KR20200015771A - 동적으로 작동 가능한 회절 광학 엘리먼트 - Google Patents

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Abstract

동적으로 작동 가능한 DOE(diffractive optical element)는 기판 및 기판 표면의 제1 구역 상에 배치된 회절 격자를 포함한다. DOE는 기판의 표면의 제2 구역 상에 배치된 일정량의 유체, 기판의 표면의 제2 구역에 인접하게 배치된 유체 디스플레이서, 및 전기 신호를 유체 디스플레이서에 전송하도록 구성된 구동 신호 소스를 더 포함한다. 유체 디스플레이서는, 제1 상태의 전기 신호를 수신할 때, 일정량의 유체 중 일부로 하여금 표면의 제2 구역으로부터 회절 격자의 그루브들로 변위되게 하고, 그리고 제2 상태의 전기 신호를 수신할 때, 일정량의 유체 중 일부로 하여금 회절 격자의 그루브들로부터 표면의 제2 구역으로 후퇴하게 하도록 구성된다.

Description

동적으로 작동 가능한 회절 광학 엘리먼트
[0001] 본 출원은 2017년 6월 19일에 출원된 미국 가특허 출원 제62/521,804호를 우선권으로 주장하며, 상기 출원의 전체 내용은 인용에 의해 본원에 포함된다.
[0002] 본 발명은 회절 광학 엘리먼트들에 관한 것이며, 더 상세하게는 스위칭 가능한 회절 광학 엘리먼트들에 관한 것이다.
[0003] 회절 격자는 광의 파장 및 격자 상의 입사각에 의존하는 각도만큼 광을 편향시키는 광학 컴포넌트이다. 회절 격자는 사용되는 광의 파장과 유사한 주기를 갖는 주기적 구조를 갖는다. 주기적 구조는 표면 릴리프 프로파일 또는 투명한 재료의 굴절률의 볼륨 변조일 수 있다. 회절 격자들의 동작은 격자 수학식에 의해 좌우된다.
Figure pct00001
여기서 θm은 격자의 표면에 수직인 벡터에 대한 회절 격자에서 출사하는 광의 각도(회절 각도)이고; λ는 파장이고; m은 "차수"로 알려진 정수 값 파라미터이고; d는 격자 주기이고, θi는 격자 표면에 수직인 벡터에 대한 광의 입사각이다.
[0004] 격자들은 또한, 그들이 회절시키는 광을 차수 파라미터 m의 특정 값으로 특정된 특정 "차수"로 집중시키기 위해 블레이즈되고, 즉, 특정 주기적 프로파일이 주어질 수 있다. 격자들은 반사성 ― 이 경우에, 광이 격자에 입사되는 측과 동일한 측에서 광이 격자를 이탈함 ― 일 수 있거나, 주로 투과성 ― 이 경우에, 광이 입사되는 격자 외측에 대향하는 격자의 측에서 광이 주로 출사함 ― 일 수 있다.
[0005] 본 출원인은, 이미지별 변조된 광을 사용자의 눈들에 커플링하는 복수의 도파관들을 포함하는 투명한 접안렌즈를 포함하는 증강 현실 시스템들을 개발하였다. 이러한 시스템은 "Separated Pupil Optical System for Virtual and Augmented Reality and Methods for Displaying Images Using the Same"이란 명칭으로 출원인의 공동-계류중인 미국 특허 출원 일련번호 제15/146,296호에 개시된다. 도파관 외부로 광을 커플링하는 광학 피처들은, 사용자의 눈으로부터 접안렌즈의 거리를 초과하는, 예컨대, 수미터 떨어진 거리인 특정 객체 거리를 시뮬레이팅하기 위해 출사 광에 상이한 발산 필드 곡률을 부여하도록 적응될 수 있다. (필드 곡률은, 예컨대, 수십 센티미터 또는 미터 떨어진 포인트에서 발산하는 구면파(spherical wave)에 대응할 수 있다). 접안렌즈에 의해 방출된 광에 발산 필드 곡률을 부여하는 것은, 눈의 포지션에서 이러한 발산 필드 곡률을 갖는 구면파들의 가상 포인트 소스의 거리와 동일한 거리에 초점을 맞추기 위한 인간 눈의 초점 메커니즘을 트리거링하고, 이는 가상 3D 객체들의 더 현실적인 환영(illusion)을 생성하는 데 도움이 된다. 각각의 도파관이 출사 광에 대해 상이한 발산 필드 곡률을 부여하는 광학 피처를 갖는 다수의 도파관들의 스택을 제공하는 것은 가상 3D 객체의 환영의 개선을 가능하게 하고, 또한 3D 시각화 시스템의 장기간 사용으로부터 발생된 잠재적으로 불편한 영향들을 피하고, 이러한 3D 시각화 시스템에서는, 발산 필드 곡률에 기반한 눈의 원근조절 큐와 객체들까지의 거리를 나타내는 다른 3D 지각 큐들 사이의 미스매치가 존재한다. 출원인의 위에 언급된 계류중인 미국 특허 출원은, 복수의 도파관들 각각이 공간적으로 변조된 광 소스(예컨대, 섬유 스캐너, 2-D 광 변조기)로부터의 광을 인-커플링하는 인-커플링 회절 격자를 갖는 시스템을 개시한다. 인-커플링 격자들은 공간적으로 분리되고, 즉 서로 겹치지 않고, 이는 넓은 영역에 걸쳐 공간적으로 변조된 광을 제공하기 위한 공간적으로 변조된 광의 소스를 요구한다. 2-D 광 변조기(예컨대, LCoS 또는 DLP)의 경우에, 공간적으로 변조된 광의 넓은 영역에 대한 요건은 연관된 광학기(예컨대, 프리즘들, 렌즈 엘리먼트들)의 크기 및 비용이 증가시키고, 증가된 이미지 필드 크기는 일반적으로, 광학기의 값 비싼 향상에 의해 보상되지 않으면, 이미지 필드의 주변에서 이미지 품질의 저하로 이어진다. 따라서, 증강 현실 접안렌즈의 다수의 도파관들에 광을 커플링할 때, 증가된 이미지 필드 크기에 대한 필요성을 제거하면서 광을 커플링할 수 있는 것이 바람직할 것이다.
[0006] 회절 격자들 이외에, 회절 광학 엘리먼트들은 종래의 반사 및 굴절 광학 엘리먼트들에 대한 더 가벼운 중량의 대안을 제공한다. 다른 타입들의 회절 광학 엘리먼트들은 포지티브 및 네거티브 회절 렌즈들을 포함한다. 최근 신규한 표면 릴리프 회절 렌즈 설계들이 메타물질들에 대한 연구에 기반하여 개발되었다. 더 새로운 메타물질 렌즈들은, 그들이 파장 스케일 표면 릴리프 구조들을 포함할 수 있다는 점에서 전통적인 회절 광학 엘리먼트들과 유사하다. 스위칭 온 및 오프될 수 있는 광학 엘리먼트들을 제공하는 것이 바람직할 것이다.
[0007] 일부 실시예들에 따라, 동적으로 작동 가능한 DOE(diffractive optical element)는 표면을 갖는 기판을 포함한다. 표면은 제1 구역 및 제1 구역으로부터 측방으로 변위된 제2 구역을 포함한다. 동적으로 작동 가능한 DOE는 기판의 표면의 제1 구역 상에 배치된 회절 격자를 더 포함한다. 회절 격자는 제1 굴절률을 갖고 복수의 리지들(ridges) 및 인접한 리지들 사이의 복수의 그루브들(grooves)을 포함한다. 동적으로 작동 가능한 DOE는 기판의 표면의 제2 구역 상에 배치된 일정량의 유체(a quantity of a fluid)를 더 포함한다. 유체는 회절 격자의 제1 굴절률과 실질적으로 매칭하는 제2 굴절률을 갖는다. 동적으로 작동 가능한 DOE는 기판의 표면의 제2 구역에 인접하게 배치된 유체 디스플레이서(fluid displacer), 및 유체 디스플레이서에 커플링되고 전기 신호를 유체 디스플레이서에 전송하도록 구성된 구동 신호 소스를 더 포함한다. 전기 신호는 제1 상태 및 제2 상태를 가질 수 있다. 유체 디스플레이서는, 제1 상태의 전기 신호를 수신할 때, 일정량의 유체 중 일부로 하여금 표면의 제2 구역으로부터 회절 격자의 그루브들로 변위되게 하고, 이로써 회절 격자로 하여금 "오프" 상태에 있게 하고, 그리고 제2 상태의 전기 신호를 수신할 때, 일정량의 유체 중 일부로 하여금 회절 격자의 그루브들로부터 표면의 제2 구역으로 후퇴하게 하고, 이로써 회절 격자로 하여금 "온" 상태에 있게 하도록 구성된다.
[0008] 일부 다른 실시예들에 따라, 가상 콘텐츠의 이미지를 형성하기 위해 이미지 광을 뷰어의 눈에 투사하기 위한 접안렌즈는 제1 파장에 중심을 둔 제1 파장 범위의 광을 전파하도록 구성된 제1 평면형 도파관, 및 제1 측방 포지션에서 제1 도파관의 표면의 제1 구역 상에 형성되고, 상부에 입사되는 이미지 광을 수신하도록 구성된 제1 동적으로 작동 가능한 DOE(diffractive optical element)를 포함한다. 제1 동적으로 작동 가능한 DOE는, 제1 굴절률을 갖고 복수의 리지들 및 인접한 리지들 사이의 복수의 그루브들을 포함하는 표면-릴리프 회절 격자(surface-relief diffraction grating), 및 제1 구역에 인접하게 제1 도파관의 표면의 제2 구역 상에 배치된 일정량의 유체를 포함한다. 유체는 회절 격자의 제1 굴절률과 실질적으로 매칭하는 제2 굴절률을 갖는다. 제1 동적으로 작동 가능한 DOE는 제2 구역에 인접하게 배치된 유체 디스플레이서, 및 유체 디스플레이서에 커플링되고 전기 신호를 유체 디스플레이서에 전송하도록 구성된 구동 신호 소스를 더 포함한다. 전기 신호는 제1 상태 또는 제2 상태를 가질 수 있다. 유체 디스플레이서는, 제1 상태의 전기 신호를 수신할 때, 일정량의 유체 중 일부로 하여금 제2 구역으로부터 회절 격자의 그루브들로 변위되게 하고, 이로써 회절 격자로 하여금 "오프" 상태에 있게 하고, 그리고 제2 상태의 전기 신호를 수신할 때, 일정량의 유체 중 일부로 하여금 회절 격자의 그루브들로부터 제2 구역으로 후퇴하게 하고, 이로써 회절 격자로 하여금 "온" 상태에 있게 하도록 구성된다. 회절 격자는 "온" 상태에 있는 동안, 제1 도파관 내로 전파되도록 회절 격자 상에 입사되는 이미지 광 중 일부를 제1 도파관으로 회절시키고, 그리고 "오프" 상태에 있는 동안, 회절 격자 상에 입사되는 이미지 광을 투과시키도록 구성된다. 접안렌즈는, 제1 도파관의 평면에 실질적으로 평행하게 포지셔닝되고, 제1 파장과 상이한 제2 파장에 중심을 둔 제2 파장 범위의 광을 전파하도록 구성된 제2 평면형 도파관, 및 제1 측방 포지션과 실질적으로 정렬된 제2 측방 포지션에서 제2 도파관의 표면의 구역 상에 형성된 제2 DOE를 더 포함한다. 제2 DOE는 회절 격자가 "오프" 상태에 있는 동안, 회절 격자에 의해 투과된 이미지 광을 수신하고, 그리고 제2 도파관 내로 전파되도록 이미지 광의 제2 부분을 제2 도파관으로 회절시키도록 구성된다.
[0009] 일부 추가의 실시예들에 따라, 동적으로 작동 가능한 렌즈는 표면을 갖는 기판, 및 기판의 표면 상에 형성된 메타표면 DOE(diffractive optical element)를 포함한다. 메타표면 DOE는 표면 위로 돌출되는 복수의 융기된 부분들(raised portions)을 포함하고, 인접한 융기된 부분들 사이에 복수의 리세스들이 규정된다. 동적으로 작동 가능한 렌즈는, 메타표면 DOE 위에 놓이고 친수성 재료를 포함하는 이동 가능한 커버, 이동 가능한 커버 상에 배치된 일정량의 유체, 및 이동 가능한 커버에 커플링된 구동 메커니즘을 더 포함한다. 구동 메커니즘은, 제1 상태에서 제어 신호를 수신할 때, 일정량의 유체 중 일부를 복수의 리세스들로 변위시키고, 이로써 메타표면 DOE를 "오프" 상태로 렌더링하기 위해, 이동 가능한 커버를 메타표면 DOE를 향해 이동시키고, 그리고 제2 상태에서 제어 신호를 수신할 때, 일정량의 유체 중 일부로 하여금 복수의 리세스들로부터 후퇴하게 하고, 이로써 메타표면 DOE를 “오프" 상태로 렌더링하기 위해, 이동 가능한 커버를 메타표면 DOE로부터 떨어져 이동시키도록 구성된다.
[0010] 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예들의 설계 및 유용성을 예시하며, 도면들에서 유사한 엘리먼트들은 공통 참조 번호들에 의해 지칭된다. 본 발명들의 위에서 언급된 그리고 다른 이점들 및 목적들이 어떻게 달성되는지를 더 잘 인지하기 위해, 위에서 간략하게 설명한 본 발명들의 보다 구체적 설명이 첨부 도면들에서 예시되는 본 발명의 특정 실시예들을 참조하여 제공될 것이다. 이들 도면들이 단지 본 발명의 통상적인 실시예들을 도시할 뿐이며, 이에 따라 본 발명의 범위를 제한하는 것으로 간주되지 않는다는 것을 이해하면서, 본 발명은 첨부된 도면들의 사용을 통해 부가적인 특이성 및 세부사항에 관해 설명되고 기술될 것이다.
[0011] 도 1은 실시예에 따른 하나의 증강 현실 안경의 개략적인 사시도이다.
[0012] 도 2는 실시예에 따른, 도 1에 도시된 증강 현실 안경의 접안렌즈의 일부의 개략적인 에지-온 뷰이다.
[0013] 도 3은 실시예에 따른 동적으로 작동 가능한 회절 광학 엘리먼트의 개략적인 분해도이다.
