(57)【要約】  非テレセントリック発光を有する発光型微小画素空間光変調器が導入される。各多色微小スケール発光型画素からの個々の発光は、発光型空間光変調器の微小画素アレイからの、特別仕様の非テレセントリック発光パターンを可能とするべく、一意的な方向に方向性変調される。微小画素レベルの光学系を使用した、個々の微小画素の発光を方向性変調するための設計方法が説明される。微小画素レベルの光学系を製作するための、一体化したウェーハレベル光学系の方法もまた説明される。非テレセントリック発光を有する発光型多色微小画素の空間光変調器が、本発明の方法及び可能な応用を例証するために使用される。ここで可能な応用とは、超小型画像プロジェクタ、最小クロストークの三次元明視野ディスプレイ、多視野二次元ディスプレイ、及びシースルー・ニアアイ・ディスプレイのための方向性変調された導波路である。
2019508725.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
非テレセントリック発光型微小画素アレイ光変調器であって、
制御レイヤと、
前記制御レイヤの上に積み重ねられた、画素化された多色発光のＩＩＩ／Ｖ族半導体レイヤであって、該画素化された多色発光のＩＩＩ／Ｖ族半導体レイヤは、色的及び時間的に変調される、少なくとも部分的にコリメートされ、画素化された光を発するべく、前記制御レイヤから制御可能である、画素化された多色発光のＩＩＩ／Ｖ族半導体レイヤと、
前記画素化された多色発光のＩＩＩ／Ｖ族半導体レイヤの上の方向性変調レイヤの光学素子であって、各光学素子は、対応する画素からその光学素子上に結合される光を、前記画素化された多色発光のＩＩＩ／Ｖ族半導体レイヤに垂直な軸に対して、それぞれの方向へ方向性変調する、方向性変調レイヤの光学素子と、
を備える、非テレセントリック発光型微小画素アレイ光変調器。
【請求項２】
請求項１に記載の非テレセントリック発光型微小画素アレイ光変調器であって、
前記方向性変調レイヤの上にカバーガラスレイヤを更に備える、非テレセントリック発光型微小画素アレイ光変調器。
【請求項３】
請求項２に記載の非テレセントリック発光型微小画素アレイ光変調器であって、
前記カバーガラスレイヤは、前記方向性変調レイヤと前記カバーガラスレイヤとの間に空気ギャップを設けるべく、前記方向性変調レイヤから離れて一定の間隔で配置される、非テレセントリック発光型微小画素アレイ光変調器。
【請求項４】
請求項１に記載の非テレセントリック発光型微小画素アレイ光変調器であって、
前記方向性変調レイヤは、屈折性微小光学素子を備える、非テレセントリック発光型微小画素アレイ光変調器。
【請求項５】
請求項１に記載の非テレセントリック発光型微小画素アレイ光変調器であって、
前記方向性変調レイヤは、回折性微小光学素子を備える、非テレセントリック発光型微小画素アレイ光変調器。
【請求項６】
請求項５に記載の非テレセントリック発光型微小画素アレイ光変調器であって、
前記回折性微小光学素子は、ブレーズド格子又はレール格子を備える、非テレセントリック発光型微小画素アレイ光変調器。
【請求項７】
請求項６に記載の非テレセントリック発光型微小画素アレイ光変調器であって、
前記方向性変調レイヤの方向性変調は、前記ブレーズド格子の傾斜角及びピッチによって決定される、非テレセントリック発光型微小画素アレイ光変調器。
【請求項８】
請求項１に記載の非テレセントリック発光型微小画素アレイ光変調器であって、
前記方向性変調レイヤは、半導体誘電性材料を備える、非テレセントリック発光型微小画素アレイ光変調器。
【請求項９】
請求項８に記載の非テレセントリック発光型微小画素アレイ光変調器であって、
前記方向性変調レイヤは、酸化シリコン又は窒化シリコンの複数の誘電性レイヤを備える、非テレセントリック発光型微小画素アレイ光変調器。
【請求項１０】
請求項１に記載の非テレセントリック発光型微小画素アレイ光変調器であって、
前記方向性変調レイヤは、ＵＶ硬化性重合体を備える、非テレセントリック発光型微小画素アレイ光変調器。
【請求項１１】
請求項１に記載の非テレセントリック発光型微小画素アレイ光変調器であって、
前記画素化された多色発光のＩＩＩ／Ｖ族半導体レイヤは群に分割され、各群は複数の画素を備える、非テレセントリック発光型微小画素アレイ光変調器。
【請求項１２】
請求項１１に記載の非テレセントリック発光型微小画素アレイ光変調器であって、
画素の各群は、四角形、長方形、又は六角形のパターンに編成される、非テレセントリック発光型微小画素アレイ光変調器。
【請求項１３】
請求項１１に記載の非テレセントリック発光型微小画素アレイ光変調器であって、
前記方向性変調レイヤはパターンを備え、各方向性変調レイヤのパターンは、それぞれの画素パターンに対応し、各方向性変調レイヤは、同じ方向性変調パターンを有する、非テレセントリック発光型微小画素アレイ光変調器。
【請求項１４】
請求項１１に記載の非テレセントリック発光型微小画素アレイ光変調器であって、
前記方向性変調レイヤはパターンを備え、各方向性変調レイヤのパターンは、それぞれの画素パターンに対応し、各方向性変調レイヤは、一意的な方向性変調パターンを有する、非テレセントリック発光型微小画素アレイ光変調器。
【請求項１５】
請求項１１に記載の非テレセントリック発光型微小画素アレイ光変調器であって、
各方向性変調レイヤのパターンは、その上に結合される光を、それぞれの収束的パターンに方向性変調する、非テレセントリック発光型微小画素アレイ光変調器。
【請求項１６】
請求項１１に記載の非テレセントリック発光型微小画素アレイ光変調器であって、
各方向性変調レイヤのパターンは、その上に結合される光を、それぞれの発散的パターンに方向性変調する、非テレセントリック発光型微小画素アレイ光変調器。
【請求項１７】
請求項１に記載の非テレセントリック発光型微小画素アレイ光変調器であって、
前記方向性変調レイヤは、回折性微小光学素子を備え、且つ回折性の前記方向性変調レイヤは、異なる屈折率を有する金属レール又は誘電性材料のいずれかの連続的レイヤを備える、非テレセントリック発光型微小画素アレイ光変調器。
【請求項１８】
請求項１に記載の非テレセントリック発光型微小画素アレイ光変調器であって、
前記方向性変調レイヤは、その上に結合される光を、それぞれの発散的パターンに方向性変調する、非テレセントリック発光型微小画素アレイ光変調器。
【請求項１９】
請求項１に記載の非テレセントリック発光型微小画素アレイ光変調器であって、
前記方向性変調レイヤは、その上に結合される光を、それぞれの収束的パターンに方向性変調する、非テレセントリック発光型微小画素アレイ光変調器。
【請求項２０】
請求項１に記載の非テレセントリック発光型微小画素アレイ光変調器であって、
前記方向性変調レイヤは、異なる屈折率を有する誘電性材料の連続的レイヤの中心がずれた微小レンズの形をした、画素レベルの屈折性微小光学素子から構成される、非テレセントリック発光型微小画素アレイ光変調器。
【請求項２１】
請求項１に記載の非テレセントリック発光型微小画素アレイ光変調器であって、
前記方向性変調レイヤは、異なる屈折率を有する誘電性材料の連続的レイヤの傾いた微小レンズの形をした、画素レベルの屈折性微小光学素子から構成される、非テレセントリック発光型微小画素アレイ光変調器。
【請求項２２】
請求項１に記載の非テレセントリック発光型微小画素アレイ光変調器であって、
前記画素化された多色発光のＩＩＩ／Ｖ族半導体レイヤによって発せられる画素化された光は、各画素が、画素化された多色発光のＩＩＩ／Ｖ族半導体レイヤの積み重ねレイヤの各々から光を発するための導波路によって、少なくとも部分的にコリメートされ、
前記方向性変調レイヤの各光学素子は、フーリエレンズであり、
前記方向性変調レイヤの各光学素子の中心は、画素化された多色発光のＩＩＩ／Ｖ族半導体レイヤのそれぞれの画素に位置合わせされ、且つ、
各々がそれぞれの光学素子に対する前記導波路の位置は、望ましい方向性変調パターンを提供するべく、空間的に変調される、非テレセントリック発光型微小画素アレイ光変調器。
【請求項２３】
請求項１に記載の非テレセントリック発光型微小画素アレイ光変調器であって、
前記方向性変調レイヤは、異なる屈折率を有する金属レール又は誘電性材料のいずれかの連続的レイヤによって形成される微小格子から構成される回折性の方向性変調レイヤである、非テレセントリック発光型微小画素アレイ光変調器。
【請求項２４】
請求項２３に記載の非テレセントリック発光型微小画素アレイ光変調器であって、
前記微小格子は、広帯域透過格子又は多レベル格子である、非テレセントリック発光型微小画素アレイ光変調器。
【請求項２５】
請求項１に記載の非テレセントリック発光型微小画素アレイ光変調器であって、
前記方向性変調レイヤは、酸化シリコン及び窒化シリコンの複数レイヤによって形成される微小格子から構成される回折性の方向性変調レイヤである、非テレセントリック発光型微小画素アレイ光変調器。
【請求項２６】
請求項１に記載の非テレセントリック発光型微小画素アレイ光変調器であって、
前記方向性変調レイヤは、対応する画素からその上に結合される光を、それぞれの収束方向へ方向性変調し、且つ、前記非テレセントリック発光型微小画素アレイ光変調器からの収束光を受け入れると共に、前記収束光を投射するべく位置決めされた投射光学系を更に備え、それによって、多色プロジェクタを形成する、非テレセントリック発光型微小画素アレイ光変調器。
【請求項２７】
請求項１に記載の非テレセントリック発光型微小画素アレイ光変調器であって、
導波路と共に、前記非テレセントリック発光型微小画素アレイ光変調器は、前記導波路の入力開口に結合され、前記導波路はまた、出力開口を有し、前記非テレセントリック発光型微小画素アレイ光変調器は、前記導波路上に位置決めされ、且つ前記方向性変調レイヤは、前記画素化された多色発光のＩＩＩ／Ｖ族半導体レイヤからの画像を、前記入力開口の中に向け、前記導波路の前記出力開口を通って前記導波路から出る前に、全内部反射によって反射されるべく、選択される、非テレセントリック発光型微小画素アレイ光変調器。
【請求項２８】
請求項１に記載の非テレセントリック発光型微小画素アレイ光変調器であって、
テーパ付き導波路と共に、前記非テレセントリック発光型微小画素アレイ光変調器は、第１の厚さの前記テーパ付き導波路の領域内で前記テーパ付き導波路の入力開口に結合され、前記テーパ付き導波路はまた、第２の厚さの前記テーパ付き導波路の領域内で出力開口を有し、前記第２の厚さは、前記第１の厚さ以下であり、前記非テレセントリック発光型微小画素アレイ光変調器は、前記テーパ付き導波路上に位置決めされ、且つ前記方向性変調レイヤは、前記画素化された多色発光のＩＩＩ／Ｖ族半導体レイヤからの画像を向けるように選択され、その選択によって、該画像は、前記テーパ付き導波路のテーパによって引き起こされる全内部反射の破綻の結果として、前記テーパ付き導波路の前記出力開口を通って前記テーパ付き導波路から出る前に、前記全内部反射によって、前記テーパ付き導波路の少なくとも第１の内部表面によって反射される、非テレセントリック発光型微小画素アレイ光変調器。
【請求項２９】
非テレセントリック発光型微小画素アレイ光変調器を作製する方法であって、
該非テレセントリック発光型微小画素アレイ光変調器は、制御レイヤと、前記制御レイヤの上に積み重ねられた画素化された多色発光のＩＩＩ／Ｖ族半導体レイヤであって、該画素化された多色発光のＩＩＩ／Ｖ族半導体レイヤは、色的及び時間的に変調される、少なくとも部分的にコリメートされ、画素化された光を発するべく、前記制御レイヤから制御可能である、画素化された多色発光のＩＩＩ／Ｖ族半導体レイヤと、前記画素化された多色発光のＩＩＩ／Ｖ族半導体レイヤ上の方向性変調レイヤの光学素子であって、各々の光学素子は、対応する画素からその光学素子上に結合される光を、前記画素化された多色発光のＩＩＩ／Ｖ族半導体レイヤに垂直な軸に対して、それぞれの方向へ方向性変調する、方向性変調レイヤの光学素子と、前記方向性変調レイヤの上のカバーガラスレイヤと、を有し、
該方法は、
基板としての前記カバーガラスレイヤを使用して、前記カバーガラスレイヤ上に前記方向性変調レイヤを製作するステップと、
前記カバーガラスレイヤ上の前記方向性変調レイヤに、前記画素化された多色発光のＩＩＩ／Ｖ族半導体レイヤの積み重ねを接合するステップと、
ＣＭＯＳ制御レイヤに、前記画素化された多色発光のＩＩＩ／Ｖ族半導体レイヤの積み重ねを接合するステップ、又は
基板としての前記カバーガラスレイヤを使用して、前記カバーガラスレイヤ上に前記方向性変調レイヤを製作するステップと、
前記ＣＭＯＳ制御レイヤに既に接合された、前記画素化された多色発光のＩＩＩ／Ｖ族半導体レイヤの積み重ねに、前記方向性変調レイヤを接合するステップ、又は
ＣＭＯＳ制御レイヤに、前記画素化された多色発光のＩＩＩ／Ｖ族半導体レイヤの積み重ねを接合するステップと、
前記画素化された多色発光のＩＩＩ／Ｖ族半導体レイヤの積み重ねの上に前記方向性変調レイヤを製作するステップと、
前記方向性変調レイヤに前記カバーガラスを接合するステップと、
を備える、方法。
【請求項３０】
超小型ディスプレイプロジェクタを製作する方法であって、
制御レイヤを設けるステップと、
前記制御レイヤの上に積み重ねられた、画素化された多色発光のＩＩＩ／Ｖ族半導体レイヤを設けるステップであって、該画素化された多色発光のＩＩＩ／Ｖ族半導体レイヤは、色的及び時間的に変調される発光型光学的開口にわたって少なくとも部分的にコリメートされ、画素化された光を発するべく、前記制御レイヤから制御可能である、ステップと、
