JP2022525165A - ホログラフィック導波管バックライトおよび関連する製造方法 - Google Patents

Abstract

本発明の種々の実施形態による、ホログラフィック導波管バックライトのためのシステムおよび方法が、例証される。一実施形態は、少なくとも１つの導波管と、第１の偏光状態を有する光を放出するように構成される、少なくとも１つの導波管に光学的に結合される、光の源と、第１の偏光状態を有する光を、少なくとも１つの導波管から外へ出力経路の第１のセットの中に回折させるための第１の複数の格子要素と、第１の偏光状態の光を有する光を、少なくとも１つの導波管から外へ出力経路の第２のセットの中に回折させるための第２の複数の格子要素と、第１の偏光状態を有する光の少なくとも一部を、第１および第２の複数の格子要素に向かって結合するように構成される、少なくとも１つの入力結合器とを含む、光学照明デバイスを含む。

Description

（関連出願の相互参照）
本願は、第３５ Ｕ．Ｓ．Ｃ． § １１９（ｅ）号に基づいて、２０１９年３月１２日に出願され、「Ｈｏｌｏｇｒａｐｈｉｃ Ｗａｖｅｇｕｉｄｅ Ｂａｃｋｌｉｇｈｔ」と題された、米国仮特許出願第６２／８１７，４６８号の利益および優先権を主張する。米国仮特許出願第６２／８１７，４６８号の開示は、あらゆる目的のために、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。

本発明は、概して、導波管デバイスに関し、より具体的には、ホログラフィック導波管バックライトに関する。

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。１つのサブクラスは、電磁波、典型的には、可視スペクトルにおけるものを誘導し得る構造である、光学導波管を含む。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明することによって、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。一般的に、切替可能ブラッグ格子（ＳＢＧ）と称される、結果として生じる格子は、体積またはブラッグ格子と通常関連付けられる全ての性質を有するが、回折効率（所望の方向に回折される入射光の割合）の連続的範囲にわたって格子を電気的に調整する能力と組み合わせられる、はるかに高い屈折率変調範囲を伴う。後者は、１００％に近い効率で非回折（クリア）から回折に拡張することができる。

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検討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系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、道路交通、航空、および軍事用途のためのコンパクトなヘッドアップディスプレイ（ＨＵＤ）ならびにヘルメット搭載型ディスプレイまたは頭部搭載型ディスプレイ（ＨＭＤ）、およびバイオメトリックならびにレーザレーダ（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。

本発明の種々の実施形態による、ホログラフィック導波管バックライトのためのシステムおよび方法が、例証される。一実施形態は、照明を抽出するための上面および下面を伴う光誘導構造と、光誘導構造に光学的に結合され、偏光を提供するように構成される、光源であって、光は、光誘導構造内で全内部反射を受ける、光源と、光誘導構造から光を抽出するために、少なくとも１つの格子層内に配置される、少なくとも１つの複数の格子要素とを含む、光学照明デバイスを含む。

別の実施形態では、光源は、少なくとも第１および第２の波長のコリメート光色を順次放出するように構成され、少なくとも１つの複数の格子要素は、第１の波長の光を、光誘導構造から外へ出力経路の第１のセットの中に回折させるための第１の複数の格子要素と、第２の波長の光を、光誘導構造から外へ出力経路の第１のセットと実質的に重複する出力経路の第２のセットの中に回折させるための第２の複数の格子要素とを含む。

さらなる実施形態では、光学照明デバイスはさらに、上面に上置するクリア領域が点在する半波長遅延領域を有する、基板を含み、各半波長遅延領域は、第１および第２の複数の格子要素のそれぞれにおける少なくとも１つの格子要素と重複し、各クリア領域は、第１および第２の複数の格子要素のそれぞれにおける少なくとも１つの格子要素と重複する。

なおも別の実施形態では、光学照明デバイスはさらに、配置される４分の１波長遅延層を含み、４分の１波長遅延層は、下面に近接して配置される第１の表面と、反射面とを有する。

なおもさらなる実施形態では、第１の複数の格子要素は、第２の複数の格子要素に対して別個の格子層内に配置され、第１の波長の光を回折させるための格子要素は、第２の波長の光を回折させるための格子要素と重複する。

また別の実施形態では、第１および第２の波長の光を回折させるための格子要素は、１つの層内に均一に点在する第１および第２の多数の格子要素として配置される。

またさらなる実施形態では、第１および第２の波長の光を回折させるための格子要素は、２つの層内に均一に点在する第１および第２の多数の格子要素として配置され、第１の波長の光を回折させるための格子要素は、第２の波長の光を回折させるための格子要素と重複する。

別の付加的実施形態では、第１の波長の光を回折させるための格子要素は、第１の格子ベクトルを有し、第２の波長の光を回折させるための格子要素は、第１の格子ベクトルと反対の方向における第２の格子ベクトルを有する。

さらなる付加的実施形態では、第１の波長の光を回折させるための格子要素および第２の波長の光を回折させるための格子要素は、略平行な方向に整合される格子ベクトルを有する。

再び、別の実施形態では、第１の波長の光を回折させるための格子要素および第２の波長の光を回折させるための格子要素は、相互に対してオフブラッグである。

再び、さらなる実施形態では、第１の波長の光を回折させるための格子要素は、第１の格子ベクトルを有する格子要素および第１の格子ベクトルと反対の方向における第２の格子ベクトルを有する格子要素が均一に点在する、第１の層内に配置され、第２の波長の光を回折させるための格子要素は、第１の格子ベクトルを有する格子要素および第１の格子ベクトルと反対の方向における第２の格子ベクトルを有する格子要素が点在する、第２の層内に配置される。

なおもまた別の実施形態では、第１の波長の光は、第１の偏光を有し、第２の波長の光は、第１の偏光に直交する第２の偏光を有する。

なおもまたさらなる実施形態では、第１の波長の光および第２の波長の光は、同一の偏光を有する。

なおも別の付加的実施形態では、第１および第２の波長の光を回折させるための格子要素は、単一の層内に多重化される第１および第２の多数の格子要素として配置され、第１の波長を回折させるための格子要素は、第２の波長の光を回折させるための格子要素と多重化される。

なおもさらなる付加的実施形態では、第１および第２の波長の光を回折させるための格子要素は、２つの接触層のスタックにおける第１および第２の多数の格子要素として配置され、第１の波長の光を回折させるための格子要素は、第２の波長の光を回折させるための格子要素と重複する。

再び、なおも別の実施形態では、第１の複数の格子要素は、光源が、第１の波長の光を放出すると、回折状態に切り替えられ、第２の複数の格子要素は、光源が、第２の波長の光を放出すると、回折状態に切り替えられる。

再び、なおもさらなる実施形態では、出力経路は、角度的に分離される。

また別の付加的実施形態では、出力経路は、上面に対して略法線である。

またさらなる付加的実施形態では、少なくとも１つの複数の格子要素は、少なくとも１つの格子層内に配置され、光誘導構造は、少なくとも１つの導波管を含み、各導波管は、格子層のうちの少なくとも１つを支持する。

再び、また別の実施形態では、層は、透明基板の間に形成され、透明伝導性コーティングが、各基板に適用され、コーティングのうちの少なくとも１つは、格子要素と重複する独立してアドレス指定可能な要素にパターン化され、各格子要素を横断して電圧を印加するように動作可能な電気制御回路が、提供される。

再び、またさらなる実施形態では、各格子要素は、平面ブラッグ表面、屈折力、光学遅延、拡散性質、空間的に変動する回折効率、格子要素を横断して印加される電圧に比例する回折効率、および格子要素を横断して印加される電圧に比例する位相遅延のうちの１つである、少なくとも１つの性質を含む。

再び、別の付加的実施形態では、少なくとも１つの複数の格子要素は、２次元アレイを含む。

再び、さらなる付加的実施形態では、少なくとも１つの複数の格子要素は、伸長要素の１次元アレイを含む。

なおもまた別の付加的実施形態では、各格子要素は、ホログラフィックポリマー分散液晶内に記録される。

なおもまたさらなる付加的実施形態では、光は、格子またはプリズムによって光誘導構造の中に結合される。

再び、また別の付加的実施形態では、光源は、レーザまたはＬＥＤである。

再び、またさらなる付加的実施形態では、光学照明デバイスはさらに、ビーム偏向器、ダイクロイックフィルタ、マイクロレンズアレイ、ビーム成形器、光積分器、および偏光回転子のうち１つである、少なくとも１つの構成要素を含む。

再び、なおもまた別の実施形態は、少なくとも１つの導波管と、第１の偏光状態を有する光を放出するように構成される、少なくとも１つの導波管に光学的に結合される、光の源と、第１の偏光状態を有する光を、少なくとも１つの導波管から外へ出力経路の第１のセットの中に回折させるための第１の複数の格子要素と、第１の偏光状態の光を有する光を、少なくとも１つの導波管から外へ出力経路の第２のセットの中に回折させるための第２の複数の格子要素と、第１の偏光状態を有する光の少なくとも一部を、第１および第２の複数の格子要素に向かって結合するように構成される、少なくとも１つの入力結合器とを含む、光学照明デバイスを含む。

再び、なおもまたさらなる実施形態では、光学照明デバイスはさらに、反射面を有する、４分の１波長板と、複数の透明領域と、半波長板を支持する複数の領域とを含む、基板とを含み、第１の複数の格子要素のうちの少なくとも１つは、第１の偏光状態を有する光の第１の部分を、複数の透明領域のうちの少なくとも１つに向かって回折させるように構成され、第２の複数の格子要素のうちの少なくとも１つは、第１の偏光状態を有する光の第２の部分を、４分の１波長板に向かって回折させるように構成され、４分の１波長板は、第１の偏光状態を有する入射光を、半波長板を支持する複数の領域のうちの少なくとも１つに向かって反射するように構成され、反射された入射光は、その偏光状態を、第１の偏光状態に直交する第２の偏光状態に変化され、第１および第２の複数の格子要素は、少なくとも１つの導波管内に配置される、少なくとも１つの格子層内に形成される。

