JP2023513660A - 共振液晶デバイス - Google Patents
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Abstract
チューナブル液晶(LC)デバイスが、光キャビティを形成する1対の反射器の間のLC層を含む。反射器は、LC層に電気信号を印加するための導電層を含む。導電層のうちの1つがLC層の有効屈折率の空間的に選択的な制御のための導電性画素の配列を含み得る。LC層によってもたらされる位相遅延が、光キャビティ内にLC層を配置することによって大幅に増大または拡大可能である。これにより、LC層の厚さを大幅に薄くすることができ、それによってLC画素のきわめて密なピッチを可能にし、その際、フリンジ電界によって生じるピクセル間クロストークが低減され、スイッチング時間が高速化する。密なピッチの高速LCデバイスは、構成可能ホログラムまたは空間光変調器として使用可能である。【選択図】図4
Description
関連出願の参照
本出願は、2020年2月14日に出願された「RESONANT LIQUID CRYSTAL DEVICES」という名称の米国仮特許出願第62/976,788号の優先権を主張し、参照によりその全体が本明細書に組み込まれる。
本出願は、2020年2月14日に出願された「RESONANT LIQUID CRYSTAL DEVICES」という名称の米国仮特許出願第62/976,788号の優先権を主張し、参照によりその全体が本明細書に組み込まれる。
本開示は、チューナブル光学デバイスに関し、具体的には、チューナブル液晶デバイスと、チューナブル液晶デバイスに基づくディスプレイパネル、空間光変調器、ビームステアリングデバイスなどに関する。
コンテンツ、たとえば仮想現実(VR)コンテンツ、拡張現実(AR)コンテンツ、複合現実(MR)コンテンツなどを表示するために、ヘッドマウントディスプレイ(HMD)、ヘルメットマウントディスプレイ、ニアアイディスプレイ(NED)、立体ディスプレイ、およびその他の種類のディスプレイが使用される。このようなディスプレイは、いくつか例を挙げると、娯楽、教育、訓練、工学、生物医化学を含む多様な分野に応用されている。表示されるVR/AR/MRコンテンツは、体験を補強し、仮想オブジェクトをユーザによって観察される現実のオブジェクトと一致させるために3次元(3D)とすることができる。
多くの用途において、特にヘッドマウントディスプレイ用としては、コンパクトなディスプレイが望まれる。HMDまたはNEDのディスプレイは通常、ユーザの頭部に装着されるため、大きく、かさばり、バランスの悪い、および/または重いディスプレイデバイスは、ユーザが装着するには装着し難く、着け心地が悪いことがある。HMDまたはNEDにおける画像生成のために小型液晶パネルを使用することができる。より広範囲のディスプレイ用途を可能にするために、チューナブル液晶セルに基づく液晶パネルおよびその他のデバイスの空間分解能とスイッチング速度を向上させることが望ましい可能性がある。
したがって、本発明は、添付の特許請求の範囲による、チューナブル液晶(LC)デバイス、そのLCデバイスを含む構成可能ホログラム、およびシステムを対象とする。
一態様では、本発明は、チューナブル液晶(LC)デバイスであって、第1の基板と、第1の基板の上にあり、第1の電極層を含む第1の反射器と、第1の反射器の上のLC層と、LC層の上にあり、第2の電極層を含む第2の反射器と、第2の反射器の上の第2の基板とを含み、LC層が第1または第2の電極層のうちの少なくとも一方に電気信号を印加することによって調節可能である、チューナブル液晶(LC)デバイスを対象とする。
本発明によるLCデバイスの一実施形態では、第1の基板はLC層を調節するために電気信号を供給するための回路を支持するシリコン基板を含み得る。
本発明によるLCデバイスの一実施形態では、LC層は、正の誘電異方性を有するネマティックLCをさらに含んでもよく、LCデバイスは、第1の反射器とLC層との間の第1の配向層と、LC層と第2の反射器との間の第2の配向層とをさらに含んでもよく、第1および第2の配向層はLCを10度未満のプレチルト角に一様に配向するように構成可能である。
本発明によるLCデバイスの一実施形態では、LC層は負の誘電異方性を有するネマティックLCを含んでもよく、LCデバイスは第1の反射器とLC層との間の第1の配向層と、LC層と第2の反射器との間の第2の配向層とをさらに含んでもよく、第1および第2の配向層は、LC層を85度より大きいプレチルト角にホメオトロピックに配向するように構成されてもよい。
本発明によるLCデバイスの一実施形態では、LC層は正の誘電異方性を有するネマティックLCを含んでもよく、LCデバイスは、第1の反射器とLC層との間の第1の配向層と、LC層と第2の反射器との間の第2の配向層とをさらに含んでもよく、第1の配向層はLCを10度未満の第1のプレチルト角に配向するように構成されてもよく、第2の配向層は、LCを85度より大きい第2のプレチルト角に配向するように構成されてもよく、それによってLCがハイブリッド配向構成をとるようにする。
本発明によるLCデバイスの一実施形態では、LC層は2マイクロメートル以下の厚さを有し得る。
本発明によるLCデバイスの一実施形態では、第1の反射器は完全反射器であってもよく、第2の反射器は、少なくとも6%の反射率を有する部分反射器であってもよい。
本発明によるLCデバイスの一実施形態では、第1の反射器は完全反射器であってもよく、第2の反射器は少なくとも6%の反射率を有する部分反射器であってもよく、部分反射器の反射率は完全反射器の反射率から完全反射器と部分反射器とによって形成された光キャビティにおける往復吸収損失を引いた値未満であってもよい。
本発明によるLCデバイスの一実施形態では、第1の反射器は完全反射器であってもよく、第2の反射器は6%未満の反射率を有する部分反射器であってもよく、部分反射器は分布ブラッグ反射器を含み得る。
本発明によるLCデバイスの一実施形態では、第1の反射器は完全反射器であってもよく、第2の反射器は少なくとも6%の反射率を有する部分反射器であってもよく、部分反射器は高コントラストサブ波長格子を含み得る。
本発明によるLCデバイスの一実施形態では、第1の反射器は完全反射器であってもよく、第2の反射器は少なくとも6%の反射率を有する部分反射器であってもよく、部分反射器は誘電体サブ波長構造体または金属サブ波長構造体のうちの少なくとも一方を含むメタサーフェスを含み得る。
本発明によるLCデバイスの一実施形態では、第1の反射器は完全反射器であってもよく、第2の反射器は少なくとも6%の反射率を有する部分反射器であってもよく、第1の電極層は導電層区分の配列を含んでもよく、導電層区分の配列のうちの少なくとも一部の導電層区分が、電気信号の印加によって独立して通電可能である。
本発明によるLCデバイスの一実施形態では、第1の反射器は完全反射器であってもよく、第2の反射器は少なくとも6%の反射率を有する部分反射器であってもよく、第1の電極層は導電層区分の配列を含んでもよく、導電層区分の配列のうちの少なくとも一部の導電層区分が電気信号の印加により独立して通電可能であり、導電層区分の配列は2マイクロメートル以下のピッチを有し得る。
本発明によるLCデバイスの一実施形態では、第1の反射器は完全反射器であってもよく、第2の反射器は少なくとも6%の反射率を有する部分反射器であってもよく、第1の電極層は導電層区分の配列を含んでもよく、導電層区分の配列のうちの少なくとも一部の導電層区分が電気信号の印加により独立して通電可能であり、導電層区分の配列は、可視光の少なくとも50%の透過率を有する導電性酸化物を含み得る。
本発明によるLCデバイスの一実施形態では、第1の反射器は完全反射器であってもよく、第2の反射器は少なくとも6%の反射率を有する部分反射器であってもよく、第1の電極層は導電層区分の配列を含んでもよく、導電層区分の配列のうちの少なくとも一部の導電層区分は、電気信号の印加により独立して通電可能であり、導電層区分の配列のうちの少なくとも一部の導電層区分は反射性であってもよい。
本発明によるLCデバイスの一実施形態では、第1の反射器は完全反射器であってもよく、第2の反射器は少なくとも6%の反射率を有する部分反射器であってもよく、第1の電極層は導電層区分の配列を含んでもよく、導電層区分の配列のうちの少なくとも一部の導電層区分は電気信号の印加により独立して通電可能であり、完全反射器は第1の基板によって支持される反射層をさらに含み、導電層区分の配列の各導電層区分は反射層によって支持されてもよい。さらに、反射層は、分布ブラッグ反射器、サブ波長格子、または誘電構造体もしくはサブ波長構造体のうちの少なくとも一方を含むメタサーフェスのうちの少なくとも1つを含み得る。
一態様では、本発明は上述のようなLCデバイスを含む構成可能ホログラムを対象とする。
