(57)【要約】本開示は、ディスプレイシステムに関し、より具体的には、拡張現実ディスプレイシステムに関する。一側面では、光学要素を加工する方法は、第１の屈折率および可視スペクトル内における透明性を有する、基板を提供することを含む。本方法は、加えて、基板上に、周期的反復ポリマー構造を形成することを含む。本方法はさらに、基板を、金属前駆体に、その後、酸化前駆体に暴露することを含む。基板を暴露することは、金属前駆体の金属を含む、無機材料が、周期的反復ポリマー構造の中に組み込まれ、それによって、可視光を回折するように構成される、周期的反復光学構造のパターンを形成するような圧力および温度下で実施される。光学構造は、第１の屈折率を上回る第２の屈折率を有する。
2021509726.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光学要素を加工する方法であって、
第１の屈折率および可視スペクトル内における透明性を有する基板を提供することと、
前記基板上に周期的反復ポリマー構造を形成することと、
前記基板を金属前駆体に暴露し、その後、酸化前駆体に暴露することと
を含み、
暴露することは、前記金属前駆体の金属を含む無機材料が、前記周期的反復ポリマー構造の中に組み込まれ、それによって、可視光を回折するように構成される周期的反復光学構造のパターンを形成するような圧力および温度下で実施され、前記光学構造は、前記第１の屈折率を上回る第２の屈折率を有する、方法。
【請求項２】
光学要素であって、
第１の屈折率および可視スペクトル内における透明性を有する基板と、
前記基板上に形成され、可視光を回折するように構成される周期的反復光学構造のパターンであって、前記光学構造は、前記第１の屈折率を上回る第２の屈折率を有し、無機材料がその中に組み込まれるポリマー材料を含む、周期的反復光学構造のパターンと
を備える、光学要素。
【請求項３】
前記ポリマー材料は、前記第２の屈折率未満のバルク屈折率を有し、前記無機材料は、前記第２の屈折率より高いバルク屈折率を有する、請求項２に記載の光学要素。
【請求項４】
前記第２の屈折率は、１．７を上回り、前記第１の屈折率を少なくとも０．２上回る、請求項２に記載の光学要素。
【請求項５】
前記基板は、１．５を上回る屈折率を有する、請求項２に記載の光学要素。
【請求項６】
前記ポリマー材料は、フォトレジストを含む、請求項２に記載の光学要素。
【請求項７】
前記無機材料は、遷移金属酸化物を含む、請求項２に記載の光学要素。
【請求項８】
前記無機材料は、金属酸化物を含む、請求項７に記載の光学要素。
【請求項９】
前記金属酸化物は、酸化アルミニウム、酸化亜鉛、酸化ジルコニウム、酸化ハフニウムおよび酸化チタニウムから成る群から選択される酸化物を含む、請求項７に記載の光学要素。
【請求項１０】
前記無機材料は、前記光学構造の表面領域の中に組み込まれ、前記光学構造のコア領域は、前記無機材料がその中に組み込まれない、請求項７に記載の光学要素。
【請求項１１】
前記周期的反復光学構造の隣接するものは、空間によって分離され、前記空間内の基板の表面は、前記無機材料がその上に配置されない、請求項２に記載の光学要素。
【請求項１２】
前記周期的反復光学構造の隣接するものは、空間によって分離され、前記空間内の基板の前記表面は、前記無機材料がその中に組み込まれるポリマー材料の層がその上に形成され、前記層は、前記光学構造の高さより小さい厚さを有する、請求項２に記載の光学要素。
【請求項１３】
前記空間内に形成される前記ポリマー材料の層は、厚さ全体が前記無機材料とともに組み込まれる、請求項１２に記載の光学要素。
【請求項１４】
前記空間内に形成される前記ポリマー材料の層は、部分的厚さが表面領域において前記無機材料とともに組み込まれ、部分的厚さが前記無機材料とともに組み込まれない、請求項１２に記載の光学要素。
【請求項１５】
前記基板は、周期的反復光学構造によって回折される可視光が、全内部反射下で伝搬するように構成される、請求項２に記載の光学要素。
【請求項１６】
前記周期的反復光学構造は、メタ表面を備える、請求項２に記載の光学要素。
【請求項１７】
前記基板は、可視光が、全内部反射下でその中に誘導され、周期的反復光学構造によって前記基板から外に回折されるように構成される、請求項２に記載の光学要素。
【請求項１８】
前記基板は、可視光が、全内部反射下でその中に誘導され、周期的反復光学構造によって回折され、全内部反射によって、前記基板内を伝搬する光ビームの方向を改変するように構成される、請求項２に記載の光学要素。
【請求項１９】
光学システムであって、
光学要素であって、
第１の屈折率および可視スペクトル内における透明性を有する基板と、
前記基板上に形成され、可視光を回折するように構成される周期的反復光学構造のパターンであって、前記光学構造は、前記第１の屈折率を上回る第２の屈折率を有し、無機材料がその中に組み込まれるポリマー材料を含む、周期的反復光学構造のパターンと
を備え、
前記周期的反復光学構造は、メタ表面として配列されるナノビームを備え、前記メタ表面は、複数の反復ユニットセルを備え、各ユニットセルは、
１つ以上の第１のナノビームによって形成される第１のナノビームのセットと、
１つ以上の第２のナノビームによって形成される第２のナノビームのセットであって、前記１つ以上の第２のナノビームは、前記１つ以上の第１のナノビームに隣接して配置され、サブ波長間隔によって相互から分離される、第２のナノビームのセットと
を備え、
前記１つ以上の第１のナノビームおよび前記複数の第２のナノビームは、異なる配向方向に伸長される、光学要素
を備える、光学システム。
【請求項２０】
前記ユニットセルは、約１０ｎｍ〜１μｍ以下の周期で反復する、請求項１９に記載の光学システム。
【請求項２１】
前記１つ以上の第１のナノビームおよび前記第２のナノビームは、相互に対して、位相差を前記１つ以上の第１のナノビームによって回折される可視光と前記第２のナノビームによって回折される可視光との間に生じさせる角度で配向される、請求項１９に記載の光学システム。
【請求項２２】
前記１つ以上の第１のナノビームおよび前記第２のナノビームは、相互に対して約９０度回転される配向方向に配向される、請求項１９に記載の光学システム。
【請求項２３】
前記ユニットセルは、前記波長以下の周期で反復し、前記波長は、前記可視スペクトル内である、請求項１９に記載の光学システム。
【請求項２４】
前記１つ以上の第１のナノビームおよび前記第２のナノビームは、前記波長より小さい高さを有する、請求項１９に記載の光学システム。
【請求項２５】
可視光を伝搬するように構成される導波管を備える光学システムであって、前記光学システムは、
基板であって、前記基板は、光が全内部反射によってその中に誘導され得るように、第１の屈折率および可視スペクトル内における透明性を有する、基板と、
前記基板上に形成され、可視光を回折するように構成される周期的反復光学構造のパターンであって、前記光学構造は、前記第１の屈折率を上回る第２の屈折率を有し、無機材料がその中に組み込まれるポリマー材料を含む、周期的反復光学構造のパターンと
を備え、
前記周期的反復光学構造は、光を入射光の前記方向に対してある回折角度で回折し、前記回折された光を全内部反射下で前記基板内を伝搬させるように配列される、または、前記基板内で誘導される光の前記方向に対してある回折角度で、全内部反射下で前記基板内で誘導される光を回折するように配列される、光学システム。
【請求項２６】
前記ポリマー材料は、前記第２の屈折率未満のバルク屈折率を有し、前記無機材料は、前記第２の屈折率より高いバルク屈折率を有する、請求項２５に記載の光学システム。
【請求項２７】
前記第２の屈折率は、１．７を上回り、前記第１の屈折率を少なくとも０．２上回る、請求項２５に記載の光学システム。
【請求項２８】
前記回折角度は、５０度を超える、請求項２５に記載の光学システム。
【請求項２９】
前記波長の光を前記周期的反復光学構造のパターンに放出するように構成される光源をさらに備える、請求項２５に記載の光学システム。
【請求項３０】
前記光源からの光を変調させ、前記変調された光を前記周期的反復光学構造のパターンに出力するように構成される空間光変調器をさらに備える、請求項２５に記載の光学システム。
【請求項３１】
前記周期的反復光学構造は、光を入射光の方向に対してある回折角度で回折し、前記回折された光を全内部反射下で前記基板内を伝搬させるように配列される、請求項２５に記載の光学システム。
【請求項３２】
前記周期的反復光学構造は、前記基板内で誘導される光の方向に対してある回折角度で、全内部反射下で前記基板内で誘導される光を回折するように配列される、請求項２５に記載の光学システム。
【請求項３３】
前記周期的反復光学構造は、全内部反射下で前記基板内で誘導される光を前記基板から外に回折するように配列される、請求項３２に記載の光学システム。
【請求項３４】
光をユーザの眼に投影し、拡張現実画像コンテンツを表示するように構成される頭部搭載型ディスプレイデバイスであって、前記頭部搭載型ディスプレイデバイスは、
前記ユーザの頭部上に支持されるように構成されるフレームと、
前記フレーム上に配置されるディスプレイであって、前記ディスプレイの少なくとも一部は、
１つ以上の導波管であって、前記１つ以上の導波管は、透明であり、前記ユーザが前記頭部搭載型ディスプレイデバイスを装着すると、透明部分が、前記ユーザの正面の環境の一部からの光をユーザの眼に透過させ、前記ユーザの正面の環境の一部のビューを提供するように、前記ユーザの眼の正面の場所に配置される、１つ以上の導波管と、
１つ以上の光源と、
少なくとも１つの回折格子であって、前記少なくとも１つの回折格子は、前記光源からの光を前記１つ以上の導波管の中に結合するか、または、光を前記１つ以上の導波管から外に結合するように構成され、前記回折格子は、
第１の屈折率および可視スペクトル内における透明性を有する基板と、
前記基板上に形成され、可視光を回折するように構成される周期的反復光学構造のパターンであって、前記光学構造は、前記第１の屈折率を上回る第２の屈折率を有し、無機材料がその中に組み込まれるポリマー材料を含む、周期的反復光学構造のパターンと
を備える、少なくとも１つの回折格子と
を備える、ディスプレイと
を備える、頭部搭載型ディスプレイデバイス。
【請求項３５】
前記１つ以上の光源は、ファイバ走査プロジェクタを備える、請求項３４に記載のデバイス。
【請求項３６】
前記ディスプレイは、画像コンテンツを複数の深度平面上においてユーザに提示するように、光を前記ユーザの眼の中に投影するように構成される、請求項３４に記載のデバイス。
【請求項３７】
光学要素を加工する方法であって、
前記可視スペクトル内で透過性の基板を提供することと、
前記基板上に、第１の屈折率を有する周期的反復ポリマー構造を形成することと、
前記基板を、金属前駆体に暴露し、その後、酸化前駆体に暴露することと、
を含み、
暴露することは、前記金属前駆体の金属を含む無機材料が、前記周期的反復ポリマー構造の中に組み込まれ、それによって、前記周期的反復ポリマー構造の屈折率を増加させ、可視光を回折するように構成される周期的反復光学構造のパターンを形成するような圧力および温度で実施される、方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
（関連出願の相互参照）
本願は、その内容が、参照することによってその全体として本明細書に組み込まれる、２０１８年１月４日に出願され、「ＯＰＴＩＣＡＬ  ＥＬＥＭＥＮＴＳ  ＢＡＳＥＤ  ＯＮ  ＰＯＬＹＭＥＲＩＣ  ＳＴＲＵＣＴＵＲＥＳ  ＩＮＣＯＲＰＯＲＡＴＩＮＧ  ＩＮＯＲＧＡＮＩＣ  ＭＡＴＥＲＩＡＬＳ」と題された、米国仮特許出願第６２／６１３，６５１号の優先権の利益を主張する。
【０００２】
（参照による組み込み）
本願は、参照することによって、以下の特許出願、すなわち、２０１４年１１月２７日に出願され、２０１５年７月２３日に米国特許公開第２０１５／０２０５１２６号として公開された、米国特許出願第１４／５５５，５８５号、２０１５年４月１８日に出願され、２０１５年１０月２２日に米国特許公開第２０１５／０３０２６５２号として公開された、米国特許出願第１４／６９０，４０１号、２０１４年３月１４日に出願され、２０１６年８月１６日に発行された現米国特許第９，４１７，４５２号である、米国特許出願第１４／２１２，９６１号、および２０１４年７月１４日に出願され、２０１５年１０月２９日に米国特許公開第２０１５／０３０９２６３号として公開された、米国特許出願第１４／３３１，２１８号のそれぞれの全体を組み込む。
【０００３】
本開示は、ディスプレイシステムに関し、より具体的には、拡張現実ディスプレイシステムに関する。
【背景技術】
【０００４】
現代のコンピューティングおよびディスプレイ技術は、いわゆる「仮想現実」または「拡張現実」体験のためのシステムの開発を促進しており、デジタル的に再現された画像またはその一部が、現実であるように見える、またはそのように知覚され得る様式でユーザに提示される。仮想現実、すなわち、「ＶＲ」シナリオは、典型的には、他の実際の実世界の視覚的入力に対する透過性を伴わずに、デジタルまたは仮想画像情報の提示を伴い、拡張現実または「ＡＲ」シナリオは、典型的には、ユーザの周囲の実際の世界の可視化に対する拡張としてのデジタルまたは仮想画像情報の提示を伴う。複合現実または「ＭＲ」シナリオは、一種のＡＲシナリオであって、典型的には、自然世界の中に統合され、それに応答する、仮想オブジェクトを伴う。例えば、ＭＲシナリオは、実世界内のオブジェクトによってブロックされて見える、または別様にそれと相互作用するように知覚される、ＡＲ画像コンテンツを含んでもよい。
【０００５】
図１を参照すると、拡張現実場面１が、描写されている。ＡＲ技術のユーザには、人々、木々、背景における建物、およびコンクリートプラットフォーム３０を特徴とする、実世界の公園状設定２０が見える。ユーザはまた、実世界プラットフォーム１１２０上に立っているロボット像４０、およびマルハナバチの擬人化のように見える、飛んでいる漫画のようなアバタキャラクタ５０等の「仮想コンテンツ」を「見ている」と知覚する。これらの要素５０、４０は、実世界には存在しないという点で、「仮想」である。ヒトの視知覚系が複雑であるため、他の仮想または実世界画像要素間における仮想画像要素の快適で、自然のような感覚で、かつ豊かな提示を促進する、ＡＲ技術の生産は、困難である。
【０００６】
本明細書に開示されるシステムおよび方法は、ＡＲまたはＶＲ技術に関連する種々の課題に対処する。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００７】
第１の側面では、光学要素を加工する方法は、第１の屈折率および可視スペクトル内における透明性を有する、基板を提供することを含む。本方法は、加えて、基板上に、周期的反復ポリマー構造を形成することを含む。本方法はさらに、基板を、金属前駆体に、その後、酸化前駆体に暴露することを含む。基板を暴露することは、金属前駆体の金属を含む、無機材料が、周期的反復ポリマー構造の中に組み込まれ、それによって、可視光を回折するように構成される、周期的反復光学構造のパターンを形成するような圧力および温度下で実施される。光学構造は、第１の屈折率を上回る第２の屈折率を有する。
【０００８】
第２の側面では、光学要素は、第１の屈折率および可視スペクトル内における透明性を有する、基板を含む。光学要素は、加えて、基板上に形成され、可視光を回折するように構成される、周期的反復光学構造のパターンを含む。光学構造は、第１の屈折率を上回る第２の屈折率を有し、その中に組み込まれる無機材料を有する、ポリマー材料を含む。
【０００９】
第３の側面では、光学システムは、光学要素を含む。光学要素は、第１の屈折率および可視スペクトル内における透明性を有する、基板を含む。光学要素は、加えて、基板上に形成され、可視光を回折するように構成される、周期的反復光学構造のパターンを含む。光学構造は、第１の屈折率を上回る第２の屈折率を有し、その中に組み込まれる無機材料を有する、ポリマー材料を含む。周期的反復光学構造は、メタ表面として配列される、ナノビームを含む。メタ表面は、複数の反復ユニットセルを含み、各ユニットセルは、１つ以上の第１のナノビームによって形成される、第１のナノビームのセットと、１つ以上の第１のナノビームに隣接して配置され、サブ波長間隔によって相互から分離される、１つ以上の第２のナノビームによって形成される、第２のナノビームのセットとを含む。１つ以上の第１のナノビームおよび複数の第２のナノビームは、異なる配向方向に伸長される。
【００１０】
第４の側面では、光学システムは、可視光を伝搬するように構成される、導波管を含む。光学システムは、光が全内部反射によってその中に誘導され得るように、第１の屈折率および可視スペクトル内における透明性を有する、基板を含む。光学システムは、加えて、基板上に形成され、可視光を回折するように構成される、周期的反復光学構造のパターンを含む。光学構造は、第１の屈折率を上回る第２の屈折率を有し、その中に組み込まれる無機材料を有する、ポリマー材料を含む。周期的反復光学構造は、光を入射光の方向に対してある回折角度で回折し、回折された光を全内部反射下で基板内を伝搬させるように配列される、または基板内で誘導される光の方向に対してある回折角度で、全内部反射下で基板内で誘導される光を回折するように配列される。
【００１１】
第５の側面では、頭部搭載型ディスプレイデバイスは、光をユーザの眼に投影し、拡張現実画像コンテンツを表示するように構成される。頭部搭載型ディスプレイデバイスは、ユーザの頭部上に支持されるように構成される、フレームを含む。頭部搭載型ディスプレイデバイスは、加えて、フレーム上に配置される、ディスプレイを含み、ディスプレイの少なくとも一部は、１つ以上の導波管を含む。１つ以上の導波管は、透明であって、ユーザが、頭部搭載型ディスプレイデバイスを装着すると、透明部分が、ユーザの正面の環境の一部からの光をユーザの眼に透過させ、ユーザの正面の環境の一部のビューを提供するように、ユーザの眼の正面の場所に配置される。頭部搭載型ディスプレイデバイスは、加えて、光源からの光を１つ以上の導波管の中に結合する、または光を１つ以上の導波管から外に結合するように構成される、１つ以上の光源および少なくとも１つの回折格子を含む。少なくとも１つの回折格子は、第１の屈折率および可視スペクトル内における透明性を有する、基板を含む。少なくとも１つの回折格子は、加えて、基板上に形成され、可視光を回折するように構成される、周期的反復光学構造のパターンを含む。光学構造は、第１の屈折率を上回る第２の屈折率を有し、その中に組み込まれる無機材料を有する、ポリマー材料を含む。
【００１２】
第６の側面では、光学要素を加工する方法は、可視スペクトル内で透過性の基板を提供することと、基板上に、第１の屈折率を有する、周期的反復ポリマー構造を形成することと、基板を、金属前駆体に、その後、酸化前駆体に暴露することとを含む。暴露することは、金属前駆体の金属を含む、無機材料が、周期的反復ポリマー構造の中に組み込まれ、それによって、周期的反復ポリマー構造の屈折率を増加させ、可視光を回折するように構成される、周期的反復光学構造のパターンを形成するような圧力および温度で実施される。
【００１３】
第７の側面では、光学要素を加工する方法は、第１の屈折率および可視スペクトル内における透明性を有する、基板を提供することを含み、基板は、その上に形成される周期的反復ポリマー構造を有する。本方法は、加えて、基板を、金属前駆体に、その後、酸化前駆体に暴露することを含む。暴露することは、金属前駆体の金属を含む、無機材料が、周期的反復ポリマー構造の中に組み込まれ、それによって、可視光を回折するように構成される、周期的反復光学構造のパターンを形成するような圧力および温度下で実施され、光学構造は、第１の屈折率を上回る第２の屈折率を有する。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】図１は、ＡＲデバイスを通した拡張現実（ＡＲ）のユーザのビューを図示する。
【００１５】
【図２】図２は、ウェアラブルディスプレイシステムの実施例を図示する。
【００１６】
【図３】図３は、ユーザのための３次元画像をシミュレートするための従来のディスプレイシステムを図示する。
【００１７】
【図４】図４は、複数の深度平面を使用して３次元画像をシミュレートするためのアプローチの側面を図示する。
【００１８】
【図５】図５Ａ−５Ｃは、曲率半径と焦点半径との間の関係を図示する。
【００１９】
【図６】図６は、画像情報をユーザに出力するための導波管スタックの実施例を図示する。
【００２０】
【図７】図７は、導波管によって出力された出射ビームの実施例を図示する。
【００２１】
【図８】図８は、スタックされた導波管アセンブリの実施例を図示し、各深度平面は、複数の異なる原色を使用して形成される画像を含む。
【００２２】
【図９Ａ】図９Ａは、それぞれ、内部結合光学要素を含む、スタックされた導波管のセットの実施例の断面側面図を図示する。
【００２３】
【図９Ｂ】図９Ｂは、図９Ａの複数のスタックされた導波管の実施例の斜視図を図示する。
【００２４】
【図９Ｃ】図９Ｃは、図９Ａおよび９Ｂの複数のスタックされた導波管の実施例の上下平面図を図示する。
【００２５】
【図１０】図１０は、その中に組み込まれる無機材料を有する、周期的反復ポリマーベースの光学構造を備える、光学要素の断面図を図式的に図示する。
【００２６】
【図１１】図１１は、その中に組み込まれる無機材料を有する、周期的反復ポリマーベースの光学構造を備える、光学要素を加工する方法を図式的に図示する。
【００２７】
【図１２】図１２Ａ−１２Ｃは、フォトリソグラフィプロセスを使用して、周期的反復ベースポリマー構造を提供する、種々の段階における中間構造の断面図である。
【００２８】
【図１３】図１３Ａ−１３Ｃは、ナノインプリントプロセスを使用した、周期的反復ベースポリマー構造の加工の、種々の段階における中間構造の断面図である。
【００２９】
【図１４】図１４Ａ−１４Ｂは、その中に組み込まれる無機材料を有する、周期的反復ポリマーベースの光学構造を備える、光学要素の加工の、種々の段階における中間構造の断面図である。
【００３０】
【図１５】図１５Ａ−１５Ｂは、その中に組み込まれる無機材料を有する、周期的反復ポリマーベースの光学構造を備える、光学要素の加工の、種々の段階における中間構造の断面図である。
【００３１】
【図１６】図１６Ａ−１６Ｂは、その中に組み込まれる無機材料を有する、周期的反復ポリマーベースの光学構造を備える、光学要素の加工の、種々の段階における中間構造の断面図である。
【００３２】
【図１７】図１７Ａ−１７Ｈは、複数の波長板要素を備える、光学要素を図示し、各波長板要素は、それぞれ、０、π／４、π／２、３π／４、π、５π／４、３π／２および７π／４の角度θの波長板要素の高速軸の回転に対応する入射光の偏光ベクトルの変化に対する、その中に組み込まれる無機材料を有する、周期的反復ポリマーベースの光学構造のパターンを備える。
【００３３】
【図１８Ａ】図１８Ａは、その中に組み込まれる無機材料を有する、ポリマーベースの光学構造から形成される、２相レベル幾何学位相光学要素を有する、回折格子の断面側面図を図示する。
【００３４】
【図１８Ｂ】図１８Ｂは、図１８Ａの回折格子の上下図を図示する。
【００３５】
【図１９】図１９は、その中に組み込まれる無機材料を有する、ポリマーベースの光学構造から形成される４相レベル幾何学位相光学要素を有する、回折格子の上下図を図示する。
【発明を実施するための形態】
【００３６】
ディスプレイシステム等の光学システムは、多くの場合、光学要素を利用して、光の伝搬を制御する。いくつかの用途では、コンパクトな光学システムの需要に起因して、低減された寸法（例えば、薄構造）を有する、光学要素は、有用であり得る。そのような光学要素は、例えば、回折光学要素を含み得る。
【００３７】
例示的回折光学要素は、光を光導波路、例えば、導波管の中に結合するための回折格子である。光導波路は、例えば、法線入射で光導波路上に入射する光を、回折された光が全内部反射によって光導波路内で誘導されるような角度で、光導波路の中に結合するように構成される、例えば、その上またはその中に配置される、回折格子を有し得る。回折格子等の回折光学要素は、光導波路内または上に含まれ、光導波路内で誘導される光を全内部反射によって光導波路から外に結合し得る。回折光学要素はまた、操作する、例えば、光導波路内を伝搬する光のビームを全内部反射によって再指向および／または修正するために使用されてもよい。また、光導波路内の光の増加された閉じ込めを提供し、および／または回折効率を増加させる、そのような回折光学要素を加工するための本明細書に説明されるような方法は、有用であり得る。
【００３８】
そのような回折光学要素は、基板上に形成され、可視光を回折するように構成される、周期的反復光学構造のパターンを備えてもよく、光学構造は、基板の屈折率を上回る屈折率を有する。回折光学要素は、その中に組み込まれる無機材料を有する、ポリマー材料から形成される。ポリマー材料は、ある場合には、最終光学構造として留まる、フォトレジストとしての役割を果たすことができ、加工複雑性を有意に低減させることができる。光学構造内への無機材料の組み込みは、潜在的に、光学性質、例えば、屈折率、および機械的性質、例えば、堅度の多様な調整を可能にする。無機材料は、原子層堆積を使用して組み込まれることができ、これは、光学構造内への組み込みの量および深度の精密な制御を可能にすることができる。
【００３９】
コンパクトな光学要素を提供するための別のアプローチは、薄膜、例えば、薄膜ベースのナノ構造から形成されるメタ表面に基づく、回折格子の使用を含む。メタ表面、すなわち、メタ材料表面は、幾何学的光学と比較してはるかに小さいスケールにおいて、事実上平坦な無収差の光学系を実現する機会を提供する。理論によって限定されるわけではないが、いくつかの実施形態では、メタ表面は、共振光学アンテナとして機能する、表面構造の稠密配列を含む。光と表面構造の相互作用の共振性質は、光学波面を操作する能力を提供する。ある場合には、メタ表面は、単純パターン化プロセスによって形成される、薄くて比較的平面の要素を用いて、嵩張るまたは製造が困難な光学コンポーネントの置換を可能にし得る。しかしながら、薄膜ベースの光学要素の加工は、リソグラフィまたはナノインプリントによって、金属または高屈折率誘電性材料をパターン化することを含み得、両方とも、小寸法および／または複雑な形状を有する構造を実装するには高価および／または困難であり得る。
【００４０】
有利には、その中に組み込まれる無機材料を有する、ポリマーベースの光学構造は、回折格子を含む、種々の光学要素を形成するためのメタ表面として構成されることができる。メタ表面は、複数の反復ユニットセルによって形成される、格子の形態をとってもよい。各ユニットセルは、交点方向に伸長される、２セット以上のナノビーム、すなわち、第１の方向に伸長される、１つ以上の第１のナノビームと、第１の方向と異なる第２の方向に伸長される、複数の第２のナノビームとを備えてもよい。
【００４１】
いくつかの回折光学要素、例えば、ポリマーベースの光学構造から形成されるメタ表面を含む、回折光学要素が、コンパクトな光学要素を提供するために、ウェアラブルディスプレイシステム内で利用されてもよい。拡張現実システムは、依然として、ユーザに彼らの周囲の世界が見えることを可能にしながら、仮想コンテンツをユーザまたは視認者に表示し得る。本コンテンツは、視認者の頭部上に搭載され得る、頭部搭載型ディスプレイ上に表示されることができる。頭部搭載型ディスプレイは、例えば、アイウェアの一部であって、画像情報をユーザの眼に投影し得る。加えて、ディスプレイはまた、周囲環境からの光をユーザの眼に透過させ、その周囲環境のビューを可能にし得る。
【００４２】
ここで、図面を参照するが、同様の参照番号は、全体を通して同様の部分を指す。
【００４３】
例示的ディスプレイシステム
図２は、ウェアラブルディスプレイシステム６０の実施例を図示する。ディスプレイシステム６０は、ディスプレイ７０と、そのディスプレイ７０の機能をサポートするための種々の機械的および電子的モジュールおよびシステムとを含む。ディスプレイ７０は、フレーム８０に結合されてもよく、これは、ディスプレイシステムユーザまたは視認者９０によって装着可能であって、ディスプレイ７０をユーザ９０の眼の正面に位置付けるように構成される。ディスプレイ７０は、いくつかの実施形態では、アイウェアと見なされてもよい。いくつかの実施形態では、スピーカ１００が、フレーム８０に結合され、ユーザ９０の外耳道に隣接して位置付けられるように構成される（いくつかの実施形態では、示されない別のスピーカが、随意に、ユーザの他方の外耳道に隣接して位置付けられ、ステレオ／成形可能音制御を提供し得る）。ディスプレイシステムはまた、１つ以上のマイクロホン１１０または他のデバイスを含み、音を検出してもよい。いくつかの実施形態では、マイクロホンは、ユーザが、入力またはコマンド（例えば、音声メニューコマンドの選択、自然言語質問等）をシステム６０に提供することを可能にするように構成され、および／または他の人物（例えば、類似ディスプレイシステムの他のユーザ）とのオーディオ通信を可能にしてもよい。マイクロホンはさらに、周辺センサとして構成され、オーディオデータ（例えば、ユーザおよび／または環境からの音）を収集してもよい。いくつかの実施形態では、ディスプレイシステムもまた、周辺センサ１２０ａを含んでもよく、これは、フレーム８０と別個であって、ユーザ９０の身体（例えば、ユーザ９０の頭部、胴体、四肢上等）に取り付けられてもよい。周辺センサ１２０ａは、いくつかの実施形態では、ユーザ９０の生理学的状態を特性評価するデータを入手するように構成されてもよい。例えば、センサ１２０ａは、電極であってもよい。
