(57)【要約】  光学リサイジング装置が開示される。装置は、第１ファセットと第２ファセットとを有する基板を形成する複数の層を含む。複数の層の各層は、層内に形成かつ／または埋設され導波路の配列を有する。１つの実施形態において、各層が第２ファセットで光学的に露出される領域を有するように、層は部分的に重複する光学配列状に配置される。別の実施形態において、装置は２つの光学リサイジング素子を含み、それらの各々は、装置を伝搬する光が２次元の光学リサイジングを経験するように、１次元の光学拡張または収縮を達成するために構成される。【選択図】  図７
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の次元で光学リサイジングを達成するように設計かつ構成された複数の導波路を有する第１光学リサイジング素子と、
第２の次元で光学リサイジングを達成するように設計かつ構成された複数の導波路を有する第２光学リサイジング素子であって、前記第２光学リサイジング素子は、前記第１光学リサイジング素子を出射した光が前記第２光学リサイジング素子に入射するように、前記第１光学リサイジング素子に結合され、したがって前記第１および前記第２の両方の次元でリサイジングが行なわれる第２光学リサイジング素子と、
を備える光学リサイジング装置であって、前記第１光学リサイジング素子および前記第２光学リサイジング素子の少なくとも一方の前記複数の導波路は少なくとも部分的にテーパを付けられる、光学リサイジング装置。
【請求項２】
前記第１光学リサイジング素子および前記第２光学リサイジング素子の少なくとも一方の前記複数の導波路は、前記光学リサイジングを達成するように長手方向に拡張する配列状態に、基板内に形成かつ／または埋設される、請求項１に記載の光学リサイジング装置。
【請求項３】
第１の次元で光学リサイジングを達成するように設計かつ構成された複数の導波路を有する第１光学リサイジング素子と、
第２の次元で光学リサイジングを達成するように設計かつ構成された複数の導波路を有する第２光学リサイジング素子であって、前記第２光学リサイジング素子は、前記第１光学リサイジング素子を出射した光が前記第２光学リサイジング素子に入射するように、前記第１光学リサイジング素子に結合され、したがって前記第１および前記第２の両方の次元でリサイジングが行なわれる第２光学リサイジング素子と、
を備える光学リサイジング装置であって、前記第１光学リサイジング素子および前記第２光学リサイジング素子の少なくとも一方の前記複数の導波路は、前記光学リサイジングを達成するように長手方向に拡張する配列状態に、基板内に形成かつ／または埋設される、光学リサイジング装置。
【請求項４】
前記第１光学リサイジング素子および前記第２光学リサイジング素子の少なくとも一方の前記複数の導波路は、少なくとも部分的にテーパを付けられる、請求項３に記載の光学リサイジング装置。
【請求項５】
前記長手方向に拡張する配列は導波路の層を含み、各層は、導波路が前記層の第１領域から前記層の第２領域まで延在し、それによって前記層内に周方向境界が画定されるように配置され、前記光学リサイジングを達成するために、前記周方向境界を特徴付ける長さは前記第１領域の方が前記第２領域より小さい、請求項２または３に記載の装置。
【請求項６】
第１ファセットと、前記第１ファセットより大きい第２ファセットとを有する基板を形成する複数の層を備える光学リサイジング素子であって、前記複数の層の各層は、前記層内に形成かつ／または埋設されかつ前記層の第１領域から前記層の第２領域まで延在する、略平行な導波路の配列を有し、前記複数の層は部分的に重複する光学配列状に配置され、それによって１次元の光学リサイジングを達成するために各層の第２領域が前記第２ファセットで光学的に露出される、光学リサイジング素子。
【請求項７】
少なくとも１層から形成される基板を備える光学リサイジング素子であって、前記少なくとも１層の各層は、前記層内に形成かつ／または埋設されかつ前記層の第１領域から前記層の第２領域まで延在し、それによって前記層内に周方向境界を画定する、導波路の配列を有し、１次元の光学リサイジングを達成するために、前記周方向境界を特徴付ける長さは前記第１領域の方が前記第２領域より小さい、光学リサイジング素子。
【請求項８】
前記複数の導波路の少なくとも少数は、少なくとも部分的にテーパを付けられる、請求項６または７に記載の光学リサイジング素子。
【請求項９】
前記第１領域および前記第２領域は前記層の両側に位置される、請求項５、６または７に記載の装置または光学リサイジング素子。
【請求項１０】
前記第１領域および前記第２領域は平行である、請求項９に記載の装置または光学リサイジング素子。
【請求項１１】
前記第１領域および前記第２領域は前記層の隣接側に位置される、請求項５または７に記載の装置または光学リサイジング素子。
【請求項１２】
前記第１領域および前記第２領域は略直交する、請求項１１に記載の装置または光学リサイジング素子。
【請求項１３】
前記第１領域および前記第２領域は前記層の同じ側に位置される、請求項５または７に記載の装置または光学リサイジング素子。
【請求項１４】
前記第１領域および前記第２領域は実質的に同一直線上にある、請求項１３に記載の装置または光学リサイジング素子。
【請求項１５】
前記第１光学リサイジング素子および前記第２光学リサイジング素子の少なくとも一方は、前記光学リサイジングを達成するための傾斜層を含む、請求項１または３に記載の装置。
【請求項１６】
前記第１光学リサイジング素子および前記第２光学リサイジング素子の少なくとも一方は、前記光学リサイジングを達成するためのテラスを含む、請求項１または３に記載の装置。
【請求項１７】
前記光学リサイジング素子の少なくとも一方は、前記光が第１方向に伝搬しながら前記光学リサイジング素子に入射し、前記第１方向に伝搬しながら前記光学リサイジング素子を出射するように設計かつ構成される、請求項１または３に記載の装置。
【請求項１８】
前記光学リサイジング素子の少なくとも一方は、前記光が第１方向に伝搬しながら前記光学リサイジング素子に入射し、前記第１方向とは異なる第２方向に伝搬しながら前記光学リサイジング素子を出射するように設計かつ構成される、請求項１または３に記載の装置。
【請求項１９】
前記第１光学リサイジング素子および前記第２光学リサイジング素子の各々は、第１ファセットと、前記第１ファセットと大きさが異なる第２ファセットとを独立して備え、それによって前記複数の導波路は前記第１ファセットから前記第２ファセットに延在する、請求項１または３に記載の装置。
【請求項２０】
前記第２ファセットは前記第１ファセットと略平行である、請求項１９に記載の装置。
【請求項２１】
前記第２ファセットは前記第１ファセットに略直交する、請求項１９に記載の装置。
【請求項２２】
前記第２ファセットは前記第１ファセットに対して傾斜する、請求項１９に記載の装置。
【請求項２３】
前記第２ファセットおよび前記第１ファセットは実質的に同一平面上にある、請求項１９に記載の装置。
【請求項２４】
前記第１光学リサイジング素子は、複数の光源から光を受光し、前記光を前記第２光学リサイジング素子に伝達するように構成かつ設計される、請求項１または３に記載の装置。
【請求項２５】
複数の光源から光を受光し、前記光を前記第２光学リサイジング素子に伝達するように構成かつ設計される、請求項６または７に記載の光学リサイジング素子。
【請求項２６】
少なくとも１つの追加光源から光を受光し、前記光を前記第２光学リサイジング素子に伝達するように構成かつ設計される、少なくとも１つの追加光学リサイジング素子をさらに備える、請求項１または３に記載の装置。
【請求項２７】
前記少なくとも１つの追加光源は単色光源を含む、請求項２６に記載の装置。
【請求項２８】
前記第２光学リサイジング素子は、異なる光源から発される光を異なる方向に出射するように設計かつ構成される、請求項２４または２６に記載の装置。
【請求項２９】
前記第２光学リサイジング素子は、前記第１光学リサイジング素子から受光される光を複数の方向に出射するように設計かつ構成される、請求項１または３に記載の装置。
【請求項３０】
光を複数の方向に出射するように設計かつ構成される、請求項６または７に記載の光学リサイジング素子。
【請求項３１】
前記第１光学リサイジング素子は、単一光源から光を受光し、前記光を少なくとも２つの異なる方向に出射するように設計かつ構成される、請求項１または３に記載の装置。
【請求項３２】
単一光源から光を受光し、前記光を少なくとも２つの異なる方向に出射するように設計かつ構成される、請求項６または７に記載の光学リサイジング素子。
【請求項３３】
前記少なくとも２つの異なる方向の１つに位置付けられかつ前記第１光学リサイジング素子からの光を受光するように構成された、少なくとも１つの追加光学リサイジング素子をさらに備える、請求項３１に記載の装置。
【請求項３４】
前記第２ファセットに付着またはエッチングされた拡散層をさらに含む、請求項１、３、６、７または１９に記載の装置または光学リサイジング素子。
【請求項３５】
前記第１光学リサイジング素子および前記第２光学リサイジング素子の少なくとも一方は拡張構造を含む、請求項１、３、１５または１６に記載の装置。
【請求項３６】
前記拡張構造はホログラフィック光学素子を含む、請求項３５に記載の装置。
【請求項３７】
前記拡張構造は、高屈折率領域および低屈折率領域が交互にパターン形成された層のスタックを含む、請求項３５に記載の装置。
【請求項３８】
前記拡張構造は溝がパターン形成された層のスタックを含む、請求項３５に記載の装置。
【請求項３９】
前記拡張構造はテーパ付き導波路の層のスタックを含む、請求項３５に記載の装置。
【請求項４０】
前記拡張構造はミラーを含む、請求項３５に記載の装置。
【請求項４１】
前記ミラーは全内部反射ミラーを含む、請求項４０に記載の装置。
【請求項４２】
前記ミラーは高反射塗膜で被覆される、請求項４０に記載の装置。
【請求項４３】
前記拡張構造はブラッグ反射器を含む、請求項３５に記載の装置。
【請求項４４】
前記第１光学リサイジング素子および前記第２光学リサイジング素子の少なくとも一方は、複数の部分光学リサイジング素子を備え、それによって各部分光学リサイジング素子が、それぞれの次元で部分光学リサイジングを達成するように設計かつ構成される、請求項１または３に記載の装置。
【請求項４５】
前記第１光学リサイジング素子および前記第２光学リサイジング素子の少なくとも一方は、光を偏光させるように設計かつ構成される、請求項１または３に記載の装置。
【請求項４６】
光を偏光させるように設計かつ構成される、請求項６または７に記載の光学リサイジング素子。
【請求項４７】
部分的に重複する光学配列状に配置される、第１ファセットおよび第２ファセットを有する基板を形成する複数の層を含む光学リサイジング装置であって、前記複数の層の各層は、前記層に形成かつ／または埋設されかつ前記層の第１領域から前記層の第２領域まで延在し、それによって前記層内に周方向境界を画定する導波路の配列を有し、前記周方向境界を特徴付ける長さは前記第１領域の方が前記第２領域より小さく、前記第２領域は前記第２ファセットに光学的に露出される、光学リサイジング装置。
【請求項４８】
前記第１ファセットは、前記複数の層の重複領域の端部によって画定される、請求項４７に記載の装置。
【請求項４９】
各層は前記第１ファセットに部分的に露出される、請求項４７に記載の装置。
【請求項５０】
前記複数の導波路の少なくとも少数は、少なくとも部分的にテーパを付けられる、請求項４７に記載の装置。
【請求項５１】
前記複数の層の少なくとも少数の層は、前記複数の導波路内を伝搬する光を前記層から外に方向転換させるためのミラーを含む、請求項４７に記載の装置。
【請求項５２】
前記ミラーの少なくとも一部分は全内部反射ミラーである、請求項５１に記載の装置。
【請求項５３】
前記ミラーの少なくとも一部分はエッチングされたミラーである、請求項５１に記載の装置。
【請求項５４】
前記ミラーの少なくとも一部分は高反射塗膜で被覆される、請求項５１に記載の装置。
【請求項５５】
前記ミラーの少なくとも一部分は平面ファセットを含む、請求項５１に記載の装置。
【請求項５６】
前記ミラーの少なくとも一部分は非平面ファセットを含む、請求項５１に記載の装置。
【請求項５７】
前記複数の層の少なくとも少数は、前記複数の導波路内を伝搬する光を前記層から外に方向転換させるためのブラッグ反射器を含む、請求項４７に記載の装置。
【請求項５８】
前記複数の層の少なくとも少数は、前記複数の導波路内を伝搬する光を前記層から外に方向転換させるためのホログラフィック光学素子を含む、請求項４７に記載の装置。
【請求項５９】
装置によってリサイズされる光の明るさを実質的に維持するように、充分に小さく選択された視野によって特徴付けられる、請求項１、３または４７に記載の装置。
【請求項６０】
（ａ）基板の第１領域から前記基板の第２領域まで延在する拡張配列状の複数の導波路を基板上に形成し、それによって導波路の層を設けるステップと、
（ｂ）前記ステップ（ａ）を複数回繰り返し、それによって複数の層を設けるステップと、
（ｃ）前記複数の層の端部によって画定される第１ファセットと、前記複数の層のうちの１層の露出表面によって画定される第２ファセットとを形成するように複数の層を積層し、それによって光学リサイジング素子を製造するステップと
を含む、光学リサイジング素子を製造する方法。
【請求項６１】
（ｄ）前記基板の第１領域から前記基板の第２領域まで延在する複数の略平行な導波路を基板上に形成し、それによって導波路の層を設けるステップと、
（ｅ）前記ステップ（ｄ）を複数回繰返し、それによって複数の層を設けるステップと、
（ｆ）第１ファセットおよび第２ファセットを形成し、前記第２ファセットが前記複数の層の光学的に露出した部分によって画定されるように、各層の第２領域が光学的に露出する、部分的に重複する光学配列状に前記複数の層を積層し、それによって第２光学リサイジング素子を製造するステップと、
（ｇ）前記光学リサイジング素子から前記第２光学リサイジング素子への光の伝搬が可能となり、前記光学リサイジング素子内では第１の次元で、前記第２光学リサイジング素子内では第２の次元で前記光をリサイズするように、前記光学リサイジング素子を前記第２光学リサイジング素子に光結合するステップと
をさらに含む、請求項６０に記載の方法。
【請求項６２】
（ａ）基板の第１領域から前記基板の第２領域まで延在する複数の導波路を基板上に形成し、それによって導波路の層を設けるステップと、
（ｂ）前記ステップ（ａ）を複数回繰り返し、それによって複数の層を設けるステップと、
（ｃ）スタックを設けるように前記複数の層を積層するステップと、
（ｄ）複数の光学リサイジング素子を設けるように、前記スタックに少なくとも１回切断を実行するステップと
を含む、複数の光学リサイジング素子を製造する方法。
【請求項６３】
（ａ）基板の第１領域から前記基板の第２領域まで延在する複数の平行な導波路を基板上に形成し、それによって導波路の層を設けるステップと、
（ｂ）前記ステップ（ａ）を複数回繰り返し、それによって複数の層を設けるステップと、
（ｃ）第１ファセットおよび第２ファセットを形成し、前記第２ファセットが前記複数の層の光学的に露出した部分によって画定されるように、各層の第２領域が光学的に露出する、部分的に重複する光学配列状に前記複数の層を積層し、それによって光学リサイジング素子を製造するステップと
を含む、光学リサイジング素子を製造する方法。
【請求項６４】
（ｄ）第２光学リサイジング素子を形成するために前記ステップ（ｂ）〜（ｃ）を繰り返すステップと、
（ｅ）前記光学リサイジング素子から前記第２光学リサイジング素子への光の伝搬が可能となり、前記光学リサイジング素子内では第１の次元で、前記第２光学リサイジング素子内では第２の次元で前記光をリサイズするように、前記光学リサイジング素子を前記第２光学リサイジング素子に光結合するステップと
をさらに含む、請求項６０または６３に記載の方法。
【請求項６５】
（ａ）基板の第１領域から前記基板の第２領域まで延在する複数の導波路を基板上に形成し、それによって前記基板内に周方向境界を画定し、前記周方向境界を特徴付ける長さは前記第１領域の方が前記第２領域より小さいステップと、
（ｂ）前記ステップ（ａ）を複数回繰り返し、それによって複数の層を設けるステップと、
（ｃ）第１ファセットおよび第２ファセットを形成し、前記第２ファセットが前記複数の層の光学的に露出した部分によって画定されるように、各層の第２領域が光学的に露出する、部分的に重複する光学配列状に前記複数の層を積層し、それによって光学リサイジング装置を製造するステップと
を含む、光学リサイジング装置を製造する方法。
【請求項６６】
前記複数の導波路を形成するステップは、複数のテーパ付き導波路を形成するステップを含む、請求項６０、６２、６３または６５に記載の方法。
【請求項６７】
前記複数の導波路内を伝搬する光を前記基板から外に方向転換させるためのミラーを位置付けるステップをさらに含む、請求項６２、６３または６５に記載の方法。
【請求項６８】
前記複数の層を積層するステップの後に、前記第１ファセットおよび前記第２ファセットの少なくとも一方を形成するために、前記複数の層を切断するステップをさらに含む、請求項６０、６３または６５に記載の方法。
【請求項６９】
前記切断は、前記第１ファセットおよび前記第２ファセットの少なくとも一方が傾斜するように実行される、請求項６８に記載の方法。
【請求項７０】
前記複数の層を積層するステップの前に、複数の導波路端部を露出させる層端を各層毎に形成するために、前記複数の層を切断するステップをさらに含む、請求項６０、６３または６５に記載の方法。
【請求項７１】
前記複数の層を積層するステップの前に、前記層の少なくとも一部分に偏光子を堆積するステップをさらに含む、請求項６０、６２、６３または６５に記載の方法。
【請求項７２】
前記第１ファセットおよび前記第２ファセットの少なくとも一方をカプラに結合するステップをさらに含む、請求項６０、６３または６５に記載の方法。
【請求項７３】
前記カプラはマイクロレンズアレイを含む、請求項７２に記載の方法。
【請求項７４】
前記ファセットにマイクロレンズアレイを形成するために、前記第１ファセットおよび前記第２ファセットの少なくとも一方をエッチングするステップをさらに含む、請求項６０、６３または６５に記載の方法。
【請求項７５】
前記複数の層は前記第２ファセットで部分的に露出される、請求項６、４７、６１、６３または６５に記載の光学リサイジング装置、光学リサイジング素子、または方法。
【請求項７６】
前記複数の導波路の少なくとも少数は平面光回路を形成する、請求項２、３、６、７、４７、６０、６３または６５に記載の光学リサイジング装置、光学リサイジング素子、または方法。
【請求項７７】
前記複数の導波路の少なくとも少数は光ファイバアレイを形成する、請求項２、３、６、７、４７、６０、６３または６５に記載の光学リサイジング装置、光学リサイジング素子、または方法。
【請求項７８】
前記複数の導波路の少なくとも少数は単一モード導波路である、請求項７６に記載の光学リサイジング装置、光学リサイジング素子、または方法。
【請求項７９】
前記複数の導波路の少なくとも少数はマルチモード導波路である、請求項７６に記載の光学リサイジング装置、光学リサイジング素子、または方法。
【請求項８０】
前記導波路のコア間に導入された光吸収体をさらに含む、請求項７６に記載の光学リサイジング装置、光学リサイジング素子、または方法。
【請求項８１】
前記複数の導波路の少なくとも少数は、コアおよびクラッドを含み、前記コアは前記クラッドより高い屈折率を有する、請求項２、３、６、７、４７、６０、６３または６５に記載の光学リサイジング装置、光学リサイジング素子、または方法。
【請求項８２】
前記複数の導波路の少なくとも少数は、フォトニックバンドギャップ材料を含む、請求項２、３、６、７、４７、６０、６３または６５に記載の光学リサイジング装置、光学リサイジング素子、または方法。
【請求項８３】
光を前記光学リサイジング装置または前記光学リサイジング素子に結合するためのマイクロレンズアレイをさらに含む、請求項２、３、６、７または４７に記載の光学リサイジング装置または光学リサイジング素子。
【請求項８４】
光を前記光学リサイジング装置または光学リサイジング素子に結合するための少なくとも１つの光ファイバ束をさらに含む、請求項２、３、６、７または４７に記載の光学リサイジング装置または光学リサイジング素子。
【請求項８５】
