(57)【要約】光学デバイスは、複数の格子構造のスタックを含み、それぞれ、液晶材料の複数のサブ層を含む。液晶材料の各サブ層は、側方に延在する反復ユニットを含み、それぞれ、複数の液晶分子から形成される。液晶層の反復ユニットは、相互から側方にオフセットされ、ある傾斜角度を画定する。格子構造のスタックを形成する格子構造は、異なる大きさの傾斜角度を有する。格子構造は、可視または赤外線波長の光を再指向するように構成されてもよい。有利には、格子構造のスタックの異なる傾斜角度は、広範囲の入射角で格子構造上に入射する光の高効率回折を可能にする。
2019536101.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光学デバイスであって、
第１の偏光格子構造であって、
液晶分子を備える第１の複数の液晶サブ層であって、前記液晶分子は、側方軸に沿って第１の周期性を有する反復ユニットを形成する第１の複数の液晶サブ層
を備え、前記反復ユニットは、前記第１の複数のサブ層のうちの１つに直ぐ隣接する類似反復ユニットと比較して、第１の偏移距離だけ側方に偏移され、前記第１の偏移距離だけ偏移される前記反復ユニットは、前記側方軸に対する法線に対して第１の傾斜角度を画定し、前記法線は、前記第１の偏光格子構造の厚さ軸に沿って延在する、第１の偏光格子構造と、
前記第１の偏光格子構造にわたる第２の偏光格子構造であって、前記第２の偏光格子構造は、
液晶分子を備える第２の複数の液晶サブ層であって、前記液晶分子は、前記側方軸に沿って第２の周期性を有する反復ユニットを形成する、第２の複数の液晶サブ層
を備え、前記反復ユニットは、前記複数のサブ層のうちの１つに直ぐ隣接する類似反復ユニットと比較して、第２の偏移距離だけ側方に偏移され、前記第２の偏移距離だけ偏移される前記反復ユニットは、前記側方軸に対する法線に対して第２の傾斜角度を画定する、第２の偏光格子構造と
を備え、
前記第１の傾斜角度および第２の傾斜角度の大きさは、異なる、デバイス。
【請求項２】
前記第１の偏光格子構造の複数のサブ層のそれぞれ内の液晶分子は、第１の捻転角度だけ捻転され、
前記液晶分子の配向は、側方視または上下視において見られるように、前記サブ層のそれぞれを横断して反復パターンで側方に変動し、
前記第１の偏光格子構造の複数の液晶サブ層内の前記反復ユニットはそれぞれ、類似配向進行性を有する複数の液晶分子によって形成される、
請求項１に記載のデバイス。
【請求項３】
前記第１の偏光格子構造および第２の偏光格子構造の連続的により高いレベルの前記液晶サブ層の反復ユニットは、同一方向に偏移される、請求項１に記載のデバイス。
【請求項４】
前記第２の偏光格子構造の複数のサブ層のそれぞれ内の液晶分子は、第２の捻転角度だけ捻転され、
前記液晶分子の配向は、側方視または上下視において見られるように、前記サブ層のそれぞれを横断して反復パターンで側方に変動し、
前記第２の偏光格子構造の複数の液晶サブ層内の前記反復ユニットはそれぞれ、類似配向進行性を有する複数の液晶分子によって形成される、
請求項１に記載のデバイス。
【請求項５】
前記複数のサブ層内の液晶分子は、重合液晶材料の一部である、請求項１に記載のデバイス。
【請求項６】
前記複数のサブ層内の液晶分子は、液晶性ジアクリレートを備える、請求項１に記載のデバイス。
【請求項７】
前記複数のサブ層は、キラルドーパントでドープされる、請求項１に記載のデバイス。
【請求項８】
前記液晶分子は、約−８５度〜８５度の傾斜角度（θ１）を有する、請求項１に記載のデバイス。
【請求項９】
前記液晶分子は、前記傾斜角度に対して約−２０度〜２０度の入射角（θｉｎｃ）で前記偏光格子構造上に入射する光のビームの少なくとも４０％を回折するように構成される、請求項１に記載のデバイス。
【請求項１０】
前記第２の偏光格子構造にわたる第３の偏光格子構造をさらに備え、前記第３の偏光格子構造は、液晶分子を備える複数の液晶サブ層を含み、
前記液晶分子は、第３の周期性を有する反復ユニットを形成し、
前記反復ユニットは、前記複数のサブ層のうちの１つに直ぐ隣接する類似反復ユニットと比較して、第３の偏移距離だけ側方に偏移され、前記第３の偏移距離だけ偏移される前記反復ユニットは、前記側方軸に対する法線に対して第３の傾斜角度を画定し、
前記第１、第２、および第３の傾斜角度の大きさは、異なる、
請求項１に記載のデバイス。
【請求項１１】
前記第１、第２、および第３の偏光格子構造のそれぞれの液晶サブ層は、前記第１、第２、および第３の偏光格子構造のその他と異なる組成を有する、請求項１０に記載のデバイス。
【請求項１２】
前記第１の偏光格子構造および第２の偏光格子構造は、導波管にわたり、
前記導波管にわたるテンプレート層であって、前記第１の偏光格子構造および第２の偏光格子構造下にあるテンプレート層
をさらに備える、請求項１に記載のデバイス。
【請求項１３】
前記第１の偏光格子構造および第２の偏光格子構造は、前記光の入射ビームが、全内部反射によって前記導波管を通して伝搬するように、光の入射ビームを前記導波管の中に内部結合するように構成される内部結合光学要素である、請求項１２に記載のデバイス。
【請求項１４】
前記第１の偏光格子構造および第２の偏光格子構造を介して、光を前記導波管の中に指向するように構成される光変調デバイスをさらに備える、請求項１３に記載のデバイス。
【請求項１５】
前記第１の偏光格子構造および第２の偏光格子構造は、全内部反射によって前記導波管を通して伝搬する光の入射ビームを外部結合するように構成される外部結合光学要素である、請求項１３に記載のデバイス。
【請求項１６】
前記第１の偏光格子構造および第２の偏光格子構造は、全内部反射によって前記導波管を通して伝搬する光を再指向するように構成される直交瞳エクスパンダであり、前記再指向される光は、全内部反射によって前記導波管を通して伝搬し続ける、請求項１３に記載のデバイス。
【請求項１７】
導波管のスタックをさらに備え、各導波管は、異なる大きさの傾斜角度を有する複数の液晶サブ層を備える第１の偏光格子構造および第２の偏光格子構造を備える、請求項１３に記載のデバイス。
【請求項１８】
光学デバイスであって、
第１の厚さを有する第１の偏光格子構造であって、前記第１の偏光格子構造は、
液晶分子およびキラルドーパントを備える第１の複数の液晶サブ層
を備える、第１の偏光格子構造と、
前記第１の偏光格子構造にわたる第２の偏光格子構造であって、前記第２の偏光格子構造は、第２の厚さを有し、
液晶分子およびキラルドーパントを備える第２の複数の液晶サブ層
を備える、第２の偏光格子構造と
を備え、
前記第１の偏光格子構造と第２の偏光格子構造との間では、
前記第１の偏光格子構造および第２の偏光格子構造の厚さ、
前記第１の偏光格子構造および第２の偏光格子構造内のキラルドーパントの濃度、または
前記第１の偏光格子構造および第２の偏光格子構造のキラルドーパント
のうちの少なくとも１つが異なり、前記第１の偏光格子構造および第２の偏光格子構造の異なるキラルドーパントは、同一掌性を有する、デバイス。
【請求項１９】
前記液晶分子は、キラルネマチック液晶分子である、請求項１８に記載のデバイス。
【請求項２０】
前記第１の偏光格子構造および第２の偏光格子構造のキラルドーパント濃度は、約０．１重量％以上異なる、請求項１８に記載のデバイス。
【請求項２１】
前記第１の偏光格子構造および第２の偏光格子構造の厚さは、約１０μｍ未満の量だけ異なる、請求項１８に記載のデバイス。
【請求項２２】
光学デバイスを加工するための方法であって、前記方法は、
整合層を基板にわたって提供することと、
前記整合層をパターン化することと、
第１の液晶層を前記整合層上に堆積させることと、
前記第１の液晶層の液晶分子と前記整合層を整合させ、それによって、第１の複数のレベルの反復液晶分子を形成し、第１の傾斜角度を画定することと、
第２の液晶層を前記第１の液晶層上に堆積させることと、
前記第２の液晶層の液晶分子と第１の液晶層の直下の液晶分子を整合させ、それによって、第２の複数のレベルの反復液晶分子を形成し、第２の傾斜角度を画定することと
を含み、
前記第１の傾斜角度および第２の傾斜角度の大きさは、異なる、方法。
【請求項２３】
前記整合層をパターン化することは、前記整合層内の溝のパターンを画定することを含む、請求項２２に記載の方法。
【請求項２４】
前記整合層内の溝のパターンを画定することは、ナノインプリントを含む、請求項２３に記載の方法。
【請求項２５】
前記整合層をパターン化することは、干渉パターンを前記整合層内に記録することを含む、請求項２２に記載の方法。
【請求項２６】
付加的整合層を前記第１の液晶層にわたって堆積させることと、
前記付加的整合層をパターン化することと
をさらに含む、請求項２２に記載の方法。
【請求項２７】
ディスプレイシステムであって、
光学的に透過性の導波管と、
内部結合光学要素、射出瞳エクスパンダ、または直交瞳エクスパンダを前記導波管の表面上に形成する回折光学要素であって、
前記回折光学要素は、液晶分子を備える複数の液晶サブ層を備え、
前記液晶分子は、側方軸に沿って周期性を有する反復ユニットを形成し、
前記反復ユニットは、前記複数のサブ層のうちの１つに直ぐ隣接する類似反復ユニットと比較して、ある偏移距離だけ側方に偏移され、前記偏移距離は、前記側方軸に対する法線に対してある傾斜角度を画定し、前記法線は、前記第１の偏光格子構造の厚さ軸に沿って延在する、回折光学要素と
を備える、システム。
【請求項２８】
導波管は、導波管のスタックの一部であり、
前記導波管はそれぞれ、液晶分子を備える複数の液晶サブ層を備える関連付けられた回折光学要素を有し、
前記液晶分子は、ある周期性を有する反復ユニットを形成し、前記反復ユニットは、前記複数のサブ層のうちの１つに直ぐ隣接する類似反復ユニットと比較して、ある偏移距離だけ側方に偏移され、前記偏移距離は、前記側方軸に対する法線に対してある傾斜角度を画定する、請求項２７に記載のシステム。
【請求項２９】
光学デバイスを加工するための方法であって、前記方法は、
第１の液晶層を基板および第１のパターンで配列される複数の表面特徴を含む第１のインプリントテンプレートと接触して提供することと、
前記第１の液晶層の分子と前記表面特徴を整合させ、それによって、第１の複数のレベルの反復液晶分子を形成し、第１の傾斜角度を画定することと
を含む、方法。
【請求項３０】
前記第１の液晶層の分子を重合化することと、
前記第１のインプリントテンプレートを除去することと、
第２の液晶層を前記第１の液晶層と接触して堆積させることと、
前記第２の液晶層の分子と前記第１の液晶層の分子を整合させることと
をさらに含む、請求項２９に記載の方法。
【請求項３１】
前記第１の液晶層と第２の液晶層との間では、
前記第１の液晶層および第２の液晶層の厚さ、
前記第１の液晶層および第２の液晶層内のキラルドーパントの濃度、または
前記第１の液晶層および第２の液晶層のキラルドーパント
のうちの少なくとも１つが異なり、前記第１の液晶層および第２の液晶層の異なるキラルドーパントは、同一掌性を有する、請求項３０に記載の方法。
【請求項３２】
第１の液晶層を基板および第１のインプリントテンプレートと接触して提供することは、
前記第１の液晶層を前記基板上に堆積させることと、
前記第１の液晶層と前記第１のインプリントテンプレートを接触させることと
を含む、請求項２９に記載の方法。
【請求項３３】
前記第１の液晶層の分子を重合化することと、
前記第１のインプリントテンプレートを除去することと、
第２の液晶層を前記第１の液晶層と接触して堆積させることと、
前記第２の液晶層と第２のインプリントテンプレートを接触させることと、
前記第２の液晶層の分子と前記第２のインプリントテンプレート内の表面特徴のパターンを整合させることと
をさらに含む、請求項２９に記載の方法。
【請求項３４】
前記第１の液晶層の分子を重合化することと、
前記第１のインプリントテンプレートを除去することと、
平面化層を前記第１の液晶層にわたって形成することと、
第２の液晶層を前記平面化層にわたって堆積させることと、
前記第２の液晶層と第２のインプリントテンプレートを接触させることと、
前記第２の液晶層の分子と前記第２のインプリントテンプレート内の表面特徴のパターンを整合させることと
をさらに含む、請求項２９に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
（優先権主張）
本願は、２０１６年１１月１８日に出願された米国仮特許出願第６２／４２４，３０５号の優先権の利益を主張するものであり、該米国仮特許出願の内容は、その全体が参照により本明細書中に援用される。
【０００２】
（参照による援用）
本願は、２０１４年１１月２７日に出願された米国出願第１４／５５５，５８５号、２０１５年４月１８日に出願された米国出願第１４／６９０，４０１号、２０１４年３月１４日に出願された米国出願第１４／２１２，９６１号、および２０１４年７月１４日に出願された米国出願第１４／３３１，２１８号の各々を参照により援用するものである。
【０００３】
本開示は、仮想現実および拡張現実結像および可視化システムを含む、光学デバイスに関する。
【背景技術】
【０００４】
現代のコンピューティングおよびディスプレイ技術は、いわゆる「仮想現実」または「拡張現実」体験のためのシステムの開発を促進しており、デジタル的に再現された画像またはその一部が、現実であるように見える、またはそのように知覚され得る様式でユーザに提示される。仮想現実、すなわち、「ＶＲ」シナリオは、典型的には、他の実際の実世界の視覚的入力に対する透過性を伴わずに、デジタルまたは仮想画像情報の提示を伴い、拡張現実または「ＡＲ」シナリオは、典型的には、ユーザの周囲の実際の世界の可視化に対する拡張としてのデジタルまたは仮想画像情報の提示を伴う。複合現実または「ＭＲ」シナリオは、一種のＡＲシナリオであって、典型的には、自然世界の中に統合され、それに応答する、仮想オブジェクトを伴う。例えば、ＭＲシナリオでは、ＡＲ画像コンテンツは、実世界内のオブジェクトによってブロックされて見える、または別様にそれと相互作用するように知覚され得る。
【０００５】
図１を参照すると、拡張現実場面１０が、描写され、ＡＲ技術のユーザには、人々、木々、背景における建物、およびコンクリートプラットフォーム３０を特徴とする、実世界公園状設定２０が見える。これらのアイテムに加え、ＡＲ技術のユーザはまた、実世界プラットフォーム３０上に立っているロボット像４０と、マルハナバチの擬人化のように見える、飛んでいる漫画のようなアバタキャラクタ５０等の「仮想コンテンツ」を「見ている」と知覚するが、これらの要素４０、５０は、実世界には存在しない。ヒトの視知覚系は、複雑であって、他の仮想または実世界画像要素間における仮想画像要素の快適で、自然のような感覚で、かつ豊かな提示を促進する、ＡＲ技術の生成は、困難である。
【０００６】
本明細書に開示されるシステムおよび方法は、ＡＲおよびＶＲ技術に関連する種々の課題に対処する。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本開示のシステム、方法、およびデバイスはそれぞれ、いくつかの革新的側面を有し、そのうちの単一の１つが、本明細書に開示される望ましい属性に関与するわけではない。
【０００８】
本願の主題の革新的側面は、第１の偏光格子構造と、第１の偏光格子構造にわたる第２の偏光格子構造とを備える、光学デバイスを含む。第１の偏光格子構造は、液晶分子を備える、第１の複数の液晶サブ層を備える。液晶分子は、側方軸に沿って第１の周期性を有する、反復ユニットを形成する。反復ユニットは、第１の複数のサブ層のうちの１つに直ぐ隣接する類似反復ユニットと比較して、第１の偏移距離だけ側方に偏移される。第１の偏移距離だけ偏移される反復ユニットは、側方軸に対する法線に対して第１の傾斜角度を画定し、法線は、第１の偏光格子構造の厚さ軸に沿って延在する。第２の偏光格子構造は、液晶分子を備える、第２の複数の液晶サブ層を備え、液晶分子は、側方軸に沿って第２の周期性を有する、反復ユニットを形成する。反復ユニットは、複数のサブ層のうちの１つに直ぐ隣接する類似反復ユニットと比較して、第２の偏移距離だけ側方に偏移される。第２の偏移距離だけ偏移される反復ユニットは、側方軸に対する法線に対して第２の傾斜角度を画定する。第１および第２の傾斜角度の大きさは、異なる。
【０００９】
光学デバイスの種々の実施形態では、第１の偏光格子構造の複数のサブ層のそれぞれ内の液晶分子は、第１の捻転角度だけ捻転されることができる。液晶分子の配向は、側方視または上下視において見られるように、サブ層のそれぞれを横断して反復パターンで側方に変動することができる。第１の偏光格子構造の複数の液晶サブ層内の反復ユニットはそれぞれ、類似配向進行性を有する複数の液晶分子によって形成されることができる。
【００１０】