再び、なおもまた別の付加的実施形態では、光学照明デバイスはさらに、第３および第４の複数の格子要素を含み、第１の偏光状態を有する光は、第１の波長帯域の光と、第２の波長帯域の光とを含み、少なくとも１つの入力結合器は、第１の波長帯域の光を、第１および第２の複数の格子要素に向かって結合するための第１の入力結合器と、第２の波長帯域の光を、第３および第４の複数の格子要素に向かって結合するための第２の入力結合器とを含む。

再び、なおもまたさらなる付加的実施形態では、少なくとも１つの導波管は、第１および第２の格子層を含み、第１および第２の複数の格子要素は、第１の格子層内に点在し、第３および第４の複数の格子要素は、第２の格子層内に点在し、第１および第３の複数の格子要素は、第１の方向における格子ベクトルを有し、第２および第４の複数の格子要素は、第１の方向と反対の方向における格子ベクトルを有する。

再び、なおも別の付加的実施形態では、放出光は、コリメート光であり、光の源は、第１および第２の波長帯域の光を順次放出するように構成される。

再び、なおもさらなる付加的実施形態では、第１および第２の複数の格子要素は、光の源が、第１の波長帯域の光を放出すると、回折状態に切り替わるように構成され、第３および第４の複数の格子要素は、光の源が、第２の波長帯域の光を放出すると、回折状態に切り替わるように構成される。

再び、また別の付加的実施形態では、光学照明デバイスはさらに、第３および第４の複数の格子要素を含み、少なくとも１つの導波管は、第１および第２の格子層を含み、第１および第３の複数の格子要素は、第１の格子層内に点在し、第２および第４の複数の格子要素は、第２の格子層内に点在し、第１の偏光状態を有する光は、第１の波長帯域の光と、第２の波長帯域の光とを含み、少なくとも１つの入力結合器は、第１の波長帯域の光を、第１および第２の複数の格子要素に向かって結合するための第１の入力結合器と、第２の波長帯域の光を、第３および第４の複数の格子要素に向かって結合するための第２の入力結合器とを含む。

再び、またさらなる付加的実施形態では、光学照明デバイスはさらに、反射面を有する、４分の１波長板と、第３および第４の複数の格子要素とを含み、光の源はさらに、第２の偏光状態を有する光を放出するように構成され、第１の偏光状態を有する光は、第１の波長帯域内にあり、第２の偏光状態を有する光は、第２の波長帯域内にあり、第３および第４の複数の格子要素は、第２の偏光状態を有する光を、４分の１波長板に向かって回折させるように構成され、少なくとも１つの導波管は、第１および第２の格子層を含み、第１および第３の複数の格子要素は、第１の格子層内に点在し、第２および第４の複数の格子要素は、第２の格子層内に点在し、第１の複数の格子要素は、第２の複数の格子要素と空間的に重複する。

再び、なおもまた別の付加的実施形態では、第１の複数の格子要素は、第１の方向における格子ベクトルを有し、第２の複数の格子要素は、第１の方向と反対の方向における格子ベクトルを有する。

再び、なおもまたさらなる付加的実施形態では、光の源は、レーザ源である。

付加的実施形態および特徴が、続く説明に部分的に記載され、部分的に、本明細書の考察に応じて当業者に明白となるであろう、または本発明の実践によって学習され得る。本発明の性質および利点のさらなる理解が、本明細書の残りの部分および本開示の一部を形成する図面を参照することによって実現され得る。

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１Ａおよび１Ｂは、本発明の種々の実施形態による、ＨＰＤＬＣ ＳＢＧデバイスならびにＳＢＧのスイッチング性質を概念的に図示する。

図２は、本発明のある実施形態による、導波管バックライトを概念的に図示する。

図３は、本発明のある実施形態による、導波管バックライトを提供するためのプロセスのフローチャートを概念的に図示する。

図４は、本発明のある実施形態による、２つの導波管層を伴う導波管バックライトを概念的に図示する。

図５は、本発明のある実施形態による、単一の導波管層を伴う導波管バックライトを概念的に図示する。

図６は、本発明のある実施形態による、交互する波長回折格子要素を伴う２つの導波管層を有する、導波管バックライトを概念的に図示する。

図７は、本発明のある実施形態による、交互する波長回折格子要素を伴う単一の導波管層を有する、導波管バックライトを概念的に図示する。

図８は、本発明のある実施形態による、直交する偏光を有する入力光に関する交互する波長回折格子要素を伴う２つの導波管層を有する、導波管バックライトを概念的に図示する。

図９は、本発明のある実施形態による、直交する偏光を有する入力光に関する交互する波長回折格子要素を伴う単一の導波管層を有する、導波管バックライトを概念的に図示する。

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しないために、省略または簡略化されている。別様に記載されない限り、光線またはビーム方向に関連する用語「軸上」は、本発明に関連して説明される光学構成要素の表面に対して法線の軸に平行な伝搬を指す。以下の説明では、光、光線、ビーム、および方向という用語は、同義的に、かつ相互に関連付けて使用され、直線軌道に沿った電磁放射の伝搬の方向を示し得る。光および照明という用語は、電磁スペクトルの可視および赤外帯域に関連して使用され得る。以下の説明の一部は、光学設計の当業者によって一般的に採用される専門用語を使用して提示されるであろう。本明細書に使用されるように、格子という用語は、いくつかの実施形態では、格子のセットから成る格子を包含し得る。例証目的のために、図面が、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。

理想的なバックライトユニット（ＢＬＵ）は、コンパクトな（すなわち、薄い）形状因子を有するべきであり、バックライトで照らされるべきディスプレイ上への照明源からの光およびＢＬＵからの抽出の効率的な結合を伴う均一なルミナンスならびに色を送達するべきである。モバイルディスプレイでは、ＢＬＵ厚は、数ミリメートルであるべきである。テレビディスプレイも同様に、低厚さ対画像対角線比を要求する。従来的なエッジリット解決策は、形状因子および均一性要件を満たすことができていない。全内部反射によって照明光を搬送しながら、導波管からそのような光の一部を抽出する、導波管または光誘導は、非常に薄い形状因子を提供することができる。しかしながら、導波管は、導波管において典型的に実装される格子の分散性質に起因して、ルミナンスおよび色の空間変動に悩まされ得る。ある場合には、分散は、レーザ源を使用することによって大幅に軽減されることができる。

照明不均一性は、格子内の波長依存性吸収から生じ得、各ビーム－格子相互作用において受ける小さい損失は、ビームが導波管を辿って伝搬する際に倍増され、導波管に沿った光の漸進的減光につながり得る。非常にコンパクトな光源－導波管結合光学系に役立ち得る、レーザ源が、使用される場合、レーザの高コヒーレンスは、全内部反射ビームの不完全なインターレースに起因する間隙または重複によって引き起こされるバンディング効果をもたらし得る。レーザリットＢＬＵはまた、レーザスペックルに悩まされ得る。不均一性の別の源は、複屈折材料が、格子を形成するために使用されるとき、各ビームバウンスにおいて生じる偏光回転からもたらされる。本偏光変動は、ルミナンス不均一性として現れ得る。色不均一性もまた、複屈折の波長依存性に起因して生じ得る。最後に、複屈折格子は、ＢＬＵの出力における空間的に変動する偏光をもたらし得る。これは、照らされるべきディスプレイパネルが、液晶デバイスであるとき、ルミナンスおよび色不均一性をもたらし得る。

ここで図面に目を向けると、本発明の種々の実施形態による、ホログラフィック導波管バックライトが、図示される。多くの実施形態では、導波管バックライトは、限定ではないが、ＬＣＤモニタ、デジタルホログラフィックディスプレイ、およびモバイルコンピューティングならびに電気通信デバイス等の様々なディスプレイ用途において使用され得る、コンパクト、効率的、高度に均一なカラー導波管バックライトとして実装される。多くの実施形態では、導波管バックライトは、導波管と、入力光を提供するように構成される、光の源とを含む。入力光は、種々の異なる方法を使用して、全内部反射経路において導波管の中に結合されることができる。いくつかの実施形態では、限定ではないが、格子またはプリズム等の入力結合器が、光を導波管の中に結合するために利用される。いくつかの実施形態では、光の源は、異なる波長の光を提供するように構成される。さらなる実施形態では、光の源は、少なくとも第１および第２の波長のコリメート光色を順次放出するように構成される。導波管は、少なくとも１つの格子層を横断して配置される、格子要素の少なくとも２つのセットを含むことができる。格子要素の各セットは、具体的波長／角度帯域において動作するように構成されることができる。多くの実施形態では、格子要素の各セットは、上向きに進む光または下向きに進む光のいずれかを回折させ、抽出するように構成される。いくつかの実施形態では、格子要素の各セットは、具体的波長帯域のために構成される。さらなる実施形態では、格子要素の各セットは、切替可能ブラッグ格子を含み、光源が、そのセットに関して意図される波長の光を放出すると、回折状態に切り替えられる。いくつかの実施形態では、波長板およびリターダが、光の偏光を制御するために実装される。容易に理解され得るように、本発明の種々の実施形態による導波管バックライトは、多数の構成において実装されることができ、その詳細は、用途に依存し得る。導波管バックライト構成、光学導波管構造、材料、および製造プロセスが、下記の節にさらに詳細に議論される。
（光学導波管および格子構造）