前記テーパリングは平滑なプロファイルによって特徴付けられる、請求項１、４、８、３９、５０または６６に記載の光学リサイジング装置、光学リサイジング素子、または方法。
【請求項８６】
前記テーパリングは実質的に階段状のプロファイルによって特徴付けられる、請求項１、４、８、３９、５０または６６に記載の光学リサイジング装置、光学リサイジング素子、または方法。
【請求項８７】
可撓性である、請求項１、３、６、７または４７に記載の光学リサイジング装置または光学リサイジング素子。
【請求項８８】
折曲げ可能である、請求項１、３、６、７または４７に記載の光学リサイジング装置または光学リサイジング素子。
【請求項８９】
ディスプレイシステムの構成部品として働く、請求項１、３、６、７または４７に記載の光学リサイジング装置または光学リサイジング素子。
【請求項９０】
自動立体視ディスプレイシステムの構成部品として働く、請求項１、３、６、７または４７に記載の光学リサイジング装置または光学リサイジング素子。
【請求項９１】
請求項１〜５、９〜２９、３１、３３〜４５、４７〜５９、および７５〜９０のいずれかに記載の光学リサイジング装置に光を透過させるステップを含む、光点をリサイズする方法。
【請求項９２】
輝度勾配を提供し、それによって不均質な光損失を補償するために、光点を歪めるステップをさらに含む、請求項９１に記載の方法。
【請求項９３】
前記光は像を構成する、請求項９１に記載の方法。
【請求項９４】
輝度勾配を提供し、それによって不均質な光損失を補償するために、前記像を歪めるステップをさらに含む、請求項９３に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は光学に関し、さらに詳しくは、光学リサイジングのための装置および方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
電子装置の小型化は常に、電子機器の分野における永続的な目標であった。電子装置はしばしば、ユーザに見える何らかの形のディスプレイを具備する。これらの装置のサイズが縮小すると、それらのディスプレイのサイズも縮小される。しかし、あるサイズを過ぎると、電子装置のディスプレイは裸眼では見ることができず、その画像を拡大しなければならない。
【０００３】
電子ディスプレイは、そのサイズがディスプレイ装置の物理的サイズによって決定される実像、またはそのサイズがディスプレイ装置の寸法を超えることのできる虚像を提供することができる。
【０００４】
小型の画像表示システムによって生成される画像の拡大は、より大きいスクリーン上に画像を投射することによって、またはユーザに拡大された虚像を提供する受動光学拡大素子を介して、実行することができる。虚像は、像と観察者とが光線で結ばれるものではないので、表示面上に投射することのできない像と定義される。
【０００５】
しかし、上記の拡大技術は決して理想的ではないと認識される。投射される実像は、投射時に像の拡大がディスプレイに垂直な光伝搬によって達成されるので、嵩張りの問題がある。虚像を生成するための装置は視野が限られており、かつ往々にして嵩張ってしまう。
【０００６】
別の拡大技術では、像は投射されず、むしろ小さいファセットから大きいファセットまで延在する１束の光ファイバ中を誘導される。小さいファセットはしばしば「対物平面」と呼ばれる一方、大きい方のファセットはしばしば「像平面」と呼ばれる。
【０００７】
今、図面を参照すると、図１〜２は、ファイバベース誘導拡大装置を製造するための幾つかの従来技術の略図である。
【０００８】
図１ａは、米国特許第２８２５２６０号の教示に基づく光学像トランスポート装置を示す。小さいファセットから大きいファセットへの拡大は、束内のファイバ間の分離を増大することによって達成される。図１ｂは、米国特許第２９９２５８７号および第３８５３６５８号に開示されたこの方法の変形を示す。この技術では、ファイバは大きいファセットに向かってアップテーパされる。しかし、これらの技術は、光ファイバの分離およびアップテーパリングに関係する技術的限界のため、生産不能であった。
【０００９】
アップテーパリングの問題を克服しようとする試みが、米国特許第３９０９１０９号に開示されており、そこでは大きいファセットに追加層が付加される。層の厚さは、ファイバの遠視野ビームが重複するまで層中の自由伝搬ができるように選択される。しかしこの技術は、ガウス形状の遠視野線が追加層の最適厚さの決定を難しくするので、大きな限界を免れない。
【００１０】
図１ｃは、米国特許第３０４３９１０号および第４２０８０９６号の教示に基づく図１ａの装置の別の改良を示す。この改良では、ファイバの分離は１次元にのみ実行され、それにより他の（略直角な）次元の分離は、テラスまたは斜切によって行なわれる。この構成では、ファイバは１方向に分離された後、大きいファセットに向かって方向転換され、そこでそれらは、略直角方向に分離するために、階段状または斜めに切断される。この解決策の大きな限界は製造の困難さである。
【００１１】
図２ａ〜ｂは、米国特許第３４０２０００号および第６３２６９３９号の教示に従って光ファイバ拡大素子を生成するための別の技術を示す。図２ａを参照すると、１次元拡大素子は、片側に円形断面が形成され、反対側に楕円形断面が形成されるように切断された円筒状光ファイバを示す。円形断面は円筒の長手軸に直角であり、したがって円筒と同一直径を有する。楕円形断面は長手軸に対して斜切され、したがって円筒の直径に等しい短軸および円筒の直径より長い長軸を有する。ファイバ中を円形側から楕円形側に光が透過すると、楕円形断面の長軸の方向に１次元の拡大が確立される。
【００１２】
図２ｂを参照すると、１つの素子の出力がもう１つの素子の入力として使用されるように、２つのそのような１次元拡大素子が方向転換層を介して接続される。第２拡大素子からの光を結合するために第２方向転換層が使用される。第１および第２素子間の適切な光結合を達成するために、第２素子の入力側のファイバの断面は、第１素子の出力側のファイバと同一楕円形断面を持たなければならない。
【００１３】
しかし、ファイバの入力断面はそれらの長手軸に直角でなければならないので、第２素子のファイバの楕円形入力断面は、斜切によって得ることができない。他方、楕円状ファイバのファイバ束は存在しない。したがって、第２拡大で解像度を低下させないために、第２素子中のファイバ数は、第１素子中のファイバ数より第１素子の１次元の拡大率に等しい率だけ大きい数でなければならない。この技術のさらなる欠点は方向転換層の必要性および非誘導光の存在であり、それはディスプレイのアスペクト比を低減させる可能性がある。
【００１４】
米国特許第５５１１１４１号および第５６００７５１号は、１束の並置され長手方向にテーパを付けられた光ファイバによって形成された読書用拡大装置を開示している。該拡大装置は、ＴａｐｅｒＭａｇ（商標）の商品名で米国のＴａｐｅｒ  Ｖｉｓｉｏｎ  Ｃｏ．Ｌｔｄ．から市販されている［Ｅ．Ｐｅｌｉ、Ｗ．Ｐ．Ｓｉｅｇｍｕｎｄ、「Ｆｉｂｅｒ‐ｏｐｔｉｃ  ｒｅａｄｉｎｇ  ｍａｇｎｉｆｉｅｒｓ  ｆｏｒ  ｔｈｅ  ｖｉｓｕａｌｌｙ  ｉｍｐａｉｒｅｄ」、Ｊ  Ｏｐｔ  Ｓｏｃ  Ａｍ  Ａ  １２（１０）：２２７４‐２２８５、１９９５］。しかし、ＴａｐｅｒＭａｇ（商標）は、その厚さがファセットの直径のサイズと同等でなければならないので、嵩張る（２インチのスクリーンに２倍にするだけで約５ｃｍの厚さ）。
【００１５】
Ｋａｗａｓｈｉｍａらの米国特許第６４８０３４５号は、小さいファセットから大きいファセットまで延在する高屈折率領域を利用する拡大装置を開示している。Ｋａｗａｓｈｉｍａらによって実行されたシミュレーションで、３０インチの拡大装置が４ｃｍ未満の厚さを持ち、１０倍の拡大を実行できることが明らかになった。しかし、Ｋａｗａｓｈｉｍａの拡大装置の製造プロセスはかなり複雑である。例えば、Ｋａｗａｓｈｉｍａらの１実施形態は、コアの寸法を増大しながらマスクによって生産された数十個もの積層薄板のアラインメントを含む。Ｋａｗａｓｈｉｍａらの別の実施形態は、３次元のファイバ処理を含む。Ｋａｗａｓｈｉｍａらはより簡単な製造プロセスをも教示しているが、これらは２倍以下の倍率に限定される。
【００１６】
したがって、上記の限界を持たない光学リサイジングのための装置および方法に関する必要性が幅広く認識されており、それを持つことは非常に有利である。
【発明の開示】
【００１７】
背景技術は、埋込み導波路を使用して光学リサイジングを達成することを教示していない。本発明の実施形態は、埋込み導波路の技術を活用して１次元または２次元の光学リサイジングを達成する。
【００１８】
したがって、本発明の１態様では光学リサイジング装置を提供する。該装置は、第１の次元で光学リサイジングを達成するように設計かつ構成された複数の導波路を有する第１光学リサイジング素子と、第２の次元で光学リサイジングを達成するように設計かつ構成された複数の導波路を有する第２光学リサイジング素子とを備える。第２光学リサイジング素子は、第１光学リサイジング素子を出射した光が第２光学リサイジング素子に入射するように、第１光学リサイジング素子に結合され、したがって第１および第２の両方の次元でリサイジングが行なわれる。第１および第２光学リサイジング素子の少なくとも一方の導波路は少なくとも部分的にテーパを付けられる。
【００１９】
下述する本発明の好適な実施形態のさらなる特徴によると、第１光学リサイジング素子および第２光学リサイジング素子の少なくとも一方の複数の導波路は、光学リサイジングを達成するように長手方向に拡張する配列状態に、基板内に形成かつ／または埋設される。
【００２０】
記載した好適な実施形態のさらに別の特徴によると、長手方向に拡張する配列は導波路の層を含み、各層は、導波路が層の第１領域から層の第２領域まで延在し、それによって層内に周方向境界が画定されるように配置され、光学リサイジングを達成するために、周方向境界を特徴付ける長さは第１領域の方が第２領域より小さい。
【００２１】
本発明の別の態様では、光学リサイジング素子を提供する。該光学リサイジング素子は、第１ファセットと、第１ファセットより大きい第２ファセットとを有する基板を形成する複数の層を備える。各層は、層内に形成かつ／または埋設されかつ層の第１領域から層の第２領域まで延在する、略平行な導波路の配列を有する。この態様では、層は部分的に重複する光学配列状に配置され、それによって１次元の光学リサイジングを達成するために各層の第２領域が第２ファセットで光学的に露出する。
【００２２】
本発明のさらに別の態様では、光学リサイジング素子を提供する。該光学リサイジング素子は少なくとも１層から形成される基板を備え、各層は、層内に形成かつ／または埋設されかつ層の第１領域から層の第２領域まで延在し、それによって層内に周方向境界を画定する、導波路の配列を有する。光学リサイジングを達成するために、周方向境界を特徴付ける長さは第１領域の方が第２領域より小さい。
【００２３】
下述する本発明の好適な実施形態のさらなる特徴によると、第１領域および第２領域は層の両側に位置する。
【００２４】
記載した好適な実施形態のさらに別の特徴によると、第１領域および第２領域は層の隣接側に位置する。
【００２５】
記載した好適な実施形態のさらに別の特徴によると、第１領域および第２領域は層の同じ側に位置する。
【００２６】
記載した好適な実施形態のさらに別の特徴によると、第１領域および第２領域は略平行である。
【００２７】
記載した好適な実施形態のさらに別の特徴によると、第１領域および第２領域は略直交する。
【００２８】
記載した好適な実施形態のさらに別の特徴によると、第１領域および第２領域は実質的に同一直線上にある。
【００２９】
記載した好適な実施形態のさらに別の特徴によると、光学リサイジング素子の少なくとも１つは、光学リサイジングを達成するための傾斜層を含む。
【００３０】
記載した好適な実施形態のさらに別の特徴によると、光学リサイジング素子の少なくとも１つは、光学リサイジングを達成するためのテラスを含む。
【００３１】
記載した好適な実施形態のさらに別の特徴によると、光学リサイジング素子の少なくとも１つは、光が第１方向に伝搬しながら光学リサイジング素子に入射し、同一方向に伝搬しながら光学リサイジング素子を出射するように設計かつ構成される。
【００３２】
記載した好適な実施形態のさらに別の特徴によると、光学リサイジング素子の少なくとも１つは、光が第１方向に伝搬しながら光学リサイジング素子に入射し、第１方向とは異なる第２方向に伝搬しながら光学リサイジング素子を出射するように設計かつ構成される。
【００３３】
記載した好適な実施形態のさらに別の特徴によると、第２ファセットは第１ファセットと略平行である。
【００３４】
記載した好適な実施形態のさらに別の特徴によると、第２ファセットは第１ファセットに略直交する。
【００３５】
記載した好適な実施形態のさらに別の特徴によると、第２ファセットは第１ファセットに対して傾斜する。
【００３６】
記載した好適な実施形態のさらに別の特徴によると、第２ファセットおよび第１ファセットは実質的に同一平面上にある。
【００３７】
記載した好適な実施形態のさらに別の特徴によると、１つの光学リサイジング素子は、複数の光源から光を受光し、光を別の光学リサイジング素子に伝達するように構成かつ設計される。
【００３８】
記載した好適な実施形態のさらに別の特徴によると、装置はさらに、少なくとも１つの追加光源から光を受光し、光を第２光学リサイジング素子に伝達する、少なくとも１つの追加光学リサイジング素子を備える。
【００３９】
記載した好適な実施形態のさらに別の特徴によると、追加光源は単色光源を含む。
【００４０】
記載した好適な実施形態のさらに別の特徴によると、光学リサイジング素子は、光を複数の方向に出射するように設計かつ構成される。光は異なる光源から発することができ、その場合、各方向は異なる光源に帰属する。光はまた、単一光源または別の光学リサイジング素子から発することができ、その場合、同じ光が複数の方向に放出される。例えば、装置の２つの異なるファセットに単一の像を形成することができる。
【００４１】
記載した好適な実施形態のさらに別の特徴によると、装置はさらに、少なくとも２つの方向の１つに位置付けられかつ第１光学リサイジング素子からの光を受光するように構成された、少なくとも１つの追加光学リサイジング素子を備える。
【００４２】
記載した好適な実施形態のさらに別の特徴によると、光学リサイジング素子の少なくとも１つは複数の部分光学リサイジング素子を備え、各部分光学リサイジング素子が、それぞれの次元で部分光学リサイジングを達成するように設計かつ構成される。
【００４３】
記載した好適な実施形態のさらに別の特徴によると、装置または光学リサイジング素子はさらに、第２ファセットに付着またはエッチングされた拡散層を含む。
【００４４】
記載した好適な実施形態のさらに別の特徴によると、装置または光学リサイジング素子はさらに拡張構造を含む。
【００４５】
記載した好適な実施形態のさらに別の特徴によると、拡張構造はホログラフィック光学素子を含む。
【００４６】
記載した好適な実施形態のさらに別の特徴によると、拡張構造は、高屈折率領域および低屈折率領域が交互にパターン形成された層のスタックを含む。
【００４７】
記載した好適な実施形態のさらに別の特徴によると、拡張構造は溝がパターン形成された層のスタックを含む。
【００４８】
記載した好適な実施形態のさらに別の特徴によると、拡張構造はテーパ付き導波路の層のスタックを含む。
【００４９】
記載した好適な実施形態のさらに別の特徴によると、拡張構造はミラーを含む。記載した好適な実施形態のさらに別の特徴によると、ミラーは全内部反射ミラーを含む。記載した好適な実施形態のさらに別の特徴によると、ミラーは高反射塗膜で被覆される。
【００５０】
記載した好適な実施形態のさらに別の特徴によると、拡張構造はブラッグ反射器を含む。
【００５１】
記載した好適な実施形態のさらに別の特徴によると、少なくとも１つの光学リサイジング素子は光を偏光させるように設計かつ構成される。
【００５２】
本発明の追加の態様では、光学リサイジング装置を提供する。該装置は第１ファセットおよび第２ファセットを有する基板を形成する複数の層を含み、複数の層は部分的に重複する光学配列状に配置される。各層は、層に形成かつ／または埋設されかつ層の第１領域から層の第２領域まで延在し、それによって層内に周方向境界を画定する、導波路の配列を有する。周方向境界を特徴付ける長さは第１領域の方が第２領域より小さく、第２領域は第２ファセットに光学的に露出される。
【００５３】
下述する本発明の好適な実施形態のさらなる特徴によると、第１ファセットは、複数の層の重複領域の端部によって画定される。
【００５４】
記載した好適な実施形態のさらに別の特徴によると、各層は第１ファセットに部分的に露出される。
【００５５】
記載した好適な実施形態のさらに別の特徴によると、少なくとも少数の層は、複数の導波路内を伝搬する光を層から外に方向転換させるためのミラーを含む。記載した好適な実施形態のさらに別の特徴によると、ミラーの少なくとも一部分は全内部反射ミラーである。記載した好適な実施形態のさらに別の特徴によると、ミラーの少なくとも一部分はエッチングされたミラーである。記載した好適な実施形態のさらに別の特徴によると、ミラーの少なくとも一部分は高反射塗膜で被覆される。
【００５６】
記載した好適な実施形態のさらに別の特徴によると、ミラーの少なくとも一部分は平面ファセットを含む。
【００５７】
記載した好適な実施形態のさらに別の特徴によると、ミラーの少なくとも一部分は非平面ファセットを含む。
【００５８】
記載した好適な実施形態のさらに別の特徴によると、少なくとも少数の層は、複数の導波路内を伝搬する光を層から外に方向転換させるためのブラッグ反射器を含む。
【００５９】
記載した好適な実施形態のさらに別の特徴によると、少なくとも少数の層は、複数の導波路内を伝搬する光を層から外に方向転換させるためのホログラフィック光学素子を含む。
【００６０】
記載した好適な実施形態のさらに別の特徴によると、装置は、装置によってリサイズされる光の明るさを実質的に維持するように、充分に小さく選択された視野によって特徴付けられる。
【００６１】
本発明のさらに追加の態様では、光学リサイジング素子を製造する方法を提供する。該方法は、（ａ）基板の第１領域から基板の第２領域まで延在する拡張配列状の複数の導波路を基板上に形成し、それによって導波路の層を設けるステップと、（ｂ）ステップ（ａ）を複数回繰り返し、それによって複数の層を設けるステップと、（ｃ）複数の層の端部によって画定される第１ファセットと、複数の層のうちの１層の露出表面によって画定される第２ファセットとを形成するように複数の層を積層し、それによって光学リサイジング素子を製造するステップとを含む。
【００６２】
記載した好適な実施形態のさらに別の特徴によると、該方法はさらに、（ｄ）基板の第１領域から基板の第２領域まで延在する略平行な複数の導波路を基板上に形成し、それによって導波路の層を設けるステップと、（ｅ）ステップ（ｄ）を複数回繰返し、それによって複数の層を設けるステップと、（ｆ）第１ファセットおよび第２ファセットを形成し、第２ファセットが複数の層の光学的に露出した部分によって画定されるように、各層の第２領域が光学的に露出する、部分的に重複する光学配列状に複数の層を積層し、それによって第２光学リサイジング素子を製造するステップと、（ｇ）光学リサイジング素子から第２光学リサイジング素子への光の伝搬が可能となり、光学リサイジング素子内では第１の次元で、第２光学リサイジング素子内では第２の次元で光をリサイズするように、光学リサイジング素子を第２光学リサイジング素子に光結合するステップとを含む。
【００６３】
本発明のさらなる追加の態様では、複数の光学リサイジング素子を製造する方法を提供する。該方法は、（ａ）基板の第１領域から基板の第２領域まで延在する複数の導波路を基板上に形成し、それによって導波路の層を設けるステップと、（ｂ）ステップ（ａ）を複数回繰り返し、それによって複数の層を設けるステップと、（ｃ）スタックを設けるように複数の層を積層するステップと、（ｄ）複数の光学リサイジング素子を設けるように、スタックに少なくとも１回切断を実行するステップとを含む。
【００６４】