[0014] 도 4는 실시예에 따른, 온 상태로 도시된 바이메탈릭 엘리먼트 구동 유체 변위 메커니즘을 포함하는 동적으로 작동 가능한 회절 광학 디바이스를 개략적으로 도시한다.
[0015] 도 5는 실시예에 따른, 오프 상태의, 도 4에 도시된 동적으로 작동 가능한 회절 광학 디바이스를 도시한다.
[0016] 도 6은 실시예에 따른, 정전기 MEMS 콤 구동부를 포함하는 동적으로 작동 가능한 회절 광학 디바이스의 개략적인 분해도이다.
[0017] 도 7은 실시예에 따른, 형상 기억 합금 기반 작동기를 포함하는 동적으로 작동 가능한 회절 광학 디바이스의 개략적인 단면 정면도이다.
[0018] 도 8은 실시예에 따른, 트러스와 광학 윈도우 사이에 위치된 작동기를 포함하는 동적으로 작동 가능한 회절 광학 디바이스의 개략적인 사시도이다.
[0019] 도 9는 실시예에 따른, 작동을 구동시키기 위해 유체의 열 팽창을 활용하는 동적으로 작동 가능한 회절 광학 디바이스의 개략적인 사시도이다.
[0020] 도 10은 실시예에 따른, 온 상태로 도시된 정전기 유체 디스플레이서(electrostatic fluid displacer)를 포함하는 동적으로 작동 가능한 회절 광학 디바이스의 개략적인 단면도이다.
[0021] 도 11은 실시예에 따른, 오프 상태로 도시된, 도 10에 도시된 동적으로 작동 가능한 회절 광학 디바이스의 단면도이다.
[0022] 도 12는 실시예에 따른 메타물질 회절 광학 엘리먼트의 개략적인 상면도이다.
[0023] 도 13은 실시예에 따른, 온 상태로 도시된, 도 12에 도시된 메타물질 회절 광학 엘리먼트를 포함하는 동적으로 작동 가능한 렌즈의 개략적인 단면 정면도이다.
[0024] 도 14는 실시예에 따른, 도 13에 도시되지만 오프 상태로 도시된 동적으로 작동 가능한 렌즈의 개략적인 단면 정면도이다.
[0025] 도 15는 일부 실시예들에 따른, 전기삼투 효과를 통해 동작 가능한, 동적으로 작동 가능한 회절 격자의 분해도를 개략적으로 도시한다.
[0026] 도 16은 일부 실시예들에 따른, 도 15에 도시된 동적으로 작동 가능한 회절 격자의 조립도를 도시한다.
[0027] 도 17a 및 17b는 일부 실시예들에 따른, 도 15 및 16에 도시된 동적으로 작동 가능한 회절 격자의 동작 원리를 예시한다.
[0028] 도 18a 및 18b는 일부 실시예들에 따른, 전기삼투 효과에 기반한 동적으로 스위칭 가능한 회절 격자를 개략적으로 예시한다.
[0029] 도 19a 및 19b는 일부 다른 실시예들에 따른, 전기삼투 효과에 기반한 동적으로 스위칭 가능한 회절 격자를 개략적으로 예시한다.
[0030] 도 20은 일부 실시예들에 따른 동적 회절 격자의 단면도를 개략적으로 예시한다.
[0031] 도 21은 일부 실시예들에 따른, 도 20에 도시된 동적 회절 격자의 사시도를 도시한다.
[0032] 도 22는 일부 실시예들에 따른, 나노유체에 기반한 동적으로 스위칭 가능한 광학기를 갖는 접안렌즈를 개략적으로 예시한다.
[0033] 도 23은 일부 다른 실시예들에 따른, 나노유체에 기반한 동적으로 스위칭 가능한 광학기를 갖는 접안렌즈를 개략적으로 예시한다.
[0034] 도 24는 일부 실시예들에 따른 나노유체에 기반한 동적으로 작동 가능한 회절 격자들을 갖는 접안렌즈를 예시한다.
[0035] 도 25는 일부 다른 실시예들에 따른, 나노유체에 기반한 동적으로 작동 가능한 회절 격자들을 갖는 접안렌즈를 예시한다.
[0036] 도 26a-26d는 다양한 실시예들에 따른, 전기습윤에 기반한 일부 동적으로 스위칭 가능한 회절 격자들을 개략적으로 예시한다.
[0037] 도 27a-27b는 일부 실시예들에 따른, 광-전기습윤에 기반한 동적 회절 격자를 개략적으로 예시한다.
[0038] 도 1은 실시예에 따른 하나의 증강 현실 안경(100)의 사시도이다. 안경(100)은 전방 피스(108)에 의해 연결된 좌측 아암(104) 및 우측 아암(106)을 포함하는 프레임(102)을 포함한다. 전방 피스(108)는 좌측 접안렌즈(110) 및 우측 접안렌즈(112)를 지지한다. 논의를 목적으로 특히 우측 접안렌즈(112)를 참조하면, 우측 접안렌즈(112)는 복수의 도파관들의 우측 스택(114)을 포함한다. 도파관들의 우측 스택(114)은, 안경(100)을 착용한 사람이 증강 현실 안경(100)을 착용하는 동안 실세계를 볼 수 있고 가상 콘텐츠가 실세계와 중첩되어 실세계의 맥락에서 디스플레이될 수 있도록 투명하다. 도 1에서 볼 수 있듯이, 도파관들의 우측 스택(114)에 포함된 우측 전방 도파관(116)은 우측 전방 선택적으로 작동 가능한 인-커플링 격자(118), 우측 전방 직교 동공 확장기(120) 및 우측 전방 출구 동공 확장기(122)를 포함한다. Abovitz 등에 의한 명칭이 "Planar Waveguide Apparatus with Diffraction element(s) and System Employing Same"인 출원인의 공동-계류중인 특허 출원 제14/696,346호에 교시된 바와 같이, 출구 동공 확장기는 상이한 가상 소스 광에 대응하는 상이한 필드 곡률을 출사 광에 부여하도록 설계될 수 있다. 유사하게, 좌측 접안렌즈(110)는 좌측 전방 도파관(126)을 포함하는 도파관들의 좌측 스택(124)을 포함한다. 도 1에서 볼 수 있듯이, 좌측 전방 도파관은 좌측-전방 선택적으로 작동 가능한 인-커플링 격자(128), 좌측 직교 동공 확장기(130) 및 좌측 출사 동공 확장기(132)를 포함한다. 좌측 접안렌즈(110)가 또한 투명하다. 이미지별 변조된 광의 좌측 소스(134) 및 이미지별 변조된 광의 우측 소스(136)는 프레임(102)의 좌측 아암(104) 및 우측 아암(106)의 내측에 각각 지지되고, 도파관들의 좌측 스택(124) 및 도파관들의 우측 스택(114)에 선택적으로 광학적으로 각각 커플링된다.
[0039] 도 2는 우측 접안렌즈(112)의 개략적인 에지-온 뷰이다. 인-커플링 격자(118), 직교 동공 확장기(120) 및 출사 동공 확장기(122)의 배치가 예시 목적으로 도 1에 도시된 배치와 관련하여 도 2에서 변경된다는 것이 주목된다. 도시되지 않지만, 좌측 접안렌즈(110)의 구조는 우측 접안렌즈(112)의 구조의 미러 이미지이다. 도 2에 도시된 바와 같이, 우측 전방 도파관(116) 외에, 우측 접안렌즈(112)의 복수의 도파관들의 우측 스택(114)은 우측 전방 도파관(116) 뒤에 배치된 우측 제2 도파관(202), 우측 제2 도파관(202) 뒤에 배치된 우측 제3 도파관(204), 우측 제3 도파관(204) 뒤에 배치된 우측 제4 도파관(206), 우측 제4 도파관(206) 뒤에 배치된 우측 제5 도파관(208), 우측 제5 도파관(208) 뒤에 배치된 우측 후방 도파관(210)을 포함한다. 제2 내지 제5 도파관들(202, 204, 206, 208) 및 후방 도파관(210)은 제2 내지 제6 선택적으로 작동 가능한 인커플링 격자(118b, 118c, 118d, 118e, 118f)를 각각 갖는다. 선택적으로 작동 가능한 인-커플링 격자들(118a, 118b, 118c, 118d, 118e, 118f)은, 도파관들(116, 202, 204, 206, 208)에 대한 임계각을 초과하는 각도에 수직으로 입사되는 이미지별 변조된 광을 편향시키도록 설계될 수 있고, 즉, 격자 피치 및 프로파일(예컨대, 블레이즈 프로파일)을 가질 수 있다. 제2 내지 제5 도파관들(202, 204, 206, 208) 및 후방 도파관(210) 각각은 또한 추가적인 세트의 직교 동공 확장기들(214) 중 하나 및 추가적인 세트의 출구 동공 확장기들(216) 중 하나를 포함한다.
[0040] 6 채널 구동 신호 소스(218)는 우측-전방 및 제2 내지 제6 선택적으로 작동 가능한 인커플링 격자들(118a, 118b, 118c, 118d, 118e, 118f)에 전기적으로 커플링되고, 선택적으로 작동 가능한 인커플링 격자들(118a, 118b, 118c, 118d, 118e, 118f)의 상태를 스위칭하는 데 사용된다. 동작 시에, 선택적으로 작동 가능한 인커플링 격자들(118a, 118b, 118c, 118d, 118e, 118f) 중 하나는 이미지별 변조된 광의 우측 소스(136)로부터 이미지별 변조된 광을 도파관들의 우측 스택(114)의 도파관(116, 202, 204, 206, 208, 210, 212) 중 하나로 선택적으로 라우팅하기 위해 한 번에 동작될 수 있다. 이미지별 변조된 광의 우측 소스(136)는 별개의 시간 서브프레임 기간들 동안 상이한 컬러 채널들 및 상이한 가상 객체 깊이들에 대해 이미지별 변조된 광을 적절하게 출력한다. 컬러 채널들 및 깊이 평면들의 특정 시퀀스는 비디오 프레임에서 주기적으로 반복될 수 있다. 6개의 도파관들의 스택(114)은 3개의 도파관들의 2개의 세트들을 포함할 수 있고, 2개의 세트들 각각은 적색, 녹색 및 청색 컬러 채널 도파관을 포함하고, 2개의 세트들 각각은 방출된 광의 필드 곡률에 의해 결정된 2개의 가상 객체 거리들 중 하나의 거리로 광을 방출한다. 6 채널 구동 신호 소스(218)는, 특정 컬러 채널 및 특정 가상 객체 거리에 대한 이미지별 변조된 광이 이미지별 변조된 광의 소스(136)에 의해 출력될 때, 6 채널 구동 신호 소스(218)가 특정 컬러 채널 및 특정 가상 객체 거리에 대응하는 도파관의 선택적으로 작동 가능한 인커플링 격자를 선택적으로 턴 온하도록 동작되도록, 이미지별 변조된 광의 소스(132)와 적절히 동기화된다. 따라서, 각각의 선택적으로 작동 가능한 인커플링 격자는 모든 비디오 프레임 기간마다 한번 턴 온될 것이다. 우측 접안렌즈(110)의 전방으로부터 출사되는 광은 후방으로 지향되어 눈 포지션(220)으로 전달된다.
[0041] 도 3은 실시예에 따른 동적으로 작동 가능한 회절 광학 엘리먼트(300)의 분해도이다. 도 3에 도시된 동적으로 작동 가능한 회절 광학 엘리먼트(300)는, 예컨대, 증강 현실 안경의 선택적으로 작동 가능한 인커플링 격자들(118a-118f) 중 하나 이상으로서 사용될 수 있다. 예컨대, 블레이즈 격자 프로파일로 도시된 것과 상이한 격자 프로파일이 사용될 수 있다. 도 3을 참조하면, 광학 엘리먼트(300)는 투명한 최하부 기판(302) 및 투명한 최상부 기판(304)을 포함한다. 동적으로 작동 가능한 회절 광학 엘리먼트가 선택적으로 작동 가능한 인커플링 격자들(118a-118f) 중 하나로 사용되는 경우에, 투명한 최하부 기판(302)은 도파관들(116, 202, 204, 206, 208, 210) 중 하나의 형태를 취할 수 있다. "최상부(top)" 및 "최하부(bottom)"와 같은 상대적인 포지셔닝의 표시가 도면들에 도시된 관점에 대응하고, 실세계 용도들에서 도시된 디바이스들의 배향이 도면들에 도시된 것과 관련하여 변할 수 있음이 이해되어야 한다. 원주 시일(306)은 투명한 최하부 기판(302)의 최상부 표면(308) 상에 도시되고, 광학 엘리먼트(300)가 조립될 때, 원주 시일(306)은 또한 투명한 최상부 기판(304)의 최하부 표면(310)과 맞물려서, 투명한 최하부 기판(302)과 투명한 최상부 기판(304) 사이에 시일링된 공간(312)을 형성할 것이다. 원주 시일(306)은, 예컨대, 가요성 중합체 재료들과 같은 가요성 재료들로 적절하게 형성된다. 한 세트의 4개의 최하부 금속화 패턴들(314)은 최하부 기판(302)의 최상부 표면(304) 상에 위치되고, 대응하는 세트의 4개의 최상부 금속화 패턴들(316)은 최상부 기판의 최하부 표면(310) 상의 4개의 최하부 금속화된 패턴들(314)에 대향하게 위치된다. 4개의 최하부 금속화 영역들(314) 각각은 최하부 장착 패드들(318) 및 4개의 최상부 금속화 영역들(316)을 포함하고, 이들 각각은 최상부 장착 패드들(320)을 포함한다. 한 세트의 4개의 전기기계 트랜스듀서들(322) 각각은 최하부 장착 패드들(318) 및 최상부 장착 패드들(320)을 통해 최하부 기판(302) 및 최상부 기판(304)에 기계적으로 커플링된다. 전기기계 트랜스듀서들(322)은, 예컨대, 압전 엘리먼트들; 열 팽창 가능한, 전기 활성 중합체들의 블록들, 전기 가열 가능한 재료들; 대향 장착 패드들(318, 320)에 인가된 반대 전하들 사이의 정전기 전위에 의해 변형되는 변형 가능한 재료; 히터들이 장착된 바이메탈릭 엘리먼트들; 가열 전류가 통과될 수 있도록 대향하는 장착 패드들(318, 320) 사이를 브리징하는 형상 기억 합금; 또는 보이스 코일 모터들과 같은 로렌츠(Lorentz) 힘 기반 트랜스듀서들과 같은, 자기력들을 활용하는 트랜스듀서들을 포함할 수 있다. 4개의 최하부 금속화 영역들(314) 각각은 또한 최하부 외부 회로 접촉 패드(324)를 포함하고, 4개의 최상부 금속화 영역들(316) 각각은 또한 최상부 외부 회로 접촉 패드(326)를 포함한다. 구동 신호 소스(328)는 최하부 외부 접촉 회로 패드들(324) 및 최상부 외부 회로 접촉 패드들(326)에 커플링된다. 동적으로 작동 가능한 회절 광학 엘리먼트(300)가 선택적으로 작동 가능한 인커플링 격자들(118a-118f) 중 하나로서 사용되는 경우에, 구동 신호 소스(328)는 6 채널 구동 신호 소스(218)에 포함될 수 있다.