一態様では、本発明は、上述のようなLCデバイスのうちの1つ、特に、第1の基板と、第1の基板の上にあり、第1の電極層を含む第1の反射器と、第1の反射器の上のLC層と、LC層の上にあり、第2の電極層を含む第2の反射器と、第1の反射器の上にある第2の基板とを含むLCデバイスであって、LC層が第1または第2の電極層のうちの少なくとも一方に電気信号を印加することによって調節可能であり、第1の反射器は完全反射器であってもよく、第2の反射器は少なくとも6%の反射率を有する部分反射器であってもよく、第1の電極層は導電層区分の配列を含んでもよく、導電層区分の配列のうちの少なくとも一部の導電層区分が電気信号の印加により独立して通電可能であり、LCデバイスはLCデバイスに光ビームを供給するためにLCデバイスに結合された光源を含み、LCデバイスは、導電層区分の配列のうちの導電層区分に電気信号を印加することによって光ビームの位相または振幅の少なくとも一方を空間的に変調するように構成された、LCデバイスを含むシステムを対象とする。
本発明によるシステムの一実施形態では、システムは、LCデバイスの下流に配置され、画像を形成するために空間変調光ビームの向きを変えるように構成された光学系ブロックをさらに含み得る。
以下、例示の実施形態について図面とともに説明する。
本教示について様々な実施形態および実施例とともに説明するが、本教示はそのような実施形態に限定されることは意図されていない。逆に、当業者にはわかるように、本教示は様々な代替形態および同等物を包含する。本開示の原理、態様ならびに実施形態およびその特定の実施例について説明する本明細書のすべての記載は、その構造的同等物と機能的同等物の両方を包含することが意図されている。さらに、そのような同等物は現在知られている同等物と、今後開発される同等物の両方、すなわち、構造を問わず同じ機能を果たすあらゆる開発された要素を含むことが意図されている。
本明細書で使用する「第1」、「第2」などの用語は、明示的に記載されていない限り、順序付けを含意することが意図されておらず、1つの要素を別の要素から区別することが意図されている。同様に、方法ステップの順序付けは、明示的に記載されていない限りその実行の順序を含意しない。
液晶(LC)セルにおいて、薄いLC層内のLC分子の配列を制御するために電界が印加される。LC層の側面のうちの1つに透明電極の配列が設けられてもよい。LC層の他方の側面に単一の透明電極が設けられてもよい。1つの共通の連続電極と1つの分割電極とを有するこのような電極構造は、空間的に選択的な方式でLC層に電界を印加するために使用可能である。透明電極の配列のピッチは、必要な空間分解能に依存する。ローエンドでは、ピッチはLC層の厚さによって限定される。ピッチが厚さと比較して小さい場合、電界が隣接ピクセル内にまで広がり、隣接LC画素間のクロストークを生じさせる。
LC層の必要な厚さは、印加電気信号の振幅を変化させることによって生じるLC分子の異なる配列におけるLCの有効屈折率変化によって決まる。屈折率変化Δnの典型的な値は、約0.2~0.3である。LCセルは、多くの用途において半波(π)から全波(2π)までの入射光の位相シフトを生じさせる必要がある場合が多い。LCセルを横断する光の単一パスにおいてこの位相シフトをもたらすために、典型的なLC層の厚さは少なくとも約1.5マイクロメートルである必要がある。この最小LC層厚さ要件は、密な画素ピッチという要件に反する可能性がある。たとえば広角ビームステアリングおよびホログラフ用途で必要な画素ピッチは約300nmから500nmであり、有用厚さ範囲は、5マイクロメートル~6マイクロメートルの典型的なLC層厚さより小さい約3マイクロメートルまでの範囲である。ピッチが密なLCセルの場合、厚さ対ピッチ比と定義されるアスペクト比が1より高い場合がある。1より高いアスペクト比では、画素電極境界において強いフリンジ電界が生じ、その結果としてLC配列の隣接画素間に有意なクロストークが発生する。
本開示によると、必要なLC層厚さは、電気反応性のLC層を光共振の条件に置くことによって薄くすることができる。非限定的な例として、LC層は、LC層の両側の1対の反射器によって形成される光キャビティまたは共振器内に配置可能である。光キャビティに入射する光は光キャビティ内を複数回伝播することができ、それによって出力光の達成可能位相シフトを実質的に増大させる。増大した位相シフトの結果として、必要なLC層厚さがかなり小さくなり、それによってより小さいピッチとより高速なスイッチング時間とが可能になる。
本開示によると、第1の基板と、第1の基板の上の第1の反射器とを含むチューナブル液晶(LC)デバイスが提供される。第1の反射器は第1の電極層を含む。第1の反射器の上にLC層が配置される。LC層の上に第2の反射器が配置される。第2の反射器は第2の電極層を含む。第2の反射器の上に第2の基板が配置される。LC層は、第1または第2の電極層のうちの少なくとも一方に電気信号を印加することによって調節可能である。本明細書では、「の上」という用語は基板に関してであり、重力に関してではない。言い換えると、基板の特定の向きを想定していない。第1の基板は、LC層を調節するために電気信号を供給するための回路を支持する、たとえばシリコン基板を含み得る。
実施形態によっては、LCデバイスは第1の反射器とLC層との間の第1の配向層と、LC層と第2の反射器の間の第2の配向層を含み得る。LC層が正の誘電異方性を有するネマティックLCを含む実施形態では、第1および第2の配向層がLCを10度未満のプレチルト角に一様に配向するように構成されてもよく、またはたとえば第1の配向層がLCを10度未満の第1のプレチルト角に配向し、第2の配向層がLCを85度より大きい第2のプレチルト角に配向するように構成されてもよく、それによってLCがハイブリッド配向構成をとるようにしてもよい。LC層が負の誘電異方性を有するネマティックLCを含む実施形態では、第1および第2の配向層がLCを85度より大きいプレチルト角にホメオトロピックに配向するように構成されてもよい。
実施形態によっては、LC層は2マイクロメートル以下の厚さを有する。第1の反射器は完全反射器であってもよく、第2の反射器は、たとえば少なくとも6%の反射率を有する部分反射器であってもよい。部分反射器の反射率は、完全反射器の反射率から完全反射器と部分反射器とによって形成される光キャビティにおける往復吸収損失を引いた値未満であってもよい。部分反射器は、分布ブラッグ反射器、高コントラストサブ波長格子、誘電体サブ波長構造体または金属サブ波長構造体のうちの一方を含むメタサーフェスなどを含み得る。
第1の電極層は、導電層区分の配列を含んでもよい。導電層区分の配列のうちの少なくとも一部の導電層区分が、それらの区分への電気信号の印加によって独立して通電可能とすることができる。導電層区分の配列は2マイクロメートル以下のピッチを有し得る。導電層区分の配列は、可視光の少なくとも50%の透過率を有する導電性酸化物を含んでもよい。導電層区分の配列のうちの少なくとも一部の導電層区分は反射性であってもよい。実施形態によっては、完全反射器は、第1の基板によって支持された反射層をさらに含み、導電層区分の配列の各導電層区分が反射層によって支持される。反射層は、分布ブラッグ反射器、サブ波長格子、または誘電体サブ波長構造体もしくは金属サブ波長構造体のうちの少なくとも一方を含むメタサーフェスのうちの少なくとも1つを含み得る。
本開示の一態様によると、本明細書で開示されているチューナブルLCデバイスに基づく構成可能ホログラムが提供される。
本開示の一態様によると、本明細書で開示されているチューナブルLCデバイスと、LCデバイスに光ビームを供給するためにLCデバイスに結合された光源とを含み、LCデバイスが、導電層区部の配列のうちの導電層区分に電気信号を印加することによって光ビームの位相または振幅のうちの少なくとも一方を空間的に変調するように構成可能な、システムが提供される。LCデバイスの下流に光学系ブロックが配置されてもよく、画像を形成するために空間変調された光ビームの方向を変更するように構成されてもよい。
次に図1を参照すると、本開示のLCデバイス100が、下部(第1の)基板104と、下部基板104の上に配置された第1の反射器、たとえば完全反射器101と、完全反射器101の上のLC層106と、LC層106の上の第2の反射器、たとえば部分反射器102と、任意による上部(第2の)基板134とを含む。本明細書では、「完全反射器」という用語は、完全反射器を通過する入射光の透過が無視可能な程度であるように、入射光の大部分を反射する反射器を意味する。したがって、「部分反射器」という用語は、入射光の一部のみを反射し、入射光の無視できない程度の部分を部分反射器を通って伝播させる反射器を意味する。部分反射器によって反射される光の部分も無視できない程度の部分であり、すなわち、屈折率が完全には整合されないかまたは反射防止(AR)コーティングが施されていない光インターフェースにおいて光の少なからぬ部分が反射される。明確にするために、光の無視できない部分とは少なくとも6%であり、または実施形態によっては入射光の光パワーの少なくとも12%である。言い換えると、部分反射器の反射率は少なくとも6%であり、または実施形態によっては少なくとも12%である。完全反射器と部分放射器は必ずしも単一要素とは限らず、それぞれが、光を反射する、電気を通すなどの様々な機能を果たすための複数の層または構成要素を含んでもよいことに留意されたい。
