知財求人 - 知財ポータルサイト「IP Force」
(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公表特許公報(A)
(11)【公表番号】
(43)【公表日】2022-11-04
(54)【発明の名称】真空回折格子および製造方法
(51)【国際特許分類】
G02B 5/18 20060101AFI20221027BHJP
G02B 27/02 20060101ALN20221027BHJP
G02B 27/01 20060101ALN20221027BHJP
【ＦＩ】
G02B5/18
G02B27/02 Z
G02B27/01
【審査請求】未請求
【予備審査請求】未請求
(21)【出願番号】P 2022513163
(86)(22)【出願日】2020-08-28
(85)【翻訳文提出日】2022-03-14
(86)【国際出願番号】 US2020048590
(87)【国際公開番号】W WO2021041949
(87)【国際公開日】2021-03-04
(31)【優先権主張番号】62/893,715
(32)【優先日】2019-08-29
(33)【優先権主張国・地域又は機関】US
(81)【指定国・地域】
(71)【出願人】
【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】100078282
【弁理士】
【氏名又は名称】山本 秀策
(74)【代理人】
【識別番号】100113413
【弁理士】
【氏名又は名称】森下 夏樹
(74)【代理人】
【識別番号】100181674
【弁理士】
【氏名又は名称】飯田 貴敏
(74)【代理人】
【識別番号】100181641
【弁理士】
【氏名又は名称】石川 大輔
(74)【代理人】
【識別番号】230113332
【弁護士】
【氏名又は名称】山本 健策
(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】グラント， アラステア ジョン
(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】アブラハム， シブ
(72)【発明者】
【氏名】ヒル， ベダン ジョージ
(72)【発明者】
【氏名】ホー， ツン－ジュイ
【テーマコード（参考）】
2H199
2H249
【Ｆターム（参考）】
2H199CA30
2H199CA42
2H199CA50
2H199CA54
2H199CA67
2H199CA68
2H199DA12
2H199DA25
2H199DA26
2H249AA03
2H249AA13
2H249AA55
2H249AA62
(57)【要約】
導波路で使用するための回折格子の改良、およびそれらを製造する方法が、本明細書に記載される。深い表面レリーフ回折格子（ＳＲＧ）は、従来のＳＲＧおよびブラッグ回折格子よりも多くの利点を提供し得、重要な利点は、より高いＳ回折効率である。一実施形態では、深いＳＲＧは、ポリマー表面レリーフ回折格子または真空ブラッグ回折格子（ＥＢＧ）として実装され得る。ＥＢＧは、まず、ホログラフィックポリマー分散型液晶（ＨＰＤＬＣ）回折格子を記録することによって、形成され得る。硬化した回折格子から液晶を除去することにより、ポリマー表面レリーフ回折格子が提供される。ポリマー表面レリーフ回折格子は、導波路ベースのディスプレイでの使用を含む多くの用途を有する。
【選択図】図３
【選択図】図３
【特許請求の範囲】
【請求項1】
導波路デバイスであって、前記導波路中を全反射で伝播する光を回折するためのポリマー回折格子構造を支持する導波路を備え、
前記ポリマー回折格子構造が、
ポリマーネットワークと、
前記ポリマーネットワークの隣接部分間の空隙と、
を備える、導波路デバイス。
【請求項2】
前記ポリマー回折格子構造が、前記ポリマーネットワークの隣接部分間に等方性材料をさらに備え、前記等方性材料が、前記ポリマーネットワークの前記屈折率よりも高いか、または低い屈折率を有する、請求項１に記載の導波路デバイス。
【請求項3】
前記等方性材料が、前記ポリマーネットワークの隣接部分間の空間の底部部分の前記空間を占有し、空気が、前記等方性材料の上面の上方から変調深さまでの前記空間を占有する、請求項２に記載の導波路デバイス。
【請求項4】
前記等方性材料が、複屈折結晶材料を含む、請求項２に記載の導波路デバイス。
【請求項5】
前記複屈折結晶材料が、液晶材料を含む、請求項４に記載の導波路デバイス。
【請求項6】
前記ポリマー回折格子構造が、可視光の波長よりも大きい変調深さを有する、請求項１に記載の導波路デバイス。
【請求項7】
前記ポリマー回折格子構造が、変調深さと、回折格子ピッチと、を備え、前記変調深さが、前記回折格子ピッチよりも大きい、請求項１に記載の導波路デバイス。
【請求項8】
前記導波路が、２つの基板を備え、前記ポリマー回折格子構造が、前記２つの基板の間に挟まれるか、またはいずれかの基板の外面上に位置決めされている、請求項１に記載の導波路デバイス。
【請求項9】
前記ポリマーネットワークのブラッグフリンジ間隔が、０．３５μｍ～０．８μｍであり、前記ポリマーネットワークの回折格子深さが、１μｍ～３μｍである、請求項１に記載の導波路デバイス。
【請求項10】
前記ポリマーネットワークの回折格子深さと前記ブラッグフリンジ間隔との比が、１：１～５：１である、請求項１に記載の導波路デバイス。
【請求項11】
画像生成ユニットをさらに備え、前記ポリマー回折格子構造が、導波路回折格子を備える、請求項１に記載の導波路デバイス。
【請求項12】
前記導波路回折格子が、多重回折格子として構成されている、請求項１１に記載の導波路デバイス。
【請求項13】
前記導波路回折格子が、複数の画像を含む前記画像生成ユニットから、光を受け取るように構成されている、請求項１２に記載の導波路デバイス。
【請求項14】
前記導波路回折格子が、前記導波路から光を外結合するように構成されている、請求項１１に記載の導波路デバイス。
【請求項15】
前記導波路回折格子が、ビームエキスパンダとして構成されている、請求項１１に記載の導波路デバイス。
【請求項16】
前記導波路回折格子が、前記画像生成ユニットから生成された画像データを含む光を内結合するように構成されている、請求項１１に記載の導波路デバイス。
【請求項17】
前記導波路回折格子が、高効率でＳ偏光光を内結合するようにさらに構成されている、請求項１６に記載の導波路デバイス。
【請求項18】
前記回折格子が、ブラッグ角度で７０％～９５％の効率でＳ偏光光を内結合するようにさらに構成されている、請求項１７に記載の導波路デバイス。
【請求項19】
前記回折格子が、ブラッグ角度で２５％～５０％の効率でＰ偏光光を内結合するようにさらに構成されている、請求項１７に記載の導波路デバイス。
【請求項20】
前記ポリマーネットワークと前記空隙との間の前記屈折率の差が、０．２５～０．４である、請求項１に記載の導波路デバイス。
【請求項21】
前記ポリマーネットワークと前記複屈折結晶材料との間の前記屈折率の差が、０．０５～０．２である、請求項３に記載の導波路デバイス。
【請求項22】
前記ポリマー回折格子構造が、二次元格子構造または三次元格子構造を備える、請求項１に記載の導波路デバイス。
【請求項23】
別の回折格子構造をさらに備える、請求項１に記載の導波路デバイス。
【請求項24】
前記ポリマー回折格子構造が、内結合する回折格子を備え、前記別の回折格子構造が、ビームエキスパンダまたは外結合する回折格子を備える、請求項２３に記載の導波路デバイス。
【請求項25】
導波路デバイスであって、前記導波路中を全反射で伝播する光を回折するためのポリマー回折格子構造を支持する導波路を備え、
前記ポリマー回折格子構造が、
ポリマーネットワークと、
前記ポリマーネットワークの隣接部分間の複屈折結晶材料であって、前記複屈折結晶材料が、前記ポリマーよりも高い屈折率を有する、複屈折結晶材料と、
を備える、導波路デバイス。
【請求項26】
深い表面レリーフ回折格子（ＳＲＧ）を作製するための方法であって、モノマーと液晶との混合物を提供することと、
基板を提供することと、
前記基板の表面上に前記混合物の層をコーティングすることと、
前記層にホログラフィック記録ビームを当てて、交互するポリマーリッチ領域および液晶リッチ領域を備えるホログラフィックポリマー分散型液晶回折格子を形成することと、
前記液晶リッチ領域の前記液晶の少なくとも一部分を除去して、ポリマー表面レリーフ回折格子を形成することと、
を含む、方法。
【請求項27】
前記モノマーが、アクリレート、メタクリレート、ビニル、イソシネート、チオール、イソシアネート－アクリレート、および／またはチオリンを含む、請求項２６に記載の方法。
【請求項28】
前記混合物が、光開始剤、共開始剤、または追加の添加剤のうちの少なくとも１つをさらに含む、請求項２６に記載の方法。
【請求項29】
前記チオールが、チオール－ビニル－アクリレートを含む、請求項２７に記載の方法。
【請求項30】
前記光開始剤が、感光性成分を含む、請求項２８に記載の方法。
【請求項31】
前記感光性成分が、色素および／またはラジカル発生剤を含む、請求項３０に記載の方法。
【請求項32】
モノマーと液晶との混合物を提供することが、前記モノマーと、液晶と、光開始剤、共開始剤、多官能性チオール、または追加の添加剤のうちの少なくとも１つと、を混合することと、
前記混合物を、２２℃以下の温度で、光のない場所に保管することと、
追加のモノマーを添加することと、
０．６μｍ以下のフィルタを通して前記混合物を濾過することと、
前記濾過された混合物を光のない場所に保管することと、
を含む、請求項２６に記載の方法。
【請求項33】
前記基板が、ガラス基板またはプラスチック基板を含む、請求項２６に記載の方法。
【請求項34】
前記基板が、透明基板を含む、請求項２６に記載の方法。
【請求項35】
前記混合物を、内部寸法を維持するための１つ以上のスペーサを用いて前記基板と別の基板との間に挟むことをさらに含む、請求項２６に記載の方法。
【請求項36】
前記別の基板の一方の表面上に非粘着剥離層を被着することをさらに含む、請求項３５に記載の方法。
【請求項37】
前記非粘着剥離層が、フルオロポリマーを含む、請求項３６に記載の方法。
【請求項38】
前記液晶リッチ領域を、液晶材料で再充填することをさらに含む、請求項２６に記載の方法。
【請求項39】
前記液晶材料が、前記以前に除去された液晶とは異なる分子構造を有する、請求項３８に記載の方法。
【請求項40】
前記液晶の少なくとも一部分を除去することが、前記液晶リッチ領域の前記液晶の実質的にすべてを除去することを含む、請求項２６に記載の方法。
【請求項41】
前記液晶の少なくとも一部分を除去することが、前記ポリマーリッチ領域に前記液晶の少なくとも一部分を残すことをさらに含む、請求項２６に記載の方法。
【請求項42】
前記深いＳＲＧの上に保護層を被着することをさらに含む、請求項２６に記載の方法。
【請求項43】
前記保護層が、反射防止層を含む、請求項４２に記載の方法。
【請求項44】
前記保護層が、ケイ酸塩または窒化ケイ素を含む、請求項４２に記載の方法。
【請求項45】
保護層を被着することが、前記深いＳＲＧ上に前記保護層を堆積することを含む、請求項４２に記載の方法。
【請求項46】
前記保護層を堆積することが、化学気相堆積を含む、請求項４５に記載の方法。
【請求項47】
前記化学気相堆積が、ナノコーティングプロセスである、請求項４６に記載の方法。
【請求項48】
前記保護層が、パリレンコーティングを含む、請求項４２に記載の方法。
【請求項49】
前記液晶リッチ領域が、前記液晶リッチ領域の前記液晶の少なくとも一部分を除去した後の空隙を含む、請求項２６に記載の方法。
【請求項50】
前記空隙に真空を作り出すこと、または前記空隙を不活性ガスで充填することをさらに含む、請求項４９に記載の方法。
【請求項51】
液晶の少なくとも一部分を除去することが、前記ホログラフィックポリマー分散型液晶回折格子を溶剤で洗浄することを含む、請求項２６に記載の方法。
【請求項52】
前記ホログラフィックポリマー分散型液晶回折格子を洗浄することが、前記ホログラフィックポリマー分散型液晶回折格子を前記溶剤に浸漬することを含む、請求項５１に記載の方法。
【請求項53】
前記溶剤が、イソプロピルアルコールを含む、請求項５１に記載の方法。
【請求項54】
前記溶剤が、前記ホログラフィックポリマー分散型液晶回折格子を洗浄しながら、室温よりも低い温度で保持される、請求項５１に記載の方法。
【請求項55】
前記液晶の少なくとも一部分を除去することが、前記ホログラフィックポリマー分散型液晶回折格子を高流量空気源で乾燥させることをさらに含む、請求項５１に記載の方法。
【請求項56】
前記ホログラフィックポリマー分散型液晶回折格子を硬化させることをさらに含む、請求項２６に記載の方法。
【請求項57】
前記ホログラフィックポリマー分散型液晶回折格子を硬化させることが、前記ホログラフィックポリマー分散型液晶回折格子を約１時間の期間にわたって低強度白色光に曝露することを含む、請求項５６に記載の方法。
【請求項58】
前記ポリマー表面レリーフ回折格子が、７０％～９５％の効率でＳ偏光光を内結合するように構成されている、請求項２６に記載の方法。
【請求項59】
前記ポリマー表面レリーフ回折格子が、２５％～５０％の効率でＰ偏光光を内結合するようにさらに構成されている、請求項５８に記載の方法。
【請求項60】
ポリマーネットワークと前記空隙との間の前記屈折率の差が、０．２５～０．４である、請求項２６に記載の方法。
【請求項61】
前記ポリマーネットワークと前記液晶材料との間の前記屈折率の差が、０．０５～０．２である、請求項３８に記載の方法。
【請求項62】
前記ポリマー表面レリーフ回折格子が、０．３５μｍ～０．８μｍのブラッグフリンジ間隔と、１μｍ～３μｍの回折格子深さとを含む、請求項２６に記載の方法。
【請求項63】
前記ポリマー表面レリーフ回折格子が、１：１～５：１のブラッグフリンジ間隔と回折格子深さとの比を含む、請求項２６に記載の方法。
【請求項64】
前記モノマーと液晶との混合物中の液晶含有量が、およそ２０％～５０％である、請求項２６に記載の方法。
【請求項65】
前記モノマーと液晶との混合物中の前記液晶が、単体液晶を含む、請求項２６に記載の方法。
【請求項66】
前記単体液晶が、シアノビフェニルおよび／またはペンチルシノビフェニルを含む、請求項６５に記載の方法。
【請求項67】
深いＳＲＧを作製するための方法であって、モノマーと物質との混合物を提供することと、
基板を提供することと、
前記基板の表面上に前記混合物の層をコーティングすることと、
ホログラフィック記録ビームを前記層に当てて、交互するポリマーリッチ領域および物質リッチ領域を備えるホログラフィックポリマー分散回折型格子を形成することと、
前記物質リッチ領域の前記物質の少なくとも一部分を除去して、ポリマー表面レリーフ回折格子を形成することと、
を含む、方法。
【請求項68】
前記モノマーが、前記ホログラフィック記録ビームに対して反応性であり、前記物質が、前記ホログラフィック記録ビームに対して非反応性である、請求項６７に記載の方法。
【請求項69】
前記モノマーおよび前記物質が、前記ホログラフィック記録ビームを当てる前に混和性混合物であり、前記モノマーおよび前記物質が、前記ホログラフィック記録ビームを当てた後に不混和性混合物になる、請求項６７に記載の方法。
【請求項70】
前記物質が、液晶を含む、請求項６７に記載の方法。
【請求項71】
前記物質が、単体液晶を含む、請求項６７に記載の方法。
【請求項72】
前記物質が、等方性材料、溶剤、非反応性モノマー、無機物、および／またはナノ粒子を含む、請求項６７に記載の方法。
【請求項73】
導波路ディスプレイであって、第１の波長帯域の光を放出する発光アレイと、
前記発光アレイからの画像変調された光を視野上に投影するためのコリメーションレンズと、
導波路であって、
前記第１の波長帯域のＳ偏光光に対して高回折効率を有する入出力ＳＢＧ、および
前記第１の波長帯域のＰ偏光光に対して高回折効率を有する入出力ＳＢＧを支持する導波路と、
を備える、導波路ディスプレイ。
【請求項74】
前記導波路が、前記発光アレイによって放出される第２の波長帯域のＳ偏光光およびＰ偏光光を回折するためのＳＢＧをさらに支持する、請求項７３に記載の導波路ディスプレイ。
【請求項75】
前記発光アレイが、ＯＬＥＤアレイである、請求項７３に記載の導波路ディスプレイ。
【請求項76】
前記導波路が、少なくとも１つの平面内で湾曲している、請求項７３に記載の導波路ディスプレイ。
【請求項77】
前記導波路が、プラスチックから作製されている、請求項７３に記載の導波路ディスプレイ。
【請求項78】
前記発光アレイが、前記導波路の湾曲した表面によって生じる波面歪みを予め補償するように空間的に歪んでいる、請求項７３に記載の導波路ディスプレイ。
【請求項79】
