KR20190041796A - 빔 확장기와 이를 포함하는 디스플레이 - Google Patents

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Abstract

빔 확장기와 이를 포함하는 디스플레이에 관해 개시되어 있다. 일 실시예에 의한 빔 확장기는 간섭성 광을 방출하는 광원으로부터 입사되는 광을 회절시켜 평행광을 발생시키는 홀로그래픽 광학요소(HOE)와 상기 HOE로부터 입사되는 광을 주어진 방향으로 회절시키는 회절광학요소를 포함한다. 상기 광원과 상기 HOE는 상기 회절광학요소를 사이에 두고 마주할 수 있다. 상기 광원과 상기 HOE는 모두 상기 회절광학요소의 한쪽에 배치될 수 있다. 상기 광원은 상기 회절광학요소의 위쪽 또는 아래쪽에 배치될 수도 있다.

Description

빔 확장기와 이를 포함하는 디스플레이{Beam expander and display including the same}
본 개시는 디스플레이에 관련된 것으로써, 보다 자세하게는 빔 확장기와 이를 포함하는 평판 디스플레이에 관한 것이다.
빔 확장기(Beam Expander)는 광원으로부터 발산하는 광을 평행광으로 만들어주는 콜리메이터(collimator)와 광의 방향을 바꿔주는 역할을 하는 회절격자(grating)을 결합한 구조이다. 여기서 콜리메이터는 복수의 렌즈를 포함하는 렌즈 광학계이다. 상기 렌즈 광학계는 광원으로부터 방출된 광의 폭을 일정 크기로 확대하기 위한 렌즈와 확대된 광을 평행광으로 만들어 주는 렌즈를 포함할 수 있다. 이러한 렌즈들은 일정간격으로 배열되어 있다. 이러한 렌즈들은 비구면 렌즈일 수 있다.
본 개시는 슬림하면서 콤팩트한 빔 확장기를 제공한다.
본 개시는 이러한 빔 확장기를 포함하는 디스플레이를 제공한다.
본 개시에서 일 실시예에 의한 빔 확장기는 간섭성 광을 방출하는 광원으로부터 입사되는 광을 회절시켜 평행광을 발생시키는 홀로그래픽 광학요소(HOE)와 상기 HOE로부터 입사되는 광을 주어진 방향으로 회절시키는 회절광학요소를 포함한다.
이러한 빔 확장기에서, 상기 광원과 상기 HOE는 상기 회절광학요소를 사이에 두고 마주할 수 있다.
상기 광원과 상기 HOE는 모두 상기 회절광학요소의 한쪽에 배치될 수 있다.
상기 광원은 상기 회절광학요소의 위쪽 또는 아래쪽에 배치될 수도 있다.
상기 HOE는 상기 회절광학요소의 법선에 대해 주어진 각으로 입사되는, 파면이 평면인 회절광을 발생시키는 간섭무늬가 기록된 홀로그램층을 포함할 수 있다.
상기 HOE는 도파관과, 상기 도판관의 일측에 부착된 제1 HOE와, 상기 도파관의 일측에 부착되고, 상기 제1 HOE와 이격된 제2 HOE를 포함할 수 있다.
상기 HOE는 반사형 또는 투과형일 수 있다.
상기 광원은 간섭성 광원과 광 섬유를 포함할 수 있다.
상기 회절광학요소는 회절격자 또는 HOE일 수 있다. 이때, 상기 회절격자는 바이너리(binary), 블레이즈드(blazed) 또는 정현파(sinusoidal) 회절격자일 수 있다.
상기 회절광학요소의 법선에 대해 주어진 각은 상기 회절광학요소에서 전반사를 일으키는 각보다 작을 수 있다.
상기 제1 HOE와 상기 제2 HOE 중 하나는 반사형이고, 나머지는 투과형일 수 있다.
상기 법선에 대해 주어진 각은 80°이상이고, 90°보다 작은 각일 수 있다.
