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KR20120087631A - 나노 구조화된 음향광학 소자, 및 상기 음향광학 소자를 이용한 광 스캐너, 광 변조기 및 홀로그래픽 디스플레이 장치 - Google Patents

나노 구조화된 음향광학 소자, 및 상기 음향광학 소자를 이용한 광 스캐너, 광 변조기 및 홀로그래픽 디스플레이 장치 Download PDF

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KR20120087631A
KR20120087631A KR1020110008956A KR20110008956A KR20120087631A KR 20120087631 A KR20120087631 A KR 20120087631A KR 1020110008956 A KR1020110008956 A KR 1020110008956A KR 20110008956 A KR20110008956 A KR 20110008956A KR 20120087631 A KR20120087631 A KR 20120087631A
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KR
South Korea
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acoustooptic
light
optical
acousto
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Ceased
Application number
KR1020110008956A
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English (en)
Inventor
한승훈
유인경
이상윤
이홍석
한문규
김선국
Original Assignee
삼성전자주식회사
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
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Publication date
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Priority to US13/360,616 priority patent/US9477101B2/en
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Abstract

나노 구조화된 매질을 이용함으로써 출력광의 회절 각도 범위를 증가시킨 음향광학 소자 및 이를 이용한 광 스캐너, 광 변조기 및 홀로그래픽 디스플레이 장치가 개시된다. 개시된 음향광학 소자는 교번하여 배치된 적어도 2개의 서로 다른 매질들의 나노 구조를 포함할 수 있으며, 그 중에서 적어도 하나의 매질은 음향광학 매질이다. 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상술한 구조를 갖는 음향광학 소자는 출력광의 회절 각도 범위를 더욱 증가시킬 수 있다. 따라서, 개시된 음향광학 소자를 이용하는 광 스캐너, 광 변조기, 2D/3D 디스플레이 장치, 홀로그래픽 디스플레이 장치 등과 같은 다양한 시스템은 동작 각도 범위를 넓히기 위한 별도의 광학계를 필요로 하지 않을 수 있다. 그 결과, 전체적인 시스템의 크기를 더욱 소형화할 수 있으며, 해상도의 제약도 개선될 수 있다.

Description

나노 구조화된 음향광학 소자, 및 상기 음향광학 소자를 이용한 광 스캐너, 광 변조기 및 홀로그래픽 디스플레이 장치{Nanostructured acousto-optic device, and optical scanner, light modulator and holographic display apparatus using the nanostructured acousto-optic device}
개시된 발명은 나노 구조화된 음향광학 소자 및 상기 음향광학 소자를 이용한 광 스캐너 및 광 변조기에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 나노 구조화된 매질을 이용함으로써 출력광의 회절 각도 범위를 증가시키거나 회절 각도 특성을 조절할 수 있는 음향광학 소자 및 이를 이용한 광 스캐너, 광 변조기 및 홀로그래픽 디스플레이 장치에 관한 것이다.
음향광학 효과(acousto-optic effect)란 음파나 초음파로 매질(medium)을 변형시킴으로써 매질 내에서 빛의 굴절률이 주기적으로 변화하는 효과이다. 이러한 음향광학 효과로 인해 매질은 위상 격자로서 작용할 수 있으므로, 상기 매질에 입사하는 빛을 회절시킬 수 있다. 또한, 이러한 음향광학 효과를 갖는 매질을 통상적으로 매질이라고 부른다. 매질에 의한 회절광의 강도와 회절각은 각각 음파의 강도와 주파수에 따라서 변화하는 성질이 있다. 따라서, 상술한 성질을 갖는 매질의 표면에, 예를 들어, 초음파 발생기와 같은 음파 발생기를 장착한 구조의 음향광학 소자는 빛을 진폭 변조하는 광 변조기 또는 빛을 편향시키는 광 스캐너 등에서 다양하게 응용될 수 있다.
그런데, 기존의 자연계에 존재하는 매질을 그대로 사용한 음향광학 소자들은 매질의 제한된 광학적 비등방성 및 음향광학 변환율에 의하여 출력광의 회절각에 제약이 있었다. 즉, 기존의 음향광학 소자의 경우, 출력광의 회절각 범위가 충분히 넓지 못하다. 따라서, 광 스캐너, 광 변조기, 디스플레이 등의 다양한 광학적 응용 분야에서, 음향광학 소자를 사용할 때 좁은 회절각 범위를 보완하기 위한 별도의 광학계 등이 필요하다. 이는 전체적인 시스템의 크기를 크게 만들거나 해상도를 저하시키는 원인이 될 수 있다.
나노 구조화된 매질을 이용함으로써 출력광의 회절 각도 범위를 증가시킨 음향광학 소자를 제공한다.
또한, 상기 음향광학 소자를 이용한 광 스캐너, 광 변조기 및 홀로그래픽 디스플레이 장치를 제공한다.
본 발명의 한 유형에 따른 음향광학 소자는, 서로 교번하여 반복적으로 배치된 것으로, 서로 다른 유전율을 갖는 다수의 제 1 매질과 제 2 매질; 및 상기 제 1 및 제 2 매질에 음파를 인가하기 위한 음파 발생기;를 포함하며, 상기 제 1 매질과 제 2 매질 중에서 적어도 하나는 음향광학 매질로 이루어질 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 제 1 매질과 제 2 매질은 상기 음파 발생기에 의해 인가된 음파의 진행 방향을 따라 반복적으로 배치될 수 있다.
