JP2022542248A - 導波路の大量生産のためのシステムおよび方法 - Google Patents

Abstract

本発明の様々な実施形態による、ホログラフィック格子を記録するためのシステムおよび方法が、例示される。一実施形態は、ホログラフィック記録システムであって、露光のために第１の複数の導波路セルを支持するように構成された第１の可動プラットフォームと、少なくとも１つのマスター格子と、少なくとも１つのマスター格子に光を向けることによって、記録ビームのセットを提供するように構成された少なくとも１つのレーザー源と、を含み、第１の可動プラットフォームが、２つの直交方向のうちの少なくとも１つに沿って所定のステップで並進可能であり、各所定のステップにおいて、少なくとも１つの導波路セルが、記録ビームのセット内の少なくとも１つの記録ビームによって照射されるように位置決めされている、ホログラフィック記録システムを含む。
【選択図】図５Ｂ

Description

本発明は、概して、格子を記録するための、より具体的には、導波路セル内のホログラフィック体積格子を記録するためのプロセスおよび装置に関する。

導波路は、波を閉じ込め、誘導する（すなわち、波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誘導する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、全内部反射（ＴＩＲ）を介して平面構造内で進み続けることができる。

導波路の製作は、導波路内のホログラフィック光学素子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に点在する、液晶微小液滴が密集した領域を作成する。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。一般的にスイッチ可能ブラッグ格子（ＳＢＧ）と称される、結果として生じる格子は、通常、体積またはブラッグ格子に関連付けられるすべての特性を有するが、回折効率の連続範囲（所望の方向に回折される入射光の割合）にわたって格子を電気的に調整する能力と組み合わせると、はるかに高い屈折率変調範囲を有する。後者は、非回折（クリア）から１００％に近い効率の回折に及ぶことができる。

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つ以上の格子層を含有する導波路は、様々な導波路アーキテクチャおよび材料システム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、道路輸送、航空、および軍事用途のためのコンパクトヘッドアップディスプレイ（ＨＵＤ）およびヘルメットマウントディスプレイまたはヘッドマウントディスプレイ（ＨＭＤ）、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。

本発明の様々な実施形態による、ホログラフィック格子を記録するためのシステムおよび方法が、例示される。一実施形態は、ホログラフィック記録システムであって、露光のために第１の複数の導波路セルを支持するように構成された第１の可動プラットフォームと、少なくとも１つのマスター格子と、少なくとも１つのマスター格子に光を向けることによって、記録ビームのセットを提供するように構成された少なくとも１つのレーザー源と、を含み、第１の可動プラットフォームが、２つの直交方向のうちの少なくとも１つに沿って所定のステップで並進可能であり、各所定のステップにおいて、少なくとも１つの導波路セルが、記録ビームのセット内の少なくとも１つの記録ビームによって照射されるように位置決めされている、ホログラフィック記録システムを含む。

別の実施形態では、ホログラフィック記録システムは、露光のために第２の複数の導波路セルを支持するように構成された第２の可動プラットフォームをさらに含み、第２の可動プラットフォームは、２つの直交方向のうちの少なくとも１つに沿って、所定のステップで並進可能である。

さらなる実施形態では、少なくとも１つのミラーが、少なくとも１つのレーザー源から第１の可動プラットフォームへの少なくとも１つの光路に沿って配設されている。

また別の実施形態では、少なくとも１つのビームスプリッタが、少なくとも１つのレーザー源から第１の可動プラットフォームへの少なくとも１つの光路に沿って配設されている。

またさらなる実施形態では、ホログラフィック記録システムは、周囲光をフィルタ除去するための光学フィルタをさらに含む。

なお別の実施形態では、ホログラフィック記録システムは、さらに含む。

なおさらなる実施形態では、屈折率整合層が、マスターと導波路セルとの間に配設されている。

別の追加の実施形態では、記録ビームのセットが、少なくとも１つのマスター格子を照射することによって形成される、少なくとも１つのゼロ次ビームおよび少なくとも１つの回折ビームを含む。

さらなる追加の実施形態では、少なくとも１つの導波路セルの各々が、入力格子、折り曲げ格子、および出力格子を形成するための記録ビームの３つのセットによって照射される。

再び別の実施形態では、記録ビームの３つのセットは、各々、ゼロ次ビームおよび回折ビームを含む。

再びさらなる実施形態では、各所定のステップにおいて、各導波路セルが記録ビームのセット内の少なくとも１つの記録ビームによって照射され得るように、少なくとも２つの導波路セルが位置決めされている。

またなお別の実施形態は、ホログラフィック格子を記録するための方法を含み、方法は、少なくとも１つのレーザー源を提供することと、少なくとも１つのレーザー源からの第１の光路の光を、少なくとも１つのマスター格子に向けることによって、記録ビームのセットを形成することと、第１の複数の導波路セルを支持するように構成された第１の可動プラットフォームを提供することと、第１の複数の導波路セル内の導波路セルの第１のセットが、記録ビームのセットからの少なくとも１つの記録ビームによって照射される位置にあるように、第１の可動プラットフォームを第１の動作状態に並進させることと、導波路セルの第１のセットを少なくとも１つの記録ビームで露光することと、第１の複数の導波路セル内の導波路セルの第２のセットが少なくとも１つの記録ビームによって照射される位置にあるように、第１の可動プラットフォームを並進させることと、導波路セルの第２のセットを少なくとも１つの記録ビームで露光することと、を含む。

またなおさらなる実施形態では、導波路セルの第１のセットを露光することが、多重化格子を形成することを含む。

また別の追加の実施形態では、少なくとも１つのミラーが、第１の光路に沿って配設されている。

またさらなる追加の実施形態では、少なくとも１つのビームスプリッタが、第１の光路に沿って配設されている。

再びまた別の実施形態では、少なくとも１つのレーザー源および第１の可動プラットフォームが、周囲光をフィルタ除去するための光学フィルタによって包囲されている。

再びまたさらなる実施形態では、屈折率整合層が、マスター格子と、第１の複数の導波路セル内の少なくとも１つの導波路セルとの間に配設されている。

なお別の追加の実施形態では、記録ビームのセットが、少なくとも１つのマスター格子を照射することによって形成される、少なくとも１つのゼロ次ビームおよび少なくとも１つの回折ビームを含む。

なおさらなる追加の実施形態では、導波路セルの第１のセットを露光することが、導波路セルの第１のセットの各導波路セル内に入力格子、折り曲げ格子、および出力格子を同時に形成することを含む。

再びなお別の実施形態では、入力格子、折り曲げ格子、および出力格子の各々が、単一ビーム干渉露光プロセスを使用して形成される。

再びなおさらなる実施形態では、導波路セルの第１のセットが、少なくとも２つの導波路セルを含む。

追加の実施形態および特徴は、以下の説明に部分的に記載されており、部分的に、本明細書の考察によって当業者に明らかとなるであろう、または本発明の実施により学習され得る。本発明の性質および利点のさらなる理解は、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。

本発明の実施形態による、単一ビーム記録プロセスを概念的に例示する。 本発明の様々な実施形態による、ＨＰＤＬＣ ＳＢＧデバイスおよびＳＢＧのスイッチング特性を概念的に例示する。 本発明の様々な実施形態による、ＨＰＤＬＣ ＳＢＧデバイスおよびＳＢＧのスイッチング特性を概念的に例示する。 本発明の実施形態による、露光ステーション内に配設された複数の導波路セルを記録するためのホログラフィック記録システムを概念的に例示する。 本発明の実施形態による、露光ステーション内に配設された複数の導波路セルを記録するためのホログラフィック記録システムを概念的に例示する。 本発明の実施形態による、単一プラットフォーム上に配設された複数の導波路セルを記録するためのホログラフィック記録システムを概念的に例示する。 本発明の実施形態による、単一プラットフォーム上に配設された複数の導波路セルを記録するためのホログラフィック記録システムを概念的に例示する。 本発明の一実施形態による、３つの導波路セルのバッチを露光するためのステップアンドリピートプロセスを概念的に例示する。 本発明の一実施形態による、３つの導波路セルのバッチを露光するためのステップアンドリピートプロセスを概念的に例示する。 本発明の一実施形態による、３つの導波路セルのバッチを露光するためのステップアンドリピートプロセスを概念的に例示する。 本発明の一実施形態による、２つのプラットフォーム上に配設された複数の導波路セルを記録するためのホログラフィック記録システムを概念的に例示する。 本発明の一実施形態による、２つのプラットフォーム上に配設された複数の導波路セルを記録するためのホログラフィック記録システムを概念的に例示する。 本発明の一実施形態による、２つのプラットフォーム上に配設された複数の導波路セルを記録するためのホログラフィック記録システムを概念的に例示する。 本発明の一実施形態による、２つのプラットフォーム上に配設された複数の導波路セルを記録するためのホログラフィック記録システムの様々な動作状態の平面図を示す。 本発明の一実施形態による、２つのプラットフォーム上に配設された複数の導波路セルを記録するためのホログラフィック記録システムの様々な動作状態の平面図を示す。 本発明の一実施形態による、２つのプラットフォーム上に配設された複数の導波路セルを記録するためのホログラフィック記録システムの様々な動作状態の平面図を示す。 本発明の一実施形態による、２つのプラットフォーム上に配設された複数の導波路セルを記録するためのホログラフィック記録システムの様々な動作状態の平面図を示す。 本発明の一実施形態による、２つのプラットフォーム上に配設された複数の導波路セルを記録するためのホログラフィック記録システムの様々な動作状態の平面図を示す。 本発明の一実施形態による、２つのプラットフォーム上に配設された複数の導波路セルを記録するためのホログラフィック記録システムの様々な動作状態の平面図を示す。 本発明の一実施形態による、２つのプラットフォーム上に配設された複数の導波路セルを記録するためのホログラフィック記録システムの様々な動作状態の平面図を示す。 本発明の一実施形態による、２つのプラットフォーム上に配設された複数の導波路セルを記録するためのホログラフィック記録システムの様々な動作状態の平面図を示す。 本発明の一実施形態による、２つのプラットフォーム上に配設された複数の導波路セルを記録するためのホログラフィック記録システムの様々な動作状態の平面図を示す。 本発明の実施形態による、ステップアンドリピートプロセスを使用してホログラフィック格子を記録する方法を概念的に例示するフロー図である。