본 개시에서 일 실시예에 의한 디스플레이는 광 확산부와 상기 광 확산부에 간섭성 광을 공급하는 빔 확장기를 포함하고, 상기 빔 확장기는 상기 일 실시예에 의한 빔 확장기를 포함할 수 있다.
개시된 일 실시예에 의한 빔 확장기는 광원에서 오는 광을 디스플레이의 광 확산부(예, 웨이브 가이드)에 제공하는데 홀로그래픽 광학요소(holographic optical element, HOE)를 이용한다. HOE는 기존의 렌즈 광학계를 포함하지 않으며, 기존의 렌즈 광학계에 비해 두께가 매우 얇다. 그러므로 일 실시예에 의한 빔 확장기를 사용할 경우, 빔 확장기의 사이즈는 기존의 렌즈 광학계를 사용할 때보다 줄어든다. 따라서 슬림하면서 콤팩트한 빔 확장기를 구현할 수 있다. 이러한 이점은 빔 확장기를 채용하는 디스플레이(예, 테블릿(tablet) PC)에도 그대로 전달될 수 있다.
도 1은 일 실시예에 의한 홀로그래픽 디스플레이의 개략적 단면도이다.
도 2는 도 1의 빔 확장기에 대한 일 예를 나타낸 단면도이다.
도 3은 도 2를 y축 방향(도 1의 표시부(5))에서 본 평면도이다.
도 4는 다른 실시예에 의한 빔 확장기를 나타낸 단면도이다.
도 5는 또 다른 실시예에 의한 빔 확장기를 나타낸 단면도이다.
도 6은 일 실시예에 의한, 빔 확장기를 포함하는 평판 디스플레이를 나타낸 사시도이다.
도 7은 도 6에 도 2의 빔 확장기가 사용된 경우의 단면도이다.
이하, 일 실시예에 의한 빔 확장기 및 이를 포함하는 디스플레이를 첨부된 도면들을 참조하여 상세하게 설명한다. 이 과정에서 도면에 도시된 층이나 영역들의 두께는 명세서의 명확성을 위해 과장되게 도시된 것이다.
도 1은 일 실시예에 의한 빔 확장기를 포함하는 평판 디스플레이(Flat Panel Display, FPD)를 보여준다.
도 1을 참조하면, 평판 디스플레이는 표시부(5)와 빔 확장기(12)를 포함한다. 평판 디스플레이는 간섭성광(coherent light)을 사용하는 디스플레이일 수 있는데, 예를 들면 홀로그래픽 디스플레이일 수 있다. 표시부(5)는 평판 디스플레이의 몸체라 할 수 있다. 표시부(5)는 이미지가 표시되는 부분이다. 이때, 상기 이미지는 2차원 이미지 또는 3차원 이미지일 수 있다. 표시부(5)는 광 확산부와 함께 다수의 구성요소(element)를 포함할 수 있다. 상기 광 확산부는 빔 확장기(12)로부터 광(12L)을 공급받는 것일 수 있다. 상기 광 확산부는 빔 확장기(12)로부터 입사되는 광을 확산시켜 그 앞쪽에 위치한 부재의 전체 면에 광을 고르게 공급시키는 구성을 포함할 수 있다. 예컨대, 상기 광 확산부는 웨이브 가이드(waveguide)를 포함할 수 있다. 빔 확장기(12)에서 표시부(5)로 공급되는 광(12L)은 간섭성광일 수 있다. 빔 확장기(12)는 표시부(5)의 상기 광 확산부와 이격되거나 직접 접촉될 수 있다. 빔 확장기(12)가 상기 광 확산부와 이격되어 배치된 경우에도 빔 확장기(12)와 상기 광확산부를 간접적으로 접촉시키는 매체 혹은 매질이 둘 사이에 배치될 수 있다.
도 2는 도 1의 빔 확장기(12)에 대한 일 예를 보여준다.
