KR910000614B1 - 경사 굴절률 비구형 결합기 및 이를 사용하는 표시 시스템 - Google Patents

Abstract

내용 없음.

Description

[발명의 명칭]

경사 굴절률 비구형 결합기 및 이를 사용하는 표시 시스템

[도면의 간단한 설명]

제1도는 광화학 증착 프로세스에 의해 용착된 SiOx막의 굴절률의 변화를 실란(silane) 반응물의 유속의 함수로서 도시한 그래프이고,

제2도는 본 발명에 따라 형성된, 정현파 패턴으로 연속 경사형 굴절률 물질의 개략도이며,

제3도는 본 발명의 한 실시예의 광화학 증착 반응을 개시하기 위해 사용된 자외선의 상대 세기에 대한 용착된 산화물의 두께의 의존성을 도시한 그래프이고,

제4도는 본 발명에 따른 비구형 기질 표면 및 이 표면상에 형성된 회절 광학 소자를 갖고 있는 구조의 개략도이며,

제5도는 본 발명에 따라 형성된 휠터의 측정된 스펙트럼 반사율을 표시한 곡선이고,

제6도는 이러한 구조에 대한 이론적 반사율을 도시한 도면이며,

제7도는 3가지 별도 파장의 방사선을 반사시키는 본 발명에 따라 형성된 합성 굴절률 휠터에 대한 굴절률 형태를 도시한 도면이고,

제8도는 이러한 합성 굴절률 휠터에 대한 스펙트럼 응답을 도시한 도면이며,

제9도는 비구형 기질 구조물 및 이 기질 구조물의 표면상에 형성된 회절 피막을 갖고 있는 광학 결합기의 개략도이고,

제10도는 정현파 굴절률 형태를 갖고 있는 전형적인 젤라틴 홀로그램(파선)과 비-정현파 굴절률 형태를 갖고 있는 경사 굴절률 피막(실선)의 스펙트럼 반사율 함수의 곡선을 도시한 도면이며,

제11도는 다른 것에 관련하여 광범위한 스펙트럼 대역폭을 갖도록 설계된 정현파 굴절률 형태(파선)을 갖고 있는 전형적인 젤라틴 홀로그램과 광범위한 스펙트럼 대역폭을 갖도록 설계된 비-정현파 굴절률 형태(실선)을 갖고 있는 경사 굴절률 피막의 스펙트럼 반사율 함수의 곡선을 도시한 도면이고,

제12도는 굴절률 형태 함수의 주기성(즉, 피이크 유효 파장)이 표면 위치 좌표의 함수로서 변하는 경사 굴절률 피막을 포함하는 결합기 구조의 개략도이며,

제13도 및 제14도는 비구형 표면을 갖고 있는 플라스틱 결합기 기질을 제조하기 위해 양호한 방법내에 사용된 구조를 도시한 도면이고,

제15도는 본 발명에 따른 새로운 광학 결합기를 사용하는 헬멧 바이저 표시 시스템을 간략하게 도시한 개략도이며,

제16도는 제15도에 도시한 HVD 시스템의 측면도이고,

제17도는 시스템의 기준선에 평행한 평면으로부터, 제15도내에 도시한 HVD 시스템을 소정의 각도로 바라보고 도시한 측면도이며,

제18도는 영상 소오스 광선의 회절을 도시한, 제15도내에 도시한 HVD 시스템의 다른 측면도이고,

제19도는 제15도의 HVD가 헬멧상에 장착된 상태를 도시한 사시도이며,

제20도는 본 발명에 따른 새로운 광학 결합기를 사용하는 헤드-업 표시기를 간략하게 도시한 개략도이다.

[발명의 상세한 설명]

본 출원은 1983. 9. 2자 "경사 굴절률 광학 물질을 형성하기 위한 프로세스 및 이것에 의해 형성된 구조물"이란 명칭으로 출원된 미합중국 특허 출원 제528,833호, 및 1984. 4. 16자 "쌍 접안 렌즈(biocular) 홀로그래픽 헬멧 장착 표시기"란 명칭으로 출원된 미합중국 특허 출원 제600,636호의 부분 연속 출원인데, 상기 출원들은 본 발명의 양수인에게 양도되었다.

[발명의 배경]

본 발명은 주로 반사성 광학 물질에 관한 것으로, 더욱 상세하게 말하자면 예를 들어 헤드-업 표시기(head-up display) 또는 헬멧 장착 바이저 표시기(helmet-mounted visor display)내에 사용되는 광학 휠터 및 결합기(combiner)와 같은 반사성 회절 및 간섭형 광학 소자에 관한 것이다.

다수의 광학 시스템내에서, 때때로 바람직한 방사선이 효율적으로 전송되거나 반사되게 함과 동시에 바람직하지 못한 방사선을 제거하기 위해서 휠터를 제공할 필요가 있다. 예를 들어, 이러한 휠터 및 피막은 담당자, 전기 광학 검출기, 및 헤드-업 표시 시스템 또는 야간시계용 장치내의 홀로그래픽 렌즈와 같은 레이저 시스템내의 광학 반사경을 레이저 방사선으로부터 보호하기 위해 사용된다. 이러한 목적용으로 널리 사용된 광학 휠터는 광학 홀로그래픽 기술에 의해 발생된 흡광 휠터, 반사성 다층 유전성 휠터, 및 회절 휠터를 포함한다. 그러나, 광학 휠터를 제공하기 위한 각각의 이 해결방법들은 다음에 기술한 바와 같은 소정의 단점을 갖는다.

흡광 휠터는 예를 들어 뉴욕에 소재한 맥그로우-힐 출판사가 발행한 더블유. 지. 드리스콜(W.G. Driscoll)저, "광학 핸드북(Handbook of Optics)"(1978), 제8절(피막 및 휠터), 7-32페이지에 기술된 바와 같이 인입 레이저 방사선의 파장에서의 고유 흡광률을 갖고 있는 흡광 다이(dye) 또는 물질을 함유한 물질로 구성된다. 이 보호 형태는 흡광 다이가 전송된 방사선의 양을 허용 불가능하게 낮은 레벨로 감소시킨다는 심각한 단점을 갖는다. 부수적으로, 레이저 응용의 경우, 레이저 방사선 에너지가 증가할 때, 방사선은 보호 휠터 자체를 손상시킬 수 있다.

전형적으로, 반사성 다층 유전 휠터는 화학 증착, 스퍼터링(sputtering) 또는 열 증발과 같은 공지된 용착기술에 의해 기질의 표면 상에 형성되는 상이한 굴절률의 2가지 유전 물질로 된 교호층으로 구성된다. 각각의 층의 광학 두께가 반사되는 방사선의 파장의 1/4로 되도록 선택되면, 이러한 구조는 예를 들어 미합중국 특허 제4,309,075호 및 상기 "광학 핸드북", 제8절에 기술된 바와 같이 "1/4파 스택(quarterwave stack)"으로 불리워진다. 그러나, 제한된 유용 물질 결합 및 굴절률 변조 선택시에 발생되는 제한으로 인해, 이러한 구조에 의해 달성될 수 있는 스펙트럼 대역폭 상에 제한이 있게 된다. 더욱이, 다층 구조내의 층들 사이의 갑작스런 공유 영역에서의 결함은 불필용한 광학 산란을 야기시킨다. 부수적으로, 이 결함은 유전 물질에 의한 방사선의 과도 흡광을 야기시킬 수 있으므로 광학 휠터를 열적 손상시킬 수 있다. 또한, 다층 유전 피막내에서, 전계는 고 굴절률 물질과 저 굴절률 물질 사이의 공유 영역에서 가장 강하다. 갑작스런 공유 영역에서 발생되는 이 높은 국부 전계는 최대 온도 증가를 발생시킬 수 있다. 인접 층들의 유전물질이 상이한 경우에 열팽창 계수들이 상이하기 때문에, 높은 열 응력이 공유 영역에서 발생되므로, 막 내의 연속 층들을 박리시킬 수 있었다. 부수적으로, 높은 열 응력은 막에 의해 불필요한 광학 산란을 발생시키는 미시적 전위(dislocation)를 발생시킬 수 있었다. 또한, 증발 또는 스퍼터링 기술에 의해 형성된 종래의 다층 구조내의 기질 조도(roughness), 핀홀(pinhole) 및 오염은 흡광률 및 산란을 증가시키고, 국부 가열을 발생시키며, 최대 반사율을 감소시키고, 방사선 손상을 증가시킨다. 최종적으로, 이 다층 피막은 다수의 파장에서 반사율 피이크(peak)를 나타내므로, 광학 전송률을 감소시키게 된다.

회절 광학 소자들은 예를 들어 뉴욕에 소재한 아카데믹 프레스(Academic Press)가 발행한 콜리어(Collier), 벅크하르트(Burckhardt), 및 린(Lin)저, "광학 홀로그래피(Optical Holography)"(1971), 제9장[볼륨 홀로그램으로부터의 회절(Diffraction from Volume Holograms)] 및 제10장(홀로그램 레코딩 물질) 뿐만 아니라, 뉴욕에 소재한 아카데믹 프레스가 발행한 콜휠드(Caulfield) 저 "광학 홀로그래피 핸드북(Handbook of Optical Holography)(1979), 제10장[응용 영역(Application Areas)]내에 기술된 바와 같이, 공지된 감광성 젤라틴 물질내의 광학 홀로그래피를 사용하여 발생되어 왔다. 그러나, 젤라틴 회절 소자들은 주위환경 안정도 문제점을 갖고, 습도 및 열에 의해 작용이 저하되기 쉽다. 이 문제점을 제거하기 위해서, 유리 또는 유리 종류의 피막과 같은 보호층이 사용될 수 있지만, 이러한 층은 제조 프로세스를 복잡하게 하고 단가를 증가시킨다. 더욱이, 이러한 젤라틴 휠터들은 가시 광선으로부터 근(near) 적외선까지(즉, 약 2미크론까지)의 파장 범위내의 방사선을 사용하는 것으로 제한되는데, 그 이유는 감광성 젤라틴이 더 긴 파장 노출에 민감하지 않기 때문이다. 결국, 적외선 응용을 위한 휠터는 젤라틴 구조로 제조될 수 없다. 부수적으로, 홀로그래픽 간섭 패턴으로의 노출 및 후속 현상에 의해 발생되는 젤라틴 내의 굴절률 변조는 정현파 형태 또는 대충 중첩된 다중 정현파 형태에 근사한 형태로 제한된다. 또한, 젤라틴 휠터의 제조는 다수의 단계, 특히 최종 구조의 효율 및 피이크 파장에 영향을 미치는 온도 또는 진동과 같은 프로세싱 변수에 민감한 다수의 현상용 습식 화학적 단계를 필요로 한다. 부수적으로, 열 또는 방사선에 의한 손상에 대한 젤라틴의 저항성이 비교적 낮기 때문에, 젤라틴 휠터들은 저전력 응용에 제한된다. 최종적으로, 2개의 선택된 파장에서 방사선을 반사시키는 휠터의 제조는 2개의 홀로그래픽 패턴으로의 젤라틴의 다중 노출을 필요로 하므로, 휠터의 효율을 감소시키는 불규칙한 굴절률 패턴을 발생시키게 된다.

지금까지 젤라틴 휠터가 사용되어온 한가지 일반적인 응용은 항공기 표시 시스템내에 통상적으로 사용된 헤드-업 표시기(HUD) 또는 헬멧 바이저 표시기(HVD)와 같은 반사성 표시기의 광학 결합기 소자의 응용이다. 미합중국 특허 제3,940,204호에는 예시적인 HUD 및 HVD시스템이 기술되어 있다. 이 응용을 위해 사용된 적층 젤라틴 홀로그래픽 결합기는 전형적으로 연속 유리 층들이 접착되는 구형 플라스틱 기질, 젤라틴 홀로그램, 유리, 플라스틱 및 반사 방지(AR) 피막으로 구성된다. 젤라틴을 샌드위치시키는 유리층들은 젤라틴이 습도에 의해 작용 저하되지 않게 할 필요가 있다. 다층의 결과로서, 강한 바람직하지 못한 고스트(ghost)상이 젤라틴 홀로그래픽 결합기에 의해 발생될 수 있다.

표시 시스템용 결합기는 표시 시스템내의 수차를 보상 또는 평형화하도록 설계될 수 있다. 보상은 비구형(aspheric) 반사 층 또는 표면의 보충을 포함한다. 현재 기술 상태에 있어서, 비구형 표면을 유리층 또는 기질에 제공하는 것은 생산 면에서 경제적으로 실행될 수 없다. 그대신, 요구된 비구형성이 젤라틴 홀로그램 자체내에 사용되는데, 이것은 프린지(fringe)들이 젤라틴 표면에 관련하여 각도를 변화시켜 기울어지게 된다는 것을 의미한다. 이것은 홀로그램 표면에서 격자를 발생시키고, 홀로그램으로부터 회절된 광선의 방향이 파장 의존성인 색 분산으로서 공지된 현상을 발생시킨다. HUD 또는 HVD와 같은 홀로그래픽 표시기내에서, 표시광원이 소정의 감지할 수 있을 만큼의 스펙트럼 대역폭을 갖고 있으면, 색 분산은 출사동에서의 영상을 허용불가능한 레벨로 희미하게 한다. P43 인광물질을 갖고 있는 음극선관(CRT)과 같은 협 대역 광원에 있어서도, 홀로그램의 소정 영역내의 프린지 경사는 영상의 상당한 분산-유도 저하를 발생시키기에 충분히 크게 될 수 있다. 또한, 경사 프린지는 플레어(flare)를 발생시킬 수 있는데, 이 경우에 외부 회절 영상이 발생된다. 이 외부 회절은 시야를 불명료하게 할 수 있다.

