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KR102123896B1 - 회절 격자를 갖는 광학 디바이스 및 니어-투-아이 디스플레이 - Google Patents

회절 격자를 갖는 광학 디바이스 및 니어-투-아이 디스플레이 Download PDF

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KR102123896B1
KR102123896B1 KR1020157010046A KR20157010046A KR102123896B1 KR 102123896 B1 KR102123896 B1 KR 102123896B1 KR 1020157010046 A KR1020157010046 A KR 1020157010046A KR 20157010046 A KR20157010046 A KR 20157010046A KR 102123896 B1 KR102123896 B1 KR 102123896B1
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South Korea
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grating
layer
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eye display
layers
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안티 순나리
올리-헤이키 훗툰엔
쥬소 올콘엔
Original Assignee
디스페릭스 오와이
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Abstract

본 발명은, 투명 기판, 및 그 기판 상의 제 1 투명 격자 층을 포함하는 광학 디바이스들에 관한 것이고, 그 격자 층은 상이한 굴절율들을 갖는 주기적으로 교번적인 구역들을 포함한다. 본 발명에 따르면, 디바이스는, 제 1 격자 층 위에 위치되면서 상이한 굴절율들을 갖는 주기적으로 교번적인 구역들을 또한 포함하는 제 2 투명 격자 층을 포함함으로써, 더 높은 굴절율을 갖는 제 1 격자 층의 구역들이 더 낮은 굴절율을 갖는 제 2 격자 층의 구역들과 적어도 부분적으로 정렬되게 하고, 그 반대의 경우에도 부분적으로 정렬되게 하며, 제 2 격자 층은 비-제로 투과 차수들로 회절되는 광의 양을 감소시킨다. 본 발명은 예를 들어 HUD들(head-up displays)에서 소위 레인보우 효과를 감소시키는 것으로 허용한다.

Description

회절 격자를 갖는 광학 디바이스 및 니어-투-아이 디스플레이{NEAR-TO-EYE DISPLAY AND OPTICAL DEVICE WITH DIFFRACTIVE GRATING}
본 발명은 광학 디바이스들에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 예를 들어 헤드업 디스플레이(head-up display; HUD)들, 니어-투-아이 디스플레이(near-to-eye display; NED)들, 또는 사출 동공 확장기(exit pupil expander; EPE)들에서 사용될 수 있는 아웃-커플링 격자(out-coupling grating)들에 관한 것이다. 본 디바이스는 광-가이드 기판, 및 그 기판 내에 또는 그 기판의 표면의 적어도 일부 상에 배열되는 격자를 포함한다.
HUD들 및 NED들은 3개의 기본 부분들, 즉, 광 프로젝터, 프로젝터를 제어하는 컴퓨팅 유닛, 및 광학 결합기를 포함하는데, 그 광학 결합기는 프로젝터로부터 씨-스루 디스플레이(see-through display)로의 광을 보도록 적응되어, HUD 또는 NED의 사용자가 자신의 일반적인 뷰포인트로부터 눈길을 돌리는 것을 필요로 하지 않고도 그 디스플레이 뒤의 상황 및 프로젝팅되는 광 둘 모두를 보여주도록 허용한다. 광학 결합기는 HOE들(holographic optical elements)로 가끔 지칭되는 회절 광학 엘리먼트들에 기초할 수 있다.
WO 2006/064301은 광학 기판 안으로 및 광학 기판 밖으로 광을 커플링하기 위한 회절 엘리먼트들을 포함하는 니어-투-아이 디스플레이 디바이스들을 설명한다. 동일한 일반적 원리로 동작하는 디바이스들의 이전 버전들, 추가 개발들 및 변형들이 WO 99/52002, WO 2009/077802, WO 2009/077803 및 WO 2011/110728에 소개되어 있다.
US 2009/0245730은 동일한 원리로 동작하는 디스플레이 디바이스를 개시하는데, 여기서는 2개의 회절 격자들 중 적어도 하나가 다수의 회절 구조들을 갖는 이원-블레이즈드 격자이고, 그 다수의 회절 구조들은 블레이즈 효과를 보장하고 또한 평면도에서 폐쇄 기하학 표면의 모양을 갖는 다수의 개별 서브구조들로 구성된다. 제안된 구조는 광학 디스플레이 디바이스를 제공하는 것을 목적으로 하는데, 그 광학 디스플레이 디바이스를 통해서, 광은 입력 격자에 의해 가장 높은 가능한 회절 효율성을 가지고 광 가이드의 평판으로 커플링되고 또한 출력 격자에 의해서 균질하게 다시금 커플링 아웃될 수 있다.
WO 2011/113662는 컬러 헤드-업 디스플레이(HUD) 디바이스를 위한 회절 결합기를 개시한다. 그 디바이스는, 입사 방향으로 제 1 격자 상에 입사하고 제 1 파장을 갖는 광을 회절 방향으로 회절하도록 적응되는 제 1 광학 회절 격자, 및 입사 방향으로 제 2 격자 상에 입사하고 제 2 파장을 갖는 광을 동일한 방향으로 회절하도록 적응되는 제 2 광학 회절 격자를 포함한다. 제 1 및 제 2 광학 회절 격자들은 결합기의 제 1 및 제 2 마주한 표면들 상에 안전하게 형성된다. 제 1 및/또는 제 2 격자는 파장 다중 광학 회절 격자로서 제조되며, 입사 방향으로 제 1 및/또는 제 2 광학 회절 격자에 충돌하는 제 3 파장의 광을 회절 방향으로 회절하도록 적응된다.