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。格子は、限定ではないが、光を結合すること、光を指向すること、および光の透過を防止することを含む、種々の光学機能を実施するように実装されることができる。多くの実施形態では、格子は、導波管の外面上に存在する、表面レリーフ格子である。他の実施形態では、実装される格子は、周期的屈折率変調を有する構造である、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、種々の異なる方法を使用して加工されることができる。１つのプロセスは、周期的構造を形成するためのホログラフィックフォトポリマー材料の干渉露光を含む。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、大瞳にわたって光を抽出するための損失導波管格子を作製するために使用され得る性質である、格子の屈折率変調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ブラッグ格子の１つのクラスは、切替可能ブラッグ格子（ＳＢＧ）である。ＳＢＧは、最初に、光重合性モノマーおよび液晶材料の混合物の薄フィルムを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。基板は、ガラスおよびプラスチック等の種々のタイプの材料から作製されることができる。多くの場合では、基板は、平行構成にある。他の実施形態では、基板は、楔形状を形成する。一方または両方の基板は、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）中に記録されることができる。限定ではないが、照射強度、混合物中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ならびに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。

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下降させることができる。典型的には、電極は、印加された電場が、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偏光に関して高い屈折率変調および高い回折効率を呈する。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ならびに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、ＨＰＤＬＣデバイスの機能に従って、例えば、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、一方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、オンに切り替わるためのより長い緩和時間を伴って３０μ秒でクリアに切り替えられる。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ることができる。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ほぼ１００％効率および十分に高い電圧が印加される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基板は、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。いくつかの実施形態では、逆モード格子デバイスが、実装されることができ、すなわち、格子は、印加される電圧がゼロであるとき、その非回折（クリア）状態にあり、電圧が電極を横断して印加されると、その回折状態に切り替わる。

図１Ａおよび１Ｂは、本発明の種々の実施形態による、ＨＰＤＬＣ ＳＢＧデバイス１００、１１０ならびにＳＢＧのスイッチング性質を概念的に図示する。図１Ａでは、ＳＢＧ１００は、オフ状態にある。示されるように、ＬＣ分子１０１は、フリンジ面に対して略法線に整合される。したがって、ＳＢＧ１００は、高い回折効率を呈し、入射光は、容易に回折されることができる。図１Ｂは、オン位置におけるＳＢＧ１１０を図示する。印加される電圧１１１は、液滴１１３内のＬＣ分子１１２の光軸を配向させ、ポリマーの屈折率に合致する有効屈折率を生成し、本質的に、入射光が回折されない透明なセルを作成することができる。例証的実施形態では、ＡＣ電圧源が、示される。容易に理解され得るように、種々の電圧源が、所与の用途の具体的要件に応じて利用されることができる。さらに、異なる材料およびデバイス構成もまた、実装されることができる。いくつかの実施形態では、本デバイスは、異なる材料系を実装し、印加される電圧に対して逆に動作することができ、すなわち、本デバイスは、印加される電圧に応答して、高い回折効率を呈する。

いくつかの実施形態では、ＬＣが、（表面エッチングおよびＳＲＧを加工するために一般的に使用される他の従来のプロセスを使用して実践的に達成可能なものをはるかに上回る）ＳＲＧ構造の深さに起因するブラッグ格子に非常に類似する性質を有する表面レリーフ格子（ＳＲＧ）を提供するために、ＳＢＧから抽出または欠設されることができる。ＬＣは、限定ではないが、イソプロピルアルコールおよび溶剤を用いた濯ぎを含む、種々の異なる方法を使用して抽出されることができる。多くの実施形態では、ＳＢＧの透明基板のうちの１つが、除去され、ＬＣが、抽出される。さらなる実施形態では、除去された基板は、交換される。ＳＲＧは、少なくとも部分的に、より高いまたはより低い屈折率の材料を用いて埋め戻されることができる。そのような格子は、種々の導波管用途に合わせるように効率、角度／スペクトル応答、偏光、および他の性質を調整するための余地をもたらす。

本発明の種々の実施形態による導波管は、具体的目的および機能のために設計される種々の格子構成を含むことができる。多くの実施形態では、導波管は、コリメート光学システムの射出瞳を効果的に拡大することによって、レンズサイズを縮小しながら、アイボックスサイズを保全することが可能な格子構成を実装するように設計される。射出瞳は、仮想開口として定義されることができ、本仮想開口を通して通過する光線のみが、ユーザの眼に入射することができる。いくつかの実施形態では、導波管は、光源に光学的に結合される入力格子と、第１の方向のビーム拡大を提供するための折り返し格子と、典型的には、第１の方向に直交する第２の方向におけるビーム拡大およびアイボックスに向かうビーム抽出を提供するための出力格子とを含む。容易に理解され得るように、導波管アーキテクチャにおいて実装される格子構成は、所与の用途の具体的要件に依存し得る。いくつかの実施形態では、格子構成は、複数の折り返し格子を含む。いくつかの実施形態では、格子構成は、入力格子と、ビーム拡大およびビーム抽出を同時に実施するための第２の格子とを含む。第２の格子は、別個の重複する格子層内に配列される、または単一の格子層内に多重化される、視野の異なる部分を伝搬するための異なる処方の格子を含むことができる。多重化格子は、同一の体積内に異なる格子処方を有する、少なくとも２つの格子の重畳を含むことができる。異なる格子処方を有する格子は、導波管の表面に対する異なる格子ベクトルおよび／または格子傾斜を有することができる。

いくつかの実施形態では、各層内の格子は、異なるスペクトルおよび／または角度応答を有するように設計される。例えば、多くの実施形態では、異なる格子層を横断する異なる格子が、スペクトル帯域幅の増加を提供するために、重複または多重化される。いくつかの実施形態では、フルカラー導波管が、それぞれ、異なるスペクトル帯域（赤色、緑色、および青色）において動作するように設計される、３つの格子層を使用して実装される。他の実施形態では、フルカラー導波管が、２つの格子層、すなわち、赤色－緑色格子層および緑色－青色格子層を使用して実装される。容易に理解され得るように、そのような技法は、導波管の角度帯域幅動作を増加させるために同様に実装されることができる。異なる格子層を横断する格子の多重化に加えて、複数の格子が、単一の格子層内で多重化されることができ、すなわち、複数の格子が、同一の体積内で重畳されることができる。いくつかの実施形態では、導波管は、同一の体積内で多重化された２つまたはそれを上回る格子処方を有する、少なくとも１つの格子層を含む。さらなる実施形態では、導波管は、２つの格子層を含み、各層は、同一の体積内で多重化された２つの格子処方を有する。同一の体積内で２つまたはそれを上回る格子処方を多重化することは、種々の加工技法を使用して達成されることができる。いくつかの実施形態では、多重化マスタ格子が、多重化格子を形成するために、露光構成を用いて利用される。多くの実施形態では、多重化格子が、２つまたはそれを上回る構成の露光光を用いて光学記録材料層を順次露光することによって加工され、各構成は、ある格子処方を形成するように設計される。いくつかの実施形態では、多重化格子が、２つまたはそれを上回る構成の露光光の間もしくは中で交互させることによって、光学記録材料層を露光することによって加工され、各構成は、ある格子処方を形成するように設計される。容易に理解され得るように、当技術分野で周知のものを含む、種々の技法が、多重化格子を加工するために、適宜、使用されることができる。

多くの実施形態では、導波管は、角度多重化格子、色多重化格子、折り返し格子、二重相互作用格子、軸回転Ｋベクトル格子、交差折り返し格子、モザイク式格子、チャープ格子、空間的に変動する屈折率変調を伴う格子、空間的に変動する格子厚さを有する格子、空間的に変動する平均屈折率を有する格子、空間的に変動する屈折率変調テンソルを伴う格子、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、導波管は、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、整合層、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、導波管は、異なる偏光のための別個の光学経路を提供する格子を支持することができる。種々の実施形態では、導波管は、異なるスペクトル帯域幅のための別個の光学経路を提供する格子を支持することができる。いくつかの実施形態では、格子は、ＨＰＤＬＣ格子、ＨＰＤＬＣ内に記録される切替格子（切替可能ブラッグ格子等）、ホログラフィックフォトポリマー内に記録されるブラッグ格子、または表面レリーフ格子であり得る。多くの実施形態では、導波管は、モノクローム帯域内で動作する。いくつかの実施形態では、導波管は、緑色帯域内で動作する。いくつかの実施形態では、赤色、緑色、および青色（ＲＧＢ）等の異なるスペクトル帯域内で動作する導波管層が、３層導波構造を提供するためにスタックされることができる。さらなる実施形態では、層は、導波管層の間に空隙を伴ってスタックされる。種々の実施形態では、導波管層は、２導波管層解決策を提供するために、青色－緑色および緑色－赤色等のより幅広い帯域内で動作する。他の実施形態では、格子は、格子層の数を低減させるために、色多重化される。種々のタイプの格子が、実装されることができる。いくつかの実施形態では、各層内の少なくとも１つの格子は、切替可能格子である。

