JP6637049B2 - 基板伝送型の光学デバイスを作成する方法 - Google Patents

Description

本発明は、基板伝送型の光学デバイスを作成する方法に関し、特に、共通な光伝送基板に設けられた複数の反射表面を備えているデバイス、またライトガイド素子とも呼ばれるデバイスに関する。
本発明は、携帯型ＤＶＤ、携帯電話、携帯型テレビ受像機、ビデオゲーム、携帯型メディアプレーヤー、又はその他の携帯型表示装置など、多数の画像技術の応用に関して有利な効果をもって実現可能なものである。

コンパクトな光学素子の重要な応用として、頭部装着型ディスプレイ（ＨＭＤ）がある。その光学モジュールは結像レンズ及び合成装置の両方に機能し、二次元画像の観察対象が無限遠において結像され、これが反射されて観察者の目にはいる。表示源は、直接的又は間接的に得ることができる。直接的なものとしては、空間光変調器（ＳＬＭ）、例えば陰極線管（ＣＲＴ）、液晶表示装置（ＬＣＤ）、有機発光ダイオードアレイ（ＯＬＥＤ）、走査源、あるいは類似の装置があり、間接的なものとしては、リレーレンズや光学ファイバーバンドルから得られる。表示源は素子（画素）のアレイを備え、素子（画素）のアレイは、コリメートレンズで無限遠に結像され、非透過型（ｎｏｎ−ｓｅｅ−ｔｈｒｏｕｇｈ）や、透過型（ｓｅｅ−ｔｈｒｏｕｇｈ）の合成装置としてそれぞれ作用する反射表面、又は部分反射表面によって、観察者の目に向けて伝送される。一般には、従来の自由空間光学モジュールがこの目的に用いられている。しかし、このシステムの所望の視野（ＦＯＶ）がより広くなるにつれ、従来の光学モジュールは次第に大きく、重く、かさばるものとなり、中程度の性能のタイプであっても実際的でないものとなっている。これは全ての種類のディスプレイ、特に頭部装着型のものに関して大きな欠点である。必然的にこのシステムは、可能な限り軽量でコンパクトであることが望まれている。

コンパクトさを追求することにより、いろいろな光学的な解決策が得られるが、複雑なものとなってしまう。実際の例に関してはどれも十分にコンパクトにはなっていない。他方では、製造適性の観点で大きな欠点が残って不都合を生じる。さらに、これらの工夫に基づいて得られる光学的な画角の目の可動範囲（ｅｙｅ−ｍｏｔｉｏｎ−ｂｏｘ）（ＥＭＢ）は、かなり小さく、例えば８ｍｍ未満となってしまう。従って、光学系の性能は、観察者の目に対する光学系のわずかな動きに対してさえ、非常に微妙であり、このようなディスプレイで文章を快適に読み取るのに十分な瞳孔の動きを許容するには至っていない。

全て本出願人に係る公開公報、即ちＷＯ０１／９５０２７，ＷＯ０３／０８１３２０，ＷＯ２００５／０２４４８５，ＷＯ２００５／０２４４９１，ＷＯ２００５／０２４９６９，ＷＯ２００５／１２４４２７，ＷＯ２００６／０１３５６５，ＷＯ２００６／０８５３０９，ＷＯ２００６／０８５３１０，ＷＯ２００６／０８７７０９，ＷＯ２００７／０５４９２８，ＷＯ２００７／０９３９８３，ＷＯ２００８／０２３３６７，ＷＯ２００８／１２９５３９，ＷＯ２００８／１４９３３９，ＷＯ２０１３／１７５４６５，イスラエル特許出願２３２１９７号、及びイスラエル特許出願２３５６４２号に含まれている開示内容は、本件において参照として援用する。

