KR20220016990A

KR20220016990A - 투과 및 반사 격자를 통합하는 도파관 및 관련 제조 방법

Info

Publication number: KR20220016990A
Application number: KR1020227000477A
Authority: KR
Inventors: 조나단 데이비드 월던; 알라스테어 존 그랜트; 혜석 이; 제럴드 벅스턴; 밀란 몸실로 포포비치
Original assignee: 디지렌즈 인코포레이티드.
Priority date: 2019-06-07
Filing date: 2020-06-08
Publication date: 2022-02-10
Also published as: CN114207492A; US11747568B2; JP2022535460A; EP3980825A1; EP3980825A4; WO2020247930A1; US20240027689A1; US20200386947A1; US20220099898A1

Abstract

레이저 광에 의한 균일성을 개선하는, 즉 도파관에서 발생하는 밴딩을 감소시키고 다른 조명 아티팩트를 개선하는 멀티플렉싱된 반사 및 투과 격자들, 및 이들의 제조 방법들이 제공된다. 이를 위한 메커니즘은 도파관 반사 표면들과 반사 홀로그램 사이의 다중 반사일 수 있으며, 이는 도파관 내의 빔 전파 프로세스들로서 조사 평균화를 촉진한다. 일부 격자들에서, 멀티플렉싱된 격자들과 중첩하는 빔 스플리터 층이 레이저 조사 도파관에서의 밴딩을 감소시키기 위해 제공될 수 있다. 빔 스플리터는 하나 이상의 유전체 층에 의해 제공될 수 있다. 빔 스플리터는 하나의 편광에 민감할 수 있다. 빔 스플리터는 S-편광에 민감할 수 있다. 빔 스플리터는 유리 또는 플라스틱에 침지될 때 높은 TIR 각에서 반사성이 되는 수직 입사에 최적화된 반사 방지 코팅일 수 있다.

Description

투과 및 반사 격자를 통합하는 도파관 및 관련 제조 방법

본 개시는 도파관 디바이스에 관한 것으로, 특히 홀로그래픽 도파관 디스플레이에 관한 것이다.

도파관들은 파들을 국한시키고(즉, 파들이 전파될 수 있는 공간 영역을 한정함) 유도하는 능력을 갖는 구조들로서 지칭될 수 있다. 하나의 하위 부류는 전자기파, 통상적으로 가시 스펙트럼 내의 전자기파를 유도할 수 있는 구조들인 광 도파관을 포함한다. 도파관 구조들은 다수의 상이한 메커니즘들을 사용하여 파의 전파 경로를 제어하도록 설계될 수 있다. 예를 들어, 평면형 도파관은 회절 격자들을 이용하여 입사광을 회절시키고 도파관 구조 내로 커플링시키도록 설계될 수 있어서, 인-커플링된 광은 평면형 구조 내에서 내부 전반사(total internal reflection, TIR)를 통해 진행될 수 있다.

도파관들의 제조는 도파관들 내의 홀로그래픽 광학 소자들의 기록을 가능하게 하는 물질 시스템의 사용을 포함할 수 있다. 이러한 물질의 한 부류는 고분자 분산형 액정(polymer dispersed liquid crystal, PDLC) 혼합물 - 이는 광중합성 단량체 및 액정을 함유하는 혼합물임 - 을 포함한다. 이러한 혼합물의 보다 더 하위 부류는 홀로그래픽 고분자 분산형 액정(holographic polymer dispersed liquid crystal, HPDLC) 혼합물을 포함한다. 홀로그래픽 광학 소자들, 이를테면 체적 위상 격자(volume phase grating)들은 물질을 두 상호 간섭성 레이저 빔들로 조사함으로써 이러한 액체 혼합물에 기록될 수 있다. 기록 프로세스 동안, 단량체는 중합되고, 혼합물은 광중합 유도된 상 분리를 거쳐, 액정 미세 액적들이 밀집된 영역들 사이사이에 투명한 중합체의 영역들을 생성한다. 교대로 액정이 풍부한 영역들과 액정이 격감된 영역들은 격자의 프린지 면들을 형성한다. 이로 인한 격자 - 스위칭 가능한 브래그 격자(switchable Bragg grating, SBG)로 통칭됨 - 는 체적 또는 브래그 격자들과 통상적으로 연관되는 속성들을 모두 갖지만, 격자를 회절 효율(요구되는 방향으로 회절되는 입사광의 비율)의 연속적인 범위에 걸쳐 전기적으로 조정하는 능력과 조합되어 훨씬 더 높은 굴절률 변조 범위들을 갖는다. 후자는 비회절(회절이 전혀 없음)에서 100% 효율에 가까운 회절까지 확장될 수 있다.

상술된 것들과 같은 도파관 광학 장치는 다양한 디스플레이 및 센서 적용에 고려될 수 있다. 많은 적용예들에서, 다수의 광학 기능들을 인코딩하는 하나 이상의 격자층을 포함하는 도파관들은 다양한 도파관 아키텍처들 및 물질 시스템들을 사용하여 실현될 수 있어서, 도로 교통, 항공, 및 군사 적용을 위한 증강 현실(augmented reality, AR) 및 가상 현실(virtual reality, VR)을 위한 근안 디스플레이들, 컴팩트 헤드업 디스플레이(head-up display, HUD)들 및 헬멧 장착 디스플레이들 또는 헤드 장착 디스플레이(head-mounted display, HMD)들, 및 생체 인식 및 레이저 레이더(laser radar, LIDAR) 적용을 위한 센서들에서 새로운 혁신들을 가능하게 한다.

본 발명의 다양한 실시예들에 따른 투과 및 반사 격자들을 통합하는 홀로그래픽 도파관 디스플레이들을 구현하기 위한 시스템들 및 방법들이 도시된다. 일 실시예는 도파관 디스플레이로서, 적어도 하나의 이미지 데이터에 따라 변조되는 광원 및 도파관을 포함하며, 도파관은 적어도 하나의 투과 격자, 적어도 하나의 반사 격자 - 적어도 하나의 반사 격자 및 적어도 하나의 투과 격자가 적어도 부분적으로 중첩됨 -, 및 광원으로부터의 광을 도파관 내의 TIR 경로로 커플링하기 위한 적어도 하나의 입력 커플러를 포함하는 것인, 도파관 디스플레이를 포함한다.

또 다른 실시예에서, 적어도 하나의 반사 격자 및 적어도 하나의 투과 격자는 단일 격자층에서 멀티플렉싱된다.

추가 실시예에서, 적어도 하나의 입력 커플러는 격자이다.

또 다른 실시예에서, 적어도 하나의 입력 커플러는 입력 투과 격자를 포함하고, 적어도 하나의 투과 격자는 폴드 투과 격자 및 출력 투과 격자를 포함하며, 입력 투과 격자, 폴드 투과 격자 및 출력 투과 격자 중 적어도 하나는 적어도 하나의 반사 격자와 멀티플렉싱된다.

또 다른 추가 실시예에서, 적어도 하나의 입력 커플러는 입력 투과 격자를 포함하고, 적어도 하나의 투과 격자는 제1 및 제2 폴드 투과 격자들을 포함하고, 적어도 하나의 반사 격자는 입력 투과 격자 및 제1 및 제2 폴드 투과 격자들 중 적어도 하나와 중첩되고, 제1 및 제2 폴드 투과 격자들은 서로 중첩되고, 제1 및 제2 폴드 투과 격자들은 교차 K-벡터들을 가지며, 폴드 투과 격자들 각각은 입력 격자로부터의 광을 빔-익스팬딩(beam-expand)하고, 이를 다른 폴드 투과 격자를 향해 커플링시킨 다음, 광을 빔-익스팬딩하고 이를 관찰자를 향해 추출하도록 구성된다.

또 다른 실시예에서, 격자들 각각은 실질적으로 제로 크기를 갖는 결과 벡터를 조합하여 제공하는 격자 벡터를 갖는다.

또 다른 추가 실시예에서, 광은 격자들 중 적어도 하나 내에서 이중 상호 작용을 거친다.

또 다른 추가 실시예에서, 도파관 디스플레이는 적어도 하나의 반사 격자를 중첩시키는 빔 스플리터 층을 더 포함한다.

또 다른 추가 실시예에서, 도파관 디스플레이는 적어도 하나의 반사 격자를 중첩시키는 정렬 층을 더 포함한다.

또 다른 추가 실시예에서, 데이터 변조 광원은 레이저 스캐닝 프로젝터, 마이크로 디스플레이 패널, 및/또는 발광 디스플레이 중 하나이다.

또 다른 추가 실시예에서, 광원은 상이한 적어도 두 파장들을 제공한다.

또 다른 실시예에서, 격자들 중 적어도 하나는 굴절률 변조, K-벡터, 격자 벡터, 격자 피치, 및/또는 복굴절 중 하나인 속성의 공간적 변형을 특징으로 한다.

또 다른 추가 실시예에서, 격자들은 파장 대역, 각도 대역폭, 및/또는 편광 상태 중 하나인 속성을 복수의 개별 광 경로들에 제공하도록 구성된다.

또 다른 추가 실시예에서, 도파관은 곡선형이다.

또 다른 추가 실시예에서, 도파관은 GRIN 구조를 통합한다.

또 다른 추가 실시예에서, 도파관은 플라스틱이다.

또 다른 추가 실시예에서, 격자들 중 적어도 하나는 홀로그래픽 광중합체에 기록되는 스위칭 가능한 브래그 격자, HPDLC 물질, 균일 변조 홀로그래픽 액정 중합체 물질에 기록되는 스위칭 가능한 브래그 격자, 광중합체 물질에 기록되는 브래그 격자, 및/또는 표면 릴리프 격자(surface relief grating) 중 하나인 구조를 포함한다.

또 다른 추가 실시예는 홀로그래픽 도파관을 제조하는 방법으로서, 적어도 하나의 광원, 홀로그래픽 기록 물질층, 및 적어도 부분적으로 반사성인 표면을 제공하는 단계, 적어도 하나의 광원을 사용하여 제1 기록 빔 및 제2 기록 빔을 형성하는 단계, 제1 기록 빔 및 제2 기록 빔을 홀로그래픽 기록 물질층으로 투과시키는 단계, 제1 기록 빔의 일부분을 홀로그래픽 기록 물질층을 통해 적어도 부분적으로 반사성인 표면을 향해 투과시키는 단계, 제1 빔의 투과된 부분을 적어도 부분적으로 반사성인 표면에서 다시 홀로그래픽 기록 물질층으로 반사시키는 단계, 제1 기록 빔 및 제2 기록 빔을 사용하여 홀로그래픽 기록 물질층에 투과 격자를 형성하는 단계, 및 제1 기록 빔 및 제2 기록 빔의 반사된 부분을 사용하여 홀로그래픽 기록 물질층에 반사 격자를 형성하는 단계를 포함하는, 방법을 포함한다.

또 다른 추가 실시예에서, 본 방법은 반사 격자를 지지하기 위한 액정 및 중합체 앵커링 구조를 형성하는 단계를 더 포함한다.

또 다른 추가 실시예는 홀로그래픽 도파관을 제조하는 방법으로서, 마스터 격자, 기록 물질층을 지지하는 기재, 광원, 및 기록 물질층에 대해 마스터 격자와 반대편에 배치된 적어도 부분적으로 반사성인 표면을 제공하는 단계, 광원으로부터의 광으로 마스터 격자를 조명하여 회절된 빔 및 0차 빔을 형성하는 단계, 적어도 부분적으로 반사성인 표면으로부터 회절된 빔을 반사시키는 단계, 0차 빔과 회절된 빔으로부터 투과 격자를 형성하는 단계, 및 0차 빔과 회절 반사된 빔으로부터 반사 격자를 형성하는 단계를 포함하는, 방법을 포함한다.