이 경우, 상기 음파 발생기는 상기 제 1 매질의 일측 표면에 배치될 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 제 1 매질은 음향광학 매질로 이루어지며, 상기 제 2 매질은 음향광학 매질, 공기 또는 유전율의 실수부가 음수인 재료로 이루어질 수 있다.
예를 들어, 상기 유전율의 실수부가 음수인 재료는 Al, Ag, Au, Cu, Na, Ka, ITO, AZO, GZO, 및 그래핀 중에서 적어도 하나를 포함할 수 있다.
또한, 상기 제 1 및 제 2 매질 중에서 적어도 하나는 예를 들어 GaN, Al1-xGaxN, In1-xGaxN, ZnO, 및 유기물 결정 중에서 적어도 하나로 이루어질 수 있다.
또한, 일 실시예에 따르면, 상기 제 1 매질과 제 2 매질은 상기 음파 발생기에 의해 인가된 음파의 진행 방향에 수직한 방향을 따라 반복적으로 배치될 수 있다.
이 경우, 상기 음파 발생기는 서로 교번하는 다수의 제 1 및 제 2 매질들의 측면에 걸쳐서 배치될 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 제 1 매질과 상기 제 2 매질은 유전율의 실수부 부호가 서로 다를 수 있다.
상기 제 1 매질과 제 2 매질이 교번하는 주기는 입사광의 파장보다 작을 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 음향광학 소자는, 상기 제 1 및 제 2 매질과 함께 서로 반복적으로 교번하며, 상기 제 1 및 제 2 매질의 유전율과 상이한 유전율을 갖는 적어도 하나의 추가적인 매질을 더 포함할 수 있다.
상술한 음향광학 소자는 입사광을 진폭 변조하는 광 변조기일 수 있다.
또한, 본 발명의 다른 유형에 따르면, 광도파로; 상기 광도파로에 광을 입사시키는 광 커플링 소자; 상기 광도파로 내에서 광을 제 1 방향으로 편향시키도록 배치된 제 1 음향광학 소자; 및 상기 광도파로 내에서 광을 상기 제 1 방향에 수직한 제 2 방향으로 편향시키도록 배치된 제 2 음향광학 소자;를 포함하는 광 스캐너가 제공될 수 있다.
상기 광 스캐너는 기판을 더 포함하며, 상기 광도파로는 상기 기판 내에 배치될 수 있다.
상기 제 1 음향광학 소자는 제 1 음파 발생기를 포함하며, 상기 제 2 음향광학 소자는 제 2 음파 발생기를 포함하고, 상기 제 1 음파 발생기와 제 2 음파 발생기는 각각 상기 제 1 음향광학 소자와 제 2 음향광학 소자의 측면에 인접하도록 상기 기판의 상부 표면 상에 배치될 수 있다.
상기 광 커플링 소자는 입사광을 집속시켜 상기 광도파로 내에 제공하도록, 상기 광도파로의 광입사면에 대향하여 배치될 수 있다.
예를 들어, 상기 광 커플링 소자는 렌즈일 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 광도파로는 상대적으로 굴절률이 낮은 제 1 및 제 2 클래드층과 상기 제 1 및 제 2 클래드층 사이에 배치되며 상대적으로 굴절률이 높은 코어층을 포함할 수 있다.
상기 제 1 및 제 2 음향광학 소자는 상기 광도파로의 코어층 내에 배치될 수 있다.
다른 실시예에 따르면, 상기 광도파로는 상대적으로 굴절률이 높은 제 1 및 제 2 클래드층과 상기 제 1 및 제 2 클래드층 사이에 배치되며 상대적으로 굴절률이 낮은 코어층을 포함할 수 있다.
한편, 본 발명의 또 다른 유형에 따르면, 디스플레이 패널; 및 상기 디스플레이 패널의 전면에 배치된 것으로, 상기 디스플레이 패널에 디스플레이 되는 영상을 편향시키기 위한 음향광학 소자 어레이;를 포함하는 2D/3D 전환 입체 영상 디스플레이 장치가 제공될 수 있으며, 상기 음향광학 소자 어레이는 다수의 음향광학 소자들을 포함할 수 있다.
상기 음향광학 소자 어레이의 각각의 음향광학 소자는 가로 방향으로 길게 연장되어 있고, 다수의 음향광학 소자들이 세로 방향을 따라 배열될 수 있다.
하나의 음향광학 소자는 디스플레이 패널의 하나의 화소행(pixel row)과 대응할 수 있다.
또한, 본 발명의 또 다른 유형에 따르면, 광을 제공하는 광원; 광원으로부터 제공된 광을 편향시키는 다수의 음향광학 소자들을 포함하는 음향광학 소자 어레이; 및 상기 음향광학 소자 어레이에 의해 편향된 광을 투사시키는 투사 광학계;를 포함하는 홀로그래픽 디스플레이 장치가 제공될 수 있다.
상기 음향광학 소자 어레이의 각각의 음향광학 소자는 가로 방향으로 길게 연장되어 있고, 다수의 음향광학 소자들이 세로 방향을 따라 배열될 수 있다.
예를 들어, 하나의 음향광학 소자는 홀로그래픽 디스플레이 장치에서 디스플레이되는 홀로그램 영상의 하나의 수평 방향 홀로그램 행과 대응할 수 있다.