그러나, 위에서 언급된 솔루션들 중 적어도 일부에서는 회절 격자들을 통해 관측자의 눈으로 오는 투과 광에 의해서 야기되는 원치않는 효과, 즉, 소위 레인보우 효과가 발생된다. 레인보우 효과는 원하는 회절 이미지 외에도 컬러풀한 가시적 패턴 같은 것을 나타낸다. 이는, 그 문제가 해결되지 않는 한, 회절 결합기 엘리먼트 기술이 일부 애플리케이션들에서는 사실상 쓸모없게 만들 수 있다.
US 4856869는 기판 및 그 기판 상에 형성되는 디스플레이 패턴을 포함하는 디스플레이 엘리먼트를 개시하는데, 그 디스플레이 패턴은 제 1 회절 격자 구조 및 제 2 회절 격자 구조를 갖는다. 제 1 회절 격자 구조의 격자 라인들의 방향은 제 2 회절 격자 구조의 격자 라인들의 방향과 상이함으로써, 레인보우-유형 이미지의 발생을 방지하려 한다. 제안된 솔루션은 두 방향들에서 주기적이어서 광으로 하여금 다수의 방향들로 회절하도록 하고, 이는 개별 회절 차수들을 더 약하게 만든다. 그러나, 투과 회절 차수들은 여전히 상당히 강하고, 그로 인해서 그 결과는 레인보우 간섭 이미지에 관해 전혀 최적이 아니다. 게다가, 그 구조는 제조하는데 비교적 어렵다.
따라서, 개선된 광학 디바이스들에 대한 요구가 존재한다.
본 발명의 목적은 HUD 디스플레이들의 결합기 부분을 개선하기 위해서, 특히, 투과 광에 대한 감소되거나 총체적으로 방지된 레인보우 효과를 제공하기 위해 사용될 수 있는 새로운 솔루션을 제공하는데 있다.
그 목적은 독립항에 정의된 바와 같은 발명에 의해서 달성된다.
본 광학 디바이스는 투명 기판, 및 그 투명 기판 상의 또는 적어도 부분적으로는 그 투명 기판 내의 격자를 포함한다. 격자는 상이한 굴절율들을 갖는 주기적으로 교번적인 구역들을 더 포함하는 제 1 투명 격자 층을 포함한다. 그 디바이스는, 제 1 격자 층의 위에 위치되면서(그러나, 반드시 직접 마주하지는 않음) 상이한 굴절율들을 갖는 주기적으로 교번적인 구역들을 또한 포함하는 제 2 투명 격자 층을 더 포함한다. 더 높은 굴절율을 갖는 제 1 격자 층의 구역들이 더 낮은 굴절율을 갖는 제 2 격자 층의 구역들과 적어도 부분적으로 정렬되고 그 반대의 경우에도 적어도 부분적으로 정렬됨으로써, 제 2 격자 층은 그 제 2 격자 층이 없는 유사한 구조와 비교해서 비-제로 투과 차수들로 회절되는 광의 양을 감소시킨다.
바람직하게, 제 1 및 제 2 격자 층들의 주기들, 층 두께들 및 굴절율들은 450 내지 650nm의 파장 범위에 걸쳐, 투과 차수들, 특히 제 1 투과 차수의 회절 효율성을 반사 차수들, 특히 제 1 반사 차수의 회절 효율성보다 더 낮게 만들도록 적응된다.
또한, 일 실시예에서, 제 1 투과 차수의 회절 효율성은 0.4%보다 크지 않고, 제 1 반사 차수의 회절 효율성은 450 내지 650nm의 파장 범위에 걸쳐 적어도 3%이다.
바람직하게, 제 1 및 제 2 격자 층들은 동일한 방향으로 주기적이거나, 또는, 이중으로 주기적인(doubly periodic) 격자의 경우에는, 기판의 평면 및 격자에서 두 직교 방향들로 주기적이다.
바람직한 실시예에 따르면, 격자 구조는 2개의 연속적인 격자 층들, 즉, 동일한 격자 주기(Λ)를 갖는 제 1 격자 층 및 제 2 격자 층으로 구성된다. 각각의 격자 층은 단일 격자 주기 내에서 상이한 굴절율들을 갖는 2개의 구역들을 포함하는데, 즉, 격자 층들은 소위 이원 격자들이다. 격자 층들은, 더 높은 굴절율을 갖는 제 1 격자 층의 구역들이 더 낮은 굴절율을 갖는 제 2 격자 층의 구역들과 적어도 부분적으로 정렬되고 그 반대의 경우에도 적어도 부분적으로 정렬되도록, 정렬된다. 이러한 종류의 2층 격자 구조는 대응하는 단일 층 격자들보다는 상당히 더 작은 양의 광을 비-제로 홀수 투과 차수들로 회절시킨다. 이는, 제 1 격자 층으로부터 산란된 광 및 제 2 격자 층으로부터 산란된 광이 비-제로 홀수 투과 차수들의 방향들에서 파괴적으로 간섭하도록 2개의 격자 층들이 배열될 때, 발생한다. 그 파괴적인 간섭은 위상 차이가 90도보다는 크고 270도보다는 작을 때 동일한 방향으로 전파하는 2개의 파들 간에 발생하고, 180도 위상 차이에서 가장 강하다.