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用語「軸上」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、格子という用語は、いくつかの実施形態では、格子のセットをから構成された格子を包含し得る。例示的目的のために、図面は、特に明記しない限り、縮尺通りに描かれていないことを理解されたい。

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、導波路の大量生産のためのシステムおよび方法が例示されている。導波路内のホログラフィック格子を記録することは、様々な異なる用途で利用され得る。これらの用途の多くが消費者製品を対象とするため、本発明の様々な実施形態による記録システムは、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を提供するように構成され得る。限定されるものではないが、体積格子などの光学素子を光学記録媒体に記録するためのシステムは、多くの異なるやり方で実装され得る。多くの実施形態では、記録システムは、導波路セルの光学記録媒体に体積格子を記録するように構成されている。さらなる実施形態では、体積格子は、記録媒体を少なくとも１つのレーザー源を使用して形成された干渉パターンに露光することによって記録される。導波路セルの複数のエリアの同時露光は、複数の体積格子の記録を可能にし得、すなわち、複数の体積格子は、１つの導波路セル内または複数の導波路セルにわたって記録され得る。いくつかの実施形態では、露光機構は、少なくとも１つの導波路セルおよび少なくとも１つのマスター格子を含み得る、露光スタック上で実施される。マスター格子の使用は、コピーであるか、またはマスター格子と相関される、格子の記録を可能にし得る。

大量生産のための記録システムは、１つのレーザー源を使用して複数の導波路セルを記録することを可能にするために、可動プラットフォームの使用を含み得る。所与の用途の特定の要件に応じて、システムは、２つ以上のレーザー源を利用し得る。多くの実施形態では、記録システムは、複数の露光スタックおよび少なくとも１つのレーザー源を含む。ビーム拡張およびステアリング光学系は、露光スタックに向けられた露光ビームを形成するために使用され得る。いくつかの実施形態では、可動プラットフォームが、複数の露光スタックの段階的な露光を可能にするために、ステアリング光学系または露光スタックを移動させるために実装される。さらなる実施形態では、２つ以上の可動プラットフォームが、ステアリング光学系および露光スタックの両方を移動させることを可能にするために実装される。いくつかの実施形態では、上記に説明されたホログラフィック記録システムのいずれかが、周囲光をフィルタ除去するための光学フィルタをさらに含み得る。そのようなシステム、他の構成、格子アーキテクチャ、導波路セル、および露光スタックが、以下のセクションでさらに詳細に議論される。

光導波路および格子構造
導波路に記録される光学構造は、限定されるものではないが、回折格子などの多くの異なるタイプの光学素子を含むことができる。格子は、光を結合することと、光を向けることと、光の透過を防止することとを含むが、これに限定されない、様々な光学機能を実行するために実装され得る。格子は、導波路の外面に存在する表面レリーフ格子であり得る。他の場合、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）であり得る。ブラッグ格子は、様々な異なる方法を使用して製作することができる。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、光が高次に回折されることがほとんどなく、高効率を有することができる。回折されたおよびゼロ次の光の相対量は、格子の屈折率変調を制御することによって変化させることができ、この特性は、大きな瞳孔にわたって光を抽出するための不可逆導波路格子を作製するために使用することができる。

本発明の一実施形態によるマスター格子を利用する単一ビーム記録プロセスが、図１に概念的に例示されている。示されるように、単一レーザー源（図示せず）からのビーム１００は、マスター格子１０１を通して向けられる。格子１０１と相互作用すると、ビーム１００は、例えば、マスター格子１０１の黒い陰影領域と相互作用する光線の場合のように、回折し得るか、またはビーム１００は、例えば、マスター格子１０１のクロスハッチング領域と相互作用する光線の場合のように、ゼロ次ビームとして実質的な偏差なしでマスター格子１０１を通して伝播し得る。一次回折ビーム１０２およびゼロ次ビーム１０３は、重なり合って、導波路セルの光学記録層１０４を露光する干渉パターンを作り出し得る。例示的な実施形態では、スペーサブロック１０５は、２つの構成要素間の距離を変更するために、格子１０１と光学記録層１０４との間に位置決めされる。

ホログラフィック導波路デバイスで使用されるブラッグ格子のクラスの１つは、スイッチ可能ブラッグ格子（ＳＢＧ）である。ＳＢＧは、まず、基板間に光重合性モノマーと液晶材料との混合物の薄フィルムを配置することによって製作することができる。基板は、ガラスおよびプラスチックなどの様々なタイプの材料で作製することができる。多くの場合、基板は、並列構成である。基板はまた、楔形状を形成し得る。一方または両方の基板は、フィルム全体に電界を印加するための電極、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での格子構造は、空間的に周期的強度変調を伴う干渉露光を使用して、光重合誘発相分離を通じて液体材料（しばしばシロップと称される）に記録され得る。照射強度、混合物中の材料の成分体積分画、および露光温度の制御などであるが、これらに限定されない、要因が、結果として生じる格子形態および性能を決定することができる。容易に理解できるように、多種多様な材料および混合物が、所与の用途の特定の要件に応じて使用され得る。多くの場合、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分子は凝集して、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布する、離散的または合体された液滴を形成する。交互する液晶豊富な領域と液晶枯渇の領域は、格子の縞面を形成し、これは、液滴中のＬＣ分子の配向順序から結果として生じる強い光学偏光を伴って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示すことができ、これは、フィルム全体に印加される電界の大きさによって制御することができる。透明電極を介して格子に電界が印加されるときに、ＬＣ液滴の固有の配向は、変化し得、縞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レベルに低下させる。典型的には、電極は、印加された電界が基板に垂直になるように構成されている。電極は、インジウムスズ酸化物（ＩＴＯ）または他の透明導電性酸化物（ＴＣＯ）から製作される。場合によっては、屈折率整合ＩＴＯ（ＩＭＩＴＯ）が使用される。電界が印加されていないオフ状態では、液晶の異常軸は、概して縞に対して直角に整列する。したがって、格子は、Ｐ偏光について高屈折率変調および高回折効率を示す。電界がＨＰＤＬＣに印加されるときに、格子は、液晶分子の異常軸が、印加された電界に平行に、したがって基板に垂直に整列するオン状態に切り替わる。オン状態では、格子は、Ｓ偏光およびＰ偏光の両方について、より低屈折率変調およびより低回折効率を示す。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、ピクセルマトリックスなどの多様な格子要素に分割することができる。典型的には、１つの基板表面上の電極は、均一で連続的である一方、対向する基板表面上の電極は、選択的にスイッチ可能な多様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、オンに切り替えるために、より長い緩和時間で３０μｓでクリアに切り替えられる。デバイスの回折効率は、印加された電圧によって、連続した範囲にわたって調整することができる。多くの場合、デバイスは、電圧が印加されていない状態でほぼ１００％の効率を示し、十分に高電圧が印加されている状態で実質的にゼロの効率を示す。特定のタイプのＨＰＤＬＣデバイスでは、磁場を、ＬＣ配向を制御するために使用することができる。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、識別可能な液滴構造が結果として生じない程度まで達成することができる。ＳＢＧは、受動格子としても使用することができる。このモードでは、その主な利点は、ユニークな高屈折率変調である。ＳＢＧは、自由空間用途に透過または反射格子を提供するために使用することができる。ＳＢＧは、ＨＰＤＬＣが導波路コアまたは導波路に近接してエバネッセント（ｅｖａｎｅｓｃｅｎｔｌｙ）結合層のいずれかを形成する導波路デバイスとして実装することができる。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。スイッチ可能格子がＴＩＲ条件を超える角度で光を回折するときに、光は、ＳＢＧから出て結合され得る。

図２Ａおよび図２Ｂは、本発明の様々な実施形態による、ＨＰＤＬＣ ＳＢＧデバイス２００、２５０およびＳＢＧのスイッチング特性を概念的に例示する。図２Ａでは、ＳＢＧ２００は、オフ状態である。示されるように、ＬＣ分子２０１は、縞面に対して実質的に直角に整列される。このように、ＳＢＧ２００は、高い回折効率を呈し、入射光は、容易に回折され得る。図２Ｂは、オン位置にあるＳＢＧ２５０を例示する。印加された電圧２５１は、液滴２５３内のＬＣ分子２５２の光軸を配向して、ポリマーの屈折率と一致する有効な屈折率を生成し得、入射光が回折されない透明セルを本質的に作り出す。例示的な実施形態では、ＡＣ電圧源が示されている。容易に理解できるように、様々な電圧源が、所与の用途の特定の要件に応じて利用され得る。

いくつかの用途では、ＬＣは、排出ブラッグ格子（ＥＢＧ）を提供するために、ＳＢＧから抽出または排出することができる。ＥＢＧは、表面レリーフ格子（ＳＲＧ）構造の深さ（表面エッチングおよびＳＲＧを製作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用的に達成可能なものよりもはるかに大きい）により、ブラッグ格子と非常に類似した特性を有するＳＲＧとして特徴付けることができる。ＬＣは、イソプロピルアルコールおよび溶媒でのフラッシングを含むが、これに限定されない様々な異なる方法を使用して抽出することができる。多くの場合、ＳＢＧの透明基板のうちの１つは、除去され、ＬＣは、抽出される。除去された基板はまた、交換され得る。ＳＲＧは、より高いまたはより低い屈折率の材料で少なくとも部分的に埋め戻すことができる。そのような格子は、様々な導波路用途に適合させるために、効率、角度／スペクトル応答、偏光、および他の特性を調整するための範囲を提供する。

導波路セル
導波路セルは、限定されるものではないが、格子などの光学素子が記録され得る、硬化されていないおよび／または露光されていない光学記録材料を含むデバイスとして定義され得る。多くの実施形態では、光学素子は、光学記録材料を特定の波長の電磁放射に露光することによって、導波路セル内に記録され得る。典型的には、導波路セルは、光学記録材料が２つの基板の間に挟まれるように構築され、３層の導波路セルを作り出す。用途に応じて、導波路セルは、様々な構成で構築され得る。多くの実施形態では、導波路セルは、２つの基板で作製された空の導波路セルを真空充填することによって構築される。他の充填方法もまた、使用され得る。いくつかの実施形態では、導波路セルは、光学記録材料を１つの基板上に堆積させ、第２の基板とともに複合材を積層して、３層積層体を形成することによって構築される。限定されるものではないが、スピンコーティングおよびインクジェット印刷などの様々な堆積技術が使用され得る。いくつかの実施形態では、導波路セルは、４つ以上の層を含む。いくつかの実施形態では、導波路セルは、様々な目的を果たし得る異なるタイプの層を含む。例えば、導波路セルは、保護カバー層、偏光制御層、および整列層を含み得る。

