(40A)와 제1 내지 제3 보조 회절요소(40B, 40C, 40D)는 서로 이격되어 있고, 서로 접촉하지 않는다. 제1 내지 제3 보조 회절요소(40B, 40C, 40D)는 서로 이격되어 있고, 서로 접촉되지 않는다. 주 회절요소(40A)와 제1 보조 회절요소(40B)의 간격(D1)과 제1 내지 제3 보조 회절요소(40B, 40C, 40D) 사이의 간격(D2, D3)은 서로 동일하거나 다를 수 있다.The height of the main diffractive element (40A) may be the same as the heights of the first to third auxiliary diffractive elements (40B, 40C, 40D). The heights of the first to third auxiliary diffractive elements (40B, 40C, 40D) may be the same. The width (W4) of the main diffractive element (40A) is wider than the widths of each of the first to third auxiliary diffractive elements (40B, 40C, 40D). The main diffractive element (40A) and the first to third auxiliary diffractive elements (40B, 40C, 40D) are spaced apart from each other and do not contact each other. The first to third auxiliary diffractive elements (40B, 40C, 40D) are spaced apart from each other and do not contact each other. The spacing (D1) between the main diffractive element (40A) and the first auxiliary diffractive element (40B) and the spacings (D2, D3) between the first to third auxiliary diffractive elements (40B, 40C, 40D) may be the same or different.

간격(D1, D2, D3)의 다를 경우, 주 회절요소(40A)와 제1 보조 회절요소(40B)의 간격(D1)이 제1 내지 제3 보조 회절요소(40B, 40C, 40D) 사이의 간격(D2, D3)보다 넓거나 좁을 수 있고, 제1 내지 제3 보조 회절요소(40B, 40C, 40D) 사이의 간격(D2, D3)은 주 회절요소(40A)로부터 멀어질 수록 넓어지거나 좁아질 수 있다.When the spacing (D1, D2, D3) is different, the spacing (D1) between the main diffractive element (40A) and the first auxiliary diffractive element (40B) may be wider or narrower than the spacing (D2, D3) between the first to third auxiliary diffractive elements (40B, 40C, 40D), and the spacing (D2, D3) between the first to third auxiliary diffractive elements (40B, 40C, 40D) may become wider or narrower as the distance from the main diffractive element (40A) increases.

편의 상, 제1 내지 제3 보조 회절요소(40B, 40C, 40D)의 폭은 모두 동일한 것으로 도시하였지만, 제1 내지 제3 보조 회절요소(40B, 40C, 40D)의 폭은 서로 다를 수도 있다. 예를 들면, 제1 내지 제3 보조 회절요소(40B, 40C, 40D)는 주 회절요소(40A)에서 멀어질 수록 폭이 넓어지거나 좁아지는 방향으로 배치될 수 있다.For convenience, the widths of the first to third auxiliary diffractive elements (40B, 40C, 40D) are all illustrated as being the same, but the widths of the first to third auxiliary diffractive elements (40B, 40C, 40D) may be different from each other. For example, the first to third auxiliary diffractive elements (40B, 40C, 40D) may be arranged in a direction in which the widths become wider or narrower as they move away from the main diffractive element (40A).

주 회절요소(40A)와 제1 내지 제3 보조 회절요소(40B, 40C, 40D)의 제원들(높이, 폭, 간격 등)은 요구되는 회절광의 특성에 따라 제작 단계에서 조절될 수 있다. 보조 회절요소의 수가 증가하면서 회절광의 고차 회절성분(LD1, LD2)에 대한 상쇄간섭 효과도 증가할 수 있다. 결국, 보조 회절요소의 존재로 인해 1에 가까운 회절효율을 얻을 수 있다. 곧, 회절광에 포함된 성분들 중에서 특정 성분(차수)의 광, 예컨대 1차 회절광만 나타낼 수 있다. 본원의 회절격자 소자는 이러한 회절특징으로 인해 다양한 장치에 적용될 수 있다. 예를 들면, 빔 확장기에 적용될 수도 있고, 증강현실(Augmented Reality), 가상현실(Virtual Reality) 또는 라이트 필드 디스플레이 시스템(light field display system)용 광 컴바이너(optical combiner)로 사용될 수도 있다. The specifications (height, width, spacing, etc.) of the main diffractive element (40A) and the first to third auxiliary diffractive elements (40B, 40C, 40D) can be adjusted during the manufacturing stage according to the characteristics of the required diffracted light. As the number of auxiliary diffractive elements increases, the destructive interference effect on the higher-order diffraction components (LD1, LD2) of the diffracted light can also increase. Ultimately, due to the presence of the auxiliary diffractive elements, a diffraction efficiency close to 1 can be obtained. That is, among the components included in the diffracted light, only light of a specific component (order), for example, the first-order diffracted light, can be displayed. The diffraction grating element of the present disclosure can be applied to various devices due to such diffraction characteristics. For example, it can be applied to a beam expander, or can be used as an optical combiner for augmented reality, virtual reality, or a light field display system.

도 4는 도 2에 도시한 제2 회절요소(30)를 갖는 회절격자 소자를 입체적으로 보여준다.Figure 4 shows a three-dimensional view of a diffraction grating element having the second diffraction element (30) illustrated in Figure 2.

도 4를 참조하면, 기판(10) 상에서 제2 회절요소들(30)은 이격 상태에서 서로 평행하게 배치되어 있다. 또한, 주 회절요소(30A)와 보조 회절요소(30B)도 서로 이격된 상태에서 서로 평행하게 배치되어 있다. 도 1의 회절요소들(20)이나 도 3의 제3 회절요소들(40)도 제2 회절요소들(30)처럼 기판(10) 상에 배치될 수 있다.Referring to FIG. 4, the second diffraction elements (30) are arranged in parallel with each other in a spaced state on the substrate (10). In addition, the main diffraction element (30A) and the auxiliary diffraction element (30B) are also arranged in parallel with each other in a spaced state. The diffraction elements (20) of FIG. 1 and the third diffraction elements (40) of FIG. 3 may also be arranged on the substrate (10) like the second diffraction elements (30).

도 4에서 참조번호 4L1은 주 회절요소(30A)의 상부면에서 반사된 광을 나타내고, 참조번호 4L2는 주 회절요소(30A)의 바닥면에서 반사된 광을 나타낸다. 반사광들(4L1, 4L2)은 0차 회절광에 해당한다. 주 회절요소(30A)의 높이(H1)는 반사광들(4L1, 4L2) 사이의 경로차가 입사광의 파장의 ½가 되는 높이를 가지므로, 반사광들(4L1, 4L2)은 서로 상쇄되어 사라진다. 곧 주 회절요소(30A)가 갖는 이러한 높이 조건으로 인해 0차 회절광은 상쇄간섭을 통해 제거될 수 있다.In Fig. 4, reference numeral 4L1 represents light reflected from the upper surface of the main diffractive element (30A), and reference numeral 4L2 represents light reflected from the bottom surface of the main diffractive element (30A). The reflected lights (4L1, 4L2) correspond to 0th-order diffraction light. Since the height (H1) of the main diffractive element (30A) has a height such that the path difference between the reflected lights (4L1, 4L2) becomes ½ of the wavelength of the incident light, the reflected lights (4L1, 4L2) cancel each other out and disappear. That is, due to this height condition of the main diffractive element (30A), the 0th-order diffraction light can be removed through destructive interference.

도 5는 또 다른 실시예에 의한 회절격자 소자(55)를 보여준다.Fig. 5 shows a diffraction grating element (55) according to another embodiment.

도 5를 참조하면, 회절격자 소자(55)는 기판(10), 제1 스페이서 또는 스페이스 물질층(50), 복수의 회절요소(20) 등을 포함한다. 복수의 회절요소(20) 대신에 도 2의 제2 회절요소(30)나 도 3의 제3 회절요소(40)가 배치될 수도 있다. 제1 스페이서(50)는 회절요소들(20)과 기판(10) 사이에 배치될 수 있다. 제1 스페이서(50)는 기판(10)의 일 면 상에 배치될 수 있는데, 예를 들면 기판(10)의 상부면 상에 구비될 수 있다. 제1 스페이서(50)는 기판(10)의 상부면 전체를 덮을 수 있다. 제1 스페이서(50)는 입사광의 파장의 정수배에 해당하는 두께(T1)를 가질 수 있다. 제1 스페이서(50)의 두께(T1)는 광의 입사각, 회절각, 제1 스페이서(50)의 굴절률, 회절요소(20)의 굴절률 등을 고려하여 결정될 수 있다. 제1 스페이서(50)는 입사광에 대한 광 흡수율이 낮은 저 손실 물질로 형성된 물질층일 수 있는데, 예를 들면 회절요소(20)보다 굴절률이 작은 유전층일 수 있다. 따라서 회절격자 소자(55)에 광이 입사될 때, 제1 스페이서(50)에 의한 광 흡수 손실은 무시할 수 있다. 여기에 개시된 회절격자 소자들은 다양한 방법으로 제조될 수 있는데, 그 중의 한 방법이 나노-임프린트(nano-imprint) 방법이다. 이에 대해서는 후술된다. 이러한 제조방법을 고려해서, 제1 스페이서(50)는 회절요소(20)와 동일한 재질의 물질층일 수 있다. 제1 스페이서(50)는 단일층일 수 있다. 복수의 회절요소(20)는 제1 스페이서(50) 상에 서로 이격되게 배치되어 있다. 복수의 회절요소(20)는 제1 스페이서층(50)의 상부면 상에서 일정한 피치로 배치될 수 있다. 다른 예에서 복수의 회절요소(20) 중 일부의 피치는 나머지의 피치와 다를 수 있다. 달리 말하면, 복수의 회절요소(20)는 양의 회절특성을 나타내도록 배치될 수도 있고, 음의 회절특성을 나타내도록 배치될 수도 있으며, 양과 음의 회절특성을 모두 나타내도록 배치될 수 있다. 복수의 회절요소(20) 사이의 제1 스페이서(50) 상에 잔류 물질층(52)이 존재할 수도 있다. 잔류 물질층(52)은 회절요소(20) 하부에 위치하며, 제1 스페이서(50)의 상부면 전체를 덮을 수 있다. 잔류 물질층(52)은 회절격자 소자(55)를 제조하는 과정에서 회절요소들(20) 하부에 남은 것으로 그 두께는 30nm를 넘지 않는 것으로, 일 예로 20nm 이하일 수 있다. 잔류 물질층(52)은 제조 과정에서 공정조건에 따라 그 두께를 20nm 이하로 줄이거나 형성되지 않게 할 수도 있다. 이처럼 잔류 물질층(52)의 두께는 매우 얇기 때문에, 회절에 대한 잔류 물질층(52)에 의한 영향은 무시할 수 있다. 잔류 물질층(52)은 회절요소(20)와 동일한 재질의 물질층이다. Referring to FIG. 5, the diffraction grating element (55) includes a substrate (10), a first spacer or space material layer (50), a plurality of diffraction elements (20), etc. Instead of the plurality of diffraction elements (20), the second diffraction element (30) of FIG. 2 or the third diffraction element (40) of FIG. 3 may be arranged. The first spacer (50) may be arranged between the diffraction elements (20) and the substrate (10). The first spacer (50) may be arranged on one surface of the substrate (10), for example, may be provided on the upper surface of the substrate (10). The first spacer (50) may cover the entire upper surface of the substrate (10). The first spacer (50) may have a thickness (T1) corresponding to an integer multiple of the wavelength of incident light. The thickness (T1) of the first spacer (50) can be determined by considering the incident angle of light, the diffraction angle, the refractive index of the first spacer (50), the refractive index of the diffractive element (20), etc. The first spacer (50) can be a material layer formed of a low-loss material having a low light absorption rate for incident light, for example, a dielectric layer having a lower refractive index than the diffractive element (20). Therefore, when light is incident on the diffraction grating element (55), the light absorption loss due to the first spacer (50) can be ignored. The diffraction grating elements disclosed herein can be manufactured by various methods, one of which is a nano-imprint method. This will be described later. Considering this manufacturing method, the first spacer (50) can be a material layer of the same material as the diffraction element (20). The first spacer (50) can be a single layer. A plurality of diffractive elements (20) are arranged spaced apart from each other on the first spacer (50). The plurality of diffractive elements (20) may be arranged at a constant pitch on the upper surface of the first spacer layer (50). In another example, the pitch of some of the plurality of diffractive elements (20) may be different from the pitch of the remaining ones. In other words, the plurality of diffractive elements (20) may be arranged to exhibit positive diffraction characteristics, may be arranged to exhibit negative diffraction characteristics, or may be arranged to exhibit both positive and negative diffraction characteristics. A residual material layer (52) may exist on the first spacer (50) between the plurality of diffractive elements (20). The residual material layer (52) is located below the diffractive elements (20) and may cover the entire upper surface of the first spacer (50). The residual material layer (52) is a layer remaining below the diffraction elements (20) during the process of manufacturing the diffraction grating element (55), and its thickness does not exceed 30 nm, and may be, for example, 20 nm or less. The thickness of the residual material layer (52) may be reduced to 20 nm or less or may not be formed depending on the process conditions during the manufacturing process. Since the thickness of the residual material layer (52) is very thin, the influence of the residual material layer (52) on diffraction can be ignored. The residual material layer (52) is a layer of the same material as the diffraction elements (20).

도 6은 또 다른 실시예에 의한 회절격자 소자를 보여준다. 도 6에 예시된 회절격자 소자는 도 5에 예시된 회절격자 소자(55)와 구성면에서 유사한 부분이 있다. 따라서 도 6에 대해서는 도 5과 다른 부분에 대해서만 설명한다.Fig. 6 shows a diffraction grating element according to another embodiment. The diffraction grating element illustrated in Fig. 6 has a similar part in terms of configuration to the diffraction grating element (55) illustrated in Fig. 5. Therefore, only the parts different from Fig. 5 will be described with respect to Fig. 6.

