特開 2023-86068 光学システム

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2023086068

(43)【公開日】2023-06-21

(54)【発明の名称】光学システム

(51)【国際特許分類】

   G02B 6/43 20060101AFI20230614BHJP

   G02B 5/18 20060101ALI20230614BHJP

   G02B 3/00 20060101ALI20230614BHJP

   G02B 6/00 20060101ALI20230614BHJP

   G02B 6/34 20060101ALI20230614BHJP

【ＦＩ】

G02B6/43

G02B5/18

G02B3/00

G02B6/00 331

G02B6/34

【審査請求】有

【請求項の数】11

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022045903

(22)【出願日】2022-03-22

(31)【優先権主張番号】17/547,021

(32)【優先日】2021-12-09

(33)【優先権主張国・地域又は機関】US

(71)【出願人】

【識別番号】507296388

【氏名又は名称】采▲ぎょく▼科技股▲ふん▼有限公司

【氏名又は名称原語表記】ＶｉｓＥｒａ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ Ｃｏｍｐａｎｙ Ｌｉｍｉｔｅｄ

【住所又は居所原語表記】Ｎｏ．１２，Ｄｕｓｉｎｇ Ｒｄ．１， Ｈｓｉｎｃｈｕ Ｓｃｉｅｎｃｅ Ｐａｒｋ，Ｈｓｉｎ－Ｃｈｕ Ｃｉｔｙ，Ｔａｉｗａｎ

(74)【代理人】

【識別番号】100206335

【弁理士】

【氏名又は名称】太田 和宏

(74)【代理人】

【識別番号】100120857

【弁理士】

【氏名又は名称】渡邉 聡

(74)【代理人】

【識別番号】100116872

【弁理士】

【氏名又は名称】藤田 和子

(72)【発明者】

【氏名】謝 馨儀

(72)【発明者】

【氏名】謝 錦全

【テーマコード（参考）】

2H038

2H137

2H249

【Ｆターム（参考）】

2H038AA55

2H137AA17

2H137AB12

2H137BA34

2H137BA42

2H137BA51

2H137BC02

2H137BC16

2H137BC23

2H137BC27

2H137BC62

2H249AA02

2H249AA12

2H249AA60

2H249AA62

2H249AA63

(57)【要約】      （修正有）

【課題】異なる波長を有するカラー画像が同じグレーティング光導波路に結合する場合、ＲＧＢ光の異なる光路を引き起こし、撮像の問題が発生する。
【解決手段】光学システムは、光モジュールと、第１のグレーティングカプラ上の光学素子と、第２のグレーティングカプラとを含む。異なる位置から３つのビームを放射する光モジュールと、光モジュールの下方にあり、３つのビームの入射角を変更し、３つのビームを第１のグレーティングカプラの同一の領域に集束させるように構成された光学素子であって、光導波路基板は、第１のグレーティングカプラに接続され、３つのビームを透過するように構成された光学素子と、光導波路基板に接続され、３つのビームが同一の光路を通過した後に３つのビームが前記光導波路基板から離れることを可能にするように構成された第２のグレーティングカプラを含む。
【選択図】なし

【特許請求の範囲】

【請求項1】

異なる位置から３つのビームを放射する光モジュールと、
前記光モジュールの下方にあり、前記３つのビームの入射角を変更し、前記３つのビームを第１のグレーティングカプラの同一の領域に集束させるように構成された光学素子であって、
前記第１のグレーティングカプラは、前記光学素子の下方にあり、前記３つのビームを光導波路基板に結合するように構成され、
前記光導波路基板は、前記第１のグレーティングカプラに接続され、前記３つのビームを透過するように構成された光学素子と、
前記光導波路基板に接続され、前記３つのビームが同一の光路を通過した後に、前記３つのビームが前記光導波路基板から離れることを可能にするように構成された第２のグレーティングカプラと、を含む、光学システム。

【請求項2】

前記第１のグレーティングカプラ、前記第２のグレーティングカプラ及び前記光導波路基板を覆うクラッド層であって、
前記クラッド層の屈折率が１．６未満であるクラッド層と、
前記光学素子と前記クラッド層との間の金属シールドと、を更に含み、
前記クラッド層はエアギャップであり、前記エアギャップの厚さが０．１ｍｍ～１００ｍｍの範囲であり、
前記光導波路基板の屈折率は、前記クラッド層の屈折率より大きく、又は、
前記第１のグレーティングカプラの屈折率は、前記クラッド層の屈折率より大きい、請求項１に記載の光学システム。

【請求項3】

前記光学素子は、プリズム又はマイクロレンズであり、前記光学素子が前記マイクロレンズである場合、前記光学素子上に金属シールドを更に含み、
前記光導波路基板の屈折率は、１．７～２．２の範囲である、請求項１又は２に記載の光学システム。

【請求項4】

前記光導波路基板の表面に沿って延びるグレーティング層を更に含み、前記グレーティング層は、前記第１のグレーティングカプラと前記光導波路基板との間の部分を有する、請求項１に記載の光学システム。

【請求項5】

前記第１のグレーティングカプラと前記光導波路基板との間に配置された金属層を更に含み、前記第１のグレーティングカプラは、前記グレーティング層内に配置され、前記第１のグレーティングカプラの表面は、前記光導波路基板に面する、請求項４に記載の光学システム。

【請求項6】

前記第１のグレーティングカプラ、前記第２のグレーティングカプラ及び前記光導波路基板を覆うクラッド層を更に含み、
前記グレーティング層は、前記光導波路基板と前記クラッド層との間に配置される、請求項４又は５に記載の光学システム。

【請求項7】

前記第１のグレーティングカプラは、階段状グレーティング構造を含み、前記階段状グレーティング構造は、第１の垂直側壁と、第２の垂直側壁と、前記第１の垂直側壁及び前記第２の垂直側壁に隣接する水平表面とを含み、
前記階段状グレーティング構造は、ｎ個の階段を有し、ｎは３～３２の範囲である、請求項１に記載の光学システム。

【請求項8】

前記第１のグレーティングカプラは、ブレーズグレーティング構造を含み、前記ブレーズグレーティング構造は、前記ブレーズグレーティング構造の頂部から前記ブレーズグレーティング構造の底部へ延びる斜めの側壁を有し、前記ブレーズグレーティング構造の幅は、前記ブレーズグレーティング構造の前記頂部から前記ブレーズグレーティング構造の前記底部に向かって徐々に増加する、請求項１に記載の光学システム。

【請求項9】

前記第１のグレーティングカプラは、傾斜グレーティング構造を有し、前記傾斜グレーティング構造は、第１の斜めの側壁と、第２の斜めの側壁と、前記第１の斜めの側壁及び前記第２の斜めの側壁に隣接する頂面とを含む、請求項１に記載の光学システム。

【請求項10】

前記３つのビームは、３つの分離されたＲＧＢ画像であり、前記光モジュールは、前記光学素子の上方に配置されたプロジェクタを含み、前記プロジェクタは、前記３つの分離された前記ＲＧＢ画像を提供するように構成される、請求項１に記載の光学システム。

【請求項11】

前記光モジュールは、前記光学素子と前記プロジェクタとの間に配置されたスプリッタを更に含み、前記プロジェクタは、重畳したカラー画像を提供するように構成され、前記スプリッタは、前記重畳したカラー画像を前記３つの分離されたＲＧＢ画像に分離するように構成される、請求項１０に記載の光学システム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、光学システムに関する。より具体的には、光学システムは、１つの光導波路基板に１対のグレーティングカプラを含む。

【背景技術】

【0002】

グレーティングカプラは、外部光をフォトニックチップ等の光学装置上の光導波路（導波路（ｗａｖｅｇｕｉｄｅ））層に透過させるか又はそこから外に透過させることによる撮像又はメッセージ配信によく使用される。高屈折率の光導波路が低屈折率のクラッドに囲まれるため、光導波路層とクラッド層との界面の臨界角より大きい角で光導波路内を進む光は、界面付近で全内部反射（ＴＩＲ）現象を引き起こす。したがって、光は、光導波路内で過度のエネルギー損失なしに伝搬することができる。光導波路上のグレーティング構造は、光導波路内の光伝搬に用いられて、外部光を導入し、界面の臨界角より大きい第１の回折角を有する１次回折光に変換する。更に、グレーティングの形状、材料及び設計は、入射から１次回折光へのエネルギー変換効率を決定することができる。グレーティング光導波路又は導波路は、バイオセンサ、拡張現実（ＡＲ）、仮想現実（ＶＲ）及び電気通信に広く適用されている。