【００４４】
図２を継続して参照すると、ディスプレイ７０は、有線導線または無線コネクティビティ等の通信リンク１３０によって、ローカルデータ処理モジュール１４０に動作可能に結合され、これは、フレーム８０に固定して取り付けられる、ユーザによって装着されるヘルメットもしく帽子に固定して取り付けられる、ヘッドホンに内蔵される、または別様にユーザ９０に除去可能に取り付けられる（例えば、リュック式構成において、ベルト結合式構成において）等、種々の構成で搭載されてもよい。同様に、センサ１２０ａは、通信リンク１２０ｂ、例えば、有線導線または無線コネクティビティによって、ローカルデータ処理モジュール１４０に動作可能に結合されてもよい。ローカル処理およびデータモジュール１４０は、ハードウェアプロセッサおよび不揮発性メモリ（例えば、フラッシュメモリまたはハードディスクドライブ）等のデジタルメモリを備えてもよく、その両方とも、データの処理、キャッシュ、および記憶を補助するために利用され得る。データは、ａ）画像捕捉デバイス（カメラ等）、マイクロホン、慣性測定ユニット、加速度計、コンパス、ＧＰＳユニット、無線デバイス、ジャイロスコープ、および／または本明細書に開示される他のセンサ等のセンサ（例えば、フレーム８０に動作可能に結合される、または別様にユーザ９０に取り付けられ得る）から捕捉されるデータ、および／またはｂ）可能性として処理または読出後にディスプレイ７０への通過のために、遠隔処理モジュール１５０および／または遠隔データリポジトリ１６０（仮想コンテンツに関連するデータを含む）を使用して取得および／または処理される、データを含む。ローカル処理およびデータモジュール１４０は、これらの遠隔モジュール１５０、１６０が、相互に動作可能に結合され、ローカル処理およびデータモジュール１４０にリソースとして利用可能であるように、有線または無線通信リンク等を介して、通信リンク１７０、１８０によって、遠隔処理モジュール１５０および遠隔データリポジトリ１６０に動作可能に結合されてもよい。いくつかの実施形態では、ローカル処理およびデータモジュール１４０は、画像捕捉デバイス、マイクロホン、慣性測定ユニット、加速度計、コンパス、ＧＰＳユニット、無線デバイス、および／またはジャイロスコープのうちの１つ以上のものを含んでもよい。いくつかの他の実施形態では、これらのセンサのうちの１つ以上のものは、フレーム８０に取り付けられてもよい、または有線または無線通信経路によってローカル処理およびデータモジュール１４０と通信する、独立構造であってもよい。
【００４５】
図２を継続して参照すると、いくつかの実施形態では、遠隔処理モジュール１５０は、データおよび／または画像情報を分析および処理するように構成される、１つ以上のプロセッサを備えてもよい。いくつかの実施形態では、遠隔データリポジトリ１６０は、インターネットまたは「クラウド」リソース構成における他のネットワーキング構成を通して利用可能であり得る、デジタルデータ記憶設備を備えてもよい。いくつかの実施形態では、遠隔データリポジトリ１６０は、１つ以上の遠隔サーバを含んでもよく、これは、情報、例えば、拡張現実コンテンツをローカル処理およびデータモジュール１４０および／または遠隔処理モジュール１５０に生成するための情報を提供する。いくつかの実施形態では、全てのデータが、記憶され、全ての算出が、ローカル処理およびデータモジュール内において実施され、遠隔モジュールからの完全に自律的使用を可能にする。
【００４６】
ここで図３を参照すると、「３次元」または「３−Ｄ」としての画像の知覚は、視認者の各眼への画像の若干異なる提示を提供することによって達成され得る。図３は、ユーザに関する３次元画像をシミュレートするための従来のディスプレイシステムを図示する。眼２１０、２２０毎に１つの２つの明確に異なる画像１９０、２００が、ユーザに出力される。画像１９０、２００は、視認者の視線と平行な光学軸またはｚ−軸に沿って距離２３０だけ眼２１０、２２０から離間される。画像１９０、２００は、平坦であって、眼２１０、２２０は、単一の遠近調節された状態をとることによって、画像上に合焦し得る。そのような３−Ｄディスプレイシステムは、ヒト視覚系に依拠し、画像１９０、２００を組み合わせ、組み合わせられた画像の深度および／または尺度の知覚を提供する。
【００４７】
しかしながら、ヒト視覚系は、より複雑であって、深度の現実的知覚を提供することは、より困難であることを理解されたい。例えば、従来の「３−Ｄ」ディスプレイシステムの多くの視認者は、そのようなシステムが不快であることを見出す、または深度の感覚を全く知覚しない場合がある。理論によって限定されるわけではないが、オブジェクトの視認者は、輻輳・開散運動（ｖｅｒｇｅｎｃｅ）と遠近調節（ａｃｃｏｍｍｏｄａｔｉｏｎ）の組み合わせに起因して、オブジェクトを「３次元」として知覚し得ると考えられる。相互に対する２つの眼の輻輳・開散運動（すなわち、瞳孔が、眼の視線を収束させ、オブジェクトを固視させるために相互に向かって、またはそこから離れるように移動する、眼の転動）は、眼の水晶体および瞳孔の集束（または「遠近調節」）と密接に関連付けられる。通常条件下では、眼の水晶体の焦点を変化させる、または眼を遠近調節し、異なる距離における１つのオブジェクトから別のオブジェクトに焦点を変化させることは、「遠近調節−輻輳・開散運動反射」および散瞳または縮瞳として知られる関係下、輻輳・開散運動の整合変化を自動的に同一距離に生じさせるであろう。同様に、輻輳・開散運動における変化は、通常条件下、水晶体形状および瞳孔サイズの遠近調節の整合変化を誘起するであろう。本明細書に記載されるように、多くの立体視または「３−Ｄ」ディスプレイシステムは、３次元視点がヒト視覚系によって知覚されるように、各眼への若干異なる提示（したがって、若干異なる画像）を使用して、場面を表示する。しかしながら、そのようなシステムは、とりわけ、単に、場面の異なる提示を提供するが、眼は全画像情報を単一の遠近調節された状態において視認し、「遠近調節−輻輳・開散運動反射」に対抗して機能するため、多くのユーザにとって不快であり得る。遠近調節と輻輳・開散運動との間のより良好な整合を提供するディスプレイシステムは、３次元画像のより現実的かつ快適なシミュレーションを形成し得る。
【００４８】
図４は、複数の深度平面を使用して３次元画像をシミュレートするためのアプローチの側面を図示する。図４を参照すると、ｚ−軸上の眼２１０、２２０からの種々の距離におけるオブジェクトは、それらのオブジェクトが合焦するように、眼２１０、２２０によって遠近調節される。眼２１０、２２０は、特定の遠近調節された状態をとり、オブジェクトをｚ−軸に沿った異なる距離に合焦させる。その結果、特定の遠近調節された状態は、特定の深度平面におけるオブジェクトまたはオブジェクトの一部が、眼がその深度平面に対して遠近調節された状態にあるとき、合焦するように、関連付けられた焦点距離を有する、深度平面２４０のうちの特定の１つと関連付けられると言え得る。いくつかの実施形態では、３次元画像は、眼２１０、２２０毎に画像の異なる提示を提供することによって、また、深度平面のそれぞれに対応する画像の異なる提示を提供することによってシミュレートされてもよい。例証を明確にするために、別個であるように示されるが、眼２１０、２２０の視野は、例えば、ｚ−軸に沿った距離が増加するにつれて重複し得ることを理解されたい。加えて、例証を容易にするために、平坦であるように示されるが、深度平面の輪郭は、深度平面内の全ての特徴が特定の遠近調節された状態における眼と合焦するように、物理的空間内で湾曲され得ることを理解されたい。
【００４９】
オブジェクトと眼２１０または２２０との間の距離はまた、その眼によって視認されるようなそのオブジェクトからの光の発散の量を変化させ得る。図５Ａ−５Ｃは、距離と光線の発散との間の関係を図示する。オブジェクトと眼２１０との間の距離は、減少距離Ｒ１、Ｒ２、およびＲ３の順序で表される。図５Ａ−５Ｃに示されるように、光線は、オブジェクトまでの距離が減少するにつれてより発散する。距離が増加するにつれて、光線は、よりコリメートされる。換言すると、点（オブジェクトまたはオブジェクトの一部）によって生成されるライトフィールドは、点がユーザの眼から離れている距離の関数である、球状波面曲率を有すると言え得る。曲率は、オブジェクトと眼２１０との間の距離の減少に伴って増加する。その結果、異なる深度平面では、光線の発散度もまた、異なり、発散度は、深度平面と視認者の眼２１０との間の距離の減少に伴って増加する。単眼２１０のみが、例証を明確にするために、図５Ａ−５Ｃおよび本明細書の種々の他の図に図示されるが、眼２１０に関する議論は、視認者の両眼２１０および２２０に適用され得ることを理解されたい。
【００５０】
理論によって限定されるわけではないが、ヒトの眼は、典型的には、有限数の深度平面を解釈し、深度知覚を提供することができると考えられる。その結果、知覚された深度の高度に真実味のあるシミュレーションが、眼にこれらの限定数の深度平面のそれぞれに対応する画像の異なる提示を提供することによって達成され得る。異なる提示は、視認者の眼によって別個に集束され、それによって、異なる深度平面上に位置する場面のための異なる画像特徴に合焦させるために要求される眼の遠近調節に基づいて、および／または焦点がずれている異なる深度平面上の異なる画像特徴の観察に基づいて、ユーザに深度合図を提供することに役立ててもよい。
【００５１】
図６は、画像情報をユーザに出力するための導波管スタックの実施例を図示する。ディスプレイシステム２５０は、複数の導波管２７０、２８０、２９０、３００、３１０を使用して３次元知覚を眼／脳に提供するために利用され得る、導波管のスタックまたはスタックされた導波管アセンブリ２６０を含む。いくつかの実施形態では、ディスプレイシステム２５０は、図２のシステム６０であって、図６は、そのシステム６０のいくつかの部分をより詳細に図式的に示す。例えば、導波管アセンブリ２６０は、図２のディスプレイ７０の一部であってもよい。ディスプレイシステム２５０は、いくつかの実施形態では、ライトフィールドディスプレイと見なされてもよいことを理解されたい。
【００５２】
図６を継続して参照すると、導波管アセンブリ２６０はまた、複数の特徴３２０、３３０、３４０、３５０を導波管間に含んでもよい。いくつかの実施形態では、特徴３２０、３３０、３４０、３５０は、１つ以上のレンズであってもよい。導波管２７０、２８０、２９０、３００、３１０および／または複数のレンズ３２０、３３０、３４０、３５０は、種々のレベルの波面曲率または光線発散を用いて画像情報を眼に送信するように構成されてもよい。各導波管レベルは、特定の深度平面と関連付けられてもよく、その深度平面に対応する画像情報を出力するように構成されてもよい。画像投入デバイス３６０、３７０、３８０、３９０、４００は、導波管のための光源として機能してもよく、画像情報を導波管２７０、２８０、２９０、３００、３１０の中に投入するために利用されてもよく、それぞれ、本明細書に説明されるように、眼２１０に向かって出力のために各個別の導波管を横断して入射光を分散させるように構成されてもよい。光は、画像投入デバイス３６０、３７０、３８０、３９０、４００の出力表面４１０、４２０、４３０、４４０、４５０から出射し、導波管２７０、２８０、２９０、３００、３１０の対応する入力表面４６０、４７０、４８０、４９０、５００の中に投入される。いくつかの実施形態では、入力表面４６０、４７０、４８０、４９０、５００はそれぞれ、対応する導波管の縁であってもよい、または対応する導波管の主要表面の一部（すなわち、世界５１０または視認者の眼２１０に直接面する導波管表面のうちの１つ）であってもよい。いくつかの実施形態では、光の単一ビーム（例えば、コリメートされたビーム）が、各導波管の中に投入され、クローン化されたコリメートビームの全体場を出力してもよく、これは、特定の導波管と関連付けられた深度平面に対応する特定の角度（および発散量）において眼２１０に向かって指向される。いくつかの実施形態では、画像投入デバイス３６０、３７０、３８０、３９０、４００のうちの単一の１つは、複数（例えば、３つ）の導波管２７０、２８０、２９０、３００、３１０と関連付けられ、その中に光を投入してもよい。
【００５３】
いくつかの実施形態では、画像投入デバイス３６０、３７０、３８０、３９０、４００はそれぞれ、対応する導波管２７０、２８０、２９０、３００、３１０の中への投入のための画像情報を生成する、離散ディスプレイである。いくつかの他の実施形態では、画像投入デバイス３６０、３７０、３８０、３９０、４００は、例えば、画像情報を１つ以上の光学導管（光ファイバケーブル等）を介して、画像投入デバイス３６０、３７０、３８０、３９０、４００のそれぞれに送り得る、単一の多重化されたディスプレイの出力端である。画像投入デバイス３６０、３７０、３８０、３９０、４００によって提供される画像情報は、異なる波長または色（例えば、本明細書に議論されるように、異なる原色）の光を含んでもよいことを理解されたい。
【００５４】
いくつかの実施形態では、導波管２７０、２８０、２９０、３００、３１０の中に投入される光は、光プロジェクタシステム５２０によって提供され、これは、光モジュール５３０を備え、これは、発光ダイオード（ＬＥＤ）等の光エミッタを含んでもよい。光モジュール５３０からの光は、ビームスプリッタ５５０を介して、光変調器５４０、例えば、空間光変調器に指向され、かつそれによって修正されてもよい。光変調器５４０は、導波管２７０、２８０、２９０、３００、３１０の中に投入される光の知覚される強度を変化させるように構成されてもよい。空間光変調器の実施例は、液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）を含み、シリコン上液晶（ＬＣＯＳ）ディスプレイを含む。
【００５５】
いくつかの実施形態では、ディスプレイシステム２５０は、光を種々のパターン（例えば、ラスタ走査、螺旋走査、リサジューパターン等）で１つ以上の導波管２７０、２８０、２９０、３００、３１０の中に、最終的には、視認者の眼２１０に投影するように構成される、１つ以上の走査ファイバを備える、走査ファイバディスプレイであってもよい。いくつかの実施形態では、図示される画像投入デバイス３６０、３７０、３８０、３９０、４００は、光を１つまたは複数の導波管２７０、２８０、２９０、３００、３１０の中に投入するように構成される、単一走査ファイバまたは走査ファイバの束を図式的に表し得る。いくつかの他の実施形態では、図示される画像投入デバイス３６０、３７０、３８０、３９０、４００は、複数の走査ファイバまたは走査ファイバの複数の束を図式的に表し得、それぞれ、光を導波管２７０、２８０、２９０、３００、３１０のうちの関連付けられた１つの中に投入するように構成される。１つ以上の光ファイバは、光を光モジュール５３０から１つ以上の導波管２７０、２８０、２９０、３００、３１０に透過するように構成されてもよいことを理解されたい。１つ以上の介在光学構造が、走査ファイバまたは複数のファイバと、１つ以上の導波管２７０、２８０、２９０、３００、３１０との間に提供され、例えば、走査ファイバから出射する光を１つ以上の導波管２７０、２８０、２９０、３００、３１０の中に再指向してもよいことを理解されたい。
【００５６】
コントローラ５６０は、画像投入デバイス３６０、３７０、３８０、３９０、４００、光源５３０、および光モジュール５４０の動作を含む、スタックされた導波管アセンブリ２６０のうちの１つ以上のものの動作を制御する。いくつかの実施形態では、コントローラ５６０は、ローカルデータ処理モジュール１４０の一部である。コントローラ５６０は、例えば、本明細書に開示される種々のスキームのいずれかに従って、導波管２７０、２８０、２９０、３００、３１０への画像情報のタイミングおよび提供を調整する、プログラミング（例えば、非一過性媒体内の命令）を含む。いくつかの実施形態では、コントローラは、単一の一体型デバイスまたは有線または無線通信チャネルによって接続される分散型システムであってもよい。コントローラ５６０は、いくつかの実施形態では、処理モジュール１４０または１５０（図２）の一部であってもよい。
【００５７】
図６を継続して参照すると、導波管２７０、２８０、２９０、３００、３１０は、全内部反射（ＴＩＲ）によって各個別の導波管内で光を伝搬するように構成されてもよい。導波管２７０、２８０、２９０、３００、３１０はそれぞれ、主要上部表面および主要底部表面およびそれらの主要上部表面と主要底部表面との間に延在する縁を伴う、平面である、または別の形状（例えば、湾曲）を有してもよい。図示される構成では、導波管２７０、２８０、２９０、３００、３１０はそれぞれ、各個別の導波管内を伝搬する光を再指向させ、導波管から画像情報を眼２１０に出力することによって、光を導波管から抽出するように構成される、外部結合光学要素５７０、５８０、５９０、６００、６１０を含んでもよい。抽出された光はまた、外部結合光と称され得、光を外部結合する光学要素はまた、光抽出光学要素と称され得る。抽出された光のビームは、導波管によって、導波管内で伝搬する光が光抽出光学要素に衝打する場所において出力され得る。外部結合光学要素５７０、５８０、５９０、６００、６１０は、例えば、本明細書にさらに議論されるような回折光学特徴を含む、格子であってもよい。説明の容易性および図面の明確性のために、導波管２７０、２８０、２９０、３００、３１０の底部主要表面に配置されて図示されるが、いくつかの実施形態では、外部結合光学要素５７０、５８０、５９０、６００、６１０は、本明細書にさらに議論されるように、上部主要表面および／または底部主要表面に配置されてもよい、および／または導波管２７０、２８０、２９０、３００、３１０の体積内に直接配置されてもよい。いくつかの実施形態では、外部結合光学要素５７０、５８０、５９０、６００、６１０は、透明基板に取り付けられ、導波管２７０、２８０、２９０、３００、３１０を形成する、材料の層内に形成されてもよい。いくつかの他の実施形態では、導波管２７０、２８０、２９０、３００、３１０は、モノリシック材料部品であってもよく、外部結合光学要素５７０、５８０、５９０、６００、６１０はその材料部品の表面上および／またはその内部に形成されてもよい。
【００５８】
図６を継続して参照すると、本明細書に議論されるように、各導波管２７０、２８０、２９０、３００、３１０は、光を出力し、特定の深度平面に対応する画像を形成するように構成される。例えば、眼の最近傍の導波管２７０は、眼２１０にコリメートされた光（そのような導波管２７０の中に投入された）を送達するように構成されてもよい。コリメートされた光は、光学無限遠焦点面を表し得る。次の上方の導波管２８０は、眼２１０に到達し得る前に、第１のレンズ３５０（例えば、負のレンズ）を通して通過する、コリメートされた光を送出するように構成されてもよい。そのような第１のレンズ３５０は、眼／脳が、その次の上方の導波管２８０から生じる光を光学無限遠から眼２１０に向かって内向きにより近い第１の焦点面から生じるように解釈するように、若干の凸面波面曲率を生成するように構成されてもよい。同様に、第３の上方の導波管２９０は、眼２１０に到達する前に、その出力光を第１のレンズ３５０および第２のレンズ３４０の両方を通して通過させる。第１のレンズ３５０および第２のレンズ３４０の組み合わせられた屈折力は、眼／脳が、第３の導波管２９０から生じる光が次の上方の導波管２８０からの光であったよりも光学無限遠から人物に向かって内向きにさらに近い第２の焦点面から生じるように解釈するように、別の漸増量の波面曲率を生成するように構成されてもよい。
【００５９】
他の導波管層３００、３１０およびレンズ３３０、３２０も同様に構成され、スタック内の最高導波管３１０は、人物に最も近い焦点面を表す集約焦点力のために、その出力をそれと眼との間のレンズの全てを通して送出する。スタックされた導波管アセンブリ２６０の他側の世界５１０から生じる光を視認／解釈するとき、レンズ３２０、３３０、３４０、３５０のスタックを補償するために、補償レンズ層６２０が、スタックの上部に配置され、下方のレンズスタック３２０、３３０、３４０、３５０の集約力を補償してもよい。そのような構成は、利用可能な導波管／レンズ対と同じ数の知覚される焦点面を提供する。導波管の外部結合光学要素およびレンズの集束側面の両方とも、静的であってもよい（すなわち、動的ではないまたは電気活性ではない）。いくつかの代替実施形態では、一方または両方とも、電気活性特徴を使用して動的であってもよい。
【００６０】
いくつかの実施形態では、導波管２７０、２８０、２９０、３００、３１０のうちの２つ以上のものは、同一の関連付けられた深度平面を有してもよい。例えば、複数の導波管２７０、２８０、２９０、３００、３１０が、同一深度平面に設定される画像を出力するように構成されてもよい、または導波管２７０、２８０、２９０、３００、３１０の複数のサブセットが、深度平面毎に１つのセットを伴う、同一の複数の深度平面に設定される画像を出力するように構成されてもよい。これは、それらの深度平面において拡張された視野を提供するようにタイル化された画像を形成する利点を提供し得る。
【００６１】
図６を継続して参照すると、外部結合光学要素５７０、５８０、５９０、６００、６１０は、導波管と関連付けられた特定の深度平面のために、光をその個別の導波管から再指向し、かつ本光を適切な量の発散またはコリメーションを伴って出力するように構成されてもよい。その結果、異なる関連付けられた深度平面を有する導波管は、外部結合光学要素５７０、５８０、５９０、６００、６１０の異なる構成を有してもよく、これは、関連付けられた深度平面に応じて、異なる量の発散を伴う光を出力する。いくつかの実施形態では、光抽出光学要素５７０、５８０、５９０、６００、６１０は、体積特徴または表面特徴であってもよく、これは、具体的角度において光を出力するように構成されてもよい。例えば、光抽出光学要素５７０、５８０、５９０、６００、６１０は、体積ホログラム、表面ホログラム、および／または回折格子であってもよい。いくつかの実施形態では、特徴３２０、３３０、３４０、３５０は、レンズではなくてもよい。むしろ、それらは、単に、スペーサであってもよい（例えば、クラッディング層および／または空隙を形成するための構造）。
【００６２】
いくつかの実施形態では、外部結合光学要素５７０、５８０、５９０、６００、６１０は、回折パターンを形成する回折特徴または「回折光学要素」（本明細書では、「ＤＯＥ」とも称される）である。好ましくは、ＤＯＥは、ビームの光の一部のみがＤＯＥの各交差部で眼２１０に向かって偏向される一方、残りがＴＩＲを介して導波管を通して移動し続けるように、十分に低い回折効率を有する。画像情報を搬送する光は、したがって、様々な場所において導波管から出射するいくつかの関連出射ビームに分割され、その結果、導波管内でバウンスする本特定のコリメートされたビームに関して、眼２１０に向かって非常に均一パターンの出射放出となる。
【００６３】
いくつかの実施形態では、１つ以上のＤＯＥは、能動的に回折する「オン」状態と有意に回折しない「オフ」状態との間で切替可能であってもよい。例えば、切替可能なＤＯＥは、ポリマー分散液晶の層を備えてもよく、その中で微小液滴は、ホスト媒体中に回折パターンを備え、微小液滴の屈折率は、ホスト材料の屈折率に実質的に整合するように切り替えられてもよい（その場合、パターンは、入射光を著しく回折させない）、または微小液滴は、ホスト媒体のものに整合しない屈折率に切り替えられてもよい（その場合、パターンは、入射光を能動的に回折させる）。
【００６４】
いくつかの実施形態では、カメラアセンブリ６３０（例えば、可視光および赤外線光カメラを含む、デジタルカメラ）が、眼２１０および／または眼２１０の周囲の組織の画像を捕捉し、例えば、ユーザ入力を検出する、および／またはユーザの生理学的状態を監視するために提供されてもよい。本明細書で使用されるように、カメラは、任意の画像捕捉デバイスであってもよい。いくつかの実施形態では、カメラアセンブリ６３０は、画像捕捉デバイスと、光（例えば、赤外線光）を眼に投影し、次いでその光が、眼によって反射され、画像捕捉デバイスによって検出され得る、光源とを含んでもよい。いくつかの実施形態では、カメラアセンブリ６３０は、フレーム８０（図２）に取り付けられてもよく、カメラアセンブリ６３０からの画像情報を処理し得る、処理モジュール１４０および／または１５０と電気通信してもよい。いくつかの実施形態では、１つのカメラアセンブリ６３０が、眼毎に利用され、各眼を別個に監視してもよい。
【００６５】
ここで図７を参照すると、導波管によって出力された出射ビームの実施例が、示される。１つの導波管が図示されるが、導波管アセンブリ２６０（図６）内の他の導波管も同様に機能し得、導波管アセンブリ２６０は、複数の導波管を含むことを理解されたい。光６４０が、導波管２７０の入力表面４６０において導波管２７０の中に投入され、ＴＩＲによって導波管２７０内を伝搬する。光６４０がＤＯＥ５７０上に衝突する点では、光の一部は、導波管から出射ビーム６５０として出射する。出射ビーム６５０は、略平行として図示されるが、本明細書に議論されるように、また、導波管２７０と関連付けられた深度平面に応じて、ある角度（例えば、発散出射ビームを形成する）において眼２１０に伝搬するように再指向されてもよい。略平行出射ビームは、眼２１０からの遠距離（例えば、光学無限遠）における深度平面に設定されるように現れる画像を形成するように光を外部結合する、外部結合光学要素を伴う導波管を示し得ることを理解されたい。他の導波管または他の外部結合光学要素のセットは、より発散する、出射ビームパターンを出力してもよく、これは、眼２１０がより近い距離に遠近調節し、網膜に合焦させることを要求し、光学無限遠より眼２１０に近い距離からの光として脳によって解釈されるであろう。
【００６６】
いくつかの実施形態では、フルカラー画像が、原色、例えば、３つ以上の原色のそれぞれに画像をオーバーレイすることによって、各深度平面において形成されてもよい。図８は、スタックされた導波管アセンブリの実施例を図示し、各深度平面は、複数の異なる原色を使用して形成される画像を含む。図示される実施形態は、深度平面２４０ａ−２４０ｆを示すが、より多いまたはより少ない深度もまた、検討される。各深度平面は、第１の色Ｇの第１の画像、第２の色Ｒの第２の画像、および第３の色Ｂの第３の画像を含む、それと関連付けられた３つ以上の原色画像を有してもよい。異なる深度平面は、文字Ｇ、Ｒ、およびＢに続くジオプタ（ｄｐｔ）に関する異なる数字によって図に示される。単なる実施例として、これらの文字のそれぞれに続く数字は、ジオプタ（１／ｍ）、すなわち、視認者からの深度平面の逆距離を示し、図中の各ボックスは、個々の原色画像を表す。いくつかの実施形態では、異なる波長の光の眼の集束における差異を考慮するために、異なる原色に関する深度平面の正確な場所は、変動してもよい。例えば、所与の深度平面に関する異なる原色画像は、ユーザからの異なる距離に対応する深度平面上に設置されてもよい。そのような配列は、視力およびユーザ快適性を増加させ得、および／または色収差を減少させ得る。
【００６７】
いくつかの実施形態では、各原色の光は、単一専用導波管によって出力されてもよく、その結果、各深度平面は、それと関連付けられた複数の導波管を有してもよい。そのような実施形態では、文字Ｇ、Ｒ、またはＢを含む、図中の各ボックスは、個々の導波管を表すものと理解され得、３つの導波管は、深度平面毎に提供されてもよく、３つの原色画像が、深度平面毎に提供される。各深度平面と関連付けられた導波管は、本図面では、例証を容易にするために相互に隣接して示されるが、物理的デバイスでは、導波管は全て、レベル毎に１つの導波管を伴うスタックで配列されてもよいことを理解されたい。いくつかの他の実施形態では、複数の原色が、例えば、単一導波管のみが深度平面毎に提供され得るように、同一導波管によって出力されてもよい。
【００６８】
図８を継続して参照すると、いくつかの実施形態では、Ｇは、緑色であって、Ｒは、赤色であって、Ｂは、青色である。いくつかの他の実施形態では、マゼンタ色およびシアン色を含む、光の他の波長と関連付けられた他の色も、赤色、緑色、または青色のうちの１つ以上のものに加えて使用されてもよい、またはそれらに取って代わってもよい。
【００６９】
本開示全体を通した所与の光の色の言及は、その所与の色として視認者によって知覚される、光の波長の範囲内の１つ以上の波長の光を包含するものと理解されると理解されたい。例えば、赤色光は、約６２０〜７８０ｎｍの範囲内である１つ以上の波長の光を含んでもよく、緑色光は、約４９２〜５７７ｎｍの範囲内である１つ以上の波長の光を含んでもよく、青色光は、約４３５〜４９３ｎｍの範囲内である１つ以上の波長の光を含んでもよい。
【００７０】
いくつかの実施形態では、光源５３０（図６）は、視認者の視覚的知覚範囲外の１つ以上の波長、例えば、赤外線および／または紫外線波長の光を放出するように構成されてもよい。加えて、ディスプレイ２５０の導波管の内部結合、外部結合、および他の光再指向構造は、例えば、結像および／またはユーザ刺激用途のために、本光をディスプレイからユーザの眼２１０に向かって指向および放出するように構成されてもよい。