光学デバイスの種々の実施形態では、第１および第２の偏光格子構造の連続的により高いレベルの液晶サブ層の反復ユニットは、同一方向に偏移されることができる。種々の実施形態では、第２の偏光格子構造の複数のサブ層のそれぞれ内の液晶分子は、第２の捻転角度だけ捻転されることができる。液晶分子は、側方視または上下視において見られるように、サブ層のそれぞれを横断して反復パターンで側方に変動することができる。第２の偏光格子構造の複数の液晶サブ層内の反復ユニットはそれぞれ、類似配向進行性を有する複数の液晶分子によって形成されることができる。複数のサブ層内の液晶分子は、重合液晶材料の一部であることができる。例えば、複数のサブ層内の液晶分子は、液晶性ジアクリレートを備えることができる。種々の実施形態では、複数のサブ層は、キラルドーパントでドープされることができる。液晶分子は、約−８５度〜８５度の傾斜角度（θ１）を有することができる。種々の実施形態では、液晶分子は、傾斜角度に対して約−２０度〜２０度の入射角（θｉｎｃ）で偏光格子構造上に入射する光のビームの少なくとも４０％を回折するように構成されることができる。
【００１１】
光学デバイスの種々の実施形態はさらに、第２の偏光格子構造にわたる第３の偏光格子構造を備えることができ、第３の偏光格子構造は、第３の周期性を有する反復ユニットを形成する、液晶分子を備える複数の液晶サブ層を含むことができる。反復ユニットは、複数のサブ層のうちの１つに直ぐ隣接する類似反復ユニットと比較して、第３の偏移距離だけ側方に偏移されることができる。反復ユニットは、第３の偏移距離だけ偏移され、側方軸に対する法線に対して第３の傾斜角度を画定することができる。第１、第２、および第３の傾斜角度の大きさは、異なることができる。
【００１２】
第１、第２、および第３の偏光格子構造のそれぞれの液晶サブ層は、第１、第２、および第３の偏光格子構造のその他と異なる組成を有することができる。第１および第２の偏光格子構造は、導波管にわたり得、導波管にわたるテンプレート層であって、第１および第２の偏光格子構造下にあるテンプレート層をさらに備えることができる。種々の実施形態では、第１、第２、および第３の偏光格子構造は、光の入射ビームが、全内部反射によって導波管を通して伝搬するように、光の入射ビームを導波管の中に内部結合するように構成される、内部結合光学要素であることができる。第１、第２、および第３の偏光格子構造は、全内部反射によって導波管を通して伝搬する光の入射ビームを外部結合するように構成される、外部結合光学要素であることができる。第１、第２、および第３の偏光格子構造は、全内部反射によって導波管を通して伝搬する光を再指向するように構成される、直交瞳エクスパンダであることができ、再指向される光は、全内部反射によって導波管を通して伝搬し続ける。
【００１３】
光学デバイスの種々の実施形態は、第１および第２の偏光格子構造を介して、光を導波管の中に指向するように構成される、光変調デバイスを備えることができる。光学デバイスの種々の実施形態はさらに、導波管のスタックを備えることができ、各導波管は、異なる大きさの傾斜角度を有する複数の液晶サブ層を備える、第１および第２の偏光格子構造を備える。
【００１４】
本願の主題の別の革新的側面は、第１の厚さを有する、第１の偏光格子構造と、第１の偏光格子構造にわたる第２の偏光格子構造とを備える、光学デバイス内に具現化される。第１の偏光格子構造は、液晶分子およびキラルドーパントを備える、第１の複数の液晶サブ層を備える。第２の偏光格子構造は、第２の厚さを有し、液晶分子およびキラルドーパントを備える、第２の複数の液晶サブ層を備える。第１および第２の偏光格子構造の厚さ、第１および第２の偏光格子構造内のキラルドーパントの濃度、または第１および第２の偏光格子構造のキラルドーパントのうちの少なくとも１つは、第１の偏光格子構造と第２の偏光格子構造との間で異なることができる。第１および第２の偏光格子構造の異なるキラルドーパントは、同一掌性を有することができる。
【００１５】
光学デバイスの種々の実施形態では、液晶分子は、キラルネマチック液晶分子を備えることができる。第１および第２の偏光格子構造のキラルドーパント濃度は、約０．１重量％以上異なることができる。第１および第２の偏光格子構造の厚さは、約１０μｍ未満の量だけ異なることができる。
【００１６】
本願の主題の別の革新的側面は、光学デバイスを加工するための方法を含み、本方法は、整合層を基板にわたって提供するステップと、整合層をパターン化するステップと、第１の液晶層を整合層上に堆積させるステップと、第１の液晶層の液晶分子と整合層を整合させ、それによって、第１の複数のレベルの反復液晶分子を形成し、第１の傾斜角度を画定するステップと、第２の液晶層を第１の液晶層上に堆積させるステップと、第２の液晶層の液晶分子と第１の液晶層の直下の液晶分子を整合させ、それによって、第２の複数のレベルの反復液晶分子を形成し、第２の傾斜角度を画定するステップとを含み、第１および第２の傾斜角度の大きさは、異なる。
【００１７】
本方法の種々の実施形態では、整合層をパターン化するステップは、整合層内の溝のパターンを画定するステップを含むことができる。整合層内の溝のパターンを画定するステップは、ナノインプリントを含むことができる。整合層をパターン化するステップは、干渉パターンを整合層内に記録するステップを含むことができる。本方法の種々の実施形態方法は、付加的整合層を第１の液晶層にわたって堆積させるステップと、付加的整合層をパターン化するステップとを含むことができる。
【００１８】
本願の主題のさらに別の革新的側面は、光学的に透過性の導波管と内部結合光学要素、射出瞳エクスパンダ、または直交瞳エクスパンダを導波管の表面上に形成する、回折光学要素とを備える、ディスプレイシステム内に具現化される。回折光学要素は、液晶分子を備える、複数の液晶サブ層を備える。液晶分子は、側方軸に沿って周期性を有する、反復ユニットを形成することができる。反復ユニットは、複数のサブ層のうちの１つに直ぐ隣接する類似反復ユニットと比較して、ある偏移距離だけ側方に偏移される。偏移距離は、側方軸に対する法線に対してある傾斜角度を画定し、法線は、第１の偏光格子構造の厚さ軸に沿って延在する。
【００１９】
ディスプレイシステムの種々の実施形態では、導波管は、導波管のスタックの一部であることができる。スタック内の各導波管は、液晶分子を備える複数の液晶サブ層を備える、関連付けられた回折光学要素を有することができる。液晶分子は、周期性を有する、反復ユニットを形成することができる。反復ユニットは、複数のサブ層のうちの１つに直ぐ隣接する類似反復ユニットと比較して、ある偏移距離だけ側方に偏移されることができる。偏移距離は、側方軸に対する法線に対してある傾斜角度を画定することができる。
【００２０】
本願の主題の別の革新的側面は、光学デバイスを加工するための方法を含み、本方法は、第１の液晶層を基板および第１のパターンで配列される複数の表面特徴を含む第１のインプリントテンプレートと接触して提供するステップと、第１の液晶層の分子と表面特徴を整合させ、それによって、第１の複数のレベルの反復液晶分子を形成し、第１の傾斜角度を画定するステップとを含む。
【００２１】
本方法の種々の実施形態は、第１の液晶層の分子を重合化するステップと、第１のインプリントテンプレートを除去するステップと、第２の液晶層を第１の液晶層と接触して堆積させるステップと、第２の液晶層の分子と第１の液晶層の分子を整合させるステップとを含むことができる。
【００２２】
種々の実施形態では、以下の第１および第２の液晶層の厚さ、第１および第２の液晶層内のキラルドーパントの濃度、または第１および第２の液晶層のキラルドーパントのうちの少なくとも１つは、第１の液晶層と第２の液晶層との間で異なることができる。第１および第２の液晶層の異なるキラルドーパントは、同一掌性を有することができる。
【００２３】
本方法の種々の実施形態では、第１の液晶層を基板および第１のインプリントテンプレートと接触して提供するステップは、第１の液晶層を基板上に堆積させるステップと、第１の液晶層と第１のインプリントテンプレートを接触させるステップとを含む。
【００２４】
本方法の種々の実施形態はさらに、第１の液晶層の分子を重合化するステップと、第１のインプリントテンプレートを除去するステップと、第２の液晶層を第１の液晶層と接触して堆積させるステップと、第２の液晶層と第２のインプリントテンプレートを接触させるステップと、第２の液晶層の分子と第２のインプリントテンプレート内の表面特徴のパターンを整合させるステップとを含むことができる。
【００２５】
本方法の種々の実施形態はさらに、第１の液晶層の分子を重合化するステップと、第１のインプリントテンプレートを除去するステップと、平面化層を第１の液晶層にわたって形成するステップと、第２の液晶層を平面化層にわたって堆積させるステップと、第２の液晶層と第２のインプリントテンプレートを接触させるステップと、第２の液晶層の分子と第２のインプリントテンプレート内の表面特徴のパターンを整合させるステップとを含むことができる。
【００２６】
格子構造を備える光学デバイスおよびその製造方法の種々の実施例が、下記に列挙される実施例等、本明細書に説明される。
【００２７】
実施例１：光学デバイスであって、
第１の偏光格子構造であって、
液晶分子を備える第１の複数の液晶サブ層であって、液晶分子は、側方軸に沿って第１の周期性を有する、反復ユニットを形成する、第１の複数の液晶サブ層
を備え、反復ユニットは、第１の複数のサブ層のうちの１つに直ぐ隣接する類似反復ユニットと比較して、第１の偏移距離だけ側方に偏移され、第１の偏移距離だけ偏移される反復ユニットは、側方軸に対する法線に対して第１の傾斜角度を画定し、法線は、第１の偏光格子構造の厚さ軸に沿って延在する、第１の偏光格子構造と、
第１の偏光格子構造にわたる第２の偏光格子構造であって、第２の偏光格子構造は、
液晶分子を備える第２の複数の液晶サブ層であって、液晶分子は、側方軸に沿って第２の周期性を有する、反復ユニットを形成する、第２の複数の液晶サブ層
を備え、反復ユニットは、複数のサブ層のうちの１つに直ぐ隣接する類似反復ユニットと比較して、第２の偏移距離だけ側方に偏移され、第２の偏移距離だけ偏移される反復ユニットは、側方軸に対する法線に対して第２の傾斜角度を画定する、第２の偏光格子構造と、
を備え、第１および第２の傾斜角度の大きさは、異なる、デバイス。
【００２８】
実施例２：第１の偏光格子構造の複数のサブ層のそれぞれ内の液晶分子は、第１の捻転角度だけ捻転され、
液晶分子の配向は、側方視または上下視において見られるように、サブ層のそれぞれを横断して反復パターンで側方に変動し、
第１の偏光格子構造の複数の液晶サブ層内の反復ユニットはそれぞれ、類似配向進行性を有する複数の液晶分子によって形成される、
実施例１に記載のデバイス。
【００２９】
実施例３：第１および第２の偏光格子構造内の連続的により高いレベルの液晶サブ層の反復ユニットは、同一方向に偏移される、実施例１−２のいずれかに記載のデバイス。
【００３０】
実施例４：第２の偏光格子構造の複数のサブ層のそれぞれ内の液晶分子は、第２の捻転角度だけ捻転され、
液晶分子の配向は、側方視または上下視において見られるように、サブ層のそれぞれを横断して反復パターンで側方に変動し、
第２の偏光格子構造の複数の液晶サブ層内の反復ユニットはそれぞれ、類似配向進行性を有する複数の液晶分子によって形成される、
実施例１−３のいずれかに記載のデバイス。
【００３１】
実施例５：複数のサブ層内の液晶分子は、重合液晶材料の一部である、実施例１−４のいずれかに記載のデバイス。
【００３２】
実施例６：複数のサブ層内の液晶分子は、液晶性ジアクリレートを備える、実施例１−５のいずれかに記載のデバイス。
【００３３】
実施例７：複数のサブ層は、キラルドーパントでドープされる、実施例１−６のいずれかに記載のデバイス。
【００３４】
実施例８：液晶分子は、約−８５度〜８５度の傾斜角度（θ１）を有する、実施例１−７のいずれかに記載のデバイス。
【００３５】
実施例９：液晶分子は、傾斜角度に対して約−２０度〜２０度の入射角（θｉｎｃ）で偏光格子構造上に入射する光のビームの少なくとも４０％を回折するように構成される、実施例１−８のいずれかに記載のデバイス。
【００３６】
実施例１０：第２の偏光格子構造にわたる第３の偏光格子構造をさらに備え、第３の偏光格子構造は、液晶分子を備える複数の液晶サブ層を含み、
液晶分子は、第３の周期性を有する、反復ユニットを形成し、
反復ユニットは、複数のサブ層のうちの１つに直ぐ隣接する類似反復ユニットと比較して、第３の偏移距離だけ側方に偏移され、反復ユニットは、第３の偏移距離だけ偏移され、側方軸に対する法線に対して第３の傾斜角度を画定し、
第１、第２、および第３の傾斜角度の大きさは、異なる、
実施例１−９のいずれかに記載のデバイス。
【００３７】
実施例１１：第１、第２、および第３の偏光格子構造のそれぞれの液晶サブ層は、第１、第２、および第３の偏光格子構造のその他と異なる組成を有する、実施例１０に記載のデバイス。
【００３８】
実施例１２：第１および第２の偏光格子構造は、導波管にわたり、
導波管にわたるテンプレート層であって、第１および第２の偏光格子構造下にあるテンプレート層をさらに備える、実施例１−１１のいずれかに記載のデバイス。
【００３９】
実施例１３：第１および第２の偏光格子構造は、光の入射ビームが、全内部反射によって導波管を通して伝搬するように、光の入射ビームを導波管の中に内部結合するように構成される、内部結合光学要素である、実施例１２に記載のデバイス。
【００４０】
実施例１４：第１および第２の偏光格子構造を介して、光を導波管の中に指向するように構成される、光変調デバイスをさらに備える、実施例１３に記載のデバイス。
【００４１】
実施例１５：第１および第２の偏光格子構造は、全内部反射によって導波管を通して伝搬する光の入射ビームを外部結合するように構成される、外部結合光学要素である、実施例１３−１４のいずれかに記載のデバイス。
【００４２】
実施例１６：第１および第２の偏光格子構造は、全内部反射によって導波管を通して伝搬する光を再指向するように構成される、直交瞳エクスパンダであり、再指向される光は、全内部反射によって導波管を通して伝搬し続ける、実施例１３−１５のいずれかに記載のデバイス。
【００４３】
実施例１７：導波管のスタックをさらに備え、各導波管は、異なる大きさの傾斜角度を有する複数の液晶サブ層を備える、第１および第２の偏光格子構造を備える、実施例１３−１６のいずれかに記載のデバイス。
【００４４】
実施例１８：光学デバイスであって、
第１の厚さを有する第１の偏光格子構造であって、第１の偏光格子構造は、
液晶分子およびキラルドーパントを備える、第１の複数の液晶サブ層
を備える、第１の偏光格子構造と、
第１の偏光格子構造にわたる第２の偏光格子構造であって、第２の偏光格子構造は、第２の厚さを有し、
液晶分子およびキラルドーパントを備える、第２の複数の液晶サブ層
を備える、第２の偏光格子構造と、
を備え、第１の偏光格子構造と第２の偏光格子構造との間では、
第１および第２の偏光格子構造の厚さ、
第１および第２の偏光格子構造内のキラルドーパントの濃度、または
第１および第２の偏光格子構造のキラルドーパント
のうちの少なくとも１つが異なり、第１および第２の偏光格子構造の異なるキラルドーパントは、同一掌性を有する、デバイス。
【００４５】
実施例１９：液晶分子は、キラルネマチック液晶分子である、実施例１８に記載のデバイス。
【００４６】
実施例２０：第１および第２の偏光格子構造のキラルドーパント濃度は、約０．１重量％以上異なる、実施例１８−１９のいずれかに記載のデバイス。
【００４７】
実施例２１：第１および第２の偏光格子構造の厚さは、約１０μｍ未満の量だけ異なる、実施例１８−２０のいずれかに記載のデバイス。
【００４８】
実施例２２：光学デバイスを加工するための方法であって、方法は、
整合層を基板にわたって提供するステップと、
整合層をパターン化するステップと、
第１の液晶層を整合層上に堆積させるステップと、
第１の液晶層の液晶分子と整合層を整合させ、それによって、第１の複数のレベルの反復液晶分子を形成し、第１の傾斜角度を画定するステップと、
第２の液晶層を第１の液晶層上に堆積させるステップと、
第２の液晶層の液晶分子と第１の液晶層の直下の液晶分子を整合させ、それによって、第２の複数のレベルの反復液晶分子を形成し、第２の傾斜角度を画定するステップと、
を含み、第１および第２の傾斜角度の大きさは、異なる、方法。
【００４９】
実施例２３：整合層をパターン化するステップは、整合層内の溝のパターンを画定するステップを含む、実施例２２に記載の方法。
【００５０】
実施例２４：整合層内の溝のパターンを画定するステップは、ナノインプリントを含む、実施例２３に記載の方法。
【００５１】
実施例２５：整合層をパターン化するステップは、干渉パターンを整合層内に記録するステップを含む、実施例２２−２４のいずれかに記載の方法。
【００５２】
実施例２６：
付加的整合層を第１の液晶層にわたって堆積させるステップと、
付加的整合層をパターン化するステップと、
をさらに含む、実施例２２−２５のいずれかに記載の方法。
【００５３】
実施例２７：ディスプレイシステムであって、
光学的に透過性の導波管と、
内部結合光学要素、射出瞳エクスパンダ、または直交瞳エクスパンダを導波管の表面上に形成する、回折光学要素であって、
回折光学要素は、液晶分子を備える、複数の液晶サブ層を備え、
液晶分子は、側方軸に沿って周期性を有する、反復ユニットを形成し、