2개의 격자 층들로부터 산란되는 필드들 사이에서의 파괴적인 위상 시프트는 2개의 이원 격자들을 통해 편리하게 획득될 수 있다. 만약 ½ 듀티 사이클을 갖는 2개의 이원 격자들(즉, 격자 주기 내의 더 높은 및 더 낮은 굴절율 구역들이 주기적 격자의 방향으로 동일한 폭을 가짐)이 더 높은 및 더 낮은 굴절율 구역들의 위치들만이 제 2 격자에서 뒤바뀐다는 것 외에는 동일하다면, 제 2 격자에 의해 생성되는 홀수 반사 및 투과 차수들의 위상은 제 1 격자에 의해 생성되는 대응하는 차수들의 위상과 180도만큼 상이하다. 따라서, 만약 격자들이 대단히 얇고 하나의 격자가 다른 격자 위에 놓였다면, 홀수 투과(반사) 차수들의 방향으로 2개의 격자 층들에 의해서 생성되는 투과(반사) 필드들은 180도 위상 차이로 인해서 파괴적으로 간섭할 것이다. 실제로, 격자 층들은 대단히 얇지 않고, 따라서 홀수 차수들의 방향들에서 반사 필드들 간의 180도 위상 차이는 쉽게 손실되고 보강적인 간섭이 발생한다. 이는, 입사 필드가 제 1 격자 층으로부터 직접 산란하는 반면에 제 2 격자 층의 경우에는 입사 필드가 먼저 제 1 격자 층을 통과하고, 이어서 필드가 제 2 격자 층으로부터 산란하고, 다음으로 산란된 필드가 제 1 격자 층을 통해 전파하고 최종적으로 제 1 격자 층으로부터 직접 산란되어진 필드를 간섭할 때, 발생한다. 홀수 투과 차수들을 통해서는, 제 1 격자 층으로부터 산란된 필드가 제 2 격자 층을 통해 이동할 필요가 있을 때 180도의 위상 차이가 더 잘 유지되는 반면에, 제 2 격자 층을 통해서는, 입사 필드가 자신이 제 2 격자 층으로부터 산란하기 이전에 제 1 격자 층을 통해 이동한다. 따라서, 제공되는 2층 격자 구조를 통해서는, 인간의 눈을 통해서는 투과 광에서 레인보유 효과가 관측될 수 없는 반면에 그 구조는 여전히 홀수 및 짝수 반사 차수들로 상당한 양의 광을 반사하도록 하는 그러한 낮은 레벨로 홀수 투과 차수들의 회절 효율성을 감소시키는 것이 가능하다. 그 구조의 명백한 장점은, 격자 구조가 적절히 설계될 때는 홀수 투과 차수들의 낮은 회절 효율성이 모든 가시적인 파장들에서 획득될 수 있다는 점이다.
제공되는 격자 구조는 짝수 투과 차수들의 회절 효율성을 감소시킬 수 없다. 그러나, 이는 통상적으로 문제가 되지 않는데, 그 이유는 많은 애플리케이션들에서는 격자 주기가 매우 작아서 0 및 +/-1 이외의 차수들의 회절 효율성은 제로이거나 극도로 낮기 때문이다.
본 발명은, 0번째 투과 차수의 회절 효율성이 가시적인 파장들을 통해 거의 파장 독립적이고 따라서 광이 격자 구조를 투과할 때 컬러 균형에 있어서의 어떠한 상당한 변화들도 유도되지 않고 또한 어떠한 가시적으로 관측가능한 이미지 흔들림도 존재하지 않도록, 2층 격자 구조가 설계될 수 있다는 추가적인 장점을 갖는다. 제안된 구조는 회절 광학에 기초하며 설정된 기술을 사용하여 제조될 수 있기 때문에, 생산하는데 있어 또한 비교적 비용이 적게 든다.
제 1 및 제 2 격자 층들의 주기, 층 두께들 및 굴절율들을 적절히 선택함으로써, 격자는 비-제로 투과 차수들로의 어떤 상당한 회절도 없이 가시적인 광을 비-제로 반사 차수들로 회절시키도록 제조될 수 있다. 그 결과, 사실상 투과 광에 의해 야기되는 어떠한 레인보유 효과도 광의 가시적인 파장들에서 보이지 않을 것이다.
일 실시예에 따르면, 제 2 격자 층의 굴절율들 중 적어도 하나, 바람직하게는 둘 모두가 제 1 격자 층에서와 동일하다.
일 실시예에 따르면, 제 1 및 제 2 격자 층들은 동일한 두께로 이루어진다. 이는 비-제로 투과 회절 차수들의 최대 억제를 제공하고, 따라서 적어도 격자 층들의 내부 구조들(디멘션들 및 굴절율들)이 유사할 때 레인보우 효과의 최대 억제를 제공한다.
대안적으로, 제 1 및 제 2 격자 층들은 그들의 재료 속성들에 있어서는 동일하지 않고, 상이한 두께들을 갖는다. 이는, 만약 사용가능한 재료들의 선택이 제한되고 격자 층들이 동일하게 제조될 수 없다면, 유리하다. 두께들은 레인보우 효과의 억제를 최적화시키기 위해서 여전히 사용될 수 있다.
일 실시예에 따르면, 더 높은 굴절율을 갖는 제 1 격자 층의 구역들은 더 낮은 굴절율을 갖는 제 2 격자 층의 구역들과 완전히 정렬되고, 그 반대의 경우에도 완전히 정렬된다. 특히, 제 2 격자 층은 제 1 격자 층과 유사한 내부 구조를 갖지만 주기적 격자의 방향으로 격자 주기의 절반만큼 측면으로 시프팅되어, 완벽한 정렬을 제공할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 제 1 및/또는 제 2 격자 층에서 구역들 중 적어도 일부는 기판과 동일한 재료 또는 기판과 거의 동일한 굴절율을 갖는 재료를 포함한다. 기판은 격자 층들이 그 위에 제조될 수 있는 마이크로제작 부분을 포함할 수 있다. 제조 기술들의 일부 예들이 실시예들의 상세한 설명에서 제공된다.