추가적인 실시예들 및 특징들은 하기의 설명에서 부분적으로 제시되고, 부분적으로는 본 명세서의 검토 시에 당업자들에게 명백해질 것이며, 또는 본 발명의 실시에 의해 습득될 수 있다. 본 발명의 본질 및 이점들에 대해서는 본 명세서의 나머지 부분들 및 본 개시의 일부를 형성하는 도면들을 참조하여 더 잘 이해될 수 있다.

본 설명은 본 발명의 하기의 도면들 및 데이터 그래프들 - 이들은 예시적인 실시예들로서 제시되고, 본 발명의 범위의 완전한 나열인 것으로서 간주되지 않아야 함 - 을 참조하여 보다 충분하게 이해될 것이다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 투과 및 반사 격자들을 구현하는 도파관 디스플레이를 개념적으로 도시한다.
도 2은 본 발명의 실시예에 따른 멀티플렉싱된 투과 및 반사 격자들을 갖는 도파관 디스플레이를 개념적으로 도시한다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 멀티플렉싱된 투과 및 반사 격자들을 개념적으로 도시한다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 멀티플렉싱된 투과-반사 격자를 기록하기 위한 시스템을 개념적으로 도시한다.
도 5 및 도 6은 본 발명의 다양한 실시예들에 따른 멀티플렉싱된 투과 및 반사 격자들의 형성을 개념적으로 도시한다.
도 7 내지 도 9는 본 발명의 다양한 실시예들에 따른 투과 및 반사 격자들을 형성하는 상이한 방법들을 개념적으로 도시하는 흐름도들이다.
도 10은 본 발명의 실시예에 따른 멀티플렉싱된 투과 및 반사 폴드 격자들을 구현하는 도파관 디스플레이 아키텍처를 개념적으로 도시한다.
도 11은 본 발명의 실시예에 따른 멀티플렉싱된 투과 및 반사 출력 격자들을 구현하는 도파관 아키텍처를 개념적으로 도시한다.
도 12는 본 발명의 실시예에 따른 멀티플렉싱된 투과 및 반사 입력 격자들을 구현하는 도파관 아키텍처를 개념적으로 도시한다.
도 13은 본 발명의 실시예에 따른 두 개의 개별 입력 격자들을 구현하는 도파관 아키텍처를 개념적으로 도시한 도시한다.
도 14는 본 발명의 실시예에 따른 교차 폴드 격자들을 구현하는 도파관 아키텍처를 개념적으로 도시한다.
도 15는 본 발명의 실시예에 따른 입력 커플러가 투과 및 반사 격자들을 멀티플렉싱하는 교차 폴드 격자들을 구현하는 도파관 아키텍처를 개념적으로 도시한다.
도 16은 본 발명의 일 실시예에 따른 두 개의 개별 입력 격자들이 제공되는 교차 폴드 격자들을 구현하는 도파관 아키텍처를 개념적으로 도시한다.
도 17은 본 발명의 실시예에 따른 중첩 투과 및 반사 격자들이 제공되는 도파관 아키텍처의 측면도를 개념적으로 도시한다.
도 18은 본 발명의 실시예에 따른 반사 격자의 회절 효율 대 입사각 및 투과 격자의 회절 효율 각도 대역폭을 도시한 차트를 도시한다.
도 19은 본 발명의 실시예에 따른 하나의 투과 격자 및 네 개의 반사 격자들이 제공되는 도파관 아키텍처의 측면도를 개념적으로 도시한다.
도 20은 본 발명의 실시예에 따른 반사 격자의 회절 효율 대 입사각, 두 개의 반사 격자들에서 기인하는 유효 각도 대역폭, 및 투과 격자의 회절 효율 각도 대역폭을 도시한 차트를 도시한다.

실시예들을 설명하기 위해, 광학적 설계 및 시각적 디스플레이들의 당업자들에게 알려져 있는 광학 기술의 일부 잘 알려져 있는 특징들은 본 발명의 기본 원리들을 모호하게 하지 않기 위해 생략되거나 간략화되었다. 달리 언급되지 않는 한, 광선 또는 빔 방향에 관한 용어 "축상(on-axis)"은 본 발명과 관련하여 설명되는 광학 구성요소들의 표면들에 수직인 축에 평행한 전파를 지칭한다. 하기의 설명에서, 용어 광, 광선, 빔, 및 방향은 직선 궤적들에 따른 전자기 방사선의 전파 방향을 나타내기 위해 서로 호환하여 그리고 연관되어 사용될 수 있다. 용어 광 및 조사는 전자기 스펙트럼의 가시 및 적외선 대역들과 관련하여 사용될 수 있다. 하기의 설명의 부분들은 광학 설계 분야의 당업자들에 의해 통용되는 용어를 사용하여 제시될 것이다. 본원에서 사용될 때, 용어 격자는 일부 실시예들에서 격자들의 세트를 갖는 격자를 포괄할 수 있다. 예시를을 위해, 도면들은 달리 언급되지 않는 한 일정한 축척으로 도시되지 않음을 이해해야 한다.

도파관 기술은 많은 상이한 적용예들에 대해 저비용의 효율적인 다용도 회절 광학 솔루션들을 가능하게 한다. 많은 실시예들에서, 적어도 하나의 투과 격자 및 적어도 하나의 반사 격자를 지지하는 도파관 디스플레이가 구현된다. 투과 및 반사 격자들은 상이한 격자층들에 걸쳐 또는 단일 격자층 내에 구현될 수 있다. 일부 실시예들에서, 투과 및 반사 격자들은 멀티플렉싱된다. 멀티플렉싱된 투과 및 반사 격자들은 그렇지 않으면 통상적인 브래그 격자들에서 지지될 수 없는 각도들로 투과 격자들을 지지하는 특정 목적을 위해 구성될 수 있다. 몇몇 실시예들에서, 이러한 구조체들은 도파관들에 사용하기 위한 고효율 반사 입력 격자들을 만드는 데 사용될 수 있다.

많은 실시예들에서, 멀티플렉싱된 반사 및 투과 격자들은 레이저 광에 의한 균일성을 개선, 즉 도파관에서 발생하는 밴딩을 감소시키고 다른 조명 아티팩트를 개선할 수 있다. 이를 위한 메커니즘은 도파관 반사 표면들과 반사 홀로그램 사이의 다중 반사일 수 있으며, 이는 도파관 내의 빔 전파 프로세스들로서 조사 평균화를 촉진한다. 일부 실시예들에서, 멀티플렉싱된 격자들과 중첩하는 빔 스플리터 층이 레이저 조사 도파관에서의 밴딩을 감소시키기 위해 제공될 수 있다. 빔 스플리터는 하나 이상의 유전체 층에 의해 제공될 수 있다. 몇몇 실시예들에서, 빔 스플리터는 하나의 편광에 민감할 수 있다. 추가 실시예들에서, 빔 스플리터는 S-편광에 민감할 수 있다. 다수의 실시예들에서, 빔 스플리터는 유리 또는 플라스틱에 침지될 때 높은 TIR 각에서 반사성이 되는 수직 입사에 최적화된 반사 방지 코팅일 수 있다.

투과 및 반사 격자들을 통합하는 도파관을들 제조하기 위한 다양한 시스템들 및 방법들이 구현될 수 있다. 많은 실시예들에서, 이러한 격자들을 제조하기 위한 시스템은 적어도 하나의 광원, 광으로부터 0차 빔 및 적어도 하나의 회절된 차수의 빔을 제공하는 마스터 격자, 마스터와 중첩되는 홀로그래픽 기록 물질(HPDLC 물질과 같지만, 이에 제한되지 않음)층을 지지하는 기판, 및 홀로그래픽 기록 물질층과 중첩되는 적어도 부분적으로 반사성인 표면을 포함할 수 있다. 기록 동작 동안, 회절된 빔은 적어도 부분적으로 반사성인 표면에 의해 반사될 수 있다. 0차 빔, 회절된 빔, 및 반사된 빔으로부터의 간섭의 조합을 통해, 투과 및 반사 격자들 양자가 기록될 수 있다. 많은 실시예들에서, 투과 및 반사 격자들은 멀티플렉싱된다. 일부 실시예들에서, 시스템은 원치 않는 반사(그리고 이로 인한 스퓨리어스 격자)를 발생시키지 않고 반사 및 투과 격자들의 효율적인 멀티플렉싱을 가능하게 하는 약한 유전체 물질을 포함하는 HPDLC 혼합물을 포함한다. 몇몇 실시예들에서, 중첩된 정렬 층들이 HPDLC 멀티플렉싱된 반사 및 투과 격자 형성을 미세 조정하기 위해 사용될 수 있다. 예를 들어, 일부 실시예들에서, HPDLC 격자들의 선택적 정렬이 멀티플렉싱된 투과 및 반사 격자들의 굴절률 변조 및/또는 편광 반응을 밸런싱하기 위해 사용될 수 있다. 다수의 실시예들에서, 정렬층들은 반사 격자에서 S 편광 감도를 촉진하기 위해 사용될 수 있다. 통상적인 도파관 구현에서, LC 풍부 프린지들의 평균 이상축(이는 통상적인 HPDLC 격자들에서, 브래그 프린지 면에 직교할 것임)은 도파관 반사 표면들에 수직일 것이다. 이러한 배향은 통상적인 도파관 내부 전반사 각도에서 폴드 격자를 통해 전파되는 광과의 강한 상호작용을 제공하는 데 바람직할 수 있다.

투과 및 반사 격자들을 구현하는 도파관 실시예들은 다양한 적용을 위해 이용되고 구성될 수 있다. 예를 들어, 일부 적용예들에서, 도파관은 큰 아이 박스(eyebox)와 함께 컴팩트한 광각을 갖는 한편, 또한 풀 컬러를 제공하는 것이 바람직하다. 컬러 이미징에 대한 이전의 솔루션들은 두 개 이상의 단색 도파관들을 적층하는 것을 포함하며, 여기서 각 도파관은 단일 컬러로 동작하도록 구성된 격자들을 갖는 격자층을 지지한다. 많은 경우에, 각 도파관은 또한, 이미지 변조 광을 입력하고, 광을 2차원으로 익스팬딩하며, 이를 도파관으로부터 아이 박스를 향해 추출하도록 구성된다. 그러나, 이러한 다중 도파관 적층 솔루션들은 도파관 적층에서 중첩 격자들을 정렬하는 데 요구되는 엄격한 허용 오차를 받게 되며, 이는 낮은 제조 수율을 초래할 수 있다. 하나의 층이 적색 광을 전파하고 제2 층이 녹색-청색 대역 내의 광을 전파하는 2층 솔루션들이 시도되었지만, 여전히 제조시 정렬 문제가 존재한다. 이에 따라, 본 발명의 많은 실시예들은 광각의 단일 격자층 컬러 도파관 디스플레이들을 구현하기 위한 방법들 및 아키텍처들에 관한 것이다. 투과 및 반사 격자들을 통합하는 도파관 및 격자 아키텍처들, 홀로그래픽 기록 물질들, 및 도파관 실시예들이 아래의 섹션에서 더 상세하게 논의된다.