前記発光アレイが、前記導波路の湾曲した表面によって生じる波面歪みを予め補償するように、湾曲したまたは可撓性の基板上に形成されている、請求項７３に記載の導波路ディスプレイ。
【請求項80】
前記回折格子のうちの少なくとも１つが、フォトポリマーに記録されたブラッグ回折格子、液晶およびモノマー混合物に記録するブラッグ回折格子、深い表面レリーフ回折格子、ハイブリッド表面レリーフ／ブラッグ回折格子のうちの１つである、請求項７３に記載の導波路ディスプレイ。
【請求項81】
前記導波路が、眼処方光学表面を支持する、請求項７３に記載の導波路ディスプレイ。
【請求項82】
前記発光が、画素アレイであって、同一のサイズのポリゴン、同一の形状のポリゴン、前記アレイ全体にわたってサイズが変動するポリゴン、前記アレイ全体にわたって形状が変動するポリゴン、ペンローズタイル、および非繰り返しパターンを形成する要素の群から選択される少なくとも１つを含む要素の多重性を使用してパターン化された画素アレイを有する、請求項７３に記載の導波路ディスプレイ。
【請求項83】
導波路を使用して画像を形成するための方法であって、第１の波長帯域の光を放出する発光アレイと、コリメーションレンズと、前記第１の波長帯域のＳ偏光光に対して高回折効率を有する入出力回折格子を支持し、かつ前記第１の波長帯域のＰ偏光光に対して高回折効率を有する入出力定格を支持する導波路と、を提供することと、
前記コリメーションレンズを使用して、前記発光アレイによって放出された画像光をコリメートすることと、
前記Ｓ回折入力回折格子を使用して、ＯＬＥＤアレイからの画像変調されたＳ偏光光を、前記導波路の全反射経路に結合することと、
前記Ｐ回折入力回折格子を使用して、前記ＯＬＥＤアレイからの画像変調されたＰ偏光光を、前記導波路の全反射経路に結合することと、
映示のために、前記導波路からのＳ偏光光をビーム拡大し、引き出すことと、
映示のために、前記導波路からのＰ偏光光をビーム拡大し、引き出すことと、
を含む、方法。
【請求項84】
前記発光アレイが、ＯＬＥＤアレイである、請求項８３に記載の方法。
【請求項85】
前記導波路によって支持される湾曲した光学表面を提供するステップと、前記発光アレイ上で前記画素パターンを予め歪ませるステップと、前記コリメーションレンズを使用して、予め歪んだ波面を形成するステップと、前記湾曲した光学表面で前記予め歪んだ波面の光を反射するステップと、前記湾曲した光学表面の屈折力を使用して、前記予め歪んだ波面から平面波面を形成するステップと、をさらに含む、請求項８３に記載の方法。
【請求項86】
前記湾曲した光学表面が、処方光学表面である、請求項８３に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
関連出願の相互参照
本出願は、２０１９年８月２９日に出願された米国特許出願第６２／８９３，７１５号の優先権を主張し、その開示は、参照によってその全体が本明細書に含まれる。
本出願は、２０１９年８月２９日に出願された米国特許出願第６２／８９３，７１５号の優先権を主張し、その開示は、参照によってその全体が本明細書に含まれる。
【0002】
本発明は、概して、導波路および導波路を作製するための方法、より具体的には、１つの材料成分タイプが除去された多成分混合物で形成された回折格子を含む導波路ディスプレイ、および当該回折格子を作製するための方法に関する。
【背景技術】
【0003】
導波路は、波動を閉じ込め、導く（すなわち、波動が伝播することができる空間領域を制限する）能力を伴う構造と称することができる。１つのサブクラスは、電磁波、典型的には、可視スペクトルでのそれらを導くことができる構造である、光導波路を含む。導波路構造は、多数の異なる機構を使用して、波動の伝播経路を制御するように設計することができる。例えば、平面導波路は、回折格子を利用し、入射光を回折して導波路構造内に結合するように設計することができ、その結果、内部結合された光は、全反射（ＴＩＲ）を介して平面構造内で進み続けることができる。
【0004】
導波路の作製は、導波路内または導波路の表面上のホログラフィック光学素子の記録を可能にする材料系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、光重合性モノマーおよび液晶を含有している混合物である、ポリマー分散型液晶（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型液晶（ＨＰＤＬＣ）混合物を含む。体積位相回折格子などのホログラフィック光学素子は、２つの相互にコヒーレントなレーザービームを材料に照射することによって、そのような液体混合物中に記録することができる。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（ＬＣ）微小液滴が密集した領域を形成する。交互する液晶豊富な領域と液晶枯渇の領域は、格子の縞面を形成する。
【0005】
上記に説明されたものなどの導波路光学系は、様々なディスプレイおよびセンサー用途に考慮することができる。多くの用途では、複数の光学機能をエンコードする１つ以上の回折格子層を含む導波路は、様々な導波路アーキテクチャおよび材料系を使用して実現することができ、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、航空および道路輸送のためのコンパクトヘッドアップディスプレイ（ＨＵＤ）、ならびに生体認証およびレーザーレーダー（ＬＩＤＡＲ）用途のためのセンサーでの新たな革新を可能にする。これらの用途の多くが消費者製品を対象とするため、大量のホログラフィック導波路を製造するための効率的で低コストの手段に対する要求が高まっている。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【0006】
多くの実施形態は、ポリマー回折格子構造、それらの設計、製造方法、および材料を対象とする。
【0007】
様々な実施形態は、
・当該導波路中を全反射で伝播する光を回折するためのポリマー回折格子構造を支持する導波路を含む導波路ベースのデバイスを対象とし、
・ポリマー回折格子構造は、
○ポリマーネットワークと、
○ポリマーネットワークの隣接部分間の空隙と、を備える。
・当該導波路中を全反射で伝播する光を回折するためのポリマー回折格子構造を支持する導波路を含む導波路ベースのデバイスを対象とし、
・ポリマー回折格子構造は、
○ポリマーネットワークと、
○ポリマーネットワークの隣接部分間の空隙と、を備える。
【0008】
さらに様々な他の実施形態では、ポリマー回折格子構造は、ポリマーネットワークの隣接部分間に等方性材料をさらに含み得、等方性材料は、ポリマーネットワークの屈折率よりも高いか、または低い屈折率を有する。
【0009】
さらに様々な他の実施形態では、等方性材料は、ポリマーネットワークの隣接部分間の空間の底部部分の空間を占有し得、空気が、等方性材料の上面の上方から変調深さまでの空間を占有し得る。
【0010】
さらに様々な他の実施形態では、等方性材料は、複屈折結晶材料を含み得る。
【0011】
さらに様々な他の実施形態では、複屈折結晶材料は、液晶材料を含み得る。
【0012】
さらに様々な他の実施形態では、複屈折結晶材料は、ポリマーよりも高い屈折率の材料であってもよい。
【0013】
さらに様々な他の実施形態では、ポリマー回折格子構造は、可視光の波長よりも大きい変調深さを有し得る。
【0014】
さらに様々な他の実施形態では、ポリマー回折格子構造は、変調深さおよび回折格子ピッチを含み得、変調深さは、回折格子ピッチよりも大きい。
【0015】
さらに様々な他の実施形態では、導波路は、２つの基板を含み得、ポリマー回折格子構造は、２つの基板の間に挟まれるか、またはいずれかの基板の外面上に位置決めされ得る。
【0016】
さらに様々な他の実施形態では、ポリマーネットワークのブラッグフリンジ間隔は、０．３５μｍ～０．８μｍであってもよく、ポリマーネットワークの回折格子深さは、１μｍ～３μｍであってもよい。
【0017】
さらに様々な他の実施形態では、ポリマーネットワークの回折格子深さとブラッグフリンジ間隔との比は、１：１～５：１であってもよい。
【0018】
さらに様々な他の実施形態では、導波路ディスプレイは、画像生成ユニットをさらに含み得、ポリマー回折格子構造は、導波路回折格子を含み得る。
【0019】
さらに様々な他の実施形態では、導波路回折格子は、多重回折格子として構成され得る。
【0020】
さらに様々な他の実施形態では、導波路回折格子は、複数の画像を含む画像生成ユニットからの光を受け取るように構成され得る。
【0021】
さらに様々な他の実施形態では、導波路回折格子は、導波路から光を外結合するように構成され得る。
【0022】
さらに様々な他の実施形態では、導波路回折格子は、ビームエキスパンダとして構成され得る。
【0023】
さらに様々な他の実施形態では、導波路回折格子は、画像生成ユニットから生成された画像データを含む光を内結合するように構成され得る。
【0024】
さらに様々な他の実施形態では、導波路回折格子は、高効率でＳ偏光光を内結合するようにさらに構成され得る。
【0025】
さらに様々な他の実施形態では、回折格子は、ブラッグ角度で７０％～９５％の効率でＳ偏光光を内結合するようにさらに構成され得る。
【0026】
さらに様々な他の実施形態では、回折格子は、ブラッグ角度で２５％～５０％の効率でＰ偏光光を内結合するようにさらに構成され得る。
【0027】
さらに様々な他の実施形態では、ポリマーネットワークと空隙との間の屈折率の差は、０．２５～０．４であってもよい。
【0028】
さらに様々な他の実施形態では、ポリマーネットワークと複屈折結晶材料との間の屈折率の差は、０．０５～０．２であってもよい。
【0029】
さらに様々な他の実施形態では、ポリマー回折格子構造は、二次元回折格子構造または三次元回折格子構造を含み得る。
【0030】
さらに様々な他の実施形態では、導波路ディスプレイは、別の回折格子構造をさらに含み得る。
【0031】
さらに様々な他の実施形態では、ポリマー回折格子構造は、内結合する回折格子を含み得、別の回折格子構造は、ビームエキスパンダまたは外結合する回折格子を備える。
【0032】
さらに、様々な実施形態は、
・当該導波路中を全反射で伝播する光を回折するためのポリマー回折格子構造を支持する導波路を含む導波路ディスプレイを対象とし、
〇ポリマー回折格子構造は、
■ポリマーネットワークと、
■ポリマーネットワークの隣接部分間の複屈折結晶材料であって、複屈折結晶材料が、ポリマーよりも高い屈折率を有する、複屈折結晶材料と、を含む。
・当該導波路中を全反射で伝播する光を回折するためのポリマー回折格子構造を支持する導波路を含む導波路ディスプレイを対象とし、
〇ポリマー回折格子構造は、
■ポリマーネットワークと、
■ポリマーネットワークの隣接部分間の複屈折結晶材料であって、複屈折結晶材料が、ポリマーよりも高い屈折率を有する、複屈折結晶材料と、を含む。
【0033】
さらに、様々な実施形態は、深い表面レリーフ回折格子（ＳＲＧ）を作製するための方法を対象とし、この方法は、
・モノマーと液晶との混合物を提供することと、
・基板を提供することと、
・基板の表面上に混合物の層をコーティングすることと、
・層にホログラフィック記録ビームを当てて、交互するポリマーリッチ領域および液晶リッチ領域を備えるホログラフィックポリマー分散型液晶回折格子を形成することと、
・液晶リッチ領域の液晶の少なくとも一部分を除去して、ポリマー表面レリーフ回折格子を形成することと、を含む。
・モノマーと液晶との混合物を提供することと、
・基板を提供することと、
・基板の表面上に混合物の層をコーティングすることと、
・層にホログラフィック記録ビームを当てて、交互するポリマーリッチ領域および液晶リッチ領域を備えるホログラフィックポリマー分散型液晶回折格子を形成することと、
・液晶リッチ領域の液晶の少なくとも一部分を除去して、ポリマー表面レリーフ回折格子を形成することと、を含む。
【0034】
さらに様々な他の実施形態では、モノマーは、アクリレート、メタクリレート、ビニル、イソシネート、チオール、イソシアネート－アクリレート、および／またはチオリンを含む。
【0035】
さらに様々な他の実施形態では、混合物は、光開始剤、共開始剤、または追加の添加剤のうちの少なくとも１つをさらに含み得る。
【0036】
さらに様々な他の実施形態では、チオールは、チオール－ビニル－アクリレートを含み得る。
【0037】
さらに様々な他の実施形態では、光開始剤は、感光性成分を含み得る。
【0038】
さらに様々な他の実施形態では、感光性成分は、色素および／またはラジカル発生剤を含み得る。
【0039】
さらに様々な他の実施形態では、モノマーと液晶との混合物を提供することは、
・モノマーと、液晶と、光開始剤、共開始剤、多官能性チオール、または追加の添加剤のうちの少なくとも１つと、を混合することと、
・混合物を、２２℃以下の温度で、光のない場所に保管することと、
・追加のモノマーを添加することと、
・０．６μｍ以下のフィルタを通して混合物を濾過することと、
・濾過された混合物を光のない場所に保管することと、を含み得る。
・モノマーと、液晶と、光開始剤、共開始剤、多官能性チオール、または追加の添加剤のうちの少なくとも１つと、を混合することと、
・混合物を、２２℃以下の温度で、光のない場所に保管することと、
・追加のモノマーを添加することと、
・０．６μｍ以下のフィルタを通して混合物を濾過することと、
・濾過された混合物を光のない場所に保管することと、を含み得る。
【0040】
さらに様々な他の実施形態では、基板は、ガラス基板またはプラスチック基板を含み得る。
【0041】
さらに様々な他の実施形態では、基板は、透明基板を含み得る。
【0042】
さらに様々な他の実施形態では、方法は、混合物を、内部寸法を維持するための１つ以上のスペーサを用いて基板と別の基板との間に挟むことをさらに含み得る。
【0043】
さらに様々な他の実施形態では、方法は、別の基板の一方の表面上に非粘着剥離層を被着することをさらに含み得る。
【0044】
さらに様々な他の実施形態では、非粘着剥離層は、フルオロポリマーを含み得る。
【0045】
さらに様々な他の実施形態では、方法は、液晶リッチ領域を液晶材料で再充填することをさらに含み得る。
【0046】
さらに様々な他の実施形態では、液晶材料は、以前に除去された液晶とは異なる分子構造を有し得る。
【0047】
さらに様々な他の実施形態では、液晶の少なくとも一部分を除去することは、液晶リッチ領域の液晶の実質的にすべてを除去することを含み得る。
【0048】
さらに様々な他の実施形態では、液晶の少なくとも一部分を除去することは、ポリマーリッチ領域に液晶の少なくとも一部分を残すことをさらに含み得る。
【0049】
さらに様々な他の実施形態では、本方法は、深いＳＲＧの上に保護層を被着することをさらに含み得る。
【0050】
さらに様々な他の実施形態では、保護層は、反射防止層を含み得る。
【0051】
さらに様々な他の実施形態では、保護層は、ケイ酸塩または窒化ケイ素を含み得る。
【0052】
さらに様々な他の実施形態では、保護層を被着することは、深いＳＲＧ上に保護層を堆積することを含み得る。
【0053】
さらに様々な他の実施形態では、保護層を堆積することは、化学気相堆積を含み得る。
【0054】
さらに様々な他の実施形態では、化学気相堆積は、ナノコーティングプロセスであってもよい。
【0055】
さらに様々な他の実施形態では、保護層は、パリレンコーティングを含み得る。
【0056】
さらに様々な他の実施形態では、液晶リッチ領域は、液晶リッチ領域の液晶の少なくとも一部分を除去した後の空隙を含み得る。
【0057】
さらに様々な他の実施形態では、方法は、空隙に真空を作り出すこと、または空隙を不活性ガスで充填することをさらに含み得る。
【0058】
さらに様々な他の実施形態では、液晶の少なくとも一部分を除去することは、ホログラフィックポリマー分散型液晶回折格子を溶剤で洗浄することを含み得る。
【0059】
さらに様々な他の実施形態では、ホログラフィックポリマー分散型液晶回折格子を洗浄することは、ホログラフィックポリマー分散型液晶回折格子を溶剤に浸漬することを含み得る。
【0060】
さらに様々な他の実施形態では、溶剤は、イソプロピルアルコールを含み得る。
【0061】
さらに様々な他の実施形態では、溶剤は、ホログラフィックポリマー分散型液晶回折格子を洗浄しながら、室温よりも低い温度で保持され得る。
【0062】
さらに様々な他の実施形態では、液晶の少なくとも一部分を除去することは、ホログラフィックポリマー分散型液晶回折格子を高流量空気源で乾燥させることをさらに含み得る。
【0063】
さらに様々な他の実施形態では、方法は、ホログラフィックポリマー分散型液晶回折格子を硬化させることをさらに含み得る。
【0064】