【００７１】
ここで図９Ａを参照すると、いくつかの実施形態では、導波管に衝突する光は、その光を導波管の中に内部結合するために再指向される必要があり得る。内部結合光学要素が、光をその対応する導波管の中に再指向および内部結合するために使用されてもよい。図９Ａは、それぞれ、内部結合光学要素を含む、複数またはセット６６０のスタックされた導波管の実施例の断面側面図を図示する。導波管はそれぞれ、１つ以上の異なる波長または１つ以上の異なる波長範囲の光を出力するように構成されてもよい。スタック６６０は、スタック２６０（図６）に対応してもよく、スタック６６０の図示される導波管は、複数の導波管２７０、２８０、２９０、３００、３１０の一部に対応してもよいが、画像投入デバイス３６０、３７０、３８０、３９０、４００のうちの１つ以上のものからの光が、光が内部結合のために再指向されることを要求する位置から導波管の中に投入されることを理解されたい。
【００７２】
スタックされた導波管の図示されるセット６６０は、導波管６７０、６８０、および６９０を含む。各導波管は、関連付けられた内部結合光学要素（導波管上の光入力面積とも称され得る）を含み、例えば、内部結合光学要素７００は、導波管６７０の主要表面（例えば、上側主要表面）上に配置され、内部結合光学要素７１０は、導波管６８０の主要表面（例えば、上側主要表面）上に配置され、内部結合光学要素７２０は、導波管６９０の主要表面（例えば、上側主要表面）上に配置される。いくつかの実施形態では、内部結合光学要素７００、７１０、７２０のうちの１つ以上のものは、個別の導波管６７０、６８０、６９０の底部主要表面上に配置されてもよい（特に、１つ以上の内部結合光学要素は、反射性偏向光学要素である）。図示されるように、内部結合光学要素７００、７１０、７２０は、それらの個別の導波管６７０、６８０、６９０の上側主要表面（または次の下側導波管の上部）上に配置されてもよく、特に、それらの内部結合光学要素は、透過性偏向光学要素である。いくつかの実施形態では、内部結合光学要素７００、７１０、７２０は、個別の導波管６７０、６８０、６９０の本体内に配置されてもよい。いくつかの実施形態では、本明細書に議論されるように、内部結合光学要素７００、７１０、７２０は、他の光の波長を透過させながら、１つ以上の光の波長を選択的に再指向するような波長選択的である。その個別の導波管６７０、６８０、６９０の片側または角に図示されるが、内部結合光学要素７００、７１０、７２０は、いくつかの実施形態では、その個別の導波管６７０、６８０、６９０の他の面積内に配置されてもよいことを理解されたい。
【００７３】
図示されるように、内部結合光学要素７００、７１０、７２０は、相互から側方にオフセットされてもよい。いくつかの実施形態では、各内部結合光学要素は、その光が別の内部結合光学要素を通して通過せずに、光を受光するようにオフセットされてもよい。例えば、各内部結合光学要素７００、７１０、７２０は、図６に示されるように、光を異なる画像投入デバイス３６０、３７０、３８０、３９０、および４００から受光するように構成されてもよく、光を内部結合光学要素７００、７１０、７２０の他のものから実質的に受光しないように、他の内部結合光学要素７００、７１０、７２０から分離されてもよい（例えば、側方に離間される）。
【００７４】
各導波管はまた、関連付けられた光分散要素を含み、例えば、光分散要素７３０は、導波管６７０の主要表面（例えば、上部主要表面）上に配置され、光分散要素７４０は、導波管６８０の主要表面（例えば、上部主要表面）上に配置され、光分散要素７５０は、導波管６９０の主要表面（例えば、上部主要表面）上に配置される。いくつかの他の実施形態では、光分散要素７３０、７４０、７５０は、それぞれ、関連付けられた導波管６７０、６８０、６９０の底部主要表面上に配置されてもよい。いくつかの他の実施形態では、光分散要素７３０、７４０、７５０は、それぞれ、関連付けられた導波管６７０、６８０、６９０の上部主要表面および底部主要表面の両方の上に配置されてもよい、または光分散要素７３０、７４０、７５０は、それぞれ、異なる関連付けられた導波管６７０、６８０、６９０内の上部主要表面および底部主要表面の異なるもの上に配置されてもよい。
【００７５】
導波管６７０、６８０、６９０は、例えば、材料のガス、液体および／または固体層によって離間および分離されてもよい。例えば、図示されるように、層７６０ａは、導波管６７０および６８０を分離してもよく、層７６０ｂは、導波管６８０および６９０を分離してもよい。いくつかの実施形態では、層７６０ａおよび７６０ｂは、低屈折率材料（すなわち、導波管６７０、６８０、６９０のうちの直隣接するものを形成する材料より低い屈折率を有する材料）から形成される。好ましくは、層７６０ａ、７６０ｂを形成する材料の屈折率は、導波管６７０、６８０、６９０を形成する材料の屈折率に対して０．０５またはそれを上回る、または０．１０またはそれを下回る。有利には、より低い屈折率層７６０ａ、７６０ｂは、導波管６７０、６８０、６９０を通して光の全内部反射（ＴＩＲ）（例えば、各導波管の上部主要表面および底部主要表面間のＴＩＲ）を促進する、クラッディング層として機能してもよい。いくつかの実施形態では、層７６０ａ、７６０ｂは、空気から形成される。図示されないが、導波管の図示されるセット６６０の上部および底部は、直近クラッディング層を含んでもよいことを理解されたい。
【００７６】
好ましくは、製造および他の考慮点を容易にするために、導波管６７０、６８０、６９０を形成する材料は、類似または同一であって、層７６０ａ、７６０ｂを形成する材料は、類似または同一である。いくつかの実施形態では、導波管６７０、６８０、６９０を形成する材料は、１つ以上の導波管間で異なってもよい、および／または層７６０ａ、７６０ｂを形成する材料は、依然として、前述の種々の屈折率関係を保持しながら、異なってもよい。
【００７７】
図９Ａを継続して参照すると、光線７７０、７８０、７９０が、導波管のセット６６０に入射する。光線７７０、７８０、７９０は、１つ以上の画像投入デバイス３６０、３７０、３８０、３９０、４００（図６）によって導波管６７０、６８０、６９０の中に投入されてもよいことを理解されたい。
【００７８】
いくつかの実施形態では、光線７７０、７８０、７９０は、異なる色に対応し得る、異なる性質、例えば、異なる波長または異なる波長範囲を有する。内部結合光学要素７００、７１０、７２０はそれぞれ、光が、ＴＩＲによって、導波管６７０、６８０、６９０のうちの個別の１つを通して伝搬するように、入射光を偏向させる。いくつかの実施形態では、内部結合光学要素７００、７１０、７２０はそれぞれ、他の波長を下層導波管および関連付けられた内部結合光学要素に透過させながら、１つ以上の特定の光の波長を選択的に偏向させる。
【００７９】
例えば、内部結合光学要素７００は、それぞれ、異なる第２および第３の波長または波長範囲を有する、光線１２４２および１２４４を透過させながら、第１の波長または波長範囲を有する、光線７７０を選択的に偏向させるように構成されてもよい。透過された光線７８０は、第２の波長または波長範囲の光を選択的に偏向させるように構成される、内部結合光学要素７１０に衝突し、それによって偏向される。光線７９０は、第３の波長または波長範囲の光を選択的に偏向させるように構成される、内部結合光学要素７２０によって偏向される。
【００８０】
図９Ａを継続して参照すると、偏向された光線７７０、７８０、７９０は、対応する導波管６７０、６８０、６９０を通して伝搬するように偏向される。すなわち、各導波管の内部結合光学要素７００、７１０、７２０は、光をその対応する導波管６７０、６８０、６９０の中に偏向させ、光をその対応する導波管の中に内部結合する。光線７７０、７８０、７９０は、光をＴＩＲによって個別の導波管６７０、６８０、６９０を通して伝搬させる角度で偏向される。光線７７０、７８０、７９０は、導波管の対応する光分散要素７３０、７４０、７５０に衝突するまで、ＴＩＲによって個別の導波管６７０、６８０、６９０を通して伝搬する。
【００８１】
ここで図９Ｂを参照すると、図９Ａの複数のスタックされた導波管の実施例の斜視図が、図示される。前述のように、内部結合された光線７７０、７８０、７９０は、それぞれ、内部結合光学要素７００、７１０、７２０によって偏向され、次いで、それぞれ、導波管６７０、６８０、６９０内でＴＩＲによって伝搬する。光線７７０、７８０、７９０は、次いで、それぞれ、光分散要素７３０、７４０、７５０に衝突する。光分散要素７３０、７４０、７５０は、それぞれ、外部結合光学要素８００、８１０、８２０に向かって伝搬するように、光線７７０、７８０、７９０を偏向させる。
【００８２】
いくつかの実施形態では、光分散要素７３０、７４０、７５０は、直交瞳エクスパンダ（ＯＰＥ）である。いくつかの実施形態では、ＯＰＥは、光を外部結合光学要素８００、８１０、８２０に偏向または分散し、いくつかの実施形態では、また、外部結合光学要素に伝搬するにつれて、本光のビームまたはスポットサイズを増加させ得る。いくつかの実施形態では、光分散要素７３０、７４０、７５０は、省略されてもよく、内部結合光学要素７００、７１０、７２０は、光を直接外部結合光学要素８００、８１０、８２０に偏向させるように構成されてもよい。例えば、図９Ａを参照すると、光分散要素７３０、７４０、７５０は、それぞれ、外部結合光学要素８００、８１０、８２０と置換されてもよい。いくつかの実施形態では、外部結合光学要素８００、８１０、８２０は、光を視認者の眼２１０（図７）に指向させる、射出瞳（ＥＰ）または射出瞳エクスパンダ（ＥＰＥ）である。ＯＰＥは、少なくとも１つの軸においてアイボックスの寸法を増加させるように構成されてもよく、ＥＰＥは、ＯＰＥの軸と交差する、例えば、直交する軸においてアイボックスを増加させてもよいことを理解されたい。例えば、各ＯＰＥは、光の残りの部分が導波管を辿って伝搬し続けることを可能にしながら、ＯＰＥに衝打する光の一部を同一導波管のＥＰＥに再指向するように構成されてもよい。ＯＰＥへの衝突に応じて、再び、残りの光の別の部分は、ＥＰＥに再指向され、その部分の残りの部分は、導波管等を辿ってさらに伝搬し続ける。同様に、ＥＰＥへの衝打に応じて、衝突光の一部は、ユーザに向かって導波管から外へ指向され、その光の残りの部分は、ＥＰに再び衝打するまで、導波管を通して伝搬し続け、その時点で、衝突する光の別の部分は、導波管から外へ指向される等となる。その結果、内部結合された光の単一ビームは、その光の一部がＯＰＥまたはＥＰＥによって再指向される度に、「複製」され、それによって、図６に示されるように、クローン化された光のビーム野を形成し得る。いくつかの実施形態では、ＯＰＥおよび／またはＥＰＥは、光のビームのサイズを修正するように構成されてもよい。
【００８３】
故に、図９Ａおよび９Ｂを参照すると、いくつかの実施形態では、導波管のセット６６０は、原色毎に、導波管６７０、６８０、６９０と、内部結合光学要素７００、７１０、７２０と、光分散要素（例えば、ＯＰＥ）７３０、７４０、７５０と、外部結合光学要素（例えば、ＥＰ）８００、８１０、８２０とを含む。導波管６７０、６８０、６９０は、各１つの間に空隙／クラッディング層を伴ってスタックされてもよい。内部結合光学要素７００、７１０、７２０は、（異なる波長の光を受光する異なる内部結合光学要素を用いて）入射光をその導波管の中に再指向または偏向させる。光は、次いで、個別の導波管６７０、６８０、６９０内にＴＩＲをもたらすであろう角度で伝搬する。示される実施例では、光線７７０（例えば、青色光）は、前述の様式において、第１の内部結合光学要素７００によって偏光され、次いで、導波管を辿ってバウンスし続け、光分散要素（例えば、ＯＰＥ）７３０、次いで、外部結合光学要素（例えば、ＥＰ）８００と相互作用する。光線７８０および７９０（例えば、それぞれ、緑色および赤色光）は、導波管６７０を通して通過し、光線７８０は、内部結合光学要素７１０に衝突し、それによって偏向される。光線７８０は、次いで、ＴＩＲを介して、導波管６８０を辿ってバウンスし、その光分散要素（例えば、ＯＰＥ）７４０、次いで、外部結合光学要素（例えば、ＥＰ）８１０に進むであろう。最後に、光線７９０（例えば、赤色光）は、導波管６９０を通して通過し、導波管６９０の光内部結合光学要素７２０に衝突する。光内部結合光学要素７２０は、光線が、ＴＩＲによって、光分散要素（例えば、ＯＰＥ）７５０に、次いで、ＴＩＲによって、外部結合光学要素（例えば、ＥＰ）８２０に伝搬するように、光線７９０を偏向させる。外部結合光学要素８２０は、次いで、最後に、光線７９０を視認者に外部結合し、視認者はまた、他の導波管６７０、６８０からの外部結合された光も受光する。
【００８４】
図９Ｃは、図９Ａおよび９Ｂの複数のスタックされた導波管の実施例の上下平面図を図示する。図示されるように、導波管６７０、６８０、６９０は、各導波管の関連付けられた光分散要素７３０、７４０、７５０および関連付けられた外部結合光学要素８００、８１０、８２０とともに、垂直に整合されてもよい。しかしながら、本明細書に議論されるように、内部結合光学要素７００、７１０、７２０は、垂直に整合されない。むしろ、内部結合光学要素は、好ましくは、非重複する（例えば、上下図に見られるように、側方に離間される）。本明細書でさらに議論されるように、本非重複空間配列は、１対１ベースで異なるリソースから異なる導波管の中への光の投入を促進し、それによって、具体的光源が具体的導波管に一意に結合されることを可能にする。いくつかの実施形態では、非重複の空間的に分離される内部結合光学要素を含む、配列は、偏移瞳システムと称され得、これらの配列内の内部結合光学要素は、サブ瞳に対応し得る。
【００８５】
無機材料を組み込むポリマーベースの光学構造から形成される光学要素
ディスプレイシステムは、光の伝搬を制御するために、種々の光学要素を採用してもよい。しかしながら、頭部搭載型ディスプレイデバイス（例えば、図２を参照して上記で説明されるディスプレイシステム８０）を含む、ディスプレイシステム等のいくつかのコンテキストでは、従来の光学要素は、それらの比較的に重い重量、大型のサイズ、製造課題、および／または回折角および回折効率等の光学性質における欠点に起因して、望ましくない、もしく好適ではない場合がある。
【００８６】
例えば、図９Ａ−９Ｃを参照して上記に説明されるように、ディスプレイシステムは、光学要素（例えば、内部結合光学要素、光分散要素、および外部結合光学要素）を含んでもよく、これは、回折格子を含んでもよい。さらに、図９Ａ−９Ｃをさらに参照して上記に説明されるように、対応する導波管の中に結合される、光は、全内部反射（ＴＩＲ）によって、導波管内を伝搬し得る。ＴＩＲを達成するために、回折格子は、面法線に対して比較的に高い回折角を有することが望ましくあり得る。加えて、高回折効率が、光強度および画像明度を増加させるために望ましくあり得る。しかしながら、可視光のための高回折角および高回折効率を達成することが可能な回折格子を提供することは、課題を呈し得る。これらおよび他の必要性に対処するために、本明細書に開示される光学要素、例えば、回折格子の実施例は、その中に無機材料を組み込む、周期的反復ポリマーベースの光学構造から形成される光学要素を利用し得る。
【００８７】
図１０は、種々の実装による、光学要素、例えば、その中に組み込まれる無機材料を有する、周期的反復ポリマーベースの光学構造を備える、回折格子１０００の断面図を図示する。回折格子１０００は、第１の屈折率（ｎ１）および可視スペクトル内における透明性を有する、基板１００４を含む。回折格子１０００は、加えて、基板１００４上に形成され、可視光を回折するように構成される、周期的反復光学構造１００８のパターンを含む。光学構造１００８は、第１の屈折率を上回る第２の屈折率（ｎ２）を有し、その中に組み込まれる無機材料を有する、ポリマー材料を含む。
【００８８】
実施形態によると、基板１００４は、可視スペクトル内において透明性である。本明細書および本明細書全体を通して説明されるように、「透過性」または「透明性」構造、例えば、透過性基板は、入射光の少なくとも一部、例えば、少なくとも２０、３０、５０、７０、９０％、または９５％が、それを通して通過することを可能にし得るが、９９％または１００％未満を透過させ得る。パーセント透過率は、これらの値のいずれかによって定義された任意の範囲内であってもよい、またはこれらの範囲外であってもよい。故に、透明基板は、いくつかの実施形態では、ガラス、サファイア、またはポリマー基板であってもよい。「反射性」構造、例えば、反射性基板は、入射光の少なくとも一部を反射させる、例えば、少なくとも２０、３０、５０、７０、９０％、または９５％、またはそれを上回る割合をそこから反射させ得るが、９９％または１００％未満を反射させ得る。パーセント反射率は、これらの値のいずれかによって定義された任意の範囲内であってもよい、またはこれらの範囲外であってもよい。
【００８９】
実施形態によると、基板１００４は、空気を上回るが、光学構造１００８の第２の屈折率ｎ２未満である、第１の屈折率（ｎ１）を有する。ｎ１は、値、例えば、約１．５、１．６、１．７、１．８、１．９、またはこれらの値によって定義された任意の範囲内または範囲外の任意の値を有することができる。基板１００４を形成するための材料の実施例は、シリカガラス（例えば、ドープされたシリカガラス）、酸窒化ケイ素、遷移金属酸化物（例えば、酸化ハフニウム、酸化タンタル、酸化ジルコニウム、酸化ニオブ、ニオブ酸リチウム、酸化アルミニウム（例えば、サファイア））、プラスチック、ポリマー、または例えば、本明細書に説明されるように好適な屈折率を有する、他の光学的に透過性の材料を含む。
【００９０】
基板上１００４に形成される、周期的反復光学構造１００８のパターンは、本明細書に説明されるように、材料、寸法、および幾何学的構成に起因して、可視光を回折するように構成される。
【００９１】
依然として、図１０を参照すると、種々の実施形態によると、光学構造１００８は、その中に組み込まれる無機材料を有する、ベースポリマー材料を含む。ベースポリマー材料は、無機材料の組み込みのため、そしてフォトレジスト等のフォトリソグラフィでパターン化され得る光感受性材料または容易にパターン化され得る別の材料等、リソグラフィでパターン化され得る材料としての役割を果たすために好適なポリマーを含み得る。例えば、ベースポリマー材料は、いくつか挙げると、他のポリマーの中でもとりわけ、ポリエチレン（ＰＥ）（−（ＣＨ２−ＣＨ２）ｎ−）、ポリプロピレン（ＰＰ）（−［ＣＨ２−ＣＨ（ＣＨ３）］ｎ−）、ポリ（塩化ビニル）（ＰＶＣ）（−［ＣＨ２−ＣＨ（ＣＨ３）］ｎ−）、ポリ（塩化ビニリデン）（−（ＣＨ２−ＣＣｌ２）ｎ−）、ポリスチレン（ＰＳ）（−［ＣＨ２−ＣＨ（Ｃ６Ｈ５）］ｎ−）、ポリアクリロニトリル（ＰＡＮ）（−（ＣＨ２−ＣＨＣＮ）ｎ−）、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）（−（ＣＦ２−ＣＦ２）ｎ−）、ポリ（メチルメタアクリレート）（ＰＭＭＡ）（−［ＣＨ２−Ｃ（ＣＨ３）ＣＯ２ＣＨ３］ｎ−）、ポリ（酢酸ビニル）（ＰＶＡｃ）（−（ＣＨ２−ＣＨＯＣＯＣＨ３）ｎ−）、シス−ポリイソプレン（−［ＣＨ２−ＣＨ＝Ｃ（ＣＨ３）−ＣＨ２］ｎ−）、およびポリクロロプレン（シス＋トランス）（−［ＣＨ２−ＣＨ＝ＣＣｌ−ＣＨ２］ｎ−）を含むことができる。いくつかの実施形態では、ベースポリマー鎖は、ホモポリマーとして構成されてもよい。いくつかの他の実施形態では、ベースポリマー鎖は、コポリマーとして構成されてもよい。コポリマーとして構成されるとき、ベースポリマー鎖は、限定ではないが、例えば、上記に説明される種々のポリマーのモノマー単位を組み込む、統計コポリマー、交互コポリマー、ブロックコポリマー、およびグラフトコポリマーを含む、種々の形態のうちの１つを有するように構成されてもよい。
【００９２】
具体的ポリマーは、他の要因の中でもとりわけ、ベースポリマー材料の中に組み込まれるための無機材料を形成するための堆積化学作用に基づいて、選択されてもよい。例えば、種々の実施形態では、ベースポリマー単位のポリマー鎖は、下記でさらに詳細に説明されるであろうように、無機材料を形成するために使用され得る、金属前駆体と反応するように適合される、種々の官能基、例えば、カルボニル基、ヒドロキシル基、およびピリジン基を含んでもよい。一実施例を提供するために、堆積化学作用が、Ａｌ２Ｏ３の形成のために、金属前駆体としてのＡｌ（ＣＨ３）３（ＴＭＡ）と、酸化前駆体としてのＨ２Ｏを含むとき、ＰＭＭＡが、ＰＭＭＡのカルボニル基が、ＴＭＡと反応し、Ａｌ−ＯＨ種を形成し得、これが、ひいては、加水分解反応において、Ｈ２Ｏと反応し、Ａｌ２Ｏ３を形成するように、ポリマー材料内に含まれてもよい。付加的実施例は、下記でより詳細に説明される。
【００９３】
種々の実施形態では、ベースポリマーは、光感受性または光反応性であることができる。ベースポリマーは、フォトレジストを含む、またはフォトレジストとしての役割を果たすことができる。いくつかの実施形態では、フォトレジストは、光に暴露される一部が、フォトレジスト現像剤に可溶性となる一方、暴露されない部分が、フォトレジスト現像剤に不溶性のままである、正のレジストであることができる。いくつかの他の実施形態では、フォトレジストは、光に暴露されるフォトレジストの一部が、フォトレジスト現像剤に不溶性となる一方、暴露されない部分が、フォトレジスト現像剤によって溶解される、負のフォトレジストであることができる。
【００９４】
含まれるとき、いくつかの実施形態では、ベースポリマー内のフォトレジストは、フォトポリマーフォトレジストであってもよく、これは、例えば、光に暴露されると、遊離ラジカルを生成し、これが、ひいては、モノマーの光重合を開始し、ポリマーを生産するように構成される、アリルモノマーを含むことができる。負のレジストとして構成されるとき、フォトポリマーフォトレジストは、例えば、メチルメタアクリレートを含むことができる。含まれるとき、いくつかの他の実施形態では、ベースポリマー内のフォトレジストは、光下で親水性生成物を生成するように構成される、光分解フォトレジストであることができる。正のレジストとして構成されるとき、光分解フォトレジストは、例えば、アジドキノン、例えば、ジアゾナフトキノン（ＤＱ）を含むことができる。含まれるとき、いくつかの他の実施形態では、ベースポリマー内のフォトレジストは、光架橋結合フォトレジストであることができ、これは、光に暴露されると、鎖毎に架橋結合し、不溶性網を生成するように構成される。
【００９５】
依然として、図１０を参照すると、種々の実施形態による、光学構造１００８の中に組み込まれる、無機材料は、絶縁材料、例えば、金属酸化物または金属窒化物を含んでもよい。いくつかの実施形態では、無機材料は、限定ではないが、Ａｌ、Ｚｎ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｔｉ、およびＴａを含む、１つ以上の遷移金属の酸化物、窒化物、または酸窒化物を含む。例えば、無機材料は、いくつか挙げると、酸化アルミニウム、酸化亜鉛、酸化ジルコニウム、酸化ハフニウム、酸化チタニウム、酸化タンタル、およびそれらの組み合わせを含んでもよい。
【００９６】
本明細書に説明されるように、無機材料が、酸化物を含むとき、化学量論または準化学量論的であることができる。例えば、酸化アルミニウムは、化学量論的形態のＡｌ２Ｏ３および準化学量論的形態のＡｌＯｘであることができ、ｘは、１．５の化学量論的値未満である。加えて、本明細書に説明されるように、金属の酸化物は、他の金属を含むことができる。例えば、酸化アルミニウムが、ハフニウム酸アルミニウム（ＡｌＨｆＯｘ）の一部として含まれることができる。したがって、材料は、２つの異なる金属を含んでもよい。
【００９７】
実施形態によると、無機材料は、そのバルク屈折率に基づいて、選択されてもよい。無機材料の屈折率は、基板の屈折率より高くてもよい。無機材料の屈折率は、例えば、１．７、２．０、２．３、２．６、３．０を上回る、またはこれらの値によって定義された範囲内の値を有してもよい、またはこれらの範囲外であってもよい。いくつかの実施形態では、無機材料は、そのバルク屈折率に基づいて選択された化学量論的材料であってもよい。例えば、無機材料は、いくつか挙げると、１．６６の屈折率を有する化学量論的酸化アルミニウム、１．９５の屈折率を有する化学量論的酸化亜鉛、１．９５の屈折率を有する化学量論的酸化ジルコニウム、２．０９の屈折率を有する化学量論的酸化ハフニウム、２．３５の屈折率を有する化学量論的酸化チタニウム、またはそれらの組み合わせであってもよい。いくつかの他の実施形態では、無機材料は、対応する化学量論的無機材料の屈折率を上回る屈折率を有する、準化学量論的無機材料であってもよい。例えば、金属酸化物の屈折率は、酸素含有量を低減させることによって、２％、５％、１０％、２０％または３０％、またはこれらの値によって定義された任意の範囲内の任意のパーセンテージだけ増加され得る。いくつかの他の実施形態では、無機材料は、成分無機材料の屈折率間の屈折率を有する、無機材料の混合物であってもよい。例えば、三元金属酸化物の屈折率は、相対的割合を調整することによって、成分二元金属酸化物の屈折率間にあるように調整されてもよい。
【００９８】
いくつかの実施形態では、光学構造１００８は、ベースポリマー材料とその中に組み込まれる無機材料との間の屈折率を有する。種々の実施形態では、光学材料を含む光学構造の第２の屈折率は、１．７、１．８、１．９、２．０、または２．１を上回り、基板の第１の屈折率を少なくとも０．２、０．４、０．６、０．８または１．０上回る。しかしながら、実施形態は、そのように限定されず、第２の屈折率は、第１の屈折率と同一またはそれより低くあることができる。
【００９９】
光学構造１００８のベースポリマー材料は、その中に種々の構成において無機材料を組み込むことができる。図示される実施形態では、光学構造１００８は、ベースポリマー領域１００８ａと、上記に説明される無機材料で浸潤された浸潤領域１００８ｂとを備える。図示される実施形態では、無機材料は、各光学構造１００８が、その中に組み込まれる無機材料を実質的に有していないコア領域を備える、ベースポリマー領域１００８ａを有し、その中に浸潤された無機材料を有する表面領域を備える、浸潤領域１００８ｂを有するように、光学構造１００８の表面領域の中に組み込まれる。
【０１００】
実施形態によると、浸潤領域１００８ｂは、約１ｎｍ、１０ｎｍ、２０ｎｍ、５０ｎｍ、１００ｎｍ、２００ｎｍ、３００ｎｍ、またはこれらの値によって定義された範囲内または可能性としてこれらの範囲外の厚さを上回る、幅、深度、または厚さを有する。
【０１０１】
いくつかの実施形態では、ベースポリマー領域１００８ａは、無機材料が実質的にない。ある場合には、ベースポリマー領域１００８ａは、ベースポリマー領域１００８ａの総体積に基づいて、４０％、３０％、２０％、１０％、５％、１％、０．５％、または０．１％（またはこれらの値によって定義された任意の範囲）未満の無機材料を有する。対照的に、浸潤領域１００８ｂは、無機材料で実質的に浸潤される。ある場合には、浸潤領域１００８ｂは、浸潤領域１００８ｂの総体積に基づいて、４０％、５０％、６０％、７０％、８０％、または９０％（またはこれらの値によって定義された任意の範囲）を上回る無機材料を有する。
【０１０２】
回折格子１０００は、周期的反復光学構造１００８の隣接するものが、空間１０１２によって分離されように配列される、光学構造１００８を有する。図示される実施形態では、空間１０１２内の基板の表面は、その上に形成されるベースポリマー材料または無機材料を有していない。これは、基板の表面が、周期的反復ベースポリマー構造の隣接するもの間の結果として生じる空間１０１２内に暴露されるように、無機材料を組み込むことに先立って、ベースポリマー材料が、ベースポリマー構造の隣接するもの間から完全に除去され得るためである。続いて、基板の暴露される表面は、無機材料を形成するために、金属前駆体を吸着または化学吸着するために適合される、その上に形成される官能基を有していないため、無機材料は、その上に形成されない、または基板１００４の中に組み込まれない。その結果、空間１０１２内の基板の表面は、その上に形成されるベースポリマー材料または無機材料を有していない。本プロセスは、図１４Ａ−１４Ｂに関して下記でより詳細に説明される。
【０１０３】
しかしながら、下記で詳細に図示されるように、他の実施形態も、可能性として考えられる。他の実施形態では、周期的反復光学構造１００８の隣接するものは、空間１０１２によって分離され、空間内の基板の表面は、図１５Ａ−１５Ｂおよび１６Ａ−１６Ｂに関して詳細に説明されるように、その中に組み込まれる無機材料を有する、その上に形成されるポリマー材料の層（図１５Ｂ、１６Ｂ）を有する。これらの実施形態では、無機材料を組み込むことに先立って、ベースポリマー材料は、基板の表面が突出するベースポリマー構造（図１５Ａ、１６Ａ）の隣接するもの間の空間１０１２内でベースポリマーの薄層で被覆されたままであるように、周期的反復ベースポリマー構造の隣接するもの間から不完全または部分的に除去される。続いて、突出するベースポリマー構造の表面および突出するベースポリマー構造の隣接するもの間のポリマー層の表面は、前駆体に暴露され、無機材料を組み込む。例えば、無機材料の組み込みは、金属前駆体を吸着または化学吸着する、ベースポリマー構造内の官能基の存在と、光学構造１００８内に無機材料を形成するための金属前駆体と酸化前駆体との間の後続反応とから生じ得る。いくつかの実施形態では、空間内に形成される、ポリマー材料の層は、無機材料とともに組み込まれる全体厚または部分的厚さを有することができる。これらのプロセスは、図１５Ａ−１５Ｂおよび１６Ａ−１６Ｂに関して下記で詳細に説明される。
