(57)【要約】  回折角を任意に調整することを可能とする自由曲面レンズを使用して、シームレスなホログラムを製作するための製造方法が開示される。透明な無機材料で作製された、熱及びＵＶに耐性のある厚膜ホログラムも開示される。【選択図】図１０
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
表示装置と、
前記表示装置の画像を投射する投射レンズ系と、
観察者前方の実像及び前記投影画像を統合するコンバイナと、
フォトポリマーを含む前記コンバイナ上のホログラムとを備えるシースルーディスプレイであって、
前記フォトポリマーは２本のコヒーレントビームで記録するために露光され、前記ビームのうちの少なくとも１本は少なくとも１つの自由曲面レンズを用いて前記フォトポリマー上に収束され、前記フォトポリマーの画面全体は前記自由曲面レンズによりシームレスに露光される
ことを特徴とするシースルーディスプレイ。
【請求項２】
前記ホログラムは少なくとも３色で露光される
ことを特徴とする請求項１に記載のシースルーディスプレイ。
【請求項３】
記録ビームのうちの１本はコリメートされる
ことを特徴とする請求項１に記載のシースルーディスプレイ。
【請求項４】
前記２本の記録ビームはビームスプリッタと組み合わせられる
ことを特徴とする請求項１に記載のシースルーディスプレイ。
【請求項５】
シースルーディスプレイにおけるコンバイナの画像解像度を最大化するために、ホログラムの回折角を知ることが可能な関数を計算する工程と、
前記ホログラム中の微小な縞の傾斜角を計算する工程と、
前記２本のビーム間の中間角度が前記ホログラム中の微小な縞の前記傾斜角に一致するように、２本の記録ビームの角度を計算する工程と、
前記ホログラムへの前記入射ビームが２本の記録ビームの前記角度に一致するように、少なくとも１つの自由曲面レンズを設計する工程と、を備える
ことを特徴とする製造方法。
【請求項６】
表示装置と、
前記表示装置の画像を投射する投射レンズ系と、
観察者前方の実像及び前記投影画像を統合するコンバイナと、
前記コンバイナ上のホログラムとを備えるシースルーディスプレイであって、
前記ホログラムは透明な無機材料で作製され、
前記透明な無機材料は、透明基板と、屈折率が前記基板のものとは異なる無機材料の少なくとも２つのパターン層とを含み、
前記パターン層は、周期的な構造を有し、入射角及び波長並びに前記周期的な構造のピッチがブラッグの法則を満たす入射光を回折させる、
ことを特徴とするシースルーディスプレイ。
【請求項７】
前記基板は酸化物で作製されておりかつ実質的に透明である、
ことを特徴とする請求項６に記載のシースルーディスプレイ。
【請求項８】
前記パターン層は窒化物で作製されておりかつ実質的に透明である、
ことを特徴とする請求項６に記載のシースルーディスプレイ。
【請求項９】
前記パターン層は少なくとも２ミクロン厚である、
ことを特徴とする請求項６に記載のシースルーディスプレイ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
（関連出願の相互参照） 
本出願は非仮出願であり、２０１８年１月２１日に出願された米国仮特許出願第６２／６９，９０２号の優先日を主張する。米国仮出願第６２／６１９，９０２号は、２０１４年９月２０日に出願された米国仮特許出願第６２／０７１３１０号の非仮特許出願である、２０１５年９月２１日に出願された米国特許出願第１４／７５６５８９号の一部継続（ＣＩＰ）出願である。
【０００２】
本発明は、ホログラフィック光学素子（ＨＯＥ）の構造及び製造方法であって、周期的なパターンを記録するために自由曲面レンズを利用することによってより正確な製作を可能とする、構造及び製造方法に関する。リソグラフィ及び薄膜プロセスを用いて製造することができる厚膜ホログラムの別の構造が開示される。 
【背景技術】
【０００３】
ホログラフィック光学素子（以下、ＨＯＥと呼ぶ）は、ウェアラブルディスプレイ、アイグラスディスプレイ及び短距離の投射ディスプレイなどの新しいディスプレイにとって極めて重要になってきている。ホログラムの構造を図２に示す。図２では、屈折率が高い領域（２００１と記された縞状の領域）及び屈折率が低い領域（２００２と記されている）が交互に配置され、周期的な構造を作り出している。これらの縞の角度により、入射光ビーム出射光線（２００４）からの出射ビーム（２００５と記されている）の偏角が決定される。縞のピッチ（２００３と記されている）により、回折ビームの波長が決定される。ＨＯＥは、特定の波長及び特定の入射方向を有する光線のみを回折させることが可能である。