KR20190078635A - 공간 가변적 액정 회절 격자들 - Google Patents

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Abstract

본 개시내용은 디스플레이 시스템들에 관한 것으로, 보다 상세하게는 증강 현실 디스플레이 시스템들에 관한 것이다. 회절 격자는 광 회절에 대해 적응된 격자 기간에 대응하는 주기적으로 반복되는 측방향 치수를 갖는 복수의 상이한 회절 존들을 포함한다. 회절 격자는 부가적으로 상이한 회절 존들에 대응하는 복수의 상이한 액정 층들을 포함한다. 상이한 액정 층들은 상이하게 정렬된 액정 분자들을 가져서, 상이한 회절 존들이 광 회절과 연관된 상이한 광학 성질들을 갖게 된다.

Description

공간 가변적 액정 회절 격자들
[0001] 본 출원은, 2016년 11월 18에 출원되고 발명의 명칭이 "SPATIALLY VARIABLE LIQUID CRYSTAL DIFFRACTION GRATINGS"인 미국 가특허 출원 번호 제62/424,310호를 우선권으로 주장하며, 이로써, 이 출원의 내용들은 그 전체가 인용에 의해 본원에 포함된다.
[0002] 본 개시내용은 디스플레이 시스템들에 관한 것으로, 보다 상세하게는 증강 현실 디스플레이 시스템들에 관한 것이다.
[0003] 현대 컴퓨팅 및 디스플레이 기술들은 소위 "가상 현실" 또는 "증강 현실" 경험들을 위한 시스템들의 개발을 용이하게 했으며, 여기서 디지털방식으로 재생된 이미지들 또는 이미지들의 부분들은, 그들이 실제인 것으로 보이거나, 실제로서 지각될 수 있는 방식으로 사용자에게 제시된다. 가상 현실, 또는 "VR" 시나리오는 통상적으로 다른 실제 실세계 시각적 입력에 대한 투명성(transparency) 없는 디지털 또는 가상 이미지 정보의 프리젠테이션(presentation)을 수반하고; 증강 현실, 또는 "AR" 시나리오는 통상적으로 사용자 주위 실제 세계의 시각화에 대한 증강으로서 디지털 또는 가상 이미지 정보의 프리젠테이션을 수반한다. 혼합 현실, 또는 "MR" 시나리오는 AR 시나리오의 타입이고 통상적으로 자연 세계에 통합되고 이에 응답하는 가상 객체들을 수반한다. 예컨대, MR 시나리오에서, AR 이미지 콘텐츠는 실제 세계의 객체들에 의해 차단되거나, 그렇지 않으면, 실제 세계의 객체들과 상호작용하는 것으로 지각될 수 있다.
[0004] 도 1을 참조하면, 증강 현실 장면(scene)(1)이 도시되며, 여기서 AR 기술의 사용자는 배경에 있는 사람들, 나무들, 빌딩들, 및 콘크리트 플랫폼(1120)을 특징으로 하는 실세계 공원-형 세팅(1100)을 본다. 이들 아이템들에 더하여, AR 기술의 사용자는 또한, 그가 "가상 콘텐츠", 이를테면, 실세계 플랫폼(1120) 상에 서 있는 로봇 동상(1110), 및 호박벌의 의인화인 것으로 보여지는 날고 있는 만화-형 아바타 캐릭터(1130)를 "보는 것"을 지각하지만, 이들 엘리먼트들(1130, 1110)은 실세계에 존재하지 않는다. 인간 시각 지각 시스템은 복잡하기 때문에, 다른 가상 또는 실세계 이미저리 엘리먼트들 사이에서 가상 이미지 엘리먼트들의 편안하고, 자연스럽고, 풍부한 프리젠테이션을 용이하게 하는 AR 기술을 생성하는 것은 난제이다.
[0005] 본원에 개시된 시스템들 및 방법들은 AR 및 VR 기술에 관련된 다양한 난제들을 해결한다.
[0006] 따라서, 다수의 디바이스들, 시스템들, 구조들 및 방법들이 본원에서 개시된다. 예컨대, 광 회절에 대해 적응된 격자 기간에 대응하는 주기적으로 반복되는 측방향 치수를 갖는 복수의 상이한 회절 존들을 포함하는 예시적인 회절 격자가 개시된다. 회절 격자는 부가적으로 상이한 회절 존들에 대응하는 복수의 상이한 액정 층들을 포함한다. 상이한 액정 층들은 상이하게 정렬된 액정 분자들을 가져서, 상이한 회절 존들이 광 회절과 연관된 상이한 광학 성질들을 갖게 된다.
[0007] 회절 격자를 제조하는 예시적인 방법이 개시되며, 이 방법은 기판을 제공하는 단계 및 기판 상에 광 회절에 대해 적응된 격자 기간에 대응하는 주기적으로 반복되는 측방향 치수를 갖는 복수의 상이한 회절 존들을 제공하는 단계를 포함한다. 이 방법은 기판 상에 액정 분자들을 포함하는 복수의 상이한 액정 층들을 형성하는 단계를 더 포함하고, 상이한 액정 층들은 상이한 회절 존들에 대응하고, 상이한 액정 층들을 형성하는 단계는 액정 분자들을 상이하게 정렬시키는 단계를 포함하고, 그리하여 광 회절과 연관된 상이한 광학 성질들을 상이한 회절 존들에 제공한다.
[0008] 측방향으로 연장되고, 액정 층들이 광을 회절시키게 구성되도록 주기적으로 반복되는 측방향 치수, 두께 및 굴절률들을 갖도록 배열되는 복수의 인접 액정 층들을 포함하는 다른 예시적인 회절 격자가 개시된다. 액정 층들의 액정 분자들은, 인접 액정 층들이 회절 효율 면에서 구배(gradient)를 가지면서 광을 회절시키도록 구성되게, 측방향을 따라 상이한 액정 층들에 상이하게 배열된다.
[0009] 증강 현실 이미지 콘텐츠를 디스플레이하기 위해 사용자의 눈에 광을 프로젝팅하도록 구성된 예시적인 머리-장착 디스플레이 디바이스가 또한 개시된다. 머리-장착 디스플레이 디바이스는 사용자의 머리에 지지되도록 구성된 프레임을 포함한다. 머리-장착 디스플레이 디바이스는 부가적으로 프레임 상에 배치되는 디스플레이를 포함하고, 상기 디스플레이의 적어도 일부는 하나 이상의 도파관들을 포함하고, 상기 하나 이상의 도파관들은 투명하며, 사용자가 상기 머리-장착 디스플레이 디바이스를 착용할 때, 사용자의 눈 전방의 위치에 배치되어서, 상기 투명한 부분은 사용자의 전방 환경의 부분으로부터의 광을 사용자의 눈으로 투과시켜 사용자의 전방 환경의 상기 부분의 뷰(view)를 제공하고, 상기 디스플레이는 하나 이상의 광원들, 및 광원들로부터의 광을 상기 하나 이상의 도파관들에 커플링하거나 또는 상기 하나 이상의 도파관들 밖으로 광을 커플링하도록 구성된 적어도 하나의 회절 격자를 더 포함한다. 회절 격자는 광 회절에 대해 적응된 격자 기간에 대응하는 주기적으로 반복되는 측방향 치수를 갖는 복수의 상이한 회절 존들을 포함한다. 회절 격자는 부가적으로 상이한 회절 존들에 대응하는 복수의 상이한 액정 층들을 포함하고, 상이한 액정 층들은 상이하게 정렬된 액정 분자들을 가져서, 상이한 회절 존들이 광 회절과 연관된 상이한 광학 성질들을 갖게 된다.
[0010] 도 1은 AR(augmented reality) 디바이스를 통한 AR의 사용자의 뷰를 예시한다.
[0011] 도 2는 착용 가능 디스플레이 시스템의 예를 예시한다.
[0012] 도 3은 사용자에 대한 3차원 이미저리를 시뮬레이팅하기 위한 종래의 디스플레이 시스템을 예시한다.
[0013] 도 4는 다중 깊이 평면들을 사용하여 3-차원 이미저리를 시뮬레이팅하기 위한 접근법의 양상들을 예시한다.
[0014] 도 5a 내지 도 5c는 곡률의 반경과 초점 반경 간의 관계들을 예시한다.
[0015] 도 6은 이미지 정보를 사용자에게 출력하기 위한 도파관 스택의 예를 예시한다.
[0016] 도 7은 도파관에 의해 출력된 출사 빔들의 예를 예시한다.
[0017] 도 8은 각각의 깊이 평면이 다수의 상이한 컴포넌트 컬러들을 사용하여 형성된 이미지들을 포함하는 스택된 도파관 어셈블리의 예를 예시한다.
[0018] 도 9a는 인커플링 광학 엘리먼트를 각각 포함하는 스택된 도파관들의 세트의 예의 측 단면도를 예시한다.
[0019] 도 9b는 도 9a의 복수의 스택된 도파관들의 예의 사시도를 예시한다.
[0020] 도 9c는 도 9a 및 도 9b의 복수의 스택된 도파관들의 예의 하향식 평면도를 예시한다.
[0021] 도 10a 내지 도 10c는 실시예들에 따라, 액정 분자들이 상이한 전경사각들을 갖는 존들을 갖는 회절 격자들의 측 단면도들을 예시한다.
[0022] 도 11a 및 11b는 실시예들에 따라, 도 10a 내지 도 10c에 예시된 회절 격자들을 제조하는 방법을 예시하는 중간 구조 및 회절 격자의 측 단면도들이다.
[0023] 도 12a 내지 12c는 실시예들에 따라, 도 10a 내지 도 10c에 예시된 회절 격자들을 제조하는 방법을 예시하는 중간 구조들 및 회절 격자의 측 단면도들이다.
[0024] 도 13a 및 도 13b는 실시예들에 따라, 액정 분자들이 상이한 전경사각들을 갖는 존들을 갖는 회절 격자들의 측 단면도들을 예시한다.
[0025] 도 14a 및 14b는 실시예들에 따라, 도 13a 및 도 13b에 예시된 회절 격자들을 제조하는 방법을 예시하는 중간 구조 및 회절 격자의 측 단면도들이다.
[0026] 도 15a 내지 도 15c는 실시예들에 따라, 액정 분자들이 상이한 방위각들을 갖는 존들을 갖는 회절 격자들의 하향식 평면도들을 예시한다.
[0027] 도 16a는 실시예들에 따라, 액정 분자들이 상이한 방위각들을 갖는 존들을 갖는 회절 격자의 하향식 평면도를 예시한다.
[0028] 도 16b는 도 16a에 예시된 회절 격자의 상이한 존들에 걸쳐 측방향에서 방위각들의 변동들을 예시하는 개략적인 그래프이다.
[0029] 도 17a 내지 17d는 실시예들에 따라, 도 15a 내지 도 15c에 예시된 회절 격자들을 제조하는 방법을 예시하는 중간 구조들 및 회절 격자들의 측 단면도들을 예시한다.
[0030] 도 17e는 실시예들에 따라, 도 17d에 예시된 회절 격자의 하향식 평면도를 예시한다.
[0031] 도 18a 내지 18c는 실시예들에 따라, 도 16a에 예시된 회절 격자들을 제조하는 방법을 예시하는 중간 구조들 및 회절 격자들의 측 단면도들을 예시한다.
[0032] 도 18d는 실시예들에 따라, 도 18c에 예시된 회절 격자의 하향식 평면도를 예시한다.
[0033] 도 19a 및 도 19b는 실시예들에 따라, 액정 분자들이 상이한 키랄성을 갖는 존들을 갖는 회절 격자의 하향식 및 측 단면도들을 예시한다.
[0034] 도 20은 실시예들에 따라, 액정 분자들이 상이한 키랄성을 갖는 존들을 갖는 회절 격자의 측 단면도이다.
[0035] 도 21은 실시예들에 따라, 액정 층들이 상이한 액정 재료들로 형성된 존들을 갖는 회절 격자의 측 단면도이다.
[0036] AR 시스템들은 사용자가 자신 주위의 세계를 계속해서 볼 수 있게 하면서, 가상 콘텐츠를 사용자 또는 뷰어에 디스플레이할 수 있다. 바람직하게는, 이 콘텐츠는 사용자의 눈들에 이미지 정보를 프로젝팅하는, 예컨대, 안경류의 부분으로서 머리-장착 디스플레이 상에 디스플레이된다. 게다가, 디스플레이는 또한 주변 환경의 뷰를 허용하기 위해 주변 환경으로부터 사용자의 눈으로 광을 투과시킬 수 있다. 본원에서 사용되는 바와 같이, "머리-장착" 디스플레이는 뷰어의 머리 상에 장착될 수 있는 디스플레이라는 것이 인지될 것이다.
[0037] 이제 유사한 참조 번호들이 전반에 걸쳐 유사한 부분들을 지칭하는 도면들에 대한 참조가 이루어질 것이다.
[0038] 도 2는 웨어러블 디스플레이 시스템(80)의 예를 예시한다. 디스플레이 시스템(80)은 디스플레이(62), 및 그 디스플레이(62)의 기능을 지원하기 위한 다양한 기계 및 전자 모듈들 및 시스템들을 포함한다. 디스플레이(62)는, 디스플레이 시스템 사용자 또는 뷰어(60)에 의해 착용 가능하고 사용자(60)의 눈들의 전방에 디스플레이(62)를 포지셔닝하도록 구성된 프레임(64)에 커플링될 수 있다. 디스플레이(62)는 일부 실시예들에서, 안경류(eyewear)로 고려될 수 있다. 일부 실시예들에서, 스피커(66)는 프레임(64)에 커플링되고 사용자(60)의 외이도에 인접하게 포지셔닝된다(일부 실시예들에서, 도시되지 않은 다른 스피커가 사용자의 다른 외이도에 인접하게 포지셔닝되어 스테레오/형상화가능(shapeable) 사운드 제어를 제공함). 일부 실시예들에서, 디스플레이 시스템은 또한 하나 이상의 마이크로폰들(67) 또는 사운드를 검출하기 위한 다른 디바이스들을 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 마이크로폰은 사용자가 시스템(80)에 입력들 또는 커맨드들(예컨대, 음성 메뉴 커맨드들의 선택, 자연어 질문 등)을 제공할 수 있도록 구성되고, 그리고/또는 다른 사람들(예컨대, 유사한 디스플레이 시스템들의 다른 사용자들)과의 오디오 통신을 허용할 수 있다. 마이크로폰은 또한, 오디오 데이터를 계속해서 수집하기 위해(예컨대, 사용자 및/또는 환경으로부터 수동적으로 수집하기 위해) 주변 센서로서 구성될 수 있다. 이러한 오디오 데이터는 사용자 사운드들, 이를테면, 거친 숨, 또는 환경 사운드들, 이를테면, 근처의 이벤트를 나타내는 큰 굉음(loud bang)을 포함할 수 있다. 디스플레이 시스템은 또한, 프레임(64)과 별개이고 사용자(60)의 신체(예컨대, 사용자(60)의 머리, 몸통, 손발(extremity) 등)에 부착될 수 있는 주변 센서(30a)를 포함할 수 있다. 주변 센서(30a)는 본원에서 추가로 설명된 바와 같이, 일부 실시예들에서, 사용자(60)의 생리적인 상태를 특징화하는 데이터를 취득하도록 구성될 수 있다. 예컨대, 센서(30a)는 전극일 수 있다.
[0039] 도 2를 계속 참조하면, 디스플레이(62)는, 다양한 구성들로 장착될 수 있는, 예컨대, 프레임(64)에 고정적으로 부착되거나, 사용자에 의해 착용된 헬멧 또는 모자에 고정적으로 부착되거나, 헤드폰들에 임베딩되거나, 그렇지 않으면 사용자(60)에게 제거 가능하게 부착되는(예컨대, 백팩(backpack)-스타일 구성으로, 벨트-커플링 스타일 구성으로) 로컬 데이터 프로세싱 모듈(70)에 통신 링크(68)에 의해, 예컨대, 유선 리드 또는 무선 연결성에 의해, 동작 가능하게 커플링된다. 유사하게, 센서(30a)는 통신 링크(30b), 예컨대, 유선 리드 또는 무선 연결성에 의해 로컬 프로세서 및 데이터 모듈(70)에 동작 가능하게 커플링될 수 있다. 로컬 프로세싱 및 데이터 모듈(70)은 하드웨어 프로세서뿐 아니라, 디지털 메모리 예컨대, 비-휘발성 메모리(예컨대, 플래시 메모리 또는 하드 디스크 드라이브들)를 포함할 수 있고, 이 둘 모두는 데이터의 프로세싱, 캐싱(caching) 및 저장을 보조하기 위해 활용될 수 있다. 데이터는 a) 센서들(예컨대 프레임(64)에 동작 가능하게 커플링되거나 그렇지 않으면 사용자(60)에게 부착될 수 있음), 예컨대, 이미지 캡처 디바이스들(예컨대, 카메라들), 마이크로폰들, 관성 측정 유닛들, 가속도계들, 컴파스(compass)들, GPS 유닛들, 라디오 디바이스들, 자이로(gyro)들 및/또는 본원에서 개시된 다른 센서들로부터 캡처되고; 및/또는 b) 원격 프로세싱 모듈(72) 및/또는 원격 데이터 리포지토리(repository)(74)(가상 콘텐츠에 관련된 데이터를 포함함)를 사용하여 취득 및/또는 프로세싱되는 (어쩌면, 이러한 프로세싱 또는 리트리벌(retrieval) 후 디스플레이(62)에 전달하기 위한) 데이터를 포함한다. 로컬 프로세싱 및 데이터 모듈(70)은 통신 링크들(76, 78)에 의해, 예컨대, 유선 또는 무선 통신 링크들을 통하여, 원격 프로세싱 모듈(72) 및 원격 데이터 리포지토리(74)에 동작 가능하게 커플링될 수 있어서, 이들 원격 모듈들(72, 74)은 서로 동작 가능하게 커플링되고 로컬 프로세싱 및 데이터 모듈(70)에 대한 자원들로서 이용 가능하다. 일부 실시예들에서, 로컬 프로세싱 및 데이터 모듈(70)은 이미지 캡처 디바이스들, 마이크로폰들, 관성 측정 유닛들, 가속도계들, 컴파스들, GPS 유닛들, 라디오 디바이스들 및/또는 자이로들 중 하나 또는 그 초과를 포함할 수 있다. 일부 다른 실시예들에서, 이들 센서들 중 하나 이상은 프레임(64)에 부착될 수 있거나, 또는 유선 또는 무선 통신 통로들에 의해 로컬 프로세싱 및 데이터 모듈(70)과 통신하는 자립형 구조들일 수 있다.
[0040] 도 2를 계속 참조하면, 일부 실시예들에서, 원격 프로세싱 모듈(72)은 데이터 및/또는 이미지 정보를 분석 및 프로세싱하도록 구성된 하나 이상의 프로세서들을 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 원격 데이터 리포지토리(74)는 "클라우드" 자원 구성에서 인터넷 또는 다른 네트워킹 구성을 통하여 이용 가능할 수 있는 디지털 데이터 저장 설비를 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 원격 데이터 리포지토리(74)는 정보, 예컨대, 증강 현실 콘텐츠를 생성하기 위한 정보를 로컬 프로세싱 및 데이터 모듈(70) 및/또는 원격 프로세싱 모듈(72)에 제공하는 하나 이상의 원격 서버들을 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 모든 데이터는 저장되고 모든 컴퓨테이션들은 로컬 프로세싱 및 데이터 모듈에서 수행되어, 원격 모듈로부터 완전히 자율적인 사용을 허용한다.
[0041] "3-차원" 또는 "3-D"인 것으로서 이미지의 지각은 뷰어의 각각의 눈에 이미지의 약간 상이한 프리젠테이션들을 제공함으로써 달성될 수 있다. 도 3은 사용자에 대한 3차원 이미저리를 시뮬레이팅하기 위한 종래의 디스플레이 시스템을 예시한다. 2개의 별개의 이미지들(5 및 7)(각각의 눈(4 및 6)에 대해 하나씩)이 사용자에게 출력된다. 이미지들(5, 7)은 뷰어의 시선과 평행한 광학 또는 z-축을 따라 거리(10) 만큼 눈들(4, 6)로부터 이격된다. 이미지들(5, 7)은 편평하고 눈들(4, 6)은 단일 원근조절된 상태를 가정함으로써 이미지들에 포커싱될 수 있다. 그러한 시스템들은 조합된 이미지에 대한 스케일 및/또는 깊이의 지각을 제공하기 위하여 이미지들(5, 7)을 조합하는데 인간 시각 시스템에 의존한다.
[0042] 그러나, 인간 시각 시스템은 더 복잡하고 현실적인 깊이의 지각을 제공하는 것이 더 어렵다는 것이 인지될 것이다. 예컨대, 종래의 3-D 디스플레이 시스템들의 많은 뷰어들은 그런 시스템들이 불편하다는 것을 발견하거나, 깊이 감을 전혀 지각하지 못할 수 있다. 이론에 의해 제한됨이 없이, 객체의 뷰어들은 이접운동 및 원근조절의 조합으로 인해 객체를 3-차원인 것으로 지각할 수 있다고 여겨진다. 서로에 대한 두 눈들의 이접운동(vergence) 움직임들(즉, 동공들이 객체를 응시하기 위해 눈들의 시선들을 수렴하도록 서로를 향해 또는 서로 멀어지게 움직이도록 하는 눈들의 회전)은 눈들의 동공들 및 렌즈들의 포커싱(또는 원근조절)과 밀접하게 연관된다. 정상 조건들하에서, 하나의 객체로부터 상이한 거리에 있는 다른 객체로 포커스를 변화시키기 위하여, 눈들의 렌즈들의 포커스를 변화시키거나, 또는 눈들을 원근조절하는 것은 "원근조절-이접운동 반사(accommodation-vergence reflex)"로서 알려진 관계하에서, 동일한 거리에 대한 이접운동에서의 매칭하는 변화는 물론 동공 팽창 및 수축을 자동으로 유발할 것이다. 마찬가지로, 이접운동에서의 변경은 정상 조건들하에서, 렌즈 형상 및 동공 사이즈의, 원근조절에서의 매칭하는 변경을 트리거할 것이다. 본원에서 언급되는 바와 같이, 다수의 입체 또는 "3-D" 디스플레이 시스템들은, 3-차원 관점이 이 인간 시각 시스템에 의해 지각되도록 각각의 눈에 약간 상이한 프리젠테이션들(그리고 따라서, 약간 상이한 이미지들)을 사용하여 장면을 디스플레이한다. 그러나, 그러한 시스템들은 많은 뷰어들에게 불편한데, 그 이유는 다른 것들 중에서, 그러한 시스템들이 단순히 장면의 상이한 프리젠테이션을 제공하지만, 눈들이 단일 원근조절된 상태에서 모든 이미지 정보를 보고, 그리고 원근조절-이접운동 반사에 반하여 작동하기 때문이다. 원근조절과 이접운동 사이의 더 양호한 매칭을 제공하는 디스플레이 시스템들은, 증가된 착용 지속기간 및 결국, 진단 및 치료 프로토콜들에 대한 준수에 기여하는, 3-차원 이미저리의 더 현실적이고 편안한 시뮬레이션들을 형성할 수 있다.
[0043] 도 4는 다중 깊이 평면들을 사용하여 3-차원 이미저리를 시뮬레이팅하기 위한 접근법의 양상들을 예시한다. 도 4를 참조하면, z-축 상에서 눈들(4, 6)로부터의 다양한 거리들에 있는 객체들은, 이들 객체들이 인 포커싱(in focus)되도록 눈들(4, 6)에 의해 원근조절된다. 눈들(4 및 6)은 z-축을 따라 상이한 거리들에 있는 객체들에 포커싱을 맞추게 하는 특정 원근조절된 상태들을 취한다. 결과적으로, 특정 원근조절된 상태는 연관된 초점 거리를 갖는 깊이 평면들(14) 중 특정한 하나의 깊이 평면과 연관되는 것으로 말할 수 있어서, 특정 깊이 평면의 객체들 또는 객체들의 부분들은, 눈이 해당 깊이 평면에 대해 원근조절된 상태에 있을 때 인 포커싱된다. 일부 실시예들에서, 3-차원 이미저리는 눈들(4, 6) 각각에 대해 이미지의 상이한 프리젠테이션들을 제공함으로써, 그리고 또한 깊이 평면들 각각에 대응하는 이미지의 상이한 프리젠테이션들을 제공함으로써 시뮬레이팅될 수 있다. 예시의 명확성을 위해 별개인 것으로 도시되지만, 눈들(4, 6)의 시야들은 예컨대, z-축을 따른 거리가 증가함에 따라 겹쳐질 수 있다는 것이 인지될 것이다. 게다가, 예시의 용이함을 위해 평평한 것으로 도시되지만, 깊이 평면의 윤곽들은 물리적 공간에서 만곡될 수 있어서, 깊이 평면의 모든 특징들은 특정 원근조절된 상태에서 눈과 인 포커싱된다는 것이 인지될 것이다.