上記に議論されるもの等の光学構造を組み込む導波管は、限定ではないが、導波管ディスプレイを含む、種々の異なる用途において実装されることができる。種々の実施形態では、導波管ディスプレイは、２５ｍｍを上回るアイレリーフを伴う１０ｍｍを上回るアイボックスを用いて実装される。いくつかの実施形態では、導波管ディスプレイは、２．０～５．０ｍｍの厚さを伴う導波管を含む。多くの実施形態では、導波管ディスプレイは、少なくとも５０°対角線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、導波管ディスプレイは、少なくとも７０°対角線の画像視野を提供することができる。導波管ディスプレイは、多くの異なるタイプのピクチャ発生ユニット（ＰＧＵ）を採用することができる。いくつかの実施形態では、ＰＧＵは、シリコン上液晶（ＬＣｏＳ）パネルまたは微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）パネル等の反射型もしくは透過型空間光変調器であり得る。いくつかの実施形態では、ＰＧＵは、有機発光ダイオード（ＯＬＥＤ）パネル等の発光デバイスであり得る。いくつかの実施形態では、ＯＬＥＤディスプレイは、４，０００ｎｉｔを上回るルミナンスおよび４ｋ×４ｋピクセルの分解能を有することができる。いくつかの実施形態では、導波管は、４００ｎｉｔを上回る画像ルミナンスが、ルミナンス４，０００ｎｉｔのＯＬＥＤディスプレイを使用して提供され得るように、１０％を上回る光学効率を有することができる。Ｐ回折格子（すなわち、Ｐ偏光に関して高い効率を伴う格子）を実装する導波管は、典型的には、５％～６．２％の導波管効率を有する。Ｐ回折またはＳ回折格子は、ＯＬＥＤパネル等の非偏光源からの光の半分を浪費し得るため、多くの実施形態は、最大２倍までの導波管の効率の増加を可能にするために、Ｓ回折およびＰ回折格子の両方を提供することが可能な導波管を対象とする。いくつかの実施形態では、Ｓ回折およびＰ回折格子は、別個の重複する格子層内に実装される。代替として、単一の格子が、ある条件下で、Ｐ偏光およびＳ偏光の両方に関して高い効率を提供することができる。いくつかの実施形態では、導波管は、上記に説明されるもの等のＨＰＤＬＣ格子からＬＣを抽出することによって生成されるブラッグ様格子を含み、好適に選定された値の格子厚さ（典型的には、２～５μｍの範囲内）に関して、ある波長および角度範囲にわたって高いＳならびにＰ回折効率を可能にする。
（光学記録材料系）

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。ＰＤＬＣ混合物における界面活性剤の使用は、公知であり、ＰＤＬＣ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（その開示は、参照することによって本明細書に組み込まれる）は、界面活性剤が添加され得る、モノマーと、光開始剤と、共開始剤と、連鎖延長剤と、ＬＣとを含む、ＰＤＬＣ混合物を説明している。界面活性剤はまた、Ｎａｔａｒａｊａｎ ｅｔ ａｌ．による論文であるＪｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｎｏｎｌｉｎｅａｒ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｐｈｙｓｉｃｓ ａｎｄ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ， Ｖｏｌ． ５ Ｎｏ． ｌ ８９－９８， １９９６（その開示は、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、界面活性剤とを有する、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系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系ならびに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ならびに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。これらの材料のうちの多くは、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）（その開示は、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（その開示は、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（その開示は、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（その開示は、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（その開示は、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（その開示は、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もたらす。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、使用されることができる。
（材料組成の変調）

高ルミナンスおよび優れた色忠実度が、種々の導波管用途において重要な因子である。各場合では、ＦＯＶを横断する高均一性が、所望され得る。しかしながら、導波管の基本的光学系は、導波管を辿って跳ね返るビームの間隙または重複に起因する不均一性につながり得る。さらなる不均一性が、格子の不完全性および導波管基板の非平面性から生じ得る。ＳＢＧでは、複屈折性格子による偏光回転のさらなる問題が、存在し得る。該当する場合では、最大の課題は、通常、ビームと格子フリンジとの複数の交差からもたらされる、数百万の光路が存在する折り返し格子である。格子性質、特に、屈折率変調の注意深い管理が、不均一性を克服するために利用されることができる。

多数の可能性として考えられるビーム相互作用（回折またはゼロ次透過）のうち、あるサブセットのみが、アイボックスに提示される信号に寄与する。アイボックスから逆追跡することによって、所与のフィールドポイントに寄与する折り返し領域が、正確に指摘されることができる。出力照明の暗い領域にさらに送信するために必要とされる変調に対する精密な補正が、次いで、計算されることができる。１つの色に関する出力照明均一性を標的に戻すと、手順は、他の色に関して繰り返されることができる。いったん屈折率変調パターンが、確立されると、本設計は、堆積機構にエクスポートされることができ、各標的屈折率変調は、コーティング／堆積されるべき基板上の空間分解能セル毎に一意の堆積設定に変換される。堆積機構の分解能は、利用されるシステムの技術的限界に依存し得る。多くの実施形態では、空間パターンは、完全な繰り返し性を伴う３０マイクロメートル分解能まで実装されることができる。

表面レリーフ格子（ＳＲＧ）を利用する導波管と比較して、本発明の種々の実施形態による製造技法を実装するＳＢＧ導波管は、異なるマスタの必要性を伴わずに、限定ではないが、堆積プロセスの間に動的に調節されるべき屈折率変調および格子厚等の効率ならびに均一性に影響を及ぼす格子設計パラメータを可能にすることができる。変調がエッチング深さによって制御されるＳＲＧでは、そのようなスキームは、格子の各変動が、複雑かつ高価なツーリングプロセスを繰り返す必要があるであろうため、実践的ではないであろう。加えて、要求されるエッチング深さ精度およびレジスト撮像複雑性を達成することは、非常に困難であり得る。

本発明の種々の実施形態による堆積プロセスは、堆積されるべきである材料のタイプを制御することによって、格子設計パラメータの調節を提供することができる。本発明の種々の実施形態は、基板上の異なる面積において、異なる材料または異なる材料組成を堆積させるように構成されることができる。例えば、堆積プロセスは、格子領域であることを意味する基板の面積上にＨＰＤＬＣ材料を堆積させ、非格子領域であることを意味する基板の面積上にモノマーを堆積させるように構成されることができる。いくつかの実施形態では、堆積プロセスは、成分組成が空間的に変動する光学記録材料の層を堆積させるように構成され、堆積される材料の種々の側面の変調を可能にする。異なる組成を伴う材料の堆積は、いくつかの異なる方法で実装されることができる。多くの実施形態では、１つを上回る堆積ヘッドが、異なる材料および混合物を堆積させるために利用されることができる。各堆積ヘッドは、異なる材料／混合物リザーバに結合されることができる。そのような実装は、種々の用途のために使用されることができる。例えば、異なる材料が、導波管セルの格子および非格子面積のために堆積されることができる。いくつかの実施形態では、ＨＰＤＬＣ材料が、格子領域上に堆積される一方、モノマーのみが、非格子領域上に堆積される。いくつかの実施形態では、堆積機構は、異なる成分組成を伴う混合物を堆積させるように構成されることができる。

いくつかの実施形態では、噴霧ノズルが、単一の基板上に複数のタイプの材料を堆積させるために実装されることができる。導波管用途では、噴霧ノズルは、導波管の格子および非格子面積のために異なる材料を堆積させるために使用されることができる。多くの実施形態では、噴霧機構は、格子を印刷するために構成され、材料組成、複屈折性、および／または厚さのうちの少なくとも１つが、少なくとも２つの選択可能なスプレーヘッドを有する堆積装置を使用して制御されることができる。いくつかの実施形態では、製造システムは、レーザバンディングの制御のために最適化される格子記録材料を堆積させるための装置を提供する。いくつかの実施形態では、製造システムは、偏光不均一性の制御のために最適化される格子記録材料を堆積させるための装置を提供する。いくつかの実施形態では、製造システムは、整合制御層と関連付けて偏光不均一性の制御のために最適化される格子記録材料を堆積させるための装置を提供する。いくつかの実施形態では、堆積作業セルは、ビーム分割コーティングおよび環境保護層等の付加的層の堆積のために構成されることができる。インクジェット印刷ヘッドもまた、基板の異なる領域内に異なる材料を印刷するために実装されることができる。

上記に議論されるように、堆積プロセスは、成分組成が空間的に変動する光学記録材料を堆積させるように構成されることができる。材料組成の変調は、多くの異なる方法で実装されることができる。いくつかの実施形態では、インクジェット印刷ヘッドが、印刷ヘッド内で種々のインクジェットノズルを利用することによって、材料組成を変調するように構成されることができる。「ドットバイドット」ベースで組成を改変することによって、光学記録材料の層は、これが、層の平面表面を横断して様々な組成を有するように堆積されることができる。そのようなシステムは、限定ではないが、インクジェット印刷ヘッドを含む、種々の装置を使用して実装されることができる。プリンタにおけるＣＭＹＫシステムまたはディスプレイ用途における付加ＲＧＢシステム等、カラーシステムが、数百万の離散色値のスペクトルを生成するために数色のみのパレットを使用する方法と同様に、本発明の種々の実施形態によるインクジェット印刷ヘッドは、異なる材料のいくつかのリザーバのみを使用して様々な組成を伴う光学記録材料を印刷するように構成されることができる。異なるタイプのインクジェット印刷ヘッドは、異なる精密レベルを有することができ、異なる分解能で印刷することができる。多くの実施形態では、３００ ＤＰＩ（「インチあたりドット」）インクジェット印刷ヘッドが、利用される。精密レベルに応じて、所与の数の材料の様々な組成の離散化が、所与の面積を横断して判定されることができる。例えば、印刷されるべき２つのタイプの材料および３００ ＤＰＩの精密レベルを伴うインクジェット印刷ヘッドを前提として、各ドット場所が、２つのタイプの材料のうちのいずれか１つを含有することができる場合、印刷された材料の所与の体積に関するある平方インチを横断する２つのタイプの材料の組成比の９０，００１個の可能性として考えられる離散値が、存在する。いくつかの実施形態では、各ドット場所は、２つのタイプの材料のうちのいずれか１つまたは両方の材料を含有することができる。いくつかの実施形態では、１つを上回るインクジェット印刷ヘッドが、空間的に変動する組成を伴う光学記録材料の層を印刷するように構成される。２材料用途におけるドットの印刷は、本質的に、バイナリシステムであるが、ある面積を横断して印刷されるドットを平均化することは、印刷されるべき２つの材料の比率のスライディングスケールの離散化を可能にすることができる。例えば、単位正方形を横断する可能性として考えられる濃度／比率の離散レベルの量は、単位正方形内に印刷され得るドット場所の数によって与えられる。したがって、第１の材料の１００％から第２の材料の１００％に及ぶ、異なる濃度組み合わせの範囲が、存在することができる。容易に理解され得るように、本概念は、実際のユニットに適用可能であり、インクジェット印刷ヘッドの精密レベルによって判定されることができる。印刷される層の材料組成を変調する具体的実施例が、議論されるが、インクジェット印刷ヘッドを使用して材料組成を変調する概念は、２つを上回る異なる材料リザーバを使用するために拡大されることができ、精密レベルにおいて変動することができ、これは、使用される印刷ヘッドのタイプに大いに依存する。