本発明は、応用例の中では、頭部装着型ディスプレイ（ＨＭＤ）のための非常にコンパクトなライトガイド光学素子（ＬＯＥ）の利用を容易にするものである。本発明は、相対的に大きなＥＭＢ値をもって広い視野（ＦＯＶ）を与える。ここで得られる光学系は、大画面の高画質の画像を供し、また目の大きな動きに適合したものとなる。本発明に係る光学系は、現行の技術水準での（ｓｔａｔｅ−ｏｆ−ｔｈｅ−ａｒｔ）実施よりも大幅にコンパクトなものとなり、また、特殊な構造の光学系にも容易に一体化できるため、特に優れた利点を有するものである。
本発明の大きな目的は、従って、従来技術に係るコンパクト光学表示装置の欠点を克服し、また、具体的な要請に基づいて、性能を改良したその他の光学構成要素や光学系を提供することである。
ＬＯＥの動作の主たる物理的な原理は、光波がＬＯＥの外面から基板の中へ内部全反射によって捕捉されることである。さらに、ＬＯＥ内に捕捉された光波は、部分反射表面のアレイによって、観察者の目に向けて出力結合される。従って、良好な光学品質を有する、ゆがみのない画像を得るために、部分反射表面のみならず、基板の外面の表面品質を高くすること、また他方では、ＬＯＥの作成工程が、可能な限り簡素化されすっきりしたものであることが重要である。

本発明は、光学デバイスを作成する方法であって、光学デバイスは、光波伝送基板を含み、光波伝送基板は、少なくとも２つの主要表面と縁部（ｅｄｇｅｓ）、及び基板に設けられた複数の部分反射表面を有し、部分反射表面は、互いに平行であり、かつ基板のいずれの縁部とも平行でない、光学デバイスを作成する方法において、少なくとも１枚の透明で平坦な板、及び部分反射表面を有する板を供する工程と、平坦な板をまとめて光学的接合を行い（ｏｐｔｉｃａｌｌｙ ａｔｔａｃｈｉｎｇ）、段々形状に（ｓｔａｇｇｅｒｅｄ）積層した積層体を作成する光学的接合工程と、段々形状に積層した積層体から複数枚の板を横断して切断することにより、少なくとも１個のセグメントを切り取る工程と、セグメントを研削及び研磨し、光波伝送基板を形成する工程とを備え、板は、光学用の無接着剤プロセスで、互いに光学的接合がなされることを特徴とする方法を提供するものである。

本発明を一層よく理解できるように、下記の図面を参照しつつ好ましい実施形態に関して記載する。
特に図面の内容に即して、図示した具体的な内容は単なる一例なのであって、ただ本発明の好ましい実施形態の例示として述べることを目的とすることが強調される。発明の原理や概念の説明として最も有益で直ちに理解し得ると思われる形で提示するものである。この観点で、発明の原理的な理解に必要となる以上の詳細に関して、発明を構造的に示そうとはしていない。図面を参照して行われる説明は、当業者に対して、発明のさまざまな例がどのように実施できるかということに関して示唆となるであろう。
図面において、
従来技術の例となるＬＯＥの側面図である。 本発明に基づく、部分反射表面のアレイを作成する方法の実施形態のステップ（ａ）〜（ｅ）を示す図である。 本発明に基づく、１枚のスライスから作成できるＬＯＥの数を大きくする方法のステップ（ａ）〜（ｃ）を示す概略図である。 本発明に基づく、部分反射表面のアレイを作成する別の方法の実施形態のステップ（ａ）〜（ｅ）を示す図である。 ＬＯＥの縁部でブランク板を取り付ける方法のステップ（ａ），（ｂ）を示す図である。 本発明に基づく、ＬＯＥの一方の縁部が主要表面に対して傾斜角度をもって傾斜しているＬＯＥの入射開口を照明する光線の範囲を示す。 本発明に基づく、表示用光源から基板に向かう入射光光波を入力結合する光学系を示す概略図であり、中間プリズムがＬＯＥの傾斜縁部に接合されている。 本発明に基づく、傾斜縁部を有するＬＯＥを作成する方法のステップ（ａ）〜（ｃ）を示す図である。

図１は、本発明で利用可能な従来技術の基板２０とその関連する部分（以下「ＬＯＥ」と称する）を断面図で示す。光学手段、例えば反射表面１６は、光源（図示せず）から発生された、平行光である表示光光波１８によって照明される。反射表面１６は、光源から入射した光波を反射し、光波は、ＬＯＥの平面基板２０の内部で内部全反射によって捕捉される。基板２０の主要下面及び主要上面２６，２８で複数回反射した後、捕捉された光波は選択的な反射表面２２のアレイに到達する。反射表面２２は、基板からの光を、瞳孔２５を有する観察者の目２４に向けて出力結合する（ｃｏｕｐｌｅ ｏｕｔ）。本明細書では、ＬＯＥの入射面とは、入力側の光波がＬＯＥにはいる表面をいい、ＬＯＥの出射面とは、捕捉された光波がＬＯＥから出る表面をいう。図１のＬＯＥの場合は、入射面及び出射面のいずれも下面２６にある。ただし、他に考えられるものとしては、入力光波及び像光の光波が基板２０の互いに反対の側に位置するような構成や、光波が基板の傾斜縁部を介してＬＯＥ内へ入力結合される（ｃｏｕｐｌｅ ｉｎｔｏ）ような構成もある。