도 2를 참조하면, 빔 확장기(BE1)는 회절광학요소(20), 광원(22), HOE(24)를 포함한다. 광원(22)과 HOE(24)는 회절광학요소(20)의 양측에 배치될 수 있다. 그러나 이러한 배치는 선택적 혹은 임의적이며, 따라서 제조자의 의도에 따라 달라질 수 있다. 광원(22)과 회절광학요소(20)와 HOE(24)는 서로 떨어져 있다. 광원(22)과 HOE(24)는 회절광학요소(20)를 사이에 두고 서로 마주하도록 배치될 수 있다. 회절광학요소(20)와 HOE(24)는 수직으로 배치될 수 있다. 예컨대, 회절광학요소(20)는 x축 방향으로, HOE(24)는 y축 방향으로 배치될 수 있다. 광원(22)은 간섭성광을 방출하는 광원일 수 있다. 일 예로 광원(22)은 레이저를 방출하는 광학소자를 포함할 수 있다. 광원(22)는 레이저를 방출하는 광학소자와 함께 광섬유(optical fiber)를 포함할 수 있다. 이때, 광섬유는 방출된 레이저를 정해진 지점까지 전달하는 수단이 될 수 있다. 광원(22)에 포함된 상기 광학소자는, 예를 들면 레이저 다이오드(laser diode, LD)일 수 있다. 광원(22)에 포함된 요소들(예컨대, LD와 광섬유)은 간섭성광이 대칭적으로 발산하는 빔(symmetric diverging beam)의 형태로 방출되도록 배치될 수 있다. HOE(24)는 입사광의 진행방향을 바꾸면서 광의 파면을 평면으로 바꿔준다. 곧, HOE(24)는 입사광을 입사 방향과 다른 방향으로 회절시키면서 광을 평행광으로 바꿔준다. 기판(24A)과 기판(24A) 상에 형성된 홀로그램층(24B)을 포함한다. 홀로그램층(24B)은 광원(22)과 마주할 수 있다. 홀로그램층(24B)의 광이 입사되는 면(24S)은 회절광학요소(20)의 광 방출면에 수직할 수 있다. 곧, 홀로그램층(24B)의 광이 입사되는 면(24S)의 법선과 회절광학요소(20)의 법선(25)은 서로 수직하다. HOE(24)는 반사형이다. 홀로그램층(24B)은 제작과정에서 기준광이 조사될 때, 특정 방향으로 광이 방출되도록 기록된 간섭무늬를 포함할 수 있다. 홀로그램의 일반적인 형성과정은 잘 알려져 있으므로, 그 과정에 대한 설명은 생략한다. 광원(22)으로부터 홀로그램층(24B)에 입사되는 광은 상기 기준광이 될 수 있다. 따라서 광원(22)으로부터 간섭성을 갖는 기준광이 홀로그램층(24B)에 입사되면, 홀로그램층(24B)에 기록된 간섭무늬가 회절격자 역할을 해서 기준광의 입사방향과 다른 방향으로 회절광(24L)이 발생된다. 이 회절광(24L)은 홀로그램을 만들 때 사용한 신호광에 해당하는 것으로 1차원적으로 펼쳐진 평행광이다. 상기 기준광의 조사에 따라 HOE(24)로부터 발생된 1차원적으로 펼쳐진 평행광(24L)은 회절광학요소(20)에 주어진 각으로 입사된다. 예컨대, HOE(24)로부터 발생된 평행광(24L)은 회절광학요소(20)의 표면에 수직한 법선(25)에 대해서 주어진 각(θ)으로 입사될 수 있다. 여기서 각(θ)은 회절광학요소(20)에 대해 전반사를 일으키는 각보다 작다. 각(θ)은, 예를 들면 80°이상이 될 수 있으며, 90°보다 작다. HOE(24)에서 발생된 평행광(24L)이 이와 같이 회절광학요소(20)에 대해 비스듬하게 입사되면서 회절광학요소(20)에는 1차원적으로 길게 확장된 평행광(24L)이 입사하게 된다. 회절광학요소(20)에 입사된 평행광(24L)은 회절광학요소(20)에 부여된 회절특성에 의해 회절광학요소(20)에 수직한 방향으로, 곧 법선(25)에 평행한 방향으로 회절된다. 이렇게 해서, 1차원적으로 균일하게 펼쳐진 광(20L)이 표시부(도 1의 5)에 입사되어 이미지를 표시하는데 사용된다. 회절광학요소(20)는 회절격자(grating) 또는 HOE일 수 있다. 이때, 상기 회절격자는 반사형일 수 있으며, 바이너리(binary) 회절격자, 블레이즈드(blazed) 회절격자 또는 정현파(sinusoidal) 회절격자일 수 있다.
