JP6920737B2 - 導光光学素子およびその製造方法 - Google Patents

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Description

本発明は、光学デバイスの分野においてであり、コンパクトな導光光学素子およびその製造方法に関する。より詳細には、本発明は、一般的な光透過性基板によって保持される１つ以上の少なくとも部分的に反射するか、または回折を生じる表面を含む、基板導波光学デバイス（ｓｕｂｓｔｒａｔｅ−ｇｕｉｄｅｄ ｏｐｔｉｃａｌ ｄｅｖｉｃｅ）に関する。
かかる導光光学素子（ＬＯＥ）は、携帯型ＤＶＤ、セルラー電話、モバイルＴＶ受信機、ビデオゲーム、携帯型メディアプレーヤー、または任意の他のモバイルディスプレイ装置、例えば、拡張／仮想現実システムにおける使用のための、シースルーニアアイディスプレイ、もしくはヘッドマウント式ディスプレイ、などの多数の撮像用途で使用できる。ＬＯＥの動作の主要な物理原理は、光波が、ＬＯＥの主要な面からの全内面反射によって基板内部でトラップされることである。加えて、ＬＯＥ内部でトラップされる光波は、１つ以上の内部反射するか、または部分的に反射する／回折を生じる表面によって、見る人の目の中にカップルされる。
前述したＬＯＥの性能を定義する重要な要因の１つが、ＬＯＥから光出力によって形成される照射の均一性に対する要件と関連付けられる。この目的のため、結果として生じる画像における潜在的な非均一性は各選択的に反射する表面に到達する異なる光線の異なる反射シーケンスに起因して生じ得るので、各部分的に反射する表面の実際にアクティブな領域が考慮されるべきである。より詳細には、いくつかの光線は、選択的に反射する表面との以前の相互作用なしで到着するが、他方、他の光線は、１つ以上の部分的な反射の後に到着する。
選択的に反射する表面の非アクティブな部分は、基板から出るトラップされた光波のカップリングに寄与しないので、ＬＯＥの光学性能へのそれらの影響はマイナス面だけであり得る。すなわち、反射面の間での重なり合いがない場合、システムの出力開口内に非アクティブな光学部分があり、画像内に「穴（ｈｏｌｅ）」が存在するであろう。他方、反射面の非アクティブ部分は、外部シーンからの光波に関しては、確実にアクティブである。加えて、２つの隣接する面の主要な軸配向は、同一のはずがなく；そうでなければ、第２の表面全体が非アクティブであろう。それ故、出力開口内の非アクティブ部分を補うために反射面の間に重なり合いが設定される場合、これらの重なり合った領域を横断する出力シーン（ｏｕｔｐｕｔ ｓｃｅｎｅ）からの光線が二重減衰に悩まされて、外部シーン内に穴が作られる。この現象は、ヘッドアップディスプレイのように目から少し離れて配置される、ディスプレイだけでなく、目の近くのディスプレイの性能も、著しく低下させる。
前述の問題、およびそれに対するいくつかのソリューションが、例えば、米国特許第７，７２４，４４３号および国際公開第２００７／０５４９２８号に記述されており、その両方が本出願の譲受人に譲渡される。その問題を克服するために考えられる技術は、部分的に反射する表面の実際にアクティブな部分だけが基板内部に埋め込まれる、すなわち、反射面が下方の主要な面と交差せずに、この表面の手前で終了するのを提供することによる。反射面の端部はＬＯＥの長さにわたって相互に隣接しているので、投影された拡張画像（ａｕｇｍｅｎｔｅｄ ｉｍａｇｅ）内に穴がなく、また、表面間に重なり合いがないので、外部ビューの実際の画像内に穴がなく、従って、均一な照射を提供する。
当技術分野には、前述した種類の導光素子（ＬＯＥ）、すなわち、ＬＯＥの主要な面からの全内面反射によって基板内部の光をトラップし、基板から出るトラップされた光をカップリングするために１つ以上の反射するか、または部分的に反射する／回折を生じる表面を保持するように構成されたＬＯＥを製作するための新しいアプローチに対する必要性がある。
かかるＬＯＥおよびその中に入って、そこから出る光伝搬方式がおおまかに図１Ａに示されている。ＬＯＥ２０は、光入力領域２１（例えば、仮想画像源の出力と位置合わせされている）、それからの全内面反射によって光を導いている主要な面２６および２８、ならびにＬＯＥ内部に適切な配向で配列された１つ以上の少なくとも部分的に反射する／回折を生じる表面２２を有する。主要な面２６、２８からのいくつかの反射の後、トラップされた光波が選択的に部分的に反射する表面（複数可）２２に到達して、ＬＯＥから出る光を、見る人の目２４の瞳孔２５に向かって出力方向（複数可）に伝搬するためにカップリングする。
一般的に言えば、ＬＯＥの基板に埋め込まれた、かかる少なくとも部分的に反射する／回折を生じる表面２２は、基板を通して一般的な伝搬方向に伝搬している光を１つ以上の出力方向に向け直すのに役立つ。簡潔にするために、かかる表面を本明細書では、「光導面（ｌｉｇｈｔ ｄｉｒｅｃｔｉｎｇ ｓｕｒｆａｃｅ）」と呼ぶ。
周知のように、例えば、前述した、本出願の譲受人に譲渡された米国特許第７，７２４，４４３号および国際公開第２００７／０５４９２８号から、ＬＯＥの高性能（例えば、均一な照射）は、かかる光導面２２を、主要な面（複数可）２６、２８から間隔を空けられるように、基板に埋め込むことによって提供できる。
図１Ｂに概略的に示されるように、これらの特許公開に記述された技術のいくつかに従い、反射面の全てに対して適切なアクティブな開口をもつＬＯＥ１３４において生じるように、かかる構成は、ブランク板１３２（すなわち、部分的に反射する表面のない板）を導光基板１３０の主要な面の１つに（例えば、光学接着剤を使用することにより）取り付けることによって達成できる。前述のように、２つの主要な面２６および２８は、組み合わされた構造が完全な直方体を形成するように、相互に平行である。