図1に示す構成では、LC層106は、完全反射器101と部分反射器102とによって支持された下部(第1の)配向層118と上部(第2の)配向層120との間に閉じ込められており、さらに完全反射器101と部分反射器102はそれぞれ下部基板104と上部基板134とによって支持されている。下部配向層118と上部配向層120との間の間隙は、図示されていないスペーサ、たとえばガラスビーズまたは微細加工スペーサまたはスペーサアレイによって維持されてもよい。LC層106を含むすべての中間層を備えた下部基板104と上部基板134をLCセルと称する。この実施形態では、LC層106は配向モノドメイン状態の異方性流体の薄い層である。セル内のLCの配向構成は、逆平行、平行、垂直、ツイストなどとすることができる。たとえば、ポリマー分散LC(LC液滴のポリマー分散)、ポリマー網目LC(内部にポリマー網目が形成されたLC)、充填LC(ナノ粒子が充填されたLC)などの異なる複合系におけるLC層の不均質構成も可能である。ポリマー分散LCは、たとえば光ビームの振幅の空間変調をもたらすために使用可能である。
完全反射器101は、LC層106に電界を印加するための第1の電極層を含み得る。図の実施形態では、第1の電極層は、完全反射層110によって支持された共平面導電層区分108の配列を含む。配列は、1次元、すなわち一方向に延びるか、または2次元、すなわち区分化導電層の面における2つの垂直な方向に延びてもよい。導電層区分108は、たとえば入射可視光の少なくとも50%を伝播させることができる。入射光の少なくとも50%を伝播させるそのような層を、説明を簡潔にするために本明細書では「透明」と称し、すなわち「透明」という用語は半透明を含む。部分反射器102は、共通透明電極層114によって支持される部分反射層112を含んでもよい。導電層区分108は、1次元または2次元であってもよいLC画素122の配列を画定する。LC画素122は、個別にアドレス可能または通電可能とすることができ、すなわち、LC層106の下にある部分の独立制御のために個別の独立した電気信号、たとえば電圧が供給されてもよい。そのために、個別のLC画素が、対応するLC画素を開放またはロックするように構成された1つまたは数個の薄膜トランジスタ(TFT、簡潔にするために図1には図示されていない)を備えてもよい。TFTは一緒に基板104または134の一方の上にマトリックス構成で配置されてもよい。ディスプレイでは、このような構成をアクティブマトリックス型LCディスプレイ(AMLCD)と称する。
下部配向層118と上部配向層120は、それぞれの境界におけるLC分子の所定の配向をもたらすために、LC層106とそれぞれ区分化透明電極層108および共通透明電極層114との間の境界に設けられてもよい。導電層区分108および/または共通電極層114は、導電性酸化物材料、たとえばインジウムスズ酸化物(ITO)、またはインジウム亜鉛酸化物、アルミニウム亜鉛酸化物、バリウムスズ酸塩、ストロンチウムバナジウム酸塩、カルシウムバナジウム酸塩などの他の導電性酸化物からなってもよい。上述のように、「透明」という用語は、本明細書では完全に、または部分的に透明すなわち半透明、たとえば可視光の少なくとも50%、60%、70%、80%、90%の光パワー透過を意味するものと了解される。また、「層」という用語は、必ずしも単一の層を意味せず、サブ層の積層を含む層も指す場合があることに留意されたい。
動作時、区分化透明電極層108と共通透明電極層114の間に電気信号、たとえば電圧が印加可能である。印加電圧は電界124を生じさせ、電界124はLC層106内のLC分子を再配列し、それによって、光源151によって発せられた入射光ビーム126の有効屈折率を変化させ、反射出力光ビーム128の位相遅延を変化させる。電界124は、図1において実質的に垂直に、すなわち、LC画素122間の境界におけるフリンジ電界124Aを除いてLC層106の面に対して垂直に向けられる。フリンジ電界124Aの大きさはLC画素122のアスペクト比に依存する。アスペクト比は、LC画素ピッチpに対するLC層106の厚さdの比と定義される。LC層106厚さはセルギャップとも称される。アスペクト比が十分に大きい場合、すなわちLC画素ピッチpの大きさがセルギャップdと同様であるかまたはより小さい場合、フリンジ電界124Aは、隣接LC画素122のLC分子を駆動するという点で受容し難いほど大きくなる可能性があり、それによって隣接LC画素122間に望ましくないクロストークを生じさせる。実施形態によっては、導電層区分108のピッチと、したがってLC画素122のピッチは、2マイクロメートル未満、1マイクロメートル未満、500nm未満、または、たとえば広角ビームステアリングおよびホログラフィック用途の場合、さらに300nm未満である。
完全反射器101と部分反射器102は光キャビティ、すなわちファブリーペローエタロンまたは光共振器を形成する。LC層106は、完全反射器101と部分反射器102とによって形成される光キャビティ内に配置される。入射光ビーム126は、完全反射器101と部分反射器102から反射することによって光キャビティ内を複数回伝播することができ、それによって出力光ビーム128の達成可能位相シフトを実質的に大きくする。これは、セルギャップdを顕著に縮小させることを可能にし、それによってフリンジ電界124Aおよびそれに付随するクロストークを低減し、スイッチング時間を短縮する。
実施形態によっては、基板104は、LC層106の調節のために電気信号を供給するための回路を支持する、活性基板、たとえばシリコン基板であってもよい。活性基板は、さらに、LCデバイスの小型化と、コンパクトな空間光変調器、構成可能ホログラム、ディスプレイパネルなどへの組み込みとを可能にする。基板のその他の活性タイプには、たとえばガラスまたは同様の透明または不透明基板上のアクティブマトリックス型TFTが含まれ得るが、これには限定されない。
図1に示すLCデバイス100の構造は例を意図しているに過ぎないことを理解されたい。反射器101、102、LC層106および反射層110、112などの多くの変形が可能である。これらの変形のいくつかについては以下でさらに詳しく検討する。
ネマティック型LCを有するLCセルの基本動作が図2A、図2B、図2Cおよび図2Dに示されている。図2Aおよび図2Bに、正の誘電異方性を有するネマティックLC分子を有するLCセル200Aを示す。スイッチ201を使用してLCセル200Aに電圧Vを印加することができる。スイッチ201が開いているとき(図2A)、電圧は印加されず、LC分子202Aは図2Aの水平配列に近い配列をとり、すなわちLCセル200A基板204、206にほぼ平行であり、それによって平面構成を形成する。配列は、配向層によって規定され、配向層は、隣接LCをしかるべく配列するように構成され、たとえば摩擦され、または偏光UV光が照射されてもよい。スイッチ201が閉じられると(図2B)、LCセル200Aに電圧Vが印加され、LC分子202Aが電界Eに沿って、すなわち基板204、206に対してほぼ垂直に配列されるようになり、それによって、電界ベクトル227によって示すように図2Aの面内で偏光された入射光ビーム226の有効屈折率の変化を生じさせる。LC分子202Aの再配列は、LC分子202Aにおける電界によって誘導される、印加電界と電気双極子との間の静電相互作用によって生じる。さらに、LCセル200Aと200Cの両方について印加電圧Vは好ましくは交流(AC)電圧であることに留意されたい。直流(DC)電圧ではなくAC電圧を使用することによって、層の界面における望ましくない電気化学効果の低減が促進される。LCセル200Aにおいて達成可能な光路長の最大変化ΔLmaxは以下の式によって与えられる。
ΔLmax=(ne-no) (1)
neおよびnoはそれぞれLCの異常屈折率と正常屈折率であり、dはセルギャップである(図2A)。
図2Cおよび図2Dは、負の誘電異方性を有するネマティックLCを有するLCセル200Cを示す。スイッチ201が開いているとき(図2C)、電圧は印加されず、LC分子200Cは垂直に近い、すなわちLCセル200C基板204、206にほぼ垂直な配列をとり、電気信号のない状態で逆平行傾斜ホメオトロピック構成を形成する。配列は、LC分子202Cの垂直配向を促すように構成された配向層によって規定される。スイッチ201が閉じられると(図2D)、LCセル200Cに電圧Vが印加され、LC分子202Cが電界Eに対して垂直に、すなわち基板204、206に対してほぼ平行に配列されるようになり、それによって、光電界ベクトル227によって示すように図2Cおよび図2Dの面内で偏光された入射光線ビーム226の有効屈折率の変化を生じさせる。
図3に、それぞれ図2A~図2Bまたは図2C~図2DのLCセル200Aまたは200Cなどの正または負の誘電異方性を有するネマティックLCを含み得る、単一パス反射LCセル300を示す。図3の単一パス反射LCセル300は、完全反射器308の上のLC層306と、LC層306の上の上部基板334とを含む。入射光ビーム326は、LC層306を通って伝播し、完全反射器308によって反射され、LC層306を通って伝播して戻り、それによってLC層306によって第1のパスでもたらされる位相遅延を2倍にし、出力光ビーム328(わかりやすいように横方向にシフトされている)として単一パス反射LCセル300から出る。LC層306によってもたらされる光位相遅延を変化させるために、図示しない透明電極が設けられてもよい。
