JP2023134587A

JP2023134587A - 平行板導波路

Info

Publication number: JP2023134587A
Application number: JP2023111927A
Authority: JP
Inventors: ロバート，ジェイ．シュルツ，; J Schultz Robert; ミッチェル，ジー．クネーベル，; G Knoebel Mitchell; ジェイ．トラバース，ポール，; J Travers Paul
Original assignee: Vuzix Corp
Current assignee: Vuzix Corp
Priority date: 2019-02-22
Filing date: 2023-07-07
Publication date: 2023-09-27
Also published as: CN113728260A; JP7330280B2; WO2020172610A1; CN113728260B; EP3914942A1; JP2022521192A; US20220236472A1; EP3914942A4

Abstract

【課題】導波路アセンブリ及びそれを製造する方法を提供する。
【解決手段】入力結合型回折光学素子から出力結合型回折光学素子に画像担持光を伝達するための平行板導波路アセンブリ２２が開示され、導波路アセンブリは、少なくとも導波路ブランクを含む。導波路ブランク５２は、第１の表面５４と、第１の表面から距離を置いて配置されブランクの厚みを形成する第２の表面５６とを有する。導波路アセンブリは、第１の表面につけられ第３の表面を形成する第１のコーティングと、第２の表面につけられ第４の表面を形成する第２のコーティングとをさらに含む。第３の表面と第４の表面の平坦度は、画像担持光ビームの４分の１波長未満である。
【選択図】図３Ｃ

Description

本開示は、一般に虚像を伝達するための平行板導波路に関し、特に平行板導波路の製造に関する。

ヘッドマウントディスプレイ（HMD）は、軍事、商業、産業、消防及び娯楽のアプリケーションを含む、さまざまな用途向けに開発されている。これらのアプリケーションの多くでは、HMDユーザーの視野内にある実世界の画像に視覚的に重ね合わせることができるカラー虚像を形成することに特別な価値がある。平面導波路とも呼ばれる光学的に透明な平坦平行板導波路は、カラープロジェクターシステムによって生成された画像担持光（image-bearing light）をHMDユーザーに伝達する。その平面導波路は、狭い空間で画像担持光を伝達し、虚像をHMDユーザーの瞳孔に向け、HMDユーザーの視野内にある実世界の画像に虚像を重ね合わせることができる。

そのような従来の結像光ガイド(imaging light guide）では、カラー画像プロジェクタ光源からの、コリメートされ相対的に角度が符号化された光ビームは、入力結合型回折光学素子のような入力結合型光学素子によって光学的に透明な平面導波路に結合される。入力結合型光学素子は、平行板平面導波路の表面に取り付けられ若しくは形成されてもよく、又は導波路内に配置されてもよい。そのような回折光学素子は、回折格子、ホログラフィック光学素子として、又は他の既知の方法で、形成することができる。例えば、回折格子は、表面レリーフ格子（surface relief grating）として形成することができる。平面導波路に沿って伝搬した後、回折されたカラー画像担持光は、同様の出力格子によって平面導波路の外に向けて戻すことができる。出力格子は、虚像の１又は複数の寸法（dimension）に沿って瞳拡大（pupil expansion）を提供するように配置することができる。さらに、１又は複数の回折回転格子は、導波路に沿って入力格子と出力格子との間に光学的に配置されて、虚像の１又は複数の寸法とができる。平行板平面導波路から出力された画像担持光は、観者に拡大されたアイボックス（eyebox）を提供する。

ＨＭＤシステムは、虚像符号化光を観者の左眼に伝達するための少なくとも１つの画像伝達平面導波路と、虚像符号化光を観者の右眼に伝達するための少なくとも１つの画像伝達平面導波路から構成されてもよい。したがって、観者にステレオ画像を提供することができる。

知覚される虚像の再構成及び品質は、平面導波路表面が平坦であり、対向する表面が互いに平行である程度に依存する。したがって、非常に高い平坦度及び対向面の平行度を備えた平面導波路を構築する必要がある。

本開示は、導波路アセンブリ及びそれを製造する方法を提供する。導波路アセンブリを作る技術におけるこの進歩は、とりわけ、コンパクトなヘッドマウントデバイス及び同様の画像化装置を使用する場合の虚像の伝達及び提示に利用することができる。

第１の例示的な実施形態では、画像担持光を入力結合素子から出力結合素子に伝達するための導波路アセンブリは、第１の表面と第１の表面から距離を置いて配置されブランクの厚みを形成する第２の表面とを有する導波路ブランクを少なくとも含む。導波路アセンブリは、第１の表面につけられ第３の表面を形成する第１のコーティングと、第２の表面につけられ第４の表面を形成する第２のコーティングとをさらに含む。第３及び第４の表面の平坦度は、画像担持光ビームの波長の４分の１未満である。

第２の例示的な実施形態では、導波路アセンブリの製造方法は、第１の表面と第２の表面とを有するブランクを提供する工程と、平坦面を提供する工程とを含む。この方法はさらに、平坦面に離型剤をつける工程と、離型剤の上にコーティングをつける工程とを含む。さらに、この方法は、ブランクの第１の表面をコーティングにつけ、第１の表面が平坦面から所定の距離に配置される工程と、コーティングを硬化させ、これによりコーティングが第１の表面と結合される工程とを含む。

