特許 7543274 導波管内の全内部反射を助長するための空気ポケット構造

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2024-08-23

(45)【発行日】2024-09-02

(54)【発明の名称】導波管内の全内部反射を助長するための空気ポケット構造

(51)【国際特許分類】

   G02B 6/122 20060101AFI20240826BHJP

   G02B 6/132 20060101ALI20240826BHJP

   G02B 27/02 20060101ALI20240826BHJP

   G02B 6/00 20060101ALN20240826BHJP

【ＦＩ】

G02B6/122 311

G02B6/132

G02B27/02 Z

G02B6/00 301

【請求項の数】 20

(21)【出願番号】P 2021535716

(86)(22)【出願日】2019-12-20

(65)【公表番号】

(43)【公表日】2022-02-10

(86)【国際出願番号】 US2019067919

(87)【国際公開番号】W WO2020132484

(87)【国際公開日】2020-06-25

【審査請求日】2022-11-17

(31)【優先権主張番号】62/783,778

(32)【優先日】2018-12-21

(33)【優先権主張国・地域又は機関】US

(73)【特許権者】

【識別番号】514108838

【氏名又は名称】マジック リープ， インコーポレイテッド

【氏名又は名称原語表記】Ｍａｇｉｃ Ｌｅａｐ，Ｉｎｃ．

【住所又は居所原語表記】７５００ Ｗ ＳＵＮＲＩＳＥ ＢＬＶＤ，ＰＬＡＮＴＡＴＩＯＮ，ＦＬ ３３３２２ ＵＳＡ

(74)【代理人】

【識別番号】100078282

【弁理士】

【氏名又は名称】山本 秀策

(74)【代理人】

【識別番号】100113413

【弁理士】

【氏名又は名称】森下 夏樹

(74)【代理人】

【識別番号】100181674

【弁理士】

【氏名又は名称】飯田 貴敏

(74)【代理人】

【識別番号】100181641

【弁理士】

【氏名又は名称】石川 大輔

(74)【代理人】

【識別番号】230113332

【弁護士】

【氏名又は名称】山本 健策

(72)【発明者】

【氏名】デン， シャオペイ

(72)【発明者】

【氏名】シン， ビクラムジト

(72)【発明者】

【氏名】ヤン， シューチャン

(72)【発明者】

【氏名】ルオ， カン

(72)【発明者】

【氏名】ピ， ナイ－ウェン

(72)【発明者】

【氏名】シュー， フランク ワイ．

【審査官】野口 晃一

(56)【参考文献】

【文献】特開２００１－０２１８５３（ＪＰ，Ａ）

【文献】米国特許出願公開第２００８／００６３８０２（ＵＳ，Ａ１）

【文献】米国特許出願公開第２０１８／００７４４５７（ＵＳ，Ａ１）

【文献】米国特許出願公開第２００８／０２０５８３８（ＵＳ，Ａ１）

【文献】特表２００９－５４１８０８（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００７－３１１７７７（ＪＰ，Ａ）

【文献】国際公開第２０１８／０４３６２５（ＷＯ，Ａ１）

【文献】特表２０１８－５１３４１４（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１６－０８５４２６（ＪＰ，Ａ）

【文献】米国特許出願公開第２０１２／００４４５７２（ＵＳ，Ａ１）

【文献】特開２００８－２６８８７３（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１２－００８３５６（ＪＰ，Ａ）

【文献】米国特許出願公開第２０１２／０２１８３０１（ＵＳ，Ａ１）

【文献】国際公開第２０１８／１６６９２１（ＷＯ，Ａ１）

【文献】国際公開第２０１７／２０３２０１（ＷＯ，Ａ１）

【文献】米国特許出願公開第２００６／０１３２９１４（ＵＳ，Ａ１）

【文献】特表２０１７－５３５８２５（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１６－１２６１３４（ＪＰ，Ａ）

【文献】米国特許出願公開第２００２／０１２２６４８（ＵＳ，Ａ１）

【文献】米国特許出願公開第２０１８／０２１７３９５（ＵＳ，Ａ１）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｇ０２Ｂ ６／１２－６／１４

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

光学システムを製造する方法であって、
前面側および後面側を有する高屈折率透明材料の導波管と固体ポロゲン材料と選択透明材料のキャップ層とを含むスタックを形成することによって、前記キャップ層を前記導波管に固着させることであって、複数の空洞が、前記キャップ層と前記導波管との間に画定され、前記空洞が、隆起形成物と交互になっており、前記固体ポロゲン材料が、各空洞の中にあり、前記空洞および前記隆起形成物が、前記導波管に平行な平面に沿って位置している、ことと、
前記固体ポロゲン材料を、前記固体ポロゲン材料が各空洞の中で犠牲ガスに変わる分解温度まで加熱することと、
同時に、前記空洞から前記犠牲ガスを除去することであって、前記キャップ層の選択材料は、多孔性であり、前記犠牲ガスは、前記キャップ層の選択材料を通してガス放出する、ことと、
同時に、各空洞の中で前記固体ポロゲン材料を気体に置換することと
を含み、
前記同時に、各空洞の中で前記固体ポロゲン材料を前記気体に置換することで、周囲光源が、前記導波管の前面側において位置する場合、周囲光のビームが、前記キャップ層の選択透明材料の中、前記気体を保持する前記空洞の中、および前記導波管の高屈折率透明材料の中を透過し、投影光のビームが、前記導波管に導入される場合、前記投影光のビームが、前記空洞によって画定される前記導波管の壁で反射することによって前記導波管の内部を透過するような構成にする、方法。