광 경로 상에서 광원(22)과 회절광학요소(20) 사이에 배치된 HOE(24)의 두께(t)는, 예를 들면 2mm 정도이다. 반면, 기존의 빔 확장기에서 HOE(24)에 대응하는 부분은 빔 확장을 위한 렌즈와 콜리메이터(collimator) 렌즈 등 복수의 렌즈를 포함하는 렌즈 광학계인데, 전체 두께가 40mm~50mm 정도이다. 따라서 개시된 일 실시예에 의한 빔 확장기를 이용할 경우, 기존의 빔 확장기의 렌즈 광학계에 해당하는 부분의 두께를 1/20 정도로 줄일 수 있다. 그러므로 개시된 일 실시예에 의한 빔 확장기를 이용하면, 기존의 빔 확장기보다 슬림하고 콤팩트한 빔 확장기를 구현할 수 있다. 이러한 빔 확장기가 디스플레이에 채용될 경우, 디스플레이의 슬림화와 콤팩트화에도 영향을 줄 수도 있다.
도 3은 도 2를 y축 방향에서 본, 곧 도 1의 표시부(5)에서 본 평면도이다.
도 3을 참조하면, 회절광학요소(20)는 광원(22)과 HOE(24) 사이에 배치되어 있다. 참조번호 A1은 회절광학요소(20)의 광 방출영역을 나타낸다. 광원(22)은 다른 곳에 배치될 수도 있다. 일 예로 광원(22)은 참조번호 32로 나타낸 바와 같이 회절광학요소(20) 위쪽에 배치될 수도 있고, 또한 참조번호 34로 나타낸 바와 같이 회절광학요소(20)의 아래쪽에 배치될 수도 있다.
도 4는 다른 실시예에 의한 빔 확장기를 보여준다. 도 4의 빔 확장기(BE2)는 도 1의 빔 확장기(12)로 사용될 수도 있다.
도 4를 참조하면, 빔 확장기(BE2)는 회절광학요소(40), 광원(42), HOE(44)를 포함한다. HOE(44)와 광원(42)은 모두 회절광학요소(40)의 한쪽에 배치되어 있다. HOE(44)는 광원(42)과 회절광학요소(40) 사이에 배치되어 있다. HOE(44)는 투과형 HOE이다. HOE(44) 뒤에 배치된 광원(42)으로부터 입사되는 광은 HOE(44)의 기판(44A)통과한 후, 홀로그램층(44B)에 입사된다. 홀로그램층(44B)에 입사된 광은 홀로그램층(44B)에 기록된 간섭무늬에 인해 회절되면서 1차원 적으로 펼쳐진 평행광으로 되어 회절광학요소(40)의 법선(45)에 대해 주어진 각(θ)으로 입사된다. 입사각(θ)과 관련된 특성은 도 2의 입사각(θ)과 관련된 특성과 동일할 수 있다. HOE(44)의 회절특성은 HOE(44)의 홀로그램층(44B)을 제조하는 단계에서 부여될 수 있다. 회절광학요소(40)에 입사된 광은 회절광학요소(40)가 갖는 회절특성에 의해 회절광학요소(40)에 수직한 방향으로 회절되어 표시부(도 1의 5)로 수직하게 입사된다. 회절광학요소(40)의 회절특성은 회절광학요소(40)의 제조단계에서 부여될 수 있다. HOE(44)의 역할은 도 2에서 설명한 HOE(24)와 동일할 수 있다. 또한, 회절광학요소(40)와 광원(42)의 구성과 역할도 도 2의 회절광학요소(20)와 광원(22)과 동일할 수 있다.
도 5는 또 다른 실시예에 의한 빔 확장기를 보여준다.