図4に、上記で検討した図2Aから図2DのそれぞれLCセル200Aおよび200Cにおけるように正または負の誘電異方性を有するネマティックLCを含み得る共振多重パス反射LCセル400を示す。図4の共振多重パスLCセル400は、光共振器または光キャビティを形成する下部反射器408と上部部分反射器412との間にLC層406を含む。単一パス上でLC層406によってもたらされる光位相遅延を変化させるために、図示しない透明電極が設けられてもよい。
動作時、入射光ビーム426が上部部分反射器412によって部分的に反射され、それによって第1のサブビーム4281を形成する。入射光ビーム426の残りの部分は、LC層406を通って伝播し、完全反射器408によって反射され、再びLC層406を通って伝播し、部分的に反射されてLC層406を通って伝播して戻る。したがって、複数のサブビーム4281、4282、4283、4284、...が形成される。サブビーム4281、4282、4283、および4284はわかりやすいようにずらして示されており、実際のデバイスでは、これらのサブビームは重なり合わされて出力光ビーム428を形成し得る。出力光ビーム428の位相シフトは、個々のサブビーム4281、4282、4283、4284、...の位相によって決まる。特定の条件が満たされると、出力光ビーム428の位相シフトが、LC層306を通る二重パス伝播時の図3の出力光ビーム328の位相シフトよりはるかに大きくなり得る。高反射率値において、πの値(共振条件)付近のキャビティ位相のごくわずかな変化の結果として、出力位相シフトの有意により大きい変化が生じ、それによってLCセル400のセルギャップを大幅に縮小させることができる。
ここで、Vは駆動電圧であり、Kは配向弾性定数であり、γは回転粘度であり、Wはアンカリング係数であり、dはセルギャップであり、Δεは誘電異方性である。式(2)~(3)から、上記のパラメータの典型的な値において、セルギャップの40倍の向上により約8kHzのリフレッシュレートが得られることになる。これにより、高リフレッシュレートでのカラーシーケンシャルLCオンシリコン(LCoS)ディスプレイが実現可能になり得る。わずか2マイクロメートル、1マイクロメートル、500ナノメートル、さらにわずか300ナノメートルのセルギャップdが、たとえば、380nmから720nmまでの範囲の可視スペクトル内、および/または、740nmから約1100nmまでの近赤外線スペクトル内において、少なくともπ、またはさらに少なくとも2πの位相遅延をもたらし得る。実装形態によっては、この微小セルギャップは、2マイクロメートル未満、1マイクロメートル未満、500nm未満、または300nm未満の密な画素ピッチを可能にし得る。
光損失の存在下での図4の共振多重パス反射LCセル400のキャビティ位相への出力位相の依存を、図5Aおよび図5Bに示す。たとえば上部透明電極と下部透明電極の非ゼロ往復吸収による往復キャビティ損失が、計算と図示の都合上、下部反射鏡反射率にまとめられている。この特定の例では、下部完全反射器の反射率を10%だけ、すなわち1.0から0.9に低下させることによって、10%の往復吸収損失が計算に入れられている。
図5Aでは、出力電界振幅が、上部(部分)反射器の反射率の値ゼロ(比較のため、ゼロ反射率は図3の単一パス反射LCセル300に対応する)、0.45、0.72、0.85、0.91、および0.99(非ゼロ反射率は図4の共振多重パス反射LCセル400に対応する)における、入射光の波長単位で測定されたLC層306の光路長(OPL)の関数としてプロットされている。上部反射器の反射率ゼロにおいて、電界振幅はLC層のOPLに依存しない。上部反射器の反射率が上昇すると、キャビティ位相シフトπに対応するOPL値0.5において吸収ピークが現れる。ピークの振幅は増大し、一方、上部反射率0.45から0.72、0.85、0.91へと進むにつれてピークの幅は縮小する。次に、上部反射率0.99においてピーク振幅は再び減少するのがわかる。
図5Bでは、上部反射鏡の反射率の同じ値について、出力位相シフトがOPLの関数としてプロットされている。位相グラフは、上部反射鏡反射率と下部反射鏡反射率との関係によって規定される2つの動作レジームに対応する2つのグループに分かれているのがわかる。第1のグループ501の場合、上部反射器の反射率は、完全反射器の反射率と上部反射器と下部反射器とによって形成される光キャビティにおける往復吸収損失との差として定義される下部(完全)反射器の有効反射率より小さい。上部反射器の反射率が低いほど、上部反射器と下部反射器とによって形成される光キャビティ内により多くの光が結合されるため、この動作レジームを本明細書では「密結合」動作レジームと呼ぶ。第1のグループ501は、キャビティOPL0.5付近で曲線の急峻な勾配を示す。第2のグループ502の場合、上部反射器の反射率は下部(完全)反射器の有効反射率より高く、すなわち第2のグループ502の場合、上部反射器の反射率は下部反射器の反射率から往復光損失を引いた値より大きい。この動作レジームを本明細書では「疎結合」動作レジームと呼ぶ。疎結合LCセルの位相曲線の勾配は反転し、密結合LCセルにおける勾配と比較して大きさがより小さい。
図4の共振多重パス反射LCセル400の2つの動作レジームを、図6A、図6Bおよび図6Cにさらに示す。まず図6Aを参照すると、入射光ビームの波長で表した位相シフトが、有効下部反射鏡反射率値(すなわち下部反射鏡反射率にまとめられた往復光損失を有する)0.5、0.6、0.7、0.8、0.9、0.95および0.99における上部反射鏡反射率に対してプロットされている。各位相シフト曲線は、上部反射鏡の反射率が下部反射鏡有効反射率に達すると急激に降下する。降下の左側で、共振LCセルは密結合レジームにあり、降下の右側で、共振LCセルは疎結合レジームにある。
画素化共振LCデバイスを位相専用空間光変調器として動作させるためには、過剰な光損失と反射ビーム振幅の変化を可能な限り回避しながら、LCデバイスによって光ビームにもたらされる位相シフトを増大させることが望ましい。言い換えると、最小反射率を増大させる必要があるか、または少なくともLCデバイスの反射率の変化を少なくする必要がある。LCデバイスの最小反射率が図6BにLCデバイスの上部反射鏡反射率に対してプロットされている。図6Bを図6Aと比較すると、上部反射鏡の反射率を大きくすることによって、低い下部反射率値すなわち高いキャビティ損失において、位相変化が減少するがLCデバイスの高い反射率が得られることがわかる。大きな位相変化を、低い反射率変化と同時に実現することはできるが、それには下部反射鏡の有効反射率が高いことが必要であり、すなわち光キャビティ損失が低い必要がある。この結論は、最大反射率に対する最小反射率の比を上部反射鏡の反射率の関数としてプロットしている図6Cによって裏付けられる。
図7Aから図7Cに、1対の反射器によって形成された光キャビティ内に配置されたLC層を有するチューナブルLCデバイスのいくつかの例示の構成を示す。図7Aを参照すると、チューナブルLCデバイス700Aが、下から上の順に、下部金属反射鏡710Aと、任意による下部導電電極708と、LC層706と、上部導電電極714と、上部半透明金属反射鏡712Aとを含む。図を簡単にするためにLCセル基板は省かれている。実際のデバイスでは、下部金属反射鏡710Aと下部導電電極層708が一方の(下部)透明基板の対向する側に配置可能であり、上部導電電極714と上部金属半透明反射鏡712Aが別の(上部)透明基板の対向する側に配置可能である。金属反射器は、全位相光変調器にとっては損失が多過ぎる可能性があるが、振幅変調器では使用可能であり得る。反射率を向上させ、隣接層との親和性をもたせるために、金属層と単一誘電体層または多層誘電体被覆とを組み合わせるいわゆる「強化金属」コーティングが使用されてもよい。
図7Bを参照すると、チューナブルLCデバイス700Bが、完全反射器としての下部分布ブラッグ反射器(DBR)710Bと、下部導電電極708と、LC層706と、上部導電電極714と、上部部分反射器としての高コントラストサブ波長格子712Bとを含む。DBR710Bは、LC層706と平行なサンドイッチ状の交互屈折率層を含んでもよい。これらの層は、関心波長域における所定の反射係数、たとえば96%~100%を有するブラッグ格子を形成する。実施形態によっては、屈折率差が0.2未満、および/または、層の数が少なくとも12層である。サブ波長格子712Bは、所望の誘電率と、光周波数における屈折率とを実現するためにメタ物質を使用してもよい。たとえば、高コントラストサブ波長格子712Bの代わりに、またはそれに加えて、誘電体サブ波長構造体または金属サブ波長構造体を含むメタサーフェスが使用されてもよい。サブ波長格子は、同様の反射率のDBR反射器より薄くすることができるが、特に下部基板上に形成するのはより難しい場合がある。本明細書では、「高コントラスト」という用語は、0.2より大きい、回折格子フリンジ屈折率と基板/充填材屈折率との差で定義される屈折率コントラストを有する格子を意味する。図7Bに示すように、サブ波長格子712Bのフリンジ715がサブ波長格子712Bの面に延び、互いに平行でLC層706に平行な線および/または2次元におけるサブ波長ピッチを有するフィーチャ(たとえば点、正方形、多角形など)の2D配列を含んでもよい。