【請求項2】

前記キャップ層は、前記周囲光源と前記導波管の前面側との間に位置する前面キャップ層であり、前記周囲光のビームは、順次、前記前面キャップ層の選択透明材料を通して、前記気体を保持する前記空洞を通して、および前記導波管の高屈折率透明材料の中に透過する、請求項１に記載の方法。

【請求項3】

前記前面キャップ層の選択透明材料は、前記導波管の前面表面による前記周囲光の吸光を増加させ、前記導波管の前面表面による前記周囲光の反射を低減させる反射防止材料である、請求項２に記載の方法。

【請求項4】

前記高屈折率透明材料は、高屈折率ガラス、高屈折率ニオブ酸リチウム、タンタル酸リチウム、および炭化ケイ素のうちの１つである、請求項３に記載の方法。

【請求項5】

前記高屈折率透明材料は、少なくとも１．７４の屈折率を有する、請求項３に記載の方法。

【請求項6】

前記気体は、１．３未満の屈折率を有する、請求項１に記載の方法。

【請求項7】

前記気体は、１の屈折率を伴う空気である、請求項１に記載の方法。

【請求項8】

前記固体ポロゲン材料は、１２０℃～２３０℃の分解温度において分解する、請求項１に記載の方法。

【請求項9】

前記キャップ層は、少なくとも１２ｎｍの厚さを有するＳｉＯｘから作製され、ｘは変数である、請求項１に記載の方法。

【請求項10】

前記導波管の前面側を、複数の陥凹と、複数の隆起形成物とを有するように形成することであって、各隆起形成物が、前記陥凹のうちの２つの間に位置する、ことと、
前記空洞の個別のものが、前記キャップ層の第２の部分の個別のもの、および前記導波管の前面側における前記陥凹の個別のものによって画定されるように、前記キャップ層の第１の部分の間に位置する前記キャップ層の第２の部分が、前記陥凹にわたって位置する状態で、前記キャップ層の第１の部分を前記隆起形成物を用いて支持することと
をさらに含む、請求項１に記載の方法。

【請求項11】

各陥凹は、奥行と、幅とを有し、前記幅は、３００ミクロン未満である、請求項１０に記載の方法。

【請求項12】

前記陥凹は、前記前面側においてインプリントされる、請求項１０に記載の方法。

【請求項13】

前記導波管の前面側上に透明層を共形に堆積させること
をさらに含む、請求項１０に記載の方法。

【請求項14】

前記キャップ層は、前記周囲光源と前記導波管の前記前面側との間に位置する前面キャップ層であり、前記空洞は、前記前面キャップ層と前記導波管の前面側との間の前面空洞であり、
選択透明材料の後面キャップ層を前記導波管に固着させることであって、周囲光源が、前記導波管の前面側において位置する場合、周囲光のビームが、前記導波管の高屈折率透明材料の中、気体を保持する後面空洞の中、および前記後面キャップ層の選択透明材料の中を透過するように、前記気体が前記後面空洞の中にある状態で、前記後面空洞が、前記後面キャップ層と前記導波管の後面との間に画定される、こと
をさらに含む、請求項１に記載の方法。

【請求項15】

前記キャップ層は、第１のキャップ層であり、前記選択透明材料は、第１の選択透明材料であり、
第２の選択透明材料の第２のキャップ層を前記第１のキャップ層に固着させること
をさらに含む、請求項１に記載の方法。

【請求項16】

前記第２のキャップ層は、前記第１のキャップ層より堅い、請求項１５に記載の方法。

【請求項17】

前記キャップ層の選択透明材料のうちの少なくとも１つは、前記導波管の前面表面による前記周囲光の吸光を増加させ、前記導波管の前面表面による前記周囲光の反射を低減させる反射防止材料である、請求項１５に記載の方法。

【請求項18】

大きさが変わる屈折率を有するキャップ層のスタックを形成すること
をさらに含む、請求項１７に記載の方法。

【請求項19】

前記キャップ層は、１．４５の屈折率を有するＳｉＯｘと、２．２～２．３の屈折率を有するＴｉＯｘとから作製され、ｘは変数である、請求項１８に記載の方法。

【請求項20】

光学システムであって、
前面側および後面側を有する高屈折率透明材料の導波管と、
前記導波管に固着される選択透明材料のキャップ層であって、複数の空洞が、前記キャップ層と前記導波管との間に画定され、前記空洞が、隆起形成物と交互になっており、前記空洞および前記隆起形成物が、前記導波管に平行な平面に沿って位置している、キャップ層と、
前記空洞の中の気体であって、前記空洞の中の気体は、周囲光源が、前記導波管の前面側において位置する場合、周囲光のビームが、前記キャップ層の選択透明材料の中、前記気体を保持する前記空洞の中、および前記導波管の高屈折率透明材料の中を透過し、投影光のビームが、前記導波管に導入される場合、前記投影光のビームが、前記空洞によって画定される前記導波管の壁で反射するようなものである、前記空洞の中の気体と
を備える、光学システム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

（関連出願の相互参照）
本願は、その全てが参照することによってその全体として本明細書に組み込まれる、２０１８年１２月２１日に出願された、米国仮特許出願第６２／７８３，７７８号の優先権を主張する。

【0002】

本発明は、概して、光学システムおよび光学システムを製造する方法に関する。

【背景技術】

【0003】

現代のコンピューティングおよび表示技術は、いわゆる「仮想現実」視認デバイスの開発を促進している。そのような視認デバイスは、通常、ユーザの頭部に搭載可能である、フレームを有し、頻繁に、視認者の各眼の正面に１つずつの、２つの導波管を含む。導波管は、物体からの周囲光が、導波管を通して透過し得、ユーザに物体が見え得るように、透明である。各導波管はまた、プロジェクタから投影される光をユーザの個別の眼に透過する役割も果たす。投影された光は、眼の網膜上に画像を形成する。眼の網膜は、したがって、周囲光および投影された光を受光する。ユーザには、実物体と、投影された光によって生成される画像とが、同時に見える。