HUD 또는 바이저 표시기용 젤라틴 홀로그래픽 결합기는 비교적 복잡하고 제조 비용이 많이 든다. 예를 들어, 충격 저항성을 갖고 있는 전형적인 젤라틴 홀로그래픽 바이저는 젤라틴 홀로그램이 2개의 방습용 유리 편(piece)들 사이에 샌드위치된 다음 2개의 충격 요구용 폴리카보네이트 편들 사이에 적층되는 다층 적층재로 구성된다. 반사 방지 피막은 폴리카보네이트 편의 각각의 외부 표면에 인가된다. 다수의 적층은 시스템의 중량 및 복잡성을 가중시킨다. 젤라틴 홀로그래픽 HUD 결합기는 이와 유사하게 복잡하고 무겁다.

결합기의 무게는 중량-제한 조종실 환경내에서 중요한 고려할 점이다. HVD내의 바이저 젤라틴 홀로그램 결합기의 비교적 높은 중량의 결과로서, 바이저 표시기 질량 중심은 조종사의 머리의 피보트 점으로부터 떨어져 이동되므로, 조종사 목의 부담이 증가된다. HUD 젤라틴 홀로그램 결합기내의 증가된 캔틸레버 질량은 진동에 대한 결합기 강도 및 저항성을 감소시킨다.

[발명의 요약]

본 발명은 HVD 및 HUD 응용을 포함하는 다수의 응용시에 유용한 개량된 광학 결합기를 제공한다. 이 결합기는 최소한 1개의 비구형 표면을 갖고 있는 기질, 및 피막상에 충돌하는 파장의 1개 이상의 선정된 협대역 범위내의 방사선을 선택적으로 반사시키기 위해 이 표면상에 형성된 회절-형 반사 피막으로 구성된다. 표면의 비구형성은 표시 시스템내의 광학 수차를 보상 또는 평형화하도록 선택될 수 있다. 피막은 젤라틴 홀로그램을 구성할 수 있지만, 양호하게는 습윤 주위 환경에 의한 젤라틴 홀로그램의 전위 저하를 제거하고 고른 젤라틴 피막을 비구형 표면에 인가하고저 할 때 직면한 상당한 어려움을 제거하는 경사 굴절률 피막이다. 굴절률의 변화는 피막의 두께에 걸쳐서 발생될 뿐만 아니라, 피막의 수평 및 측방향 크기를 가로질러 발생될 수 있다. 피막의 두께에 걸친 굴절률 형태의 비-정현파적 변화는 스펙트럼 반사율 함수로 광범위해진 피이크 뿐만 아니라 다수의 피이크를 발생시킬 수 있다. 이 특징은 다색 반사율 응답을 갖고 있는 결합기의 능력을 제공하거나, 광범위한 스펙트럼 대역폭의 표시 광원을 사용하게 하여, 더 밝은 영상 및 개량된 각(angular) 대역폭을 발생시킨다.

한 실시예내에서, 결합기는 쌍 접안 렌즈 헬멧 바이저 표시기에 사용되어, 향상된 광학 성능, 상당한 중량 감소 및 간단하고 저렴한 결합기 구조를 발생시키게 된다. 다른 실시예내에서, 결합기는 항공기용 헤드-업 표시기내에 사용되어, 향상된 광학 성능, 가벼운 중량, 향상된 안전성, 및 큰 조사(look-up) 능력을 발생시키게 된다.

따라서, 본 발명의 다른 목적은 경사 프린저 홀로그램 결합기의 색 분산 및 플레어 특성을 거의 제거하는 새롭고 개량된 광학 결합기를 제공하기 위한 것이다.

본 발명의 다른 목적은 광학 수차를 보상 또는 평형화하도록 비구형 표면 형태를 갖고 있는 기질을 포함하는 광학 결합기를 제공하기 위한 것이다.

본 발명의 또다른 목적은 회절 피막이 기질상에 직접 형성되고 유리 보호 층을 필요로하지 않는 개량된 광학 결합기를 제공하기 위한 것이다.

본 발명의 다른 목적은 강한 제2영상을 최소화시키는 광학 결합기를 제공하기 위한 것이다.

본 발명의 부수적인 목적은 비교적 저렴한 기술에 의해 제조하기에 적합하고 향상된 광학 허용도를 갖고 있는 비교적 간단하고 경량인 구조를 갖고 있는 광학 결합기를 제공하기 위한 것이다.

본 발명의 다른 목적은 개량된 광학 결합기를 사용하는 개량된 헬멧 바이저 표시기 및 헤드-업 표시기를 제공하기 위한 것이다.

이하, 첨부 도면을 참조하여 본 발명에 대해서 상세하게 기술하겠다.

본 발명의 연속 경사 굴절률 광학 물질을 형성하기 위해서, 이러한 물질을 형성하기 위한 프로세스는 용착 물질의 조성에 따라 고도의 제어를 할 수 있어야 한다. 연속 경사 굴절률 산화 물질을 용착하는 경우에, 특히 유용한 프로세스는 본 발명의 양수인에게 양도되고 본 명세서내에 참고문헌으로 사용된 미합중국 특허 제4,371,587호에 기술된 저온 무-전하(charge-free) 광화학 증착 프로세스이다. 상기 발명의 한 실시예에서, 중성 무-전하 산소원자는 다음의 식(1) 및 (2)로 도시한 바와 같이 아산화질소와 같은 선택된 산소 함유 전구체(precursor)의 수은 감광 광분해에 의해 발생된다. 그다음, 산소 원자는 다음의 식(3)으로 도시한 바와 같이 바람직한 산화물, 즉 일산화 실리콘(SiO) 또는 이산화 실리콘(SiO₂)을 형성하기 위해 실란과 같은 선택된 증기상(vapor phase) 반응물과 반응된다.

미합중국 특허 제4,371,587호내에 기술된 선택적인 프로세스 실시예내에서, 필요한 산소 원자는 다음의 식(4)로 도시한 바와 같이 아산화 질소(N₂O)와 같은 선택된 산소 함유 전구체의 직접 광분해에 의해 발생될 수 있다. 이렇게 형성된 산소 원자는 상기 식(3)으로 도시한 바와 같이 선택된 증기상 반응물과 반응한다.

상기 식(3)의 산화 생성물의 조성은 부분적으로 산소 원자의 정상 농도에 따라 변하고, 이 산소 원자 농도는 소정량의 실란에 대해 존재하는 아산화 질소량에 따라 변한다. 그러므로, 일정의 시점에 존재하는 실란과 아산화질소 반응물의 비를 변화시킴으로써, 산화실리콘(SiOx) 생성물의 조성이 제어될 수 있으므로, 이에 따라 용착되는 산화 물질의 굴절률을 제어하게 된다. SiOx의 조성 범위는 굴절률이 1.9인 SiO로부터 굴절률이 1.45인 SiO₂로 될 수 있다.

산화물의 조성 뿐만 아니라 용착률은 각각의 반응물의 질량 흐름(mass flow), 펌프 배출률, 및 반응-유도방사선의 세기에 따라 변한다. 펌프 배출률 및 방사선 세기의 값이 일정한 경우, 반응 개스들 중 한가지 개스의 유속의 변화에 의한 영향이 결정될 수 있다. 제1도는 상술한 바와 같이 용착된 SiOx 막의 굴절률의 변화를 62.0 표준 cm³/분(sccm)로 N₂O의 유속이 일정한 경우의 실란 반응물의 유속의 함수로서 도시한 그래프이다. 제1도에서 알 수 있는 바와 같이, SiOx 막의 굴절률 및 성분비는 반응물의 개스 유속비에 따라 변한다. 제1도에 도시한 바와 같이, SiOx 막의 굴절률은 N₂O 유속을 고정 상태로 유지시키면서 계수 5만큼 SiH₄유속을 변화시킴으로써 1.46으로부터 1.60으로 변화되었다. 0.14의 굴절률 변화(n)을 달성하기에 필요한 유속의 변화 크다는 사실은 굴절률가 상술한 프로세스에 의해 정확하고 재생가능하게 변화될 수 있다는 것을 나타낸다.

결과적으로, 본 발명의 프로세스에 따르면, 시간의 함수로서 아산화 질소 반응물에 대산 실란 반응물의 개스 유속비를 정확히 제어함으로써, SiOx 생성물의 조성은 용착 시간 또는 용착된 물질의 두께의 함수로서 제어가능하고 연속적으로 변경될 수 있다. 특히, 실란의 개스 유속은 제2도에 도시한 바와 같이 기질의 표면상의 거리의 함수로서 용착된 SiOx의 조성의 대응 정현파적 변화를 발생시키도록 정현파 패턴으로 변화될 수 있다. 제2도에 도시한 기질(10)은 상술한 프로세스에 의해 표면상에 형성된 SiOx와 같은 연속 경사형 광학물질의 층(12)를 갖는다. 막(12)의 깊이 또는 두께(14)를 따르는 특정한 지점에서의 SiOx 물질의 조성은 특정한 물질이 용착될 때의 반응 개스의 특정한 비 및 실란의 개스 유속에 따라 변한다. 실란의 개스 유속이 정현파 패턴으로 변화되기 때문에, 층(14)내의 SiOx 물질의 조성은 선형성으로부터 약간의 편향을 고려하여 거의 동일한 정현파 패턴으로 변하게 된다. 또한, SiOx 물질의 굴절률이 그 조성과 같이 변하기 때문에, SiOx 물질의 굴절률(n)은 제2도에 도시한 바와 같이 층(12)의 두께(14)의 함수로서 정현파 패턴(16)으로 변한다. 그러므로, 용착된 층(12)의 굴절률은 n의 상한치와 하한치 사이에서 선정된 패턴으로 경사형으로 변한다. SiOx 물질의 굴절률의 최고값과 최저값 사이의 차이는 n, 즉 굴절률 변조이다. 제2도내의 기호는 프린지 주기성을 나타내는데, 이것의 중요성은 반사 광선의 파장 및 식(5)에 관련하여 다음에 기술되어 있다.

또한, 실란의 개스 유속은 용착된 물질의 조성 및 굴절률의 대응변화를 발생시키도록 준-정현파, 삼각파, 톱니파, 구형파 또는 선정된 불규칙한 패턴과 같은 정현파 패턴외의 몇가지 다른 패턴으로 변화될 수 있다.

상술한 반응물 개스 유속비의 영향외에, 반응-유도 자외선의 세기는 산화물의 용착율에 영향을 미친다. 제3도는 광화학 반응을 개시하는데 사용된 자외선(UV)의 상대 세기에 대한 20분 기간 중에 용착된 산화물 두께의 의존성을 도시한 그래프를 도시한 것이다. 제3도에 도시한 바와 같이, UV 광선의 세기가 증가될 때, 소정 기간중에 용착된 산화물의 두께 또는 용착율을 증가한다. 본 발명의 제1프로세스 실시예에 따른 제3도의 데이타를 발생시키기 위해 사용된 UV 광선의 소오스는 기질로부터 2.75인치(6.99cm)의 거리에서 254nm의 파장에서의 주출력을 갖고 있는 4개의 수은 증기 아크등의 뱅크(bank)였다. 선택적으로, 주사 레이저 비임은 본 명세서내에 더욱 상세하게 기술되어 있는 바와 같이 본 발명의 제2프로세스 실시예에 따른 반응-유도 방사선의 소오스로서 사용될 수 있다. 제1도 및 제3도에 관련하여 상술한 반응 파라메터들 외에, 재생가능하고 균일한 산화물 층을 제조하기 위해 개스 유동 패턴 및 용착실 내부의 개스 압력을 제어할 필요가 있다.

본 발명의 상술한 프로세스에 따르면, 변조된 굴절률 층은 0°(비-경사 프린지) 회절 광학 소자를 제공하기 위해 기질 표면에 평행하게 형성된다. 그러나, 본 발명의 변조된 굴절률 층은 비 왜곡 투시율(undistortedsee-through)을 제공하면서 광학 수차를 보상 또는 평형화하는 회절 광학 소자를 제공하도록 광학 전력을 사용하는 비구형 기질상에 선택적으로 형성될 수 있다. 이러한 구조는 제4a도 및 제4b도에 개략적으로 도시되어 있다. 제4a도내에는 임의로 형성된 비구형 표면을 갖고 있고 예를 들어 폴리카보네이트로 형성된 기질(20)이 도시되어 있다. 기질(20)의 표면상에 및 이에 꼭맞게, 본 발명의 프로세스에 따라 선정된 굴절률 패턴으로 연속 경사 굴절률 광학 물질로 구성되는 층(22)이 형성되어 있다. 별도의 소자로서, 기질(20)에 대면하는 표면(26)이 기질(20)의 표면 형태에 정합하는 덮개 부재(24)가 제4a도내에 도시되어 있다. 이 덮개 부재(24)는 제4b도 내에 도시된 구조를 제공하도록 층(22)가 위에 형성되어 있는 기질(20)에 에폭시 또는 그외의 다른 광학적으로 투명한 접착제(도시하지 않음)에 의해 적층된다. 제4b도에 개략적으로 도시한 바와 같이, 선택된 반사 대역내의 파장의 입사 방사선(28)은 경사 굴절률 층(22)에 의해 반사되고, 선택된 반사 대역 외부의 파장을 갖고 있는 방사선(30)은 완전한 구조를 통과한다. 본 발명의 양수인에게 양도된 미합중국 특허 제3,940,204호내에 기술된 바와 같은 헤드-업 표시 시스템내에 사용될 때, 입자 방사선(28)은 경사 굴절률 층(22)에 의해 관측자의 눈으로 회절되는 음극선관으로부터의 광선이고, 방사선(32)는 제4b도의 완전한 구조를 통해 관측자의 눈으로 전송되는 조종실 외부의 주위환경으로부터의 광선이다. 이러한 비구형 기질을 사용할 수 있는 능력은 본 발명의 0°회절 광학 소자에 의해 만족될 수 있는 회절 광학 응용의 수를 상당히 증가시킨다. 제4b도에 도시한 바와 같은 구조는 예를 들어 상술한 바와 같이 헤드-업 표시기 회절 광학 결합기용으로 유용하다.