反復ユニットは、複数のサブ層のうちの１つに直ぐ隣接する類似反復ユニットと比較して、ある偏移距離だけ側方に偏移され、偏移距離は、側方軸に対する法線に対してある傾斜角度を画定し、法線は、第１の偏光格子構造の厚さ軸に沿って延在する、回折光学要素と、
を備える、システム。
【００５４】
実施例２８：導波管は、導波管のスタックの一部であり、
導波管はそれぞれ、液晶分子を備える複数の液晶サブ層を備える関連付けられた回折光学要素を有し、
液晶分子は、ある周期性を有する、反復ユニットを形成し、
反復ユニットは、複数のサブ層のうちの１つに直ぐ隣接する類似反復ユニットと比較して、ある偏移距離だけ側方に偏移され、偏移距離は、側方軸に対する法線に対してある傾斜角度を画定する、実施例２７に記載のシステム。
【００５５】
実施例２９：光学デバイスを加工するための方法であって、方法は、
第１の液晶層を基板および第１のパターンで配列される複数の表面特徴を含む第１のインプリントテンプレートと接触して提供するステップと、
第１の液晶層の分子と表面特徴を整合させ、それによって、第１の複数のレベルの反復液晶分子を形成し、第１の傾斜角度を画定するステップと、
を含む、方法。
【００５６】
実施例３０：
第１の液晶層の分子を重合化するステップと、
第１のインプリントテンプレートを除去するステップと、
第２の液晶層を第１の液晶層と接触して堆積させるステップと、
第２の液晶層の分子と第１の液晶層の分子を整合させるステップと、
をさらに含む、実施例２９に記載の方法。
【００５７】
実施例３１：第１の液晶層と第２の液晶層との間では、
第１および第２の液晶層の厚さ、
第１および第２の液晶層内のキラルドーパントの濃度、または
第１および第２の液晶層のキラルドーパント、
のうちの少なくとも１つが異なり、第１および第２の液晶層の異なるキラルドーパントは、同一掌性を有する、実施例３０に記載の方法。
【００５８】
実施例３２：第１の液晶層を基板および第１のインプリントテンプレートと接触して提供するステップは、
第１の液晶層を基板上に堆積させるステップと、
第１の液晶層と第１のインプリントテンプレートを接触させるステップと、
を含む、実施例２９−３１のいずれかに記載の方法。
【００５９】
実施例３３：
第１の液晶層の分子を重合化するステップと、
第１のインプリントテンプレートを除去するステップと、
第２の液晶層を第１の液晶層と接触して堆積させるステップと、
第２の液晶層と第２のインプリントテンプレートを接触させるステップと、
第２の液晶層の分子と第２のインプリントテンプレート内の表面特徴のパターンを整合させるステップと、
をさらに含む、実施例２９−３２のいずれかに記載の方法。
【００６０】
実施例３４：
第１の液晶層の分子を重合化するステップと、
第１のインプリントテンプレートを除去するステップと、
平面化層を第１の液晶層にわたって形成するステップと、
第２の液晶層を平面化層にわたって堆積させるステップと、
第２の液晶層と第２のインプリントテンプレートを接触させるステップと、
第２の液晶層の分子と第２のインプリントテンプレート内の表面特徴のパターンを整合させるステップと、
をさらに含む、実施例２９−３３のいずれかに記載の方法。
【００６１】
本明細書に説明される主題の１つ以上の実施形態の詳細は、付随の図面および下記の説明に記載される。他の特徴、側面、および利点は、説明、図面、および請求項から明白となるであろう。以下の図の相対的寸法は、正確な縮尺で描かれていない場合があることに留意されたい。
【図面の簡単な説明】
【００６２】
【図１】図１は、ＡＲデバイスを通した拡張現実（ＡＲ）のユーザのビューを図示する。
【図２】図２は、ウェアラブルディスプレイシステムの実施例を図示する。
【図３】図３は、ユーザのための３次元画像をシミュレートするための従来のディスプレイシステムを図示する。
【図４】図４は、複数の深度平面を使用して３次元画像をシミュレートするためのアプローチの側面を図示する。
【図５】図５Ａ−５Ｃは、曲率半径と焦点半径との間の関係を図示する。
【図６】図６は、画像情報をユーザに出力するための導波管スタックの実施例を図示する。
【図７】図７は、導波管によって出力された出射ビームの実施例を図示する。
【図８】図８は、スタックされた導波管アセンブリの実施例を図示し、各深度平面は、複数の異なる原色を使用して形成される画像を含む。
【図９Ａ】図９Ａは、それぞれ、内部結合光学要素を含む、スタックされた導波管のセットの実施例の断面側面図を図示する。
【図９Ｂ】図９Ｂは、図９Ａの複数のスタックされた導波管の実施例の斜視図を図示する。
【図９Ｃ】図９Ｃは、図９Ａおよび９Ｂの複数のスタックされた導波管の実施例の上下平面図を図示する。
【図１０Ａ】図１０Ａは、液晶材料の複数のサブ層を備える、格子構造の実施例の上下斜視図を図示する。
【図１０Ｂ】図１０Ｂは、図１０Ａの格子構造の側面図を図示する。
【図１１】図１１は、液晶分子の側方にオフセットされた反復ユニットを有する、液晶材料の複数のサブ層を備える、格子構造の実施例を図示する。
【図１２Ａ】図１２Ａおよび１２Ｂ−１は、格子構造のスタックの実施例を図示する。
【図１２Ｂ】図１２Ａおよび１２Ｂ−１は、格子構造のスタックの実施例を図示する。図１２Ｂ−２は、図１２Ｂ−１に図示されるスタックの傾斜角度および厚さのプロットの実施例である。
【図１２Ｃ】図１２Ｃ−１は、１つの傾斜角度を有する、単一液晶偏光格子構造の実施例を図示する。図１２Ｃ−２は、図１２Ｃ−１に描写される１つの傾斜角度を有する単一液晶偏光格子構造の異なる入射角の光に関する、一次回折効率の実施例を図示する。
【図１２Ｄ】図１２Ｄ−１は、それぞれ、異なる大きさの傾斜角度を有する、２つの液晶偏光格子構造のスタックの実施例を図示する。図１２Ｄ−２は、それぞれ、図１２Ｄ−１に描写される、異なる大きさの傾斜角度を有する、２つの液晶偏光格子構造のスタックの異なる入射角の光に関する、一次回折効率の実施例を図示する。
【図１３−１】図１３Ａ−１３Ｅは、格子構造のスタックを作製するためのプロセスの間に形成される、異なる構造の実施例を図示する。
【図１３−２】図１３Ａ−１３Ｅは、格子構造のスタックを作製するためのプロセスの間に形成される、異なる構造の実施例を図示する。
【図１４】図１４は、複数の整合層を有する、格子構造のスタックを図示する。
【図１５】図１５Ａ−１５Ｄは、格子構造のスタックを作製するための別のプロセスの間に形成される、異なる構造の実施例を図示する。
【発明を実施するための形態】
【００６３】
種々の図面における同様の参照番号および記号は、同様の要素を示す。
【００６４】
いくつかの実施形態では、偏光格子等の回折光学要素は、広範囲の入射角にわたって高効率（例えば、約４０％以上の回折効率）で光を回折するように構成される、液晶格子構造（例えば、液晶偏光格子）を含む。液晶格子構造は、液晶分子を備える、液晶材料の複数のサブ層を備える。液晶分子の配向は、サブ層を横断して側方軸に沿って規則的インターバルで変動し、それによって、側方軸に沿って離間された伸長液晶分子の反復ユニットを形成する。反復液晶ユニットは、異なるサブ層（例えば、直近傍のサブ層）のオフセットされた反復ユニットが側方軸に対する法線に対して傾斜角度（θ）を画定するように（法線は、液晶格子構造の厚さ寸法と平行に延在する）、液晶材料のサブ層に直ぐ隣接する類似反復ユニットに対して側方にオフセットされる。それぞれ、液晶材料の複数のサブ層によって形成される、複数の液晶格子構造は、液晶格子構造のスタックを形成してもよい。各液晶格子構造を形成する、サブ層の傾斜角度は、スタックの近傍液晶格子構造を形成するサブ層の傾斜角度と異なる大きさを有してもよい。いくつかの実施形態では、液晶格子構造は、相互と異なる組成および／または厚さを有してもよい。例えば、異なる液晶格子構造は、異なる濃度および／またはタイプのキラルドーパントを有してもよい。いくつかの実施形態では、液晶格子構造のうちの少なくともいくつかは、他の液晶格子構造と異なる液晶材料を含んでもよく、構造毎の材料は、所望の傾斜角度の提供を促進するように選択されてもよい。
【００６５】
いくつかの実施形態では、各サブ層の液晶材料は、格子構造の他のサブ層内の液晶分子に対してある捻転角度（Φ）だけ回転される、液晶分子を含む。いくつかの実施形態では、捻転角度は、複数のサブ層の最上サブ層上の液晶分子と最下サブ層上の下層（例えば、真下層）液晶分子との間の相対的方位角角度回転である。いくつかの実施形態では、液晶格子構造の異なるもの内の液晶分子の捻転角度は、異なり、異なる格子構造に関する異なる傾斜角度を生じさせることができる。所与のタイプの液晶分子に関して、捻転角度は、サブ層内に存在するキラルドーパントおよび液晶格子構造を形成する液晶材料の厚さ（例えば、特定の液晶格子構造を形成するサブ層の厚さの合計）に基づいて変動され得ることを理解されたい。その結果、異なる液晶格子構造に関する異なる捻転角度の大きさは、本明細書に議論されるように、液晶格子構造のそれぞれを形成する液晶材料のための異なる組成および／または異なる厚さを使用して達成されてもよい。
【００６６】
いくつかの実施形態では、整合層が、液晶分子の配向を設定するために使用されてもよい。整合層は、基板上に堆積され、続いて、パターン化されてもよい。液晶分子の第１の層が、次いで、整合層上に堆積されてもよく、液晶分子は、整合層の下層パターンと整合することを可能にされ得る。いくつかの実施形態では、整合は、本明細書に議論されるように、特定の傾斜角度を有する、液晶分子の複数のサブ層の形成をもたらし得る。液晶分子は、次いで、定位置に固定されてもよい。いくつかの実施形態では、液晶分子は、例えば、ＵＶ光等のエネルギー源への暴露によって重合化可能であってもよく、その場合、液晶分子は、光活性架橋結合化学種を含む。第２の液晶層が、次いで、堆積されてもよく、その層の液晶分子は、下層液晶層と整合することを可能にされ、次いで、定位置に固定されてもよい。いくつかの実施形態では、付加的液晶層が、堆積されてもよく、その構成液晶分子は自己整合することを可能にされ、次いで、定位置に固定されてもよい。本明細書に議論されるように、第２および付加的液晶層は、第１の液晶層と異なる組成および／または厚さを有し、層毎に異なる大きさの傾斜角度をもたらしてもよい。
【００６７】
液晶分子は、いくつかの実施形態では、重合化可能であり得、いったん重合されると、他の液晶分子とネットワークを形成し得ることを理解されたい。例えば、液晶分子は、化学結合または架橋結合化学種によって、他の液晶分子に連結されてもよい。説明を容易にするために、用語「液晶分子」は、必要に応じて、本明細書では、重合化前の液晶分子と、重合化後のこれらの分子によって形成される液晶ドメインとを指すために使用される。いくつかの実施形態では、いったんともに継合されると、液晶分子は、ともに連結される前と実質的に同一配向および場所を有する、液晶ドメインを形成し得る。
【００６８】
理論によって限定されるわけではないが、異なる傾斜角度は、異なる入射角の入射光を回折するための異なるピーク効率をもたらし得る。異なる傾斜角度（例えば、液晶格子のサブ層の液晶分子の捻転角度を修正し、異なる傾斜角度を達成することによって）を伴う液晶サブ層を有する、液晶格子構造を提供することによって、異なるピーク効率が、ともに混成され、液晶格子構造のスタックが光を回折するために高効率となる広範囲の入射角を達成し得る。有利には、その結果、液晶格子構造によって再指向される光の量は、増加され得る。
【００６９】
理論によって限定されるわけではないが、入射光の回折角は、いくつかの実施形態では、傾斜角度（θ）に実質的に比例する（例えば、ほぼ等しい）と考えられる。言い換えると、光が内部結合光学要素によって導波管の中に回折される角度は、傾斜角度（θ）に比例し得る（例えば、ほぼ等しい）。故に、内部結合光学要素内に含まれる液晶格子構造は、サブ層の中に組み込まれるキラルドーパントの量および／またはタイプを調節し、厚さ等を変動させ、例えば、約±８５度の範囲内等、所望の傾斜角度（θ）を提供することによって、構成されることができる。いくつかの実施形態では、回折光学要素は、高効率（例えば、約４０％以上の回折効率）を伴って、ブラッグ角度の周囲の約±３０度の範囲内の入射角で入射光を回折するように構成されることができる。
【００７０】
加えて、格子周期（例えば、個々の液晶分子の周期性）を変化させることは、液晶格子構造によって最も効率的に回折される、光の波長を変化させ得ることを理解されたい。いくつかの実施形態では、異なる格子周期を有する、複数の格子構造は、異なる波長の光を回折するために使用されてもよい。そのような格子構造は、垂直にスタックされ、および／または同一垂直レベル上に配置されてもよい（例えば、相互から側方に離間される）。
【００７１】
いくつかの実施形態では、格子構造によって形成される回折光学要素は、ディスプレイシステムの構成部分として利用されてもよい。ディスプレイシステムは、導波管と、光流を導波管の中に指向するように構成される、画像投入デバイスとを含んでもよい。回折光学要素は、再指向される光が全内部反射によって導波管を通して伝搬し続けるように、導波管内を伝搬する入射光を受光し、その入射光を再指向するための内部結合光学要素、外部結合光学要素、および光学要素のうちの１つ以上のものとして使用されてもよい。後者のタイプの光学要素の実施例は、直交瞳エクスパンダ（ＯＰＥ）等の瞳エクスパンダを含む。
【００７２】
いくつかの実施形態では、回折光学要素は、導波管内を伝搬する光を内部結合する、外部結合する、および／または再指向するために使用されてもよい。光は、単一波長または単一波長範囲の光であってもよい。いくつかの他の実施形態では、光は、異なる光性質を有する複数の光流（例えば、各流は、異なる波長を有してもよい）を含む、多重化された光流の一部である、光流であってもよい。例えば、導波管は、回折光学要素を含んでもよく、これは、１つ以上の他の光流（例えば、第１の波長と異なる波長を有する）に対して実質的に透過性でありながら、特定の光性質（例えば、第１の波長）を有する光から形成される光流を選択的に再指向するように構成されてもよい。いくつかの実施形態では、導波管は、導波管のスタックの一部であって、これは、１つ以上の他の光流に対して透過性でありながら、第２の光流を選択的に方向転換させるように構成される内部結合光学要素を含む、第２の導波管を含むことができる。いくつかの実施形態では、導波管の内部結合回折光学要素は、光流のうちの少なくとも１つを第２の導波管の内部結合回折光学要素に透過させるように構成される。
【００７３】
ここで、同様の参照番号が全体を通して同様の部分を指す、図を参照する。本明細書に開示される実施形態は、概して、ディスプレイシステムを含む、光学システムを含むことを理解されたい。いくつかの実施形態では、ディスプレイシステムは、装着可能であって、これは、有利には、より没入型のＶＲまたはＡＲ体験を提供し得る。例えば、１つ以上の導波管（例えば、導波管のスタック）を含有する、ディスプレイは、ユーザの眼または視認者の正面に位置付けられて装着されるように構成されてもよい。いくつかの実施形態では、２つの導波管のスタック（視認者の眼毎に１つ）が、異なる画像を各眼に提供するために利用されてもよい。
（例示的ディスプレイシステム）
【００７４】
図２は、ウェアラブルディスプレイシステム６０の実施例を図示する。ディスプレイシステム６０は、ディスプレイ７０と、そのディスプレイ７０の機能をサポートするための種々の機械的および電子モジュールおよびシステムとを含む。ディスプレイ７０は、フレーム８０に結合されてもよく、これは、ディスプレイシステムユーザまたは視認者９０によって装着可能であって、ディスプレイ７０をユーザ９０の眼の正面に位置付けるように構成される。ディスプレイ７０は、いくつかの実施形態では、アイウェアと見なされてもよい。いくつかの実施形態では、スピーカ１００が、フレーム８０に結合され、ユーザ９０の外耳道に隣接して位置付けられるように構成される（いくつかの実施形態では、示されない別のスピーカが、ユーザの他方の外耳道に隣接して位置付けられ、ステレオ／成形可能音制御を提供してもよい）。いくつかの実施形態では、ディスプレイシステムはまた、１つ以上のマイクロホン１１０または他のデバイスを含み、音を検出してもよい。いくつかの実施形態では、マイクロホンは、ユーザが、入力またはコマンドをシステム６０に提供することを可能にするように構成され（例えば、音声メニューコマンドの選択、自然言語質問等）、および／または他の人物（例えば、類似ディスプレイシステムの他のユーザ）とのオーディオ通信を可能にしてもよい。マイクロホンはさらに、周辺センサとして構成され、オーディオデータ（例えば、ユーザおよび／または環境からの音）を収集してもよい。いくつかの実施形態では、ディスプレイシステムもまた、周辺センサ１２０ａを含んでもよく、これは、フレーム８０と別個であって、ユーザ９０の身体（例えば、ユーザ９０の頭部、胴体、四肢等上）に取り付けられてもよい。周辺センサ１２０ａは、いくつかの実施形態では、ユーザ９０の生理学的状態を特徴付けるデータを取得するように構成されてもよい。例えば、センサ１２０ａは、電極であってもよい。
【００７５】