前記画素化された多色発光のＩＩＩ／Ｖ族半導体レイヤの上に方向性変調レイヤの光学素子を設けるステップであって、該方向性変調レイヤの光学素子は、前記発光型光学的開口全体にわたって広がり、各光学素子は、対応する画素からその光学素子上に結合される光を、前記方向性変調レイヤに垂直な軸に対して、それぞれの収束方向へ方向性変調する、ステップと、
投射光学系を設けるステップであって、該投射光学系は、前記方向性変調レイヤからの収束光を受け取るための第１の光学素子と、前記第１の光学素子からの光を受け取るための第２の光学素子と、投射された画像を拡大するべく、前記第２の光学素子からの光を受け取るための１つ以上の付加的な光学素子と、を含み、前記光学素子は、前記第１の光学素子の前記発光型光学的開口の最大フィルファクタを達成するべく、発せられた前記光を方向性変調し、前記第１の光学素子は、前記フィルファクタを最大に維持しながら、前記第２の光学素子の光学的開口に向けて光線を向け直し、前記第２の光学素子は、前記投射された画像を拡大するべく、前記第２の光学素子からの光を受け取るために、前記光を前記１つ以上の付加的な光学素子に向け直す、ステップと、
を備える、方法。
【請求項３１】
最小クロストーク明視野変調器を製作する方法であって、
制御レイヤを設けるステップと、
前記制御レイヤの上に積み重ねられた、画素化された多色発光のＩＩＩ／Ｖ族半導体レイヤを設けるステップであって、該画素化された多色発光のＩＩＩ／Ｖ族半導体レイヤは、色的及び時間的に変調され、少なくとも部分的にコリメートされ、画素化された光を発するべく、前記制御レイヤから制御可能である、ステップと、
前記画素化された多色発光のＩＩＩ／Ｖ族半導体レイヤの上に、方向性変調レイヤの光学素子を設けるステップであって、前記光学素子は、群で編成されており、光学素子の各群は明視野のホーゲルを表し、１つの群の光学素子の中の各光学素子は、対応する画素からその光学素子上に結合される光を、前記方向性変調レイヤに垂直な軸に対して、それぞれの群の光学素子の中心に向かう、それぞれの収束方向へ方向性変調し、それによって、それぞれの群の光学素子から発せられた光が、前記方向性変調レイヤに垂直な前記軸に向けて、系統的に方向性収束することを引き起こし、その結果として、前記光学素子からの前記光は、関連するホーゲルレンズ開口の光学的開口内に実質的に制限されたままであり、従って、隣接するホーゲルレンズ間の光漏れ又はクロストークを最小化する、ステップと、
を備える、方法。
【請求項３２】
全内部反射導波路における複数の画素出力から成る画像を導くための方法であって、
該方法は、
複数のそれぞれの微小光学素子を使用して、複数のイメージャ画素出力を方向性変調するステップであって、前記微小光学素子は、全内部反射導波路におけるそれぞれのイメージャ画素出力を、接線方向平面又は横方向平面、及び、ベクトル平面又は標高平面の中の一意的な方向に方向性変調するように構成され、その結果として、前記イメージャ画素出力の導波角度、及びそれぞれの画素の（ｘ，ｙ）座標からの横方向発散を決定する、ステップにおいて、それによって、前記接線方向平面又は横方向平面が、前記イメージャ画素出力が前記全内部反射導波路を通って伝搬する際に変調される画像の全拡張又は全拡大を決定する、ステップ、
から成るステップを備える、方法。
【請求項３３】
請求項３２に記載の方法であって、
前記接線方向平面又は横方向平面における前記イメージャ画素出力の方向性変調は、変調される画像のｘ軸拡大ファクタを定義し、且つベクトル平面又は標高平面における前記イメージャ画素出力の方向性変調は、前記イメージャ画素出力が前記全内部反射導波路を通って伝搬する角度を定義する、方法。
【請求項３４】
明視野ディスプレイにおける光学的クロストークを最小化するための方法であって、
該方法は、
複数のそれぞれの微小光学素子を使用して、ホーゲルレンズに関連付けられる微小画素のサブアレイにおいて、複数の明視野イメージャ画素出力を方向性変調するステップであって、それによって、前記それぞれの微小光学素子は、前記ホーゲルレンズの光学的開口の中にそれぞれの前記明視野イメージャ画素出力を制限する、ステップ、
から成るステップを備える、方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
［関連出願への相互参照］
この出願は、２０１５年１２月２８日に出願された米国仮特許出願第６２／２７１，６３７号の利益を主張する。
【０００２】
本発明は、非テレセントリック発光型空間光変調器、発光型微小画素ディスプレイ、超小型画像プロジェクタ、方向性光変調器、多視野二次元ディスプレイ、三次元ディスプレイ、ニアアイディスプレイ、ヘッドアップディスプレイに関する。
【背景技術】
【０００３】
空間光変調器（ＳＬＭ）は、通常、ディスプレイシステムにおいて画像源として使用される微小スケール画素の平面アレイを有するオプトエレクトロニクスデバイスの一種である。そのような光変調器は、通常、３つの特徴的な種類、即ち、反射型、透過型、又は発光型の１つに入る。反射型ＳＬＭの例は、微小ミラー・アレイ・デバイス及びシリコン上の液晶（ＬＣｏＳ）デバイスを含む。透過型ＳＬＭの例は、高温ポリシリコン液晶（ＨＴＰＳ）デバイスを含む。発光型ＳＬＭの例は、発光型微小画素アレイデバイスを含む。発光型微小画素アレイデバイスの一例は、特許文献１、特許文献２、特許文献３、特許文献４、特許文献５、及び特許文献６に記載された量子フォトニックイメージャ又はＱＰＩ（登録商標）イメージャ、及び有機発光ダイオード（ＯＬＥＤ）微小画素アレイデバイスに基づくものであろう。反射型ＳＬＭ及び透過型ＳＬＭは両方とも、通常、画像を変調するための外部光源を必要とするが、その一方で、発光型ＳＬＭは、それ自体の光を発生させる。一般に、ＳＬＭの現在の全ての種類は、テレセントリック光を変調するが、これは、変調された光束が、光変調器画素アレイの平面に垂直な主光線を有することを意味する。反射型ＳＬＭ及び透過型ＳＬＭの場合、テレセントリック光変調は、それらの外部光源の設計制限によって規定される。テレセントリック発光は、ＯＬＥＤベースのＳＬＭのようなランバーシアン発光プロファイルを有する発光型ＳＬＭに対して利用可能である、ただ１つの選択肢である。
【０００４】
本明細書での使用に適した微小発光型固体発光ディスプレイ素子の例は、制限なく、特許文献１、特許文献２、特許文献３、特許文献４、特許文献５、及び特許文献６に記載された例を含む。これらのＳＳＬイメージャは、高い輝度を特徴とするが、この特徴は、単一デバイスで必要とされる駆動回路の全てを有する多色発光型の微小画素空間アレイにおけるものである。この開示の文脈内では、「ＳＳＬイメージャ」という用語は、今後、発光型の微小スケール固体光（ＳＳＬ）発光画素のアレイを備えるオプトエレクトロニクスデバイスを意味することを意図している。そのようなイメージャのＳＳＬ発光画素（今後、単にＳＳＬイメージャと呼ぶ）は、通常、発光ダイオード（ＬＥＤ）又はレーザダイオード（ＬＤ）のいずれかであり、これらのオン−オフ状態は、ＣＭＯＳデバイス内に含まれる駆動回路によって制御されるが、該ＣＭＯＳデバイス上に、微小スケール画素アレイが形成される、又は接合される。ＳＳＬイメージャの発光型微小スケール画素アレイ内の画素は、ＣＭＯＳ又はその同等品のような駆動回路を通して、個々にアドレス指定可能であり、これによって、ＳＳＬイメージャが、空間的に、色的に、且つ時間的に変調された光を発するのを可能にしている。ＳＳＬイメージャによって発せられる多数の色は、同じ画素の光学的開口を共有している。本明細書における実施形態での使用に最も適したＳＳＬイメージャでは、各ＳＳＬイメージャの画素は、ＱＰＩ−ＳＳＬイメージャの場合には、少なくとも部分的にコリメートされた（又は非ランバーシアン）光を発し、そこでは発散角は、設計によって、±５°から±４５°までの範囲にある。ＳＳＬイメージャの発光型アレイを備える画素のサイズは、通常、おおよそ５ミクロンから２０ミクロンの範囲にあるであろう。その場合、デバイスの典型的な発光表面エリアは、おおよそ１５平方ミリメートルから１５０平方ミリメートルの範囲にある。ＳＳＬイメージャは、好ましくは、その発光型画素アレイエリアとデバイスの物理的縁部との間の最小ギャップを用いて設計することが可能であり、これによって、任意のサイズの発光型ディスプレイエリアを創り出すべく、ＱＰＩイメージャを含めた、多数のＳＳＬイメージャを並べて表示することが可能になる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】米国特許第７，６２３，５６０号
【特許文献２】米国特許第７，７６７，４７９号
【特許文献３】米国特許第７，８２９，９０２号
【特許文献４】米国特許第８，０４９，２３１号
【特許文献５】米国特許第８，２４３，７７０号
【特許文献６】米国特許第８，５６７，９６０号
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００６】
ＳＬＭの現在の全ての種類は、好んでテレセントリック光を変調してはいるが、非テレセントリック光発光ＳＬＭからは、多くのものが得られるはずである。反射型ＳＬＭ及び透過型ＳＬＭの非テレセントリック光変調能力は、それらの外部光源によって制限されているので、且つ発光型ＯＬＥＤベースのＳＬＭは、そのランバーシアン発光プロファイルのために、非テレセントリック発光を達成できないので、コリメートされた（又は非ランバーシアン）光を発する発光型多色微小画素を有するＳＳＬイメージャは、非テレセントリック光変調を達成するべく、唯一、資格を与えられている。それ故に、本発明の１つの目的は、非テレセントリック発光の能力を含めるべく、ＳＳＬイメージャの設計方法及び製造方法を拡張することである。これは、そのような能力から利益を得る立場にある数多くの可能な応用に向けたものであり、該応用のいくつかは、非制限的な例としてのみ、本明細書で説明される。
【０００７】
図１Ａは、テレセントリック発光ＳＬＭを使用した投射型ディスプレイの先行技術による設計概念を図示したものである。図１Ａに図示されるように、テレセントリック発光ＳＬＭ１１０から発せられる光束１０５の発散パターンは、大直径投射光学系１１５の使用を規定するが、大直径投射光学系１１５は、通常、大きな光学トラック長１２０を規定し、大きな光学トラック長１２０は、今度は、過度にかさばるテレセントリック発光ＳＬＭ１１０を使用する投射システムの全体的な設計を作成する。それ故に、本発明の目的の１つは、非テレセントリック発光ＳＬＭの方法を導入することであり、この非テレセントリック発光ＳＬＭの方法は、より小さな直径の投射光学系を可能にし、且つ、従って、より短い光学トラック長及び、実質的により小型の全体的な投射システムを達成する。
【０００８】
図１Ｂは、三次元明視野ディスプレイの先行技術の設計を図示しており、ここで該三次元明視野ディスプレイは、テレセントリック光発光ＳＬＭを使用している（例えば、米国特許第８，９２８，９６９号、米国特許第８，８５４，７２４号、及び米国特許第９，１９５，０５３号）。これらのタイプのディスプレイでは、レンズ（１３０〜１３２）のアレイが使用され、それによって、これらのレンズの各々（例えば１３０）は、ＳＬＭ微小画素１１５のサブアレイから発せられる光を方向性変調して、サブアレイの画素の中の各画素の空間的位置に依存して、一意的な一組の方向に範囲を限定する。図１Ｂに図示されるように、画素サブアレイに対応する各レンズ（例えば、１３０）の境界で、画素から発せられるテレセントリック光束１３５の発散パターンは、隣接するレンズ（例えば、１３１及び１３２）を部分的に照明するであろう。この効果（これは、しばしば「クロストーク」と呼ばれる）は、方向性変調された三次元画像における、望ましくない「ゴースト」歪みを引き起こす。それ故に、本発明の別の目的は、最小のクロストーク画像歪みを示す三次元明視野ディスプレイを可能とする、非テレセントリック発光ＳＬＭ方法を導入することである。
【０００９】
三次元ディスプレイの設計では、三次元観覧概念を創り出すために、発せられる光の方向性変調が必要である。典型的な三次元ディスプレイでは、複数の照明方向において一様な照明を有するバックライトが要求されるが、これは、ＳＬＭにおける空間的多重化と時間的多重化の幾つかの組み合わせを利用することによって、異なる方向から同じシーンの画像を表示するためである。これらの三次元ディスプレイでは、通常、方向性バックライトから来る光は、（例えば、図１Ｄ（米国特許第７，９５２，８０９号）の回折プレート又はホログラフィック光学プレートのような）方向性選択的なフィルタによって普通は処理されるが、その処理は、光が、その方向性を保ちながら、光の色及び光の強度を変調する空間光変調器の画素に達する前に行われる。
【００１０】
現在のところ、先行技術による方向性光変調器は、複数の光源を備える照明ユニットと、光源によって発せられる光を指定された方向に向ける方向性変調ユニットとの組み合わせである（図１Ｄ、図１Ｅ、及び図１Ｆを参照のこと）。先行技術の幾つかの変形例を描いている図１Ａ、図１Ｂ、及び図１Ｃに図示されるように、照明ユニットは、普通は、走査ミラー、回転障壁のような電気機械的な移動デバイスに結合されるか（米特許第６，１５１，１６７号、米国特許第６，４３３，９０７号、米国特許第６，７９５，２２１号、米国特許第６，８０３，５６１号、米国特許第６，９２４，４７６号、米国特許第６，９３７，２２１号、米国特許第７，０６１，４５０号、米国特許第７，０７１，５９４号、米国特許第７，１９０，３２９号、米国特許第７，１９３，７５８号、米国特許第７，２０９，２７１号、米国特許第７，２３２，０７１号、米国特許第７，４８２，７３０号、米国特許第７，４８６，２５５号、米国特許第７，５８０，００７号、米国特許第７，７２４，２１０号、米国特許第７，７９１，８１０号、米国特許出願公開第２０１０／００２６９６０号、及び米国特許出願公開第２０１０／０２４５９５７号を参照のこと）、又は、液体レンズ若しくは偏光スイッチングのように電気光学的に結合される（米国特許第５，９８６，８１１号、米国特許第６，９９９，２３８号、米国特許第７，１０６，５１９号、米国特許第７，２１５，４７５号、米国特許第７，３６９，３２１号、米国特許第７，６１９，８０７号、米国特許第７，９５２，８０９号、並びに、図１Ａ、図１Ｂ、及び図１Ｃを参照のこと）。