또한, 경사 프린지 회절 광학 소자가 기질 근처에 한가지 반응물 개스의 노즐 슬릿트(nozzle slit)를 배치시킴으로써 본 발명에 따라 형성될 수 있다는 것이 예상된다. 다른 반응물 개스는 전체 기질 표면을 가로질러 균일하게 유동되고, 슬릿트들은 기질 표면상의 프린지 간격과 동일한 거리로 분리된다. 경사각은 용착이 진행될 때 기질 및 노즐 슬릿트의 관련된 이동에 의해 제어된다.

선정된 패턴으로 연속 경사 굴절률 광학 물질을 형성하기 위한 상술한 프로세스의 중요성은 이러한 프로세스가 예를 들어 앞에서 참조한 문헌 "광학 홀로그래피", 제1장(기본 개념 입문)내에 기술된 바와 같이 입사광선을 회절시키고 미리 선택된 회절 효과를 발생시키도록 종래의 홀로그래픽 휠터와 유사하게 작용하는 반사성 회절 광학 소자를 형성하기 위해 유리하게 사용될 수 있다는 것이다.

별개의 다층으로 구성되는 막의 광학 특성은 예를 들어 뉴욕에 소재한 아카데믹 프레스가 발생하고 지. 하스(G. Hass)가 편집한 피. 에이취. 버닝(P. H. Berning)저 "박막 물리학(Physics of Thin Film)"(1963), 69페이지에 기술된 바와 같이 다층 매트릭스 이론에 의해 공지 기술되어 있다. 이 이론은 "N"개의 매우 얇은 별개의 굴절률층들의 스택(stack)으로서 경사형 막을 근사시킴으로써 경사 굴절률 막의 광학 특성을 계산하는데 적용될 수 있다. "N"의 값이 매우 큰 경우에, 이 근사(approximation) 방법은 본 발명의 장치용으로 충분히 정확하다. 이 근사 방법 및 종래의 다층막 광학이론을 사용하면, s-편광과 p-편광에 대한 반사율, 전송률 및 흡광률 뿐만 아니라 이들의 평균값들이 경사 굴절률 막의 경우에 컴퓨터 프로그램에 의해 양호하게 계산될 수 있다. 이 계산들은 소정의 경사 굴절률 피막 형태에 대한 소정의 파장 또는 입사각에서 행해질 수 있다. 피막내의 전계 및 흡광 형태도 계산될 수 있다. 이러한 계산은 경사 굴절률 막의 용착에 의해 협대역고 반사율 스펙트럼 휠터를 제조할 수 있다는 것을 나타낸다. 이 경사 굴절률 막 분석방법은 예를 들어 미시건주 환경 조사 기구(Environmental Research Institute of Michigan)에 케이. 에이. 위니크(K. A. Winick)가 보고한 화이널 싸이언티픽 리포트(Final Scientific Report) "두꺼운 위상 홀로그램즈(Thick Phase Holograms)"(1981. 1)내에 기술되어 있다.

경사 굴절률 막의 광학 특성의 계산은 막의 반사 특성이 본래 굴절률 형태의 퓨리에 합성(Fourier Composition)에 의존한다는 것을 나타낸다. 그러므로, 예를 들어 정현파 굴절률 변조를 갖고 있는 홀로그래픽적으로 노출된 회절 광학 소자는 기본 퓨리에 성분의 변조 진폭이 동일한 주기성의 동일한 다층 구형 변조의 성능과 같이, 동일한 설계된 반사 파장(λ_p)에서 동일한 성능을 갖는다. 결과적으로, 단일 파장에서의 고반사율만이 요구되는 몇가지 회절 광학 응용의 경우, 구형파 다층막 및 정현파 변조 막은 광학 특성면에서 동일하게 존재 가능한 대안들이다. 그러나, 상술한 다층 구조의 단점들로 인해, 본 발명의 프로세스가 제공하는 정현파 형태 또는 몇가지 다른 경사 굴절률 형태는 다층 구형파 형태보다 많은 별도의 장점을 제공할 수 있다.

또한, 본 발명의 경사 굴절률 막은 다음의 식(5)에 기술한 주기성을 갖도록 굴절률 형태의 각각의 정현파 성분을 설계함으로써 물질 제한외에는 소정의 피이크 파장 또는 요구된 파장을 갖도록 설계될 수 있다.

여기서, ^i=굴절률 형태의 i번째 정현파 성분의 주기성

λ_pi=i번째 피이크 파장

n=평균 굴절률

SiOx 경사 굴절률 휠터들은 0.4 내지 2.5㎛의 피이크 파장으로 물질 제한되는데, 그 이유는 SiOx가 이 범위 외부에서 흡광률이 높기 때문이다. 그러나, 더 높거나 낮은 파장에서의 방사선을 반사하는 경사 굴절률 형태를 갖고 있는 층을 형성하기 위해 산화 알루미늄 또는 산화 지르코늄과 같은 SiOx 외의 다른 물질들이 사용될 수 있다. 그러므로, 본 발명의 프로세스에 의해, 회절 광학 소자들이 자외선, 가시광선 및 적외선 범위 내의 방사선을 반사하도록 형성될 수 있다.

부수적으로, 본 발명의 제1프로세스 실시예의 대안에 따르면, 피이크 반사 파장(λ_p)는 두께, 굴절률, 주기성, 및 용착 물질의 λ_p를 변화시키기 위해 본 명세서내에 기술한 바와 같이 필요시에 기질 표면 양단의 국부화 반응물 개스 유속을 변화시키거나 반응-유도 방사선의 세기를 변화시킴으로써 회절 광학 소자의 수평표면 양단에서 변화될 수 있다. λ_p의 수평 변화를 갖고 있는 이러한 장치는 지금까지 달성되지 못하였다.

더우기, 본 발명의 프로세스는 흡광률 또는 굴절률, 또는 이 2가지의 변조를 나타내는 층을 형성하기 위해 사용될 수 있는데, 그 이유는 흡광률과 굴절률 사이의 관계가 공지되어 있기 때문이다. 흡광률 α는 다음의 식(6)에 의해 정해지고, 굴절률에 대한 이것의 관계는 다음의 식(7)에 의해 정해진다.

여기서, α=흡광률

k=소광 계수

λ=입사 방사선의 파장

여기서, N=합성 굴절률

n=실제 굴절률

k=소광 계수

그러므로, 물질층의 실제 굴절률 n의 변화가 본 명세서내에 이미 기술된 바와 같이 발생될 수 있는 동일한 방식으로 물질층의 소광 계수 k의 대응 변화가 발생될 수 있다. 예를 들어, SiOx와 같은 광화학적으로 용착된 산화물은 고도의 흡광성으로 되는 차단 영역(예를 들어, SiOx의 경우에 약 2.5㎛)을 갖는데, 흡광률은 화학량적 조성에 따라 변한다. 그러므로, 본 발명에 따른 SiOx의 화학량적 조성을 변화시킴으로써, 흡광률 뿐만 아니라 굴절률의 변조를 나타내는 구조가 발생될 수 있다. 결국, "굴절률"에 관한 본 명세서내의 상세한 설명은 상술한 "합성 굴절률"을 포함한다.

예 1에 기술된 바와 같은 상술한 광화학 증착 프로세스를 사용하면, 산화물 휠터는 1.45와 1.63 사이에서 변하고 1.48㎛에서 피이크 파장을 발생시키는 16-주기 정현파 변조 굴절률로 형성되었다. 휠터의 스펙트럼 반사율은 분광 광도계 및 공지된 공정을 사용하여 입사 방사선의 다양한 파장에 대해 측정되었고, 얻어진 곡선은 제5도에 도시되어 있다. 제5도에 도시한 바와 같이 1.48㎛의 기본 파장(λ₀)에서 81.3%의 반사율이 얻어졌다. 이 반사율 값은 상술한 이론 및 계산에 기초를 둔 제6도에 도시한 1.48㎛에서의 94.1% 반사율의 이론적 예상값과 비교되는 것이다.

제5도내의 81.3%의 측정 반사율 피이크가 제6도내에서 예상된 94.1%로부터 어느정도 벗어났다는 사실은 용착막의 변조 굴절률 패턴이 의도된 정현파 패턴으로부터 어느정도 벗어났다는 것을 나타낸다. 이 결론은 고차 조파, 즉 1/2λ₀(0.75㎛) 및 2/3λ₀(1.0㎛)에서의 제5도내의 작은 반사율 피이크를 관찰함으로써 입증된다. 각각의 반사율 스파이크(spike)는 굴절률 형태의 특정한 퓨리에 성분에 대응한다. 그러므로, 완전한 정현파 변조 굴절률 형태는 λ₀의 기본 파장에서 1개의 반사 피이크만을 나타낸다. 제5도내의 고차 피이크들이 저-진폭이라는 사실은 정현성으로부터의 막의 편이가 비교적 작다는 것을 나타낸다. 용착된 막의 굴절률 및 두께를 측정하기 위해 모니터링 및 궤환 루우프 제어 시스템을 사용함으로써 굴절률 형태용의 정확한 정현파 패턴이 달성될 수 있다는 것이 예상된다. 정현파 변조 굴절률 형태가 정확해질수록, 기본 파장에서의 반사율 값은 더 높아진다.

부수적으로, 제5도에 관련하여, 다층 구조의 특성인 λ₃(0.5㎛)에서의 측정 반사율 피이크의 부재는 이 피막이 별개의 층 1/4파 스택이 아니고 정현파 변조 막의 경우에 예상된 결과와 일치한다는 것을 나타낸다.

본 발명의 프로세스에 의해 다른 협대역 고반사율 스펙트럼 휠터를 제조할 수 있는 가능성을 결정하기 위해 상술한 이론 및 계산이 사용될 수 있다. 예를 들어, 이러한 계산을 사용하면, 0.53㎛에서의 99.97%의 반사율을 갖고 있는 피막 설계가 0.105의 변조율 및 15㎛의 두께를 갖고 있는 정현파 굴절률 형태로 달성될 수 있다는 것이 결정되었다. 또한, 막 두께가 증가할 때, 굴절률 변조가 요구되는 반사율을 여전히 유지하면서 감소될 수 있고 싸이클수가 증가된 경우에 적용된다는 것이 결정되었다. 고려할 그외의 다른 계수는 반사 대역폭이다. 굴절률 변조가 커질수록, 소정의 두께 또는 소정의 효율 레벨에서의 반사 대역폭이 더 넓어지므로, 광 투시율 또는 신호 전송률이 감소되게 한다. 다른 예로서, 이러한 계산으로부터 1.315㎛에서의 99.93%의 반사율을 갖고 있는 광학 피막 설계가 0.42의 굴절률 변조, 8.2㎛의 두께 및 0.396㎛의 변조 주기를 갖고 있는 정현파 형태를 갖고 있는 SiOx의 경사 굴절률 층으로 달성될 수 있다는 것이 결정되었다.

또한, 본 발명의 프로세스를 따르면, 다수의 정현파 굴절률 형태들의 선형 중첩 형태이고 각각의 정현파 굴절률 형태에 대응하는 다수의 파장에서 고 반사율을 나타내는 합성 굴절률 형태를 갖고 있는 피막이 형성될 수 있다. 이 형태의 합성 형태는 상술한 바와 같이 분석적으로 설계될 수 있고 본 발명의 경사 굴절률 프로세스를 사용하여 제조될 수 있다. 예를 들어, 0.6㎛, 0.8㎛ 및 1.0㎛에서의 3개의 별개의 방사선 파장으로부터 보호하는데 필요한 3개의 별개의 굴절률 형태들은 제7도에 도시한 막 두께 대 합성 굴절률 형태를 형성하기 위해 결합된다. 유리 기질상의 16㎛의 전체 막 두께의 경우의 제7도의 합성 형태 굴절률을 사용하면, 다수의 파장에서의 이러한 장치의 이론적 반사율이 제8도에 도시되어 있다. 0.6㎛, 0.8㎛ 및 1.0㎛에서의 극히 높은 반사율이 제8도에 도시되어 있다. 유사한 방식으로, 다른 피막들이 특정한 광학 특성을 제공하도록 분석적으로 다른 굴절률 형태로 형성될 수 있다.

부수적으로 SiO₂, TiO₂, Al₂O₃, Ta₂O₅및 SnO₂와 같은 다수의 상이한 산화물 막을 발생시키기 위해 미합중국 특허 제4,371,587호의 광화학 증착 프로세스가 사용될 수 있다. 또한, 이러한 프로세스는 한 산화물로부터 다른 산화물로 점차적이고 연속적으로 변하는 조성을 갖고 있는 2가지 산화물로 구성되는 막 구조를 제공하기 위해 사용될 수 있다. 1.45의 굴절률을 갖고 있는 SiO₂와 2.55의 굴절률을 갖고 있는 TiO₂의 합성 산화물 막의 경우, 달성가능한 최대 굴절률 변조는 SiOx 산화물 시스템에서 달성된 0.45 변조율에 비해 1.1이다. 몇가지 다른 유용한 산화물의 굴절률은 Al₂O₃의 경우에 1.76이고, ZrO₂의 경우에 2.18이다.

최종적으로, 예비 분석은 두께 및 굴절률 변화의 허용도가 종래 기술의 다층 1/4파 스택 피막의 경우보다 본 발명의 경사 굴절률 막 구조의 경우에 더 높다는 것을 나타냈다. 현저하게 정확한 두께 및 굴절률의 모니터링 시스템이 장치되면, 본 발명의 광화학 증착 프로세스가 우수한 반사율을 갖고 있고 용착 프로세스에 관련된 임의 에러로 인한 최소 감쇠를 나타내는 피막을 발생시키게 된다는 것이 예상된다.

