(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公開特許公報(A)
(11)【公開番号】P2023118966
(43)【公開日】2023-08-25
(54)【発明の名称】交差格子を用いた導波管光マルチプレクサ
(51)【国際特許分類】
G02B 27/02 20060101AFI20230818BHJP
H04N 5/64 20060101ALI20230818BHJP
G02B 5/18 20060101ALN20230818BHJP
【ＦＩ】
G02B27/02 Z
H04N5/64 511A
G02B5/18
【審査請求】有
【請求項の数】1
【出願形態】ＯＬ
【外国語出願】
(21)【出願番号】P 2023112185
(22)【出願日】2023-07-07
(62)【分割の表示】P 2022201998の分割
【原出願日】2017-11-16
(31)【優先権主張番号】62/424,293
(32)【優先日】2016-11-18
(33)【優先権主張国・地域又は機関】US
(71)【出願人】
【識別番号】514108838
【氏名又は名称】マジック リープ， インコーポレイテッド
【氏名又は名称原語表記】Ｍａｇｉｃ Ｌｅａｐ，Ｉｎｃ．
【住所又は居所原語表記】７５００ Ｗ ＳＵＮＲＩＳＥ ＢＬＶＤ，ＰＬＡＮＴＡＴＩＯＮ，ＦＬ ３３３２２ ＵＳＡ
(74)【代理人】
【識別番号】100078282
【弁理士】
【氏名又は名称】山本 秀策
(74)【代理人】
【識別番号】100113413
【弁理士】
【氏名又は名称】森下 夏樹
(74)【代理人】
【識別番号】100181674
【弁理士】
【氏名又は名称】飯田 貴敏
(74)【代理人】
【識別番号】100181641
【弁理士】
【氏名又は名称】石川 大輔
(74)【代理人】
【識別番号】230113332
【弁護士】
【氏名又は名称】山本 健策
(72)【発明者】
【氏名】チュルウ オ
(57)【要約】
【課題】光学要素を提供すること
【解決手段】２次元導波管光マルチプレクサが、本明細書に説明され、２次元導波管光マルチプレクサは、２次元で光信号を効率的に多重化および分散させることができる。２次元導波管光マルチプレクサの例は、導波管と、第１の回折格子と、第１の回折格子の上方に配置され、第１の回折格子の格子方向が第２の回折格子の格子方向と垂直であるように配列される第２の回折格子とを含むことができる。２次元導波管光マルチプレクサを加工する方法も、開示される。
【選択図】なし
【解決手段】２次元導波管光マルチプレクサが、本明細書に説明され、２次元導波管光マルチプレクサは、２次元で光信号を効率的に多重化および分散させることができる。２次元導波管光マルチプレクサの例は、導波管と、第１の回折格子と、第１の回折格子の上方に配置され、第１の回折格子の格子方向が第２の回折格子の格子方向と垂直であるように配列される第２の回折格子とを含むことができる。２次元導波管光マルチプレクサを加工する方法も、開示される。
【選択図】なし
【特許請求の範囲】
【請求項1】
本明細書に記載の発明。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
（優先権主張）
本願は、米国仮特許出願第６２／４２４，２９３号（２０１６年１１月１８日出願）に対する優先権の利益を主張し、上記出願の内容は、その全体が参照により本明細書に引用される。
本願は、米国仮特許出願第６２／４２４，２９３号（２０１６年１１月１８日出願）に対する優先権の利益を主張し、上記出願の内容は、その全体が参照により本明細書に引用される。
【0002】
（参照による組み込み）
本願は、以下の特許出願の各々の全体を参照により組み込む：米国出願第１４／５５５，５８５号（２０１４年１１月２７日出願）、米国出願第１４／６９０，４０１号（２０１５年４月１８日出願）、米国出願第１４／２１２，９６１号（２０１４年３月１４日出願）、米国出願第１４／３３１，２１８号（２０１４年７月１４日出願）、および米国出願第１５／０７２，２９０号（２０１６年３月１６日出願）
本願は、以下の特許出願の各々の全体を参照により組み込む：米国出願第１４／５５５，５８５号（２０１４年１１月２７日出願）、米国出願第１４／６９０，４０１号（２０１５年４月１８日出願）、米国出願第１４／２１２，９６１号（２０１４年３月１４日出願）、米国出願第１４／３３１，２１８号（２０１４年７月１４日出願）、および米国出願第１５／０７２，２９０号（２０１６年３月１６日出願）
