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JP7611341B2 - 大きな回折格子パターンのデジタル書き込み - Google Patents

大きな回折格子パターンのデジタル書き込み Download PDF

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Description

本開示は、基板への回折格子パターンの作成に関し、より具体的には、バーチャル像ニアアイディスプレイシステムで用いられる光導波路を製造するためのモールド基板に、回折格子パターンをデジタル製造することに関する。
バーチャル像ニアアイディスプレイシステムは、軍事、商業、工業、消防、娯楽の分野への適用を含め、様々な用途に向けて開発されている。これら適用の多くにおいて、ユーザーの視野にある現実世界の像に重ね合わせ可能なバーチャル像を形成することは、特に価値がある。光学画像光ガイドは、狭い空間内で画像担持光をユーザーに伝送し、バーチャル像をユーザーの瞳に向け、上記重ね合わせ機能を可能にする。
従来の設計および方法に従って光学画像光ガイドを製造することは、時間と資本の集約を要する。本開示は特に、光学画像光ガイドおよび同ガイドを作るより効率的な方法について説明する。
本開示は、基板と、この基板を製作する方法を提供する。第１の例示的な実施形態では、基板は平坦な表面を含む。平坦な表面には、第１回折格子と第２回折格子と第３回折格子が配置されている。第１回折格子は第１の複数の回折フィーチャを含む。第２回折格子は第２の複数の回折フィーチャを含む。第３回折格子は、第３の複数の回折フィーチャを含む。第１、第２、第３の複数の回折フィーチャのうちの１つまたは複数が、階段状のパターンを有している。
第２の例示的な実施形態では、バーチャル像ニアアイディスプレイシステムは、第１、第２、第３回折格子を含む第１平面導波路と、第１、第２、第３回折格子を含む第２平面導波路と、を備えている。前記第２平面導波路は、前記第１平面導波路と平行に配置されている。前記第１、第２平面導波路の回折格子のそれぞれは、格子ベクトルを含む。前記第１、第２平面導波路の各々において、前記第１、第２、第３回折格子のうちの少なくとも１つは、階段状パターンを画成する回折フィーチャを含む。前記第１、第２平面導波路の各々において、前記第１、第２、第３回折格子のうちの少なくとも１つは、直線を画成する回折フィーチャを含む。
第３の例示的な実施形態では、基板を製造する方法は、平坦な表面を有し、前記平坦な表面にコーティングが結合された基板を提供する工程と、第１方向と前記第１方向に垂直の第２方向に書き込むように動作可能なビーム書き込みシステムを提供する工程とを備えている。この方法はさらに、回折格子レイアウトパターンを提供する工程を備えている。前記回折格子レイアウトパターンは、第１格子ベクトルを定義する第１の複数の回折フィーチャを含む第１回折格子と、第２格子ベクトルを定義する第２の複数の回折フィーチャを含む第２回折格子と、第３格子ベクトルを定義する第３の複数の回折フィーチャを含む第３回折格子とを含む。この方法はまた、前記基板を前記ビーム書き込みシステムに配置し、それにより、前記ビーム書き込みシステムが前記コーティングに書き込むように動作可能になる工程を備えている。さらにこの方法は、前記第１、第２、第３の複数の回折フィーチャのうちの１つを、前記ビーム書き込みシステムの第１方向と平行にアライメントさせる工程と、前記回折格子レイアウトパターンを、前記ビーム書き込みシステムにより前記コーティングに書き込む工程と、を備えている。
第４の例示的な実施形態では、ビーム書き込みシステムは、ｘ軸方向およびｙ軸方向に平行移動するように動作可能な第１プラットフォームと、前記第１プラットフォームと垂直なｚ軸の周りを回転するように動作可能な第２プラットフォームと、を備えている。前記第２プラットフォームは前記第１のプラットフォームに取り付けられている。基板が前記第２プラットフォームと選択的に結合することができ、それにより、基板に作成される回折フィーチャは、常に前記第１プラットフォームのｘ軸方向とｙ軸方向の１つに向けられる。
添付の図面は、明細書の一部としてここに組み込まれる。ここに記載された図面は、本開示の実施形態を例示し、選択された原理およびその教示を例示するものである。しかしながら、図面は、現在開示されている主題のすべての可能な実施を例示するものではなく、いかなる方法でも本開示の範囲を制限することを意図するものではない。
本開示の一実施形態による、複数の回折格子を有する導波路の概略図である。
本開示の一実施形態による、ヘッドマウントディスプレイシステムを着用している人の概略図である。
本開示の一実施形態による、基板の概略図である。
本開示の一実施形態による、３つの回折格子を有する導波路の概略図である。
本開示の一実施形態による、回転回折光学要素の配向を示す基板の概略図である。
本開示の別の実施形態による、３つの回折格子を有する導波路の概略図である。
本開示の一実施形態による、回折格子の配向を示す基板の概略図である。
本開示の一実施形態による、回折格子ベクトルの配向の概略図である。
本開示の一実施形態による、２つの平行板の平面導波路の概略図である。
本開示の一実施形態による、回転ステージを有するビーム書き込み機の概略図である。
本開示の一実施形態による、基板の概略図である。
本開示の一実施形態による、回折格子デューティサイクルの概略図を示す。
