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KR20250030038A - 진공 격자 및 이의 제조 방법 - Google Patents

진공 격자 및 이의 제조 방법 Download PDF

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KR20250030038A
KR20250030038A KR1020257006495A KR20257006495A KR20250030038A KR 20250030038 A KR20250030038 A KR 20250030038A KR 1020257006495 A KR1020257006495 A KR 1020257006495A KR 20257006495 A KR20257006495 A KR 20257006495A KR 20250030038 A KR20250030038 A KR 20250030038A
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KR
South Korea
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grating
waveguide
polymer
waveguide device
liquid crystal
Prior art date
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Pending
Application number
KR1020257006495A
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English (en)
Inventor
조나단 데이빗 월던
알라스테어 존 그랜트
밀란 맘실로 포포비치
시부 아브라함
배던 죠지 힐
충-지 호
Original Assignee
디지렌즈 인코포레이티드.
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
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Publication date
Application filed by 디지렌즈 인코포레이티드. filed Critical 디지렌즈 인코포레이티드.
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Abstract

도파관들에 사용하기 위한 격자들 및 그 생산 방법들에 대한 개선이 본원에서 설명된다. 깊은 표면 릴리프 격자(surface relief grating, SRG)들은 종래의 SRG들 및 브래그 격자들에 비해 많은 이점들을 제공할 수 있으며, 중요한 것은 더 높은 S-회절 효율이다. 일 실시예에서, 깊은 SRG들은 중합체 표면 릴리프 격자들 또는 진공 브래그 격자(evacuated Bragg grating, EBG)들로서 구현될 수 있다. EBG들은 먼저 홀로그래픽 중합체 분산 액정(holographic polymer dispersed liquid crystal, HPDLC) 격자를 기록함으로써 형성될 수 있다. 경화된 격자로부터 액정을 제거하는 것은 중합체 표면 릴리프 격자를 제공한다. 중합체 표면 릴리프 격자들은 도파관 기반 디스플레이들에서의 사용을 포함하는 많은 적용예들을 갖는다.

Description

진공 격자 및 이의 제조 방법{EVACUATING BRAGG GRATINGS AND METHODS OF MANUFACTURING}
출원 교차 참조
본 출원은 2019년 8월 29일에 출원된 미국 가 출원 제62/893,715호의 우선권을 주장하며, 이의 개시 내용은 전문이 참고로 본원에 포함된다.
기술분야
본 발명은 일반적으로 도파관들 및 도파관들을 제조하기 위한 방법들에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 하나의 재료 성분 유형이 제거되는 다성분 혼합물로 형성된 격자들을 포함하는 도파관 디스플레이들 및 격자들을 제조하기 위한 방법들에 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 또는 도파관들의 표면 상의 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(liquid crystal, LC) 미세 액적들이 밀집된 영역들 사이사이에 투명한 중합체의 영역들을 생성한다. 교번하는 액정 풍부 영역들과 액정 격감 영역들은 격자의 프린지 면들을 형성한다.
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, 항공 및 도로 교통 적용을 위한 증강 현실(Augmented Reality, AR) 및 가상 현실(Virtual Reality, VR)을 위한 근안 디스플레이들, 컴팩트 헤드업 디스플레이(Heads Up Display, HUD)들, 및 생체 인식 및 레이저 레이더(laser radar, LIDAR) 적용을 위한 센서들에서 새로운 혁신들을 가능하게 한다. 이들 적용예들 중 다수가 소비자 제품들에 관한 것임에 따라, 홀로그래픽 도파관들을 대량으로 제조하기 위한 효율적인 저비용 수단들에 대한 요구가 증가하고 있다.
많은 실시예들은 중합체 격자 구조체들, 이들의 설계, 제조 방법들, 및 재료들에 관한 것이다.
다양한 실시예들은 도파관 기반 디바이스에 관한 것으로서, 도파관 기반 디바이스는:
도파관에서 내부 전반사로 전파되는 광을 회절시키기 위한 중합체 격자 구조체를 지지하는 도파관을 포함하며,
중합체 격자 구조체는:
중합체 네트워크; 및
중합체 네트워크의 인접한 부분들 사이의 에어 갭들을 포함한다.
또 다른 다양한 실시예들에서, 중합체 격자 구조체는 중합체 네트워크의 인접한 부분들 사이의 등방성 재료를 더 포함할 수 있으며, 등방성 재료는 중합체 네트워크보다 높거나 낮은 굴절률을 갖는다.
또 다른 다양한 실시예들에서, 등방성 재료는 중합체 네트워크의 인접한 부분들 사이의 공간의 바닥 부분의 공간을 점유할 수 있고, 공기는 등방성 재료의 상부 표면 위로부터 변조 깊이까지의 공간을 점유할 수 있다.
또 다른 다양한 실시예들에서, 등방성 재료는 복굴절 결정 재료를 포함할 수 있다.
또 다른 다양한 실시예들에서, 복굴절 결정 재료는 액정 재료를 포함할 수 있다.
또 다른 다양한 실시예들에서, 복굴절 결정 재료는 중합체보다 높은 굴절률의 재료일 수 있다.
또 다른 다양한 실시예들에서, 중합체 격자 구조체는 가시광의 파장보다 큰 변조 깊이를 가질 수 있다.
또 다른 다양한 실시예들에서, 중합체 격자 구조체는 변조 깊이 및 격자 피치를 포함할 수 있으며, 변조 깊이는 격자 피치보다 크다.
또 다른 다양한 실시예들에서, 도파관은 두 개의 기판들을 포함할 수 있고, 중합체 격자 구조체는 두 개의 기판들 사이에 개재되거나 어느 하나의 기판의 외부 표면 상에 위치될 수 있다.
또 다른 다양한 실시예들에서, 중합체 네트워크의 브래그 프린지 간격은 0.35 ㎛ 내지 0.8 ㎛일 수 있고, 중합체 네트워크의 격자 깊이는 1 ㎛ 내지 3 ㎛일 수 있다.
또 다른 다양한 실시예들에서, 중합체 네트워크의 격자 깊이 대 브래그 프린지 간격의 비는 1:1 내지 5:1일 수 있다.
또 다른 다양한 실시예들에서, 도파관 디스플레이는 화상 생성 유닛을 더 포함할 수 있으며, 중합체 격자 구조체는 도파관 회절 격자를 포함할 수 있다.
또 다른 다양한 실시예들에서, 도파관 회절 격자는 멀티플렉싱 격자로서 구성될 수 있다.
또 다른 다양한 실시예들에서, 도파관 회절 격자는 다수의 이미지들을 포함하는 화상 생성 유닛으로부터의 광을 수용하도록 구성될 수 있다.
또 다른 다양한 실시예들에서, 도파관 회절 격자는 도파관으로부터 광을 아웃커플링하도록 구성될 수 있다.
또 다른 다양한 실시예들에서, 도파관 회절 격자는 빔 익스팬더로서 구성될 수 있다.
또 다른 다양한 실시예들에서, 도파관 회절 격자는 화상 생성 유닛으로부터 생성된 이미지 데이터를 포함하는 광을 인커플링하도록 구성될 수 있다.
또 다른 다양한 실시예들에서, 도파관 회절 격자는 또한, 고도의 효율로 S-편광된 광을 인커플링하도록 구성될 수 있다.
또 다른 다양한 실시예들에서, 회절 격자는 또한, 브래그 각도에서 70% 내지 95%의 효율로 S-편광된 광을 인커플링하도록 구성될 수 있다.
또 다른 다양한 실시예들에서, 회절 격자는 또한, 브래그 각도에서 25% 내지 50%의 효율로 P-편광된 광을 인커플링하도록 구성될 수 있다.
또 다른 다양한 실시예들에서, 중합체 네트워크와 에어 갭들 사이의 굴절률 차이는 0.25 내지 0.4일 수 있다.
또 다른 다양한 실시예들에서, 중합체 네트워크와 복굴절 결정 재료 사이의 굴절률 차이는 0.05 내지 0.2일 수 있다.
또 다른 다양한 실시예들에서, 중합체 격자 구조체는 2차원 격자 구조체 또는 3차원 격자 구조체를 포함할 수 있다.
또 다른 다양한 실시예들에서, 도파관 디스플레이는 또 다른 격자 구조체를 더 포함할 수 있다.
또 다른 다양한 실시예들에서, 중합체 격자 구조체는 인커플링 격자를 포함할 수 있고, 다른 격자 구조체는 빔 익스팬더 또는 아웃커플링 격자를 포함한다.
나아가, 다양한 실시예들은 도파관 디스플레이에 관한 것으로서, 도파관 디스플레이는:
도파관에서 내부 전반사로 전파되는 광을 회절시키기 위한 중합체 격자 구조체를 지지하는 도파관을 포함하며,
중합체 격자 구조체는:
중합체 네트워크; 및
중합체 네트워크의 인접한 부분들 사이의 복굴절 결정 재료를 포함하며, 복굴절 결정 재료는 중합체보다 높은 굴절률을 갖는다.
나아가, 다양한 실시예들은 깊은 표면 릴리프 격자(surface relief grating, SRG)를 제조하기 위한 방법에 관한 것으로서, 방법은:
단량체와 액정의 혼합물을 제공하는 단계;
기판을 제공하는 단계;
기판의 표면 상에 혼합물의 층을 코팅하는 단계;
층에 홀로그래픽 기록 빔들을 적용하여 교번하는 중합체 풍부 영역들 및 액정 풍부 영역들을 포함하는 홀로그래픽 중합체 분산 액정 격자를 형성하는 단계; 및
액정 풍부 영역들 내의 액정의 적어도 일부를 제거하여 중합체 표면 릴리프 격자를 형성하는 단계를 포함한다.
또 다른 다양한 실시예들에서, 단량체는 아크릴레이트, 메타크릴레이트, 비닐, 이소시네이트, 티올, 이소시아네이트-아크릴레이트, 및/또는 티오린을 포함한다.
또 다른 다양한 실시예들에서, 혼합물은 광개시제, 공개시제, 또는 추가적인 첨가제들 중 적어도 하나를 더 포함할 수 있다.
또 다른 다양한 실시예들에서, 티올은 티올-비닐-아크릴레이트를 포함할 수 있다.
또 다른 다양한 실시예들에서, 광개시제는 감광성 성분을 포함할 수 있다.
또 다른 다양한 실시예들에서, 감광성 성분은 염료 및/또는 라디칼 발생제를 포함할 수 있다.
또 다른 다양한 실시예들에서, 단량체와 액정의 혼합물을 제공하는 단계는:
단량체, 액정, 및 광개시제, 공개시제, 다작용성 티올, 또는 추가적인 첨가제들 중 적어도 하나를 혼합하는 단계;
혼합물을 22°C 이하의 온도의 광이 없는 위치에 저장하는 단계;
추가적인 단량체를 첨가하는 단계;
0.6 ㎛ 이하의 필터를 통해 혼합물을 여과하는 단계; 및
여과된 혼합물을 광이 없는 위치에 저장하는 단계를 포함할 수 있다.
또 다른 다양한 실시예들에서, 기판은 유리 기판 또는 플라스틱 기판을 포함할 수 있다.
또 다른 다양한 실시예들에서, 기판은 투명 기판을 포함할 수 있다.
또 다른 다양한 실시예들에서, 본 방법은 내부 치수들을 유지하기 위한 하나 이상의 스페이서로 기판과 또 다른 기판 사이에 혼합물을 개재시키는 단계를 더 포함할 수 있다.
또 다른 다양한 실시예들에서, 본 방법은 다른 기판의 하나의 표면 상에 비점착성 이형층을 적용하는 단계를 더 포함할 수 있다.
또 다른 다양한 실시예들에서, 비점착성 이형층은 불소중합체를 포함할 수 있다.
또 다른 다양한 실시예들에서, 본 방법은 액정 풍부 영역들을 액정 재료로 재충전하는 단계를 더 포함할 수 있다.
또 다른 다양한 실시예들에서, 액정 재료는 이전에 제거된 액정과 상이한 분자 구조체를 가질 수 있다.
또 다른 다양한 실시예들에서, 액정의 적어도 일부를 제거하는 단계는 액정 풍부 영역들에서 실질적으로 모든 액정을 제거하는 단계를 포함할 수 있다.
또 다른 다양한 실시예들에서, 액정의 적어도 일부를 제거하는 단계는 중합체 풍부 영역들에 액정 중 적어도 일부를 남기는 단계를 더 포함할 수 있다.
또 다른 다양한 실시예들에서, 본 방법은 깊은 SRG 위에 보호층을 적용하는 단계를 더 포함할 수 있다.
또 다른 다양한 실시예들에서, 보호층은 반사 방지층을 포함할 수 있다.
또 다른 다양한 실시예들에서, 보호층은 실리케이트 또는 실리콘 질화물을 포함할 수 있다.
또 다른 다양한 실시예들에서, 보호층을 적용하는 단계는 깊은 SRG 상에 보호층을 증착하는 단계를 포함할 수 있다.
또 다른 다양한 실시예들에서, 보호층을 증착하는 단계는 화학 기상 증착을 포함할 수 있다.
또 다른 다양한 실시예들에서, 화학 기상 증착은 나노코팅 공정일 수 있다.
또 다른 다양한 실시예들에서, 보호층은 파릴렌 코팅을 포함할 수 있다.
또 다른 다양한 실시예들에서, 액정 풍부 영역들은 액정 풍부 영역들 내의 액정의 적어도 일부를 제거한 후 에어 갭들을 포함할 수 있다.
또 다른 다양한 실시예들에서, 에어 갭들에 진공을 생성하거나 에어 갭들을 불활성 기체로 충전하는 단계를 더 포함할 수 있다.
또 다른 다양한 실시예들에서, 액정의 적어도 일부를 제거하는 단계는 홀로그래픽 중합체 분산 액정 격자를 용매로 세척하는 단계를 포함할 수 있다.
또 다른 다양한 실시예들에서, 홀로그래픽 중합체 분산 액정 격자를 세척하는 단계는 홀로그래픽 중합체 분산 액정 격자를 용매에 침지하는 단계를 포함할 수 있다.
또 다른 다양한 실시예들에서, 용매는 이소프로필 알콜을 포함할 수 있다.
또 다른 다양한 실시예들에서, 용매는 홀로그래픽 중합체 분산 액정 격자를 세척하는 동안 실온보다 낮은 온도로 유지될 수 있다.
또 다른 다양한 실시예들에서, 액정의 적어도 일부를 제거하는 단계는 홀로그래픽 중합체 분산 액정 격자를 고유량 공기원으로 건조시키는 단계를 더 포함할 수 있다.
또 다른 다양한 실시예들에서, 본 방법은 홀로그래픽 중합체 분산 액정 격자를 경화하는 단계를 더 포함할 수 있다.
또 다른 다양한 실시예들에서, 홀로그래픽 중합체 분산 액정 격자를 경화하는 단계는 홀로그래픽 중합체 분산 액정 격자를 약 1시간의 구간 동안 저강도 백색광에 노출시키는 단계를 포함할 수 있다.
또 다른 다양한 실시예들에서, 중합체 표면 릴리프 격자는 70% 내지 95%의 효율로 S-편광된 광을 인커플링하도록 구성될 수 있다.
또 다른 다양한 실시예들에서, 중합체 표면 릴리프 격자는 또한, 25% 내지 50%의 효율로 P-편광된 광을 인커플링하도록 구성될 수 있다.