様々な材料および形状の基板が、導波路セルの構築に使用され得る。多くの実施形態では、基板は、限定されるものではないが、ガラスおよびプラスチックなどの透明材料で作製される板である。限定されるものではないが、長方形および曲線形状などの異なる形状の基板が、用途に応じて使用され得る。基板の厚さはまた、用途に応じて変化し得る。多くの場合、基板の形状は、導波路の全体的な形状を決定し得る。いくつかの実施形態では、導波路セルは、同じ形状の２つの基板を含む。他の実施形態では、基板は、異なる形状である。容易に理解できるように、基板の形状、寸法、および材料は、変化し得、所与の用途の特定の要件に依存し得る。

多くの実施形態では、ビーズまたは他の粒子は、光学記録材料の層の厚さを制御することに役立ち、２つの基板が互いに崩壊するのを防止することに役立つように、光学記録材料全体に分散される。いくつかの実施形態では、導波路セルは、２つの平面基板の間に挟まれた光学記録層で構築される。使用される光学記録材料のタイプに応じて、いくつかの光学記録材料の粘度および光学記録層の境界周辺の欠如に起因して、厚さ制御を達成することが困難である場合がある。いくつかの実施形態では、ビーズは、比較的圧縮不可能な固体であり、これは、一貫した厚さを有する導波路セルの構築を可能にし得る。ビーズのサイズは、個々のビーズの周囲のエリアの局所化された最小厚さを決定し得る。このように、ビーズの寸法は、所望の光学記録層厚さを達成するのに役立つように選択され得る。ビーズは、限定されるものではないが、ガラスおよびプラスチックを含む、様々な材料のいずれかで作製され得る。いくつかの実施形態では、ビーズの材料は、その屈折率が導波路セル内の光の伝播に実質的に影響を及ぼさないように選択される。

いくつかの実施形態では、導波路セルは、２つの基板が平行または実質的に平行であるように構築される。そのような実施形態では、比較的同様のサイズのビーズが、光学記録材料全体に分散して、層全体で均一な厚さを達成するのに役立ち得る。他の実施形態では、導波路セルは、先細の外形を有する。先細導波路セルは、光学記録材料にわたって異なるサイズのビーズを分散させることによって構築され得る。上記に論じられたように、ビーズのサイズは、光学記録材料層の局所的な最小厚さを決定し得る。ビーズを、材料層にわたってサイズを増加させるパターンで分散させることによって、光学記録材料の先細層は、材料が２つの基板の間に挟まれるときに、形成され得る。

材料組成物の調節
高輝度および優れた色の忠実度は、ＡＲ導波路ディスプレイの重要な因子である。各場合において、ＦＯＶにわたる高い均一性が所望され得る。しかしながら、導波路の基本光学系は、導波路の空隙または導波路で跳ね返るビームの重なり合いに起因する不均一性につながり得る。さらなる不均一性は、格子内の不完全性および導波路基板の非平面性から生じ得る。ＳＢＧでは、複屈折格子による偏光回転のさらなる問題が存在し得る。適用可能な場合、最大の課題は、通常、格子縞とのビームの複数の交差から結果的に生じる数百万の光路が存在する折り曲げ格子である。格子特性、特に屈折率変調の慎重な管理が、不均一性を克服するために利用され得る。

多数の可能なビーム相互作用（回折またはゼロ次透過）のうち、サブセットのみがアイボックスで提示される信号に寄与する。アイボックスからリバーストレースすることによって、所与のフィールドポイントに寄与するフォールド領域がピンポイントで特定され得る。次いで、出力照明の暗領域により多く送るために必要な変調に対する正確な補正が算出され得る。１つの色の出力照明の均一性を標的に戻した後、手順は、他の色について繰り返され得る。一旦、屈折率変調パターンが確立されると、設計は、堆積機構にエクスポートされ得、各標的屈折率変調は、コーティングされる／堆積される基板上の各空間解像度セルに関する固有の堆積設定に変換する。堆積機構の解像度は、利用されるシステムの技術的制限に依存し得る。多くの実施形態では、空間パターンは、完全な再現性を有する３０マイクロメートル解像度まで実装され得る。

表面レリーフ格子（ＳＲＧ）を利用する導波路と比較して、本発明の様々な実施形態による製造技術を実装するＳＢＧ導波路は、限定されるものではないが、屈折率変調および格子厚さなどの、効率性および均一性に影響を与える格子設計パラメータが、異なるマスターを必要とせずに堆積プロセス中に動的に調整されることを可能にし得る。エッチング深さによって変調が制御される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ことを必然的に伴うため、実用的ではない。加えて、必要なエッチング深さの精度およびレジストイメージングの複雑さを達成することは、非常に困難であり得る。

本発明の様々な実施形態による堆積プロセスは、堆積され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整を提供し得る。本発明の様々な実施形態は、基板上の異なる領域に異なる材料、または異なる材料組成物を堆積するように構成され得る。例えば、堆積プロセスは、格子領域であることが意図される基板のエリア上にＨＰＤＬＣ材料を堆積させ、非格子領域であることが意図される基板のエリア上にモノマーを堆積させるように構成され得る。いくつかの実施形態では、堆積プロセスは、成分組成物が空間的に変化する光学記録材料の層を堆積するように構成され、堆積された材料の様々な態様の調節を可能にする。異なる組成物を有する材料の堆積は、いくつかの異なる方法で実装され得る。多くの実施形態では、２つ以上の堆積ヘッドが、異なる材料および混合物を堆積させるために利用され得る。各堆積ヘッドは、異なる材料／混合物リザーバに結合され得る。そのような実施態様は、様々な用途に使用され得る。例えば、異なる材料が、導波路セルの格子エリアおよび非格子エリアに対して堆積され得る。いくつかの実施形態では、ＨＰＤＬＣ材料は、格子領域上に堆積され、一方で、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、異なる成分組成物を有する混合物を堆積するように構成され得る。

いくつかの実施形態では、スプレーノズルが、複数のタイプの材料を単一基板上に堆積させるために実装され得る。導波路用途では、スプレーノズルは、導波路の格子エリアおよび非格子エリアに異なる材料を堆積させるために使用され得る。多くの実施形態では、スプレー機構は、少なくとも１つの材料組成物、複屈折、および／または厚さが、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得る格子を印刷するように構成されている。いくつかの実施形態では、製造システムは、レーザー帯域固定の制御のために最適化された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た格子記録材料を堆積す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、整列制御層と関連する偏光不均一性の制御のために最適化された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、堆積作業セルが、ビーム分割コーティングおよび環境保護層などの追加の層の堆積のために構成され得る。インクジェット印刷ヘッドも、基板の異なる領域で異なる材料を印刷するために実装され得る。

上記に論じられたように、堆積プロセスは、成分組成物が空間的に変化する光学記録材料を堆積するように構成され得る。材料組成物の調節は、多くの異なるやり方で実装され得る。いくつかの実施形態では、インクジェット印刷ヘッドは、印刷ヘッド内の様々な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物を調節するように構成され得る。「ドット毎」に組成物を変更することによって、光学記録材料の層は、層の平面にわたって様々な組成物を有するように堆積され得る。そのようなシステムは、限定されるものではないが、インクジェット印刷ヘッドを含む、様々な装置を使用して実装され得る。カラーシステムが、プリンタのＣＭＹＫシステムまたはディスプレイアプリケーションの加算的ＲＧＢシステムなどの数百万の離散色値のスペクトルを生成するためにわずかな色のみのパレットを使用するやり方と同様に、本発明の様々な実施形態によるインクジェット印刷ヘッドは、異なる材料のわずかなリザーバのみを使用して、様々な組成物の光学記録材料を印刷するように構成され得る。異なるタイプのインクジェット印刷ヘッドは、異なる精度レベルを有し得、異なる解像度で印刷し得る。多くの実施形態では、３００ＤＰＩ（「ドット／インチ」）インクジェット印刷ヘッドが利用される。精度レベルに応じて、所与の数の材料の様々な組成物の離散化が、所与のエリアにわたって決定され得る。例えば、印刷される２つのタイプの材料、および３００ＤＰＩの精度レベルのインクジェット印刷ヘッドを考慮すると、各ドット場所が２つのタイプの材料のいずれかを含み得る場合、印刷された材料の所与の体積に対して１平方インチにわたって、９０，００１の２つのタイプの材料の組成比の可能な離散値が存在する。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１つ、または両方の材料を含有し得る。いくつかの実施形態では、２つ以上のインクジェット印刷ヘッドは、空間的に変化する組成物を有する光学記録材料の層を印刷するように構成されている。二材料用途におけるドットの印刷は、本質的には二成分系であるが、あるエリアにわたって印刷されたドットを平均することは、印刷される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し得る。例えば、単位正方形全体の可能な濃度／比率の離散レベルの量は、単位正方形内で印刷され得るドット場所の数によって与えられる。このように、１００％の第１の材料から１００％の第２の材料の範囲の異なる濃度の組み合わせの範囲が存在し得る。容易に理解できるように、概念は、現実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度レベルによって決定され得る。印刷された層の材料組成物を調節する具体例が論じられているが、インクジェット印刷ヘッドを使用して材料組成物を調節する概念は、３つ以上の異なる材料リザーバを使用するように拡張されてもよく、使用される印刷ヘッドのタイプに大きく依存する精度レベルを変化させ得る。