この性能は通常の幾何学的な光学素子（geometric optics）からは得られないものであり、拡張現実（ＡＲ）及びウェアラブルディスプレイなどの一部の用途に極めて有用である。図１に示すように、ＨＯＥの典型的な製作方法は、コヒーレント光ビームの干渉により縞パターンを記録することである。２本のコヒーレントビーム（１００１及び１００２）は、フォトポリマー（２００３）のフィルムに導かれる。これら２本のビーム間の干渉により、図１の（１００３）に示すような縞パターンが作り出される。フォトポリマーの屈折率は、露光された光の強度に比例して変化することが多く、周期的である。傾斜縞の方向（図２にて２００６と記されている）は、２本の入射ビームの中間角度である。したがって、２本の入射ビームの方向を的確に制御することができれば、縞の角度を正確に制御することができる。
【０００４】
従来の製造方法が、図３及び図４に示されている。図３の例は、２本の記録ビームを同じ側で使用して、透過型ＨＯＥを記録するためのものである。なお、透過型とは、入射ビーム（照射ビーム）がＨＯＥの第１の表面に入り、その回折された出射ビーム（再生ビーム）が第２の表面から放出されることを意味する。図４の例は反射型ＨＯＥである。ここで、２本の記録ビームは２つの異なる側からのものであり、照射ビーム及び再生ビームは適切である（反射）。これらの種類の方法では、回折角の自由度がほとんどない。
【０００５】
図４（透過型）及び図５（反射型）に示すように、ステップバイステップ式の露光系を用い、位置によりビームの角度を調整することが可能である。これらの系には、角度を電子的に制御することができるガルバノミラー（４００５及び４０１４）が組み込まれている。ガルバノミラーの角度を変更すると露光位置に影響が出るため、これらの系では露光位置の調整が必要である。
【０００６】
図６及び図７では、このような調整は不要である。なぜなら、露光位置は、ガルバノミラーの角度とは無関係にＦ−θレンズ（図６）又は楕円ミラー（図７）を用いて固定されるからである。しかし、これらの系では、２つのサブアレイ間の境界領域に不均一性が残る。多くの場合、サブアレイ間に縞が見られる。したがって、これらの方法には、ステップ化された露光間の隙間において露光が不均一であるという大きな欠点があり、これは画質に悪影響を及ぼす。
【０００７】
高品質の均一な画像を得るには、回折角をシームレスに任意に調整することが可能な、非ステッピング式露光系（non stepping exposure system）が必要である。本発明は、任意の回折角の自由度が十分である、シームレスな露光を提供する。
【０００８】
図１３は、通常は不透明であり表面にのみ周期的な構造を有する回折光学素子（ＤＯＥ）の典型的な例を示すものである。これらの回折光学素子（ＤＯＥ）は、半導体のシンクフィルムプロセス（think film processes）を使用したリソグラフィプロセスにより作製される。ホログラムはこのタイプのＤＯＥよりもはるかに厚膜にすることができ、角度選択性及び波長選択性といった厚膜ホログラムの性能は、薄型のＤＯＥの性能よりも実質的に優れている。しかし、記録後の収縮及び変形といったフォトポリマーの不安定性が著しく、ＵＶに対する脆弱性もまたフォトポリマーの大きな欠点である。高温下にて安定しており信頼性の高いホログラムが強く求められており、本発明は、この要求を満たす構造及び製造方法を提供する。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の目的の１つは、フォトポリマー中にホログラムを記録するための、１つ又は複数の自由曲面レンズを使用した、任意の回折角を有するシームレスな構造を提供することである。実施形態の一例が図１０に示されている。フォトポリマープレートが（１００１）に設置され、記録ビーム（１００２及び１００３）で露光される。図中、自由曲面レンズは（１００５）にあり、自由曲面レンズの負荷を低減するために球面レンズ又は非球面レンズ（１００４）が追加されている。自由曲面レンズの表面は、ホログラムの縞が所望の角度となるように設計されている。最近の技術の進化により、自由曲面レンズの表面をサブミクロン単位で、さらにはナノメーター単位で制御することができる。
【００１０】
反射型ＨＯＥの一例が図１０に示されている。図中、１００１はフォトポリマープレートであり、１００２はコリメートされた光ビームであり、１００３は自由曲面レンズ（１００５）及び非球面レンズ（１００５）により調整されたビームである。
【００１１】