さらに様々な他の実施形態では、ホログラフィックポリマー分散型液晶回折格子を硬化させることは、ホログラフィックポリマー分散型液晶回折格子を約１時間の期間にわたって低強度白色光に曝露することを含み得る。
【0065】
さらに様々な他の実施形態では、ポリマー表面レリーフ回折格子は、７０％～９５％の効率でＳ偏光光を内結合するように構成され得る。
【0066】
さらに様々な他の実施形態では、ポリマー表面レリーフ回折格子は、２５％～５０％の効率でＰ偏光光を内結合するようにさらに構成され得る。
【0067】
さらに様々な他の実施形態では、ポリマーネットワークと空隙との間の屈折率の差は、０．２５～０．４であってもよい。
【0068】
さらに様々な他の実施形態では、ポリマーネットワークと液晶材料との間の屈折率の差は、０．０５～０．２であってもよい。
【0069】
さらに様々な他の実施形態では、ポリマー表面レリーフ回折格子は、０．３５μｍ～０．８μｍのブラッグフリンジ間隔、および１μｍ～３μｍの回折格子深さを含み得る。
【0070】
さらに様々な他の実施形態では、ポリマー表面レリーフ回折格子は、１：１～５：１のブラッグフリンジ間隔と回折格子深さとの比を含み得る。
【0071】
さらに様々な他の実施形態では、モノマーと液晶との混合物中の液晶含有量は、およそ２０％～５０％であってもよい。
【0072】
さらに様々な他の実施形態では、モノマーと液晶との混合物中の液晶は、単体液晶（ｌｉｑｕｉｄ ｃｒｙｓｔａｌ ｓｉｎｇｌｅｓ）を含み得る。
【0073】
さらに様々な他の実施形態では、単体液晶は、シアノビフェニルおよび／またはペンチルシノビフェニルを含み得る。
【0074】
さらに、様々な実施形態は、深いＳＲＧを作製するための方法を対象とし、この方法は、
・モノマーと物質との混合物を提供することと、
・基板を提供することと、
・基板の表面上に混合物の層をコーティングすることと、
・ホログラフィック記録ビームを層に当てて、交互するポリマーリッチ領域および物質リッチ領域を備えるホログラフィックポリマー分散型回折格子を形成することと、
・物質リッチ領域の物質の少なくとも一部分を除去して、ポリマー表面レリーフ回折格子を形成することと、を含み得る。
・モノマーと物質との混合物を提供することと、
・基板を提供することと、
・基板の表面上に混合物の層をコーティングすることと、
・ホログラフィック記録ビームを層に当てて、交互するポリマーリッチ領域および物質リッチ領域を備えるホログラフィックポリマー分散型回折格子を形成することと、
・物質リッチ領域の物質の少なくとも一部分を除去して、ポリマー表面レリーフ回折格子を形成することと、を含み得る。
【0075】
さらに様々な他の実施形態では、モノマーは、ホログラフィック記録ビームに対して反応性であってもよく、物質は、ホログラフィック記録ビームに対して非反応性であってもよい。
【0076】
さらに様々な他の実施形態では、モノマーおよび物質は、ホログラフィック記録ビームを当てる前に混和性混合物であり、モノマーおよび物質は、ホログラフィック記録ビームを当てた後に不混和性混合物になってもよい。
【0077】
さらに様々な他の実施形態では、物質は、液晶を含み得る。
【0078】
さらに様々な他の実施形態では、物質は、単体液晶を含み得る。
【0079】
さらに様々な他の実施形態では、物質は、溶剤、非反応性モノマー、無機物、および／またはナノ粒子を含み得る。
【0080】
さらに、様々な実施形態は、導波路ディスプレイを対象とし、
・第１の波長帯域の光を放出する発光アレイと、
・当該発光アレイからの画像変調された光を視野上に投影するためのコリメーションレンズと、
・導波路であって、
〇当該第１の波長帯域のＳ偏光光に対して高回折効率を有する入出力ＳＢＧ、および
〇当該第１の波長帯域のＰ偏光光に対して高回折効率を有する入出力ＳＢＧを支持する導波路と、を含み得る。
・第１の波長帯域の光を放出する発光アレイと、
・当該発光アレイからの画像変調された光を視野上に投影するためのコリメーションレンズと、
・導波路であって、
〇当該第１の波長帯域のＳ偏光光に対して高回折効率を有する入出力ＳＢＧ、および
〇当該第１の波長帯域のＰ偏光光に対して高回折効率を有する入出力ＳＢＧを支持する導波路と、を含み得る。
【0081】
さらに様々な他の実施形態では、当該導波路は、当該発光アレイによって放出される第２の波長帯域のＳ偏光光およびＰ偏光光を回折するためのＳＢＧをさらに支持し得る。
【0082】
さらに様々な他の実施形態では、当該発光アレイは、ＯＬＥＤアレイであってもよい。
【0083】
さらに様々な他の実施形態では、当該導波路は、少なくとも１つの平面内で湾曲し得る。
【0084】
さらに様々な他の実施形態では、当該導波路は、プラスチックから作製され得る。
【0085】
さらに様々な他の実施形態では、当該発光アレイは、当該導波路の湾曲した表面によって生じる波面歪みを予め補償するように空間的に歪ませられ得る。
【0086】
さらに様々な他の実施形態では、当該発光アレイは、当該導波路の湾曲した表面によって生じる波面歪みを予め補償するように、湾曲したまたは可撓性の基板上に形成され得る。
【0087】
さらに様々な他の実施形態では、当該回折格子のうちの少なくとも１つは、フォトポリマーに記録されたブラッグ回折格子、液晶およびモノマー混合物に記録するブラッグ回折格子、深い表面レリーフ回折格子、ハイブリッド表面レリーフ／ブラッグ回折格子のうちの１つであってもよい。
【0088】
さらに様々な他の実施形態では、当該導波路は、眼処方光学表面を支持し得る。
【0089】
さらに様々な他の実施形態では、当該発光は、画素アレイであって、同一のサイズのポリゴン、同一の形状のポリゴン、アレイ全体にわたってサイズが変動するポリゴン、アレイ全体にわたって形状が変動するポリゴン、ペンローズタイル、および非繰り返しパターンを形成する要素の群から選択される少なくとも１つを含む要素の多重性を使用してパターン化された画素アレイを有し得る。
【0090】
さらに、様々な実施形態は、導波路を使用して画像を形成するための方法を対象とし、この方法は、
・第１の波長帯域の光を放出する発光アレイと、コリメーションレンズと、当該第１の波長帯域のＳ偏光光に対して高回折効率を有する入出力回折格子を支持し、かつ当該第１の波長帯域のＰ偏光光に対して高回折効率を有する入出力定格を支持する導波路と、を提供することと、
・コリメーションレンズを使用して、発光アレイによって放出された画像光をコリメートすることと、
・Ｓ回折入力回折格子を使用して、当該ＯＬＥＤアレイからの画像変調されたＳ偏光光を、導波路の全反射経路に結合することと、
・Ｐ回折入力回折格子を使用して、当該ＯＬＥＤアレイからの画像変調されたＰ偏光光を、導波路の全反射経路に結合することと、
・映示のために、導波路からのＳ偏光光をビーム拡大し、引き出すことと、
・映示のために、導波路からのＰ偏光光をビーム拡大し、引き出すことと、を含む。
・第１の波長帯域の光を放出する発光アレイと、コリメーションレンズと、当該第１の波長帯域のＳ偏光光に対して高回折効率を有する入出力回折格子を支持し、かつ当該第１の波長帯域のＰ偏光光に対して高回折効率を有する入出力定格を支持する導波路と、を提供することと、
・コリメーションレンズを使用して、発光アレイによって放出された画像光をコリメートすることと、
・Ｓ回折入力回折格子を使用して、当該ＯＬＥＤアレイからの画像変調されたＳ偏光光を、導波路の全反射経路に結合することと、
・Ｐ回折入力回折格子を使用して、当該ＯＬＥＤアレイからの画像変調されたＰ偏光光を、導波路の全反射経路に結合することと、
・映示のために、導波路からのＳ偏光光をビーム拡大し、引き出すことと、
・映示のために、導波路からのＰ偏光光をビーム拡大し、引き出すことと、を含む。
【0091】
さらに様々な他の実施形態では、当該発光アレイは、ＯＬＥＤアレイであってもよい。
【0092】
さらに様々な他の実施形態では、方法は、当該導波路によって支持される湾曲した光学表面を提供するステップと、当該発光アレイ上で画素パターンを予め歪ませるステップと、当該コリメーションレンズを使用して、予め歪んだ波面を形成するステップと、当該湾曲した光学表面で当該予め歪んだ波面の光を反射するステップと、当該湾曲した光学表面の屈折力を使用して、当該予め歪んだ波面から平面波面を形成するステップと、をさらに含み得る。
【0093】
さらに様々な他の実施形態では、当該湾曲した光学表面は、処方光学表面であってもよい。
【0094】
説明は、本発明の例示的な実施形態として提示され、本発明の範囲の完全な列挙として解釈されるべきではない、以下の図およびデータグラフを参照して、より完全に理解されるであろう。
【図面の簡単な説明】
【0095】
【図1A】本発明の実施形態による、透明基板上に堆積されたモノマーと液晶との混合物をホログラフィック露光ビームに曝露する、表面レリーフ回折格子を作製するための方法のステップを概念的に例示している。
【図1B】本発明の実施形態による、透明基板上に形成されたＨＰＤＬＣブラッグ回折格子から表面レリーフ回折格子を作製するための方法のステップを概念的に例示している。
【図1C】本発明の実施形態による、ＨＰＤＬＣブラッグ回折格子から液晶を除去してポリマー表面レリーフ回折格子を形成する、表面レリーフ回折格子を作製するための方法のステップを概念的に例示している。
【図1D】本発明の実施形態による、表面レリーフ回折格子を保護層で被覆するための方法のステップを概念的に例示している。
【図2】本発明の実施形態による、透明基板上に形成されたＨＰＤＬＣブラッグ回折格子からポリマー表面レリーフ回折格子を形成するための方法を概念的に例示するフローチャートである。
【図3】ポリマー表面レリーフ回折格子または真空ブラッグ回折格子の例示的な実装態様である。
【図4A】本発明の実施形態による、透明基板上に堆積されたモノマーと液晶との混合物をホログラフィック露光ビームに曝露する、表面レリーフ回折格子を作製するための方法のステップを概念的に例示している。
【図4B】本発明の実施形態による、透明基板上に形成されたＨＰＤＬＣブラッグ回折格子から表面レリーフ回折格子を作製するための方法のステップを概念的に例示している。
【図4C】本発明の実施形態による、ＨＰＤＬＣブラッグ回折格子から液晶を除去してポリマー表面レリーフ回折格子を形成する、表面レリーフ回折格子を作製するための方法のステップを概念的に例示している。
【図4D】本発明の実施形態による、表面レリーフ回折格子を液晶で部分的に再充填してハイブリッド表面レリーフブラッグ回折格子を形成する、表面レリーフ回折格子を作製するための方法のステップを概念的に例示している。
【図4E】本発明の実施形態による、ハイブリッド表面レリーフ－ブラッグ回折格子を保護層で被覆する、表面レリーフ回折格子を作製するための方法のステップを概念的に例示している。
【図5】本発明の実施形態による、ハイブリッド表面レリーフ－ブラッグ回折格子を形成するための方法を概念的に例示するフローチャートである。
【図6】本発明の実施形態による、１マイクロメートル厚の深い表面レリーフ回折格子に対する、計算されたＰ偏光およびＳ偏光回折効率対入射角を示すグラフである。
【図7】本発明の実施形態による、２マイクロメートル厚の深い表面レリーフ回折格子に対する、計算されたＰ偏光およびＳ偏光回折効率対入射角を示すグラフである。
【図8】本発明の実施形態による、３マイクロメートル厚の深い表面レリーフ回折格子に対する、計算されたＰ偏光およびＳ偏光回折効率対入射角を示すグラフである。
【図9A-9B】異なるチオール濃度を含む複数の実施形態の走査型電子顕微鏡画像を例示している。
【図10A-10B】ＨＰＤＬＣブラッグ回折格子と、ポリマー表面レリーフ回折格子または真空ブラッグ回折格子と、を比較する画像である。
【図11A-11B】ＨＰＤＬＣブラッグ回折格子と、ポリマー表面レリーフ回折格子または真空ブラッグ回折格子と、を比較する２つのプロットである。
【図12A-12B】異なる深さを有する２つの例示的なポリマー表面レリーフ回折格子のＳ回折効率およびＰ回折効率の２つのプロットである。
【図13A-13B】異なる初期液晶濃度で生成された様々な例示的なポリマー表面レリーフ回折格子のＳ回折効率およびＰ回折効率の２つの異なるプロットである。
【図14A-14B】異なる初期液晶濃度で生成された様々な例示的なポリマー表面レリーフ回折格子のＳ回折効率およびＰ回折効率の２つの異なるプロットである。
【図15】本発明の実施形態による導波路ディスプレイを概念的に例示している。
【図16】本発明の実施形態による、空気を隔てて置かれた２つの導波路層を有する導波路ディスプレイを概念的に例示している。
【図17】本発明の実施形態による、導波路ディスプレイのための典型的な光線経路を概念的に例示している。
【図18】本発明の実施形態による、導波路が湾曲した光学表面を支持する導波路ディスプレイを概念的に例示している。
【図19】本発明の実施形態による、導波路が上部および下部の湾曲した光学面表を支持する導波路ディスプレイを概念的に例示している。
【図20】本発明の実施形態による、導波路が湾曲した光学表面を支持し、かつ入力画像を、画素アレイを使用して、湾曲した光学表面によって導入される収差を補償するために予め歪ませて提供する、導波路ディスプレイを概念的に例示している。
【図21】本発明の実施形態による、導波路が湾曲した光学表面を支持し、かつ入力画像を、湾曲した基板によって支持された画素アレイを使用して、かつ湾曲した光学表面によって導入される収差を補償するために予め歪ませて提供する、導波路ディスプレイを概念的に例示している。
【図22】本発明の実施形態による、Ｓ回折格子およびＰ回折格子を含む導波路を使用して、映示のための画像光を投影するための方法を概念的に例示するフローチャートである。
【図23】本発明の実施形態による、光学処方表面を支持し、かつＳ回折格子およびＰ回折格子を含む導波路を使用して、映示のための画像光を投影するための方法を概念的に例示するフローチャートである。
【図24A】本発明の実施形態による、発光ディスプレイパネルで使用するための異なるサイズおよびアスペクト比の矩形要素を有する画素パターンの一部分を概念的に例示している。
【図24B】本発明の実施形態による、発光ディスプレイパネルで使用するためのペンローズタイルを有する画素パターンの一部分を概念的に例示している。
【図24C】本発明の実施形態による、発光ディスプレイパネルで使用するための六角形要素を有する画素パターンの一部分を概念的に例示している。
【図24D】本発明の実施形態による、発光ディスプレイパネルで使用するための正方形要素を有する画素パターンの一部分を概念的に例示している。
【図24E】本発明の実施形態による、発光ディスプレイパネルで使用するためのダイヤモンド形状要素を有する画素パターンの一部分を概念的に例示している。
【図24F】本発明の実施形態による、発光ディスプレイパネルで使用するための二等辺三角形要素を有する画素パターンの一部分を概念的に例示している。
【図24G】本発明の実施形態による、発光ディスプレイパネルで使用するための、水平に偏ったアスペクト比を有する六角形要素を有する画素パターンの一部分を概念的に例示している。
【図24H】本発明の実施形態による、発光ディスプレイパネルで使用するための、水平に偏ったアスペクト比を有する矩形要素を有する画素パターンの一部分を概念的に例示している。
【図24I】本発明の実施形態による、発光ディスプレイパネルで使用するための、水平に偏ったアスペクト比を有するダイヤモンド形状要素を有する画素パターンの一部分を概念的に例示している。
【図24J】本発明の実施形態による、発光ディスプレイパネルで使用するための、水平に偏ったアスペクト比を有する三角形を有する画素パターンの一部分を概念的に例示している。
【図25】本発明の実施形態による、異なる画素が異なる放射特性を有することができるダイヤモンド形状要素を有する画素パターンの一部分を概念的に例示している。
【発明を実施するための形態】
【0096】
多様な機能を提供するために、導波路上の様々な回折格子の使用に対する関心が高まっている。これらの回折格子として、角度多重化回折格子、色多重化回折格子、折り返し回折格子、二重相互作用回折格子、回転Ｋベクトル回折格子、交差折り返し回折格子、モザイク状回折格子、チャープ回折格子、空間的に変動する屈折率変調を有する回折格子、空間的に変動する回折格子厚さを有する回折格子、空間的に変動する平均屈折率を有する回折格子、空間的に変動する屈折率変調テンソルを有する回折格子、および空間的に変動する平均屈折率テンソルを有する回折格子が挙げられる。特定の例では、光の様々な偏光（例えば、Ｓ偏光およびＰ偏光）の回折のための回折格子は、有益であり得る。Ｓ偏光光またはＰ偏光光のいずれかを回折する回折格子を有することが特に有利であろう。この技術の具体的な用途は、拡張現実ディスプレイおよび仮想現実ディスプレイなどの導波路ベースのディスプレイを含む。一例は、Ｓ偏光光またはＰ偏光光のうちの一方または両方を導波路に入力するために使用され得る入力回折格子である。しかしながら、多くの場合、Ｓ偏光光およびＰ偏光光のいずれかを回折する回折格子を有することが有利であろう。例えば、ＯＬＥＤ光源などの非偏光光源を使用する導波路ディスプレイは、Ｓ偏光光とＰ偏光光との両方を生成し、したがって、Ｓ偏光光とＰ偏光光との両方を回折することができる回折格子を有することが有利であろう。