図7Cを参照すると、チューナブルLCデバイス700Cが、下部完全(すなわち100%)反射器としての下部分布ブラッグ反射器(DBR)710Bと、下部導電電極708と、LC層706と、上部導電電極714と、部分反射器としての上部DBR層712Cとを含む。図7Aから図7Cの反射器は、任意の組合せで使用可能である。また、一方または両方の反射器が、反射率の所望の値を有するように最適化された積層の数層の透明導電性酸化物(TCO)層からなってもよい。TCO積層の1つの利点は、反射LCセルの反射器の一方または両方をLCセル電極として使用可能であり、その結果としてより簡素な構造になることである。
次に図8を参照すると、図7CのチューナブルLCデバイス700Cの振幅および位相が、180nmの厚さのLC層706と50nmの厚さのITO電極と、4分の1波の厚さの窒化シリコンと4分の1波の厚さの二酸化シリコンの10対の層を含む下部DBR710Bと、4対のそのような層を含む上部DBR712Cとを備える、波長632nmにおけるLC層706の有効屈折率の関数として計算されている。反射光ビームの振幅が約15%だけ変化する、すなわち、光ビームの光パワーが約28%変化する一方、約0.88の完全全波長位相スイープを達成することがわかる。
本開示のキャビティ内LCセルでは様々な種類のLCおよび配向構成が使用可能である。図9Aから図9Cに、それぞれ下部(第1の)配向層918および上部(第2の)配向層920でコーティングされた下部反射基板910と上部反射基板912とを含むLCセル900を示す。LCセル900は、LC層906を形成し、電気的に制御された複屈折(ECB)またはπセル構成とも称される平行傾斜平面配向構成の細長いLC分子902を含む、ネマティックLCで満たされている。下部反射基板910とLC層906との間に下部配向層918が配置され、LC層906と上部反射基板912との間に上部配向層920が配置されている。駆動電圧がないときのLC分子902の配列は、配向層918、920によって決まる。図9Aから図9Cには、異なる駆動条件におけるLC配列が示されている。すなわち、LC層906に電圧が印加されていないとき(図9A)、4V~5Vの電圧が印加されたとき(図9B)、および20Vの全電圧が印加されたときである。LC分子902の配列は、LC配向が配向層によってのみ影響されるという条件で、配向層918、920のうちの一方と、その配向層の近傍のLCディレクタ(LC分子902の局所配向の方向に沿って引かれた線)との角度であるプレチルト角θによって特徴づけられ得る。この条件は、たとえば、第1の配向層の近傍の第2の配向層の影響が無視可能な場合の厚いLCセルにおいて満たされる。2つの同じ配向層を有するLCセルにおける逆平行配向の場合、配向は、LCディレクタの傾斜角が一定であり、配向層におけるプレチルト角と等しくなるように、LCセル全体にわたって一様である。図2Aに示す平行構成の場合、LCディレクタの傾斜角は一様ではない。典型的には、5~6度未満のプレチルト角の配向が平面配向または傾斜平面配向と称される。プレチルト角θの値が85度より大きい場合、そのような配向は垂直またはホメオトロピックまたはゼロプレチルトまたは傾斜垂直配向と称される。
LC層906に電圧が印加されていないとき(図9A)、LC分子902は、LC分子902の配向方向とプレチルト角とによって決まるスプレイ構成をとる。図9AのLC層906の上面において、LC分子902が上面を基準にして時計回りにプレチルトされ、LC層906の下面において、LC分子902が下面を基準にして反時計回りにプレチルトされる。この実施例では、配向層918、920は、LCを10度未満のプレチルト角に一様に配向するように構成される。
LC層906に4~5Vの中間電圧が印加されると(図9B)、LC分子902に沿った電界によって誘導される電気双極子であって電界によって生じる静電力推進力を受ける電気双極子に起因して、LC分子902が印加電界に沿って、すなわち図9Bにおける垂直方向に配向し始める。LC層906の中央付近に配置されたLC分子902は、ほぼ垂直なより大きな角度で回転し、一方、境界領域915のLC分子902は、LC分子902を水平配列により近く維持する傾向がある配向力に起因してより少なく回転する。
LC層906に20Vの全電圧が印加されると(図9C)、すべてのLC分子902が電界方向に沿って、すなわち図9Cにおける垂直方向に配列される。LC分子902の電圧依存回転の結果として、図9AにおけるLC分子902に沿って、すなわち図9Aのx方向に沿って偏光された光の有効屈折率が変化する。
多くの他のLC構成および配列、たとえば電気的に制御された複屈折(ECB)構成が使用可能である。ECB構成は、πセル構成と類似しており、ECB構成でのみ、LCの逆平行構成を図示する図2Aに示すように、両方のLCセル界面におけるLC分子のプレチルトが同じ方向である。もう一つのLC構成は、両方の界面において同じ方向にわずかな(0.5°~3°)逸脱があるだけでLCがほぼ垂直に(ホメオトロピックに)配向される垂直配向(VA)である。VA構成では、垂直に印加される電界によって、負の誘電異方性を有するLCが図2Cおよび図2Dに示すように垂直配向から平面配向に、すなわち図2Aおよび図2Bに示すECB構成における切り替わりとは逆に、切り替わる。ホメオトロピック構成の場合、配向層918、920は、LCを85度より大きいプレチルト角に一様に配向するように構成することが可能である。
複合タイプまたはハイブリッドLC構成も可能である。非限定的例として、図10Aを参照すると、ハイブリッドLCセル1000が下部反射基板1010と上部反射基板1012とを含む。LC層1006の上面が、正の誘電異方性を有するLC分子1002のホメオトロピック配向を有する。上部反射基板1012に最も近いLC分子の配向は、印加電圧がない状態で、近傍のLC分子1002をたとえば85度より大きいプレチルト角θHでホメオトロピック配向層1017に対して実質的に垂直に配列されるようになるようにする、ホメオトロピック配向層1017によって規定される。LCセル1000の下面は、電圧が印加されていないときに、たとえば10度未満のプレチルト角θpで境界領域1015において境界LC分子1002が平面配向層1019にほぼ平行に配列される、平面配向層1019によって規定されるLC分子1002の平面配向を有する。ハイブリッドLCセル1000の構成は、逆転されてもよく、すなわち、LC層1006の下部の界面が電界のない状態でホメオトロピックに配向されてもよく、LC層1006の上部の界面が小さいプレチルト角の平面配向を有してもよい。
図10Bに、ハイブリッドLCセル1000両端間に10Vの電圧が印加されたときのLC分子1002配向を示す。10Vの印加電圧では、LC分子1002がLC層1006全体にわたって垂直またはほぼ垂直に配列されるように、下部LC分子1002が垂直に配列される。図10Aおよび図10BのLCセル1000の切り替わり可能部分(図10Aの領域1015)は、同じ種類のLC流体を有する図9A~図9CのLCセル900の切り替わり可能部分よりも大幅に薄くすることができる。フリンジ電界が上部反射基板1012付近のLC分子1002の配列に大きく影響することにならないため、これはより小さい画素ピッチでの画素間クロストークの低減にとって有利となり得る。図9Aから図9CのLCセル900は、薄い電極付近のLCサブ層のみが切り換えられるようにして駆動される場合、たとえばLCセル900を5Vと20Vの間の駆動電圧で駆動する場合に、薄くすることもできることに留意されたい。
本明細書に記載のLCデバイスでは様々なLC流体の種類が使用可能である。非限定的な例として、Δε>0(正の誘電異方性)のネマティックLCは、メルク社製のE7、E44、E49、ZLI-2293、MLC-12100-000、MLC-7500-000、TL-205、TL-213などを含み得る。Δε<0(負の誘電異方性)のネマティックLCは、メルク社製のMLC-6608、MLC-6609、MLC-66010などを含み得る。ある臨界周波数fcより下ではΔε>0であって、f>fcの場合にΔε<0である二重周波数ネマティックLCも使用可能である。二重周波数LCの一例は、メルク社製のMLC2048である。実施形態によっては、たとえば変形らせんFLC(DH-FLC)モードまたはカー効果モードで動作する強誘電体LCが使用されてもよい。場合によっては、コレステリックポリマー安定ブルー相モードLCも採用可能である。