【０１０４】
その中に無機材料を組み込む、ポリマーベースの光学構造から形成される、光学要素を加工する方法
以下では、その中に無機材料を組み込む、ポリマーベースの光学構造を備える、ポリマーベースの光学要素、例えば、回折格子１０００（図１０）を加工する方法が、説明される。図１１を参照すると、方法１１００は、第１の屈折率および可視スペクトル内における透明性を有する、基板を提供すること１１０４を含む。本方法は、加えて、基板上に、周期的反復ベースポリマー構造を形成すること１１０８を含む。本方法はさらに、基板を、金属前駆体に、その後、酸化前駆体に暴露すること１１１２を含む。基板を暴露することは、金属を含む無機材料が、周期的反復ベースポリマー構造の中に組み込まれ、それによって、可視光を回折するように構成される、周期的反復光学構造のパターンを形成するような圧力および温度下で実施され、光学構造は、第１の屈折率を上回る第２の屈折率を有する。
【０１０５】
図１１を参照すると、第１の屈折率および可視スペクトル内における透明性を有する、基板が、提供される（１１０４）。これは、例えば、図１０に関して上記に説明されるような基板１００４を提供することを含んでもよい。
【０１０６】
依然として、図１１を参照すると、周期的反復ベースポリマー構造が、基板上に形成される（１１０８）。ポリマー構造を形成することは、下記に説明されるように、例えば、リソグラフィプロセス（図１２Ａ−１２Ｃ）またはナノインプリントプロセス（図１３Ａ−１３Ｃ）を含む、好適なプロセスを使用して達成されることができる。いくつかの実施形態では、図１２Ａ−１２Ｃに関して説明されるように、基板上に周期的反復光学構造を形成すること１１０８は、図１０に関して上記に説明されるような好適なポリマー材料を堆積させた後、リソグラフィおよびエッチングプロセスを使用して、パターン化することによって実施されてもよい。いくつかの他の実施形態では、図１３Ａ−１３Ｃに関して説明されるように、基板上に周期的反復光学構造を形成すること１１０８は、図１０に関して上記に説明されるような好適なポリマー材料を堆積させた後、ナノインプリント技法を使用してパターン化することによって実施されてもよい。
【０１０７】
図１２Ａ−１２Ｃは、それぞれ、実施形態による、リソグラフィプロセスを使用して周期的反復ベースポリマー構造を加工する、種々の段階における、中間構造１２００Ａ−１２００Ｃの断面図を図示する。図１２Ａの中間構造１２００Ａを参照すると、本方法は、基板１００４を提供することを含む。基板１００４は、第１の屈折率（ｎ１）および可能性として図１０を参照して上記に説明されるような種々の他の材料属性を有する、光学的に透過性の材料を含む。本方法は、加えて、基板１００４上に、屈折率ｎ２ｉｎｉｔｉａｌおよび可能性として図１０を参照して上記に説明されるような種々の他の材料属性を有する、ベースポリマー層１２０８を形成することを含む。ベースポリマー層１２０８は、図１０を参照して上記に説明されるような周期的反復ベースポリマー構造を形成するために、パターン化されるとき、好適である。
【０１０８】
いくつかの実施形態では、ベースポリマー層１２０８は、金属前駆体の後続吸着、化学吸着、または反応のための官能基を提供する役割を果たす、単一層から形成される。ベースポリマー層１２０８はまた、露光／現像および後続エッチングによってフォトリソグラフィでパターン化されることが可能なフォトレジストとしての役割を果たす。ベースポリマー層１２０８は、これらの機能性の両方を果たす、単一層であることができる。しかしながら、設計は、そのように限定される必要はなく、いくつかの他の実施形態では、ベースポリマー層１２０８は、金属前駆体の吸着、化学吸着、または反応のための官能基を有する別個の活性ポリマー層上に形成される、フォトレジスト層を含む、複数の層を含んでもよい。すなわち、ベースポリマー層１２０８は、例えば、単一ベースポリマー層１２０８が、フォトレジストとしての役割を十分に果たさず、金属前駆体を吸着する、化学吸着する、またはそれと反応するための官能基を提供しないとき、多層構造を備えてもよい。
【０１０９】
設計に応じて、ベースポリマー層１２０８は、スピンコーティングによって堆積され、後焼成が続いてもよい。
【０１１０】
図１２Ｂの中間構造１２００Ｂを参照すると、堆積および堆積後焼成後、本方法は、その一部をフォトマスク１２１６によって生産された光のパターンに選択的に暴露することによって、ベースポリマー層１２０８をパターン化することを含む。図示されるように、フォトマスク１２１６は、正のフォトレジストのために適合される正のフォトマスクであることができ、光をベースポリマー層１２０８が残されるべき領域内に通過させるように構成されることができる。フォトマスク１２１６が、負のフォトレジストのために適合される負のフォトマスクであるとき、フォトマスクは、反対に、光をベースポリマー層１２０８が除去されるべき領域内に通過させるように構成され得る。
【０１１１】
光１２１２、例えば、コヒーレントＵＶ光または電子ビームへの暴露は、例えば、ベースポリマー層１２０８の暴露される部分が、正のフォトレジストを含む、またはそれとしての役割を果たすベースポリマー層１２０８のために、現像剤溶液を使用して、選択的に除去されることを可能にする、またはフォトレジストの暴露されない部分が、負のフォトレジストを含む、またはそれとしての役割を果たすベースポリマー層１２０８のために、現像剤溶液を使用して、選択的に除去されることを可能にする、フォトレジストを含む、ベースポリマー層１２０８内に、化学変化、例えば、ポリマー架橋結合を生じさせる。
【０１１２】
図１２Ｃの中間構造１２００Ｃを参照すると、選択的に除去することに応じて、結果として生じる周期的反復ベースポリマー構造１２２０ａ／１２２０ｂが、基板１００４上に残り、それによって、無機材料の後続浸潤のためのテンプレートとしての役割を果たす。ベースポリマー構造１２２０ａは、第１の方向、例えば、ｙ−方向に伸長される、ベースポリマー構造のセットであってもよい。代替として、ベースポリマー構造１２２０ｂは、第２の方向、例えば、ｘ−方向に伸長される、ベースポリマー構造のセットであってもよい。ベースポリマー構造はまた、第１の方向に伸長される、ベースポリマー構造と、第２の方向に伸長される、ベースポリマー構造とを含むことができる。他の構成も、可能性として考えられる。
【０１１３】
図１３Ａ−１３Ｃは、それぞれ、ナノインプリントプロセスを使用した周期的反復ベースポリマー構造の加工の、種々の段階における、中間構造１３００Ａ−１３００Ｃの断面図を図示する。図示される実施例では、中間構造１３００Ａを形成する方法は、図１２Ａの中間構造１２００Ａを形成する方法に類似する。しかしながら、それぞれ、図１３Ｂおよび１３Ｃの中間構造１３００Ｂおよび１３００Ｃを形成する方法は、それぞれ、図１２Ｂおよび１２Ｃの中間構造１２００Ｂおよび１２００Ｃを形成する方法と異なり、その差異は、下記に説明される。
【０１１４】
図１３Ｂの中間構造１３００Ｂを参照すると、図１２Ｂを参照して上記に説明される方法と異なり、光または電子ビームおよび現像剤溶液を使用して、選択的に暴露し、その一部を除去することによって、ベースポリマー層１２０８をパターン化する代わりに、図示される実施例では、周期的反復ベースポリマー構造の形成に従って所定のトポロジパターンを有する、ナノインプリントテンプレート１３１６またはナノインプリント金型が、ベースポリマー層１２０４と接触させられる。続いて、テンプレート１３１６は、ある温度下において、例えば、ベースポリマー層１２０８のガラス遷移温度を上回って、熱可塑性ポリマーを含み得る、ベースポリマー層１２０８の中に押下され、それによって、テンプレート１３１６のパターンを軟化されたベースポリマー層１２０８の中に転写する。冷却された後、テンプレート１３１６は、ベースポリマー層１２０８から分離され、パターン化された周期的反復ベースポリマー構造１２２０ａ／１２２０ｂが、基板１００４上に残される。ある他のアプローチでは、ベースポリマー層１２０８の中に押下された後、ベースポリマー層１２０８は、ＵＶ光下で架橋結合によって固化される。
【０１１５】
図１１に戻って参照すると、無機材料を組み込む、ポリマー光学要素を加工する方法はさらに、基板を、金属前駆体に、その後、酸化前駆体に暴露すること１１１２を含み、基板を暴露することは、金属を含む無機材料が、周期的反復ベースポリマー構造の中に組み込まれ、それによって、可視光を回折するように構成される、周期的反復光学構造のパターンを形成するような圧力および温度下で実施され、光学構造は、第１の屈折率を上回る第２の屈折率を有する。以下では、図１４Ａ−１４Ｂ、１５Ａ−１５Ｂ、および１６Ａ−１６Ｃを参照して、基板を暴露し、無機材料周期的反復ベースポリマー構造の中に組み込む、異なる方法が、説明される。
【０１１６】
図１４Ａは、例えば、図１２Ａ−１２Ｃおよび図１３Ａ−１３Ｃに関して上記に例証される方法に類似する方法を使用して加工される、周期的反復ベースポリマー構造１２０４を備える、中間構造１４００Ａを図示する。基板１００４上に形成される、周期的反復ベースポリマー構造１２０４は、したがって、図１２Ａ−１２Ｃおよび図１３Ａ−１３Ｃに関して上記に例証される、周期的反復ベースポリマー構造１２２０ａ／１２２０ｂに類似する。図１４Ｂは、図１０に関して上記に説明されるようなその中に組み込まれる無機材料を有する、周期的反復光学構造１００８を備える、中間構造１４００Ｂを図示する。以下では、図１４Ａおよび１４Ｂを参照して、無機材料を周期的反復ベースポリマー構造１２０４の中に組み込み（図１４Ａ）、周期的反復光学構造１００８を形成する（図１４Ｂ）、方法が、詳細に説明される。
【０１１７】
無機材料を周期的反復ベースポリマー構造１２０４の中に組み込み（図１２Ａ）、周期的反復光学構造１００８を形成する（図１２Ｂ）ことは、原子層堆積（ＡＬＤ）において使用される、いくつかのプロセス特徴を使用して、実施されることができる。いくつかの側面では、ＡＬＤは、成長サイクル内に含まれる２つの別個の半反応への化学反応の分布によって制御される、自己限定成長を伴う、化学蒸着（ＣＶＤ）プロセスのタイプを含むと見なされ得る。そのようなＡＬＤプロセスのための成長サイクルは、４つの段階、すなわち、（１）第１の前駆体、例えば、金属前駆体の暴露、（２）反応チャンバのパージ、（３）第２の前駆体、例えば、酸化前駆体の暴露、および（４）反応チャンバのさらなるパージを含むことができる。ＡＬＤプロセスの第１の段階では、第１の前駆体は、基板上の部位と反応し、第１の前駆体の完全または部分的分子層を形成する。第２の段階では、反応されない第１の前駆体分子は、その反応が層レベルによって分子層における成長を妨害する、残りの第１の前駆体と続いて導入される第２の前駆体との間に生じ得る、気相反応を低減、防止、または最小限にするように、例えば、アルゴンまたはＮ２等の不活性ガスを使用して、外にパージおよび／または圧送され得る。第３の段階では、第２の前駆体は、パージされたチャンバの中に導入され、第１の前駆体の分子層と反応し、それによって、標的材料の単一分子層または準分子層をもたらす。第４の段階は、別の成長サイクルに備え、第２の前駆体の残差をパージ／圧送することを含み、これは、所望の厚さが達成されるまで、繰り返されることができる。
【０１１８】
図１０に関して上記に説明されるように、光学構造１００８の中に組み込まれる無機材料は、金属を含む、誘電体等の金属化合物を含んでもよい。無機材料は、例えば、金属酸化物または金属窒化物、例えば、Ａｌ、Ｚｎ、Ｚｒ、Ｈｆ、Ｔｉ、およびＴａを含む、１つ以上の遷移金属の酸化物、窒化物、または酸窒化物を含んでもよい。ＡＬＤ成長サイクルは、したがって、（１）遷移金属を含む金属前駆体への基板の暴露、（２）反応チャンバのパージ、（３）酸化前駆体の暴露、および（４）反応チャンバのさらなるパージを含むことができる。無機材料は、酸化プロセスによって生産され、例えば、金属酸化物、金属窒化物、または他の無機材料をもたらすことができる。
【０１１９】
有利には、無機材料を組み込むためのＡＬＤプロセスの使用は、いくつかの利点を提供する。例えば、前駆体の吸着、化学吸着、または反応が、単層または準単層レベルにおける堆積される材料の量の制御を提供するため、堆積される材料の膜厚または量が、反応サイクルの数に基づいて、精密に制御されることができる。加えて、気相内の前駆体が、他の堆積技法、例えば、通視線および／またはアスペクト比依存であり得る、物理蒸着（ＰＶＤ）またはプラズマ増強化学蒸着（ＰＥＣＶＤ）等の堆積技法を使用してアクセスが困難または不可能である、表面に到達することができるため、ＡＬＤは、３次元表面上への共形薄膜の堆積のための好適な方法であることができる。さらに、吸着、化学吸着、または反応は、比較的に低温（例えば、１００℃未満）で生じ得るため、ＡＬＤは、限定された熱予算または熱耐性を有する構造または表面上への堆積のために好適であり得る。
【０１２０】
したがって、好ましい実施形態では、無機材料を周期的反復ベースポリマー構造１２０４の中に組み込み、周期的反復光学構造１００８を形成することは、ＡＬＤのために構成される反応器内において、および／または上記に説明されるようなＡＬＤにおいて使用されるいくつかのプロセス特徴を使用して、実施されることができる。
【０１２１】
圧力、温度、および時間のある組み合わせは、特に、以下に詳細に説明されるように、光学構造１００８を形成するために好適であり得る。したがって、実施形態によると、基板を金属前駆体および酸化前駆体の一方または両方に暴露することは、金属前駆体および酸化前駆体の両方のうちの１つでベースポリマー構造の暴露された表面を飽和させるために十分な総および／または部分的圧力において、かつそのような持続時間にわたって、暴露することを含む。
【０１２２】
図１１に戻って参照すると、実施形態によると、暴露すること１１１２は、大気圧を上回る圧力下で実施される。任意の理論に拘束されるわけではないが、より高い圧力は、無機材料を形成するための反応に先立って、前駆体の拡散を向上させ、および／または形成後の無機材料の拡散を向上させることができる。金属および／または酸化前駆体との暴露の間の総圧力および部分的圧力の一方または両方は、調節または最適化されることができる。異なる場合では、暴露の間の総圧力は、約１０ｍＴｏｒｒ〜約１００Ｔｏｒｒ、約５０ｍＴｏｒｒ〜約５０Ｔｏｒｒ、約１００ｍＴｏｒｒ〜約１０Ｔｏｒｒ、またはこれらの値によって定義された範囲内の任意の圧力、またはこれらの範囲外、例えば、約８００ｍＴｏｒｒ〜約５Ｔｏｒｒまたは１Ｔｏｒｒ〜５Ｔｏｒｒであることができる。総圧力下、前駆体の部分的圧力は、総圧力の２％、５％、１０％、２０％、５０％、またこれらの値によって定義された範囲内またはこれらの範囲外、例えば、約２５〜５０ｍＴｏｒｒ等の任意の圧力であってもよい。残りの部分的圧力は、前駆体以外のガス、例えば、不活性ガス、例えば、アルゴンおよび／またはＮ２によって提供されることができる。
【０１２３】
パージプロセスの間、総圧力は、上記に説明されるような前駆体への暴露の間の総圧力と同一または異なるように維持されることができる。
【０１２４】
アプローチに応じて、暴露すること１１１２は、１秒、５秒、１０秒、３０秒、６０秒、１００秒、５００秒、または１０００秒を超える持続時間、例えば、約１０秒〜４００秒、またはこれらの値によって定義された任意の範囲内の持続時間にわたって、周期的反復ベースポリマー構造１２０４を金属前駆体および酸化前駆体の一方または両方に暴露することを含んでもよい。これらの範囲外の持続時間もまた、可能性として考えられる。状況に応じて、暴露時間は、前駆体で堆積表面を飽和させるために十分な従来のＡＬＤにおいて採用されるいくつかの従来の暴露時間を上回ってもよい。そのような暴露時間は、１秒未満であることができる。任意の理論に拘束されるわけではないが、より長い暴露時間は、有利には、無機材料を形成することに先立って、ベースポリマー構造１２０４の中への前駆体の拡散のために十分な時間を提供し、および／または無機材料の１つ以上の単層の形成後、無機材料の拡散のために十分な時間を提供することができる。ある場合には、暴露時間の割合は、前駆体で表面を飽和させるために十分であり得る一方、暴露時間の残りは、前駆体および／または無機材料を拡散させるために費やされることができる。ある場合には、暴露の持続時間は、前駆体で表面を飽和させるために十分な持続時間を１０倍、２０倍、５０倍、１００倍または１０００倍、またはこれらの値によって定義された任意の範囲だけ超える。これらの範囲外の値もまた、可能性として考えられる。
【０１２５】
パージプロセスの間、パージ時間は、上記に説明される前駆体への暴露のための暴露時間と同一である、または、例えば、２倍、５倍、または１０倍、またはこれらの値によって定義された範囲内の任意の倍数長くあることができる。パージ時間はまた、これらの範囲外であることもできる。故に、基板を金属前駆体に暴露するための第１の暴露時間、金属前駆体をパージするための第１のパージ時間、基板を酸化前駆体に暴露するための第２の暴露時間、および酸化前駆体をパージするための第２のパージ時間に対応する、サブサイクルｔ１、ｔ２、ｔ３およびｔ４の持続時間は、上記の持続時間、例えば、ｔ１、ｔ３＝１−１００秒または上記に説明される任意の範囲と、ｔ２、ｔ４＝５−５００秒または上記に説明される任意の範囲との組み合わせを有することができる。
【０１２６】
構成および／または加工方法に応じて、暴露すること１１１２は、摂氏約１００度より低い温度で、周期的反復ベースポリマー構造を金属前駆体および酸化前駆体の一方または両方に暴露することを含む。増加された圧力およびより長い暴露時間がより低い温度を補償し得るため、比較的に低い温度が、前駆体および／または無機材料の所望の拡散深度を達成するために採用されることができる。実施形態によると、暴露することは、２００℃、１５０℃、１００℃、８０℃、６０℃、４０℃、または２０℃、またはこれらの値によって定義された任意の範囲内の温度より低い温度で実施されることができる。１００℃を上回る温度を含む、これらの範囲外の温度も、使用されることができる。
【０１２７】
基板を金属前駆体に暴露することは、アルミニウム、亜鉛、ジルコニウム、ハフニウム、およびチタニウムから成る群から選択される遷移金属等の遷移金属を含む、前駆体に暴露することを含むことができる。例えば、酸化アルミニウム、酸化亜鉛、酸化ジルコニウム、酸化ハフニウム、酸化チタニウム、酸化タンタル、およびそれらの組み合わせを含む、遷移金属酸化物を組み込むために、第１の段階のために使用される金属前駆体は、遷移金属を有する、ハロゲン化物（すなわち、Ｆ、Ｃｌ、Ｂｒ、またはＩに結合される金属）、アルキル化合物、およびアルコキシドを含むことができる。
【０１２８】
所望の構造および／または方法に応じて、金属ハロゲン化物前駆体は、塩化またはヨウ化アルミニウム、塩化またはヨウ化亜鉛、塩化またはヨウ化ジルコニウム、塩化またはヨウ化ハフニウム、塩化またはヨウ化チタニウム、または塩化またはヨウ化タンタルを含むことができる。
【０１２９】
所望の構造および／または方法に応じて、金属に結合される酸素を伴う金属前駆体は、各アルコキソリガンドが、１個のＯ原子を通して金属原子に結合される、ハフニウムｔｅｒｔ−ブトキシド、Ｈｆ（ＯＣ４Ｈ９）４等のアルコキシド（Ｍ−（Ｏ−ＣＲ）ｎ）、および各ジケトナトリガンドが、２個の金属−酸素結合（金属中心を「キレート化」するリガンド）を通して金属に結合される、Ｚｒ（ｔｈｄ）４等のβ−ジケトナート（Ｍ＝（Ｏ２Ｃ３Ｒ３）ｎを含むことができる。
【０１３０】
所望の構造および／または方法に応じて、金属に結合される窒素を伴う前駆体は、ハフニウムジメチルアミドＨｆ（Ｎ（ＣＨ３）２）４等の金属アルキルアミド（Ｍ（ＮＲ２）ｎ）および金属アミジナート（Ｍ（Ｎ２ＣＲ３）ｎ）を含むことができる。
【０１３１】
直接炭素に結合される金属原子を有する、有機金属前駆体もまた、使用されることができる。そのような有機金属前駆体は、トリメチルアルミニウムＡｌ（ＣＨ３）３等のアルキルＭ（ＣｘＨｙ）ｎおよびジシクロペンタジエニルジメチルハフニウムＨｆ（Ｃ５Ｈ５）２（ＣＨ３）２（混合リガンド前駆体）等のシクロペンタジエニルを含むことができる。他の前駆体も、使用されることができる。
【０１３２】
所望の構造および／または方法に応じて、基板を酸化前駆体に暴露することは、実施形態による、酸素（Ｏ、Ｏ２）、オゾン（Ｏ３）、水（Ｈ２Ｏ）、過酸化水素（Ｈ２Ｏ２）、亜酸化窒素（ＮＯ、Ｎ２Ｏ）、アンモニア（ＮＨ４）、またはそれらの組み合わせを含む、前駆体に暴露することを含むことができる。他の酸化前駆体等の他の前駆体も、使用されることができる。
【０１３３】
異なる前駆体の組み合わせが、使用されることができ、周期的反復ベースポリマー構造１２０４の中に組み込まれている無機材料に依存し得る。例えば、酸化アルミニウムは、トリメチルアルミニウムおよび水またはオゾンからより容易に堆積され得る一方、窒化アルミニウムは、アルミニウムジメチルアミド、Ａｌ２（Ｎ（ＣＨ３）２）６およびアンモニアからより容易に作製され得る。酸化ハフニウムおよび酸窒化ハフニウムのＡＬＤのために、ハフニウムエチルメチルアミンＨｆ（Ｎ（ＣＨ３）（Ｃ２Ｈ５））４は、水、オゾン、およびアンモニアに対する高反応性と、十分な揮発性および安定性を組み合わせた、好適な液体前駆体であり得る。
【０１３４】
加えて、図１０に関して上記に説明されるように、ベースポリマー単位のポリマー鎖は、特定の金属前駆体と反応し、無機材料を形成するように構成される、種々の官能基、例えば、カルボニル基、ヒドロキシル基、およびピリジン基を含んでもよい。１つの例証的実施例を提供するために、堆積化学作用が、Ａｌ２Ｏ３の形成のために、Ａｌ（ＣＨ３）３（ＴＭＡ）と、Ｈ２Ｏとを含むとき、ＰＭＭＡが、ＰＭＭＡのカルボニル基が、ＴＭＡと反応し、Ａｌ−ＯＨ種を形成し、これが、ひいては、加水分解反応においてＨ２Ｏと反応し、ベースポリマー構造１２０４内に組み込まれるＡｌ２Ｏ３を形成し得るように、ポリマーベース材料内に含まれてもよい。
【０１３５】
図１４Ａおよび１４Ｂを参照すると、前述に基づいて、暴露時間、パージ時間、総または部分的圧力、および基板温度を含む、種々のパラメータが、前駆体および／または無機材料の拡散を制御し、ベースポリマー領域１００８ａと、無機材料で浸潤された浸潤領域１００８ｂとを備える、光学構造１００８を形成するように選択されることができる。いくつかの実施形態では、無機材料は、それぞれ、その中に組み込まれる無機材料を実質的に有していない、光学構造のコア領域を備える、ベースポリマー領域１００８ａを有し、さらに、その中に浸潤された無機材料を有する表面領域を備える、浸潤領域１００８ｂを有するように、光学構造１００８の表面領域の中に組み込まれる。
【０１３６】
さらに、前駆体および／または無機材料の拡散は、浸潤領域１００８ｂ（Ｈｉ−Ｈｆおよび／またはＷｉ−Ｗｆ）の幅、深度、または厚さが、約１ｎｍ、１０ｎｍ、２０ｎｍ、５０ｎｍ、１００ｎｍ、２００ｎｍ、３００ｎｍ、またはこれらの値によって定義された範囲内の厚さを上回るように、制御されることができる。これらの範囲外の厚さもまた、可能性として考えられる。故に、ベースポリマー領域１００８ａは、無機材料が実質的になくてもよい。ベースポリマー領域は、ベースポリマー領域１００８ａの総体積に基づいて、無機材料の４０％、３０％、２０％、１０％、５％、または１％未満を有してもよい、またはこれらの値によって定義された任意の範囲内の任意のパーセンテージを有してもよい。これらの範囲外のパーセンテージもまた、可能性として考えられる。対照的に、浸潤領域１００８ｂは、無機材料で実質的に浸潤される。浸潤領域１００８ｂは、ベースポリマー領域１００８ａの総体積に基づいて、無機材料の４０％、５０％、６０％、７０％、８０％、９０％、９５％、または９９％を上回る割合を有してもよい、またはこれらの値によって定義された任意の範囲内の任意のパーセンテージを有してもよい。これらの範囲外のパーセンテージもまた、可能性として考えられる。
【０１３７】
しかしながら、構成は、ある他の構成では、そのように限定されず、周期的反復ベースポリマー構造１２０４の体積の実質的に全てが、浸潤後、ベースポリマー構造１２０４に、無機材料がないベースポリマー領域１００８ａが実質的にないように、無機材料で浸潤される。
【０１３８】
上記に説明されるように、１つ以上の暴露条件が、前駆体および／または無機材料の拡散特性に影響を及ぼす。任意の理論に拘束されるわけではないが、いくつかの実施形態では、前駆体のうちの少なくともいくつかは、無機材料を形成することに先立って、ベースポリマー構造１２０４の中に拡散される。例えば、金属前駆体の単層の少なくとも一部が、浸潤領域１００８ｂの深度以下の深度までポリマー構造１２０４の中に拡散され、例えば、ポリマー構造１２０４のベースポリマー材料の官能基と反応してもよい。その後、酸化前駆体の単層の少なくとも一部は、浸潤領域１００８ｂの深度以下の深度までベースポリマー構造１２０４の中に拡散され、例えば、金属前駆体と反応し、それによって、無機材料の少なくとも一部を周期的反復ベースポリマー構造１２０４の内側またはその表面下に形成してもよい。
【０１３９】
しかしながら、構成は、そのように限定されない。任意の理論に拘束されるわけではないが、いくつかの他の実施形態では、無機材料の少なくとも一部は、形成された後、ベースポリマー構造１２０４の中に拡散される。例えば、無機材料の単層の少なくとも一部は、ベースポリマー構造１２０４の表面に形成された後、浸潤領域１００８ｂの深度以下の深度までポリマー構造１２０４の中に拡散されてもよい。
【０１４０】
依然として、図１４Ａおよび１４Ｂを参照すると、有利には、周期的反復ポリマー構造１２０４を形成する、ベースポリマー材料は、上記に説明されるような種々の処理および材料パラメータ下で無機材料を組み込み後、無機材料の組み込みに先立った周期的反復ポリマー構造１２０４の寸法および無機材料の組み込み後の周期的反復光学構造１００８の寸法が、比較的に限定された量内で異なるような組成、構造、および密度を有する。例えば、略長方形断面形状を有する図示される実施形態等の設計に関して、幅および高さの一方または両方が、３０％、２０％、１０％、５％または１％、またはこれらの値によって定義された範囲内のパーセンテージ未満だけ変化するが、これらの範囲外のパーセント変化もまた、可能性として考えられる。側方寸法の比較的にわずかな変化は、少なくとも、処理の結果の臨界寸法の変動性が、低減されるため、有利である。
【０１４１】
いくつかの実施形態によると、無機材料は、熱原子層堆積（ＡＬＤ）に類似するプロセスシーケンスを使用して、ベースポリマー構造１２０４の中に組み込まれる、または浸潤される。熱ＡＬＤプロセスは、プラズマの使用を伴わずに実施される、堆積である。いくつかの他の実施形態では、無機材料は、プラズマ増強原子層堆積（ＰＥ−ＡＬＤ）を使用して、組み込まれる、または浸潤される。熱またはＰＥ−ＡＬＤが採用されるかどうかは、周期的反復ベースポリマー構造１２０４の寸法およびアスペクト比に依存し得る。例えば、比較的に高アスペクト比および／または隣接するポリマー構造１２０４間の比較的に小間隔を有する、ベースポリマー構造１２０４に関して、プラズマは、いくつかの状況下では、高アスペクト比ベースポリマー構造１２０４のより深い領域の中に到達し得ない。これらの状況下では、ＰＥ−ＡＬＤが、採用されるとき、ベースポリマー構造１２０４の異なる部分が、異なる量のプラズマに暴露され、非均一堆積につながり得、例えば、より厚い膜が、より深い領域と比較して、ベースポリマー構造１２０４の上側領域の近傍に堆積される。代わりに、熱ＡＬＤは、熱ＡＬＤがその上に堆積されている表面の部分に到達するプラズマの能力に依存し得ないため、より有利であり得る。しかしながら、他の状況下では、ＰＥ−ＡＬＤは、プラズマがＡＬＤ反応の活性化エネルギーを低下させ得るため、例えば、より低い温度の堆積を可能にするためにより望ましくあり得る。
【０１４２】
上記では、無機材料が、ＡＬＤに関連するプロセスを使用して、周期的反復光学構造１００８の中に組み込まれる、または浸潤される、例示的方法および装置が、説明された。しかしながら、方法および装置は、そのように限定されない。いくつかの状況下では、例えば、無機材料が、ベースポリマー構造１２０４の中への拡散に先立って形成される場合、および／またはベースポリマー構造１２０４の寸法およびその間の間隔が比較的に大きい場合、他の堆積技法は、例えば、より高速のスループットのために採用されてもよい。例えば、無機材料は、ある場合には、プラズマ増強化学蒸着（ＰＥＣＶＤ）等のプラズマベースのＣＶＤプロセスおよび低圧化学蒸着（ＬＰＣＶＤ）等の熱ベースのＣＶＤプロセスを含む、化学蒸着（ＣＶＤ）等のプロセスを使用して浸潤されることができる。無機材料はまた、他の技法の中でもとりわけ、物理蒸着（ＰＶＤ）および蒸発を使用して、浸潤されることができる。
【０１４３】
種々の実施形態によると、有利には、基板を金属前駆体および酸化前駆体に暴露することは、基板の暴露される表面に対して選択的に、ベースポリマー材料の暴露される表面を通して、無機材料を組み込む。これは、上記に説明されるように、周期的反復ベースポリマー構造１２０４の表面と異なり、基板１００４の表面が、金属前駆体を吸着する、化学吸着する、またはそれと反応するために適合される、官能基を有していないためである。したがって、金属前駆体の吸着、化学吸着、または反応の選択性に基づいて、周期的反復光学構造内の変動が、図１４Ａ／１４Ｂ、１５Ａ／１５Ｂおよび１６Ａ／１６Ｂに関して下記に説明されるように形成されることができる。