【0004】

投影された光は、通常、導波管の縁上の導波管に入射し、次いで、導波管内で反射し、次いで、導波管から、導波管の瞳を通してユーザの眼に向かって出射する。全内部反射（ＴＩＲ）は、投影された光の導波管から外への損失が存在せず、１００パーセントの投影された光がユーザの眼に到達する、理想的な状況である。

【発明の概要】

【課題を解決するための手段】

【0005】

本発明は、選択透明材料のキャップ層を、前面側と、後面側とを有する、高屈折率透明材料の導波管に固着させることであって、周囲光源が、導波管の前面側において位置する場合、周囲光のビームが、キャップ層の選択透明材料の中、光ガスを保持する空洞の中、および導波管の高屈折率透明材料の中を透過するように、空洞が、光ガスが空洞の中にある状態で、キャップ層と導波管との間に画定される、ことを含む、光学システムを製造する方法を提供する。

【0006】

本発明はまた、前面側と、後面側とを有する、高屈折率透明材料の導波管と、前記導波管に固着される、選択透明材料のキャップ層であって、空洞が、前記キャップ層と前記導波管との間に画定される、キャップ層と、周囲光源が、導波管の前面側において位置する場合、周囲光のビームが、キャップ層の選択透明材料の中、光ガスを保持する空洞の中、および導波管の高屈折率透明材料の中を透過するような、空洞の中の光ガスとを含む、光学システムを提供する。
本明細書は、例えば、以下の項目も提供する。
（項目１）
光学システムを製造する方法であって、
選択透明材料のキャップ層を、前面側と、後面側とを有する高屈折率透明材料の導波管に固着させることであって、周囲光源が、前記導波管の前面側において位置する場合、周囲光のビームが、前記キャップ層の選択透明材料の中、光ガスを保持する空洞の中、および前記導波管の高屈折率透明材料の中を透過するように、空洞が、光ガスが前記空洞の中にある状態で、前記キャップ層と前記導波管との間に画定される、こと
を含む、方法。
（項目２）
前記キャップ層は、前記周囲光源と前記導波管の前面側との間に位置する前面キャップ層であり、前記周囲光のビームは、順次、前記前面キャップ層の選択透明材料を通して、前記光ガスを保持する前記空洞を通して、および前記導波管の高屈折率透明材料の中に透過する、項目１に記載の方法。
（項目３）
前記前面キャップ層の選択透明材料は、前記導波管の前面表面による前記周囲光の吸光を増加させ、前記導波管の前面表面による前記周囲光の反射を低減させる反射防止材料である、項目２に記載の方法。
（項目４）
前記高屈折率材料は、高屈折率ガラス、高屈折率ニオブ酸リチウム、タンタル酸リチウム、および炭化ケイ素のうちの１つである、項目３に記載の方法。
（項目５）
前記高屈折率材料は、少なくとも１．７４の屈折率を有する、項目３に記載の方法。
（項目６）
前記光ガスは、１．３未満の屈折率を有する、項目１に記載の方法。
（項目７）
前記光ガスは、１の屈折率を伴う空気である、項目１に記載の方法。
（項目８）
前記導波管と、固体ポロゲン材料と、前記キャップ層とを含むスタックを形成することと、
前記ポロゲン材料を前記光ガスに置換することと
をさらに含む、項目１に記載の方法。
（項目９）
前記ポロゲン材料は、
前記ポロゲン材料を、前記ポロゲン材料が犠牲ガスに変わる分解温度まで加熱することと、
前記空洞から前記犠牲ガスを除去することと
を行うことによって除去される、項目８に記載の方法。
（項目１０）
前記キャップ層の選択材料は、多孔性であり、前記犠牲ガスは、前記キャップ層の選択材料を通してガス放出する、項目９に記載の方法。
（項目１１）
前記ポロゲン材料は、１２０℃～２３０℃の分解温度において分解する、項目９に記載の方法。
（項目１２）
前記キャップ層は、少なくとも１２ｎｍの厚さを有するＳｉＯｘから作製され、ｘは変数である、項目１０に記載の方法。
（項目１３）
複数の空洞は、前記キャップ層と前記導波管との間に画定され、光ガスが、各個別の空洞の中にある、項目１に記載の方法。
（項目１４）
前記導波管の前面側を、複数の陥凹と、複数の隆起形成物とを有するように形成することであって、各隆起形成物が、前記陥凹のうちの２つの間に位置する、ことと、
前記空洞の個別のものが、前記キャップ層の第２の部分の個別のもの、および前記導波管の前面側における前記陥凹の個別のものによって画定されるように、前記キャップ層の第１の部分の間に位置する前記キャップ層の第２の部分が、前記陥凹にわたって位置する状態で、前記キャップ層の第１の部分を前記隆起形成物を用いて支持することと
をさらに含む、項目１３に記載の方法。
（項目１５）
各陥凹は、奥行と、幅とを有し、前記幅は、３００ミクロン未満である、項目１４に記載の方法。
（項目１６）
前記陥凹は、前記前面側においてインプリントされる、項目１４に記載の方法。
（項目１７）
前記導波管の前面側において共形層を形成することであって、前記共形層は、透明材料から作製される、こと
をさらに含む、項目１４に記載の方法。
（項目１８）
前記キャップ層は、前記周囲光源と前記導波管の前記前面側との間に位置する前面キャップ層であり、前記空洞は、前記前面キャップ層と前記導波管の前面側との間の前面空洞であり、
選択透明材料の後面キャップ層を前記導波管に固着させることであって、周囲光源が、前記導波管の前面側において位置する場合、前記周囲光のビームが、前記導波管の高屈折率透明材料の中、前記光ガスを保持する後面空洞の中、および前記後面キャップ層の選択透明材料の中を透過するように、光ガスが前記後面空洞の中にある状態で、後面空洞が、前記後面キャップ層と前記導波管の後面との間に画定される、こと
をさらに含む、項目１に記載の方法。
（項目１９）
前記キャップ層は、第１のキャップ層であり、前記選択透明材料は、第１の選択透明材料であり、
第２の選択透明材料の第２のキャップ層を前記第１のキャップ層に固着させること
をさらに含む、項目１に記載の方法。
（項目２０）
前記第２のキャップ層は、前記第１のキャップ層より堅い、項目１９に記載の方法。
（項目２１）
前記キャップ層の選択透明材料のうちの少なくとも１つは、前記導波管の前面表面による前記周囲光の吸光を増加させ、前記導波管の前面表面による前記周囲光の反射を低減させる反射防止材料である、項目１９に記載の方法。
（項目２２）
大きさが変わる屈折率を有するキャップ層のスタックを形成すること
をさらに含む、項目２１に記載の方法。
（項目２３）
前記キャップ層は、１．４５の屈折率を有するＳｉＯｘと、２．２～２．３の屈折率を有するＴｉＯｘとから作製され、ｘは変数である、項目２２に記載の方法。
（項目２４）
光学システムであって、
前面側と、後面側とを有する高屈折率透明材料の導波管と、
前記導波管に固着される選択透明材料のキャップ層であって、空洞が、前記キャップ層と前記導波管との間に画定される、キャップ層と、
前記空洞の中の光ガスであって、前記空洞の中の光ガスは、周囲光源が、前記導波管の前面側において位置する場合、前記周囲光のビームが、前記キャップ層の選択透明材料の中、前記光ガスを保持する前記空洞の中、および前記導波管の高屈折率透明材料の中を透過するようなものである、前記空洞の中の光ガスと
を備える、光学システム。

