JP2023509577A - ナノインプリントされたマイクロレンズアレイおよびその製造方法 - Google Patents

Abstract

マイクロレンズアレイは、ナノインプリントリソグラフィによって形成することができる。このアレイの各マイクロレンズは、基板から延在していて、同心状の溝によって分離された複数の同心状の隆起部を含む。この同心状の隆起部の幅と同心状の隆起部のピッチｐとの比Ｆは、マイクロレンズの中心から同心状の隆起部までの径方向の距離ｒの関数である。マイクロレンズの実効屈折率ｎは、このマイクロレンズの中心からの径方向の距離に依存する２値パターンの充填比に依存する。マイクロレンズアレイを製造する方法は、基板上にインプリントレジスト層を形成することと、反転マイクロレンズのナノ構造を有する金型を用いて、このインプリントレジスト層をインプリントすることとを含む。【選択図】図１Ａ、図１Ｂ、および図１Ｃ

Description

本開示は、光学構成要素および光学モジュールに関し、詳細には、波面センサおよびこれを使用する表示システムに使用可能なマイクロレンズアレイおよび他の構成要素に関する。

マイクロオプティクスは、イメージング、リモートセンシング、表示システム、光通信、光データ処理などの分野において数多くの用途がある。マイクロオプティクスにより、光学システムの大幅な小型軽量化が可能になる。マイクロオプティクスは、スタックの製造およびダイシング、射出成型などのプロセスを使用して、大量に安く製造することができる。

たとえば、マイクロレンズのアレイなどのマイクロオプティクスを表示装置およびアレイ光検出器において使用して、光効率を高め、視野を制御し、空間指向性を改善することができる。仮想現実（ＶＲ）コンテンツ、拡張現実（ＡＲ）コンテンツ、複合現実（ＭＲ）コンテンツなどを表示するために、ヘッドマウントディスプレイ（ＨＭＤ）、ヘルメットマウントディスプレイ、およびニアアイディスプレイ（ＮＥＤ）がますます使用されている。このようなディスプレイは、ほんのいくつかの例を挙げると、娯楽、教育、訓練、および生命医科学を含め、様々な分野で応用されるようになっている。表示されるＶＲ／ＡＲ／ＭＲコンテンツは、３次元（３Ｄ）とすることができて、体験を向上させ、またユーザが観察する現実の物体に仮想オブジェクトをマッチさせる。ニアアイディスプレイの外部環境は、リアルタイムで追跡されてもよく、表示されるこの画像は、環境に応じて、ならびにユーザの頭の向きおよび注視方向に応じて動的に調整されてもよい。この環境を検知するために、様々なシステム、たとえば、特別な外向きのカメラシステムを配備してもよい。

コンパクトで効率的な外部環境監視システムは、ユーザが実世界の環境に没入できるようにすることによって、ニアアイディスプレイに大きな利益をもたらすことができる。しかし、最近の数多くの外部監視システムおよび追跡システムは、かさばっていて重い。ＨＭＤまたはＮＥＤのディスプレイは、通常、ユーザの頭に装着されるので、大きく、かさばっていて、バランスの悪い、かつ／または重いディスプレイ装置は、扱いにくくなるはずであり、ユーザが装着するには使い心地がよくない場合がある。

本発明は、添付の特許請求の範囲に記載のマイクロレンズアレイ構成要素、マイクロレンズアレイ構成要素を製造するための金型、およびマイクロレンズアレイ構成要素を製造する方法を開示する。

一態様では、本発明は、基板と、ナノインプリントリソグラフィによってこの基板上に形成されたマイクロレンズのアレイとを備えるマイクロレンズアレイ構成要素であって、このマイクロレンズのアレイの各マイクロレンズが、基板から延在していて、同心状の溝によって分離された複数の同心状の隆起部を含み、この同心状の隆起部の幅と同心状の隆起部のピッチｐとの比Ｆが、マイクロレンズの中心から同心状の隆起部までの径方向の距離ｒの関数である、マイクロレンズアレイ構成要素を対象とする。

本発明によるマイクロレンズアレイ構成要素の一実施形態では、このマイクロレンズアレイ構成要素は、基板によって支持されたインプリントレジスト層をさらに含んでもよく、マイクロレンズのアレイは、このインプリントレジスト層に形成される。

本発明によるマイクロレンズアレイ構成要素の一実施形態では、同心状の溝が空気を含んでもよい。

本発明によるマイクロレンズアレイ構成要素の一実施形態では、複数の同心状の隆起部は、長方形または台形の断面を有する円形の隆起部を含んでもよい。

本発明によるマイクロレンズアレイ構成要素の一実施形態では、複数の同心状の隆起部の各同心状の隆起部の高さはほぼ同じでもよい。

本発明によるマイクロレンズアレイ構成要素の一実施形態では、基板は平坦でもよい。

本発明によるマイクロレンズアレイ構成要素の一実施形態では、マイクロレンズのアレイの各マイクロレンズの実効屈折率ｎは、径方向の距離ｒの関数でもよい。
ｎ（ｒ）＝ｎ_ＲＦ（ｒ）＋ｎ_Ｇ（１－Ｆ（ｒ））
ここで、ｎ_Ｒは同心状の隆起部の屈折率であり、ｎ_Ｇは同心状の溝の屈折率である。

本発明によるマイクロレンズアレイ構成要素の一実施形態では、各マイクロレンズは、振幅が２πであって、合計して放物線状の位相プロファイルとなる複数の同心状の位相プロファイル区間を含む位相プロファイルを有してもよい。

本発明によるマイクロレンズアレイ構成要素の一実施形態では、各マイクロレンズは次の位相プロファイルを有してもよい。

ここで、ｆはマイクロレンズの焦点距離であり、λは入射光の波長であり、φ（０）はマイクロレンズの中央での位相である。

本発明によるマイクロレンズアレイ構成要素の一実施形態では、同心状の隆起部の高さは１７００ｎｍ未満でもよい。

本発明によるマイクロレンズアレイ構成要素の一実施形態では、同心状の隆起部のピッチｐは６００ｎｍ未満である。

本発明によるマイクロレンズアレイ構成要素の一実施形態では、マイクロレンズのアレイの各マイクロレンズは０．１ｍｍ以下でもよい。

一態様では、本発明は、マイクロレンズアレイ構成要素、たとえば、前述のマイクロレンズアレイ構成要素を製造するための金型であって、反転マイクロレンズのアレイを含み、この反転マイクロレンズのアレイの各反転マイクロレンズが、金型から延在していて、同心状の金型溝によって分離された同心状の金型隆起部を含み、この同心状の金型溝の幅と同心状の金型溝のピッチｐ’との比Ｆ’が、この反転マイクロレンズの中心から同心状の金型溝までの径方向の距離ｒ’の関数である、金型を対象とする。

本発明による金型の一実施形態では、同心状の金型隆起部の高さはほぼ同じでもよい。

一態様では、本発明は、マイクロレンズアレイ構成要素、たとえば、前述のマイクロレンズアレイ構成要素を製造する方法であって、基板上にインプリントレジスト層を形成することと、反転マイクロレンズのアレイを含む金型を得ることであって、この反転マイクロレンズのアレイの各反転マイクロレンズが、金型から延在していて、同心状の金型溝によって分離された同心状の金型隆起部を含み、この同心状の金型溝の幅と同心状の金型溝のピッチｐ’との比Ｆ’が、反転マイクロレンズの中心から同心状の金型溝までの径方向の距離ｒ’の関数である、反転マイクロレンズのアレイを含む金型を得ることと、金型を用いてインプリントレジスト層をインプリントして、インプリントレジスト層内にマイクロレンズのアレイを形成することとを含み、マイクロレンズのアレイの各マイクロレンズが、基板から延在していて、同心状のインプリント溝によって分離された複数の同心状のインプリント隆起部を含み、この同心状のインプリント隆起部の幅と同心状のインプリント隆起部のピッチｐとの比Ｆが、マイクロレンズの中心から同心状のインプリント隆起部までの径方向の距離ｒの関数であり、ｒ’＝ｒにおいてＦ’（ｒ’）＝Ｆ（ｒ）である、方法をさらに対象とする。

