特許7487109複屈折制御を組み込むホログラフィック導波管およびその加工のための方法
(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】
(24)【登録日】2024-05-10
(45)【発行日】2024-05-20
(54)【発明の名称】複屈折制御を組み込むホログラフィック導波管およびその加工のための方法
(51)【国際特許分類】
G02B 27/02 20060101AFI20240513BHJP
G02B 5/18 20060101ALI20240513BHJP
G03H 1/00 20060101ALI20240513BHJP
【ＦＩ】
G02B27/02 Z
G02B5/18
G03H1/00
【請求項の数】
27
(21)【出願番号】P 2020549679
(86)(22)【出願日】2019-03-18
(65)【公表番号】
(43)【公表日】2021-06-24
(86)【国際出願番号】 US2019022822
(87)【国際公開番号】W WO2019178614
(87)【国際公開日】2019-09-19
【審査請求日】2022-03-07
(31)【優先権主張番号】62/643,977
(32)【優先日】2018-03-16
(33)【優先権主張国・地域又は機関】US
(73)【特許権者】
【識別番号】509325972
【氏名又は名称】ディジレンズ インコーポレイテッド
(74)【代理人】
【識別番号】100108453
【弁理士】
【氏名又は名称】村山 靖彦
(74)【代理人】
【識別番号】100110364
【弁理士】
【氏名又は名称】実広 信哉
(74)【代理人】
【識別番号】100133400
【弁理士】
【氏名又は名称】阿部 達彦
(72)【発明者】
【氏名】ウォルダーン， ジョナサン デイビッド
(72)【発明者】
【氏名】ポポヴィッチ， ミラン モムシロ
(72)【発明者】
【氏名】グラント， アラステア ジョン
【審査官】堀部 修平
(56)【参考文献】
【文献】国際公開第２０１７／１６２９９９（ＷＯ，Ａ１）
【文献】米国特許出願公開第２０１７／０１３１５４５（ＵＳ，Ａ１）
【文献】特開２０１５－０９９２３８（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開平０９－２１８４０７（ＪＰ，Ａ）
【文献】特表２０１０－５２５３９４（ＪＰ，Ａ）
【文献】特表２００９－５１６８６２（ＪＰ，Ａ）
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｇ０２Ｂ ２７／０１ － ２７／０２
Ｇ０２Ｂ ５／１８
Ｇ０２Ｂ ５／３２
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
導波管であって、少なくとも１つの導波管基板と、
少なくとも１つの複屈折格子と、
少なくとも１つの複屈折制御層と、
光を出力するための光源と、
前記光を前記導波管内の全内部反射経路の中に指向するための入力カプラと、
前記導波管からの光を抽出するための出力格子と
を備え、
前記光と前記複屈折制御層および前記複屈折格子の相互作用は、前記導波管から抽出された光の所定の特性を提供し、
前記複屈折制御層は、前記導波管の少なくとも１つの光学面上に配置される屈折率層の少なくとも１つのスタックを備え、前記屈折率層のスタック内の少なくとも１つの層は、等方性屈折率を有し、前記屈折率層のスタック内の少なくとも１つの層は、異方性屈折率を有する、導波管。
【請求項2】
前記光と前記複屈折制御層の相互作用は、角度またはスペクトル帯域幅変動、偏光回転、複屈折変動、ビーム透過または偏光回転のうちの少なくとも１つの角度またはスペクトル依存性、および前記導波管基板の平面内の少なくとも１つの方向における光透過変動のうちの少なくとも１つを提供する、請求項１に記載の導波管。
【請求項3】
前記所定の特性は、前記導波管内の光伝搬の少なくとも１つの方向に沿った前記光と前記複屈折制御層および前記複屈折格子の相互作用の累積効果からもたらされる、請求項１に記載の導波管。
【請求項4】
前記所定の特性は、前記光の角度範囲にわたる均一な照明および均一な偏光のうちの少なくとも１つを含む、請求項１に記載の導波管。
【請求項5】
前記複屈折制御層は、前記導波管内の光伝搬の少なくとも１つの方向に沿って、前記複屈折格子によって導入される偏光回転の補償を提供する、請求項１に記載の導波管。
【請求項6】
前記複屈折制御層は、液晶およびポリマー材料システムである、請求項１に記載の導波管。
【請求項7】
前記複屈折制御層は、指向性紫外線放射を使用して整合される液晶およびポリマーシステムである、請求項１に記載の導波管。
【請求項8】
前記複屈折制御層は、電磁放射、電場または磁場、機械的力、化学反応、および熱暴露のうちの少なくとも１つによって整合される、請求項６に記載の導波管。
【請求項9】
前記複屈折制御層は、前記導波管の少なくとも１つの内部または外部光学面上に形成される、請求項１に記載の導波管。
【請求項10】
前記複屈折制御層は、反射層を提供する、請求項１に記載の導波管。
【請求項11】
前記複屈折制御層は、屈折力を提供する、請求項１に記載の導波管。
【請求項12】
前記複屈折制御層は、前記導波管のための環境隔離層を提供する、請求項１に記載の導波管。
【請求項13】
前記複屈折制御層は、屈折率勾配構造を有する、請求項１に記載の導波管。
【請求項14】
前記複屈折制御層は、前記導波管基板の平面内でその屈折率を空間的に変動させるように、光学材料の層を延伸させることによって形成される、請求項１に記載の導波管。
【請求項15】
前記光源は、コリメート光を提供する、請求項１に記載の導波管。
【請求項16】
前記入力カプラおよび前記出力格子のうちの少なくとも１つは、複屈折格子を備える、請求項１に記載の導波管。
【請求項17】
前記複屈折格子は、少なくとも１つのポリマーと、少なくとも１つの液晶とを含む材料システム内に記録される、請求項１に記載の導波管。
【請求項18】
前記少なくとも１つの複屈折格子は、第１の方向におけるビーム拡大と、第２の方向におけるビーム拡大および前記導波管からの光抽出と、前記光源から前記導波管内の全内部反射経路の中への光の結合との機能のうちの少なくとも１つを提供するための少なくとも１つの複屈折格子を備える、請求項１に記載の導波管。
【請求項19】
前記光源は、レーザを含み、前記複屈折格子内のＬＣダイレクタの整合は、空間的に変動し、照明バンディングを補償する、請求項１に記載の導波管。
【請求項20】
導波管を加工するための方法であって、前記方法は、第１の透明基板を提供することと、
格子記録材料の層を堆積させることと、
前記格子記録材料の層を露光し、格子層を形成することと、
複屈折制御層を形成することと、
第２の透明基板を適用することと
を含み、
前記複屈折制御層は、前記導波管の少なくとも１つの光学面上に配置される屈折率層の少なくとも１つのスタックを備え、前記屈折率層のスタック内の少なくとも１つの層は、等方性屈折率を有し、前記屈折率層のスタック内の少なくとも１つの層は、異方性屈折率を有する、方法。
【請求項21】
前記格子記録材料の層は、前記第１の透明基板上に堆積され、前記複屈折制御層は、前記格子層上に形成され、
前記第２の透明基板は、前記複屈折制御層上に適用される、請求項２０に記載の方法。
【請求項22】
前記格子記録材料の層は、前記第１の透明基板上に堆積され、前記第２の透明基板は、前記格子層上に適用され、
前記複屈折制御層は、前記第２の透明基板上に形成される、請求項２０に記載の方法。
【請求項23】
前記複屈折制御層は、前記第１の透明基板上に形成され、前記格子記録材料の層は、前記複屈折制御層上に堆積され、
前記第２の透明基板は、前記格子層上に適用される、請求項２０に記載の方法。
【請求項24】
前記複屈折制御層を形成することが、液晶ポリマー材料の層を堆積させることと、
指向性ＵＶ光を使用して、前記液晶ポリマー材料を整合させることと、を含む、請求項２０に記載の方法。
【請求項25】
前記格子記録材料の層は、前記第１の透明基板上に堆積され、前記第２の透明基板は、前記整合された液晶ポリマー層上に適用される、請求項２４に記載の方法。
【請求項26】
前記液晶ポリマー材料の層は、前記格子層または前記第２の透明基板のうちのいずれか１つの上に堆積される、請求項２４に記載の方法。
【請求項27】
前記液晶ポリマー材料の層は、前記第１の透明基板上に堆積され、前記格子記録材料の層は、前記整合された液晶ポリマー材料上に堆積され、
前記第２の透明基板は、前記格子層上に適用される、請求項２４に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本開示は、光学導波管に関し、より具体的には、複屈折格子を使用する導波管ディスプレイに関する。
【背景技術】
【0002】
導波管は、波を閉じ込め、誘導する（すなわち、波が伝搬し得る空間領域を制限する）能力を伴う構造と称されることができる。１つのサブクラスは、電磁波、典型的には、可視スペクトルにおけるものを誘導し得る構造である、光導波管を含む。導波管構造は、いくつかの異なる機構を使用して波の伝搬経路を制御するように設計されることができる。例えば、平面導波管は、回折格子を利用し、入射光を回折させ、導波管構造の中に結合するように設計されることができ、したがって、内部結合された光は、全内部反射（「ＴＩＲ」）を介して平面構造内で進行し続けることができる。
【0003】
導波管の加工は、導波管内のホログラフィック光学要素の記録を可能にする材料システムの使用を含むことができる。そのような材料の１つのクラスは、光重合性モノマーと、液晶とを含有する混合物である、ポリマー分散液晶（「ＰＤＬＣ」）混合物を含む。そのような混合物のさらなるサブクラスは、ホログラフィックポリマー分散液晶（「ＨＰＤＬＣ」）混合物を含む。体積位相格子等のホログラフィック光学要素は、２つの相互にコヒーレントなレーザビームを用いて材料を照射することによって、そのような液体混合物中に記録されることができる。記録プロセスの間、モノマーは、重合し、混合物は、光重合誘発相分離を受け、クリアなポリマーの領域が点在する、液晶微小液滴が密集する領域を作成する。交互する液晶が豊富な領域および液晶が空乏した領域は、格子のフリンジ面を形成する。
【0004】
上記に説明されるもの等の導波管光学系は、様々なディスプレイおよびセンサ用途のために考慮されることができる。多くの用途では、複数の光学機能をエンコードする１つ以上の格子層を含有する導波管が、種々の導波管アーキテクチャおよび材料システムを使用して実現され、拡張現実（「ＡＲ」）および仮想現実（「ＶＲ」）のための接眼ディスプレイ、航空および道路交通のためのコンパクトなヘッドアップディスプレイ（「ＨＵＤ」）、ならびにバイオメトリックおよびレーザレーダ（「ＬＩＤＡＲ」）用途のためのセンサにおける新しい革新を可能にすることができる。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【0005】
下記に続くものは、情報を表示するための発明的光学ディスプレイおよび方法に関連する種々の概念ならびにその実施形態のより詳細な説明である。上記に導入され、下記により詳細に議論される、種々の概念は、開示される概念が、実装の任意の特定の様式に限定されないため、多数の方法のうちのいずれかにおいて実装され得ることを理解されたい。具体的実装および用途の実施例が、主として、例証目的のために提供される。本発明のより完全な理解が、同様の索引番号が、同様の部分を示す、付随の図面と併せて、以下の詳細な説明を考慮することによって取得されることができる。明確にする目的のために、本発明に関連する技術分野において公知である技術的材料に関する詳細は、詳細に説明されていない。
【0006】
一実施形態は、少なくとも１つの導波管基板と、少なくとも１つの複屈折格子と、少なくとも１つの複屈折制御層と、光を出力するための、光源と、光を導波管内の全内部反射経路の中に指向するための、入力カプラと、導波管からの光を抽出するための、出力カプラであって、光と複屈折制御層および複屈折格子の相互作用は、導波管から抽出された光の所定の特性を提供する、出力カプラとを含む、導波管を含む。
【0007】
別の実施形態では、光と複屈折制御層の相互作用は、角度またはスペクトル帯域幅変動、偏光回転、複屈折変動、ビーム透過または偏光回転のうちの少なくとも１つの角度もしくはスペクトル依存性、および導波管基板の平面内の少なくとも１つの方向における光透過変動のうちの少なくとも１つを提供する。
【0008】
さらなる実施形態では、所定の特性は、導波管を横断して変動する。
【0009】
なおも別の実施形態では、所定の特性は、導波管内の光伝搬の少なくとも１つの方向に沿った、光と複屈折制御層および複屈折格子の相互作用の累積効果からもたらされる。
【0010】
なおもさらなる実施形態では、所定の特性は、光の角度範囲にわたる均一な照明および均一な偏光のうちの少なくとも１つを含む。
【0011】
また別の実施形態では、複屈折制御層は、導波管内の光伝搬の少なくとも１つの方向に沿って、複屈折格子によって導入される、偏光回転の補償を提供する。
【0012】
またさらなる実施形態では、複屈折制御層は、液晶およびポリマー材料システムである。
【0013】
別の付加的実施形態では、複屈折制御層は、指向性紫外線放射を使用して整合される、液晶およびポリマーシステムである。
【0014】
さらなる付加的実施形態では、複屈折制御層は、電磁放射、電場または磁場、機械的力、化学反応、および熱暴露のうちの少なくとも１つによって整合される。
【0015】
再び、別の実施形態では、複屈折制御層は、液晶およびポリマーシステム内に形成される、複屈折格子内のＬＣダイレクタの整合に影響を及ぼす。
【0016】
再び、さらなる実施形態では、複屈折制御層は、異方性屈折率を有する。
【0017】
なおもまた別の実施形態では、複屈折制御層は、導波管の少なくとも１つの内部または外部光学面上に形成される。
【0018】
なおもまたさらなる実施形態では、複屈折制御層は、導波管の少なくとも１つの光学面上に配置される、屈折率層の少なくとも１つのスタックを含み、屈折率層のスタック内の少なくとも１つの層は、等方性屈折率を有し、屈折率層のスタック内の少なくとも１つの層は、異方性屈折率を有する。