【０１４４】
図１４Ａおよび１４Ｂの図示される実施形態では、周期的反復ベースポリマー構造１２０４が、形成されるとき、周期的反復ベースポリマー構造の隣接するものは、空間１０１２によって分離される。ベースポリマー構造１２０４の表面と異なり、空間１０１２内の基板の表面は、その上に形成されるベースポリマー材料を有していない。すなわち、無機材料をポリマー構造１２０４の中に組み込むために、前駆体に暴露することに先立って、ベースポリマー材料は、基板の表面が、空間１０１２内で暴露されるように、ベースポリマー構造１２０４の隣接するもの間から完全に除去される。続いて、基板の暴露される表面は、金属前駆体を吸着する、化学吸着する、またはそれと反応するために適合される、その上に形成される官能基を有していないため、無機材料は、その上に形成されない。
【０１４５】
それぞれ、図１５Ａ、１６Ａの中間構造１５００Ａ、１６００Ａ、およびそれぞれ、図１５Ｂ、１６Ｂの中間構造１５００Ｂ、１６００Ｂを参照すると、無機材料を周期的反復ベースポリマー構造１２０４の中に組み込み（図１５Ａ、１６Ａ）、周期的反復光学構造１００８を形成する（図１５Ｂ、１６Ａ）方法が、代替実施形態に従って説明される。中間構造１４００Ａ（図１４Ａ）および１４００Ｂ（図１４Ｂ）をもたらす加工プロセスに類似する、中間構造１５００Ａ、１６００Ａ、および１５００Ｂ、１６００Ｂをもたらす、種々の加工プロセスは、それぞれ、本明細書では省略される一方、差異は、本明細書に説明される。図示される実施形態では、図１４Ａ／１４Ｂに関して図示される実施形態と異なり、周期的反復ベースポリマー構造１２０４を形成することは、ベースポリマー材料の層１５０４（図１５Ａ）、１６０４（図１６Ａ）がその上に形成される基板表面を有する、空間１０１２によって分離される、周期的反復ベースポリマー構造１２０４の隣接するものを形成することを含む。すなわち、無機材料をベースポリマー構造１２０４内に組み込むことに先立って、ベースポリマー材料は、空間１０１２内の基板表面から不完全または部分的に除去される。その結果、突出する周期的反復ベースポリマー構造１２０４の隣接するもの間の空間１０１２内では、基板１００４の表面は、ベースポリマー材料の層で被覆されたままである。続いて、突出する周期的反復ベースポリマー構造１２０４の表面および空間１０１２内の基板上のポリマー層１５０４（図１５Ａ）、１６０４（図１６Ａ）の表面は、前駆体に暴露され、無機材料を組み込む。上記に説明されるように、無機材料の組み込みは、金属前駆体を吸着または化学吸着する、ベースポリマー構造内の官能基の存在と、金属前駆体と酸化前駆体との間の後続の反応とから生じ得る。代替として、組み込みは、続いて、周期的反復ベースポリマー構造１２０４の中に拡散し、周期的反復光学構造１００８を形成する、ポリマー材料の表面上への無機材料の形成から生じ得る。その結果、突出する光学構造１００８の表面領域、および光学構造１００８の隣接するもの間の空間１０１２内の基板表面上のポリマー層１５０８（図１５Ａ）、１６０８（図１６Ａ）の表面を含む、暴露される表面全体が、無機材料を組み込む。
【０１４６】
いくつかの実施形態では、図１５Ａに図示されるように、空間１０１２内の基板表面上に形成される、ポリマー材料の層１５０４は、比較的に薄厚、例えば、浸潤領域１００８ｂの厚さ（Ｈｉ−Ｈｆおよび／またはＷｉ−Ｗｆ）に類似する、またはより小さい厚さを有する。これらの実施形態では、無機材料での浸潤後、空間１０１２内のポリマー材料の層１５０８の厚さの実質的に全体が、図１５Ｂに図示されるように、無機材料を組み込み得る（または組み込み得ない）。
【０１４７】
いくつかの他の実施形態では、図１６Ａに図示されるように、空間１０１２内の基板表面上に形成される、ポリマー材料の層１６０４は、比較的に厚い厚さ、例えば、浸潤領域１００８ｂの厚さ（Ｈｉ−Ｈｆおよび／またはＷｉ−Ｗｆ）を上回る厚さを有する。これらの実施形態では、無機材料での浸潤後、空間１０１２内のポリマー材料の層１６０８の厚さの一部（総厚未満の部分）が、図１６Ｂに図示されるように、表面領域内に無機材料を組み込む。
【０１４８】
有利には、光学構造１００８を形成するためのベースポリマー構造１２０４の中への無機材料の組み込みは、構造の屈折率の増加をもたらす。実施形態によると、基板１００４は、空気のものを上回るが、光学構造１００８の第２の屈折率未満の第１の屈折率、例えば、１．５、１．６、１．７、１．８、１．９、またはこれらの値によって定義された範囲内の値を有する。これらの範囲外の屈折率もまた、可能性として考えられる。無機材料の組み込み後、種々の実施形態では、第２の屈折率は、１．７、１．８、１．９、２．０、２．１、またはこれらの値によって定義された範囲内の値を上回り、少なくとも０．２、０．４、０．６、０．８、１．０、またはこれらの値によって定義された範囲内の値だけ第１の屈折率を上回る。これらの範囲外の屈折率および屈折率の増加もまた、可能性として考えられる。無機材料の組み込みに先立って、周期的反復ベースポリマー構造１２０４は、光学構造１００８の最終の第２の屈折率より実質的に低い屈折率を有してもよい。例えば、無機材料の組み込みに先立ったベースポリマー構造１２０４の屈折率は、１．３、１，４、１，５、１．６、１．７、またはこれらの値によって定義された範囲内の値であってもよい。例えば、ＰＭＭＡおよびポリスチレンは、それぞれ、約５８８ｎｍにおいて、約１．４９および約１．５９の屈折率を有する。１．７、２．０、２．３、２．６、３．０、またはこれらの値によって定義された範囲内の値を上回る屈折率を有する、無機材料の組み込みに応じて、ベースポリマー構造１２０４の屈折率は、例えば、上記の範囲内の値を有するように増加されることができる。したがって、屈折率は、約０．１、０．２、０．３、０．４、０．５を上回って増加される、またはこれらの値によって定義された範囲内の値まで増加され得る。これらの範囲外の屈折率および屈折率の増加もまた、可能性として考えられる。
【０１４９】
有利には、光学構造１００８を形成するためのベースポリマー構造１２０４の中への無機材料の組み込みは、例えば、ヤング率（Ｅ）によって測定されるように、機械的堅度の増加をもたらし得る。本明細書に開示される実施形態による無機材料の組み込みに先立って、周期的反復ベースポリマー構造１２０４のヤング率は、約１．０ＧＰａ〜約５ＧＰａ以内であり得る。例えば、ＰＭＭＡは、ヤング率約２．５〜３．５ＧＰａ、例えば、約３．１ＧＰａを有し得、ポリスチレンは、ヤング率約１．５〜２．５ＧＰａ、例えば、約２．０ＧＰａを有し得る。無機材料の組み込みに応じて、種々の実施形態では、周期的反復ベースポリマー構造１２０４のヤング率は、１ＧＰａ、２ＧＰａ、５ＧＰａ、１０ＧＰａ、またはこれらの値によって定義された範囲内の値を上回って増加し得る。無機材料を組み込む、結果として生じる光学構造１００８のヤング率は、約２．５ＧＰａ〜約１７．５ＧＰａ、約２．５ＧＰａ〜約７．５ＧＰａ、約７．５ＧＰａ〜約１２．５ＧＰａ、約１２．５ＧＰａ〜約１７．５ＧＰａであり得る。これらの範囲外のヤング率の値もまた、可能性として考えられる。
【０１５０】
具体的酸化物および窒化物が、無機材料を構成するように本明細書に開示されるが、他の材料も、可能性として考えられる。付加的酸化物および窒化物は、そのような本明細書に説明されるような酸化プロセスによって、または他のタイプの酸化プロセスによって形成されてもよい。他の材料はまた、酸化プロセスによって形成されてもよい。さらに他のタイプのプロセスもまた、使用されてもよい。
【０１５１】
無機材料を組み込むポリマーベースの光学構造を備える、幾何学位相メタ表面に基づく、光学要素
メタ表面は、反射または透過における光の偏光、位相、および／または振幅を局所的に修正し得る、表面構造を含んでもよい。メタ表面は、そこから、ビーム成形、レンズ効果、ビーム屈曲、および偏光分割を含む、種々の光学機能性が導出され得るように、そのパターンが光の波面を制御するように構成される、サブ波長サイズおよび／またはサブ波長離間移相要素のアレイを含んでもよい。光の波面を操作するために使用され得る、要因は、表面構造の材料、サイズ、幾何学形状、および配向を含む。明確に異なる散乱性質を伴う表面構造を表面上に配列することによって、空間変形メタ表面が、生成されることができ、それ全体を通して、光学波面は、実質的に操作されることができる。
【０１５２】
レンズおよび波長板等の従来の光学要素では、波面は、波長よりはるかに厚い媒体内の伝搬位相を介して制御される。従来の光学要素と異なり、メタ表面は、代わりに、サブ波長サイズの共振器を移相要素として使用して、光の位相変化を誘発する。メタ表面は、比較的に薄く、厚さが均一である特徴から形成されるため、半導体処理技法等の薄膜処理技法およびナノインプリント技法等の直接印刷技法を使用して、表面を横断してパターン化されることができる。
【０１５３】
上記に説明されるように、無機材料を組み込む、ポリマー光学要素は、加工が比較的に容易である一方、調整可能屈折率および堅度を提供する。その結果、無機材料を組み込む、ポリマー光学要素は、メタ表面に基づく光学要素のための優れた候補である。以下の光学要素では、例えば、無機材料を組み込む、ポリマーベースの光学構造から形成されるメタ表面に基づく、回折格子が、説明される。
【０１５４】
任意の理論によって拘束されるわけではないが、光ビームが、光の偏光状態の空間内で閉サイクルに沿って辿られるとき、累積経路長および幾何学的位相から動的位相を入手し得る。幾何学的位相から入手される動的位相は、偏光の局所変化に起因する。所望の位相面を形成するために幾何学的位相に基づく、いくつかの光学要素は、パンチャラトナムベリー位相光学要素（ＰＢＯＥ）と称され得る。ＰＢＯＥは、高速軸の配向が波長板要素の空間位置に依存する、波長板要素から構築されてもよい。
【０１５５】
理論によって限定されるわけではないが、メタ表面を、関数θ（ｘ，ｙ）に従うそれらの高速軸配向を伴う、幾何学的位相光学要素、例えば、ＰＢＯＥから形成される半波長板とともに形成することによって、入射円偏光ビームは、φｇ（ｘ，ｙ）＝＋／−２θ（ｘ，ｙ）と等しい幾何学的位相を有する、反対ヘリシティのビームに完全に変換され得る。波長板要素の高速軸の局所配向を０〜πに制御することによって、完全０〜２π範囲を網羅しながら、光学要素全体を横断して、比較的に高いかつ均一な透過振幅を維持し、それによって、所望の波面を提供する、位相ピックアップ／遅延が、達成され得る。
【０１５６】
以下では、図１７Ａ−１７Ｈを参照すると、実施形態による、複数の幾何学的回転波長板要素に基づく、幾何学的ＰＢＯＥの構造１７００が、説明され、各波長板要素は、上記に説明されるように、周期的反復光学構造のパターン（図１０、１４Ｂ、１５Ｂ、１６Ｂでは１００８）を備える。特に、πの位相遅延を伴う半波長板として構成される、ＰＢＯＥが、説明される。図示される実施形態では、８つの近傍半波長板要素が、等離間であるように配列され、近傍波長板間の一定配向角度差Δθを特徴とする。しかしながら、より少ないまたはより多い数の波長板要素が、近傍波長板間の異なる配向角度差Δθを伴って採用されてもよいことを理解されたい。例証目的のために、下行は、左円偏光、すなわち、｜ＬＣＰ＞状態を伴う、入射光ビームの偏光ベクトルの回転を図式的に描写する。中央行は、それらの高速軸が垂直軸に対して異なる角度θで配向される、図１４Ｂ、１５Ｂ、および１６Ｂを参照して説明されるものに類似する、複数の周期的反復光学構造から構築された半波長板要素を図示する。上行は、波長板要素を通して遅れて透過された光の対応する偏光ベクトルを図式的に図示する。波長板の高速軸の円偏光および反時計回り配向角は、光源の視点から定義される。
【０１５７】
依然として、図１７Ａ−１７Ｈを参照すると、入射光ビームは、それぞれ、ｘおよびｙ方向における等振幅と、偏光ベクトル間のπ／２の位相遅延１７１２とを有する、偏光ベクトル１７０４および１７０８によって説明され得る。動作時、半波長板は、２つの垂直偏光間の位相を位相πだけ偏移させることによって作用する。本作用の正味結果は、低速軸に沿って指向される電場を反転し、高速軸に沿って電場を維持することである。本作用はまた、元の偏光ベクトルが、その鏡像に反転され、高速軸がミラーとしての役割を果たすものとして見なされ得る。偏光ベクトルが時間的に回転する、螺旋入射状態を検討すると、波長板の作用が、ヘリシティを｜ＬＣＰ＞から｜ＲＣＰ＞に、またはその逆に切り替えることが分かり得る。
【０１５８】
図１７Ａの下行を参照すると、入射｜ＬＣＰ＞ビームの電場は、ベクトル１７０４によって示されるように、初期時間ｔ＝ｔ０において、正のｙ軸に上向きに指向される。４分の１の光学サイクル（すなわち、π／２）後、光は、ベクトル１７０８によって示されるように、負のｙ−方向に沿って指向される。図１７Ａの中央行における波長板の作用は、ベクトル１７０４および１７０８を高速軸の平面および光の伝搬方向に設置されたミラー内に鏡映させることである。本ミラーの作用は、ベクトル１７０４を正のｘ−方向に反転させ、ベクトル１２０８を元の方向に保つことである。その結果、｜ＬＣＰ＞ビームは、｜ＲＣＰ＞ビームに変換される。
【０１５９】
図１７Ｂ−１７Ｈは、波長板の高速軸が、それぞれ、π／４、π／２、３π／４、π、５π／４、３π／２および７π／４の角度θだけ回転されるとき、｜ＬＣＰ＞ビームの偏光ベクトルが変化する様子を図示する。回転角から独立して、｜ＲＣＰ＞出力ビームが、生産される。しかしながら、図１７Ａを参照すると、ベクトル１７０４および１７０８の生産された位相遅延が、φｇ＝２θによって求められる。例えば、図１７Ｅに示されるように、θ＝π／２であるとき、波長板の作用は、ベクトル１７０４を同一方向に保ちながら、ベクトル１７０８を負のｙ−方向から正のｙ−方向に反転させることである。これは、ＬＣＰの入射光に関してφｇ＝２θ＝π遅延される、｜ＲＣＰ＞ビームを生産する。したがって、図示される半波長板に関して、図１７Ａに示される状態に到達するよりかなり前に、光学サイクルの半分を費やすであろう。
【０１６０】
したがって、例証的実施例として、等離間され、近傍間の一定配向角差、例えば、Δθ＝π／８を特徴とする、８つの半波長板要素を通して通過した後、透過されたＲＣＰ波は、近傍波長板間に一定位相差Δφｇ＝π／４を示す。０〜πで変動する高速軸配向を伴う８つの波長板要素を使用することによって、完全０〜２π範囲を網羅する位相遅延／ピックアップが、達成され得る。しかしながら、可視光に関する高回折角を有する、半波長板要素を加工することは、困難であり得る。これは、回折角が、とりわけ、周期的反復波長板要素の周期の長さに依存するためであって、比較的に多数の半波長板要素を比較的に短い長さの周期内に形成することは、空間制約に起因して困難であり得る。
【０１６１】
図１７Ａ−１７Ｈでは、例証的目的のために、図示される半波長板は、近傍波長板間の一定配向角度差Δθを有する、８つの等しく離間された近傍半波長板要素を含み、各波長板要素は、その中に組み込まれる無機材料を有する、周期的反復ポリマーベースの光学構造のパターンを含む。しかしながら、実施形態は、そのように限定されず、以下では、より少ない数の波長板要素を伴う、比較的に高い回折角および回折効率および比較的に広い入射角を横断した回折効率の均一性において、完全０〜２π範囲を網羅する、位相遅延／ピックアップが、達成され得る、回折格子の実施形態である。
【０１６２】
ＰＢＯＥを備えるメタ表面の用途は、種々の他の用途の中でもとりわけ、回折格子、例えば、ブレーズド格子、集束レンズ、およびアキシコンを含む。本明細書に説明されるように、ブレーズド格子は、光ビームをいくつかの回折次数の中に操向することが可能である。ブレーズド格子は、１つ以上の回折次数、例えば、＋１および／または−１次回折次数において高格子効率を達成し、したがって、他の次数（例えば、ゼロ次）における残留屈折力が低い間に、屈折力を所望の回折次数において集中させるように構成されてもよい。本開示では、回折格子として構成されるＰＢＯＥを備える、メタ表面の種々の実施形態が、説明される。種々の実施形態による、回折格子は、高回折角、高回折効率、広範囲の受光角、および受光角の範囲内の高度に均一な回折効率のうちの１つ以上のものを含む、望ましい光学性質の組み合わせを有する。これらの望ましい光学性質は、メタ表面の要素の材料、寸法、および幾何学的構成を含む、本発明の種々の側面の組み合わせから生じ得る。
【０１６３】
本明細書に説明されるように、可視光は、赤色、緑色、または青色範囲を含む、種々の色範囲内の１つ以上の波長を有する、光を含み得る。本明細書に説明されるように、赤色光は、約６２０〜７８０ｎｍの範囲内の１つ以上の波長の光を含み得、緑色光は、約４９２〜５７７ｎｍの範囲内の１つ以上の波長の光を含み得、青色光は、約４３５〜４９３ｎｍの範囲内の１つ以上の波長の光を含み得る。したがって、可視は、約４３５ｎｍ〜７８０ｎｍの範囲内の１つ以上の波長の光を含み得る。
【０１６４】
本明細書に説明されるように、例えば、平行、公称上平行、または略平行である、ナノビーム、ライン、線分、またはユニットセルとしての特徴は、伸長方向に約１０％未満、約５％未満、または約３％未満異なる、伸長方向を有する、特徴を指す。加えて、垂直、公称上垂直、または略垂直である、特徴は、伸長方向に約１０％未満、約５％未満、または約３％未満、９０度から逸脱する、伸長方向を有する、特徴を指す。
【０１６５】
本明細書に説明されるように、回折格子等の光を回折するように構成される構造は、透過モードおよび／または反射モードで光を回折し得る。本明細書に説明されるように、透過モードで光を回折するように構成される構造は、構造の光入射側と反対側上の回折された光の強度が、構造の光入射側と同一側上の回折光の強度と比較して、例えば、少なくとも１０％超、２０％超、または３０％超上回る、構造を指す。逆に言えば、反射モードで光を回折するように構成される構造は、構造の光入射側と同一側上の回折光の強度が、構造の光入射側と反対側上の回折光の強度と比較して、例えば、少なくとも１０％超、２０％超、または３０％超上回る、構造を指す。
【０１６６】
本明細書に説明されるように、ビームまたはナノビームとも称される、ラインは、ある体積を有する、伸長構造である。ラインまたはナノビームは、上記に説明されるように、その中に組み込まれる無機材料を有する、ポリマー材料から形成される。ラインは、任意の特定の断面形状に限定されないことを理解されたい。いくつかの実施形態では、断面形状は、長方形である。
【０１６７】
図１８Ａおよび１８Ｂは、それぞれ、いくつかの実施形態による、幾何学的位相光学要素を有するメタ表面を備える、回折格子１８００の断面側面図および上下図を図示する。回折格子１８００は、２レベル幾何学的位相メタ表面を備える。図１８Ａを参照して図示される断面側面図は、図１８Ｂに図示される断面ＡＡ’のものである。回折格子１８００は、可視スペクトル内の波長を有する光を回折するように構成される、メタ表面１８０８が形成される、表面を有する、基板１８０４を含む。メタ表面１８０８は、第１の配向を有し、概して、第１の側方方向（例えば、ｙ−方向）に延在する、１つ以上の第１のラインまたはナノビーム１８１２と、概して、第２の方向（例えば、ｘ−方向）に延在する第２の配向を有する、複数の第２のラインまたはナノビーム１８１６とを含む。１つ以上の第１のラインまたはナノビーム１８１２および複数の第２のラインまたはナノビームは、上記に説明されるように、その中に組み込まれる無機材料を有する、ポリマー材料から形成される。第１のラインまたはナノビーム１８１２は、第１のセットのナノビームを形成すると見なされ得、第２のラインまたはナノビーム１８１６は、第２のセットのナノビームを形成すると見なされ得る。１つ以上の第１のライン１８１２および第２のライン１８１６は、第２の方向に相互に隣接して配置され、第１のライン１８１２および第２のライン１８１６は、メタ表面が回折するように構成される、光の波長未満の周期において、第２の方向に交互に反復する。
【０１６８】
好ましくは、第１のライン１８１２はそれぞれ、同一幅を有する。いくつかの実施形態では、第２のライン１８１６は、隣接する対の１つ以上の第１のライン１８１２の間で、ｙ−方向に側方にスタックされる。理論によって限定されるわけではないが、１つ以上の第１のライン１８１２および第２のライン１８１６は、相互に対してある角度で配向され、好ましくは、１つ以上の第１のライン１８１２によって回折される可視光と第２のライン１８１６によって回折される可視光との間に位相差を生じさせ、１つ以上の第１のライン１８１２によって回折される可視光と第２のライン１８１６によって回折される可視光との間の位相差は、角度の２倍である。
【０１６９】
いくつかの実施形態では、図１７Ａ−１７Ｈを参照して上記に図示される波長板の組み合わせと同様に、０〜πで変動し得る、第２のライン１８１６に対する１つ以上の第１のライン１８１２の相対的配向によって生じる位相差を用いることで、完全０〜２π範囲を網羅する位相ピックアップ／遅延が、達成され得る。いくつかの実施形態では、１つ以上の第１のライン１８１２および第２のライン１８１６のうちの一方が、例えば、相互に垂直に、他方に対してπだけ回転されると、２πの位相ピックアップ／遅延が、１つ以上の第１のライン１８１２と第２のライン１８１６との間に達成され得る。すなわち、図１８Ａ−１８Ｈと異なり、完全０〜２π範囲を網羅する位相ピックアップ／遅延が、いくつかの実施形態によると、単に２つの異なる方向に配向されるラインを有する２レベル幾何学的位相メタ表面に基づいて、達成され得る。有利には、図１７Ａ−１７Ｈと異なり、図１７Ａ−１７Ｈを参照して図示される波長板の組み合わせを用いることで、図示されるメタ表面１８０８によって占有される占有面積は、よりコンパクトであり、可視スペクトル内の波長以下の周期を有し、これは、ひいては、回折されたビーム１８３８、１８４２の比較的に高い回折角θを可能にする。
【０１７０】
第１のライン１８１２および第２のライン１８１６は、光学的に透過性の材料から形成される。本願および本明細書全体を通して説明されるように、「透過性」または「透明」構造、例えば、透過性基板は、入射光の少なくとも一部、例えば、少なくとも２０、３０、５０、７０、または９０％が、それを通して通過することを可能にし得る。故に、透明基板は、いくつかの実施形態では、ガラス、サファイア、またはポリマー基板であってもよい。「反射」構造、例えば、反射基板は、入射光の少なくとも一部、例えば、少なくとも２０、３０、５０、７０、９０％、またはそれを上回るものを反射させ、そこから反射させ得る。
【０１７１】
１つ以上の第１のライン１８１２および第２のライン１８１６は、紙面から突出し、紙面に沿って延在し、幅を有する、突出部、隆起、縦溝、またはナノワイヤであるものとして説明され得る。加えて、または代替として、隣接する第１のライン１８１２間および／または隣接する第２のライン１８１６間の分離の領域は、紙面の中に陥凹し、間隔を有する、凹部、トラフ、陥凹、またはトレンチであるものとして説明され得る。いくつかの実施形態では、第１のライン１８１２および第２のライン１８１６は、ｙ−ｚ平面に略長方形断面形状を有する、伸長長方形構造である。しかしながら、第１のライン１８１２および第２のライン１８１６が、円形、楕円形、三角形、平行四辺形、菱形、台形、五角形、または任意の好適な形状の形状を取り得る、断面形状を有する、他の実施形態も、可能性として考えられる。
【０１７２】
以下では、１つ以上の第１のライン１８１２および第２のライン１８１６の寸法および幾何学的配列を含む、種々の構成が、説明され、その複合効果は、比較的に高い回折角、比較的に高い回折効率、比較的に広範囲の受光角、および受光角の範囲内の比較的に均一な効率のうちの１つ以上のものを含む、本明細書に説明される望ましい光学性質を伴う幾何学的位相光学要素に基づいて、格子を生産することである。
【０１７３】
依然として、図１８Ａおよび１８Ｂを参照すると、動作時、入射光ビーム１８３０、例えば、可視光が、表面１８０４Ｓに対して法線であって、第１のライン１８１２、例えば、ｙ−ｚ平面と平行方向に延在する、平面に対して測定される、入射角αにおいて、メタ表面１８０８上に入射すると、格子１８００は、透過光ビーム１８３４として、入射光を部分的に透過させ、回折角θ１における＋１次１８４２の回折光ビームおよび回折角θ２における−１次１８３８の回折光ビームとして、入射光を部分的に回折し、回折角は、αを測定するための同一平面、例えば、ｙ−ｚ平面に対して測定される。回折光ビーム１８３８および１８４２の一方または両方が、導波管として構成される基板１８０４内の全内部反射の発生のための臨界角θＴＩＲを超える回折角で回折されると、回折光ビーム１８３８および１８４２は、光ビームが、光分散要素７３０、７４０、７５０および外部結合光学要素８００、８１０、８２０（図９Ｂ）に対応し得る、ＯＰＥ／ＥＰＥ１８４６に到達するまで、全内部反射（ＴＩＲ）下でｘ−軸に沿ってそれらの個別の反対方向に伝搬する。
【０１７４】
任意の理論によって拘束されるわけではないが、サブ波長特徴サイズを有する、第１のライン１８１２および第２のライン１８１６が、漏出モード共鳴をサポートするとき、光を閉じ込め、それによって、位相遅延をＴＥおよびＴＭ照明下で生産された散乱光波に生じさせ得る。１つ以上の第１のライン１８１２および第２のライン１８１６内の光の閉じ込めの有効性は、共振器として動作する導波管として構成されることから生じ得、結果として生じる回折効率は、他の要因の中でもとりわけ、第１のライン１８１２および第２のライン１８１６の材料の屈折率およびサブ波長寸法に依存し得ることが見出されている。
【０１７５】
故に、いくつかの実施形態では、第１のライン１８１２および／または第２のライン１８１６は、比較的に高屈折率を有する、材料から形成される。故に、上記に説明されるように、実施形態によると、第１のライン１８１２および／または第２のライン１８１６は、無機材料の組み込み後、１．７、１．８、１．９、２．０、または２．１を上回り、第１の屈折率を少なくとも０．２、０．４、０．６、０．８、または１．０上回る、第２の屈折率を有する。
【０１７６】
図１８Ａおよび１８Ｂを継続して参照すると、上記に説明される種々の材料から形成されることに加え、１つ以上の第１のライン１８１２および第２のライン１８１６は、寸法の特定の組み合わせを有し、移相を光に誘発する、サブ波長サイズの共振器としての役割を果たす。
【０１７７】
種々の実施形態では、第１のライン１８１２のＷｎａｎｏ１および第２のライン１８１６のＷｎａｎｏ２はそれぞれ、メタ表面１８０８が回折するように構成される、光の波長より小さく、好ましくは、可視スペクトル内の波長より小さい。いくつかの実施形態では、Ｗｎａｎｏ１およびＷｎａｎｏ２はそれぞれ、１０ｎｍ〜１μｍ、１０ｎｍ〜５００ｎｍ、１０ｎｍ〜３００ｎｍ、１０ｎｍ〜１００ｎｍ、または１０ｎｍ〜５０ｎｍの範囲内、例えば３０ｎｍである。いくつかの実施形態によると、１つ以上の第１のライン１８１２はそれぞれ、同一幅Ｗｎａｎｏ１を有する。いくつかの実施形態によると、第２のライン１８１６はそれぞれ、同一幅Ｗｎａｎｏ２を有する。いくつかの実施形態によると、１つ以上の第１のライン１８１２および第２のライン１８１６は、同一幅を有する、すなわち、Ｗｎａｎｏ１＝Ｗｎａｎｏ２である。しかしながら、いくつかの他の実施形態では、Ｗｎａｎｏ１およびＷｎａｎｏ２は、実質的に異なり得る。さらに、いくつかの実施形態では、１つ以上の第１のライン１８１２のうちの異なるものおよび第２のライン１８１６の異なるものは、異なる幅を有してもよい。
【０１７８】
いくつかの実施形態によると、第２の方向における１つ以上の第１のライン１８１２のうちの直隣接するものは、一定間隔ｓ１によって分離される。加えて、第２の方向における相互に直隣接する、１つ以上の第１のライン１８１２のうちの１つおよび第２のライン１８１６のうちの１つは、一定間隔ｓ２によって分離される。いくつかの実施形態によると、ｓ１およびｓ２の一方または両方は、メタ表面１８０８が回折するように構成される、波長より小さい。加えて、第１のライン１８１２および第２のライン１８１６は、それぞれ、高さｈｎａｎｏ１およびｈｎａｎｏ２を有する。間隔ｓ１、ｓ２と高さｈｎａｎｏ１およびｈｎａｎｏ２の特定の組み合わせは、時として、受光角または視野（ＦＯＶ）の範囲とも称される、入射角αの所望の範囲（Δα）が、取得されるように選定されてもよい。本明細書に説明されるように、所望の範囲Δαは、αの負および正の値に及ぶ角度の範囲によって説明され得、その範囲外では、回折効率は、α＝０における回折効率に対して１０％超、２５％超、５０％超、または７５％超低下する。例えば、回折光の均一強度が、Δα内で所望される場合、回折効率が比較的に平坦であるΔαを有することが、望ましくあり得る。図１８Ａに戻って参照すると、入射光ビーム１８３０が、面法線、例えば、ｙ−ｚ平面に対して角度αでメタ表面１８０８および導波管１８０４の表面上に入射する。いくつかの実施形態によると、上記に説明されるように、Δαは、Δα内の光ビーム１８３０が、面法線（例えば、ｙ−ｚ平面）に対して回折角θでメタ表面１８０８によって効率的に回折されるように、メタ表面１８０８に関する角度帯域幅と関連付けられる。特に、θが、θＴＩＲである、またはそれ超えると、回折光は、全内部反射（ＴＩＲ）下で基板１８０４内を伝搬する。