[0044] 객체와 눈(4 또는 6) 간의 거리는 또한, 그 눈으로 볼 때, 그 객체로부터 광의 발산(divergence)의 양을 변화시킬 수 있다. 도 5a 내지 도 5c는 광선들의 거리와 발산 간의 관계들을 예시한다. 객체와 눈(4) 간의 거리는, 거리가 감소하는 순서로 R1, R2 및 R3에 의해 표현된다. 도 5a 내지 도 5c에 도시된 바와 같이, 광선들은, 객체에 대한 거리가 감소함에 따라 더 많이 발산하게 된다. 거리가 증가함에 따라, 광선들은 더욱 시준된다. 다른 말로 하면, 포인트(객체 또는 객체의 일부)에 의해 생성된 광 필드가 구체 파면 곡률을 가지는 것으로 말해질 수 있고, 구체 파면 곡률은, 포인트가 사용자의 눈으로부터 얼마나 멀리 떨어져 있는지의 함수이다. 곡률은 객체와 눈(4) 간의 거리가 감소함에 따라 증가한다. 결과적으로, 상이한 깊이 평면들에서, 광선들의 발산 정도는 또한 상이하고, 발산 정도는, 깊이 평면들과 뷰어의 눈(4) 간의 거리가 감소함에 따라 증가한다. 단지 하나의 눈(4)이 도 5a 내지 도 5c 및 본원의 다른 도면들에서 예시의 명확성을 위해 예시되지만, 눈(4)에 대한 논의들이 뷰어의 양쪽 눈들(4 및 6)에 적용될 수 있다는 것이 인지될 것이다.
[0045] 이론에 의해 제한됨이 없이, 인간 눈이 통상적으로 깊이 지각을 제공하기 위하여 유한 수의 깊이 평면들을 해석할 수 있다고 여겨진다. 결과적으로, 지각된 깊이의 매우 믿을 만한 시뮬레이션은, 눈에, 이들 제한된 수의 깊이 평면들 각각에 대응하는 이미지의 상이한 프리젠테이션들을 제공함으로써 달성될 수 있다. 상이한 프리젠테이션들이 뷰어의 눈들에 의해 별개로 포커싱될 수 있고, 그리하여, 상이한 깊이 평면 상에 로케이팅되는 장면에 대한 상이한 이미지 특징들에 포커스를 맞추도록 요구되는 눈의 원근조절에 기초하여 그리고/또는 상이한 깊이 평면들 상의 상이한 이미지 특징들이 아웃 포커스(out of focus)되는 것을 관찰하는 것에 기초하여 깊이 단서들을 사용자에게 제공하는 것을 돕는다.
[0046] 도 6은 이미지 정보를 사용자에게 출력하기 위한 도파관 스택의 예를 예시한다. 디스플레이 시스템(1000)은 복수의 도파관들(1182, 1184, 1186, 1188, 1190)을 사용하여 3-차원 지각을 눈/뇌에 제공하기 위하여 활용될 수 있는 도파관들의 스택, 또는 스택된 도파관 어셈블리(1178)를 포함한다. 일부 실시예들에서, 디스플레이 시스템(1000)은 도 2의 시스템(80)이고, 도 6은 그 시스템(80)의 일부 부분들을 더 상세히 개략적으로 보여준다. 예컨대, 도파관 어셈블리(1178)는 도 2의 디스플레이(62)의 부분일 수 있다. 디스플레이 시스템(1000)은 일부 실시예들에서 광 필드(light field) 디스플레이로서 간주될 수 있다는 것이 인지될 것이다.
[0047] 도 6을 계속 참조하면, 도파관 어셈블리(1178)는 또한 도파관들 사이에 복수의 특징들(1198, 1196, 1194, 1192)을 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 특징들(1198, 1196, 1194, 1192)은 하나 이상의 렌즈들일 수 있다. 도파관들(1182, 1184, 1186, 1188, 1190) 및/또는 복수의 렌즈들(1198, 1196, 1194, 1192)은 다양한 레벨들의 파면 곡률 또는 광선 발산으로 이미지 정보를 눈에 전송하도록 구성될 수 있다. 각각의 도파관 레벨은 특정 깊이 평면과 연관될 수 있고 그 깊이 평면에 대응하는 이미지 정보를 출력하도록 구성될 수 있다. 이미지 주입 디바이스들(1200, 1202, 1204, 1206, 1208)은 도파관들에 대한 광의 소스로서 기능할 수 있고, 이미지 정보를 도파관들(1182, 1184, 1186, 1188, 1190)에 주입하기 위하여 활용될 수 있으며, 도파관들 각각은, 본원에 설명된 바와 같이, 눈(4)을 향하여 출력하기 위해 각각의 개별 도파관에 걸쳐 인입 광을 분산시키도록 구성될 수 있다. 광은 이미지 주입 디바이스들(1200, 1202, 1204, 1206, 1208)의 출력 표면(1300, 1302, 1304, 1306, 1308)을 나가고 도파관들(1182, 1184, 1186, 1188, 1190)의 대응하는 입력 표면(1382, 1384, 1386, 1388, 1390)에 주입된다. 일부 실시예들에서, 입력 표면들(1382, 1384, 1386, 1388, 1390) 각각은 대응하는 도파관의 에지일 수 있거나, 또는 대응하는 도파관의 주 표면의 일부일 수 있다(즉, 도파관 표면들 중 하나는 직접적으로 세계(1144) 또는 뷰어의 눈(4)을 향함). 일부 실시예들에서, 단일 광 빔(예컨대, 시준된 빔)은 특정 도파관과 연관된 깊이 평면에 대응하는 특정 각도들(및 발산의 양들)로 눈(4)을 향하여 지향되는 시준된 클론 빔(cloned collimated beam)들의 전체 필드를 출력하기 위하여 각각의 도파관으로 주입될 수 있다. 일부 실시예들에서, 이미지 주입 디바이스들(1200, 1202, 1204, 1206, 1208) 중 하나의 이미지 주입 디바이스가 복수(예컨대, 3개)의 도파관들(1182, 1184, 1186, 1188, 1190)과 연관되고 그에 광을 주입할 수 있다.
[0048] 일부 실시예들에서, 이미지 주입 디바이스들(1200, 1202, 1204, 1206, 1208)은 각각 대응하는 도파관(1182, 1184, 1186, 1188, 1190)에 주입을 위한 이미지 정보를 각각 생성하는 이산 디스플레이들이다. 일부 다른 실시예들에서, 이미지 주입 디바이스들(1200, 1202, 1204, 1206, 1208)은 예컨대, 이미지 정보를 하나 이상의 광학 도관들(예컨대, 광섬유 케이블들)을 통하여 이미지 주입 디바이스들(1200, 1202, 1204, 1206, 1208) 각각에 파이핑(pipe)할 수 있는 단일 멀티플렉싱된 디스플레이의 출력 단부들이다. 이미지 주입 디바이스들(1200, 1202, 1204, 1206, 1208)에 의해 제공되는 이미지 정보는 상이한 파장들 또는 컬러들(예컨대, 본원에서 논의된 바와 같이 상이한 컴포넌트 컬러들)의 광을 포함할 수 있다는 것이 인지될 것이다.
[0049] 일부 실시예들에서, 도파관들(1182, 1184, 1186, 1188, 1190)로 주입된 광은 LED(light emitting diode)와 같은 광 이미터를 포함할 수 있는 광 모듈(2040)을 포함하는 광 프로젝터 시스템(2000)에 의해 제공된다. 광 모듈(2040)로부터의 광은 빔 분할기(2050)를 통해 광 변조기(2030), 예컨대, 공간 광 변조기에 지향되고 그에 의해 수정될 수 있다. 광 변조기(2030)는 도파관들(1182, 1184, 1186, 1188, 1190) 내로 주입되는 광의 지각된 세기를 변화시키도록 구성될 수 있다. 공간 광 변조기들의 예들은, LCOS(liquid crystal on silicon) 디스플레이들을 포함하는 LCD(liquid crystal display)들을 포함한다.
[0050] 일부 실시예들에서, 디스플레이 시스템(1000)은 광을 다양한 패턴들(예컨대, 래스터 스캔, 나선형 스캔, 리사주(Lissajous) 패턴 등)로 하나 이상의 도파관들(1182, 1184, 1186, 1188, 1190) 내로 그리고 궁극적으로 뷰어의 눈(4)으로 프로젝팅하도록 구성된 하나 이상의 스캐닝 섬유들을 포함하는 스캐닝 섬유 디스플레이일 수 있다. 일부 실시예들에서, 예시된 이미지 주입 디바이스들(1200, 1202, 1204, 1206, 1208)은 하나 또는 복수의 도파관들(1182, 1184, 1186, 1188, 1190) 내로 광을 주입하도록 구성된 단일 스캐닝 섬유 또는 스캐닝 섬유들의 번들(bundle)들을 개략적으로 표현할 수 있다. 일부 다른 실시예들에서, 예시된 이미지 주입 디바이스들(1200, 1202, 1204, 1206, 1208)은 복수의 스캐닝 섬유들 또는 스캐닝 섬유들의 복수의 번들들을 개략적으로 표현할 수 있으며, 이들 각각은 도파관들(1182, 1184, 1186, 1188, 1190) 중 연관된 하나 내로 광을 주입하도록 구성된다. 하나 이상의 광섬유들이 광 모듈(2040)로부터 하나 이상의 도파관들(1182, 1184, 1186, 1188, 1190)로 광을 송신하도록 구성될 수 있다는 것이 인지될 것이다. 예컨대, 스캐닝 섬유에서 나오는 광을 하나 이상의 도파관들(1182, 1184, 1186, 1188, 1190)로 재지향시키도록, 스캐닝 섬유 또는 섬유들과 하나 이상의 도파관들(1182, 1184, 1186, 1188, 1190) 사이에 하나 이상의 개재된 광학 구조들이 제공될 수 있다는 것이 인지될 것이다.
[0051] 제어기(1210)는 이미지 주입 디바이스들(1200, 1202, 1204, 1206, 1208), 광 소스(2040) 및 광 변조기(2030)의 동작을 포함한, 스택된 도파관 어셈블리(1178)의 하나 이상의 도파관들의 동작을 제어한다. 일부 실시예들에서, 제어기(1210)는 로컬 데이터 프로세싱 모듈(70)의 부분이다. 제어기(1210)는 예컨대, 본원에 개시된 다양한 방식들 중 임의의 방식에 따라 도파관들(1182, 1184, 1186, 1188, 1190)에 대한 이미지 정보의 타이밍 및 제공을 조절하는 프로그래밍(예컨대, 비-일시적 매체의 명령들)을 포함한다. 일부 실시예들에서, 제어기는 단일 통합 디바이스, 또는 유선 또는 무선 통신 채널들에 의해 연결되는 분산 시스템일 수 있다. 제어기(1210)는 일부 실시예들에서, 프로세싱 모듈들(70 또는 72)(도 1)의 부분일 수 있다.
[0052] 도 6을 계속 참조하면, 도파관들(1182, 1184, 1186, 1188, 1190)은 TIR(total internal reflection)에 의해 각각의 개별 도파관 내에서 광을 전파시키도록 구성될 수 있다. 도파관들(1182, 1184, 1186, 1188, 1190)은 각각 평면형이거나 다른 형상(예컨대, 곡선)을 가질 수 있으며, 주 최상부 및 최하부 표면들 및 이들 주 최상부와 최하부 표면들 사이에서 연장되는 에지들을 갖는다. 예시된 구성에서, 도파관들(1182, 1184, 1186, 1188, 1190)은 이미지 정보를 눈(4)에 출력하기 위해 각각의 개별 도파관 내에서 전파되는 광을 도파관 밖으로 재지향시킴으로써 도파관 밖으로 광을 추출하도록 구성된 아웃커플링 광학 엘리먼트들(1282, 1284, 1286, 1288, 1290)을 각각 포함할 수 있다. 추출된 광은 아웃커플링된 광으로서 또한 지칭될 수 있고, 아웃커플링 광학 엘리먼트들은 또한 광 추출 광학 엘리먼트들로서 지칭될 수 있다. 추출된 광 빔은, 도파관 내에서 전파되는 광이 광 추출 광학 엘리먼트에 부딪치는 위치들에서 도파관에 의해 출력된다. 아웃커플링 광학 엘리먼트들(1282, 1284, 1286, 1288, 1290)은 예컨대, 본원에서 추가로 논의되는 바와 같이, 회절성 광학 특징들을 포함하는 격자들일 수 있다. 설명의 용이함 및 도면 명확성을 위하여 도파관들(1182, 1184, 1186, 1188, 1190)의 최하부 주 표면들에 배치된 것으로 예시되지만, 일부 실시예들에서, 아웃커플링 광학 엘리먼트들(1282, 1284, 1286, 1288, 1290)은 본원에서 추가로 논의되는 바와 같이, 최상부 및/또는 최하부 주 표면들에 배치될 수 있고, 그리고/또는 도파관들(1182, 1184, 1186, 1188, 1190)의 볼륨에 직접 배치될 수 있다. 일부 실시예들에서, 아웃커플링 광학 엘리먼트들(1282, 1284, 1286, 1288, 1290)은 도파관들(1182, 1184, 1186, 1188, 1190)을 형성하기 위해 투명 기판에 부착된 재료 층에 형성될 수 있다. 일부 다른 실시예들에서, 도파관들(1182, 1184, 1186, 1188, 1190)은 재료의 모놀리식 피스(piece)일 수 있고 아웃커플링 광학 엘리먼트들(1282, 1284, 1286, 1288, 1290)은 재료의 해당 피스의 표면 상에 그리고/또는 그 내부에 형성될 수 있다.
[0053] 도 6을 계속 참조하면, 본원에 논의된 바와 같이, 각각의 도파관(1182, 1184, 1186, 1188, 1190)은 특정 깊이 평면에 대응하는 이미지를 형성하기 위해 광을 출력하도록 구성된다. 예컨대, 눈에 가장 가까운 도파관(1182)은, 그러한 도파관(1182)에 주입된 시준된 광을 눈(4)에 전달하도록 구성될 수 있다. 시준된 광은 광학 무한대 초점 평면을 나타낼 수 있다. 위의 다음 도파관(1184)은, 시준된 광이 눈(4)에 도달할 수 있기 전에 제1 렌즈(1192)(예컨대, 네거티브 렌즈)를 통과하는 시준된 광을 전송하도록 구성될 수 있고; 그러한 제1 렌즈(1192)는 약간 볼록한 파면 곡률을 생성하도록 구성될 수 있어서, 눈/뇌는 위의 다음 도파관(1184)으로부터 오는 광을, 광학적 무한대로부터 눈(4)을 향하여 안쪽으로 더 가까운 제1 초점 평면으로부터 오는 것으로 해석한다. 유사하게, 위의 제3 도파관(1186)은 자신의 출력 광을 눈(4)에 도달하기 전에 제1(1192) 및 제2(1194) 렌즈들 둘 모두를 통과시키고; 제1(1192) 및 제2(1194) 렌즈들의 조합된 광학 전력은 다른 증분 양의 파면 곡률을 생성하도록 구성될 수 있어서, 눈/뇌는 제3 도파관(1186)으로부터 오는 광을, 위의 다음 도파관(1184)으로부터의 광보다는 광학적 무한대로부터 사람을 향하여 안쪽으로 훨씬 더 가까운 제2 초점 평면으로부터 오는 것으로 해석한다.
[0054] 다른 도파관 층들(1188, 1190) 및 렌즈들(1196, 1198)은 유사하게 구성되는데, 스택에서 가장 높은 도파관(1190)은 자신의 출력을, 사람과 가장 가까운 초점 평면을 나타내는 어그리게이트 초점 전력에 대해 자신과 눈 사이의 렌즈들 모두를 통하여 전송한다. 스택된 도파관 어셈블리(1178)의 다른 측 상에서 세계(1144)로부터 오는 광을 보거나/해석할 때 렌즈들(1198, 1196, 1194, 1192)의 스택을 보상하기 위하여, 보상 렌즈 층(1180)은 아래의 렌즈 스택(1198, 1196, 1194, 1192)의 어그리게이트 전력을 보상하기 위하여 스택의 최상부에 배치될 수 있다. 이러한 구성은 이용 가능한 도파관/렌즈 쌍들이 존재하는 만큼 많은 지각된 초점 평면들을 제공한다. 도파관들의 아웃커플링 광학 엘리먼트들 및 렌즈들의 포커싱 양상들 둘 모두는 정적(즉, 동적이거나 전자-활성이지 않음)일 수 있다. 일부 대안적인 실시예들에서, 어느 하나 또는 둘 모두는 전자-활성 특징들을 사용하여 동적일 수 있다.
[0055] 일부 실시예들에서, 도파관들(1182, 1184, 1186, 1188, 1190) 중 둘 또는 그 초과는 동일한 연관된 깊이 평면을 가질 수 있다. 예컨대, 다수의 도파관들(1182, 1184, 1186, 1188, 1190)은 동일한 깊이 평면으로 세팅된 이미지들을 출력하도록 구성될 수 있거나, 또는 도파관들(1182, 1184, 1186, 1188, 1190)의 다수의 서브세트들은 동일한 복수의 깊이 평면들로 세팅된 이미지들(각각의 깊이 평면에 대해 하나의 이미지가 세팅됨)을 출력하도록 구성될 수 있다. 이는 그러한 깊이 평면들에서 확장된 시야를 제공하기 위해 타일 이미지(tiled image)를 형성하는 이점들을 제공할 수 있다.
[0056] 도 6을 계속 참조하면, 아웃커플링 광학 엘리먼트들(1282, 1284, 1286, 1288, 1290)은 자신의 개별 도파관들 밖으로 광을 재지향시키고 그리고 또한 도파관과 연관된 특정 깊이 평면에 대해 적절한 양의 발산 또는 시준으로 이 광을 출력하도록 구성될 수 있다. 결과로서, 상이한 연관된 깊이 평면들을 가진 도파관들은 상이한 구성들의 아웃커플링 광학 엘리먼트들(1282, 1284, 1286, 1288, 1290)을 가질 수 있고, 이러한 아웃커플링 광학 엘리먼트들(1282, 1284, 1286, 1288, 1290)은 연관된 깊이 평면에 따라 상이한 양의 발산으로 광을 출력한다. 일부 실시예들에서, 광 추출 광학 엘리먼트들(1282, 1284, 1286, 1288, 1290)은 특정 각도들로 광을 출력하도록 구성될 수 있는 볼류메트릭(volumetric) 또는 표면 특징들일 수 있다. 예컨대, 광 추출 광학 엘리먼트들(1282, 1284, 1286, 1288, 1290)은 볼륨 홀로그램들, 표면 홀로그램들, 및/또는 회절 격자들일 수 있다. 일부 실시예들에서, 특징들(1198, 1196, 1194, 1192)은 렌즈들이 아닐 수 있고; 오히려, 이들은 단순히 스페이서들(예컨대, 공기 갭들을 형성하기 위한 클래딩(cladding) 층들 및/또는 구조들)일 수 있다.
[0057] 일부 실시예들에서, 아웃커플링 광학 엘리먼트들(1282, 1284, 1286, 1288, 1290)은 회절 패턴 또는 회절 광학 엘리먼트(또한 본원에서 DOE 로서 지칭됨)를 형성하는 회절 특징들이다. 바람직하게는, DOE들은 충분히 낮은 회절 효율을 가져서, 단지 광의 일부만이 DOE의 각각의 교차로 인해 눈(4)을 향하여 편향되지만, 나머지는 TIR(total internal reflection)을 통하여 도파관을 통해 계속 이동한다. 따라서, 이미지 정보를 전달하는 광은 다수의 위치들에서 도파관을 나가는 다수의 관련된 출사 빔들로 분할되고 그 결과는 이런 특정 시준된 빔이 도파관 내에서 이리저리 바운싱되기 때문에 눈(4)을 향하는 상당히 균일한 출사 방출 패턴이다.
[0058] 일부 실시예들에서, 하나 이상의 DOE들은, 그것들을 활발하게 회절시키는 "온" 상태들과 그것들을 크게 회절시키지 않는 "오프" 상태들 간에 스위칭 가능할 수 있다. 예컨대, 스위칭 가능 DOE는, 마이크로액적들이 호스트 매질에서 회절 패턴을 포함하는 중합체 분산형 액정 층을 포함할 수 있고, 마이크로액적들의 굴절률은 호스트 매질의 굴절률에 실질적으로 매칭하도록 스위칭될 수 있거나(이 경우에 패턴은 입사광을 현저하게 회절시키지 않음) 또는 마이크로액적은 호스트 매질의 인덱스에 매칭하지 않는 인덱스로 스위칭될 수 있다(이 경우 패턴은 입사광을 활발하게 회절시킴).
[0059] 일부 실시예들에서, 예컨대, 사용자 입력들을 검출하고 그리고/또는 사용자의 생리적인 상태를 모니터링하기 위해 눈(4) 및/또는 눈(4) 주위 조직의 이미지들을 캡처하도록 카메라 어셈블리(500)(예컨대, 가시광 및 적외선 카메라들을 포함하는 디지털 카메라)가 제공될 수 있다. 본원에서 사용된 바와 같이, 카메라는 임의의 이미지 캡처 디바이스일 수 있다. 일부 실시예들에서, 카메라 어셈블리(500)는 이미지 캡처 디바이스 및 눈에 광(예컨대, 적외선)을 프로젝팅하기 위한 광 소스를 포함할 수 있으며, 이 광은 그 후 눈에 의해 반사되고 이미지 캡처 디바이스에 의해 검출될 수 있다. 일부 실시예들에서, 카메라 어셈블리(500)는 프레임(64)(도 2)에 부착될 수 있고, 예컨대, 본원에서 논의된 바와 같이 사용자의 생리적인 상태에 관한 다양한 결정들을 내리기 위해 카메라 어셈블리(500)로부터의 이미지 정보를 프로세싱할 수 있는 프로세싱 모듈들(70 및/또는 72)과 전기 통신할 수 있다. 사용자의 생리적인 상태에 관한 정보는 사용자의 행동 또는 감정 상태를 결정하는 데 사용될 수 있다는 것이 인지될 것이다. 이러한 정보의 예들은 사용자의 움직임들 및/또는 사용자의 얼굴 표정들을 포함한다. 사용자의 행동 또는 감정 상태는 그 후, 행동 또는 감정 상태, 생리적인 상태 및 환경적 또는 가상적 콘텐츠 데이터 간의 관계들을 결정하도록 수집된 환경적 및/또는 가상 콘텐츠 데이터로 삼각측량될 수 있다. 일부 실시예들에서, 하나의 카메라 어셈블리(500)가 각각의 눈을 별개로 모니터링하기 위해 각각의 눈에 대해 활용될 수 있다.
[0060] 이제 도 7을 참조하면, 도파관에 의해 출력된 출사 빔들의 예가 도시된다. 하나의 도파관이 예시되지만, 도파관 어셈블리(1178)(도 6) 내의 다른 도파관들이 유사하게 기능할 수 있다는 것이 인지될 것이며, 여기서 도파관 어셈블리(1178)는 다수의 도파관들을 포함한다. 광(400)은 도파관(1182)의 입력 표면(1382)에서 도파관(1182)으로 주입되고 TIR에 의해 도파관(1182) 내에서 전파된다. 광(400)이 DOE(1282)에 충돌하는 포인트들에서, 광의 일부는 출사 빔들(402)로서 도파관을 나간다. 출사 빔들(402)은 실질적으로 평행한 것으로 예시되지만, 본원에 논의된 바와 같이, 이들 출사 빔들(402)은 또한 도파관(1182)과 연관된 깊이 평면에 따라, 임의의 각도로 눈(4)으로 전파되도록 재지향될 수 있다(예컨대, 발산하는 출사 빔들을 형성함). 실질적으로 평행한 출사 빔들은, 눈(4)으로부터 먼 거리(예컨대, 광학적 무한대)에 있는 깊이 평면 상에 세팅된 것으로 보이는 이미지들을 형성하도록 광을 아웃커플링하는 아웃커플링 광학 엘리먼트들을 갖는 도파관을 나타낼 수 있다는 것이 인지될 것이다. 다른 도파관들 또는 아웃커플링 광학 엘리먼트들의 다른 세트들은 더 발산하는 출사 빔 패턴을 출력할 수 있고, 이는 눈(4)이 망막 상에 포커싱을 맞추게 하기 위해 더 가까운 거리로 원근조절하는 것을 요구할 것이고 광학적 무한대보다 눈(4)에 더 가까운 거리로부터의 광으로서 뇌에 의해 해석될 것이다.