일 실시예에 따르면, 격자가 기판의 표면 상에 제공되고 그 격자의 다른 면 상에는 코팅 층을 포함함으로써, 제 1 및/또는 제 2 격자 층에서 구역들 중 적어도 일부는 코팅 층과 동일한 재료를 포함한다.
일 실시예에 따르면, 제 2 격자 층의 굴절율들 중 적어도 하나, 바람직하게는 둘 모두는 제 1 격자 층에서와 동일하다. 만약 굴절율들 중 하나가 동일하다면, 굴절율들을 정의하는 단지 3개의 상이한 재료들만을 사용하여 전체적인 격자가 제조될 수 있다. 만약 굴절율들의 둘 모두가 동일하다면, 굴절율들을 정의하는 단지 2개의 상이한 재료들을 사용하여 전체적인 격자가 제조될 수 있다. 그렇지 않다면, 굴절율들을 정의하는 4개의 상이한 재료들이 요구된다. 모든 이러한 변형들은 레인보우 효과를 감소시키기 위해 사용될 수 있다. 따라서, 격자의 재료 구성은 디바이스의 다른 요건들에 따라 좌우될 수 있다.
통상적인 구성에서는, 격자 층들 둘 모두가 300 내지 1500nm의 동일한 주기를 나타내고, 제 1 및 제 2 격자 층들의 층 두께들은 5 내지 200nm이다. 제 1 및 제 2 격자 층 각각에서의 더 낮은 굴절율은 통상적으로 1.3 내지 1.7이고, 제 1 및 제 2 격자 층 각각에서의 더 높은 굴절율은 1.5 내지 2.2이다. 격자 층들은 또한 알루미늄, 금 및 은과 같은 금속들, 또는 ITO(indium tin oxide)와 같은 전도성 산화물들, 또는 PEDOT(poly(3,4-ethylenedioxythiophene)) 및 PEDOT:PSS(poly(3,4-ethylenedioxythiophene):poly(styrene sulfonate))와 같은 전도성 투명 폴리머들을 함유할 수 있다.
위에서 논의된 바와 같이, 본 격자는 광-가이드 기판으로부터 아웃-커플링 격자로 지향되는 광을 상기 기판 밖으로 회절시키도록 적응되는 동시에 상기 기판의 투명성을 유지하는 상기 아웃-커플링 격자로서 기능할 수 있다. 따라서, 격자 및 기판은 광학 디스플레이 디바이스에 대한 결합기 엘리먼트로서 동작한다. 광을 기판 내로 그리고 추가로 아웃-커플링 격자로 가이드하기 위해서, 이러한 디바이스들은 통상적으로 기판의 상이한 위치 상에 배열되는 인-커플링 격자를 또한 포함한다. 게다가, 광의 소스 또는 프로젝터가 인-커플링 격자로 광을 지향시키기 위해 제공될 수 있다. 완전히 기능적인 HUD(head-up display), NED(near-to-eye display), 또는 EPE(exit pupil expander) 또는 이들의 부분이 따라서 제공된다.
위에서 표시된 애플리케이션들 외에도, 본 광학 디바이스는 건설 산업의 엘리먼트들, 조명 장치들, 또는 안경류, 이를테면 장식용, 안전용 또는 다른 용도들을 위한 안경, 선글라스 및 스포츠 안경과 같은 시각 보조기들에서 사용될 수 있다. 예를 들어, 빌딩 밖에서는 가시적이지만 빌딩 내에서는 가시적이지 않은 레인보우 효과를 갖는 유리 패널을 제조하는 것이 가능하다. 다른 예를 언급하자면, 안경류 상의 위조-방지 또는 정품 마킹이 일종의 안경류 외관에서는 가시적이지만 그것의 정상적인 용도는 방해하지 않도록 그 마킹을 만드는 것이 가능하다.
본 결합기 엘리먼트는 항공 산업 디스플레이 디바이스, 자동차 산업 디스플레이 디바이스, 게임 디스플레이 디바이스 또는 증강 현실 디스플레이 디바이스, 또는 가이드 수술 또는 어셈블리 디스플레이 디바이스에서 특히 이루어질 수 있다.
다음으로, 본 발명의 실시예들은 사용되는 일부 정의들을 먼저 제공하고, 첨부된 도면들을 참조하여 더 상세히 설명된다.
아래의 설명, 예들 및 도면들에서 달리 언급되지 않는다면, 아래의 정의들이 적용된다:
회절 효율성들이 TE- 및 TM- 편광들의 평균으로서 푸리에 모달 방법(Rigorous coupled wave analysis로도 공지되어 있음)에 의해 계산되었고, 그로 인해 격자에 비-편광 광이 가해지는 상황에 대응한다.
달리 언급되지 않으면, 모든 예들에서, 격자의 주기는 450nm이고, 격자는 수직으로 입사하는 평면파에 의해서 조명된다. 도면들이 반드시 실척대로 도시되어있지는 않다.
"투명한"(예를 들어, 재료 층)이라는 용어는 450 내지 650nm의 가시 파장 범위에서의 자신의 투과도가 적어도 50%인 그러한 구조들을 지칭한다.