図１Ｃに概略的に示されるように、これらの特許公開から分かる代替技術に従って、射出成形または鋳造によって製作された、２つの類似した歯形の透明型枠１４０を製作することにより、同じことが達成できる。必要な反射面２２（異方性、または被覆された薄膜のいずれか）が型枠１４０間の適切な位置に挿入され、２つの型枠は次いで、必要なＬＯＥ１４４を作製するために一緒に接着される。
図に見られるように、結果として生じる構造１３４（図１Ｂ）は、主要な面と平行な、従って、反射面２２に関して傾斜した、平面内に配置された界面５０を有し；結果として生じる構造１４４（図１Ｃ）は、反射面２２と実質的に平行な平面内に配置された領域／セグメント１５０Ａならびに／または反射面および主要な面のそれらと交差する平面内に配置された領域／セグメント１５０Ｂを有する界面１５０を有する。
一般に、良好な光学的品質を有する歪みのない画像を達成するために、主要な面および（部分的に）反射する／回折を生じる表面は、高い品質を有するべきである。他方、かかるＬＯＥの製作工程は、費用効率が高いだけでなく、可能な限り単純で容易であることが望ましい。
本発明は、ＬＯＥの基板／本体から出る光をカップリングする１つ以上の少なくとも部分的に反射する／回折を生じる表面（本明細書では、時折、以下で「光導面」として参照される）を備えたＬＯＥを製作するための新しいアプローチ、および結果として生じるＬＯＥの新しい構成を提供する。
従って、本発明の１つの広い態様によれば、本体を通る一般的な伝搬方向における入力光を主要な面からの光の全内面反射によって導くための主要な面を有し、各光導面が本体から出た入力光を１つ以上の出力方向に向けてカップリングするために構成されている、少なくとも１つの光導面を保持する、光学的に透明な本体を含む、導光光学素子（ＬＯＥ）を提供する。前記少なくとも１つの光導面の各々が、主要な面から間隔が空けられるように、前記本体の体積内に完全に埋め込まれていて；本体は、１つ以上の界面を本体内部に含み、本体内部の前記１つ以上の界面の全部が、前記少なくとも１つの光導面の各々と平行で、前記主要な面に関して所定の角度で傾斜している、少なくとも１つの平面内に配置され、前記少なくとも１つの光導面が、前記１つ以上の界面の１つにおいて、それぞれ、少なくとも１つの領域に配置されているような構成である。
本発明のＬＯＥでは、光導面と平行で、主要な面の間に延在しているもの以外の界面がなく、光導面の全部が、かかる界面の少なくともいくつかの領域内に配列されることを理解すべきである。これに関連して、本明細書では、用語「界面（ｉｎｔｅｒｆａｃｅ）」は、ＬＯＥの一体構造を形成する素子間の物理的境界を指すことを理解すべきである。
いくつかの実施形態では、ＬＯＥの本体（基板）は、少なくとも１つの軸に沿って間隔を置いて平行関係に配列された２つ以上の光導面のアレイによって形成された内側パターを含む。アレイの光導面は、２つ以上の光導面が主要な面から間隔を空けられるように、本体内部の１つ以上の界面に配置されて、その体積内に完全に埋め込まれる。
かかる複数の光導面の少なくともいくつかは、主要な面の少なくとも１つから実質的に等間隔であり得；同様に、複数の光導面の少なくともいくつかは、異なるか、または同じ寸法であり得るが、主要な面から異なって間隔が空いている。
本発明は、本体内を伝搬する入力光に関して少なくとも部分的に反射する／回折を生じる光導面を使用するとして以下で説明されるが、本発明の原理は、これら特定の用途に限定されないことにも留意すべきである。従って、一般に、光導面は、それらの周囲とは異なる光学特性を有し、一般に、本体を通って伝搬する入力光に異なって影響を及ぼす（例えば、偏光効果、スペクトル効果などを引き起こす）異なる光学特性を有する表面を含み得る。
いくつかの実施形態では、ＬＯＥの複数の光導面は、前記少なくとも１つ平面において２つの垂直軸に沿って間隔の空いた関係に配置される。
本発明は、前述のＬＯＥを製作するための新しい方法を提供する。その上、本発明の方法は、任意の既知の適切なパターニング技術（複数可）を使用して複数のＬＯＥを同時に製造するための単純な技術が提供されるので、かかるＬＯＥの大量生産に対して好都合である。
従って、本発明の別の広い態様によれば、前述のように構成された２つ以上の導光光学素子（ＬＯＥ）を製作するための方法を提供し、本方法は：
少なくとも１つのパターン基板を準備することであって、パターン基板は、その表面が、間隔を置いて、平行な光導領域のパターンとともに形成された、光学的に透明な平面体を有し、それらの光導領域は、Ｘ−Ｚ平面内に、それらの間に光学的に透明なスペーサ領域を含んで、Ｘ軸およびＺ軸の１つに沿って間隔の空いた関係で配列される、少なくとも１つのパターン基板を準備することと、
前記少なくとも１つのパターン基板を上部と下部の光学的に透明な基板の間に囲み、それにより、Ｙ軸に沿って１つを他の上に積み重ねた複数の光学的に透明な層のスタックを形成し、間隔を置いて、平行な光導領域のパターンが、層間の界面に配置されることと、
Ｘ−Ｚ平面と交差して、Ｘ−Ｚ平面と所定の角度を形成するダイシング面に沿って、複数の光学的に透明な層の前記スタックを、Ｘ軸に沿って相互から間隔を置いた所定の数のスライスにダイシングし、それにより、前記少なくとも１つの光導領域がＬＯＥの主要な面から間隔が空いていて、前記主要な面と所定の角度を形成するように、本体の各々が、ＬＯＥの本体内に完全に埋め込まれている少なくとも１つの光導領域を含む、ＬＯＥに対する複数の本体を画定することと