本明細書に記載のLCデバイスは、多様な用途で使用可能である。共振構成および関連する狭いセルギャップによって実現可能な密な画素ピッチは、構成可能ホログラム、すなわち、たとえば3Dホログラフィックディスプレイのホログラフィックプロジェクタにおける動作用に構成されたサブミクロン画素ピッチを有する位相専用または位相および振幅空間光変調器などの用途において有用である。密なピッチは、大きなステアリング角、たとえば60度以上による光ビームステアリングも可能にし得る。このような大きなステアリング角は、たとえば、走査型プロジェクタニアアイディスプレイを含む走査型プロジェクタディスプレイ、および/または、バーコードスキャナ、LIDAR、3Dマッパーなどで使用可能な汎用ビームスキャナにおいて必要な場合がある。本明細書で開示されているLCデバイスに基づく空間光変調器は、3Dマッピング用途などで使用可能な構造光などの、所定の動的に切り換え可能な光パターンの生成のために使用可能である。
より広い態様では、本明細書で開示されている構成のいずれかにおける電気応答性LC層、ネマティックLC層、強誘電体LC層などを、LC層にわたって光ビームの複数パスを与えるように構成された光キャビティに組み込むことによって、光位相の急勾配および/または高域変化が実現可能である。また、より広い態様において、電気応答性LC層を、LC層に印加される電気信号の特定の値における光共振を有するように構成することも可能である。たとえば、LC層の位相応答を有効に拡大するために、所定の波長におけるプラズモン共鳴を有するナノ構造粒子などの共鳴粒子を電気応答性LC層に組み込んでもよい。別の選択肢は、液晶で満たされた共振誘電体ナノ構造体を設けることである。多くの他の構成が可能である。
図11を参照すると、構成可能ホログラム1100が、たとえば図1のLCデバイス100、図4の共振多重パス反射LCセル400、またはそれぞれ図7A、図7Bおよび図7CのチューナブルLCデバイス700A、700B、700Cなどの共振LCデバイス1102を含む。共振LCデバイス1102は、コントローラ1104に動作可能に結合されている。共振LCデバイス1102は、サブミクロンの画素ピッチ、たとえば600nm未満、400nm未満、300nm未満、または200nm未満の画素ピッチと、キロヘルツのリフレッシュレートとを有し、両方とも共振光キャビティにおける狭いセルギャップによって実現される。コントローラ1104は、たとえば何らかの所定の特性を有するシミュレーションされた基準光ビームによる3Dオブジェクトによって散乱された光フィールドの光干渉計算を行うことによって、観察者に対して表示される3Dオブジェクトの画像を得るためと、デジタルホログラフィックフレームを得るために構成可能である。次に、コントローラ1104は、共振LCデバイス1102の個別ピクセルを、3Dオブジェクトに光ビームを照射することを含むホログラフィック記録設定において得られたものであってもよい実際のホログラムに対応する位相遅延および/または減衰の値に設定し、散乱光と、計算を行うためにコントローラ1104によって使用される特性を有する光ビームとの光干渉をシミュレーションすることによって、デジタルホログラムを含むフレームを表示するように共振LCデバイス1102を構成することができる。共振LCデバイス1102にそれと同一または類似した特性を有する実際の光ビーム1106が照射されると、ユーザによる観察が可能なホログラフィック画像1108が生じる。実施形態によっては、観察に都合がよいように、ホログラフィック画像1108に対応する光の角度分布の複数のオフセットコピー1108’を提供するために、任意による瞳孔複製導波路1110が使用されてもよい。
次に図12を参照すると、ニアアイディスプレイ1200が、1つの眼鏡の形状を有するフレーム1201を含む。フレーム1201は、それぞれの目のために、光源1205と、光源1205に光結合された空間光変調器1208と、プロジェクタ1208に光結合された瞳孔複製導波路1210と、アイトラッキングカメラ1204と、複数の照明器1206と、アイトラッキングカメラコントローラ1207とを支持する。照明器1206(図12)は、アイボックス1212を照射するために瞳孔複製導波路1210によって支持されてもよい。空間光変調器1208は、本明細書で開示されているチューナブルLCデバイスのいずれか、たとえば図11の構成可能ホログラム1100を含むことができる。光源1205によって供給される光ビームが空間光変調器1208において回折して、ユーザの目に投影される角領域における像を伝達する光ビームからなる扇形状を形成する。瞳孔複製導波路1210は、この扇型の光ビームを受光し、扇形の光ビームの各ビームの複数の横方向にオフセットした平行なコピーを生じさせ、それによってアイボックス1212の上に投影像を展開する。アイボックス1212は、ユーザの目で見るために受容可能な品質の画像が形成される幾何学的領域である。拡張現実(AR)用途の場合、瞳孔複製導波路1210は、ユーザがそれぞれの目に投影され、外界の光景に重ね合わされた画像とともに外界を見ることができるようにするために透明とすることができる。
アイトラッキングカメラ1204の目的は、ユーザの両目の位置および/または向きを判定することである。ユーザの目の位置と向きがわかった後は、注視輻輳距離および方向が判定可能である。空間光変調器1208によって生成された像は、表示された拡張現実風景へのユーザの集中の忠実度を向上させるためにユーザの注視を計算に入れるように、および/または、拡張現実とのインタラクションの特定の機能をもたせるように、動的に調整可能である。
照明器1206は、外界の視界を妨げないように瞳孔複製導波路1210の周辺部に、または目立たないように視野内に配置されてもよい。動作時、照明器1206は、アイトラッキングカメラが目の画像を取得することができるようにするためと、基準反射すなわちグリントを生じさせるために、対応するアイボックス1212において目を照明する。グリントは、キャプチャされた目の画像における基準点として機能することができ、それによってグリントの画像を基準にした瞳孔画像の位置を判定することによって目の注視方向の判定を容易にする。照明光でユーザの気を散らすのを避けるために、照明光はユーザに見えないようにされてもよい。たとえば、アイボックス1212を照明するために赤外線が使用されてもよい。
アイトラッキングカメラコントローラ1207の機能は、ユーザの両目の注視方向をリアルタイムで判定するために、アイトラッキングカメラ1204によって取得された画像を処理することである。実施形態によっては、画像処理と目の位置/向きの判定機能は、ニアアイディスプレイ1200の図示されていない中央コントローラによって実行されてもよい。中央コントローラは、判定された目の位置、目の向き、注視方向、両眼輻輳などに応じて、ユーザに表示される画像を生成するように、空間光変調器1208に制御信号を供給してもよい。ニアアイディスプレイ1200は、本開示の共振チューナブルLCデバイスが使用可能な視覚ディスプレイの一例に過ぎないことに留意されたい。共振チューナブルLCデバイスを使用する他の種類の視覚ディスプレイには、投写型ディスプレイ、ディスプレイパネルなどが含まれる。
本開示の実施形態には、人工現実システムが含まれ、または人工現実システムとともに実装可能である。実施形態によってはユーザへの提示の前に何らかの方法で、人工現実システムが、視覚情報、音声、触覚(体性感覚)情報、加速度、バランスなどの感覚を通して得られる外界に関する感覚情報を調整する。非限定的な例として、人工現実には、仮想現実(VR)、拡張現実(AR)、複合現実(MR)、ハイブリッド現実、またはこれらの何らかの組合せおよび/または派生物が含まれ得る。人工現実コンテンツには、完全生成コンテンツ、またはキャプチャされた(たとえば現実世界の)コンテンツと組み合わされた生成コンテンツが含まれ得る。人工現実コンテンツは、映像、音声、身体フィードバックまたは触覚フィードバック、またはこれらの何らかの組合せが含まれ得る。このコンテンツのいずれも、観察者に対する3次元効果を生じさせる立体映像におけるものなどの単一チャネルまたは多重チャネルで提示可能である。また、実施形態によっては、人工現実は、たとえば人工現実におけるコンテンツを作製するために使用され、および/またはその他の方法で人工現実で使用される(たとえば人工現実においてアクティビティを行う)、アプリケーション、製品、付属品、サービスまたはこれらの何らかの組合せに関連付けられてもよい。人工現実コンテンツを提供する人工現実システムは、ホストコンピュータシステムに接続されたHMDなどのウェアラブルディスプレイ、スタンドアロン型HMD、眼鏡の形状を有するニアアイディスプレイ、モバイルデバイスもしくはコンピューティングシステム、または人工現実コンテンツを1人または複数の観察者に提供可能な任意のその他のハードウェアプラットフォームを含む、様々なプラットフォーム上で実装可能である。
図13Aを参照すると、HMD1300は、AR/VR環境への集中度が増すようにユーザの顔を覆うAR/VRウェアラブルディスプレイシステムの一例である。HMD1300は、本明細書で開示されているLCデバイスのいずれかを使用してもよい。HMD1300の機能は、コンピュータ生成像によって物理的現実世界の環境の光景を拡張すること、および/または、完全に仮想の3D像を生成することである。HMD1300は、フロントボディ1302とバンド1304とを含んでもよい。フロントボディ1302は、ユーザの目の前に確実かつ快適な方式で配置されるように構成され、バンド1304は、フロントボディ1302をユーザの頭部に固定するように伸縮可能である。ユーザにAR/VR像を提示するためにフロントボディ1302にディスプレイシステム1380が配置可能である。ディスプレイシステム1380は、たとえば図11の構成可能ホログラム1100を含み得る。フロントボディ1302の側面1306は不透明または透明であってもよい。