【００１１】
遅いこと、かさばること、及び光学的に損失があることに加えて、先行技術の方向性バックライトユニットは、通常、狭いスペクトル帯域幅、高いコリメーション、及び個々の制御性を有する必要があるが、これは、三次元表示を目的として、方向的に選択性のあるフィルタと組み合わせるためである。狭いスペクトル帯域幅及び高いコリメーションを達成するには、デバイスレベルの革新及び光学的な光調整が要求され、このことは、全体的なディスプレイシステムのコスト及び体積的な側面を増大させる。個々の制御性を達成するには、付加的な回路及び複数の光源が要求され、このことは、システムの複雑さ、かさ、及びコストを増大させる。それ故に、本発明の１つの目的は、方向性光変調器を導入することであり、ここで該方向性光変調器は、先行技術の制限を克服し、従って、歪み無しの三次元ディスプレイ及び多視野二次元ディスプレイを創り出すことを可能にするが、これらのディスプレイは、体積的な利点に加えて、広い視野角にわたる観覧体験を提供する。
【００１２】
本発明の付加的な目的及び利点は、添付図を参照しながら進む、本発明の好ましい実施形態の以下の詳細な説明から、明らかになるであろう。
【００１３】
本発明は、添付図面の図の中で、制限としてではなく、例として例証される。ここで添付図面では、同様な参照符号は、類似の要素を参照する。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１Ａ】テレセントリック空間光変調器を使用する、先行技術による光投射を図示したものである。
【図１Ｂ】テレセントリック空間光変調器を使用する、先行技術による方向性光変調器を図示したものである。
【図１Ｃ】液体レンズを使用する、先行技術による方向性光変調器を図示したものである。
【図１Ｄ】走査ミラーを使用する、先行技術による方向性光変調器を図示したものである。
【図１Ｅ】先行技術による、方向性変調されるバックライトを図示したものである。
【図１Ｆ】方向性変調されたバックライトを使用する、先行技術による方向性ディスプレイを図示したものである。
【図２Ａ】本発明に従う、一般化された非テレセントリック発光型微小画素光変調器（ＳＳＬイメージャ）の断面図を図示したものである。
【図２Ｂ−１】本発明の非テレセントリック発光型微小画素光変調器のフォトニックレイヤの光結合最上面の上面図を図示したものである。
【図２Ｂ−２】本発明の非テレセントリック発光型微小画素光変調器のフォトニックレイヤの光結合最上面の上面図を図示したものである。
【図２Ｃ−１】本発明の非テレセントリック発光型微小画素方向性光変調器の方向性変調の態様を図示したものである。
【図２Ｃ−２】本発明の非テレセントリック発光型微小画素方向性光変調器の方向性変調の態様を図示したものである。
【図２Ｄ−１】本発明の非テレセントリック発光型微小画素方向性光変調器の方向性光変調画素群の幾何学的な態様を図示したものである。
【図２Ｄ−２】本発明の非テレセントリック発光型微小画素方向性光変調器の方向性光変調画素群の幾何学的な態様を図示したものである。
【図２Ｄ−３】本発明の非テレセントリック発光型微小画素方向性光変調器の方向性光変調画素群の幾何学的な態様を図示したものである。
【図３Ａ】本発明の一実施形態の概略的断面を図示したものであり、この実施形態では、アレイ画素レベルの微小光学素子は、中心がずれた屈折性光学素子（ＲＯＥ)として実現される。
【図３Ｂ】本発明の一実施形態の方向性変調レイヤの表面図を図示したものであり、この実施形態では、アレイ画素レベルの微小光学素子は、中心がずれた屈折性光学素子（ＲＯＥ)として実現される。
【図４Ａ】本発明の一実施形態の概略的断面を図示したものであり、この実施形態では、アレイ画素レベルの微小光学素子は、傾いた屈折性光学素子（ＲＯＥ)として実現される。
【図４Ｂ】本発明の一実施形態の方向性変調レイヤの表面図を図示したものであり、この実施形態では、アレイ画素レベルの微小光学素子は、傾いた屈折性光学素子（ＲＯＥ)として実現される。
【図５Ａ】本発明の一実施形態の導波路出口の概略的断面を図示したものであり、この実施形態では、アレイ画素レベルの微小光学素子は、空間的に変調される屈折性光学素子（ＲＯＥ）として実現される。
【図５Ｂ】本発明の一実施形態の導波路出口の上面図を図示したものであり、この実施形態では、アレイ画素レベルの微小光学素子は、空間的に変調される屈折性光学素子（ＲＯＥ）として実現される。
【図６Ａ】本発明の一実施形態を図示したものであり、この実施形態では、アレイ画素レベルの微小光学素子は、回折性光学素子（ＤＯＥ）として実現される。
【図６Ｂ】一実施例を図示したものであり、この実施例では、ＳＳＬイメージャ画素の回折性光学素子は、ブレーズド格子を形成する複数の誘電体レイヤを使用して実現される。
【図６Ｃ】多レベル格子が使用される場合の実施例を図示したものであり、該多レベル格子は、ＳＳＬイメージャ画素の複数波長発光の帯域幅にわたって、望ましい回折角を実現するためのものである。
【図７Ａ】本発明の非テレセントリック発光型微小画素光変調器の画素レベルの微小光学素子のウェーハレベル光学系（ＷＬＯ）の製作プロセスを図示したものである。
【図７Ｂ】本発明の非テレセントリック発光型微小画素光変調器の画素レベルの微小光学素子のウェーハレベル光学系（ＷＬＯ）製作プロセスで使用されるリソグラフィのマスクセットを図示したものである。
【図７Ｃ】本発明の非テレセントリック発光型微小画素光変調器の中心がずれた画素レベルの微小光学素子のウェーハレベル光学系（ＷＬＯ)製作プロセスを図示したものである。
【図７Ｄ】本発明の非テレセントリック発光型微小画素光変調器の画素レベルの微小光学素子のウェーハレベル光学系（ＷＬＯ)の製作プロセスシーケンスの１つを図示したものである。
【図７Ｅ】本発明の非テレセントリック発光型微小画素光変調器の画素レベルの微小光学素子のウェーハレベル光学系（ＷＬＯ)の製作プロセスシーケンスの１つを図示したものである。
【図７Ｆ】本発明の非テレセントリック発光型微小画素光変調器の画素レベルの微小光学素子のウェーハレベル光学系（ＷＬＯ)の製作プロセスシーケンスの１つを図示したものである。
【図７Ｇ】本発明の非テレセントリック発光型微小画素光変調器の画素レベルの微小光学素子のウェーハレベル光学系（ＷＬＯ)の製作プロセスシーケンスの１つを図示したものである。
【図７Ｈ】本発明の非テレセントリック発光型微小画素光変調器の画素レベルの微小光学素子のウェーハレベル光学系（ＷＬＯ)の製作プロセスシーケンスの１つを図示したものである。
【図７Ｉ】本発明の非テレセントリック発光型微小画素光変調器の画素レベルの微小光学素子のウェーハレベル光学系（ＷＬＯ)の製作プロセスシーケンスの１つを図示したものである。
【図７Ｊ】本発明の非テレセントリック発光型微小画素光変調器の画素レベルの微小光学素子のウェーハレベル光学系（ＷＬＯ)の製作プロセスシーケンスの１つを図示したものである。
【図７Ｋ】本発明の非テレセントリック発光型微小画素光変調器の画素レベルの微小光学素子のウェーハレベル光学系（ＷＬＯ)の製作プロセスシーケンスの１つを図示したものである。
【図７Ｌ】本発明の非テレセントリック発光型微小画素光変調器の画素レベルの微小光学素子のウェーハレベル光学系（ＷＬＯ)の製作プロセスシーケンスの１つを図示したものである。
【図７Ｍ】本発明の非テレセントリック発光型微小画素光変調器の画素レベルの微小光学素子のウェーハレベル光学系（ＷＬＯ)の製作プロセスシーケンスの１つを図示したものである。
【図８Ａ】本発明の非テレセントリック発光型微小画素光変調器によって可能となる超小型ディスプレイプロジェクタの設計方法を図示したものである。
【図８Ｂ】本発明の非テレセントリック発光型微小画素光変調器によって可能となる、図８Ａの超小型ディスプレイプロジェクタの優れた光学効率及び一様性を図示したものである。
【図８Ｃ】本発明の非テレセントリック発光型微小画素光変調器によって可能となる、図８Ａの超小型ディスプレイプロジェクタの優れた体積効率を図示したものである。
【図９】本発明の非テレセントリック発光型微小画素光変調器によって可能となる最小クロストーク明視野変調器の設計方法を図示したものである。
【図１０Ａ】本発明の非テレセントリック発光型微小画素光変調器によって可能となる多視野二次元ディスプレイの上面図を図示したものである。
【図１０Ｂ】本発明の非テレセントリック発光型微小画素光変調器によって可能となる多視野二次元ディスプレイの側面図を図示したものである。
【図１１Ａ】本発明の非テレセントリック発光型微小画素光変調器によって可能となる導波路型光変調器の側面図を図示したものである。
【図１１Ｂ】本発明の非テレセントリック発光型微小画素光変調器によって可能となる導波路型光変調器の上面図を図示したものである。
【図１１Ｃ】本発明の非テレセントリック発光型微小画素光変調器によって可能となるテーパ付き導波路型光変調器の側面図を図示したものである。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
本発明の以下の詳細な説明における、「一実施形態」又は「実施形態」に対する参照は、該実施形態に関連して説明される特定の特徴、構造、又は特性が、本発明の少なくとも１つの実施形態に含まれることを意味する。この詳細な説明の様々な箇所において、「一実施形態において」という成句が出現することは、必ずしも、全てが同じ実施形態を参照しているわけではない。
【００１６】
後に続く説明において、微小画素の方向性変調群及びこれに類似の参照のような単語群に対して、参照が行われる。本発明に従う非テレセントリック発光型微小画素アレイ光変調器が明視野を表す場合、画素群に対する参照、又は対応する微小光学素子に対する参照は、単一のホーゲルに関連付けられた画素又は微小光学素子に対する参照である。本発明が、１つ以上の二次元シーンを同時に表示するべき場合、一群の画素に対する参照、又は対応する微小光学素子に対する参照は、非テレセントリック発光型微小画素アレイ光変調器の全ての画素に対する参照、又はそれぞれの二次元シーンに関連付けられた画素群の１つに対する参照である。
【００１７】
本明細書の実施形態は、ＳＳＬイメージャの発光型微小画素アレイ能力を、一体的に製作された画素レベルの微小光学素子（特許請求の範囲では、方向性変調レイヤと呼ばれる）と組み合わせて、非テレセントリック空間光変調器を創り出すが、該非テレセントリック空間光変調器は、その発光型微小画素の各々から発せられる光の方向性変調はもちろんのこと、色と輝度を組み合わせた機能性を実施する。画素レベルの微小光学素子は、一種のウェーハレベル光学系（ＷＬＯ）であり、このウェーハレベル光学系は、本発明に従って、酸化シリコン若しくは窒化シリコンのような半導体誘電性材料からＳＳＬイメージャウェーハ上に一体的に製作されるか、又は、代わりに、紫外線（ＵＶ）インプリントリソグラフィを使用して、ＵＶ硬化性重合体によって製作される。本明細書で使用されるように、ウェーハレベル又はウェーハは、少なくとも２インチの直径、そしてより好ましくは、４インチ以上の直径を有するデバイス又はデバイスの行列を意味する。ＷＬＯの主な利点の中には、小さな形体の微小スケール光学素子を製作する能力、及び、例えば、ＳＳＬイメージャ又はＣＭＯＳセンサのようなデバイスのオプトエレクトロニクス素子に、ＷＬＯ光学素子の複数のレイヤを精密に位置合わせする能力がある。典型的なＷＬＯ製作技術によって達成され得る位置合わせの精密さは、１ミクロンよりもはるかに小さいことが可能である。ＳＳＬイメージャの発光型微小画素アレイの個々の画素アドレス指定能力と、精密に位置合わせされた微小画素レベル光学素子との組み合わせ（本明細書では、集合的に「非テレセントリックＳＳＬイメージャ」と呼ばれる）は、第１の非テレセントリック発光ＳＬＭを創り出し、この第１の非テレセントリック発光ＳＬＭは、以前の議論及び今後の詳細において強調される数多くの応用を可能にする。
【００１８】
本明細書の実施形態において、画素の色、輝度、及び方向性光変調は、ＳＳＬイメージャ発光型画素と光線の曲がりとの組み合わせによって達成されるが、ここで該光線の曲がりは、非テレセントリック発光ＳＳＬイメージャを集合的に備える、関連する微小画素レベル光学系によって達成される。
【００１９】
