JPH10513575A

JPH10513575A - 回析性光学素子の成形法

Info

Publication number: JPH10513575A
Application number: JP8524300A
Authority: JP
Inventors: ウイリアム・エイチ・ウェルチ; ロバート・デー・テコルステ; ミカエル・アール・フェドマン
Original assignee: デジタル・オプティクス・コーポレーション
Priority date: 1995-01-31
Filing date: 1996-01-31
Publication date: 1998-12-22
Also published as: US5825741A; EP0873237A2; WO1996024864A2; EP0873237A4; AU5020696A; US6021106A; US5728324A; WO1996024864A3

Abstract

(57)【要約】所望の複レベル回折パターンの型（１５）を、フォトリソグラフィ法を用いて石英原板（１４）の鋳型表面上にエッチングし（５０）、この石英原板（１４）を鋳型の一部として組み付け（５２）、プラスチック成形材料を鋳型（５６）内及び石英原板（１４）の鋳型表面に対して射出して回折性光学素子（２４）を射出成形するする工程を含む、回折性光学素子（２４）の製造方法。回折パターン（１５）はＶＬＳＩフォトリソグラフィ法を用いて石英原板（１４）上に形成されることが好ましい。

Description

【発明の詳細な説明】発明の名称回折性光学素子の成形法発明の背景本発明は、光学素子及びその生産の向上に係り、特に少なくとも一方の面に回折性を有する光学素子に関する。回折性光学技術は、頭部装着型表示装置、ファイバー光学カップラ及びコネクタ用の焦点合わせ及び視準のための光学系、並びにその他光学相互接続装置等のような、解像度の高い画像装置を含む多くの光学系装置において、必要度が増してきている。回折性光学素子の一種として、「自然ホログラム」が知られている。この自然ホログラムは、写真乾板上でコヒーレント光線を干渉させ、この写真乾板を現像することによって製作される。このようなホログラムの一例として、米国特許番号4,607,914 であるFienupの“Optical Systems and Design Techniques Using Holographic Optical Elements"が挙げられる。しかしながら、これらの自然ホログラムは量産が困難である。このようなホログラムの量産問題を解決するために、計算機生成ホログラム(C GH's)が開発されている。CGH's は、特定の機能を行うための所望のホログラフパターンを算出し、そのパターンをガラス又は他の基板上にフォトリソグラフィ法又はその他の技術を用いて形成することによって製作される。この技術は、例えば米国特許番号4,960,311 であるMoss et al．の“Holographic Exposure Sys tem for Computer-Generated Holograms"に説明されている。自然ホログラムが、レンズやプリズム等の従来の屈折性光学素子を置き換えるために用いられる場合、この自然ホログラムは、一般的にホログラフ性光学素子 (HOE's)と呼ばれる。CGH's が同様の屈折性光学素子を置き換えるために用いられる場合にHOE's をCGH's から区別するために、このように用いられるCGH's は一般的に回折性光学素子(DOE's)と呼ばれる。自然ホログラムが元来アナログであるのに対し、CGH's は元来デジタルである。すなわち、CGH の計算は、離散的位置（よく「画素」と呼ばれる）におけるCGH パターンを計算し、位相関数及び振幅関数を離散的準位に量子化することによって行われる。これは、主にCGH's の製作を容易にするために行われる。例えば、米国特許番号4,895,790 であるSwanson et al.の“High Efficiency ，Multi-Level，Diffractive Optical Elements"には、２^N（大文字“N”は使用されるマスク及びエッチング工程の数）の位相レベルを含むCGH's の製作が述べられている。これは一般的に「フォトリソグラフィック」な方法と呼ばれる。あるDOE's はダイヤモンド旋削によって形成され、ダイヤモンド旋削生産に関する詳細は、Laser Focus World １９９４年１０月号所載のMichael R．Feldman による“Diffractive Optics Move into the Commercial Arena”に述べられている。この記事の開示内容は以下で参照される。ダイヤモンド旋削は、複レベルDOE よりはむしろ連続DOE を産出する。すなわち、ブレーズド回折格子が必要な場合、各周期のブレーズは、複レベルDOE の階段状近似とは対照的に、滑らかに形成される。連続パターンの方が好ましいが、連続パターンの製作を可能にする方法は、フォトリソグラフィ法の持つ多くの利点を有してはいない。例えば、ダイヤモンド旋削で製作できるフリンジの数は、通例数百以下に限られる。また、製作できる最も小さい格子周期は、通例５〜２０ミクロンに限られる。一方、フォトリソグラフィ法は、何千ものフリンジを１〜２ミクロンの格子周期でDOE に組み込むことができる。直接書き込み式のフォトリソグラフィ法も（特許番号 4,895,790に述べられている従来のフォトリソグラフィ法とは対照的に）、複レベルDOE を製作するために使用することができる。