[0061] 일부 실시예들에서, 풀(full) 컬러 이미지는 컴포넌트 컬러들, 예컨대, 3개 또는 그 초과의 컴포넌트 컬러들 각각에 이미지들을 오버레이시킴으로써 각각의 깊이 평면에 형성될 수 있다. 도 8은 각각의 깊이 평면이 다수의 상이한 컴포넌트 컬러들을 사용하여 형성된 이미지들을 포함하는 스택된 도파관 어셈블리의 예를 예시한다. 예시된 실시예는 깊이 평면들(14a-14f)을 도시하지만, 더 많거나 더 적은 깊이들이 또한 고려될 수 있다. 각각의 깊이 평면은, 자신과 연관된 3개의 컴포넌트 컬러 이미지들, 즉 제1 컬러(G)의 제1 이미지; 제2 컬러(R)의 제2 이미지; 및 제3 컬러(B)의 제3 이미지를 가질 수 있다. 상이한 깊이 평면들은 G, R 및 B 문자들 다음에 오는 디옵터들(dpt)에 대한 상이한 숫자들에 의해 도면에 표시된다. 단지 예들로서, 이들 문자들 각각 다음에 오는 숫자들은 디옵터들(1/m) 또는 뷰어로부터의 깊이 평면의 역 거리(inverse distance)를 표시하며, 도면들에서 각각의 박스는 개별 컴포넌트 컬러 이미지를 나타낸다. 일부 실시예들에서, 상이한 파장들의 광의 눈의 포커싱에서의 차이를 참작하기 위해, 상이한 컴포넌트 컬러들에 대한 깊이 평면들의 정확한 배치는 변동될 수 있다. 예컨대, 주어진 깊이 평면에 대한 상이한 컴포넌트 컬러 이미지들은 사용자로부터의 상이한 거리들에 대응하는 깊이 평면들 상에 배치될 수 있다. 이러한 어레인지먼트는 시력 및 사용자의 편안함을 증가시킬 수 있고 그리고/또는 색수차들을 감소시킬 수 있다.
[0062] 일부 실시예들에서, 각각의 컴포넌트 컬러의 광은 하나의 전용 도파관에 의해 출력될 수 있고, 결과적으로, 각각의 깊이 평면은 그것과 연관된 다수의 도파관들을 가질 수 있다. 이러한 실시예들에서, 문자들 G, R 또는 B를 포함하는 도면들 내의 각각의 박스는 개별 도파관을 나타내는 것으로 이해될 수 있고, 3개의 도파관들이 깊이 평면 당 제공될 수 있으며, 여기서 3개의 컴포넌트 컬러 이미지들이 깊이 평면 당 제공된다. 각각의 깊이 평면과 연관된 도파관들이 설명의 용이함을 위해 이 도면에서 서로 인접한 것으로 도시되지만, 물리적 디바이스에서, 도파관들은 모두 레벨 당 하나의 도파관을 갖는 스택으로 배열될 수 있다는 것이 인지될 것이다. 일부 다른 실시예들에서, 다수의 컴포넌트 컬러들이 동일한 도파관에 의해 출력될 수 있어서, 예컨대, 단지 단일 도파관이 깊이 평면 당 제공될 수 있다.
[0063] 도 8을 계속 참조하면, 일부 실시예들에서, G는 녹색 컬러이고, R은 적색 컬러이고, B는 청색 컬러이다. 일부 다른 실시예들에서, 마젠타 및 시안을 포함하는, 다른 광의 파장들과 연관되는 다른 컬러들이 적색, 녹색 또는 청색 중 하나 이상을 대체할 수 있거나, 또는 이에 추가로 사용될 수 있다. 일부 실시예들에서, 특징들(198, 196, 194 및 192)은 주위 환경으로부터 시청자의 눈들로의 광을 선택적으로 차단하도록 구성된 능동 또는 수동 광학 필터들일 수 있다.
[0064] 본 개시내용 전반에 걸쳐 주어진 컬러의 광에 대한 참조는 그 주어진 컬러인 것으로서 뷰어에 의해 지각되는 광의 파장들의 범위 내의 하나 이상의 파장들의 광을 포함하는 것으로 이해될 것이란 점이 인지될 것이다. 예컨대, 적색 광은 약 620-780nm 범위의 하나 이상의 파장들의 광을 포함할 수 있고, 녹색 광은 약 492-577nm 범위의 하나 이상의 파장들의 광을 포함할 수 있으며, 청색 광은 약 435-493nm 범위의 하나 이상의 파장들의 광을 포함할 수 있다.
[0065] 일부 실시예들에서, 광 소스(2040)(도 6)는 뷰어의 시각적 지각 범위 밖의 하나 이상의 파장들, 예컨대, 적외선 및/또는 자외선 파장들의 광을 방출하도록 구성될 수 있다. 또한, 디스플레이(1000)의 도파관들의 인커플링, 아웃커플링 및 다른 광 재지향 구조들은 예컨대, 이미징 및/또는 사용자 자극 애플리케이션들을 위해 사용자의 눈(4)을 향하여 디스플레이 밖으로 이 광을 지향 및 방출하도록 구성될 수 있다.
[0066] 이제 도 9a를 참조하면, 일부 실시예들에서, 도파관에 충돌하는 광은 도파관 내로 그 광을 인커플링하기 위해 재지향될 필요가 있을 수 있다. 인커플링 광학 엘리먼트는 광을 그의 대응하는 도파관으로 재지향 및 인커플링하는 데 사용될 수 있다. 도 9a는 인커플링 광학 엘리먼트를 각각 포함하는 복수의 스택된 도파관들 또는 스택된 도파관들의 세트(1200)의 예의 측 단면도를 예시한다. 도파관들은 각각 하나 이상의 상이한 파장들, 또는 하나 이상의 상이한 파장들의 범위들의 광을 출력하도록 구성될 수 있다. 스택(1200)은 스택(1178)(도 6)에 대응할 수 있고, 스택(1200)의 예시된 도파관들은, 이미지 주입 디바이스들(1200, 1202, 1204, 1206, 1208) 중 하나 이상으로부터의 광이 인커플링을 위해 광이 재지향되도록 요구하는 포지션으로부터 도파관들로 주입되는 것을 제외하면, 복수의 도파관들(1182, 1184, 1186, 1188, 1190)의 부분에 대응할 수 있다는 것이 인지될 것이다.
[0067] 스택된 도파관들의 예시된 세트(1200)는 도파관들(1210, 1220, 및 1230)을 포함한다. 각각의 도파관은, (도파관 상의 광 입력 영역으로서 또한 지칭될 수 있는) 연관된 인커플링 광학 엘리먼트를 포함하며, 예컨대, 인커플링 광학 엘리먼트(1212)는 도파관(1210)의 주 표면(예컨대, 상위 주 표면) 상에 배치되고, 인커플링 광학 엘리먼트(1224)는 도파관(1220)의 주 표면(예컨대, 상위 주 표면) 상에 배치되며, 인커플링 광학 엘리먼트(1232)는 도파관(1230)의 주 표면(예컨대, 상위 주 표면) 상에 배치된다. 일부 실시예들에서, 인커플링 광학 엘리먼트들(1212, 1222, 1232) 중 하나 이상은 각각의 도파관(1210, 1220, 1230)의 최하부 주 표면 상에 배치될 수 있다(특히, 하나 이상의 인커플링 광학 엘리먼트들은 반사성 편향 광학 엘리먼트들인 경우). 예시된 바와 같이, 인커플링 광학 엘리먼트들(1212, 1222, 1232)은, 이러한 인커플링 광학 엘리먼트들이 투과성 편향 광학 엘리먼트들인 경우, 그의 각각의 도파관(1210, 1220, 1230)의 상위 주 표면(또는 다음 하위 도파관의 최상부) 상에 배치될 수 있다. 일부 실시예들에서, 인커플링 광학 엘리먼트들(1212, 1222, 1232)은 각각의 도파관(1210, 1220, 1230)의 바디에 배치될 수 있다. 일부 실시예들에서, 본원에서 논의된 바와 같이, 인커플링 광학 엘리먼트들(1212, 1222, 1232)은 파장 선택적이어서, 이들은 하나 이상의 광 파장들을 선택적으로 재지향시키면서 다른 광 파장들을 투과시킨다. 그의 각각의 도파관(1210, 1220, 1230)의 한 측 또는 코너 상에서 예시되지만, 인커플링 광학 엘리먼트들(1212, 1222, 1232)은 일부 실시예들에서, 그의 각각의 도파관(1210, 1220, 1230)의 다른 영역들에 배치될 수 있다는 것이 인지될 것이다.
[0068] 예시된 바와 같이, 인커플링 광학 엘리먼트들(1212, 1222, 1232)은 서로 측방향으로 오프셋될 수 있다. 일부 실시예들에서, 각각의 인커플링 광학 엘리먼트는, 광이 다른 인커플링 광학 엘리먼트를 통과하지 않고 자신이 그 광을 수신하도록 오프셋될 수 있다. 예컨대, 각각의 인커플링 광학 엘리먼트(1212, 1222, 1232)는 도 6에 도시된 바와 같이 상이한 이미지 주입 디바이스(1200, 1202, 1204, 1206, 및 1208)로부터 광을 수신하도록 구성될 수 있고, 다른 인커플링 광학 엘리먼트들(1212, 1222, 1232)로부터 분리(예컨대, 측방향으로 이격)될 수 있어서, 인커플링 광학 엘리먼트(1212, 1222, 1232)는 인커플링 광학 엘리먼트들(1212, 1222, 1232) 중 다른 것들로부터의 광을 실질적으로 수신하지 않는다.
[0069] 각각의 도파관은 또한 연관된 광 분배 엘리먼트들을 포함하며, 예컨대, 광 분배 엘리먼트들(1214)은 도파관(1210)의 주 표면(예컨대, 최상부 주 표면) 상에 배치되고, 광 분배 엘리먼트들(1224)은 도파관(1220)의 주 표면(예컨대, 최상부 주 표면) 상에 배치되며, 광 분배 엘리먼트들(1234)은 도파관(1230)의 주 표면(예컨대, 최상부 주 표면) 상에 배치된다. 일부 다른 실시예들에서, 광 분배 엘리먼트들(1214, 1224, 1234)은 연관된 도파관들(1210, 1220, 1230)의 최하부 주 표면 상에 각각 배치될 수 있다. 일부 다른 실시예들에서, 광 분배 엘리먼트들(1214, 1224, 1234)은 연관된 도파관들(1210, 1220, 1230)의 최상부 및 최하부 주 표면 둘 모두 상에 각각 배치될 수 있거나; 또는 광 분배 엘리먼트들(1214, 1224, 1234)은 상이한 연관된 도파관들(1210, 1220, 1230)의 최상부 및 최하부 주 표면들 중 상이한 것들 상에 각각 배치될 수 있다.
[0070] 도파관들(1210, 1220, 1230)은 예컨대, 기체, 액체 및/또는 고체 재료 층들에 의해 이격되고 분리될 수 있다. 예컨대, 예시된 바와 같이, 층(1218a)은 도파관들(1210, 1220)을 분리할 수 있고; 층(1218b)은 도파관(1220 및 1230)을 분리할 수 있다. 일부 실시예들에서, 층들(1218a 및 1218b)은 저 굴절률 재료들(즉, 도파관들(1210, 1220, 1230) 중 바로 인접한 하나를 형성하는 재료보다 낮은 굴절률을 갖는 재료들)로 형성된다. 바람직하게는, 층들(1218a, 1218b)을 형성하는 재료의 굴절률은 도파관들(1210, 1220, 1230)을 형성하는 재료의 굴절률보다 0.05 이상으로 작거나 또는 0.10 이상으로 작다. 유리하게는, 더 낮은 굴절률 층들(1218a, 1218b)은 도파관들(1210, 1220, 1230)을 통한 광의 TIR(total internal reflection)(예컨대, 각각의 도파관의 최상부 및 최하부 주 표면들 사이의 TIR)을 용이하게 하는 클래딩 층들로서 기능할 수 있다. 일부 실시예들에서, 층들(1218a, 1218b)은 공기로 형성된다. 예시되지는 않았지만, 예시된 도파관들의 세트(1200)의 최상부 및 최하부는 바로 이웃한 클래딩 층들을 포함할 수 있다는 것이 인지될 것이다.
[0071] 바람직하게는, 제조의 용이함 및 다른 고려사항들을 위해, 도파관들(1210, 1220, 1230)을 형성하는 재료는 유사하거나 동일하며, 층들(1218a, 1218b)을 형성하는 재료는 유사하거나 동일하다. 일부 실시예들에서, 도파관들(1210, 1220, 1230)을 형성하는 재료는 하나 이상의 도파관들 간에 상이할 수 있고, 그리고/또는 층들(1218a, 1218b)을 형성하는 재료는 여전히 위에서 언급된 다양한 굴절률 관계들을 유지하면서 상이할 수 있다.
[0072] 도 9a를 계속 참조하여, 광선들(1240, 1242, 1244)이 도파관들의 세트(1200) 상에 입사된다. 광선들(1240, 1242, 1244)은 하나 이상의 이미지 주입 디바이스들(1200, 1202, 1204, 1206, 1208)(도 6)에 의해 도파관들(1210, 1220, 1230) 내로 주입될 수 있다는 것이 인지될 것이다.
[0073] 일부 실시예들에서, 광선들(1240, 1242, 1244)은 상이한 성질들, 예컨대, 상이한 파장들 또는 상이한 파장들의 범위들을 가지며, 이는 상이한 컬러들에 대응할 수 있다. 인커플링 광학 엘리먼트들(1212, 122, 1232)은 각각, 입사광이 TIR에 의해 도파관들(1210, 1220, 1230) 각각을 통해 전파되도록 광을 편향시킨다.
[0074] 예컨대, 인커플링 광학 엘리먼트(1212)는 제1 파장 또는 파장들의 범위를 갖는 광선(1240)을 편향시키도록 구성될 수 있다. 유사하게, 투과된 광선(1242)은 제2 파장 또는 파장들의 범위의 광을 편향시키도록 구성된 인커플링 광학 엘리먼트(1222)에 충돌하고 그에 의해 편향된다. 마찬가지로, 광선(1244)은 제3 파장 또는 파장들의 범위의 광을 선택적으로 편향시키도록 구성된 인커플링 광학 엘리먼트(1232)에 의해 편향된다.
[0075] 도 9a를 계속 참조하면, 편향된 광선들(1240, 1242, 1244)은 대응하는 도파관(1210, 1220, 1230)을 통해 전파되도록 편향되는데; 즉, 각각의 도파관의 인커플링 광학 엘리먼트들(1212, 1222, 1232)은 해당 대응하는 도파관(1210, 1220, 1230) 내로 광을 인커플링하도록 해당 대응하는 도파관 내로 광을 편향시킨다. 광선들(1240, 1242, 1244)은 광이 TIR에 의해 각각의 도파관(1210, 1220, 1230)을 통해 전파되게 하는 각도들로 편향된다. 광선들(1240, 1242, 1244)은, 도파관의 대응하는 광 분배 엘리먼트들(1214, 1224, 1234)에 충돌할 때까지 TIR에 의해 각각의 도파관(1210, 1220, 1230)을 통해 전파된다.
[0076] 이제 도 9b를 참조하면, 도 9a의 복수의 스택된 도파관들의 예의 사시도를 예시한다. 위에서 언급된 바와 같이, 인커플링된 광선들(1240, 1242, 1244)은 인커플링 광학 엘리먼트들(1212, 1222, 1232)에 의해 각각 편향되고, 그 후 도파관들(1210, 1220, 1230) 내에서 TIR에 의해 각각 전파된다. 그 후, 광선들(1240, 1242, 1244)은 광 분배 엘리먼트들(1214, 1224, 1234)에 각각 충돌한다. 광 분배 엘리먼트들(1214, 1224, 1234)은, 광선들(1240, 1242, 1244)이 아웃커플링 광학 엘리먼트(1250, 1252, 1254)를 향해 각각 전파되도록 이들을 편향시킨다.
[0077] 일부 실시예들에서, 광 분배 엘리먼트들(1214, 1224, 1234)은 OPE(orthogonal pupil expander)들이다. 일부 실시예들에서, OPE들은 아웃커플링 광학 엘리먼트들(1250, 1252, 1254)로 광을 편향시키거나 분배하고, 광이 아웃커플링 광학 엘리먼트들로 전파될 때 이 광의 빔 또는 스폿 크기를 또한 증가시킬 수 있다. 일부 실시예들에서, 예컨대, 빔 크기가 이미 원하는 크기인 경우, 광 분배 엘리먼트들(1214, 1224, 1234)은 생략될 수 있고, 인커플링 광학 엘리먼트들(1212, 1222, 1232)은 아웃커플링 광학 엘리먼트들(1250, 1252, 1254)에 광을 직접 편향시키도록 구성될 수 있다. 예컨대, 도 9a를 참조하면, 광 분배 엘리먼트들(1214, 1224, 1234)은 아웃커플링 광학 엘리먼트(1250, 1252, 1254)로 각각 대체될 수 있다. 일부 실시예들에서, 아웃커플링 광학 엘리먼트들(1250, 1252, 1254)은 뷰어의 눈(4)(도 7)에 광을 지향시키는 EP(exit pupil)들 또는 EPE(exit pupil expander)들이다.
[0078] 따라서, 도 9a 및 도 9b를 참조하면, 일부 실시예들에서, 도파관들의 세트(1200)는 각각의 컴포넌트 컬러에 대해 도파관들(1210, 1220, 1230; 인커플링 광학 엘리먼트들(1212, 1222, 1232); 광 분배 엘리먼트(예컨대, OPE들)(1214, 1224, 1234); 및 아웃커플링 광학 엘리먼트들(예컨대, EP들)(1250, 1252, 1254)을 포함한다. 도파관들(1210, 1220, 1230)은 각각의 도파관 사이에 에어 갭/클래딩 층을 갖도록 스택될 수 있다. 인커플링 광학 엘리먼트들(1212, 1222, 1232)은 (상이한 인커플링 광학 엘리먼트들이 상이한 파장들의 광을 수신하므로) 입사광을 자신의 도파관으로 재지향 또는 편향시킨다. 그 후, 광은 각각의 도파관(1210, 1220, 1230) 내에서 TIR을 초래할 각도로 전파된다. 도시된 예에서, 광선(1240)(예컨대, 청색 광)은 제1 인커플링 광학 엘리먼트(1212)에 의해 편향되고, 그 후 도파관을 따라 계속 바운싱(bounce)하여, 앞서 설명된 방식으로, 광 분배 엘리먼트(예컨대, OPE들)(1214) 및 그 후 아웃커플링 광학 엘리먼트(예컨대, EP들)(1250)와 상호작용한다. 광선들(1242 및 1244)(예컨대, 각각 녹색 및 적색 광)은 도파관(1210)을 통과할 것이고, 광선(1242)은 인커플링 광학 엘리먼트(1222)에 충돌하고 그에 의해 편향된다. 그 후, 광선(1242)은 TIR을 통해 도파관(1220)을 따라 바운싱되어, 자신의 광 분배 엘리먼트(예컨대, OPE들)(1224)로 그리고 그 후 아웃커플링 광학 엘리먼트(예컨대, EP들)(1252)로 진행된다. 마지막으로, 광선(1244)(예컨대, 적색 광)은 도파관(1220)을 통과하여 도파관(1230)의 광 인커플링 광학 엘리먼트들(1232)에 충돌한다. 광 인커플링 광학 엘리먼트들(1232)은, 광선(1244)이 TIR에 의해 광 분배 엘리먼트(예컨대, OPE들)(1234)로, 그리고 그 후 TIR에 의해 아웃커플링 광학 엘리먼트(예컨대, EP들)(1254)로 전파되도록 그 광선을 편향시킨다. 그 후, 아웃커플링 광학 엘리먼트(1254)는 최종적으로 광선(1244)을 뷰어에 아웃커플링하며, 이 뷰어는 또한 다른 도파관들(1210, 1220)로부터 아웃커플링된 광을 수신한다.
[0079] 도 9c는 도 9a 및 도 9b의 복수의 스택된 도파관들의 예의 하향식 평면도를 예시한다. 예시된 바와 같이, 각각의 도파관의 연관된 광 분배 엘리먼트(1214, 1224, 1234) 및 연관된 아웃커플링 광학 엘리먼트(1250, 1252, 1254)와 함께, 도파관들(1210, 1220, 1230)은 수직으로 정렬될 수 있다. 그러나, 본원에서 논의된 바와 같이, 인커플링 광학 엘리먼트들(1212, 1222, 1232)은 수직으로 정렬되지 않고; 오히려, 인커플링 광학 엘리먼트들은 바람직하게는, 중첩되지 않는다(예컨대, 하향식도에서 보여지는 바와 같이 측방향으로 이격됨). 본원에서 추가로 논의되는 바와 같이, 이러한 중첩되지 않는 공간적 어레인지먼트는 일대일 기반으로 상이한 자원들로부터 상이한 도파관으로의 광의 주입을 용이하게 하고, 그리하여 특정 광 소스가 특정 도파관에 고유하게 커플링되도록 허용한다. 일부 실시예들에서, 중첩되지 않는 공간적으로-분리된 인커플링 광학 엘리먼트들을 포함하는 어레인지먼트들은 시프트된 동공 시스템으로서 지칭될 수 있고, 이러한 어레인지먼트들의 인커플링 광학 엘리먼트들은 서브 동공들에 대응할 수 있다.
공간 가변적 액정 회절 격자들
[0080] 도 6 및 도 7을 참조하여 위에서 설명된 바와 같이, 본원에서 설명된 다양한 실시예들에 따른 디스플레이 시스템들은 회절 격자들을 포함할 수 있는 아웃커플링 광학 엘리먼트들(예컨대, 도 6의 광학 엘리먼트들(1282, 1284, 1286, 1288, 1290))을 포함할 수 있다. 도 7을 참조하여 위에서 설명된 바와 같이, 도파관(1182)의 입력 표면(1382)에서 도파관(1182) 내로 주입되는 광(400)은 TIR(total internal reflection)에 의해 도파관(1182) 내에서 전파된다. 도 7을 다시 참조하면, 광(400)이 아웃커플링 광학 엘리먼트(1282)에 충돌하는 포인트들에서, 광의 부분은 출사 빔들(402)로서 도파관을 빠져나간다. 일부 구현들에서, 광학 엘리먼트(1282)가 회절 성질들을 포함한 공간적으로 변동되는 광학 성질들을 갖는 회절 격자로서 구성되게 하는 것이 바람직할 수 있다. 이러한 구성은, 예컨대 광이 도파관(1182) 내에서 전파됨에 따라 광의 세기가 실질적으로 감쇠될 때 바람직할 수 있다. 이러한 상황들 하에서, 격자(1282)의 소정의 회절 특성들, 예컨대, 회절 효율(회절된 빔 세기 대 입사광 세기의 비) 또는 굴절률은, 출사 빔들(402)의 세기의 균일성이 개선되도록 광 전파 방향을 따라 변동되는 것이 바람직할 수 있다. 이러한 구성들은 또한, 예컨대, 사용자 경험을 최대화하기 위해 인간 눈과 연관된 감지 효율의 공간적 및/또는 각도 변화에 적응하도록 격자(1282)에 걸친 광 세기를 의도적으로 왜곡(skew)하는 것이 바람직할 수 있다. 따라서, 공간적으로 변동되는 광학 특성들을 갖는 아웃커플링 광학 엘리먼트들, 예컨대 회절 격자에 대한 필요성이 존재한다.
[0081] 일부 애플리케이션들의 경우, 등급화된 회절 성질들은 예컨대, 반도체 프로세싱 기술을 사용함으로써 격자의 구조적으로 변동되는 주기적 구조에 의해 달성될 수 있다. 예컨대, 반도체 에칭 기술은 용융 실리카와 같은 단단한 기판 재료들 내로 격자들을 홀로그램식으로(holographically) 패터닝하는 데 사용될 수 있다. 에칭 프로파일들을 공간적으로 변동시킴으로써, 예컨대, 상응하게 공간적으로 변동되는 듀티 사이클 또는 격자 깊이가 생성될 수 있다. 그러나, 그러한 접근법들은 종종 비교적 복잡하고 값비싼 프로세스들, 예컨대 다중 에칭 프로세스들을 수반한다. 따라서, 비교적 단순한 프로세싱 기술들로 제조될 수 있는, 공간적으로 변동되는 광학 성질들을 갖는 회절 격자들이 유리할 수 있다. 이를 위해, 본원에서 개시된 다양한 실시예들에 따라, 액정 재료들은 예컨대, 공간적으로 변동되는 정렬 특성들 또는 액정 분자들의 다른 재료 성질들에 의해 회절 격자들의 영역에 걸쳐 회절 특성들을 공간적으로 변동시키는 데 사용된다. 다양한 실시예들에서, 광중합 가능(photo-polymerizable) 액정 재료들 또는 반응성 메소겐(reactive mesogen)들은 회절 격자들의 회절 특성들을 공간적으로 변동시키는 데 사용된다. 예컨대, 격자의 다른 영역들을 액정 재료로 코팅하고 그의 성질들, 예컨대, 정렬 성질들을 공간적으로 변동시킴으로써, 공간적으로 변동되는 회절 성질들이 생성될 수 있다.