또 다른 다양한 실시예들에서, 중합체 네트워크와 에어 갭들 사이의 굴절률 차이는 0.25 내지 0.4일 수 있다.
또 다른 다양한 실시예들에서, 중합체 네트워크와 액정 재료 사이의 굴절률 차이는 0.05 내지 0.2일 수 있다.
또 다른 다양한 실시예들에서, 중합체 표면 릴리프 격자는 0.35 ㎛ 내지 0.8 ㎛의 브래그 프린지 간격 및 1 ㎛ 내지 3 ㎛의 격자 깊이를 포함할 수 있다.
또 다른 다양한 실시예들에서, 중합체 표면 릴리프 격자는 1:1 내지 5:1의 브래그 프린지 간격 대 격자 깊이의 비를 포함할 수 있다.
또 다른 다양한 실시예들에서, 단량체와 액정의 혼합물 중의 액정의 함량은 대략 20% 내지 50%일 수 있다.
또 다른 다양한 실시예들에서, 단량체와 액정의 혼합물 중의 액정은 액정 단일물을 포함할 수 있다.
또 다른 다양한 실시예들에서, 액정 단일물은 시아노바이페닐 및/또는 펜틸사이노바이페닐을 포함할 수 있다.
나아가, 다양한 실시예들은 깊은 SRG를 제조하기 위한 방법에 관한 것으로서, 방법은:
단량체와 물질의 혼합물을 제공하는 단계;
기판을 제공하는 단계;
기판의 표면 상에 혼합물의 층을 코팅하는 단계;
층에 홀로그래픽 기록 빔들을 적용하여 교번하는 중합체 풍부 영역들 및 물질 풍부 영역들을 포함하는 홀로그래픽 중합체 분산 격자를 형성하는 단계; 및
물질 풍부 영역들 내의 물질의 적어도 일부를 제거하여 중합체 표면 릴리프 격자를 형성하는 단계를 포함할 수 있다.
또 다른 다양한 실시예들에서, 단량체는 홀로그래픽 기록 빔들에 반응성일 수 있고, 물질은 홀로그래픽 기록 빔들에 비반응성일 수 있다.
또 다른 다양한 실시예들에서, 상단량체 및 물질은 홀로그래픽 기록빔들을 적용하기 전에 혼화성 혼합물일 수 있고, 단량체 및 물질은 홀로그래픽 기록 빔들을 적용한 후에 비혼화성 혼합물이 된다.
또 다른 다양한 실시예들에서, 기판은 액정을 포함할 수 있다.
또 다른 다양한 실시예들에서, 물질은 액정 단일물을 포함할 수 있다.
또 다른 다양한 실시예들에서, 물질은 용매, 비반응성 단량체, 무기물, 및/또는 나노입자를 포함할 수 있다.
나아가, 다양한 실시예들은 도파관 디스플레이에 관한 것으로서, 도파관 디스플레이는:
제1 파장 대역 내의 광을 방사하는 방사 어레이;
방사 어레이로부터 시야에 걸쳐 이미지 변조 광을 투사하기 위한 시준 렌즈; 및
도파관으로서:
제1 파장 대역 내의 S-편광된 광에 대해 회절 효율이 높은 입출력 SBG들; 및
제1 파장 대역 내의 P-편광된 광에 대해 회절 효율이 높은 입출력 SBG들을 지지하는, 도파관을 포함할 수 있다.
또 다른 다양한 실시예들에서, 도파관은 또한, 방출 어레이에 의해 방출된 제2 파장 대역 내의 S-편광된 광 및 P-편광된 광을 회절시키기 위한 SBG들을 지지할 수 있다.
또 다른 다양한 실시예들에서, 방사 어레이는 OLED 어레이일 수 있다.
또 다른 다양한 실시예들에서, 도파관은 적어도 하나의 평면에서 만곡될 수 있다.
또 다른 다양한 실시예들에서, 도파관은 플라스틱으로 제조될 수 있다.
또 다른 다양한 실시예들에서, 방사 어레이는 도파관 내의 만곡된 표면들에 의해 생성되는 파면 왜곡을 사전 보상하기 위해 공간적으로 왜곡될 수 있다.
또 다른 다양한 실시예들에서, 방사 어레이는 도파관 내의 만곡된 표면들에 의해 생성되는 파면 왜곡을 사전 보상하기 위해 만곡된 기판 또는 가요성 기판 상에 형성될 수 있다.
또 다른 다양한 실시예들에서, 격자들 중 적어도 하나는 광중합체에 기록된 브래그 격자, 액정 및 단량체 혼합물에 기록된 브래그 격자, 깊은 표면 릴리프 격자, 하이브리드 표면 릴리프/브래그 격자 중 하나일 수 있다.
또 다른 다양한 실시예들에서, 도파관은 시력 규정(eye prescription) 광학 표면들을 지지할 수 있다.
또 다른 다양한 실시예들에서, 방사는 동일한 크기의 다각형들, 동일한 형상의 다각형들, 어레이에 걸쳐 크기가 변하는 다각형들, 어레이에 걸쳐 형상이 변하는 다각형들, 펜로스 타일들(Penrose tile) 및 비반복 패턴들을 형성하는 요소들의 군으로부터 선택되는 적어도 하나를 포함하는 다양한 요소들을 사용하여 패터닝된 픽셀 어레이를 가질 수 있다.
나아가, 다양한 실시예들은 도파관을 사용하여 이미지를 형성하기 위한 방법에 관한 것으로서, 방법은:
제1 파장 대역 내의 광을 방사하는 방사 어레이, 시준 렌즈 및 제1 파장 대역 내의 S-편광된 광에 대해 회절 효율이 높은 입출력 격자들 및 제1 파장 대역 내의 P-편광된 광에 대해 회절 효율이 높은 입출력 격자들을 지지하는 도파관을 제공하는 단계;
시준 렌즈를 사용하여 방사 어레이에 의해 방사된 이미지 광을 시준하는 단계;
S-회절 입력 격자를 사용하여 OLED 어레이로부터의 이미지 변조 S-편광된 광을 도파관 내의 내부 전반사 경로 내로 커플링하는 단계;
P-회절 입력 격자를 사용하여 OLED 어레이로부터의 이미지 변조 P-편광된 광을 도파관 내의 내부 전반사 경로 내로 커플링하는 단계;
관찰을 위해 도파관으로부터 S-편광된 광을 빔 확대 및 추출하는 단계; 및
관찰을 위해 도파관으로부터 P-편광된 광을 빔 확대 및 추출하는 단계를 포함한다.
또 다른 다양한 실시예들에서, 방사 어레이는 OLED 어레이일 수 있다.
또 다른 다양한 실시예들에서, 본 방법은 도파관에 의해 지지되는 만곡된 광학 표면을 제공하는 단계; 방사 어레이 상의 픽셀 패턴을 사전 왜곡시키는 단계, 시준 렌즈를 사용하여 사전 왜곡된 파면들을 형성하는 단계; 만곡된 광학 표면에서 사전 왜곡된 파면 광을 반사시키는 단계; 및 만곡된 광학 표면의 광출력을 사용하여 사전 왜곡된 파면으로부터 평면 파면을 형성하는 단계를 더 포함할 수 있다.
또 다른 다양한 실시예들에서, 만곡된 광학 표면은 규정 광학 표면일 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 1a는 본 발명의 실시예에 따라 투명 기판 상에 증착된 단량체와 액정의 혼합물이 홀로그래픽 노출 빔들에 노출되는 표면 릴리프 격자를 제조하기 위한 방법의 단계를 개념적으로 도시한다.
도 1b는 본 발명의 실시예에 따라 투명 기판 상에 형성된 HPDLC 브래그 격자로부터 표면 릴리프 격자를 제조하기 위한 방법의 단계를 개념적으로 도시한다.
도 1c는 본 발명의 실시예에 따라 HPDLC 브래그 격자로부터 액정이 제거되어 중합체 표면 릴리프 격자를 형성하는 표면 릴리프 격자를 제조하기 위한 방법의 단계를 개념적으로 도시한다.
도 1d는 본 발명의 실시예에 따라 표면 릴리프 격자를 보호층으로 덮기 위한 방법의 단계를 개념적으로 도시한다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따라 투명 기판 상에 형성된 HPDLC 브래그 격자로부터 중합체 표면 릴리프 격자를 형성하기 위한 방법을 개념적으로 도시하는 흐름도이다.
도 3은 중합체 표면 릴리프 격자 또는 진공 브래그 격자의 예시적인 구현이다.
도 4a는 본 발명의 실시예에 따라 투명 기판 상에 증착된 단량체와 액정의 혼합물이 홀로그래픽 노출 빔들에 노출되는 표면 릴리프 격자를 제조하기 위한 방법의 단계를 개념적으로 도시한다.
도 4b는 본 발명의 실시예에 따라 투명 기판 상에 형성된 HPDLC 브래그 격자로부터 표면 릴리프 격자를 제조하기 위한 방법의 단계를 개념적으로 도시한다.
도 4c는 본 발명의 실시예에 따라 HPDLC 브래그 격자로부터 액정이 제거되어 중합체 표면 릴리프 격자를 형성하는 표면 릴리프 격자를 제조하기 위한 방법의 단계를 개념적으로 도시한다.
도 4d는 본 발명의 실시예에 따라 표면 릴리프 격자가 액정으로 부분적으로 재충전되어 하이브리드 표면 릴리프 브래그 격자를 형성하는 표면 릴리프 격자를 제조하기 위한 방법의 단계를 개념적으로 도시한다.
도 4e는 본 발명의 실시예에 따라 하이브리드 표면 릴리프 브래그 격자가 보호층으로 덮이는 표면 릴리프 격자를 제조하기 위한 방법의 단계를 개념적으로 도시한다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따라 하이브리드 표면 릴리프 브래그 격자를 형성하기 위한 방법을 개념적으로 도시하는 흐름도이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따라 1 마이크로미터 두께의 깊은 표면 릴리프 격자에 대한 입사각에 대한 계산된 P-편광 및 S-편광 회절 효율을 도시하는 그래프이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따라 2 마이크로미터 두께의 깊은 표면 릴리프 격자에 대한 입사각에 대한 계산된 P-편광 및 S-편광 회절 효율을 도시하는 그래프이다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따라 3 마이크로미터 두께의 깊은 표면 릴리프 격자에 대한 입사각에 대한 계산된 P-편광 및 S-편광 회절 효율을 도시하는 그래프이다.
도 9a 및 도 9b는 상이한 티올 농도들을 포함하는 다수의 실시예들의 주사 전자 현미경 이미지들을 예시한다.
도 10a 및 도 10b는 HPDLC 브래그 격자와 중합체 표면 릴리프 격자 또는 진공 브래그 격자를 비교한 이미지들이다.
도 11a 및 도 11b는 HPDLC 브래그 격자와 중합체 표면 릴리프 격자 또는 진공 브래그 격자를 비교한 두 개의 플롯들이다.
도 12a 및 도 12b는 상이한 깊이들을 갖는 두 개의 예시적인 중합체 표면 릴리프 격자들의 S-회절 효율 및 P-회절 효율의 두 개의 플롯들이다.
도 13a 및 도 13b는 상이한 초기 액정 농도들로 생성된 다양한 예시적인 중합체 표면 릴리프 격자들의 S-회절 효율 및 P-회절 효율의 두 개의 상이한 플롯들이다.
도 14a 및 도 14b는 상이한 초기 액정 농도들로 생성된 다양한 예시적인 중합체 표면 릴리프 격자들의 S-회절 효율 및 P-회절 효율의 두 개의 상이한 플롯들이다.
도 15는 본 발명의 실시예에 따른 도파관 디스플레이를 개념적으로 도시한다.
도 16은 본 발명의 실시예에 따른 두 개의 공기 이격된 도파관 층들을 갖는 도파관 디스플레이를 개념적으로 도시한다.
도 17은 본 발명의 실시예에 따른 도파관 디스플레이에 대한 통상적인 광선 경로들을 개념적으로 도시한다.
도 18은 본 발명의 실시예에 따라 도파관이 만곡된 광학 표면을 지지하는 도파관 디스플레이를 개념적으로 도시한다.
도 19는 본 발명의 실시예에 따라 도파관이 상부 및 하부 만곡된 광학 표면들을 지지하는 도파관 디스플레이를 개념적으로 도시한다.
도 20은 본 발명의 실시예에 따라 도파관이 만곡된 광학 표면을 지지하고 입력 이미지가 만곡된 광학 표면에 의해 도입된 수차를 보상하기 위해 사전 왜곡된 픽셀 어레이를 사용하여 제공되는 도파관 디스플레이를 개념적으로 도시한다.
도 21은 본 발명의 실시예에 따라 도파관이 만곡된 광학 표면을 지지하고 입력 이미지가 만곡된 광학 표면에 의해 도입된 수차를 보상하기 위해 만곡된 기판에 의해 지지되고 사전 왜곡된 픽셀 어레이를 사용하여 제공되는 도파관 디스플레이를 개념적으로 도시한다.
도 22는 본 발명의 실시예에 따라 S-회절 및 P-회절 격자들을 포함하는 도파관을 사용하여 관찰을 위한 이미지 광을 투사하기 위한 방법을 개념적으로 도시하는 흐름도이다.
도 23은 본 발명의 실시예에 따라 광학 규정 표면을 지지하고 S-회절 및 P-회절 격자들을 포함하는 도파관을 사용하여 관찰을 위한 이미지 광을 투사하기 위한 방법을 개념적으로 도시하는 흐름도이다.
도 24a는 본 발명의 실시예에 따른 방사 디스플레이 패널에 사용하기 위한 상이한 크기 및 종횡비의 직사각형 요소들을 갖는 픽셀 패턴의 일부를 개념적으로 도시한다.
도 24b는 본 발명의 실시예에 따른 방사 디스플레이 패널에 사용하기 위한 펜로스 타일들을 갖는 픽셀 패턴의 일부를 개념적으로 도시한다.
도 24c는 본 발명의 실시예에 따른 방사 디스플레이 패널에 사용하기 위한 육각형 요소들을 갖는 픽셀 패턴의 일부를 개념적으로 도시한다.
도 24d는 본 발명의 실시예에 따른 방사 디스플레이 패널에 사용하기 위한 정사각형 요소들을 갖는 픽셀 패턴의 일부를 개념적으로 도시한다.
도 24e는 본 발명의 실시예에 따른 방사 디스플레이 패널에 사용하기 위한 다이아몬드형 요소들을 갖는 픽셀 패턴의 일부를 개념적으로 도시한다.
도 24f는 본 발명의 실시예에 따른 방사 디스플레이 패널에 사용하기 위한 이등변 삼각형 요소들을 갖는 픽셀 패턴의 일부를 개념적으로 도시한다.
도 24g는 본 발명의 실시예에 따른 방사 디스플레이 패널에 사용하기 위한 수평 편향된 종횡비들을 갖는 육각형 요소들을 갖는 픽셀 패턴의 일부를 개념적으로 도시한다.
도 24h는 본 발명의 실시예에 따른 방사 디스플레이 패널에 사용하기 위한 수평 편향된 종횡비들을 갖는 직사각형 요소들을 갖는 픽셀 패턴의 일부를 개념적으로 도시한다.