【図面の簡単な説明】

【0007】

本発明はさらに、付随の図面を参照して、実施例として説明される。

【0008】

【図1A】図１Ａは、高屈折率透明材料の導波管の断面側面図である。

【0009】

【図1B】図１Ｂは、導波管が、前面側および後面側において複数の陥凹と、隆起形成物とを有するようにパターン化された後の、図１Ａに類似する図である。

【0010】

【図1C】図１Ｃは、陥凹が、スピンプロセスにおいて固体ポロゲン材料で充填された後の、図１Ｂに類似する図である。

【0011】

【図1D】図１Ｄは、第１の前面キャップ層が、前面側において形成され、第１の後面キャップ層が、後面側において形成された後の、図１Ｃに類似する図である。

【0012】

【図1E】図１Ｅは、構造が、加熱され、固体ポロゲン材料を除去し、固体ポロゲン材料を空気に置換した後の、図１Ｄに類似する図である。

【0013】

【図1F】図１Ｆは、さらなるキャップ層が、第１の前面および第１の後面キャップ層上に形成され、光学システムの加工を完成させた後の、図１Ｅに類似する図である。

【0014】

【図1G】図１Ｇは、光学システムの図１Ｆに類似する図であり、その機能を示す。

【0015】

【図1H】図１Ｈは、パターン化された層が、フォトレジスト材料から形成される、本発明の代替実施形態による、光学システムの断面側面図である。

【0016】

【図2】図２は、周囲光の吸光を助長するためにナノ構造を有する、本発明の代替実施形態による、光学システムの断面側面図である。

【0017】

【図3】図３は、可変の特徴高または可変のデューティサイクルを有するナノ構造を伴う、図１Ｆに類似する断面側面図である。

【0018】

【図4】図４は、可変の特徴高または可変のデューティサイクルを伴うナノ構造を有する、図２に類似する断面側面図である。

【0019】

【図5】図５は、異なる層の中に空気ポケットを有する、光学システムの断面側面図である。

【0020】

【図6A】図６Ａは、単一のコーティングを伴う、走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）画像である。

【0021】

【図6B】図６Ｂは、多層コーティングで覆われる空気ポケットのＳＥＭ画像である。

【0022】

【図7A】図７Ａは、酸化ケイ素層で覆われ、次いで、光学ポリマーでスピンコーティングされた、空気ポケットの断面側面図である。

【0023】

【図7B】図７Ｂは、より低い倍率レベルにおける、図７Ａに類似する図である。

【0024】

【図8】図８は、実験測定からの０°透過グラフである。

【0025】

【図9】図９は、シミュレーションの目的のために使用される、モデルである。

【0026】

【図10A】図１０Ａは、シミュレーションのための、いかなるコーティングも伴わない、導波管の側面図である。

【0027】

【図10B】図１０Ｂは、シミュレーションのための、光学ポリマーコーティングを伴う、導波管の側面図である。

【0028】

【図10C】図１０Ｃは、シミュレーションのための、空気ポケットを伴う、導波管の側面図である。

【0029】

【図10D】図１０Ｄは、シミュレーションのための、空隙の代わりにポリマーを伴う、導波管の側面図である。

【0030】

【図11】図１１は、シミュレーションからの透過データを示す、グラフである。

【0031】

【図12】図１２は、シミュレーションからのユーザ側回折効率を示す、グラフである。

【発明を実施するための形態】

【0032】

光学システムおよび光学システムを作製するための方法が、説明される。陥凹が、導波管の前面側および後面側において形成される。固体ポロゲン材料が、前面側および後面側においてスピンされ、陥凹を充填する。第１の前面および後面キャップ層が、次いで、導波管の隆起形成物および固体ポロゲン材料上に形成される。構造全体が、次いで、加熱され、固体ポロゲン材料は、ポロゲンガスに分解する。第１の前面および後面キャップ層は、多孔性であり、ポロゲンガスが逃散すること、および空気が陥凹の中に進入することを可能にする。空気は、導波管の高屈折率透明材料と空気との間の屈折率の差を最大限にし、導波管と空気との間の界面からの導波管の中での反射を助長する。第２の前面および後面キャップ層が、それぞれ、第１の前面および後面キャップ層上に形成され、さらなる前面および後面キャップ層が、次いで、第２の前面および後面キャップ層上に形成される。キャップ層は、キャップ層を通した導波管の中への周囲光の吸光を助長する、屈折率を有する。

