(57)【要約】ポリクロマトによって、スペクトル成分を組み合わせるため、または分離するための方法および装置。ポリクロマトは、各々が別個の源から導出される複数のビームを単一出力ビームに組み合わせ、それによって、出力ビームの強度、色、色均一性、発散角、光平行性、偏光、焦点、またはビームウェストのうちの１つ以上の規定を提供するために採用される。源およびポリクロマトの組み合わせは、プライバシー強化ディスプレイとしての役割を果たし得、複数のスペクトル成分の信号を多重化する。本発明の他の実施形態では、ポリクロマトは、分光学的または逆多重化用途のために、スペクトル成分を分光する役割を果たす。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
色組み合わせ装置であって、
ａ．複数の照明源であって、前記複数の照明源の各々は、個別のスペクトル範囲によって特徴付けられているビームを放出し、前記複数のビームは、一組のビームを備えている、照明源と、
ｂ．ポリクロマトと
を備え、前記ポリクロマトは、前記複数の照明源による前記ポリクロマトの照明に応じて、少なくとも１つの体積中の光出力特性を規定するように適合されている、装置。
【請求項２】
前記ポリクロマトは、前記複数の照明源による前記ポリクロマトの照明に応じて、複数の体積中の光出力特性を規定するように適合されている、請求項１に記載の色組み合わせ装置。
【請求項３】
前記複数の体積のうちの少なくとも２つにおいて指定された前記光出力特性は、相互に個別の光出力特性である、請求項２に記載の色組み合わせ装置。
【請求項４】
前記ポリクロマトは、前記一組のビームを出力ビームに組み合わせるように適合されている、請求項１に記載の色組み合わせ装置。
【請求項５】
前記ポリクロマトは、前記出力ビームの伝播方向を規定するように適合されている、請求項１に記載の色組み合わせ装置。
【請求項６】
前記ポリクロマトは、空間の指定された体積中の光の少なくとも１つの特性を規定するように適合され、前記１つの特性は、
（ｉ）強度と、
（ｉｉ）色と、
（ｉｉｉ）色均一性と、
（ｉｖ）偏光と
を含む特性群から選択される、請求項１に記載の色組み合わせ装置。
【請求項７】
前記ポリクロマトは、前記出力ビームの少なくとも１つの特性を規定するように適合され、前記１つの特性は、
（ｉ）強度と、
（ｉｉ）色と、
（ｉｉｉ）色均一性と、
（ｉｖ）発散角と、
（ｖ）光平行性と、
（ｖｉ）偏光と、
（ｖｉｉ）焦点と、
（ｖｉｉｉ）ビームウェストと
を含む特性群から選択される、請求項４に記載の色組み合わせ装置。
【請求項８】
前記照明源のそれぞれの前記個別のスペクトル範囲は、実質的に、スペクトル的に重複していない、請求項１に記載の色組み合わせ装置。
【請求項９】
各照明源と前記ポリクロマトとの間に配置されているコンピュータ生成ホログラフィックプレートをさらに備えている、請求項１に記載の色組み合わせ装置。
【請求項１０】
前記複数の源は、非平面基板上に配置されている、請求項１に記載の色組み合わせ装置。
【請求項１１】
各光源を独立して制御するための少なくとも１つのコントローラをさらに備えている、請求項１に記載の色組み合わせ装置。
【請求項１２】
前記複数の源のサブセットは、最大で前記複数の源の全体まで、共通電極を共有している、請求項１に記載の色組み合わせ装置。
【請求項１３】
前記ポリクロマトは、透明材料上に製造されている、請求項１に記載の色組み合わせ装置。
【請求項１４】
前記ポリクロマトは、吸収材料上に製造されている、請求項１に記載の色組み合わせ装置。
【請求項１５】
前記ポリクロマトは、透過モードで動作するように適合されている、請求項１に記載の色組み合わせ装置。
【請求項１６】
前記ポリクロマトは、反射モードで動作するように適合されている、請求項１に記載の色組み合わせ装置。
【請求項１７】
前記ポリクロマトは、二元またはマルチレベルであるか、または、勾配屈折率分布を有している、請求項１に記載の色組み合わせ装置。
【請求項１８】
前記ポリクロマトは、ポリクロマトの寄木張りを含む、請求項１に記載の色組み合わせ装置。
【請求項１９】
プライバシー強化ディスプレイであって、
ａ．電磁放射を放出する複数の源画素であって、各源画素は、発散角によって特徴付けられている、複数の源画素と、
ｂ．各画素に隣接して配置されているポリクロマトと
を備え、前記ポリクロマトは、前記源画素の遠位の位置から見た場合の放射の視野を狭くする、ディスプレイ。
【請求項２０】
高効率ＬＣＤディスプレイであって、
ａ．偏光背面照明源と、
ｂ．実質的に平面に配置されている複数のＬＣＤ画素と、
ｃ．前記偏光背面照明源と前記ＬＣＤ画素の平面との間に配置されているポリクロマトと
を備え、前記ポリクロマトは、前記背面照明をある一定のスペクトル成分に分離する、ディスプレイ。
【請求項２１】
色を組み合わせる方法であって、
ａ．複数の源からの電磁放射によってポリクロマトを照射することであって、各源は、個別のスペクトル範囲によって特徴付けられている、ことと、
ｂ．前記ポリクロマトから出現する放射が、指定された色、出力均一性、および光平行性を有するように、前記複数の源からの前記電磁放射を組み合わせることと
を含む、方法。
【請求項２２】