本開示の一実施形態による、モールド基板を製造する方法を示すフローチャートである。
本開示の別の実施形態による、モールド基板を製造する方法を示すフローチャートである。
本発明は、明示されている場合を除いて、様々な代替の配向および工程シーケンスを想定し得ることが理解されるべきである。添付の図面に示され、以下の明細書に記載された特定のアセンブリおよびシステムは、ここで定義される本発明の概念の単なる例示的な実施形態であることも理解されたい。したがって、開示された実施形態に関連する特定の寸法、方向、または他の物理的特性は、特に明記しない限り、限定的であると見なされるべきではない。また、そうではない場合もあるが、ここに記載の様々な実施形態における同様の要素は、同様の参照番号で参照され得る。
実像投影の代替として、光学システムはバーチャル像表示を生成することができる。
一実施形態では、図２に示されるように、光学システムは、バーチャル像ニアアイディスプレイシステム３４であるか、またはそれを含むことができる。バーチャル像ニアアイディスプレイシステム３４は、ヘッドマウントディスプレイ（「ＨＭＤ」）を含むことができる。実像を形成する方法とは対照的に、バーチャル像はディスプレイ面上に形成されない。すなわち、ディスプレイ面がバーチャル像を知覚する位置に配置された場合、このディスプレイ面上に画像は形成されない。バーチャル像ディスプレイには、拡張現実ディスプレイにとって固有の利点がいくつかある。たとえば、バーチャル像の見かけのサイズは、ディスプレイ面のサイズや位置によって制限されない。実像を投影するシステムと比較して、ある程度離れているように見えるバーチャル像を形成することにより、より現実的な視覚体験を提供することができる。バーチャル像を提供することで、実像を投射するときに必要になるスクリーンのアーティファクトの補正も、必要なくなる。
図１に示されるように、光学イメージング光ガイド２０は、画像担持光ＷＯをユーザー３２に伝送することができる。コリメートされ相対的角度的にエンコードされた画像ソース３６からの光線ＷＩ（「画像担持光」）は、インプットカップリング光学要素２４によって光学イメージング光ガイド２０内に結合することができる。このインプットカップリング光学要素２４は、イメージング光ガイド２０の表面内や表面上に取り付けまたは形成することができる。光学イメージング光ガイド２０に沿って伝搬した後、アウトプットカップリング回折光学要素２８によって、回折光が光学イメージング光ガイド２０から出て戻るように方向付けられる。アウトプットカップリング回折光学要素２８は、バーチャル像の一次元に沿って瞳孔拡張を提供するように構成することができる。さらに、回転回折光学要素２６は、インプットカップリング光学要素２４とアウトプットカップリング光学要素２８との間において光学イメージング光ガイド２０上または当ガイド２０内に配置され、アウトカップリング回折光学要素２８によるバーチャル像の瞳孔拡大と直交する次元で、瞳孔拡大を提供することができる。一実施形態では、そのような回折光学要素は、回折格子として形成することができる。例えば、回折格子は表面レリーフによって形成することができる。光学イメージング光ガイド２０から出力された画像担持光ＷＯは、視者に拡張されたアイボックスを提供する。
図１を参照すると、一実施形態では、光学イメージング光ガイド２０は平面導波路２２を含む。この平面導波路２２上に３つの回折光学要素２４、２６、２８が作られている。イメージング光ガイド２０は、中間回転回折光学要素２６を用いて、ｘ軸およびｙ軸の両方についてビーム拡張を提供するビーム拡張器として構成されている。中間回転回折光学要素２６は、光出力（第１の回折モード）をインカップリング回折光学要素２４からアウトカップリング回折光学要素２８へ方向転換する。格子ベクトルｋ０を有するインカップリング回折光学要素２４は、イメージングプロジェクタ３６からの画像担持光ビームＷIを平面導波路２２と光学的に結合するために用いられる。入力光ビームＷＩは、インカップリング回折光学要素２４によって回折される。例えば、一次回折光は、角度的に関連付けられたビームの集合ＷＧとして、基板Ｓに沿って回転回折光学要素２４に向かって伝播する。回折格子間または他のタイプの回折光学要素間で、光は、全内部反射（ＴＩＲ）によって導波路２２に沿って伝播されまたは向けられる。アウトカップリング回折光学要素２８は、その長手方向に沿って（すなわち、図１のｘ軸に沿って）、伝搬してきた光ビームＷＧとの複数の回折遭遇により、ビーム拡張に寄与する。アウトカップリング回折光学要素２８は、各遭遇からの回折光を、観察者の目の意図された位置に向ける。
画像担持光ビームＷＧの一部は、格子ベクトルｋ１を有する中間回転回折光学要素２６に向けられる。回転回折光学要素２６を用いることにより、平面導波路２２を経て伝播してきた、光学的に結合された画像担持光ビームＷＧの少なくとも一部を、格子ベクトルｋ２を有するアウトカップリング回折光学要素２８に向けて、回転／方向付けることができる。中間格子２６は、光路におけるその機能故に「回転格子」と呼ばれる。中間格子２６は、その格子ベクトルｋ１に従って、導波路２２内からのビームＷＧを、アウトカップリング回折光学要素２８に向かって方向転換し、それによって、インカップリング回折光学要素２４とアウトカップリング回折光学要素２８の格子ベクトルｋ０、ｋ２間の角度差を構成する。回転回折光学要素２６は、回折要素の角度配向と、間隔周期ｄによって決定される間隔形状を有している。この回転回折光学要素２６は、内部反射ビームＷＧを方向転換するだけでなく、最初の伝播方向に沿う（すなわち図１のｙ軸に沿う）光ビームＷＧとの複数の回折遭遇を介して、ビーム拡大に寄与する。