図２を継続して参照すると、ディスプレイ７０は、有線導線または無線コネクティビティ等の通信リンク１３０によって、ローカルデータ処理モジュール１４０に動作可能に結合され、これは、フレーム８０に固定して取り付けられる、ユーザによって装着されるヘルメットまたは帽子に固定して取り付けられる、ヘッドホン内に埋設される、または別様にユーザ９０に除去可能に取り付けられる（例えば、リュック式構成、ベルト結合式構成において）等、種々の構成で搭載されてもよい。同様に、センサ１２０ａは、通信リンク１２０ｂ、例えば、有線導線または無線コネクティビティによって、ローカルプロセッサおよびデータモジュール１４０に動作可能に結合されてもよい。ローカル処理およびデータモジュール１４０は、ハードウェアプロセッサおよび不揮発性メモリ（例えば、フラッシュメモリまたはハードディスクドライブ）等のデジタルメモリを備えてもよく、両方とも、データの処理、キャッシュ、および記憶を補助するために利用されてもよい。データは、ａ）画像捕捉デバイス（カメラ等）、マイクロホン、慣性測定ユニット、加速度計、コンパス、ＧＰＳユニット、無線デバイス、ジャイロスコープ、および／または本明細書に開示される他のセンサ等のセンサ（例えば、フレーム８０に動作可能に結合される、または別様にユーザ９０に取り付けられ得る）から捕捉されたデータ、および／またはｂ）可能性として処理または読出後にディスプレイ７０への通過のための遠隔処理モジュール１５０および／または遠隔データリポジトリ１６０（仮想コンテンツに関連するデータを含む）を使用して取得および／または処理されたデータを含む。ローカル処理およびデータモジュール１４０は、これらの遠隔モジュール１５０、１６０が相互に動作可能に結合され、ローカル処理およびデータモジュール１４０に対するリソースとして利用可能であるように、有線または無線通信リンクを介して等、通信リンク１７０、１８０によって、遠隔処理モジュール１５０および遠隔データリポジトリ１６０に動作可能に結合されてもよい。いくつかの実施形態では、ローカル処理およびデータモジュール１４０は、画像捕捉デバイス、マイクロホン、慣性測定ユニット、加速度計、コンパス、ＧＰＳユニット、無線デバイス、および／またはジャイロスコープのうちの１つ以上のものを含んでもよい。いくつかの他の実施形態では、これらのセンサのうちの１つ以上のものは、フレーム８０に取り付けられてもよい、または有線または無線通信経路によってローカル処理およびデータモジュール１４０と通信する、独立構造であってもよい。
【００７６】
図２を継続して参照すると、いくつかの実施形態では、遠隔処理モジュール１５０は、データおよび／または画像情報を分析および処理するように構成される、１つ以上のプロセッサを備えてもよい。いくつかの実施形態では、遠隔データリポジトリ１６０は、インターネットまたは「クラウド」リソース構成における他のネットワーキング構成を通して利用可能であり得る、デジタルデータ記憶設備を備えてもよい。いくつかの実施形態では、遠隔データリポジトリ１６０は、情報、例えば、拡張現実コンテンツを生成するための情報をローカル処理およびデータモジュール１４０および／または遠隔処理モジュール１５０に提供する、１つ以上の遠隔サーバを含んでもよい。いくつかの実施形態では、全てのデータが、記憶され、全ての計算は、ローカル処理およびデータモジュール内で行われ、遠隔モジュールからの完全に自律的使用を可能にする。
【００７７】
「３次元」または「３−Ｄ」としての画像の知覚は、視認者の各眼への画像の若干異なる提示を提供することによって達成され得る。図３は、ユーザに関する３次元画像をシミュレートするための従来のディスプレイシステムを図示する。２つの明確に異なる画像１９０、２００（眼２１０、２２０毎に１つ）が、ユーザに出力される。画像１９０、２００は、視認者の視線と平行な光学軸またはｚ−軸に沿って距離２３０だけ眼２１０、２２０から離間される。画像１９０、２００は、平坦であって、眼２１０、２２０は、単一の遠近調節された状態をとることによって、画像上に合焦し得る。そのような３−Ｄディスプレイシステムは、ヒト視覚系に依拠し、画像１９０、２００を組み合わせ、組み合わせられた画像の深度および／または尺度の知覚を提供する。
【００７８】
しかしながら、ヒト視覚系は、より複雑であって、深度の現実的知覚を提供することは、より困難であることを理解されたい。例えば、従来の「３−Ｄ」ディスプレイシステムの多くの視認者は、そのようなシステムが不快であることを見出す、または深度の感覚を全く知覚しない場合がある。理論によって限定されるわけではないが、オブジェクトの視認者は、輻輳・開散運動（ｖｅｒｇｅｎｃｅ）と遠近調節（ａｃｃｍｍｏｄａｔｉｏｎ）の組み合わせに起因して、オブジェクトを「３次元」として知覚し得ると考えられる。相互に対する２つの眼の輻輳・開散運動の移動（すなわち、瞳孔が、相互に向かって、またはそこから離れるように移動し、眼の視線を収束させ、オブジェクトを固視するような眼の回転）は、眼の水晶体および瞳孔の合焦（または「遠近調節」）と密接に関連付けられる。通常条件下、焦点を１つのオブジェクトから異なる距離における別のオブジェクトに変化させるための眼のレンズの焦点の変化または眼の遠近調節は、「遠近調節−輻輳・開散運動反射」および瞳孔拡張または収縮として知られる関係下、輻輳・開散運動の整合変化を自動的に同一距離に生じさせるであろう。同様に、輻輳・開散運動の変化は、通常条件下、水晶体形状および瞳孔サイズの遠近調節における整合変化を誘起するであろう。本明細書に記載されるように、多くの立体視または「３−Ｄ」ディスプレイシステムは、３次元視点がヒト視覚系によって知覚されるように、各眼への若干異なる提示（したがって、若干異なる画像）を使用して、場面を表示する。しかしながら、そのようなシステムは、とりわけ、単に、場面の異なる提示を提供するが、眼が全画像情報を単一の遠近調節された状態において視認すると、「遠近調節−輻輳・開散運動反射」に対抗して機能するため、多くの視認者にとって不快である。遠近調節と輻輳・開散運動との間のより優れた整合を提供するディスプレイシステムは、３次元画像のより現実的かつ快適なシミュレーションを形成し、装着持続時間の増加、ひいては、診断および療法プロトコルへのコンプライアンスに寄与し得る。
【００７９】
図４は、複数の深度平面を使用して３次元画像をシミュレートするためのアプローチの側面を図示する。図４を参照すると、ｚ−軸上の眼２１０、２２０からの種々の距離におけるオブジェクトは、それらのオブジェクトが合焦するように、眼２１０、２２０によって遠近調節される。眼２１０、２２０は、特定の遠近調節された状態をとり、オブジェクトをｚ−軸に沿った異なる距離に合焦させる。その結果、特定の遠近調節された状態は、特定の深度平面におけるオブジェクトまたはオブジェクトの一部が、眼がその深度平面に対して遠近調節された状態にあるとき、合焦するように、関連付けられた焦点距離を有する、深度平面２４０のうちの特定の１つと関連付けられると言え得る。いくつかの実施形態では、３次元画像は、眼２１０、２２０毎に、画像の異なる提示を提供することによって、また、深度平面のそれぞれに対応する画像の異なる提示を提供することによってシミュレートされてもよい。例証を明確にするために、別個であるように示されるが、眼２１０、２２０の視野は、例えば、ｚ−軸に沿った距離が増加するにつれて、重複し得ることを理解されたい。加えて、例証を容易にするために、平坦であるように示されるが、深度平面の輪郭は、深度平面内の全ての特徴が特定の遠近調節された状態における眼と合焦するように、物理的空間内で湾曲され得ることを理解されたい。
【００８０】
オブジェクトと眼２１０または２２０との間の距離はまた、その眼によって視認されるようなそのオブジェクトからの光の発散の量を変化させ得る。図５Ａ−５Ｃは、距離と光線の発散との間の関係を図示する。オブジェクトと眼２１０との間の距離は、減少距離Ｒ１、Ｒ２、およびＲ３の順序で表される。図５Ａ−５Ｃに示されるように、光線は、オブジェクトまでの距離が減少するにつれてより発散する。距離が増加するにつれて、光線は、よりコリメートされる。換言すると、点（オブジェクトまたはオブジェクトの一部）によって生成されるライトフィールドは、点がユーザの眼から離れている距離の関数である、球状波面曲率を有すると言え得る。曲率は、オブジェクトと眼２１０との間の距離の減少に伴って増加する。その結果、異なる深度平面では、光線の発散度もまた、異なり、発散度は、深度平面と視認者の眼２１０との間の距離の減少に伴って増加する。単眼２１０のみが、例証を明確にするために、図５Ａ−５Ｃおよび本明細書の他の図に図示されるが、眼２１０に関する議論は、視認者の両眼２１０および２２０に適用され得ることを理解されたい。
【００８１】
理論によって限定されるわけではないが、ヒトの眼は、典型的には、有限数の深度平面を解釈し、深度知覚を提供することができると考えられる。その結果、知覚された深度の高度に真実味のあるシミュレーションが、眼にこれらの限定数の深度平面のそれぞれに対応する画像の異なる提示を提供することによって達成され得る。異なる提示は、視認者の眼によって別個に集束され、それによって、異なる深度平面上に位置する場面のための異なる画像特徴に合焦させるために要求される眼の遠近調節に基づいて、および／または焦点がずれている異なる深度平面上の異なる画像特徴の観察に基づいて、ユーザに深度合図を提供することに役立ててもよい。
【００８２】
図６は、画像情報をユーザに出力するための導波管スタックの実施例を図示する。ディスプレイシステム２５０は、複数の導波管２７０、２８０、２９０、３００、３１０を使用して３次元知覚を眼／脳に提供するために利用され得る、導波管のスタックまたはスタックされた導波管アセンブリ２６０を含む。いくつかの実施形態では、ディスプレイシステム２５０は、図２のシステム６０であって、図６は、そのシステム６０のいくつかの部分をより詳細に図式的に示す。例えば、導波管アセンブリ２６０は、図２のディスプレイ７０の一部であってもよい。ディスプレイシステム２５０は、いくつかの実施形態では、ライトフィールドディスプレイと見なされてもよいことを理解されたい。
【００８３】
図６を継続して参照すると、導波管アセンブリ２６０はまた、複数の特徴３２０、３３０、３４０、３５０を導波管の間に含んでもよい。いくつかの実施形態では、特徴３２０、３３０、３４０、３５０は、１つ以上のレンズであってもよい。導波管２７０、２８０、２９０、３００、３１０および／または複数のレンズ３２０、３３０、３４０、３５０は、種々のレベルの波面曲率または光線発散を用いて画像情報を眼に送信するように構成されてもよい。各導波管レベルは、特定の深度平面と関連付けられてもよく、その深度平面に対応する画像情報を出力するように構成されてもよい。画像投入デバイス３６０、３７０、３８０、３９０、４００は、導波管のための光源として機能してもよく、画像情報を導波管２７０、２８０、２９０、３００、３１０の中に投入するために利用されてもよく、それぞれ、本明細書に説明されるように、眼２１０に向かって出力のために各個別の導波管を横断して入射光を分散させるように構成されてもよい。光は、画像投入デバイス３６０、３７０、３８０、３９０、４００の出力表面４１０、４２０、４３０、４４０、４５０から出射し、導波管２７０、２８０、２９０、３００、３１０の対応する入力表面４６０、４７０、４８０、４９０、５００の中に投入される。いくつかの実施形態では、入力表面４６０、４７０、４８０、４９０、５００はそれぞれ、対応する導波管の縁であってもよい、または対応する導波管の主要表面の一部（すなわち、世界５１０または視認者の眼２１０に直接面する導波管表面のうちの１つ）であってもよい。いくつかの実施形態では、光の単一ビーム（例えば、コリメートされたビーム）が、各導波管の中に投入され、クローン化されたコリメートビームの全体場を出力してもよく、これは、特定の導波管と関連付けられた深度平面に対応する特定の角度（および発散量）において眼２１０に向かって指向される。いくつかの実施形態では、画像投入デバイス３６０、３７０、３８０、３９０、４００のうちの単一の１つは、複数（例えば、３つ）の導波管２７０、２８０、２９０、３００、３１０と関連付けられ、その中に光を投入してもよい。
【００８４】
いくつかの実施形態では、画像投入デバイス３６０、３７０、３８０、３９０、４００はそれぞれ、それぞれの対応する導波管２７０、２８０、２９０、３００、３１０の中への投入のための画像情報を生成する、離散ディスプレイである。いくつかの他の実施形態では、画像投入デバイス３６０、３７０、３８０、３９０、４００は、例えば、画像情報を１つ以上の光学導管（光ファイバケーブル等）を介して画像投入デバイス３６０、３７０、３８０、３９０、４００のそれぞれに送り得る、単一の多重化されたディスプレイの出力端である。画像投入デバイス３６０、３７０、３８０、３９０、４００によって提供される画像情報は、異なる波長または色（例えば、本明細書に議論されるように、異なる原色）の光を含んでもよいことを理解されたい。
【００８５】
いくつかの実施形態では、導波管２７０、２８０、２９０、３００、３１０の中に投入される光は、光プロジェクタシステム５２０によって提供され、これは、光モジュール５３０を備え、これは、発光ダイオード（ＬＥＤ）等の光エミッタを含んでもよい。光モジュール５３０からの光は、ビームスプリッタ５５０を介して、光変調器５４０、例えば、空間光変調器によって指向および修正されてもよい。光変調器５４０は、導波管２７０、２８０、２９０、３００、３１０の中に投入される光の知覚される強度を変化させるように構成されてもよい。空間光変調器の実施例は、シリコン上液晶（ＬＣＯＳ）ディスプレイを含む、液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）を含む。
【００８６】
いくつかの実施形態では、ディスプレイシステム２５０は、光を種々のパターン（例えば、ラスタ走査、螺旋走査、リサジューパターン等）で１つ以上の導波管２７０、２８０、２９０、３００、３１０の中に、最終的には、視認者の眼２１０に投影するように構成される、１つ以上の走査ファイバを備える、走査ファイバディスプレイであってもよい。いくつかの実施形態では、図示される画像投入デバイス３６０、３７０、３８０、３９０、４００は、光を１つまたは複数の導波管２７０、２８０、２９０、３００、３１０の中に投入するように構成される、単一走査ファイバまたは走査ファイバの束を図式的に表し得る。いくつかの他の実施形態では、図示される画像投入デバイス３６０、３７０、３８０、３９０、４００は、複数の走査ファイバまたは走査ファイバの複数の束を図式的に表し得、それぞれ、光を導波管２７０、２８０、２９０、３００、３１０のうちの関連付けられた１つの中に投入するように構成される。１つ以上の光ファイバは、光を光モジュール５３０から１つ以上の導波管２７０、２８０、２９０、３００、３１０に伝送するように構成されてもよいことを理解されたい。１つ以上の介在光学構造が、走査ファイバ（１つまたは複数）と、１つ以上の導波管２７０、２８０、２９０、３００、３１０との間に提供され、例えば、走査ファイバから出射する光を１つ以上の導波管２７０、２８０、２９０、３００、３１０の中に再指向してもよいことを理解されたい。
【００８７】
コントローラ５６０は、画像投入デバイス３６０、３７０、３８０、３９０、４００、光源５３０、および光モジュール５４０の動作を含む、スタックされた導波管アセンブリ２６０のうちの１つ以上のものの動作を制御する。いくつかの実施形態では、コントローラ５６０は、ローカルデータ処理モジュール１４０の一部である。コントローラ５６０は、例えば、本明細書に開示される種々のスキームのいずれかに従って、導波管２７０、２８０、２９０、３００、３１０への画像情報のタイミングおよびプロビジョニングを調整する、プログラミング（例えば、非一過性媒体内の命令）を含む。いくつかの実施形態では、コントローラは、単一の一体型デバイスまたは有線または無線通信チャネルによって接続される分散型システムであってもよい。コントローラ５６０は、いくつかの実施形態では、処理モジュール１４０または１５０（図２）の一部であってもよい。
【００８８】
図６を継続して参照すると、導波管２７０、２８０、２９０、３００、３１０は、全内部反射（ＴＩＲ）によって、光を各個別の導波管内で伝搬させるように構成されてもよい。導波管２７０、２８０、２９０、３００、３１０はそれぞれ、主要上部表面および主要底部表面およびそれらの主要上部表面と主要底部表面との間に延在する縁を伴う、平面である、または別の形状（例えば、湾曲）を有してもよい。図示される構成では、導波管２７０、２８０、２９０、３００、３１０はそれぞれ、光を再指向させ、各個別の導波管内で伝搬させ、導波管から画像情報を眼２１０に出力することによって、光を導波管から抽出するように構成される、外部結合光学要素５７０、５８０、５９０、６００、６１０を含んでもよい。抽出された光はまた、外部結合光と称され得、光を外部結合する光学要素はまた、光抽出光学要素と称され得る。抽出された光のビームは、導波管によって、導波管内で伝搬する光が光抽出光学要素に衝打する場所において出力され得る。外部結合光学要素５７０、５８０、５９０、６００、６１０は、例えば、本明細書にさらに議論されるような回折光学特徴を含む、格子であってもよい。説明を容易にし、図面を明確にするために、導波管２７０、２８０、２９０、３００、３１０の底部主要表面に配置されて図示されるが、いくつかの実施形態では、外部結合光学要素５７０、５８０、５９０、６００、６１０は、本明細書にさらに議論されるように、上部主要表面および／または底部主要表面に配置されてもよく、および／または導波管２７０、２８０、２９０、３００、３１０の容積内に直接配置されてもよい。いくつかの実施形態では、外部結合光学要素５７０、５８０、５９０、６００、６１０は、透明基板に取り付けられ、導波管２７０、２８０、２９０、３００、３１０を形成する、材料の層内に形成されてもよい。いくつかの他の実施形態では、導波管２７０、２８０、２９０、３００、３１０は、モノリシック材料部品であってもよく、外部結合光学要素５７０、５８０、５９０、６００、６１０は、その材料部品の表面上および／または内部に形成されてもよい。
