JP6564376B2 - ライトガイドおよび照明器具用透明拡散器 - Google Patents

Description

関連出願の説明

本出願は、その内容が引用されその全体が参照することにより本書に組み込まれる、２０１３年１２月１２日に出願された米国仮特許出願第６１／９１５３２７号の優先権の利益を米国特許法第１１９条の下で主張するものである。

ユーザが透明媒体を通して物体を見る可能性のある、機器、用途、および状況は多数存在する。例えば、携帯電話、コンピュータディスプレイ、テレビ、および電化製品は、透明媒体を有するディスプレイを採用することがあり、この透明媒体を通して、表示された情報または映像を見ることができる。同じように、窓、フロントガラス、写真および他の芸術品のカバー用ガラス、水槽なども、透明媒体を通して物体を見ることを必要とし得る。

透明媒体を通して物体を見ると、グレアおよび光学的歪みなどの共通の問題が生じ得る。グレアは一般に、透明媒体の観察者側の周辺光が、透明媒体の１以上の表面から鏡面反射されたものである。グレアは、入射角と反射角とが実質的に同じ状態で、周辺光の光源から透明媒体の表面へ、次いで観察者へと延びる光路を進む。一方物体からの光は、物体から透明媒体を通って観察者へと進む。グレアおよび物体の光路が、透明媒体と観察者との間の領域内で実質的に重なり合うと、このグレアにより、透明媒体を通して物体を見ることが困難になる。

従来のアンチグレア表面は、グレアを防ぐまたは減少させるために透明媒体の観察者側の表面に適用される。このような表面を利用して、特定の角度に亘って反射光を散乱させる。透明液晶ディスプレイまたは他の用途のためのバックライトなど、透明光源を作り出すために従来の方法も試みられたが、これらの方法では、例えば環境およびバックライトまたは他の入力信号などの、透明媒体を通る１以上の光源での散乱および他の光学的効果に適切に対処することができない。従って当産業では、透明拡散器などの透明光源のための方法および装置を提供することが必要である。

本書で開示される実施形態は一般に透明拡散器に関し、この透明拡散器は、例えば第１のエッジ光源または第１の前方光源などの第１の光源を、この第１の光源からの光が透明拡散器構造から散乱されて分散型のすなわち拡散光源を生成するように、備えて構成され得る。しかしながら第１の光源は、例として窓を介したまたは外部環境からの景色などの、外部周辺透過光（第１の光源とは無関係な第２の光源）に対しても非常に透明である。例示的な第１の光源としては、限定するものではないが、発光ダイオード（ＬＥＤ）、１以上のＬＥＤアレイ、または透明媒体への信号またはソースの入力に利用される他の光源を挙げることができる。

例示的な実施形態は、この構造から視射角で反射された光、または（エッジリット型導波路のように）この構造の導波モードに注入された光の、１％超、５％超、１０％超、または２０％超を散乱することができ、すなわち鏡面反射光線の角度から約１°を超えて、または約１０°を超えて逸脱させることができる。例示的な透明拡散器構造は、高光透過率、透過での高光学的透明度、低い光透過ヘイズ、または低い割合の散乱透過光（例えば、透過光の５０％未満、２０％未満、１０％未満、５％未満、または１％未満が、約１°または約０．１°を超える角度に散乱される）、のうちの１以上を有する、外部周辺透過光線をもたらすことができる。この例示的な光透過基準（metric）は、従来の光散乱方法よりも大いに改善されている。さらなる実施形態は、分散型光源として作用する透明なバックライトまたは照明器具を提供することができ、このような改善された光透過基準を実現することができる。例示的な透明媒体の表面は、具体的な用途の要求次第で粗いものでもよいし、滑らかなものでもよく、また各装置または物品は、光を特定の主方向または所望の照明エリアに向けて放出することができる。

前述の一般的な説明および以下の詳細な説明は、本開示の実施形態を示したものであり、請求される主題の本質および特徴を理解するための概要または構成を提供するよう意図されていることを理解されたい。添付の図面は、本開示のさらなる理解を提供するために含まれ、本明細書に組み込まれかつその一部を構成する。図面は種々の実施形態を示し、その説明と共に、請求される主題の原理および動作の説明に役立つ。

説明のために現在の好適な形態が図面に示されているが、本書で開示および議論される実施形態は、図示の正確な配置および手段に限定されるものではないことを理解されたい。

例示的な透明構造を示した図 別の例示的な透明構造を示した図 正弦曲線的なコーティングされていない従来のＡＧ表面を備えた、例示的な透明媒体を示した図 図２Ａの正弦曲線的な第１の表面と第２の表面を画成する光学的歪み低減層とを備えた透明媒体を示した図 図２Ａの透明媒体を通過した波面に対する、有限差分時間領域（ＦＤＴＤ）シミュレーションの結果を示した図 図２Ｂの透明媒体に対する、有限差分時間領域（ＦＤＴＤ）シミュレーションを示した図 屈折率ｎおよび厚さｔを有するいくつかの実施形態による例示的な透明拡散器を示した図 屈折率ｎと埋め込まれた散乱構造とを有するいくつかの実施形態による別の例示的な透明拡散器を示した図 いくつかの実施形態による例示的な透明拡散器のさらなる実施形態を示した図 いくつかの実施形態による例示的な透明拡散器のさらなる実施形態を示した図 外部粗表面を有する構造を示した図 外部粗表面を有する構造を示した図 さらなる実施形態を示した図 さらなる実施形態を示した図 さらなる実施形態を示した図 粗表面プロファイルを有する例示的な透明拡散器のモデルを示した図 粗表面プロファイルを有する例示的な透明拡散器のモデルを示した図 図１０Ａに描かれている実施形態における光学的効果を説明するための、有限差分時間領域（ＦＤＴＤ）シミュレーションを示した図 図１０Ｂに描かれている実施形態における光学的効果を説明するための、有限差分時間領域（ＦＤＴＤ）シミュレーションを示した図 マスキング層として非湿潤材料を使用し光学的歪み低減層として高屈折率材料を使用している、例示的な構造を加工する実施形態を簡略化して示した図 マスキング層として非湿潤材料を使用し光学的歪み低減層として高屈折率材料を使用している、例示的な構造を加工する実施形態を簡略化して示した図 マスキング層として非湿潤材料を使用し光学的歪み低減層として高屈折率材料を使用している、例示的な構造を加工する実施形態を簡略化して示した図 マスキング層として非湿潤材料を使用し光学的歪み低減層として高屈折率材料を使用している、例示的な構造を加工する実施形態を簡略化して示した図 高屈折率材料を光学的歪み低減層として選択的に堆積するためにインクジェットプリンタヘッドを使用している、構造を加工するさらなる実施形態を簡略化して示した図 高屈折率材料を光学的歪み低減層として選択的に堆積するためにインクジェットプリンタヘッドを使用している、構造を加工するさらなる実施形態を簡略化して示した図 高屈折率材料を光学的歪み低減層として選択的に堆積するためにインクジェットプリンタヘッドを使用している、構造を加工するさらなる実施形態を簡略化して示した図 構造を加工するさらなる実施形態を簡略化して示した図 構造を加工するさらなる実施形態を簡略化して示した図 構造を加工するさらなる実施形態を簡略化して示した図 構造を加工するさらなる実施形態を簡略化して示した図 構造を加工するさらなる実施形態を簡略化して示した図 構造を加工するさらなる実施形態を簡略化して示した図 構造を加工するさらなる実施形態を簡略化して示した図 構造を加工するさらなる実施形態を簡略化して示した図 イオン交換プロセスを用いて構造を加工する方法のいくつかの実施形態を簡略化して示した図 イオン交換プロセスを用いて構造を加工する方法のいくつかの実施形態を簡略化して示した図 イオン交換プロセスを用いて構造を加工する方法のいくつかの実施形態を簡略化して示した図 イオン交換プロセスを用いて構造を加工する方法のいくつかの実施形態を簡略化して示した図 イオン交換プロセスを用いて構造を加工する方法のいくつかの実施形態を簡略化して示した図 イオン交換プロセスを用いて構造を加工する方法のいくつかの実施形態を簡略化して示した図 イオン交換プロセスを用いて構造を加工する方法のいくつかの実施形態を簡略化して示した図 イオン交換プロセスを用いて構造を加工する方法のいくつかの実施形態を簡略化して示した図 エッチングされた窪みに高屈折率材料が堆積される、構造を加工する実施形態を簡略化して示した図 エッチングされた窪みに高屈折率材料が堆積される、構造を加工する実施形態を簡略化して示した図 エッチングされた窪みに高屈折率材料が堆積される、構造を加工する実施形態を簡略化して示した図 エッチングされた窪みに高屈折率材料が堆積される、構造を加工する実施形態を簡略化して示した図 パルスレーザによる局所加熱を用いて透明媒体の表面上にガラスの隆起を形成することによって構造を加工する別の実施形態を示した、例示的な透明媒体の断面図 図１８Ａに示されている種々のサイズのガラスの隆起を生成するようレーザビームによって処理されている例示的な透明媒体の斜視図 透明媒体上に堆積された親和性材料および親和性の欠けた（phobic）材料を用いて相構造を形成する、構造を加工する実施形態を簡略化して示した図 透明媒体上に堆積された親和性材料および親和性の欠けた材料を用いて相構造を形成する、構造を加工する実施形態を簡略化して示した図 透明媒体上に堆積された親和性材料および親和性の欠けた材料を用いて相構造を形成する、構造を加工する実施形態を簡略化して示した図 透明媒体上に堆積された親和性材料および親和性の欠けた材料を用いて相構造を形成する、構造を加工する実施形態を簡略化して示した図 透明媒体上に堆積された親和性材料および親和性の欠けた材料を用いて相構造を形成する、構造を加工する実施形態を簡略化して示した図 透明媒体上に堆積された親和性材料および親和性の欠けた材料を用いて相構造を形成する、構造を加工する実施形態を簡略化して示した図 共形または準共形（semi-conformal）層の優先的研磨を用いて構造を加工するさらなる実施形態を簡略化して示した図 共形または準共形層の優先的研磨を用いて構造を加工するさらなる実施形態を簡略化して示した図 共形または準共形層の優先的研磨を用いて構造を加工するさらなる実施形態を簡略化して示した図 頭部装着型ディスプレイの一部分の従来の実施形態を示した図 例示的な多重導波路構成を示した図 材料のバルクがいくらかの屈折率変調を示すブラッグ型の構造を示した図 いくつかの実施形態による例示的な透明拡散構造の図 いくつかの実施形態による例示的な透明拡散構造の図

以下の説明において、同様の参照符号は、図面に示されているいくつかの図を通じて同様のまたは対応する部分を指定する。特に指示がない限り、「上部」、「下部」、「外側」、「内側」などの用語は、便宜上の言葉であって、限定的な用語として解釈されるべきではないことも理解されたい。さらにある群が、要素の群および要素の組合せの群うちの少なくとも１つを含むと説明されている場合は常に、その群は、記載されている要素のうちの任意の数の要素の個々のものまたは互いに組み合わせたものを、含むものでもよいし、またはこれで本質的に構成されたものでもよく、あるいはこれで構成されたものでもよいことを理解されたい。

同様にある群が、要素の群または要素の組合せの群うちの少なくとも１つで構成されると説明されている場合は常に、その群は、記載されている要素のうちの任意の数の要素の個々のものまたは互いに組み合わせたもので、構成され得ることを理解されたい。特に指示がない限り、値の範囲が明記されている場合、この範囲はその範囲の上限および下限の両方を含む。本書で使用される単数形は、特に指示がない限り、「少なくとも１つ」、すなわち「１以上」を意味する。

本開示の以下の説明は、その実現可能な教示として、現在知られているその最良の実施形態として提供される。当業者は、本開示の有益な成果を依然として得ながら、本書で説明される実施形態に多くの変更を加え得ることを認識するであろう。本開示の望ましい利益のいくつかは、本開示の特徴のいくつかを、他の特徴を利用せずに選択することによって得られ得ることも明らかであろう。従って、本開示の多くの改変および改作が、可能であり、特定の状況では望ましくさえあり得、さらに本開示の一部であることを通常の当業者は認識するであろう。従って、以下の説明は本開示の原理の実例として提供されるものであり、これを限定するものではない。