本発明による方法の一実施形態では、マイクロレンズのアレイの各マイクロレンズの実効屈折率ｎは、径方向の距離ｒの関数である。
ｎ（ｒ）＝ｎ_ＲＦ（ｒ）＋ｎ_Ｇ（１－Ｆ（ｒ））
ここで、ｎ_Ｒは同心状の隆起部の屈折率であり、ｎ_Ｇは同心状の溝の屈折率である。

本発明による方法の一実施形態では、各マイクロレンズは、振幅が２πであって、合計して放物線状のプロファイルとなる複数の同心状の位相プロファイル区間を含む位相プロファイルを有してもよい。

本発明による方法の一実施形態では、各マイクロレンズは以下の位相プロファイルを有してもよい。

ここで、ｆはマイクロレンズの焦点距離であり、λは入射光の波長であり、φ（０）はマイクロレンズの中央での位相である。

本発明による方法の一実施形態では、複数の同心状のインプリント隆起部は、円形のインプリント隆起部を含んでもよい。

本発明による方法の一実施形態では、この方法は、金型を用いてインプリントした後、インプリントレジスト層を反応性イオンエッチングすることをさらに含んでもよい。

次に、各図面とともに、例示的な各実施形態を説明する。

本開示のマイクロレンズアレイ構成要素の平面図である。 図１Ａのマイクロレンズアレイ構成要素の単一のマイクロレンズの拡大図である。 図１Ｂのマイクロレンズの側面図である。 図１Ｃのマイクロレンズの隆起部の拡大横断面図である。 図１Ｂ～図１Ｄのマイクロレンズのプロファイル高さおよびデューティサイクルへの実効屈折率の依存性を示すグラフである。 本開示のマイクロレンズの例示的な位相プロファイルの図である。 ナノインプリンティングによる、本開示のマイクロレンズを製造するための金型の垂直断面図である。 ナノインプリンティングによる、本開示のマイクロレンズを製造するための金型の垂直断面図である。 ナノインプリンティングによる、本開示のマイクロレンズを製造するための金型の垂直断面図である。 図４Ａ～図４Ｃの金型の、反転マイクロレンズの隆起部および溝の拡大横断面図である。 ナノインプリンティングによる、本開示のマイクロレンズアレイを製造する例示的な方法の流れ図である。 図５の方法を使用して製造されるマイクロレンズアレイ構成要素を含む波面センサの断面図である。 図５の方法を使用して製造されるマイクロレンズアレイ構成要素を含む波面センサの平面図である。 波面再構成の原理を示す、図６Ａおよび図６Ｂの波面センサの垂直断面図である。 マイクロレンズに入射する光ビーム部分の傾斜波面に起因する焦点オフセットを示す、図７Ａの波面センサのマイクロレンズアレイのマイクロレンズに結合された４つの画素の平面図である。 深度カメラ構成での波面センサの概略横断面図である。 図８の波面センサを使用するイメージング光学式距離計の概略図である。 図９のイメージング光学式距離計を含む、本開示のニアアイディスプレイの頂部横断面図である。 本開示の仮想現実ディスプレイヘッドセットの等角図である。 図１０Ａのヘッドセットを含む仮想現実システムのブロック図である。

本教示は、様々な実施形態および例とともに説明されるが、このような実施形態に限定されるものではない。それどころか、本教示は、当業者によって理解されるように、様々な代替形態および均等物を包含する。本開示の原理、態様、および実施形態、ならびにその具体的な例を説明する、本明細書におけるあらゆる説明は、その構造的な均等物と機能的な均等物の両方を含むものである。さらに、このような均等物には、現在知られている均等物ならびに将来開発される均等物の両方、すなわち構造がどうであれ同じ機能を実行する任意の開発される要素が含まれるものである。

本明細書では、「第１」、「第２」などの用語は、順序付けを意味するものではなく、明示的に示されていない限り、ある１つの要素と別の要素を区別するものである。同様に、方法ステップの順序付けは、明示的に示されていない限り、その実行の順番を意味するものではない。

通常のカメラと比較した深度カメラの１つの差異は、深度カメラによって得られる画像が、撮像される物体の明るさ情報および／または色情報だけでなく、深度情報、すなわち、物体またはカメラに見える物体の一部分の３次元形状、および場合によっては撮像される物体までの距離をも含むことである。深度カメラは、入射する光照射野の光パワー密度およびスペクトル分布だけでなく、この光照射野の波面形状を検出することによって、眼に見える物体の距離および形状についての情報を得ることができる。

波面センサを使用することによって、光照射野の波面形状を測定することができる。光検出器アレイの前にマイクロレンズアレイを配置し、光検出器アレイのデータを処理して、この光検出器アレイの画素に対して個々のマイクロレンズによって生成される焦点の位置を測定することによって、波面センサを構成することができる。製造コストが高いこと、具体的には適切なマイクロレンズアレイの製造コストが高いことによって、マイクロレンズベースの波面センサの広範にわたる使用が妨げられてきた。したがって、高品質で小型のマイクロレンズを、安価に高い歩留りで製造することが非常に望ましい。

本開示によれば、たとえば、ナノインプリンティング後に熱硬化またはＵＶ硬化することのできる、インプリントレジストまたはインプリントエラストマーを使用して、ナノインプリントの形状を維持できる適切な基板上に干渉縞パターンをナノインプリントし、これに続いて、ナノインプリントされたレジスト層を任意選択で反応性イオンエッチングすることによって、マイクロレンズのアレイを製造することができる。このようなプロセスにより、非常に小型で精密に製造されるマイクロレンズのアレイを得ることができるようになる。ナノインプリントされたパターンが平坦な２値パターンを含むとき、非常に薄いレンズを得ることができ、このレンズは、等価屈折率のマイクロレンズよりも屈折率がはるかに低い。

本開示によれば、基板と、ナノインプリントリソグラフィによって基板上に形成されたマイクロレンズのアレイとを含むマイクロレンズアレイ構成要素が提供される。このアレイの各マイクロレンズは、基板から延在していて、同心状の溝によって分離された複数の同心状の隆起部を含む。この同心状の隆起部の幅と同心状の隆起部のピッチｐとの比Ｆは、マイクロレンズの中心から同心状の隆起部までの径方向の距離ｒの関数である。

実施形態によっては、マイクロレンズアレイ構成要素は、基板によって支持されたインプリントレジスト層を含み、このインプリントレジスト層内にマイクロレンズのアレイが形成される。同心状の溝は、空気または何らかの充填材料を含んでもよい。同心状の隆起部は、円形、楕円形、正方形などでもよく、長方形、台形、長円形などの断面を有してもよい。同心状の隆起部の高さはほぼ同じでもよい。マイクロレンズアレイ構成要素の基板は、平坦でもよく、または湾曲していてもよい。

実施形態によっては、マイクロレンズのアレイの各マイクロレンズの実効屈折率ｎは、径方向の距離ｒの以下の関数、すなわち、ｎ（ｒ）＝ｎ_ＲＦ（ｒ）＋ｎ_Ｇ（１－Ｆ（ｒ））であり、ここで、ｎ_Ｒは同心状の隆起部の屈折率であり、ｎ_Ｇは同心状の溝の屈折率である。各マイクロレンズは、振幅が２πであって、合計して放物線状の位相プロファイルとなる複数の同心状の位相プロファイル区間を含む位相プロファイルを有してもよい。実施形態によっては、各マイクロレンズは、以下の位相プロファイルを有する。

ここで、ｆはマイクロレンズの焦点距離であり、λは入射光の波長であり、φ（０）はマイクロレンズの中央での位相である。実施形態によっては、同心状の隆起部の高さは１７００ｎｍ未満であり、同心状の隆起部のピッチｐは６００ｎｍ未満であり、かつ／またはマイクロレンズのアレイの各マイクロレンズは０．１ｍｍ以下である。

本開示によれば、マイクロレンズアレイ構成要素を製造するための金型が提供される。この金型は、反転マイクロレンズのアレイを含む。反転マイクロレンズのアレイの各反転マイクロレンズは、金型から延在していて、同心状の金型溝によって分離された同心状の金型隆起部を含む。この同心状の金型溝の幅と同心状の金型溝のピッチｐ’との比Ｆ’は、反転マイクロレンズの中心から同心状の金型溝までの径方向の距離ｒ’の関数である。同心状の各金型隆起部の高さはほぼ同じでもよい。

