JP2022513896A - 単一格子層のカラーホログラフィック導波管ディスプレイを提供するための方法および装置 - Google Patents

Abstract

導波管ディスプレイは、単一格子層を支持する、導波管と、データ変調された光の源と、源からの光の第１のスペクトル帯域を第１の導波管瞳の中に指向するための第１の入力結合器と、源からの光の第２のスペクトル帯域を第２の導波管瞳の中に指向するための第２の入力結合器と、多重化された第１および第２の格子を備える、出力結合器と、第１のスペクトル帯域を第１の経路に沿って第１の瞳から出力結合器に指向し、第１のビーム拡張を提供するための少なくとも１つの折畳格子と、第２のスペクトル帯域を第２の経路に沿って第２の瞳から出力結合器に指向し、第１のビーム拡張を提供するための少なくとも１つの折畳格子とを備える。

Description

本発明は、概して、導波管デバイスに関し、より具体的には、カラーホログラフィック導波管ディスプレイに関する。

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。導波管の１つのクラスは、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。

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。

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つまたはそれを上回る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」）ならびに仮想現実（「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。

多くの実施形態は、２次元ビーム拡張および光抽出を提供することが可能なフルカラーディスプレイを実装するように構成される、導波管ディスプレイを対象とする。例えば、多くの実施形態は、単一格子層を支持する、導波管と、該導波管に光学的に結合される、データ変調された光の源と、該源からの光の第１のスペクトル帯域を第１の導波管瞳の中に指向するための第１の入力結合器と、該源からの光の第２のスペクトル帯域を第２の導波管瞳の中に指向するための第２の入力結合器と、多重化された第１および第２の格子を備える、出力結合器とを含む、種々のコンポーネントを有する、導波管ディスプレイを対象とする。加えて、多くの実施形態は、第１のビーム拡張を提供する、第１のスペクトル帯域を第１の経路に沿って第１の瞳から出力結合器に指向するための少なくとも１つの折畳格子を含む。少なくとも１つの折畳格子は、第２のスペクトル帯域を第２の経路に沿って第２の瞳から出力結合器に指向し、第１のビーム拡張を提供するために使用されることができる。第１の多重化された格子は、第１のスペクトル帯域を、導波管から外に、第１の方向に、第１のビーム拡張に直交するビーム拡張を伴って、指向することができる。第２の多重化された格子は、第２のスペクトル帯域を、導波管から外に、第１の方向に、第１のビーム拡張に直交するビーム拡張を伴って、指向することができる。

他の実施形態では、第１および第２の入力結合器はそれぞれ、プリズムおよび格子のうちの少なくとも１つを備える。

さらに他の実施形態では、第１の入力結合器は、第１のプリズムを備え、該第２の入力結合器は、第２のプリズムを備え、該第１および第２のプリズムは、該導波管の一般的光伝搬方向に沿って配置される。

さらに他の実施形態では、第１の入力結合器は、第１のプリズムを備え、該第２の光入力結合器は、第２のプリズムを備え、該第１および第２のプリズムは、該導波管の一般的光伝搬方向に直交する方向に沿って配置される。

なおもさらに他の実施形態では、第１の入力結合器は、第１の格子を備え、該第２の入力結合器は、第２の格子を備え、該第１および第２の格子は、該導波管の一般的光伝搬方向に沿って配置される。

他の実施形態では、第１の入力結合器は、第１の格子を備え、該第２の入力結合器は、第２の格子を備え、該第１および第２の格子は、該導波管の一般的光伝搬方向に直交する方向に沿って配置される。

さらに他の実施形態では、第１の入力結合器は、プリズムと、第１の格子とを備え、該第２の入力結合器は、該プリズムと、第２の格子とを備え、該第１および第２の格子は、該導波管の一般的光伝搬方向に沿って配置される。

さらに他の実施形態では、第１の入力結合器は、プリズムと、第１の格子とを備え、該第２の入力結合器は、該プリズムと、第２の格子とを備え、該第１および第２の格子は、該導波管の一般的光伝搬方向に直交する方向に沿って配置される。

なおもさらに他の実施形態では、第１の入力結合器は、プリズムと、第１の格子とを備え、該第２の入力結合器は、該プリズムと、第２の格子とを備え、該第１および第２の格子は、多重化される。

他の実施形態では、折畳格子は、多重化され、該導波管からの光の２次元ビーム拡張および抽出を実施するための処方を有する。

さらに他の実施形態では、折畳格子は、瞳拡張を第１の方向に提供するように構成され、該出力格子は、瞳拡張を該第１の方向と異なる第２の方向に提供するように構成される。

さらに他の実施形態では、源は、少なくとも１つのＬＥＤを備える。

なおもさらに他の実施形態では、源は、該第１のスペクトル帯域のピーク波長に向かってバイアスされるスペクトル出力を有する、少なくとも１つのＬＥＤと、該第２のスペクトル帯域のピーク波長に向かってバイアスされるスペクトル出力を有する、少なくとも１つのＬＥＤとを備える。

他の実施形態では、該格子のうちの少なくとも１つは、回転ｋベクトル格子である。

さらに他の実施形態では、光は、該折畳格子のうちの少なくとも１つ内で二重相互作用を受ける。

さらに他の実施形態では、データ変調された光の源は、画像ピクセルを表示するためのマイクロディスプレイと、該マイクロディスプレイ上の各画像ピクセルが該第１の導波管内で一意の角度方向に変換されるように、該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ためのコリメーション光学系とを有する。

なおもさらに他の実施形態では、少なくとも１つの格子は、空間的に変動するピッチを有する。

他の実施形態では、入力結合器、折畳格子、および該出力格子のうちの少なくとも１つは、ホログラフィックフォトポリマー、ＨＰＤＬＣ材料、または均一変調ホログラフィック液晶ポリマー材料内に記録される、切替可能なブラッグ格子、もしくは表面レリーフ格子のうちの１つである。

さらに他の実施形態では、第１および第２の入力結合器はそれぞれ、少なくとも１つの格子を備え、該第１および該入力結合器のそれぞれの該少なくとも１つの格子、該折畳格子、ならびに該第１および第２の多重化された格子は、単一格子層内に配置される。

他の実施形態は、カラー画像を表示する方法であって、
ａ）単一格子層を支持する、導波管と、光源と、第１の入力結合器と、第２の入力結合器と、多重化された第１および第２の格子を備える、出力結合器と、第１の折畳格子と、第２の折畳格子とを提供するステップと、
ｂ）該第１の入力結合器を介して、第１のスペクトル帯域を該源から第１の導波管瞳の中に指向するステップと、
ｃ）該第２の入力結合器を介して、第２のスペクトル帯域を該源から第２の導波管瞳の中に指向するステップと、
ｄ）該第１の折畳格子を用いて、該第１のスペクトル帯域光をビーム拡張させ、それを該出力結合器上に再指向するステップと、
ｅ）該第２の折畳格子を用いて、該第２のスペクトル帯域光をビーム拡張させ、それを該出力結合器上に再指向するステップと、
ｆ）該第１の多重化された格子を用いて、ビーム拡張させ、導波管から、該第１のスペクトル帯域光を抽出するステップと、
ｇ）該第２の多重化された格子を用いて、ビーム拡張させ、導波管から、該第２のスペクトル帯域光を抽出するステップと、
を含む、方法を含む。

他の実施形態は、単一格子層を支持する、導波管を伴う、導波管ディスプレイを含む。加えて、導波管ディスプレイは、源からの光の第１のスペクトル帯域を第１の導波管瞳の中に指向するための第１の入力結合器を伴う、導波管に光学的に結合される、画像変調された光の源を含んでもよい。導波管ディスプレイはまた、源からの光の第２のスペクトル帯域を第２の導波管瞳の中に指向するための第２の入力結合器を有してもよい。加えて、該第１および第２のスペクトル帯域を回折するための第１および第２の折畳格子は、それぞれ、第１および第２の帯域を導波管から外に回折するために、それぞれ、多重化された第１および第２の格子を備える、出力結合器と併用されてもよい。

他の実施形態は、多くの実施形態におけるような第１の導波管ディスプレイと、第２の導波管ディスプレイとを伴う、明視野ディスプレイを含む。第１および第２の導波管の入力結合器および出力結合器は、重複し、第１の導波管ディスプレイ内の少なくとも１つの格子は、第１の導波管から抽出された光を第１の焦点平面に集束させるための屈折力を有し、該第２の導波管ディスプレイ内の少なくとも１つの格子は、該第１の導波管から抽出された光を第２の焦点平面に集束させるための屈折力を有し、第１の導波管ディスプレイおよび第２の導波管ディスプレイの入力結合器はそれぞれ、回折状態と非回折状態との間で切替可能な格子を有する。

さらに他の実施形態では、第１の導波管ディスプレイの格子は、第２の導波管ディスプレイの格子がその非回折状態にあるとき、第１の焦点平面を視認するために、画像変調された光を内部結合するためのその回折状態にあって、第２の導波管ディスプレイの格子は、第１の導波管ディスプレイの格子がその非回折状態にあるとき、第２の焦点平面を視認するために、第２の画像変調された光を内部結合するためのその回折状態にある。

説明は、本発明の例示的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１は、概念上、本発明のある実施形態による、プリズムと、空間的に分離された入力格子とを含む、入力結合器を支持する、単一層導波管を有する、導波管ディスプレイの基本構想図を図示する。

図２は、概念上、本発明のある実施形態による、プリズムと、多重化された入力格子とを含む、入力結合器を支持する、単一層導波管を有する、導波管ディスプレイの基本構想図を図示する。

図３は、概念上、本発明のある実施形態による、空間的に分離された入力格子を含む、入力結合器を支持する、単一層導波管を有する、導波管ディスプレイの基本構想図を図示する。