本発明のさらなる態様では、光学リサイジング素子を製造する方法を提供する。該方法は、（ａ）基板の第１領域から基板の第２領域まで延在する複数の平行な導波路を基板上に形成し、それによって導波路の層を設けるステップと、（ｂ）ステップ（ａ）を複数回繰り返し、それによって複数の層を設けるステップと、（ｃ）第１ファセットおよび第２ファセットを形成し、第２ファセットが複数の層の光学的に露出した部分によって画定されるように、各層の第２領域が光学的に露出する、部分的に重複する光学配列状に複数の層を積層し、それによって光学リサイジング素子を製造するステップとを含む。
【００６５】
記載した好適な実施形態のさらに別の特徴によると、該方法はさらに、（ｄ）第２光学リサイジング素子を形成するためにステップ（ｂ）〜（ｃ）を繰り返すステップと、（ｅ）光学リサイジング素子から第２光学リサイジング素子への光の伝搬が可能となり、光学リサイジング素子内では第１の次元で、第２光学リサイジング素子内では第２の次元で光をリサイズするように、光学リサイジング素子を第２光学リサイジング素子に光結合するステップとを含む。
【００６６】
本発明のさらになお別の態様では、光学リサイジング装置を製造する方法を提供する。該方法は（ａ）基板の第１領域から基板の第２領域まで延在する複数の導波路を基板上に形成し、それによって第１領域の方が第２領域より小さい長さによって特徴付けられる周方向境界を基板内に画定するステップと、（ｂ）ステップ（ａ）を複数回繰り返し、それによって複数の層を設けるステップと、（ｃ）第１ファセットおよび第２ファセットを形成し、第２ファセットが複数の層の光学的に露出した部分によって画定されるように、各層の第２領域が光学的に露出する、部分的に重複する光学配列状に複数の層を積層し、それによって光学リサイジング装置を製造するステップとを含む。
【００６７】
記載した好適な実施形態のさらに別の特徴によると、該方法はさらに、複数の導波路内を伝搬する光を基板から外に方向転換させるためのミラーを位置付けるステップを含む。
【００６８】
記載した好適な実施形態のさらに別の特徴によると、該方法はさらに、層を積層するステップの後に、第１ファセットおよび第２ファセットの少なくとも１つを形成するために、層を切断するステップを含む。
【００６９】
記載した好適な実施形態のさらに別の特徴によると、該方法では、切断ステップを、少なくとも１つのファセットが傾斜するように実行する。
【００７０】
記載した好適な実施形態のさらに別の特徴によると、該方法はさらに、層を積層するステップの前に、複数の導波路端部を露出させる層端を各層毎に形成するために、複数の層を切断するステップを含む。
【００７１】
記載した好適な実施形態のさらに別の特徴によると、該方法はさらに、層を積層するステップの前に、層の少なくとも一部分に偏光子を堆積するステップを含む。
【００７２】
記載した好適な実施形態のさらに別の特徴によると、該方法はさらに、少なくとも１つのファセットをカプラに結合するステップを含む。記載した好適な実施形態のさらに別の特徴によると、カプラはマイクロレンズアレイを含む。
【００７３】
記載した好適な実施形態のさらに別の特徴によると、該方法はさらに、ファセットにマイクロレンズアレイを形成するために、少なくとも１つのファセットをエッチングするステップを含む。
【００７４】
記載した好適な実施形態のさらに別の特徴によると、導波路の少なくとも少数がテーパを付けられ、あるいは部分的にテーパを付けられる。
【００７５】
記載した好適な実施形態のさらに別の特徴によると、テーパリングは平滑なプロファイルによって特徴付けられる。
【００７６】
記載した好適な実施形態のさらに別の特徴によると、テーパリングは実質的に階段状のプロファイルによって特徴付けられる。
【００７７】
記載した好適な実施形態のさらに別の特徴によると、複数の層は第２ファセットで部分的に露出される。
【００７８】
記載した好適な実施形態のさらに別の特徴によると、複数の導波路の少なくとも少数が平面光回路を形成する。
【００７９】
記載した好適な実施形態のさらに別の特徴によると、複数の導波路の少なくとも少数が光ファイバアレイを形成する。
【００８０】
記載した好適な実施形態のさらに別の特徴によると、複数の導波路の少なくとも少数が単一モード導波路である。
【００８１】
記載した好適な実施形態のさらに別の特徴によると、導波路がマルチモード導波路である。
【００８２】
記載した好適な実施形態のさらに別の特徴によると、光学リサイジング装置または素子はさらに、導波路のコア間に導入された光吸収体を含む。
【００８３】
記載した好適な実施形態のさらに別の特徴によると、少なくとも少数の導波路はコアおよびクラッドを含み、コアはクラッドより高い屈折率を有する。
【００８４】
記載した好適な実施形態のさらに別の特徴によると、少なくとも少数の導波路はフォトニックバンドギャップ材料を含む。
【００８５】
記載した好適な実施形態のさらに別の特徴によると、光学リサイジング装置または素子はさらに、光を光学リサイジング装置または光学リサイジング素子に結合するためのマイクロレンズアレイを含む。
【００８６】
記載した好適な実施形態のさらに別の特徴によると、光学リサイジング装置または素子はさらに、光を光学リサイジング装置または素子に結合するための少なくとも１つの光ファイバ束を含む。
【００８７】
記載した好適な実施形態のさらに別の特徴によると、光学リサイジング装置または素子は可撓性である。
【００８８】
記載した好適な実施形態のさらに別の特徴によると、光学リサイジング装置または素子は折曲げ可能である。
【００８９】
記載した好適な実施形態のさらに別の特徴によると、光学リサイジング装置または素子はディスプレイシステムの構成部品として働く。
【００９０】
記載した好適な実施形態のさらに別の特徴によると、光学リサイジング装置または素子は自動立体視ディスプレイシステムの構成部品として働く。
【００９１】
本発明のさらに別の態様では、上述の態様または特徴のいずれかの光学リサイジング装置に光を透過させるステップを含む、光点をリサイズする方法を提供する。
【００９２】
記載した好適な実施形態のさらに別の特徴によると、該方法はさらに、輝度勾配をもたらし、それによって不均質な光損失を補償するために、光点を歪めるステップを含む。
【００９３】
記載した好適な実施形態のさらに別の特徴によると、該方法で光は像を構成する。
【００９４】
記載した好適な実施形態のさらに別の特徴によると、該方法はさらに、輝度勾配を提供し、それによって不均質な光損失を補償するために、像を歪めるステップを含む。
【００９５】
本発明は、先行技術をはるかに超える特性を享受する光学リサイジング素子、光学リサイジング装置、および方法を提供することによって、現在公知の構成の短所に対処することに成功している。
【００９６】
別途定義されない限り、本明細書中で使用されるすべての技術的用語および科学的用語は、本発明が属する技術分野の当業者によって一般に理解されるのと同じ意味を有する。本明細書中に記載される方法および材料と類似または同等である方法および材料を本発明の実施または試験において使用することができるが、好適な方法および材料が下記に記載される。矛盾する場合には、定義を含めて、本特許明細書が優先する。加えて、材料、方法および実施例は例示にすぎず、限定であることは意図されない。
【００９７】
図面の簡単な記述
本明細書では本発明を単に例示し図面を参照して説明する。特に詳細に図面を参照して、示されている詳細が例示として本発明の好ましい実施形態を例示考察することだけを目的としており、本発明の原理や概念の側面の最も有用でかつ容易に理解される説明であると考えられるものを提供するために提示していることを強調するものである。この点について、本発明を基本的に理解するのに必要である以上に詳細に本発明の構造の詳細は示さないが、図面について行う説明によって本発明のいくつもの形態を実施する方法は当業者には明らかになるであろう。
【００９８】
図１ａ〜２ｂは、ファイバベース誘導拡大装置を製造するための先行技術の略図である。
【００９９】
図３ａ〜ｃは、本発明の様々な例示的実施形態に係る、導波路の長手方向に拡張する配列（図３ａ）、部分的テーパ付き導波路（図３ｂ）、および部分的テーパ付き導波路の長手方向に拡張する配列（図３ｃ）の略図である。
【０１００】
図３ｄは、２層以上を持つ図３ｃの実施形態の略図である。
【０１０１】
図４ａ〜ｉは、本発明の様々な例示的実施形態における光学リサイジング素子の略図である。
【０１０２】
図５は、本発明の様々な例示的実施形態における２つの光学リサイジング素子を有する光学リサイジング装置の略図である。
【０１０３】
図６ａは、本発明の様々な例示的実施形態における受光光学リサイジング素子の小さいファセットの略図である。
【０１０４】
図６ｂは、本発明の様々な例示的実施形態における図６ａの素子の導波路の３次元図である。
【０１０５】
図７ａは、各光学リサイジング素子の入射および出射ファセットが相互に略直交する実施形態の装置の３次元略図である。
【０１０６】
図７ｂは、２対の光学リサイジング素子を採用する好適な実施形態における図７ａの装置の３次元略図である。
【０１０７】
図８は、一方の光学リサイジング素子のファセットが略平行であり、他方の光学リサイジング素子のファセットが略直交する、好適な実施形態における装置の略図である。
【０１０８】
図９は、光学リサイジング素子のファセットが実質的に同一平面上にある、好適な実施形態における装置の略図である。
【０１０９】
図１０ａ〜ｂは、本発明の様々な例示的実施形態に従って導波路の配列を製造するためのフォトマスクレイアウトの略図である。
【０１１０】
図１１ａ〜ｂは、垂直方向および横方向の両方にテーパを付けられた導波路を製造するためのプロセスの略図である。
【０１１１】
図１２ａ〜ｆは、複数の光源を使用する好適な実施形態における光学リサイジング装置の略図である。
【０１１２】
図１３ａ〜ｃは、装置からの光学出力が２つ以上存在する好適な実施形態における装置の略図である。
【０１１３】
図１４ａ〜ｂは、装置が１つまたはそれ以上の追加光学素子を含む好適な実施形態における装置の略図である。
【０１１４】
図１５は、層が偏光子を含む好適な実施形態における光学リサイジング素子の層の略図である。
【０１１５】
図１６ａ〜ｂは、光源が画像源である好適な実施形態における装置と光源との間の結合の略図である。
【０１１６】
図１７は、入力画像がレンズを用いて装置に合焦される好適な実施形態の略図である。
【０１１７】
図１８ａ〜ｂは、１つまたはそれ以上のファイバ束が使用される好適な実施形態における装置と光源との間の結合の略図である。
【０１１８】
図１９は、導波路が層の端部に対して傾斜する好適な実施形態における光学リサイジング素子の１層の略図である。
【０１１９】
図２０〜２２ｆは、装置が部分的に重複する光学配列の原理に従って製造される好適な実施形態における光学リサイジング装置の略図である。
【０１２０】
図２３ａ〜ｂは、ファセットが２次元段付き形状を有する好適な実施形態における、図２０〜２２の装置と同様の装置のファセットの一部分の略側面図（図２３ａ）および略上面図（図２３ｂ）である。
【０１２１】
図２３ｃ〜ｄは、本発明の様々な例示的実施形態に係るミラー形状の略図である。
【０１２２】
図２４ａ〜ｅは、本発明の様々な例示的実施形態に係る２次元段付きまたは傾斜プロファイルを持つ光学リサイジング素子の略側面図である。
【０１２３】
図２５は、本発明の好適な実施形態に係る折曲げ可能な光学リサイジング装置の略図である。
【０１２４】
図２６ａ〜ｂは、本発明の様々な例示的実施形態に係る、透過素子の配列を介して光が装置から外に結合される構成の略図である。
【０１２５】
図２７ａ〜ｂは、本発明の様々な例示的実施形態における、傾斜光学リサイジング素子を製造するためのプロセスの略図である。
【０１２６】
図２７ｃ〜ｈは、本発明の様々な例示的実施形態に係る拡張構造の略図である。
【０１２７】
図２８ａ〜ｃは、層が軽量層である好適な実施形態における、図２０〜２２の装置と同様の装置の層の略上面図（図２８ａ〜ｂ）および略側面図（図２８ｃ）である。
【０１２８】
図２９ａ〜ｅは、本発明の様々な例示的実施形態に係る、図２０〜２２の装置と同様の装置を製造するための好適な折曲げ技術の略図である。
【０１２９】
図３０ａ〜ｂは、本発明の様々な例示的実施形態における、複数の光学リサイジング素子を製造するための同時プロセスの略図である。
【０１３０】
図３１は、装置が複数の光源から光を受光する好適な実施形態における、図２０〜２２の装置と同様の装置の略図である。
【０１３１】
図３２ａ〜ｂは、装置が複数の単色光源の形の光学入力を受光する好適な実施形態における、図２０〜２２の装置と同様の装置の略上面図（図３２ａ）および略断面図（図３２ｂ）である。
【０１３２】
図３３ａ〜ｃは、本発明の様々な例示的実施形態に係る、図２０〜２２の装置と同様の装置の層から外へ光を結合するための技術の略図である。
【０１３３】
図３４ａ〜３５ｃは、装置が自動立体視画像を提供するために使用される好適な実施形態における、図２０〜２２の装置と同様の装置の略図である。
【０１３４】
図３６は、図３４ａ〜３５ｃの装置と同様の装置の視野内の異なる光学領域の略図である。
【０１３５】
図３７ａ〜ｂは、複数の自動立体視画像が提供される好適な実施形態における１層の略図（図３７ａ）および結果として得られる視野の略図（図３７ｂ）である。
【０１３６】
図３８は、差動導波路損失を補償するために入力画像が不均質な明るさを有する好適な実施形態における光学リサイジング装置の略図である。
【０１３７】
図３９ａは、層が光吸収体を含む好適な実施形態における光学リサイジング素子の層の略図である。
【０１３８】
図３９ｂは、本発明の好適な実施形態に係る可変断面を持つ導波路の略図である。
【０１３９】
図４０は、本発明の様々な例示的実施形態における、出力光の明るさを改善するための手順の略図である。
【０１４０】
図４１は、本発明の様々な例示的実施形態における装置の視野を修正するための手順の略図である。
【発明を実施するための最良の形態】
【０１４１】
本発明の実施形態は、光学リサイジングのために使用することのできる方法、光学素子、および装置を含む。特に、本発明は、ディスプレイシステム等のような様々な用途で光学リサイジングを達成するために使用することができるが、それらに限定されない。
【０１４２】
本書で使用する場合、用語「光学リサイジング」とは、例えば平面光点であり得る光波面の拡張または収縮を指す。換言すると、光学リサイジングとは、光波面が占める面積の変化（拡張または収縮）を指す。例えば、光がそこに像を構成する場合、光学リサイジングとは像の拡大または縮小を指し、それは像の画像素子（例えば画素）の分離変化またはサイズ変化によって達成することができる。光波面が占める面積のサイズは、ここでは互換可能に光ビームの横断面積と呼ばれる。
【０１４３】
本発明による装置および方法の原理および作用が、図面および付随する説明を参照してより十分に理解することができる。
【０１４４】
本発明の少なくとも１つの実施形態を詳しく説明する前に、本発明は、その適用において、下記の説明において記載されるか、または、図面によって示される構成の細部および構成要素の配置に限定されないことを理解しなければならない。本発明は他の実施形態が可能であり、または、様々な方法で実施または実行されることができる。また、本明細書中で用いられる表現法および用語法は記述のためであって、限定であると見なしてはならないことを理解しなければならない。
【０１４５】
本発明の実施形態は埋込み導波路の技術を利用して、光学リサイジングを達成する。埋込み導波路は、平面光回路（ＰＬＣ）の導波路または他のアレイ等の、当業界で公知のいずれかのタイプとすることができる。加えて、導波路は単一モードまたはマルチモード導波路であり得る。導波路の断面は略円形、略矩形、または他の幾何学的形状とすることができる。
【０１４６】
埋込み導波路は、層状に製造することができるように、１つまたはそれ以上の層に配列されることが、必須ではないが、好ましい。しかし、用途によって、光学リサイジングは、以下でさらに詳述するように塊状材料から作られた光学リサイジング素子によって達成することができるので、必ずしもそうする必要はない。
【０１４７】
埋込み導波路が層状に配置される実施形態では、以下でさらに詳述するように、それらの表面を介して、またはそれらの端部を介して、光が層に入射または層から出射することができる。本発明の実施形態の光学リサイジングは、任意のタイプおよび任意の形状の導波路の長手方向に拡張する配列によって達成することができる。さらに詳しくは、長手方向に拡張する配列は、テーパ付き導波路、部分的テーパ付き導波路、テーパ無し導波路、またはそれらのいずれかの組合せを含むことができる。
【０１４８】
ここで、図面を参照すると、図３ａ〜ｃは、本発明の様々な例示的実施形態に係る、テーパ無し導波路の長手方向に拡張する配列（図３ａ）、部分的テーパ付き導波路（図３ｂ）、および部分的テーパ付き導波路の長手方向に拡張する配列（図３ｃ）を示す。図３ｄは、２層以上の層を持つ図３ｃの実施形態を例示する。
【０１４９】
本発明の実施形態のさらなる詳細な説明を提示する前に、それらによって提供される利点および潜在的な用途について注目する。埋込み導波路の使用は、平面状の経路選択およびテーパリング素子の製造を可能にする。加えて、ＰＬＣ技術を使用する場合、各々または一部の導波路は、ミラーコーナーを介して相互接続される幾つかの部分を含むことができる。そのような設計は、導波路の曲げを低減または排除し、従って最終製品の厚さを低減するために使用することができる。
【０１５０】
本発明の実施形態の追加の利点は、ＰＬＣ技術が矩形のコア断面を有する導波路の製造を可能にし、それによって充填率が増大し、結合損失が低減されることである。
【０１５１】
埋込み導波路の使用は、容易に組み立てることのできる可撓性素子の製造を可能にする。例えば光学装置は、部分的に重複する可撓層を組み立てることができ、それにより個々の導波路の曲げに代わって、またはそれに加えて、層全体を曲げることができる。加えて、層状の生産工程は、折曲げ可能な光学装置の製造を容易にし、それにより異なる層がそれらの間で部分的にのみ付着する。
【０１５２】
図４ａ〜ｂに関連して、本発明の１態様では、本書で概して素子１０と呼ぶ光学リサイジング素子を提供する。素子１０は、１つまたはそれ以上の層１４から形成される基板１２を含む。素子１０の各層は、その中に形成かつ／または埋設された導波路の配列を有する。本発明の好適な実施形態では、各層の導波路の配列は長手方向に拡張する配列である。図４ｂは素子１０の層１４の略図である。層１４は、層１４の第１領域１８から第２領域２０まで延在し、それによって層１４内に周方向境界を画定する複数の導波路１６を含むことが好ましい。境界２２は図４ｂでは破線として図示されている。
【０１５３】
図４ｂに示す通り、第１領域１８および第２領域２０は略平行であり、かつ層１４の両側に位置する。しかし、用途によっては領域を相互に平行にする必要はない場合があるので、必ずしもそうする必要はない。したがって、領域１８および２０はそれらの間に任意の幾何学的関係を持つことができる。例えば、以下でさらに例証する通り（例えば図４ｅ〜ｆ参照）、領域１８および２０は層１４の隣接面に（例えば略直交関係に）、または層１４の同一面に（例えば実質的に同一直線上にある関係または略平行偏位関係に）位置することができる。
【０１５４】
本書で使用する場合、「略平行」とは、２０°未満、より好ましくは１０°未満、最も好ましくは５°未満、例えば約０°の相対的配向を指す。本書で使用する場合、用語「平行」とは、略平行と理解すべきである。
【０１５５】
本書で使用する場合、「略直交」とは、約７０°から約１１０°、より好ましくは約８０°から約１００°、最も好ましくは約８５°から約９５°、例えば約９０°の相対的配向を指す。
【０１５６】
本書で使用する場合、「実質的に同一直線上にある」とは、２０°未満、より好ましくは１０°未満、最も好ましくは５°未満、例えば約０°の相対的配向を指す。加えて、本書で使用する場合、「略平行偏位」とは、ファセットが略平行であるが、５０ｍｍ未満、より好ましくは１ｍｍ未満、最も好ましくは０．１ｍｍ未満、例えば約０．０１ｍｍだけ実質的に偏位してもいる場合を指す。
【０１５７】
さらに、導波路は略直線形状を持つように示されているが、用途によっては非直線的（つまり湾曲）形状であることが望ましい場合があるので、必ずしもそうする必要はない。加えて、導波路は、以下でさらに詳述するように、コーナーミラーによって相互接続される非連続区間から形成することができる。
【０１５８】
