(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の照明用の光源からの光と第２の照明用の光源からの光とを組み合わせる方法であって、
前記第１の照明用光源からの光でホログラフィー光学要素（ＨＯＥ）を照明する過程であって、前記ＨＯＥがスイッチング可能なＨＯＥである、該過程と、
前記第１の照明用光源からの光を前記ＨＯＥがある出力方向に回折する過程と、
前記第２の照明用光源からの光がＨＯＥを透過して光学要素に至る過程と、
前記光学要素が、前記第２の照明用光源からの前記ＨＯＥを透過した光を前記出力方向に反射する過程とを含み、
前記ＨＯＥが活動状態と非活動状態との間で動作し、前記活動状態のときには前記ＨＯＥが光を回折し、非活動状態のときには前記ＨＯＥが実質的に変更することなく実質的に全ての光を透過し、
どの時点においても活動状態にあるＨＯＥは１つとすることを特徴とする方法。
【請求項２】
前記光学要素が第２のＨＯＥであり、前記光を反射する過程が、前記第２のＨＯＥからの光を回折する過程を含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記ＨＯＥが前記第１の照明用光源からの光の空間的プロフィールを変更する過程を更に含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項４】
照明用装置であって、
第１の光源からの光をある出力方向に回折するように形成されたホログラフィー光学要素（ＨＯＥ）であって、前記ＨＯＥがスイッチング可能なＨＯＥである、該ＨＯＥと、
第２の光源からの前記ＨＯＥを透過した光が入射するように配置され、前記第２の光源からの前記ＨＯＥを透過した光が前記出力方向に反射されるように形成された光学要素とを含み、
前記ＨＯＥが活動状態と非活動状態との間で動作し、前記活動状態のときには前記ＨＯＥが光を回折し、非活動状態のときには前記ＨＯＥが実質的に変更することなく実質的に全ての光を透過し、
どの時点においても活動状態にあるＨＯＥは１つであることを特徴とする装置。
【請求項５】
投影装置であって、
幅広い光を発生する光源と、
画像ディスプレイと、
前記画像ディスプレイと前記光源との間に配置され、前記光源からの第１の色の光を前記画像ディスプレイに回折し、前記画像ディスプレイからの前記第１の色の光が実質的に変更されることなく透過して、ある出力方向に向かうように形成された第１のホログラフィー光学要素（ＨＯＥ）であって、前記第１のＨＯＥがスイッチング可能なＨＯＥである、該第１のＨＯＥと、
前記画像ディスプレイと前記光源との間に配置され、前記光源からの第２の色の光を前記画像ディスプレイに回折し、前記画像ディスプレイからの前記第２の色の光が実質的に変更されることなく透過して、前記出力方向に向かうように形成された第２のＨＯＥとを含み、
前記第１及び第２のＨＯＥがそれぞれ活動状態と非活動状態との間で動作し、前記活動状態のときには前記第１及び第２のＨＯＥが光を回折し、非活動状態のときには前記第１及び第２のＨＯＥが実質的に変更することなく実質的に全ての光を透過し、
どの時点においても活動状態にあるＨＯＥは１つであることを特徴とする装置。
【請求項６】
投影装置であって、
第１の色の光を発生させるための第１の光源と、
第２の色の光を発生させるための第２の光源と、
画像ディスプレイと、
前記画像ディスプレイと前記第１の光源との間に配置され、前記第１の光源からの前記第１の色の光を前記画像ディスプレイに回折し、前記画像ディスプレイからの前記第１の色の光が実質的に変更されることなく透過して、ある出力方向に向かうように形成された第１のホログラフィー光学要素（ＨＯＥ）であって、前記第１のＨＯＥがスイッチング可能なＨＯＥである、該第１のＨＯＥと、
前記画像ディスプレイと前記第２の光源との間に配置され、前記第２の光源からの前記第２の色の光を前記画像ディスプレイに回折し、前記画像ディスプレイからの前記第２の色の光が実質的に変更されることなく透過して、前記出力方向に向かうように形成された第２のＨＯＥであって、前記第２のＨＯＥがスイッチング可能なＨＯＥである、該第２のＨＯＥとを含み、
前記第１及び第２のＨＯＥがそれぞれ活動状態と非活動状態との間で動作し、前記活動状態のときには前記第１及び第２のＨＯＥが光を回折し、非活動状態のときには前記第１及び第２のＨＯＥが実質的に変更することなく実質的に全ての光を透過し、
どの時点においても活動状態にあるＨＯＥは１つであることを特徴とする装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
（技術分野）
本発明は、照明システムに関し、詳細にはイメージディスプレイの照明に用いる１又はそれ以上のスイッチング可能なホログラフィー光学要素を使用する照明システムに関する。
【０００２】
（背景技術）
イメージデイスプレイは、投影デイスプレイシステムにおいて利用される。投影ディスプレイシステムは、テレビやディジタルモニタの市場において発達している技術である。投影ディスプレイは、ディフューザに集中させたイメージを利用してユーザにイメージを提供する。投影は、映写機の場合のようにユーザと同じ側のディフューザから、或いはその反対側から行われ得る。一般にイメージは、１又はそれ以上の「ディスプレイ」（スイッチング可能なピクセルによって形成されたパターンに光を反射若しくは透過させる小型のＬＣＤデバイス）上に生成される。ＬＣＤディスプレイは、通常はマイクロエレクトロニクス処理技術によって製造される。ディスプレイ中の各ピクセルは、その反射若しくは透過特性が電気的信号によって制御可能な領域である。ＬＣＤディスプレイにおいて、特定のピクセルに入射した光は、ピクセルに与えられた信号に応じて、ピクセルによって反射、部分反射又は遮断される。或る場合では、ＬＣＤディスプレイは透過型デバイスであり、任意のピクセルを通しての透過は、光が概ね遮断される状態から入射光が概ね透過する状態までの範囲をステップ（グレイレベル）的に変化し得る。最近では、ディスプレイは、小さな可動ミラーを組込んだ超小型電気機械式デバイス（ＭＥＭ）で構成されるようになっている。各ピクセルにおける１又はそれ以上のそのミラーは、光が出力方向に反射されるか否かを調節する。
【０００３】
一様な光ビームがディスプレイから反射されるか、或いはディスプレイを通して透過される場合は、光ビームはピクセルの透過状態に左右される特定の強度プロフィールを得る。要求されたイメージに対応させるために、イメージはピクセルの透過（又はグレイレベル）の調節によってＬＣＤで生成される。このイメージは、直接的な視界のために拡散スクリーンに投射され、或いは幾つかの媒介イメージ表面に投射され、それらはそこで接眼レンズによって拡大されて例えばウェアラブル・ディスプレイの場合のような仮想のイメージを与え得る。
【０００４】
ディスプレイは一般にモノクロのデバイスであり、各ピクセルは、「オン」状態若しくは「オフ」状態であるか、或いは中間強度レベルに設定される。ディスプレイは、通常はイメージの１以上のカラー成分の強度を個別に制御することはできない。カラー制御を行うために、ディスプレイシステムは独立した３つのＬＣＤディスプレイを用いることができる。３つのＬＣＤディスプレイの各々は、人間の眼における３つのタイプの錐状体のうちの１つを刺激するスペクトル成分を有する個別の光源によって照らされる。その３つのディスプレイの各々は、カラーイメージの１つのカラー成分を生成する光線を反射（又は透過）する。そこで、３つの光線は、プリズム、二色性のフィルタ及び／又は他の光学要素によって結ばれて単色のイメージビームとなる。
【０００５】
３つの個別のディスプレイからの光ビームを組合せるという問題を排除した、フルカラーイメージを生成する別の方法では、イメージの適切な主要カラー成分でアップデートされる単一のモノクロディスプレイを連続的に照明する。
【０００６】
そのディスプレイは、赤、緑及び青のピクセルのアレイとして形成され、それは適切なカラーを有する各ピクセルを照明するのに用いられるカラーフィルタのアレイを伴う白色光によって照明される。しかし、このような方法でのカラーイメージの生成は、各主要なカラーに対して３つのピクセルのうちの１つのみが利用可能なので、イメージ解像度を低下させ得る。
【０００７】
これらのシステムのための設計検討の重要な部分には、光源及びその光源の相対強度を効果的に制御するための手段の選定が含まれる。この制御には、初期のキャリブレーション時や操作の際に効果的なカラーバランシングを可能とすることが必要とされる。
【０００８】
本質的にホログラムは、ホログラムメディアに記録された回折性の構造体によって事前に決定された波形を生成する。ホログラムを用いて、レンズ若しくはミラーのような特定の光学要素の作用を再現することができる。場合によっては、「ホログラフィー光学要素」（ＨＯＥ）が単純な回折格子に基づくものであり、複雑な光学的操作が再現されないことがあり得る。これらのＨＯＥは、特に光学要素が複雑である場合や厳密な許容差を満たさなければならない場合に、ガラスの相当品に比べてその構成がより簡易で低コストである。
【０００９】
ＨＯＥは、コンパクトで軽量であり、またその波長特性によって光学システムの設計において適応性が向上する。ＨＯＥを用いて、個別の光学要素や、光学要素の一群や、場合によってはシステム全体の従来型の光学要素の代替が可能である。
【００１０】
（発明の開示）
電気的にスイッチング可能なホログラフィー光学要素によってイメージディスプレイを照明する装置及び方法を開示する。その方法には、第１の電気的にスイッチング可能なホログラフィー光学要素（ＥＳＨＯＥ）が照明光を受ける過程が含まれる。第１のＥＳＨＯＥには対向する表面及び背面が含まれる。第１のＥＳＨＯＥは、照明光の第１成分（例えば、ｐ偏光の青色光）を回折し、一方で照明光の残りの成分を概ね変化させずに透過する。イメージディスプレイが準備され、回折された第１成分を受取る。回折された第１成分の受取りに応じて、イメージディスプレイはイメージ光を放出する。第１のＥＳＨＯＥは、そのイメージ光を受取り概ね変化させずに透過する。一実施例において、回折された第１成分が第１のＥＳＨＯＥの背面から出現し、またイメージ光が、回折された第１成分が第１のＥＳＨＯＥの背面から出現するのと概ね並行な方向で第１のＥＳＨＯＥによって受取られるように、第１のＥＳＨＯＥがその背面においてイメージ光を受取る。
（発明を実施するための形態）
本発明は種々の変更及び別の形態が可能であるが、例示として特定の実施例を図面において示し、それらの詳細な説明を後述する。しかしながら、図面及びそれらの詳細な説明は、本発明を限定することを意図するものではなく、特許請求の範囲によって規定される発明の範囲及びその精神から逸脱することなく本発明が全ての変更、等価物及び代替物を包含することを理解されたい。
【００１１】
ホログラフィー光学要素（ＨＯＥ）によって、幾つかのタイプの照明システムを構成することができる。これらのシステムを異なるカラーの光源を結合させるのに用いて、多色性又は「白色」光照明を提供し得る。スイッチング可能な（又は「再構成可能な」）ＨＯＥによって、白色光の個々のカラー成分の強度調節が可能となる。また、スイッチング可能なＨＯＥを、モノクロのイメージディスプレイ（又は「ビデオディスプレイ」）のカラーシーケンス照明によってカラーイメージを生じさせるシステムにおいて用いることができる。
【００１２】
図１−図１７：スイッチング可能なホログラム材料及びデバイス