【0003】
（背景）
（分野）
本開示は、ディスプレイシステムに関し、より具体的には、光の多重化に関する。
（分野）
本開示は、ディスプレイシステムに関し、より具体的には、光の多重化に関する。
【背景技術】
【0004】
（関連技術の説明）
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様式、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シナリオであり、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シナリオでは、ＡＲ画像コンテンツは、実世界内のオブジェクトによってブロックされて見え、または別様にそれと相互作用するように知覚され得る。
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様式、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シナリオであり、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シナリオでは、ＡＲ画像コンテンツは、実世界内のオブジェクトによってブロックされて見え、または別様にそれと相互作用するように知覚され得る。
【0005】
図１を参照すると、拡張現実場面１が、描写されており、ＡＲ技術のユーザには、人々、木々、背景における建物、コンクリートプラットフォーム１１２０を特徴とする、実世界公園状設定１１００が見える。これらのアイテムに加え、ＡＲ技術のユーザはまた、これらの要素１１３０、１１１０が実世界内に存在しないにもかかわらず、実世界プラットフォーム１１２０上に立っているロボット像１１１０と、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１１３０等の「仮想コンテンツ」を「見ている」と知覚する。ヒトの視知覚系は、複雑であって、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】
（要約）
いくつかの実施形態によると、光学要素が、本明細書に提供される。いくつかの実施形態では、光学要素は、導波管と、格子方向を有する少なくとも１つ以上の第１の回折格子であって、導波管の主要表面上に配置されている、１つ以上の第１の回折格子と、格子方向を有する少なくとも１つ以上の第２の回折格子であって、１つ以上の第１の回折格子の格子方向が１つ以上の第２の回折格子の格子方向と垂直であるように、１つ以上の第１の回折格子に対して配置されている、１つ以上の第２の回折格子とを備えている。
いくつかの実施形態によると、光学要素が、本明細書に提供される。いくつかの実施形態では、光学要素は、導波管と、格子方向を有する少なくとも１つ以上の第１の回折格子であって、導波管の主要表面上に配置されている、１つ以上の第１の回折格子と、格子方向を有する少なくとも１つ以上の第２の回折格子であって、１つ以上の第１の回折格子の格子方向が１つ以上の第２の回折格子の格子方向と垂直であるように、１つ以上の第１の回折格子に対して配置されている、１つ以上の第２の回折格子とを備えている。
【0008】
いくつかの実施形態では、１つ以上の第１の回折格子は、導波管の底部主要表面上に配置され、１つ以上の第２の回折格子は、導波管の上部主要表面上に配置される。いくつかの実施形態では、１つ以上の第１の回折格子は、導波管の上部主要表面上に配置され、１つ以上の第２の回折格子は、導波管の上部主要表面の上方に配置される。いくつかの実施形態では、１つ以上の第２の回折格子は、隔離層によって、１つ以上の第１の回折格子から分離される。いくつかの実施形態では、隔離層は、透明酸化物またはポリマー材料を備えている。いくつかの実施形態では、１つ以上の第１の回折格子および１つ以上の第２の回折格子の各々は、対称回折格子を備えている。
【0009】
いくつかの実施形態では、１つ以上の第１の回折格子はさらに、第１の回折方向を有する少なくとも１つ以上の第１の非対称回折格子と、第１の回折方向と逆平行の第２の回折方向を有する少なくとも１つ以上の第２の非対称回折格子とを備え、１つ以上の第２の回折格子はさらに、第３の優先回折方向を有する少なくとも１つ以上の第３の非対称回折格子と、第３の回折方向と逆平行の第４の回折方向を有する少なくとも１つ以上の第４の非対称回折格子とを備えている。
