JPS62502150A - グレ−デツドインデツクス非球面コンバイナ−及びそれを用いたデイスプレイ システム - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 １２Ｍ”；ｊｉ、蔚り面コンバイナー及びそれを用いたディスプレイシステム Ｊ”ｉｐ　’ｆｒ　ｍ材料及びそれによって形成された構造物」である出願番号 ５２８，８３３　、及び１９８４年４月１６日に出願され、その発明の名称が「 二接銀ホログラフィックヘルメット搭載ディスプレイ」である出願番号６６０， ６３６号の一部継続出願である。

発明の背景 この発明は、広く言えば反射光学材料に関し、さらに詳細に言うと１例えばヘッ トアップディスプレイ又はヘルメット搭載バイザーディスプレイに用いられる。

光学フィルターやコンバイナーのような回折及び干渉型光学要素に関する。

種々の光学系において、不所望の光線を除去し、同時に所望の光線を効率的に透 過又は反射するためにフィルターを設けることが必要になることがしばしばある 。

このようなフィルター及びコーティングは１例えば。

レーザー系の中の人、電子光学検出器及び光学鏡をレーザー光線から保護するた めに、ヘットアップディスプレイシステム又はナイトビジョン装置中のホログラ フレンズとして用いられる。このような目的のために現在用いられている光学フ ィルターには、吸収フィルター、反射多Ｍｉｌ！電フィルター、及び光学ホログ ラフ技術によって発生される回折フィルターが包含される。しかしながら１．光 学フィルターを提供すべきこれらのそれぞれのアプローチは以下に議論するある 欠点を有する。

吸収フィルターは、例えば「光学ハンドブック」ダブリュ・ジー・トリスコール 編、マグロウヒルブックカンパニー、ニュー・ヨークｔ、　１９７８．セクショ ン８、（コーティング及びフィルター）、７〜３２ページに記載されているよう な、入射レーザー光線の波長において本来的な吸収を有する吸収染料又は材料に 含浸した材料を有する。この種の保護は、吸収染料のために、透過光線の量が許 容できない程度にまて低下するという重大な欠点を有する。さらに、レーザー用 途では、レーザー光線エネルギーが増大するにつれて光線が保護フィルター自体 を損傷することがある。

反射的多層誘電フィルターは典型的には、基板上に化学蒸着、スパッタリング又 は熱的蒸着のような公知の被着技術によって形成された、屈折率が異なる２つの 誘電材料が交互に積層されたものから成る。それデれの層の光学厚さが反射され る光線の波長の１／４に選択されている場合には、このような構造は、例えば米 国特許第４．３０９，０７５号及び上記「光学ハンドブック」、特にそのセクシ ョン８に議論されているような「クォーターウェーブスタック」と呼ばれる。し かしながら、利用可能な材料の組合せが限られており、その結果屈折率の調節の 選択が限定されるので、このような構造によって達成できるスペクトル帯幅には 限度がある。さらに、居間の断層界面における欠陥により、不所望の光学的散乱 が引き起こされることがある。さらに、これらの欠陥は誘電□材料による光線の 過度の吸収を引き起こすことかあり、これにより光学フィルターが熱的損傷を受 けることがある。さらに、多層誘電コーティングにおいては、電場は屈折率の高 い材料と低い材料との間の界面領域において最も強くなる。この断層界面に高度 に局在化した電場は最大の温度増加を生み出す。隣接する層のそれぞれの誘電材 料の熱膨張係数はそれぞれ異なっているのて、界面領域において大きな熱的応力 が発生し、これによりフィルム中の連続層が薄い層に剥離することがある。さら に、大きな熱的応力により、微視的転位が引き起こされ、それによってフィルム による不所望の光学的散乱がもたらされることがある。さらに、蒸着又はスパッ タリング技術によって形成される従来の多層構造における基板の粗さ、ピンホー ル及び混入異物等により、吸収及び散乱が増大し１局在熱が発生し、最大反射率 を減少し、光線損傷を増大する。最後に、これらの多層コーティングは多数の波 長において反射ピークを示すので、光学的透過率が減少する。

回折光学要素は、例えば、コリア−、バークハート及びリン、アカデミツク・プ レス、二ニー・ヨーク、１９７１、「光学的ホログラフィ−」という題名の本の 第９章（ボリュームホログラムからの回折）及びコールフィールド、アカデミツ ク・プレス・ニュー・ヨーク。

１９７９、「光学的ホログラフィ−のハンドブック」という題名の本の第１０章 （応用分野）に議論されているような、光感受性ゼラチン材料中に公知の光学的 ホログラフィ−の方法を用いて生成されている。しかしながら。

ゼラチン回折要素は環境的安定性の問題を有し、湿気及び熱によって分解されや すい。この問題を克服するために、ガラス又はガラス状コーティングを用いるこ とができるが、このような層は製造工程を複雑にし、単位当りのコストを増大さ せる。さらに、このようなゼラチンフィルターは、可視光線から近赤外線の波長 （すなわち、約２ＪＬｆｉ１以下）の光線に対してのみに適用が限定される。な ぜなら増感ゼラチンはより長い波長の露光に対して感受性ではないからである。

従って、赤外線用のフィルターはゼラチン構造によっては構成することができな い。さらに、ホログラフ干渉パターンに対する露光及び引き続く現像によって製 造されるゼラチン中の屈折率の調整は正弦波又はおよそ多重正弦波の形状に限定 される。さらに、ゼラチンフィルターの組み立ては多くの工程を必要とし、とり わけ、最終構造体の効率及びピーク波長に影響を与える、温度や振動数のような 工程変数に対して感受性な、現像のための多くの湿潤化学工程を必要とする。さ らに、熱又は光線による損傷に対するゼラチンの耐性が比較的低いので、ゼラチ ンフィルターは低出力の用途に限定される。最後に、２つの選択された波長にお いて光線を反射するフィルターを製造するためには２つのホログラフパターンに 対してゼラチンを多重露光することが必要であり、これによって、フィルターの 効率を減少させる不規則な屈折率分布がもたらされる。

従来、ゼラチンフィルターが用いられている一般的な用途は、飛行機ディスプレ イシステムに一般的に用いられている、ヘットアップディスプレイ（）！ＵＤ） 又はヘルメットバイザーディスプレイ（ＨＶＤ）のような１反射ディスプレイの 光学コンバイナーに用いられるものである。

米１１４［第３，９４０．２０４　Ｊｔ［、ＨＯＤ及びＨｖＤシステムの例を開 示している。これらの用途に採用される積層ゼラチンホログララフイックコンバ イナーは、典型的にはガラス、ゼラチンホログラム、ガラス、プラスチック及び 抗反射（ＡＲ）コーティングから成る連続層が結合された球状のプラスチック基 板を有する。ゼラチンを挟むガラス層は、湿気による分解からゼラチンを守るた めに必要である。多層構造の結果、ゼラチンホログラフィックコンバイナーによ り不所望の強いゴースト像が生み出されることがある。

ディスプレイシステムのためのコンバイナーは、ディスプレイシステムにおける 収差を補償し又は調節するように設計することができる。

補償は、非球状反射層又は表面の利用を包含することがある。現在の技術水準で は、非球状表面を有するガラス層又は基板を提供することは、量産ベースでは経 済的に合わない。その代りに要求される非球性はゼラチンホログラム自身の中に 組み込まれ、これはフリンジがゼラチン表面に対して傾斜変化度（ｓｌａｎｔｅ ｄ　ｖａｒｙｉｎｇｄｅｇｒｅｅｓ）であることを意味する。これによりホログ ラム表面におけるグレーティングが形成され、ホログラムから回折される光の方 向が波長依存性になる、色分散として知られる現象をもたらす、ＨＵＤやＨＶＤ のようなホログラフィックディスプレイにおいて、ディスプレイ光源が何らかの スペクトル的帯幅を有する場合には、色分散が出口瞳で像をおそらく許容てきな い程度にまでぼかす、Ｐ４３蛍光体を有する陰極管（ＣＲＴ）のような、狭い幅 の帯を有する光源を用いたとしても、ホログラムのいずれかの領域におけるフリ ンジ傾斜は、分散によって誘起される有意な像の劣化を引き起こす、傾斜フリン ジはまた。フレアー、すなわち、外来的な回折像が形成される条件を形成するこ とがある。外来性の回折は視野をぼやけさせることがある。

ＨＵＤ又はバイザーディスプレイのためのゼラチンホログラフィックコンバイナ ーは製造するのが比較的複雑で高価である０例えば、衝撃耐性を有する典型的な ゼラチンホログラフィックバイザーは、ゼラチンホログラムが湿気に対する保護 のために２つのガラス片に挟まれ、そして衝撃要求のために２つのボリカーボネ ートバイザーの間に積層された、多層積層体から成る。抗反射コーティングは、 ポリカーボネート片のそれぞれの外表面に塗布される。多重積層はシステムの重 量及び複雑さを増す。ゼラチンホログラフィックＨＵＤコンバイナーも同様に複 雑で重い。

コンバイナーの重量は、重量が重要なコックビット環境下ては重要である。ＨＶ Ｄのバイザーゼラチンホログラムコンバイナーの比較的重い重量のために、バイ ザーディスプレイの重心がパイロットの頭の回転軸からずれた位置に移動し、こ のためパイロットの首にかかる負荷が増大する。）（ＵＤゼラチンホログラムコ ンバイナー中の増大されたカンチレバー付き質量はコンバイナーの剛性及び振動 に対する耐性を減少させる。

ｉ艶五里１ この発明は、ＨＶＤ及びＨＵＤ用途を包含する多くの用途において有用な改良さ れた光学コンバイナーを提供する。このコンバイナーは少なくとも１つの非球状 表面を有する基板と、入射光の１又は２以上の所定の狭い波長域内の光線を選択 的に反射するための、上記表面上に形成された回折型反射コーティングとを含む ０表面の非球状性は、ディスプレイシステム中の収差を補償し又は均衡させるよ うに選択される。コーティングはゼラチンホログラムを包含することもできるが 、好ましくは。

湿潤環境によるゼラチンホログラムの潜在的な劣化を排除し、非球状表面に均一 なゼラチンコーティングを塗布コーティングである。屈折率の変化は、コーティ ングの厚さ全体にわたっていてもよく、またコーティングの水平及び横方向領域 にわたっていてもよい。厚さ全体にわたる屈折率曲線における非正弦波変化は、 スペクトル的反射機能においてより幅広のピークを与えることができ、また多数 のピークを与えることもてきる。この特徴により、多数の色反射応答性又はより 幅広のスペクトル帯幅の使用を可能にするコンバイナーの能力が与えられ、より 明るい像及び改善された角度帯幅がもたらされる。

１具体例においては、二接眼ヘルメットバイザーディスプレイに組み込まれ、改 善された光学的性能、有意な重量節減及びより単純で安価なコンバイナー構造を もたらす、もう１つの具体例では、飛行機のためのヘットアップディスプレイに 組み込まれ、改善された光学的性能、より小さな重量、改善された安全性及びよ り大きな探査能力をもたらす。

従って、この発明のさらなる目的は、傾斜フリンジホログラムコンバイナーの色 分散及びフレアー特徴を実質的に排除した新規な改善された光学コンバイナーを 提供することである。