【0097】
１つの特定のクラスの回折格子は、Ｐ偏光光またはＳ偏光光のいずれかを回折するために使用され得る表面レリーフ回折格子（ＳＲＧ）を含む。別のクラスの回折格子は、通常、Ｐ偏光選択性であり、有機発光ダイオード（ＯＬＥＤ）および発光ダイオード（ＬＥＤ）などの非偏光光源で５０％の効率損失につながる表面レリーフブラッグ回折格子（ＳＢＧ）である。Ｓ偏光回折格子とＰ偏光回折格子との合成物を混成することは、Ｐ回折格子のみを使用する導波路よりも理論的に２倍の改善を提供することができる。したがって、高効率のＳ偏光回折格子を有することが有利であろう。多くの実施形態では、Ｓ偏光回折格子を、ホログラフィックフォトポリマーに形成されたブラッグ回折格子によって提供することができる。いくつかの実施形態では、Ｓ偏光回折格子を、液晶（ＬＣ）ダイレクタを再配列させるための配列層または他のプロセスを使用して改変された複屈折を有するホログラフィックポリマー分散型液晶（ＨＰＤＬＣ）に形成されたブラッグ回折格子によって提供することができる。いくつかの実施形態では、Ｓ偏光回折格子を、相分離下でＳ回折格子に自然に組織化する液晶、モノマー、および他の添加剤を使用して形成することができる。いくつかの実施形態では、これらのＨＰＤＬＣ回折格子は、優れたＳ偏光回折効率を有する深いＳＲＧを形成し得る。
【0098】
１つのクラスの深いＳＲＧは、高いＳ回折効率（最大９９％）および低いＰ回折効率を呈し得、かつ導波路の入力回折格子として実装され得る、ポリマー－空気ＳＲＧまたは真空ブラッグ回折格子（ＥＢＧ）である。このような回折格子を、液晶とモノマーとの混合物のホログラフィック相分離から形成されるＳＢＧから液晶を除去することによって、形成することができる。このようなプロセスによって形成される深いＳＲＧは、典型的には、０．３５～０．８０マイクロメートルのブラッグフリンジ間隔を有する、１～３マイクロメートルの範囲の厚さを有する。いくつかの実施形態では、回折格子深さとブラッグフリンジ間隔との比は、１：１～５：１であってもよい。容易に認識することができるように、そのような回折格子を、所与の用途の特定の要件に応じた異なる寸法で形成することができる。ＳＲＧの厚さが、結果として得られる異なる回折効率をどのようにもたらし得るかの例が、図６～８に関連して記載される。
【0099】
多くの実施形態では、深いＳＲＧの条件は、高回折格子深さ対フリンジ間隔比によって特徴付けられる。いくつかの実施形態では、深いＳＲＧを形成するための条件は、回折格子深さが回折格子周期のおよそ２倍であることである。Ｋｏｇｅｌｎｉｋ理論を使用してこのような深いＳＲＧをモデリングすることは、典型的にはマクスウェルの方程式の数値解を伴う、より高度なモデリングの必要性を回避して、かなり正確な回折効率の推定値を与えることができる。ＨＰＤＬＣ回折格子から除去可能な液晶を使用して達成され得る回折格子深さは、深いＳＲＧ（典型的には、回折格子周期３５０～４６０ｎｍに対して２５０～３００ｎｍの深さのみを提供する）の条件を達成することができない従来のナノインプリントリソグラフィ法を使用して可能なものを大幅に上回る。（Ｐｅｋｋａ Ａｙｒａｓ，Ｐａｓｉ Ｓａａｒｉｋｋｏ，Ｔａｐａｎｉ Ｌｅｖｏｌａ，”Ｅｘｉｔ ｐｕｐｉｌ ｅｘｐａｎｄｅｒ ｗｉｔｈ ａ ｌａｒｇｅ ｆｉｅｌｄ ｏｆ ｖｉｅｗ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｄｉｆｆｒａｃｔｉｖｅ ｏｐｔｉｃｓ”，Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ ｔｈｅ ＳＩＤ １７／８，（２００９），ｐｐ６５９－６６４）。ここで強調するべきことは、本出願内では、Ｓ偏光回折する深いＳＲＧが強調されているが、深いＳＲＧは、以下で考察するように、回折格子処方の厚さ、特に回折格子深さに応じて、様々な偏光応答特性を提供することができることである。したがって、深いＳＲＧを、多様な異なる用途で実装することができる。
【0100】
文献は、深いＳＲＧとブラッグ回折格子との等価性を支持している。１つの参考文献（Ｋｉｙｏｓｈｉ Ｙｏｋｏｍｏｒｉ，“Ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃ ｓｕｒｆａｃｅ－ｒｅｌｉｅｆ ｇｒａｔｉｎｇｓ ｗｉｔｈ ｈｉｇｈ ｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎ ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ“Ａｐｐｌｉｅｄ Ｏｐｔｉｃｓ；Ｖｏｌ．２３；Ｉｓｓｕｅ １４；（１９８４）；ｐｐ．２３０３－２３１０）は、マクスウェルの方程式を数値的に解くことによる誘電体表面レリーフ回折格子の回折特性の検討を開示している。回折格子周期の約２倍の溝深さを有する回折格子の回折効率は、体積位相型回折格子の効率と同等であることが分かった。Ｙｏｋｏｍｏｒｉによるモデリングは、フォトレジストに位相干渉方式によって記録された誘電体表面レリーフ回折格子が、最大９４％（スループット効率８５％）の高い回折効率を備え得ることを予測した。深いＳＲＧとブラッグ回折格子との等価性は、Ｇｏｌｕｂによる別の論文（Ｍ．Ａ．Ｇｏｌｕｂ，Ａ．Ａ．Ｆｒｉｅｓｅｍ，Ｌ．Ｅｉｓｅｎ“Ｂｒａｇｇ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｏｆ ｅｆｆｉｃｉｅｎｔ ｓｕｒｆａｃｅ ｒｅｌｉｅｆ ｇｒａｔｉｎｇｓ ｉｎ ｔｈｅ ｒｅｓｏｎａｎｃｅ ｄｏｍａｉｎ”，Ｏｐｔｉｃｓ Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ；２３５；（２００４）；ｐｐ２６１－２６７）でも考察されている。Ｇｅｒｒｉｔｓｅｎによるさらなる論文は、フォトレジストでのブラッグ様ＳＲＧの形成を考察している（Ｇｅｒｒｉｔｓｅｎ ＨＪ，Ｔｈｏｒｎｔｏｎ ＤＫ，Ｂｏｌｔｏｎ ＳＲ；“Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ Ｋｏｇｅｌｎｉｋ’ｓ ｔｗｏ－ｗａｖｅ ｔｈｅｏｒｙ ｔｏ ｄｅｅｐ，ｓｌａｎｔｅｄ，ｈｉｇｈｌｙ ｅｆｆｉｃｉｅｎｔ，ｒｅｌｉｅｆ ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ ｇｒａｔｉｎｇｓ”Ａｐｐｌｉｅｄ Ｏｐｔｉｃｓ；Ｖｏｌ．３０；Ｉｓｓｕｅ ７；（１９９１）；ｐｐ ８０７－８１４）。
【0101】
本開示の多くの実施形態は、スラント型回折格子のためのナノインプリントリソグラフィプロセス粒子に対して非常に有意な利点を提供することができる、深いＳＲＧなどのＳＲＧを作るための方法を提供する。任意の複雑さのブラッグ回折格子を、干渉、またはマスターおよび接触コピー複製を使用して作ることができる。いくつかの実施形態では、ＬＣを除去した後、ＳＲＧを、ＬＣに対して異なる特性を有する材料で埋め戻すことができる。これにより、回折格子形成に必要な回折格子化学によって制限されない変調特性を有するブラッグ回折格子が可能になる。
【0102】
いくつかの実施形態では、埋め戻し材料は、ＬＣ材料でなくてもよい。いくつかの実施形態では、埋め戻し材料は、導波路の角度帯域幅を増加させ得る、空気よりも高い屈折率を有し得る。いくつかの実施形態では、深いＳＲＧを、ＬＣで部分的に埋め戻して、ハイブリッドＳＲＧ／ブラッグ回折格子を提供することができる。代替的に、いくつかの実施形態では、再充填ステップを、ＨＰＤＬＣのＬＣリッチ領域からＬＣのわずかな部分を除去して、ハイブリッドＳＲＧ／ブラッグ回折格子を提供することによって、回避することができる。再充填アプローチは、異なるＬＣを使用してハイブリッド回折格子を形成することができるという利点を有する。この材料を、インクジェット堆積プロセスを使用して堆積することができる。
【0103】
いくつかの実施形態では、本明細書に記載される方法を使用して、フォトニック結晶を形成し得る。フォトニック結晶を実装して、ブラッグ回折格子を含む多種多様な回折構造を形成し得る。ブラッグ回折格子を回折格子として使用して、限定されるものではないが、入力回折格子、出力回折格子、ビーム拡大回折格子、２つ以上の原色の回折を含む機能を提供し得る。フォトニック結晶を、基本的なブラッグ回折格子では達成できない回折能力を有することができる三次元回折格子構造とすることができる。フォトニック結晶は、すべての２Ｄおよび３Ｄのブラベー格子を含む多くの構造を含むことができる。そのような構造の記録は、３つ以上の記録ビームから利益を得ることができる。
【0104】
いくつかの実施形態では、フォトニック結晶を組み込んだ導波路を、各々が固有のスペクトル帯域幅を回折するための回折格子処方を有する、導波路のスタックで配置することができる。多くの実施形態では、液晶抽出によって形成されるフォトニック結晶は、深いＳＲＧを提供する。多くの実施形態では、液晶抽出プロセスを使用して形成された深いＳＲＧは、典型的には、０．３５ミクロン～０．８０ミクロンのブラッグフリンジ間隔を有する１～３ミクロンの範囲の厚さを有することができる。多くの実施形態では、深いＳＲＧの条件は、高回折格子深さ対フリンジ間隔比によって特徴付けられる。いくつかの実施形態では、深いＳＲＧを形成するための条件は、回折格子深さが回折格子周期のおよそ２倍であり得ることである。ここで強調するべきことは、本出願内では、Ｓ偏光回折する深いＳＲＧに主に関心があるが、深いＳＲＧは、以下で考察するように、回折格子処方の厚さ、特に回折格子深さに応じて、様々な偏光応答特性を提供することができることである。深いＳＲＧを従来のブラッグ回折格子と併用して、導波路ディスプレイの色、均一性、および他の特性を向上させることもできる。
【0105】
深いＳＲＧは、レーザーホログラフィック露光（Ｏ．Ｓａｋｈｎｏ，Ｌ．Ｍ．Ｇｏｌｄｅｎｂｅｒｇ，Ｍ．Ｗｅｇｅｎｅｒ，Ｊ．Ｓｔｕｍｐｅ，“Ｄｅｅｐ ｓｕｒｆａｃｅ ｒｅｌｉｅｆ ｇｒａｔｉｎｇ ｉｎ ａｚｏｂｅｎｚｅｎｅ－ｃｏｎｔａｉｎｉｎｇ ｍａｔｅｒｉａｌｓ ｕｓｉｎｇ ａ ｌｏｗ ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ ５３２ ｎｍ ｌａｓｅｒ”，Ｏｐｔｉｃａｌ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ：Ｘ，１，（２０１９），１００００６，ｐｐ３－７を使用して、ガラス質モノマーアゾベンゼン材料で作製されている。Ｓａｋｈｎｏの参考文献はまた、２つの直交する直線偏光レーザービームを使用してＳＲＧをホログラフィックフォトポリマーに記録することができる方法を開示している。
【0106】
この開示は、特にスラント型回折格子のための、ナノインプリントリソグラフィプロセスに対して非常に有意な利点を提供することができる表面レリーフ回折格子を作るための方法を提供する。任意の複雑さのブラッグ回折格子を、干渉、またはマスターおよび接触コピー複製を使用して作ることができる。いくつかの実施形態では、ＬＣを除去した後、ＳＲＧを、ＬＣに対して異なる特性を有する材料で埋め戻すことができる。これにより、回折格子形成に必要な回折格子化学によって制限されない変調特性を有するブラッグ回折格子が可能になる。いくつかの実施形態では、ＳＲＧを、ＬＣで部分的に埋め戻して、ハイブリッドＳＲＧ／ブラッグ回折格子を提供することができる。代替的に、いくつかの実施形態では、再充填ステップを、ＨＰＤＬＣのＬＣリッチ領域からＬＣのわずかな部分を除去して、ハイブリッドＳＲＧ／ブラッグ回折格子を提供することによって、回避することができる。再充填アプローチは、異なるＬＣを使用してハイブリッド回折格子を形成することができるという利点を有する。この材料を、発明者らによる以前の出願に開示されているように、インクジェットプロセスを使用して堆積することができる。いくつかの実施形態では、再充填材料は、回折格子の回折効率を増加させ得る、空気よりも高い屈折率を有し得る。
【0107】
本開示は、深いＳＲＧを作製する文脈において行われてきたが、本明細書に記載される手法を使用して多くの他の回折格子構造を製造し得ることは認識される。例えば、回折格子深さが回折格子周波数よりも小さいＳＲＧを含む任意のタイプのＳＲＧ（例えば、ラマン－ナス回折格子）が、同様に作製され得る。
【0108】
図１Ａ～１Ｄは、実施形態による、深いＳＲＧまたはＥＢＧを作製するための方法で使用され得る処理装置を例示している。図１Ａは、本発明の実施形態による、透明基板１９２上に堆積されたモノマーと液晶との混合物１９１をホログラフィック露光ビーム１９３、１９４に曝露する、表面レリーフ回折格子を作製するための方法のステップで使用され得る装置１９０Ａを概念的に例示している。いくつかの例では、混合物はまた、光開始剤、共開始剤、多官能性チオール、接着促進剤、界面活性剤、および／または追加の添加剤のうちの少なくとも１つを含み得る。いくつかの実施形態では、モノマーは、イソシアネート－アクリレート系またはチオレン系であってもよい。いくつかの実施形態では、液晶は、完全液晶混合物、または完全液晶混合物の一部分のみを含む単体液晶であってもよい。単体液晶の様々な例としては、シアノビフェニルまたはペンチルシアノビフェニルの一方または両方が挙げられる。いくつかの実施形態では、液晶は、曝露中にモノマーと相分離する別の物質に取り替えられて、ポリマーリッチ領域および物質リッチ領域を形成し得る。有利に、物質および単体液晶は、以下に記載されるように、後のステップで除去される完全液晶混合物に対する費用対効果の高い代替物であり得る。
【0109】
図１Ｂは、本発明の実施形態による、ホログラフィック露光ビームを使用して、透明基板上に形成されたＨＰＤＬＣブラッグ回折格子１９５から表面レリーフ回折格子を作製するための方法のステップで使用され得る装置１９０Ｂを概念的に例示している。ホログラフィック露光ビームは、いくつかのエリアにおいてモノマーをポリマーに変換し得る。ホログラフィック露光ビームは、交差記録ビームを含み、交互する明照射領域および暗照射領域を含み得る。重合駆動拡散プロセスは、モノマーおよびＬＣの反対方向への拡散を引き起こし、モノマーは、ゲル化を受けて（明領域に）ポリマーリッチ領域を形成し、液晶は、ポリマーマトリックスにトラップされて（暗領域に）液晶リッチ領域を形成し得る。
【0110】
図１Ｃは、本発明の実施形態による、図１ＢのＨＰＤＬＣブラッグ回折格子から液晶を除去してポリマー表面レリーフ回折格子を形成する、深いポリマー表面レリーフ回折格子１９６またはＥＢＧを作製するための方法のステップで使用され得る装置１９０Ｃを概念的に例示している。有利に、ポリマー表面レリーフ回折格子１９６は、深いＳＲＧを形成するために、比較的小さい回折格子周期を有する大きい深さを含み得る。液晶は、イソプロピルアルコール（ＩＰＡ）などの溶剤で洗浄することによって除去され得る。溶剤は、液晶を洗い流すには十分に強いが、ポリマーを維持するには十分に弱いのがよい。いくつかの実施形態では、溶剤は、回折格子を洗浄する前に、室温未満で冷却され得る。図１Ｄは、本発明の実施形態による、ポリマー表面レリーフ回折格子を保護層１９７で被覆する、ポリマー表面レリーフ回折格子を作製するための方法のステップで使用され得る装置１９０Ｄを概念的に例示している。
【0111】
図２は、実施形態による、透明基板上に形成されたＨＰＤＬＣブラッグ回折格子から深いＳＲＧを形成するための方法を概念的に例示している。示されるように、深いＳＲＧまたはＥＢＧを形成する方法２００が提供される。フロー図を参照すると、方法２００は、少なくとも１つのモノマーと少なくとも１つの液晶との混合物を提供すること（２０１）を含む。少なくとも１つのモノマーは、イソシアネート－アクリレートモノマーまたはチオレンを含み得る。いくつかの実施形態では、少なくとも１つの液晶は、完全液晶混合物であってもよく、または液晶混合物の単一成分などの液晶混合物の一部分のみを含み得る単体液晶であってもよい。いくつかの実施形態では、少なくとも１つの液晶は、曝露中にモノマーと相分離し得る溶液に置き換えられ得る。このような溶液の基準は、曝露中にモノマーと相分離する能力、硬化後および洗浄中の除去の容易さ、および取り扱いの容易さを含み得る。例示的な代替溶液としては、溶剤、非反応性モノマー、無機物、およびナノ粒子が挙げられる。
【0112】
