(57)【要約】動的に作動可能な回折光学要素（ＤＯＥ）は、基板と、基板の表面の第１の領域上に配置された回折格子とを含む。ＤＯＥは、基板の表面の第２の領域上に配置されたある量の流体と、基板の表面の第２の領域に隣接して配置された流体ディスプレーサと、電気信号を流体ディスプレーサに送信するように構成された駆動信号源とをさらに含む。流体ディスプレーサは、第１の状態における電気信号を受信すると、ある量の流体の一部を表面の第２の領域から回折格子の溝の中に変位させ、第２の状態における電気信号を受信すると、ある量の流体の一部を回折格子の溝から表面の第２の領域に後退させるように構成されている。
2020524301.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
動的に作動可能な回折光学要素（ＤＯＥ）であって、前記動的に作動可能なＤＯＥは、
表面を有する基板であって、前記表面は、第１の領域と、前記第１の領域から側方に変位させられた第２の領域とを含む、基板と、
前記基板の表面の第１の領域上に配置された回折格子であって、前記回折格子は、第１の屈折率を有し、複数の隆起と、隣接する隆起間の複数の溝とを含む、回折格子と、
前記基板の表面の第２の領域上に配置されたある量の流体であって、前記ある量の流体は、前記回折格子の前記第１の屈折率に実質的に合致した第２の屈折率を有する、ある量の流体と、
前記基板の前記表面の前記第２の領域に隣接して配置された流体ディスプレーサと、
前記流体ディスプレーサに結合され、電気信号を前記流体ディスプレーサに送信するように構成された駆動信号源と
を備え、
前記電気信号は、第１の状態と、第２の状態とを有し、
前記流体ディスプレーサは、
前記第１の状態における前記電気信号を受信すると、前記ある量の流体の一部が前記表面の前記第２の領域から前記回折格子の前記溝の中に変位させられるようにし、それによって、前記回折格子が「オフ」状態にあるようにすることと、
前記第２の状態における前記電気信号を受信すると、前記ある量の流体の前記一部が前記回折格子の前記溝から前記表面の前記第２の領域に後退するようにし、それによって、前記回折格子が「オン」状態にあるようにすることと
を行うように構成されている、動的に作動可能なＤＯＥ。
【請求項２】
前記基板は、親水性材料を備え、前記回折格子は、疎水性材料を備えている、請求項１に記載の動的に作動可能なＤＯＥ。
【請求項３】
前記親水性材料は、ガラスを備え、前記疎水性材料は、ポリマーを備えている、請求項２に記載の動的に作動可能なＤＯＥ。
【請求項４】
前記流体ディスプレーサは、圧電要素を備えている、請求項１に記載の動的に作動可能なＤＯＥ。
【請求項５】
前記流体ディスプレーサは、
前記基板の前記表面の前記第２の領域に取り付けられたバイメタルレバーと、
前記バイメタルレバーに取り付けられ、前記回折格子を覆っている光学窓と、
前記バイメタルレバーおよび前記駆動信号源に結合された加熱要素と
を備え、
前記加熱要素は、
前記駆動信号源からの前記第１の状態における前記電気信号を受信すると、オフ状態になることと、
前記駆動信号源からの前記第２の状態における前記電気信号を受信すると、オン状態になることと
を行うように構成され、
バイメタルレバーは、
前記加熱要素が前記オフ状態にあることに応答して、直線状態に留まり、前記光学窓が前記回折格子を押し付けるようにし、それによって、前記ある量の流体の前記一部が前記表面の前記第２の領域から前記回折格子の前記溝の中に変位させられるようにすることと、
前記加熱要素が前記オン状態にあることに応答して、湾曲状態に留まり、前記光学窓が前記回折格子から持ち上がるようにし、それによって、前記ある量の流体の前記一部が前記回折格子の前記溝から前記表面の前記第２の領域に後退するようにすることと
を行うように構成されている、請求項１に記載の動的に作動可能なＤＯＥ。
【請求項６】
前記回折格子を覆っている透明カバーをさらに備え、前記流体ディスプレーサは、
Ｕ形状のダムと、
前記Ｕ形状のダムに結合され、前記表面の前記第２の領域に隣接して配置された弾性壁であって、前記透明カバー、前記Ｕ形状のダム、および前記弾性壁は、前記回折格子および前記ある量の流体を包囲している、弾性壁と、
前記弾性壁に取り付けられた押し部材と、
前記押し部材および前記駆動信号源に結合された駆動機構と
を備え、
前記駆動機構は、
前記駆動信号源からの前記第１の状態における前記電気信号を受信すると、前記押し部材が前記回折格子に向かって移動するようにし、それによって、前記ある量の流体の前記一部が前記表面の前記第２の領域から前記回折格子の前記溝の中に変位させられるようにすることと、
前記駆動信号源からの前記第２の状態における前記電気信号を受信すると、前記押し部材が前記回折格子から離れるように移動するようにし、それによって、前記ある量の流体の前記一部が前記回折格子の前記溝から前記表面の前記第２の領域に後退するようにすることと
を行うように構成されている、請求項１に記載の動的に作動可能なＤＯＥ。
【請求項７】
前記駆動機構は、微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）アセンブリを備え、前記ＭＥＭＳアセンブリは、
前記基板に固定して取り付けられた第１の櫛と、
前記基板に移動可能に取り付けられ、前記第１の櫛と互いに組み合わせられた第２の櫛と
を備え、
前記第２の櫛は、前記押し部材に取り付けられており、
前記駆動機構は、
前記第１の状態における前記電気信号を受信すると、電位を前記第１の櫛と前記第２の櫛との間に印加し、前記第２の櫛および前記押し部材が前記第１の櫛から前記回折格子に向かって離れるように移動するようにすることと、
前記第２の状態における前記電気信号を受信すると、任意の電位を前記第１の櫛と前記第２の櫛との間に印加せず、前記第２の櫛および前記押し部材が元の位置に後退するようにすることと
を行うように構成されている、請求項６に記載の動的に作動可能なＤＯＥ。
【請求項８】
前記駆動機構は、第１の端部と、第２の端部とを有するらせん形態における形状記憶合金を備え、前記第２の端部は、前記押し部材に取り付けられ、
第１の電極が、前記基板に取り付けられ、前記形状記憶合金の前記第１の端部は、前記第１の電極に取り付けられ、
第２の電極が、前記透明カバーに取り付けられ、前記形状記憶合金の前記第２の端部は、前記第２の電極にスライド接触し、
前記駆動機構は、
前記第１の状態における前記電気信号を受信すると、電位を前記第１の電極と前記第２の電極との間に印加し、前記形状記憶合金が拡張するようにし、それによって、前記形状記憶合金の前記第２の端部が前記押し部材を前記回折格子に向かって押すようにすることと、
前記第２の状態における前記電気信号を受信すると、どんな電位も前記第１の電極と前記第２の電極との間に印加せず、前記形状記憶合金が元の状態に収縮するようにし、それによって、前記押し部材が元の位置に後退するようにすることと
を行うように構成されている、請求項６に記載の動的に作動可能なＤＯＥ。
【請求項９】
前記回折格子を覆っている光学窓をさらに備え、前記流体ディスプレーサは、
前記基板の前記表面の前記第２の領域に隣接して前記光学窓を覆っているトラスと、
前記トラスと前記光学窓との間に配置され、前記駆動信号源に結合されたアクチュエータと
を備え、
前記流体ディスプレーサは、
前記第１の状態における前記電気信号を受信すると、電流を前記アクチュエータに印加し、前記アクチュエータが力を前記光学窓に及ぼすようにし、前記光学窓が前記回折格子に向かって下向きに撓むようにし、それによって、前記ある量の流体の前記一部が前記表面の前記第２の領域から前記回折格子の前記溝の中に変位させられるようにすることと、
前記第２の状態における前記電気信号を受信すると、前記電流を前記アクチュエータに印加せず、前記光学窓が元の位置に後退するようにし、それによって、前記ある量の流体の前記一部が前記回折格子の前記溝から前記表面の前記第２の領域に後退するようにすることと
を行うように構成されている、請求項１に記載の動的に作動可能なＤＯＥ。
【請求項１０】
前記アクチュエータは、圧電要素、ボイスコイルモータ、または熱膨張可能体のうちの１つを備えている、請求項９に記載の動的に作動可能なＤＯＥ。
【請求項１１】
前記流体ディスプレーサは、前記ある量の流体と熱接触している加熱要素を備え、前記流体ディスプレーサは、
前記第１の状態における前記電気信号を受信すると、電流を前記加熱要素に印加し、前記ある量の流体が熱くなり、膨張するようにし、それによって、前記ある量の流体の前記一部が前記表面の前記第２の領域から前記回折格子の前記溝の中に変位させられるようにすることと、
前記第２の状態における前記電気信号を受信すると、前記電流を前記加熱要素に印加せず、前記ある量の流体が冷え、収縮するようにし、それによって、前記ある量の流体の前記一部が前記回折格子の前記溝から前記表面の前記第２の領域に後退するようにすることと
を行うように構成されている、請求項１に記載の動的に作動可能なＤＯＥ。
【請求項１２】
仮想コンテンツの画像を形成するための画像光を視認者の眼に投影するための接眼レンズであって、前記接眼レンズは、
第１の波長に中心を置かれた第１の波長範囲内の光を伝搬するように構成された第１の平面導波管と、
第１の側方位置において、前記第１の導波管の表面の第１の領域上に形成された第１の動的に作動可能な回折光学要素（ＤＯＥ）であって、前記動的に作動可能なＤＯＥは、その上に入射する前記画像光を受信するように構成され、
前記動的に作動可能なＤＯＥは、
第１の屈折率を有する表面レリーフ回折格子であって、前記表面レリーフ回折格子は、複数の隆起と、隣接する隆起間の複数の溝とを含む、表面レリーフ回折格子と、
前記第１の領域に隣接した前記第１の導波管の前記表面の第２の領域上に配置されたある量の流体であって、前記流体は、前記回折格子の第１の屈折率に実質的に合致した第２の屈折率を有する、ある量の流体と、
前記第２の領域に隣接して配置された流体ディスプレーサと、
前記流体ディスプレーサに結合され、電気信号を前記流体ディスプレーサに送信するように構成された駆動信号源と
を備え、
前記電気信号は、第１の状態または第２の状態を有し、
前記流体ディスプレーサは、
前記第１の状態における前記電気信号を受信すると、前記ある量の流体の一部が前記第２の領域から前記回折格子の前記溝の中に変位するようにし、それによって、前記回折格子が「オフ」状態にあるようにすることと、
前記第２の状態における前記電気信号を受信すると、前記ある量の流体の前記一部が前記回折格子の前記溝から前記第２の領域に後退するようにし、それによって、前記回折格子が「オン」状態にあるようにすることと
を行うように構成され、
前記回折格子は
「オン」状態にある間、前記第１の導波管の中で伝搬されるように前記第１の導波管の中に前記回折格子の上に入射する前記画像光の一部を回折することと、
「オフ」状態にある間、その上に入射する前記画像光を透過させることと
を行うように構成されている、前記第１の動的に作動可能なＤＯＥと、
前記第１の導波管の平面と実質的に平行に位置付けられた第２の平面導波管であって、前記第２の平面導波管は、前記第１の波長と異なる第２の波長に中心を置かれた第２の波長範囲内の光を伝搬するように構成されている、第２の平面導波管と、
前記第１の側方位置と実質的に整列させられた第２の側方位置において、前記第２の導波管の表面の領域上に形成された第２のＤＯＥであって、
前記第２のＤＯＥは、