本開示の精神および範囲から逸脱することなく、本書で説明される例示的な実施形態に対して多くの改変が可能であることは当業者には明らかであろう。従って本説明は、所定の例に限定されることを意図したものではないし、またそう解釈されるべきではなく、添付の請求項およびその同等物によって与えられる保護の全範囲を付与されるべきである。さらに、本開示の特徴のいくつかは、他の特徴を対応して使用することなく、使用することができる。従って、例示的なまたは実例となる実施形態に関する前述の説明は、本開示の原理を説明するために提供されたものであり、これを限定するものではなく、その改変および置換を含み得る。

「透明媒体」という用語は、光の所与の波長に対して実質的に透明な媒体を意味する。さらに、アンチグレア（ＡＧ）表面は、アンチリフレクション（ＡＲ）表面とは異なる。例えば、反射の大きさを減少させる代わりに、ＡＧ表面は実質的に同じ大きさの反射を保持し、ただし反射された画像の情報内容をスクランブルする。これは、鏡面反射をより広い角度範囲に亘って再分散させる、若干粗い表面を生成することで達成することができる。これにより処理表面にマット仕上げが生成され得、周囲照明下の画像コントラストが減少され得る。ＡＧ表面では非ＡＧ表面ほど指紋および表面汚染は見られず、透過光に付与される色はなく、反射スペクトルの角度依存について問題はない。本書で説明されるＡＧ表面は、ＡＧ表面を含む透明媒体を通して物体を見たときに、光学的歪みの低減を（または実質的に光学的歪みのない状態を）可能にすることができる。

ＡＲコーティングは、本書で開示される、またはこれ以外の、歪み低減アンチグレア（ＤＲＡＧ）構造と関連付けて使用することができる。例示的なＡＲコーティングは、境界面からの光の反射が破壊的に合計されて、観察者から見えたであろう反射を実質的に相殺するようなやり方で堆積され得る。ＡＲコーティングは、反射光の光路を実質的に変化させないサブ波長の表面要素から作製された、ナノ構造の「モスアイ」表面を含むものでもよく、従って入射角はＡＲコーティングでの反射角と実質的に同じになり得る。

このようなＡＲコーティングは、単一の、規定された屈折率および厚さを有する均一層、勾配屈折率層、ナノ構造層、ナノポーラス層、または多重層でもよく、また、基板、ディスプレイなどの前方要素に直接堆積してもよいし、あるいは予め作製された積層フィルムとして加えてもよい。ＡＲコーティングは前面の反射を大幅に低減させることができ、透過される画像の品質に影響を与えない。例示的なＡＲコーティング、または任意のタイプの表面を、本開示のＡＧ表面と組み合わせることができる。

例示的な透明媒体（すなわち、窓、ディスプレイなど）の面積は、４ｃｍ²未満から、４ｃｍ²超、いくつかの実施形態では２５ｃｍ²超、他の実施形態では１００ｃｍ²超、さらに他の実施形態では１ｍ²超またはそれ以上に及び得る。透明媒体は、ガラス、ガラスセラミック、および／またはポリマーから作製された物体を含み得る。可視波長の光（４００〜７００ｎｍ）で使用される透明媒体は、人間である観察者またはユーザにとって重要であろうが、例示的な透明媒体はＵＶおよびＩＲ波長を含む他の波長で使用することができ、これはこの波長で採用される道具（例えば、カメラまたはイメージングシステム）にとって重要になり得る。

「光学的歪み」は、物体の理想画像の形成に関連する理想光路（または波面の場合は理想形状）からの、物体から生じる光線（または波面）の任意の逸脱を意味し、この逸脱は、画像の品質を低下させる位相誤差から生じる。従来のＡＧ表面は光学的歪みに適応しておらず、得られる画像は歪んで見える。光学的歪みを定量化する方法が、「光学的歪みが低減されたアンチグレアおよびアンチスパークル透明構造（Anti-Glare and Anti-Sparkle Transparent Structures with Reduced Optical Distortion）」と題される２０１３年５月３１日に出願された同時係属の国際出願ＰＣＴ／ＵＳ１３／４３６８２号明細書において開示されており、その全体が参照することにより本書に組み込まれる。

本書で開示される構造、透明媒体、物品、拡散器、基板などは、任意のディスプレイの前面、またはその内部の埋め込まれた境界面、任意のサイズの発光ディスプレイ用保護カバー、タッチスクリーン、タッチセンサー式表面、液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）、有機発光ダイオード（ＯＬＥＤ）、ヘッドアップディスプレイ（ＨＵＤ）、水槽、レーザベースの反射式ヘッドアップディスプレイ、ウェアラブルディスプレイ、頭部装着型または装着可能なディスプレイ（ＨＭＤ）、窓（車両用、住宅用、建物用、電化製品用、陳列ケース用、額縁用、冷凍庫用、冷蔵庫用など）、車両用ダッシュボード、車両用バイザ、車両用フード、車両用ドア、サングラス、またはガラスベースディスプレイなどの、広範な用途を提供することができ、さらに一般に、観察者または光学系が透明媒体を通して場面または物体を見る可能性のある、また周辺光などの第２の光源が観察者などのいる側に存在している、いかなる用途にも提供することができる。構造、媒体、物品、拡散器、および／または基板という用語は、本開示において互換的に使用されることがあり、この使用は本書に添付される請求項の範囲を限定するべきではないことに留意されたい。

従って、本開示のいくつかの実施形態は一般に透明拡散器に関し、この透明拡散器は、例えば第１のエッジ光源または第１の前方光源などの第１の光源を、この第１の光源からの光が透明拡散器構造から散乱されて分散型のすなわち拡散光源を生成するように、備えて構成され得る。しかしながら第１の光源は、例として窓を介したまたは外部環境からの景色など、外部周辺透過光（第１の光源とは無関係な第２の光源）に対して透明なものでもよい。例示的な第１の光源としては、限定するものではないが、発光ダイオード（ＬＥＤ）、１以上のＬＥＤアレイ、または透明媒体への信号またはソースの入力に利用される他の光源を挙げることができる。

いくつかの実施形態による透明拡散器は、外部周辺光線（例えば、窓または他の透明媒体を通して見える景色、あるいはカバーフィルムまたはカバーガラスを通して見えるディスプレイからの画素など）に対して非常に透明であると同時に、導波モードなどの他の光モードに対して散乱するものまたは反射的であるように設計された、光散乱材料を含み得る。いくつかの実施形態による透明拡散器は、透明照明器具（ランプなど、拡散光源または空間的分散型光源）または透明ディスプレイバックライトが利用される、様々な照明系、ディスプレイ、または他の用途に実用性を見出すことができる。

同時係属の国際出願ＰＣＴ／ＵＳ１３／４３６８２号明細書において論じられているように、物体からの光に関連する波面は、物体から透明媒体を通って観察者まで物体の光路に亘って進んで透過波面を形成し得る。透過波面の光学的歪みは、媒体の起伏のある上方表面によって付与される位相変動から生じ得る。いくつかの実施形態によるＡＧ表面は、伝搬している波面に対して空間に依存するランダムな位相項を与え得るものであり、これが観察者に示される画像を歪ませる。従っていくつかの実施形態では、光学的歪み低減層による補償する位相項を加え、ＡＧ表面に関連する物体光からの光に対する光学的歪みを低減または排除することができる。例示的なＡＧ表面は、周期的、準ランダム、またはランダムな、頂点Ｐおよび谷Ｖを含むものでもよく、あるいは半球体、プリズム、格子、再帰反射キューブコーナー、または疑似ランダムな「２成分から成る」表面など、反復するまたは部分的に反復する主要構造を含み得る。例示的な表面は、夫々の全体が参照することにより本書に組み込まれる、米国特許出願公開第２０１１／００６２８４９（Ａ１）号明細書、同第２０１２／０２１８６４０（Ａ１）号明細書、および同第２０１２／０３００３０４（Ａ１）号明細書に記載されているような、設計された横方向の空間周波数内容を含む準ランダムなＡＧ表面でもよい。

例示的なＡＧ表面は、第２の表面を画成する、および／または第２の表面形状ｈ₂（ｘ）またはより一般的に２次元ではｈ₂（ｘ，ｙ）を有する、別の透明層をさらに含み得る。非限定的な例において透明層は、光学的歪みを低減するように構成された透明材料のコーティング、例えば光学的歪み低減層によって形成され得る。透明媒体および光学的歪み低減層によって形成される構造は、例示的な歪み低減アンチグレア（ＤＲＡＧ）透明構造を構成し得る。

図１Ａは、例示的な透明構造を示した図である。図１Ｂは、別の例示的な透明構造を示した図である。図１Ａおよび１Ｂを参照すると、ＡＧ表面１４によって生じる光学的歪みを有する例示的な透明構造１００は、透明媒体１０を通して波面を伝搬するフーリエ光学モデルを用いて説明することができる。このモデルは一般に、ＡＧ表面１４を、光位相φ（ｘ，ｙ）を有しているものとして説明する。第１の表面１４−１を有しているＡＧ表面１４に対し、波面３６Ｗの伝搬に関連する電界Ｅは、式、

で近似することができる。ここで、Ｅ_beforeは粗表面１４−１直前の電界、Ｅ_afterはこの粗表面直後の電界、ｎ₁およびｎ₃はこの粗表面の両側での屈折率、λは物体光の波長、ｔは一定の基準面、そしてｈ₁（ｘ，ｙ）は第１の表面での表面粗さの上記高さプロファイルを表す。

基準面ＲＰまたはｔを用いて、位相に対する基準と、ｈ₁（ｘ，ｙ）およびｈ₂（ｘ，ｙ）を測定することができる位置とを提供することができる。空間的に不変の位相項は画像の歪みにつながらないため、基準面ＲＰおよびｔの位置は、その両方が粗表面からいくらか離れてその前または後（すなわち、上または下）に位置していることを条件に、任意である。例えば、方程式１における１つの状況を概念的に説明するために、基準面ＲＰは粗表面の下方に位置するものでもよく、ｈ₁（ｘ，ｙ）およびｈ₂（ｘ，ｙ）はＲＰを参照して正の値をとり得る。また基準面ｔが粗表面の上方に位置し、方程式１のように粗表面の上方の空隙の距離を定義するために基準面ｔを用いてもよい。画像の光学的歪みを排除するためには、φ（ｘ，ｙ）＝一定＝φ０であり、これは第２の表面１４−２が存在しない場合、ｈ₁＝一定である（すなわち、滑らかな表面が存在する）か、あるいはｎ₁＝ｎ₃である（すなわち、表面が存在しない）ということを意味する。

第２の表面１４−２が存在するように光学的歪み低減層１５が存在している場合、透明媒体の本体１２が屈折率ｎ₁を有し、透明層１４−２が屈折率ｎ₂を有し、この透明層に隣接して存在する観察空間２２が、屈折率ｎ₃を有する媒体を構成し、さらに条件ｎ₃＜ｎ₁＜ｎ₂が満足されると、以下のようになる。

光学的歪みのない画像のための要件φ（ｘ，ｙ）＝一定＝φ０により、方程式２を第２の表面形状ｈ₂（ｘ，ｙ）に対して第１の表面形状ｈ₁（ｘ，ｙ）の観点から解くことができる。

従って第２の表面形状ｈ₂（ｘ，ｙ）は、ｈ₂（ｘ，ｙ）＝ψ・ｈ₁（ｘ，ｙ）という関係によって第１の表面形状ｈ₁（ｘ，ｙ）を拡大縮小したものとすることができ、ここで倍率はψ＝（ｎ₂−ｎ₁）／（ｎ₂−ｎ₃）として表され、ｃは任意の定数を表す。ｈ₂（ｘ，ｙ）がいずれの場所でもｈ₁（ｘ，ｙ）以上であるという物理的条件を満足させるために、定数ｃの最小値は、