개시된 음향광학 소자는 교번하여 배치된 적어도 2개의 서로 다른 매질들의 나노 구조를 포함할 수 있다. 상술한 구조를 갖는 음향광학 소자는 출력광의 회절 각도 범위를 더욱 증가시키거나 조절할 수 있다. 따라서, 개시된 음향광학 소자를 이용하는 광 스캐너, 광 변조기, 디스플레이 등과 같은 다양한 시스템은 회절 각도 범위를 넓히기 위한 별도의 광학계를 사용하지 않을 수 있다. 따라서 전체적인 시스템의 크기를 더욱 소형화할 수 있으며, 해상도의 제약이 개선될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 음향광학 소자의 개략적인 구조를 보이는 사시도이다.
도 2는 도 1에 도시된 음향광학 소자의 동작을 개략적으로 보이는 단면도이다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 음향광학 소자의 개략적인 구조를 보이는 사시도이다.
도 4는 도 1 및 도 3에 도시된 음향광학 소자를 이용한 본 발명의 일 실시예에 따른 광 스캐너의 개략적인 구조를 보이는 사시도이다.
도 5는 도 4에 도시된 광 스캐너의 광도파로 내에서 광이 진행하는 과정을 개략적으로 보이는 단면도이다.
도 6은 도 4에 도시된 광 스캐너를 광 진행 방향에 수직한 방향으로 자른 단면도를 개략적으로 도시한다.
도 7은 도 4에 도시된 3개의 광 스캐너를 이용하여 컬러 영상을 스캐닝하는 방식을 개략적으로 도시한다.
도 8은 도 4에 도시된 하나의 광 스캐너를 이용하여 컬러 영상을 스캐닝하는 다른 방식을 개략적으로 도시한다.
도 9는 도 1 및 도 3에 도시된 음향광학 소자를 2D/3D 전환 입체 영상 디스플레이 장치에 적용한 예를 개략적으로 도시한다.
도 10은 도 1 및 도 3에 도시된 음향광학 소자를 홀로그래픽 디스플레이 장치에 적용한 예를 개략적으로 도시한다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여, 나노 구조화된 음향광학 소자, 및 상기 음향광학 소자를 이용한 광 스캐너, 광 변조기 및 홀로그래픽 디스플레이 장치에 대해 상세하게 설명한다. 이하의 도면들에서 동일한 참조부호는 동일한 구성요소를 지칭하며, 도면상에서 각 구성요소의 크기는 설명의 명료성과 편의상 과장되어 있을 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 음향광학 소자의 개략적인 구조를 보이는 사시도이다. 도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 음향광학 소자(10)는 나노 구조화된 음향광학 매질(30) 및 상기 나노 구조화된 음향광학 매질(30)에 음파를 인가하기 위한 음파 발생기(15)를 포함할 수 있다. 또한, 나노 구조화된 음향광학 매질(30)은 서로 교번하여 배치되는 것으로 서로 다른 유전율을 갖는 제 1 매질(11)과 제 2 매질(12)을 포함할 수 있다. 상기 음파 발생기(15)는 나노 구조화된 음향광학 매질(30)의 일 측면, 예를 들어 제 1 매질(11)의 일측 표면에 배치될 수 있다.
여기서, 제 1 매질(11)과 제 2 매질(12) 중 하나는 음향광학 변환율이 상대적으로 큰 일반적인 음향광학(acousto-optic) 매질로 이루어질 수 있다. 나머지 하나는 음향광학 변환율이 상대적으로 작은 음향광학 매질로 이루어질 수 있으며, 또는 심지어 음향광학 변환율이 거의 없는 재료(예를 들어, 공기(air))로 이루어질 수도 있다. 또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 제 1 매질(11)과 제 2 매질(12)은 유전율의 실수부 부호가 서로 다를 수 있다. 예를 들어, 제 1 매질(11)과 제 2 매질(12) 중에서 하나는 유전율의 실수부가 양(+)의 값을 가지며, 다른 하나는 유전율의 실수부가 음(-)의 값을 가질 수도 있다. 유전율의 실수부가 음수인 재료로는 예를 들어, Al, Ag, Au, Cu, Na, Ka 등과 같은 금속 재료나 또는 이들의 합금, 또는 ITO(indium tin oxide), AZO(aluminum doped zinc oxide), GZO(gallium zinc oxide) 등과 같은 반도체, 또는 그래핀(graphene) 등이 있다. 또한, 상기 제 1 및 제 2 매질(11, 12) 중에서 하나는 광의 증폭이 가능한 이득 물질 및 이득 구조를 가질 수도 있다. 이 경우, 제 1 및 제 2 매질(11, 12) 중 하나는 예를 들어, GaN, Al1-xGaxN, In1-xGaxN 등과 같은 Ⅲ-Ⅴ족 반도체, 산화 아연(ZnO), 또는 유기물 결정(organic crystal) 등으로 이루어질 수도 있다. 이러한 제 1 매질(11)과 제 2 매질(12)이 교번하는 주기는 음향광학 소자(10)에서 제어하고자 하는 빛(예를 들어, 가시광선)의 파장보다 작을 수 있다.
한편, 도 1에는 유전율이 서로 다른 두 매질(11, 12)이 교번하는 것으로 편의상 도시되어 있으나, 서로 다른 유전율을 갖는 2가지 이상의 매질(예를 들어, 3개의 매질)이 서로 교번하는 것도 가능하다. 이 경우, 2가지 이상의 매질들 중에서 적어도 하나는 음향광학 변환율이 비교적 큰 음향광학 재료로 이루어질 수 있다. 또한, 2가지 이상의 매질들 중에서 적어도 하나는 음향광학 변환율이 상대적으로 작거나 또는 거의 없는 재료로 이루어질 수도 있다. 2가지 이상의 매질들이 교번하는 주기도 역시 제어하고자 하는 입사광의 파장보다 작을 수 있다.