図２Ａは、本発明で使用してもよい、代表的な非テレセントリック発光型微小画素（空間）光変調器（ＳＳＬイメージャ）２００の一般的な断面図を示している。図２Ａに示されるように、代表的なＳＳＬイメージャ２００の全体構造は、複数レイヤの積み重ねであり、この複数レイヤの積み重ねは、フォトニック微小画素アレイレイヤ２０５を備えるが、それと共に、該アレイレイヤ２０５の非発光型裏面２３３に接合された制御レイヤ２２５と、方向性変調レイヤ２４５と、該アレイレイヤ２０５の発光型最上面２３０に接合されたカバーガラスレイヤ２３５（幾つかの実施形態では任意選択的である）と、を備える。フォトニックレイヤ２０５は、発光型多色微小画素２１０のアレイを備えるが、各微小画素は、その反射的側壁２２０と、その反射的な最上面及び裏面の接触と、によって定義されるフォトニック空洞である。ここで該最上面及び裏面の接触は、それぞれ、フォトニックレイヤ２０５の最上面２３０及び裏面２３３を形成する。フォトニックレイヤ２０５は多色発光のＩＩＩ／Ｖ族半導体サブレイヤ２１５の積み重ねであり、該サブレイヤ２１５は、画素化される場合（即ち、半導体リソグラフィ、エッチング及び堆積技術を使用して微小画素アレイに形成される場合）、微小画素アレイ２００を備える微小画素２１０の各々のフォトニック空洞内に、ヘテロ接合ダイオードの多色積み重ねを形成する。微小画素２１０の各々は、各画素の色発光サブレイヤ２１５のオン−オフ状態を制御するべく、制御レイヤ２２５に電気的に結合されるが、この結合は、裏面２３３及び側壁２２０を通した複数の接触金属微小ビアによって行われる。制御レイヤ２２５は、複数のデジタル論理サブレイヤを備える相補型金属酸化膜半導体（ＣＭＯＳ）であり、ここで該複数のデジタル論理サブレイヤは、ＣＭＯＳ接触ビアを通して結合されたＳＳＬイメージャデジタル入力を電気信号に変換する（又は処理する）ように設計されるが、該電気信号は、各画素に結合され、画素から発せられる光の色及び輝度を変調する。制御レイヤ２２５を製作するために使用されるＣＭＯＳ技術プロセスの幾何学に依存して（例えば、１８０ｎｍのＣＭＯＳ対６５ｎｍ又はそれ以下の幾何学のＣＭＯＳ）、制御レイヤ２２５は、単に微小画素駆動回路を履行するか、又は微小画素の電気的駆動信号を生成するのにつながるような、デジタル画像入力の複雑なデジタル画像処理を更に履行するかの、いずれかのために使用することが可能である。
【００２０】
図２Ｂ−１及び図２Ｂ−２は、本明細書の実施形態に係る、非テレセントリック発光型微小画素光変調器（ＳＳＬイメージャ）２００のフォトニックレイヤ２０５の光結合最上面２３０の上面図を図示する。図２Ｂ−１及び図２Ｂ−２に図示されるように、各微小画素２１０の光結合最上面２３０は、多数の導波路２６０から構成されるが、ここで該多数の導波路２６０は、半導体リソグラフィ、エッチング、及び堆積技術を使用して、最上面のサブレイヤ２３０上に形成される。図２Ｂ−１及び図２Ｂ−２に示されるように、導波路２６０は、フォトニックレイヤ２０５の光結合最上面２３０に関して、様々な位置に配置してもよい。導波路２６０の直径、深さ間隔パターン、及び使用される誘電性半導体材料に依存して、微小画素２１０からのコリメートされた光の発光の発散角は、±５°から±４５°の範囲にある発散角の範囲内で適合させることが可能である。戻って図２Ａを参照すると、微小画素２１０の各々から発せられた、少なくとも部分的にコリメートされた光は、方向性変調レイヤ２４５を備える、対応する微小画素レベルの光学素子２５０上に結合される。
【００２１】
図２Ｃ−１及び図２Ｃ−２は、本明細書の実施形態の非テレセントリック発光型微小画素光変調器（ＳＳＬイメージャ）２００の方向性変調レイヤ２４５の機能的な態様を図示する。図２Ｃ−１及び図２Ｃ−２の多数の区画に図示されるように、微小画素２１０の各々に関連付けられる微小光学素子２５０は、対応する微小画素２１０からその微小光学素子上に結合される光を、その垂直軸に対して一意的な方向に向ける（又は方向性変調する）ように設計してもよい。図２Ｃ−１及び図２Ｃ−２の多数の区画は、方向性変調パターンの２つの可能な例を図示しており、ここで該方向性変調パターンは、本明細書の実施形態の非テレセントリック発光型微小画素光変調器（ＳＳＬイメージャ）２００の方向性変調レイヤ２４５によって、実現することが可能である。図２Ｃ−１の第１の区画は、１つの例を図示しており、その例においては、方向性変調レイヤ２４５は、収束的な方向性変調パターンを実現するように設計されるが、この場合、微小画素２１０の方向性変調群２７０から発せられる光は、方向性変調群２７０の周辺縁部からその中心に向かって、垂直軸に対して系統的に方向性収束する。図２Ｃ−２の第２の区画は、１つの例を図示しており、その例では、方向性変調レイヤ２４５は、発散的な変調パターンを実現するように設計されるが、この場合、微小画素２１０の方向性変調群２７０から発せられる光は、方向性変調群２７０の中心からその周辺縁部に向かって、垂直軸から離れるように系統的に方向性発散する。図２Ｃ−１及び図２Ｃ−２では、微小画素２１０の各々の中心に配置された矢印は、微小画素２１０の各々から発せられた光束の主光線の方向を指し示すことを意味するが、この様子は、（ｘ，ｙ）平面内のそれぞれの矢印の角度及び、垂直軸からの角度を表す又は暗に示す、それぞれの矢印の長さによって表される。
【００２２】
図２Ｄ−１、図２Ｄ−２、及び図２Ｄ−３は、本明細書の実施形態の非テレセントリック発光型微小画素光変調器（ＳＳＬイメージャ）２００の方向性変調群２７０の幾何学的な態様を図示している。図２Ｄ−１、図２Ｄ−２、及び図２Ｄ−３の多数の区画に図示されるように、方向性変調画素群２７０の幾何学的形状は、微小画素アレイの（ｘ，ｙ）平面におけるその寸法を表す画素の数の観点から、意図された応用に依存して、多くの可能な形状の中で、もしかすると、正方形（図２Ｄ−1を参照）、長方形（図２Ｄ−３を参照）、又は六角形（図２Ｄ−２を参照）であり得る。微小画素における、方向性画素群２７０のサイズは、ＳＳＬイメージャ微小画素アレイのサブ領域か、又はＳＳＬイメージャの微小画素アレイ全体か、のいずれかを含むように広がることが可能である。方向性画素群２７０が、ＳＳＬイメージャ微小画素アレイのサブ領域を超えて広がる場合には、それは、繰り返された方向性変調パターンであり得るであろうし、又は、幾つかの場合、それは、応用に依存して、各方向性変調画素群２７０に対して、一意的な方向性変調パターンであり得るであろう。
【００２３】
方向性変調レイヤ２４５の画素レベルの微小光学素子２５０は、それらのそれぞれの発光型微小画素２１０と、（ｘ，ｙ）平面において同じ平面寸法を有するであろう。画素レベルの微小光学素子２５０は、屈折性光学素子（ＲＯＥ）又は回折性光学素子（ＤＯＥ）のいずれかとして、実現され得るであろう。これらの場合のいずれかにおいて、画素レベルの微小光学素子２５０の各々の光学設計パラメータは、以前に説明したように、変調画素群２７０にわたって選択された方向性変調パターンを実現するように、選択されるであろう。画素レベルの微小光学素子２５０は、酸化シリコン又は窒化シリコンのような半導体誘電性材料からか、又は、紫外線（ＵＶ）インプリントリソグラフィを使用した重合体からのいずれかで、ＳＳＬイメージャウェーハの上に一体的に製作されるであろう。一実施形態において、画素レベルの微小光学素子２５０の製作は、一連のリソグラフィ、エッチング、及び堆積のステップとして、ＳＳＬイメージャウェーハの最上面（発光側）上に直接完成されるであろう。ここでＳＳＬウェーハは、その最上面上にフォトニックレイヤ２０５（フォトニックレイヤ２０５は微小画素のレイヤ２３０を組み込む）と、その裏面上にＣＭＯＳ制御レイヤ２２５と、を既に組み込んでいる。本発明の別の実施形態において、画素レベルの微小光学素子２５０の製作は、一連のリソグラフィ、エッチング、及び堆積のステップとして、ウェーハサイズのカバーガラスレイヤ２３５の片面上に完成されるであろう。その後、カバーガラスウェーハの微小光学素子２５０側は、位置合わせされ、且つＳＳＬイメージャウェーハの最上面（発光側）上に直接接合される。ここでＳＳＬイメージャウェーハは、フォトニックレイヤ２０５及びＣＭＯＳ制御レイヤ２２５を既に組み込んでいる。本発明の更に別の実施形態において、画素レベルの微小光学素子２５０の製作は、一連のリソグラフィ、エッチング、及び堆積のステップとして、カバーガラス２３５の片面上に完成されるであろう。その後、ガラスカバーウェーハの微小光学素子２５０側が、基板として使用され、この基板に対して、複数のサブレイヤがフォトニックレイヤ２０５を構成し、フォトニックレイヤ２０５の上に、微小画素２３０のアレイが形成され、且つ、本明細書の実施形態の非テレセントリック発光型微小画素光変調器（ＳＳＬイメージャ）２００を製作するために、ＣＭＯＳ制御レイヤ２２５が、連続して接合されるであろう。
【００２４】
別の実施形態において、画素レベルの微小光学素子２５０の製作は、ＷＬＯ技術を使用して完成されるであろう。このＷＬＯ技術では、微小光学素子２５０は、カバーガラスレイヤ２３５の片面上にＵＶ硬化性のポリカーボネート重合体をエンボス加工することによって、形成されるであろう。その後、ウェーハの形成された微小光学素子２５０側は、位置合わせされ、且つＳＳＬイメージャウェーハの最上面（発光側）上に直接接合される。ここでＳＳＬイメージャウェーハは、フォトニックレイヤ２０５及びＣＭＯＳ制御レイヤ２２５を既に組み込んでいる。この方法では、画素レベルの微小光学素子２５０のレイヤは、微小機械加工又はレーザアブレーション技術を使用して最初に製作される微小光学素子２５０のアレイのマスターモールドを使用することによって製作され、その後、ＵＶ透過性モールドの上に転写されるであろう。ここでＵＶ透過性モールドは、ウェーハサイズのカバーガラス２３５の片側上にＵＶ硬化性のポリカーボネート重合体をエンボス加工するべく、使用される。微小光学素子２５０のアレイをエンボス加工することはまた、位置合わせマスクのエンボス加工を組み込むであろう。ここで位置合わせマスクは、フォトニックレイヤ２０５及びＣＭＯＳ制御レイヤ２２５を既に組み込んでいるＳＳＬイメージャウェーハとの接合プロセスの間に、それぞれの微小画素２３０に微小光学素子２５０を位置合わせするべく、使用されるであろう。この場合、エンボス加工された微小光学素子２５０を有するガラスカバーウェーハ２３５の、ＳＳＬイメージャウェーハ（これは、フォトニックレイヤ２０５及びＣＭＯＳ制御レイヤ２２５を既に組み込んでいる）に対する接合は、どちらかのウェーハ又は両方のウェーハの接合表面上に広げられるか、又は噴霧されるＵＶ硬化性の光学接着剤を使用して、完成されるであろう。その後、ウェーハは、各ウェーハの表面上に以前に組み込まれた位置合わせマスクを使用して、位置合わせされる。その後、位置合わせされたウェーハ対は、ＵＶレーザビームによって走査されるか、又はＵＶ投光照明器によって照射され、２つのウェーハの接合表面上に配置された光学接着剤接合レイヤを硬化させる。
【００２５】
「中心がずれた」屈折性微小光学素子（ＲＯＥ）：図３Ａは、本発明の実施形態の一実例を図示するが、この実例では、アレイ画素レベルの微小光学素子２５０は、屈折性光学素子（ＲＯＥ）として実現される。この実施形態では、画素レベルの屈折性微小光学素子２５０の方向性変調の態様は、異なる屈折率を有する誘電性材料３１０及び３２０の連続するレイヤによって形成される、中心がずれた微小レンズ２５０−１を使用して実現される。図３Ａ及び図３Ｂは、中心がずれた屈折性微小光学素子２５０−１として実現された場合の、本明細書の実施形態の非テレセントリック発光型微小画素光変調器（ＳＳＬイメージャ）２００の、それぞれ側面図及び上面図である。この実施形態では、画素レベルの微小光学素子２５０−１のアレイは、半導体リソグラフィ、エッチング、及び堆積技術を使用して、低屈折率レイヤ３１０に対する酸化シリコン、及び高屈折率レイヤ３２０に対する窒化シリコンのような、半導体誘電性材料の複数のレイヤとして、ウェーハレベルで一体的に製作されるであろう。図３Ａに図示されるように、アレイ画素レベルの微小光学素子２５０−１は、複数のレイヤを使用して実現され、この場合、異なる屈折率を有する誘電性材料３１０及び３２０が連続的に（続けて）堆積され、画素レベルの微小光学素子２５０−１の屈折性表面を形成する。図３Ｂの上面図は、代表的な方向性変調群２７０を実現するために使用される場合の、中心がずれた微小レンズ方法を図示するが、その方法によって、屈折性微小光学素子２５０−１の（ｘ，ｙ）平面における中心ずれは、屈折性微小光学素子２５０−１の各々によって実現されるべく、方向性変調に比例するであろう。図３Ｂに図示されるように、意図された方向性変調画素群２７０にわたって望ましい方向性変調パターンを実現するために、方向性変調群２７０の中心における微小画素２３０に関連付けられる屈折性微小光学素子２５０−１の中心は、それぞれの画素２３０の中心に位置合わせされるが、しかし方向性変調画素群２７０の中心から離れた屈折性微小光学素子２５０−１の中心は、それぞれの画素２３０の中心からオフセットした中心を有するであろう。この場合、そのようなオフセットは、方向性変調画素群２７０の中心から更に離れた微小光学素子２５０−１に対して、徐々に増加する。屈折性微小光学素子２５０−１の中心ずれオフセットは、方向性変調パターンが、方向性変調画素群２７０の中心に向けて収束する場合、又は方向性変調画素群２７０の中心から離れて発散する場合、それぞれ、方向性変調画素群２７０の中心に向けて収束する、又は方向性変調画素群２７０の中心から離れて発散するであろう。屈折性微小光学素子２５０−１の個々の中心ずれによって実現される方向性変調間の角度分離δθは、望ましい方向性変調の角度範囲Θに比例するであろう。例えば、角度範囲Θを有するＮ×Ｎの画素変調群２７０に対しては、屈折性微小光学素子２５０−１の個々の中心ずれによって実現される方向性変調間の角度分離δθは、Θ／Ｎに等しいであろう。
【００２６】