【0019】
なおも別の付加的実施形態では、複屈折制御層は、高反射層を提供する。
【0020】
なおもさらなる付加的実施形態では、複屈折制御層は、屈折力を提供する。
【0021】
再び、なおも別の実施形態では、複屈折制御層は、導波管のための、環境隔離層を提供する。
【0022】
再び、なおもさらなる実施形態では、複屈折制御層は、屈折率勾配構造を有する。
【0023】
また別の付加的実施形態では、複屈折制御層は、導波管基板の平面内でその屈折率を空間的に変動させるように、光学材料の層を延伸させることによって形成される。
【0024】
またさらなる付加的実施形態では、光源は、角度空間内でコリメート光を提供する。
【0025】
再び、また別の実施形態では、入力カプラおよび出力カプラのうちの少なくとも１つは、複屈折格子を含む。
【0026】
再び、またさらなる実施形態では、複屈折格子は、少なくとも１つのポリマーと、少なくとも１つの液晶とを含む、材料システム内に記録される。
【0027】
再び、別の付加的実施形態では、少なくとも１つの複屈折格子は、第１の方向におけるビーム拡大、第２の方向におけるビーム拡大および導波管からの光抽出、ならびに源から導波管内の全内部反射経路の中への光の結合の機能のうちの少なくとも１つを提供するための、少なくとも１つの複屈折格子を含む。
【0028】
再び、さらなる付加的実施形態では、光源は、レーザを含み、複屈折格子内のＬＣダイレクタの整合は、空間的に変動し、照明バンディングを補償する。
【0029】
なおもまた別の付加的実施形態は、導波管を加工するための方法を含み、本方法は、第１の透明基板を提供するステップと、格子記録材料の層を堆積させるステップと、格子記録材料の層を露光し、格子層を形成するステップと、複屈折制御層を形成するステップと、第２の透明基板を適用するステップとを含む。
【0030】
なおもまたさらなる付加的実施形態では、格子記録材料の層は、基板上に堆積され、複屈折制御層は、格子層上に形成され、第２の透明基板は、複屈折制御層にわたって適用される。
【0031】
再び、また別の付加的実施形態では、格子記録材料の層は、基板上に堆積され、第２の透明基板は、格子層にわたって適用され、複屈折制御層は、第２の透明基板上に形成される。
【0032】
再び、またさらなる付加的実施形態では、複屈折制御層は、第１の透明基板上に形成され、格子記録材料の層は、複屈折制御層上に堆積され、第２の透明基板は、格子層にわたって適用される。
【0033】
再び、なおもまた別の実施形態では、本方法はさらに、液晶ポリマー材料の層を堆積させるステップと、指向性ＵＶ光を使用して、液晶ポリマー材料を整合させるステップであって、格子記録材料の層は、基板上に堆積され、第２の透明基板は、整合された液晶ポリマー層にわたって適用される、ステップとを含む。
【0034】
再び、なおもまたさらなる実施形態では、液晶ポリマー材料の層は、格子層または第２の透明基板のうちのいずれか１つの上に堆積される。
【0035】
再び、なおもまた別の付加的実施形態では、液晶ポリマー材料の層は、第１の透明基板上に堆積され、格子記録材料の層は、整合された液晶ポリマー材料上に堆積され、第２の透明基板は、格子層にわたって適用される。
【0036】
付加的実施形態および特徴が、続く説明に部分的に記載され、部分的に、本明細書の考察に応じて当業者に明白となるであろう、または本発明の実践によって学習され得る。本発明の性質および利点のさらなる理解が、本明細書の残りの部分および本開示の一部を形成する図面を参照することによって実現され得る。
【図面の簡単な説明】
【0037】
本発明のこれらおよび他の特徴ならびに利点が、付随のデータおよび図と併せて考慮されるとき、以下の詳細な説明を参照することによって、より深く理解されるであろう。
【0038】
【0039】
【0040】
【0041】
【0042】
【0043】
【0044】
【0045】
【0046】
【0047】
【0048】
【0049】
【0050】
【0051】
【0052】
【0053】
【0054】
【0055】
【0056】
【0057】
【0058】
【0059】
【0060】
【0061】
【0062】
【0063】
【0064】
【0065】
【0066】
【0067】
【0068】
【0069】
【0070】
【発明を実施するための形態】
【0071】
実施形態を説明する目的のために、光学設計および視覚ディスプレイの当業者に公知の光学技術のいくつかの周知の特徴は、本発明の基本的原理を不明瞭にしないために、省略または簡略化されている。別様に記載されない限り、光線またはビーム方向に関連する用語「軸上」は、本発明に関連して説明される光学コンポーネントの表面に対して法線の軸に平行な伝搬を指す。以下の説明では、光、光線、ビーム、および方向という用語は、同義的に、かつ相互に関連付けて使用され、直線軌道に沿った電磁放射の伝搬の方向を示し得る。光および照明という用語は、電磁スペクトルの可視および赤外線帯域に関連して使用され得る。以下の説明の一部は、光学設計の当業者によって一般的に採用される専門用語を使用して提示されるであろう。以下の説明では、格子という用語は、ホログラムおよびブラッグまたは体積ホログラムを含む、導波管において使用される任意の種類の回折構造を指すために使用され得る。格子という用語はまた、格子のセットを含む、格子を含有し得る。例えば、いくつかの実施形態では、入力格子および出力格子は、それぞれ、単一の層に多重化される、２つ以上の格子を含む。例証目的のために、図面は、別様に記載されない限り、縮尺通りに描かれないことを理解されたい。
【0072】
概して、図面を参照すると、本発明の種々の実施形態による、複屈折制御を組み込む導波管用途に関するシステムおよび方法が、図示される。複屈折は、光の偏光および伝搬方向に依存する屈折率を有する物質の光学性質である。複屈折格子は、そのような性質を有する格子と称され得る。多くの場合では、複屈折格子は、限定ではないが、ＨＰＤＬＣ混合物等の液晶ポリマー材料システム内に形成される。そのような格子の偏光性質は、平均比誘電率および比誘電率変調テンソルに依存し得る。
【0073】
本発明による多くの実施形態は、複屈折制御を実装する、導波管を対象とする。いくつかの実施形態では、導波管は、複屈折格子層と、複屈折制御層とを含む。さらなる実施形態では、複屈折制御層は、コンパクトかつ効率的である。そのような構造は、限定ではないが、ホログラフィック導波管における偏光関連損失を補償すること、ブラッグ格子に基づく導波管における３次元ＬＣダイレクタ整合を提供すること、および導波管からの出力を均質化するために角度／スペクトル帯域幅を空間的に変動させることを含む、種々の用途のために利用されることができる。いくつかの実施形態では、偏光補償を伴う、偏光維持、広角、かつ高反射導波管クラッドが、格子複屈折のために実装される。いくつかの実施形態では、薄い偏光制御層が、４分の１波長または半波長リターデーションのいずれかを提供するために実装される。いくつかの実施形態では、偏光維持広角複屈折制御層が、導波管と併用される外部光学要素の複屈折を平衡させるために導波管の偏光出力を修正するために実装される。
【0074】
多くの実施形態では、導波管は、少なくとも１つの入力格子と、少なくとも１つの出力格子とを含む。さらなる実施形態では、導波管は、限定ではないが、ビーム拡大のための折り返し格子等、種々の目的のための付加的格子を含むことができる。入力格子および出力格子は、それぞれ、多重化格子を含んでもよい。いくつかの実施形態では、入力格子および出力格子は、それぞれ、１つ以上の薄い光学基板に接触する、またはそれによって垂直に分離される、２つの重複する格子層を含んでもよい。いくつかの実施形態では、格子層は、ガラスまたはプラスチック基板の間に挟装される。いくつかの実施形態では、２つ以上のそのような格子層は、その中で全内部反射が外側基板および空気界面において起こる、スタックを形成してもよい。いくつかの実施形態では、導波管は、１つのみの格子層を含んでもよい。いくつかの実施形態では、電極が、回折状態とクリア状態との間で格子を切り替えるために、基板の面に適用されてもよい。スタックはさらに、ビーム分割コーティングおよび環境保護層等の付加的層を含んでもよい。図面に示される入力および出力格子は、上記に説明される格子構成のうちのいずれかによって提供されてもよい。有利なこととして、入力および出力格子は、共通の表面格子ピッチを有するように設計されることができる。導波管が入力および出力格子に加えて格子を含有する場合では、格子は、格子ベクトルのベクトル和が、実質的にゼロであるように、格子ピッチを有するように設計されることができる。入力格子は、各格子が、入射した無偏光光の偏光を導波管経路の中に回折するように配向される格子を組み合わせることができる。出力格子は、導波管経路からの光が、組み合わせられ、無偏光光として導波管の外に結合されるように、類似する方式で構成されることができる。各格子は、ブラッグ格子の場合では、ブラッグフリンジに対して法線のベクトルとして定義される、３Ｄ空間内の少なくとも１つの格子ベクトル（またはＫベクトル）によって特徴付けられる。格子ベクトルは、入力および回折角度の所与の範囲に関する光学効率を判定することができる。いくつかの実施形態では、導波管は、少なくとも１つの表面レリーフ格子を含む。導波管格子構造、材料システム、および複屈折制御が、下記にさらに詳細に議論される。
切替可能ブラッグ格子
切替可能ブラッグ格子
【0075】
導波管内に記録される光学構造は、限定ではないが、回折格子等の多くの異なるタイプの光学要素を含むことができる。多くの実施形態では、実装される格子は、ブラッグ格子（体積格子とも称される）である。ブラッグ格子は、殆どの光が高次に回折されない高効率を有することができる。回折されたゼロ次における光の相対量は、格子の屈折率変調、すなわち、大きい瞳にわたって光を抽出するための損失のある導波管格子を作製するために使用され得る性質を制御することによって変動されることができる。ホログラフィック導波管デバイスにおいて使用される格子の１つのクラスは、切替可能ブラッグ格子（「ＳＢＧ」）である。ＳＢＧは、最初に、光重合性モノマーおよび液晶材料の混合物の薄フィルムをガラス板または基板の間に設置することによって加工されることができる。多くの場合では、ガラス板は、平行構成にある。一方または両方のガラス板は、フィルムを横断して電場を印加するために、電極、典型的には、透明な酸化スズフィルムを支持することができる。ＳＢＧ内の格子構造は、空間的周期的強度変調を伴う干渉露光を使用する光重合誘発相分離を通して、液体材料（多くの場合、シロップと称される）内に記録されることができる。限定ではないが、照射強度、混合物内の材料の成分の体積分率、および露光温度の制御等の因子が、結果として生じる格子形態および性能を判定することができる。容易に理解され得るように、多種多様な材料および混合物が、所与の用途の具体的要件に応じて、使用されることができる。多くの実施形態では、ＨＰＤＬＣ材料が、使用される。記録プロセスの間、モノマーは、重合し、混合物は、相分離を受ける。ＬＣ分子は、集合し、光学波長のスケールでポリマーネットワーク内に周期的に分散される離散または合体液滴を形成する。交互する液晶が豊富な領域および液晶が空乏した領域は、格子のフリンジ面を形成し、これは、液滴中のＬＣ分子の配向秩序からもたらされる強力な光学偏光を伴うブラッグ回折を生成することができる。
【0076】
結果として生じる体積位相格子は、非常に高い回折効率を呈することができ、これは、フィルムを横断して印加される電場の大きさによって制御されることができる。電場が、透明電極を介して格子に印加されると、ＬＣ液滴の自然な配向は、変化し、フリンジの屈折率変調を低下させ、ホログラム回折効率を非常に低いレベルに低下させ得る。典型的には、電極は、印加される電場が、基板に垂直であろうように構成される。いくつかの実施形態では、電極は、酸化インジウムスズ（「ＩＴＯ」）から加工される。いかなる電場も印加されないオフ状態では、液晶の異常軸は、概して、フリンジに対して法線に整合する。格子は、したがって、Ｐ偏光に関して高屈折率変調および高回折効率を呈する。電場が、ＨＰＤＬＣに印加されると、格子は、オン状態に切り替わり、液晶分子の異常軸は、印加された電場に平行に、したがって、基板に垂直に整合する。オン状態では、格子は、ＳおよびＰ偏光の両方に関してより低い屈折率変調およびより低い回折効率を呈する。したがって、格子領域は、もはや光を回折しない。各格子領域は、例えば、ＨＰＤＬＣデバイスの機能によるピクセルマトリクス等の多数の格子要素に分割されることができる。典型的には、１つの基板表面上の電極は、均一かつ連続的である一方、対向する基板表面上の電極は、多数の選択的に切替可能な格子要素に従ってパターン化される。
【0077】
透過ＳＢＧの公知の属性のうちの１つは、ＬＣ分子が、格子フリンジ面に対して法線の（すなわち、格子またはＫベクトルに平行な）平均方向と整合する傾向があることである。ＬＣ分子整合の効果は、透過ＳＢＧが、Ｐ偏光（すなわち、入射面において偏光ベクトルを伴う光）を効率的に回折するが、Ｓ偏光（すなわち、入射面に対して法線の偏光ベクトルを伴う光）に関してほぼゼロの回折効率を有することである。その結果、透過ＳＢＧは、典型的には、入射光と反射光との間に含まれる角度が、小さいとき、Ｐ偏光に関する任意の格子の回折効率が、ゼロに低下するため、ニアグレイジング入射において使用されることができない。加えて、非整合偏光を伴う照明光は、１つの偏光のみに感受性があるホログラフィックディスプレイにおいて効率的に捕捉されない。
ＨＰＤＬＣ材料システム
ＨＰＤＬＣ材料システム
【0078】