본 발명의 프로세스에 의해 휠터로서 사용하기 위한 반사성 회절 광학 소자를 형성하는데에는 몇가지 장점들이 있다. 먼저, 휠터는 높은 습도내에서 및 광범위한 온도 범위에 걸쳐 본질적으로 안정한 반면 종래의 젤라틴 홀로그램들이 아닌 산화물질로 형성된다. 부수적으로, 광화학 증착 프로세스에 의해 형성된 SiOx는 유리 뿐만아니라 폴리카보네이트와 같은 플라스틱 상에서 우수한 접착률을 나타내었고 기질 표면 형태에 적합하다. 나중 두가지 특성은 만곡된 기질상에 헤드-업 표시기 결합기 또는 야간 시계용 바이저를 제조하기에 특히 적합한 본 발명의 프로세스를 형성한다. 더우기, 본 발명의 SiOx는 플라스틱 기질의 열적 감쇠를 제거하도록 충분히 낮은 온도(예를 들어, 30 내지 200°)에서 용착될 수 있으므로, 레이저 보안 장치(laser eyeprotection device) 및 헤드-업 표시 장치내에 경량의 플라스틱 기질을 사용할 수 있게 한다. 또한, 본 명세서에 기술한 바와 같이 형성된 SiOx는 양호한 표면 형태학 및 낮은 핀홀 또는 결함 밀도와 같은 우수한 광학적 및 기계적 특성을 갖고 있으므로, 광학 산란을 감소시킨다. 부수적으로, 이러한 산화물의 낮은 결함 밀도는 이 산화물이 레이저 방사선 손상을 덜 받게 한다.

또한, 본 발명의 프로세스에 의해, 연속 경사 굴절률 광학 물질이 용착되므로 상이한 조성의 별개의 층들을 나란히 놓음으로써 야기된 감소된 전송률, 광학 산란 및 열 손상과 같은 상술한 종래 기술의 문제점들을 제거한다. 본 발명의 연속 경사율 굴절률 반사 피막을 사용함으로써, 기계적 응력의 국부 집중 뿐만아니라 전계의 집중의 종래 기술의 문제점들이 제거된다. 정현파 형태를 갖고 있는 휠터내의 피이크 전계가 요구된 파장에서 동일한 광학 특성을 갖고 있는 구형파 다층 휠터내에서 직면한 피이크 전계 이하라는 것이 분석적으로 결정되었다. 부수적으로, 본 발명에 따라 형성된 물질내의 조성의 점차적 변화는 높은 레이저 에너지 유동을 받을때 막 내의 영 응력을 감소시킨다. 이 감소된 열 응력은 레이저 손상 임계값을 증가시키는 것으로 예상된다. 또한 점차적인 조성 변화는 막의 흡광률을 감소시킬 수도 있다. 부수적으로 기질 및 유전체가 적합한 열 팽창률을 갖도록 기질 공유 영역에서 유전체의 조성을 조정함으로써 기질과의 양호한 열정합이 달성될 수도 있다.

더우기, 본 발명에 따라 용착된 물질의 굴절률은 선정된 형태로 조정될 수 있으므로, 광학 소자의 설계시의 융통성을 더 크게 한다. 특히, 본 발명의 광학 소자는 합성 굴절률 형태 장치에 관련하여 상술한 바와 같이 몇가지 파장에서 높은 반사율을 제공하도록 비-정현파 형태로서 형성될 수 있다. 이 나중 장치들은 2-색 헤드-업 표시기 결합기, 레이저 보안 바이저, 및 레이저 반사경 상의 반사성 피막내에 유용한 단일 용착층내에 결합된 다중 파장 협대역 반사성 회절 광학 소자와 같은, 지금까지 불가능했던 새로운 광학 장치이다. 부수적으로, 형태의 주기성은 용착 물질의 스펙트럼 대역, 예를 들어 SiOx의 경우에 0.3 내지 2.5㎛의 파장내의 소정의 선정된 레이저 선을 거부하도록 변화될 수 있다. 또한, 본 발명의 광학 장치가 협대역폭내의 방사선의 고 반사율을 제공하기 위해 구성될 수 있기 때문에, 이러한 장치는 해당 신호의 높은 전송률을 갖고 신호 검출 효율을 향상시킨다. 부수적으로, 본 발명의 장치는 넓은 파장 범위(예를 들어, SiOx의 경우에 0.3 내지 2.5㎛이상, 또는 Al₂O₃의 경우에 5㎛까지)에 걸쳐 높은 반사를 제공할 수 있다.

또한, 본 발명의 연속 경사 굴절률 휠터는 무-전하이고 전하-결합(charge-coupled) 장치 및 복합 반도체 장치와 같은 민감힌 장치들에 대한 전하 손상 또는 방사선 손상을 제거하는 광화학 증착 프로세스에 의해 제조될 수 있다. 부수적으로, 이러한 프로세스는 저온, 예를 들어 30-200℃에서 실행되고 온도에 민감한 기질에 대한 열 손상 뿐만아니라 기질과 용착층의 열 부정합에 의해 발생된 응력을 제거한다. 더우기, 이 광화학 증착 프로세스에 의해 용착된 물질은 우수한 표면 형태학, 낮은 핀홀 밀도, 낮은 불순물 함량, 낮은 응력, 대 면적 균일 두께, 및 기질 형태에 대한 적합성을 갖는다. 본 발명의 프로세스는 재생가능하고, 균일한 용착물을 대규모 생산할 수 있다. 최종적으로, 상술한 프로세스에 의해, 휠터는 단일 스텝 프로세스에 의해 제조될 수 있으므로, 제조 복잡성 및 가격을 감소시키게 된다. 특히, 본 발명의 프로세스에 의해 다중 방사선 파장으로부터 보호되는 휠터가 단일 스텝 프로세스에 의해 단일 장치로 제조될 수 있다.

또한, 본 발명의 프로세스는 고 반사율, 저 흡광율 및 저 산란률을 갖고 있는 표면을 제공하기 위해 반사경 기질의 표면상에 반사성 피막을 형성하기 위해 사용될 수 있다. 이러한 고 반사성 막은 레이저 비임을 반사 및 유도하기 위해 레이저 시스템내에 제공된 반사경 상에 사용된다. 이러한 반사성 피막을 형성하기 위해서, 특히 제5도를 참조하여 본 명세서내에 상술한 프로세스는 예를 들어 몰리브덴 또는 실리콘 반사경 기질상에서 실행된다. 이 피막의 반사율은 다수의 입사 방사선 파장에서 측정되었고, 그 결과는 상술한 제5도의 곡선으로 도시한 바와 같다. 접착률을 향상시키고 응력을 감소시키기 위해서, 소정의 경우에, 기질과 등급식 굴절률 물질 사이에 크롬 또는 티타늄과 같은 결합 물질(binder material)을 사용하는 것이 유리하게 될 수 있다. 또한, 이러한 금속 결합재는 특정한 굴절률 변조로 용착된 막의 두께를 감소시키기 위해 사용될 수도 있다.

또한, 본 발명의 제2프로세스 실시예에 따르면, 주사 레이저 비임 또는 다른 조준 비임이 요구되는 화학 반응을 개시하도록 방사선 소오스로서 사용되는 것을 제외한 본 명세서에 상술한 광화학 증착 프로세스에 의해 연속 경사 굴절률 광학 물질이 용착될 수 있다. 레이저 비임은 기질의 표면 양단에 주사될 수 있거나, 본 분야내에 공지되어 있고 예를 들어 미합중국 특허 제4,340,617호에 기술된 바와 같이 기질을 이동시키거나 광학 집속 시스템을 조정하는 것과 같은 기질에 관련하여 레이저 비임의 상대 이동을 실행하기 위해 다른 장치들이 사용될 수 있다. 사용된 레이저 비임 또는 그외의 다른 조준 비임은 본 명세서에 상술한 바와 같이 요구된 광화학 반응을 유도하는데 필요한 방사선의 파장에서의 출력을 갖는다. 이 비임은 기질의 한 세그먼트가 한번에 비임에 노출하도록 제어된 방식으로 기질의 표면 양단에 주사되는데, 이 세그먼트 크기는 비임 직경에 의해 결정된다. 반응 생성물의 용착률은 반응물이 노출되는 반응-유도 방사선의 양에 따라 변한다.

결과적으로, 기질의 소정의 세그먼트가 레이저 비임에 더 오래 노출되면, 이 세그먼크는 위에 용착된 증가된 양의 반응 생성물을 갖게 된다. 그러므로, 기질의 수평 표면상에서의 용착율의 공간 변화는 주사 속도 또는 듀티 싸이클 및 레이저 비임의 패턴을 제어함으로써 달성될 수 있다. 용착율이 용착층의 두께를 결정하기 때문에, 용착 두께 및 굴절률은 상술한 주사 레이저 비임 노출에 따라 기질의 측방향 표면에 걸쳐 동일하게 변화된다. 이 두께 변화는 레이저 비임의 주사 패턴에 의해 결정된 바와 같이 연속 방식 또는 스텝 방식으로 될 수 있다. 발생 구조는 본 명세서에 상술한 바와 같이 두께의 함수인 연속 경사 굴절률 층을 갖고, 부수적으로 이 층의 두께는 기질의 표면 양단에서 선정된 패턴으로 변한다. 소정 두께내의 변조량이 굴절률 변조의 주기성을 결정하기 때문에, 기질 표면의 상이한 세그먼트상의 용착층은 상이한 주기성을 갖게 된다. 식(5)에 관련하여 상술한 바와 같이, 굴절률 변조의 주기성은 반사 방사선의 피이크 파장을 결정한다. 결과적으로, 본 발명의 이 제2프로세스 실시예에 따르면, 회절 광학 소자는 기질 표면의 다수의 세그먼트에서 상이한 피이크 파장의 반사율 및 두께를 갖도록 형성될 수 있다. 이러한 구조는 헤드-업 표시 시스템내의 결합기로서 유용하다. 선택적으로, 본 발명의 제2프로세스 실시예에 따르면, 기질의 선정된 세그먼트들이 노출되는 반응-유도 방사선의 양은 자외 방사선의 일광 소오스(flood source) 및 방사선이 선정된 세그먼트에서 기질에 충돌하는 것을 방지하기 위해 기질 표면 근처에 배치된 마스크를 사용함으로써 변화될 수 있다.

본 발명의 제1 및 제2프로세스 실시예는 상술한 바와 같이 두께의 함수인 변조 굴절률 외에 수평 표면 양단의 변화 두께 및 굴절률을 갖고 있는 다수의 광학 소자들을 제공하기 위해 사용될 수 있다. 한 경우에, 굴절률은 제1프로세스 실시예에 관련하여 기술한 바와 같이 선택된 λ_p를 제공하기 위해 두께의 함수로서 변조되고, 부수적으로 용착층의 두께는 제2프로세스 실시예에 관련하여 기술한 바와 같이 블록 표면을 형성하도록 요구된 패턴으로 변화된다. 최종 구조는 수평 두께 변화 및 이 구조의 수평 표면 양단에서 동일한 λ_p를 갖는다. 이러한 두께 변화를 갖고 있는 구조는 수평 표면 양단에 회절 소자의 효율 변화를 제공하므로, 입사 방사선 세기의 공간적 불균일성을 보상하기에 유리하다. 제2경우에, 용착층의 두께는 방금 상술한 바와 같이 요구된 패턴으로 변화되고, 부수적으로 λ_p는 본 발명의 제1프로세스 실시예의 대안에 관련하여 상술한 바와 같이 층의 수평 표면 양단에서 변화된다. 최종 구조는 수평 두께 변화 및 이 구조의 수평 표면 양단의 λ_p의 변화를 갖는다. 제3경우에, 용착층의 두께는 일정하게 유지되고 용착층의 굴절률은 상술한 바와 같이 주기성 및 λ_p의 변화를 발생시키도록 기질의 수평 표면 양단의 λ_p의 변화는 용착층의 두께에 따라 변화된다. 이러한 구조의 일정한 두께는 기질상에 조리개 개구를 갖고 있는 덮개를 배치시키고, 기질 세그먼트에 충돌하는 방사선의 양을 제어하기 위해 기질의 소정의 세그먼트 상에서 조리개를 개방 또는 폐쇄시킴과 동시에 두께의 함수이고 기질 표면 상의 수평 위치의 함수인 요구된 변조 굴절률을 달성하기 위해서 방사선의 세기 또는 반응물 개스 유속을 변경시킴으로써 달성될 수 있다.

이상을 요약하면, 성능이 향상된 종래의 광학 휠터 장치 뿐만아니라 지금까지 이용불가능했던 새로운 휠터 장치를 제공하는 본 발명의 프로세스의 몇가지 독특한 특성들은 다음과 같다. a. 반응물 유속비 제어로 인한(합성) 굴절률 변조의 임의 형태, b. 고 굴절률 변조율, c. 기질 표면 양단의 가변 피이크 파장, d. 저온 용착, e. 기질 형태에 적합한 균일한 피막, 및 f. 용착 물질의 융통성. 특히, 본 발명에 따라 형성될 수 있는 몇가지 새롭고 개량된 광학 장치들은 다음과 같다. a. 대역 통과 휠터, 협대역 전송 또는 반사 휠터, 차단나 휠터와 같은, 광각 수신용 휠터 양단의 가변 λ_p를 갖고 있는 광각 광학 휠터, b. 가변 밀도 중성 밀도 전송 휠터, 가변 반사 휠터와 같은, 합성 비임 양단의 고른 세기를 제공하기 위한 흡광 또는 전송형 어퍼다이저(apodizer), c. UV 광선 형태로 형성된 격자 형태 및 격자 깊이를 통하는 가변 굴절률을 갖고 있는 표면 격자. d. 광섬유 또는 직접 광학 소자와 같은 특수 광학 장치를 형성하기 위한 기질 또는 광섬유 코어상의 가변 굴절률 피막, e. 마스크 및 컴퓨터 발생 홀로그램 복제용 소자, f. 검출기 또는 레이저 보안용 레이저 보호 휠터와 같은 레이저 경화 IR 검출기 및 고상 구성부품용 IR 및 가시광선 휠터, g. 협대역, 단색 또는 다색, 전송 또는 반사 또는 차단형 휠터, h. 가변 표면 형태 및 렌즈 전체 또는 양단의 가변 굴절률을 갖고 있는 얇은 렌즈, i. 플라스틱 기질 또는 유리 기질상의 반사 방지 또는 고반사율 휠터, j. 비구형 기질상의 소정의 상기 피막, 및 k. 경사 프린지 광학 장치.