도 1은 본 발명에 따른 격자 구조의 일반적인 표현을 도시한다.
도 2는 일 실시예에 따른 격자 구조를 도시한다.
도 3a는 다른 실시예에 따른 격자 구조를 도시한다.
도 3b는 예시적인 디멘션들 및 굴절율들을 갖는 도 3a에 따른 이중 층 격자 구조에 대한 자유 공간 파장의 함수로서 제 1 반사(R+1) 및 투과(T+1) 차수의 계산된 회절 효율성을 도시한다.
도 3c는 단지 단일 격자 층을 포함하는 것 외에는 도 3b에 모델링된 구조와 동일한 단일 층 격자 구조에 대한 자유 공간 파장의 함수로서 제 1 반사(R+1) 및 투과(T+1) 차수의 계산된 회절 효율성을 도시한다.
도 4a는 다른 실시예에 따른 격자 구조를 도시한다.
도 4b는 예시적인 디멘션들 및 굴절율들을 갖는 도 4a에 따른 구조에 대한 자유 공간 파장의 함수로서 제 1 반사(R+1) 및 투과(T+1) 차수의 계산된 회절 효율성을 도시한다.
도 5a는 다른 실시예에 따라 금속 도금을 사용하여 실현되는 격자 구조를 도시한다.
도 5b는 예시적인 디멘션들 및 굴절율들을 갖는 도 5a에 따른 구조에 대한 자유 공간 파장의 함수로서 제 1 반사(R+1) 및 투과(T+1) 차수의 계산된 회절 효율성을 도시한다.
도 5c는 도 5b에 모델링된 구조에 대한 자유 공간 파장의 함수로서 0번째 투과 차수(TO)의 계산된 회절 효율성을 도시한다.
도 5d는 단지 단일 격자 층을 포함하는 것 외에는 도 5b에 모델링된 구조와 동일한 구조에 대한 자유 공간 파장의 함수로서 제 1 반사(R+1) 및 투과(T+1) 차수의 계산된 회절 효율성을 도시한다.
도 6은 본 발명에 따른 이중으로 주기적인 격자 구조의 일반적인 표현을 도시한다.
도 1은 본 발명에 따른 2-층 격자의 일반적인 구조를 도시한다. 격자는 제 1 격자 층(11) 및 제 2 격자 층(12)을 포함한다. 그 두 격자 층들은 동일한 격자 주기(Λ)를 갖고 이원적이다. 제 1 격자 층은 상이한 굴절율들(n11 및 n12)을 각각 갖는 교번적인 재료 구역들(11A 및 11B)의 주기적 패턴으로 구성된다. 마찬가지로, 제 2 격자 층은 상이한 굴절율들(n21 및 n22)을 각각 갖는 교번적인 재료 구역들(12A 및 12B)의 주기적 패턴으로 구성된다. 2-층 격자의 제 1 면 상에는, 굴절율(n1)을 갖는 제 1 광학 투명 재료 층(10)이 제공되고, 격자의 제 2 면 상에는, 굴절율(n2)을 갖는 제 2 광학 투명 재료 층(13)이 제공된다. 격자의 한 면 또는 양 면들 상의 층들(10, 13)은 공기(또는 진공) 층들, 즉 어떠한 고체 재료도 없는 층들을 또한 포함할 수 있다.
간략화된 그리고 실제로 더 실현가능한 구조가 도 2에 도시되어 있다. 그 구조는 도 1에서와 같이, 제 1 격자 층(21) 및 제 2 격자 층(22)을 포함한다. 게다가, 제 1 격자 층은 상이한 굴절율들(n11 및 n1)을 각각 갖는 교번적인 재료 구역들(21A 및 21B)의 주기적 패턴으로 구성된다. 마찬가지로, 제 2 격자 층은 상이한 굴절율들(n21 및n2)을 각각 갖는 교번적인 재료 구역들(22A 및 22B)의 주기적 패턴으로 구성된다. 도 1에 대한 본질적인 차이는, 격자 층들(21, 22)의 각 면 상의 재료 층들(20, 23)이 격자 구역들(21A 및 22A)로부터 각각 끊김없이 계속된다는 점이다.
또한 더 간략화된 구조가 도 3a에 도시되어 있다. 그 구조는 도 1 및 도 2에서와 마찬가지로, 제 1 격자 층(31) 및 제 2 격자 층(32)을 포함한다. 격자 층들은 (각각의 층 내에서) 상이한 굴절율들(n, n1;n, n2)을 각각 갖는 교번적인 재료 구역들(31A, 31B;32A, 32B)의 주기적 패턴으로 구성된다. 또한 이러한 실시예에서, 격자 층들(31, 32)의 각 면 상의 재료 층들(30, 33)은 격자 구역들(31A 및 32A)로부터 각각 끊김없이 계속된다. 이러한 구성에서, 격자 층들(31, 32) 각각의 한 구역(31B, 32B)에 있는 재료들은 동일하고, 따라서 구역들(31B, 32B)은 동일한 굴절율(n)을 갖는다.