直接書き込み式フォトリソグラフィ法では（Laser Fo cus World の記事にも述べられているように）、マスクを使用する代わりに、電子ビーム又はレーザーが、フォトレジストを所望のレベルに直接露出するために用いられる。マスクを使用しないことで、理論的には費用の節減とより良いアライメントとが実現できる。しかしながら、現在のところ、この技術は従来のフォトリソグラフィ法のようには業務用として実用化されていないが、この技術ではエッチング深さの制御が不正確であることにその一因がある。しかしながら、ダイヤモンド旋削又はフォトリソグラフィ法によって個々にDO E's を製作することは、非常に速度が遅いとともに、費用がかかる工程である。ところが、フォトリソグラフィ法は、多数のDOE's を同時に生産するために使用することもできる。これは多くの場合DOE's の価格を安くできるものの、一般的なDOE's 製品は（用途によるが）、さらに多くの場合、プラスチック屈折レンズよりも高価である。このことは、特に直径0.25 から 0.5インチ以上のレンズにおいて、顕著である。フォトリソグラフィ法による生産が比較的高コストであるのは、使用する材料が高価なことにある程度原因がある。例えば、直径１インチの精密プラスチック屈折レンズは、レンズ１個当たり１ドル〜５ドル以下であるが、これはフォトリソグラフィ法で製作された同等のDOE レンズの材料費より高額である。フォトリソグラフィ法で使用される最も一般的な基板材料は、4,895,790 特許にあるように、石英（二酸化珪素）のようなガラス系である。両面研磨石英基板の通常価格は、１平方インチ当たり約３ドル５０セントである。米国特許番号5,013,494 は、他のDOE's 形成方法を教示している。この特許は、傾斜イオンビーム研磨法を用いた方法を教示している。これは、連続的なブレーズ機能を与えるが、このブレーズは一方向に限られている。つまり、直線回折格子が必要であり、ブレーズ角は変更できない。 DOE'sの機能は、HOE's のそれとは多少異なる。HOE's は通常厚く、この厚みがブラッグ選択性を与えている。ブラッグ選択性とは、１つの特定の波長に対する「ブラッグ角」として知られる、１つの特定の角度で非常に高い回折効率があることである。他の波長及び／あるいは他の角度の光は、影響を受けることなくホログラムを透過する。ブラッグ選択性は、ホログラムが厚いことを必要とする。このため、厚みは、回折格子がその表面以外にも情報を有していることを意味する。すなわち、回折格子は、平面構造ではなく、むしろ立体構造である。 DOE's は、フォトリソグラフィ法又はエンボシングによって量産できるという利点を有する。しかしながら、厚いHOE's は、量産できないため、量産されるDO E's よりも高額になる。薄いDOE's は、しばしばエンボシングによって複製される。エンボシングによるDOE's の複製は、フォトリソグラフィ法による量産方法と似た欠点を持つ。高精度のDOE のエンボシングによる複製には、丈夫で研磨された透明な基板が必要である（そうでなければ反り又は歪みが生じてしまう）。一般的には、石英のようなガラスが使用され、その材料費はフォトリソグラフィ法の材料費とほぼ同じである。屈折部品のプラスチック射出成形は、当業者によく知られている。大抵、原板屈折素子は、ダイヤモンド旋削によって生産される。原板は、ニッケル又は鉄のような金属に直接ダイヤモンド旋削して作られる。この金属原板は、その後機械加工されて、型にボルト固定される。あるいは、原板は、石英のような機械加工しにくい素材で作ることもできる。石英原板は、よく知られている電気鋳造法によってニッケル原板に変換することができる。しかしながら、低価格での、DOE's の量産、特に複レベルDOE's の量産は未だ不可能である。低価格でのD0E's の量産に使用できる射出成形のような生産技術は、現在も必要とされつづけている。発明の要約本発明はこの必要性を満たすため、鋳型表面上に所望の回折パターンの型を有する原板素子を、鋳型の一部として組み付け、鋳型内部及び原板素子の鋳型表面に対して成形材料を射出して回折性光学素子を射出成形する工程を含み、それによって光学素子にその表面上に所望の回折パターンを持たせる、回折性光学素子の製作方法を提供する。準備工程は複レベル回折として回折パターンを用意してもよい。組み立て工程は石英の原板素子の準備を含んでもよい。また、この方法は所望の回折パターンの型をフォトリソグラフィ法を用いて原板素子上にエッチングする予備工程を含んでもよい。通常、射出工程はプラスチック材料の射出を含む。本発明はまた、所望の回折パターンの型が形成された鋳型表面と、対向表面と、を有する第１の原板素子を準備し、所望の回折パターン又は屈折性形状の型が形成された鋳型表面と、対向表面と、を有する第２の原板素子を準備し、前記各原板素子を、それぞれの鋳型表面が射出成形機において対向するように方向合わせし、一方の面に回折パターンを有し他方の面に回折パターン又は屈折性形状を有する、射出成形された光学素子を成形するために、適当な基盤材料を前記射出成形機内に射出する、各工程を含み、回折性光学素子又は回折性／屈折性複合素子を低コスト及び高い生産性をもって製造できることを特徴とする。前記準備工程のうちの１つ又は両方は、前記回折パターンを複レベル回折として用意する工程であってもよい。また、前記準備工程のうちの１つ又は両方は、石英の原板素子を用意する工程を含んでもよい。この方法は、フォトリソグラフィ法を用いて前記原板素子のうちの少なくとも１つの上に前記所望の回折パターンの前記型をエッチングする予備的工程をさらに含んでもよい。