を含む。
本方法は、主要な面を有して、主要な面から間隔を空けて本体内に埋め込まれた少なくとも１つの光導面を含む、光学的に透明な本体を有するＬＯＥを作製する、前記スライスの各々に縁切りを適用することをさらに含む。
いくつかの実施形態では、作製されるＬＯＥの各々は、複数の光導領域を含むはずであり、パターン基板のパターンが、隣接する層の間の界面に配置されて、Ｘ軸およびＺ軸の１つに沿って相互に関してシフトされるように、２つ以上のパターン基板が、Ｙ軸に沿って１つを他の上に置き、全部が上層と下層との間に囲まれて提供され、それにより、各ＬＯＥが、本体内に完全に埋め込まれた２つ以上の間隔を置いた光導領域を含む内側パターンを含む、前記複数のＬＯＥを形成する。
いくつかの実施形態では、シフト値は、層内の隣接する光導領域間の最小スペーサ／非被覆領域よりも小さいことに留意すべきである。
用語「非被覆領域」は、光導領域の被覆に関して異なる領域（例えば、部分的に反射する被覆）を指すことを理解すべきである。また、用語「透明領域」は、任意の非被覆領域に限定されるべきではなく、光導領域の光導被覆（例えば、部分的に反射する被覆）がない、被覆されているか、または透明領域ではない、領域を指すことも理解すべきである。
前述した隣接する層におけるパターンのシフトは、パターニング工程を適切に適用することによるか；または同様のパターン基板をＸ軸に沿って相互に関してシフトすることによって、達成できる。
スペーサ領域の寸法およびスタックのスライスへのダイシングは、ＬＯＥの主要な面からの光導領域（複数可）の距離（複数可）を画定する。２つ以上の光導領域は、異なる寸法の領域を含み得、同様に、入力光に異なって影響を及ぼす異なる光学特性を有する領域を含み得る。
ダイシング面の少なくとも１つが透明領域を通過することに留意すべきである。以下でさらに実例を挙げるように、いくつかの実施形態では、ダイシング面の１つだけが、透明領域を通過し、他方、少なくとも１つの他の平行なダイシング面／カットが、層の反射被覆と交差して、それを異なるＬＯＥ間で分割する。
パターン層は、同じか、または異なる厚さであり得る。
前述のとおり、パターン基板は、任意の既知の適切な技術、例えば、光学的に透明なスペーサ領域によって間隔が空けられた、間隔を置いて、平行な光導領域のパターンを作成するリソグラフィ工程（ネガ型またはポジ型のパターニング）；または光学的に透明な平面体の表面に直接描画パターニングを適用する工程、によって準備され得る。
いくつかの場合には、層の１つ以上が表面パターンを有する複数の光学的に透明な層の前述したスタックによって形成される中間構造が作製され、必要に応じて、ＬＯＥ本体にさらにスライスするために顧客に提供できることを理解すべきである。
本発明は、そのなおさらに広い態様では、複数のＬＯＥの本体をそれから形成するために準備された、かかる光学的構造を提供する。本光学的構造は、複数の光学的に透明な層のスタックとして構成され：
前記光学的に透明な層の各々が、Ｘ−Ｚ平面内に、光学的に透明な空間領域をそれらの間に含み、少なくともＸ軸に沿って間隔の空いた関係で配列される平行な光導領域の表面パターンを有し；
表面パターンの各々が２つの隣接する層の間の界面に配置されて、前記層のパターンがＸ軸およびＺ軸の１つに沿って所定の値のシフトで位置合わせされるように、複数の層がＹ軸に沿って１つを他の上に積み重ねられ、
それにより、Ｘ−Ｚ平面と交差して、Ｘ−Ｚ平面との所定の角度を形成するダイシング面に沿って、光学的構造を、Ｘ軸およびＺ軸の１つに沿って間隔を置いた所定の数のスライスにダイシングするのを可能にして、本体の各々が、ＬＯＥの本体内に完全に埋め込まれて、主要な反射面のために構成された、ＬＯＥ本体の表面に関して、前記所定の角度で傾斜している、間隔の空いた、平行な光導領域のアレイを含む内側パターンとともに形成されている、ＬＯＥ素子に対する複数の本体を作製する。
前述のとおり、複数の層は、異なる厚さの２つ以上の層を含み得る。
パターンの光導領域は、Ｘ軸およびＺ軸の両方に沿って間隔の空いた関係で配列され得る。
本発明は、主要な面を有し、本体を通る一般的な伝搬方向における入力光を前記主要な面からの光の全内面反射によって導くために構成された光学的に透明な本体を含み、本体から出た前記入力光を１つ以上の出力方向に向けてカップリングするために構成されて、主要な面から間隔が空けられるように、前記本体の体積内に完全に埋め込まれている、少なくとも１つの光導面を保持する、導光光学素子（ＬＯＥ）も提供し、ＬＯＥは：
その表面が、間隔を置いて、平行な光導領域のパターンとともに形成された、光学的に透明な平面体を有する、少なくとも１つのパターン基板を準備することであって、それらの光導領域は、Ｘ−Ｚ平面内に、基板の光学的に透明な領域をそれらの間に含み、Ｘ軸およびＺ軸の１つに沿って間隔の空いた関係で配列される、少なくとも１つのパターン基板を準備することと、
前記少なくとも１つのパターン基板を上部と下部の光学的に透明な基板の間に囲み、それにより、Ｙ軸に沿って１つを他の上に積み重ねた複数の光学的に透明な層のスタックを形成し、間隔を置いて、平行な光導領域のパターンが、層間の界面に配置されることと、
Ｘ−Ｚ平面と交差して、前記Ｘ−Ｚ平面と所定の角度を形成するダイシング面に沿って、複数の光学的に透明な層の前記スタックを、Ｘ軸およびＺ軸の前記１つに沿って相互から間隔を置いた所定の数のスライスにダイシングし、それにより、前記本体の各々が、ＬＯＥの本体内に完全に埋め込まれている少なくとも１つの光導領域を含む、ＬＯＥに対する複数の本体を画定することと