도 5를 참조하면, 빔 확장기(BE3)는 회절광학요소(50)와 HOE(54)와 간섭성 광을 방출하는 광원(52)을 포함한다. 회절광학요소(50)와 광원(52)의 구성은, 예를 들면 도 2에서 설명한 회절광학요소(20)와 광원(22)의 구성과 동일할 수 있다. HOE(54)는 광원(52)과 회절광학요소(50) 사이에 배치되어 있다. HOE(54)의 역할은 앞에서 설명한 빔 확장기들(BE1, BE2)의 HOE(24, 44)와 동일할 수 있다. 곧, HOE(54)는 광원(52)으로부터 주어지는 발산하는 광을 받아서 1차원적으로 펼쳐진 평행광의 형태로 회절광학요소(50)에 제공한다. 회절광학요소(50)는 이러한 평행광을 받아 회절시켜서 회절광학요소(50)에 수직한 방향(y축 방향)으로 방출되는 광(50L)을 발생시킨다.
HOE(54)는 도파관(54A)과 제1 HOE(54B)와 제2 HOE(54C)를 포함한다. 도파관(54A)은 회절광학요소(50)에 수직한 방향(y축 방향)으로 배치될 수 있다. 제1 및 제2 HOE(54B, 54C)는 도파관(54A)과 광원(52) 사이에 배치된다. 제1 및 제2 HOE(54B, 54C)는 도파관(54A)의 일면에 부착되어 있는데, 도파관(54A)의 광원(52)과 직접 마주하는 면에 부착되어 있다. 제1 HOE(54B)는 투과형 HOE일 수 있다. 광원(52)은 제1 HOE(54B)와 바로 마주하는 위치에 배치될 수 있으나, 그렇지 않을 수도 있다. 광원(52)에서 방출된 광은 제1 HOE(54B)에 입사되어 도파관(54A) 내부로 주어진 각으로 회절된다. 도파관(54A) 내부로 회절된 광은 전반사를 거쳐 제2 HOE(54C)에 입사된다. 제2 HOE(54C)는 제1 HOE(54B)로부터 이격되어 있다. 제2 HOE(54C)는 도파관(54A)을 통해서 입사광을 회절시키고, 회절된 광이 회절광학요소(50)에 주어진 각으로 입사될 수 있는 위치에 배치될 수 있다. 따라서 제2 HOE(54C)는 반사형 HOE일 수 있다.
한편, 광원(52)에서 방출된 광을 간섭성을 유지하면서 도파관(54A)에 직접 주입하는 경우, 제1 HOE(54B)는 필요치 않을 수도 있다.
도 6은 일 실시예에 의한 빔 확장기를 포함하는 평판 디스플레이를 보여준다. 도 6의 디스플레이(60)는 홀로그래픽 디스플레이일 수 있다.
도 6을 참조하면, 디스플레이(60)는 빔 확장기(62)와 순차적으로 적층된 광 확산부(60S), 제1 빔 편향부(60B), 제2 빔 편향부(60C), 렌즈부(60D) 및 광 변조부(60E)를 포함한다. 광 확산부(60S), 제1 빔 편향부(60B), 제2 빔 편향부(60C), 렌즈부(60D) 및 광 변조부(60E)는 도 1의 표시부(5)에 포함된 구성요소들의 일 예일 수 있다. 도 1은 도 6을 6-6' 방향으로 절개한 단면을 나타낸 것일 수 있다. 광 확산부(60S)는 빔 확장기(62)로부터 입사되는 광을 제1 빔 편향부(60B)의 밑면 전체로 고르게 확산시키는 요소로, 예들 들면 웨이브 가이드를 포함할 수 있다. 광 변조부(60E)는 공간 광 변조기를 포함할 수 있다. 제1 빔 편향부(60B)는 입사광을 편향시키는 제1 빔 편향기(beam steerer)를 포함한다. 제2 빔 편향부(60C)는 입사광을 편향시키는 제2 빔 편향기를 포함한다. 빔 확장기(62)는 광 확산부(60S)의 아래에 배치된다. 빔 확장기(62)는 광 확산부(60S) 아래에서 광 확산부(60S)의 밑면의 일부와 마주하고, 빔 확장기(62)에서 방출되는 광이 상기 마주하는 밑면의 일부에 수직하게 입사되는 위치에 배치될 수 있다. 빔 확장기(62)와 광 확산부(60S)는 서로 직접 접촉될 수 있으나, 이격될 수도 있다. 이격된 경우, 빔 확장기(62)와 광 확산부(60S)는 광 전달매질을 매개로 하여 서로 접촉될 수도 있다.