도 6을 참조하면, 기판(10)과 복수의 회절요소(20) 사이에 제2 스페이서(60)가 존재한다. 제2 스페이서(60)는 기판(10) 및 회절요소(20)와 직접 접촉될 수 있다. 제2 스페이서(60)는 기판(10)의 일 면, 예컨대 상부면 상에 형성되어 있고, 상부면 전체를 덮을 수 있다. 복수의 회절요소(20)는 제2 스페이서(60) 상에 위치한다. 제2 스페이서(60)는 순차적으로 적층된 제1 유전층(60a)과 제2 유전층(60b)을 포함한다. 제1 유전층(60a)은 기판(10)의 상부면 상에 형성되어 있다. 제2 유전층(60b)은 제1 유전층(60a) 상에 형성되어 있다. 회절요소(20)는 제2 유전층(60b) 상에 배치되어 있고, 제2 유전층(60b)과 직접 접촉된다. 제2 스페이서(60)에서 적어도 제2 유전층(60b)의 굴절률은 복수의 회절요소(20)의 굴절률보다 클 수 있다. 또한, 제2 유전층(60b)의 굴절률은 제1 유전층(60a)의 굴절률보다 클 수 있다. 이와 같이 제1 및 제2 유전층(60a, 60b)의 굴절률은 서로 다른 바, 제2 스페이서(60)는 브래그 반사층(Bragg Reflector)의 역할을 할 수 있다. 제2 스페이서(60)는 제1 및 제2 유전층(60a, 60b)외에 더 많은 유전층을 포함할 수 있다. 예를 들면, 제2 스페이서(60)는 제1 및 제2 유전층(60a, 60b)를 단위층으로 하여 복수의 단위층이 순차적으로 적층된 층 구조를 가질 수도 있다. 제2 스페이서(60)의 두께(T2)는 회절격자 소자(55)에 큰 입사각으로 비스듬히 입사하는 광(6L1)의 파장의 정수배일 수 있다. 이러한 조건을 만족하면서 제2 스페이서(60)에 포함된 제1 유전층(60a)의 두께와 제2 유전층(60b)의 두께는 서로 동일하거나 다를 수 있다. 기판(10)에 의한 광 반사손실이 무시할 수 없을 정도이거나 작은 출력각(small output angle)이 요구될 때, 도 5의 제1 스페이서(50)나 도 6의 제2 스페이서(60)는 회절효율을 개선하는데 도움이 될 수 있다. 복수의 회절요소(20) 사이의 제2 스페이서(60) 상에 잔류 물질층(62)이 존재할 수 있다. 잔류 물질층(62)은 도 5의 잔류 물질층(52)과 동일한 것일 수 있다.Referring to FIG. 6, a second spacer (60) exists between a substrate (10) and a plurality of diffractive elements (20). The second spacer (60) can be in direct contact with the substrate (10) and the diffractive elements (20). The second spacer (60) is formed on one surface of the substrate (10), for example, an upper surface, and can cover the entire upper surface. The plurality of diffractive elements (20) are positioned on the second spacer (60). The second spacer (60) includes a first dielectric layer (60a) and a second dielectric layer (60b) that are sequentially laminated. The first dielectric layer (60a) is formed on the upper surface of the substrate (10). The second dielectric layer (60b) is formed on the first dielectric layer (60a). The diffractive elements (20) are positioned on the second dielectric layer (60b) and are in direct contact with the second dielectric layer (60b). In the second spacer (60), at least the refractive index of the second dielectric layer (60b) may be greater than the refractive index of the plurality of diffractive elements (20). In addition, the refractive index of the second dielectric layer (60b) may be greater than the refractive index of the first dielectric layer (60a). In this way, since the refractive indices of the first and second dielectric layers (60a, 60b) are different from each other, the second spacer (60) may function as a Bragg Reflector. The second spacer (60) may include more dielectric layers in addition to the first and second dielectric layers (60a, 60b). For example, the second spacer (60) may have a layer structure in which a plurality of unit layers are sequentially laminated using the first and second dielectric layers (60a, 60b) as unit layers. The thickness (T2) of the second spacer (60) may be an integer multiple of the wavelength of light (6L1) incident obliquely at a large incident angle on the diffraction grating element (55). While satisfying this condition, the thickness of the first dielectric layer (60a) and the thickness of the second dielectric layer (60b) included in the second spacer (60) may be the same as or different from each other. When the light reflection loss due to the substrate (10) is not negligible or a small output angle is required, the first spacer (50) of FIG. 5 or the second spacer (60) of FIG. 6 may be helpful in improving the diffraction efficiency. A residual material layer (62) may exist on the second spacer (60) between the plurality of diffraction elements (20). The residual material layer (62) may be the same as the residual material layer (52) of FIG. 5.

한편, 제2 스페이서(60)가 브래그 반사층으로 사용될 경우, 기판(10)은 생략되거나 유리와 같은 투명한 기판으로 대체될 수도 있다. 그리하여 회절격자 소자(65)는 투명할 수 있다. Meanwhile, when the second spacer (60) is used as a Bragg reflection layer, the substrate (10) may be omitted or replaced with a transparent substrate such as glass. Thus, the diffraction grating element (65) may be transparent.

도 7은 또 다른 실시예에 의한 회절격자 소자를 보여준다.Fig. 7 shows a diffraction grating element according to another embodiment.

도 7은 동일 기판(10) 상에 회절특성이 다른 복수의 회절요소들(70, 72, 74)이 분포된 경우를 보여준다.Figure 7 shows a case where multiple diffraction elements (70, 72, 74) with different diffraction characteristics are distributed on the same substrate (10).

도 7을 참조하면, 기판(10) 상에 제1 회절요소(70), 제2 회절요소(72) 및 제3 회절요소(74)가 마련되어 있다. 제1 회절요소(70)는 입사광(7L1)을 기준선(10L) 우측으로 주어진 회절각(-θ1)으로 회절시키는, 음의 회절특성을 갖는 회절요소일 수 있다. 제1 회절요소(70)는 도 2에 도시한 제2 회절요소(30) 또는 도 3에 도시한 제3 회절요소(40)일 수 있다. 제2 회절요소(72)는 입사광(7L1)을 기준선(10L1)과 평행한 방향으로, 곧 기판(10)의 상부면에 수직한 방향으로 회절시키는 양의 회절특성을 갖는 회절요소일 수 있다. 제2 회절요소(72)는 보조 회절요소를 갖지 않는 도 1의 회절요소(20)일 수 있다. 제3 회절요소(74)는 입사광을 기준선(10L1) 좌측으로 주어진 회절각(+θ1)으로 회절시키는, 양의 회절특성을 갖는 회절요소일 수 있다. 제3 회절요소(74)는 도 1의 회절요소(20)일 수 있다. 제1 내지 제3 회절요소(70, 72, 74)의 회절특성을 서로 다른 바, 제1 내지 제3 회절요소(70, 72, 74)의 피치는 서로 다를 수 있다. 제1 내지 제3 회절요소(70, 72, 74)의 이러한 회절특성으로 인해 입사광(7L1)은 회절후 주어진 위치에 수렴된다. 결과적으로, 도 7의 회절격자 소자(75)는 입사광을 초점에 수렴시키는 렌즈 혹은 거울과 같은 역할을 할 수 있다. 제1 및 제3 회절요소(70, 74)의 회절특성을 반대로 변경함으로써, 도 7의 회절격자 소자(75)는 입사광이 발산시키는 렌즈나 거울의 역할을 할 수 있다. 이와 같이 기판(10) 상에 다양한 회절특성을 갖는 회절요소를 적절한 피치를 갖도록 배치함으로써, 회절격자 소자(75)는 렌즈나 거울과 같이 광학요소로 사용될 수도 있다. 도 7에서 제1 내지 제3 회절요소(70, 72, 74) 사이에 복수의 회절요소들이 더 배치될 수 있고, 더 배치되는 회절요소들의 회절 방향 특성은 서로 다를 뿐만 아니라 제1 내지 제3 회절요소(70, 72, 74)의 회절특성과도 다를 수 있다. 일 예로, 제1 내지 제2 회절요소(70, 72) 사이에 더 배치되는 회절요소들의 경우, 회절요소들 간의 피치를 조절하여 제1 회절요소(70)에서 제2 회절요소(72)로 가면서 음의 회절특성이 점차 감소하도록, 곧 음의 출력각이 점차 감소하도록 배치될 수 있다. 제1 내지 제2 회절요소(70, 72) 사이에 더 배치되는 회절요소들의 경우, 각각 보조 회절요소의 수도 다를 수 있다. 제2 회절요소(72)와 제3 회절요소(74) 사이에 더 배치되는 회절요소들의 경우, 제3 회절요소(74)에서 제2 회절요소(72)로 가면서 피치를 조절하여 양의 회절특성이 점차 감소하도록, 곧 양의 출력각이 점차 감소하도록 배치될 수 있다.Referring to FIG. 7, a first diffraction element (70), a second diffraction element (72), and a third diffraction element (74) are provided on a substrate (10). The first diffraction element (70) may be a diffraction element having a negative diffraction characteristic that diffracts incident light (7L1) at a given diffraction angle (-θ1) to the right of a reference line (10L). The first diffraction element (70) may be the second diffraction element (30) illustrated in FIG. 2 or the third diffraction element (40) illustrated in FIG. 3. The second diffraction element (72) may be a diffraction element having a positive diffraction characteristic that diffracts incident light (7L1) in a direction parallel to the reference line (10L1), that is, in a direction perpendicular to the upper surface of the substrate (10). The second diffraction element (72) may be the diffraction element (20) of FIG. 1 that does not have an auxiliary diffraction element. The third diffraction element (74) may be a diffraction element having a positive diffraction characteristic that diffracts incident light to the left of the reference line (10L1) at a given diffraction angle (+θ1). The third diffraction element (74) may be the diffraction element (20) of FIG. 1. Since the diffraction characteristics of the first to third diffraction elements (70, 72, 74) are different from each other, the pitches of the first to third diffraction elements (70, 72, 74) may be different from each other. Due to these diffraction characteristics of the first to third diffraction elements (70, 72, 74), the incident light (7L1) is converged to a given position after diffraction. As a result, the diffraction grating element (75) of FIG. 7 may function as a lens or mirror that converges the incident light to a focus. By changing the diffraction characteristics of the first and third diffraction elements (70, 74) in the opposite direction, the diffraction grating element (75) of FIG. 7 can function as a lens or mirror that causes incident light to diverge. In this way, by arranging diffraction elements having various diffraction characteristics on the substrate (10) with an appropriate pitch, the diffraction grating element (75) can also be used as an optical element like a lens or a mirror. In FIG. 7, a plurality of diffraction elements can be further arranged between the first to third diffraction elements (70, 72, 74), and the diffraction direction characteristics of the diffraction elements further arranged can be different from each other and also different from the diffraction characteristics of the first to third diffraction elements (70, 72, 74). For example, in the case of diffraction elements further arranged between the first and second diffraction elements (70, 72), the pitch between the diffraction elements may be adjusted so that the negative diffraction characteristic gradually decreases from the first diffraction element (70) to the second diffraction element (72), that is, the negative output angle gradually decreases. In the case of diffraction elements further arranged between the first and second diffraction elements (70, 72), the number of auxiliary diffraction elements may also be different. In the case of diffraction elements further arranged between the second diffraction element (72) and the third diffraction element (74), the pitch may be adjusted so that the positive diffraction characteristic gradually decreases from the third diffraction element (74) to the second diffraction element (72), that is, the positive output angle gradually decreases.

도 8 내지 도 11은 회절요소의 형태에 따른 회절효율을 알아보기 위해 실시한 시뮬레이션 결과를 보여준다. 시뮬레이션에서 주 회절요소의 종횡비(aspect ratio)의 최대값은 3으로 하였다. 각 도에서 가로축은 출력각(out angle)을, 세로축은 회절효율을 나타낸다.Figures 8 to 11 show the results of simulations conducted to determine diffraction efficiency according to the shape of the diffraction element. In the simulation, the maximum value of the aspect ratio of the main diffraction element was set to 3. In each figure, the horizontal axis represents the output angle, and the vertical axis represents the diffraction efficiency.

도 8은 회절요소가 보조 회절요소없이 주 회절요소만 포함하는 경우의 회절효율을 보여준다.Figure 8 shows the diffraction efficiency when the diffraction element includes only the main diffraction element without auxiliary diffraction elements.

도 8을 참조하면, 회절요소가 주 회절요소만 포함하는 경우, 음의 출력각보다 양의 출력각에서 회절효율이 높은 것을 알 수 있다. Referring to Figure 8, it can be seen that when the diffraction elements include only the main diffraction elements, the diffraction efficiency is higher at a positive output angle than at a negative output angle.

도 9는 회절요소가 주 회절요소만 포함할 때(G1)와 회절요소가 주 회절요소와 1개의 보조 회절요소를 포함할 때(G2)의 회절효율을 보여준다.Figure 9 shows the diffraction efficiency when the diffraction element includes only the main diffraction element (G1) and when the diffraction element includes the main diffraction element and one auxiliary diffraction element (G2).

도 9를 참조하면, 회절요소가 주 회절요소와 함께 1개의 보조 회절요소를 포함하는 경우, 양의 출력각과 음의 출력각에서 대등한 회절효율을 보여준다. 이는 주 회절요소와 1개의 보조 회절요소를 포함하는 회절요소를 사용하는 경우, 양의 회절광과 음의 회절광을 대등하게 발생시킬 수 있음을 시사한다. 그러나 회절요소가 주 회절요소만 포함하는 경우(G1)와 비교했을 때, 양의 출력각에서는 주 회절요소만 포함하는 회절요소의 회절효율이 주 회절요소와 1개의보조 회절요소를 포함하는 회절요소의 회절효율보다 높은 것을 알 수 있다. 반대로 음의 출력각에서는 주 회절요소와 1개의 보조 회절요소를 포함하는 회절요소의 회절효율이 주 회절요소만 포함하는 회절요소의 회절효율보다 높은 것을 알 수 있다. 따라서 음의 출력각을 갖는 회절광, 곧 음 방향 회절광을 발생시키기 위해서는 주 회절요소와 1개의 보조 회절요소를 포함하는 회절요소를 사용하는 것이 보다 유익할 수 있다.Referring to Fig. 9, when a diffractive element includes a main diffractive element and one auxiliary diffractive element, it shows equivalent diffraction efficiency at positive and negative output angles. This suggests that when a diffractive element including a main diffractive element and one auxiliary diffractive element is used, positive diffraction light and negative diffraction light can be equally generated. However, compared to the case where the diffractive element includes only a main diffractive element (G1), it can be seen that at a positive output angle, the diffraction efficiency of the diffractive element including only a main diffractive element is higher than the diffraction efficiency of the diffractive element including a main diffractive element and one auxiliary diffractive element. Conversely, at a negative output angle, it can be seen that the diffraction efficiency of the diffractive element including a main diffractive element and one auxiliary diffractive element is higher than the diffraction efficiency of the diffractive element including only a main diffractive element. Therefore, in order to generate diffracted light having a negative output angle, i.e., negative direction diffracted light, it may be more advantageous to use a diffractive element including a main diffractive element and one auxiliary diffractive element.

도 10은 회절요소가 주 회절요소와 2개의 보조 회절요소를 포함하는 경우의 회절효율을 보여준다.Figure 10 shows the diffraction efficiency when the diffraction element includes a main diffraction element and two auxiliary diffraction elements.

도 10을 참조하면, 제1 그래프(G1)는 주 회절요소만 포함하는 회절요소의 회절효율을 보여준다. 제2 그래프(G2)는 주 회절요소와 1개의 보조 회절요소를 포함하는 회절요소의 회절효율을 보여준다. 제3 그래프(G3)는 주 회절요소와 2개의 보조 회절요소를 포함하는 회절요소의 회절효율을 보여준다.Referring to FIG. 10, the first graph (G1) shows the diffraction efficiency of a diffractive element including only a main diffractive element. The second graph (G2) shows the diffraction efficiency of a diffractive element including a main diffractive element and one auxiliary diffractive element. The third graph (G3) shows the diffraction efficiency of a diffractive element including a main diffractive element and two auxiliary diffractive elements.