【0010】
いくつかの実施形態では、１つ以上の第１、第２、第３、および第４の非対称回折格子は、ブレーズド格子、ブラッグ格子、液晶格子、正弦波格子、バイナリ格子、体積位相格子、またはメタ表面格子を備えている。いくつかの実施形態では、１つ以上の第１、第２、第３、および第４の非対称回折格子は、液晶材料を備えている。いくつかの実施形態では、１つ以上の第１、第２、第３、および第４の非対称回折格子は、ネマチック液晶材料を備えている。いくつかの実施形態では、１つ以上の第１、第２、第３、および第４の非対称回折格子は、コレステリック液晶材料を備えている。いくつかの実施形態では、１つ以上の第１、第２、第３、および第４の非対称回折格子は、重合化可能液晶材料を備えている。いくつかの実施形態では、１つ以上の第１、第２、第３、および第４の非対称回折格子は、ナノインプリントプロセスによって形成される。いくつかの実施形態では第１の非対称回折格子は、第１の整合層上に堆積され、第３の非対称回折格子は、第２の整合層上に堆積される。
【0011】
いくつかの実施形態では、第２の非対称回折格子は、直接、第１の非対称回折格子上に堆積され、第４の非対称回折格子は、直接、第３の非対称回折格子上に堆積される。いくつかの実施形態では、１つ以上の第１、第２、第３、および第４の非対称回折格子は、偏光格子を備えている。いくつかの実施形態では、１つ以上の第１、第２、第３、および第４の非対称回折格子は、偏光格子を備え、非対称回折格子の傾斜角度は、コレステリック液晶材料のキラリティ、掌性、および螺旋ピッチに対応する。いくつかの実施形態では、各非対称回折格子の傾斜角度は、液晶材料内のキラルドーパントの量に対応する。いくつかの実施形態では、第１、第２、第３、および第４の非対称回折格子は、複数の液晶材料層を備え、該回折格子のうちの１つのための複数の液晶材料層のうちの少なくとも２つは、異なる傾斜角度を有する。いくつかの実施形態では、１つ以上の第１の非対称回折格子は、第１の円偏光掌性を備え、１つ以上の第２の非対称回折格子は、第１の円偏光掌性に直交する第２の円偏光掌性を備えている。いくつかの実施形態では、１つ以上の第３の非対称回折格子は、第３の円偏光掌性を備え、１つ以上の第４の非対称回折格子は、第３の円偏光掌性に直交する第４の円偏光掌性を備えている。
【0012】
いくつかの側面によると、２次元で光信号を分散させる方法が、本明細書に説明される。いくつかの実施形態では、本方法は、第１の回折格子を介して、光信号を第１の方向に分散させることと、導波管内の全内部反射を介して、光信号の一部を第１の方向に伝搬させることと、第１の回折格子を介して、第１の方向に伝搬する光信号の一部を外部結合方向に外部結合させることと、第２の回折格子を介して、光信号の一部を第２の方向に分散させることと、導波管内の全内部反射を介して、光信号の一部を第２の方向に伝搬させることと、第２の回折格子を介して、第２の方向に伝搬する光信号の一部を外部結合方向に外部結合させることとを含み得る。いくつかの実施形態では、第１の方向は、第２の方向と垂直である。いくつかの実施形態では、光信号は、導波管の主要表面上に配置される複数の場所において外部結合される。
本発明は、例えば、以下の項目を提供する。
（項目１）
光学要素であって、前記光学要素は、
導波管と、
格子方向を有する少なくとも１つ以上の第１の回折格子であって、前記１つ以上の第１の回折格子は、前記導波管の主要表面上に配置されている、少なくとも１つ以上の第１の回折格子と、
格子方向を有する少なくとも１つ以上の第２の回折格子と
を備え、
前記１つ以上の第２の回折格子は、前記１つ以上の第１の回折格子の格子方向が前記１つ以上の第２の回折格子の格子方向と垂直であるように、前記１つ以上の第１の回折格子に対して配置されている、光学要素。
（項目２）
前記１つ以上の第１の回折格子は、前記導波管の底部主要表面上に配置され、前記１つ以上の第２の回折格子は、前記導波管の上部主要表面上に配置されている、項目１に記載の光学要素。
（項目３）
前記１つ以上の第２の回折格子は、隔離層によって、前記１つ以上の第１の回折格子から分離されている、項目１に記載の光学要素。
（項目４）
前記隔離層は、透明酸化物またはポリマー材料を備えている、項目３に記載の光学要素。
（項目５）
前記１つ以上の第１の回折格子および前記１つ以上の第２の回折格子の各々は、対称回折格子を備えている、項目１に記載の光学要素。