前記射出工程は、プラスチック基板材料を射出することによって行われることが好ましい。前記準備工程は、前記第１及び第２の基板素子のうちの少なくとも１つにその前記対向表面上にアライメントキャビティを設ける工程を含み、前記方向合わせ工程は、前記射出成形機に取り付けられているアライメントピンを前記アライメントキャビティに挿入する工程を含んでもよい。前記準備工程は、前記第１及び第２の基板素子の前記対向表面上にアライメントキャビティを設ける工程を含み、前記方向合わせ工程は、アライメントピンを前記アライメントキャビティ及び前記射出成形機のキャビティに挿入し、それによって前記基板素子が互いに方向合わせされるようにする工程を含んでもよい。本発明はまた、複レベル回折パターンが成形された表面を有する射出成形品を含むことを特徴とする光学素子を提供する。この素子は好ましくはプラスチック材料から成るのがよい。１つの実施例では複レベル回折パターンは計算機生成ホログラムである。本発明はまた、第１の表面及び第２の表面を有する、射出成形によって形成された光学素子であって、前記第１の表面及び第２の表面は、それぞれ複レベル回折パターンを有することを特徴とする光学素子を提供する。別の実施例では第１の表面は複レベル回折パターンが形成され、第２の表面は光を屈折するように形成されている。本発明はまた、アライメントピンが表面に取り付けられ、前記アライメントピンが射出鋳型の中のアライメントキャビティに嵌入されることによって、前記射出鋳型の正確な位置決めを可能とすることを特徴とする射出成形ピンを提供する。また本発明は、表面に１つ又はそれ以上のアライメントキャビティを有し、アライメントナッブが前記アライメントキャビティに嵌入されることによって、前記アライメントナッブに取り付けられている又は連通している射出鋳型の正確な位置決めを可能とすることを特徴とする射出成形ピンを提供する。本発明は更に、第１及び第２の面を有する鋳型原板であって、第１の面は回折性の光学的凹凸を有する成形された光学素子上の起伏の伝達に適しかつフォトリソグラフィ法によって鋳型原板上に形成される、光学素子を形成するための鋳型原板を提供する。この回折性の光学的凹凸は第１の面の大部分を占め、また各凹凸のサイズはおよそ１ミクロンである。デジタル光学素子は、適当な光源とセンサとを有しデジタル光学素子が光源とセンサとの間のレンズの役割をする、頭部装着型表示装置、バーコードスキャナ及びコンパクトディスクプレーヤを含む、様々な製品に使用することができる。図面の簡単な説明本発明は以下の好ましい実施例の詳細な説明を読み図面を吟味することによってより理解されるであろう。図１は、本発明の実施例による原板を装着した型を見通した概略断面図であり、図２は、本発明の他の実施例による原板を装着した型を見通した概略断面図であり、図３は、２つの面に複レベル回折性を有するデジタル光学素子の上部を示した大倍率で拡大した概略断面図であり、図４は、一方の面が他面と共役である２つの面に複レベル回折性を有するデジタル光学素子の上部を示した大倍率で拡大した概略断面図であり、図５は、一方の面に複レベル回折性を有し他面に屈折面を有するデジタル光学素子の上部を示した大倍率で拡大した概略断面図であり、図６は、好ましい実施例による光学素子の製作工程のフローチャートであり、図７は、本発明の実施例によるバーコードスキャナの概略図であり、図８は、本発明の実施例によるコンパクトディスクプレーヤの概略図であり、図９は、本発明の実施例による頭部装着型表示装置の概略図である。好適な実施例の詳細な説明本発明は、回折面を有する光学素子を射出成形によって低コストで製造する方法を提供する。図１は、好適な射出成形機の概略図である。成形機１０は、殆どの部分が従来のものであり、光学素子を成形する成形キャビティ１１を有する。成形ピン２０は、成形キャビティ１１内を往復し、成形の際に閉じるとともに、成形された製品を取り出す際に開くようになっている。１つ又はそれ以上の射出口２２が、成形ピン２０が閉じている際に溶融材料をキャビティ１１に射出して光学素子を形成することができるように、適当に位置決めされている。回折性の型素子１４は、成形ピン２０上に装着される。孔１８が、成形ピン２０上に形成された中心決めピン１６を受けるために、回折性型素子１４の下面に形成されている。キャビティ１１の上端は、屈折性の型素子１２に接している。屈折性型素子１２の屈折性曲面は、任意のものでよい。型素子１２は、それによって成形されるレンズ表面が回折性型素子１４によって成形される表面と好ましくは協同するように、ネガティブ、ポジティブのどちらであってもよい。あるいは、屈折性型素子１２は、回折性型素子１４と同様な回折性の型素子によって代替可能である。回折性型素子１４は、その上面に凹凸(feature)１５を有し、凹凸１５は、成形される素子のネガレリーフ像である。よって、それは、成形される回折性凹凸のネガであり、その最小の凹凸サイズは約１ミクロンである。通常、回折性の光学凹凸は、回折性基板によって形成される素子の面の大部分を占める。他に、凹凸の最小サイズが１／２ミクロン以下であるものも考案されている。もちろん、より大きな凹凸を成形することもできる。スワンソンらの米国特許５，２１８，４７１号及びスワンソンらの米国特許４，８９５，７９０号に開示されたＶＬＳＩフォトリソグラフィ法を用いて、回折性型素子１４の表面に凹凸１５を形成する。当業者にはよく知られているとおり、屈折性型素子１２は、成形ピン２０のキャビティの反対側の端部において、図１の上部に位置する成形ピンにボルトで固定されるか、図１の上部の前記成形ピンに直接加工される。