제 1 매질(11)과 제 2 매질(12)의 배치 순서는 어느 것이 먼저 배치되어도 무방하다. 따라서, 도 1에는 음파 발생기(15)가 제 1 매질(11)의 표면에 배치된 것으로 도시되어 있으나, 제 2 매질(12)이 먼저 배치되는 경우에는 제 2 매질(12)의 표면에 음파 발생기(15)가 배치될 수도 있다. 음파 발생기(15)는 인가되는 전기적 신호에 따라 예를 들어 초음파와 같은 음향 탄성파를 발생시킬 수 있는 전기-음향 변조기일 수 있다. 도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 음향광학 소자(10)에서, 음파 발생기(15)에 의해 발생한 음파가 제 1 매질(11)과 제 2 매질(12)의 적층 방향을 따라 진행할 수 있도록 음파 발생기(15)가 배치될 수 있다.
도 2는 도 1에 도시된 본 발명의 일 실시예에 따른 음향광학 소자(10)의 동작을 개략적으로 보이는 단면도이다. 도 2를 참조하면, 나노 구조화된 음향광학 매질(30)의 일측면에 배치된 음파 발생기(15)에 전기 신호를 인가하면, 그 전기 신호에 대응하여 소정의 진폭과 주파수를 갖는 초음파와 같은 음파가 발생한다. 음파 발생기(15)에서 발생한 음파는, 도 2에서 화살표로 표시한 바와 같이, 나노 구조화된 음향광학 매질(30)의 내부를 소정의 속도로 진행하게 된다. 이때, 음파는 나노 구조화된 음향광학 매질(30) 내에서 밀함(compression)과 소함(rarefaction)을 반복하면서 진행한다. 이에 따라, 나노 구조화된 음향광학 매질(30)의 내부를 진행하는 음파의 밀함 또는 소함에 대응하여, 나노 구조화된 음향광학 매질(30) 내의 국소적인 밀도도 변화하게 된다. 이러한 국소적인 밀도의 변화는 국소적인 굴절률의 변화를 가져올 수 있다. 결과적으로, 나노 구조화된 음향광학 매질(30) 내에 음파가 진행하게 되면, 음파의 진행 방향과 평행한 방향을 따라 음파의 파장과 같은 주기로 굴절률의 주기적인 변동이 발생하게 된다. 예를 들어, 음파의 반복적인 밀함과 소함에 대응하여 나노 구조화된 음향광학 매질(30) 내부의 굴절률이 반복적으로 증가/감소하게 된다.
그러면 광학적인 관점에서, 나노 구조화된 음향광학 매질(30)에 주기적인 형태의 격자가 형성되는 것과 동일한 효과를 얻을 수 있다. 따라서, 나노 구조화된 음향광학 매질(30)에 입사하는 광은 나노 구조화된 음향광학 매질(30) 내부의 주기적인 굴절률 변화에 의해 형성되는 광학적 격자에 의해 회절되거나 차단될 수 있다. 나노 구조화된 음향광학 매질(30)에 의한 광의 회절각 및 회절된 광의 세기는 각각 음파의 주파수와 강도에 따라 변할 수 있다. 또한, 음파의 주파수와 강도는 음파 발생기(15)에 인가되는 전기 신호의 세기와 주파수에 의해 결정될 수 있다. 따라서, 음파 발생기(15)에 인가되는 전기 신호를 적절히 제어함으로써, 나노 구조화된 음향광학 매질(30)에서의 광의 회절을 제어하는 것이 가능하다.
도 2에 도시된 바와 같이, 나노 구조화된 음향광학 매질(30)에 입사하는 광을 회절시키기 위해서는, 나노 구조화된 음향광학 매질(30) 내에서의 음파의 진행 방향과 나노 구조화된 음향광학 매질(30)에 입사하는 광의 진행 방향이 서로 교차하게 배치된다. 즉, 음파 발생기(15)가 배치된 나노 구조화된 음향광학 매질(30)의 표면에 인접하는 다른 둘레 표면들에 광이 입사할 경우에, 상술한 회절 효과가 발생할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 음향광학 소자(10)에서, 도 2에 도시된 바와 같이, 음파의 진행 방향을 따라 유전율이 서로 다른 제 1 매질(11)과 제 2 매질(12)이 반복적으로 배치되어 있다. 본 발명의 일 실시예에 따르면, 이러한 서로 다른 두 매질(11, 12)의 반복으로 인해, 입사각에 따른 굴절률의 차이(즉, 굴절률 비등방성)가 커지게 될 수 있다. 이로 인해, 회절광의 보강 간섭이 일어나는 각도 범위(Δθ)가 넓어질 수 있으며, 결과적으로 광이 회절되는 각도가 증가할 수 있다. 이를 위해, 제 1 매질(11)과 제 2 매질(12)이 주기적으로 반복되는 피치(P)(즉, 각각의 제 1 및 제 2 매질(11, 12)의 두께(d1, d2)의 합)은 입사광의 파장보다 크게 작다. 여기서, 제 1 및 제 2 매질(11, 12)의 두께(d1, d2)와 유전율 특성을 조합함으로써, 나노 구조화된 음향광학 매질(30)에서의 굴절률 비등방성과 회절 동작 각도 범위 등을 조절하는 것이 가능하다. 상술한 원리에 따라, 나노 구조화된 음향광학 매질(30)에 의해 회절된 광 중에서 1차 회절광(L0)과 2차 회절광(L1)의 각도 차이(Δθ)가 단일한 하나의 매질을 사용하는 경우에 비해 증가할 수 있다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 음향광학 소자(20)의 개략적인 구조를 보이는 사시도이다. 도 3에 도시된 음향광학 소자(20)는 도 1에 도시된 음향광학 소자(10)와 유사하지만, 나노 구조화된 음향광학 매질(40) 내에 있는 나노 구조 매질(13, 14)들의 배열 방향에 있어서 차이가 있다. 즉, 도 3에 도시된 바와 같이, 제 1 매질(13)과 제 2 매질(14)은 음파의 진행 방향에 수직한 방향을 따라 서로 교번하여 반복적으로 배치될 수 있다. 그리고, 음파 발생기(15)는 서로 교번하는 다수의 제 1 및 제 2 매질(13, 14)들의 측면에 걸쳐서 배치되어 있다. 이 경우에도, 음파 발생기(15)가 배치된 나노 구조화된 음향광학 매질(40)의 표면에 인접한 다른 둘레 표면들에 입사하는 광이 회절될 수 있다. 따라서, 나노 구조화된 음향광학 매질(40) 내에서의 음파의 진행 방향과 나노 구조화된 음향광학 매질(40)에 입사하는 광의 진행 방향이 서로 교차하도록 배치될 수 있다.