印刷された材料の組成物を変化させることは、いくつかの理由で有利であり得る。例えば、多くの実施形態では、堆積中に材料の組成物を変化させることは、格子の異なるエリアにわたって空間的に変化する回折効率を有する格子を有する導波路の形成を可能にし得る。ＨＰＤＬＣ混合物を利用する実施形態では、これは、印刷プロセス中にＨＰＤＬＣ混合物中の液晶の相対濃度を調節することによって達成され得、これは、材料が露光されるときに様々な回折効率を有する格子を生成し得る組成物を作り出す。いくつかの実施形態では、特定の濃度の液晶を有する第１のＨＰＤＬＣ混合物および液晶を含まない第２のＨＰＤＬＣ混合物は、印刷された材料中に形成され得る格子の回折効率を調節するために、インクジェット印刷ヘッド内の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度に基づいて決定され得る。離散レベルは、特定のエリアにわたって印刷された材料の濃度／比率によって与えられ得る。この例では、離散レベルは、第１のＰＤＬＣ混合物中の液晶なしから液晶の最大濃度までの範囲である。

導波路にわたって回折効率を変化させる能力は、様々な目的に使用され得る。導波路は、典型的には、導波路の２つの平面表面の間で光を何度も反射することによって内部に光を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し得る。多くの実施形態では、材料の層は、形成された格子が、格子との相互作用中の光の損失を補償して、均一な出力強度を可能にするために、空間的に変化する回折効率を有するように、様々な組成物の材料で印刷され得る。例えば、いくつかの導波路用途では、出力格子は、導波路からの光も結合しながら、一方向に射出瞳拡張を提供するように構成される。出力格子は、導波路内の光が格子と相互作用するとき、光の一定の割合のみが導波路から屈折されるように設計され得る。残りの部分は、同じ光路内に存続し、ＴＩＲ内に残り、導波路内で反射され続ける。同じ出力格子との第２の相互作用が再び行われると、光の別の部分が導波路から屈折される。各屈折の間、導波路内を依然として移動する光の量は、導波路から屈折した量だけ減少する。このように、各相互作用で屈折される部分は、全強度に関して徐々に減少する。伝播距離とともに増大するように格子の回折効率を変化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が補償され得、均一な出力強度を可能にする。

回折効率を変化させることは、導波路内の光の他の減衰を補償するためにも使用され得る。すべての物体は、ある程度の反射および吸収を有する。導波路内のＴＩＲに閉じ込められた光は、導波路の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、光の一部分は、各相互作用中に材料によって吸収され得る。多くの場合、この減衰は、小さいが、多くの反射が発生する広いエリアにわたって有意なものとなり得る。多くの実施形態では、導波路セルは、光学記録材料層から形成された格子が、基板からの光の吸収を補償するために様々な回折効率を有するように、様々な組成物で印刷され得る。基板に応じて、特定の波長が、基板によってより吸収され易い可能性がある。多層導波路設計において、各層は、特定の範囲の波長の光に結合するように設計され得る。したがって、これらの個々の層によって結合された光は、層の基板によって異なる量で吸収され得る。例えば、いくつかの実施形態では、導波路は、フルカラーディスプレイを実装するための３層スタックで作製され、各層は、赤色、緑色、および青色のうちの１つに対して設計される。そのような実施形態では、導波路層の各々の中の格子は、特定の波長の光の透過損失に起因する色の不均衡を補償することによって色バランス最適化を実施するために、様々な回折効率を有するように形成され得る。

回折効率を変化させるために、材料内の液晶濃度を変化させることに加えて、別の技術は、導波路セルの厚さを変化させることを含む。これは、スペーサの使用によって達成され得る。多くの実施形態では、スペーサは、導波路セルの構築中に構造的支持のために光学記録材料全体に分散される。いくつかの実施形態では、異なるサイズのスペーサは、光学記録材料全体に分散される。スペーサは、光学記録材料の層の１つの方向にわたってサイズの昇順で分散され得る。導波路セルが積層を通して構築されるとき、基板は、光学記録材料を挟み込み、様々なサイズのスペーサからの構造的支持により、光学記録材料の楔形状層を作り出す。様々なサイズのスペーサは、上に説明された調節プロセスと同様に分散され得る。加えて、スペーササイズを調節することは、材料組成物の調節と組み合わせられ得る。いくつかの実施形態では、各々が異なるサイズのスペーサで懸架されたＨＰＤＬＣ材料のリザーバが、楔形状導波路セルを形成するために戦略的に分散された様々なサイズのスペーサを有するＨＰＤＬＣ材料の層を印刷するために使用される。いくつかの実施形態では、スペーササイズ調節は、スペーサの異なるサイズの数および使用される異なる材料の数の積に等しい数のリザーバを提供することによって、材料組成物調節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有する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つのリザーバは、第１のサイズのスペーサを有する液晶なしの混合物懸濁液、第２のサイズのスペーサを有する液晶なしの混合物懸濁液、第１のサイズのスペーサを有する液晶豊富な混合物懸濁液、および第２のサイズのスペーサを有する液晶豊富な混合物懸濁液で調製され得る。材料調節に関するさらなる議論は、２０１８年１１月１８日出願の「ＳＹＳＴＥＭＳ ＡＮＤ ＭＥＴＨＯＤＳ ＦＯＲ ＭＡＮＵＦＡＣＴＵＲＩＮＧ ＷＡＶＥＧＵＩＤＥ ＣＥＬＬＳ」と題された米国出願第１６／２０３，０７１号に見出され得る。米国出願第１６／２０３，４９１号の開示は、すべての目的に関して、参照によりその全体が本明細書に組み込まれる。

多層導波路製作
本発明の様々な実施形態による導波路製造は、多層導波路の製作のために実装され得る。多層導波路は、格子または他の光学構造を有する２つ以上の層を利用する導波路のクラスを指す。以下の議論は格子に関し得るが、任意のタイプのホログラフィック光学構造が、必要に応じて実装および置換され得る。多層導波路は、限定されるものではないが、スペクトルおよび／または角度帯域幅を改善することを含む、様々な目的で実装され得る。従来、多層導波路は、単一格子層を有する導波路を積層および整列することによって形成される。そのような場合、各格子層は、典型的には、一対の透明基板によって境を接している。所望の全内部反射特性を維持するために、導波路は、通常、スペーサを使用して積層されて、個々の導波路間に空隙を形成する。

従来の積層導波路とは対照的に、本発明の多くの実施形態は、交互する基板層および格子層を有する多層導波路の製造を対象とする。そのような導波路は、単一導波路のために格子層を連続的に形成することができる反復プロセスで製作され得る。いくつかの実施形態では、多層導波路は、２つの格子層で製作される。いくつかの実施形態では、多層導波路は、３つの格子層で製作される。任意の数の格子層を形成できるが、利用されるツールおよび／または導波路設計によって制限される。従来の多層導波路と比較して、これは、より少ない基板が必要とされるため、厚さ、材料、およびコストの低減を可能にする。さらに、そのような導波路の製造プロセスは、簡略化された整列および基板整合要件に起因して、生産におけるより高い歩留まりを可能にする。

本発明の様々な実施形態による、交互する透明基板層および格子層を有する多層導波路の製造プロセスは、様々な技術を使用して実装され得る。多くの実施形態では、製造プロセスは、光学記録材料の第１の層を第１の透明基板上に堆積することを含む。光学記録材料は、限定されるものではないが、ＨＰＤＬＣ混合物、および上記のセクションで論じられた材料配合物のいずれかを含む、様々な材料および混合物を含み得る。同様に、限定されるものではないが、スプレー、スピンコーティング、インクジェット印刷、および上記のセクションに説明された技術のいずれかなどの、様々な堆積技術のいずれかが利用され得る。様々な形状、厚さ、および材料の透明基板が利用され得る。透明基板は、限定されるものではないが、ガラス基板およびプラスチック基板を含み得る。用途に応じて、透明基板は、様々な目的のために異なるタイプのフィルムでコーティングされ得る。一旦、堆積プロセスが完了すると、次いで、第２の透明基板が光学記録材料の堆積された第１の層上に配置され得る。いくつかの実施形態では、プロセスは、３層複合材を所望の高さ／厚さに形成するための積層ステップを含む。露光プロセスが、光学記録材料の第１の層内に格子のセットを形成するために実装され得る。限定されるものではないが、単一ビーム干渉露光、および上記のセクションに説明される他の露光プロセスのいずれかなどの、露光プロセスが利用され得る。本質的には、ここで、単層導波路が形成される。次いで、プロセスは、追加の層を導波路に追加するために繰り返され得る。いくつかの実施形態では、光学記録材料の第２の層は、第２の透明基板上に堆積される。第３の透明基板は、光学記録材料の第２の層上に配置され得る。以前のステップと同様に、複合材は、所望の高さ／厚さに積層され得る。次いで、第２の露光プロセスが、光学記録材料の第２の層内に格子のセットを形成するために実施され得る。その結果、２つの格子層を有する導波路が得られる。容易に理解できるように、プロセスは、追加の層を追加するために反復的に継続し得る。追加の光学記録層は、現在の積層体の両側に追加され得る。例えば、光学記録材料の第３の層は、第１の透明基板または第３の透明基板のいずれかの外面上に堆積され得る。

多くの実施形態では、製造プロセスは、１つ以上の後処理ステップを含む。限定されるものではないが、平面化、洗浄、保護コーティングの塗布、熱アニール、所望の複屈折状態を達成するためのＬＣダイレクタの整列、記録されたＳＢＧからのＬＣの抽出、および別の材料による再充填などの、後処理ステップは、製造プロセスの任意の段階で実行され得る。限定されるものではないが、導波路ダイシング（複数の要素が生成されている）、エッジ仕上げ、ＡＲコーティング堆積、最終保護コーティング塗布などの、いくつかのプロセスは、典型的には、製造プロセスの最後に実行される。

多くの実施形態では、限定されるものではないが、ビーズおよび他の粒子などのスペーサは、光学記録材料の層の厚さを制御および維持するのに役立つように、光学記録材料全体に分散される。スペーサはまた、２つの基板が互いに崩壊することを防ぐのに役立ち得る。いくつかの実施形態では、導波路セルは、２つの平面基板の間に挟まれた光学記録層で構築される。使用される光学記録材料のタイプに応じて、いくつかの光学記録材料の粘度および光学記録層の境界周辺の欠如に起因して、厚さ制御を達成することが困難である場合がある。いくつかの実施形態では、スペーサは、比較的圧縮不可能な固体であり、これは、一貫した厚さを有する導波路セルの構築を可能にし得る。スペーサは、限定されるものではないが、ロッドおよび球体を含む、任意の好適な幾何学的形状をとり得る。スペーサのサイズは、個々のスペーサの周囲のエリアの局所化された最小厚さを決定し得る。このように、スペーサの寸法は、所望の光学記録層厚さを達成するのに役立つように選択され得る。スペーサは、任意の好適なサイズをとり得る。多くの場合、スペーサのサイズは、１～３０μｍの範囲である。スペーサは、限定されるものではないが、プラスチック（例えば、ジビニルベンゼン）、シリカ、および導電性材料を含む、様々な材料のいずれかから作製され得る。いくつかの実施形態では、スペーサの材料は、その屈折率が導波路セル内の光の伝播に実質的に影響を及ぼさないように選択される。