回折性型素子１４は、成形ピン２０に取り付けられる。好適な実施例では、成形ピン２０にボルトで固定された金属板によって、回折性型素子１４を機械的に抑える。フォトリソグラフィ法は、素子１４上に基準マークをマークするためにも用いることができ、それはまた、孔１８のためのマークを正確に位置させるために用いることができる。孔１８は、フォトリソグラフィ法又はその他の適当な技術によって形成される。中心決めピン１６及び孔１８は、成形の際に起こるような温度の急激な変化の間でも回折性型素子１４が成形ピン２０に対して移動しないように、協同する。当然、射出口２２から射出された溶融プラスチックは高温であり、そのため、大きな温度勾配と急激な熱膨張及び熱収縮とが生じる。孔１８とピン１６とによって中心合わせをすれば、上記のような熱効果が起こっても、回折性型素子１４の表面上の凹凸１５間の関係が歪むことはない。中心決めピン１６と孔１８とは、好ましくは締まり嵌めによって素子１４を固定し、それによれば、固定部と型素子との間の熱膨張の差が大きすぎるときには、型素子１４を破損させることができる。回折性型素子１４は、好ましくは石英から作られ、前述したスワンソンらの技術によって製造される。しかしながら、他の適当な材料を用いることもできる。石英が基板素子として好ましいのにはいくつかの理由がある。石英は、高温下、高圧下でも軟化せず、熱膨張係数が非常に小さい。また、石英は、フォトリソグラフィ法によって容易に模様をつけることができる。射出成形に用いるために、ダイヤモンド旋削によってニッケルやスチールのような金属に回折性の構造を形成することはできるが、そのような材料に複レベルの回折性を形成することは大変難しい。フォトリソグラフィ法及び他の複レベル技術で一般的に用いる材料は、石英及び珪素である。更に、通常複レベル回折性光学素子は、連続的な回折性光学素子よりも最小凹凸サイズが小さいため、熱膨張及び熱収縮による回折パターンの変形により敏感である。したがって、基板としては、金属（熱膨張係数が大きい）よりも、石英のような熱膨張係数の小さい絶縁体を用いるのが好ましい。しかしながら、複レベル回折性光学素子は、両面素子の各面の間のアライメントに関して要求が大きい傾向があり、ニッケルや鉄等の機械加工可能な原板基盤の必要性がでてくる。石英は、特許５，０１３，４９４号のブレーズド格子回折性光学素子の成形のための基板として用いられてきた。しかしながら、この場合は、単一の表面を成形するだけであるため、アライメントの必要性がないので、石英を用いる方が簡単であった。本発明は、フォトリソグラフィ法によって作られた石英基板を鋳型の中に直接用いることにより、上記のようなジレンマを解決できる。この基板は、回折性光学素子基板と成形キャビティの他の部分との間の熱係数の違いに関わらずアライメントを正確に行うことができる、新しいアライメント技術によってピンに取り付けられる。本発明でも鋳型素子１４が成形ピン２０から分離するのを防止するために機械的な圧迫部を必要とするが、この機械的な圧迫部はピン２０にボルトによって緩く固定され、熱膨張のずれを許容する。図２は、成形機の他の実施例を示している。この実施例では、成形ピン２０’ は、固定ピン１６を有する代わりに孔１９’を有している。回折性型素子１４は、図１の孔１８に相当する孔１８’を有する。独立した中心決めピン１６’は、孔１８’及び１９’に嵌入し、成形ピン上に基板を中心決めする。なお、図１若しくは図２のピン及び孔の形状は、円筒状である必要はなく、成形ピン上に基板素子を中心決めしやすいように、ピンの中央部から両端に向かっていくらか先細になっていることが望ましい。また、ピン１６若しくは１６’は、直立した板の形状に近くなるように１つの半径方向に延ばされていてもよく、その場合、孔１８’及び１９’（図１では孔１８）はそれに合った形状に延ばされる。この形状は、基板素子１４の成形ピン２０に対する回転を防ぐことができ、望ましい。図１及び図２に示されている成形素子１４及び１２は、図５に示すレンズ２４と同様な光学素子を作るために用いることができる。レンズ２４は、対向する屈折表面２８及び回折表面２６を備えている。屈折表面及び回折表面の各形状は、どのような光学的効果を望むかによって決められる。図３は、２つの有効面に回折表面３０、３４を有するプラスチックレンズ３２を示している。同様に、図４は、回折表面３６、４０を有するように成形されたプラスチックレンズ３８を示している。図４のブレーズパターンは、図５、図３に示す複レベル回折パターンを他の実施例に適用した場合に、何らかの結果を期待する場合に有効である。本発明に係る光学素子の成形において特に重要なのは、光学素子の少なくとも１つの面上に、ＶＬＳＩフォトリソグラフィ法や他の技術（例えば、電子線による直接書き込み、レーザー照射による直接書き込み）によって形成された回折パターンを用いることであり、これによって、例えば図３の面３０として示されているような複レベル回折構造が得られる。当業者は、任意の適用において望ましい形状を正確に得ることが可能である。図６は、本発明の好適な実施例における光学素子の成形に用いられる各ステップのフローチャートである。ステップ５０では、石英原板１４が、スワンソンらの技術又は他の適当なフォトリソグラフィ法によって、エッチングされる。そして、成形された石英原板は、ステップ５２で成形機１０内に組み付けられる。ステップ５４で鋳型が閉じられ、ステップ５６で成形材料が射出される。典型的な成形材料は、アクリルやＡＢＳのようなプラスチック、その他の適当な光学的性質を有するプラスチック材料である。