前記回折格子が「オフ」状態にある間、前記回折格子によって透過させられた前記画像光を受け取ることと、
前記第２の導波管の中で伝搬されるように前記第２の導波管の中に前記画像光の第２の部分を回折することと
を行うように構成されている、第２のＤＯＥと
を備えている、接眼レンズ。
【請求項１３】
前記画像光は、複数のサブフレーム期間において時間多重化された前記第１の波長範囲内の光と前記第２の波長範囲内の光とを含み、前記駆動信号源は、
前記第２の波長範囲内の光に対応するサブフレーム期間において、前記第１の状態における前記電気信号を送信することと、
前記第１の波長範囲内の光に対応するサブフレーム期間において、前記第２の状態における前記電気信号を送信することと
を行うように構成されている、請求項１２に記載の接眼レンズ。
【請求項１４】
前記第１の導波管は、親水性材料を備え、前記回折格子は、疎水性材料を備えている、請求項１２に記載の接眼レンズ。
【請求項１５】
前記親水性材料は、ガラスを備え、前記疎水性材料は、ポリマーを備えている、請求項１４に記載の接眼レンズ。
【請求項１６】
前記第１の導波管の前記表面の前記第２の領域は、親水性として挙動するように化学的に処理され、前記回折格子の表面は、疎水性として挙動するように化学的に処理されている、請求項１２に記載の接眼レンズ。
【請求項１７】
前記流体ディスプレーサは、圧電要素を備えている、請求項１２に記載の接眼レンズ。
【請求項１８】
動的に作動可能なレンズであって、前記動的に作動可能なレンズは、
表面を有する基板と、
前記基板の前記表面上に形成されたメタ表面回折光学要素（ＤＯＥ）であって、前記メタ表面ＤＯＥは、前記表面の上方に突出した複数の隆起部分を含み、前記複数の隆起部分は、隣接した隆起部分間の複数の陥凹を画定する、メタ表面ＤＯＥと、
前記メタ表面ＤＯＥを覆い、親水性材料を備えている移動可能なカバーと、
前記移動可能なカバー上に配置されたある量の流体と、
前記移動可能なカバーに結合された駆動機構と
を備え、
前記駆動機構は、
第１の状態における制御信号を受信すると、前記移動可能なカバーを前記メタ表面ＤＯＥに向かって移動させ、前記ある量の流体の一部を前記複数の陥凹の中に変位させ、それによって、前記メタ表面ＤＯＥを「オフ」状態にすることと、
第２の状態における制御信号を受信すると、前記移動可能なカバーを前記メタ表面ＤＯＥから離れるように移動させ、前記ある量の流体の前記一部を前記複数の陥凹から後退させ、それによって、前記メタ表面ＤＯＥを「オン」状態にすることと
を行うように構成されている、動的に作動可能なレンズ。
【請求項１９】
前記メタ表面ＤＯＥは、疎水性材料を備えている、請求項１８に記載の動的に作動可能なレンズ。
【請求項２０】
前記複数の隆起部分は、１００ナノメートルより小さい最大横寸法を有する、請求項１８に記載の動的に作動可能なレンズ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
（関連出願の相互参照）
本願は、その内容が参照することによってその全体として本明細書に組み込まれる、２０１７年６月１９日出願の米国仮特許出願第６２／５２１，８０４号の利益を主張する。
（発明の分野）
【０００２】
本発明は、回折光学要素に関し、より具体的に、切り替え可能な回折光学要素に関する。
【背景技術】
【０００３】
回折格子は、光をある角度だけ偏向させる光学コンポーネントであり、その角度は、光の波長および格子上への入射角に依存する。回折格子は、使用されるべき光の波長ほどの周期を伴う周期的構造を有する。周期的構造は、表面レリーフプロファイルまたは透明材料の屈折率の体積変調であることができる。回折格子の動作は、以下の格子方程式によって統制され、
【数１０】
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式中、θｍは、格子の表面に対して垂直であるベクトルに対する回折格子から出射する光の角度（回折角度）であり、λは、波長であり、ｍは、「次数」として知られる整数値パラメータであり、ｄは、格子の周期であり、θｉは、格子の表面に対して垂直であるベクトルに対する光の入射角である。
【０００４】
格子は、ブレーズドでもあり得、すなわち、光を集中させるような特定の周期的プロファイルを所与として、位数パラメータｍの特定の値によって規定された特定の「位数」に回折する。格子は、反射性であり得る（その場合、光は、光が格子上に入射した同じ側で格子から離れて行く）か、または主に透過性であり得る（その場合、光は、光が入射した側と反対の格子の側から主に退出する）。
【０００５】
本出願人は、画像ごとに変調された光をユーザの眼に結合する複数の導波管を含む透明接眼レンズを含む拡張現実システムを開発した。そのようなシステムは、「Ｓｅｐａｒａｔｅｄ  Ｐｕｐｉｌ  Ｏｐｔｉｃａｌ  Ｓｙｓｔｅｍ  ｆｏｒ  Ｖｉｒｔｕａｌ  ａｎｄ  Ａｕｇｍｅｎｔｅｄ  Ｒｅａｌｉｔｙ  ａｎｄ  Ｍｅｔｈｏｄｓ  ｆｏｒ  Ｄｉｓｐｌａｙｉｎｇ  Ｉｍａｇｅｓ  Ｕｓｉｎｇ  ｔｈｅ  Ｓａｍｅ」と題された本出願人の同時係属中の米国特許出願第１５／１４６，２９６号（特許文献１）に開示される。光を導波管から外に結合する光学特徴は、ユーザの眼からの接眼レンズの距離を越えるあるオブジェクト距離（例えば、数メートル離れた距離）をシミュレートするように、異なる発散像面湾曲を出射光に授けるように適合されることができる。（像面湾曲は、例えば、数十センチメートルまたは数メートル離れた点から発出する球面波に対応し得る。）発散像面湾曲を接眼レンズによって放出される光に授けることは、ヒトの眼の集中機構が、そのような発散像面湾曲を眼の位置に有するであろう球面波の仮想点源の距離と等しい距離に集中するように誘起し、これは、仮想３Ｄオブジェクトのより現実的錯覚を作成することに役立つ。各導波管が異なる発散像面湾曲を出射光に授ける光学特徴を有する複数の導波管のスタックを提供することは、仮想３Ｄオブジェクトの錯覚の改良を可能にし、発散像面湾曲に基づく眼の遠近調節キューとオブジェクトまでの距離を示す他の３Ｄ知覚キューとの間に不整合が存在する３Ｄ可視化システムの長期使用から生じる潜在的に不快な影響も回避する。本出願人の上で参照される係属中の米国特許出願は、複数の導波管の各々が、空間変調光源（例えば、ファイバスキャナ、２−Ｄ光変調器）からの光を内部結合する内部結合回折格子を有するシステムを開示する。内部結合格子は、空間的に分離され、すなわち、互いに重ならず、それは、空間変調光源が空間変調光を広域にわたって提供することを要求する。２−Ｄ光変調器（例えば、ＬＣｏＳまたはＤＬＰ）の場合、広域の空間変調光のための要件は、関連付けられた光学系（例えば、プリズム、レンズ要素）のサイズおよびコストを増加させ、かつ、画像野サイズを増加させ、それは、概して、光学系のコストがかかる強化によって補償されない場合、画像野の周辺における画質の劣化につながる。したがって、光を拡張現実接眼レンズの複数の導波管の中に結合するとき、増加した画像野サイズの必要性を排除しながら、光を結合することが可能であることが望ましいであろう。
【０００６】
回折格子を越えて、回折光学要素は、より軽量の代替を従来の反射性および屈折性光学要素に提供する。他のタイプの回折光学要素は、正および負の回折レンズを含む。最近、新規表面レリーフ回折レンズ設計が、メタ材料の研究に基づいて開発されている。より新しいメタ材料レンズは、それらが波長スケール表面レリーフ構造を含み得るという点で、従来の回折光学要素に類似する。オンおよびオフを切り替えられることができる光学要素を提供することが、望ましいであろう。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】米国特許出願第１５／１４６，２９６号明細書
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００８】
いくつかの実施形態によると、動的に作動可能な回折光学要素（ＤＯＥ）は、表面を有する基板を含む。表面は、第１の領域と、第１の領域から側方に変位させられた第２の領域とを含む。動的に作動可能なＤＯＥは、基板の表面の第１の領域上に配置された回折格子をさらに含む。回折格子は、第１の屈折率を有し、複数の隆起と、隣接する隆起間の複数の溝とを含む。動的に作動可能なＤＯＥは、基板の表面の第２の領域上に配置されたある量の流体をさらに含む。流体は、回折格子の第１の屈折率に実質的に整合する第２の屈折率を有する。動的に作動可能なＤＯＥは、基板の表面の第２の領域に隣接して配置された流体ディスプレーサと、流体ディスプレーサに結合され、電気信号を流体ディスプレーサに送信するように構成された駆動信号源とをさらに含む。電気信号は、第１の状態と、第２の状態とを有し得る。流体ディスプレーサは、第１の状態における電気信号を受信すると、ある量の流体の一部を表面の第２の領域から回折格子の溝の中に変位させ、それによって、回折格子を「オフ」状態にさせ、第２の状態における電気信号を受信すると、ある量の流体の一部を回折格子の溝から表面の第２の領域に後退させ、それによって、回折格子を「オン」状態にさせるように構成されている。
【０００９】
いくつかの他の実施形態によると、仮想コンテンツの画像を形成するための画像光を視認者の眼に投影するための接眼レンズは、第１の波長に中心を置かれた第１の波長範囲内の光を伝搬するように構成された第１の平面導波管と、第１の側方位置において、第１の導波管の表面の第１の領域上に形成され、その上に入射する画像光を受信するように構成された第１の動的に作動可能な回折光学要素（ＤＯＥ）とを含む。第１の動的に作動可能なＤＯＥは、第１の屈折率を有し、複数の隆起と、隣接する隆起間の複数の溝とを含む表面レリーフ回折格子と、第１の領域に隣接した第１の導波管の表面の第２の領域上に配置されたある量の流体とを含む。流体は、回折格子の第１の屈折率に実質的に合致する第２の屈折率を有する。第１の動的に作動可能なＤＯＥは、第２の領域に隣接して配置される流体ディスプレーサと、流体ディスプレーサに結合され、電気信号を流体ディスプレーサに送信するように構成された駆動信号源とをさらに含む。電気信号は、第１の状態または第２の状態を有し得る。流体ディスプレーサは、第１の状態における電気信号を受信すると、ある量の流体の一部を第２の領域から回折格子の溝の中に変位させ、それによって、回折格子を「オフ」状態にさせ、第２の状態における電気信号を受信すると、ある量の流体の一部を回折格子の溝から第２の領域に後退させ、それによって、回折格子を「オン」状態にさせるように構成されている。回折格子は、「オン」状態にある間、その中で伝搬されるように、その上に入射する画像光の一部を第１の導波管の中に回折し、「オフ」状態にある間、その上に入射する画像光を透過させるように構成されている。接眼レンズはさらに、第１の導波管の平面と実質的に平行に位置付けられ、第１の波長と異なる第２の波長に中心を置かれた第２の波長範囲内の光を伝搬するように構成された第２の平面導波管と、第１の側方位置と実質的に整列させられた第２の側方位置において、第２の導波管の表面の領域上に形成された第２のＤＯＥとを含む。第２のＤＯＥは、回折格子が「オフ」状態にある間、回折格子によって透過させられる画像光を受け取り、その中で伝搬されるように、画像光の第２の部分を第２の導波管の中に回折するように構成される。
【００１０】