제2 그래프(G2)와 제3 그래프(G3)를 비교하면, 보조 회절요소의 수가 증가할 수록 양의 출력각에서 회절효율은 낮아지는 반면, 음의 출력각에서, 특히 상대적으로 큰 음의 출력각에서 회절효율은 높아진다. 이러한 결과는 주 회절요소와 보조 회절요소를 포함하는 회절요소가 사용되는 경우, 보조 회절요소의 수가 증가하면서 음의 회절광의 회절효율도 높아질 수 있음을 시사한다. 이러한 시사는 도 11의 결과로부터 더욱 명확해진다.Comparing the second graph (G2) and the third graph (G3), as the number of auxiliary diffractive elements increases, the diffraction efficiency at the positive output angle decreases, whereas the diffraction efficiency at the negative output angle, especially at the relatively large negative output angle, increases. These results suggest that when diffractive elements including the main diffractive element and the auxiliary diffractive element are used, the diffraction efficiency of the negative diffracted light can also increase as the number of auxiliary diffractive elements increases. This suggestion becomes clearer from the results of Fig. 11.

도 11은 회절요소가 주 회절요소만 포함하는 경우의 회절효율(G1)과, 회절요소가 주 회절요소와 1개의 보조 회절요소를 포함하는 경우의 회절효율(G2)과, 회절요소가 주 회절요소와 2개의 보조 회절요소를 포함하는 경우의 회절효율(G3)과, 회절요소가 주 회절요소와 3개의 보조 회절요소를 포함하는 경우의 회절효율(G4)을 보여준다.Figure 11 shows the diffraction efficiency (G1) when the diffraction element includes only a primary diffraction element, the diffraction efficiency (G2) when the diffraction element includes a primary diffraction element and one auxiliary diffraction element, the diffraction efficiency (G3) when the diffraction element includes a primary diffraction element and two auxiliary diffraction elements, and the diffraction efficiency (G4) when the diffraction element includes a primary diffraction element and three auxiliary diffraction elements.

도 11의 제1 내지 제4 그래프(G1-G4)를 비교하면, 음의 출력각의 각도가 큰 영역에서 1개의 보조 회절요소를 포함하는 회절요소에서 3개의 보조 회절요소를 포함하는 회절요소의 순서로 회절효율(G4)이 높아진다. 이러한 결과는 주 회절요소와 보조 회절요소를 포함하는 회절요소가 사용되는 경우, 보조 회절요소의 수가 증가하면서 음의 회절광의 회절효율도 높아지며, 음의 출력각이 상대적으로 큰 영역(예컨대, -40°를 포함하는 영역)에서 그러한 현상이 뚜렷함을 시사한다.Comparing the first to fourth graphs (G1-G4) of Fig. 11, the diffraction efficiency (G4) increases in the order of diffraction elements including one auxiliary diffraction element to diffraction elements including three auxiliary diffraction elements in the region where the negative output angle is large. This result suggests that when diffraction elements including a main diffraction element and an auxiliary diffraction element are used, the diffraction efficiency of negative diffraction light increases as the number of auxiliary diffraction elements increases, and such a phenomenon is evident in a region where the negative output angle is relatively large (for example, a region including -40°).

도 11의 결과로부터 양의 출력각을 갖는 회절광의 회절효율을 높이는데, 주 회절요소만 포함하는 회절요소가 유리하고, 음의 출력각을 갖는 회절광의 회절효율을 높이기 위해서는 주 회절요소와 보조 회절요소를 포함하는 회절요소가 유리함을 알 수 있다. From the results in Fig. 11, it can be seen that in order to increase the diffraction efficiency of diffracted light having a positive output angle, a diffraction element including only a main diffraction element is advantageous, and in order to increase the diffraction efficiency of diffracted light having a negative output angle, a diffraction element including a main diffraction element and an auxiliary diffraction element is advantageous.

다음에는 일 실시예에 의한 회절격자 소자의 다양한 적용예를 설명한다. 일 실시예에 의한 회절격자 소자는 하기 설명된 적용예외에도 다양한 장치에 적용될 수 있다.Next, various application examples of the diffraction grating element according to one embodiment are described. The diffraction grating element according to one embodiment can be applied to various devices even without the application exceptions described below.

도 12a 내지 도 12c는 일 실시예에 의한 회절격자 소자가 빔 확장기(beam expander)로 사용된 경우를 보여준다.Figures 12a to 12c show a case where a diffraction grating element according to one embodiment is used as a beam expander.

도 12a를 참조하면, 광원(90)으로부터 회절격자 소자(92)에 광이 입사된다. 이때, 기준선(13L)에 대한 광의 입사각은 45°보다 클 수 있다. 이와 같이 기준선(13L)에 대해 큰 입사각으로 입사되기 때문에, 입사광은 회절격자 소자(92)의 상부면에 대해서는 비스듬하게 입사되고, 경사각은 45° 보다 작게 된다. 여기서 경사각은 광원(90)으로부터 방출된 광과 회절격자 소자(92)의 상부면 사이의 각을 말한다. 이와 같이 광원(90)에서 방출된 광은 회절격자 소자(92)의 상부면에 비스듬하게 입사되므로, 광 방출 구경이 작은 광원으로도 회절격자 소자(92)의 상부면의 넓은 면을 비출 수 있다. 광원(90)의 구경이 정해진 경우라면, 광원(90)에서 방출되는 광, 곧 회절격자 소자(92)에 입사되는 광과 회절격자 소자(92)의 상부면 사이의 경사각을 조절하여 광원(90)에서 방출되는 광이 회절격자 소자(92)의 상부면 전체에 도달되게 할 수 있다. 이에 따라, 회절격자 소자(92)의 상부면 전체에서 회절광이 발생될 수 있다. 회절격자 소자(92)의 상부면에 배치된 회절요소들이 모두 동일한 회절특성을 갖는 것이라면, 도 12a 내지 도 12c에 도시한 바와 같이 회절격자 소자(92)의 상부면 전체에서 주어진 방향을 향하는 평행한 회절광(94, 94a, 94b), 곧 평행광이 방출될 수 있다.Referring to FIG. 12A, light is incident on the diffraction grating element (92) from the light source (90). At this time, the incident angle of the light with respect to the reference line (13L) may be greater than 45°. Since the incident light is incident at a large incident angle with respect to the reference line (13L) in this way, the incident light is incident obliquely on the upper surface of the diffraction grating element (92), and the inclination angle becomes smaller than 45°. Here, the inclination angle refers to the angle between the light emitted from the light source (90) and the upper surface of the diffraction grating element (92). Since the light emitted from the light source (90) is obliquely incident on the upper surface of the diffraction grating element (92) in this way, even a light source with a small light emission aperture can illuminate a wide area of the upper surface of the diffraction grating element (92). If the aperture of the light source (90) is fixed, the angle of inclination between the light emitted from the light source (90), that is, the light incident on the diffraction grating element (92), and the upper surface of the diffraction grating element (92) can be adjusted so that the light emitted from the light source (90) reaches the entire upper surface of the diffraction grating element (92). Accordingly, diffracted light can be generated from the entire upper surface of the diffraction grating element (92). If all the diffraction elements arranged on the upper surface of the diffraction grating element (92) have the same diffraction characteristics, as illustrated in FIGS. 12a to 12c, parallel diffracted light (94, 94a, 94b), that is, parallel light, directed in a given direction can be emitted from the entire upper surface of the diffraction grating element (92).

회절격자 소자(92)는 도 1의 회절격자 소자(5)일 수 있다. 이때, 복수의 회절요소(20)는 모두 동일한 회절특성을 갖는 것일 수 있다. 일 예로, 복수의 회절요소(20)가 양의 회절특성을 갖는 것으로, 기준선(10L1)에 대한 출력각이 0°인 회절광을 발생시키는 회절요소인 경우, 회절격자 소자(92)의 상부면에 입사된 광은 회절요소(20)에 의해 회절된다. 이 결과, 도 12a에 도시한 바와 같이, 회절격자 소자(92)의 상부면에 수직한 방향으로 진행하는 평행한 회절광(94)이 발생된다.곧, 회절격자 소자(92)의 상부면 전체에서 기준선(13L)에 평행한 광이 발생된다.The diffraction grating element (92) may be the diffraction grating element (5) of FIG. 1. At this time, the plurality of diffraction elements (20) may all have the same diffraction characteristic. For example, if the plurality of diffraction elements (20) have positive diffraction characteristics and are diffraction elements that generate diffracted light having an output angle of 0° with respect to the reference line (10L1), light incident on the upper surface of the diffraction grating element (92) is diffracted by the diffraction element (20). As a result, as illustrated in FIG. 12A, parallel diffracted light (94) that propagates in a direction perpendicular to the upper surface of the diffraction grating element (92) is generated. In other words, light parallel to the reference line (13L) is generated on the entire upper surface of the diffraction grating element (92).

복수의 회절요소(20)가 양의 회절특성을 갖는 것으로, 0보다 큰 양의 출력각을 갖는 회절광을 발생시키는 회절요소인 경우, 회절격자 소자(92)의 상부면에 입사된 광은 회절요소(20)에 의해 회절된다. 이 결과, 도 12b에 도시한 바와 같이, 기준선(13L)의 좌측으로, 곧 양의 출력각을 갖는 방향으로 진행하는 평행한 회절광(94a)이 발생된다. 달리 말하면, 회절격자 소자(92)의 상부면 전체에서 기준선(13L) 좌측으로 진행하고, 기준선(13L)에 대해 동일한 각을 갖는 평행한 광(94a)이 발생된다.When a plurality of diffraction elements (20) have positive diffraction characteristics and are diffraction elements that generate diffracted light having a positive output angle greater than 0, light incident on the upper surface of the diffraction grating element (92) is diffracted by the diffraction elements (20). As a result, as shown in Fig. 12b, parallel diffracted light (94a) that travels to the left of the reference line (13L), that is, in a direction having a positive output angle, is generated. In other words, parallel light (94a) that travels to the left of the reference line (13L) on the entire upper surface of the diffraction grating element (92) and has the same angle with respect to the reference line (13L) is generated.

복수의 회절요소(20)가 음의 회절특성을 갖는 것으로, 음의 출력각을 갖는 회절광을 발생시키는 회절요소(주 회절요소+보조 회절요소)인 경우, 회절격자 소자(92)의 상부면에 입사된 광은 회절요소(20)에 의해 회절된다. 이 결과, 도 12c에 도시한 바와 같이, 기준선(13L)의 우측으로, 곧 음의 출력각을 갖는 방향으로 진행하는 평행한 회절광(94b)이 발생된다. 달리 말하면, 회절격자 소자(92)의 상부면 전체에서 기준선(13L) 우측으로 진행하고, 기준선(13L)에 대해 동일한 각을 갖는 평행한 광(94b)이 발생된다.In the case where a plurality of diffraction elements (20) have negative diffraction characteristics and are diffraction elements (main diffraction element + auxiliary diffraction element) that generate diffracted light having a negative output angle, light incident on the upper surface of the diffraction grating element (92) is diffracted by the diffraction elements (20). As a result, as shown in Fig. 12c, parallel diffracted light (94b) that travels to the right of the reference line (13L), that is, in the direction having a negative output angle, is generated. In other words, parallel light (94b) that travels to the right of the reference line (13L) on the entire upper surface of the diffraction grating element (92) and has the same angle with respect to the reference line (13L) is generated.

상술한 실시예들에 의한 빅 확장기들의 경우, 입사광이 45°보다 큰 입사각으로, 예컨대 80°이상의 입사각으로 비스듬하게 회절격자 소자(92)에 입사되므로, 장치의 전체 부피를 얇게 가져갈 수 있고, 장치를 소형화할 수 있다. In the case of the big expanders according to the embodiments described above, since the incident light is obliquely incident on the diffraction grating element (92) at an incident angle greater than 45°, for example, at an incident angle greater than 80°, the overall volume of the device can be made thin and the device can be miniaturized.

도 13은 일 실시예에 의한 회절격자 소자가 렌즈로 사용된 경우를 보여준다. 도 13에서 회절격자 소자(102)는 앞에서 설명된 것이므로, 그 자세한 구성은 생략하였다.Fig. 13 shows a case where a diffraction grating element according to one embodiment is used as a lens. Since the diffraction grating element (102) in Fig. 13 has been described above, its detailed configuration is omitted.

도 13을 참조하면, 렌즈로 사용된 회절격자 소자(102)는 상부면에 앞에서 설명한 서로 다른 회절특성을 갖는 회절요소들을 포함한다. 이러한 회절요소들은 도 1 내지 도 3과 도 7 등에서 설명한 양의 회절특성을 갖는 회절요소와 음의 회절특성을 갖는 회절요소를 포함할 수 있다.Referring to Fig. 13, the diffraction grating element (102) used as a lens includes diffraction elements having different diffraction characteristics as described above on the upper surface. These diffraction elements may include diffraction elements having positive diffraction characteristics and diffraction elements having negative diffraction characteristics as described in Figs. 1 to 3 and Fig. 7, etc.

일 예로, 회절격자 소자(102)의 상부면의 제1 영역(102A)에 음의 회절특성을 갖는 회절요소들이 배치될 수 있고, 제2 영역(102B)에 양의 회절특성을 갖는 회절요소들이 배치될 수 있다. 제1 영역(102A)에 배치된 회절요소들의 경우, 모두 음의 회절특성을 갖는 것이지만, 회절격자 소자(102)가 렌즈 특성을 나타내도록 하기 위해 서로 간에 출력각이 다르도록 배치될 수 있다. 이를 위해, 제1 영역(102)에 배치된 회절요소들의 피치는 서로 다를 수 있는데, 일 예로, 회절요소들의 피치는 회절격자 소자(102)의 가장자리에서 중심으로 갈수록 점차 증가하거나 작아질 수 있다. 여기서 피치는 주 회절요소들 사이의 피치를 의미한다. For example, diffraction elements having negative diffraction characteristics may be arranged in a first region (102A) of an upper surface of a diffraction grating element (102), and diffraction elements having positive diffraction characteristics may be arranged in a second region (102B). In the case of the diffraction elements arranged in the first region (102A), all have negative diffraction characteristics, but they may be arranged so that their output angles are different from each other so that the diffraction grating element (102) exhibits lens characteristics. To this end, the pitches of the diffraction elements arranged in the first region (102) may be different from each other. For example, the pitches of the diffraction elements may gradually increase or decrease from the edge to the center of the diffraction grating element (102). Here, the pitch means the pitch between main diffraction elements.