「傾いた」屈折性微小光学素子（ＲＯＥ）：図４Ａは、本発明の実施形態の更に別の実例を図示するが、この実例では、画素レベルの微小光学素子２５０のアレイは、屈折性光学素子（ＲＯＥ）として実現される。この実施形態では、画素レベルの屈折性微小光学素子２５０の方向性変調の態様は、異なる屈折率を有する誘電性材料４１０及び４２０の連続的なレイヤによって形成される、傾いた微小レンズ２５０−２を使用して実現される。図４Ａ及び図４Ｂは、傾いた屈折性微小光学素子２５０−２を使用して実現される場合の、本明細書の実施形態の非テレセントリック発光型微小画素光変調器（ＳＳＬイメージャ）２００の、それぞれ側面図及び上面図である。この実施形態では、画素レベルの微小光学素子２５０−２のアレイは、半導体リソグラフィ、エッチング、及び堆積技術を使用して、低屈折レイヤ４１０に対しては酸化シリコン、及び高屈折率レイヤ４２０に対しては窒化シリコンのような、半導体誘電性材料の複数レイヤとして、ウェーハレベルで一体的に製作されるであろう。図４Ａに図示されるように、アレイ画素レベルの微小光学素子２５０−２は、画素レベルの微小光学素子２５０−２の屈折性表面を形成するべく、連続的に（順次）堆積された異なる屈折率を有する複数レイヤの誘電性材料４１０及び４２０を使用して実現される。図４Ａの上面図区画は、代表的な方向性変調群２７０を実現するべく使用される場合の、傾いた微小レンズの方法を図示しており、その方法によって、屈折性微小光学素子２５０−２の光学軸の傾きは、屈折性微小光学素子２５０−２の各々によって実現されるべく、方向性変調に比例するであろう。図４Ａに図示されるように、意図された方向性変調画素群２７０にわたって望ましい方向性変調パターンを実現するために、方向性変調群２７０の中心において微小画素２３０に関連付けられる屈折性微小光学素子２５０−２の光学軸は、屈折性微小光学素子２５０−２の（ｘ，ｙ）平面に垂直な軸に位置合わせされるであろう。しかし方向性変調画素群２７０の中心から離れた屈折性微小光学素子２５０−２の光学軸は、（ｘ，ｙ）平面に垂直な軸から傾いた光学軸を有するであろう。この場合、そのような傾きは、方向性変調画素群２７０の中心から更に離れた微小光学素子２５０−２に対しては、徐々に増加する。屈折性微小光学素子２５０−１の光学軸の傾きは、方向性変調パターンが、方向性変調画素群２７０の中心に向けて収束する場合、又は方向性変調画素群２７０の中心から離れて発散する場合、それぞれ、（ｘ，ｙ）平面に垂直な軸に向けて収束する、又は（ｘ，ｙ）平面に垂直な軸から離れて発散するであろう。屈折性微小光学素子２５０−２の個々の光学軸傾きによって実現される方向性変調間の角度分離δθは、望ましい方向性変調の角度範囲Θに比例するであろう。例えば、角度範囲Θを有するＮ×Ｎの画素変調群２７０に対しては、屈折性微小光学素子２５０−２の個々の中心ずれによって実現される方向性変調間の角度分離δθは、Θ／Ｎに等しいであろう。
【００２７】
空間的に変調された屈折性微小光学素子（ＲＯＥ)：図５Ａは、本発明の更に別の実施形態を図示し、この実施形態では、画素レベルの微小光学素子２５０のアレイは、屈折性光学素子（ＲＯＥ)として実現される。この実施形態では、画素レベルの屈折性微小光学素子２５０の方向性変調器の態様は、異なる屈折率を有する誘電性材料５１０及び５２０の連続的なレイヤによって形成される、空間的に変調された微小レンズ２５０−３を使用して実現される。図５Ａ及び図５Ｂは、空間的に変調された屈折性微小光学素子２５０−３を使用して実現される場合、本明細書の実施形態の非テレセントリック発光型微小画素光変調器（ＳＳＬイメージャ）２００の、それぞれ側面図及び上面図である。図５Ａ及び図５Ｂに図示されるように、この実施形態では、画素レベルの屈折性微小光学素子２５０−３の中心は、それぞれの発光型微小画素２０５に位置合わせされ、且つそれらの光学軸もまた、（ｘ，ｙ）平面に垂直に位置合わせされるが、しかし、この実施形態の場合、方向性変調は、単一の導波路２６０を有する発光型微小画素２０５に結合されたフーリエ（又はフィールド）レンズ微小光学素子２５０−３によって実現され、ここで該単一の導波路２６０は、画素の光学的開口の中で、空間的に変調されるか、又は（ｘ，ｙ）平面内に適切に位置決めされる。図５Ｂでは、単一導波路が、図示された画素の中心に、実線の円によって図示されており、それと共に、ｘ方向及びｙ方向における可能な空間変調の限界が、破線の円２６５によって図示されている。この実施形態では、それぞれの発光型微小画素２０５の単一導波路２６０が、中心に位置決めされるか、又はその光学的開口からオフセットしている場合、微小光学素子２５０−３のフーリエレンズの態様は、主光線が、それぞれ、（ｘ，ｙ）平面に垂直に位置合わせされるか、又は垂直から傾いて位置合わせされるかの、いずれかの状態を引き起こす。その場合、（ｘ，ｙ）平面に垂直な状態からの、微小光学素子２５０−３の主光線の傾きは、導波路２６０の中心から画素の微小光学素子２５０−３の中心まで広げられた軸の方向にあり、且つ角度的な傾きは、それぞれの発光型微小画素２０５の中心からの、単一導波路２６０の空間的オフセットに比例する。図５Ｂは、方向性変調群２７０の例を実現するために使用される場合、本実施形態の微小画素の単一導波路の空間的なオフセット方法を図示し、その方法によって、（ｘ，ｙ）平面におけるその光学的開口の中心からの、微小画素２３０の単一導波路２６０の空間的オフセットは、屈折性微小光学素子２５０−３の各々によって実現されるべく、方向性変調に比例するであろう。図５Ａに図示されるように、意図された方向性変調画素群２７０にわたって望ましい方向性変調パターンを実現するために、方向性変調群２７０の中心における微小光学素子２５０−３は、その光学的開口の中心に位置合わせされた関連する発光型微小画素２０５の単一導波路２６０を有するであろう。しかし、方向性変調画素群２７０の中心から離れた微小光学素子２５０−３は、関連する発光型微小画素２０５を有するであろう。ここで発光型微小画素２０５は、それらの光学的開口の中心からの、単一導波路２６０の空間���オフセットを有するが、該空間的オフセットは、発光型微小画素２０５及び、方向性変調画素群２７０の中心から更に離れた微小光学素子２５０−３の対に対して、徐々に増加する。方向性変調パターンが、方向性変調画素群２７０の中心から離れて発散する場合、又は該中心に向けて収束する場合、発光型画素２３０及びそれらのそれぞれの屈折性微小光学素子２５０−３の単一導波路２６０の空間的オフセットは、それぞれ、方向性変調画素群２７０の発光型微小画素２０５の中心に向けて収束するか、又は該中心から離れて発散するであろう。屈折性微小光学素子２５０−３に関連付けられた個々の単一導波路２６０の空間的オフセットによって実現される方向性変調間の角度分離δθは、望ましい方向性変調の角度範囲Θに比例するであろう。例えば、角度範囲Θを有するＮ×Ｎの画素変調群２７０に対しては、屈折性微小光学素子２５０−３の単一導波路２６０の空間的オフセットによって実現される方向性変調間の角度分離δθは、Θ／Ｎに等しいであろう。
【００２８】
他の応用では、上で説明された方向性変調レイヤの空間的に変調される屈折性微小光学素子（ＲＯＥ)は、方向性変調群の中心に微小光学素子２５０−３を有する必要がなく、又は、その光学的開口の中心に位置合わせされた、関連する発光型微小画素２０５の単一導波路２６０を有する必要がない。更に、図５Ａ及び図５Ｂの実施形態の方向性変調レイヤ２４５は、発光型微小画素２０５に対して、物理的にではなく、幾何学的に、（ｘ，ｙ）平面内で故意にシフトさせてもよいであろう。その結果として、そのようにシフトした全ての微小光学素子２５０−３は、一方の端部では小さめの先端切断を有し、且つ他方の端部では大きめの先端切断を有するであろう。このことは、発光における方向性バイアスを創り出すであろう。ここで該方向性バイアスは、その時、群又は画素アレイの中の各単一導波路の意図的な位置決めによって制御可能であり、単一導波路の選択的な位置決めによって利用可能な方向性変調の範囲を保ちながら、バイアスを創り出すであろう。
【００２９】
「回折性」微小光学素子（ＤＯＥ）：図６Ａは、本発明の一実施形態を図示しており、この実施形態では、アレイ画素レベルの微小光学素子２５０は、回折性光学素子（ＤＯＥ）として実現される。この実施形態では、画素レベルの微小光学素子２５０の方向性変調の態様は、異なる屈折率を有する金属レール又は誘電性材料のいずれかの連続的なレイヤによって形成される、微小格子２５０−４を使用して実現される。図６Ａ及び図６Ｂは、微小格子屈折性光学素子２５０−４を使用して実現された場合の、本明細書の実施形態の非テレセントリック発光型微小画素光変調器（ＳＳＬイメージャ）２００の、それぞれ側面図及び上面図である。この実施形態では、半導体リソグラフィ、エッチング、及び堆積技術を使用して、画素レベルの微小格子素子２５０−４のアレイは、低屈折率レイヤ６１０に対しては酸化シリコン、及び高屈折率レイヤ６２０に対しては窒化シリコンのような複数レイヤの半導体誘電性材料として、又は金属レールとして、ウェーハレベルで一体的に製作されるであろう。図６Ａに図示されるように、アレイ画素レベルの微小格子素子２５０−４は、画素レベルの微小光学素子２５０−４（図６Ｂ）の回折性表面を形成するべく、連続的に（順次）堆積された、異なる屈折率を有する誘電性材料の複数レイヤを使用して実現される。図６Ａの上面図は、代表的な方向性変調群２７０を実現するために使用される場合の、微小ＤＯＥ方法を図示するが、その方法によって、微小格子光学素子２５０−４の回折角（垂直軸から測定された）、及び（ｘ，ｙ）平面内での微小格子回折性光学素子２５０−４の軸方向の向きは、回折性微小光学素子２５０−４の各々によって実現されるべく、方向性変調に比例するであろう。
【００３０】
図６Ａに図示されるように、収束的な（又は回折性光学素子２５０−４の選択された設計パラメータに依存して収束的な）方向性変調パターンは、意図された方向性変調画素群２７０にわたって実現されるが、この実現は、発光型微小画素２０５の各々に関連付けられた回折性微小光学素子２５０−４の軸方向の向きを、方向性変調群２７０の半径方向の軸に合わせることによって行われる、及び、それらの回折角を、変調群２７０の中心からの半径方向の距離に比例させることによって行われる。個々の回折性微小光学素子２５０−４によって実現される方向性変調間の角度分離δθは、方向性変調画素群２７０の望ましい方向性変調角度範囲又は視界（ＦＯＶ）Θに比例するであろう。例えば、８×８の微小画素２０５から成る変調群２７０を示す図６Ａの図解の場合、方向性変調角度範囲又は視界（ＦＯＶ）Θが４５度の場合、個々の回折性微小光学素子２５０−４によって実現される方向性変調間の角度分離δθは、５．６２５度であろう。
【００３１】
ＳＳＬイメージャ２００の画素の回折性光学素子２５０−４は、例えば、ブレーズド格子又はレール格子のような透過型格子を使用して、実現することが可能である。図６Ｂの図解は、１つの例を示すが、この例では、ＳＳＬイメージャ２００の画素の回折性微小光学素子２５０−４は、異なる屈折率を有する複数の誘電性レイヤ６１０及び６２０を使用して実現され、ここで誘電性レイヤ６１０及び６２０は、例えば、６１０に対して高屈折率の窒化シリコン、及びレイヤ６２０に対して低屈折率の酸化シリコンを使用して、ブレーズド格子を形成する。図６Ｂの図解では、ブレーズド格子の傾斜角及びピッチは、各回折性微小光学素子２５０−４の望ましい回折角を実現するべく、且つ、従って、ＳＳＬイメージャ２００の関連する発光型微小画素２０５の方向性変調を実現するべく、選択されるであろう。図６Ｂの例では、レイヤ６１０の屈折率は、好ましくは、画素のフォトニックレイヤ２１５の屈折率と一致するように選択されるであろう。従って、例えば、レイヤ６１０に対しては、高屈折率の窒化シリコンを使用する。画素の回折性微小光学素子２５０−４の高屈折率レイヤ６１０と低屈折率レイヤとの間の屈折率の違いは、画素の回折性光学素子２５０−４の最大回折角を支配するであろう。従って、２つの誘電性レイヤ６１０と６２０との間の屈折率の違いは、この実施形態のＳＳＬイメージャ２００の方向性変調群２７０によって実現可能な合計角度範囲又は視界（ＦＯＶ）に影響を及ぼすであろう。例えば、図６Ａは、低屈折率誘電性材料６２０が高屈折率レイヤ６１０を覆うことを示してはいるが、画素の屈折角範囲を最大化するために、且つ、従って、ＳＳＬイメージャ２００の方向性変調群２７０の実現可能な視界（ＦＯＶ）を最大化するために、高屈折率レイヤ６１０をＳＳＬイメージャ２００画素の最上部レイヤとすることも可能であろう。画素の回折性微小光学素子２５０−４の２つのレイヤ６１０と６２０との間の屈折率の違いを最大化するために、この場合、最上部レイヤ６２０が空気ギャップであることは有益であろう。この場合、カバーガラスレイヤ２３５は、スペーサを付加することによってＳＳＬイメージャ２００の最上面に接合されるであろう。ここで該スペーサは、高屈折率レイヤ６１０とガラスカバー２３５との間の薄い空気ギャップレイヤ６２０を可能にするであろう。この実施形態のＳＳＬイメージャ２００の方向性変調群２７０によって実現可能な視界（ＦＯＶ）を更に最大化するために、回折性微小光学素子２５０−４の下部レイヤ６１０の表面を直接エッチングして、ＳＳＬイメージャ２００画素のフォトニックレイヤ２１５の最上面２３０の中までエッチングすることも可能であろう。その理由は、以前に説明したように、フォトニックレイヤ２１５は、典型的に高い屈折率を有する、例えば窒化ガリウム（ＧａＮ）のようなＩＩＩ／Ｖ族半導体材料から製作されるからである。この実施形態の以前の場合と同様に、この場合も、回折性微小光学素子２５０−４の最上部レイヤ６２０を空気ギャップレイヤとすることによって、実現可能なＦＯＶを更に最大化することは有益であろう。この場合もまた、カバーガラスレイヤ２３５は、スペーサを付加することによって、ＳＳＬイメージャ２００の最上面に接合されるであろう。ここで該スペーサは、高屈折率レイヤ６１０とガラスカバー２３５との間の薄い空気ギャップを可能にするであろう。