図４は、概念上、本発明のある実施形態による、多重化された入力格子を含む、入力結合器を支持する、単一層導波管を有する、導波管ディスプレイの基本構想図を図示する。

図５および６は、概念上、本発明の種々の実施形態による、第１および第２の空間的に分離された入力プリズムを支持する、単一層導波管を有する、導波管ディスプレイの基本構想図を図示する。 図５および６は、概念上、本発明の種々の実施形態による、第１および第２の空間的に分離された入力プリズムを支持する、単一層導波管を有する、導波管ディスプレイの基本構想図を図示する。

図７は、概念上、本発明のある実施形態による、空間的に分離された入力格子と、２次元ビーム拡張および導波管からのビーム抽出の二重機能を組み合わせる、多重化された対の格子とを伴う、導波管を有する、導波管ディスプレイの基本構想図を図示する。

図８は、概念上、本発明のある実施形態による、単一格子層を使用して、２次元ビーム拡張を伴うカラー導波管ディスプレイを提供する方法を図示する、フロー図を図示する。

図９は、概念上、本発明のある実施形態による、単一層のカラー導波管のスタックを有する、明視野ディスプレイの概略断面図を図示する。

図１０Ａは、概念上、本発明のある実施形態による、第１の範囲における視認可能画像の形成に対応する、明視野ディスプレイの第１の動作状態を示す、概略断面図を図示する。

図１０Ｂは、概念上、本発明のある実施形態による、第２の範囲における視認可能画像の形成に対応する、明視野ディスプレイの第２の動作状態を示す、概略断面図を図示する。

図１１Ａおよび１１Ｂは、概念上、本発明のある実施形態による、格子の例示的セットの格子幾何学形状を図示する。 図１１Ａおよび１１Ｂは、概念上、本発明のある実施形態による、格子の例示的セットの格子幾何学形状を図示する。

図１２および１３は、概念上、本発明のある実施形態による、入力格子と、折畳格子と、出力格子とを有する、単一格子層を使用してカラー画像を提供するための導波管の平面図を図示する。 図１２および１３は、概念上、本発明のある実施形態による、入力格子と、折畳格子と、出力格子とを有する、単一格子層を使用してカラー画像を提供するための導波管の平面図を図示する。

図１４は、概念上、本発明のある実施形態による、照明の赤色－緑色および緑色－青色帯域が、導波管の中への入射に応じて、空間的に剪断されるように、照明を赤色、緑色、および青色源から導波管の中に結合するためのダイクロイックプリズムシステムの断面図を図示する。

図１５は、本発明のある実施形態による、照明原色を提供するために組み合わせて使用される、類似ピーク波長の２つのＬＥＤのスペクトルを図示する、グラフである。

図１６は、概念上、本発明のある実施形態による、赤色－緑色および緑色－青色帯域を提供するように空間的に剪断される照明を受光するように構成される、回転ｋベクトル入力格子の概略断面図を図示する。

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することを回避するために、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、直線軌道に沿った光エネルギーの伝搬の方向を示し得る。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。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。例えば、ある図面における寸法は、誇張されている。

ここで図面に目を向けると、カラーホログラフィック導波管ディスプレイおよび関連製造方法が、図示される。導波管ディスプレイは、限定ではないが、ＡＲおよびＶＲのためのＨＭＤ、ヘルメット搭載型ディスプレイ、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）、自動立体視ディスプレイ、および他の３Ｄディスプレイを含む、多くの異なる用途において使用されることができる。加えて、類似技術は、例えば、眼追跡器、指紋スキャナ、およびＬＩＤＡＲシステム等の導波管センサ内に適用されることができる。導波管製造、特に、カラー導波管製造は、高価であって、かついくつかの要因に起因して、低収率を受けやすくあり得る。１つのそのような寄与影響は、フルカラーディスプレイにおいて必要とされる、別個の赤色、緑色、青色導波管層を整合させる際の難点である。これは、フルカラーを実装するために使用される導波管層の数を低減させることによって、有意な範囲まで軽減されることができる。例えば、フルカラー導波管ディスプレイは、一方が、青色－緑色を透過させ、他方が、緑色－赤色を透過させる、２つの導波管層を使用して、実装されることができる。理想的には、ディスプレイは、可能な限り少数の導波管層を有するべきである。しかしながら、ブラッグ格子の単一構成は、典型的には、完全視覚的スペクトル帯域幅にわたって、効率的に動作することができない。故に、単一格子層を使用してフルカラーディスプレイを実装することは、困難であり得る。したがって、本発明の多くの実施形態は、格子の異なる構成を単一格子層内で利用し、２次元ビーム拡張および光抽出を提供することが可能なフルカラー導波管を実装することを対象とする。

多くの実施形態では、導波管ディスプレイは、単一格子層を有する、導波管を含むように実装される。導波管ディスプレイはさらに、導波管に光学的に結合される、データ変調された光の源と、源からの光の第１のスペクトル帯域を第１の導波管瞳の中に指向するための第１の入力結合器と、源からの光の第２のスペクトル帯域を第２の導波管瞳の中に指向するための第２の入力結合器とを含むことができる。光源は、ＬＥＤまたはレーザのうちの少なくとも１つを含むことができる。いくつかの実施形態では、源は、別個の赤色、緑色、および青色エミッタを含む。いくつかの実施形態では、導波管ディスプレイは、多重化された第１および第２の格子を有する、出力結合器と、第１のスペクトル帯域を第１の経路に沿って第１の瞳から出力結合器に指向するための少なくとも１つの折畳格子と、第２のスペクトル帯域を第２の経路に沿って第２の瞳から出力結合器に指向するための少なくとも１つの折畳格子とを含む。これらの折畳格子は、その個別のスペクトル帯域のための第１のビーム拡張を提供するように構成されることができる。出力結合器に関して、第１の多重化された格子は、第１のスペクトル帯域を、導波管から外に、第１の方向に、第１のビーム拡張に直交するビーム拡張を伴って、指向するように構成されることができ、第２の多重化された格子は、第２のスペクトル帯域を、導波管から外に、第１の方向に、第１のビーム拡張に直交するビーム拡張を伴って、指向するように構成されることができる。

本発明の種々の実施形態による、導波管ディスプレイは、多くの異なる方法において、実装および構成されることができる。いくつかの実施形態では、導波管ディスプレイは、湾曲される、二重軸ビーム拡張導波管として実装される。

単一層の導波管ディスプレイ、カラー導波管ディスプレイ、材料、および関連製造方法は、下記にさらに詳細に議論される。
（導波管ディスプレイ）

本発明の種々の実施形態による、導波管ディスプレイは、多くの異なる方法において、実装および構成されることができる。例証的および簡略化目的のために、一般的伝搬方向は、本開示全体を通して、左から右に議論される。容易に理解され得るように、導波管構成および光伝搬方向は、具体的用途に応じて、適宜、構成されることができる。本開示に説明される、単一層のカラー導波管アーキテクチャは、多層アーキテクチャに優る、いくつかの主要な利点を有する。第１の利点は、複数の層の組立および整合が、要求されず、改良された収率ならびにより低い製造コストにつながることである。第２の利点は、単一暴露プロセスを使用した加工の間の単一層のみが要求されることに起因した、低減された加工複雑性である。これは、暴露スループット時間の低減、故に、低減されたコストにつながる。本発明の原理は限定ではないが、ＨＵＤおよびＨＭＤを含む、種々の導波管ディスプレイならびにセンサ用途に適用されることができる。本発明は、単一層のカラー導波管に対処するが、本明細書に開示される実施形態および教示の多くはまた、モノクロ導波管にも適用されることができる。

多くの実施形態では、導波管ディスプレイは、光源と、入力結合器と、出力結合器とを含むことができる。入力結合器は、プリズムおよび入力格子のうちの少なくとも１つを含むことができる。いくつかの実施形態では、出力結合器は、出力格子を使用して実装される。さらなる実施形態では、導波管ディスプレイは、折畳格子を含むことができる。いくつかの実施形態では、引用される参考文献に開示される実施形態および教示によると、折畳格子はそれぞれ、瞳拡張を第１の方向に提供し、全内部反射を介して、光を出力格子に指向するように構成され、出力格子は、瞳拡張を第１の方向と異なる第２の方向に提供するように構成される。折畳格子を使用することによって、導波管デバイスは、いくつかの実施形態によると、有利なこととして、情報を表示する従来のシステムおよび方法より少ない層を要求する。加えて、光は、折畳格子を使用することによって、全内部反射によって、二重瞳拡張を達成しながら、導波管外面によって画定された単一直角プリズムにおける導波管内を進行することができる。

多くの実施形態では、入力、折畳、または出力格子のうちの少なくとも１つは、２つまたはそれを上回る角度回折処方を組み合わせ、角度帯域幅を拡張させることができる。同様に、いくつかの実施形態では、入力、折畳、または出力格子のうちの少なくとも１つは、２つまたはそれを上回るスペクトル回折処方を組み合わせ、スペクトル帯域幅を拡張させることができる。例えば、カラーの多重化された格子は、原色のうちの２つまたはそれを上回るものを回折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、格子層は、ともにラミネートされ、単一基板導波管を形成する、入力結合器、折畳格子、および出力格子（またはその一部）を含む、いくつかの部品を含む。部品は、光学糊または部品のものに合致する他の透明屈折率材料によって分離されることができる。いくつかの実施形態では、格子層は、入力結合器、折畳格子、および出力格子毎に、所望の格子厚さのセルを作成し、各セルをＳＢＧ材料で真空充填することによって、セル作製プロセスを介して、形成されることができる。多くの実施形態では、セルは、入力結合器、折畳格子、および出力格子のための所望の格子厚さを画定する、ガラスのプレート間の間隙を伴って、ガラスの複数のプレートを位置付けることによって形成される。いくつかの実施形態では、１つのセルは、別個の開口がＳＢＧ材料の異なるポケットで充填されるように、複数の開口とともに作製されることができる。任意の介在空間が、次いで、別個の面積を画定するための分離材料（例えば、糊、油等）によって分離されることができる。いくつかの実施形態では、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、第２の基板によって被覆されることができる。