[0082] 이하에서, 회절 효율을 포함하는 변동되는 회절 성질들과 같은 변동되는 광학 성질들, 예컨대, 구배 광학 성질들을 갖는 액정(LC) 격자들의 다양한 실시예들이 설명된다. 일반적으로 회절 격자들은 광을 상이한 방향들로 이동하는 여러 광 빔들로 분할 및 회절시키는 주기적 구조를 갖는다. 이들 빔들의 방향들은 다른 것들 중에서도, 주기적 구조의 기간 및 광의 파장에 의존한다. 격자의 영역에 걸쳐 공간적으로 변동되는 소정의 광학 성질들, 예컨대, 공간적으로 변동되는 회절 효율들을 달성하기 위해, 균일한 세기의 출사 광 빔들(402)을 갖는 아웃커플링 광학 엘리먼트(282)와 같은 소정의 애플리케이션들에 대해, 액정들의 재료 성질들이 공간적으로 변동될 수 있다.
[0083] 일반적으로, 액정들은 종래의 유체들과 고체들의 중간일 수 있는 물리적 성질들을 갖는다. 액정들이 일부 양상들에서 유체와 비슷하지만, 대부분의 유체들과 달리, 이들 내의 분자들의 어레인지먼트는 일부 구조적인 순서를 나타낸다. 상이한 유형들의 액정들은 서모트로픽(thermotropic), 레오트로픽(lyotropic) 및 중합체 액정들을 포함한다. 본원에서 개시된 서모트로픽 액정들은 다양한 물리적 상태들, 예컨대, 네마틱 상태/상(state/phase), 스멕틱 상태/상, 키랄 네마틱 상태/상 또는 키랄 스멕틱 상태/상을 포함하는 상들로 구현될 수 있다.
[0084] 본원에서 설명된 바와 같이, 네마틱 상태 또는 상의 액정들은 장거리 방향적 순서(long-range directional order)(그의 장축은 대략 평행함)를 가지면서, 비교적 적은 포지션 순서를 갖는 칼라미틱(막대-형상) 또는 디스코틱(discotic)(디스크-형상) 유기 분자들을 가질 수 있다. 따라서, 유기 분자들은 그들의 장거리 방향적 순서를 여전히 유지하면서, 질량 포지션들의 중심이 액체에서와 같이 랜덤으로 분배된 채로, 자유롭게 유동할 수 있다. 일부 구현들에서, 네마틱 상의 액정들은 단축(uniaxial)일 수 있는데; 즉, 액정들은 더 길고 선호되는 하나의 축을 가지며, 다른 두 개는 대략 등가이다. 다른 구현들에서, 액정들은 2축(biaxial)일 수 있는데; 즉, 그의 장축을 배향시키는 것 이외에도, 액정들은 또한 2차 축을 따라 배향될 수 있다.
[0085] 본원에서 설명된 바와 같이, 스멕틱 상태 또는 상의 액정들은 서로 미끄러질 수 있는 비교적 잘 정의된 층들을 형성하는 유기 분자들을 가질 수 있다. 일부 구현들에서, 스멕틱 상의 액정들은 일 방향을 따라 포지션적으로 순서화될 수 있다. 일부 구현들에서, 분자들의 장축들은 액정 층의 평면에 실질적으로 수직인 방향을 따라 배향될 수 있는 반면, 다른 구현들에서, 분자들의 장축들은 층의 평면에 수직인 방향에 대해 기울어질 수 있다.
[0086] 본원에서 설명된 바와 같이, 네마틱 액정들은 이웃 분자들의 장축들이 대략적으로 서로 정렬되어 있는 막대-형 분자들로 구성된다. 이 이방성 구조를 설명하기 위해, 디렉터(director)라고 불리는 무차원 유닛 벡터(n)가 액정 분자들의 바람직한 배향의 방향을 설명하는 데 사용될 수 있다.
[0087] 본원에서 설명된 바와 같이, 네마틱 상태 또는 스멕틱 상태의 액정은 또한 키랄성을 나타낼 수 있다. 키랄 상에서, 액정들은 디렉터에 수직인 분자들의 트위스팅(twisting)을 나타낼 수 있으며, 분자 축은 디렉터와 평행하다. 인접한 분자들 사이의 유한 트위스트 각은 그들의 비대칭 패킹에 기인하며, 이는 장거리 키랄 순서를 초래한다.
[0088] 본원에서 설명된 바와 같이, 키랄 스멕틱 상태 또는 상의 액정들은 분자들이 레이어드(layered) 구조에서 포지션 순서를 갖도록 구성될 수 있으며, 분자들은 층 법선에 대해 유한 각도로 기울어진다. 또한, 키랄성은 하나의 층으로부터 다음 층으로 연속적인 방위각 트위스트들을 유도하여 층 법선을 따라 분자 축의 나선형 트위스팅을 생성할 수 있다.
[0089] 본원에서 설명된 바와 같이, 키랄성을 디스플레이하는 액정들은 키랄 피치(p)(액정 분자들이 풀(full) 360° 트위스트를 겪는 거리를 지칭할 수 있음)를 갖는 것으로 설명될 수 있다. 피치(p)는 온도가 변경될 때 또는 다른 분자들이 액정 호스트에 첨가될 때 변할 수 있어(아키랄(achiral) 액체 호스트 재료는 키랄 재료로 도핑되는 경우, 키랄 상을 형성할 수 있음), 주어진 재료의 피치가 상응하게 동조되게 할 수 있다. 일부 액정 시스템들에서, 피치는 가시 광의 파장과 동일한 차수이다. 본원에서 설명된 바와 같이, 키랄성을 디스플레이하는 액정들은 또한, 예컨대, 액정 재료의 두께에 걸쳐 최상위 액정 분자와 최하위 액정 분자 사이의 상대적인 방위각 회전을 지칭할 수 있는 트위스트 각을 갖는 것으로 설명될 수 있다.
[0090] 본원에서 설명된 다양한 실시예들에 따라, 위에서 설명된 바와 같은 다양한 상태들 또는 상들을 갖는 액정들은, 예컨대, 복굴절, 광학 이방성, 및 박막 프로세스들을 사용한 제조성을 포함한, 회절 격자들에 대한 다양한 바람직한 재료 성질들을 제공하도록 구성될 수 있다. 예컨대, 액정 층들의 표면 조건들을 변경하고 그리고/또는 상이한 액정 재료들을 혼합함으로써, 공간적으로 변동되는 회절 성질들, 예컨대 구배 회절 효율들을 나타내는 격자 구조들이 제조될 수 있다.
[0091] 본원에서 설명된 바와 같이, "중합 가능 액정(polymerizable liquid crystal)"들은 중합될 수 있는, 예컨대, 인-시추 광중합(in-situ photopolymerize)될 수 있는 액정 재료들을 지칭할 수 있으며, 또한 RM(reactive mesogens)으로서 설명될 수 있다.
[0092] 액정 분자들은 일부 실시예들에서 중합 가능할 수 있고 일단 중합되면 다른 액정 분자들과 함께 대형 네트워크를 형성할 수 있다는 것이 인지될 것이다. 예컨대, 액정 분자들은 화학 본드(chemical bond)들에 의해 또는 화학 종들을 다른 액정 분자들과 링크시킴으로써 링크될 수 있다. 함께 결합되면, 액정 분자들은 함께 링크되기 전과 실질적으로 동일한 배향들 및 위치들을 갖는 액정 도메인들을 형성할 수 있다. 설명의 편의를 위해, "액정 분자"라는 용어는 본원에서, 중합 이전의 액정 분자들 및 중합 후에 이들 분자들에 의해 형성된 액정 도메인들 둘 모두를 지칭하는 데 사용된다.
[0093] 본원에서 설명된 특정 실시예들에 따라, 광-중합 가능 액정 재료들은, 복굴절, 키랄성 및 다중-코팅에 대한 용이성을 포함하는 회절 격자를 형성하도록 구성될 수 있는데, 이 회절 격자의 재료 성질들은, 이 재료 성질들(예컨대, 복굴절, 키랄성 및 두께)의 변화들이 회절 효율들의 변동들을 상응하게 초래하기 때문에, 등급화된 회절 효율들을 갖는 격자들을 생성하는데 활용될 수 있다.
[0094] 본원에서 설명된 바와 같이, "투과성" 또는 "투명" 구조, 예컨대, 투명 기판은, 입사광의 적어도 일부 예컨대, 적어도 20, 30 또는 50%를 통과시킬 수 있다는 것이 인지될 것이다. 따라서, 투명 기판은 일부 실시예들에서 유리, 사파이어 또는 중합체 기판일 수 있다. 대조적으로, "반사" 구조, 예컨대 반사 기판은 그로부터 입사광의 적어도 일부, 예컨대, 적어도 20, 30, 50, 70, 90% 이상을 반사시킬 수 있다.
[0095] 격자의 광학 성질들은 격자의 물리적 구조들(예컨대, 주기성, 깊이 및 듀티 사이클)뿐만 아니라 격자의 재료 성질들(예컨대, 굴절률, 흡수 및 복굴절)에 의해 결정된다. 액정들이 사용될 때, 격자의 광학 성질들은 예컨대, 액정 재료들의 분자 배향 또는 분배를 제어함으로써 제어될 수 있다. 예컨대, 격자 영역에 걸친 액정 재료의 분자 배향 또는 분배를 변동시킴으로써, 격자는 등급화된 회절 효율들을 나타낼 수 있다. 이러한 접근법들은 도면들을 참조하여 아래에서 설명된다.
[0096] 다양한 실시예들에서, 회절 격자는 기판, 및 광 회절에 대해 적응된 격자 기간에 대응하는 주기적으로 반복되는 측방향 치수를 갖는 복수의 상이한 회절 존들을 포함한다. 회절 격자는 상이한 회절 존들에 대응하는 복수의 상이한 액정 층들을 더 포함하며, 상이한 액정 층들은 상이하게 정렬된 액정 분자들을 가져서, 상이한 회절 존들이 광 회절과 연관된 상이한 광학 성질들을 갖게 된다.
광-정렬된 공간 가변적 액정 회절 격자들
[0097] 도 10a 내지 도 10c를 참조하면, 일부 실시예들에 따른 회절 격자들(100A-100C)의 측 단면도들(x-z 평면을 따라 보여짐)이 예시된다. 회절 격자들(100A-100C) 각각은, 기판(104), 및 복수의 상이한 존들, 즉, 도 10a에 예시된 바와 같은 회절 존들(108A-1, 108A-2, ... 및 108A-n), 도 10b에 예시된 바와 같은 회절 존들(108B-1, 108B-2, ... 및 108B-n), 및 도 10c에 예시된 바와 같은 회절 존들(108C-1, 108C-2, ... 및 108C-n)을 포함한다.
[0098] 회절 격자들(100A-100C) 각각의 회절 존들은 주기적으로 반복되는 측방향 치수 또는 격자 기간(Λ)을 가지며, 액정 분자들(112)로 형성된 대응하는 액정 층들을 포함한다. 예시된 실시예에서 그리고 본 개시내용 전반에 걸쳐, 액정 분자들(112)은 액정 분자들의 가능한 다른 상태 중에서도, 네마틱 상태 또는 스멕틱 상태, 또는 이들의 혼합에 있을 수 있다. 예시된 실시예에서 그리고 전체에 걸쳐, 다양한 실시예들은 약 100nm 내지 약 10,000nm, 약 200nm 내지 약 2000nm 또는 약 300nm 내지 약 1000nm의 격자 기간(Λ)을 가질 수 있어서, 복수의 회절 존들은 가시광을 회절시키도록 구성된다.
[0099] 회절 격자(100A)의 회절 존들(108A-1, 108A-2, ..., 108A-n)은 각각, 대응하는 액정 층들(116A-1, 116A-2, ... 116A-n)을 갖고; 회절 격자(100B)의 회절 존들(108B-1, 108B-2, ..., 108B-n)은 각각, 대응하는 액정 층들(116B-1, 116B-2, ... 116B-n)을 갖고; 회절 격자(100C)의 회절 존들(108C-1, 108C-2, ..., 108C-n)은 각각, 대응하는 액정 층들(116C-1, 116C-2 및 116C-n)을 갖는다.
[0100] 본원에서 그리고 명세서 전반에 걸쳐, "n"은 상이한 존들의 수를 표현하는 적합한 정수일 수 있다는 것이 이해될 것이다. 예컨대, 회절 존들(108B-1, 108B-2, ..., 108B-n)은 n개의 회절 존들이 존재할 수 있음을 표시하며, 여기서 n은 정수이다. 도면들로부터 생략된 회절 존들의 수(n)는 예컨대, 1 내지 약 500, 약 1 내지 약 200 또는 약 1 내지 약 100일 수 있다. 일부 구현들에서, 회절 격자의 광학 성질들은 표면에 걸쳐 연속적으로 변동될 수 있다. 일 구현에서, 예컨대, 회절 존들 중 적어도 일부에 대해, 회절 존 당 하나의 격자 기간(Λ)이 존재할 수 있다. 각각의 회절 존이 하나의 격자 기간(Λ)을 가질 때, 회절 존들의 수(n)는 격자 기간들(Λ)의 수를 나타낼 수 있다.
[0101] 본원에서 그리고 본 명세서 전반에 걸쳐, "..."는 도면에 표시될 때, 예시된 존들 사이에, 인접하게 연결될 수 있고 임의의 다른 근접하게 예시된 존과 유사하거나 동일할 수 있는 부가적인 회절 존들의 존재를 나타낼 수 있다는 것이 이해될 것이다. 게다가, "..."는 또한 임의의 적합한 횟수만큼 주기적으로 반복되는 회절 존들의 어레인지먼트를 나타낼 수 있다.
[0102] 회절 격자(100A)의 액정 층들(116A-1, 116A-2, 116A-n) 각각은 차례로, 상이하게 배열된 제1 및 제2 회절 구역들(116A-1L 및 116A-1R, 116A-2L 및 116A-2R, ... 및 116A-nL 및 116A-nR)을 각각 갖는다. 유사하게, 회절 격자(100B)의 액정 층들(116B-1, 116B-2, 116B-n) 각각은 차례로, 상이하게 배열된 제1 및 제2 회절 구역들(116B-1L 및 116B-1R, 116B-2L 및 116B-2R, ... 및 116B-nL 및 116B-nR)을 각각 갖는다. 유사하게, 회절 격자(100C)의 액정 층들(116C-1, 116C-2, 116C-n) 각각은 차례로, 상이하게 배열된 제1 및 제2 회절 구역들(116C-1L 및 116C-1R, 116C-2L 및 116C-2R, 116C-nL ... 및 116C-nR)을 각각 갖는다. 이 구역들은 때로는 액정 분자들의 도메인들로서 지칭된다.
[0103] 도 10a 내지 10c를 여전히 참조하면, 상이한 회절 존들 각각은 기판(104)과 대응하는 액정 층 사이에 삽입된 정렬 층(120)을 더 포함하고, 정렬 층은 각각의 존의 상이한 구역들에서 액정 분자들의 정렬을 유도하도록 구성된다. 도 10a의 회절 격자(100A)의 제1/제2 회절 구역들(116A-1L/116A-1R, 116A-2L/116A-2R, ... 및 116A-nL/116A-nR)과 기판(104) 사이에는, 제1 및 제2 정렬 층들(120A-1L/120A-1R, 120A-2L/120A-2R, ... 및 120A-nL/120A-nR)이 각각 삽입된다. 유사하게, 도 10b의 회절 격자(100C)의 제1/제2 회절 구역들(116B-1L/116B-1R, 116B-2R/116B-2R, ... 및 116B-nL/116B-nR)과 기판(104) 사이에는, 제1/제2 정렬 층들(120B-1L/120B-1R, 120B-2L/120B-2R, ... 및 120B-nL/120B-nR)이 각각 삽입된다. 유사하게, 도 10c의 회절 격자(100C)의 상이하게 배열된 제1/제2 회절 구역들(116C-1L/116C-1R, 116C-2L/116C-2R, ... 및 116C-nL/116C-nR)과 기판(104) 사이에는, 제1/제2 정렬 층들(120C-1L/120C-1R, 120C-2L/120C-2R, ... 및 120C-nL/ 120C-nR)이 각각 삽입된다.
[0104] 본원에서 그리고 본 개시내용 전반에 걸쳐, 신장형 액정 분자(elongated liquid crystal molecule)들의 정렬 방향은 액정 분자들의 신장의 방향 또는 방향 벡터(n)의 방향을 지칭할 수 있다.
[0105] 본원에서 그리고 본 개시내용 전반에 걸쳐, 경사각 또는 전경사각(Φ)은 액정 층들의 또는 기판의 주 표면(x-y 평면)에 수직인 평면, 예컨대, x-z 평면에서 측정되고, 정렬 방향과 주 표면 또는 주 표면에 평행한 방향, 예컨대 x-방향 사이에서 측정된 각도를 지칭할 수 있다.
[0106] 본원에서 그리고 본 개시내용 전반에 걸쳐, 방위각 또는 회전각(φ)은, 주 표면(x-y 평면)에 수직인 축을 중심으로 한 회전의 각도를 설명하는 데 사용되며, 이는 액정 층들의 또는 기판의 주 표면에 평행한 평면 예컨대, x-y 평면에서 측정되고, 정렬 방향과 주 표면에 평행한 방향, 예컨대 y-방향 사이에서 측정된다.
[0107] 본원에서 그리고 본 개시내용 전반에 걸쳐, 전경사각(Φ) 또는 회전각(φ)과 같은 정렬각이 상이한 구역들 사이에서 실질적으로 동일한 것으로 지칭될 때, 평균 정렬각들은 예컨대, 서로 약 1%, 약 5% 또는 약 10% 내에 있을 수 있지만, 일부 경우들에서, 평균 정렬은 더 클 수 있다는 것이 이해될 것이다.
[0108] 본원에서 그리고 본 명세서 전반에 걸쳐, 듀티 사이클은, 예컨대, 제1 정렬 방향으로 정렬되는 액정 분자들을 갖는 제1 구역의 제1 측방향 치수와 제1 구역을 갖는 존의 격자 기간 사이의 비를 지칭할 수 있다. 응용 가능한 경우, 제1 구역은 액정들의 정렬이 상이한 존들 사이에서 변동되지 않는 구역에 대응한다.
[0109] 도 10a 내지 10c를 여전히 참조하여, 회절 격자들(100A, 100B 및 100C)의 각각의 존은 x-방향에서 교번하는 제1 및 제2 구역들을 포함한다. 회절 격자(100A)의 제1 구역들(116A-1L, 116A-2L, ... 및 116A-nL) 각각, 회절 격자(100B)의 제1 구역들(116B-1L, 116B-2L, ... 및 116B-nL) 각각, 및 회절 격자(100C)의 제1 구역들(116C-1L, 116C-2L, ... 및 116C-nL) 각각은 실질적으로 동일한 제1 정렬 방향을 따라 정렬되고 실질적으로 동일한 제1 전경사각(Φ)을 갖는 액정 분자들(112)을 갖는다. 회절 격자(100A)의 제2 구역들(116A-1R, 116A-2R, ... 및 116A-nR) 각각, 회절 격자(100B)의 제2 구역들(116B-1R, 116B-2R, ... 및 116B-nL) 각각, 및 회절 격자(100C)의 제2 구역들(116C-1R, 116C-2R, ... 및 116C-nR) 각각은 실질적으로 제1 정렬 방향과 상이한 제2 정렬 방향을 따라 정렬되고 각각의 제1 구역들의 제1 전경사각(Φ)과 상이한, 예컨대, 더 큰 제2 전경사각(Φ)을 갖는 액정 분자들(112)을 갖는다.
[0110] 도 10a 내지 도 10c 각각의 회절 격자들(100A-100C) 각각에서, 회절 존들의 적어도 일부는 실시예들에 따라, 상이하게 공간적으로 배열된, 예컨대, 서로 상이한 전경사각들(도 10a 및 도 10c)을 갖거나 측방향으로 변동되는 듀티 사이클들(도 10b 및 도 10c)을 갖는 액정 분자들로 형성된 액정 층들을 가져서, 상이한 존들은 상이한 광학 성질들, 예컨대, 상이한 굴절률들 및 상이한 회절 효율들을 갖게 된다.
[0111] 특히, 도 10a의 회절 격자(100A)를 참조하면, 정렬 방향들 및 제1 구역들(116A-1L, 116A-2L, ... 및 116A-nL)의 제1 전경사각(Φ)과 상이한 전경사각들(Φ)을 갖는 것 외에도, 상이한 제2 구역들(116A-1R, 116A-2R, ... 및 116A-nR)의 액정 분자들은 서로 상이한 제2 정렬 방향들을 따라 정렬된다. 예컨대, 예시된 실시예에서, 존들(108A-1, 108A-2 및 108A-n)은 제1 구역들 및 제2 구역들이 x-방향에서 교번하도록 배열되며, 여기서 제1 구역들(116A-1L, 116A-2L, ... 및 116A-nL) 각각은 실질적으로 동일한 전경사각(Φ)을 갖는 반면, 제2 구역들(116A-1R, 116A-2R, ... 및 116A-nR)은 서로 상이한 전경사각(Φ)을 갖는다. 예로서, 제1 구역들(116A-1L, 116A-2L, ... 및 116A-nL)은 약 ± 15도 사이 또는 약 ± 10도 사이 또는 약 ±5 사이, 예컨대, 0도인 전경사각(Φ)을 갖는다. 제2 구역들(116A-1R, 116A-2R, ... 및 116A-nR)은, 서로 상이하고 각각 약 60도 내지 약 90도 또는 약 65도 내지 약 85도, 예컨대, 약 75도; 약 35도 내지 약 65도 또는 약 40도 내지 약 60도, 예컨대, 약 50도; 약 10도 내지 약 40도 또는 약 15도 내지 약 35도, 예컨대, 약 25도인 전경사각들(Φ)을 가질 수 있다.
[0112] 도 10a를 여전히 참조하면, 일부 실시예들에서, 예시된 바와 같이, 제2 구역들(116A-1R, 116A-2R, ... 및 116A-nR)은 회절 성질들의 구배가 생성되도록 측방향에서 일 방향으로 변동되는, 예컨대 증가하거나 감소하는 경사각들(Φ)을 가질 수 있다. 다른 실시예들에서, 제2 구역들(116A-1R, 116A-2R, ... 및 116A-nR)은 측방향에서 일 방향으로 변동되지 않는 경사각(Φ)을 가질 수 있다.
[0113] 도 10a를 여전히 참조하면, 위에서 정의된 듀티 사이클은 약 10% 내지 약 30%, 약 30% 내지 약 50%, 약 40% 내지 약 60%(예컨대, 약 50%), 약 50% 내지 약 70%, 또는 약 70% 내지 약 90%일 수 있다.
[0114] 이제 도 10b를 참조하면, 회절 격자(100B)는 도 10a의 회절 격자(100A)와 같은 일부 공통적인 특징들을 공유한다. 그러나, 도 10a의 회절 격자(100A)와 달리, 상이한 제2 구역들(116B-1R, 116B-2R, ... 및 116B-nR)의 액정 분자들은 제1 구역들(116B-1L, 116B-2L, ... 및 116B-nL)의 제1 전경사각(Φ)과 상이한 전경사각들(Φ)을 갖는 반면, 이들은 서로 상이하게 정렬되지 않는다. 예컨대, 예시된 실시예에서, 존들(108B-1, 108B-2 및 108B-n)은 제1 구역들 및 제2 구역들이 x-방향에서 교번하도록 배열되며, 여기서 제1 구역들(116B-1L, 116B-2L, ... 및 116B-nL) 각각은 실질적으로 동일한 제1 전경사각(Φ)을 갖고, 제2 구역들(116B-1R, 116B-2R, ... 및 116B-nR) 각각은 실질적으로 동일한 제2 경사각(Φ)들을 갖는다. 제1 및 제2 구역들의 제1 및 제2 전경사각들은 도 10a의 회절 격자(100A)와 관련하여 위에서 논의된 값들 중 임의의 것을 가질 수 있다.
[0115] 도 10b를 여전히 참조하면, 도 10a의 격자(100A)와 달리, 존들(116B-1, 116B-2 및 116B-3)은 예컨대 약 0 내지 90도의 실질적으로 동일한 전경사각을 가지면서, 약 40% 내지 약 60%, 예컨대, 50%의 듀티 사이클, 약 30% 내지 약 50%, 예컨대, 40%의 듀티 사이클, 및 약 20% 내지 약 40%, 예컨대, 30%의 듀티 사이클을 각각 가져서, 회절 격자(100B)는 공간적으로 변동되는 광학 성질들을 갖게 된다.