ステップ５８でプラスチックが硬化させられ、ステップ６０で成形された光学素子が鋳型から取り出される。本方法によって成形された光学素子は、広範囲の様々な製品に用いることができる。図７に示すように、回折性光学素子７０、７８は、バーコードスキャナ７０の一部として用いることもできる。バーコードスキャナ７０は、レーザー７２を含み、レーザー７２からの出力は回折性光学素子７４を介してバーコード７６上で焦点が合う。バーコード７６からの反射光は、回折性光学素子７８によって調整され、センサ８０によって検知される。図８に示すように、回折性光学素子９４、１００は、コンパクトディスク読み取り装置９０の一部として用いることもできる。装置９０はレーザー９２を含み、レーザー９２は、コンパクトディスクサポート９８によって支持されるコンパクトディスク９６で反射されるように、レーザを回折性光学素子９４を介して送る。反射光は、回折性光学素子１００を通過し、従来の方法でセンサ１０２によって検知される。もちろん、同様の技術を、ビデオディスクプレイヤー、ＣＤ− ＲＯＭプレイヤー及び「フロプティカル(floptical)」ディスクプレイヤーのような他の光学ディスクプレイヤーに用いることもできる。図９は、頭部搭載型表示装置のコンバイナーとして回折性光学素子１１８を用いた例を示す。頭部搭載型表示装置は、ビデオ画像ディスプレイ１１４を含む。他の光学素子１１６は、ディスプレイ１１４から発する光をコンバイナー１１８上に焦点を結ばせる。上述した方法に従って成形された光学素子を、光学素子１１６に含めてもよい。このようなプラスチック製品の使用により、頭部搭載型表示装置の重量を最小限に抑えることが可能になる。一般的に、プラスチックの屈折性レンズは、ガラスの屈折性レンズよりも分散性が高い。回折性素子と屈折性素子とを複合させれば、分散性の低い軽量のプラスチック光学素子を作ることができる。コンバイナー１１８は、回折性素子を有するが屈折性も有する表面１２０を備えているため、ディスプレイ１１４上の画像が観察者１１２の目に向かって反射される。しかしながら、コンバイナー１１８上の回折性素子は、ディスプレイの知覚性を変化させるために用いられ、例えば観察者１１２に画像が位置１２４に現れているかのように見せたりする。更に、コンバイナー１１８は、殆ど透明な外面１２２を有しているため、遠隔の物体１２０で反射された光がコンバイナー１１８を介して目１１２に達する。コンバイナー１１８の外面１２２上に適当な表面を成形することができ、それにより、光が物体１２０から観察者１１２へ通過する際の、表面１２０上の回折性素子の歪み効果は、面１２２上の補足的な回折性素子によって相殺される。一般に、面１２２上の回折性素子は、面１２０上の素子と共役であるか、又は共役に近いパターンである。ここで述べた方法が図１及び２に対して述べた詳細の範囲を超えて拡張できることは、当業者には明らかであろう。すなわち、鋳型原板を適宜形成するだけで、本成形技術によって成形される光学素子に、屈折性面及び回折性面を様々に組み合わせて設けることができる。スワンソンらが示すように、一般にパターンは、コンピュータによって生成されたホログラムとして形成される。

【手続補正書】特許法第１８４条の８第１項【提出日】１９９７年２月１０日【補正内容】特許請求の範囲１．フォトリソグラフィ法を用いて原板素子の鋳型表面上に離散的な複数のレベルを有する所望の回折パターンの型を形成し、前記離散的な複数のレベルを形成するために前記フォトリソグラフィ法の工程を繰り返し、前記鋳型表面を有する前記原板素子を鋳型の一部として組み付け、回折性光学素子を射出成形するために、前記鋳型の内部及び前記原板素子の前記鋳型表面に対して成形材料を射出する、各工程を含み、前記光学素子がその表面に所望の回折パターンを有するようにすることを特徴とする回折性光学素子の成形方法。２．前記準備工程は、前記回折パターンに複レベル回折性を備える工程を含むことを特徴とする請求項１記載の方法。３．前記組み付け工程は、石英の前記原板素子を用意する工程を含むことを特徴とする請求項１記載の方法。４．前記形成工程は、フォトリソグラフィ法を用いて前記原板素子上に所望の回折パターンの型をエッチングする工程を含むことを特徴とする請求項１記載の方法。５．前記射出工程は、プラスチック材料を射出する工程を含むことを特徴とする請求項１記載の方法。６．所望の回折パターンの型が形成された鋳型表面と、対向表面と、を有する第１の原板素子を準備し、所望の回折パターン又は屈折性形状の型が形成された鋳型表面と、対向表面と、を有する第２の原板素子を準備し前記各原板素子を、それぞれの鋳型表面が射出成形機において対向するように方向合わせし、一方の面に回折パターンを有し他方の面に回折パターン又は屈折性形状を有する、射出成形された光学素子を成形するために、適当な基盤材料を前記射出成形機内に射出する、各工程を含み、回折性光学素子又は回折性／屈折性複合素子を低コスト及び高い生産性をもって製造でき、前記原板素子と前記射出成形機の隣接する部分との間の熱によるずれを補償することを特徴とする回折性光学素子の成形方法。７．前記準備工程のうち少なくとも１つは、前記回折パターンに複レベル回折性を備える工程を含むことを特徴とする請求項６記載の方法。８．前記準備工程のうち少なくとも１つは、石英の前記原板素子を用意する工程を含むことを特徴とする請求項６記載の方法。９．フォトリソグラフィ法を用いて前記原板素子のうちの少なくとも１つの上に前記所望の回折パターンの前記型をエッチングする予備的工程をさらに含むことを特徴とする請求項６記載の方法。１０．前記射出工程は、プラスチックの基盤材料を射出する工程を含むことを特徴とする請求項６記載の方法。