このようにして、回転回折光学要素２６は、インカップリング回折光学要素２４とアウトカップリング回折光学要素２８との間に光学的に配置される。回折格子２４、２６、２８は、複数の回折フィーチャ５０を含む。回折フィーチャ５０は、溝、線、または罫線（ruling）である。一実施形態では、図１に示されるように、回折フィーチャ５０は、直線を含む。各回折格子２４、２６、２８は、互いの回折格子２４、２６、２８に対して、幅、深さ、ブレイズ角、デューティサイクルなどが異なる回折フィーチャ５０を有することができる。
回転回折光学要素２６をインカップリング回折格子２４とアウトカップリング回折格子２８の間に光学的に配置することにより、回転回折光学要素２６は、インカップリング回折構成２４から平面導波路を通って伝搬してきた画像担持光の少なくとも一部を、アウトカップリング回折格子２８に向けて、回転させる／方向付けることができる。感光層、マスク層またはモールド基板（型基板；mold substrate）の平坦な表面上に、少なくとも３つの回折格子を作成することは、電子ビームまたはイオンビーム及び／又は他のビームの書き込み装置にとって、かなりの書き込み時間を必要とする。しかしながら、本明細書に記載されるように、回折格子パターンの書き込み時間は、用いられるビーム書き込み機のｘ軸及び／又はｙ軸に対する回折格子の配向により、短縮することができる。ビーム書き込み機のｘ軸及び／又はｙ軸は、本明細書では、好ましいビーム書き込み方向と呼ばれる。ｘ軸及びｙ軸は、ビーム書き込み機が、モールド基板及び／又は基板上の材料層に、回折フィーチャを最も正確に及び／又は最も迅速に書き込むことができる方向である。
一実施形態では、回折格子のレイアウトパターンは、電子ビーム（e-ビーム）リソグラフィー、イオンビームリソグラフィー、レーザーリソグラフィー、及び／又は他のデジタルビーム書き込み方法（これらに限定されない）の方法を用いて、モールド基板の平坦な表面上及び／又は表面内に直接形成または書き込むことができる。別の実施形態では、回折格子のレイアウトパターンは、モールド基板上に配置されたマスク層またはコーティングに書き込むことができる。さらに別の実施形態では、回折格子のレイアウトパターンは、マスク層及び／又はモールド基板上に配置された感光層に書き込むことができる。
マスク層に直接書き込む場合、パターンは、モールド基板上の複数の可能な層の異なる層に転写される。モールド基板は、シリコンまたは石英であるが、これらに限定されない。転写プロセスは、例えば、イオンエッチングプロセスである。パターンが感光層に書き込まれる場合、レイアウトパターンは、例えば乾式または湿式エッチングプロセスのいずれかによって、感光層の下のマスク層に転写することができる。レイアウトパターンはまた、例えば、イオンエッチングまたはウェットエッチングプロセスを用いて、感光層からモールド基板に直接転写することができる。
回折格子のレイアウトパターンを受け取ったモールド基板は、別のモールド基板を製造するためのモールド（型）として利用することができ、または光学画像光ガイドの回折格子パターンを作成するためのモールドとして利用することができる。モールド基板を利用して画像光ガイドの回折格子パターンを作成する方法は、ポリマーをモールド基板に塗布してポリマーに回折格子パターンを形成し、次にポリマーを光ガイドの表面に接着して画像光ガイドに回折格子パターンを形成する工程を含む。当業者に知られている他の技術を用いて、モールド基板から画像光ガイドに回折パターンを複製し転写することもできる。
図２に示されるように、一実施形態では、回折格子２４、２６、２８の配置は、拡張現実及び／又は仮想現実のバーチャル像ニアアイディスプレイシステム３４のイメージング光ガイド２０において使用することができる。回転回折光学要素２６を用いて、ニアアイディスプレイシステムの射出瞳を一方向に沿って拡張することができ、アウトカップリング回折光学要素２８を用いて、ニアアイディスプレイシステムの射出瞳を別の方向に沿って拡張することができる。一実施形態では、回転回折光学要素２６は、ニアアイディスプレイシステムの射出瞳を第１の方向に拡張し、アウトカップリング回折光学要素２８は、ニアアイディスプレイシステムの射出瞳を第２の方向に拡張する。
一実施形態では、バーチャル像ニアアイディスプレイシステム３４は、人３２が着用する眼鏡の形態をとることができる。眼鏡のレンズの少なくとも１つは、イメージング光ガイド２０を含むことができる。バーチャル像ニアアイディスプレイシステム３４は、画像光ガイドのインカップリング回折格子２４に向かって投射される画像担持光ビームを生成するためのプロジェクタ３６を含むことができる。画像担持光ビームの一部は、インカップリング回折格子２４から回転回折光学要素２６に向けられる。回転回折光学要素２６は、画像担持光ビームの少なくとも一部をアウトカップリング回折光学要素２８に向けて回転させ、人３２がバーチャル像を見られるようにする。別の実施形態では、イメージング光ガイド２０を含むバーチャル像ニアアイディスプレイシステムは、フェイスシールドの形態をとることができる。