出力ビーム空間分布を制御し、所望のパターンまたはテクスチャを生成することをさらに含む、請求項２１に記載の方法。
【請求項２３】
光学信号を多重化すること、および、逆多重化することのうちの少なくとも１つのための方法であって、
ａ．複数の源からの電磁放射によってポリクロマトを照射することであって、各源は、個別のスペクトル範囲によって特徴付けられ、個別のスペクトル成分を放出する、ことと、
ｂ．出力を有する光学導管内に結合するために、前記複数の源からの電磁放射を組み合わせることと、
ｃ．前記電磁放射を前記個別のスペクトル成分に分離するために、前記光学導管の出力を第２のポリクロマトに結合することと
を含む、方法。
【請求項２４】
高分解能撮像のための方法であって、
ａ．試料の放射を励起することであって、前記放射は、個別の機能性を示す複数のスペクトル成分から成る、ことと、
ｂ．ポリクロマトによって、前記複数のスペクトル成分を分離することと、
ｃ．前記個別のスペクトル成分を別個に撮像することと
を含む、方法。
【請求項２５】
光入力のスペクトル成分を分光するための分光要素を有する分光計に対する改良であって、前記改良は、前記ポリクロマトとの分光要素の置換を含む、改良。
【請求項２６】
前記ポリクロマトは、指定された回折効率を達成するために最適化されている、請求項２５に記載の改良型分光計。
【請求項２７】
前記ポリクロマトは、スペクトル帯を指定された検出器画素上に方向付けるように最適化されている、請求項２５に記載の改良型分光計。
【請求項２８】
前記ポリクロマトは、指定された回折次数を抑制するように最適化されている、請求項２５に記載の改良型分光計。
【請求項２９】
前記ポリクロマトは、前記分光計の入力光の受光を増加させるように最適化されている、請求項２５に記載の改良型分光計。
【請求項３０】
前記ポリクロマトは、出力回折光学素子としての役割を果たし、回折光を前記検出器アレイ上に集束する、請求項２５に記載の改良型分光計。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本願は、米国仮特許出願第６１／４０４，０６２号（２０１０年９月２７日出願）からの優先権を主張する。該出願は、参照により本明細書に援用される。
【０００２】
（技術分野）
本発明は、光のスペクトル成分を組み合わせるためまたは分離するための装置および方法に関し、より具体的には、それらの目的のいずれかのためのポリクロマト（ｐｏｌｙｃｈｒｏｍａｔ商標名））の使用に関する。
【背景技術】
【０００３】
色混合は、街路および自動車用照明灯から、住居用のＬＣＤディスプレイおよび娯楽用照明灯に及ぶ、種々の用途のための白色光照明を達成するために不可欠である。白色光は、典型的には、青色光によって、赤色および緑色光を放出する蛍光体材料を照射することによって達成される。３色が組み合わせられると、全体的に放出される光は、白色に見える。そのようなアプローチは、図１に描写されており、ｐ−ｎ接合部から放出される青色光１０１は、赤色１０３および緑色１０４光を放出する蛍光体１０２を照射する。３色の組み合わせは、白色光を生成する。
【０００４】
別々の色の光を組み合わせるための前述のアプローチは、３つの主な不利点に悩まされる。
・蛍光体は、経時的に、劣化する傾向がある。これは、色出力寿命ならびに素子の全体的効率に悪影響を及ぼす。
・全体的素子は、通常の３色ＬＥＤシステムより低い効率を有する。これは、主に、ストークスシフト（非弾性散乱）からの熱損失および蛍光体関連劣化問題のためである。故に、ＬＥＤの高い固有の効率は、達成されない。
【０００５】
・システムは、色安定性およびレンダリング不良に悩まされる。高品質照明灯のための色制御は、異なる色における相対的光出力を制御することがほぼ不可能であるので、本アプローチでは、困難である。
【０００６】
白色光の生成に対する別のアプローチは、赤色、緑色、および青色（ＲＧＢ）の原色において、３つの別個のＬＥＤを採用するものである。これは、各色における強度の独立制御を可能にし、故に、出力光に遥かに良好な色域をもたらす。最も単純な場合には、３つのＬＥＤは、単に、単一の密閉されたケース内にパッケージングされる。高効率３色混合の方法は、提案されていないため、３色は、伝播の過程で混合し、白色光が、産生される。これは、白色-光出力において、有意な非均一性をもたらし、白色光の品質を制御することは、困難である。拡散器の使用を伴う、色混合方法は、拡散器中の光の吸収および散乱のため、固有の効率損失に悩まされる。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の実施形態は、照明灯、ディスプレイ、分光法、および関連用途における、非常に効率的色混合のために、発光ダイオード等の色光源と併用した、ポリクロマトの使用を提供する。
【０００８】
本発明の好ましい実施形態によると、色組み合わせ装置は、複数の照明源を有するように提供され、各照明源は、個別のスペクトル範囲によって特徴付けられている、ビームを放出する。同時に、ビームは、一組のビームを構成すると言える。装置はまた、複数の照明源によるポリクロマトの照明に応じて、少なくとも１つの体積中の光出力特性を規定するように適合されている、ポリクロマトを有する。