いくつかのさらなる実施形態によると、動的に作動可能なレンズは、表面を有する基板と、基板の表面上に形成されたメタ表面回折光学要素（ＤＯＥ）とを含む。メタ表面ＤＯＥは、表面の上方に突出し、隣接した隆起部分間の複数の陥凹を画定する複数の隆起部分を含む。動的に作動可能なレンズは、メタ表面ＤＯＥを覆い、親水性材料を備えている移動可能なカバーと、移動可能なカバー上に配置されたある量の流体と、移動可能なカバーに結合された駆動機構とをさらに含む。駆動機構は、第１の状態における制御信号を受信すると、移動可能なカバーをメタ表面ＤＯＥに向かって移動させ、ある量の流体の一部を複数の陥凹の中に変位させ、それによって、メタ表面ＤＯＥを「オフ」状態にし、第２の状態における制御信号を受信すると、移動可能なカバーをメタ表面ＤＯＥから離れるように移動させ、ある量の流体の一部を複数の陥凹から後退させ、それによって、メタ表面ＤＯＥを「オン」状態にするように構成されている。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
図面は、本発明の好ましい実施形態の設計および有用性を図示し、類似要素は、共通参照番号によって参照される。本発明の上記および他の利点ならびに目的が取得される方法をより深く理解するために、上で簡単に説明される本発明のより具体的説明は、付随の図面に図示されるその具体的実施形態を参照することによって与えられるであろう。これらの図面は、本発明の典型的実施形態のみを描写し、したがって、その範囲の限定と見なされないことを理解した上で、本発明は、付随の図面の使用を通して、追加の特異性および詳細とともに、説明および解説されるであろう。
【００１２】
【図１】図１は、ある実施形態による一対の拡張現実眼鏡の概略斜視図である。
【００１３】
【図２】図２は、ある実施形態による図１に示される拡張現実眼鏡の接眼レンズの一部の概略端面図である。
【００１４】
【図３】図３は、ある実施形態による動的に作動可能な回折光学要素の概略分解図である。
【００１５】
【図４】図４は、ある実施形態によるオン状態で示されるバイメタル要素駆動式流体変位機構を含む動的に作動可能な回折光学デバイスを図式的に描写する。
【００１６】
【図５】図５は、ある実施形態によるオフ状態における図４に示される動的に作動可能な回折光学デバイスを示す。
【００１７】
【図６】図６は、ある実施形態による静電ＭＥＭＳ櫛駆動部を含む動的に作動可能な回折光学デバイスの概略分解図である。
【００１８】
【図７】図７は、ある実施形態による形状記憶合金ベースのアクチュエータを含む動的に作動可能な回折光学デバイスの概略断面立面図である。
【００１９】
【図８】図８は、ある実施形態によるトラスと光学窓との間に位置するアクチュエータを含む動的に作動可能な回折光学デバイスの概略斜視図である
【００２０】
【図９】図９は、ある実施形態による流体の熱膨張を利用して作動を駆動する動的に作動可能な回折光学デバイスの概略斜視図である。
【００２１】
【図１０】図１０は、ある実施形態によるオン状態で示される静電流体ディスプレーサを含む動的に作動可能な回折光学デバイスの概略断面図である。
【００２２】
【図１１】図１１は、ある実施形態によるオフ状態で示される図１０に示される動的に作動可能な回折光学デバイスの断面図である。
【００２３】
【図１２】図１２は、ある実施形態によるメタ材料回折光学要素の概略上面図である。
【００２４】
【図１３】図１３は、ある実施形態によるオン状態で示される図１２に示されるメタ材料回折光学要素を含む動的に作動可能なレンズの概略断面立面図である。
【００２５】
【図１４】図１４は、ある実施形態による図１３に示される動的に作動可能なレンズであるが、オフ状態で示されるその概略断面立面図である。
【００２６】
【図１５】図１５は、いくつかの実施形態による電気浸透効果を介して動的に作動可能な回折格子動作可能の分解図を図式的に示す。
【００２７】
【図１６】図１６は、いくつかの実施形態による図１５に示される動的に作動可能な回折格子の組み立てられた図を示す。
【００２８】
【図１７】図１７Ａおよび１７Ｂは、いくつかの実施形態による図１５および１６に示される動的に作動可能な回折格子の動作原理を図示する。
【００２９】
【図１８】図１８Ａおよび１８Ｂは、いくつかの実施形態による電気浸透効果に基づいて動的に切り替え可能な回折格子を図式的に図示する。
【００３０】
【図１９】図１９Ａおよび１９Ｂは、いくつかの他の実施形態による電気浸透効果に基づいて動的に切り替え可能な回折格子を図式的に図示する。
【００３１】
【図２０】図２０は、いくつかの実施形態による動的回折格子の断面図を図式的に図示する。
【００３２】
【図２１】図２１は、いくつかの実施形態による図２０に示される動的回折格子の斜視図を示す。
【００３３】
【図２２】図２２は、いくつかの実施形態によるナノ流体工学に基づいて動的に切り替え可能な光学系を伴う接眼レンズを図式的に図示する。
【００３４】
【図２３】図２３は、いくつかの他の実施形態によるナノ流体工学に基づいて動的に切り替え可能な光学系を伴う接眼レンズを図式的に図示する。
【００３５】
【図２４】図２４は、いくつかの実施形態によるナノ流体工学に基づいて動的に作動可能な回折格子を伴う接眼レンズを図示する。
【００３６】
【図２５】図２５は、いくつかの他の実施形態によるナノ流体工学に基づいて動的に作動可能な回折格子を伴う接眼レンズを図示する。
【００３７】
【図２６】図２６Ａ−２６Ｄは、種々の実施形態によるエレクトロウェッティングに基づくいくつかの動的に切り替え可能な回折格子を図式的に図示する。
【００３８】
【図２７】図２７Ａ−２７Ｂは、いくつかの実施形態による光エレクトロウェッティングに基づく動的回折格子を図式的に図示する。
【発明を実施するための形態】
【００３９】
図１は、ある実施形態による拡張現実眼鏡１００の斜視図である。眼鏡１００は、正面部品１０８によって接続される左アーム１０４と右アーム１０６とを含むフレーム１０２を含む。正面部品１０８は、左接眼レンズ１１０と、右接眼レンズ１１２とを支持する。議論の目的のために、特に、右接眼レンズ１１２を参照すると、右接眼レンズ１１２は、複数の導波管１１４の右スタックを含む。導波管１１４の右スタックは、透明であり、それによって、眼鏡１００を装着している人物は、拡張現実眼鏡１００を装着しながら実世界を見ることができ、仮想コンテンツが、実世界と共に重ね合わせられ、表示されることができる。図１に見られるように、右スタック導波管１１４に含まれる右正面導波管１１６は、右正面の選択的に作動可能な内部結合格子１１８と、右正面の直交瞳エクスパンダ１２０と、右正面の射出瞳エクスパンダ１２２とを含む。「Ｐｌａｎａｒ  Ｗａｖｅｇｕｉｄｅ  Ａｐｐａｒａｔｕｓ  ｗｉｔｈ  Ｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎ  ｅｌｅｍｎｔ（ｓ）  ａｎｄ  Ｓｙｓｔｅｍ  Ｅｍｐｌｏｙｉｎｇ  Ｓａｍｅ」と題されたＡｂｏｖｉｔｚ  ｅｔ  ａｌ．の本出願人の同時係属中の特許出願第１４／６９６，３４６号に教示されるように、射出瞳エクスパンダは、異なる仮想源光に対応する異なる像面湾曲を出射光に授けるように設計されることができる。同様に、左接眼レンズ１１０は、左正面導波管１２６を含む導波管１２４の左スタックを含む。図１に見られるように、左正面導波管は、左正面の選択的に作動可な能内部結合格子１２８と、左側の直交瞳エクスパンダ１３０と、左側の射出瞳エクスパンダ１３２とを含む。左接眼レンズ１１０も、透明である。画像ごとに変調された光の左側源１３４および画像ごとに変調された光の右側源１３６は、それぞれ、フレーム１０２の左アーム１０４および右アーム１０６の内周側に支持され、それらは、それぞれ、導波管１２４の左スタックおよび導波管１１４の右スタックに選択的に光学的に結合される。
【００４０】
図２は、右接眼レンズ１１２の概略端面図である。内部結合格子１１８、直交瞳エクスパンダ１２０、および射出瞳エクスパンダ１２２の場所は、図２では、例証目的のために、図１に示される場所に対して改変されていることに留意されたい。図示されないが、左接眼レンズ１１０の構造は、右接眼レンズ１１２の構造の鏡像である。図２に示されるように、右正面導波管１１６に加え、右接眼レンズ１１２の複数の導波管の右スタック１１４は、右正面導波管１１６の背後に配置される右の第２の導波管２０２と、右の第２の導波管２０２の背後に配置される右の第３の導波管２０４と、右の第３の導波管２０４の背後に配置される右の第４の導波管２０６と、右の第４の導波管２０６の背後に配置される右の第５の導波管２０８と、右の第５の導波管２０８の背後に配置される右背面導波管２１０とを含む。第２−第５の導波管２０２、２０４、２０６、２０８および背面導波管２１０は、それぞれ、第２−第６の選択的に作動可能な内部結合格子１１８ｂ、１１８ｃ、１１８ｄ、１１８ｅ、１１８ｆを有する。選択的に作動可能な内部結合格子１１８ａ、１１８ｂ、１１８ｃ、１１８ｄ、１１８ｅ、１１８ｆは、導波管１１６、２０２、２０４、２０６、２０８のための臨界角を上回るある角度に、垂直に入射する画像ごとに変調された光を偏向させるように設計され、すなわち、それらは、格子ピッチおよびプロファイル（例えば、ブレーズドプロファイル）を有することができる。第２−第５の導波管２０２、２０４、２０６、２０８および背面導波管２１０の各々も、直交瞳エクスパンダ２１４の追加の組のうちの１つと、射出瞳エクスパンダ２１６の追加の組のうちの１つとを含む。
【００４１】
６チャネル駆動信号源２１８が、右正面および第２−第６の選択的に作動可能な内部結合格子１１８ａ、１１８ｂ、１１８ｃ、１１８ｄ、１１８ｅ、１１８ｆに電気的に結合され、選択的に作動可能な内部結合格子１１８ａ、１１８ｂ、１１８ｃ、１１８ｄ、１１８ｅ、１１８ｆの状態を切り替えるために使用される。動作時、選択的に作動可能な内部結合格子１１８ａ、１１８ｂ、１１８ｃ、１１８ｄ、１１８ｅ、１１８ｆのうちの１つは、画像ごとに変調された光の右側源１３６からの画像ごとに変調された光を導波管１１４の右スタック内の導波管１１６、２０２、２０４、２０６、２０８、２１０、２１２のうちの１つの中に選択的に経路を決定するために、一度に動作させられることができる。画像ごとに変調された光の右側源１３６は、別個の時間サブフレーム期間中、異なる色チャネルのために、および異なる仮想オブジェクト深度のために、画像ごとに変調された光を適切に出力する。色チャネルおよび深度平面の特定のひと続きは、あるビデオフレームの時に周期的に繰り返されることができる。６つの導波管１１４のスタックは、３つの導波管の２つの組を含むことができ、２つの組の各々は、赤色、緑色、および青色チャネル導波管を含み、２つの組の各々は、放出される光の像面湾曲によって決定される２つの仮想オブジェクト距離のうちの１つを伴う光を放出する。６チャネル駆動信号源２１８は、画像ごとに変調された光１３２の源と適切に同期させられ、それによって、特定の色チャネルおよび特定の仮想オブジェクト距離のための画像ごとに変調された光が画像ごとに変調された光の源１３６によって出力されているとき、６チャネル駆動信号源２１８は、特定の色チャネルおよび特定の仮想オブジェクト距離に対応する導波管の選択的に作動可能な内部結合格子を選択的にオンにするように動作させられる。故に、各選択的に作動可能な内部結合格子は、ビデオフレーム期間ごとに１回、オンにされるであろう。右接眼レンズ１１０の正面から出射する光は、後方に向けられ、眼位置２２０に移る。
【００４２】