더우기, 본 발명의 프로세스는 실리콘의 산화물을 사용하는 것에 제한되지 않지만, 본 명세서내에서 이미 참조한 미합중국 특허 제4,371,587호내에 기술된 프로세스에 의해 용착될 수 있는 소정의 산화물을 포함할 수 있다. 부수적으로, 본 발명의 양수인에게 양도된 미합중국 특허 제4,181,751호에 기술된 프로세스에 의한 질화 실리콘 및 본 발명의 양수인에게 양도된 미합중국 특허 제4,447,469호에 기술된 프로세스에 의한 다수의 황화물과 같은 산화물 외의 다른 물질들이 명세서에 기술된 바와 같이 다른 광화학 프로세스에 의해 용착될 수 있다. 또한, 질환 실리콘과 결합 상태인 이산화 실리콘과 같은 이 다수의 물질들의 결합물들이 사용될 수 있다. 실제로, 본 발명에 따라 용착된 물질은 공기 및 수증기의 존재시에 안정해야 한다.

또한, 본 발명은 광화학 증착 프로세스에 제한되지 않지만, 반응물 개스 유속비가 선정된 굴절률 형태로 갖고 있는 연속 경사 굴절률 광학 물질을 제공하기 위해 본 명세서에 기술한 바와 같이 제어되는 다른 공지된 용착 프로세스를 포함한다. 예를 들어, 반응물이 요구된 생성물을 형성하기 위해 화학반응을 일으키기에 충분히 높은 온도로 가열되는 열 화학 증착 프로세스내에서, 반응물 개스의 개스 유속비는 본 명세서에 상술한 방식으로 제어된다. 이에 관련된 특정한 관심의 대상인 열화학 증착 형태는 금속-유기 화학 증착에 의한 에피택셜층 용착 형태이다. 황화 아연 및 셀렌화 아연과 같은 2개의 소오스가 증발 및 기질상의 후속 농축을 발생시키도록 가열되는 열 증발 또는 물리적 증착 프로세스내에서, 황화 아연과 같은 한 소오스의 열 증발은 일정 비율로 유지되고, 제2소오스의 열 증발은 본 명세서에 기술한 방식으로 시간의 함수로서 변화된다. 유사한 방법들이 전자 비임 증발 기술 및 2개의 타게트를 사용하는 스퍼터 증발 기술내에 사용될 수 있다. 이와 마찬가지로, 물질의 에피택셜 층이 원자 또는 분자의 비임을 타게트 상에 충돌시킴으로써 성장되는 분자 비임 에피택셜 성장 프로세스내에서, 충돌 비임의 상대 비율은 선정된 패턴으로 경사 굴절률을 갖고 있는 에피택셜 층을 제공하기 위해 본 명세서에 기술한 바와 같이 변경될 수 있다.

[예 1]

이 예는 본 명세서에 상술한 바와 같이 본 발명의 제1프로세스 실시예에 따라, 휠터로서 사용하기에 적합한 선정된 패턴으로 연속 경사 굴절률 광학 물질을 형성하는 것을 도시한 것이다. 본 명세서에서 이미 참조한 미합중국 특허 제4,371,587호내에 기술된 광화학 증착 프로세스 및 장치는 크기가 2인치(5.08cm)×3인치(7.62cm)이고 두께가 40밀(0.10cm)인 유리 슬라이드 기질 상에 SiOx막을 용착시키기 위해 사용되었다. 증기상 반응물은 실란(SiH₄) 및 아산화질소(N₂O)였고, 감광제로서 수은이 사용되었다. 반응-유도 방사선의 파장은 2537

이었고, 기질 온도는 100℃였으며, 전체 동작 압력은 약 1torr(수은 mm)였다. 선택적으로, 약 0.1 내지 50torr 범위내의 동작 압력이 사용될 수 있다. 반응물 개스 SiH₄및 N₂O는 반응물 개스의 흐름을 제어하는 질량 흐름 제어기를 통해 용착실의 한 단부에 들어갔다. 반응물 개스의 흐름은 전체 압력, 개스 유속, 개스 흐름비, 및 기질 온도를 조정함으로써 개시되어 진행되었다. 용착중의 개스 압력은 일정하게 유지되었고, 기질은 층 흐름 개스 흐름 패턴이 최소 붕괴되도록 배치되었다. 시스템 평형시에, 광선의 요구 세기를 결정하기 위해 상술한 제3도의 데이타를 사용하여 반응-유도 방사선을 반응실내로 전송시킴으로써 SiOx의 용착이 개시되었다. 뉴 저지주, 뉴워크(Newark, New Jersey)에 소재한 캔라드-하노비아, 인크.(Canrad-Hanovia, Inc.) 제품인 4개의 저압 수은 증기 등의 뱅크가 광원으로서 사용되었고, 기질 표면으로부터 약 2.75인치(6.99cm) 떨어져 배치되었다. N₂O 개스 유속은 62.00sccm로 일정하게 유지되었고, SiH₄의 개스 유속은 제어된 방식으로 0.90sccm로부터 3.5sccm로 변화되었다.

시간에 따른 유속의 변화를 나타내기 위해 제1도의 상술한 데이타 및 실험 데이타로부터 발생된 그래프를 사용하면, 실란 반응물의 유속은 총 16주기 동안 연속 정현파 패턴으로 1.45로부터 1.63으로 변하여 1.48㎛에서의 피이크 파장을 발생시키는 굴절률을 갖고 있는 산화물 막을 발생시키기 위해 선정된 비율로 개스 흐름 제어기 놉을 수동으로 돌림으로써 시간에 따라 변경되었다. 이렇게 형성된 홀로그래픽 휠터의 측정된 스펙트럼 반사율은 81.3% 피이크 효율을 도시한 제5도내에 제공되어 있는데, 이 데이타는 이미 상세하게 기술되었다. 이러한 구조는 예를 들어, 레이저 신호의 최대 전송률 및 반사경에 대한 최소 레이저 손상을 제공하기 위해서 레이저 시스템내에 사용된 반사경의 표면상의 고 반사성 피막으로서 유용하다.

[예 2]

이 예는 1:1의 최대 굴절률 변조율을 제공하기 위해 이산화 실리콘(SiO₂)와 이산화 티타늄(TiO₂)의 합성산화물 막이 형성되는 본 발명의 프로세스에 따라, 기질의 표면상에 연속 경사 굴절률 광학 물질 층을 형성하는 것을 도시한 것이다.

티타늄 테트라클로라이드(TiCl₄)가 부수적인 증기상 반응물로서 사용되는 것을 제외하고 상기 예 1내에 기술된 프로세스를 따른다. 미합중국 특허 제4,371,587호에 기술된 바와 같이, 아산화 질소의 광화학 해리에 의해 형성된 산소 원자는 이산화 타타늄을 형성하기 위해 TiCl₄와 반응한다. 본 발명에 따르면, 아산화질소의 개스 유속은 일정하게 유지되고, SiH₄및 TiCl₄의 개스 유속은 서로에 관련하고 아산화 질소에 관련하여 제어된 방식으로 변화된다. SiH₄및 TiCl₄의 요구된 유속은 유속에 대한 용착 물질의 굴절률의 의존성을 표시하는 실험 데이타로부터 결정된다. SiH₄및 TiCl₄반응물은 SiO₂와 TiO₂로 구성되는 합성 산화물 막을 제공하기 위해 기질상에 동시에 용착되는 SiO₂및 TiO₂를 형성하도록 산소 원자와 각각 반응한다. 합성 산화물의 성분비는 1.45의 굴절률을 갖고 있는 순수 SiO₂로부터 연속체를 따라 2.55의 굴절률을 갖고 있는 순수 TiO₂로 변할 수 있다. 발생 합성 산화물 막은 두께의 함수인 연속 등급식 굴절률을 갖는데, 최대 굴절률 변조는 1.1이다.

[예 3]

이 예는 본 명세서내에 상술한 바와 같이 본 발명의 제2프로세스 실시예에 따라, 굴절률이 기질의 표면 양단에서 선정된 패턴으로 변하는 유리 기질 표면상에 연속 경사 굴절률 광학 물질층을 형성하는 것을 도시한 것이다. 방사선 소오스가 뉴저지주에 소재한 루모닉스(Lumonics) 제품인 아르곤-불소 조정가능 익사이머(excimer) 레이저와 이에 관련된 전자 및 광학 장치, 및 매사츄세츠주, 워터타운(Watertown, Massachusetts)에 소재한 제너럴 스캐닝, 인크.(General Scanning, Inc.) 제품인 래스터(raster) 주사 메카니즘으로 구성되는 주사 레이저 비임인 것을 제외하고 예 1내에 기술된 일반적인 공정이 진행된다. 컴퓨터 제어하에서, 레이저 비임은 예를 들어 미합중국 특허 제4,340,617호에 기술된 바와 같이 기질의 수평 표면 양단에 선정된 패턴으로 주사된다. 기질 상에는, 용착 층의 두께의 함수인 연속 경사 굴절률 및 주사 레이저 비임의 패턴에 대응하는 패턴으로 기질의 수평 표면 양단의 방사상 경사 굴절률을 갖는 SiOx와 같은 물질의 층이 용착된다.

본 발명의 양호한 실시예에 관련하여 기술되었지만, 본 분야에 숙련된 기술자들은 본 발명의 원리 및 범위를 벗어나지 않고서 본 발명을 여러 가지 형태로 변형시킬 수 있다. 특히, 본 발명의 범위는 단지 일례로서 사용된 실리콘 산화물의 연속 경사 굴절률 층의 광화학 증착에 제한되는 것이 아니라, 적합한 광학 특성을 갖고 있는 산화물, 질화물, 황화물과 그외의 다른 물질 및 이들의 결합물을 포함한다. 부수적으로, 본 발명의 양호한 프로세스 실시예를 "광화학 증착 프로세스"라고 불렀지만, 이것은 본 발명을 산소 원자가 광화학적으로 발생되는 미합중국 특허 제4,371,587호의 프로세스 실시예에 제한시키지 않는다. 즉, 나중 특허의 소정의 프로세스 실시예에 의해 형성된 소정의 산화물을 포함한다.

더우기, 본 발명은 선정된 패턴으로 연속 경사 굴절률을 갖고 있는 산화물을 형성하기 위해서 특수하게 제어되는 특정한 광화학 증착 프로세스에 관련하여 기술되었지만, 산화물 뿐만아니라 그외의 다른 물질들을 형성하기 위한 다른 공지된 용착 프로세스가 본 명세서 내에 기술한 바와 같이 동일한 경사 굴절률 형태 및 광학 특성을 갖고 있는 용착층을 달성하기 위해 사용될 수 있는 다른 물질들은 해당 파장 범위내에서 투광성인 유전체인 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명은 본 명세서내에 상세하게 기술한 특정한 굴절률 형태에 제한되는 것은 아니라, 소정의 선정된 형태를 포함한다. 부수적으로, 이것은 본 발명을 본 명세서내에 상세하게 기술한 특정한 프로세스에 제한시키는 것이 아니라, 용착 물질내의 요구된 굴절률 형태를 달성하기 위해서 요구될 수 있는 것과 같은 프로세스 파라메터의 소정의 변화를 포함하게 된다.

최종적으로, 본 발명은 본 명세서내에 상세하게 기술한 바와 같은 연속 경사 굴절률 물질을 사용하는 것에 제한되는 것이 아니라, 소정의 목적용으로 사용될 수 있는 이러한 연속 경사 굴절률 물질들로 구성되는 구조를 포함한다.

제9도를 참조하면, 새로운 회절형 광학 결합기가 도시되어 있다. 성능이 향상되고 비교적 구조가 간단한 결합기(40)은 HUD 또는 HVD와 같은 응용용으로 적합하다. 제9도에 도시한 결합기(40)은 유리 또는 플라스틱과 같은 물질로 제조된 기질(45)로 구성된다. 회절피막(50)은 기질의 표면(46)상에 형성되고, 젤라틴 홀로그램 또는 경사 굴절률 피막으로 구성될 수 있다. 경사 굴절률 피막은 양호하게 상술한 광화학 증착 프로세스 또는 몇가지 다른 용착 프로세스에 따라 형성된다. 반사 방지 피막(48)은 기질(45)의 다른 표면(47)상에 형성된다.

표면(46 및 47)은 평면 또는 구형 형태를 가질 수 있지만, 양호하게는 결합기(40)이 사용되는 표시 시스템 내의 수차를 보상 또는 평형화하기 위해 선택된 비구형 형태를 갖는다. 피막(50)은 구형 기질상에 형성된 종래의 젤라틴 홀로그램과 유사한 협대역 고반사율 응답을 제공할 수 있다. 그러나, 젤라틴 홀로그램 피막은 구형 기질상에 형성된 종래의 젤라틴 홀로그램보다 광학 성능이 향상되었다. 경사 프린지를 제거함으로써 성능이 향상되는데, 기질 형태는 홀로그램 자체보다는 수차 보정용으로 필요한 비구형성을 제공한다. 소정의 설계 기준을 달성하는데 필요한 비구형 표면의 특수한 성형을 결정하는데 관련되는 고려할 점 및 원리는 매체내의 변화로 인한 소정의 굴절률 차이에 대해 적합한 종래 보상으로 젤라틴 홀로그램내의 프린지들의 요구된 배향을 결정하는데 관련되는 동일한 공지된 고려할 점 및 원리이다.

경사 굴절률 피막을 사용하는 피막 설계 및 제조시에 융통성을 가하면, 높은 투시율 및 다색 표시기를 제조하기 위해 사용된 것과 같은 성능이 향상된 결합기가 제조되므로, 젤라틴 홀로그램 피막보다 많은 소정의 장점들을 갖게 된다.