【0033】

図１Ａ－１Ｆは、本発明のある実施形態による、光学システムを製造する方法を図示する。

【0034】

図１Ａは、後続の加工のための一次基板としての役割を果たす、導波管２０を図示する。導波管２０は、高屈折率透明材料から作製される。概して、導波管２０の屈折率は、少なくとも１．５であると考えられる。本実施形態では、導波管２０は、１．７３の屈折率を有する高屈折率ガラスから作製される。別の実施形態では、導波管は、２．０を上回る屈折率を有する、ニオブ酸リチウム、タンタル酸リチウム、または炭化ケイ素から作製されてもよい。高屈折率透明材料は、最終製品の中の視野を最大にするため、好ましい。

【0035】

導波管２０は、前面側および後面側２２および２４を有する。前面側および後面側２２および２４は、３ｍｍ未満の厚さ２６だけ、相互から離間される。前面側および後面側２２および２４はそれぞれ、５０～７０ｍｍの幅２８と、５０～７０ｍｍの紙の中への奥行とを有する。前面側および後面側２２および２４は、相互に平行な平面である、平面状表面である。導波管２０の材料は、前面側および後面側２２および２４が、導波管２０の材料内での微小亀裂または光学的歪みの形成を伴わずに２２℃の室温において、または５０℃の中程度に高い温度において形成されることを可能にするために十分に軟質である。

【0036】

図１Ｂは、前面側および後面側２２および２４が成形された後の導波管２０を図示する。前面側２２は、複数の陥凹３０と、複数の隆起形成物３２とを有するように成形され、各隆起形成物３２は、陥凹３０のうちの２つの間に位置する。陥凹３０の側壁３４が、隆起形成物３２の側壁を形成する。隆起形成物３２は、同一の平面内にある、外側表面３６を有する。陥凹３０は、同一の平面内にあり、外側表面３６の平面に平行である、溝表面３８を有する。各陥凹３０は、１０ｎｍ～５００ｎｍである、幅４０を有する。後面側２４は、複数の陥凹４４と、複数の隆起形成物４６とを有するように成形され、各隆起形成物４６は、陥凹４４のうちの２つの間に位置する。陥凹４４の側壁４８が、隆起形成物４６の側壁を形成する。隆起形成物４６は、同一の平面内にある、外側表面５０を有する。陥凹４４は、外側表面５０の平面に平行である、同一の平面内にある、溝表面５２を有する。各陥凹４４は、１０ｎｍ～５００ｎｍである、幅５４を有する。

【0037】

前面側および後面側２２および２４は、陥凹３０および４４および隆起形成物３２および４６をインプリントするツールを用いて同時に成形される。ツールは、硬化金属から作製される、前面部と、後面部とを有する。前面部は、前面側２２において生成される外形に相補的である、形状を有し、後面部は、後面側２４において生成される形状に相補的である、形状を有する。導波管２０は、前面部と後面部との間に挿入され、アクチュエータが、前面部および後面部を相互に向かって移動させる一方、その部の表面が、導波管２０の前面側および後面側２２および２４において圧力を付与するために使用される。導波管２０は、次いで、ツールから除去される。前面側および後面側２２および２４は、次いで、エッチングされる。エッチングプロセスは、溝表面３８および５２から微視的アーチファクトを除去し、溝表面３８および５２を平坦にする。

【0038】

外側表面３６および５０の間で測定されるような導波管２０の厚さ５８は、図１Ａの基板の厚さ２６を上回り、溝表面３８および５２の間で測定されるような厚さ６０は、厚さ２６を下回る。導波管２０は、２００ミクロン～１ｎｍの厚さを有する。各陥凹３０または４４は、１０ｎｍ～５００ｎｍの奥行６２を有する。

【0039】

図１Ｃは、ポロゲン（犠牲）材料が堆積された後の導波管２０を図示する。ポロゲン材料は、導波管２０の前面側２２および後面側２４においてスピンコーティングされてもよい。ポロゲン材料は、陥凹３０および４４を充填する。ポロゲン材料は、前面側２２における陥凹３０内に複数の分離されたポロゲン部分６４と、後面側２４における陥凹４４内に複数の分離されたポロゲン部分６６とを形成する。各ポロゲン部分６４は、ポロゲン部分６４の外側表面６８が、隆起形成物３２の外側表面３６と同一平面状になるまで、個別の陥凹３０を充填する。ポロゲン部分６６は、ポロゲン部分６６の外側表面７０が、隆起形成物４６の外側表面５０と同一平面状になるまで、陥凹４４を充填する。

【0040】

図１Ｄは、第１の前面キャップ層７４および第１の後面キャップ層７６が形成された後の、図１Ｃの構造を図示する。キャップ層７４および７６は、例えば、化学蒸着プロセスにおいて形成されてもよい。