도 24i는 본 발명의 실시예에 따른 방사 디스플레이 패널에 사용하기 위한 수평 편향된 종횡비들을 갖는 다이아몬드형 요소들을 갖는 픽셀 패턴의 일부를 개념적으로 도시한다.
도 24j는 본 발명의 실시예에 따른 방사 디스플레이 패널에 사용하기 위한 수평 편향된 종횡비의 삼각형들을 갖는 픽셀 패턴의 일부를 개념적으로 도시한다.
도 25는 본 발명의 실시예에 따라 상이한 픽셀들이 상이한 방사 특성들을 가질 수 있는 다이아몬드형 요소들을 갖는 픽셀 패턴의 일부를 개념적으로 도시한다.
다양한 기능들을 제공하기 위해 도파관들 상의 다양한 격자들의 사용에 대한 관심이 증가하고 있다. 이들 격자들은 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 격자, 및 공간적 변하는 평균 굴절률 텐서를 갖는 격자를 포함한다. 특정 예들에서, 광의 다양한 편광들(예를 들어, S-편광된 광 및 P-편광된 광)의 회절을 위한 격자들이 유익할 수 있다. S-편광된 광 또는 P-편광된 광 중 어느 하나를 회절시키는 격자를 갖는 것이 특히 바람직할 것이다. 이러한 기술에 대한 특정 적용예들은 증강 현실 디스플레이들 및 가상 현실 디스플레이들과 같은 도파관 기반 디스플레이들을 포함한다. 일 예는 S-편광된 광 또는 P-편광된 광 중 어느 하나 또는 양자를 도파관 내로 입력하기 위해 사용될 수 있는 입력 격자들이다. 그러나, 많은 경우에, S-편광된 광 또는 P-편광된 광 중 어느 하나를 회절시키는 격자를 갖는 것이 바람직할 것이다. 예를 들어, OLED 광원들과 같은 비편광된 광원들을 사용하는 도파관 디스플레이들은 S-편광된 광 및 P-편광된 광 양자를 생성하고, 이에 따라 S-편광된 광 및 P-편광된 광 양자를 회절시킬 수 있는 격자들을 갖는 것이 바람직할 것이다.
격자의 하나의 특정 부류는 P-편광된 광 또는 S-편광된 광을 회절시키기 위해 사용될 수 있는 표면 릴리프 격자(surface relief grating, SRG)들을 포함한다. 또 다른 부류의 격자들은 통상적으로 P-편광 선택적인 표면 릴리프 브래그 격자(surface relief Bragg grating, SBG)들이며, 이는 유기 발광 다이오드(organic light emitting diode, OLED)들 및 발광 다이오드(LED)들과 같은 비편광된 광원들로 50% 효율 손실을 초래한다. S-편광 회절 격자와 P-편광 회절 격자들의 혼합물을 조합하면, P-회절 격자만을 사용하는 도파관들에 비해 이론적인 2x 개선을 제공할 수 있게 된다. 이에 따라, 고효율 S-편광 회절 격자를 갖는 것이 바람직할 것이다. 많은 실시예들에서, S-편광 회절 격자는 홀로그래픽 광중합체로 형성된 브래그 격자에 의해 제공될 수 있다. 일부 실시예들에서, S-편광 회절 격자는 액정(LC) 방향자들을 재정렬하기 위한 정렬층 또는 다른 공정들을 사용하여 변경된 복굴절을 갖는 홀로그래픽 중합체 분산 액정(HPDLC)으로 형성된 브래그 격자에 의해 제공될 수 있다. 몇몇 실시예들에서, S-편광 회절 격자는 상분리 하에서 S-회절 격자들로 자연적으로 조직화되는 액정들, 단량체들 및 다른 첨가제들을 사용하여 형성될 수 있다. 일부 실시예들에서, 이들 HPDLC 격자들은 우수한 S-편광 회절 효율을 갖는 깊은 SRG들을 형성할 수 있다.
깊은 SRG들의 한 부류는 높은 S-회절 효율(99%까지) 및 낮은 P-회절 효율을 보일 수 있고 도파관들을 위한 입력 격자들로서 구현될 수 있는 중합체-공기 SRG들 또는 진공 브래그 격자(evacuated Bragg grating, EBG)들이다. 이들 격자들은 액정 및 단량체 혼합물의 홀로그래픽 상분리로부터 형성된 SBG들로부터 액정을 제거함으로써 형성될 수 있다. 이러한 공정에 의해 형성된 깊은 SRG들은 통상적으로 0.35 내지 0.80 마이크로미터의 브래그 프린지 간격을 갖는 1-3 마이크로미터 범위 내의 두께를 갖는다. 일부 실시예들에서, 격자 깊이 대 브래그 프린지 간격의 비는 1:1 내지 5:1일 수 있다. 쉽게 이해될 수 있는 바와 같이, 이러한 격자들은 소정의 적용예의 특정 요건들에 따라 상이한 치수들로 형성될 수 있다. SRG들의 두께가 어떻게 상이한 결과적인 회절 효율들을 내는지의 예들은 도 6 내지 도 8과 관련하여 설명된다.
많은 실시예에서, 깊은 SRG들에 대한 조건은 높은 격자 깊이 대 프린지 간격 비를 특징으로 한다. 일부 실시예들에서, 깊은 SRG들의 형성을 위한 조건은 격자 깊이가 격자 주기의 대략 2배라는 것이다. Kogelnik 이론을 사용하여 이러한 깊은 SRG들을 모델링하는 것은 회절 효율의 합리적으로 정확한 추정치들을 제공할 수 있고, 더 진보된 모델링에 대한 필요성을 회피하며, 이는 통상적으로 Maxwell 방정식들의 수치적 해를 수반한다. HPDLC 격자들로부터의 액정 제거를 사용하여 달성될 수 있는 격자 깊이들은 깊은 SRG들(통상적으로 격자 주기 350-460 nm에 대해 250-300 nm 깊이만을 제공함)에 대한 조건을 달성할 수 없는 종래의 나노임프린트 리소그래피 방법을 사용하여 가능한 것을 크게 능가한다. (Pekka Ayras, Pasi Saarikko, Tapani Levola,” Exit pupil expander with a large field of view based on diffractive optics”, Journal of the SID 17/8, (2009), pp 659-664). S-편광 회절 깊은 SRG들이 본 출원 내에서 강조되지만, 깊은 SRG들은 후술될 바와 같이, 격자 규정의 두께, 특히 격자 깊이에 따라 편광 응답 특성들의 범위를 제공할 수 있다는 것이 여기서 강조되어야 한다. 이에 따라, 깊은 SRG들은 다양한 상이한 적용예들에서 구현될 수 있다.
문헌은 깊은 SRG들 및 브래그 격자들의 등가성을 지지한다. 하나의 문헌(Kiyoshi Yokomori, “Dielectric surface-relief gratings with high diffraction efficiency “Applied Optics; Vol. 23; Issue 14; (1984); pp. 2303-2310)은 Maxwell 방정식을 수치적으로 풀어서 유전체 표면 릴리프 격자들의 회절 속성들의 조사를 개시한다. 격자 주기의 약 2배 깊이의 그루브 깊이를 갖는 격자의 회절 효율은 체적 위상 격자의 효율에 필적하는 것으로 밝혀졌다. Yokomori에 의한 모델링은 포토레지스트에 간섭적으로 기록된 유전체 표면 릴리프 격자들이 94%까지의 높은 회절 효율(처리 효율 85%)을 가질 수 있다고 예측하였다. 깊은 SRG들 및 브래그 격자들의 등가성은 또한 Golub의 또 다른 논문(M.A. Golub, A.A. Friesem, L. Eisen “Bragg properties of efficient surface relief gratings in the resonance domain”, Optics Communications; 235; (2004); pp261-267)은 또한 포토레지스트에서 브래그 유사 SRG들의 형성을 논의한다. Gerritsen에 의한 추가 논문은 포토레지스트에서의 브래그 유사 SRG들의 형성을 논의한다(Gerritsen HJ, Thornton DK, Bolton SR; “Application of Kogelnik's two-wave theory to deep, slanted, highly efficient, relief transmission gratings” Applied Optics; Vol. 30; Issue 7; (1991); pp 807-814).
본 개시의 많은 실시예들은 경사진 격자들을 위한 나노임프린트 리소그래피 공정 입자에 비해 매우 중요한 이점들을 제공할 수 있는 깊은 SRG들과 같은 SRG들의 제조 방법들을 제공한다. 임의의 복잡도의 브래그 격자들은 간섭 또는 마스터 및 접촉 복사 복제를 사용하여 만들어질 수 있다. 일부 실시예들에서, LC를 제거한 후에, SRG들은 LC와 상이한 속성들을 갖는 재료로 뒤채움될 수 있다. 이는 브래그 격자가 격자 형성에 필요한 격자 화학에 의해 제한되지 않는 변조 속성들을 갖도록 한다.
일부 실시예들에서, 뒤채움 재료는 LC 재료가 아닐 수 있다. 일부 실시예들에서, 뒤채움 재료는 도파관의 각도 대역폭을 증가시킬 수 있는 공기보다 더 높은 굴절률을 가질 수 있다. 몇몇 실시예들에서, 깊은 SRG들은 하이브리드 SRG/브래그 격자를 제공하기 위해 LC로 부분적으로 뒤채움될 수 있다. 대안적으로, 일부 실시예들에서, 뒤채움 단계는 하이브리드 SRG/브래그 격자를 제공하기 위해 HPDLC의 LC 풍부 영역들로부터 LC의 일부만을 제거함으로써 회피될 수 있다. 뒤채움 접근법은 상이한 LC가 하이브리드 격자를 형성하기 위해 사용될 수 있다는 이점을 갖는다. 재료들은 잉크젯 증착 공정을 사용하여 증착될 수 있다.
일부 실시예들에서, 본원에서 설명되는 방법들은 광결정들을 생성하기 위해 사용될 수 있다. 광결정들은 브래그 격자들을 포함하는 다양한 회절 구조체들을 생성하도록 구현될 수 있다. 브래그 격자들은 입력 격자들, 출력 격자들, 빔 확대 격자들, 하나 이상의 원색 회절을 포함하지만 이에 제한되지 않는 기능을 제공하는 회절 격자들로서 사용될 수 있다. 광결정은 기본 브래그 격자로 달성될 수 없는 회절 능력을 가질 수 있는 3차원 격자 구조체일 수 있다. 광결정들은 모든 2D 및 3D 브라바이스 격자들을 포함하는 많은 구조체들을 포함할 수 있다. 이러한 구조체들의 기록은 두 개 이상의 기록 빔들로부터 이익을 얻을 수 있다.
일부 실시예들에서, 광자 결정들을 통합하는 도파관들은 도파관들의 스택들로 배열될 수 있으며, 도파관들 각각은 고유한 스펙트럼 대역폭을 회절시키기 위한 격자 규정을 갖는다. 많은 실시예들에서, 액정 추출에 의해 형성되는 광결정은 깊은 SRG를 제공한다. 많은 실시예들에서, 액정 추출 공정을 사용하여 형성되는 깊은 SRG는 통상적으로 브래그 프린지 간격이 0.35 마이크로미터 내지 0.80 마이크로미터인 1-3 마이크로미터 범위 내의 두께를 가질 수 있다. 많은 실시예에서, 깊은 SRG에 대한 조건은 높은 격자 깊이 대 프린지 간격 비를 특징으로 한다. 일부 실시예들에서, 깊은 SRG의 형성을 위한 조건은 격자 깊이가 격자 주기의 대략 2배라는 것이다. S-편광 회절 깊은 SRG들이 본 출원 내에서 주요 관심사이지만, 깊은 SRG들은 후술될 바와 같이, 격자 규정의 두께, 특히 격자 깊이에 따라 편광 응답 특성들의 범위를 제공할 수 있다는 것이 여기서 강조되어야 한다. 깊은 SRG들은 또한 도파관 디스플레이들의 색상, 균일성, 및 다른 속성들을 향상시키기 위해 종래의 브래그 격자들과 함께 사용될 수 있다.
깊은 SRG들은 레이저 홀로그래픽 노출을 사용하여유리질 단량체 아조벤젠 재료들로 제조되었다 (O. Sakhno, L.M. Goldenberg, M. Wegener, J. Stumpe, “Deep surface relief grating in azobenzene-containing materials using a low intensity 532 nm laser”, Optical Materials: X, 1, (2019), 100006, pp 3-7). Sakhno 문헌은 또한 SRG들이 두 개의 선형으로 직교 편광된 레이저 빔들을 사용하여 홀로그래픽 광중합체에 어떻게 기록될 수 있는지를 개시한다.
본 발명은 특히 경사진 격자들에 대해 나노임프린트 리소그래피 공정에 비해 매우 중요한 이점을 제공할 수 있는 표면 릴리프 격자를 제조하는 방법을 제공한다. 임의의 복잡도의 브래그 격자들은 간섭 또는 마스터 및 접촉 복사 복제를 사용하여 만들어질 수 있다. 일부 실시예들에서, LC를 제거한 후에, SRG는 LC와 상이한 속성들을 갖는 재료로 뒤채움될 수 있다. 이는 브래그 격자가 격자 형성에 필요한 격자 화학에 의해 제한되지 않는 변조 속성들을 갖도록 한다. 일부 실시예들에서, 깊은 SRG는 하이브리드 SRG/브래그 격자를 제공하기 위해 LC로 부분적으로 뒤채움될 수 있다. 대안적으로, 일부 실시예들에서, 뒤채움 단계는 하이브리드 SRG/브래그 격자를 제공하기 위해 HPDLC의 LC 풍부 영역들로부터 LC의 일부만을 제거함으로써 회피될 수 있다. 뒤채움 접근법은 상이한 LC가 하이브리드 격자를 형성하기 위해 사용될 수 있다는 이점을 갖는다. 재료들은 본 발명자들에 의한 이전의 출원들에 개시된 바와 같이 잉크젯 공정을 사용하여 증착될 수 있다. 일부 실시예들에서, 뒤채움 재료는 격자의 회절 효율을 증가시킬 수 있는 공기보다 더 높은 굴절률을 가질 수 있다.
본 발명이 깊은 SRG들을 제조하는 것과 관련하여 이루어졌지만, 많은 다른 격자 구조체들이 본원에서 설명되는 기법들을 사용하여 생성될 수 있다는 것이 이해된다. 예를 들어, 격자 깊이가 격자 주파수보다 작은 SRG들(예를 들어, Raman-Nath 격자들)을 포함하는 임의의 유형의 SRG가 또한 제조될 수 있다.
도 1a 내지 도 1d는 실시예에 따른 깊은 SRG들 또는 EBG들을 제조하기 위한 방법에서 사용될 수 있는 처리 장치를 도시한다. 도 1a는 본 발명의 실시예에 따라 투명 기판(192) 상에 증착된 단량체와 액정의 혼합물(191)이 홀로그래픽 노출 빔들(193, 194)에 노출되는 표면 릴리프 격자를 제조하기 위한 방법의 단계에서 사용될 수 있는 장치(190A)를 개념적으로 도시한다. 일부 예들에서, 혼합물은 또한 광개시제, 공개시제, 다작용성 티올, 접착 촉진제, 계면활성제, 및/또는 추가적인 첨가제들 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 단량체는 이소시아네이트-아크릴레이트계 또는 티올렌계일 수 있다. 일부 실시예들에서, 액정은 전체 액정 혼합물 또는 전체 액정 혼합물의 일부만을 포함하는 액정 단일물일 수 있다. 액정 단일물의 다양한 예들은 시아노비페닐 또는 펜틸시아노비페닐 중 하나 또는 양자를 포함한다. 일부 실시예들에서, 액정은 노출 동안 단량체와 상분리되어 중합체 풍부 영역들 및 물질 풍부 영역들을 생성하는 또 다른 물질로 대체될 수 있다. 바람직하게는, 물질 및 액정 단일물은 후술될 바와 같은 후속 단계에서 제거되는 전체 액정 혼합물들에 대한 비용 효율적인 대체물일 수 있다.