第３の例示的な実施形態では、導波路アセンブリの製造方法は、第１の表面及び第２の表面を有するブランクを提供する工程と、平坦面を提供する工程とを含む。この方法はさらに、平坦面に離型剤をつける工程と、ブランクの第１の表面にコーティングをつける工程とを含む。さらに、この方法は、平坦面をコーティング中に降ろし、ブランクの第１の表面は、平坦面から所定の距離に配置される工程と、ブランクは、コーティングを介して平坦面から吊り下げられる工程とを含む。この方法はまた、コーティングを硬化させ、これによりコーティングはブランクの第１の表面と結合される工程を含む。

添付の図面は、本明細書の一部として本明細書に組み込まれている。本明細書に記載された図面は、現在開示されている主題の実施形態を例示し、本開示の選択された原理と教示とを例示するものである。しかし、図面は、現在開示されている主題のすべての可能な実施例を示すものではなく、いかなる方法によっても本開示の範囲を制限することを意図するものではない。

FIG.1は、本開示の一実施形態による、一次元の瞳拡大を提供する画像光ガイドの断面図を示す。

FIG.2は、本開示の一実施形態による、二次元の瞳拡大を提供する画像光ガイドの斜視図を示す。

FIG.3Aは、平坦でないフェース面を有する導波路ブランクの側面図を示す。

FIG.3Bは、本開示の一実施形態による、１つのフェース面がコーティングされた導波路ブランクの側面図を示す。

FIG.3Cは、本開示の一実施形態による、２つのフェース面がコーティングされ、外面の１つに回折光学素子を有する導波路ブランクの側面図を示す。

FIG.4Aは、本開示の一実施形態による、表面がコーティングされた導波路ブランクの側面図を示す。 FIG.4Bは、本開示の一実施形態による、表面がコーティングされた導波路ブランクの側面図を示す。 FIG.4Cは、本開示の一実施形態による、表面がコーティングされた導波路ブランクの側面図を示す。

FIG.4Dは、本開示の一実施形態による、表面がコーティングされた導波路ブランクの側面図を示す。

FIG.5Aは、本開示の一実施形態による、表面がコーティングされた導波路ブランクの断面図を示す。 FIG.5Bは、本開示の一実施形態による、表面がコーティングされた導波路ブランクの断面図を示す。

FIG.6Aは、本開示の一実施形態による、２つの表面がコーティングされた導波路ブランクの側面図を示す。 FIG.6Bは、本開示の一実施形態による、２つの表面がコーティングされた導波路ブランクの側面図を示す。 FIG.6Cは、本開示の一実施形態による、２つの表面がコーティングされた導波路ブランクの側面図を示す。

発明の詳細な説明

本発明は、明示的に反対に指定されている場合を除いて、様々な代替の配向及びステップシーケンスを想定し得ることが理解されるべきである。添付の図面に示され以下の明細書に記載される特定のアセンブリ及びシステムは、本明細書で定義される本発明の概念の単なる例示的な実施形態であることも理解されるべきである。したがって、開示された実施形態に関連する特定の寸法、方向、又は他の物理的特性は、特に明記しない限り、限定的であると見なされるべきではない。また、そうではないかもしれないが、本明細書に記載の様々な実施形態における同様の要素は、一般に、本出願のこのセクション内で同様の参照番号で参照されることがある。

「画像光ガイド」、「導波路」、「平行板導波路」及び「平面導波路」という用語は同義であると見なされ、本明細書では交換可能に使用される。

実像投影の代替として、光学システムは虚像表示を生成することができる。実像を形成する方法とは対照的に、虚像は表示面上に形成されない。すなわち、表示面が虚像の知覚された位置に配置されたとしても、その面上に画像は形成されない。
虚像表示には、拡張現実のプレゼンテーションに固有の利点がいくつかある。例えば、虚像の見かけの大きさは、表示面の大きさや位置によって制限されない。さらに、虚像のソースオブジェクトは小さくてもよく、例えば、虫眼鏡はオブジェクトの虚像を提供する。実像を投影するシステムと比較して、ある程度離れているように見える虚像を形成することにより、より現実的な視聴体験を提供することが可能である。虚像を提供することで、実像を投影するときに必要になる、スクリーン製品（screen artifact）を補正する必要もなくなる。

図１（FIG.1）に示すように、単眼型の画像光ガイド１０は、透明基板Ｓ、平面平行な内面１２、平面平行な外面１４、入力結合型回折光学素子ＩＤＯ、及び出力結合型回折光学素子ＯＤＯを有する平面導波路アセンブリ２２を含んでもよい。この例では、入力結合型回折光学ＩＤＯは、平面導波路アセンブリ２２の内面１２に配置された反射型の回折格子として示され、内面１２は平面導波路アセンブリ２２の外面１４の反対側にあり、外面１４を通って画像担持光Ｗ１は平面導波路アセンブリ２２に入射する。しかし、入力結合型回折光学素子ＩＤＯは、代わりに、透過型回折格子、体積ホログラム若しくは他のホログラフィック回折要素、又は入射する画像担持光Ｗ１に回折を提供する他のタイプの光学部品であり得る。入力結合型回折光学素子ＩＤＯは、平面導波路アセンブリ２２の内面１２又は外面１４に配置することができ、画像担持光Ｗ１が平面導波路アセンブリ２２に接近する方向に依存する組み合わせで透過型又は反射型にすることができる。