[0042] 투과성 표면 릴리프 회절 격자(330)는 원주 시일(306) 내부의 시일링된 볼륨(312) 내의 최하부 기판(302)의 최상부 표면(308) 상에 포지셔닝된다. 투과성 표면 릴리프 회절 격자(330)는 한 세트의 채널들(331)을 포함한다. 회절 격자들의 동작을 이해하는 데 사용된 전자기 이론의 맥락에서, 회절 격자(330)를 제조하는 재료는 제1 매체로 지칭되고, 회절 격자(330) 위의 재료 또는 진공은 제2 매체로 지칭된다. 회절 격자(330)의 표면은 제1 매체와 제2 매체 사이의 경계를 형성한다. 투명한 스페이서 블록(332)은 최상부 기판(304)의 최하부 표면(310) 상에 포지셔닝된다. 스페이서 블록(332)의 최하부 표면(336)에 부착된 유체(334)의 막이 도시된다. 유체(334)는, 예컨대, 물이거나 이를 포함할 수 있다. 최하부 표면(336)은 임의의 유기 오염물들이 없는 깨끗한 유리일 수 있다. 깨끗한 유리는 친수성이다. 투과성 표면 릴리프 회절 격자(330)는 중합체(예컨대, 유기, 실리콘계) 재료로 제조될 수 있다. 중합체 재료들은 일반적으로 소수성이다. 투과성 표면 릴리프 회절 격자(330)는, 예컨대, 마이크로임프린트 자외선 경화된 중합체일 수 있다. 선택적으로, 투과성 표면 릴리프 회절 격자(330)는 대부분의 투과성 표면 릴리프 회절 격자(330)를 제조한 재료보다 더 소수성인 재료로 코팅될 수 있다. 대안적으로, 최하부 표면(336)은 친수성으로 거동하도록 화학적으로 처리될 수 있고, 투과성 표면 릴리프 회절 격자(330)의 표면은 소수성으로 거동하도록 화학적으로 처리될 수 있다.
[0043] 예컨대, 그루브들(331)의 깊이가 약 200 나노미터이고, 격자(330)의 길이 및 폭이 대략 밀리미터 크기를 갖는 것으로 가정하면, 그루브들(331)을 채우기에 충분한 유체를 제공하는데 필요한 유체(334)의 막의 볼륨은 대략 피코리터의 10 분의 1 크기를 갖는 양일 것이다. 특정 형상의 유체의 바디의 크기가 축소될 때, 표면 영역 대 볼륨의 비율이 증가하다. 결과적으로, 모세관 힘들은, 유체의 바디의 관성과 비교하여 증가하고, 이는, 친수성 표면으로 끌어 당겨진 유체의 변위가 가속화된다는 것을 의미하다. 본 경우에서, 그루브들(331)을 채우는 데 필요한 유체(334)의 소량화는, 스페이서 블록(332)의 최하부 표면(336)이 상방으로 변위될 때 유체(334)의 신속한 배출로 이어진다.
[0044] 전기기계 트랜스듀서들(322)이 제1 상태에 있을 때, 투명한 스페이서 블록(330)의 최하부(336)와 투과성 표면 릴리프 회절 격자(330)의 최상부 사이의 간격은, 회절 격자(330)의 그루브들(331) 내로 침입하지 않고서 유체(334)가 투명한 스페이서 블록(332)의 최하부 표면(336) 상에 코팅되기에 충분한 공간을 제공하도록 설정될 수 있다. 유체(334)가 물인 경우에, 투명한 스페이서 블록(332)의 최하부 표면(336)이 친수성이고, 회절 격자(330)의 표면이 소수성이기 때문에, 물은 자연스럽게 그루브들 밖으로 나오고 투명한 스페이서 블록(332)의 최하부 표면(336)에 부착되는 경향이 있을 것이다. 구동 신호 소스(328)가 전기기계 트랜스듀서들(322)의 상태를 제2 상태로 변경하도록 동작될 때, 유체(334)를 그루브들(331)로 강제하도록, 투명한 스페이서 블록(332)의 최하부 표면(336)과 회절 격자(330) 사이의 거리가 감소된다. 유체(334) 외에, 시일링된 볼륨(322)은, 전기기계 트랜스듀서들(322)의 작동 하에서 최하부 기판(302)과 최상부 기판 사이의 간격을 감소시키도록 압력 저항을 감소시키기 위해, 다른 유체들이 실질적으로 없거나 부분적으로 배기될 수 있다(즉, 대기압 미만의 가스를 포함함). 시일링된 볼륨(312) 내에 밀봉된 임의의 가스 또는 진공보다, 투과성 표면 릴리프 회절 격자(330)를 형성하는 데 사용된 재료의 굴절률에 더 가까운 굴절률을 유체(334)가 갖기 때문에, 유체(334)를 그루브들(331)로 강제하는 것은 회절 격자(330)의 동작을 실질적으로 변경시킬 것이다. 유체(334)가 그루브들(331) 내로 강제될 때, 광 플럭스는 더 높은 회절 차수들에서 0차로 시프트할 것이다. 투과 격자에 대해, 0차는, 광이 회절 격자(330)에 입사된 방향과 동일한 방향으로 계속 전파되는 광에 대응한다(위의 수학식 1 참조). 다시 도 2를 참조하면, 동적으로 작동 가능한 회절 광학 엘리먼트(300)가 선택적으로 작동 가능한 인커플링 격자들(118a-118f) 각각에 사용되는 경우에, 에너지를 0차로 스위칭함으로써 격자들(330) 중 임의의 것을 효과적으로 선택적으로 스위칭 오프하기 위한 능력은, 소스(136)로부터의 이미지별 변조된 광을 도파관들(116, 202, 204, 206, 208, 210) 중 하나에 선택적으로 커플링하는 것을 가능하게 한다. 인커플링 격자들(118a-118f)이 서로 위에 놓이도록 배열되기 때문에, 유체(334)가 격자 그루브들(331) 외부로 변위되는 인커플링 격자들에 도달할 때까지, 이미지 변조된 0차 광은 도파관 스택(114)을 횡단할 것이고, 이어서 TIR에 대한 임계각을 초과하는 고차수로 회절되고, 이로써 도파관들(116, 202, 204, 206, 208, 210) 중 하나로 라우팅될 것이다.
[0045] 도 4는 온 상태로 도시된 바이메탈릭 엘리먼트 구동 유체 변위 메커니즘을 포함하는 동적으로 작동 가능한 회절 광학 디바이스(400)를 도시하고, 도 5는 오프 상태의 광학 디바이스를 도시한다. 도 4를 참조하면, 광학 디바이스(400)는, 표면 릴리프 투과성 회절 격자(404)가 지지되는 투명한 베이스(402)를 포함한다. 투과성 회절 격자(404)는 좌측에서 우측으로 연장되는 평행한 그루브들의 어레이(406)를 포함한다. 그루브 옆에는 친수성 표면(408)이 있다. 친수성 표면(408)은 투명한 베이스(402)의 표면일 수 있거나, 투명한 베이스(402) 상의 코팅의 표면일 수 있다. 투명한 베이스(402)는 선천적으로 친수성인 유리를 포함할 수 있다. 도 4에서, 일정량의 유체(410)가 친수성 표면(408) 상에 도시되고, 일정량의 유체(410)는 친수성 표면(408)의 친수성 인력에 의해 친수성 표면(408)으로 끌어 당겨진다. 광학 윈도우(412)는 친수성 표면 위의 바이메탈 아암(414)에 의해 지지된다. 가열 엘리먼트(416)가 바이메탈 아암(414) 상에 형성된다. 전형적으로, 바이메탈 아암(414)은 실온에서 직선일 것이고, 가열 엘리먼트(416)를 통해 전류를 통과시킴으로써 발생된 가열에 의해 도 4에 도시된 곡선 상태로 유도될 것이다. 전류가 스위치 오프될 때, 바이메탈 아암(414)은, 광학 윈도우(412)를 투명한 베이스(402)로 낮추고 일정량의 유체를 회절 격자(404)의 그루브들(406) 내로 변위시키는, 도 5에 도시된 직선, 오프 상태 구성으로 복귀한다. 유체(410)를 포함하기 위해 광학 윈도우(412) 및 바이메탈 아암(414)의 주변을 중심으로 코퍼댐(cofferdam)(도시되지 않음)이 제공될 수 있다. 유체(410)를 그루브들(406) 내로 변위시키는 것은, 예컨대, 격자(404)가 선호하여 블레이즈되는 회절 차수와 같은 더 높은 회절 차수들로 광의 회절을 감소시키거나 실질적으로 제거할 것이다. 유체(410)의 굴절률이 투과성 회절 격자(404)의 굴절률과 동일하면, 그루브들(408)을 유체(410)로 채우는 것은 더 높은 회절 차수들(예컨대, 격자가 선호하여 블레이즈되는 차수)로 광의 회절을 제거할 것이다. 유체(410)의 굴절률이 격자(404)의 굴절률과 매칭하고 유체(410)가 투명하면, 그루브들(408)이 유체(410)로 채워질 때, 입사광이 0차로 전파될 것이다. 도 5에서, 그루브들(406)이 그루브들의 부분적 유효 소멸(partial effective disappearance)을 나타내기 위해 감소된 라인 가중치로 그려지고, 이는 유체(410)의 굴절률이 격자(404)의 굴절률과 정확하게 매칭하지 않는 경우일 것이라는 것이 주목된다. 그루브들(406)을 채우는 일정량의 유체(410)는 도 5에서 별개로 보이지는 않는다. 유체(410)가 흡수되면, 입사광의 일부가 흡수될 것이다. 도 4에 도시된 바와 같이, 광학 디바이스(400)가 온 상태에 있을 때, 격자(404)를 통과할 때 입사 광선(418)은 회절 광선(420)을 생성하기 위해 회절에 의해 편향된다. 회절된 광선은 직교 좌표계 트라이어드(Cartesian coordinate system triad)(424)에 대해 배향된 것으로 도시된다. 도 5에 도시된 바와 같이, 광학 디바이스(400)가 오프 상태에 있을 때, 입사 광선(418)은 유체(410)로 채워진 격자(404)를 통과하여 0차 투과된 광선(422)으로서 계속된다.
[0046] 도 6은 실시예에 따른, 정전기 MEMS 콤 구동부(602)를 포함하는 동적으로 작동 가능한 회절 광학 디바이스(600)의 분해도이다. 디바이스(600)는 투명한 베이스(606) 상에 지지된 표면 릴리프 회절 격자(604)를 포함한다. 표면 릴리프 회절 격자(604)는 격자의 표면(607)에 형성된 그루브들(605) 형태의 평행한 채널들의 어레이를 포함한다. 그루브들이 회절 격자(606)의 최상부 표면(607)에 위치되는 반면, 대안적으로 채널들은 완전히 밀봉되고, 최상부 표면(607) 아래로 이어질 수 있으며, 이 경우 최상부 표면은 평탄할 수 있지만, 또한 그 안에 각인된 제2 표면 릴리프 회절 광학기를 가질 수 있다. 친수성 표면(608)은 투명한 베이스(606) 상의 회절 격자(604)에 인접하게 위치된다. U-형상 주변 댐(610)은 격자(604) 및 친수성 표면(608)을 부분적으로 둘러싸는 3개의 측면들을 포함한다. U-형상 주변 시일(610)의 개방 단부들을 브리징하는 나머지 측면은 탄성 벽(612)에 의해 점유(occupied)된다. 광학 윈도우(614)는 U-형상 주변 댐 및 밀봉된 볼륨(616)을 형성하는 탄성 벽(612)에 부착된다. U-형상 주변 댐(610)의 높이는 회절 격자(604)의 높이보다 더 높다. 투명한 스페이서 블록(618)은 회절 격자(604)를 향하는 광학 윈도우(614)의 최하부 표면(620)에 부착된다. 스페이서 블록(618)의 최하부 표면(622)과 회절 격자(604) 사이에 작은 갭이 있거나 어떠한 갭도 없을 수 있다. 일정량의 유체(624)가 친수성 표면(608) 위에 놓인 회절 격자(604)에 인접하게 위치하는 것으로 도시된다. 회절 격자(604)의 그루브들(605)의 구역의 단면 영역(X-Z 평면의 영역)은 친수성 표면(608) 위의 단면 영역보다 더 작다.
[0047] 콤 구동부(602)는 제2 콤(628)과 서로 맞물리는 제1 콤(626)을 포함한다. 제1 콤(626)과 제2 콤(628) 사이에 정전기력들을 설정하기 위해, 전위들이 (예컨대, 6 채널 구동 신호 소스(218)에 의해) 제1 콤(626) 및 제2 콤(628)에 인가될 수 있다. 제1 콤(626)은 투명한 베이스(606)에 실질적으로 견고하게 고정될 수 있고, 제2 콤(628)은, 예컨대, 일체로 형성된 굴곡부(flexure)(도시되지 않음)를 통해 투명한 베이스(606)에 이동 가능하고 기계적으로 커플링될 수 있다. 푸셔(630)는 제2 콤 구동부(616)와 일체로 형성된다. 푸셔(630)는 탄성 벽(612)을 지지하고, 이에 부착될 수 있다. 동작 시에, 전압들은, 유체(624)가 친수성 표면(608) 위에 놓인 공간을 점유하거나 유체(624)의 적어도 일부를 격자(604)의 그루브들(605) 내로 강제하게 허용하기 위해, 탄성 벽(616)에 당기거나 누르는 힘을 가하도록 푸셔(630)를 유도하기 위해 콤들(626, 628)에 인가된다. 친수성 표면(608) 위의 단면 영역과 비교하여 격자(604) 위의 단면(X-Z 평면) 영역의 차이로 인해, 친수성 표면(608) 위의 구역이, 격자 온 상태에서, 일정량의 유체(624)로 실질적으로 채워지고 일정량의 유체(624)가 친수성 표면(608) 위의 구역에 실질적으로 국한되는 경우에, 탄성 벽(612)의 작은 변위는 일정량의 유체(624)의 적어도 일부로 하여금 격자(604)의 그루브들(605)을 채우도록 격자(604)의 길이를 횡단하게 할 것이다.