本開示によれば、マイクロレンズアレイ構成要素を製造するための方法がさらに提供される。この方法は、基板上にインプリントレジスト層を形成することと、反転マイクロレンズのアレイを含む金型を得ることと、金型を用いてインプリントレジスト層をインプリントして、インプリントレジスト層内にマイクロレンズのアレイを形成することとを含む。反転マイクロレンズのアレイの各反転マイクロレンズは、金型から延在していて、同心状の金型溝によって分離された同心状の金型隆起部を含み、この同心状の金型溝の幅と同心状の金型溝のピッチｐ’との比Ｆ’が、反転マイクロレンズの中心から同心状の金型溝までの径方向の距離ｒ’の関数である。マイクロレンズのアレイの各マイクロレンズは、基板から延在していて、同心状のインプリント溝によって分離された複数の同心状のインプリント隆起部を含み、この同心状のインプリント隆起部の幅と同心状のインプリント隆起部のピッチｐとの比Ｆが、マイクロレンズの中心から同心状のインプリント隆起部までの径方向の距離ｒの関数であり、ｒ’＝ｒにおいてＦ’（ｒ’）＝Ｆ（ｒ）である。

実施形態によっては、マイクロレンズのアレイの各マイクロレンズの実効屈折率ｎは、径方向の距離ｒの以下の関数、すなわち、ｎ（ｒ）＝ｎ_ＲＦ（ｒ）＋ｎ_Ｇ（１－Ｆ（ｒ））であり、ここで、ｎ_Ｒは同心状の隆起部の屈折率であり、ｎ_Ｇは同心状の溝の屈折率である。各マイクロレンズは、振幅が２ｐであって、合計して放物線状のプロファイルとなる複数の同心状の位相プロファイル区間を含む位相プロファイルを有してもよい。たとえば、各マイクロレンズは、以下の位相プロファイルを有してもよい。

ここで、ｆはマイクロレンズの焦点距離であり、ｌは入射光の波長であり、ｆ（０）はマイクロレンズの中央での位相である。実施形態によっては、複数の同心状のインプリント隆起部は、円形のインプリント隆起部を含む。この方法は、金型を用いてインプリントした後、インプリントレジスト層を反応性イオンエッチングすることをさらに含んでもよい。

ここで、図１Ａ、図１Ｂ、および図１Ｃを参照すると、マイクロレンズアレイ構成要素１００は、基板１０２、および基板１０２によって支持されるマイクロレンズ１０４のアレイを備える。マイクロレンズ１０４のアレイの各マイクロレンズは、基板１０２から延在していて、すなわち図１Ｃにおいて上方へ延在していて、同心状の溝１０８（図１Ｂの白丸および図１Ｃのギャップ）によって分離された複数の同心状の隆起部１０６（図１Ｂの黒丸）を含む。デューティサイクル、すなわち、この同心状の隆起部１０６の幅ｗと同心状の隆起部１０６のピッチｐとの比Ｆは、マイクロレンズの中心から同心状の隆起部１０６までの径方向の距離ｒによって変化する（図１Ｄ）。本明細書において「同心状の」という用語は、共通の中心を共有することを意味し、隆起部／溝の特定の形状を意味するものではなく、たとえば、その形状が円形でなければならないことを意味するものではない。楕円形、長方形など、他の形状が、共通の中心を共有してもよい。隆起部は、図１Ｄに示すような長方形の断面を有してもよく、台形の断面、長円形の断面または丸い断面などを有してもよい。任意の形状の溝を有する場合、マイクロレンズ１０４は、必ずしも円形状ではない。たとえば、同心状の隆起部１０６が円形であるときでも、各マイクロレンズ１０４はまた、正方形または長方形の形状を有してもよい。

たとえば、基板上にインプリントレジスト層を堆積させ、ナノスケールのリング状パターンを有する適切な金型を用いてインプリントレジスト層をインプリントし、インプリントレジストを硬化させることによって、マイクロレンズ１０４のアレイをナノインプリンティングによって形成してもよい。マイクロレンズのアレイを形成する様々な方法を、以下でさらにより詳細に考察することにする。同心状の溝１０８は、空気で満たされていてもよく、または平坦化層（図示せず）で満たされていてもよい。

マイクロレンズ１０４は、任意の適切な形状、たとえば、図に示すような円形、楕円形、長方形、正方形などでもよい。マイクロレンズ１０４の形状は、同心状の溝１０６の形状に縛られる必要はなく、たとえば、この同心状の溝１０６は円形でもよく、マイクロレンズ１０４の形状はたとえば正方形でもよい。マイクロレンズ１０４は、図に示すような長方形パターン、ハニカムパターン、菱形パターンなどで基板１０２上に配置されてもよい。同心状の隆起部１０６はすべて、実質的に高さｈが同じでもよく（図１Ｄ）、または高さが異なっていてもよく、すなわち、中心から離れるにつれて段階的に変化してもよい。基板１０２は、図に示すように平坦でもよく、または、その上面および／もしくは底面が、球面もしくは非球面でもよい。基板１０２は、たとえば、ガラス、水晶、プラスチック、半導体などを含め、透明または半透明の材料で作製されてもよい。

実施形態によっては、このデューティサイクルＦは、以下のように有効局所屈折率ｎ（ｒ）を決定することができる。

ｎ（ｒ）＝ｎ_ＲＦ（ｒ）＋ｎ_Ｇ（１－Ｆ（ｒ））

ここで、ｎ_Ｒは同心状の隆起部１０６の屈折率であり、ｎ_Ｇは同心状の溝１０８の屈折率である。同心状の溝１０８が空気を含む場合、ｎ_Ｇ＝１．０となる。

マイクロレンズ１０４のナノインプリントされたパターンのプロファイル高さｈおよびデューティサイクルＦへの実効屈折率ｎの依存性が図２に示してある。下側の線２０１は、第１のプロファイル高さｈ_１での、デューティサイクルＦへの実効屈折率の依存性を示し、上側の線２０２は、相対的に高い第２のプロファイル高さｈ_２、すなわちｈ_２＞ｈ_１でのデューティサイクルＦへの実効屈折率の依存性を示す。下側の線２０１における下側の挿入図２１１Ａ、２１１Ｂ、および２１１Ｃ、ならびに上側の線２０２における上側の挿入図２１２Ａ、２１２Ｂ、および２１２Ｃで、変化するデューティサイクルＦが示してある。マイクロレンズ１０４の所望の集光特性を実現するようにマイクロレンズ１０４の屈折率プロファイルをもたらすための、実効屈折率ｎ（ｒ）の既定の径方向の変化を有するように、マイクロレンズアレイ構成要素１００（図１Ａ）のマイクロレンズ１０４を構成することが可能であることが分かる。所望の位相プロファイルは、たとえば、放物線状のプロファイル、またはマイクロレンズ１０４の所望の集束／平行化特性を実現するのに使用可能な他の任意のプロファイルでもよい。実施形態によっては、マイクロレンズの所望の位相プロファイルは、少なくとも単色光または狭帯域光において、完全なベル形状の位相プロファイルを有するマイクロレンズと実質的に同じ動作機能を実現するように、２πの法で「折り返され」てもよい。

この「折り返された」位相プロファイルが図３に示してある。マイクロレンズの所望の放物線状の位相プロファイル３００が破線で示してある。放物線状の位相プロファイル３００は、１０πの位相にわたって延びている。放物線状の位相プロファイル３００の位相関数φ（ｒ）は、次の関数によって表すことができる。

ここで、ｆは焦点距離であり、λは光の波長であり、φ（０）はマイクロレンズ中央での位相遅れである。

位相関数φ（ｒ）は、プロファイル区間３０２Ａ、３０２Ｂ、３０２Ｃ、３０２Ｄ、および３０２Ｅに分割することができる。この区間３０２Ｂ、３０２Ｃ、３０２Ｄ、および３０２Ｅは、２πの整数分だけ下方にシフトされて、２πの振幅を有していて、合計して放物線状の位相プロファイル３０４となる複数の同心状の位相プロファイルの区間３０２Ｂ’、３０２Ｃ’、３０２Ｄ’、および３０２Ｅ’を含む、折り返された位相プロファイル３００’を形成してもよい。この折り返された位相プロファイル３００’は、次の関数によって表すことができる。