本発明は、或る実施形態では、モノマーと、分散される液晶と、橋かけモノマーと、共開始剤と、光開始剤染料とを含むポリマー分散液晶（ＰＤＬＣ）材料から形成されたホログラフィー光学要素を利用する。これらのＰＤＬＣ材料は液晶と硬化ポリマーの明確で秩序正しい分離を示し、それによってＰＤＬＣ材料が高品質の光学要素となるという利点が得られる。ホログラフィー光学要素において用いられるＰＤＬＣ材料は、一回のステップで形成することができる。ホログラフィー光学要素は、得られる回折格子の特性、例えばドメインのサイズ、形状、密度、位置の秩序（ordering）等についての現場での制御を可能にする独特な光重合可能なプレポリマー材料を用いることもできる。更に、ここに開示する方法及び材料を用いて、スイッチング可能な透過型又は反射型ホログラフィー回折格子を含む光学要素のためのＰＤＬＣ材料を作製することができる。
【００１３】
本発明において用いられるポリマー分散液晶材料、方法、及びデバイスは、R. L. Sutherlandら Bragg Gratings in an Acrylate Polymer Consisting of Periodic Polymer dispersed Liquid-Crystal Planes, Chemisrry of Materials, No. 5, pp. 1533-1531 (1993); R. L. Sutherlandら "Electrically switchable volume gratings in polymer dispersed liquid crystals," Applied Physics Letters, Vol. 64, No. 9, pp. 1074-1076 (1994); 及びT.J. Bunningら "The Morphology and Performance of Holographic Transmission Gratings Recorded in Polymer dispersed Liquid Crystals," Polymer, Vol. 36, No. 14, pp. 2699-2701 (1995) 等にも記載されており、これら全ての文献は、引用により本明細書の一部とする。Sutherlandらによる"Switebable Volume Hologram Materials and Devices," 及び"Laser Wavelength Detection and Energy Dosimetry Badge,"なる名称の米国特許出願第08/273,436号及び米国特許第5,698,343号もこの引用により本明細書の一部とし、これらの特許明細書には、体積ホログラム内の透過型回折格子の形成に用いられるバックグラウンド材料が開示されている。
【００１４】
本発明の実施例で用いるためのホログラムが形成されるプロセスは、均一な開始混合物を調製するために用いられる成分の選択によって大部分が制御され、また影響の程度は少ないが入射光パターンの強度によっても制御される。本発明で用いられる、或る種類のポリマー分散液晶（ＰＤＬＣ）材料は、一回のステップでスイッチング可能なホログラムを生成する。或る種類のＰＤＬＣ材料の特徴は、不均一でコヒーレントな光パターンによる照射によって、重合可能なモノマー及び第２相の材料、特に液晶（ＬＣ）のパターン化された異方性拡散（又は逆拡散）が開始されることである。従って、ほぼ純粋なポリマーの明確に画定されたチャネルによって分離され、交互に配置された第２相を豊富に含む材料の明確に画定されたチャネルを一回のプロセスで作り出すことができる。
【００１５】
得られるＰＤＬＣ材料は、光化学的に硬化したポリマーマトリクス内で異方分散し、相分離したＬＣのドロップレット（小滴）を有し得る。１回のステッププロセスによって作り出された従来のＰＤＬＣ材料は、ポリマーマトリクスにおける大きいＬＣバブルの領域とより小さいＬＣバブルの領域しか得ることができなかった。大きいバブルサイズは高度に分散して、ぼんやりした見かけ及び複数の次数の回折を生成する。これに対してＬＣを豊富に含む材料の明確に画定されたチャネルにおける或る種のＰＤＬＣ材料の小さいＬＣバブルによって、明確に画定された一次回折及びゼロ次回折が可能となる。ＰＤＬＣ材料における、理論通りに交互に明確に画定されたＬＣを豊富に含むチャネル及びほぼ純粋なポリマーのチャネルは、複数ステップのプロセスによって可能であるが、そのようなプロセスでは、或る種類のＰＤＬＣ材料によって可能となるＬＣを豊富に含むチャネル及びポリマーの幅及びサイズの分布及びＬＣのドロップレットサイズについて、高い精度で形態上の制御をすることができない。
【００１６】
同じものを、通常１０〜２０μｍの厚みを有するスペーサによって分離された２枚の錫ドープ酸化インジウム（ＩＴＯ）をコーティングされたスライドガラスの間に、その混合物をコーティングすることによって作製することができる。サンプルを従来通りのホログラフィー記録セットアップに置く。回折格子は、通常、強度が約０．１〜１００ｍＷ／ｃｍ２の４８８ｎｍのアルゴンイオンレーザを用いることによって、一般的には３０〜１２０秒間の露光時間で記録される。２本のビームの角度を変えて、強度のピークの間隔を変えることにより、得られるホログラムの回折格子の間隔を変える。光重合は、光強度のパターンによって誘導される。記録装置の例のより詳細な説明は、R.L. Sutherlandら "Switchable holograms in new phoropolymer-liquid crystal composite materials," Society of Photo-Optical Instrumentation Engineers (SPIE), Proceedings Reprint, Volume 2402, reprinted from Diffractive and Holographic Optics Technology II (1995)に記載されており、この文献は引用により本明細書の一部とする。
【００１７】
ＰＤＬＣ材料の特徴は、均一な開始混合物の調製に用いられる成分によって大きく影響を受け、程度は少ないが入射する光パターンの強度によっても影響を受ける。或る実施形態では、前記プレポリマー材料が、光重合可能なモノマー、第２相の材料、光開始剤染料（photoinitiator dye）、共開始剤（coinitiator）、連鎖延長剤（又は架橋剤）、及び所望に応じて界面活性剤を有する。
【００１８】
或る実施態様では、プレポリマー混合物の２つの主な成分が、好ましくは完全に混和された、重合可能なモノマー及び第２相の材料である。高度に官能化された（funcionalized）モノマーが好ましい。そのようなモノマーはある程度収縮して、第２相の材料から押し出される傾向を持つ密度の高い架橋のネットワークを形成するからである。この結果、第２相の材料はポリマー領域から異方脱離し、明確に画定されたポリマーの少ない領域と第２相の豊富な領域又はドメインとに分離する。高度に官能化されたモノマーも好ましいものであり得る。このようなモノマーに関連する高度な架橋によって速い動態が生じ、ホログラムを比較的早く形成することが可能となり、それによって第２相の材料が約０．１μｍ未満の大きさのドメインに存在するようになるからである。
【００１９】
しかし高度に官能化されたモノマーは比較的粘度が高い。この結果、これらのモノマーは他の材料と混合しにくくなり、薄い皮膜に延ばすことが困難になる。従って、ポリマー材料の、官能基化と粘性の両方を最適化するために、ジ-、トリ-、及び／又はテトラ-アクリレートと組み合わせてペンタ-アクリレートの混合物を用いることが好ましい。適切なアクリレート、例えば、トリエチレングリコールジアクリレート（triethyleneglycol diacrylate）、トリメチロールプロパントリアクリレート（trimethylolpropane triacrylate）、ペンタエリトリトールトリアクリレート（pentaerythritol triacrylate）、ペンタエリトリトールテトラアクリレート（pentaerythritol tetra-acrylate）、ペンタエリトリトールペンタアクリレート（pentaerythritol penta-acrylate）等を用いることができる。或る実施態様では、トリアクリレートとペンタアクリレートの約１：４の混合物によって均一な混合が促進されると共に、光学的プレートの上に１０〜２０μｍの皮膜を形成するに適した混合物が得られることが分かった。
【００２０】
選択された第２相の材料は液晶（ＬＣ）である。このことによって、得られるホログラムに対する電気光学的応答も可能になる。使用されるＬＣの濃度は、硬化したサンプルにおいて生ずる十分な相分離が可能となるに十分なだけ高い濃度であるべきであるが、サンプルが非透過性又は非常にぼんやりとしたものとなる程高濃度であるべきではない。約２０重量％未満では殆ど相分離が生ずることがなく、回折効率は低くなる。約３５重量％を越えるとサンプルの分散度が大きくなり、回折効率及び透過率の両方が低くなる。一般的に約２５重量％の濃度で作成されたサンプルでは、良好な回折効率及び光学的明瞭さが得られる。界面活性剤を用いるプレポリマー混合物では、界面活性剤の量を調節することによって、光学的性能を損なわずにＬＣの濃度を３５重量％まで高めることができる。本発明の実施において使用するために適切な液晶としては、Merckより製品名E7として市販されているシアノビフェニル（cyanobiphenyls）混合物、4'-n-ペンチル-4-シアノビフェニル（4'-n-pentyl-4-cyanobiphenyl）、4'-n-ヘプチル-4-シアノビフェニル（4'-n-heptyl-4-cyanobiphenyl）、4'-オクタオキシ-4-シアノビフェニル（4'-octaoxy-4-cyanobiphenyl）、4'-ペンチル-4-シアノテルフェニル（4'-pentyl-4-cyanoterphenyl）、α-メトキシベンジリデン-4'-ブチルアニリン（α-methoxybenzylidene-4'-butylaniline）等を挙げることができる。他の第２相成分も用いることができる。
【００２１】
本発明の実施において用いられるポリマー分散液晶材料は、（例えば、Polysciences, Inc. Warrington, Pennsylvaniaより入手可能な）ジペンタエリトリトールヒドロキシペンタクリレート（dipentaerythritol hydroxypentacrylate）、（Merckより製品名E7として市販されているシアノビフェニル（cyanobiphenyls）混合物であり、BDH Chemicals, Ltd, London, Englandからも入手可能である、）１０〜４０重量％の液晶E7、（Aldrich Chemical Company, Milwaukee, Wisconsinより入手可能な）連鎖延長モノマーであるN-ビニルピロリジノン（N-vinylpyrrolidinone）("NVP")、（Aldrich Chemical Company, Milwaukee, Wisconsinより入手可能な）共開始剤であるＮ‐フェニルグリシン（N-phenylglycine）("NPG")、（Spectragraph, Ltd Maumee, Ohioより製品名RBAXとして市販されている）及び光開始剤染料であるローズベンガルエステル（rose bengal ester）即ち2,4,5,7-テトラヨード-3',4',5',6'-テトラクロロフルオレセイン-6-アセテートエステル（2,4,5,7-tetraiodo-3',4',5',6'-tetrachlorofluorescein-6-acetate ester）を含む重合可能なモノマーの均一な混合物であるポリマー材料から形成され得る。ローズベンガル（rose bengal）は、Aldrich Chemical Companyよりローズベンガルナトリウム塩としても入手可能である（但し溶解性のためにエステル化されなければならない）。この系は非常に速い硬化速度を有し、このため小さいサイズの液晶マイクロドロップレット（小滴）が形成されることになる。