ディスプレイ用途を対象とする、多くの実施形態では、折畳格子は、導波管平面内に対角線方向にその格子ベクトルを伴って、配向（クロック）されることができる。これは、折畳された光のための適正な角度帯域幅を確実にする。しかしながら、本発明のいくつかの実施形態は、他のクロック角度を利用して、ディスプレイの人間工学的設計に生じ得る、格子の位置付けに関する空間制約を満たすことができる。格子ベクトル配向角度は、「クロック角度」と称され得る。いくつかの実施形態では、各折畳格子の縦方向縁は、各折畳格子がディスプレイ光の伝搬方向に対して対角線上に設定されるように、入力結合器の整合の軸に対して斜めである。折畳格子は、入力結合器からの光が出力格子に再指向されるように、角度付けられる。一実施例では、折畳格子は、ディスプレイ画像が入力結合器から放出される方向に対して、４５度の角度に設定される。本特徴は、折畳格子を辿って伝搬するディスプレイ画像を出力格子の中に旋回させることができる。例えば、いくつかの実施形態では、折畳格子は、画像を出力格子の中に９０度旋回させる。このように、単一導波管は、水平および垂直方向の両方における２軸瞳拡張を提供することができる。いくつかの実施形態では、折畳格子はそれぞれ、部分的回折構造を有することができる。出力格子は、全内部反射を介して、画像光を折畳格子から受光し、第２の方向における瞳拡張を提供する。出力格子は、瞳拡張を第１の方向と異なる第２の方向に提供し、光を導波管の第１の表面または第２の表面から出射させるように構成されることができる。

多くの実施形態では、折畳格子角度帯域幅は、誘導される光と格子の二重相互作用を促進するための格子処方を設計することによって、向上されることができる。二重相互作用折畳格子の例示的実施形態は、「ＷＡＶＥＧＵＩＤＥ ＧＲＡＴＩＮＧ ＤＥＶＩＣＥ」と題された、米国特許第出願第１４／６２０，９６９号（その開示は、参照することによって本明細書に組み込まれる）に開示される。いくつかの実施形態では、上記に議論される原理に基づく導波管は、赤外線帯域内で動作する。いくつかの実施形態では、入力、折畳、または出力格子のうちの少なくとも１つは、表面レリーフ構造に基づくことができる。

上記に議論されるように、本発明の種々の実施形態による、導波管ディスプレイは、光源を含むことができる。いくつかの実施形態では、上記の導波管実施形態と併用される、データ変調された光の源は、マイクロディスプレイを組み込む、入力画像ノード（ＩＩＮ）を含む。入力格子は、コリメートされた光をＩＩＮから受光し、光を、導波管内で、第１の表面と第２の表面との間の全内部反射を介して、折畳格子に進行させるように構成されることができる。典型的には、ＩＩＮは、マイクロディスプレイパネルに加え、ディスプレイパネルを照明し、反射された光を分離し、それを要求されるＦＯＶの中にコリメートするために必要とされる、光源および光学コンポーネントを統合する。マイクロディスプレイ上の各画像ピクセルは、第１の導波管内で一意の角度方向に変換されることができる。種々のマイクロディスプレイ技術のいずれかが、利用されることができる。いくつかの実施形態では、マイクロディスプレイパネルは、液晶デバイスまたは微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）デバイスであることができる。いくつかの実施形態では、マイクロディスプレイは、有機発光ダイオード（ＯＬＥＤ）技術に基づくことができる。そのような発光型デバイスは、典型的には、別個の光源を要求せず、したがって、より小さい形状因子の利点をもたらすであろう。いくつかの実施形態では、ＩＩＮは、走査型変調レーザに基づくことができる。ＩＩＮは、いくつかの実施形態によると、各ディスプレイ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。ＩＩＮ内に含有されるコリメーション光学系は、レンズと、ミラーとを含むことができ、これは、回折レンズおよびミラーであることができる。いくつかの実施形態では、ＩＩＮは、「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（その開示は、参照することによって本明細書に組み込まれる）に開示される実施形態および教示に基づくことができる。いくつかの実施形態では、ＩＩＮは、光をマイクロディスプレイ上に指向し、反射された光を導波管に向かって透過させるためのビームスプリッタを含有する。いくつかの実施形態では、ビームスプリッタは、ＨＰＤＬＣ内に記録される格子であって、そのような格子の固有の偏光選択性を使用して、ディスプレイを照明する光と、ディスプレイから反射された画像変調された光とを分離する。いくつかの実施形態では、ビームスプリッタは、偏光ビームスプリッタ立方体である。

多くの実施形態では、ＩＩＮは、スペックル除去器を組み込む。有利なこととして、スペックル除去器は、「ＬＡＳＥＲ ＩＬＬＵＭＩＮＡＴＩＯＮ ＤＥＶＩＣＥ」と題された、米国特許第ＵＳ８，５６５，５６０号（その開示は、参照することによって本明細書に組み込まれる）の実施形態および教示に基づく、ホログラフィック導波管デバイスである。光源は、レーザまたはＬＥＤであることができ、照明ビーム角度特性を修正するための１つまたはそれを上回るレンズを含むことができる。スペックル除去器の使用は、特に、源が、レーザであって、画像源が、レーザ照明マイクロディスプレイまたはレーザベースの発光型ディスプレイである場合、重要である。ＬＥＤは、レーザより良好な均一性を提供するであろう。レーザ照明が、使用される場合、照明干渉縞が導波管出力に生じるリスクが存在する。いくつかの実施形態では、導波管内のレーザ照明干渉縞は、「ＭＥＴＨＯＤ ＡＮＤ ＡＰＰＡＲＡＴＵＳ ＦＯＲ ＧＥＮＥＲＡＴＩＮＧ ＩＮＰＵＴ ＩＭＡＧＥＳ ＦＯＲ ＨＯＬＯＧＲＡＰＨＩＣ ＷＡＶＥＧＵＩＤＥ ＤＩＳＰＬＡＹＳ」と題された、米国仮特許出願第６２／０７１，２７７号（その開示は、参照することによって本明細書に組み込まれる）に開示される技法および教示を使用して、克服されることができる。いくつかの実施形態では、光源からの光は、偏光される。いくつかの実施形態では、画像源は、液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）マイクロディスプレイまたはシリコン上液晶（ＬＣｏＳ）マイクロディスプレイである。

多くの実施形態では、導波管ディスプレイは、第１および第２の入力結合器を含む。第１および第２の入力結合器はそれぞれ、プリズムならびに格子のうちの少なくとも１つを含むことができる。いくつかの実施形態では、結合器は、単一プリズムを利用し、それぞれ、一対の第１および第２の入力格子と関連付けられ、第１および第２の入力格子は、導波管の一般的光伝搬方向に沿って配置される。いくつかの実施形態では、第１および第２の格子は、導波管の一般的光伝搬方向に直交する方向に沿って配置される。第１および第２の入力格子は、導波管内に実装され、多くの異なる方法において構成されることができる。いくつかの実施形態では、入力格子は、空間的に分離される。他の実施形態では、入力格子は、多重化された格子として実装される。多重化された格子の交差構成は、格子の記録の間、液晶とモノマー成分の効率的位相分離を可能にし得るため、ＨＰＤＬＣ材料内に記録される格子のために有利であり得る。図１および２は、概念上、これらの差異を図示する。

図１は、概念上、本発明のある実施形態による、プリズムと、空間的に分離された入力格子とを含む、入力結合器を支持する、単一層導波管を有する、導波管ディスプレイの基本構想図を図示する。例証的実施形態では、導波管ディスプレイ１００は、入力プリズム１０２を支持する、導波管１０１を含む。導波管１０１はさらに、入力格子１０３、１０４と、折畳格子１０５、１０６と、多重化された出力格子１０７、１０８とを含む。示されるように、格子は、単一格子層内に配置される。入力から導波管からの抽出までのビーム経路は、入力格子１０３によって回折される光線のための光線経路１０９－１１２と、入力格子１０４によって回折される光線のための光線経路１１３－１１６とによって図示される。

図２は、概念上、本発明のある実施形態による、プリズムと、多重化された入力格子とを含む、入力結合器を支持する、単一層導波管を有する、導波管ディスプレイの基本構想図を図示する。示されるように、導波管ディスプレイ１２０は、入力プリズム１２２を支持する、導波管１２１を含む。導波管１２１はさらに、単一格子層内に配置される、多重化された入力格子１２３、１２４と、折畳格子１２５、１２６と、多重化された出力格子１２７、１２８とを含む。入力から導波管からの抽出までのビーム経路は、格子１２３によって回折される光線のための光線経路１２９－１３２と、格子１２４によって回折される光線のための光線経路１３３－１３６とによって図示される。