この折り返された位相プロファイル３００’は、その振幅が２πを超えないので、マイクロレンズ１０４の全体的な厚さをかなり低減することができる。

ナノインプリンティングの全体的なプロセスが、図４Ａ、図４Ｂ、および図４Ｃに示してある。インプリントされる光学系の反転プロファイル、たとえば、反転マイクロレンズ４０４のアレイを含むように成形された金型４４０が、基板４００上に配置される（図４Ａ）。基板４００は、金型４４０の反転プロファイルのギャップを完全に埋めることのできる硬化性インプリントレジスト層を含んでもよい。次いで、機械的圧力を加えることによって、金型４４０と基板４００が一体化される（図４Ｂ）。次いで、たとえば熱硬化またはＵＶ硬化で、インプリントレジスト層を硬化させて、インプリントされたマイクロレンズまたは他の光学素子の形状を維持してもよい。硬化が完了すると、金型４４０は基板から持ち上げられる（図４Ｃ）。

基板４００にインプリントされる所望のマイクロレンズ形状を得るには、金型４４０の反転マイクロレンズのアレイの各反転マイクロレンズが、金型４４０から延在していて、同心状の金型溝４４４によって分離された同心状の金型隆起部４４６（図４Ｄ）を含んでもよい。同心状の金型溝の幅ｗ’と同心状の金型溝４４４のピッチｐ’との比Ｆ’は、反転マイクロレンズの中心から同心状の金型溝４４４までの径方向の距離ｒ’の関数である。関数Ｆ’（ｒ’）は、マイクロレンズの所望の充填比関数Ｆ（ｒ）と同じ関数である。

ｒ’＝ｒにおいて、Ｆ’（ｒ’）＝Ｆ（ｒ） （３）

図に示す実施形態では、同心状の金型隆起部４４２が、ほぼ同じ高さｈ’を有する。

ナノインプリンティングプロセスは、１マイクロメートル未満、典型的には数十ナノメートルから数百ナノメートルの特有のサイズを有する特徴部分の印刷を可能にする。これにより、非常にコンパクトなマイクロレンズの製造が可能になる。図１Ａ～図１Ｄに戻って参照すると、ナノインプリントされたマイクロレンズ１０４の同心状の隆起部１０８（図１Ｂ、図１Ｃ、および図１Ｄ）の高さｈは、１７００ｎｍ未満、または９００ｎｍ未満、または３００ｎｍ未満でもよい。同心状の隆起部１０６のピッチｐは、４００ｎｍ未満、１５０ｎｍ未満、または５０ｎｍ未満でもよい。マイクロレンズアレイ構成要素１００の各マイクロレンズ１０４は、フットプリントがかなり小さくてもよく、たとえば、直径が０．１ｍｍ以下、直径が０．０１ｍｍ以下、または直径が２～３マイクロメートル以下でもよく、同心状の隆起部１０６のピッチは６００ｎｍ未満、または４００ｎｍ未満、たとえば、約２００～３００ｎｍであり、これらは撮像光の波長に依存する。

次に図５を参照すると、マイクロレンズアレイ構成要素、たとえば図１Ａ～図１Ｄのマイクロレンズアレイ構成要素１００を製造する方法５００は、基板上にインプリントレジスト層、たとえばエラストマー層を形成すること（５０２）を含む。インプリントレジスト層は、制御された量の圧力を金型によってインプリントレジストに加えると、たとえば２０ｎｍ以下の非常に小さい特徴部のサイズにまでの金型形状に適合する材料である。インプリントレジストは、たとえば、高温において、かつ／またはＵＶ光を用いて照射されると固化することのできる、熱重合性および／または光重合性のポリマーまたはモノマーの混合物を含むことができる。実施形態によっては、インプリントレジスト層は、たとえば、ポリジメチルシロキサン（ＰＤＭＳ）または別の適切なポリマーを含んでもよい。

たとえば、ｅビームナノリソグラフィまたは別の適切な方法を使用して、堅固な基板に微細加工された金型が得られる（５０４）。この金型の幾何形状は、たとえば、図４Ａ～図４Ｄを参照してこれまで説明してきたように、製造される光学構成要素の幾何形状と逆向きに選択することができる。

インプリントレジスト材料のガラス転移温度を超える圧力および／または加熱を加えることによって、金型を用いてインプリントレジスト層がインプリントされる（５０６）。圧力が加えられている間、インプリントされた形状を保存するように、インプリントレジスト層が硬化される（５０８）。加熱および／またはＵＶ照射を使用して、インプリントレジスト層を硬化させてもよい。金型とインプリントレジストとの間の接着は、インプリントされたパターンが金型から最終的に外れる（５１０）ことが可能になるように制御されてもよい。マイクロレンズまたはマイクロレンズのアレイは、インプリントレジスト層内に形成されてもよい。

実施形態によっては、ポリマー層にインプリントされるパターンは、下層基板に転写されてもよい。このパターン転写は、たとえば、反応性イオンエッチングによって実行されてもよい。簡潔に言えば、外されたインプリント済みのパターンは、基板と反応するイオンの衝撃を受ける。基板の露出した区域はエッチング除去されることになるが、レジストで保護された基板の区域はエッチングされないことになる。あるいは、レジスト層はまた、化学組成に応じて、同じまたは異なる速度で反応性イオンによってエッチングされてもよい。インプリントレジスト層によって保護された区域よりも、基板の露出した区域の方がエッチングされる時間が長かったので、インプリントレジスト層のすべてが基板のレベルまでエッチング除去されると、レジスト層にナノインプリントされたパターンが効果的に基板に転写される。したがって、最終製品は、基板自体にインプリントされる所望のパターン、たとえばマイクロレンズアレイのパターンを含む。残りのインプリントレジスト層は、もしあれば、次いで剥離されてもよい。

図６Ａおよび図６Ｂを参照すると、波面センサ６００は、マイクロレンズアレイ６１０を支持する基板６０２、およびこの基板６０２の反対側にある光検出器アレイ６０６を備える。マイクロレンズアレイ６１０は、マイクロレンズ６０４のアレイを含む。マイクロレンズアレイ６１０は、マイクロレンズ、および／または前述のマイクロレンズアレイ、たとえばナノインプリントされたマイクロレンズ１０４のアレイを含む、図１Ａのマイクロレンズアレイ構成要素１００のいずれかを含んでもよい。基板６０２は、検出される光に対して透明である。非限定的な例として、基板６０２には、ガラス、サファイア、半導体などが含まれ得る。光検出器アレイ６０６は、光検出器６０８のアレイを含む。マイクロレンズアレイ６１０の各マイクロレンズ６０４ごとに、いくつかの光検出器６０８を設けてもよい。たとえば、図６Ｂを見て分かるように、マイクロレンズアレイ６１０の各マイクロレンズ６０４ごとに、４つの光検出器６０８が設けられている。入射光ビームが、光検出器アレイ６０８の平面に平行である平坦な波面を有するとき、各マイクロレンズ６０４によって形成される光スポットが、対応する４つの光検出器６０８の共通の隅部に配置されるように、２つのアレイ６０６および６１０が配置されてもよい。

波面センサ６００の動作が、図７Ａおよび図７Ｂに示してある。マイクロレンズアレイ６１０は、波面７００を有する入射光ビームを受光する。マイクロレンズアレイ６１０は、このマイクロレンズアレイ６１０の焦点面７１２において複数の光スポット７０４をもたらす。図７Ａに示すように、この光スポット７０４は、対応するマイクロレンズ６０４により光ビーム部分７０２を集束することによって形成される。光検出器アレイ６０６は、マイクロレンズアレイ６１０の下流に配置され、焦点面７１２において複数の光スポット７０４を受光するように構成される。マイクロレンズアレイ６１０への光ビームの垂直入射に対応する、マイクロレンズアレイ６１０の個々のマイクロレンズ６０４によって集束される光スポット７０４の、中心７０５に対する位置は、対応する個々のマイクロレンズ６０４に入射する光ビーム部分７０２の局所的な波面傾斜を示すことが図７Ａから分かる。