もう１つの目的は、光学的収差を補償し又は均衡させる非球状の表面形状を有す る基板を包含する光学コンバイナーな提供することである。

もう１つの目的は、回折コーティングが基板上に直接形成され、ガラス保護層を 必要としない、改善された光学コンバイナーな提供することである。

さらにもう１つの目的は１強い第２像を最小化する光学コンバイナーを提供する ことである。

この発明のさらなる目的は、比較的単純で軽量な構造を有し、比較的低コストの 技術によって製造するのに適しており、改善された光学的許容性を有する光学コ ンバイナーを提供することである。

さらなる目的は、この改良された光学コンバイナーを採用した改良されたヘルメ ットバイザーディスプレイ゛　及びヘットアップディスプレイを提供することで ある。

この発明の上記及び他の利点及び特徴は、添付の図面に描かれた、この発明の好 ましい具体例のより詳細な記載からより容易に理解されるであろう。

図面の簡単な説明 第１図は、光化学蒸着工程によって被着されたＳｉＯ、フィルムの屈折率の変化 を、シラン反応物質の流速の関数として示すグラフである。　□ 第２図は、この発明に従って形成された。正弦波パターンで屈折率か連続的に変 化する材料の模式図である。

第３図は、この発明の１具体例の、光化学蒸着反応を開始するために用いられる 紫外線の相対強度に対する被着酸化物の厚さの依存性を示すグラフである。

第４図は、非球状基板表面及び該表面上に形成された回折光学要素とを有するこ の発明の構造の模式図である。

第５図はこの発明に従って形成されたフィルターの測定されたスペクトル反射率 を示す曲線を表わし、第６図はこの構造の理論反射率を示す。

第７図は、３つの異なる波長の光線を反射する、この発明に従って形成された複 合屈折率フィルターの屈折率曲線を示し、第８図はこのような複合屈折率フィル ターのスペクトル応答を示す。

第９図は非球状の基板構造とその表面上に形成された回折コーティングとを有す る光学コンバイナーの模式ダイアグラムである。

第１Ｏ図は、正弦波屈折率変化を有する典型的なゼラチンホログラム（破線）及 び非正弦波屈折率変化を有用１１図は、他のものよりも幅広のスペクトル帯幅を 有するように設計された、正弦波屈折率変化を有する典型的なゼラチンホログラ ム（破線）及び幅広のスペクトル帯幅を有するように設計された、非正弦波屈折 事変ル反射関数を示す曲線を表わす。

第１２図は、屈折率変化関数の周期性（従って、の模式図である。

Ｓ１３図及び第１４図は、非球状表面を有するプラスチックコンバイナー基板を 組み立てる好ましい方法に用いられる構造を示す。

第１５図は、この発明の新規な光学コンバイナーを有するヘルメットバイザーデ ィスプレイシステムの単純化された模式図である。

第１６図は第１５図に描かれたＨＶＤシステムの側面図である。

第１７図は、システムの基準線に平行な面から見た、第１５図に描かれたＨＶＤ システムの傾斜側面図である。

第１８図は、像源光線の回折を示す、第１５図に描かれたＨＶＤシステムのもう １つの側面図である。

第１９図は、ヘルメット上に搭載された、第１５図のＨＢＤを示す斜視図である 。

第２０図はこの発明の新規光学コンバイナーを組み込んだヘットアップディスプ レイの単純化された模式図ために、このような材料を形成する方法が、被着され た材料の組成について高度な制御が可能であることが必要に、特に有用な方法は 、本願譲受人に譲渡された、米国特許ｔｉ′Ｓ４．：＋７１，５８７号に記載さ れた低温、無電荷光化学蒸着方法てあり、上記特許はこの明細書に組み入れられ たものとする。後者の発明の１具体例においては、中性の無電荷原子状酸素が、 −酸化二窒素のような選択された酸素含有前駆体の水銀増感光分解によって、下 記反応式（１）及び（２）に示すように生成される。次に、原子状酸素が、シラ ンのような選択された気相反応物質と反応させられて、下記反応式（３）に示す ように、所望の酸化物、−ｍ化ケイ素（Ｓｉｎ）又は二酸化ケイ素（Ｓｉｆｔ） を形成する。

（１）　Ｈｇ＋ｈν（２５３７人）−−−→Ｈｇ”　（光励起）ただしｈはブラ ンク定数、νは吸収光線の振動数（２）　Ｎ２０　＋　Ｈｇ’　−−一→　Ｎ２ ＋０上記ｇ−ｍ＝→　ＳｉＯ◆１（２０ 米国特許第４，３７１，５８７号に開示された代替的な方法では、必要な原子状 酸素は、下記反応式（４）に示されるように、−酸化二窒素（Ｎ２０）のような 選択された酸素含有前駆体の直接光分解によりて生成することもできる。

このようにして形成された原子状酸素は上記式（３）に示すように、選択された 気相反応物質と反応する。

（４）　Ｎａ３　◆ｈ　ν（１７５０−１９５０人）−一→　Ｎ２＋０上記式（ ３）の酸化物産物の組成は、部分的には原子状酸素の安定状態濃度に依存し、こ れはひいては一定量のシランに対して存在する一酸化二窒素の量に依存する。従 って、ある時点において存在するシランと一醜化二窒素反応物質との比を変える ことによって、酸化ケイ素（Ｓｉｎ、）産物の組成を制御することができ、ひい ては被着される酸化物材料の対応する屈折率を制御することもてきる。　Ｓｉｎ 、の組成は、屈折率１．９のＳｉＯから屈折率１．４５のＳｉＯ□まで変化させ ることができる。

酸化物の組成及び被着速度は、それぞれの反応物質の質量流、ポンプ流量及び反 応誘起光線の強度に依存する。ポンプ流量と光線強度とを一定にすると、反応ガ スのうちの１つの流速の変化の効果を測定することができる。第１図は、上記の ようにして被着された５ｉＯ１ｌフイルムの屈折率変化を、Ｎ２０の流速が毎分 ６２．０標準立方センチメーター（ｓｓｃｓ）で一定である場合のシラン反応物 質の流速の関数として示すグラフである。第１図かられかるように、Ｓｉｎ、フ ィルムの屈折率は、Ｎ、Ｏの流速を一定に保ちながら、ＳｉＨ４の流速を５桁も 変えることによって１．４６から１．６０まで変化した。　０．１４の屈折率変 化（Δｎ）を得るために流量を大きく変化させなければならないことは、上記方 法によって屈折率が精密にかつ再現性をもって変化させることができることを示 している。

従って、この発明の方法により、シラン反応物質に対する一酸化二窒素の流量比 を時間の関数として正確に制御することにより、Ｓｉｎ、産物の組成を被着時間 の関数、すなわち被着される材料の厚さの関数として制御的に連続的に変化させ ることができる。とりわけ、第２図に示すように、シランのガス流量を正弦パタ ーンで変化させて、被着されるＳｉＯ＋の組成をこれに対応して基板表面上の距 離の関数として正弦的に変化させることができる。第２図に示す基板１０は、上 記方法によってその表面上に形成された５ｉＯｓ＋のような連続的漸化光学材料 の層１２を有する。フィルム１２の厚さ１４の深さに沿ったある点におけるＳｔ ｏｗ材料の組成は、反応ガスの特定の比率及びその特定の材料が被着される時点 でのシランのガス流速に依存する。シランのガス流速は正弦パターンで変えられ るので、層１４中のＳｉｎ、材料の組成は、線形からの小さな偏差を考慮に入れ て、およそ同様な正弦パターンで変化するであろう、さらに、Ｓｉｎ、材料の屈 折率はその組成に応じて変化するので、第２図に示すように、　ＳｉＯやの屈折 率（ｎ）も同様に層１２の厚さの関数として正弦パターン１６で変化する。従っ て、被着層１２の屈折率は、ｎの上限及び下限の間で所定のパターンで徐々に変 化する。　Ｓｉｎ、材料の屈折率の最高値と最低値との差はΔｎ、屈折率変化で ある。第２図におけるへの印は、フリンジ周期性を意味し、その意義は反射光の 波長及び式（５）を参照して以下に議論する。

さらに、正弦パターンに加え、シランのガス流速を、準正弦、三角、鋸歯、矩形 波、又は所定の不規則パターンのような何らかの他のパターンで変化させ、被着 された材料の組成及び屈折率にそれに対応する変異を形成することもできる。

上記した反応ガス流速比に加え１反応を誘起する紫外線放射の強度も酸化物の被 着速度に影響を与えることに留意すべきである。第３図は、光化学反応を開始さ せる相対強度に対する、２０分間に被着される酸化物の厚さの依存性を示す。第 ３図に示されるように、紫外線の強度が増加するにつれて、単位時間内に被着さ れる酸化物の厚さが増し、すなわち、被着速度が増す。この発明の第１の工程具 体例に従って第３図に示すデータを得るのに用いられた紫外線の光源は、主出力 の波長が２５４ｎｍの、４つの水銀蒸気アークランプであり、これを基板から２ ．７５インチ（６，９９ｃｍ）Ｉｌｌ　シて照射した。あるいは、ここでさらに 詳細に述べるように、この発明の第２の工程具体例に従って、操作レーザー光線 を反応誘起光線として用いることもできる。第１図及び第３図に関して上述した 反応パラメーターに加え、ガス流パターン及び被着室の内側のガス圧を制御する こともまた、再現性のある均一な酸化物層を形成するために必要である。

上記したこの発明の方法では、調節された屈折率層は基板表面に対して平行に形 成され、０度（非傾斜フリンジ）回折光学要素を提供する。しかしながら、この 発明の調節された屈折率の層はまた、光学力を取り込む非球状基板上に形成して 、光学収差を補償し又は均衡させ、一方、歪のない透視を与える回折光学要素を 提供することもできる。このような構造が第４ａ図及び第４ｂ図に模式的に示さ れている。第４ａ図には、任意の形状の、例えばポリカーボネートて形成された 、非球状表面を有する基板２０が描かれている。基板２０の表面上に、その形状 に沿って、この発明の工程に従って形成される。所定の屈折率パターンで連続的 に変化する漸化屈折率光学材料が形成される０分離した要素として、第４ａ図に は、蓋部材２４が描かれており、基板２０に面するその表面２６は、基板２０の 表面形状に適合している。蓋部材２４はエポキシ又は他の光学的に透明な接着剤 （図示せず）により１層２２が形成された基板２０に積層されて第４ｂ図に示す 構造を与える。第４ｂ図に模式的に示されるように、選択された反射帯内の波長 を有する入射光２８が漸化屈折率層２２によって反射され、一方１選択された反 射帯外の波長を有する光線３０は構造体を完全に通過する０本譲受人に譲渡され た米国特許第３，９４０，２０４号に記載されているようなヘットアップディス プレイシステムに用いたような場合には、入射光口に入る陰極管からの光であり 、光線３２は第４ｂ図に記載した全構造体を通過して見る人の目に入る。コック ピットの外側の環境からの光である。このような非球状基板を用いる能力は、こ の発明の０度回折光学要素によって満足されるであろう、回折光学素子用途の数 な大きく増加させる。第４ｂ図に゛示すような構造は、例えば上記したように、 ヘッドアップディスプレイ回折光学素子にとって有用である。

さらに、１つの反応ガスのノズルスリッを基板の近くに位置させることによって 、この発明に従って傾斜フリンジ回折光学要素を形成することができる。他の反 応ガス流は均一に基板表面全体を横切り、スリットは基板表面上のフリンジ間隔 と同じ距離だけ離される。傾斜角は、被着が進行するにつれて、基板とノズルス リットとの相対的動きによって制御される。