仮想表示システムの一部として使用される場合、入力結合型回折光学素子ＩＤＯは、実際の、仮想の、又はハイブリッドの画像源（図示せず）からの画像担持光Ｗ１を平面導波路アセンブリ２２の基板Ｓに結合する。あらゆる実像又は画像の寸法は、先ず、入力結合型回折光学素子ＩＤＯに提示するために、虚像の異なるピクセルに対応する重なり合った角度的に関連するビームの配列（array）に変換され、例えば、焦点に向かって収束される。一般的に、角度的に関連するビームの1つを形成する各束（bundle）内の光線は平行に延びるが、角度的に関連するビームは、画像の長さ寸法に対応する２つの角度寸法で定義された角度で互いに相対的に傾斜している。

画像担持光Ｗ１は（一般に第１の回折次数を介して）回折され、これにより入力結合型回折光学素子ＩＤＯによって画像担持光ＷＧとして平面導波路アセンブリ２２に方向を変えられ、内部全反射（total internal reflection (TIR)）により平面導波路アセンブリ２２に沿ってさらに伝搬する。角度的に関連するビームの異なる組み合わせに回折されるが、内部全反射によって設定された境界に沿って、画像担持光ＷＧは、入力結合型回折光学素子ＩＤＯのパラメータから導出可能な符号化された形式で画像情報を保持する。出力結合型回折光学素子ＯＤＯは、符号化された画像担持光ＷＧを受け取り、画像担持光ＷＧを、観者の目の意図された位置に向かって画像担持光ＷＯとして平面導波路アセンブリ２２から回折する（これも一般的には第1の回折次数を介して）。一般的に、出力結合型回折光学素子ＯＤＯは、入力結合型回折光学素子ＩＤＯに対して対称的に設計され、出力された角度的に関連のある画像担持光ＷＯのビームのうち、画像担持光Ｗ１の元の角度関係を復元することができる。さらに、出力結合型回折光学素子ＯＤＯは、元のフィールドポイントの位置と角度の関係を変更して、有限距離に焦点を合わせた出力虚像を生成できる。

出力結合型回折光学素子ＯＤＯは、平面導波路アセンブリ２２の内面１２に配置された透過型回折格子として示されている。しかし、入力結合型回折光学素子ＩＤＯと同様に、出力結合型回折光学素子ＯＤＯは、平面導波路アセンブリ２２の内面１２又は外面１４に配置することができ、画像担持光ＷＯが平面導波路アセンブリ２２から出る意図された方向をサポートする組み合せで、透過型又は反射型とすることができる。

虚像を見ることができるいわゆるアイボックスＥ内の角度的に関連するビーム間のオーバーラップの１つの寸法を増加させるために、出力結合型回折光学素子ＯＤＯは、画像担持光ＷＧに複数回遭遇しぞれぞれの遭遇時に画像担持光ＷＧの一部のみ回折するように配置される。出力結合型回折光学素子ＯＤＯの長さに沿った複数の遭遇は、画像担持光ＷＯの角度的に関連するビームのそれぞれの１つの寸法を拡大する効果があり、それにより、ビームが重なるアイボックスＥの１つの寸法を拡大する。アイボックスＥの拡大により、虚像を見る観者の目の位置に対する感度が低下する。

図２（FIG.2）に示すように、一実施形態では、画像光ガイド２０は、アイボックス７４を２つの寸法において、すなわち、意図された画像のｘ軸及びｙ軸の両方に沿って、拡大するように配置される。２つの寸法のビーム拡大を実現するために、入力結合型回折光学素子ＩＤＯは、中間回折光学素子に向けて格子ベクトルｋ1を中心に画像担持光Ｗ１を回折するように向けられる。一実施形態では、中間回折光学素子は回転光学素子ＴＯであってもよく、その格子ベクトルｋ２が、出力結合型回折光学素子ＯＤＯに向けて画像担持光ＷＧを反射モードで回折するように向けられている。画像担持光ＷＧの一部のみが回転光学素子ＴＯとの複数の遭遇のそれぞれによって回折され、それにより、出力結合型回折光学素子ＯＤＯに接近する画像担持光ＷＧの角度的に関連するビームのそれぞれが横方向に拡大される。回転光学素子ＴＯは、画像担持光ＷＧを、画像担持光ＷＯとして平面導波路２２を出る前に、画像担持光ＷＧの角度的に関連するビームを２次元で縦方向に拡大するための格子ベクトルｋ３を有する出力結合型回折光学素子ＯＤＯに向かう方向に向ける。図示された格子ベクトルｋ１，ｋ２，ｋ３などの格子ベクトルは、平面導波路２２に平行な面内にあり、回折光学素子の回折特徴（例えば、溝、線、罫線）に垂直な方向を指し、回折光学素子ＩＤＯ，ＴＯ，及びＯＤＯの周期又はピッチd（すなわち、溝間の中心上の距離）に反比例した大きさを有する。