図７Ｂを参照すると、光スポット７０４^＊は、４つの光検出器６０８Ａ、６０８Ｂ、６０８Ｃ、および６０８Ｄの共通の隅部からオフセットされている。光検出器６０８Ａ、６０８Ｂ、６０８Ｃ、および６０８Ｄは、光スポット７０４^＊を受光し、対応する光検出器６０８Ａ、６０８Ｂ、６０８Ｃ、および６０８Ｄが受けた光パワーの各部分に比例するそれぞれの光電流Ｉ_Ａ、Ｉ_Ｂ、Ｉ_Ｃ、およびＩ_Ｄを供給する。光電流の比（Ｉ_Ａ＋Ｉ_Ｃ）／（Ｉ_Ｂ＋Ｉ_Ｄ）は、図７Ｂでの光スポット７０４^＊の水平位置を示し、光電流の比（Ｉ_Ａ＋Ｉ_Ｂ）／（Ｉ_Ｃ＋Ｉ_Ｄ）は、図７Ｂでの光スポット７０４^＊の垂直位置を示す。光電流の合計Ｉ_Ａ＋Ｉ_Ｂ＋Ｉ_Ｃ＋Ｉ_Ｄは、光スポット７０４^＊の光パワーを示す。したがって、４つの光検出器６０８Ａ、６０８Ｂ、６０８Ｃ、および６０８Ｄの光電流は、この４つの光検出器６０８Ａ、６０８Ｂ、６０８Ｃ、および６０８Ｄに結合されたマイクロレンズに入射する光ビームの一部分の局所的な光パワー密度および波面傾斜を示す。波面７００の波面部分の傾斜が分かると、この傾斜部分をつなぎ合わせることによって、波面７００を再構成することができる。このようにして、光検出器アレイ６０６のすべての光検出器６０８の光電流を使用して、入射光ビームにわたる波面７００および光パワー密度分布を再構成してもよい。

図８を参照すると、波面センサ８００は、図６Ａおよび図６Ｂの波面センサ６００と同様である。図８の波面センサ８００は、光検出器アレイ６０６に動作可能なように結合された制御装置８１０をさらに備える。この制御装置８１０は、光検出器アレイ６０６から画像フレーム８０２を受けるように構成される。この画像フレーム８０２は、マイクロレンズのアレイ６１０の対応するマイクロレンズ６０４によって集束された光スポット７０４（図７Ａ）の画像を含む。制御装置８１０（図８）はさらに、画像フレーム８０２内の対応する光スポット７０４の位置から、各マイクロレンズ６０４での局所的な波面傾斜を計算するように構成されてもよい。光スポット７０４の位置は、前述したように、光検出器の光電流の光パワー比から決定することができる。実施形態によっては、制御装置８１０は、波面位置および光パワー密度の分布データを処理して、反射光の伝搬方向および位相プロファイルを得るように構成されてもよい。すなわち、制御装置８１０は、波面７００を生成した物体８０５に対して、この波面７００を効果的に伝搬させて戻し、物体８０５の形状を再構成することができる。

図９を参照すると、イメージング光学式距離計９００は、図６Ａおよび図６Ｂの波面センサ６００を備え、物体８０５を照射するために、照射光、たとえばプロービング光パルス９０４を放射するように構成された光源９０２（図９）を備えてもよい。光源９０２は、たとえば、ナノ秒の電気パルスによって駆動されるレーザダイオードを備えてもよい。光学式スキャナ９０６は、光源９０２に動作可能なように結合されてもよい。この光学式スキャナ９０６は、１次元で、たとえば左から右もしくは上下に、または２次元で、たとえば左右および上下に、プロービング光パルス９０４を走査するように構成されてもよい。実施形態によっては、光学式スキャナ９０６は、傾斜可能な微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）の反射器を備えてもよい。このＭＥＭＳの反射器は、１つの軸または２つの直交軸の周りに傾斜可能でもよい。光学式瞳リレーを介して結合された、１次元のＭＥＭＳの傾斜可能な２つの反射器も使用してもよい。

高速な光検出器９０８は、物体８０５から反射した光パルス９０４’を受けるように設けられてもよい。光検出器９０８は、たとえば、光学的な距離測定の目的に十分な時間分解能で反射光パルス９０４’を検出することのできる高速フォトダイオードを備えてもよい。制御装置９１０は、波面センサ６００、光源９０２、および光検出器９０４に動作可能なように結合されてもよい。

制御装置９１０は、物体８０５に向けてプロービング光パルス９０４を放射するように、光源９０２を動作させるように構成されてもよい。制御装置９１０は、光検出器から電気パルス９１２を受けてもよく、この電気パルス９１２は、物体８０５から反射した光パルス９０４’に対応する。制御装置９１０は、プロービング光パルス９０４を放射することと、反射光パルス９０４’を受けると光検出器９０８によって生成される電気パルスを受けることとの間の時間遅延から、物体８０５までの距離を決定してもよい。制御装置９１０はまた、波面センサ６００から画像フレーム８０２を受けるように構成されてもよい。画像フレーム８０２は、反射光パルス９０４’を用いて照射されると、または別の光源を用いて照射されると、マイクロレンズのアレイ６１０の対応するマイクロレンズ６０４によって集束された光スポットの画像を含む。次いで、制御装置９１０は、画像フレーム８０２内の対応する光スポットの位置から、各マイクロレンズ６１０での局所的な波面傾斜を得てもよい。

次いで、制御装置９１０は、物体８０５から反射し、波面センサ６００に入射する光ビームの全体の波面および光パワー密度分布を再構成してもよい。再構成されたこのデータから、物体８０５までの距離および／または物体８０５の形状に関連する情報を得ることができる。たとえば、制御装置９１０は、各マイクロレンズ６０４での得られた局所的な波面傾斜から、反射光パルスの波面半径を得ることができる。物体８０５までの距離は、波面半径から決定することができる。実施形態によっては、制御装置９１０は、一連のプロービング光パルス９０４に対応する反射光パルス９０４’の波面半径から、物体の３Ｄプロファイルを得るように構成されてもよい。そのために、制御装置９１０は、光源９０２を動作させて、一連のプロービング光パルス９０４を放射してもよく、光学式スキャナ９０６を動作させて、物体８０５全体にわたって一連のプロービング光パルス９０４を走査してもよい。実施形態によっては、光源９０２を使用して、波面センサ６００による検出のために物体８０５を単に照射してもよい。したがって、光源９０２は、パルス光源である必要はなく、物体８０５を照射するために、連続波照射光、たとえば近赤外光を供給してもよい。

図１０に移ると、表示装置１０００は、たとえば、眼鏡の形状を有してもよいフレーム１００１を備える。このフレーム１００１は、それぞれの眼ごとに、角度ドメインでの画像を運ぶ画像光を供給するための画像ソース１００２と、この画像ソース１００２に光学的に結合され、表示装置１０００のアイボックス１００５に画像光を供給するように構成された瞳複製導波路１００４とを支持する。瞳複製導波路１００４は、回折格子結合器１００６を備えてもよい。画像ソース１００２および瞳複製導波路１００４はともに、ユーザに画像を提示するための光学ブロック１０１２を形成する。他の実施形態では、光学ブロック１０１２は、別々に構成されてもよく、表示パネル、可変焦点レンズなどを備えてもよい。

表示装置１０００は、アイボックス１００５に置かれたユーザの左右の眼に表示される画像フレームを提示するために、画像ソース１００２に動作可能なように結合された制御装置１００８をさらに備えてもよい。アイトラッカ１０１０は、ユーザの眼の位置および／または向きについてのリアルタイム情報を提示するように、制御装置１００８に動作可能なように結合されてもよい。制御装置１００８は、その情報からユーザの現在の注視方向を決定し、ユーザに表示される画像フレームを調整して、仮想環境または拡張環境にユーザがさらに現実的に没入するように構成されてもよい。

表示装置１０００は、たとえば図９のイメージング光学式距離計９００などの、イメージング光学式距離計１０１４をさらに備えてもよい。制御装置１００８は、イメージング光学式距離計１０１４に動作可能なように結合されてもよく、たとえば、外部物体の３Ｄプロファイルを得るためにイメージング光学式距離計を動作させるように、適切に構成されてもよく、たとえばそのようにプログラムされてもよい。次いで、制御装置１００８は、アイボックス１００５においてユーザに表示される画像を提示してもよい。この画像は、外部物体の、得られた３Ｄプロファイルに依存する場合がある。たとえば、仮想現実（ＶＲ）の用途では、イメージング光学式距離計１０１４は、外部物体の３Ｄ形状を得ることができ、制御装置１００８によって実行される画像レンダリングソフトウェアが、光学ブロック１０１２を動作させて、外部物体の３Ｄプロファイルのレンダリングを観察者に提示することができる。拡張現実（ＡＲ）の用途では、制御装置１００８によって実行される画像レンダリングソフトウェアは、その用途の要求に応じて、人工的な特徴によって外部の３Ｄ形状を拡張することができる。

