회절 도파관은 AR 안경용 주류 광학 디스플레이 솔루션입니다. 많은 AR 장치가 이 기술을 채택합니다. 주요 AR 하드웨어 제조업체가 회절 도파관을 좋아하는 이유는 무엇입니까? 회절 도파관이란 정확히 무엇입니까?
01 회절 도파관의 정의
더 깊은 이해를 얻기 위해 '회절 도파관'이라는 용어를 회절과 도파관이라는 두 부분으로 나눌 수 있습니다.
일반적으로 우리는 빛이 직선 전파, 반사, 굴절의 세 가지 방식으로 전파될 수 있다는 것을 알고 있습니다. 예를 들어, 적외선 조준기, 잠망경, 물에 넣었을 때 빨대가 휘어지는 모습 등은 모두 이 세 가지 원리에 기초합니다. 반면에 회절은 빛이 전파될 수 있는 네 번째 방법입니다.
17세기 이탈리아의 수학 교수 프란체스코 그리말디(Francesco Grimaldi)는 '조각으로 부서지다'를 의미하는 라틴어 'diffringere'에서 유래한 '회절'이라는 용어를 발견하고 만들었습니다. 이는 파동 전파의 원래 방향이 '깨지고' 다른 방향으로 구부러지는 것을 의미합니다.
그의 실험에서 그는 두 개의 작은 구멍을 통해 어두운 방의 스크린에 광선을 통과시키면서 투영 가장자리의 밝은 줄무늬와 어두운 줄무늬의 패턴을 관찰했습니다. 따라서 회절이란 장애물이나 슬릿을 만나면 파동의 전파 방향이 바뀌는 물리적 현상을 말한다.
눈에 띄는 회절 효과는 장애물의 크기나 슬릿의 폭이 파동의 파장과 비슷하거나 더 작은 경우에만 관찰할 수 있기 때문에 일상생활에서 빛의 회절을 관찰하기 어려운 경우가 많습니다. 그러나 특정한 특수한 조건에서는 이를 관찰할 수 있습니다. 예를 들어, 그림자 주위에 다채로운 후광으로 나타나는 하늘에 보이는 '영광' 현상은 구름 속의 작은 물방울과 얼음 결정을 통해 햇빛이 회절되는 결과입니다.
회절에 대해 논의했는데, 도파관이란 정확히 무엇입니까?
우리가 사는 세상에는 빛의 파동, 음파, 전자파 등 다양한 종류의 파동이 존재합니다.
도파관은 이러한 파동을 한 위치에서 다른 위치로 전송하는 장치입니다. 따라서 광 도파관은 광파가 전파될 때 이를 안내하는 매체 또는 장치입니다.
회절과 도파관을 모두 이해하면 회절 도파관을 정의할 수 있습니다. 간단히 말해서 회절은 빛의 회절을 활용하여 광파가 이동할 때 안내하는 매체입니다.
회절 도파관
더 설명하자면, 회절 도파관은 격자의 회절 특성을 활용하여 '광로'를 생성하도록 설계되어 빛이 미리 결정된 경로를 따라 전파되도록 하고 미세 투영 시스템에서 방출된 빛을 인간의 눈으로 안내합니다.
회절격자는 주기적인 구조를 갖는 광학소자로서 회절도파로의 핵심부품이다. 사용되는 격자 유형에 따라 회절 도파관은 표면 릴리프 격자 도파관과 볼륨 홀로그램 격자 도파관의 두 가지 유형으로 분류될 수 있습니다.
02 표면 릴리프 격자 도파관
표면 릴리프 격자는 포토리소그래피 및 에칭과 같은 공정을 통해 재료 표면의 높은 봉우리와 낮은 골을 '조각'하여 생성됩니다. 이 제조 기술은 필요한 광학 성능을 충족하는 주기적인 구조를 달성합니다.
이러한 격자는 상호 작용하는 빛을 조작하여 도파관 내에서 빛의 효과적인 회절 및 유도를 허용합니다. 표면 릴리프 격자는 제작이 간단하고 다양한 광학 시스템에 통합될 수 있기 때문에 널리 사용됩니다.