【0003】

カラー画像の場合、外部光は、ＲＧＢ光など、色の異なる複数の波長を含む。異なる波長を有するカラー画像が同じグレーティング光導波路に結合する場合、それらの第１の回折角が異なり、ＲＧＢ光の異なる光路を引き起こす可能性があるため、グレーティング分離領域での撮像の問題が発生する。したがって、上記問題を解決する必要がある。

【発明の概要】

【0004】

本開示の一態様は、光学システムを提供する。光学システムは、光モジュールと、第１のグレーティングカプラ上の光学素子と、第２のグレーティングカプラとを含む。光モジュールは、異なる位置から３つのコリメートビームを放射する。光学素子は、光モジュールの下方にあり、３つのコリメートビームの入射角を変更し、３つのコリメートビームを第１のグレーティングカプラの同一の領域に集束させるように構成される。第１のグレーティングカプラは、光学素子の下方にあり、３つのビームを光導波路基板に結合するように構成される。光導波路基板は、第１のグレーティングカプラに接続され、３つのビームを透過するように構成される。第２のグレーティングカプラは、光導波路基板に接続され、３つのビームが同一の光路を（１次回折光と同じ回折角で）通過した後に３つのビームが光導波路基板から離れることを可能にするように構成される。

【0005】

本開示の幾つかの実施形態において、光学システムは、第１のグレーティングカプラ、第２のグレーティングカプラ及び光導波路基板を覆うクラッド層を更に含む。

【0006】

本開示の幾つかの実施形態において、クラッド層はエアギャップであり、エアギャップの厚さが０．１ｍｍ～１００ｍｍの範囲である。

【0007】

本開示の幾つかの実施形態において、光学システムは、光学素子とクラッド層との間の金属シールドを更に含む。

【0008】

本開示の幾つかの実施形態において、光導波路基板の屈折率は、クラッド層の屈折率より大きい。

【0009】

本開示の幾つかの実施形態において、第１のグレーティングカプラの屈折率は、クラッド層の屈折率より大きい。

【0010】

本開示の幾つかの実施形態において、クラッド層の屈折率は、１．６未満である。

【0011】

本開示の幾つかの実施形態において、光学素子は、プリズム又はマイクロレンズである。

【0012】

本開示の幾つかの実施形態において、光学システムは、光学素子上に金属シールドを更に含む。

【0013】

本開示の幾つかの実施形態において、光学システムは、光導波路基板の表面に沿って延びるグレーティング層を更に含む。

【0014】

本開示の幾つかの実施形態において、グレーティング層は、第１のグレーティングカプラと光導波路基板との間の部分を有する。

【0015】

本開示の幾つかの実施形態において、第１のグレーティングカプラは、グレーティング層内に配置され、第１のグレーティングカプラの表面は、光導波路基板に面する。

【0016】

本開示の幾つかの実施形態において、光学システムは、第１のグレーティングカプラと光導波路基板との間に配置された金属層を更に含む。

【0017】

本開示の幾つかの実施形態において、光学システムは、第１のグレーティングカプラ、第２のグレーティングカプラ及び光導波路基板を覆うクラッド層を更に含み、グレーティング層は、光導波路基板とクラッド層との間に配置される。

【0018】

本開示の幾つかの実施形態において、光導波路基板の屈折率は、１．７～２．２の範囲である。

【0019】

本開示の幾つかの実施形態において、第１のグレーティングカプラは、階段状グレーティング構造を含み、階段状グレーティング構造は、第１の垂直側壁と、第２の垂直側壁と、第１の垂直側壁及び第２の垂直側壁に隣接する水平表面とを含む。

【0020】

本開示の幾つかの実施形態において、階段状グレーティング構造は、ｎ個の階段を有し、ｎは３～３２の範囲である。

【0021】

本開示の幾つかの実施形態において、第１のグレーティングカプラは、ブレーズグレーティング構造を含み、ブレーズグレーティング構造は、ブレーズグレーティング構造の頂部からブレーズグレーティング構造の底部へ延びる斜めの側壁を有し、ブレーズグレーティング構造の幅は、ブレーズグレーティング構造の頂部からブレーズグレーティング構造の底部に向かって徐々に増加する。

【0022】

本開示の幾つかの実施形態において、第１のグレーティングカプラは、傾斜グレーティング構造を有し、傾斜グレーティング構造は、第１の斜めの側壁と、第２の斜めの側壁と、第１の斜めの側壁及び第２の斜めの側壁に隣接する頂面とを含む。

【0023】

本開示の幾つかの実施形態において、３つのコリメートビームは３つの画像であり、赤色（Ｒ）光のコリメート画像と、緑色（Ｇ）光のコリメート画像と、青色（Ｂ）光のコリメート画像とを含む。

【0024】

本開示の幾つかの実施形態において、光モジュールは、光学素子の上方に配置されたプロジェクタを含み、プロジェクタは、３つの分離されたコリメートＲＧＢ画像を提供するように構成される。

【0025】

本開示の幾つかの実施形態において、光モジュールは、光学素子とプロジェクタとの間に配置されたスプリッタを更に含み、プロジェクタは、重畳したカラー画像を提供するように構成され、スプリッタは、重畳したカラー画像を３つの分離されたコリメートＲＧＢ画像に分離するように構成される。

【図面の簡単な説明】

【0026】

本発明の態様は、添付図面を参照しながら、以下の詳細な説明から最もよく理解される。様々な特徴は、当業界の標準的技法に従って、原寸大には描かれていないことに注意すべきである。実際、説明を明確にするために、様々な特徴の寸法は、任意に拡大又は縮小されてもよい。