[0048] 도 7은 실시예에 따른, 형상 기억 합금(702) 기반 작동기를 포함하는 동적으로 작동 가능한 회절 광학 디바이스(700)의 단면 정면도이다. 디바이스(700)는 투명한 베이스(706) 상에 지지된 표면 릴리프 회절 격자(704)를 포함한다. 회절 격자(704)는 일련의 그루브들(703)을 포함한다(도면을 가득 메우는 것을 피하기 위해 제한된 수의 그루브들이 열거됨). 투명한 커버(708)는 표면 릴리프 회절 격자(704) 위에 놓이게 포지셔닝된다. 투명한 스페이서(710)는 표면 릴리프 회절 격자(704)를 향하는 투명한 커버(708)의 내부 표면(712)에 부착된다. 에지 시일(714)은 투명한 베이스(706)와 투명한 커버(708) 사이를 시일링하고, 도 7에 도시된 바와 같이 디바이스(700)의 우측에서 볼 수 있다. 가요성 다이어프램(716)은 격자(704)의 좌측에 위치된다. 에지 시일(714), 투명한 스페이서(710), 격자(704), 투명한 베이스(706) 및 다이어프램(716)에 의해 둘러싸인 공간(720)에 일정량의 유체(718)가 배치된다. 형상 기억 합금(702)은 나선형 형태이고, 제1 단부(722)에서, 스페이서 블록(726)과 2차 시일(728) 사이에서 연장되는 제1 전극(724)에 연결된다. 형상 기억 합금(702)의 제2 단부(730)는, 격자(704)로부터 다이어프램(716)의 대향측 상의 투명한 커버 상에 형성된 제2 전극(732)과 슬라이딩 가능하게 접촉한다. 제1 전극(724) 및 제2 전극(732)은 전원(도시되지 않음)에 연결된다. 형상 기억 합금(702)의 제2 단부(730)는 또한 슬라이딩 피스톤(734)을 지지하고, 슬라이딩 피스톤(734)은 차례로 다이어프램(716)을 지지한다. 대안적으로, 피스톤(734)은 형상 기억 합금(702)과 일체로 형성될 수 있다. 전력이 제1 전극(720) 및 제2 전극(730)을 통해 형상 기억 합금(702)에 인가될 때, 형상 기억 합금(702)은 길게 늘어져(형상 기억 합금(702)의 나선형 형상의 나선형 피치의 연장을 포함함), 슬라이딩 피스톤(734)을 푸시하고, 이는 결국 유체(718)를 격자의 그루브들(703) 내로 변위시키는 다이어프램(716)을 푸시한다. 도 7에 도시된 바와 같이, 그루브들(703)이 도면 시트의 평면에 수직으로 이어지지만, 대안적으로 그루브들(703)은 도면 시트의 평면에 평행하게 또는 다른 방향으로 이어질 수 있다. 회절 격자(704)는 소수성 재료로 적절히 제조되고, 투명한 베이스(706)의 노출된 최상부 표면(736)은, 형상 기억 합금에 인가된 전력에 의해 유도된 변위 작용의 부재 시에, 유체(718)가 노출된 최상부 표면(736)으로 그리고 회절 격자의 그루브들(703) 밖으로 끌어 당기어지도록, 적절히 친수성이다. 유체(718)는, 유체(718)가 그루브들(703)에 있을 때 격자(704)의 회절 효율이 실질적으로 감소되도록, 공간(720)의 잔류 가스보다 회절 격자의 굴절률에 더 가까운 굴절률을 갖는다. 따라서, 동적으로 작동 가능한 회절 격자(700)는 그루브들(703) 내외로 유체(718)를 선택적으로 변위시킴으로써 효과적으로 스위칭 온 또는 오프될 수 있다.
[0049] 도 8은 트러스(804)와 광학 윈도우(806) 사이에 위치된 작동기(802)를 포함하는 동적으로 작동 가능한 회절 광학 디바이스(800)의 사시도이다. 디바이스(800)는 투명한 기판(810) 상에 지지된 표면 릴리프 투과성 회절 격자(808)를 포함한다. 회절 격자(808)는 일련의 그루브들(807)을 포함한다. 광학 윈도우(806)는, 격자(808)가 위치되는 내부 공간(814)을 형성하는 에지 시일(812)에 의해 투명 기판(810) 상에 지지된다. 트러스(804)는 광학 윈도우(806)의 2개의 측면들 상에서 투명한 기판(810)에 결합되고, 작동기는 트러스(804)와 광학 윈도우(806) 사이에 포지셔닝된다. 친수성 표면(816)(예컨대, 투명 기판(810)의 노출된 표면)은 격자(808)에 인접한 내부 공간(818)에 포지셔닝된다. 일정량의 유체(817)가 내부 공간(818)에 제공되고, 표면(816)의 친수성 특성 및 격자(808)의 소수성 특성으로 인해, 친수성 표면(816) 상에 자연스럽게 수집되는 경향이 있다. 작동기(802)는, 비제한적인 예로서, 압전 엘리먼트, 보이스 코일 모터, 또는 전기적으로 가열 가능한 열 팽창 재료의 바디와 같은 전기기계 트랜스듀서의 형태를 취할 수 있다. 트러스(804) 및 작동기(802)는 친수성 표면(814) 위에 포지셔닝된다. 작동기(802)의 작동은 광학 윈도우(806)에 하방으로 힘을 가하여, 광학 윈도우(806)로 하여금 하방으로 구부러지고 그리고/또는 에지 시일(812)로 하여금 친수성 표면(816) 부근에서 압축되게 하고, 이로써 일정량의 유체(817)(또는 그 일부)를 격자(808)의 그루브들(807) 내로 변위시킨다. 따라서, 동적으로 작동 가능한 회절 광학 디바이스(800)는 일정량의 유체(817)를 그루브들(807)의 내부 및 외부로 선택적으로 변위시킴으로써 효과적으로 스위칭 온 또는 오프될 수 있다.
[0050] 도 9는 작동을 구동시키기 위해 유체의 열 팽창을 활용하는 동적으로 작동 가능한 회절 광학 디바이스(900)의 사시도이다. 디바이스(900)는 유체(906)를 보유하는 유체 저장소(904)와 접촉하는 가열 엘리먼트(902)를 포함한다. 저장소(904)는, 표면 릴리프 회절 격자(910)를 하우징하는 격자 챔버(908)와 유체 연통한다. 표면 릴리프 회절 격자(910)는 일련의 그루브들(912)을 포함한다. 유체 저장소(904)는 친수성 표면(914)을 포함한다. 동작 시에, 가열 엘리먼트(902)가 활성화되고, 이는 유체(906)로 하여금 격자 챔버(908) 내로 팽창하게 하여, 회절 격자(910)의 그루브들(912)을 채우고, 회절 격자(910)의 효율을 실질적으로 감소시켜, 회절 격자(910)를 효과적으로 턴 오프한다. 후속적으로, 가열 엘리먼트(902)가 턴 오프될 수 있고, 유체는 냉각되어 유체 저장소(904) 내로 다시 수축된다.
[0051] 도 10은 온 상태로 도시된 정전기 유체 디스플레이서(1016)를 포함하는 동적으로 작동 가능한 회절 광학 디바이스(1000)의 단면도이고, 도 11은 오프 상태의 동적으로 작동 가능한 회절 광학 디바이스(1000)의 단면도이다. 도 10-11을 참조하면, 디바이스(1000)는 투명한 베이스(1002), 및 에지 스페이서(1006) 및 에지 시일(1008)에 의해 투명한 베이스(1002) 위에 지지된 투명한 윈도우(1004)를 포함한다. 투과성 표면 릴리프 회절 격자(1010)는 투명한 베이스(1002) 상에 지지된다. 표면 릴리프 회절 격자(1010)는 일련의 그루브들(1011)을 포함한다. 투명한 스페이서 블록(1012)은 회절 격자(1010) 위의 투명 윈도우(1004)의 내부 표면(1014)에 부착된다. 투명한 블록(1012)의 목적은, 비교적 적은 양의 유체(1030)의 변위가 회절 격자(1010) 위의 구역을 채울 수 있도록 그 구역의 볼륨을 감소시키는 것이다. 정전기 유체 디스플레이서(1016)는 회절 격자(1010)에 인접하게 위치되며, 투명한 베이스(1002) 상에 지지된 고정 전극(1018); 고정 전극(1018) 상에 놓인 제1 친수성 층(1020)(예컨대, 유리); 고정 전극(1018) 및 제1 친수성 층(1020) 위에 포지셔닝된 이동 전극(1022), 제1 친수성 층(1020)을 향하는 이동 전극(1022) 상의 제2 친수성 층(1024)(예컨대, 유리); 이동 전극(1022)과 고정 전극(1018) 사이를 시일링하는 제1 가요성 시일(1026); 및 이동 전극(1022)과 윈도우(1004) 사이를 시일링하는 제2 가요성 시일(1028)을 포함한다. 그루브들(1011)이 도면 시트의 평면에 수직으로 정렬된 것으로 도시되지만, 실제로 그루브들(1011)은 종이의 평면에 평행하게 정렬되고, 제1 친수성 층(1024)까지 쭉(all the way) 연장될 수 있다. 회절 격자(1010)의 굴절률과 매칭하거나 공기보다 회절 격자의 굴절률에 더 가까운 굴절률을 갖는 유체(1030)가 디바이스(1000)에 배치된다. 하나의 가능한 동작 모드에 따라, 고정 전압이 고정 전극(1018)에 인가되고, 양극성 또는 음극성 중 어느 하나의 전압이 이동 전극(1022)에 인가된다. 전극들(1018, 1022)의 역할들은 설명된 전압이 인가되는 한 반전될 수 있다. 전극들(1018, 1022) 둘 모두에 인가된 전압들의 극성이 동일할 때(온 상태), 이동 전극(1022)은 고정 전극(1018)으로부터 반발되어, 제1 친수성 층(1020)과 제2 친수성 층(1024) 사이의 갭(1032)을 개방하여, 유체(1030)의 적어도 일부가 그의 선천적 친화성에 따라 갭으로 끌어 당겨지도록 친수성 층들(1020, 1024)로 끌어 당겨질 것이다. 반면에, 2개의 전극들(1018, 1022)에 인가된 전압들의 극성이 반대일 때(오프 상태), 전극들(1018, 1022)은 서로를 향해 끌어 당겨지고, 이로써 친수성 층들(1020, 1024) 사이에서 일정량의 유체(1030)가 방출되고 유체(1030)는 회절 격자(1010)의 그루브들(1011) 내로 가도록 강제된다. 디바이스(1000)가 온 상태인 도 10에 도시된 바와 같이, 전극들(1018, 1022)은 비교적 더 멀리 이격되고, 친수성 층들(1020, 1024)에 의해 끌어 당겨진 유체(1030)는 제1 친수성 층(1020) 위에 놓인 구역에 크게 국한되고, 회절 격자(910)는 자신의 최대 효율로 기능한다. 반면에, 디바이스(1000)가 오프 상태인 도 11에 도시된 바와 같이, 전극들(1018, 1022)은 비교적 서로 더 가깝게 이격되고, 유체(1030)는 친수성 층들(1020, 1024) 사이의 구역으로부터 회절 격자(1010)의 그루브들(1011)로 실질적으로 방출되었고, 격자(1010)의 회절 효율은 실질적으로 감소된다.
[0052] 도 12는 메타물질 회절 광학 엘리먼트(1200)의 평면도이다. 메타물질 회절 광학 엘리먼트(1200)는 렌즈로서 기능한다. 광학 엘리먼트(1200)는 복수의 융기된 부분들(1204)을 포함하는 표면 릴리프 구조(1202)를 포함한다(도면을 가득 메우는 것을 피하기 위해 제한된 수의 융기된 부분들이 라벨링됨). 특정 실시예들에서, 융기된 부분들(1204)은, 메타물질 회절 광학 엘리먼트(1200)에 광학적으로 커플링된 100 나노미터 미만 및 광 소스(도시되지 않음)의 파장보다 실질적으로 더 작은 최대 횡단 치수를 갖는다. 메타물질 회절 광학 엘리먼트(1200)에 광학적으로 커플링된 광 소스는, 예컨대, 레이저 다이오드(LD) 또는 발광 다이오드(LED)일 수 있다.
[0053] 도 13은 도 12에 도시된 메타물질 회절 광학 엘리먼트(1200)를 포함하는 동적으로 작동 가능한 렌즈(1300)의 개략적인 단면 정면도이다. 도 13에서, 동적으로 작동 가능한 렌즈(1300)가 온 상태로 도시된다. 도 13에 도시된 바와 같이, 유체(1302)는, 유체(1302)를 변위시키는 역할을 하는 이동 가능한 표면(1304)에 부착된다. 유체(1302) 및 표면(1304)은 서로 선천적 친화성을 갖도록 선택될 수 있다. 도 14는 도 13에 도시되지만 오프 상태로 도시된 동적으로 작동 가능한 렌즈(1300)의 단면 정면도이다. 도 14에 도시된 바와 같이, 표면(1304)은 도 13에 도시된 포지션에 대해 하방으로 이동되었고, 이로써 유체(1302)를 표면 릴리프 구조(1202) 내로 변위시킨다. 유체(1302)는, 표면 릴리프 구조(1202)가 상호작용하는 광파들(light waves)에 대한 표면 릴리프 구조(1202)의 영향을 효과적으로 감소시키기 위해, 표면 릴리프 구조(1202)의 굴절률과 밀접하게 매칭하도록 선택된다.
[0054] 다양한 회절 격자 실시예들이 위에서 설명되지만, 광을 회절시키고 유체로 커버될 수 있고, 이로써 회절 기능을 변경하는, 2개의 매체들 사이(예컨대, 광학 그레이드 중합체와 공기 사이)의 프로파일 경계를 포함하는 다른 회절 광학 엘리먼트들이 또한 제공될 수 있다. 예들은 위에 설명된 실시예들에서 회절 격자들을, 포지티브 또는 네거티브 표면 릴리프 패턴 회절 렌즈들로 대체하는 것을 포함할 것이다.