で与えることができる。ここで、ｈ₁（ｍａｘ）は所与の構造に対する定数を表し、表面形状ｈ₁（ｘ，ｙ）の全体の最大高さに等しい。定数ｃが上記方程式４の最小値項（ｎ₁−ｎ₃）／（ｎ₂−ｎ₃）・（ｈ₁（ｍａｘ））に等しい場合、これは、ｈ₁（ｘ，ｙ）の頂点位置（ｈ₁（ｘ，ｙ）＝ｈ₁（ｍａｘ）である空間的位置）でｈ₂＝ｈ₁となる特別な事例に相当する。

物理的にこれは、ｈ₁（ｘ，ｙ）の頂点が、その上にいかなる追加のコーティング材料も備えていない事例を表している。ｃは方程式４の最小値項よりも大きくてもよく、このとき構造の表面に亘るあらゆる位置で光路長に一定のずれを加えることにも留意されたい。従っていくつかの実施形態において、例示的な光学的歪み低減コーティング層１５を構成している材料は、第１の表面１４−１の谷Ｖを、各谷の深さおよび形状に依存したコーティング層厚さで部分的に満たし得る。コーティング層１５を構成する屈折率ｎ₂が低ければ低いほど、谷Ｖ内のコーティング層は厚いものであるべきである。従って光学的歪み低減層１５は、第１の表面１４−１の上に準共形層を形成し得る。

ＡＧ表面１４に対して条件ｎ₃＜ｎ₁＜ｎ₂が満たされるとき、倍率ψは１未満になり得、これにより第２の表面１４−２の二乗平均平方根（ＲＭＳ）表面粗さは、その下の第１の表面１４−１のＲＭＳ未満になる。ＡＧ表面１４に、より高い屈折率の媒体が存在していると、様々な反射特性および透過‐ヘイズ特性につながり得る。この変更されたＡＧ特性は、例示的なＡＧ表面１４の設計で説明することができる。例えば、第１のＡＧ表面を有する光透過構造は、第１の表面形状ｈ₁（ｘ，ｙ）を含む、透明媒体１０の第１の表面１４−１と、第１の表面に直接隣接して存在し、ｎ₁よりも大きい屈折率ｎ₂を有し、第２の表面形状ｈ₂（ｘ，ｙ）を有する第２の表面１４−２を画成する、光学的歪み低減層１５と、第２の表面の、第１の表面とは反対側に直接隣接し、ｎ₁よりも大きい屈折率ｎ₃を有している媒体とによって画成され得、このとき（ｎ₂−ｎ₁）／（ｎ₂−ｎ₃）・ｈ₁（ｘ，ｙ）≦ｈ₂≦０．５（（ｎ₂−ｎ₁）／（ｎ₂−ｎ₃）・ｈ₁（ｘ，ｙ））である。すなわち、このときｈ₂は（ｎ₂−ｎ₁）／（ｎ₂−ｎ₃）・ｈ₁（ｘ，ｙ）の５０％以内である。他の実施形態では、（ｎ₂−ｎ₁）／（ｎ₂−ｎ₃）・ｈ₁（ｘ，ｙ）≦ｈ₂≦０．８（（ｎ₂−ｎ₁）／（ｎ₂−ｎ₃）・ｈ₁（ｘ，ｙ））であることが好ましい。すなわち、このときｈ₂は（ｎ₂−ｎ₁）／（ｎ₂−ｎ₃）・ｈ₁（ｘ，ｙ）の８０％以内である。

代わりの条件ｎ₃＜ｎ₂＜ｎ₁では（ｎ₂の低屈折率材料が第１の表面形状ｈ₁（ｘ，ｙ）の谷を充填している）、方程式（３）および（４）が当てはまるが、方程式４において最小一定値を適用すると、ｈ₁（ｘ，ｙ）の頂点よりも高い振幅まで上昇する、第２の表面形状ｈ₂（ｘ，ｙ）の頂点が生成され得る。この事例では、ｈ₂（ｘ，ｙ）の頂点は一般に、ｈ₁（ｘ，ｙ）の谷よりも上に存在する。ｈ₂（ｘ，ｙ）はｈ₁（ｘ，ｙ）以上になり得るため、ｈ₂（ｘ，ｙ）の頂点は一般に、その構造の全体の頂点に相当し得る。

引続き図１Ａおよび１Ｂを参照すると、光学的歪み低減層１５がその下の透明媒体１０よりも低い屈折率を有している、例示的な構造１００が提供される。この事例では、光学的歪み低減層１５の屈折率が透明媒体１０の屈折率よりも低い事例、すなわち条件ｎ₃＜ｎ₂＜ｎ₁に対して、ＡＧ表面１４は構成され得る。この状況では、谷Ｖは充填不足ではなく過剰充填になることがあり、その結果図１Ａに示されているように、光学的歪み低減層１５は谷が最も深い位置で最も高くなる、隆起を形成する。図１Ｂを参照すると、例示的な実施形態では、ＡＧ表面１４に関連する低減された光学的歪みに影響を与えずに、さらなるコーティング層１７をコーティング層１５（および第１の表面１４−１の任意の露出部分）に直接隣接させて加えることができる。例えばコーティング層１７は、アンチリフレクション（ＡＲ）コーティングとして構成されたものでもよく（例えば、複数のサブレイヤを含み得る）、それにより透明媒体１０にアンチグレア特性およびアンチリフレクション特性の両方を与えることができる。

別の実施形態では、ＡＧ表面１４を、画像の光学的歪みが本質的に存在しないように設計することができる。これは、φ（ｘ，ｙ）が実質的にまたは一様に一定であることを要求することによって達成され得る。他の実施形態では、多くの用途で完全に減らすことよりも部分的な低減の方が、実装が容易でありかつ費用効率が高いであろうことを認識して、透明媒体１０から画像の光学的歪みは減少され得る。従って例示的な実施形態では、方程式３を完全に満足させる必要はない。従って、表面φ（ｘ，ｙ）に亘る残留位相の統計量が、以下の関係から分析され得る。

厳密な位相整合のために、Δφ_rms＝０となるようΔφ（ｘ，ｙ）＝Δφ０が規定され、ここでΔφ_rmsはΔφ（ｘ，ｙ）の二乗平均平方根を表す。例えば、コーティングが厳密には方程式３を満たさない場合、光学的歪み量の大幅な低減を実現するために、Δφ_rmsは約２π／１０を略下回ることが要求され得る。

本開示の実施形態がさらに含み得る構成は、必ずしも別々の第１の表面１４−１および第２の表面１４−２を有しているわけではない。従って、いくつかの実施形態において透明媒体１０は、テクスチャ加工された表面１４−１を有し得る。このテクスチャ加工された表面１４−１の他、バルクの屈折率変調によりもたらされる光の位相変調は、以下の関係で提供される。

ここで、ｈ₁（ｘ，ｙ）はテクスチャ加工された表面１４−１のトポロジー、ｎ₁はバルク材料の平均屈折率を表し、ΔＯＰＬ_bulk（ｘ，ｙ）は、バルクの光路長方向（すなわち、Ｚ方向）の積分、すなわち、

により定義される、バルクの光路長変化のトポロジーを表す。

反射周辺光２６の反射時の位相はφＲ（ｘ，ｙ）＝２π／λ［２ｎ₃（ｔ−ｈ₁（ｘ，ｙ））］で提供され、これは第１の表面１４−１の表面粗さの関数を表す。結果として第１の表面１４−１を、周辺光を反射するときに所望の散乱特性を提供してグレアによる光の量を低減させることができる、表面形状で構成することができる。

構造を通る透過光の位相は位相φＴ（ｘ，ｙ）として示すことができ、φＴ（ｘ，ｙ）＝２π／λ・［ｎ₁ｈ₁（ｘ，ｙ）＋ΔＯＰＬ_bulk（ｘ，ｙ）＋ｎ₃（ｔ−ｈ₁（ｘ，ｙ））］で提供され、これは表面粗さとバルクの屈折率変化の両方に依存する。従って、第１の表面１４−１の表面テクスチャ（形状）に関連する位相変動を補償する、バルクの屈折率変化ｎ_bulk（ｘ，ｙ，ｚ）−ｎ₁を、以下の関係によって定義することができる。

このとき一定の位相はゼロと選択してもよい。

方程式８ａ〜８ｃは一般に、表面ｈ₁（ｘ，ｙ）によって引き起こされる位相歪みを補償する、理想的なバルクの屈折率変化を定義する。ｎ₃がｎ₁未満であると、バルクの光路の変化（方程式７）は、ｈ₁（ｘ，ｙ）が頂点を有する領域でゼロ未満になり得、またｈ₁（ｘ，ｙ）が谷を有する位置ではゼロを上回り得る。屈折率の観点から、これは一般に、ｈ₁（ｘ，ｙ）が頂点を有する領域でバルクの屈折率はｎ₁未満になり、ｈ₁（ｘ，ｙ）が谷を有する位置ではｎ₁を上回ることを意味する。屈折率の変化の性質（大きさおよび空間的範囲）は方程式７によって判定することができ、それによると屈折率の変化は、局所的には一定である（孤立している）ものの屈折率がより高いまたは低い均一な領域を含むものでもよいし、あるいは屈折率の勾配（変動の大きさが空間的に変化し得る）によって表されるものでもよい。

これまで実施形態を、その媒体または構造の１つの表面にＡＧ特性を備えているものとして説明してきたが、本書に添付される請求項はそのように限定されるべきではなく、同時係属の国際出願ＰＣＴ／ＵＳ１３／４３６８２号明細書に記載されている両面媒体が、その全体を参照することにより本書に組み込まれる。

いくつかの実施形態は、例示的な光学的モデリングによって理解することができる。このモデリングの非限定的な例では、光学的効果を説明する有限差分時間領域（ＦＤＴＤ）法によるマクスウェルの方程式のベクトル解を適用し得る。図２Ａは、正弦曲線的なコーティングされていない従来のＡＧ表面を備えた、例示的な透明媒体を示した図である。図２Ｂは、図２Ａの正弦曲線的な第１の表面と、第２の表面を画成する光学的歪み低減層とを備えている、透明媒体を示した図である。図３Ａは、図２Ａの透明媒体を通過した波面に対するＦＤＴＤシミュレーションの結果を示した図である。図３Ｂは、図２Ｂの透明媒体に対するＦＤＴＤシミュレーションを示した図である。図２Ａを参照すると、この図は、第１の表面１４−１が正弦曲線のコーティングされていないＡＧ表面とされ得る、透明媒体１０を示している。図２Ｂは、第２の表面１４−２を画成する、方程式（３）の光学的歪みのない画像の要件を満足させる光学的歪み低減層１５を、正弦曲線の第１の表面１４−１が備えている、透明媒体１０を示している。この透明媒体１０は屈折率ｎ₁＝１．５のガラス基板としてモデル化されたものでもよく、一方光学的歪み低減層１５は屈折率ｎ₂＝２．０である。図２Ａおよび２Ｂは、垂直入射で（すなわち、下方表面１８に平行な平面波で）各構造を通るよう進んでいる、単位電界振幅の単一平面の波面３６Ｗをさらに示している。この単一平面の波面３６Ｗは、物体（図示なし）からの光３６のパルスを表している。図示のｘ方向およびｙ方向の単位はμｍである。図３Ａを参照すると、透明媒体１０を通過した波面３６ＷＴに対するＦＤＴＤシミュレーションの結果が示されている。図３Ｂは、光学的歪み低減層１５を含んだ透明媒体１０に対して、対応するシミュレーションを提供したものである。これらの図には、さらに反射波面３６ＷＲが示されている。透明媒体１０、および透明媒体と光学的歪み低減層１５とが結合されたものは、説明を容易にするため夫々図３Ａおよび３Ｂでは省略されている。図示の透過波面３６ＷＴおよび反射波面３６ＷＲの相対的な電界振幅の輪郭のいくつかは、電界振幅のスナップショットを表している。これらの図では、図３Ａの透過波面３６ＷＴおよび反射波面３６ＷＲが歪んでいることが認められる。反射波面３６ＷＲの振幅は、透過波面３６ＷＴの振幅よりも実質的に小さい。図３Ｂの透過波面３６ＷＴは実質的に平坦であり（透過での歪みが少ないことを明示している）、一方図３Ｂの反射波面３６ＷＲは図３Ａのその対応部分に比べると、まだいくらか歪んでいる（反射における有益なＡＧの効果を明示している）。物体光３６の連続したビームで、また最大３０°までのより大きい入射角で、同様の結果が得られた。