図１に示したように、基板２０の２つの主要表面２６，２８を介して、光波は内部全反射によって基板中に捕捉される。入力結合した光波の最初の進行方向を維持して二重像を防止するために、主要表面２６，２８の間の平行度を高く設定することが決定的に重要である。また、ＬＯＥ中に捕捉された光波は、部分反射表面２２のアレイによって出力結合され、観察者の目にはいる。このようなことで、両面の間の平行度は可能な限り高くするべきである。さらに、良好な光学品質を有し、ゆがみのない画像を形成し、光の散乱と光学ノイズを防止するために、部分反射表面のみならず、基板の外面の表面品質を非常に高くすることが重要となる。他方、ＬＯＥの作成工程は、可能な限り簡素化されすっきりしたものであることもまた重要である。

図２にＬＯＥを作成するのに可能な方法を示す。（ａ）において、所要の部分反射コーティング１０３が層設された複数枚の透明で平坦な板１０２と、非コート平板１０４とは、光学的接合がなされ、ステップ（ｂ）に示したように積層体１０６が得られる。ステップ（ｃ）では、切断、研削及び研磨を行うことで、積層体からセグメント１０８が切り取られ、こうして目標とするＬＯＥ１１０を（ｄ）において得る。（ｅ）に示したように、複数個のＬＯＥ素子１１２，１１４を積層体から切り取ることができる。積層体から切り取ることのできるＬＯＥ素子の個数は、積層体中の板を適切に、段々形状に配置する（ｓｔａｇｇｅｒｉｎｇ）ことによって多くすることができる。

図３Ａ〜３Ｃに、最後に得られる素子の数を多くする別の方法を示す。切り取られたＬＯＥ１０８の上側を図３（ａ）に示す。切り取られたスライスは線１２０，１２２に沿って切断され、図３（ｂ）に示す同一の３個のサブセグメントが得られる。そしてこれらのサブセグメントは切断、研削及び研磨で処理され、図３（ｃ）の同一の３枚のＬＯＥ１２６が得られる。

図４（ａ）〜４（ｅ）に、ＬＯＥを作成する別の方法を示す。ブランク板１３２の両面に、選択的な部分反射コーティングを施すのではなく、反射表面を薄板１３４のアレイ上に形成する。ここで反射に用いるものは、薄膜の誘電体コーティングに加えて、異方性の偏光感応反射、例えばワイヤグリッドアレイ、ＤＢＥＦフイルムなどであってもよい。図４（ａ）は、ブランク板１３２、及び反射表面を有する薄板１３４を示す。ブランク板１３２と薄板１３４は交互に光学的接合がなされ、図４（ｂ）の積層体１３６を形成する。図４（ｃ）において、切断によって積層体からセグメント１３８が切り取られ、研削と研磨を行うことで仕上げられ、図４（ｄ）に示す目標のＬＯＥ１４０が作成される。図４（ｅ）に示すＬＯＥ素子１４２，１４４もこの積層体から切り取ることができる。

多くの応用例では、機械構造上の理由のみならず光学的な理由で、ＬＯＥの主要表面に平らなブランク板を付加することが必要となる。図２，４（ａ）〜４（ｅ）を参照して述べた各作成方法に適用できる方法を、図５に示す。図５（ａ）のブランク板１４６は、ＬＯＥ１１０の主要表面の一方に光学的接合がなされ、これにより、全ての反射表面に対して適切な有効開口を有する図５（ｂ）のＬＯＥ１５０を構成する。他の例では、ＬＯＥ１１０がくさび形の構造、即ち表面１５１，１５２が平行でない構造を必要とすることがある。この場合、最終的なＬＯＥ１５０の２つの外側の主要表面１５４，１５５が互いに平行になることが厳密に必要となる。