제2 영역(102B)에 배치된 회절요소들의 회절특성은 제1 영역(102A)에 배치된 회절요소들의 회절특성과 다르다. 제2 영역(102B)에 배치된 회절요소들의 회절특성은 제1 영역(102A)에 배치된 회절요소들의 회절특성과 정반대일 수 있다. 제2 영역(102B)에 배치된 회절요소들은 모두 양의 회절특성을 갖는 회절요소를 포함한다. 제2 영역(102B)에 배치된 회절요소들은 모두 양의 회절특성을 갖지만, 회절요소들 간의 피치는 다를 수 있다. 일 예로 제2 영역(102B)에 배치된 회절요소들의 경우, 회절격자 소자(102)의 가장자리에서 중심으로 갈수록 회절요소들 간의 피치는 증가하거나 작아질 수 있다. 회절격자 소자(102)의 상부면의 중심에는 입사광을 수직으로 회절시키는 중심 회절요소가 있을 수 있다. 상기 중심 회절요소는 양의 회절특성을 갖는 것일 수 있다. 일 예에서 제2 영역(102B)에 배치된 회절요소들 중 회절격자 소자(102)의 상부면 중심에 배치된 것 또는 제1 영역(102A)에 가장 가깝게 배치된 회절요소가 상기 중심 회절요소 역할을 할 수도 있다.The diffraction characteristics of the diffraction elements arranged in the second region (102B) are different from the diffraction characteristics of the diffraction elements arranged in the first region (102A). The diffraction characteristics of the diffraction elements arranged in the second region (102B) may be opposite to the diffraction characteristics of the diffraction elements arranged in the first region (102A). All of the diffraction elements arranged in the second region (102B) include diffraction elements having positive diffraction characteristics. All of the diffraction elements arranged in the second region (102B) have positive diffraction characteristics, but the pitches between the diffraction elements may be different. For example, in the case of the diffraction elements arranged in the second region (102B), the pitch between the diffraction elements may increase or decrease from the edge to the center of the diffraction grating element (102). There may be a center diffraction element at the center of the upper surface of the diffraction grating element (102) that diffracts incident light vertically. The above-mentioned central diffraction element may have a positive diffraction characteristic. In one example, among the diffraction elements arranged in the second region (102B), the one arranged at the center of the upper surface of the diffraction grating element (102) or the diffraction element arranged closest to the first region (102A) may serve as the central diffraction element.

이러한 회절격자 소자(102)에 광원(90)으로부터 제1 영역(102A)에 입사되는 광은 회절되어 음의 출력각을 갖는 광, 곧 기준선(14L)의 우측방향을 향해 진행하는 광이 된다. 상술한 바와 같이, 제1 영역(102A)에 배치된 회절요소들은 회절격자 소자(102)의 가장자리에서 중심으로 피치가 순차적으로 다르게 배치될 수 있고, 도 14의 경우, 회절격자 소자(102)의 가장자리에서 중심으로 갈수록 회절광(102C)의 출력각이 감소하도록 제1 영역(102A)의 회절요소들의 피치가 설정되어 있는 바, 제1 영역(102A)에서 회절되는 광의 음의 출력각도 회절격자 소자(102)의 가장자리에서 중심으로 갈수록 순차적으로 감소된다. 결과적으로, 제1 영역(102A)에서 발생되는 회절광(102C)은 기준선(14L) 상의 한 위치(point)를 향하게 된다.Light incident on the first region (102A) from the light source (90) to the diffraction grating element (102) is diffracted and becomes light having a negative output angle, that is, light traveling toward the right side of the reference line (14L). As described above, the diffraction elements arranged in the first region (102A) can be arranged with different pitches sequentially from the edge to the center of the diffraction grating element (102), and in the case of FIG. 14, the pitch of the diffraction elements in the first region (102A) is set so that the output angle of the diffracted light (102C) decreases from the edge to the center of the diffraction grating element (102), so that the negative output angle of the light diffracted in the first region (102A) also decreases sequentially from the edge to the center of the diffraction grating element (102). As a result, the diffracted light (102C) generated in the first region (102A) is directed toward one location (point) on the reference line (14L).

반대로, 광원(90)으로부터 제2 영역(102B)에 입사되는 광은 회절되어 양의 출력각을 갖는 광, 곧 기준선(14L)의 좌측방향을 향해 진행하는 광이 된다. 제1 영역(102A)에 배치된 회절요소들과 마찬가지로, 제2 영역(102B)에 배치된 회절요소들의 피치도 회절격자 소자(102)의 가장자리에서 중심으로 갈수록 순차적으로 증가하거나 감소한다. 도 14의 경우, 제2 영역(102B)에 배치된 회절요소들의 피치는 회절격자 소자(102)의 가장자리에서 중심으로 갈수록 회절광(102D)의 출력각이 감소하도록 설정되었는 바, 제2 영역(102B)에서 회절되는 광의 양의 출력각도 회절격자 소자(102)의 가장자리에서 중심으로 갈수록 점차 감소하게 된다. 결과적으로, 제2 영역(102B)에 발생되는 회절광(102D)도 기준선(14L) 상의 상기 위치를 향하게 된다.In contrast, light incident on the second region (102B) from the light source (90) is diffracted and becomes light having a positive output angle, that is, light traveling toward the left side of the reference line (14L). Similar to the diffractive elements arranged in the first region (102A), the pitch of the diffractive elements arranged in the second region (102B) also sequentially increases or decreases from the edge to the center of the diffraction grating element (102). In the case of FIG. 14, the pitch of the diffractive elements arranged in the second region (102B) is set so that the output angle of the diffracted light (102D) decreases from the edge to the center of the diffraction grating element (102), and thus the positive output angle of the light diffracted in the second region (102B) also gradually decreases from the edge to the center of the diffraction grating element (102). As a result, the diffracted light (102D) generated in the second region (102B) also faces the above position on the reference line (14L).

결국, 회절격자 소자(102)는 광원(90)으로부터 입사되는 광을 회절시켜 어느 한 위치에 모으는 역할을 한다. 곧, 회절격자 소자(102)는 볼록렌즈 또는 오목거울과 동등한 역할을 한다.Ultimately, the diffraction grating element (102) diffracts light incident from a light source (90) and focuses it at a certain location. In other words, the diffraction grating element (102) plays a role equivalent to a convex lens or a concave mirror.

한편, 제1 영역(102A)에 배치된 회절요소들과 제2 영역(102B)에 배치된 회절요소들이 서로 반대되는 회절특성을 갖는 경우, 예컨대, 제1 영역(102A)에 배치된 회절요소들이 양의 회절특성을 갖는 것이고, 제2 영역(102B)에 배치된 회절요소들이 음의 회절특성을 갖는 것이면, 회절격자 소자(102)는 광원(90)으로부터 입사되는 광을 발산시키는 광학요소 역할을 할 수 있다.Meanwhile, if the diffraction elements arranged in the first region (102A) and the diffraction elements arranged in the second region (102B) have diffraction characteristics that are opposite to each other, for example, if the diffraction elements arranged in the first region (102A) have positive diffraction characteristics and the diffraction elements arranged in the second region (102B) have negative diffraction characteristics, the diffraction grating element (102) can serve as an optical element that emits light incident from a light source (90).

이와 같이, 일 실시예에 의한 회절격자 소자는 다양한 광학요소로 사용될 수 있는 바, 여러 광학장치들, 예컨대 AR장치, VR장치, 라이트필드 디스플레이 회절 광학요소 등에 적용될 수 있다.In this way, the diffraction grating element according to one embodiment can be used as a variety of optical elements, and can be applied to various optical devices, such as AR devices, VR devices, and light field display diffraction optical elements.

도 14는 일 실시예에 의한 회절격자 소자가 디스플레이 장치의 한 구성요소로 사용된 경우를 보여준다.Figure 14 shows a case where a diffraction grating element according to one embodiment is used as a component of a display device.

도 14를 참조하면, 디스플레이 장치(150)는 광원(110), 공간 광 변조기(Spatial Light Modulator, SLM)(112) 및 회절광학요소(116)를 포함한다. 광원(110)는 평행광을 방출하는 광원일 수 있다. 광원(110)은 이미지를 제공하는 장치를 포함할 수도 있다. 공간 광 변조기(112)는 광원(110)과 회절광학요소(116) 사이에 배치되어 있다. 공간 광 변조기(112)는 광원(110)으로부터 입사되는 광 혹은 이미지의 세기와 위상을 주어진 신호에 따라 변조하여 회절광학요소(116)에 전달한다. 회절광학요소(116)는 공간 광 변조기(112)로부터 입사되는 광 혹은 이미지를 시청자(118)에 제공한다. 회절광학요소(116)는 일 실시예에 의한 회절격자 소자로써, 렌즈 역할을 하는 회절격자 소자일 수 있다. 회절광학요소(116)는 공간 광 변조기(112)로부터 광이 입사되는 면(116S)에 형성된 복수의 회절요소들을 포함할 수 있다. 이 회절요소들은 도 14에서 설명한 바와 같이 렌즈역할을 하도록 배치될 수 있다.Referring to FIG. 14, the display device (150) includes a light source (110), a spatial light modulator (SLM) (112), and a diffractive optical element (116). The light source (110) may be a light source that emits parallel light. The light source (110) may also include a device that provides an image. The spatial light modulator (112) is arranged between the light source (110) and the diffractive optical element (116). The spatial light modulator (112) modulates the intensity and phase of light or an image incident from the light source (110) according to a given signal and transmits the modulated light or an image to the diffractive optical element (116). The diffractive optical element (116) provides the light or an image incident from the spatial light modulator (112) to the viewer (118). The diffractive optical element (116) may be a diffractive grating element according to one embodiment, and may be a diffractive grating element that acts as a lens. The diffractive optical element (116) may include a plurality of diffractive elements formed on a surface (116S) on which light is incident from the spatial light modulator (112). These diffractive elements may be arranged to act as lenses as described in FIG. 14.

도 15는 일 실시예에 의한 회절격자 소자를 포함하는 광학장치(160)를 보여준다. 도 15에 소개된 회절격자 소자들은 앞에서 설명한 회절격자 소자에 해당하는 바, 광 입사면에 배치된 회절요소들은 도시하지 않았다.Fig. 15 shows an optical device (160) including a diffraction grating element according to one embodiment. The diffraction grating elements introduced in Fig. 15 correspond to the diffraction grating elements described above, and the diffraction elements arranged on the light incident surface are not shown.

도 15를 참조하면, 일 실시예에 의한 회절격자 소자를 포함하는 광학장치(160)는 제1 회절격자 소자(130), 제2 회절격자 소자(132) 및 광원(134)을 포함한다. 광원(134)은 팽행광을 방출하는 광원일 수 있는데, 예를 들면, 레이저를 방출하는 광원이거나 광 방출 다이오드를 포함하는 광원일 수 있다. 제2 회절격자 소자(132)는 광원(134)과 제1 회절격자 소자(130) 사이에 배치되어 있다. 광원(134)과 제2 회절격자 소자(132)의 배치관계는 앞에서 설명한 실시예들에 의한 회절격자 소자들 중 어느 하나의 광원과 회절격자 소자의 배치관계, 예를 들면, 도 12a 내지 도 12c 중 어느 하나에 도시된 광원(90)과 회절격자 소자(92)의 배치관계를 따를 수 있다. 따라서 광원(134)으로부터 방출된 광(134L)은 제2 회절격자 소자(132)의 광 입사면에 대해 45°보다 작은 경사각으로 비스듬하게 입사된다. 제2 회절격자 소자(132)는 광원(134)으로부터 입사된 광을 회절시켜 제1 회절격자 소자(130)에 전달한다. 제1 및 제2 회절격자 소자(130, 132)의 회절특성은 서로 동일하거나 다를 수 있다. 일 예로 제1 및 제2 회절격자 소자(130, 132)는 빔 확장기의 경우처럼 평행한 회절광을 발생시키는 회절격자 소자일 수 있다. 다른 예에서, 제2 회절격자 소자(132)는 빔 확장기처럼 평행한 회절광을 발생시키는 회절격자 소자이고, 제1 회절격자 소자(130)는 평행한 회절광 또는 비 평행한 회절광을 발생시키는 회절격자 소자일 수 있다. 여기서 비 평행한 회절광은 회절후 주어진 위치에 수렴하는 광 또는 회절후 발산되는 광을 포함할 수 있다. 제1 회절격자 소자(130)는 앞에서 빔 확장기 역할을 하는 회절격자 소자(예, 도 12a 내지 도 12c 중 어느 하나의 회절격자 소자) 또는 앞에서 설명한 렌즈 역할을 하는 회절격자 소자(예, 도 13의 회절격자 소자)일 수 있다. 제2 회절격자 소자(132)는 앞에서 설명한 빔 확장기 역할을 하는 회절격자 소자일 수 있다. 제2 회절격자 소자(132)는 제1 회절격자 소자(130)에 평행한 광을 입사광으로 제공한다. 이러한 점에서 제2 회절격자 소자(132)는 제1 회절격자 소자(130)에 대해 광원의 역할을 할 수 있다. 따라서 광원(134)과 제2 회절격자 소자(132)를 결합한 것은 제1 회절격자 소자(130)에 입사광을 제공하는 광원장치나 광원부로 간주될 수도 있다. 이러한 기술적 사상은 후술되는 2개의 회절격자 소자를 포함하는 다른 예에도 적용될 수 있다. Referring to FIG. 15, an optical device (160) including a diffraction grating element according to one embodiment includes a first diffraction grating element (130), a second diffraction grating element (132), and a light source (134). The light source (134) may be a light source that emits parabolic light, for example, a light source that emits a laser or a light source including a light-emitting diode. The second diffraction grating element (132) is arranged between the light source (134) and the first diffraction grating element (130). The arrangement relationship between the light source (134) and the second diffraction grating element (132) may follow the arrangement relationship between the light source and the diffraction grating element of any one of the diffraction grating elements according to the embodiments described above, for example, the arrangement relationship between the light source (90) and the diffraction grating element (92) illustrated in any one of FIGS. 12A to 12C. Therefore, the light (134L) emitted from the light source (134) is obliquely incident at an angle of less than 45° with respect to the light incident surface of the second diffraction grating element (132). The second diffraction grating element (132) diffracts the light incident from the light source (134) and transmits it to the first diffraction grating element (130). The diffraction characteristics of the first and second diffraction grating elements (130, 132) may be the same or different. For example, the first and second diffraction grating elements (130, 132) may be diffraction grating elements that generate parallel diffracted light, like in the case of a beam expander. In another example, the second diffraction grating element (132) may be a diffraction grating element that generates parallel diffracted light, like a beam expander, and the first diffraction grating element (130) may be a diffraction grating element that generates parallel diffracted light or non-parallel diffracted light. Here, the non-parallel diffracted light may include light that converges at a given position after diffraction or light that diverges after diffraction. The first diffraction grating element (130) may be a diffraction grating element that functions as a beam expander (e.g., the diffraction grating element of any one of FIGS. 12A to 12C) or a diffraction grating element that functions as a lens as described above (e.g., the diffraction grating element of FIG. 13). The second diffraction grating element (132) may be a diffraction grating element that functions as a beam expander as described above. The second diffraction grating element (132) provides light parallel to the first diffraction grating element (130) as incident light. In this respect, the second diffraction grating element (132) may function as a light source for the first diffraction grating element (130). Therefore, the combination of the light source (134) and the second diffraction grating element (132) may be considered as a light source device or light source unit that provides incident light to the first diffraction grating element (130). This technical idea may also be applied to other examples including two diffraction grating elements described below.