図３は、ある実施形態による動的に作動可能な回折光学要素３００の分解図である。図３に示される動的に作動可能な回折光学要素３００は、例えば、拡張現実眼鏡の選択的に作動可能な内部結合格子１１８ａ−１１８ｆのうちの１つ以上のものとして使用されることができる。示されるものと異なる格子プロファイル、例えば、ブレーズド格子プロファイルが、使用され得る。図３を参照すると、光学要素３００は、透明底部基板３０２と、透明上部基板３０４とを含む。動的に作動可能な回折光学要素が、選択的に作動可能な内部結合格子１１８ａ−１１８ｆのうちの１つとして使用される場合、透明底部基板３０２は、導波管１１６、２０２、２０４、２０６、２０８、２１０のうちの１つの形態をとることができる。「上部」および「底部」等の相対的位置付けの指示は、図に示される視点に対応し、実世界使用では、描写されるデバイスの向きは、図に示されるものに対して変動し得ることを理解されたい。円周シール３０６が、透明底部基板３０２の上部表面３０８上に示され、光学要素３００が組み立てられると、円周シール３０６は、透明上部基板３０４の底部表面３１０にも係合し、シールされた空間３１２を透明底部基板３０２と透明上部基板３０４との間に形成するであろう。円周シール３０６は、例えば、可撓性ポリマー材料等の可撓性材料から適切に形成される。４つの底部金属化パターン３１４の組が、底部基板３０２の上部表面３０４上に位置し、４つの上部金属化パターン３１６の対応する組が、上部基板の底部表面３１０上の４つの底部金属化パターン３１４と反対に位置する。４つの底部金属化エリア３１４の各々は、底部搭載パッド３１８を含み、４つの上部金属化エリア３１６の各々は、上部搭載パッド３２０を含む。４つの電気機械的変換器３２２の組の各々は、底部搭載パッド３１８および上部搭載パッド３２０を介して、底部基板３０２および上部基板３０４に機械的に結合される。電気機械的変換器３２２は、例えば、圧電要素、熱膨張可能な電気活性ポリマーの電気的に加熱可能な材料のブロック、対向する搭載パッド３１８、３２０に印加される反対電荷間の静電電位によって変形させられる変形可能材料、ヒータを装備するバイメタル要素、加熱電流が通過され得るように対向する搭載パッド３１８、３２０間を橋渡しする形状記憶合金、またはボイスコイルモータ等のローレンツ力ベースの変換器等の磁力を利用する変換器を含むことができる。４つの底部金属化エリア３１４の各々は、底部外部回路接触パッド３２４も含み、４つの上部金属化エリア３１６の各々も、上部外部回路接触パッド３２６を含む。駆動信号源３２８は、底部外部接触回路パッド３２４および上部外部回路接触パッド３２６に結合される。動的に作動可能な回折光学要素３００が、選択的に作動可能な内部結合格子１１８ａ−１１８ｆのうちの１つとして使用される場合、駆動信号源３２８は、６チャネル駆動信号源２１８に含まれることができる。
【００４３】
透過性表面レリーフ回折格子３３０が、円周シール３０６の内側のシールされた容積３１２内の底部基板３０２の上部表面３０８上に位置付けられる。透過性表面レリーフ回折格子３３０は、チャネル３３１の組を含む。回折格子の動作を理解するために使用される電磁理論の状況では、回折格子３３０が作製される材料は、第１の媒体と称され、回折格子３３０の上方の材料または真空は、第２の媒体と称される。回折格子３３０の表面は、境界を第１の媒体と第２の媒体との間に形成する。透明スペーサブロック３３２が、上部基板３０４の底部表面３１０上に位置付けられる。流体３３４のフィルムが、スペーサブロック３３２の底部表面３３６に接着されて示される。流体３３４は、例えば、水であるか、またはそれを含むことができる。底部表面３３６は、任意の有機汚染物質のない清浄ガラスであり得る。清浄ガラスは、親水性である。透過性表面レリーフ回折格子３３０は、ポリマー（例えば、有機、シリコーンベースの）材料から作製されることができる。ポリマー材料は、概して、疎水性である。透過性表面レリーフ回折格子３３０は、例えば、マイクロインプリントされた紫外線光硬化ポリマーであることができる。随意に、透過性表面レリーフ回折格子３３０は、透過性表面レリーフ回折格子３３０のバルクが作成される材料より疎水性の材料でコーティングされることができる。代替として、底部表面３３６は、親水性として挙動するように化学的に処理され得、透過性表面レリーフ回折格子３３０の表面が、疎水性として挙動するように化学的に処理され得る。
【００４４】
例えば、溝３３１の深度が、約２００ナノメートルであり、格子３３０の長さおよび幅が、約１ミリメートルを有すると仮定すると、溝３３１を充填するために十分な流体を提供するために必要である流体３３４のフィルムの体積は、約１０分の１ピコリットルを有する量となるであろう。特定の形状の流体の塊のサイズが、縮小されると、体積に対する表面積の比率は、増加する。その結果、毛細管力が、流体の塊の慣性と比較して、増加し、それは、親水性表面に誘引される流体の変位が加速されることを意味する。この場合、溝３３１を充填するために必要である流体３３４の量の小規模性は、スペーサブロック３３２の底部表面３３６が上向きに変位させられるとき、流体３３４の排出における高速性につながる。
【００４５】
透明スペーサブロック３３０の底部３３６と透過性表面レリーフ回折格子３３０の上部との間の間隔は、電気機械的変換器３２２が第１の状態にあるとき、流体３３４が、回折格子３３０の溝３３１の中に侵入せずに透明スペーサブロック３３２の底部表面３３６上にコーティングされるために十分な空間を提供するように設定されることができる。流体３３４が水である場合、透明スペーサブロック３３２の底部表面３３６は、親水性であり、回折格子３３０の表面は、疎水性であるので、水は、必然的に、溝から流出し、透明スペーサブロック３３２の底部表面３３６に接着する傾向にあるであろう。駆動信号源３２８が、電気機械的変換器３２２の状態を第２の状態に変化させるように動作させられると、透明スペーサブロック３３２の底部表面３３６と回折格子３３０との間の距離は、低減させられ、流体３３４を溝３３１の中に押し進める。流体３３４は別として、シールされた容積３２２は、他の流体を実質的に欠いていか、または部分的に真空化され（すなわち、大気圧未満におけるガスを含む）、圧力抵抗を低減させ得、電気機械的変換器３２２の作用下、底部基板３０２と上部基板との間の間隔を低減させる。流体３３４は、シールされた容積３１２内に封入された真空または任意のガスより透過性表面レリーフ回折格子３３０を形成するために使用される材料の屈折率に近い屈折率を有するので、流体３３４を溝３３１の中に押し進めることは、回折格子３３０の動作を実質的に改変するであろう。流体３３４が、溝３３１の中に押し進められると、光束は、より高い回折次数から０次数にシフトするであろう。透過格子に対して、０次数は、光が回折格子３３０上に入射した同じ方向に伝搬し続ける光に対応する（上記式１参照）。再び図２を参照すると、動的に作動可能な回折光学要素３００が、選択的に作動可能な内部結合格子１１８ａ−１１８ｆの各々のために使用される場合、エネルギーを０次数に切り替えることによって、格子３３０の任意のものをオフに効果的に選択的に切り替える能力は、源１３６からの画像ごとに変調された光を導波管１１６、２０２、２０４、２０６、２０８、２１０のうちの１つの中に選択的に結合することを可能にする。内部結合格子１１８ａ−１１８ｆは、互いに重なって配列されているので、画像変調０次数光は、流体３３４が格子溝３３１から外に変位させられた内部結合格子に到達するまで、導波管スタック１１４を横断し、そして、ＴＩＲのための臨界角を上回るより高い次数に回折され、それによって、導波管１１６、２０２、２０４、２０６、２０８、２１０のうちの１つの中に経路を決定されるであろう。
【００４６】
図４は、オン状態で示されたバイメタル要素駆動式流体変位機構を含む動的に作動可能な回折光学デバイス４００を描写し、図５は、オフ状態における光学デバイスを示す。図４を参照すると、光学デバイス４００は、その上に表面レリーフ透過性回折格子４０４が支持される透明基部４０２を含む。透過性回折格子４０４は、左から右に延びている溝４０６の並列アレイを含む。溝の隣に、親水性表面４０８がある。親水性表面４０８は、透明基部４０２の表面であり得るか、または透明基部４０２上のコーティングの表面であり得る。透明基部４０２は、自然に親水性であるガラスを含み得る。図４では、ある量の流体４１０が、親水性表面４０８上に示され、流体４１０は、親水性表面４０８の親水性引力によって親水性表面４０８に引き付けられている。光学窓４１２が、親水性表面の上方のバイメタルアーム４１４によって支持される。加熱要素４１６が、バイメタルアーム４１４上に形成されている。典型的に、バイメタルアーム４１４は、室温では、直線であり、電流を加熱要素４１６に通すことによって生じる加熱によって、図４に示される湾曲状態に誘発されるであろう。電流が、オフに切り替えられると、バイメタルアーム４１４は、図５に示される直線のオフ状態の構成に戻り、光学窓４１２を透明基部４０２まで下げ、流体の量を回折格子４０４の溝４０６の中に変位させる。防水ダム（図示せず）が、流体４１０を含むために、光学窓４１２およびバイメタルアーム４１４の周辺の周りに提供され得る。流体４１０を溝４０６の中に変位させることは、例えば、格子４０４が選好に応じてブレーズドされる回折次数等、より高い回折次数への光の回折を低減させ、またはそれを効果的に排除するであろう。流体４１０の屈折率が、伝送回折格子４０４の屈折率と等しい場合、溝４０８を流体４１０で充填することは、より高い回折次数（例えば、格子が選好に応じてブレーズドされる次数）への光の回折を排除するであろう。流体４１０の屈折率が、格子４０４の屈折率に合致し、流体４１０が、透明である場合、溝４０８が流体４１０で充填されると、入射光は、ゼロ次において伝搬されるであろう。図５では、溝４０６は、低減させられた線の太さで描かれ、溝の部分的事実上の消失を示し、それは、屈折率流体４１０が格子４０４の屈折率に正確に合致しない場合に当てはまるであろうことに留意されたい。溝４０６を充填する流体４１０の量は、図５では、はっきりと見えない。流体４１０が、吸収性である場合、入射光の一部は、吸収されるであろう。図４に示されるように、光学デバイス４００がオン状態にあるとき、入射光線４１８が、格子４０４を通過するとき、回折によって偏向させられ、回折された光線４２０を生産する。回折された光線は、デカルト座標系三軸４２４に対して向けられて示される。図５に示されるように、光学デバイス４００がオフ状態にあるとき、入射光線４１８は、流体４１０で充填された格子４０４を通過し、ゼロ次透過光線４２２として継続する。
【００４７】
図６は、ある実施形態による静電ＭＥＭＳ櫛駆動部６０２を含む動的に作動可能な回折光学デバイス６００の分解図である。デバイス６００は、透明基部６０６上に支持される表面レリーフ回折格子６０４を含む。表面レリーフ回折格子６０４は、格子の表面６０７に形成される溝６０５の形態におけるチャネルの並列アレイを含む。溝は、回折格子６０６の上部表面６０７に位置するが、代替として、チャネルは、完全に封入され、上部表面６０７の下で伸びることができ、その場合、上部表面は、平坦であり得るが、その中にも刻印された第２の表面レリーフ回折光学を有し得る。親水性表面６０８が、透明基部６０６上の回折格子６０４に隣接して位置する。Ｕ形状の周辺ダム６１０が、３つの側を含み、格子６０４および親水性表面６０８を部分的に包囲する。Ｕ−形状の周辺シール６１０の開放端を橋渡しする残りの側は、弾性壁６１２によって占有される。光学窓６１４が、Ｕ形状の周辺ダムおよび弾性壁６１２に取り付けられ、封入された容積６１６を形成する。Ｕ形状の周辺ダム６１０の高さは、回折格子６０４の高さを上回る。透明スペーサブロック６１８が、回折格子６０４に面した光学窓６１４の底部表面６２０に取り付けられる。回折格子６０４とスペーサブロック６１８の底部表面６２２との間に、わずかな間隙があるか、または全く間隙がない。ある量の流体６２４が、親水性表面６０８を覆って回折格子６０４に隣接して位置して示される。回折格子６０４の溝６０５の領域内の断面積（Ｘ−Ｚ平面における面積）は、親水性表面６０８の上方の断面積より小さい。