【００２２】
液晶とプレポリマー材料の混合物を適切な手段（例えば超遠心分離）によってホモジナイズして粘度を有する溶液にし、通常は１５〜１００μｍの厚み、好ましくは１０〜２０μｍの厚みのスペーサを用いて錫ドープ酸化インジウム（ＩＴＯ）でコーティングされたスライドガラスの間に延ばす。ＩＴＯは導電性で、光学的に透過性の電極としての役目を果たす。プレポリマー材料の調製、混合、及びスライドガラスへ移す作業は、混合物の感光性が非常に高いことから、暗所で行うのが好ましい。
【００２３】
プレポリマー材料の光強度に対する感受性は、光開始剤染料及びその濃度によって左右される。染料の濃度が高い場合には感光性が高くなる。しかし多くの場合には、光開始剤染料の溶解度によって染料の濃度に限界が生じ、このためプレポリマー材料の感光性にも限界が生ずる。しかし多くの通常の用途では、所望の感度を達成し、記録プロセスにおいて染料を完全にブリーチして色の付いていない最終的なサンプルを得られるようにするためには、０．２〜０．４重量％の範囲の光開始剤染料濃度で十分であることが分かった。ＰＤＬＣ材料を生成のために用いることができる光開始剤染料としては、ローズベンガルエステル（2, 4, 5, 7-テトラヨード-3', 4', 5', 6'-テトラクロロフルオレセンス-6-アセテートエステル）；ローズベンガルナトリウム塩；エオシン；エオシンナトリウム塩；4,5-ジヨードスクシニルフルオレセイン；カンフルキノン（camphorquinone）；メチレンブルー等が挙げられる。これらの染料によって、名目上４００〜７００ｎｍの可視光スペクトルにわたる記録波長に対する感受性が得られる。また、適切な近赤外線染料、例えば６００〜９００ｎｍの光を吸光するトリアリキルボレート陰イオンを含む陽イオンシアニン染料や、スピロピランから誘導されたメロシアニン染料（merocyanine）等も本発明において利用できることが分かった。
【００２４】
本発明の実施において用いられる共開始剤は、プレポリマー材料のフリーラジカル重合反応における硬化速度を制御する。最適な相分離、及び得られるＰＤＬＣ材料における最適な回折効率は、硬化速度の関数である。好ましい結果は、２〜３重量％の範囲の共開始剤を用いることにより達成できることが分かった。適切な共開始剤としては、N-フェニルグリシン；トリエチルアミン；トリエタノールアミン；N, N-ジメチル-2, 6-ジイソプロピルアニリン等が挙げられる。
【００２５】
特に可視光領域の場合に本発明の実施に適したその他の適切な染料と共開始剤の組み合わせとしては、エオシン（eosin）及びトリエタノールアミン（triethanolamine）；ショウノウキノン（camphorquinone）及びN-フェニルグリシン（N-phenylglycine）；フルオレセイン（fluorescein）及びトリエタノールアミン（triethanolamine）；メチレンブルー（methylene blue）及びトリエタノールアミン（triethanolamine）若しくはN-フェニルグリシン（N-phenylglycine）；エリトロシンＢ（erythrosin B）及びトリエタノールアミン（triethanolamine）；インドリノカルボシアニン（indolinocarbocyanine）及びトリフェニルボラート（triphenyl borate）；インドベンゾスピロピランindobenzospiropyran及びトリエチルアミン（triethylamine）等を挙げることができる。
【００２６】
本発明の実施において用いられる連鎖延長剤（又は架橋剤）は、プレポリマー材料の成分の溶解度を高めることと共に、重合の速度を速めるのを助け得る。連鎖延長剤は、ペンタクリレートと比較して小さいビニルモノマーが好ましく、小さいビニルモノマーを用いることで、立体構造上の障害（steric hindrance）のために近傍のペンタアクリレートモノマーに容易にアクセスできない、ペンタクリレートモノマーにおけるアクリレートの位置と、容易に反応できるようになる。従って、連鎖延長剤モノマーとポリマーとが反応することにより、成長するポリマーの伝搬長が長くなる。通常の用途においては、１０〜１８重量％の範囲の連鎖延長剤が、回折効率の点からいって性能を最大限にすることが分かった。或る実施例では、適切な連鎖延長剤が、N-ビニルピロリジノン（N-vinylpyrrolidinone）、N-ビニルピリジン（N-vinyl pyridine）、
アクリロニトリル（acrylonitrile）、N-ビニルカルバゾール（N-vinyl carbazole）等からなる群から選択される。
【００２７】
プレポリマー材料に、界面活性剤材料即ちオクタン酸を加えることにより、スイッチング電圧を低くし、かつ回折効率を高められることが分かった。詳述すると、界面活性剤を含むＰＤＬＣ材料のスイッチング電圧は、界面活性剤なしで作られたＰＤＬＣ材料のスイッチング電圧より著しく低くなる。特定の理論に結び付けることを意図していないが、これらの結果は、ポリマーと相分離されたＬＣドロップレットとの間のアンカリング力が弱くなるためであると考えられる。ＳＥＭの研究により、界面活性剤を含むＰＤＬＣ材料におけるドロップレットのサイズは３０〜５０ｎｍまで小さくなり、分散はより均一になることが分かった。そのような材料において、より小さなドロップレットが占める割合が増えるためにランダム散乱が低減し、回折効率が高くなる。従って、ドロップレットの形状は界面活性剤が存在する時より球形に近くなり、これによりスイッチング電圧が低くなる。
【００２８】
より一般的な用途では、界面活性剤を５重量％しか含まないサンプルは、スイッチング電圧が著しく低くなることが分かった。また、低いスイッチング電圧のために最適化する場合には、界面活性剤の濃度は最大約１０重量％（多くの場合ＬＣ濃度によって決まる）までの範囲で変えることができ、それによって回折効率が非常に低くなると共に、（恐らくＬＣの全相分離が低減するために）スイッチング電圧が上昇することが分かった。適切な界面活性剤としては、オクタン酸；ヘプタン酸；ドデカン酸等が挙げられる。
【００２９】
界面活性剤としてオクタン酸を用いているサンプルでは、オクタン酸におけるフリーのカルボキシル基（COOH）が存在することが原因と推定されるが、サンプルの導電性が高くなることが観察された。この結果、サンプルは、高い周波数（〜２ＫＨｚ）の電界が長時間加えられると温度が上昇する。従って、界面活性剤を加えることによって、高い回折効率及び低いスイッチング電圧を犠牲にすることなく高い導電率を低くすることが望ましい。適切な電気的にスイッチング可能な回折格子は、Aldrich Chemical Co. in Milwaukee, Wisconsinから市販されている重合可能なモノマーであるビニルネオノナノエート（vinyl neononanoate）（”ＶＮ”）C8H17CO2CH=CH2から形成され得ることが分かった。好ましい結果は、連鎖延長剤Ｎ-ビニルピロリジノン（”ＮＶＰ”）及び界面活性剤のオクタン酸が６．５重量％のＶＮで置換された場合にも得られた。ＶＮは、反応性のアクリレートモノマー基が存在することから、連鎖延長剤としても作用する。これらの変化において、約７０％の回折効率を有する光学的品質の高いサンプルが得られ、得られる回折格子は6V/μmの電界を加えることによって電気的にスイッチングすることができた。
【００３０】
本発明において用いられるＰＤＬＣ材料は、モノマーとしての液晶二官能価アクリレート（”ＬＣモノマー”）を用いて形成してもよい。ＬＣモノマーは、低分子量のネマチックＬＣ材料と高い混和性を有しており、高濃度の低分子量のＬＣの形成を促進し、高い光学的品質を有するサンプルを作り出す点で、従来型のアクリレートモノマーよりも優れている。ＰＤＬＣ材料において低分子量ＬＣが高濃度で存在すると、スイッチング電圧が（例えば〜2V/μmまで）下がる。ＬＣモノマーを用いることの別の利点としては、ホログラムを記録する間に弱いＡＣ又はＤＣの電界をかけて、ホストのＬＣモノマー及び低分子量ＬＣを前もって配向（prealign）することにより、ＬＣドロップレットにおけるネマチックダイレクターの所望の方向及びコンフィグレーションを得ることができるという点が挙げられる。幾つかの適切なＬＣモノマーの化学式は以下の通りである。
【００３１】
【化１】
0004475813.tif 000002
【００３２】
半フッ素化ポリマー（semifluorinated polymer）は、より弱いアンカリング特性を示し、またスイッチング電界が著しく低いことが知られている。従って、二官能価の液晶である半フッ素化アクリレートモノマーは、本発明において用いるに適していると考えられる。
【００３３】
ここで図１を参照すると、本明細書の説明に基づいて作成された、露光されたポリマー分散液晶材料で形成された電気的にスイッチング可能なホログラム１０の断面図が示されている。ポリマー分散液晶材料の層１２は、一対の錫ドープ酸化インジウムでコーティングされたスライドガラス１４とスペーサ１６との間に挟まれている。ホログラム１０の内部は、２本の交差するコヒーレントなレーザー光のビームで生成された干渉パターンに層１２が露光された時に形成される、ブラッグ型の（Bragg）透過型回折格子１８を示す。露光時間及び光の強度は、所望の回折効率及び液晶ドメインサイズによって変えることができる。液晶ドメインのサイズは、光開始剤、共開始剤、及び連鎖延長剤（又は架橋剤）の濃度を変えることによって制御することができる。ＩＴＯ電極を横断する外部の電界を加えることによって回折格子が記録される際に、ネマチックダイレクタの方向が制御され得る。
【００３４】
引用され本明細書の一部とされた文献Applied Physics Lettersの、図２に示す走査型電子顕微鏡写真は、３６重量％の液晶を負荷したサンプルに、９５mW/cm2のアルゴンイオンレーザーの４８８ｎｍの光線を用いて記録された回折格子の表面の写真である。液晶ドメインのサイズは約０．２μｍであり、回折格子の間隔は約０．５４μｍである。約２０μｍの厚みのこのサンプルは、光をブラッグの法則に従って回折する。
【００３５】
図２は、本明細書に従って作成されたホログラムの、ホログラムに加えられた電圧の二乗平均（Vrms）に対する正規化された正味の透過率及び正規化された正味の回折効率を示すグラフである。Δηは、一次ブラッグ回折効率の変化である。ΔＴはゼロ次透過率の変化である。図２は、電圧を高くするにつれて、エネルギーが一次ビームからゼロ次ビームへと移っていることが示されている。約２２５Vrmsにおいて回折効率の真の最小値が存在する。ピーク回折効率は、プローブビームの波長及び重合に応じて、サンプルの厚みを適切に調節することにより１００％に近付けることができる。最小回折効率は、硬化ポリマーの屈折率を液晶の通常屈折率と等しくさせるべくＰＤＬＣ材料のパラメータを僅かに調節することによって０％に近付けることができる。
【００３６】