（項目６）
前記１つ以上の第１の回折格子は、第１の回折方向を有する少なくとも１つ以上の第１の非対称回折格子と、前記第１の回折方向と逆平行の第２の回折方向を有する少なくとも１つ以上の第２の非対称回折格子とをさらに備え、
前記１つ以上の第２の回折格子は、第３の優先回折方向を有する少なくとも１つ以上の第３の非対称回折格子と、前記第３の回折方向と逆平行の第４の回折方向を有する少なくとも１つ以上の第４の非対称回折格子とをさらに備えている、項目１に記載の光学要素。（項目７）
前記１つ以上の第１、第２、第３、および第４の非対称回折格子は、ブレーズド格子、ブラッグ格子、液晶格子、正弦波格子、バイナリ格子、体積位相格子、またはメタ表面格子を備えている、項目６に記載の光学要素。
（項目８）
前記１つ以上の第１、第２、第３、および第４の非対称回折格子は、液晶材料を備えている、前項目７に記載の光学要素。
（項目９）
前記１つ以上の第１、第２、第３、および第４の非対称回折格子は、ネマチック液晶材料を備えている、項目８に記載の光学要素。
（項目１０）
前記１つ以上の第１、第２、第３、および第４の非対称回折格子は、コレステリック液晶材料を備えている、項目８に記載の光学要素。
（項目１１）
前記１つ以上の第１、第２、第３、および第４の非対称回折格子は、重合化可能液晶材料を備えている、項目８に記載の光学要素。
（項目１２）
前記１つ以上の第１、第２、第３、および第４の非対称回折格子は、ナノインプリントプロセスによって形成される、項目８に記載の光学要素。
（項目１３）
前記第１の非対称回折格子は、第１の整合層上に堆積され、前記第３の非対称回折格子は、第２の整合層上に堆積されている、項目８に記載の光学要素。
（項目１４）
前記第２の非対称回折格子は、直接、前記第１の非対称回折格子上に堆積され、前記第４の非対称回折格子は、直接、前記第３の非対称回折格子上に堆積されている、項目１３に記載の光学要素。
（項目１５）
前記１つ以上の第１、第２、第３、および第４の非対称回折格子は、偏光格子を備えている、項目８に記載の光学要素。
（項目１６）
前記１つ以上の第１、第２、第３、および第４の非対称回折格子は、偏光格子を備え、非対称回折格子の傾斜角度は、前記コレステリック液晶材料のキラリティ、掌性、および螺旋ピッチに対応する、項目１０に記載の光学要素。
（項目１７）
各非対称回折格子の傾斜角度は、前記液晶材料内のキラルドーパントの量に対応する、項目１５に記載の光学要素。
（項目１８）
前記第１、第２、第３、および第４の非対称回折格子は、複数の液晶材料層を備え、前記回折格子のうちの１つのための前記複数の液晶材料層のうちの少なくとも２つは、異なる傾斜角度を有する、項目１５に記載の光学要素。
（項目１９）
前記１つ以上の第１の非対称回折格子は、第１の円偏光掌性を備え、前記１つ以上の第２の非対称回折格子は、前記第１の円偏光掌性に直交する第２の円偏光掌性を備えている、項目１５に記載の光学要素。
（項目２０）
前記１つ以上の第３の非対称回折格子は、第３の円偏光掌性を備え、前記１つ以上の第４の非対称回折格子は、前記第３の円偏光掌性に直交する第４の円偏光掌性を備えている、項目１５に記載の光学要素。
本発明は、例えば、以下の項目を提供する。
（項目１）
光学要素であって、前記光学要素は、
導波管と、
格子方向を有する少なくとも１つ以上の第１の回折格子であって、前記１つ以上の第１の回折格子は、前記導波管の主要表面上に配置されている、少なくとも１つ以上の第１の回折格子と、
格子方向を有する少なくとも１つ以上の第２の回折格子と
を備え、
前記１つ以上の第２の回折格子は、前記１つ以上の第１の回折格子の格子方向が前記１つ以上の第２の回折格子の格子方向と垂直であるように、前記１つ以上の第１の回折格子に対して配置されている、光学要素。
（項目２）
前記１つ以上の第１の回折格子は、前記導波管の底部主要表面上に配置され、前記１つ以上の第２の回折格子は、前記導波管の上部主要表面上に配置されている、項目１に記載の光学要素。
（項目３）
前記１つ以上の第２の回折格子は、隔離層によって、前記１つ以上の第１の回折格子から分離されている、項目１に記載の光学要素。
（項目４）
前記隔離層は、透明酸化物またはポリマー材料を備えている、項目３に記載の光学要素。
（項目５）
前記１つ以上の第１の回折格子および前記１つ以上の第２の回折格子の各々は、対称回折格子を備えている、項目１に記載の光学要素。