一実施形態では、図２に示すように、画像光ガイド２０の入力結合型回折光学素子ＩＤＯは、画像源１６によって生成された画像内の個々のピクセル又は同等の位置に対応する一連の角度的に関連するビームを含む入射画像担持光Ｗ１を受け取る。虚像を生成するための角度的に符号化されたビームの全範囲は、集束光学素子を備えた実ディスプレイ（real display）によって、ビームの角度をより直接的に設定するためのビームスキャナによって、又は１次元スキャナと共に使用される１次元実ディスプレイのような組み合わせによって、生成することができる。画像光ガイド２０は、画像担持光ＷＧを、回転光学素子ＴＯ及び出力結合型回折光学素子ＯＤＯの両方に、異なる向きで複数回遭遇させることで、２次元の画像における横方向に拡張された一連の角度的に関連するビームを出力する。平面導波路アセンブリ２２の元の向きでは、回転光学素子ＴＯは、ｙ軸方向にビーム拡大を提供し、出力結合型回折光学素子ＯＤＯは、ｘ軸方向に同様のビーム拡大を提供する。２つの回折光学素子ＩＤＯ，ＯＤＯと回転光学素子ＴＯの反射特性とそれぞれの周期ｄは、それらの素子のそれぞれの格子ベクトルの向きとともに、画像担持光ＷＯとして画像光ガイド２０から出力される画像担持光Ｗ１の角度的に関連するビーム間の意図された関係を実質的に維持しながら、２次元でのビーム拡大を提供する。

画像光ガイド２０に入力された画像担持光Ｗ１は、入力結合型回折光学素子ＩＤＯによって角度的に関連するビームの異なるセットに符号化されるが、画像を再構成するために必要な情報は、入力結合型回折光学素子ＩＤＯの系統的効果（systematic effects）を考慮することによって実質的に保存することができる。入力結合型回折光学素子ＩＤＯと出力結合型回折光学素子ＯＤＯの中間位置にある回転光学素子ＴＯは、画像担持光ＷＧの符号化に大きな変化を引き起こさないように配置することができる。このように、出力結合型回折光学素子ＯＤＯは、入力結合型回折光学素子ＩＤＯに関して対称的に配置することができる。一実施形態では、出力結合型回折光学素子ＯＤＯは、入力結合型回折光学素子ＩＤＯの回折特徴と同じ周期を共有する回折特徴を含んでもよい。同様に、一実施形態では、回転光学素子ＴＯの周期は、入力結合型回折光学素子ＩＤＯ及び出力結合型回折光学素子ＯＤＯの共通の周期と一致させることもできる。

一実施形態では、図２に示すように、回転光学素子ＴＯの格子ベクトルｋ２は、他の格子ベクトルに対して４５度に向けられてもよい。別の実施形態では、回転光学素子の格子ベクトルｋ２は、画像担持光ＷＧが１２０度回転するように、入力結合型回折光学素子ＩＤＯ及び出力結合型回折光学素子ＯＤＯの格子ベクトルｋ１及びｋ３に対して６０度に向けることができる。入力結合型回折格子素子ＩＤＯ及び出力結合型回折光学素子ＯＤＯの格子ベクトルｋ１及びｋ３に対して回転光学素子の格子ベクトルｋ２を６０度に向けることにより、格子ベクトルｋ１及びｋ３も互いに６０度に向けられる。回転光学素子ＴＯと、入力結合型回折光学素子ＩＤＯと、出力結合型回折光学素子ＯＤＯとによって共有される共通ピッチに格子ベクトルの大きさを依拠させて、３つの格子ベクトルｋ１，ｋ２，ｋ３（有向線分として）は正三角形を形成し、合計をゼロベクトルの大きさにし、これにより色分散などの不要な収差を引き起こす可能性のある非対称効果を回避する。

平面導波路アセンブリ２２に回折される画像担持光Ｗ１は、入力結合型光学素子によって効果的に符号化される。他の実施形態では、入力結合型光学素子は、格子、ホログラム、プリズム、又はミラーを含んでもよいが、これらに限定されない。入力で発生する光のあらゆる反射、屈折、及び/又は回折は、それに対応して、出力結合型光学素子によって対応して復号され、観者に提示される虚像を再形成する必要がある。入力結合型回折光学素子ＩＤＯと出力結合型回折光学素子ＯＤＯの中間位置に配置された回転光学素子ＴＯは、符号化された光に実質的な変化が引き起こされないように、設計及び向き合わせされる。出力結合型回折光学素子ＯＤＯは、画像担持光ＷＧを、アイボックス７４を満たすように拡大された元の又は所望の形態の角度的に関連するビームに復号する。回転光学素子ＴＯと入力結合型回折光学素子ＩＤＯと出力結合型回折光学素子ＯＤＯとの間で対称性が維持されているかどうか、又は画像担持光Ｗ１の角度的に関連するビームの符号化に変更が平面導波路２２に沿って起こるかどうかにかかわらず、回転光学素子ＴＯ、入力結合型回折光学素子ＩＤＯ及び出力結合型回折光学素子ＯＤＯは関連づけられてもよく、そのため、平面導波路アセンブリ２２から出力される画像担持光ＷＯが、画像担持光Ｗ１の元の又は所望の形態を保存するか、さもなければ保持し、重なり合う画像担持光ビームＷＯを用いて意図された虚像が生成される。