例示的な透明拡散器構造において、物品の構造化領域を通る外部透過光線のＯＰＬは、その表面に亘る複数の位置で同じ（または略同じ）はずであることが見出された。図４は、いくつかの実施形態による屈折率ｎおよび厚さｔを有する例示的な透明拡散器の図である。図４を参照すると、いくつかの実施形態は例示的な拡散板４００の平面内に、透明拡散器の平面（図４のｘ−ｙ平面）における並進対称性を崩して、反射または導波モードに対する光散乱を可能にする、空間的に変化する屈折率プロファイルを含み得る。粗表面の透明拡散器または構造の場合、これはＡＧ効果をもたらす外部反射光線の散乱を可能にする。ライトガイドまたは照明器具用途では、拡散器のｘ−ｙ平面における崩れた並進対称性によって、エッジ光源（図示なし）からの導波モードのアウトカップリングが可能になる。さらに例示的な照明器具を、透明拡散器のエッジ付近に位置付けられた光源が拡散器表面から反射され得る、反射モードで設計してもよい。図４を参照すると、一定ＯＰＬの条件は、

と書くことができ、ここで、ｓ１は１番目の構造化領域（ｔ１が構造化されていないときの図４のｔ２に類似）を表し、ｓｎはｎ番目の構造化領域（この場合、ｔ６が構造化されていないときの図４の領域ｔ５）を表す。

いくつかの実施形態では、拡散器４００の構造部分を通るｚ方向（またはｚ方向に近い角度範囲）の透過光路長ＯＰＬ_zは、ｘ−ｙ平面の隣接する空間的位置（例えば、ｘ−ｙ平面において互いに１ｃｍ、１ｍｍ、０．１ｍｍ、または０．０１ｍｍの範囲内の空間的位置）において一定または略一定になり得る。ＯＰＬが略一定である場合、拡散器４００の隣接する構造化領域を通るＯＰＬに例えば約１／２λ未満、１／４λ未満、または１／８λ未満の変化を提供するように、実施形態は設計され得る。拡散器４００の非構造部分、すなわち領域ｔ１およびｔ６を通るＯＰＬはあまり問題ではなく、というのもこれらの領域は構造化されておらず（ｘおよびｙ方向において概して均質）、その結果、領域ｔ１およびｔ６におけるＯＰＬの任意の変化は非常に漸進的（すなわち、隣接する空間的位置に対するＯＰＬが実質的に一定）であり、光学的散乱をもたらす小さい横方向長さスケールの（ｘ−ｙ方向における）位相面の歪みにつながらないためである。当然のことであるが、図示のものより多数の（または少数の）構造化要素または領域（例えば、ｔ７、ｔ８、ｔ９など）が存在し得るように、図４に示した実施形態は本書に添付される請求項の範囲を限定するべきではない。例示的な構造化領域は、反射モードまたは導波モードに対してある程度の光散乱を生み出す、ｘおよび／またはｙ方向に沿って崩れた並進対称性（不均質な光路または変化する屈折率）で特徴付けることができる。例示的な構造化要素は、図４に示されているように、規則正しい、すなわち周期的なものでもよいが、上で論じたように、ランダム、準ランダム、非周期的なものなどでもよい。屈折率ｎ１と随意的にｎ２とが、屈折率１（すなわち、空気）である場合、この構造は粗表面でもよい。いくつかの実施形態において、構造化要素のｚ次元における特有のサイズは、限定するものではないが、約０．０５μｍ未満、約０．０５μｍから約１０μｍの間、約０．０５μｍから約５０μｍ、５０μｍから１００μｍの間などでもよい。いくつかの実施形態において、ｘおよび／またはｙ次元における構造化要素のサイズは、約０．０５μｍから約１００μｍ以上の範囲でもよい。構造化要素における領域（例えば、領域ｔ２〜ｔ５）の非限定的な屈折率は、限定するものではないが、１．０（空所）から２．５、１．０から１．３、１．０から２．０、１．３から２．０の範囲でもよい。

図５は、屈折率ｎおよび埋め込まれた散乱構造を有しているいくつかの実施形態による別の例示的な透明拡散器５００の図である。図５を参照すると、散乱機能５０２の屈折率ｎ１〜ｎ６および形状は、一方または両方の主方向の外部入射透過光に対する全内部反射を防ぐように選択され得る。外部入射光は、例えばエッジＬＥＤ、ＬＥＤアレイ、レーザ、またはこれら以外の他の適切な光源などの、一次光源によって提供され得る。１以上の方向への外部周辺光の透過を減少または歪ませ得る、あるいは１以上の方向への外部周辺光に対して好ましくないほど高い反射を生じさせ得る、全内部反射効果を回避するために、例えばｎ５が約１．５２であり、角度θが約９０°である場合には、ｎ４は約１．１を上回るべきであり、あるいは約１．３を上回ることがより好ましい。従って、図に描かれているプリズム状形状においてｎ２、ｎ３、ｎ４、およびｎ５のうちの１以上が１に等しい状況は、好ましくない比較例である。図６および７は、いくつかの実施形態による例示的な透明拡散器のさらなる実施形態の図である。この場合も、例えばエッジＬＥＤ、ＬＥＤアレイ、レーザ、またはこれら以外の他の適切な光源などの一次光源によって、外部入射光は提供され得る。図６および７を参照すると、例示的な透明拡散器６００、７００は、プリズムまたは非プリズムの埋め込まれた散乱構造（周期的、ランダム、準ランダムなど、繰り返すもの）を備えた、照明器具、ライトガイド、または導波路でもよく、それにより拡散器６００、７００は滑らかな外部表面を含む。上述した実施形態と同様に、プリズムまたは略プリズムの形状を有する実施形態では、１以上の屈折率が１．１を上回る、またはさらには１．３を上回るべきであり、例えばｎ３は１．１または１．３を上回る。

透明照明器具、透明ディスプレイ、ＨＵＤ、ＨＭＤ、透明バックライト用途などにおいて実用性を見出すいくつかの実施形態において、例示的な透明拡散器は適切な光源（例えば、ＬＥＤ、ＬＥＤアレイ、レーザ、または他の既知の光源）に結合され得る。例えばエッジリットモードでは、透明拡散器、拡散器基板、または透明拡散器に接合または光学的に結合される他の透明部品の、導波モードまたは全内部反射モードに、適切な光源が結合され得る。導波モードは予め決定されたパターンに従って透明拡散器から外へ散乱され得、これがｘおよびｙ方向（図４参照）の１以上に勾配パターンを形成して、空間的に均一な光のアウトカップリングを生成することも可能である。これは例えば、透明拡散器構造のｘ−ｙ平面において横方向の機能の間隔または屈折率コントラストを変化させて、光散乱強度に勾配を生じさせることによって達成されるであろう。同時に例示的な拡散器は、上述したように隣接するｘ−ｙ空間の位置に対する構造化領域の透過を位相整合する、または略位相整合することによって、外部周辺光線に対して非常に透明になるように設計され得る。

フロントリットモードにおいて、例示的な拡散器は、透明拡散器構造から光を反射するように構成された光源を含み得る。光源は、外部周辺透過光線の遮断を最小にするために、あるいは斜入射反射によるより高い反射率を最小にするために、透明拡散器のエッジ付近に設けられ得る。いくつかの実施形態において、例示的な拡散器または他の構造は、構造から視射角で反射された光、または（エッジリット導波路のように）構造の導波モードに注入された光の、１％を超えて、５％を超えて、１０％を超えて、または２０％を超えて散乱する（すなわち反射光線の角度から、約０．５°を超える、１°を超える、または約１０°を超える逸脱を生じさせる）ことができる。

さらなる実施形態は、上述したような粗表面、やや粗い表面を含み得、および／または埋め込まれた構造を含み得る。図８Ａおよび８Ｂは外部粗表面を有する構造の図である。図８Ａおよび８Ｂを参照すると、例示的な透明拡散器８００、９００は、周期的、準ランダム、またはランダムな、頂点Ｐおよび谷Ｖを有する表面を含むものでもよく、あるいは、半球体、プリズム、格子、再帰反射キューブコーナー、または疑似ランダムな「２成分から成る」表面など、反復するまたは部分的に反復する主要構造を含み得る。上述したようにこの頂点および谷は、これを通るＯＰＬを制御するために異なる屈折率を有する材料（谷内は高屈折率材料、および頂点上は低屈折率材料）を備え得る。図８Ａは、外部粗表面を備えた透明拡散器ベースの照明器具またはライトガイド８００と、ＬＥＤ、ＬＥＤアレイ、または他の適切な光源から提供されたエッジ照明光線とを示しており、それにより光は、表面上に含有されている様々な屈折率を有する材料により散乱され得る。二次光源（周辺光または景色）は、上述したように歪みが最小限から全くない状態で、この構造８００を通って透過され得る。図示されていないが、このようなエッジリットの実施形態８００は、埋め込まれた構造（図４〜７）と様々な屈折率を有する粗表面との両方を含み得ることも想定される。図８Ｂは、外部粗表面を備えた透明拡散器ベースの照明器具またはライトガイド９００と、ＬＥＤ、ＬＥＤアレイ、または他の適切な光源からの前方照明光線とを示しており、それにより光は、表面上に含有されている様々な屈折率を有する材料により散乱され得る。二次光源（周辺光または景色）は、上述したように歪みが最小限から全くない状態で、この構造９００を通って透過され得る。図示されていないが、このようなフロントリットの実施形態９００は、埋め込まれた構造（図４〜７）と様々な屈折率を有する粗表面との両方を含み得ることも想定される。

図９Ａ〜９Ｃは、さらなる実施形態の図である。図９Ａ〜９Ｃを参照すると、例示的な透明拡散器１０００は粒子または空所領域を組み込み得る。図９Ａおよび９Ｃを参照すると、例示的な拡散器１０００は、基板１０３０の上を覆っているポリマーまたはゾルゲルのバインダまたは充填材１０２０と共に、中空粒子１０１０（例えば、シェルの屈折率が約１．１から約１．５から約１．７以上にまで及ぶ中空ガラス微小球）を含み得る。例示的な充填材としては、限定するものではないが、ＵＶ硬化型アクリレート、溶解して生成された（solve-born）ＰＭＭＡ、フッ素重合体、ＳｉＯ₂ゾルゲル、ナノ粒子充填アクリレート、ＴｉＯ₂ゾルゲル、およびその屈折率が約１．１から約１．５、１．３から約１．６、または約１．５から約２．２にまで及ぶ他の材料が挙げられる。中空粒子１０１０は、空気または他の適切な気体で充填されたものでもよい。図９Ｂを参照すると、例示的な拡散器１０００は、基板１０３０の上を覆っているポリマーまたはゾルゲルのバインダまたは充填材１０２０と共に、低屈折率固体またはナノポーラス粒子１０１２（例えば、屈折率が約１．１から約１．５から約１．７以上、１．２５から約１．４５などに及ぶ、ガラス、フッ素重合体、またはＳｉＯ₂）を含み得る。例示的な充填材としては、限定するものではないが、ＵＶ硬化型アクリレート、溶解して生成されたＰＭＭＡ、フッ素重合体、ＳｉＯ₂ゾルゲル、ナノ粒子充填アクリレート、ＴｉＯ₂ゾルゲル、およびその屈折率が約１．１から約１．５、１．３から約１．６、または約１．５から約２．２にまで及ぶ他の材料が挙げられる。さらに図９Ｃに示されているように、中空（図９Ａ）または固体（図９Ｂ）の粒子は様々な形状またはサイズを有するものでもよい。従って、大きい粒子は一般により多くの散乱効果を促すため、粒子サイズが不均一である状況では、最大の粒子が透過において最も近い位相整合を有するようにコーティング条件を最適化することがより現実的になり得る。図示されていないが、この実施形態１０００はエッジリットでも、またはフロントリットでもよいこと、さらに基板１０３０内に埋め込まれた構造（図４〜７）と様々な屈折率を有する図示の構造との両方を含み得ることも想定される。