いずれの場合も、境界２２を特徴付ける長さは、第１領域１８の方が第２領域２０より短い。通常の当業熟練者は、そのような配列が、層の領域１８および２０によって画定される１次元の光学リサイジングを達成することを理解されるであろう。例えば、光ビームが第１領域１８から層１４に入射し、導波路１６を伝搬し、第２領域２０から出射するときに、その横断面積は領域１８および２０に略平行な方向に拡張する。逆に、光ビームが第２領域２０から層１４に入射し、第１領域１８から出射するときには、その横断面積は領域１８および２０に平行な方向に縮小する。
【０１５９】
図４ｃ〜ｄは、層のより小さい領域が小さいファセット２４を形成し、層のより大きい領域が大きいファセット２６を形成するように、層が積層された好適な実施形態における素子１０のファセットの略図である。
【０１６０】
導波路は、記述の通り、長手方向に拡張する配列および個々の導波路のテーパリングの両方によってリサイジングが達成されるように、テーパを付けることができる。図４ｅは、第１領域１８が第２領域２０に略直交する構成でテーパ付き導波路を使用する、好適な実施形態の略図である。依然として、境界２２を特徴付ける長さは、光学リサイジングを確実にするために、第１領域１８の方が第２領域２０より小さい。図４ｆは、第１領域１８が第２領域２０と同一直線上にある構成でテーパ付き導波路を使用する、好適な実施形態の略図である。
【０１６１】
素子１０の層の領域１８および２０の構造に応じて、小さいファセット２４および大きいファセット２６は、それらの間に任意の幾何学的関係を持つことができる。図４ｇ〜ｉは、本発明の様々な例示的実施形態に係る、ファセット２４および２６間の幾つかの幾何学的関係を概略的に示す。かくして、層の領域１８および２０が平行であり、かつ層の両側に位置する場合（例えば図４ｂ参照）、小さいファセット２４は大きいファセット２６と平行かつ対向する（図４ｇ）。領域１８および２０が相互に角度を成して整列される（例えば略直交する、例えば図４ｅ参照）場合、ファセット２４および２６も同じ角度を成して整列される（図４ｈ）。領域１８および２０が層の同じ側に位置する（例えば実質的に同一直線上にある、例えば図４ｆ参照）場合、ファセット２４および２６は同一平面上にある（図４ｉ）。図４ｇ〜ｉに示す幾何学的関係のより詳細な言及は、本発明の実施形態の範囲をファセット２４および２６の間の特定の角度に限定することを意図したものではないことを理解されたい。したがって、本発明の実施形態は、ファセット２４および２６の間の角度に対しどんな値でも想定する。
【０１６２】
本発明の実施形態に適した導波路は、高い屈折率のコアおよび低い屈折率のクラッドを持つことができ、あるいはフォトニックバンドギャップ材料を含むことができる。したがって、本発明の実施形態に適した導波路の層は、例えば導波路クラッドとして働く低い屈折率の材料の層に溝をエッチングし、かつ導波路コアとして働く高い屈折率の材料を溝内に堆積することによって、製造することができる。導波路コアはその後、上部クラッド層として働く低い屈折率の追加層によって被覆することができる。
【０１６３】
フォトニックバンドギャップ材料の導波路は、周期的構造を持たずコア導波路として働くストライプを残して、誘電材料の基板上に光学的周期構造を形成（例えばエッチング）することによって、製造することができる。光学的周期構造は、光の伝搬が発生しない波長帯域（フォトニックバンドギャップ）を画定する、サブミクロンないしミクロン範囲のサイクルの屈折率の空間的な周期的変化によって特徴付けられる。光学的周期構造は次いで、クラッド層によって被覆することができる。フォトニックバンドギャップ材料を使用する利点は、フォトニックバンドギャップでは、高い曲率の導波路区間でさえも、放射損失が無いことである。
【０１６４】
必須ではないが、ＰＬＣポリマーリソグラフィ技術を使用することが好ましい（例えば、Ｅｌｄａｄａら、「Ａｄｖａｎｃｅｓ  ｉｎ  ｐｏｌｙｍｅｒ  ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ  ｏｐｔｉｃｓ」、ＩＥＥＥ  Ｊ．Ｓｅｌｅｃｔｅｄ  Ｔｏｐｉｃｓ  ｉｎ  ＱＥ、ｖｏｌ．６、５４〜６８、２０００を参照されたい）。導波路の層を製造するための予想されるプロセスとして、フォトブリーチングプロセス［Ｇａｌｌｏら、「Ｈｉｇｈ‐ｄｅｎｓｉｔｙ  ｉｎｔｅｒｃｏｎｎｅｃｔｓ  ｆｏｒ  ２‐ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ  ＶＣＳＥＬ  ａｒｒａｙｓ  ｓｕｉｔａｂｌｅ  ｆｏｒ  ｍａｓｓ  ｓｃａｌｅ  ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ」、ＩＴＣｏｍ  ２００１、論文４５３２〜４７、２００１］、注型／成形プロセス［Ｋｏｐｅｔｚら、「Ｐｏｌｙｓｉｌｏｘａｎｅ  ｏｐｔｉｃａｌ  ｗａｖｅｇｕｉｄｅ  ｌａｙｅｒ  ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ  ｉｎ  ｐｒｉｎｔｅｄ  ｃｉｒｃｕｉｔ  ｂｏａｒｄ」、Ｅｌｅｃ．Ｌｅｔｔ．Ｖｏｌ．４０、６６８〜６６９、２００４］、およびソフトリソグラフィプロセス［Ｈｕａｎｇら、「Ｂｏｔｔｏｍ‐ｕｐ  ｓｏｆｔ  ｌｉｔｈｏｇｒａｐｈｙ  ｆａｂｒｉｃａｔｉｏｎ  ｏｆ  ｔｈｒｅｅ‐ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ  ｍｕｌｔｉｌａｙｅｒ  ｐｏｌｙｍｅｒ  ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ  ｏｐｔｉｃａｌ  ｍｉｃｒｏｄｅｖｉｃｅｓ」、Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．ｖｏｌ．８５、３００５〜３００７、２００４］も挙げられるが、それらに限定されない。
【０１６５】
本発明の実施形態の導波路は、当業界で公知の通り、好ましくは外枠無しに、接着材料を用いて層に埋設された光ファイバのアレイでもあり得る（この目的のために、例えば米国特許第５３８１５０６号、第６５９７８４５号、第６８８５８００号を参照されたい）。
【０１６６】
本発明の実施形態の光学素子は、導波路の層を多数含むことが好ましい。典型的には、層の数は、数百層（例えば約５００層）ないし数千層程度（例えば約５０００層）である。層は、ポリマーウェハ層を次々に処理することにより、あるいはラミネート層を一緒に積み重ねることによって、一緒に積層することができる。層はまた、これらの技術の組合せを用いて積層することもできる。ひとたびウェハ層が積層されると、ウェハはストライプ状に鋸引きされ、必要なファセットは研磨される。代替的に、ストライプは積層前に鋸引きすることができる。光学リサイジング素子は幅広くかつ短いので、多くのそのような素子は平行処理で製造することができる。
【０１６７】
本発明の実施形態は、２次元の、好ましくは２つの略直交次元の光学リサイジングを達成する光学リサイジング装置を首尾よく提供する。本発明の様々な例示的実施形態において、２次元の光学リサイジングは、それらの原理および動作が素子１０と同様の（ただしサイズは必ずしもそうではない）幾つかの光学リサイジング素子を組み立てることによって達成される。本発明の他の例示的実施形態では、２次元の光学リサイジングは、素子１０の変更によって達成される。以下で、幾つかの光学リサイジング素子が組み立てられる好適な実施形態について説明する。２次元の光学リサイジングが素子１０の変更によって達成される好適な実施形態の説明を以下に提供する。
【０１６８】
ここで、図５を参照すると、それは本発明の様々な例示的実施形態に係る光学リサイジング装置３０の略図である。装置３０は、第１次元３６の光学リサイジングを達成する第１光学リサイジング素子３２、および第２次元３８の光学リサイジングを達成する第２光学リサイジング素子３４を備えることが好ましい。素子３２および３４は各々独立して、上記の素子１０と同様に動作することができる。代替的に、素子３２および３４の一方は素子１０と同様に製造することができ、もう１つは従来の技術によって製造することができる。
【０１６９】
第１次元３６および第２次元３８の両方で光学リサイジングを達成するために、素子３４は、素子３２を出射した光が素子３４に入射するように、素子３２に結合される。したがって、素子３４は受光素子として働く一方、素子３２は装置３０内の透過素子として働く。素子３２および３４の間の結合は、直接接触、ファイバ束、またはいずれかの他の光結合配列を介するなど、当業界で公知のいずれかの方法で行なうことができる。光学リサイジング素子は、１つの素子の小さいファセットが他の素子の大きいファセットと一致するように製造することが有利である。そのような仕方で製造すると、光学リサイジング素子の１つは、もう１つより大きくなる。特に、装置３０が光ビームを拡張させるために使用される（つまり、光ビームの横断面積は入力より出力の方が大きい）場合、第１素子は第２素子より小さく、装置３０が光を収縮させるために使用される（つまり、光ビームの横断面積は入力より出力の方が小さい）場合、第１素子は第２素子より大きい。
【０１７０】
例えば、図５に示す実施形態では、素子３２および３４は、光が素子３２の小さいファセット４０に入射し、次元３６に沿って拡張され、ファセット４２を通して素子３２を出射し、好ましくは素子３２のファセット４２のサイズを有するファセット４４を通して、素子３４に入射するように製造される。次いで光は素子３４内を伝搬し、次元３８に沿って拡張され、両方の次元で拡張された状態で大きいファセット４６から出射する。
【０１７１】
素子３２および３４が両方とも素子１０と同様に製造される場合、それらは同じフォトマスクレイアウト（例えば図３ａ、３ｃ、４ｅ、および４ｆに示すフォトマスク等）を用いて、しかし異なる層厚を用いて、処理することができる。したがって、例えば、素子３２は、上で図４ｄに示した大きいファセットを画定する、より薄い層から形成することができる一方（図３ｄの３次元図も参照されたい）、素子３４は、図６ａに示す小さいファセットを画定する、より厚い層から形成することができる。本発明の現在の好適な実施形態に係る素子３４の導波路の３次元図を図６ｂに示す。
【０１７２】
ここで、図７ａを参照すると、それは、各光学リサイジング素子の入口および出口ファセットが相互に略直交する実施形態における装置３０の３次元略図である。特に、素子３２では、小さいファセット４０が大きいファセット４２に略直交し、素子３４では、小さいファセット４４が大きいファセット４６に略直交する。ファセット４２およびファセット４４は平行し、素子３２と素子３４との間の光結合を可能にするために接触することが好ましい。この実施形態を使用して画像を伝達する場合、装置３０から出射する画像は、元の画像の鏡像であることを理解されたい。図７ａに示す実施形態の利点は、導波路の曲げ４８が少なく、かつ大きいファセットに向かって伝搬するビームからの散乱光が無いことである。
【０１７３】
本実施形態のリサイジング技術を繰り返すことができる。特に、装置３０は、各対が上記説明に従って機能する、２対またはそれ以上の光学リサイジング素子を備えることができる。すなわち、対の１素子が１次元の光学リサイジングを達成し、対のもう１つの素子が他の次元の光学リサイジングを達成する。この実施形態は、高倍率または縮小率が必要な場合に、あるいは製造工程中に高いアスペクト比の導波路の取扱いを回避するために、特に有用である。例えば、倍率３０倍は、第１対が倍率３倍をもたらし（２次元）、かつ第２対が倍率１０倍をもたらす（２次元）、２対の光学リサイジング素子により達成することができる。
【０１７４】
本発明の現在の好適な実施形態の代表的実施例を、２対の光学リサイジング素子３２、３３、３４、および３５が使用される場合について、図７ｂに示す。図７ｂに示す通り、素子３３は光ビーム７２を１次元で（例えばｘ方向に沿って）拡張して、拡張光ビーム７４を提供し、素子３５は光ビーム７４を別の次元で（例えばｙ方向に沿って）拡張して、拡張光ビーム７６を提供する。さらに、素子３２は光ビーム７６を１次元で（例えばｘ方向に沿って）拡張して、拡張光ビーム７８を提供し、素子３４は光ビーム７８を別の次元で（例えばｙ方向に沿って）拡張して、拡張光ビーム８０を提供する。したがって、元の光ビーム７２はｘ方向に沿って２回、かつｙ方向に沿って２回拡張される。
【０１７５】
本発明の実施形態の光学リサイジング素子の各層の導波路は、上で図４ｅに示したフォトマスクと同様のフォトマスクを用いて形成することができる。図７ａ〜ｂに示す導波路の曲げ４８は、光学リサイジング素子の厚さをさらに低減するために、コーナーミラー５０（図４ｅ参照）と置換することができる。
【０１７６】
ここで、図８を参照すると、それは、１つの光学リサイジング素子のファセットが平行であり、他の光学リサイジング素子のファセットが略直交する、好適な実施形態の装置３０の略図である。特に例示的実施形態に関して、素子３２（本実施例では透過素子）では、小さいファセット４０は大きいファセット４２と平行し、素子３４（本実施例では受光素子）では、小さいファセット４４は大きいファセット４６に略直交する。ファセット４２およびファセット４４は平行し、かつ好ましくは素子３２と素子３４との間の光結合が可能となるように接触する。この実施形態の利点は、素子３２の導波路の長さが短く（図７に示す実施形態と比較して約半分）、したがって装置の全体的な光損失が低減されることである。それでもなお、大きい素子（素子３４）の入力／出力ファセットは略直交であるので、装置は低減された厚さおよび散乱光の上記の利点を享受する。
【０１７７】
ここで、図９を参照すると、それは、光学リサイジング素子のファセット（ファセット４０、４２、４４、および４６）が同一平面上にある、好適な実施形態の装置３０の略図である。光学リサイジング素子の各層の導波路は、上で図４ｆに示した、領域１８および２０が同一直線上にあるフォトマスクと同様のフォトマスクを用いて形成することができる。したがって、光ビーム９２は素子３２の小さいファセット４０に入射し、素子３２を伝搬し、１８０°の方向転換を経験し、第１次元３６に沿って拡張した状態でファセット４２から出射する。ファセット４２から出射する（拡張した）光ビームは、図９に数字９４で示される。拡張した光ビーム９４は素子３４の小さいファセット４４に入射し、素子３４を伝搬し、次元３８に沿って追加的拡張および１８０°の追加的方向転換を経験し、両方の次元３６および３８に沿って拡張した状態でファセット４６から出射する。ファセット４６から出射する光ビームは数字９６で示される。したがって、装置３０を通過する光は、各次元に１回ずつ、２回の拡張、および２回の伝搬方向の転換を経験する。この趣旨で、光はその原方向に沿って伝搬し、２次元で拡張されて、装置３０を出射する。
【０１７８】
出射する光ビームの特定の伝搬方向に対する上記説明のより詳細な言及は、本発明の範囲をいずれかの入射‐出射角度関係に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。本発明の様々な例示的実施形態において、光は、その入射角度に対して任意の予め定められた角度で装置３０を出射する。したがって、光の入射および出射伝搬方向の間の角度は、０°、９０°、１８０°、またはいずれかの他の角度であり得る。入射‐出射角度関係は、光学リサイジング素子のファセットに対する導波路の配向に依存する。例えば、以下でさらに詳述するように、光は装置３０の光学リサイジング素子のいずれかに、入力ファセットの表面に対し直角に入射し、出力ファセットから非直角に放出することができる。通常の当業熟練者には理解される通り、平行または略直交ファセットの場合、そのような構成は、０°、９０°、または１８０°以外の入射−出射角度に対応する。
【０１７９】
概して、装置３０は小さい素子および大きい素子を含むので、装置３０の領域の大部分または全部が大きい素子の厚さを有する。通常の当業熟練者には理解される通り、各光学リサイジング素子の厚さは、導波路の拡張配列のため、むしろ小さくすることができる。この厚さは、各層の予め定められた区間で導波路をダウンテーパリングすることによって、さらに低減することができる。本発明の実施形態の光学リサイジング素子の厚さの代表的な例は、約０．１ｍｍから約１００ｍｍ、より好ましくは約１ｍｍから約１０ｍｍの厚さを含むが、それらに限定されない。
【０１８０】
ここで、図１０ａ〜ｂを参照すると、それらは、本発明の様々な例示的実施形態に係る導波路の配列を製造するためのフォトマスクレイアウトの略図である。図１０ａ〜ｂは、領域１８および２０が平行でありかつ層の両側に位置した、好適な実施形態を示す。本書に記載する詳細を提供された通常の当業熟練者には、本実施形態のフォトマスクレイアウトを他の事例のために調整すべきであるかが分かるであろう。
【０１８１】
図１０ａに示す通り、導波路は、領域２０に向かってアップテーパされ拡張される前に、ダウンテーパされ圧搾される。ダウンテーパリングは、第１に各光学リサイジング素子の厚さをさらに縮小することができるので、そして第２にクロストークを低減または排除するために平行な導波路間の分離が可能となるので、有利である。
【０１８２】
領域１８および２０が平行でありかつ層の両側に位置した実施形態では、装置３０の厚さは主として、導波路の分離Ｓｙによって決定される。図１０ｂを参照されたい。厚さは式０．５Ｓｙ（Ｎ１＋Ｎ２）によって概算することができる。ここでＮ１×Ｎ２は導波路の数である（例えば、装置３０が像のリサイジングのために使用される場合、Ｎ１×Ｎ２は画像の画素数であってよい）。
【０１８３】
領域１８および２０が層の隣接する側に（例えば略直交関係に、上の図４ｅ参照）位置する実施形態では、光学リサイジング素子の厚さは入力画素アレイサイズによって決定される。導波路の曲げ４８（コーナーミラー５０ではない）が使用される場合には、曲げ半径を素子の全体の厚さに加える必要がある。しかし、以下でさらに詳述するように、曲げ半径を低減することにより、短い導波路に寄生損失を追加することが好ましい。したがって、装置３０の厚さは、画素／導波路の数に関係なく、曲げ半径によって決定することができる。
【０１８４】
同じく垂直方向に沿って導波路の分離を増大するために（クロストークを除去するために）、導波路は入力および出力ファセットで垂直方向にテーパを付けることができる。ＰＬＣ技術により、垂直テーパリングは周知の技術である（例えば、Ｔ．Ｂａｋｋｅら、「Ｐｏｌｙｅｒｉｃ  ｏｐｔｉｃａｌ  ｓｐｏｔ‐ｓｉｚｅ  ｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｒ  ｗｉｔｈ  ｖｅｒｔｉｃａｌ  ａｎｄ  ｌａｔｅｒａｌ  ｔａｐｅｒｓ」、Ｊ．Ｌｉｇｈｔ．Ｔｅｃｈ．、ｖｏｌ．２０、１１８８〜１１９７、２００２を参照されたい）。垂直方向および横方向の両方にテーパを付けられた導波路を製造するプロセスを、単一導波路の場合（図１１ａ）、および導波路のスタックの場合（図１１ｂ）について、図１１ａ〜ｂに示す。垂直テーパを生成するための他の方法は、Ｍｏｅｒｍａｎら、「Ａ  ｒｅｖｉｅｗ  ｏｎ  ｆａｂｒｉｃａｔｉｏｎ  ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ  ｆｏｒ  ｔｈｅ  ｍｏｎｏｌｉｔｈｉｃ  ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ  ｏｆ  ｔａｐｅｒｓ  ｗｉｔｈ  ＩＩＩ‐Ｖ  ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ  ｄｅｖｉｃｅｓ」、ＩＥＥＥ  Ｊ．Ｓｅｌ．Ｔｏｐｉｃｓ  Ｑｕａｎｔｕｍ  Ｅｌｅｃｔｒｏｎ．Ｖｏｌ  ３、１３０８〜１３２０、１９９７に論じられている。したがって、ファセットにおける導波路の分離は、装置全体におけるよりずっと小さく、導波路への（ファセットにおける）光結合、および装置内の導波路間のクロストークの低減または除去における効率の改善が可能になる。
【０１８５】
本発明の好適な実施形態では、装置３０は複数の光源からの光を受光する。この実施形態には幾つかの利点がある。第１に、より多数の光源を使用することにより、装置３０の厚さを低減することができる。入力ファセットから出力ファセットまでの平行な導波路の個数が削減されるため、厚さを低減させることができる。厚さの減少係数は使用する入力光源の数に等しい。例えば、２つの光源の場合、厚さは半分にすることができる。別の利点は、各々の個別光源が所望の明るさを維持しながら、低い解像度（より少数の画素）を持つことができることである。追加の利点は、以下でさらに詳述するように、複数の光源の使用により、３次元画像の生成を促進することができることである。