図３に示されるように、一実施形態では、モールド基板４０は、平坦な表面４６を有する。平坦な表面４６は、モールド基板４０と同じ材料ではないコーティング／層を含むことができる。一実施形態では、モールド基板４０は石英であり、平坦な表面４６はクロム層を含むことができる。別の実施形態では、平坦な表面４６は、感光コーティングを含むことができる。さらに、平坦な表面４６は、モールド基板４０に付された多層コーティングから形成されていてもよい。
図３は、複数の直線の回折フィーチャ５０を有する回折格子２４、２６、２８の一部の概略図である（図３には、１つの直線の回折フィーチャ５０のみが示されている）。一実施形態では、回折フィーチャ５０は、基板の平坦な表面４６上及び／又は表面内にビーム書き込み機（本明細書に記載のビーム書き込みシステム２００等）によって作成することができる。各回折フィーチャ５０は、所望の深さおよび所望の幅の溝とすることができる。図１０に示されるように、一実施形態では、各回折格子２４、２６、２８の回折フィーチャ５０のデューティサイクルは、５０％未満とすることができる。換言すれば、回折フィーチャ５０の隆起部分の幅ｗｌは、回折フィーチャ５０の凹部分の幅ｗ２の半分未満である。別の実施形態では、回折格子２４、２６、２８のうちの１つだけが、５０％未満のデューティサイクルの回折フィーチャ５０を有する。本実施形態では、デューティサイクルが５０％未満の回折フィーチャ５０を有する回折格子２４、２６、２８は、回折フィーチャ５０がビーム書き込み機の好ましい書き込み方向と平行になるように配向することができる。
モールド基板４０は、ビーム書き込み機に対してモールド基板４０を配向するために利用される１つまたは複数のアライメントフィーチャ（位置合わせフィーチャ）を含むことができる。一実施形態では、１つまたは複数のアライメントフィーチャは、第１の直線エッジ（first straight edge）４２および第２の直線エッジ(second straight edge)４４を含む。第１の直線エッジ４２は、ビーム書き込み機のｙ軸とほぼ平行に整列させることができ、第２の直線エッジ４４は、ビーム書き込み機のｘ軸とほぼ平行に整列させることができる。別の実施形態では、モールド基板は、直線でない周縁を有することもある。モールド基板が直線でない周縁を有する一実施形態では、１つまたは複数のアライメントフィーチャは、１つまたは複数の基準マーカーとすることができるが、これらに限定されない。
一実施形態では、回折格子パターンは、書き込みビームの偏向、書き込みビームの選択的な給電及び／又は活性化、及び／又はモールド基板４０の平行移動の組み合わせによって、モールド基板４０及び／又は平坦な表面４６内に作成することができる。図３に示されるように、所望の直線回折フィーチャ５０に近づけるために、ビーム書き込み機のビームは、本明細書ではジグザグ経路とも呼ばれる階段状パターン（step pattern）５２をとることができる。ビーム書き込み機の階段状パターン５２は、１つまたは複数のｙ軸の書き込み経路５４と、１つまたは複数のｘ軸の書き込み経路５６を含む。このようにして、平坦な表面４６上にｘ軸およびｙ軸のビーム経路方向を有するデジタルビーム書き込み機は、所望の直線状の回折フィーチャ５０を作成することができる。この直線状の回折フィーチャ５０は、階段状パターン５２を用いて直線５０に近似させることにより、ｘ軸およびｙ軸に対してある角度で配置されている。例えば、モールド基板４０は、インカップリング回折光学要素２４、回転回折光学要素２６、およびアウトカップリング回折光学要素２８を含むことができ、これら回折光学要素２４、２６、２８のうちの１つ以上は、ほぼ直線状の回折フィーチャ５０のように振る舞う階段状の線の回折フィーチャ５２を含む。換言すれば、回折光学要素２４、２６、２８のうちの１つ以上の回折フィーチャは、あたかも直線回折フィーチャ５０であるかのように入射光を回折するように動作可能な階段状の線の回折フィーチャ５２を備えている。
別の実施形態では、所望の回折フィーチャは、書き込みビームの偏向、モールド基板４０の平行移動、及び／又は書き込みビームの選択的な給電の組み合わせによって生成されたｘ－ｙラスター(raster)を用いて書き込むことができる。ラスターによる方法では、ｘ軸およびｙ軸に対してある角度で配置された直線状の回折フィーチャ５０もまた、階段状パターンを有する。ラスターは、所望の回折フィーチャの完全な集合を生成するために、複数の経路（pass）の書き込みを含むことができる。
実際には、最終の基板及び／又は平行板の導波路に書き込まれた階段状パターン５２は、書き込みビームの経路またはラスターよりもはるかに滑らかにすることができる。平滑化は、書き込みビームの有限の幅と、最終の基板を形成するために用いられる化学処理の両方から生じる。結果として得られる階段状パターンを確認するには、走査型電子顕微鏡（SEM）や原子間力顕微鏡（AFM）などの高精度の技術が必要である。階段状パターン５２が存在するが比較的滑らかである特定の場合には、これらの顕微鏡技術を用いても見るのは難しいかもしれない。
別の実施形態（図示せず）では、モールド基板４０は、直線エッジ４２及び／又は直線エッジ４４がそれぞれｙ軸及び／又はｘ軸と平行に整列されないように回転することができる。この実施形態では、基準マークなどのアライメントフィーチャを用いて、ビーム書き込み機内でモールド基板４０をアライメント（位置合わせ）することができる。