도 1b는 본 발명의 실시예에 따라 투명 기판 상에 형성된 HPDLC 브래그 격자(195)로부터 표면 릴리프 격자를 제조하기 위한 방법의 단계에서 사용될 수 있는 장치(190B)를 개념적으로 도시한다. 홀로그래픽 노출 빔들은 일부 영역들에서 단량체를 중합체로 변형시킬 수 있다. 홀로그래픽 노출 빔들은 교차하는 기록 빔들을 포함할 수 있고, 교번하는 밝은 조명 영역 및 어두운 조명 영역을 포함할 수 있다. 중합 구동 확산 공정은 단량체 및 LC를 반대 방향들로 확산시킬 수 있으며, 이때 단량체가 겔화되어 중합체 풍부 영역들을 형성하고(밝은 영역들에서), 액정이 중합체 기질에 포획되게 되어 액정 풍부 영역들을 형성한다(어두운 영역들에서).
도 1c는 본 발명의 실시예에 따라 도 1b의 HPDLC 브래그 격자로부터 액정이 제거되어 중합체 표면 릴리프 격자를 형성하는 깊은 중합체 표면 릴리프 격자(196)를 제조하기 위한 방법의 단계에서 사용될 수 있는 장치(190C)를 개념적으로 도시한다. 바람직하게는, 중합체 표면 릴리프 격자(196)는 깊은 SRG를 형성하기 위해 비교적 작은 격자 주기를 갖는 큰 깊이를 포함할 수 있다. 액정은 이소프로필 알코올(IPA)과 같은 용매로 세척함으로써 제거될 수 있다. 용매는 액정을 씻어내기에 충분히 강해야 하지만 중합체를 유지하기에 충분히 약해야 한다. 일부 실시예들에서, 용매는 격자를 세척하기 전에 실온 미만으로 냉각될 수 있다. 도 1d는 본 발명의 실시예에 따라 중합체 표면 릴리프 브래그 격자가 보호층(197)으로 덮이는 중합체 표면 릴리프 격자를 제조하기 위한 방법의 단계에서 사용될 수 있는 장치(190D)를 개념적으로 도시한다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따라 투명 기판 상에 형성된 HPDLC 브래그 격자로부터 깊은 SRG들을 형성하기 위한 방법을 개념적으로 도시한다. 도시된 바와 같이, 깊은 SRG들 또는 EBG들을 형성하는 방법(200)이 제공된다. 흐름도를 참조하면, 방법(200)은 적어도 하나의 단량체와 적어도 하나의 액정의 혼합물을 제공하는 단계(201)를 포함한다. 적어도 하나의 단량체는 이소시아네이트-아크릴레이트 단량체 또는 티올렌을 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 적어도 하나의 액정은 완전 액정 혼합물일 수 있거나, 액정 혼합물의 단일 성분과 같은 액정 혼합물의 일부만을 포함할 수 있는 액정 단일물일 수 있다. 일부 실시예들에서, 적어도 하나의 액정은 노출 동안 단량체와 상분리될 수 있는 용액을 대체할 수 있다. 이러한 용액에 대한 기준들은 노출 동안 단량체와 상분리되는 능력, 경화 후 및 세척 동안 제거의 용이성, 및 취급의 용이성을 포함할 수 있다. 대체 용액의 예는 용매, 비반응성 단량체, 무기물, 및 나노입자를 포함한다.
단량체와 액정의 혼합물을 제공하는 단계는 또한 개시제, 이를테면 광개시제 또는 공개시제, 다작용성 티올, 염료, 접착 촉진제, 계면활성제, 및/또는 추가적인 첨가제들, 이를테면 다른 가교결합제들 중 하나 이상을 적어도 하나의 단량체 및 액정과 혼합하는 단계를 포함할 수 있다. 이 혼합물은 공개시제가 단량체와 티올 사이의 반응을 촉매하도록 하기 위해 정치될 수 있다. 휴지 구간은 냉온(예를 들어, 20°C)에서 대략 8시간의 구간 동안 어두운 공간 또는 적색광(예를 들어, 적외선 광)을 갖는 공간에서 발생할 수 있다. 휴지 후, 추가적인 단량체들이 단량체 내로 혼합할 수 있다. 그 후, 이 혼합물은 작은 기공 크기(예를 들어, 0.45 ㎛ 기공 크기)를 갖는 필터를 통해 변형되거나 여과될 수 있다. 변형 후, 이 혼합물은 코팅 전에 실온에서 어두운 공간 또는 적색광을 갖는 공간 내에 저장될 수 있다.
다음으로, 투명 기판이 제공될 수 있다(202). 특정 실시예들에서, 투명 기판은 유리 기판 또는 플라스틱 기판일 수 있다. 혼합물의 층이 기판의 표면 상에 증착되거나 코팅될 수 있다(203). 일부 실시예들에서, 혼합물은 내부 치수들을 유지하기 위해 유리 스페이서들을 사용하여 투명 기판과 또 다른 기판 사이에 개재된다. 비점착성 코팅이 혼합물이 개재되기 전에 다른 기판에 적용될 수 있다. 비점착성 코팅은 불소 중합체, 이를테면 OPTOOL UD509(Daikin Chemicals 제조), Dow Corning 2634, Fluoropel(Cytonix 제조), 및 EC200(PPG Industries, Inc 제조)를 포함할 수 있다. 홀로그래픽 기록 빔들이 혼합층에 적용될 수 있다(204). 홀로그래픽 기록 빔은 LC와 중합체의 상분리를 야기할 수 있는 2 빔 간섭 패턴일 수 있다. 홀로그래픽 기록 빔에 반응하여, 액체 단량체는 고체 중합체로 변화되는 반면, 중성의 비반응성 재료(예를 들어, LC)은 중합에 의해 구동되는 화학적 전위의 변화에 반응하여 홀로그래픽 노출 동안 확산된다. LC는 중성의 비반응성 물질의 일 구현예일 수 있지만, 다른 물질들도 사용될 수 있다. 물질 및 단량체는 홀로그래픽 노출 전에 혼화성 혼합물을 형성할 수 있고, 홀로그래픽 노출 시 비혼화성이 될 수 있다.
홀로그래픽 기록 빔들을 적용한 후, 혼합물은 경화될 수 있다. 경화 공정은 혼합물이 완전히 경화될 때까지 일정 시구간 동안 혼합물을 저강도 백색광 하에 두는 것을 포함할 수 있다. 저강도 백색광은 또한 광표백 염료 공정이 일어나게도 할 수 있다. 이에 따라, 교번하는 중합체 풍부 및 액정 풍부 영역들을 갖는 HPDLC 격자가 형성될 수 있다(205). 일부 실시예들에서, 경화 공정은 2시간 이내에 일어날 수 있다. 경화 후에, 기판들 중 하나가 제거되어 HPDLC 격자를 노출시킬 수 있다. 바람직하게는, 비점착성 코팅은 HPDLC 격자가 남아 있는 채로 다른 기판이 제거되도록 할 수 있다.
HPDLC 격자는 액정 풍부 영역들 및 중합체 영역들의 교번하는 섹션들을 포함할 수 있다. 액정 풍부 영역들 내의 액정이 제거되어 깊은 SRG들로서 사용될 수 있는 중합체 표면 릴리프 격자들 또는 EBG들이 형성될 수 있다(206). 액정은 격자를 IPA와 같은 용매 내에 서서히 침지시킴으로써 제거될 수 있다. IPA는 냉각될 수 있고, 격자가 IPA 내에 침지되는 동안 실온보다 낮은 온도로 유지될 수 있다. 그 후, 격자는 용매로부터 제거되고 건조된다. 일부 실시예들에서, 격자는 압축 공기와 같은 고유량 공기원을 사용하여 건조된다. LC가 격자로부터 제거된 후, 중합체-공기 표면 릴리프 브래그 격자가 형성된다.
도 1a 내지 도 1d에 도시된 바와 같이, 형성된 표면 릴리프 격자는 또한 보호층으로 덮일 수 있다. 일부 경우에, 보호 층은 내긁기능을 갖는 수분 및 산소 장벽일 수 있다. 일부 경우에, 보호층은 제거된 LC가 존재했던 공극 영역들을 채우지 않는 코팅일 수 있다. 코팅은 저온 공정을 사용하여 증착될 수 있다. 일부 구현들에서, 보호층은 반사 방지(AR) 속성들을 가질 수 있다. 코팅은 실리케이트 또는 실리콘 질화물일 수 있다. 코팅 공정은 나노코팅 공정과 같은 플라즈마 보조 화학 기상 증착(CVD) 공정에 의해 수행될 수 있다. 코팅은 파릴렌 코팅일 수 있다. 보호층은 유리층일 수 있다. 진공 또는 불활성 가스는 보호층이 구현되기 전에 제거된 LC가 존재했던 갭들을 채울 수 있다. 일부 실시예들에서, 코팅 공정은 LC 제거 공정과 통합될 수 있다(206). 예를 들어, 코팅 재료는 격자로부터 LC를 세척하기 위해 사용되는 용매와 혼합될 수 있다.
도 3은 도파관(3002) 상에 구현된 중합체-공기 표면 릴리프 브래그 격자(3000)의 예시적인 실시예의 개략적인 단면도를 도시한다. 중합체-공기 표면 릴리프 브래그 격자(3000)는 주기적인 중합체 섹션들(3004a)을 포함한다. 인접한 중합체 섹션들은 공기 섹션들(3004b)을 개재한다. 공기 섹션들(3004b)은 중합체 섹션들(3004a)에 의해 개재된다. 공기 섹션들(3004b)과 중합체 섹션들(3004a)은 상이한 굴절률들을 갖는다. 바람직하게는 중합체-공기 표면 릴리프 브래그 격자(3000)는 깊은 SRG를 생성할 수 있는 높은 격자 깊이(3006a) 대 브래그 프린지 간격(3006b) 비로 형성될 수 있다. 전술한 바와 같이, 깊은 SRG들은 통상적인 SRG들 내에 존재하지 않을 수 있는 높은 S-회절 효율과 같은 많은 유익한 품질들을 보일 수 있다.
일 예에서, 중합체-공기 표면 릴리프 브래그 격자(3000)는 0.35 ㎛ 내지 0.8 ㎛의 브래그 프린지 간격(3006b) 및 1 ㎛ 내지 3 ㎛ 의 격자 깊이를 가질 수 있다. 일부 실시예들에서, 중합체 섹션들(3004a)은 도 2와 관련하여 설명된 단계(206) 동안 액정이 완전히 제거되지 않을 때 적어도 일부의 잔류 액정을 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 중합체 풍부 영들역 내의 잔류 LC의 존재는 최종 중합체 SRG의 굴절률 변조를 증가시킬 수 있다. 일부 실시예들에서, 공기 섹션들(3004b)은 액정이 단계(206) 동안 이들 공기 섹션들(3004b)로부터 완전히 제거되지 않는 경우 일부 잔류 액정을 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 공기 섹션들(3004b) 내에 일부 잔류 액정을 남겨둠으로써, 도 4 및 도 5와 관련하여 설명된 바와 같은 하이브리드 격자가 생성될 수 있다.
상술한 바와 같이, 많은 실시예들에서, 본 발명은 또한 하이브리드 표면 릴리프/브래그 격자를 제조하기 위한 방법을 제공한다. 도 4a는 본 발명의 실시예에 따라 투명 기판(212) 상에 증착된 단량체와 액정의 혼합물(211)이 홀로그래픽 노출 빔들(213, 214)에 노출되는 하이브리드 표면 릴리프 격자들(하이브리드 SRG들)을 제조하기 위한 방법의 단계에서 사용될 수 있는 장치(210A)를 개념적으로 도시한다. 도 4b는 본 발명의 실시예에 따라 투명 기판 상에 형성된 HPDLC 브래그 격자(215)로부터 하이브리드 SRG들을 제조하기 위한 방법의 단계에서 사용될 수 있는 장치(210B)를 개념적으로 도시한다. 도 4c는 본 발명의 실시예에 따라 HPDLC 브래그 격자로부터 액정이 제거되어 중합체-공기 SRG들(216)을 형성하는 표면 릴리프 격자를 제조하기 위한 방법의 단계에서 사용될 수 있는 장치(210C)를 개념적으로 도시한다. 이들 중합체-공기 SRG들(216) 또는 EBG들은 깊은 SRG들일 수 있다. 도 4a 내지 도 4c와 관련하여 도시되고 설명되는 단계들은 중합체-공기 SRG를 생성하기 위한 공정에서 도 2a 내지 도 2c와 관련되어 도시되고 설명된 단계들에 대략 대응하고, 이에 따라 이전의 설명이 도 4a 내지 도 4c에 적용가능할 것으로 이해된다.
추가적으로, 도 4d는 하이브리드 격자를 생성하기 위해 수행될 수 있는 추가적인 단계를 개념적으로 도시한다. 장치(210D)는 본 발명의 실시예에 따라, 표면 릴리프 격자가 액정으로 부분적으로 재충전되어 하이브리드 SRG들(217)을 형성하는 표면 릴리프 격자를 제조하기 위한 방법의 단계에서 사용될 수 있다. 재충전된 액정은 도 4c에서 이전에 제거되었던 이전에 제거된 액정과 상이한 일관성을 가질 수 있다. 나아가, 도 3c에서 제거된 액정은 하이브리드 SRG들(217)을 형성하는 대안적인 방법에서 단지 부분적으로 제거될 수 있는 것으로 이해된다. 추가적으로, 도 4e는 본 발명의 실시예에 따라 도 4d에 도시된 단계에서 형성된 SRG들(217)이 보호층(218)으로 덮이는 표면 릴리프 격자를 제조하기 위한 방법의 단계에서 사용될 수 있는 장치(210E)를 개념적으로 도시한다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따라 투명 기판 상에 형성된 HPDLC 브래그 격자로부터 하이브라드 표면 릴리프 브래그 격자를 형성하기 위한 예시적인 방법을 도시하는 흐름도이다. 도시된 바와 같이, 하이브리드 표면 릴리프 브래그 격자를 형성하는 방법(220)이 제공된다. 흐름도를 참조하면, 방법(220)은 적어도 하나의 단량체와 적어도 하나의 액정의 혼합물을 제공하는 단계(221)를 포함한다. 적어도 하나의 단량체는 이소시아네이트-아크릴레이트 단량체을 포함할 수 있다. 단량체와 액정의 혼합물을 제공하는 단계는 또한 개시제, 공개시제, 다작용성 티올, 및/또는 추가적인 첨가제들 중 하나 이상을 적어도 하나의 단량체 및 액정과 혼합하는 단계를 포함할 수 있다. 이 혼합물은 공개시제가 단량체와 티올 사이의 반응을 촉매하도록 하기 위해 정치될 수 있다. 휴지 구간은 냉온(예를 들어, 20°C)에서 대략 8시간의 구간 동안 어두운 공간 또는 적색광(예를 들어, 적외선 광)을 갖는 공간에서 발생할 수 있다. 휴지 후, 추가적인 단량체들이 단량체 내로 혼합할 수 있다. 그 후, 이 혼합물은 작은 기공 크기(예를 들어, 0.45 ㎛ 기공 크기)를 갖는 필터를 통해 변형되거나 여과될 수 있다. 변형 후, 이 혼합물은 코팅 전에 실온에서 어두운 공간 또는 적색광을 갖는 공간 내에 저장될 수 있다.