実施形態によっては、フロントボディ1302は、HMD1300の加速度を追跡するための、ロケータ1308および慣性測定装置(IMU)1310と、HMD1300の位置を追跡するための位置センサ1312とを含む。IMU1310は、HMD1300の動きに応答して1つまたは複数の測定信号を発生する位置センサ1312のうちの1つまたは複数の位置センサから受信した測定信号に基づいて、HMD1300の位置を示すデータを生成する電子デバイスである。位置センサ1312の例には、1つまたは複数の加速度計、1つまたは複数のジャイロスコープ、1つまたは複数の磁力計、動きを検出する別の適切な種類のセンサ、IMU1310のエラー補正のために使用される一種のセンサ、またはこれらの何らかの組合せが含まれる。位置センサ1312は、IMU1310の外部、IMU1310の内部、またはこれらの組合せに位置してもよい。
ロケータ1308は、仮想現実システムがHMD1300全体の位置と向きを追跡することができるように仮想現実システムの外部撮像装置によって追跡される。IMU1310および位置センサ1312によって生成された情報は、HMD1300の位置と向きの追跡精度の向上のために、ロケータ1308を追跡することによって得られる位置および向きと比較可能である。正確な位置と向きは、ユーザが3D空間を移動し、向きを変えるにつれて、ユーザに適切な仮想景観を提示するために重要である。
HMD1300は、HMD1300の一部または全部の周囲の局所領域の深度情報を表現するデータをキャプチャする深度カメラアセンブリ(DCA)1311をさらに含んでもよい。そのために、DCA1311はレーザレーダー(LIDA)または類似のデバイスを含んでもよい。深度情報は、3D空間におけるHMD1300の位置と向きの判定の精度向上のためにIMU1310からの情報と比較可能である。
HMD1300は、ユーザの目の向きと位置をリアルタイムで判定するためのアイトラッキングシステム1314をさらに含んでもよい。取得された目の位置および向きは、HMD1300がユーザの注視方向を判定することができるようにし、それに応じてディスプレイシステム1380によって生成される画像を調整することができるようにもする。一実施形態では、輻輳、すなわちユーザの目の注視の輻輳角が判定される。判定された注視方向および輻輳角は、画角と目の位置とに依存する視覚アーチファクトのリアルタイム補償のためにも使用することができる。また、判定された輻輳角および注視角は、ユーザとの対話、オブジェクトの強調、オブジェクトを前景に持ってくること、追加オブジェクトまたはポインタの作成などのために使用可能である。たとえばフロントボディ1302に内蔵された1組の小型スピーカを含むオーディオシステムが設けられてもよい。
図13Bを参照すると、AR/VRシステム1350が、図13AのHMD1300と、様々なAR/VRアプリケーション、設定およびキャリブレーション手続き、3Dビデオなどを記憶する外部コンソール1390と、コンソール1390を操作し、および/またはAR/VR環境とインタラクトするための入力/出力(I/O)インターフェース1315とを含む。HMD1300は、物理ケーブルによってコンソール1390に「つながれて」もよく、またはBluetooth(R)、Wi-Fiなどの無線通信リンクを介してコンソール1390に接続されてもよい。それぞれが付随するI/Oインターフェースを有し、それぞれのHMD1300およびI/Oインターフェース1315がコンソール1390と通信する、複数のHMD1300があってもよい。別の構成では、異なる、および/または追加のコンポーネントがAR/VRシステム1350に含まれてもよい。また、図13Aおよび図13Bに示すコンポーネントの1つまたは複数とともに説明した機能は、実施形態によっては図13Aおよび図13Bとともに説明したのとは異なる方式でコンポーネント間で分散されてもよい。たとえば、コンソール1390の機能の一部または全部がHMD1300によって提供されてもよく、その逆であってもよい。HMD1300は、上記のような機能を実現可能な処理モジュールを備えてもよい。
図13Aを参照しながら上述したように、HMD1300は、目の位置および向きの追跡、注視角および輻輳角の判定などのためのアイトラッキングシステム1314(図13B)と、3D空間におけるHMD1300の位置および向きの判定のためのIMU1310と、外部環境をキャプチャするためのDCA1311と、HMD1300の位置を独立して判定するための位置センサ1312と、AR/VRコンテンツをユーザに表示するためのディスプレイシステム1380とを含み得る。ディスプレイシステム1380は(図13B)、電子ディスプレイ1325、たとえばこれらには限定されないが、液晶ディスプレイ(LCD)、有機発光ディスプレイ(OLED)、無機発光ディスプレイ(ILED)、アクティブマトリックス有機発光ダイオード(AMOLED)ディスプレイ、透明有機発光ダイオード(TOLED)ディスプレイ、プロジェクタ、またはこれらの組合せを含む。ディスプレイシステム1380は、電子ディスプレイ1325によって生成された画像をユーザの目まで伝達する機能を有する光学系ブロック1330をさらに含む。光学系ブロックは、様々なレンズ、たとえば屈折レンズ、フレネルレンズ、回折レンズ、能動または受動パンチャラトナム-ベリー位相(PBP)レンズ、液体レンズ、液晶レンズなど、瞳孔複製導波路、格子構造、コーティングなどを含み得る。ディスプレイシステム1380は、光学ブロック1330の一部であってもよい可変焦点モジュール1335をさらに含んでもよい。可変焦点モジュール1335の機能は、たとえば輻輳調節矛盾を補償するため、特定のユーザの視覚異常を補正するため、光学系ブロック1330の収差を相殺するなどのために、光学ブロック1330の焦点を調整することである。
I/Oインターフェース1315は、ユーザがアクション要求を送り、コンソール1390から応答を受け取ることができるようにするデバイスである。アクション要求は、特定のアクションの実行の要求である。たとえば、アクション要求は、画像または動画データのキャプチャを開始または終了する指示、またはアプリケーション内の特定のアクションを実行する指示であってもよい。I/Oインターフェース1315は、キーボード、マウス、ゲームコントローラ、またはアクション要求を受け取り、アクション要求をコンソール1390に伝達するための任意のその他の適切なデバイスなど、1つまたは複数の入力デバイスを含んでもよい。I/Oインターフェース1315によって受け取られたアクション要求はコンソール1390に伝達され、コンソール1390はそのアクション要求に対応するアクションを実行する。実施形態によっては、I/Oインターフェース1315は、I/Oインターフェース1315の初期位置を基準にしたI/Oインターフェース1315の推定位置を示すキャリブレーションデータをキャプチャするIMUを含む。実施形態によっては、I/Oインターフェース1315は、コンソール1390から受け取った指示に従って、ユーザに触覚フィードバックを与えてもよい。たとえば、アクション要求が受け取られたときに触覚フィードバックを与えることができ、または、コンソール1390がアクションを実行するときにコンソール1390がI/Oインターフェース1315に触覚フィードバックを発生させる指示をI/Oインターフェース1315に伝達する。
コンソール1390は、IMU1310、DCA1311、アイトラッキングシステム1314、およびI/Oインターフェース1315のうちの1つまたは複数から受け取った情報に従って処理するために、HMD1300にコンテンツを供給してもよい。図13Bに示す実施例では、コンソール1390は、アプリケーションストア1355と、追跡モジュール1360と、処理モジュール1365とを含む。コンソール1390の一部の実施形態は、図13Bとともに説明したものとは異なるモジュールまたはコンポーネントを有してもよい。同様に、以下でさらに説明する機能が、図13Aおよび図13Bとともに説明した方式とは異なる方式でコンソール1390のコンポーネント間で分散されてもよい。
アプリケーションストア1355は、コンソール1390による実行のために1つまたは複数のアプリケーションを記憶することができる。アプリケーションは、プロセッサによって実行されるとユーザに提示すためのコンテンツを生成する命令のグループである。アプリケーションによって生成されるコンテンツは、HMD1300またはI/Oインターフェース1315の動きを介してユーザから受け取られた入力に応答してもよい。アプリケーションの例には、ゲームアプリケーション、プレゼンテーションおよび会議アプリケーション、ビデオ再生アプリケーション、またはその他の適切なアプリケーションが含まれる。