【０００９】
本発明の種々の実施形態では、ポリクロマトは、複数の照明源によるポリクロマトの照明に応じて、１つの体積中だけではなく、複数の体積中の光出力特性を規定するように適合される。複数の体積のうちの少なくとも２つにおいて指定された光出力特性は、相互に個別の光出力特性であり得る。
【００１０】
本発明の他の実施形態では、ポリクロマトは、一組のビームを出力ビームに組み合わせるように適合され得る。ポリクロマトはさらに、出力ビームの伝播方向を規定するように適合され得る。
【００１１】
本発明のさらなる実施形態では、ポリクロマトは、空間の指定された体積中の光の少なくとも１つの特性を規定するように適合され得、１つの特性は、（ｉ）強度、（ｉｉ）色、（ｉｉｉ）色均一性、および（ｉｖ）偏光を含む特性群から選択される。出力ビームが形成される場合、ポリクロマトは、出力ビームの少なくとも１つの特性を規定するように適合され得、１つの特性は、（ｉ）強度、（ｉｉ）色、（ｉｉｉ）色均一性、（ｉｖ）発散角、（ｖ）光平行性、（ｖｉ）偏光、（ｖｉｉ）焦点、および（ｖｉｉｉ）ビームウェストを含む特性群から選択される。
【００１２】
本発明のなおもさらなる実施形態では、それぞれの照明源の個別のスペクトル範囲は、実質的に、スペクトル的に重複しないことがある。色組み合わせ装置はまた、各照明源とポリクロマトとの間に配置されている、コンピュータ生成ホログラフィックプレートを有し得る。複数の源は、非平面基板上に配置され得るが、そうである必要はない。少なくとも１つのコントローラが、独立して、各光源を制御するために提供され得る。複数の源のサブセットは、最大でその全体まで、共通電極を共有し得る。ポリクロマトは、透明材料または吸収材料上に製造され得る。透過モードまたは反射モードで動作するように適合され得る。二元、マルチレベルであるか、または勾配屈折率分布を有し得る。ポリクロマトはまた、ポリクロマトの寄木張りを含み得る。
【００１３】
本発明の別の実施形態は、電磁放射を放出する、複数の源画素であって、各々が発散角によって特徴付けられている、画素と、源画素の遠位の位置から見た場合、放射の視野を狭くするために、各画素に隣接して配置されているポリクロマトとを有するプライバシー強化ディスプレイを提供する。
【００１４】
本発明のさらに別の実施形態は、偏光背面照明源と、実質的に、平面に配置されている複数のＬＣＤ画素と、背面照明をあるスペクトル成分に分離するために、偏光背面照明源とＬＣＤ画素の平面との間に配置されているポリクロマトとを有する高効率ＬＣＤディスプレイを提供する。
【００１５】
本発明の別の側面によると、色を組み合わせる方法が提供される。方法は、
ａ．複数の源からの電磁放射によって、ポリクロマトを照射するステップであって、各源は、個別のスペクトル範囲によって特徴付けられている、ステップと、
ｂ．ポリクロマトから出現する放射が、指定された色ならびに出力均一性および光平行性を有するように、複数の源からの電磁放射を組み合わせるステップと、
を有する。
【００１６】
本発明の代替実施形態では、出力ビーム空間分布を制御し、所望のパターンまたはテクスチャを生成するさらなるステップが存在し得る。
【００１７】
本発明のなおも別の側面によると、光学信号の多重化および逆多重化のうちの少なくとも１つの方法が提供される。方法は、
ａ．複数の源からの電磁放射によって、ポリクロマトを照射するステップであって、各源は、個別のスペクトル範囲によって特徴付けられ、個別のスペクトル成分を放出する、ステップと、
ｂ．出力を有する光学導管中に結合するために、複数の源からの電磁放射を組み合わせるステップと、
ｃ．電磁放射を個別のスペクトル成分に分離するために、光学導管の出力を第２のポリクロマトに結合するためのステップと、
を有する。
【００１８】
本発明のさらなる側面では、
ａ．試料中の放射を励起するステップであって、放射は、個別の機能性を示す、複数のスペクトル成分から成る、ステップと、
ｂ．ポリクロマトによって、複数のスペクトル成分を分離するステップと、
ｃ．個別のスペクトル成分を別個に撮像するステップと、
を伴う、高分解能撮像の方法が提供される。
【００１９】
本発明の別の実施形態によると、改良が、光入力のスペクトル成分を分光するための分光要素を有する分光計に提供され、改良は、ポリクロマトとの分光要素の置換を含む。ポリクロマトは、指定された回折効率を達成するために、またはスペクトル帯を指定された検出器画素上に方向付けるように最適化され得る。ポリクロマトは、指定された回折次数を抑制し、分光計の入力光の受光を増加させるように最適化され得る。ポリクロマトはまた、出力回折光学素子としての役割を果たし、回折光を検出器アレイ上に集束し得る。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
本特許または出願は、カラーで実行される少なくとも１つの図面を含む。カラー図面を伴う本特許の複写は、要請に応じて、かつ必要料金の支払に伴って、特許商標庁によって提供されるであろう。
【００２１】
本発明の前述の特徴は、付随の図面を参照して検討される、以下の発明を実施するための形態からより容易に理解されるであろう。
【図１】図１は、色混合出力をもたらす、他の色成分の生成のための青色源および蛍光体を伴う、先行技術ＬＥＤを図式的に描写する。