本開示の各実施形態は、人工現実システムを含んでもよく、またはこれとともに実装されてもよい。人工現実システムは、視覚情報、オーディオ、触覚（体性感覚）情報、加速度、バランスなどの感覚を通して得られる外部世界の感覚情報を、ユーザに提示する前に何らかの方式で調整する。非限定的な例として、人工現実には、仮想現実（ＶＲ）、拡張現実（ＡＲ）、複合現実（ＭＲ）、ハイブリッド現実、またはそのいくつかの組合せおよび／または派生物が含まれ得る。人工現実のコンテンツには、完全に生成されたコンテンツ、または取り込まれた（たとえば、実世界の）コンテンツと組み合わされた生成済みコンテンツを含んでもよい。人工現実のコンテンツには、ビデオ、オーディオ、体性フィードバックもしくは触覚フィードバック、またはその何らかの組合せが含まれ得る。観察者に３次元効果をもたらすステレオビデオなどにおいては、単一のチャネルまたは複数のチャネルでこのコンテンツのいずれをも提示することができる。さらに、実施形態によっては、人工現実はまた、たとえば、人工現実においてコンテンツを作成するために使用され、かつ／または人工現実において（たとえば、そのアクティビティの実行において）別の方法で使用される、アプリケーション、製品、付属品、サービス、またはその何らかの組合せに関連付けられてもよい。人工現実コンテンツを提供する人工現実システムは、ホストコンピュータシステムに接続されたＨＭＤなどのウェアラブルディスプレイ、スタンドアロンのＨＭＤ、眼鏡の形状因子を有するニアアイディスプレイ、モバイル装置もしくはコンピューティングシステム、または人工現実コンテンツを１人または複数人の観察者に提示することのできる他の任意のハードウェアプラットフォームを含む、様々なプラットフォーム上に実装することができる。

図１１Ａを参照すると、ＨＭＤ１１００は、ＡＲ／ＶＲ環境にさらに深く没入するために、ユーザの顔を囲むＡＲ／ＶＲウェアラブル表示システムの一例である。ＨＭＤ１１００は、たとえば、図１０の表示装置１０００の一実施形態である。ＨＭＤ１１００の機能は、物理的な実世界の環境のビューをコンピュータ生成画像を用いて拡張すること、および／または完全に仮想の３Ｄ画像を生成することである。ＨＭＤ１１００は、フロントボディ１１０２およびバンド１１０４を備えてもよい。フロントボディ１１０２は、信頼性が高く快適なやり方でユーザの眼の前方に配置されるように構成され、バンド１１０４は、フロントボディ１１０２をユーザの頭部に固定するように引っ張ってもよい。表示システム１１８０がフロントボディ１１０２内に配置されて、ＡＲ／ＶＲ画像をユーザに提示してもよい。フロントボディ１１０２の側部１１０６は、不透明または透明でもよい。

実施形態によっては、フロントボディ１１０２は、ＨＭＤ１１００の加速度を追跡するためのロケータ１１０８および慣性測定装置（ＩＭＵ）１１１０、ならびにＨＭＤ１１００の位置を追跡するための位置センサ１１１２を備える。ＩＭＵ１１１０は、ＨＭＤ１１００の動きに応答して１つまたは複数の測定信号を生成する、１つまたは複数の位置センサ１１１２から受信した測定信号に基づいて、ＨＭＤ１１００の位置を示すデータを生成する電子装置である。位置センサ１１１２の例には、１つまたは複数の加速度計、１つまたは複数のジャイロスコープ、１つまたは複数の磁力計、動きを検出する別の適切なタイプのセンサ、ＩＭＵ１１１０の誤り訂正用に使用されるタイプのセンサ、またはその何らかの組合せが含まれる。位置センサ１１１２は、ＩＭＵ１１１０の外部に、ＩＭＵ１１１０の内部に、またはその何らかの組合せにおいて配置されてもよい。

ロケータ１１０８は、仮想現実システムがＨＭＤ１１００全体の位置および向きを追跡できるように、この仮想現実システムの外部撮像装置によって追跡される。ＨＭＤ１１００の位置および向きの追跡確度を改善するために、ＩＭＵ１１１０および位置センサ１１１２によって生成される情報は、ロケータ１１０８を追跡することによって得られる位置および向きと比較されてもよい。正確な位置および向きは、ユーザが３Ｄ空間で移動したり方向転換したりするときに、適切な仮想風景をユーザに提示するのに重要である。

ＨＭＤ１１００は、このＨＭＤ１１００の一部またはすべて取り囲む局所区域の深度情報を記述するデータを取り込む、深度カメラアセンブリ（ＤＣＡ）１１１１をさらに備えてもよい。そのために、ＤＣＡ１１１１は、レーザレーダ（ライダ）、または同様の装置を備えてもよい。３Ｄ空間でのＨＭＤ１１００の位置および向きを決定する確度をよりよくするために、深度情報は、ＩＭＵ１１１０からの情報と比較されてもよい。

ＨＭＤ１１００は、ユーザの眼の向きおよび位置をリアルタイムで決定するための、視標追跡システム１１１４をさらに備えてもよい。得られた眼の位置および向きにより、ＨＭＤ１１００は、ユーザの注視方向を決定し、それに応じて表示システム１１８０によって生成される画像を調整できるようにもなる。一実施形態では、両眼転導、すなわちユーザの眼の注視の収束角が決定される。決定された注視方向および両眼転導角はまた、視角および眼の位置に依存する視覚アーティファクトをリアルタイムに補償するために使用されてもよい。さらに、ユーザとの対話、物体の強調表示、前景への物体の移動、追加の物体またはポインタの作成などのために、決定された両眼転導および注視角が使用されてもよい。たとえば、フロントボディ１１０２に組み込まれた１組の小型スピーカを含む、オーディオシステムを設けてもよい。

図１１Ｂを参照すると、ＡＲ／ＶＲシステム１１５０は、図１０の表示装置１０００の例示的な一実装形態である。ＡＲ／ＶＲシステム１１５０は、図１１ＡのＨＭＤ１１００と、様々なＡＲ／ＶＲアプリケーション、セットアップ手順および較正手順、３Ｄビデオなどを記憶する外部コンソール１１９０と、このコンソール１１９０を動作させるため、かつ／またはＡＲ／ＶＲ環境と対話するための入力／出力（Ｉ／Ｏ）インターフェース１１１５とを含む。ＨＭＤ１１００は、物理的なケーブルを用いてコンソール１１９０に「つながれて」もよく、またはＢｌｕｅｔｏｏｔｈ（登録商標）、Ｗｉ－Ｆｉなどの無線通信リンクを介してコンソール１１９０に接続されてもよい。複数のＨＭＤ１１００が存在していてもよく、それぞれが、関連付けられたＩ／Ｏインターフェース１１１５を有し、各ＨＭＤ１１００および（１つまたは複数の）Ｉ／Ｏインターフェース１１１５が、コンソール１１９０と通信する。代替構成では、ＡＲ／ＶＲシステム１１５０に、異なるかつ／または追加の構成要素が含まれてもよい。さらに、図１１Ａおよび図１１Ｂに示す構成要素のうち１つまたは複数に関連して説明する機能は、実施形態によっては、図１１Ａおよび図１１Ｂに関連して説明する方式とは異なる方式で各構成要素間に分散してもよい。たとえば、コンソール１１１５の機能の一部またはすべてが、ＨＭＤ１１００によって提供されてもよく、逆の場合も同じでよい。ＨＭＤ１１００には、このような機能を実現することができる処理モジュールが備えられてもよい。