を含む方法によって製造される。
本明細書で開示する主題をより良く理解するため、およびそれが実際にどのように実行され得るかを例示するために、ここで実施形態が、添付の図面を参照して、限定されない例として、説明される。
図１Ａは、本発明が関連するタイプの従来型の平面導光光学素子（ＬＯＥ）の構成および動作を概略的に示す。 図１Ｂは、図１Ａの従来型のＬＯＷ構成と関連した問題の解決を目的とした、ＬＯＷ構成の２つの既知の例を示す。 図１Ｃは、図１Ａの従来型のＬＯＷ構成と関連した問題の解決を目的とした、ＬＯＷ構成の２つの既知の例を示す。 図２は、本発明に従った、ＬＯＥの構成を概略的に示す。 図３Ａは、各々がＬＯＥの本体内に埋め込まれた単一の光導領域とともに構成された、複数のＬＯＥを製作するための本発明の方法の一例を示す。 図３Ｂは、各々がＬＯＥの本体内に埋め込まれた単一の光導領域とともに構成された、複数のＬＯＥを製作するための本発明の方法の一例を示す。 図３Ｃは、各々がＬＯＥの本体内に埋め込まれた単一の光導領域とともに構成された、複数のＬＯＥを製作するための本発明の方法の一例を示す。 図３Ｄは、各々がＬＯＥの本体内に埋め込まれた単一の光導領域とともに構成された、複数のＬＯＥを製作するための本発明の方法の一例を示す。 図４Ａは、各々がＬＯＥの本体内に埋め込まれた複数の間隔が置かれた光導領域とともに構成された、複数のＬＯＥを、各基板内の領域がＺ軸に沿って延在し、Ｘ軸に沿って間隔が空けられて、積み重ねられた基板内のパターンがＸ軸に沿ってシフトされる、複数のパターン基板を積み重ねることによって製作するための本発明の方法の別の例を示す。 図４Ｂは、各々がＬＯＥの本体内に埋め込まれた複数の間隔が置かれた光導領域とともに構成された、複数のＬＯＥを、各基板内の領域がＺ軸に沿って延在し、Ｘ軸に沿って間隔が空けられて、積み重ねられた基板内のパターンがＸ軸に沿ってシフトされる、複数のパターン基板を積み重ねることによって製作するための本発明の方法の別の例を示す。 図４Ｃは、各々がＬＯＥの本体内に埋め込まれた複数の間隔が置かれた光導領域とともに構成された、複数のＬＯＥを、各基板内の領域がＺ軸に沿って延在し、Ｘ軸に沿って間隔が空けられて、積み重ねられた基板内のパターンがＸ軸に沿ってシフトされる、複数のパターン基板を積み重ねることによって製作するための本発明の方法の別の例を示す。 図４Ｄは、各々がＬＯＥの本体内に埋め込まれた複数の間隔が置かれた光導領域とともに構成された、複数のＬＯＥを、各基板内の領域がＺ軸に沿って延在し、Ｘ軸に沿って間隔が空けられて、積み重ねられた基板内のパターンがＸ軸に沿ってシフトされる、複数のパターン基板を積み重ねることによって製作するための本発明の方法の別の例を示す。 図４Ｅは、各々がＬＯＥの本体内に埋め込まれた複数の間隔が置かれた光導領域とともに構成された、複数のＬＯＥを、各基板内の領域がＺ軸に沿って延在し、Ｘ軸に沿って間隔が空けられて、積み重ねられた基板内のパターンがＸ軸に沿ってシフトされる、複数のパターン基板を積み重ねることによって製作するための本発明の方法の別の例を示す。 図４Ｆは、図４Ａ〜図４Ｄの一般的な方法によるが、ＬＯＥ内の複数の光導面が、異なる寸法を有して、主要な面の少なくとも１つから異なって間隔が空いた、光導面を含むように、異なるパターン層を使用して製作されたＬＯＥを例示する。 図５Ａは、各々がＬＯＥの本体内に埋め込まれた複数の間隔が空けられた光導領域とともに構成された、複数のＬＯＥを、各基板内の領域がＺ軸に沿って延在し、Ｘ軸に沿って間隔が空けられて、積み重ねられた基板内のパターンがＺ軸に沿ってシフトされる、複数のパターン基板を積み重ねることによって製作するための本発明の方法のさらに別の例を示す。 図５Ｂは、各々がＬＯＥの本体内に埋め込まれた複数の間隔が空けられた光導領域とともに構成された、複数のＬＯＥを、各基板内の領域がＺ軸に沿って延在し、Ｘ軸に沿って間隔が空けられて、積み重ねられた基板内のパターンがＺ軸に沿ってシフトされる、複数のパターン基板を積み重ねることによって製作するための本発明の方法のさらに別の例を示す。 図５Ｃは、各々がＬＯＥの本体内に埋め込まれた複数の間隔が空けられた光導領域とともに構成された、複数のＬＯＥを、各基板内の領域がＺ軸に沿って延在し、Ｘ軸に沿って間隔が空けられて、積み重ねられた基板内のパターンがＺ軸に沿ってシフトされる、複数のパターン基板を積み重ねることによって製作するための本発明の方法のさらに別の例を示す。 図５Ｄは、各々がＬＯＥの本体内に埋め込まれた複数の間隔が空けられた光導領域とともに構成された、複数のＬＯＥを、各基板内の領域がＺ軸に沿って延在し、Ｘ軸に沿って間隔が空けられて、積み重ねられた基板内のパターンがＺ軸に沿ってシフトされる、複数のパターン基板を積み重ねることによって製作するための本発明の方法のさらに別の例を示す。 図５Ｅは、各々がＬＯＥの本体内に埋め込まれた複数の間隔が空けられた光導領域とともに構成された、複数のＬＯＥを、各基板内の領域がＺ軸に沿って延在し、Ｘ軸に沿って間隔が空けられて、積み重ねられた基板内のパターンがＺ軸に沿ってシフトされる、複数のパターン基板を積み重ねることによって製作するための本発明の方法のさらに別の例を示す。 図５Ｆは、各々がＬＯＥの本体内に埋め込まれた複数の間隔が空けられた光導領域とともに構成された、複数のＬＯＥを、各基板内の領域がＺ軸に沿って延在し、Ｘ軸に沿って間隔が空けられて、積み重ねられた基板内のパターンがＺ軸に沿ってシフトされる、複数のパターン基板を積み重ねることによって製作するための本発明の方法のさらに別の例を示す。 