【０１８６】
複数の光源からの受光は、複数の方法で達成することができる。したがって、図１２ａに例示する１実施形態では、２つの光線１２２および１２４は２つの異なる光源（図示せず）から第１光学リサイジング素子３２に入射するが、任意の個数の光源を使用することができる。図１２ａに示す例示的説明では、素子３２は、領域１８および２０（図示せず）が同一直線上にある実施形態に従って製造されるが、通常の当業熟練者には理解される通り、他の場合には幾つかの光ビームを素子３２に入力させることもできるので、必ずしもそうする必要はない。したがって、本発明の現在の好適な実施形態では、素子３２は、４０ａおよび４０ｂと指定される２つの入力ファセット、ならびに１つの出力ファセット４２を含む。３つ以上の光源を使用する場合、素子３２の入力ファセットの数は、それに応じて調整することが好ましい（つまり、３つの光源には３つの入力ファセットなど）。
【０１８７】
光ビームは両方とも、１次元で拡張された状態でファセット４２を通して素子３２を出射し、ファセット４４を通して素子３４に入射し、そこでそれらは、上に詳述したように他の次元で拡張される。
【０１８８】
図１２ｂ〜ｃに例示した別の実施形態では、装置３０は、３２ａおよび３２ｂと指定され、両方とも装置３０内で透過素子として働く、２つの光学リサイジング素子、および３４と指定され、装置３０内で受光素子として働く光学リサイジング素子を含む。４つの光線１２２ａ、ｂおよび１２４ａ、ｂが素子３２ａおよび３２ｂに入射し、上で詳述したように連動して素子３４から出射する。図１２ｂの例証は、領域１８および２０（図示せず）が同一直線上にある実施形態に従って、光学リサイジング素子３２ａおよび３２ｂの各々が製造される実施形態の場合であり、図１２ｃの例証は、領域１８および２０が層の隣接する側に位置する実施形態に従って、光学リサイジング素子３２ａおよび３２ｂの各々が製造される実施形態の場合である。上記実施形態の間の全ての組合せも考えられる。
【０１８９】
図１２ｄ〜ｆに例示する追加の実施形態では、装置３０は複数の単色光源の形で光学入力を受け取り、該光学入力を使用して、リサイズされた単色光ビームを生成する。例えば複数の単色画像は、装置３０によって拡大され結合されて、拡大された単色画像を生成することができる。
【０１９０】
図１２ｄに示す代表例で、３つの単色画像（例えば、赤色画像、緑色画像、および青色画像）は３つの単色画像源（図示せず）から伝達され、３つの光学リサイジング素子３２ａ、３２ｂ、および３２ｃにそれぞれ入射する。素子３２ａ、３２ｂ、および３２ｃの各々は、それぞれの単色画像を１次元で拡大し、それを素子３４に伝達する。素子３４は単色画像を拡大し、それらを他の次元で結合して、拡大色彩画像を提供する。
【０１９１】
単色画像を結合して色彩画像にするために、素子３４は、各層の導波路が１つの単色画像の平均波長に従って好ましくは最適化される、層の交互配列から製造することが好ましい。図１２ｄに示されているのは、数字３７ａ、３７ｂ、および３７ｃで指定される３種類の層である。層３７ａ、３７ｂ、および３７ｃは、例えば赤、緑、および青の単色画像の典型的な平均波長にそれぞれ最適化することができる。導波路の長さは、素子３４に対する素子３２ａ、３２ｂ、および３２ｃの位置に応じて選択される。図１２ｅは、赤、緑、青色画像の場合の交互配列状態の層３７ａ、３７ｂ、および３７ｃの略図である。この実施形態は、波長特定的な導波路の使用により可能な分散を低減または除去するので、有利である。この実施形態の追加の利点は、画像源が有するレンズおよびマルチプレクサ等の光学素子の数を低減できることである。したがって、入力源にマルチプレクサおよびレンズを組み込む代わりに、画像源は素子３４で多重化される。
【０１９２】
上述の通り単色画像を受け取りかつ伝達する素子３２ａ、３２ｂ、および３２ｃは全て、同様または同一のフォトマスクを用いて製造することができる。例えば、図１２ｆに示したフォトマスクを参照されたい。
【０１９３】
本発明の実施形態は画像光学データのみならず、非画像光学データにも適しており、画像データのより詳細な言及は、本発明の範囲をいかようにも限定すると解釈すべきではないことを理解されたい。したがって、例えば本発明の実施形態は、別のディスプレイ装置、例えば３つのフィルタ付き光源、ＬＥＤ、またはレーザ源からの赤‐緑‐青（ＲＧＢ）光のストライプマトリックスを持つＬＣＤパネル用の色彩画像または色彩背面照明を提供するために使用することができる。
【０１９４】
ここで、図１３ａ〜ｃを参照すると、それらは、装置から２つ以上の光学出力が存在する好適な実施形態の装置３０の略図である。
【０１９５】
図１３ａに概略的に示された１実施形態では、光学リサイジング素子３２は光を２つ以上の方向に伝達する。図１３ａに示されているのは３つの光学リサイジング素子３２、３４ａ、および３４ｂであり、素子３２は光を両方の素子３４ａおよび３４ｂに伝達する。したがって、本発明の現在の好適な実施形態では、素子３２は装置３０内の透過素子として働き、素子３４ａおよび３４ｂは両方とも装置３０内の受光素子として働く。詳しくは、光ビーム１３２は素子３２に入射し、それにより２つの光ビーム１３４ａおよび１３４ｂの形で伝達される。素子３２は３つ以上（例えば３つ、４つ）の光ビームを伝達することができることを理解されたい。
【０１９６】
光ビーム１３４ａおよび１３４ｂの少なくとも１つ、より好ましくは両方が独立して、光ビーム１３２に対して１次元でリサイズ（例えば拡張）される。例えばビーム１３２が像を構成する場合、ビーム１３４ａおよび１３４ｂはそれぞれオリジナル画像の３倍拡大画像、および２倍拡大画像であってよい。代替的に、所望により、１つのビームはオリジナル画像の拡大画像であってよく、かつもう１つはその縮小であってよい。素子３４ａおよび３４ｂはそれぞれ光ビーム１３４ａおよび１３４ｂを素子３２から受け取り、アスペクト比を維持するために好ましくは素子３２によって実行されたリサイズと同程度に、他の次元でそれらをリサイズする。したがって装置３０は、各々独立して入力光ビーム１３２に対し２つの次元でリサイズされる、２つの出力光ビーム１３６ａ（素子３４ａによって生成される）および１３６ｂ（素子３４ｂによって生成される）を提供する。
【０１９７】
図１３ｂに概略的に示す別の実施形態では、光学リサイジング素子３４は（拡張した）光ビーム１３４を素子３２から受け取り、それを２つ以上の方向に伝達する。図１３ｂの代表的実施例では、素子３４は光を２つに分岐させ、２つの反対方向に伝搬する２つの光ビーム１３６ａおよび１３６ｂを生成する。
【０１９８】
図１３ａ〜ｂに示す実施形態は、２つの光学出力（ビーム１３６ａおよび１３６ｂ）が同一光学リサイジング素子によって生成され、光ビーム１３４ａおよび１３４ｂ（図１３ａ参照）が両方とも素子３４に伝達されるように、組み合わせることができる。
【０１９９】
加えて、素子３４に対しては、各々が異なる光源から発する異なる光ビームを素子３４に伝達する、複数の光学リサイジング素子によって光学的に供給することができる。この実施形態の代表的実施例を図１３ｃに概略的に示す。光ビーム１３２ａおよび１３２ｂを２つの光学リサイジング素子３２ａおよび３２ｂに伝達する２つの光源（１３８ａおよび１３８ｂ）があり、該素子は１次元でビームをそれぞれリサイズして、光ビーム１３４ａおよび１３４ｂを生成する。素子３４は光ビーム１３４ａおよび１３４ｂを素子３２ａおよび３２ｂから受け取り、それらを別次元で拡張して、光ビーム１３６ａおよび１３６ｂを生成し、それらを２つの異なる方向（本実施例においては反対の方向）に伝達する。
【０２００】
図１４ａ〜ｂに関連して、本発明の好適な実施形態では、様々な光学的動作を実行し、かつ／または製造プロセスを容易にするために、装置３０は１つまたはそれ以上の追加的な光学素子１４２を含む。追加的な光学素子は、それらの所望の機能に応じて、拡張または非拡張配列状態の複数の導波路から形成することができる。図１４ｂに示す代表的実施例では、追加素子１４２は画像回転素子１４４である。使用中に、像をその中に構成する光ビーム１４６が素子１４４に入射し、そこで像は例えば９０°回転され、回転した光ビーム１４８として素子１４４から出射する。その後、光ビーム１４８は素子３２および３４に入射し、そこで、上で詳述した通り、最初は１の次元に拡大され（光ビーム１５０）、次いで別の次元で拡大される（光ビーム１５２）。画像回転素子１４４は、光学リサイジング素子がそれらの小さいファセットおよび大きいファセットを相互に略直交させるように構成される実施形態において、特に有用である。
【０２０１】
図１５は、層が偏光子１５４を含む好適な実施形態の光学リサイジング素子の層（例えば層１４）の略図である。偏光子１５４は、横方向偏光モードを減衰するように、例えば金属または合金（例えばＣｒ、Ａｕ、Ａｌ等）を導波路１６間のギャップ１５６に堆積することによって形成することができる。好ましくは、導波路は、横方向偏光モードを効率的にストリッピングするために、偏光子の領域を狭隘に作成される。光学リサイジング素子を偏光子１５４と共に使用することで、非偏光光を生成する入力光源の使用が可能になり、あるいは偏光光ビームの偏光状態を改善することができる。
【０２０２】
装置３０と光源との間の結合は、直接接触によって、または代替的に、マイクロレンズまたは回折光学素子の配列など、それらに限らず、１つまたはそれ以上の追加的光学素子を介して、行なうことができる。
【０２０３】
ここで、図１６ａ〜ｂを参照すると、それらは、光源が画像源である好適な実施形態における装置３０と光源との間の結合の略図である。図１６ａに示されているのは、装置３０の幾つかの導波路１６、画像源１６０、および装置３０と画像源１６０との間の光結合を提供するためのカプラ１６２である。現在の実施例では、画像源１６０はＬＣＤマイクロディスプレイである。カプラ１６２はマイクロレンズアレイ１６４および偏光子１６６を含むことが好ましい。典型的にはＬＣＤパネルは出力側に偏光子およびＬＣＤ保護ガラスを含み、マイクロレンズアレイはより優れた結合効率をもたらすので、マイクロレンズアレイ１６４の使用は有利である。マイクロレンズアレイは、当業界で公知のいずれかの方法、例えば米国特許第５５０８８３４号および米国特許出願第２００４０１００７００号に開示されている方法を用いて、製造することができる。
【０２０４】
図１６ｂに関連して、各導波路コアが１つのマイクロレンズで覆われるように、マイクロレンズアレイ１６４を入力光学素子にも配置することができる。例えば、図１６ｂのコア１６１およびマイクロレンズ１６８を参照されたい。これは、導波路１６のクラッド１６３をコア１６１より高速でエッチングするエッチャで、光学リサイジング素子の入力ファセットをエッチングすることによって、行なうことができる。
【０２０５】
代替的に、ＬＣＤパネルが充分に薄い偏光子および保護ガラス層を含む場合、結合は、マイクロレンズアレイ無しに、例えば直接接触によって実行することができる。例えば、偏光子および保護ガラスの全体的厚さが約２０μｍ以下であり、かつＬＣＤパネルに結合する光学リサイジング素子の導波路が充分に小さい開口数（例えば約０．２５以下）を持つ場合である。そのような構成では、映像をぼやけさせるおそれのある隣接画素間のクロストークを最小化することができる。
【０２０６】
図１７は、入力画像がレンズ１７６を用いて装置３０に合焦される好適な実施形態の略図である。この構成では、予備拡大も得ることができ、したがって以下でさらに詳述するように、導波路の所要アスペクト比が緩和され、あるいは２段階拡大の必要性が除去される。この構成は、ＬＣＤオンシリコン（ＬＣＯＳ）など、それに限らず、反射型液晶マイクロディスプレイに、あるいはデジタルライトプロセッサ（ＤＬＰ）など、それに限らず、他の入力パネルに特に有用である。図１７に示されているのは、反射型液晶マイクロディスプレイ１７０、外部光源１７２、および装置３０である。光源１７２からの光１７４は、レンズ１７５によってマイクロディスプレイ１７０に合焦され、それは光を反射する。反射光はその中に像を構成し、別のレンズ１７６によって装置３０に合焦される。
【０２０７】
予備拡大も１次元のみで実行することができる。歪められた入力（１次元を拡大された）を光学リサイジング素子と結合することにより、この場合装置３０に２つの光学リサイジング素子を必要とせず、かつ予備拡大素子（これはレンズとすることができる）が薄いので、小型の薄い装置を得ることができる。
【０２０８】
ここで、図１８ａ〜ｂを参照すると、それらは、結合がファイバ束によって行なわれる好適な実施形態における装置３０と光源との間の結合の略図である。本発明の現在の好適な実施形態によると、１つ（図１８ａ）またはそれ以上（図１８ｂ）のファイバ束１８０が、装置３０の受光光学リサイジング素子に光を直接誘導する。装置３０が画像をリサイズするために使用される実施形態では、ファイバ束は、高解像度の画像の伝達を可能にするために小さいコアを持つ多くのファイバから好ましくは構成される。ファイバ束の行数および列数をそれぞれＸ１およびＸ２で表わすと、ファイバ内のファイバの総数はＸ１×Ｘ２である。Ｘ１およびＸ２の代表的な実施例は、約５００ないし約２０００を含むが、それらに限定されない。Ｘ１＝Ｘ２であることが好ましいが、必須ではない。ファイバのコアの直径は好ましくは、２０μｍ未満、より好ましくは１５μｍ未満、例えば約１０μｍである。
【０２０９】
装置３０が複数の光源から光学入力を受け取ると（図１８ｂ参照）、各束は１つの光学チャネルに伝達する。図１８ｂに示す実施例では、入力ファイバ束１８０は、装置３０の４つの入力ファセット（１８２ａ、１８２ｂ、１８２ｃ、および１８２ｄ）にそれぞれ供給する、４つのファイバ束（１８０ａ、１８０ｂ、１８０ｃ、および１８０ｄ）に分離される。
【０２１０】
装置３０はまた、１つまたはそれ以上コヒーレントな光ビーム、例えばレーザビームの形で光学入力を受け取ることができる。カラー画像は、複数（例えば３つ以上）の単色レーザ装置、画像を形成するために走査される例えば赤、緑、および青色レーザ装置から形成することができる。そのような画像は、小さい断面を有する装置３０の入力ファセットに投射することができる。レーザ光を使用する利点は、高輝度、ならびにレーザ光点の強度および位置を装置３０における導波路の透明度および位置に応じて較正する能力である。本発明の様々な例示的実施形態に係る好適な透明度最適化手順については以下の後述する実施例の節に提供する。
【０２１１】
本書で上述した通り、光は装置３０から、放出ファセットに対していずれかの予め定められた角度で放出することができる。予め定められた角度は約９０°であってよく、その場合、導波路は出力ファセットに対して略直交関係に形成され、あるいはいずれかの他の角度であってよく、その場合、導波路は出力ファセットに対して傾斜する。
【０２１２】
ここで、図１９を参照すると、それは、導波路１６が層の端部に対して傾斜した好適な実施形態における装置３０の１つの光学リサイジング素子の１層の略図である。結果生じる光学リサイジング素子は、出力ファセットに対し角度θ（図１９に数字１９０で指定する）で光１９４を放出する。
【０２１３】
本発明の好適な実施形態では、装置３０は、３次元画像を提供するように設計かつ構成される。３次元画像は、２つの異なる偏光または２つの異なる色の、２つの異なる画像を生成することによって得ることができる。それゆえユーザは、各目に異なる偏光または異なる色を有する双眼装置を使用して、したがって画像の３次元知覚を模倣して、画像を観察することができる。
【０２１４】
代替的に、装置３０は自動立体視ディスプレイとして機能することができ、それにより、２つの画像を分離させるために観察者が専用の観察用道具を着用する必要がなくなる。自動立体視は、ユーザの左右の目に向けられる２つの異なる像の形でユーザに提供される。本発明の様々な例示的実施形態に係る自動立体視ディスプレイの代表的実施例については以下で提供する（図３４ａ〜３５ｃおよび随伴する説明を参照されたい）。
【０２１５】
ディスプレイ装置は一般的に、光結合ディスプレイパネル間の「画素対画素」の整列の制約下で製造される。特に、ディスプレイ装置が適切に機能するために、光結合されるパネルの画素をミクロンまたはサブミクロンの許容差で整列させる必要がある。この要件は製造プロセスを複雑にし、かつ往々にして製品の製造可能性を完全に無能にすることが認識されている。本発明の実施形態では、入力ピクチャ画像と素子３２との間、または素子３２と素子３４との間で画素対画素の整列の必要が無い。
【０２１６】
さらに、ピクチャ画像の画素数は素子３２の画素数とは異なっていてよく、それはまた素子３４の画素数と異なっていてよい。そうするために、解像度を低下することなく、受入れ素子の画素（導波路）の数は、透過素子の画素（導波路）の数よりｋ倍の大きさであることが好ましい。ここでｋは１より大きい数、例えば約２、より好ましくは約３である。さらなる詳細については、その内容を参照によって本書に援用する、米国特許第６３２６９３９号を参照されたい。したがって、入力画像画素と装置３０の画素との間の相関の必要が無く、２つの光学リサイジング素子の導波路を整列させる必要が無い。
【０２１７】
同一光学素子の層間のミスアラインメントに関し、層間のｘミクロンのミスアラインメントは、大小ファセットが対向し平行である場合にはｘ（Ｍ−１）、大小ファセットが略直交である場合にはｘＭ、そして大小ファセットが同一平面上にある場合にはｘ（Ｍ＋１）の実効ミスアラインメント（出力における）に変換される。したがって、約０．２ｍｍの出力許容差および約１０倍の拡大の場合、層は入力導波路領域で約２０ミクロンの精度内で積層することができる。整列の必要性は１次元だけではない。大小ファセットが平行する（対向するか同一平面内にある）実施形態では、横方向には整列の必要性は無い。他方、大小ファセットが略直交する実施形態では、横方向の許容差は約ｘミクロンである。
【０２１８】
透過光学リサイジング素子（例えば素子３２）における偏光の欠如によるｘミクロンのミスアラインメントは、出力におけるｘＭミクロンのミスアラインメントに変換される（Ｍは受光素子の拡大）。２つの光学リサイジング素子の間の回転ミスアラインメントは、画像の歪みを低減するために最小化されることが好ましい。
【０２１９】
導波路の透明性の相違につながる導波路の厚さおよび幅の変動は、導波路の総損失バジェットを増加させるおそれがある。モアレ縞効果を抑制するために、多少の幅および厚さの変動を導入できることが好ましい。
【０２２０】
ここで、図２０を参照すると、それは、本発明の様々な例示的実施形態に係る光学リサイジング装置２００の略図である。上記の装置３０と同様に、装置２００は光の２次元光学リサイジングを提供することができる。装置は、第１ファセット２０６および第２ファセット２０８を有する基板２０４を形成する複数の層２０２を含む。層２０２は、部分的に重複する光学配列に配置される。
【０２２１】
本書で使用する場合、層の「部分的に重複する光学配列」とは、各層が層の表面に光学的に露出される少なくとも１つの領域を含む配列を指す。本書で使用する場合、光学的に露出した領域とは、環境と光学的な連通を確立することのできる領域を指す。したがって、環境と装置２００の各層との間に実質的自由光路が存在し、該光路は層の表面および光学的に露出した領域を通過する。したがって、光学的に露出した領域は、隣接する層から実質的に吸収、反射、または散乱されることなく、層の表面から外に向けられた光を放出する。
【０２２２】
光学的に露出した領域は、隣接する層から実質的に吸収、反射、または散乱されることなく、層の表面から外に向けられた光を放出するか、あるいは層の表面に向かって内向きの光を受光することができる。
【０２２３】
図２１ａ〜ｂは、本発明の様々な例示的実施形態に係る２つの部分的に重複する光学配列の側面図を概略的に示す。図２１ａ〜ｂに示されているのは、各々が表面２９０および端部２９２を有する層２０２である。導波路１６は層２０２に埋設され、各層内で層の第１領域２９３から第２領域２９４まで延在する。第２領域２９４は光学的に露出される。したがって、スタック内の層の位置に関係なく、表面２９０を通過し、環境２９８を光学的に露出した領域２９４と接続させる実質的自由光路２９６が存在する。したがって、層２０２内（導波路１６中）を伝搬する光２９１は、表面２９０を介して層２０２から環境２９８へ出射することができる。