モノマーと液晶との混合物を提供することはまた、以下のもの：光開始剤または共開始剤などの開始剤、多官能性チオール、色素、接着促進剤、界面活性剤、および／または他の架橋剤などの追加の添加剤、のうちの１つ以上を、少なくとも１つのモノマーおよび液晶と混合することを含み得る。この混合物は、共開始剤がモノマーとチオールとの間の反応を触媒することを可能にするために、沈静され得る。沈静期間は、暗い空間または赤色光（例えば、赤外線）のある空間で、およそ８時間にわたる低温（例えば、２０℃）で行われ得る。沈静後、追加のモノマーが、モノマーに混合され得る。次いで、この混合物は、小孔径（例えば、０．４５μｍの孔径）を有するフィルタを通して漉し取るか、または濾過され得る。漉し取った後、この混合物は、コーティングの前に、暗い空間または赤色光のある空間に、室温で保管され得る。
【0113】
次に、透明基板を提供することができる（２０２）。特定の実施形態では、透明基板は、ガラス基板またはプラスチック基板であってもよい。基板の表面上に、混合物の層を堆積するか、またはコーティングすることができる（２０３）。いくつかの実施形態では、混合物を、内部寸法を維持するためのガラススペーサを使用して、透明基板と別の基板との間に挟む。混合物が挟まれる前に、非粘着性コーティングは、この別の基板に被着され得る。非粘着性コーティングは、ＯＰＴＯＯＬ ＵＤ５０９（Ｄａｉｋｉｎ Ｃｈｅｍｉｃａｌｓ製）、Ｄｏｗ Ｃｏｒｎｉｎｇ ２６３４、Ｆｌｕｏｒｏｐｅｌ（Ｃｙｔｏｎｉｘ製）、およびＥＣ２００（ＰＰＧ Ｉｎｄｕｓｔｒｉｅｓ社製）などのフルオロポリマーを含み得る。混合層にホログラフィック記録ビームを当てることができる（２０４）。ホログラフィック記録ビームは、ＬＣおよびポリマーの相分離を引き起こし得る２ビーム干渉パターンであってもよい。ホログラフィック記録ビームに応答して、液体モノマーは、固体ポリマーに変化するのに対して、中性非反応性物質（例えば、ＬＣ）は、重合によって駆動される化学ポテンシャルの変化に応答してホログラフィック露光中に拡散する。ＬＣは、中性非反応性物質の１つの実装態様であり得るが、他の物質もまた、使用され得る。物質およびモノマーは、ホログラフィック露光の前に混和性混合物を形成し、ホログラフィック露光時に非混和性になり得る。
【0114】
ホログラフィック記録ビームを当てた後に、混合物は、硬化され得る。硬化プロセスは、混合物が完全に硬化するまでの期間、混合物を低強度白色光の下に放置することを含み得る。低強度白色光はまた、フォトブリーチ色素プロセスを引き起こし得る。したがって、交互するポリマーリッチ領域および液晶リッチ領域を有するＨＰＤＬＣ回折格子を形成することができる（２０５）。いくつかの実施形態では、硬化プロセスは、２時間以下で行われ得る。硬化後、基板のうちの１つは、ＨＰＤＬＣ回折格子を露光することによって除去され得る。有利に、非粘着性コーティングは、ＨＰＤＬＣ回折格子を残したまま、他の基板を除去することを可能にし得る。
【0115】
ＨＰＤＬＣ回折格子は、液晶リッチ領域およびポリマー領域の交互する区画を含み得る。深いＳＲＧとして使用され得るポリマー表面レリーフ回折格子またはＥＢＧを形成するために、液晶リッチ領域の液晶を除去することができる（２０６）。液晶は、回折格子をＩＰＡなどの溶剤中に穏やかに浸漬することによって除去され得る。ＩＰＡは、冷却され得、回折格子がＩＰＡに浸漬されている間、室温よりも低い温度に保たれ得る。次いで、回折格子を溶剤から除去し、乾燥させる。いくつかの実施形態では、回折格子は、圧縮空気などの高流量空気源を使用して乾燥される。ＬＣが回折格子から除去された後、ポリマー－空気表面レリーフブラッグ回折格子が形成される。
【0116】
図１Ａ～１Ｄに示されるように、形成された表面レリーフ回折格子を、保護層でさらに被覆することができる。いくつかの事例では、保護層は、耐傷能力を有する水分および酸素バリアであってもよい。いくつかの事例では、保護層は、かつて除去されたＬＣが存在した空隙領域を充填しないコーティングであってもよい。コーティングは、低温プロセスを使用して堆積され得る。いくつかの実装態様では、保護層は、反射防止（ＡＲ）特性を有し得る。コーティングは、ケイ酸塩または窒化ケイ素であってもよい。コーティングプロセスは、ナノコーティングプロセスなどのプラズマアシスト化学気相堆積（ＣＶＤ）プロセスによって予め形成され得る。コーティングは、パリレンコーティングであってもよい。保護層は、ガラス層であってもよい。保護層が実装される前に、真空または不活性ガスが、かつて除去されたＬＣが存在したギャップを充填し得る。いくつかの実施形態では、コーティングプロセスは、ＬＣ除去プロセス（２０６）と統合され得る。例えば、コーティング材料は、回折格子からＬＣを洗浄するために使用される溶剤と混合され得る。
【0117】
図３は、導波路３００２上に実装されたポリマー－空気表面レリーフブラッグ回折格子３０００の例示的な実施形態の断面概略図を例示している。ポリマー－空気表面レリーフブラッグ回折格子３０００は、周期的ポリマー区画３００４ａを含む。隣接するポリマー区画は、空気区画３００４ｂを挟んでいる。空気区画３００４ｂは、ポリマー区画３００４ａによって挟まれている。空気区画３００４ｂおよびポリマー区画３００４ａは、異なる屈折率を有する。有利に、ポリマー空気表面レリーフブラッグ回折格子３０００は、深いＳＲＧを形成し得る高回折格子深さ３００６ａ対ブラッグフリンジ間隔３００６ｂ比で形成され得る。以前に考察したように、深いＳＲＧは、典型的なＳＲＧ内に存在しない場合がある高いＳ回折効率などの多くの有益な品質を呈し得る。
【0118】
一例では、ポリマー空気表面レリーフブラッグ回折格子３０００は、０．３５μｍ～０．８μｍのブラッグフリンジ間隔３００６ｂと、１μｍ～３μｍの回折格子深さと、を有し得る。いくつかの実施形態では、ポリマー区画３００４ａは、図２に関連して記載されるステップ２０６の間に液晶が完全に除去されないとき、少なくともいくらかの残留液晶を含み得る。いくつかの実施形態では、ポリマーリッチ領域内の残留ＬＣの存在は、最終的なポリマーＳＲＧの屈折率変調を増加させ得る。いくつかの実施形態では、空気区画３００４ｂは、液晶がステップ２０６の間にこれらの空気区画３００４ｂから完全に除去されない場合に、いくらかの残留液晶を含み得る。いくつかの実施形態では、空気区画３００４ｂ内にいくらかの残留液晶を残すことによって、図４～５に関連して記載されるようなハイブリッド回折格子が形成され得る。
【0119】
上で考察したように、多くの実施形態では、本発明はまた、ハイブリッド表面リリーフ／ブラッグ回折格子を作製するための方法を提供する。図４Ａは、本発明の実施形態による、透明基板２１２上に堆積されたモノマーと液晶との混合物２１１がホログラフィック露光ビーム２１３、２１４に曝露されるハイブリッド表面レリーフ回折格子（ハイブリッドＳＲＧ）を作製するための方法のステップで使用され得る装置２１０Ａを概念的に例示している。図４Ｂは、本発明の実施形態による、ホログラフィック露光ビームを使用して、透明基板上に形成されたＨＰＤＬＣブラッグ回折格子２１５からハイブリッドＳＲＧを作製するための方法のステップで使用され得る装置２１０Ｂを概念的に例示している。図４Ｃは、本発明の実施形態による、ＨＰＤＬＣブラッグ回折格子から液晶を除去してポリマー－空気ＳＲＧ２１６を形成する、表面レリーフ回折格子を作製するための方法のステップで使用され得る装置２１０Ｃを概念的に例示している。これらのポリマー－空気ＳＲＧ２１６またはＥＢＧは、深いＳＲＧであってもよい。図４Ａ～４Ｃに例示され、かつこれらに関連して記載されるステップは、ポリマー－空気ＳＲＧを形成するためのプロセスにおいて、図２Ａ～２Ｃに例示され、かつこれらに関連して記載されるステップに概ね対応し、したがって、以前の説明は、図４Ａ～４Ｃに適用可能であることが認識される。
【0120】
加えて、図４Ｄは、ハイブリッド回折格子を形成するために実行され得る追加のステップを概念的に例示している。本発明の実施形態による、表面レリーフ回折格子を少なくとも部分的に液晶で再充填してハイブリッドＳＲＧ２１７を形成する表面レリーフ回折格子を作製するための方法のステップにおいて、装置２１０Ｄを使用することができる。再充填された液晶は、図４Ｃで以前に除去された、以前に除去された液晶とは異なる一貫性を有し得る。さらに、図３Ｃで除去された液晶は、ハイブリッドＳＲＧ２１７を形成する代替的な方法で部分的にのみ除去され得ることが認識される。加えて、図４Ｅは、本発明の実施形態による、図４Ｄに例示されるステップで形成されたハイブリッドＳＲＧ２１７を保護層２１８で被覆する、表面レリーフ回折格子を作製するための方法のステップにおいて使用され得る装置２１０Ｅを概念的に例示している。
【0121】
図５は、本発明の実施形態による、透明基板上に形成されたＨＰＤＬＣブラッグ回折格子からハイブリッド表面レリーフブラッグ回折格子を形成するための例示的な方法を示すフローチャートである。示されるように、ハイブリッド表面レリーフブラッグ回折格子を形成する方法２２０が提供される。フロー図を参照すると、方法２２０は、少なくとも１つのモノマーと少なくとも１つの液晶との混合物を提供すること（２２１）を含む。少なくとも１つのモノマーは、イソシアネート－アクリレートモノマーを含み得る。モノマーと液晶との混合物を提供することはまた、以下のもの：光開始剤、共開始剤、多官能性チオール、および／または追加の添加剤、のうちの１つ以上を、少なくとも１つのモノマーおよび液晶と混合することを含み得る。この混合物は、共開始剤がモノマーとチオールとの間の反応を触媒することを可能にするように、沈静させ得る。沈静期間は、暗い空間または赤色光（例えば、赤外線）のある空間で、およそ８時間にわたる低温（例えば、２０℃）で行われ得る。沈静後、追加のモノマーが、モノマーに混合され得る。次いで、この混合物は、小孔径（例えば、０．４５μｍの孔径）を有するフィルタを通して漉し取るか、または濾過され得る。漉し取った後、この混合物は、コーティングの前に、暗い空間または赤色光のある空間に、室温で保管され得る。
【0122】
次に、透明基板を提供することができる（２２２）。特定の実施形態では、透明基板は、ガラス基板またはプラスチック基板であってもよい。混合物を基板上にコーティングする前に、非粘着性コーティングが、透明基板に被着され得る。基板の表面上に、混合物の層を堆積することができる（２２３）。いくつかの実施形態では、混合物を、内部寸法を維持するためのガラススペーサを使用して、透明基板と別の基板との間に挟む。混合層にホログラフィック記録ビームを当てることができる（２２４）。ホログラフィック記録ビームは、ＬＣおよびポリマーの相分離を引き起こし得る２ビーム干渉パターンであってもよい。ホログラフィック記録ビームを当てた後に、混合物は、硬化され得る。硬化プロセスは、混合物が完全に硬化する下での期間、混合物を低強度白色光の下に放置することを含み得る。低強度白色光はまた、フォトブリーチ色素プロセスを引き起こし得る。したがって、交互するポリマーリッチ領域および液晶リッチ領域を有するＨＰＤＬＣ回折格子を形成することができる（２２５）。いくつかの実施形態では、硬化プロセスは、２時間以下で行われ得る。硬化後、基板のうちの１つは、ＨＰＤＬＣ回折格子を露光することによって除去され得る。
【0123】
ＨＰＤＬＣ回折格子は、液晶リッチ領域およびポリマー領域の交互する区画を含み得る。深いＳＲＧの形態であるポリマー表面レリーフ回折格子またはＥＢＧを形成するために、液晶リッチ領域の液晶を除去することができる（２２６）。液晶は、回折格子をイソプロピルアルコール（ＩＰＡ）などの溶剤中に穏やかに浸漬することによって除去され得る。回折格子がＩＰＡに浸漬されている間、ＩＰＡは、より低い温度に保たれ得る。回折格子は、溶剤から取り出されたそれらであり、乾燥される。いくつかの実施形態では、回折格子は、圧縮空気などの高流量空気源を使用して乾燥される。ＬＣが回折格子から除去された後、ポリマー－空気表面レリーフブラッグ回折格子が形成される。図５のステップ２２１～２２６は、ポリマー－空気ＳＲＧを形成する際の図２に関連して記載されたステップに概ね対応し、したがって、これらの説明は、図５に適用可能である。
【0124】
さらに、方法２２０は、ハイブリッドＳＲＧを形成するために、クリアされた液晶リッチ領域を液晶で少なくとも部分的に再充填すること（２２７）を含む。再充填された液晶は、ステップ２２６で以前に除去された、以前に除去された液晶とは異なる一貫性を有し得る。さらに、ステップ２２６で除去された液晶は、ハイブリッドＳＲＧを形成する代替的な方法で部分的にのみ除去され得ることが認識される。有利に、ハイブリッドＳＲＧは、ＳＲＧの特定の有益な特徴を調整する能力を提供し得る。少なくともいくらかの液晶がＳＲＧ内に含まれることによって改善され得る１つの特定の特徴は、ヘイズ特性の低下である。
【0125】
図４Ｅに示されるように、形成された表面レリーフ回折格子を、保護層でさらに被覆することができる。いくつかの事例では、保護層は、耐傷能力を有する水分および酸素バリアであってもよい。いくつかの事例では、保護層は、かつて除去されたＬＣが存在した空隙領域を充填しないコーティングであってもよい。コーティングは、低温プロセスを使用して堆積され得る。いくつかの実装態様では、保護層は、反射防止（ＡＲ）特性を有し得る。コーティングは、ケイ酸塩または窒化ケイ素であってもよい。コーティングプロセスは、プラズマ処理ナノコーティングプロセスなどのプラズマアシスト化学気相堆積（ＣＶＤ）プロセスによって予め形成され得る。コーティングは、パリレンコーティングであってもよい。保護層は、ガラス層であってもよい。保護層が実装される前に、真空または不活性ガスが、かつて除去されたＬＣが存在したギャップを充填し得る。いくつかの実施形態では、コーティングプロセスは、ＬＣ除去プロセス（２２６）と統合され得る。例えば、コーティング材料は、回折格子からＬＣを洗浄するために使用される溶剤と混合され得る。いくつかの実装態様では、コーティング材料は、ポリマーよりも低いかまたは高い屈折率を有する材料であってもよく、隣接するポリマー部分間の空間を充填することができる。ポリマーとコーティング材料との間の屈折率の差により、ポリマーＳＲＧが回折し続けることが可能になり得る。
【0126】
図１～５は、深いＳＲＧおよびハイブリッド表面レリーフ／ブラッグ回折格子を形成するための特定の方法および装置を例示しているが、異なるステップまたはそのようなステップの修正を実装する様々な製造方法を利用することができる。容易に認識できるように、特定のプロセスは、所与の用途の具体的な要件に依存し得る。例えば、多くの実施形態は、保護層として別の回折格子を利用する。
【0127】
浅いＳＲＧ構造を有するハイブリッドＳＲＧ／ブラッグ回折格子は、低ＳＲＧ回折効率につながり得る。本開示に開示される方法は、ＳＲＧが高い深さ対回折格子ピッチ比を有すると同時に、ブラッグ回折格子が効率的な回折のために十分に厚いことを可能にするように、液晶リッチ領域の液晶の深さを最適化することによって、より効果的なＳＲＧ構造を形成することを可能にする。多くの実施形態では、ハイブリッド回折格子のブラッグ回折格子コンポーネントは、１～３マイクロメートルの範囲の厚さを有することができる。いくつかの実施形態では、ハイブリッド回折格子のＳＲＧコンポーネントは、０．２５～３マイクロメートルの範囲の厚さを有することができる。初期のＨＰＤＬＣ回折格子であれば、最終的なＳＲＧおよびブラッグ回折格子コンポーネントの合計に等しい厚さを有するであろう。容易に認識できるように、２つの回折格子の厚さ比は、導波路の用途に依存し得る。いくつかの実施形態では、ＳＲＧとブラッグ回折格子との組み合わせを使用して、回折格子構造の角度帯域幅を微調整し得る。いくつかの場合、ＳＲＧは、回折格子構造の角度帯域幅を増加させることができる。
【0128】
多くの実施形態では、図４Ａ～４Ｅに示されるハイブリッドＳＲＧでは、回折格子の液晶領域の再充填深さを、回折格子全体にわたって変動させて、空間的に変動する相対ＳＲＧ／ブラッグ回折格子強度を提供することができる。いくつかの実施形態では、ステップ２０６、２２６、および２２７で定義されるような液晶除去および再充填の間、液晶リッチ回折格子領域の液晶を、完全にまたは部分的に除去することができる。いくつかの実施形態では、液晶がクリアされた領域を再充填するか、または部分的に再充填するために使用される液晶は、初期ＨＰＤＬＣ回折格子を形成するために使用される液晶とは異なる化学組成を有することができる。様々な実施形態では、モノマーと同等の相分離特性を有する第１の液晶を、最適な変調および回折格子定義を有するＨＰＤＬＣ回折格子を提供するように指定することができる一方、第２の再充填液晶を、最終的なハイブリッド回折格子において所望の指標変調特性を提供するように指定することができる。いくつかの実施形態では、ハイブリッド回折格子のブラッグ部分は、基板およびカバー層の表面に被着された電極で切り替え可能であり得る。多くの実施形態では、再充填液晶は、限定されるものではないが、スイッチング電圧、スイッチング時間、偏光、透明度、および他のパラメータを改善する特徴を含み得る添加剤を含有することができる。再充填プロセスを使用して形成されるハイブリッド回折格子であれば、ＬＣが（ＬＣ液滴のアセンブリではなく）連続体を形成し、それによってヘイズを低減するというさらなる利点を有するであろう。