図１１Ａを参照して前述したように、ＨＭＤ１１００は、眼の位置および向きを追跡し、注視角および収束角などを決定するための視標追跡システム１１１４（図１１Ｂ）と、３Ｄ空間においてＨＭＤ１１００の位置および向きを決定するためのＩＭＵ１１１０と、外部環境を取り込むためのＤＣＡ１１１１と、ＨＭＤ１１００の位置を独立して決定するための位置センサ１１１２と、ＡＲ／ＶＲコンテンツをユーザに表示するための表示システム１１８０とを備えてもよい。表示システム１１８０は、電子表示装置１１２５、たとえば、それだけには限らないが、液晶表示装置（ＬＣＤ）、有機発光表示装置（ＯＬＥＤ）、無機発光表示装置（ＩＬＥＤ）、アクティブマトリクス有機発光ダイオード（ＡＭＯＬＥＤ）表示装置、透明有機発光ダイオード（ＴＯＬＥＤ）表示装置、プロジェクタ、またはこれらの組合せを含む（図１１Ｂ）。表示システム１１８０は、光学系ブロック１１３０をさらに備え、その機能は、電子表示装置１１２５によって生成される画像をユーザの眼に伝達することである。光学系ブロックは、たとえば、屈折レンズ、フレネルレンズ、回折レンズ、能動的または受動的なパンチャラトナムベリー位相（ＰＢＰ）レンズ、液体レンズ、液晶レンズなどの様々なレンズ、瞳複製導波路、格子構造体、コーティングなどを備えてもよい。表示システム１１８０は、可変焦点モジュール１１３５をさらに備えてもよく、これは光学系ブロック１１３０の一部分でもよい。可変焦点モジュール１１３５の機能は、光学系ブロック１１３０の焦点を調整して、たとえば、両眼転導調節矛盾を補償し、特定のユーザの視覚欠陥を補正し、光学系ブロック１１３０の収差をオフセットすることなどである。

Ｉ／Ｏインターフェース１１１５は、ユーザがアクション要求を送信でき、コンソール１１９０から応答を受信できるようにする装置である。アクション要求は、特定のアクションを実行する要求である。たとえば、アクション要求は、画像またはビデオデータの取込みを開始または終了するための命令、またはアプリケーション内で特定のアクションを実行するための命令でもよい。Ｉ／Ｏインターフェース１１１５には、キーボード、マウス、ゲームコントローラ、または、アクション要求を受信し、このアクション要求をコンソール１１９０に伝達するための他の任意の適切な装置など、１つまたは複数の入力装置が含まれ得る。Ｉ／Ｏインターフェース１１１５によって受信されるアクション要求は、コンソール１１９０に伝達され、このコンソールは、このアクション要求に対応するアクションを実行する。実施形態によっては、Ｉ／Ｏインターフェース１１１５は、このＩ／Ｏインターフェース１１１５の初期位置に対するＩ／Ｏインターフェース１１１５の推定位置を示す較正データを取り込むＩＭＵを備える。実施形態によっては、Ｉ／Ｏインターフェース１１１５は、コンソール１１９０から受信した命令によって、触覚フィードバックをユーザに与えてもよい。たとえば、アクション要求が受信されると、触覚フィードバックを与えることができ、または、コンソール１１９０がアクションを実行するとき、このコンソール１１９０がＩ／Ｏインターフェース１１１５に命令を伝達して、Ｉ／Ｏインターフェース１１１５が触覚フィードバックを生成できるようにする。

コンソール１１９０は、コンテンツをＨＭＤ１１００に提示して、ＩＭＵ１１１０、ＤＣＡ１１１１、視標追跡システム１１１４、およびＩ／Ｏインターフェース１１１５のうちの１つまたは複数から受信した情報によって処理してもよい。図１１Ｂに示す例では、コンソール１１９０は、アプリケーションストア１１５５、追跡モジュール１１６０、および処理モジュール１１６５を備える。コンソール１１９０のいくつかの実施形態は、図１１Ｂとともに説明したものとは異なるモジュールまたは構成要素を有してもよい。同様に、以下でさらに説明する各機能は、図１１Ａおよび図１１Ｂとともに説明する方式とは異なる方式で、コンソール１１９０の各構成要素間に分散されてもよい。

アプリケーションストア１１５５は、コンソール１１９０が実行するための１つまたは複数のアプリケーションを記憶することができる。アプリケーションは、プロセッサによって実行されると、ユーザに表示するためのコンテンツを生成する一群の命令である。アプリケーションによって生成されるコンテンツは、ＨＭＤ１１００またはＩ／Ｏインターフェース１１１５の動きを介して、ユーザから受信した入力に応答してもよい。アプリケーションの例には、ゲームアプリケーション、プレゼンテーションおよび会議のアプリケーション、ビデオ再生アプリケーション、または他の適切なアプリケーションが含まれる。

追跡モジュール１１６０は、１つまたは複数の較正パラメータを使用して、ＡＲ／ＶＲシステム１１５０を較正してもよく、１つまたは複数の較正パラメータを調整して、ＨＭＤ１１００またはＩ／Ｏインターフェース１１１５の位置を決定する際の誤差を低減してもよい。追跡モジュール１１６０によって実行される較正はまた、もしあれば、ＨＭＤ１１００内のＩＭＵ１１１０および／またはＩ／Ｏインターフェース１１１５に含まれるＩＭＵから受信した情報を考慮する。さらに、ＨＭＤ１１００の追跡が失われた場合、追跡モジュール１１６０は、ＡＲ／ＶＲシステム１１５０の一部またはすべてを再較正してもよい。

追跡モジュール１１６０は、ＨＭＤ１１００、もしくはＩ／Ｏインターフェース１１１５、ＩＭＵ１１１０、またはその何らかの組合せの動きを追跡してもよい。たとえば、追跡モジュール１１６０は、ＨＭＤ１１００からの情報に基づいて、局所区域のマッピングでのＨＭＤ１１００の基準点の位置を決定してもよい。追跡モジュール１１６０はまた、ＨＭＤ１１００の位置を示す、ＩＭＵ１１１０からのデータを使用して、またはＩ／Ｏインターフェース１１１５の位置を示す、Ｉ／Ｏインターフェース１１１５に含まれるＩＭＵからのデータを使用して、ＨＭＤ１１００の基準点またはＩ／Ｏインターフェース１１１５の基準点の位置をそれぞれ決定してもよい。さらに、実施形態によっては、追跡モジュール１１６０は、ＨＭＤ１１００の位置を示す、ＩＭＵ１１１０からのデータの一部分、ならびにＤＣＡ１１１１からの局所区域の表示を使用して、ＨＭＤ１１００のこれから先の位置を予測してもよい。追跡モジュール１１６０は、ＨＭＤ１１００またはＩ／Ｏインターフェース１１１５の、推定または予測されるこの先の位置を、処理モジュール１１６５に提示する。

処理モジュール１１６５は、ＨＭＤ１１００から受信した情報に基づいて、このＨＭＤ１１００の一部またはすべてを囲む区域（「局所区域」）の３Ｄマッピングを生成してもよい。実施形態によっては、処理モジュール１１６５は、深度を計算する際に使用される技法に関連するＤＣＡ１１１１から受信した情報に基づいて、局所区域の３Ｄマッピング用の深度情報を決定する。様々な実施形態において、処理モジュール１１６５は、この深度情報を使用して、局所区域のモデルを更新し、更新されたこのモデルに部分的に基づいてコンテンツを生成してもよい。

処理モジュール１１６５は、ＡＲ／ＶＲシステム１１５０内のアプリケーションを実行し、追跡モジュール１１６０からＨＭＤ１１００の位置情報、加速度情報、速度情報、予測されるこの先の位置、またはその何らかの組合せを受信する。処理モジュール１１６５は、受信されたこの情報に基づいて、ユーザに提示するようにＨＭＤ１１００に提供するためのコンテンツを決定する。たとえば、ユーザが左を見たことを、受信されたこの情報が示す場合、処理モジュール１１６５は、仮想環境において、または追加のコンテンツで局所区域を拡張する環境において、ユーザの動きをミラーリングするＨＭＤ１１００用のコンテンツを生成する。さらに、処理モジュール１１６５は、Ｉ／Ｏインターフェース１１１５から受信したアクション要求に応答して、コンソール１１９０上で実行されるアプリケーション内のアクションを実行し、このアクションが実行されたことをユーザにフィードバックする。提供されたフィードバックは、ＨＭＤ１１００を介した視覚フィードバックもしくは聴覚フィードバック、またはＩ／Ｏインターフェース１１１５を介した触覚フィードバックでもよい。