【００４８】
櫛駆動部６０２は、第２の櫛６２８と互いに組み合わせられる第１の櫛６２６を含む。電位が、第１の櫛６２６と第２の櫛６２８との間の静電力を確立するために、第１の櫛６２６および第２の櫛６２８に印加されることができる（例えば、６チャネル駆動信号源２１８によって）。第１の櫛６２６は、透明基部６０６に実質的に強固に固定され得、第２の櫛６２８は、例えば、一体的に形成されるフレクシャ（図示せず）を通して、透明基部６０６に移動可能かつ機械的に結合され得る。プッシャ６３０が、第２の櫛駆動部６１６と一体的に形成される。プッシャ６３０は、弾性壁６１２に対寄りかかり、それに取り付けられ得る。動作時、電圧が、櫛６２６、６２８に印加され、プッシャ６３０が引っ張り力または押し付け力を弾性壁６１６上に授けるように誘発し、流体６２４が、親水性表面６０８の上の空間を占有し、それを覆うことを可能にするか、または流体６２４の少なくとも一部を格子６０４の溝６０５の中に押し進める。親水性表面６０８の上の断面積と比較した格子６０４の上の断面（Ｘ−Ｚ平面）積における差異により、親水性表面６０８の上の領域が、格子オン状態において、流体６２４の量で実質的に充填され、流体６２４の量が、親水性表面６０８の上の領域に実質的に閉じ込められる場合、弾性壁６１２のわずかな変位は、流体６２４の量の少なくとも一部が格子６０４の長さを進行し、格子６０４の溝６０５を充填することを引き起こすであろう。
【００４９】
図７は、ある実施形態による形状記憶合金７０２ベースのアクチュエータを含む動的に作動可能な回折光学デバイス７００の断面立面図である。デバイス７００は、透明基部７０６上に支持される表面レリーフ回折格子７０４を含む。回折格子７０４は、一連の溝７０３を含む（その限定数が、図を密集させることを回避するために列挙される）。透明カバー７０８が、表面レリーフ回折格子７０４を覆って位置付けられる。透明スペーサ７１０が、表面レリーフ回折格子７０４に面した透明カバー７０８の内側表面７１２に取り付けられる。縁シール７１４が、透明基部７０６と透明カバー７０８との間をシールし、図７に描写されるように、デバイス７００の右側において可視である。可撓性隔壁７１６が、格子７０４の左に位置する。ある量の流体７１８が、縁シール７１４、透明スペーサ７１０、格子７０４、透明基部７０６、および隔壁７１６によって境を限られる空間７２０内に配置される。形状記憶合金７０２は、らせんの形態であり、第１の端部７２２において、スペーサブロック７２６と二次シール７２８との間に延びている第１の電極７２４に接続される。形状記憶合金７０２の第２の端部７３０が、隔壁７１６の格子７０４と反対側の透明カバー上に形成される第２の電極７３２にスライド接触している。第１の電極７２４および第２の電極７３２は、電源（図示せず）に接続される。形状記憶合金７０２の第２の端部７３０は、スライドするピストン７３４にも寄りかかり、次に、隔壁７１６に寄りかかりる。代替として、ピストン７３４は、形状記憶合金７０２と一体的に形成され得る。電力が、第１の電極７２０および第２の電極７３０を通して、形状記憶合金７０２に印加されると、形状記憶合金７０２は、伸び（形状記憶合金７０２のらせん形状のらせんピッチの延長を伴う）、スライドするピストン７３４を押し、次に、隔壁７１６を押し、それは、流体７１８を格子の溝７０３の中に変位させる。図７に示されるように、溝７０３は、図面シートの平面と垂直に伸びるが、代替として、溝７０３は、図面シートの平面と平行または別の方向に伸び得る。回折格子７０４は、好適に、疎水性材料から作製され、透明基部７０６の露出された上部表面７３６は、好適に、形状記憶合金に印加される電力によって誘発される変位作用がないとき、流体７１８が、露出された上部表面７３６に引き付けられ、回折格子の溝７０３から出るように、親水性である。流体７１８は、流体７１８が溝７０３内にあるとき、格子７０４の回折効率が実質的に減らされるように、空間７２０内の残留ガスより回折格子の屈折率に近い屈折率を有する。したがって、動的に作動可能な回折格子７００は、流体７１８を溝７０３の内外に選択的に変位させることによって、オンまたはオフに効果的に切り替えられることができる。
【００５０】
図８は、トラス８０４と光学窓８０６との間に位置するアクチュエータ８０２を含む動的に作動可能な回折光学デバイス８００の斜視図である。デバイス８００は、透明基板８１０上に支持される表面レリーフ透過性回折格子８０８を含む。回折格子８０８は、一連の溝８０７を含む。光学窓８０６は、格子８０８が位置する内部空間８１４を形成する縁シール８１２によって、透明基板８１０上に支持される。トラス８０４は、光学窓８０６の両側において、透明基板８１０に接合され、アクチュエータは、トラス８０４と光学窓８０６との間に位置付けられる。親水性表面８１６（例えば、透明基板８１０の裸表面）が、格子８０８に隣接する内部空間８１８内に位置付けられる。ある量の流体８１７が、内部空間８１８内に提供され、表面８１６の親水性特性および格子８０８の疎水性特性に起因して、それは、必然的に、親水性表面８１６上に集中する傾向にある。アクチュエータ８０２は、非限定的例として、圧電要素、ボイスコイルモータ、または電気的に加熱可能かつ熱膨張する材料体等の電気機械的変換器の形態をとることができる。トラス８０４およびアクチュエータ８０２は、親水性表面８１４の上に位置付けられる。アクチュエータ８０２の作動は、下向き力を光学窓８０６に及ぼし、光学窓８０６が下向きに撓むこと、および／または縁シール８１２が親水性表面８１６の近傍で収縮することを引き起こし、それによって、流体８１７の量（またはその一部）を格子８０８の溝８０７の中に変位させる。したがって、動的に作動可能な回折光学デバイス８００は、流体８１７の量を溝８０７の内外に選択的に変位させることによって、オンまたはオフに効果的に切り替えられることができる。
【００５１】
図９は、流体の熱膨張を利用して、作動を駆動する動的に作動可能な回折光学デバイス９００の斜視図である。デバイス９００は、流体９０６を保持する流体リザーバ９０４と接触するヒータ要素９０２を含む。リザーバ９０４は、表面レリーフ回折格子９１０を格納する格子チャンバ９０８と流体連通する。表面レリーフ回折格子９１０は、一連の溝９１２を含む。流体リザーバ９０４は、親水性表面９１４を含む。動作時、ヒータ要素９０２は、アクティブにされ、ヒータ要素９０２は、流体９０６を格子チャンバ９０８の中に膨張させ、回折格子９１０の溝９１２を充填し、回折格子９１０の効率を実質的に低減させ、回折格子９１０を効果的にオフにする。続いて、ヒータ要素９０２は、オフにされ、流体が、冷却し、流体リザーバ９０４の中に戻るように収縮することを可能にすることができる。
【００５２】
図１０は、オン状態で示される静電流体ディスプレーサ１０１６を含む動的に作動可能な回折光学デバイス１０００の断面図であり、図１１は、オフ状態における動的に作動可能な回折光学デバイス１０００の断面図である。図１０−１１を参照すると、デバイス１０００は、透明基部１００２と、縁スペーサ１００６および縁シール１００８によって透明基部１００２の上方に支持される透明窓１００４とを含む。透過性表面レリーフ回折格子１０１０が、透明基部１００２上に支持される。表面レリーフ回折格子１０１０は、一連の溝１０１１を含む。透明スペーサブロック１０１２が、回折格子１０１０の上方の透明窓１００４の内側表面１０１４に付着される。透明ブロック１０１２の目的は、比較的に少量の流体１０３０の変位が領域を充填し得るように、回折格子１０１０の上方の領域の体積を低減させることである。静電流体ディスプレーサ１０１６は、回折格子１０１０に隣接して位置し、透明基部１００２上に支持される固定電極１０１８と、固定電極１０１８上に支持される第１の親水性層１０２０（例えば、ガラス）と、固定電極１０１８および第１の親水性層１０２０の上方に位置付けられる、移動電極１０２２と、第１の親水性層１０２０に面した移動電極１０２２上にある第２の親水性層１０２４（例えば、ガラス）と、移動電極１０２２と固定電極１０１８との間をシールする第１の可撓性シール１０２６と、移動電極１０２２と窓１００４との間をシールする第２の可撓性シール１０２８とを含む。溝１０１１は、図面シートの平面と垂直に整列させられるように描写されるが、実際は、溝１０１１は、紙の平面と平行に整列させられ、第１の親水性層１０２４まで延び得る。回折格子１０１０の屈折率に整合する、または空気より回折格子の屈折率に近い、屈折率を有する流体１０３０が、デバイス１０００内に配置される。１つの可能な動作モードによると、固定電圧が、固定電極１０１８に印加され、正または負の極性のいずれかの電圧が、移動電極１０２２に印加される。電極１０１８、１０２２の役割は、説明される電圧が印加される限り、逆転されることができる。電極１０１８、１０２２の両方に印加される電圧の極性が、同一（オン状態）であるとき、移動電極１０２２は、固定電極１０１８から反発され、第１の親水性層１０２０と第２の親水性層１０２４との間の間隙１０３２を開放し、流体１０３０の少なくとも一部が、親水性層１０２０、１０２４に引き付けられるその自然な親和性に従って、間隙の中に引き付けられることを可能にするであろう。他方で、２つの電極１０１８、１０２２に印加される電圧の極性が、反対（オフ状態）であるとき、電極１０１８、１０２２は、互いに向かって引き付けられ、それによって、流体１０３０の量を親水性層１０２０、１０２４の間から排出し、流体１０３０を回折格子１０１０の溝１０１１の中に押し進める。デバイス１０００がオン状態にある図１０に示されるように、電極１０１８、１０２２は、比較的により離れて間隔を置かれ、流体１０３０は、親水性層１０２０、１０２４によって引き付けられ、主として、第１の親水性層１０２０を覆う領域に閉じ込められ、回折格子９１０は、その最大効率で機能している。他方で、デバイス１０００がオフ状態にある図１１に示されるように、電極１０１８、１０２２は、比較的に一緒により近づいて間隔を置かれ、流体１０３０は、親水性層１０２０、１０２４間の領域から回折格子１０１０の溝１０１１の中に実質的に排出され、格子１０１０の回折効率は、実質的に低減させられる。
【００５３】
図１２は、メタ材料回折光学要素１２００の上面図である。メタ材料回折光学要素１２００は、レンズとして機能する。光学要素１２００は、複数の隆起部分１２０４を含む表面レリーフ構造１２０２を含む（その限定数が、図を密集させることを回避するために標識されている）。ある実施形態では、隆起部分１２０４は、１００ナノメートル未満、かつメタ材料回折光学要素１２００に光学的に結合される光源（図示せず）の実質的波長未満の最大横方向寸法を有する。メタ材料回折光学要素１２００に光学的に結合される光源は、例えば、レーザダイオード（ＬＤ）または発光ダイオード（ＬＥＤ）であることができる。
【００５４】