図４Ａに示されるように、一実施形態では、平行板の導波路６０は、その１つまたは複数の表面６２上に、インカップリング回折格子２４、回転回折光学要素２６、およびアウトカップリング回折光学要素２８を含む。図４Ｂに示されるように、モールド基板７０は、平行板導波路６０の回折格子パターン２４、２６、２８を有する表面７２を含む。モールド基板７０の表面７２は、モールド基板７０とは異なる材料を含むことができる。一実施形態では、モールド基板７０は石英であり、表面７２はクロムコーティング及び／又は複層コーティングである。図４Ｂに示されるように、回転回折光学要素２６の格子ベクトルｋｌは、ビーム書き込み機のｙ軸方向と平行になるように配向されている。格子ベクトルｋ１は、回転回折光学要素２６の直線状の回折フィーチャと直角をなしている。換言すれば、格子ベクトルｋ１は、ビーム書き込み機のｘ軸に対して垂直に配向されている。インカップリング回折格子２４は格子ベクトルｋ０を有し、アウトカップリング回折光学要素２８は格子ベクトルｋ２を有する。一実施形態では、格子ベクトルｋ０は、格子ベクトルｋ１に対して約６５度の角度をなす。格子ベクトルｋ２は、格子ベクトルｋ０と鏡面対称をなし、回転回折光学要素の格子ベクトルｋ１に対して約６５度の角度をなしている。３つの回折格子ベクトルｋ０、ｋ１、ｋ２の合計はほぼゼロである。格子ベクトルｋ０およびｋ２は、格子ベクトルｋ１と一緒に（描写された矢印の先端を尾に配置したときに、）二等辺三角形を形成するような長さを有する。言い換えると、格子ベクトルｋ０、ｋ１、ｋ２の力ベクトル図は三角形を形成する。一実施形態では、３つの格子ベクトルｋ０、ｋ１、ｋ２が不等辺三角形を形成する場合もある。
別の実施形態では、モールド基板の表面７２上の回折格子２４、２６、２８のレイアウトは、格子ベクトルｋ１がビーム書き込み機のｘ軸と平行に配向されるように回転することができる。したがって、回転回折光学要素２６の直線状の回折フィーチャは、ｙ軸方向と平行である。
モールド基板７０上において、回転回折光学要素２６の格子ベクトルｋｌは、ｘ軸方向およびｙ軸方向と名付けられたビーム書き込み機の好ましい書き込み方向の１つと、直角にアライメントされるべきである。これにより、モールド基板７０の周辺の形状を、円形、正方形、長方形、または楕円形を含む（ただし、これらに限定されない）任意の都合のよい形状にすることができる。
回転回折光学要素２６の格子ベクトルｋｌをビーム書き込み機の好ましい書き込み方向の１つと直角になるように配向することにより、回折格子２４、２６、２８をモールド基板７０内/上に書き込むのに必要な時間が大幅に短縮される。例えば、第１のモールド基板は、格子ベクトルｋ１が１つの好ましい書き込み方向に直角であり、他の好ましい書き込み方向と平行であるように配向された回折格子パターンを有する。第２のモールド基板は、格子ベクトルｋ１が好ましい書き込み方向の１つに対して直角に配向されていないことを除いて、第１のモールド基板の回折格子パターンと同一の回折格子パターンを有する。格子ベクトルｋ０、ｋ１、ｋ２の相対的な配向は、第１、第２の基板の両方で同じであり、インカップリング回折格子２４、回転回折光学要素２６、およびアウトカップリング回折光学要素２８の全体のサイズも同じである。この例では、回折格子ベクトルｋ０、ｋ２は、対称線を挟んで格子ベクトルｋ１に対して６５度の角度で配置され、３つの回折格子２４、２６、２８すべての合計書き込み面積は約５７４ｍｍ2である。そして、３つすべての回折格子２４、２６、２８の回折格子ピッチは、３２０ｎｍから３８０ｎｍの間である。第２のモールド基板の場合（３つの回折格子ベクトルｋ０、ｋ１、ｋ２のいずれもビーム書き込み機のｘ軸またはｙ軸の好ましい書き込み方向とアライメントしていない場合）、書き込み時間は約８８４分である（これはテストにより決定された）。第１のモールド基板の場合（回転回折光学要素のベクトルｋｌがｙ軸と平行にアライメントされ、これにより、回転回折光学要素２６の直線状の回折フィーチャがビーム書き込み機のｘ軸と平行であり、格子ベクトルｋ０、ｋ２に関連する直線状の回折フィーチャが好ましい書き込み方向でない場合）、３つの回折格子２４、２６、２８すべての合計書き込み時間は５２７分である（これはテストにより決定された）。したがって、第１のモールド基板の書き込み時間は、第２のモールド基板の書き込み時間よりも４０％短い。
図５Ａは、平行板導波路８０の１つまたは複数の表面８２上の３つの回折格子８４、８６、８８のレイアウトを示す。回折格子８４、８６、８８のピッチは、３００ｎｍから１０００ｎｍの間である。
図５Ｂは、モールド基板９０の平坦な表面９２上での図５Ａの回折格子のレイアウト図であり、回折格子８４、８６、８８の配向を示す。モールド基板９０の平坦な表面９２は、多層コーティング、例えば、クロムコーティング及び／又はフォトポリマーコーティング（例えば、ＰＭＭＡまたは他のフォトレジスト材料）を含む。回折格子８６の格子ベクトルｋｌは、ビーム書き込み機のｘ軸方向と直角になるように配向されている。回折格子８４は格子ベクトルｋ０を有し、回折格子８８は回折格子ベクトルｋ２を有する。格子ベクトルｋ０は、格子ベクトルｋ１に対して約６０度の角度をなす。回折格子８８の格子ベクトルｋ２は、対称線を挟んで鏡面対称をなし、回折格子ベクトルｋ１に対して約６０度の角度をなす。３つの回折格子ベクトルの合計はほぼゼロである。格子ベクトルｋ０およびｋ２は、格子ベクトルｋ１と一緒に（描写された矢印の先端を尾に配置したときに、）二等辺三角形を形成するような長さを有する。別の実施形態では、３つの格子ベクトルｋ０、ｋ１、ｋ２が不等辺三角形を形成する。
一実施形態では、３つの回折格子８４、８６、８８すべての総書き込み面積は、約２００ｍｍ２である。別の実施形態では、３つの回折格子８４、８６、８８すべての総書き込み面積は、モールド基板９０のほぼ全表面９２であり得る。