재료 구역들(31A 및 32A)이 또한 동일한 재료로 제조될 것이라는 점, 즉, n1=n2라는 점이 배제되지 않고, 그로 인해서 단지 2개의 상이한 재료들만이 제안된 구조를 제조하는데 요구될 것이다. 여기서 설명되는 다른 구조들에 대해서도 위와 동일한 사항이 유지된다. 도 1을 참조하면, 일 실시예에 따라, 제 1 격자 층의 n11 구역(n12 구역)은 제 2 격자 층의 n21 구역(n22 구역)과 동일한 굴절율을 갖는다. 이러한 실시예는, 격자 층들이 동일한 두께로 이루어질 때, 홀수 투과 회절 차수들의 최적의 억제를 제공한다. 만약 n11≠n21 또는 n12≠n22라면, 최적의 억제는 동일하지 않은 두께들을 갖는 격자 층들을 통해 획득될 수 있다.
도 3b는 n1=n2=1.7, n=1.3, h1=h2=50nm 및 Λ=450nm와 같은 파라미터들을 갖는 도 3a에 따른 구조에 대한 자유 공간 파장(
Figure 112015037734598-pct00001
)의 함수로서 제 1 투과(T+1) 및 제 1 반사(R+1) 차수의 회절 효율성을 도시한다. 그 구조는 수직으로 입사하는 평면파에 의해서 조명된다. 도 3c는 단지 단일 격자 층을 포함하는 것 외에는 도 3b에 모델링된 구조와 동일한 구조에 대한 동일한 결과들을 도시한다. 명백하게, T+1은 도 3c에서보다는 도 3b에서 훨씬 더 약하다. 본 특허 출원에서 제시되는 모든 모델링 결과들은 금속 격자 구조들을 또한 통해 양호한 컨버젼스를 획득하기 위해서 정확한 푸리에 팩터화 규칙들을 활용하는 푸리에 모달 방법(rigorous coupled wave analysis으로도 또한 공지되어 있음)으로 획득되었다.
도 4a는 교번적인 재료 구역들(41B, 42B)이 격자에 수직하는 방향으로 서로 겹치는 그 격자의 변경된 구조를 도시한다. 따라서, 실제 격자 층들(41, 42) 사이에는 굴절율(n)을 갖는 재료의 통합 층이 존재한다. 또한 이러한 실시예에서는, 격자 층들(41, 42)의 각 면 상에서 굴절율들(n1 및 n2)을 각각 갖는 재료 층들(40, 43)이 격자 구역들(41A 및 42A)로부터 각각 끊김없이 계속된다.
도 4b는 n1=n2=1.7, n=1.3, h1=50nm, h2=80nm 및 Λ=450nm와 같은 파라미터들을 갖는 도 4a에 따른 구조에 대한 자유 공간 파장(
Figure 112015037734598-pct00002
)의 함수로서 제 1 투과(T+1) 및 제 1 반사(R+1) 차수의 회절 효율성을 도시한다. 그 구조는 수직으로 입사하는 평면파에 의해서 조명된다. 도 3b와 비교해서, 50nm 두께의 격자 층들 사이에 있는 30nm 두께의 균일 유전체 층은 R+1을 향상시킨다. 또한 T+1도 약간 증가하지만 여전히 도 3c에서보다는 상당히 더 낮다.
도 5a는 또 다른 실시예를 도시한다. 이러한 실시예에서는, 원하는 이중 격자가 기판(50)에 의해 형성되는데, 그 기판(50)은 리지들(ridges)(51A)이 제공되고, 각 그로브(groove)(52A)의 바닥과 그 그로브들(52A) 사이에 형성된 각 리지(51A) 상에 제공되는 얇은 층들(54B)를 갖는데, 그 얇은 층들(54B)은 금 또는 은과 같은 금속, 또는 ITO(indium tin oxide)와 같은 일부 고 굴절율 재료로 이루어진다. 그 구조의 제 2 면 상에는, 반대 모양의 층(53, 52A)이 제공된다.
도 5b는 n1=n2=1.5, n=은의 파장 의존 굴절율(Chemistry 및 Physics, 83rd edition의 CRC 핸드북), t=50nm, 및 Λ=450nm와 같은 파라미터들을 갖는 도 5a에 따른 구조에 대한 자유 공간 파장(
Figure 112015037734598-pct00003
)의 함수로서 제 1 투과(T+1) 및 제 1 반사(R+1) 차수의 회절 효율성을 도시한다. 은 구역들은 10nm 두께이고, 구조는 수직으로 입사하는 평면파에 의해서 조명된다. 도 5b는 동일한 구조에 대한 0번째 투과 차수의 회절 효율성을 도시한다. 평균 스펙트럼 0번째 차수 투과도는 60%를 초과한다. 도 5c는 단지 단일 은 격자 층을 포함하는 구조에 대한 동일한 결과들을 도시한다(도 5b에서 모델링된 구조에서와 같이, n1=n2이고, 그 구조는 균일한 유전체 층에 의해 분리되는 2개의 금속 격자 층들로 구성되도록 고려될 수 있다). 도 5b 및 도 5c를 비교함으로써, 2층 격자 구조가 단일 층 구조보다 상당히 적은 광을 제 1 투과 차수로 회절시킨다는 것이 명백히 확인될 수 있다.
지금까지 제공된 실시예들은 단지 하나의 방향에서 주기적이었다. 모든 제공된 실시예들은 또한 이중으로 주기적인(biperiodic로도 불림) 구조들로서 구현될 수 있다. 도 3a의 구조의 이중으로 주기적인 버전이 도 6에 도시되어 있다. 이중으로 주기적인 격자의 단지 하나의 유닛 셀만이 도 6에 도시되어 있다는 점이 주지되어야 한다. 격자는 2개의 격자 층들로 구성된다. 각 격자 층의 유닛 셀은 동일한 높이, 폭 및 깊이를 갖는 4개의 직사각형 구역들을 포함한다. 각 층은 상이한 굴절율들을 갖는 2개의 재료들로 구성된다. 각 격자 층의 유닛 셀에서 직사각형 재료 구역들은 체커보드 패턴으로 배열된다. 격자 층들은, 더 높은 굴절율을 갖는 제 1 격자 층의 구역들이 더 낮은 굴절율을 갖는 제 2 격자 층의 구역들과 정렬되고 그 반대의 경우에도 정렬되도록, 정렬된다.