【0041】

第１の前面キャップ層７４は、選択固体透明材料から作製される。第１の前面キャップ層７４は、隆起形成物３２の外側表面３６およびポロゲン部分６４の外側表面６８の上に直接、形成される。第１の前面キャップ層７４はまた、隆起形成物３２の外側表面３６に接着し、したがって、導波管２０に固着される。

【0042】

第１の前面キャップ層７４は、最終的に加工されたものとして示され、比較的に強力な固体材料から作製される。しかしながら、第１の前面キャップ層７４は、その製造の間、最初は、薄く、不安定なフィルムである。そのような薄膜は、脆性であり、ポロゲン部分６４の固体材料によって提供される支持がない状態では、圧潰するであろう。第１の前面キャップ層７４は、より厚く成長し、最終的に、その構造的完全性のためにポロゲン部分６４によって提供される支持に依拠しなくなるほど十分に厚くなるにつれて、より安定した状態になる。第１の前面キャップ層７４は、隆起形成物３２上に形成される複数の第１の部分８０と、ポロゲン部分６４上に形成される、複数の第２の部分８２とを有する。

【0043】

同様に、第１の後面キャップ層７６は、その初期の加工の間、支持のためにポロゲン部分６６の固体材料に依拠するが、最終的に加工され、ポロゲン部分６６を要求することなくそれ自体を支持するために好適である厚さを取得した後は、ポロゲン部分６６の支持を要求しない。第１の後面キャップ層７６は、隆起形成物４６上に形成される、複数の第１の部分８４と、ポロゲン部分６６上に形成される、複数の第２の部分８６とを有する。

【0044】

図１Ｅは、ポロゲン部分６４および６６が、除去され、個別の空洞８８および９０から退出した後の、図１Ｄの構造を図示する。各空洞８８および９０は、除去されている個別のポロゲン部分と同一の寸法を有する。各空洞８８および９０は、空気の形態にある光ガスで充填される。

【0045】

ポロゲン部分６４および６６の固体ポロゲン材料は、導波管２０、第１の前面キャップ層７４、または第１の後面キャップ層７６に損傷を引き起こさない温度において分解され得る、熱分解性材料または材料混合物である。図１Ｄの構造全体が、固体ポロゲン材料をポロゲンガスに転換させる、分解温度まで加熱される。第１の前面キャップ層７４および第１の後面キャップ層７６の材料は、ポロゲンガスが、ポロゲンガスが空洞８８および９０から退出するように第１の前面キャップ層７４および第１の後面キャップ層７６を通して透過し、空気が、第１の前面キャップ層７４および第１の後面キャップ層７６を通して空洞８８および９０の中に透過することを可能にするために、十分に多孔性である。例えば、プロピレンカーボネート（ＰＰＣ）は、明白な残留物を後に残すことなく、不活性雰囲気中または空気中で分解されることができる。概して、分解温度は、１２０℃～２３０℃であると考えられる。２００℃～３００℃の分解温度が、使用される場合、ポロゲン部分６４および６６は、短い時間量内で空気に置換されることができる。分解温度が、低下される必要がある場合、添加剤を添加すること、または焼成時間を延長させることが、可能性として考えられ得る。１２０℃～１６０℃の分解温度が、材料、フィルム厚、および焼成時間の好適な組み合わせを用いて可能性として考えられる。焼成温度および温度傾斜率が、有意な残留物が後に残されないように、かつポロゲンガスの放出率が、第１の前面キャップ層７４および第１の後面キャップ層７６に破裂、弛み、および亀裂等の損傷を引き起こさないために制御されるように、慎重に制御される必要がある。

【0046】

空洞８８および９０が、最終的に形成されると、第１の前面キャップ層７４の第１の部分８０および第１の後面キャップ層７６が、隆起形成物３２および４６に固着され、それによって支持される。空洞８８のうちのそれぞれ１つが、陥凹３０のうちの個別のものの表面による、３つの側面において、および第１の前面キャップ層７４の第２の部分８２のうちの１つによる、第４の側面において、画定される。同様に、空洞９０のうちのそれぞれ１つが、陥凹４４の表面による、３つの側面において、および第１の後面キャップ層７６の第２の部分８６のうちの１つによる、第４の側面において、画定される。第１の前面キャップ層７４および第１の後面キャップ層７６の第２の部分８２および８６が、ポロゲン部分６４および６６によってそれ以上支持されないことに留意されたい。しかしながら、第１の前面キャップ層７４および第１の後面キャップ層７６は、依然として、隆起形成物３２および４６によって支持され、空洞８８および９０の幅４０および５４がそれぞれ、５００ｎｍ未満であることを前提として、第１の前面キャップ層７４および第１の後面キャップ層７６の構造的完全性は、固体ポロゲン材料のガス放出の間、およびその後に留保されることができる。

【0047】

図１Ｆは、第２の前面キャップ層９４が、第１の前面キャップ層７４上に形成され、さらなる前面キャップ層９６が、順次、第２の前面キャップ層９４上に形成された後の、図１Ｅの構造を図示する。第２の前面キャップ層９４は、第１の前面キャップ層７４に付加的な強度を提供する。より良好な接着のために、Ｖａｌｍａｔ（Ｒ）またはＴｒａｎＳｐｉｎ（Ｒ）等の接着助長剤が、第１および第２の前面キャップ層７４および９４の間、および第２の前面キャップ層９４とさらなる前面キャップ層９６との間で使用されることができる。