印刷される材料の組成を変動させることは、いくつかの理由から有利であり得る。例えば、多くの実施形態では、堆積の間に材料の組成を変動させることは、格子の異なる面積を横断して空間的に変動する回折効率を有する格子を伴う導波管の形成を可能にすることができる。ＨＰＤＬＣ混合物を利用する実施形態では、これは、印刷プロセスの間にＨＰＤＬＣ混合物内の液晶の相対的濃度を変調することによって達成されることができ、これは、材料が露光されると、様々な回折効率を伴う格子を生成し得る組成を作成する。いくつかの実施形態では、ある濃度の液晶を伴う第１のＨＰＤＬＣ混合物および液晶がない第２のＨＰＤＬＣ混合物が、印刷された材料において形成され得る格子の回折効率を変調するためのインクジェット印刷ヘッドにおける印刷パレットとして使用される。そのような実施形態では、離散化は、インクジェット印刷ヘッドの精密さに基づいて判定されることができる。離散レベルは、ある面積を横断して印刷される材料の濃度／比率によって与えられることができる。本実施例では、離散レベルは、液晶なしから第１のＰＤＬＣ混合物内の液晶の最大濃度に及ぶ。

導波管を横断して回折効率を変動させる能力は、種々の目的のために使用されることができる。導波管は、典型的には、導波管の２つの平面表面の間で光を複数回反射させることによって光を内部に誘導するように設計される。これらの複数の反射は、光路が格子と複数回相互作用することを可能にすることができる。多くの実施形態では、材料の層が、形成された格子が、空間的に変動する回折効率を有し、格子との相互作用の間に光の損失を補償し、均一な出力強度を可能にするように、材料の様々な組成を用いて印刷されることができる。例えば、いくつかの導波管用途では、出力格子は、１つの方向における射出瞳拡大を提供しながら、また、導波管から外に光を結合するように構成される。出力格子は、導波管内の光が、格子と相互作用すると、あるパーセンテージの光のみが、導波管から外に屈折されるように設計されることができる。残りの部分は、同一の光路において継続し、これは、ＴＩＲ内に留まり、導波管内で反射され続ける。再び、同一の出力格子との第２の相互作用に応じて、光の別の部分が、導波管から外に屈折される。各屈折の間、依然として導波管内で進行する光の量は、導波管から外に屈折される量だけ減少する。したがって、各相互作用において屈折される部分は、総強度に関して徐々に減少する。これが伝搬距離に伴って増加するように格子の回折効率を変動させることによって、各相互作用に沿った出力強度の減少は、補償され、均一な出力強度を可能にすることができる。

回折効率を変動させることはまた、導波管内の光の他の減衰を補償するために使用されることができる。全ての物体は、ある反射度および吸収度を有する。導波管内のＴＩＲ内に閉じ込められた光は、導波管の２つの表面の間で連続的に反射される。表面を構成する材料に応じて、光の一部は、各相互作用の間に材料によって吸収され得る。多くの場合では、本減衰は、小さいが、多くの反射が起こる広い面積を横断して実質的であり得る。多くの実施形態では、導波管セルは、光学記録材料層から形成される格子が、様々な回折効率を有し、基板からの光の吸収を補償するように、様々な組成を用いて印刷されることができる。基板に応じて、ある波長が、基板によってより吸収されやすくあり得る。多層化導波管設計では、各層は、ある範囲の波長の光に結合するように設計されることができる。故に、これらの個々の層によって結合される光は、層の基板によって異なる量において吸収されることができる。例えば、いくつかの実施形態では、導波管は、フルカラーディスプレイを実装するために３層化スタックから作製され、各層は、赤色、緑色、および青色のうちの１つのために設計される。そのような実施形態では、導波管層のそれぞれの中の格子は、様々な回折効率を有し、ある波長の光の透過の損失に起因する色不平衡を補償することによって色平衡最適化を実施するように形成されることができる。
回折効率を変動させるために材料内の液晶濃度を変動させることに加えて、別の技法は、導波管セルの厚さを変動させるステップを含む。これは、スペーサの使用を通して遂行されることができる。多くの実施形態では、スペーサは、導波管セルの構築の間に構造支持のために光学記録材料全体を通して分散される。いくつかの実施形態では、異なるサイズのスペーサが、光学記録材料全体を通して分散される。スペーサは、光学記録材料の層の１つの方向を横断して昇順サイズで分散されることができる。導波管セルが、積層を通して構築されるとき、基板は、光学記録材料を挟装し、様々なサイズのスペーサからの構造支持を用いて、光学記録材料の楔形層を作成する。様々なサイズのスペーサが、上記に説明される変調プロセスと同様に分散されることができる。加えて、スペーササイズを変調することは、材料組成の変調と組み合わせられることができる。いくつかの実施形態では、それぞれ、異なるサイズのスペーサとともに懸濁されるＨＰＤＬＣ材料のリザーバが、方略的に分散される様々なサイズのスペーサとともにＨＰＤＬＣ材料の層を印刷し、楔形導波管セルを形成するために使用される。いくつかの実施形態では、スペーササイズ変調は、異なるサイズのスペーサの数および使用される異なる材料の数の積に等しい、いくつかのリザーバを提供することによって、材料組成変調と組み合わせられる。例えば、一実施形態では、インクジェット印刷ヘッドは、２つの異なるスペーササイズを伴う様々な濃度の液晶を印刷するように構成される。そのような実施形態では、４つのリザーバ、すなわち、第１のサイズのスペーサを伴う液晶なしの混合物懸濁液、第２のサイズのスペーサを伴う液晶なしの混合物懸濁液、第１のサイズのスペーサを伴う液晶が豊富な混合物懸濁液、および第２のサイズのスペーサを伴う液晶が豊富な混合物懸濁液が、調製されることができる。材料変調に関するさらなる議論が、２０１８年１１月１８日に出願され、「Ｓｙｓｔｅｍｓ ａｎｄ Ｍｅｔｈｏｄｓ ｆｏｒ Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ Ｗａｖｅｇｕｉｄｅ Ｃｅｌｌｓ」と題された、米国出願第１６／２０３，０７１号に見出されることができる。米国出願第１６／２０３，４９１号の開示は、あらゆる目的のために、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。
（導波管バックライト）

本発明の種々の実施形態による導波管バックライトは、種々の異なる構成を使用して実装されることができる。容易に理解され得るように、実装される具体的構成は、限定ではないが、意図される用途、費用制約、形状因子制約等を含む、種々の因子に依存し得る。多くの実施形態では、導波管バックライトは、第１および第２の基板によって挟装される少なくとも１つの格子層を含有する、少なくとも１つの導波管層を用いて実装される。基板は、限定ではないが、ガラスおよびプラスチックを含む、種々の透明材料を含むことができる。格子層は、種々の目的のために構成される、格子要素の異なるセットを含むことができる。いくつかの実施形態では、格子層は、格子要素の２つの異なるセットを含み、各セットは、具体的波長帯域および／または角度帯域に関して高い回折効率を有するように構成ならびに設計される。いくつかの実施形態では、格子層は、格子要素の２つの異なるセットを含み、各セットは、同一のＫベクトルを有する格子要素を含有する。種々の実施形態では、格子要素の２つのセットは、対向するＫベクトルを有する。いくつかの実施形態では、格子層は、格子要素の２つの異なるセットを含み、各セットは、異なる方向からの光を回折させ、抽出するように構成および設計される。例えば、いくつかの実施形態では、格子層は、第１の基板から反射されるＴＩＲ光を回折させ、第２の基板を通してそのような光を抽出するように構成される、格子要素の第１のセットと、第２の基板から反射されるＴＩＲ光を回折させ、第１の基板を通してそのような光を抽出するように構成される、格子要素の第２のセットとを含む。

導波管バックライトにおいて実装される格子要素は、いくつかの異なる構成において配列されることができる。多くの実施形態では、導波管バックライトは、相互に点在する格子要素の第１および第２のセットを有する、格子層を含む。いくつかの実施形態では、格子要素の第１および第２のセットは、２つの異なる格子層を横断して配置される。２つの異なる格子層は、相互に隣接して（すなわち、導波管層が２つの基板の間に挟装される２つの格子層を含む）、または２つの異なる導波管層を横断して配置されることができる。容易に理解され得るように、そのような格子アーキテクチャは、格子要素の２つを上回るセットを実装するために拡大されることができる。さらに、導波管層は、限定ではないが、ＨＰＤＬＣ格子、ＨＰＤＬＣ内に記録されるスイッチング格子（切替可能ブラッグ格子等）、ホログラフィックフォトポリマー内に記録されるブラッグ格子、欠設されたブラッグ格子、埋め戻された欠設されたブラッグ格子、および表面レリーフ格子を含む、種々の異なる格子構造を実装するように構成されることができる。