[0116] 도 10b를 여전히 참조하면, 일부 실시예들에서, 예시된 바와 같이, 존들은 광학 성질들의 구배가 생성되도록 측방향에서 일 방향으로 변동되는, 예컨대 증가하거나 감소하는 듀티 사이클들을 가질 수 있다. 다른 실시예들에서, 듀티 사이클들은 측방향에서 일 방향으로 변동되지 않는다.
[0117] 도 10c를 이제 참조하면, 예시된 회절 격자(100C)는 도 10a 및 도 10b의 회절 격자들(100A 및 100B)과 관련하여 위에서 설명된 것들과 유사한 특징들을 결합한다. 특히, 상이한 제2 구역들(116C-1R, 116C-2R, ... 및 116C-nR)의 액정 분자들은 제1 구역들(116C-1L, 116C-2L, ... 및 116C-nL)의 제1 전경사각(Φ)과 상이하고 서로 상이하게 정렬되는 전경사각들(Φ)을 가질 수 있다. 또한, 듀티 사이클은 측방향 예컨대, x- 방향에 걸쳐 인접한 존들 사이에서 변동된다. 제1 및 제2 구역들의 제1 및 제2 전경사각들은 도 10a의 회절 격자(100A)와 관련하여 위에서 논의된 값들 중 임의의 것을 가질 수 있다. 또한, 측방향, 예컨대, x-방향에 걸쳐 인접한 존들 사이의 듀티 사이클 변동은 또한 도 10b의 회절 격자(100B)와 관련하여 위에서 논의된 값들을 가질 수 있다.
[0118] 도 10a 내지 도 10c에서 그리고 본 개시내용 전반에 걸쳐 예시되는 회절 격자들(100A-100C)에서, 위에서 논의된 격자 기간 및 듀티 사이클 외에도, 회절 성질들은 다른 것들 중에서도, 액정 층(116)의 두께 및 굴절률에 의해 추가로 정의될 수 있다는 것이 인지될 것이다. 본원에서 개시된 다양한 실시예들에 따라, 본 명세서에 개시된 액정 층들의 두께는 약 1 ㎛ 내지 약 100 ㎛, 약 0.5 ㎛ 내지 약 20 ㎛ 또는 약 0.1 ㎛ 내지 약 10 ㎛의 두께를 가질 수 있다. 본원에 개시된 액정 층들의 평균 굴절률은 약 1.8 내지 약 2.0, 약 1.6 내지 약 1.8 또는 약 1.4 내지 약 1.2일 수 있다. 본원에서 개시된 다양한 회절 격자들의 최종 평균 회절 효율은 약 1% 내지 약 80%, 약 1% 내지 약 50% 또는 약 5% 내지 약 30%일 수 있다.
[0119] 본원에서 그리고 본 개시내용 전반에 걸쳐 개시된 다양한 실시예들을 구현한 결과로서, 상이한 존들은, 평균 굴절률에 대해 회절 격자의 표면적에 걸쳐 약 -30% 내지 약 +30%, 약 -20% 내지 약 +20% 또는 약 -10% 내지 약 +10%에서 변동될 수 있는 굴절률들을 가질 수 있다. 추가의 결과로서, 상이한 존들은, 평균 회절 효율에 대해 회절 격자의 표면적에 걸쳐 약 1% 내지 약 80%, 약 1% 내지 약 50% 또는 약 1% 내지 약 30%에서 변동될 수 있는 회절 효율들을 가질 수 있다.
[0120] 도 11a 및 도 11b는 실시예들에 따라, 광-정렬 기술들을 사용하여, 예컨대, 위에서 설명된 도 10a 내지 도 10c의 회절 격자들(100A-100C)과 같이 표면에 걸쳐 비-균일 전경사각들을 갖는 액정 분자들을 갖는 회절 격자들을 제조하기 위한 방법을 예시한다.
[0121] 도 11a의 중간 구조(100a)를 참조하면, 광-정렬 층(120)이 형성되는 기판(104)이 제공된다. 기판(104)은 예컨대, 몇 개의 예들만 언급하자면, 실리카 계 유리, 석영, 사파이어, ITO(indium tin oxide) 또는 중합체 기판들과 같이 가시 스펙트럼에서 투명한 광학적으로 투명한 기판일 수 있다.
[0122] 본원에서 설명된 바와 같이, 광-정렬 층은, 액정 분자들이 증착될 때, 예컨대 광-정렬 층에 의해 액정 분자 상에 가해지는 고정 에너지(anchoring energy)로 인해 액정 분자들이 배향되는 층을 지칭할 수 있다. 광-정렬 층들의 예들은, 몇 개만 언급하자면, 폴리이미드, LPP(linear-polarization photopolymerizable polymer), 아조-함유 중합체들, 쿠마린-함유 중합체들 및 신나메이트-함유 중합체들을 포함한다.
[0123] 광-정렬 층(120)은 적합한 용매에 전구체들, 예컨대, 단량체들을 용해시키고, 용액으로 기판(104)의 표면을 코팅, 즉 스핀 코팅함으로써 형성될 수 있다. 그 후 용매는 코팅된 용액으로부터 제거될 수 있다.
[0124] 광-정렬 층(120)을 코팅 및 건조시킨 후에, 광의 상이한 도즈들 및/또는 광의 상이한 편광들에 하부 광-정렬 층(120)의 상이한 구역들을 노출하기 위해 포토마스크(130)가 사용될 수 있다. 예컨대, 상이하게 노출될 광-정렬 층(120)의 구역들은, 도 10a의 회절 격자(100A)와 관련하여 위에서 설명된 존들(108A-1 및 108A-2) 각각의 제1(예컨대, 좌측) 및 제2(예컨대, 우측) 구역들에 대응할 수 있다.
[0125] 일부 실시예들에서, 광-정렬 층(120)은, 결과적인 액정 분자들이 노출 광의 편광 방향과 실질적으로 평행하게 배향되도록 구성될 수 있다(예컨대, 노출 광의 선형 편광각 및 방위각(φ)은 실질적으로 동일함). 다른 실시예들에서, 광-정렬 층(120)은, 액정 분자들이 노출 광의 편광 방향과 실질적으로 직교하게 배향되도록 구성될 수 있다(예컨대, 노출 광의 선형 편광각 및 방위각(φ)은 실질적으로 약 +/-90 도만큼 오프셋됨).
[0126] 일 예에서, 포토마스크(130)는, 적어도 부분적으로 투명하고 어쩌면, 하나 이상의 불투명 구역들을 갖는 복수의 마스크 구역들(130a-130d)을 갖는 그레이-스케일 마스크일 수 있다. 복수의 마스크 구역들(130a-130d) 중 상이한 마스크 구역들은 상이한 양의 입사광(140)을 투과시키도록 구성될 수 있어서, 복수의 마스크 구역들(130a-130d)의 상이한 마스크 구역들을 통해 투과된 투과광(140a-140d)은 입사광(140)에 대한 상이한 마스크 구역들(130a-130d)의 상대적 투명성에 비례하는 변동 세기들을 갖게 된다. 그러나, 실시예들은 이렇게 제한되지 않으며 다른 마스크 유형들이 사용될 수 있다. 예컨대, 포토마스크(130)는, 각각이 완전히 또는 거의 완전히 투명하거나, 또는 완전히 또는 거의 완전히 불투명한 복수의 마스크 구역들(130a-130d)을 갖는 이진 마스크일 수 있어서, 복수의 마스크 구역들(130a-130d)을 통해 투과된 투과광(140a-140d)은 이진 세기들을 갖게 된다.
[0127] 포토마스크(130)는 UV 광을 적어도 부분적으로 흡수하는 적합한 재료로 형성될 수 있다. 일부 실시예들에서, 상이한 마스크 구역들(130a-130d)에 걸친 투과광의 변동 세기들은 상이한 구역들에서 상이한 재료들(예컨대, 상이한 흡수 계수들을 가짐)을 사용함으로써, 상이한 구역들에서 어쩌면 상이한 양들로 도핑된 재료들을 사용함으로써 또는 상이한 구역들에서 상이한 두께들을 사용함으로써 달성될 수 있다. 다른 유형들의 마스크들이 사용될 수 있다. 일부 실시예들에서, 포토마스크(130)는 하부 광-정렬 층(120)과 접촉할 수 있는 반면, 다른 실시예들에서, 포토마스크(130)는 하부 광-정렬 층(120)과 접촉하지 않는다.
[0128] 예컨대, 입사광은 예컨대, 436 nm("g-line"), 405 nm("h-line") 및 365 nm("i-line")의 그의 스펙트럼 라인들에 대해 고압 Hg- 램프로부터의 UV 광일 수 있다. 그러나 실시예들은 이렇게 제한되지 않으며, 입사광은, 가시광을 포함하여, 광-정렬 층(120)이 반응하는 임의의 적합한 광일 수 있다. 편광될 때, 입사 UV-광은 적합한 편광자를 사용하여 편광될 수 있다. 따라서, 다양한 경우들에, 마스크는 UV-광에 대해 투과성이다. 포토마스크를 활용하는 것 외에도 다른 패터닝 방식들이 사용될 수 있다.
[0129] 일부 실시예들에서, 입사광(140)은 단일의 균일한 입사 광원을 사용함으로써 지속기간 동안 생성될 수 있다. 그러나, 실시예들은 이렇게 제한되지 않으며, 다른 실시예들에서, 입사광(140)은 상이한 마스크 구역들(130a-130d)에 걸쳐 세기가 변동될 수 있다. 또한, 또 다른 실시예들에서, 입사광(140)은 상이한 마스크 구역들(130a-130d)에 걸쳐 상이한 지속기간 동안 선택적으로 생성될 수 있다.
[0130] 또한, 예시된 실시예에서, 입사광(140)은 편광 벡터들(134a-134d)에 의해 개략적으로 도시된 바와 같이 편광, 예컨대, 선형으로 편광될 수 있다. 그러나, 다른 실시예들에 따른 입사광(140)은 원형으로 또는 타원형으로 편광될 수 있다. 일부 실시예들에서, 편광 벡터들(134a-134d)은 상이한 편광각들을 나타낼 수 있는 반면, 일부 다른 실시예들에서, 입사광(140)이 단일 편광각을 가질 수 있다.
[0131] 어떠한 이론에도 얽매임 없이, 광-정렬 재료와 투과광(140a-140d)의 상이한 도즈들 및 편광(들)의 조합은 본원에서 설명된 바와 같이, 결과적인 광-정렬 층(120)의 다양한 구역들로 하여금, 상부의 액정 분자들 상에 상이한 양의 고정 에너지를 가하게 하고, 그리하여 액정 분자들의 상이한 배향들을 야기한다. 마스크들을 사용할 수 있거나 사용하지 않을 수 있는 다른 방법들이 또한 사용될 수 있다.
[0132] 도 11b를 참조하면, 위에서 설명된 다양한 기술들을 사용하여, 투과광(140a-140d)의 변동 도즈에 광-정렬 층(120)을 노출시킨 후, 액정 층(116)이 광-정렬 층(120) 상에 형성할 수 있다.
[0133] 액정 층(116)은 적합한 용매에 액정 전구체들, 예컨대, 단량체들을 용해시키고, 액정 전구체들이 용해되어 있는 용액으로 정렬 층(120)의 표면을 코팅 예컨대, 스핀 코팅함으로써 형성될 수 있다. 그 후 용매는 코팅된 용액으로부터 제거될 수 있다
[0134] 다양한 실시예들에서, 액정 층(116)을 형성하는 데 사용되는 반응성 메소겐 재료들은 예컨대, 액체 결정 모노- 또는 디-아크릴레이트를 포함한다.
[0135] 위에서 설명된 바와 같이 광 정렬 층(120)의 상이한 구역들에 의해 수신된 광의 상이한 도즈들 및/또는 편광각으로 인해, 예컨대, 증착된 그대로의 액정 층이 존들(108A-1 및 108A-2)에 각각 액정 층들(116A-1 및 116A-2)을 형성한다. 액정 층들(116A-1 및 116A-2)은 차례로, 제1 및 제2 회절 구역들(116A-1L 및 116A-1R, 116A-2L 및 116A-2R)을 각각 갖는다. 도 10a에 대해 위에서 설명된 바와 같이, 제1 구역들 및 제2 구역들은 x-방향에서 교번하며, 여기서 제1 구역들(116A-1L 및 116A-2L) 각각은 실질적으로 동일한 제1 전경사각(Φ)을 갖는 반면, 제2 구역들(116A-1R 및 116A-2R)은 제1 구역들의 제1 전경사각과 상이한 그리고 서로 상이한 전경사각들(Φ)을 갖는다. 어떠한 이론에도 얽매임 없이, 일부 유형들의 광-정렬 재료에서, 광에 대한 하부 광-정렬 층(120)의 노출은 액정 분자들의 평면상 정렬(in-plane alignment)을 야기하는 고정 에너지를 증가시키는 것으로 여겨진다. 결과적으로, 이러한 광-정렬 재료들에서, 노출을 증가시키는 것은 실시예들에 따라, 그 위에 형성된 액정 층의 전경사각(Φ)의 대응하는 감소로 이어진다. 그러나 다른 유형들의 광-정렬 재료에서, 광에 대한 하부 광-정렬 층(120)의 노출은 액정 분자들의 평면상 정렬을 야기하는 고정 에너지를 감소시키는 것으로 여겨진다. 결과적으로, 이러한 광-정렬 재료들에서, 노출을 증가시키는 것은 실시예들에 따라, 그 위에 형성된 액정 층의 전경사각(Φ)의 대응하는 증가로 이어진다.
[0136] 따라서, 실시예들에 따라, 전경사각(Φ)에 의해 측정된 바와 같은 경사도는, 하부 광-정렬 층(120)에 의해 수신된 투과광의 도즈에 반비례한다. 예컨대, 예시된 실시예에서, 광-정렬 층들(120A-1L 및 120A-2L)은 최고량의 입사광을 수신하고, 정렬 층(120A-1R)이 뒤따르고, 정렬 층(120-2R)이 뒤따른다. 결과적으로, 결과적인 전경사각들은 존(108A-2)의 제2 구역(116A-2R)의 경우가 가장 높고, 존(108A-1)의 제2 구역(116A-1R)이 뒤따르고, 존들(108A-1 및 108A-2)의 제1 구역들(116A-1L 및 116A-2L)이 각각 뒤따른다.
[0137] 도 12a 내지 도 12c는 실시예들에 따라, 광-정렬 기술들을 사용하여, 비-균일 전경사각들을 갖는 회절 격자들, 예컨대, 위에서 설명된 도 10a 내지 도 10c의 회절 격자들(100A-100C)을 제조하기 위한 다른 방법을 예시한다. 특히, 예시된 실시예에서, 방법은 액정들의 형성 전에 정렬 층들의 다수의 노출들을 사용한다.
[0138] 도 12a 내지 도 12c의 예시된 방법에서, 도 11a 및 도 11b와 관련하여 예시된 방법과 유사하게, 광-정렬 층(120)이 형성되는 기판(104)이 제공된다. 그러나, 도 11a 및 도 11b와 관련하여 예시된 방법과 달리, 광의 상이한 도즈들 및/또는 광의 상이한 편광들에 하부 광-정렬 층(120)의 상이한 구역들을 노출하기 위해 포토마스크(130)를 사용하기 전에, 광-정렬 층(120)이 제1 입사광(140A)을 사용하여 광의 주(즉, 블랭킷) 패턴에 노출된다. 광의 주 패턴은 예컨대, 블랭킷 반투명 그레이 스케일 마스크(도시되지 않음)를 사용한 예컨대, 블랭킷 노출을 사용하여 생성될 수 있다. 예시된 실시예에서, 광의 주 패턴에 대한 블랭킷 노출을 위한 마스크는 생략될 수 있다.
[0139] 제1 입사광(140A)은 편광 벡터들(134a-134d)에 의해 개략적으로 도시된 바와 같이 제1 편광각으로 편광, 예컨대, 선형으로 편광될 수 있다. 선형으로 편광된 제1 입사광(140A)은 액정 분자들의 균일한 정렬을 생성할 수 있다. 광의 주(예컨대, 블랭킷) 패턴으로의 노출에 이어, 정렬 층(120)은 추가로, 도 11a 및 도 11b와 관련하여 위에서 설명된 방법과 실질적으로 유사한 방식으로, 광의 상이한 도즈들 및/또는 광의 상이한 편광들에 하부 광-정렬 층(120)의 상이한 구역들을 노출하도록 구성되는 제2 입사광(140B) 및 포토마스크(130)를 사용하여, 광의 2차 패턴에 노출될 수 있다. 예컨대, 회절 격자(100A)와 관련하여 위에서 설명된 존들(108A-1 및 108A-2) 각각의 제1(예컨대, 좌측) 및 제2(예컨대, 우측) 구역들에 대응하는 광-정렬 층(120)의 상이한 구역들은 광의 상이한 도즈들 및/또는 상이한 편광에 노출될 수 있다. 제1 입사광(140A)과 달리, 제2 입사광(140B)은 편광되지 않거나 원형으로 편광될 수 있다. 편광되지 않거나 원형으로 편광된 제2 입사광(140B)은 액정 분자들의 정렬 방향들을 재분배할 수 있다. 결과적인 회절 격자(100A)는 도 11b와 관련하여 위에서 설명된 것과 유사한데, 제1 구역들 및 제2 구역들은 x-방향에서 교번하고, 제1 구역들(116A-1L 및 116A-2L) 각각은 실질적으로 동일한 제1 전경사각(Φ)을 갖는 반면, 제2 구역들(116A-1R 및 116A-2R)은 제1 구역들의 제1 전경사각과 상이한 그리고 서로 상이한 전경사각들(Φ)을 갖는다.
[0140] 제2 입사광(140B)은 편광 벡터들(134e-134h)에 의해 개략적으로 도시된 바와 같이 제1 입사광(140A)의 제2 편광각과 상이한, 예컨대 이에 직교하는 제2 편광각으로 편광, 예컨대, 선형으로 편광될 수 있다. 일부 다른 실시예들에서, 제1 및 제2 편광각들은 동일하다. 또 다른 일부 실시예들에서, 제1 및 제2 편광각들은 직교하지 않으면서 상이하다. 또한, 다른 실시예들에 따른 제2 입사광(140B)은 제1 입사광(140A)에 대해 유사하거나 상이한 편광 배향을 갖게 원형으로 또는 타원형으로 편광될 수 있다.
[0141] 도 11a 및 도 11b 및 도 12a 내지 도 12c를 참조하여 위에서 설명된 실시예들에서, 광-정렬 기술을 사용하여 액정들의 전경사각들을 제어하는 방법들이 설명되었다. 그러나, 정렬 층들이 금속 객체, 예컨대, 하중 하의 금속 구체로 러빙되는(rubbed) 마이크로-러빙(micro-rubbing)으로서 지칭되는 프로세스를 포함하는 다른 실시예들이 가능하다는 것이 인지될 것이다. 예컨대, 정렬 층과 직접 접촉하는 금속 구체는 정렬 층을 가로질러 이동되어 마이크로미터 크기의 러빙된 라인들을 생성하며, 이는 후속적으로 증착된 액정들의 전경사를 유도한다. 또 다른 실시예들에서, 상이한 전경사각들을 유도하도록 미리 구성된 정렬 재료들은 액정 분자들의 전경사를 유도하기 위해 이들을 후 처리하는 대신에, 증착될 수 있다.
[0142] 이제 도 13a 및 도 13b를 참조하면, 일부 다른 실시예들에 따른 회절 격자들(103A 및 103B)의 단면(x-z 평면)도들이 예시된다. 회절 격자들(103A 및 103B)은 투과광의 편광 상태를 국부적으로 수정(이는 공간적으로 변동되는 복굴절 및/또는 이색성에 의해 달성될 수 있음)하도록 구성되는 편광 격자(polarization grating; PG)들일 수 있다. 명료성을 위해 도시되지는 않았지만, 회절 격자들(103A 및 103B) 각각은 기판 및 그 위에 형성된 정렬 층, 및 도 13a의 복수의 상이하게 배열된 회절 존들(154A-1 및 154A-2) 및 도 13b의 회절 존들(154B-1 및 154B-2)을 포함한다. 회절 격자(103A)의 회절 존들(154A-1 및 154A-2)은 각각, 대응하는 액정 층들(144A-1 및 144A-2)을 갖고, 회절 격자(103B)의 회절 존들(154A-1 및 154A-2)은 각각, 대응하는 액정 층들(154B-1 및 154B-2)을 갖는다.
[0143] 회절 격자(103A)의 액정 층들(144A-1 및 144A-2) 각각은 차례로, 복수의 상이하게 배열되는 회절 구역들(144A-1a 내지 144A-1g 및 144A-2a 내지 144A-2g)을 각각 갖는다. 유사하게, 회절 격자(103B)의 액정 층들(144B-1 및 144B-2) 각각은 차례로, 복수의 상이하게 배열되는 회절 구역들(144B-1a 내지 144B-1g 및 144B-2a 내지 144A-2g)을 각각 갖는다.
[0144] 도 13a의 회절 격자(103A)를 참조하면, 존(154A-1)의 복수의 구역들(144A-1a 내지 144A-1g) 각각 및 존(154A-2)의 복수의 구역들(144A-2a 내지 144A-2g) 각각은 동일한 구역 내에서 실질적으로 동일한 정렬 방향을 따라 정렬되는 액정 분자들(112)을 갖는다. 존(154A-1)의 모든 구역들의 액정 분자들(112)은 실질적으로 동일한 제1 전경사각(Φ)을 갖는다. 대조적으로, 존(154A-2)의 상이한 구역들의 액정 분자들(112)은 상이한 전경사각(Φ)을 갖는다. 예시된 실시예에서, 존(154A-2)의 중심 구역(144A-2d)의 전경사각(Φ)은 최소의 전경사각(Φ)을 가지며, 존(154A-2)의 바깥 구역들로 갈수록 전경사각(Φ)은 증가하지만, 실시예들은 이렇게 제한되지 않는다. 또한, 예시된 실시예에서의 중앙 구역(144A-2d)이 존(154A-1)의 제1 전경사각(Φ)과 유사한 전경사각(Φ)을 갖지만, 실시예들은 이렇게 제한되지 않는다. 회절 격자(103A)의 상이한 구역들의 전경사각들은 도 10a 내지 도 10c와 관련하여 위에서 설명된 크기들 중 임의의 것을 가질 수 있다.
[0145] 도 13a를 여전히 참조하면, 예시된 실시예에서, 존(154A-1)의 상이한 구역들의 액정 분자들(112)은 상이한 방위각(φ)을 갖는다. 그러나, 실시예들은 이렇게 제한되지 않으며, 다른 실시예들에서, 존(154A-1)의 상이한 구역들의 액정 분자들(112)은 동일한 방위각들(φ)을 가질 수 있다. 회절 격자(103A)의 상이한 구역들의 방위각들은 도 15a 내지 도 15c와 관련하여 아래에서 설명되는 크기들 중 임의의 것을 가질 수 있다.
[0146] 도 13b의 회절 격자(103B)를 참조하면, 도 13a의 회절 격자(103A)와 유사하게, 존(154B-1)의 복수의 구역들(144B-1a 내지 144B-1g) 각각은 동일한 구역 내에서 실질적으로 동일한 정렬 방향을 따라 정렬되는 액정 분자들(112)을 갖는다. 도 13a의 회절 격자(103A)의 존(154A-2)과 유사하게, 존(154B-1)의 상이한 구역들의 액정 분자들(112)은 실질적으로 상이한 전경사각들(Φ) 및 실질적으로 상이한 방위각들(φ)을 갖는다. 대조적으로, 존(154B-2)의 복수의 구역들(144B-2a 내지 144B-2g) 각각은 동일한 구역 내에서 실질적으로 상이하게 정렬되는 액정 분자들(112)을 갖는다. 즉, 존(154B-2)의 각각의 구역의 개별 액정 분자들(112)은 실질적으로 상이한 전경사각(Φ) 및 실질적으로 상이한 방위각(φ)을 갖는다. 예컨대, 존(154B-2)의 각각의 구역의 액정 분자들(112)은 아래의 도 19a 및 도 19b와 관련하여 보다 상세히 설명되는 바와 같이, 키랄성(chirality)을 가질 수 있다.
[0147] 여전히 도 13a 및 도 13b를 참조하면, 존들과 상이한 존들 내의 구역들의 특정 조합들이 예들로서 제시되지만, 존 및 존들 내의 구역들은 혼합되고 매칭될 수 있다는 것이 인지될 것이다. 예컨대, 회절 격자에서 도 13a의 존(154A-1)과 도 13b의 존(154B-2)의 조합이 가능하다.