図５Ｇは、各々がＬＯＥの本体内に埋め込まれた複数の間隔が空けられた光導領域とともに構成された、複数のＬＯＥを、各基板内の領域がＺ軸に沿って延在し、Ｘ軸に沿って間隔が空けられて、積み重ねられた基板内のパターンがＺ軸に沿ってシフトされる、複数のパターン基板を積み重ねることによって製作するための本発明の方法のさらに別の例を示す。 図６Ａは、各々がＬＯＥの本体内に埋め込まれた複数の間隔が空けられた光導領域とともに構成された、複数のＬＯＥを、各基板内の領域がＺ軸に沿って延在し、Ｘ軸およびＺ軸の両方に沿って間隔が空けられて、積み重ねられた層内のパターンがＸ軸に沿ってシフトされる、複数のパターン基板を積み重ねることによって製作するための本発明の方法のなおさらなる例を示す。 図６Ｂは、各々がＬＯＥの本体内に埋め込まれた複数の間隔が空けられた光導領域とともに構成された、複数のＬＯＥを、各基板内の領域がＺ軸に沿って延在し、Ｘ軸およびＺ軸の両方に沿って間隔が空けられて、積み重ねられた層内のパターンがＸ軸に沿ってシフトされる、複数のパターン基板を積み重ねることによって製作するための本発明の方法のなおさらなる例を示す。 図６Ｃは、各々がＬＯＥの本体内に埋め込まれた複数の間隔が空けられた光導領域とともに構成された、複数のＬＯＥを、各基板内の領域がＺ軸に沿って延在し、Ｘ軸およびＺ軸の両方に沿って間隔が空けられて、積み重ねられた層内のパターンがＸ軸に沿ってシフトされる、複数のパターン基板を積み重ねることによって製作するための本発明の方法のなおさらなる例を示す。 図６Ｄは、各々がＬＯＥの本体内に埋め込まれた複数の間隔が空けられた光導領域とともに構成された、複数のＬＯＥを、各基板内の領域がＺ軸に沿って延在し、Ｘ軸およびＺ軸の両方に沿って間隔が空けられて、積み重ねられた層内のパターンがＸ軸に沿ってシフトされる、複数のパターン基板を積み重ねることによって製作するための本発明の方法のなおさらなる例を示す。 図６Ｅは、各々がＬＯＥの本体内に埋め込まれた複数の間隔が空けられた光導領域とともに構成された、複数のＬＯＥを、各基板内の領域がＺ軸に沿って延在し、Ｘ軸およびＺ軸の両方に沿って間隔が空けられて、積み重ねられた層内のパターンがＸ軸に沿ってシフトされる、複数のパターン基板を積み重ねることによって製作するための本発明の方法のなおさらなる例を示す。 図６Ｆは、各々がＬＯＥの本体内に埋め込まれた複数の間隔が空けられた光導領域とともに構成された、複数のＬＯＥを、各基板内の領域がＺ軸に沿って延在し、Ｘ軸およびＺ軸の両方に沿って間隔が空けられて、積み重ねられた層内のパターンがＸ軸に沿ってシフトされる、複数のパターン基板を積み重ねることによって製作するための本発明の方法のなおさらなる例を示す。 図７は、レンズが本発明のＬＯＥを組み込んで構成された眼鏡を示す。
前述のように、図１Ａは、従来型のＬＯＥデバイスにおける構成および動作（光伝搬方式）を概略的に示し、図１Ｂおよび図１Ｃは、光導面が、その主要な面（複数可）から間隔を空けて、ＬＯＥデバイスの基板内に完全に埋め込まれていることを提供する、改善されたＬＯＥ構成の２つの例を示す。
ここで、本発明に従って構成されたＬＯＥデバイス２００の一部を概略的に示す、図２を参照する。理解を容易にするため、本発明の全ての例および前述した既知のデバイスに共通している構成要素を識別するために、同じ参照番号が使用される。
ＬＯＥ２００は、２つの主要な面２６および２８ならびに１つ以上の光導面２２を有する光学的に透明な本体２０を含む。ＬＯＥは、従って、本体２０を通る一般的な伝搬方向Ｄにおける入力光を、主要な面２６および２８からの光の全内面反射によって導くように構成され、そのように伝搬する光の光導面（複数可）２２との相互作用が、本体から出る光を１つ以上の出力方向に向かってカップリングする。ＬＯＥ２００は、光導面（複数可）２２の全てが、主要な面から間隔を（均等かどうかに関わらず）空けて、本体２０の体積内に完全に埋め込まれるように構成される。ＬＯＥ２００は、本体２０が、概ね６０において、１つ以上の内部界面を含み、そこで、各内部界面は、主要な面の間に延在し、かつ界面の全て（最も単純な場合には、１つだけのかかる界面があり得る）が光導面（複数可）２２のそれ／それらに平行な平面内に配置され、光導面（複数可）２２は、領域（複数可）内、それぞれ、かかる１つ以上の界面６０に配置されるように製造される。
以下は、本発明のＬＯＥデバイスを製作するための本発明の製作方法のいくつかの例である。各ＬＯＥが単一の光導領域を含む、ＬＯＥのための複数の本体を同時に製造する最も単純な例が、図３Ａ〜図３Ｄに示されており；各ＬＯＥが、Ｘ−Ｚ平面に、Ｘ軸およびＺ軸の１つに沿って間隔を置いた平行関係で配列された２つ以上の光導面２２のアレイを含む（光導領域はＺ軸に沿って延在する細長であり得る）、複数のＬＯＥの本体を同時に製造するためのもっと実用的な例が、図４Ａ〜図４Ｅ、図５Ａ〜図５Ｇ、および図６Ａ〜図６Ｆを参照して、以下で説明される。
図３Ａに示すように、パターン基板７０が準備される。パターン基板７０は、少なくとも１つの表面パターン７２Ａがその表面７０Ａの少なくとも１つ上にある光学的に透明な平面体２０を有する。具体的には示されていないが、反対側の表面７０Ｂも表面パターンを備え得ることを理解すべきである。パターン７２Ａは、基板２０の光学的に透明な領域７４によって間隔を空けられた、間隔を置いて、平行な光導領域２２（一般に少なくとも２つのかかる領域）のアレイの形式である。典型的には、領域２２および７４は、それぞれ、所望の光導材料（例えば、少なくとも部分的に反射するか、または回折を生じる）によって被覆された領域および非被覆領域である。この例における光導領域２２は、細長でＺ軸に沿って延在し、光学的に透明な非被覆領域７４をそれらの間に含み、Ｘ軸に沿った間隔の空いた関係に配列される。表面パターン７２Ａは、光学被覆工程に続いて、またはそれに先行して、リソグラフィ（ネガ型またはポジ型）、直接描画などの任意の既知の適切な技術を使用して作成され得る。