[0055] 대안적인 실시예에 따라, 동적 회절 가능한 반사 표면 릴리프 회절 격자는 반사 회절 격자의 그루브들 내외로 변위시키기 위한 유체 및 그루브들 내외로 유체의 변위를 위한 유체 변위기를 포함한다.
[0056] 본 발명의 일부 실시예들에 따라, 나노유체는 회절 광학기(나노-광-유체(nano-opto-fluidics)로 지칭될 수 있음)에 적용될 수 있다. 스위칭 가능한 또는 튜닝 가능한 회절 격자들은 나노미터 스케일 구조들 내의 유체를 사용함으로써 형성될 수 있다. 이러한 나노-광-유체 디바이스들은, 광학 상태들 사이를 스위칭하기 위해 나노유체 작동 기술들에 의해 작동되는 나노유체 회로 내에서 동작하는 다수의 비혼화성 유체들(immiscible fluids)(예컨대, 상당히 상이한 굴절률을 갖는 유체와 함께 굴절률 매칭 유체)을 잠재적으로 사용할 수 있다.
[0057] 나노유체학은 나노스케일 구조들(예컨대, 1 내지 100 nm) 내에 국한된 유체들에 대한 연구이다. 나노스케일에서의 유체들의 물리적 특성은 유체의 거동들을 매크로스케일 구조들(예컨대, 터빈들) 또는 심지어 마이크로스케일 구조들(예컨대, 잉크젯 프린트 헤드들) 내의 거동들과 현저하게 상이하게 만든다. 예컨대, 전기삼투 현상은 나노스케일에서 훨씬 더 뚜렷하다.
[0058] 전기삼투 유동(또한 전기삼투로 지칭됨)은 모세관, 멤브레인, 마이크로채널 또는 임의의 다른 유체 도관과 같은 다공성 재료를 통해 인가된 전위에 의해 유도된 유체의 모션이다. 전기삼투는 물 또는 전해액과 같은 극성 유체의 순 이동 전하(net mobile electric charge)에 대한 전기장에 의해 유도된 쿨롱 힘(Coulomb force)에 의해 발생된다. 고체 표면과 전해액 사이의 화학적 평형이 전형적으로 순 고정 전하(net fixed electrical charge)를 획득하는 계면으로 이어지기 때문에, 전기 이중 층 또는 디바이(Debye) 층으로 알려진 이동 이온들의 층이 계면 인근 구역에 형성된다. 전기장이 유체에 (일반적으로 유입구들 및 유출구들에 배치된 전극들을 통해) 인가되면, 전기 이중 층의 순 전하는 결과적인 쿨롱 힘에 의해 이동하도록 유도된다. 유동의 특징은 고체 표면과 유체 사이의 화학적 상호작용, 채널의 특유한 길이 스케일, 및 인가된 전기장에 의존한다.
[0059] 도 15는 본 발명의 일부 실시예들에 따른, 전기삼투 효과에 기반한 동작 가능한 동적으로 작동 가능한 회절 격자(1500)의 분해도를 개략적으로 도시한다. 도 16은 동적으로 작동 가능한 회절 격자(1500)의 조립도를 도시한다. 회절 격자(1500)는 광학 도파관(1510) 상에 제조될 수 있고, 광학 도파관(1510)에 대한 인커플링 격자로서 기능할 수 있다. 도파관(1510)은, 예컨대, 사파이어 또는 다른 유전체 재료들을 포함할 수 있다. 회절 격자(1500)는 도파관(1510)의 표면에 커플링된 제1 투명한 전극(1520)을 포함할 수 있다. 제1 투명한 전극(1520)은, 예컨대, ITO(indium tin oxide), 그래핀 또는 다른 투명한 전도성 재료들을 포함할 수 있다.
[0060] 회절 격자(1500)는 도파관(1510)의 표면 상에 형성된 챔버(1530)를 더 포함한다. 챔버(1530)는 이산화 규소 또는 다른 적절한 재료들을 포함할 수 있다. 회절 격자(1500)는 제1 투명한 전극(1520) 상에 그리고 챔버(1530) 내에 형성된 나노스케일 회절 격자 구조(1540)를 더 포함한다. 회절 격자 구조(1540)는, 예컨대, 이산화 규소 또는 다른 유전체 재료들을 포함할 수 있다. 회절 격자 구조(1540)는 인접한 리지들(1542) 사이에 복수의 채널들(1544)을 갖는 복수의 리지들(1542)을 포함할 수 있다. 회절 격자 구조(1540)의 굴절률과 실질적으로 매칭하는 굴절률을 갖는 유체는 전기삼투를 통해 채널들(1544) 내외로 펌핑되고, 이로써 회절 격자(1500)를 동적으로 활성화 또는 비활성화시킬 수 있다. 챔버(1530)는 회절 격자 구조(1540) 및 유체 둘 모두를 하우징한다.
[0061] 회절 격자(1500)는 회절 격자 구조(1540)의 최상부에 커플링된 제2 투명한 전극(1550)을 더 포함한다. 제2 투명한 전극(1550)은 ITO(indium tin oxide), 그래핀 또는 다른 투명한 전도성 재료들을 포함할 수 있다. 제1 투명한 전극(1520) 및 제2 투명한 전극(1550)은, 광이 영향을 받지 않고 통과하게 허용하면서, 회절 격자(1500)를 활성화 또는 비활성화시키기 위해 전위를 제1 투명한 전극(1520) 및 제2 투명한 전극(1550)에 인가하는 것을 가능하게 할 수 있다. 회절 격자(1500)는 커버(1560)를 더 포함할 수 있다. 커버(1560)는 이산화 규소 또는 다른 유전체 재료들을 포함할 수 있다. 커버(1560)는 유체를 보유하기 위해 챔버(1530)를 시일링할 수 있다.
[0062] 도 17a 및 17b는 본 발명의 일부 실시예들에 따른, 도 15 및 16에 도시된 회절 격자(1500)의 동작 원리를 예시한다. "온" 상태에서, 도 17a에 예시된 바와 같이, 유체(1570)는 복수의 채널들(1544)의 최하부에서 약 100 nm의 높이로 균일하게 분포될 수 있다. "오프" 상태에서, 도 17b에 예시된 바와 같이, 유체(1570)는 약 200 nm의 높이까지 상방으로 끌어 당겨져, 복수의 채널들(1544)을 실질적으로 채운다. 유체(1570)는 제2 투명한 전극(1550)과 제1 투명한 전극(1520) 사이에 전압을 인가함으로써 전기삼투를 통해 상방으로 끌어 당겨질 수 있다. 회절 격자 구조(1540) 및 유체(1570)는, 회절 격자 구조(1540)가 유체(1570)에 침지될 때 광학적으로 보이지 않도록, 매칭하는 굴절률들을 갖는다. 전기삼투 전압을 반전 또는 이완시키는 것은 회절 격자 구조(1540)로부터 유체(1570)를 배출시키고, 이로써 회절 격자(1500)를 "온" 상태로 복귀시킬 수 있다.
[0063] 일부 실시예들에서, 유체(1570)는 약 1.33의 굴절률을 가질 수 있다. 유체(1570)는 순수한 물 또는 전해액과 같은 극성 유체일 수 있다. 액체 안정성을 보장하기 위해, 유체(1570)의 증발 및 응축(condensation)이 고려될 수 있다. 국한된 나노스케일 볼륨들에서 증발 및 응축은 무시할 수 있다. 증기압, 표면 처리, 온도 등을 조작함으로써 증발 및 응축이 제어될 수 있다.
[0064] 회절 격자 구조(1540)의 재료는 유체(1570)의 굴절률과 실질적으로 매칭하는 굴절률을 갖도록 선택될 수 있다. 극성 유체가 전형적으로 약 1.33의 낮은 굴절률을 갖기 때문에, 매칭 굴절률을 갖는 회절 격자 구조(1540)를 생성하는 것은 기술적으로 난제일 수 있다. 사각 증착(oblique-angle deposition)과 같은 일부 새로운 기술들은 매우 낮은 굴절률들(예컨대, 약 1.1 미만)을 갖는 이산화 규소막들을 생성할 수 있다.
[0065] 일부 실시예들에서, 회절 격자(1500)의 표면들의 습윤 특성들은 최적의 동작을 위해 화학적 처리에 의해 맞춤화될 수 있다. 예컨대, 챔버의 바닥(즉, 제1 투명한 전극(1520)의 표면)은 가장 높은 습윤 친화성을 갖도록 맞춤화될 수 있어서, 자동적으로(by default), "온" 상태에서, 유체(1570)가 챔버의 바닥에 부착될 수 있다. 처리되지 않은 ITO는 수용 가능한 습윤 특성을 가질 수 있다. 회절 격자 구조(1540)의 측면들은 중성 습윤 표면들을 갖도록 맞춤화될 수 있어서, 채널들(1544)의 상하로의 유체 이동에 대한 최소 임피던스가 존재할 수 있다. 챔버의 최상부(즉, 제2 투명한 전극(1550)의 표면)는 소수성이 되도록 맞춤화될 수 있어서, 유체(1570)는 최상부에 부착되지 않아서 "온"과 "오프" 사이의 신속한 스위칭을 가능하게 한다.
[0066] 전기삼투는 나노스케일에서 매우 효과적인 수송 메커니즘일 수 있다. 하나의 전하 종들은 나노챔버 벽들로 끌어 당겨질 수 있는 반면에, 반대의 유체 전하 종들은 반발될 수 있다. 각각의 종들은 유체 내에 층(전기 이중 층 또는 EDL로 지칭됨)을 형성할 수 있다. EDL의 끌어 당겨진 층이 대략 나노포어(nanopore)일 때, 나노포어 내에 순 전하 농도가 있을 수 있고, 나노포어 내의 유체는 인가된 전기장 하에서 로코모션(locomotion)을 겪을 것이다.
[0067] 전기삼투 유동을 유지하기 위해, 전형적으로 패러데이 반응들(Faradaic reactions)(환원 또는 산화)이 종들을 평형화(equilibrate)하기 위해 전극들에서 활용될 수 있다. 그러나, 회절 격자(1500)는 일부 실시예들에서 연속적인 유동이 아니라 정전기 푸시 또는 풀 변위들만을 보장한다. 따라서, 일부 실시예들에서, 패러데이 반응들이 활용되지 않을 수 있다. 전기분해가 발생할 수 있지만, 전극 재료 선택에 의해 완화될 수 있다. 예컨대, 전기삼투 힘들을 촉진시키기 위해 전해질들이 물에 첨가될 수 있다.
[0068] 일부 실시예들에서, 제1 투명한 전극(1520)과 제2 투명한 전극(1550) 사이의 거리는 약 300 nm일 수 있다. 제1 투명한 전극(1520)과 제2 투명한 전극(1550) 사이에 인가되는 3V 전압은 약 10 MV/m의 전기장을 생성할 수 있다. 공기의 유전 강도가 약 3MV/m이고, 물의 유전 강도가 약 35-70MV/m이며, 유리의 유전 강도가 약 9-14Mv/m이라는 것이 주목될 수 있다. 5mm x 5mm 및 50 % 듀티 사이클 격자에 대해, 200nm 높이의 격자들을 침지(submerge)시키기 위해 2.5 나노리터의 유체가 변위될 필요가 있을 수 있다.
[0069] 일부 실시예들에서, 전기삼투를 개시하기 위해 완전한 회로가 설정될 필요가 있다면, 격자들의 작은 부분들에 대한 선택적인 습윤 처리에 의해 작은 미크론-치수 채널들이 형성될 수 있다.
[0070] 도 18a 및 18b는 본 발명의 일부 실시예들에 따른, 전기삼투 효과에 기반한 동적으로 스위칭 가능한 회절 격자(1800)를 개략적으로 예시한다. 회절 격자(1800)는 기판(1810)의 표면에 걸쳐 측방으로 연장되는 복수의 채널들(1820)을 포함하는 기판(1810)을 포함한다. 복수의 채널들은 주기적 어레이로서 배열된다. 복수의 채널들(1820) 각각은 기판(1810)의 굴절률과 실질적으로 매칭하는 굴절률을 갖는 제1 유체(1870)로 채워질 수 있다. 일정량의 제2 유체(1860)를 보유하기 위해 각각의 채널들(1820)의 제2 단부(1840)에 유체 저장소(1850)가 형성될 수 있다. 제2 유체(1860)는 기판(1810)의 굴절률과 상이한 굴절률을 가질 수 있다. 제2 유체(1860)는 제1 유체(1870)와 혼화되지 않을 수 있다.
[0071] 회절 격자(1800)는 복수의 채널들(1820)의 제1 측방 단부에 인접하는 기판(1810)의 에지 상에 형성된 제1 전극(1830) 및 복수의 채널들(1820)의 제2 측방 단부에 인접하는 기판(1810)의 대향 에지 상에 형성된 제2 전극(1840)을 더 포함한다. 제1 전극(1830)과 제2 전극(1840) 사이의 전위 부재 시에, 일정량의 제2 유체(1860)는 각각의 채널(1820)의 제2 단부에서 저장소(1850)에 남아 있을 수 있어서, 도 18a에 예시된 바와 같이, 각각의 채널들(1820)이 제1 유체(1870)로 채워지게 된다. 제1 유체(1870)의 굴절률이 기판(1810)의 굴절률과 실질적으로 매칭하기 때문에, 회절 격자(1800)가 그 위에 입사되는 광을 회절시킬 수 없기 때문에, 회절 격자(1800)는 "오프" 상태에 있다.
[0072] 제1 전극(1830)과 제2 전극(1840) 사이에 전위가 인가될 때, 일정량의 제2 유체(1860)는, 도 18b에 예시된 바와 같이, 개개의 채널(1820)로부터 제1 유체(1870)를 변위시키면서, 개개의 채널(1820)을 채우기 위해 전기삼투를 통해 각각의 개개의 채널(1820)의 제1 단부를 향하여 끌어 당겨질 수 있다. 제2 유체(1860)의 굴절률이 기판(1810)의 굴절률과 상이하기 때문에, 회절 격자(1800)는 "온" 상태에 있다. 전위가 제거될 때, 일정량의 제2 유체(1860)는 각각의 채널(1820)의 제2 단부에서 저장소(1850)로 후퇴하여, 제1 유체(1870)가 각각의 채널(1820)을 다시 채우게 할 수 있다. 따라서, 이러한 방식으로, 제1 전극(1830)과 제2 전극(1840) 사이의 전위를 스위칭 온 및 오프함으로써, 그에 따라서 회절 격자(1800)가 턴 온 및 오프될 수 있다.