【0048】

第２の前面キャップ層９４およびさらなる前面キャップ層９６は、異なる選択透明材料から作製される。第１、第２、およびさらなる前面キャップ層７４、９４、および９６の材料のうちの１つ以上のものが、光の吸光を助長し、光の反射を低減させる、屈折率を有するように選択される。実践的実施例では、第１の前面キャップ層７４は、１．４５の屈折率を有するＳｉＯｘから作製され、第２の前面キャップ層９４は、２．２～２．３の屈折率を有するＴｉＯｘから作製され、第３の前面キャップ層は、ＳｉＯｘから作製され、第４の前面キャップ層は、ＴｉＯｘから作製される（「ｘ」は、変数である）。

【0049】

図１Ｆはまた、第２の後面キャップ層９８が、第１の後面キャップ層７６上に形成され、さらなる後面キャップ層１００が、順次、第２の後面キャップ層９８上に形成された後の、図１Ｅの構造を図示する。第２の後面キャップ層９８は、第１の後面キャップ層７６に付加的な強度を提供する。より良好な接着のために、Ｖａｌｍａｔ（Ｒ）またはＴｒａｎＳｐｉｎ（Ｒ）等の接着助長剤が、第１および第２の後面キャップ層７６および９８の間、および第２の後面キャップ層９８とさらなる後面キャップ層１００との間で使用されることができる。

【0050】

第２の後面キャップ層９８およびさらなる後面キャップ層１００は、異なる選択透明材料から作製される。第１、第２、およびさらなる後面キャップ層７６、９８、および１００の材料のうちの１つ以上のものが、光の吸光を助長し、光の反射を低減させる、屈折率を有するように選択される。実践的実施例では、第１の後面キャップ層７６は、１．４５の屈折率を有するＳｉＯｘから作製され、第２の後面キャップ層９８は、２．２～２．３の屈折率を有するＴｉＯｘから作製され、第３の後面キャップ層は、ＳｉＯｘから作製され、第４の前面後面層は、ＴｉＯｘから作製される（「ｘ」は、変数である）。

【0051】

図１Ｇはさらに、周囲光源１０２およびプロジェクタ１０６を示す。周囲光源１０２は、例えば、周囲光を反射する物体であってもよい。周囲光は、ビーム１０４Ａおよび１０４Ｂによって表わされる。各ビーム１０４Ａおよび１０４Ｂは、環境空気を通して透過し、次いで、順次、前面キャップ層９６、９４、および７４を通して、導波管２０を通して、および後面キャップ層７６、９８、および１００を通して通過する。隣接するキャップ層間の屈折率は、最小限にされ、周囲光の反射を最小限にし、導波管２０の中への周囲光の吸光を助長する。ビーム１０４Ａはまた、導波管２０の後面側２４における陥凹４４のうちの１つの中の空気を通して通過する。ビーム１０４Ｂは、導波管２０の前面側２２における陥凹３０のうちの１つの中の空気を通して通過する。

【0052】

プロジェクタ１０６は、ビーム１０４Ｃによって表わされる、投影光を発生させる。ビーム１０４Ｃは、導波管２０の中に挿入される。ビーム１０４Ｃは、例えば、後面キャップ層１００、９８、および７６を通して挿入されてもよく、それらの屈折率は、ビーム１０４Ｃの吸光を助長し、その反射を限定するように選択される。ビーム１０４Ｃは、前面側２２における陥凹３０のうちの１つに指向される。導波管２０の屈折率と陥凹３０の中の空気の屈折率との間の差異が、最大限にされ、ビーム１０４Ｃの反射を助長し、陥凹３０の中の空気の中へのビーム１０４Ｃの透過を限定する。空気は、１の屈折率を有し、導波管２０は、少なくとも１．７４の屈折率を有してもよい。屈折率は、したがって、相互と、少なくとも０．７４異なる。別の実施形態では、別の光ガスが、そのような光ガスが１．３未満の屈折率を有することを前提として、空気の代わりに使用され得る。理想的には、導波管２０の材料と光ガスとの間の屈折率は、少なくとも０．５０であるべきである。陥凹３０のうちの１つの中の空気から反射される、ビーム１０４Ｃは、続いて、導波管２０の後面側２４における、陥凹４４のうちの１つに透過する。ビーム１０４Ｃは、陥凹４４の中の空気間の界面から、導波管２０の前面側２２における陥凹３０のうちの別のものに向かって反射する。代替構造は、次いで、蒸発される、スピンコーティングされたパラベン材料にわたって、Ｓｉ含有レジストを使用する、直接インプリントパターンであることができる。Ｓｉ含有レジストは、プラズマ処理され、ＳｉＯｘポリマー構造を形成することができる。

【0053】

空気界面の反射は、１）「透明」な接眼レンズを通した世界光の透過性全体を改良し、世界側物体をより鮮明に、かつより明るくし、２）起伏構造の溝対格子高さ間の屈折率差を維持し、機能導波管起伏構造を成す、格子の高回折効率を可能にし、３）接眼レンズから出射し、異なるレンズまたはスタックされた導波管界面から反射して戻る、光の反射からの残像アーチファクトを低減させ、４）回折からユーザのアイボックスの中への外光を低減させ、そうでなければナノ特徴およびフィルムスタックアーキテクチャがなければはるかにより強力である、レインボーディフェクトを生成する等、光学アーチファクトを変化させることによって、光学画質を有意に改良する。

【0054】

図１Ａ－１Ｇは、反射防止キャップ構造を生成することの一実施例を図示する。反射防止性質はまた、代替の方法を使用して製造されることができる。図１Ｈは、前面および後面パターン化層１２０および１２２が、導波管２０の前面側および後面側において形成される、光学システムを図示する。層１２０および１２２は、従来のフォトリソグラフィ技法を使用してパターン化されてもよい、またはフォトリソグラフィを使用するパターニングのために好適である、ポリマーまたはフォトレジスト材料から作製される。付加的なエッチングステップは、要求されない。層は、次いで、それぞれ、前面および後面共形層１２４および１２６でコーティングされる。共形層は、無機ＳｉＯｘから作製され、化学蒸着を使用して形成される。共形層１２４および１２６は、陥凹３０および４４を画定し、陥凹３０および４４は、前面および後面キャップ層７４および７６で被覆される。