【0027】

【図1A】本開示の幾つかの実施形態による光学装置の断面図である。

【図1B】図１Ａにおけるグレーティングカプラの拡大図である。

【図2A】本開示の幾つかの実施形態による光学装置の断面図である。

【図2B】本開示の幾つかの実施形態による光学装置の断面図である。

【図3A】本開示の幾つかの実施形態による光学装置の断面図である。

【図3B】図３Ａにおけるグレーティングカプラの拡大図である。

【図4A】本開示の幾つかの実施形態による光学装置の断面図である。

【図4B】図４Ａにおけるグレーティングカプラの拡大図である。

【図5】本開示の幾つかの実施形態による光学装置の断面図である。

【図6】本開示の幾つかの実施形態による光学装置の断面図である。

【図7】本開示の幾つかの実施形態による光学装置の断面図である。

【図8】本開示の幾つかの実施形態による光学装置の断面図である。

【図9】本開示の幾つかの実施形態による光学システムの概略図である。

【図10A】３つの分離されたコリメートＲＧＢ光の原画像の概略図である。

【図10B】３つの分離されたコリメートＲＧＢ光の原画像の概略図である。

【図10C】３つの分離されたコリメートＲＧＢ光の原画像の概略図である。

【図10D】重畳したカラー画像の光学画像の概略図である。

【図11】本開示の幾つかの実施形態による光学システムの概略図である。

【図12】本開示の幾つかの実施形態による光学システムの概略図である。

【図13】本開示の幾つかの実施形態による光学システムの概略図である。

【図14】本開示の幾つかの実施形態による光学システムの概略図である。

【図15A】本開示の幾つかの実施形態によるグレーティングカプラの様々なグレーティング構造の断面図である。

【図15B】本開示の幾つかの実施形態によるグレーティングカプラの様々なグレーティング構造の断面図である。

【図15C】本開示の幾つかの実施形態によるグレーティングカプラの様々なグレーティング構造の断面図である。

【図15D】本開示の幾つかの実施形態によるグレーティングカプラの様々なグレーティング構造の断面図である。

【図15E】本開示の幾つかの実施形態によるグレーティングカプラの様々なグレーティング構造の断面図である。

【図15F】本開示の幾つかの実施形態によるグレーティングカプラの様々なグレーティング構造の断面図である。

【図16A】本開示の幾つかの実施形態による、異なるグレーティング構造での５３２ｎｍの波長を有する緑色光の入射角強度チャートである。

【図16B】本開示の幾つかの実施形態による、異なるグレーティング構造での５３２ｎｍの波長を有する緑色光の入射角強度チャートである。

【図17A】本開示の幾つかの実施形態による、異なるグレーティング構造での５３２ｎｍの波長を有する緑色光の入射角強度チャートである。

【図17B】本開示の幾つかの実施形態による、異なるグレーティング構造での５３２ｎｍの波長を有する緑色光の入射角強度チャートである。

【図18A】本開示の幾つかの実施形態による、異なるグレーティング構造での５３２ｎｍの波長を有する緑色光の入射角強度チャートである。

【図18B】本開示の幾つかの実施形態による、異なるグレーティング構造での５３２ｎｍの波長を有する緑色光の入射角強度チャートである。

【図19A】本開示の幾つかの実施形態による、異なるグレーティング構造での５３２ｎｍの波長を有する緑色光の入射角強度チャートである。

【図19B】本開示の幾つかの実施形態による、異なるグレーティング構造での５３２ｎｍの波長を有する緑色光の入射角強度チャートである。

【発明を実施するための形態】

【0028】

以下の開示は、提供される主題の異なる特徴を実施するため、多くの異なる実施形態又は例を提供するものである。

【0029】

以下、本開示を簡略化するために、部品及び配置の特定の例を説明する。もちろん、これらは単に例であり、限定することを意図するものではない。例えば、以下の説明における第２の特徴の上方又は上の第１の特徴の形成は、第１と第２の特徴が直接接触して形成される実施形態を含んでもよく、また、第１と第２の特徴が直接接触しないように、追加の特徴が第１と第２の特徴の間に形成され得る実施形態を含んでもよい。

【0030】

更に、本開示は、様々な例において符号及び／又は文字を繰り返してもよい。

【0031】

この繰り返しは、簡略化と明瞭化を目的としており、それ自体では、説明した様々な実施形態及び／又は構成の間の関係を示すものではない。

【0032】

全ての素子／部品の数は、単に例示のためであり、本開示を限定することを意図するものではないことを理解されたい。

【0033】

本明細書では、第１、第２などの用語を使用して様々な素子を説明するが、これらの素子は、これらの用語によって限定されないことを理解されたい。

【0034】

これらの用語は、１つの素子を別の素子から区別するためにのみ使用される。例えば、実施形態の範囲を逸脱することなく、第１の素子を第２の素子と呼ぶことができ、同様に、第２の素子を第１の素子と呼ぶことができる。本明細書で使用されるように、用語「及び／又は」は、関連するリストされた項目のうちの１つ又は複数の任意及び全ての組合せを含む。

【0035】

更に、「下」、「下方」、「下部」、「上方」、「上部」等のような空間的に相対的な用語は、１つの素子又は特徴と図示される他の素子（複数の素子）又は特徴（複数の特徴）との関連性を容易に説明するために本明細書で使用されてもよい。

【0036】

空間的に相対的な用語は、図に示される向きに加えて、使用又は動作における装置の他の向きを包含するものとして意図されている。装置は、他の方向（９０度回転するか又は他の向き）に配向されてもよく、本明細書で使用される空間的に相対的な記述子は、同様にそれに応じて解釈されてもよい。

【0037】

コリメート（ｃｏｌｌｉｍａｔｉｎｇ）光がグレーティングカプラ（ＧＣ）を介して光導波路基板又はガラスに入射すると、ＲＧＢ光の光路は異なる。したがって、観察者の目に入るＲＧＢ光がシフトする。異なる光路を有するＲＧＢ光による透過撮像の問題を解決するために、複数のグレーティングカプラ及び／又は複数の光学素子を使用して、撮像のための同一の光路を達成した。例えば、外部光の３つの波長（光のＲＧＢ波長等）を別個に多重化するために、３つの別個の高屈折率ガラスを使用し、各ガラスは、少なくとも１つのグレーティングカプラを有するため、同一の光路に沿ってＲＧＢ波長を透過する。しかしながら、３つの別個の高屈折率ガラスは、光学装置の厚さを増加させ、また、光学装置の製造コストを増加させる。

【0038】

コリメート光のグレーティングカプラの結合効率は、光学システムの光学素子の材料特性及びグレーティングカプラの構造に関連する。本開示の光学システムは、異なる位置から放射された３つの分離されたコリメートＲＧＢ画像の入射角を調整し、次に、ＲＧＢ画像を、１つのグレーティングカプラ及び高屈折率を有する１つの光導波路基板と結合する。更に、本開示はまた、様々なグレーティング構造を提供し、それらのグレーティング構造は、３つのＲＧＢ光の高い結合効率を提供することができる。本開示は、光学装置の厚さを低減することができ、開示されたグレーティング構造は、より広い視野（ｆｉｅｌｄ ｏｆ ｖｉｅｗ（ＦＯＶ））及び高い結合効率を提供する。

【0039】

図１Ａ、図２Ａ、図２Ｂ、図３Ａ、図４Ａ、図５、図６、図７及び図８は、本開示の幾つかの実施形態による光学装置の断面図である。

【0040】

図１Ａを参照されたい。光学装置１００は、光導波路基板１１０と、光導波路基板１１０上のグレーティングカプラ１２０とを含む。光導波路基板１１０は、透明基板である。幾つかの実施形態では、光導波路基板１１０は、サファイア基板であってもよい。幾つかの実施形態では、光導波路基板１１０は、高屈折率（ｎ）を有し、光導波路基板１１０の屈折率は、１．７～２．２の範囲であり、例えば、１．８、１．９、２．０又は２．１である。幾つかの実施形態では、グレーティングカプラ１２０の屈折率は、光導波路基板１１０の屈折率よりわずかに低いか、同じであるか、又はわずかに高い。幾つかの実施形態では、光導波路基板１１０の厚さは、０．１ｍｍ～１５ｍｍの範囲であり、例えば、０．５、０．８、１、３、５、７、９、１１又は１３ｍｍである。光導波路基板１１０の厚さは、グレーティングカプラ１２０の厚さより大きい。

【0041】

図１Ｂを参照されたい。図１Ｂは、図１Ａにおけるグレーティングカプラ１２０の拡大図を示す。グレーティングカプラ１２０は、複数の凸部及び複数の凹部を有する。グレーティングカプラ１２０の凸部は、凸部の頂面１２２から凹部の底面１２４までの高さｈを有する。グレーティングカプラ１２０は、隣接する２つの凸部の間にグレーティング間隔（ｇｒａｔｉｎｇ ｐｅｒｉｏｄ）ｐを有する。グレーティングカプラ１２０は、頂面１２２と、側壁１２６と、底面１２４と、側壁１２８とを含む連続面を有し、連続面は、光学装置１００の光導波路基板１１０から反対の方向に面する。幾つかの実施形態では、グレーティングカプラ１２０は、階段状グレーティング（ｓｔｅｐ ｇｒａｔｉｎｇ）構造、ブレーズグレーティング（ｂｌａｚｅｄ ｇｒａｔｉｎｇ）構造又は傾斜グレーティング（ｓｌａｎｔｅｄ ｇｒａｔｉｎｇ）構造を含む。図１Ｂに示すグレーティングカプラ１２０は単に概略図であり、グレーティングカプラ１２０の詳細な構造は、以下の図１５Ａ～図１５Ｆに記載されることを理解されたい。また、グレーティングカプラ１２０は、図１５Ａ～図１５Ｆの左右対称のミラー構造であってもよい。

【0042】

図２Ａ、図２Ｂ、図３Ａ及び図４Ａを参照されたい。光学装置１００ａ１、１００ａ２、１００ｂ及び１００ｃのそれぞれは、図１Ａの光学装置１００と比較して、グレーティング層２１０を更に含む。