図１０Ａおよび１０Ｂは、粗表面プロファイルを有する例示的な透明拡散器のモデルである。図１０Ａの拡散器の表面はコーティングされておらず、上下を空気（ｎ＝１）で囲まれている。ガラス拡散器の基板の屈折率は１．５である。図１０Ｂでは、表面の一部が屈折率２．０のコーティングでコーティングされている。図１１Ａおよび１１Ｂは、図１０Ａおよび１０Ｂに描かれている実施形態における光学的効果を説明するための、有限差分時間領域（ＦＤＴＤ）シミュレーションである。図１１Ａおよび１１Ｂを参照すると、これらの図は例示的な透明拡散器構造の透過の基本機能を示し、その画像は、図の下部から上へとモデル表面を通って伝搬する平面波の電界のスナップショットを表している。図１１Ａでは、後方へと進む小さな反射と共に、平面波がコーティングされていないガラス（従来の粗表面）を通過した後の、平坦な位相面の歪みが認められる。図１１Ｂでは、はるかに平坦な位相面が、透明拡散器の粗表面例を通った透過後に認められる。

従って本書における実施形態による透明拡散器構造の設計は、高光透過率、透過での高光学的透明度、低い光透過ヘイズ、または低い割合（１０％未満、５％未満、または１％未満など）の、約０．１°を超える、１°を超える、２°を超える、５°を超える、または１０°を超える角度に散乱される透過光、のうちの１以上を有する、外部周辺透過光線をもたらすことができる。例示的な透明拡散器はさらに、透過においてエタンデュを保存する、または透過におけるエタンデュの変化を小さいものとすることができる。例示的な透明拡散器は本質的に、透過される外部光に対してよりも、反射モードまたは導波モードに対して大きい散乱効果を得ることができる。いくつかの実施形態では、散乱要素の屈折率を注意深く選択することによって、全体の反射率または散乱強度を高めることが望ましいであろう。例えば１以上の散乱要素（例えば、図４のｔ２〜ｔ５参照）は、１．４を超える、１．５を超える、１．６を超える、１．７を超える、１．８を超える屈折率を含み得る。１以上の散乱要素は、キャリア基板の屈折率を約０．０５超、０．１超、０．２超、または０．３超、上回る屈折率を有するように選択され得る。従って、いくつかの事例において透明拡散器物品の全体の反射率は、５％超、１０％超、２０％超、またはさらには５０％超とすることができる。

例示的な透明拡散器物品は、非対称な散乱光出力をさらに含み得る。例えば、光源を透明拡散器の散乱要素に対して適切に配置することによって、また透明拡散器の構造化領域の反射率を屈折率の選択で制御することによって、散乱光を１つの主方向へ都合よく散乱することができる（例えば、より多くの散乱光をＬＥＤから、図４の負の−ｚ方向ではなくｚ方向に向かって導くことができ、または逆も可能である）。これは、特定の観察者または観察エリアに向かって散乱する光が好ましくかつ他の主方向に散乱される光は無駄になることが多い、例えば透明バックライトなどの特定の用途で好ましいであろう。いくつかの実施形態においてこれは、透明拡散器構造の全体の反射率を約５０％超になるように設計し、透明拡散器の構造化領域の意図されている観察者または照明領域と同じ側に光源を置くことによって得ることができる。従って、透明拡散器から反射されるこの５０％以上の光は、意図された観察者に向かって散乱され得る。散乱要素が外部粗表面を形成するエッジリット導波路の事例（例えば、図５）などの他の事例では、透明拡散器の反射率は５０％未満になる可能性があり（例えば、２０％またはさらには１０％になり得る）、散乱光は、導波路内の全内部反射と透明拡散器構造の散乱能との適切なバランスによって、１つの主方向に向かって都合よく放出され得る。

いくつかの実施形態では、透明拡散器の構造化領域を、上述したように拡散器の基板に比べて相対的に高い屈折率を有するように設計することが望ましいであろう。さらなる実施形態において、透明媒体または基板の屈折率は約１．３から１．５５以上でもよく、一方透明拡散器の散乱要素を構成している材料は、例えばこの例示的な非限定的範囲よりも低い屈折率（１．０から１．２９など）および／またはこの範囲よりも高い屈折率（１．５６、１．５８、１．６、１．７、１．８、１．９、２．０、または２．５、およびこれらの間の全ての値など）の材料など、この範囲外の屈折率を有する。全体の反射率が高いことが望ましい用途では、例示的な透明拡散器から散乱される光の散乱強度あるいは方向性をさらに高めるために、部分的に透明な薄い金属フィルムなどの反射フィルムを構造に組み込んでもよいし、または透明拡散器上にコーティング／接合してもよい。他の実施形態において、例示的な透明拡散器は外部周辺透過光に対し、その角度がｚ方向から離れると大きくなりｚ方向に近くなると小さくなるような光散乱を呈し得る。

本書で説明されるような透明拡散器は広範な用途に対して提供することができ、その用途としては、任意のディスプレイの前面、またはその内部の埋め込まれた境界面、任意のサイズの発光ディスプレイ用保護カバー、タッチスクリーン、タッチセンサー式表面、液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）、有機発光ダイオード（ＯＬＥＤ）、ヘッドアップディスプレイ（ＨＵＤ）、透明ＨＵＤ、水槽、レーザベースの反射式ヘッドアップディスプレイ、ウェアラブルディスプレイ、頭部装着型または装着可能なディスプレイ（ＨＭＤ）、窓（車両用、住宅用、建物用、電化製品用、陳列ケース用、額縁用、冷凍庫用、冷蔵庫用など）、車両用ダッシュボード、車両用バイザ、車両用フード、車両用ドア、サングラス、またはガラスベースディスプレイ、ＬＣＤなどのディスプレイ用透明バックライト、スイッチを入れると照明としても機能する透明な建物用窓または天窓、所望のときに（車両の外部または内部の照明などのために）光を放出する自動車の窓、透明であるが一方向に強く光を放出して、一方の側にいる観察者が他方の側にいる観察者を見ることを困難にする指向性プライバシーウィンドウ、透明投影スクリーン、または現在窓を利用している、あるいは透明ディスプレイまたは透明光源から利益が得られる可能性のある、一般に任意の用途が挙げられ、また本書で説明される透明拡散器は一般に、観察者または光学系が透明媒体を通して場面または物体を見る可能性のある、また周辺光などの第２の光源が観察者などのいる側に存在している、いかなる用途に対しても提供することができる。

図２１は、従来の実施形態の頭部装着型ディスプレイの一部分である。図２１を参照すると、図示の画像導波路２００は、インカップリング領域２０５、アウトカップリング領域２１０、および中間領域２１５を有している。インカップリング領域２０５はインカップリングミラー構造２２０を含み、アウトカップリング領域２１０はアウトカップリングミラー構造２２５と端部キャップ面２３０とを含む。画像導波路２００は、入力光を受けて導波路基板の同じ側の表面から出力光を放出する、単一の導波路基板（例えば、平面導波路）である。画像導波路２００は、一般に、コリメートされた入力光をインカップリング領域２０５で受けることによって動作する。インカップリングミラー構造２２０は、入力光を、画像導波路２００を通じてアウトカップリング領域２１０の方へ反射するように配向されている。反射された入力光は次いで、中間領域２１５によってアウトカップリング領域２１０へと導かれる。インカップリングミラー構造２２０は、光入射面２４０に対して斜めに傾斜している反射面を含む。反射された入力光が、画像導波路２００の内部で全内部反射によって導かれるよう十分に傾斜した角度で画像導波路２００の面にぶつかるように、インカップリングミラー構造２２０は夫々、入力光に対して傾斜した少なくとも１つの反射面と画像導波路２００の面とを含む。光は、既定の距離を伝搬した後に光抽出部により抽出されて、観察者に送られ得る。例示的な光抽出部（例えば、その全体が本書に組み込まれる米国特許第８，４４６，６７５号明細書参照）は、いずれの屈折効果も回折より優勢になるように、波長よりも大きいマイクロプリズムのアレイを含んでいる（例えば、この機器は幾何光学モードである）。しかしながらこの手法は回折効果を十分に考慮したものではなく、というのも（例えば１００μｍピッチの）プリズムのアレイは、人間の目で容易に確認し得る１６角度分離れたゴースト像を生成するためである。この回折を人間の分解能よりも低くするために、およそ１〜２ｍｍのピッチのプリズムピッチが必要になるが、これはさらに他の著しい画像アーチファクトを生じさせる。光抽出部のための別の手法として、カップリング格子を使用するものを挙げることができるが、これらは偏向角度、並びに回折効率の面で、波長に敏感である。従って１つの解決策は、三色Ｒ、Ｇ、およびＢの夫々のための、各波長に対して最適化された光抽出部を有する、別々の導波路を使用するものを含む（図２２参照）。図２２は、このような多重導波路構成の図である。しかしながらこの構成では、光は他の導波路内に位置する抽出部を横切って進むことが必要になり、それにより散乱されることになる。従って、アウトカップリング格子を透明なものとする必要がある。これを回避するための１つの手法として、例えば材料のバルクがいくらかの屈折率変調を示すブラッグ型構造（図２３）など、カップリング格子を、特定の波長のみを回折できるように効率面で波長に非常に敏感なものとするものが挙げられる。しかしながらこのような実施形態は、体積ブラッグ格子が、大量生産では非効率になり得るホログラフィによって通常作製されることだけではなく、いくつかの課題を提示し得る。ブラッグ格子はさらに、狭いスペクトル帯域幅を含む傾向にあり、また反射されたブラッグ共鳴の波長は入射角に応じてシフトし得、それにより限定的な投影視野が提供される。従って、これまでに説明した表面または埋め込まれた散乱要素は、このような実施形態で、より幅広いスペクトルと角度許容を与えることができる。

１つの例示的な実施形態は、上述した、図２４Ａおよび２４Ｂに示されているような透明拡散面を含んでいる。図２４Ａおよび２４Ｂを参照すると、表面テクスチャ（ランダム、周期的、またはその他）とバルクの屈折率変調とを単独でまたは組み合わせて利用して、透過を補償することができる。いくつかの実施形態では、同じマイクロリソグラフィマスクによる順次エッチング（表面テクスチャ）およびイオン交換（バルク屈折率テクスチャ）によって、これら２つのテクスチャを生成することができる。例示的な構造を通って進む光ビーム１および２のＯＰＤを計算すると、以下の関係が与えられる。

ここで、ＯＰＤは光路長の相違部分、ｎは材料の屈折率、さらにｄｎは実施形態の谷におけるバルク屈折率の増加を表す。Ｌ２＝（ｎ−１）Ｌ１／ｄｎの場合、ＯＰＤ１＝ＯＰＤ２であることを示すことができ、これは透過で光の位相は変調されず、従って光はその波長に無関係に回折されないことを意味する。

反射された光について考えると、以下のようになる。

これらの関係を変形させて、前の条件Ｌ２＝（ｎ−１）Ｌ１／ｄｎを考慮すると、以下の関係が得られる。

従って、透過では位相変調はないが、反射ではやはりいくらかの変調が存在し得、光はその後散乱され得る。

図１２Ａから１２Ｄは、マスキング層として非湿潤材料を使用し、光学的歪み低減層として高屈折率材料を使用する例示的な構造を加工する、実施形態の簡略化した図である。図１２Ａ〜１２Ｄを参照すると、透明媒体１０を用いて構造１００を加工する非限定的な方法を示す拡大断面図を、これらの図は表している。図１２Ａを参照すると、第１の表面１４−１がテクスチャ加工されている透明媒体１０が提供される。第１の表面１４−１は、サンドブラスティング、エッチング、ラッピング、エンボス加工、スタンピング、研削、マイクロマシニングなどの既知の方法を用いて、様々なやり方で形成することができる。