図１に示す実施形態では、光波は主要表面２６を介してＬＯＥ内へ入力結合される。これに加えて、好ましくは、ＬＯＥの傾斜縁部を通って光をＬＯＥ内へ入力結合するようにした構成がある。図６は、基板の一方の縁部を介して、光波を基板内へ入力結合する他の方法を示している。これによれば、基板２０は２つの主要な平行面及び縁部を有する。少なくとも一方の縁部１６０が、主要表面に対して斜めの角度をなしている。通常は入射する平行光の光波は、直接空気中から入力結合されるが、その代わりに、コリメータモジュール（図示せず）をＬＯＥに光学的接合で取り付けてもよい。その結果、傾斜面１６０に対して垂直な中心波１６２を入力結合し、色収差を小さく抑えられる利点がある。ただ、イスラエル特許出願２３５６４２号に詳述したさまざまな光学上の理由から、光を表面１６０において直接入力結合することによってはこれらの条件を満たすことはできないのである。

図７に、この問題を解決する方法を示す。コリメータモジュール（図示せず）と基板の傾斜縁部１６０との間に、中間プリズム１６４を挿入し、その表面１６６の一方を傾斜縁部１６０に接して位置させる。多くの場合は、中間プリズムの屈折率はＬＯＥの屈折率に近い大きさに設定した方がよい。しかしながら、光学系の中の色収差を補正するために、プリズムには異なる屈折率を選ぶ場合もある。上述したように、入射する平行光の光波は、直接空気中から入力結合してもよいが、その代わりに、コリメータモジュール（図示せず）を中間プリズム１６４に取り付けてもよい。多くの場合、コリメータモジュールの屈折率はＬＯＥの屈折率とかなり異なるものであり、従って、プリズムの屈折率とも異なる。そのため、プリズム１６４の入射面１６８は、色収差を小さく抑えるために、中心波１６２（図６）に対してほぼ直交する向きにするべきである。

図８に、傾斜縁部を有する目標のＬＯＥを作成する方法を示す。図２，４（ａ）で示した方法で作成された傾斜のないＬＯＥ１１０の側縁部の一方を、切断し、目標とする傾斜縁部１６０（ｂ）を形成する。この新しい表面は、研削と研磨によって処理され、所要の光学品質が得られる。図５に示した方法で薄層１７２が上面２８に光学的接合で接合された場合には、最終的なＬＯＥ１７４は図８（ｃ）に示した形状となる。

図２，４（ａ）〜４（ｅ），５（ａ），５（ｂ），７に示す各光学素子の光学的接合を行う通常の方法は、板の間に光学用接着剤を塗布することである。しかしこの方法は、いくつかの大きな欠点のために不都合なことがある。まず第１に、図１に関して既に述べたように、部分反射表面２２の間の平行度が高くなければならない。これは、コーティング板１０２の外面（図２ａ）の間の平行度が、同程度の必要な平行度であることを確実にすることで達成される。しかし、取り付ける板の間のセメント層は、隣接する２つのコーティング面の間の有限角度をなすようなある程度のくさび形を有するようになる。この望ましくない現象は、各セメント層の厚みを数μｍ以下に確実に維持するようにセメント固定工程の間に取り付けられた板を互いに押し付けることにより、小さく抑えることができる。しかしながら、この手法をもってしても、セメントされたＬＯＥは別の欠点で不都合なことになる。セメント面と外面との間の交点に位置するセメント線は一般的には、散乱や回折の現象を引き起こし、画像の光学品質を低下させてしまう。こうした現象は、ＬＯＥに入力結合されるときに全ての光波が交差する傾斜縁部１６０に位置するセメント線１７６において、特に顕著になる。また、セメント固定工程の後には、６０〜７０°Ｃを越える温度にＬＯＥを熱することはできない。これは例えば、ＬＯＥに高温被覆を行うことを不可能にする。このように、ＡＲ（反射防止加工）やハードコーティングが必要な場合は、特別な低温被覆を行うことが必要になるのであるが、これは通常の高温被覆を行うよりも一層複雑で一層限定的なものとなってしまう。また、セメント板の間にある接着剤の屈折率は、望ましくない反射を避けるために、可能な限り板の屈折率に近い方がよい。現存する光学用接着剤の屈折率の範囲は、特に相対的に高い屈折率に関しては、相当に限られたものである。また、ＬＯＥを作成するのに利用可能な光学用ガラス材料の種類は、やはりかなり限られている。