【図２】図２は、本発明の一実施形態による、光源（ＬＥＤ等）のアレイからの異なる色の光が、光を予調整する、一組の中間コンピュータ生成ホログラム（ＣＧＨ）を照射し、次いで、ポリクロマトを照射し、色を混合し、色混合出力を生成する、色混合システムの一実施形態の概略図である。
【図３】図３は、本発明の別の実施形態による、直接、色混合を行うように設計されたポリクロマトを照射する、非平面基板上に搭載された光源を描写する。
【図４】図４（ａ）および４（ｂ）は、本発明の種々の実施形態による、それぞれ、各源のための別個の底部電極と、全源のための共通底部電極を伴う、源の構成の断面図を描写する。
【図５】図５は、図２の幾何学形状に基づく、本発明のある実施形態による、ＲＧＢ色混合システムにおいて使用される、最適化された中間ＣＧＨのための位相マップである。
【図６】図６は、図２の幾何学形状に基づく、本発明のある実施形態による、ＲＧＢ色混合システムにおいて使用される、最適化されたポリクロマトのための高さマップである。
【図７】図７は、独立して、本発明のある実施形態による、ポリクロマトの１ｍｍ背後に配置された平面における、各スペクトルチャネルのためのシミュレートされた出力強度分布を描写する。
【図８】図８は、本発明のある実施形態による、シミュレートされた色混合出力強度分布を描写する。
【図９】図９は、本発明のある実施形態による、シミュレートされた「テクスチャ化」出力強度分布を描写する。
【図１０】図１０は、本発明のある実施形態による、ディスプレイのプライバシー強化を示す。
【図１１】図１１（ａ）は、従来のディスプレイを示し、図１１（ｂ）は、ポリクロマトベースのディスプレイを示し、図１１（ｃ）は、本発明の実施形態による、ＲＧＢ色を別個のＬＣＤ画素に分離する、ポリクロマトブロックを示す。
【図１２】図１２は、本発明の実施形態による、回折限界未満分解能撮像と関連した、色分離のためのポリクロマトの使用を示す。
【図１３】図１３は、多重化および逆多重化の両ステップにおける、光相互接続のためのポリクロマトを示す。
【図１４】図１４（ａ）は、入力光を分光するための回折格子に基づく、先行技術の従来の分光計を示す。図１４（ｂ）は、本発明の実施形態による、分光要素の代わりのポリクロマトの使用を示す。
【図１５】図１５（ａ）は、走査光学ビームリソグラフィおよびナノインプリントリソグラフィを使用する複製に基づく、ポリクロマト製造のステップ、（ａ）二元構造のための従来の方法、（ｂ）マルチレベル構造のためのグレースケール方法、（ｃ）複製プロセス、（ｄ）および（ｅ）は、すべて、本発明の実施形態による、グレースケール技法を使用して製造される、ブレーズド格子および円柱マイクロレンズの走査電子顕微鏡写真を示す。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
定義。本説明および付随の請求項において使用される場合、以下の用語は、文脈によって別様に要求されない限り、示される意味を有するものとする。
【００２３】
用語「ポリクロマト」は、構造化表面または不均質屈折率によって特徴付けられ、非周期的であり、回転対称がない複数の波長回折光学素子をもたらす、固体媒体を指すものとする。回折光学素子は、ある実施形態では、二元またはマルチレベル位相光学素子であり得るが、しかしながら、本発明は、そのように限定されない。ポリクロマトの実施例ならびにその設計および製造に関連する教示は、米国出願公開第２０１０−００９７７０３号（Ｍｅｎｏｎ、以下、「Ｍｅｎｏｎ‘７０３出願」）、およびｈｔｔｐ：／／ｄｓｐａｃｅ．ｍｉｔ．ｅｄｕ／ｈａｎｄｌｅ／１７２１．１／５７６９６から入手可能なＤｏｍｉｎｇｕｅｚ−Ｃａｂａｌｌｅｒｏ，”Ｄｅｓｉｇｎ  ａｎｄ  Ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ  ｏｆ  ｔｈｅ  Ｈｏｌｏｇｒａｐｈｉｃ  Ｐｒｏｃｅｓｓ  ｆｏｒ  Ｉｍａｇｉｎｇ  ａｎｄ  Ｌｉｔｈｏｇｒａｐｈｙ，”  Ｐｈ．Ｄ．Ｔｈｅｓｉｓ，Ｍａｓｓａｃｈｕｓｅｔｔｓ  Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ  ｏｆ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｆｅｂｒｕａｒｙ，２０１０において見出され得る（両方とも、参照することによって本明細書に組み込まれる）。
【００２４】
用語「二元回折要素」は、平面位相面を有するビームが、光学要素を通しての透過またはそこからの反射に応じて、ビームの伝播方向に横断する平面におけるあらゆる位置において、２つの位相シフトのうちの１つを被る特性を有する光学要素を指すものとする。
【００２５】
用語「マルチレベル回折要素」は、平面位相面を有するビームが、光学要素を通しての透過またはそこからの反射に応じて、ビームの伝播方向に横断する平面におけるあらゆる位置において、複数の位相シフトのうちの１つを被る特性を有する、光学要素を指すものとする。一例は、連続的類似ブレーズの代わりに、量子化段階表面を有する回折格子である。
【００２６】