광학장치(160)의 동작을 살펴보면, 광원(134)으로부터 제2 회절격자 소자(132)에 입사되는 광(134L)은 제2 회절격자 소자(132)에 의해 회절된다. 제2 회절격자 소자(132)는 빔 확장기 역할을 할 수 있다. 따라서 제2 회절격자 소자(132)로부터 평행한 회절광(132L)이 발생된다. 제2 회절격자 소자(132)로부터 발생된 회절광(132L)은 제1 회절격자 소자(130)의 상부면에 대해 비스듬하게 입사된다. 이때, 경사각(θ2)은 45°보다 작을 수 있는데, 예를 들면 30°이하일 수 있다. 제2 회절격자 소자(132)와 제1 회절격자 소자(130)의 배치관계는 도 12a 내지 도 12c에 도시한 광원(90)과 회절격자 소자(92)의 배치관계를 따를 수 있다. 제1 회절격자 소자(130)가 빔 확장기일 경우, 제1 회절격자 소자(130)에 입사된 광(132L)은 도시된 바와 같이 제1 회절격자 소자(130)의 상부면에 수직한 방향으로 회절되고, 회절된 광(130L)은 평행광이 된다.Looking at the operation of the optical device (160), light (134L) incident on the second diffraction grating element (132) from the light source (134) is diffracted by the second diffraction grating element (132). The second diffraction grating element (132) can act as a beam expander. Therefore, parallel diffracted light (132L) is generated from the second diffraction grating element (132). The diffracted light (132L) generated from the second diffraction grating element (132) is incident obliquely with respect to the upper surface of the first diffraction grating element (130). At this time, the inclination angle (θ2) can be less than 45°, for example, 30° or less. The arrangement relationship between the second diffraction grating element (132) and the first diffraction grating element (130) may follow the arrangement relationship between the light source (90) and the diffraction grating element (92) illustrated in FIGS. 12A to 12C. When the first diffraction grating element (130) is a beam expander, light (132L) incident on the first diffraction grating element (130) is diffracted in a direction perpendicular to the upper surface of the first diffraction grating element (130) as illustrated, and the diffracted light (130L) becomes parallel light.

한편, 광원(134)으로부터 방출되는 광(134L)은 단색광이지만, 완벽한 단색광은 아니다. 곧, 광원(134)은 설정된 단일 파장의 광을 방출하는 광원이지만, 설정된 단일 파장의 광만을 완벽히 방출시키기는 현실적으로 어려울 수 있다. 결국, 광원(134)으로부터 방출된 광(134L)은 설정한 단일 파장을 중심 파장으로 포함하고, 더불어 상기 중심 파장에 근접한 파장(이하, 잡음 파장)도 포함한다. 이때, 상기 잡음 파장의 광의 세기는 상기 중심 파장의 광의 세기에 비해 극히 작다. 그렇지만, 광원(134)으로부터 방출된 광(134L)이 제2 회절격자 소자(132)에 의해 회절되는 과정에서 상기 잡음 파장에 해당하는 광도 함께 회절된다. 이에 따라 제2 회절격자 소자(132)로부터 발생된 회절광(132L)에 색 분산(chromatic dispersion)이 나타날 수 있다. 곧, 회절광(132l)은 상기 중심 파장에 대응하는 광의 회절에 의한 주 회절광을 포함하고, 더불어 상기 주 회절광의 진행 방향과 색이 다른, 상기 잡음 파장에 해당하는 광의 회절에 의한 잡음 회절광이 포함되어 있다. 잡음 회절광에 의한 영향은 근거리의 빔 확장이나 빔 포커싱 과정에서는 나타나지 않거나 미미하지만, 원거리 빔 확장이나 빔 포커싱에서는 영향이 나타날 수 있다. 회절광(132L)이 제1 회절격자 소자(130)에 의해 다시 회절되면서 상기 잡음 회절광이 제거될 수 있다. 이를 위해 제1 회절격자 소자(130)에 포함된 회절요소들의 피치는 제2 회절격자 소자(132)에 포함된 회절요소들의 피치와 동일할 수 있다. 제1 회절격자 소자(130)로부터 발생되는 회절광(130L)은 잡음 회절광을 포함하지 않는다.Meanwhile, the light (134L) emitted from the light source (134) is monochromatic light, but is not perfectly monochromatic light. That is, the light source (134) is a light source that emits light of a set single wavelength, but it may be realistically difficult to perfectly emit only light of a set single wavelength. As a result, the light (134L) emitted from the light source (134) includes the set single wavelength as a center wavelength, and also includes a wavelength (hereinafter, noise wavelength) close to the center wavelength. At this time, the intensity of the light of the noise wavelength is extremely small compared to the intensity of the light of the center wavelength. However, in the process in which the light (134L) emitted from the light source (134) is diffracted by the second diffraction grating element (132), the light corresponding to the noise wavelength is also diffracted. Accordingly, chromatic dispersion may appear in the diffracted light (132L) generated from the second diffraction grating element (132). Soon, the diffraction light (132l) includes main diffraction light resulting from diffraction of light corresponding to the central wavelength, and further includes noise diffraction light resulting from diffraction of light corresponding to the noise wavelength, the color of which is different from the propagation direction of the main diffraction light. The influence of the noise diffraction light does not appear or is minimal in a short-distance beam expansion or beam focusing process, but may appear in a long-distance beam expansion or beam focusing process. The noise diffraction light can be removed when the diffraction light (132L) is diffracted again by the first diffraction grating element (130). To this end, the pitch of the diffraction elements included in the first diffraction grating element (130) may be the same as the pitch of the diffraction elements included in the second diffraction grating element (132). The diffraction light (130L) generated from the first diffraction grating element (130) does not include noise diffraction light.

도 16은 일 실시예에 의한 회절격자 소자를 포함하는 다른 광학장치(170)를 보여준다. 도 16에 소개된 회절격자 소자들은 앞에서 설명한 회절격자 소자에 해당하는 바, 광 입사면에 배치된 회절요소들은 도시하지 않았다.Fig. 16 shows another optical device (170) including a diffraction grating element according to one embodiment. The diffraction grating elements introduced in Fig. 16 correspond to the diffraction grating elements described above, and the diffraction elements arranged on the light incident surface are not shown.

도 16을 참조하면, 광학장치(170)는 광원(146), 제1 회절격자 소자(140), 제2 회절격자 소자(142), 반사기(144)를 포함한다. 광원(146)에서 제1 회절격자 소자(140)까지의 광 경로 상에서 제2 회절격자 소자(142)는 광원(146)과 반사기(144) 사이에 배치되어 있다. 그리고 반사기(144)는 제1 회절격자 소자(140)와 제2 회절격자 소자(142) 사이에 배치되어 있다. 광원(146)은 제2 회절격자 소자(142)에 입사광을 제공하기 위한 것이다. 광원(146)은 구성과 역할에서 도 15의 광원(134)과 동일할 수 있다. 따라서 광원(146)으로 도 15의 광원(134)을 사용할 수도 있다. 제1 및 제2 회절격자 소자(140, 142)는 앞에서 설명한 회절격자 소자들 중 하나일 수 있다. 예컨대, 제1 회절격자 소자는 빔 확장기 역할을 하는 회절격자 소자일 수도 있고, 렌즈 역할을 하는 회절격자 소자일 수도 있다. 제2 회절격자 소자(142)는 광원(146)으로부터 입사되는 광을 회절시켜 반사기(144)에 평행광을 제공하는 회절격자 소자일 수 있다. 제2 회절격자 소자(142)는 빔 확장기 역할을 하는 회절격자 소자일 수 있다. 광원(146)과 제2 회절격자 소자(142)의 배치관계는 도 15의 광원(134)과 제2 회절격자 소자(132)의 배치관계를 따를 수 있다. 반사기(144)는 일면을 통해 제2 회절격자 소자(142)로부터 입사되는 광을 제1 회절격자 소자(140)의 회절면(예, 상부면)으로 반사시킨다. 곧, 반사기(144)는 제2 회절격자 소자(142)의 회절광을 제1 회절격자 소자(140)에 전달하는 광 전달요소의 하나일 수 있다. 반사기(144)는 프리즘이거나 프리즘을 포함하는 반사장치일 수 있다. 반사기(144)로 프리즘외에 미러 등 다른 반사기구나 장치를 사용할 수도 있다. 반사기(144)는 제2 회절격자 소자(142)로부터 입사되는 광을 반사시켜 제1 회절격자 소자(140)의 회절면에 주어진 경사각(θ3)으로 비스듬하게 입사시킨다. 경사각(θ3)은 45°이하일 수 있는데, 일 예로 30°이하일 수 있다. 이와 같은 제1 회절격자 소자(140)에 입사되는 입사각을 고려한 반사기(144)와 제1 회절격자 소자(140)의 배치관계는 도 15의 제1 회절격자 소자(130)와 제2 회절격자 소자(132)의 배치관계를 따를 수 있다. 곧, 반사기(144)는 제1 회절격자 소자(140)와 제2 회절격자 소자(142) 사이에서 제1 회절격자 소자(140)에 대한 상기 광 입사 조건이 유지되도록 배치될 수 있다.Referring to FIG. 16, the optical device (170) includes a light source (146), a first diffraction grating element (140), a second diffraction grating element (142), and a reflector (144). On the optical path from the light source (146) to the first diffraction grating element (140), the second diffraction grating element (142) is disposed between the light source (146) and the reflector (144). And the reflector (144) is disposed between the first diffraction grating element (140) and the second diffraction grating element (142). The light source (146) is for providing incident light to the second diffraction grating element (142). The light source (146) may be the same as the light source (134) of FIG. 15 in terms of configuration and role. Therefore, the light source (134) of FIG. 15 may also be used as the light source (146). The first and second diffraction grating elements (140, 142) may be one of the diffraction grating elements described above. For example, the first diffraction grating element may be a diffraction grating element that functions as a beam expander or a diffraction grating element that functions as a lens. The second diffraction grating element (142) may be a diffraction grating element that diffracts light incident from a light source (146) to provide parallel light to a reflector (144). The second diffraction grating element (142) may be a diffraction grating element that functions as a beam expander. The arrangement relationship between the light source (146) and the second diffraction grating element (142) may follow the arrangement relationship between the light source (134) and the second diffraction grating element (132) of FIG. 15. The reflector (144) reflects light incident from the second diffraction grating element (142) through one surface to the diffraction surface (e.g., the upper surface) of the first diffraction grating element (140). That is, the reflector (144) may be one of the light transmission elements that transmits the diffracted light of the second diffraction grating element (142) to the first diffraction grating element (140). The reflector (144) may be a prism or a reflection device including a prism. In addition to a prism, other reflection devices or devices such as a mirror may be used as the reflector (144). The reflector (144) reflects light incident from the second diffraction grating element (142) and causes it to be obliquely incident on the diffraction surface of the first diffraction grating element (140) at a given inclination angle (θ3). The inclination angle (θ3) may be 45° or less, and for example, 30° or less. The arrangement relationship between the reflector (144) and the first diffraction grating element (140) considering the incident angle incident on the first diffraction grating element (140) may follow the arrangement relationship of the first diffraction grating element (130) and the second diffraction grating element (132) of Fig. 15. That is, the reflector (144) may be arranged between the first diffraction grating element (140) and the second diffraction grating element (142) such that the above light incidence condition for the first diffraction grating element (140) is maintained.

제2 회절격자 소자(142)로부터 발생되는 회절광은 평행광이다. 따라서 반사기(144)에서 제1 회절격자 소자(140)로 입사되는 광도 평행광이다. 반사기(144)로부터 반사되는 광은 제1 회절격자 소자(140)의 상기 회절면 전체에 동시에 입사될 수 있다. 제1 회절격자 소자(140)가 빔 확장기 역할을 하는 회절격자 소자일 경우, 제1 회절격자 소자(140)로부터 발생되는 회절광은 도 16에 도시한 바와 같이 평행광일 수 있다. 점선 화살표들은 제1 회절격자 소자(140)의 상기 회절면에 형성된 회절요소들이 모두 양의 회절특성을 갖는 경우(왼쪽 화살표) 또는 음의 회절특성을 갖는 경우(우측 화살표)에 평행한 회절광의 진행 방향을 나타낸다.The diffracted light generated from the second diffraction grating element (142) is parallel light. Therefore, the light incident from the reflector (144) to the first diffraction grating element (140) is also parallel light. The light reflected from the reflector (144) can be incident simultaneously on the entire diffraction surface of the first diffraction grating element (140). When the first diffraction grating element (140) is a diffraction grating element that functions as a beam expander, the diffracted light generated from the first diffraction grating element (140) can be parallel light, as illustrated in FIG. 16. The dotted arrows indicate the propagation direction of the parallel diffracted light when all diffraction elements formed on the diffraction surface of the first diffraction grating element (140) have positive diffraction characteristics (left arrow) or when they have negative diffraction characteristics (right arrow).

도 17은 일 실시예에 의한 회절격자 소자를 포함하는 또 다른 광학장치(180)를 보여준다. Fig. 17 shows another optical device (180) including a diffraction grating element according to one embodiment.

도 17을 참조하면, 광학장치(180)는 광원(186), 제1 회절격자 소자(182) 및 제2 회절격자 소자(184)를 포함한다. 광원(186)에서 시작되는 광 경로 상에서 제2 회절격자 소자(184)는 광원(186)과 제1 회절격자 소자(182) 사이에 배치되어 있다. 광원(186)은 평행광을 방출하는 광원일 수 있다. 일 예로 광원(186)은 레이저를 방출하는 광원 또는 LED를 포함하는 광원일 수 있다. 제1 및 제2 회절격자(182, 184)는 앞에서 설명한 실시예들에 의한 회절격자 소자들 중 어느 하나일 수 있다. 제1 회절격자 소자(182)는 도 12a 내지 도 12c에 도시한 바와 같이 광이 입사되는 회절면 전체에서 평행한 광을 발생시키는 회절격자 소자일 수 있다. 제1 회절격자 소자(182)는 또한 제1 회절격자 소자(182) 전방의 정해진 위치에 모이는 수렴광을 발생시키는 회절격자 소자일 수 있다. 이 경우에, 제1 회절격자 소자(182)는 도 13의 렌즈 역할을 하는 회절격자 소자일 수 있다. 제2 회절격자 소자(184)는 광원(186)으로 입사된 광을 회절시켜 제1 회절격자 소자(182)에 입사광(184L)을 제공한다. 입사광(184L)은 평행광일 수 있다. 제2 회절격자 소자(184)는, 예를 들면 도 12a에 도시한 회절격자 소자일 수 있다.Referring to FIG. 17, the optical device (180) includes a light source (186), a first diffraction grating element (182), and a second diffraction grating element (184). The second diffraction grating element (184) is disposed between the light source (186) and the first diffraction grating element (182) on an optical path starting from the light source (186). The light source (186) may be a light source that emits parallel light. For example, the light source (186) may be a light source that emits a laser or a light source including an LED. The first and second diffraction gratings (182, 184) may be any one of the diffraction grating elements according to the embodiments described above. The first diffraction grating element (182) may be a diffraction grating element that generates parallel light on the entire diffraction plane on which light is incident, as illustrated in FIGS. 12A to 12C. The first diffraction grating element (182) may also be a diffraction grating element that generates convergent light that is gathered at a predetermined position in front of the first diffraction grating element (182). In this case, the first diffraction grating element (182) may be a diffraction grating element that acts as a lens of FIG. 13. The second diffraction grating element (184) diffracts light incident from a light source (186) to provide incident light (184L) to the first diffraction grating element (182). The incident light (184L) may be parallel light. The second diffraction grating element (184) may be, for example, the diffraction grating element illustrated in FIG. 12A.