上記記載内容の結果として、光学用接着剤を使用することなく、光学素子を接合する光学的接合工程が利用できることが優れた利点である。無接着剤プロセスの具体例の候補としては、陽極接合工程がある。陽極接合は、接着剤を用いずにガラスとガラスとを密着してかつ永久的に接合する方法である。中間層としてケイ素又はシリカの薄膜を用い、中間層をスパッタリング又は電子ビーム蒸着によってガラス基板に層設する。ガラス板は互いに押し付けられ、アルカリ金属イオンがガラス中で可動になる温度（ガラスの種類によるが、通常は３００〜５００°Ｃの範囲）まで加熱される。これらのガラス板は接触され、高電圧が印加される。その界面からアルカリ陽イオンの内部移動が起こり、高い電界強度の空乏層が形成される。こうして起きた静電吸着によって、シリカとガラスとが密着される。さらにガラスからシリカへ酸素の陰イオンが流動して、界面において陽極反応を起こし、結果的に、ガラスは、永久的な化学結合でシリカ層に接合されることになる。通常この接合強度は、引っ張り試験によれば１０〜２０ＭＰａの間であり、ガラスの破断強度よりも大きい。接合時間は、接合面積、ガラスの種類、ガラスの厚み、その他の数値に依存して、数分から数時間の範囲で変化がある。陽極接合は繰り返し行ってもよく、従って、図２，４（ａ）〜４（ｅ）に示したようにガラス板の積層体を作成する反復工程に利用することが可能である。

光学的接合がなされる表面の一部が、部分反射コーティングで覆われるので、陽極接合工程の中では、部分反射表面の反射性能が損なわれないことを確かめることが重要である。これは例えば、薄膜コーティングの外層を適切に構成することによって可能になり、層の最終厚みを変化させ得る陽極接合工程の後に、コーティングの反射性能が必要なレベルとなることを確実にできる。

上述した接着工程の問題を解決することに加えて、本件の光学的接合工程はさらに、ＬＯＥの外面の化学強化をもたらすので、その結果、（ゴリラガラスのように）素子の引っ掻き耐性と硬度を大きくすることができる。化学強化ガラスは、製造後の化学的な後処理を経て得られる大きな強度を有する種類のガラスである。破損した場合には、フロートガラスと同様に、長くて尖った破片になってくだける。この理由で、もし安全ガラスが必要である場合であっても安全ガラスと貼り合せる必要性を考えるには及ばない。しかし、化学強化ガラスは通常、フロートガラスの６〜８倍の強度を有する。このガラスは、表面仕上げ処理を行うことで化学強化される。ガラスは、３００°Ｃのカリウム塩（通常は硝酸カリウム）を含む浴液に浸漬される。即ち、ガラス表面に存在するナトリウムイオンを、浴液の溶液中のカリウムイオンで置き換える。このカリウムイオンはナトリウムイオンよりも径が大きく、硝酸カリウム溶液中にナトリウムイオンが内部移動したときに、より小さなナトリウムイオン間にあった空隙にはいり込むようになる。このイオンの置換によって、ガラスの表面は圧縮状態になり、コアはテンションを補うようになる。化学強化ガラスの表面圧縮応力は、６９０ＭＰａに達することがある。また、化学強化ガラスを作るには、さらに進んだ二段式の工程も用いられる。即ち、まず最初にガラス製品を４５０°Ｃの硝酸ナトリウムの浴液に浸漬させ、その表面にナトリウムイオンを増加させる（ｅｎｒｉｃｈ）。こうして硝酸カリウムへの浸漬を行うために、より多くのナトリウムイオンをガラスに残し、カリウムイオンとの置換を行う。従って、硝酸ナトリウムの浴液を用いることで、最終的製品の表面圧縮応力を持つ可能性を高くする。化学強化の方法は、強化ガラス（ｔｏｕｇｈｅｎｅｄ ｇｌａｓｓ）と同様な強化が可能である。しかし、この工程は、温度の極端な変化を用いないので、化学強化ガラスは湾曲、そり、光学的なひずみや、ゆがみのパターンなどを、ほとんど又は全く生じない。これは、強化ガラスが薄いものの場合相当大きく弓なりにそってしまうのとは、異なる。陽極接合によって作成され、化学的保護処理によって強化されたＬＯＥは、一般に用いられる作成工程で作成されたＬＯＥに比べて、一層良好な機械的特性及び光学特性を有することになる。