【０１７９】
Δαは、第２の方向における１つ以上の第１のライン１８１２のうちの隣接するものおよび第１の方向における第２のライン１８１６のうちの直隣接するものによって生成される陰影効果に依存し得ることが見出されている。すなわち、入射光ビーム１８３０が、ある値を上回る入射角αで入射すると、特徴に向かって指向される入射光ビームは、直隣接する特徴によってブロックされ得る。例えば、Δαは、ｓ１／ｈｎａｎｏ１、ｓ２／ｈｎａｎｏ１、および／またはｓ２／ｈｎａｎｏ１のアークタンジェントと関連付けられ得る。種々の実施形態では、比ｓ１／ｈｎａｎｏ１、ｓ２／ｈｎａｎｏ１、および／またはｓ２／ｈｎａｎｏ１は、Δαが、２０度（例えば、＋／−１０度）、３０度（例えば、＋／−１５度）、４０度（例えば、＋／−２０度）、または５０度（例えば、＋／−２５度）を超える、またはこれらの値のうちのいずれかによって定義された角度の範囲であるように選択される。所望の比ｓ１／ｈｎａｎｏ１、ｓ２／ｈｎａｎｏ１、および／またはｓ２／ｈｎａｎｏ１は、例えば、ｓ１およびｓ２がそれぞれ、１０ｎｍ〜１μｍ、１０ｎｍ〜３００ｎｍ、１０ｎｍ〜１００ｎｍ、または１０ｎｍ〜５０ｎｍの範囲内、例えば３０ｎｍである場合に実現され得る。当然ながら、ｓ１およびｓ２の比較的に低い値は、ｈｎａｎｏ１およびｈｎａｎｏ２が、対応して、比較的に低い値を有する場合に実現され得る。
【０１８０】
有利には、いくつかの実施形態によると、１つ以上の第１のライン１８１２および／または第２のライン１８１６の材料の比較的に高い屈折率（ｎ２）は、比較的に薄い厚さまたは低い高さを可能にする。故に、種々の実施形態では、第１のライン１８１２および第２のライン１８１６は、いくつかの実施形態によると、ｎ１に応じて、１０ｎｍ〜１μｍ、１０ｎｍ〜５００ｎｍ、１０ｎｍ〜３００ｎｍ、１０ｎｍ〜１００ｎｍ、および１０ｎｍ〜５０ｎｍの範囲内、例えば１０７ｎｍであり得る、ｈｎａｎｏ１およびｈｎａｎｏ２を有する。例えば、ｈｎａｎｏ１およびｈｎａｎｏ２は、ｎ２が３．３を上回る、１０ｎｍ〜４５０ｎｍ、およびｎ１が３．３またはそれ未満である、１０ｎｍ〜１μｍであってもよい。別の実施例として、第１のライン１８１２および第２のライン１８１６の高さは、１０ｎｍ〜４５０ｎｍであってもよい。
【０１８１】
種々の実施形態によると、ｓ１とＷｎａｎｏ１の組み合わせは、ｓ１およびＷｎａｎｏ１の和として定義される、１つ以上の第１のライン１８１２のピッチ（ｐｎａｎｏ１）が、１０ｎｍ〜１μｍ、１０ｎｍ〜５００ｎｍ、１０ｎｍ〜３００ｎｍ、１０ｎｍ〜１００ｎｍ、または１０ｎｍ〜５０ｎｍの範囲から選択されたＷｎａｎｏ１と、１０ｎｍ〜１μｍ、１０ｎｍ〜３００ｎｍ、１０ｎｍ〜１００ｎｍ、または１０ｎｍ〜５０ｎｍの範囲から選択されたｓ１の和によって取得される値、例えばｐｎａｎｏ１＝９５．５ｎｍを有するように選択されてもよい。
【０１８２】
当然ながら、ｓ１およびｓ２の比較的に小さい値が、実現され得、ｈｎａｎｏ１およびｈｎａｎｏ２は、対応して、比較的に小さい値を有する。有利には、比較的に高い屈折率ｎ１を伴う材料を使用して、１つ以上の第１のライン１８１２および／または第２のライン１８１６を形成することで、ｓ１、ｓ２、ｈｎａｎｏ１、およびｈｎａｎｏ２の比較的に小さい値が、取得され得る。これは、本発明者らが見出したように、ｈｎａｎｏ１およびｈｎａｎｏ２が、第１のライン１８１２および第２のライン１８１６を形成する材料のバルク屈折率に反比例し得るためである。故に、上記に説明されるような屈折率を有するポリマーベースの光学構造に関して、ｈｎａｎｏ１およびｈｎａｎｏ２は、種々の実施形態では、それぞれ、５００ｎｍ〜１μｍ、３００ｎｍ〜５００ｎｍ、１００ｎｍ〜３００ｎｍ、および１０ｎｍ〜１００ｎｍの範囲内であり得る。したがって、１つ以上の第１のライン１８１２および第２のライン１８１６の高バルク屈折率ｎ１を有する材料と、対応する寸法ｓ１、ｓ２、ｈｎａｎｏ１、およびｈｎａｎｏ２との特定の組み合わせによって、全体的ピッチΛａもまた、対応して、減少され、これは、ひいては、下記にさらに説明されるように、回折角θを増加させ得る。
【０１８３】
好ましくは、ｈｎａｎｏ１およびｈｎａｎｏ２は、実質的に等しく、これは、加工のために有利であり得る。しかしながら、実施形態は、そのように限定されず、ｈｎａｎｏ１およびｈｎａｎｏ２は、実質的に異なり得る。
【０１８４】
種々の実施形態では、第１のライン１８１２および／または第２のライン１８１６は、そのバルク屈折率（ｎ２ｂｕｌｋ）が基板１８０４の屈折率ｎ１より高い、すなわち、ｎ２ｂｕｌｋ＞ｎ１である、材料から形成される。いくつかの実施形態では、基板１８０４は、導波管として構成されてもよく、導波管３１０、３００、２９０、２８０、２７０（図６）および／または導波管６７０、６８０、および６９０（図９Ａ）に対応し得る。そのような用途では、基板は、好ましくは、空気のものの間であるが、ｎ１ｂｕｌｋ未満である、例えば、１．５、１．６、１．７、１．８、１．９、またはそれより高いが、ｎ２ｂｕｌｋ未満である、屈折率を有し、これは、基板１８１６から光を出力することによって画像を形成する、ディスプレイのΔαを増加させるための利益を提供し得る。
【０１８５】
依然として、図１８Ａおよび１８Ｂを参照すると、メタ表面１８０８は、少なくともｘ−方向に反復する、複数のメタ表面ユニットセル１８２０を形成するものとして説明され得る。本明細書に説明されるように、メタ表面ユニットセル１８２０は、１つ以上の第１のライン１８１２と、第２のライン１８１６とを含む、ｘ−方向における最小反復寸法を有する、占有面積として定義され得る。実施例として、各ユニットセル１８２０は、１つのユニットセル１８２０の第１のライン１８１２のうちの左のものの左垂直側から、直隣接するユニットセル１８２０の第１のライン１８１２のうちの左のものの左垂直側まで測定されたユニットセル幅１８２０ａに跨架し、それによって、図示される実施形態では、ｙ−方向にスタックされた一対の第１のライン１８１２と、１列の第２のライン１８１６とを含む。
【０１８６】
本明細書に説明されるように、メタ表面ユニットセル１８２０の側方寸法またはユニットセル１８２０の反復ユニットの周期は、本明細書では、ユニットセルピッチΛａと称され得る。ピッチΛａは、導波管１８０４を横断してｘ−方向に規則的インターバルで、少なくとも２回、反復する。言い換えると、ユニットセルピッチΛａは、直近傍ユニットセル１８２０の同じ点の間の距離であり得る。種々の実施形態では、Λａは、格子１８００が回折するように構成される、波長より小さくあり得、約４３５ｎｍ〜７８０ｎｍの範囲内の波長または任意の波長より小さくあり得る。少なくとも赤色光を回折するように構成される、いくつかの実施形態では、Λａは、約６２０〜７８０ｎｍの範囲内の波長（または任意の波長）未満であり得る。少なくとも緑色光を回折するように構成される、いくつかの他の実施形態では、Λａは、約４９２〜５７７ｎｍの範囲内の波長（または任意の波長）未満であり得る。少なくとも青色光を回折するように構成される、いくつかの他の実施形態では、Λａは、約４３５〜４９３ｎｍの範囲内の波長（または任意の波長）未満であり得る。代替として、種々の実施形態によると、Λａは、１０ｎｍ〜５００ｎｍまたは３００ｎｍ〜５００ｎｍを含む、１０ｎｍ〜１μｍの範囲内であってもよい。本明細書に開示されるメタ表面はそれぞれ、光を回折するために利用され得、ディスプレイシステム２５０（図６）の一部であり得、ディスプレイシステム１０００は、狭帯域の波長を有する光をメタ表面に指向するように構成され得ることを理解されたい。好ましくは、所与のメタ表面に関するΛａは、ディスプレイシステムの光源がメタ表面に指向するように構成される、波長の帯域の最小波長未満である。
【０１８７】
いくつかの実施形態では、Λａは、比ｍλ／（ｓｉｎα＋ｎ２ｓｉｎθ）未満である値を有し得、ｍは、整数（例えば、１、２、３…）であって、α、ｎ２、およびθはそれぞれ、本明細書の他の場所に説明される値を有することが見出されている。例えば、αは、４０度を超える範囲Δα内であってもよく、ｎ２は、１〜２の範囲内であってもよく、θは、４０〜８０度の範囲内であってもよい。
【０１８８】
いくつかの実施形態では、Λａは、複数のユニットセルによって形成される格子１８００の表面１８０４Ｓを横断して実質的に一定であり得る。しかしながら、実施形態は、そのように限定されず、いくつかの他の実施形態では、Λａは、表面１８０４Ｓを横断して変動してもよい。
【０１８９】
依然として、図１８Ｂを参照すると、いくつかの実施形態では、第２のライン１８１６はそれぞれ、少なくとも２倍、３倍、４倍、またはそれを上回って、１つ以上の第１のライン１８１２のそれぞれより短い長さである。しかしながら、第２のライン１８１６が１つ以上の第１のライン１８１２より長い実施形態も、可能性として考えられる。種々の実施形態によると、１つ以上の第１のライン１８１２は、２００μｍ〜５ｍｍ、２００μｍ〜１ｍｍ、または１ｍｍ〜５ｍｍの範囲内の長さＬ１を有してもよい。種々の実施形態によると、第２のライン１８１６は、１００ｎｍ〜５００ｎｍ、１００ｎｍ〜３００ｎｍ、および３００ｎｍ〜５００ｎｍの範囲内の長さＬ２を有してもよい。いくつかの実施形態では、１つ以上の第１のライン１８１２は、メタ表面によって形成される光学要素の総側方寸法に対応する、例えば、ライン１８１２を備えるメタ表面によって形成される内部結合または外部結合光学要素の長さに対応する、長さＬ１を有してもよい。いくつかの実施形態では、第２のラインは、ユニットセルピッチΛａの約４０％〜約６０％、例えば、Λａの約５０％である、長さＬ２を有する。いくつかの実施形態では、Ｌ１は、１つ以上の第１のライン１８１２が、ｙ−方向において、５つの第２のライン１８１６に対応する距離に跨架するようなものである。しかしながら、１つ以上の第１のライン１８１２は、種々の実施形態によると、ｙ−方向において、１を上回る、例えば、１０を上回る、２０を上回る、５０を上回る、または１００を上回る、または１０、２０、および１００のうちのいずれかの間の範囲内の任意の好適な数の第２のライン１８１６に対応する距離に跨架し得ることを理解されたい。
【０１９０】
依然として、図１８Ａおよび１８Ｂを参照すると、いくつかの実施形態では、第２のライン１８１６はそれぞれ、第２のライン１８１６が、ｘ−方向に延在し、１つ以上の第１のライン１８１２のうちのいずれにも交差することなく共終端するように、同一長さを有する。しかしながら、第２のライン１８１６が異なる長さを有する実施形態も、可能性として考えられる。
【０１９１】
依然として、図１８Ａの図示される実施形態を参照すると、１つ以上の第１のライン１８１２の延在方向（ｙ−方向）は、第２のライン１８１６の延在方向（ｘ−方向）と略垂直である。すなわち、第２のライン１８１６は、入射光の伝搬方向から（すなわち、紙面の向こう側に向けて）見ると、π／２の回転角だけ、１つ以上の第１のライン１８１２に対して回転される。しかしながら、実施形態は、そのように限定されず、第２のライン１８１６は、入射光の伝搬方向から（すなわち、紙面の向こう側に向けて）見ると、π／２より小さい角度だけ反時計回り方向に回転される、任意の方向に延在してもよい。例えば、第２のライン１８１６は、図１７Ｂ−１７Ｈに図示される波長板のナノビームが、図１７Ａに図示される波長板に対して回転される、類似様式において、１つ以上の第１のライン１８１２に対して回転されてもよい。例えば、第２のライン１８１６は、それぞれ、π／４、π／２、３π／４、π、５π／４、３π／２、および７π／４の回転角θだけ、１つ以上の第１のライン１８１２に対して回転されてもよい。したがって、｜ＬＣＰ＞ビームが、第１および第２のライン１８１２および１８１６を有するメタ表面１８０８上に入射すると、｜ＲＣＰ＞出力ビームが、生産され、ＴＥおよびＴＭ偏光に対応する偏光ベクトルの結果として生じる位相遅延は、φｇ＝２θの値を有し得、θは、波長板の高速軸が回転角θだけ回転されるときの回転角の変化である。特に、図示される実施形態に関して、１つ以上の第１のライン１８１２に対してθ＝π／２回転される、第２のライン１８１６は、入射光ビーム、例えば、｜ＬＣＰ＞ビームを回折し、それによって、回折｜ＲＣＰ＞ビームが、生成され、回折ビームは、第２のライン１８１６によって、φｇ＝２θ＝πだけ遅延される。したがって、図示される実施形態のように、ｘ−方向に交互の１つ以上の第１のライン１８１２および第２のライン１８１６が、一定配向角差Δθ＝π／２を有する、メタ表面１８０８を通して通過した後、透過ＲＣＰ波は、一定位相差Δφｇ＝πを１つ以上の第１のライン１８１２および第２のライン１８１６の隣接するものの間に示す。その結果、高速軸配向を０〜πで変動させることによって、完全０〜２π範囲を網羅する、位相ピックアップ／遅延が、達成され得るが、図１７Ａ−１７Ｈにおける図示される実施例と比較して、はるかにコンパクトなユニットセルピッチと、より高い回折角とを伴う。
【０１９２】
無機材料を組み込む、ポリマーベースの光学構造から形成される幾何学位相メタ表面ベースの格子を有する、ディスプレイデバイス
本明細書に開示されるように、上記に説明される種々の実施形態では、メタ表面として構成され得る、その中に組み込まれる無機材料を有する、周期的ポリマーベースの光学構造は、内部結合光学要素（例えば、内部結合光学要素７００、７１０、７２０（図９Ａ）のうちの１つ以上のものとして）として実装され、光が全内部反射を介して基板１３０４を通して伝搬するように、入射光を内部結合してもよい。しかしながら、メタ表面１８０８はまた、その上に衝突する光を基板１８０４内から偏向させるように構成され得ることを踏まえて、いくつかの実施形態では、本明細書に開示されるメタ表面は、内部結合光学要素を表面２０００ａ上の異なる場所に形成する代わりに、またはそれに加え、外部結合光学要素５７０、５８０、５９０、６００、６１０（図６）または８００、８１０、８２０（図９Ｂ）のうちの１つ以上のもの等の外部結合光学要素を形成するために適用されてもよい。いくつかの他の実施形態では、メタ表面１８０８は、光分散要素（例えば、ＯＰＥ）７３０、７４０、７５０（図９Ｂ）として利用されてもよい。異なる導波管が、異なる関連付けられた原色を有する場合、各導波管と関連付けられた外部結合光学要素および／または内部結合光学要素は、導波管が伝搬させるように構成される、光の波長または色に特有の幾何学的サイズおよび／または周期性を有し得ることを理解されたい。したがって、異なる導波管は、１つ以上の第１のライン１８１２および第２のライン１８１６の異なる配列を伴う、メタ表面を有してもよい。特に、異なる配列は、入射光ビームの波長または色に依存し得る。例えば、入射光ビームの色に応じて、Λａは、格子１８００が回折するように構成される波長に従って、異なるように構成されてもよい。例えば、少なくとも赤色光、緑色光、または青色光を回折するために、メタ表面１８０８は、それぞれ、約６２０〜７８０ｎｍの範囲内の波長未満、約４９２〜５７７ｎｍの範囲内の波長未満、および約４３５〜４９３ｎｍの範囲内の波長未満である、Λａを有するように構成されてもよい。Λａをスケーリングするために、１つ以上の第１のライン１３１２および／または第２のライン１３１６の屈折率、幅、高さ、および間隔等のパラメータが、比例して調節されてもよい。代替として、Λａは、上記に説明されるように、ｓｉｎα、ｎ２、およびｓｉｎθのうちの１つ以上のものを補償することによって、入射光の異なる波長のために比較的に均一に保たれてもよい。
【０１９３】
図１９は、いくつかの他の実施形態による、幾何学的位相光学要素を有するメタ表面を備える、回折格子２５００の上下図を図示する。本明細書に開示されるメタ表面のいくつかの実施形態は、それぞれ、異なる方向に延在する、２〜４セットのナノビームから形成され得ることを理解されたい。図１８Ａ−１８Ｂは、２セットのナノビームを有する、メタ表面を図示し、図１９は、４セットのナノビームを有する、メタ表面を図示する。特に、図１９の回折格子２５００は、４レベル幾何学的位相メタ表面を備える。図１８Ａおよび１８Ｂを参照して上記に説明される回折格子１８００と同様に、回折格子２５００は、可視スペクトル内の波長を有する光を回折するように構成される、メタ表面が形成される、基板、例えば、導波管を含む。メタ表面は、第１の側方方向（例えば、ｙ−方向）に延在する、１つ以上の第１のライン２５１２と、第２の方向（例えば、ｘ−方向）に延在する、複数の第２のライン２５１６とを含む。１つ以上の第１のライン２５１２および第２のライン２５１６は、第２の方向に相互に隣接して配置され、第１のライン２５１２および第２のライン２５１６は、メタ表面が回折するように構成される、可視スペクトル内の波長未満の周期において、第２の方向に交互に反復する。いくつかの実施形態では、第２のライン２５１６は、隣接する対の第１のライン２５１２の間で、ｙ−方向に側方にスタックされる。回折格子２５００の１つ以上の第１のライン１８１２および第２のライン１８１６の種々の特徴は、以下の差異を除き、図１８Ａおよび１８Ｂを参照して上記に説明される回折格子１８００の対応する特徴に類似する。
【０１９４】
図１８Ａおよび１８Ｂを参照して上記に説明される回折格子１８００と異なり、回折格子２５００はさらに、それぞれ、第３の方向に延在する、複数の第３のライン２５１４と、それぞれ、第４の方向に延在する、複数の第４のライン２５１８との一方または両方を備える。第１、第２、第３、および第４の方向はそれぞれ、相互と異なり得る。複数の第３のライン２５１４は、第３のセットのナノビームを形成すると見なされ得、複数の第４のライン２５１８は、第４のセットのナノビームを形成すると見なされ得る。第３のライン２５１４は、第２のライン２５１６の第１の側上に配置され、１つ以上の第１のライン２５１２と第２のライン２５１６との間で第２の方向（例えば、ｘ−軸方向）に介在される。第４のライン２５１８は、第１の側と反対の第２のライン２５１６の第２の側上に配置され、別の１つ以上の第１のライン２５１２と第２のライン２５１６との間で第２の方向（例えば、ｘ−方向）に介在される。
【０１９５】
図１８Ａおよび１８Ｂを参照して上記に説明される回折格子１８００と異なり、回折格子２５００は、１つのみの第１のライン２５１２を有してもよい。いくつかの他の実施形態では、回折格子２５００は、複数の第１のライン２５１２、例えば、図１８Ａおよび１８Ｂを参照して上記に説明される回折格子１８００等の一対の第１のラインを有してもよい。
【０１９６】
いくつかの実施形態では、第３のライン２５１４および／または第４のライン２５１８が、それぞれ、第３および第４の方向に共終端するように、第３のライン２５１４は、同一長さを有し、および／または第４のライン２５１８は、同一長さを有する。しかしながら、第３のライン２５１４のうちの異なるものおよび／または第４のライン２５１８のうちの異なるものが共終端しない、他の実施形態も、可能性として考えられる。加えて、いくつかの実施形態では、共終端する第３のライン２５１４および共終端する第４のライン２５１８は、同一長さを有する。しかしながら、他の実施形態では、共終端する第３のライン２５１４および共終端する第４のライン２５１８は、異なる長さを有する。
【０１９７】
いくつかの実施形態では、第３のライン２５１４のうちの隣接するものは、第１の方向（例えば、ｙ−方向）に一定間隔によって分離され、および／または第４のライン２５１８のうちの隣接するものは、第１の方向に一定間隔によって分離される。しかしながら、第３のライン２５１４および／または第４のライン２５１８が一定間隔によって分離されない、他の実施形態も、可能性として考えられる。加えて、いくつかの実施形態では、一定に離間される第３のライン２５１４および一定に離間される第４のライン２５１８は、同一一定間隔を有する。しかしながら、他の実施形態では、一定に離間される第３のライン２５１４および一定に離間される第４のライン２５１８は、異なる間隔を有する。
【０１９８】
いくつかの実施形態では、第３のライン２５１４は、同一幅を有し、および／または第４のライン２５１８は、同一幅を有する。しかしながら、他の実施形態では、第３のライン２５１４および／または第４のライン２５１８は、異なる幅を有する。加えて、いくつかの実施形態では、同一幅を有する第３のライン２５１４および同一幅を有する第４のライン２５１８の幅は、同一である。しかしながら、いくつかの他の実施形態では、同一幅を有する第３のライン２５１４および同一幅を有する第４のライン２５１８の幅は、異なる。加えて、いくつかの実施形態では、第３のライン２５１４および第４のライン２５１８は、第１のライン２５１２および第２のライン２４１６の一方または両方と同一幅を有する。
【０１９９】
いくつかの実施形態では、第３のライン２５１４は、入射光の伝搬方向から（例えば、紙面の向こう側に向かって）見ると、１つ以上の第１のライン２５１２に対する第２のライン２５１６の最小回転角より小さい角度だけ、１つ以上の第１のライン２５１２に対して反時計回り方向に回転される、第３の方向に延在する。いくつかの実施形態では、第２のライン２５１６は、１つ以上の第１のライン２５１２に対して９０°またはπ／２回転され、第３のライン２５１４は、１つ以上の第１のライン２５１２に対して４５°またはπ／４回転される。加えて、第４のライン２５１８は、入射光の伝搬方向から見ると、１つ以上の第１のライン２５１２に対して第２のライン２５１６の最小回転角を上回る角度だけ、１つ以上の第１のライン２５１２に対して反時計回り方向に回転される、第４の方向に延在する。いくつかの実施形態では、第２のライン２５１６は、１つ以上の第１のライン２５１２に対して９０°またはπ／２回転され、第３のライン２５１４は、１つ以上の第１のライン２５１２に対して１３５°または３π／４回転される。
【０２００】
いくつかの実施形態では、図１７Ａ−１７Ｈを参照して上記に図示される波長板の組み合わせと同様に、１つ以上の第１のライン２５１２、第２のライン２５１６、第３のライン２５１４、および第４のライン２５１８の相対的配向によって生じる位相差は、０〜πで変動し得る。第３のライン２５１４、第４のライン２５１８、および第２のライン２５１６が、１つ以上の第１のライン２５１２に対してπ／４、３π／４、およびπ回転されると、π／２、３π／２、および２πの位相ピックアップ／遅延が、いくつかの実施形態によると、完全０〜２π範囲を網羅する位相ピックアップ／遅延が達成され得るように、それぞれ、達成され得る。結果として、高速軸配向を０〜πで変動させることによって、完全０〜２π範囲を網羅する、位相ピックアップ／遅延が、達成され得るが、図１２Ａ−１２Ｈに図示される実施例と比較して、はるかにコンパクトなユニットセルピッチおよびより高い回折角を伴う。
【０２０１】
無機材料を組み込む、ポリマーベースの光学構造を備える、幾何学位相メタ表面に基づく、ディスプレイデバイス
ディスプレイシステムの種々の実施形態では（例えば、図９Ａおよび９Ｂに戻って参照）、導波管のセット１２００は、透過モードで動作するように構成される、メタ表面回折格子として構成され得る、その中に組み込まれる無機材料を有する、周期的ポリマーベースの光学構造を含んでもよい。種々の実施形態では、導波管のセット１２００は、各原色（Ｒ、Ｇ、Ｂ）に対応する、導波管６７０、６８０、６９０を含み、これは、ひいては、その中またはその上に、図１８Ａおよび１８Ｂおよび１９を参照して上記に説明される、回折格子１３００、２５００を含む、またはそれに対応し得る、内部結合光学要素７００、７１０、７２０のうちの個別のものを形成している。導波管６７０、６８０、６９０は、加えて、その中またはその上に、図１８Ａおよび１８Ｂを参照して上記に説明される、ＥＰＥ／ＯＰＥ１８４６を含む、またはそれに対応する、光分散要素（例えば、ＯＰＥ）７３０、７４０、７５０および／または外部結合光学要素（例えば、ＥＰＥ）８００、８１０、８２０の個別のうちのものを形成している。動作時、いくつかの実施形態では、入射光ビーム１８３０、例えば、可視光が、入射角αでメタ表面１８０８上に入射すると、格子１８００、２５００は、入射光を回折光ビーム１８４２、１８３８の中に回折角θ２で回折する。回折光ビーム１８３８および１８４２の一方または両方が、屈折率ｎ２を有する導波管として構成される、基板１８０４のための全内部反射の発生のために、臨界角θＴＩＲを超える回折角で回折されると、すなわち、条件θ２＞θＴＩＲおよびθ１＞θＴＩＲの一方または両方が満たされると、回折光ビーム１８３８および１８４２の一方または両方は、全内部反射（ＴＩＲ）によって、ｘ−軸に沿ってそれらの個別の反対方向に伝搬する。続いて、いくつかの実施形態では、回折光ビーム１８４６は、図９Ａおよび９Ｂを参照して上記に説明される、直交瞳エクスパンダ（ＯＰＥ）１８４６または射出瞳エクスパンダ（ＥＰＥ）１８４６に到達するまで、ＴＩＲモード下で基板１８０４の中に結合される。
【０２０２】
種々の実施形態による、その上にメタ表面が形成された導波管として構成される、基板１８０４は、本明細書に開示されるシステム２５０（図６）等のディスプレイシステムを形成するために使用され得ることを理解されたい。例えば、メタ表面は、本明細書に説明されるように、内部結合、光分散、および／または外部結合光学要素として利用されてもよい。いくつかの実施形態では、メタ表面の加工後、導波管２０００は、画像情報を空間光変調器から導波管の中に投入するための光パイプ等の光パイプに光学的に結合されてもよい。光パイプは、いくつかの実施形態では、光ファイバであってもよい。光パイプの実施例は、画像投入デバイス３６０、３７０、３８０、３９０、４００（図６）および走査光ファイバを含む。いくつかの実施形態では、それぞれ、メタ表面１８０８を有する、複数の導波管が、提供されてもよく、これらの導波管はそれぞれ、１つ以上の画像投入デバイスに光学的に結合されてもよい。
付加的実施例
１．光学要素を加工する方法であって、
第１の屈折率および可視スペクトル内における透明性を有する、基板を提供することと、
基板上に、周期的反復ポリマー構造を形成することと、
基板を、金属前駆体に、その後、酸化前駆体に暴露することと、
を含み、暴露することは、金属前駆体の金属を含む、無機材料が、周期的反復ポリマー構造の中に組み込まれ、それによって、可視光を回折するように構成された周期的反復光学構造のパターンを形成するような圧力および温度下で実施され、光学構造は、第１の屈折率を上回る第２の屈折率を有する、方法。
２．暴露することは、圧力約１００ｍＴｏｒｒ〜約１０Ｔｏｒｒ下で実施される、実施例１に記載の方法。
３．暴露することは、摂氏約１５０度より低い温度で実施される、実施例１または実施例２に記載の方法。
４．周期的反復ポリマー構造を形成することは、ナノインプリントによってパターン化することを含む、先行実施例のいずれか１項に記載の方法。
５．周期的反復ポリマー構造を形成することは、リソグラフィでパターン化することを含む、先行実施例のいずれか１項に記載の方法。
６．周期的反復ポリマー構造は、そのバルク屈折率が第２の屈折率未満である、材料から形成され、無機材料は、第２の屈折率より高いバルク屈折率を有する、先行実施例のいずれか１項に記載の方法。
７．第２の屈折率は、１．７を上回り、第１の屈折率を少なくとも０．２上回る、先行実施例のいずれか１項に記載の方法。
８．基板は、１．５を上回る屈折率を有する、先行実施例のいずれか１項に記載の方法。
９．周期的反復ポリマー構造は、フォトレジストを含む、先行実施例のいずれか１項に記載の方法。
１０．基板を金属前駆体に暴露することは、アルミニウム、亜鉛、ジルコニウム、ハフニウムおよびチタニウムから成る群から選択される、遷移金属を含む、前駆体に暴露することを含む、先行実施例のいずれか１項に記載の方法。
１１．基板を金属前駆体および酸化前駆体に暴露することは、周期的反復ポリマー構造の暴露される表面を無機材料の少なくとも単層で飽和させるために十分な個別の前駆体の部分的圧力において、かつそのような持続時間にわたって、暴露することを含む、先行実施例のいずれか１項に記載の方法。
１２．基板を金属前駆体および酸化前駆体の一方または両方に暴露することは、１秒を超える持続時間にわたって暴露することを含む、先行実施例のいずれか１項に記載の方法。
１３．周期的反復ポリマー構造の中に組み込まれる、無機材料は、金属酸化物を含む、先行実施例のいずれか１項に記載の方法。
１４．金属酸化物は、遷移金属酸化物を含む、実施例１３に記載の方法。
１５．金属酸化物は、酸化アルミニウム、酸化亜鉛、酸化ジルコニウム、酸化ハフニウムおよび酸化チタニウムから成る群から選択される、酸化物を含む、実施例１４に記載の方法。
１６．暴露することは、基板の暴露される表面に対して選択的に、周期的反復ポリマー構造の暴露される表面を通して、無機材料を組み込む、先行実施例のいずれか１項に記載の方法。
１７．周期的反復ポリマー構造を形成することは、空間によって分離することを含み、空間は、その上にポリマー層がその上に配置されない基板表面を有し、暴露することは、空間内の基板表面上への無機材料の堆積または空間内の基板表面を通した無機材料の組み込みをもたらさない、実施例１６に記載の方法。
１８．周期的反復ポリマー構造を形成することは、空間によって分離することを含み、空間は、ポリマー層がその上に配置される基板表面を有し、ポリマー層は、周期的反復ポリマー構造の高さより小さい厚さを有し、暴露することは、無機材料を空間内の基板表面上に形成されるポリマー層の中に組み込む、実施例１６に記載の方法。
１９．空間内の基板表面上に形成される、ポリマー層は、無機材料を組み込む、全体厚を有する、実施例１８に記載の方法。