図１および２は、具体的導波管構成を図示するが、本発明の種々の実施形態による、導波管ディスプレイは、所与の用途の具体的要件に応じて、多くの異なる方法において実装されることができる。例えば、多くの実施形態では、第１および第２の入力結合器は、それぞれ、第１および第２の入力格子を含み、導波管ディスプレイは、プリズムを伴わずに、実装されることができる。さらなる実施形態では、第１および第２の入力格子は、導波管の一般的光伝搬方向に直交する方向に沿って配置される。他の実施形態では、第１および第２の入力格子は、導波管の一般的光伝搬方向に沿って配置される。図３および４は、概念上、本発明の種々の実施形態による空間的に分離された入力格子および無プリズム入力結合器とともに実装される、導波管ディスプレイの基本構想図を図示する。図示されるように、図３は、入力格子１４２、１４３を支持する、導波管１４１を含み、折畳格子１４４、１４５および多重化された出力格子１４６、１４７を層化する、導波管ディスプレイ１４０を示す（全ての格子は、単一層内に配置される）。入力から導波管からの抽出までのビーム経路は、入力格子１４２の場合の光線経路１４８－１５１と、入力格子１４３の場合の光線経路１５２－１５５とによって図示される。同様に、図４は、入力格子１６２、１６３を支持する、導波管１６１と、折畳格子１６４、１６５および多重化された出力格子１６６、１６７とを有する、導波管ディスプレイ１６０を示す（全ての格子は、単一層内に配置される）。入力から導波管からの抽出までのビーム経路は、入力格子１６３の場合の光線経路１６８－１７１と、入力格子１６２の場合の光線経路１７２－１７５とによって図示される。導波管ディスプレイ１６０と図３に示される実施形態との間の重要な差異は、入力格子の配列において区別され得る。すなわち、図４は、第１および第２の格子が、導波管の一般的光伝搬方向に沿って配置される、実施形態を図示する。図３および４のものおよび下記に説明されることになるその他等の実施形態では、２つの空間的に分離された入力結合器は、２つの別個の入力瞳を提供することができる。

無プリズム入力結合器に加え、導波管ディスプレイは、プリズムのみを含む、入力結合器を実装することができる。図５および６は、概念上、本発明の種々の実施形態による、入力格子を伴わずに、入力結合器を実装する、導波管ディスプレイの基本構想図を図示する。示されるように、第１の入力結合器は、第１のプリズムを含み、第２の光入力結合器は、第２のプリズムを含む。図５では、第１および第２のプリズムは、導波管の一般的光伝搬方向に直交する方向に沿って配置される。図６では、第１および第２のプリズムは、導波管の一般的光伝搬方向に沿って配置される。

図５を参照すると、導波管ディスプレイ２１０は、入力プリズム２１２、２１３を支持する、導波管２１１を含む。導波管２１１はさらに、単一格子層内に配置される、折畳格子２１４、２１５と、多重化された出力格子２１６、２１７とを含む。入力から導波管からの抽出までのビーム経路は、プリズム２１３によって導波管の中に結合される光線のための光線経路２１９Ａ－２１９Ｄと、プリズム２１２によって導波管の中に結合される光線のための光線経路２１８Ａ－２１８Ｄとによって図示される。同様に、図６は、入力プリズム２３２、２３３を支持する、導波管２３１を含む、導波管ディスプレイ２２０を図示する。導波管２３１はさらに、単一格子層内に配置される、折畳格子２３４、２３５と、多重化された出力格子２３６、２３７とを含む。入力から導波管からの抽出までのビーム経路は、プリズム２３３によって導波管の中に結合される光線のための光線経路２３８－２４１と、プリズム２２２によって導波管の中に結合される光線のための光線経路２４２－２４５とによって図示される。図５および６に図示される導波管ディスプレイ等の、プリズムのみに基づく入力結合器を使用する、実施形態では、格子相互性のための条件は、折畳および出力格子のピッチならびにクロック角度を使用して対処されることができる。

上記の節に説明されるように、入力結合器は、種々の異なる方法において構成されることができる。加えて、導波管ディスプレイの折畳格子および出力結合器もまた、多くの異なる方法法において構成されることができる。図７は、概念上、本発明のある実施形態による、空間的に分離された入力格子と、２次元ビーム拡張および導波管からのビーム抽出の二重機能を組み合わせる、多重化された対の格子とを伴う、導波管を有する、導波管ディスプレイの基本構想図を図示する。示されるように、導波管ディスプレイ１９０は、入力結合プリズム１９２、１９３を支持する、導波管１９１を含む。導波管１９１はさらに、組み合わせられる多重化された折畳および出力格子１９４－１９７を含む。例証的実施形態では、格子１９４、１９５は、２つの次元において、プリズム１９２を介して導波管１９１に入射する光を回折および拡張させる。同様に、格子１９６、１９７は、２つの次元において、プリズム１９２、１９３を介して導波管１９１に入射する光を回折および拡張させる。入力から導波管からの抽出までのビーム経路は、プリズム１９２の場合の光線経路１９８－２００と、プリズム１９３の場合の光線経路２０１－２０３とによって図示される。４つの格子が、多重化されるが、２つの経路のそれぞれに対応する、対の格子は、交差される、ブラッグ干渉縞を有する。いくつかの実施形態では、入力結合プリズム１９２、１９３は、格子によって置換されることができる。

非偏光源を使用するディスプレイを対象とする、いくつかの実施形態では、使用される入力格子は、各格子が入射非偏光の特定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。そのような実施形態は、Ｗａｌｄｅｒｎ ｅｔ ａｌ．のＰＣＴ出願第ＰＣＴ／ＧＢ２０１７／００００４０号「ＭＥＴＨＯＤ ＡＮＤ ＡＰＰＡＲＡＴＵＳ ＦＯＲ ＰＲＯＶＩＤＩＮＧ Ａ ＰＯＬＡＲＩＺＡＴＩＯＮ ＳＥＬＥＣＴＩＶＥ ＨＯＬＯＧＲＡＰＨＩＣ ＷＡＶＧＵＩＤＥ ＤＥＶＩＣＥ」（その開示は、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）に開示される実施形態および教示のうちのいくつかを組み込んでもよい。出力格子は、導波管経路からの光が、組み合わせられ、非偏光として、導波管から外に結合されるように、同様に構成されることができる。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、直交偏光状態のためのピーク回折効率を伴う、交差格子を組み合わせる。いくつかの実施形態では、偏光状態は、Ｓ－偏光およびＰ－偏光される。いくつかの実施形態では、偏光状態は、円偏光の反対の意味である。本点における、限定ではないが、ＳＢＧ等の液晶ポリマー系内に記録される格子の利点は、その固有の複屈折に起因して、それらが、強い偏光選択性を呈することができることである。しかしながら、一意の偏光状態を提供するように構成され得る、他の格子技術もまた、使用されることができる。

液晶ポリマー材料系内に記録される格子を利用する、実施形態では、折畳格子、入力格子、または出力格子のうちの少なくとも１つに重複する、少なくとも１つの偏光制御層が、格子のいずれか、特に、折畳格子における偏光回転を補償する目的のために、提供されることができる。多くの実施形態では、格子は全て、偏光制御層によって覆われる。いくつかの実施形態では、偏光制御層は、折畳格子にのみ等、格子のサブセットにのみ適用される。偏光制御層は、光学リターダフィルムを含むことができる。ＨＰＤＬＣ材料に基づく、いくつかの実施形態では、格子の複屈折が、導波管デバイスの偏光性質を制御するために使用されることができる。設計変数としてのＨＰＤＬＣ格子の複屈折テンソル、Ｋベクトル、および格子占有面積の使用は、導波管デバイスの角度能力ならびに光学効率を最適化するための設計空間の可能性を広げる。いくつかの実施形態では、導波管のガラス－空気界面上に配置される、４分の１波長板は、光線の偏光を回転させ、格子との効率的結合を維持する。例えば、一実施形態では、４分の１波長板は、導波管の基板に適用される、コーティングである。いくつかの導波管ディスプレイ実施形態では、４分の１波コーティングを導波管の基板に適用することは、導波管内の歪んだ波を補償することによって、光線が意図される視認軸との整合を留保することに役立ち得る。いくつかの実施形態では、４分の１波長板は、多層コーティングとして提供されることができる。

図８は、概念上、本発明のある実施形態による、単一格子層を使用して、２次元ビーム拡張を伴うカラー導波管ディスプレイを提供する方法を図示する、フロー図を図示する。示されるように、１つを上回る偏光成分の光を導波管の中に結合する方法２４０が、提供される。フロー図を参照すると、方法２４０は、単一格子層を支持する、導波管と、光源と、第１の入力結合器と、第２の入力結合器と、多重化された第１および第２の格子を有する、出力結合器と、第１の折畳格子と、第２の折畳格子とを提供するステップ（２４１）を含む。第１のスペクトル帯域は、源から第１の導波管瞳の中に第１の入力結合器を介して指向されることができ（２４２）、第２のスペクトル帯域は、源から第２の導波管瞳の中に第２の入力結合器を介して指向されることができる（２４３）。第１のスペクトル帯域光は、第１の折畳格子を用いて、ビーム拡張され、出力結合器上に再指向されることができる（２４４）。第２のスペクトル帯域光は、第２の折畳格子を用いて、ビーム拡張され、出力結合器上に再指向されることができる（２４５）。第１のスペクトル帯域光は、第１の多重化された格子を用いて、ビーム拡張され、導波管から抽出されることができる（２４６）。第２のスペクトル帯域光は、第２の多重化された格子を用いて、ビーム拡張され、導波管から抽出されることができる（２４７）。

上記に議論され、図１－８に図示される、実施形態は、分裂された瞳入力結合または多重化された入力結合を使用して、２つの空間的に分離された折畳格子を使用して、出力格子までの上下に導波管経路を提供する、入力瞳分岐の原理に基づく。本アプローチを実装する際の１つの課題は、２つの折畳格子を有することが、特に、垂直に、眼中心点の上方における、導波管サイズ拡大につながり得ることである。別の課題は、効率的多重化された出力格子を製造することである。したがって、本発明による、いくつかの実施形態は、ビーム分岐原理を使用しない、単一格子層を支持する、単一導波管層に基づく、カラー導波管アーキテクチャを対象とする。