図６は、インプット回折格子ベクトルｋ０、回転回折格子ベクトルｋ１、アウトプット回折格子ベクトルｋ２を示している。インプット回折格子ベクトルｋ０の直線状の回折フィーチャ１０２は、関連するビーム書き込み経路１０４を経て作成され、回折格子ベクトルｋ２の直線状の回折フィーチャ１１０は、関連するビーム書き込み経路１１２を経て作成される。 格子ベクトルｋ０およびｋ２は、対称線を挟んで対称である。回転回折格子ベクトルｋ１は、回折格子ベクトルｋ０によって表される回折格子と回折格子ベクトルｋ２によって表される回折格子との間において光学的に配置される。
図７は、モールド基板７０を用いて少なくとも部分的に製造された２つの平行板平面導波路１６０、１６２の積み重ねを示す。第１の平行板平面導波路１６０は、少なくともインプットカップリング回折格子ＩＤＯ１、回転回折格子ＴＧ１、およびアウトカップリング回折格子ＯＤＯ１を備えている。格子ベクトルｋｌａは、回転回折光学要素ＴＧ１に関連する回折格子ベクトルである。回転回折光学要素ＴＧ１は、インプットカップリング回折格子ＩＤＯ１とアウトカップリング回折格子ＯＤＯ１との間に光学的に配置されている。第２の平行板平面導波路１６２は、少なくともインプットカップリング回折格子ＩＤ０２、回転回折格子ＴＧ２、およびアウトプットカップリング回折格子ＯＤ０２を備えている。格子ベクトルｋｌｂは、回転回折光学要素ＴＧ２と関連する回折格子ベクトルである。回転回折光学要素ＴＧ２は、インプットカップリング回折格子ＩＤ０２とアウトカップリング回折格子ＯＤ０２の間に光学的に配置されている。
モールド基板７０の製造中に、回転回折光学要素ＴＧ１／ＴＧ２の直線状回折フィーチャと、ビーム書き込み機のｘ軸またはｙ軸との間の角度が平行でなくゼロ度に近づくと、ビーム書き込み機により作成された、インカップリング回折光学要素とアウトカップリング回折光学要素の直線状回折フィーチャの階段状パターンは、アウトカップリング回折光学要素０Ｄ０１／０Ｄ０２からの回折光に、有効な角度誤差を誘発する可能性がある。そのため、画像担持光ビームの光線の入力角度と出力角度は同じではない。この有効な角度誤差により、平行板平面導波路１６０、１６２の積み重ねられたプレートは、互いにオフセットされた直接画像を有するか、または画像からオフセットされたフレネル反射を有することになる。しかしながら、作成された直線状回折フィーチャに有効な角度誤差がない場合、平行板平面導波路１６０、１６２は、フレネル反射を所望の画像光とアライメントさせ、それによって出力画像の品質を改善する。
デジタルビーム書き込みによるモールド基板７０の製造では、ビーム書き込み機のｘ軸及び／又はｙ軸に平行ではない直線状回折フィーチャが、上記のようにジグザグパターンまたは階段状パターンで作成される。一実施形態では、回転回折光学要素２６の直線状回折フィーチャを第１の好ましい書き込み方向と平行に配向することにより、インカップリング回折格子２４およびアウトカップリング回折光学要素２８の直線状回折フィーチャの角度を、第２の好ましい書き込み方向に向け、これら角度が対称線を挟んで鏡面対称をなす。ビーム書き込みプロセス中にこのようにモールド基板７０を配向することにより、インカップリング回折格子２４とアウトカップリング回折光学要素２８の直線状回折フィーチャの階段状パターンを対称の階段状パターンにすることができ、それにより、階段状パターンにおける周期的誤差の効果（影響）が排除される。一実施形態では、回転回折光学要素２６の直線状回折フィーチャは、好ましい書き込み方向の１つと平行から１分角(arc minute)以内に配向される。別の実施形態では、回転回折光学要素２６の直線状回折フィーチャは、好ましい書き込み方向の１つと平行から１秒角（arc second）以内に配向されている。
回転回折光学要素２６の直線状回折フィーチャをビーム書き込み機の第１の好ましい書き込み方向と平行に配向し、格子ベクトルｋ０、ｋ２（図６を参照）の角度をミラーリングすることにより、モールド基板７０の直線状回折フィーチャの階段状パターンにおける周期的エラーの影響を排除またはキャンセルする。
平行板平面導波路１６０、１６２は、格子ベクトルｋｌｂが格子ベクトルｋｌａと平行になるように、その積層において整列（アライメント）される。図７はさらに、画像担持光を生成するマイクロプロジェクタ１７０の例を示している。画像担持光は、インプットカップリング回折格子ＩＤ０１およびＩＤ０２に向けられるように、プリズムアセンブリ１７２によって方向転換される。
別の実施形態では、格子ベクトルｋ０およびｋ２は、対称線を越えてミラーリングされていない。しかしながら、格子ベクトルｋ１をビーム書き込み機の好ましい書き込み方向に対して垂直に向けることは、デジタルビーム書き込み機の階段状パターンによって引き起こされる関連する直線状回折フィーチャにおける周期的誤差の影響を、少なくとも部分的に排除することができる。階段状パターンによって生成される周期的誤差は両方の回折格子で同じであり、対称線を挟んで少なくとも部分的にアライメントするため、周期的誤差の影響は少なくとも部分的に排除される。