【0129】
深いＳＲＧ、ＥＢＧ、および／またはハイブリッドＳＲＧは、Ｓ回折格子およびＰ回折格子の文脈で記載され得るが、これらの回折格子は、多くの他の回折格子タイプに適用可能性を有する。これらとして、限定されるものではないが、角度多重化回折格子、色多重化回折格子、折り返し回折格子、二重相互作用回折格子、回転Ｋベクトル回折格子、交差折り返し回折格子、モザイク状回折格子、チャープ回折格子、空間的に変動する屈折率変調を有する回折格子、空間的に変動する回折格子厚さを有する回折格子、空間的に変動する平均屈折率を有する回折格子、空間的に変動する屈折率変調テンソルを有する回折格子、および空間的に変動する平均屈折率テンソルを有する回折格子が挙げられる。さらに、深いＳＲＧ、ＥＢＧ、および／またはハイブリッドＳＲＧは、それらの特定の実装態様に応じて、切り替え可能または非切り替え可能な回折格子であってもよい。深いＳＲＧ、ＥＢＧ、および／またはハイブリッドＳＲＧは、プラスチック基板またはガラス基板上に作製され得る。また、これらの回折格子は、１つの基板上に作製され、別の基板に移され得る。
【0130】
深いＳＲＧまたはＥＢＧの様々な実装態様の考察
多くの実施形態では、深いＳＲＧは、導波路における偏光を制御するための手段を提供することができる。ＳＢＧは通常、Ｐ偏光選択性であり、ＯＬＥＤおよびＬＥＤなどの非偏光光源では５０％の効率損失につながる。それゆえ、Ｓ偏光回折格子とＰ偏光回折格子とを組み合わせることは、Ｐ回折格子のみを使用する導波路よりも理論的に２倍の改善を提供することができる。いくつかの実施形態では、Ｓ偏光回折格子を、従来のホログラフィックフォトポリマーで形成されたブラッグ回折格子によって提供することができる。いくつかの実施形態では、Ｓ偏光回折格子を、液晶ダイレクタを再配列させるための配列層または他のプロセスを使用して改変された複屈折を有するＨＰＤＬＣに形成されたブラッグ回折格子によって提供することができる。いくつかの実施形態では、Ｓ偏光回折格子を、相分離下でＳ回折格子に自然に組織化する液晶、モノマー、および他の添加剤を使用して形成することができる。多くの実施形態では、Ｓ偏光回折格子をＳＲＧによって提供することができる。上述したプロセスを使用して、液晶とモノマーとの混合物のホログラフィック相分離から形成されたＳＢＧから液晶を除去することによって、高いＳ回折効率（最大９９％）および低いＰ回折効率を呈する深いＳＲＧを形成することができる。
多くの実施形態では、深いＳＲＧは、導波路における偏光を制御するための手段を提供することができる。ＳＢＧは通常、Ｐ偏光選択性であり、ＯＬＥＤおよびＬＥＤなどの非偏光光源では５０％の効率損失につながる。それゆえ、Ｓ偏光回折格子とＰ偏光回折格子とを組み合わせることは、Ｐ回折格子のみを使用する導波路よりも理論的に２倍の改善を提供することができる。いくつかの実施形態では、Ｓ偏光回折格子を、従来のホログラフィックフォトポリマーで形成されたブラッグ回折格子によって提供することができる。いくつかの実施形態では、Ｓ偏光回折格子を、液晶ダイレクタを再配列させるための配列層または他のプロセスを使用して改変された複屈折を有するＨＰＤＬＣに形成されたブラッグ回折格子によって提供することができる。いくつかの実施形態では、Ｓ偏光回折格子を、相分離下でＳ回折格子に自然に組織化する液晶、モノマー、および他の添加剤を使用して形成することができる。多くの実施形態では、Ｓ偏光回折格子をＳＲＧによって提供することができる。上述したプロセスを使用して、液晶とモノマーとの混合物のホログラフィック相分離から形成されたＳＢＧから液晶を除去することによって、高いＳ回折効率（最大９９％）および低いＰ回折効率を呈する深いＳＲＧを形成することができる。
【0131】
深いＳＲＧはまた、他の偏光応答特性を提供することができる。Ｍｏｈａｒａｍによる論文（Ｍ．Ｇ．ｅｔ ａｌ．“Ｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ ｐｈｏｔｏｒｅｓｉｓｔ ｓｕｒｆａｃｅ －ｒｅｌｉｅｆ ｇｒａｔｉｎｇｓ”，Ａｐｐｌｉｅｄ Ｏｐｔｉｃｓ，Ｖｏｌ．２３，ｐａｇｅ ３２１４，Ｓｅｐ １５，１９８４）などのいくつかの先行技術の理論的な研究は、Ｓが支配的であるＳ感度とＰ感度との両方を有する深い表面レリーフ回折格子に指向している。いくつかの実施形態では、深いＳＲＧは、Ｓ偏光応答を提供する能力を例証している。ただし、深いＳＲＧはまた、他の偏光応答特性を提供し得る。多くの実施形態では、Ｓが支配的であるＳ感度とＰ感度との両方を有する深い表面レリーフ回折格子が実装される。いくつかの実施形態では、ＳＲＧの厚さを、多様なＳおよびＰ回折特性を提供するように調節することができる。いくつかの実施形態では、回折効率は、一定のスペクトル帯域幅および角度帯域幅にわたってＰに関して高く、同じスペクトル帯域幅および角度帯域幅にわたってＳに関して低くなり得る。いくつかの実施形態では、回折効率は、一定のスペクトル帯域幅および角度帯域幅にわたってＳに関して高く、同じスペクトル帯域幅および角度帯域幅にわたってＰに関して低くなり得る。いくつかの実施形態では、Ｓ偏光光とＰ偏光光との両方に対して高い効率を提供することができる。０．５３２ミクロンの波長に対して０度の入射角および４５度の回折角を有する、０．４８ミクロン周期の、空気に浸漬された１．６の屈折率のＳＲＧ（それゆえ、１．３の平均の回折格子屈折率を提供する）の理論的解析を図５～７に示す。図５は、１マイクロメートル厚の深いレリーフ回折格子についての、計算されたＰ偏光およびＳ偏光の回折効率対入射角を示すグラフであり、この場合、高いＳおよびＰ応答を達成することができることを例証している。図６は、計算された２マイクロメータ厚の深い表面レリーフ回折格子についての、Ｐ偏光およびＳ偏光の回折効率対入射角を示すグラフであり、この場合、Ｓ偏光応答が回折格子の角度範囲のほとんどにわたって支配的であることを例証している。図７は、３マイクロメートル厚についての、計算されたＰ偏光およびＳ偏光の回折効率対入射角を示すグラフであり、この場合、Ｐ偏光応答が回折格子の角度範囲のかなりの部分にわたって支配的であることを例証している。
【0132】
多くの実施形態では、フォトニック結晶は、ＬＣ抽出プロセスによって形成される反射ブラッグ回折格子または深いＳＲＧであり得る。相分離と続くＬＣ取り除きとを使用して作られた深い反射ＳＲＧは、広い角度およびスペクトル帯域幅を可能にすることができる。多くの実施形態では、現行の入力ＳＢＧを反射フォトニック結晶に取り替えることを使用して、ピクチャ生成ユニット（ＰＧＵ）から導波路への光路を低減することができる。いくつかの実施形態では、ＰＧＵ瞳と導波路とを、接触させることができる。多くの実施形態では、反射深いＳＲＧは、厚さがおよそ３ミクロンであり得る。ＬＣが抽出されたブラッグ回折格子の回折特性は、（典型的なＳＲＧの場合のように、回折格子の深さからではなく）主にポリマーと空気との間の屈折率ギャップから結果として生じる。
【0133】
初期混合物内のチオール添加剤の考察
図９Ａおよび９Ｂは、ポリマー－空気ＳＲＧを作製するために使用される例示的な混合物の比較の散乱電子顕微鏡（ＳＥＭ）画像を例示している。以前に考察したように、初期混合物内のモノマーは、アクリレートまたはチオレン系であってもよい。アクリレート系モノマーなどのいくつかのモノマーでは、ホログラフィック露光後、洗浄中に、溶剤が液晶材料だけでなく不完全なポリマーも除去することが見出されている。多官能性チオール添加剤は、ポリマーを強化し、したがって、溶剤洗浄に耐えるのに十分な強度であることを可能にすることによって、この問題を解決し得ることが見出されている。任意の特定の理論に限定されず、チオール添加剤は、低官能性アクリレートモノマーからなる配合物の機械的強度を向上させることができ、これらのモノマーは、架橋の低減に起因して機械的に弱いポリマーを形成する傾向がある。アクリレートモノマー配合物は、より低ヘイズで高い回折効率を呈し得るため、有利であり得る。したがって、チオールを添加すれば、アクリレートモノマー形成が、ポリマーＳＲＧの作製における実行可能な選択肢となることが可能となり得る。
図９Ａおよび９Ｂは、ポリマー－空気ＳＲＧを作製するために使用される例示的な混合物の比較の散乱電子顕微鏡（ＳＥＭ）画像を例示している。以前に考察したように、初期混合物内のモノマーは、アクリレートまたはチオレン系であってもよい。アクリレート系モノマーなどのいくつかのモノマーでは、ホログラフィック露光後、洗浄中に、溶剤が液晶材料だけでなく不完全なポリマーも除去することが見出されている。多官能性チオール添加剤は、ポリマーを強化し、したがって、溶剤洗浄に耐えるのに十分な強度であることを可能にすることによって、この問題を解決し得ることが見出されている。任意の特定の理論に限定されず、チオール添加剤は、低官能性アクリレートモノマーからなる配合物の機械的強度を向上させることができ、これらのモノマーは、架橋の低減に起因して機械的に弱いポリマーを形成する傾向がある。アクリレートモノマー配合物は、より低ヘイズで高い回折効率を呈し得るため、有利であり得る。したがって、チオールを添加すれば、アクリレートモノマー形成が、ポリマーＳＲＧの作製における実行可能な選択肢となることが可能となり得る。
【0134】
相分離、回折格子形成、および異なる配合物間の機械的強度の間にトレードオフがあり得る。回折格子形成は、ホログラフィック露光中に反応が遅くなり、架橋の形成が少なくなり、かつ非反応性成分（例えば、ＬＣ）のより大きい拡散を許容する低官能性モノマーを含有する混合物から利益を得ることができる。逆に、高官能性モノマーからなる混合物は、より大きい架橋に起因して、より良好な相分離およびポリマー機械的強度を呈し得るが、非反応性成分が拡散するのに十分な時間がなく、したがって、結果としてより低い回折効率を呈し得るほどに急速に反応し得る。
【0135】
任意の特定の理論に限定されず、チオール添加剤は、ホログラフィック露光の前にアクリレートまたはイソシアネート－アクリレートと反応して緩い足場を形成することによって、これらの制限を回避し得る。この足場は、硬化ポリマーの機械的強度および均一性を改善し得る。したがって、この機械的強度は、モノマー混合物の平均の官能性を著しく上昇させて回折格子形成を妨害することなく、チオール官能性および濃度のわずかな調節を通じて調整され得る。
【0136】
図９Ａは、初期混合物を例示しているが、図９Ｂは、１．５重量％のチオールを含む比較混合物を例示している。ただし、チオール添加剤の他の重量百分率も企図される。例えば、チオール添加剤の重量百分率は、１％～４％または１．５％～３％であってもよい。いくつかの実施形態では、多官能性チオールは、トリメチルロールプロパントリス（３－メルカプトプロピオン酸塩）であってもよい。図９Ａおよび９Ｂの両方は、ポリマー高密度領域９０２ａ／９０２ｂ、および空気領域９０４ａ／９０４ｂを含む。例示されるように、添加されたチオールは、図９Ａのポリマー高密度領域９０２ｂよりも、図９Ｂのポリマー高密度領域９０２ａ内に、回折格子性能を向上させ得る、より高密度のポリマー構造を生成し得る。チオール添加剤の重量百分率は、ポリマー構造内に溶剤洗浄に耐えるように安定性を提供するが、液晶を溶剤洗浄中に放出させないように、剛性にしないために、バランスをとられるべきであることが見出されている。
【0137】
ＨＰＤＬＣ回折格子性能とポリマー－空気ＳＲＧ性能との比較
図１０Ａおよび１０Ｂは、ＨＰＤＬＣ回折格子およびポリマーＳＲＧまたはＥＢＧの比較例の画像を例示している。図１０Ａは、液晶が除去されていない例示的なＨＰＤＬＣ回折格子の性能を例示している。図１０Ａの回折格子は、公称またはほぼ０％のＳ回折効率を呈しながら、２０～３０％のＰ回折効率を含む。図１０Ｂは、ＬＣが除去された例示的なポリマー－空気ＳＲＧの性能を例示している。図１０Ｂの回折格子は、５１～７７％のＳ回折効率を呈しながら、１８～２８％のＰ回折効率を含む。したがって、ＬＣが除去されたポリマー－空気ＳＲＧは、同等のＰ回折効率を維持しながら、比較的高いＳ回折効率を例証している。さらに、図１０Ｂの回折格子は、０．１１～０．１５％のＰ回折ヘイズと、０．１２～０．１６％のＳ回折ヘイズと、を含む。
図１０Ａおよび１０Ｂは、ＨＰＤＬＣ回折格子およびポリマーＳＲＧまたはＥＢＧの比較例の画像を例示している。図１０Ａは、液晶が除去されていない例示的なＨＰＤＬＣ回折格子の性能を例示している。図１０Ａの回折格子は、公称またはほぼ０％のＳ回折効率を呈しながら、２０～３０％のＰ回折効率を含む。図１０Ｂは、ＬＣが除去された例示的なポリマー－空気ＳＲＧの性能を例示している。図１０Ｂの回折格子は、５１～７７％のＳ回折効率を呈しながら、１８～２８％のＰ回折効率を含む。したがって、ＬＣが除去されたポリマー－空気ＳＲＧは、同等のＰ回折効率を維持しながら、比較的高いＳ回折効率を例証している。さらに、図１０Ｂの回折格子は、０．１１～０．１５％のＰ回折ヘイズと、０．１２～０．１６％のＳ回折ヘイズと、を含む。
【0138】
図１１Ａおよび１１Ｂは、液晶が除去されていないＨＰＤＬＣ回折格子と、液晶が除去されたポリマーＳＲＧまたはＥＢＧと、の比較例のプロットを例示している。図１１Ａは、液晶が残っているＨＰＤＬＣ回折格子のＰ回折効率およびＳ回折効率を例示している。第１のライン１１０２ａは、Ｐ回折効率に対応し、第２のライン１１０４ａは、Ｓ回折効率に対応する。図１１Ｂは、液晶が除去されたポリマーＳＲＧまたはＥＢＧのＰ回折効率およびＳ回折効率を例示している。第１のライン１１０２ｂは、Ｐ回折効率に対応し、第２のライン１１０４ｂは、Ｓ回折効率に対応する。例示されるように、Ｓ回折効率は、液晶を除去した後に劇的に増加する一方、Ｐ回折効率は、同程度のままである。
【0139】
いくつかの実施形態では、Ｓ回折効率とＰ回折効率との比は、異なる回折格子周期、回折格子スラント角、および回折格子厚さを使用することによって調節され得る。
【0140】
様々な例示的な深いＳＲＧ深さ
図１２Ａおよび１２Ｂは、様々な深さの深いＳＲＧでのＰ回折効率およびＳ回折効率の様々な比較例を例示している。これらのプロットの各々は、回折効率対角度を示す。図１２Ａでは、深いＳＲＧは、およそ１．１μｍの深さを有する。第１のライン１１０２ａは、Ｓ回折効率を表し、第２のライン１１０４ａは、Ｐ回折効率を表す。例示されるように、ピークＳ回折効率は、およそ５８％であり、ピークＰ回折効率は、２３％である。この例では、Ｓ回折のヘイズは、０．１２％であり、Ｐ回折のヘイズは、０．１１％であることが注目される。そのような、低ヘイズでの高回折効率は、およそ１．１μｍの深さを有する深いＳＲＧを、多重化回折格子に特に好適なものとし得る。
図１２Ａおよび１２Ｂは、様々な深さの深いＳＲＧでのＰ回折効率およびＳ回折効率の様々な比較例を例示している。これらのプロットの各々は、回折効率対角度を示す。図１２Ａでは、深いＳＲＧは、およそ１．１μｍの深さを有する。第１のライン１１０２ａは、Ｓ回折効率を表し、第２のライン１１０４ａは、Ｐ回折効率を表す。例示されるように、ピークＳ回折効率は、およそ５８％であり、ピークＰ回折効率は、２３％である。この例では、Ｓ回折のヘイズは、０．１２％であり、Ｐ回折のヘイズは、０．１１％であることが注目される。そのような、低ヘイズでの高回折効率は、およそ１．１μｍの深さを有する深いＳＲＧを、多重化回折格子に特に好適なものとし得る。
【0141】
図１２Ｂでは、深いＳＲＧは、およそ１．８μｍの深さを有する。第１のライン１１０２ｂは、Ｓ回折効率を表し、第２のライン１１０４ｂは、Ｐ回折効率を表す。例示されるように、ピークＳ回折効率は、およそ９２％であり、ピークＰ回折効率は、６３％である。この例では、Ｓ回折のヘイズは、０．３４％であり、Ｐ回折のヘイズは、０．４０％であることが注目される。したがって、Ｓ回折効率とＰ回折効率との両方が、回折格子深さの増加に伴って劇的に増加する。ヘイズは、回折格子深さの増加に伴って増加するように見えることが注目される。
【0142】
混合物中の様々な例示的な初期ＬＣ濃度
図１３Ａおよび１３Ｂは、初期混合物中の様々な初期ＬＣ濃度を有する様々なＥＢＧの比較研究の結果を例示している。図１３Ａは、Ｓ回折効率対角度を例示している。図１３Ｂは、Ｐ回折効率対角度を例示している。図１３Ａでは、第１のライン１２０２ａは、２０％の初期ＬＣ含有量に対応し、第２のライン１２０４ａは、３０％の初期ＬＣ含有量に対応し、第３のライン１２０６ａは、４０％の初期ＬＣ含有量に対応する。図１３Ｂでは、第１のライン１２０２ｂは、２０％の初期ＬＣ含有量に対応し、第２のライン１２０４ｂは、３０％の初期ＬＣ含有量に対応し、第３のライン１２０６ｂは、４０％の初期ＬＣ含有量に対応する。表１は、比較研究の様々な結果の概要を例示している。