경사 굴절률 피막은 폴리카보네이트와 같은 플라스틱 표면상에 직접 인가될 수 있고, 젤라틴 홀로그램과는 달리 통상적으로 지정된 범위내의 습도 및 온도와 같은 주위환경 영향에 둔감하다. 이 2가지 특성들은 경사굴절률 피막이 기질(45)의 표면(46)에 직접 인가되게 할 수 있으므로, 주요한 광학 장점을 제공하게 된다. 제9도에 도시한 바와 같이, 표면(46)이 관찰자의 눈(58)에 접하는 표면이기 때문에, 결합기(40)은 적층 젤라틴 홀로그래픽 결합기에 때때로 직면한 강한 변위 제2(고스트)상을 상당히 감소시킨다. 제2표면(47)로부터의 반사 세기는 일반적으로 표면(46)으로부터 반사된 주 영상(mainimage)의 세기보다 수 등급 낮은 크기이므로, HUD 또는 HVD 시스템내의 결합기의 실용적인 사용에 영향을 미치는 중요한 문제점이 아니다. 더우기, 반사 방지(AR) 피막(48)은 기질(45)의 표면(47)에만 인가되지만, 젤라틴 형태의 HUD 또는 바이저 결합기는 결합기의 양측상에 AR 피막을 필요로 한다.

고스트상 세기의 감소는 제9도내에 도시되어 있다. 표시기 광원은 전형적으로 CRT(55)로 구성될 수 있다. CRT에 의해 발생된 협대역 광선은 광선(56)을 따라 결합기(40)상에 입사된다. 피막(50)은 전형적으로 입사광선의 80%를 소오스(30)으로부터 광선(57)을 따라 관찰자의 눈(58)로 다시 반사시키기에 적합하게 될 수 있다. 피막(50)에 의해 반사되지 않는 표시 광원의 적은 부분은 광선(56a)를 따라 기질(45)와 AR 피막(48)의 공유 영역으로 전송된다. 전형적인 AR 피막은 전형적으로 입사 광선의 약 0.5%만을 반사하고, 나머지 광선은 전송시킨다. 반사된 광선을 광선(57a)을 따라 진행한다. 피막(50)은 광선(57a)를 따라 입사하는 광선의 80%를 반사시키고 입사광선의 20%만을 전송시킨다. 광선(57a)를 따르는 제2영상의 세기는 소오스(55)로부터 결합기(40)상에 입사하는 광선의 세기의 (20%)(0.5%)(20%), 또는 0.02%이다. 그러므로, 반사된 제2영상의 세기는 일차 반사 영상의 세기보다 훨씬 작다.

제9도에 도시한 결합기(40)의 고스트 영상 성능은 젤라틴 홀로그램을 샌드위치시키는 2개의 유리 기질의 외부 표면상에 형성된 최소한 5개의 층으로된 2개의 외부 AR 피막으로 구성되는 종래의 젤라틴 홀로그래픽 결합기와 현저한 차이가 있다. 소오스 광선의 파장에서 AR 피막의 경우의 필적할만한 성능(0.5% 반사율) 및 젤라틴 홀로그램의 경우의 80% 반사율을 가정하더라도, 고려될 5개의 공유영역 및 변위상의 3가지 중요한 성분이 있다. 3개의 2차 성분의 결합 세기는 0.84%이거나 제9도에 도시한 결합기의 경우의 0.02%에 비해 계수 40만큼 높다.

또한, 제9도에 도시한 결합기는 향상된 투시 선능, 큰 출사동 크기, 다색 및 최적화 표시 효율을 제공할 수 있다. 이 성능들은 경사 굴절률 형태로 피막을 용착시킬 수 있는 상술한 광화학 증착 프로세스와 같은 용착 기술에 의해 달성될 수 있는 융통성 있는 설계 및 제조 프로세스에 의해 향상된다.

HVD 또는 HUD 응용의 경우에, 관측자가 바이저 또는 HUD 결합기를 통해 외부 주위 환경을 명확히 관측하고, 외부 장면(scene)의 색이 결합기에 의해 틴트(tint)되지 않는 것이 바람직하다. 이것은 결합기 상에 입사하는 외부 광선의 적은 부분만이 결합기 상의 회절 피막에 의해 반사되게 하여야 한다. 결합기의 반사율 응답이 협대역이 아니거나, 피이크 효율 파장에 대한 반사율 응답내에 상당한 측 로브(sidelobe)들이 있으면, 외부 주위환경은 관측자에게 틴트된 상태된 나타나게 되고, 결합기의 투시성능은 감쇠된다.

경사 굴절률 피막의 굴절률 형태는 투시 성능이 향상되도록 측로브 반사율이 최소화되어 있는 협대역 고 반사율 스펙트럼 응답을 제공하도록 설계될 수 있다. 이 특징은 제10도 및 제11도에 도시되어 있다.

제10도는 종래의 젤라틴 홀로그램과 경사 굴절률 홀로그램의 반사율 함수를 입사 광선의 파장의 함수로서 도시한 그래프이다. 제10도내에서, 젤라틴 홀로그램의 반사율은 파선으로 표시되어 있고, 경사 굴절률 피막의 반사율은 실선으로 표시되어 있다. 젤라틴 홀로그램의 굴절률 형태는 정현파이다. 그러나, 경사 굴절률 피막은 피막의 스펙트럼 반사 형태내에서 억제된 측 로브들을 발생시키게 되는 비-정현파 형태를 갖도록 설계된다. 543nm에 중심을 둔 80%의 전형적인 피이크 반사율 값은 2가지 형태의 피막에 의해 용이하게 달성될 수 있다. 그러나, 젤라틴 홀로그램 반사율은 해당 협대역 파장 범위 외부의 광선의 경우에 적합한 반사율의 전형적인 측로브들을 나타낸다. 반사율 함수내의 측로브들은 외부 주위환경으로부터의 상당한 광선이 결합기에 의해 반사되어 관찰자의 눈으로는 전송되지 못하게 보이므로, 투시 성능을 감소시키게 된다는 것을 나타낸다. 한편, 경사 굴절률 피막은 반사율 응답내의 측로브들을 최소화시키도록 설계 및 제조될 수 있으므로, 투시 성능이 향상된다.

특정한 비-정현파 굴절률 형태를 갖고 있는 경사 굴절률 피막을 사용함으로써, 피이크 반사율 응답은 더넓은 파장 대역폭(△λ)이 최소한 80%의 반사율로 반사되도록 확장될 수 있다. 젤라틴 홀로그램의 경우에 반사율 응답의 대응 확장을 달성하기 위해, 피막은 전형적으로 더 높은 피이크 반사율을 필요로 하였고 측로브레벨을 증가시켜, 측로브 스펙트럼 영역내에 바람직하지 못한 회절을 발생시키게 된다. 이 영향은 실선이 비-정현파 굴절률 형태를 갖고 있는 경사 굴절률 피막의 반사율 응답을 나타내고 상부 파선이 동일한 대역폭을 제공하도록 설계되었지만 95%의 높은 피이크 효율을 갖고 있는 젤라틴 홀로그램의 반사율 응답을 나타내고 있는 제11도에 도시되어 있다.

경사 굴절률 피막은 특정한 응용의 요구에 따라 결합기의 대역폭, 측로브 및 반사율 응답을 평형화시킬 때 많은 융통성을 허용한다. 예를 들어, 20-30nm정도의 대역 폭(△λ, 제11도)는 허용가능한 반사율 및 저 측로브레벨로 설계될 수 있다. 이것은 파장이 5-10nm 범위내에서 543nm에 중심을 두고 있는 광선을 발생시키는 CRT 광원용으로 인광물질 P53을 사용하게 한다. 이것은 543nm에 중심을 두고 있지만 2-3nm 범위내에 있는 파장에서 광선을 발생시키기 위해 CRT 내에 사용되는 P43 인광물질과 현저한 차이가 있다. 그러므로, 확장된 반사율 응답으로 인해, 상 휘도가 증가될 수 있다.

비-정현파 경사 굴절률 피막으로 달성가능한 대역폭 증가는 다른 성능 장점, 즉 각 반사율 함수내의 증가를 제공한다. 각 반사율 함수는 출동 광선의 소정의 파장의 경우의 입사각의 함수인 반사율을 특징으로 한다. 반사율 응답이 입사각의 광 대역보다 높으면, 출사동 크기는 이에 대응하여 커진다.

출사동 크기의 증가는 2개의 파라메터를 제어함으로써 최대화될 수 있다. 소정의 비-정현파의 경우의 피막 두께에 걸친 굴절률 변조율(즉, 최고 굴절률와 최저 굴절률 사이의 차이)을 증가시키면, 경사 굴절률 피막이 피이크 반사율 응답을 확장시키게 되고, 이에 대응하여 각 반사율 대역폭을 확장시키게 된다는 것을 알게 된다. 더욱이, 경사 굴절률 피막은 젤라틴 홀로그램보다 높은 평균 굴절률을 갖고 있는 기질로 제조될 수 있다. 예를 들어, SiOx 또는 SiO₂층들로 형성된 경사 굴절률 피막은 평균 굴절률가 약 1.50인 전형적인 젤라틴 홀로그램에 비교된 1.75의 평균 굴절률로 설계될 수 있다. 이것은 출사동 면적이 젤라틴 홀로그램보다 약 30% 더 커지게 한다.

전형적인 표시 시스템내에 사용된 결합기의 필요조건은 결합기상의 위치의 함수로서 변하는 표시기 소오스로부터의 광선을 반사시킬수 있어야 한다는 것이다. 홀로그래픽 또는 간섭형 피막은 협대역 파장 범위를 반사시키고 협대역 범위 외부의 파장의 광선을 전송시키도록 설계된다. 특정한 파장에 중심을 둔 협대역 범위는 입사각이 직각 방향으로부터 전이될 때 전이하다. 직각 입사시의 중심 주파수를 전형적으로 홀로그램 파장이라고 부른다. 표시기 소오스 광선이 전형적으로 결합기 표면에 직각으로 입사되지 않고, 입사각이 결합기의 표면 양단에서 변한다는 사실로 인해, 피이크 파장은 표시 효율을 최대화시키기 위해서 결합기 양단에서 변화되어야 한다. 홀로그래픽 젤라틴 결합기와 경사 굴절률 결합기는 이 필요조건을 부합시킬 수 있다.

경사 굴절률 피막은 피이크 효율 홀로그램 파장이 설계된 관측 영역내의 최대 표시 효율을 달성하기 위해 결합기 상의 상이한 지점들에서 변하도록 기질상에 발생될 수 있다. 이 효과는 제12도에 도시되어 있다. 광학 결합기(60)은 경사 굴절률 피막(62)가 위에 형성되는 기질(61)을 포함한다. 표시 소오스(63)은 파장 λ₀에서의 표시 광선을 발생시킨다. 3개의 표시 광선(64,65,66)은 결합기(60)상에 형성된 피막(62)의 표면 양단에 입사되는 것으로 도시되어 있다. 광선(64,65,66)에 대한 각각의 상이한 입사각들은 θ₁, θ₂, θ₃이다. 입사 지점에서, 각각의 홀로그램 파장은 λ₁, λ₂, λ₃인데, 이것들은 각각의 직각이 아닌 입사각 θ₁, θ₂, θ₃에서 관찰자의 눈으로 다시 반사된 피이크 효율 파장이 λ₀이 되도록 설계되어 있다.

젤라틴 피막과 같은 소정의 회절 피막에 비구형 기질 형태를 사용하거나 경사 굴절률 피막에 비구형 기질형태를 사용함으로써 동일한 효과가 달성될 수 있다.

그러므로, 본 발명에 따른 결합기(40)은 비구형 표면을 갖고 있는 기질, 및 층 상에 충돌하는 1개 이상의 선정된 협대역 파장 범위내의 방사선을 반사시키기 위한 회절형 반사 피막으로 구성될 수 있다. 이 피막은 젤라틴 홀로그램 또는 다른 형태의 회절 피막으로 구성될 수 있다. 그러나, 양호한 실시예는 경사 굴절률 피막이 위에 형성되는 경량 플라스틱 물질의 비구형 기질로 구성된다. 비구형성은 시스템내의 광학 수차를 보상 또는 평형화하도록 특수한 광학 시스템에 따라 설계될 수 있다. 더욱이, 경사 굴절률 형태는 다색 능력, 향상된 투시율, 확대된 출사동 크기 및 증가된 효율을 제공하기 위해 특수한 반사율 응답을 제공하도록 설계될 수 있다.

비구형 플라스틱 기질의 제조 방법은 광학 분야내에 공지되어 있다. 비구형 표면은 예를 들어 비구형 표면이 종래의 연삭 및 연마 기술에 의해 위에 형성되어 있는 마스터(master)(예를 들어, 유리 또는 금속)을 사용하는 주조(casting) 프로세스에 의해 형성된다. 이때, 마스터는 각각의 기질 표면용(각각의 기질은 상이한 형태를 가질 수 있다) 니켈판 복제물을 제조하기 위해 사용된다. 표면은 니켈판 복제물은 플라스틱 기질을 주조하기 위해 사용될 수 있다.

이 플라스틱 기질 제조 방법은 일반적으로 제13도 및 제14도에 도시되어 있다. 요구된 비구형 표면 형태(106)은 유리 마스터(105)를 정하기 위해 유리 기질(105)상에 형성된다. 유리 마스터를 사용하면, 표면 형태(106)의 니켈판 복제물(110)은 본 분야에 숙련된 기술자들에게 공지된 종래의 기술에 의해 형성된다.

동일한 프로세스에 의해, 제2니켈판 복제물(110a)가 제2마스터를 사용하여 형성될 수 있다. 이때, 2개의 니켈 복제물(110,110a)가 형태가 니켈 복제물(110,110a)의 형태를 복제하는 기질내로 미리 측정된 양의 비중합 아크릴(또는 CR-39) 화합물(115)를 주조하기 위해 주조 표면으로서 사용될 수 있다. 이 주조 방법은 형태(106,106a)의 주변부 주위에 압축성 가스켓 보유기(120)을 배치시키는 단계, 가스켓(120)에 의해 보유된 다량의 비중합 아크릴 화합물(115)를 2개의 판 사이에 샌드위치시키는 단계 및 아크릴 화합물이 중합하여 형태(110,110a)를 나타내도록 약 13%만큼 통상적으로 수축하도록 상승 온도 조(bath)내에 판을 셋트시키는 단계를 포함한다. 그다음, 이 판들은 상승 온도 조로부터 제거될 수 있고 형성된 주조물을 제거하기 위해 분리될 수 있다.