표면 양각 격자의 SEM 이미지
마이크로 프로젝션 시스템(광학 엔진)에서 방출된 빛을 인간의 눈으로 유도하기 위한 표면 릴리프 격자 도파관, 빛은 결합 및 결합 과정을 통과해야 합니다. 구체적으로, 광학 엔진에서 방출된 빛은 입력 격자를 통해 도파관으로 들어가 평면 도파관 내 전반사를 통해 전파되고 최종적으로 출력 격자를 통해 사람의 눈으로 전달됩니다. 여기에 사용된 입력 및 출력 격자는 표면 릴리프 격자입니다.
빛의 파장과 비교할 수 있는 격자의 나노 규모 특성으로 인해 빛은 일반 광선으로 간주되지 않고 전자기파로 취급되어야 합니다. 빛이 격자에 닿으면 다중 차수 회절이 발생합니다.
예를 들어, 광학 엔진이 단색광(예: 녹색광)을 방출하는 경우 이 빛은 입력 격자에 부딪힐 때 서로 다른 방향(회절 차수)으로 이동하는 여러 광선으로 분할됩니다. 이러한 0이 아닌 회절 차수 중 하나(예: +1 차수)는 평면 도파관의 내부 전반사 조건을 충족하여 내부 전반사를 통해 도파관에 들어가고 전파되도록 합니다. 이 특정 회절 차수를 회절 도파관의 작동 순서라고 합니다. 격자의 주기, 듀티 사이클, 홈 깊이 및 측벽 각도와 같은 매개변수를 정밀하게 제어함으로써 대부분의 빛 에너지를 회절 도파관의 작동 순서로 집중시켜 대부분의 빛 에너지를 도파관에 효과적으로 결합할 수 있습니다. 이 과정은 회절 도파관의 결합 과정으로 알려져 있습니다.
이에 따라 회절 도파관 내에서 내부 전반사를 통해 전파되는 빛이 출력 격자를 만날 때 여러 회절 차수도 생성됩니다. 이러한 0이 아닌 차수 중 하나는 특정 방향으로 회절 도파관을 빠져나가 인간의 눈에 들어갑니다. 이것은 회절 도파관의 커플링 아웃 과정으로 알려져 있습니다.
광학 엔진이 유색광을 방출하는 경우 앞서 언급한 프로세스 외에도 다른 복잡성이 수반됩니다. 다양한 색상의 빛의 다양한 파장으로 인해 회절 효율도 달라집니다. 결과적으로, 전파 중에 빛의 각 색상의 에너지가 다양한 정도로 손실되어 분산이 발생할 수 있습니다. 다양한 격자 매개변수를 최적화함으로써 격자는 다양한 빛 파장의 에너지를 정밀하게 제어할 수 있으므로 분산 문제를 최소화하고 궁극적으로 정확한 색상의 이미지를 볼 수 있습니다.
격자 회절의 복잡한 문제를 해결하기 위해 회사는 격자와 관련된 회절 문제를 빠르고 정확하게 계산할 수 있는 푸리에 모달 방법(FMM)을 기반으로 다양한 유형의 격자에 대한 포괄적인 계산 소프트웨어 제품군을 개발했습니다.
또한 회사는 완벽한 장비를 갖춘 격자 마스터 처리 센터와 회절 도파관의 완전한 대량 생산 시스템을 보유하고 있어 설계와 제조 간의 긴밀한 조정을 달성합니다. 그레이팅을 설계할 때 마스터의 처리 능력과 생산 기술을 고려하여 문제가 발생할 때 적시에 조정하고 최적화할 수 있으므로 제품 반복 주기가 빨라집니다.
주요 AR 하드웨어 제조업체가 매우 선호하는 회절 도파관은 특히 표면 릴리프 격자 도파관을 의미합니다. 슬림한 디자인, 넓은 시야각, 넓은 안구 운동 범위, 낮은 대량 생산 비용 등의 장점을 갖고 있어 AR 업계의 주류 디스플레이 기술 경로로 널리 인식되고 있습니다.