上記した、連続的漸化屈折率光学材料を所定のバ゛　ターンに形成する方法の意 義は、このような方法は、例えば上記「光学ホログラフィ−」という題名の本の 第１章（基本的概念の紹介）に記載されたような、従来のホログラフィックフィ ルターと同様に機能して入射光を回折し予め選択された回折効果を生みだす反射 回折光学要素を形成するために有利に用いることができるということである。

分離した多層から成るフィルムの光学的性質は、例えばピー・エイチ・バーニン グによって、ジー・ハス編、アカデミツクプレス、二ニー・ヨーク、１９６３、 「薄フィルムの物理学」という題名の本の６９ページ以降に議論されているよう に、多層マトリックス理論によって０パレートンド。

よく記述される。この理論は、漸どヲ１ルムな極めて薄い分離した屈折率の層が ｒＮＪ枚積層積層ものに近似すに適用することができる。「Ｎ」を極めて大きな 値にすると、この近似はこの発明の装置に対して十分に正確である。この近似及 び従来の多層フィルム光学理論を用い、Ｓ−及びｐ−分極の両方についての反射 率、透過率いて計算することができる。これらの計算は、いずれの波長又は入射 角においてもいずれの漸化屈折率コーティング形状についても行なうことが可能 である。コーティング内の電場及び吸収曲線もまた計算することが可能でこの方 法は、例えば、ケイ・エイ・ライニックによって、ミシガン州環境研究所の「厚 相ホログラム」についフィルムの反射率−特性は、屈折率変化のフーリエ組成に 主として依存することが示された。従って、例えば、正弦的屈折率変化は、設計 された反射波長（λ、）において、その基本的フーリエ成分が等しい変化幅を有 する。

等しい周期性の多層矩形変化の性能と等しい性能を有する。従って、単一波長に おいてのみ高い反射率が望まれるいくつかの回折光学素子用途については、矩形 波多層フィルム及び正弦的に変化したフィルムは光学的性質において等しく用い ることができる代替物である。しかじは、多層矩形変化に比べて顕著な有利性を 与える。

さらに、この発明の’ｌ蒜ｉＲフルムは、個々の屈折率の正弦成分が下記（５） の式に記載された周期性Δを有するように設計するこ゛とによって、材料による 制限を除いて、所望のあらゆるピーク波長を得るように設計することができる。

（５）　△１Ｍλｐ＋／２ｎ ただし、△１−屈折率変化中の第１番目の正弦成分の周期性 入ｐｉ”１番目のピーク波長 ｎ　＝　平均屈折率 いし２．５　ｐＬｔａの範囲に材料的に限定されている。なぜなら、Ｓｉｎ、は 、この範囲の外では高度に吸収的になるからである。しかしながら、５ｉｎＸに 加え、酸化アルミニウムを形成するのに用いることができる。従って、この発明 の方法により、回折光学素子は、紫外、可視及び赤外領域において光線を反射す るように形成することができる。

さらに、この発明の第１の方法具体例の代替法に従って、基板表面を横切る局所 的反応ガス流速を所望通りに変化させることによって、又はここで議論するよう に反応誘起光線の強度を変化させて被着材料の屈折率、周期性及びん、の厚さ方 向の変化を生みだすことによって、ピーク反射波長（入ｐ）を変化させることが できる。

水平方向に入、が異るこのような装置は従来得ることができなかった。

さらに、この発明の方法は吸収係数若しくは屈折率又はこれらの両方について変 化を示す層を形成するために用いることができる。なぜなら、吸収係数と屈折率 の間には既知の関係が存在するからである。吸収係数αは下記式（６）において 規定され、その屈折率に対する関係は下記式（７）に規定されている。

ただし、α＝吸収係数 に＝消衰係数 λ＝入射光線の波長 （７）Ｎ＝ｎ−ｉｋ ただし、Ｎ＝複合屈折率 ｎ＝真正屈折率 に＝消衰係数 このように、ｎの変化と同様にして、材料層の真正屈折率、ひいては材料層の対 応する消衰係数にも変化させるごとができる０例えば、Ｓｉｎ、のような、光化 学的に被着された酸化物は、それが高度に吸収的になるカットオフ領域（例えば Ｓｉｎ、については約２．５１Ｌｍ　）を有し、吸収係数は化学量論組成に高度 に依存する。従って、この発明に従ってＳｉｎ、の化学量論組成を変化させるこ とによって、吸収係数及び屈折率の変化を示す構造を製造することができる。従 って、「屈折率」に関する詳細な議論は上述した「複合屈折率」を包含すること が意図されている。

実施例１にさらに記載されるように、上記光化学蒸着方法を用いて、１６周期の 、１．４５と１．６３との間で正弦的に変化する屈折率を有し、ピーク波長が１ ．４８７Ｌ１１である酸化物フィルターを形成した。このフィルターのスペクト ル反射を分光光度計及び公知の操作を用いて入射光線の種々の波長において測定 し、第５図に示す曲線を得た。第５図に示すように、１．４８ＪＬ１１の基本波 長（入。）において８１．３パーセントの反射率が得られた。この反射率値は、 第６図に示す１．４８．園において９４．１パーセントという、上述の理論及び 計算に基づいた理論値と比較され第５図に示す、　８１．３パーセントという測 定された反射率のピークが第６図に示す予想される９４．１パーセントから幾分 離れていることは、被着フィルムの屈折率の変化パターンが意図する正弦パター ンから幾分はずれていることを示している。この結論は第５図中のより高いオー ダーの調和振動、すなわち、１７２λｏ（０，７５ｐＬｍ’）及び２／３λ。（ １，０ｐｍ　）における小さな反射率ピークが観察されることによっても支持さ れる。それぞれの反射率スパイクは、屈折率変化の特定のフーリエ成分に対応す る。従って、完全に正弦的に変化する屈折率は、λ。の基本波長において１つの 反射率ピークのみを示す、第５図中の高いオーダーにおけるピークが低いという 事実は、フィルムの正弦性からのずれは比較的小さいことを示している。被着さ れるフィルムの屈折率と厚さを測定するためのモニタリング及びフィードバック ループコントロールシステムを用いることによって、屈折率の変化を正確に正弦 的にすることができるものと予想される。

屈折率の変化が正弦波に近ければ近いほど、基本波長における反射率値が高くな る。

さらに、第５図に関し、多層構造の特徴である、λ。／３（０，５ｇ　ｍ）にお ける測定された反射率ピークの不存在は、このコーティングが四分の１波長の分 離した層の積層物ではないということを示しており、これは正弦的に変化するフ ィルムにって予想される結果と一貫する。

上記理論及び計算は、この発明の方法に従って、他の狭い帯の高い反射率スペク トルフィルターを製造する容易性を決定するために用いることができる０例えば 。

このような計算を用い、　０．５３＃Ｌｍにおいて９９．９７バーセ厚さが１５ 　ＪＬｔｎの正弦的屈折率変化を与えることによって達成できることが決定され ている。また、フィルムの厚さが増すと、必要な反射率を維持しつつ屈折率の差 を小さくしてサイクルの数を多くすることができることがわかっている。考慮す べき他の要素は反射率帯幅である。屈折率の変異が大きいほど、一定の厚さ又は 一定の効率レベルにおいて反射率帯幅が大きくなり、これによって光透視性すな わち信号透過性が減少する。他の例として、このような計算から、１．３１５　 ｐ、　ＩＯにおける反射率が９９．９３％のコーティングは、屈折率変異が０． ４２、厚さが８．２　ｐ、ｒｓ　、変異周期が０．３９６　ｇｔｓである、正弦 的変化を有するＳｉＯｘから成る漸化屈折率層によって達成てきることが決定さ れている。

さらに、この発明の方法に従って、多数の正弦波的屈折率変化が線形的に加算さ れたものであって、個々の正弦波屈折率変化に対応する複数の波長において高い 反射率を示す、複合屈折率変化を有するコーティングを形成することができる。

この種の複合変化は、上述のように分析的に設計し、この発明の漸化屈折率方法 を用いて製造することができる。例えば、０．６　ｐ、、ｔｓ　、０．８ＪＬＩ １１及び１．０ｐｍの３つの異なる波長に対して保護を与えるために必要な３つ の異なる屈折率変化は、まとめられて第７図に示すような、フィルム厚さに対す る複合屈折率変化を形成する。第７図に示す複合屈折率変化をガラス基板上の層 膜厚１６ＪＬｌｌ＋のフィルムに適用した場合の、種々の波長における理論的反 射率が第８図に示されている。

第８図において、０．６１Ｌｍ　、０．８ｐｍ　、１．０ｇ、ｍにおける非常に 高い反射率が明らかである。同様に、分析的に合成された他の屈折率変化を有す る他のコーティングを形成して特定の光学的性質を与えることができる。

さらに、米国特許第４，３７１，５８７号に記載された光化学蒸着方法は、Ｓｉ ｎｇ、Ｔｉ１ｔ、Ａｌ２Ｏ５、Ｔａ＊Ｏｓ及び５ｎ０２のような多くの異なる酸 化物フィルムを製造するために用いることができる。さらに、このような方法は 、１つの酸化物から他の酸化物に組成が徐々に連続的に異なる２つの酸化物から 成るフィルム構造を提供するために用いることもできる。屈折率１．４５の５ｉ ｆ２と屈折率２．５５のＴｉ１ｔとから成る複合酸化物フィルムでは、達成可能 な最大屈折率変異が１．１であり、これはＳｉｎ、酸化物系における０、４５の 変異と比較される。いくつかの他の有用な酸化物についての屈折率は、ＡＩＪｚ が１．７６テあり、ｚ「０２が２．１８である。

最後に、現実的なこととして、予備的な分析により、厚さ及び屈折率変化に対す る許容性は、この発明の漸化屈折率変化フィルム構造の方が、従来の多層四分の １波長積層コーティングよりも大きいことが示された。

厚さ及び屈折率に対する適度に精密な監視システムが備え付けられるならば、こ の発明の光化学蒸着方法により、優れた反射率を有するコーティングを製造する ことができ、蒸着工程に伴うランダムエラーに基づく劣化が最小になる。

フィルターとして用いるための反射的回折光学素子をこの発明の方法によって形 成することにはいくつかの利点がある。第１に、フィルターが、広い温度範囲に おいて高い湿度中で本来的に安定な酸化物材料から形成される。一方、従来のゼ ラチンホログラムてはそうてはない、さらに、光化学蒸着方法により形成された Ｓｔｏｗは、ガラスやポリカーボネートのようなプラスチックに対するより優れ た接着性を示し、基板表面の形状に適合する。後者の２つの性質により、この発 明の方法は、曲線基板上のヘットアップディスプレイコンバイナー及びす′　イ トビジョンバイザーを製造するのに特に適したものとなる。さらに、この発明の Ｓｉｎ、は十分に低い温度（例えば３０℃から２００℃）において被着すること ができるのでプラスチック基板の熱的劣化を避けることができ、これにより、レ ーザー目保護装置及びヘッドラップディスプレイ装置に軽量のプラスチック基板 を用いることがてきるようになる。さらに、ここて記載したようにして形成され るＳｉＯｘは、良好な表面形態性及び低いピンホール又は欠陥密度のような、優 れた光学的及び機械的性質を有し、これにより光学的散乱が減少する。さらに、 このような酸化物の低い欠陥密度により、レーザー光線による損傷がより小さく なる。さらに、この発明の方法により、連続的に変化する屈折率を有する光学材 料を被着することがてき、異なる組成の分離した層を積層することによって引き 起こされる、透過率の現象、光学的散乱及び熱的損傷のような、上述した従来技 術の問題を回避することができる。この発明の連続的に変化する屈折率を有する 反射性コーティングを用いることによって、機械的応力の極度集中及び電場の集 中が回避される。正弦波的変化を有するフィルター中の電場のピークは、所望の 波長において同一の光学的性質を有する矩形波多層フィルターの電場のピークよ りも小さいことが分析的に決定されている。さらに、この発明に従って形成され る材料中の組成の徐々なる変化は、高いレーザーエネルギー束にさらされた際の フィルムの熱的応力を減少する。この減少された熱的応力はレーザー損傷しきい 値を増大するものと予想される。組成の徐々なる変化によりまた、フィルムの吸 収係数が減少される。さらに、基板界面における誘電体の組成を、基板及び誘電 体か適合性のある熱的膨張を有するように調節することによって、基板とのより 良い熱的適合を得ることもできる。