本発明の種々の実施形態によるＨＰＤＬＣ混合物は、概して、ＬＣと、モノマーと、光開始剤染料と、共開始剤とを含む。混合物（多くの場合、シロップと称される）はまた、頻繁に、界面活性剤を含む。本発明を説明する目的のために、界面活性剤は、液体混合物全体の表面張力を低下させる任意の化学薬品として定義される。ＨＰＤＬＣ混合物における界面活性剤の使用は、公知であり、ＨＰＤＬＣの最も初期の調査に遡る。例えば、Ｒ．Ｌ Ｓｕｔｈｅｒｌａｎｄ ｅｔ ａｌ．による論文であるＳＰＩＥ Ｖｏｌ． ２６８９， １５８－１６９， １９９６（その開示が、参照することによって本明細書に組み込まれる）は、界面活性剤が添加され得る、モノマーと、光開始剤と、共開始剤と、連鎖延長剤と、ＬＣとを含む、ＰＤＬＣ混合物を説明している。界面活性剤はまた、Ｎａｔａｒａｊａｎ ｅｔ ａｌ．による論文であるＪｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｎｏｎｌｉｎｅａｒ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｐｈｙｓｉｃｓ ａｎｄ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ， Ｖｏｌ． ５ Ｎｏ． ｌ ８９－９８， １９９６（その開示が、参照することによって本明細書に組み込まれる）に言及されている。さらに、Ｓｕｔｈｅｒｌａｎｄ ｅｔ ａｌ．による米国特許第７，０１８，５６３号は、少なくとも１つのアクリル酸モノマーと、少なくとも１つのタイプの液晶材料と、光開始剤染料と、共開始剤と、界面活性剤とを含む、ポリマー分散液晶光学要素を形成するためのポリマー分散液晶材料を議論している。米国特許第７，０１８，５６３号の開示は、参照することによってその全体として本明細書に組み込まれる。
【0079】
特許および科学文献は、高回折効率、迅速な応答時間、低駆動電圧等を達成するためにそのような材料システムを調合することへの調査を含む、ＳＢＧを加工するために使用され得る材料システムおよびプロセスの多くの実施例を含有する。Ｓｕｔｈｅｒｌａｎｄによる米国特許第５，９４２，１５７号およびＴａｎａｋａ ｅｔ ａｌ．による米国特許第５，７５１，４５２号の両方は、ＳＢＧデバイスを加工するために好適なモノマーおよび液晶材料組み合わせを説明している。レシピの実施例はまた、１９９０年代初頭に遡る論文に見出されることができる。これらの材料の多くは、以下を含むアクリレートモノマーを使用する。
・Ｒ． Ｌ． Ｓｕｔｈｅｒｌａｎｄ ｅｔ ａｌ．， Ｃｈｅｍ． Ｍａｔｅｒ． ５， １５３３ （１９９３）（その開示が、参照することによって本明細書に組み込まれる）は、アクリレートポリマーおよび界面活性剤の使用を説明している。具体的には、レシピは、架橋多官能性アクリレートモノマー、連鎖延長剤Ｎ－ビニルピロリジノン、ＬＣ Ｅ７、光開始剤ローズベンガル、および共開始剤Ｎ－フェニルグリシンを含む。界面活性剤オクタン酸が、ある変形において添加された。
・Ｆｏｎｔｅｃｃｈｉｏ ｅｔ ａｌ．， ＳＩＤ ００ Ｄｉｇｅｓｔ ７７４－７７６， ２０００（その開示が、参照することによって本明細書に組み込まれる）は、多官能性アクリレートモノマー、ＬＣ、光開始剤、共開始剤、および連鎖停止剤を含む、反射型ディスプレイ用途のためのＵＶ硬化性ＨＰＤＬＣを説明している。
・Ｙ．Ｈ． Ｃｈｏ， ｅｔ ａｌ．， Ｐｏｌｙｍｅｒ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ， ４８， １０８５－１０９０， １９９９（その開示が、参照することによって本明細書に組み込まれる）は、アクリレートを含むＨＰＤＬＣレシピを開示している。
・Ｋａｒａｓａｗａ ｅｔ ａｌ．， Ｊａｐａｎｅｓｅ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ， Ｖｏｌ． ３６， ６３８８－６３９２， １９９７（その開示が、参照することによって本明細書に組み込まれる）は、種々の官能状態のアクリレートを説明している。
・Ｔ．Ｊ． Ｂｕｎｎｉｎｇ ｅｔ ａｌ．， Ｐｏｌｙｍｅｒ Ｓｃｉｅｎｃｅ： Ｐａｒｔ Ｂ： Ｐｏｌｙｍｅｒ Ｐｈｙｓｉｃｓ， Ｖｏｌ． ３５， ２８２５－ ２８３３， １９９７（その開示が、参照することによって本明細書に組み込まれる）もまた、多官能性アクリレートモノマーを説明している。
・Ｇ．Ｓ． Ｉａｎｎａｃｃｈｉｏｎｅ ｅｔ ａｌ．， Ｅｕｒｏｐｈｙｓｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ Ｖｏｌ． ３６ （６）． ４２５－４３０， １９９６（その開示が、参照することによって本明細書に組み込まれる）は、ペンタアクリレートモノマーと、ＬＣと、連鎖延長剤と、共開始剤と、光開始剤とを含む、ＰＤＬＣ混合物を説明している。
・Ｒ． Ｌ． Ｓｕｔｈｅｒｌａｎｄ ｅｔ ａｌ．， Ｃｈｅｍ． Ｍａｔｅｒ． ５， １５３３ （１９９３）（その開示が、参照することによって本明細書に組み込まれる）は、アクリレートポリマーおよび界面活性剤の使用を説明している。具体的には、レシピは、架橋多官能性アクリレートモノマー、連鎖延長剤Ｎ－ビニルピロリジノン、ＬＣ Ｅ７、光開始剤ローズベンガル、および共開始剤Ｎ－フェニルグリシンを含む。界面活性剤オクタン酸が、ある変形において添加された。
・Ｆｏｎｔｅｃｃｈｉｏ ｅｔ ａｌ．， ＳＩＤ ００ Ｄｉｇｅｓｔ ７７４－７７６， ２０００（その開示が、参照することによって本明細書に組み込まれる）は、多官能性アクリレートモノマー、ＬＣ、光開始剤、共開始剤、および連鎖停止剤を含む、反射型ディスプレイ用途のためのＵＶ硬化性ＨＰＤＬＣを説明している。
・Ｙ．Ｈ． Ｃｈｏ， ｅｔ ａｌ．， Ｐｏｌｙｍｅｒ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ， ４８， １０８５－１０９０， １９９９（その開示が、参照することによって本明細書に組み込まれる）は、アクリレートを含むＨＰＤＬＣレシピを開示している。
・Ｋａｒａｓａｗａ ｅｔ ａｌ．， Ｊａｐａｎｅｓｅ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ， Ｖｏｌ． ３６， ６３８８－６３９２， １９９７（その開示が、参照することによって本明細書に組み込まれる）は、種々の官能状態のアクリレートを説明している。
・Ｔ．Ｊ． Ｂｕｎｎｉｎｇ ｅｔ ａｌ．， Ｐｏｌｙｍｅｒ Ｓｃｉｅｎｃｅ： Ｐａｒｔ Ｂ： Ｐｏｌｙｍｅｒ Ｐｈｙｓｉｃｓ， Ｖｏｌ． ３５， ２８２５－ ２８３３， １９９７（その開示が、参照することによって本明細書に組み込まれる）もまた、多官能性アクリレートモノマーを説明している。
・Ｇ．Ｓ． Ｉａｎｎａｃｃｈｉｏｎｅ ｅｔ ａｌ．， Ｅｕｒｏｐｈｙｓｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ Ｖｏｌ． ３６ （６）． ４２５－４３０， １９９６（その開示が、参照することによって本明細書に組み込まれる）は、ペンタアクリレートモノマーと、ＬＣと、連鎖延長剤と、共開始剤と、光開始剤とを含む、ＰＤＬＣ混合物を説明している。
【0080】
アクリレートは、迅速な動態、他の材料との良好な混合、およびフィルム形成プロセスとの適合性の利益を提供する。アクリレートは、架橋されるため、それらは、機械的にロバストかつ可撓性である傾向がある。例えば、官能性２（ジ）および３（トリ）のウレタンアクリレートが、ＨＰＤＬＣ技術に関して広範に使用されている。ペンタおよびヘキサ官能性ステム等のより高い官能性の材料もまた、使用されている。
複屈折の概観
複屈折の概観
【0081】
ＨＰＤＬＣに基づくホログラフィック導波管は、スイッチング能力および高屈折率変調の利益を提供するが、ＬＣポリマー層分離の間に格子ベクトルに沿った液晶ダイレクタの整合からもたらされる、固有の複屈折に悩まされ得る。これは、多くの用途において有利であり得る、高い偏光選択度につながり得るが、偏光回転等の悪影響が、（折り返し格子として公知の）導波管の平面内で導波されるビームを折り返し、拡大するように設計される格子において起こり得る。本偏光回転は、効率損失および出力光の不均一性につながり得る。
【0082】
ＬＣダイレクタの整合を修正するための２つの一般的なアプローチは、ラビングおよび整合層の適用を含む。典型的には、そのような手段によって、整合層に平行な平面内のＬＣダイレクタは、平面内で再整合されることができる。ＨＰＤＬＣブラッグ格子では、問題は、格子Ｋベクトルに沿ったＬＣダイレクタの自然整合のために、より困難になり、最も単純な格子以外の全ての格子におけるダイレクタ整合を複雑な３次元の問題にし、ラビングまたはポリアミド整合層を使用する従来の技法を非実用的にする。他のアプローチは、硬化の間に電場、磁場、および機械的圧力を印加することを含むことができる。これらのアプローチは、反射格子に適用されるとき、限定された成功を有することが示されている。しかしながら、そのような技法は、典型的には、透過ブラッグ格子導波管に容易に転用されない。
【0083】
導波管における主要な設計課題は、外部プロジェクタから導波管の中への画像コンテンツの効率的な、かつ導波管画像に波長分散および輝度不均一性がないような方法での結合である。波長分散を克服し、満足なコリメーションを達成するために、レーザの使用が、実装されることができる。しかしながら、レーザは、瞳バンディングアーチファクトの問題に悩まされ得、これは、出力照明不均一性として現れる。バンディングアーチファクトは、コリメートされた瞳が、ＴＩＲ導波管内で複製（拡大）されると、形成され得る。基本的には、ビームが、格子と相互作用する度に導波管から外に回折される、光ビームは、間隙または重複を有し、照明リップルにつながり得る。多くの場合では、リップルの程度は、画角、導波管厚さ、および開口厚さの関数である。バンディングの効果は、典型的には、ＬＥＤ等の広帯域源によって呈される分散によって平滑化されることができる。しかしながら、ＬＥＤ照明は、完全にバンディング問題がなくなるわけではなく、さらに、嵩張る入力光学系および導波管の厚さの増加をもたらす傾向がある。デバンディングは、入力格子が、ＴＩＲ角度の関数である有効入力開口を有するように、導波管の中に結合される光を構成するための瞳偏移技法を使用して最小限にされることができる。「Ｗａｖｅｇｕｉｄｅ Ｄｅｖｉｃｅ ｗｉｔｈ Ｕｎｉｆｏｒｍ Ｏｕｔｐｕｔ Ｉｌｌｕｍｉｎａｔｉｏｎ」と題された、国際出願第ＰＣＴ／ＵＳ２０１８／０１５５５３号（その開示が、参照することによってその全体として本明細書に組み込まれる）における瞳偏移を実施するための技法がある。
【0084】
ある場合には、折り返し格子（上記に説明される）において起こる偏光回転は、レーザ照明を使用する導波管内の照明バンディングを補償することができる。これに関する機構は、各相互作用において小さい偏光回転と組み合わせられる折り返し格子における多数の格子相互作用が、バンディング（限定ではないが、記録プロセスから残された寄生格子、格子および導波管表面との迷光相互作用等から生じるもの等、ＴＩＲビームの不完全な合致および他のコヒーレントな光学効果から生じる）を平均化し得ることである。複屈折を補償するプロセスは、折り返し格子内の複屈折の空間変動（ＬＣダイレクタの整合）を微調整することによって支援されることができる。
【0085】
導波管ディスプレイにおいて生じるさらなる問題は、水分との接触または表面の組み合わせが、導波管全内部反射（ＴＩＲ）を阻害し、画像ギャップにつながり得ることである。そのような場合では、保護外側層を使用するための範囲は、導波管角度帯域幅にわたってＴＩＲを提供するであろう、低屈折率材料の必要性によって限定され得る。導波管におけるさらなる設計課題は、導波管の角度帯域幅にわたって高効率を維持することである。１つの例示的解決策は、偏光維持、広角、かつ高反射導波管クラッドであろう。いくつかの用途では、導波管内の偏光平衡は、導波管の主要反射面のうちの一方または両方に適用される、４分の１波長リターディング層または半波長リターダ層のいずれかを使用して遂行されることができる。しかしながら、ある場合には、実践的なリターダフィルムは、許容できない厚さを導波管に追加し得る。要求される規定の薄フィルムコーティングは、通常、高価かつ時間のかかる真空コーティングステップを伴うであろう。コーティングを実装する一例示的方法は、限定ではないが、インクジェット印刷または業界標準スピンコーティング手順の使用を含む。多くの実施形態では、コーティングは、印刷された格子層に直接適用され得る。代替として、コーティングは、組み立てられた導波管の外部光学面に適用され得る。
【0086】
いくつかの用途では、導波管は、収差を補正するために、従来の光学系と組み合わせられる。そのような収差は、導波管が、限定ではないが、視認者のアイボックスの中への反射のために自動車フロントガラス上に画像を投影する、自動車ＨＵＤ等の用途において使用されるときに生じ得る。フロントガラスの曲率は、有意な幾何学的収差を導入し得る。多くの導波管は、コリメートビームとともに動作するため、導波管自体の中の歪みを事前補償することは、困難であり得る。１つの解決策は、導波管の出力面の近傍に事前補償光学要素を搭載することを含む。多くの場合では、光学要素は、プラスチックで成形され、厳しい複屈折を導入し得、これは、導波管によって平衡されるべきである。
【0087】
上記に照らして、本発明の多くの実施形態は、上記に提起される問題のうちの１つ以上のものに対処するように設計される、複屈折制御層を対象とする。例えば、多くの実施形態では、コンパクトかつ効率的な複屈折制御層が、ホログラフィック導波管における偏光関連損失を補償するために、ブラッグ格子に基づく導波管における３次元ＬＣダイレクタ整合を提供するために、導波管からの出力を均質化するために角度／スペクトル帯域幅を空間的に変動させるために、および／または導波されるビームの閉じ込めを確実にしながら、その環境から導波管を隔離するために実装される。いくつかの実施形態では、偏光補償を伴う、偏光維持、広角、かつ高反射導波管クラッドが、格子複屈折のために実装される。いくつかの実施形態では、薄い偏光制御層が、４分の１波長または半波長リターデーションのいずれかを提供するために実装される。偏光制御層が、標準スピンコーティングまたはインクジェット印刷プロセスを使用して、格子層の上に直接、または導波管基板のうちの一方もしくは両方に薄い層として実装されることができる。いくつかの実施形態では、偏光維持広角複屈折制御層は、導波管と併用される外部光学要素の複屈折を平衡させるために導波管の偏光出力を修正するために実装される。他の実装および具体的構成が、下記にさらに詳細に議論される。