위의 모두에서, 두 격자들 층들에서의 리지 및 그로브 영역들은 바람직하게는 동일한 폭으로 이루어진다. 위의 예들 모두에서, 격자 층들의 교번적인 구역들은 격자의 측면 방향으로 서로 완전히 정렬되어 최적의 성능을 제공하는 것으로서 도시되어 있다. 그러나, 구조는, 구역들이 부분적으로 정렬될 때, 예를 들어, 최적의 상황으로부터 격자의 주기의 1/4보다 작은 변위가 존재하는 경우, 또한 작동할 것으로 예상된다.
2개의 격자 층들은 리지들 및 그로브들의 폭보다 통상적으로 작은 거리만큼 분리되거나 또는 직접 겹칠 수 있다.
도 2, 도 3a, 도 4a 및 도 5a의 구조들은 모두 아래의 단계들에 의해 제조될 수 있다:
a) 굴절율(n1)을 갖는 광학적으로 투명한 바닥 기판을 제공하는 단계,
b) 바닥 기판에 대한 그로브들 및 리지들의 시퀀스를 제조하는 단계,
c) 제 1 격자 층을 완료하기 위해서 굴절율(n11 또는 n)을 갖는 광학적으로 투명한 재료의 제 1 구역들을 그로브들에 증착하는 단계,
d) 굴절율(n21 또는 n)을 갖는 광학적으로 투명한 재료의 제 2 구역들을 리지들 상에 증착하는 단계,
e) 굴절율(n2)(n2는 있을 수는 있지만 n1과 동일할 필요는 없음)을 갖는 광학적으로 투명한 재료를, 제 2 구역들 사이에 그리고 선택적으로는 또한 제 2 구역들 위에 균일한 코팅 층으로 증착하는 단계.
도 3의 구조의 경우에, 제조 단계들 (c) 및 (d)는 단일 증착에 의해서 달성될 수 있다. 즉, 제 1 격자의 그로브들이 굴절율(n)을 갖는 재료로 채워질 때, 제 2 격자 층의 리지 구역들이 동시에 형성된다.
기판에 대한 그로브들 및 리지들은 임의의 공지된 마이크로제작 기술, 이를테면 기계적인 조각(mechanical engraving), (핫) 엠보싱, 레이저(e-빔) 제작, 에칭, 또는 나노임프린팅과 같은 재료 증착 기술을 사용하여 제공될 수 있다.
상단 층 및 기판과는 상이한 굴절율을 갖는 격자 층들의 재료 구역들의 증착은 프린팅 방법들, 이를테면 그라비어(gravure), 리버스-그라비어(reverse-gravure), 철판인쇄 및 스크린 프린팅, 코팅 방법들, 스프레잉 방법들, 또는 열 증발, 스퍼터링(sputtering) 및 원자 층 증착과 같은 일반적으로 공지된 박막 증착 방법들을 사용하여 바람직하게 이루어진다.
상단 층은 적절한 코팅, 스프레잉 또는 프린팅 방법에 의해서 제공될 수 있다.
기판 및 상단 층 재료들은 예를 들어 유리, PS(polystyrene), PET(Polyethylene terephthalate), PMMA(Poly(methyl methacrylate)), 폴리카보네이트, 셀룰로스 아세테이트(cellulose acetate), 폴리비닐피로리돈(polyvinylpyrrolidone), 또는 에틸셀룰로스(ethylcellulose)를 포함할 수 있다.
대안적인 재료 구역들은 예를들어 Nafion
Figure 112015037734598-pct00004
과 같은 술폰화 플루오르폴리머들(sulfonated fluoropolymers)을 포함할 수 있다.
재료 및 굴절율들은 또한 바뀔 수 있다.
도 5a의 경우에, 금속-함유 층은 예를 들어 CVD(chemical vapour deposition)과 같은 기상 증착 방법들, ALD(atomic layer deposition) 또는 이들의 임의의 변경을 사용하여 증착될 수 있다. 금속-함유 층의 두께는 예를 들어 1 내지 50nm, 바람직하게는 5 내지 20nm일 수 있다.

Claims (24)

  1. 광학 결합기로서 광학 디바이스를 포함하는 니어-투-아이 디스플레이(near-to-eye display; NED)로서, 상기 광학 디바이스는:
    투명 기판,
    상기 기판에 입사하는 광을 회절시켜 전반사들(total internal reflections)을 통해 상기 기판으로 전파하기 위한 수단, 및
    상기 기판 내에서 전파되어 상기 기판으로부터 나오는 광을 회절시키도록 구성되는 아웃-커플링 격자
    를 포함하고, 상기 아웃-커플링 격자는:
    상이한 굴절율들을 갖는 주기적으로 교번적인 구역들을 포함하며 제 1 층 두께를 갖는 제 1 투명 격자 층을 포함하고,
    상기 아웃-커플링 격자는, 상기 제 1 격자 층의 위에 위치되고, 제 2 층 두께를 가지고, 상이한 굴절율들을 갖는 주기적으로 교번적인 구역들을 또한 포함하는 제 2 투명 격자 층을 더 포함함으로써, 더 높은 굴절율을 갖는 상기 제 1 격자 층의 구역들이 더 낮은 굴절율을 갖는 상기 제 2 격자 층의 구역들과 정렬되고 더 낮은 굴절율을 갖는 상기 제 1 격자 층의 구역들이 더 높은 굴절율을 갖는 상기 제 2 격자 층의 구역들과 정렬되며,
    상기 제 1 및 제 2 격자 층들의 주기, 층 두께들 및 굴절율들은, 450 내지 650nm의 파장 범위에 걸쳐서, 제 1 투과 차수의 회절 효율을 제 1 반사 차수의 회절 효율보다 더 낮게 만들도록 구성되는,
    니어-투-아이 디스플레이.