광 도파관 및 격자 구조

도파관들에 기록되는 광학 구조들은 회절 격자들과 같지만 이에 제한되지 않는 많은 상이한 타입들의 광학 소자들을 포함할 수 있다. 격자들은 광을 커플링하고, 광을 지향시키며, 광의 투과를 방지하는 것을 포함하지만 이에 제한되지 않는 다양한 광학 기능들을 수행하도록 구현될 수 있다. 많은 실시예들에서, 격자들은 도파관의 외측 표면 상에 존재하는 표면 릴리프 격자들이다. 다른 실시예들에서, 구현되는 격자들은 주기적 굴절률 변조를 갖는 구조들인 브래그 격자(또한 체적 격자로도 지칭됨)이다. 브래그 격자들은 다양한 상이한 방법들을 사용하여 제조될 수 있다. 하나의 프로세스는 주기적인 구조들을 형성하기 위한 홀로그래픽 광중합체 물질들의 간섭 노출을 포함한다. 브래그 격자들은 높은 차수들로 회절되는 광이 거의 없이 높은 효율을 가질 수 있다. 회절 및 0차의 광의 상대량은 큰 동공에 걸쳐 광을 추출하기 위해 손실 도파관 격자들을 만드는 데 사용될 수 있는 속성인 격자의 굴절률 변조를 제어함으로써 변화될 수 있다. 격자는 도파관의 평면에서 격자 프린지들의 배향을 정의하는 격자 벡터에 의해 특징지어질 수 있다. 격자는 또한 3D 공간에서의 K-벡터에 의해 특징지어질 수 있으며, 이는 브래그 격자의 경우에 브래그 프린지들에 수직인 벡터로서 정의된다. K-벡터는 소정의 입력 및 회절 각도 범위에 대한 광학 효율을 결정할 수 있다.

홀로그래픽 도파관 디바이스들에 사용되는 브래그 격자들의 한 부류는 스위칭 가능한 브래그 격자(SBG)이다. SBG는 먼저 기재들 사이에 광중합성 단량체와 액정 물질의 혼합물의 박막을 배치함으로써 제조될 수 있다. 기재들은 유리 및 플라스틱과 같은 다양한 타입들의 물질들로 만들어질 수 있다. 많은 경우에, 기재들은 평행한 구성으로 되어 있다. 다른 실시예들에서, 기재들은 웨지 형상을 형성한다. 기재들 중 하나 또는 양자는 전극들, 막을 가로질러 전기장을 인가하기 위해 통상적으로 투명한 산화 주석 막들인, 전극들을 지지할 수 있다. SBG 내의 격자 구조는 공간적으로 주기적인 강도 변조를 갖는 간섭 노출을 사용하는 광중합 유도 상 분리를 통해 액체 물질(시럽으로 통칭됨)에 기록될 수 있다. 조사 강도, 혼합물 내의 물질들의 성분 체적 분율, 및 노출 온도의 제어와 같지만 이에 제한되지 않는 인자들이 결과적인 격자 모폴러지 및 성능을 결정할 수 있다. 쉽게 이해될 수 있는 바와 같이, 소정의 용도의 특정 요건에 따라 매우 다양한 물질들 및 혼합물들이 사용될 수 있다. 많은 실시예들에서, HPDLC 물질이 사용된다. 기록 프로세스 동안, 단량체들은 중합되고, 혼합물은 상 분리를 거친다. LC 분자들은 응집하여 광학 파장들의 규모로 중합체 네트워크들에서 주기적으로 분포되는 별개의 또는 합쳐진 액적들을 형성한다. 교번하는 액정-풍부 및 액정-고갈 영역들은 격자의 프린지 평면들을 형성하고, 이는 액적들 내의 LC 분자들의 배향 정렬에서 기인하는 강한 광학 편광을 갖는 브래그 회절을 생성할 수 있다.

생성된 체적 위상 격자는 매우 높은 회절 효율을 나타낼 수 있으며, 이는 막에 걸쳐 인가되는 전기장의 크기에 의해 제어될 수 있다. 전계가 투명 전극들을 통해 격자에 인가될 때, LC 액적들의 자연 배향이 변할 수 있고, 이는 프린지들의 굴절률 변조를 낮추고 홀로그램 회절 효율을 매우 낮은 수준으로 떨어뜨린다. 통상적으로, 전극들은 인가된 전기장이 기재에 수직이 되도록 구성된다 다수의 실시예들에서, 전극들은 인듐 주석 산화물(ITO)로 제조된다. 전계가 인가되지 않은 오프 상태에서, 액정의 임시축은 일반적으로 프린지들에 수직으로 정렬된다. 이에 따라, 격자는 P-편광된 광에 대해 높은 굴절률 변조 및 높은 회절 효율을 나타낸다. 전계가 HPDLC에 인가될 때, 격자는 온 상태로 스위칭되며, 여기서 액정 분자들의 임시축은 인가된 전계에 평행하게, 그리고 이로 인해 기재에 수직으로 정렬된다. 온 상태에서, 격자는 S- 및 P-편광된 광 양자에 대해 더 낮은 굴절률 변조 및 더 낮은 회절 효율을 나타낸다. 이에 따라, 격자 영역은 더 이상 광을 회절시키지 않는다. 각 격자 영역은 HPDLC 디바이스의 기능에 따라 예를 들어 픽셀 매트릭스와 같은 다수의 격자 요소들로 구분될 수 있다. 통상적으로, 하나의 기재 표면 상의 전극은 균일하고 연속적인 한편, 반대편 기재 표면상의 전극들은 다수의 선택적으로 스위칭 가능한 격자 요소들에 따라 패터닝된다.

통상적으로, SBG 요소들은 30 μs 내에 회절이 없게 스위칭되며 온으로 스위칭하는 데 더 긴 이완 시간이 걸린다. 디바이스의 회절 효율은 인가된 전압에 의해, 연속적인 범위에 걸쳐 조정될 수 있다. 많은 경우에, 디바이스는 전압이 인가되지 않은 상태에서 거의 100% 효율을 나타내고, 충분히 높은 전압이 인가된 상태에서 기본적으로 제로 효율을 나타낸다. 특정 타입들의 HPDLC 디바이스들에서, LC 배향을 제어하기 위해 자계가 사용될 수 있다. 일부 HPDLC 적용예들에서, 중합체로부터 LC 물질의 상 분리는 식별 가능한 액적 구조가 생성되지 않을 정도로 달성될 수 있다. SBG는 또한 수동 격자로서 사용될 수 있다. 이 모드에서, 이의 주요 이점은 고유하게 높은 굴절률 변조이다. SBG는 자유 공간 적용을 위한 투과 또는 반사 격자들을 제공하기 위해 사용될 수 있다. SBG는 HPDLC가 도파관 코어 또는 도파관에 근접하여 소멸적으로 커플링된 층을 형성하는 도파관 디바이스로서 구현될 수 있다. HPDLC 셀을 형성하는 데 사용되는 기재는 내부 전반사(TIR) 광 유도 구조를 제공한다. 스위칭 가능한 격자가 TIR 조건을 초과하는 각도로 광을 회절시킬 때, 광은 SBG로부터 커플링 아웃될 수 있다.

일부 실시예들에서, LC는 배출 브래그 격자(EBG)를 제공하도록 SBG로부터 추출되거나 배출될 수 있다. EBG는 SRG 구조의 깊이로 인해 브래그 격자와 매우 유사한 속성들을 갖는 표면 릴리프 격자(SRG)로서 특징지어질 수 있다(이는 표면 에칭 및 SRG를 제조하는 데 통용되는 다른 종래의 공정들을 사용하여 실질적으로 달성 가능한 것보다 훨씬 더 크다). LC는 이소프로필 알콜 및 용매를 이용한 플러싱을 포함하지만 이에 제한되지 않는 다양한 상이한 방법들을 사용하여 추출될 수 있다. 많은 실시예들에서, SBG의 투명 기재들 중 하나가 제거되고, LC가 추출된다. 추가 실시예들에서, 제거된 기재가 대체된다. SRG는 더 높은 또는 더 낮은 굴절률의 물질로 적어도 부분적으로 다시 채워질 수 있다. 이러한 격자들은 다양한 도파관 적용에 적합하도록 효율, 각도/스펙트럼 응답, 편광, 및 다른 속성들을 조정하기 위한 범위를 제공한다.

본 발명의 다양한 실시예들에 따른 도파관들은 특정 목적들 및 기능들을 위해 설계된 다양한 격자 구성들을 포함할 수 있다. 많은 실시예들에서, 도파관은 시준 광학 시스템의 출사 동공을 효과적으로 익스팬딩함으로써 렌즈 크기를 감소시키면서 아이 박스 크기를 보존할 수 있는 격자 구성을 구현하도록 설계된다. 출사 동공은 가상 애퍼처로서 정의될 수 있으며, 이 가상 애퍼처를 통과하는 광선만이 사용자의 눈으로 들어갈 수 있다. 일부 실시예들에서, 도파관은 광원에 광학적으로 커플링된 입력 격자, 제1 방향 빔 익스팬션을 제공하기 위한 폴드 격자, 및 통상적으로 제1 방향에 직교하는 제2 방향에서의 빔 익스팬션, 및 아이 박스를 향한 빔 추출을 제공하는 출력 격자를 포함한다. 쉽게 이해될 수 있는 바와 같이, 도파관 아키텍처들로 구현된 격자 구성은 소정의 용도의 특정 요건들에 따라 달라질 수 있다. 많은 실시예들에서, 임의의 실시예들에서 사용되는 격자들은 실질적으로 제로의 크기를 갖는 결과 벡터를 제공하도록 매칭되는 격자 벡터를 가질 수 있다. 일부 실시예들에서, 격자 구성은 다수의 폴드 격자들을 포함한다. 몇몇 실시예들에서, 격자 구성은 빔 익스팬션 및 빔 추출을 동시에 수행하기 위한 입력 격자 및 제2 격자를 포함한다. 제2 격자는 관찰 시야의 상이한 부분들을 전파하기 위한, 별개의 중첩 격자층들에 배열되거나 단일 격자층에 멀티플렉싱되는 상이한 규정들의 격자들을 포함할 수 있다. 다수의 실시예들에서, 두 개의 격자층들이 단일 기재층의 양측 상에 배치된다. 뿐만 아니라, 다양한 타입들의 격자들 및 도파관 아키텍처들이 또한 이용될 수 있다.

몇몇 실시예들에서, 각 층 내의 격자들은 상이한 스펙트럼 및/또는 각도 응답들을 갖도록 설계된다. 예를 들어, 많은 실시예들에서, 상이한 격자층들에 걸친 상이한 격자들은 스펙트럼 대역폭의 증가를 제공하기 위해 중첩되거나 멀티플렉싱된다. 일부 실시예들에서, 풀 컬러 도파관은 각각 상이한 스펙트럼 대역(적색, 녹색, 및 청색)에서 동작하도록 설계된 3개의 격자층들을 사용하여 구현된다. 다른 실시예들에서, 풀 컬러 도파관은 두 개의 격자층들, 즉 적색-녹색 격자층 및 녹색-청색 격자층을 사용하여 구현된다. 쉽게 이해될 수 있는 바와 같이, 이러한 기법들은 도파관의 각도 대역폭 동작을 증가시키기 위해 유사하게 구현될 수 있다. 상이한 격자층들에 걸친 격자들의 멀티플렉싱에 더하여, 다수의 격자들이 단일 격자층 내에서 멀티플렉싱될 수 있다 - 즉, 다중 격자들이 동일한 체적 내에서 중첩될 수 있다. 몇몇 실시예들에서, 도파관은 동일한 체적에서 멀티플렉싱된 두 개 이상의 격자 규정들을 갖는 적어도 하나의 격자층을 포함한다. 추가 실시예들에서, 도파관은 각 층이 동일한 체적에서 멀티플렉싱된 두 개의 격자 규정들을 갖는 두 개의 격자층들을 포함한다. 동일한 체적 내에서 두 개 이상의 격자 규정들을 멀티플렉싱하는 것은 다양한 제조 기법들을 사용하여 달성될 수 있다. 다수의 실시예들에서, 멀티플렉싱된 마스터 격자는 노출 구성과 함께 이용되어 멀티플렉싱된 격자를 형성한다. 많은 실시예들에서, 멀티플렉싱된 격자는 각 구성이 격자 규정을 형성하도록 설계된 두 개 이상의 구성들의 노출광으로 광학 기록 물질층을 순차적으로 노출함으로써 제조된다. 일부 실시예들에서, 멀티플렉싱된 격자는 각 구성이 격자 규정을 형성하도록 설계된 두 개 이상의 구성들의 노출광 간에 교번하여 광학 기록 물질층을 노출함으로써 제조된다. 쉽게 이해될 수 있는 바와 같이, 당업계에 잘 알려진 것들을 포함하는 다양한 기법들이 멀티플렉싱된 격자들을 제조하는 데 적절하게 사용될 수 있다.