光導領域２２は２次元アレイで配列され得る、すなわち、光導領域はＸ軸およびＺ軸の両方に沿って間隔を置かれ得ることに留意すべきであり、それについては、以下でさらに詳細に説明される。
次いで、パターン基板７０が、光学的に透明な層７６の間に囲まれる（または、少なくともパターン表面７０Ａがかかる層７６によって覆われる）。このようにして、Ｙ軸に沿って１つを他の上に積み重ねた、光学的に透明な層（基板）２０、７６を含み、光導領域２２のパターン７２Ａが層の間の界面５０に配置される、多層スタック８０が、光学接着剤で接着することによって作製される。前述のように、別の表面パターンが表面７０Ｂ上に作成され、従って、表面７０Ｂと他の光学的に透明な層７６との間の界面に配置されるような構成であり得る。
次いで、ダイシング／カッティングが、Ｘ−Ｚ平面と所定の角度で交差して、光学的に透明な非被覆領域７４を通過するダイシング面８２に沿って、スタック８０（図３Ｃ）に適用される。これにより、複数のＬＯＥの本体２０−本例では１１のかかる本体が製作され、その１つだけが図３Ｄに示されている。各かかるＬＯＥは、ＬＯＥの本体２０内に完全に埋め込まれて、主要な面と前記角度を形成する、１つの光導領域２２を有する。図のように、かかるＬＯＥは、光導面２２と平行な平面内に配置される界面５０以外の内部界面を有しておらず、前記光導面は、本体２２の外表面から間隔を空けて、界面５０の領域上に配置される。
これらの外側の主要な面は、次いで、ＬＯＥの主要な反射面を作製するために、硬質被覆（ＨＣ：Ｈａｒｄ Ｃｏａｔｉｎｇ）、傷防止被覆、超疎水性被覆、防汚被覆（ａｎｔｉ−ｓｍｕｄｇｅ ｃｏａｔｉｎｇ）、抗菌および防汚被覆（ａｎｔｉ−ｆｏｕｌｉｎｇ ｃｏａｔｉｎｇ）、反射防止被覆を含むが、それらに限定されない、様々な被覆の塗布によってさらに処理され得る。これらの被覆を作製するための方法は、浸漬被覆、回転塗布、吹き付け塗布、金型被覆、キャピラリ被覆、ロール塗布、カーテン／ナイフ塗布、バー塗布などの液体／溶剤型塗布、または様々な印刷技術を含み得るが、それらに限定されず、硬化ステップ（例えば、ＵＶ／電子ビーム／熱硬化）および追加の研磨ステップをさらに含み得る。代替として、蒸着または光学被覆のスパッタリングのような乾式被覆が適用され得る。ここでは詳細に示されていないが、ダイシング工程によって生じた各本体に、縁切り工程が適用でき、それにより、一般的な伝搬方向における入力光を主要な面からの全内面反射によって導き、ＬＯＥから出た光を光導面との相互作用によってカップリングする所望の構成のＬＯＥを製作することも留意すべきである。
前述のように、本発明の方法は、各々が光導面のアレイを含む、多数のＬＯＥを同時に製造するために好都合に使用できる。かかる方法の１つが図４Ａ〜図４Ｅに例示されている。この例では、本方法は、図３Ａの基板と概ね類似したパターン基板７０（図４Ａ）の準備から始まる。基板は、任意の既知の適切なパターニング技術を使用して準備される。
パターン基板７０は、Ｙ軸に沿って光学接着剤で１つを他の上に配列する方法で光学的に接着されて（図４Ｂ）、上部と下部の光学的に透明な層の間に囲まれ得るか、または一番上のパターン表面だけが光学的に透明な層によって覆われ得る。これによって、多層スタック８０が製作される。かかるスタック８０では、パターン７２が隣接する層の間の界面に配置される。また、かかるスタックでは、異なる平面内に配置されたパターン７２がＸ軸に沿って相互に関して所定のシフト値Δｘでシフトされる。シフト値Δｘは、層内の隣接する光導領域２２間の被覆されていない光学的に透明な領域７４の最小のＸ寸法Ｘｕｎｃｏａｔよりも小さい。かかるシフトされたパターンの構成は、必要なパターンのシフトをもつパターン層を準備することによるか、または同様のパターン層を必要な横方向シフトで積み重ねることによるかのいずれかで獲得できる。
次いで、前述のダイシング／カッティング工程が、Ｘ−Ｚ平面と交差してＸ−Ｚ平面と所定の角度θを形成し（図４Ｄに示すとおり）、全パターン層内のスペーサ領域７４を通過するダイシング面８２に沿って、多層スタック８０（図４Ｃおよび図４Ｄ）に適用される。この工程は、各々が、図４Ｅに示すように、主要な面から間隔を空けて、主要な面に関して角度θで配向されるように、本体２０内に全てが完全に埋め込まれた複数の光導領域２２とともに形成されて構成された、複数のＬＯＥの本体を生じる。また、縁切り工程が、スタック８０全体に、またはダイシング工程によって生じた各ＬＯＥ本体に別々に、のいずれかで適用できる。
光導領域２２の間のスペーサ／非被覆領域７４の寸法、およびスタックに適用されるダイシングのパラメータが、光導領域２２のＬＯＥの主要な面からの距離（複数可）を画定することを理解すべきである。図４Ｆに例示するように、ＬＯＥ２０内の光導領域２２は、同じか、または異なる寸法の領域、および主要な面から均等に、または異なって間隔が空いている領域を含むような構成であり得る。