【０２２４】
図２１ａに示す実施形態では、領域２９４は環境に物理的に露出し、したがって光路２９６を確立する。図２１ｂに示す実施形態では、光路２９６が層を通過するように、領域２９４で隣接する層の間に重複がある。この実施形態では、層２０２（または各層の少なくとも一部分）は、光路２９６を保持するように、可視光をそこに透過させることができる材料から製造される。
【０２２５】
層が（図２１ａに例示するように）光学的に露出した領域で終端するか、それともそれより先まで延びる（図２１ｂ）かどうかに関係なく、光が表面２９０を通して層から外に結合することができることを、熟練技術者は理解されるであろう。本発明の様々な例示的実施形態に係る、層から外に光を結合するための好適な構成は、本書で後述する。
【０２２６】
本発明の好適な実施形態では、装置２００のファセット２０８は層の光学的に露出した領域によって画定される。ファセット２０８は傾斜することができ、あるいはそれは２次元の段付き形状（テラス）を持つことができる。各層は、上で詳述した通り、周方向境界によって画定された導波路の拡張配列を有する。例えば図４ｂ、４ｅ、４ｆ、および１０ａの周方向境界２２を参照されたい。上記の素子１０および装置３０と同様に、希望に応じて、各層の導波路１６の一部または全部にテーパを付けるか、あるいは部分的にテーパを付けることができる。加えて、導波路の拡張配列１６は、導波路の曲げおよび／またはコーナーミラーによって達成することができ、上で詳述した通り、導波路の曲げは光損失の観点から有利であり、コーナーミラーは装置の厚さの観点から有利である。
【０２２７】
通常の当業熟練者には理解される通り、装置２００の各層における導波路の拡張配列は結果として図２０に矢印２１０で示す１つの次元の光学リサイジングをもたらし、ファセット２０８における層の部分的に重複する光学配列は結果として矢印２１２で示す別の次元の光学リサイジングをもたらす。
【０２２８】
図２０の代表的実施例に示す通り、第１ファセット２０６は、層２０２の重複領域２１８の端部２１６によって画定される。図２１ｃ〜ｄは、非露出領域２１８の端部２１６をよりよく示しながら、装置２００の１つ（図２１ｃ）および幾つか（図２１ｄ）の層を概略的に示す。ファセット２０８を形成する層２０２の露出領域は、図２１ｃ〜ｄでは数字２２０で示される。
【０２２９】
図２２ａ〜ｃに示す代替的実施形態では、層２０２は第１ファセット２０６および第２ファセット２０８の両方で部分的に露出される。詳しくは、ファセット２０６（図２２ａ〜ｂ）は露出領域２２２（図２２ｃ）によって画定され、ファセット２０８は露出領域２２０によって画定される。上記実施形態の間の相違は、ファセット２０６が重複領域の端部によって画定される場合、光がその入射方向とは直角の方向に装置２００から出射するが、ファセット２０６が露出領域によって画定される場合、光がその入射方向と平行（図２２ｂ）または反対の方向（図２２ａ）に装置２００から出射することである。
【０２３０】
ここで、図２２ｄを参照すると、それは、装置２００が２つの光学リサイジング素子２３２および２３４を含み、素子２３２が１つの次元（矢印２１２で示される）の光学リサイジングを提供し、素子２３４が部分的にリサイズされた光を受光して、それを別の次元（矢印２１０）でリサイズする、好適な実施形態における装置２００の略図である。素子２３２は素子２３４より小さいサイズであることが好ましいが、それは必須ではない。
【０２３１】
素子２３２および２３４は別々の製造プロセスで製造し、その後に光学的に結合することができ、あるいは、より好ましくはそれらを集積素子であってよく、その場合、それらの光結合は製造プロセス中に達成することができる。後者の実施形態では、装置２００の各層は２つの部分４３２および４３４（図示せず；図２２ｅ〜ｆ参照）を有し、部分４３２は素子２３２用に指定され、部分４３４は素子２３４用に指定される。この実施形態は、１つの層（図２２ｅ）および部分的に重複した光学配列で相互に積層された幾つかの層（図２２ｆ）の上面図を示す図２２ｅ〜ｆにおいて、より分かり易く図示されている。図２２ｅに示す層では、導波路は第１領域１８から第２領域２０まで延在し、それにより上で詳述した通り、長手方向に拡張した配列が形成される。また、図２２ｅには、記述の通り、素子２３２および２３４用にそれぞれ指定された、第１部分４３２および第２部分４３４も示されている。ひとたび層が積層されると、素子２３２は部分４３２から形成され、素子２３４は部分４３４から形成される。
【０２３２】
別々の製造プロセスで製造される実施形態では、素子２３２および２３４の各々は、以下でさらに詳述するように、層毎に独立して、または塊として製造することができる（図２６〜２７ｈおよび随伴する説明を参照されたい）。本発明の好適な実施形態では、素子２３２は装置２００内の透過素子として働き、それによりファセット２３６を通して素子２３２に入射した光は、素子２３２および２３４の間の界面に位置するファセット２３８を通して素子２３２によって伝達される。この実施形態では、素子２３４は装置２００内で受光素子として働き、素子２３２によって伝達された光は、同じく装置間の界面に位置したファセット２４０を介して素子２３４によって受光される。次元２１０でリサイズされた後、光はファセット２４２を通して素子２３４から出射する。
【０２３３】
図２２ｄに示す例示的構成では、光学リサイジング素子２３４は、上で詳述した通り、部分的に重複する光学配列の原理に従って製造され、その層の露出部分はファセット２４２を形成する。上記のファセット２０８と同様に、ファセット２４２は傾斜させることができ、あるいはテラス形状を持つことができる。また、図２２ｄには、本発明の好適な実施形態ではファセット２４２に光学的に結合される拡張構造２２４も示される。拡張構造２２４は、以下でさらに詳述するように、そこを通過する光線を拡張させるために働く。
【０２３４】
通常の当業熟練者には理解される通り、素子２３２における導波路の拡張配列は結果として次元２１２の光学リサイジングをもたらし、素子２３４のテラスまたは傾斜した形状のファセット２４２は結果として次元２１０の光学リサイジングをもたらす。
【０２３５】
装置２００のクラッド層は、希望に応じて、吸収材料または非吸収材料から作ることができる。吸収材料を使用する利点はコントラストが改善されることであり、透明材料を使用する利点は、その背後のシーンを遮蔽しない透明なディスプレイの製造が可能になることである。加えて、偏光子は上で詳述した通り、導波路のコア間に付加することができる（図１５参照）。
【０２３６】
本発明の部分的に重複する光学配列からの光の結合は、複数の方法で達成することができる。１つの好適な実施形態では、光は反射素子の配列を用いてファセット２０８から結合される。この実施形態では、光は、反射素子に衝突して光が表面から外向きに方向転換されるまで、層の表面と略平行に導波路中を伝搬する。別の実施形態では、光は透過素子（一般的に導波路）の配列を用いてファセット２０８から結合される。また、反射素子および透過素子の組合せも考えられる。光が反射素子の配列を介して結合される実施形態については本書で下述し、光が透過素子の配列または反射素子と透過素子との組合せを介して結合される実施形態については後述する（図２６〜２７ｈ参照）。
【０２３７】
ここで、図２３ａ〜ｂを参照すると、それらはファセット２０８が２次元の段付き形状（テラス）を有する好適な実施形態における、装置２００のファセット２０８の一部分の側面図（図２３ａ）および上面図（図２３ｂ）の略図である。また、図２３ｃ〜ｄについても参照すると、本発明の現在の好適な実施形態に係る、装置２００の層内に配置されたミラー２８２の略図である。
【０２３８】
図２３ａ〜ｂに示すように、異なる反射率を持つ少数のミラー２８２（例えば全内部反射ミラー）を、装置２００の各層２０２の反射領域２８３に配置することが好ましい。ミラー２８２は層内を伝搬する光を捕集し、それを方向転換させて光をファセット２０８から外に結合させる。伝搬する光および方向転換された光は、図２３ａ〜ｂでは数字２８４および２８６によってそれぞれ指定される。ミラー２８２は、光の捕集および結合を最適化するために、幅広であることが好ましい。異なる高さのミラーを設けることによって、異なる反射率のミラー２８２を実現することができる。
【０２３９】
代替的に、ミラー２８２は、ミラーに衝突する光が完全に反射するように、反射率のばらつき無しに、狭隘にすることができる。光２８４の効率的な捕集を促進するために、ミラー２８２は反射領域２８３全体に略均一に配置することが好ましい。そのような構成は結果としてファセット２０８からの光の略均一な反射をもたらす。ファセット２０８の上面図（図２３ｂ）に示す通り、方向転換された光２８６はさらに、ファセット２８４と外部媒体との間の境界に衝突する際、２次元で拡張することができる。そのような拡張は一般的に、ファセット２８４がガラスまたはポリマー等の、それらに限定されない保護塗膜で被覆されたときに、または図３３ｂに示すように光が下向きに結合されるときに、発生する。保護塗膜上で拡張される前および後の方向転換された光を、図２３ｂに矩形２８６および円形２８８でそれぞれ示す。
【０２４０】
さらに代替的に、例えば狭隘の部分反射ミラーをテラス表面全体に配置することによって、両方の方法を組み合わせることができる。ミラーは、例えば成形またはアブレーションプロセスによって、ポリマー導波路内に作製することができる。
【０２４１】
図２３ｃ〜ｄに関連して、ミラー２８２は、平面（図２３ｃ）または非平面（図２３ｄ）形状を持つことができる。狭視野または中程度の視野が要求される用途では、平面ミラーが好ましく、例えば一連のレーザアブレーションパルスを用いて得ることができる。要求される視野が広い用途では、非平面ミラーが好ましく、例えば少数の（例えば１つの）レーザアブレーションパルスを用いて得ることができる。
【０２４２】
ここで、図２４ａ〜ｅを参照すると、本発明の様々な例示的実施形態に係る光学リサイジング素子２３４の略側面図である。素子２３４の層２０２は、２つの目的、すなわち（ｉ）素子２３４からの光を結合すること、および（ｉｉ）次元２１０の光学リサイジング（現在の実施例では拡張）を促進することに役立つ。伝搬光および出射光は図２４ａ〜ｅでそれぞれ数字２４６および２４７によって指定される。また、図２４ａ〜ｅには、出射光２４７を特徴付ける典型的な画素サイズも示されている。図２４ａ〜ｅでは画素サイズは数字２４９によって指定される。
【０２４３】
素子２３４からの光の結合は、複数の方法で達成することができる。図２４ａ〜ｂに示す１実施形態では、層２０２は、導波路中を伝搬する光線２４６を方向転換させるために、導波路の終端部に位置付けられたミラー２４８を含む。ミラー２４８は４５°ミラー、全内部反射（ＴＩＲ）ミラー、全反射または部分反射ミラーであってよく、上で詳述した通り、それらは平面または非平面形状を持つことができる。加えて、ミラーは高反射材料で被覆することができる。図２４ａは、４５°ミラーを使用する好適な実施形態を示し、図２４ｂは、ＴＩＲミラーを使用する好適な実施形態を示す。
【０２４４】
図２４ｃに示す別の実施形態では、全内部反射、したがって層から外への光の方向転換を強制するように、層２０２に溝２５０が形成される。図２４ｄに示す代替的実施形態では、素子２３４は、光線を素子２３４から外に方向転換させるブラッグ反射器２６１を含む。さらに別の実施形態では、素子２３４は、光線を素子２３４から外に方向転換させるように設計かつ構成された、ホログラフィック光学素子２６３を含む。
【０２４５】
素子２３４は素子２３２の一部として製造することができ、その場合、素子を形成する層は、例えば上で図２１ｃに示したタイプのフォトマスクを用いて、単一の基板から作られる。さらに好ましくは、各層は、潜在的な垂直方向の結合を低減するために、異なるマスクを用いて処理することができる。そのような製造プロセスは、単一の傾斜した経路（２つの垂直な経路ではない）を利用することができる導波路の長さをも低減する。層はそれらの正確な長さに作製され、次いで積層されてファセット２４２を形成することができ、あるいはそれらを最初に積層してファセット２４２を形成し、次いでその後に研磨または研削してファセット２３６を形成することができる。
【０２４６】
素子２３４は、部分的に重複する光学配列を形成し、そこでファセット２４２が傾斜またはテラス形状を持つように、例えば相互に略平行な導波路を持つ層を上下に積層することによって、別個のユニットとして製造することもできる。
【０２４７】
本発明の好適な実施形態では、装置２００の可撓性を促進するために、装置２００の層はポリマー材料から、より好ましくは可撓性ポリマー材料から作られる。さらに、装置２００の層は、相互にその片側（例えば入力側）では接着させる一方、それらの反対側（例えば出力側）では分離させることができる。そのような構成では、装置２００を折曲げ可能にすることができる。折曲げ可能な装置の代表的な実施例を図２５に示し、層２０２をそれらの入力側２５１では接着させ、それらの出力側２５５では分離させた装置２００を示す。装置２００が２つの別個の素子２３２および２３４として製造され、それらがその後で結合される好適な実施形態では、素子２３２の層を完全に接着させ、素子２３４の層を部分的に接着させることによって、それを折曲げ可能にすることができる。
【０２４８】
ここで、図２６ａ〜ｂを参照すると、それらは光が透過素子の配列を介して外に結合される好適な実施形態の簡易側面図（図２６ａ）および簡易組立分解図（図２６ｂ）である。図２６ａに関連して、光学リサイジング素子１１０は第１ファセット１１２および第２ファセット１１４を有し、ファセット１１４は角度βに傾斜し、したがってファセット１１２より大きい。素子１１０は、ファセット１１２から延び、ファセット１１４に向かって曲げられ、したがって方向１１５に沿って光学リサイジングをもたらす複数の導波路１６を有する。
【０２４９】
図２６ａに示す例示的構成では、導波路１６は、ファセットの法線１１６に対して定義することが便利な角度ψでファセット１１４に到達し、ψは、素子１１０と環境との間の光通信を可能にしかつ光学リサイジングをもたらす、任意の値を持つことができる。概して、光通信および光学リサイジングは、ψがある角度ψＣより低い任意の値である環境ではいつでも達成することができる。好ましくは、ψはほぼ零であり、その場合導波路１６は、ファセット１１４にほぼ垂直に到達する。
【０２５０】
曲がった導波路は、例えば上記の素子１０の原理に従って製造することができる。例えば図２６ｂの組立分解図を参照すると、台形または同様の形状の層は、それらの表面１１７が実質的に重なりかつそれらの端部１１９が傾斜ファセット１１４を形成するように、相互に上下に積層することができる。したがって、光は層内（導波路中）を伝搬し、端部１１９を通して層から出射する。
【０２５１】
素子１１０は、２次元の光学リサイジングがもたらされるように、上記光学リサイジング素子のいずれかと光結合することができる。例えば、素子１１０は装置３０の素子３４または装置２００の素子２３４に置き換えることができる。
【０２５２】
図２７ａ〜ｂは、素子２３４の別の好適な製造プロセスを概略的に示す。この実施形態では、素子２３４は、導波路２３３を中に形成する前に高屈折率材料および低屈折率材料のシートを交互に積み重ねてスタック２３１を形成することによって処理される。その後、スタック２３１に斜切を実行して、傾斜ファセット２４２を形成する。ひとたびファセット２４２が作製されると、そこに溝２３５をエッチングすることによって、個々の導波路２３３がスタック２３１に形成される。深すぎるエッチングを防止するために、プロセスを例えば数十または数百の層から成るバッチ単位で実行し、溝をバッチ単位でエッチングすることができる。したがって、製造プロセスは好ましくは４つのステップを含み、第１ステップで積み重ねられた層のバッチを作製し、第２ステップでバッチをエッチングしてそこに溝を形成し、第３ステップでバッチを相互に上下に積層し、第４ステップでバッチのスタックを斜めの線に沿って切削して、傾斜ファセット２４２を形成する。
【０２５３】
各層の導波路間を分離する溝２３５には、屈折率が導波路の屈折率（高屈折率材料）より低い充填材を充填することができる。所望により、素子２３４の出力側に広視野を提供するために、充填材および導波路の屈折率の間の差が大きい（例えば約０．１以上）ことが好ましい。散乱光を低減するために、充填材は増強された光吸収特性を持つことが好ましい。そのような材料の代表的実施例として、低屈折率ポリマーにブラックトーンを付加したものがあるが、それに限定されない。代替的に、溝２３５は未処理のまま残すことができ、その場合、導波路は空気によって分離される。
【０２５４】
装置２００のための追加的な製造プロセスについては後述する（後出の図２９ａ〜ｅ参照）。
【０２５５】
図２７ｃ〜ｈを参照すると、それらは本発明の様々な例示的実施形態に係る拡張構造２２４の略図である。
【０２５６】
上述の通り、構造２２４は、素子２３２によってもたらされる光学リサイジングに加えて、またはその代替として、そこを通過する光ビームを拡張させるために働く。したがって、構造２２４を使用する好適な実施形態では、装置２００は光学リサイジング素子２３２を含むこともあり、含まないこともある。
【０２５７】
図２７ｃ〜ｅに関連して、図２７ｃに示された好適な実施形態では、構造２２４はパターン形成された層のスタックを含み、図２７ｄに示された好適な実施形態では、構造２２４はパターン形成され溝を付けられた塊状の導波材料を含み、図２７ｅ〜ｆに示された好適な実施形態では、構造２２４は、光学リサイジング素子１０の構成および動作と同様に、拡張配列に縞状（ｂａｎｄｅｄ）導波路の層のスタックを含む。素子２３４と構造２２４との間の界面における反射を低減するために、反射防止塗膜または屈折率整合材料２５４をファセット２４２と構造２２４との間に付加することができる。
【０２５８】
後者の実施形態では（図２７ｅ〜ｆ）、素子２３４および構造２２４の形状および材料は、誘導光がファセット２４２の内側２７５に向かって曲がる一方、散乱した非誘導光がその元の方向に伝搬し続けて、全内部反射の臨界角より高い角度でファセット２４２の内側２７５に衝突するように、選択されることが好ましい。通常の当業熟練者には理解されるように、非誘導光がファセット２４２から放出されない場合、装置２００は、非誘導光によるコントラストの低下にあまり影響されない。
【０２５９】
したがって、本発明の現在の好適な実施形態では、散乱光はファセット２４２から放出されない。別の実施形態では、構造２２４の導波路は、素子２３４の導波路と比較して、より高い屈折率を有する。この方法で、素子２２４のアスペクト比（クラッド層の幅対厚さ）を緩和することができる。図２７ｆに示された素子２３４は、コア材の層およびクラッド材料の層から構成される。堆積するがエッチングしないことによって、コア層よりかなり薄くすることのできるクラッド層を作製することができる。図２７ｅに示す実施形態では、構造２２４は、幅広のコアおよび比較的幅広のクラッドバリアを持つ厚い層から構成される。狭すぎるクラッドバリアを厚い層に作製することは難しいので、導波路（およびバリア）の幅を増大することが好ましい。
【０２６０】
本発明の好適な実施形態では、素子２３４および構造２２４の空間パラメータおよび光学パラメータは、スネルの法則を満たすように選択される。詳しくは、Ｎ１ｓｉｎθ１＝Ｎ２ｓｉｎθ２、およびＷ１／Ｗ２＝ｓｉｎφ１／ｓｉｎφ２であり、ここでＮ１、Ｎ２はそれぞれ素子２３４および構造２２４の導波路の屈折率であり、Ｗ１、Ｗ２はそれぞれ素子２３４の層の厚さおよび構造２２４の層の幅であり、φ１はファセット２４２の傾斜角φ１であり、φ２は構造２２４の導波路のバンド角（ｂａｎｄｉｎｇ  ａｎｇｌｅ）であり、θ１＝９０°−φ１であり、θ２＝９０°−φ２である。数値例として、Ｎ１＝１．５０、φ１＝５．７°、Ｎ２＝１．７の場合、Ｗ２とＷ１との間の比はＷ２／Ｗ１＝４．８である。
【０２６１】
素子２３４の導波路が溝によって分離される場合（個々の層に形成されるのではない；図２７ａ〜ｂおよび付随の説明を参照されたい）、構造２２４は同一技術を用いて製造することが好ましい。この実施形態の利点は、素子２３４と構造２２４との間の界面における光損失を低減することができることである。加えて、エッチング技術を使用することにより、高い屈折率のコントラストが維持される。したがって、本発明の好適な実施形態では、エッチングの前に、構造２２４が作製されスタック２３１に付着される（図２７ａ〜ｂ参照）。その後、スタック２３１および構造２２４をエッチングして溝を形成する。構造２２４内に、低空間モード（溝に直角）はそのクラッド層間を誘導され、高空間モードは溝間を誘導される。