第１の表面１４−１はその後、表面を非湿潤状態にする親和性の欠けた材料を含むコーティング層１１０でコーティングされ得る。コーティング層１１０のための例示的な材料としては、限定するものではないが、液体の形でスピンコーティングすることができる、親和性の欠けたシランが挙げられる。コーティング層１１０は、使用される具体的な材料次第で、吹付け、ディップコーティング、物理的蒸着、およびスピンコーティングなどの任意の既知の手段を用いて塗布することができる。ここで図１２Ｂを参照すると、頂点Ｐを囲む領域を除いて第１の表面１４−１からコーティング層１１０を除去し、それによりコーティングの部分１１０Ｐを頂点の上に残すことができる。これは、例えばいくつか例を挙げると、レーザ処理、光露光技術、または熱処理（例えば、ベーキング、熱照射など）によって達成することができる。代わりの実施形態では、各頂点Ｐを囲む領域にコーティング層１１０を、例えばスタンピングおよびマイクロコンタクトプリンティングなどの方法を用いて塗布してもよい。

ここで図１２Ｃを参照すると、一旦頂点Ｐが非湿潤材料の部分１１０Ｐでコーティングされると、屈折率ｎ₂の相対的に高屈折率の材料（すなわち、ｎ₂＞ｎ₁）の光学的歪み低減層１５を、例えば湿式コーティングプロセスを用いて塗布してもよい。頂点の材料の部分１１０Ｐは非湿潤であるため、層１５のための湿潤材料は頂点Ｐから滑り落ちて谷Ｖを充填する。谷Ｖを満たす層１５の材料は表面張力によってメニスカスを有し得、これにより層１５は、方程式（３）の第２の表面形状ｈ₂（ｘ，ｙ）を少なくとも近似する第２の表面１４−２を画成することに留意されたい。層１５の材料は、水性または非水ポリマー溶液、無溶媒モノマーまたはポリマー混合物、もしくはＴｉＯ₂、ＺｒＯ₂、Ａｌ₂Ｏ₃、ＳｉＯ₂などの水性または非水ゾルゲル材料、あるいはこれらのまたは当技術において既知の他の材料の組合せでもよい。層１５は次いで、これが第１の表面１４−１上で所定の位置に留まるように、（例えば、乾燥、熱硬化、ＵＶ硬化などを通じて）強化され固化され得る。ここで図１２Ｄを参照すると、頂点Ｐ上の非湿潤材料部分１１０Ｐを除去して（例えば、適切な溶剤、プラズマ洗浄、ＵＶオゾン、または加熱プロセスをもちいて剥がして）最終的な構造１００を生み出すことができる。

図１３Ａから１３Ｃは、高屈折率材料を光学的歪み低減層として選択的に堆積するためにインクジェットプリンタヘッドを用いて構造を加工する、さらなる実施形態の簡略化した図である。図１３Ａから１３Ｃを参照すると、テクスチャ加工された第１の表面１４−１を有する透明媒体１０を用いて構造１００を加工する別の例示的な方法が図示されている。図１３Ａは、透明媒体１０とそのテクスチャ加工された第１の表面１４−１の、拡大断面を示している。ここで図１３Ｂを参照すると、高屈折率コーティング材料１４０が第１の表面１４−１上に液滴１４２として選択的に堆積され得る。一例において液滴１４２は、ノズル１５２を含むインクジェットプリンタヘッド１５０を用いて、第１の表面１４−１に向けて押し出される。インクジェットプリンタヘッド１５０をプログラマブルコントローラ１５４によって制御して、上記方程式（３）に従って図１３Ｃに示されているように第２の表面１４−２を形成するパターンを第１の表面１４−１上に適用することができる。第１の表面１４−１のテクスチャを画成する第１の表面形状ｈ₁（ｘ，ｙ）は、共焦点顕微鏡法、干渉分光法、原子間力顕微鏡、表面形状測定装置、または同様の表面形状測定機器を用いて測定することができる。この第１の表面形状ｈ₁（ｘ，ｙ）を次いで、透明媒体１０および材料１４０の夫々の屈折率ｎ₁およびｎ₂と共に、コントローラ１５４に提供してもよい。この情報を処理し、表面形状ｈ₂（ｘ，ｙ）によって実質的に画成される第２の表面１４−２を有する、材料１４０から作られる透明層１５を形成するべく材料１４０を堆積させるよう、インクジェットプリンタヘッド１５０を導くようにコントローラ１５４をプログラムすることができる。この得られる構造１００は、図１３Ｃに示されている。

図１４Ａから１４Ｄは、構造を加工するさらなる実施形態の簡略化した図である。図１４Ａから１４Ｄを参照すると、概して平面的な第１の表面１４−１を有する透明媒体１０を用いて構造１００を加工する別の例示的な方法が示されている。図１４Ａおよび図１４Ｂを参照すると、相コーティング１２０が、透明基板１０の第１の表面１４−１上に塗布され得る。相コーティング１２０は、夫々高屈折率および低屈折率（従って異なる光位相）の異なる領域１２２Ｈおよび１２２Ｌを最終的に相分離して形成する材料から調合されたものでもよく、このときこれらの領域は、実質的にランダムに空間的に分散される。この相分離は、相分離が溶媒または未混合溶媒・溶質によって促進され得る溶液状態で起こり得るし、または固体‐固体の相分離として起こり得る。例示的な相コーティング１２０は、高屈折率の領域１２２Ｈのエッチング速度が、低屈折率の領域１２２Ｌよりも速いという性質を有している。図１４Ｃを参照すると、相コーティング１２０は、矢印によって概略的に描かれているエッチングプロセス１３０を用いてエッチングすることができる。エッチングプロセス１３０は、高屈折率領域１２２Ｈを構成する材料を、低屈折率領域１２２Ｌを構成する材料よりも速く除去するように作用する。得られる構造１００が図１４Ｄに示されている。

図１５Ａから１５Ｄは、構造を加工するさらなる実施形態の簡略化した図である。図１５Ａから１５Ｄを参照すると、概して平面的な第１の表面１４−１を有する透明媒体１０を用いて構造１００を加工するさらなる方法が示されている。この方法は、相コーティング１２０を採用する、前に説明した上記方法に類似している。しかしながらこの例示的な方法の相コーティング１２０の領域１２２Ｈは、より低屈折率の領域１２２Ｌよりも一層高い屈折率と、より大きい熱強化傾向（すなわち、焼結に起因する対応する収縮）を有している。従って、相コーティング１２０が塗布され（図１５Ａ）、次いで相分離が許容された（図１５Ｂ）後、図１５Ｃに示されているように熱１４３が相コーティングに加えられ得る。熱１４３によって相コーティング１２０は焼結して強固になり、このとき領域１２２Ｈおよび１２２Ｌは異なる速度で強化され、特に低屈折率領域１２２Ｌは高屈折率領域１２２Ｈよりも強化される量が少ない。この強化速度の差は、例えば、高屈折率材料が、低屈折率材料よりも低いガラス転移温度または溶解温度を有するように、相コーティング１２０を設計することによって、あるいは領域１２２Ｈ内の高屈折率材料が、加熱時に収縮する孔容積をより多く含むように設計することによって、得ることができる。これにより相コーティング１２０は起伏した形状を取り、図１５Ｄに示されている構造１００をもたらす。

図１６Ａから１６Ｈは、イオン交換プロセスを用いて構造を加工する方法の、いくつかの実施形態の簡略化した図である。図１６Ａから１６Ｇを参照すると、平面的な第１の表面１４−１を有する透明媒体１０を用いて構造１００を加工する別の例示的な方法が提供される。最初に図１６Ａを参照すると、フォトマスキング材料１７０が透明媒体１０の第１の表面１４−１上に堆積され得る。例示的なフォトマスキング材料１７０は、フォトリソグラフィにおいて使用されるようなフォトレジストを含む。フォトマスキング材料１７０は感光性であるため、活性化光（活性光線）に露出されると、露出された材料を選択的に除去してマスキングパターンを残存させることができる。フォトマスキング材料１７０は、露出された材料が残存し、露出されなかった材料が除去される、ネガ型フォトレジストを含み得ることに留意されたい。ここで図１６Ｂを参照すると、活性光線１７６を用いてフォトマスキング材料１７０を選択的に露出することができる。例えば活性光線１７６を、レチクルを通してフォトマスキング材料１７０に導いてもよく、一方別の例では選択された走査パターンを用いて活性光線を走査させる。露出されたフォトマスキング材料１７０は次いで、図１６Ｃに示されているようにフォトマスクパターン１７０Ｐを生成するよう処理（例えば、現像）され得る。ここで図１６Ｄを参照すると、図１６Ｃの構造にエッチングプロセス１３０を施してもよい。フォトマスキング材料１７０はエッチングに耐えるため、エッチングプロセス１３０は、フォトマスキング材料１７０が残存している部分の間の空間１７１内で、透明媒体１０の第１の表面１４−１をエッチングする。その結果、図１６Ｅに示されているが、空間１７１が位置している露出位置で窪み１８０が第１の表面１４−１に形成される。窪み１８０は、比較的急な実質的に鉛直の側壁を有する谷Ｖであると考えることができ、第１の表面１０の非エッチング部分は、実質的に平坦な（水平な）頂点Ｐであると考えることができる（例えば、図１２Ａ参照）。ここで図１６Ｆを参照すると、イオン交換プロセスを行ってもよく、このとき例えばイオン交換液層２００を図１６Ｅの構造の上に配置する。イオン交換液層２００は、透明媒体１０の本体１２内の他のイオン２０４と交換されるイオン２０２を含み得る。例えばイオン交換プロセスは、高温で、例えば炉またはオーブン内で実行され得る。イオン交換プロセスは、イオン２０２および２０４が交換される位置で、透明媒体１０の屈折率を変化させるように作用する。イオン交換液層２００内の例示的なイオン２０２としては、カリウムおよび銀が挙げられる。例示的な透明媒体１０はガラスを含み得る。いくつかの事例では、フォトレジストによってパターン形成され得る代わりのまたは追加のマスキング材料の使用が必要になることがあり、このとき代わりのマスキング材料は、高温のイオン交換中に耐久性のある拡散バリアとして作用する。このような耐久性のあるマスキング材料は、物理的または化学的蒸着などの既知の方法によって堆積することが可能な、種々の高密度酸化物、および窒化ケイ素などの窒化物を含み得る。ここで図１６Ｇを参照すると、イオン交換プロセスが実行された後に得られる構造は、第１の表面１４−１に隣接しかつ窪み１８０に位置合わせされたイオン交換領域２１０を、透明媒体本体１２内に含み得る。イオン交換領域２１０は、透明媒体本体１２の屈折率ｎ₁よりも大きい屈折率ｎ₂を有し得る。図１６Ｈを参照すると、残存しているフォトマスキング材料１７０は、イオン交換プロセスが完了すると既知の方法を用いて除去される。

図１７Ａから１７Ｄは、エッチングされた窪みに高屈折率材料が堆積される、構造を加工する実施形態の簡略化した図である。図１７Ａから１７Ｄを参照すると、図１６Ａから１６Ｈに示されている方法例に類似した、構造１００を加工するさらなる例示的な方法が提供される。この例示的な方法は、図１６Ａから１６Ｅに関連して上述したものと同じステップに従って図１７Ａの構造に到達することができ、ここでの窪み１８０は、図１６Ｅの窪みよりも深いものとして示されている。１つの非限定的な例において、窪み１８０は実質的に鉛直の側壁１８１を有するものでもよく、また第１の表面１４−１は実質的に平坦な部分（例えば、図１７Ａ参照）を有するものでもよい。図１７Ｂにおいて、光学的歪み低減層１５を（蒸気ベースまたは液体ベースのコーティング方法によって）窪み１８０内に堆積させてもよい。図１７Ｃを参照すると、フォトマスキング材料１７０を第１の表面１４−１から除去して例示的な構造１００を形成することができる。図１７Ｄは図１７Ｃに類似したものであり、窪み１８０内の層１５の例が、液体ベースのコーティングの自然な流動挙動から生じ得るメニスカス形状を有している、例示的な実施形態を示している。一例において第１の表面１４−１は、フォトマスキング材料１７０が存在していた平坦部分を含む。