多くの実施形態では、導波管ディスプレイは、画像を無限遠に提供するように実装される。いくつかの実施形態では、画像は、ある中間距離にあることができる。いくつかの実施形態では、画像は、ヒトの眼の緩和された視認範囲と互換性がある距離にあることができる。例えば、本発明の種々の実施形態による、多くの導波管は、約２メートル～約１０メートルに及ぶ視認を網羅することができる。

いくつかの実施形態では、導波管は、各導波管がフルカラー画像をアイボックスから測定された規定された視認範囲に提供する、図３、４、および７に示される実施形態に関連して上記に説明されるように、単一層の格子導波管を包含する、多層導波管アーキテクチャの１つの層を提供する。視認範囲は、導波管内の格子のうちの１つまたはそれを上回るものの中にエンコーディングされた屈折力によって判定されることができる。いくつかの実施形態では、屈折力は、誘導される光の最小限のコリメーションずれを作成するために、多重化された出力格子の中にのみエンコーディングされるであろう。屈折力を格子の中にエンコーディングするための技法は、当業者に公知である。複数の視認範囲（または焦点平面）を提供するディスプレイは、一般に、明視野ディスプレイと称され得る。多くの実施形態では、入力格子は、任意の瞬間に１つのみの入力格子がその回折状態にあるように（画像コンテンツが１つの範囲のみに投影されるように）、その回折状態に切り替えられるであろう。投影のための範囲は、両眼を追跡し、測定された左および右眼視線ベクトルを三角測量することによって、要求される視認範囲を判定する、眼追跡器を使用して判定されることができる。典型的には、マイクロディスプレイによって提供される、画像データは、視認範囲毎に、更新されることができる。

図９は、概念上、本発明のある実施形態による、単一層のカラー導波管３０１Ａ－３０１Ｃのスタックを包含する、明視野ディスプレイ３１０の概略断面図を図示する。例証的実施形態では、各導波管は、それぞれ、導波管層に従って、数字３１２、３１３、３１４および文字Ａ、Ｂ、Ｃによって標識される、入力、折畳、および多重化された出力格子を含有する。各導波管の入力格子は、切替可能な格子であってもよい。多くの実施形態では、切替可能な格子は、ＳＢＧである。図９に示される入力格子は、図３－４および図７のうちの任意の１つに示される２つの入力格子のうちの１つに対応し、入力格子は両方とも、いずれの場合も、同時にオンに切り替えられる。格子層内の少なくとも１つの格子は、各導波管が一意の視認範囲を提供するように、視認可能画像を所定の範囲に形成するための屈折力を有する。

明視野ディスプレイの動作は、概念上、図１０Ａおよび１０Ｂに図示される。図１０Ａは、Ｒ１と標識される、第１の範囲における視認可能画像３２２の形成に対応する、導波管の第１の動作状態３２０を示す、概略断面図である。黒色で陰影される、入力格子３１２Ａは、その回折状態３２１にあって、入力格子３１２Ｂ、３１２Ｃは、その非回折状態にある。故に、第１の動作状態では、光は、導波管３０１Ａ内のみを伝搬する。図１０Ｂは、Ｒ２と標識される、第２の範囲における視認可能画像３３２の形成に対応する、導波管の第２の動作状態３３０を示す、概略断面図である。黒色で陰影される、入力格子３１２Ｃは、その回折状態３３１にあって、入力格子３１２Ａ、３１２Ｂは、その非回折状態にある。故に、第２の動作状態では、光は、導波管３０１Ｃ内のみを伝搬する。
（切替可能なブラッグ格子）

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、切替可能なブラッグ格子（「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。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、ステップ毎方式で記録される。いくつかの実施形態では、格子は、ホログラフィック印刷産業において現在使用されているマスタリングおよび密着複写プロセスを使用して記録される。

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。

典型的には、ＳＢＧ要素は、３０μ秒においてクリアに切り替えられ、オンに切り替えるための緩和時間は、より長い。本デバイスの回折効率は、連続的範囲にわたって、印加される電圧を用いて調節され得ることに留意されたい。多くの場合では、本デバイスは、いかなる電圧も印加されないと、ほぼ１００％効率を呈し、十分に高い電圧が印加されると、本質的にゼロ効率を呈する。あるタイプのＨＰＤＬＣデバイスでは、磁場が、ＬＣ配向を制御するために使用されることができる。いくつかのＨＰＤＬＣ用途では、ポリマーからのＬＣ材料の相分離は、いかなる認識可能な液滴構造ももたらされない程度まで遂行されることができる。ＳＢＧはまた、受動的格子として使用されることができる。本モードでは、その主要な利益は、一意に高い屈折率変調である。ＳＢＧは、自由空間用途のための透過または反射格子を提供するために使用されることができる。ＳＢＧは、ＨＰＤＬＣが導波管コアまたは導波管に近接するエバネッセント結合層のいずれかを形成する導波管デバイスとして実装されることができる。ＨＰＤＬＣセルを形成するために使用されるガラス板は、全内部反射（「ＴＩＲ」）光誘導構造を提供する。切替可能な格子がＴＩＲ条件を超える角度において光を回折すると、光は、ＳＢＧから外に結合されることができる。

多くの実施形態では、ＳＢＧは、液体ポリマー中に分散される固体液晶の基質を有する、ＰＯＬＩＣＲＹＰＳまたはＰＯＬＩＰＨＥＭ等の均一変調材料内に記録される。例示的均一変調液晶ポリマー材料系は、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（その両方とも、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）に開示される。均一変調格子は、高屈折率変調（故に、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、逆モードＨＰＤＬＣ材料内に記録される。逆モードＨＰＤＬＣは、格子が、電場が適用されないとき、受動的であって、電場の存在下で回折性になるという点で、従来のＨＰＤＬＣと異なる。逆モード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（その開示は、参照することによって本明細書に組み込まれる）に開示される、レシピおよびプロセスのいずれかに基づいてもよい。光学記録材料系は、下記にさらに詳細に議論される。
（格子構造および構成）

導波管内の各格子は、３Ｄ空間内の格子ベクトル（またはＫベクトル）によって特徴付けられることができ、ブラッグ格子の場合、ブラッグ干渉縞に対して法線のベクトルとして定義される。格子ベクトルは、所与の範囲の入力および回折される角度のための光学効率を判定することができる。本開示全体を通して説明される格子は、いくつかの異なる格子構成のいずれかで実装されることができる。例えば、いくつかの実施形態の入力および出力格子は、共通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。

図１１Ａおよび１１Ｂは、概念上、本発明のある実施形態による、格子の例示的セットの格子幾何学形状を図示する。ベクトルＮは、格子表面単位法線ベクトルであり、ｒ_１－ｒ_３は、入射および回折される単位光線ベクトルであり、Ｋ_１、Ｋ_２は、格子Ｋ－ベクトル（必ずしも、図面の平面にあるわけではない）であり、ｑ_１、ｑ_２は、ホログラフィック干渉縞と平行な単位ベクトル（格子クロック角度を定義する）であり、ｄ_１、ｄ_２は、格子ピッチであり、λ_ａ、λ_ｂは、波長である。光線ｒ_１－ｒ_３によって画定される光線経路のための相互性条件は、格子方程式を、最初に、折畳格子：ｒ_１×Ｎ－ｒ_２×Ｎ＝λ_ａ（ｑ_１／ｄ_１）に、次いで、出力格子：ｒ_２×Ｎ－ｒ_３×Ｎ＝λ_ｂ（ｑ_２／ｄ_２）に適用することによって取得されることができ、これは、ベクトルｑ１およびｚのベクトルドット積を求めることによって取得される、関係ｑ１．ｚ／ｄ１＝ｑ２．ｚ／ｄ２（ｚは、典型的には、導波管内の平均ビーム伝搬方向と平行である、主導波管寸法に沿った単位ベクトルである）をもたらす。ｑ－ベクトルは、図面平面と垂直である。

多くの実施形態では、折畳格子および出力格子機能は、対向クロック角度を有する、２つの重複する多重化された折畳格子内で組み合わせられる。いくつかの実施形態では、対向クロック角度は、異なる大きさを有する。交差折畳格子は、導波管からの光の２次元ビーム拡張および抽出を実施するように構成されることができる。別個の対の格子が、第１および第２の経路毎に、提供されることができる。故に、多くの実施形態は、単一導波管層の中に多重化される、合計４つの折畳格子を含む。折畳および出力格子を組み合わせることによって、格子設置面積における実質的低減が、達成されることができる。

多くの実施形態では、導波管は、空間的に変動するピッチを伴う、少なくとも１つの格子を含む。いくつかの実施形態では、各格子は、固定されたＫベクトルを有する。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、回転ｋベクトル格子である。Ｋ－ベクトルを回転させることは、導波管厚さを増加させる必要なく、格子の角度帯域幅が拡張されることを可能にすることができる。いくつかの実施形態では、回転ｋベクトル格子は、異なるように整合されたＫ－ベクトルを有する、離散格子要素を含有する、導波管部分を含む。いくつかの実施形態では、回転ｋベクトル格子は、Ｋ－ベクトルが方向における平滑単調変動を受ける、単一格子要素を含有する、導波管部分を含む。限定ではないが、上記に説明されるもの等の回転ｋベクトル格子の種々の構成が、光を導波管の中に入力するために使用されることができる。光を導波管の中に結合するためのプリズムの使用は、回転ｋベクトル格子の使用から生じる有意な光損失および制限された角度帯域幅を回避する利点を有する。実践的回転ｋベクトル入力格子は、典型的には、４０度またはそれを上回り得る、折畳格子のはるかに大きい角度帯域幅に合致することができない。