【００８９】
図６を継続して参照すると、本明細書に議論されるように、各導波管２７０、２８０、２９０、３００、３１０は、光を出力し、特定の深度平面に対応する画像を形成するように構成される。例えば、眼の最近傍の導波管２７０は、眼２１０にコリメートされた光（そのような導波管２７０の中に投入された）を送達するように構成されてもよい。コリメートされた光は、光学無限遠焦点面を表し得る。次の上方の導波管２８０は、眼２１０に到達し得る前に、第１のレンズ３５０（例えば、負のレンズ）を通して通過する、コリメートされた光を送出するように構成されてもよい。そのような第１のレンズ３５０は、眼／脳が、その次の上方の導波管２８０から生じる光を光学無限遠から眼２１０に向かって内向きにより近い第１の焦点面から生じるように解釈するように、若干の凸面波面曲率を生成するように構成されてもよい。同様に、第３の上方の導波管２９０は、眼２１０に到達する前に、その出力光を第１のレンズ３５０および第２のレンズ３４０の両方を通して通過させる。第１のレンズ３５０および第２のレンズ３４０の組み合わせられた屈折力は、眼／脳が、第３の導波管２９０から生じる光が次の上方の導波管２８０からの光であったよりも光学無限遠から人物に向かって内向きにさらに近い第２の焦点面から生じるように解釈するように、別の漸増量の波面曲率を生成するように構成されてもよい。
【００９０】
他の導波管層３００、３１０およびレンズ３３０、３２０も同様に構成され、スタック内の最高導波管３１０は、人物に最も近い焦点面を表す集約焦点力のために、その出力をそれと眼との間のレンズの全てを通して送出する。スタックされた導波管アセンブリ２６０の他側の世界５１０から生じる光を視認／解釈するとき、レンズ３２０、３３０、３４０、３５０のスタックを補償するために、補償レンズ層６２０が、スタックの上部に配置され、下方のレンズスタック３２０、３３０、３４０、３５０の集約力を補償してもよい。そのような構成は、利用可能な導波管／レンズ対と同じ数の知覚される焦点面を提供する。導波管の外部結合光学要素およびレンズの集束側面は両方とも、静的であってもよい（すなわち、動的または電気活性ではない）。いくつかの代替実施形態では、一方または両方とも、電気活性特徴を使用して動的であってもよい。
【００９１】
いくつかの実施形態では、導波管２７０、２８０、２９０、３００、３１０のうちの２つ以上のものは、同一の関連付けられた深度平面を有してもよい。例えば、複数の導波管２７０、２８０、２９０、３００、３１０が、同一深度平面に設定される画像を出力するように構成されてもよい、または導波管２７０、２８０、２９０、３００、３１０の複数のサブセットが、深度平面毎に１つのセットを伴う、同一の複数の深度平面に設定される画像を出力するように構成されてもよい。これは、それらの深度平面において拡張された視野を提供するようにタイル化された画像を形成する利点を提供し得る。
【００９２】
図６を継続して参照すると、外部結合光学要素５７０、５８０、５９０、６００、６１０は、導波管と関連付けられた特定の深度平面のために、光をその個別の導波管から再指向し、かつこの光を適切な量の発散またはコリメーションを伴って出力するように構成されてもよい。その結果、異なる関連付けられた深度平面を有する導波管は、外部結合光学要素５７０、５８０、５９０、６００、６１０の異なる構成を有してもよく、これは、関連付けられた深度平面に応じて、異なる発散量を伴う光を出力する。いくつかの実施形態では、光抽出光学要素５７０、５８０、５９０、６００、６１０は、体積特徴または表面特徴であってもよく、これは、具体的角度において光を出力するように構成されてもよい。例えば、光抽出光学要素５７０、５８０、５９０、６００、６１０は、体積ホログラム、表面ホログラム、および／または回折格子であってもよい。いくつかの実施形態では、特徴３２０、３３０、３４０、３５０は、レンズではなくてもよい。むしろ、それらは、単に、スペーサであってもよい（例えば、クラッディング層および／または空隙を形成するための構造）。
【００９３】
いくつかの実施形態では、外部結合光学要素５７０、５８０、５９０、６００、６１０は、回折パターンまたは「回折光学要素」（また、本明細書では、「ＤＯＥ」とも称される）を形成する、回折特徴である。好ましくは、ＤＯＥは、ビームの光の一部のみがＤＯＥの各交差点で眼２１０に向かって偏向される一方、残りが、ＴＩＲを介して導波管を通して移動し続けるように、十分に低回折効率を有する。画像情報を搬送する光は、したがって、複数の場所において導波管から出射する、いくつかの関連出射ビームに分割され、その結果、導波管内でバウンスする本特定のコリメートされたビームに関して、眼２１０に向かって非常に均一パターンの出射放出となる。
【００９４】
いくつかの実施形態では、１つ以上のＤＯＥは、能動的に回折する「オン」状態と有意に回折しない「オフ」状態との間で切替可能であってもよい。例えば、切替可能なＤＯＥは、ポリマー分散液晶の層を備えてもよく、その中で微小液滴は、ホスト媒体中に回折パターンを備え、微小液滴の屈折率は、ホスト材料の屈折率に実質的に整合するように切り替えられてもよい（その場合、パターンは、入射光を著しく回折させない）、または微小液滴は、ホスト媒体のものに整合しない屈折率に切り替えられてもよい（その場合、パターンは、入射光を能動的に回折させる）。
【００９５】
いくつかの実施形態では、カメラアセンブリ６３０（例えば、可視光および赤外線光カメラを含む、デジタルカメラ）が、眼２１０および／または眼２１０の周囲の組織の画像を捕捉し、例えば、ユーザ入力を検出する、および／またはユーザの生理学的状態を監視するために提供されてもよい。本明細書で使用されるように、カメラは、任意の画像捕捉デバイスであってもよい。いくつかの実施形態では、カメラアセンブリ６３０は、画像捕捉デバイスと、光（例えば、赤外線光）を眼に投影する光源であって、該光が、次いで、眼によって反射され、画像捕捉デバイスによって検出され得る、光源とを含んでもよい。いくつかの実施形態では、カメラアセンブリ６３０は、フレーム８０（図２）に取り付けられてもよく、本明細書に議論されるように、カメラアセンブリ６３０からの画像情報を処理し、例えば、ユーザの生理学的状態に関する種々の決定を行い得る、処理モジュール１４０および／または１５０と電気通信してもよい。ユーザの生理学的状態に関する情報は、ユーザの挙動または感情状態を決定するために使用されてもよいことを理解されたい。そのような情報の実施例は、ユーザの移動および／またはユーザの顔の表情を含む。ユーザの挙動または感情状態は、次いで、挙動または感情状態と、生理学的状態と、環境または仮想コンテンツデータとの間の関係を決定するように、収集された環境および／または仮想コンテンツデータを用いて三角測量されてもよい。いくつかの実施形態では、１つのカメラアセンブリ６３０が、眼毎に利用され、各眼を別個に監視してもよい。
【００９６】
ここで図７を参照すると、導波管によって出力された出射ビームの実施例が、示される。１つの導波管が図示されるが、導波管アセンブリ２６０（図６）内の他の導波管も同様に機能し得、導波管アセンブリ２６０は、複数の導波管を含むことを理解されたい。光６４０が、導波管２７０の入力表面４６０において導波管２７０の中に投入され、ＴＩＲによって導波管２７０内を伝搬する。光６４０がＤＯＥ５７０上に衝突する点では、光の一部は、導波管から出射ビーム６５０として出射する。出射ビーム６５０は、略平行として図示されるが、本明細書に議論されるように、また、導波管２７０と関連付けられた深度平面に応じて、ある角度（例えば、発散出射ビームを形成する）において眼２１０に伝搬するように再指向されてもよい。略平行出射ビームは、眼２１０からの遠距離（例えば、光学無限遠）における深度平面に設定されるように現れる画像を形成するように光を外部結合する、外部結合光学要素を含む、導波管を示し得ることを理解されたい。他の導波管または他の外部結合光学要素のセットは、より発散する、出射ビームパターンを出力してもよく、これは、眼２１０がより近い距離に遠近調節し、網膜に合焦させることを要求し、光学無限遠より眼２１０に近い距離からの光として脳によって解釈されるであろう。
【００９７】
いくつかの実施形態では、フルカラー画像が、原色、例えば、３つ以上の原色のそれぞれに画像をオーバーレイすることによって、各深度平面において形成されてもよい。図８は、スタックされた導波管アセンブリの実施例を図示し、各深度平面は、複数の異なる原色を使用して形成される画像を含む。図示される実施形態は、深度平面２４０ａ−２４０ｆを示すが、より多いまたはより少ない深度もまた、検討される。各深度平面は、第１の色Ｇの第１の画像、第２の色Ｒの第２の画像、および第３の色Ｂの第３の画像を含む、それと関連付けられた３つ以上の原色画像を有してもよい。異なる深度平面は、文字Ｇ、Ｒ、およびＢに続くジオプタ（ｄｐｔ）に関する異なる数字によって図に示される。単なる実施例として、これらの文字のそれぞれに続く数字は、ジオプタ（１／ｍ）、すなわち、視認者からの深度平面の逆距離を示し、図中の各ボックスは、個々の原色画像を表す。いくつかの実施形態では、異なる波長の光の眼の集束における差異を考慮するために、異なる原色に関する深度平面の正確な場所は、変動してもよい。例えば、所与の深度平面に関する異なる原色画像は、ユーザからの異なる距離に対応する深度平面上に設置されてもよい。そのような配列は、視力およびユーザ快適性を増加させ得、および／または色収差を減少させ得る。
【００９８】
いくつかの実施形態では、各原色の光は、単一専用導波管によって出力されてもよく、その結果、各深度平面は、それと関連付けられた複数の導波管を有してもよい。そのような実施形態では、文字Ｇ、Ｒ、またはＢを含む、図中の各ボックスは、個々の導波管を表すものと理解され得、３つの導波管は、深度平面毎に提供されてもよく、３つの原色画像が、深度平面毎に提供される。各深度平面と関連付けられた導波管は、本図面では、説明を容易にするために相互に隣接して示されるが、物理的デバイスでは、導波管は全て、レベル毎に１つの導波管を伴うスタックで配列されてもよいことを理解されたい。いくつかの他の実施形態では、複数の原色が、例えば、単一導波管のみが深度平面毎に提供され得るように、同一導波管によって出力されてもよい。
【００９９】
図８を継続して参照すると、いくつかの実施形態では、Ｇは、緑色であって、Ｒは、赤色であって、Ｂは、青色である。いくつかの他の実施形態では、マゼンタ色およびシアン色を含む、光の他の波長と関連付けられた他の色も、加えて使用されてもよい、または赤色、緑色、または青色のうちの１つ以上のものに取って代わってもよい。いくつかの実施形態では、特徴３２０、３３０、３４０、および３５０は、視認者の眼への周囲環境からの光を選択的に遮断または透過させるように構成される、能動または受動光学フィルタであってもよい。
【０１００】
本開示全体を通した所与の光の色の言及は、その所与の色として視認者によって知覚される、光の波長の範囲内の１つ以上の波長の光を包含するものと理解されると理解されたい。例えば、赤色光は、約６２０〜７８０ｎｍの範囲内である１つ以上の波長の光を含んでもよく、緑色光は、約４９２〜５７７ｎｍの範囲内である１つ以上の波長の光を含んでもよく、青色光は、約４３５〜４９３ｎｍの範囲内である１つ以上の波長の光を含んでもよい。
【０１０１】
いくつかの実施形態では、光源５３０（図６）は、視認者の視覚的知覚範囲外の１つ以上の波長、例えば、赤外線および／または紫外線波長の光を放出するように構成されてもよい。加えて、ディスプレイ２５０の導波管の内部結合、外部結合、および他の光再指向構造は、例えば、結像および／またはユーザ刺激用途のために、この光をディスプレイからユーザの眼２１０に向かって指向および放出するように構成されてもよい。
【０１０２】
ここで図９Ａを参照すると、いくつかの実施形態では、導波管に衝突する光は、その光を導波管の中に内部結合するために再指向される必要があり得る。内部結合光学要素が、光をその対応する導波管の中に再指向および内部結合するために使用されてもよい。図９Ａは、それぞれ、内部結合光学要素を含む、複数またはセット６６０のスタックされた導波管の実施例の断面側面図を図示する。導波管はそれぞれ、１つ以上の異なる波長または１つ以上の異なる波長範囲の光を出力するように構成されてもよい。スタック６６０は、スタック２６０（図６）に対応してもよく、スタック６６０の図示される導波管は、複数の導波管２７０、２８０、２９０、３００、３１０の一部に対応してもよいが、画像投入デバイス３６０、３７０、３８０、３９０、４００のうちの１つ以上のものからの光が、光が内部結合のために再指向されることを要求する位置から導波管の中に投入されることを理解されたい。
【０１０３】
スタックされた導波管の図示されるセット６６０は、導波管６７０、６８０、および６９０を含む。各導波管は、関連付けられた内部結合光学要素（導波管上の光入力面積とも称され得る）を含み、例えば、内部結合光学要素７００は、導波管６７０の主要表面（例えば、上側主要表面）上に配置され、内部結合光学要素７１０は、導波管６８０の主要表面（例えば、上側主要表面）上に配置され、内部結合光学要素７２０は、導波管６９０の主要表面（例えば、上側主要表面）上に配置される。いくつかの実施形態では、内部結合光学要素７００、７１０、７２０のうちの１つ以上のものは、個別の導波管６７０、６８０、６９０の底部主要表面上に配置されてもよい（特に、１つ以上の内部結合光学要素は、反射性偏向光学要素である）。図示されるように、内部結合光学要素７００、７１０、７２０は、その個別の導波管６７０、６８０、６９０の上側主要表面（または次の下側導波管の上部）上に配置されてもよく、特に、それらの内部結合光学要素は、透過性偏向光学要素である。いくつかの実施形態では、内部結合光学要素７００、７１０、７２０は、個別の導波管６７０、６８０、６９０の本体内に配置されてもよい。いくつかの実施形態では、本明細書に議論されるように、内部結合光学要素７００、７１０、７２０は、他の光の波長を透過しながら、１つ以上の光の波長を選択的に再指向するように波長選択的である。その個別の導波管６７０、６８０、６９０の片側または角に図示されるが、内部結合光学要素７００、７１０、７２０は、いくつかの実施形態では、その個別の導波管６７０、６８０、６９０の他の面積内に配置されてもよいことを理解されたい。
【０１０４】
図示されるように、内部結合光学要素７００、７１０、７２０は、相互から側方にオフセットされてもよい。いくつかの実施形態では、各内部結合光学要素は、その光が別の内部結合光学要素を通して通過せずに、光を受信するようにオフセットされてもよい。例えば、各内部結合光学要素７００、７１０、７２０は、図６に示されるように、光を異なる画像投入デバイス３６０、３７０、３８０、３９０、および４００から受信するように構成されてもよく、光を内部結合光学要素７００、７１０、７２０の他のものから実質的に受信しないように、他の内部結合光学要素７００、７１０、７２０から分離されてもよい（例えば、側方に離間される）。
【０１０５】
各導波管はまた、関連付けられた光分散要素を含み、例えば、光分散要素７３０は、導波管６７０の主要表面（例えば、上部主要表面）上に配置され、光分散要素７４０は、導波管６８０の主要表面（例えば、上部主要表面）上に配置され、光分散要素７５０は、導波管６９０の主要表面（例えば、上部主要表面）上に配置される。いくつかの他の実施形態では、光分散要素７３０、７４０、７５０は、それぞれ、関連付けられた導波管６７０、６８０、６９０の底部主要表面上に配置されてもよい。いくつかの他の実施形態では、光分散要素７３０、７４０、７５０は、それぞれ、関連付けられた導波管６７０、６８０、６９０の上部主要表面および底部主要表面の両方の上に配置されてもよい、または光分散要素７３０、７４０、７５０は、それぞれ、異なる関連付けられた導波管６７０、６８０、６９０内の上部主要表面および底部主要表面の異なるもの上に配置されてもよい。
【０１０６】