다음으로, 투명 기판이 제공될 수 있다(222). 특정 실시예들에서, 투명 기판은 유리 기판 또는 플라스틱 기판일 수 있다. 비점착성 코팅이 혼합물이 기판 상에 코팅되기 전에 투명 기판에 적용될 수 있다. 혼합물의 층이 기판의 표면 상에 증착될 수 있다(223). 일부 실시예들에서, 혼합물은 내부 치수들을 유지하기 위해 유리 스페이서들을 사용하여 투명 기판과 또 다른 기판 사이에 개재된다. 홀로그래픽 기록 빔들이 혼합층에 적용될 수 있다(224). 홀로그래픽 기록 빔은 LC와 중합체의 상분리를 야기할 수 있는 2 빔 간섭 패턴일 수 있다. 홀로그래픽 기록 빔들을 적용한 후, 혼합물은 경화될 수 있다. 경화 공정은 혼합물이 완전히 경화되는 일정 시구간 동안 혼합물을 저강도 백색광 하에 두는 것을 포함할 수 있다. 저강도 백색광은 또한 광표백 염료 공정이 일어나게도 할 수 있다. 이에 따라, 교번하는 중합체 풍부 및 액정 풍부 영역들을 갖는 HPDLC 격자가 형성될 수 있다(225). 일부 실시예들에서, 경화 공정은 2시간 이내에 일어날 수 있다. 경화 후에, 기판들 중 하나가 제거되어 HPDLC 격자를 노출시킬 수 있다.
HPDLC 격자는 액정 풍부 영역들 및 중합체 영역들의 교번하는 섹션들을 포함할 수 있다. 액정 풍부 영역들 내의 액정이 제거되어 깊은 SRG들의 형태인 중합체 표면 릴리프 격자들 또는 EBG들이 형성될 수 있다(226). 액정은 격자를 이소프로필 알콜(IPA)과 같은 용매 내에 서서히 침지시킴으로써 제거될 수 있다. IPA는 격자가 IPA 내에 침지되는 동안 더 낮은 온도로 유지될 수 있다. 그 후, 격자는 용매로부터 제거되고 건조된다. 일부 실시예들에서, 격자는 압축 공기와 같은 고유량 공기원을 사용하여 건조된다. LC가 격자로부터 제거된 후, 중합체-공기 표면 릴리프 브래그 격자가 형성된다. 도 5의 단계들(221-226)은 중합체-공기 SRG를 생성하는 것에 있어서 도 2와 관련하여 설명된 단계들에 대략 대응하고, 이에 따라 이러한 설명들은 도 5에 적용가능하다.
나아가, 방법(220)은 제거된 액정 풍부 영역들을 액정으로 적어도 부분적으로 재충전(227)하여 하이브리드 SRG들을 형성하는 단계를 포함한다. 재충전된 액정은 단계(226)에서 이전에 제거되었던 이전에 제거된 액정과 상이한 일관성을 가질 수 있다. 나아가, 단계(226)에서 제거된 액정은 하이브리드 SRG을 형성하는 대안적인 방법에서 단지 부분적으로 제거될 수 있는 것으로 이해된다. 바람직하게는 하이브리드 SRG들은 SRG들의 유익한 특정 특성들을 조정하는 기능을 제공할 수 있다. SRG들 내의 적어도 일부의 액정의 포함에 의해 개선될 수 있는 하나의 특정 특성은 탁도(haze) 속성들의 감소이다.
도 4e에 도시된 바와 같이, 형성된 표면 릴리프 격자는 또한 보호층으로 덮일 수 있다. 일부 경우에, 보호 층은 내긁기능을 갖는 수분 및 산소 장벽일 수 있다. 일부 경우에, 보호층은 제거되었던 LC가 존재하는 공극 영역들을 충전하지 않는 코팅일 수 있다. 코팅은 저온 공정을 사용하여 증착될 수 있다. 일부 구현들에서, 보호층은 반사 방지(AR) 속성들을 가질 수 있다. 코팅은 실리케이트 또는 실리콘 질화물일 수 있다. 코팅 공정은 플라즈마처리 나노코팅 공정과 같은 플라즈마 보조 화학 기상 증착(CVD) 공정에 의해 수행될 수 있다. 코팅은 파릴렌 코팅일 수 있다. 보호층은 유리층일 수 있다. 진공 또는 불활성 가스는 보호층이 구현되기 전에 제거된 LC가 존재했던 갭들을 채울 수 있다. 일부 실시예들에서, 코팅 공정은 LC 제거 공정과 통합될 수 있다(226). 예를 들어, 코팅 재료는 격자로부터 LC를 세척하기 위해 사용되는 용매와 혼합될 수 있다. 일부 구현들에서, 코팅 재료는 중합체보다 낮거나 높은 굴절률을 갖고 인접한 중합체 부분들 사이의 공간들을 채우는 재료일 수 있다. 중합체와 코팅 재료 사이의 굴절률 차이는 중합체 SRG들이 계속해서 회절되도록 할 수 있다.
도 1 내지 도 5는 깊은 SRG들 및 하이브리드 표면 릴리프/브래그 격자들을 형성하기 위한 특정 방법들 및 장치를 도시하지만, 상이한 단계들 또는 이러한 단계들의 변형안들을 구현하는 다양한 제조 방법들이 이용될 수 있다. 쉽게 이해될 수 있는 바와 같이, 이용되는 특정 공정은 소정의 적용예의 특정 요건들에 따를 수 있다. 예를 들어, 많은 실시예들은 보호층으로서 또 다른 격자를 이용한다.
얕은 SRG 구조들을 갖는 하이브리드 SRG/브래그 격자들은 낮은 SRG 회절 효율을 초래할 수 있다. 본 발명에서 개시된 방법들은 브래그 격자가 효율적인 회절을 위해 충분히 두껍게 되도록 하면서 SRG들이 높은 깊이 대 격자 피치 비를 갖도록 액정 풍부 영역들 내의 액정의 깊이를 최적화함으로써 보다 효과적인 SRG 구조체들이 형성되도록 한다. 많은 실시예들에서, 하이브리드 격자의 브래그 격자 구성요소는 1-3 마이크로미터 범위 내의 두께를 가질 수 있다. 일부 실시예들에서, 하이브리드 격자의 SRG 구성요소는 0.25-3 마이크로미터 범위 내의 두께를 가질 수 있다. 초기 HPDLC 격자는 최종 SRG 및 브래그 격자 성분들의 합과 동일한 두께를 가질 것이다. 쉽게 이해될 수 있는 바와 같이, 두 개의 격자 구성요소들의 두께 비는 도파관 적용예에 따를 수 있다. 일부 실시예들에서, 격자 구조체의 각도 대역폭을 미세 조정하기 위해 SRG와 브래그 격자의 조합이 사용될 수 있다. 일부 경우에, SRG는 격자 구조체의 각도 대역폭을 증가시킬 수 있다.
많은 실시예들에서, 도 4a 내지 도 4e에 도시된 하이브리드 SRG들에서, 격자의 액정 영역들의 재충전 깊이는 격자에 걸쳐 변하여 공간적으로 변하는 상대적인 SRG/브래그 격자 강도들을 제공할 수 있다. 일부 실시예들에서, 단계들(206, 226, 및 227)에서 정의된 바와 같은 액정 제거 및 재충전 동안, 액정 풍부 격자 영역들 내의 액정은 전체적으로 또는 부분적으로 제거될 수 있다. 몇몇 실시예들에서, 액정 제거 영역들을 재충전하거나 부분적으로 재충전하기 위해 사용되는 액정은 초기 HPDLC 격자를 형성하기 위해 사용되는 액정과 상이한 화학 조성을 가질 수 있다. 다양한 실시예들에서, 단량체와 상용성인 상분리 속성들을 갖는 제1 액정은 최적의 변조 및 격자 정의를 갖는 HPDLC 격자를 제공하도록 지정될 수 있는 한편, 제2 재충전 액정은 최종 하이브리드 격자에서 요구되는 굴절률 변조 속성들을 제공하도록 지정될 수 있다. 다수의 실시예들에서, 하이브리드 격자의 브래그 부분은 기판 및 커버층의 표면들에 적용되는 전극들로 스위칭가능할 수 있다. 많은 실시예들에서, 재충전 액정은 스위칭 전압, 스위칭 시간, 편광, 투명도, 및 다른 파라미터들을 개선하는 특징들을 포함할 수 있지만 이에 제한되지 않는 첨가제들을 포함할 수 있다. 재충전 공정을 사용하여 형성된 하이브리드 격자는 LC가 (LC 액적의 조립체보다는) 연속체를 형성함으로써, 탁도를 감소시키는 추가의 이점들을 가질 것이다.
깊은 SRG들, EBG들, 및/또는 하이브리드 SRG들이 S-회절 격자들 및 P-회절 격자들과 관련하여 설명될 수 있지만, 이들 격자들은 많은 다른 격자 유형들에의 적용가능성을 갖는다. 이들은 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 격자, 및 공간적 변하는 평균 굴절률 텐서를 갖는 격자를 포함하지만, 이에 제한되지는 않는다. 나아가, 깊은 SRG들, EBG들, 및/또는 하이브리드 SRG들은 이들의 특정 구현에 따라 스위칭가능하거나 스위칭가능하지 않은 격자들일 수 있다. 깊은 SRG들, EBG들, 및/또는 하이브리드 SRG들은 플라스틱 기판 또는 유리 기판 상에 제조될 수 있다. 이들 격자들은 또한 하나의 기판 상에 제조되고 또 다른 기판으로 전사될 수 있다.
깊은 SRG들 또는 EBG들의 다양한 구현예들에 대한 논의
많은 실시예들에서, 깊은 SRG들은 도파관에서 편광을 제어하기 위한 수단을 제공할 수 있다. SBG들은 통상적으로 P-편광 선택적이어서, OLED들 및 LED들과 같은 비편광된 광원으로 50% 효율 손실을 초래한다. 이로 인해, S-편광 회절 격자와 P-편광 회절 격자를 조합하면, P-회절 격자만을 사용하는 도파관들에 비해 이론적인 2x 개선을 제공할 수 있게 된다. 일부 실시예들에서, S-편광 회절 격자는 종래의 홀로그래픽 광중합체로 형성된 브래그 격자에 의해 제공될 수 있다. 일부 실시예들에서, S-편광 회절 격자는 액정 방향자들을 재정렬하기 위한 정렬층 또는 다른 공정을 사용하여 변경된 복굴절을 갖는 HPDLC으로 형성된 브래그 격자에 의해 제공될 수 있다. 일부 실시예들에서, S-편광 회절 격자는 상분리 하에서 S-회절 격자들로 자연적으로 조직화되는 액정들, 단량체들 및 다른 첨가제들을 사용하여 형성될 수 있다. 많은 실시예들에서, S-편광 회절 격자는 SRG들에 의해 제공될 수 있다. 상술된 공정들을 사용하여, 높은 S-회절 효율(99%까지) 및 낮은 P-회절 효율을 보이는 깊은 SRG는 액정 및 단량체 혼합물의 홀로그래픽 상분리로부터 형성된 SBG들로부터 액정을 제거함으로써 형성될 수 있다.
깊은 SRG들은 또한 다른 편광 응답 특성들을 제공할 수 있다. Moharam의 논문(Moharam M. G. et al. “Diffraction characteristics of photoresist surface -relief gratings”, Applied Optics, Vol. 23, p. 3214, 1984. 9. 15.)은 S와 P 감도 양자를 가지며, S가 우세한 깊은 표면 릴리프 격자들을 암시한다. 일부 실시예들에서, 깊은 SRG들은 S-편광 응답을 제공하는 능력을 실증한다. 그러나, 깊은 SRG들은 또한 다른 편광 응답 특성들을 제공할 수 있다. 많은 실시예들에서, S와 P 감도 양자 가지며 S가 우세한 깊은 표면 릴리프 격자들이 구현된다. 일부 실시예들에서, SRG의 두께는 다양한 S 및 P 회절 특성들을 제공하도록 조정될 수 있다. 몇몇 실시예들에서, 회절 효율은 스펙트럼 대역폭과 각도 대역폭에 걸쳐 P에 대해 높고, 동일한 스펙트럼 대역폭과 각도 대역폭에 걸쳐 S에 대해 낮을 수 있다. 다수의 실시예들에서, 회절 효율은 스펙트럼 대역폭과 각도 대역폭에 걸쳐 S에 대해 높고, 동일한 스펙트럼 대역폭과 각도 대역폭에 걸쳐 P에 대해 낮을 수 있다. 일부 실시예들에서, S 및 P 편광된 광 양자에 대한 높은 효율이 제공될 수 있다. 0.532 마이크론의 파장에 대해 0도 입사각 및 45도 회절각으로, 주기 0.48 마이크론의 공기 중에 침지된(이로 인해 1.3의 평균 격자 지수를 제공함) 굴절률 1.6의 SRG의 이론적인 분석이 도 5 내지 도 7에 도시되어 있다. 도 5는 본 발명의 실시예에 따라 1 마이크로미터 두께의 깊은 표면 릴리프 격자에 대한 입사각에 대한 계산된 P-편광 및 S-편광 회절 효율을 도시하는 그래프로서, 이 경우에 높은 S 및 P 응답이 달성될 수있음을 실증한다. 도 6은 본 발명의 실시예에 따라 2 마이크로미터 두께의 깊은 표면 릴리프 격자에 대한 입사각에 대한 계산된 P-편광 및 S-편광 회절 효율을 도시하는 그래프로서, 이 경우에 격자의 각도 범위의 대부분에 걸쳐 S-편광 응답이 우세함을 실증한다. 도 7은 본 발명의 실시예에 따라 3 마이크로미터 두께에 대한 입사각에 대한 계산된 P-편광 및 S-편광 회절 효율을 도시하는 그래프로서, 이 경우에 격자의 각도 범위의 상당 부분에 걸쳐 P-편광 응답이 우세함을 실증한다.
많은 실시예들에서, 광자 결정은 LC 추출 공정에 의해 형성된 반사 브래그 격자 또는 깊은 SRG일 수 있다 LC 감산이 뒤따르는 상분리를 사용하여 만들어진 반사 깊은 SRG는 넓은 각도 및 스펙트럼 대역폭을 가능하게 할 수 있다. 많은 실시예들에서, 현재 입력 SBG를 반사 광자 결정으로 대체하는 것은 화상 생성 유닛(PGU)으로부터 도파관으로의 광 경로를 감소시키기 위해 사용될 수 있다. 일부 실시예들에서, PGU 퓨필 및 도파관은 접촉할 수 있다. 많은 실시예들에서, 반사 깊이 SRG는 두께가 대략 3 마이크론일 수 있다. LC 추출 브래그 격자의 회절 속성들은 (통상적인 SRG의 경우에서와 같이 격자의 깊이로부터가 아니라) 주로 중합체와 공기 사이의 굴절률 갭으로부터 발생한다.