（項目６）
前記１つ以上の第１の回折格子は、第１の回折方向を有する少なくとも１つ以上の第１の非対称回折格子と、前記第１の回折方向と逆平行の第２の回折方向を有する少なくとも１つ以上の第２の非対称回折格子とをさらに備え、
前記１つ以上の第２の回折格子は、第３の優先回折方向を有する少なくとも１つ以上の第３の非対称回折格子と、前記第３の回折方向と逆平行の第４の回折方向を有する少なくとも１つ以上の第４の非対称回折格子とをさらに備えている、項目１に記載の光学要素。（項目７）
前記１つ以上の第１、第２、第３、および第４の非対称回折格子は、ブレーズド格子、ブラッグ格子、液晶格子、正弦波格子、バイナリ格子、体積位相格子、またはメタ表面格子を備えている、項目６に記載の光学要素。
（項目８）
前記１つ以上の第１、第２、第３、および第４の非対称回折格子は、液晶材料を備えている、前項目７に記載の光学要素。
（項目９）
前記１つ以上の第１、第２、第３、および第４の非対称回折格子は、ネマチック液晶材料を備えている、項目８に記載の光学要素。
（項目１０）
前記１つ以上の第１、第２、第３、および第４の非対称回折格子は、コレステリック液晶材料を備えている、項目８に記載の光学要素。
（項目１１）
前記１つ以上の第１、第２、第３、および第４の非対称回折格子は、重合化可能液晶材料を備えている、項目８に記載の光学要素。
（項目１２）
前記１つ以上の第１、第２、第３、および第４の非対称回折格子は、ナノインプリントプロセスによって形成される、項目８に記載の光学要素。
（項目１３）
前記第１の非対称回折格子は、第１の整合層上に堆積され、前記第３の非対称回折格子は、第２の整合層上に堆積されている、項目８に記載の光学要素。
（項目１４）
前記第２の非対称回折格子は、直接、前記第１の非対称回折格子上に堆積され、前記第４の非対称回折格子は、直接、前記第３の非対称回折格子上に堆積されている、項目１３に記載の光学要素。
（項目１５）
前記１つ以上の第１、第２、第３、および第４の非対称回折格子は、偏光格子を備えている、項目８に記載の光学要素。
（項目１６）
前記１つ以上の第１、第２、第３、および第４の非対称回折格子は、偏光格子を備え、非対称回折格子の傾斜角度は、前記コレステリック液晶材料のキラリティ、掌性、および螺旋ピッチに対応する、項目１０に記載の光学要素。
（項目１７）
各非対称回折格子の傾斜角度は、前記液晶材料内のキラルドーパントの量に対応する、項目１５に記載の光学要素。
（項目１８）
前記第１、第２、第３、および第４の非対称回折格子は、複数の液晶材料層を備え、前記回折格子のうちの１つのための前記複数の液晶材料層のうちの少なくとも２つは、異なる傾斜角度を有する、項目１５に記載の光学要素。
（項目１９）
前記１つ以上の第１の非対称回折格子は、第１の円偏光掌性を備え、前記１つ以上の第２の非対称回折格子は、前記第１の円偏光掌性に直交する第２の円偏光掌性を備えている、項目１５に記載の光学要素。
（項目２０）
前記１つ以上の第３の非対称回折格子は、第３の円偏光掌性を備え、前記１つ以上の第４の非対称回折格子は、前記第３の円偏光掌性に直交する第４の円偏光掌性を備えている、項目１５に記載の光学要素。
【図面の簡単な説明】
【0013】
【図13C】図１３Ｃは、第１の場所において優先回折方向を有する例示的回折格子によって、例示的導波管の中に内部結合され、優先回折方向を有する第２の例示的回折格子によって、導波管の第１の回折格子と同一側上の第２の場所において、片側から外部結合される光の概略図を示す。
【図13D】図１３Ｄは、第１の場所において優先回折方向を有する例示的回折格子によって、例示的導波管の中に内部結合され、優先回折方向を有する第２の例示的回折格子によって、導波管の第１の回折格子と反対側上の第２の場所において、片側から外部結合される光の概略図を示す。
【図16E】図１６Ｅは、いくつかの実施形態による、複数の入射角から例示的導波管の中に内部結合され、１つの方向に１次元で、異なる傾斜角度を有する液晶材料の複数の層を含む例示的液晶偏光格子によって分散される光の概略図を示す。
【図16F】図１６Ｆは、いくつかの実施形態による、複数の入射角から例示的導波管の中に内部結合され、２つの方向に１次元で、異なる傾斜角度を有する液晶材料の複数の層を含む２つの逆平行の例示的液晶偏光格子によって分散される光の概略図を示す。
【発明を実施するための形態】
【0014】