多くの実施形態では、光学記録材料の第１の層は、真空充填方法を使用して、第１および第２の透明基板の間に組み込まれる。いくつかの実施形態では、光学記録材料の層は、所与の用途の特定の要件に応じて、必要に応じて充填または堆積され得る、異なる区分で分離される。いくつかの実施形態では、製造システムは、光学記録材料を下から露光するように構成される。そのような実施形態では、反復多層製作プロセスは、露光光が、任意の形成された格子層に入射する前に、新しく堆積された光学記録層に入射するように、現在のデバイスを裏返すことを含み得る。

多くの実施形態では、露光プロセスは、新しく堆積された光学記録層の記録プロセスを妨げないように、以前に形成された格子層を一時的に「消去」または透明にすることを含み得る。一時的に「消去」された格子または他の光学構造は、透明材料と同様に挙動し得、光が光線路に影響を与えることなく通過することを可能にする。そのような技術を使用して光学記録材料の層に格子を記録するための方法は、基板上に堆積された第１の光学記録材料層が格子の第１のセットを形成するために露光される光学構造のスタックを製作することを含み得、格子の第１のセットは、第１の光学記録材料層を横断する光学記録ビームを使用して、格子の第２のセットが第２の光学記録材料層内に記録され得るように、一時的に消去され得る。記録方法は、主に２つの格子層を有する導波路に関して論じられるが、基本原理は、３つ以上の格子層を有する導波路に適用され得る。

格子構造を一時的に消去するステップを組み込む多層導波路製作プロセスは、様々なやり方で実装され得る。典型的には、第１の層は、従来の方法を使用して形成される。利用される記録材料は、刺激に応答して消去され得る光学構造を支持することができる材料システムを含み得る。光学構造がホログラフィック格子である実施形態では、露光プロセスは、交差ビームホログラフィック記録装置を利用し得る。いくつかの実施形態では、光学記録プロセスは、フォトポリマーまたは振幅格子に記録されたブラッグホログラムであり得る、マスター格子によって提供されるビームを使用する。いくつかの実施形態では、露光プロセスは、マスター格子と併せて単一記録ビームを利用して、干渉露光ビームを形成する。説明されるプロセスに加えて、ホログラムを製作するために現在当該分野で使用されている他の産業プロセスおよび装置が使用され得る。

一旦、格子の第１のセットが記録されると、追加の材料層が、上に説明されたプロセスと同様に追加され得る。第１の材料層の後の任意の材料層の露光プロセスの間、外部刺激が、任意の以前に形成された格子に適用されて、それらを効果的に透明にし得る。効果的に透明な格子層は、光が通過して、新しい材料層を露光することを可能にし得る。１つ以上の外部刺激は、光学刺激、熱刺激、化学刺激、機械刺激、電気刺激、および／または磁気刺激を含み得る。多くの実施形態では、外部刺激は、所定のレベルを下回る光学ノイズを生成するために、所定の閾値を下回る強度で適用される。特定の所定の閾値は、格子を形成するために使用される材料のタイプに依存し得る。いくつかの実施形態では、第１の材料層に適用される犠牲整列層が、格子の第１のセットを一時的に消去するために使用され得る。いくつかの実施形態では、格子の第１のセットに適用される外部刺激の強度は、通常動作中に光学デバイス内の光学ノイズを低減するように制御される。いくつかの実施形態では、光学記録材料は、格子を消去するプロセスを容易にするための添加剤をさらに含み、これは、上記に説明された方法のいずれかを含み得る。いくつかの実施形態では、消去された層の復元のために刺激が適用される。

上記のプロセスに説明されている記録された層をクリアにし、復元することは、多くの異なる方法を使用して達成され得る。多くの実施形態では、第１の層は、第２の層の記録中に連続的に刺激を加えることによってクリアにされる。他の実施形態では、刺激が最初に適用され、クリアにされた層の格子は、第２の格子の記録を可能にするタイムスケールにわたってその記録された状態に自然に復帰し得る。他の実施形態では、層は、外部刺激の適用後にクリアにされたままであり、別の外部刺激に応答して復帰する。いくつかの実施形態では、第１の光学構造のその記録された状態への復元は、整列層または外部刺激を使用して実行され得る。そのような復元に使用される外部刺激は、限定されるものではないが、光学構造をクリアにするために使用される１つ以上の刺激を含む、様々な異なる刺激のいずれかであり得る。クリアにされる光学構造および層の組成材料に応じて、クリアプロセスは、変化し得る。外部刺激を利用する多層導波路製作に関するさらなる議論は、２０１９年７月２５日出願の「Ｓｙｓｔｅｍｓ ａｎｄ Ｍｅｔｈｏｄｓ ｆｏｒ Ｆａｂｒｉｃａｔｉｎｇ ａ Ｍｕｌｔｉｌａｙｅｒ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ」と題された米国出願第１６／５２２，４９１号に見出され得る。米国出願第１６／５２２，４９１号の開示は、すべての目的に関して、参照によりその全体が本明細書に組み込まれる。

ＨＰＤＬＣ光学記録材料システム
ＨＰＤＬＣ混合物は、概して、ＬＣ、モノマー、光開始剤染料、および共開始剤を含む。混合物（しばしば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ている。ＰＤＬＣ混合物中での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、参照によってその開示が本明細書に組み込まれる、Ｒ．Ｌ Ｓｕｔｈｅｒｌａｎｄ ｅｔ ａｌ．による、ＳＰＩＥ Ｖｏｌ．２６８９，１５８－１６９，１９９６の論文は、界面活性剤を添加することができる、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混合物を記載している。界面活性剤はまた、参照によってその開示が本明細書に組み込まれる、Ｎａｔａｒａｊａｎ ｅｔ ａｌ．による、Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｎｏｎｌｉｎｅａｒ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｐｈｙｓｉｃｓ ａｎｄ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ，Ｖｏｌ．５ Ｎｏ．Ｉ ８９－９８，１９９６の論文に言及されている。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、ポリマー分散型液晶光学素子を形成するためのポリマー分散液晶材料を議論する。米国特許第７，０１８，５６３号の開示は、参照によってその全体が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、低駆動電圧などを達成するためにそのような材料システムを配合することへの調査を含む、ＳＢＧを製作するために使用することができ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デバイスを製作するために好適なモノマーおよび液晶材料の組み合わせを記載する。レシピの実施例はまた、１９９０年代初頭に遡る論文に見出すことができる。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。
・参照によってその開示が本明細書に組み込まれる、Ｒ．Ｌ．Ｓｕｔｈｅｒｌａｎｄ ｅｔ ａｌ．，Ｃｈｅｍ．Ｍａｔｅｒ．５，１５３３（１９９３）は、アクリレートポリマーおよび界面活性剤の使用を記載する。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は、特定の変異体に添加された。
・参照によってその開示が本明細書に組み込まれる、Ｆｏｎｔｅｃｃｈｉｏ ｅｔ ａｌ．，ＳＩＤ ００ Ｄｉｇｅｓｔ ７７４－７７６，２０００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を記載する。
・参照によってその開示が本明細書に組み込まれる、Ｙ．Ｈ．Ｃｈｏ，ｅｔ ａｌ．，Ｐｏｌｙｍｅｒ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ，４８，１０８５－１０９０，１９９９は、アクリレートを含むＨＰＤＬＣレシピを開示する。
・参照によってその開示が本明細書に組み込まれる、Ｋａｒａｓａｗａ ｅｔ ａｌ．，Ｊａｐａｎｅｓｅ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ，Ｖｏｌ．３６，６３８８－６３９２，１９９７は、様々な官能状態のアクリレートを記載する。
・参照によってその開示が本明細書に組み込まれる、Ｔ．Ｊ．Ｂｕｎｎｉｎｇ ｅｔ ａｌ．，Ｐｏｌｙｍｅｒ Ｓｃｉｅｎｃｅ： Ｐａｒｔ Ｂ： Ｐｏｌｙｍｅｒ Ｐｈｙｓｉｃｓ，Ｖｏｌ．３５，２８２５－２８３３，１９９７はまた、多官能性アクリレートモノマーを記載する。
・参照によってその開示が本明細書に組み込まれる、Ｇ．Ｓ．Ｉａｎｎａｃｃｈｉｏｎｅ ｅｔ ａｌ．，Ｅｕｒｏｐｈｙｓｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ Ｖｏｌ．３６（６）．４２５－４３０，１９９６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混合物を記載する。

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、機械的に堅牢であり、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は、ＨＰＤＬＣ技術に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などのより高い官能性の材料もまた、使用されている。