図１８Ａは、パルスレーザによる局所加熱を用いて透明媒体の表面上にガラスの隆起を形成することによって構造を加工する、別の実施形態を示した例示的な透明媒体の断面図である。図１８Ａを参照すると、図示の透明媒体１０は、第１の表面１４−１を急速かつ局所的に加熱するのに十分な出力を有する、パルスレーザ３００で照射されている。透明媒体１０の第１の表面１４−１は、レーザビーム３００のパルスを印加した後、急速に冷却され得る。局所加熱によって、透明媒体１０の局所的な軟化および膨張を生じさせることができ、さらに急速冷却すると、最初のガラスよりも体積が大きい、より低密度または高仮想温度の領域が所定の位置で凝固され、それにより頂点Ｐを有する隆起３１０が形成される。隆起３１０のサイズは、第１の表面１４−１に対して提供される加熱量に比例する。従って隆起３１０はテクスチャ加工された表面１４−１を画成することができ、この隆起３１０の屈折率は、影響を受けていない透明媒体１０の本体１２の屈折率よりも低い。局所加熱が加えられる前の元の平面的な表面１４−１が、構造１００に点線で示されている。関連する材料と、局所加熱および急速冷却を用いた隆起３１０の形成を説明している方法は、「ガラスベースのマイクロポジショニングシステムおよび方法（Glass-based micropositioning systems and methods）」と題される米国特許第号７，４８０，４３２明細書、および「光学的アセンブリ用マイクロレンズおよび関連する方法（Microlenses for optical assemblies and related methods）」と題される米国特許第号７，５０５，６５０明細書において開示されており、夫々の全体は参照することにより本書に組み込まれる。図１８Ｂは、図１８Ａに示されている種々のサイズのガラスの隆起を生成するようレーザビームによって処理されている、例示的な透明媒体の斜視図である。図示の透明媒体１０を参照すると、例えば強度を変化させながら（矢印３０２で示されているように）異なる位置に走査されるレーザビーム３００によって透明媒体１０は処理され、それにより図１８Ａに示されているような種々のサイズの隆起３１０が生成される。

図１９Ａから１９Ｆは、透明媒体上に堆積された親和性材料および親和性の欠けた材料を用いて相構造を形成する、ＤＲＡＧ構造を加工する実施形態の簡略化した図である。図１９Ａから１９Ｆを参照すると、構造１００を加工する別の例示的な方法が提供される。図１９Ａおよび１９Ｂにおいて、第１の表面１４−１は、低屈折率コーティング材料に対して表面を非湿潤の状態にする（すなわち、液体接触角を増加させて液体の広がりを防ぐ）親和性の欠けた材料３２０（図１９Ａにおいて矢印で示されている）で随意的に処理される。例示的な非限定的な親和性の欠けた材料３２０は、フルオロシランである。図１９Ｃを参照すると、インクジェット、スタンピング、ディップペン、または類似のプロセスを使用して、第１の表面１４−１（および、その上の親和性の欠けた材料３２０の薄層）上に、幅がおよそ１０〜１００μｍであり高さが０．１〜５μｍの低屈折率（ｎ₁）の液滴３３２のアレイ３３０を形成することができる。液滴３３２は、図１９Ｃに硬化エネルギー３３６の形で示されているように、例えばＵＶまたは熱硬化を用いて硬化される。ここで図１９Ｄを参照すると、表面１４−１並びに液滴３３２の露出部分をより親和性のある（すなわち、より湿潤可能な）状態にする、例えばプラズマ、ＵＶオゾン、またはコロナ処理を用いた親和処理３４０を（矢印で示されているように）構造に施してもよい。図１９Ｅを参照すると、最終的なコーティングステップは高屈折率（ｎ₂）コーティング３５０を堆積するステップを含んでもよく、これもプリント方法を用いてパターン化され得る。液滴３３２間の空間（谷）３３３の湿潤性に起因して、高屈折率コーティング３５０は図示のように谷３３３に溜まってこれを湿潤させる。これに、図１９Ｆに示されているような最終的な硬化ステップが続き、最終的な構造１００を形成することができる。図１９Ｆは、構造１００を画成する、例えば隣接する液滴３３２（頂点Ｐ）間のＬ１で示されている横方向の間隔など、例示的なパラメータを明記しており、Ｌ１は、どの液滴が測定されているかによって異なり得る。同様に、基板表面１４−１に対する頂点の高さはＰ１で示され、基板表面に対する谷の高さはＶ１で示されている。いくつかの事例では、低屈折率液滴３３２を、いくらか非湿潤挙動を保持するように設計して、高屈折率コーティング（材料）３５０を堆積するときに、より簡単な（例えば、完全に被覆する、パターン化されていない）湿式コーティングプロセスを使用可能にすることができる。しかしながらこれは、より低コストのコーティングプロセスと、あまり理想的ではない光学的構造の可能性との間の、トレードオフを含み得る。

液滴３３２を形成するための低屈折率コーティング材料の非限定的な例は、約１．３から約１．３５の範囲内の屈折率を有するフルオロアクリレートを含む。高屈折率コーティング材料の非限定的な例としては、有機無機ハイブリッドポリスチレン、ナノ粒子充填アクリレート、ゾルゲル、および特定のポリイミドが挙げられ、このとき屈折率は約１．６から約１．９の範囲内、およびこれをさらに超える。いくつかの事例では、低屈折率材料および高屈折率材料の一方または両方をナノ粒子で満たして、その機械的性質、収縮、または屈折率を変化させることができる。ポリマー系を満たすために使用されたことのあるナノ粒子の例としては、限定するものではないが、ＳｉＯ₂（低屈折率）、およびＴｉＯ₂またはＺｒＯ₂（高屈折率）が挙げられる。低屈折率材料の領域はさらに、いくらかの多孔性領域または中空領域を、ある程度または部分的に含み得る。例えば低屈折率領域は、ナノポーラスゾルゲル材料、ナノポーラスポリマー材料、または、種々のガラス、ポリマー、または本書で述べたまたは当技術において既知の他の材料から作られた、中空のナノスフェアまたはマイクロスフェアを含み得る。

図２０Ａから２０Ｃは、共形または準共形層の優先的研磨を用いて構造を加工するさらなる実施形態の簡略化した図である。図２０Ａから２０Ｃを参照すると、構造１００を加工する別の実施形態が提供される。図２０Ａを参照すると、エッチング、エンボス加工、加熱成形、サンドブラスティングなどの多くの既知の方法のいずれかによる粗い第１の表面１４−１を備えた、ガラス基板１０が提供される。ガラス基板１０を次いで、共形または準共形の高屈折率コーティング３７０でコーティングしてもよい。このコーティング方法は、例えばいくつか例を挙げると、熱蒸発、電子ビーム蒸発、ＤＣまたはＡＣスパッタリング、またはＣＶＤ方法などの、蒸気コーティングを含み得る。コーティング方法は、さらに、スピンコーティング、ディップコーティング、またはスプレーコーティングなどの液体コーティング法を含み得る。コーティング材料は、無機、ゾルゲル、またはポリマーでもよい。コーティング３７０のための材料としては、ＴｉＯ、ＺｒＯ₂、Ａｌ₂Ｏ₃、ＳｉＯ₂、アクリレートポリマー、ポリイミド、または他のこれまでに述べた材料を挙げることができる。共形コーティング３７０が粗表面１４−１に塗布されて随意的に硬化された後、研磨ステップを行ってもよく、このとき制御された柔らかさまたは硬さ（デュロメータ）を有する研磨パッド３８０が選択される。研磨パッド３８０を共形コーティング３７０に（大きい矢印で図示されているように）接触させてもよく、さらにこの研磨パッド３８０を使用して、図２０Ｂの構造の頂点Ｐが谷Ｖよりも優先的に研磨されるように、制御された研磨圧力を用いて構造を研磨してもよい。この研磨を、化学的作用剤、液体、エッチング作用剤、または微粒子スラリーによって助けてもよい。このように、高屈折率コーティング３７０は頂点Ｐでより薄くなり谷Ｖではより厚いままであり、結果として図２０Ｃに示されている構造１００が生じる。いくつかの実施形態において、最終的なターゲット寸法は、前の例において提供されたものに類似し得る。構造１００を形成するさらなる実施形態では、相分離ポリマー材料を採用して、上述したように歪み減少特性とＡＧ特性との両方を提供する屈折率（位相）変化を生み出すことができる。例示的な相分離ポリマー材料は当技術において既知であり、このような実施形態において使用することができる。

相分離を生じさせる１つの方法は、湿気または水分を制御して利用して、最終的なポリマーが制御された微細構造を有するように、乾燥中のポリマー溶液内にマイクロドメインを形成するものを含み（例えば、その全体が参照することにより本書に組み込まれる、Gliemann他による論文「湿気の影響によるポリマー薄膜におけるナノ構造の形成（Nanostructure formation in polymer thin films influenced by humidity）」、Surface and Interface Analysis、２００７年、第３９巻、第１号、ｐ．１〜８ｋ参照）、これにより相分離された水は最終的な構造に空所を残す。このようなポリマーはＰＭＭＡおよびＰＶＢを含み、これを本開示では低屈折率の頂点材料として使用し、続いて構造の谷Ｖで厚くなるように、前述の方法または他の方法を用いて高屈折率材料でオーバーコーティングしてもよい。関連する代わりの方法は、著しい水の作用なしで２つの材料を相分離するものを含む。例示的な系は、ＳｉＯ₂の前駆体としてのＴＥＯＳから開始される、有機ハイブリッド系におけるＳｉＯ₂およびＰＭＭＡの相分離である（例えば、その全体が参照することにより本書に組み込まれる、Silviera他による論文「ＰＭＭＡ／シリカゾルゲル系における相分離（Phase separation in PMMA/silica sol-gel systems）」、Polymer、１９９５年、第３６巻、第７号、ｐ．１４２５〜１４３４参照）。

このようなミクロンスケールの分離された相を有する系では、より高屈折率の材料を優先的にエッチングして取り除く溶剤または酸が選択され得、この事例のＰＭＭＡでは、プラズマまたは有機溶剤を使用する。プラズマ処理および種々の溶剤（例えば、アセトン）は、ＳｉＯ₂への攻撃よりも速い速度でＰＭＭＡをすぐに攻撃する。当然のことであるが、このエッチング方法は、厳密に「相分離」系に限定されるものではない。マイクロドメイン構造は、例えば、熱可塑性ポリマーを高温で機械的に混合することによっても生成することができる。例示的な系は、フッ素重合体とポリイミド（またはポリアミド、ポリエステル、ポリカーボネート、またはポリケトンなど）との混合物とすることができる。このような系において、より高屈折率の（フッ素化されていない）ポリマーを優先的に攻撃する溶剤は、容易に見出すことができ（例えば、特定のケトン）、従って高屈折率材料を低屈折率のフッ素重合体材料に比べて選択的に薄化する、フィルムまたは表面を生成するための手段を提供することができる。例えば、その全体が参照することにより本書に組み込まれる、「フッ素重合体混合物を含む合成物品（Composite articles including a fluoropolymer blend）」と題されるParsonage他への米国特許第６１１７５０８号明細書を参照されたい。

いくつかの実施形態では光透過構造が提供され、この光透過構造は複数の領域を有する基板を備え、複数の領域の少なくとも２つは異なる屈折率を有し、かつ、第１の光源からのこの複数の領域を通る透過光の光路長は、実質的に一定であり、さらに、第２の光源からの基板内への透過光は、この複数の領域の少なくとも１つによって散乱される。いくつかの実施形態において、この複数の領域は、第１の領域と、第２の領域と、第３の領域とを含み、第２の領域は、第１の領域および第３の領域の中間にある。他の実施形態において、複数の領域のうちの１つは、基板の表面上にあり、周囲環境との境界面を画成する。非限定的な実施形態において第２の領域は、高屈折率と低屈折率とを有する光散乱面を含み得る。さらなる実施形態において第２の領域は、低屈折率を有する粒子（中空または中実）と、別の屈折率を有する充填材またはバインダとを含む。さらなる実施形態において、第２の領域は構造化要素を含み得る。他の実施形態において構造化要素は、周期的、幾何学的、ランダム、準ランダム、非周期的、プリズム、または非プリズム要素である。構造化要素の光路長内での例示的な厚さは、約０．０５μｍ未満、約０．０５μｍから約１０μｍの間、約０．０５μｍから約５０μｍの間、または５０μｍから１００μｍの間でもよい。複数の領域の夫々の屈折率は、１．０から２．５、１．０から１．３、１．０から２．０、または１．３から２．０の範囲でもよい。いくつかの実施形態において、第２の光源からの光は第２の領域により散乱され得る。他の実施形態において第２の光源は、発光ダイオード（ＬＥＤ）と、ＬＥＤアレイと、レーザとからなる群から選択される。第２の光源は、エッジリット光源またはフロントリット光源とすることができる。例示的な構造としては、限定するものではないが、透明照明器具、透明ディスプレイ、ヘッドアップディスプレイ、頭部装着型ディスプレイ、透明バックライト、タッチスクリーンディスプレイ、液晶ディスプレイ、水槽、レーザベースの反射式ヘッドアップディスプレイ、ウェアラブルディスプレイ、窓、車両用ダッシュボード、自動車用窓、導波路、ライトガイド、または建築用窓が挙げられる。