図２を引き続き参照すると、文字「Ｒ」は、目がアイボックス７４内にある観者に見える虚像の向きを表す。図のように、表された虚像における文字「Ｒ」の向きは、画像担持光Ｗ１によって符号化された文字「Ｒ」の向きと一致している。ｘ-ｙ平面に対する入射画像担持光Ｗ１のｚ軸又は角度方向の周りの回転の変化は、出力結合型回折光学素子ＯＤＯからの出射光ＷＯの回転又は角度方向の対応する対称的な変化を引き起こす。画像の向きの観点から、回転光学素子ＴＯは、一種の光学リレーとして機能することができ、画像の１つの軸に沿って（例えば、ｙ軸に沿って）画像担持光ＷＧの角度的に符号化されたビームの拡大を提供する。出力結合型回折光学素子ＯＤＯは、画像担持光Ｗ１によって符号化された虚像の元の向きを維持しながら、画像の別の軸に沿って（例えば、ｘ軸に沿って）画像担持光ＷＧの角度的に符号化されたビームをさらに拡大する。入力結合型回折光学素子ＩＤＯ及び出力結合型回折光学素子ＯＤＯと同様に、回転光学素子ＴＯはいくつかの形態をとることができる。一実施形態では、回転光学素子ＴＯは傾斜格子であってもよい。別の実施形態では、回転光学素子ＴＯは正方格子であってもよい。別の実施形態では、回転光学体ＴＯはブレーズド格子（blazed grating）であってもよい。回転光学素子ＴＯの任意の実施形態において、回転光学素子ＴＯは、平面導波路２２の内面又は外面上に配置されてもよい。

図２に示される画像光ガイド２０は、画像コンテンツを観者に提供するＨＭＤで使用されるタイプのものであってもよい。また、画像光ガイド２０は、透明な平面導波路アセンブリ２２を通して見える実世界の光景に虚像コンテンツを重ね合わせることができる拡張現実アプリケーションにも特によく適している。

上述のように、画像担持光Ｗ１は、内部全反射（ＴＩＲ）によって平面導波路アセンブリ２２に沿ってさらに伝播される画像担持光ＷＧとして入力結合型回折光学素子ＩＤＯによって符号化される。平面導波路アセンブリ２２の表面が平坦でない、及び／又は互いに平行でない場合、符号化された画像担持光ＷＧは表面１２、１４の各ＴＩＲで劣化する。画像担持光ＷＧが、出力結合型回折光学素子ＯＤＯによって復号され平面導波路アセンブリ２２を出て画像担持光ＷＯになるとき、符号化された画像担持光ＷＧの劣化により、得られる虚像の画質が著しく劣化する可能性がある。このような虚像画質の劣化を低減するために、平面導波路アセンブリ２２を複数の層で構成してもよい。

FIG.3Aに示すように、一実施形態では、導波路ブランク５２は、第１の表面５４及び第２の表面５６を含んでもよい。一実施形態では、導波路ブランク５２は、研磨された光学的に透明な基板である。FIG.3Aに示すように、第１の表面５４及び第２の表面５６は、平坦でなくてもよく、互いに平行でもなくてもよい。一実施形態では、導波路ブランク５２の厚さは、０．５ｍｍから２．５ｍｍの厚さの範囲内であってもよい。導波路ブランク５２は、ガラス又はポリマーなどの材料で形成してもよいが、これらに限定されない。一実施形態では、導波路ブランク５２の屈折率は、１．５から２．０の範囲内であってもよい。平面導波路アセンブリとして潜在的に非平坦、非平行の導波路ブランク５２を使用すると、平面導波路アセンブリ２２を介して符号化された画像ＷＧを伝達する際に、連続するＴＩＲに集約された角度誤差のために、生成された虚像が著しく劣化することになる。すなわち、導波路２２の非平坦及び／又は非平行の表面５４，５６は、画像担持光ＷＧと導波路の表面５４，５６との各ＴＩＲ相互作用のたびに、画像支持光ＷＧの符号化を劣化させる。

導波路ブランク５２が薄くなるにつれて、導波路ブランクの表面５４，５６が平行又は平坦のいずれかになる傾向があるが、両方にはならない。高圧インプリント法（high pressure imprinting method）を入力結合型回折光学素子ＩＤＯ及び出力結合型回折光学素子ＯＤＯの作成に利用してもよい。しかし、高圧インプリント法は、第１の表面５４上に平坦なインプリント層を生成しようとする間に、導波路ブランク５２を変形させる。さらに、従来の高圧インプリント法は、導波路ブランク５２の表面５４、５６の１つのみに薄く均一なインプリント層を適用し、導波路ブランク５２は元の不均一な形状に戻ることが可能である。

FIG.4A～FIG.6Cに示すように、代わりに低圧インプリント法（low pressure imprinting method）を使用して、導波路ブランクの表面５４，５６の一方又は両方の上に入力結合型回折光学素子ＩＤＯ及び出力結合型回折光学素子ＯＤＯを作成してもよい。導波路ブランク５２の第１の表面５４に低圧インプリント層５８を適用して、空隙を埋め第１の表面５４の光出力（optical power）を除去してもよい。次に、インプリント層５８を有する導波路ブランク５２は、導波路ブランクの表面５６に適用される低圧インプリント層６４（FIG.3Cも参照）を受けて、平坦で平行な表面を有する導波路アセンブリ２２を作成してもよい。インプリント層５８，６４のいずれか、両方、又はどちらでもないものに回折格子を含むことができる。