초기 혼합물 내 티올 첨가제에 대한 논의
도 9a 및 도 9b는 중합체-공기 SRG들을 제조하기 위해 사용되는 예시적인 혼합물들의 비교 산란 전자 현미경(SEM) 이미지들을 도시한다. 전술한 바와 같이, 초기 혼합물 내의 단량체는 아크릴레이트 또는 티올렌계일 수 있다. 아크릴레이트계 단량체와 같은 일부 단량체들의 경우, 홀로그래픽 노출 후, 세척 동안, 용매는 액정 재료 뿐만 아니라 이상적이지 않은 중합체를 제거하는 것으로 밝혀졌다. 다작용성 티올 첨가제는 중합체를 강화시키고 이에 따라 용매 세척을 견디기에 충분히 강하게 함으로써 이러한 문제를 해결할 수 있는 것으로 밝혀졌다. 임의의 특정 이론에 제한됨이 없이, 티올 첨가제는 감소된 가교결합으로 인해 기계적으로 약한 중합체들을 형성하는 경향이 있는 저작용성 아크릴레이트 단량체로 이루어진 제형의 기계적 강도를 개선시킬 수 있다. 아크릴레이트 단량체 제형들은 이들이 낮은 탁도와 함께 높은 회절 효율을 나타낼 수 있기 때문에 바람직할 수 있다. 이에 따라, 티올을 첨가하는 것은 아크릴레이트 단량체 형성이 중합체 SRG들의 제조에서 실행가능한 옵션이 되도록 할 수 있다.
상이한 제형들 사이의 상분리, 격자 형성, 및 기계적 강도 사이에 트레이드-오프(trade-off)가 있을 수 있다. 격자 형성은 더 느리게 반응하고, 더 적은 가교를 형성하며, 홀로그래픽 노출 동안 비반응성 성분(예를 들어, LC)의 더 큰 확산을 허용하는 저작용성 단량체들을 함유하는 혼합물들로부터 이익을 얻을 수 있다. 반대로, 고작용성 단량체들로 이루어진 혼합물들은 더 큰 가교 결합으로 인해 더 양호한 상분리 및 중합체 기계적 강도를 보일 수 있지만, 비반응성 성분이 확산하기에 충분한 시간을 갖지 않아 결과적으로 더 낮은 회절 효율을 보일 수 있도록 빠르게 반응할 수 있다.
임의의 특정 이론에 제한됨이 없이, 티올 첨가제는 아크릴레이트 또는 이소시아네이트-아크릴레이트와 반응하여 홀로그래픽 노출 전에 느슨한 스캐폴딩을 형성함으로써 이러한 제한을 받을 수 있다. 이러한 스캐폴딩은 경화된 중합체의 기계적 강도 및 균일성을 개선시킬 수 있다. 이에 따라, 기계적 강도는 단량체 혼합물의 평균 작용성을 상당히 상승시키고 격자 형성을 방해하지 않으면서 티올 작용성 및 농도의 약간의 조절을 통해 조정될 수 있다.
도 9a는 초기 혼합물을 도시하고, 도 9b는 1.5 wt% 티올을 포함하는 비교 혼합물을 도시한다. 그러나, 티올 첨가제의 다른 중량 백분율이 고려되었다. 예를 들어, 티올 첨가제의 중량 백분율은 1% 내지 4% 또는 1.5% 내지 3%일 수 있다. 일부 실시예들에서, 다작용성 티올은 트라이메틸올프로판 트리스(3-머캅토프로피오네이트)일 수 있다. 도 9a 및 도 9b 양자는 중합체 조밀 영역들(902a/902b) 및 공기 영역들(904a/904b)을 포함한다. 도시된 바와 같이, 첨가된 티올은 도 9a의 중합체 조밀 영역들(902b)보다 도 9b의 중합체 조밀 영역들(902a) 내에서 더 조밀한 중합체 구조체를 생성할 수 있으며, 이는 격자 성능을 증가시킬 수 있다. 티올 첨가제의 중량 백분율은 용매 세척을 견디도록 중합체 구조체 내에 안정성을 제공하기 위해 균형이 맞춰져야 하지만, 용매 세척 동안 액정이 방출되지 않도록 하기 위해 강성이 아닌 것으로 밝혀졌다.
HPDLC 격자 성능과 중합체-공기 SRG 성능 간의 비교
도 10a 및 도 10b는 HPDLC 격자 및 중합체 SRG 또는 EBG의 비교예들의 이미지들을 도시한다. 도 10a는 액정이 제거되지 않은 예시적인 HPDLC 격자에 대한 성능을 도시한다. 도 10a의 격자는 공칭 또는 거의 0%의 S-회절 효율을 보이면서 20-30%의 P-회절 효율을 포함한다. 도 10b는 LC가 제거된 예시적인 중합체-공기 SRG의 성능을 도시한다. 도 10b의 격자는 51-77%의 S-회절 효율을 보이면서 18-28% P-회절 효율을 포함한다. 이에 따라, LC가 제거된 중합체-공기 SRG들은 필적할만한 P-회절 효율을 유지하면서 비교적 높은 S-회절 효율을 실증한다. 나아가, 도 10b의 격자는 0.11-0.15%의 P-회절 탁도 및 0.12-0.16%의 S-회절 탁도를 포함한다.
도 11a 및 도 11b는 액정이 제거되지 않은 HPDLC 격자 및 액정이 제거된 중합체 SRG 또는 EBG의 비교예들의 플롯들을 도시한다. 도 11a는 액정이 남아 있는 HPDLC 격자에 대한 P-회절 효율 및 S-회절 효율을 도시한다. 제1 라인(1102a)은 P-회절 효율에 대응하고, 제2 라인(1104a)은 S-회절 효율에 대응한다. 도 11b는 액정이 제거된 중합체 SRG 또는 EBG에 대한 P-회절 효율 및 S-회절 효율을 도시한다. 제1 라인(1102b)은 P-회절 효율에 대응하고, 제2 라인(1104b)은 S-회절 효율에 대응한다. 도시된 바와 같이, S-회절 효율은 액정이 제거된 후에 극적으로 증가하는 한편, P-회절 효율은 비교적 유사하게 유지된다.
일부 실시예들에서, S-회절 효율 대 P-회절 효율의 비는 상이한 격자 주기들, 격자 경사각들, 및 격자 두께들을 사용함으로써 조정될 수 있다.
다양한 예시적인 깊은 SRG 깊이들
도 12a 및 도 12b는 다양한 깊이들의 깊은 SRG들을 갖는 P-회절 및 S-회절 효율들의 다양한 비교예들을 도시한다. 이들 플롯들 각각은 회절 효율 대 각도를 나타낸다. 도 12a에서, 깊은 SRG는 대략 1.1 ㎛의 깊이를 갖는다. 제1 라인(1102a)은 S-회절 효율을 나타내고, 제2 라인(1104a)은 P-회절 효율을 나타낸다. 도시된 바와 같이, 피크 S-회절 효율은 대략 58%이고, 피크 P-회절 효율은 23%이다. 이 예에 대해, S-회절에 대한 탁도는 0.12%이고, P-회절에 대한 탁도는 0.11%임에 유의한다. 낮은 탁도를 갖는 이러한 높은 회절 효율은 멀티플렉싱된 격자들에 특히 적절한 대략 1.1 ㎛의 깊이를 갖는 깊은 SRG들을 만들 수 있다.
도 12b에서, 깊은 SRG는 대략 1.8 ㎛의 깊이를 갖는다. 제1 라인(1102b)은 S-회절 효율을 나타내고, 제2 라인(1104b)은 P-회절 효율을 나타낸다. 도시된 바와 같이, 피크 S-회절 효율은 대략 92%이고, 피크 P-회절 효율은 63%이다. 이 예에 대해, S-회절에 대한 탁도는 0.34%이고, P-회절에 대한 탁도는 0.40%임에 유의한다. 이에 따라, S-회절 및 P-회절 효율 양자는 격자 깊이가 증가함에 따라 극적으로 증가한다. 탁도는 증가된 격자 깊이에 따라 증가하는 것으로 보인다는 점에 유의한다.
혼합물에서의 다양한 예시적인 초기 LC 농도들
도 13a 및 도 13b는 초기 혼합물에서 다양한 초기 LC 농도들을 갖는 다양한 EBG들의 비교 연구의 결과들을 도시한다. 도 13a는 S-편광 효율 대 각도를 도시한다. 도 13b는 P-편광 효율 대 각도를 도시한다. 도 13a에서, 제1 라인(1202a)은 20% 초기 LC 함량에 대응하고, 제2 라인(1204a)은 30% 초기 LC 함량에 대응하며, 제3 라인(1206a)은 40% 초기 LC 함량에 대응한다. 도 13b에서, 제1 라인(1202b)은 20% 초기 LC 함량에 대응하고, 제2 라인(1204b)은 30% 초기 LC 함량에 대응하며, 제3 라인(1206b)은 40% 초기 LC 함량에 대응한다. 표 1은 비교 연구의 다양한 결과들의 요약을 예시한다.
혼합물 중 초기 LC 함량 최대
S-회절 효율		 최대
P-회절 효율		 S-회절 탁도 P-회절 탁도
20% 10% 5% 0.10% 0.12%
30% ≥40% 18% 0.14% 0.13%
40% ≥55% 23% 0.12% 0.11%
도 13a 및 도 13b에 도시되고 표 1에 표기된 바와 같이, 최대 S-회절 및 최대 P-회절 양자는 초기 LC 함량이 높을수록 증가하는 것으로 보이는 한편, S-회절 탁도 및 P-회절 탁도는 대략 일정하게 유지된다.도 14a 및 도 14b는 다양한 초기 LC 농도들에 대한 추가적인 예시적인 S-회절 및 P-회절 효율들을 도시한다. 도 14a는 다양한 초기 LC 함량들 포함하는 다양한 예시적인 EBG들에 대한 S-회절 효율을 도시한다. 도 14b는 다양한 LC 함량들 포함하는 다양한 예시적인 EBG들에 대한 P-회절 효율을 도시한다. 도 14a 및 도 14b 양자에 대해, 상단에서 하단으로 순차적으로, 라인들은: 32% LC 함량, 30% LC 함량, 28% LC 함량, 26% LC 함량, 24% LC 함량, 22% LC 함량, 및 20% LC 함량을 나타낸다. 도시된 바와 같이, S-회절 및 P-회절 효율들은 LC 함량의 양과 직접적인 관계가 있다(예를 들어, LC 함량이 높을수록 더 높은 S-회절 및 P -회절 효율들을 낸다).
임의의 특정 이론에 제한되지 않고, 초기 LC 함량은 홀로그래픽 노출 공정 및 중합 공정 동안 발생하는 LC와 단량체 간의 상분리의 양과 관련된다. 이에 따라, LC 함량이 높을수록 세척 후 더 많은 공기 영역들을 만들기 위해 제거되는 LC 풍부 영역들의 양이 증가될 것이다. 증가된 공기 영역들은 공기 영역들(이전에는 액정 풍부 영역들)과 중합체 풍부 영역들 사이의 굴절률 차이(Δn)를 더 크게 만들며, 이는 S-회절 및 P-회절 효율 양자를 증가시킨다. 일부 실시예들에서, 중합체 SRG들의 평균 굴절률은 초기 중성 물질(예를 들어, LC) 함량을 조정함으로써 조정될 수 있으며, 이에 의해 중성 물질의 제거 후 중합체의 부피를 증가시키거나 감소시킨다. 나아가, 초기 중성 물질 함량을 증가시키는 것은 기계적 강도에 영향을 줄 수 있다. 이에 따라, 티올 첨가제와 같은 기계적 강도 증강제의 증가 또는 감소가 기계적 강도의 증가 또는 감소의 균형을 맞추기 위해 사용될 수 있다.
이미지 생성기들로서 OLED 어레이들을 포함하는 실시예들
도파관 디스플레이들에서 이미지 생성기들로서 유기 발광 다이오드(OLED) 어레이들의 사용에 대한 관심이 증가하고 있다. OLED들은 도파관 디스플레이 적용예들에서 많은 이점들을 갖는다. 발광 기술로서, OLED들은 광원을 필요로 하지 않는다. OLED들은 대면적에 걸쳐 비용 효율적으로 인쇄될 수 있다. 비직사각형 픽셀 어레이 패턴들이 곡선형 또는 가요성 기판 상에 인쇄될 수 있다. 후술될 바와 같이, 픽셀 어레이를 사전 왜곡하고 곡선형 초점면을 생성하는 능력은 도파관에 의해 지지되는 곡선형 도파관들 및 처방 렌즈들에 의해 야기되는 가이드되는 빔 파면 왜곡들에 대한 보상을 가능하게 할 수 있는 새로운 설계 치수를 추가한다. 4Kx4K 픽셀들의 해상도들을 갖는 OLED들은 LCoS(Liquid Crystal on Silicon) 및 디지털 라이트 프로세싱(digital light processing, DLP) 디바이스들과 같은 미세 전자 기계 시스템(Micro Electro Mechanical Systems, MEMS) 디바이스들 같은 기술들에 의해 제공될 수 있는 것보다 높은 해상도, 넓은 FOV AR 디스플레이들에 대한 더 빠른 루트를 제공하여, 근거리에서 더 높은 해상도의 양호한 전망들과 현재 이용가능하다. LCoS에 비해 또 다른 중요한 이점은 OLED들이 (LC 디바이스들에 대한 밀리초와 비교하여) 마이크로초로 스위칭할 수 있다는 것이다.
OLED들은 특정 단점들을 갖는다. 이들의 기본 형태에서, OLED들은 램버시안 이미터(Lambertian emitter)들이며, 이는 효율적인 광 수집을 LCoS 및 DLP 마이크로 디스플레이들보다 훨씬 더 훨씬 더 어렵게 한다. OLED들의 적색, 녹색, 및 청색 스펙트럼 대역폭들은 발광 다이오드(LED)들의 스펙트럼 대역폭보다 더 넓어서, 홀로그래픽 도파관들에서의 추가의 광 관리 문제들을 제시한다. OLED들의 가장 중요한 단점은 P-편광 선택적 경향이 있는 스위칭가능한 브래그 격자(SBG)들과 같은 HPDLC 격자들을 사용하는 도파관들에서, OLED로부터 이용가능한 광의 절반이 낭비된다는 점이다. 이에 따라, 본 발명의 많은 실시예들은 비편광된 광에 대해 높은 광 효율을 제공할 수 있는 방사 비편광 이미지 소스들과 사용하기 위한 도파관 디스플레이들 및 이러한 도파관 디스플레이들을 제조하는 관련 방법들에 관한 것이다.
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 세트로 구성되는 격자를 포괄할 수 있다. 예시를 위해, 도면들은 달리 언급되지 않는 한 일정한 축척으로 도시되지 않음을 이해해야 한다.