도 1 및 도 3에 도시된 바와 같이 나노 구조화된 음향광학 소자(10, 20)는 다양한 분야에서 응용될 수 있다.
예를 들어, 음향광학 소자(10, 20)는 광의 회절 정도에 따라 0차 회절광의 세기를 조절할 수 있으므로, 그 자체로 0차 회절광에 대한 광 변조기가 될 수 있다. 예를 들어, 음향광학 소자(10, 20)에 음파를 인가하지 않으면 입사광이 회절되지 않으므로, 입사광은 거의 손실 없이 음향광학 소자(10, 20)를 통과할 것이다. 음향광학 소자(10, 20)에 음파를 인가하여 입사광을 회절시키는 경우에는, 1차 회절광이 발생하므로 음향광학 소자(10, 20)를 통과하는 0차 회절광의 세기가 약해질 것이다. 그리고, 회절 정도에 따라 1차 회절광에 더 많은 에너지가 분배된다면, 0차 회절광의 세기는 더욱 약해 질 수 있다. 따라서, 음향광학 소자(10, 20)는 0차 회절광의 세기를 진폭 변조하는 광 변조기로서 역할을 할 수 있다.
또한, 음향광학 소자(10, 20)는 1차 회절광의 회절 각도를 변화시킴으로써, 입사광을 소정의 각도로 편향시키는 광 스캐너에 적용될 수도 있다. 특히, 본 발명의 일 실시예에 따른 음향광학 소자(10, 20)를 광 스캐너에 사용할 경우, 광 스캐너의 동작 범위(즉, 스캐닝 범위)를 넓힐 수 있으므로, 광 스캐너에 사용되는 광학계의 구성을 간단하게 할 수 있다. 특히, 회절 각도 범위를 증가시키기 위해 요구되는 별도의 광학계를 사용하지 않을 수 있다.
도 4는 도 1 및 도 3에 도시된 음향광학 소자(10, 20)를 이용한 광 스캐너의 개략적인 구조를 예시적으로 보이는 사시도이다. 도 4를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 광 스캐너(100)는 기판(101), 상기 기판(101) 내에 배치된 광도파로(110), 광도파로(110) 내에 광을 입사시키는 광 커플링 소자(120), 상기 광도파로(110) 내에 배치되어 광을 수평 방향으로 편향시키는 제 1 음향광학 소자(132), 및 상기 광도파로(110) 내에 배치되어 광을 수직 방향으로 편향시키는 제 2 음향광학 소자(134)를 포함할 수 있다. 제 1 음향광학 소자(132)는 상기 제 1 음향광학 소자(132)에 음파를 인가하는 제 1 음파 발생기(131)를 포함할 수 있으며, 제 2 음향광학 소자(134)는 상기 제 2 음향광학 소자(134)에 음파를 인가하는 제 2 음파 발생기(133)를 포함할 수 있다. 또한, 제 2 음향광학 소자(134)는 광도파로(110)에서 도파하는 광을 제어하여 광도파로(110) 밖으로 광이 출력되도록 하며, 출력되는 광의 수직 방향 각도를 조절할 수 있다. 여기서, 제 1 음향광학 소자(132)와 제 2 음향광학 소자(134)는 도 1 및 도 3에 도시된 음향광학 소자(10, 20) 중 어느 것을 사용할 수도 있다. 제 1 음파 발생기(131)와 제 2 음파 발생기(133)는 기판(101) 상에서 각각 제 1 음향광학 소자(132)와 제 2 음향광학 소자(134)의 측면에 인접하도록 배치될 수 있다.
도 5는 도 4에 도시된 광 스캐너(100)의 광도파로(110) 내에서 광이 진행하는 과정을 개략적으로 보이는 단면도이다. 도 5는 편의상 광도파로(110) 내의 제 1 및 제 2 음향광학 소자(132, 134)를 생략하고 기판(101), 광도파로(110) 및 광 커플링 소자(120)의 단면 구조만을 도시하고 있다. 도 5를 참조하면, 외부의 광원(미도시)으로부터 방출된 광은 광 커플링 소자(120)에 입사한다. 광도파로(110)의 광입사면에 대향하여 배치되어 있는 광 커플링 소자(120)는 입사광을 포커싱하여 광도파로(110) 내에 제공한다. 예를 들어, 광 커플링 소자(120)는 렌즈와 같이 광도파로(110)의 광입사면에 광을 집속시키는 광학 소자일 수 있다. 그러나, 광 커플링 소자(120)는 렌즈 이외에도, 프레넬 렌즈, 슬릿과 같은 회절 광학 소자, 또는 프리즘 등으로 이루어질 수도 있다.