透過型ＨＯＥ（ホログラム）に関する本発明の別の例が、図１１に示されている。図中、１１０７はフォトポリマープレートであり、１１０５は参照ビームとしてのコリメートされたビームであり、１１０４は物体ビームである。この物体ビームは、所望の方向に存在するように自由曲面レンズ（１１０２）及び非球面レンズ（１１０３）により調整されている。
【００１２】
本発明の別の例は、ホログラム（１２０５）とレンズ（１２０３）との間に十分な空間がない場合に、ハーフミラー（１２０７）又は偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）を使用することである。 
【００１３】
図１４は、無機材料で作製される厚膜ホログラムを可能とする本発明の一例を示す。これは高温及びＵＶに対して実質的により安定しており、より信頼性の高いものである。１４０１は、ガラス又は他の酸化物等の第１の透明な無機材料である。１４０２は、窒化物等の屈折率がより高い第２の透明な無機材料である。これら両材料は透明である。したがって、ブラッグの条件を満たす少数の光ビーム以外の、ブラッグの条件を満たさない大部分の入射光はホログラムを通過することになる。このタイプのホログラムは、ヘッドアップディスプレイ及びウェアラブルディスプレイなどのシースルーディスプレイに非常に適している。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】フォトポリマー上で重なり合う２本のコヒーレントビームを適用することでホログラムを形成するプロセスを示す図である。このプロセスでは、２本の干渉を受けたビームの光強度分布により、一定方向及び一定ピッチで周期的な縞が作り出される。フォトポリマーの屈折率は、強度に応じて、又はより具体的には、強度に比例して変化する。変化した屈折率は、化学プロセスにより恒久的に固定される。このプロセスは、ホログラムの「記録」と呼ばれる。
【図２】記録されたホログラム構造により回折される入射ビーム及び入射ビームがホログラムにどのように入るかを示す図である。図中、高屈折率領域及び低屈折率領域が存在しており、入射ビームの角度及び波長、並びに縞のピッチがいわゆるブラッグの法則を満たす場合、あたかも縞がミラーであるかのように、ビームが縞で反射されることになる。入射ビームの角度及び波長、並びに縞のピッチがいわゆるブラッグの法則を満たさない場合、入射光ビームは通過する。
【図３】従来のプロセスを示す図である。この図では、照射（Ｂと記されている）光ビームが与えられる場合に画像が現れる（再生される）ようなマスクパターンを有する透過型ホログラムが示される。
【図４】ステップバイステップ式の露光を使用して透過型ホログラムを記録する一例を示す図である。４００４及び４０１４は、入射ビームの角度を調整するためのガルバノミラーである。この系では、入射ビームの角度を任意に調整することができる。ビームのランディング位置は、ミラー角度により変化し、露光毎に調整する必要がある。
【図５】ステップバイステップ式の露光を使用して反射型ホログラムを記録する一例を示す図である。ここで、５０３１及び５０３２は、入射ビームの角度を調整するためのガルバノミラーである。この系では、入射ビームの角度を任意に調整することができる。ビームのランディング位置は、ミラー角度により変化し、露光毎に調整する必要がある。
【図６】Ｆθレンズ（６００２及び６００３）を使用して反射型ホログラムを記録する一例を示す図である。ガルバノミラー（６００５及び６０３５）の角度とは無関係に露光位置がＦ−θレンズを用いて固定されるため、Ｆθレンズの使用により、この系では露光位置の調整が完全に不要となる。
【図７】楕円ミラー（７０２３）を使用して反射型ホログラムを記録する一例を示す図である。複数の焦点のうちの１つから発せられた光は、必ず第２の焦点に向かって反射される。ガルバノミラー（６００５及び６０３５）の角度とは無関係に露光位置が第２の焦点に固定されるため、楕円ミラーの使用により、この系では露光位置の調整が完全に不要となる。
【図８】ステップバイステップ式の露光を使用して透過型ホログラムを記録する一例を示す図である。透過型で記録する場合、レンズとホログラムプレートとの間の空間（５００４）が狭いため、２本の記録光源が干渉することがよくある。
【図９】工具の干渉を回避するための一例を示す図である。図中、ビームスプリッタ（９００７）が使用されている。このビームスプリッタとしては、ハーフミラー又はＰＢＳ（偏光ビームスプリッタ）を用いることができる。たとえこれらの困難を克服しても、露光の不均一性の残りが残されている。
【図１０】反射型ホログラムを記録するための系を示す図である。
【図１１】透過型ホログラムを記録するための系を示す図である。