이제 도면들을 참조하면, 본 발명의 다양한 실시예들에 따라 발광 입력 이미지 패널들을 사용하여 도파관 디스플레이들을 제공하기 위한 방법들 및 장치가 도시된다. 도 15는 본 발명의 실시예에 따른 도파관 디스플레이를 개념적으로 도시한다. 도시된 바와 같이, 장치(100)는 제1 파장 대역 내의 P-편광된 광에 대해 회절 효율이 높은 입력(102) 및 출력(103) 격자들 및 제1 파장 대역 내의 S-편광된 광에 대해 회절 효율이 높은 입력(104) 및 출력(105) 격자들을 지지하는 도파관(101)을 포함한다.
장치(100)는 제1 파장 대역을 포함하는 방사 스펙트럼 대역폭을 갖는 비편광된 광을 방사하는 OLED 마이크로디스플레이(106), 및 OLED 마이크로 디스플레이로부터 시야 내로 광을 투사하기 위한 시준 렌즈(107)를 더 포함한다. 예시적인 실시예에서, S 및 P 회절 격자들(102-105)은 에어 갭이 요구되지 않고 적층될 수 있다. 다른 실시예들에서, 격자 층들은 에어 갭 또는 투명 층에 의해 분리될 수 있다. S 및 P 회절 격자들(102 내지 105)은 상술된 깊은 SRG들 또는 EBG들일 수 있다.
도 16은 P-회절 및 S-회절 격자들이 별도의 공기 이격된 도파관 층들에 배치된 본 발명의 실시예에 따른 도파관 디스플레이를 개념적으로 도시한다. 도시된 바와 같이, 장치(110)는 에어 갭(113)에 의해 분리된 (격자들(102, 103 및 104, 105)을 각각 지지하는) 상부(111) 및 하부(112) 도파관 층들을 포함한다. 격자들(102, 103 및 104, 105)은 상술한 깊은 SRG들 및 EBG들일 수 있다.
도 17은 본 발명의 실시예에 따른 도파관 디스플레이에서의 통상적인 광선 경로들을 개념적으로 도시한다. 도 17에 도시된 실시예(120)에서, 마이크로디스플레이(106)는 제1 파장 대역 내의 비편광된 광(121)을 방사하도록 구성되며, 이는 이는 시준기 렌즈(107)에 의해 시야 내로 시준되고 투사된다. 마이크로디스플레이(106)로부터의 S-편광된 방사는 S-회절 입력 격자(104)에 의해 도파관(101) 내의 내부 전반사 경로로 인커플링될 수 있고, S-회절 출력 격자(105)에 의해 도파관(101)으로부터 추출될 수 있다. 마이크로디스플레이(106)로부터의 P-편광된 광은 유사한 방식으로 P-회절 입력 및 출력 격자들(102, 103)을 사용하여 인커플링되고 추출될 수 있다. 분산은 입력 및 출력 격자 공간 주파수들이 정합된다면 S 및 P 광 양자에 대해 보정될 수 있다. 입력 및 출력 격자들(102, 103)은 상술한 깊은 SRG들 또는 EBG들일 수 있다.
도 15 내지 도 17은 특정 도파관 디스플레이 구성들을 도시하지만, 도시된 것들에 대한 수정을 포함하는 다양한 구성들이 구현될 수 있으며, 이의 특정 구현은 소정의 적용예의 특정 요건들에 따를 수 있다. 더 나아가, 이러한 디스플레이들은 다수의 상이한 방법들을 사용하여 제조될 수 있다. 예를 들어, 많은 실시예들에서, 두 개의 격자 층들이 잉크젯 인쇄 공정을 사용하여 형성된다.
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 구조체를 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.
본 발명은 문헌에 개시된 것들을 포함하는 다양한 도파관 아키텍처들을 사용하여 적용될 수 있다. 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 격자, 및 공간적 변하는 평균 굴절률 텐서를 갖는 격자 중 적어도 하나를 통합할 수 있다. 일부 실시예들에서, 도파관은 반파장판, 1/4파장판, 반사 방지 코팅, 빔 스플리팅 층, 정렬 층, 섬광 감소를 위한 광색성 배면 층, 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 대역폭들에 대한 개별 광 경로들을 제공하는 격자들을 지지할 수 있다. 다수의 실시예들에서, 본 발명에서 사용하기 위한 격자들은 HPDLC 격자, HPDLC에 기록되는 스위칭 격자(상기한 스위칭 가능한 브래그 격자), 홀로그래픽 광중합체에 기록되는 브래그 격자, 또는 표면 릴리프 격자일 수 있다.
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. 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 격자들을 구현하는 도파관 디스플레이들은 통상적으로 5% - 6.2%의 도파관 효율을 갖는다. 상술한 바와 같이 S-회절 격자들을 제공하는 것은 도파관의 효율을 2배 증가시킬 수 있다. 다양한 실시예들에서, 25 mm보다 큰 아이 릴리프(eye relief)를 갖는 10 mm보다 큰 아이 박스가 제공될 수 있다. 많은 실시예들에서, 도파관 두께는 2.0-5.0 mm 사이일 수 있다.
도 18은 도파관 광학 표면들 중 적어도 하나의 적어도 일부가 만곡되고 사이드 빔 파면들에 대한 만곡된 표면 부분의 효과가 있는 본 발명의 실시예에 따른 도파관 디스플레이를 개념적으로 도시한다. 도시된 바와 같이, 장치(130)는 곡면부(132)를 지지하는 도파관(131)을 포함한다. 예시적인 실시예에서, 도파관(131)은 제1 파장 대역 내의 P-편광된 광에 대해 회절 효율이 높은 입력(102) 및 출력(103) 격자들 및 제1 파장 대역 내의 S-편광된 광에 대해 회절 효율이 높은 입력(104) 및 출력(105) 격자들을 지지한다. 픽셀들(133)의 직사각형 어레이를 디스플레이하는 마이크로디스플레이(106)는 제1 파장 대역 내의 비편광된 광(134)을 방사하며, 이는 시준 렌즈(107)에 의해 시준되어 시야 내로 투사된다. 마이크로디스플레이(106)로부터의 P-편광된 방사는 P-회절 입력 격자(102)에 의해 도파관 내의 내부 전반사 경로로 인커플링될 수 있고, P-회절 출력 격자(103)에 의해 도파관으로부터 추출될 수 있다. 도파관 내의 임의의 비평면 표면의 존재는 아이박스로부터 볼 때 출력 광이 디포커스, 기하학적 왜곡, 및 다른 수차를 보이도록 가이드된 광의 파면들을 왜곡시킬 수 있다. 예를 들어, 도 18에서, 단일 픽셀로부터 시준기 렌즈(107)에 의해 투사된 광은 평면 파면들(135)을 가지며, 이는 TIR 경로(136)를 따라 도파관(131)을 통해 전파된 후, 만곡된 출력 파면(139A)에 수직인 비평행 출력 광선들(137-139)을 형성한다. 한편, 대신에 완벽한 평면 도파관은 평행 빔 확장 광을 제공할 것이다. 도 19는 도파관 기판(141)이 두 개의 중첩하는 상부(142) 및 하부(143) 곡면들을 지지하는 도파관의 버전(140)을 개념적으로 도시한다.
도 20은 곡면부에 의해 도입된 수차가 OLED 마이크로디스플레이의 픽셀 패턴을 사전 왜곡함으로써 보정될 수 있는 본 발명의 실시예에 따른 도파관 디스플레이를 개념적으로 도시한다. 예시적인 실시예에서, 도파관 장치(150)는 도 18에 도시된 것과 유사하다. 도시된 바와 같이, 장치(150)는 사전 왜곡된 픽셀 패턴(152)을 지지하는 마이크로디스플레이(151)를 포함한다. 마이크로디스플레이에 의해 방사되는 비편광된 제1 파장 광(153)은 렌즈(107)에 의해 포커싱되며, 이는 도파관에 진입하는 빔을 실질적으로 시준하면서 작은 양만큼 사전 왜곡된 파면들(154)을 형성한다. 도파관(131)을 통한 인커플링 및 전파(155) 후에, 사전 왜곡된 파면들은 곡면(132)에 의해 포커싱되어 평면 출력 파면(159)에 수직인 평행 출력 광선들(156-158)을 형성한다.
도 21은 곡면부에 의해 도입된 수차가 만곡된 기판 상에 형성된 OLED 마이크로디스플레이의 픽셀 패턴을 사전 왜곡함으로써 보정될 수 있는 본 발명의 실시예에 따른 도파관 디스플레이를 개념적으로 도시한다. 만곡된 마이크로디스플레이 기판들은 왜곡된 픽셀 패턴과 관련하여 초점 에러 상면 만곡 수차(field curvature), 왜곡, 및 다른 수차를 보정하는 것을 도울 수 있다. 예시적인 실시예에서, 도파관 장치(160)는 도 18에 도시된 것과 유사하다. 도시된 바와 같이, 만곡된 기판 마이크로디스플레이(161)는 사전 왜곡된 픽셀 패턴(164)을 지지한다. 마이크로디스플레이에 의해 방사되는 비편광된 제1 파장 광(163)은 렌즈(107)에 의해 포커싱되어 약간 사전 왜곡된 파면들(164)을 갖는 실질적으로 시준된 가이드된 빔들을 형성하며, 이는 도파관(131)을 통한 인커플링 및 전파(165) 후에, 평면 출력 파면(169)에 수직인 평행 출력 광선들(166-168)을 형성한다.
도 18 내지 도 21은 곡면들을 갖는 도파관들의 특정 구성들을 도시하지만, 많은 다른 상이한 구성들 및 변형들이 구현될 수 있다. 예를 들어, 이러한 실시예들에서 예시된 기법들 및 기초 이론은 또한 시력 규정 광학 표면을 지지하는 도파관들에 적용될 수 있다. 많은 실시예들에서, 규정 도파관 기판들은 시력 규정 안경의 제조에 사용되는 공정들과 유사한 공정들을 사용하여 맞춤 제작될 수 있으며, 표준 기준선 규정은 개별 사용자 요건들에 대해 미세 조정된다. 일부 실시예들에서, 도파관 격자들은 표준 기준선 규정으로 잉크젯 인쇄될 수 있다. 몇몇 실시예들에서, OLED 디스플레이는 맞춤 인쇄되며 사전 왜곡된 픽셀 패턴이 형성될 수 있다. 다양한 실시예들에서, OLED 디스플레이는 만곡된 백플레인 기판 상에 인쇄될 수 있다. 다수의 실시예들에서, 추가적인 굴절 또는 회절 사전 보상 요소들이 도파관에 의해 지지될 수 있다. 많은 실시예들에서, 추가적인 보정 함수들이 입력 및 출력 격자들 중 적어도 하나에 인코딩될 수 있다. 입력 및 출력 격자들은 상술된 깊은 SRG들 또는 EBG들 또는 하이브리드 격자들일 수 있고, 도 1 내지 도 5와 관련하여 설명된 방법들로 제조될 수 있다. 입력 및 출력 격자들은 또한 도 6 내지 도 8과 관련하여 설명된 두께들을 가질 수 있다.
도 22는 본 발명의 실시예에 따라 S-회절 및 P-회절 격자들을 포함하는 도파관을 사용하여 관찰을 위한 이미지 광을 투사하기 위한 방법을 개념적으로 도시하는 흐름도이다. 도시된 바와 같이, 이미지를 형성하는 방법(170)이 제공된다. 흐름도를 참조하면, 방법(170)은 제1 파장 범위 내의 광을 방사하는 OLED 어레이, 시준 렌즈 및 제1 파장 대역 내의 S-편광된 광에 대해 회절 효율이 높은 입출력 격자들 및 제1 파장 대역 내의 P-편광된 광에 대해 회절 효율이 높은 입출력 격자들을 지지하는 도파관을 제공하는 단계(171)를 포함한다. 일부 실시예들에서, 입출력 격자들은 전술된 깊은 SRG들, EBG들, 또는 하이브리드 격자들일 수 있다. 시준 렌즈를 사용하여 OLED 어레이에 의해 방사된 이미지 광이 시준될 수 있다(172). S-회절 입력 격자를 사용하여 S-편광된 광이 도파관 내의 내부 전반사 경로 내로 커플링될 수 있다(173). P-회절 입력 격자를 사용하여 P-편광된 광이 도파관 내의 내부 전반사 경로 내로 커플링될 수 있다(174). 관찰을 위해 도파관으로부터 S-편광된 광이 빔 확대 및 추출될 수 있다(175). 관찰을 위해 도파관으로부터 P-편광된 광이 빔 확대 및 추출될 수 있다(176).
도 23은 본 발명의 실시예에 따라 광학 규정 표면을 지지하고 S-회절 및 P-회절 격자들을 포함하는 도파관을 사용하여 관찰을 위한 이미지 광을 투사하기 위한 방법을 개념적으로 도시하는 흐름도이다. 도시된 바와 같이, 이미지를 형성하는 방법(180)이 제공된다. 흐름도를 참조하면, 방법(180)은 제1 파장 범위 내의 광을 방사하는 사전 왜곡된 픽셀 패턴을 갖는 OLED 어레이, 시준 렌즈 및 제1 파장 대역 내의 S-편광된 광에 대해 회절 효율이 높은 입출력 격자들 및 제1 파장 대역 내의 P-편광된 광에 대해 회절 효율이 높은 입출력 격자들을 지지하는 도파관을 제공하는 단계(181) 및 또한 도파관에 의해 지지되는 규정 광학 표면을 제공하는 단계(182)를 포함한다. 일부 실시예들에서, 입출력 격자들은 전술된 깊은 SRG들, EBG들, 또는 하이브리드 격자들일 수 있다. 시준 렌즈를 사용하여 OLED 어레이에 의해 방사된 이미지 광이 시준될 수 있다(183). S-회절 입력 격자를 사용하여 S-편광된 광이 도파관 내의 내부 전반사 경로 내로 커플링될 수 있다(184). P-회절 입력 격자를 사용하여 P-편광된 광이 도파관 내의 내부 전반사 경로 내로 커플링될 수 있다(185). 규정 표면에 사전 왜곡된 파면이 반사될 수 있다(186). 규정 표면의 광출력을 사용하여 사전 왜곡된 파면으로부터 평면 파면이 형성될 수 있다(187). 관찰을 위해 도파관으로부터 S-편광된 광이 빔 확대 및 추출될 수 있다(188). 관찰을 위해 도파관으로부터 P-편광된 광이 빔 확대 및 추출될 수 있다(189).
다양한 픽셀 기하학적 구조체들을 포함하는 실시예들에 대한 논의
본 개시에서 논의된 다양한 장치는 기하학적 제약들 및 어레이들을 구현하는 데 있어서 실제적인 문제들에 의해서만 제한되는 많은 상이한 기하학적 구조체들의 입력 픽셀 어레이들을 갖는 방사 디스플레이들을 사용하여 적용될 수 있다. 많은 실시예들에서, 픽셀 어레이는 비주기적(비반복)인 픽셀들을 포함할 수 있다. 이러한 실시예들에서, 기하학적 구조체에서의 비대칭 및 픽셀들의 분포는 도파관으로부터의 출력 조명에서의 균일성을 생성하기 위해 사용될 수 있다. 최적 픽셀 크기들 및 기하학적 구조체들은 아이박스로부터 출력 및 입력 격자들(및 사용된다면 폴드 격자들)을 통해 픽셀 어레이 상으로의 역방향 벡터 광선 추적을 사용하여 결정될 수 있다. 다양한 비대칭 픽셀 패턴들이 본 발명에서 사용될 수 있다. 예를 들어, 도 24a는 본 발명의 실시예에 따른 방사 디스플레이 패널에 사용하기 위한 상이한 크기 및 종횡비들의 직사각형 요소들(230A-230F)을 포함하는 픽셀 패턴의 일부(230)를 개념적으로 도시한다. 일부 실시예들에서, 픽셀 어레이는 다각형 기본 요소들의 유한 세트에 기초한 비반복 패턴에 기초할 수 있다. 예를 들어, 도 24b는 본 발명의 실시예에 따른 방사 디스플레이 패널에 사용하기 위한 펜로스 타일들(240A-240J)을 갖는 픽셀 패턴의 일부(240)를 개념적으로 도시한다. 타일들은 "Set of tiles for covering a surface"라는 명칭의 펜로스(Penrose)의 미국 특허 제4,133,152호에 개시된 원리들에 기초할 수 있다. 허니콤이 잘 알려져 있는 예들인 자연에서 발생하는 패턴들이 또한 많은 실시예들에서 사용될 수 있다.