일부 실시예들에서, 본 발명의 실시예에 따른 도파관 내에서 전파되는 광은 격자들 중 적어도 하나 내에서 이중 상호 작용을 거칠 수 있다(즉, 격자는 두 개의 상이한 입사각들에 대해 높은 회절 효율, 또는 회절 효율 피크들을 갖도록 설계된다). 많은 실시예들에서, 도파관은 각도 멀티플렉싱 격자, 컬러 멀티플렉싱 격자, 폴드 격자, 이중 상호 작용 격자, 롤링 K-벡터 격자, 교차 폴드 격자, 테셀레이트 격자(tessellated grating), 처프 격자(chirped grating), 공간적으로 변하는 굴절률 변조를 갖는 격자, 공간적으로 변하는 격자 두께를 갖는 격자, 공간적 변하는 평균 굴절률을 갖는 격자, 공간적으로 변하는 굴절률 변조 텐서를 갖는 격자들과, 공간적 변하는 평균 굴절률 텐서를 갖는 격자, 공간적으로 변하는 복굴절 속성을 갖는 격자 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 도파관은 반파장판, 1/4파장판, 반사 방지 코팅, 빔 스플리팅 층, 정렬 층, 섬광 감소를 위한 광색성 배면 층, 및 섬광 감소를 위한 루버 막 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 몇몇 실시예들에서, 도파관은 상이한 편광들에 대한 개별 광 경로들을 제공하는 격자들을 지지할 수 있다. 다양한 실시예들에서, 도파관은 상이한 스펙트럼 및/또는 각도 대역폭들에 대한 개별 광 경로들을 제공하는 격자들을 지지할 수 있다. 다수의 실시예들에서, 격자는 HPDLC 격자, HPDLC에 기록되는 스위칭 격자(상기한 스위칭 가능한 브래그 격자), 홀로그래픽 광중합체에 기록되는 브래그 격자, 또는 표면 릴리프 격자일 수 있다. 많은 실시예들에서, 도파관은 단색 대역에서 동작한다. 일부 실시예들에서, 도파관은 녹색 대역에서 동작한다. 몇몇 실시예들에서, 적색, 녹색 및 청색(RGB)과 같은 상이한 스펙트럼 대역들에서 동작하는 도파관 층들이 3층 도파 구조를 제공하기 위해 적층될 수 있다. 추가 실시예들에서, 층들에는 도파관 층들 사이에 에어 갭들이 적층된다. 다양한 실시예들에서, 도파관 층들은 두 개의 도파관 층 솔루션들을 제공하기 위해 청색-녹색 및 녹색-적색과 같은 더 넓은 대역들에서 동작한다. 다른 실시예들에서, 격자들은 격자층들의 수를 감소시키기 위해 컬러 멀티플렉싱된다. 다양한 타입들의 격자들이 구현될 수 있다. 일부 실시예들에서, 각 층 내의 적어도 하나의 격자는 스위칭 가능한 격자이다. 많은 실시예들에서, 도파관은 곡선형 수 있다. 몇몇 실시예들에서, 도파관은 구배 지수(gradient index, GRIN) 구조를 포함할 수 있다. 다수의 실시예들에서, 도파관은 플라스틱 기재를 사용하여 제조될 수 있다.

상술한 바와 같은 광학 구조들을 통합하는 도파관은 도파관 디스플레이를 포함하지만 이에 제한되지 않는 다양한 상이한 적용예들에서 구현될 수 있다. 다양한 실시예들에서, 도파관 디스플레이는 25 mm보다 큰 아이 릴리프(eye relief)를 갖는 10 mm보다 큰 아이 박스로 구현된다. 일부 실시예들에서, 도파관 디스플레이는 2.0 - 5.0 mm의 두께를 갖는 도파관을 포함한다. 많은 실시예들에서, 도파관 디스플레이는 적어도 50° 대각선의 이미지 관찰 시야를 제공할 수 있다. 추가 실시예들에서, 도파관 디스플레이는 적어도 70° 대각선의 이미지 관찰 시야를 제공할 수 있다. 도파관 디스플레이는 많은 상이한 타입들의 화상 생성 유닛(picture generation unit, PCU)들을 채용할 수 있다. 몇몇 실시예들에서, PGU는 LCoS(liquid crystal on Silicon) 패널 또는 MEMS(micro electromechanical system) 패널과 같은 반사성 또는 투과성 공간 광 변조기일 수 있다. 다수의 실시예들에서, PGU는 유기 발광 다이오드(OLED) 패널과 같은 발광 디바이스일 수 있다. 일부 실시예들에서, OLED 디스플레이는 4000 니트보다 큰 휘도 및 4kx4k 픽셀의 해상도를 가질 수 있다. 몇몇 실시예들에서, 도파관은 휘도 4000 니트의 OLED 디스플레이를 사용하여 400 니트보다 큰 이미지 휘도가 제공될 수 있도록 10%보다 큰 광학 효율을 가질 수 있다. P-회절 격자들(즉, P-편광된 광에 대해 높은 효율을 갖는 격자)를 구현하는 도파관들은 통상적으로 5% - 6.2%의 도파관 효율을 갖는다. P-회절 격자 또는 S-회절 격자는 OLED 패널과 같은 비편광원으로부터의 광의 절반을 낭비할 수 있기 때문에, 많은 실시예들은 2배까지 도파관의 효율의 증가를 가능하게 하기 위해 S-회절 및 P-회절 격자들 양자를 제공할 수 있는 도파관에 관한 것이다. 일부 실시예들에서, S-회절 및 P-회절 격자들은 별개의 중첩하는 격자층들에서 구현된다. 대안적으로, 단일 격자가 특정 조건들 하에서, p-편광된 광 및 s-편광된 광 양자에 대해 높은 효율을 제공할 수 있다. 몇몇 실시예들에서, 도파관은 격자 두께의 적절히 선택된 값(통상적으로, 2 - 5 μm 범위 내)에 대해 특정 파장 및 각도 범위에 걸쳐 높은 S 및 P 회절 효율을 가능하게 하기 위해, 상술된 것과 같은 HPDLC 격자들로부터 LC를 추출함으로써 생성된 브래그형 격자를 포함한다.

광학 기록 물질 시스템

HPDLC 혼합물은 일반적으로 LC, 단량체, 광개시제 염료 및 공개시제를 포함한다. 혼합물(시럽으로 통칭됨)은 또한 종종 계면활성제를 포함한다. 본 발명을 설명하기 위해, 계면활성제는 전체 액체 혼합물의 표면 장력을 낮추는 임의의 화학 작용제로서 정의된다. PDLC 혼합물에서 계면활성제의 사용이 알려져 있고, 현재까지는 PDLC의 가장 빠른 연구로 돌아간다. 예를 들어, R.L Sutherland 외의 SPIE Vol.2689, 158-169, 1996 - 이의 개시 내용이 본 명세서에 원용됨 - 에 개시된 것은 단량체, 광개시제, 공개시제, 사슬 연장제, 및 계면활성제가 첨가될 수 있는 LC를 포함하는 PDLC 혼합물을 기술한다. 계면활성제는 또한 문헌 Natarajan 외의 Journal of Nonlinear Optical Physics and Materials, Vol.5 No.1 89-98, 1996 - 이의 개시 내용이 본 명세서에 원용됨 - 에 개시되어 있다. 또한, Sutherland 외의 미국 특허 제7,018,563호는 적어도 하나의 아크릴산 단량체; 적어도 하나의 타입의 액정 물질; 광개시제 염료; 공개시제; 및 계면활성제를 갖는 중합체-분산 액정 광학 소자를 형성하기 위한 중합체-분산성 액정 물질을 논의한다. 미국 특허 제7,018,563호의 개시 내용은 그 전문이 본 명세서에 원용된다.

특허 및 과학 문헌은 높은 회절 효율, 빠른 응답 시간, 낮은 구동 전압 등을 달성하기 위해 이러한 물질 시스템을 공식화하는 연구를 포함하는, SBG를 제조하는 데 사용될 수 있는 물질 시스템 및 공정의 많은 예들을 포함한다. Sutherland의 미국 특허 제5,942,157호, 및 Tanaka 외의 미국 특허 제5,751,452호 양자는 SBG 디바이스를 제조하는 데 적합한 단량체 및 액정 물질 조합을 기술한다. 방안들의 예들은 또한 1990년대 초로 거슬러 올라간 논문에서 찾아볼 수 있다. 많은 이러한 물질들은 다음을 포함하여, 아크릴레이트 단량체를 사용한다:

문헌 R. L. Sutherland 외, Chem. Mater. 5, 1533 (1993) - 이의 개시 내용이 본 명세서에 원용됨 - 은 아크릴레이트 중합체 및 계면활성제의 사용을 기술한다. 구체적으로, 방안은 가교결합 다작용성 아크릴레이트 단량체; 사슬 연장제 N-비닐 피롤리디논, LC E7, 광개시제 로즈 벤갈, 및 공개시제 N-페닐 글리신을 포함한다. 계면활성제 옥탄산을 특정 변형으로 첨가하였다.

문헌 Fontecchio 외의 SID 00 Digest 774-776, 2000 - 이의 개시 내용이 본 명세서에 원용됨 - 은 다작용성 아크릴레이트 단량체, LC, 광개시제, 공개시제 및 사슬 종결제를 포함하는 반사 디스플레이 적용을 위한 UV 경화성 HPDLC를 기술한다.

문헌 Y.H. Cho, 외의 Polymer International, 48, 1085-1090, 1999 - 이의 개시 내용이 본 명세서에 원용됨 - 에는 아크릴레이트를 포함하는 HPDLC 방안이 개시되어 있다.

문헌 Karasawa 외의 Japanese Journal of Applied Physics, Vol.36, 6388-6392, 1997 - 이의 개시 내용이 본 명세서에 원용됨 - 에는 다양한 기능적 차수의 아크릴레이트가 기재되어 있다.

문헌 T.J.Bunning 외의 Polymer Science: Part B: Polymer Physics, Vol. 35, 2825- 2833, 1997 - 이의 개시 내용이 본 명세서에 원용됨 - 에는 또한 다관능성 아크릴레이트 단량체가 기재되어 있다.

문헌 G.S.Iannacchione 외의 Europhysics Letters Vol.36 (6).425-430, 1996 - 이의 개시 내용이 본 명세서에 원용됨 - 은 펜타-아크릴레이트 단량체, LC, 사슬 연장제, 공개시제 및 광개시제를 포함하는 PDLC 혼합물을 기재한다.

아크릴레이트는 빠른 동력학, 다른 물질과의 양호한 혼합, 및 막 형성 공정과의 상용성의 이점을 제공한다. 아크릴레이트는 가교 결합되기 때문에, 이들은 기계적으로 견고하고 가요성인 경향이 있다. 예를 들어, 작용성 2(di) 및 3(tri)의 우레탄 아크릴레이트는 HPDLC 기술에 광범위하게 사용되어져 왔다. 펜타 및 헥사 작용성 스템과 같은 더 높은 작용성 물질이 또한 사용되어져 왔다.