実装される格子のタイプに応じて、光偏光応答が、導波管バックライトが動作する方法およびその程度における大きな因子であり得る。例えば、いくつかの実施形態では、格子は、Ｐ偏光に感受性がある格子を形成する、ＨＰＤＬＣ材料を使用して実装される。そのような場合では、導波管バックライトは、適切な考慮事項によって設計されることができる。導波管バックライトは、導波管バックライト全体を通して進行する光の偏光を操作するための種々の波長板およびリターダ構成を含むことができる。いくつかの実施形態では、導波管バックライトは、４分の１波長板（ＱＷＰ）を含む。ＱＷＰは、直線偏光を円偏光に変換し、逆もまた同様である。さらなる実施形態では、ＱＷＰは、ミラーとともに実装され、これは、ＱＷＰの外面上に形成されることができる。そのような構成は、入射した直線偏光が、その偏光を直交性に変化させて反射されることを可能にすることができる。例えば、入射したＰ偏光光線が、ＱＷＰによって円偏光に変換され、反対の方向に円偏光を与えるようにミラーによって反射され、最後に、線Ｓ偏光に変換されることができる。多くの実施形態では、導波管バックライトは、Ｐ偏光の偏光をＳ偏光に切り替える（逆もまた同様である）ための半波長板（ＨＷＰ）を含む。いくつかの実施形態では、導波管バックライトは、半波長リターダを支持する基板を含む。種々のタイプの光源が、光をバックライトの中に導入するために利用されることができる。いくつかの実施形態では、Ｐおよび／またはＳ偏光が、導波管バックライトの中に結合される。いくつかの実施形態では、非偏光光が、導波管バックライトの中に結合される。容易に理解され得るように、入力光および格子構造の具体的構成は、所与の用途の具体的要件に依存し得る。

導波管バックライト内の格子要素は、種々の構成において配列および実装されることができる。いくつかの実施形態では、導波管層内の格子要素は全て、共通の波長帯域において動作するように設計される。上記に説明されるように、格子要素は、導波管層内で上向きに進む、または下向きに進む光線を回折させるように構成される、Ｋベクトルを有することができる。いくつかの実施形態では、両方のタイプの格子が、導波管層内に提供される。さらなる実施形態では、両方のタイプの格子が、単一の格子層内に提供される。いくつかの実施形態では、格子要素は、異なる方向においてであるが、共通の波長帯域において動作するＫベクトルを有することができる。議論から、任意の数の別個の波長帯域が、提供され得ることを理解されたい。図２は、本発明のある実施形態による、点在する格子要素の２つのセットを有する、導波管バックライトを概念的に図示する。示されるように、導波管バックライト２００は、格子層２０４を挟装する基板２０２、２０３によって形成される、導波管２０１を含む。多くの実施形態では、光の源（図示せず）が、導波管構造２０１に光学的に結合されることができ、コリメート光を放出するように構成されることができる。基板２０２、２０３は、入力光のためのＴＩＲ構造を提供することができる。格子層２０４は、導波管から外に、最終的に、外部照明面に向かって光を回折させるための複数の格子要素を含むことができる。例証的実施形態では、格子層２０４は、異なる方向から発するＴＩＲ光を回折させるために、対向するＫベクトルを伴う２つの格子構成（例えば、格子要素２０５、２０６）を有する平面格子の２つのセットを含む。例えば、格子要素２０５は、基板２０２の外面から反射される光を回折させるように構成される一方、格子要素２０６は、基板２０３の外面から反射される光を回折させるように構成される。容易な明確化のために、２つの異なる方向の光はまた、それぞれ、基準系としての図の導波管の配向を伴う上向きおよび下向きに進むＴＩＲ光と称され得る。格子構成の対は、図２の実施形態における格子層２０４に沿って繰り返され、点在する格子要素の２つのセットを形成する。

図２の導波管バックライト２００はさらに、４分の１波長板２０７と、クリア領域２０９および半波長リターダを支持する領域２１０に分割される、透明層２０８とを含む。例証的実施形態では、ＱＷＰ２０７は、その偏光を直交性に変化させながら、入射光の反射を提供するために、ミラーとともに実装される。ＱＷＰ２０７および透明層２０８は、空隙または、限定ではないが、ナノ多孔性材料を含む、低屈折率材料の層によって、導波管２０１から分離されることができる。そのような実装の方法が、上記の節に議論される。再び図２を参照すると、例証的実施形態は、入力Ｐ偏光２１１（ＳＢＧによる回折に関して好ましい偏光状態である）が、導波管２０１内でＴＩＲを受ける、導波管バックライト２００の動作を示す。本光（上向きに進むＴＩＲ光）の一部が、格子要素２０５によって回折され（２１２）、透明層２０８のクリア領域２０９に向かって指向され、Ｐ偏光出力光２１３を提供することができる。格子要素２０６に入射する下向きに進むＴＩＲ光は、下向きに回折され（２１４）、ＱＷＰ２０７によって反射され（２１５）、その偏光は、ＰからＳに回転されることができる。Ｓ偏光は、格子層２０４を通して進行し、導波管２０１から外へ透明層２０８の半波長リターダ領域２１０に向かって進むことができる。半波長リターダ領域２１０を通した透過後、光は、その偏光をＳからＰに回転される（２１６）。導波管を横断して上記の光線－格子相互作用を繰り返すことによって、類似する方向に向かう入射光の抽出が、高度に遂行されることができる。容易に理解され得るように、そのような構成は、所与の用途の具体的要件に依存し得る、種々の修正を含むことができる。例えば、いくつかの実施形態では、格子要素の回折効率は、均一性を制御するために、導波管経路に沿って変動されることができる。多くの実施形態では、格子要素は、電気的に切替可能であり得る。いくつかの実施形態では、格子層は、透明基板の間に形成され、透明伝導性コーティングが、各基板に適用されることができる。コーティングのうちの少なくとも１つは、格子要素と重複する独立してアドレス指定可能な要素にパターン化されることができる。格子要素のそれぞれを横断して電圧を印加するように動作可能な電気制御回路が、提供されることができる。

図３は、本発明のある実施形態による、導波管バックライトを提供するためのプロセスのフローチャートを概念的に図示する。示されるように、プロセス３００は、下向きに進む光線を回折させるための格子要素の第１のセットと、上向きに進む光線を回折させる格子要素の第２のセットとを有し、格子要素は、第１および第２の透明基板の間に配置される、導波管を提供するステップ（３０１）を含む。入力光が、導波管内の全内部反射経路の中に結合されることができる（３０２）。種々のタイプの入力光が、利用されることができる。多くの実施形態では、狭帯域レーザ照明が、利用される。いくつかの実施形態では、入力光は、Ｐ偏光である。入力光の一部が、格子要素の第１のセットを使用して、第１の透明基板の外面を通して抽出されることができ（３０３）、入力光の一部が、格子要素の第２のセットを使用して、第２の透明基板の外面を通して抽出されることができる（３０４）。多くの実施形態では、格子要素の第１のセットは、第２の基板の外面から反射される光を抽出するように構成され、格子要素の第２のセットは、第１の基板の外面から反射される光を抽出するように構成される。種々のタイプの格子が、実装されることができる。いくつかの実施形態では、Ｐ偏光感受性格子が、利用される。いくつかの実施形態では、Ｓ偏光感受性格子が、利用される。いくつかの実施形態では、両方のタイプの格子が、実装される。容易に理解され得るように、利用される格子のタイプは、入力光のタイプに依存し得る。第２の透明表面から抽出された光は、その偏光を回転されることができ（３０５）、導波管に向かって反射され、第１の透明表面の外面に至るまで伝搬することができる。多くの実施形態では、ＱＷＰが、光の偏光を回転させ、これを導波管に向かって反射するために利用される。その偏光が回転された光は、随意に、第１の透明基板の外面を通したその伝搬後、再び、その偏光を回転されることができる（３０６）。いくつかの実施形態では、ＨＷＰ領域を含有する基板が、第１の透明基板を通したその伝搬後、光の偏光を回転させるために実装されることができる。図３は、導波管バックライトを提供する具体的方法を図示するが、種々の他のプロセスが、所与の用途の具体的要件に応じて、適宜、実装されることができる。例えば、いくつかの実施形態では、入力光は、Ｐ偏光のみを含有する。他の実施形態では、入力光は、ＳおよびＰ偏光の両方を含有する。

本発明の種々の実施形態による導波管バックライトは、多くの異なる用途のために構成されることができる。多くの実施形態では、導波管バックライトは、狭帯域照明用途のために構成され、すなわち、波長帯域は、典型的には、レーザによって提供されるような狭帯域幅を有することができる。いくつかの実施形態では、波長帯域は、ＬＥＤによって提供され得るようなより広い帯域幅を有することができる。容易に理解され得るように、バックライトはまた、赤外線および紫外線等の不可視放射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、導波管バックライトは、カラー導波管バックライトとして構成される。そのようなバックライトは、図２に示されるものに類似する原理に基づいて実装されることができる。いくつかの実施形態では、バックライトは、赤色、緑色、および青色（ＲＧＢ）源からの光を提供する。そのような実施形態では、バックライトは、単一の層内に点在する、もしくは２つまたはそれを上回る層にわたってある方法で配置される、ＲＧＢ格子要素を含むことができる。いくつかの実施形態では、別個のＲＧＢ層が、使用されることができる。いくつかの実施形態では、導波管バックライトは、可視帯域の大部分を網羅する、第１および第２の波長の入力光を使用して動作する。例えば、種々の実施形態では、第１の波長の光は、青色－緑色帯域を網羅し、第２の波長の光は、緑色－赤色帯域を網羅することができる。いくつかの実施形態では、カラー導波管バックライトが、バックライトから放出されるべき色成分毎に別個の格子層を利用して実装されることができる。いくつかの実施形態では、導波管バックライトは、ＳＢＧを組み込む。そのような場合では、導波管バックライトは、光源が、第１の波長帯域の光を放出すると、回折状態に切り替わるように構成される、格子要素の第１のセットと、源が、第２の波長帯域の光を放出すると、回折状態に切り替わるように構成される、格子要素の第２のセットとを含むことができる。