주조 방법은 비구형 기질을 제조하기 위한 비교적 저렴한 기술을 제공한다. 또한, 부품들은 사출 성형에 의해 제조될 수도 있다. 대조적으로, 비구형 유리 기질의 제조는 종래의 기술을 사용하면 가격이 상당히 비싸지게 된다.

제9도에 도시한 결합기가 유리하게 사용될 수 있는 한가지 응용은 항공기 조종사가 사용한 헬멧 장착 바이저 표시기(HVD)에 응용하는 것이다. 공지된 바와 같이, CRT와 같은 광원으로부터의 영상들은 투시 바이저 상에 기호 정보 또는 십자선 정보를 표시하기 위해 사용될 수 있으므로,기호는 헬멧 착용자가 바이저를 통해 외부 주위환경을 관측할 때 헬멧 착용자에게 제공된다.

본 발명에 따른 쌍접안 렌즈 바이저 시스템의 일반적인 배열은 제15도의 개략도에 도시되어 있다. 이 도면내에서, 광선은 CRT로 될 수 있는 대물(object) 소오스(210)으로부터 발생되는 것으로 도시되어 있고, 영상 접수 프리즘(image folding prism, 211)에 의해 릴레이(relay) 렌즈(212)를 통해 비임 분할기(213)으로 보내진다. 소오스(210)으로부터 영상 접수 프리즘(211)가지의 비임 통로는 편리하게 도시하기 위해 비접수 상태로 도시되어 있다. 비임 분할기(213)에서, 입사 광선은 윙(wing) 반사경(214)로 도시한 한 쌍의 접수 부재에 측방향으로 비임들을 보내는 분할기(213)에 의해 2개의 비임으로 분할된다.

반사경(214)는 각각의 비임을 플라스틱 윈도우(window, 216)을 통해 제9도에 도시한 바와 같은 광학 소자들인 결합기(215)를 구성하는 각각의 비구형 반사경들을 향해 다시 보낸다. 결합기(215)의 선택적 반사성 특성은 대물 소오스 광선이 출사동(217)을 통해 사용자의 눈을 향해 다시 보내지게 한다. 각각의 눈은 무한대에서 가상 상으로서 대응 출사동에서의 상을 관측한다. 파선(216)으로 도시한 중간 상들은 릴레이 렌즈(212)와 결합기(215) 사이에서 발생된다.

한 특수하고 양호한 HVD 실시예가 제16도 내지 제18도에 더욱 상세하게 개략적으로 도시되어 있다. 쌍접안렌즈 시스템의 주요소자들의 배열은 간략하게 도시하기 위해 헬멧이 제거되어 있는 착용자의 머리에 관련하여 제16도에 도시되어 있다. 이 시스템은 내부 표면(221)상에 인광 물질을 포함하고 있는 평평한 표시 소자(220)을 갖고 있는 소형 음극선 관(CRT) 소오스로 구성된다. 제16도에 도시한 바와 같이, CRT면(220)에 대한 수직선은 시스템의 기준선(222)에 대해 27.039°의 각도로 배치된다.

접수 프리즘(223)은 CRT(220)에 인접한다. 프리즘(223)의 입사면(224)는 기준선(222)에 직교하지만, 출사면(225)는 기준선(222)에 대해 4.554°의 웨지(wedge) 각도를 이루고 있다. 음극선관으로부터의 광선은 입사면(224)가 CRT면(220)의 외부 표면에서 기준선(222)와 직교하는 제로(zero) 기준선(226)으로부터 0.411인치(1.044cm) 떨어진 지점에 배치되도록 간격을 두고 배치되는 프리즘(223)내에서 내부 반사된다.

접수 프리즘(223)은 다음에는 제4렌즈(231)과 함께 변형 쿠크 트리플리트(modified cooke triplet) 상태인 3개의 렌즈(228,229,230)으로 구성되는 릴레이 렌즈(227)이 있다. 랠레이렌즈(227)의 2개의 외부 렌즈(228 및 231)은 비구형 표면을 갖지만, 렌즈(230)은 구형 표면을 갖고 있는 메니스커스(meniscus) 렌즈이다. 릴레이 렌즈를 축외(off-axis) 장착시키면, 축방향 광선(232)가 기준선(222)와 일치하여 만곡된다.

릴레이 렌즈(227)에 의해 전송된 광선은 비임 분할 프리즘(223)으로 보내진다. 전방 표면(235, 제16도 및 제17도)는 릴레이 렌즈(227)에 의해 전송된 광선을 한 쌍의 측방향으로 보내진 상으로 분할시킨다. 이 영상들은 윙 반사경(236,237, 제17도)에 의해 비임분할 프리즘(233)의 대향 측상에 반사되고, 릴레이 광학 장치를 외부 주위환경으로부터 밀봉시키기 위해 사용된 윈도우(238)을 통해 각각의 결합기(240)으로 보내진다. 특정 영역 지점으로부터의 광선들은 결합기(240)에 의해[제16도 및 제17도에 선(248)로 도시한] 출사동(248)을 통해 사용자의 눈을 향해 반사된다.

제17도는 기준선(222) 및 접수 프리즘(223)과 비임 분할 프리즘(233)의 정렬면에 평행하게 제16도의 우측상부로부터 바라보고 도시한 것이다. 간략하게 도시하기 위해, 윙 반사경(236 및 237)은 제16도에 도시하지 않았다.

렌즈 소자(228-231)로 구성되는 릴레이 렌즈(227)의 축[선(227a)]는 기준선(222)에 대해 8.630°의 각도를 이루고 있고, 축(227a)가 표면(228a)를 교차하는 지점은 기준선(222)로부터 0.22인치(0.56cm)만큼 변위된다.

제16도에 도시한 바와 같이, 비구형 렌즈(228)은 표면(228a)가 축방향 광선(232)에 의해 교차되는 지점이 제로 기준선(226)으로부터 1.645인치(4.178cm) 떨어져 있도록 장착된다. 프리즘(233)의 면(234)는 제로 기준선(226)으로부터 1.645인치(4.178cm) 떨어져 있도록 장착된다. 프리즘(233)의 면(234)는 제로 기준선(226)으로부터 1.645인치(4.178cm) 떨어져 있도록 장착된다. 프리즘(233)의 면(234)는 제로 기준선(226)으로부터 2.941인치(7.470cm) 떨어져 있지만, 반사된 축방향 광선(232)가 결합기(240)으로부터 출사되는 지점은 제로 기준선(226)으로부터 7.526인치(19.116cm) 떨어져 있다. 결합기(240)은 제16도의 평면내의 소자 축이[출사동(248)의 방향으로 연장되는] 결합기(240)으로부터 출사되는 축방향 광선의 통로와 30.431°의 각도를 형성하도록 배향된다.

윙 반사경(236 및 237)의 위치는 40°투시능력 및 필요한 헤드 여유도의 필요성에 의해 기술한 실시예내에서 제한된다. 이것은 비임 분할 프리즘(233)의 위치를 고정시킨다. 제1차 및 팩키징시의 고려할 점[특히, 접수 프리즘(223)을 포함하기 위한 긴 후방 촛점을 필요로 하는 것]은 애퍼츄어 정지부가 프리즘(233)전에 약간 떨어져 있도록 해야 한다는 것이다. 또한, 이것은 릴레이 렌즈(227)이 우수한 성능을 나타내기 위해 가장 용이하게 설계될 수 있는 애퍼츄어 정지부의 위치들중 하나이다. 그러나, 설계를 약간 변형시키면, 애퍼츄어 정지부는 필요시에 릴레이 렌즈(117)전 또는 내에 배치될 수 있다.

사용자가 안경 및 표준 산소 마스크를 착용하도록 표시 시스템내에는 충분한 눈 릴리이프(relief)가 사용되어 왔다. 요구된 눈 릴리이프 및 애퍼츄어 정지부 위치가 주어지면, 결합기(240)의 촛점길이 및 릴레이 렌즈(227)의 배율을 용이하게 결정할 수 있다. 사용자가 결합기(240)을 통해 보기 때문에, 투시 왜곡은 신중하게 제어된다.

제15도 내지 제19도에 도시한 표시 시스템의 특정한 실시예의 광학 특성의 요약이 표 I에 나타나 있다.

[표 I]

본 분야에 숙련된 기술자들은 제15도 내지 제18도에 도시한 특정한 실시예에 관련하여 상술한 다수의 파라메터들이 허용가능한 설계 원리에 따라 선택되고, 본 발명의 범위를 벗어나지 않고서 설계를 여러 가지 응용에 및 명세서에 적합화시키기 위해 본 분야에 숙련된 기술자들에게 공지된 방식으로 변화될 수 있다는 것을 알게 된다. 릴레이 렌즈(227)의 렌즈 표면 및 결합기(240)의 표면에 대한 규정과 같은 지정되지 않은 시스템의 다른 파라메터들은 소정의 특정한 설계 명세서를 만족시키도록 이러한 원리에 따라 선택될 수 있다. 본 분야에 숙련된 기술자들은 이 원리들을 와렌 제이. 스미스(Warren J.Smith)저 "현대 광학 기술[Modern Opticial Engineering)"[맥그로우-힐, 인크(McGraw-Hill, Ine.), 1966]과 같은 광학 기술서적에 명시된 바와 같이 이해할 수 있다. 또한, 본 분야에 숙련된 기술자들은 제15도 내지 제17도에 도시한 것과 유사한 설계를 각각 갖고 있는 별도의 광학 채널들이 접수 반사경(236) 및 프리즘(233)을 간단히 제거함으로써 각각의 눈에 별도의 표시를 제공하기 위해 사용될 수 있다는 것을 알게된다. 이 별도의 이중 채널 형태는 입체 표시시스템 능력을 제공한다.

제15도 내지 제19도에 도시한 HVD 시스템은 젤라틴 홀로그램을 사용하는 HVD 시스템보다 상당히 많은 장점을 갖고 있다. 등급식 굴절률 결합기에 의해 달성된 향상된 광학 성능은 한가지 이러한 장점이다. 최적화될 특수한 성능 파라메터들이 응용 종속적이지만, 비구형 결합기는 젤라틴 홀로그래픽 결합기 고유의 플레어 및 색분산의 최소화, 큰 출사동 크기, 향상된 투시율 및 효율, 큰 시야 및 고스트 영상 제거에 의해 발생되는 향상된 영상 질(image quality)을 제공하기 위해 최적화될 수 있다. 더우기, 결합기는 경량 폴리카보네이트로 제조될 수 있으므로, 결합기의 중량 및 바이저 착용자의 부담을 상당히 감소시키게 된다.

제9도에 도시한 바와같은 결합기는 또한 항공기 조종실 사용용 헤드-업 표시기(HUD)내에 응용된다. 새로운 결합기를 사용하는 HUD의 일반적인 개략도는 제20도에 도시되어 있다. 항공기는 캐노피(canopy, 260) 및 표면(226)을 갖고 있다. 결합기(270)은 기질(269) 및 회절형 피막(268)로 구성된다. 음극선관(278)은 상소오스를 대물 평면(276)에 제공한다. 대물 평면을 릴레이 렌즈(280)을 통해 결합기(270)의 표면상에 광선을 보내도록 각이진 표면을 갖고있는 접수 프리즘(282)에 상이 맺혀지게 한다. 이때, 광선은 결합기(270)에 의해 조종사의 눈(284)로 회절된다.

비구형 기질 및 경사 굴절률 회절 피막으로 구성되는 결합기를 사용하는 헤드-업 표시기는 젤라틴 홀로그래픽 피막을 사용하는 시스템보다 많은 몇가지 장점을 갖고 있다. 한가지 장점은 전형적으로 젤라틴 호로그램을 보호하기 위해 사용되는 유리 층들을 제거함으로써 발생되는 중량 감소이다. 플라스틱 기질로, 중량 감소는 충분하게 될 수 있다. 또한, 플라스틱 기질은 젤라틴 홀로그램 결합기 고유의 파괴 유리의 안전 위험을 제공하지 않는다. 즉, 플라스틱 기질로 결합기는 조류 충돌에 안전하게 된다. 이것은 결합기가 유리 결합기로 허용되는 것보다 더 가깝게 캐노피에 배치되게 하여, 더 큰 조사 능력을 갖고 있는 헤드-업 표시기가 설계되게 한다. 비구형 결합기를 사용하는 헤드-업 표시 시스템의 다른 장점은 투시 왜곡률 및 고스트 영상이 감소되고, 영상 질이 향상된다는 것이다, 더우기, 경량 결합기의 낮은 캔틸레버식 질량은 결합기의 강도를 증가시키고, 진동에 대한 감도를 감소시킨다.