  2. 삭제
  3. 제 1항에 있어서,
    제 1 투과 차수들의 회절 효율은 0.4%보다 크지 않고, 제 1 반사 차수의 회절 효율은 450 내지 650nm의 파장 범위에 걸쳐 적어도 3%인, 니어-투-아이 디스플레이.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 제 1 및 제 2 격자 층들은 동일한 격자 주기를 갖고, 상기 제 1 및 제 2 격자 층들 각각은 단일 격자 주기 내에서 상이한 굴절율들을 갖는 2 종류의 구역들을 포함하는, 니어-투-아이 디스플레이.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 제 1 및 제 2 격자 층들은 동일한 두께로 이루어지는, 니어-투-아이 디스플레이.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 제 1 및 제 2 격자 층들은 자신들의 재료에 있어서 동일하지 않으며, 상이한 두께들을 갖는, 니어-투-아이 디스플레이.
  7. 제 1항에 있어서,
    상기 제 2 격자 층의 굴절율들 중 적어도 하나는 상기 제 1 격자 층의 굴절율과 동일한, 니어-투-아이 디스플레이.
  8. 제 1항에 있어서,
    상기 제 1 및 제 2 격자 층들은 동일한 방향 또는 방향들로 상기 상이한 굴절율들을 갖는 주기적으로 교번적인 구역들을 포함하는, 니어-투-아이 디스플레이.
  9. 삭제
  10. 제 1항에 있어서,
    상기 제 2 격자 층은 상기 제 1 격자 층과 동일한 내부 구조를 갖지만 주기적 격자의 방향으로 격자 주기의 절반만큼 측면으로 시프팅되는, 니어-투-아이 디스플레이.
  11. 제 1항에 있어서,
    상기 제 1 및 제 2 격자 층은 유전체 층에 의해 분리되는, 니어-투-아이 디스플레이.
  12. 제 1항에 있어서,
    상기 격자 층들은 은, 금 및 알루미늄과 같은 금속, 또는 인듐 주석 산화물과 같은 전도성 산화물을 함유하는, 니어-투-아이 디스플레이.
  13. 제 1항에 있어서,
    상기 제 1 격자 층 또는 제 2 격자 층 중 적어도 하나에서 구역들 중 적어도 일부는 상기 기판과 동일한 재료 또는 상기 기판과 동일한 굴절율을 갖는 재료를 포함하는, 니어-투-아이 디스플레이.
  14. 제 1항에 있어서,
    상기 격자가 상기 기판의 표면 상에 제공되고 상기 격자의 다른 면 상에 코팅 층을 포함함으로써, 상기 제 1 격자 층 또는 제 2 격자 층 중 적어도 하나에서 구역들의 적어도 일부는 상기 코팅 층과 동일한 재료를 포함하는, 니어-투-아이 디스플레이.
  15. 제 1항에 있어서,
    상기 제 1 및 제 2 격자 층들의 주기는 300nm 내지 1500nm이고, 상기 제 1 및 제 2 격자 층들의 층 두께들은 5nm 내지 200nm인, 니어-투-아이 디스플레이.
  16. 제 1항에 있어서,
    상기 제 1 및 제 2 격자 층들 각각의 더 낮은 굴절율은 1.3 내지 1.7이고, 상기 제 1 및 제 2 격자 층들 각각의 더 높은 굴절율은 1.5 내지 2.2인, 니어-투-아이 디스플레이.
  17. 삭제
  18. 제 1항에 있어서,
    상기 기판에 입사하는 광을 회절시켜 전반사들을 통해 상기 기판으로 전파하기 위한 수단은 상기 기판의 외부로부터의 광을 상기 기판으로 회절시키고 또한 상기 아웃-커플링 격자로 향하게 하도록 구성되는 인-커플링 격자를 포함함으로써, 광이 전반사들(total internal reflections)을 통해 광-가이드 기판으로 전파되는, 니어-투-아이 디스플레이.
  19. 제 18항에 있어서,
    상기 디바이스는 상기 기판의 표면 상에 있는 상기 인-커플링 격자를 조명할 수 있는 광 프로젝터를 포함하는, 니어-투-아이 디스플레이.
  20. 제 1항에 있어서,
    2층 격자 구조는 이중으로 주기적인(doubly periodic), 니어-투-아이 디스플레이.
  21. 삭제
  22. 제 1항에 있어서,
    상기 디바이스는 건설 산업, 조명 장치, 또는 안경류와 같은 시각 보조기에 사용되는 투명 엘리먼트들인, 니어-투-아이 디스플레이.
  23. 삭제
  24. 제 1항에 있어서,
    상기 제 2 격자 층의 굴절율들 둘 모두는 상기 제 1 격자 층의 굴절율과 동일한, 니어-투-아이 디스플레이.
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