さらに、この発明に従って被着された材料の屈折率は、所定の態様で変化するよ うに調整することができ、これにより光学素子の設計において大きな柔軟性がも たらされる。とりわけ、この発明の光学素子は、複合屈折率変化装置に関して上 記したように、いくつかの波長において高い反射率を有するように非正弦波的変 化を有するように形成することがてきる。これらの後者の装置は、単一の被着層 中に組み込まれる。複数の狭い波長帯幅の反射性回折光学素子のような、これま でに不可能であった新規な光学装置であり、これは２色ヘットアップディスプレ イコンバイナー、レーザー目保護バイザー及びレーザー鏡上の反射コーティング において有用である。さらに、変化の周期性は、被着材料のスペクトル帯内のあ らゆる所定のレーザーライン、例えばＳｉｎ、については０．３から２．５μｍ のピーク波長、を排除するように変えることができる。さらに、この発明の光学 装置は狭い帯幅内において高い光線反射率を与えるように構成することができる のて、このような装置は興味ある信号について高い透過率を有し、信号検出の効 率を高める。さらに、この発明の装置は広い波長領域にわたって高い反射率を与 えることも可能である（例えば、Ｓｉｎ、については０．３から２．５　ＪＬ璽 又はそれ以上、Ａ１．０３については５ルｌ以下）。

さらに、この発明の連続的に変化する屈折率を有するフィルターは、無電荷の光 化学蒸着工程によって製造することができるのて、電荷対装置及び化合物半導体 装置のような感受性の高い装置に対する電荷損傷又は放射損傷を避けることがで きる。さらに、この方法は低温、例えば３０℃から２００℃で実施することがで きるので、温度感受性基板に対する熱的損傷、及び基板と被着層との熱的不適合 によってもたらされる応力を避けることができる。さらに、この光化学蒸着方法 によって被着される材料は、優れた表面形態性、低いピンホール密度、低い不純 物含量、低い応力、大きな面積にわたる均一な厚さ及び基板の形状に対する適合 性を有する。この発明の方法は高度に再現性があり、均一な被着物の大量生産を 行なうことが可能である。最後に、上記した方法により、フィルターを単一工程 によって製造することができ、これにより製造の複雑さ及びコストが減少する。

この発明の方法によって、複数の波長の光線に対して保護を与えるフィルターを 単一の工程によって単一の装置内に形成できることは特に注目すべきである。

さらに、この発明の方法は、鏡基板上の表面上に反射性コーティングを形成する ために用いて、高い反射率、低い吸収及び低い散乱を有する表面を形成すること ができる。このような高度に反射的なフィルムはレーザー光線を反射しガイドす るレーザーシステム内に設けられる鏡にとって有用である。このような反射的な コーティングを形成するために、第５図を参照して上記した方法が、例えばモリ ブデン又はシリコン鏡基板上に行なわれる。このコーティングの反射率を入射光 線の種々の波長において測定し、その結果は上記第５図の曲線中に示されている 。接着性を改善し応力を減少するために、なバインダー材料を用いることが有利 な場合もある。このような金属バインダーはまた。特定の屈折率変異において要 求される被着フィルムの厚さを減少するために用いることもできる。

さらに、この発明の第２の方法の具体例に従って。

所望の化学反応を開始させるための光源として走査レーザー光線又は他の平行光 線を用いることを除いて上記した光化学蒸着方法によって連続的に変化する屈折 率を有する光学材料を被着することができる。レーザー光線は基板の表面を横切 って走査することもできるし、基板に対するレーザー光線の相対的な移動を行な わせるための他の手段、例えば基板の移動又は例えば米国特許第４．３４０，６ １７号に記載されたような光学的焦点システムの調節によって行なうこともでき る。用いられるレーザー光線又は他の平行光線は、上述したように所望の光化学 反応を誘起するのに必要な光線の波長において出力を有する。光線は基板の表面 を横切って、ある時点での基板の１つの部分が露光され、その部分の大きさが光 線の直径によって決定されるように制御的な態様で走査される０反応生成物の被 着速度は１反応物質がさらされる反応誘起光線の量に依存する。従って、基板の ある部分がレーザー光線に対して長く露光されると、その部分はその上に被着さ れた反応産物の量が多くなるであろう。

従って、基板の水平表面にわたる被着速度の間隔的変化は、レーザー光線の走査 速度又は負荷サイクル及びパターンを制御することによって達成することができ る。

被着速度は被着層の厚さによって決定されるので、上記した走査レーザー光線露 光に従って、被着物の厚さ及びその屈折率は同様に基板の表面の横方向にわたっ て変化させられる。この厚さ方向の変化は、レーザー光線の走査パターンによっ て決定され、連続的なものにもできるし、段階的なものにもできる。得られた構 造は上述したように厚さの関数として連続的に屈折率が変化する層を有し、さら に、その層の厚さは、基板の表面を横切る所定のパターンに従って変化する。一 定の厚さ内における変異量によって屈折率変異の周期性が決定されるのて、基板 表面の異なる部分は異なる周期性を有するであろう０式（５）に関連して上述し たように、屈折率変異の周期性により反射光線のピーク波長が決定される。従っ て、この発明の第２の具体例の方法に従って、基板表面の種々の部分において反 射の異なるピーク波長及び／又は厚さを有するように回折光学素子を形成するこ とができる。あるいは、この発明の第２の具体例の方法に従って、基板の所定の 部分がさらされる反応誘起光線の量を、紫外線の投光源及び所定の部分において 光線が基板に当たることを防止するために基板表面に近接して配置されるマスク を用いて変えることができる。

た厚さの関数としての調節された屈折率に加え、その水平表面にわたって異なる 厚さ及び／又は屈折率を有する種々の光学素子を提供するために用いることがで きる。

ある場合には、第１の具体例の方法に関連して述べたように、屈折率を厚さの関 数として変化させて選択された入、を与え、さらに、第２の具体例の方法に関連 して上述したように、被着層の厚さを、凸状表面を形成するような、所望のパタ ーンで変化させられる。得られる構造体は、厚さが水平方向に異なり、構造の水 平表面にわたって同一の入、を有する。このような厚さの変化を有する構造体は 、その水平表面にわたって回折素子の効率の変化を与え、これは入射光線の強度 の間隔的な不均一性を補償するために有利である。第２の場合には、被着層の厚 さはすぐ上で述べたように所望のパターンで変化させられ、さらに、入、はこの 発明の第１の具体例の方法の代替法に関連して上述したように１層の水平表面に わたって変化させられる。得られる構造体は厚さが水平方向に異なり、構造の水 平表面にわたってλ、が異なる。第３の場合では、被着層の厚さは一定に保たれ 、被着層の屈折率が表面の水平方向に異なり、上述したように周期性及びλ、の 変化を与える。このような構造では、基板表面の水平方向の入、の変化は被着層 の厚さに依存しない。透孔を有する蓋を基板上に置き、基板の特定の部分上で透 孔な開けたり閉じたりしてその基板部分に入射する光線の量を制御し、同時に、 厚さの関数として及び基板表面の水平位置の関数として必要な屈折率の変化を達 成するために光線の強度又は反応ガス流速を変えることによって、このような一 定の厚さを有する構造を得ることかできる。

要するに、改善された性悌を有する従来の光学フィ供する。この発明の方法の固 有の特徴は以下のとおりである。

ａ０反応物質の流量比を調節することによる（複合）屈折率の任意的な変化 す、大きな屈折率変化 Ｃ０基板の表面を横切る可変的なピーク波長ｄ、低温被着 ｅ、基板形状に適合する均一なコーティング、及びｆ、被着材料の多様性 とりわけ、この発明に従って形成することができるいくつかの新規な改善された 光学装置は、ａ、バンドパスフィルター、狭帯透過又は反射フィルター、カット オフフィルターのような、広角受容のための、フィルターを横切って可変的なん 、を有する広角光学フィルター ｂ、可変密度中性密度透過フィルター、可変反射フィルターのような、得られる 光線を横切って均一な強度を与える吸収又は透過型アポダイザ−（ａｐｏｄｉｚ ｅｒ）Ｃ０紫外線の変化及び／又は格子深さを介する可変屈折率によって形づく られ゛た格子変化を有する表面格子ｄ、光学Ｍ＆維又は一体光学素子のような、 特殊な光学装置を形成する基板又は繊維核上の可変屈折率コーティング ｅ、マスクの複製のための素子及びコンピューターにより生成されるホログラム ｆ、検出器のためのレーザー保護フィルター又はレーザーからの人の目の保護の ためのような、レーザー固化赤外線検出器及び固状成分のための赤外線及び可視 光線フィルター ｇ、狭帯、−色又は多色、透過、反射又はカットオフ型フィルター ｈ、可変表面変異及びレンズを介して又は横切る可変屈折率を有する薄レンズ ｉ、プラスチック基板又はガラス基板上の高い反射率フィルターの抗反射又は高 反射率フィルターｊ、非球状基板上の上記いずれかのコーティング、及′び に、傾斜フリンジ光学装置 さらに、この発明の方法は、ケイ素酸化物を用いることに限定されず、上記した 米国特許第４，３７１，５８７号に開示された方法によって被着されるいずれの 酸化物をも包含することができる。さらに、上述したように、本譲受人に譲渡さ れた米国特許第４，１８１，７５１号に開示された方法による窒化ケイ素及び本 譲受人に譲渡された米国特許第４，４４７，４６９号に開示された方法による種 々の硫化物のような、他の光化学方法によって、他の材料を被着することもでき る。さらに、例えば二酸化ケイ素を窒化ケイ素と組合せるような、これらの種々 の材料の組合せも用いることができる。現実的なこととして、この発明に従って 被着された材料は空気及び水蒸気の存在下で安定でなければならない。