[0148] 도 14a 및 도 14b는 실시예들에 따라, 광-정렬 기술들을 사용하여, 비-균일 전경사각들을 갖는 회절 격자들, 예컨대, 도 13a 및 도 13b의 회절 격자들(103A 및 103B)을 각각 제조하기 위한 다른 방법을 예시한다. 특히, 예시된 실시예에서, 방법은 실시예들에 따라 그레이-스케일 마스크를 사용한 편광 간섭 홀로그램 노출을 포함한다.
[0149] 편광 간섭 홀로그램 노출은 코히어런트 광(coherent light)의 다수의 빔들을 이용하여 간섭 패턴을 생성하는 기술이다. 대부분의 종래의 홀로그래피(holography)는 세기 변조를 사용하지만, 편광 홀로그래피는 간섭 패턴을 생성하기 위해 편광 상태의 변조를 포함한다.
[0150] 도 14a를 참조하면, 예시된 방법에서, UV 광에 광-정렬 층(120)을 노출하는 것에 이르는 프로세스들은 도 11a 및 도 11b와 관련하여 위에서 설명된 방법과 유사하다. 특히, 광-정렬 층(120)은 기판(104) 상에 형성되고 그레이 스케일 마스크(130)는 광-정렬 층(120) 위에 부분적으로 배치된다. 그 후, 상이한 편광들을 갖는 복수의 코히어런트 광 빔들(142a, 142b)은 상이하게 배열된 복수의 회절 존들(154A-1 및 154A-2)로 지향된다. 예시된 실시예에서, 광 빔들(142a 및 142b)은 직교 원형 편광된 광 빔들을 포함한다. 그러나, 광 빔들(142a, 142b)은 예컨대, 비-직교 원형 편광된 광 빔들을 포함할 수 있다. 예시된 실시예에서, 존(154A-1)은 노출되는 반면, 존(154A-2)은 그레이 스케일 마스크(130)로 마스킹된다. 복수의 광 빔들(142a 및 142b)은, 결과적인 간섭 영향이 도 13a와 관련하여 위에서 설명된 바와 같이 복수의 상이하게 배열된 회절 구역들(144A-1a 내지 144A-1g 및 144A-2a 내지 144A-2g)을 각각 갖는 회절 격자(103A)의 액정 층들(144A-1 및 144A-2)을 발생시키도록 포지셔닝 및 편광된다. 유사하게, 유사한 개념들을 사용하여, 도 13b를 다시 참조하면, 복수의 상이하게 배열되는 회절 구역들(144B-1a 내지 144B-1g 및 144B-2a 내지 144B-2g)을 각각 갖는 회절 격자(103B)의 액정 층들(144B-1 및 144B-2)이 또한 제조될 수 있다.
[0151] 도 15a 내지 도 15c를 참조하면, 다양한 실시예들에 따른 회절 격자들(150A-150C)의 하향식도들(x-y 평면을 따라 보여짐)이 예시된다. 도 15a 내지 도 15c는 하향식도들이기 때문에, (정렬 층 또는 기판과는 대조적으로) 액정 층들만이 예시되는 반면, 하부의 특징들은 도시되지 않는다. 그러나 회절 격자들(150A-150C) 각각의 액정 층은 기판 위에 형성되고, 복수의 상이한 존들, 즉, 도 15a의 회절 존들(148A-1, 148A-2, ... 및 148A-n), 도 15b의 회절 존들(148B-1, 148B-2, ... 및 148B-n), 및 도 15c의 회절 존들(148C-1, 148C-2, ... 및 148C-n)을 포함한다는 것이 이해될 것이다.
[0152] 회절 격자들(150A-150C) 각각의 회절 존들은 주기적으로 반복되는 측방향 치수 또는 격자 기간(Λ)을 가지며, 액정 분자들(112)로 형성된 대응하는 액정 층들을 포함한다. 측방향 치수 또는 격자(Λ)는 도 10a 내지 도 10c와 관련하여 위에서 설명된 것들과 유사할 수 있다.
[0153] 도 10a 내지 도 10c와 유사하게, 회절 격자(150A)의 회절 존들(148A-1, 148A-2, ..., 148A-n)은 각각, 대응하는 액정 층들(156A-1, 156A-2, ... 156A-n)을 갖고; 회절 격자(150B)의 회절 존들(148B-1, 148B-2, ..., 148B-n)은 각각, 대응하는 액정 층들(156B-1, 156B-2, ... 156B-n)을 갖고; 회절 격자(150C)의 회절 존들(148C-1, 148C-2, ..., 148C-n)은 각각, 대응하는 액정 층들(156C-1, 156C-2 및 156C-n)을 갖는다. 각각의 유형의 회절 존들의 수는 도 10a 내지 도 10c와 관련하여 위에서 설명된 것들과 유사할 수 있다. 또한, 배열된 바와 같은 회절 존들은 임의의 적합한 횟수들만큼 주기적으로 반복될 수 있다.
[0154] 회절 격자(150A)의 액정 층들(156A-1, 156A-2, 156A-n) 각각은 차례로, 상이하게 배열된 제1 및 제2 회절 구역들(156A-1L 및 156A-1R, 156A-2L 및 156A-2R, ... 및 156A-nL 및 156A-nR)을 각각 갖는다. 유사하게, 회절 격자(150B)의 액정 층들(156B-1, 156B-2, 156B-n) 각각은 차례로, 상이하게 배열된 제1 및 제2 회절 구역들(156B-1L 및 156B-1R, 156B-2L 및 156B-2R, ... 및 156B-nL 및 156B-nR)을 각각 갖는다. 유사하게, 회절 격자(150C)의 액정 층들(156C-1, 156C-2, 156C-n) 각각은 차례로, 상이하게 배열된 제1 및 제2 회절 구역들(156C-1L 및 156C-1R, 156C-2L 및 156C-2R, ... 및 156C-nL 및 156C-nR)을 각각 갖는다.
[0155] 도 10a 내지 도 10c와 관련하여 위에서 설명된 회절 격자들100A-100C)과 유사하게, 상이한 회절 존들 각각은 기판과 대응하는 액정 층 사이에 삽입된 정렬 층(도시되지 않음)을 더 포함한다. 즉, 명료성을 위해 도시되지 않았지만, 도 15a의 회절 격자(150A)의 상이하게 배열되는 제1/제2 회절 구역들(156A-1L/156A-1R, 156A-2L/156A-2R, ... 및 156A-nL/156A-nR)과 기판(104) 사이에는, 제1 및 제2 정렬 층들(160A-1L/160A-1R, 160A-2L/160A-2R, ... 및 160A-nL/160A-nR)이 각각 삽입된다. 유사하게, 도 15b의 회절 격자(150C)의 상이하게 배열되는 제1/제2 회절 구역들(156B-1L/156B-1R, 156B-2L/156B-2R, ... 및 156B-nL/156B-nR)과 기판(104) 사이에는, 제1/제2 정렬 층들(160B-1L/160B-1R, 160B-2L/160B-2R, ... 및 160B-nL/160B-nR)이 각각 삽입된다. 유사하게, 도 15c의 회절 격자(150C)의 상이하게 배열된 제1/제2 회절 구역들(156C-1L/156C-1R, 156C-2L/156C-2R, ... 및 156C-nL/156C-nR)과 기판(104) 사이에는, 제1/제2 정렬 층들(160C-1L/160C-1R, 160C-2L/160C-2R, ... 및 160C-nL 및 160C-nR)이 각각 삽입된다.
[0156] 도 15a 내지 도 15c를 여전히 참조하면, 회절 격자들(150A, 150B 및 150C)의 각각의 존은 x-방향에서 교번하는 제1 및 제2 구역들을 포함한다. 회절 격자(150A)의 제1 구역들(156A-1L, 156A-2L, ... 및 156A-nL) 각각, 회절 격자(150B)의 제1 구역들(156B-1L, 156B-2L, ... 및 156B-nL) 각각, 및 회절 격자(150C)의 제1 구역들(156C-1L, 156C-2L, ... 및 156C-nL) 각각은 실질적으로 동일한 제1 정렬 방향을 따라 정렬되고 실질적으로 동일한 방위각(φ)을 갖는 액정 분자들(112)을 갖는다. 대조적으로, 회절 격자(150A)의 제2 구역들(156A-1R, 156A-2R, ... 및 156A-nR) 각각, 회절 격자(150B)의 제2 구역들(156B-1R, 156B-2R, ... 및 156B-nL) 각각, 및 회절 격자(150C)의 제2 구역들(156C-1R, 156C-2R, ... 및 156A-nR) 각각은 실질적으로 제1 정렬 방향과 상이한 제2 정렬 방향을 따라 정렬되고 각각의 제1 구역들의 제1 방위각(φ)과 상이한, 예컨대, 더 작은 제2 방위각(φ)을 갖는 액정 분자들(112)을 갖는다.
[0157] 도 15a 내지 도 15c 각각의 회절 격자들(150A-150C) 각각에서, 회절 존들의 적어도 일부는 실시예들에 따라, 상이하게 공간적으로 배열된, 예컨대, 서로 상이한 방위각들(도 15a 및 도 15c)을 갖거나 서로 상이한 듀티 사이클들(도 15b 및 도 15c)을 갖는 액정 분자들로 형성된 액정 층들을 가져서, 상이한 존들은 상이한 광학 성질들, 예컨대, 상이한 굴절률들 및/또는 상이한 회절 효율들을 갖게 된다.
[0158] 특히, 도 15a의 회절 격자(150A)를 참조하면, 정렬 방향들 및 제1 구역들(156A-1L, 156A-2L, ... 및 156A-nL)의 제1 방위각(φ)과 상이한 방위각들(φ)을 갖는 것 외에도, 제2 구역들(156A-1R, 156A-2R, ... 및 156A-nR)의 액정 분자들은 서로 상이한 제2 정렬 방향들을 따라 정렬된다. 예컨대, 예시된 실시예에서, 존들(148A-1, 148A-2 및 148A-n)은 제1 구역들 및 제2 구역들이 x-방향에서 교번하도록 배열되며, 여기서 제1 구역들(156A-1L, 156A-2L, ... 및 156A-nL) 각각은 실질적으로 동일한 방위각(φ)을 갖는 반면, 제2 구역들(156A-1R, 156A-2R, ... 및 156A-nR)은 서로 상이한 방위각(φ)을 갖는다. 예로서, 제1 구역들(156A-1L, 156A-2L, ... 및 156A-nL)은 약 0 내지 약 15도, 또는 약 0 내지 10도, 예컨대, 0도인 방위각(φ)을 갖는다. 제2 구역들(156A-1R, 156A-2R, ... 및 156A-nR)은 서로 상이한 방위각(φ)을 가질 수 있으며, 여기서, 각각은 약 75도 내지 약 90도, 예컨대, 90 도; 약 60도 내지 약 90도 또는 약 65도 내지 약 85도, 예컨대, 약 75도; 약 30도 내지 약 60도 또는 약 35도 내지 약 55도, 예컨대, 약 45도; 약 10도 내지 약 40도 또는 약 15도 내지 약 35도, 예컨대, 약 25도일 수 있다.
[0159] 도 15a를 여전히 참조하면, 일부 실시예들에서, 예시된 바와 같이, 제2 구역들(156A-1R, 156A-2R, ... 및 156A-nR)은 회절 성질들의 구배가 생성되도록 측방향에서 일 방향으로 변동되는, 예컨대 증가하거나 감소하는 방위각들(φ)을 가질 수 있다. 다른 실시예들에서, 제2 구역들(156A-1R, 156A-2R, ... 및 156A-nR)은 측방향에서 일 방향으로 변동되지 않는 방위각(φ)을 가질 수 있다.
[0160] 도 15a를 여전히 참조하면, 듀티 사이클은 약 10% 내지 약 30%, 약 30% 내지 약 50%, 약 50% 내지 약 70%, 또는 약 70% 내지 약 90%일 수 있으며, 이는 예시된 실시예에서, x-방향에서 실질적으로 일정하다.
[0161] 이제 도 15b를 참조하면, 위에서 논의된 바와 같이, 회절 격자(150B)는 도 15a의 회절 격자(150A)와 같은 일부 공통적인 특징들을 공유한다. 그러나, 도 15a의 회절 격자(150B)와 달리, 상이한 제2 구역들(156B-1R, 156B-2R, ... 및 156B-nR)의 액정 분자들은 제1 구역들(156B-1L, 156B-2L, ... 및 156B-nL)의 제1 방위각(φ)과 상이한 방위각들(φ)을 갖는 반면, 이들은 서로 상이하게 정렬되지 않는다. 예컨대, 예시된 실시예에서, 존들(148B-1, 148B-2 및 148B-n)은 제1 구역들 및 제2 구역들이 x-방향에서 교번하도록 배열되며, 여기서 제1 구역들(156B-1L, 156B-2L, ... 및 156B-nL) 각각은 실질적으로 동일한 제1 방위각(φ)을 갖고, 제2 구역들(156B-1R, 156B-2R, ... 및 156B-nR) 각각은 실질적으로 동일한 제2 방위각(φ)을 갖는다. 제1 및 제2 구역들의 제1 및 제2 방위각들은 도 15a의 회절 격자(150A)와 관련하여 위에서 논의된 값들 중 임의의 것을 가질 수 있다.
[0162] 그러나, 도 15a의 격자(150A)와 달리, 존들(148B-1, 148B-2 및 148B-3)은 예컨대 약 0 내지 50도의 실질적으로 동일한 방위각을 가지면서, 예컨대, 약 40% 내지 약 60%, 예컨대, 약 50%의 듀티 사이클, 약 30% 내지 약 50%, 예컨대, 40%의 듀티 사이클, 및 약 20% 내지 약 40%, 예컨대, 약 30%의 실질적으로 상이한 듀티 사이클을 각각 가져서, 회절 격자(150B)는 공간적으로 변동되는 광학 성질들을 갖게 된다.
[0163] 도 15b를 여전히 참조하면, 일부 실시예들에서, 예시된 바와 같이, 존들은 광학 성질들의 구배가 생성되도록 측방향에서 일 방향으로 변동되는, 예컨대 증가하거나 감소하는 듀티 사이클들을 가질 수 있다. 다른 실시예들에서, 듀티 사이클들은 측방향에서 일 방향으로 변동되지 않는다.
[0164] 도 15c를 이제 참조하면, 예시된 회절 격자(150C)는 도 15a 및 도 15b의 회절 격자들(150A 및 150B)과 관련하여 위에서 설명된 것들과 유사한 특징들을 결합한다. 특히, 상이한 제2 구역들(156C-1R, 156C-2R, ... 및 156C-nR)의 액정 분자들은 제1 구역들(116C-1L, 116C-2L, ... 및 116C-nL)의 방위각(φ)과 상이하고 서로 상이한 방위각들(φ)을 가질 수 있다. 또한, 듀티 사이클은 측방향 예컨대, x- 방향에 걸쳐 인접한 존들 사이에서 변동된다. 제1 및 제2 구역들의 제1 및 제2 방위각들은 도 15a의 회절 격자(150A)와 관련하여 위에서 논의된 값들 중 임의의 것을 가질 수 있다. 또한, 측방향, 예컨대, x-방향에 걸쳐 인접한 존들 사이의 듀티 사이클 변동은 또한 도 15b의 회절 격자(150B)와 관련하여 위에서 논의된 값들을 가질 수 있다.
[0165] 이제 도 16a를 참조하면, 일부 다른 실시예들에 따라, 액정 분자들의 방위각들이 존의 측방향 길이에 걸쳐 회전하는 회절 격자(160)의 하향식도(x-y 평면)가 예시된다. 이러한 어레인지먼트를 갖는 회절 격자는 때로는 편광 격자로 지칭된다. 명료성을 위해 도시되지 않았지만, 회절 격자(160)는 기판 및 그 위에 형성된 정렬 층, 및 복수의 상이하게 배열된 회절 존들(164-1 및 164-2)을 포함한다. 회절 존들(164-1 및 164-2)은 각각 대응하는 액정 층들(168-1 및 168-2)을 갖는다. 회절 격자(160)의 액정 층들(168-1 및 168-2) 각각은 차례로 복수의 상이하게 배열된 회절 구역들(168-1a 내지 168-1i 및 168-2a 내지 168-2i)를 각각 갖는다. 존(164-1)의 복수의 구역들(168-1a 내지 168-1i) 각각 및 존(164-2)의 복수의 구역들(168-2a 내지 168-2i) 각각은 동일한 구역 내에서 실질적으로 동일한 정렬 방향을 따라 정렬되는 액정 분자들(112)을 갖는다. 따라서, 존들 각각은 z-방향으로 스택된 액정 분자들의 스택을 포함한다는 것이 이해될 것이다.
[0166] 존(164-1)의 회절 구역들(168-1a 내지 168-1i) 및 존(164-2)의 구역들(168-2a 내지 168-2i) 각각의 액정 분자들(112)은 동일한 구역 내에서 실질적으로 동일한 방위각(φ)을 갖는다. 그러나 상이한 회절 구역들의 액정 분자들(112)은 실질적으로 상이한 방위각들을 갖는다. 또한, 상이한 회절 구역들의 액정 분자들(112)은 도 13a 및 도 13b와 관련하여 위에서 설명된 것과 유사하게 실질적으로 동일하거나 상이한 전경사각(Φ)을 가질 수 있다.
[0167] 예시된 실시예에서, 존들(164-1)의 회절 구역들(168-1a 내지 168-1i) 및 존(164-2)의 대응하는 구역들(168-2a 내지 168-2i) 각각의 액정 분자들(112)은 동일한 구역 내에서 실질적으로 동일한 방위각(φ)을 갖는다. 그러나, 인접한 구역들 사이의 거리들은 존(164-1)과 존(164-2) 사이에서 실질적으로 상이하여서, 도 16b를 참조하여 예시된 바와 같이, 공간적으로 변동되는 회절 성질들이 생성되게 된다. 도 16b를 참조하면, 도 16a의 회절 격자(160)에 대한 측방향 포지션(x)의 함수로서 방위각(φ)을 개략적으로 보여주는 그래프(162)가 예시된다. x-축은 x-방향의 측방향 거리를 나타내고 y-축은 방위각(φ)을 나타낸다. 곡선들(162-1 및 162-1)은 각각, 존(164-1) 및 존(164-2)에 대한 측방향 포지션(x)의 함수로서 방위각(φ)을 나타낸다.
[0168] 다시 도 16a를 참조하면, 회절 구역(164-1)의 액정 분자들(112)은, 도 16b의 곡선(162-1)에 의해 예시된 바와 같이, 측방향 길이의 단위 당 방위각(φ)의 변화의 레이트, 즉 x 방향의 Δφ/Δx가 비교적 일정하도록 배열된다. 대조적으로, 회절 구역(164-2)의 액정 분자들(112)은 도 16b의 곡선(162-2)에 의해 예시된 바와 같이, x-방향의 Δφ/Δx가 x에 걸쳐 실질적으로 변동되도록 배열된다. 결과적으로, 곡선(162-2)은, Δφ/Δx가 비교적 느리게 변동되는 존(164-2)의 중앙 구역, 및 Δφ/Δx가 비교적 급격하게 변동되는 존(164-2)의 말미 구역들을 특징으로 한다. 결과적으로, 회절 성질들(효율들 및 굴절률들을 포함함)은 액정들의 그의 방위각의 균일한 변동을 갖는 격자들의 회절 성질들과 상이하다.
[0169] 도 17a 내지 도 17e는 실시예들에 따라, 광-정렬 기술들을 사용하여, 비-균일 방위각들을 갖는 회절 격자들, 예컨대, 위에서 설명된 도 15a 내지 도 15c의 회절 격자들(150A-150C)을 제조하기 위한 방법을 예시한다. 특히, 예시된 실시예에서, 방법은 액정들의 증착 전에 정렬 층들의 다수의 노출들을 사용한다. 도 17a 내지 도 17e의 예시된 방법에서, 도 11a 및 도 11b와 관련하여 예시된 방법과 유사하게, 광-정렬 층(120)이 형성되는 기판(104)이 제공된다.
[0170] 도 17a에 예시된 중간 구조(150A)를 참조하면, 기판(104) 상에 광-정렬 층(120)을 형성한 후에, 광의 상이한 도즈들 및/또는 광의 상이한 편광들에 하부 광-정렬 층(120)의 상이한 구역들을 노출하기 위해 제1 포토마스크(174A)가 사용된다. 예컨대, 광-정렬 층(120)의 상이한 구역들은, 도 15a의 회절 격자(150A)와 관련하여 위에서 설명된 바와 같이 존들(148A-1 및 148A-2) 각각의 제1(예컨대, 좌측) 및 제2(예컨대, 우측) 구역들에 대응한다.
[0171] 일부 실시예들에서, 제1 포토마스크(174A)는, 적어도 부분적으로 투명하고 어쩌면, 하나 이상의 불투명 구역들을 갖는 복수의 마스크 구역들(174A-1 내지 174A-4)을 갖는 그레이-스케일 마스크일 수 있다. 복수의 마스크 구역들(174A-1 내지 174A-4) 중 상이한 마스크 구역은 제1 입사광(172A)의 상이한 도즈들을 투과시키도록 구성될 수 있어서, 복수의 마스크 구역들의 상이한 마스크 구역들을 통해 투과된 투과광(172A)은 상이한 마스크 구역들의 상대적 투명성에 비례하는 변동 세기들을 갖게 된다. 다른 실시예들에서, 포토마스크(174A)는, 각각이 완전히 또는 거의 완전히 투명하거나, 또는 완전히 또는 거의 완전히 불투명한 복수의 마스크 구역들(174A-1 내지 174A-4)을 갖는 이진 마스크일 수 있어서, 투과광(172A)은 이진 세기들을 갖게 된다. 예시된 예에서, 제1 입사광(172A)은, 편광 벡터들(178A)에 의해 개략적으로 도시된 바와 같이 제1 각도, 예컨대 0도로 편광, 예컨대, 선형으로 편광되고, 도 15a에 예시된 바와 같이, 다른 구역들에서 실질적으로 차단되는 동안, 회절 격자(150A)의 존들(148A-1 및 148A-2) 각각의 제1(예컨대, 좌측) 구역들에 대응하는 마스크 구역들(174A-1 및 174A-3)을 통해 실질적으로 투과한다.
[0172] 도 17b에 예시된 중간 구조(150B)를 참조하면, 제1 입사광(172A)에 광-정렬 층(120)의 상이한 구역들을 노출한 후에, 제2 입사광(172B)을 사용하여 광의 상이한 도즈들 및/또는 광의 상이한 편광들에 하부 광-정렬 층(120)의 상이한 구역들을 노출하기 위해 제2 포토마스크(174B)가 사용된다.
[0173] 일부 실시예들에서, 제2 포토마스크(174B)는, 제1 포토마스크(174A)와 상이하며 적어도 부분적으로 투명하고 어쩌면, 하나 이상의 불투명 구역들을 갖는 복수의 마스크 구역들(174B-1 내지 174B-4)을 갖는 그레이-스케일 마스크일 수 있다. 복수의 마스크 구역들(174B-1 내지 174B-4) 중 상이한 마스크 구역들은 제2 입사광(172B)의 상이한 도즈들을 투과시키도록 구성될 수 있다. 다른 실시예들에서, 포토마스크(174B)는, 각각이 완전히 또는 거의 완전히 투명하거나, 또는 완전히 또는 거의 완전히 불투명한 복수의 마스크 구역들(174B-1 내지 174B-4)을 갖는 이진 마스크일 수 있어서, 투과광(172B)은 이진 세기들을 갖게 된다. 이 제2 입사광(172B)은 제1 입사광(178A)의 제1 편광각과 상이한, 예컨대 이에 직교하는 제2 각도로 편광, 예컨대, 선형으로 편광될 수 있다. 예컨대, 제2 입사광(172B)은 편광 벡터들(178B)에 의해 개략적으로 도시된 바와 같이 예컨대, 90도로 제1 입사광(172A)에 대해 직교하게 선형으로 편광될 수 있고, 다른 구역들에서 실질적으로 차단되는 동안, 도 15a에 예시된 회절 격자(150A)의 존(148A-1)의 제2(예컨대, 우측) 구역에 대응하는 마스크 구역(174B-2)을 통해 실질적으로 투과한다.
[0174] 도 17c의 중간 구조를 참조하면, 제2 입사광(172B)에 광-정렬 층(120)의 상이한 구역들을 노출한 후에, 제3 입사광(172C)을 사용하여 광의 상이한 도즈들 및/또는 광의 상이한 편광들에 하부 광-정렬 층(120)의 상이한 구역들을 노출하기 위해 제3 포토마스크(174C)가 사용된다.