本明細書で使用される場合、複数のビームが、「個別のスペクトル範囲」を有すると言われる場合、そのスペクトル範囲は、部分的に、重複し得る。
【００２７】
本発明によると、方法および装置は、例えば、照明灯、ディスプレイ、および関連用途の目的のために採用される、超高効率色混合を提供する。本明細書に説明される方法および装置は、本明細書では、ポリクロマトと称される光学要素の使用を伴い、ポリクロマトは、複数の入力色を混合すること、より具体的には、３つ以上の入力色を組み合わせ、高効率および色安定性を伴う白色（または、他の色の）光の均一出力ビームを生成することと、出力ビームの光学特性を調整することとを可能にする。
【００２８】
本発明の第１の実施形態は、図２の概略的描写を参照して説明される。図２に描写される幾何学形状では、一組の中間コンピュータ生成ホログラム（ＣＧＨ）２０５が、源２０１、２０２、および２０３によって放出される光の方向転換および予調整を補助するために使用される。源のうち、１つは、典型的には、赤色２０１、１つは、緑色２０２、１つは、青色２０３であるが、照明の任意の他のスペクトル組み合わせが、本発明の範囲内である。各ＣＧＨ２０５は、その対応する動作波長のために最適化され、高回折効率を達成する。高回折効率のためのＣＧＨの最適化は、Ｄｏｍｉｎｇｕｅｚ−Ｃａｂａｌｌｅｒｏ（２０１０），ｐｐ．４７−９２およびＤｏｍｉｎｇｕｅｚ−Ｃａｂａｌｌｅｒｏ  ｅｔ  ａｌ．，Ｄｅｓｉｇｎ  ａｎｄ  ｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙ  ａｎａｌｙｓｉｓ  ｏｆ  Ｆｒｅｓｎｅｌ  ｄｏｍａｉｎ  ｃｏｍｐｕｔｅｒ  ｇｅｎｅｒａｔｅｄ  ｈｏｌｏｇｒａｍｓ，Ｉｎｔ．Ｊ．Ｎａｎｏｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ，ｖｏｌ．６，ｐｐ．２０７−１８（２０１０）（参照することによって本明細書に組み込まれる）に教示されている。中間ＣＧＨによる光回折は、ポリクロマト２１０を照射し、その回折パターンは、次いで、設計者によって規定されるような、色混合出力照明２１５を生成する。出力照明２１５のスペクトル成分の各々は、実質的に、同時に平行化されるが、光平行性、強度均一性、レンダリング、および色安定性等の出力ビーム２１５の種々の特性は、ポリクロマト要素の適切な設計および最適化によって、正確に制御することができることを理解されたい。そのような適切な設計および最適化は、Ｍｅｎｏｎ‘７０３出願およびＤｏｍｉｎｇｕｅｚ−Ｃａｂａｌｌｅｒｏ（２０１０）に教示されている。
【００２９】
次に、本発明の代替実施形態が、図３を参照して説明される。光源３０１、３０２、および３０３は、非平面基板３０５上に搭載する等によって、非同一平面様式に配置される。源のうち、１つは、典型的には、赤色３０１、１つは、緑色３０２、１つは、青色３０３であるが、照明の任意の他のスペクトル組み合わせが、本発明の範囲内である。光源３０１−３０３の放出は、典型的には、電磁スペクトルの可視部分においてであるが、本明細書に提供される教示による、装置および方法は、限定ではないが、マイクロ波、サブミリ波、赤外線、および紫外線を含む、スペクトルの他の部分において採用され得ることを理解されたい。非同一平面搭載により、中間ＣＧＨは、要求されない。光源からの直接出力は、ポリクロマト３１０を照射し、ポリクロマト３１０は、色混合を行い、混合された出力ビーム３１５をもたらすように設計される。
【００３０】
（色制御）
本発明による、方法および装置は、有利には、以前に可能であったものより、出力光に対して、さらなる制御をもたらし得る。アレイ内の光源３０１、３０２、３０３（ＬＥＤ等）の各々は、独立して、各ＬＥＤが、電気的に結合される、１つ以上のコントローラ３１８によって制御することができる。例えば、赤色、緑色、および青色ＬＥＤのそれぞれからの光出力は、独立して、ＬＥＤ入力電流を制御することによって制御され得る。これは、指定された比率において、原色を産生させ、それによって、白色光を含む、色の非常に広い動的範囲を達成可能にする。この場合、ポリクロマトは、好ましくは、３原色のための均等かつ高効率に反応するように設計される。特に、ポリクロマトは、光源が、空間的に交互され、色を適切に混合する事実を考慮するように設計される。
【００３１】
（素子構造）
光源２０１、２０２、および２０３は、示されるように、単一基板に統合され、または図４（ａ）および４（ｂ）における断面図に例証されるように、単に、個別要素の組み合わせであり得る。底部電極４０１、４０２、４０３、および上部電極４０４は、図４（ａ）に示されるように、絶縁体４０６によって、各源に対して分離され得、または代替として、共通底部電極４０５が、図４（ｂ）に示されるように、使用され得る。基板自体が、底部電極としても使用され得る。別個の電極は、源が、独立して、底部電極および埋設導電線を介して、接続される場合、有用である。埋設線は、放出された光への干渉を阻止するために好ましい。
【００３２】
（ポリクロマト）