반사 및 투과 격자를 통합하는 도파관

일반적으로 도면들을 참조하면, 본 발명의 다양한 실시예들에 따라 단일 격자층으로 풀 컬러를 구현하는 디스플레이들 또는 센서들에 관한 시스템들 및 방법들이 도시된다. 많은 실시예들에서, 본 발명의 원리에 따른 도파관 디스플레이는 적어도 하나의 도파관 기재, 이미지 데이터에 따라 변조되는 광원, 도파관 내의 TIR 내로 광을 커플링하기 위한 적어도 하나의 입력 커플러, 적어도 하나의 투과 격자, 및 적어도 하나의 반사 격자를 포함하고, 반사 및 투과 격자는 적어도 부분적으로 중첩된다. 도 1은 본 발명의 실시예에 따른 투과 및 반사 격자들을 구현하는 도파관 디스플레이를 개념적으로 도시한다. 도시된 바와 같이, 디스플레이(100)는 입력 커플러의 기능을 제공하는 입력 격자(102), 투과 격자(103), 및 반사 격자(104)를 지지하는 도파관(101)을 포함한다. 예시적인 실시예에서, 투과 격자(103) 및 반사 격자(104)는 적어도 부분적으로 중첩된다. 일부 실시예들에서, 반사 격자 및 투과 격자는 단일 격자층에서 멀티플렉싱될 수 있다. 도 2는 이러한 도파관을 개념적으로 도시한다. 도 2에서, 도시되는 디스플레이(200)는 입력 격자(202) 및 멀티플렉싱된 투과 격자(203) 및 반사 격자(204)를 지지하는 도파관(201)을 포함한다. 도 1 및 도 2는 특정 도파관 구조들을 도시하지만, 본 발명의 다양한 실시예들에 따라 다양한 구성 및 변형이 구현될 수 있다. 예를 들어, 몇몇 실시예들에서, 입력 커플러로서 격자 대신 프리즘이 이용된다. 상술한 바와 같이, 이러한 도파관 디스플레이들은 적어도 하나의 광원을 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 광원은 이미지 변조 광을 제공한다. 다수의 실시예들에서, 데이터 변조 광원은 레이저 스캐닝 프로젝터, 마이크로 디스플레이 패널, 및/또는 발광 디스플레이 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 몇몇 실시예들에서, 데이터 변조 광원은 적어도 두 상이한 파장들의 광을 제공할 수 있다.

도 3은 본 발명의 실시예에 따른 멀티플렉싱된 투과 및 반사 격자들을 개념적으로 도시한다. 도시된 바와 같이, 멀티플렉싱된 격자(300)는 저굴절률 프린지들(302) 및 고굴절률 프린지들(303)에 의해 특징지어지는 반사 격자들을 포함하는 영역들에 의해 분리되는 프린지들(301)을 갖는 투과 격자를 포함한다. 많은 실시예들에서, 투과 격자의 프린지들(301)은 반사 격자의 평균 굴절률보다 큰 굴절률을 가질 수 있다. 다른 실시예들에서, 투과 격자의 프린지들(301)은 반사 격자의 평균 굴절률보다 작은 굴절률을 가질 수 있다. 일부 실시예들에서, 굴절률 값들은 투과 격자 프린지들과 반사 격자 프린지들 사이의 다양한 굴절률 차를 생성하도록 선택된다. 도 3에 도시된 실시예에서, 반사 및 투과 프린지들은 서로 직교하여 배치되는 투과 격자 K-벡터들(304)(부호 K_T로 표시됨) 및 반사 격자 K-벡터들(305)(부호 K_R로 표시됨)로 경사지지 않는다. 쉽게 이해될 수 있는 바와 같이, 다른 실시예들은 투과 및 반사 격자들 중 하나 또는 양자가 경사진 프린지들을 갖는 아키텍처들을 포함할 수 있다.

위에서 그리고 본 명세서 전체에 걸쳐 설명되는 바와 같은 격자들은 체적 격자들 및 표면 릴리프 격자들을 포함하지만 이에 제한되지 않는 다양한 격자 구조들을 포함할 수 있다. 많은 실시예들에서, 격자들 중 적어도 하나는 홀로그래픽 광중합체, HPDLC 물질, 또는 균일 변조 홀로그래픽 액정 중합체 물질에 기록된다. HPDLC 물질에 기록되는 반사 격자들은 생성되는 브래그 프린지들이 매우 길고 열악한 표면 앵커링을 나타내는 경향이 있는 문제를 겪을 수 있다. 일부 경우에, 이는 격자 구조의 층간 분리를 초래할 수 있다. (도 4의 것과 같은) HPDLC를 사용하는 실시예들에서, 반사 격자가 투과의 프린지들에 의해 지지될 수 있게 하는 액정 및 중합체 앵커링 구조(306, 307)가 제공될 수 있다. 많은 실시예들에서, 앵커링 강도는 LC 및 단량체 타입들을 선택하고 LC 및 단량체를 LC와 중합체 사이의 강력한 국소 앵커링을 촉진하는 농도로 혼합함으로써 제어될 수 있다. 일부 실시예들에서, 강한 앵커링은 첨가제에 의해 달성될 수 있다. 용어 "스캐폴딩(scaffolding)"은 하나의 격자가 다른 격자의 형성을 지원하는 데 사용되는 것을 설명하기 위해 사용될 수 있다. 효율적인 앵커링 촉진하기 위한 화학 반응 및 공정들에 대한 관련 데이터 및 교시는 HPDLC 물질 시스템들의 문헌에서 찾을 수 있다.

도 2에 도시된 것과 같은 멀티플렉싱된 격자들은 많은 상이한 방식들로 제조될 수 있다. 쉽게 이해될 수 있는 바와 같이, 형성될 특정 타입의 멀티플렉싱된 격자들은 이용되는 방법을 좌우할 수 있다. 도 4는 본 발명의 실시예에 따른 멀티플렉싱된 투과-반사 격자를 기록하기 위한 시스템을 개념적으로 도시한다. 도시된 바와 같이, 기록 장치(400)는 마스터 격자 기재(401), 마스터 격자(402), 마스터 커버 유리(403), 격자 하부 기재(404), 홀로그래픽 기록 물질의 격자층(405), 격자 상부 기재(406), 기재(408)의 하측면 상에 형성된 부분 반사층(407), 및 필터 유리 기재(409)를 포함한다. 쉽게 이해될 수 있는 바와 같이, 각 층은 다양한 두께들을 갖는 다양한 타입들의 물질들로 구현될 수 있다. 예를 들어, 마스터 격자(402)는 진폭 격자 또는 체적 격자일 수 있다. 마스터 커버 유리(403)는 ~1.1 mm 두께의 광학 유리로 구현될 수 있다. 다른 실시예들에서, 상이한 유리 두께들 및 물질들이 사용될 수 있다. 격자 기재층들(404, 406)은 Corning Iris?? 유리일 수 있으며, 이는 통상적으로 ~0.2 mm 내지 ~1.8 mm 두께 범위이다. 많은 실시예들에서, 격자층(405)은 대략 마이크로 미터이고, 이는 ~1 μm 내지 ~5 μm 두께 범위일 수 있다. 그러나, 적용예에 따라 다른 격자층 두께들이 적절하게 사용될 수 있다. 일부 실시예들에서, 격자층(405)은 특정 격자 각도 대역폭 및 효율을 달성하기 위한 특정 두께로 구성된다. 격자층(405)의 기록 물질은 경사 및 비경사 격자들을 포함하여, 임의의 타입의 격자들을 기록하는 데 사용될 수 있다. 또한, 이러한 격자들은 광을 도파관 내로 커플링하는 것, 빔 익스팬션을 제공하는 것, 및 도파관으로부터 광을 추출하는 것을 포함하지만 이에 제한되지 않는 다양한 광학 기능들을 제공하도록 구성될 수 있다. 다수의 실시예들에서, 부분 반사 코팅(407)은 유리에 침지될 때 고입사각에서 주목할 만한 반사를 제공하는 반사 방지 코팅일 수 있다. 일부 실시예들에서, 부분 반사 코팅(407)은 하나 이상의 유전체 층에 의해 또는 유전체/금속 층들을 포함하는 스택에 의해 제공될 수 있다. 부분 반사 코팅 유리 기재(408)은 Corning® EAGLE XG®Slim Glass일 수 있고, 필터 유리 기재(409)는 Schott R60 차단 유리일 수 있다.

기록 프로세스 동안, 마스터 격자(402)는 0차 및 회절된 광을 형성하도록 조사될 수 있다. 0차 광의 적어도 일부 및 회절된 광의 적어도 일부는 함께 홀로그래픽 기록 물질층(405) 내에 간섭 패턴을 형성하여 투과 격자를 형성할 수 있다. 0차 광의 적어도 일부는 부분 반사 코팅(407)으로부터 반사될 수 있고, 홀로그래픽 기록 물질(405) 내의 회절된 광의 적어도 일부와 간섭하여 반사 격자를 형성한다. 반사 및 투과 격자는 단일 멀티플렉싱된 층으로 형성될 수 있다. 쉽게 이해될 수 있는 바와 같이, 일부 실시예들에서, 다중 격자층들이 중첩 투과 및 반사 격자들을 형성하기 위해 사용된다.

도 5는 본 발명의 실시예에 따른 멀티플렉싱된 투과 및 반사 격자들의 형성을 개념적으로 도시한다. 기록 시스템(500)은 도 4의 시스템과 유사하다. 도 4와 유사하게, 기록 시스템(500)은 또한 필터 유리 기재를 포함할 수 있다. 도시된 바와 같이, 마스터 격자(501)는 광선들(502-504)에 의해 나타내어지는 시준된 입사 광에 의해 조사된다. 마스터 격자(501)는 0차 광선들(505-507) 및 회절된 광선(508)을 생성한다. 0차 광선들(505-507)은 격자층(509)을 통과한다. 회절된 광(508)의 일부는 상부 기재(511)의 상측면에서 반사되고(510), 격자층(509)과 다시 상호 작용한다. 예시적인 실시예에서, 시스템(500)은 부분 반사층(512)을 포함한다. 다른 실시예들에서, 이 층은 배제된다. 다시 도 5를 참조하면, 부분 반사층(512)으로부터의 반사는 상부 기재(511)의 상측면으로부터의 반사보다 상당히 약하다. 격자의 형성에 관하여, 조사 및 광 경로들의 이러한 구성 및 배열은 0차 광 및 회절된 광이 간섭하여 투과 격자를 형성할 수 있게 한다. 예를 들어, 0차 광선들(506)은 회절된 광선들(508)과 간섭하여 격자층의 일 부분(513)에 투과 격자를 형성한다. 동시에, 회절 반사된 광선(510)은 0차 광선들(507)과 간섭하여 격자층의 또 다른 부분(514)에 반사 격자를 형성할 수 있다. 쉽게 이해될 수 있는 바와 같이, 도 5에 도시된 개략도는 시스템에서의 모든 단일 광선 및 간섭 상호 작용을 도시하지 않는다. 도 5에 도시된 광선 경로들을 고려하면, 투과 및 반사 격자들이 격자층에 걸친 각 지점에서 멀티플렉싱될 수 있다는 것이 명백하다. 일부 실시예들에서, 마스터 격자(501)는 다중 세트의 멀티플렉싱된 반사 및 투과 격자들의 기록을 가능하게 하기 위해 하나보다 많은 시준된 입사 빔에 의해 (순차적으로 또는 동시에) 조사될 수 있다. 몇몇 실시예들에서, 마스터(501)는 마스터의 애퍼처 위의 상이한 지점들에서 상이한 입사각들을 갖는 빔들로 조사될 수 있다. 다수의 실시예들에서, 마스터(501)는 시준 스캐닝된 빔에 의해 조사될 수 있다. 일부 실시예들에서, 마스터(501)는 마스터의 애퍼처에 걸쳐 단계적인 방식으로 마스터에 지향되는 시준된 빔에 의해 조사될 수 있다.