導波管６７０、６８０、６９０は、例えば、材料のガス、液体、および／または固体層によって離間および分離されてもよい。例えば、図示されるように、層７６０ａは、導波管６７０および６８０を分離してもよく、層７６０ｂは、導波管６８０および６９０を分離してもよい。いくつかの実施形態では、層７６０ａおよび７６０ｂは、低屈折率材料（すなわち、導波管６７０、６８０、６９０の直近のものを形成する材料より低い屈折率を有する材料）から形成される。好ましくは、層７６０ａ、７６０ｂを形成する材料の屈折率は、導波管６７０、６８０、６９０を形成する材料の屈折率に対して０．０５以上、または０．１０以下である。有利には、より低い屈折率層７６０ａ、７６０ｂは、導波管６７０、６８０、６９０を通して光の全内部反射（ＴＩＲ）（例えば、各導波管の上部主要表面および底部主要表面の間のＴＩＲ）を促進する、クラッディング層として機能してもよい。いくつかの実施形態では、層７６０ａ、７６０ｂは、空気から形成される。図示されないが、導波管の図示されるセット６６０の上部および底部は、直近クラッディング層を含んでもよいことを理解されたい。
【０１０７】
好ましくは、製造および他の考慮点を容易にするために、導波管６７０、６８０、６９０を形成する材料は、類似または同一であって、層７６０ａ、７６０ｂを形成する材料は、類似または同一である。いくつかの実施形態では、導波管６７０、６８０、６９０を形成する材料は、１つ以上の導波管間で異なってもよい、および／または層７６０ａ、７６０ｂを形成する材料は、依然として、前述の種々の屈折率関係を保持しながら、異なってもよい。
【０１０８】
図９Ａを継続して参照すると、光線７７０、７８０、７９０が、導波管のセット６６０に入射する。光線７７０、７８０、７９０は、１つ以上の画像投入デバイス３６０、３７０、３８０、３９０、４００（図６）によって導波管６７０、６８０、６９０の中に投入されてもよいことを理解されたい。
【０１０９】
いくつかの実施形態では、光線７７０、７８０、７９０は、異なる性質、例えば、異なる色に対応し得る、異なる波長または異なる波長範囲を有する。内部結合光学要素７００、７１０、７２０はそれぞれ、光がＴＩＲによって導波管６７０、６８０、６９０のうちの個別の１つを通して伝搬するように、入射光を偏向する。
【０１１０】
例えば、内部結合光学要素７００は、第１の波長または波長範囲を有する、光線７７０を偏向させるように構成されてもよい。同様に、透過された光線７８０は、第２の波長または波長範囲の光を偏向させるように構成される、内部結合光学要素７１０に衝突し、それによって偏向される。同様に、光線７９０は、第３の波長または波長範囲の光を選択的に偏向させるように構成される、内部結合光学要素７２０によって偏向される。
【０１１１】
図９Ａを継続して参照すると、偏向された光線７７０、７８０、７９０は、対応する導波管６７０、６８０、６９０を通して伝搬するように偏向される。すなわち、各導波管の内部結合光学要素７００、７１０、７２０は、光をその対応する導波管６７０、６８０、６９０の中に偏向させ、光を対応する導波管の中に内部結合する。光線７７０、７８０、７９０は、光をＴＩＲによって個別の導波管６７０、６８０、６９０を通して伝搬させる角度で偏向される。光線７７０、７８０、７９０は、導波管の対応する光分散要素７３０、７４０、７５０に衝突するまで、ＴＩＲによって個別の導波管６７０、６８０、６９０を通して伝搬する。
【０１１２】
ここで図９Ｂを参照すると、図９Ａの複数のスタックされた導波管の実施例の斜視図が、図示される。前述のように、内部結合された光線７７０、７８０、７９０は、それぞれ、内部結合光学要素７００、７１０、７２０によって偏向され、次いで、それぞれ、導波管６７０、６８０、６９０内でＴＩＲによって伝搬する。光線７７０、７８０、７９０は、次いで、それぞれ、光分散要素７３０、７４０、７５０に衝突する。光分散要素７３０、７４０、７５０は、それぞれ、外部結合光学要素８００、８１０、８２０に向かって伝搬するように、光線７７０、７８０、７９０を偏向させる。
【０１１３】
いくつかの実施形態では、光分散要素７３０、７４０、７５０は、直交瞳エクスパンダ（ＯＰＥ）である。いくつかの実施形態では、ＯＰＥは、光を外部結合光学要素８００、８１０、８２０に偏向または分散することと、また、外部結合光学要素に伝搬するにつれて、この光のビームまたはスポットサイズを増加させることの両方を行ってもよい。いくつかの実施形態では、例えば、ビームサイズがすでに所望のサイズである場合、光分散要素７３０、７４０、７５０は、省略されてもよく、内部結合光学要素７００、７１０、７２０は、光を直接外部結合光学要素８００、８１０、８２０に偏向させるように構成されてもよい。例えば、図９Ａを参照すると、光分散要素７３０、７４０、７５０は、それぞれ、外部結合光学要素８００、８１０、８２０と置換されてもよい。いくつかの実施形態では、外部結合光学要素８００、８１０、８２０は、光を視認者の眼２１０（図７）に指向させる、射出瞳（ＥＰ）または射出瞳エクスパンダ（ＥＰＥ）である。ＯＰＥは、少なくとも１つの軸においてアイボックスの寸法を増加させるように構成されてもよく、ＥＰＥは、ＯＰＥの軸と交差する、例えば、直交する軸においてアイボックスを増加させてもよいことを理解されたい。
【０１１４】
故に、図９Ａおよび９Ｂを参照すると、いくつかの実施形態では、導波管のセット６６０は、原色毎に、導波管６７０、６８０、６９０と、内部結合光学要素７００、７１０、７２０と、光分散要素（例えば、ＯＰＥ）７３０、７４０、７５０と、外部結合光学要素（例えば、ＥＰ）８００、８１０、８２０とを含む。導波管６７０、６８０、６９０は、各１つの間に空隙／クラッディング層を伴ってスタックされてもよい。内部結合光学要素７００、７１０、７２０は、（異なる波長の光を受信する異なる内部結合光学要素を用いて）入射光をその導波管の中に再指向または偏向させる。光は、次いで、個別の導波管６７０、６８０、６９０内にＴＩＲをもたらすであろう角度で伝搬する。示される実施例では、光線７７０（例えば、青色光）は、前述の様式において、第１の内部結合光学要素７００によって偏光され、次いで、導波管を辿ってバウンスし続け、光分散要素（例えば、ＯＰＥ）７３０、次いで、外部結合光学要素（例えば、ＥＰ）８００と相互作用する。光線７８０および７９０（例えば、それぞれ、緑色および赤色光）は、導波管６７０を通して通過し、光線７８０は、内部結合光学要素７１０上に入射し、それによって偏向される。光線７８０は、次いで、ＴＩＲを介して、導波管６８０を辿ってバウンスし、その光分散要素（例えば、ＯＰＥ）７４０、次いで、外部結合光学要素（例えば、ＥＰ）８１０に進むであろう。最後に、光線７９０（例えば、赤色光）は、導波管６９０を通して通過し、導波管６９０の内部結合光学要素７２０に衝突する。光内部結合光学要素７２０は、光線が、ＴＩＲによって、光分散要素（例えば、ＯＰＥ）７５０、次いで、ＴＩＲによって、外部結合光学要素（例えば、ＥＰ）８２０に伝搬するように、光線７９０を偏向させる。外部結合光学要素８２０は、次いで、最後に、光線７９０を視認者に外部結合し、視認者はまた、他の導波管６７０、６８０からの外部結合された光も受信する。
【０１１５】
図９Ｃは、図９Ａおよび９Ｂの複数のスタックされた導波管の実施例の上下平面図を図示する。図示されるように、導波管６７０、６８０、６９０は、各導波管の関連付けられた光分散要素７３０、７４０、７５０および関連付けられた外部結合光学要素８００、８１０、８２０とともに、垂直に整合されてもよい。しかしながら、本明細書に議論されるように、内部結合光学要素７００、７１０、７２０は、垂直に整合されない。むしろ、内部結合光学要素は、好ましくは、非重複する（例えば、上下図に見られるように、側方に離間される）。本明細書でさらに議論されるように、本非重複空間配列は、１対１ベースで異なるリソースから異なる導波管の中への光の投入を促進し、それによって、具体的光源が具体的導波管に一意に結合されることを可能にする。いくつかの実施形態では、非重複の空間的に分離される内部結合光学要素を含む、配列は、偏移瞳システムと称され得、これらの配列内の内部結合光学要素は、サブ瞳に対応し得る。
（例示的液晶偏光格子）
【０１１６】
光操向のために使用される液晶偏光格子は、好ましくは、光を格子に対する法線に対して大角度で回折または再指向し、例えば、光がＴＩＲによって導波管を通して伝搬するように、導波管の中への光の内部結合を促進することができることを理解されたい。しかしながら、従来の液晶偏光格子は、高回折効率もまた達成しながら、光を大角度で再指向することが困難であり得る。格子のサブ層を偏移させ、傾斜角度を画定し得る、捻転を格子の厚さに沿って誘発することは、大角度回折または光再指向を達成しながら、高回折効率を提供し得ることが見出されている。しかしながら、そのような格子の回折効率は、格子上への光の入射角に著しく依存する。有利には、また、傾斜角度を変動させることは、広範囲の入射角にわたって高効率を伴う格子を提供することも見出されている。いくつかの実施形態では、高効率が達成される入射角の範囲は、各格子構造が異なる大きさの傾斜角度を有する、複数の格子構造をともにスタックすることによって、増加され得る。
【０１１７】
有利には、本明細書で議論される種々の回折光学要素は、液晶偏光格子等の液晶格子構造を含む、格子構造であってもよい。格子構造は、好ましくは、広範囲の入射角（例えば、ブラッグ角度を中心として約±２０度、ブラッグ角度を中心として約±３０度、ブラッグ角度を中心として約±４５度等）にわたって高回折効率を提供するように構成される。故に、本明細書に説明される格子構造は、有利には、光の入射角に対して低感度を有し得る。格子構造は、限定ではないが、液晶材料下にあり得るパターン化された整合層を使用して、重合化可能液晶材料の層内の液晶分子を整合させることを含む、種々の方法を使用して、加工されてもよい。
【０１１８】
いくつかの実施形態では、液晶格子構造は、導波管スタック２６０（図６）または６６０（図９Ａ−９Ｃ）の種々の導波管のための光再指向要素を形成してもよい。例えば、そのような液晶格子構造は、有利には、内部結合光学要素３０１２、３０１４、３０１６、および／または３０１８（図８Ａ−８Ｅ）および／または内部結合光学要素７００、７１０、７２０、光分散要素７３０、７４０、７５０、および／または外部結合光学要素８００、８１０、８２０（図９Ａ−９Ｃ）を形成するために適用されてもよい。ＡＲディスプレイシステムに加え、液晶格子構造は、回折光学要素が利用される、他の用途に適用されてもよいことを理解されたい。例えば、液晶格子構造は、ＶＲディスプレイシステム、フラットパネルコンピュータモニタまたはテレビ、照明付き標識、結像システム等を含む、他の光学システム内で光を操向するために利用されてもよい。
【０１１９】
液晶は、その分子が、多くの場合、ある方向に沿って整合され得るロッドまたはプレートのように成形される、部分的に整列された材料であることを理解されたい。それに沿って液晶の分子が配向される方向およびパターンは、分子と相互作用する（例えば、立体および／または係留エネルギー相互作用を通して）テンプレートパターンの使用によって操作されてもよい。加えて、液晶材料は、キラルドーパントおよび／または反応性メソゲン（ＲＭ）を備えてもよい。キラルドーパントは、液晶材料の厚さにわたって捻転角度（Φ）だけ液晶分子の回転を生じさせ得、反応性メソゲンは、液晶分子の配向および位置が重合化を通して固定されることを可能にし得る。
【０１２０】
図１０Ａは、第１の主表面１００２ａと、第２の主表面１００２ｂとを備える、格子構造１００１の実施例の上下斜視図を図示する。液晶材料の複数のサブ層（例えば、サブ層１００４ａ、１００４ｂ、１００４ｃ、および１００４ｄ）は、図１０Ａに図示される構造の側面図である、図１０Ｂに描写されるように、第１の表面１００２ａと第２の表面１００２ｂとの間に含まれてもよい。各サブ層は、共通平面に配列される複数の液晶分子によって画定され得、したがって、各サブ層は、単一液晶分子厚にすぎない。サブ層は、全てのサブ層の総厚と等しくあり得る、厚さＤを有する、液晶材料の集約層を形成する。４つのサブ層が、図示されるが、格子構造１００１は、より多いまたはより少ないサブ層を含んでもよいことを理解されたい。
【０１２１】
図１０Ａを継続して参照すると、格子構造１００１は、第１および第２の表面１００２ａおよび１００２ｂと交差する、面法線１００３を有する。上記に述べられたように、いくつかの実施形態では、液晶材料は、格子構造１００１の最上サブ層１００４ａの液晶分子（例えば、１００５ｂ）と、格子構造１００１の最下サブ層１００４ｄの下層液晶分子（例えば、１００５ｂ’）との間の角度回転によって画定される、捻転角度Φを有してもよい。理論によって限定されるわけではないが、近傍液晶分子間の相互作用は、分子の配向に、側方軸（Ｘ）に沿って格子構造１００１を横断した規則的進行性を変動させ得る。したがって、液晶分子は、それぞれ、Ｘ−軸に沿って液晶配向の類似進行性を有する、反復ユニットを形成し得る。その結果、サブ層１００４ａ−１００４ｄのそれぞれ内の反復ユニットのための液晶分子の群は、側面図および／または上下図に見られるように、同一配向を有する２つの連続液晶分子間の側方距離１００６’と等しい周期性（Λ）を有してもよい。
【０１２２】
再び図１０Ａおよび１０Ｂを参照すると、格子構造１００１は、いくつかの実施形態では、キラルネマチック液晶材料を備えることができる。例えば、液晶材料の複数のサブ層は、コレステリック液晶材料を備えてもよい。好ましくは、液晶材料は、重合化可能である。本明細書に議論されるように、液晶材料は、例えば、液晶性ジアクリレート等の反応性メソゲン（ＲＭ）を備えてもよい。また、本明細書で議論されるように、格子構造１００１はまた、好ましくは、キラルドーパントを含み、これは、液晶分子の捻転角度Φに影響を及ぼすために利用されてもよい。キラルドーパントの実施例は、安息香酸コレステリル、ノナン酸コレステリル、塩化コレステリル、および炭酸コレステリルオレイルを含む。
【０１２３】
図１０Ｂを参照すると、各サブ層１００４ａ、１００４ｂ、１００４ｃ、および１００４ｄの単一反復ユニットが、図示される。反復ユニット１００６は、長さ１００６’の周期性を有する。反復ユニットは、議論を容易にするために、完全に直接垂直に整合されて図示されるが、格子構造１００１の厚さにわたって液晶分子を捻転させることは、異なるサブ層の反復ユニットを相互に対して側方に偏移させ得ることを理解されたい。
【０１２４】
図１１を参照すると、いくつかの実施形態では、液晶材料のサブ層１００４ａ、１００４ｂ、１００４ｃ、および１００４ｄは、相互に対して側方にオフセットされてもよい。オフセットは、複数のサブ層１００４ａ、１００４ｂ、１００４ｃ、および１００４ｄがそれぞれ内の対応する液晶分子（すなわち、同一配向を有する液晶分子）を通して通過する、格子光学軸が、側方軸Ｘに対する法線に対して角度θで傾斜され、本法線がまた、偏光格子構造の主表面に対して法線であり得るようなものである。故に、サブ層１００４ａ、１００４ｂ、１００４ｃ、および１００４ｄは、偏光格子構造１００１の主表面に対する法線に対して角度θで傾斜される格子光学軸を有する、傾斜された格子パターンを形成する。いくつかの実施形態では、理論によって限定されるわけではないが、そのような傾斜された格子パターンは、格子周期が、下記の方程式（１）における、波長λ、平均屈折率ｎ、格子周期Λ（長さ１００６’に対応する）、および格子構造の格子光学軸の傾斜角度θを伴う条件を満たすとき、法線入射光を高効率で回折し得る。
【化１】
2019536101.tif 000003
【０１２５】
捻転角度Φは、下記の方程式（２）を使用する際、格子光学軸の傾斜角度θ、捻転角度Φ、格子構造の厚さＤ、および格子周期Λから決定されてもよい。
【化２】
2019536101.tif 000004
【０１２６】
図１１を継続して参照すると、複数のサブ層１００４ａ、１００４ｂ、１００４ｃ、および１００４ｄ内の液晶分子は、反復ユニットを形成することができる。反復ユニットの周期性は、液晶分子の周期性（Λ）と等しくあることができる。液晶の複数のサブ層のそれぞれ内の反復ユニットは、直ぐ隣接するサブ層内の反復ユニットに対して偏移距離ｒだけ側方にオフセットされてもよい。傾斜角度（θ）は、格子構造１００１の主表面に対する法線と直近傍サブ層の反復液晶ユニット内の類似点間に延在する想像上の線との間に形成される角度に基づいて、決定されてもよいことを理解されたい。例えば、想像上の線は、図示されるように、反復ユニットの右側縁によって画定されてもよい。
【０１２７】
理論によって限定されるわけではないが、格子構造１００１の液晶分子が、キラリティを有するとき、液晶材料の異方性の配向は、偏光格子構造の厚さに沿って回転され、回転量（液晶材料の捻転角度としても知られる）は、液晶異方性軸の３６０度回転にわたる距離である、螺旋ピッチＰによって決定される。いくつかの実施形態では、格子構造１００１は、均一かつ連続したサイクロイド異方性プロファイルを有し、格子構造１００１の厚さＤに沿った異方性の回転は、格子方向に沿った異方性プロファイルの側方偏移（ρ）につながり、これは、図１１に示されるように、格子構造の主面法線に対して格子光学軸の傾斜をもたらす。方程式（２）に関して上記に議論されるように、サブ層１００４ａ、１００４ｂ、１００４ｃ、１００４ｄの傾斜角度θは、液晶分子の捻転角度Φ、格子構造１００１の厚さＤ、および格子周期Λに依存する。故に、格子光学軸の傾斜角度は、液晶分子の捻転角度、格子構造の厚さＤ、および／または格子構造の周期性Λを変動させることによって、変動され得る。周期性Λおよび厚さＤが、格子構造にわたって一定である場合、格子構造の液晶分子の捻転角度は、傾斜角度を変化させるように変動され得る。順に、捻転角度は、格子構造をドープするキラルドーパントおよび格子構造の厚さＤに基づいて変動され得ることを理解されたい。