２０．空間内の基板表面上に形成される、ポリマー層は、無機材料を組み込む、部分的厚さと、無機材料を組み込まない、部分的厚さとを有する、実施例１８に記載の方法。
２１．光学要素であって、
第１の屈折率および可視スペクトル内における透明性を有する、基板と、
基板上に形成され、可視光を回折するように構成される、周期的反復光学構造のパターンであって、光学構造は、第１の屈折率を上回る第２の屈折率を有し、その中に組み込まれる無機材料を有する、ポリマー材料を含む、周期的反復光学構造のパターンと、
を備える、光学要素。
２２．ポリマー材料は、第２の屈折率未満のバルク屈折率を有し、無機材料は、第２の屈折率より高いバルク屈折率を有する、実施例２１に記載の光学要素。
２３．第２の屈折率は、１．７を上回り、第１の屈折率を少なくとも０．２上回る、実施例２１または実施例２２に記載の光学要素。
２４．基板は、１．５を上回る屈折率を有する、実施例２１−２３のいずれか１項に記載の光学要素。
２５．ポリマー材料は、フォトレジストを含む、実施例２１−２４のいずれか１項に記載の光学要素。
２６．無機材料は、遷移金属酸化物を含む、実施例２１−２５のいずれか１項に記載の光学要素。
２７．無機材料は、金属酸化物を含む、実施例２６に記載の光学要素。
２８．金属酸化物は、酸化アルミニウム、酸化亜鉛、酸化ジルコニウム、酸化ハフニウムおよび酸化チタニウムから成る群から選択される、酸化物を含む、実施例２７に記載の光学要素。
２９．無機材料は、光学構造の表面領域の中に組み込まれ、光学構造のコア領域は、無機材料がその中に組み込まれない、実施例２７に記載の光学要素。
３０．周期的反復光学構造の隣接するものは、空間によって分離され、空間内の基板の表面は、無機材料がその上に配置されない、実施例２１−２９のいずれか１項に記載の光学要素。
３１．     周期的反復光学構造の隣接するものは、空間によって分離され、空間内の基板の表面は、その中に組み込まれる無機材料を有する、その上に形成されるポリマー材料の層を有し、ポリマー材料の層は、光学構造の高さより小さい厚さを有する、実施例２１−３０のいずれか１項に記載の光学要素。
３２．空間内に形成される、ポリマー材料の層は、厚さ全体が無機材料とともに組み込まれる、実施例３１に記載の光学要素。
３３．空間内に形成される、ポリマー材料の層は、部分的厚さが表面領域において無機材料とともに組み込まれ、部分的厚さが無機材料とともに組み込まれない、実施例３１に記載の光学要素。
３４．基板は、周期的反復光学構造によって回折される可視光が全内部反射下で伝搬するように構成される、実施例２１−３３のいずれか１項に記載の光学要素。
３５．光学システムであって、
光学要素であって、
第１の屈折率および可視スペクトル内における透明性を有する、基板と、
基板上に形成され、可視光を回折するように構成される、周期的反復光学構造のパターンであって、光学構造は、第１の屈折率を上回る第２の屈折率を有し、その中に組み込まれる無機材料を有する、ポリマー材料を含む、周期的反復光学構造のパターンと、
を備え、周期的反復光学構造は、メタ表面として配列される、ナノビームを備え、メタ表面は、複数の反復ユニットセルを備え、各ユニットセルは、
１つ以上の第１のナノビームによって形成される、第１のナノビームのセットと、
１つ以上の第１のナノビームに隣接して配置され、サブ波長間隔によって相互から分離される、１つ以上の第２のナノビームによって形成される、第２のナノビームのセットと、
を備え、１つ以上の第１のナノビームおよび複数の第２のナノビームは、異なる配向方向に伸長される、
光学要素を備える、光学システム。
３６．ユニットセルは、約１０ｎｍ〜１μｍ以下の周期で反復する、実施例３５に記載の光学システム。
３７．１つ以上の第１のナノビームおよび第２のナノビームは、相互に対して、位相差を１つ以上の第１のナノビームによって回折される可視光と第２のナノビームによって回折される可視光との間に生じさせる角度で配向される、実施例３５または実施例３６に記載の光学システム。
３８．１つ以上の第１のナノビームおよび第２のナノビームは、相互に対して約９０度回転される配向方向に配向される、実施例３５−３７のいずれか１項に記載の光学システム。
３９．ユニットセルは、波長以下の周期で反復し、波長は、可視スペクトル内である、実施例３５−３８のいずれか１項に記載の光学システム。
４０．１つ以上の第１のナノビームおよび第２のナノビームは、波長より小さい高さを有する、実施例３５−３９のいずれか１項に記載の光学システム。
４１．可視光を伝搬するように構成される導波管を備える、光学システムであって、
光が全内部反射によってその中に誘導され得るように、第１の屈折率および可視スペクトル内における透明性を有する、基板と、
基板上に形成され、可視光を回折するように構成される、周期的反復光学構造のパターンであって、光学構造は、第１の屈折率を上回る第２の屈折率を有し、その中に組み込まれる無機材料を有する、ポリマー材料を含む、周期的反復光学構造のパターンと、
を備え、周期的反復光学構造は、光を入射光の方向に対してある回折角度で回折し、回折された光を全内部反射下で基板内を伝搬させるように配列される、または基板内で誘導される光の方向に対してある回折角度で、全内部反射下で基板内で誘導される光を回折するように配列される、光学システム。
４２．ポリマー材料は、第２の屈折率未満のバルク屈折率を有し、無機材料は、第２の屈折率より高いバルク屈折率を有する、実施例４１に記載の光学システム。
４３．第２の屈折率は、１．７を上回り、第１の屈折率を少なくとも０．２上回る、実施例４１または実施例４２に記載の光学システム。
４４．回折角度は、５０度を超える、実施例４１−４３のいずれか１項に記載の光学システム。
４５．波長の光を周期的反復光学構造のパターンに放出するように構成される、光源をさらに備える、実施例４１−４４のいずれか１項に記載の光学システム。
４６．光源からの光を変調させ、変調された光を周期的反復光学構造のパターンに出力するように構成される、空間光変調器をさらに備える、実施例４１−４５のいずれか１項に記載の光学システム。
４７．光をユーザの眼に投影し、拡張現実画像コンテンツを表示するように構成される、頭部搭載型ディスプレイデバイスであって、
ユーザの頭部上に支持されるように構成される、フレームと、
フレーム上に配置される、ディスプレイであって、ディスプレイの少なくとも一部は、
１つ以上の導波管であって、１つ以上の導波管は、透明であって、ユーザが頭部搭載型ディスプレイデバイスを装着すると、透明部分が、ユーザの正面の環境の一部からの光をユーザの眼に透過させ、ユーザの正面の環境の一部のビューを提供するように、ユーザの眼の正面の場所に配置される、１つ以上の導波管と、
１つ以上の光源と、
光源からの光を１つ以上の導波管の中に結合する、または光を１つ以上の導波管から外に結合するように構成される、少なくとも１つの回折格子であって、回折格子は、光学要素を備え、光学要素は、
第１の屈折率および可視スペクトル内における透明性を有する、基板と、
基板上に形成され、可視光を回折するように構成される、周期的反復光学構造のパターンであって、光学構造は、第１の屈折率を上回る第２の屈折率を有し、その中に組み込まれる無機材料を有する、ポリマー材料を含む、周期的反復光学構造のパターンと、
を備える、回折格子と、
を備える、ディスプレイと、
を備える、頭部搭載型ディスプレイデバイス。
４８．１つ以上の光源は、ファイバ走査プロジェクタを備える、実施例４７に記載のデバイス。
４９．ディスプレイは、画像コンテンツを複数の深度平面上においてユーザに提示するように、光をユーザの眼の中に投影するように構成される、実施例４７または実施例４８に記載のデバイス。
５０．暴露することは、１０ａｔｍ（大気圧）未満の圧力下で実施される、実施例１−２０のいずれか１項に記載の方法。
５１．暴露することは、摂氏２５度を上回る温度で実施される、実施例１−２０および５０のいずれか１項に記載の方法。
５２．基板を金属前駆体および酸化前駆体の一方または両方に暴露することは、約１秒〜約１０００秒の持続時間にわたって暴露することを含む、実施例１−２０および５０−５１のいずれか１項に記載の方法。
５３．周期的反復ポリマー構造の中に組み込まれる、無機材料は、金属窒化物を含む、実施例１−２０および５０−５２のいずれか１項に記載の方法。
５４．周期的反復光学構造は、メタ表面を備える、実施例２１−３４のいずれか１項に記載の光学要素。
５５．基板は、可視光が、全内部反射下でその中に誘導され、周期的反復光学構造によって基板から外に回折されるように構成される、実施例２１−３４および５４のいずれか１項に記載の光学要素。
５６．基板は、可視光が、全内部反射下でその中に誘導され、周期的反復光学構造によって回折され、全内部反射によって、基板内を伝搬する光ビームの方向を改変するように構成される、実施例２１−３４および５４−５５のいずれか１項に記載の光学要素。
５７．周期的反復光学構造は、光を入射光の方向に対してある回折角度で回折し、回折された光を全内部反射下で基板内を伝搬させるように配列される、実施例４１−４６のいずれか１項に記載の光学システム。
５８．周期的反復光学構造は、基板内で誘導される光の方向に対してある回折角度で、全内部反射下で基板内で誘導される光を回折するように配列される、実施例４１−４６および５７のいずれか１項に記載の光学システム。
５９．周期的反復光学構造は、全内部反射下で基板内で誘導される光を基板から外に回折するように配列される、実施例５８に記載の光学システム。
６０．光学要素を加工する方法であって、
可視スペクトル内で透過性の基板を提供することと、
基板上に、第１の屈折率を有する、周期的反復ポリマー構造を形成することと、
基板を、金属前駆体に、その後、酸化前駆体に暴露することと、
を含み、暴露することは、金属前駆体の金属を含む、無機材料が、周期的反復ポリマー構造の中に組み込まれ、それによって、周期的反復ポリマー構造の屈折率を増加させ、可視光を回折するように構成される、周期的反復光学構造のパターンを形成するような圧力および温度で実施される、方法。
６１．暴露することは、圧力約１００ｍＴｏｒｒ〜約１０Ｔｏｒｒ下で実施される、実施例６０に記載の方法。
６２．暴露することは、摂氏約１５０度より低い温度で実施される、実施例６０または実施例６１に記載の方法。
６３．周期的反復ポリマー構造を形成することは、ナノインプリントによってパターン化することを含む、実施例６０−６２のいずれか１項に記載の方法。
６４．周期的反復ポリマー構造を形成することは、リソグラフィでパターン化することを含む、実施例６０−６３のいずれか１項に記載の方法。
６５．周期的反復ポリマー構造は、そのバルク屈折率が周期的反復光学構造の屈折率未満である、材料から形成され、無機材料は、周期的反復光学構造の屈折率より高いバルク屈折率を有する、実施例６０−６４のいずれか１項に記載の方法。
６６．周期的反復光学構造の屈折率は、１．７を上回り、周期的反復ポリマー構造の屈折率を少なくとも０．２上回る、実施例６０−６５のいずれか１項に記載の方法。
６７．基板は、１．５を上回る屈折率を有する、実施例６０−６６のいずれか１項に記載の方法。
６８．周期的反復ポリマー構造は、フォトレジストを含む、実施例６０−６７のいずれか１項に記載の方法。
６９．基板を金属前駆体に暴露することは、アルミニウム、亜鉛、ジルコニウム、ハフニウムおよびチタニウムから成る群から選択される、遷移金属を含む、前駆体に暴露することを含む、実施例６０−６８のいずれか１項に記載の方法。
７０．基板を金属前駆体および酸化前駆体に暴露することは、周期的反復ポリマー構造の暴露される表面を無機材料の少なくとも単層で飽和させるために十分な個別の前駆体の部分的圧力において、かつそのような持続時間にわたって、暴露することを含む、実施例６０−６９のいずれか１項に記載の方法。
７１．基板を金属前駆体および酸化前駆体の一方または両方に暴露することは、１秒を超える持続時間にわたって暴露することを含む、実施例６０−７０のいずれか１項に記載の方法。
７２．周期的反復ポリマー構造の中に組み込まれる、無機材料は、金属酸化物を含む、実施例６０−７１のいずれか１項に記載の方法。
７３．金属酸化物は、遷移金属酸化物を含む、実施例７２に記載の方法。
７４．金属酸化物は、酸化アルミニウム、酸化亜鉛、酸化ジルコニウム、酸化ハフニウムおよび酸化チタニウムから成る群から選択される、酸化物を含む、実施例７３に記載の方法。
７５．暴露することは、基板の暴露される表面に対して選択的に、周期的反復ポリマー構造の暴露される表面を通して、無機材料を組み込む、実施例６０−７４のいずれか１項に記載の方法。
７６．周期的反復ポリマー構造を形成することは、空間によって分離することを含み、空間は、その上にポリマー層がその上に配置されない基板表面を有し、暴露することは、空間内の基板表面上への無機材料の堆積または空間内の基板表面を通した無機材料の組み込みをもたらさない、実施例７５に記載の方法。
７７．周期的反復ポリマー構造を形成することは、空間によって分離することを含み、空間は、ポリマー層がその上に配置される基板表面を有し、ポリマー層は、周期的反復ポリマー構造の高さより小さい厚さを有し、暴露することは、無機材料を空間内の基板表面上に形成されるポリマー層の中に組み込む、実施例７５に記載の方法。
７８．空間内の基板表面上に形成される、ポリマー層は、無機材料を組み込む、全体厚を有する、実施例７７に記載の方法。
７９．空間内の基板表面上に形成される、ポリマー層は、無機材料を組み込む、部分的厚さと、無機材料を組み込まない、部分的厚さとを有する、実施例７７に記載の方法。
８０．光学要素を加工する方法であって、
第１の屈折率および可視スペクトル内における透明性を有する、基板を提供することであって、基板は、その上に形成される周期的反復ポリマー構造を有する、ことと、
基板を、金属前駆体に、その後、酸化前駆体に暴露することと、
を含み、暴露することは、金属前駆体の金属を含む、無機材料が、周期的反復ポリマー構造の中に組み込まれ、それによって、可視光を回折するように構成される、周期的反復光学構造のパターンを形成するような圧力および温度下で実施され、光学構造は、第１の屈折率を上回る第２の屈折率を有する、方法。
８１．暴露することは、圧力約１００ｍＴｏｒｒ〜約１０Ｔｏｒｒ下で実施される、実施例８０に記載の方法。
８２．暴露することは、摂氏約１５０度より低い温度で実施される、実施例８０または実施例８１に記載の方法。
８３．周期的反復ポリマー構造を形成することは、ナノインプリントによってパターン化することを含む、実施例８０−８２のいずれか１項に記載の方法。
８４．周期的反復ポリマー構造を形成することは、リソグラフィでパターン化することを含む、実施例８０−８３のいずれか１項に記載の方法。
８５．周期的反復ポリマー構造は、そのバルク屈折率が第２の屈折率未満である、材料から形成され、無機材料は、第２の屈折率より高いバルク屈折率を有する、実施例８０−８４のいずれか１項に記載の方法。
８６．第２の屈折率は、１．７を上回り、第１の屈折率を少なくとも０．２上回る、実施例８０−８５のいずれか１項に記載の方法。
８７．基板は、１．５を上回る屈折率を有する、実施例８０−８６のいずれか１項に記載の方法。
８８．周期的反復ポリマー構造は、フォトレジストを含む、実施例８０−８７のいずれか１項に記載の方法。
８９．基板を金属前駆体に暴露することは、アルミニウム、亜鉛、ジルコニウム、ハフニウムおよびチタニウムから成る群から選択される、遷移金属を含む、前駆体に暴露することを含む、実施例８０−８８のいずれか１項に記載の方法。
９０．基板を金属前駆体および酸化前駆体に暴露することは、周期的反復ポリマー構造の暴露される表面を無機材料の少なくとも単層で飽和させるために十分な個別の前駆体の部分的圧力において、かつそのような持続時間にわたって、暴露することを含む、実施例８０−８９のいずれか１項に記載の方法。
９１．基板を金属前駆体および酸化前駆体の一方または両方に暴露することは、１秒を超える持続時間にわたって暴露することを含む、実施例８０−９０のいずれか１項に記載の方法。
９２．周期的反復ポリマー構造の中に組み込まれる、無機材料は、金属酸化物を含む、実施例８０−９１のいずれか１項に記載の方法。
９３．金属酸化物は、遷移金属酸化物を含む、実施例９２に記載の方法。
９４．金属酸化物は、酸化アルミニウム、酸化亜鉛、酸化ジルコニウム、酸化ハフニウムおよび酸化チタニウムから成る群から選択される、酸化物を含む、実施例９３に記載の方法。
９５．暴露することは、基板の暴露される表面に対して選択的に、周期的反復ポリマー構造の暴露される表面を通して、無機材料を組み込む、実施例８０−９４のいずれか１項に記載の方法。
９６．周期的反復ポリマー構造を形成することは、空間によって分離することを含み、空間は、その上にポリマー層がその上に配置されない基板表面を有し、暴露することは、空間内の基板表面上への無機材料の堆積または空間内の基板表面を通した無機材料の組み込みをもたらさない、実施例９５に記載の方法。
９７．周期的反復ポリマー構造を形成することは、空間によって分離することを含み、空間は、ポリマー層がその上に配置される基板表面を有し、ポリマー層は、周期的反復ポリマー構造の高さより小さい厚さを有し、暴露することは、無機材料を空間内の基板表面上に形成されるポリマー層の中に組み込む、実施例９５に記載の方法。
９８．空間内の基板表面上に形成される、ポリマー層は、無機材料を組み込む、全体厚を有する、実施例９７に記載の方法。
９９．空間内の基板表面上に形成される、ポリマー層は、無機材料を組み込む、部分的厚さと、無機材料を組み込まない、部分的厚さとを有する、実施例９７に記載の方法。
１００．暴露することは、１０ａｔｍ（大気圧）未満の圧力下で実施される、実施例８０−９９のいずれか１項に記載の方法。
１０１．暴露することは、摂氏２５度を上回る温度で実施される、実施例８０−１００のいずれか１項に記載の方法。
１０２．基板を金属前駆体および酸化前駆体の一方または両方に暴露することは、約１秒〜約１０００秒の持続時間にわたって暴露することを含む、実施例８０−１０１のいずれか１項に記載の方法。
１０３．周期的反復ポリマー構造の中に組み込まれる、無機材料は、金属窒化物を含む、実施例８０−１０２のいずれか１項に記載の方法。
１０４．暴露することは、圧力約１００ｍＴｏｒｒ〜約１０Ｔｏｒｒ下で実施される、実施例１に記載の方法。
１０５．暴露することは、摂氏約１５０度より低い温度で実施される、実施例２に記載の方法。
１０６．周期的反復ポリマー構造を形成することは、ナノインプリントによってパターン化することを含む、実施例１に記載の方法。
１０７．周期的反復ポリマー構造を形成することは、リソグラフィでパターン化することを含む、実施例１に記載の方法。
１０８．周期的反復ポリマー構造は、そのバルク屈折率が第２の屈折率未満である、材料から形成され、無機材料は、第２の屈折率より高いバルク屈折率を有する、実施例１に記載の方法。
１０９．第２の屈折率は、１．７を上回り、第１の屈折率を少なくとも０．２上回る、実施例１に記載の方法。
１１０．基板は、１．５を上回る屈折率を有する、実施例１に記載の方法。
１１１．周期的反復ポリマー構造は、フォトレジストを含む、実施例１に記載の方法。
１１２．基板を金属前駆体に暴露することは、アルミニウム、亜鉛、ジルコニウム、ハフニウムおよびチタニウムから成る群から選択される、遷移金属を含む、前駆体に暴露することを含む、実施例１に記載の方法。
１１３．基板を金属前駆体および酸化前駆体に暴露することは、周期的反復ポリマー構造の暴露される表面を無機材料の少なくとも単層で飽和させるために十分な個別の前駆体の部分的圧力において、かつそのような持続時間にわたって、暴露することを含む、実施例１に記載の方法。
１１４．基板を金属前駆体および酸化前駆体の一方または両方に暴露することは、１秒を超える持続時間にわたって暴露することを含む、実施例１に記載の方法。
１１５．周期的反復ポリマー構造の中に組み込まれる、無機材料は、金属酸化物を含む、実施例１に記載の方法。
１１６．金属酸化物は、遷移金属酸化物を含む、実施例１３に記載の方法。
１１７．金属酸化物は、酸化アルミニウム、酸化亜鉛、酸化ジルコニウム、酸化ハフニウムおよび酸化チタニウムから成る群から選択される、酸化物を含む、実施例１４に記載の方法。
１１８．暴露することは、基板の暴露される表面に対して選択的に、周期的反復ポリマー構造の暴露される表面を通して、無機材料を組み込む、実施例１に記載の方法。
１１９．周期的反復ポリマー構造を形成することは、空間によって分離することを含み、空間は、その上にポリマー層がその上に配置されない基板表面を有し、暴露することは、空間内の基板表面上への無機材料の堆積または空間内の基板表面を通した無機材料の組み込みをもたらさない、実施例１６に記載の方法。
１２０．周期的反復ポリマー構造を形成することは、空間によって分離することを含み、空間は、ポリマー層がその上に配置される基板表面を有し、ポリマー層は、周期的反復ポリマー構造の高さより小さい厚さを有し、暴露することは、無機材料を空間内の基板表面上に形成されるポリマー層の中に組み込む、実施例１６に記載の方法。
１２１．空間内の基板表面上に形成される、ポリマー層は、無機材料を組み込む、全体厚を有する、実施例１８に記載の方法。
１２２．空間内の基板表面上に形成される、ポリマー層は、無機材料を組み込む、部分的厚さと、無機材料を組み込まない、部分的厚さとを有する、実施例１８に記載の方法。
１２３．暴露することは、圧力約１００ｍＴｏｒｒ〜約１０Ｔｏｒｒ下で実施される、実施例８０に記載の方法。
１２４．暴露することは、摂氏約１５０度より低い温度で実施される、実施例８０に記載の方法。
１２５．周期的反復ポリマー構造を形成することは、ナノインプリントによってパターン化することを含む、実施例８０に記載の方法。
１２６．周期的反復ポリマー構造を形成することは、リソグラフィでパターン化することを含む、実施例８０に記載の方法。
１２７．周期的反復ポリマー構造は、そのバルク屈折率が周期的反復光学構造の屈折率未満である、材料から形成され、無機材料は、周期的反復光学構造の屈折率より高いバルク屈折率を有する、実施例８０に記載の方法。
１２８．周期的反復光学構造の屈折率は、１．７を上回り、周期的反復ポリマー構造の屈折率を少なくとも０．２上回る、実施例８０に記載の方法。
１２９．基板は、１．５を上回る屈折率を有する、実施例８０に記載の方法。
１３０．周期的反復ポリマー構造は、フォトレジストを含む、実施例８０に記載の方法。
１３１．基板を金属前駆体に暴露することは、アルミニウム、亜鉛、ジルコニウム、ハフニウムおよびチタニウムから成る群から選択される、遷移金属を含む、前駆体に暴露することを含む、実施例８０に記載の方法。
１３２．基板を金属前駆体および酸化前駆体に暴露することは、周期的反復ポリマー構造の暴露される表面を無機材料の少なくとも単層で飽和させるために十分な個別の前駆体の部分的圧力において、かつそのような持続時間にわたって、暴露することを含む、実施例８０に記載の方法。
１３３．基板を金属前駆体および酸化前駆体の一方または両方に暴露することは、１秒を超える持続時間にわたって暴露することを含む、実施例８０に記載の方法。
１３４．周期的反復ポリマー構造の中に組み込まれる、無機材料は、金属酸化物を含む、実施例８０に記載の方法。
１３５．金属酸化物は、遷移金属酸化物を含む、実施例１３４に記載の方法。
１３６．金属酸化物は、酸化アルミニウム、酸化亜鉛、酸化ジルコニウム、酸化ハフニウムおよび酸化チタニウムから成る群から選択される、酸化物を含む、実施例１３５に記載の方法。
１３７．暴露することは、基板の暴露される表面に対して選択的に、周期的反復ポリマー構造の暴露される表面を通して、無機材料を組み込む、実施例８０に記載の方法。
１３８．周期的反復ポリマー構造を形成することは、空間によって分離することを含み、空間は、その上にポリマー層がその上に配置されない基板表面を有し、暴露することは、空間内の基板表面上への無機材料の堆積または空間内の基板表面を通した無機材料の組み込みをもたらさない、実施例１３７に記載の方法。
１３９．周期的反復ポリマー構造を形成することは、空間によって分離することを含み、空間は、ポリマー層がその上に配置される基板表面を有し、ポリマー層は、周期的反復ポリマー構造の高さより小さい厚さを有し、暴露することは、無機材料を空間内の基板表面上に形成されるポリマー層の中に組み込む、実施例１３７に記載の方法。
１４０．空間内の基板表面上に形成される、ポリマー層の層は、無機材料を組み込む、全体厚を有する、実施例１３９に記載の方法。
１４１．空間内の基板表面上に形成される、ポリマー層の層は、無機材料を組み込む、部分的厚さと、無機材料を組み込まない、部分的厚さとを有する、実施例１３９に記載の方法。
１４２．実施例１−２０および５０−５３のいずれか１項に記載の光学要素を加工する方法であって、光学要素を頭部搭載型拡張現実アイウェアの一部として統合することをさらに含む、方法。
１４３．実施例６０−７９のいずれか１項に記載の光学要素を加工する方法であって、光学要素を頭部搭載型拡張現実アイウェアの一部として統合することをさらに含む、方法。
１４４．実施例８０−１０３のいずれか１項に記載の光学要素を加工する方法であって、光学要素を頭部搭載型拡張現実アイウェアの一部として統合することをさらに含む、方法。
１４５．光をユーザの眼に投影し、拡張現実画像コンテンツを表示するように構成される、頭部搭載型ディスプレイデバイスであって、
ユーザの頭部上に支持されるように構成される、フレームと、
フレーム上に配置される、ディスプレイであって、ディスプレイの少なくとも一部は、
１つ以上の導波管であって、１つ以上の導波管は、透明であって、ユーザが頭部搭載型ディスプレイデバイスを装着すると、透明部分が、ユーザの正面の環境の一部からの光をユーザの眼に透過させ、ユーザの正面の環境の一部のビューを提供するように、ユーザの眼の正面の場所に配置される、１つ以上の導波管と、
１つ以上の光源と、
実施例２１−３４および５４−５６のいずれか１項に記載の光学要素であって、ディスプレイの１つ以上の導波管は、光学要素の基板を構成し、光学要素は、１つ以上の光源からの光を１つ以上の導波管の中に結合する、または光を１つ以上の導波管から外に結合するように構成される、光学要素と、
を備える、ディスプレイと、
を備える、頭部搭載型ディスプレイデバイス。
１４６．光をユーザの眼に投影し、拡張現実画像コンテンツを表示するように構成される、頭部搭載型ディスプレイデバイスであって、
ユーザの頭部上に支持されるように構成される、フレームと、
フレーム上に配置される、ディスプレイと、
１つ以上の光源と、
実施例２１−３４および５４−５６のいずれか１項に記載の光学要素であって、１つ以上の光源から生じる光をユーザの眼の中に指向するように構成される、光学要素と、
を備える、頭部搭載型ディスプレイデバイス。
１４７．光をユーザの眼に投影し、拡張現実画像コンテンツを表示するように構成される、頭部搭載型ディスプレイデバイスであって、
ユーザの頭部上に支持されるように構成される、フレームと、
フレーム上に配置される、ディスプレイと、
１つ以上の光源と、
実施例３５−４０のいずれか１項に記載の光学システムであって、１つ以上の光源から生じる光をユーザの眼の中に指向するように構成される、光学要素と、
を備える、頭部搭載型ディスプレイデバイス。
１４８．光をユーザの眼に投影し、拡張現実画像コンテンツを表示するように構成される、頭部搭載型ディスプレイデバイスであって、
ユーザの頭部上に支持されるように構成される、フレームと、
フレーム上に配置される、ディスプレイと、
１つ以上の光源と、
実施例４１−４６および５７−５９のいずれか１項に記載の光学要素であって、１つ以上の光源から生じる光をユーザの眼の中に指向するように構成される、光学要素と、
を備える、頭部搭載型ディスプレイデバイス。
【０２０３】
本発明の種々の例示的実施形態が、本明細書で説明される。非限定的な意味で、これらの実施例が参照される。それらは、本発明のより広く適用可能な側面を例証するように提供される。種々の変更が、説明される本発明に行われてもよく、本発明の真の精神および範囲から逸脱することなく、均等物が代用されてもよい。
【０２０４】
例えば、有利には、複数の深度平面を横断して画像を提供する、ＡＲディスプレイとともに利用されるが、本明細書に開示される拡張現実コンテンツはまた、単一深度平面上に、および／または仮想現実ディスプレイを用いて、画像を提供するシステムによって表示されてもよい。多重化された画像情報（例えば、異なる色の光）が導波管の中に指向される、いくつかの実施形態では、複数の光学要素またはメタ表面、例えば、光の色毎にアクティブである１つの光学要素またはメタ表面が、導波管上に提供されてもよい。いくつかの実施形態では、光学要素またはメタ表面を形成する突出部のピッチまたは周期性および／または幾何学的サイズは、その表面を横断して変動してもよい。そのようなメタ光学要素または表面は、光が光学要素またはメタ表面上に衝突する場所における幾何学形状およびピッチに応じて、異なる波長の光を再指向する際にアクティブであり得る。いくつかの他の実施形態では、光学要素またはメタ表面特徴の幾何学形状およびピッチは、偏向された光線が、類似波長のものであっても、異なる角度で光学要素またはメタ表面から離れるように伝搬するように、変動するように構成される。また、複数の分離された光学要素またはメタ表面が、基板表面を横断して配置され得、光学要素またはメタ表面はそれぞれ、いくつかの実施形態では、同一幾何学形状およびピッチを有する、または光学要素またはメタ表面のうちの少なくとも一部は、いくつかの他の実施形態では、他の光学要素またはメタ表面と異なる幾何学形状および／またはピッチを有することを理解されたい。