図１３は、図１２に示されるメタ材料回折光学要素１２００を含む動的に作動可能なレンズ１３００の概略断面立面図である。図１３では、動的に作動可能なレンズ１３００は、オン状態で示される。図１３に示されるように、流体１３０２は、流体１３０２を変位させる役割を果たす移動可能表面１３０４に接着されている。流体１３０２および表面１３０４は、互いに対して自然な親和性を有するように選定されることができる。図１４は、図１３に示される動的に作動可能なレンズ１３００の断面立面図であるが、オフ状態で示される。図１４に示されるように、表面１３０４は、図１３に示される位置に対して下向きに移動させられ、それによって、流体１３０２を表面レリーフ構造１２０２の中に変位させている。流体１３０２は、表面レリーフ構造１２０２が相互作用する光波に及ぼす表面レリーフ構造１２０２の影響を効果的に低減させるように、表面レリーフ構造１２０２の屈折率にほとんど合致するように選定される。
【００５５】
種々の回折格子実施形態が、上で説明されるが、２つの媒体間（例えば、光学グレードポリマーと空気との間）の断面境界を含む他の回折光学要素も提供されることができ、断面境界は、光を回折し、流体中に被覆され、それによって、回折機能を改変し得る。例は、上で説明される実施形態における回折格子を正または負の表面レリーフパターン回折レンズで置換することを含むであろう。
【００５６】
代替実施形態によると、動的に作動可能な反射性表面レリーフ回折格子は、反射性回折格子の溝の内外に変位させるための流体と、流体を溝の内外に変位させるための流体ディスプレーサとを含む。
【００５７】
本発明のいくつかの実施形態によると、ナノ流体工学が、回折光学に適用され得る（ナノ光流体工学と称され得る）。切り替え可能または同調可能回折格子が、ナノメートルスケール構造内の流体を使用することによって、形成され得る。これらのナノ光流体工学デバイスは、ナノ流体工学回路内で動作する複数の非混和性流体（例えば、屈折率合致流体に加えて、有意に異なる屈折率を伴う流体）を潜在的に採用することができ、ナノ流体工学回路は、光学状態間で切り替えるために、ナノ流体工学作動技法によって作動させられる。
【００５８】
ナノ流体工学は、ナノスケール構造（例えば、１〜１００ｎｍ）内に閉じ込められた流体の研究である。ナノスケールにおける流体の物理学は、流体の挙動をマクロスケール構造（例えば、タービン）またはさらにマイクロスケール構造（例えば、インクジェット印刷ヘッド）におけるものと著しく異ならせる。例えば、電気浸透性現象は、ナノスケールにおいてはるかに顕著である。
【００５９】
電気浸透性流動（電気浸透とも称される）は、毛細管、膜、マイクロチャネル、または任意の他の流体導管等の多孔性材料を横断して印加される電位によって誘発される流体の運動である。電気浸透は、水または電解液等の極性流体における正味移動電荷による電場によって誘発されるクーロン力によって生じる。固体表面と電解液との間の化学平衡は、典型的に、正味固定電荷を獲得する界面につながるので、電気二重層またはデバイ層として知られる、移動イオンの層が、界面の近傍の領域に生じる。電場が流体に印加される（通常、入口および出口に設置された電極を介して）と、電気二重層内の正味電荷は、結果として生じるクーロン力によって、移動するように誘発される。流動の特性は、固体表面と流体との間の化学相互作用、チャネルの特性長スケール、および印加される電場に依存する。
【００６０】
図１５は、本発明のいくつかの実施形態による電気浸透効果に基づいて動作可能な動的に作動可能な回折格子１５００の分解図を図式的に示す。図１６は、動的に作動可能な回折格子１５００の組み立てられた図を示す。回折格子１５００は、光学導波管１５１０上に製作され得、光学導波管１５１０のための内部結合格子として機能し得る。導波管１５１０は、例えば、サファイアまたは他の誘電性材料を備え得る。回折格子１５００は、導波管１５１０の表面に結合される第１の透明電極１５２０を含み得る。第１の透明電極１５２０は、例えば、酸化インジウムスズ（ＩＴＯ）、グラフェン、または他の透明伝導性材料を備え得る。
【００６１】
回折格子１５００は、導波管１５１０の表面上に形成されるチャンバ１５３０をさらに含む。チャンバ１５３０は、二酸化ケイ素または他の好適な材料を備え得る。回折格子１５００は、第１の透明電極１５２０上およびチャンバ１５３０内に形成されるナノスケール回折格子構造１５４０をさらに含む。回折格子構造１５４０は、例えば、二酸化ケイ素または他の誘電性材料を備え得る。回折格子構造１５４０は、複数の隆起１５４２を含み得、複数のチャネル１５４４を隣接する隆起１５４２間に伴う。回折格子構造１５４０の屈折率と実質的に合致する屈折率を伴う流体が、電気浸透を介して、チャネル１５４４の内外に圧送され、それによって、回折格子１５００を動的にアクティブまたは非アクティブにし得る。チャンバ１５３０は、回折格子構造１５４０および流体の両方を格納する。
【００６２】
回折格子１５００は、回折格子構造１５４０の上部に結合される第２の透明電極１５５０を含む。第２の透明電極１５５０は、酸化インジウムスズ（ＩＴＯ）、グラフェン、または他の透明伝導性材料をさらに備え得る。第１の透明電極１５２０および第２の透明電極１５５０は、それらに印加される電位が回折格子１５００をアクティブまたは非アクティブにすることを可能にする一方、光が影響されずに通過することを可能にし得る。回折格子１５００はさらに、カバー１５６０を含み得る。カバー１５６０は、二酸化ケイ素または他の誘電性材料を備え得る。カバー１５６０は、チャンバ１５３０をシールし、流体を保持し得る。
【００６３】
図１７Ａおよび１７Ｂは、本発明のいくつかの実施形態による図１５および１６に示される回折格子１５００の動作原理を図示する。「オン」状態では、図１７Ａに図示されるように、流体１５７０は、複数のチャネル１５４４の底部に約１００ｎｍの高さを伴って、均一に分散させられ得る。「オフ」状態では、図１７Ｂに図示されるように、流体１５７０は、約２００ｎｍの高さまで上向きに引き付けられ、複数のチャネル１５４４を実質的に充填する。流体１５７０は、電圧を第２の透明電極１５５０と第１の透明電極１５２０との間に印加することによって、電気浸透を介して、上向きに引き付けられ得る。回折格子構造１５４０と流体１５７０とは、合致した屈折率を有し、回折格子構造１５４０は、流体１５７０内に浸されると、光学的に不可視である。電気浸透電圧を反転させること、または減じることは、流体１５７０を回折格子構造１５４０から排出し、それによって、回折格子１５００を「オン」状態に戻し得る。
【００６４】
いくつかの実施形態では、流体１５７０は、約１．３３の屈折率を有し得る。流体１５７０は、純水または電解液等の極性流体であり得る。液体安定性を確実にするために、流体１５７０の蒸発および凝縮が、考慮され得る。蒸発および凝縮は、閉じ込められたナノスケール体積では、無視可能であり得る。蒸発および凝縮は、蒸気圧力、表面処理、温度等を操作することによって制御され得る。
【００６５】
回折格子構造１５４０の材料は、流体１５７０の屈折率に実質的に合致する屈折率を有するように選択され得る。極性流体は、典型的に、約１．３３の低屈折率を有するので、合致した屈折率を有する回折格子構造１５４０を生産することは、技術的に困難であり得る。斜角堆積等のいくつかの新しい技法は、非常に低屈折率（例えば、約１．１未満）を伴う二酸化ケイ素のフィルムを生産することができる。
【００６６】
いくつかの実施形態では、回折格子１５００の表面の湿潤特性が、最適動作のために、化学処理によって調整され得る。例えば、チャンバの床（すなわち、第１の透明電極１５２０の表面）は、デフォルトで、「オン」状態で、流体１５７０がチャンバの床に接着し得るように、最高湿潤親和性を有するように調整され得る。未処理ＩＴＯは、容認可能な湿潤特性を有し得る。回折格子構造１５４０の側面は、チャネル１５４４の上下への流体移動に対して最小限のインピーダンスが存在し得るように、中性湿潤表面を有するように調整され得る。チャンバの上部（すなわち、第２の透明電極１５５０の表面）は、流体１５７０が上部に接着せず、「オン」と「オフ」との間の高速切り替えを可能にするように、疎水性であるように調整され得る。
【００６７】
電気浸透は、ナノスケールにおいて高度に効果的な輸送機構であり得る。一方の電荷種は、ナノチャンバ壁に誘引され得る一方、反対流体電荷種は、反発され得る。各種は、層（電気二重層またはＥＤＬと称される）を流体中に形成し得る。ＥＤＬの誘引層が、ほぼナノ細孔であるとき、ある正味電荷濃度がナノ細孔内に存在し得、ナノ細孔内の流体は、印加された電場のもとで、移動を経験するであろう。
【００６８】
電気浸透性流動を維持するために、典型的に、ファラデー反応（還元または酸化）が、種を平衡化するために電極において利用され得る。しかしながら、回折格子１５００は、いくつかの実施形態では、連続流動を保証せず、静電押し変位または引き変位しか保証しない。したがって、ファラデー反応は、いくつかの実施形態では、利用されないこともある。電解が、生じ得るが、電極材料選択によって軽減されることができる。例えば、電解質が、水に添加され、電気浸透性力を増進し得る。
【００６９】
いくつかの実施形態では、第１の透明電極１５２０と第２の透明電極１５５０との間の距離は、約３００ｎｍであり得る。第１の透明電極１５２０と第２の透明電極１５５０との間に印加される３Ｖ電圧は、約１０ＭＶ／ｍの電場を生成し得る。空気の誘電性強度は、約３ＭＶ／ｍであり、水の誘電性強度は、約３５〜７０ＭＶ／ｍであり、ガラスの誘電性強度は、約９〜１４ＭＶ／ｍであることに留意されたい。５ｍｍ×５ｍｍおよび５０％デューティサイクル格子に対して、２．５ナノリットルの流体が、格子の２００ｎｍ高さを沈めるために変位させられる必要があり得る。
【００７０】
いくつかの実施形態では、完成な回路が、電気浸透を開始するために確立される必要がある場合、小ミクロン寸法のチャネルが、格子の小部分上の選択的湿潤処理によって形成されることができる。
【００７１】
図１８Ａおよび１８Ｂは、本発明のいくつかの実施形態による電気浸透効果に基づいて動的に切り替え可能な回折格子１８００を図式的に図示する。回折格子１８００は、基板１８１０の表面を横断して側方に延びている複数のチャネル１８２０を含む基板１８１０を含む。複数のチャネルは、周期的アレイとして配列される。複数のチャネル１８２０の各々は、基板１８１０の屈折率に実質的に合致する屈折率を有する第１の流体１８７０で充填され得る。流体リザーバ１８５０が、ある量の第２の流体１８６０を保持するために、各チャネル１８２０の第２の端部１８４０形成され得る。第２の流体１８６０は、基板１８１０の屈折率と異なる屈折率を有し得る。第２の流体１８６０は、第１の流体１８７０と非混和性であり得る。
【００７２】
回折格子１８００は、複数のチャネル１８２０の第１の横端に接触している基板１８１０の縁に形成された第１の電極１８３０と、複数のチャネル１８２０の第２の横端に接触している基板１８１０の反対縁に形成された第２の電極１８４０とをさらに含む。第１の電極１８３０と第２の電極１８４０との間の電位のないとき、第２の流体１８６０の量は、各チャネル１８２０の第２の端部におけるリザーバ１８５０内に留まり、図１８Ａに図示されるように、各チャネル１８２０を第１の流体１８７０で充填されたままにし得る。第１の流体１８７０の屈折率は、基板１８１０の屈折率に実質的に合致しているので、回折格子１８００は、「オフ」状態にあり、その上に入射する光を回折しないであろう。
【００７３】