[0073] 도 19a 및 19b는 본 발명의 일부 다른 실시예들에 따른, 전기삼투 효과에 기반한 동적으로 스위칭 가능한 회절 격자(1900)를 개략적으로 예시한다. 동적으로 스위칭 가능한 회절 격자(1900)는, 단일의 제1 전극(1830)을 갖는 대신에, 복수의 제1 전극(1930) ― 각각의 제1 전극(1930)은 개개의 채널(1820)에 커플링됨 ― 을 갖는 것을 제외하고는, 도 18a 및 18b에 예시된 동적으로 스위칭 가능한 회절 격자(1800)와 유사하다. 따라서, 각각의 채널(1820)은 각각의 제1 전극과 제2 전극(1840) 사이의 전위를 턴 온 또는 오프함으로써 개별적으로 제어될 수 있다.
[0074] 예컨대, 도 19a에 예시된 예에서, 모든 각각의 채널(1820)은 제2 유체(1860)로 채워져서, 인접 채널들(1820) 사이의 간격과 동일한 주기로 회절 격자를 형성한다. 반면에, 도 19b에 예시된 예에서, 3개의 인접한 채널들(1820)의 매 2번째의 그룹은 제2 유체(1860)로 채워져서, 인접한 채널들(1820) 사이의 간격의 6배인 주기로 회절 격자를 형성한다. 따라서, 격자의 주기성은 각각의 채널들(1820)에 인가된 전위를 변조함으로써 동적으로 변경될 수 있다.
[0075] 위에 설명된 바와 같이, 격자 피치 또는 격자 벡터와 같은 격자 파라미터들이 동적으로 변동될 수 있는 회절 격자들은, 모든 컬러들(예컨대, RGB 컬러들) 및 지속적으로 가변적인 깊이를 서비스하기 위해 단지 하나의 동적으로 가변적인 격자가 활용되는 접안렌즈 구성들을 허용할 수 있다. 범위 및 응답 시간에 의존하여, 이들 동적 가변적인 격자들은 한 축에서 입력 빔의 빠른 스캐닝 또는 직교 축에서 입력 빔의 느린 스캐닝을 위해 활용될 수 있다.
[0076] 도 20은 본 발명의 일부 실시예들에 따른 동적 회절 격자(2000)의 단면도를 개략적으로 예시한다. 회절 격자(2000)는 (페이지에 수직으로 연장되는) 주기적 어레이로서 배열된 복수의 채널들(2020)을 갖는 기판(2010)을 포함한다. 동적 회절 격자(2000)는 기판(2010)의 대향 표면들 상에 형성된 제1 전극(2030) 및 제2 전극(2040)을 더 포함한다. 각각의 채널(2020)에 일정량의 제1 유체(2050)가 배치될 수 있다. 제1 유체(2050)의 최상부 상의 각각의 채널(2020)에 일정량의 제2 유체(2060)가 배치될 수 있다. 제2 유체(2060)는 제1 유체(2050)와 혼화되지 않을 수 있다. 도 21은 동적 회절 격자(2000)의 사시도를 도시한다.
[0077] 제1 전극(2030)과 제2 전극(2040) 사이의 전위 부재 시에, 제1 유체(2050)는 각각의 채널(2020)의 최하부 부분에 남아있고, 따라서 제2 유체(2060)가 각각의 채널(2020)을 채울 수 있게 할 수 있다. 제1 전극(2030)과 제2 전극(2040) 사이에 전위를 인가함으로써, 각각의 채널(2020)에서 제1 유체(2050)가 위로 끌어 당겨지고, 따라서 제1 유체(2060)를 변위시킬 수 있다. 일부 실시예들에서, 동적 회절 격자(2000)는 제1 유체(2050)를 보유하기 위해 각각의 채널(2020) 아래에 저장소(도시되지 않음)를 포함할 수 있다. 각각의 채널(2020)과 저장소를 연결하는 복수의 홀들 또는 연속 슬릿이 각각의 채널(2020)의 최하부에서 존재할 수 있어서, 전위가 인가될 때 제1 유체(2050)가 채널(2020)에서 위로 끌어 당겨질 수 있고, 전위가 제거될 때 저장소로 다시 후퇴할 수 있다.
[0078] 제1 유체(2050)는 제1 굴절률을 가질 수 있고, 제2 유체(2060)는 제1 굴절률과 상이한 제2 굴절률을 가질 수 있다. 따라서, 회절 격자(2000)는 전위가 오프일 때 (예컨대, 회절 각도들에 관련하여) 제1 회절 상태를 갖고, 전위가 온일 때 제2 회절 상태를 가질 수 있다. 예컨대, 제1 회절 상태에서, 회절 격자(2000)는 특정 파장에 대해 제1 회절 각도를 가질 수 있고; 제2 회절 상태에서, 회절 격자(2000)는 특정 파장에 대해 제1 회절 각도와 상이한 제2 회절 각도를 가질 수 있다. 따라서, 전위를 턴 온 및 오프함으로써, 회절 격자(2000)는 제1 회절 상태와 제2 회절 상태 사이에서 동적으로 스위칭될 수 있다.
[0079] 도 22는 본 발명의 일부 실시예들에 따른, 나노유체에 기반한 동적으로 스위칭 가능한 광학기를 갖는 접안렌즈(2200)를 개략적으로 예시한다. 접안렌즈(2200)는 제1 평면형 도파관(2210), 제1 도파관(2210) 뒤에 포지셔닝된 제2 평면형 도파관(2220) 및 제2 도파관(2220) 뒤에 포지셔닝된 제3 평면형 도파관(2230)을 포함할 수 있다. 제1 도파관(2210), 제2 도파관(2220) 및 제3 도파관(2230) 각각의 일측(예컨대, 도 22에 예시된 바와 같이 각각의 도파관의 좌측)은 각각의 개개의 도파관의 평면에 대해 비스듬히 경사진 면(facet)을 가질 수 있다. 각각의 도파관 상의 경사진 면은, 입사 광 빔(2250)이 개개의 도파관에 입사되는 구역에 포지셔닝될 수 있다.
[0080] 제1 나노유체 채널(2212)은 제1 도파관(2210)의 경사진 면 상에 형성될 수 있고; 제2 나노유체 채널(2222)은 제2 도파관(2220)의 경사진 면 상에 형성될 수 있고; 제3 나노유체 채널(2232)은 제3 도파관(2220)의 경사진 면 상에 형성될 수 있다. 유체(2240)는 전기삼투의 원리를 사용하여 동적으로 제1 나노유체 채널(2212), 제2 나노유체 채널(2222) 및 제3 나노유체 채널(2232) 각각의 내외로 펌핑될 수 있다. 유체(2240)가 나노유체 채널(2212, 2222 또는 2232)에 없을 때, 입사 광 빔(2250)은 경사진 면에서의 대응하는 도파관을 통해 투과될 수 있다. 예컨대, 도 22에 예시된 예에서, 입사 광 빔(2250)은 경사진 면에서 제1 도파관(2210)을 통해 투과되고, 제2 도파관(2220)에 입사된다.
[0081] 일부 실시예들에서, 유체(2240)는 반사성이 높을 수 있어서(예컨대, 금속성 유체), 유체(2240)가 나노유체 채널(2212, 2222 또는 2232) 내로 펌핑될 때, 입사 광 빔(2250)이 도파관-유체 계면에서 반사될 수 있다. 예컨대, 도 22에 예시된 예에서, 제2 나노유체 채널(2222)은 유체(2240)로 채워진다. 결과적으로, 제2 도파관(2220)에 입사하는 광 빔(2250)은 도파관-유체 계면에서 반사될 수 있고, TIR(total internal reflection)에 의해 제2 도파관(2220)에서 전파될 수 있다. 일부 다른 실시예들에서, 유체(2240)는, 도파관-유체 계면에서 내부 전반사가 발생할 수 있도록, 도파관의 굴절률보다 더 낮은 굴절률을 가질 수 있다. 따라서, 각각의 나노유체 채널(2212, 2222 또는 2232) 내외로 유체(2240)를 동적으로 펌핑함으로써, 입사 광 빔(2250)은 대응하는 도파관(2210, 2220 또는 2230)에 선택적으로 커플링될 수 있다. 따라서, 나노유체 채널들(2212, 2222 및 2232)은 접안렌즈(2200)에 대해 동적으로 실제로 인-커플링하는 광학 엘리먼트들로서 기능할 수 있다.
[0082] 도 23은 본 발명의 일부 다른 실시예들에 따른, 나노유체에 기반한 동적으로 스위칭 가능한 광학기를 갖는 접안렌즈(2300)를 개략적으로 예시한다. 접안렌즈(2300)는 제1 평면형 도파관(2310), 제1 도파관(2310) 뒤에 포지셔닝된 제2 평면형 도파관(2320) 및 제2 도파관(2320) 뒤에 포지셔닝된 제3 평면형 도파관(2330)을 포함할 수 있다. 회절 광학 엘리먼트(DOE)(2312)가 제1 도파관(2310)의 표면 상에 형성될 수 있다. DOE(2312)는 입사 광 빔(2350)이 제1 도파관(2310)에 입사되는 구역에 포지셔닝될 수 있다. DOE(2312)는, 도 23에 예시된 바와 같이, 입사 광 빔(2350)의 일부를 회절 각도로 회절된 광 빔(2360)으로서 제1 도파관(2310) 내로 회절시키도록 구성될 수 있다.
[0083] 접안렌즈(2300)는 제1 도파관(2310)과 제2 도파관(2320) 사이에 포지셔닝된 제1 나노유체 채널(2322) 및 제2 도파관(2320)과 제3 도파관(2330) 사이에 포지셔닝된 제2 나노유체 채널(2332)을 더 포함한다. 유체(2340)는 전기삼투의 원리를 사용하여 제1 나노유체 채널(2322) 및 제2 나노유체 채널(2332) 각각 내부 또는 외부로 동적으로 펌핑될 수 있다. 유체(2340)는, 유체(2340)가 나노유체 채널(2322 또는 2332)에 존재할 때, 도파관-유체 계면에 입사하는 회절된 광 빔(2360)이 투과될 수 있도록, 도파관의 굴절률보다 더 높은 굴절률을 가질 수 있다. 반면에, 유체(2340)가 나노유체 채널(2322 또는 2332)에 없을 때, 도파관과 빈 나노유체 채널 사이의 계면에 입사하는 회절된 광 빔(2360)은 TIR(total internal reflection)를 겪고, 대응하는 도파관에서 전파될 수 있다.
[0084] 예컨대, 도 23에 예시된 예에서, 제1 나노유체 채널(2322)은 유체(2340)로 채워지는 반면, 제2 나노유체 채널(2332)은 비어 있다(또는 부분적으로 비어있다). 따라서, 제1 도파관(2210)과 유체(2340) 사이의 계면에 입사하는 회절된 광 빔(2360)은 제2 도파관(2320)으로 전달되고; 그리고 제2 도파관(2320)과 빈 제2 나노유체 채널(2332) 사이의 계면에 입사된 투과된 광 빔(2360)이 반사되고, 후속적으로 TIR(total internal reflection)에 의해 제2 도파관(2320)에서 전파된다. 따라서, 각각의 나노유체 채널(2322, 2222 및 2332) 내외로 유체(2340)를 동적으로 펌핑함으로써, 입사 광 빔(2350)은 대응하는 도파관(2310, 2320 또는 2330)에 선택적으로 커플링될 수 있다.
[0085] 도 24는 본 발명의 일부 실시예들에 따른, 나노유체에 기반한 동적으로 작동 가능한 회절 격자들을 갖는 접안렌즈(2400)를 예시한다. 접안렌즈(2400)는 제1 평면형 도파관(2410), 제1 도파관(2410) 뒤에 포지셔닝된 제2 평면형 도파관(2420) 및 제2 도파관(2420) 뒤에 포지셔닝된 제3 평면형 도파관(2430)을 포함할 수 있다. 제1 동적 회절 격자(2412)가 제1 도파관(2410)의 표면 상에 형성될 수 있다. 제1 동적 회절 격자(2412)는, 입사 광 빔(2450)이 제1 도파관(2410)에 입사되는 측방 구역에 포지셔닝될 수 있다. 제2 동적 회절 격자(2422)가 제2 도파관(2420)의 표면 상에 형성될 수 있다. 제3 동적 회절 격자(2432)가 제3 도파관(2430)의 표면 상에 형성될 수 있다. 제2 동적 회절 격자(2422) 및 제3 동적 회절 격자(2432)는 제1 동적 회절 격자(2412)와 실질적으로 정렬되는 측방 포지션에 포지셔닝된다.
[0086] 제1 동적 회절 격자(2412), 제2 동적 회절 격자(2422) 및 제3 동적 회절 격자(2432) 각각은, 도 18a 및 18b에 예시되고 위에 설명된 것들과 유사한 전기삼투 효과에 기반하여 동적으로 턴 온 또는 오프될 수 있다. 예컨대, 도 24에 예시된 예에서, 제1 동적 회절 격자(2412)는 회절 격자(2422)의 채널들을 굴절률-매칭 유체(2440)로 채움으로써 턴 오프된다. 따라서, 입사 광 빔(2450)은 제1 동적 회절 격자(2412)에 의해 투과되고, 제2 도파관(2420)에 입사된다. 제2 동적 회절 격자(2422)는, 굴절률-매칭 유체(2440)를 채널들로부터 좌측으로 후퇴시킴으로써 턴 온된다. 따라서, 제2 동적 회절 격자(2422)에 입사하는 광 빔(2450)은 제2 동적 회절 격자(2422)에 의해 회절되고, 제2 도파관(2420)에 커플링되고, 후속적으로 TIR(total internal reflection)에 의해 제2 도파관(2420)에서 전파된다. 따라서, 제1 동적 회절 격자(2412), 제2 동적 회절 격자(2422) 및 제3 동적 회절 격자(2432) 각각을 동적으로 턴 온 또는 오프함으로써, 입사 광 빔(2450)은 대응하는 도파관(2410, 2420 또는 2430)에 선택적으로 커플링될 수 있다. 제1 동적 회절 격자(2412), 제2 동적 회절 격자(2422) 및 제3 동적 회절 격자(2432) 각각은 대응하는 도파관(2410, 2420 또는 2430)에 대한 ICG로서 기능할 수 있다.