ポリクロマト２１０（図２に図示）は、所与の一組の入力光ビームに対して、所望の色混合、および平行化または特定のビームの発散等のビーム成形を行うように数値的に設計される光学要素であり、好ましくは、平坦である。加えて、ポリクロマトは、均一（平坦上部）または非均一（例えば、ガウス）出力強度分布を生成するように柔軟に設計することができる。ポリクロマトは、非制限または制限３次元空間領域内の光を調整するように設計することができる。１つ以上の出力領域が、規定され得る。指定された体積領域内の強度分布の規定を達成するためのポリクロマトの設計は、Ｍｅｎｏｎ‘７０３出願およびＤｏｍｉｎｇｕｅｚ−Ｃａｂａｌｌｅｒｏ（２０１０）の教示において、完全に説明されている。ポリクロマトによって提供される追加の自由度は、異なる要件および制約に曝される、広範囲の用途に対して、それを好適なものにする。
【００３３】
本発明の好ましい実施形態によると、ポリクロマト２１０は、ガラス等の基板上のマイクロまたはナノ構造波形から成る。波形の場所および高さは、Ｄｏｍｉｎｇｕｅｚ−Ｃａｂａｌｌｅｒｏ（２０１０）に説明されるように、選択された幾何学形状および標的用途によって与えられる、一組の制約に影響される、非線形最適化アルゴリズムに基づいて決定される。例えば、図２に示される幾何学形状に対して、最適化問題は、２つの部分に分割され、一方は、中間ＣＧＨの最適化、他方は、ポリクロマトの最適化を伴う。これらの２つの最適化ブロックは、全体的システム効率を改良するために、一緒に結合することができる。実施例として、図５は、中心波長：λ＝６５０ｎｍ（赤色）、λ＝５３０ｎｍ（緑色）、およびλ＝４８０ｎｍ（青色）を伴う、ＲＧＢシステムのために設計された３つの中間ＣＧＨに対して最適化された位相マップを示す。中間ＣＧＨも、基板上のマイクロ／ナノ構造波形から成る。波形の物理的高さは、下式に従う結果として生じる位相マップに関連する。
【００３４】
【数１】
2013546117.tif 000003
【００３５】
式中、Ｔ（ｘ、ｙ）は、波形の高さマップであり、Φ（ｘ、ｙ）は、位相マップであり、ｎ２およびｎ１は、それぞれ、基板および周囲媒体の屈折率である。本発明の好ましい実施形態では、ＣＧＨ２０５（図２に図示）は、画素ピッチ０．５ μｍを伴う、１００μｍ×１００μｍのサイズであり、ＬＥＤ源から約１ｍｍ離れて設置される。ＬＥＤ源は、好ましくは、１５μｍ×１５μｍのサイズであり、約２００μｍ離間して線状に配列される。
【００３６】
最適化されたポリクロマトの高さマップは、図６に示される。示される実施例では、中間ＣＧＨおよびポリクロマトは両方とも、同一画素ピッチ０．５ μｍを有し、対応する分散値を考慮して、溶融石英基板上に製造されることが想定されている。
【００３７】
図７は、独立して、各スペクトルチャネルのためのシミュレートされた出力強度分布を示し、別々の単一ＬＥＤが、各プロットにおいて「オン」にされている。強度分布は、ポリクロマトから１ｍｍ離れた出力平面において算出されている。図から分かるように、各スペクトルチャネルは、正確に平行化され、高効率均一強度分布を出力する。システムの平均回折効率は、８０．８３％である。図８は、対応する色混合出力を示す（全ＬＥＤが、「オン」にされている）。
【００３８】
本発明の代替実施形態によると、ポリクロマト２１０は、有利には、例えば、娯楽用照明灯等の用途に好適である、「テクスチャ化」照明を産生し得る。図９は、ポリクロマトが、図２の幾何学形状に基づく、ＲＧＢ色混合システムに対して最適化された後の出力テクスチャ化強度分布の実施例を示す。
【００３９】
（ディスプレイのためのプライバシーフィルタ）
次に、本発明のさらなる実施形態による、図１０を参照すると、ポリクロマト２１０は、ディスプレイ１５０の視野（ＦＯＶ）を減少するように設計され、それによって、プライバシーを強化し得る。従来のディスプレイ１５１では、各画素１５２からの光は、大きな角度１５５において発散する。これは、ディスプレイをより大きな角度で視認可能にし、したがって、プライバシーを妨害する。本発明の実施形態によると、ポリクロマト２１５は、画素１５４からの出力光１６０の角度発散が、示されるように、減少されるように設計される。ポリクロマト２１５が示されるように、画素に十分に近接して設置される場合、各色は、その独自の設計を有することができる。故に、ポリクロマトは、傾斜ブロックから成り得、各ブロックは、その上に入射する波長に対して設計される。各ブロックは、次いで、広範囲の源を考慮するように、角度（すなわち、空間）多重化される。色混合は、この場合、必然的に、光の伝播によって達成される。ポリクロマトと画素との間の間隙が、大きい場合、波長多重化が、設計内で採用されることができる。
【００４０】
（ディスプレイのための超効率的カラーフィルタ）
ポリクロマト２１５は、有利には、ＬＣＤディスプレイ内のカラーフィルタの効率を増加させるためにも使用され得る。この用途は、図１１（ａ）−１１（ｃ）に例証される。従来のＬＣＤディスプレイでは、原色は、図１１（ａ）に示されるように、吸収カラーフィルタによって達成される。白色光は、ＬＣＤ画素を通過後、従来のカラーフィルタ内に吸収され、原色、赤色、緑色、および青色（ＲＧＢ）を作成する。これは、吸収によって作用するので、その効率は、３３％未満である。図１１（ｂ）および（ｃ）に示されるように、ポリクロマト２１５は、単に、ＲＧＢ色を白色光から分離し、分離された色を別個のＬＣＤ画素（または、画素セクタ）上に入射させるために使用される。効率は、８０−９０％の高さであることができ、ポリクロマトの設計のみによって限定される。受光角度を減少させるために、ポリクロマトに先立って、拡散器は除去される。この場合、拡散器は、ポリクロマト後に設置され得る（図示せず）。