図４は、本発明のある実施形態による、２つの導波管層を伴う導波管バックライトを概念的に図示する。以下の段落では、本発明の説明を簡略化するために、議論は、各導波管層が単一の格子層を含有する、２つの導波管層内に形成される格子要素の第１および第２のセットを使用して、２つの異なる波長帯域内の光（第１ならびに第２の波長の光）を放出するための導波管を含むであろう。しかしながら、任意の数の導波管層および格子層が、所与の用途の具体的要件に応じて、適宜、利用されることができる。再び図２Ａを参照すると、示される導波管バックライト４００は、第１および第２の導波管４０１、４０２を含む。バックライト４００はさらに、４分の１波長板（ＱＷＰ）４０３と、クリア領域４０５および半波長リターダを支持する領域４０６に分割される、透明基板４０４とを含む。各導波管は、図２に示されるものに類似する原理に従って動作するように構成されることができる。例えば、第１の導波管４０１は、第１の波長帯域のｐ偏光を受光するように構成されることができ、第２の導波管４０２は、第２の波長帯域のｐ偏光を受光するように構成されることができる。例証的実施形態では、第１および第２の導波管４０１、４０２はそれぞれ、格子層４０７、４０８を含む。第２の導波管４０２は、第１の導波管４０１のものに類似する構成であるが、異なる波長帯域内で動作する格子要素を含むことができる。例えば、例証的実施形態では、第１の導波管４０１は、赤色－緑色波長帯域内で動作するように構成される格子要素を含むことができる一方、第２の導波管４０２は、緑色－青色波長帯域内で動作するように構成される格子要素を含み、フルカラー導波管バックライトの実装を可能にすることができる。他の実施形態では、フルカラー導波管バックライトが、それぞれ、赤色、緑色、および青色波長帯域のうちの１つにおいて動作するように構成される、３つの導波管層を用いて実装されることができる。光線の２つのセット（異なる波長の光の光線を表す、破線および実線）によって示されるように、第２の導波管４０２の光線および格子相互作用が、第１の導波管４０１のものに類似することが示される。２つの導波管から抽出された第１および第２の波長の光は、均一な照明を提供するために組み合わせられることができる。多くの実施形態では、第１および第２の波長の光は、導波管に順次導入されることができる。

図４の導波管構造は、種々の異なる格子構成を使用して、同等に実装されることができる。いくつかの実施形態では、バックライトは、異なる波長帯域における動作のために構成される複数の格子要素を含有する、単一の導波管層として実装されることができる。図５は、本発明のある実施形態による、単一の導波管層を伴う導波管バックライトを概念的に図示する。示されるように、導波管バックライト５００は、２つの基板５０４、５０５によって挟装される２つの隣接する格子層５０２、５０３から形成される、格子構成５０１を含む。導波管バックライト５００はさらに、ＱＷＰ５０６と、クリア領域５０８および半波長リターダを支持する領域５０９に分割される、透明基板５０７とを含む。例証的実施形態では、格子構成５０１は、異なる波長帯域内で動作することが可能な２つの格子層５０８、５０９を含む。多くの実施形態では、２つの格子層の動作波長帯域は、可視帯域の大部分を網羅する。各格子層はさらに、上向き（５１０、５１２）および下向きに進む（５１０、５１２）ＴＩＲ光を回折させるための格子要素の２つの点在するセット５１０、５１１ならびに５１２、５１３を含む。容易に理解され得るように、図５に示されるバックライトは、図４に示されるものに類似する原理に従って動作することができる。図５では、２つの格子層は、別個の隣接する層において示され、その組み合わせは、格子構成を提供する。他の実施形態では、２つの格子層を横断する格子要素は、単一の層に多重化および重畳される。例えば、格子要素５１０は、格子要素５１２と多重化されることができ、格子要素Ａ ３１１は、格子要素５１３と多重化されることができる。

図４および５は、具体的多色導波管バックライト実装を図示するが、種々の構成が、所与の用途の具体的要件に応じて、適宜、実装されることができる。例えば、いくつかの実施形態では、導波管バックライトは、それぞれ、２つの波長帯域内で動作するように構成される、点在する格子要素を含有する、２つの導波管層を含む。図６は、本発明のある実施形態による、交互する第１の波長回折格子要素６０５および第２の波長回折格子要素６０６を伴う格子層６０３、６０４をそれぞれ含有する、２つの導波管層６０１、６０２を有する、導波管バックライト６００を概念的に図示する。格子要素６０５、６０６は全て、導波管の外面を通して上向きに進む、または下向きに進むＴＩＲ光（例えば、図６の例証的実施形態では、上向きに進む）のうちの１つを回折させるように構成される、Ｋベクトルを有することができる。例証的実施形態では、第１の波長回折および第２の波長回折格子要素６０５、６０６は、空間的に重複される。動作の間、第１の波長のＰ偏光６０７および第２の波長のＰ偏光６０８は、導波管の中に結合され、第１の波長の光に対応する光線６０９、６１０ならびに第２の波長の光に対応する光線６１１、６１２によって示されるように、回折および抽出を受けることができる。図６の導波管構造は、種々の異なる格子構成を使用して、同等に実装されることができる。図５に示される実施形態と同様に、図６に示されるバックライトは、単一の導波管層を用いて実装されることができる。図７は、本発明のある実施形態による、交互する波長回折格子要素を伴う単一の導波管層を有する、導波管バックライトを概念的に図示する。示されるように、導波管バックライト７００は、２つの基板７０２、７０３によって挟装される、単一格子構成７０１を含む。格子構成７０１は、２つの格子層７０４、７０５を含む。例証的実施形態では、格子要素の２つのセット７０６、７０７は、両方の格子層７０４、７０５内に、かつそれらを横断して点在する。第１のセット７０６からの格子要素は、第２のセット７０７からの格子要素と空間的に重複する。格子要素は、種々の異なる方法で構成されることができる。いくつかの実施形態では、格子要素の各セットは、具体的波長帯域を回折させるように構成される。多くの実施形態では、格子ベクトルは全て、類似するＫベクトルを有するように構成される。図７の実施形態では、格子要素は全て、光を同一の方向に向かって回折させ、指向するように構成される。容易に理解され得るように、図７に示される導波管バックライトは、図６に示されるものに類似する原理に従って動作することができる。図７では、２つの格子層７０４、７０５は、別個の隣接する層において示され、その組み合わせは、単一格子構成７０１を提供する。他の実施形態では、２つの格子層７０４、７０５内の格子要素は、同一の層内に多重化および重畳され、すなわち、各多重化領域は、格子要素７０６と、格子要素７０７とを含有する。

図２－７は、Ｐ偏光入力光を受光する具体的導波管バックライトを図示するが、本発明の種々の実施形態による導波管バックライトは、種々の光源を用いた動作のために構成されることができる。図８は、本発明のある実施形態による、直交する偏光を有する入力光に関する交互する波長回折格子要素を伴う２つの導波管層８０１、８０２を有する、導波管バックライト８００を概念的に図示する。示されるように、第１の導波管層８０１は、交互する第１の波長回折格子要素８０４および第２の波長回折格子要素８０５の第１のセットを伴う第１の格子層８０３を含む。同様に、第２の導波管層８０２は、交互する第１の波長回折格子要素８０４および第２の波長回折格子要素８０５の第２のセットを伴う第２の格子層８０６を含む。導波管バックライト８００はさらに、ＱＷＰ８０７を含む。種々の光源が、そのような構成を用いて、適宜、実装されることができる。例証的実施形態では、入力光は、直交する偏光を有する第１および第２の波長の光８０８、８０９を含む。例えば、入力される第１の波長の光８０８は、Ｐ偏光されることができ、入力される第２の波長の光８０９は、Ｓ偏光されることができる。例証的実施形態では、第１の波長回折格子要素８０４は、上向きに進むＴＩＲ光を第１の導波管層８０１の上側導波管表面８１０を通して回折させるように構成されるＫベクトルを有し、第２の波長回折格子要素８０５は、下向きに進むＴＩＲ光を第２の導波管層８０２の下側導波管表面８１１を通して回折させるように構成されるＫベクトルを有する。示されるように、第１の波長回折および第２の波長回折格子要素８０４、８０５は、空間的に重複される。下側導波管表面８１３から抽出された光（第２の波長の光）は、２つの導波管層８０１、８０２を通して、かつ上面８１０から外に再透過される前に、ＱＷＰ８０７によってその偏光をＳからＰに回転される。したがって、導波管バックライト８００からの出力光は全て、Ｐ偏光される。図５および７に示される実施形態と同様に、図８に示される構成は、単一の導波管層内で実装されることができる。図９は、隣接する格子層９０２、９０３を伴う単一の導波管層９０１を使用した、図８の実施形態の導波管バックライト実装９００を概念的に図示する。容易に理解され得るように、そのような導波管バックライトは、図８に示されるものに類似する原理に従って動作することができる。さらに、そのような格子層はまた、多重化格子を含有する単一の層として実装されることができる。

上記に議論される実施形態の基礎となる重要な原理は、光が、格子の角度およびスペクトル帯域幅によって設定される角度ならびに波長トレランス内でブラッグ方程式を満たすとき、ブラッグ格子が、高効率で回折することである。スペクトルおよび角度帯域幅は、体積ホログラフィック格子の理論を使用して算出されることができる。上記の帯域幅限界内に該当する導波光線は、オンブラッグと称される一方、帯域幅外に該当する光線は、オフブラッグと称される。