図面は、格子幾何学形状および異なる波長チャネル内の格子のレイアウトにおける高度の対称性を示すが、実践では、格子処方および占有面積は、異なるスペクトル帯域幅に起因して、非対称であることができる。導波管の上側および下側部分における格子は、類似面積を伴って図示されるが、２つのスペクトル帯域は、格子処方（ピッチ、傾斜角度、およびクロック角度を含む）が２つの光学経路を平衡するように調節されることを要求し得る。一般的ビーム伝搬方向に直交する方向に沿って配列されるプリズムを伴う、対称プリズム配列は、一般的ビーム伝搬方向に沿って配列されるプリズムを伴う、一列の配列より設計がより容易である可能性が高い。最適ソリューションは、光学効率、形状因子、およびコストの考慮を要求し得る。入力、折畳、または出力格子の形状は、導波管用途に依存し得、限定ではないが、要求されるビーム拡張、出力ビーム幾何学形状、ビーム均一性、および人間工学的要因等の要因に従って、任意の多角形幾何学形状であり得る。

図１２は、概念上、回転ｋベクトルを伴う１つの入力格子２５２と、１つの折畳格子２５３と、１つの出力格子２５４とを有する、単一格子層２５１を支持する、導波管２５０の基本構想図を図示する。いくつかの実施形態では、折畳格子および出力格子の一方または両方は、回転ｋベクトルを有することができる。導波管の断面２６０を示す、図１３を参照すると、格子層２５１は、異なる屈折率ｎ１、ｎ２を有する基板２６１、２６２によって狭入されるように示される。可視帯域にわたる動作は、好適な屈折率ｎ１、ｎ２を選定し、入力格子の回転ｋベクトル処方を最適化し、視覚的帯域にわたる高回折効率を提供することによって達成されることができる。いくつかの実施形態では、出力格子の回転ｋベクトル処方もまた、可視帯域にわたる最適化の一部として調節されることができる。図１２および１３に基づく実施形態のさらなる詳細は、以下の段落および付随の図面に提供される。本アプローチの特徴の多くはまた、ビーム分岐原理に基づく単一層のカラー導波管に関連し得ることに留意されたい。

多くの実施形態では、基板屈折率は、約ｎ１＝１．５およびｎ２＝１．７である。基板は、ガラスまたはプラスチックであることができる。異なる屈折率を有することは、ＴＩＲにおけるより高い角度（ＴＩＲにより近いより低い角度より少ない相互作用）のために、導波管内でのより多くのバウンスを助長し得る。異なる屈折率の基板の使用はまた、導波管から出力される照明の均一性を助長し得る。いくつかの実施形態では、基板のうちの１つのための高屈折率材料（典型的には、屈折率１．７またはより高い）の使用は、導波管のより高い角度搬送容量を支援する。より高いガラス屈折率がＨＰＤＬＣ形成格子の平均屈折率を上回る屈折率を有する、いくつかの実施形態では、格子材料は、導波管の角度搬送容量限界に関する限界を設定し得る。いくつかの実施形態では、上限屈折率は、格子材料の平均レベルよりわずかに高く設定される。そのような実施形態では、高導波管角度搬送容量を達成する目的は、視野を延在させることではなく、むしろ、単一導波管が搬送し得るスペクトル範囲を延在させることであることに留意されたい。これは、赤色から青色のより広いスペクトル帯域の分散が、導波管内により広い角度範囲を作成するためである。

多くの実施形態では、カラーの単一層の格子を達成するために必要とされる回転ｋベクトル処方は、回転ｋベクトル入力格子の空間位置を最適化し、ダイクロイックプリズム配列を介して入力瞳を剪断することによって、入力照明の赤色－緑色および緑色－青色帯域に合致させることによって達成されることができる。図１４は、長波長を反射させるための反射表面と、部分的に、短波長を反射させ、長波長を透過させるためのダイクロイックコーティングとを含む、プリズム式要素を使用して、ＲＧＢ源からの照明を比較的に変位された赤色－緑色および緑色－青色帯域に剪断するための１つのそのような配列２７０を示す。図１４に示されるように、装置２７０は、光をブロック矢印２７５によって示される一般的方向に放出する、赤色、緑色、および青色光源２７２－２７４を含有する、照明モジュール２７１を含む。例証的実施形態では、照明モジュール２７１は、それに対して短波長光を反射させ、長波長光を透過させるためのダイクロイックコーティングが適用される、内部表面２７７を有する、プリズム２７６を含む、プリズムシステムに光学的に結合される。内部表面に近接し、それと平行なプリズム面２７８は、長波長光をプリズムの中に反射させることができる。対向プリズム表面２８７は、短波長および長波長光を、面２８８を介して、プリズムから外に反射させ、ブロック矢印２８５、２８６によって示される出力ビームを提供することができる。ダイクロイックコーティングから反射された光のための光線経路は、光線２８０、２８１、２８２によって表される。表面２７８によって反射された光線のための光線経路は、光線２７９、２８３、２８４によって表される。いくつかの実施形態では、源は、第１のより短い波長帯域のピーク波長に向かってバイアスされるスペクトル出力を有する、少なくとも１つのＬＥＤと、より長い波長帯域のピーク波長に向かってバイアスされるスペクトル出力を有する、少なくとも１つのＬＥＤとを含む。多くの実施形態では、長波長帯域は、可視スペクトルの緑色から赤色領域にわたって延在する、光に対応し、短波長は、青色から緑色領域に対応する。他の実施形態では、長波長帯域は、赤色光に、短波長帯域は、青色から緑色領域にわたって延在する、光に対応する。図１４の考慮から、他のプリズム構成も、２つの剪断されるスペクトル帯域または恣意的に定義されたスペクトル帯域幅への光の分離を達成するために使用されることができることが明白であるはずである。いくつかの実施形態では、図１４の装置はまた、ミラーコーティング、偏光器、および／またはスペクトルフィルタリングコーティングを採用し、出力スペクトル帯域のさらなる弁別を提供し、例えば、スペクトル帯域間のクロストークを低減させることができる。いくつかの実施形態では、導波管の色描出は、要求される原色を提供するために小量だけ比較的に変位されるスペクトルを伴う、２つまたはそれを上回るＬＥＤを使用することによって、改良されることができる。図１５は、概念上、２つのそのようなＬＥＤに関するＬＥＤ出力スペクトルを示す、グラフ２９０を図示し、２９１と標識された垂直軸は、出力強度に対応し、水平軸２９２は、波長を表す。ＬＥＤは、この場合、緑色（Ｇ）帯域内にピーク出力を有し、一方のＬＥＤは、青色（Ｂ）に向かってバイアスされるスペクトル２９３を有し、他方のＬＥＤは、赤色（Ｒ）に向かってバイアスされるスペクトル２９４を有する。

図１６は、概念上、可視帯域を横断してスペクトル的に剪断される照明によって照明された回転ｋベクトル入力格子の一部を示す、概略断面図３００を図示する。格子は、ブラッグ干渉縞３０２Ａ－３０２Ｆを含み、これは、左から右に持続的に減少する傾斜角度を有する。入射光は、数字３０１－３０７によって標識された光線を放出する、Ｒ、Ｇ、およびＢによって標識される、有効赤色、緑色、および青色源によって表される。導波管内でＴＩＲを受けるであろう、典型的回折される光線は、３０８によって示される。スペクトル剪断のため、３０２Ａ等の格子の左側上のブラッグ干渉縞は、赤色光線３０１および緑色光線３０３を回折する。他方では、３０２Ｆ等の格子の右側上のブラッグ干渉縞は、緑色光線３０５および青色光線３０７を回折する。限定ではないが、図１４に説明されるもの等のダイクロイックプリズム配列の使用は、２つのスペクトル帯域のステップ関数オフセットを作成することができる。他の技法も、スペクトル剪断を提供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、スペクトル剪断は、例えば、一対の色補正されたプリズムを用いて、プリズムの分散性質を使用して、波長の関数として持続的に実施される。スペクトル剪断技法の利点は、本明細書に開示されるようなカラー導波管に限定されない。本技法はまた、８０ｎｍまたはより高いスペクトル帯域幅を有し得る、緑色ＬＥＤエミッタを使用して照明された回転ｋベクトル格子を使用して、カラー導波管全般またはモノクロ導波管の性能を向上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、持続スペクトル剪断は、格子を用いて提供されることができる。

図１４に示されるシステムの原理に基づく、多くの実施形態では、より多くのダイクロイック層は、微調整のために使用されることができる。しかしながら、これは、プリズム製造を複雑にする可能性が高く、１つのダイクロイック層が、大部分の場合、十分である可能性が高い。いくつかの実施形態では、ダイクロイックプリズムは、入射光を導波管伝搬のために好適な角度の中に反射させるように設計されることができる。いくつかの実施形態では、ダイクロイックプリズムは、高入射角（空気中）が周辺視野を視認するためのシースルーを支援するために、可視帯域内で高透過率を有することができる。いくつかの実施形態では、ダイクロイックプリズムはまた、入力画像プロジェクタと入力格子の角度整合を達成するように構成されることができる。本特徴は、特に、視野主軸に対してある角度で法線の表面を有する、導波管である、傾斜導波管のために重要であり得る。