印加される電圧の周波数を高めることによって、最小回折効率に対するスイッチング電圧を著しく低下させることができる。このことは図３に示されている。図３は、二乗平均電圧の周波数に対する、最小回折効率を得るための、本明細書の説明に従って作成されたスイッチングプログラムに必要なしきい値二乗平均電圧２０及び完全スイッチング二乗平均電圧２２の両方を示すグラフである。しきい値及び完全スイッチング二乗平均電圧は、１０ｋＨｚに於いて、それぞれ２０Vrms及び６０Vrmsまで下がる。より高い周波数ではより低い値となることが推定される。
【００３７】
液晶ドロップレットのサイズが小さくなると、それらの方向を切り換えるためのスイッチング電圧が高くなるという問題が生ずる。前の段落で説明したように、高い周波数の交流電流スイッチング電圧を用いることが、必要なスイッチング電圧を低下させる助けとなる。図４に示すように、全混合物の約４〜６重量％の量でプレポリマー材料に界面活性剤（例えばオクタン酸）を加えると、１〜２ｋＨｚの低い周波数でスイッチング電圧が約５０Vrmsのサンプルホログラムが得られる。図５に示すように、界面活性剤を用いてドロップレットのサイズを小さくすると、ＰＤＬＣ材料のスイッチング時間が短くなることも分かった。従って、界面活性剤を用いて作られたサンプルは、約２５〜４４μ秒でスイッチングすることができる。何らかの理論に結び付けることを意図しないが、界面活性剤は、液晶と硬化ポリマーとの間の界面における液晶のアンカリングを低下させることによってスイッチング電圧を低くしていると考えられる。
【００３８】
回折効率の熱的な制御が図５に示されている。図５は、本明細書の説明に従って作られたホログラムの、温度に対する正規化された正味の回折効率及び正規化された正味の透過率を示すグラフである。
【００３９】
ここに開示するポリマー分散液晶材料は、そのようなポリマー分散液晶系の特定の組成の体積ホログラムを記録するために用いることができるということが立証された。
【００４０】
図７に示すように、ＰＤＬＣ反射型回折格子は、錫ドープ酸化インジウムでコーティングされたスライドガラス１１４ａ上にプレポリマー材料１１２の混合物の幾つかのドロップレットを置くことによって作成される。次に、第２の錫ドープ酸化インジウムでコーティングされたスライド１１４ｂを第１のスライドに押し付けて、プレポリマー材料１１２がスライド１１４ａと１１４ｂとの間の領域を満たすようにする。好ましくは一様なスペーサ１１８を用いることによって、スライドの間隔を約２０μｍに維持する。プレポリマー材料の調製、スライドガラスへ移す作業は、暗所で行うのが好ましい。組立ての後、ミラー１１６をガラスプレート１１４ｂの裏側に設けることができる。サンプルからミラーまでの距離は、レーザーのコヒーレンス長より実質的に短いのが好ましい。ＰＤＬＣ材料は、好ましくは、ガラスプレートの面全体に延ばされた状態で、強度が約０．１〜１００mW/cm2の４８８ｎｍのアルゴンイオンレーザー光に、一般的には３０〜１２０秒間露光される。広がったビーム内での強め合う干渉及び弱め合う干渉が、被膜の厚みを通して周期的な強度の分布を作り出す。
【００４１】
或る実施態様では、反射型回折格子を作製するために用いられるプレポリマー材料が、モノマー、液晶、橋かけモノマー、共開始剤、及び光開始剤染料を含む。反射型回折格子は、ジペンタエリトリトールヒドロキシペンタクリレート（dipentaerythritol hydroxypentacrylate）（DPHA）を含むモノマーのほかに、３５重量％の（E7の商品名で市販されている）シアノビフェニル（cyano biphenyls）混合物からなる液晶、１０重量％のN-ビニルピロリジノン（N-vinylpyrrolidinone）("NVP")からなる架橋モノマー、２５重量％の共開始剤Ｎ‐フェニルグリシン（N-phenylglycine）("NPG")、及び１０−５から１０−６グラムモルのローズベンガルエステル（rose bengal ester）からなる光開始剤染料を含むポリマー材料から形成され得る。更に、透過型回折格子の場合のように、界面活性剤を加えることによって、透過型回折格子に関連して上述したものと同じ有益な特性が得られると考えられる。また、プレポリマー開始材料の類似の範囲や変更についても、適切な反射型回折格子の形成に容易に適用できると考えられる。
【００４２】
得られる材料が、表面に垂直な回折ベクトルで１６０ｎｍの周期の細密な回折格子を含むことは、低電圧の高分解能走査型電子顕微鏡（"LVHRSEM"）によって確認された。従って、図８ａに模式的に示すように、回折格子１３０は、前面１３４に平行に延在するポリマーチャネル１３０ａ及びＰＤＬＣチャネル１３０ｂの周期的な面を有する。回折格子のこれらの周期的な面に関連する間隔は、サンプルの空気−被膜界面から被膜−基板界面までの全厚みにわたって比較的一定である。
【００４３】
透過型及び反射型回折格子の両方を作成するために干渉が利用されるが、反射型回折格子の形態は著しく異なっている。詳述すると、その形態は、類似の液晶濃度を有する透過型回折格子の場合と異なり、個々の液晶ドロップレットの凝集がほとんどないことが明らかであることが確認された。更に、材料に存在したドロップレットの中で直径が５０〜１００ｎｍのものは非常に少なかった。更に、液晶を豊富に含む領域が、通常は回折格子の４０％未満である透過型回折格子の場合と異なり、反射型回折格子の液晶を豊富に含む部分は非常に大きい。反射型回折格子の周期は非常に短い、即ち格子の間隔が非常に狭い（〜０．２μ）ことから、低い光強度の領域における硬化終了までの時間と高い強度の領域における硬化終了までの時間との差は非常に小さいと考えられる。また、ドロップレットの直径が小さくことから明らかなように、速い速度での重合によって、ゲル化の際にマトリクスにおける液晶のパーセンテージが著しく抑えられ、大きいドロップレットの成長又は小さいドロップレットのより広い領域への分散が妨げてられていると考えられる。
【００４４】
吸光スペクトルに於ける反射ノッチ（反射の切れ目）の解析によって、周期的な屈折率の変化が被膜の厚み全体にわたって存在するという結論が裏付けられる。４８８ｎｍのアルゴンイオンレーザーで形成されたＰＤＬＣ材料において、反射ノッチは、一般的には比較的狭いバンド幅及び垂直入射光に対して約４７２ｎｍの反射光波長を有する。書き込みの波長と反射の波長との間の差が僅か（約５％）であることは、被膜の収縮が、問題とならないということを示している。更に、そのような回折格子の性能は、数ヶ月間の期間にわたって安定であることが分かった。
【００４５】
上述の実施例において使用された材料に加えて、適切なＰＤＬＣ材料としては、トリエチレングリコールジアクリレート（triethyleneglycol diacrylate）、トリメチロール プロパントリアクリレート（trimethylolpropanetriacrylate）、ペンタエリトリトールトリアクリレート（pentaerythritol triacrylate）、ペンタエリトリトールテトラクリレート（pentaerythritol tetracrylate）、及びペンタエリトリトールペンタクリレート（pentaerythritol pentacrylate）等を挙げることができる。同様に、その他の共開始剤、例えばトリエチルアミン（triethylamine）、トリエタノールアミン（triethanolamine）、及びN, N-ジメチル-2,6-ジイソプロピルアニリン（N,N-dimethyl-2,6-diisopropylaniline）等も、N-フェニルグリシン（N-phenylglycine）の代わりに用いることができる。アルゴンイオンレーザーの458nm、476nm、488nm、514nmの波長での利用に望ましい光開始剤染料としては、ローズベンガルナトリウム塩（rose bengal sodium salt）、エオシン（eosin）、
エオシンナトリウム塩（eosin sodium salt）、フルオレセインナトリウム塩（fluorescein sodium salt）等が挙げられる。633nmの波長のレーザーの利用に際しては、メチレンブルー（methylene blue）が良く用いられる。また、その他の液晶、例えば4'-ペンチル-4-シアノビフェニル（4'-pentyl-4-cyanobiphenyl）、4'-ヘプチル-4-シアノビフェニル（4'-heptyl-4-cyanobiphenyl）等も利用可能であると考えられる。
【００４６】
図８ａを再度参照すると、回折格子１３０の前面１３４に平行に配置されたポリマーチャネル１３０ａ及びＰＤＬＣチャネル１３０ｂの周期的な平面を備えた本発明による反射型回折格子１３０の立体図が示されている。液晶ドメインの対称軸１３６は、回折格子１３０の周期的なチャネル１３０ａ及び１３０ｂに対して垂直で、且つ回折格子１３０の前記１３４に対して垂直な方向に形成される。従って、電界Ｅが加えられたとき、図８ｂに示すように、対称軸１３６は、既に電界Ｅと整合する低エネルギー状態にあり、再度配向される。従って、本発明による反射型回折格子は、通常はスイッチング可能なものとならない。
【００４７】
一般に反射型回折格子は、それが反射フィルタとして用いられ得るように狭い幅の波長を反射する傾向がある。しかし、或る実施態様では、反射型回折格子がスイッチング可能となるように形成される。詳述すると、スイッチング可能な反射型回折格子が、負の誘電異方性ＬＣ（又は低いクロスオーバー周波数を有するＬＣ）、加えられる磁界、加えられる剪断応力場、又は傾め回折格子を用いて形成され得る。
【００４８】
負の誘電異方性（Δε）を有する液晶は、加えられる磁界に対して垂直な向きに旋回することが知られている。図９ａに示すように、負のΔεを有する液晶で形成された液晶ドメインの対称軸１３６は、回折格子１３０の周期的なチャネル１３０ａ及び１３０ｂに対して垂直で、且つ回折格子の前面１３５に垂直な方向にも配向される。しかし、電界Ｅがそのような回折格子を横断するように加えられると、図９ｂに示すように、負のΔεの液晶の対称軸は歪み、回折格子の周期的な面と被膜に対して垂直な電界Ｅに垂直な向きに再配向される。この結果、反射型回折格子は、反射型である状態と透過型である状態との間でスイッチング可能となる。以下に示す負のΔεを有する液晶及びその他の液晶が、本発明のその方法及びデバイスにおいて用いられ得ると考えられる。
【００４９】
【化２】
0004475813.tif 000003
【００５０】
液晶は本来（若しくは合成された時）正又は負の何れかのΔεを有し得る。従って、低い周波数で正のΔεを有するが、高い周波数ではそれが負になるＬＣを用いることが可能である。Δεの符号が変わる（印加される電圧の）周波数を、クロスオーバー周波数と称する。クロスオーバー周波数は、ＬＣの組成によって異なり、１〜１０ｋＨｚの範囲の値を有するのが一般的である。従って、適切な周波数で操作することによって、反射型回折格子を切り換えることができる。正及び負の誘電異方性液晶の組合せから低いクロスオーバー周波数の材料を作成することができると考えられる。そのような組合せにおいて使用するために適した正の誘電性液晶は、以下のような四環エステルを含む。
【００５１】
【化３】
0004475813.tif 000004
【００５２】
そのような組合せにおいて使用するために適した強い負の誘電性液晶は、以下のようなピリダジン（pyridazine）から作られる。
【００５３】
【化４】
0004475813.tif 000005
【００５４】