ナノ粒子系光学記録材料システム
本発明の様々な実施形態による材料システムは、ホログラフィックブラッグ格子を形成することができるフォトポリマー混合物を含み得る。いくつかの実施形態では、混合物は、干渉フォトリソグラフィを使用してホログラフィック格子を形成することができる。そのような場合、屈折率変調が、干渉パターンの露光強度を変化させることによって生じる。上記のセクションに説明されている技術および当該技術分野で周知の技術を含む、様々なリソグラフィ技術のいずれかが使用され得る。光反応性による屈折率変化に依存する従来の技術と比較して、本発明の様々な実施形態による材料システムおよび技術は、干渉露光を通じて開始される相分離プロセスを利用する。多くの実施形態では、フォトポリマー混合物は、異なるタイプのモノマー、染料、光開始剤、およびナノ粒子を含む。モノマーとしては、限定されるものではないが、ビニル、アクリレート、メタクリレート、チオール、エポキシド、および他の反応性基が挙げられ得る。いくつかの実施形態では、混合物は、異なる屈折率を有するモノマーを含み得る。いくつかの実施形態では、混合物は、反応性希釈剤および／または接着促進剤を含み得る。容易に理解できるように、様々なタイプの混合物および組成物が、所与の用途の特定の要件に応じて、必要に応じて実装され得る。いくつかの実施形態では、実装される混合物は、２０１９年１月８日出願の「Ｌｏｗ Ｈａｚｅ Ｌｉｑｕｉｄ Ｃｒｙｓｔａｌ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ」と題された米国出願第１６／２４２，９４３号、２０１９年１月８日出願の「Ｌｉｑｕｉｄ Ｃｒｙｓｔａｌ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ ａｎｄ Ｆｏｒｍｕｌａｔｉｏｎｓ」と題された米国出願第１６／２４２，９５４号、２０１８年６月１３日出願の「Ｈｏｌｏｇｒａｐｈｉｃ Ｍａｔｅｒｉａｌ Ｓｙｓｔｅｍｓ ａｎｄ Ｗａｖｅｇｕｉｄｅｓ Ｉｎｃｏｒｐｏｒａｔｉｎｇ Ｌｏｗ Ｆｕｎｃｔｉｏｎａｌｉｔｙ Ｍｏｎｏｍｅｒｓ」と題された米国出願第１６／００７，９３２号、および２０２０年２月２４日出願の「Ｈｏｌｏｇｒａｐｈｉｃ Ｐｏｌｙｍｅｒ Ｄｉｓｐｅｒｓｅｄ Ｌｉｑｕｉｄ Ｃｒｙｓｔａｌ Ｍｉｘｔｕｒｅｓ ｗｉｔｈ Ｈｉｇｈ Ｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎ Ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ ａｎｄ Ｌｏｗ Ｈａｚｅ」と題された米国出願第１６／７９９，７３５号に説明されている材料システムに基づいている。米国出願第１６／２４２，９４３号、同第１６／２４２，９５４号、同第１６／００７，９３２号、および同第１６／７９９，７３５号の開示は、すべての目的に関して、その全体が参照により本明細書に組み込まれる。

ホログラフィック格子を形成するために、マスター格子は、露光ビームを導き、かつ硬化されていないフォトポリマー材料の層上に干渉パターンを形成して、格子を形成するために使用され得る。上記に説明されたように、記録プロセスは、典型的には、プラスチックまたはガラス板で作製される、２つの透明基板によって挟まれた硬化されていないフォトポリマー材料の層を含む導波路セル上で実施され得る。硬化されていないフォトポリマー材料の層を有する導波路セルは、限定されるものではないが、真空充填および印刷堆積プロセスを含む、多くの異なるやり方で形成され得る。記録ビームでマスター格子を露光することによって、ビームの一部分が回折することになるが、一方、一部分は、ゼロ次光として通過する。回折された部分およびゼロ次部分は、フォトポリマー材料を露光するために干渉し得る。モノマーおよびナノ粒子は、相分離して、干渉パターンに対応するモノマーおよびナノ粒子の交互する領域を形成し、体積ブラッグ格子を効果的に形成する。いくつかの実施形態では、２つの異なる露光ビームが、所望の露光のための干渉パターンを形成するために利用される。

用途に応じて、形成された格子のタイプおよびサイズは、大きく異なり得る。いくつかの実施形態では、ナノ粒子ベースのフォトポリマーシステムは、等方性格子を形成するように実装される。等方性格子は、多くの異なる導波路用途において有利であり得る。上記のセクションで説明されたように、従来のＨＰＤＬＣ材料システムから形成されたものなどの異方性格子は、導波路内で伝播する光に偏光回転効果を生成し得、縞および他の望ましくないアーチファクトを結果的にもたらす。等方性格子を組み込む導波路は、これらのアーチファクトの多くを排除し得、光の均一性を改善する。多くの実施形態では、ナノ粒子ベースの格子は、ＳおよびＰ偏光の両方について高い回折効率を有し、これは、典型的なＨＰＤＬＣ格子と比較して、より均一、かつ効率的な導波路を可能にする。いくつかの実施形態では、格子は、ＳおよびＰ偏光の少なくとも１つに対して少なくとも約２０％の回折効率を提供する。さらなる実施形態では、格子は、ＳおよびＰ偏光の少なくとも１つに対して少なくとも約４０％の回折効率を提供する。容易に理解できるように、そのような格子は、所与の用途の特定の要件に応じて、適切な偏光された応答で構成され得る。例えば、いくつかの実施形態では、格子は、適切な輝度を有する導波路ディスプレイを実装するために、Ｓ偏光に対する少なくとも約４０％の回折効率を提供する。さらなる実施形態では、格子は、Ｓ偏光に対して少なくとも約４０％の回折効率、およびＰ偏光に対して少なくとも約１０％の回折効率を提供する。

導波路用途は、典型的には、サブ波長サイズの格子を利用して、導波路内の光の所望の伝播および制御を可能にする。このように、本発明のいくつかの実施形態は、約５００ｎｍ未満の周期を有する格子を形成するために、ナノ粒子ベースのフォトポリマー材料の使用を含む。さらなる実施形態では、格子は、約３００～５００ｎｍの周期を有する。いくつかの実施形態では、モノマーおよびナノ粒子のタイプは、格子形成の相分離プロセス中に高い拡散速度を提供するように選択され得る。高い拡散速度は、小格子の形成を容易にし得、いくつかの用途では、必要とされ得る。多くの実施形態では、格子は、回転Ｋベクトルを有するように形成され、すなわち、格子のＫベクトルは、同様の周期を維持しながら変化する。異なる周期および変化するＫベクトルに加えて、格子はまた、特定の厚さを有するように形成され得、これは、典型的には、フォトポリマー材料の層の厚さによって画定される。容易に理解できるように、格子が形成される厚さは、特定の用途に依存し得る。一般に、より薄い格子は、より低い回折効率を結果的にもたらすが、より高い動作角帯域幅を結果的にもたらす。他の従来の材料システムとは対照的に、本発明の様々な実施形態によるフォトポリマー材料システムは、多くの所望の導波路用途のための十分な回折効率値を有する薄い格子を提供することができる。多くの実施形態では、格子は、約５μｍ未満の厚さを有するように形成される。さらなる実施形態では、格子は、約１～３μｍの厚さを有するように形成される。いくつかの実施形態では、格子は、変化する厚さ外形を有する。

利用される構成要素のタイプは、所与の用途の特定の要件に依存し得る。例えば、ナノ粒子のタイプは、残りの構成要素との低い反応性を有するように選択され得る（すなわち、ナノ粒子は、材料システムにおけるモノマー、染料、共開始剤などに対するそれらの非反応性のために選択される）。いくつかの実施形態では、二酸化ジルコニウムナノ粒子が利用される。多くの用途では、導波路効率が極めて重要である。そのような場合、低吸収特性を有するナノ粒子が有利であり得る。典型的な導波路用途内の格子相互作用の量を考慮すると、従来のシステムでは低いと考えられている吸収値でさえも、許容できない効率の損失を依然として結果的にもたらし得る。例えば、高い吸収特性を有する典型的な金属ナノ粒子は、多くの導波路用途にとって望ましくない可能性がある。このように、多くの実施形態では、ナノ粒子のタイプは、０．１％未満の吸収を提供するように選択される。いくつかの実施形態では、ナノ粒子は、非金属である。低い吸収値に加えて、導波路性能および格子形成に影響を与える他の特性もまた、考慮され得る。

上記に説明されたように、小格子は、多くの導波路用途で有利であり得る。従来のＨＰＤＬＣ材料システムと比較して、相分離されたナノ粒子ベースのフォトポリマー材料は、ＬＣ液滴と比較して比較的小さいサイズのナノ粒子に起因して、はるかに高い解像度を有する格子の形成を可能にし得る。典型的なＨＰＤＬＣ材料システムでは、ＬＣ液滴は、約１００ｎｍのサイズである。これは、いくつかの用途における特定の制限につながり得る。例えば、多くの導波路用途は、導波路内に格子を形成するためのホログラフィック露光／記録プロセスを実装する。用途に応じて、マスター格子の特徴サイズの解像度は、制限され得る。いくつかの実施形態では、マスター格子は、約１２５ｎｍの解像度を有する。このように、１００ｎｍのＬＣ液滴を使用して格子を形成することは、困難であり得、誤差の余裕をほとんど残さない。本明細書に説明されるフォトポリマー材料システムと対照的に、格子を形成するナノ粒子は、少なくとも一桁小さい。いくつかの実施形態では、材料システムは、１５ｎｍ未満の直径を有するナノ粒子を含む。さらなる実施形態では、ナノ粒子は、約４～約１０ｎｍの直径を有する。マスター格子の特徴サイズの解像度と比較して、ナノ粒子の比較的小さいサイズは、高い忠実度を有する格子の形成を可能にする。さらに、ナノ粒子の物理的特性は、従来のＨＰＤＬＣ材料システムの大きい液晶液滴サイズと比較して比較的低いヘイズを結果的にもたらす格子の形成を可能にし得る。いくつかの実施形態では、約１％未満のヘイズが達成され得る。さらなる実施形態では、システムは、約０．５％未満のヘイズを有する。
使用されるナノ粒子のタイプの選択において考慮すべき別の重要な特性は、それらの屈折率を含む。導波路ディスプレイ用途などの多くの用途では、構成要素および材料の屈折率は、導波路性能および効率に大きい影響を有し得る。例えば、格子内の構成要素の屈折率は、その回折効率を決定し得る。いくつかの実施形態では、高い屈折率ｎを有するナノ粒子は、高い回折効率を有する格子を形成するために利用される。例えば、いくつかの実施形態では、少なくとも１．７の屈折率を有するＺｒＯ_２ナノ粒子が利用される。いくつかの実施形態では、少なくとも１．９の屈折率を有するナノ粒子が利用される。さらなる実施形態では、少なくとも２．１の屈折率を有するナノ粒子が利用される。フォトポリマー混合物内のナノ粒子およびモノマーは、高いΔ ｎを有する格子を提供するように選択される。いくつかの実施形態では、格子は、少なくとも約０．０４ Δ ｎの屈折率変調を有する。さらなる実施形態では、約０．０５～０．０６Δｎの屈折率変調を有する格子が利用される。そのような材料は、特定の導波路用途のための十分な回折効率を有する薄い格子の形成を可能にするのに有利であり得る。いくつかの実施形態では、材料は、３０％を上回る回折効率を有する約２μｍ厚さの格子を形成し得る。さらなる実施形態では、格子は、４０％を上回る回折効率を有し得る。特定の場合、金属ナノ粒子は、金属構成要素の典型的な特性である、高屈折率を提供するように実装され得る。しかしながら、上記に論じられたように、金属構成要素は、典型的には、高い吸収性を有し、多くの異なる導波路用途における使用に適していない。このように、本発明の多くの実施形態は、薄く、効率的な格子を形成することができる非金属ナノ粒子を有する材料システムを対象とする。