電位が、第１の電極１８３０と第２の電極１８４０との間に印加されると、第２の流体１８６０の量は、図１８Ｂに図示されるように、電気浸透を介して、各それぞれのチャネル１８２０の第１の端部に向かって引き付けられ、それぞれのチャネル１８２０を充填し得る一方、第１の流体１８７０をそれぞれのチャネル１８２０から変位させる。第２の流体１８６０の屈折率が基板１８１０の屈折率と異なるので、回折格子１８００は、「オン」状態にある。電位が、除去されると、第２の流体１８６０の量は、各チャネル１８２０の第２の端部におけるリザーバ１８５０まで後退し、第１の流体１８７０に各チャネル１８２０を再び充填させ得る。したがって、このように、第１の電極１８３０と第２の電極１８４０との間の電位をオンおよびオフに切り替えることによって、回折格子１８００は、それに応じてオンおよびオフにされ得る。
【００７４】
図１９Ａおよび１９Ｂは、本発明のいくつかの他の実施形態による電気浸透効果に基づいて動的に切り替え可能な回折格子１９００を図式的に図示する。動的に切り替え可能な回折格子１９００は、図１８Ａおよび１８Ｂに図示される動的に切り替え可能な回折格子１８００に類似するが、単一の第１の電極１８３０を有する代わりに、複数の第１の電極１９３０を有し、各第１の電極１９３０は、それぞれのチャネル１８２０に結合される。したがって、各チャネル１８２０は、個々に、それぞれの第１の電極と第２の電極１８４０との間の電位をオンまたはオフにすることによって制御され得る。
【００７５】
例えば、図１９Ａに図示される例では、全てのチャネル１８２０は、第２の流体１８６０で充填され、隣接するチャネル１８２０間の間隔と等しい周期を伴う回折格子を形成する。他方では、図１９Ｂに図示される例では、１つおきの群の３つの隣接するチャネル１８２０が、第２の流体１８６０で充填され、隣接するチャネル１８２０間の間隔の６倍の周期を伴う回折格子を形成する。したがって、格子の周期性は、各チャネル１８２０に印加される電位を変調させることによって、動的に変化させられ得る。
【００７６】
上で説明されるように、格子ピッチまたは格子ベクトル等の格子パラメータが動的に変動させられ得る回折格子は、１つのみの動的可変格子が、全ての色（例えば、ＲＧＢ色）および連続的に変動する深度を供給するために利用される接眼レンズ構成を可能にし得る。範囲および応答時間に応じて、これらの動的可変格子は、１つの軸における入力ビームの高速走査または直交軸における入力ビームの低速走査のために利用され得る。
【００７７】
図２０は、本発明のいくつかの実施形態による動的回折格子２０００の断面図を図式的に図示する。回折格子２０００は、周期的アレイとして配列される複数のチャネル２０２０（ページと垂直に延びている）を有する基板２０１０を含む。動的回折格子２０００は、基板２０１０の反対表面上に形成される第１の電極２０３０と、第２の電極２０４０とをさらに含む。ある第１の流体２０５０の量が、各チャネル２０２０内に配置され得る。ある量の第２の流体２０６０は、第１の流体２０５０の上部において、各チャネル２０２０内に配置され得る。第２の流体２０６０は、第１の流体２０５０と非混和性であり得る。図２１は、動的回折格子２０００の斜視図を示す。
【００７８】
第１の電極２０３０と第２の電極２０４０との間の電位がないとき、第１の流体２０５０は、各チャネル２０２０の底部部分内に留まり、したがって、第２の流体２０６０が各チャネル２０２０を充填することを可能にする。電位を第１の電極２０３０と第２の電極２０４０との間に印加することによって、第１の流体２０５０は、各チャネル２０２０内の上方に引き付けられ、したがって、第１の流体２０６０を変位させ得る。いくつかの実施形態では、動的回折格子２０００は、第１の流体２０５０を保持するために、リザーバ（図示せず）を各チャネル２０２０下に含み得る。各チャネル２０２０の底部に、各チャネル２０２０をリザーバと接続する複数の孔または連続スリットがあり、第１の流体２０５０は、電位が印加されると、チャネル２０２０の上方に引き付けられ、電位が除去されると、リザーバに戻るように後退し得る。
【００７９】
第１の流体２０５０は、第１の屈折率を有し得、第２の流体２０６０は、第１の屈折率と異なる第２の屈折率を有し得る。したがって、回折格子２０００は、電位がオフであるときの第１の回折状態（例えば、回折角度の観点から）と、電位がオンであるときの第２の回折状態とを有し得る。例えば、第１の回折状態では、回折格子２０００は、特定の波長のための第１の回折角度を有し得、第２の回折状態では、回折格子２０００は、特定の波長のための第１の回折角度と異なる第２の回折角度を有し得る。したがって、電位をオンおよびオフにすることによって、回折格子２０００は、第１の回折状態と第２の回折状態との間で動的に切り替えられ得る。
【００８０】
図２２は、本発明のいくつかの実施形態によるナノ流体工学に基づいて動的に切り替え可能な光学系を伴う接眼レンズ２２００を図式的に図示する。接眼レンズ２２００は、第１の平面導波管２２１０と、第１の導波管２２１０の背後に位置付けられた第２の平面導波管２２２０と、第２の導波管２２２０の背後に位置付けられた第３の平面導波管２２３０とを含み得る。第１の導波管２２１０、第２の導波管２２２０、および第３の導波管２２３０の各々の片側（例えば、図２２に図示されるように、各導波管の左側）は、各それぞれの導波管の平面に対してある角度で傾けられたファセットを有し得る。各導波管上の傾けられたファセットは、入力光ビーム２２５０の各々が導波管上に入射する領域内に位置付けられ得る。
【００８１】
第１のナノ流体工学チャネル２２１２が、第１の導波管２２１０の傾けられたファセット上に形成され得、第２のナノ流体工学チャネル２２２２が、第２の導波管２２２０の傾けられたファセット上に形成され得、第３のナノ流体工学チャネル２２３２が、第３の導波管２２２０の傾けられたファセット上に形成され得る。流体２２４０は、電気浸透の原理を動的に使用して、第１のナノ流体工学チャネル２２１２、第２のナノ流体工学チャネル２２２２、および第３のナノ流体工学チャネル２２３２のそれぞれの内外に圧送され得る。流体２２４０が、ナノ流体工学チャネル２２１２、２２２２、または２２３２内にないとき、入射光ビーム２２５０は、ファセットにおいて対応する導波管を通して伝送され得る。例えば、図２２に図示される例では、入射光ビーム２２５０は、ファセットにおいて第１の導波管２２１０を通して伝送され、第２の導波管２２２０上に入射する。
【００８２】
いくつかの実施形態では、流体２２４０は、流体２２４０が、ナノ流体工学チャネル２２１２、２２２２、または２２３２の中に圧送されると、入射光ビーム２２５０が、導波管−流体界面において反射され得るように、高度に反射性（例えば、金属流体）であり得る。例えば、図２２に図示される例では、第２のナノ流体工学チャネル２２２２は、流体２２４０で充填されている。その結果、第２の導波管２２２０上に入射する光ビーム２２５０は、導波管−流体界面において反射され得、全内部反射（ＴＩＲ）によって、第２の導波管２２２０内を伝搬し得る。いくつかの他の実施形態では、流体２２４０は、全内部反射が導波管−流体界面において生じ得るように、導波管の屈折率より低い屈折率を有し得る。したがって、流体２２４０を各ナノ流体工学チャネル２２１２、２２２２、または２２３２の内外に動的に圧送することによって、入射光ビーム２２５０は、対応する導波管２２１０、２２２０、または２２３０の中に選択的に結合されることができる。したがって、ナノ流体工学チャネル２２１２、２２２２、および２２３２は、接眼レンズ２２００のための動的に作動可能な内部結合光学要素としての役割を果たし得る。
【００８３】
図２３は、本発明のいくつかの他の実施形態によるナノ流体工学に基づいて動的に切り替え可能な光学系を伴う接眼レンズ２３００を図式的に図示する。接眼レンズ２３００は、第１の平面導波管２３１０と、第１の導波管２３１０の背後に位置付けられた第２の平面導波管２３２０と、第２の導波管２３２０の背後に位置付けられた第３の平面導波管２３３０とを含み得る。回折光学要素（ＤＯＥ）２３１２は、第１の導波管２３１０の表面上に形成され得る。ＤＯＥ２３１２は、入力光ビーム２３５０が第１の導波管２３１０上に入射する領域内に位置付けられ得る。ＤＯＥ２３１２は、図２３に図示されるように、ある回折角度において回折される光ビーム２３６０として、入射光ビーム２３５０の一部を第１の導波管２３１０の中に回折するように構成され得る。
【００８４】
接眼レンズ２３００は、第１の導波管２３１０と第２の導波管２３２０との間に位置付けられた第１のナノ流体工学チャネル２３２２と、第２の導波管２３２０と第３の導波管２３３０との間に位置付けられた第２のナノ流体工学チャネル２３３２とをさらに含む。流体２３４０は、電気浸透の原理を動的に使用して、第１のナノ流体工学チャネル２３２２および第２のナノ流体工学チャネル２３３２の各々の内外に圧送され得る。流体２３４０は、流体２３４０がナノ流体工学チャネル２３２２または２３３２内にあるとき、導波管−流体界面上に入射する回折される光ビーム２３６０が、透過させられ得るように、導波管の屈折率より高い屈折率を有し得る。他方では、流体２３４０が、ナノ流体工学チャネル２３２２または２３３２内にないとき、導波管と空ナノ流体工学チャネルとの間の界面上に入射する回折される光ビーム２３６０は、全内部反射（ＴＩＲ）を受け、対応する導波管内で伝搬され得る。
【００８５】
例えば、図２３に図示される例では、第１のナノ流体工学チャネル２３２２は、流体２３４０で充填される一方、第２のナノ流体工学チャネル２３３２は、空（または部分的に、空）である。したがって、第１の導波管２２１０と流体２３４０との間の界面上に入射する回折される光ビーム２３６０は、第２の導波管２３２０の中に透過させられ、第２の導波管２３２０と空の第２のナノ流体工学チャネル２３３２との間の界面上に入射する透過させられた光ビーム２３６０は、反射され、続いて、全内部反射（ＴＩＲ）によって、第２の導波管２３２０内で伝搬される。したがって、流体２３４０を各ナノ流体工学チャネル２３２２、２２２２、および２３３２の内外に動的に圧送することによって、入射光ビーム２３５０は、対応する導波管２３１０、２３２０、または２３３０の中に選択的に結合されることができる。
【００８６】
図２４は、本発明のいくつかの実施形態によるナノ流体工学に基づいて動的に作動可能な回折格子を伴う接眼レンズ２４００を図示する。接眼レンズ２４００は、第１の平面導波管２４１０と、第１の導波管２４１０の背後に位置付けられた第２の平面導波管２４２０と、第２の導波管２４２０の背後に位置付けられた第３の平面導波管２４３０とを含み得る。第１の動的回折格子２４１２は、第１の導波管２４１０の表面上に形成され得る。第１の動的回折格子２４１２は、入力光ビーム２４５０が第１の導波管２４１０上に入射する側方領域内に位置付けられ得る。第２の動的回折格子２４２２は、第２の導波管２４２０の表面上に形成され得る。第３の動的回折格子２４３２は、第３の導波管２４３０の表面上に形成され得る。第２の動的回折格子２４２２および第３の動的回折格子２４３２は、第１の動的回折格子２４１２と実質的に整列させられた側方位置に位置付けられる。
【００８７】