図１３Ａおよび１３Ｂは、初期混合物中の様々な初期ＬＣ濃度を有する様々なＥＢＧの比較研究の結果を例示している。図１３Ａは、Ｓ回折効率対角度を例示している。図１３Ｂは、Ｐ回折効率対角度を例示している。図１３Ａでは、第１のライン１２０２ａは、２０％の初期ＬＣ含有量に対応し、第２のライン１２０４ａは、３０％の初期ＬＣ含有量に対応し、第３のライン１２０６ａは、４０％の初期ＬＣ含有量に対応する。図１３Ｂでは、第１のライン１２０２ｂは、２０％の初期ＬＣ含有量に対応し、第２のライン１２０４ｂは、３０％の初期ＬＣ含有量に対応し、第３のライン１２０６ｂは、４０％の初期ＬＣ含有量に対応する。表１は、比較研究の様々な結果の概要を例示している。
【表1】
【0143】
図１３Ａおよび１３Ｂに例示され、かつ表１に特記されるように、最大Ｓ回折および最大Ｐ回折は、Ｓ回折ヘイズおよびＰ回折ヘイズがほぼ一定のままでありながら、より高い初期ＬＣ含有量で両方とも増加するように見える。
【0144】
図１４Ａおよび１４Ｂは、様々な初期ＬＣ濃度の追加の例示的なＳ回折効率およびＰ回折効率を例示している。図１４Ａは、様々な初期ＬＣ含有量を含む様々な例示的なＥＢＧのＳ回折効率を例示している。図１４Ｂは、様々なＬＣ含有量を含む様々な例示的なＥＢＧのＰ回折効率を例示している。図１４Ａおよび１４Ｂの両方について、上から下へ順に、ラインは、３２％ＬＣ含有量、３０％ＬＣ含有量、２８％ＬＣ含有量、２６％ＬＣ含有量、２４％ＬＣ含有量、２２％ＬＣ含有量、および２０％ＬＣ含有量を表す。例示されるように、Ｓ回折効率およびＰ回折効率は、ＬＣ含有量の量に直接関連する（例えば、ＬＣ含有量が高いほど、より高いＳ回折およびＰ回折効率が得られる）。
【0145】
任意の特定の理論に限定されるものではないが、初期ＬＣ含有量は、ホログラフィック露光プロセスおよび重合プロセス中に生じるＬＣとモノマーとの間の相分離の量に関連する。したがって、より高いＬＣ含有量は、洗浄後により多くの空気領域を作るために除去されるＬＣリッチ領域の量を増加させるであろう。増加した空気領域は、空気領域（以前は液晶リッチ領域）とポリマーリッチ領域との間でより大きい屈折率の差（Δｎ）を生じさせ、Ｓ回折効率とＰ回折効率との両方を増加させる。いくつかの実施形態では、ポリマーＳＲＧの平均屈折率を、初期中性物質（例えば、ＬＣ）含有量を調節することによって調節し、それによって、中性物質の除去後のポリマーの体積を増加させるか、または減少させ得る。さらに、初期中性物質含有量を増加させることは、機械的強度に影響を及ぼし得る。したがって、機械的強度の増加または減少のバランスをとるために、チオール添加剤などの機械的強化剤の増加または減少が使用され得る。
【0146】
画像生成器としてのＯＬＥＤアレイを含む実施形態
導波路ディスプレイにおける画像生成器としての有機発光ダイオード（ＯＬＥＤ）アレイの使用への関心が高まっている。ＯＬＥＤは、導波路ディスプレイ用途において多くの利点を有する。発光技術として、ＯＬＥＤは、光源を必要としない。ＯＬＥＤを、大面積にわたって優れた費用対効果で印刷することができる。湾曲したまたは可撓性の基板上に、非矩形画素アレイパターンを印刷することができる。以下で考察するように、画素アレイを予め歪ませて湾曲した焦点面を形成する能力は、導波路によって支持される湾曲した導波路および処方レンズによって引き起こされる、導かれるビーム波面の歪みを補償することを可能にすることができる新しい設計寸法を追加する。４Ｋｘ４Ｋ画素の解像度を有するＯＬＥＤは、短期的にはより高い解像度の見込みを伴って現在入手可能であり、シリコン基板液晶（ＬＣｏＳ）、およびデジタル光処理（ＤＬＰ）デバイスなどの微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）デバイスなどの技術によって提供され得るよりも、高解像度の広視野ＦＯＶ ＡＲディスプレイへのより高速のルートを提供する。ＬＣｏＳに対する別の有意な利点は、ＯＬＥＤが（ＬＣデバイスでのミリ秒と比較して）マイクロ秒で切り替わり得ることである。
導波路ディスプレイにおける画像生成器としての有機発光ダイオード（ＯＬＥＤ）アレイの使用への関心が高まっている。ＯＬＥＤは、導波路ディスプレイ用途において多くの利点を有する。発光技術として、ＯＬＥＤは、光源を必要としない。ＯＬＥＤを、大面積にわたって優れた費用対効果で印刷することができる。湾曲したまたは可撓性の基板上に、非矩形画素アレイパターンを印刷することができる。以下で考察するように、画素アレイを予め歪ませて湾曲した焦点面を形成する能力は、導波路によって支持される湾曲した導波路および処方レンズによって引き起こされる、導かれるビーム波面の歪みを補償することを可能にすることができる新しい設計寸法を追加する。４Ｋｘ４Ｋ画素の解像度を有するＯＬＥＤは、短期的にはより高い解像度の見込みを伴って現在入手可能であり、シリコン基板液晶（ＬＣｏＳ）、およびデジタル光処理（ＤＬＰ）デバイスなどの微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）デバイスなどの技術によって提供され得るよりも、高解像度の広視野ＦＯＶ ＡＲディスプレイへのより高速のルートを提供する。ＬＣｏＳに対する別の有意な利点は、ＯＬＥＤが（ＬＣデバイスでのミリ秒と比較して）マイクロ秒で切り替わり得ることである。
【0147】
ＯＬＥＤは、特定の欠点を有する。それらの基本的な形態では、ＯＬＥＤは、ランバート発光体であり、効率的な光収集をＬＣｏＳおよびＤＬＰマイクロディスプレイよりもはるかに困難にする。ＯＬＥＤの赤色、緑色、および青色のスペクトル帯域幅は、発光ダイオード（ＬＥＤ）のものよりも広く、ホログラフィック導波路でのさらなる光管理問題を提示する。ＯＬＥＤの最も重大な欠点は、Ｐ偏光選択性である傾向があるスイッチ可能ブラッグ回折格子（ＳＢＧ）などのＨＰＤＬＣ回折格子を使用する導波路では、ＯＬＥＤから利用可能な光の半分が無駄になることである。したがって、本発明の多くの実施形態は、非偏光光に対して高い光効率を提供することができる発光非偏光画像源とともに使用するための導波路ディスプレイを対象とし、そのような導波路ディスプレイを製造する関連する方法を対象とする。
【0148】
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既知の光学技術のいくつかの周知の特徴は、本発明の基本原理を曖昧にしないために、省略されるか、または簡略化される。特に明記しない限り、光線またはビーム方向に関連する「軸上」という用語は、本発明に関連して記載される光学構成要素の表面に対して直角の軸に平行な伝播を指す。以下の説明では、光、光線、ビーム、および方向という用語は、直線軌道に沿った電磁放射の伝播の方向を示すために、互換的に、および互いに関連して使用され得る。光および照射という用語は、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。本明細書で使用される場合、回折格子という用語は、いくつかの実施形態では、回折格子のセットから構成された回折格子を包含し得る。例示的目的のために、図面は、特に明記しない限り、縮尺どおりに描かれていないことを理解されたい。
【0149】
ここで、図面を参照すると、本発明の様々な実施形態による、発光入力画像パネルを使用して導波路ディスプレイを提供するための方法および装置が例示されている。図１５は、本発明の実施形態による導波路ディスプレイを概念的に例示している。示されるように、装置１００は、第１の波長帯域のＰ偏光光に対して高回折効率を有する入力回折格子１０２および出力回折格子１０３を支持する導波路１０１と、第１の波長帯域のＳ偏光光に対して高回折効率を有する入力回折格子１０４および出力回折格子１０５と、を含む。
【0150】
装置１００は、第１の波長帯域と、ＯＬＥＤマイクロディスプレイ１０６からの光を視野に投影するためのコリメーションレンズ１０７と、を含む、発光スペクトル帯域幅を有する非偏光光を放出するＯＬＥＤマイクロディスプレイ１０６をさらに含む。例示的な実施形態では、Ｓ回折格子およびＰ回折格子１０２～１０５を、空隙を必要とせずに層状にすることができる。他の実施形態では、回折格子層を、空隙または透明層によって分離することができる。Ｓ回折格子およびＰ回折格子１０２～１０５は、上述した深いＳＲＧまたはＥＢＧであってもよい。
【0151】
図１６は、Ｐ回折格子およびＳ回折格子が空気を隔てて置かれた別個の導波路層に配設されている、本発明の実施形態による導波路ディスプレイを概念的に例示している。示されるように、装置１１０は、空隙１１３によって分離された上部導波路層１１１および下部導波路層１１２（それぞれ、回折格子１０２、１０３および１０４、１０５を支持する）を備える。回折格子１０２、１０３および１０４、１０５は、上述した深いＳＲＧおよびＥＢＧであってもよい。
【0152】
図１７は、本発明の実施形態による、導波路ディスプレイの典型的な光線経路を概念的に例示している。図１７に例示される実施形態１２０では、マイクロディスプレイ１０６は、コリメータレンズ１０７によって視野内にコリメートされ投影される第１の波長帯域の非偏光光１２１を放出するように構成されている。マイクロディスプレイ１０６からのＳ偏光放出を、Ｓ回折入力回折格子１０４によって導波路１０１の全反射経路に結合し、Ｓ回折出力回折格子１０５によって導波路１０１から引き出すことができる。マイクロディスプレイ１０６からのＰ偏光光を、同様の様式で、Ｐ回折入力回折格子および出力回折格子１０２、１０３を使用して内結合し、引き出すことができる。入力回折格子および出力回折格子の空間周波数が一致することを条件に、Ｓ光とＰ光との両方に対して分散を補正することができる。入力回折格子および出力回折格子１０２、１０３は、上述した深いＳＲＧまたはＥＢＧであってもよい。
【0153】
図１５～１７は、特定の導波路ディスプレイ構成を示すが、示されるものに対する修正を含む様々な構成を実装することができ、その特定の実装態様は、所与の用途の特定の要件に依存し得る。さらに、そのようなディスプレイを、いくつかの異なる方法を使用して製造することができる。例えば、多くの実施形態では、２つの回折格子層は、インクジェット印刷プロセスを使用して形成される。
【0154】
多くの実施形態では、導波路は、単色帯域で動作する。いくつかの実施形態では、導波路は、緑色帯域で動作する。いくつかの実施形態では、赤色、緑色、および青色（ＲＧＢ）などの異なるスペクトル帯域で動作する導波路層は、３層導波路構造を提供するために積層することができる。さらなる実施形態では、層は、導波路層間の空隙とともに積層される。様々な実施形態では、導波路層は、２つの導波路層解決策を提供するために、青色－緑色および緑色－赤色などのより広い帯域で動作する。他の実施形態では、格子は、格子層の数を減らすために色多重化される。様々なタイプの格子を、実装することができる。いくつかの実施形態では、各層の少なくとも１つの格子は、スイッチ可能格子である。
【0155】
本発明を、文献に開示されるものを含む、多様な導波路アーキテクチャを使用して適用することができる。多くの実施形態では、導波路は、角度多重化回折格子、色多重化回折格子、折り返し回折格子、二重相互作用回折格子、回転Ｋベクトル回折格子、交差折り返し回折格子、モザイク状回折格子、チャープ回折格子、空間的に変動する屈折率変調を有する回折格子、空間的に変動する回折格子厚さを有する回折格子、空間的に変動する平均屈折率を有する回折格子、空間的に変動する屈折率変調テンソルを有する回折格子、および空間的に変動する平均屈折率テンソルを有する回折格子のうちの少なくとも１つを組み込むことができる。いくつかの実施形態では、導波路は、半波長板、４分の１波長板、反射防止コーティング、ビーム分割層、アライメント層、グレア低減のためのフォトクロミックバック層、およびグレア低減のためのルーバーフィルム、のうちの少なくとも１つを組み込むことができる。いくつかの実施形態では、導波路は、異なる偏光に対して別個の光路を提供する回折格子を支持することができる。様々な実施形態では、導波路は、異なるスペクトル帯域幅のために別個の光路を提供する回折格子を支持することができる。いくつかの実施形態では、本発明で使用するための回折格子は、ＨＰＤＬＣ回折格子、ＨＰＤＬＣに記録されたスイッチング回折格子（そのようなスイッチ可能ブラッグ回折格子）、ホログラフィックフォトポリマーに記録されたブラッグ回折格子、または表面レリーフ回折格子であり得る。
【0156】
多くの実施形態では、導波路ディスプレイは、少なくとも５０°の斜めの画像視野を提供することができる。さらなる実施形態では、導波路ディスプレイは、少なくとも７０°の斜めの画像視野を提供することができる。いくつかの実施形態では、ＯＬＥＤディスプレイは、４０００ニットより大きい輝度および４ｋｘ４ｋ画素の解像度を有することができる。いくつかの実施形態では、導波路は、輝度４０００ニットのＯＬＥＤディスプレイを使用して、４００ニットより大きい画像輝度を提供できるように、１０％より大きい光学効率を有することができる。Ｐ回折格子を実装した導波路ディスプレイは、典型的には、５％～６．２％の導波路効率を有する。上で考察したようにＳ回折格子を提供することは、導波路の効率を２倍増加させることができる。様々な実施形態では、２５ｍｍよりも大きいアイレリーフを伴う１０ｍｍより大きいアイボックスを提供することができる。多くの実施形態では、導波路厚は、２．０～５．０ｍｍであり得る。
【0157】
図１８は、導波路光学表面のうちの少なくとも１つの少なくとも１つの部分が湾曲している、本発明の実施形態による導波路ディスプレイ、および導かれるビーム波面への湾曲した表面部分の効果を概念的に例示している。示されるように、装置１３０は、湾曲した表面部分１３２を支持する導波路１３１を含む。例示的な実施形態では、導波路１３１は、第１の波長帯域のＰ偏光光に対して高回折効率を有する入力回折格子１０２および出力回折格子１０３と、第１の波長帯域のＳ偏光光に対して高回折効率を有する入力回折格子１０４および出力回折格子１０５と、を支持する。画素１３３の矩形アレイを表示するマイクロディスプレイ１０６は、第１の波長帯域の非偏光光１３４を放出し、非偏光光１３４は、コリメータレンズ１０７によってコリメートされ、視野内に投影される。マイクロディスプレイ１０６からのＰ偏光放出を、Ｐ回折入力回折格子１０２によって導波路内の全反射経路に結合し、Ｐ回折出力回折格子１０３によって導波路から引き出すことができる。導波路での任意の非平面表面の存在は、アイボックスから見たときの出力光がデフォーカス、幾何学的歪み、および他の収差を呈するように、導かれた光のウォーターフロントを歪ませることができる。例えば、図１８では、単一の画素からコリメータレンズ１０７によって投影される光は、平面波面１３５を有し、平面波面１３５は、ＴＩＲ経路１３６に沿って導波路１３１を伝播した後、湾曲した出力波面１３９Ａに対して垂直である非平行出力光線１３７～１３９を形成する。一方、完全な平面導波路であれば、代わりに平行ビーム拡大光を提供するであろう。図１９は、導波路基板１４１が２つの重なり合う上部の湾曲した表面１４２および下部の湾曲した表面１４３を支持する導波路のバージョン１４０を概念的に例示している。
【0158】
図２０は、湾曲した表面部分によって導入される収差を、ＯＬＥＤマイクロディスプレイの画素パターンを予め歪ませることによって補正することができる、本発明の実施形態による導波路ディスプレイを概念的に例示している。例示的な実施形態では、導波路装置１５０は、図１８に例示されるものと同様である。示されるように、装置１５０は、予め歪んだ画素パターン１５２を支持するマイクロディスプレイ１５１を含む。マイクロディスプレイによって放出される非偏光の第１の波長光１５３は、レンズ１０７によって集束され、レンズ１０７は、少量だけ予め歪んでいる波面１５４を形成しながら、導波路に入るビームを実質的にコリメートする。内結合と導波路１３１を通る伝播１５５との後、予め歪んだ波面は、湾曲した表面１３２によって集束されて、平面出力波面１５９に対して垂直である平行出力光線１５６～１５８を形成する。
【0159】
図２１は、湾曲した表面部分によって導入される収差を、湾曲した表面上に形成されたＯＬＥＤマイクロディスプレイの画素パターンを予め歪ませることによって補正することができる、本発明の実施形態による導波路ディスプレイを概念的に例示している。湾曲したマイクロディスプレイ基板は、歪んだ画素パターンと関連して、焦点誤差像面湾曲、歪み、および他の収差を補正するのに役立ち得る。例示的な実施形態では、導波路装置１６０は、図１８に例示されるものと同様である。示されるように、湾曲した基板マイクロディスプレイ１６１は、予め歪んだ画素パターン１６４を支持する。マイクロディスプレイによって放出される非偏光の第１の波長光１６３は、レンズ１０７によって集束されて、わずかに予め歪んだ波面１６４を有する実質的にコリメートされた導かれるビームを形成し、このビームは、内結合と導波路１３１を通る伝播１６５との後、平面出力波面１６９に対して垂直である平行出力光線１６６～１６８を形成する。