複数の導波路モジュールの露光システム
本発明の様々な実施形態によるホログラフィック記録システムは、多数の導波路セルを露光するように構成され得る。多くの実施形態では、記録システムは、レーザー源およびビーム拡張、ならびにステアリング光学系を利用して、導波路セルを含む露光スタックを露光する。さらなる実施形態では、露光スタックは、マスター格子を含む。そのような実施形態では、導波路セルに記録される格子は、マスター格子内の格子のコピーであるか、またはそれと相関され得る。露光スタックは、レーザー源からの入射光を導波路セルの露光エリア内に操作するように設計されている様々な構成要素を含み得る。露光エリアは、露光されることを意図される導波路セル上の指定されたエリアである。容易に理解できるように、露光エリアのサイズおよび形状は、変化し得、書き込まれる体積格子に大きく依存し得る。例えば、いくつかの用途では、異なるレベルの露光を必要とする異なるタイプの体積格子が、同じ導波路セルに記録される。多くの実施形態では、記録システムは、異なるレベルの電力および／または持続時間の光で個々の露光エリアごとに露光するように構成され、これは、記録される体積格子のタイプに特化され得る。容易に理解できるように、導波路セルは、本発明の様々な実施形態による、任意の形状およびサイズの任意の数の露光エリアを有し得る。本開示は、２０１８年８月２９日出願の「Ｓｙｓｔｅｍｓ ａｎｄ Ｍｅｔｈｏｄｓ ｆｏｒ Ｈｉｇｈ－Ｔｈｒｏｕｇｈｐｕｔ Ｒｅｃｏｒｄｉｎｇ ｏｆ Ｈｏｌｏｇｒａｐｈｉｃ Ｗａｖｅｇｕｉｄｅｓ」と題された米国特許出願第１６／１１６，８３４号に開示された実施形態および教示の多くを組み込み得る。米国特許出願第１６／１１６，８３４号の開示は、すべての目的に関して、参照によりその全体が本明細書に組み込まれる。

露光スタックは、構成要素の異なる組み合わせで構築され得る。多くの実施形態では、露光スタックは、マスター格子および導波路セルを含む。いくつかの実施形態では、マスター格子は、振幅格子である。さらなる実施形態では、マスター格子は、透明層および格子構造を画定するクロム層で構成されるクロムマスターである。記録プロセスの間、１つ以上のレーザー源からの光は、限定されるものではないが、ミラーおよびビームスプリッタなどの、様々な光学構成要素を使用して露光スタックに向けられ得る。単一ビーム記録システムでは、単一光ビームが、露光スタック内のマスター格子に向けられる。マスター格子と相互作用すると、光ビームは、回折し得、一次回折およびゼロ次ビームは、導波路セルを露光して体積格子を形成する干渉パターンを形成し得る。

いくつかの実施形態では、露光スタックは、限定されるものではないが、ガラス板などの保護層を含み、これは、格子に対する機械的損傷を防止するのに役立つようにマスター格子に隣接して配置され得る。様々な実施形態では、光学オイルが、屈折率の連続性を提供するのに役立つように、様々な層の間で使用され得る。

図３～図４は、本発明の一実施形態によるホログラフィック記録のための装置の、それぞれ、平面図および等角図を概念的に例示する。例示的な実施形態では、記録装置は、導波路セルおよび重なり合うマスター格子を含有し、かつセルのサブセットを同時に露光する、多数のモジュールまたは露光スタック上で動作し得る。図３は、平面図において、本発明の一実施形態による、４つの導波路セルを露光する（したがって、「クワッド」露光システムを提供する）、１２個のモジュール上で動作する、１つのそのような構成を概念的に例示する。示されるように、装置３００は、ビームステアリング光学系をさらに支持し得るマウント３０２上に配設されたレーザーを支持するプラットフォーム３０１と、導波路部品の露光のためのビーム３０５Ａ～３０５Ｃを提供するためにミラー３０４Ａ～３０４Ｃによって反射される、３つの露光ビームを提供するためのビーム拡張およびステアリング光学系３０３Ａ～３０３Ｃを支持する第２のプラットフォームと、を含む。モジュール３０６Ａ～３０６Ｄを含む導波路露光モジュールは、プラットフォームの両側に沿って配設される。動作中、３つの露光ビーム３０５Ａ～３０５Ｃは、各モジュールがビーム３０５Ａ～３０５Ｃによって搬送される露光の一部分を受容するように、ビームスプリッタ３０７およびミラー３０８によって分割および反射され得る。図３～図４は、４つのモジュールのグループに対して一度に連続的な露光を実施するように設計された段階を例示するが、図３～図４の考慮から、他の実施形態では、装置は、一度に４つを超えるモジュールに連続的な露光を提供するように構成され得ることが明らかなはずである。例えば、いくつかの実施形態では、装置は、８つのモジュールステーションの同時露光のために構成される。一般的な原理は、経済的および空間的制約の対象となる任意の数のモジュールに適用され得る。多くの実施形態では、ステーションの数は、露光された導波路の整定時間によって決定され得る。いくつかの実施形態では、ステーションの数は、４～２０であり得る。

ステップアンドリピートホログラフィック記録システム
複数の導波路セルを同時に露光するためのホログラフィック記録システムは、多くの異なるやり方で実装され得る。上記のセクションに説明されているものなどの、露光ステーションを利用する構成に加えて、ホログラフィック記録システムは、プラットフォーム上に装着された複数の導波路セル上にステップアンドリピート記録プロセスを実装し得る。図５Ａは、本発明の実施形態による、単一プラットフォーム上に配設された複数の導波路セルを記録するためのホログラフィック記録システムを概念的に例示する。示されるように、装置５００は、ビーム拡張およびステアリング光学系をさらに支持し得る第２のプラットフォーム５０３上に配設されたレーザー５０２を支持するベースプラットフォーム５０１を含む。装置５００は、レーザー５０２から３つの露光ビームを形成するためのビームステアリングおよび拡張光学系５０４Ａ～５０４Ｃを支持する第３のプラットフォーム５０４をさらに含む。３つの露光ビームは、ミラー５０５Ａ～５０５Ｃによって反射されて、導波路部品の露光のためのビーム５０６Ａ～５０６Ｃを提供し得る。露光のための光学部品またはセル５０７Ａのアレイ５０７は、プラットフォーム５０１上に装着されたレール５０８Ａ、５０８Ｂに沿って横断し得る、さらなる並進可能なプラットフォーム５０７Ｃ上に装着された可動プラットフォーム５０７Ｂ上に配設され得る。いくつかの構成では、光学セル５０７Ａは、少なくとも１つのマスター格子（図示せず）の上に配設される導波路セルを含む。露光プロセス中、露光ビームは、マスター格子に向けられ、導波路セル５０７Ａを下から露光する。多くの実施形態では、マスター格子および導波路セルは、限定されるものではないが、屈折率整合オイルなどの屈折率整合材料によって分離される。追加のレール５０８Ｃ、５０８Ｄが、第２の方向における移動を可能にするように含まれ得る。例示的な実施形態では、露光光学系は、静止しているが、一方、導波路セルのアレイは、直交方向（ＸおよびＹ）で段階的な様式で横断され得る。容易に理解できるように、装置５００は、導波路セルおよび基板のサイズに応じて、任意の量の導波路セルのアレイで実装され得る。加えて、装置５００は、１つ以上のセルを同時に露光するように構成され得る。さらなる実施形態では、装置５００は、アレイ内の導波路セルを連続したバッチで（段階的に）露光するように構成される。図５Ａの実施形態では、５４個のセルが提供され、一度に３個のセルが露光される。図５Ａのものなどの多くの実施形態では、導波路セルは、入力、折り曲げ、および出力格子を支持し得る。いくつかの実施形態では、異なる製品における使用のための導波路セルは、同じ基板上に露光され得る。そのような実施形態は、各セルタイプに対して必要な露光ビーム幾何学的形状を提供するための追加の光学系を含み得る。いくつかの実施形態では、装置５００は、限定されるものではないが、ミラー、ビームスプリッタ、ビーム成形光学系、フィルタ、開口などを含む、光学系を収容するように構成され得る。図５Ｂは、図５Ａの装置の等角図を提供する。

上記に説明されたように、２つ以上の導波路セルが、同時に露光され得る。ステップアンドリピートプロセスを利用すると、導波路セルのバッチは、連続的に露光され得る。本発明の一実施形態による、３つの導波路セルのバッチを露光するためのステップアンドリピートプロセスが、図６Ａ～図６Ｃに概念的に例示される。露光光学ヘッドが多重化された露光ビーム経路に対するセルアレイの３つの異なる構成が概略的に例示されている。例示的な実施形態では、３つのマスター格子は、露光ビームの経路内に位置決めされ得、導波路セルを支持するプラットフォームは、３つの導波路セルの異なるバッチを露光するために、異なる構成に位置決めされ得る。図６Ａは、第１、第４、および第７のセル行、ならびに第３のセル列によってアドレス指定されたセルが、３つの露光光学ヘッドに重なる、第１の動作状態６００を示す。図６Ｂは、第２、第５、および第８のセル行、ならびに第３のセル列によってアドレス指定されたセルが、３つの露光光学ヘッドに重なる、第２の動作状態６１０を示す。図６Ｃは、第３、第６、および第９のセル行、ならびに第３のセル列によってアドレス指定されたセルが、３つの露光光学ヘッドに重なる、第２の動作状態６２０を示す。