[0175] 일부 실시예들에서, 제3 포토마스크(174C)는, 제1 및 제2 포토마스크들(174A, 174B)과 상이하며 적어도 부분적으로 투명하고 어쩌면, 하나 이상의 불투명 구역들을 갖는 복수의 마스크 구역들(174C-1 내지 174C-4)을 갖는 그레이-스케일 마스크일 수 있다. 복수의 마스크 구역들(174C-1 내지 174C-4) 중 상이한 마스크 구역들은 제3 입사광(172C)의 상이한 도즈들을 투과시키도록 구성될 수 있다. 다른 실시예들에서, 포토마스크(174C)는, 각각이 완전히 또는 거의 완전히 투명하거나, 또는 완전히 또는 거의 완전히 불투명한 복수의 마스크 구역들(174C-1 내지 174C-4)을 갖는 이진 마스크일 수 있어서, 투과광(172C)은 이진 세기들을 갖게 된다. 제3 입사광(178C)은 제1 및 제2 입사광들(178A 및 178B)의 제1 및 제2 편광각들과 상이한 제3 각도로 편광, 예컨대 선형으로 편광될 수 있다. 예시된 실시예에서, 제3 입사광(172C)은 편광 벡터들(178C)에 의해 개략적으로 도시된 바와 같이 45도로 선형으로 편광되고, 다른 구역들에서 실질적으로 차단되는 동안, 도 15a에 예시된 회절 격자(150A)의 존(148A-2)의 제2(예컨대, 우측) 구역에 대응하는 마스크 구역(174A-4)을 통해 실질적으로 투과한다.
[0176] 도 17d(단면도) 및 도 17e(하향식도)를 참조하면, 도 17a 내지 도 17c와 관련하여 위에서 설명된 다중-노출 프로세스를 통해 광 정렬 층(120)의 상이한 구역들을 노출한 후에, 액정 층이 광-정렬 층(120) 상에 증착될 수 있다. 광-정렬 층(120)의 상이한 구역들에 의해 수신된 광의 상이한 도즈들 및/또는 편광들의 결과로서, 상이하게 구성된 액정 층들(156A-1 및 156A-2)이 각각의 존들(148A-1 및 148A-2)에 각각 형성된다. 액정 층들(156A-1 및 156A-2)은 제1 및 제2 회절 구역들(156A-1L 및 156A-1R, 156A-2L 및 156A-2R)을 각각 갖는다. 도 15a와 관련하여 위에서 설명된 바와 같이, 제1 구역들 및 제2 구역들은 x-방향에서 교번하며, 여기서, 제1 구역들(156A-1L 및 156A-2L) 각각은 실질적으로 동일한 제1 방위각(φ)을 갖는 반면, 제2 구역들(156A-1R 및 156A-2R)은 제1 구역들의 제1 방위각과 상이한 그리고 서로 상이한 방위각들(φ)을 갖는다. 어떠한 이론에도 얽매임 없이, 일부 경우들에서, 상이한 편광각들을 갖는 광으로의 하부 광-정렬 층(120)의 노출은 액정 분자들의 상이한 방위각들로 이어진다.
[0177] 도 17d 및 도 17e를 여전히 참조하면, 액정 분자들의 방위각(φ)은 노출 광의 선형 편광각 및 광-정렬 층(120)의 유형에 의해 결정될 수 있다. 예시된 실시예에서, 광-정렬 층(120)은, +/- 90도까지 방위각(φ)의 절대 값에 의해 측정된 바와 같은 액정 분자들의 회전도가 +/- 90도까지 하부 정렬 층에 의해 수신된 투과광의 선형 편광 배향각에 의해 결정되도록 구성된다. 예시된 실시예와 같은 일부 실시예들에서, 광-정렬 층(120)은, 액정 분자들이 노출 광의 편광 방향과 실질적으로 평행하게 배향되도록 구성될 수 있다(예컨대, 노출 광의 선형 편광각 및 방위각(φ)은 실질적으로 동일함). 그러나 실시예들은 이렇게 제한되지 않으며, 다른 실시예들에서, 광-정렬 층(120)은, 액정 분자들이 노출 광의 편광 방향과 실질적으로 직교하게 배향되도록 구성될 수 있다(예컨대, 노출 광의 선형 편광각 및 방위각(φ)은 실질적으로 약 +/-90 도만큼 오프셋됨). 예컨대, 예시된 실시예에서, 광-정렬 층들(160A-1L 및 160A-2L)은 동일한 직선 편광 배향을 갖는 광을 수신하고, 광-정렬 층(160A-1R)은 광-정렬 층들(160A-1L 및 160A-2L)의 선형 편광 배향에 대하여 선형 편광 배향각의 더 큰 차이를 갖는 광을 수신하고, 광-정렬 층(160A-2R)이 뒤따른다. 결과적으로, 결과적인 방위각들은 제1 구역들(156A-1L 및 156A-2L)에 대해 동일하고, 제1 구역들(156A-1L 및 156A-2L)에 대하여 결과적인 방위각들의 차이는 제2 구역(156A-2R)에 대한 것보다 제2 구역(156A-1R)에 대해 더 크다.
[0178] 본원에서 설명된 다양한 실시예들에서, 포토마스크들은 입사광의 전파 방향에 수직인 평면에 배치된 평행한 금속 와이어들의 규칙적인 어레이를 갖는 와이어-그리드 편광자와 같은 선형 편광자들을 포함할 수 있다. 본 명세서에 설명된 일부 실시예들에서, 포토마스크들은 광-정렬 층에 걸쳐 균일한 편광각을 갖는 조명을 제공하도록 구성될 수 있다. 와이어-그리드 편광자들을 포함할 때, 이들 실시예들은 금속 와이어들의 어레이를 포토마스크에 걸쳐 균일하게 되도록, 즉, 금속 와이어들의 두께 및/또는 밀도 면에서 균일하게 되도록 구성함으로써 실현될 수 있다. 다른 실시예들에서, 포토마스크들은 광-정렬 층의 상이한 구역들에 걸쳐 비균일한 편광각들을 갖거나 다수의 편광각들을 갖는 조명을 제공하도록 구성될 수 있다. 와이어-그리드 편광자들을 포함할 때, 이들 실시예들은 금속 와이어들의 어레이를 포토마스크들에 걸쳐 비균일하고 변동되게, 즉, 금속 와이어들의 두께 및/또는 밀도가 비균일하고 변동되게 구성함으로써 실현될 수 있다. 따라서, 금속 와이어들의 두께 및 밀도, 광의 편광각 및 투과율 둘 모두를 변동시키는 것이 다양한 실시예들에 따라 제어될 수 있다.
[0179] 도 18a 내지 도 18d는 액정 분자들의 방위각들이 존의 측 방향 길이에 걸쳐 회전하는, 일부 다른 실시예들에 따른 회절 격자(160), 예컨대, 편광 격자를 제조하기 위한 다른 방법을 예시한다. 특히, 예시된 실시예에서, 방법은 실시예들에 따라 그레이-스케일 마스크를 사용한 편광 간섭 홀로그램 노출을 사용한다.
[0180] 중간 구조(160A)를 도시하는 도 18a를 참조하면, 예시된 방법에서, UV 광으로 광-정렬 층(120)을 형성하는 것에 이르는 프로세스들은 도 17a 내지 도 17e와 관련하여 위에서 설명된 방법과 유사하다. 그 후, 상이한 편광들을 갖는 복수의 코히어런트 광 빔들(182A, 182B)은 상이하게 배열된 복수의 회절 존들(164A-1 및 164A-2)로 지향된다. 예시된 실시예에서, 광 빔들(182A 및 182B)은 직교 원형 편광된 광 빔들을 포함한다. 그러나, 광 빔들(182A 및 182B)은 예컨대, 타원 편광된 광 빔들을 포함할 수 있다. 예시된 실시예에서, 존들(164-1 및 164-2) 둘 모두는 언마스킹된다.
[0181] 그 후, 중간 구조(160B)를 도시하는 도 18b를 참조하면, 도 17a 내지 도 17e와 관련하여 위에서 논의된 임의의 편광각을 갖는 선형으로 편광된 입사광(188)을 사용하여 광의 상이한 도즈들 및/또는 광의 상이한 편광들에 하부 광-정렬 층(120)의 상이한 존들을 노출하기 위해 포토마스크(184)가 사용된다. 예컨대, 광-정렬 층(120)의 상이한 존들은 도 16b의 회절 격자(160)와 관련하여 위에서 설명된 바와 같은 존들(164-1 및 164-2)에 대응할 수 있다. 선형으로 편광된 광(188)으로의 2차 노출의 결과로서, 광-정렬 층(120)의 프랙션(fraction)이 재정렬될 수 있다. 어떠한 이론에도 얽매임 없이, 광-정렬 층(120)이 상이한 선형 편광 배향들로 2회 노출될 때, 액정 분자들의 배향들은 상대적 선형 편광 배향들 및 2회 노출의 노출 도즈들에 의해 결정될 수 있다.
[0182] 이제, 18c 및 도 18d를 참조하면, 도 16b의 것에 대응하는 회절 격자(160)의 단면도(x-y 평면) 및 하향식도(x-y 평면)가 예시된다. 적어도 부분적으로, 도 18a 및 도 18b와 관련하여 위에서 설명된 바와 같은 제1 및 제2 노출들의 결과로서, 복수의 상이하게 배열된 회절 구역들(168-1a 내지 168-1i 및 168-2a 내지 168-2i)을 갖는 액정 층들(168-1 및 168-2)이 각각 생성된다. 존(164-1)의 복수의 구역들(168-1a 내지 168-1i) 각각 및 존(164-2)의 복수의 구역들(168-2a 내지 168-2i) 각각은 동일한 구역 내에서 실질적으로 동일한 정렬 방향을 따라 정렬되는 액정 분자들(112)을 갖는다. 따라서, 존들 각각은 z-방향으로 스택된 액정 분자들의 스택을 포함한다는 것이 이해될 것이다.
공간적으로 변동되는 액정 재료들에 기초한 공간 가변적 액정 회절 격자들
[0183] 위에서 논의된 다양한 실시예들에서, 액정 분자들은 광-정렬 기술들을 사용하여 제조된다. 그러나, 광-정렬을 사용하거나 사용하지 않고 제조될 수 있는 다른 실시예들이 가능하다.
[0184] 도 19a 및 도 19b를 참조하면, 일부 실시예들에 따라, 광-정렬을 사용하거나 사용하지 않고 제조될 수 있는 회절 격자(190)의 하향식도(x-y 평면을 따라 보여짐) 및 측면도(x-z 평면을 따라 보여짐)가 예시된다. 회절 격자(190)는 주기적으로 반복되는 측방향 치수 또는 격자 기간(Λ)을 가지며 액정 분자들(112)로 형성된 대응하는 액정 층들을 포함하는 복수의 회절 존들, 즉 회절 존들(198-1, 198-2, ... 및 198-n)을 포함한다. 측방향 치수 또는 격자 기간(Λ)은 도 10a 내지 도 10c와 관련하여 위에서 설명된 것들과 유사할 수 있다.
[0185] 회절 격자(190)의 회절 존들(198-1, 198-2, ... 198-n)은 각각 대응하는 액정 층들(186-1, 186-2, ... 186-n)을 갖는다. 각각의 유형의 회절 존들의 수는 도 10a 내지 도 10c와 관련하여 위에서 설명된 것들과 유사할 수 있다. 또한, 배열된 바와 같은 회절 존들은 임의의 적합한 횟수들만큼 주기적으로 반복될 수 있다. 회절 격자(190)의 액정 층들(186-1, 186-2 및 186-n) 각각은 차례로, 상이하게 배열된 제1 및 제2 회절 구역들(186-1L 및 186-1R, 186-2L 및 186-2R, ... 및 186-nL 및 186-nR)을 각각 갖는다.
[0186] 상이한 액정 층들(186-1, 186-2 및 186-n)은 상이한 정도의 키랄성을 갖도록 배열된 액정 분자들(112)을 갖는다. 위에서 설명된 바와 같이, 키랄성은 키랄 피치(p)(액정 분자들이 풀(full) 360° 트위스트를 겪는 거리를 지칭할 수 있음)에 의해 설명될 수 있다. 키랄성은 또한 액정 층의 두께 내에서 액정 분자들이 겪는 트위스트의 각도인 트위스트 변형각을 특징으로 할 수 있다. 예컨대, 예시된 실시예에서, 제1 액정 층(186-1)은 키랄성이 거의 또는 전혀 없는(매우 크거나 무한한 키랄 피치(p)) 상이한 방위각들을 갖는 액정 분자들(112)을 갖는 제1 및 제2 회절 구역들(186-1L 및 186-1R)을 갖는다. 제2 및 제3 액정 층들(186-2 및 186-n)은 각각, 상당한 그리고 실질적으로 상이한 정도의 키랄성을 갖는 액정 분자들(112)을 갖는 각각의 제1/제2 회절 구역들(186-2L/186-2R 및 186-nL/186-nR)을 갖는다. 유사하게, 다양한 실시예들에서, 제2 및 제 n 액정 층들(186-2 및 186-n)의 제1 및 제2 회절 구역들(186-2L/186-2R 및 186-nL/186-nR)의 최상위 액정 분자들의 방위각들 및 이 최상위 액정 분자들 사이의 방위각들의 차이는 각각, 도 15a 내지 도 15c의 회절 격자들(150A-150C)과 관련하여 위에서 설명된 임의의 값일 수 있다.
[0187] 일부 실시예들에서, 존 내의 제1/제2 회절 구역들의 각각의 쌍, 예컨대, 존(198-2)(도 19a 참조)의 구역들의 쌍(186-2L/186-2R) 및 존(198-n)의 구역들의 쌍(186-nL/186-nR)은, 상이한 방위각들(φ)을 갖지만 동일한 키랄 피치(p)를 갖는 최상위 액정 분자들을 갖는다. 일부 다른 실시예들에서, 존들 내의 구역들의 쌍은 동일한 방위각들(φ)을 갖지만 상이한 키랄 피치들(p)을 갖는 최상위 액정 분자들을 갖는다. 다양한 실시예들에서, 존(198-2)의 구역들의 쌍(186-2L/186-2R) 및 존(198-n)의 구역들의 쌍(186-nL/186-nR)의 주어진 구역의 액정 분자들의 키랄 트위스트(예컨대, 트위스트 각 또는 트위스트 변형각)은 예컨대 약 +/- 45도, 약 +/- 90도, 약 +/- 135도 또는 약 +/-180도일 수 있다. 대응하는 키랄 기간(p)은 8D, 4D 또는 3D일 수 있으며, 여기서 2D는 액정 층들의 두께이다.
[0188] 예컨대, 예시된 실시예에서, 제1 및 제2 구역들(186-2L 및 186-2R)의 최상위 액정 분자들은 예컨대, 135도 및 45도의 제1 및 제2 방위각들(φ)을 각각 가지면서, 예컨대, 약 8D의 제1 키랄 피치를 가지며, 여기서 D는 액정 층들의 두께이다. 결과적으로, 제1 및 제2 구역들(186-2L 및 186-2R) 각각에서, 최상위 액정 분자 및 최하위 액정 분자는 약 -45도만큼 서로에 대해 트위스트된다. 또한, 예시된 실시예에서, 제1 및 제2 구역들(186-nL, 186-nR)의 최상위 액정 분자들은 예컨대, 90도 및 0도의 제3 및 제4 방위각들(φ)을 각각 가지면서, 약 4D의 제2 키랄 피치를 가지며, 여기서 D는 액정 층들의 두께이다. 결과적으로, 제1 및 제2 구역들(186-nL 및 186-nR) 각각에서, 최상위 액정 분자 및 최하위 액정 분자는 약 -90도만큼 서로에 대해 트위스트된다. 그러나, 제1/제2 회절 구역들(186-2L/186-2R 및 186-nL/186-nR)의 최상위 액정 분자들의 방위각들(φ)은 도 15a 내지 도 15c와 관련하여 위에서 설명된 바와 같은 임의의 값을 가질 수 있다.
[0189] 여전히 도 19a 및 도 19b를 참조하면, 일부 실시예들에서, 각각의 구역의 액정 분자들(112)은 0 이상일 수 있는 동일한 전경사각(Φ)을 갖는다.
[0190] 여전히 도 19a 및 도 19b를 참조하면, 상이한 액정 층들(186-1, 186-2 및 186-n)의 듀티 사이클은 상이할 수 있으며, 각각은 약 10% 내지 약 30%, 약 30% 내지 약 50%, 약 50% 내지 약 70%, 또는 약 70% 내지 약 90%일 수 있다.
[0191] 이제 도 20을 참조하면, 일부 다른 실시예들에 따른 회절 격자(200)의 측단면도(x-z 평면)가 예시된다. 명료성을 위해 도시되지 않았지만, 회절 격자(200)는 기판, 및 대응하는 액정 층들(196-1 및 196-2)을 각각 갖는 복수의 상이하게 배열된 회절 존들(208-1 및 208-2)을 포함한다. 회절 격자(200)의 액정 층들(196-1 및 196-2) 각각은 차례로 복수의 상이하게 배열된 회절 구역들(196-1a 내지 196-1g 및 196-2a 내지 196-2g)를 각각 갖는다.
[0192] 도 19a/도 19b의 액정 층(186-1)의 액정 분자들(112)과 유사하게, 도 20a에 예시된 액정 층(196-1)의 회절 구역들(196-1a 내지 196-1g)의 액정 분자들(112)은 상이한 방위각들을 갖지만, 층마다 키랄성이 거의 또는 전혀 없다(매우 크거나 무한한 키랄 피치(p)). 인접한 회절 구역들(196-1a 내지 196-1g)의 방위각들 및 다른 어레인지먼트들은 도 19a/도 19b에 대해 제1 및 제2 회절 구역들(186-1L 및 186-1R)과 관련하여 설명된 것들과 유사하다.
[0193] 도 19a/도 19b의 액정 층들(186-2 및 186-n)의 액정 분자들(112)과 유사하게, 도 20에 예시된 액정 층(196-2)의 회절 구역들(196-2a 내지 196-2g)의 액정 분자들(112)은 존의 길이를 따라(x 방향을 따라) 상당한 그리고 실질적으로 상이한 정도의 키랄성을 가지며, 상이한 방위각들을 갖는 최상위 액정 분자들을 갖는다. 인접한 회절 구역들(196-2a 내지 196-2g)의 방위각들, 키랄성 및 다른 어레인지먼트들은 제2 및 제 n 액정 층들(186-2 및 186-n)의 제1 및 제2 회절 구역들(186-2L/186-2R 및 186-nL/186-nR)과 관련하여 설명된 것들과 유사하다.
[0194] 도 19a/도 19b 및 도 20과 관련하여 위에서 설명된 바와 같이 액정 분자들에 트위스트가 유도될 때, 결과적인 회절 격자는 굴절률 및 회절 효율들을 포함한 공간적으로 변동되는 회절 성질들을 나타낸다는 것이 인지될 것이다. 일부 액정 분자들은 탄소 원자들 중 하나 이상을 4개의 상이한 리간드들로 비대칭적으로 치환함으로써 키랄성으로 만들어질 수 있다. 위에서 설명된 액정 상들 중 하나에 다양한 농도의 메소제닉(mesogenic) 또는 비-메소제닉 키랄 도펀트들을 첨가함으로써 다른 액정 분자들이 키랄성으로 만들어질 수 있다. 실시예들에 따라, 예컨대, 5 중량% 내지 10 중량% 미만을 포함(그러나 이에 제한되지 않음)하는 낮은 농도들을 첨가함으로써, 키랄성 관련 영향들이 도펀트의 농도에 따라 증가될 수 있다. 키랄 액정 분자들의 일부 예들은, 콜레스테릴-벤조에이트, 강유전성 액정 N(p-n-데실옥시벤질리덴) p-아미노 2-메틸부틸 신나메이트(DOBAMBC) 및 실온의 네마틱이며, 키랄 R1011로 도핑된 아키랄 MBBA(4-부틸-N-[4-메톡시-벤질리덴]-아닐린)을 포함한다. 다른 키랄 액정 분자들이 사용될 수 있다.
[0195] 도 21을 참조하면, 일부 실시예들에 따라, 광-정렬을 사용하거나 사용하지 않고 제조될 수 있는 회절 격자(210)의 측면도(x-z 평면을 따라 보여짐)가 예시된다. 회절 격자(210)는 도 10a 내지 도 10c와 관련하여 위에서 설명된 것들과 유사한 방식으로, 주기적으로 반복되는 측방향 치수 또는 격자 기간(Λ)을 갖는 복수의 회절 존들, 즉 회절 존들(218-1, 218-2, ... 및 218-n)을 포함한다. 회절 격자(210)의 회절 존들(218-1, 218-2, ... 및 218-n)은 각각 대응하는 액정 층들(206-1, 206-2, ... 및 206-n)을 갖는다. 각각의 유형의 회절 존들의 수는 도 10a 내지 도 10c와 관련하여 위에서 설명된 것들과 유사할 수 있다. 또한, 배열된 바와 같은 회절 존들은 임의의 적합한 횟수들만큼 주기적으로 반복될 수 있다.
[0196] 회절 격자(210)에서, 상이한 액정 층들(206-1, 206-2 및 206-n)은 상이한 액정 재료들을 포함한다. 특히, 제1 및 제2 회절 구역들(206-1L 및 206-1R, 206-2L 및 206-2R, ... 및 206-nL 및 206-nR)은 동일하거나 상이한 액정 분자들일 수 있는 액정 분자들(212-1L 및 212-1R, 212-2L 및 212-2R, ... 및 212-nL 및 212-nR)을 각각 갖는다. 예컨대, 일부 구현들에서, 제1 존 내의 구역들은 제1 액정 재료를 가질 수 있고, 제2 존 내의 구역들은 제1 액정 재료를 가질 수 있고, 제3 존 내의 구역들은 제3 액정 재료를 가질 수 있다. 다른 구현들에서, 임의의 주어진 존은 제1 액정 재료를 갖는 제1 구역 및 제2 액정 재료를 갖는 제2 구역을 가질 수 있다. 따라서, 예컨대, 동일한 도펀트의 상이한 레벨(또는 동일하거나 상이한 레벨들을 갖는 상이한 도펀트들)과 더불어 동일한 호스트 재료를 사용하여 재료의 조성물을 변화시킴으로써(액정 분자들의 배향을 변경할 필요는 없음) 회절 격자의 길이를 따라 광학 성질들이 변경될 수 있다.
[0197] 일부 실시예들에서, 상이한 존들은 상이한 액정 분자들을 갖지만, 액정 배향의 다른 양상들, 예컨대, 위에서 설명된 바와 같은 경사각, 방위각 및 키랄성은 상이한 존들 사이에서 유사하거나 동일하다. 일부 다른 실시예들에서, 상이한 존들은 상이한 액정 분자들을 갖지만, 다양한 실시예들의 맥락에서 위에서 논의된 바와 같이, 또한 상이한 액정 배향의 다른 양상들, 예컨대, 경사각, 방위각 및 키랄성을 갖는다.
[0198] 증착 동안 상이한 액정 재료들을 증착시키거나 또는 증착 후에 액정 재료를 변형시킴으로써, 로컬 복굴절이 상이한 존들에 걸쳐서 상이하게 되도록 제어될 수 있다. 다양한 실시예들에서, 개별 존들의 복굴절은, 약 0.05 내지 약 0.15, 예컨대, 약 0.10, 약 0.15 내지 약 0.25, 예컨대, 약 0.2, 및 약 0.25 내지 약 0.35, 예컨대, 약 0.3 일 수 있다.
부가적인 예들
[0199] 제1 예에서, 회절 격자는 광 회절에 대해 적응된 격자 기간에 대응하는 주기적으로 반복되는 측방향 치수를 갖는 복수의 상이한 회절 존들을 포함한다. 회절 격자는 부가적으로 상이한 회절 존들에 대응하는 복수의 상이한 액정 층들을 포함한다. 상이한 액정 층들은 상이하게 정렬된 액정 분자들을 가져서, 상이한 회절 존들이 광 회절과 연관된 상이한 광학 성질들을 갖게 된다.
[0200] 제2 예에서, 제1 예의 회절 격자에 있어서, 광학 성질들은 굴절률, 흡수 계수, 회절 효율 및 복굴절 중 하나 이상을 포함한다.
[0201] 제3 예에서, 제1 예 또는 제2 예의 회절 격자에 있어서, 상이한 액정 층들의 각각은 복수의 상이하게 배열된 구역들을 갖고, 상이한 배열된 구역들은 서로에 대해 상이하게 정렬된 액정 분자들을 갖는다.