複屈折制御を組み込む導波管用途
複屈折制御を組み込む導波管用途
【0088】
本発明の種々の実施形態による、複屈折制御技法を組み込む導波管および導波管ディスプレイが、多くの異なる技法を使用して達成されることができる。いくつかの実施形態では、導波管は、複屈折格子層と、複屈折制御層とを含む。さらなる実施形態では、コンパクトかつ効率的な複屈折制御層が、実装される。複屈折制御層は、限定ではないが、ホログラフィック導波管における偏光関連損失を補償すること、ブラッグ格子に基づく導波管における３次元ＬＣダイレクタ整合を提供すること、および導波管からの出力を均質化するために角度／スペクトル帯域幅を空間的に変動させるための導波管内への効率的かつ費用効果の高い統合等の種々の機能のために実装されることができる。説明されるべき実施形態のうちのいずれかでは、複屈折制御層は、導波管の任意の光学面上に形成されてもよい。本発明を理解する目的のために、導波管の光学面は、ＴＩＲ面、格子層の表面、格子層を挟装する導波管基板の表面、または導波管内に実装される任意の他の光学基板の表面（例えば、均一性を改良するためのビームスプリッタ層）のうちの１つであってもよい。
【0089】
図１は、本発明のある実施形態による、複屈折制御層を実装する導波管を概念的に図示する。例証的実施形態では、導波管装置１００は、複屈折格子層１０２と、複屈折制御層１０２とを含有する、光学基板１０１を含む。示されるように、導波管内でＴＩＲの下で伝搬する光１０４は、両方の層と相互作用する。例えば、シンボル１０４Ｂによって表される初期偏光状態を伴う光線１０４Ａは、点１０２Ａの周囲の格子領域を通した伝搬後、その偏光が状態１０４Ｃに回転される。複屈折制御層１０３は、偏光ベクトルを状態１０４Ｄに回転させ、これは、これが、点１０２Ｂの周囲の格子と相互作用し、状態１０４Ｄに類似する偏光状態１０４Ｇで方向１０４Ｆに回折されるとき、光線１０４Ｅのある程度の所定の回折効率を達成するための偏光状態である。以下の説明に示されるであろうように、複屈折制御層および複屈折格子の多くの異なる構成が、本発明の種々の実施形態に従って、実装されることができる。
【0090】
図２は、少なくとも１つの光学基板２０１と、外部源２０４から導波管基板内のＴＩＲ経路２０５Ａ、２０５Ｂの中に（ある範囲の入射角を網羅する）光２０３Ａ、２０３Ｂを偏向させるための、カプラ２０２とを含む、導波管装置２００を概念的に図示する。ＴＩＲ経路内の光は、出力格子と相互作用することができ、これは、ＴＩＲ光が、格子による回折のための条件を満たす度に、光の一部を抽出するように構成されることができる。ブラッグ格子の場合では、抽出は、ブラッグ条件が、満たされるときに起こり得る。より精密には、効率的な抽出が、格子に入射する光線が、ブラッグ条件の周囲の角度帯域幅およびスペクトル帯域幅内に位置するときに起こり得る。帯域幅は、許容可能な回折効率のいくつかの測度（限定ではないが、ピークＤＥの５０％等）に従って定義される。例えば、ＴＩＲ光線経路２０５Ａ、２０５Ｂ内の光は、出力格子によって、出力格子に沿った異なる点において出力方向２０６Ａ、２０６Ｂ、２０７Ａ、および２０７Ｂに回折される。基本的な幾何学的光学系から、一意のＴＩＲ角度が、入力格子における８つの光入射角によって定義され得ることが明白となるはずである。
【0091】
多くの異なるタイプの光学要素が、カプラとして使用されることができる。例えば、いくつかの実施形態では、カプラは、格子である。いくつかの実施形態では、カプラは、複屈折格子である。多くの実施形態では、カプラは、プリズムである。本装置はさらに、第１の方向におけるビーム拡大および導波管からの光抽出を提供するための、少なくとも１つの複屈折格子２０８と、異方性屈折率性質を伴う、少なくとも１つの複屈折制御層２０９とを含む。議論されるべき実施形態では、源２０４は、光源、マイクロディスプレイパネル、および光をコリメートするための光学系を含む、入力画像発生器であり得る。容易に理解され得るように、非コリメート光を出力するものを含む、種々の入力画像発生器が、使用されることができる。多くの実施形態では、入力画像発生器は、各表示ピクセルが、基板導波管内で一意の角度方向に変換されるように、マイクロディスプレイパネル上に表示される画像を投影する。コリメーション光学系は、回折レンズおよびミラーであり得る、レンズおよびミラーを含んでもよい。いくつかの実施形態では、源は、画像情報で変調されない照明を提供するように構成されてもよい。いくつかの実施形態では、光源は、レーザまたはＬＥＤであり得、照明ビーム角度特性を修正するための、１つ以上のレンズを含むことができる。いくつかの実施形態では、画像源は、マイクロディスプレイまたは画像走査装置であり得る。
【0092】
光と、光の任意の方向に関する全内部反射経路に沿って統合される複屈折制御層２０９および複屈折格子２０８の相互作用は、導波管から抽出される光の所定の特性を提供することができる。いくつかの実施形態では、所定の特性は、光の角度範囲にわたる均一な偏光または均一な照明のうちの少なくとも１つを含む。図２はまた、複屈折制御層２０９および格子２０８が均一な偏光を提供する様子を図示する。多くの実施形態では、入力状態は、Ｐ偏光、すなわち、ＨＰＤＬＣ内に記録された格子のために使用され得る状態に対応するであろう。本発明を解説する目的のために、２１０によって表される初期偏光状態が、仮定される。ＴＩＲ経路２０５Ａに沿った格子相互作用領域の近傍の光と複屈折制御層の相互作用は、偏光状態２１１、２１２によって表され、これは、複屈折制御層２０９の厚さＡＢを通した伝搬の前後の偏光ベクトルの回転を示す。本偏光回転は、光線がＴＩＲ経路２０５Ａに沿って遭遇する、隣接する格子領域の厚さＣＤを通した偏光回転を平衡させるように設計されることができる。したがって、格子によって抽出される光の偏光は、偏光状態２１３によって示されるように、入力偏光ベクトルに平行に整合されることができる。いくつかの実施形態では、出力偏光状態は、入力偏光状態と異なってもよい。図２に示されるもの等のいくつかの実施形態では、複屈折格子および複屈折制御層の少なくとも部分的な重複が、存在する。いくつかの実施形態では、その２つは、導波管経路の一部によって分離される。
【0093】
図３は、本発明のある実施形態による、複屈折制御層および格子が均一な出力照明を提供する、導波管装置３００を概念的に図示する。例証的実施形態では、導波管装置３００は、少なくとも１つの光学基板３０１と、外部源３０４から導波管基板内のＴＩＲ経路３０５の中に光３０３を偏向するための、カプラ３０２とを含む。装置３００はさらに、第１の方向におけるビーム拡大および導波管からの光抽出を提供するための、少なくとも１つの複屈折格子３０６と、異方性屈折率性質を伴う、少なくとも１つの複屈折制御層３０７とを含む。示されるように、ＴＩＲ光線経路３０５内の光は、出力格子によって出力方向３０８、３０９に回折されることができる。本発明を解説する目的のために、３１０によって表される初期ビーム照明（Ｉ）対角度（Ｕ）プロファイルが、仮定される。ＴＩＲ経路３０５に沿った格子相互作用領域の近傍の光と複屈折制御層３０７の相互作用は、複屈折制御層の厚さＡＢを通した伝搬の前（３１１）および後（３１２）の照明プロファイルによって特徴付けられる。限定ではないが、ディスプレイ用途等のいくつかの用途では、導波管装置３００は、導波管の射出瞳を横断して均一な照明対角度を有するように設計されることができる。これは、導波管射出瞳を横断して統合された格子によって抽出される光（３０８、３０９によって示される）が、均一な照明対角度分布３１３を提供するように、（経路ＡＢに近接する近傍の格子経路ＣＤに沿って）複屈折制御層の複屈折対角度特性を格子の角度帯域幅に合致させることによって達成されてもよい。いくつかの実施形態では、格子および複屈折制御層の特性は、導波管の開口にわたって変動する。
複屈折制御層の実装
複屈折制御層の実装
【0094】
種々の材料および加工プロセスが、複屈折制御層を提供するために使用されることができる。多くの実施形態では、複屈折制御層は、光と、光の任意の方向に関する全内部反射経路に沿って統合される複屈折制御層および複屈折格子の相互作用が、導波管から抽出される光の所定の特性を提供するように、複屈折の空間的分布を提供するために、加工の間に制御され得る異方性屈折率性質を有する。いくつかの実施形態では、層は、１つを上回る層を含む、薄いスタックとして実装されてもよい。
【0095】
ＨＰＤＬＣ格子の整合は、格子構成に応じて、有意な課題を提示し得る。平面格子の最も単純な場合では、偏光制御は、格子平面に直交する単一の平面に限られ得る。ロール軸回転Ｋベクトル格子は、格子平面を横断して変動するために、整合を要求し得る。折り返し格子、特に、傾斜ブラッグフリンジを伴うものは、はるかに複雑な複屈折を有し、３Ｄ整合を要求し、ある場合には、より高度に空間的に分解された整合を要求し得る。
【0096】
本発明と併用するための複屈折制御層の以下の実施例は、例証にすぎない。各場合では、層は、性質が、層の表面を横断して変動するように処理されると仮定される。また、複屈折制御層は、導波管内に、または格子を含有する導波管の光学面上に構成されると仮定される。いくつかの実施形態では、複屈折制御層は、格子層と接触する。いくつかの場合では、複屈折制御層は、別個の区分に分割され、導波管の異なる表面上に配置される。いくつかの実施形態では、複屈折制層は、複数の層を含んでもよい。
【0097】
いくつかの実施形態では、本発明は、４分の１波長または半波長リターデーションのいずれかを提供し得る、薄い偏光制御層を提供する。偏光制御層は、標準スピンコーティングまたはインクジェット印刷プロセスを使用して、格子層の上に直接、または導波管基板のうちの一方もしくは両方に薄い層として実装されることができる。
【0098】
実施形態の１つの群では、複屈折制御層は、指向性ＵＶ光を使用して３Ｄ内で整合され得る、液晶およびポリマーネットワークを使用する材料を使用して形成される。いくつかの実施形態では、複屈折制御層は、少なくとも部分的に、液晶ポリマー（ＬＣＰ）ネットワークから形成される。文献では、反応性メソゲンとも称されているＬＣＰは、光開始剤および指向性ＵＶ光の存在下で相互に重合し、剛性ネットワークを形成する、例えば、反応性アクリレート末端基を含む、液晶性モノマーを含有する、重合性液晶である。液晶分子の末端の相互の重合は、それらの配向を３次元パターンに凍結させることができる。プロセスは、典型的には、液晶ポリマーを含有する材料システムを基板上にコーティングするステップと、焼鈍に先立って、方向的に／空間的に制御可能なＵＶ源を使用して、ＬＣダイレクタを選択的に整合させるステップとを含む。いくつかの実施形態では、複屈折制御層は、少なくとも部分的に、文献では、線状重合フォトポリマー（ＬＰＰ）とも称される、光整合層から形成される。ＬＰＰは、入射する線形に偏光されたＵＶ光に平行または垂直にＬＣダイレクタを整合させるように構成されることができる。ＬＰＰは、散乱または他のスプリアス光学効果のリスクを最小限にする、非常に薄い層（典型的には、５０ｎｍ）において形成されることができる。いくつかの実施形態では、複屈折制御層は、ＬＣＰ、ＬＰＰ、および少なくとも１つのドーパントから形成される。ＬＣＰおよびＬＰＰに基づく複屈折制御層は、薄フィルム（２～４ミクロン）において形成される折り返し格子およびロール軸回転Ｋベクトル格子の複雑な３次元幾何学特性においてＬＣダイレクタを整合させるために使用されることができる。いくつかの実施形態では、ＬＣＰまたはＬＰＰに基づく複屈折制御層はさらに、二色性染料、狭帯域または広帯域コレステリックフィルタを達成するためのカイラルドーパント、ツイストリターダ、もしくはネガティブｃプレートリターダを含む。多くの実施形態では、ＬＣＰまたはＬＰＰに基づく複屈折制御層は、４分の１または半波長リターデーション層を提供する。
【0099】
いくつかの実施形態では、複屈折制御層は、（図４に示されるような）等方性および異方性屈折率層を組み合わせる、多層構造によって形成される。図４では、多層構造４００は、等方性層４０１、４０２と、異方性屈折率層４０３、４０４とを含む。いくつかの実施形態では、多層スタックが、限定ではないが、数十または数百の層等の多数の層を含んでもよい。図５は、複屈折格子層５０５と組み合わせられる、等方性層５０１、５０２と、異方性屈折率層５０３、５０４とを含む、多層構造５００を概念的に図示する。複屈折が、スタックの隣接する材料層の間の面内屈折率の変化によるとき、Ｐ偏光の反射率の改良された制御を達成することが、可能である。通常、等方性材料では、ブルースターの法則は、いずれの界面に関しても、Ｐ偏光反射率が消失する入射角（ブルースター角）が存在すると定める。しかしながら、反射率は、他の角度において劇的に増加し得る。ブルースター角によって課される限定は、Ｓｃｉｅｎｃｅ、Ｖｏｌ．２８７、２０００年３月３１日、ページ２４５１－２４５６に公開されるＷｅｂｅｒ ｅｔ ａｌ．の「Ｇｉａｎｔ Ｂｉｒｅｆｒｉｎｇｅｎｔ Ｏｐｔｉｃｓ ｉｎ Ｍｕｌｔｉｌａｙｅｒ Ｐｏｌｙｍｅｒ Ｍｉｒｒｏｒｓ」に議論される基本原理を適用することによって克服されることができる。等方性／異方性屈折率層のシステムの光学特性は、特定の多層干渉スタック設計ではなく、界面反射および相厚さの基礎物理学に基づくため、新しい設計自由度が、可能である。広角の広帯域用途のための設計は、ブルースター角制限が、特に、導波管基板等の高屈折率媒体内に浸漬される複屈折制御層に関して排除される場合、簡略化される。導波管ディスプレイに関連するさらなる利点は、色忠実度が、全ての入射角および偏光に関して維持され得ることである。
【0100】