さらなる実施形態において、光透過構造は複数の領域を有する基板を含み、第１の領域は、基板内に埋め込まれた構造化領域であり、基板の表面上の第２の領域は、周囲環境との境界面を画成する。複数の領域の少なくとも２つは異なる屈折率を有し、かつ、第１の光源からのこの複数の領域を通る透過光の光路長は、実質的に一定であり、さらに、第２の光源からの基板内への透過光は、この複数の領域の少なくとも１つによって散乱される。いくつかの実施形態において第２の領域は、高屈折率と低屈折率とを有する光散乱面を含む。第２の領域は、低屈折率を有する粒子と、別の屈折率を有する充填材またはバインダとを含み得る。いくつかの実施形態において、第１の領域は構造化要素を含み得る。例示的な構造化要素は、周期的、幾何学的、ランダム、準ランダム、非周期的、プリズム、または非プリズム要素である。構造化要素の光路長内での例示的な厚さは、約０．０５μｍ未満、約０．０５μｍから約１０μｍの間、約０．０５μｍから約５０μｍの間、または５０μｍから１００μｍの間である。他の実施形態において、複数の領域の夫々の屈折率は、１．０から２．５、１．０から１．３、１．０から２．０、または１．３から２．０の範囲でもよい。第２の光源は、限定するものではないが、発光ダイオード（ＬＥＤ）、ＬＥＤアレイ、およびレーザでもよい（エッジリットまたはフロントリット）。例示的な構造としては、限定するものではないが、透明照明器具、透明ディスプレイ、ヘッドアップディスプレイ、頭部装着型ディスプレイ、透明バックライト、タッチスクリーンディスプレイ、液晶ディスプレイ、水槽、レーザベースの反射式ヘッドアップディスプレイ、ウェアラブルディスプレイ、窓、車両用ダッシュボード、自動車用窓、導波路、ライトガイド、または建築用窓が挙げられる。

本説明は多くの仕様を含み得るが、これらはその範囲を限定するものとしてではなく、むしろ特定の実施形態の仕様になり得る特徴の説明として解釈されるべきである。別々の実施形態との関連でこれまでに説明された特定の特徴は、単一の実施形態で組み合わせて実装することも可能である。逆に単一の実施形態との関連で説明される種々の特徴を、多数の実施形態に別々に実装することもできるし、あるいは任意の適切なサブコンビネーションで実装することも可能である。さらに特徴は、特定の組合せで作用するように上述され得るし、またさらにはそのように最初に請求され得るが、請求される組合せからの１以上の特徴をいくつかの事例ではその組合せから削除してもよいし、また請求される組合せはサブコンビネーションまたはサブコンビネーションの変形を対象にし得る。

同様に、図面中では動作が特定の順序で描かれているが、所望の結果を得るために、これらの動作を図示の特定の順序で行うこと、または順番に行うこと、あるいは図示の全ての動作を行うことを要求するものと理解するべきではない。特定の状況では、マルチタスクおよび並行処理が有利になり得る。

図１〜２４Ｂで説明した種々の構成および実施形態が示すように、ライトガイドおよび照明器具のための透明拡散器の種々の実施形態を説明した。

本開示の好適な実施形態を説明してきたが、説明された実施形態は一例にすぎないこと、またそれを熟読することで当業者に自然に想起される同等物、多くの変形および改変の全範囲が認められた場合、本発明の範囲は添付の請求項のみで定義されるべきであることを理解されたい。

以下、本発明の好ましい実施形態を項分け記載する。

実施形態１
光透過構造であって、
複数の領域を有する基板
を備え、
前記複数の領域の少なくとも２つが異なる屈折率を有し、
第１の光源からの前記複数の領域を通る透過光の光路長が、実質的に一定であり、
第２の光源からの前記基板内への透過光が、前記複数の領域の少なくとも１つによって散乱されることを特徴とする光透過構造。

実施形態２
前記複数の領域が、第１の領域と、第２の領域と、第３の領域とを含み、前記第２の領域が、前記第１の領域および前記第３の領域の中間にあることを特徴とする実施形態１記載の光透過構造。

実施形態３
前記複数の領域のうちの１つが、前記基板の表面上にあり、周囲環境との境界面を画成することを特徴とする実施形態１または２記載の光透過構造。

実施形態４
前記第２の領域が、高屈折率と低屈折率とを有する光散乱面を含んでいることを特徴とする実施形態２または３記載の光透過構造。

実施形態５
前記第２の領域が、低屈折率を有する粒子と、別の屈折率を有する充填材またはバインダとを含んでいることを特徴とする実施形態２または３記載の光透過構造。

実施形態６
前記粒子が、中空または中実であることを特徴とする実施形態５記載の光透過構造。

実施形態７
前記第２の領域が、構造化要素を含んでいることを特徴とする実施形態２または３記載の光透過構造。

実施形態８
前記構造化要素が、周期的、幾何学的、ランダム、準ランダム、非周期的、プリズム、または非プリズム要素であることを特徴とする実施形態７記載の光透過構造。

実施形態９
前記構造化要素の前記光路長内での厚さが、約０．０５μｍ未満、約０．０５μｍから約１０μｍの間、約０．０５μｍから約５０μｍの間、または５０μｍから１００μｍの間であることを特徴とする実施形態７または８記載の光透過構造。

実施形態１０
前記複数の領域の夫々の前記屈折率が、１．０から２．５、１．０から１．３、１．０から２．０、または１．３から２．０の範囲であることを特徴とする実施形態１から９いずれか１項記載の光透過構造。

実施形態１１
前記第２の光源からの光が、前記第２の領域により散乱されることを特徴とする実施形態２記載の光透過構造。

実施形態１２
前記第２の光源が、発光ダイオード（ＬＥＤ）と、ＬＥＤアレイと、レーザとからなる群から選択されたものであることを特徴とする実施形態１から１１いずれか１項記載の光透過構造。

実施形態１３
前記第２の光源が、前記構造のエッジに入力を提供するもの、または前記構造の前方に入力を提供するものであることを特徴とする、実施形態１から１２いずれか１項記載の光透過構造。

実施形態１４
前記構造が、透明照明器具、透明ディスプレイ、ヘッドアップディスプレイ、頭部装着型ディスプレイ、透明バックライト、タッチスクリーンディスプレイ、液晶ディスプレイ、水槽、レーザベースの反射式ヘッドアップディスプレイ、ウェアラブルディスプレイ、窓、車両用ダッシュボード、自動車用窓、導波路、ライトガイド、または建築用窓であることを特徴とする実施形態１から１３いずれか１項記載の光透過構造。

実施形態１５
光透過構造において、
複数の領域を有する基板であって、第１の領域が、前記基板内に埋め込まれた構造化領域であり、前記基板の表面上の第２の領域が、周囲環境との境界面を画成している、基板、を備え、
前記複数の領域の少なくとも２つが異なる屈折率を有し、
第１の光源からの前記複数の領域を通る透過光の光路長が、実質的に一定であり、
第２の光源からの前記基板内への透過光が、前記複数の領域の少なくとも１つによって散乱されることを特徴とする光透過構造。

実施形態１６
前記第２の領域が、高屈折率と低屈折率とを有する光散乱面を含んでいることを特徴とする実施形態１５記載の光透過構造。

実施形態１７
前記第２の領域が、低屈折率を有する粒子と、別の屈折率を有する充填材またはバインダとを含んでいることを特徴とする実施形態１５または１６記載の光透過構造。

実施形態１８
前記第１の領域が、構造化要素を含んでいることを特徴とする実施形態１５から１７いずれか１項記載の光透過構造。

実施形態１９
前記構造化要素が、周期的、幾何学的、ランダム、準ランダム、非周期的、プリズム、または非プリズム要素であることを特徴とする実施形態１８記載の光透過構造。

実施形態２０
前記構造化要素の前記光路長内での厚さが、約０．０５μｍ未満、約０．０５μｍから約１０μｍの間、約０．０５μｍから約５０μｍの間、または５０μｍから１００μｍの間であることを特徴とする実施形態１８または１９記載の光透過構造。

実施形態２１
前記複数の領域の夫々の前記屈折率が、１．０から２．５、１．０から１．３、１．０から２．０、または１．３から２．０の範囲であることを特徴とする実施形態１５から２０いずれか１項記載の光透過構造。

実施形態２２
前記第２の光源が、発光ダイオード（ＬＥＤ）と、ＬＥＤアレイと、レーザとからなる群から選択されたものであることを特徴とする実施形態１５から２１いずれか１項記載の光透過構造。

実施形態２３
前記第２の光源が、前記構造のエッジに入力を提供するもの、または前記構造の前方に入力を提供するものであることを特徴とする、実施形態１５から２２いずれか１項記載の光透過構造。

実施形態２４
前記構造が、透明照明器具、透明ディスプレイ、ヘッドアップディスプレイ、頭部装着型ディスプレイ、透明バックライト、タッチスクリーンディスプレイ、液晶ディスプレイ、水槽、レーザベースの反射式ヘッドアップディスプレイ、ウェアラブルディスプレイ、窓、車両用ダッシュボード、自動車用窓、導波路、ライトガイド、または建築用窓であることを特徴とする実施形態１５から２３いずれか１項記載の光透過構造。

１０ 透明媒体
１２ 本体
１４ ＡＧ表面
１４−１ 第１の表面
１４−２ 第２の表面
１５ 光学的歪み低減層
１７ コーティング層
１００透明構造
４００、５００、６００、７００、８００、９００、１０００ 拡散器

Claims (5)

1. 光透過構造であって、
   複数の領域、ｘ軸、ｙ軸、およびｚ軸を有する基板
   を備え、
   前記複数の領域の少なくとも２つが異なる屈折率を有し、
   前記基板のｘ方向およびｙ方向の複数の異なる空間的位置で前記複数の領域を介して、第１の光源からｚ方向に前記基板を透過した透過光の光路長が、実質的に一定であり、
   第２の光源からの前記基板内への透過光が、前記複数の領域の少なくとも１つによって散乱され、
   前記第２の光源が、前記構造のエッジに入力を提供するもの、または前記構造の前方に入力を提供するものであり、
   前記ｘ方向およびｙ方向の複数の異なる空間的位置は互いに１ｃｍ以内にあり、当該複数の異なる空間的位置における前記光路長どうしの差は、前記第１の光源からの光の１／２λ未満であることを特徴とする光透過構造。
2. 前記複数の領域が、第１の領域と、第２の領域と、第３の領域とを含み、前記第２の領域が、前記第１の領域および前記第３の領域の中間にあり、さらに、前記複数の領域のうちの１つが、前記基板の表面上にあり、周囲環境との境界面を画成することを特徴とする請求項１記載の光透過構造。
3. 前記第２の領域が、高屈折率と低屈折率とを有する光散乱面を含んでいることを特徴とする請求項２記載の光透過構造。
4. 前記第２の領域が、低屈折率を有する粒子と、別の屈折率を有する充填材またはバインダとを含んでいることを特徴とする請求項２または３記載の光透過構造。
5. 前記複数の領域が、前記基板内に埋め込まれた、構造化領域を含むことを特徴とする請求項１から４いずれか１項記載の光透過構造。