【0043】

図２Ａを参照されたい。光学装置１００ａ１において、グレーティング層２１０は、光導波路基板１１０の表面１１２に沿って延び、グレーティングカプラ１２０は、グレーティング層２１０上に配置される。グレーティング層２１０は、グレーティングカプラ１２０と光導波路基板１１０との間の部分を有する。換言すれば、グレーティング層２１０は、光導波路基板１１０より高く、グレーティングカプラ１２０より低い。幾つかの実施形態では、グレーティング層２１０は、高屈折率（ｎ）を有する。グレーティング層２１０の屈折率は、可視光波長（４００～７００ｎｍ）の間、１．７～３．０の範囲である。幾つかの実施形態では、グレーティング層２１０の屈折率は、光導波路基板１１０の屈折率と同じである。幾つかの実施形態では、グレーティング層２１０の材料は、Ａｌ_２Ｏ_３、Ｎｂ_２Ｏ_５、Ｔａ_２Ｏ_５、ＴｉＯ_２、ＳｉＮ_４又は他の適切な材料を含む。図２Ａにおけるグレーティングカプラ１２０の拡大図は、図１Ｂを参照することができる。

【0044】

図２Ｂを参照されたい。光学装置１００ａ２において、グレーティング層２１０は、光導波路基板１１０の表面１１２に沿って延び、グレーティングカプラ１２０は、グレーティング層２１０内に配置される。具体的には、図２Ｂのグレーティングカプラ１２０は、グレーティング層２１０をエッチングすることによって形成することができる。図２Ｂにおけるグレーティングカプラ１２０の拡大図は、図１Ｂを参照することができる。

【0045】

図３Ａを参照されたい。光学装置１００ｂにおいて、グレーティング層２１０は、光導波路基板１１０の表面１１２に沿って延び、グレーティングカプラ１２０は、グレーティング層２１０内に配置される。図３Ｂを参照されたい。図３Ｂは、図３Ａにおけるグレーティングカプラ１２０の拡大図を示す。グレーティングカプラ１２０の連続面（頂面１２２、側壁１２６、底面１２４及び側壁１２８）は、光学装置１００ｂの光導波路基板１１０に面する。

【0046】

図４Ａを参照されたい。光学装置１００ｃは、図３Ａの光学装置１００ｂと比較して、金属層４１０を更に含む。光学装置１００ｃにおいて、グレーティング層２１０は、光導波路基板１１０の表面１１２に沿って延びる。グレーティングカプラ１２０及び金属層４１０は、グレーティング層２１０内に配置され、金属層４１０は、グレーティングカプラ１２０と光導波路基板１１０との間に配置される。幾つかの実施形態では、金属層４１０は、Ａｕ、Ａｌ、Ｔｉ、Ｎｉ、Ｎｂ及びＷで作ることができる。図４Ｂを参照されたい。図４Ｂは、図４Ａにおけるグレーティングカプラ１２０の拡大図を示す。グレーティングカプラ１２０の連続面（頂面１２２、側壁１２６、底面１２４及び側壁１２８）は、光導波路基板１１０に面し、金属層４１０は、グレーティングカプラ１２０の連続面上に配置される。図１Ａ、図２Ａ、図２Ｂ、図３Ａ及び図４Ａの間の主な相違点は、グレーティングカプラ１２０の様々な位置に関連することに留意されたい。

【0047】

図５を参照されたい。光学装置２００は、図１Ａの光学装置１００と比較して、クラッド層５１０を更に含む。光学装置２００は、比較される光導波路基板１１０、グレーティングカプラ１２０及びクラッド層５１０を含む。クラッド層５１０は、グレーティングカプラ１２０及び光導波路基板１１０を覆う。具体的には、クラッド層５１０は、光導波路基板１１０の表面１１２に沿って延び、グレーティングカプラ１２０は、クラッド層５１０内に配置される。幾つかの実施形態では、光導波路基板１１０の屈折率は、クラッド層５１０の屈折率より大きい。幾つかの実施形態では、クラッド層５１０の屈折率は、１．６未満、例えば、１．５、１．４、１．３、１．２又は１．１である。幾つかの実施形態では、グレーティングカプラ１２０の屈折率は、クラッド層５１０の屈折率より大きい。幾つかの実施形態では、グレーティングカプラ１２０の屈折率は、１．７～２．９の範囲であり、例えば、２．０、２．２又は２．３５である。幾つかの実施形態では、クラッド層５１０は、ＳｉＯ_２、スピンオンガラス（ＳＯＧ）、ポリマー又は他の適切な材料で作ることができる。幾つかの実施形態では、クラッド層５１０の厚さは、１００ｎｍ～１ｍｍの範囲であり、例えば、３００ｎｍ、５００ｎｍ又は２ｕｍである。図５におけるグレーティングカプラ１２０の拡大図は、図１Ｂを参照することができる。図１Ａにおける光学装置１００と図５における光学装置２００との相違点は、クラッド層５１０であることに留意されたい。

【0048】

図６、図７及び図８を参照されたい。光学装置２００ａ、２００ｂ及び２００ｃは、図５の光学装置２００と比較して、グレーティング層２１０を更に含む。

【0049】

図６を参照されたい。光学装置２００ａにおいて、グレーティング層２１０は、光導波路基板１１０の表面１１２に沿って延び、クラッド層５１０は、グレーティング層２１０の表面２１２に沿って延びる。グレーティング層２１０は、光導波路基板１１０とクラッド層５１０との間に配置され、グレーティングカプラ１２０は、グレーティング層２１０の表面２１２上にある。具体的には、グレーティングカプラ１２０は、クラッド層５１０内に配置される。図６におけるグレーティングカプラ１２０の拡大図は、図１Ｂを参照することができる。

【0050】

図７を参照されたい。光学装置２００ｂにおいて、グレーティング層２１０は、光導波路基板１１０の表面１１２に沿って延び、クラッド層５１０は、グレーティング層２１０の表面２１２に沿って延びる。グレーティングカプラ１２０は、光導波路基板１１０上に配置される。具体的には、グレーティングカプラ１２０は、グレーティング層２１０内に配置される。図７におけるグレーティングカプラ１２０の拡大図は、図３Ｂを参照することができる。

【0051】

図８を参照されたい。光学装置２００ｃは、図７の光学装置２００ｂと比較して、金属層４１０を更に含む。金属層４１０は、グレーティングカプラ１２０と光導波路基板１１０との間に配置される。図８におけるグレーティングカプラ１２０の拡大図は、図４Ｂを参照することができる。図５、図６、図７及び図８の間の主な相違点は、グレーティングカプラ１２０の様々な位置に関連することに留意されたい。

【0052】

以下の開示において、同じ又は類似の特徴を示すために本明細書で符号を繰り返し、上記説明は、以下に説明される実施形態にも同様に適用され、その詳細を繰り返して説明しない。

【0053】

図９を参照されたい。図９は、本開示の幾つかの実施形態による光学システム９００の概略図である。光学システム９００は、光学装置２００、光学素子９１０、光モジュールＬＭ及びグレーティングカプラ１２１を含む。光学装置２００は、前述の光学装置２００ａ、２００ｂ、２００ｃのいずれか１つと交換することができる。幾つかの実施形態では、光学素子９１０は、図９に示すように、プリズム９１０ａである。クラッド層５１０は、グレーティングカプラ１２０、グレーティングカプラ１２１及び光導波路基板１１０を覆う。光学素子９１０は、光モジュールＬＭの下方にあり、３つのビーム（例えば、図９の左側の青色光ＢＬ、緑色光ＧＬ及び赤色光ＲＬ）の入射角を変更し、３つのビームをグレーティングカプラ１２０の同一の領域に集束させるように構成される。グレーティングカプラ１２０は、光学素子９１０の下方にあり、３つのビームを光導波路基板１１０に結合するように構成される。光導波路基板１１０は、グレーティングカプラ１２０に接続され、３つのビームを透過するように構成される。グレーティングカプラ１２１は、光導波路基板１１０に接続され、３つのビームが同一の光路を通過した後に３つのビームが光導波路基板１１０から離れることを可能にするように構成される。光モジュールＬＭは、異なる位置から３つのビームを放射し、プロジェクタ９２０を含む。３つのビームは、３つの分離されたＲＧＢ画像を含み、３つのＲＧＢ画像のそれぞれがコリメート光である。