複屈折格子は、典型的には、角度波長の関数である、偏光回転性質を有するであろう。複屈折制御層は、導波管の角度、スペクトル、または偏光特性を修正するために使用されることができる。いくつかの実施形態では、光と複屈折制御層の相互作用は、導波管に沿って効果的な角度帯域幅変動を提供することができる。多くの実施形態では、光と複屈折制御層の相互作用は、導波管に沿って効果的なスペクトル帯域幅変動を提供することができる。いくつかの実施形態では、光と複屈折制御層の相互作用は、導波管に沿って偏光回転を提供することができる。いくつかの実施形態では、格子複屈折は、格子加工の間に液晶ポリマー混合物の組成を空間的に変動させることによって、導波管を横断して変動するように作製されることができる。いくつかの実施形態では、複屈折制御層は、導波管基板の平面内の少なくとも１つの方向において複屈折変動を提供することができる。複屈折制御層はまた、導波管内の（異なる偏光に関する）光透過を最適化するための手段を提供することができる。多くの実施形態では、複屈折制御層は、導波管基板の平面内の少なくとも１つの方向において透過変動を提供することができる。いくつかの実施形態では、複屈折制御層は、導波管基板の平面内の少なくとも１つの方向において、ビーム透過または偏光回転のうちの少なくとも１つの角度依存性を提供することができる。いくつかの実施形態では、複屈折制御層は、導波管基板の平面内の少なくとも１つの方向において、ビーム透過または偏光回転のうちの少なくとも１つのスペクトル依存性を提供することができる。
【0101】
多くの実施形態では、複屈折格子は、広い範囲の導波管アーキテクチャにおいて、入力カプラ、折り返し格子、および出力格子を提供してもよい。図６は、本発明のある実施形態による、複屈折制御層を伴う二重拡大導波管の平面図を概念的に図示する。例証的実施形態では、導波管６００は、それぞれ、偏光制御層６０５、６０６、６０７によって上置される、入力格子６０２と、折り返し格子６０３と、出力格子６０４とを含有する、光学基板６０１を含む。
【0102】
いくつかの実施形態では、本発明は、導波管と併用される外部光学要素の複屈折を平衡させるために導波管の偏光出力を修正するための、偏光維持広角複屈折制御層を提供する。図７は、フロントガラスからアイボックスの中にコリメートされた像を反射する、自動車ＨＵＤを対象とする本発明のある実施形態を概念的に図示する。いずれのフロントガラス曲率も、典型的には、収差および他の幾何学的歪みをもたらし、これは、ビームが実質的にコリメートされたままである要件を伴う、ある導波管実装において補正されることができない。本問題の１つの解決策は、導波管の出力面の近傍に、従来の屈折要素または回折要素であり得る、補正要素を搭載することである。そのような実装では、複屈折補正コンポーネントは、導波管からの光線経路の擾乱を回避することができ、収色性であり得る。使用される補償装置技術は、空間的変動構成、低ヘイズ、および高透過率を提供することができる。図７の例証的実施形態では、導波管７００は、画像変調光（図示せず）の外部源から導波管内のＴＩＲ経路７０４の中に光７０３を指向するための、格子カプラ７０２と、第１の方向におけるビーム拡大を提供し、導波管から光を抽出するための、複屈折格子７０５と、複屈折制御層７０６とを含有する、光学基板７０１を含む。装置７００はさらに、フロントガラスにおける反射によって導入される幾何学的歪みおよび他の収差を補正するために、導波管に近接して配置される、光学要素７０７を含む。いくつかの実施形態では、光学要素７０７は、屈折レンズである。他の実施形態では、光学要素７０７は、回折レンズであり得る。豊富なアイボックスを提供する広視野ＨＵＤに関して、補正装置は、典型的には、４００ｍｍと同程度に大きい（ダッシュボードに沿った）水平寸法を伴う、大きい占有面積を有するであろう。しかしながら、補正装置が、プラスチックで成形される場合、これは、複屈折に悩まされる傾向があるであろう。したがって、図７の実施形態では、複屈折制御要素７０６は、光学要素７０７によって導入される格子偏光および偏光回転の両方を補償するように設計されることができる。再び図７を参照すると、Ｐ偏光に対応する初期偏光状態が、仮定される。複屈折格子、複屈折制御層、および補正要素を通した伝搬後の偏光状態が、シンボル７０８－７１１によって表される。ＴＩＲ経路に沿った格子相互作用領域の近傍の光と複屈折制御層の相互作用は、偏光状態によって表される。図７の実施形態では、格子によって抽出される光７１２、７１３の偏光は、入力偏光ベクトルに平行に整合される。いくつかの実施形態では、複屈折制御層７０６は、９０度を通して、出力光偏光ベクトルを回転させるように構成されてもよい。
【0103】
いくつかの実施形態では、複屈折制御層は、基板の機械的、熱的、または電磁気処理を使用する、種々の技法によって提供されることができる。例えば、いくつかの実施形態では、複屈折制御層は、光学基板の表面を横断して空間的に変動する機械的応力を印加することによって形成される。図８は、力が８０２－８０５によって示される方向に印加され、等複屈折輪郭８０６をもたらす、複屈折制御層８０１を整合させるための装置８００を概念的に図示する。多くの実施形態では、図示される力は、必ずしも全てが層に印加される必要はない。いくつかの実施形態では、複屈折制御層８０１は、光学基板の中に熱勾配を誘発することによって形成される。いくつかの実施形態では、複屈折制御層８０１は、ＬＣダイレクタが硬化の間に電場または磁場を使用して整合される、ＨＰＤＬＣ格子によって提供される。いくつかの実施形態では、上記の技法のうちの２つ以上のものが、組み合わせられてもよい。
複屈折制御層を組み込む導波管の加工
複屈折制御層を組み込む導波管の加工
【0104】
本発明はまた、複屈折格子と、複屈折制御層とを含有する、導波管を加工するための方法および装置を提供する。種々の例示的実施形態において示されるような装置および方法の構造ならびに配列は、例証にすぎない。いくつかの実施形態のみが、本開示に詳細に説明されているが、多くの修正が、可能性として考えられる（例えば、プロセスの効率および完成した導波管の品質を改良するため、プロセス分散を最小限にするため、プロセスを監視するため、ならびにその他のための付加的ステップ）。層の形成に言及する任意のプロセスステップは、複数のそのような層を網羅するように理解されるべきである。例えば、格子層を記録するプロセスステップが、説明される場合、本ステップは、２つ以上の格子層を含有するスタックを記録することに拡張されることができる。故に、全てのそのような修正は、本開示の範囲内に含まれることを意図している。任意のプロセスまたは方法ステップの順序もしくはシーケンスは、代替実施形態に従って変動または再シーケンス化されてもよい。他の代用、修正、変更、および省略が、本開示の範囲から逸脱することなく、例示的実施形態のプロセス装置、動作条件、ならびに配列の設計において行われてもよい。本発明を解説する目的のために、プロセスの説明は、上記に説明されるような液晶ポリマー材料システムに基づく複屈折制御層に言及するであろう。しかしながら、説明から、プロセスが、本明細書に説明される複屈折制御層の実装のうちのいずれかに基づき得ることが明白となるはずである。
【0105】
図９Ａ－９Ｆは、本発明の種々の実施形態による、複屈折格子と、複屈折制御層とを含有する、導波管を加工するためのプロセスステップおよび装置を概念的に図示する。図９Ａは、第１の透明基板９０１を提供する第１のステップ９００を示す。図９Ｂは、ホログラフィック記録材料を基板９０１に適用するための装置９１０を図示する。例証的実施形態では、装置９１０は、基板９０１上に格子記録材料の層９１３を形成するスプレーパターン９１２を提供する、コーティング装置９１１を含む。いくつかの実施形態では、スプレーパターンは、コーティングされるべき表面を横断して掃引または段階化される、狭いジェットまたはブレードを含んでもよい。いくつかの実施形態では、スプレーパターンは、同時に表面の大きい面積を被覆するための発散ジェットを含んでもよい。いくつかの実施形態では、コーティング装置は、表面の領域の選択的コーティングを提供するための１つ以上のマスクと併用されてもよい。多くの実施形態では、コーティング装置は、業界標準の標準的スピンコーティングまたはインクジェット印刷プロセスに基づく。
【0106】
図９Ｃは、本発明のある実施形態による、格子記録材料の層を露光し、格子層を形成するための装置９２０を概念的に図示する。例証的実施形態では、装置９２０は、記録材料内に格子を接触複写するためのマスタ格子９２１と、レーザ９２２とを含有する。示されるように、マスタ９２１は、入射光９２３を回折し、ゼロ次光９２４および回折光９２５を提供し、これは、格子材料層内で干渉し、格子層９２６を形成する。本装置は、限定ではないが、より高い回折次数または他の源からの迷光を克服するために、光絞りおよびマスク等のさらなる特徴を有してもよい。いくつかの実施形態では、いくつかの格子は、多重化ホログラムの原理を使用して、単一の層の中に記録されてもよい。図９Ｄは、本発明のある実施形態による、格子層上に液晶ポリマー材料の層をコーティングするための装置９３０を概念的に図示する。例証的実施形態では、装置９３０は、材料の層９３３を形成するスプレーパターン９３２を送達するように構成される、コーティング装置９３１を含有する。コーティング装置９３１は、格子記録材料を適用するために使用されるコーティング装置に類似する特徴を有してもよい。図９Ｅは、本発明のある実施形態による、材料の整合された液晶ポリマー層を提供するための装置９４０を概念的に図示する。例証的実施形態では、装置９４０は、整合されたＬＣポリマー層９４３を形成するための指向性ＵＶ光９４２を提供する、ＵＶ源（所与の用途の具体的要件に応じて、コリメーション、ビーム操向、およびビーム成形光学系を含み得る）９４１を含有する。図９Ｆは、整合された液晶ポリマー層９４３にわたって第２の基板９５１を適用するステップ後の完成された導波管９５０を概念的に図示する。
【0107】
いくつかの実施形態では、格子記録材料の露光は、上記に説明されるマスタリングプロセスの代わりに、従来のクロスビーム記録手順を使用してもよい。多くの実施形態では、格子層のさらなる処理が、焼鈍、熱処理、および／または格子層の光学性質を安定させるための他のプロセスを含んでもよい。いくつかの実施形態では、電極コーティングが、基板に適用されてもよい。多くの実施形態では、保護透明層が、露光後に格子層にわたって適用されてもよい。いくつかの実施形態では、液晶ポリマー材料は、上記に議論されるＬＣＰ、ＬＰＰ材料システムに基づく。いくつかの実施形態では、液晶ポリマーの整合は、ＵＶビーム方向に平行な液晶ダイレクタの整合をもたらすことができる。他の実施形態では、整合は、ＵＶビーム方向に対して９０度である。いくつかの実施形態では、第２の透明基板は、コーティング装置を使用して適用される保護層によって置換されてもよい。
【0108】
図１０Ａ－１０Ｆは、本発明の種々の実施形態による、複屈折制御層が導波管の外面に適用される、複屈折格子を含有する、導波管を加工するためのプロセスステップおよび装置を概念的に図示する。図１０Ａは、本発明のある実施形態による、第１の透明基板１００１を提供する第１のステップ１０００を概念的に図示する。図１０Ｂは、本発明のある実施形態による、ホログラフィック記録材料を基板に適用するための装置１０１０を概念的に図示する。例証的実施形態では、装置１０１０は、基板１００１上に格子記録材料の層１０１３を形成するスプレーパターン１０１２を提供する、コーティング装置１０１１を含む。図１０Ｃは、本発明のある実施形態による、格子記録材料の層を露光し、格子層を形成するための装置１０２０を概念的に図示する。例証的実施形態では、装置１０２０は、記録材料内に格子を接触複写するためのマスタ格子１０２１と、レーザ１０２２とを含む。示されるように、マスタ１０２１は、レーザ１０２２からの光１０２３をゼロ次光１０２４および回折光１０２５に変換し、これは、格子材料層１０１３内で干渉し、格子層１０２６を形成する。図１０Ｄは、本発明のある実施形態による、露光された格子層にわたって第２の基板１０３１を適用するステップ後の部分的に完成された導波管１０３０を概念的に図示する。図１０Ｅは、本発明のある実施形態による、第２の基板上に液晶ポリマー材料の層をコーティングするための装置１０４０を概念的に図示する。例証的実施形態では、装置１０４０は、材料の層１０４３を形成するためのスプレーパターン１０４２を送達するためのスプレーコータ１０４１を含む。図１０Ｆは、本発明のある実施形態による、液晶ポリマー材料を整合させるための装置１０５０を概念的に図示する。例証的実施形態では、装置１０５０は、格子層１０２６のＬＣダイレクタを再整合させるように構成され得る、整合された液晶ポリマー層１０５３を形成するための指向性ＵＶ光１０５２を提供する、ＵＶ源１０５１を含む。
【0109】
図１１Ａ－１１Ｆは、本発明の種々の実施形態による、複屈折格子と、複屈折制御層とを含有する、導波管を加工するためのプロセスステップおよび装置を概念的に図示する。上記に説明される実施形態と異なり、複屈折制御層を形成するステップは、複屈折制御層の上方に形成される、格子層の記録の前に実行されることができる。図１１Ａは、第１の透明基板１１０１を提供する第１のステップ１１００を概念的に図示する。図１１Ｂは、本発明のある実施形態による、第１の基板上に液晶ポリマー材料の層をコーティングするための装置１１１０を概念的に図示する。例証的実施形態では、装置１１１０は、材料の層１１１３を形成するためのスプレーパターン１１１２を送達するように構成される、コーティング装置１１１１を含む。図１１Ｃは、本発明のある実施形態による、液晶ポリマー材料を整合させるための装置１１２０を概念的に図示する。例証的実施形態では、装置１１２０は、整合された液晶ポリマー層１１２３を形成するための指向性ＵＶ光１１２２を提供する、ＵＶ源１１２１を含む。図１１Ｄは、本発明のある実施形態による、ホログラフィック記録材料を基板に適用するための装置１１３０を概念的に図示する。例証的実施形態では、装置１１３０は、液晶ポリマー層１１２３の上に格子記録材料の層１１３３を形成するためのスプレーパターン１１３２を提供するためのコーティング装置１１３１を含む。図１１Ｅは、本発明のある実施形態による、格子記録材料の層を露光し、格子層を形成するための装置１１４０を概念的に図示する。例証的実施形態では、装置１１４０は、記録材料内に格子を接触複写するためのマスタ格子１１４１と、レーザ１１４２とを含む。示されるように、マスタ１１４１は、レーザからの光１１４２をゼロ次光１１４３および回折光１１４４に変換し、これは、格子材料層１１３３内で干渉し、格子層１１４５を形成し、これは、液晶ポリマー材料層１１２３によって整合される。図１１Ｆは、本発明のある実施形態による、露光された格子層にわたって第２の基板１１５１を適用するステップ後の完成された導波管１１５０を概念的に図示する。