さらに、この発明は光化学蒸着方法に限定されず。

反応ガス流速比をここで記載したように制御して所定の屈折率変化を有する、連 続的に変化する屈折率を有する光学材料を形成する他の公知の被着方法をも包含 する。

例えば、所望の生産物を形成する化学反応をもたらすのに十分に高温に反応物質 を加熱する熱的化学蒸着方法において、ここて上述したような態様で１反応ガス のガス流速比が制御される。この点に関し特に興味のある熱的化学蒸着の１つの 型は、金属有機化学蒸着によるエピタキシャル層の被着である。硫化亜鉛及び硫 化セレンのような２つの供給源が加熱されて蒸発し、引き続き基板上で凝縮する 、熱的蒸着又は物理的蒸着方法において、硫化亜鉛のような１つの供給源の熱的 蒸発を一定速度に保ち、第２の供給源の熱的蒸発を上記したように時間の関数と して変化させる。同様な方法は、２つのターゲットを用いた電子ビーム蒸着技術 及びスパッター蒸着技術において用いることができる。同様に、原子又は分子流 をターゲットに当てることによって材料のエピタキシャル層が成長する分子ビー ムエピタキシャル成長方法において、入射ビームの相対比を上記のように変化さ せて所定のパターンの漸化屈折率を有するエピタキシャル層を形成することがで きる。

実施例１ この実施例は、上記したこの発明の第１の具体例の方法に従って、フィルターと して用いるのに適した。所定のパターンて連続的に徐々に変化する屈折率を有す る光学材料の形成を例示する。上記米国特許第４，３７１，５８７号に記載され た光化学蒸着方法及び装置を用いて、寸法が２インチ（５，０８ｃｍ）ｘ　３イ ンチ（７，６２ａｌｌ）、厚さが４０ミル（０，］０ｃＩＩ）のガラススライド 基板上にＳｉｎ、のフィルムを被着した。気相反応物質はシラン（ＳｉＨ＜）及 び窒化酸素（Ｎ、ｉｏ）であり、光増感剤として水銀を用いた。反応誘起光線の 波長は２５３７人てあった。基板温度は１００℃であった。総操作圧力は約ｌト ル（水銀のミリメーター）であった、あるいは、約０．１から５０トルの範囲の 操作圧力を用いることもできる。反応ガスＳｉＨ，及びＮ、Ｏを、反応ガスの流 れを調節するマスフローコントローラーを介して蒸着室の一端から入れた。反応 ガスの流れを開始させ、次いで総圧力、ガス流速、ガス流比及び基板温度を調節 した。蒸着中のガス圧力は一定に保ち１層状のガス流パターンが破壊されること を最小限度に抑えるように基板を置いた。システムが平衡に達すると、光の必要 な強度を決定するために上記した第３図のデータを用いて１反応室中に反応誘起 光線を透過させることによってＳｉｎ、の蒸着を開始した。二ニー・シャーシー 州ニューワークのカンラドーハノビア・インコーホレーテッドから得た４つの水 銀蒸気ランプを光源として用い、これは基板から約２．７５インチ（６，９９ｃ ■）離れたところに位置させた。　Ｎ、Ｏのガス流速を６２．０ｓｃｃ■で一定 にし、ＳｉＨ４の流速を０　、９０ｓｅｃ＋＊から３．５ｓｅｃｍの範囲内で制 御的に変化させた。

第１図の上記したデータ及び流速の経時変化を示す実験データから得たグラフを 用い、所定の速度でガス流コントローラーのノブを手で回すことによってシラン 反応物質の流速を変え、１．４５から１．６３の間で全部で１６周期の連続的な 正弦波パターンで屈折率が変化する、ピーク波長が１．４８７ＬＩＩにある酸化 物フィルムを製造した。このようにして形成されたホログラフィックフィルター のスペクトル反射率の測定値は第５図に示されており、このデータは前に詳細に 議論した。このような構造は、例えばレーザー信号の透過を最大にし、鏡に対す るレーザーによる損傷を最小にするために、レーザーシステムにおいて用いられ る鏡の表面上の高度に反射的なコーティングとして有用である。

実施例２ この実施例は、二酸化ケイ素（ＳｉＯ＊）と二酸化チタン（ＴｉＯ＊）との複合 酸化物フィルムを形成して最大屈折率変異が１．１の複合酸化物フィルムが形成 される。この発明の方法に従った。基板の表面上に連続的に屈折率が変化する光 学材料の層の形成を例示する。

さらなる気相反応物質として四塩化チタン（ＴｉＣＩＪを用いたことを除いて、 上記実施例１で記載した工程を行なった。米国特許第４，３７１，５８７号に記 載されているように、−酸化二窒素の光化学的分解によって形成される原子状酸 素がＴｉＣｌ４と反応して二酸化チタンを形成する。この発明に従って、−酸化 二窒素のガス流速を一定に保ち、ＳｉＨ，及びＴｉＣ１ｎのガス流速を互いに、 及び−酸化二窒素に対して制御的に変化させた。　ＳｉＨ，及びＴｉＣ１゜の必 要な流速は、蒸着材料の屈折率が流速に依存することを示す実験データから決定 された。ＳｉＨ４及びＴｉＣｌ４反応物質は原子状酸素と反応してそれぞれＳｉ ｎ、及びＴｉ０ｚを生成し、これらが同時に基板上に蒸着されて５ｉＯａとＴｉ Ｏ□とを有する複合酸化物フィルムが形成された。複合酸化物の組成は、屈折率 が１．４５の純Ｓｉｎ、から連続的に屈折率が２．５５の純Ｔｉｅ、まで変化し 得る。得られた複合酸化物フィルムは厚さの関数として連続的に変化する屈折率 を有し、屈折率の変異の最大値は１．１であった。

実施例３ この実施例は、上述したこの発明の第２の具体例の方法に従って、基板の表面を 横切る方向にも所定のパターンで屈折率が変化する。連続的に変化する屈折率を 有する材料のガラス基板の表面上での形成を例示する。

光源が、二ニー・シャーシー州のルモニクス社から得られたアルゴン−フッ化物 系チューナブルエクサイマ−（ｅｘｃｉｍｅｒ）レーザー及びその付属電子機器 及び光学機器並びにマサチューセッツ州ウォータータウンのジェネラル・スキャ ニング・インコーホレーテッドから得たラスター走査機構を包含する走査レーザ ー光線であることを除き、上述した実施例１の一般的操作を行なう、コンピュー ターで制御しながら、例えば米国特許第４．３４０，６１７号に記載されたよう にして基板の表面の水平方向に所定のパターンでレーザー光線を走査する。蒸着 された層の厚さの関数として連続的に変化する屈折率を有し、かつ走査レーザー 光線のパターンに対応するパターンで表面の水平方向に放射状に変化する屈折率 を有するＳｉ職のような材料の層が基板上に被着される。

この発明を、好ましい具体例に関して特定的に記載したが、この発明の意図及び 範囲から逸脱することなく形態及び詳細にある修飾を加えることが可能であるこ とは当業者によって認められるであろう。とりわけ、この発明の範囲は、単なる 例示として用いたケイ素酸化物のなく、適当な光学的性質を有する酸化物、窒化 物硫化物及び他の材料並びにこれらの組合せを包含することを意図する。さらに 、この発明の好ましい方法の具体例を「光化学蒸着方法」と呼んだが、原子状酸 素が光化学的に生成される米国特許第４，３７１，５８７号の方法具体例に限定 されることを意図しておらず、むしろ、該特許のあらゆる方法具体例によって形 成されるあらゆる酸化物を包含することを意図する。

さらに、所定のパターンで連続的に変化する屈折率を有する酸化物を形成するた めに特異的に制御された特定の光化学蒸着方法に言及してこの発明を記載したが 、酸化物又は他の材料を被着する他の被着方法も上述したのと同一のＳ１響）ｒ 新車及び光学的性質を有する被着層をる材料は、目的の波長債域において透過的 な銹電体であることによって特徴づけられる。

さらに、この発明は特にここて開示した特定の屈折率変化パターンに限定される ものではなく、あらゆる所定の変化パターンを包含することを意図する。さらに 、この発明を、特定の工程の詳細に限定する意図はなく。

被着材料中の所望の屈折率変化を達成するために必要ないずれの工程パラメータ ーのバリエーションをも包含することを意図する。

最後に、この発明はここで具体的に記載したような４゛レー１すＭＡシ牙１１り 人 連続的なＪｌｆｔ、にβ率材料の用途に限定されるものではな第９図には、新規 な回折型光学コンバイナーが開示されている。コンバイナー４０の改善された性 能及び比較的単純な構造はＨＵＤ又はＨＶＤのような用途に良く適している。第 ９図に描かれたコンバイナー４０は、ガラス又はプラスチックのような材料から 形成された基板しくは上記した光化学蒸着方法又は他の被着方法により形成され る。基板４５の他の表面４７上には抗反射性コーティング４８が形成されている 。

表面４６及び／又は４７は平面状又は球状であってもよいが、好ましくは、コン バイナー４０が採用されるディスプレイシステム中の収差を補償又は均衡させる ように選択された非球状の外形を有する。コーティング５０は、球状基板上に形 成された従来のゼラチンホログラムと同様に、狭帯の高い反射率応答を与える。

、しかしながら、このゼラチンホログラムコーティングは、球状基板上に形成さ れた従来のゼラチンホログラムよりも改善された光学的性能を有する。この改善 された性能は、ホログラム自体によってではなく傾斜フリンジの排除、及び収差 補償のために必要な非球状性を与える基板の外形によりもたらされる。ある設計 基準を達成するのに必要な非球状の表面の特定の外形を決定するための考慮及び 原則は、ゼラチンホログラム中のフリンジの所望（の方向を決定する際の周知の 考慮及び原則と同一である。もちろん、媒体の差に甚く屈折率のあらゆる差異を 従来と同様に適当に補償する。

り１−１’ｙＶＡ：コ〒−１ｒス ｓｚｚｗｆ；−ティングを用いることによるコーティングの設計及び製造のさら なる柔軟性により、高透視及び多色ディスプレイを得るために用いられるような 改善された性能を有するコンｉ（イナーの製造が可能になり、従って、ゼラチン ホログラムコーティングに比べである利点を有する。

ｉ”ｉｆｆ　＝２”−ティングはポリカーボネートのようなプラスチック基板上 に直接施すことができ、ゼラチンホログラムと異なり、通常特定の範囲の湿度及 び温度のような環境的効果に対して不活性である。これらの２つ４′℃−〒１４ ζ八己四へラグ入 の特徴によりＷ北屈新タラ−ティングを基板４５の表面４６に直接施すことがで き、これによって大きな光学的利点がもたらされる。表面４６は第９図に示すよ うに観察者の目５８を向く表面であるので、コンバイナー４０は、８Ｉ層ゼラチ ンホログラフィックコンバイナーにおいてしばしば生じる、強力な転移された第 ２（ゴースト）の像を実質的に減少させる。第２の表面４７からの反射の強度は 一般的に表面４６から反射される主像の強度よりも数桁率さいので、）ＩＵＤ又 はＨＶＤシステムにコンバイナーを実際に用いることについて有意な問題ではな い、さらに、抗反射（ＡＲ）コーティングは基板４５の表面４７にのみ施される が、一方、ゼラチン型のＨＵＤ又はバイザーコンバイナーでは、コンバイナーの 両側にＡＲココ−ィングが必要である。

ゴースト像の強度の減少が第９図に描かれて５いる。

ディスプレイ光源は典型的にはＣＲＴ５５を含む。

ＣＲＴによって発生される狭帯光線は、光路５６に沿ってコンバイナー４０に入 射する。コーティング５０は典型的に°は、光源３０からの入射光線の８０％を 光路５７に沿って観察者、の目５８に向かりて逆向きに反射する。