【0054】

図９を続いて参照されたい。光学素子９１０は、グレーティングカプラ１２０の上方に配置され、グレーティングカプラ１２０に入射する３つのＲＧＢ光の入射角を変更するように構成される。具体的には、プリズム９１０ａは、クラッド層５１０の表面２１２上に配置される。プリズム９１０ａは、プロジェクタ９２０からの３つのＲＧＢ光の光路を変更するように構成された３つの頂面９１２、９１４及び９１６を有する。３つのＲＧＢ光は、赤色光ＲＬ、緑色光ＧＬ及び青色光ＢＬである。３つのＲＧＢ光のそれぞれは、０．１ｍｍ～１０ｍｍ、例えば、０．５ｍｍ、１ｍｍ、２ｍｍ、３ｍｍ、５ｍｍ等の画像寸法を有するコリメート光を有し、光学素子９１０に入射する前に、光学素子９１０上に入射位置（頂面９１２、９１４、９１６等）を有し、３つのＲＧＢ光の入射位置は、互いに異なる。光学素子９１０は、３つのＲＧＢ光が光学素子９１０及びクラッド層５１０を通過する場合、３つのＲＧＢ光をグレーティングカプラ１２０の同一の領域に集束することを可能にするように構成される。３つのＲＧＢ光は、グレーティングカプラ１２０に入射した後、光導波路基板１１０内を透過し、３つのＲＧＢ光は、同一の光路を有する。３つのＲＧＢ光は、グレーティングカプラ１２１の同一の領域から透過する。

【0055】

幾つかの実施形態では、赤色光ＲＬの波長は６２０～６８０ｎｍ（例えば、６３３ｎｍ）であり、緑色光ＧＬの波長は５２０～５７０ｎｍ（例えば、５３２ｎｍ）であり、青色光ＢＬの波長は４４０～４９１ｎｍ（例えば、４８８ｎｍ）である。プロジェクタ９２０は、光学素子９１０の上方に配置され、プロジェクタ９２０は、３つのＲＧＢ光を提供するように構成される。幾つかの実施形態では、プロジェクタ９２０は、重畳（ｏｖｅｒｌａｐ）したＲＧＢカラー画像のコリメート光を提供するように構成される。他の実施形態では、プロジェクタ９２０は、３つのＲＧＢ光を提供するように構成され、ＲＧＢ光は、３つの分離されたフレームで分離することができる。グレーティングカプラ１２１は、光導波路基板１１０上に配置される。グレーティングカプラ１２１は、グレーティングカプラ１２０と同一又は類似することができる。幾つかの実施形態では、光学システム９００は、拡張現実（ＡＲ）に適用されてもよい。グレーティングカプラ１２０の詳細な構造を以下の図１５Ａ～図１５Ｆに説明する。３つのＲＧＢ光の透過及び画像を以下に説明する。

【0056】

図１０Ａ、図１０Ｂ及び図１０Ｃは、３つの分離されたコリメートＲＧＢ光の原画像の概略図であり、図１０Ｄは、重畳したカラー画像の光学画像の概略図である。図９及び図１０Ａ～１０Ｃにおける領域９３０を参照されたい。領域９３０は、プロジェクタ９２０から放射された３つのＲＧＢ光の透過を示す。青色光ＢＬは、図１０Ａに示す画像を透過し、緑色光ＧＬは、図１０Ｂに示される画像を透過し、赤色光ＲＬは、図１０Ｃに示される画像を透過する。具体的には、図１０Ａにおける画像は青色、図１０Ｂにおける画像は緑色、図１０Ｃにおける画像は赤色である。次に、青色光ＢＬ、緑色光ＧＬ及び赤色光ＲＬは、プリズム９１０ａに入射する時にそれらの進行方向を変更する。更に、青色光ＢＬ、緑色光ＧＬ及び赤色光ＲＬは、グレーティングカプラ１２０の連続面で収束する。青色光ＢＬ、緑色光ＧＬ及び赤色光ＲＬの入射角は、グレーティングカプラ１２０の連続面で変更され、次に、グレーティングカプラ１２０を介して光導波路基板１１０に結合することに留意されたい。したがって、光導波路基板１１０内の青色光ＢＬ、緑色光ＧＬ及び赤色光ＲＬの光路は同一になる。青色光ＢＬ、緑色光ＧＬ及び赤色光ＲＬが光導波路基板１１０に入射した後、３つのＲＧＢ光が光導波路基板１１０で反射しそれを透過する。最後に、３つのＲＧＢ光がグレーティングカプラ１２１を介して分離し、次に、観察者は図１０Ｄに示す画像を観察でき、図１０Ｄにおける画像は、青、緑及び赤の色を有する。換言すれば、図１０Ｄは、図１０Ａ、図１０Ｂ及び図１０Ｃの組み合わせである。

【0057】

図９を再度参照されたい。グレーティングカプラ１２０は、１ｍｍ～１５ｍｍの範囲であり、例えば、２、３、４、５、６、７、８、９、１０、１１、１２、１３又は１４ｍｍの有効結合領域Ｒ_ｅｆｆを有する。有効結合領域Ｒ_ｅｆｆは、ＲＧＢ光が重畳して光導波路基板１１０に結合される領域である。３つのＲＧＢ光に関しては、プリズム９１０ａ内のＲＧＢ光の進行方向が異なる。３つのＲＧＢ光は、グレーティングカプラ１２０の連続面で異なる入射角を有する。幾つかの実施形態では、青色光ＢＬの入射角θ１は、３．１度、４．４度、５．９度又は６．３度である。幾つかの実施形態では、緑色光ＧＬの入射角は、０度である（即ち、入射方向は、グレーティングカプラ１２０の表面の法線方向である）。幾つかの実施形態では、緑色光ＧＬは、入射角θ２を有し、入射角θ２は、－２．８度である。幾つかの実施形態では、赤色光ＲＬの入射角θ２は、－９．９度、－１３．７度、－１４．６度又は－１６．５度である。光学システム９００の要件に応じて、３つのＲＧＢ光の入射角を調整することができ、３つのＲＧＢ光のそれぞれの入射角を色の波長と呼ぶことができることが理解される。幾つかの実施形態では、プリズム９１０ａの材料は、クラッド層５１０の材料と同一である。

【0058】

図１１を参照されたい。図１１は、本開示の幾つかの実施形態による光学システム１１００の概略図である。光学システム１１００は、光学装置１００、光学素子９１０、プロジェクタ９２０及びグレーティングカプラ１２１を含む。図９における光学システム９００と図１１における光学システム１１００との相違点は、光学システム９００のクラッド層５１０が、光学システム１１００のエアギャップ１１１０に置き換えられることである。エアギャップ１１１０の屈折率は１である。更に、光学システム９００内の光学装置２００は、光学システム１１００内の光学装置１００によって置き換えられる。光学システム１１００において、光学装置１００は、前述の光学装置１００ａ１、１００ａ２、１００ｂ、１００ｃのいずれかに置き換えることができる。幾つかの実施形態では、エアギャップ１１１０の厚さＴは、０．１ｍｍ～１００ｍｍの範囲であり、例えば、０．５、０．８、１、２、３、５、８、１５、３０、５０又は８０ｍｍである。

【0059】

図１２を参照されたい。図１２は、本開示の幾つかの実施形態による光学システム９００ａの概略図である。光学システム９００ａは、図９における光学システム９００と比較して、スプリッタ９４０を更に含む。スプリッタ９４０は、光学素子９１０とプロジェクタ９２０との間に配置される。幾つかの実施形態では、プロジェクタ９２０は、コリメート光を提供するように構成され、スプリッタ９４０は、重畳したコリメートカラー光又は画像（ｃｏｌｌｉｍａｔｉｎｇ ｃｏｌｏｒｅｄ ｌｉｇｈｔ ｏｒ ｉｍａｇｅ）を３つの分離されたＲＧＢ光又は画像に変換するように構成される。幾つかの実施形態では、スプリッタ９４０は、ドーブプリズムである。幾つかの実施形態では、スプリッタ９４０及びプリズム９１０ａを統合して、別の光学部品を形成することができる。