多くの実施形態では、図１２および１３の原理に従う導波管は、約４６０ｎｍ～６４０ｎｍのスペクトル範囲にわたって動作することができる。いくつかの実施形態では、源は、ＬＥＤである。他の実施形態では、レーザが、使用される。いくつかの実施形態では、源からの光は、約４ｍｍの瞳サイズを伴う、ＤＬＰピコプロジェクタを使用して、変調される。いくつかの実施形態では、ＬＣｏＳまたは他のピコプロジェクタが、使用され得る。いくつかの実施形態では、導波管は、３０度の傾斜角度を有するように設計される。いくつかの実施形態では、入力光は、プリズムを使用して、導波管の中に結合される。いくつかの実施形態では、導波管は、１，５００ニトを上回る明度を３０ルーメンのＤＬＰプロジェクタから標的化されたアイボックスに提供する。いくつかの実施形態では、空間的に変動される格子屈折率変調は、導波管の回折効率を制御し、導波管出力のさらなる均一性を可能にするために使用される。空間的に変動される格子屈折率変調のための方法およびシステムは、「Ｓｙｓｔｅｍｓ ａｎｄ Ｍｅｔｈｏｄｓ ｆｏｒ Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ Ｗａｂｅｇｕｉｄｅ Ｃｅｌｌｓ」と題された、米国特許第出願第１６／２０３，０７１号（その開示は、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）にさらに詳細に議論される。代替として、同一または類似効果は、入力、折畳、および出力格子を含有する、格子層の空間的に変動する厚さによって達成されることができる。空間的に変動する屈折率変調は、単一厚さ格子層を可能にする利点を有する。いくつかの実施形態では、入力格子の後に配置されるＬＣＰ層は、偏光を回転させ、入力格子の再相互作用外部結合損失を最小限にするために使用されることができる。本タイプの導波管は、典型的には、多層導波管アーキテクチャと比較して、比較的に小視野を有するであろう。いくつかの実施形態では、導波管は、１５度水平×１５度垂直のＦＯＶを伴う、少なくともｎＨＤ（６４０×３６０）規格の分解能を支援する。いくつかの実施形態では、視野は、折畳格子を傾斜させることによって改良されることができる。いくつかの実施形態では、上記の視野は、１８ｍｍ水平×１４ｍｍ垂直のアイボックスを提供される。有利なこととして、格子は、低屈折率（またはより透明なガラス）を通して暴露され、ホログラフィック記録ヘイズを最小限にすることができる。導波管屈折率配列の眼側／非眼側は、ＲＫＶ暴露設計に依存し得る。

本明細書に開示される、単一層のカラー導波管実施形態と関連付けられて、高角度帯域幅を伴う回転ｋベクトル入力格子を記録するための回転ｋベクトル暴露方法が、提供される。暴露方法は、Ｗａｌｄｅｒｎ ｅｔ ａｌ．の、２０１８年１月８日に出願され、「ＭＥＴＨＯＤＳ ＦＯＲ ＦＡＢＲＩＣＡＴＩＮＧ ＯＰＴＩＣＡＬ ＷＡＶＥＧＵＩＤＥＳ」と題された、米国仮出願第６２／６１４，９３２号（その開示は、参照することによって本明細書に組み込まれる）に開示される実施形態および教示の多くを組み込むことができる。

多くの実施形態では、製造において使用されるマスタ格子は、振幅格子である。回転ｋベクトル記録は、典型的には、暴露ビーム経路に沿って配置される円筒形レンズを採用する。より広い角度の帯域幅増加は、円筒形暴露レンズをマスタ上の入力格子に対してクロッキングすることによって達成されることができる。いくつかの実施形態では、マスタ上の入力格子は、米国仮出願第６２／６１４，９３２号（その開示は、参照することによって本明細書に組み込まれる）に開示されるようなチャープ格子であることができる。チャープ格子は、非平行記録ビームの影響およびマスタ格子とコピー格子との間の有限厚を克服するために要求され得る。換言すると、最終導波管内の格子相互性を満たすために要求され得る、コピー内での一定表面周期を確実にするために、マスタ周期は、空間的に変化すべきである。多くの実施形態では、そのようなマスタリング技法を使用して、単一平面波面入力ビームは、円筒形レンズと相互作用し、１Ｄ焦点を提供し、次いで、光の一部は、回折ビームをチャープマスタから生成するか、またはゼロ次として通過し（減衰を伴う）、円筒形レンズのオリジナル１Ｄ焦点機能を保存するかのいずれかを行う。いくつかの実施形態では、ローカル回転ｋベクトル格子角度帯域幅は、位置（例えば、入力格子が直交場に対してクロックされる場合、入力格子構造上の高さ）の関数として、最大限にされる。これは、入力格子のチャープ処方を円筒形レンズから入力波面に対して２Ｄで変動させるであろう。

有利なこととして、色均一性を改良するために、格子は、出力格子および折畳格子を介して、アイボックスから入力格子までの逆光線トレーシングを使用して、設計されることができる。本プロセスは、格子、特に、折畳格子の要求される物理的範囲が識別されることを可能にすることができる。ヘイズに寄与する、不必要な格子設置面積は、低減または排除されることができる。光線経路は、赤色、緑色、および青色のために最適化され、それぞれ、折畳格子を介した入力格子と出力格子との間の分散効果のため、若干異なる経路を辿る。設計は、回転ｋベクトル格子暴露装置内の暴露レンズを可能にするために、入力と折畳との間および折畳と出力との間に十分な間隙をもたらすべきである。これは、主に、理想的折畳格子開口サイズのクリッピング、故に、均一性を最適化するために必要とされる直接経路光線結合の支援の損失を防止するためのものである。

本明細書に説明される実施形態のいずれかに関連して使用されるように、用語「格子」は、格子のセットを含む、格子を包含し得る。例えば、多くの実施形態では、入力格子および出力格子はそれぞれ、単一層の中に多重化された２つまたはそれを上回る格子を含む。ホログラフィの文献では、１つを上回るホログラフィック処方が、単一ホログラフィック層の中に記録され得ることが明確に認められている。そのような多重化されたホログラムを記録するための方法は、当業者に周知である。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つまたはそれを上回る薄い光学基板と接触する、またはそれによって垂直に分離される、２つの重複格子層を含むことができる。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間に狭入される。いくつかの実施形態では、２つまたはそれを上回るそのような格子層は、全内部反射が外側基板および空気界面に生じる、スタックを形成することができる。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むことができる。いくつかの実施形態では、電極が、基板の面に適用され、回折状態とクリア状態との間で格子を切り替えることができる。スタックはさらに、ビーム分裂コーティングおよび環境保護層等の付加的層を含むことができる。

ディスプレイを対象とする、本発明の多くの実施形態では、導波管ディスプレイは、眼追跡器と組み合わせられることができる。１つの好ましい実施形態では、眼追跡器は、ディスプレイ導波管を覆う、導波管デバイスであって、「ＨＯＬＯＧＲＡＰＨＩＣ ＷＡＶＥＧＵＩＤＥ ＥＹＥ ＴＲＡＣＫＥＲ」と題された、ＰＣＴ出願第ＧＢ２０１４／０００１９７号、「ＨＯＬＯＧＲＡＰＨＩＣ ＷＡＶＥＧＵＩＤＥ ＯＰＴＩＣＡＬＴＲＡＣＫＥＲ」と題された、ＰＣＴ出願第ＧＢ２０１５／０００２７４号、および「ＡＰＰＡＲＡＴＵＳ ＦＯＲ ＥＹＥ ＴＲＡＣＫＩＮＧ」と題された、ＰＣＴ出願第ＧＢ２０１３／０００２１０号（その開示は、参照することによって本明細書に組み込まれる）の実施形態および教示に基づく。本発明の多くの実施形態は、動的集束要素をさらに含み得る、導波管ディスプレイを対象とする。動的集束要素は、「ＥＬＥＣＴＲＩＡＬＬＹ ＦＯＣＵＳ ＴＵＮＡＢＬＥ ＬＥＮＳ」と題された、米国仮特許出願第６２／１７６，５７２号（その開示は、参照することによって本明細書に組み込まれる）の実施形態および教示に基づいてもよい。いくつかの実施形態では、本発明の原理に従う導波管ディスプレイはさらに、「ＨＯＬＯＧＲＡＰＨＩＣ ＷＡＶＥＧＵＩＤＥ ＬＩＧＨＴ ＦＩＥＬＤ ＤＩＳＰＬＡＹ」と題された、米国仮特許出願第６２／１２５，０８９号（その開示は、参照することによって本明細書に組み込まれる）に開示される実施形態および教示に基づいて、動的集束要素と、眼追跡器とを含み、明視野ディスプレイを提供する。本発明のいくつかの実施形態は、「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（その開示は、参照することによって本明細書に組み込まれる）の実施形態のうちのいくつかに基づく、導波管ディスプレイを対象とし得る。いくつかの実施形態では、本発明の原理に従う導波管装置は、道路車両用途のための、窓、例えば、フロントガラスに統合されたＨＵＤと統合されてもよい。いくつかの実施形態では、窓に統合されたディスプレイは、「ＥＮＶＩＲＯＮＭＥＮＴＡＬＬＹ ＩＳＯＬＡＴＥＤ ＷＡＶＥＧＵＩＤＥ ＤＩＳＰＬＡＹ」と題された、米国仮特許出願であるＰＣＴ出願第ＰＣＴ／ＧＢ２０１６／０００００５号（その開示は、参照することによって本明細書に組み込まれる）に開示される実施形態および教示に基づいてもよい。いくつかの実施形態では、導波管装置は、画像コンテンツをＩＩＮと導波管との間で中継するために、勾配屈折率（ＧＲＩＮ）導波コンポーネントを含んでもよい。例示的実施形態は、「ＥＮＶＩＲＯＮＭＥＮＴＡＬＬＹ ＩＳＯＬＡＴＥＤ ＷＡＶＥＧＵＩＤＥ ＤＩＳＰＬＡＹ」と題された、ＰＣＴ出願第ＰＣＴ／ＧＢ２０１６／０００００５号（その開示は、参照することによって本明細書に組み込まれる）に開示される。いくつかの実施形態では、導波管装置は、「ＷＡＶＥＧＵＩＤＥ ＤＥＶＩＣＥ ＩＮＣＯＲＰＯＲＡＴＩＮＧ Ａ ＬＩＧＨＴ ＰＩＰＥ」と題された、米国仮特許出願第６２／１７７，４９４号（その開示は、参照することによって本明細書に組み込まれる）に開示される実施形態に基づいて、ビーム拡張を１つの方向に提供するための光パイプを組み込んでもよい。上記に説明される実施形態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（その開示は、参照することによって本明細書に組み込まれる）に開示される材料およびプロセスを使用して、プラスチック基板を使用して実装されてもよい。
（ＨＰＤＬＣ材料系）