両液晶材料は、LaRoche & Co., Switzerlandから市販されている。この組合せにおける正及び負の液晶の比率を変えることにより、室温において１．４〜２．３ｋＨｚのクロスオーバー周波数が得られる。本実施例における使用に適した他の組合せとしては、p-ペンチルフェニル-2-クロロ-4-ベンゾエート（p-ペンチルベンゾイルオキシ）ベンゾエート（p-pentylphenyl-2-chloro-4-(p-pentylbenzoyloxy)benzoate）及びベンゾエート（benzoate）が挙げられる。これらの材料は、Kodak Companyより入手可能である。
【００５５】
更に詳述すると、スイッチング可能な反射型回折格子が、正のΔεの液晶を用いて形成され得る。図１０ａに示すように、そのような回折格子は、ＰＤＬＣ開始材料を硬化プロセスの間に磁界にさらすことによって形成される。この磁界は、（図１０ａに示すような）ヘルムホルツコイルの使用、永久磁石の使用、又は他の適切な手段の使用により生成することができる。好ましくは、磁界Ｍは、回折格子１４０を形成するために用いられる板ガラス（図示せず）の前面と平行な向きに加えられる。この結果、液晶の対称軸１４６は、混合物が液体である間に磁界に沿った向きに配向される。重合が終了する時に磁界が取り除かれ、液晶の対称軸と一致する向きがそのまま維持される（図１０ｂ参照）。電界が加えられると、図１０ｃに示すように、正のΔεの液晶が電界の方向に再配向され、その方向は回折格子の前面及び回折格子の周期的なチャネルに対して垂直な向きである。
【００５６】
図１１ａは、斜め透過型回折格子１４８を示し、図１１ｂは斜め反射型回折格子１５０を示す。ホログラフィー透過型回折格子は、回折格子のベクトルＧの方向が回折格子表面と平行でない場合に斜めになると考えられる。ホログラフィー反射型回折格子では、回折格子ベクトルＧが回折格子の表面に対して垂直でない場合に斜めになると言われている。斜め回折格子は、ディスプレイ装置、ミラー、ラインフィルタ、光学スイッチ等の、斜め型でない回折格子と同一の多くの用途を有する。
【００５７】
第１に、斜めホログラフィー回折格子を用いて、回折されたビームの方向を制御する。例えば、反射ホログラムにおいて、斜め回折格子を用いて、被膜の表面反射を回折ビームから分離する。ＰＤＬＣホログラフィー回折格子では、斜め回折格子がより有利な点を有する。斜め型であることによって、接線方向又はホメオトロピック方向の何れかの方向に配向された液晶を用いた時に、回折格子の変調の深さを電界によって制御することが可能となる。これは、この斜め方向が、電界の成分を回折格子ベクトルに対して接線方向と垂直方向の両方向に供給するからである。詳述すると、反射型回折格子の場合、ＬＣドメインの対称軸は、回折格子ベクトルＧに沿った向きに配向され、長さ方向に加えられた電界Ｅによって薄膜の面に対して垂直な向きにスイッチングされ得る。これは、斜め反射型回折格子の回折効率のスイッチングのための一般的な幾何学的形態（geometry）である。
【００５８】
斜め反射型回折格子に記録する時には、２つの直角のガラスプリズムの斜辺同士の間にサンプルを置くことが望ましい。次に濃度フィルタを屈折率が整合した流体を用いてプリズムの裏面に光学的に接触する形で置き、同様に記録される回折格子を生じさせる逆方向反射を生じないようにすることができる。入射レーザービームは、従来型のビームスプリッタによって２本のビームに分割され、それらのビームは次にプリズムの前面に向けられ、所望の角度でサンプルにおいて重なる。従って、これらのビームはサンプルに互いに反対側から入射することになる。このプリズムカップリング技術によって、より大きな角度で光をサンプル当てることが可能となる。得られる回折格子の傾きは、プリズムアセンブリが回される角度（即ち、１本の入射ビームの向きと、そのビームがプリズムに入射する位置におけるプリズム前面の法線との間の角度）によって決定される。
【００５９】
図１２に示すように、スイッチング可能な反射型回折格子は、加え得られる剪断応力場の存在の下で形成され得る。この方法では、剪断応力が、磁界Ｍの方向に沿って加えられる。このことは、例えば、ポリマーが柔らかい状態である間にプレポリマー混合物を間に挟んだ２枚のＩＴＯでコーティングした板ガラスに同じ大きさの反対方向の引張り力を加えることによって達成することができる。この剪断応力によって、応力の方向にＬＣドメインが歪み、得られるＬＣドメイン対称軸は主として応力の方向に沿った、ＰＤＬＣ平面に平行で且つスイッチングのために加えられる電界の方向に垂直な向きとなる。
【００６０】
この説明に従って作成された反射型回折格子は、カラー反射型ディスプレイ、レーザー保護のためのスイッチング可能な波長フィルタ、反射型光学要素等の用途に用いることができる。
【００６１】
或る実施態様では、ＰＤＬＣ材料を複屈折として知られる特性を示すように作製することができる。複屈折によって、回折格子を透過する偏光した光が、変化した偏光を有することになる。そのような回折格子は、波長以下回折格子（subwavelength grating）として知られ、それらは方解石、リン酸カリウム、又はニオブ酸リチウム等の負の単軸結晶のような挙動を示し、光軸がＰＤＬＣ面に対して垂直である。ここで図１３を参照すると、回折格子２００の前面２０４に垂直な、ポリマー面２００ａとＰＤＬＣ面２００ｂとが周期的に存在する面を有する、本明細書の説明に従って作製された透過型回折格子２００の立体図が示されている。光軸２０６は、ポリマー面２００ａ及びＰＤＬＣ面２００ｂに対して垂直な向きである。各ポリマー面２００ａは厚みｔｐ及び屈折率ｎｐを有し、各ＰＤＬＣ面２００ｂは厚みｔＰＤＬＣ及び屈折率ｎＰＤＬＣを有する。
【００６２】
ここでPDLC平面とポリマー平面の複合的厚みは光学的波長（即ち、 (tPDLC + tP) <<λ）よりも概ね小さく、回折格子は複屈折性を示す。後述するように、偏光のシフト大きさは回折格子の長さに比例する。従って、所定の光の波長に対する波長以下回折格子の長さLを慎重に選択することによって、偏光面を回転させ或いは円偏光を生じさせることが可能である。従って、そのような波長以下回折格子を半波長若しくは４分の１波長板として機能するようにそれぞれ設計することが可能である。従って、このプロセスの利点は、その波長における与えられた任意の材料の複屈折に依存するのではなく、むしろ材料の複屈折を単純な設計パラメータによって調節して特定の波長に対して最適化し得ることである。
【００６３】
半波長板を形成するためには、波長以下回折格子の遅れ(retardance)が波長の半分（即ち、遅れ=λ/2）と等しくなければならず、また４分の１波長板を形成するためには、その遅れが波長の1/4（即ち、遅れ=λ/4）に等しくなければならない。遅れは正味の複屈折|Δn|に関係し、それは次式のような波長以下回折格子の常光線屈折率noと異常光屈折率neとの差である。
遅れ = |Δn|L = |ne−no|L
従って、半波長板（即ち、遅れが波長の半分に等しい）の場合、波長以下回折格子の長さは次のように選択され得る。
L = λ/(2|Δn|)
同様に、４分の１波長板（即ち、遅れが波長の1/4に等しい）の場合、波長以下回折格子の長さは次のように選択され得る。
L = λ/(4|Δn|)
図１４ａに示すように、例えば入射する偏光が半波長板２１２の光軸２１０に対して45°の角度である場合、平面偏光は保存されるが板を出る波の偏光は90°シフトし得る。従って、半波長板２１２が組合されたポーラライザー２１４及び２１６の間に配置された図１４ｂ及び図１４ｃに示すように、入射光が透過される。図１４ｄに示すように適切なスイッチング電圧を印加した場合、偏光は回転せず、光は第2のポーラライザーによって遮断される。
【００６４】
４分の１波長板の場合、偏光は円偏光に転換される。従って、４分の１波長板２１７がビームスプリッター２１８とミラー２１９との間に配置された図１５ａに示すように、反射光はビームスプリッター２１８によって反射される。図１５ｂに示すように適切なスイッチング電圧が印加された場合、反射光はビームスプリッターを通過し、入射ビームに沿って逆反射される。
【００６５】
図１６ａには、前述の方法によって記録された、回折格子２３０の前面２３４に対して垂直に配置されたPDLCチャネル２３０ｂ及びポリマーチャネル２３０ａの周期的平面を有する波長以下回折格子２３０の立体図を示す。図１６ａに示すように、液晶ドメインの対象軸２３２は、回折格子の表面２３４に対して平行に、また回折格子２３０の周期的チャネル２３０ａ及び２３０ｂに対して垂直に配置される。従って、図１５ｂに示すように回折格子に電界Ｅを印加すると、対称軸２３２は歪んで電界Ｅの方向に再配向され、回折格子の前面２３４に対して垂直に、また回折格子２３０の周期的チャネル２３０ａ及び２３０ｂに対して平行となる。結果として、波長以下回折格子２３０によって、入射する偏光を変化させる状態と変化させない状態の間で切替えが可能である。何らかの理論に結び付けられることを意図しないが、液晶ドメインの対象軸２３２の方向は、回折格子の記録の際のモノマー及び液晶の異方性の分散の結果生じる表面張力勾配によるもであり、またこの勾配によって液晶ドメインの対象軸が周期的平面に対して垂直に方向づけられると考えられる。
【００６６】
Born and Wolf, Principles of Optics, 5th Ed., New York (1975)（ここで言及することにより本明細書の一部とする）に開示のように、波長以下回折格子の複屈折は次式によって与えられる。
【００６７】
【数１】
0004475813.tif 000006
【００６８】
ここで、
no＝波長以下回折格子の常光線屈折率
ne＝異常光屈折率
nPDLC＝PDLC平面の屈折率
np＝ポリマー平面の屈折率
nLC＝入射光で見られる液晶の有効屈折率
fPDLC= tPDLC／(tPDLC+tp)
fp= tp／(tPDLC+tp)
従って、nPDLC = npの場合、波長以下回折格子の複屈折はゼロである。
【００６９】
液晶の有効屈折率nLCは、電界の幾つかの値において電界がゼロでポリマーの値npと等しい値であるときに最大値EMAXをとる印加された電界の関数であることが知られている。従って電界の印加によって、液晶の屈折率nLCが変更され、よってPDLC平面の屈折率が変更され得る。前述の関係を用いれば、波長以下回折格子の正味の複屈折は、nPDLCがnpに等しいとき（即ち、nLC= np）最小となる。従って、電界を印加することによってPDLC平面の屈折率がポリマー平面の屈折率に一致する場合（即ち、nPDLC= np）、波長以下回折格子の複屈折が消え得る。
【００７０】
Born及びWolf（前出）の式から、正味の複屈折（即ち、|Δn|＝|ne−no|）に対する式は以下のようになる。
【００７１】
【数２】
0004475813.tif 000007
【００７２】
ここで、nAVG=(ne＋no)／2
更に、次式で示すように、PDLC平面の屈折率nPDLCは、入射光で見られる液晶の有効屈折率nLC及び周囲のポリマー平面の屈折率nPと関係する。
NPDLC= nP+fLC[nLC−nP]
ここで、fLCはPDLC平面におけるポリマーに分散した液晶の体積分率であり、fLC＝[VLC／(VLC+VP)]である。
【００７３】
例えば、電界のない場合の液晶の有効屈折率の標準的な値は、nLC＝1.7であり、またポリマー層に対してはnP＝1.5である。PDLC平面とポリマー平面の厚みとが等しく（即ち、tPDLC= tP、fPDLC= 0.5 = fP）且つfLC＝0.35である回折格子の場合、波長以下回折格子の正味の複屈折Δnは約0.008である。従って、入射光が0.8μmの波長を有する場合、波長以下回折格子の波長は、半波長板に対して50μmであり、４分の１波長板に対して25μmとなる。更に、約5V/μmの電界を印加することによって、液晶の屈折率がポリマーの屈折率と一致し、半波長の回折格子の複屈折が消え得る。従って、半波長板に対するスイッチング電圧Vnは約250Vであり、４分の１波長板に対するスイッチング電圧は約125ボルトである。