【０２６２】
図２７ｇ〜ｈに示す実施形態では、構造２２４は、高屈折率の領域２５２および低屈折率の領域２５３を持つ層２５８のスタック２５６を含む。領域は直方体であってよく、あるいはいずれかの他の幾何学的形状を持つことができる。光は層２５８に略直角に領域２５２中を伝搬する。構造２２４の下層（層２５８ａと指定される）は、構造２２４によるビームの発散を増強するために必須ではないが湾曲することが好ましいミラー２６０（例えばＴＩＲミラー）によって終端する高屈折率の直方体のアレイである。アラインメント許容誤差要件を軽減するために、構造２２４の他の層２５８の領域２５２は、層２５８ａの領域２５２より大きいことが好ましい。ミラーが金属から形成されるか、あるいは金属で被覆される場合、後方反射およびビーム発散を低減するために、素子２３４と構造２２４との間の空間は、低屈折率の充填材を充填することが好ましい。構造２２４の層内では、散乱光を低減し、かつディスプレイのコントラストを改善するために、領域２５２間の空間に吸収性の黒色材料を充填することができる。素子２３４と構造２２４との間の光結合は、素子２３４内に傾斜端部を持つ導波路を設けることによって達成することもできる（図２７ｈ参照）。
【０２６３】
ここで、図２８ａ〜ｃを参照すると、それらは、層が軽量層である好適な実施形態における装置２００の層の略上面図（図２８ａ〜ｂ）および略側面図（図２８ｃ）である。図２８ａは、１つの光学リサイジング素子（素子２３２、素子２３４、またはそれらが共通層を持つ実施形態では素子２３２および２３４の両方）の層２０２の上面図である。図２８ａに示す通り、導波路１６はそれらの端部２６２が部分的にテーパを付けられるだけであり、それらの長さの大部分に沿って断面は実質的に変化しない。本発明の現在の好適な実施形態では、導波路１６は低屈折率のクラッド材料の薄層２６４（図示せず；図２８ｃ参照）で被覆され、残りの空間は実質的に空のままにしておくことができる。そのような構成は、各層の重量、したがって装置２００の重量も低減することができる。構築を目的として、各層の平面形状を維持し、層の圧壊を防止するために、支持部材２６０を導波路１６の間に配置することが好ましい。支持部材２６０は、導波路全体と平行に作製される短区間の導波路から作ることができる。部材２６０は任意の幾何学的形状（例えば直方体）を持つことができる。
【０２６４】
図２８ｂは、拡張構造２２４の層２５８の上面図である。層２０２と同様にして、構造２２４の高屈折率領域２５２は、構造２２４の各層の重量を低減するために、間隔を置いて配置することができる。構造２２４の各層の平面形状を維持し、かつ圧壊を防止するために、支持部材２６０を領域２５２の間に配置することができる。
【０２６５】
図２８ｃは層２０２または２５８の側面図であり、隣接する光透過素子（導波路１６または高屈折率領域２５２）の間に位置付けられた部材２６０を示す。また、図２８ｃには、光透過素子が下部クラッド層２６６上に形成されかつ上部クラッド層２６４によって被覆された、各々の個別層の好適な構成も示される。
【０２６６】
装置２００の全体的重量を低減する別の方法は、上で図２１ｃに示したように、周方向境界２２の形状に層を製造することによって、各層の空領域を最小化するものである。
【０２６７】
ここで、図２９ａ〜ｅを参照すると、それらは、本発明の様々な例示的実施形態に係る装置２００を製造するための好適な折曲げ技術の略図である。折曲げ技術は、例えば層の大量生産を容易にするために、矩形の層を製造することが好ましい用途に有利である。折曲げ技術は、装置２００のいずれかの部分を製造するためにも使用することができる。詳しくは、折曲げ技術は、１次元または２次元の光学リサイジングをもたらす素子を製造するために使用することができる。図２９ａ〜ｅに示す代表的実施例では、折曲げ技術は、各層の導波路の拡張配列が第１次元の光学リサイジングをもたらしかつ部分的に重複する光学配列が第２次元の光学リサイジングをもたらすように構成された、２次元の光学リサイジングをもたらす光学素子を製造するために使用される。
【０２６８】
本書で上述した通り、装置２００の層は可撓性ポリマーから形成されることが好ましい。加えて、層はそれらの折曲げが可能であるように充分に薄く作ることが好ましい。ひとたび矩形の層が形成されると、約９０°の予め定められた角度を成すように、（曲げ損失を増大しないようにポリマー導波路で可能な曲率半径で）折り曲げられる。こうして折曲げ層は、入力領域が出力領域より小さくなる導波路の拡張配列を含む。入力領域２７３および出力領域２７１を持つ折曲げ層２７０の代表的実施例を図２９ａに示し、製造プロセスの選択されたステップを図２９ａ〜ｄに示す。
【０２６９】
図２９ａ〜ｄに示されるのは、入力導波路２８０および出力導波路２７６を有する折曲げ層２７０（図２９ａ）、および層２７２の出力導波路２７４が層２７０の出力導波路２７６と整列するように（図２９ｃ）、折曲げ層２７０に付加された追加層２７２（図２９ｂ）である。次いで層２７２は、層２７２の入力導波路２７８が層２７０の入力導波路２８０と整列するように折り曲げられる（図２９ｄ）。結果的として部分的に重複する層の配列の上面図を図２９ｅに概略的に示し、露出領域２２０および重複領域２１８を示す。
【０２７０】
上記作製プロセスは逆の順序で実行することもできることを理解されたい。この実施形態では、層２７０の入力導波路２８０が最初に整列され、その後、層２７２の出力導波路２７４が整列される。
【０２７１】
図３０ａ〜ｂは、本発明の様々な例示的実施形態において光学リサイジング素子を製造するための同時プロセスの略図である。図３０ａは、４つの光学素子を形成するために使用できる層３００の上面図を示す。ひとたび層３００が作製されると、それらは積み重ねられ、垂直経路３０６に沿って切断され、層の２つのスタック３０２が形成される（図３０ｂ参照）。その後、スタック３０２は傾斜した経路３０４に沿って切断することができる。
【０２７２】
ここで、図３１を参照すると、それは、装置２００が複数の源から光を受光する好適な実施形態における装置２００の略図である。図３１に示す代表的実施例では、装置２００は４つの光源（図示せず）から光学入力を受け取る。装置２００は、１３２ａおよび１３２ｂと指定され両方とも装置２００内で透過素子として働く２つの光学リサイジング素子、および１３４と指定され装置２００内で受光素子として働く１つの光学リサイジング素子を含む。素子１３４は傾斜またはテラス状ファセット２４２を含み、素子１３２ａおよび１３２ｂの両方に光結合する。素子１３２ａおよび１３２ｂの原理および動作は、傾斜素子１３４への結合に必要な変更を施して、上記の素子３２ａおよび３２ｂの原理および動作と同様である。２つの光ビームが素子１３２ａおよび１３２ｂの各々に入射する（ビーム３１０ａおよび３１１ａは素子１３２ａに入射し、ビーム３１０ｂおよび３１１ｂは素子１３２ｂに入射する）。光ビームは素子１３２ａおよび１３２ｂから素子１３４に伝達され、合同して拡張光ビーム３１４として素子１３４から出射する。
【０２７３】
ここで、図３２ａ〜ｂを参照すると、それらは、装置２００が複数（例えば２つ以上）の単色光源の形で光学入力を受け取り、該光学入力を使用して、リサイズされた彩色光ビームを生成する、好適な実施形態の装置２００の略上面図（図３２ａ）および略断面図（図３２ｂ）である。図３２ｂは、図３２ａの切断ＡＡ’に沿って切った断面図である。装置２００は、上で詳述した通り、例えば複数の単色画像を使用して拡大された色彩画像を提供するために使用することができる。
【０２７４】
図３２ａ〜ｂに示す代表的実施例において、装置２００は、３つの入力ファセット３２６ａ、３２６ｂ、および３２６ｃを形成する部分的に重複する光学配列における複数の層３２０と、上で詳述した通り、傾斜形状またはテラス形状を有する１つの出力ファセット３２８とを含む。層３２０は、折曲げ技術を用いて、または上述した技術の他のいずれかを用いて製造することができる。図３２ａ〜ｂは単一の素子（導波路スタック）が２次元光学リサイジングを達成する実施形態を記載しているが、２つの光学素子（例えば上記の素子１３２および１３４）を使用する実施形態を排除する意図は無いことを理解されたい。
【０２７５】
ここで、図３２ａ〜ｂを参照すると、３つの単色光学入力３２２（例えばＲＧＢ入力）が、３つの色彩画像源（図示せず）から装置２００に伝達される。装置２００の層３２０は、各層の導波路が１つの単色入力の平均波長に応じて最適化される、交互配列状態に配置されることが好ましい。したがって、例えば第１タイプの層３２０ａは赤色光に対して最適化され、第２タイプの層３２０ｂは緑色光に対して最適化され、かつ第３タイプの層３２０ｃは青色光に対して最適化される。層は、それらの波長の最適化に従って異なる単色光源に結合される。各層は、ミラー３２４（例えばＴＩＲミラー）を用いて、または上で詳述した通りいずれかの他の方法を用いて、装置２００から外に光を結合する。ミラーはまた、対応する光学入力の平均波長に対して最適化することもできる。
【０２７６】
上述の通り、本発明の実施形態は、画像光学データのみならず、非画像光学データにも適している。特に、本発明の実施形態は、上で詳述した通り、別のディスプレイ装置用の色彩画像または色彩背面照明を提供するために使用することができる。
【０２７７】
装置２００の層は、層からの光の結合を概略的に示す図３３ａ〜ｃに、よりよく示されている。図３３ａ〜ｃに示されているのは、部分的に重複する光学配列状に配置された層３３１である。層３３１内を伝搬する光３３５がミラー３３３で反射して層から外に結合されるように、各層はミラー３３３で、好ましくはＴＩＲミラーで成端する。
【０２７８】
ミラー３３３の配向に応じて、光３３５は、層の反射領域３４５の自由側３３７を通して出射し（図３３ａ参照）、あるいは隣接する層によって係合される反射領域３４５の側３３９を通して出射することができる（図３３ｂ〜ｃ）。図３３ａに示す実施形態をここでは前方光結合と呼び、図３３ｂに示す実施形態をここでは後方光結合と呼ぶ。層が略均一な厚さを有し、装置２００の放射領域における層の全体的な厚さが小さい（典型的に１０ｍｍ未満であり、例えば約２ｍｍであるが、それに限定されない）構成では、後方光結合が好ましい。後方光結合の利点は、より単純な製造プロセス、およびミラーへの（高反射）コーティングの簡単な堆積に存する。ミラーは導波路の作成中または作成後に作成することができ、あるいはそれらは、幾つかまたは全ての層が積層された後で単一のステップで作成することができる。
【０２７９】
本発明の好適な実施形態では、装置２００は、層３３１上に斜めに配置された透光板３４１を含む。加えて、光３３５が装置２００から板３４１に略直角に結合されるように、層３３１と板３４１との間のギャップには屈折率整合材料３４３を充填することができる。板３４１は、裏面の粗さが光の出力結合を劣化するおそれのある背面光結合の実施形態で特に有用である。
【０２８０】
装置２００および３０は、上で詳述した通り、２つの異なる偏光または２つの異なる色の２つの異なる画像を生成することによって、３次元画像を提供するために使用することもできる。２つの異なる偏光の場合、装置２００は、２つの異なる偏光の（異なる色ではない）２つの光学入力を持ち、図３２と同様に構成することができる。ユーザは次いで、各目に対し異なる偏光を有する双眼装置を使用して、画像を観察することができる。
【０２８１】
別の実施形態では、装置２００および３０は、自動立体視ディスプレイとして機能することができる。これは、図３４ａ〜ｄおよび図３５ａ〜ｃに関連して下で詳述する通り、複数の方法で行なうことができる。
【０２８２】
したがって、本発明の様々な例示的実施形態で、ユーザの左目および右目で観察されるように設計された異なる画像を各々が受け取る、２つの入力ファセット３３０および３３２を持つ装置２００が製造される。出力ファセット３３８は、入力３３０に到達する光学情報を左目に方向付け、かつ入力３３２に到達する光学情報を右目に方向付ける。
【０２８３】
図３４ａ〜ｄを参照すると、装置２００の層は、入力３３０に到達する光学情報が左目に方向付けられ、かつ入力３３２に到達する光学情報が右目に方向付けられるように配置することができる。これは、異なる層のミラー３３４の適切な配向により、自動立体視画像の「スイートスポット（ｓｗｅｅｔ  ｓｐｏｔ）」としても知られる単一スポット３３６に出力ビームを合焦させることによって、行なうことができる（図３４ｃ参照）。ユーザは次いで、スイートスポットの左部３４４に左目を配置し、かつスイートスポットの右部３４２に右目を配置することによって、３次元画像を観察することができる。装置２００が可撓性である場合、スポット３３６への出力ビームの合焦は、図３４ｄに示すように出力ファセット３３８を曲げることによって達成することができる。後者の実施形態の利点は、ファセット３３８の曲率を変化させることによって、スイートスポットの位置を変化させることができることである。
【０２８４】
図３５ａ〜ｃに関連して、装置２００の層は、導波路１６が出力ビームをスポット３３６に合焦させる適切な配向を持つように、配置することができる。この実施形態の利点は、ビームの向きが、ミラーファセット角度によってではなく、導波路の配向によって支配されることである。制御された配向を持つ導波路の作製は、制御されたファセット角度を持つミラーの作製よりずっと簡単である。別の好適な実施形態では、導波路の配向は同一であるが、ミラーの配向は、ビームを所望の方向に反射させるために変更される。
【０２８５】
図３６は、装置２００が２つの光学出力、すなわち「左」出力３４６および「右」出力３４８を提供する好適な実施形態における装置２００の視野内の様々な光学領域を概略的に示す。図３６に示す通り、視野は一般的に４つの光学領域を含む。両方の出力が組み合わされて２次元画像をもたらす混合視野領域３５０、両方の出力が組み合わされて３次元画像をもたらすスイートスポット領域３３６、ならびに片方の出力が遮断され、したがって他方の出力３４８または３４６それぞれの２次元情報しか含まない２つの片側領域３５２および３５４である。領域３５２および３５４は、出力視野の幅を制御することによって、希望に応じてリサイズ（縮小または拡大）することができる。
【０２８６】
ここで、図３７ａ〜ｂを参照すると、それらは、装置２００が複数の自動立体視画像を提供する好適な実施形態における、１つの層（図３７ａ）および結果として得られる視野（図３７ｂ）の略図である。示す通り、出力ファセットを通して光を放出するように設計された各導波路１６の端部３６０は、各々が別個のミラー（本実施例ではミラー３６４ａ、３６４ｂ、および３６４ｃ）によって終端する、複数の導波路（本実施例では３つの導波路３６２ａ、３６２ｂ、および３６２ｃ）に分割される。導波路は、光のそれぞれの部分を異なるスイートスポット（本実施例ではスポット３６６ａ、３６６ｂ、および３６６ｃ）に合焦させるように配向される。通常の当業熟練者には理解される通り、本実施形態は、複数の２次元画像を複数の方向に提供するために使用することもできる。例えば装置２００をディスプレイ装置に実現する場合、異なる方向からディスプレイを見るユーザは、異なる画像を見ることができる。
【０２８７】
上記の装置３０と同様に、装置２００を光源に結合するための方法は幾つかある。結合は、上で詳述した通り、カプラを利用して、例えば偏光子付きまたは無しのマイクロレンズアレイを利用して行なうことができる（図１６ａ参照）。代替的に、装置２００は、上で詳述した通り、カプラ無しで、または入力光学素子上に配置または形成されたマイクロレンズアレイを使用して、機能することができる（図１６ｂ参照）。別の実施形態では、上で詳述しかつ図１７に示した通り、レンズまたは別の集束素子を用いて、入力画像を装置２００に合焦させることができる。追加の実施形態では、装置２００と光源との間の結合は、上で詳述した通り、１つまたはそれ以上のファイバ束を介する（図１８ａ〜ｂ参照）。装置２００はまた、装置２００の入力ファセットに投射することができるレーザビームの形で光学入力を受け取ることもできる。
【０２８８】
この特許の存続期間中に、多くの関連光透過装置が開発されることが予想され、用語「導波路」の範囲は、全てのそのような新技術を先験的に含めることを意図している。
【０２８９】
本発明のさらなる目的、利点および新規な特徴が、限定であることが意図されない下記の実施例を検討したとき、当業者には明らかになる。加えて、本明細書中上記に描かれるような、また、下記の請求項の節において特許請求されるような本発明の様々な実施形態および態様のそれぞれは、実験的裏付けが下記の実施例において見出される。
【実施例】
【０２９０】
次に下記の実施例が参照されるが、下記の実施例は、上記の説明と一緒に、本発明を非限定様式で例示する。
【０２９１】
実施例１
光損失の最適化
装置の透明性は幾つかの損失メカニズム、（ｉ）装置内の伝搬損失、（ｉｉ）装置内の曲げおよびテーパリング損失、（ｉｉｉ）装置の光学素子間の結合損失、および（ｉｖ）界面における反射損失、によって影響される。
【０２９２】
ポリマー導波路について報告された最も低い伝搬損失は、Ｃ‐Ｈ吸収振動結合を含まないポリメチルメタクリレート（ＰＭＭＡ）および重水素化ポリフルオロメタクリレート（ｄ‐ＰＦＭＡ）材料により達成した。バルクの場合の可視領域における０．００１ｄＢ／ｃｍ未満の値［Ｌ．Ｈｏｒｎａｋ、「Ｐｏｌｙｍｅｒｓ  ｆｏｒ  ｌｉｇｈｔｗａｖｅ  ａｎｄ  ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ  ｏｐｔｉｃｓ」、Ｍａｒｃｅｌ  Ｄｅｋｋｅｒ，Ｉｎｃ，１９９２］；マルチモード導波路の場合のλ＝０．６８μｍの波長における０．０１ｄＢ／ｃｍ［Ｙｏｓｈｉｍｕｒａら、「Ｌｏｗ  ｌｏｓｓ  ｐｏｌｙｍｅｒｉｃ  ｏｐｔｉｃａｌ  ｗａｖｅｇｕｉｄｅｓ  ｆａｂｒｉｃａｔｅｄ  ｗｉｔｈ  Ｄｅｕｔｅｒａｔｅｄ  Ｐｏｌｙｆｌｕｏｒｏｍｅｔｈｃｒｙｌａｔｅ」、Ｊ．Ｌｉｇｈｔｗａｖｅ  Ｔｅｃｈ、ｖｏｌ  １６、１０３０〜１０３７、１９９８］、および単一モード導波路の場合のλ＝１．３μｍにおける０．０５ｄＢ／ｃｍ［Ｙｅｎｉａｒｙら、「Ｕｌｔｒａ‐ｌｏｗ‐ｌｏｓｓ  ｐｏｌｙｍｅｒ  ｗａｖｅｇｕｉｄｅｓ」、Ｊ．Ｌｉｇｈｔｗａｖｅ  Ｔｅｃｈ、ｖｏｌ  ２２、１５４〜１５８、２００４］が報告されている。したがって、本発明の好適な実施形態では、導波路はポリマー導波路であり、より好ましくはＰＭＭＡ導波路、またはｄ‐ＰＦＭＡ導波路である。
【０２９３】
本発明の様々な例示的実施形態における曲げ損失は、光のコーナーミラーとの相互作用によるものである。空気クラッドミラー付きの５０×５０μｍマルチモードポリマー導波路に対し、１．２ｄＢのコーナー損失が報告されている。［Ｊ‐Ｓ  ＫｉｍおよびＪ‐Ｊ  Ｋｉｍ、「Ｓｔａｃｋｅｄ  ｐｏｌｙｍｅｒｉｃ  ｍｕｌｔｉｍｏｄｅ  ｗａｖｅｇｕｉｄｅ  ａｒｒａｙｓ  ｆｏｒ  ｔｗｏ‐ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ  ｏｐｔｉｃａｌ  ｉｎｔｅｒｃｏｎｎｅｃｔｓ」、Ｊ．Ｌｉｇｈｔｗａｖｅ  Ｔｅｃｈ、ｖｏｌ  ２２、８４０〜８４４、２００４］。より低い、０．５ｄＢ未満の損失も達成可能である［Ａｈｍａｄ、「Ｕｌｔｒａｃｏｍｐａｃｔ  ｃｏｒｎｅｒ‐ｍｉｒｒｏｒｓ  ａｎｄ  Ｔ‐ｂｒａｎｃｈｅｓ  ｉｎ  ｓｉｌｉｃｏｎ‐ｏｎ‐ｉｎｓｕｌａｔｏｒ」、ＩＥＥＥ  Ｐｈｏｔｏｎ．Ｔｅｃｈ．Ｌｅｔｔ．、ｖｏｌ．１４、６５〜６７、２００２］。数ミリの曲率半径の導波路をコーナーミラーの代わりに使用すると、損失を０．１ｄＢより低くすることができる。
【０２９４】
装置を光の拡張（例えば画像の拡大）のために使用する場合、テーパリング損失は無視できるほど小さい。収縮用の場合、典型的なテーパリング損失は、入力ビームのモード構造およびテーパ長に依存する。基本入力モードで、数ミリの長さのテーパの場合、損失は０．１ｄＢ未満とすることができる。したがって、装置を光の拡張のために使用する場合、テーパリングは段付きにすることができ、収縮に使用する場合、損失を最小化するために、平滑なテーパリングが好ましい。
【０２９５】