[0087] 도 25는 본 발명의 일부 다른 실시예들에 따른, 나노유체에 기반한 동적으로 작동 가능한 회절 격자들을 갖는 접안렌즈(2500)를 예시한다. 접안렌즈(2400)는 제1 평면형 도파관(2510), 제1 도파관(2510) 뒤에 포지셔닝된 제2 평면형 도파관(2520) 및 제2 도파관(2520) 뒤에 포지셔닝된 제3 평면형 도파관(2530)을 포함할 수 있다. 제1 동적 회절 격자(2512)가 제1 도파관(2510)의 표면 상에 형성될 수 있다. 제1 동적 회절 격자(2512)는, 입사 광 빔(2550)이 제1 도파관(2510)에 입사되는 측방 구역에 포지셔닝될 수 있다. 제2 동적 회절 격자(2522)가 제2 도파관(2520)의 표면 상에 형성될 수 있다. 제3 동적 회절 격자(2532)가 제3 도파관(2530)의 표면 상에 형성될 수 있다. 제2 동적 회절 격자(2522) 및 제3 동적 회절 격자(2532)는 제1 동적 회절 격자(2512)와 실질적으로 정렬되는 측방 포지션에 포지셔닝된다.
[0088] 제1 동적 회절 격자(2512), 제2 동적 회절 격자(2522) 및 제3 동적 회절 격자(2532) 각각은, 도 20 및 21에 예시되고 위에 설명된 것들과 유사한 전기삼투 효과에 기반하여 동적으로 턴 온 또는 오프될 수 있다. 예컨대, 도 25에 예시된 예에서, 제1 동적 회절 격자(2512)는 제1 회절 격자(2512)의 채널들을 채우기 위해 굴절률-매칭 유체(2540)를 위로 끌어 당김으로써 턴 오프된다. 따라서, 입사 광 빔(2550)은 제1 동적 회절 격자(2512)에 의해 투과되고, 제2 도파관(2520)에 입사된다. 제2 동적 회절 격자(2522)는 채널들로부터 굴절률-매칭 유체(2540)를 낮춤으로써 턴 온된다. 따라서, 제2 동적 회절 격자(2522)에 입사하는 광 빔(2550)은 제2 동적 회절 격자(2522)에 의해 회절되고, 제2 도파관(2520)에 커플링되고, 후속적으로 TIR(total internal reflection)에 의해 제2 도파관(2520)에서 전파된다. 따라서, 제1 동적 회절 격자(2512), 제2 동적 회절 격자(2522) 및 제3 동적 회절 격자(2532) 각각을 동적으로 턴 온 또는 오프함으로써, 입사 광 빔(2550)은 대응하는 도파관(2510, 2520 또는 2530)에 선택적으로 커플링될 수 있다. 제1 동적 회절 격자(2512), 제2 동적 회절 격자(2522) 및 제3 동적 회절 격자(2532) 각각은 대응하는 도파관(2510, 2520 또는 2530)에 대한 ICG로서 기능할 수 있다.
[0089] 전기습윤은 전기장이 인가된 표면(전형적으로 소수성일 수 있음)의 습윤 특성들의 수정이다. 절연체 층은 전도성 기판 상에 형성된다. 이어서, 한 방울의 유체가 절연체 층의 표면 상에 배치된다. 한 방울의 유체와 전도성 기판 사이에 어떠한 전위도 없을 때, 절연체 층의 표면은 소수성이고, 따라서 표면 습윤은 상대적으로 적다. 한 방울의 유체와 전도성 기판 사이에 제로가 아닌 전위가 인가될 때, 절연체 층의 표면은 친수성이 되고, 따라서 한 방울의 유체는 절연체 층의 표면을 젖게 한다. 이 현상을 사용하여, 2-차원 그리드 상의 이산 액적들(디지털 마이크로유체)의 조작이 입증되었다.
[0090] 액체/절연체/반도체 스택을 형성하기 위해 전도성 기판을 반도체 기판으로 대체함으로써 광-전기습윤이 관찰될 수 있다. (투명할 수 있는) 절연체를 통해 반도체 기판 상에 광을 비춤으로써, 반도체 기판은 광전도성(photoconductivity)을 통해 전도성이 될 수 있다. 따라서, 절연체의 표면은 한 방울의 유체와 반도체 기판 사이에 전위를 인가함으로써 친수성이 될 수 있다.
[0091] 도 26a-26d는 본 발명의 다양한 실시예들에 따른, 일부 동적으로 스위칭 가능한 회절 격자들의 작동 원리로서 전기습윤을 사용하는 일부 동적으로 스위칭 가능한 회절 격자들을 개략적으로 예시한다. 도 26a를 참조하면, 동적으로 스위칭 가능한 회절 격자는 베이스 플레이트(2610) 및 베이스 플레이트(2610)의 표면으로부터 상방으로 연장되는(페이지에 수직인 방향으로 연장되는) 복수의 벽들(2620)을 포함한다. 복수의 벽들(2620)은 복수의 종방향 채널들(2630)(페이지에 수직인 방향으로 연장됨)을 정의한다. 채널들(2630)은 약 200nm의 폭을 가질 수 있다. 채널들(2630)의 폭은 광의 파장에 의존하여 변할 수 있다. 유체 저장소(2640)는 일정량의 유체(2650)를 보유하기 위해 베이스 플레이트(2610) 아래에 포지셔닝된다. 베이스 플레이트(2610)는 각각의 개개의 채널(2630) 아래에 홀 또는 슬릿(2612)을 가질 수 있어서, 유체(2650)가 개개의 채널(2630) 내로 유동할 수 있다.
[0092] 베이스 플레이트(2610)는 전도성 기판 및 그 위에 형성된 절연층을 포함할 수 있다. 채널들(2630)의 최하부를 형성하는 절연층은 전형적으로 소수성일 수 있다. 채널들(2630)의 벽들(2620)은 또한 전형적으로 소수성일 수 있다. 절연층 및 벽들(2620)의 재료들에 의존하여, 절연층의 표면 및 벽들(2620)의 표면은 소수성으로 거동하도록 화학적으로 처리될 수 있다. 따라서, 유체(2650)는 전형적으로, 도 26a에 도시된 바와 같이, 채널들(2630)이 아닌 저장소(2640)에 머무를 수 있다. 각각의 개개의 벽 및 대응하는 채널(2630)의 최하부의 습윤 특성을 소수성에서 친수성으로 변경하기 위해, 각각의 개개의 벽(2620)과 베이스 플레이트(2610)의 전도성 기판 사이에 전위가 인가될 수 있다. 따라서, 각각의 개개의 벽(2620)에 인가되는 전위를 제어함으로써, 개별 채널들(2630)이 선택적으로 유체(2650)로 채워질 수 있다.
[0093] 예컨대, 도 26b에 예시된 예에서, 매 2번째의 채널(2630)은 유체(2650)로 채워져, 각각의 채널(2630)의 폭의 두 배의 주기로 회절 격자를 형성한다. 도 26c에 예시된 예에서, 인접 채널들(2630)의 매 2번째의 쌍들은 유체(2650)로 채워져, 각각의 채널(2630)의 폭의 4 배의 주기로 회절 격자를 형성한다. 따라서, 격자의 주기성은 각각의 벽(2620)에 인가된 전위를 변조함으로써 동적으로 변경될 수 있다. 일부 실시예들에 따라, 하나의 동적으로 가변적인 격자는 모든 컬러들(예컨대, RGB 컬러들) 및 연속 가변적인 깊이를 서비스하는 데 사용될 수 있다. 범위 및 응답 시간에 의존하여, 이들 동적 가변적인 격자들은 한 축에서 입력 빔의 빠른 스캐닝 또는 직교 축에서 입력 빔의 느린 스캐닝을 위해 활용될 수 있다.
[0094] 도 26d를 참조하면, 일부 실시예들에서, 각각의 벽(2620)의 한 측면은 영구적인 소수성 표면을 갖도록 구성될 수 있어서, 유체가 벽(2620)의 다른 측면에만 부착될 수 있다. 각각의 채널(2630)의 최하부는 채널의 한 측면에서 다른 측면으로 측방으로 차등 전기습윤 특성을 갖도록 구성될 수 있다. 따라서, 채널(2630)을 채우는 유체(2650)는 삼각형 단면을 가질 수 있다. 도 26c에 예시된 예에서, 각각의 채널(2630)은, 각각의 채널(2630)의 폭과 동일한 주기로 톱니 형상의 회절 격자를 형성하도록 유체(2650)로 부분적으로 채워진다. 톱니 형상의 회절 격자는 블레이즈 격자로서 기능할 수 있다. 일부 실시예들에서, 유체는 압력을 가함으로써 채널들(2630) 내부 또는 외부로 펌핑될 수 있다.
[0095] 도 27a-27b는 본 발명의 일부 실시예들에 따른, 광-전기습윤에 기반한 동적 회절 격자(2700)를 개략적으로 예시한다. 동적 회절 격자(2700)는 반도체 상에 형성된 절연체를 포함할 수 있는 기판(2710)을 포함한다. 일정량의 유체(2720)가 기판(2710)의 표면 상에 배치될 수 있다. 유체(2720)와 기판(2730) 사이에 전기장을 인가하는 것과 관련하여 기판 상에 광 빔(2730)을 비춤으로써, 기판(2710)의 습윤 특성이 소수성에서 친수성으로 변경될 수 있거나 그 역도 가능하다. 일부 실시예들에서, 광 빔(2730)은 강도 패턴을 가질 수 있다. 따라서, 일정량의 유체(2720)는, 도 27b에 예시된 스트라이프들과 같은 강도 패턴에 대응하는 패턴을 기판(2710) 상에 형성할 수 있다. 유체(2720)의 스트라이프들은 회절 격자로서 기능할 수 있다. 예컨대, 규칙적으로 이격된 스트라이프들의 강도 패턴은 2개의 코히어런트 광 빔들의 간섭 프린지들로서 형성될 수 있다. 이러한 방식으로, 회절 격자(2700)는 광 빔을 턴 온 또는 오프함으로써 동적으로 턴 온 또는 오프될 수 있다. 추가적으로 또는 대안적으로, 회절 격자(2700)의 주기성 또는 배향은 광 빔(2730)의 강도 패턴을 변경함으로써 동적으로 변경될 수 있다.
[0096] 또한, 본원에서 설명된 예들 및 실시예들은 단지 예시 목적들을 위한 것이고, 이에 대한 다양한 수정들 또는 변화들이 당업자에게 연상될 것이며 본 출원의 사상 및 범위 및 첨부된 청구항들의 범위 내에 포함될 것임이 이해된다.

Claims (20)

  1. 표면을 갖는 기판 ― 상기 표면은 제1 구역 및 상기 제1 구역으로부터 측방으로 변위된 제2 구역을 포함함 ― ;
    상기 기판의 상기 표면의 상기 제1 구역 상에 배치된 회절 격자 ― 상기 회절 격자는 제1 굴절률을 갖고 복수의 리지들(ridges) 및 인접한 리지들 사이의 복수의 그루브들(grooves)을 포함함 ― ;
    상기 기판의 상기 표면의 상기 제2 구역 상에 배치된 일정량의 유체(a quantity of a fluid) ― 상기 유체는 상기 회절 격자의 상기 제1 굴절률과 실질적으로 매칭하는 제2 굴절률을 가짐 ― ;
    상기 기판의 상기 표면의 상기 제2 구역에 인접하게 배치된 유체 디스플레이서(fluid displacer); 및
    상기 유체 디스플레이서에 커플링되고 전기 신호를 상기 유체 디스플레이서에 전송하도록 구성된 구동 신호 소스 ― 상기 전기 신호는 제1 상태 및 제2 상태를 가짐 ― 를 포함하고,
    상기 유체 디스플레이서는:
    상기 제1 상태의 상기 전기 신호를 수신할 때, 상기 일정량의 유체 중 일부로 하여금 상기 표면의 상기 제2 구역으로부터 상기 회절 격자의 상기 그루브들로 변위되게 하고, 이로써 상기 회절 격자로 하여금 "오프" 상태에 있게 하고; 그리고
    상기 제2 상태의 상기 전기 신호를 수신할 때, 상기 일정량의 유체 중 일부로 하여금 상기 회절 격자의 상기 그루브들로부터 상기 표면의 상기 제2 구역으로 후퇴(retract)하게 하고, 이로써 상기 회절 격자로 하여금 "온" 상태에 있게 하도록 구성되는,
    동적으로 작동 가능한 DOE(diffractive optical element).
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 기판은 친수성 재료(hydrophilic material)를 포함하고, 상기 회절 격자는 소수성 재료(hydrophobic material)를 포함하는,
    동적으로 작동 가능한 DOE.
  3. 제2 항에 있어서,
    상기 친수성 재료는 유리를 포함하고, 상기 소수성 재료는 중합체를 포함하는,
    동적으로 작동 가능한 DOE.
  4. 제1 항에 있어서,
    상기 유체 디스플레이서는 압전 엘리먼트(piezoelectric element)를 포함하는,
    동적으로 작동 가능한 DOE.
  5. 제1 항에 있어서,
    상기 유체 디스플레이서는:
    상기 기판의 상기 표면의 상기 제2 구역에 부착된 바이메탈릭 레버(bimetallic lever);
    상기 바이메탈릭 레버에 부착되고 상기 회절 격자 위에 놓인 광학 윈도우; 및
    상기 바이메탈릭 레버 및 상기 구동 신호 소스에 커플링된 가열 엘리먼트를 포함하고,
    상기 가열 엘리먼트는:
    상기 구동 신호 소스로부터 상기 제1 상태의 상기 전기 신호를 수신할 때, 오프 상태에 있고; 그리고
    상기 구동 신호 소스로부터 상기 제2 상태의 상기 전기 신호를 수신할 때, 온 상태에 있도록 구성되고,
    상기 바이메탈릭 레버는:
    상기 가열 엘리먼트가 상기 오프 상태에 있는 것에 대한 응답으로, 상기 광학 윈도우로 하여금 상기 회절 격자에 대해 가압되게 하고, 이로써 상기 일정량의 유체 중 일부로 하여금 상기 표면의 상기 제2 구역으로부터 상기 회절 격자의 상기 그루브들로 변위되게 하기 위해 직선 상태(straight state)로 유지되고; 그리고
    상기 가열 엘리먼트가 상기 온 상태에 있는 것에 대한 응답으로, 상기 광학 윈도우로 하여금 상기 회절 격자로부터 들어 올려지게 하고, 이로써 상기 일정량의 유체 중 일부로 하여금 상기 회절 격자의 상기 그루브들로부터 상기 표면의 상기 제2 구역으로 후퇴하게 하기 위해 굽힘 상태(curved state)로 유지되도록 구성되는,
    동적으로 작동 가능한 DOE.