03 볼륨 홀로그램 격자 도파관
볼륨 홀로그램 격자 도파관에서 빛의 전파 과정은 기본적으로 표면 릴리프 격자 도파관의 전파 과정과 유사합니다.
주요 차이점은 볼륨 홀로그램 격자가 생성되는 방식에 있습니다. 볼륨 홀로그램 격자는 '조각'되는 대신 두 개의 간섭성 광선에 의해 생성된 간섭 패턴에 기판의 포토레지스트 필름을 노출하여 형성됩니다. 이 과정은 분자 수준에서 다양한 굴절률을 갖는 주기적인 공간 분포를 생성합니다. 볼륨 홀로그램 격자는 일반적으로 브래그 회절 조건에서 작동합니다.
브래그 회절 조건이란 무엇입니까?
1912년 독일 과학자 막스 폰 라우에(Max von Laue)는 결정의 X선 회절 현상을 발견하여 X선 회절 물리학 연구의 기초를 마련했습니다. 같은 해 로렌스 브래그(Lawrence Bragg)는 캐번디시 연구소(Cavendish Laboratory)에서 반복적인 연구를 통해 이 현상이 일종의 파동 회절 효과라는 결론을 내렸습니다.
1913년에 로렌스 브래그(Lawrence Bragg)와 그의 아버지 헨리 브래그(Henry Bragg)는 브래그 형태의 X선 회절(브래그 회절로 알려짐)을 공동으로 제안했습니다. 그들은 아원자 입자파가 결정에 들어갈 때 입자파의 파장이 결정 내의 원자 사이의 거리에 가까우면 입자파가 거울과 같은 방식으로 원자에 의해 산란된다는 것을 발견했습니다. 이러한 산란은 브래그의 법칙에 따라 보강 간섭을 발생시켜 집중된 파동 피크(브래그 피크라고도 함)를 형성합니다. 브래그 조건은 보강 간섭이 발생하기 위해 충족해야 하는 기준입니다.
브래그 회절의 개략도
브래그 회절 원리에 기초하여, 광파가 브래그 조건을 충족할 때 볼륨 홀로그램 격자는 매우 높은 회절 효율을 달성할 수 있습니다. 그러나 브래그 조건은 입사광의 각도와 파장에 대해 엄격한 요구 사항을 부과합니다. 이러한 조건이 충족되지 않으면 회절 효율이 급격히 떨어질 수 있습니다. 이로 인해 볼륨 홀로그램 격자 도파관이 우수한 색상 균일성을 달성하는 데 어려움을 겪게 되어 시장 요구를 충족시키지 못합니다.
현재 볼륨 홀로그램 격자 도파관은 디스플레이 성능, 제품 상용화 및 산업 지원 측면에서 표면 릴리프 격자 도파관에 비해 상당한 격차를 나타냅니다.
04 요약
AR 회절 도파관은 격자의 회절 특성을 활용하여 '빛의 경로'를 설계함으로써 미세 투영 시스템에서 방출된 빛이 인간의 눈으로 향하도록 합니다. 사용되는 회절 격자의 유형에 따라 회절 도파관은 표면 릴리프 격자 도파관과 볼륨 홀로그래픽 격자 도파관으로 분류될 수 있습니다.
표면 릴리프 격자 도파관은 경량, 넓은 시야, 넓은 안구 운동 범위, 낮은 대량 생산 비용 등의 장점을 제공합니다. 결과적으로 AR 산업의 주류 디스플레이 기술로 널리 인식되고 있습니다. 볼륨 홀로그램 격자 도파관은 매우 높은 회절 효율을 나타내지만 엄격한 브래그 회절 조건으로 인해 색상 균일성에 어려움을 겪고 있으며 아직 기술 개발 초기 단계에 있으므로 획기적인 발전을 이루려면 상당한 발전이 필요합니다.
지속적인 기술 발전과 처리 개선으로 표면 릴리프 격자를 기반으로 한 AR 회절 도파관이 소비자 시장에 진입하기 시작했습니다. 앞으로는 더 많은 AR 하드웨어 제조업체에 탁월한 AR 디스플레이 경험을 제공할 것으로 믿어집니다.