【0110】
図１２は、本発明のある実施形態による、複屈折格子と、複屈折制御層とを含有する、導波管を加工する方法を図示する、フローチャートを概念的に図示する。図１２を参照すると、方法１２００は、第１の透明基板を提供するステップ（１２０１）を含む。格子記録材料の層が、基板上に堆積されることができる（１２０２）。格子記録材料の層は、格子層を形成するために露光されることができる（１２０３）。液晶ポリマー材料の層が、格子層上に堆積されることができる（１２０４）。液晶ポリマー材料は、指向性ＵＶ光を使用して整合されることができる（１２０５）。第２の透明基板が、整合層にわたって適用されることができる（１２０６）。
【0111】
図１３は、本発明のある実施形態による、複屈折格子と、導波管の外面に適用される、複屈折制御層とを含有する、導波管を加工する方法を図示する、フローチャートを概念的に図示する。図１３を参照すると、方法１３００は、第１の透明基板を提供するステップ（１３０１）を含む。格子記録材料の層が、基板上に堆積されることができる（１３０２）。格子記録材料の層は、格子層を形成するために露光されることができる（１３０３）。第２の透明基板が、露光された格子層にわたって適用されることができる（１３０４）。液晶ポリマー材料の層が、第２の透明基板上に堆積されることができる（１３０５）。液晶ポリマー材料は、指向性ＵＶ光を使用して整合されることができる（１３０６）。
【0112】
図１４は、本発明のある実施形態による、格子層の記録の前に、複屈折制御層を形成するステップが実行される、複屈折格子と、複屈折制御層とを含有する、導波管を加工する方法を図示する、フローチャートを概念的に図示する。図１４を参照すると、方法１４００は、第１の透明基板を提供するステップ（１４０１）を含む。液晶ポリマー材料の層が、基板上に堆積されることができる（１４０２）。液晶ポリマー材料は、指向性ＵＶ光を使用して整合されることができる（１４０３）。格子記録材料の層が、整合された液晶ポリマー材料上に堆積されることができる（１４０４）。格子記録材料の層は、格子層を形成するために露光されることができる（１４０５）。第２の透明基板が、格子層にわたって適用されることができる（１４０６）。
【0113】
図１２－１４は、複屈折格子と、複屈折制御層とを含有する、導波管を加工するための具体的プロセスを図示するが、多くの他の加工プロセスおよび装置が、本発明の種々の実施形態に従って、そのような導波管を形成するために実装されることができる。例えば、任意のプロセスまたは方法ステップの順序もしくはシーケンスは、代替実施形態に従って変動または再シーケンス化されてもよい。他の代用、修正、変更、および省略が、本開示の範囲から逸脱することなく、例示的実施形態のプロセス装置、動作条件、ならびに配列の設計において行われてもよい。
付加的実施形態および用途
付加的実施形態および用途
【0114】
いくつかの実施形態では、格子複屈折の偏光補償を伴う、偏光維持、広角、高反射導波管クラッドが、実装されることができる。図１５は、１つのそのような実施形態を示す。例証的実施形態では、導波管１５００は、複屈折格子１５０２を含有する、導波管基板１５０１と、導波管基板１５０１に上置する、複屈折制御層１５０３とを含む。示されるように、導波管基板１５０１とのその界面において複屈折制御層１５０３と相互作用する誘導光１５０４は、その偏光がシンボル１５０５によって示される状態（格子との以前の相互作用からもたらされる）から、１５０６によって示される状態（例えば、格子に沿ったいくつかの所定の点において所定の回折効率を提供するための配向を有する、格子との次の相互作用のための所望の配向を有する）に回転される。
【0115】
多くの実施形態では、導波されるビームの効率的な閉じ込めを確実にしながら、その環境から導波管を隔離するためのコンパクトかつ効率的な複屈折制御層が、実装されることができる。図１６は、１つのそのような実施形態を図示する。例証的実施形態では、環境的に隔離される導波管１６００は、複屈折格子１６０２を含有する、導波管基板１６０１と、導波管基板１６０１に上置する、複屈折制御層１６０３とを含む。示されるように、導波管基板１６０１とのその界面において複屈折制御層１６０３と相互作用する誘導光１６０４は、その偏光がシンボル１６０５によって示される状態から、１６０６によって示される状態に回転される。導波管の環境隔離は、全内部反射が、複屈折制御層１６０３と導波管基板１６０１との間の界面１６０７において起こるように複屈折制御層１６０３を設計することによって提供されることができる。いくつかの実施形態では、環境隔離は、誘導光のごく一部のみが、複屈折制御層の空気界面において反射されるような屈折率勾配特性を有するように複屈折制御層を設計することによって提供される。いくつかの実施形態では、複屈折制御層は、別個のＧＲＩＮ層を組み込んでもよい。いくつかの実施形態では、ＧＲＩＮ層は、「ＮＥＡＲ ＥＹＥ ＤＩＳＰＬＡＹ ＵＳＩＮＧ ＧＲＡＤＩＥＮＴ ＩＮＤＥＸ ＯＰＴＩＣＳ」と題された、米国仮特許出願第６２／１２３，２８２号および「ＷＡＶＥＧＵＩＤＥ ＤＩＳＰＬＡＹ ＵＳＩＮＧ ＧＲＡＤＩＥＮＴ ＩＮＤＥＸ ＯＰＴＩＣＳ」と題された、米国仮特許出願第６２／１２４，５５０号に開示される実施形態に基づいてもよい。
【0116】
図１７は、本発明のある実施形態による、複屈折制御層１７０２に上置する複屈折格子層１７０１を含有する構造を加工するための、上記に説明される方法のうちのいくつかと併用され得る、装置１７００を概念的に図示する。図１７では、複屈折制御層を支持する基板は、示されない。光線１７０３、１７０４によって示される構造ビームは、マスタ格子または交差ビームホログラフィック記録設定によって提供されてもよい。示されるように、構造ビームは、複屈折制御層１７０２を通して伝搬する。多くの実施形態では、構造ビームは、可視帯域内にある。いくつかの実施形態では、構造ビームは、ＵＶ帯域内にある。
【0117】
図１８は、本発明のある実施形態による、複屈折格子層１８０２に上置する複屈折制御層１８０１を含有する構造を加工するための、上記に説明される方法のうちのいくつかと併用され得る、装置１８００を概念的に図示する。図１８では、格子層を支持する基板は、示されない。記録ビームの方向は、１８０３によって示される。多くの実施形態では、複屈折制御層は、整合のために指向性ＵＶビームを使用する、液晶ポリマー材料システムである。格子がポリマーおよび液晶材料システム内に記録される、いくつかの実施形態では、露光された格子は、液晶の等方相を生成するために効果的な熱、電場または磁場、もしくは光等の外部刺激を印加することによって、複屈折制御層を整合させるプロセスの間に消去されてもよい。
【0118】
図１９は、格子層１９０３を挟装する基板１９０１、１９０２を含有する、導波管１９００の断面を概念的に図示する。示されるように、源１９０４は、コリメート光１９０５Ａを放出し、これは、格子層によって、光線１９０５Ｂ、１９０Ｃによって示される全内部反射（ＴＩＲ）経路の中に結合され、格子層１９０３によって出力光線経路１９０５Ｄの中に抽出される。例証的実施形態では、源１９０４は、限定ではないが、レーザまたはＬＥＤを含む、種々の光源であり得る。
【0119】
図２０は、本発明のある実施形態による、４分の１波長偏光層が、基板２００２、２００３によって挟装される４分の１波長フィルム２００１によって基板１９０２を置換することによって挿入される、図１９のものに類似する導波管を概念的に図示する。４分の１波長偏光層は、２つの方法においてホログラフィック導波管設計に有益であり得る。第１に、これは、ロール軸回転Ｋベクトル（ＲＫＶ）入力格子の再相互作用（外部結合）を低減させ、入力格子の全体的結合効率を高めることができる。第２に、これは、折り返しおよび出力格子の中に進む光の偏光を連続的に混合し、より良好な抽出を提供することができる。４分の１波長層は、入力格子からの光に沿って導波管表面上に位置することができる。典型的には、導波管表面は、波のＴＩＲ表面または導波管の内側に形成される一部の中間表面のうちの１つを含むことができる。４分の１波長層の光学特性は、「導波管角度」、すなわち、ＴＩＲ角度を超えるガラス内の角度のために最適化されることができる。いくつかの実施形態では、中心野は、ガラス内で約５５度（波長５３２ｎｍにおける約１．５１の屈折率に対応する）において設計される。多くの実施形態では、赤色、緑色、および青色のための最適化が、赤色、緑色、および青色透過導波管の最適な性能のために使用されることができる。説明されるべき実施形態に示されるであろうように、導波管内に４分の１波長フィルムを組み込む、いくつかの異なる方法が、存在する。以下の実施形態では、概して、液晶ポリマー（ＬＣＰ）材料によって提供される４分の１波長偏光層に言及する。しかしながら、他の材料も、本発明の用途において使用されることを理解されたい。
【0120】
図２１は、本発明のある実施形態による、ＲＫＶ格子を伴う４分の１波長偏光層の使用が、導波管の入力格子部分内の伝搬経路に沿った光の不要な抽出の問題を克服し得る方法を図示する、導波管の一部を示す、概略断面図２１００を概念的に図示する。１つの光線経路が、図示され、Ｐ偏光２１０１Ａを含む入力光が、導波管内の光線２１０１Ｂ－２１０１Ｌによって示されるＴＩＲ経路の中に格子層によって結合される。導波管格子は、ロール軸回転Ｋベクトルを有し、導波管の長さに沿った３つの点において起こるその実施例が、ベクトル２１０２Ａ－２１０２Ｃによって図式的に図示される。例証的実施形態では、入力格子によってＴＩＲの中に回折結合される光２１０１Ａは、格子に対してＰ偏光される。多くの実施形態では、ＴＩＲ角度は、公称上、ガラス内で５５度であり得る。４分の１波長層を通した透過に応じて、光の偏光は、Ｐから円偏光（２１０１Ｃ）に変化する。導波管の下側面におけるＴＩＲ後、偏光は、その上向き経路上で４分の１波長層を横断した後、格子に対してＳ偏光（２１０１Ｅ）した状態になるように、反対の意味で円偏光（２１０１Ｄ）に変化する。Ｓ偏光は、これが、オフブラッグおよび「オフ偏光」の両方であるため（格子が、Ｓに関してゼロまたは低回折効率を有するため）、逸脱（２１０１Ｆ）または実質的な損失を伴わずに格子を通過する。本光は、次いで、そのＳ偏光を留保したまま、２回目のＴＩＲ（２１０１Ｇ）を受ける。したがって、光２１０１Ｇは、ここで、オンブラッグであるが、依然として、Ｐ偏光感受性格子に対してオフ偏光である。光は、したがって、回折を伴わずに格子を通過する（２１０１Ｈ）。本場所において、ＲＫＶ（２１０２Ｂ）は、Ｉ／Ｐ格子上の光入射点の近傍のもの（２１０２Ａ）からわずかにロール軸回転している。光が、「オン偏光」であった場合、ＲＫＶの「ロール軸回転」効果は、小さく、したがって、光は、強く外部結合されるであろう。格子を通過するＳ偏光は、光線２１０１Ｂ－２１０１Ｇによって図示されるサイクルに類似する方式で別の全サイクル（２１０１Ｈ－２１０１Ｍ）を通して進み、次いで、Ｋベクトル２１０２Ｃとの格子領域における次の（２１０１Ｍ）オンブラッグ相互作用のためにＰ偏光状態に戻る。この時点で、光は、導波管を辿って２回の完全なＴＩＲバウンスサイクルを実施しており、格子およびＫベクトルにおける入射角の角度分離を増加させ、これは、オンブラッグ相互作用を強く低減させる。
【0121】
図２１の実施形態をさらに明確にするために、１ｍｍ厚さの導波管における５５度のＴＩＲ角度光が、考慮され、２０ｍｍのプロジェクタ起伏（入力格子からのプロジェクタの距離）および公称４．３ｍｍ直径のプロジェクタ射出瞳を伴う。格子との最初の相互作用は、導波管を辿って約２．８５ｍｍで起こる。これは、２０ｍｍのプロジェクタ起伏において８．１度の角度に等しい。比較のために、典型的な１．６μｍの格子のＦＷＨＭ角度帯域幅は、空気中で約１２度であり（規定に依存する）、すなわち、瞳に対する角度は、レンズの半幅よりもあまり大きくない。これは、偏光が、上記に説明されるようにＳ偏光に変化しない場合、強い外部結合につながる。事実上、４分の１波長層の使用は、ＴＩＲ長さを約５．７ｍｍに倍増する。本オフセットは、殆どの導波管格子の角度帯域幅よりも大きい、約１５．９度に等しく、それによって、導波管からの外部結合再相互作用損失を低減させる。
【0122】
図２２は、本発明のある実施形態による、屈折率合致油層（２２０１）によって分離される、ＬＣＰ４分の１波長セルと、反応性モノマー液晶混合物（ＲＭＬＣＭ）とを含有する、偏光層アーキテクチャ２２００を概念的に図示する。ＬＣＰセルは、基板２２０２と、ＬＣＰフィルム２２０３とを含む。ＲＭＬＣＭセルは、ＲＭＬＣＭ層２２０６を挟装する、基板２２０４、２２０５を含む。本構成は、屈折率整合油接合が、非恒久的接合を提供し得、試験目的のための偏光セルの配設および除去を可能にする利点を有する。接着剤もまた、半恒久的接合のために（タッキングされる）縁に適用されることができる。いくつかの実施形態では、油層は、油を用いて充填されるセルを使用して提供されることができる。
【0123】
図２３は、本発明のある実施形態による、裸ＬＣＰフィルム２３０２と直接接触するＲＭＬＣＭ格子材料層２３０１を伴う格子セルに基づく、偏光アーキテクチャ２３００の実施例を概念的に図示する。２つのフィルムは、基板２３０３、２３０４によって挟装される。これは、ＬＣＰ層を実装するための単純かつ費用効果の高い解決策である。スペーサビーズを使用してＲＭＬＣＭ層の厚さ制御を維持することは、ビーズが、ＬＣＰ層上に直接埋設される場合、困難であり得る。図２３の実施形態は、ＲＭＬＣＭ層とＬＣＰ層との間の有害な相互作用を回避するために、ＲＭＬＣＭおよびＬＣＰの材料性質の注意深い合致を要求することができる。多くの実施形態では、ＲＭＬＣＭ層のホログラフィック露光が、ＲＭＬＣＭの中に直接適用されることができ、ＬＣＰ層を通してである必要はない。ＬＣＰ層を通した露光構築が、回避不可能である場合、ＬＣＰ層の偏光回転の事前補償が、いくつかの実施形態では、行われることができる。
【0124】
