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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