図面は、例示的実施形態を図示するために提供され、本開示の範囲を限定することを意図するものではない。
【0015】
（詳細な説明）
いくつかの実施形態では、光学要素が、本明細書に説明され、これは、２次元で回折を介して光学要素上に入射する光を分散させることができる。すなわち、ある場所において光学要素の表面上に入射する光の光線は、２次元で、例えば、光学要素の長さおよび幅に沿って、光学要素を通して伝搬することができる。内部結合光はまた、光学要素から外に指向される、すなわち、２次元で光学要素の表面上で分散される複数の場所において、光学要素から外部結合され得る。
いくつかの実施形態では、光学要素が、本明細書に説明され、これは、２次元で回折を介して光学要素上に入射する光を分散させることができる。すなわち、ある場所において光学要素の表面上に入射する光の光線は、２次元で、例えば、光学要素の長さおよび幅に沿って、光学要素を通して伝搬することができる。内部結合光はまた、光学要素から外に指向される、すなわち、２次元で光学要素の表面上で分散される複数の場所において、光学要素から外部結合され得る。
【0016】
いくつかの実施形態では、本明細書に説明されるような光学要素は、光分散要素として、例えば、光を対応する導波管の中および／または外に分散させ得る、光分散要素として使用され得る。いくつかの実施形態では、本明細書に説明されるような光学要素は、例えば、直交瞳エクスパンダ（ＯＰＥ）として使用され得、これは、光を偏向または分散させることができ、また、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ることもできる。有利には、いくつかの実施形態によると、２次元導波管光マルチプレクサが、光学信号を光の形態で拡張現実デバイス内の他の光学要素に効率的に指向および分散させる役割を果たすことができる。さらに、本明細書に説明されるような２次元導波管光マルチプレクサは、光ファイバ通信用途のための多重化光学信号のためにも有用であり得る。
【0017】
いくつかの実施形態では、２次元導波管光マルチプレクサは、導波管および少なくとも２つの回折格子の形態をとってもよい。いくつかの実施形態では、各回折格子は、格子方向を有し得、回折格子は、第１の回折格子の格子方向が第２の回折格子の格子方向と整合されないように整合され得る。いくつかの実施形態では、第１の回折格子の格子方向は、第２の回折格子の格子方向と垂直である。回折格子は、導波管の主要表面（例えば、上部主要表面）上に配置され得る。例えば、いくつかの実施形態では、少なくとも２つの回折格子が、導波管の上部主要表面上に配置され得る。いくつかの実施形態では、少なくとも２つの回折格子は、導波管の底部主要表面上に配置され得る。いくつかの実施形態では、回折格子は、導波管の上部主要表面および回折格子の底部主要表面の両方上に配置され得る。
【0018】
いくつかの実施形態では、２つの回折格子が、第１の回折格子の格子方向が第２の回折格子の格子方向と垂直であるように配列され、本配列は、有利には、光の２次元分布を可能にすることができる。すなわち、いくつかの実施形態では、内部結合光が導波管を通して伝搬するにつれて、内部結合光が複数の場所において外部結合されるように、導波管上に配置される回折格子と相互作用し、これは、２次元導波管光マルチプレクサの主要表面にわたって２次元で分散される。光が２次元導波管光マルチプレクサの導波管を通して伝搬するにつれて、第１の回折格子と相互作用することができ、それによって、第１の回折格子の回折格子に沿って分散される。分散される光はまた、第２の回折格子と相互作用し、それによって、第１の方向に沿って分散される光は、第２の回折格子の格子方向に沿って分散され、それによって、例えば、２次元導波管光マルチプレクサの長さ次元および幅次元に沿って、２次元における光の分散を達成する。
【0019】
いくつかの実施形態では、２次元導波管光マルチプレクサの回折格子は、優先回折方向を有し得る。いくつかの実施形態では、回折格子は、優先回折方向を提供する、構造特徴を備え得る。いくつかの実施形態では、回折格子は、例えば、ブレーズド格子、ブラッグ格子、液晶格子、正弦波格子、バイナリ格子、体積位相格子、またはメタ表面格子であり得る。いくつかの実施形態では、回折格子は、非対称回折格子であり得る。いくつかの実施形態では、回折格子は、偏光格子、例えば、液晶偏光格子であり得る。いくつかの実施形態では、回折格子が、偏光格子である場合、回折格子は、液晶材料から成り得る。いくつかの実施形態では、液晶材料は、ネマチック液晶またはコレステリック液晶を備え得る。いくつかの実施形態では、液晶材料は、アゾ含有ポリマーを備え得る。いくつかの実施形態では、液晶材料は、重合化可能液晶材料を備え得る。いくつかの実施形態では、液晶材料は、反応性メソゲンを備え得る。