【００３２】
以前に説明したように、ＳＳＬイメージャ２００の画素は、各画素の開口から、複数の波長を有する光を発することが可能である。ＳＳＬイメージャ２００の画素が複数の波長を有する光を発する場合、回折性光学素子２５０−２は、広帯域透過型格子又は多レベル格子を使用して、実現されるであろう。ここで広帯域透過型格子又は多レベル格子は、ＳＳＬイメージャ２００の画素の発光帯域にわたって望ましい回折角度を達成するように設計されている。広帯域透過型格子が使用される場合、ＳＳＬイメージャ２００の画素の回折性光学素子２５０−２は、各々のそのようなレイヤの屈折率のための、交互に高屈折率と低屈折率を有する誘電性材料の多数のレイヤを使用して、実現可能であろう。形成された格子の傾斜角及びピッチと共に、そのようなレイヤの屈折率は、ＳＳＬイメージャ２００の画素の発光帯域幅の各サブ帯域内で、望ましい画素の回折角を実現するように選択されるであろう。図６Ｃは、ＳＳＬイメージャ２００の画素の複数波長の発光帯域幅にわたって望ましい回折角を実現するために、多レベル格子が使用される場合の例を図示したものである。この例の場合、異なる屈折率を有する２つの誘電性レイヤ６３０及び６４０が、各レイヤ内で異なる格子ピッチを有する多レベル格子を形成するべく使用され、それによって、各レイヤの格子ピッチは、ＳＳＬイメージャ２００の画素の発光帯域幅の、与えられたサブ帯域内で、支配的に光を回折させるように設計される。２つのレイヤ６３０及び６４０の各々のピッチ及び屈折率は、反復設計プロセスを通して選択されるであろう。ここで該反復設計プロセスは、ＳＳＬイメージャ２００の画素の複数波長の発光帯域幅全体にわたって多レベルの格子の集団的回折作用を考慮するであろう。図６Ｃの例では、レイヤ６３０の屈折率は、好ましくは、画素のフォトニックレイヤ２０５の屈折率と一致するように選択されるであろう。加えて、画素の回折角範囲を最大化するために、且つ、従って、ＳＳＬイメージャ２００の方向性変調群２７０の実現可能な視界（ＦＯＶ）を最大化するために、高屈折率レイヤ６３０を、ＳＳＬイメージャ２００の画素の最上部レイヤとすることが可能であろう。この実施形態では、カバーガラスレイヤ２３５は、スペーサを付加することによって、ＳＳＬイメージャ２００の最上面に接合されるであろう。ここでスペーサは、高屈折率レイヤ６３０とガラスカバー２３５との間の薄い空気ギャップを可能にするであろう。
【００３３】
方向性変調レイヤ２４５の製作方法：以前に説明したように、以前の実施形態の画素レベルの微小光学素子２５０は、対応する発光型微小画素２０５から発せられる光を方向性変調し、集め、且つ／又はコリメートするために使用され、且つ、それ自体として、本発明の非テレセントリック発光型微小画素光変調器（ＳＳＬイメージャ）２００の対応する微小画素２３０に等しく、且つ正確に（少なくとも１０％未満の正確さの範囲内で）位置合わせされる光学的開口を有するであろう。以前の実施形態の画素レベルの微小光学素子２５０は、様々なナノインプリントリソグラフィ技術を使用して製作することが可能であるが、ここで様々なナノインプリントリソグラフィ技術とは、位相、グレースケール、全領域マスク又はサブ領域マスク、様々な直接書き込み技術はもちろんのこと、二値マスクを使用した付加的リソグラフィ彫成のようなものである。フォトレジスト（熱）リフロー及びモールディングもまた、形成された表面の平滑さを増加させるために、微小光学素子２５０の製作に対して使用することが可能であろう。サブ領域二値マスクセットを使用した付加的リソグラフィは、本明細書では、本発明の非テレセントリック発光型微小画素光変調器（ＳＳＬイメージャ）２００の代表的なＲＯＥ画素レベルの微小光学素子２５０の製作のための典型的な方法を図示するための一例として使用されるであろう。
【００３４】
ウェーハレベル光学マスクセット：画素レベルの微小光学素子２５０の製作プロセスシーケンスは、微小光学素子２５０の二値形状仕様を捉える、一組のリソグラフィサブ領域マスクの製作で始まる。サブ領域マスクの製作プロセスは、製作されるべき画素レベルの微小光学素子２５０の指定された特徴の範囲内で対称性を識別すること、及び直交セット又は非直交セットのバイアスに対して識別された対称性を分析することを含む。図７Ａは、このプロセスによって生成された、代表的な回転対称の画素レベルの屈折性微小光学素子２５０に対する、直交及び非直交のバイアスセットを図示する。微小光学素子２５０の指定された二値表面形状は、後で製作プロセスの間に達成されるであろうが、この達成は、図７Ｂに図示されるように、リソグラフィの間、直交又は非直交のバイアスセットの各素子の露光量を制御することによって行われる。
【００３５】
図７Ａに図示されるように、回転対称の屈折性微小光学素子２５０は、直交（リング）素子又は非直交（円）素子の二次元バイアスセットによって表されるであろう。画素レベルの微小光学素子２５０を、以前の実施形態の中心がずれたＲＯＣとして実現するには、各微小画素２３０位置で、要求される中心をずらすシフトが、生成されたバイアスセットに対して加えられ、且つ、その後、バイアスの各々が設計によって指定された微小画素２３０の開口に位置合わせされた後、それに応じて、先端が切断される。図７Ｃは、２つの場合の例を図示する。一つは、微小光学素子２５０の軸が、微小画素２３０の開口の中心にある場合であり、二番目は、微小光学素子２５０の軸が、微小画素２３０の開口の中心からシフトしている場合である。このプロセスは、発光型微小画素光変調器（ＳＳＬイメージャ）２００のデバイスの全開口に対する多レイヤマスクセットを創り出すべく、その後、マスク位置合わせ基準座標の微小画素２３０のアレイ全体にわたって繰り返される。等価な直交バイアス素子及び非直交バイアス素子は、その後、別々のマスクレイヤを形成するために、ＳＳＬイメージャ２００の開口にわたって、マスク位置合わせ基準座標の発光型微小画素２３０のアレイに位置合わせされる。微小光学素子２５０のウェーハレベルの微小光学系リソグラフィ製作プロセスで使用されるべく、これらのマスクレイヤは、その後、分離され、且つ、単一のレチクル上の、又は複数のレチクル上の良く知られた場所に配置される。マスキングレイヤ形成のこのプロセス全体は、半導体リソグラフィマスクの形成において通常使用されるＬＥｄｉｔのような標準的なマスク編集ソフトウェアを使用して、達成することが可能である。留意するべきことであるが、このマスク形成プロセスは、非テレセントリック発光型微小画素光変調器（ＳＳＬイメージャ）２００のウェーハレベル光学製作のための完全なマスクセットを創り出すために、画素レベルの微小光学素子２５０を備える、あらゆる光学表面に対して、繰り返されるであろう。
【００３６】
画素レベルの微小光学素子２５０が、以前に説明された実施形態に従って、中心がずれたＲＯＥとして実現される場合に対して、これまでの議論は、リソグラフィマスクセットを形成するプロセスを概観したが、当業者であれば、微小光学素子２５０が傾いたＲＯＥ又はＤＯＥとして実現される場合に、他の説明された実施形態の場合において、説明されたリソグラフィマスクセット形成プロセスを如何にして適用するかを、容易に知るであろう。
【００３７】
ウェーハレベルの光学系製作シーケンス：図７Ｄから図７Ｍは、画素レベルの微小光学素子２５０の製作プロセスシーケンスを図示している。これまでの議論に従って、ウェーハレベルの光学系マスクセットが形成された後、選択された基板は、プラズマ増強された化学蒸着（ＰＥＣＶＤ）のような半導体材料堆積手段を使用して、誘電性材料の薄いレイヤ（好ましくは、数ミクロン）で被覆される（本明細書では、誘電体−１（図７Ｄ）と呼ばれる）。堆積された誘電体−１レイヤは、非晶質であり得るが、しかし、目標の光学スペクトル範囲内では（例えば、可視光の４００ｎｍから６５０ｎｍのスペクトル範囲内で）十分に透明であり、且つ、特に、基板ウェーハ上に最小の応力を導入するべく、選択される必要がある。堆積された誘電体−１レイヤは、通常、画素レベルの微小光学素子２５０を備える他の高屈折率材料を取り囲む低屈折率材料であろう。位置合わせマークが、その後、画素レベルの微小光学素子２５０の次のレイヤを位置合わせするために使用されるべく、堆積された誘電体−１の最上面の上にパターン化される。
【００３８】
適切に選択され、且つ特徴付けられたフォトレジストが、その後、誘電体−１レイヤの最上部に被覆され、且つ、画素レベルの微小光学素子２５０のその表面の陰画を創り出すために製作されたマスクセットを使用して、付加的なリソグラフィが実施される（図７Ｅ）。付加的なリソグラフィプロセスでは、１００ｎｍ未満の又は、好ましくは５０ｎｍの範囲内の位置合わせ公差を有するセットの様々なマスクを使用した、連続的位置合わせ及び露光によって、陰画表面がフォトレジストレイヤ上に創り出されるであろう（図７Ｆ）。フォトレジスト表面の創り出された形状は、図７Ｂに図示されるように、セットの様々なマスクに対して、リソグラフィステップの各々に対する露光パラメータ及び焦点オフセットパラメータを調節することによって、最適化されるであろう。創り出されたフォトレジスト陰画表面が、画素レベルの微小光学素子２５０の第１の表面の表面設計仕様（又は光学的処方）に従っていることを確認するために、このステップの後に、適切な計測測定が続く。
【００３９】
フォトレジスト陰画表面の仕様に従っていることが一旦確認されると、微小光学素子２５０は、フォトレジストと誘電体−１レイヤとの間で１：１の選択性を提供できる反応イオンエッチング（ＲＩＥ）手段における適切な化学を使用して、エッチングされるであろう（図７Ｇ）。誘電体−１内への過剰エッチングを避けるために、且つ、フォトレジスト上の形状が、エッチングステップの間に形成される欠陥が最小の状態で、誘電体−１レイヤ上に忠実に転写されていることを保証するために、エッチング時間は、予め特性化されたエッチング速度に基づいて、調節する必要がある。誘電体−１レイヤのエッチングされた表面が、微小光学素子２５０の表面設計仕様（又は光学的処方）に従っていることを確認するために、このステップに続く計測測定が使用される。エッチング及び計測ステップの後、ウェーハ誘電体−１レイヤ表面は、全ての重合体残渣、及びウェーハの製作された表面からの他の汚染物質の除去を保証するべく、完全に清浄化される。このステップの最後には、微小光学素子２５０の第１の表面は、創り出された光学表面を有するウェーハ表面全体にわたって、微小画素２３０に正確に位置合わせされた状態で、誘電体−１レイヤ上に創り出されるであろう。
【００４０】
誘電体−１レイヤ表面が製作された後、ウェーハは、高い屈折率の誘電体−２レイヤの比較的厚い共形レイヤで被覆される（図７Ｈ）。誘電体−２の厚さは、微小光学素子２５０の光学的特徴を受け入れるのに十分でなければならないが、その一方で、最小応力の状態で極めて透明である。誘電体−２レイヤの堆積された表面は、合計厚さ変動（ＴＴＶ）が最小の状態で、ウェーハにわたってほぼ平坦な表面を得るために、その後、化学的機械研磨（ＣＭＰ）手段を使用した平坦化プロセスを受ける（図７Ｉ）。誘電体−２レイヤウェーハ表面は、その後、フォトレジストで被覆され、更にその後、誘電体−１レイヤに対して説明されたのと同様なステップで、付加的なリソグラフィを使用して処理され、この後に、誘電体−２レイヤ表面上に画素レベルの微小光学素子２５０の第２の表面を創り出すためのエッチングが続く（図７Ｊから図７Ｌ）。
【００４１】
図７Ｋ及び図７Ｌに示されるように、画素レベルの微小光学素子２５０の第１及び第２の表面を製作した後、誘電体−３として示される誘電性材料の第３のレイヤが、ウェーハ表面の最上部に堆積され、且つ、要求される厚さ及びＴＴＶ仕様にまで平坦化される（図７Ｍ）。誘電性レイヤである誘電体−１、誘電体−２、及び誘電体−３の誘電率及び屈折率は、画素レベルの微小光学素子２５０の光学的処方に基づいて選択されるであろう。そして、通常、ほとんどの応用において、誘電体−１及び誘電体−３は、誘電体−２の屈折率の値よりも低い、同じ値の屈折率を有するであろう。
【００４２】
もし第２の光学素子が、画素レベルの微小光学素子２５０の光学的処方に従って付加されるべき場合、説明されたＷＬＯ製作ステップが、誘電体−３レイヤウェーハ表面の最上部において繰り返されるであろう。
【００４３】
画素レベルの微小光学素子２５０の全ての光学素子が基板ウェーハの最上部において製作された後、ウェーハ表面は、接合中間レイヤで被覆され、適切な接合仕様まで研磨され、その後、最上部のフォトニックレイヤ２０５表面に対して、プロセスの前の方で付加された位置合わせマスクを使用して、位置合わせして接合される。
【００４４】
本発明の一実施形態において、前の節で説明されたＷＬＯ製作プロセスは、基板としてのカバーガラスウェーハ２３５の最上部に画素レベルの微小光学素子２５０を製作するために使用され、その後、製作されたウェーハは基板として使用されるが、該基板の上に、画素化されたフォトニックレイヤの積み重ね２０５が、連続的に接合され、且つ形成されるであろう。製作シーケンスの最後に、形成されたウェーハは、ＣＭＯＳ制御レイヤ２２５の最上面に位置合わせして接合されるであろう。
【００４５】