１１．前記準備工程は、前記第１及び第２の基板素子のうちの少なくとも１つにその前記対向表面上にアライメントキャビティを設ける工程を含み、前記方向合わせ工程は、前記射出成形機に取り付けられているアライメントピンを前記アライメントキャビティに挿入する工程を含むことを特徴とする請求項６記載の方法。１２．前記準備工程は、前記第１及び第２の基板素子の前記対向表面上にアライメントキャビティを設ける工程を含み、前記方向合わせ工程は、アライメントピンを前記アライメントキャビティ及び前記射出成形機のキャビティに挿入し、それによって前記基板素子が互いに方向合わせされるようにする工程を含むことを特徴とする請求項６記載の方法。１３．鋳型表面上に所望の複レベル回折パターンの型を有する原板素子を、鋳型の一部として組み付け、回折性光学素子を射出成形するために、前記鋳型の内部及び前記原板素子の前記鋳型表面に対して成形材料を射出する、各工程を含み、前記光学素子がその表面に所望の回折パターンを有するようにし、前記原板素子と前記鋳型の隣接する部分との間の熱によるずれを補償するすることを特徴とする回折性光学素子の成形方法。１４．前記組み付け工程は、石英の前記原板素子を用意する工程を含むことを特徴とする請求項１３記載の方法。１５．前記形成工程は、フォトリソグラフィ法を用いて前記原板素子上に所望の回折パターンの型をエッチングする工程を含むことを特徴とする請求項１３記載の方法。１６．前記射出工程は、プラスチック材料を射出する工程を含むことを特徴とする請求項１３記載の方法。１７．フォトリソグラフィ法を用いて石英原板素子の鋳型表面上に所望の複レベル回折パターンの型をエッチングし、前記原板素子を鋳型の一部として組み付け、回折性光学素子を射出成形するために、前記鋳型の内部及び前記原板素子の前記鋳型表面に対してプラスチック成形材料を射出する、各工程を含み、前記光学素子がその表面に所望の回折パターンを有するようにし、前記原板素子と前記鋳型の隣接する部分との間の熱によるずれを補償するすることを特徴とする回折性光学素子の成形方法。１８．フォトリソグラフィ法を用いて石英原板素子の鋳型表面上に所望の回折パターンの型をエッチングし、前記鋳型表面を有する前記原板素子を鋳型の一部として組み付け、回折性光学素子を射出成形するために、前記鋳型の内部及び前記原板素子の前記鋳型表面に対してプラスチック成形材料を射出する、各工程を含み、前記光学素子がその表面に所望の回折パターンを有するようにすることを特徴とする回折性光学素子の成形方法。１９．複レベル回折パターンが成形された表面を有する射出成形品から成ることを特徴とする光学素子。２０．前記素子は、プラスチック材料から成ることを特徴とする請求項１９記載の素子。２１．前記複レベル回折パターンは、コンピュータによって生成されたホログラムであることを特徴とする請求項１９の素子。２２．第１の表面及び第２の表面を有する、射出成形によって形成された光学素子であって、前記第１の表面及び第２の表面は、それぞれ離散的な複数のレベルの回折パターンを有することを特徴とする光学素子。２３．前記素子は、プラスチック材料から成ることを特徴とする請求項２２記載の素子。２４．前記複レベル回折パターンは、コンピュータによって生成されたホログラムであることを特徴とする請求項２２記載の素子。２５．第１の表面及び第２の表面を有する、射出成形によって形成された光学素子であって、前記第１の表面は離散的な複数のレベルの回折パターンを含み、前記第２の表面は光を屈折させる形状であることを特徴とする光学素子。２６．前記素子は、プラスチック材料から成ることを特徴とする請求項２５記載の素子。２７．前記複レベル回折パターンは、コンピュータによって生成されたホログラムであることを特徴とする請求項２５記載の素子。２８．アライメントピンが表面に取り付けられた射出成形ピンであって、前記アライメントピンが射出鋳型の中のアライメントキャビティに嵌入されることによって、前記射出鋳型、及び前記射出成形ピンと前記射出鋳型との間の熱によるずれを補償するための熱補償手段の正確な位置決めを可能とすることを特徴とする射出成形ピン。２９．表面にアライメントキャビティを有し、アライメントナッブが前記アライメントキャビティに嵌入されることによって、前記アライメントナッブに取り付けられている又は連通している射出鋳型の正確な位置決めを可能とすることを特徴とする射出成形ピン。３０．レーザーと、離散的な複数のレベルの回折パターンが成形された表面を有する射出成形品から成り、前記レーザーからの放射のためのレンズと、前記放射を受けるセンサと、から成ることを特徴とするバーコードスキャナ。３１．使用者の頭部に装着可能であって、画像を投影するためのディスプレイと、離散的な複数のレベルの回折パターンが成形された表面を有する射出成形品を含み、使用者の目に画像を向ける光学系と、から成ることを特徴とする頭部装着型表示装置。３２．使用者の頭部に装着可能であって、画像を投影するためのディスプレイと、第１の表面及び第２の表面を有し前記第１の表面及び第２の表面はそれぞれ離散的な複数のレベルの回折パターンを有する射出成形によって形成されたレンズを含み、使用者の目に画像を向ける光学系と、から成ることを特徴とする頭部装着型表示装置。３３．使用者の頭部に装着可能であって、画像を投影するためのディスプレイと、第１の表面及び第２の表面を有し前記第１の表面は離散的な複数のレベルの回折パターンを有し前記第２の表面は光を屈折させる形状である射出成形によって形成されたレンズを含み、使用者の目に画像を向ける光学系と、から成ることを特徴とする頭部装着型表示装置。