빔 확장기(62)는 도 2, 도 4 및 도 5에서 설명한 빔 확장기들(BE1-BE3) 중 하나일 수 있다. 일 예로 도 7은 빔 확장기(62)가 도 2에 도시한 빔 확장기(BE1)인 경우를 보여준다.
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.
5:표시부 12:빔 확장기
12L:빔 확장기에서 표시부로 공급되는 광
20, 40, 50:회절광학요소
20L, 40L, 50L:회절광학요소에서 표시부로 입사되는 1차원적으로 펼쳐진 광
22, 42, 52:광원 24, 44, 54:HOE
24A, 44A:기판 24B, 44B:홀로그램층
24S:홀로그램층의 표면 25, 45:법선
32, 34:광원(22)이 배치될 수 있는 다른 위치들
54A:도파관 54B, 54C:제1 및 제2 HOE
60:평판 디스플레이 60B:제1 편향부
60C:제2 편향부 60D:렌즈부
60E:광 변조부 60S:광 확산부
62:빔 확장기 BE1-BE3:빔 확장기
t:HOE의 두께

Claims (15)

  1. 간섭성 광을 방출하는 광원;
    상기 광원으로부터 입사되는 광을 회절시켜 평행광을 발생시키는 홀로그래픽 광학요소(HOE); 및
    상기 HOE로부터 입사되는 광을 주어진 방향으로 회절시키는 회절광학요소;를 포함하는 빔 확장기(beam expander).
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 광원과 상기 HOE는 상기 회절광학요소를 사이에 두고 마주하는 빔 확장기.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 광원과 상기 HOE는 모두 상기 회절광학요소의 한쪽에 배치된 빔 확장기.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 HOE는 상기 회절광학요소의 법선에 대해 주어진 각으로 입사되는, 파면이 평면인 회절광을 발생시키는 간섭무늬가 기록된 홀로그램층을 포함하는 빔 확장기.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 HOE는,
    도파관;
    상기 도판관의 일측에 부착된 제1 HOE; 및
    상기 도파관의 일측에 부착되고, 상기 제1 HOE와 이격된 제2 HOE;를 포함하는 빔 확장기.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 HOE는 반사형인 빔 확장기.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 HOE는 투과형인 빔 확장기.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 광원은 간섭성 광원과 광 섬유를 포함하는 빔 확장기.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 회절광학요소는 회절격자 또는 HOE인 빔 확장기.
  10. 제 4 항에 있어서,
    상기 회절광학요소의 법선에 대해 주어진 각은 상기 회절광학요소에서 전반사를 일으키는 각보다 작은 빔 확장기.
  11. 제 5 항에 있어서,
    상기 제1 HOE와 상기 제2 HOE 중 하나는 반사형이고, 나머지는 투과형인 빔 확장기.
  12. 제 10 항에 있어서,
    상기 법선에 대해 주어진 각은 80° 이상이고, 90°보다 작은 각인 빔 확장기.
  13. 제 1 항에 있어서,
    상기 광원은 상기 회절광학요소의 위쪽 또는 아래쪽에 배치된 빔 확장기.
  14. 제 9 항에 있어서,
    상기 회절격자는 바이너리, 블레이즈드 또는 정현파(sinusoidal) 회절격자인 빔 확장기.
  15. 광 확산부와 상기 광 확산부에 간섭성 광을 공급하는 빔 확장기를 포함하는 디스플레이에 있어서,
    상기 빔 확장기는 청구항 1의 빔 확장기인 디스플레이.
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