광원(186)과 제1 회절격자 소자(182)와 제2 회절격자 소자(184)는 입사광의 입사각을 고려하여 배치될 수 있다.The light source (186), the first diffraction grating element (182), and the second diffraction grating element (184) can be arranged in consideration of the incident angle of incident light.

구체적으로, 광원(186)과 제2 회절격자 소자(184)는 광원(186)으로부터 방출된 광이 제1 회절격자 소자(182)에 주어진 입사각으로 입사되도록 배치될 수 있다. 이때, 각의 측정은 제2 회절격자 소자(184)의 회절면(184S)에 수직한 기준선(법선)(도 18의 184V)을 기준으로 한다. 광원(186)으로부터 방출된 광이 제1 회절격자 소자(182)의 회절면(184S)에 입사되는 입사각은 45°보다 클 수 있는데, 일 예서 75°이상일 수 있다. 회절면(184S)을 기준으로 입사각을 측정할 경우, 상기 입사각은 45°보다 작을 수 있고, 일 예로 30°보다 작을 수 있다. Specifically, the light source (186) and the second diffraction grating element (184) may be arranged so that light emitted from the light source (186) is incident on the first diffraction grating element (182) at a given incident angle. At this time, the measurement of the angle is based on a reference line (normal line) (184V of FIG. 18) perpendicular to the diffraction plane (184S) of the second diffraction grating element (184). The incident angle at which the light emitted from the light source (186) is incident on the diffraction plane (184S) of the first diffraction grating element (182) may be greater than 45°, and in one example may be 75° or more. When the incident angle is measured based on the diffraction plane (184S), the incident angle may be less than 45°, and in one example may be less than 30°.

제2 회절격자 소자(184)의 회절면(184S)은 직사각형일 수 있다. 광원(186)과 제2 회절격자 소자(184)는 동일 평면 상에 배치될 수 있다. 광원(186)은 제2 회절격자 소자(184)의 측면에 배치되어 제2 회절격자 소자(184)의 길이 방향으로 회절면(184S)에 광을 조사한다. 제2 회절격자 소자(184)의 회절면(184S)에서 발생되는 회절광은 회절면(184S)에 수직하게 방출되는 평행광이다. 제2 회절격자 소자(184)의 회절면(184S)으로부터 발생되는 회절광(184L)은 제1 회절격자 소자(182)의 회절면(상부면)(182S) 전체 영역에 입사된다. The diffraction surface (184S) of the second diffraction grating element (184) may be rectangular. The light source (186) and the second diffraction grating element (184) may be arranged on the same plane. The light source (186) is arranged on a side surface of the second diffraction grating element (184) and irradiates light to the diffraction surface (184S) in the longitudinal direction of the second diffraction grating element (184). The diffraction light generated from the diffraction surface (184S) of the second diffraction grating element (184) is parallel light emitted perpendicularly to the diffraction surface (184S). The diffraction light (184L) generated from the diffraction surface (184S) of the second diffraction grating element (184) is incident on the entire area of the diffraction surface (upper surface) (182S) of the first diffraction grating element (182).

이러한 상황에서 제1 회절격자 소자(182)와 제2 회절격자 소자(184) 사이에도 광원(186)과 제2 회절격자 소자(184) 사이의 광 입사각 관계가 만족되어야 한다. 이러한 점을 고려할 때, 제1 및 제2 회절격자 소자(182, 184)는 도 18과 도 19에 도시한 바와 같이 배치될 수 있다.In this situation, the relationship of the light incidence angle between the light source (186) and the second diffraction grating element (184) must also be satisfied between the first diffraction grating element (182) and the second diffraction grating element (184). Considering this, the first and second diffraction grating elements (182, 184) can be arranged as shown in FIGS. 18 and 19.

도 18과 도 19는 도 17을 18-18’방향으로 절개한 단면에 대한 예들이다. Figures 18 and 19 are examples of cross-sections taken along the 18-18’ direction of Figure 17.

도 18을 참조하면, 제2 회절격자 소자(184)는 수직하게 배치되어 있고, 제1 회절격자 소자(182)는 제2 회절격자 소자(184)에 대해 경사지게 배치되어 있다. 제1 회절격자 소자(182)는 제2 회절격자 소자(184)의 회절면(184S)에 수직한 기준선(법선)(184V)에 대해 주어진 각(θ4)을 갖도록 배치되어 있다. 주어진 각(θ4)은 45° 보다 작을 수 있는데, 일 예에서 주어진 각(θ4)은 30°이하일 수 있고, 다른 예에서는 15°이하일 수 있다. 제2 회절격자 소자(184)의 회절면(184S)으로부터 회절면(184S)에 수직하면서 평행한 회절광(184L)이 방출된다. 상기한 바와 같이 제1 회절격자 소자(182)는 제2 회절격자 소자(184)에 대해 주어진 각(θ4)으로 경사져 있고, 제2 회절격자 소자(184)로부터 방출되는 회절광(184L)의 진행방향은 제2 회절격자 소자(184)의 회절면(184S)에 수직하다. 따라서 제2 회절격자 소자(184)의 회절면(184S)으로부터 방출된 회절광(184L)이 제1 회절격자 소자(182)에 입사될 때의 입사각(θ5)은 제1 회절격자 소자(182)의 경사각(θ4)과 동일하게 된다. 경사각(θ4)과 입사각(θ4)은 광원(186)으로부터 방출된 광이 제2 회절격자 소자(184)에 입사될 때의 입사각 조건을 따를 수 있다.Referring to FIG. 18, the second diffraction grating element (184) is arranged vertically, and the first diffraction grating element (182) is arranged obliquely with respect to the second diffraction grating element (184). The first diffraction grating element (182) is arranged to have a given angle (θ4) with respect to a reference line (normal line) (184V) perpendicular to the diffraction plane (184S) of the second diffraction grating element (184). The given angle (θ4) may be less than 45°, in one example, the given angle (θ4) may be 30° or less, and in another example, may be 15° or less. Diffracted light (184L) that is perpendicular to and parallel to the diffraction plane (184S) is emitted from the diffraction plane (184S) of the second diffraction grating element (184). As described above, the first diffraction grating element (182) is inclined at a given angle (θ4) with respect to the second diffraction grating element (184), and the propagation direction of the diffracted light (184L) emitted from the second diffraction grating element (184) is perpendicular to the diffraction plane (184S) of the second diffraction grating element (184). Therefore, the incident angle (θ5) when the diffracted light (184L) emitted from the diffraction plane (184S) of the second diffraction grating element (184) is incident on the first diffraction grating element (182) becomes the same as the inclination angle (θ4) of the first diffraction grating element (182). The inclination angle (θ4) and the incident angle (θ4) may follow the incident angle condition when the light emitted from the light source (186) is incident on the second diffraction grating element (184).

제1 회절격자 소자(182)의 회절면(182S)에 배치된 회절요소들의 회절 특성에 따라 제1 회절격자 소자(182)로부터 회절면(182S)에 수직한 기준선(180L)에 평행한 회절광(182L2)이 방출되거나 기준선(180L) 우측방향을 향하는 회절광(182L1)이 방출될 수 있다. 또한, 도시하지는 않았지만, 기준선(182L1)의 좌측 방향을 향하는 회절광이 방출될 수도 있고, 제1 회절격자 소자(182)의 전방의 한 위치에 수렴하는 회절광이 방출될 수도 있다.Depending on the diffraction characteristics of the diffraction elements arranged on the diffraction plane (182S) of the first diffraction grating element (182), diffracted light (182L2) parallel to a reference line (180L) perpendicular to the diffraction plane (182S) may be emitted from the first diffraction grating element (182), or diffracted light (182L1) directed toward the right side of the reference line (180L) may be emitted. In addition, although not illustrated, diffracted light directed toward the left side of the reference line (182L1) may be emitted, or diffracted light converging on a position in front of the first diffraction grating element (182) may be emitted.

도 19는 도 18과 반대의 경우를 보여준다. 곧, 제1 회절격자 소자(182)는 수평으로 배치되어 있고, 제2 회절격자 소자(184)는 제1 회절격자 소자(182)에 대해 경사지게 배치되어 있다. 구체적으로, 제2 회절격자 소자(184)는 제1 회절격자 소자(182)의 상부면에 수직한 기준선(법선)(182V)에 대해 주어진 각(θ6)으로 경사지게 배치되어 있다. 이 경사각(θ6)은 도 18의 제1 회절격자 소자(182)의 경사각(θ4)과 동일할 수 있다. 제2 회절격자 소자(184)로부터 방출되는 회절광(184L)은 제2 회절격자 소자(184)의 회절면에 수직하므로, 회절광(184L)이 제1 회절격자 소자(182)에 입사되는 입사각과 회절광(184L)의 입사에 따른 제1 회절격자 소자(182)로부터 나타나는 회절결과는 도 18에서 설명한 바와 동일할 수 있다.Fig. 19 shows a case opposite to Fig. 18. That is, the first diffraction grating element (182) is arranged horizontally, and the second diffraction grating element (184) is arranged at an angle (θ6) with respect to the first diffraction grating element (182). Specifically, the second diffraction grating element (184) is arranged at an angle (θ6) with respect to a reference line (normal line) (182V) perpendicular to the upper surface of the first diffraction grating element (182). This angle (θ6) may be the same as the angle (θ4) of the first diffraction grating element (182) of Fig. 18. Since the diffracted light (184L) emitted from the second diffraction grating element (184) is perpendicular to the diffraction plane of the second diffraction grating element (184), the angle at which the diffracted light (184L) is incident on the first diffraction grating element (182) and the diffraction result appearing from the first diffraction grating element (182) according to the incidence of the diffracted light (184L) may be the same as described in FIG. 18.

다음에는 일 실시예에 의한 회절격자 소자의 제조방법을 도 20 내지 도 29를 참조하여 상세하게 설명한다.Next, a method for manufacturing a diffraction grating element according to an embodiment will be described in detail with reference to FIGS. 20 to 29.

도 20 내지 도 24는 일 실시예에 의한 회절격자 소자의 제조방법에서 회절격자를 찍는데 사용되는 템플리트(template)를 제조하는 과정을 보여준다.FIGS. 20 to 24 show a process for manufacturing a template used to print a diffraction grating in a method for manufacturing a diffraction grating element according to one embodiment.

도 20을 참조하면, 템플리트로 가공될 모기판(parent substrate)(210) 상에 복수의 마스크 패턴(21M)을 형성한다. 복수의 마스크 패턴(21M)은 서로 이격되어 있다. 따라서 마스크 패턴(21M) 사이의 모기판(210)의 상부면은 노출된다. 마스크 패턴(21M) 사이의 간격이나 마스크 패턴(21M)의 사이즈는 최종적으로 형성되는 회절격자 소자의 회절요소들의 피치를 고려하여 설정될 수 있다. 마스크 패턴(21M)을 형성한 다음, 전자 빔 리소그래피(220)를 이용하여 모기판(210)의 상부면의 노출된 영역을 식각한다. 식각은 모기판(210)의 밑면에 도달되기 전에 멈춘다. Referring to FIG. 20, a plurality of mask patterns (21M) are formed on a parent substrate (210) to be processed as a template. The plurality of mask patterns (21M) are spaced apart from each other. Therefore, the upper surface of the parent substrate (210) between the mask patterns (21M) is exposed. The spacing between the mask patterns (21M) or the size of the mask patterns (21M) can be set in consideration of the pitch of the diffraction elements of the diffraction grating element to be finally formed. After the mask patterns (21M) are formed, the exposed area of the upper surface of the parent substrate (210) is etched using electron beam lithography (220). The etching stops before reaching the bottom surface of the parent substrate (210).

상기 식각에 의해 도 21에 도시한 바와 같이, 모기판(210)에 복수의 돌기(210A)와 복수의 그루브(210B)가 형성된다. 복수의 그루브(210B)는 서로 이격되어 있고, 복수의 그루브(210B) 사이사이에 돌기(210A)가 존재한다. 복수의 그루브(210B)는 주어진 피치(22P)로 형성될 수 있다. 이에 따라 최종 형성되는 회절격자 소자의 회절요소들도 동일한 피치로 형성될 수 있다. 복수의 그루브(210B)의 깊이(D1)는 최종 형성되는 회절요소들의 높이에 대응될 수 있다.As shown in Fig. 21, a plurality of protrusions (210A) and a plurality of grooves (210B) are formed on the substrate (210) by the above etching. The plurality of grooves (210B) are spaced apart from each other, and protrusions (210A) exist between the plurality of grooves (210B). The plurality of grooves (210B) can be formed with a given pitch (22P). Accordingly, the diffraction elements of the diffraction grating element that is finally formed can also be formed with the same pitch. The depth (D1) of the plurality of grooves (210B) can correspond to the height of the diffraction elements that are finally formed.

상기 식각후, 마스크 패턴(21M)을 제거한다. 도 22는 마스크 패턴(21M)이 제거된, 완성된 템플리트(230)를 보여준다. After the above etching, the mask pattern (21M) is removed. Fig. 22 shows a completed template (230) from which the mask pattern (21M) has been removed.

도 23과 도 24는 일 실시예에 의한 회절격자 소자의 제조방법에서 다른 템플리트를 제조하는 과정을 보여준다.Figures 23 and 24 show a process for manufacturing different templates in a method for manufacturing a diffraction grating element according to one embodiment.

도 23을 참조하면, 모기판(210) 상에 모기판(210)의 일부를 덮고 나머지는 노출시키는 마스크(24M)를 형성한다. 마스크(24M)는 모기판(210)의 상부면 상에 형성될 수 있다. 마스크(24M)는 이격된 복수의 단위 패턴(P11)을 포함한다. 단위 패턴(P11)는 주 패턴(24M1)과 보조 패턴(24M2)을 포함한다. 주 패턴(24M1)의 폭이 보조 패턴(24M2)의 폭보다 넓다. 주 패턴(24M1)과 보조 패턴(24M2)은 서로 이격되어 있다. 주 패턴(24M1)과 보조 패턴(24M2) 사이의 간격은 단위 패턴(P11) 사이의 간격보다 작다. 주 패턴(24M1)은 폭(W11)은 최종적으로 형성되는 회절격자 소자의 보조 회절요소를 포함하는 회절요소들의 간격을 결정할 수 있다. 또한, 보조 패턴(24M2)의 폭(W22)은 최종적으로 형성되는 회절격자 소자의 보조 회절요소를 포함하는 회절요소에서 주 회절요소와 보조 회절요소의 간격을 결정할 수 있다.Referring to FIG. 23, a mask (24M) is formed on a substrate (210) to cover a part of the substrate (210) and expose the rest. The mask (24M) may be formed on an upper surface of the substrate (210). The mask (24M) includes a plurality of spaced apart unit patterns (P11). The unit patterns (P11) include a main pattern (24M1) and an auxiliary pattern (24M2). The width of the main pattern (24M1) is wider than the width of the auxiliary pattern (24M2). The main pattern (24M1) and the auxiliary pattern (24M2) are spaced apart from each other. The spacing between the main pattern (24M1) and the auxiliary pattern (24M2) is smaller than the spacing between the unit patterns (P11). The width (W11) of the main pattern (24M1) can determine the spacing of diffraction elements including auxiliary diffraction elements of a diffraction grating element to be finally formed. Additionally, the width (W22) of the auxiliary pattern (24M2) can determine the spacing between the main diffraction element and the auxiliary diffraction element in the diffraction element including the auxiliary diffraction element of the diffraction grating element that is finally formed.