一実施形態では、図９に示されるように、回折格子１８０は、弦セグメントを形成する直線状回折フィーチャ１８２を含む。弦セグメントは連なって曲線を構成する。ｙ軸に対して測定すると、直線回折フィーチャ１８２の角度φは、連続する曲線の弦としてｙ軸に沿って段階的に変化する。直線状回折フィーチャ１８２は、ｘ軸に沿った回折格子１８０の中心線１８４から離れるにしたがって、段階的にｙ軸方向から角度的に逸脱する。この角度的逸脱は、中心線１８４の反対側で符号が変わる。一実施形態では、ビーム書き込み機の階段状パターンによって生成される周期的誤差を低減または排除するために、中心線１８４を横切って配置される直線状回折フィーチャ１８２Ａは、好ましいビーム書き込み方向と平行に配向される。このアライメントは、中心線１８４を横切る回折格子１８０の直線状回折フィーチャ１８２を反映している。
ここで、図１１を参照する。図１１は、モールド基板を提供する方法の実施形態にしたがう簡略化されたブロック図である。この方法は、平坦な表面を有する基板を提供するステップ３００を含む。コーティングが平坦な表面と結合されている。この方法は、第１方向および第２方向に書き込むように動作可能なビーム書き込みシステムを提供するステップ３０２を含む。第２方向は第１方向と垂直である。この方法はまた、回折格子のレイアウトパターンを提供する工程３０４を含む。回折格子のレイアウトパターンは、第１回折格子と第２回折格子と第３回折格子を有する。第１回折格子は、第１格子ベクトルを規定する第１の複数の回折フィーチャを含む。第２回折格子は、第２格子ベクトルを規定する第２の複数の回折フィーチャを含む。第３回折格子は、第３格子ベクトルを規定する第３の複数の回折フィーチャを含む。この方法はさらに、ビーム書き込みシステム内に基板を配置するステップ３０６を含む。これにより、ビーム書き込みシステムは、コーティングに書き込むように動作可能となる。この方法はさらに、第１、第２、第３の複数の回折フィーチャのうちの１つを、ビーム書き込みシステムの第１方向と平行にアライメントさせるステップ３０８を含む。この方法は、ビーム書き込みシステムにより回折格子レイアウトパターンをコーティングに書き込むステップ３１０を含む。
ここで、図１２を参照する。図１２は、モールド基板を提供する方法の実施形態にしたがう簡略化されたブロック図である。図１２に示される実施形態では、ステップ３０８（第１、第２、第３の複数の回折フィーチャのうちの１つを、ビーム書き込みシステムの第１方向と平行にアライメントさせるステップ）が、ステップ３０８Ａを含んでいる。このステップ３０８Ａでは、第１、第２の複数の回折フィーチャがビーム書き込みシステムの第１、第２方向の１つと平行にアライメントされない。ステップ３１０（ビーム書き込みシステムにより回折格子レイアウトパターンをコーティングに書き込むステップ）は、ステップ３１０Ａを含む。このステップ３１０Ａでは、第１、第２の複数の回折フィーチャを階段状パターンでコーティングに書き込む。ステップ３１０はさらにステップ３１０Ｂを含む。このステップ３１０Ｂでは、第１、第２回折格子が第２回折格子の周りに左右対称の配向で配置され、それによって階段状パターンによって誘発される角度的誤差が少なくとも部分的に矯正される。
図８に示されるように、一実施形態では、ビーム書き込みシステム２００は、少なくともｘｙ直線移動プラットフォーム２０２と、回転手段２０４と、回転手段コントローラ２０８と、および通信手段２０６を含む。 通信手段２０６は、コントローラ２０８が信号を回転手段２０４に送信するのを可能にする。一実施形態では、通信手段２０６は、複数の電気的に独立したワイヤを有するワイヤケーブル（同軸ケーブルまたは８チャンネルケーブルなどであるが、これらに限定されない）である。別の実施形態では、コントローラ２０８は、無線通信（例えば、無線ローカルエリアネットワーキングまたは無線パーソナルエリアネットワーキングなど）を介して、回転手段２０４と通信することができる。
一実施形態では、回転手段２０４は、電動回転ステージである。一実施形態では、回転手段２０４の角度精度は、０．０１度よりも良い。別の実施形態では、回転手段２０４の角度精度は、０．００１度よりも良い。ビーム書き込みシステム２００は、さらに回転プラットフォーム２１０を含む。回転プラットフォーム２１０は、回転手段２０４に取り付けられて回転手段２０４とともに回転する。ビーム書き込みシステム２００はまた、ビーム２１０を生成し出射するビーム源２１２を含む。ビーム源２１２はまた、出射ビーム２１０を集束及び／又は操縦するための手段（図示せず）を含む。一実施形態では、１つまたは複数の磁気レンズを用いて、出射ビーム２１０を集束及び／又は操縦する。別の実施形態では、出射ビーム２１０は、静電偏向により集束及び／又は操縦される。ビーム書き込みシステム２００の他の構成要素、例えば真空チャンバーは、関連技術分野の当業者に周知であり、本明細書では図示されていない。
ビーム書き込みシステム２００の動作において、オプションの平坦な表面コーティング２２２を備えたモールド基板２２０が、回転プラットフォーム２１０上に配置される。回折格子は、モールド基板２２０上またはモールド基板２２０内に、または平坦な表面コーティング１２２内に製造することができる。モールド基板２２０は、回転手段２０４によって好ましい配向まで回転される。このようにして、すべての回折格子の直線状回折フィーチャを、好ましい書き込み方向に向けることができる。この好ましい書き込み方向は、ビーム書き込みシステム２００での作成時におけるｘｙ－直線移動プラットフォーム２０２の直線移動方向及び／又は好ましいビーム操縦方向と関連する。