【００４１】
（高分解能５−Ｄ撮像のための蛍光信号の分離）
最近、蛍光顕微鏡検査法において、切替可能蛍光色素分子を使用して、３−Ｄにおけるディープ回折限界未満分解能（ｄｅｅｐ  ｓｕｂ−ｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎ−ｌｉｍｉｔｅｄ  ｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎ）を達成するために、いくつかの技法が、開発されている。そのような技法は、例えば、以下によって説明される。
・Ｈｅｌｌ，ｅｔ  ａｌ．，Ｂｒｅａｋｉｎｇ  ｔｈｅ  ｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎ  ｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎ  ｌｉｍｉｔ  ｂｙ  ｓｔｉｍｕｌａｔｅｄ  ｅｍｉｓｓｉｏｎ：ｓｔｉｍｕｌａｔｅｄ−ｅｍｉｓｓｉｏｎ−ｄｅｐｌｅｔｉｏｎ  ｆｌｕｏｒｅｓｃｅｎｃｅ  ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ，Ｏｐｔ．Ｌｅｔｔ．，ｖｏｌ．１９，ｐｐ．７８０−８２  （１９９４）；
・Ｈｕａｎｇ，ｅｔ  ａｌ．，Ｔｈｒｅｅ−Ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ  Ｓｕｐｅｒ−Ｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎ  Ｉｍａｇｉｎｇ  ｂｙ  Ｓｔｏｃｈａｓｔｉｃ  Ｏｐｔｉｃａｌ  Ｒｅｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ  Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ，  Ｓｃｉｅｎｃｅ，ｖｏｌ．３１９，ｐｐ．８１０−１３（２００８）；
・［４］Ｈ．Ｓｈｒｏｆｆ，ｅｔ  ａｌ．，Ｌｉｖｅ−ｃｅｌｌ  ｐｈｏｔｏａｃｔｉｖａｔｅｄ  ｌｏｃａｌｉｚａｔｉｏｎ  ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ  ｏｆ  ｎａｎｏｓｃａｌｅ  ａｄｈｅｓｉｏｎ  ｄｙｎａｍｉｃｓ，Ｎａｔｕｒｅ  Ｍｅｔｈｏｄｓ，ｖｏ．５，ｐｐ．４１７−２３（２００８）；および、
・［５］Ｈｅｓｓ，ｅｔ  ａｌ．，Ｕｌｔｒａ−Ｈｉｇｈ  Ｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎ  Ｉｍａｇｉｎｇ  ｂｙ  Ｆｌｕｏｒｅｓｃｅｎｃｅ  Ｐｈｏｔｏａｃｔｉｖａｔｉｏｎ  Ｌｏｃａｌｉｚａｔｉｏｎ  Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ，Ｂｉｏｐｈｙｓ．Ｊ．，ｖｏｌ．９１，ｐｐ．４２５８−７２（２００６），
刊行物はすべて、参照することによって本明細書に組み込まれる。
【００４２】
種々のこれらの技法も、機能的特殊性のために異なる波長で放出する、蛍光色素分子を使用する。この場合、信号は、撮像の間、干渉フィルタを過される。これは、放出信号を時間別に分離することによって、または、二色性フィルタを介して、別個の検出器上に異なる色を方向転換させることによって達成される。本発明の実施形態による、ポリクロマトは、色分離に対して遥かに単純なアプローチをもたらすことができる。これは、異なる放出信号を同時に検出されることを可能にし、したがって、高時間分解能（または、高速撮像）を可能にする。これはまた、別個の画素が、別個の色に割り当てられ得る限り、同じＣＣＤカメラの使用を可能にする。ほとんどのアプローチでは、これは、明確に実行可能である。ポリクロマトは、干渉フィルタの位置に設置される。信号を波長別に分離し、図１２に示されるように、各信号波長をＣＣＤカメラ上の別個の画素ブロックに割り当てる。したがって、これは、３つの空間的次元の全てと、色（特殊性のため）および時間（高速プロセスのため）の追加の２次元における高分解能撮像を可能にする。
【００４３】
（光相互接続および光通信のためのマルチプレクサおよびデマルチプレクサ）
次に、図１３を参照すると、ポリクロマト１３０は、基板内チップ対チップモジュール等の光相互接続のために、マルチプレクサおよびデマルチプレクサとして使用することができる。そのような相互接続が直面する課題の議論は、Ｍｉｌｌ，Ｒａｔｉｏｎａｌｅ  ａｎｄ  Ｃｈａｌｌｅｎｇｅｓ  ｆｏｒ  Ｏｐｔｉｃａｌ  Ｉｎｔｅｒｃｏｎｎｅｃｔｓ  ｔｏ  Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ  Ｃｈｉｐｓ，Ｐｒｏｃ．ＩＥＥＥ，ｖｏｌ．８，ｐｐ．７２８−４９（２００６）に見出され得る。多重化ステップでは、ポリクロマト１３０は、効率的入力処理のために、異なる離散平行入力チャネルを組み合わせ、それらを光ファイバ１３５等の単一物理的チャネルに方向転換するように設計される。逆多重化ステップでは、効率的出力処理のために、物理的チャネルから出射する組み合わせられた広帯域信号は、スペクトル的に分離され、各スペクトル帯は、その対応する光検出器に方向転換される。ポリクロマト１３８は、超高速データ転送用途のために、高変換効率と並行して、複数のチャネルの処理を可能にする。類似設計は、有利には、光通信において使用されるマルチプレクサおよびデマルチプレクサのために使用され得る。