광도파로(110) 내에 입사한 광은 전반사를 통해 광도파로(110)의 내부를 진행한다. 예컨대, 도 5에 도시된 바와 같이, 광도파로(110)는 상대적으로 굴절률이 낮은 제 1 및 제 2 클래드층(110a, 110c), 및 상기 제 1 및 제 2 클래드층(110a, 110c)보다 상대적으로 굴절률이 높은 코어층(110b)으로 구성될 수 있다. 그러면, 일반적인 광섬유를 포함하는 광도파로와 동일한 원리에 따라, 광은 코어층(110b)과 제 1 및 제 2 클래드층(110a, 110c) 사이의 계면에서 전반사되면서 코어층(110b) 내부를 진행할 수 있다. 또는, 제 1 및 제 2 클래드층(110a, 110c)이 그 사이에 배치된 코어층(110b)보다 굴절률이 클 수도 있으며, 이 경우에도 역시 슬롯 형태의 광도파로 원리에 따라 코어층(110b)의 내부로 빛이 진행할 수 있다. 어느 경우이든, 제 1 및 제 2 음향광학 소자(132, 134)의 나노 구조화된 음향광학 매질로 코어층(110b)을 구성할 수도 있으며, 또는 코어층(110b)과 두 클래드층(110a, 110c)을 구성할 수도 있다.
도 6은 도 4에 도시된 광 스캐너(100)를 광 진행 방향에 수직한 방향으로 자른 단면도로서 광도파로(110) 내에 배치된 제 1 음향광학 소자(132)의 단면을 개략적으로 도시하고 있다. 도 6을 참조하면, 기판(101) 상에서 광도파로(110) 내에 배치된 제 1 음향광학 소자(132)는 광의 진행 방향에 수직한 방향을 따라 서로 교번하여 배치된 제 1 매질(132a)과 제 2 매질(132b)를 포함할 수 있다. 여기서, 제 1 및 제 2 매질(132a, 132b)은 도 1을 통해 이미 설명한 매질(11, 12)들과 각각 동일한 것일 수 있다. 그러나, 제 1 음향광학 소자(132)는 도 3에 도시된 실시예에 따라 형성될 수도 있다. 이 경우, 제 1 및 제 2 매질(132a, 132b)은 도 3을 통해 이미 설명한 매질(13, 14)들과 동일한 방향으로 배열될 수 있다. 도 6에 도시된 바와 같이, 제 1 음향광학 소자(132)는 특히 광도파로(110)의 코어층(110b) 내에만 배치될 수도 있지만, 코어층(110b)과 클래드층(110a, 110c) 전체에 배치될 수도 있다. 이러한 구조에서, 제 1 음향광학 소자(132)의 측면을 통해 광의 진행 방향에 수직한 방향을 따라 음파가 인가되면, 광이 회절되면서 수평 방향으로 편향될 수 있다. 도 6에는 제 1 음향광학 소자(132)만이 도시되어 있으나, 상술한 설명은 제 2 음향광학 소자(134)에 대해서도 동일하게 적용될 수 있다. 다만, 제 2 음향광학 소자(134)는 광을 수직 방향으로 편향시키도록 배치된다는 점에서 차이가 있다.
따라서, 도 4에 도시된 광 스캐너(100)는 제 1 음파 발생기(131) 및 제 2 음파 발생기(133)에 인가되는 전압에 따라 입사광을 수평 및 수직 방향을 따라 소정의 각도로 편향시킬 수 있다. 또한, 상기 제 1 음파 발생기(131) 및 제 2 음파 발생기(133)에 인가되는 교류 전압의 주파수를 변조함으로써, 입사광을 소정의 각도 범위 내에서 수평 및/또는 수직 방향으로 스캐닝할 수 있다. 도 4에는 도시된 광 스캐너(100)는 두 개의 음향광학 소자(132, 134)를 포함하고 있으나, 실시예에 따라 수평 또는 수직 방향으로만 광을 스캐닝하는 하나의 음향광학 소자만을 포함하거나, 어느 한 방향으로 광을 스캐닝하는 다수의 음향광학 소자들을 포함할 수도 있다.
도 4에 도시된 광 스캐너(100)는 레이저 영상투사장치에 적용될 수 있다. 예를 들어, 도 7에 도시된 바와 같이, 적색 레이저광, 녹색 레이저광 및 청색 레이저광을 세 개의 광 스캐너(100R, 100G, 100B)로 스크린(200) 상에 각각 스캐닝함으로써 영상을 디스플레이 하는 것이 가능하다. 세 개의 광 스캐너(100R, 100G, 100B)를 사용하는 대신 단지 하나의 광 스캐너만으로도 레이저 영상투사장치를 구현할 수 있다. 예를 들어, 도 8에 도시된 바와 같이, 적색 레이저광, 녹색 레이저광 및 청색 레이저광을 시간적인 순서에 따라 광 스캐너(100)로 스캐닝할 수 있다. 즉, 한 프레임의 영상을 디스플레이 하는 동안, 한 프레임 주기(T초)의 처음 1/3 동안(즉, T/3초 동안)에는 적색 레이저광을 스캐닝하고, 다음 1/3 주기 동안에는 녹색 레이저광을 스캐닝하고, 마지막 1/3 주기 동안에는 청색 레이저광을 스캐닝할 수 있다. 그러면, 하나의 광 스캐너(100)만으로도 영상을 디스플레이 할 수 있다. 이 경우, 각 색깔의 레이저광들이 서로 다른 각도로 광 스캐너(100)에 입사하도록 광 입사구조를 만들 수도 있다.