多くの実施形態では、セルのアレイを支持するための２つ以上のプラットフォームが提供され得る。そのような実施形態は、１つのアレイが露光されている間、他は「整定している」、すなわち、格子を形成するために使用される相分離プロセスが安定状態に達しているという利点を有する。図７Ａは、本発明の一実施形態による、異なるアレイの導波路セルを各々支持する、２つの基板７０１、７０２（キャリア１およびキャリア２とも呼ばれる）を有するステップアンドリピートシステム７００を概念的に例示する。図７Ｂおよび図７Ｃは、それぞれ、図７Ａの装置７００の等角図７１０および側面図７２０を示す。図８Ａ～図８Ｉは、図８Ａの装置の様々な動作状態の平面図を示す。図８Ａは、両方のキャリアがセル（および重なり合うマスター格子）で密集した動作状態８００を概念的に例示する。示されるように、キャリアは、露光光学ヘッドから離れて配設され、キャリア１は、露光ヘッドの右に配設されている。図８Ｂは、両方のキャリアがセルで密集し、かつ露光光学ヘッドが、第１の列、ならびに第１、第４、および第７の行によってアドレス指定されたキャリア１のセルに重なり合う、動作状態８１０を概念的に例示する。多くの実施形態では、キャリア２上に配設されたセルは、キャリア１上のセルが露光されている間に整定され得る。図８Ｃは、両方のキャリアがセルで密集し、かつ露光光学ヘッドが、第１の列、ならびに第２、第５、および第８の行によってアドレス指定されたキャリア１のセルに重なり合う、動作状態８２０を概念的に例示する。図８Ｄは、両方のキャリアがセルで密集し、かつ露光光学ヘッドが、第１の列、ならびに第３、第６、および第９の行によってアドレス指定されたキャリア１のセルに重なり合う、動作状態８３０を概念的に例示する。図８Ｅは、両方のキャリアがセルで密集し、かつキャリアが、キャリア２が露光ヘッドの右にあるように、露光光学ヘッドから離れて配設された、動作状態８４０を概念的に例示する。図８Ｆは、両方のキャリアがセルで密集し、かつ露光光学ヘッドが、第１の列、ならびに第１、第４、および第７の行によってアドレス指定されたキャリア２のセルに重なり合う、動作状態８５０を概念的に例示する。多くの実施形態では、キャリア１のセルは、キャリア２のセルが露光されている間に整定され得る。図８Ｇは、両方のキャリアがセルで密集し、かつ露光光学ヘッドが、第１の列、ならびに第２、第５、および第８の行によってアドレス指定されたキャリア２のセルに重なり合う、動作状態８６０を概念的に例示する。図８Ｈは、両方のキャリアがセルで密集し、かつ露光光学ヘッドが、第１の列、ならびに第３、第６、および第９の行によってアドレス指定されたキャリア２のセルに重なり合う、動作状態８７０を概念的に例示する。図８Ｉは、両方のキャリアがセルで密集し、かつ露光光学ヘッドが、第２の列、ならびに第３、第６、および第９の行によってアドレス指定されたキャリア２のセルに重なり合う、動作状態８８０を概念的に例示する。

図５Ａおよび図７Ａに説明されるものなどの、記録システムを利用して導波路セルを露光するためのプロセスは、様々なやり方で実装され得る。図９は、本発明の実施形態による、ステップアンドリピートプロセスを使用してホログラフィック格子を記録する方法を概念的に例示するフロー図である。示されるように、方法９００は、少なくとも１つのレーザー源を提供すること（９０１）を含む。露光ビームのセットは、少なくとも１つのレーザー源を使用して形成され得る（９０２）。露光ビームは、様々なビーム拡張およびステアリング光学系を使用して、単一レーザー源から形成され得る。用途に応じて、異なる数およびタイプの露光ビームが形成され得る。例えば、形成される露光ビームの数は、各導波路セル内に形成される格子の数および／または同時に露光される導波路セルの数に依存し得る。露光ビームの数はまた、レーザー源の電力に依存し得る。容易に理解できるように、２つ以上のレーザー源が、より多くの導波路セルを同時に露光するために実装され得る。少なくとも１つのマスター格子、および複数の導波路セルを支持する可動プラットフォームが提供され得る（９０３）。クロム振幅格子、体積格子、および他のタイプの格子などの、マスター格子が利用され得る。ホログラフィック格子のセットは、少なくとも１つの露光ビームでマスター格子を照射することによって形成される干渉パターンを使用して、第１の導波路セル内に形成され得る（９０４）。上記に説明されるものなどの単一ビーム露光処理が利用され得る。可動プラットフォームは、第２の導波路セルが露光経路にあるように並進され得る（９０５）。ホログラフィック格子のセットが、第１の導波路セルを露光する際に利用されるのと同じマスター格子であり得るマスター格子を照射することによって形成される干渉パターンを使用して、第２の導波路セル内に形成され得る（９０６）。上記に説明されたように、ステップアンドリピートプロセスが、導波路セルのバッチを同時に露光するために実装され得る。例えば、２つの導波路セルは、２つのマスター格子および２つの露光ビームを使用して露光され得る。プラットフォームは、他の２つの導波路セルを定位置に移動させるように並進され得る。次いで、同じ２つのマスター格子が、２つの新しい導波路セル内に格子を形成するために使用され得る。容易に理解できるように、そのようなバッチ露光は、３つ以上の導波路セルのバッチ上で実施され得る。

等価物の理論
上の説明は、本発明の多くの具体的な実施形態を含有するが、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、図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等価物によって決定されるべきである。

Claims (20)

1. ホログラフィック記録システムであって、
   露光のために第１の複数の導波路セルを支持するように構成された第１の可動プラットフォームと、
   少なくとも１つのマスター格子と、
   前記少なくとも１つのマスター格子に光を向けることによって、記録ビームのセットを提供するように構成された少なくとも１つのレーザー源と、を備え、
   前記第１の可動プラットフォームが、２つの直交方向のうちの少なくとも１つに沿って所定のステップで並進可能であり、
   各前記所定のステップにおいて、少なくとも１つの導波路セルが、前記記録ビームのセット内の少なくとも１つの記録ビームによって照射されるように位置決めされている、ホログラフィック記録システム。
2. 露光のために第２の複数の導波路セルを支持するように構成された第２の可動プラットフォームをさらに備え、前記第２の可動プラットフォームが、２つの直交方向のうちの少なくとも１つに沿って、所定のステップで並進可能である、請求項１に記載のホログラフィック記録システム。
3. 少なくとも１つのミラーが、前記少なくとも１つのレーザー源から前記第１の可動プラットフォームへの少なくとも１つの光路に沿って配設されている、請求項１に記載のホログラフィック記録システム。
4. 少なくとも１つのビームスプリッタが、前記少なくとも１つのレーザー源から前記第１の可動プラットフォームへの少なくとも１つの光路に沿って配設されている、請求項１に記載のホログラフィック記録システム。
5. 周囲光をフィルタ除去するための光学フィルタをさらに備える、請求項１に記載のホログラフィック記録システム。
6. 前記マスターと前記導波路セルとの間に配設された屈折率整合層をさらに備える、請求項１に記載のホログラフィック記録システム。
7. 前記記録ビームのセットが、前記少なくとも１つのマスター格子を照射することによって形成される、少なくとも１つのゼロ次ビームおよび少なくとも１つの回折ビームを含む、請求項１に記載のホログラフィック記録システム。
8. 前記少なくとも１つの導波路セルの各々が、入力格子、折り曲げ格子、および出力格子を形成するための記録ビームの３つのセットによって照射される、請求項１に記載のホログラフィック記録システム。
9. 前記記録ビームの３つのセットが、各々、ゼロ次ビームおよび回折ビームを含む、請求項８に記載のホログラフィック記録システム。
10. 各前記所定のステップにおいて、各導波路セルが前記記録ビームのセット内の少なくとも１つの記録ビームによって照射され得るように、少なくとも２つの導波路セルが位置決めされている、請求項１に記載のホログラフィック記録システム。
11. ホログラフィック格子を記録するための方法であって、
    少なくとも１つのレーザー源を提供することと、
    前記少なくとも１つのレーザー源からの第１の光路の光を、少なくとも１つのマスター格子に向けることによって、記録ビームのセットを形成することと、
    第１の複数の導波路セルを支持するように構成された第１の可動プラットフォームを提供することと、
    前記第１の複数の導波路セル内の導波路セルの第１のセットが、前記記録ビームのセットからの少なくとも１つの記録ビームによって照射される位置にあるように、前記第１の可動プラットフォームを第１の動作状態に並進させることと、
    前記導波路セルの第１のセットを前記少なくとも１つの記録ビームで露光することと、
    前記第１の複数の導波路セル内の導波路セルの第２のセットが前記少なくとも１つの記録ビームによって照射される位置にあるように、前記第１の可動プラットフォームを並進させることと、
    前記導波路セルの第２のセットを前記少なくとも１つの記録ビームで露光することと、を含む、方法。
12. 前記導波路セルの第１のセットを露光することは、多重化格子を形成することを含む、請求項１１に記載の方法。
13. 少なくとも１つのミラーが、前記第１の光路に沿って配設されている、請求項１１に記載の方法。
14. 少なくとも１つのビームスプリッタが、前記第１の光路に沿って配設されている、請求項１１に記載の方法。
15. 前記少なくとも１つのレーザー源および前記第１の可動プラットフォームが、周囲光をフィルタ除去するための光学フィルタによって包囲されている、請求項１１に記載の方法。
16. 屈折率整合層が、マスター格子と、前記第１の複数の導波路セル内の少なくとも１つの導波路セルとの間に配設されている、請求項１１に記載の方法。
17. 前記記録ビームのセットが、前記少なくとも１つのマスター格子を照射することによって形成される、少なくとも１つのゼロ次ビームおよび少なくとも１つの回折ビームを含む、請求項１１に記載の方法。
18. 前記導波路セルの第１のセットを露光することが、前記導波路セルの第１のセットの各導波路セル内に入力格子、折り曲げ格子、および出力格子を同時に形成することを含む、請求項１１に記載の方法。
19. 前記入力格子、前記折り曲げ格子、および前記出力格子の各々が、単一ビーム干渉露光プロセスを使用して形成される、請求項１８に記載の方法。
20. 前記導波路セルの第１のセットが、少なくとも２つの導波路セルを含む、請求項１１に記載の方法。

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