直線状回折フィーチャを好ましい直線の書き込み方向に向けることに加えて、ビーム書き込みシステム２００を用いて、湾曲したフィーチャをモールド基板２２０の上又は中に及び／又はオプションの平面コーティング２２２の上または中に書き込むことができる。これは、ｘｙ－リニア移動プラットフォーム２０２のリニア移動中に回転手段２０４を操作することによって実現する。
本明細書に記載の実施形態の１つまたは複数の特徴を組み合わせて、図示されていない追加の実施形態を作ることができる。様々な実施形態が上で詳細に説明されてきたが、それらは例示として提示されたものであり、限定ではないことを理解されたい。開示された主題が、その範囲、精神、または本質的な特徴から逸脱することなく、他の特定の形態、変形、および修正で具体化され得ることは、関連技術の当業者には明らかであろう。したがって、上記の実施形態は、すべての点で例示的であり、限定的ではないと見なされるべきである。本発明の範囲は、添付の特許請求の範囲によって示され、その均等の意味および範囲内にあるすべての変更を含むことが意図されている。

Claims (10)

  1. 平面状の表面と、
    前記平面状の表面に沿って配置された第１の複数のリニアな回折フィーチャと、
    前記平面状の表面に沿って配置された第２の複数のリニアな回折フィーチャと、
    を備え、
    前記第１の複数のリニアな回折フィーチャが、実質的にリニアな回折フィーチャを形成する階段状の線の回折フィーチャを含み、
    前記第１の複数のリニアな回折フィーチャが、前記第２の複数のリニアな回折フィーチャと平行に配向された第１直線部と、前記第２の複数のリニアな回折フィーチャと垂直に配向された第２直線部と、を含み、
    前記第１直線部と前記第２直線部が交互に配置され、
    前記第２の複数のリニアな回折フィーチャが階段状の線の回折フィーチャを含まない、基板。
  2. 前記階段状の線の回折フィーチャが、直線状の回折フィーチャであるかのように入射光を回折するように動作可能である、請求項１に記載の基板。
  3. 前記平面状の表面に結合された基板本体をさらに備え、前記平面状の表面が第１の材料を含み、前記基板本体が第２の材料を含む、請求項１に記載の基板。
  4. 前記第１の材料がクロム層を含み、前記第２の材料が石英を含む、請求項３に記載の基板。
  5. 前記平面状の表面に沿って配置された第３の複数のリニアな回折フィーチャをさらに備え、前記第１および第３の複数のリニアな回折フィーチャは、それぞれ前記階段状の線の回折フィーチャを含み、前記第２の複数のリニアな回折フィーチャはそれぞれ直線を画成する、請求項１に記載の基板。
  6. 前記平面状の表面に沿って配置された第３の複数のリニアな回折フィーチャをさらに備え、前記第２の複数のリニアな回折フィーチャが、前記第１、第３の複数のリニアな回折フィーチャの間に光学的に配置され、前記第１、第３の複数のリニアな回折フィーチャが、前記第１、第３の複数のリニアな回折フィーチャの格子ベクトルが、前記第２の複数のリニアな回折フィーチャの格子ベクトルに対して等しい角度で配向されるように、前記第２の複数のリニアな回折フィーチャの周りに対称の配向を有する、請求項１に記載の基板。
  7. 前記平面状の表面に沿って配置された第３の複数のリニアな回折フィーチャをさらに備え、前記第１の複数のリニアな回折フィーチャが、前記第３の複数のリニアな回折フィーチャから、０度から９０度の間の角度で配置されている、請求項１に記載の基板。
  8. 前記平面状の表面に沿って配置された第３の複数のリニアな回折フィーチャをさらに備え、総回折格子面積が、２００ｍｍ２と前記平面状の表面の総面積との間であり、前記第１、第２、第３の複数のリニアな回折フィーチャが、前記総回折格子面積を規定する、請求項１に記載の基板。
  9. 第３の複数のリニアな回折フィーチャをさらに含み、前記第１、第２、第３の複数のリニアな回折フィーチャが連なって曲線の弦セグメントを形成する、請求項１に記載の基板。
  10. 平面状の表面と、
    前記平面状の表面に沿って配置された第１の複数のリニアな回折フィーチャと、
    前記平面状の表面に沿って配置された第２の複数のリニアな回折フィーチャと、
    前記平面状の表面に沿って、前記第１、第２の複数のリニアな回折フィーチャの間に光学的に配置された第３の複数のリニアな回折フィーチャと、
    を備え、
    前記第１の複数のリニアな回折フィーチャは、実質的にリニアな回折フィーチャを形成する階段状の線の回折フィーチャを含み、第１直線部と、前記第１直線部と実質的に垂直に配向された第２直線部と、を含み、前記第１直線部と前記第２直線部が交互に配置されており、
    前記第２の複数のリニアな回折フィーチャは、実質的にリニアな回折フィーチャを形成する階段状の線の回折フィーチャを含み、第１直線部と、前記第１直線部と実質的に垂直に配向された第２直線部と、を含み、前記第１直線部と前記第２直線部が交互に配置されており、
    前記第３の複数のリニアな回折フィーチャは、前記第１の複数のリニアな回折フィーチャおよび前記第２の複数のリニアな回折フィーチャの前記第１直線部または前記第２直線部と平行な直線部により構成されており、
    前記第１、第２の複数のリニアな回折フィーチャは、前記第１、第２の複数のリニアな回折フィーチャの格子ベクトルが前記第３の複数のリニアな回折フィーチャの格子ベクトルに対して等しい角度で配向されるように、前記第３の複数のリニアな回折格子の周りに対称の配向を有する、基板。
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