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、ＨＰＤＬＣ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．５Ｎｏ．ｌ８９－９８，１９９６（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。

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。

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。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。
（均等論）

上記の説明は、本発明の多くの具体的実施形態を含有するが、これらは、本発明の範囲に関する限界としてはなく、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。いくつかの実施形態が、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。したがって、本発明は、本発明の範囲および精神から逸脱することなく、具体的に説明されるもの以外の方法で実践され得ることを理解されたい。したがって、本発明の実施形態は、あらゆる点で例証的であり、制限的ではないと見なされるべきである。故に、本発明の範囲は、例証される実施形態によってではなく、添付される請求項およびそれらの均等物によって判定されるべきである。

Claims (23)

1. 導波管ディスプレイであって、
   一般的光伝搬方向を有する単一格子層を支持する導波管と、
   前記導波管に光学的に結合されるデータ変調された光の源と、
   前記源からの光の第１のスペクトル帯域を第１の導波管瞳の中に指向するための第１の入力結合器と、
   前記源からの光の第２のスペクトル帯域を第２の導波管瞳の中に指向するための第２の入力結合器と、
   多重化された第１および第２の格子を備える出力結合器と、
   前記第１のスペクトル帯域を第１の経路に沿って前記第１の瞳から前記出力結合器に指向し、第１のビーム拡張を提供するための第１の折畳格子と、
   前記第２のスペクトル帯域を第２の経路に沿って前記第２の瞳から前記出力結合器に指向し、第１のビーム拡張を提供するための少なくとも第２の折畳格子と
   を備え、
   前記第１の多重化された格子は、前記第１のスペクトル帯域を前記導波管から外に、第１の方向に、前記第１のビーム拡張に直交するビーム拡張を伴って指向し、
   前記第２の多重化された格子は、前記第２のスペクトル帯域を前記導波管から外に、前記第１の方向に、前記第１のビーム拡張に直交するビーム拡張を伴って指向する、
   装置。
2. 前記第１および第２の入力結合器はそれぞれ、プリズムおよび格子のうちの少なくとも１つを備える、請求項１に記載の装置。
3. 前記第１の入力結合器は、第１のプリズムを備え、前記第２の入力結合器は、第２のプリズムを備え、前記第１および第２のプリズムは、前記導波管の一般的光伝搬方向に沿って配置される、請求項１に記載の装置。
4. 前記第１の入力結合器は、第１のプリズムを備え、前記第２の光入力結合器は、第２のプリズムを備え、前記第１および第２のプリズムは、前記導波管の一般的光伝搬方向に直交する方向に沿って配置される、請求項１に記載の装置。
5. 前記第１の入力結合器は、第１の格子を備え、前記第２の入力結合器は、第２の格子を備え、前記第１および第２の格子は、前記導波管の一般的光伝搬方向に沿って配置される、請求項１に記載の装置。
6. 前記第１の入力結合器は、第１の格子を備え、前記第２の入力結合器は、第２の格子を備え、前記第１および第２の格子は、前記導波管の一般的光伝搬方向に直交する方向に沿って配置される、請求項１に記載の装置。
7. 前記第１の入力結合器は、プリズムと、第１の格子とを備え、前記第２の入力結合器は、前記プリズムと、第２の格子とを備え、前記第１および第２の格子は、前記導波管の一般的光伝搬方向に沿って配置される、請求項１に記載の装置。
8. 前記第１の入力結合器は、プリズムと、第１の格子とを備え、前記第２の入力結合器は、前記プリズムと、第２の格子とを備え、前記第１および第２の格子は、前記導波管の一般的光伝搬方向に直交する方向に沿って配置される、請求項１に記載の装置。
9. 前記第１の入力結合器は、第１のプリズムと、第１の格子とを備え、前記第２の入力結合器は、第２のプリズムと、第２の格子とを備え、前記第１および第２の格子は、多重化される、請求項１に記載の装置。
10. 前記折畳格子は、多重化され、前記導波管からの光の２次元ビーム拡張および抽出を実施するための処方を有する、請求項１に記載の装置。
11. 前記第１および第２の折畳格子はそれぞれ、瞳拡張を第１の方向に提供するように構成され、前記出力格子は、瞳拡張を前記第１の方向と異なる第２の方向に提供するように構成される、請求項１に記載の装置。
12. 前記源は、少なくとも１つのＬＥＤを備える、請求項１に記載の装置。
13. 前記源は、前記第１のスペクトル帯域のピーク波長に向かってバイアスされるスペクトル出力を有する少なくとも１つのＬＥＤと、前記第２のスペクトル帯域のピーク波長に向かってバイアスされるスペクトル出力を有する少なくとも１つのＬＥＤとを備える、請求項１に記載の装置。
14. 前記格子のうちの少なくとも１つは、回転ｋベクトル格子である、請求項１に記載の装置。
15. 前記光は、前記折畳格子のうちの少なくとも１つ内で二重相互作用を受ける、請求項１に記載の装置。
16. 前記データ変調された光の源は、
    マイクロディスプレイパネルであって、前記マイクロディスプレイパネルは、画像ピクセルを表示するために構成される、マイクロディスプレイパネルと、
    コリメーション光学系を伴う入力画像ノードであって、前記入力画像ノードは、前記マイクロディスプレイパネル上の各画像ピクセルが前記第１の導波管内で一意の角度方向に変換されるように、前記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、入力画像ノードと
    を備える、請求項１に記載の装置。
17. 空間的に変動するピッチを伴う少なくとも１つの格子を備える、請求項１に記載の装置。
18. 前記入力結合器、前記折畳格子、および前記出力格子のうちの少なくとも１つは、ホログラフィックフォトポリマー、ＨＰＤＬＣ材料、または均一変調ホログラフィック液晶ポリマー材料内に記録される、切替可能なブラッグ格子、または、表面レリーフ格子のうちの１つである、請求項１に記載の装置。
19. カラー画像を表示する方法であって、
    単一格子層を支持する導波管と、光源と、第１の入力結合器と、第２の入力結合器と、多重化された第１および第２の格子を備える出力結合器と、第１の折畳格子と、第２の折畳格子とを提供するステップと、
    第１のスペクトル帯域を前記源から第１の導波管瞳の中に前記第１の入力結合器を介して指向するステップと、
    第２のスペクトル帯域を前記源から第２の導波管瞳の中に前記第２の入力結合器を介して指向するステップと、
    前記第１の折畳格子を用いて、前記第１のスペクトル帯域光をビーム拡張させ、それを前記出力結合器上に再指向するステップと、
    前記第２の折畳格子を用いて、前記第２のスペクトル帯域光をビーム拡張させ、それを前記出力結合器上に再指向するステップと、
    前記第１の多重化された格子を用いて、ビーム拡張させ、導波管から、前記第１のスペクトル帯域光を抽出するステップと、
    前記第２の多重化された格子を用いて、ビーム拡張させ、導波管から、前記第２のスペクトル帯域光を抽出するステップと
    を含む、方法。
20. 導波管ディスプレイであって、
    単一格子層を支持する導波管と、
    前記導波管に光学的に結合される画像変調された光の源と、
    前記源からの光の第１のスペクトル帯域を第１の導波管瞳の中に指向するための第１の入力結合器と、
    前記源からの光の第２のスペクトル帯域を第２の導波管瞳の中に指向するための第２の入力結合器と、
    第１および第２の折畳格子であって、前記第１および第２の折畳格子は、それぞれ、前記第１および第２のスペクトル帯域を回折するためのものである、第１および第２の折畳格子と、
    出力結合器であって、前記出力結合器は、多重化された第１および第２の格子を備え、前記多重化された第１および第２の格子は、それぞれ、前記第１および第２の帯域を前記導波管から外に回折するためのものである、出力結合器と
    を備える、導波管ディスプレイ。
21. 請求項１に記載の第１の導波管ディスプレイと、請求項１に記載の第２の導波管ディスプレイとを備える明視野ディスプレイであって、前記第１および第２の導波管の入力結合器および出力結合器は、重複し、前記第１の導波管ディスプレイ内の少なくとも１つの格子は、前記第１の導波管から抽出された光を第１の焦点平面に集束させるための屈折力を有し、前記第２の導波管ディスプレイ内の少なくとも１つの格子は、前記第１の導波管から抽出された光を第２の焦点平面に集束させるための屈折力を有し、前記第１の導波管ディスプレイおよび前記第２の導波管ディスプレイの入力結合器はそれぞれ、回折状態と非回折状態との間で切替可能な格子を備える、明視野ディスプレイ。
22. 前記第１の導波管ディスプレイの格子は、前記第２の導波管ディスプレイの格子がその非回折状態にあるとき、前記第１の焦点平面を視認するために、画像変調された光を内部結合するためのその回折状態にあり、前記第２の導波管ディスプレイの格子は、前記第１の導波管ディスプレイの格子がその非回折状態にあるとき、前記第２の焦点平面を視認するために、第２の画像変調された光を内部結合するためのその回折状態にある、請求項２１に記載の装置。
23. 前記第１および第２の入力結合器はそれぞれ、少なくとも１つの格子を備え、前記第１および第２の入力結合器のそれぞれの前記少なくとも１つの格子、前記折畳格子、および前記第１および第２の多重化されたものは、単一格子層内に配置される、請求項１に記載の装置。

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