図５Ａ〜図５Ｇは、各々が光導領域のアレイを有する、複数のＬＯＥを製作するための本発明の方法の別の例を示す。まず、複数のパターン基板が準備され、１つのかかるパターン基板７０が図５Ａに示されている。パターン基板は、表面パターン７２Ａを少なくとも１つの表面７０Ａ上にもつ、光学的に透明な平面体２０を有する。前述のように、基板の反対側の表面も表面パターンを備え得る。パターン７２Ａは、Ｘ軸に沿って光学的に透明な（被覆されていない）領域７４によって間隔が空けられた、２つ以上の間隔を置いて、平行な光導領域２２（反射するか、部分的に反射するか、または回折を生じる材料などの、必要な光方向変換材料で被覆された領域）の形である。この例では、光導２２領域は、Ｚ軸に沿って延在する細長（線）である。表面パターン７２Ａは、光学被覆工程に続いて、またはそれに先行して、リソグラフィ（ネガ型またはポジ型）、直接描画などの任意の既知の適切な技術を使用して作成され得る。
複数のパターン基板７０が、上部と下部の光学的に透明な層／平面７６（図５Ｂ）の間に囲まれるように準備される。パターン基板７０は、次いで、光学接着剤を使用して、Ｙ軸に沿って１つを他の上に配列する方法で積み重ねられて（図５Ｃ）、上部と下部の光学的に透明な無地の板７６の間に囲まれる（または一番上のパターン表面だけが光学的に透明な板７６によって覆われ得る）。これによって、多層スタック８０が製作される。かかるスタック８０では、パターン７２（光導領域）が隣接する層の間の界面５０に配置される。また、かかるスタック８０では、基板は、Ｚ軸に沿って相互に関して所定のシフト値Δｚでシフトされる。
多層スタック８０に適用されているダイシング／カッティング工程が、図５Ｄに示されている。図のように、ダイシング面８２は、Ｘ−Ｚ平面と交差してＸ−Ｚ平面と所定の角度を形成する（図４Ｄを参照して前述したとおり）。この工程は、複数のＬＯＥ基板を生じ−１つのかかる基板２０を図５Ｅに示している。
前述し、図５Ｄに例示するように、ダイシング面８２の１つだけが透明領域を通過し、他方、他のダイシング面／カットは、層の反射被覆と交差して、それを異なるＬＯＥ間で分割する。図５Ｅに示す基板２０は、その中に埋め込まれた光導領域の２つのアレイ７８Ａおよび７８Ｂを有し（一般的には、各最初の基板７０内のパターンに応じて、２つ以上のアレイ）、アレイ内の光導領域は、Ｚ軸に沿って間隔の空いた関係で配列されて、２つのアレイは、Ｘ軸に沿ってそれらの間に空間８４を含んで配列される。埋め込まれた光導領域のアレイ７６Ａおよび７６Ｂをそれぞれ含む、２つのＬＯＥ本体２０Ａおよび２０Ｂを取得するために、さらなるダイシング／カッティングステージが、かかる多重アレイ基板（図５Ｆ）内の空間領域８４に任意選択として適用され得る。図５Ｇに示すように、そのように取得されたＬＯＥの基板／本体の各々は、縁切りおよび研磨をさらに受ける。光導領域２２は、主要な面２６および２８に関して角度θで配向されて界面５０内に配置され、領域２２は、主要な面から適切に間隔を空けられる。
図５Ｆのカッティング工程は代替として、図５Ｄ（すなわち、平面８２に沿ったダイシング）に例示するダイシング工程の前に、図５Ｃのスタック８０全体に適用できることを理解すべきである。この場合、図５Ｄのダイシングは、２つのそのように取得された単一アレイスタックの各々に、２度、別々に適用されるであろう。
ここで、各々が複数の光導領域をもつ、複数のＬＯＥを同時に製作するための本発明の方法のさらなる例を示す、図６Ａ〜図６Ｆを参照する。この例は、実際には、図５Ａ〜図５Ｇのものに対する代替である。
図６Ａは、複数のパターン基板７０の１つを示す。しかし、この例では、基板７０の１つのパターン表面（一般に、少なくとも１つの表面）が、Ｘ軸およびＺ軸の両方に沿って間隔の空いた関係で配列された光導領域の２次元アレイの形でパターンを有する。前述のように、光導領域は、所望の光導材料で被覆されて、基板の非被覆領域によって間隔が空けられている。従って、パターンは、領域２２の２つのアレイ７２Ａおよび７２Ｂによって形成されていると記述され得、アレイは、Ｚ軸に沿って間隔が空けられていて、各アレイの領域２２はＸ軸に沿って間隔が空けられている。
複数のパターン基板７０が準備されて、図６Ｂに示すように、異なる基板のパターンが、Ｘ軸に沿って相互に関して所定のシフト値Δｘでシフトされるように、１つが他の上に置かれる。シフト値Δｘは、層内の隣接する光導領域２２間の被覆されていない光学的に透明な領域７４の最小のＸ寸法Ｘｕｎｃｏａｔよりも小さい。パターン間でかかるシフトを獲得するために、初めに準備された基板がシフトされたパターンを有するか、もしくは同様のパターン基板が、かかるシフトで積み重ねられるか、または両方の技術が使用されるか、のいずれかであることを理解すべきである。
パターン基板は、スタック８０（図６Ｃ）を形成するために、１つを他の上に配列する方法で、光学接着剤で光学的に接着されて、上部と下部の光学的に透明な層７６の間に囲まれ得る（または一番上の層によって覆われるだけ）。かかるスタック８０では、パターン（光導領域２２）が隣接する層／基板の間の界面５０に配置される。
図３Ｃおよび図４Ｃに関して前述したのと同様に、ダイシング／カッティング工程が、前述のように、Ｘ−Ｚ平面と交差して、それと所定の角度θを形成するダイシング面８２に沿って、多層スタック８０（図６Ｄ）に適用される。複数の本体の１つである、結果として生じるＬＯＥ本体２０が図６Ｅに示されており、縁切りおよび研磨工程後が、図６Ｆに示されている。前述のように、この例では、２つのアレイ間の空間でのＸ軸に沿ったダイシング／カッティングが、まず、スタック８０に適用され得、次いで、平面８２に沿ったダイシングが、結果として生じる半分のスタックの各々に適用され得る。各ＬＯＥ本体２０は、主要な面として機能する表面２６および２８から（均等かどうかに関わらず）間隔が空けられるように、本体内に全てが完全に埋め込まれた複数の間隔を置いて、平行な光導領域を有する。