【０１２８】
本明細書に議論されるように、格子構造１００１等の格子構造は、有利には、高回折効率および大角度回折を提供するが、これらの格子構造は、入射角の限定される範囲にわたってのみ、この高効率大角度回折を達成し得る。望ましくないことに、入射角の本限定される範囲外の格子構造上に入射する光は、効率的に回折されない。異なる入射角の光のための大角度回折効率を増加させるために、異なる傾斜角度を伴う複数の液晶格子構造が、利用されてもよい。好ましくは、これらの格子構造は、スタックにおいて形成される。
【０１２９】
そのようなスタックは、図１２Ａおよび１２Ｂ−１に図示される。図１２Ａは、２つの液晶偏光格子（ＬＣＰＧ）構造１１１０および１１２０を備える、液晶偏光格子スタック１１００ａの実施例を描写する。第１のＬＣＰＧ構造１１１０は、複数の液晶分子によって形成される反復ユニットが、厚さＤ１にわたって距離ρ１だけ側方に偏移され、第１のＬＣＰＧ構造の面法線に対して傾斜角度θ１をもたらすように、距離ｒ１だけ相互に対して側方にオフセットされる、複数の液晶サブ層１１０４ａ−１、１１０４ｂ−１、１１０４ｃ−１および１１０４ｄ−１を備える。第２のＬＣＰＧ構造１１２０は、第１のＬＣＰＧ構造１１１０にわたって配置され、好ましくは、直接、第１のＬＣＰＧ構造１１１０に接触する。第２のＬＣＰＧ１１２０構造は、複数の液晶分子によって形成される反復ユニットが、厚さＤ２にわたって距離ρ２だけ側方に偏移され、第２のＬＣＰＧ構造の面法線に対して角度θ２だけ傾斜された第２の格子光学軸をもたらすように、距離ｒ２だけ相互に対して側方にオフセットされる、複数の液晶サブ層１１０４ａ−２、１１０４ｂ−２、および１１０４ｃ−２を備える。好ましくは、傾斜角度θ１およびθ２の大きさは、異なる。
【０１３０】
図１２Ａを継続して参照すると、格子構造１１２０の側方偏移ρ２は、格子構造１１１０の側方偏移ρ１より小さくあり得る。その結果、格子構造１１２０の傾斜角度θ２は、格子構造１１１０の傾斜角度θ１より小さい。
【０１３１】
図１２Ｂ−１は、第３のＬＣＰＧ構造１１３０が第２のＬＣＰＧ構造１１２０にわたって配置される、格子構造の実施例を図示する。第３のＬＣＰＧ構造１１３０は、サブ層１１０４ａ−３および１１０４ｂ−３内の複数の液晶分子によって形成される反復ユニットが、厚さＤ３にわたって距離ρ３だけ側方に偏移され、第３のＬＣＰＧ構造の面法線に対して第３の傾斜角度θ３をもたらすように、相互に対して側方にオフセットされる、複数の液晶サブ層１１０４ａ−３および１１０４ｂ−３を備えてもよい。第３のＬＣＰＧ構造の側方偏移ρ３は、第１のＬＣＰＧ構造の側方偏移ρ１を上回ることを理解されたい。その結果、第３の格子光学軸の傾斜θ３は、第１の格子光学軸の傾斜θ１を上回る。
【０１３２】
図１２Ｂ−２は、図１２Ｂ−１に図示される格子構造スタックの傾斜角度および厚さのプロットの実施例である。理論によって限定されるわけではないが、傾斜角度は、格子光学軸の角度に対応すると理解され得、図１２Ｂ−２に示されるプロットは、格子構造スタックを横断した光学軸の変動を示すと理解され得る。
【０１３３】
本明細書に説明される液晶偏光格子構造の種々の実施形態は、紫外線、可視、および赤外線スペクトル範囲内の種々の波長を回折するように構成されてもよい。例えば、格子構造は、約３００ｎｍ〜約１０μｍの範囲内の波長を有する入射光を回折するように構成されることができる。いくつかの実施形態では、高回折角度を達成するために、格子構造の周期性Λは、入射光の波長とほぼ等しいまたはさらにそれより小さいことが望ましくあり得る。故に、格子構造の周期性Λは、格子構造が作用するように構成される波長範囲に応じて、約２００ｎｍ〜約１００μｍであってもよい。例えば、格子構造の周期性Λは、約２００ｎｍ〜約３５０ｎｍ、約３３０ｎｍ〜約４１０ｎｍ、約３７０ｎｍ〜約４８０ｎｍ、約４５０ｎｍ〜約５１０ｎｍ、約５００ｎｍ〜約５７０ｎｍ、約５５０ｎｍ〜約７００ｎｍ、約６５０ｎｍ〜約１μｍ、約９８０ｎｍ〜約３μｍ、約１．３μｍ〜約３．２μｍ、約２．３μｍ〜約５μｍ、約５μｍ〜約１０μｍ、約５μｍ〜約１００μｍ、またはこれらの範囲または下位範囲内の任意の値であってもよい。好ましくは、ディスプレイ用途では、格子構造は、光が、広回折角度、例えば、その上に格子構造が形成され得る導波管内のＴＩＲのために好適な角度で、格子構造から伝搬するように、可視光を回折するように構成される。
【０１３４】
いくつかの実施形態では、本明細書に説明されるＬＣＰＧ構造の種々の実施形態の厚さＤ（例えば、Ｄ１、Ｄ２、およびＤ３）は、約１００ｎｍ〜約５０μｍの範囲内であってもよい。例えば、格子構造の厚さＤは、約１００ｎｍ〜約３５０ｎｍ、約３２０ｎｍ〜約５１０ｎｍ、約４５０ｎｍ〜約６００ｎｍ、約５５０ｎｍ〜約８００ｎｍ、約７００ｎｍ〜約１μｍ、約１μｍ〜約５μｍ、約３μｍ〜約１０μｍ、約７．５μｍ〜約２０μｍ、約１５μｍ〜約３０μｍ、約２５μｍ〜約５０μｍ、またはこれらの範囲または下位範囲内の任意の値の範囲内であってもよい。いくつかの実施形態では、スタックを形成する格子構造の厚さは、約０〜１０μｍだけ異なり、約０〜１００ｎｍ、約１００ｎｍ〜１μｍ、約１μｍ〜２μｍ、または約２μｍ〜１０μｍを含む。
【０１３５】
いくつかの実施形態では、格子光学軸の傾斜角度θ（例えば、θ１、θ２、およびθ３）は、−８５度〜約８５度の範囲内であってもよい。例えば、傾斜角度θは、−１０度〜約１０度、−２０度〜約２０度、−３５度〜約３５度、−４５度〜約４５度、−５０度〜約５０度、−６５度〜約６５度、−７５度〜約７５度、またはこれらの範囲または下位範囲内の任意の値の範囲内であってもよい。好ましくは、スタックを形成する格子構造間の傾斜角度は、約０〜±９０度だけ異なり、約０〜±１０度、約±１０度〜±２０度、約±２０度〜±３０度、約±３０度〜±４０度、約±４０度〜±５０度、約±５０度〜±６０度、約±６０度〜±７０度、約±７０度〜±８０度、または約±８０度〜±９０度を含む。
【０１３６】
いくつかの実施形態では、格子構造の厚さを横断する格子パターンのパターン偏移距離ρ（例えば、ρ１、ρ２およびρ３）は、１ｎｍ〜約５０μｍの範囲内であってもよい。例えば、格子構造のパターン偏移距離ρは、約１ｎｍ〜約２０ｎｍ、約１０ｎｍ〜約５０ｎｍ、約２５ｎｍ〜約１２５ｎｍ、約１００ｎｍ〜約３５０ｎｍ、約３２０ｎｍ〜約５１０ｎｍ、約４５０ｎｍ〜約６００ｎｍ、約５５０ｎｍ〜約８００ｎｍ、約７００ｎｍ〜約１μｍ、約１μｍ〜約５μｍ、約３μｍ〜約１０μｍ、約７．５μｍ〜約２０μｍ、約１５μｍ〜約３０μｍ、約２５μｍ〜約５０μｍ、またはこれらの範囲または下位範囲内の任意の値で変動することができる。
【０１３７】
いくつかの実施形態では、格子構造スタックの格子構造の全ての全サブ層は、図１０Ａ、１０Ｂ、１１、１２Ａ、および１２Ｂ−１に描写されるように、同一方向に偏移されてもよい。例えば、各サブ層の反復液晶分子ユニットは、同一側、例えば、左または右に偏移されてもよい。例えば、図１２Ａおよび１２Ｂ−１に描写されるように、異なる偏光格子スタックの格子光学軸は全て、面法線の右に傾斜される。異なるサブ層の格子光学軸を同一側に傾斜させることは、図１２Ｃ−１、１２Ｃ−２、１２Ｄ−１、および１２Ｄ−２を参照して下記に説明されるように、より広範囲の入力角度にわたって回折効率を増加させることに有利であり得る。
【０１３８】
ここで、本明細書に開示されるように、異なる傾斜角度を有する格子構造のスタックの有利な回折効率を図示する、図１２Ｃ−１、１２Ｃ−２、１２Ｄ−１および１２Ｄ−２を参照する。図１２Ｃ−２は、図１２Ｃ−１に描写される単一液晶偏光格子構造１１４８の一次における回折効率を図示する。回折効率は、格子構造の主表面に対する法線と平行な角度（すなわち、法線に対して０度の角度）で格子構造上に入射する光に対してピークを有する。しかしながら、ピーク効率は、入射角が変化するにつれて急降下する。しかしながら、ピーク回折効率は、傾斜角度を変動させることによって偏移され得ることが見出されている。着目すべきこととして、図１２Ｄ−２に見られるように、異なる大きさの傾斜角度を有する、図１２Ｄ−１に描写される２つの液晶偏光格子構造１１５０および１１５２のスタックは、複数の回折ピークを提供し、それによって、高回折効率が達成される窓を効果的に拡張させ得る。加えて、スタックされた格子構造は、これらのピークから離れた角度における光入射に関する回折効率も増加させ得る。例えば、図１２Ｄ−１および１２Ｄ−２に示されるように、層１１５０の格子構造は、入射角約−２０度〜０度の光に対して高回折効率を提供するように構成される、第１の傾斜角度だけ傾斜され、層１１５２の格子構造は、入射角０度〜約２０度の光に対して高回折効率を提供するように構成される、第２の傾斜角度だけ同一側で傾斜される。故に、±２０度の角度範囲内の光入射の回折効率は、図１２Ｃ−１および１２Ｃ−２に示される単一格子構造１１４８によって達成された約２０％回折効率と比較して、約４０％まで増加される。
【０１３９】
２つの液晶偏光格子構造が、図１２Ｄ−１における例証を簡略化するために図示されるが、いくつかの実施形態では、それぞれ、異なる入射角の光に対して異なる大きさの傾斜角度およびピーク回折効率を有する、２つを上回る液晶偏光格子構造が、ともにスタックされ、液晶偏光格子構造スタックを形成してもよい。いくつかの実施形態では、格子構造スタックは、少なくとも約４０％の回折効率を提供しながら、少なくとも約５０度、４０度、または３０度の（光の入射角のための）窓を有する。好ましくは、回折効率は、窓にわたって約５０％、６０％、または７５％を上回る。
【０１４０】
本明細書に議論されるように、液晶偏光格子構造は、透過導波管であり得る、基板上に形成されてもよい。いくつかの実施形態では、透過導波管は、可視波長の光に対して透過性であってもよく、その光をＴＩＲによって内部から誘導するように構成されてもよい。透過導波管は、各液晶サブ層内の反復ユニットが、直ぐ隣接する液晶サブ層内の対応する反復ユニットに対して側方に偏移され、偏光格子構造の主表面に対する法線に対して傾斜角度θを画定する、液晶材料の複数のサブ層を備える偏光格子構造を備える、内部結合および外部結合要素を含んでもよい。内部結合および外部結合要素は、導波管の表面上に配置されてもよく、入射光を導波管の誘導モードの中に内部結合する、または導波管内を伝搬する光を外部結合するように構成されてもよい。いくつかの他の実施形態では、液晶偏光格子構造が、導波管内を伝搬する光を再指向し、例えば、その光が導波管内を伝搬し続けることを可能にしながら、その光の方向を変化させるために利用されてもよい。
例示的作製方法
【０１４１】
図１３Ａ−１３Ｅを参照すると、本明細書に説明される種々の液晶偏光格子構造を作製するための方法の実施例が、図示される。図１３Ａを参照すると、上層整合層１２１０を有する、基板１２０５が、提供される。基板１２０５は、好ましくは、光学的に透過性である。基板のための好適な材料の実施例は、ガラス、石英、サファイア、酸化インジウムスズ（ＩＴＯ）、またはポリカーボネート、ポリアセテート、およびアクリルを含む、ポリマー材料を含む。いくつかの実施形態では、基板１２０５は、可視波長の光に対して透過性であり得る。
【０１４２】
いくつかの実施形態では、整合層１２１０は、例えば、液晶分子との立体相互作用および／または光整合層による液晶分子上に付与される係留エネルギーに起因して、液晶分子に特定の配向またはパターンをとらせる、層であってもよい。整合層１２１０のための材料の実施例は、レジスト（例えば、フォトレジスト）、ポリマー、および樹脂を含む。実施例として、整合層１２１０は、ポリイミド、線形偏光光重合性ポリマー（ＬＰＰ）、アゾ含有ポリマー、クマリン含有ポリマー、およびケイ皮酸含有ポリマーを含んでもよい。好ましくは、整合層１２１０は、重合化可能液晶材料（例えば、反応性メソゲン）を含むことができる。いくつかの実施形態では、整合は、例えば、スピンオンコーティングプロセスまたはジェット堆積によって、基板の主表面上に堆積されてもよい。主表面は、基板の最大面積表面であってもよい、またはそれぞれ、他の表面より大きい面積を有する、一対の同様サイズの対向表面のうちの１つであってもよいことを理解されたい。
【０１４３】
図１３Ｂを参照すると、整合層１２１０が、続いて、パターン化されてもよい。パターンは、液晶偏光格子の所望の格子パターンに対応してもよい（例えば、パターンは、所望のパターンと同じであってもよい、または所望の格子パターンの反転であってもよい）。いくつかの実施形態では、整合層は、光活性化学種を含有してもよく、パターン化は、整合層をそれらの化学種を活性化するための適切な波長を有する光に暴露させることによって、遂行されてもよい。例えば、偏光干渉パターンが、２つの直交円偏光光ビーム（例えば、左周り円偏光光ビーム１２１２ａおよび右周り円偏光光ビーム１２１２ｂ）を生成し、線形偏光光重合化可能ポリマー材料によって形成され得る整合層に、それらの光ビームを指向することによって、整合層１２１０内に記録されてもよい。
【０１４４】
いくつかの他の実施形態では、整合層１２１０は、ナノインプリント技法を使用してパターン化され、表面レリーフナノ構造を整合層１２１０内に作成してもよい。例えば、整合層１２１０は、レジスト材料から形成されてもよく、これは、所望のパターンを整合層の中にインプリントする、インプリントレチクルによって物理的に接触および変形される。いくつかの実施形態では、整合層１２１０は、次いで、光（例えば、ＵＶ光）に暴露され、そのパターン化された層１２１０を硬化または固化させてもよい。
【０１４５】
図１３Ｃを参照すると、液晶材料の層１２１５は、本明細書に議論されるように、パターン化された整合層１２１０上に堆積され、サブ層の中に自己組織化することを可能にし得る。いくつかの実施形態では、液晶材料は、例えば、スピンオンコーティングによって堆積されてもよい。液体材料は、液晶性アクリル等の重合化可能液晶分子を含んでもよい。液晶層１２１５はまた、キラルドーパントを含んでもよい。好ましくは、キラルドーパントは、パターン化された整合層１２１０上に堆積する前に、液晶材料の中に混合される。堆積後、層１２１５の液晶分子は、自己組織化することを可能にされ得、これは、本明細書に開示される種々のサブ層を形成し得る。いくつかの実施形態では、自己組織化は、熱エネルギーの印加によって促進され得る。いくつかの実施形態では、層１２１５の液晶分子は、経時的に（例えば、数時間または数日にわたって）自然に生じる力の下で自己組織化し得る。いくつかの実施形態では、層１２１５の液晶分子の自己組織化が生じる率は、エネルギー、例えば、熱の印加によって増加され得る。層１２１５の厚さおよびキラルドーパントの識別および濃度は、自己組織化の間、液晶分子のための特定の捻転角度を提供するように選択されてもよいことを理解されたい。
【０１４６】
いったん自己組織化が、完了すると、液晶分子の配向および位置は、例えば、それらの分子の重合化によって固定されてもよい。いくつかの実施形態では、重合化は、図１３Ｄに示されるように、液晶材料１２１５へのＵＶ光１２１７の印加によって開始される。
【０１４７】
図１３Ｅに示されるように、付加的液晶層がそれぞれ、次いで、図１３Ｃ−１３Ｄのプロセスを繰り返すことによって、連続的に堆積され、自己組織化され、重合されてもよい。例えば、液晶層１２２０は、直接、液晶層１２１５上に、それと接触して堆積され、自己組織化し、次いで、重合されることを可能にされてもよい。付加的液晶層１２２２は、直接、液晶層１２２０上に、それと接触して堆積され、自己組織化し、次いで、重合されることを可能にされてもよい。本シーケンスは、次いで、さらなる液晶層のために繰り返されてもよい。厚さおよびキラルドーパント濃度または組成は、液晶層１２１５、１２２０、１２２２毎に異なり、本明細書に議論されるように、異なる捻転角度および異なる傾斜角度を提供することができることを理解されたい。いったん重合されると、液晶層１２１５、１２２０、１２２２は、上記に議論される液晶格子１１１０、１１２０、１１３０等の液晶格子を構成してもよいことを理解されたい。
【０１４８】
有利には、各下層液晶層は、その下層と直接接触する上層液晶層のための整合層として作用してもよい。これは、簡略化された加工プロセスフローを提供することができ、また、液晶層間の界面におけるフレネル反射を低減させ得る。
【０１４９】
いくつかの他の実施形態では、付加的整合層が、付加的液晶層を堆積させることに先立って、固定液晶層のうちの１つ以上のものにわたって配置されてもよい。付加的整合層は、図１３Ａおよび１３Ｂに関して上記に議論されるように、堆積およびパターン化されることができる。いくつかの実施形態では、これらの付加的整合層は、パターン化された整合層１２１０と同一パターンを用いてパターン化されてもよい。いくつかの他の実施形態では、これらの付加的整合層は、パターン化された整合層１２１０と異なるパターンを有し、それらの付加的整合層に整合された液晶層のための異なる光操向性質を提供してもよい。
【０１５０】