도 6은 본 발명의 실시예에 따른 멀티플렉싱된 투과-반사 격자를 형성하기 위한 또 다른 구성을 개념적으로 도시한다. 다시, 기록 시스템(600)은 도 4에 도시된 시스템과 유사하다. 도 4와 유사하게, 기록 시스템(600)은 또한 필터 유리 기재를 포함할 수 있다. 도 5의 실시예와 대조적으로, 이 경우에 회절된 광(601)은 부분 반사층(602)에서 반사되며, 상부 기재(603)의 상측면에서의 반사는 상당히 더 작다. 도시된 바와 같이, 마스터 격자(604)는 광선들(605-607)에 의해 나타내어지는 시준된 입사 광에 의해 조사된다. 마스터 격자(604)는 격자층(611)을 통과하는 0차 광(608-610), 및 회절된 광(601)을 생성한다. 회절된 광(601)의 일부는 부분 반사층(602)에서 반사되고(612), 격자층(611)과 다시 상호 작용한다. 0차 광 및 회절된 광은 간섭하여 투과 격자 및/또는 반사 격자를 형성할 수 있다. 예를 들어, 0차 광선들(609)은 회절된 광선(601)과 간섭하여 격자층의 일 부분(613)에 투과 격자를 형성하는 한편, 회절 반사된 광선들(612)은 0차 방사선(610)과 간섭하여 격자층(611)의 또 다른 부분(614)에 반사 격자를 형성한다.

도 5 및 도 6은 투과 및 반사 격자들 기록하는 특정 방법들 및 구성들을 도시하지만, 다양한 다른 프로세스들이 소정의 적용예의 특정 요건들에 따라 적절하게 구현될 수 있다. 많은 실시예들에서, 다수의 격자층들이 이용되고, 투과 및 반사 격자들은 멀티플렉싱되지 않는다. 다수의 격자층들은 인접해 있을 수 있다. 일부 실시예들에서, 두 개의 격자층들이 단일 기재층의 양측 상에 배치된다. 상이한 기록 및 노출 설정에 더하여, 다양한 상이한 프로세스들이 또한 구현될 수 있다.

도 7은 본 발명의 실시예에 따른 투과 및 반사 격자들을 제조하는 방법을 개념적으로 도시하는 흐름도를 도시한다. 도시된 바와 같이, 방법(700)은 적어도 하나의 광원, 홀로그래픽 기록 물질층, 및 적어도 부분적으로 반사성인 표면을 제공하는 단계(701)를 포함한다. 쉽게 이해될 수 있는 바와 같이, HPDLC 물질 및 다양한 광중합체를 포함하지만 이에 제한되지 않는 임의의 다양한 홀로그래픽 기록 물질이 적절하게 이용될 수 있다. 다수의 실시예들에서, 반사 표면은 완전 반사 표면이다. 제1 및 제2 기록 빔들이 적어도 하나의 광원을 사용하여 형성될 수 있다(702). 많은 실시예들에서, 제1 및 제2 기록 빔들을 형성하기 위해 단일 광원이 이용된다. 예를 들어, 단일 빔을 광원으로부터 회절 격자를 향해 지향시킴으로써 두 개의 빔들이 형성될 수 있다. 다른 실시예들에서는, 제1 및 제2 기록 빔들을 각각 형성하기 위해 두 개의 광원들이 이용된다. 제1 및 제2 기록 빔들은 홀로그래픽 기록 물질층으로 투과될 수 있다(703). 제1 기록 빔의 일부는 홀로그래픽 기록 물질층을 통해 적어도 부분적으로 반사성인 표면을 향해 투과될 수 있다(704). 투과된 제1 기록 빔의 일부는 적어도 부분적으로 반사성인 표면에서 다시 홀로그래픽 기록 물질층으로 반사될 수 있다(705). 제1 및 제2 기록 빔들을 사용하여 홀로그래픽 기록 물질층에 투과 격자가 형성될 수 있다(706). 반사된 제1 기록 빔 및 제2 기록 빔을 사용하여 홀로그래픽 기록 물질층에 반사 격자가 형성될 수 있다(707). 일부 실시예들에서, 적어도 부분적으로 반사성인 표면은 완성된 도파관 구성요소의 일부를 형성할 수 있다. 몇몇 실시예들에서, 적어도 부분적으로 반사성인 표면(및 이의 지지 기재)은 노광 동안에만 존재한다.

도 8은 본 발명의 실시예에 따른 투과 및 반사 격자들을 제조하는 제2 방법을 개념적으로 도시하는 흐름도를 도시한다. 도시된 바와 같이, 방법(800)은 적어도 하나의 광원, 단량체 및 액정을 포함하는 홀로그래픽 기록 물질층, 및 적어도 부분적으로 반사성인 표면을 제공하는 단계(801)를 포함한다. 제1 및 제2 기록 빔들이 적어도 하나의 광원을 사용하여 형성될 수 있다(802). 제1 및 제2 기록 빔들은 홀로그래픽 기록 물질층으로 투과될 수 있다(803). 제1 기록 빔의 일부는 홀로그래픽 기록 물질층을 통해 반사 표면을 향해 투과될 수 있다(804). 투과된 제1 기록 빔의 일부는 반사 표면에서 다시 홀로그래픽 기록 물질층으로 반사될 수 있다(805). 제1 및 제2 빔들을 사용하여 홀로그래픽 기록 물질층에 투과 격자가 형성될 수 있다(806). 액정 대 중합체 앵커링 구조가 반사 격자를 지지하기 위해 투과 격자에 형성될 수 있다(807). 반사된 제1 빔 및 제2 빔을 사용하여 홀로그래픽 기록 물질층에 반사 격자가 형성될 수 있다(808).

도 9는 본 발명의 실시예에 따른 투과 및 반사 격자들을 제조하는 제3 방법을 개념적으로 도시하는 흐름도를 도시한다. 도시된 바와 같이, 방법(900)은 마스터 격자, 기록 물질층을 지지하는 기재, 광원, 및 기록 물질층에 대해 마스터 격자와 반대편에 배치된 적어도 부분적으로 반사성인 표면을 제공하는 단계(901)를 포함한다(즉, 기록 물질층이 적어도 부분적으로 반사성인 표면과 마스터 격자 사이에 있다). 마스터 격자는 광원으로부터의 광으로 조사될 수 있다(902). 마스터 격자의 조사로부터 회절된 빔 및 0차 빔이 형성될 수 있다(903). 회절된 빔의 적어도 일부는 적어도 부분적으로 반사성인 표면으로부터 반사될 수 있다(904). 0차 및 회절된 빔들은 간섭되어(905) 기록 물질층에 투과 격자를 형성할 수 있다. 0차 및 반사된 빔들은 간섭되어(906) 기록 물질층에 반사 격자를 형성할 수 있다. 쉽게 이해될 수 있는 바와 같이, 도 8 및 도 9에 설명된 프로세스들을 구현하는 시스템들 및 구성요소들은 도 7에 설명된 것들과 유사하게 구현될 수 있다. 예를 들어, 홀로그래픽 기록 물질은 프로세서들 간에 유사하게 대체될 수 있다.

도 7 내지 도 9는 도파관 디스플레이에서 격자들을 형성하기 위한 특정 방법들을 도시하지만, 많은 상이한 프로세스들이 소정의 적용예의 특정 요건들에 따라 상기한 격자들을 적절하게 형성하도록 구현될 수 있다. 또한, 다양한 변형이 도 7 내지 도 9에 도시된 방법에 대해 이루어질 수 있다. 예를 들어, 투과 및 반사 격자들은 멀티플렉싱된 격자들로서 형성될 수 있다. 일부 실시예들에서, 멀티플렉싱된 투과 및 반사 격자들은 0차 및 회절된 광을 간섭시키고 부분 반사 표면으로부터의 회절된 광의 반사와 0차 광을 간섭시킴으로써 형성될 수 있다. 다른 실시예들에서, 0차 광 및 회절된 광의 반사는 간섭되어 격자를 형성한다. 투과 및 반사 격자들은 또한 상이한 격자층들에 걸쳐 형성될 수 있다.

본 발명의 다양한 실시예들에 따른 투과 및 반사 격자들을 구현하는 도파관들은 다양한 격자 구성들로 구현될 수 있다. 많은 실시예들에서, 도파관은 적어도 하나의 입력 투과 격자, 적어도 하나의 폴드 투과 격자, 및 적어도 하나의 출력 투과 격자를 지지한다. 입력, 폴드 및 출력 투과 격자들 중 적어도 하나는 반사 격자와 멀티플렉싱될 수 있다. 다른 실시예들에서, 반사 격자는 입력 및 폴드 격자들 중 적어도 하나와 중첩된다. 일부 실시예들에서, 도파관은 제1 및 제2 폴드 투과 격자들을 지지한다. 제1 및 제2 폴드 투과 격자들은 서로 그리고 적어도 하나의 반사 격자와 중첩될 수 있다. 다수의 실시예들에서, 제1 및 제2 폴드 투과 격자들은 교차 K-벡터들을 갖는다. 폴드 투과 격자들 각각은 제1 방향에서 입력 격자로부터의 광을 빔-익스팬딩하고, 이를 다른 폴드 투과 격자를 향해 커플링시킨 다음, 상이한 방향에서 광을 빔-익스팬딩하고 이를 관찰자를 향해 추출하도록 구성될 수 있다.

도 10은 본 발명의 실시예에 따른 멀티플렉싱된 투과 및 반사 폴드 격자들을 구현하는 도파관 디스플레이 아키텍처를 개념적으로 도시한다. 예시적인 실시예에서, 도파관 디스플레이(1000)는 입력 격자(1002), 멀티플렉싱된 투과 격자(1003) 및 반사 격자(1004), 및 출력 격자(1005)를 지지하는 도파관(1001)을 포함한다. 입력광(1006), 도파광(1007), 제1 방향 빔-익스팬딩된 광(1008), 및 제2 방향 빔 -익스팬딩된 출력광(1009)에 대한 광학 경로들이 도시되어 있다. 일부 실시예들에서, 격자 구조들은 동일한 측 상에서 광을 입력 및 출력하도록 구성된다. 쉽게 이해될 수 있는 바와 같이, 본 발명의 추가적인 실시예들은 다양한 격자 구성들을 포함할 수 있다. 예를 들어, 도 11은 출력 격자가 멀티플렉싱된 투과(1101) 및 반사(1102) 격자들을 포함하는 도파관 아키텍처(1100)를 개념적으로 도시하는 한편, 도 12는 입력 격자가 멀티플렉싱 투과(1201) 및 반사(1202) 격자들을 포함하는 도파관 아키텍처(1200)를 개념적으로 도시한다. 도 13은 본 발명의 실시예에 따른 두 개의 개별 입력 격자들(1301, 1302)이 제공되는 도파관 아키텍처(1300)를 개념적으로 도시한다.