入力光源と装置との間の界面における結合損失の程度は、結合を促進するために使用される光学配列、導波路のコア対クラッドの比、および画素の幅対ギャップの比に依存する（エッチングされたレンズのような集束素子がファセットに無い限りにおいて）。導波路が矩形断面を有する場合、充填率は円形断面の導波路の場合の充填率より高くなる。装置の光学素子間の結合損失の程度は、導波路の開口数の賢明な選択によって、無視できるほど低くすることができる。特に、本発明の好適な実施形態では、受光光学リサイジング素子（例えば素子３４）の開口数は、放射光学リサイジング素子（例えば素子３２）の開口数より高いか、それに等しい。
【０２９６】
入力光源と装置３０との間の反射は、装置３０と光源を装置３０に結合する光学配列との間に屈折率整合接着剤を配置することによって、無視できるほど低くすることができる。同じことは、装置の光学素子間の反射に対しても当てはまる。第２光学リサイジング素子の大きいファセットにおける反射は、（ｎ−１）２／（ｎ＋１）２によって与えられる。ここでｎはコアの屈折率である。このファセットは、反射をさらに低減するために、反射防止コーティングで被覆することができる。
【０２９７】
損失散乱光は装置３０の大きいファセットと略平行に伝搬するので、装置のコントラスト比は伝搬損失によってわずかに影響されるだけである。それにもかかわらず、界面間の結合における光損失、および曲げで散乱する光は、特に層の領域１８および２０が平行し、かつ層の両側に位置する実施形態では、コントラスト比を低下させるおそれがある。
【０２９８】
導波路の不均一な伝搬損失による光損失は、入力画像を不均一に照明することによって、低減または実質的に排除（例えばその元の値の２０％未満に、より好ましくは１０％未満に、例えば約５％以下に低減）することができる。例えば図３８に関連して、入力画像３８０は、差動導波路損失を補償するために、画像の長さおよび幅にわたって輝度勾配３８２が存在するように歪めることができる。
【０２９９】
図３９ａは、層が導波路１６内を伝搬する光のコントラスト比を改善するように選択された光吸収体３７０を含む、好適な実施形態における光学リサイジング素子の層（例えば層１４）の略図である。光吸収体３７０は層１４全体に、または層１４内の小領域に堆積することができる。光吸収体はクラッド材料に付加されたブラックトーンであってよい。領域１８および２０が同一直線上にあるか、または層１４の隣接する側にある実施形態では、コントラスト比の低下の効果はあまり顕著ではなく、熟練技術者は光吸収体３７０を含めることを好まないかもしれない。それでもなお、これらの実施形態では光吸収体の使用も予想される。コントラスト比を改善することに対する代替的方法は、導波路間にわずかに吸収性のクラッド層を使用することである。例えば約１ｄＢ／ｃｍの吸収係数のクラッド層は、導波路損失の追加を０．０１ｄＢ／ｃｍ未満に抑えながら、全部または大部分の散乱光を吸収することができる。
【０３００】
伝搬損失が均一でない場合、出力光ビームは不均一の明るさを持つことがあり得る。その効果を回避するために、短い導波路に寄生損失を加えることができる。これは、複数の方法で行なうことができる。１実施形態では、導波路の幅を低減することによって寄生損失を加えることができる。別の実施形態では、曲げ半径を低減することによって、寄生損失を加える。追加の実施形態では、層に曲げまたは寄生交差導波路を加えることによって寄生損失を生成する。
【０３０１】
代替的に、導波路への結合は、テーパ幅（導波路に結合される光の量を制御する）、またはテーパ長（テーパの効率［透明性］を制御する）を変更することによって調整することができる。
【０３０２】
均質なパネルをリサイズする必要がある場合、導波路に異なる断面を割り当てることによって、導波路の異なる損失を補償することができる。図３９ｂは、それらのより高い損失（それらのより長い長さによる）を克服するために、より多くの光がより幅広の導波路に結合されるように、層のより長い導波路がより幅広の断面を有する実施形態を概略的に示す。この実施例では、導波路は、そこに均等な幅を得るために出力パネルに向かってテーパを付けられる。非テーパ付き導波路も考えられる。９０°の導波路の曲げを平滑な曲げに置き換えることもできる。
【０３０３】
導波路は層内だけでなく、層間でも異なる長さを持つことができる。上部の層内の導波路は、下部層内の導波路より短い。異なる層内の導波路の均等な透明性は、各層毎に異なる導波路の幅を割り当てることによって達成することができる。代替的に、層の異なる導波路の長さを補償するために、層内の（コア）導波路の厚さを変更することができる。この実施形態では、上部層内の導波路は下部層内の導波路より細い。
【０３０４】
実施例２
視野の最適化
本発明の好適な実施形態では、装置３０は、予め定められた視野にリサイズされた光を提供するように設計かつ構成される。装置３０のための予め定められた視野を達成するための１つの方法は、装置３０が光をそこから出力する光学素子（例えば素子３４）の導波路パラメータの賢明な選択による。本発明の好適な実施形態では、導波路の屈折率および開口数（Ｎ．Ａ．）は、方程式：Ｎ．Ａ．＝ｓｉｎα＝√（ｎ１２−ｎ２２）を満たすように選択される。ここでｎ１およびｎ２はそれぞれコアおよびクラッドの屈折率であり、αは回折角の２分の１である。直線テーパリングで終端する導波路の場合、有効開口数はＮ．Ａ．／Ｍである。ここでＭはテーパ率である［Ｐｅｌｉら、前出］。したがって有効視野は、テーパ形状を調整することによって、つまり非直線テーパ形状を用いて、選択することができる。特に、異なる方向に対し、異なる視野を得ることができる。
【０３０５】
異なる方向の異なる視野は、長手方向の（層に平行な）視野が横方向の（層に略直交する）視野とは異なるように、層内に第１クラッド材料を選択し、層間に第２の異なるクラッド材料を選択することによって達成することもできる。
【０３０６】
装置３０の視野は、出力ファセットに拡散スクリーンを追加することによって、または出力ファセットをエッチングしてそれを拡散性にすることによって、拡大することができる。拡散スクリーンは、光損失を補償するために構成することもできる。
【０３０７】
加えて、または代替的に、視野は、コアおよびクラッドの屈折率の差Δｎを増大することによって拡大することができる。高いΔｎ値を光学リサイジング素子全体に対して選択することができ、あるいは代替的に、Δｎを出力ファセットに向かって漸進的に増大させることができる。Δｎの漸次変化は、例えば、クラッドに対するコアのΔｎがＵＶ露光時間の関数となる直接書込みＵＶリソグラフィによってコアが書き込まれる生産プロセスで、達成することができる。屈折率の増大は、コア材料の追加的散乱中心または導波路に対する曲げの追加による散乱などの拡散メカニズムと同時に生じることが好ましい。これらの散乱メカニズムは、より高いΔｎの導波路がより高次のモードを保持する能力を利用して、低次モードを高次モードに変換する。大きい視野パターンに寄与するのは高次モードである。
【０３０８】
通常の当業熟練者には理解される通り、視野を調整する能力は、出力光の明るさを著しく改善する。
【０３０９】
ここで、図４０を参照すると、それは出力光の明るさを改善するための手順を示す。概して、改善は光源３９２から光３９０を効率的に捕集すること、および明るさの損失が最小限または零となるように装置３０の視野を調整することを含む。特に、本発明の現在の好適な実施形態では、光３９０の光学エネルギーの全部または大部分（例えば少なくとも９０％）が出力光３９４によって運ばれるので、視野は予想される明るさの低下と同じ量だけ低減される。例えば、３ｄＢの挿入損失を有する光学リサイジング装置を用いて、５”のスクリーンを１０”に拡大すると仮定する。この場合、装置３０の明るさの予想される低下は２×２×２＝８である。さらに、１２０°の光３９０が装置３０に入射するように、装置３０を光源３９２に結合すると仮定する。明るさの低下を解消するために、装置３０の視野は１２０√８＝４２°となるように選択される。本実施形態は、例えば表示される画像のプライバシを維持する目的のために、スクリーンサイズの拡大が視野の低減を伴うことが望ましい状況において、特に有用である。
【０３１０】
ここで、図４１を参照すると、それは、導波路１６が層の端部に対して傾斜している（例えば図１９参照）、好適な実施形態における装置３０の略図である。結果として得られる光学リサイジング素子は光３９４を出力ファセットに対して角度θで放出する。図４１に示す通り、本実施形態は結果として装置３０の視野の変化をもたらす。
【０３１１】
視野の調整は、受光素子の空間モードを増大するために、装置３０の光学リサイジング素子間の界面でも使用することができる。調整は、異なる光学素子の導波路間の相対的配向および／またはΔｎの値を変化させることによって、達成することができる。例えば透過素子（例えば素子３２）の導波路が受光素子（例えば素子３４）の導波路と平行でなく、かつ受光素子のΔｎが透過素子のΔｎより高い場合、２つの素子間の界面で励起する高い空間モードは、成功裏に受光素子内を伝搬する。その結果、装置の出力ファセットの視野は増大する。光学リサイジング素子の２つの導波路間に傾斜接続を確立することによって、空間モードの増分は光学リサイジング素子内で（２つのそのような素子間の界面上ではない）達成することもできる。
【０３１２】
本明細書中で使用される用語「約」は±１０％を示す。
【０３１３】
明確にするため別個の実施形態の文脈で説明されている本発明の特定の特徴は単一の実施形態に組み合わせて提供することもできることは分かるであろう。逆に、簡潔にするため単一の実施形態の文脈で説明されている本発明の各種の特徴は別個にまたは適切なサブコンビネーションで提供することもできる。
【０３１４】
本発明はその特定の実施形態によって説明してきたが、多くの別法、変更及び変形があることは当業者には明らかであることは明白である。従って、本発明は、本願の請求項の精神と広い範囲の中に入るこのような別法、変更及び変形すべてを包含するものである。本願で挙げた刊行物、特許及び特許願はすべて、個々の刊行物、特許及び特許願が各々あたかも具体的にかつ個々に引用提示されているのと同程度に、全体を本明細書に援用するものである。さらに、本願で引用又は確認したことは本発明の先行技術として利用できるという自白とみなすべきではない。
【図面の簡単な説明】
【０３１５】
【図１】ファイバベース誘導拡大装置を製造するための先行技術の略図である。
【図２】ファイバベース誘導拡大装置を製造するための先行技術の略図である。
【図３】本発明の様々な例示的実施形態に係る、導波路の長手方向に拡張する配列（図３ａ）、部分的テーパ付き導波路（図３ｂ）、部分的テーパ付き導波路の長手方向に拡張する配列（図３ｃ）、および２層以上を持つ図３ｃの実施形態（図３ｄ）の略図である。
【図４ａ−ｆ】本発明の様々な例示的実施形態における光学リサイジング素子の略図である。
【図４ｇ−ｉ】本発明の様々な例示的実施形態における光学リサイジング素子の略図である。
【図５】本発明の様々な例示的実施形態における２つの光学リサイジング素子を有する光学リサイジング装置の略図である。
【図６】図６ａは、本発明の様々な例示的実施形態における受光光学リサイジング素子の小さいファセットの略図であり、図６ｂは、本発明の様々な例示的実施形態における図６ａの素子の導波路の３次元図である。
【図７】図７ａは、各光学リサイジング素子の入射および出射ファセットが相互に略直交する実施形態の装置の３次元略図であり、図７ｂは、２対の光学リサイジング素子を採用する好適な実施形態における図７ａの装置の３次元略図である。
【図８】一方の光学リサイジング素子のファセットが略平行であり、他方の光学リサイジング素子のファセットが略直交する、好適な実施形態における装置の略図である。
【図９】光学リサイジング素子のファセットが実質的に同一平面上にある、好適な実施形態における装置の略図である。
【図１０】本発明の様々な例示的実施形態に従って導波路の配列を製造するためのフォトマスクレイアウトの略図である。
【図１１】垂直方向および横方向の両方にテーパを付けられた導波路を製造するためのプロセスの略図である。
【図１２ａ−ｃ】複数の光源を使用する好適な実施形態における光学リサイジング装置の略図である。
【図１２ｄ−ｆ】複数の光源を使用する好適な実施形態における光学リサイジング装置の略図である。
【図１３】装置からの光学出力が２つ以上存在する好適な実施形態における装置の略図である。
【図１４】装置が１つまたはそれ以上の追加光学素子を含む好適な実施形態における装置の略図である。
【図１５】層が偏光子を含む好適な実施形態における光学リサイジング素子の層の略図である。
【図１６】光源が画像源である好適な実施形態における装置と光源との間の結合の略図である。
【図１７】入力画像がレンズを用いて装置に合焦される好適な実施形態の略図である。
【図１８】１つまたはそれ以上のファイバ束が使用される好適な実施形態における装置と光源との間の結合の略図である。
【図１９】導波路が層の端部に対して傾斜する好適な実施形態における光学リサイジング素子の１層の略図である。
【図２０】装置が部分的に重複する光学配列の原理に従って製造される好適な実施形態における光学リサイジング装置の略図である。
【図２１】装置が部分的に重複する光学配列の原理に従って製造される好適な実施形態における光学リサイジング装置の略図である。
【図２２ａ−ｃ】装置が部分的に重複する光学配列の原理に従って製造される好適な実施形態における光学リサイジング装置の略図である。
【図２２ｄ−ｆ】装置が部分的に重複する光学配列の原理に従って製造される好適な実施形態における光学リサイジング装置の略図である。
【図２３】ファセットが２次元段付き形状を有する好適な実施形態における、図２０〜２２の装置と同様の装置のファセットの一部分の略側面図（図２３ａ）、略上面図（図２３ｂ）、本発明の様々な例示的実施形態に係るミラー形状の略図（図２３ｃおよびｄ）である。
【図２４ａ−ｂ】本発明の様々な例示的実施形態に係る２次元段付きまたは傾斜プロファイルを持つ光学リサイジング素子の略側面図である。
【図２４ｃ−ｄ】本発明の様々な例示的実施形態に係る２次元段付きまたは傾斜プロファイルを持つ光学リサイジング素子の略側面図である。
【図２４ｅ】本発明の様々な例示的実施形態に係る２次元段付きまたは傾斜プロファイルを持つ光学リサイジング素子の略側面図である。
【図２５】本発明の好適な実施形態に係る折曲げ可能な光学リサイジング装置の略図である。
【図２６】本発明の様々な例示的実施形態に係る、透過素子の配列を介して光が装置から外に結合される構成の略図である。
【図２７ａ−ｂ】本発明の様々な例示的実施形態における、傾斜光学リサイジング素子を製造するためのプロセスの略図である。
【図２７ｃ−ｄ】本発明の様々な例示的実施形態に係る拡張構造の略図である。
【図２７ｅ−ｆ】本発明の様々な例示的実施形態に係る拡張構造の略図である。
【図２７ｇ−ｈ】本発明の様々な例示的実施形態に係る拡張構造の略図である。
【図２８】層が軽量層である好適な実施形態における、図２０〜２２の装置と同様の装置の層の略上面図（図２８ａ〜ｂ）および略側面図（図２８ｃ）である。
【図２９】本発明の様々な例示的実施形態に係る、図２０〜２２の装置と同様の装置を製造するための好適な折曲げ技術の略図である。
【図３０】本発明の様々な例示的実施形態における、複数の光学リサイジング素子を製造するための同時プロセスの略図である。
【図３１】装置が複数の光源から光を受光する好適な実施形態における、図２０〜２２の装置と同様の装置の略図である。
【図３２】装置が複数の単色光源の形の光学入力を受光する好適な実施形態における、図２０〜２２の装置と同様の装置の略上面図（図３２ａ）および略断面図（図３２ｂ）である。
【図３３】本発明の様々な例示的実施形態に係る、図２０〜２２の装置と同様の装置の層から光を外へ結合するための技術の略図である。
【図３４】装置が自動立体視画像を提供するために使用される好適な実施形態における、図２０〜２２の装置と同様の装置の略図である。
【図３５】装置が自動立体視画像を提供するために使用される好適な実施形態における、図２０〜２２の装置と同様の装置の略図である。
【図３６】図３４ａ〜３５ｃの装置と同様の装置の視野内の異なる光学領域の略図である。
【図３７】複数の自動立体視画像が提供される好適な実施形態における１層の略図（図３７ａ）および結果として得られる視野の略図（図３７ｂ）である。
【図３８】差動導波路損失を補償するために入力画像が不均質な明るさを有する好適な実施形態における光学リサイジング装置の略図である。
【図３９】層が光吸収体を含む好適な実施形態における光学リサイジング素子の層の略図（図３９ａ）であり、本発明の好適な実施形態に係る可変断面を持つ導波路の略図（図３９ｂ）である。
【図４０】本発明の様々な例示的実施形態における、出力光の明るさを改善するための手順の略図である。
【図４１】本発明の様々な例示的実施形態における装置の視野を修正するための手順の略図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４ａ−ｆ】
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【図４ｇ−ｉ】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２ａ−ｃ】
2008527399.tif 000015
【図１２ｄ−ｆ】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２ａ−ｃ】
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【図２２ｄ−ｆ】
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【図２３】
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【図２４ａ−ｂ】
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【図２４ｃ−ｄ】
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【図２４ｅ】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７ａ−ｂ】
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【図２７ｃ−ｄ】
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【図２７ｅ−ｆ】
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【図２７ｇ−ｈ】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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【図３１】
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【図３２】
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【図３３】
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【図３４】
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【図３５】
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【図３６】
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【図３７】
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【図３８】
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【図３９】
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【図４０】
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【図４１】
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【国際調査報告】
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