본 명세서내에 기술된 원리에 따라 제조된 결합기로부터 발생되는 몇가지 장점들을 요약하면 다음과 같다.

a. 경사 굴절률 피막이 최외부 표면상에 배치되기 때문에 젤라틴 결합기내의 제1표면 반사로 인한 강한 이중상이 제거된다. 또한, 이 경사 굴절률 피막의 배치는 결합기의 한 측상의 반사 방지 피막의 필요성을 제거한다.

b. 이 결합기는 피막 설계 및 제조시의 융통성으로 인해 높은 투시율과 효율 및 큰 출사동과 시야와 같은 향상된 광학 성능을 제공할 수 있다.

c. 이 결합기는 유리 대신에 경량 폴리카보네이트로 될 수 있는 단1개의 기질이 사용되기 때문에 경량 어셈블리이다. 젤라틴 HUD 또는 바이저 표시기에 비해 덮개 층판을 전혀 필요로 하지 않는다.

d. 다색 HUD 결합기 또는 바이저 표시 결합기를 제조하기가 용이하다.

e. 이 결합기는 홀로그래픽 젤라틴 결합기내의 경사 프린지에 의해 야기된 영상-감쇠 플레어 및 색 분산을 제거하므로, 더욱 밝고 더욱 효율적인 표시기를 발생시키 는 광 대역 표시 소오스(CRT)를 사용하게 한다.

f. 산화물 피막을 갖고 있는 경사 굴절률 결합기는 주위환경에 안정하므로 플라스틱 뿐만 아니라 유리 기질상에 제공될 수도 있다.

g. 이 결합기의 제조는 젤라틴 결합기보다 가격 면에서 더 효율적이다. 또한 설비 비용도 낮아질 수 있다.

h. 감소된 결합기 두께는 양표면이 비구형일 때에도 투시 왜곡률을 감소시킨다.

i. 몇 개의 웨지 허용도 대신에 단 1개의 웨지 허용도만을 고려함으로써, 제조 관련 투시 왜곡률, 보어사이트(boresight) 에러, 및 헬멧 바이저 표시기의 경우의 쌍안경 불균형을 제거하기가 덜 어렵다.

j. 헤드-업 표시기의 경우에, 경량 결합기의 낮은 캔틸레버식 질량은 결합기를 더욱 견고하게 하고 진동에 덜 민감하게 한다.

k. 결합기의 플라스틱 기질은 조류 충돌 안정성을 제공하므로, 향상된 조사 능력을 갖고 있는 헤드-업 표시기를 설계할 수 있다.

l. 이 결합기는 헬멧 바이저 표시기 내에 사용될 때 젤라틴 홀로그램보다 경량이고, 향상된 광학 MTF 및 영상 해상도로 투시 왜곡률 및 고스트 영상을 감소시켰다.

지금까지, 본 발명을 특수한 실시예를 참조하여 기술하였지만, 본 발명의 특성 및 범위는 다음 청구 범위내에서 정해진다.

Claims (42)

1. 최소한 1개의 비구형 표면을 갖고 있는 기질, 및 상기 비구형 표면상에 형성되고 상기 층상에 충돌하는 한가지 이상의 선정된 협대역 파장 범위내의 방사선을 반사하기 위한 회절형 반사 피막을 포함하는 층을 포함하는 것을 특징으로 하는 광학 구조물.
2. 제1항에 있어서, 상기 층이 상기 층 상에 충돌하는 선정된 협대역 파장 범위내의 방사선을 반사하는 젤라틴 홀로그램 층을 포함하는 것을 특징으로 하는 구조물.
3. 제1항에 있어서, 상기 층이 경사 굴절률 층을 포함하는 것을 특징으로 하는 구조물.
4. 제3항에 있어서, 상기 경사 굴절률 층이 선정된 두께로 기질상에 용착된 다수의 물질들을 포함하고, 용착된 상기 층이 상기 선정된 패턴으로 상기 층내의 굴절률의 연속 감쇠를 발생시키도록 상기 두께의 함수로서 선정된 패턴으로 변하는 화학량적 조성을 갖고 있는 것을 특징으로 하는 구조물.
5. 제3항에 있어서, 상기 층이 선정된 형태를 갖고 있는 두께로 상기 기질상에 용착된 다수의 선택된 물질을 포함하고, 상기 용착된 층의 화학량적 조성이 두께 및 상기 기질상의 측방향 위치의 함수로서 제1 및 제2선정된 패턴으로 상기 굴절률의 연속 감쇠를 발생시키도록 두께의 함수로서 제1선정된 패턴으로 변하고 기질 양단에서 측방향으로 제2선정된 패턴으로 변하는 것을 특징으로 하는 구조물.
6. 제1항에 있어서, 상기 기질이 플라스틱 물질로 형성되는 것을 특징으로 하는 구조물.
7. 제6항에 있어서, 상기 플라스틱 물질이 폴리카보네이트인 것을 특징으로 하는 구조물.
8. 제1항에 있어서, 상기 기질 표면이 비구형성이 광학 수차를 보상하도록 설계되는 것을 특징으로 하는 구조물.
9. 최소한 1개의 비구형 표면 및 제2표면을 갖고 있는 기질, 선택적 반사성 광학 기능을 제공하기 위해 상기 기질의 한 표면에 제공된 경사 굴절률 피막, 및 가시광 파장 범위내의 입사 방사선의 반사율을 최소화 시키도록 상기 기질의 다른 표면에 제공된 광대역 반사 방지 피막을 포함하고, 상기 경사 굴절률 피막 및 상기 반사 방지 피막이 상기 기질을 샌드위치시키는 것을 특징으로 하는 고효율 광학 결합기.
10. 제9항에 있어서, 상기 경사 굴절률 층이 균일한 두께로 되어 있는 것을 특징으로 하는 광학 결합기.
11. 제9항에 있어서, 상기 기질이 플라스틱 물질로 형성되는 것을 특징으로 하는 광학 결합기.
12. 제9항에 있어서, 상기 선택적 반사 기능이 상기 피막상에 충돌하는 1개 이상의 선정된 협대역 파장 범위내의 방사선의 것을 특징으로 하는 광학 검출기.
13. 제9항에 있어서, 상기 경사 굴절률 피막이 선정된 두께로 상기 기질상에 용착된 선택된 물질 층을 포함하고, 상기 용착된 층이 선정된 주기적 패턴으로 상기 층내의 굴절률의 연속 감쇠를 발생시키도록 상기 두께의 함수로서 변하는 화학량적 조성을 갖고 있는 것을 특징으로 하는 광학 결합기.
14. 제13항에 있어서, 상기 선정된 주기적 패턴이 비정현파 패턴인 것을 특징으로 하는 광학 결합기.
15. 제14항에 있어서, 굴절률의 변조 진폭이 상기 피막의 피이크 반사율의 대역폭을 확장시키기 위해 증가되는 것을 특징으로 하는 광학 결합기.
16. 제13항에 있어서, 상기 선정된 주기적 패턴이 상기 결합기의 스펙트럼 반사율 응답내의 다수의 파이크들을 발생시키도록 선택된 다수의 정현파 패턴들의 선형 중첩 패턴을 포함하는 것을 특징으로 하는 광학 결합기.
17. 제14항에 있어서, 평균 굴절률이 약 1.54 이상인 것을 특징으로 하는 광학 결합기.
18. 영상을 결합시키기 위한 표시 장치내에서의 개량된 광학 결합기에 있어서, 비구형 형태를 정하는 최소한 제1표면 및 제2표면을 갖고 있는 기질, 및 상기 표면들 중 1개의 표면상에 형성되고, 상기 층상에 충돌하는 1개 이상의 선정된 협대역 파장 범위내의 방사선을 반사하기 위한 회절형 반사 피막을 포함하는 층을 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
19. 제18항에 있어서, 상기 제1표면의 비구형성이 상기 표시 장치내의 수차를 보상하기에 적합한 것을 특징으로 하는 장치.
20. 제18항에 있어서, 상기 층이 경사 굴절률 피막을 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
21. 제20항에 있어서, 상기 경사 굴절률 층이 선정된 두께로 상기 기질상에 용착된 다수의 물질을 포함하고, 상기 용착된 층이 상기 선정된 패턴으로 상기 층내의 굴절률의 연속 감쇠를 발생시키도록 상기 두께의 함수로서 선정된 패턴으로 변하는 화학량적 조성을 갖고 있는 것을 특징으로 하는 장치.
22. 제21항에 있어서, 상기 제1표면의 비구형성이 상기 표시 시스템내의 수차를 보상하기에 적합하고, 상기 선정된 패턴이 상기 피막의 표면에 평행한 것을 특징으로 하는 장치.
23. 제20항에 있어서, 상기 기질로부터 떨어져 있는 상기 피막의 표면이 대기에 노출되는 것을 특징으로 하는 장치.
24. 제18항에 있어서, 상기 층이 선정된 형태를 갖고 있는 두께로 상기 기질상에 용착된 다수의 선택된 물질을 포함하고, 상기 용착된 층의 화학량적 조성이 상기 두께 및 상기 기질상의 측방향 위치의 함수로서 상기 제1 및 제2선정된 패턴으로 상기 굴절률의 연속 감쇠를 발생시키도록 두께의 함수로서 제1선정된 패턴으로 변하고 상기 기질 양단에서 측방향으로 제2선정된 패턴을 변하는 것을 특징으로 하는 장치.
25. 제18항에 있어서, 상기 피막이 상기 기질 표면들 중 한 표면에 제공된 경사 굴절률 피막을 포함하고, 상기 기질 표면들 중 다른 표면에 제공된 광대역 반사방지 피막을 더 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 장치.
26. 제18항에 있어서, 상기 기질이 플라스틱 물질로 형성되는 것을 특징으로 하는 장치.
27. 헬멧 바이저를 통해 수신된 외부 영상과 결합된 쌍접안렌즈 영상을 제공하도록 헬멧상에 장착하기 위한 쌍접안렌즈 표시 장치에 있어서, 표시를 제공하기 위해 상기 헬멧에 인접하여 장착된 대물 소오스, 상기 대물 소오스로부터의 입사 광선을 별도로 유도된 비임들로 분할시키기 위한 비임 분할 수단, 선택된 각으로 배향되고 비구형 표면 및 1개 이상의 선정된 협대역 파장 범위내의 방사선을 반사하기 위해 형성된 회절형 반사 피막을 갖고 있는 기질을 포함하며, 헬멧 착용자가 외부 장면을 관측하도록 거의 투명하지만 헬멧 착용자의 눈 근처의 각각의 출사동에서 쌍접안렌즈 영상을 투사하도록 대물 소오스로부터 유도되는 광선을 반사할 능력을 갖고 있는 이중 광학 결합기 소자들을 갖고 있는 상기 헬멧상에 장착하기 위한 일반적으로 투명한 바이저, 상기 대물 소오스로부터의 광선을 분할 수단으로 유도하기 위한 상기 대물 소오스와 상기 분할 수단 사이의 수단, 및 비임을 분할 수단으로부터 각각의 결합기 소자들을 향해 유도하기 위한 분할 수단과 결합기 소자들 사이의 접수 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 표시 장치.
28. 제27항에 있어서, 상기 기질이 플라스틱 물질로 형성되는 것을 특징으로 하는 표시 장치.
29. 제28항에 있어서, 상기 피막이 경사 굴절률 층을 포함하는 것을 특징으로 하는 표시 장치.
30. 제29항에 있어서, 상기 경사 굴절률 층이 선정된 두께 형태로 상기 기질 상에 용착된 다수의 물질을 포함하고, 상기 용착된 층이 상기 선정된 패턴으로 상기 층내의 굴절률의 연속 감쇠를 발생시키도록 상기 두께의 함수로서 선정된 패턴으로 변하는 화학량적 조성을 갖고 있는 것을 특징으로 하는 표시 장치.
31. 제29항에 있어서, 상기 층이 선정된 형태를 갖고 있는 두께로 상기 기질상에 용착된 다수의 선택된 물질을 포함하고, 상기 용착된 층의 화학량적 조성이 상기 두께 및 상기 기질상의 측방향 위치의 함수로서 상기 제1 및 제2선정된 패턴으로 상기 굴절률의 연속 감쇠를 발생시키도록 두께의 함수로서 제1선정된 패턴으로 변하고 상기 기질 양단에서 측방향으로 제2선정된 패턴으로 변하는 것을 특징으로 하는 표시 장치.
32. 제27항에 있어서, 상기 결합기 표면의 비구형성이 상기 표시 장치내의 광학 수차를 보상하는 것을 특징으로 하는 표시 장치.
33. 제27항에 있어서, 상기 유도 수단이 비구형 렌즈를 포함하는 변형 쿠크 트리플리트 및 비구형 표면을 포함하는 다른 렌즈 소자를 포함하는 릴레이 렌즈인 것을 특징으로 하는 표시 장치.
34. 제33항에 있어서, 상기 릴레이 렌즈가 축외 상태인 것을 특징으로 하는 표시 장치.
35. 제27항에 있어서, 대물 소오스가 상기 유도 수단에 관련하여 틸트되는 것을 특징으로 하는 표시 장치.
36. 제27항에 있어서, 상기 유도 수단이 이 장치의 광축에 직교하는 입사면 및 이 광축에 웨지 각을 이루고 있는 출사면을 갖고 있는 접수 프리즘을 포함하는 구성되는 것을 특징으로 하는 표시 장치.
37. 제27항에 있어서, 상기 비임 분할 수단이 오목 출사 표면을 갖고 있는 것을 특징으로 하는 표시 장치.
38. 영상 소오스, 및 광선을 영상 소오스로부터 사용자에게 선택적으로 반사시키기 위해 사용자와 외부 장면 사이에 삽입된 광학 결합기를 포함하는 헤드-업 표시기내에서의 개량된 광학 결합기에 있어서, 최소한 1개의 비구형 표면을 갖고 있는 기질, 및 상기 기질 상에 형성되고 상기 기질상에 충돌하는 1개 이상의 선정된 협대역 파장 범위내의 방사선을 반사하기 위한 회절형 반사 피막을 포함하는 층을 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
39. 제38항에 있어서, 상기 피막이 경사 굴절률 피막으로 구성되는 것을 특징으로 하는 장치.
40. 제39항에 있어서, 상기 경사 굴절률 층이 선정된 두께 형태로 상기 기질상에 용착된 다수의 물질을 포함하고, 상기 용착된 층이 상기 선정된 패턴으로 상기 층내의 굴절률의 연속 감쇠를 발생시키도록 상기 두께의 함수로서 선정된 패턴으로 변하는 화학량적 조성을 갖고 있는 것을 특징으로 하는 장치.
41. 제38항에 있어서, 상기 층이 선정된 형태를 갖고 있는 두께로 상기 기질상에 용착된 다수의 선택된 물질을 포함하고, 상기 용착된 층의 화학량적 조성이 상기 두께 및 상기 기질상의 측방향 위치의 함수로서 제1 및 제2선정된 패턴으로 굴절률의 연속 감쇠를 발생시키도록 두께의 함수로서 상기 제1선정된 패턴으로 변하고 상기 기질의 양단에서 측방향으로 제2선정된 패턴으로 변하는 것을 특징으로 하는 장치.
42. 제38항에 있어서, 상기 결합기 표면의 비구형성이 상기 표시 장치내의 광학 수차를 보상하는 것을 특징으로 하는 장치.

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