コーティング２０によって反射されなかったディスプレイ光源の小さな部分は光 路Ｓ６ａに沿って透過し、基板４５及びＡＲの界面に至る。典型的なＡＲココ− ィングは、典型的には入射光線の約０．５ｚのみを反射し、残りの光を透過させ る０反射光線は光路５７ａに沿って進む。

コーティング５０は光路Ｓ７ａに沿って入射する光線の８０％を反射し、入射光 線の２０％のみを透過させる。光路５７ａに沿った第２の像の強度はわずかに（ ２０駕）　（０，５り　（２０％、）　、すなわち、コンバイナー４０に入射す る光源５５からの光の強度の０−０２％である。このように１反射される第２像 の強度は、主たる反射像の強度よりもはるかに小さい。

第９図に示されるコンバイナー４０のゴースト像性能は、従来のゼラチンホログ ラフィックコンバイナー。

すなわち、少なくとも５つの層と、２つのガラス基板の外表面上に形成された２ つの外ＡＲココ−ィング、すなわち、ゼラチンホログラムを挟むコーティングを 有するものと対照的である。光源光の波長における。ＡＲココ−ィングの性能（ （１５％反射）及びゼラチンホログラムにおける８０％の反射率について同等の 性能を有するものと仮定したとしても、考慮すべき界面が５つ、及び転位した像 の有意な成分が３つ存在する。３つの二次成分の合体した強度は０．８４＄であ り、すなわち、第９図に示されるコンバイナーにおける０、０２％と比較すると ４０倍も大きい。

第９図に示すコンバイナーはまた、改善された透視性能、より大きな出口瞳寸法 、多色及び最適化デイスプコーティングを被着することができる被着技術を通し て達成可能な柔軟な設計及び製造工程から直接もたらされる。

ＨＶＤ及びＨＵＤ用途のためには、見る人がバイザー又はＨＵＤコンバイナーな 介して外部環境をはっきりと見ることができ、外の景色の色がコンバイナーによ って着色されないことが望ましい、このことは、コンバイナーに入射する外部光 のわずかな部分のみがコンバイナー上の回折コーティングによって反射されるこ とを必要とする。コンバイナーの反射応答が狭い帯に限定されていなければ、又 はピーク効率波長付近で反射応答における有意なサイドローブ（ｓｉｄｅｌｏｂ ｅ）が存在するならば、観察者には環境が着色されて見え、コンバイナーの透視 性能が劣化するであろう。

力９レー１η撃）（コ千−Ｉス 縮化屈折［−ティングの屈折率変化は、狭帯の。

サイドローブ反射が最小限度に抑えられた高い反射率スペクトル応答を与えるよ うに設計することができ、透視性能か改善される。この特徴は第１Ｏ図及び第１ １図に描かれている。

第１０図は、入射光線の波長の関数としての、従来の反射率関数をプロットした グラフである。第１Ｏ図に３いて、ゼラチンホログラムの反射率は破線で示され 。

る。ゼラチンホログラムの屈折率変化は正弦波的であティングのスペクトル反射 変化におけるサイトローブを抑えるような非正弦波的変化を有するように設計さ れている。５４３ｎｍを中心とする、８０％の典型的なピーク反射率は両方の型 のコーティングによって容易に達成可能である。しかしながら、ゼラチンホログ ラムの反射率は、目的とする狭い波長領域の外側に、知覚てきる反射率の典型的 なサイドローブな示す。反射率関数におけるサイドローブは、外部環境からのか なりの光がコンバイナーによって反射され、観察者の目に向かって透過されるこ とがなく、従って透視性能が劣化することを示してうＬ−〒−ｒ（シヂー７に いる。一方、ｚ＜ｙンコーティングは反射率応答におけるサイドローブを最小化 するように設計することがてき、透視性能が改善される。

コーティングを採用することにより、ピーク反射応答の幅を広げて、波長のより 広い幅のΔ入において少なくとも８０％の光が反射されるようにすることができ る。ゼラチンホログラムコーティングの反射率応答を同様に広げるためには、典 型的にはピーク反射率を高める必要があり、従ってサイドローブレベルが増大さ れ、サイドローブスペクトル領域における望ましくない届折かもだの反射応答を 示し、上の破線は同一の帯幅な有するがより高い９５％のピーク効率を有するよ うに設計されたゼラチンホログラムの反射率応答を示す。

グにより、特定の用途において要求される帯幅、サイドローブ及び反射率応答を 均衡させることについて大きな柔軟性が与えられる。例えば、２０〜３０ｎ■の 帯幅Δ入（第１１図に示す）は許容可能な反射率及び低いサイドローブレベルを 有するように設計することができる。これにより、　５４３ｎｍを中心として５ 〜Ｉｏｎｓの波長幅の光を発する、蛍光体Ｐ５３をＣＲＴ光源として用いること が可能になる。これは、　５４３ｎ閣の波長を中心とするが波長幅が２〜３ｎｍ である光を発するためにＣＲＴに用いられるＰ４３蛍光体とは対照的である。こ のように、反射率応答の幅が広げられると、像の明るさが増大し得る。

の増大は、他の性能上の利点、すなわち、角度反射率関数の増大をもたらす。角 度反射関数は、ある波長の入射光線について、入射角の関数として反射率を特徴 づけるものである。より幅の広い入射角度の範囲内において反射率応答が高いな らば、出口瞳の寸法もそれに応じて大きい。

出口瞳の寸法の増大は２つのパラメーターを制御することによって最大化するこ とができる。ある非正弦波グし一〒−、ト°イ；イーフメ 的、＃４ｅＪＦ＃ｆｒ卑コーティングの厚さ方向の屈折率変異（すなわち、最高 及び最低屈折率の差）を増大させることによって、ピーク反射率応答の幅が広が り、それに対応して角度反射率帯幅も広がることがわかった。さらに、ナ’Ｌ− ｗ＝＋ｌ：イシギ＋７ス ＪＥＥＲ析率コーティングは、ゼラチンホログラムよりも、率′コーティングは １．７５の平均屈折率を有するように設計することがてき、これは約１．５０の 平均屈折率を有する典型的なゼラチンホログラムと対照的である。これにより、 ゼラチンホログラムよりも約３（Ｈ大きな出口瞳面積がもたらされる。

典型的なディスプレイシステムに用いられるコンバイナーに１つの要件は、コン バイナーの位置の関数として変化する入射角で入射するディスプレイ光源からの 光を反射することができるということがある。ホログラフィック又は干渉型コー ティングは狭い波長領域の光を反射し、この狭い帯領域の外側の波長を有する光 を通すように設計されている。特定の波長を中心とする狭い帯領域は、入射角が 垂直方向から移動するに従って移動する。垂直の入射における中心振動数は通常 ホログラム波長と呼ばれる。ディスプレイ光源からの光は通常コンバイナーの表 面に垂直に入射せず、また実際、入射角はコンバイナーの表面にわたって変化す るのて、ディスプレイ効率を最大にするために、コンバイナーを横断する方向に ピーク波長を変化させなければならない。ホログラ＃’ｔ−ｙＪ６デ；７λ フィックゼラチンコンバイナー及び４ｆｒ七齋ｘ率コンバイる点におけるピーク 効率ホログラム波長を変化させて。

設計された視野中における最大のディスプレイ効率を達成するように基板上に生 成することができる。この効果は第１２図に描かれている。光学コンバイナー６ ０はその上にＡ’；”１Ｋｊ書コーテイング６２が形成される基板６１を有する 。ディスプレイ光源６３は波長λ。においてディスプレイ光を発生する。ディス プレイ光の３つの光路６４，６５．６６が、コンバイナー６０上に形成されたコ ーティング６２の表面を横切って入射することが示されている。光路６４．６５ ．６６のそれぞれ異なる入射角はθ１、θ２．θ３である。入射地点において、 それぞれのホログラム波長はλ１、入２及び入、てあり、それぞれの垂直でない 入射角θ１、θ２、θ３において観察者の目に反射される光のピーク効率波長が λ。

であるように設計されている。

同様の効果は、ゼラチンコーティングのようないす組合せによって得ることがて きる。

このように、この発明のコンバイナー４０は非球状表面を有する基板と、所定の 狭いｌ又は２以上の波長領域の光を反射するための回折型反射コーティングとを 有していてよい。コーティングは、ゼラチンホログラム又ティングが形成された 、軽量プラスチック材料の非球状基板を有する。非球状性は、特定の光学システ ムの要求に従って、システム内の光学収差を補償し又は均衡させるように設計す ることができる。さらに、漸化屈折率変化は特定の反射率応答を与えるように設 計することができ、多色能力、改善された透視性、拡大された瞳寸法及び増大さ れた効率を与えることができる。

非球状のプラスチック基板の製造は、眼鏡分野において周知である。非球状表面 は例えば、従来の研削又は研摩技術によってその上に形成された非球状表面を有 するマスター（例えばガラス又は金属）を用いた鋳造工程により形成することが できる。マスターは次に、基板のそれぞれの表面（それぞれの表面は異なる形状 を有し得る）のためのニッケルプレートレプリカをつくるために用いられる０表 面のニッケルプレートレプリカは、プラスチック基板を鋳造するために用いられ る。

このプラスチック基板の製造方法は第１３図及び第１４図に示されている。所望 の非球状表面形状１０６がガラス基板１０５上に形成されてガラスマスター１０ ５を規定する。このガラスマスターを用い、当業者にとって公知の従来技術によ り１表面形状１０６のニッケルプレートレプリカ１１０が形成される。

同一の方法により、第２のマスターを用いて第２のニッケルプレートレプリカ１ １０ａを形成すること力七できる。２つのニッケルレプリカ１１０．１１０ａを 次に鋳造表面として用いて、予め測定された量の未重合アクリル（又はＣＲ−３ ９）化合物１１５を、その形状がニッケルレプリカ１１０．１１０ａの形状の複 製である基板に鋳造する。鋳造方法は、圧縮可能なガスケット保持体１２０を形 状１０６．１０６ａの周りに配し、未重合のアクリル化合物１１５を２つのプレ ート内に挟みガスケット１２０で保持し、プレートを高温槽中に置いてアクリル 化合物を重合させることから成り１通常約１３％収縮して形状１１０．’　１１ ０ａが形成される。プレートを次に高温槽から取り出して分離し、形成された鋳 造物を取り出す。

この鋳造方法は、非球状基板の量産において比較的低コストの技術を提供する０ 部品はまた注入モールディングによっても製造することができる。対照的に、非 球状のガラス基板を従来技術を用いて量産レベルで製造することは、実施ができ ない程度に高くつく。

第９図に示すコンバイナーが有利に用いられる１つの用途は、飛行機要員によっ て用いられるヘルメット搭載バイザーディスプレイ（ＨＶＤ）である、公知のよ うに、ＣＲＴのような光源からの像は、透視バイザー上に記号情報又はレチクル 情報を表示するために用いられ、ヘルメット着用者はバイザーを介して外部環境 を見ている時に記号がヘルメット着用者に与えられる。

この発明に従った二眼バイザーシステムが第１５図の模式ブロックダイアグラム に示されている。この図において、ＣＲＴのような目的光源２１Ｇから発っせら れる光が描かれており、これはリレーレンズ２１２を介して像曲折プリズム２１ １によって誘導され光線スプリッター２１３に導かれる。光源２１０から像曲折 プリズム２１１に至る光路は１図示が便利なように曲折せずに描かれている。