많은 실시예들에서, 픽셀들은 동일한 규칙적인 다각형들의 어레이들을 포함할 수 있다. 예를 들어, 도 24c는 본 발명의 실시예에 따른 육각형 요소들을 갖는 픽셀 패턴의 일부(250)를 개념적으로 도시한다. 도 24d는 본 발명의 실시예에 따른 정사각형 요소들(250A-250C)을 갖는 픽셀 패턴의 일부(260)를 개념적으로 도시한다. 도 24e는 본 발명의 실시예에 따른 다이아몬드형 요소들(270A-270D)을 갖는 픽셀 패턴의 일부(270)를 개념적으로 도시한다. 도 24f는 본 발명의 실시예에 따른 이등변 삼각형 요소들(280A-280H)을 갖는 픽셀 패턴의 일부(280)를 개념적으로 도시한다.
많은 실시예들에서, 픽셀들은 수직으로 또는 수평으로 바이어싱된 종횡비들을 갖는다. 도 24g는 수평 편향된 종횡비의 육각형 요소들(290A-290C)을 갖는 픽셀 패턴의 일부(290)를 개념적으로 도시한다. 도 24h는 수평 편향된 종횡비의 직사각형 요소들(300A-300D)을 갖는 픽셀 패턴의 일부(300)를 개념적으로 도시한다. 도 24i는 본 발명의 실시예에 따른 수평 편향된 종횡비의 다이아몬드형 요소들(310A-310D)을 갖는 픽셀 패턴의 일부(310)를 개념적으로 도시한다. 도 24j는 본 발명의 실시예에 따른 수평 편향된 종횡비의 삼각형 요소들(320A-320H)을 갖는 픽셀 패턴의 일부(320)를 개념적으로 도시한다.
많은 실시예들에서, OLED들은 OLED의 스펙트럼 방사 특성들을 성형하기 위해 공동 형상들 및 다층 구조체들로 제조될 수 있다. 일부 실시예들에서, 좁은 스펙트럼 대역폭들을 제공하도록 최적화된 마이크로공동 OLED들이 사용될 수 있다. 일부 실시예들에서, 스펙트럼 대역폭은 40 nm 미만일 수 있다. 일부 실시예들에서, 20 nm 이하의 스펙트럼 대역폭이 제공될 수 있다. 일부 실시예들에서, OLED들은 3원색 중 하나에 대응하는 선택된 스펙트럼 영역들 근처에 집중된 비교적 좁은 대역에서 전계 발광 방사를 제공하는 재료들로 제조될 수 있다. 도 25는 상이한 픽셀들이 상이한 방사 특성들을 가질 수 있는 픽셀 패턴을 개념적으로 도시한다. 일부 실시예들에서, 픽셀들은 픽셀 어레이 내의 이들의 위치에 따라 상이한 스펙트럼 방사 특성들을 가질 수 있다. 일부 실시예들에서, 픽셀들은 픽셀 어레이 내의 이들의 위치에 따라 상이한 각도 방사 특성들을 가질 수 있다. 일부 실시예들에서, 픽셀들은 픽셀 어레이에 걸쳐 공간적으로 변하는 스펙트럼 및 각도 방사 특성들 양자를 가질 수 있다. 픽셀 패턴은 도 24a 내지 도 24j에 도시된 패턴들 중 임의의 것에 기초할 수 있다. 많은 실시예들에서, 상이한 크기들 및 기하학적 구조체들의 픽셀들은 최종 이미지의 균일성을 제어하기 위한 공간 방사 변화를 제공하도록 배열될 수 있다.
많은 실시예들에서, OLED들은 소정의 광 분포를 맞춤 형태로 변형시키도록 설계된 공동 구조체들을 가질 수 있다. 이는 통상적으로 웨어러블 디스플레이 적용예를 위해 부피가 클 수 있는 2차 광학 요소들에 의해 달성된다. 이러한 설계들은 또한 최종 광원을 단일 영구 동작 모드로 제한하며, 이는 기계적으로 조정가능한 광학 요소들을 채용함으로써만 극복될 수 있다는 문제를 겪는다. 일부 실시예들에서, OLED들은 이차 광학 요소들에 의존하지 않고 임의의 기계적 조정을 사용하지 않고 빔 성형의 실시간 조절을 가능하게 할 수 있다. 일부 실시예들에서, OLED는 Fries에 의한 논문(Fries F. et al, “Real-time beam shaping without additional optical elements”, Light Science & Applications, 7(1), 18, (2018))에 개시된 바와 같이 임의의 설정에서 높은 양자 효율을 유지하면서 전방 및 오프 축 주 방사 방향들 사이에서 연속적으로 조정될 수 있다.
중요한 OLED 개발, "마이크로공동 OLED"는 일부 실시예들에서 더 제어되는 스펙트럼 대역폭 및 방사 각도에 대한 잠재성을 제공할 수 있다. 그러나, 마이크로공동 OLED들은 아직 상업적 개발을 위한 준비가 되어 있지 않다. (굴절률 변조 0.1, 평균 굴절률 1.65 및 45도의 도파관 내의 입사각을 갖는 2 마이크론 격자에 대응하는) 일 실시예에서, SBG의 회절 효율은 OLED 방사 스펙트럼에 걸쳐(25% 피크 포인트들 사이에서) 75%보다 크다. 더 깊은 공동 구조체들을 사용하는 더 좁은 대역폭 OLED들은 40 nm 아래로 대역폭을 감소시킬 것이다.
바람직하게는, 본 발명은 460 nm에서 청색에 사용하기 위해 최적화된 OLED들을 사용할 수 있으며, 이는 더 통상적으로 사용되는 440 nm OLED보다 일광 AR 디스플레이 적용예들에서 더 양호한 청색 콘트라스트뿐만 아니라 더 양호한 신뢰성 및 수명을 제공한다.
일부 실시예들에서, 발광 디스플레이는 Kopin Corporation (Westborough, MA)에 의해 개발된 것과 유사한 OLED 풀 컬러 실리콘 백플레인 마이크로디스플레이일 수 있다. Kopin 마이크로디스플레이는 0.99 인치의 이미지 대각선 및 인치당 2490 픽셀의 픽셀 밀도를 제공한다. 마이크로디스플레이는 컴팩트한 폼 팩터를 가능하게 하기 위해 Kopin의 특허받은 Pantile™ 확대 렌즈를 사용한다.
본 발명이 입력 이미지원으로서 OLED 마이크로디스플레이를 사용하는 실시예들의 관점에서 설명되었지만, 많은 다른 실시예들에서, 본 발명은 임의의 다른 유형의 방사 마이크로디스플레이 기술에 적용될 수 있다. 일부 실시예들에서, 발광 마이크로디스플레이는 마이크로 LED일 수 있다. 마이크로 LED들은 감소된 전력 소비로부터 이익을 얻고 OLED 디스플레이의 것보다 더 높은 휘도에서 효율적으로 동작할 수 있다. 그러나, 마이크로 LED들은 본질적으로 LED들에서 색상을 변환하기 위해 통상적으로 사용되는 단색 인광체들이며, 작은 크기로 잘 스케일링되지 않아, 마이크로디스플레이 적용예들로 스케일링 다운하기 어려운 더 복잡한 디바이스 아키텍처를 초래한다.
중합체 격자 구조체가 OLED 어레이 기반 도파관 디스플레이 내에서의 사용 측면에서 논의되었지만, 중합체 격자 구조체들은 다른 부류의 디스플레이들과의 유리한 상승작용적 적용예들을 갖는다. 이들 디스플레이들의 예들은 LCoS 및 MEMS 기반 디스플레이들과 같은 비발광 디스플레이 기술을 사용하는 이미지 생성기들을 포함한다. LCoS 기반 디스플레이들은 통상적으로 편광을 방사하여 중합체 격자 구조체의 편광 기반 이점을 덜 적용 가능하게 할 수 있지만, 중합체 격자 구조체들은 종래의 임프린트된 격자들에 비해 유리한 효율 및 제조 비용 절감을 제공할 수 있다. 또한, 중합체 격자 구조체들은 도파관 센서들 및/또는 도파관 조명 디바이스들과 같은 다양한 다른 비디스플레이 도파관 기반 구현들에서 적용가능할 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 (29)

  1. 도파관 디바이스로서,
    도파관에서 내부 전반사로 전파되는 광을 회절시키기 위한 중합체 격자 구조체를 지지하는 도파관을 포함하되, 도파관은 기판을 포함하고, 중합체 격자 구조체는 기다란 주 연장 방향을 가지고,
    중합체 격자 구조체는:
    기판까지 계속 연장되는 중합체 네트워크; 및
    중합체 네트워크의 인접한 부분들 사이의 에어 갭들
    을 포함하고, 중합체 네트워크는 기다란 주 연장 방향을 따라 에어 갭들과 교번하는, 도파관 디바이스.
  2. 제1항에 있어서,
    중합체 격자 구조체는 중합체 네트워크의 인접한 부분들 사이의 등방성 재료를 더 포함하되, 등방성 재료는 중합체 네트워크보다 높거나 낮은 굴절률을 갖는 것인, 도파관 디바이스.
  3. 제2항에 있어서,
    등방성 재료는 중합체 네트워크의 인접한 부분들 사이의 공간의 바닥 부분에서 에어 갭들을 점유하고, 에어는 등방성 재료의 상부 표면 위로부터 변조 깊이로 중합체 네트워크의 인접한 부분들의 상부 표면까지 공간을 점유하는 것인, 도파관 디바이스.
  4. 제2항에 있어서,
    등방성 재료는 복굴절 결정 재료를 포함하는 것인, 도파관 디바이스.
  5. 제4항에 있어서,
    복굴절 결정 재료는 액정 재료를 포함하는 것인, 도파관 디바이스.
  6. 제1항에 있어서,
    중합체 격자 구조체는 가시광의 파장보다 큰 변조 깊이를 갖는 것인, 도파관 디바이스.
  7. 제1항에 있어서,
    중합체 격자 구조체는 변조 깊이 및 격자 피치를 포함하고, 변조 깊이는 격자 피치보다 큰 것인, 도파관 디바이스.
  8. 제1항에 있어서,
    도파관은 두 개의 기판들을 포함하고, 중합체 격자 구조체는 두 개의 기판들 사이에 개재되거나 어느 하나의 기판의 외부 표면 상에 위치되는 것인, 도파관 디바이스.
  9. 제1항에 있어서,
    도파관 디바이스는 화상 생성 유닛을 더 포함하고, 중합체 격자 구조체는 도파관 회절 격자를 포함하는 것인, 도파관 디바이스.
  10. 제9항에 있어서,
    도파관 회절 격자는 멀티플렉싱 격자로서 구성된 것인, 도파관 디바이스.
  11. 제10항에 있어서,
    도파관 회절 격자는 다수의 이미지들을 포함하는 화상 생성 유닛으로부터의 광을 수용하도록 구성된 것인, 도파관 디바이스.
  12. 제9항에 있어서,
    도파관 회절 격자는 도파관으로부터 광을 아웃커플링하도록 구성된 것인, 도파관 디바이스.
  13. 제9항에 있어서,
    도파관 회절 격자는 빔 익스팬더로서 구성된 것인, 도파관 디바이스.
  14. 제9항에 있어서,
    도파관 회절 격자는 화상 생성 유닛으로부터 생성된 이미지 데이터를 포함하는 광을 인커플링하도록 구성된 것인, 도파관 디바이스.
  15. 제14항에 있어서,
    도파관 회절 격자는 또한 고도의 효율로 S-편광된 광을 인커플링하도록 구성된 것인, 도파관 디바이스.
  16. 제1항에 있어서,
    중합체 격자 구조체는 2차원 격자 구조체 또는 3차원 격자 구조체를 포함하는 것인, 도파관 디바이스.
  17. 제1항에 있어서,
    또 다른 격자 구조체를 더 포함하는, 도파관 디바이스.
  18. 제17항에 있어서,
    중합체 격자 구조체는 인커플링 격자를 포함하고, 상기 또 다른 격자 구조체는 빔 익스팬더 또는 아웃커플링 격자를 포함하는 것인, 도파관 디바이스.
  19. 제1항에 있어서,
    중합체 격자 구조체는 기판과 직접 접촉하는, 도파관 디바이스.
  20. 제19항에 있어서,
    에어 갭들은 기판과 직접 접촉하는, 도파관 디바이스.
  21. 도파관 디바이스로서,
    도파관에서 내부 전반사로 전파되는 광을 회절시키기 위한 중합체 격자 구조체를 지지하는 도파관을 포함하되, 도파관은 기판을 포함하고, 중합체 격자 구조체는 기다란 주 연장 방향을 가지고,
    중합체 격자 구조체는:
    기판까지 계속 연장되는 중합체 네트워크; 및
    중합체 네트워크의 인접한 부분들 사이의 뒤채움 재료
    를 포함하고, 중합체 네트워크는 기다란 주 연장 방향을 따라 뒤채움 재료와 교번하는, 도파관 디바이스.
  22. 제21항에 있어서,
    뒤채움 재료는 복굴절인, 도파관 디바이스.
  23. 제22항에 있어서,
    뒤채움 재료는 액정인, 도파관 디바이스.
  24. 제21항에 있어서,
    뒤채움 재료는 중합체 네트워크보다 높은 굴절률을 갖는 것인, 도파관 디바이스.
  25. 제21항에 있어서,
    뒤채움 재료는 중합체 네트워크보다 낮은 굴절률을 갖는 것인, 도파관 디바이스.
  26. 제21항에 있어서,
    뒤채움 재료는 중합체 격자 구조체의 각도 대역폭 및 회절 효율 중 적어도 하나를 증가시키기 위한 굴절률을 갖는 것인, 도파관 디바이스.
  27. 제21항에 있어서,
    중합체 격자 구조체는 단량체 및 제1 액정의 혼합물의 상분리에 의해 형성되고, 중합체 격자 구조체는 제1 액정과 상이한 광학적 속성들을 갖는 제2 액정을 포함하는 뒤채움 재료로 뒤채움되는, 도파관 디바이스.
  28. 제21항에 있어서,
    도파관은 기판을 포함하고, 중합체 격자 구조체는 기판까지 계속 연장되어 기판과 직접 접촉하는, 도파관 디바이스.
  29. 제28항에 있어서,
    뒤채움 재료는 기판과 직접 접촉하는, 도파관 디바이스.
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