図１４は、付加的パターン化された整合層１２１１を液晶格子構造１２１５と１２２０との間に有する、液晶格子構造１２１５、１２２０、１２２２の結果として生じるスタックを図示する。いくつかの他の実施形態では、付加的整合層および液晶層は、別個の基板上で処理され、次いで、積層を通して別の基板に移送される。
【０１５１】
いくつかの実施形態では、インプリントテンプレートが、液晶分子を整合させるために使用されてもよい。インプリントテンプレートは、続いて、除去され、それによって、整合層を伴わずに、液晶格子構造の形成を可能にし得る。有利には、インプリントテンプレートは、１回を上回って液晶を整合させるために使用されることができ、これは、個々の基板のための整合層のパターン化プロセスを排除することができる。いくつかの実施形態では、インプリントテンプレートは、中間インプリントテンプレートであってもよく、これは、マスタインプリントテンプレートから複製されたテンプレートであって、マスタインプリントテンプレートの潜在的損傷または汚染を回避するために使用されることができる。図１５Ａ−１５Ｄは、インプリントテンプレートを使用して本明細書に説明される種々の液晶偏光格子構造を製造するための方法を図示する。本方法は、インプリントテンプレート１５１３の表面上の突出部と谷部のパターンに基づいて、液晶層の液晶分子を整合させるステップを含む。上記に述べられたように、インプリントテンプレート１５１３は、整合層１２１０の代わりに使用されてもよく、整合層１２１０に提供されるであろうものに類似するパターンを有してもよい。図１５Ａに描写されるように、液晶材料の層１５１５は、インプリントテンプレート１５１３を用いてインプリントされる。いくつかの実施形態では、層１５１５は、最初に、基板１５０５上に堆積され、層１５１５が、続いて、インプリントテンプレート１５１３内のパターンが層１５１５の中にインプリントされるように、インプリントテンプレート１５１３と接触される。いくつかの他の実施形態では、層１５１５は、入力テンプレート１５１３上に堆積され、次いで、基板１５０５と継合される。液晶材料の層は、限定ではないが、ジェット堆積またはスピンオン堆積を含む、種々の技術を使用して、基板上に堆積されることができることを理解されたい。
【０１５２】
図１５Ａを継続して参照すると、液晶材料の層の分子は、インプリントテンプレート１５１３の表面特徴に基づいて整合（例えば、自己整合または自己組織化）し、所望の格子構造を有する液晶偏光格子をもたらすことができる。本明細書に議論されるように、自己整合は、液晶材料を高温に曝すことによって促進され得る。インプリントテンプレートは、続いて、図１５Ｂに描写されるように、液晶材料の分子が自己整合し、格子構造を伴う液晶材料が重合された（例えば、ＵＶ光への暴露によって）後、液晶層１５１５から分離される。インプリントテンプレートの除去は、凹部のパターンを液晶層１５１５の表面上に残し得ることを理解されたい。いくつかの実施形態では、表面は、平面化プロセス（例えば、化学および／または機械的平面化プロセス）を受け、平面表面を形成してもよい。例えば、平面化層１５２５は、図１５Ｄに示されるように、パターン化された液晶層１５１５にわたって配置されることができる。平面化層１５２５の暴露された表面（例えば、液晶層１５１５に隣接する表面と反対の表面）は、平面化テンプレート（例えば、略平面表面を有するテンプレート）を使用して、化学機械的研磨によって、自己水平化等によって、平面化されることができる。種々の実施形態では、平面化層１５２５は、厚さ約１ｎｍ〜約１００ｎｍを有する、酸化物層を備えることができる。種々の実施形態では、平面化層１５２５は、隔離層として機能するように構成されることができる。代替として、平面化層１５２５は、省略されてもよく、液晶層１５１５の表面上の凹部のパターンは、留保されてもよい。
【０１５３】
付加的液晶層は、図１５Ｃおよび１５Ｄに示されるように、連続して、重合液晶層１５１５にわたって堆積されてもよい。上記に述べられたように、その上に付加的層が堆積される、液晶層１５１５の表面は、平面化されてもよい、またはインプリントテンプレートを形成する凹部のパターンを留保してもよい。凹部のパターンは、続いて、光学的に透過性の充填材（例えば、上記に議論されるような平面化層）で充填されてもよい、または単に、留保されてもよく、付加的液晶層が、凹部の中およびそれにわたって堆積されてもよい。各下層液晶層は、本明細書に開示され、図１５Ｃに描写されるように、上層液晶層１５２０または１５２２の自己整合のためのテンプレートとしての役割を果たし得ることを理解されたい。
【０１５４】
いくつかの他の実施形態では、付加的液晶層のうちの１つ以上のものは、インプリントテンプレートを用いてインプリントされ、重合され、液晶分子の所望の整合をそれらの１つ以上の付加的液晶層１５２０、１５２２、または１５３０内に取得することができる。例えば、図１５Ｄに描写される実施形態では、第２の液晶層１５３０が、平面化層１５２５にわたって配置され、第２のインプリントテンプレートによってインプリントされてもよい。そのような実施形態では、第２の液晶層１５３０は、整合層を有する下層液晶層を使用して取得されるであろうものと異なる配向を有することができる。例えば、異なるインプリントテンプレートは、後続整合層を使用せずに、異なる傾斜角度を有する液晶格子のスタックを形成するために利用されてもよい。いくつかの実施形態では、液晶格子構造１５１５、１５２０、１５２２のスタックは、各層が、近傍層と直接接触して、異なる傾斜角度を有するように形成されてもよい。
【０１５５】
種々の実施形態は、結像システムおよびデバイス、ディスプレイシステムおよびデバイス、空間光変調器、液晶ベースのデバイス、偏光器、波ガイドプレート等の種々の用途において実装される、またはそれと関連付けられてもよいことが検討される。本明細書に説明される構造、デバイス、および方法は、特に、拡張および／または仮想現実のために使用され得る、ウェアラブルディスプレイ（例えば、頭部搭載型ディスプレイ）等のディスプレイにおいて使用を見出し得る。より一般的には、説明される実施形態は、運動（ビデオ等）または定常（静止画像等）下にあるかどうかにかかわらず、かつテキスト、グラフィック、または写真であるかどうかにかかわらず、画像を表示するように構成され得る、任意のデバイス、装置、またはシステム内に実装されてもよい。しかしながら、説明される実施形態は、限定ではないが、携帯電話、マルチメディアインターネット対応セルラー電話、モバイルテレビ受信機、無線デバイス、スマートフォン、Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ（登録商標）デバイス、携帯情報端末（ＰＤＡ）、無線電子メール受信機、ハンドヘルドまたはポータブルコンピュータ、ネットブック、ノートブック、スマート書籍、タブレット、プリンタ、コピー機、スキャナ、ファックスデバイス、全地球測位システム（ＧＰＳ）受信機／ナビゲータ、カメラ、デジタルメディアプレーヤ（ＭＰ３プレーヤ等）、カムコーダ、ゲームコンソール、腕時計、置時計、計算機、テレビモニタ、フラットパネルディスプレイ、電子読取値デバイス（例えば、電子読取機）、コンピュータモニタ、自動ディスプレイ（オドメータおよび速度計ディスプレイ等を含む）、コックピット制御および／またはディスプレイ、カメラビューディスプレイ（車両内のリアカメラのディスプレイ等）、電子写真、電子広告板または標識、プロジェクタ、アーキテクチャ構造、電子レンジ、冷蔵庫、ステレオシステム、カセットレコーダまたはプレーヤ、ＤＶＤプレーヤ、ＣＤプレーヤ、ＶＣＲ、無線、ポータブルメモリチップ、洗濯機、乾燥機、洗濯乾燥機、パーキングメータ、頭部搭載型ディスプレイ、および種々の結像システム等の種々の電子デバイス内に含まれる、またはそれと関連付けられてもよいことが検討される。したがって、本教示は、図に描写される実施形態のみに限定されず、代わりに、当業者に容易に明白となるであろう広可用性を有することを意図する。
【０１５６】
本開示に説明される実施形態の種々の修正は、当業者に容易に明白となり得、本明細書に定義される一般的原理は、本開示の精神または範囲から逸脱することなく、他の実施形態に適用されてもよい。種々の変更が、本発明の真の精神および範囲から逸脱することなく、説明される本発明に成されてもよく、均等物が、代用されてもよい。加えて、特定の状況、材料、組成物、プロセス、プロセスの行為またはステップを、本発明の目的、精神、または範囲に適合させるように、多くの修正が行われてもよい。全てのそのような修正は、本開示と関連付けられる請求項の範囲内であることを目的としている。
【０１５７】
単語「例示的」は、本明細書では、「実施例、事例、または例証としての役割を果たす」ことを意味するように排他的に使用される。「例示的」として本明細書に説明される任意の実施形態は、必ずしも、他の実施形態より好ましいまたは有利であるものとして解釈されない。加えて、当業者は、用語「上側」および「下側」、「上方」および「下方」等が、時として、図を説明する容易性のために使用され、適切に配向されたページ上の図の配向に対応する相対的位置を示し、本明細書に説明される構造の配向をそれらの構造が実装される通りに反映しない場合があることを容易に理解するであろう。
【０１５８】
別個の実施形態のコンテキストにおいて本明細書に説明されるある特徴はまた、単一実施形態において組み合わせて実装されることができる。逆に言えば、単一実施形態のコンテキストに説明される種々の特徴はまた、複数の実施形態において別個に、または任意の好適な副次的組み合わせにおいて実装されることもできる。さらに、特徴は、ある組み合わせにおいて作用するように上記に説明され、さらに、最初に、そのように請求され得るが、請求される組み合わせからの１つ以上の特徴は、ある場合には、組み合わせから外れることができ、請求される組み合わせは、副次的組み合わせまたは副次的組み合わせの変形例を対象とし得る。
【０１５９】
同様に、動作は、特定の順序で図面に描写されるが、これは、望ましい結果を達成するために、そのような動作が示される特定の順序または順次順序で実施されること、または全ての図示される動作が実施されることを要求するものと理解されるべきではない。さらに、図面は、１つ以上の例示的プロセスをフロー図の形態で図式的に描写し得る。しかしながら、描写されない他の動作も、図式的に図示される例示的プロセス内に組み込まれることができる。例えば、１つ以上の付加的動作が、図示される動作のいずれかの前、後、それと同時に、またはそれらの間に実施されることができる。ある状況では、マルチタスクおよび並列処理が、有利であり得る。さらに、上記に説明される実施形態における種々のシステムコンポーネントの分離は、全ての実施形態においてそのような分離を要求するものとして理解されるべきではなく、説明されるプログラムコンポーネントおよびシステムは、概して、単一ソフトウェア製品内でともに統合される、または複数のソフトウェア製品の中にパッケージ化されることができることを理解されたい。加えて、他の実施形態も、以下の請求項の範囲内である。ある場合には、請求項に列挙されるアクションは、異なる順序で実施され、依然として、望ましい結果を達成することができる。
【０１６０】
本発明は、本デバイスを使用して行われ得る方法を含む。本方法は、そのような好適なデバイスを提供するという行為を含んでもよい。そのような提供は、ユーザによって行われてもよい。換言すれば、「提供する」行為は、本方法において必須デバイスを提供するように、取得し、アクセスし、接近し、位置付けし、設定し、起動し、電源を入れ、または別様に作用することをエンドユーザに要求する。本明細書で記載される方法は、論理的に可能である記載された事象の任意の順序で、および事象の記載された順序で実行されてもよい。
【０１６１】
本発明の例示的側面が、材料選択および製造に関する詳細とともに、上記で記載されている。本発明の他の詳細に関して、これらは、上記の参照された特許および公開に関連して理解されるとともに、概して、当業者によって把握または理解され得る。同じことが、一般的または理論的に採用されるような付加的な行為の観点から、本発明の方法ベースの側面に関して当てはまり得る。
【０１６２】
加えて、本発明は、種々の特徴を随意に組み込む、いくつかの実施例を参照して説明されているが、本発明は、本発明の各変形例に関して考慮されるように説明または指示されるものに限定されるものではない。種々の変更が、説明される本発明に行われてもよく、本発明の真の精神および範囲から逸脱することなく、（本明細書に記載されるか、またはいくらか簡潔にするために含まれないかどうかにかかわらず）均等物が置換されてもよい。加えて、値の範囲が提供される場合、その範囲の上限と下限との間の全ての介在値、およびその規定範囲内の任意の他の規定または介在値が、本発明内に包含されることが理解される。
【０１６３】
また、本明細書で説明される発明の変形例の任意の随意的な特徴が、独立して、または本明細書で説明される特徴のうちのいずれか１つ以上の特徴と組み合わせて、記載および請求され得ることが考慮される。単数形の項目の言及は、複数の同一項目が存在する可能性を含む。より具体的には、本明細書で、およびそれに関連付けられる請求項で使用されるように、「１つの（ａ、ａｎ）」、「前記（ｓａｉｄ、ｔｈｅ）」という単数形は、特に別様に記述されない限り、複数の指示対象を含む。換言すると、冠詞の使用は、上記の説明および本開示と関連付けられる請求項で、対象項目の「少なくとも１つ」を可能にする。さらに、そのような請求項は、任意の随意的な要素を除外するように起草され得ることに留意されたい。したがって、この記述は、請求項要素の記載に関連する「だけ」、「のみ」、および同等物等のそのような排他的用語の使用、または「否定的」制限の使用のための先行詞としての機能を果たすことを目的としている。
【０１６４】
そのような排他的用語を使用することなく、本開示と関連付けられる請求項での「備える」という用語は、所与の数の要素がそのような請求項で列挙されるか、または特徴の追加をそのような請求項に記載される要素の性質を変換するものと見なすことができるかどうかにかかわらず、任意の付加的な要素の包含を可能にするものとする。本明細書で特に定義される場合を除いて、本明細書で使用される全ての技術および科学用語は、請求項の有効性を維持しながら、可能な限り広義の一般的に理解されている意味を与えられるものである。
【０１６５】
本発明の範疇は、提供される実施例および／または本明細書に限定されるものではなく、むしろ、本開示と関連付けられる請求項の範囲のみによって限定されるものとする。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図５Ｃ】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９Ａ】
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【図９Ｂ】
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【図９Ｃ】
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【図１０Ａ】
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【図１０Ｂ】
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【図１１】
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【図１２Ａ】
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【図１２Ｂ】
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【図１２Ｃ】
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【図１２Ｄ】
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【図１３−１】
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【図１３−２】
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【図１４】
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【図１５Ａ】
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【図１５Ｂ】
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【図１５Ｃ】
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【図１５Ｄ】
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【国際調査報告】
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