本発明の別の実施形態において、前の節で説明されたＷＬＯ製作プロセスは、基板としてのカバーガラスウェーハ２３５の最上部に画素レベルの微小光学素子２５０を製作するために使用され、その後、製作されたウェーハは、ＣＭＯＳ制御レイヤ２２５の最上面に連続的に接合されたフォトニックレイヤの積み重ね２０５を備える、別々に形成されたウェーハのフォトニックレイヤ２０５の最上部表面に、位置合わせして接合される。
【００４６】
本発明の更に別の実施形態において、前の節で説明されたＷＬＯ製作プロセスは、ＣＭＯＳ制御レイヤ２２５の最上面に連続的に接合されたフォトニックレイヤの積み重ね２０５を備える、別々に形成されたウェーハの最上部に、画素レベルの微小光学素子２５０を製作するために使用され、その後、カバーガラスウェーハは、製作された画素レベルの微小光学素子２５０の最上部に接合される。この場合に対するＷＬＯ製作プロセスでは、画素レベルの微小光学素子２５０の第２の表面は、先ず、画素化されたフォトニックレイヤの積み重ね２０５の最上部に製作されるであろう。その後、画素レベルの微小光学素子２５０の第１の表面が、最上部に製作されるであろう。更に他の実施形態において、特に、方向性変調レイヤのための、本明細書で説明された他の製作プロセスを使用して、且つこの製作プロセスを使用して、ガラスカバーレイヤ２３５は、スペーサを付加することによって、ＳＳＬイメージャ２００の最上面に接合されるであろう。ここで該スペーサは、高屈折率レイヤ６１０とガラスカバー２３５との間に薄い空気ギャップレイヤ６２０を可能にするであろう。前述の実施形態の各々は、意図される応用に依存して、その利点を有するであろう。
【００４７】
図７Ｄから図７Ｍは、基板としてのカバーガラスウェーハ２３５の最上部に画素レベルの微小光学素子２５０を製作するための、前の節で説明されたＷＬＯ製作プロセスを図示している。図７Ｄから図７Ｍは、画素レベルの微小光学素子２５０が、基板としてのガラスカバーウェーハ２３５の最上部に製作されるＲＯＥである場合において、説明されるＷＬＯ製作プロセスを図示しており、説明される製作シーケンスは、説明される数多くの実施形態の場合において等しく適用される。ここで該数多くの実施形態は、画素レベルの微小光学素子２５０が、前の段落のＷＬＯ製作プロセスの任意の実施形態の文脈の範囲内で、製作されたＤＯＥである場合を含む。
【００４８】
超小型プロジェクタ：図８Ａは、本明細書の実施形態の非テレセントリック発光型微小画素光変調器（ＳＳＬイメージャ）２００によって可能になる超小型ディスプレイプロジェクタの設計方法を図示する。この実施形態では、ＳＳＬイメージャ２００の方向性変調レイヤ２４５は、収束的な方向性変調パターンを実現するべく設計されるが、ここで該収束的な方向性変調パターンとは、微小画素２１０の方向性変調群２７０から発せられた光が、方向性変調群２７０の周辺縁部からその中心に向けて、垂直軸に対して系統的に方向性収束することを引き起こすものである。この場合、方向性変調群２７０は、ＳＳＬイメージャ２００の発光型光学的開口全体にわたって広がる。図８Ａに図示されるように、画素レベルの微小光学素子２５０は、投射光学系８１０の第１の光学素子Ｌ−１の光学的開口の最大フィルファクタを達成するべく、ＳＳＬイメージャ２００の微小画素から発せられる光を方向性変調するであろう。ここで投射光学系８１０は、今度は、フィルファクタを最大に維持しながら、第２の光学素子Ｌ−２の光学的開口に向けて光線を向け直すように設計されている。光学素子Ｌ３及びＬ４は、投射された画像を拡大するために使用される。この実施形態のプロジェクタ設計は、かなり一様な光学効率を達成しながら、３．６ｍｍ×６．４ｍｍのＳＳＬイメージャ発光型開口サイズで、８ｍｍ未満の光学トラック長を達成する。実際のプロジェクタは、７．８６ｍｍの高さで、５．８２ｍｍ×８．０５ｍｍの断面寸法を有する。その体積効率の他に、図８Ａの超小型ディスプレイプロジェクタは、高い光学効率及び一様な輝度を達成することを可能にするであろう。図８Ｂに示されるように、この実施形態のプロジェクタ設計は、１５％未満の中心から隅部へのロールオフで、ほぼ８３％の光学効率を達成するが、この値は、本明細書の実施形態の非テレセントリック発光型微小画素光変調器（ＳＳＬイメージャ）２００を使用しない設計に対する２２．８％の光学効率と比較される。達成される最小の光学トラック長の条件で、本実施形態のプロジェクタ設計は、０．３ｃｃ未満の合計体積を有する、図８Ｃに描かれた超小型で、フルカラーのプロジェクタを製作するために使用された。発明者の知る限りでは、これは、これまでに設計され且つ製作された中で、体積的に最小のＨＤプロジェクタであり、これによって、ニアアイ・ヘッドマウント・ディスプレイ（ＨМＤ）はもちろんのこと、組み込み型プロジェクタ及び付属の携帯プロジェクタのような携帯ディスプレイ応用に対して、理想的なものとなる。
【００４９】
最小クロストーク明視野変調器：図９は、本発明の非テレセントリック発光型微小画素光変調器（ＳＳＬイメージャ）２００によって可能となる最小クロストーク明視野変調器の設計方法を図示する。この実施形態では、ホログラフィック素子（ホーゲル）とそれが引き起こす望ましくない三次元画像である「ゴースト」との間の「クロストーク」は、図９に図示されるように、ホーゲルレンズ９３０から９３２の各々の光学的開口にわたってＳＳＬイメージャ２００の発光を非テレセントリックにすることによって、実質的に低減されるか、又は完全に除去されるであろう。即ち、この実施形態では、ＳＳＬイメージャ２００の方向性変調レイヤ２４５は、収束的な方向性変調パターンを実現するべく、設計されるであろう。ここで該収束的な方向性変調パターンとは、微小画素２１０の方向性変調群２７０から発せられた光が、方向性変調群２７０の周辺縁部からその中心に向けて、垂直軸に対して系統的に方向性収束することを引き起こすものである。この実施形態の場合、方向性変調群２７０は、図９のホーゲルレンズ９３０から９３２の各々の光学的開口に対応する（又は関連付けられる）ＳＳＬイメージャ２００の発光型画素のサブアレイにわたって広がるであろう。本発明の設計方法によって、ホーゲルレンズ９３０〜９３２の各々に関連付けられた微小画素２１０のＳＳＬイメージャ２００のサブアレイの画素レベルの光学素子２５０は、微小画素２１０のサブアレイから発せられた光が、関連するホーゲルレンズ９３０〜９３２の開口の光学的開口内に実質的に制限されたままとなり、従って、隣接するホーゲルレンズ９３０〜９３２間の光漏れ又はクロストークを最小化する、ように設計されるであろう。それが達成されることで、ＳＳＬイメージャ２００によって変調される明視野間の光漏れは最小化され、これによって、他の方向からのゴースト干渉のない、異なる方向からの視野を作るであろう。
【００５０】
この実施形態では、ＳＳＬイメージャ２００の微小画素２１０の各々から発せられた光は、十分にコリメートされ、且つ画素の微小光学素子２５０によって方向性変調され、その結果として、隣接するホーゲルレンズ中への光漏れが最小の状態で、又は光漏れが実質的に無い状態で、関連するホーゲルレンズを効果的に満たす。このように、方向性変調された視野間のクロストークを最小化することに加えて、本発明の非テレセントリック発光型微小画素光変調器（ＳＳＬイメージャ）２００によって可能になる、図９の方向性光変調器はまた、その視界（ＦＯＶ）にわたって、より高い光学効率を達成するであろう。
【００５１】
多視野ディスプレイ：図１０Ａ及び図１０Ｂは、本発明の非テレセントリック発光型微小画素光変調器（ＳＳＬイメージャ）２００によって可能になる多視野二次元ディスプレイ設計方法の、それぞれ上面図及び側面図を図示する。この実施形態において、ＳＳＬイメージャ２００の発光型画素２１０のアレイ、及び方向性変調レイヤ２４５のそれらの関連する微小光学素子２５０は、方向性変調サブアレイ又は方向性変調群２７０に、空間的に分割されるであろう。図１０Ｂに図示されるように、この実施形態のＳＳＬイメージャ２００の方向性変調レイヤ２４５は、発散的な方向性変調パターンを実現するように設計してもよく、ここで該発散的な方向性変調パターンとは、微小画素２１０の方向性変調群２７０から発せられる光が、方向性変調群２７０の垂直軸から離れる一意的な一組の方向に、系統的に方向性発散することを引き起こすものであろう。この実施形態では、発光型画素２１０の数の観点での方向性変調群２７０のサイズは、多視野ディスプレイによって支援され得る視野の数を決定するであろう。例えば、６４視野の多視野ディスプレイは、図１０Ａの８×８の方向性変調群２７０を使用して実現することが可能であり、その場合、ディスプレイ開口にわたる変調群の各々における各画素は、光を一意的な方向に発するように設計されるが、ここで一意的な方向とは、多視野ディスプレイの目標とする視界（ＦＯＶ）内で、均等でしかも角度的に一定の間隔をあけて配置される方向である。この実施形態では、ＳＳＬイメージャ２００の微小画素２１０の各々から発せられる光は、十分にコリメートされ、且つ画素の微小光学素子２５０によって、特定の一意的な方向に方向性変調されるであろう。
【００５２】
導波路光変調器：図１１Ａは、本発明の非テレセントリック発光型微小画素光変調器によって可能になる導波路光変調器の設計方法を図示する。図１１Ａに図示されるように、この実施形態の導波路光変調器は、ＳＳＬイメージャ２００から構成されるであろう。このＳＳＬイメージャ２００では、その方向性変調レイヤは、導波路１１１０の光学入力開口１１２０上に結合され、ここで導波路１１１０は、その光学出力開口１１４０を定義するべく、その側面の１つに被覆された反射性光学レイヤ１１３０を有する。この実施形態では、ＳＳＬイメージャ２００の発光型画素２１０のアレイ、及び方向性変調レイヤ２４５の関連する微小光学素子２５０は、ＳＳＬイメージャ２００の画素の各々から発せられる光を、導波路１１１０の導波路角度範囲内にある一意的な方向に向けるであろう。図１１Ａに図示されるような、全内部反射（ＴＩＲ）導波路１１１０の場合、ＳＳＬイメージャ２００の画素の各々から発せられる光は、画素の関連する微小光学素子２５０によって、接線方向平面（横方向平面）及びベクトル平面（標高平面）の中の一意的な方向に方向性変調されるであろう。ここで接線方向平面及びベクトル平面は、画素の（ｘ，ｙ）座標からの横方向の発散は同様もちろんのこと、その画素から発せられる光の導波角度を定めるであろう。横方向平面における、ＳＳＬイメージャ２００の画素によって発せられる光の方向性変調は、その画素アレイから発せられる光が導波路を通って伝搬する際の、ＳＳＬイメージャ２００の画素アレイによって変調される画像の全拡張（又は全拡大）を決定するのに役立つであろう。実際に、横方向平面における、ＳＳＬイメージャ２００の画素によって発せられる光の方向性変調は、ＳＳＬイメージャ２００の画素アレイによって変調され、且つ導波路の中に結合される画像のｘ軸拡大ファクタを決定するのに役立つであろう。ベクトル平面における、ＳＳＬイメージャ２００の画素によって発せられる光の方向性変調は、ＳＳＬイメージャ２００の画素の各々から発せられる（且つ変調される）光が、導波路を通って伝搬する角度を決定するのに役立つであろう。導波路の反射性光学レイヤ１１３０は、通常、ＳＳＬイメージャ２００が光学的に結合される導波路入力の光学的開口１１２０から更に離れて、次第に低い角度で導波路を通って導かれる光線に対して、ＴＩＲ条件を破るように設計されているため、ＳＳＬイメージャ２００の画素によって発せられ、且つ、導波路のＴＩＲ角度範囲内の次第に小さな角度で、ベクトル平面において微小光学素子２５０によって方向性変調される光は、導波路１１１０の出力開口１１４０に対してより直接的に光を向ける導波路の反射性光学レイヤ１１３０によって、ＴＩＲ導波条件が破られる（潰される）前に、導波路入力の光学的開口１１２０から更に離れて伝搬するであろう。実際に、ベクトル平面における、ＳＳＬイメージャ２００の画素によって発せられる光の方向性変調は、ＳＳＬイメージャ２００の画素アレイによって変調され、且つ導波路の中に結合される画像のｙ軸拡大ファクタを決定するのに役立つであろう。接線方向（横方向）平面及びベクトル平面において、ＳＳＬイメージャ２００の画素によって発せられる光の方向性変調が、その画素の各々に対して適切に選択される場合、本発明のＳＳＬイメージャ２００によって発せられる光の方向性変調は、導波路出力の光学的開口１１４０に対して、ＳＳＬイメージャが変調し、且つ、導波路入力の光学的開口１１２０の中に結合する画像の拡大及び中継を可能にするであろう。代替例として、出力開口は、出力開口１１４０においてＴＩＲ条件を破るために、それ自体が透過型光学系を含んでもよい。
【００５３】
この実施形態の方向性変調設計の方法は、図１１Ｂに更に図示されるが、図１１Ｂは、本発明の導波路光変調器によって可能になるＳＳＬイメージャ２００の上面図を示す。図１１Ｂでは、導波路入力の光学的開口１１２０内のＳＳＬイメージャ２００の画素の座標は、（ｘ，ｙ）座標として指定され、これに対して、導波路出力の光学的開口１１４０内の導波路光変調器の画素の座標は、（Ｘ，Ｙ）座標で指定される。図１１Ｂに図示されるように、横方向平面及びベクトル平面におけるＳＳＬイメージャ２００の画素の方向性変調の角度は、ＳＳＬイメージャ２００の画素の各々から発せられ、且つ導波路入力の光学的開口１１２０内の、与えられた（ｘ，ｙ）座標において導波路内に結合される光が、導波路出力の光学的開口１１４０内の与えられた（Ｘ，Ｙ）座標に、一意的に対応付けられることを引き起こす。実際に、この実施形態のＳＳＬイメージャ２００の画素の方向性変調の方法は、適切に設計された導波路の反射性光学レイヤ１１３０と共に、導波路入力の光学的開口１１２０と導波路出力の光学的開口１１４０との間の拡大及び中継の両方をそれぞれ実現する、与えられた光学伝達関数の合成を可能にするであろう。付加するべきことであるが、この実施形態では、ＳＳＬイメージャ２００の画素によって発せられる光束のコリメーション角度は、発光のための特別な準備をすることなく、出力開口１１４０を適切に機能させるために、導波路１１１０のＴＩＲ範囲の外側にあるべく、選択されるであろう。