입력, 폴드, 및 출력 격자들에 기초한 종래의 도파관 아키텍처들에서의 일부 주요 문제들은 폴드 및 출력 격자들의 기능들을 조합함으로써 해결될 수 있다. 많은 실시예들에서, 디스플레이는 입력 격자 및 익스팬션 및 추출의 이중 기능을 수행하는 두 개의 중첩 격자들 - 중첩된 격자들 각각은 도파관을 통해 전파되는 부분의 필드에 따라 수직 익스팬션 또는 수평 익스팬션을 수행함 - 을 지지하는 도파관을 포함한다. 입력 및 중첩된 격자들의 격자 벡터들은 실질적으로 제로 결과 벡터를 제공하기 위해 등변 또는 대칭 중 어느 하나의 구성으로 배열될 수 있다. 도 14는 본 발명의 일 실시예에 따른, 입력 격자(1402), 및 중첩 멀티플렉싱된 투과 격자들(1403, 1404) 및 반사 격자들(1405, 1406)을 포함하는 격자 구조를 지지하는 도파관(1401)을 포함하는 도파관 아키텍처(1400)를 개념적으로 도시한다. 많은 실시예들에서, 멀티플렉싱된 격자들의 각 세트는 상이한 격자층에 배치된다. 일부 실시예들에서, 두 세트들이 또한 서로 멀티플렉싱되어, 네 개의 멀티플렉싱된 격자들을 형성한다. 도 14의 실시예에서, 두 개의 격자들은 도파관의 평면에서 유도된 빔의 방향을 변경함으로써 빔 익스팬션을 제공하기 위해 교차된 폴드 격자들(즉, 상이한 방향들의 K-벡터들을 갖는 폴드 격자들)로서 구성될 수 있다. 보다 일반적인 의미에서, 교차된 폴드 격자들은 도파관으로부터의 광의 2차원 빔 익스팬션 및 추출을 수행할 수 있다. 일부 실시예들에서, 투과 격자들은 교차된 폴드 격자들로서 구성된다. 다수의 실시예들에서, 두 세트의 교차된 폴드 격자들이 구현된다. 투과 격자들은 하나의 세트를 형성할 수 있으면서, 반사 격자들이 제2 세트를 형성한다. 다른 실시예에서, 투과 격자들 및 반사 격자들 각각 중 하나가 교차된 폴드 격자들의 세트를 형성한다. 도파관에 커플링되는 관찰 시야는 제1 및 제2 부분들을 포함할 수 있다. 많은 실시예들에서, 제1 및 제2 관찰 시야 부분들은 수직 또는 수평적으로 양의 각도 및 음의 각도에 대응한다. 일부 실시예들에서, 제1 및 제2 부분들은 각도 공간에서 중첩될 수 있다. 몇몇 실시예들에서, 관찰 시야의 제1 부분은 제1 폴드에 의해 수직으로 익스팬딩되고, 병렬 동작으로, 제2 폴드에 의해 수평으로 익스팬딩되고 추출된다.

도 14는 교차된 폴드 격자들을 구현하는 특정 격자 구성을 도시하지만, 다양한 다른 아키텍처들이 소정의 적용예의 특정 요건들에 따라 적절하게 이용될 수 있다. 예를 들어, 다양한 상이한 입력 격자 구성들이 이용될 수 있다. 일부 실시예들에서, 입력 격자 대신 프리즘이 이용된다. 다른 입력 구성들이 도 15 및 도 16에 도시되어 있다. 도 15는 본 발명의 실시예에 따른 입력 커플러가 투과(1501) 및 반사(1502) 격자들을 멀티플렉싱하는 교차 폴드 격자들을 사용하는 도파관 아키텍처(1500)를 개념적으로 도시한다. 도 16은 본 발명의 일 실시예에 따른 두 개의 개별 입력 커플링 격자들(1601, 1602)이 제공되는 교차 폴드 격자들을 사용하는 도파관 아키텍처(1600)를 개념적으로 도시한다. 쉽게 이해될 수 있는 바와 같이, 멀티플렉싱된 투과 및 반사 격자들의 많은 다른 조합들이 2차원 빔 익스팬션을 제공하는 도파관 디스플레이에 사용될 수 있다는 것이 명백하다. 일부 실시예들에서, 반사 격자들 중 하나는 교차 격자 구조에서 사용되는 멀티플렉싱된 격자들의 세트로부터 생략될 수 있다.

많은 실시예들에서, 본 장치는 입력광이 두 파장 대역들 - 이들은 각각 전용 폴드 격자를 갖는 분기된 경로들을 따름 - 로 분할되는 도파관을 포함한다. 광은 하나의 격자가 각 파장 대역에 할당되는 중첩 출력 격자 쌍을 사용하여 추출될 수 있다. 출력 격자들은 서로 90도의 격자 벡터들을 가질 수 있다. 격자들은 표면 릴리프 또는 홀로그래픽 타입을 사용할 수 있다. 많은 실시예들에서, 본 장치는 수평 익스팬션 및 추출을 수행하기 위해 동일한 방향으로 정렬된 격자 벡터들을 갖는 중첩 회절 요소들을 지지하는 도파관을 포함한다. 격자들은 회절이 없는 상태와 회절 상태 사이의 스위칭을 가능하게 하는 전기 활성 물질을 개재할 수 있다. 교차 격자 도파관 아키텍처들과 관련하여, 본 개시는 발명의 명칭이 "Methods And Apparatuses For Providing A Single Grating Layer Color Holographic Waveguide Display"인 미국 특허 출원 제16/709,517호 및 발명의 명칭이 "Waveguide Grating Device"인 미국 특허 출원 제14/620,969호를 통합할 수 있으며, 이의 개시 내용 전문이 모든 목적을 위해 본 명세서에 원용된다.

규정안들 및 물성들은 아이 박스로부터 이미지 소스로의 역방향 광선 추적에 의해 결정될 수 있다. 격자층은 투명 기재에 의해 지지될 수 있다. 기재는 고굴절률 물질, 광학 유리 또는 플라스틱일 수 있다. 일부 실시예들에서, 기재는 곡선형이다. 격자는 제2 기재에 의해 커버될 수 있으며, 제1 및 제2 기재들은 광 유도 구조를 형성한다. 격자는 각각 상이한 물질 및 격자 속성들을 갖는 별개의 격자 요소들로 구분될 수 있다. 격자 요소들의 적어도 일부는 전기적으로 스위칭 가능할 수 있다. 격자들은 홀로그래픽 광중합체, HPDLC 물질 시스템, 균일 변조 HPDLC 물질 시스템, 또는 적어도 하나의 LC 및 하나의 중합체 성분을 포함하는 임의의 다른 물질 시스템들로 형성될 수 있다. 물질 또는 격자 속성들은 단계 변화로 변할 수 있거나 연속적으로 변할 수 있다. 멀티플렉싱된 투과 및 반사 격자들은 상이한 파장 대역들의 이미지 광, 상이한 각도 대역폭들의 광, 및 상이한 편광들의 광을 전파하기 위해 최적화된 규정안들을 가질 수 있다. 격자들은 잉크젯 증착 공정을 사용하여 형성될 수 있다.

도 17은 본 발명의 실시예에 따른 중첩 투과(1701) 및 반사(1702, 1703) 격자들이 제공되는 도파관 아키텍처(1700)의 측면도를 개념적으로 도시한다. 예시적인 실시예에서, 아키텍처(1700)는 기재들(1704, 1705) - 각 기재는 반사 격자들(1702, 1703) 중 하나와 접촉하는 외측면을 가짐 - 에 의해 개재되는 투과 격자(1701)를 포함한다. 각 반사 격자의 외측면은 기재(1706, 1707)와 접촉한다. 도시된 바와 같이, 투과 격자(1701) 및 반사 격자들(1702, 1703)은 별개의 층들에 배치된다. 쉽게 이해될 수 있는 바와 같이, 격자들 전부 또는 이들의 임의의 조합이 멀티플렉싱될 수 있다. 상기한 섹션들에서 설명된 바와 같이, 격자들은 입력 커플링, 빔 익스팬션, 및/또는 빔 추출을 제공하도록 사용될 수 있다. 도파관에서의 광 전파는 광선(1708)에 의해 개략적으로 나타내어진다. 투과 격자 K-벡터들(부호 K 및 부호 1709A로 표시됨)은 경사진다. 반사 격자 브래그 프린지들은 부호 KR 및 부호 1709B로 표시된 K-벡터들로 실질적으로 경사지지 않는다. 도파관으로부터의 광 추출은 광선(1710)으로 나타내어진다.

반사 홀로그램들은 기본적으로 계층화 지수 시스템으로 rhfu될 수 있다. 많은 실시예들에서, 반사 격자들의 외측 층들은 주로 광이 도파관의 외측면들에 부딪히기 전에 내부 전반사가 발생하도록 유도된 빔을 감쇠시킴으로써 환경적 격리를 제공할 수 있다. 일부 실시예들에서, 투과 격자 및 반사 격자 규정들에 보상 함수들을 형성함으로써 수차가 보정될 수 있다. 반사성 홀로그래픽 광학 소자(reflective holographic optical element, R-HOE)이 또한 곡선형 도파관들을 가능하게 할 수 있다. 도 18은 본 발명의 실시예에 따른 반사 격자의 회절 효율(1801) 대 입사각 및 투과 격자의 회절 효율 각도 대역폭(1802)을 도시한 차트(1800)를 도시한다. 통상적으로, 반사 격자는 약 5-6°의 회절 효율 각도 대역폭을 갖는다. 많은 실시예들에서, HPDLC에 기록된 반사 격자는 편광 선택적이도록 구성될 수 있다. 몇몇 실시예들에서, 상측 및 하측 반사 격자들은 대칭 규정들을 가질 수 있다.

일부 실시예들에서, 도파관 각도 대역폭은 투과 격자의 위아래에 배치된 두 개의 반사 격자들을 사용함으로써 익스팬딩될 수 있다. 도 19은 본 발명의 실시예에 따른 중첩 투과(1901) 및 반사(1902A, 1902B, 1903A, 및 1903B) 격자들이 제공되는 도파관 아키텍처(1900)의 측면도를 개념적으로 도시한다. 다시, 도면들은 별개의 층들에 배치된 반사 및 투과 격자들을 도시하지만, 격자들 전부 또는 이들의 임의의 조합이 멀티플렉싱될 수 있다. 예시적인 실시예에서, 아키텍처(1900)는 기재들(1904, 1905) - 각 기재는 반사 격자들(1902A, 1903A) 중 하나와 접촉하는 외측면을 가짐 - 에 의해 개재되는 투과 격자(1901)를 포함한다. 상측 및 하측 쌍들 각각의 외측 반사 격자(1902B, 1903B)의 외측면은 기재(1906, 1907)과 접촉한다. 도파관에서의 광 전파는 광선(1908)에 의해 개략적으로 나타내어지고, 추출된 광은 광선(1909)에 의해 개략적으로 나타내어진다. 투과 격자 K-벡터들(부호 K 및 부호 1910A로 표시됨)은 경사져 있는 한편, 반사 격자 K-벡터들(부호 K_R1 및 부호 1910B 및 부호 K_R2 및 부호 1910C로 표시됨)은 실질적으로 경사지지 않는다. 도 20은 반사 격자의 회절 효율 대 입사각(2001), 두 개의 반사 격자들에서 기인하는 유효 각도 대역폭(2002), 및 투과 격자의 회절 효율 각도 대역폭(2003)을 도시한 차트(2000)이다.

일부 실시예들에서, 본 장치는 공간적으로 변하는 피치를 갖는 적어도 하나의 격자를 포함한다. 일부 실시예들에서, 각 격자는 고정 K 벡터를 갖는다. 많은 실시예들에서, 격자들 중 적어도 하나는 인용된 참조 문헌들에 개시된 실시예들 및 교시들에 따른 롤링된 k-벡터 격자다. K-벡터들을 롤링하는 것은 도파관 두께를 증가시킬 필요 없이 격자의 각도 대역폭이 익스팬딩될 수 있게 한다. 일부 실시예들에서, 롤링된 K-벡터 격자는 상이하게 정렬된 K-벡터들을 갖는 별개의 격자 요소들을 포함하는 도파관 부분을 포함한다. 일부 실시예들에서, 롤링된 K-벡터 격자는 K-벡터들이 방향에서 매끄러운 단조 변화를 겪는 단일 격자 요소를 포함하는 도파관 부분을 포함한다. 실시예들 중 일부에서, 롤링된 K-벡터 격자들이 도파관 내로 광을 입력하기 위해 사용되는 것을 설명한다.