Claims (17)

1. 光学デバイスを作成する作成方法であって、
   前記光学デバイスは、光波伝送基板を含み、前記光波伝送基板は、少なくとも２つの主要表面と縁部、及び前記光波伝送基板に設けられた複数の部分反射表面を有し、前記部分反射表面は、互いに平行であり、かつ前記光波伝送基板のいずれの前記縁部とも平行でない、光学デバイスを作成する作成方法において、
   部分反射表面を有する複数の透明で平坦な板を供する工程と、
   前記平坦な板をまとめて光学的接合を行い、段々形状に積層した積層体を作成する光学的接合工程と、
   段々形状に積層した前記積層体から複数枚の板を横断して切断することにより、少なくとも１個のセグメントを切り取る工程と、
   前記セグメントを研削及び研磨し、前記光波伝送基板を形成する工程と
   を備え、
   前記板は、陽極接合工程を用いて行われる光学用の無接着剤プロセスで、互いに光学的接合がなされ、前記陽極接合工程は、前記部分反射表面の反射性能を維持し、前記光波伝送基板の光学品質の接合を形成することを特徴とする作成方法。
2. 請求項１記載の作成方法において、前記部分反射表面を有する前記板では、前記部分反射表面は、層設された薄膜の誘電体コーティングにより形成されている作成方法。
3. 請求項１記載の作成方法において、前記複数の板のうち少なくとも１枚が、部分反射する異方性の面を有する作成方法。
4. 請求項１記載の作成方法において、前記複数の板のうち少なくとも２枚が、少なくとも１つの部分反射表面を有する作成方法。
5. 請求項１記載の作成方法において、前記セグメントのうち少なくとも２個が、前記積層体から切り取られる作成方法。
6. 請求項１記載の作成方法において、部分反射表面が、前記光学的接合の前に、前記透明で平坦な板のうち少なくとも１枚の表面に直接形成される作成方法。
7. 請求項１記載の作成方法において、さらに、前記光波伝送基板の前記主要表面の少なくとも一方にブランク板をセメント固定することと、前記光波伝送基板の２つの外側の主要表面を形成することとを含んでいる作成方法。
8. 請求項７記載の作成方法において、前記セメント固定の後に、前記２つの外側の主要表面は、互いに平行になる作成方法。
9. 請求項１記載の作成方法において、さらに、前記光波伝送基板の傾斜縁部を形成するために前記光波伝送基板の側面の一方を切断することを含んでいる作成方法。
10. 請求項１記載の作成方法において、さらに、前記少なくとも１個のセグメントを切断して少なくとも２個のサブセグメントを得て、少なくとも２枚の別々の光波伝送基板を形成することを含んでいる作成方法。
11. 請求項１記載の作成方法において、さらに、化学的保護処理によって前記光波伝送基板を強化することを含んでいる作成方法。
12. 請求項１記載の作成方法において、さらに、内部全反射によって光を前記光波伝送基板に入力結合するための光学手段を、前記光波伝送基板にセメント固定することを含んでいる作成方法。
13. 請求項１２記載の作成方法において、前記光学手段はプリズムであり、前記プリズムの一方の面は前記光波伝送基板の傾斜縁部に接して配置されている作成方法。
14. 請求項１記載の作成方法において、コーティングが前記光波伝送基板の前記主要表面の少なくとも一方に形成されている作成方法。
15. 請求項１記載の作成方法において、さらに、少なくとも１個のレンズを前記光波伝送基板の前記主要表面の少なくとも一方に接合することを含んでいる作成方法。
16. 請求項１記載の作成方法において、前記光学的接合工程の間は、前記板は互いに押し付けられる作成方法。
17. 請求項１１記載の作成方法において、前記化学的保護処理は、カリウム塩を含有する加熱した浴液に浸漬することによりナトリウムイオンをカリウムイオンで置き換えることを含む作成方法。

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