【0160】
図１８～２１は、湾曲した表面を有する導波路の特定の構成を示すが、多くの他の異なる構成および修正を実装することができる。例えば、そのような実施形態に例示される技術および基礎理論を、眼処方光学表面を支持する導波路に適用することもできる。多くの実施形態では、処方導波路基板を、眼処方眼鏡の製造で使用されるものと同様のプロセスを使用してカスタム製造することができ、標準的なベースライン処方は、個々のユーザ要件に微調整される。いくつかの実施形態では、導波路回折格子を、標準的なベースライン処方でインクジェット印刷することができる。いくつかの実施形態では、ＯＬＥＤディスプレイを、予め歪んだ画素パターンを形成してカスタム印刷することができる。様々な実施形態では、ＯＬＥＤディスプレイを、湾曲したバックプレーン基板上に印刷することができる。いくつかの実施形態では、追加の屈折または回折予補償要素を、導波路によって支持することができる。多くの実施形態では、追加の補正機能を、入力回折格子および出力回折格子のうちの少なくとも１つに符号化することができる。入力回折格子および出力回折格子は、上述した深いＳＲＧもしくはＥＢＧまたはハイブリッド回折格子であってもよく、図１～５に関連して記載される方法で製造され得る。入力回折格子および出力回折格子はまた、図６～８に関連して記載される厚さを有し得る。
【0161】
図２２は、本発明の実施形態による、Ｓ回折格子およびＰ回折格子を含む導波路を使用して、映示のための画像光を投影するための方法を概念的に例示するフローチャートである。示されるように、画像を形成する方法１７０が提供される。フロー図を参照すると、方法１７０は、第１の波長範囲の光を放出するＯＬＥＤアレイと、コリメーションレンズと、第１の波長帯域のＳ偏光光に対して高回折効率を有する入力回折格子および出力回折格子、ならびに第１の波長帯域のＰ偏光光に対して高回折効率を有する入力回折格子および出力回折格子を支持する導波路と、を提供すること（１７１）を含む。いくつかの実施形態では、入力回折格子および出力回折格子は、以前に考察した深いＳＲＧ、ＥＢＧ、またはハイブリッド回折格子であってもよい。ＯＬＥＤアレイによって放出された画像光を、コリメーションレンズを使用してコリメートすることができる（１７２）。Ｓ偏光光を、Ｓ回折入力回折格子を使用して導波路の全反射経路に結合することができる（１７３）。Ｐ偏光光を、Ｐ回折入力回折格子を使用して導波路の全反射経路に結合することができる（１７４）。Ｓ偏光光を、映示のために導波路からビーム拡大し、引き出すことができる（１７５）。Ｐ偏光光を、映示のために導波路からビーム拡大し、引き出すことができる（１７６）。
【0162】
図２３は、本発明の実施形態による、光学処方表面を支持し、かつＳ回折格子およびＰ回折格子を含む導波路を使用して、映示のための画像光を投影するための方法を概念的に例示するフローチャートである。示されるように、画像を形成する方法１８０が提供される。フロー図を参照すると、方法１８０は、第１の波長範囲の光を放出する予め歪んだ画素パターンを有するＯＬＥＤアレイと、コリメーションレンズと、第１の波長帯域中へのＳ偏光光に対して高回折効率を有する入力回折格子および出力回折格子、ならびに第１の波長帯域のＰ偏光光に対して高回折効率を有する入力回折格子および出力回折格子を支持する導波路と、を提供すること（１８１）と、導波路によって支持された処方光学表面をさらに提供すること（１８２）と、を含む。いくつかの実施形態では、入力回折格子および出力回折格子は、以前に考察した深いＳＲＧ、ＥＢＧ、またはハイブリッド回折格子であってもよい。ＯＬＥＤアレイによって放出された画像光を、コリメーションレンズを使用してコリメートすることができる（１８３）。Ｓ偏光光を、Ｓ回折入力回折格子を使用して導波路の全反射経路に結合することができる（１８４）。Ｐ偏光光を、Ｐ回折入力回折格子を使用して導波路の全反射経路に結合することができる（１８５）。予め歪んだ波面を、処方表面で反射することができる（１８６）。処方表面の光学力を使用して、予め歪んだ波面から平面波面を形成することができる（１８７）。Ｓ偏光光を、映示のために導波路からビーム拡大し、引き出すことができる（１８８）。Ｐ偏光光を、映示のために導波路からビーム拡大し、引き出すことができる（１８９）。
【0163】
種々の画素幾何学形状を含む実施形態の考察
本開示で考察される様々な装置は、幾何学的制約およびアレイの実装における実用的な問題によってのみ制限される、多くの異なる幾何学形状の入力画素アレイを有する発光ディスプレイを使用して適用され得る。多くの実施形態では、画素アレイは、非周期的（非反復的）である画素を含むことができる。そのような実施形態では、幾何学形状における非対称性および画素の分布を使用して、導波路からの出力照射の均一性を生成することができる。最適な画素サイズおよび幾何学形状は、出力回折格子および入力回折格子（および使用される場合、折り返し回折格子）を通してアイボックスから画素アレイ上への逆ベクトル光線追跡を使用して決定され得る。本発明では多様な非対称画素パターンを使用することができる。例えば、図２４Ａは、本発明の実施形態による、発光ディスプレイパネルで使用するための異なるサイズおよびアスペクト比の矩形要素２３０Ａ～２３０Ｆを含む画素パターンの部分２３０を概念的に例示している。いくつかの実施形態では、画素アレイは、多角形基底要素の有限集合に基づく非繰り返しパターンに基づき得る。例えば、図２４Ｂは、本発明の実施形態による、発光ディスプレイパネルで使用するためのペンローズタイル２４０Ａ～２４０Ｊを有する画素パターンの部分２４０を概念的に例示している。タイルは、“Ｓｅｔ ｏｆ ｔｉｌｅｓ ｆｏｒ ｃｏｖｅｒｉｎｇ ａ ｓｕｒｆａｃｅ”と題されたＰｅｎｒｏｓｅによる米国特許第４，１３３，１５２号に開示された原理に基づき得る。ハニカムが周知の例である、自然界に存在するパターンを多くの実施形態で使用することもできる。
本開示で考察される様々な装置は、幾何学的制約およびアレイの実装における実用的な問題によってのみ制限される、多くの異なる幾何学形状の入力画素アレイを有する発光ディスプレイを使用して適用され得る。多くの実施形態では、画素アレイは、非周期的（非反復的）である画素を含むことができる。そのような実施形態では、幾何学形状における非対称性および画素の分布を使用して、導波路からの出力照射の均一性を生成することができる。最適な画素サイズおよび幾何学形状は、出力回折格子および入力回折格子（および使用される場合、折り返し回折格子）を通してアイボックスから画素アレイ上への逆ベクトル光線追跡を使用して決定され得る。本発明では多様な非対称画素パターンを使用することができる。例えば、図２４Ａは、本発明の実施形態による、発光ディスプレイパネルで使用するための異なるサイズおよびアスペクト比の矩形要素２３０Ａ～２３０Ｆを含む画素パターンの部分２３０を概念的に例示している。いくつかの実施形態では、画素アレイは、多角形基底要素の有限集合に基づく非繰り返しパターンに基づき得る。例えば、図２４Ｂは、本発明の実施形態による、発光ディスプレイパネルで使用するためのペンローズタイル２４０Ａ～２４０Ｊを有する画素パターンの部分２４０を概念的に例示している。タイルは、“Ｓｅｔ ｏｆ ｔｉｌｅｓ ｆｏｒ ｃｏｖｅｒｉｎｇ ａ ｓｕｒｆａｃｅ”と題されたＰｅｎｒｏｓｅによる米国特許第４，１３３，１５２号に開示された原理に基づき得る。ハニカムが周知の例である、自然界に存在するパターンを多くの実施形態で使用することもできる。
【0164】
多くの実施形態では、画素は、同一の正多角形のアレイを含むことができる。例えば、図２４Ｃは、本発明の実施形態による、六角形要素を有する画素パターンの部分２５０を概念的に例示している。図２４Ｄは、本発明の実施形態による、正方形要素２５０Ａ～２５０Ｃを有する画素パターンの部分２６０を概念的に例示している。図２４Ｅは、本発明の実施形態による、ダイヤモンド形状要素２７０Ａ～２７０Ｄを有する画素パターンの部分２７０を概念的に例示している。図２４Ｆは、本発明の実施形態による、二等辺三角形要素２８０Ａ～２８０Ｈを有する画素パターンの部分２８０を概念的に例示している。
【0165】
多くの実施形態では、画素は、垂直にまたは水平に偏ったアスペクト比を有する。図２４Ｇは、水平に偏ったアスペクト比の六角形要素２９０Ａ～２９０Ｃを有する画素パターンの部分２９０を概念的に例示している。図２４Ｈは、本発明の実施形態による、水平に偏ったアスペクト比の矩形要素３００Ａ～３００Ｄを有する画素パターンの部分３００を概念的に例示している。図２４Ｉは、本発明の実施形態による、水平に偏ったアスペクト比のダイヤモンド形状要素３１０Ａ～３１０Ｄを有する画素パターンの部分３１０を概念的に例示している。図２４Ｊは、本発明の実施形態による、水平に偏ったアスペクト比の三角形要素３２０Ａ～３２０Ｈを有する画素パターンの部分３２０を概念的に例示している。
【0166】
多くの実施形態では、ＯＬＥＤを、ＯＬＥＤのスペクトル放射特性を成形するためのキャビティ形状および多層構造を用いて作製することができる。いくつかの実施形態では、狭スペクトル帯域幅を提供するように最適化されたマイクロキャビティＯＬＥＤを使用することができる。いくつかの実施形態では、スペクトル帯域幅は、４０ｎｍ未満であり得る。いくつかの実施形態では、２０ｎｍ以下のスペクトル帯域幅を提供することができる。いくつかの実施形態では、ＯＬＥＤを、３つの原色のうちの１つに対応する、選択されたスペクトル領域の近くに中心を置く比較的狭い帯域で電気発光放出を提供する材料から作ることができる。図２５は、異なる画素が異なる放射特性を有し得る画素パターンを概念的に例示している。いくつかの実施形態では、画素は、画素アレイにおけるそれらの位置に従って、異なるスペクトル放射特性を有し得る。いくつかの実施形態では、画素は、画素アレイにおけるそれらの位置に従って、異なる角度放射特性を有し得る。いくつかの実施形態では、画素は、画素アレイの全体にわたって空間的に変動するスペクトル放射特性と角度放射特性との両方を有することができる。画素パターンは、図２４Ａ～図２４Ｊに例示されるパターンのいずれかに基づき得る。多くの実施形態では、異なるサイズおよび幾何学形状の画素を、最終的な画像における均一性を制御するための空間放射変動を提供するように配置することができる。
【0167】
多くの実施形態では、ＯＬＥＤは、所与の光分布をカスタマイズされた形態に変換するように設計されたキャビティ構造を有することができる。これは、典型的には、ウェアラブルディスプレイ用途には嵩張り得る二次光学素子によって達成される。そのような設計はまた、最終的な光源が単一の恒久的動作モードに制限されるという問題に苦しみ、これは、機械的に調節可能な光学素子を用いることによってのみ克服することができる。いくつかの実施形態では、ＯＬＥＤは、二次光学素子に依存することなく、かつ任意の機械的調節を使用することなく、ビーム形状のリアルタイム調節を可能にすることができる。いくつかの実施形態では、ＯＬＥＤを、Ｆｒｉｅｓによる論文（Ｆｒｉｅｓ Ｆ．ｅｔ ａｌ，“Ｒｅａｌ－ｔｉｍｅ ｂｅａｍ ｓｈａｐｉｎｇ ｗｉｔｈｏｕｔ ａｄｄｉｔｉｏｎａｌ ｏｐｔｉｃａｌ ｅｌｅｍｅｎｔｓ”，Ｌｉｇｈｔ Ｓｃｉｅｎｃｅ ＆ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ，７（１），１８，（２０１８））に開示されるような任意の設定で高い量子効率を維持しながら、前方軸と軸外の主放射方向との間で連続的に調整することができる。
【0168】
重要なＯＬＥＤ開発、「マイクロキャビティＯＬＥＤ」は、いくつかの実施形態では、より制御されたスペクトル帯域幅および放射角度の可能性を提供し得る。しかしながら、マイクロキャビティＯＬＥＤは、商業的利用の準備がまだできていない。（屈折率変調０．１、平均屈折率１．６５、および４５度の波導における入射角を有する２ミクロン回折格子に対応する）一実施形態では、ＳＢＧの回折効率は、ＯＬＥＤ発光スペクトル全体（ピークポイントの２５％間）にわたって７５％よりも大きい。より深いキャビティ構造を使用したより狭い帯域幅のＯＬＥＤは、帯域幅を４０ｎｍ以下低減するであろう。
【0169】
有利に、本発明は、４６０ｎｍの青色で使用するために最適化されたＯＬＥＤを使用することができ、この青色は、より一般的に使用される４４０ｎｍのＯＬＥＤよりも、昼間のＡＲディスプレイ用途におけるより優れた青色コントラスト、ならびにより優れた信頼性および寿命を提供する。
【0170】
いくつかの実施形態では、発光ディスプレイは、Ｋｏｐｉｎ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ（Ｗｅｓｔｂｏｒｏｕｇｈ、ＭＡ）によって開発されたものと同様のＯＬＥＤフルカラーシリコンバックプレーンマイクロディスプレイであり得る。Ｋｏｐｉｎマイクロディスプレイは、０．９９インチの画像対角および２４９０画素／インチの画素密度を提供する。このマイクロディスプレイは、Ｋｏｐｉｎの特許権利化されたＰａｎｔｉｌｅ（商標）拡大レンズを使用して、コンパクトなフォームファクターを可能にする。
【0171】
本発明について、入力画像源としてＯＬＥＤマイクロディスプレイを使用する実施形態の観点から考察してきたが、多くの他の実施形態では、本発明を、任意の他のタイプの発光マイクロディスプレイ技術とともに適用することができる。いくつかの実施形態では、発光マイクロディスプレイは、マイクロＬＥＤであり得る。マイクロＬＥＤは、電力消費の低減から利益を得、ＯＬＥＤディスプレイよりも高い明るさで効率的に動作することができる。しかしながら、マイクロＬＥＤは、元来、典型的にはＬＥＤの色を変換するために使用されるモノクロ蛍光体であり、小さいサイズには十分にスケールせず、マイクロディスプレイ用途にスケールダウンすることが困難な、より複雑であるデバイスアーキテクチャにつながる。
【0172】
ポリマー回折格子構造について、ＯＬＥＤアレイベースの導波路ディスプレイ内での使用の観点から考察してきたが、ポリマー回折格子構造は、他のクラスのディスプレイとの有利な相乗効果の用途を有する。これらのディスプレイの例としては、ＬＣｏＳおよびＭＥＭＳベースのディスプレイなどの非発光ディスプレイ技術を使用する画像生成器が挙げられる。ＬＣｏＳベースのディスプレイは、典型的には、ポリマー回折格子構造の偏光ベースの利点を適用性の低いものにし得る偏光光を放出するが、ポリマー回折格子構造は、従来の刷り込み回折格子よりも有利な効率および製造コストの節減を提供し得る。さらに、ポリマー回折格子構造は、導波路センサーおよび／または導波路照射デバイスなどの様々な他の非ディスプレイ導波路ベースの実装態様において適用可能であり得る。
【0173】
均等論
上記の説明は、本発明の多くの具体的実施形態を包含するが、これらは、本発明の範囲の限定として解釈されるべきではなく、むしろ、その一実施形態の実施例として解釈されるべきである。したがって、本発明が、本発明の範囲および趣旨から逸脱することなく、具体的に記載された方法以外の方法で実施され得ることを理解されたい。このように、本発明の実施形態は、あらゆる点で例示的であり、限定的ではないと見なされるべきである。したがって、本発明の範囲は、例示された実施形態によってではなく、添付の特許請求の範囲およびそれらの均等物によって決定されるべきである。
上記の説明は、本発明の多くの具体的実施形態を包含するが、これらは、本発明の範囲の限定として解釈されるべきではなく、むしろ、その一実施形態の実施例として解釈されるべきである。したがって、本発明が、本発明の範囲および趣旨から逸脱することなく、具体的に記載された方法以外の方法で実施され得ることを理解されたい。このように、本発明の実施形態は、あらゆる点で例示的であり、限定的ではないと見なされるべきである。したがって、本発明の範囲は、例示された実施形態によってではなく、添付の特許請求の範囲およびそれらの均等物によって決定されるべきである。
【図1A】
【図1B】
【図1C】
【図1D】
【図2】
【図3】
【図4A】
【図4B】
【図4C】
【図4D】
【図4E】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9A】
【図9B】
【図10A】
【図10B】
【図11A-11B】
【図12A-12B】
【図13A-13B】
【図14A-14B】
【図15】
【図16】
【図17】
【図18】
【図19】
【図20】
【図21】
【図22】
【図23】
【図24A】
【図24B】
【図24C】
【図24D】
【図24E】
【図24F】
【図24G】
【図24H】
【図24I】
【図24J】
【図25】
【国際調査報告】