３４．レーザと、離散的な複数のレベルの回折パターンが形成された表面を有する射出成形品から成り、前記レーザからの放射のためのレンズと、光ディスクをレーザ放射を反射するように位置決めする光ディスク支持台と、反射された放射を受けるためのセンサと、から成ることを特徴とする光ディスクプレーヤ。３５．レーザと、第１の表面及び第２の表面を有し前記第１の表面及び第２の表面はそれぞれ離散的な複数のレベルの回折パターンを有する、射出成形によって形成された、前記レーザからの放射のためのレンズと、光ディスクをレーザ放射を反射するように位置決めする光ディスク支持台と、反射された放射を受けるためのセンサと、から成ることを特徴とする光ディスクプレーヤ。３６．レーザと、第１の表面及び第２の表面を有し前記第１の表面は離散的な複数のレベルの回折パターンを有し前記第２の表面は光を屈折させる形状である、射出成形によって形成された、前記レーザからの放射のためのレンズと、光ディスクをレーザ放射を反射するように位置決めする光ディスク支持台と、反射された放射を受けるためのセンサと、から成ることを特徴とする光ディスクプレーヤ。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＤＥ，ＤＫ，ＥＳ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，ＩＴ，ＬＵ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＯＡ(ＢＦ，ＢＪ，ＣＦ，ＣＧ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＭＬ，ＭＲ，ＮＥ，ＳＮ，ＴＤ，ＴＧ)，ＡＰ(ＫＥ，ＬＳ，ＭＷ，ＳＤ，ＳＺ，ＵＧ)，ＡＬ，ＡＭ，ＡＴ，ＡＵ，ＡＺ，ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ，ＢＹ，ＣＡ，ＣＨ，ＣＮ，ＣＺ，ＤＥ，ＤＫ，ＥＥ，ＥＳ，ＦＩ，ＧＢ，ＧＥ，ＨＵ，ＩＳ，ＪＰ，ＫＥ，ＫＧ，ＫＰ，ＫＲ，ＫＺ，ＬＫ，ＬＲ，ＬＳ，ＬＴ，ＬＵ，ＬＶ，ＭＤ，ＭＧ，ＭＫ，ＭＮ，ＭＷ，ＭＸ，ＮＯ，ＮＺ，ＰＬ，ＰＴ，ＲＯ，ＲＵ，ＳＤ，ＳＥ，ＳＧ，ＳＩ，ＳＫ，ＴＪ，ＴＭ，ＴＲ，ＴＴ，ＵＡ，ＵＧ，ＵＳ，ＵＺ，ＶＮ (72)発明者ロバート・デー・テコルステアメリカ合衆国、ノースキャロライナ州 28269 チャルロッテ、フォックス・チェイス・レーン 8619 (72)発明者ミカエル・アール・フェドマンアメリカ合衆国、ノースキャロライナ州 28269 チャルロッテ、ブラウンズ・フェリイ・ロード 3906

Claims

【特許請求の範囲】１．フォトリソグラフィ法を用いて原板素子の鋳型表面上に所望の回折パターンの型を形成し、前記鋳型表面を有する前記原板素子を鋳型の一部として組み付け、回折性光学素子を射出成形するために、前記鋳型の内部及び前記原板素子の前記鋳型表面に対して成形材料を射出する、各工程を含み、前記光学素子がその表面に所望の回折パターンを有するようにすることを特徴とする回折性光学素子の成形方法。２．前記準備工程は、前記回折パターンに複レベル回折性を備える工程を含むことを特徴とする請求項１記載の方法。３．前記組み付け工程は、石英の前記原板素子を用意する工程を含むことを特徴とする請求項１記載の方法。４．前記形成工程は、フォトリソグラフィ法を用いて前記原板素子上に所望の回折パターンの型をエッチングする工程を含むことを特徴とする請求項１記載の方法。５．前記射出工程は、プラスチック材料を射出する工程を含むことを特徴とする請求項１記載の方法。６．所望の回折パターンの型が形成された鋳型表面と、対向表面と、を有する第１の原板素子を準備し、所望の回折パターン又は屈折性形状の型が形成された鋳型表面と、対向表面と、を有する第２の原板素子を準備し、前記各原板素子を、それぞれの鋳型表面が射出成形機において対向するように方向合わせし、一方の面に回折パターンを有し他方の面に回折パターン又は屈折性形状を有する、射出成形された光学素子を成形するために、適当な基盤材料を前記射出成形機内に射出する、各工程を含み、回折性光学素子又は回折性／屈折性複合素子を低コスト及び高い生産性をもって製造できることを特徴とする回折性光学素子の成形方法。７．前記準備工程のうち少なくとも１つは、前記回折パターンに複レベル回折性を備える工程を含むことを特徴とする請求項６記載の方法。８．前記準備工程のうち少なくとも１つは、石英の前記原板素子を用意する工程を含むことを特徴とする請求項６記載の方法。９．フォトリソグラフィ法を用いて前記原板素子のうちの少なくとも１つの上に前記所望の回折パターンの前記型をエッチングする予備的工程をさらに含むことを特徴とする請求項６記載の方法。１０．前記射出工程は、プラスチックの基盤材料を射出する工程を含むことを特徴とする請求項６記載の方法。１１．前記準備工程は、前記第１及び第２の基板素子のうちの少なくとも１つにその前記対向表面上にアライメントキャビティを設ける工程を含み、前記方向合わせ工程は、前記射出成形機に取り付けられているアライメントピンを前記アライメントキャビティに挿入する工程を含むことを特徴とする請求項６記載の方法。１２．前記準備工程は、前記第１及び第２の基板素子の前記対向表面上にアライメントキャビティを設ける工程を含み、前記方向合わせ工程は、アライメントピンを前記アライメントキャビティ及び前記射出成形機のキャビティに挿入し、それによって前記基板素子が互いに方向合わせされるようにする工程を含むことを特徴とする請求項６記載の方法。