ディスプレイおよび照明デバイス、特に、レーザを使用するものにおいて対処されるべき別の因子が、ビームがＴＩＲを受ける際のビームエッジ不整合からもたらされる。厚さＤ、連続したビーム－表面相互作用の間の距離Ｗ、およびＴＩＲ角度Ｕの導波管に関して、上向きおよび下向きに進むＴＩＲビームのシームレスな合致のための条件は、方程式２Ｄｔａｎ（Ｕ）＝Ｗによって与えられる。本条件が、満たされないとき、隣接するビーム部分の間の間隙または重複が、生じ得、これは、バンディングと呼ばれる出力照明における不均一性をもたらす。バンディングは、ＬＥＤ等の広帯域源を使用することによって、ある程度軽減されることができる。しかしながら、効果は、レーザを用いて克服することがはるかに困難であり得る。多くの実施形態では、導波管バックライトは、完全にコリメートされた空間内で動作するように構成されることができる。言い換えると、各ビーム格子相互作用において複製される入力光および出力ビームは全て、コリメートされる。いくつかの実施形態では、入力ビームは、少なくとも１つの角度方向において走査される。いくつかの実施形態では、入力ビームの断面は、第ＰＣＴ／ＵＳ２０１８／０１５５５３号「ＷＡＶＥＧＵＩＤＥ ＤＥＶＩＣＥ ＷＩＴＨ ＵＮＩＦＯＲＭ ＯＵＴＰＵＴ ＩＬＬＵＭＩＮＡＴＩＯＮ」（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または教示に従って、バンディング除去条件に合致するように入射角とともに変動されることができる。いくつかの実施形態では、入力ビーム断面は、上記の参考文献に議論されるように、導波管によって支持される表面または層上に形成されるエッジを用いて調節されることができる。

多くの実施形態では、光が、格子またはプリズムを使用して、導波管の中に結合される。多くの実施形態では、光を導波管の中に結合するための光学系はさらに、ビームスプリッタ、フィルタ、ダイクロイックフィルタ、偏光構成要素、光積分器、集光レンズ、マイクロレンズ、ビーム成形要素、およびディスプレイ照明システムにおいて一般的に使用される他の構成要素を含んでもよい。

多くの実施形態では、光源は、電気機械的ビーム偏向器を使用して、少なくとも１つの角度方向において走査されるレーザである。いくつかの実施形態では、レーザ走査装置は、電気光学デバイスであってもよい。

多くの実施形態では、光は、導波管から、角度的に分離される出力経路の中に抽出されることができる。多くの実施形態では、その出力経路は、導波管の全内部反射表面に対して略法線であり得る。多くの実施形態では、導波管から抽出された光は、コリメートされる。

多くの実施形態では、格子要素は、平面格子、屈折力を伴う格子、光学遅延を提供する格子、および拡散性質を伴う格子の群から選択される少なくとも１つを含む。多くの実施形態では、格子要素は、導波管に沿った光の抽出を可能にするために、空間的に変動する回折効率を有することができる。多くの実施形態では、格子要素は、電極を横断して印加される電圧に比例する回折効率を有する。いくつかの実施形態では、格子要素は、該電極を横断して印加される電圧に比例する位相遅延を有することができる。多くの実施形態では、格子要素は、伸長要素の１次元アレイとして構成されることができる。多くの実施形態では、格子は、２次元アレイとして構成されることができる。多くの実施形態では、格子要素は、ホログラフィックポリマー分散液晶内に記録される。多くの実施形態では、電気制御回路アドレスによる格子要素の時空間アドレス指定が、巡回プロセスによって特徴付けられることができる。多くの実施形態では、電気制御回路による格子要素の時空間アドレス指定は、ランダムプロセスによって特徴付けられることができる。
（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、本発明の範囲に対する限定としてではなく、むしろ、その１つの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 (27)

1. 光学照明デバイスであって、
   照明を抽出するための上面および下面を伴う光誘導構造と、
   前記光誘導構造に光学的に結合され、偏光を提供するように構成される光源であって、光は、前記光誘導構造内で全内部反射を受ける、光源と、
   前記光誘導構造から光を抽出するために、少なくとも１つの格子層内に配置される少なくとも１つの複数の格子要素と
   を備える、光学照明デバイス。
2. 前記光源は、少なくとも第１および第２の波長のコリメート光色を順次放出するように構成され、前記少なくとも１つの複数の格子要素は、前記第１の波長の光を、前記光誘導構造から外へ出力経路の第１のセットの中に回折させるための第１の複数の格子要素と、前記第２の波長の光を、前記光誘導構造から外へ前記出力経路の第１のセットと実質的に重複する出力経路の第２のセットの中に回折させるための第２の複数の格子要素とを備える、請求項１に記載の光学照明デバイス。
3. 前記上面に上置するクリア領域が点在する半波長遅延領域を有する基板をさらに備え、各前記半波長遅延領域は、前記第１および第２の複数の格子要素のそれぞれにおける少なくとも１つの格子要素と重複し、各前記クリア領域は、前記第１および第２の複数の格子要素のそれぞれにおける少なくとも１つの格子要素と重複する、請求項２に記載の光学照明デバイス。
4. 配置される４分の１波長遅延層をさらに備え、前記４分の１波長遅延層は、前記下面に近接して配置される第１の表面と、反射面とを有する、請求項２に記載の光学照明デバイス。
5. 前記第１の複数の格子要素は、前記第２の複数の格子要素に対して別個の格子層内に配置され、前記第１の波長の光を回折させるための格子要素は、前記第２の波長の光を回折させるための格子要素と重複する、請求項２に記載の光学照明デバイス。
6. 第１および第２の波長の光を回折させるための格子要素は、１つの層内に均一に点在する第１および第２の多数の格子要素として配置される、請求項２に記載の光学照明デバイス。
7. 第１および第２の波長の光を回折させるための格子要素は、２つの層内に均一に点在する第１および第２の多数の格子要素として配置され、第１の波長の光を回折させるための格子要素は、第２の波長の光を回折させるための格子要素と重複する、請求項２に記載の光学照明デバイス。
8. 第１の波長の光を回折させるための格子要素は、第１の格子ベクトルを有し、第２の波長の光を回折させるための格子要素は、前記第１の格子ベクトルと反対の方向における第２の格子ベクトルを有する、請求項２に記載の光学照明デバイス。
9. 第１の波長の光を回折させるための格子要素および第２の波長の光を回折させるための格子要素は、略平行な方向に整合される格子ベクトルを有する、請求項２に記載の光学照明デバイス。
10. 第１の波長の光を回折させるための格子要素および第２の波長の光を回折させるための格子要素は、相互に対してオフブラッグである、請求項２に記載の光学照明デバイス。
11. 第１の波長の光を回折させるための格子要素は、第１の格子ベクトルを有する格子要素および前記第１の格子ベクトルと反対の方向における第２の格子ベクトルを有する格子要素が均一に点在する第１の層内に配置され、第２の波長の光を回折させるための格子要素は、第１の格子ベクトルを有する格子要素および前記第１の格子ベクトルと反対の方向における第２の格子ベクトルを有する格子要素が点在する第２の層内に配置される、請求項２に記載の光学照明デバイス。
12. 前記第１の波長の光は、第１の偏光を有し、前記第２の波長の光は、前記第１の偏光に直交する第２の偏光を有する、請求項２に記載の光学照明デバイス。
13. 前記第１の波長の光および前記第２の波長の光は、同一の偏光を有する、請求項２に記載の光学照明デバイス。
14. 第１および第２の波長の光を回折させるための格子要素は、単一の層内に多重化される第１および第２の多数の格子要素として配置され、前記第１の波長を回折させるための格子要素は、前記第２の波長の光を回折させるための格子要素と多重化される、請求項２に記載の光学照明デバイス。
15. 第１および第２の波長の光を回折させるための格子要素は、２つの接触層のスタックにおける第１および第２の多数の格子要素として配置され、前記第１の波長の光を回折させるための格子要素は、前記第２の波長の光を回折させるための格子要素と重複する、請求項２に記載の光学照明デバイス。
16. 前記第１の複数の格子要素は、前記光源が、前記第１の波長の光を放出すると、回折状態に切り替えられ、前記第２の複数の格子要素は、前記光源が、前記第２の波長の光を放出すると、回折状態に切り替えられる、請求項２に記載の光学照明デバイス。
17. 前記出力経路は、角度的に分離される、請求項２に記載の光学照明デバイス。
18. 前記出力経路は、前記上面に対して略法線である、請求項２に記載の光学照明デバイス。
19. 前記少なくとも１つの複数の格子要素は、少なくとも１つの格子層内に配置され、前記光誘導構造は、少なくとも１つの導波管を備え、各前記導波管は、前記格子層のうちの少なくとも１つを支持する、請求項１に記載の光学照明デバイス。
20. 前記層は、透明基板の間に形成され、透明伝導性コーティングが、各前記基板に適用され、前記コーティングのうちの少なくとも１つは、前記格子要素と重複する独立してアドレス指定可能な要素にパターン化され、各前記格子要素を横断して電圧を印加するように動作可能な電気制御回路が、提供される、請求項１に記載の光学照明デバイス。
21. 各前記格子要素は、平面ブラッグ表面、屈折力、光学遅延、拡散性質、空間的に変動する回折効率、前記格子要素を横断して印加される電圧に比例する回折効率、および前記格子要素を横断して印加される電圧に比例する位相遅延から成る群から選択される少なくとも１つの性質を備える、請求項１に記載の光学照明デバイス。
22. 前記少なくとも１つの複数の格子要素は、２次元アレイを備える、請求項１に記載の光学照明デバイス。
23. 前記少なくとも１つの複数の格子要素は、伸長要素の１次元アレイを備える、請求項１に記載の光学照明デバイス。
24. 各前記格子要素は、ホログラフィックポリマー分散液晶内に記録される、請求項１に記載の光学照明デバイス。
25. 前記光は、格子またはプリズムによって前記光誘導構造の中に結合される、請求項１に記載の光学照明デバイス。
26. 前記光源は、レーザまたはＬＥＤである、請求項１に記載の光学照明デバイス。
27. ビーム偏向器、ダイクロイックフィルタ、マイクロレンズアレイ、ビーム成形器、光積分器、および偏光回転子から成る群から選択される少なくとも１つの構成要素をさらに備える、請求項１に記載の光学照明デバイス。

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