【００５４】
テーパ付き導波路型光変調器：図１１Ｃに図示される代替的な実施形態において、ＳＳＬイメージャ２００ベースの導波路光変調器は、テーパ付き導波路１１５０を使用することによって実現してもよく、それによって、導波路１１５０の１つの表面のテーパ角度（又は、傾斜）は、ＳＳＬイメージャ２００が光学的に結合される導波路入力の光学的開口１１６０から更に離れて、次第に低い角度で導波路１１５０を通って導かれる光線（局所的な導波路表面に垂直である線に近い）に対して、ＴＩＲ条件を破るべく選択される。この実施形態における導波路１１５０の１つの表面にテーパを付けることによって、以前の実施形態の回折性光学レイヤ１１３０と等価な光学機能が実施される。この実施形態では、ＳＳＬイメージャ２００の発光型画素２１０のアレイ、及び方向性変調レイヤ２４５の関連する微小光学素子２５０は、ＳＳＬイメージャ２００の画素の各々から発せられる光を、テーパ付き導波路１１５０の導波路角度範囲内で一意的な方法に向けるであろう。図１１Ｃに図示されるように、ＳＳＬイメージャ２００の画素の各々から発せられる光は、画素の関連する微小光学素子２５０によって、接線方向（横方向）平面及びベクトル（標高）平面内の一意的な方向に方向性変調されるであろう。ここで該接線方向平面及びベクトル平面は、画素の（ｘ，ｙ）座標からの横方向発散はもちろんのこと、その画素から発せられる光の導波角度を定めるであろう。横方向平面における、ＳＳＬイメージャ２００の画素によって発せられる光の方向性変調は、その画素アレイから発せられる光が、テーパ付き導波路１１５０を通って伝搬する際の、ＳＳＬイメージャ２００の画素アレイによって変調される画像の全拡張を決定するのに役立つであろう。実際に、横方向平面における、ＳＳＬイメージャ２００の画素によって発せられる光の方向性変調は、ＳＳＬイメージャ２００の画素アレイによって変調され、且つ導波路の中に結合される画像のｘ軸拡大ファクタを決定するのに役立つであろう。ベクトル平面における、ＳＳＬイメージャ２００の画素によって発せられる光の方向性変調は、ＳＳＬイメージャ２００の画素の各々から発せられる（且つ変調される）光が導波路を通って伝搬する角度を決定するのに役立つであろう。導波路１１５０のテーパ付き表面は、ＳＳＬイメージャ２００が光学的に結合される導波路入力の光学的開口１１６０から更に離れて、次第に低い角度で導波路を通って導かれる光線（テーパ付き導波路１１５０の局所的表面に垂直である線により近い）に対して、ＴＩＲ条件を破るように設計されているため、ＳＳＬイメージャ２００の画素によって発せられ、且つ、導波路ＴＩＲ角度範囲内の次第に小さな角度で、ベクトル平面において微小光学素子２５０によって方向性変調される光は、導波路１１６０のテーパ付き表面によって、ＴＩＲ導波条件が破られる（潰される）前に、導波路入力の光学的開口１１６０から更に離れて伝搬するであろう。実際に、ベクトル平面における、ＳＳＬイメージャ２００の画素によって発せられる光の方向性変調は、ＳＳＬイメージャ２００の画素アレイによって変調され、且つテーパ付き導波路１１６０の中に結合される画像のｙ軸拡大ファクタを決定するのに役立つであろう。接線方向（横方向）平面及びベクトル平面における、ＳＳＬイメージャ２００の画素によって発せられる光の方向性変調が、その画素の各々に対して適切に選択される場合、本明細書の実施形態のＳＳＬイメージャ２００によって発せられる光の方向性変調は、導波路出力の光学的開口１１４０に対して、ＳＳＬイメージャが変調し、且つ、テーパ付き導波路１１６０の入力の光学的開口１１２０の中に結合する画像の拡大及び中継を可能にするであろう。実際に、この実施形態のＳＳＬイメージャ２００の画素の方向性変調方法は、適切に設計されたテーパ付き導波路１１５０と共に、テーパ付き導波路１１５０の入力の光学的開口１１６０と、出力の光学的開口１１７０との間の拡大及び中継の両方をそれぞれ実現する、与えられた光学伝達関数の合成を可能にするであろう。付加するべきことであるが、この実施形態ではＳＳＬイメージャ２００の画素から発せられる光束のコリメーション角度は、テーパ付き導波路１１５０のＴＩＲ角度範囲内であるべく、選択されるであろう。代替案として、テーパ付き導波路の下部表面の一部のような、テーパ付き導波路のある一定の表面は、もし必要なら、ＴＩＲ条件が既に破れている場合、最後の反射を可能にするべく、反射被覆膜で被覆してもよい。
【００５５】
留意するべきことであるが、ＳＳＬイメージャ２００ベースの導波路光変調器の以前の２つの実施形態は、光学的にシースルー（ＯＳＴ）のニアアイディスプレイ又はヘッドマウントディスプレイ（ＨＭＤ）を創り出すために使用することが可能である。これらの実施形態の各々において、代替的実施形態として、ＳＳＬイメージャは、代わりに、導波路１１１０の端部又は縁部で入力開口の中に結合される出力を有し、且つ同様な結果を達成してもよい。また、導波路自体は、他の形状を有してもよく、且つ、示されたような長方形に限定されない。
【００５６】
従って、ウェーハレベルの光学系のためのウェーハレベルの製作技術を使用して、非テレセントリック発光型微小画素アレイ光変調器の全体を、ウェーハレベルで製作し、且つ、その後、最終製品を得るために、ウェーハレベルの組立て品をさいの目状に切ってもよい。
【００５７】
また、図２Ｃ−１は、光が画素群又はアレイ全体の中心から収束する実施形態を図示する一方で、図２Ｃ−２は、光が画素群又はアレイ全体の中心から発散する実施形態を図示しているが、幾つかの応用におけるように、どちらも発明の制限となるものではなく、群の中の全ての画素又はアレイ全体からの光は、同じ一般的な方向に向けてもよい。ただし、通常は、歪みの無い形での観覧のための完全な画像を提示するべく、群の中の全ての画素又はアレイ全体からの光は、異なる角度に向ける。このことは、観覧のための歪みのない画像を達成するべく、方向性変調レイヤにおいて反対の歪みを要求するかもしれない。更に、方向性変調レイヤは、２つ以上の異なる画素群を含んでもよく、ここで１つの画素群は、１つの位置又は深さにおける第１の画像を提示するためのものであり、そして他の画素群は、１つ以上の付加的な位置又は深さにおける他の画像を提示するためのものである。
【００５８】
前述の説明及び特許請求の範囲においては、方向性変調レイヤに対して参照がなされる。理解するべきことであるが、レイヤという「単語」は、一般的な意味において、非テレセントリック発光型微小画素アレイ光変調器の空間変調を決定するレイヤ又は複数のレイヤを特定する。また、理解するべきことであるが、方向性変調レイヤのためのある一定の製作技術が、本明細書で説明されてきた一方で、各々はそれぞれの実施形態に関するものであり、そのような技術はまた、方向性変調レイヤ及び／又は製作シーケンスの同じ形態を使用して、他の実施形態で使用するのにも適用可能である。従って、例として、ＵＶ硬化性のポリカーボネート重合体の使用、又は特定の実施形態を形成するためのエンボス加工は代表的なものであり、且つそのような技術、及び結果としてのＲＯＥを形成するための動作のシーケンスは、単に代表的なものであり、且つ、ＵＶ硬化性ポリカーボネート重合体の使用、又はエンボス加工は、任意のＲＯＥベースの方向性変調レイヤを形成するために、及び製作動作の任意のシーケンスにおいて、本発明の非テレセントリック発光型微小画素アレイ光変調器を製作するために、使用してもよい。更に、文脈によって別段の指示がない限り、画素群（複数可）に対する参照は、ＳＳＬイメージャ発光器エリア全体を包含する群に対する参照を含む。
【００５９】
従って、様々な変更及び変化が、添付された特許請求の範囲において定義された、及び添付された特許請求の範囲によって定義された本発明の範囲から外れることなく、本発明の実施形態に適用され得るということは、当業者であれば、容易に正しく認識するであろう。正しく認識するべきことであるが、本発明の前述の実施例は、単に例証的なものであり、且つ、本発明は、本発明の精神又は本質的な特徴から外れることなく、他の特定の形態において具体化することが可能である。開示された実施形態は、それ故に、いかなる意味においても、制限的であると考えるべきではない。本発明の範囲は、これまでの説明というよりは、添付された特許請求の範囲によって指し示され、且つ、本発明の等価例の意味及び範囲の中に入る全ての変形例は、本発明に包含されることが意図されている。
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図１Ｃ】
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【図１Ｄ】
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【図１Ｅ】
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【図１Ｆ】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ−１】
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【図２Ｂ−２】
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【図２Ｃ−１】
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【図２Ｃ−２】
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【図２Ｄ−１】
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【図２Ｄ−２】
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【図２Ｄ−３】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図６Ｃ】
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【図７Ａ】
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【図７Ｂ】
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【図７Ｃ】
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【図７Ｄ】
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【図７Ｅ】
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【図７Ｆ】
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【図７Ｇ】
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【図７Ｈ】
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【図７Ｉ】
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【図７Ｊ】
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【図７Ｋ】
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【図７Ｌ】
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【図７Ｍ】
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【図８Ａ】
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【図８Ｂ】
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【図８Ｃ】
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【図９】
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【図１０Ａ】
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【図１０Ｂ】
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【図１１Ａ】
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【図１１Ｂ】
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【図１１Ｃ】
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【国際調査報告】
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