実施形態によっては、視標追跡システム１１１４から受信した視標追跡情報（たとえば、ユーザの眼の向き）に基づいて、処理モジュール１１６５は、電子表示装置１１２５上でユーザに提示するためにＨＭＤ１１００に提供されるコンテンツの解像度を決定する。処理モジュール１１６５は、ユーザが注視する中心領域において、電子表示装置１１２５上で最高画素解像度を有するＨＭＤ１１００にコンテンツを提供してもよい。処理モジュール１１６５は、電子表示装置１１２５の他の領域において相対的に低い画素解像度を実現してもよく、したがって、ＡＲ／ＶＲシステム１１５０の消費電力を低減し、ユーザの視覚体験を損なうことなく、コンソール１１９０のコンピューティングリソースを節減する。実施形態によっては、処理モジュール１１６５はさらに、視標追跡情報を使用して、物体が電子表示装置１１２５上のどこに表示されるかを調整して、両眼転導調節矛盾を防止し、かつ／または光学的ひずみおよび収差をオフセットすることができる。

本明細書において開示された各態様に関連して説明した、様々な例示的な論理回路、論理ブロック、モジュール、および回路を実装するのに使用されるハードウェアは、汎用プロセッサ、デジタル信号プロセッサ（ＤＳＰ）、特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）、フィールドプログラマブルゲートアレイ（ＦＰＧＡ）もしくは他のプログラマブル論理デバイス、ディスクリートゲートもしくはトランジスタ論理回路、ディスクリートハードウェア構成部品、または本明細書に記載の各機能を実行するように設計されたこれらの任意の組合せを用いて実装または実行してもよい。汎用プロセッサはマイクロプロセッサでもよいが、別の選択肢では、このプロセッサは、従来の任意のプロセッサ、制御装置、マイクロコントローラ、または状態機械でもよい。プロセッサはまた、コンピューティング装置の組合せ、たとえば、ＤＳＰとマイクロプロセッサの組合せ、複数のマイクロプロセッサ、ＤＳＰコアと組み合わせた１つもしくは複数のマイクロプロセッサ、または他の任意のこうした構成として実装してもよい。あるいは、ステップまたは方法によっては、所与の機能に特有の回路によって実行してもよい。

本開示は、本明細書に記載の特定の実施形態によって範囲が限定されることはない。実際には、本明細書に記載のものに加えて、他の様々な実施形態および修正形態が、前述の説明および添付図面から当業者に明らかになろう。したがって、このような他の実施形態および修正形態は、本開示の範囲に含まれるものである。さらに、本開示は、特定の目的のために特定の環境での特定の実装形態との関連で、本明細書に記載されてきたが、その有用性は、そうした実装形態に限定されず、本開示が任意の数の目的のために任意の数の環境において有利に実装されてもよいことが当業者には認識されよう。したがって、別に記載される特許請求の範囲は、本明細書に記載の本開示の完全な範囲および精神に鑑みて解釈されるべきである。

Claims (15)

1. 基板と、
   ナノインプリントリソグラフィによって前記基板上に形成されたマイクロレンズのアレイと
   を備えるマイクロレンズアレイ構成要素であって、
   前記マイクロレンズのアレイの各マイクロレンズが、前記基板から延在していて、同心状の溝によって分離された複数の同心状の隆起部を含み、前記同心状の隆起部の幅と前記同心状の隆起部のピッチｐとの比Ｆが、マイクロレンズの中心から前記同心状の隆起部までの径方向の距離ｒの関数である、マイクロレンズアレイ構成要素。
2. 前記基板によって支持されたインプリントレジスト層をさらに含み、前記インプリントレジスト層内に前記マイクロレンズのアレイが形成されている、請求項１に記載のマイクロレンズアレイ構成要素。
3. 前記同心状の溝が空気を含む、請求項１に記載のマイクロレンズアレイ構成要素。
4. 前記複数の同心状の隆起部が、長方形または台形の断面を有する円形の隆起部を含む、請求項１に記載のマイクロレンズアレイ構成要素。
5. 前記複数の同心状の隆起部の前記同心状の隆起部の高さがほぼ同じであり、任意選択的に、前記基板が平坦である、請求項１に記載のマイクロレンズアレイ構成要素。
6. 前記マイクロレンズのアレイの各マイクロレンズの実効屈折率ｎが、前記径方向の距離ｒの関数、
   ｎ（ｒ）＝ｎ_ＲＦ（ｒ）＋ｎ_Ｇ（１－Ｆ（ｒ））であり、
   ｎ_Ｒは前記同心状の隆起部の屈折率であり、ｎ_Ｇは前記同心状の溝の屈折率であり、任意選択的に、各マイクロレンズは、振幅が２πであって、合計して放物線状の位相プロファイルとなる複数の同心状の位相プロファイル区間を含む位相プロファイルを有し、または各マイクロレンズが以下の位相プロファイルを有し、
   

   

   ｆは前記マイクロレンズの焦点距離であり、λは入射光の波長であり、φ（０）は前記マイクロレンズの中央での位相である、請求項１に記載のマイクロレンズアレイ構成要素。
7. 前記同心状の隆起部の高さが１７００ｎｍ未満であり、または前記同心状の隆起部の前記ピッチｐが６００ｎｍ未満であり、または前記マイクロレンズのアレイの各マイクロレンズが０．１ｍｍ以下である、請求項１に記載のマイクロレンズアレイ構成要素。
8. マイクロレンズアレイ構成要素を製造するための金型であって、前記金型が、反転マイクロレンズのアレイを含み、前記反転マイクロレンズのアレイの各反転マイクロレンズが、前記金型から延在していて、同心状の金型溝によって分離された同心状の金型隆起部を含み、前記同心状の金型溝の幅と前記同心状の金型溝のピッチｐ’との比Ｆ’が、前記反転マイクロレンズの中心から前記同心状の金型溝までの径方向の距離ｒ’の関数である、金型。
9. 前記同心状の金型隆起部の高さがほぼ同じである、請求項８に記載の金型。
10. マイクロレンズアレイ構成要素を製造する方法であって、
    基板上にインプリントレジスト層を形成することと、
    反転マイクロレンズのアレイを含む金型を得ることであって、前記反転マイクロレンズのアレイの各反転マイクロレンズが、前記金型から延在していて、同心状の金型溝によって分離された同心状の金型隆起部を含み、前記同心状の金型溝の幅と前記同心状の金型溝のピッチｐ’との比Ｆ’が、反転マイクロレンズの中心から前記同心状の金型溝までの径方向の距離ｒ’の関数である、反転マイクロレンズのアレイを含む金型を得ることと、
    前記インプリントレジスト層内にマイクロレンズのアレイを形成するように、前記金型を用いて前記インプリントレジスト層をインプリントすることと
    を含み、
    前記マイクロレンズのアレイの各マイクロレンズが、前記基板から延在していて、同心状のインプリント溝によって分離された複数の同心状のインプリント隆起部を含み、前記同心状のインプリント隆起部の幅と前記同心状のインプリント隆起部のピッチｐとの比Ｆが、前記マイクロレンズの中心から前記同心状のインプリント隆起部までの径方向の距離ｒの関数であり、
    ｒ’＝ｒにおいてＦ’（ｒ’）＝Ｆ（ｒ）である、方法。
11. 前記マイクロレンズのアレイの各マイクロレンズの実効屈折率ｎが、前記径方向の距離ｒの関数、
    ｎ（ｒ）＝ｎ_ＲＦ（ｒ）＋ｎ_Ｇ（１－Ｆ（ｒ））であり、
    ｎ_Ｒは前記同心状の隆起部の屈折率であり、ｎ_Ｇは前記同心状の溝の屈折率である、請求項１０に記載の方法。
12. 各マイクロレンズは、振幅が２πであって、合計して放物線状のプロファイルとなる複数の同心状の位相プロファイル区間を含む位相プロファイルを有する、請求項１１に記載の方法。
13. 各マイクロレンズが以下の位相プロファイルを有し、
    

    

    ｆは前記マイクロレンズの焦点距離であり、λは入射光の波長であり、φ（０）は前記マイクロレンズの中央での位相である、請求項１１に記載の方法。
14. 前記複数の同心状のインプリント隆起部が、円形のインプリント隆起部を含む、請求項１０に記載の方法。
15. 前記金型を用いてインプリントした後、前記インプリントレジスト層を反応性イオンエッチングすることをさらに含む、請求項１０に記載の方法。

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