本発明の方法（図３Ｄ、図４Ｅ、図５Ｇおよび図６Ｆ）によって作製されたＬＯＥは、光導面２２と平行な平面内に配置される界面５０以外の内部界面を有しておらず、前記光導面は、主要な反射面として使用される、本体２２の表面から間隔を空けて、界面５０の領域内に配置されることを理解すべきである。
図７は、本発明の構造（ＬＯＥ）が眼鏡内にどのように組み込むことができるかを例示する。眼鏡内の各レンズは、それに取り付けられたＬＯＥとして形成されるか、またはそれを保持し、仮想画像源と一緒に使用される場合、光導面は仮想画像光を装着者の目の方に向ける。

Claims (10)

  1. 複数の平行なダイシング面に沿って分割されて２つ以上の導光光学素子（ＬＯＥ）を作製するように構成された中間作業生産物である光学的構造であって、各ＬＯＥが、本体を通る一般的な伝搬方向における入力光を、前記本体の主要な面からの光の全内面反射によって導くための光学的に透明な本体を含み、前記本体から出た前記入力光を１つ以上の出力方向にカップリングするための光導面を含むように構成され、前記光導面が、前記本体の前記主要な面から間隔を空けて、前記主要な面に関して所定の角度で傾斜して、前記本体の体積内に完全に埋め込まれ、前記光学的構造が、複数の光学的に透明な層のスタックとして構成されており、
    前記光学的に透明な層の各々が、Ｘ−Ｚ平面内に配置された平面であって、平行な伸長方向を有する複数の細長い光導領域の表面パターンが設けられた平面を有しており、前記光導領域は、少なくともＸ軸に沿って間隔が空いてその間に光学的に透明な空間を含んでおり、
    前記表面パターンの各々が、２つの隣接する層の間の界面に配置されて、前記層の前記パターンが、前記Ｘ軸およびＺ軸の１つに沿って所定のシフト値で隣接する層に対してシフトされるように、前記複数の層が、Ｙ軸に沿って１つを他の上に積み重ねられ、
    複数の平行なダイシング面に沿ってＸ−Ｚ平面と交差して前記Ｘ−Ｚ平面と所定の角度を形成する前記光学的構造のダイシングが、前記光学的構造を前記Ｘ軸およびＺ軸の前記１つに沿って間隔の空いた複数のスライスに分割して、前記ＬＯＥの素子のための複数の本体を生成するように、前記光導領域の表面パターンおよび前記光学的に透明な空間が配置されており、前記本体の各々は、ＬＯＥの本体内に完全に埋め込まれている間隔の空いた平行な光導領域の内部のアレイを有して、前記ＬＯＥの本体の主要な面に対して前記所定の角度で傾斜していることを特徴とする光学的構造。
  2. 請求項１に記載の光学的構造において、前記複数の層が、前記Ｘ軸およびＺ軸の前記１つに沿ったシフトを有してＹ軸に沿って１つが他の上に積み重なっていることにより、前記層のパターンが当該シフトを有して配置されるよう設けられていることを特徴とする光学的構造。
  3. 請求項１に記載の光学的構造において、前記複数の層が、異なる厚さの少なくとも２つの層を有すること特徴とする光学的構造。
  4. 請求項１に記載の光学的構造において、前記パターンの光導領域が、前記Ｘ軸およびＺ軸に沿って間隔を空けて配置されていることを特徴とする光学的構造。
  5. 請求項１に記載の光学的構造において、前記光導面が、入力光に異なる影響を与える異なる光学特性を有する表面を含むことを特徴とする光学的構造。
  6. 請求項１に記載の光学的構造において、前記光導領域が、反射および回折効果のうちの少なくとも１つによって光を導く領域を含むことを特徴とする光学的構造。
  7. 請求項１に記載の光学的構造において、前記層のパターンが前記Ｘ軸に沿ってシフトされて配置されており、当該シフトは、前記Ｘ軸に沿った前記光導領域の間の最小間隔よりも値が小さいことを特徴とする光学的構造。
  8. 請求項１に記載の光学的構造において、前記光導面が、前記ダイシング面の主要な面からほぼ等しい間隔を空けた複数の表面を含むことを特徴とする光学的構造。
  9. 請求項１に記載の光学的構造において、前記光導面が、前記ダイシング面の主要な面から異なる間隔を空けている異なる寸法の複数の表面を含むことを特徴とする光学的構造。
  10. 主要な面を含み、本体を通る一般的な伝搬方向における入力光を前記主要な面からの光の全内面反射によって導くように構成された、光学的に透明な本体を含み、前記本体から出る前記入力光を１つ以上の出力方向に向けてカップリングするために構成されて、前記主要な面から間隔が空けられるように、前記本体の体積内に完全に埋め込まれている、少なくとも１つの光導面を保持する、光学的に透明な本体を含む、導光光学素子（ＬＯＥ）であって、前記ＬＯＥは：
    請求項１に記載の光学的構造を提供するステップと、
    Ｘ−Ｚ平面と交差して当該Ｘ−Ｚ平面と所定の角度を形成する複数のダイシング面に沿って前記光学的構造をダイシングするステップであって、前記光学的構造を前記Ｘ軸およびＺ軸の１つに沿って互いに間隔の空いた複数のスライスに分割することにより、前記ＬＯＥのための複数の本体を画定し、当該本体の各々が、ＬＯＥの本体内に完全に埋め込まれている間隔の空いた平行な光導領域の内部のアレイを有して、前記ＬＯＥの本体の主要な面に対して前記所定の角度で傾斜しているものであるステップと、
    を含む方法によって製造されることを特徴とする方法。
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