第１の動的回折格子２４１２、第２の動的回折格子２４２２、および第３の動的回折格子２４３２の各々は、図１８Ａおよび１８Ｂに図示され、上で説明されるものに類似する電気浸透効果に基づいて、動的にオンまたはオフにされ得る。例えば、図２４に図示される例では、第１の動的回折格子２４１２は、回折格子２４２２のチャネルを屈折率が合致した流体２４４０で充填することによって、オフにされる。したがって、入射光ビーム２４５０は、第１の動的回折格子２４１２によって透過させられ、第２の導波管２４２０上に入射する。第２の動的回折格子２４２２は、屈折率が合致した流体２４４０をチャネルから左側に後退させることによって、オンにされる。したがって、第２の動的回折格子２４２２上に入射する光ビーム２４５０は、第２の動的回折格子２４２２によって回折され、第２の導波管２４２０の中に結合され、続いて、全内部反射（ＴＩＲ）によって、第２の導波管２４２０内で伝搬される。したがって、第１の動的回折格子２４１２、第２の動的回折格子２４２２、および第３の動的回折格子２４３２の各々を動的にオンまたはオフにすることによって、入射光ビーム２４５０は、対応する導波管２４１０、２４２０、または２４３０の中に選択的に結合されることができる。第１の動的回折格子２４１２、第２の動的回折格子２４２２、および第３の動的回折格子２４３２の各々は、対応する導波管２４１０、２４２０、または２４３０のためのＩＣＧとしての役割を果たし得る。
【００８８】
図２５は、本発明のいくつかの他の実施形態によるナノ流体工学に基づいて動的に作動可能な回折格子を伴う接眼レンズ２５００を図示する。接眼レンズ２４００は、第１の平面導波管２５１０と、第１の導波管２５１０の背後に位置付けられた第２の平面導波管２５２０と、第２の導波管２５２０の背後に位置付けられた第３の平面導波管２５３０とを含み得る。第１の動的回折格子２５１２は、第１の導波管２５１０の表面上に形成され得る。第１の動的回折格子２５１２は、入力光ビーム２５５０が第１の導波管２５１０上に入射する側方領域内に位置付けられ得る。第２の動的回折格子２５２２は、第２の導波管２５２０の表面上に形成され得る。第３の動的回折格子２５３２は、第３の導波管２５３０の表面上に形成され得る。第２の動的回折格子２５２２および第３の動的回折格子２５３２は、第１の動的回折格子２５１２と実質的に整列させられる側方位置に位置付けられる。
【００８９】
第１の動的回折格子２５１２、第２の動的回折格子２５２２、および第３の動的回折格子２５３２の各々は、図２０および２１に図示され、上で説明されるものに類似する電気浸透効果に基づいて、動的にオンまたはオフにされ得る。例えば、図２５に図示される例では、第１の動的回折格子２５１２は、屈折率が合致した流体２５４０を第１の回折格子２５１２のチャネルを充填するまで引き付けることによって、オフにされる。したがって、入射光ビーム２５５０は、第１の動的回折格子２５１２によって透過させられ、第２の導波管２５２０上に入射する。第２の動的回折格子２５２２は、屈折率が合致した流体２５４０をチャネルから低下させることによって、オンにされている。したがって、第２の動的回折格子２５２２上に入射する光ビーム２５５０は、第２の動的回折格子２５２２によって回折され、第２の導波管２５２０の中に結合され、続いて、全内部反射（ＴＩＲ）によって、第２の導波管２５２０内で伝搬される。したがって、第１の動的回折格子２５１２、第２の動的回折格子２５２２、および第３の動的回折格子２５３２の各々を動的にオンまたはオフにすることによって、入射光ビーム２５５０は、対応する導波管２５１０、２５２０、または２５３０の中に選択的に結合されることができる。第１の動的回折格子２５１２、第２の動的回折格子２５２２、および第３の動的回折格子２５３２の各々は、対応する導波管２５１０、２５２０、または２５３０のためのＩＣＧとしての役割を果たし得る。
【００９０】
エレクトロウェッティングは、印加される電場を用いた表面の湿潤特性（典型的に、疎水性であり得る）の修正である。絶縁体層が、伝導性基板上に形成される。流体の液滴が、次いで、絶縁体層の表面上に設置される。液滴と伝導性基板との間の任意の電位がないとき、絶縁体層の表面は、疎水性であり、したがって、比較的にわずかな表面湿潤が存在する。非ゼロ電位が、流体の液滴と伝導性基板との間に印加されると、絶縁体層の表面は、親水性となり、したがって、流体の液滴は、絶縁体層の表面をぬらす。この現象を使用して、２次元グリッド（デジタルマイクロ流体工学）上での別々の液滴の操作が、実証されている。
【００９１】
光エレクトロウェッティングは、伝導性基板を半導体基板と置換し、液体／絶縁体／半導体スタックを形成することによって観察され得る。光を半導体基板上に絶縁体（透明であり得る）を通して照らすことによって、半導体基板は、光伝導性を介して、伝導性となり得る。したがって、絶縁体の表面は、流体の液滴と半導体基板との間の電位の印加を用いて親水性となり得る。
【００９２】
図２６Ａ−２６Ｄは、本発明の種々の実施形態によるその動作原理としてエレクトロウェッティングを使用するいくつかの動的に切り替え可能な回折格子を図式的に図示する。図２６Ａを参照すると、動的に切り替え可能な回折格子は、基部プレート２６１０と、基部プレート２６１０の表面から上向きに延びている（ページと垂直方向に延びている）、複数の壁２６２０とを含む。複数の壁２６２０は、複数の縦方向チャネル２６３０（ページと垂直方向に延びている）を画定する。チャネル２６３０は、約２００ｎｍの幅を有し得る。チャネル２６３０の幅は、光の波長に応じて、変動させられ得る。流体リザーバ２６４０は、ある量の流体２６５０を保持するために、基部プレート２６１０下に位置付けられる。基部プレート２６１０は、流体２６５０の各々がチャネル２６３０の中に流動し得るように、孔またはスリット２６１２を各それぞれのチャネル２６３０下に有し得る。
【００９３】
基部プレート２６１０は、伝導性基板と、その上に形成される絶縁層とを含み得る。チャネル２６３０の底部を形成する絶縁層は、典型的に、疎水性であり得る。チャネル２６３０の壁２６２０も、典型的に、疎水性であり得る。絶縁層および壁２６２０の材料に応じて、絶縁層の表面および壁２６２０の表面は、疎水性として挙動するように化学的に処理され得る。したがって、流体２６５０は、典型的に、図２６Ａに図示されるように、リザーバ２６４０内に留まるが、チャネル２６３０内に留まらない。電位が、各それぞれの壁２６２０と基部プレート２６１０の伝導性基板との間に印加され、それぞれの壁および対応するチャネル２６３０の底部の湿潤特性を疎水性から親水性に変化させ得る。したがって、各それぞれの壁２６２０に印加される電位を制御することによって、個々のチャネル２６３０は、流体２６５０で選択的に充填され得る。
【００９４】
例えば、図２６Ｂに図示される例では、１つおきのチャネル２６３０が、流体２６５０で充填され、各チャネル２６３０の幅の２倍の周期を伴う回折格子を形成する。図２６Ｃに図示される例では、１つおきの対の隣接するチャネル２６３０が、流体２６５０で充填され、各チャネル２６３０の幅の４倍の周期を伴う回折格子を形成する。したがって、格子の周期性は、各壁２６２０に印加される電位を変調させることによって、動的に変化させられ得る。いくつかの実施形態によると、１つの動的可変格子が、全ての色（例えば、ＲＧＢ色）および連続的に変動する深度を供給するために使用され得る。範囲および応答時間に応じて、これらの動的可変格子は、１つの軸における入力ビームの高速走査または直交軸における入力ビームの低速走査のために利用され得る。
【００９５】
図２６Ｄを参照すると、いくつかの実施形態では、各壁２６２０の片側は、恒久的疎水性表面を有するように構成され得、流体は、壁２６２０の他の側にのみ接着し得る。各チャネル２６３０の底部は、チャネルの片側から他の側に側方に異なるエレクトロウェッティング特性を有するように構成され得る。したがって、チャネル２６３０を充填する流体２６５０は、三角形断面を有し得る。図２６Ｃに図示される例では、各チャネル２６３０は、流体２６５０で部分的に充填され、各チャネル２６３０の幅と等しい周期を伴う鋸歯形状の回折格子を形成する。鋸歯形状の回折格子は、ブレーズド格子としての役割を果たし得る。いくつかの実施形態では、流体は、圧力を印加することによって、チャネル２６３０の内外に圧送され得る。
【００９６】
図２７Ａ−２７Ｂは、本発明のいくつかの実施形態による光エレクトロウェッティングに基づく、動的回折格子２７００を概略的に図示する。動的回折格子２７００は、半導体上に形成される絶縁体を含み得る基板２７１０を含む。ある量の流体２７２０が、基板２７１０の表面上に設置され得る。電場を流体２７２０と基板２７３０との間に印加することと併せて、光ビーム２７３０を基板上に照らすことによって、基板２７１０の湿潤特性が、疎水性から親水性またはその逆に変化させられ得る。いくつかの実施形態では、光ビーム２７３０は、ある強度パターンを有し得る。故に、流体２７２０の量は、図２７Ｂに図示されるストライプ等、強度パターンに従って、基板２７１０上にパターンを形成し得る。流体２７２０のストライプは、回折格子として機能し得る。例えば、規則的に間隔を置かれたストライプの強度パターンが、２つのコヒーレント光ビームの干渉縞として形成され得る。このように、回折格子２７００は、光ビームをオンまたはオフのすることによって、動的にオンまたはオフにされ得る。加えて、または代替として、回折格子２７００の周期性または向きは、光ビーム２７３０の強度パターンを変化させることによって、動的に変化させられ得る。
【００９７】
本明細書に説明される例および実施形態が、例証目的のためだけのものであり、それらに照らした種々の修正および変更が、当業者に示唆され、本願の精神および権限ならびに添付の請求項の範囲内に含まれるべきであることも理解されたい。
【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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【図１６】
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【図１７】
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【図１８Ａ】
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【図１８Ｂ】
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【図１９Ａ】
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【図１９Ｂ】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６Ａ】
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【図２６Ｂ】
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【図２６Ｃ】
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【図２６Ｄ】
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【図２７Ａ】
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【図２７Ｂ】
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【国際調査報告】
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