【図１２】ビームスプリッタを用いて透過型ホログラムを記録するための系を示す図である。
【図１３】従来のＤＯＥ（回折光学素子）の一例を示す図である。
【図１４】無機材料で作製された厚膜ホログラムの一例を示す。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
図１０は、反射型ホログラムを記録するための本発明の一例を示す。図中、１００２はコリメートされた光ビームである。コヒーレント光ビーム（１００６）は、ホログラム（１００１）の各位置にて要求される回折角を満たすように記録光ビーム（１００３）の方向及び位置が調整されるように、自由曲面レンズ（１００５）及び非球面レンズ（１００４）に導かれる。この系では領域全体が一切分割されることなく同時に露光されるため、ステッピングによる不均一性がない。この系では、回折角を完全に任意に調整することができる。
【００１６】
図１１は、透過型ホログラムを記録するための本発明の一例を示す図である。図中、１１０５はコリメートされた光ビームである。コヒーレント光ビーム（１１０１）は、ホログラム（１１０７）の各位置にて要求される回折角を満たすように記録光ビーム（１１０４）の方向及び位置が調整されるように、自由曲面レンズ（１１０２）及び非球面レンズ（１１０３）に導かれる。この系では領域全体が一切分割されることなく同時に露光されるため、ステッピングによる不均一性がない。この系では、回折角を完全に任意に調整し、シームレスな露光を行うことができる。
【００１７】
図１２は、レンズ系とホログラムとの間の空間が十分でない場合に透過型ホログラムを記録するための本発明の一例を示す図である。図中、（１２０６）はコリメートされた光ビームであり、ビームスプリッタ（１２０７）によりホログラム（１２０５）に向けて反射される。コヒーレント光ビーム（１２０１）は、ホログラム（１２０５）の各位置にて要求される回折角を満たすように記録光ビーム（１２０４）の方向及び位置が調整されるように、自由曲面レンズ（１２０２）及び非球面レンズ（１２０３）に導かれる。この系では領域全体が一切分割されることなく同時に露光されるため、ステッピングによる不均一性がない。この系では、回折角を完全に任意に調整し、シームレスな露光を行うことができる。
【００１８】
図１３は、ＤＯＥ（回折光学素子）の一例を示している。機械加工又はリソグラフィ法のいずれかにより、基板（１３０２）上に、（図１３）に示すようにブレーズ化構造（１３０１）が作り出される。無機材料で作製されるＤＯＥは、記録及び化学プロセスの間に変形する有機フォトポリマーで作製されるホログラムよりもはるかに正確かつ確実に製作することができる。しかし、ＤＯＥの構造は薄型である（多くの場合、サブミクロン）ため、その性能は、ＤＯＥよりも厚膜に作製することができるホログラムと比較して制限されたものであることが多い。
【００１９】
図１４は、本発明の、無機材料で作製された厚膜ホログラムの一例を示している。リソグラフィ及び成膜ツールを使用して、酸化物及び窒化物を始めとする誘電体材料などの無機材料で、より厚膜のホログラムを作製することができる。１４０１はガラスなどの透明な無機誘電体材料であり、１４０２は１４０１よりも屈折率が高い別の透明な無機材料である。リソグラフィ、成膜及びエッチングを用いた多層構造により、１４０６として示される傾斜角及び縞間のピッチ（１４０５）を正確かつ任意に制御することができる。
【００２０】
前述の説明は、説明を目的として、特定の実施形態を参照して記載されてきた。しかし、上記の例示的な議論は、網羅的であること、又は本開示を開示されたそのままの形態に限定することを意図するものではない。上記の教示を考慮しつつ、多くの変更及び変形が可能である。これらの実施形態は、本開示の原理及びその実際の用途を最も良く説明するために選択かつ記載された。これは、当業者が、企図される特定の用途に好適であるように様々な変更を行って本開示及び様々な実施形態を最も良く利用できるようにするためのものである。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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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１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【国際調査報告】
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