비편광 광원들을 사용하는 디스플레이들에 관한 일부 실시예들에서, 본 발명에서 사용되는 입력 격자들은 각 격자가 입사 비편광 광의 특정 편광을 도파관 경로로 회절시키도록 배향된 격자들을 조합한다. 그러한 실시예들은 PCT 출원 PCT/GB2017/000040 "Method and Apparatus for Providing a Polarization Selective Holographic Waveguide Device"에 개시된 실시예들 및 교시들 중 일부를 통합할 수 있으며, 이의 개시 내용 전문이 모든 목적을 위해 본 명세서에 원용된다. 출력 격자들은 도파관 경로들로부터의 광이 비편광된 광으로서 조합되고 도파관으로부터 커플링 아웃되도록 유사한 방식으로 구성될 수 있다. 예를 들어, 일부 실시예들에서, 입력 격자 및 출력 격자 각각은 직교 편광 상태들에 대한 피크 회절 효율을 갖는 교차 격자들을 조합한다. 일부 실시예들에서, 편광 상태들은 S-편광 및 P-편광이다. 일부 실시예들에서, 편광 상태들은 원형 편광의 반대 의미들이다. 이와 관련하여, SBG들과 같은 액정 중합체 시스템들에 기록되는 격자들의 이점은 그 고유의 복굴절로 인해 강한 편광 선택성을 나타낸다는 것이다. 그러나, 고유한 편광 상태들을 제공하도록 구성될 수 있는 다른 격자 기술들이 사용될 수 있다.

액정 중합체 물질 시스템들에 기록되는 격자들을 사용하는 일부 실시예들에서, 폴드 격자들, 입력 격자들 또는 출력 격자들 중 적어도 하나와 중첩되는 적어도 하나의 편광 제어층이 본 발명자들이 편광 회전을 초래할 수 있는 것으로 발견한 임의의 격자들에서, 특히 폴드 격자들에서 편광 회전을 보상하기 위해 제공될 수 있다. 일부 실시예들에서, 모든 격자들은 편광 제어층들에 의해 오버레이된다. 일부 실시예들에서, 편광 제어층들은 폴드 격자들에만 또는 격자들의 임의의 다른 서브세트에 적용된다. 편광 제어층은 광학 지연막을 포함할 수 있다. HPDLC 물질에 기초한 일부 실시예들에서, 도파관 디바이스의 편광 속성들을 제어하기 위해 격자들의 복굴절이 사용될 수 있다. 설계 변수들로서 HPDLC 격자의 복굴절 텐서, K-벡터들 및 격자 풋프린트의 사용은 도파관 디바이스의 각도 능력 및 광학 효율을 최적화하기 위한 설계 공간을 가능하게 한다. 일부 실시예들에서, 도파관의 유리-공기 계면 상에 배치되는 1/4 파장판이 격자들과의 효율적인 커플링을 유지하도록 광선의 편광을 회전시킨다. 예를 들어, 일 실시예에서, 1/4 파장판은 기재 도파관에 적용되는 코팅이다. 일부 도파관 디스플레이 실시예들에서, 도파관의 기재에 1/4 파장 코팅을 적용하는 것은 도파관에서의 스큐파를 보상함으로써 광선이 의도된 관찰 축과의 정렬을 유지하는 것을 도울 수 있다. 일부 실시예들에서, 1/4 파장판은 다층 코팅으로서 제공될 수 있다.

다양한 예시적인 실시예들에 도시된 바와 같은 시스템들 및 방법들의 구성 및 배열은 단지 예시적인 것이다. 본 개시에서 단지 몇몇 실시예들이 상세히 설명되었지만, 많은 수정(예를 들어, 다양한 요소들의 크기, 치수, 구조, 형상 및 비율, 파라미터의 값, 장착 배열, 사용 물질, 색상, 배향 등의 변화)이 가능하다. 예를 들어, 요소들의 위치는 역전되거나 달리 변경될 수 있고, 개별 요소들 또는 위치들의 특성 또는 개수가 변경되거나 변형될 수 있다. 이에 따라, 이러한 모든 변형은 본 발명의 범위 내에 포함되는 것으로 의도된다. 임의의 프로세스 또는 방법 단계들의 순서 또는 시퀀스는 대안적인 실시예들에 따라 변경되거나 재순서화될 수 있다. 다른 대체들, 수정들, 변경들, 및 생략들이 본 개시의 범위로부터 벗어나지 않고 예시적인 실시예들의 설계, 동작 조건들 및 배열에서 이루어질 수 있다.

균등론

상기한 설명은 본 발명의 많은 특정 실시예들을 포함하지만, 이들은 본 발명의 범위를 제한하는 것으로 간주되어서는 안 되며, 오히려 본 발명의 일 실시예의 예로서 간주되어야 한다. 따라서, 본 발명은 본 발명의 범주 및 사상으로부터 벗어나지 않고 구체적으로 설명된 것 이외의 방식으로 실시될 수 있다는 것을 이해해야 한다. 이에 따라, 본 발명의 실시예들은 모든 점에서 예시적인 것으로 간주되어야 하고 제한적인 것으로 간주되어서는 안 된다. 따라서, 본 발명의 범주는 예시된 실시예들에 의해서가 아니라, 첨부된 청구항들 및 이들의 균등물들에 의해서 결정되어야 한다.

Claims

도파관 디스플레이로서,
이미지 데이터에 따라 변조되는 광원; 및
도파관을 포함하며, 상기 도파관은,
적어도 하나의 투과 격자;
적어도 하나의 반사 격자 - 상기 적어도 하나의 반사 격자 및 상기 적어도 하나의 투과 격자가 적어도 부분적으로 중첩됨 -; 및
상기 광원으로부터의 광을 상기 도파관 내의 전반사(total internal reflection, TIR) 경로로 커플링하기 위한 적어도 하나의 입력 커플러를 포함하는 것인, 도파관 디스플레이.
제1항에 있어서, 상기 적어도 하나의 반사 격자 및 상기 적어도 하나의 투과 격자는 단일 격자층에서 멀티플렉싱되는 것인, 도파관 디스플레이.
제1항에 있어서, 상기 적어도 하나의 입력 커플러는 격자인 것인, 도파관 디스플레이.
제1항에 있어서,
상기 적어도 하나의 입력 커플러는 입력 투과 격자를 포함하고;
상기 적어도 하나의 투과 격자는 폴드 투과 격자 및 출력 투과 격자를 포함하며;
상기 입력 투과 격자, 상기 폴드 투과 격자 및 상기 출력 투과 격자 중 적어도 하나는 상기 적어도 하나의 반사 격자와 멀티플렉싱되는 것인, 도파관 디스플레이.
제1항에 있어서,
상기 적어도 하나의 입력 커플러는 입력 투과 격자를 포함하고;
상기 적어도 하나의 투과 격자는 적어도 제1 및 제2 폴드 투과 격자들을 포함하고;
상기 적어도 하나의 반사 격자는 상기 입력 투과 격자 및 상기 제1 및 제2 폴드 투과 격자들 중 적어도 하나와 중첩되고;
상기 제1 및 제2 폴드 투과 격자들은 서로 중첩되고;
상기 제1 및 제2 폴드 투과 격자들은 교차 K-벡터들을 가지며;
상기 폴드 투과 격자들 각각은 상기 입력 격자로부터의 광을 빔-익스팬딩(beam-expand)하고, 이를 다른 상기 폴드 투과 격자를 향해 커플링시킨 다음, 광을 빔-익스팬딩하고 이를 관찰자를 향해 추출하도록 구성된 것인, 도파관 디스플레이.
제1항에 있어서, 상기 격자들 각각은 실질적으로 제로 크기를 갖는 결과 벡터를 조합하여 제공하는 격자 벡터를 갖는 것인, 도파관 디스플레이.
제1항에 있어서, 상기 광은 상기 격자들 중 적어도 하나 내에서 이중 상호 작용을 거치는 것인, 도파관 디스플레이.
제1항에 있어서, 상기 적어도 하나의 반사 격자를 중첩시키는 빔 스플리터 층을 더 포함하는, 도파관 디스플레이.
제1항에 있어서, 상기 적어도 하나의 반사 격자를 중첩시키는 정렬 층을 더 포함하는, 도파관 디스플레이.
제1항에 있어서, 데이터 변조된 상기 광원은 레이저 스캐닝 프로젝터, 마이크로 디스플레이 패널, 및 발광 디스플레이로 이루어지는 군으로부터 선택되는 것인, 도파관 디스플레이.
제1항에 있어서, 상기 광원은 상이한 적어도 두 파장들을 제공하는 것인, 도파관 디스플레이.
제1항에 있어서, 상기 격자들 중 적어도 하나는 굴절률 변조, K-벡터, 격자 벡터, 격자 피치, 및 복굴절로 이루어지는 군으로부터 선택되는 속성의 공간적 변형을 특징으로 하는, 도파관 디스플레이.
제1항에 있어서, 상기 격자들은 파장 대역, 각도 대역폭, 및 편광 상태로 이루어지는 군으로부터 선택되는 속성을 복수의 개별 광 경로들에 제공하도록 구성된 것인, 도파관 디스플레이.
제1항에 있어서, 상기 도파관은 곡선형인 것인, 도파관 디스플레이.
제1항에 있어서, 상기 도파관은 GRIN 구조를 통합하는 것인, 도파관 디스플레이.
제1항에 있어서, 상기 도파관은 플라스틱인 것인, 도파관 디스플레이.
제1항에 있어서, 상기 격자들 중 적어도 하나는 홀로그래픽 광중합체에 기록되는 스위칭 가능한 브래그 격자(switchable Bragg grating), HPDLC 물질, 균일 변조 홀로그래픽 액정 중합체 물질에 기록되는 스위칭 가능한 브래그 격자, 광중합체 물질에 기록되는 브래그 격자, 및 표면 릴리프 격자(surface relief grating)로 이루어지는 군으로부터 선택되는 구조를 포함하는 것인, 도파관 디스플레이.
홀로그래픽 도파관을 제조하는 방법으로서,
적어도 하나의 광원, 홀로그래픽 기록 물질층, 및 적어도 부분적으로 반사성인 표면을 제공하는 단계;
상기 적어도 하나의 광원을 사용하여 제1 기록 빔 및 제2 기록 빔을 형성하는 단계;
상기 제1 기록 빔 및 상기 제2 기록 빔을 상기 홀로그래픽 기록 물질층으로 투과시키는 단계;
상기 제1 기록 빔의 일부분을 상기 홀로그래픽 기록 물질층을 통해 상기 적어도 부분적으로 반사성인 표면을 향해 투과시키는 단계;
상기 제1 기록 빔의 상기 투과된 부분을 상기 적어도 부분적으로 반사성인 표면에서 다시 상기 홀로그래픽 기록 물질층으로 반사시키는 단계;
상기 제1 기록 빔 및 상기 제2 기록 빔을 사용하여 상기 홀로그래픽 기록 물질층에 투과 격자를 형성하는 단계; 및
상기 제1 기록 빔 및 상기 제2 기록 빔의 상기 반사된 부분을 사용하여 상기 홀로그래픽 기록 물질층에 반사 격자를 형성하는 단계를 포함하는, 방법.
제18항에 있어서,
상기 반사 격자를 지지하기 위한 액정 및 중합체 앵커링 구조를 형성하는 단계를 더 포함하는, 방법.
홀로그래픽 도파관을 제조하는 방법으로서,
마스터 격자, 기록 물질층을 지지하는 기재, 광원, 및 상기 기록 물질층에 대해 상기 마스터 격자와 반대편에 배치된 적어도 부분적으로 반사성인 표면을 제공하는 단계;
상기 광원으로부터의 광으로 상기 마스터 격자를 조명하여 회절된 빔 및 0차 빔을 형성하는 단계;
상기 적어도 부분적으로 반사성인 표면으로부터 상기 회절된 빔을 반사시키는 단계;
상기 0차 빔과 상기 회절된 빔으로부터 투과 격자를 형성하는 단계; 및
상기 0차 빔과 상기 회절 반사된 빔으로부터 반사 격자를 형성하는 단계를 포함하는, 방법.