이러한 마스크(24M)를 형성한 다음, 모기판(210)의 상부면이 노출된 부분을 식각한다. 이 식각은 전자 빔 리소그래피 방법을 이용한 식각일 수 있다. 식각은 모기판(210)에 정해진 깊이의 그루브가 형성될 때까지 실시할 수 있다. 상기 그루브의 깊이는 모기판(210)의 두께보다 작다. 식각 결과 도 24에 도시한 바와 같이 모기판(210)에 복수의 그루브(210G1, 210G2)와 복수의 돌기(210P1, 210P2)가 형성된다. 복수의 돌기(210P1, 210P2)는 마스크(24M)의 주 패턴(24M1)과 보조패턴(24M2) 아래에 있는 기판(210)의 영역들이다. 복수의 그루브(210G1, 210G2) 중에서 상대적으로 폭이 넓은 제1 그루브(210G1)는 최종 형성되는 회절격자 소자의 회절요소의 주 회절요소의 제원(폭, 높이 등)을 결정한다. 제1 그루브(210G1)에 인접하고 제1 그루브(210G1)에 비해 폭이 좁은 제2 그루브(210G2)는 최종 형성되는 회절격자 소자의 회절요소의 보조 회절요소의 제원을 결정한다. 제1 그루브(210G1)와 제2 그루브(210G2)의 제원(폭, 높이, 간격 등)은 최종 형성되는 회절격자 소자의 주 회절요소와 보조 회절요소를 포함하는 회절요소의 제원을 결정할 수 있다. 제1 그루브(210G1) 사이의 피치는 최종적으로 형성되는 회절격자 소자의 보조 회절요소를 포함하는 회절요소의 피치를 결정한다. 도 23의 마스크(24M)를 형성할 때는 이러한 요소들을 고려하여 주 패턴(24M1)과 보조패턴(24M2)의 제원들을 결정할 수 있다. After forming the mask (24M), the exposed portion of the upper surface of the mother substrate (210) is etched. This etching may be etching using an electron beam lithography method. The etching may be performed until a groove of a predetermined depth is formed in the mother substrate (210). The depth of the groove is smaller than the thickness of the mother substrate (210). As a result of the etching, as shown in FIG. 24, a plurality of grooves (210G1, 210G2) and a plurality of protrusions (210P1, 210P2) are formed in the mother substrate (210). The plurality of protrusions (210P1, 210P2) are regions of the substrate (210) located under the main pattern (24M1) and the auxiliary pattern (24M2) of the mask (24M). Among the plurality of grooves (210G1, 210G2), the first groove (210G1) having a relatively wide width determines the specifications (width, height, etc.) of the primary diffraction element of the diffraction element of the diffraction grating element to be finally formed. The second groove (210G2) adjacent to the first groove (210G1) and having a narrower width than the first groove (210G1) determines the specifications of the secondary diffraction element of the diffraction element of the diffraction grating element to be finally formed. The specifications (width, height, interval, etc.) of the first groove (210G1) and the second groove (210G2) can determine the specifications of the diffraction elements including the primary diffraction element and the secondary diffraction element of the diffraction grating element to be finally formed. The pitch between the first grooves (210G1) determines the pitch of the diffraction elements including the secondary diffraction elements of the diffraction grating element to be finally formed. When forming the mask (24M) of Fig. 23, the specifications of the main pattern (24M1) and the auxiliary pattern (24M2) can be determined by considering these factors.

도 25 내지 도 29는 앞에서 형성한 템플리트를 이용하여 일 실시예에 의한 회절격자 소자를 형성하는 방법을 보여준다.Figures 25 to 29 show a method of forming a diffraction grating element according to one embodiment using a previously formed template.

도 25를 참조하면, 기판(260) 상에 저 굴절률의 유전층(264)을 형성한다. 기판(260)의 물질은 도 1에서 설명한 기판(10)의 물질과 동일할 수 있다. 유전층(264)은 최종적으로는 회절요소로 사용되는 물질층이다. 유전층(264)은 도 1에서 설명한 회절요소(20)로 사용되는 물질과 동일한 물질일 수 있다. 유전층(264) 위에 도 22의 템플리트(210)를 정렬한다. 템플리트(210)는 돌기(210A)와 그루브(210B)가 형성된 면이 유전층(264)의 상부면 전체와 마주하도록 정렬한다. 템플리트(210) 정렬이 완료된 후, 정렬된 템플리트(210)를 그대로 내려서 도장을 찍는 것처럼 유전층(264)에 템플리트(210)를 눌러 찍는다(imprint). 찍은 후, 템플리트(210)를 유전층(264)으로부터 분리한다. 이에 따라, 템플리트(210)의 이면에 형성된 패턴, 곧 돌기(210A)와 그루브(210B)로 이루어지는 패턴이 유전층(264)에 전사된다. 결과적으로, 기판(260) 상에는 도 26에 도시한 바와 같이 서로 이격된 복수의 유전층 패턴(264A)이 형성된다. 유전층 패턴(264A)은 회절요소로 사용되며, 도 1의 회절요소(20)에 해당된다. 이러한 임프린팅 과정에서 유전층 패턴(264A) 사이의 기판(260) 상에 유전층(264)의 잔류물층(예, 도 5의 52 또는 도 6의 62)이 남아 있을 수 있으나, 그 두께는 30nm를 넘지 않는다. 도 25와 도 26의 과정은 템플리트(210) 이면에 형성된 패턴을 형성하고자 하는 회절요소의 패턴에 대응되게 변경할 경우, 다른 형태의 회절요소를 갖는 회절격자 소자를 형성하는데, 동일하게 적용될 수 있다. 도 27과 도 28은 이에 대한 일예를 보여준다.Referring to FIG. 25, a low refractive index dielectric layer (264) is formed on a substrate (260). The material of the substrate (260) may be the same as the material of the substrate (10) described in FIG. 1. The dielectric layer (264) is a material layer that is ultimately used as a diffractive element. The dielectric layer (264) may be the same material as the material used as the diffractive element (20) described in FIG. 1. The template (210) of FIG. 22 is aligned on the dielectric layer (264). The template (210) is aligned so that the surface on which the protrusions (210A) and grooves (210B) are formed faces the entire upper surface of the dielectric layer (264). After the alignment of the template (210) is completed, the aligned template (210) is lowered as it is and pressed into the dielectric layer (264) as if stamping a seal. After imprinting, the template (210) is separated from the dielectric layer (264). Accordingly, the pattern formed on the back surface of the template (210), that is, the pattern composed of the protrusions (210A) and the grooves (210B), is transferred to the dielectric layer (264). As a result, a plurality of dielectric layer patterns (264A) spaced apart from each other are formed on the substrate (260) as illustrated in FIG. 26. The dielectric layer patterns (264A) are used as diffraction elements and correspond to the diffraction elements (20) of FIG. 1. During this imprinting process, a residual layer of the dielectric layer (264) (e.g., 52 of FIG. 5 or 62 of FIG. 6) may remain on the substrate (260) between the dielectric layer patterns (264A), but its thickness does not exceed 30 nm. The processes of FIGS. 25 and 26 can be equally applied to form a diffraction grating element having a different type of diffraction element when the pattern of the diffraction element to be formed on the back surface of the template (210) is changed to correspond to the pattern of the diffraction element to be formed. FIGS. 27 and 28 show examples of this.

도 25와 도 26에서 설명된 부분에 대해서는 설명을 생략한다.Description of the parts described in Figures 25 and 26 is omitted.

도 27을 참조하면, 유전층(264) 위에 도 24에 형성한 템플리트(280)를 정렬한다. 템플리트(280)는 그 이면에 형성된 돌기들(210P1, 210P2)과 그루브들(210G1, 210G2)이 유전층(264)의 상부면과 마주하도록 정렬시킨다. 이렇게 정렬된 상태에서 템플리트(280)를 내려 도장을 찍듯이 템플리트(28)을 유전층(264)에 찍은 다음, 유전층(264)으로부터 분리한다. 이 결과, 템플리트(280)의 이면에 형성된 돌기와 그루브 패턴이 유전층(264)에 전달되어 도 28에 도시한 바와 같이 기판(260) 상에 주 패턴(264B)과 보조 패턴(264C)을 한 단위로 하는 복수의 유전층 패턴이 형성된다. 주 패턴(264B)은 도 2, 도 3등에서 설명한 주 회절요소(30A)에 해당하고, 보조 패턴(264C)은 보조 회절요소(30B)에 해당한다.Referring to FIG. 27, the template (280) formed in FIG. 24 is aligned on the dielectric layer (264). The template (280) is aligned so that the protrusions (210P1, 210P2) and grooves (210G1, 210G2) formed on the back surface thereof face the upper surface of the dielectric layer (264). In this aligned state, the template (280) is lowered to imprint the template (28) on the dielectric layer (264) as if stamping a seal, and then separated from the dielectric layer (264). As a result, the protrusion and groove patterns formed on the back surface of the template (280) are transferred to the dielectric layer (264), and as illustrated in FIG. 28, a plurality of dielectric layer patterns using the main pattern (264B) and the auxiliary pattern (264C) as one unit are formed on the substrate (260). The main pattern (264B) corresponds to the main diffraction element (30A) described in FIG. 2, FIG. 3, etc., and the auxiliary pattern (264C) corresponds to the auxiliary diffraction element (30B).

한편, 도 29에 도시한 바와 같이, 기판(260)과 유전층(264) 사이에 스페이스층(300)을 형성할 수도 있다. 스페이스층(300)은 도 5의 스페이서(50) 또는 도 6의 스페이서(60)와 동일한 층 구성을 가질 수 있다. 유전층(264)을 형성한 후, 그 위에 템플리트(310)를 정렬한 다음, 도 25 또는 도 27에서 설명한 바와 같이, 템플리트(310)의 이면에 형성된 패턴을 유전층(264)에 전사하기 위한 임프린트 과정을 수행할 수 있다. 템플리트(310)는 도 25 또는 도 27에 도시한 템플리트일 수 있다.Meanwhile, as illustrated in FIG. 29, a space layer (300) may be formed between the substrate (260) and the dielectric layer (264). The space layer (300) may have the same layer configuration as the spacer (50) of FIG. 5 or the spacer (60) of FIG. 6. After the dielectric layer (264) is formed, a template (310) may be aligned thereon, and then, as illustrated in FIG. 25 or FIG. 27, an imprint process may be performed to transfer a pattern formed on the back surface of the template (310) to the dielectric layer (264). The template (310) may be the template illustrated in FIG. 25 or FIG. 27.

상기한 설명에서 많은 사항이 구체적으로 기재되어 있으나, 그들은 발명의 범위를 한정하는 것이라기보다, 바람직한 실시예의 예시로서 해석되어야 한다. 때문에 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 의하여 정하여 질 것이 아니고, 특허 청구범위에 기재된 기술적 사상에 의해 정하여져야 한다.Although many things are specifically described in the above description, they should be construed as examples of preferred embodiments rather than as limiting the scope of the invention. Therefore, the scope of the present invention should not be determined by the described embodiments, but by the technical ideas described in the patent claims.