【0060】

図１３を参照されたい。図１３は、本開示の幾つかの実施形態による光学システム１３００の概略図である。光学システム１３００は、光学装置２００、光学素子９１０、金属シールド１３１０及び光学素子１３２０を含む。幾つかの実施形態では、光学素子９１０は、図１３に示すように、マイクロレンズ９１０ｂである。幾つかの実施形態では、光学素子９１０の直径Ｄは、１ｍｍ～１００ｍｍの範囲であり、例えば、１０、２０、３０、５０、７０又は９０ｍｍである。金属シールド１３１０は、マイクロレンズ９１０ｂ上に配置される。金属シールド１３１０は、それぞれ３つのＲＧＢ光がマイクロレンズ９１０ｂに入射することを可能にし、プロジェクタ９２０及び／又はスプリッタ９４０からの３つのＲＧＢ光の進行方向を変更するように構成された３つの開口１３１２を有する。幾つかの実施形態では、マイクロレンズ９１０ｂの屈折率は、クラッド層５１０の屈折率と同一又は類似する。幾つかの実施形態では、マイクロレンズ９１０ｂの屈折率は、１．６未満であり、例えば、１．５、１．４、１．３、１．２又は１．１である。幾つかの実施形態では、マイクロレンズ９１０ｂの材料は、クラッド層５１０の材料と同一であり、例えば、ＳｉＯ_２又はポリマーである。幾つかの実施形態では、金属シールド１３１０は、Ｔｉ、Ｎｂ、Ａｌ又はＷで作ることができる。３つのＲＧＢ画像の入射角の調整及び収束に加えて、マイクロレンズ９１０ｂはまた、画像のサイズを縮小する。したがって、光学素子１３２０は、凹面１３２２を有し、グレーティングカプラ１２１から分離されたＲＧＢ光の画像を拡大するように構成される。幾つかの実施形態では、スプリッタ９４０、マイクロレンズ９１０ｂ及び金属シールド１３１０を統合して、別の光学部品を形成することができる。

【0061】

図９における光学システム９００と図１３における光学システム１３００との相違点は、光学素子９１０と、ＲＧＢ光により重畳したカラー画像を放射する光源である。具体的には、光学システム９００内のプリズム９１０ａは、光学システム１３００内のマイクロレンズ９１０ｂ及び金属シールド１３１０によって置き換えられる。ＲＧＢ光により重畳したカラー画像を放射する光源に関しては、プロジェクタ９２０、又はプロジェクタ９２０のアセンブリ及びスプリッタ９４０のアセンブリに限定されない。

【0062】

図１４を参照されたい。図１４は、本開示の幾つかの実施形態による光学システム１３００ａの概略図である。金属シールド１３１０は、マイクロレンズ９１０ｂとクラッド層５１０との間に配置される。金属シールド１３１０は、それぞれ３つの分離されたＲＧＢ光がグレーティングカプラ１２０に入射することを可能にし、プロジェクタ９２０及び／又はスプリッタ９４０からの３つの分離されたＲＧＢ光の進行方向を変更するように構成された３つの開口１３１２を有する。光学システム１３００ａの他の素子及び構成は、図１３の光学システム１３００のものと同一である。

【0063】

図１５Ａ～図１５Ｆを参照されたい。図１５Ａ～図１５Ｆは、本開示の幾つかの実施形態によるグレーティングカプラ１２０（図１Ｂを参照）の様々なグレーティング構造の断面図である。グレーティングカプラ１２０は、階段状グレーティング構造１２０ａ、ブレーズグレーティング構造１２０ｂ及び傾斜グレーティング構造１２０ｃ～１２０ｆのうちの少なくとも１つを含む。図１Ｂにおけるグレーティングカプラ１２０の拡大図を再度参照されたい。グレーティングカプラ１２０は、グレーティング間隔ｐ及び高さｈを有する。図１５Ａ～図１５Ｆにおけるグレーティング構造１２０ａ～１２０ｆは、図１Ｂのグレーティングカプラ１２０において選択的に使用することができる。また、グレーティングカプラ１２０は、第１の回折光効率及び要求された光伝搬方向に応じて、図１５Ａ～図１５Ｆの左右対称のミラー構造であってもよい。

【0064】

図１５Ａは、グレーティングカプラ１２０の階段状グレーティング構造１２０ａを示す。幾つかの実施形態では、階段状グレーティング構造１２０ａは、ｎ個の階段を有し、ｎは、３～３２の範囲である。例えば、ｎは４、６、８、１０、１２、１４、１６、１８、２０、２２、２４、２６、２８、３０である。具体的には、図１５Ａは、３階段状グレーティング構造を示す。階段状グレーティング構造１２０ａは、第１の垂直側壁１５１、第２の垂直側壁１５２及び水平表面１５３を含む。水平表面１５３は、第１の垂直側壁１５１及び第２の垂直側壁１５２に隣接する。幾つかの実施形態では、階段状グレーティング構造１２０ａの頂部幅Ｗｔは８０ｎｍであり、階段状グレーティング構造１２０ａの底部幅Ｗｂは３００ｎｍであり、階段状グレーティング構造１２０ａの高さｈは４００ｎｍであり、階段状グレーティング構造１２０ａの第１の垂直側壁１５１は２００ｎｍの高さを有し、階段状グレーティング構造１２０ａの第２の垂直側壁１５２は２００ｎｍの高さを有し、階段状グレーティング構造１２０ａの水平表面１５３は２２０ｎｍの幅を有する。

【0065】

図１５Ｂは、グレーティングカプラ１２０のブレーズグレーティング構造１２０ｂを示す。ブレーズグレーティング構造１２０ｂは、斜めの側壁１５４を含む。斜めの側壁１５４は、ブレーズグレーティング構造１２０ｂの頂部からブレーズグレーティング構造１２０ｂの底部へ延び、ブレーズグレーティング構造１２０ｂの幅は、ブレーズグレーティング構造の頂部からブレーズグレーティング構造１２０ｂの底部に向かって徐々に増加する。幾つかの実施形態では、ブレーズグレーティング構造１２０ｂの底部幅Ｗｂは４００ｎｍであり、ブレーズグレーティング構造１２０ｂの高さｈは４００ｎｍである。

【0066】

図１５Ｃ～図１５Ｆは、グレーティングカプラ１２０の傾斜グレーティング構造１２０ｃ～１２０ｆを示す。傾斜グレーティング構造１２０ｃ～１２０ｆのそれぞれは、第１の斜めの側壁１５５、第２の斜めの側壁１５６及び頂面１５７を含む。頂面１５７は、第１の斜めの側壁１５５及び第２の斜めの側壁１５６に隣接する。傾斜グレーティング構造１２０ｃ～１２０ｆの第１の斜めの側壁１５５のそれぞれは、第１の傾きを有し、傾斜グレーティング構造１２０ｃ～１２０ｆの第２の斜めの側壁１５６のそれぞれは、第２の傾きを有する。幾つかの実施形態では、第１の傾きは第２の傾きと同一である。幾つかの実施形態では、第１の傾きは第２の傾きより小さい。

【0067】

幾つかの実施形態では、図１５Ｃに示すように、底部幅Ｗｂは１８０ｎｍであり、頂部幅Ｗｔは１８０ｎｍであり、高さｈは４００ｎｍである。幾つかの実施形態では、図１５Ｄに示すように、底部幅Ｗｂは２２８ｎｍであり、頂部幅Ｗｔは１３６ｎｍであり、高さｈは４００ｎｍである。幾つかの実施形態では、図１５Ｅに示すように、底部幅Ｗｂは２６０ｎｍであり、頂部幅Ｗｔは１００ｎｍであり、高さｈは４００ｎｍである。幾つかの実施形態では、図１５Ｆに示すように、底部幅Ｗｂは２８０ｎｍであり、頂部幅Ｗｔは８０ｎｍであり、高さｈは４００ｎｍである。グレーティングカプラ１２０の様々な寸法は、光学システム（例えば、光学システム９００、９００ａ、１１００、１３００又は１３００ａ）の設計に応じて変更されることを理解されたい。グレーティングカプラ１２０の様々な寸法もまた、ＲＧＢ光の波長及びＲＧＢ光の入射角に応じて変更される。幾つかの実施形態では、グレーティングカプラ１２０のグレーティング間隔ｐは、３００ｎｍ～５００ｎｍの範囲である。幾つかの実施形態では、グレーティングカプラ１２０の高さｈは、１００ｎｍ～６００ｎｍの範囲である。