  6. 제1 항에 있어서,
    상기 회절 격자 위에 놓인 투명한 커버를 더 포함하고,
    상기 유체 디스플레이서는:
    U-형상 댐(U-shaped dam);
    상기 U-형상 댐에 커플링되고 상기 표면의 상기 제2 구역에 인접하게 배치된 탄성 벽 ― 상기 투명한 커버, 상기 U-형상 댐 및 상기 탄성 벽은 상기 회절 격자 및 상기 일정량의 유체를 밀봉함 ― ;
    상기 탄성 벽에 부착된 푸싱 부재(pushing member); 및
    상기 푸싱 부재 및 상기 구동 신호 소스에 커플링된 구동 메커니즘을 포함하고,
    상기 구동 메커니즘은:
    상기 구동 신호 소스로부터 상기 제1 상태의 상기 전기 신호를 수신할 때, 상기 푸싱 부재로 하여금 상기 회절 격자를 향해 이동하게 하고, 이로써 상기 일정량의 유체 중 일부로 하여금 상기 표면의 상기 제2 구역으로부터 상기 회절 격자의 상기 그루브들로 변위되게 하고; 그리고
    상기 구동 신호 소스로부터 상기 제2 상태의 상기 전기 신호를 수신할 때, 상기 푸싱 부재로 하여금 상기 회절 격자로부터 떨어져 이동하게 하고, 이로써 상기 일정량의 유체 중 일부로 하여금 상기 회절 격자의 상기 그루브들로부터 상기 표면의 상기 제2 구역으로 후퇴하게 하도록 구성되는,
    동적으로 작동 가능한 DOE.
  7. 제6 항에 있어서,
    상기 구동 메커니즘은 MEMS(microelectromechanical systems) 조립체를 포함하고,
    상기 MEMS 조립체는:
    상기 기판에 고정적으로 부착된 제1 콤(comb);
    상기 기판에 이동 가능하게 부착되고 상기 제1 콤과 서로 맞물리는 제2 콤 ― 상기 제2 콤은 상기 푸싱 부재에 부착됨 ― 을 포함하고,
    상기 구동 메커니즘은:
    상기 제1 상태의 상기 전기 신호를 수신할 때, 상기 제2 콤 및 상기 푸싱 부재로 하여금 상기 제1 콤으로부터 떨어져 상기 회절 격자를 향해 이동하게 하기 위해 상기 제1콤과 상기 제2 콤 사이에 전위를 인가하고; 그리고
    상기 제2 상태의 상기 전기 신호를 수신할 때, 상기 제2 콤 및 상기 푸싱 부재로 하여금 오리지널 포지션으로 후퇴하게 하기 위해 상기 제1 콤과 상기 제2 콤 사이에 어떠한 전위도 인가하지 않도록 구성되는,
    동적으로 작동 가능한 DOE.
  8. 제6 항에 있어서,
    상기 구동 메커니즘은:
    제1 단부 및 제2 단부를 갖는 나선 형태의 형상 기억 합금(shape memory alloy) ― 상기 제2 단부는 상기 푸싱 부재에 부착됨 ― ;
    상기 기판에 부착된 제1 전극 ― 상기 형상 기억 합금의 상기 제1 단부는 상기 제1 전극에 부착됨 ― ; 및
    상기 투명한 커버에 부착된 제2 전극 ― 상기 형상 기억 합금의 상기 제2 단부는 상기 제2 전극과 슬라이딩 가능하게 접촉함 ― 을 포함하고,
    상기 구동 메커니즘은:
    상기 제1 상태의 상기 전기 신호를 수신할 때, 상기 형상 기억 합금으로 하여금 팽창하게 하고, 이로써 상기 형상 기억 합금의 상기 제2 단부로 하여금 상기 푸싱 부재를 상기 회절 격자를 향해 푸시하게 하기 위해 상기 제1 전극과 상기 제2 전극 사이에 전위를 인가하고; 그리고
    상기 제2 상태의 상기 전기 신호를 수신할 때, 상기 형상 기억 합금으로 하여금 오리지널 상태로 수축하게 하고, 이로써 상기 푸싱 부재로 하여금 오리지널 포지션으로 후퇴하게 하기 위해 상기 제1 전극과 상기 제2 전극 사이에 어떠한 전위도 인가하지 않도록 구성되는,
    동적으로 작동 가능한 DOE.
  9. 제1 항에 있어서,
    상기 회절 격자 위에 놓인 광학 윈도우를 더 포함하고,
    상기 유체 디스플레이서는:
    상기 기판의 상기 표면의 상기 제2 구역에 인접하게 상기 광학 윈도우 위에 놓인 트러스(truss); 및
    상기 트러스와 상기 광학 윈도우 사이에 배치되고 상기 구동 신호 소스에 커플링된 작동기를 포함하고,
    상기 유체 디스플레이서는:
    상기 제1 상태의 상기 전기 신호를 수신할 때, 상기 광학 윈도우로 하여금 상기 회절 격자를 향해 하방으로 구부러지게 하고, 이로써 상기 일정량의 유체 중 일부로 하여금 상기 표면의 상기 제2 구역으로부터 상기 회절 격자의 상기 그루브들로 변위되게 하도록, 상기 작동기로 하여금 상기 광학 윈도우 상에 힘을 가하게 하기 위해 전류를 상기 작동기에 인가하고; 그리고
    상기 제2 상태의 상기 전기 신호를 수신할 때, 상기 광학 윈도우로 하여금 오리지널 포지션으로 후퇴하게 하고, 이로써 상기 일정량의 유체 중 일부로 하여금 상기 회절 격자의 상기 그루브들로부터 상기 표면의 상기 제2 구역으로 후퇴하게 하기 위해 상기 전류를 상기 작동기에 인가하지 않도록 구성되는,
    동적으로 작동 가능한 DOE.
  10. 제9 항에 있어서,
    상기 작동기는 압전 엘리먼트, 보이스 코일 모터(voice coil motor), 또는 열 팽창 가능한 바디 중 하나를 포함하는,
    동적으로 작동 가능한 DOE.
  11. 제1 항에 있어서,
    상기 유체 디스플레이서는 상기 일정량의 유체와 열 접촉하는 가열 엘리먼트를 포함하고,
    상기 유체 디스플레이서는:
    상기 제1 상태의 상기 전기 신호를 수신할 때, 상기 일정량의 유체로 하여금 가열(heat up) 및 팽창하게 하고, 이로써 상기 일정량의 유체 중 일부로 하여금 상기 표면의 상기 제2 구역으로부터 상기 회절 격자의 상기 그루브들로 변위되게 하기 위해 전류를 상기 가열 엘리먼트에 인가하고; 그리고
    상기 제2 상태의 상기 전기 신호를 수신할 때, 상기 일정량의 유체로 하여금 냉각(cool down) 및 수축하게 하고, 이로써 상기 일정량의 유체 중 일부로 하여금 상기 회절 격자의 상기 그루브들로부터 상기 표면의 상기 제2 구역으로 후퇴하게 하기 위해 상기 전류를 상기 가열 엘리먼트에 인가하지 않도록 구성되는,
    동적으로 작동 가능한 DOE.
  12. 가상 콘텐츠의 이미지를 형성하기 위해 이미지 광을 뷰어의 눈에 투사하기 위한 접안렌즈로서,
    제1 파장에 중심을 둔 제1 파장 범위의 광을 전파하도록 구성된 제1 평면형 도파관;
    제1 측방 포지션에서 상기 제1 도파관의 표면의 제1 구역 상에 형성되고, 상부에 입사되는 상기 이미지 광을 수신하도록 구성된 제1 동적으로 작동 가능한 DOE(diffractive optical element):
    상기 제1 도파관의 평면에 실질적으로 평행하게 포지셔닝되고, 상기 제1 파장과 상이한 제2 파장에 중심을 둔 제2 파장 범위의 광을 전파하도록 구성된 제2 평면형 도파관; 및
    상기 제1 측방 포지션과 실질적으로 정렬된 제2 측방 포지션에서 상기 제2 도파관의 표면의 구역 상에 형성된 제2 DOE를 포함하고,
    상기 제1 동적으로 작동 가능한 DOE는:
    제1 굴절률을 갖고 복수의 리지들 및 인접한 리지들 사이의 복수의 그루브들을 포함하는 표면-릴리프 회절 격자(surface-relief diffraction grating);
    상기 제1 구역에 인접하게 상기 제1 도파관의 상기 표면의 제2 구역 상에 배치된 일정량의 유체 ― 상기 유체는 상기 회절 격자의 상기 제1 굴절률과 실질적으로 매칭하는 제2 굴절률을 가짐 ― ;
    상기 제2 구역에 인접하게 배치된 유체 디스플레이서; 및
    상기 유체 디스플레이서에 커플링되고 전기 신호를 상기 유체 디스플레이서에 전송하도록 구성된 구동 신호 소스 ― 상기 전기 신호는 제1 상태 또는 제2 상태를 가짐 ― 를 포함하고,
    상기 유체 디스플레이서는:
    상기 제1 상태의 상기 전기 신호를 수신할 때, 상기 일정량의 유체 중 일부로 하여금 상기 제2 구역으로부터 상기 회절 격자의 상기 그루브들로 변위되게 하고, 이로써 상기 회절 격자로 하여금 "오프" 상태에 있게 하고; 그리고
    상기 제2 상태의 상기 전기 신호를 수신할 때, 상기 일정량의 유체 중 일부로 하여금 상기 회절 격자의 상기 그루브들로부터 상기 제2 구역으로 후퇴하게 하고, 이로써 상기 회절 격자로 하여금 "온" 상태에 있게 하도록 구성되고,
    상기 회절 격자는:
    상기 "온" 상태에 있는 동안, 상기 제1 도파관 내로 전파되도록 상기 회절 격자 상에 입사되는 상기 이미지 광 중 일부를 상기 제1 도파관으로 회절시키고; 그리고
    상기 "오프" 상태에 있는 동안, 상기 회절 격자 상에 입사되는 상기 이미지 광을 투과시키도록 구성되고,
    상기 제2 DOE는:
    상기 회절 격자가 상기 "오프" 상태에 있는 동안, 상기 회절 격자에 의해 투과된 상기 이미지 광을 수신하고; 그리고
    상기 제2 도파관 내로 전파되도록 상기 이미지 광의 제2 부분을 상기 제2 도파관으로 회절시키도록 구성되는,
    가상 콘텐츠의 이미지를 형성하기 위해 이미지 광을 뷰어의 눈에 투사하기 위한 접안렌즈.
  13. 제12 항에 있어서,
    상기 이미지 광은 복수의 서브프레임 시간 기간들에서 시간-다중화된 상기 제1 파장 범위의 광 및 상기 제2 파장 범위의 광을 포함하고,
    상기 구동 신호 소스는:
    서브프레임 시간 기간들에서, 상기 제2 파장 범위의 광에 대응하는 상기 제1 상태의 상기 전기 신호를 전송하고; 그리고
    서브프레임 시간 기간들에서, 상기 제1 파장 범위의 광에 대응하는 상기 제2 상태의 상기 전기 신호를 전송하도록 구성되는,
    가상 콘텐츠의 이미지를 형성하기 위해 이미지 광을 뷰어의 눈에 투사하기 위한 접안렌즈.
  14. 제12 항에 있어서,
    상기 제1 도파관은 친수성 재료를 포함하고, 상기 회절 격자는 소수성 재료를 포함하는,
    가상 콘텐츠의 이미지를 형성하기 위해 이미지 광을 뷰어의 눈에 투사하기 위한 접안렌즈.
  15. 제14 항에 있어서,
    상기 친수성 재료는 유리를 포함하고, 상기 소수성 재료는 중합체를 포함하는,
    가상 콘텐츠의 이미지를 형성하기 위해 이미지 광을 뷰어의 눈에 투사하기 위한 접안렌즈.
  16. 제12 항에 있어서,
    상기 제1 도파관의 상기 표면의 상기 제2 구역은 친수성으로 거동하도록 화학적으로 처리되고, 상기 회절 격자의 표면은 소수성으로 거동하도록 화학적으로 처리되는,
    가상 콘텐츠의 이미지를 형성하기 위해 이미지 광을 뷰어의 눈에 투사하기 위한 접안렌즈.
  17. 제12 항에 있어서,
    상기 유체 디스플레이서는 압전 엘리먼트를 포함하는,
    가상 콘텐츠의 이미지를 형성하기 위해 이미지 광을 뷰어의 눈에 투사하기 위한 접안렌즈.
  18. 표면을 갖는 기판;
    상기 기판의 상기 표면 상에 형성된 메타표면 DOE(diffractive optical element) ― 상기 메타표면 DOE는 상기 표면 위로 돌출되는 복수의 융기된 부분들(raised portions)을 포함하고, 인접한 융기된 부분들 사이에 복수의 리세스들이 규정됨 ― ;
    상기 메타표면 DOE 위에 놓이고 친수성 재료를 포함하는 이동 가능한 커버;
    상기 이동 가능한 커버 상에 배치된 일정량의 유체; 및
    상기 이동 가능한 커버에 커플링된 구동 메커니즘을 포함하고,
    상기 구동 메커니즘은:
    제1 상태에서 제어 신호를 수신할 때, 상기 일정량의 유체 중 일부를 상기 복수의 리세스들로 변위시키고, 이로써 상기 메타표면 DOE를 "오프" 상태로 렌더링하기 위해, 상기 이동 가능한 커버를 상기 메타표면 DOE를 향해 이동시키고; 그리고
    제2 상태에서 제어 신호를 수신할 때, 상기 일정량의 유체 중 일부로 하여금 상기 복수의 리세스들로부터 후퇴하게 하고, 이로써 상기 메타표면 DOE를 “오프" 상태로 렌더링하기 위해, 상기 이동 가능한 커버를 상기 메타표면 DOE로부터 떨어져 이동시키도록 구성되는,
    동적으로 작동 가능한 렌즈.
  19. 제18 항에 있어서,
    상기 메타표면 DOE는 소수성 재료를 포함하는,
    동적으로 작동 가능한 렌즈.
  20. 제18 항에 있어서,
    상기 복수의 융기된 부분들은 100 나노미터 미만의 최대 횡단 치수를 갖는,
    동적으로 작동 가능한 렌즈.
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