追跡モジュール1360は、HMD1300またはI/Oインターフェース1315、IMU1310またはこれらの何らかの組合せの動きを追跡することができる。たとえば、追跡モジュール1360は、HMD1300からの情報に基づいて局所領域のマッピングにおけるHMD1300の基準点の位置を判定してもよい。追跡モジュール1360は、それぞれ、IMU1310からのHMD1300の位置を示すデータを使用して、またはI/Oインターフェース1315に含まれるIMUからのI/Oインターフェース1315の位置を示すデータを使用して、HMD1300の基準点またはI/Oインターフェース1315の基準点の位置を判定してもよい。また、実施形態によっては、追跡モジュール1360は、IMU1310からのHMD1300の位置を示すデータの一部と、DCA1311からの局所領域の表現とを使用してHMD1300の未来場所を予測してもよい。追跡モジュール1360は、HMD1300またはI/Oインターフェース1315の推定または予測された未来位置を処理モジュール1365に提供する。
処理モジュール1365は、HMD1300から受け取った情報に基づいてHMD1300の一部または全部の周囲の領域(「局所領域」)の3Dマッピングを生成することができる。実施形態によっては、処理モジュール1365は、深度の計算において使用される技術に関連するDCA1311から受け取った情報に基づいて、局所領域の3Dマッピングのための深度情報を判定する。様々な実施形態において、処理モジュール1365は、深度情報を使用して局所領域のモデルを更新し、更新されたモデルに部分的に基づいてコンテンツを生成してもよい。
処理モジュール1365は、AR/VRシステム1350内でアプリケーションを実行し、追跡モジュール1360からHMD1300の位置情報、加速度情報、速度情報、予測未来位置、またはこれらの何らかの組合せを受け取る。処理モジュール1365は受け取った情報に基づいて、ユーザへの提示のためにHMD1300に供給するコンテンツを決定する。たとえば、受け取った情報が、ユーザが左を見たことを示す場合、処理モジュール1365は、仮想環境において、または局所領域を追加のコンテンツによって拡張する環境において、ユーザの動きを反映するHMD1300のためのコンテンツを生成する。また、処理モジュール1365は、I/Oインターフェース1315から受け取ったアクション要求に応答して、コンソール1390上で実行されているアプリケーション内でアクションを実行し、アクションが実行されたというフィードバックをユーザに提供する。提供されるフィードバックは、HMD1300を介した視覚フィードバックもしくは音声フィードバック、またはI/Oインターフェース1315を介した触覚フィードバックであってもよい。
本明細書で開示されている態様に関連して説明した様々な例示の論理、論理ブロック、モジュールおよび回路を実装するために使用されるハードウェアは、本明細書に記載の機能を果たすように設計された、汎用プロセッサ、デジタルシグナルプロセッサ(DSP)、特定用途向け集積回路(ASIC)、フィールドプログラマブルゲートアレイ(FPGA)またはその他のプログラム可能ロジックデバイス、個別ゲートまたはトランジスタロジック、個別ハードウェアコンポーネント、またはこれらの任意の組合せを使用して実装または実行可能である。汎用プロセッサは、マイクロプロセッサであってよいが、別の態様では、プロセッサは任意の従来型プロセッサ、コントローラ、マイクロコントローラまたは状態マシンであってもよい。プロセッサは、コンピューティングデバイスの組合せ、たとえばDSPとマクロプロセッサ、複数のマイクロプロセッサの組合せ、DSPコアと併用した1つまたは複数のマイクロプロセッサ、または任意のその他のそのような構成として実装されてもよい。あるいは、一部のステップまたは方法が、ある所定の機能に固有の回路によって実行されてもよい。
本開示は、本明細書に記載の特定の実施形態によって範囲が限定されるべきではない。実際に、上記の説明および添付図面から、本明細書に記載のものに加えて他の様々な実施形態および変更が当業者には明らかであろう。したがって、そのような他の実施形態および変更は、本開示の範囲に含まれることが意図されている。また、本開示について本明細書では特定の目的のための特定の環境における特定の実装形態の文脈で説明したが、当業者には、その有用性がこれらには限定されないことと、本開示が任意の数の目的のために任意の数の環境で有益に実装可能であることとがわかるであろう。したがって、以下に記載の特許請求の範囲は、本明細書に記載されている本開示の全容および思想に鑑みて解釈されるべきである。
Claims (15)
- チューナブル液晶(LC)デバイスであって、
第1の基板と、
前記第1の基板の上にあり、第1の電極層を含む第1の反射器と、
前記第1の反射器の上のLC層と、
前記LC層の上にあり、第2の電極層を含む第2の反射器と、
前記第2の反射器の上の第2の基板とを含み、
前記LC層は、前記第1または第2の電極層のうちの少なくとも一方に電気信号を印加することによって調節可能な、チューナブルLCデバイス。 - 前記第1の基板が、前記LC層を調節するために前記電気信号を供給するための回路を支持するシリコン基板を含む、請求項1に記載のチューナブルLCデバイス。
- 前記LC層が正の誘電異方性を有するネマティックLCを含み、前記LCデバイスが、
前記第1の反射器と前記LC層との間の第1の配向層と、
前記LC層と前記第2の反射器との間の第2の配向層とをさらに含み、
前記第1および第2の配向層が前記LCを10度未満のプレチルト角に一様に配向するように構成されている、請求項1に記載のチューナブルLCデバイス。 - 前記LC層が負の誘電異方性を有するネマティックLCを含み、前記LCデバイスが、
前記第1の反射器と前記LC層との間の第1の配向層と、
前記LC層と前記第2の反射器との間の第2の配向層とをさらに含み、
前記第1および第2の配向層が前記LCを85度より大きいプレチルト角にホメオトロピックに配向するように構成されている、請求項1に記載のチューナブルLCデバイス。 - 前記LC層が正の誘電異方性を有するネマティックLCを含み、前記LCデバイスが、
前記第1の反射器と前記LC層との間の第1の配向層と、
前記LC層と前記第2の反射器との間の第2の配向層とをさらに含み、
前記第1の配向層が前記LCを10度未満の第1のプレチルト角に配向するように構成され、前記第2の配向層が前記LCを85度より大きい第2のプレチルト角に配向するように構成され、それによって前記LCにハイブリッド配列構成をとらせる、請求項1に記載のチューナブルLCデバイス。 - 前記LC層が2マイクロメートル以下の厚さを有する、請求項1に記載のチューナブルLCデバイス。
- 前記第1の反射器が完全反射器であり、前記第2の反射器が少なくとも6%の反射率を有する部分反射器である、請求項1に記載のチューナブルLCデバイス。
- 前記部分反射器の反射率が、前記完全反射器の反射率から前記完全反射器と前記部分反射器とによって形成された光キャビティにおける往復吸収損失を引いた値より小さい、請求項7に記載のチューナブルLCデバイス。
- 前記部分反射器が、
分布ブラッグ反射器、または、
高コントラストサブ波長格子、または、
誘電体サブ波長構造体または金属サブ波長構造体のうちの少なくとも1つを含むメタサーフェスを含む、請求項7に記載のチューナブルLCデバイス。 - 前記第1の電極層が導電層区分の配列を含み、導電層区分の配列のうちの少なくとも一部の導電層区分が、電気信号の印加により独立して通電可能である、請求項7に記載のチューナブルLCデバイス。
- 導電層区分の前記配列が、2マイクロメートル以下のピッチを有するか、または可視光の少なくとも50%の透過率を有する導電性酸化物を含む、請求項10に記載のチューナブルLCデバイス。
- 導電層区分の前記配列のうちの少なくとも一部の導電層区分が反射性である、請求項10に記載のチューナブルLCデバイス。
- 前記完全反射器が前記第1の基板によって支持された反射層をさらに含み、導電層区分の前記配列の各導電層区分が前記反射層によって支持され、任意により、前記反射層が、分布ブラッグ反射器、サブ波長格子、または誘電サブ波長構造体もしくは金属サブ波長構造体のうちの少なくとも一方を含むメタサーフェスのうちの少なくとも1つを含む、請求項10に記載のチューナブルLCデバイス。
- 請求項1に記載のLCデバイスを含む構成可能ホログラム。
- 請求項10に記載のLCデバイスと、
前記LCデバイスに光ビームを供給するために前記LCデバイスに結合された光源とを含むシステムであって、前記LCデバイスが、導電層区分の前記配列のうちの導電層区分に電気信号を印加することによって前記光ビームの位相または振幅のうちの少なくとも一方を空間変調するように構成され、任意により前記システムが、前記LCデバイスの下流に配置され、画像を形成するために空間変調された前記光ビームの方向を変えるように構成された光学系ブロックをさらに含む、システム。
Applications Claiming Priority (5)
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