【0068】

図１６Ａ、図１６Ｂ、図１７Ａ、図１７Ｂ、図１８Ａ、図１８Ｂ、図１９Ａ及び図１９Ｂは、本開示の幾つかの実施形態による、異なるグレーティング構造での５３２ｎｍの波長を有する緑色光ＧＬの入射角強度チャートである。具体的には、階段状グレーティング構造１２０ａ、ブレーズグレーティング構造１２０ｂ及び傾斜グレーティング構造１２０ｃ～１２０ｆは、シミュレーションで使用される。より具体的には、グレーティング間隔ｐは４００ｎｍであり、高さｈは４００ｎｍである（図１Ｂを参照されたい）。シミュレーション結果は、異なるグレーティングカプラ１２０の強度と、クラッド層５１０の異なる屈折率及びグレーティングカプラ１２０の異なる屈折率での緑色光ＧＬの入射角との間の関係を示す。本明細書の「強度」は、グレーティングカプラ１２０の結合効率を表し、本明細書の「入射角」は、グレーティングカプラ１２０の表面の法線方向に対する角度を表すことを理解されたい。更に、本明細書の「半値全幅（ｆｕｌｌ ｗｉｄｔｈ ａｔ ｈａｌｆ ｍａｘｉｍｕｍ（ＦＷＨＭ）」は、視野（ＦＯＶ）として理解することができる。幾つかの実施形態では、厳密結合波解析（Ｒｉｇｏｒｏｕｓ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｗａｖｅ Ａｎａｌｙｓｉｓ（ＲＣＷＡ））方法が使用される。

【0069】

図１６Ａ及び図１６Ｂを参照されたい。図１６Ａ及び図１６Ｂのシミュレーション結果では、グレーティングカプラ１２０の屈折率は１．９であり、クラッド層５１０の屈折率は１である。換言すれば、クラッド層５１０は、エアギャップ１１１０である（図１１を参照）。図１６Ａにおいて、階段状グレーティング構造１２０ａ、ブレーズグレーティング構造１２０ｂ及び傾斜グレーティング構造１２０ｃは、入射角が約２０度未満である場合に高い強度を有する。図１６Ｂにおいて、傾斜グレーティング構造１２０ｃ、傾斜グレーティング構造１２０ｄ、傾斜グレーティング構造１２０ｅ及び傾斜グレーティング構造１２０ｆは、入射角が約４０度未満である場合に高い強度を有する。

【0070】

図１７Ａ及び図１７Ｂを参照されたい。図１７Ａ及び図１７Ｂのシミュレーション結果では、グレーティングカプラ１２０の屈折率は２．３５であり、クラッド層５１０の屈折率は１である。換言すれば、クラッド層５１０は、エアギャップ１１１０である（図１１を参照）。図１７Ａにおいて、階段状グレーティング構造１２０ａ及びブレーズグレーティング構造１２０ｂは、傾斜グレーティング構造１２０ｃより高い強度を有する。しかしながら、傾斜グレーティング構造１２０ｃは、入射角が約２０度未満である場合に依然として高い強度を有する。図１７Ｂにおいて、傾斜グレーティング構造１２０ｃ、傾斜グレーティング構造１２０ｄ、傾斜グレーティング構造１２０ｅ及び傾斜グレーティング構造１２０ｆは、入射角が約４０度未満である場合に高い強度を有する。傾斜グレーティング構造１２０ｆは、傾斜グレーティング構造１２０ｃより大きいＦＯＶを有する。

【0071】

図１８Ａ及び図１８Ｂを参照されたい。図１８Ａ及び図１８Ｂのシミュレーション結果では、グレーティングカプラ１２０の屈折率は１．９であり、クラッド層５１０の屈折率は１．４７である。図１８Ａにおいて、傾斜グレーティング構造１２０ｃは、階段状グレーティング構造１２０ａ及びブレーズグレーティング構造１２０ｂより高い強度を有する。図１８Ｂにおいて、傾斜グレーティング構造１２０ｃ、傾斜グレーティング構造１２０ｄ、傾斜グレーティング構造１２０ｅ及び傾斜グレーティング構造１２０ｆは、入射角が増加するにつれて同一の強度を有する。

【0072】

図１９Ａ及び図１９Ｂを参照されたい。図１９Ａ及び図１９Ｂのシミュレーション結果では、グレーティングカプラ１２０の屈折率は２．３５であり、クラッド層５１０の屈折率は１．４７である。図１９Ａにおいて、傾斜グレーティング構造１２０ｃは、入射角が約２０度未満である場合に階段状グレーティング構造１２０ａ及びブレーズグレーティング構造１２０ｂより高い強度を有する。図１９Ｂにおいて、傾斜グレーティング構造１２０ｃ、傾斜グレーティング構造１２０ｄ、傾斜グレーティング構造１２０ｅ及び傾斜グレーティング構造１２０ｆは、入射角が約２０度未満である場合に高い強度を有する。

【0073】

図１６Ａ～図１９Ｂが５３２ｎｍの波長を有する緑色光ＧＬのシミュレーション結果を示しているが、異なる波長（例えば、４８８ｎｍ及び６３３ｎｍ）を有する他の光もシミュレートすることができる。シミュレーション結果では、階段状グレーティング構造１２０ａ、ブレーズグレーティング構造１２０ｂ及び傾斜グレーティング構造１２０ｃ～１２０ｆは、良好な結合効率を示し、ある程度広い視野（ＦＯＶ）を有する。

【0074】

本開示の光学システムは、重畳したコリメートカラー画像から放射された３つの分離されたＲＧＢ画像の入射角を調整し、次に、３つのＲＧＢ光を、１つのグレーティングカプラと高屈折率を有する１つの光導波路基板と結合するために、３つのＲＧＢ画像をグレーティングカプラの同一の領域に収束する。更に、本開示は、様々なグレーティング構造を提供し、それらのグレーティング構造は、ＲＧＢ光等の可視波長に対して高い結合効率を提供することができる。本開示は、光導波路基板の枚数及びグレーティングカプラの製造コストを削減することができる。また、開示されたグレーティング構造は、より広い視野（ＦＯＶ）及び高い結合効率を提供して、１つのグレーティングカプラが３つの波長を同一の第１の屈折角で光導波路基板に結合できることを満たす。

【0075】

前述は、当業者が本開示の態様をよりよく理解できるように、幾つかの実施形態の特徴を概説する。当業者は、本明細書で紹介した実施形態の同じ目的及び／又は同じ利点を達成するために、他のプロセス及び構造を設計又は改変するための基礎として本開示を容易に使用し得ることを理解すべきである。当業者はまた、そのような等価な構造物が本開示の趣旨及び範囲から逸脱しないことと、本開示の趣旨及び範囲から逸脱せずに、種々の変更、置換及び修正を行うことができることとを理解すべきである。

【図1A】

【図1B】

【図2A】

【図2B】

【図3A】

【図3B】

【図4A】

【図4B】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10A】

【図10B】

【図10C】

【図10D】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15A】

【図15B】

【図15C】

【図15D】

【図15E】

【図15F】

【図16A】

【図16B】

【図17A】

【図17B】

【図18A】

【図18B】

【図19A】

【図19B】

【手続補正書】

【提出日】2023-04-17

【手続補正1】

【補正対象書類名】特許請求の範囲

【補正対象項目名】全文

【補正方法】変更

【補正の内容】

【特許請求の範囲】

【請求項1】

異なる位置から異なる波長を有する３つのビームを放射する光モジュールと、
前記光モジュールの下方にあり、前記３つのビームの入射角を変更し、前記３つのビームを第１のグレーティングカプラの同一の領域に集束させるように構成された光学素子であって、前記光学素子はプリズム又はマイクロレンズであり、
前記第１のグレーティングカプラは、前記光学素子の下方にあり、前記３つのビームを光導波路基板に結合するように構成され、
前記光導波路基板は、前記第１のグレーティングカプラに接続され、前記３つのビームを透過するように構成された光学素子と、
前記光導波路基板に接続され、前記３つのビームが同一の光路を通過した後に、前記３つのビームが前記光導波路基板から離れることを可能にするように構成された第２のグレーティングカプラと、を含む、光学システム。