【００７４】
そのような電圧を印加することによって、板はマイクロ秒のオーダーでオン状態とオフ状態（ゼロ遅れ）の間でスイッチングされ得る。比較の手段として、電流ポッケルスセル技術は約1000−2000Vの電圧でナノ秒でスイッチングされ、またバルクネマチック液晶は約5Vの電圧でミリ秒のオーダーでスイッチングされ得る。
【００７５】
図１７に示すような別の実施例において、波長以下回折格子のスイッチング電圧は、波長以下回折格子２２０ａ−２２０ｅを共に積み重ね、それらを電気的に並列に連結することによって低減することができる。例えば、各々が10μmの長さを有する5つの回折格子の積み重ねが、半波長板に必要とされる厚みを生じさせることが知られている。各回折格子は、透明な電極として機能する錫ドープ酸化インジウムコーティングを含むので、サンプルの長さは、50μmよりも幾分大きいことに注意されたい。しかしながら、そのような板の積み重ねに対するスイッチング電圧は単に50Vに過ぎない。
【００７６】
前述の波長以下回折格子は、電気通信、測色法、分光分析、レーザ保護などのためのチューナブルフィルタだけでなく、ディスプレイ及びレーザ光学素子のための偏光子及び光学スイッチの分野において適切な用途が見出されることが期待される。同様に、電気的にスイッチング可能な透過型回折格子は、光線が偏向されたり、或いはホログラフィー像が切換えられるような多くの用途を有する。このような用途には、光ファイバースイッチ、光学的結合のためのリプログラマブルNxN光学的相互接続、レーザメスのためのビームステアリング、レーザレーダーのためのビームステアリング、ホログラフィーイメージの記録及び検索、デジタルズーム光学要素（スイッチング可能なホログラフィーレンズ）、グラフィック技術及びエンターテイメントなどが含まれる。
【００７７】
スイッチング可能なホログラムでは、電場の印加によってホログラムの回折効率が変更され、完全なオン状態（高い回折効率）から完全なオフ状態（低い回折効率若しくは0）へと切換え可能である。静的ホログラムでは、その特性は印加された電場に依存せず固定されたままである。本発明によれば、ハイコントラストな状態のホログラムが生成可能である。変更例において、ホログラムは前述のように記録される。次に硬化したポリマーフィルムを短時間室温にて適切な溶媒に浸漬し、最終的に乾燥させる。液晶E7の場合、メタノールが十分な適応性を示す。可能性のある他の溶媒としては、メタノールのようなアルコール、ヘキサン及びヘプタンのような炭化水素などが挙げられる。材料を乾燥すると、高い回折効率を有するハイコントラストな状態のホログラムが生じる。第2の層ドメインは空の間隙（空気）（n〜1）に置き換えられるので、高い回折効率はフィルム（Δn〜0.5）における大きな屈折率変調(index modulation)の結果である。
【００７８】
同様に本発明によれば、高い複屈折の静的な波長以下波長板(subwavelength wave-plate)を形成可能である。空気の屈折率は殆どの液晶の屈折率に比べて十分低いため、対応する半波長板の厚みが低減され得る。本発明により合成された波長板は、特にコストが高すぎるため若しくは嵩張るために適切な波長が適切な複屈折の材料に利用できない偏光子を用いる多くの用途において使用可能である。
【００７９】
用語「ポリマー分散液晶」及び「ポリマー分散液晶材料」には、モノマーが重合若しくは硬化していない溶液、ある程度の重合が生じている溶液、並びに完全に重合した溶液が含まれる。当業者は、当業者が標準的に用いる用語であるポリマー分散液晶（文法的には完全に重合した基質に分散された液晶を指す）が、より文法的に正しいポリマー分散液晶材料若しくは文法的により正しいポリマー分散液晶材料の出発原料の一部又はその全てを含むことを意味することを理解するであろう。
【００８０】
図１８：スイッチング可能なホログラフィー光学要素
図１８は、動作しているスイッチング可能なホログラフィー光学要素（ＨＯＥ）の一実施形態を示す。本図において、電場はスイッチング可能なＨＯＥ１８０５の一部を横断し、電極板１８０７を通過して印加される。電場はＨＯＥから回折格子構造を有効に消去することによってＨＯＥを透過する。電極板１８０７のうち電場にさらされていないスイッチング可能なＨＯＥ１８０５の部分は、図中で斜線により示されている回折格子構造がそのままの状態で残っているために、なおもホログラムとして機能する。好適な入射角で入射する好適な色の光線１８２０は、ＨＯＥ１８０５の前記部分により回折される。しかし、電極板１８０７間のスイッチング可能なＨＯＥ１８０５の前記部分に入射する光線１８１０は、スイッチング可能なＨＯＥ１８０５を通過して伝搬される。また、光がスイッチング可能なＨＯＥ１８０５の帯域外にあるか、光線がＨＯＥと交差する領域において入射角がスイッチング可能なＨＯＥ１８０５の回折角と近似していないかのいずれかの場合には、光線１８３０のような光もスイッチング可能なＨＯＥ１８０５の回折部分を通過して伝搬される。１８０７等の多数の電極板を用いて、スイッチング可能なＨＯＥ１８０５の適切な箇所に好適な電場を印加することにより、スイッチング可能なＨＯＥ１８０５の多数の異なる部分で回折、部分回折、または透過を起こさせることが可能である。印加電場を調整すれば、回折光の強度はダイナミックレンジで制御可能である。より具体的には、印加電場が変化すると回折効率がそれに伴い変化する。電場が増大すると修正屈折率が小さくなり、ゆえにゼロ次方向（例えば、入射光線方向）から回折光線方向への透過光が減少し、結果として回折効率も低下する。電場が縮小して修正屈折率が大きくなれば、結果的にゼロ次方向から回折光線方向により多くの光が透過する。一実施形態において、ＨＯＥは薄型格子ホログラムである。他の実施形態では、スイッチング可能なＨＯＥ１８０５は、ブラッグ型ホログラムまたは高回折効率の体積ホログラムである。
【００８１】
スイッチング可能なＨＯＥ１８０５を用いた本システム一実施形態は、高屈折効率及び高スイッチング速度で特徴づけられるホログラムが記録可能なフォトポリマー／液晶複合材料から構成される。スイッチング可能なＨＯＥ１８０５は透過電極間に挟持され、電極により印加された電場を調節することにより回折態から不動態へスイッチすることが可能である。
【００８２】
スイッチング可能なＨＯＥ１８０５は、例えば図１に示す材料のような露出ＰＤＬＣ材料を含む。ＰＤＬＣ材料は露出プロセス（例えばホログラム記録プロセス）中に相分離を行い、液晶ドロップレット（小滴）によって稠密にされ、クリアフォトポリマー領域によって散布される領域を作る。電場は露出ＰＤＬＣに印加され、液晶ドロップレットの固有配向を変化させる。前記液晶ドロップレットは逆に干渉縞の修正屈折率を小さくし、ホログラムの回折効率を極小レベルに低下させ、そこに記録されたホログラムを効率的に消去する。回折態では、電場は印加されず、露出ＰＤＬＣ材料は極めて高い回折効率を示す。露出ＰＤＬＣ材料は回折態と実質上の透過態との間を急速にスイッチする（例えば、露出材料は数十マイクロセカンドでスイッチ可能であり、これは通常の液晶ディスプレイ材料と比べて非常に速い）。
【００８３】
図１９−図２０：光源とホログラフィー光学要素との結合
図１９は、異なる色の光源を組み合わせて多色光を発生させるシステムの一実施形態を示す。本システムでは、３つの色が異なる光の発生源、赤色光源１９１０Ｒ、緑色光源１９１０Ｇ、及び青色光源１９１０Ｂからの光が、３つのＨＯＥ１９２０Ｒ、１９２０Ｇ、及び１９２０Ｂから構成されるＨＯＥスタック（stack）に入射する。各ＨＯＥは単色の回折光に形成される。ＨＯＥ１９２０Ｒは赤色光を回折し、ＨＯＥ１９２０Ｇは緑色光を回折し、ＨＯＥ１９２０Ｂは青色光を回折する。３つの光源各々からの光は３つのＨＯＥのうち対応する１つのＨＯＥによって共通の出射方向へ回折され、対応する感色性を有しないＨＯＥを通過して実質的に伝搬される。ＨＯＥ１９２０Ｒ、１９２０Ｇ、及び１９２０Ｂは、各ＨＯＥからの回折光が実質的に重なり合うように配列する。出射光は混合光１９３０Ｗのビームとして進行する。好適な実施形態では、出射光１９３０Ｗが実質的に「白」光となるように３つの光源の相対強度及び３つのＨＯＥの回折効率を一致させる。
【００８４】
本システムの一実施形態において、ＨＯＥ１９２０Ｒ、１９２０Ｇ、及び１９２０Ｂは、スイッチング可能なホログラムではない。前記ＨＯＥは、回折効率及び角感度を予め決定した固定（fixed）回折構造を有する。他の実施形態では、３つのＨＯＥのうち少なくとも１つのＨＯＥは、スイッチング可能なＨＯＥである。前記スイッチング可能なＨＯＥを横断する印加電場を制御することにより、回折効率は変動する。個々の色成分が回折効率の変動性を有することで出射光１９３０Ｗの色彩のバランスがとれる。この変動性によって、３つの光源１９１０Ｒ、１９１０Ｇ、及び１９１０Ｂの明るさの変化を打ち消すことが可能である。例えば、いくつかの実施形態では、赤色光のより大きな成分を有する白色光源が好適である。ＨＯＥ１９２０Ｒに電場を印加して回折効率を向上させると、結果として出射光１９３０Wは目的のようにさらに赤くなる。別法では、通常運転中に３つの光源１９１０Ｒ、１９１０Ｇ、及び１９１０Ｂの全てを最大強度で動作させ、１９１０Ｇ及び１９１０Ｂの強度を低下させて出射光１９３０Ｗを赤くすることも可能である。
【００８５】
より簡易なシステムでは含まれるＨＯＥも少ない。例えば、２つの単色光源を組み合わせるシステムは、ミラーの前に反射型ＨＯＥを配置して作製する。本システムにおいて、ＨＯＥは１色を出射方向に回折させるように配置・配列する。ＨＯＥの格子は第１の色に特に反応するので、第２の色の光は実質的に変化することなくＨＯＥを通過する。第２の色はミラーからはね返って、ＨＯＥを通過して出射方向に反射する。
【００８６】
図２０ａ及び図２０ｂは、ホログラフィー照明システムの他の実施形態を示す。システムは一連のＬＥＤ２００２、ミラー２００４、ライトガイド２０２０、反射ＨＯＥスタック２０１０、及びディフューザ２０３０を含む。ライトガイド２０２０は、ＨＯＥスタック２０１０を反射光で照明するように配置する。ＨＯＥスタック２０１０のＨＯＥは、光をコリメートし、例えばビームスプリッターを用いて反射ディスプレイ面に組み合わせできる位置から光をディフューザ２０３０に向ける。図２０ａ及び図２０ｂに示した例では、ＨＯＥスタック２０１０はライトガイド２０２０の裏面に取設されている。本実施形態では、ライトガイド２０２０は裏面からＬＥＤ２００２からの３色の光を受け、前面からの光をＨＯＥスタック２０１０へ反射する。この反射は全内部反射とすることが可能であり、あるいはライトガイド２０２０の前面の一部を銀めっき（silvering）または部分銀めっきして反射させることも可能である。既述の実施形態では、ＨＯＥスタック２０１０は３つの反射型ＨＯＥを含み、各ＨＯＥは３色のうち１色の光を回折するように配置する。各ＨＯＥの干渉縞の幾何学的配置（geometry）（例えば、修正屈折率）は、回折光が実質的にコリメートな光線経路でＨＯＥの各部から現れるようにする。従って、回折光は有効にコリメートする。ＨＯＥスタック２０１０からの回折光は、ライトガイド２０２０を通過してディフューザ２０３０に再び伝播され、ディフューザ２０３０はライトガイド２０２０の前面に装着または隣接させる。他の実施形態では、ライトガイド２０２０を設計する際に適宜異なる光線経路の幾何学的配置が用いられる。