【0055】

図２は、ナノパターニング１１０が、図１Ｆに説明されるような複数のキャップ層の代わりに外部表面上で実行される、代替構造を図示する。ナノパターニング１１０は、周囲光の反射を低減させ、周囲光の吸光を助長する。図２は、図１Ｆにおいて使用される参照番号に類似する、参照番号を有し、同様の参照番号は、同様の、または類似する構成要素を示す。

【0056】

図３および４は、図１Ｆおよび２に類似する。図３および４に図示される光学システムは、可変の高さまたは「デューティサイクル」を伴う、導波管を有する。ポロゲン材料は、前述において説明されるようなスピンコーティング動作においてそのような構造に形成されることができる。

【0057】

図５は、異なる３次元ナノ構造スタックの異なる層を有する、さらなる光学システムを図示する。３次元ナノ構造スタックは、異なる導波管目的のために異なるように設計されることができる。キャップ層毎の種々の空間的および幾何学的構成を伴う材料組成、厚さ、およびナノパターニングは、層間で異なる、または同一であることができる。

【0058】

図６Ａは、高屈折率ガラスの中のエッチングされた格子にわたってＳｉＯｘの単一の層で覆われた空気ポケットの走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）画像を図示する。図６Ｂは、多層コーティングで覆われた空気ポケットＳＥＭ画像を示す。多層コーティングは、層毎に異なる厚さを伴う、ＳｉＯｘとＴｉＯｘとの間で交互に入れ替わる。格子上の層の組成および厚さは、下から上に、２０ｎｍの多孔性ＳｉＯｘ、１５ｎｍのＴｉＯｘ、６５ｎｍのＳｉＯｘ、３４ｎｍのＴｉＯｘ、１８ｎｍのＳｉＯｘ、５９ｎｍのＴｉＯｘ、９７ｎｍのＳｉＯｘである。空気ポケット構造の上の多層コーティングは、化学および／または物理蒸着、またはスピンコーティング、または異なるコーティング技法の組み合わせによって適用されることができる。

【0059】

図７Ａおよび７Ｂは、最初にＳｉＯｘ層で覆われ、次いで、屈折率１．３１を伴う光学ポリマー（Ｃｈｅｍｏｕｒｓ Ｃｏｍｐａｎｙ製Ｔｅｆｌｏｎ ＡＦ１６００）でスピンコーティングされた、空気ポケットを伴うサンプルを示す。空気ポケットは、ナノ構造化された格子面積の実効屈折率を低減させ、バルク基板から、表面格子面積、ＳｉＯｘキャップ層、スピンコーティングされた光学ポリマー層、最後に、空気までの緩やかな屈折率変化をもたらした。本種類の緩やかな屈折率変化は、反射防止目的のために有益であり、周囲光の透過を有意に向上させることができる。

【0060】

図８は、透過が、図７Ａおよび７Ｂの空気ポケットおよびコーティングの組み合わせによって有意に増加されることを示す、実験測定からの０°透過グラフである。ナノ構造化された基板は、ここでは、表面格子を形成するようにエッチングされた、高屈折率ニオブ酸リチウム基板である。

【0061】

図９は、反射性質のシミュレーションの目的のために使用される、モデルを図示する。図１０Ａ－１０Ｄは、図９の構造内でシミュレートされる、４つの異なる反射防止コーティングスタッキング構成を示す。図１０Ａは、シミュレーションのための、いかなるコーティングも伴わない、導波管の側面図である。図１０Ｂは、シミュレーションのための、光学ポリマーコーティングを伴う、導波管の側面図である。図１０Ｃは、シミュレーションのための、空気ポケットを伴う、導波管の側面図である。図１０Ｄは、シミュレーションのための、空隙の代わりにポリマーを伴う、導波管の側面図である。図１１は、シミュレーションに基づく透過データを図示する、グラフである。図１２は、導波管のために高屈折率ニオブ酸リチウムを使用する、シミュレーションからのユーザ側回折効率を示す。シミュレートされた透過データに関して、直接スピンオンされた、低屈折率光学ポリマー（Ｃｈｅｍｏｕｒｓ Ｃｏｍｐａｎｙ製ＡＦ２４００、屈折率１．２９）が、空気ポケットを伴う構成と比較して、透過を向上させることに類似の影響を及ぼすことが、見られ得る。しかしながら、単一のバウンス回折効率に関して、空気ポケット構成は、スピンオンされた低屈折率ポリマーのみを有する構成、またはＰＰＣを伴うスタックが格子の溝を充填する構成より有意に良好である。シミュレーションは、回折効率が、低屈折率材料が溝を充填する状況より有意に高いが、依然として、いかなる反射防止コーティングが適用されていない状況より低いことを示す。効率をさらに高めるために、格子の幾何学形状は、それに応じて変更される必要がある。

【0062】

ある例示的実施形態が、説明され、付随の図面に示されているが、そのような実施形態が、例証的にすぎず、本発明を制限するものではないこと、および本発明が、修正が当業者に想起され得るため、示され、説明される具体的な構築物および配列に制限されるものではないことを理解されたい。

【図1A】

【図1B】

【図1C】

【図1D】

【図1E】

【図1F】

【図1G】

【図1H】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6A】

【図6B】

【図7A】

【図7B】

【図8】

【図9】

【図10A】

【図10B】

【図10C】

【図10D】

【図11】

【図12】