光線スプリッター２１３において、入射光線はスプリッター２１３によって２つ の光線に分離され、これは光線を。

ウィングミラー２１４゛として示される一対の曲折部材に横方向に誘導する。

ミラー２１４は、プラスチックウィンドー２１６を介してそれぞれの光線を再び それぞれの非球状ミラーに向け、この非球状ミラーは第９図に示す光学要素であ るコンバイナー２１５を有する。コンバイナー２１５の選択反射特性により、物 体源光が、出口瞳２１７を介して使用者の目に再び向けられる。それぞれの目は 、対応する出口瞳において無限遠の嘘像として像を見る。破線２１６で示される 中間像は、リレーレンズ２１２とコンバイナー２１５との間に発生させられる。

特定の、好ましいＨＶＤ具体例が第１６図から第１８図にさらに詳細に模式的に 示されている。二眼システムの主たる要素の、使用者の頭に対しての配列が第１ ６図に示されており、ヘルメットは簡単のために省略されている。システムは、 その内表面２２１上に蛍光体を有する平坦なディスプレイ要素２２０を有する小 さな陰極管（ＣＲＴ）を有する。第１６図に示されるように、ＣＲＴプレート２ ２０の垂線は、システムの基準線から２７．０３９゜はずれている。

曲折プリズム２２３はＣＲＴ　２２０に隣接する。プリズム２２３の入口面２２ ４は基準線２２２に対して直角であり。

出口面２２５は基準線２２２に対して４．５５４°のくさび角にある。陰極管か らの光は、ＣＲＴ２２０の外表面において基準線２２２と直角なゼロ基準線２２ ６から０．４１１インチ離れた点に入口面２２４が位置するように配置されたプ リズム２２３内において内部的に反射される。

曲折プリズム２２３の次は、修飾コーク（Ｃｏｏｋｅ）　）リブレット中の３つ のレンズ２２８．２２９．２３０を第４のレンズ２３１と共に有するリレーレン ズ２２７である。リレーレンズ２２７の２つの外レンズ２２８及び２３１は非球 状表面を有し、一方レンズ２３０は球状表面を有するメニスカスレンズである。

リレーレンズを軸から離して設けることは、軸光路２３２が基準線２２２と同軸 になるようにこれを曲げる働きをする。

レリーレンズ２２７を透過した光は次に光線分離プリズム２２３に導かれる。前 面２３５（第１６図及び第１７図）は凹状の曲面を有する。プリズム２２３はリ レーレンズ２２７を透過した光を、横方向を向く一対の像に分離する。これらの 像はウィングミラー２３６．２３７（第１７図に示す）によって、光線分離プリ ズム２３３の反対側面上で反射され、リレー光学素子を外部環境からシールする ために用いられるウィンドー２３８を介してそれぞれのコンバイナー２４０に送 られる。特定のフィールド地点からの光線は、コンバイナー２４０によって反射 されて出口瞳２４８（第１６図及び第１７図において線２４８で示される）を介 して使用者の目に向けられる。

第１７図は、第１６図の右上から、基準線２２２並びに曲折プリズム２２３及び 分離プリズム２３３の傾斜面に平行に見た図である。簡単のため、第１６図には ウィングミラー２３６及び２３７は示されていない。

レンズ要素２２８−２３１を含むレリーレンズ２２７の軸（線２２７ａで示され る）は、基準線２２２に対して８．６３０’の角度にあり、軸２２７ａが表面２ ２８８と交差する点は、基準線２２２から０．２２インチだけずれている。

第１６図に示すように、非球面レンズ２２８は、その表面２２８ａが軸光線２３ ２と交差する点がゼロ基準線２２６から１．６４５インチ離れて位置するように 設けられる。プリズム２３３の面２３４はゼロ基準線２２６から２．９４１イン チ離れており、一方、反射された軸光線２３２がコンバイナー２４０を出る地点 はゼロ基準線２２６から７．５２６インチ離れている。コンバイナー２４０は、 第１６図の面内にあるその素子軸が、コンバイナー２４０から出る軸光線の光路 （出口瞳２４８の方向に延びる）と３０．４３１度の角度を形成するように配置 されている。

開示された具体例において、ウィングミラー２３６及び２３７の位置は、４０度 の透視能力と必要な頭空隙の要件のために限定される。これにより、ひいては光 線分離プリズム２３３の位置も固定される。第１のオーダー及びパッケージング を考慮する（特に、曲折プリズム２２３の組み込みを可能にする長い後方焦点の 必要性）と、透孔栓がプリズム２３３の少し手前て落ちることが必要になる。こ れはまた、リレーレンズ２２７がより優れた性能のために最も容易に設計され得 る透孔栓の位置である。しかしながら、設計を少し変更すると、透孔栓は所望に よりリレーレンズの前又は内部に位置することもできる。

ディスプレイシステムには十分な目の開放空間が組み込まれているのて、使用者 はメガネや標準的な酸素マスクをつけることがてきる。目の開放空間及び所望の 透孔栓の位置を決定すると、コンバイナー２４０の焦点長さ及びリレーレンズ２ ２７の倍率は容易に決定することができる。使用者はコンバイナー２４０を介し て見るので、透視歪は慎重に制御される。

第１５図から第１９図に示したディスプレイシステムの特定の具体例の光学的特 徴が表Ｉにまとめられている。

水平視野　４０゜ 垂直視野　３０’ 出口瞳幅（切断円）　１５Ｉ１ｍ 出口瞳高さく切断円）１０Ｉ１ｍ 有効焦点距ｇｌ　２１．６ｍｍ 水平ｆ−数　１．４４ 垂直ｆ−数　２．１６ 目開放空間　９８ｓｍ ＣＲＴ直径　１９ｍｍ 出口瞳分１１！ｌ：　６２．５ｍｍ 波長　５４２−５５０ 内部 コンバイナー焦点距１１１　５０．８＋ａｍコンバイナーｆ−数　３．４ コンバイナ一曲折角　６０．８゜ リレーレンズｆ−数　１．０１ リレーレンズ視野　３７゜ 近似リレーレンズ幅　２９＋ａｍ 第１５図から第１８図に示した特定の具体例についての上記種々のパラメーター は、この発明の範囲から逸脱することなく、種々の用途及び明細に適合したデザ インを採用するために、当業者にとって周知の方法により許容可能な設計原則に 従って選択されることは当業者にとって明らかてあろう。リレーレンズ２２７の レンズ表面及びコンバイナー２４０の表面の処方のような、記載していないシス テムの他のパラメーターはこのような原則に従って選択され、あらゆる特定の設 計明細を満足することかできる。これらの原則はワレン・ジェイ・スミスによる ［現代光学エンジニアリング］　（マグロウヒル・インコーボレーテット１９６ ６）のテキストによって明らかなように、当業者によって理解されている。また 、単に曲折ミラー２３６及びプリズム２３３を除去することによって、それぞれ が第１５図から第１７図に記載したのと同様なデザインを有する分離した光学チ ャネルを、それぞれの目に分離した表示を与えるために用いることができること も当業者にとって明らかてあろう、この二重分離チャネル構成は、立体ディスプ レイシステムの能力を与える。

第１５図から第１９図に記載したＨＶＤシステムは、ゼラチンホログラムを採用 したＨＶＤシステムに対よって達成される高められた光学性能はこのような利点 の１っである。最適化すべき特定の性能パラメーターは用途に依存するが、非球 面コンバイナーは、ゼラチンホログラフィックコンバイナーにおいて木質的なも のであったフレアー及び色分散を最小化することに実質的に基づく改良された検 品質、より大きな出口瞳寸法、改善された透視及び効率、より大きな視野並びに ゴースト像の排除を与えるように最適化てきることは明らかである。さらに、コ ンバイナーは軽量のポリカーボネートから製造することができ、コンバイナーの 重量及びバイザー着用者の負担を実質的に軽減することができる。

第９図に示すコンバイナーのもう１つの用途は飛行機のコックピット用のヘット アップディスプレイ（ＨＯＤ）である。新規なコンバイナーな採用したＨＵＤの 一般的な模式ダイアグラムが第２０図に示されている。飛行機はキャノピ−２６ ０と表面２６６とを有する。コンバイナー２７０は基板２６９と回折型コーティ ング２６８とを有する。

２７６はリレーレンズ２８０を介して、−コンバイナー２７０上の光線を導くよ うに角度をつけられた表面を有する曲折プリズム２８２に写し出される。光線は 次にコンバイナー２７０によって回折されてパイロットの目２８４に向けられる コンバイナーを採用したヘットアップディスプレイは、ゼラチンホログラフィッ クコーティングを採用したシステムに比べていくつかの利点を有する。１つの利 点は、ゼラチンホログラムを保護するために典型的に採用されているガラス層の 排除に基づく重量の減少である。

プラスチック基板を用いると重量の軽減は有意義である。さらに、プラスチック 基板を用いると、ゼラチンホログラムコンバイナーにおいて木質的な粉砕ガラス による危険性がもたらされない。プラスチック基板を用いることによって、コン バイナーに鳥がぶつかっても安全である。このことにより、ひいてはガラスコン バイナーにおいて可能であったよりもキャノピ−のより近くにコンバイナーな配 置することが可能になり、ヘッドアップディプレイシステムの眺望能力を増大さ せる。非球面コンバイナーを採用したヘッドアップディスプレイシステムの他の 利点は減少された透視歪及びゴースト像並びに改善された検品質である。さらに 、軽量コンバイナーの低いカンチレバー付き質量はコンバイナーの剛性を増大さ せ、振動に対するその感受性を減少させる。

以下に、ここで記載した原則に従って製造されるココ−ティングを置くことによ ってコンバイナーの側に抗反射コーティングを設ける必要性も排除される。

ｂ、コーティング設計及び製造の柔軟性に基づき、コンバイナーは、高い透視及 び効率並びにより大きな出口瞳面積及び視野のような、改善された光学的性能を 与え　、ることができる。

Ｃ，ガラスに代えて軽量のポリカーボネートであってよい１つの基板のみが用い られるので、コンバイナーは軽量アセンブリーである。ゼラチンＨＵＤ又はバイ ザーディスプレーとは対照的に、カバ一層を必要としない。

ｄ、多色ＨＵＤコンバイナー又はバイザーディスプレイコンバイナーな製造する ことが容易である。

ｅ、コンバイナーはホログラフィックゼラチンヨンバイナーにおいて傾斜フリン ジによって引き起こされる像劣化フレアー及び色分散を排除し、これによってよ り帯幅の広いディスプレイ光源（ＣＲＴ）を用いることが可能になり、より明る くより効率的なディスプレイかもたらさｈｈ工警イシｆｖｔλ ｆ、酸化物コーティングを有する　−ｊ？Ｉコンバイナーは環境的に安定であり 、従って、ガラス基板だけでなくプラスチック上にも施すことができる。

ｇ、コンバイナーの製造は、量産レベルにおいてゼラチンコンバイナーよりもコ ストが易い、道具コストもまたより低い。

ｈ、コンバイナーの厚さが小さいので１両方の表面が非球面であつても透視歪が 小さい。

ｊ、ヘッドアップディスプレイについては、軽量コンバイナーのより小さなカン チレバー付き質量の故に、コンバイナーがより堅固にそして振動に対してより強 くなる。

ｋ、コンバイナーの基板がプラスチックでできているので、鳥がぶつかっても安 全であり、従って、高められた眺望詣力を有するヘットアップディスプレイを設 計することが可能になる。