FIG.3Bに示すように、一実施形態では、低圧インプリント層５８は、屈折率整合コーティング（index matching coating）でもよく、導波路ブランク５２の第１の表面５４に適用されてもよい。屈折率整合コーティング５８は、導波路ブランク５２の屈折率とほぼ一致する。一実施形態では、屈折率整合コーティング５８の屈折率は、導波路ブランク５２の屈折率の５％以内であってもよい。屈折率整合コーティング５８のフェース面（face surface）１４は、導波路を透過した画像担持光の波長の４分の１以内に平坦になっている。一実施形態では、屈折率整合コーティングのフェース面１４は５３２ｎｍ以内に平坦であってもよい。一実施形態では、屈折率整合コーティングのフェース面１４は、入力結合型回折光学素子ＩＤＯと出力結合型回折光学素子ＯＤＯの間に、０．１５ミクロン以下の表面偏差（surface deviation）を有してもよい。さらに、一実施形態では、屈折率整合コーティングのフェース面１４は、４５０ｎｍ／４から６５０ｎｍ／４の間の平坦度の仕様を有してもよい。さらに、一実施形態では、屈折率整合コーティング５８は、紫外線（「ＵＶ」）硬化型のエポキシ又は他の透明材料であってもよい。例えば、屈折率整合コーティング５８は、ノーランド光学接着剤（Norland Optical Adhesive（ＮＯＡ））、ＬｕｍｉｐｌｕＳ（登録商標）透明樹脂、ポリマー層、又は同様の製品であってもよいが、これらに限定されるものではない。

FIG.3Cに示すように、低圧インプリント法の実施形態では、導波路ブランク５２は、第１の表面５４に適用される屈折率整合コーティング５８を有してもよく、低圧インプリント層６４は第２の表面５６に適用されてもよい。低圧インプリント層６４は屈折率整合コーティング６４であってもよい。一実施形態では、屈折率整合コーティング５８、６４の屈折率は、導波路ブランク５２の屈折率の１％以内であってもよい。別の実施形態では、屈折率整合コーティング５８、６４の屈折率は、導波路ブランク５２の屈折率の０．５％以内であってもよい。屈折率整合コーティング６４のフェース面１２は、導波路で使用される波長の１／４以内に平坦であってもよい。一実施形態では、屈折率整合コーティングのフェース面１２は５３２ｎｍ以内に平坦であってもよい。別の実施形態では、屈折率整合コーティング面１２は、入力結合型回折光学素子ＩＤＯと出力結合型回折光学素子ＯＤＯの間に０．１５ミクロン未満の表面偏差を含んでもよい。また、屈折率整合コーティング６４はＵＶ硬化型のエポキシであってもよい。例えば、屈折率整合コーティング６４は、ノーランド光学接着剤（ＮＯＡ）、ポリマー層、又はＬｕｍｉｐｌｕＳ（登録商標）透明樹脂であってもよいが、これらに限定されるものではない。一実施形態では、フェース面１２は、フェース面１４に対し平行から６秒（arcsecond）未満の偏差を有してもよい。

一実施形態では、回折光学素子ＩＤＯ，ＯＤＯ，ＴＯは、屈折率整合コーティング５８上又は中にインプリントされてもよい。一実施形態では、FIG.3Cに示すように、回折光学素子ＩＤＯ，ＯＤＯ，ＴＯは、屈折率整合コーティング６４上又は中にインプリントされてもよい。別の実施形態では、回折光学素子は、屈折率整合コーティング５８、６４上又は中にインプリントされていない。

一実施形態では、屈折率整合コーティング６４は、ホログラムを記録するのに適した乳剤であってもよい。したがって、入力結合型光学素子ＩＤＯは、入射画像担持光Ｗ１を入力結合するのに適した埋め込み型のホログラフィック光学素子（holographic optical element）であってもよい。

導波路ブランク５２は、埋め込み型の回折光学素子及び／又は１以上のビームスプリッタ、又は１以上の体積ホログラム（volume holograms）、及び／又はホログラフ的に形成されたポリマー分散型液晶（holographically formed polymer-dispersed liquid crystal（ＨＰＤＬＣ））又は他の既知の構造を含み、入射画像担持光Ｗ１を入力結合し画像担持光ＷＧを出力結合するためのアセンブリであってもよい。そのような構成では、屈折率整合コーティング５８，６４は、その中に又はその上に形成される追加の回折要素を有しなくてもよい。

一実施形態では、FIG.4A～FIG.4Dに示すように、導波路アセンブリ２２を製造する低圧インプリント法は、（１）定盤（surface plate）７４の下向きの平坦面７２に離型剤７０をつけることを含んでもよい。定盤７４は、平坦面７２が地面と平行に配置されるように、吊り下げられるか又は向きを合わせられる。換言すれば、平坦面７２は、定盤７４に作用する重力ベクトルＧに対して垂直に配置されている。一実施形態では、離型剤７０はフルオロシラン（Fluorosilane）系の材料である。一実施形態では、定盤７４のサイズが導波路アセンブリ２２の製造中に安定性を提供するように、定盤７４は導波路ブランク５２よりも厚いブロックで構成されている。一実施形態では、定盤の平坦面７２は、５３２ｎｍでλ／４の平坦度を有してもよい。

