다중 기록 체적 홀로그램 분석을 위한 RCWA 기반 알고리즘 개발 및 응용

국문 초록 (Abstract)

최근 차세대 다기능 평판 광학 기술 중 하나로 홀로그램 광소자가 주목받고 있다. 특히 다중 기록과 같이 복잡한 기록 조건을 갖는 체적 홀로그램 광소자의 경우 증강 현실 디스플레이에 접안렌즈로 사용 가능해 활용가치가 높다. 본 연구에서는 다중 기록 및 복잡한 기록 조건을 갖는 다기능 체적 홀로그램 광소자를 해석하고, 이를 활용한 광학 시스템 설계에 사용될 시뮬레이션 툴을 개발하였다. 특히, H. Kogelnik의 결합 파동 이론과 엄밀 결합 파동 이론(Rigorous Coupled Wave Analysis, RCWA)에 기반하여 C++ 및 python 코딩을 진행하여, 상용 광학 설계 프로그램인 Zemax Opticstudio의 순차적 모드(Sequential ray tracing mode)에서 활용 가능한 사용자 정의 표면(User Defined Surface, UDS)을 개발하였다. 특히 RCWA를 통해 계산된 다중 기록 체적 홀로그램의 경우, 사용자 정의 표면을 이용한 시뮬레이션의 정확성을 검증하기 위해 Kogelnik 이론 기반의 시뮬레이션과 유한요소법을 (COMSOL Multiphysics 시뮬레이션) 이용한 전자기파 시뮬레이션의 결과 및 실험 결과와 교차 검증하여 유용성과 정확성을 확인하였다. 또한 다중 기록 체적 홀로그램 광소자를 포함한 시스템의 최적화 예시를 통해 시스템 설계에 사용자 정의 표면을 활용할 수 있음을 보였다. 본 연구 결과는 다양한 체적 홀로그램 광소자에 기반한 증강현실 디스플레이의 개발 등에 매우 유용하게 활용될 것으로 기대된다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Holographic optical elements have recently gained attention as one of the next-generation multifunctional flat optical technologies. Multiplexed volume holographic optical elements with complex recording conditions are particularly valuable due to their potential use as eyepieces in augmented reality displays. This study focuses on analyzing multiplexed volume holographic elements with multiple recording points and developing simulation tools for optical system design utilizing these elements.
Specifically, we developed a User Defined Surface (UDS) for use in the sequential ray tracing mode of Zemax OpticStudio. This UDS was created through C++ and Python coding based on H. Kogelnik's coupled wave theory and Rigorous Coupled Wave Analysis (RCWA).
To verify the accuracy of the UDS simulation for multiplexed volume holographic optical elements calculated using RCWA. We conducted cross-validation with simulations based on Kogelnik's theory, electromagnetic wave simulations using the finite element method (COMSOL Multiphysics simulation), and experimental results. This process confirmed the utility and accuracy of our approach.
Furthermore, we demonstrated the applicability of the UDS in system design through optimization examples of systems incorporating multiplexed volume holographic elements. The results of this study are expected to be highly useful in the development of augmented reality displays based on multiplexed volume holographic optical elements.

목차 (Table of Contents)

• 그림목차 v
• 표목차 vi
• 국문초록 vii
• 제 1 장 서론 1
• 1.1 연구 배경과 목표 1
• 제 2 장 이론 2
• 2.1 홀로그램 광소자 2
• 2.2 Kogelnik의 결합 파동 이론 3
• 2.3 Rigorous Coupled Wave Analysis 4
• 제 3 장 시뮬레이션 방법 5
• 3.1 Zemax OpticStudio 5
• 3.2 알고리즘 개발 5
• 3.3 User Defined Surface 6
• 제 4 장 결과 8
• 4.1 시뮬레이션 결과 8
• 4.1.1 UDS 시뮬레이션 결과 검증 8
• 4.2 실험 결과 9
• 제 5 장 결론 13
• 참고문헌 14
• Abstract 15