또한, 도 1 및 도 3에 도시된 음향광학 소자(10, 20)는 2D/3D 전환 입체 영상 디스플레이 장치에도 적용 가능하다. 도 9는 도 1 및 도 3에 도시된 음향광학 소자(10, 20)를 2D/3D 전환 입체 영상 디스플레이 장치에 적용한 예를 개략적으로 도시하고 있다. 예를 들어, 디스플레이 패널(200)의 화소와 같은 폭을 가지며 가로 방향으로 길게 연장된 다수의 음향광학 소자(210)들을 제작하고, 다수의 음향광학 소자(210)들을 세로 방향을 따라 어레이를 형성하도록 디스플레이 패널(200)의 표면에 배열할 수 있다. 그러면, 하나의 음향광학 소자(210)는 디스플레이 패널(200)의 하나의 화소행(pixel row)과 대응할 수 있다.
이러한 음향광학 소자(210)들의 어레이에 음파가 인가되지 않으면, 디스플레이 패널(200)에 디스플레이 되는 영상은 편향되지 않고 그대로 음향광학 소자(210)들의 어레이를 통과한다. 이 경우, 도 9의 좌측에 표시된 바와 같이, 디스플레이 장치는 2D 디스플레이 모드로 동작할 수 있다. 한편, 다중 시점 및 입체 영상 3D 디스플레이 모드에서, 각 음향광학 소자(210)는 다수 방향 정보의 빔을 생성하며, 도 9의 우측에 표시된 바와 같이, 시청자는 3D 영상을 감상할 수 있다.
도 1 및 도 3에 도시된 음향광학 소자(10, 20)는 홀로그래픽 3D 디스플레이 장치에도 적용이 가능하다. 도 10은 도 1 및 도 3에 도시된 음향광학 소자(10, 20)를 홀로그래픽 3D 디스플레이 장치(300)에 적용한 예를 개략적으로 도시하고 있다. 예를 들어, 도 10에 도시된 바와 같이, 홀로그래픽 3D 디스플레이 장치(300)는 광원(310), 다수의 음향광학 소자(320)들의 어레이, 및 투사 광학계(330)를 포함할 수 있다. 광원(310)은 예를 들어 다수의 레이저들의 어레이일 수 있다. 또한, 다수의 음향광학 소자(320)들의 어레이는, 가로 방향으로 길게 연장된 다수의 음향광학 소자(320)들을 제작하고, 이러한 다수의 음향광학 소자(320)들을 세로 방향을 따라 어레이를 형성하도록 배열함으로써 형성될 수 있다. 이때, 하나의 음향광학 소자(320)는 홀로그래픽 디스플레이 장치(300)에서 디스플레이되는 홀로그램 영상의 하나의 수평 방향 홀로그램 행과 대응할 수 있다. 다수의 음향광학 소자(320)들로부터 회절된 홀로그램 행들은 투사 광학계(330)에 의해 소정의 공간 상에 투사되어 하나의 입체 영상을 형성할 수 있다.
지금까지, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 나노 구조화된 음향광학 소자, 및 상기 음향광학 소자를 이용한 광 스캐너, 광 변조기 및 홀로그래픽 디스플레이 장치에 대한 예시적인 실시예가 설명되고 첨부된 도면에 도시되었다. 그러나, 이러한 실시예는 단지 본 발명을 예시하기 위한 것이고 이를 제한하지 않는다는 점이 이해되어야 할 것이다. 그리고 본 발명은 도시되고 설명된 설명에 국한되지 않는다는 점이 이해되어야 할 것이다. 이는 다양한 다른 변형이 본 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 일어날 수 있기 때문이다.
10, 20, 132, 134, 210, 320.....음향광학 소자
30, 40.....나노구조화된 음향광학 매질
11, 12, 13, 14, 132a, 132b.....매질
15, 131, 133.....음파 발생기
100, 100R, 100G, 100B.....광 스캐너
101....기판 110.....광도파로
110a, 110c.....클래드층 110b....코어층
120.....광 커플링 소자 200.....디스플레이 패널
300.....홀로그래픽 디스플레이 장치 310.....광원
330.....투사 광학계

Claims (27)

  1. 서로 교번하여 반복적으로 배치된 것으로, 서로 다른 유전율을 갖는 다수의 제 1 매질과 제 2 매질; 및
    상기 제 1 및 제 2 매질에 음파를 인가하기 위한 음파 발생기;를 포함하며,
    상기 제 1 매질과 제 2 매질 중에서 적어도 하나는 음향광학 매질로 이루어지는 음향광학 소자.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 매질과 제 2 매질은 상기 음파 발생기에 의해 인가된 음파의 진행 방향을 따라 반복적으로 배치되어 있는 음향광학 소자.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 음파 발생기는 상기 제 1 매질의 일측 표면에 배치되어 있는 음향광학 소자.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 매질은 음향광학 매질로 이루어지며, 상기 제 2 매질은 음향광학 매질, 공기 또는 유전율의 실수부가 음수인 재료로 이루어지는 음향광학 소자.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 유전율의 실수부가 음수인 재료는 Al, Ag, Au, Cu, Na, Ka, ITO, AZO, GZO, 및 그래핀 중에서 적어도 하나를 포함하는 음향광학 소자.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 및 제 2 매질 중에서 적어도 하나는 GaN, Al1-xGaxN, In1-xGaxN, ZnO, 및 유기물 결정 중에서 적어도 하나로 이루어지는 음향광학 소자.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 매질과 제 2 매질은 상기 음파 발생기에 의해 인가된 음파의 진행 방향에 수직한 방향을 따라 반복적으로 배치되어 있는 음향광학 소자.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 음파 발생기는 서로 교번하는 다수의 제 1 및 제 2 매질들의 측면에 걸쳐서 배치되어 있는 음향광학 소자.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 매질과 상기 제 2 매질은 유전율의 실수부 부호가 서로 다른 음향광학 소자.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 매질과 제 2 매질이 교번하는 주기는 입사광의 파장보다 작은 음향광학 소자.