導波路アセンブリ２２の製造はまた、（２）ある量の屈折率整合コーティング５８を導波路ブランクの第１の表面５４につけることを含んでもよい。導波路ブランクの第１の表面５４は上向きであり、地面とほぼ平行に配置されている。一実施形態では、導波路ブランク５２を最初に作業台又は面上に配置してもよい。次に、離型剤７０がつけられた定盤７４は、（３）導波路ブランクの第１の表面５４につけられた屈折率整合コーティング５８の中に下げられ、（４）導波路ブランクの第１の表面５４は、平坦面７２から所定の距離に配置されてもよい。一実施形態では、導波路ブランクの第１の表面５４を平坦面７２から所定の距離に配置することは、（５）導波路ブランクの第１の表面５４と平坦面７２との距離を測定することをさらに含んでもよい。次に、屈折率整合コーティング５８を介して導波路ブランク５２が結合された定盤７４は、導波路ブランク５２が屈折率整合コーティング５８のみを介して定盤７４から支持されるように持ち上げられる。毛管力により、屈折率整合コーティング５８が導波路ブランクの第１の表面５４の周縁に引き寄せられる。（６）その後、屈折率整合コーティング５８を硬化させてもよい。一実施形態では、屈折率整合コーティング５８は、ＵＶ光を介して硬化される。導波路アセンブリ２２の製造は、（７）屈折率整合コーティング５８が取り付けられた導波路ブランク５２を、平坦面７２から除去することをさらに含んでもよい。

一実施形態では、屈折率整合コーティング５８が硬化する前に、屈折率整合コーティング５８を介して定盤７４と結合された導波路ブランク５２を、（８）所定の粘度及び浮力を有する液体８０中に降ろして、導波路ブランク５２を定盤の平坦面７２に対してさらに水平にしてもよい。一実施形態では、液体８０は水であってもよい。

一実施形態では、FIG.5A及びFIG.5Bに示すように、導波路アセンブリ２２を製造する方法は、定盤７８の上向きの平坦面７６を提供することを含んでもよい。定盤７８は、平坦面７６が地面及び平坦面７２と平行に配されるように配置されるか又は向きを合わせられる。一実施形態では、定盤の上向きの平坦面７６は、１又は複数の回折格子パターン８２，８４を含んでもよい。

(9)より多くの離型剤７０が平坦面７６につけられ、ある量の離型剤７０の上には、屈折率整合コーティング６４がつけられる。導波路ブランクの第２の表面５６は、屈折率整合コーティング６４につけられてもよく、又はその逆も可能であり、導波路ブランクの第２の表面５６は、平坦面７６から距離を置いて配置されてもよい。必要に応じて、屈折率整合コーティング６４の所望の厚さが導波路ブランク５２に適用されることを確実にするために、導波路ブランクの第２の表面５６から平坦面７６までの距離を測定してもよい。その後、屈折率整合コーティング６４を硬化させてもよい。導波路アセンブリ２２の製造は、屈折率整合コーティング５８，６４が第１及び第２のフェース面５４，５６に取り付けられた導波路ブランク５２を、平坦面７２、７６から取り除くことをさらに含んでもよい。

別の実施形態では、FIG.6A及びFIG.6Cに示すように、導波路アセンブリ２２を製造する方法は、上向きの平坦面７６を有する定盤７８を提供することを含んでもよい。離型剤７０が平坦面７６につけられ、離型剤７０の上に、ある量の屈折率整合コーティング５８がつけられる。導波路ブランクの第１の表面５４は屈折率整合コーティング５８につけられてもよく、又はその逆も可能であり、導波路ブランク第１の表面５４は、平坦面７６から距離を置いて配置されてもよい。必要に応じて、屈折率整合コーティング５８の所望の厚さが導波路ブランク５２に適用されることを確実にするために、導波路ブランクの第１の表面５４から平坦面７６までの距離を測定してもよい。

一実施形態では、屈折率整合コーティング５８が硬化する前に、屈折率整合コーティング５８を介して定盤７６と結合された導波路ブランク５２を、真空チャンバー８６内に配置し真空又は部分真空にさらして導波路ブランク５２を定盤の平坦面７６に対してさらに水平にしてもよい。次に、屈折率整合コーティング５８は、例えば、紫外線への曝露を介して硬化させてもよい。次に、FIG.6Cに示すように、真空チャンバー８６内の真空又は部分真空が解放されてもよく、導波路ブランク５２が反転されてもよく、屈折率整合コーティング６４を第２の表面５６につける工程が同様に行われてもよい。

一実施形態では、定盤７４、７８のうちの１又は複数は、導波路ブランク５２を回転させるように動作可能な回転装置を含んでもよい。導波路ブランクの第１又は第２の第１の表面５４、５６を、屈折率整合コーティング５８，６４を介して定盤の平坦面７２，７６の何れかに結合した後、導波路ブランク５２は、置かれた屈折率整合コーティング５８、６４が第１の表面５４，５６にわたって均一に広がるように、定盤７４，７８を介して回転させてもよい。上述したように、屈折率整合コーティング５８，６４はその後（例えば、所望の厚さについて）測定され、及び／又は硬化させてもよく、次いで、屈折率整合コーティング５８、６４が、導波路ブランク５２の反対側の第１の表面５４，５６に同様につけられてもよい。