4L1:주 회절요소(30A)의 상부면에서 반사된 광
4L2:주 회절요소(30A)의 밑면에서 반사된 광
5:회절격자 소자 6L1:큰 입사각으로 입사하는 광
10:기판 10L:기준선
13L, 14L:기준선 20:제2 회절요소
21M:마스크 패턴 22P:그루브 피치
24M:마스크 24M1:주 패턴
24M2:보조 패턴 30:제3 회절요소
30A:주 회절요소 30B:보조 회절요소
40:제3 회절요소 40A:주 회절요소
40B:제1 보조 회절요소 40C:제2 보조 회절요소
40D:제3 보조 회절요소 50:제1 스페이서
52:잔류 물질층 55:회절격자 소자
60:제2 스페이서 60a:제1 유전층
60b:제2 유전층 62:잔류 물질층
65:회절격자 소자 70:제1 회절요소
72:제2 회절요소 74:제3 회절요소
75:회절격자 소자 7L1:입사광
90:광원 102:회절격자 소자
102A:제1 영역 102B:제2 영역
102C:제1 영역에서 회절된 광 102D:제2 영역에서 회절된 광
110:광원 112:공간 광 변조기
116:회절광학요소 116S:회절광학요소의 광 입사면
118:시청자 130:제1 회절격자 소자
130L:제1 회절격자 소자로부터 발생되는 회절광
132:제2 회절격자 소자
132L:제2 회절격자 소자로부터 발생되는 회절광
134:광원 134L:광원으로부터 방출된 광
140:제1 회절격자 소자 142:제2 회절격자 소자
146:광원 144:전달요소(반사기)
150:디스플레이 장치 160, 170, 180:광학장치
180L:제1 회절격자 소자의 상부면에 수직한 기준선(법선)
182:제1 회절격자 소자
182S:제1 회절격자 소자의 회절면
184:제2 회절격자 소자
184L:제2 회절격자 소자로부터 방출되는 회절광
184S:제2 회절격자 소자의 회절면
186:광원
182L1:기준선의 우측방향으로 방출되는 회절광
182L2:제1 회절격자 소자의 회절면에 수직하게 방출되는 회절광
210:모기판 210A:돌기
210B:그루브 220:전자 빔 리소그래피
230:템플리트 210G1:제1 그루브
210G2:제2 그루브 210P1, 210P2:복수의 돌기
260:기판 264:유전층
264A:유전층 패턴 264B:주 패턴
264C:보조 패턴 280:템플리트
300:스페이스층 310:템플리트
D1:주 회절요소(40A)와 제1 보조 회절요소(40B)의 간격
D2, D3:제1 내지 제3 보조 회절요소(40B, 40C, 40D) 사이의 간격
D5:그루브(210B)의 깊이 H1:높이
L0:입사광 L1:회절요소(20)의 상부면에서 반사되는 광
L2:회절요소(20)의 바닥에서 반사되는 광
L3:기준선(10L) 좌측으로 회절된 회절광
L30:제2 회절요소(30)에 입사된 광
L4:기준선(10L) 우측으로 회절된 회절광
LD1, LD2:회절광의 고차 회절성분
P1:피치 P11:단위 패턴
T1:제1 스페이서(50)의 두께 T2:제2 스페이서(60)의 두께
W1:폭 W2:주 회절요소 폭
W11:주 패턴(24M1)의 폭 W22:보조패턴(24M2)의 폭
W3:보조 회절요소(30B)의 폭
4L1: Light reflected from the upper surface of the main diffractive element (30A)
4L2: Light reflected from the bottom of the main diffractive element (30A)
5: Diffraction grating element 6L1: Light incident at a large angle of incidence
10: Board 10L: Reference line
13L, 14L: Baseline 20: 2nd diffraction element
21M: Mask pattern 22P: Groove pitch
24M: Mask 24M1: Main Pattern
24M2: Auxiliary pattern 30: 3rd diffraction element
30A: Main diffractive element 30B: Auxiliary diffractive element
40: 3rd diffractive element 40A: Main diffractive element
40B: 1st auxiliary diffractive element 40C: 2nd auxiliary diffractive element
40D: 3rd auxiliary diffractive element 50: 1st spacer
52: Residual material layer 55: Diffraction grating element
60:2nd spacer 60a:1st dielectric layer
60b:Second dielectric layer 62:Residual material layer
65: Diffraction grating element 70: First diffraction element
72: 2nd diffraction element 74: 3rd diffraction element
75: Diffraction grating element 7L1: Incident light
90: Light source 102: Diffraction grating element
102A: Area 1 102B: Area 2
102C: Light diffracted in the first region 102D: Light diffracted in the second region
110: Light source 112: Spatial light modulator
116: Diffractive optical element 116S: Light incident surface of diffractive optical element
118:Viewer 130:First grating element
130L: Diffracted light generated from the first diffraction grating element
132:Second diffraction grating element
132L: Diffracted light generated from the second diffraction grating element
134: Light source 134L: Light emitted from the light source
140: First diffraction grating element 142: Second diffraction grating element
146:Light source 144:Transmitting element (reflector)
150: Display device 160, 170, 180: Optical device
180L: Reference line (normal line) perpendicular to the upper surface of the first diffraction grating element
182: First diffraction grating element
182S: Diffraction plane of the first diffraction grating element
184:Second diffraction grating element
184L: Diffracted light emitted from the second diffraction grating element
184S: Diffraction plane of the second diffraction grating element
186:Light source
182L1: Diffracted light emitted to the right of the baseline
182L2: Diffracted light emitted perpendicular to the diffraction plane of the first diffraction grating element
210:Mosquito plate 210A:Protrusion
210B: Groove 220: Electron Beam Lithography
230:Template 210G1:1st groove
210G2: 2nd groove 210P1, 210P2: Multiple protrusions
260:Substrate 264:Dielectric layer
264A: Genetic layer pattern 264B: Main pattern
264C:Auxiliary pattern 280:Template
300:Space layer 310:Template
D1: Spacing between the main diffractive element (40A) and the first auxiliary diffractive element (40B)
D2, D3: Spacing between the first to third auxiliary diffractive elements (40B, 40C, 40D)
D5: Depth of groove (210B) H1: Height
L0: Incident light L1: Light reflected from the upper surface of the diffraction element (20)
L2: Light reflected from the bottom of the diffraction element (20)
L3: Diffracted light diffracted to the left of the reference line (10L)
L30: Light incident on the second diffraction element (30)
L4: Diffracted light diffracted to the right of the reference line (10L)
LD1, LD2: Higher order diffraction components of diffracted light
P1: Pitch P11: Unit Pattern
T1: Thickness of the first spacer (50) T2: Thickness of the second spacer (60)
W1: width W2: width of main diffractive element
W11: Width of the main pattern (24M1) W22: Width of the auxiliary pattern (24M2)
W3: Width of auxiliary diffraction element (30B)

Claims (42)

광 반사 기판;
상기 기판 상에 배치된 회절격자; 및
상기 기판과 상기 회절격자 사이에 마련된 유전층;을 포함하고,
상기 유전층의 두께는 입사광의 파장의 n배(n=1,2,3..)이고,
상기 회절격자는 복수의 회절요소를 포함하고,
45°이상의 입사각으로 입사되는 광에 대해서 상기 복수의 회절요소 각각은 자신의 상부면에서 반사된 광과 자신의 밑면에서 반사된 광이 서로 상쇄 간섭을 일으키는 높이를 갖는 회절격자 소자.
optical reflective substrate;
a diffraction grating arranged on the substrate; and
A dielectric layer provided between the substrate and the diffraction grating;
The thickness of the above dielectric layer is n times the wavelength of the incident light (n=1,2,3..).
The above diffraction grating comprises a plurality of diffraction elements,
A diffraction grating element in which each of the plurality of diffraction elements has a height at which light reflected from its upper surface and light reflected from its lower surface cause destructive interference with respect to light incident at an angle of incidence of 45° or greater.
삭제delete 제 1 항에 있어서,
상기 기판은 굴절률이 서로 다른 유전체들을 포함하는 브래그 반사기(Bragg reflector)인 회절격자 소자.
In paragraph 1,
The above substrate is a diffraction grating element which is a Bragg reflector containing dielectrics having different refractive indices.
제 1 항에 있어서,
상기 회절격자의 굴절률은 1.3~2.0인 회절격자 소자.
In paragraph 1,
A diffraction grating element having a refractive index of 1.3 to 2.0.
제 1 항에 있어서,
상기 복수의 회절요소는 각각 주 회절요소와 보조 회절요소를 포함하는 회절격자 소자.
In paragraph 1,
The above plurality of diffractive elements are diffractive grating elements each including a main diffractive element and an auxiliary diffractive element.
제 1 항에 있어서,
상기 복수의 회절요소들은 모두 동일한 회절특성을 나타내도록 배치된 회절격자 소자.
In paragraph 1,
A diffraction grating element in which all of the above diffraction elements are arranged so as to exhibit the same diffraction characteristics.
제 1 항에 있어서,
상기 복수의 회절요소들은 서로 다른 회절특성을 나타내도록 배치된 회절격자 소자.
In paragraph 1,
The above plurality of diffraction elements are diffraction grating elements arranged so as to exhibit different diffraction characteristics.
제 1 항에 있어서,
상기 복수의 회절요소는 각각 주 회절요소와 복수의 보조 회절요소를 포함하고,
상기 복수의 보조 회절요소는 그 수가 증가하면서 고 회절효율을 얻을 수 있는 음의 회절각도 범위가 증가하도록 배치된 회절격자 소자.
In paragraph 1,
The above multiple diffractive elements each include a main diffractive element and multiple auxiliary diffractive elements,
The above-mentioned plurality of auxiliary diffraction elements are arranged so that the negative diffraction angle range for obtaining high diffraction efficiency increases as the number of auxiliary diffraction elements increases.
제 1 항에 있어서,
상기 유전층은 단일층인 회절격자 소자.
In paragraph 1,
The above dielectric layer is a single-layer diffraction grating element.
제 1 항에 있어서,
상기 유전층은 적층된 제1 및 제2 유전층을 포함하고, 상기 제1 및 제2 유전층의 굴절률은 서로 다른 회절격자 소자.
In paragraph 1,
The dielectric layer comprises laminated first and second dielectric layers, and the first and second dielectric layers have different refractive indices and are diffraction grating elements.
제 1 항에 있어서,
상기 기판은 금속성 기판인 회절격자 소자.
In paragraph 1,
The above substrate is a diffraction grating element which is a metallic substrate.
제 1 항에 있어서,
상기 기판은 반사형 WGP인 회절격자 소자.
In paragraph 1,
The above substrate is a diffraction grating element which is a reflective WGP.
제 5 항에 있어서,
상기 주 회절요소의 폭은 상기 보조 회절요소의 폭보다 큰 회절격자 소자.
In paragraph 5,
A diffraction grating element in which the width of the main diffraction element is greater than the width of the auxiliary diffraction element.
제 5 항에 있어서,
상기 보조 회절요소는 서로 이격된 복수의 보조 회절요소들을 포함하고, 상기 복수의 보조 회절요소들의 폭은 서로 동일하거나 다른 회절격자 소자.
In paragraph 5,
The above auxiliary diffraction element is a diffraction grating element including a plurality of auxiliary diffraction elements spaced apart from each other, and the widths of the plurality of auxiliary diffraction elements are the same or different from each other.
제 6 항에 있어서,
상기 복수의 회절요소들은 모두 양의 회절특성을 나타내도록 배치된 회절격자 소자.
In paragraph 6,
A diffraction grating element in which all of the above diffraction elements are arranged so as to exhibit positive diffraction characteristics.
제 6 항에 있어서,
상기 복수의 회절요소들은 모두 음의 회절특성을 나타내도록 배치된 회절격자 소자.
In paragraph 6,
A diffraction grating element in which all of the above diffraction elements are arranged so as to exhibit negative diffraction characteristics.
제 6 항에 있어서,
상기 복수의 회절요소들 사이의 피치는 동일한 회절격자 소자.
In paragraph 6,
The pitch between the above plurality of diffraction elements is the same diffraction grating element.
제 7 항에 있어서,
상기 복수의 회절요소들은 양의 회절특성을 나타내는 회절요소들과 음의 회절특성을 나타내는 회절요소들을 포함하는 회절격자 소자.
In paragraph 7,
A diffraction grating element wherein the above plurality of diffraction elements include diffraction elements exhibiting positive diffraction characteristics and diffraction elements exhibiting negative diffraction characteristics.
제 9 항에 있어서,
상기 유전층의 굴절률은 상기 회절격자의 굴절률과 같거나 보다 큰 회절격자 소자.
In Article 9,
A diffraction grating element having a refractive index of the dielectric layer equal to or greater than the refractive index of the diffraction grating.
제 10 항에 있어서,
상기 제1 및 제2 유전층 중 상기 회절요소에 직접 접촉된 유전층의 굴절률은 상기 회절요소의 굴절률보다 크고, 상기 제1 및 제2 유전층 중 상기 회절요소에 직접 접촉된 유전층의 굴절률은 그 바로 아래에 구비된 유전층의 굴절률보다 큰 회절격자 소자.
In Article 10,
A diffraction grating element wherein the refractive index of the dielectric layer in direct contact with the diffractive element among the first and second dielectric layers is greater than the refractive index of the diffractive element, and the refractive index of the dielectric layer in direct contact with the diffractive element among the first and second dielectric layers is greater than the refractive index of the dielectric layer provided directly underneath.
제 18 항에 있어서,
상기 양의 회절특성을 나타내는 회절요소들은 양의 회절특성의 정도가 서로 다르게 나타나도록 배열된 회절격자 소자.
In Article 18,
A diffraction grating element in which the diffraction elements exhibiting the above positive diffraction characteristics are arranged so that the degrees of the positive diffraction characteristics are different from each other.
제 18 항에 있어서,
상기 음의 회절특성을 나타내는 회절요소들은 음의 회절특성의 정도가 서로 다르게 나타나도록 배열된 회절격자 소자.
In Article 18,
A diffraction grating element in which the diffraction elements exhibiting the above negative diffraction characteristics are arranged so that the degree of the negative diffraction characteristics is different from each other.
제 21 항에 있어서,
상기 양의 회절특성을 나타내는 회절요소들의 피치는 서로 다른 회절격자소자.
In Article 21,
The pitches of the diffraction elements exhibiting the above positive diffraction characteristics are different diffraction grating elements.
제 22 항에 있어서,
상기 음의 회절특성을 나타내는 회절요소들의 피치는 서로 다른 회절격자 소자.
In paragraph 22,
The pitches of the diffraction elements exhibiting the above negative diffraction characteristics are different in the diffraction grating element.
광원부;
상기 광원부로부터 입사되는 광을 회절시키는 제1 회절격자 소자;를 포함하고,
상기 제1 회절격자 소자는 청구항 1항, 3항, 4항, 5항, 6항, 7항, 8항, 9항, 10항, 11항, 12항, 13항, 14항, 15항, 16항, 17항, 18항, 19항, 20항, 21항, 22항, 23항 및 24항 중 어느 한 항의 회절격자 소자인 광학장치.
light source;
It includes a first diffraction grating element that diffracts light incident from the light source;
An optical device wherein the first diffraction grating element is a diffraction grating element according to any one of claims 1, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21, 22, 23, and 24.
제 25 항에 있어서,
상기 광원부는,
직접 광을 방출하는 광원; 및
상기 광원으로부터 입사되는 광을 회절시켜 상기 제1 회절격자 소자에 입사광을 제공하는 제2 회절격자 소자;를 포함하는 광학장치.
In Article 25,
The above light source part,
A light source that directly emits light; and
An optical device including a second diffraction grating element that diffracts light incident from the light source and provides incident light to the first diffraction grating element.
제 26 항에 있어서,
상기 제1 회절격자 소자와 상기 제2 회절격자 소자는 서로 동일한 회절특성을 나타내는 회절격자 소자인 광학장치.
In Article 26,
An optical device wherein the first diffraction grating element and the second diffraction grating element are diffraction grating elements exhibiting identical diffraction characteristics.
제 26 항에 있어서,
상기 제1 회절격자 소자와 상기 제2 회절격자 소자는 서로 다른 회절특성을 나타내는 회절격자 소자인 광학장치.
In Article 26,
An optical device in which the first diffraction grating element and the second diffraction grating element are diffraction grating elements exhibiting different diffraction characteristics.
제 25 항에 있어서,
상기 광원부는,
직접 광을 방출하는 광원; 및
상기 광원으로부터 입사되는 광을 주어진 방향으로 회절시키는 제2 회절격자 소자; 및
상기 제2 회절격자 소자의 회절광을 상기 제1 회절격자 소자에 전달하는 전달요소를 포함하는 광학장치.
In Article 25,
The above light source part,
A light source that directly emits light; and
A second diffraction grating element that diffracts light incident from the light source in a given direction; and
An optical device including a transmission element that transmits the diffracted light of the second diffraction grating element to the first diffraction grating element.
제 26 항에 있어서,
상기 제1 회절격자 소자와 상기 제2 회절격자 소자 중 어느 한 소자의 회절면에 수직한 법선에 대해 나머지 소자는 45°보다 작은 각으로 경사지게 배치된 광학장치.
In Article 26,
An optical device in which the remaining elements are arranged at an angle less than 45° with respect to the normal line perpendicular to the diffraction plane of one of the first diffraction grating elements and the second diffraction grating elements.
제 27 항에 있어서,
상기 제1 및 제2 회절격자 소자는 빔 확장기(beam expander) 역할을 하는 회절격자 소자인 광학장치.
In Article 27,
An optical device wherein the first and second diffraction grating elements are diffraction grating elements that act as beam expanders.
제 28 항에 있어서,
상기 제1 회절격자 소자는 렌즈 역할을 하는 회절격자 소자이고, 상기 제2 회절격자 소자는 빔 확장기 역할을 하는 회절격자 소자인 광학장치.
In paragraph 28,
An optical device in which the first diffraction grating element is a diffraction grating element that acts as a lens, and the second diffraction grating element is a diffraction grating element that acts as a beam expander.
제 29 항에 있어서,
상기 전달요소는 광 반사기인 광학장치.
In Article 29,
The above transmitting element is an optical device which is a light reflector.
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