【０２０５】
また、有利には、ウェアラブルディスプレイ等のディスプレイに適用されるが、光学要素またはメタ表面は、コンパクトで薄型の光再指向要素が所望される、種々の他のデバイスに適用されてもよい。例えば、光学要素またはメタ表面が、概して、光学プレート（例えば、ガラスプレート）、光ファイバ、顕微鏡、センサ、腕時計、カメラ、および画像投影デバイスの光再指向部分を形成するために適用されてもよい。
【０２０６】
加えて、特定の状況、材料、組成物、プロセス、プロセスの行為またはステップを、本発明の目的、精神、または範囲に適合させるように、多くの修正が行われてもよい。さらに、当業者によって理解されるであろうように、本明細書に説明および図示される個々の変形例はそれぞれ、本発明の範囲または精神から逸脱することなく、他のいくつかの実施形態のうちのいずれかの特徴から容易に分離される、またはそれらと組み合わせられ得る、離散コンポーネントおよび特徴を有する。全てのそのような修正は、本開示と関連付けられる請求項の範囲内であることを意図している。
【０２０７】
本発明は、本デバイスを使用して実施され得る方法を含む。本方法は、そのような好適なデバイスを提供する行為を含んでもよい。そのような提供は、ユーザによって実施されてもよい。換言すると、「提供する」行為は、本方法において必要デバイスを提供するために、取得する、アクセスする、接近する、位置付ける、設定する、アクティブ化する、電源投入する、または別様に作用するようにユーザに要求するにすぎない。本明細書に記載される方法は、論理的に可能である記載された事象の任意の順序で、および事象の記載された順序で実行されてもよい。
【０２０８】
本発明の例示的側面が、材料選択および製造に関する詳細とともに、上記で記載されている。本発明の他の詳細に関して、これらは、上記の参照された特許および公開に関連して理解されるとともに、概して、当業者によって把握または理解され得る。同じことが、一般的または理論的に採用されるような付加的な行為の観点から、本発明の方法ベースの側面に関して当てはまり得る。
【０２０９】
説明を容易にするために、特徴の相対的位置を示す種々の単語が、本明細書で使用される。例えば、種々の特徴は、他の特徴「の上に」、「にわたって」、その「側面に」、「より高く」、または「より低く」あるものとして説明され得る。相対的位置の他の単語もまた、使用されてもよい。相対的位置の全てのそのような単語は、全体として特徴によって形成される集約構造またはシステムが、説明目的のために、基準点としてある配向にあると仮定するが、使用時、構造は、並行に、反転されて、または任意の数の他の配向に位置付けられ得ることを理解されたい。
【０２１０】
加えて、本発明は、種々の特徴を随意に組み込む、いくつかの実施例を参照して説明されているが、本発明は、本発明の各変形例に関して考慮されるように説明または指示されるものに限定されるものではない。種々の変更が、説明される本発明に行われてもよく、本発明の真の精神および範囲から逸脱することなく、（本明細書に記載されるか、またはいくらか簡潔にするために含まれないかどうかにかかわらず）均等物が代用されてもよい。加えて、値の範囲が提供される場合、その範囲の上限と下限との間の全ての介在値、およびその規定範囲内の任意の他の規定または介在値が、本発明内に包含されることを理解されたい。
【０２１１】
また、説明される発明の変形例の任意の随意的な特徴が、独立して、または本明細書に説明される特徴のうちのいずれか１つ以上の特徴と組み合わせて、記載および請求され得ることが考慮される。単数形の項目の言及は、複数の同一項目が存在する可能性を含む。より具体的には、本明細書で、およびそれに関連付けられる請求項で使用されるように、単数形「ａ」、「ａｎ」、「ｓａｉｄ」、および「ｔｈｅ」は、特に別様に記述されない限り、複数の指示対象を含む。換言すると、冠詞の使用は、上記の説明および本開示と関連付けられる請求項で、対象項目の「少なくとも１つ」を可能にする。さらに、そのような請求項は、任意の随意的な要素を除外するように起草され得ることに留意されたい。したがって、この記述は、請求項要素の記載に関連する「だけ」、「のみ」、および同等物等のそのような排他的用語の使用、または「否定的」限定の使用のための先行詞としての機能を果たすことを意図している。
【０２１２】
そのような排他的用語を使用することなく、本開示と関連付けられる請求項での用語「備える」は、所与の数の要素がそのような請求項で列挙されるか、または特徴の追加がそのような請求項に記載される要素の性質を変換するものと見なされ得るかどうかにかかわらず、任意の付加的な要素の包含を可能にするものとする。本明細書で特に定義される場合を除いて、本明細書で使用される全ての技術および科学用語は、請求項の有効性を維持しながら、可能な限り広義の一般的に理解されている意味を与えられるものである。
【０２１３】
本発明の範疇は、提供される実施例および／または本明細書に限定されるものではなく、むしろ、本開示と関連付けられる請求項の用語の範囲のみによって限定されるものとする。実際、本明細書に説明される新規装置、方法、およびシステムは、種々の他の形態において具現化されてもよい。さらに、本明細書に説明されるシステムおよび方法の形態における種々の省略、代用、および変更が、本開示の精神から逸脱することなく、行われてもよい。例えば、ブロックは、所与の配列で提示されるが、代替実施形態は、異なるコンポーネントおよび／または回路トポロジを伴う類似機能性を実施してもよく、いくつかのブロックは、削除される、移動される、追加される、細分割される、組み合わせられる、および／または修正されてもよい。これらのブロックはそれぞれ、種々の異なる方法で実装されてもよい。上記に説明される種々の実施形態の要素および行為の任意の好適な組み合わせが、組み合わせられ、さらなる実施形態を提供することができる。上記に説明される種々の特徴およびプロセスは、相互から独立して実装されてもよい、または種々の方法で組み合わせられてもよい。本開示の特徴の全ての好適な組み合わせおよび副次的組み合わせは、本開示の範囲内であることを意図している。
【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５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図５Ｃ】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９Ａ】
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【図９Ｂ】
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【図９Ｃ】
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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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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８Ａ】
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【図１８Ｂ】
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【図１９】
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【手続補正書】
【提出日】令和2年8月18日(2020.8.18)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光学要素を加工する方法であって、
第１の屈折率および可視スペクトル内における透明性を有する基板を提供することと、
前記基板上に周期的反復ポリマー構造を形成することと、
前記基板を金属前駆体に暴露し、その後、酸化前駆体に暴露することと
を含み、
暴露することは、前記金属前駆体の金属を含む無機材料が、前記周期的反復ポリマー構造の中に組み込まれ、それによって、可視光を回折するように構成される周期的反復光学構造のパターンを形成するような圧力および温度下で実施され、前記光学構造は、前記第１の屈折率を上回る第２の屈折率を有する、方法。
【請求項２】
光学要素であって、
第１の屈折率および可視スペクトル内における透明性を有する基板と、
前記基板上に形成され、可視光を回折するように構成される周期的反復光学構造のパターンであって、前記光学構造は、前記第１の屈折率を上回る第２の屈折率を有し、無機材料がその中に組み込まれるポリマー材料を含む、周期的反復光学構造のパターンと
を備える、光学要素。
【請求項３】
前記ポリマー材料は、前記第２の屈折率未満のバルク屈折率を有し、前記無機材料は、前記第２の屈折率より高いバルク屈折率を有する、請求項２に記載の光学要素。
【請求項４】
前記第２の屈折率は、１．７を上回り、前記第１の屈折率を少なくとも０．２上回る、請求項２に記載の光学要素。
【請求項５】
前記基板は、１．５を上回る屈折率を有する、請求項２に記載の光学要素。
【請求項６】
前記ポリマー材料は、フォトレジストを含む、請求項２に記載の光学要素。
【請求項７】
前記無機材料は、金属酸化物を含む、請求項２に記載の光学要素。
【請求項８】
前記無機材料は、遷移金属酸化物を含む、請求項７に記載の光学要素。
【請求項９】
前記金属酸化物は、酸化アルミニウム、酸化亜鉛、酸化ジルコニウム、酸化ハフニウムまたは酸化チタニウムから成る群から選択される酸化物を含む、請求項７に記載の光学要素。
【請求項１０】
前記無機材料は、前記光学構造の表面領域の中に組み込まれ、前記光学構造のコア領域は、前記無機材料がその中に組み込まれない、請求項７に記載の光学要素。
【請求項１１】
前記周期的反復光学構造の隣接するものは、空間によって分離され、前記空間内の基板の表面は、前記無機材料がその上に配置されない、請求項２に記載の光学要素。
【請求項１２】
前記周期的反復光学構造の隣接するものは、空間によって分離され、前記空間内の基板の表面は、前記無機材料がその中に組み込まれるポリマー材料の層がその上に形成され、前記層は、前記光学構造の高さより小さい厚さを有する、請求項２に記載の光学要素。
【請求項１３】
前記空間内に形成される前記ポリマー材料の層は、厚さ全体が前記無機材料とともに組み込まれる、請求項１２に記載の光学要素。
【請求項１４】
前記空間内に形成される前記ポリマー材料の層は、部分的厚さが表面領域において前記無機材料とともに組み込まれ、部分的厚さが前記無機材料とともに組み込まれない、請求項１２に記載の光学要素。
【請求項１５】
前記基板は、周期的反復光学構造によって回折される可視光が、全内部反射下で伝搬するように構成される、請求項２に記載の光学要素。
【請求項１６】
前記周期的反復光学構造は、メタ表面を備える、請求項２に記載の光学要素。
【請求項１７】
前記基板は、可視光が、全内部反射下でその中に誘導され、周期的反復光学構造によって前記基板から外に回折されるように構成される、請求項２に記載の光学要素。
【請求項１８】
前記基板は、可視光が、全内部反射下でその中に誘導され、周期的反復光学構造によって回折され、全内部反射によって、前記基板内を伝搬する光ビームの方向を改変するように構成される、請求項２に記載の光学要素。
【請求項１９】
光学システムであって、
光学要素であって、
第１の屈折率および可視スペクトル内における透明性を有する基板と、
前記基板上に形成され、可視光を回折するように構成される周期的反復光学構造のパターンであって、前記光学構造は、前記第１の屈折率を上回る第２の屈折率を有し、無機材料がその中に組み込まれるポリマー材料を含む、周期的反復光学構造のパターンと
を備え、
前記周期的反復光学構造は、メタ表面として配列されるナノビームを備え、前記メタ表面は、複数の反復ユニットセルを備え、各ユニットセルは、
１つ以上の第１のナノビームによって形成される第１のナノビームのセットと、
１つ以上の第２のナノビームによって形成される第２のナノビームのセットであって、前記１つ以上の第２のナノビームは、前記１つ以上の第１のナノビームに隣接して配置され、サブ波長間隔によって相互から分離される、第２のナノビームのセットと
を備え、
前記１つ以上の第１のナノビームおよび前記複数の第２のナノビームは、異なる配向方向に伸長される、光学要素
を備える、光学システム。
【請求項２０】
前記ユニットセルは、約１０ｎｍ〜１μｍ以下の周期で反復する、請求項１９に記載の光学システム。
【請求項２１】
前記１つ以上の第１のナノビームおよび前記１つ以上の第２のナノビームは、相互に対して、位相差を前記１つ以上の第１のナノビームによって回折される可視光と前記第２のナノビームによって回折される可視光との間に生じさせる角度で配向される、請求項１９に記載の光学システム。
【請求項２２】
前記１つ以上の第１のナノビームおよび前記１つ以上の第２のナノビームは、相互に対して約９０度回転される配向方向に配向される、請求項１９に記載の光学システム。
【請求項２３】
前記ユニットセルは、前記可視光の波長以下の周期で反復し、前記波長は、前記可視スペクトル内である、請求項１９に記載の光学システム。
【請求項２４】
前記１つ以上の第１のナノビームおよび前記１つ以上の第２のナノビームは、前記可視光の波長より小さい高さを有する、請求項１９に記載の光学システム。
【請求項２５】
可視光を伝搬するように構成される導波管を備える光学システムであって、前記光学システムは、
基板であって、前記基板は、光が全内部反射によってその中に誘導され得るように、第１の屈折率および可視スペクトル内における透明性を有する、基板と、
前記基板上に形成され、可視光を回折するように構成される周期的反復光学構造のパターンであって、前記光学構造は、前記第１の屈折率を上回る第２の屈折率を有し、無機材料がその中に組み込まれるポリマー材料を含む、周期的反復光学構造のパターンと
を備え、
前記周期的反復光学構造は、光を入射光の方向に対してある回折角度で回折し、前記回折された光を全内部反射下で前記基板内を伝搬させるように配列される、または、前記基板内で誘導される光の方向に対してある回折角度で、全内部反射下で前記基板内で誘導される光を回折するように配列される、光学システム。
【請求項２６】
前記ポリマー材料は、前記第２の屈折率未満のバルク屈折率を有し、前記無機材料は、前記第２の屈折率より高いバルク屈折率を有する、請求項２５に記載の光学システム。
【請求項２７】
前記第２の屈折率は、１．７を上回り、前記第１の屈折率を少なくとも０．２上回る、請求項２５に記載の光学システム。
【請求項２８】
前記回折角度は、５０度を超える、請求項２５に記載の光学システム。
【請求項２９】
前記波長の光を前記周期的反復光学構造のパターンに放出するように構成される光源をさらに備える、請求項２５に記載の光学システム。
【請求項３０】
前記光源からの光を変調させ、前記変調された光を前記周期的反復光学構造のパターンに出力するように構成される空間光変調器をさらに備える、請求項２５に記載の光学システム。
【請求項３１】
前記周期的反復光学構造は、光を前記入射光の方向に対してある回折角度で回折し、前記回折された光を全内部反射下で前記基板内を伝搬させるように配列される、請求項２５に記載の光学システム。
【請求項３２】
前記周期的反復光学構造は、前記基板内で誘導される光の方向に対してある回折角度で、全内部反射下で前記基板内で誘導される光を回折するように配列される、請求項２５に記載の光学システム。
【請求項３３】
前記周期的反復光学構造は、全内部反射下で前記基板内で誘導される光を前記基板から外に回折するように配列される、請求項３２に記載の光学システム。
【請求項３４】
光をユーザの眼に投影し、拡張現実画像コンテンツを表示するように構成される頭部搭載型ディスプレイデバイスであって、前記頭部搭載型ディスプレイデバイスは、
前記ユーザの頭部上に支持されるように構成されるフレームと、
前記フレーム上に配置されるディスプレイであって、前記ディスプレイの少なくとも一部は、
１つ以上の導波管であって、前記１つ以上の導波管は、透明部分を含み、前記ユーザが前記頭部搭載型ディスプレイデバイスを装着すると、前記透明部分が、前記ユーザの正面の環境の一部からの光をユーザの眼に透過させ、前記ユーザの正面の環境の一部のビューを提供するように、前記ユーザの眼の正面の場所に配置される、１つ以上の導波管と、
１つ以上の光源と、
少なくとも１つの回折格子であって、前記少なくとも１つの回折格子は、前記光源からの光を前記１つ以上の導波管の中に結合するか、または、光を前記１つ以上の導波管から外に結合するように構成され、前記回折格子は、
第１の屈折率および可視スペクトル内における透明性を有する基板と、
前記基板上に形成され、可視光を回折するように構成される周期的反復光学構造のパターンであって、前記光学構造は、前記第１の屈折率を上回る第２の屈折率を有し、無機材料がその中に組み込まれるポリマー材料を含む、周期的反復光学構造のパターンと
を備える、少なくとも１つの回折格子と
を備える、ディスプレイと
を備える、頭部搭載型ディスプレイデバイス。
【請求項３５】
前記１つ以上の光源は、ファイバ走査プロジェクタを備える、請求項３４に記載のデバイス。
【請求項３６】
前記ディスプレイは、画像コンテンツを複数の深度平面上においてユーザに提示するように、光を前記ユーザの眼の中に投影するように構成される、請求項３４に記載のデバイス。
【請求項３７】
光学要素を加工する方法であって、
前記可視スペクトル内で透過性の基板を提供することと、
前記基板上に、第１の屈折率を有する周期的反復ポリマー構造を形成することと、
前記基板を、金属前駆体に暴露し、その後、酸化前駆体に暴露することと、
を含み、
暴露することは、前記金属前駆体の金属を含む無機材料が、前記周期的反復ポリマー構造の中に組み込まれ、それによって、前記周期的反復ポリマー構造の屈折率を増加させ、可視光を回折するように構成される周期的反復光学構造のパターンを形成するような圧力および温度で実施される、方法。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１３】
第７の側面では、光学要素を加工する方法は、第１の屈折率および可視スペクトル内における透明性を有する、基板を提供することを含み、基板は、その上に形成される周期的反復ポリマー構造を有する。本方法は、加えて、基板を、金属前駆体に、その後、酸化前駆体に暴露することを含む。暴露することは、金属前駆体の金属を含む、無機材料が、周期的反復ポリマー構造の中に組み込まれ、それによって、可視光を回折するように構成される、周期的反復光学構造のパターンを形成するような圧力および温度下で実施され、光学構造は、第１の屈折率を上回る第２の屈折率を有する。
本発明は、例えば、以下を提供する。
（項目１）
光学要素を加工する方法であって、
第１の屈折率および可視スペクトル内における透明性を有する基板を提供することと、
前記基板上に周期的反復ポリマー構造を形成することと、
前記基板を金属前駆体に暴露し、その後、酸化前駆体に暴露することと
を含み、
暴露することは、前記金属前駆体の金属を含む無機材料が、前記周期的反復ポリマー構造の中に組み込まれ、それによって、可視光を回折するように構成される周期的反復光学構造のパターンを形成するような圧力および温度下で実施され、前記光学構造は、前記第１の屈折率を上回る第２の屈折率を有する、方法。
（項目２）
光学要素であって、
第１の屈折率および可視スペクトル内における透明性を有する基板と、
前記基板上に形成され、可視光を回折するように構成される周期的反復光学構造のパターンであって、前記光学構造は、前記第１の屈折率を上回る第２の屈折率を有し、無機材料がその中に組み込まれるポリマー材料を含む、周期的反復光学構造のパターンと
を備える、光学要素。
（項目３）
前記ポリマー材料は、前記第２の屈折率未満のバルク屈折率を有し、前記無機材料は、前記第２の屈折率より高いバルク屈折率を有する、項目２に記載の光学要素。
（項目４）
前記第２の屈折率は、１．７を上回り、前記第１の屈折率を少なくとも０．２上回る、項目２に記載の光学要素。
（項目５）
前記基板は、１．５を上回る屈折率を有する、項目２に記載の光学要素。
（項目６）
前記ポリマー材料は、フォトレジストを含む、項目２に記載の光学要素。
（項目７）
前記無機材料は、遷移金属酸化物を含む、項目２に記載の光学要素。
（項目８）
前記無機材料は、金属酸化物を含む、項目７に記載の光学要素。
（項目９）
前記金属酸化物は、酸化アルミニウム、酸化亜鉛、酸化ジルコニウム、酸化ハフニウムおよび酸化チタニウムから成る群から選択される酸化物を含む、項目７に記載の光学要素。
（項目１０）
前記無機材料は、前記光学構造の表面領域の中に組み込まれ、前記光学構造のコア領域は、前記無機材料がその中に組み込まれない、項目７に記載の光学要素。
（項目１１）
前記周期的反復光学構造の隣接するものは、空間によって分離され、前記空間内の基板の表面は、前記無機材料がその上に配置されない、項目２に記載の光学要素。
（項目１２）
前記周期的反復光学構造の隣接するものは、空間によって分離され、前記空間内の基板の前記表面は、前記無機材料がその中に組み込まれるポリマー材料の層がその上に形成され、前記層は、前記光学構造の高さより小さい厚さを有する、項目２に記載の光学要素。
（項目１３）
前記空間内に形成される前記ポリマー材料の層は、厚さ全体が前記無機材料とともに組み込まれる、項目１２に記載の光学要素。
（項目１４）
前記空間内に形成される前記ポリマー材料の層は、部分的厚さが表面領域において前記無機材料とともに組み込まれ、部分的厚さが前記無機材料とともに組み込まれない、項目１２に記載の光学要素。
（項目１５）
前記基板は、周期的反復光学構造によって回折される可視光が、全内部反射下で伝搬するように構成される、項目２に記載の光学要素。
（項目１６）
前記周期的反復光学構造は、メタ表面を備える、項目２に記載の光学要素。
（項目１７）
前記基板は、可視光が、全内部反射下でその中に誘導され、周期的反復光学構造によって前記基板から外に回折されるように構成される、項目２に記載の光学要素。
（項目１８）
前記基板は、可視光が、全内部反射下でその中に誘導され、周期的反復光学構造によって回折され、全内部反射によって、前記基板内を伝搬する光ビームの方向を改変するように構成される、項目２に記載の光学要素。
（項目１９）
光学システムであって、
光学要素であって、
第１の屈折率および可視スペクトル内における透明性を有する基板と、
前記基板上に形成され、可視光を回折するように構成される周期的反復光学構造のパターンであって、前記光学構造は、前記第１の屈折率を上回る第２の屈折率を有し、無機材料がその中に組み込まれるポリマー材料を含む、周期的反復光学構造のパターンと
を備え、
前記周期的反復光学構造は、メタ表面として配列されるナノビームを備え、前記メタ表面は、複数の反復ユニットセルを備え、各ユニットセルは、
１つ以上の第１のナノビームによって形成される第１のナノビームのセットと、
１つ以上の第２のナノビームによって形成される第２のナノビームのセットであって、前記１つ以上の第２のナノビームは、前記１つ以上の第１のナノビームに隣接して配置され、サブ波長間隔によって相互から分離される、第２のナノビームのセットと
を備え、
前記１つ以上の第１のナノビームおよび前記複数の第２のナノビームは、異なる配向方向に伸長される、光学要素
を備える、光学システム。
（項目２０）
前記ユニットセルは、約１０ｎｍ〜１μｍ以下の周期で反復する、項目１９に記載の光学システム。
（項目２１）
前記１つ以上の第１のナノビームおよび前記第２のナノビームは、相互に対して、位相差を前記１つ以上の第１のナノビームによって回折される可視光と前記第２のナノビームによって回折される可視光との間に生じさせる角度で配向される、項目１９に記載の光学システム。
（項目２２）
前記１つ以上の第１のナノビームおよび前記第２のナノビームは、相互に対して約９０度回転される配向方向に配向される、項目１９に記載の光学システム。
（項目２３）
前記ユニットセルは、前記波長以下の周期で反復し、前記波長は、前記可視スペクトル内である、項目１９に記載の光学システム。
（項目２４）
前記１つ以上の第１のナノビームおよび前記第２のナノビームは、前記波長より小さい高さを有する、項目１９に記載の光学システム。
（項目２５）
可視光を伝搬するように構成される導波管を備える光学システムであって、前記光学システムは、
基板であって、前記基板は、光が全内部反射によってその中に誘導され得るように、第１の屈折率および可視スペクトル内における透明性を有する、基板と、
前記基板上に形成され、可視光を回折するように構成される周期的反復光学構造のパターンであって、前記光学構造は、前記第１の屈折率を上回る第２の屈折率を有し、無機材料がその中に組み込まれるポリマー材料を含む、周期的反復光学構造のパターンと
を備え、
前記周期的反復光学構造は、光を入射光の前記方向に対してある回折角度で回折し、前記回折された光を全内部反射下で前記基板内を伝搬させるように配列される、または、前記基板内で誘導される光の前記方向に対してある回折角度で、全内部反射下で前記基板内で誘導される光を回折するように配列される、光学システム。
（項目２６）
前記ポリマー材料は、前記第２の屈折率未満のバルク屈折率を有し、前記無機材料は、前記第２の屈折率より高いバルク屈折率を有する、項目２５に記載の光学システム。
（項目２７）
前記第２の屈折率は、１．７を上回り、前記第１の屈折率を少なくとも０．２上回る、項目２５に記載の光学システム。
（項目２８）
前記回折角度は、５０度を超える、項目２５に記載の光学システム。
（項目２９）
前記波長の光を前記周期的反復光学構造のパターンに放出するように構成される光源をさらに備える、項目２５に記載の光学システム。
（項目３０）
前記光源からの光を変調させ、前記変調された光を前記周期的反復光学構造のパターンに出力するように構成される空間光変調器をさらに備える、項目２５に記載の光学システム。
（項目３１）
前記周期的反復光学構造は、光を入射光の方向に対してある回折角度で回折し、前記回折された光を全内部反射下で前記基板内を伝搬させるように配列される、項目２５に記載の光学システム。
（項目３２）
前記周期的反復光学構造は、前記基板内で誘導される光の方向に対してある回折角度で、全内部反射下で前記基板内で誘導される光を回折するように配列される、項目２５に記載の光学システム。
（項目３３）
前記周期的反復光学構造は、全内部反射下で前記基板内で誘導される光を前記基板から外に回折するように配列される、項目３２に記載の光学システム。
（項目３４）
光をユーザの眼に投影し、拡張現実画像コンテンツを表示するように構成される頭部搭載型ディスプレイデバイスであって、前記頭部搭載型ディスプレイデバイスは、
前記ユーザの頭部上に支持されるように構成されるフレームと、
前記フレーム上に配置されるディスプレイであって、前記ディスプレイの少なくとも一部は、
１つ以上の導波管であって、前記１つ以上の導波管は、透明であり、前記ユーザが前記頭部搭載型ディスプレイデバイスを装着すると、透明部分が、前記ユーザの正面の環境の一部からの光をユーザの眼に透過させ、前記ユーザの正面の環境の一部のビューを提供するように、前記ユーザの眼の正面の場所に配置される、１つ以上の導波管と、
１つ以上の光源と、
少なくとも１つの回折格子であって、前記少なくとも１つの回折格子は、前記光源からの光を前記１つ以上の導波管の中に結合するか、または、光を前記１つ以上の導波管から外に結合するように構成され、前記回折格子は、
第１の屈折率および可視スペクトル内における透明性を有する基板と、
前記基板上に形成され、可視光を回折するように構成される周期的反復光学構造のパターンであって、前記光学構造は、前記第１の屈折率を上回る第２の屈折率を有し、無機材料がその中に組み込まれるポリマー材料を含む、周期的反復光学構造のパターンと
を備える、少なくとも１つの回折格子と
を備える、ディスプレイと
を備える、頭部搭載型ディスプレイデバイス。
（項目３５）
前記１つ以上の光源は、ファイバ走査プロジェクタを備える、項目３４に記載のデバイス。
（項目３６）
前記ディスプレイは、画像コンテンツを複数の深度平面上においてユーザに提示するように、光を前記ユーザの眼の中に投影するように構成される、項目３４に記載のデバイス。
（項目３７）
光学要素を加工する方法であって、
前記可視スペクトル内で透過性の基板を提供することと、
前記基板上に、第１の屈折率を有する周期的反復ポリマー構造を形成することと、
前記基板を、金属前駆体に暴露し、その後、酸化前駆体に暴露することと、
を含み、
暴露することは、前記金属前駆体の金属を含む無機材料が、前記周期的反復ポリマー構造の中に組み込まれ、それによって、前記周期的反復ポリマー構造の屈折率を増加させ、可視光を回折するように構成される周期的反復光学構造のパターンを形成するような圧力および温度で実施される、方法。
【国際調査報告】
2021509726.tif 000027
2021509726.tif 000028
2021509726.tif 000029