[0202] 제4 예에서, 제1 예 내지 제3 예 중 어느 한 예의 회절 격자에 있어서, 상이한 회절 존들 각각은 기판과 대응하는 액정 층 사이에 삽입된 정렬 층을 더 포함하고, 상이한 회절 존들과 기판 사이의 상이한 정렬 층들은 동일한 재료 조성물로 형성되고, 상기 상이한 정렬 층들은 액정 분자들이 상이한 회절 존들에서 상이하게 정렬되게 한다.
[0203] 제5 예에서, 제1 예 내지 제4 예 중 어느 한 예의 회절 격자에 있어서, 액정 분자들은 신장 방향을 따라 신장되고 정렬된 칼라미틱 액정 분자들을 포함한다.
[0204] 제6 예에서, 제1 예 내지 제5 예 중 어느 한 예의 회절 격자에 있어서, 상이한 액정 층들은 제1 구역 및 제2 구역을 포함하고, 제1 구역의 액정 분자들은 기준 방향에 대해 제1 정렬각을 형성하는 제1 정렬 방향을 따라 정렬되고, 제2 구역의 액정 분자들은 기준 방향에 대해 제2 정렬각을 형성하는 제2 정렬 방향을 따라 정렬되고, 제2 정렬각은 제1 정렬각과 상이하다.
[0205] 제7 예에서, 제6 예의 회절 격자에 있어서, 제1 액정 층의 제1 구역의 액정 분자들 및 제2 액정 층의 대응하는 제1 구역의 액정 분자들은 실질적으로 동일한 정렬각을 갖는다.
[0206] 제8 예에서, 제7 예의 회절 격자에 있어서, 제1 액정 층의 제2 구역의 액정 분자들 및 제2 액정 층의 대응하는 제2 구역의 액정 분자들은 상이한 정렬각들을 갖는다.
[0207] 제9 예에서, 제6 예의 회절 격자에 있어서, 제1 액정 층의 제1 구역의 액정 분자들 및 제2 액정 층의 대응하는 제1 구역의 액정 분자들은 실질적으로 상이한 정렬각들을 갖고, 제1 액정 층의 제2 구역의 액정 분자들 및 제2 액정 층의 대응하는 제2 구역의 액정 분자들은 상이한 정렬각들을 갖는다.
[0208] 제10 예에서, 제6 예의 회절 격자에 있어서, 제1 구역들과 제2 구역들 사이의 측방향 폭들의 비는 상이한 존들 사이에서 실질적으로 동일하다.
[0209] 제11 예에서, 제6 예의 회절 격자에 있어서, 제1 액정 층의 제2 구역의 액정 분자들 및 제2 액정 층의 제2 구역의 액정 분자들은 실질적으로 동일한 정렬각들을 갖고, 제1 구역들과 제2 구역들 사이의 측방향 폭들의 비는 상이한 존들 사이에서 실질적으로 상이하다.
[0210] 제12 예에서, 제6 예의 회절 격자에 있어서, 제1 액정 층의 제2 구역의 액정 분자들 및 제2 액정 층의 제2 구역의 액정 분자들은 상이한 정렬각들을 갖고, 제1 구역들과 제2 구역들 사이의 측방향 폭들의 비는 상이한 존들 사이에서 실질적으로 상이하다.
[0211] 제13 예에서, 제6 예의 회절 격자에 있어서, 제1 정렬각 및 제2 정렬각은 기판의 주 표면에 수직인 평면에서 그리고 각각의 정렬 방향들과 주 표면 사이에서 측정되는 전경사각들이다.
[0212] 제14 예에서, 제6 예의 회절 격자에 있어서, 제1 정렬각 및 제2 정렬각은 기판의 주 표면에 평행한 평면에서 그리고 각각의 정렬 방향들과 주 표면에 평행한 기준 방향 사이에서 측정되는 방위각들이다.
[0213] 제15 예에서, 제3 예의 회절 격자에 있어서, 상이한 액정 층들은 제1 구역 및 제2 구역을 포함하고, 제1 구역의 액정 분자들은 기준 방향에 대해 복수의 제1 정렬각들을 형성하는 복수의 제1 정렬 방향들을 따라 정렬되고, 제2 구역의 액정 분자들은 기준 방향에 대해 복수의 제2 정렬각들을 형성하는 복수의 제2 정렬 방향들을 따라 정렬된다.
[0214] 제16 예에서, 제1 예 내지 제15 예 중 어느 한 예의 회절 격자에 있어서, 회절 격자는 투명 기판을 갖는 투과성 회절 격자이다.
[0215] 제17 예에서, 제1 예 내지 제16 예 중 어느 한 예의 회절 격자에 있어서, 상이한 회절 존들은 상이한 재료 조성물을 포함하여서, 상이한 회전 존들은 광 회절과 연관된 상이한 광학 성질들을 갖게 된다.
[0216] 제18 예에서, 회절 격자를 제조하는 방법은 기판을 제공하는 단계를 포함한다. 방법은 부가적으로, 광 회절에 대해 적응된 격자 기간에 대응하는 주기적으로 반복되는 측방향 치수를 갖는 복수의 상이한 회절 존들을 제공하는 단계를 포함한다. 이 방법은 기판 상에 액정 분자들을 포함하는 복수의 상이한 액정 층들을 형성하는 단계를 더 포함하고, 상이한 액정 층들은 상이한 회절 존들에 대응하고, 상이한 액정 층들을 형성하는 단계는 액정 분자들을 상이하게 정렬시키는 단계를 포함하고, 그리하여 광 회절과 연관된 상이한 광학 성질들을 상이한 회절 존들에 제공한다.
[0217] 제19 예에서, 제18 예의 방법에 있어서, 방법은, 액정 층들을 형성하기 전에 기판 상에 광-정렬 층을 형성하고 광-정렬 층을 조명하고, 그리하여 정렬 층 상에 형성된 액정 분자들이 상이한 회절 존에서 상이하게 정렬되게 하는 단계를 더 포함한다.
[0218] 제20 예에서, 제19 예의 방법에 있어서, 광-정렬 층을 형성하는 단계는 폴리이미드, 선형-편광 광중합성 중합체, 아조-함유 중합체들, 쿠마린-함유 중합체들, 신나메이트-함유 중합체들 및 이들의 조합들로 구성된 그룹으로부터 선택된 재료를 증착시키는 단계를 포함한다.
[0219] 제21 예에서, 제19 예 또는 제20 예의 방법에 있어서, 방법은 광-정렬 층을 형성한 후 그리고 액정 층들을 형성하기 전에, 그레이 스케일 마스크를 사용하여 광의 상이한 도즈들에 상이한 회절 존들을 노출하는 단계를 더 포함한다.
[0220] 제22 예에서, 제19 예 내지 제21 예 중 어느 한 예의 방법에 있어서, 상이한 액정 층들을 형성하는 단계는 상이한 액정 층들에 복수의 상이하게 배열된 구역들을 형성하는 단계를 포함하고, 상이한 배열된 구역들은 서로에 대해 상이하게 정렬된 액정 분자들을 갖는다.
[0221] 제23 예에서, 제22 예의 방법에 있어서, 상이한 액정 층들을 형성하는 단계는 제1 구역 및 제2 구역을 형성하는 단계를 포함하고, 제1 구역을 형성하는 단계는 기준 방향에 대해 제1 정렬각을 형성하는 제1 정렬 방향을 따라 제1 구역의 액정 분자들을 정렬시키는 단계를 포함하고, 제2 구역을 형성하는 단계는 기준 방향에 대해 제2 정렬각을 형성하는 제2 정렬 방향을 따라 제2 구역의 액정 분자들을 정렬시키는 단계를 포함하고, 제2 정렬각은 제1 정렬각과 상이하다.
[0222] 제24 예에서, 제23 예의 방법에 있어서, 제1 및 제2 구역들의 액정 분자들을 정렬시키는 단계는, 상이한 도즈들의 광에 반비례하는 각각의 제1 및 제2 정렬각들을 형성하는 단계를 포함한다.
[0223] 제25 예에서, 제18 예 내지 제24 예 중 어느 한 예의 방법에 있어서, 복수의 상이한 액정 층들을 형성하는 단계는, 액정 층들에 키랄 도펀트를 첨가함으로써 액정 분자들 중 적어도 일부에서 키랄성을 유도하는 단계를 포함한다.
[0224] 제26 예에서, 제18 예의 방법에 있어서, 상이한 액정 층들을 형성하는 단계는 액정 층들에 제1 구역 및 제2 구역을 형성하는 단계를 포함하고, 제1 구역의 액정 분자들은 기준 방향에 대해 복수의 제1 정렬각들을 형성하는 복수의 제1 정렬 방향들을 따라 정렬되고, 제2 구역의 액정 분자들은 기준 방향에 대해 복수의 제2 정렬각들을 형성하는 복수의 제2 정렬 방향들을 따라 정렬된다.
[0225] 제27 예에서, 회절 격자는, 측방향으로 연장되고, 액정 층들이 광을 회절시키게 구성되도록 주기적으로 반복되는 측방향 치수, 두께 및 굴절률들을 갖도록 배열되는 복수의 인접 액정 층들을 포함한다. 액정 층들의 액정 분자들은, 인접 액정 층들이 회절 효율 면에서 구배(gradient)를 가지면서 광을 회절시키도록 구성되게, 측방향을 따라 상이한 액정 층들에 상이하게 배열된다.
[0226] 제28 예에서, 제27 예의 회절 격자에 있어서, 액정 층들은 제1 구역 및 제2 구역을 갖고, 인접 액정 층들은 복수의 제1 구역들 및 복수의 제2 구역들이 측방향에서 교번하도록 배열된다.
[0227] 제29 예에서, 제28 예의 회절 격자에 있어서, 제1 구역들의 액정 분자들은 실질적으로 동일한 정렬 배향을 갖는 반면, 제2 구역들의 액정 분자들은 실질적으로 상이한 정렬 방향들을 갖는다.
[0228] 제30 예에서, 머리-장착 디스플레이 디바이스는 증강 현실 이미지 콘텐츠를 디스플레이하기 위해 사용자의 눈에 광을 프로젝팅하도록 구성된다. 머리-장착 디스플레이 디바이스는 사용자의 머리에 지지되도록 구성된 프레임을 포함한다. 머리-장착 디스플레이 디바이스는 부가적으로 프레임 상에 배치되는 디스플레이를 포함하고, 상기 디스플레이의 적어도 일부는 하나 이상의 도파관들을 포함하고, 상기 하나 이상의 도파관들은 투명하며, 사용자가 상기 머리-장착 디스플레이 디바이스를 착용할 때, 사용자의 눈 전방의 위치에 배치되어서, 상기 투명한 부분은 사용자의 전방 환경의 부분으로부터의 광을 사용자의 눈으로 투과시켜 사용자의 전방 환경의 상기 부분의 뷰(view)를 제공하고, 상기 디스플레이는 하나 이상의 광원들, 및 광원들로부터의 광을 상기 하나 이상의 도파관들에 커플링하거나 또는 상기 하나 이상의 도파관들 밖으로 광을 커플링하도록 구성된 적어도 하나의 회절 격자를 더 포함한다. 회절 격자는 광 회절에 대해 적응된 격자 기간에 대응하는 주기적으로 반복되는 측방향 치수를 갖는 복수의 상이한 회절 존들을 포함한다. 회절 격자는 부가적으로, 상이한 회절 존들에 대응하는 복수의 상이한 액정 층들을 포함하며, 상이한 액정 층들은 상이하게 정렬된 액정 분자들을 가져서, 상이한 회절 존들이 광 회절과 연관된 상이한 광학 성질들을 갖게 된다.
[0229] 제31 예에서, 제30 예의 디바이스에 있에서, 하나 이상의 광원들은 광섬유 스캐닝 프로젝터를 포함한다.
[0230] 제32 예에서, 제30 예 또는 제31 예의 디바이스에 있어서, 디스플레이는 복수의 깊이 평면들의 이미지 콘텐츠를 사용자에게 제시하도록 사용자의 눈에 광을 프로젝팅하게 구성된다.
[0231] 제33 예에서, 제30 예 내지 제32 예 중 어느 한 예의 회절 격자에 있어서, 광학 성질들은 굴절률, 흡수 계수, 회절 효율 및 복굴절 중 하나 이상을 포함한다.
[0232] 위에서 설명된 실시예들에서, 증강 현실 디스플레이 시스템들, 보다 구체적으로, 공간적으로 변동되는 회절 격자들이 특정 실시예들과 관련하여 설명된다. 그러나, 실시예들의 원리들 및 이점들은 공간적으로 변동되는 회절 격자에 대한 필요성을 갖는 임의의 다른 시스템들, 장치 또는 방법들에 사용될 수 있다는 것이 이해될 것이다. 위에서, 실시예들 중 임의의 하나의 임의의 특징은 실시예들 중 임의의 다른 하나의 임의의 다른 특징과 결합되고 그리고/또는 대체될 수 있다는 것이 인지될 것이다.
[0233] 맥락이 달리 명확하게 요구하지 않는 한, 상세한 설명 및 청구항들 전반에 걸쳐, "포함하다(comprise, include)" 및 "포함하는(comprising, including)" 등의 단어들은 배타적인 또는 철저한 의미와 대조적으로, 포괄적인 의미로 해석되는데; 즉 "포함(그러나 이에 제한되지 않음)하는"의 의미로 해석된다. 본원에서 일반적으로 사용된 바와 같은 "커플링(coupled)"이라는 단어는 직접 연결되거나 하나 이상의 중간 엘리먼트들에 의해 연결될 수 있는 둘 이상의 엘리먼트들을 지칭한다. 마찬가지로, 본원에서 일반적으로 사용된 바와 같은 "연결(connected)"이라는 단어는 직접 연결되거나 하나 이상의 중간 엘리먼트들에 의해 연결될 수 있는 둘 이상의 엘리먼트들을 지칭한다. 부가적으로, "본원에서", "위에서", "아래에서", "아래의", "위의" 단어들 및 이와 유사한 의미의 단어들은, 본 출원에서 사용될 때, 본 출원의 임의의 특정 부분들이 아니라, 전체로서 본 출원을 지칭해야 한다. 맥락이 허용하는 경우, 단수 또는 복수를 사용한 위의 상세한 설명에서의 단어들은 또한 복수 또는 단수를 각각 포함할 수 있다. 둘 이상의 아이템들의 리스트에 관하여 "또는"이라는 단어는 다음의 단어 해석들, 즉 리스트 내의 아이템들 중 임의의 것, 리스트 내의 모든 아이템들, 리스트 내의 아이템들의 임의의 조합 모두를 커버한다.
[0234] 더욱이, 구체적으로 달리 언급되지 않거나 또는 사용된 맥락 내에서 달리 이해되지 않으면, 본원에서 사용된 조건어, 이를테면, 다른 것들 중에서도, "할 수 있다(can, could, might, may)", "예컨대", "예컨대", "이를테면" 등은 일반적으로, 소정의 실시예들이 소정의 특징들, 엘리먼트들, 및/또는 상태들을 포함하지만 다른 실시예들은 이들을 포함하지 않는다는 것을 전달하도록 의도된다. 따라서, 그러한 조건어는 일반적으로, 특징들, 엘리먼트들, 및/또는 상태들이 하나 이상의 실시예들을 위해 어떤 식으로든 요구된다는 것, 또는 이들 특징들, 엘리먼트들, 및/또는 상태들이 임의의 특정 실시예에 포함되는지 또는 임의의 특정 실시예들에서 수행될지를 암시하는 것으로 의도되진 않는다.
[0235] 소정의 실시예들이 설명되었지만, 이들 실시예들은 단지 예로서만 제시되며, 본 개시내용의 범위를 제한하려는 것은 아니다. 실제로, 본원에서 설명된 신규한 장치, 방법들 및 시스템들은 다양한 다른 형태들로 구현될 수 있으며; 또한, 본원에서 설명된 방법들 및 시스템들의 형태에서 다양한 생략들, 대체들 및 변경들이 본 개시내용의 사상을 벗어나지 않고 이루어질 수 있다. 예컨대, 블록들이 주어진 어레인지먼트로 제시되지만, 대안적인 실시예들은 상이한 컴포넌트들 및/또는 회로 토폴로지들로 유사한 기능성들을 수행할 수 있고, 일부 블록들은 삭제, 이동, 부가, 세분, 결합 및/또는 수정될 수 있다. 이들 블록들 각각은 다양한 상이한 방식들로 구현될 수 있다. 위에서 설명된 다양한 실시예들의 엘리먼트들 및 동작들의 임의의 적합한 조합이 추가의 실시예들을 제공하도록 결합될 수 있다. 위에서 설명된 다양한 특징들 및 프로세스들은 서로 독립적으로 구현될 수 있거나, 또는 다양한 방식들로 결합될 수 있다. 본 개시내용의 특징들의 모든 적합한 조합들 및 서브조합들은 본 개시내용의 범위 내에 속하는 것으로 의도된다.

Claims (20)

  1. 광 회절에 대해 적응된 격자 기간(grating period)에 대응하는 주기적으로 반복되는 측방향 치수를 갖는 복수의 상이한 회절 존들; 및
    상기 상이한 회절 존들에 대응하는 복수의 상이한 액정 층들을 포함하고,
    상기 상이한 액정 층들은 상이하게 정렬된 액정 분자들을 가져서, 상기 상이한 회절 존들이 광 회절과 연관된 상이한 광학 성질들을 갖게 되는, 회절 격자.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 광학 성질들은 굴절률, 흡수 계수, 회절 효율 및 복굴절(birefringence) 중 하나 이상을 포함하는,
    회절 격자.
  3. 제1 항에 있어서,
    상기 상이한 액정 층들의 각각은 복수의 상이하게 배열된 구역들을 갖고, 상기 상이한 배열된 구역들은 서로에 대해 상이하게 정렬된 액정 분자들을 갖는,
    회절 격자.
  4. 제1 항에 있어서,
    상기 상이한 회절 존들 각각은 기판과 상기 대응하는 액정 층 사이에 삽입된 정렬 층을 더 포함하고, 상기 상이한 회절 존들과 상기 기판 사이의 상이한 정렬 층들은 동일한 재료 조성물로 형성되고, 상기 상이한 정렬 층들은 상기 액정 분자들이 상기 상이한 회절 존들에서 상이하게 정렬되게 하는,
    회절 격자.
  5. 제1 항에 있어서,
    상기 액정 분자들은 신장 방향(elongation direction)을 따라 신장되고 정렬된 칼라미틱(calamitic) 액정 분자들을 포함하는,
    회절 격자.
  6. 제1 항에 있어서,
    상기 상이한 액정 층들 각각은 제1 구역 및 제2 구역을 포함하고, 상기 제1 구역의 액정 분자들은 기준 방향에 대해 제1 정렬각을 형성하는 제1 정렬 방향을 따라 정렬되고, 상기 제2 구역의 액정 분자들은 상기 기준 방향에 대해 제2 정렬각을 형성하는 제2 정렬 방향을 따라 정렬되고, 상기 제2 정렬각은 상기 제1 정렬각과 상이한,
    회절 격자.
  7. 제6 항에 있어서,
    제1 액정 층의 제1 구역의 액정 분자들 및 제2 액정 층의 대응하는 제1 구역의 액정 분자들은 실질적으로 동일한 정렬각을 갖는,
    회절 격자.
  8. 제7 항에 있어서,
    상기 제1 액정 층의 제2 구역의 액정 분자들 및 상기 제2 액정 층의 대응하는 제2 구역의 액정 분자들은 상이한 정렬각들을 갖는,
    회절 격자.
  9. 제6 항에 있어서,
    제1 액정 층의 제1 구역의 액정 분자들 및 제2 액정 층의 대응하는 제1 구역의 액정 분자들은 실질적으로 상이한 정렬각들을 갖고, 상기 제1 액정 층의 제2 구역의 액정 분자들 및 상기 제2 액정 층의 대응하는 제2 구역의 액정 분자들은 상이한 정렬각들을 갖는,
    회절 격자.
  10. 제6 항에 있어서,
    상기 제1 구역과 상기 제2 구역 사이의 측방향 폭들의 비는 상이한 회절 존들 사이에서 실질적으로 동일한,
    회절 격자.
  11. 제6 항에 있어서,
    제1 액정 층의 제2 구역의 액정 분자들 및 제2 액정 층의 제2 구역의 액정 분자들은 실질적으로 동일한 정렬각들을 갖고, 상기 제1 구역들과 상기 제2 구역들 사이의 측방향 폭들의 비는 상이한 존들 사이에서 실질적으로 상이한,
    회절 격자.
  12. 제6 항에 있어서,
    제1 액정 층의 제2 구역의 액정 분자들 및 제2 액정 층의 제2 구역의 액정 분자들은 상이한 정렬각들을 갖고, 상기 제1 구역들과 상기 제2 구역들 사이의 측방향 폭들의 비는 상이한 존들 사이에서 실질적으로 상이한,
    회절 격자.
  13. 제6 항에 있어서,
    상기 제1 정렬각 및 상기 제2 정렬각은 기판의 주 표면에 수직인 평면에서 그리고 각각의 정렬 방향들과 상기 주 표면 사이에서 측정되는 전경사각(pre-tilt angle)들인,
    회절 격자.
  14. 제6 항에 있어서,
    상기 제1 정렬각 및 상기 제2 정렬각은 기판의 주 표면에 평행한 평면에서 그리고 각각의 정렬 방향들과 상기 주 표면에 평행한 기준 방향 사이에서 측정되는 방위각들인,
    회절 격자.
  15. 제3 항에 있어서,
    상기 상이한 액정 층들은 제1 구역 및 제2 구역을 포함하고, 상기 제1 구역의 액정 분자들은 기준 방향에 대해 복수의 제1 정렬각들을 형성하는 복수의 제1 정렬 방향들을 따라 정렬되고, 상기 제2 구역의 액정 분자들은 상기 기준 방향에 대해 복수의 제2 정렬각들을 형성하는 복수의 제2 정렬 방향들을 따라 정렬되는,
    회절 격자.
  16. 제1 항에 있어서,
    상기 회절 격자는 투명 기판을 갖는 투과성 회절 격자인,
    회절 격자.
  17. 측방향으로 연장되고, 액정 층들이 광을 회절시키게 구성되도록 주기적으로 반복되는 측방향 치수, 두께 및 굴절률들을 갖도록 배열되는 복수의 인접 액정 층들을 포함하고,
    상기 액정 층들의 액정 분자들은, 상기 인접 액정 층들이 회절 효율 면에서 구배(gradient)를 가지면서 광을 회절시키도록 구성되게, 상기 측방향을 따라 상이한 액정 층들에 상이하게 배열되는, 회절 격자.
  18. 제17 항에 있어서,
    상기 액정 층들은 제1 구역 및 제2 구역을 갖고, 상기 인접 액정 층들은 복수의 제1 구역들 및 복수의 제2 구역들이 측방향에서 교번하도록 배열되는,
    회절 격자.
  19. 제18 항에 있어서,
    상기 제1 구역들의 액정 분자들은 실질적으로 동일한 정렬 배향을 갖는 반면, 상기 제2 구역들의 액정 분자들은 실질적으로 상이한 정렬 방향들을 갖는,
    회절 격자.
  20. 증강 현실 이미지 콘텐츠를 디스플레이하기 위해 사용자의 눈에 광을 프로젝팅하도록 구성된 머리-장착 디스플레이 디바이스로서,
    상기 사용자의 머리에 지지되도록 구성된 프레임; 및
    상기 프레임 상에 배치되는 디스플레이를 포함하고,
    상기 디스플레이의 적어도 일부는 하나 이상의 도파관들을 포함하고, 상기 하나 이상의 도파관들은 투명하며, 상기 사용자가 상기 머리-장착 디스플레이 디바이스를 착용할 때, 상기 사용자의 눈 전방의 위치에 배치되어서, 상기 투명한 부분은 상기 사용자의 전방 환경의 부분으로부터의 광을 상기 사용자의 눈으로 투과시켜 상기 사용자의 전방 환경의 상기 부분의 뷰(view)를 제공하고, 상기 디스플레이는 하나 이상의 광원들, 및 상기 광원들로부터의 광을 상기 하나 이상의 도파관들에 커플링하거나 또는 상기 하나 이상의 도파관들 밖으로 광을 커플링하도록 구성된 적어도 하나의 회절 격자를 더 포함하고,
    상기 회절 격자는,
    광 회절에 대해 적응된 격자 기간에 대응하는 주기적으로 반복되는 측방향 치수를 갖는 복수의 상이한 회절 존들; 및
    상이한 회절 존들에 대응하는 복수의 상이한 액정 층들을 포함하고,
    상기 상이한 액정 층들은 상이하게 정렬된 액정 분자들을 가져서, 상기 상이한 회절 존들이 광 회절과 연관된 상이한 광학 성질들을 갖게 되는,
    증강 현실 이미지 콘텐츠를 디스플레이하기 위해 사용자의 눈에 광을 프로젝팅하도록 구성된 머리-장착 디스플레이 디바이스.
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