図２４は、本発明のある実施形態による、裸ＬＣＰ層が裸ＲＭＬＣＭ層に接合される、偏光層アーキテクチャ２４００の実施例を図式的に示す、断面図を概念的に図示する。本装置は、上側基板２４０１と、裸ＬＣＰフィルム２４０２と、接着層２４０３と、暴露ＲＭＬＣＭ層２４０４と、下側基板２４０５とを含む。多くの実施形態では、接着層は、Ｎｏｒｌａｎｄ ＮＯＡ６５接着剤または類似する接着剤であり得る。
【0125】
図２５は、本発明のある実施形態による、偏光層としてＲＭＬＣＭ層を使用する偏光層アーキテクチャ２５００の実施例を図式的に示す、断面図を概念的に図示する。本装置は、上側基板２５０１と、上側ＲＭＬＣＭ層２５０２と、透明スペーサ２５０３と、下側ＲＭＬＣＭ層２５０４と、下側基板２５０５とを含む。ＲＭＬＣＭ層のうちの１つは、格子材料としてだけではなく、また、ＲＭＬＣＭ材料の固有の複屈折性質を使用して、偏向回転層としても使用されることができる。「偏光回転格子」は、その回折が、最小であるような周期および／またはｋベクトル方向を有するべきである。いくつかの実施形態では、ＲＭＬＣＭ層は、サブ波長格子として構成されることができる。いくつかの実施形態では、ＲＭＬＣＭ層は、硬化後、層が、除去され、別の場所に再適用され得るように、２つの剥離層の間に挟装されて提供されることができる。
【0126】
図２６は、本発明のある実施形態による、複屈折格子によって導入される偏光回転を補償するための特徴を含む、偏光層アーキテクチャ２６００の実施例を概念的に図示する。本装置は、上側基板２６０１と、偏光制御層２６０２と、透明基板２６０３と、格子層２６０４と、下側基板２６０５とを含む。格子層は、クリア領域２６０７によって分離される、第１の格子２６０６Ａと、第２の格子２６０６Ｂとを含有する。いくつかの実施形態では、クリア領域は、基板のものに類似する屈折率を伴うポリマーであり得る。多くの実施形態では、他の低屈折率材料が、クリア領域を提供するために使用されてもよい。偏光制御層は、４分の１波長リターディング領域２６０８Ａ、２６０８Ｂと、偏光補償領域とを含み、これは、（誘導光が格子２６０６Ａから格子２６０６Ｂに伝搬する場合に）複屈折格子２６０６Ａによって導入される偏光回転を平衡させる。
【0127】
図２７は、本発明のある実施形態による、図２６の実施形態の特徴を組み込む導波管ディスプレイ２７００を図式的に示す、平面図を概念的に図示する。導波管ディスプレイ２７００は、導波管基板２７０１と、入力格子２７０２と、折り返し格子２７０３と、出力格子２７０４とを含む。偏光制御領域２７０５、２７０６は、図２６の実施形態の原理に従って、格子偏光解消のための補償を適用する。
【0128】
図２８は、本発明のある実施形態による、上側基板２８０１と、硬質カプセル化層２８０３を伴うＬＣＰ層２８０２と、ＲＭＬＣＭ層２８０４と、下側基板２８０５とを含有する、偏光層アーキテクチャ２８００の実施例を図式的に示す、断面図を概念的に図示する。多くの実施形態では、硬質カプセル化層またはフィルムは、標準洗浄手順が、フィルムを破壊しないであろうように、機械的接触から繊細なＬＣＰフィルムを保護するように設計されることができる。有利なこととして、硬質カプセル化層は、スペーサビーズが積層プロセスを通してこれの中に押動されることに耐性があり、ならびに屈折率合致油および接着剤に化学的に耐性がある材料を採用することができる。
【0129】
図２９は、本発明のある実施形態による、上側基板２９０１と、軟質カプセル化層２９０３を伴うＬＣＰ層２９０２と、ＲＭＬＣＭ層２９０４と、下側基板２９０５とを含有する、偏光層アーキテクチャ２９００の実施例を図式的に示す、断面図を概念的に図示する。偏光整合フィルムは、例えば、イソプロピルアルコールを用いたドラッグワイピング等の標準洗浄手順が、フィルムを破壊しないであろうように、機械的接触から繊細なＬＣＰフィルムを保護するように設計される、軟質カプセル化層またはフィルムを用いてカプセル化されることができる。いくつかの実施形態では、軟質カプセル化は、積層プロセスの間にスペーサビーズに対するある程度の抵抗を提供することができる。
【0130】
図３０は、本発明のある実施形態による、２領域ポリマーフィルムの第１の実施例３０００を図式的に示す、平面図を概念的に図示する。本実施例は、寸法７７．２ｍｍ×４７．２ｍｍの０．５ｍｍ厚さのＥａｇｌｅ ＸＧ基板によって支持される、非カプセル化ＬＣＰフィルム３００１を使用する。領域１は、波長５２４ｎｍに関して、水平からの速軸７５°によって、かつ５５°のガラス内角度、４５°の楕円率±５°における４分の１波長リターダンスによって特徴付けられる。領域２は、波長５２４ｎｍに関して、水平からの速軸１０５°によって、かつ５５°のガラス内角度、４５°の楕円率±５°における４分の１波長リターダンスによって特徴付けられる。典型的には、領域１および領域２は、水平に中間点まで、±２ｍｍ延在する。
【0131】
図３１は、本発明のある実施形態による、２領域ポリマーフィルムの第２の実施例３１００を図式的に示す、平面図を概念的に図示する。本実施例は、保護フィルム３１０２によるＬＣＰ層３１０１のカプセル化を使用し、該層は、寸法７７．２ｍｍ×４７．２ｍｍの０．５ｍｍ厚さのＥａｇｌｅ ＸＧ基板によって支持される。領域１は、波長５２４ｎｍに関して、水平からの速軸７５°によって、かつ５５°のガラス内角度、４５°の楕円率±５°における４分の１波長リターダンスによって特徴付けられる。領域２は、波長５２４ｎｍに関して、水平からの速軸１０５°によって、かつ５５°のガラス内角度、４５°の楕円率±５°における４分の１波長リターダンスによって特徴付けられる。典型的には、領域１および領域２は、水平に中間点まで、±２ｍｍ延在する。カプセル化層は、性能が、屈折率１．５１６を伴うＣａｒｇｉｌｌｅ Ｓｅｒｉｅｓ Ａ等の油の層によって被覆されるときに影響を受けないように、偏光層をシールすることができる。カプセル化層は、性能が、液晶ベースのフォトポリマーの付加的層によって被覆されるときに影響を受けないように、偏光層をシールすることができる。
【0132】
図３２は、本発明のある実施形態による、２領域ポリマーフィルムの第３の実施例３２００を図式的に示す、平面図を概念的に図示する。本実施例は、ＬＣＰのガラスカプセル化を使用する。寸法７７．２ｍｍ×４７．２ｍｍの０．５ｍｍ厚さのＥａｇｌｅ ＸＧ基板が、ＬＣＰ層３２０１、接着層３２０２、および０．２ｍｍ厚さのＷｉｌｌｏｗガラスカバー３２０３を支持する。領域１は、波長５２４ｎｍに関して、水平からの速軸７５°によって、かつ５５°のガラス内角度、４５°の楕円率±５°における４分の１波長リターダンスによって特徴付けられる。領域２は、波長５２４ｎｍに関して、水平からの速軸１０５°によって、かつ５５°のガラス内角度、４５°の楕円率±５°における４分の１波長リターダンスによって特徴付けられる。有利なこととして、ＬＣＰのカプセル化のためのガラスは、０．５ｍｍ ＥａｇｌｅＸＧまたは０．２ｍｍ Ｗｉｌｌｏｗガラスである。典型的には、領域１および領域２は、水平に中間点まで、±２ｍｍ延在する。
【0133】
図３３は、本発明のある実施形態による、図３０－３２に図示される実施形態に関するクリア開口レイアウト３３００を示す、図面を概念的に図示する。クリア開口は、破線において強調される。全ての寸法は、ｍｍ単位である。
【0134】
図３４は、本発明のある実施形態による、格子毎に、Ｋベクトルと、整合層速軸方向とを含む、図３０－３３の実施形態に基づく、入力格子３４０２と、折り返し格子３４０３と、出力格子３４０４とを含有する、導波管３４０１を図式的に示す、平面図３４００を概念的に図示する。図３４に示されるように、Ｋベクトルおよび速軸方向は、入力格子Ｋベクトルに関して３０度であり、折り返し格子Ｋベクトルに関して２７０度であり、出力格子Ｋベクトルに関して１５０度である。
【0135】
上記の説明は、ＬＣＰ層（または同等のリターディング層）が導波管構造においてＲＭＬＣＭ層と組み合わせられ得る、可能性として考えられる実施形態のうちのいくつかのみを網羅する。上記に説明される実施形態の多くでは、基板は、０．５ｍｍ厚さのＣｏｒｎｉｎｇ Ｅａｇｌｅ ＸＧガラスから加工されることができる。いくつかの実施形態では、より薄いまたはより厚い基板が、使用されることができる。いくつかの実施形態では、基板は、プラスチックから加工されることができる。いくつかの実施形態では、基板および該基板によってカプセル化される光学層は、湾曲することができる。実施形態のうちのいずれかは、処理および取扱の間に生じる化学汚染または損傷からの保護のための付加的層を組み込むことができる。いくつかの実施形態では、付加的基板層が、要求される導波管厚さを達成するために提供されてもよい。いくつかの実施形態では、付加的層が、照明均質化スペクトルフィルタ処理、角度選択的フィルタ処理、迷光制御、およびデバンディングの機能のうちの少なくとも１つを実施するために提供されてもよい。多くの実施形態では、裸ＬＣＰ層は、裸暴露ＲＭＬＣＭ層に直接接合されることができる。いくつかの実施形態では、中間基板が、ＬＣＰ層とＲＭＬＣＭ層との間に配置されることができる。いくつかの実施形態では、ＬＣＰ層は、ＲＭＬＣＭ材料の非暴露層と組み合わせられることができる。多くの実施形態では、カプセル化の有無を問わず、ＬＣＰの層は、＜０．２５％、好ましくは、０．１％またはそれを下回るヘイズ特性を有することができる。引用されるヘイズ特性が、バルク材料散乱に基づき、大部分が浸漬に応じて失われる、表面散乱損失から独立することに留意されたい。ＬＣＰおよびカプセル化層は、１００℃の露光（熱ＵＭ暴露に関して＞８０℃）に耐えることができる。多くの実施形態では、ＬＣＰカプセル化層は、層洗浄を可能にするために、ドラッグワイピング耐性があり得る。上記に説明される実施形態では、フィルムクリア開口内に一定のリターダンスが、存在し、いかなる気泡または隙間も、存在し得ない。ＬＣＰおよび接着層は、導波管基板によって満たされる光学的平坦性基準に合致することができる。
【0136】
本発明の原理による色導波管が、典型的には、単色導波管のスタックを含むであろう。本設計は、赤色、緑色、および青色導波管層、または代替として、赤色および青色／緑色層を使用してもよい。いくつかの実施形態では、格子は全て、受動的、すなわち、非切替である。いくつかの実施形態では、格子のうちの少なくとも１つは、切替である。いくつかの実施形態では、各層内の入力格子は、導波管層の間のカラークロストークを回避するために、切替可能である。いくつかの実施形態では、カラークロストークは、赤色および青色の入力格子領域と青色および緑色導波管との間にダイクロイックフィルタを配置することによって回避される。いくつかの実施形態では、複屈折制御層の厚さは、導波管内で伝搬する光の波長のために最適化され、導波管ディスプレイのスペクトル帯域幅を横断して均一な複屈折補償を提供する。導波管ディスプレイにおいて典型的に使用される、赤色、緑色、青色波長のための波長およびスペクトル帯域幅バンドは、赤色に関して６２６ｎｍ±９ｎｍであり、緑色に関して５２２ｎｍ±１８ｎｍであり、青色に関して４５２ｎｍ±１１ｎｍである。いくつかの実施形態では、複屈折制御層の厚さは、三色光のために最適化される。
【0137】
多くの実施形態では、複屈折制御層は、ＨＰＤＬＣ内に記録されるサブ波長格子によって提供される。そのような格子は、形状複屈折の現象を呈することが公知であり、４分の１波長および半波長リターデーションを含む、様々な偏光機能を提供するように構成されることができる。いくつかの実施形態では、複屈折制御層は、ＬＣダイレクタが偏光または無偏光光を用いてアゾ染料ドープ整合層を照射することによって整合される、液晶媒体によって提供される。いくつかの実施形態では、複屈折制御層は、サブミクロン分解能ステップを伴うＬＣダイレクタ配向パターンを提供するようにパターン化される。同一の実施形態では、複屈折制御層は、ＬＣダイレクタ配向の連続的変動を提供するように処理される。いくつかの実施形態では、上記に説明される技法のうちの１つ以上のものを組み合わせることによって提供される複屈折制御層が、ラビングプロセスまたはポリイミド整合層と組み合わせられる。いくつかの実施形態では、複屈折制御層は、屈折力を提供する。いくつかの実施形態では、複屈折制御層は、屈折率勾配構造を提供する。いくつかの実施形態では、複屈折制御層は、少なくとも１つのＨＰＤＬＣ格子と、少なくとも１つの整合層とを含有するスタックによって提供される。多くの実施形態では、複屈折格子は、ロール軸回転ｋベクトルを有してもよい。Ｋベクトルは、入力および回折角度の所与の範囲に関する光学効率を判定する、格子平面（またはフリンジ）に対して法線に整合されるベクトルである。Ｋベクトルをロール軸回転させることは、導波管厚さを増加させる必要性を伴わずに、格子の角度帯域幅が拡大されることを可能にする。多くの実施形態では、複屈折格子は、射出瞳拡大を提供するための折り返し格子である。折り返し格子は、「ＷＡＶＥＧＵＩＤＥ ＤＩＳＰＬＡＹ」と題された、ＰＣＴ出願第ＰＣＴ／ＧＢ２０１６０００１８１号に開示される実施形態および上記に与えられる他の参考文献に議論される実施形態のうちのいずれかに基づいてもよい。
【0138】
いくつかの実施形態では、本装置は、レーザバンディングの問題を克服するために、導波管設計において使用される。本発明の原理による導波管は、入力格子が、ＴＩＲ角度の関数である有効入力開口を有するように、導波管の中に結合される光を構成するための瞳偏移手段を提供することができる。瞳偏移手段のいくつかの実施形態が、説明されるであろう。瞳偏移手段の効果は、出力格子による導波管からの連続的な光抽出が、入力格子における任意の光入射角に関する実質的に平坦な照明プロファイルを提供するように統合されることである。瞳偏移手段は、入射光角の関数として３Ｄ空間内の振幅、偏光、位相、および波面変位のうちの少なくとも１つを変動させるために、複屈折制御層を使用して実装されることができる。各場合では、効果は、入力格子における任意の光入射角に関して出力格子を横断して均一な抽出を与える有効開口を提供することである。いくつかの実施形態では、瞳偏移手段は、少なくとも部分的に、「ＷＡＶＥＧＵＩＤＥ ＤＩＳＰＬＡＹ」と題された、ＰＣＴ出願第ＰＣＴ／ＧＢ２０１６０００１８１号（その開示が、その全体として本明細書に組み込まれる）に開示されるものに類似するもの等の種々の実施形態による、マイクロディスプレイパネルの一方の側上の高ＮＡから、平滑に変動して他方の側上における低ＮＡに及ぶ開口数（ＮＡ）変動を有するように入力画像発生器の光学系を設計することによって提供される。典型的には、マイクロディスプレイは、反射デバイスである。