【請求項2】

前記第１のグレーティングカプラ、前記第２のグレーティングカプラ及び前記光導波路基板を覆うクラッド層であって、
前記クラッド層の屈折率が１．６未満であるクラッド層と、
前記光学素子と前記クラッド層との間の金属シールドと、を更に含み、
前記クラッド層はエアギャップであり、前記エアギャップの厚さが０．１ｍｍ～１００ｍｍの範囲であり、
前記光導波路基板の屈折率は、前記クラッド層の屈折率より大きく、又は、
前記第１のグレーティングカプラの屈折率は、前記クラッド層の屈折率より大きい、請求項１に記載の光学システム。

【請求項3】

前記光学素子が前記マイクロレンズである場合、前記光学素子上に金属シールドを更に含み、
前記光導波路基板の屈折率は、１．７～２．２の範囲である、請求項１又は２に記載の光学システム。

【請求項4】

前記光導波路基板の表面に沿って延びるグレーティング層を更に含み、前記グレーティング層は、前記第１のグレーティングカプラと前記光導波路基板との間の部分を有する、請求項１に記載の光学システム。

【請求項5】

前記第１のグレーティングカプラと前記光導波路基板との間に配置された金属層を更に含み、前記第１のグレーティングカプラは、前記グレーティング層内に配置され、前記第１のグレーティングカプラの表面は、前記光導波路基板に面する、請求項４に記載の光学システム。

【請求項6】

前記第１のグレーティングカプラ、前記第２のグレーティングカプラ及び前記光導波路基板を覆うクラッド層を更に含み、
前記グレーティング層は、前記光導波路基板と前記クラッド層との間に配置される、請求項４又は５に記載の光学システム。

【請求項7】

前記第１のグレーティングカプラは、階段状グレーティング構造を含み、前記階段状グレーティング構造は、第１の垂直側壁と、第２の垂直側壁と、前記第１の垂直側壁及び前記第２の垂直側壁に隣接する水平表面とを含み、
前記階段状グレーティング構造は、ｎ個の階段を有し、ｎは３～３２の範囲である、請求項１に記載の光学システム。

【請求項8】

前記第１のグレーティングカプラは、ブレーズグレーティング構造を含み、前記ブレーズグレーティング構造は、前記ブレーズグレーティング構造の頂部から前記ブレーズグレーティング構造の底部へ延びる斜めの側壁を有し、前記ブレーズグレーティング構造の幅は、前記ブレーズグレーティング構造の前記頂部から前記ブレーズグレーティング構造の前記底部に向かって徐々に増加する、請求項１に記載の光学システム。

【請求項9】

前記第１のグレーティングカプラは、傾斜グレーティング構造を有し、前記傾斜グレーティング構造は、第１の斜めの側壁と、第２の斜めの側壁と、前記第１の斜めの側壁及び前記第２の斜めの側壁に隣接する頂面とを含む、請求項１に記載の光学システム。

【請求項10】

前記３つのビームは、３つの分離されたＲＧＢ画像であり、前記光モジュールは、前記光学素子の上方に配置されたプロジェクタを含み、前記プロジェクタは、前記３つの分離された前記ＲＧＢ画像を提供するように構成される、請求項１に記載の光学システム。

【請求項11】

前記光モジュールは、プロジェクタとスプリッタを更に有し、前記プロジェクタは前記光学素子の上方に配置され、前記スプリッタは前記光学素子と前記プロジェクタとの間に配置され、前記プロジェクタは、重畳したカラー画像を提供するように構成され、前記スプリッタは、前記重畳したカラー画像を前記３つの分離されたＲＧＢ画像に分離するように構成される、請求項１に記載の光学システム。

【手続補正書】

【提出日】2023-05-25

【手続補正1】

【補正対象書類名】特許請求の範囲

【補正対象項目名】全文

【補正方法】変更

【補正の内容】

【特許請求の範囲】

【請求項1】

異なる位置から異なる波長を有する３つのビームを放射する光モジュールと、
前記光モジュールの下方にあり、前記３つのビームの入射角を変更し、前記３つのビームを第１のグレーティングカプラの同一の領域に集束させるように構成された光学素子であって、前記光学素子はプリズム又はマイクロレンズであり、
前記第１のグレーティングカプラは、前記光学素子の下方にあり、前記３つのビームを光導波路基板に結合するように構成され、
前記光導波路基板は、前記第１のグレーティングカプラに接続され、前記３つのビームを透過するように構成された光学素子と、
前記光導波路基板に接続され、前記３つのビームが同一の光路を通過した後に、前記３つのビームが前記光導波路基板から離れることを可能にするように構成された第２のグレーティングカプラと、を含む、光学システム。

【請求項2】

前記第１のグレーティングカプラ、前記第２のグレーティングカプラ及び前記光導波路基板を覆うクラッド層であって、
前記クラッド層の屈折率が１．６未満であるクラッド層と、
前記光学素子と前記クラッド層との間の金属シールドと、を更に含み、
前記クラッド層はエアギャップであり、前記エアギャップの厚さが０．１ｍｍ～１００ｍｍの範囲であり、
前記光導波路基板の屈折率は、前記クラッド層の屈折率より大きく、又は、
前記第１のグレーティングカプラの屈折率は、前記クラッド層の屈折率より大きい、請求項１に記載の光学システム。

【請求項3】

前記光学素子が前記マイクロレンズである場合、前記光学素子上に金属シールドを更に含み、
前記光導波路基板の屈折率は、１．７～２．２の範囲である、請求項１又は２に記載の光学システム。

【請求項4】

前記光導波路基板の表面に沿って延びるグレーティング層を更に含み、前記グレーティング層は、前記第１のグレーティングカプラと前記光導波路基板との間の部分を有する、請求項１に記載の光学システム。

【請求項5】

前記第１のグレーティングカプラと前記光導波路基板との間に配置された金属層を更に含み、前記第１のグレーティングカプラは、前記グレーティング層内に配置され、前記第１のグレーティングカプラの表面は、前記光導波路基板に面する、請求項４に記載の光学システム。

【請求項6】

前記第１のグレーティングカプラ、前記第２のグレーティングカプラ及び前記光導波路基板を覆うクラッド層を更に含み、
前記グレーティング層は、前記光導波路基板と前記クラッド層との間に配置される、請求項４又は５に記載の光学システム。

【請求項7】

前記第１のグレーティングカプラは、階段状グレーティング構造を含み、前記階段状グレーティング構造は、第１の垂直側壁と、第２の垂直側壁と、前記第１の垂直側壁及び前記第２の垂直側壁に隣接する水平表面とを含み、
前記階段状グレーティング構造は、ｎ個の階段を有し、ｎは３～３２の範囲である、請求項１に記載の光学システム。

【請求項8】

前記第１のグレーティングカプラは、ブレーズグレーティング構造を含み、前記ブレーズグレーティング構造は、前記ブレーズグレーティング構造の頂部から前記ブレーズグレーティング構造の底部へ延びる斜めの側壁を有し、前記ブレーズグレーティング構造の幅は、前記ブレーズグレーティング構造の前記頂部から前記ブレーズグレーティング構造の前記底部に向かって徐々に増加する、請求項１に記載の光学システム。

【請求項9】

前記第１のグレーティングカプラは、傾斜グレーティング構造を有し、前記傾斜グレーティング構造は、第１の斜めの側壁と、第２の斜めの側壁と、前記第１の斜めの側壁及び前記第２の斜めの側壁に隣接する頂面とを含む、請求項１に記載の光学システム。

【請求項10】

前記３つのビームは、３つの分離されたＲＧＢ画像であり、前記光モジュールは、前記光学素子の上方に配置されたプロジェクタを含み、前記プロジェクタは、前記３つの分離された前記ＲＧＢ画像を提供するように構成される、請求項１に記載の光学システム。

【請求項11】

前記光モジュールは、プロジェクタとスプリッタを更に有し、前記プロジェクタは前記光学素子の上方に配置され、前記スプリッタは前記光学素子と前記プロジェクタとの間に配置され、前記プロジェクタは、重畳したカラー画像を提供するように構成され、前記スプリッタは、前記重畳したカラー画像を３つの分離されたＲＧＢ画像に分離するように構成される、請求項１に記載の光学システム。