【００８７】
ＬＥＤ２００２は、好適には狭い帯域に集中する高出力の明るい光源である。ＨＯＥスタック２０１０は、異なるＬＥＤから実質的に一様な白光までの光の異なる色成分と組み合わせ、前記白光をディフューザ２０３０へ伝搬するよう配置する。個々のＬＥＤは、ＬＥＤの光がＨＯＥスタック２０１０に好適な入射角で入射するよう配列する。
【００８８】
他の実施形態では、レーザーダイオード、ハロゲンランプ、誘導ランプ、アークランプ等を単独もしくは組み合わせて用い、ＬＥＤ２００２に替わる照明源とすることが可能である。照明源は単色光または広帯域とすることが可能である。また、ＨＯＥスタック２０１０は、反射ＨＯＥ要素に代えて伝搬可能なＨＯＥ要素で構成することが可能である。要素を替えた実施形態の一例を図２１に示す。
【００８９】
図２１：透過HOEを有する照明システム
ホログラフィック光学要素を用いる照明システム２１００の別の実施例が図２１ａに示されている。照明システムは、光源２１１０と、コリメートレンズ２１２０と、反射型のイメージディスプレイ２１４０を照らすのに用いられる透過ＨＯＥスタック２１３０とを有する。ＨＯＥスタック２１３０及びディスプレイ２１４０の組み合わせは、例えば、限定空間での映像投射装置に用いられうる。
【００９０】
ある実施例に於いて、スタック２１３０は少なくとも３つの透過型スイッチング可能ＨＯＥを有する。ＨＯＥ２１３０Ｒ−２１３０Ｂの各々は、そこへ供給される電圧に応じて活動状態と非活動状態との間で個々にスイッチング可能であり得る。本実施例に於いて、各ＨＯＥは、光透過層及び電導層に挟まれたポリマー分散型液晶マテリアル層と、光透過層及び非電導層に挟まれたものの組み合わせとを含む。あるいは、ＨＯＥはグループとして活動状態と非活動状態との間でスイッチング可能である。本実施例に於いて、ＨＯＥ２１３０Ｒ−２１３０Ｇは、光透過層及び電導層に挟まれた３つのそれぞれ別個のポリマー分散型液晶マテリアル層と、光透過層及び非電導層に挟まれたものの組み合わせとを含みうる。ＨＯＥ２１３０Ｒ−２１３０Ｇに関するより詳細な記述に関しては、US Patent Application 09/478,150のOptical Filter Employing Holographic Optical Elements and Image Generating System Incorporating The Optical Filter(January 5,2000)、US Patent Application 09/533,120のMethod And Apparatus For Illuminating A Display(March 23,2000)、及びUS Patent Application 09/675,431のInspection Device(September 29,2000)を引用することをもって本明細書の一部とする。別の実施例に於いては、ＨＯＥスタック２１３０はスイッチング不可能なＨＯＥを有しうる。
【００９１】
本実施例に於いて、光源２１１０は、概ね、白熱ランプ、インダクションランプ、蛍光灯、若しくはアークランプ、その他のランプのような、広帯域白色光源である。別の実施例に於いては、光源２１１０は、赤、緑、青の異なる色の単色光の組であり得る。それらの光源はＬＥＤ、レーザーダイオード、若しくはその他の単色光源でありうる。
【００９２】
ディスプレイ２１４０は、ＨＯＥ２１３０を挟んで光源２１１０と反対側面に配置されている。ディスプレイ２１４０は一つあるいは複数の実施例の形態をとりうる。映像ディスプレイは、スクリーンの各リフレッシュの間におけるピクセル強度状態を調整するアクティブＴＦＴコントロール物質を有したシリコン上の反射型マイクロＬＣＤのような、反射型マイクロディスプレイの形態をとりうる。映像ディスプレイは、光反射型マイクロ、若しくはピクセル強度を制御するミニチュア反射要素の再配置するＭＥＭＳ装置の形態をとりうる。典型的なマイクロミラー装置は、Texas InstrumentsよりDigital Light Processorの名称で市販されている。映像ディスプレイは、回折装置の出現範囲の一つの形態もとりうる。典型的なそのような装置の一つは、Silicon Light Machines,Incより、Grating Light Valveの名称で市販されている。その他の実施例では、ディスプレイ２１４０は透過ディスプレイであり、照明システムの光学的装置は、反射型ＨＯＥの複数のスタック間に配置された偏光回転体を有するスイッチング可能な透過性ＨＯＥの二つのスタックを含むように構成されうる。
【００９３】
システム２１００に於いて、ＨＯＥスタック２１３０は、映像ディスプレイの前面に直接配置される。光源２１１０より発せられる照明光は、レンズ２１２０によりコリメートされ、適切な入射角度でＨＯＥスタック２１３０に照射される。コリメートされた照明光の一つもしくは複数の要素は、ＨＯＥスタック２１３０の一つ若しくは複数のＨＯＥにより、続いてディスプレイ２１４０に向かって回折させられる。上記の通り、ＨＯＥスタックは、透過性のＨＯＥを有している。透過性ＨＯＥが、照明光のｓ−偏光成分をほとんど変更することなく透過させるに対して、活動状態では照明光のｐ−偏光成分を回折させるべく形成される。代わりに、照明光のｐ−偏光成分をほとんど変更することなく透過させるに対して、活動状態では照明光のｓ−偏光成分を回折させるべく形成されるような透過性のＨＯＥを採用することは可能であり得る。本発明は、照明光のｓ−偏光をほとんど変更することなく透過させ、ｐ−偏光を回折させる透過型ＨＯＥに関して詳述しうる。「変更することなく」というのは、回折することなく、強度を変更することなく、位相を変化させることなくと言う意味で定義されるが、以上に制限されるものではない。
【００９４】
図２１ｂ−図２１ｄは図２１ａに示された照明システム２１００の動作を図示している。図２１ｂ及び２１ｃは、反射型マイクロＬＣＤとして既述の、ディスプレイ２１４０が反射型マイクロディスプレイの形態をとるときの照明システム２１００を示している。図２１ｄは、ディスプレイ２１４０が反射型マイクロミラーの形態をとるときの照明システム２１００を示している。図２１ｂ−図２１ｄのディスプレイ２１４０は、入射する照明光を反射また変調してイメージ光を生成する。この照明光はディスプレイ２１４０へ供給されるイメージ情報に応じて変調される。別の記載では、照明光は、記録されたイメージを伴いディスプレイ２１４０によって反射される。図２１ｂ及び図２１ｃのマイクロディスプレイは照明入射光の偏光を回転させ、図２１ｄのそれは回転させない。
【００９５】
図２１ｂ−２１ｄは、ＨＯＥスタック２１３０を示す。ＨＯＥスタック２１３０は個々にスイッチング可能な透過型ＨＯＥである２１３０Ｒ−２１３０Ｂを有し、それらは、活動状態において、コリメートされた照明光のｓ−偏光された赤、緑、及び青の幅の成分を透過し、コリメートされた照明光のｐ−偏光された赤、緑、及び青の幅の成分をそれぞれ回折する。非活動状態ではスタック２１３０におけるそれぞれのＨＯＥは、変更を伴う事なく概ねすべてのコリメートされた光を透過する。ＨＯＥ２１３０Ｒ−２１３０Ｂのいずれかによって第一次回折光へと回折させられるｐ−偏光の割合は、既述の電導層及び光透過層間の電圧の強度に依存する。それ故、ＨＯＥ２１３０Ｒ−２１３０Ｂの電圧の強度を調整することにより、前記システムは、光源２１１０から得る照明光のカラーバランスを保つ手段を得る。ＨＯＥ２１３０Ｒ−２１３０Ｂの３つのすべてのＨＯＥは、同時、もしくは連続的または周期的に活動状態であり得る。最近の実施例ではＨＯＥ２１３０Ｒ−２１３０Ｂのそれぞれが連鎖的に一つずつ活性化され、ディスプレイ２１４０は表示させたい画像の青、緑、赤の要素を通して周期的に変化させる。ＨＯＥスタック２１３０は、ディスプレイ２１４０上の画像を伴い、人間の目が色を統合する時間（integration time）（１００マイクロ秒以下）よりも短時間で周期的にスイッチングされる。この方式ではシステムはカラーのイメージを供給するためにシングルモノクロマチックディスプレイを用いる。
【００９６】
図２１ｂ−２１ｄは、アクティブ状態で操作されるＨＯＥ２１３０Ｒ及び、非活動状態で操作されるＨＯＥ２１３０Ｇおよび２１３０Ｂを示す。図２１ｂでは、ｓ−偏光赤帯域幅成分２１５２Ｓがほとんど変更されることなく透過されているのにたいして、平行照明光２１５０のｐ−偏光赤帯域幅成分２１５２ＰがＨＯＥ２１３０Ｒにより回折させられている。回折光２１５２Ｐはディスプレイ２１４０により、ｓ−偏光赤帯域幅イメージ光２１５２Ｓとして反射され、すなわち偏光方向を回転させられる。イメージ光２１５２Ｓがｓ−偏光であるため、イメージ光２１５２Ｓは、２１３０Ｒ−２１３０ＢのすべてのＨＯＥを完全もしくは概ね変更されることなく透過する。ＨＯＥスタック２１３０を透過するイメージ光２１５２Ｓは、観賞用のスタンダードプロジェクター光学素子（図示されない）により投影される。ＨＯＥのポリマー分散液晶層、及びまたは、ＨＯＥスタック２１３０によりイメージ光がレシーブされる角度Ｕ範囲内の回折格子は、イメージ及び照明光２１５２Ｓ及び２１５２Ｐが、ディスプレイ装置２１４０及びＨＯＥ２１３０Ｒ−２１３０Ｂの表面にノーマルであるように配置されうる。２１５４Ｓを含む回折を伴わない照明光２１５０の残存成分は、ディスプレイ２１４０によって反射される場合、イメージ光２１５２Ｓとは異なる角度で浮かび上がる。このゼロオーダー光（非回折光）が異なった出現角度を有しているため、それがイメージ光２１５２Ｓと干渉しないように捉えられ、若しくは、そのような傾向を有しうる。既述のとおり、アクティブなＨＯＥにより回折させられるｐ−偏光照明光の割合は、そこでの電圧強度に依存する。それはまた、ＨＯＥが照明光を受ける角度Ｕにも依存する。角度Ｕが５０度から６０度の間もしくはそれ以下の場合、概ねすべてのｐ―偏光成分照明光が回折される。しかし、ＨＯＥにより回折されるｐ−偏光照明光の割合は、角度Ｕが５０度から６０度を超えて増えるにつれて、概ね減少しうる。
【００９７】
図２１ｃは概ね図２１ｂに準ずる。しかし２１ａとは異なり、回折されたｐ−偏光照明光２１５２ｐが、ディスプレイ表面の通常軸に対して非ゼロ角でディスプレイ２１４０に入射する。反射されたｓ−偏光イメージ光２１５４ｓも、ディスプレイ２１４０よりディスプレイ表面の通常軸に関して角度を有して浮かび上がる。しかしながらイメージ光２１５２ｓはｓ−偏光であり、ＨＯＥスタック２１３０を、完全に若しくは概ね変更されることなく透過する。２１５４Ｓを含む回折を伴わない照明光２１５０の残存成分は、ディスプレイ２１４０によって反射される場合、イメージ光２１５２Ｓの出現角度よりも大きな角度で浮かび上がる。このゼロオーダー光（即ち、回折されない光）が、より大きな出現角度を有している為、それがイメージ光２１５２Ｓと干渉しないように捉えられ、若しくは、そのような傾向を有しうる。
【００９８】
図２１ｄは図２１ｃに準ずる。しかし既述の通りディスプレイ装置２１４０がイメージ入射光の偏光を回転させない。つまり、ｐ−偏光イメージ光２１５６Ｐはディスプレイ２１４０から浮かび上がる。しかし、ｐ−偏光イメージ光２１５６Ｐとｐ−偏光イメージ光２１５２Ｐとの間の角度Ｖが、ＨＯＥ２１３０Ｒ−２１３０Ｂのブラッグ回折角帯域幅よりも大きい場合、イメージ光２１５６Ｐは、ＨＯＥ２１３０Ｒ−２１３０Ｂを完全若しくは概ね変化することなく透過する。
【００９９】
図２２：色分け及び色の釣り合わせ