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 및 제 2 매질과 함께 서로 반복적으로 교번하며, 상기 제 1 및 제 2 매질의 유전율과 상이한 유전율을 갖는 적어도 하나의 추가적인 매질을 더 포함하는 음향광학 소자.
  12. 제 1 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 따른 음향광학 소자는 입사광을 진폭 변조하는 광 변조기인 음향광학 소자.
  13. 광도파로;
    상기 광도파로에 광을 입사시키는 광 커플링 소자;
    상기 광도파로 내에서 광을 제 1 방향으로 편향시키도록 배치된 제 1 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 따른 제 1 음향광학 소자; 및
    상기 광도파로 내에서 광을 상기 제 1 방향에 수직한 제 2 방향으로 편향시키도록 배치된 제 1 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 따른 제 2 음향광학 소자;를 포함하는 광 스캐너.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 광 스캐너는 기판을 더 포함하며, 상기 광도파로는 상기 기판 내에 배치되어 있는 광 스캐너.
  15. 제 14 항에 있어서,
    상기 제 1 음향광학 소자는 제 1 음파 발생기를 포함하며, 상기 제 2 음향광학 소자는 제 2 음파 발생기를 포함하고, 상기 제 1 음파 발생기와 제 2 음파 발생기는 각각 상기 제 1 음향광학 소자와 제 2 음향광학 소자의 측면에 인접하도록 상기 기판의 상부 표면 상에 배치되는 광 스캐너.
  16. 제 13 항에 있어서,
    상기 광 커플링 소자는 입사광을 집속시켜 상기 광도파로 내에 제공하도록, 상기 광도파로의 광입사면에 대향하여 배치된 광 스캐너.
  17. 제 16 항에 있어서,
    상기 광 커플링 소자는 렌즈인 광 스캐너.
  18. 제 13 항에 있어서,
    상기 광도파로는 상대적으로 굴절률이 낮은 제 1 및 제 2 클래드층과 상기 제 1 및 제 2 클래드층 사이에 배치되며 상대적으로 굴절률이 높은 코어층을 포함하는 광 스캐너.
  19. 제 18 항에 있어서,
    상기 제 1 및 제 2 음향광학 소자는 상기 광도파로의 코어층 내에 배치되어 있는 광 스캐너.
  20. 제 13 항에 있어서,
    상기 광도파로는 상대적으로 굴절률이 높은 제 1 및 제 2 클래드층과 상기 제 1 및 제 2 클래드층 사이에 배치되며 상대적으로 굴절률이 낮은 코어층을 포함하는 광 스캐너.
  21. 제 20 항에 있어서,
    상기 제 1 및 제 2 음향광학 소자는 상기 광도파로의 코어층 내에 배치되어 있는 광 스캐너.
  22. 디스플레이 패널; 및
    상기 디스플레이 패널의 전면에 배치된 것으로, 상기 디스플레이 패널에 디스플레이 되는 영상을 편향시키기 위한 음향광학 소자 어레이;를 포함하며,
    상기 음향광학 소자 어레이는 제 1 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 따른 다수의 음향광학 소자들을 포함하는 2D/3D 전환 입체 영상 디스플레이 장치.
  23. 제 22 항에 있어서,
    상기 음향광학 소자 어레이의 각각의 음향광학 소자는 가로 방향으로 길게 연장되어 있고, 다수의 음향광학 소자들이 세로 방향을 따라 배열되어 있는 2D/3D 전환 입체 영상 디스플레이 장치.
  24. 제 23 항에 있어서,
    하나의 음향광학 소자는 디스플레이 패널의 하나의 화소행(pixel row)과 대응하는 2D/3D 전환 입체 영상 디스플레이 장치.
  25. 광을 제공하는 광원;
    광원으로부터 제공된 광을 편향시키는 것으로, 제 1 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 따른 다수의 음향광학 소자들을 포함하는 음향광학 소자 어레이; 및
    상기 음향광학 소자 어레이에 의해 편향된 광을 투사시키는 투사 광학계;를 포함하는 홀로그래픽 디스플레이 장치.
  26. 제 25 항에 있어서,
    상기 음향광학 소자 어레이의 각각의 음향광학 소자는 가로 방향으로 길게 연장되어 있고, 다수의 음향광학 소자들이 세로 방향을 따라 배열되어 있는 홀로그래픽 디스플레이 장치.
  27. 제 26 항에 있어서,
    하나의 음향광학 소자는 홀로그래픽 디스플레이 장치에서 디스플레이되는 홀로그램 영상의 하나의 수평 방향 홀로그램 행과 대응하는 홀로그래픽 디스플레이 장치.
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