【0139】
いくつかの実施形態では、格子層は、別個の層に分割されてもよい。いくつかの層は、次いで、単一の導波管基板にともに積層されてもよい。多くの実施形態では、格子層は、単一の基板導波管を形成するためにともに積層される、入力カプラ、折り返し格子、および出力格子（またはそれらの一部）を含む、いくつかの部品を含有する。部品は、光学糊または部品のものと合致する屈折率の他の透明材料によって分離されてもよい。いくつかの実施形態では、格子層は、所望の格子厚さのセルを作成し、入力カプラ、折り返し格子、および出力格子毎にＳＢＧ材料を用いて各セルを真空充填することによるセル作製プロセスを介して形成されてもよい。一実施形態では、セルは、入力カプラ、折り返し格子、および出力格子に関する所望の格子厚さを画定するガラスの板の間に間隙を伴う複数のガラスの板を位置付けることによって形成される。一実施形態では、１つのセルは、別個の開口が、ＳＢＧ材料の異なるポケットを用いて充填されるように、複数の開口とともに作製されてもよい。任意の介在空間が、次いで、別個の面積を画定するために分離材（例えば、糊、油等）によって分離されてもよい。一実施形態では、ＳＢＧ材料は、基板上にスピンコーティングされ、次いで、材料の硬化後に第２の基板によって被覆されてもよい。折り返し格子を使用することによって、導波管ディスプレイは、有利なこととして、いくつかの実施形態による、情報を表示する以前のシステムおよび方法よりも少ない層を要求する。加えて、折り返し格子を使用することによって、光は、二重瞳拡大を達成しながら、導波管外面によって画定される単一の直角プリズム内の導波管内の全内部反射によって進行することができる。別の実施形態では、入力カプラ、格子は、基板内のある角度において２つの光波を干渉させ、ホログラフィック波面を作成することによって作成され、それによって、所望の角度において導波管基板内に設定される明および暗フリンジを作成することができる。いくつかの実施形態では、所与の層内の格子は、格子面積を横断して記録レーザビームを走査または段階化することによって、段階的方式で記録される。いくつかの実施形態では、格子は、ホログラフィック印刷業界において現在使用されているマスタリングおよび接触複写プロセスを使用して記録される。
【0140】
多くの実施形態では、格子は、前述で議論されるようにホログラフィックポリマー分散液晶（ＨＰＤＬＣ）中に記録されるブラッグ格子であるが、ＳＢＧはまた、他の材料内に記録されてもよい。一実施形態では、ＳＢＧは、液体ポリマー中に分散される固体液晶のマトリクスを有するＰＯＬＩＣＲＹＰＳまたはＰＯＬＩＰＨＥＭ等の均一な変調材料内に記録される。ＳＢＧは、本質的に切替または非切替であり得る。その非切替形態では、ＳＢＧは、その液晶コンポーネントに起因する高屈折率変調を提供することが可能である、従来のホログラフィック光ポリマー材料に優る利点を有する。例示的均一変調液晶ポリマー材料システムが、Ｃａｐｕｔｏ ｅｔ ａｌ．による米国特許出願公開第ＵＳ２００７／００１９１５２号およびＳｔｕｍｐｅ ｅｔ ａｌ．によるＰＣＴ出願第ＰＣＴ／ＥＰ２００５／００６９５０号（その両方が、参照することによってその全体として本明細書に組み込まれる）に開示されている。均一な変調格子は、高屈折率変調（したがって、高回折効率）および低散乱によって特徴付けられる。いくつかの実施形態では、格子のうちの少なくとも１つは、表面レリーフ格子である。いくつかの実施形態では、格子のうちの少なくとも１つは、薄（またはＲａｍａｎ－Ｎａｔｈ）ホログラムである。
【0141】
いくつかの実施形態では、格子は、反転モードＨＰＤＬＣ材料内に記録される。反転モードＨＰＤＬＣは、格子がいかなる電場も印加されていないときに受動的であり、電場の存在下で回折状態になる点において、従来のＨＰＤＬＣと異なる。反転モードＨＰＤＬＣは、「ＩＭＰＲＯＶＥＭＥＮＴＳ ＴＯ ＨＯＬＯＧＲＡＰＨＩＣ ＰＯＬＹＭＥＲ ＤＩＳＰＥＲＳＥＤ ＬＩＱＵＩＤ ＣＲＹＳＴＡＬ ＭＡＴＥＲＩＡＬＳ ＡＮＤ ＤＥＶＩＣＥＳ」と題された、ＰＣＴ出願第ＰＣＴ／ＧＢ２０１２／０００６８０号に開示されるレシピおよびプロセスのうちのいずれかに基づいてもよい。格子は、上記の材料システムのうちのいずれかの中に記録されるが、受動（非切替）モードにおいて使用されてもよい。加工プロセスは、切替のために使用されるものと同じであるが、電極コーティング段階は、省略されることができる。ＬＣポリマー材料システムは、その高屈折率変調のために使用されてもよい。いくつかの実施形態では、格子は、ＨＰＤＬＣ内に記録されるが、切り替えられない。
【0142】
多くの実施形態では、本発明の原理による導波管ディスプレイは、窓、例えば、道路車両用途のためのフロントガラス統合ＨＵＤ内に統合されてもよい。いくつかの実施形態では、窓統合ディスプレイは、「ＯＰＴＩＣＡＬ ＷＡＶＥＧＵＩＤＥ ＤＩＳＰＬＡＹＳ ＦＯＲ ＩＮＴＥＧＲＡＴＩＯＮ ＩＮ ＷＩＮＤＯＷＳ（登録商標）」と題された、米国仮特許出願第６２／１２５，０６４号および「ＥＮＶＩＲＯＮＭＥＮＴＡＬＬＹ ＩＳＯＬＡＴＥＤ ＷＡＶＥＧＵＩＤＥ ＤＩＳＰＬＡＹ」と題された、米国特許出願第１５／５４３，０１６号に開示される実施形態ならびに教示に基づいてもよい。いくつかの実施形態では、本発明の原理による導波管ディスプレイは、「ＷＡＶＥＧＵＩＤＥ ＤＥＶＩＣＥ ＩＮＣＯＲＰＯＲＡＴＩＮＧ Ａ ＬＩＧＨＴ ＰＩＰＥ」と題された、米国特許出願第１５／５５８，４０９号に開示される実施形態に基づく、１つの方向においてビーム拡大を提供するための光パイプを組み込んでもよい。いくつかの実施形態では、入力画像発生器は、「ＣＯＭＰＡＣＴ ＥＤＧＥ ＩＬＬＵＭＩＮＡＴＥＤ ＤＩＦＦＲＡＣＴＩＶＥ ＤＩＳＰＬＡＹ」と題された、米国特許第９，０７５，１８４号に開示されるようなレーザ走査装置に基づいてもよい。本発明の実施形態は、ＡＲおよびＶＲのためのＨＭＤ、ヘルメットマウントディスプレイ、投影ディスプレイ、ヘッドアップディスプレイ（ＨＵＤ）、ヘッドダウンディスプレイ（ＨＤＤ）、裸眼立体ディスプレイ、および他の３Ｄディスプレイを含む、広い範囲のディスプレイにおいて使用されてもよい。本開示の実施形態および教示のうちのいくつかは、例えば、アイトラッカ、指紋走査装置、およびＬＩＤＡＲシステム等の導波管センサにおいて、ならびに照明器およびバックライトにおいて適用されてもよい。
【0143】
図面は、例示であり、寸法は、誇張されていることが強調されるべきである。例えば、ＳＢＧ層の厚さは、非常に誇張されている。上記に説明される実施形態のうちのいずれかに基づく光学デバイスは、「ＩＭＰＲＯＶＥＭＥＮＴＳ ＴＯ ＨＯＬＯＧＲＡＰＨＩＣ ＰＯＬＹＭＥＲ ＤＩＳＰＥＲＳＥＤ ＬＩＱＵＩＤ ＣＲＹＳＴＡＬ ＭＡＴＥＲＩＡＬＳ ＡＮＤ ＤＥＶＩＣＥＳ」と題された、ＰＣＴ出願第ＰＣＴ／ＧＢ２０１２／０００６８０号に開示される材料およびプロセスを使用するプラスチック基板を使用して実装されてもよい。いくつかの実施形態では、二重拡大導波管ディスプレイは、湾曲してもよい。
【0144】
説明は、本発明の具体的実施形態を提供したが、本技術に関する付加的情報が、以下の特許出願（参照することによってその全体として本明細書に組み込まれる）、すなわち、「ＣＯＭＰＡＣＴ ＥＤＧＥ ＩＬＬＵＭＩＮＡＴＥＤ ＤＩＦＦＲＡＣＴＩＶＥ ＤＩＳＰＬＡＹと題された、米国特許第９，０７５，１８４号、「ＯＰＴＩＣＡＬ ＤＩＳＰＬＡＹＳ」と題された、米国特許第８，２３３，２０４号、「ＭＥＴＨＯＤ ＡＮＤ ＡＰＰＡＲＡＴＵＳ ＦＯＲ ＰＲＯＶＩＤＩＮＧ Ａ ＴＲＡＮＳＰＡＲＥＮＴ ＤＩＳＰＬＡＹ」と題された、ＰＣＴ出願第ＵＳ２００６／０４３９３８号、「ＷＥＡＲＡＢＬＥ ＤＡＴＡ ＤＩＳＰＬＡＹ」と題された、ＰＣＴ出願第ＧＢ２０１２／０００６７７号、「ＣＯＭＰＡＣＴ ＥＤＧＥ ＩＬＬＵＭＩＮＡＴＥＤ ＥＹＥＧＬＡＳＳ ＤＩＳＰＬＡＹ」と題された、米国特許出願第１３／３１７，４６８号、「ＨＯＬＯＧＲＡＰＨＩＣ ＷＩＤＥ ＡＮＧＬＥ ＤＩＳＰＬＡＹ」と題された、米国特許出願第１３／８６９，８６６号、および「ＴＲＡＮＳＰＡＲＥＮＴ ＷＡＶＥＧＵＩＤＥ ＤＩＳＰＬＡＹ」と題された、米国特許出願第１３／８４４，４５６号、「ＷＡＶＥＧＵＩＤＥ ＧＲＡＴＩＮＧ ＤＥＶＩＣＥ」と題された、米国特許出願第１４／６２０，９６９号、「ＥＬＥＣＴＲＩＣＡＬＬＹ ＦＯＣＵＳ ＴＵＮＡＢＬＥ ＬＥＮＳ」と題された、米国特許出願第１５／５５３，１２０号、「ＷＡＶＥＧＵＩＤＥ ＤＥＶＩＣＥ ＩＮＣＯＲＰＯＲＡＴＩＮＧ Ａ ＬＩＧＨＴ ＰＩＰＥ」と題された、米国特許出願第１５／５５８，４０９号、「ＭＥＴＨＯＤ ＡＮＤ ＡＰＰＡＲＡＴＵＳ ＦＯＲ ＧＥＮＥＲＡＴＩＮＧ ＩＮＰＵＴ ＩＭＡＧＥＳ ＦＯＲ ＨＯＬＯＧＲＡＰＨＩＣ ＷＡＶＥＧＵＩＤＥ ＤＩＳＰＬＡＹＳ」と題された、米国特許出願第１５／５１２，５００号、「ＮＥＡＲ ＥＹＥ ＤＩＳＰＬＡＹ ＵＳＩＮＧ ＧＲＡＤＩＥＮＴ ＩＮＤＥＸ ＯＰＴＩＣＳ」と題された、米国仮特許出願第６２／１２３，２８２号、「ＷＡＶＥＧＵＩＤＥ ＤＩＳＰＬＡＹ ＵＳＩＮＧ ＧＲＡＤＩＥＮＴ ＩＮＤＥＸ ＯＰＴＩＣＳ」と題された、米国仮特許出願第６２／１２４，５５０号、「ＯＰＴＩＣＡＬ ＷＡＶＥＧＵＩＤＥ ＤＩＳＰＬＡＹＳ ＦＯＲ ＩＮＴＥＧＲＡＴＩＯＮ ＩＮ ＷＩＮＤＯＷＳ（登録商標）」と題された、米国仮特許出願第６２／１２５，０６４号、「ＥＮＶＩＲＯＮＭＥＮＴＡＬＬＹ ＩＳＯＬＡＴＥＤ ＷＡＶＥＧＵＩＤＥ ＤＩＳＰＬＡＹ」と題された、米国特許出願第１５／５４３，０１６号、「ＨＯＬＯＧＲＡＰＨＩＣ ＷＡＶＥＧＵＩＤＥ ＬＩＧＨＴ ＦＩＥＬＤ ＤＩＳＰＬＡＹＳ」と題された、米国仮特許出願第６２／１２５，０８９号、「ＬＡＳＥＲ ＩＬＬＵＭＩＮＡＴＩＯＮ ＤＥＶＩＣＥ」と題された、米国特許第８，２２４，１３３号、「ＬＡＳＥＲ ＩＬＬＵＭＩＮＡＴＩＯＮ ＤＥＶＩＣＥ」と題された、米国特許第ＵＳ８，５６５，５６０号、「ＨＯＬＯＧＲＡＰＨＩＣ ＩＬＬＵＭＩＮＡＴＩＯＮ ＳＹＳＴＥＭ」と題された、米国特許第６，１１５，１５２号、「ＣＯＮＴＡＣＴ ＩＭＡＧＥ ＳＥＮＳＯＲ ＵＳＩＮＧ ＳＷＩＴＣＨＡＢＬＥ ＢＲＡＧＧ ＧＲＡＴＩＮＧＳ」と題された、ＰＣＴ出願第ＰＣＴ／ＧＢ２０１３／０００００５号、「ＩＭＰＲＯＶＥＭＥＮＴＳ ＴＯ ＨＯＬＯＧＲＡＰＨＩＣ ＰＯＬＹＭＥＲ ＤＩＳＰＥＲＳＥＤ ＬＩＱＵＩＤ ＣＲＹＳＴＡＬ ＭＡＴＥＲＩＡＬＳ ＡＮＤ ＤＥＶＩＣＥＳ」と題された、ＰＣＴ出願第ＰＣＴ／ＧＢ２０１２／０００６８０号、「ＨＯＬＯＧＲＡＰＨＩＣ ＷＡＶＥＧＵＩＤＥ ＥＹＥ ＴＲＡＣＫＥＲ」と題された、ＰＣＴ出願第ＰＣＴ／ＧＢ２０１４／０００１９７号、「ＡＰＰＡＲＡＴＵＳ ＦＯＲ ＥＹＥ ＴＲＡＣＫＩＮＧ」と題された、第ＰＣＴ／ＧＢ２０１３／０００２１０号、「ＡＰＰＡＲＡＴＵＳ ＦＯＲ ＥＹＥ ＴＲＡＣＫＩＮＧ」と題された、ＰＣＴ出願第ＧＢ２０１３／０００２１０号、「ＨＯＬＯＧＲＡＰＨＩＣ ＷＡＶＥＧＵＩＤＥ ＯＰＴＩＣＡＬＴＲＡＣＫＥＲ」と題された、第ＰＣＴ／ＧＢ２０１５／０００２７４号、「ＳＹＳＴＥＭ ＡＮＤ ＭＥＴＨＯＤ ＯＦ ＥＸＴＥＮＤＩＮＧ ＶＥＲＴＩＣＡＬ ＦＩＥＬＤ ＯＦ ＶＩＥＷ ＩＮ ＨＥＡＤ ＵＰ ＤＩＳＰＬＡＹ ＵＳＩＮＧ Ａ ＷＡＶＥＧＵＩＤＥ ＣＯＭＢＩＮＥＲ」と題された、米国特許第８，９０３，２０７号、「ＣＯＭＰＡＣＴ ＷＥＡＲＡＢＬＥ ＤＩＳＰＬＡＹ」と題された、米国特許第８，６３９，０７２号、「ＣＯＭＰＡＣＴ ＨＯＬＯＧＲＡＰＨＩＣ ＥＤＧＥ ＩＬＬＵＭＩＮＡＴＥＤ ＥＹＥＧＬＡＳＳ ＤＩＳＰＬＡＹ」と題された、米国特許第８，８８５，１１２号、「ＭＥＴＨＯＤ ＡＮＤ ＡＰＰＡＲＡＴＵＳ ＦＯＲ ＰＲＯＶＩＤＩＮＧ Ａ ＰＯＬＡＲＩＺＡＴＩＯＮ ＳＥＬＥＣＴＩＶＥ ＨＯＬＯＧＲＡＰＨＩＣ ＷＡＶＥＧＵＩＤＥ ＤＥＶＩＣＥ」と題された、米国特許出願第１６／０８６，５７８号、「ＷＡＶＥＧＵＩＤＥ ＤＩＳＰＬＡＹ ＡＰＰＡＲＡＴＵＳ」と題された、米国仮特許出願第６２／４９３，５７８号、「ＷＡＶＥＧＵＩＤＥ ＤＩＳＰＬＡＹ」と題された、ＰＣＴ出願第ＰＣＴ／ＧＢ２０１６０００１８１号、「ＡＰＰＡＲＡＴＵＳ ＦＯＲ ＨＯＭＯＧＥＮＩＺＩＮＧ ＴＨＥ ＯＵＴＰＵＴ ＦＲＯＭ Ａ ＷＡＶＥＧＵＩＤＥ ＤＥＶＩＣＥ」と題された、米国特許出願第６２／４９７，７８１号、「ＷＡＶＥＧＵＩＤＥ ＤＥＶＩＣＥ ＷＩＴＨ ＵＮＩＦＯＲＭ ＯＵＴＰＵＴ ＩＬＬＵＭＩＮＡＴＩＯＮ」と題された、米国特許出願第６２／４９９，４２３号に見出され得る。
均等論
均等論
【0145】
種々の例示的実施形態において示されるようなシステムおよび方法の構造ならびに配列は、例証にすぎない。いくつかの実施形態のみが、本開示に詳細に説明されたが、多くの修正（例えば、種々の要素のサイズ、寸法、構造、形状、および割合、パラメータの値、搭載配列、材料の使用、色、配向等の変形例）が、可能性として考えられる。例えば、要素の位置は、逆転または別様に変動されてもよく、離散要素または位置の性質もしくは数は、改変または変動されてもよい。故に、全てのそのような修正は、本開示の範囲内に含まれることを意図している。任意のプロセスまたは方法ステップの順序もしくはシーケンスは、代替実施形態に従って変動または再シーケンス化されてもよい。他の代用、修正、変更、および省略が、本開示の範囲から逸脱することなく、例示的実施形態の設計、動作条件、ならびに配列において行われてもよい。
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9A】
【図9B】
【図9C】
【図9D】
【図9E】
【図9F】
【図10A】
【図10B】
【図10C】
【図10D】
【図10E】
【図10F】
【図11A】
【図11B】
【図11C】
【図11D】
【図11E】
【図11F】
【図12】
【図13】
【図14】
【図15】
【図16】
【図17】
【図18】
【図19】
【図20】
【図21】
【図22】
【図23】
【図24】
【図25】
【図26】
【図27】
【図28】
【図29】
【図30】
【図31】
【図32】
【図33】
【図34】