図２２は、白色光をそれぞれの色成分に分ける装置を示す。この装置は、２２１０Ｒ、２２１０Ｇ及び２２１０Ｂの３つのＨＯＥ要素で構成され、それらのそれぞれが、赤色、緑色及び青色の光に回折可能である。ＨＯＥは、多色性或いは幅の広い光源２２０５からの光によって照明される。そぞれのＨＯＥは、光源２２０５からの色成分の１つをディスプレイ２２２０に向かうように回折する。次に、２２２０から反射された光が投影装置２２３０に入射する。
【０１００】
ＨＯＥ要素２１０Ｒ、２２１０Ｇ及び２２１０Ｂは、スイッチング可能なＨＯＥである。これらが１個ずつ順次オンとなるため、ディスプレイ２２２０は、順次、青、緑、赤に照明される。ディスプレイユニット２２２０はまた、目的の画像の３原色の内の１つを順次表示するようにスイッチングされる。ＨＯＥ２２１０Ｒ、２２１０Ｇ及び２２１０Ｂは、ディスプレイ２２２０のスイッチングと同期してスイッチングされるが、その速度は肉眼による画像の形成より速い。従って、投影される画像は、１つの単色ディスプレイ２２２０によって形成される複合カラーの画像である。
【０１０１】
赤色、緑色、青色（人間の目における錐状体の３つのタイプの基準となる色の幅（nominal color band））に調整されたＨＯＥを用いる代わりに、目的に応じて他の色を組合わせることも可能であることに注目されたい。一般に、好適な色の幅をもつ色成分の任意のセットを利用できる。例えば、緑がかった青色（cyan）、黄色、紫紅色（magenta）の組み合わせが、ある種の印刷に用いられる。
【０１０２】
上記した実施例におけるスイッチング可能なＨＯＥは、高い回折効率を実現するためにブラッグ型の要素を用いることが可能である。しかしながら、ブラッグ型ＨＯＥと比べると回折効率は高くないが、薄い相のスイッチング可能なＨＯＥを用いることも可能である。更に、光学装置の変更に合わせて反射型スイッチング可能ＨＯＥを透過型スイッチング可能ＨＯＥに換えることができ、またはその逆も可能である。同様に、透過型非スイッチ式ＨＯＥを反射型非スイッチ式ＨＯＥに換えることができ、またその逆も可能である。
【０１０３】
上記した実施例において、ＨＯＥ及びその他の光学要素によって発生する光学収差を補償するために、従来の光学要素が必要となる場合がある。これらの補償要素は、この装置の基本的な機能の記載に影響を与えるものではないため、単純化するべくこれらの要素を省略した。光学収差を補償するために、こららの装置の或る実施例にＨＯＥを使用する場合もあり得ることに注意されたい。
【図面の簡単な説明】
【図１】  露出ポリマー分散液晶（ＰＬＤＣ）材料により構成され電気的にスイッチング可能なホログラムの断面図。
【図２】  界面活性剤を付加することなく構成されたホログラムの正規化された正味透過率及び正規化された正味回折効率を、ホログラムに加えられたｒｍｓ電圧に対して示したグラフ。
【図３】  ホログラムを切り替えるのに必要な閾値及び完全スイッチングｒｍｓ電圧を示す、最小回折効率対ｒｍｓ電圧周波数グラフ。
【図４】  界面活性剤が存在した状態の３４重量％の液晶を用いたＰＬＤＣ材料及び２９％の液晶並びに４重量％の界面活性剤を用いたＰＬＤＣ材料についての、加えられた電界の関数としての正規化された回折効率のグラフ。
【図５】  図４の界面活性剤を含むＰＬＤＣ材料について、回折ビームのスイッチング応答時間特性を示すグラフ。
【図６】  ホログラムの正規化された正味透過率及び正規化された正味回折効率を示すグラフ。
【図７】  反射型回折格子を記録するための実験のための典型的構成を示す立体図。
【図８Ａ】  前面に対して平行なポリマーチャネル及びＰＬＤＣチャネルの周期的面を有する反射型回折格子の、電界が加えられない状態を示す立体図であって、回折格子の構成に用いられた液晶が正の誘電異方性を有する。
【図８Ｂ】  前面に対して平行なポリマーチャネル及びＰＬＤＣチャネルの周期的面を有する反射型回折格子の、電界が加えられた状態を示す立体図であって、回折格子の構成に用いられた液晶が正の誘電異方性を有する。
【図９Ａ】  格子の前面に対して平行なポリマーチャネル及びＰＬＤＣチャネルの周期的面を有する反射型回折格子の、電界が加えられない状態を示す立体図であって、回折格子の構成に用いられた液晶が負の誘電異方性を有する。
【図９Ｂ】  格子の前面に対して平行なポリマーチャネル及びＰＬＤＣチャネルの周期的面を有する反射型回折格子の、電界が加えられた状態を示す立体図であって、回折格子の構成に用いられた液晶が負の誘電異方性を有する。
【図１０Ａ】  ヘルムホルツコイル内に配置された反射型回折格子の立体図。
【図１０Ｂ】  電界が加えられない状態の図１０ａに示された反射型回折格子の立体図。
【図１０Ｃ】  電界が加えられた状態の図１０ａに示された反射型回折格子の立体図。
【図１１Ａ】  ポリマーチャネル及びＰＬＤＣチャネルの周期的面の格子ベクトルＧの方向を示す斜めの透過型回折格子の側面図。
【図１１Ｂ】  ポリマーチャネル及びＰＬＤＣチャネルの周期的面の格子ベクトルＧの方向を示す斜めの反射型回折格子の側面図。
【図１２】  剪断応力場が加えられた状態の反射型回折格子の立体図。
【図１３】  回折格子の前面に対して直交するように配置されたポリマーチャネル及びＰＬＤＣチャネルの周期的面を有する波長以下回折格子の立体図。
【図１４Ａ】  入射光の偏光方向が９０度回転するような半波長板として機能する、本発明に基づき構成された波長以下回折格子の立体図。
【図１４Ｂ】  入射光を透過させるように、互いに交差する偏光子間に配置された、図１４ａに示されたスイッチング可能な半波長板の立体図。
【図１４Ｃ】  半波長板に電圧を加えて入射光の偏光方向が回転しないようにして、第２の偏光子により入射光をブロックするようにした、図１４ｂに示されたスイッチング可能な半波長板及び互いに交差する偏光子を示す側面図。
【図１４Ｄ】  半波長板に電圧を加えて入射光の偏光方向が回転しないようにして、第２の偏光子により入射光をブロックするようにした、図１４ｂに示されたスイッチング可能な半波長板及び互いに交差する偏光子を示す側面図。
【図１５Ａ】  波長以下回折格子が４分の１波長板として機能し、平面偏光された光が、波長以下回折格子を透過し、ミラーにより逆反射され、ビームスプリッターにより反射されるようにした波長以下回折格子の側面図。
【図１５Ｂ】  図１５ａに示されたスイッチング可能な４分の１波長板を示す側面図であって、４分の１波長板に電圧を加えることにより、光の偏光状態が変化しないようにし、反射された光がビームスプリッターを通過するようにしたことを示す。
【図１６Ａ】  回折格子の前面に対して直交するように配置されたポリマーチャネル及びＰＬＤＣチャネルの周期的面を有し、電界が加えられない状態の透過型回折格子の立体図であって、回折格子の構成に用いられた液晶が正の誘電異方性を有する。
【図１６Ｂ】  回折格子の前面に対して直交するように配置されたポリマーチャネル及びＰＬＤＣチャネルの周期的面を有し、電界が加えられた状態の透過型回折格子の立体図であって、回折格子の構成に用いられた液晶が正の誘電異方性を有する。
【図１７】  回折格子が積み重ねられ、かつ電気的に並列接続され、波長以下回折格子の切り替え電圧が低くなるようにした、波長以下回折格子の側面図。
【図１８】  選択的に透過型とされ得るスイッチング可能な光学要素の図。
【図１９】  異なるカラーの光を結合させるのに積重ねた光学的要素を用いるシステムの一実施例を示す図。
【図２０ａ】  異なるカラーの光を結合させるのに積重ねた光学的要素を用いるシステムの別の実施例を示す図。
【図２０ｂ】  異なるカラーの光を結合させるのに積重ねた光学的要素を用いるシステムの別の実施例を示す図。
【図２１ａ】  イメージディスプレイを照明するのに積重ねた透過型のホログラフィー光学的要素を用いるシステムの一実施例を示す図。
【図２１ｂ】  図２１ａに示すシステムの一実施例の操作的態様を示す図。
【図２１ｃ】  図２１ａに示すシステムの一実施例の操作的態様を示す図。
【図２１ｄ】  図２１ａに示すシステムの別の実施例の操作的態様を示す図。
【図２２】  カラーシーケンスイメージディスプレイに対して照明源におけるカラー強度をバランスさせるために透過型のスイッチング可能なホログラフィー光学素子の積重ねが用いられるシステムの一実施例を示す図。
【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８ａ】
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【図８ｂ】
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【図９ａ】
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【図９ｂ】
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【図１０ａ】
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【図１０ｂ】
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【図１０ｃ】
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【図１１ａ】
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【図１１ｂ】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４ａ】
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【図１４ｂ】
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【図１４ｃ】
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【図１４ｄ】
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【図１５ａ】
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【図１５ｂ】
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【図１６ａ】
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【図１６ｂ】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０ａ】
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【図２０ｂ】
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【図２１ａ】
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【図２１ｂ】
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【図２１ｃ】
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【図２１ｄ】
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【図２２】
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