有利なことに、本開示は、平面導波路の従来の製造で以前に得られたよりも高度に平坦で互いに平行である対向面を有する光学平面導波路を提供する。これにより、より高品質の虚像を観者に提示できる。

本明細書に記載された実施形態の１又は複数の特徴を組み合わせて、描かれていない追加の実施形態を作成することができる。以上、様々な実施形態を詳細に説明してきたが、これらは例示のために提示されたものであり、限定されるものではないことを理解すべきである。開示された主題は、その範囲、精神、又は本質的な特徴から逸脱することなく、他の特定の形態、変形、及び変更で具現化することができることは、当業者には明らかであろう。したがって、上記の実施形態は、すべての点で例示的なものであり限定的なものではないと見なされるべきである。本発明の範囲は、添付の特許請求の範囲によって示され、その意味と同等の範囲内に入るすべての変更は、そこに包含されることが意図されている。

Claims

導波路アセンブリであって、
第１の表面及び第２の表面を有するブランクであって、上記第２の表面が上記第１の表面から距離を置いて配置され上記ブランクの厚みを形成し、上記第１及び第２の表面は平坦でないか、又は互いに平行でない、ブランクと、
上記第１の表面と結合され第３の表面を形成する第１のコーティングと、
上記第２の表面と結合され第４の表面を形成する第２のコーティングと、
を備え、
上記第１のコーティング及び上記第２のコーティングは、上記ブランクの屈折率の５％以内の屈折率を有しており、
上記導波路アセンブリは、さらに、
上記第１のコーティング及び上記第２のコーティングのうちの少なくとも1つ内に配置され、画像担持光ビームを角度的に符号化された形式で上記導波路アセンブリに回折するように構成された、入力結合型回折光学素子と、
上記第１のコーティング及び上記第２のコーティングのうちの少なくとも１つ内に配置され、上記導波路アセンブリから上記画像担持光ビームを角度的に復号化された形式で回折するように構成された、出力結合型回折光学素子と、
を備え、
上記第３及び第４の表面が、上記ブランクを動作可能に透過する上記画像担持光ビームの波長の４分の１以内の範囲で平坦であり、上記第３及び第４の表面が、上記画像担持光ビームを内部全反射により上記入力結合型回折光学素子と上記出力結合型回折光学素子との間で伝播させるように動作可能であることを特徴とする導波路アセンブリ。
請求項１に記載の導波路アセンブリであって、
上記第３の表面は、上記第４の表面との平行からの偏差が６秒未満であることを特徴とする導波路アセンブリ。
請求項１に記載の導波路アセンブリであって、
上記第１及び第２のコーティングは光学接着剤で構成されることを特徴とする請求項１に記載の導波路アセンブリ。
請求項３に記載の導波路アセンブリであって、
上記光学接着剤は、屈折率整合光学エポキシで構成されることを特徴とする導波路アセンブリ。
請求項１に記載の導波路アセンブリであって、
上記入力結合型回折光学素子及び上記出力結合型回折光学素子が、上記第３の表面内又は上記第４の表面内に設けられていることを特徴とする導波路アセンブリ。
請求項１に記載の導波路アセンブリであって、
上記入力結合型回折光学素子及び上記出力結合型回折光学素子のうちの少なくとも１つが、体積ホログラムで構成されることを特徴とする導波路アセンブリ。
請求項１に記載の導波路アセンブリであって、
上記入力結合型回折光学素子及び上記出力結合型回折光学素子のうちの少なくとも１つが、ホログラフ的に形成されたポリマー分散型液晶で構成されることを特徴とする導波路アセンブリ。
導波路アセンブリであって、
第１の表面及び第２の表面を有する光学的に透明なブランクであって、上記第２の表面が上記第１の表面から距離を置いて配置され上記ブランクの厚みを形成するブランクと、
上記第１の表面と結合され第３の表面を形成する第１のコーティングと、
上記第２の表面と結合され第４の表面を形成する第２のコーティングとを備え、
上記第１及び第２のコーティングは、上記ブランクの屈折率の５％以内の屈折率を有し、
上記ブランクは、（ア）上記第１の表面及び上記第２の表面のうちの少なくとも１つに配され、画像担持光ビームを角度的に符号化された形式で上記導波路アセンブリに回折するように構成された、入力結合型回折光学素子と、（イ）上記第１の表面及び上記第２の表面のうちの少なくとも１つに配され、上記導波路アセンブリから上記画像担持光ビームを角度的に復号化された形式で回折するように構成された、出力結合型回折光学素子と、を含むアセンブリであり、上記入力結合型回折光学素子及び上記出力結合型回折光学素子は、それぞれ体積ホログラムで構成され、
上記第３及び第４の表面が、上記ブランクを動作可能に透過する画像担持光ビームの波長の４分の１以内の範囲で平坦であることを特徴とする導波路アセンブリ。
請求項８に記載の導波路アセンブリであって、
上記第１及び第２コーティングが、光学接着剤で構成されることを特徴とする導波路アセンブリ。