１、ヘルメットバイザーディスプレイ中で用いた場合にコンバイナーはゼラチン ホログラムバイザーよりも軽く、減少した透視歪及びゴースト像を有し、全体的 な改善された光学ＭＴＦ及び解像力を有する。

この発明を特定の具体例を参照して説明したが、この発明の真の木質及び範囲は 以下の請求の範囲に規定されている。

泉欠（λ） 国際ｌ１ｌｉｌ：ｔ−餌牛 ｔｍ＊ｎｔｓｗｍ＆−−１１ｍｆｉＨ＠、ｐｃ？７ｕｓ９６／Ｑ１５７４ＡＮＮ ＥＸ　Ｔｏ　ＴＨＥ　ＩＮＴＥＲｔＪＡ丁ｌ０ＮＡＬ　５ＥＡＲＣＩ（ＲＥＰＯ ＲＴ　ＯＮ１＋１轡自ｍ　Ａｅｅｌｌｇｍｍ　ｌｌ＆　ｐ（７／υｓ　８６１０ １５７４

Claims (42)

【特許請求の範囲】
1. １．ａ）少なくとも１つの非球状表面を有する基板と、 ｂ）該表面上に形成された層であって、該層に入射する１又は２以上の所定の狭 い帯領域の波長の光線を反射するための回折型反射コーティングを含む層とを具 備する光学構造体。
2. ２．前記層は、該層に入射する、所定の狭い波長帯領域内の光を反射するゼラチ ンホログラム層を含む請求の範囲第１項記載の構造体。
3. ３．前記層はグレーテッドインデックス層を含む請求の範囲第１項記載の構造体 。
4. ４．前記グレーテッドインデックス層は前記基板上に所定の厚さに被着された複 数の材料を含み、被着された前記層は、前記厚さの関数として所定のパターンで 変化する化学量論組成を有し、該所定のパターンに応じて前記層内で連続的に変 化する屈折率を有する請求の範囲第３項記載の構造体。
5. ５．前記層は、前記基板上に、所定の変化を有する厚さに被着される選択された 複数の材料を含み、被着された前記層の化学量論組成は厚さの関数として第１の 所定のパターンで変化するとともに前記基板の横方向にも第２の所定のパターン で変化し、前記厚さの関数として及び前記基板の横方向の位置の関数として前記 第１及び第２の所定のパターンで変化する屈折率を有する請求の範囲第３項記載 の構造体。
6. ６．前記基板はプラスチック材料で形成されている請求の範囲第１項記載の構造 体。
7. ７．前記プラスチック材料はポリカーボネートである請求の範囲第６項記載の構 造体。
8. ８．前記基板表面の非球状性は光学収差を補償するように設計されている請求の 範囲第１項記載の構造体。
9. ９．少なくとも１つの非球状表面及び第２の表面を有する基板と、 選択的な反射光学関数を与えるために前記基板の１つの表面に施されるグレーテ ッドインデックスコーティングと、可視波長領域の入射光線の反射を最小化する ために前記基板の他の面に施される広帯領域抗反射コーティングとを具備し、前 記グレーテッドインデックスコーティング及び前記抗反射コーティングとは前記 基板を挟んでいる、高効率光学コンバイナー。
10. １０．前記グレーテッドインデックス層は均一な厚さを有する請求の範囲第９項 記載の光学コンバイナー。
11. １１．前記基板はプラスチック材料から形成される請求の範囲第９項記載の光学 コンバイナー。
12. １２．前記選択的反射関数は、前記コーティングに入射する１又は２以上の所定 の狭い波長帯領域内の光線の反射率を含む請求の範囲第９項記載の光学コンバイ ナー。
13. １３．前記グレーテッドインデックス層は前記基板上に所定の厚さに被着された 複数の材料を含み、被着された前記層は、前記厚さの関数として所定の周期的パ ターンで変化する化学量論組成を有し、該所定の周期的パターンに応じて前記層 内で連続的に変化する屈折率を有する請求の範囲第９項記載の光学コンバイナー 。
14. １４．前記所定の周期的パターンは非正弦波的パターンである請求の範囲第１３ 項記載の光学コンバイナー。
15. １５．屈折率の変異の大きさが、コーティングのピーク反射率の帯幅を広げるた めに増大されている請求の範囲第１４項記載の光学コンパイナー。
16. １６．前記所定の周期的パターンは、前記コンバイナーのスペクトル反射応答に おいて複数のピークを与えるように選択された、複数の正弦波的パターンが線形 的に加算されたものを含む請求の範囲第１３項記載の光学コンバイナー。
17. １７．平均屈折率が約１．５４よりも大きい請求の範囲第１４項記載の光学コン バイナー。
18. １８．非球状の形状を規定する少なくとも第１の表面と第２の表面とを有する基 板と、 該表面の１つの上に形成された層であって、該層に入射する１又は２以上の所定 の狭い帯領域の波長の光線を反射するための回折型反射コーティングを含む層と を有することを特徴とする、像を結合するためのディスプレイ装置における改良 された光学コンバイナー。
19. １９．前記第１の表面の非球状性は、前記ディスプレイ装置の収差を補償するよ うに設計されている請求の範囲第１８項記載の装置。
20. ２０．前記層はグレーテッドインデックスコーティングを含む請求の範囲第１８ 項記載の装置。
21. ２１．前記グレーテッドインデックス層は前記基板上に所定の厚さに被着された 複数の材料を含み、被着された前記層は、前記厚さの関数として所定のパターン で変化する化学量論組成を有し、該所定のパターンに応じ（前記層内で連続的に 変化する屈折率を有する請求の範囲第２０項記載の装置。
22. ２２．前記第１の表面の非球状性は上記ディスプレイシステムの収差を補償する ように設計されており、前記所定のパターンは前記コーティングの表面とほぼ平 行である請求の範囲第２１項記載の装置。
23. ２３．前記基板から離れた側のコーティング表面は空気中に露出している請求の 範囲第２０項記載の装置。
24. ２４．前記層は、前記基板上に、所定の変化を有する厚さに被着される選択され た複数の材料を含み、被着された前記層の化学量論組成は厚さの関数として第１ の所定のパターンで変化するとともに前記基板の横方向にも第２の所定のパター ンで変化し、前記厚さの関数として及び前記基板の横方向の位置の関数として前 記第１及び第２の所定のパターンで変化する屈折率を有する請求の範囲第１８項 記載の装置。
25. ２５．前記コーティングは前記基板の表面のうちの１つに施されたグレーテッド インデックスコーティングを含み、前記基板表面の他方に施された広い帯幅の抗 反射コーティングをさらに含む請求の範囲第１８項記載の装置。
26. ２６．前記基板はプラスチック材料から形成されている請求の範囲第１８項記載 の装置。
27. ２７．ディスプレイを提供するために、ヘルメットに隣接して取り付けられた目 的光源と、 目的光源からの入射光線を、別々の光線に分離するための光線分離手段と、 選択された角度に向けられた２つの光学コンバイナー素子を有するヘルメット上 に取り付けるためのほぼ透明なバイザーであって、そのコンバイナー素子は非球 状表面を有する基板と、１又は２以上の所定の狭い波長帯領域内の光線を反射す るための、その上に形成された回折型反射コーティングを有し、かつ実質的に透 明であってヘルメットの着用者にそれを介して外部の景色を見ることを許すが目 的光源からの光を反射してヘルメット着用者の目の近傍にあるそれぞれの出口面 において二眼像を投影する能力を有するものと、 前記目的光源と前記分離手段の間に置かれた、光線を前記目的光源から前記分離 手段に誘導するための手段と、 前記分離手段と前記コンバイナー素子との間に置かれ、分離手段からの光をそれ ぞれのコンバイナー素子に向けるための曲折手段とを含む、ヘルメットバイザー を介して受容される外部の像と結合された二眼像を与えるための、ヘルメット上 に取り付けられる二眼ディスプレイ装置。
28. ２８．前記基板はプラスチック材料から形成される請求の範囲第２７項記載のデ ィスプレイ装置。
29. ２９．前記コーティングはグレーテッドインデックス層を含む請求の範囲第２８ 項記載のディスプレイ装置。
30. ３０．前記グレーテッドインデックス層は前記基板上に所定の厚さに被着された 複数の材料を含み、被着された前記層は、前記厚さの関数として所定のパターン で変化する化学量論組成を有し、該所定のパターンに応じて前記層内で連続的に 変化する屈折率を有する請求の範囲第２９項記載のディスプレイ装置。
31. ３１．前記層は、前記基板上に、所定の変化を有する厚さに被着される選択され た複数の材料を含み、被着された前記層の化学量論組成は厚さの関数として第１ の所定のパターンで変化するとともに前記基板の横方向にも第２の所定のパター ンで変化し、前記厚さの関数として及び前記基板の横方向の位置の関数として前 記第１及び第２の所定のパターンで変化する屈折率を有する請求の範囲第２９項 記載のディスプレイ装置。
32. ３２．前記コンバイナー表面の非球状性は、前記ディスプレイ装置中の光学収差 を補償する請求の範囲第２７項記載のディスプレイ装置。
33. ３３．前記誘導手段は、非球面レンズ表面を有する修飾コークトリプレットと、 非球状表面を有するさらなるレンズ要素とを含むリレーレンズである請求の範囲 第２７項記載のディスプレイ装置。
34. ３４．前記リレーレンズは軸がずれている請求の範囲第３３項記載のディスプレ イ装置。
35. ３５．前記目的光源は前記誘導手段に対して傾斜している請求の範囲第２７項記 載のディスプレイ装置。
36. ３６．前記誘導手段は、装置の光軸に対して直角な入口面と、該軸に対してくさ び角度をなしている出口面とを有する請求の範囲第２７項記載のディスプレイ装 置。
37. ３７．光線分離手段は凹部状の出口表面を有する請求の範囲第２７項記載のディ スプレイ装置。
38. ３８．像源と、使用者と外部景色との間に置かれ像源から使用者への光線を選択 的に反射するための光学コンバイナーとを含むヘッドアップディスプレイに用い られる光学コンバイナーであって、 少なくとも１つの非球状表面を有する基板と。 該表面上に形成された層であって、該層に入射する１又は２以上の所定の狭い帯 領域の波長の光線を反射するための回折型反射コーティングを含む層とを具備す る、改良された光学コンバイナー。
39. ３９．前記コーティングはグレーテッドインデックスコーティングを含む請求の 範囲第３８項記載の装置。
40. ４０．前記グレーテッドインデックス層は前記基板上に所定の厚さに被着された 複数の材料を含み、被着された前記層は、前記厚さの関数として所定のパターン で変化する化学量論組成を有し、該所定のパターンに応じて前記層内で連続的に 変化する屈折率を有する請求の範囲第３９項記載の装置。
41. ４１．前記層は、前記基板上に、所定の変化を有する厚さに被着される選択され た複数の材料を含み、被着された前記層の化学量論組成は厚さの関数として第１ の所定のパターンで変化するとともに前記基板の横方向にも第２の所定のパター ンで変化し、前記厚さの関数として及び前記基板の横方向の位置の関数として前 記第１及び第２の所定のパターンで変化する屈折率を有する請求の範囲第３８項 記載の装置。
42. ４２．前記コンバイナー表面の非球状性は前記ディスプレイ装置における光学収 差を補償する請求の範囲第３８項記載の装置。