【００４４】
（光学分光計）
次に、図１４（ａ）および１４（ｂ）を参照すると、本発明の代替実施形態では、ポリクロマト１４０は、入力光１４１を調整するために、回折格子等の分光要素１４２の代わりに使用される。回折格子に基づく従来の分光計は、格子が、単一波長に対して最適化されるので、典型的には、低効率に悩まされる。対照的に、ポリクロマト１４０は、複数の波長に基づいて設計され、故に、システムの効率を増加させ得る。加えて、ポリクロマトを使用して、スペクトル出力の振幅分布は、均一または「カラー」出力分布を生成するように制御され、帯域通過フィルタとして、効果的に作用することができる。ポリクロマトからの光出力は、スペクトル帯を適切な検出器画素上に一致させるように最適化することができる。ポリクロマトは、任意の追加の二次光学素子の使用を回避するように設計され得る。
【００４５】
図１４（ａ）は、従来のＣｚｅｒｎｙ−Ｔｕｒｎｅｒ分光計を示すが、あらゆる分光計構成が、本発明の範囲内である。入力光１４１は、最初に、平行ミラー１４３によって反射され、回折格子１４２に方向転換される。回折格子１４２は、光を複数のスペクトル帯に分光し、次いで、撮像ミラーによって、検出器アレイ１４５上に集束される。図１４（ｂ）は、ポリクロマト１４０を組み込む、概して、数字１４によって指定される、分光計を示す。入力光１４１は、再び、平行化され、ここでは、ポリクロマト１４０に方向転換される。ポリクロマト１４０は、入力ビームを複数のスペクトル帯に分光し、撮像動作を行い、光を検出器アレイ１４５上の適切な領域に方向転換する。示されるポリクロマトは、反射モードで動作し、湾曲され（または、「動力が加えられ」）、それによって、二次光学素子のうちの１つの排除を可能にし得る。
【００４６】
（ポリクロマトの製造）
ポリクロマト２１５は、それが採用される電磁スペクトルの領域（スペクトルの可視領域等）にわたって、高透過性を伴う、ガラス、プラスチック、または他の誘電体から製造され得る。代替として、金属表面から製造され、反射モードで動作し得る。走査光学ビームリソグラフィ（ＳＯＢＬ）、グレースケールリソグラフィ、または電子ビームリソグラフィ等の従来の製造技法が、例えば、Ｇｉｌ  ｅｔ  ａｌ．，Ｔｈｅ  Ｐｒｏｍｉｓｅ  ｏｆ  Ｄｉｆｆｒａｃｔｉｖｅ  Ｏｐｔｉｃｓ  ｉｎ  Ｍａｓｋｌｅｓｓ  Ｌｉｔｈｏｇｒａｐｈｙ，Ｍｉｃｒｏｅｌｅｃｔｒｏｎ．  Ｅｎｇ．，ｖｏｌｓ．７３−７４，ｐｐ．３５−４（２００４）、Ｇａｌｕｓ，ｅｔ  ａｌ．，Ｒｅｐｌｉｃａｔｉｏｎ  ｏｆ  Ｄｉｆｆｒａｃｔｉｖｅ−Ｏｐｔｉｃａｌ  Ａｒｒａｙｓ  ｖｉａ  Ｐｈｏｔｏｃｕｒａｂｌｅ  Ｎａｎｏｉｍｐｒｉｎｔ  Ｌｉｔｈｏｇｒａｐｈｙ，Ｊ．Ｖａｃ．Ｓｃｉ．  Ｔｅｃｈｎｏｌ．Ｂ．，ｖｏｌ．２４（６），ｐｐ．２９６０−６３（２００６）、およびＦｅｌｄｍａｎの米国特許第５，７７４，２３９号に説明されるように、実装され得る。
【００４７】
製造コストを削減するために、ロールツーロールエンボス製造等の複製プロセスが、採用され得る。これらの製造技法はすべて、高忠実性を伴って、比較的広い面積にわたって、ミクロンサイズの特徴を製造するために良好に作用することが示されている。図１５（ａ）−１５（ｅ）は、ＳＯＢＬおよびナノインプリント複製プロセスに基づく、製造実施例を示す。図１５（ａ）は、二元構造を製造するために使用される、従来のパターン化アプローチを示す。マルチレベル構造を製造するために、「グレースケール」パターン化（可変用量）技法が、図１５（ｂ）に示されるように、実装される。ブレーズド格子および円柱レンズ等のマルチレベル構造の製造は、図１５（ｄ）および（ｅ）に示されるように、実証されている。硬化されると、硬質かつ摩耗に対して強健である、透明プラスチックにそのような構造を作製するように実行可能である。そのようなプロセスは、パターン転写ステップを回避する。大面積源への拡張可能性は、本発明のさらなる実施形態に従って、ポリクロマトの寄木張りによって、達成され得る。
【００４８】
本明細書に説明される本発明の実施形態は、単に、例示として意図される。多数の変形例および修正が、当業者に明白となるであろう。そのような変形例および修正はすべて、任意の添付の請求項に規定されるように、本発明の範囲内であると意図される。
【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５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【国際調査報告】
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