１３．鋳型表面上に所望の複レベル回折パターンの型を有する原板素子を、鋳型の一部として組み付け、回折性光学素子を射出成形するために、前記鋳型の内部及び前記原板素子の前記鋳型表面に対して成形材料を射出する、各工程を含み、前記光学素子がその表面に所望の回折パターンを有するようにすることを特徴とする回折性光学素子の成形方法。１４．前記組み付け工程は、石英の前記原板素子を用意する工程を含むことを特徴とする請求項１３記載の方法。１５．前記形成工程は、フォトリソグラフィ法を用いて前記原板素子上に所望の回折パターンの型をエッチングする工程を含むことを特徴とする請求項１３記載の方法。１６．前記射出工程は、プラスチック材料を射出する工程を含むことを特徴とする請求項１３記載の方法。１７．フォトリソグラフィ法を用いて石英原板素子の鋳型表面上に所望の複レベル回折パターンの型をエッチングし、前記原板素子を鋳型の一部として組み付け、回折性光学素子を射出成形するために、前記鋳型の内部及び前記原板素子の前記鋳型表面に対してプラスチック成形材料を射出する、各工程を含み、前記光学素子がその表面に所望の回折パターンを有するようにすることを特徴とする回折性光学素子の成形方法。１８．フォトリソグラフィ法を用いて石英原板素子の鋳型表面上に所望の回折パターンの型をエッチングし、前記鋳型表面を有する前記原板素子を鋳型の一部として組み付け、回折性光学素子を射出成形するために、前記鋳型の内部及び前記原板素子の前記鋳型表面に対してプラスチック成形材料を射出する、各工程を含み、前記光学素子がその表面に所望の回折パターンを有するようにすることを特徴とする回折性光学素子の成形方法。１９．複レベル回折パターンが成形された表面を有する射出成形品から成ることを特徴とする光学素子。２０．前記素子は、プラスチック材料から成ることを特徴とする請求項１９記載の素子。２１．前記複レベル回折パターンは、コンピュータによって生成されたホログラムであることを特徴とする請求項１９の素子。２２．第１の表面及び第２の表面を有する、射出成形によって形成された光学素子であって、前記第１の表面及び第２の表面は、それぞれ複レベル回折パターンを有することを特徴とする光学素子。２３．前記素子は、プラスチック材料から成ることを特徴とする請求項２２記載の素子。２４．前記複レベル回折パターンは、コンピュータによって生成されたホログラムであることを特徴とする請求項２２記載の素子。２５．第１の表面及び第２の表面を有する、射出成形によって形成された光学素子であって、前記第１の表面は複レベル回折パターンを含み、前記第２の表面は光を屈折させる形状であることを特徴とする光学素子。２６．前記素子は、プラスチック材料から成ることを特徴とする請求項２５記載の素子。２７．前記複レベル回折パターンは、コンピュータによって生成されたホログラムであることを特徴とする請求項２５記載の素子。２８．アライメントピンが表面に取り付けられ、前記アライメントピンが射出鋳型の中のアライメントキャビティに嵌入されることによって、前記射出鋳型の正確な位置決めを可能とすることを特徴とする射出成形ピン。２９．表面にアライメントキャビティを有し、アライメントナッブが前記アライメントキャビティに嵌入されることによって、前記アライメントナッブに取り付けられている又は連通している射出鋳型の正確な位置決めを可能とすることを特徴とする射出成形ピン。３０．レーザーと、複レベル回折パターンが成形された表面を有する射出成形品から成り、前記レーザーからの放射のためのレンズと、前記放射を受けるセンサと、から成ることを特徴とするバーコードスキャナ。３１．使用者の頭部に装着可能であって、画像を投影するためのディスプレイと、複レベル回折パターンが成形された表面を有する射出成形品を含み、使用者の目に画像を向ける光学系と、から成ることを特徴とする頭部装着型表示装置。３２．使用者の頭部に装着可能であって、画像を投影するためのディスプレイと、第１の表面及び第２の表面を有し前記第１の表面及び第２の表面はそれぞれ複レベル回折パターンを有する射出成形によって形成されたレンズを含み、使用者の目に画像を向ける光学系と、から成ることを特徴とする頭部装着型表示装置。３３．使用者の頭部に装着可能であって、画像を投影するためのディスプレイと、第１の表面及び第２の表面を有し前記第１の表面は複レベル回折パターンを有し前記第２の表面は光を屈折させる形状である射出成形によって形成されたレンズを含み、使用者の目に画像を向ける光学系と、から成ることを特徴とする頭部装着型表示装置。３４．レーザと、複レベル回折パターンが形成された表面を有する射出成形品から成り、前記レーザからの放射のためのレンズと、光ディスクをレーザ放射を反射するように位置決めする光ディスク支持台と、反射された放射を受けるためのセンサと、から成ることを特徴とする光ディスクプレーヤ。３５．レーザと、第１の表面及び第２の表面を有し前記第１の表面及び第２の表面はそれぞれ複レベル回折パターンを有する、射出成形によって形成された、前記レーザからの放射のためのレンズと、光ディスクをレーザ放射を反射するように位置決めする光ディスク支持台と、反射された放射を受けるためのセンサと、から成ることを特徴とする光ディスクプレーヤ。３６．レーザと、第１の表面及び第２の表面を有し前記第１の表面は複レベル回折パターンを有し前記第２の表面は光を屈折させる形状である、射出成形によって形成された、前記レーザからの放射のためのレンズと、光ディスクをレーザ放射を反射するように位置決めする光ディスク支持台と、反射された放射を受けるためのセンサと、から成ることを特徴とする光ディスクプレーヤ。