【0020】
いくつかの実施形態では、液晶偏光格子は、ナノインプリントプロセスによって加工され得る。いくつかの実施形態では、液晶偏光格子は、液晶材料を整合層上に堆積させることによって加工され得る。いくつかの実施形態では、液晶偏光格子は、整合層を備えなくてもよい。
【0021】
いくつかの実施形態では、液晶偏光格子は、１つ以上のキラル液晶層を備え得、同一キラリティの各層は、異なる傾斜角度を有する。複数の異なる傾斜角度を有する複数の液晶層を提供することによって、液晶偏光格子は、複数の傾斜角度を有する層を備えていない液晶偏光格子より広範囲の光の入射角のための高回折効率を達成することができる。このように、それぞれ複数の傾斜角度を有する複数の液晶層から成る、垂直液晶偏光格子を備えている、２次元導波管光マルチプレクサは、光を広範囲の入射角で２次元で効率的に分散させることができる。そのような２次元導波管光マルチプレクサは、例えば、拡張現実デバイスのための大瞳または大アイボックス等、広視野を有する画像を効率的に多重化するために使用され得る。
【0022】
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。
【0023】
図２は、ウェアラブルディスプレイシステム８０の実施例を図示する。ディスプレイシステム８０は、ディスプレイ６２と、そのディスプレイ６２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ならびにシステムとを含む。ディスプレイ６２は、フレーム６４に結合され得、これは、ディスプレイシステムユーザまたは視認者６０によって装着可能であって、ディスプレイ６２をユーザ６０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６２は、いくつかの実施形態では、アイウェアと見なされ得る。いくつかの実施形態では、スピーカ６６が、フレーム６４に結合され、ユーザ６０の外耳道に隣接して位置付けられる（いくつかの実施形態では、示されない別のスピーカが、ユーザの他の外耳道に隣接して位置付けられ、ステレオ／調節可能音制御を提供する）。いくつかの実施形態では、ディスプレイシステムはまた、１つ以上のマイクロホン６７または他のデバイスを含み、音を検出し得る。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８０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得る。マイクロホンはさらに、周辺センサとして構成され、オーディオデータを持続的に収集し得る（例えば、ユーザおよび／または環境から受動的に収集するため）。そのようなオーディオデータは、荒い息づかい等のユーザ音または近傍イベントを示す大騒動等の環境音を含み得る。ディスプレイシステムはまた、周辺センサ３０ａを含み得、これは、フレーム６４と別個であって、ユーザ６０の身体（例えば、ユーザ６０の頭部、胴体、四肢等上）に取り付けられ得る。周辺センサ３０ａは、本明細書にさらに説明されるように、いくつかの実施形態では、ユーザ６０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得る。例えば、センサ３０ａは、電極であり得る。
【0024】
図２を継続して参照すると、ディスプレイ６２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６８によって、ローカルデータ処理モジュール７０に動作可能に結合され、これは、フレーム６４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または帽子に固定して取り付けられる、ヘッドホン内に内蔵される、または別様に、ユーザ６０に除去可能に取り付けられる（例えば、リュック式構成、ベルト結合式構成において）等、種々の構成において搭載され得る。同様に、センサ３０ａは、通信リンク３０ｂ、例えば、有線導線または無線コネクティビティによって、ローカルプロセッサおよびデータモジュール７０に動作可能に結合され得る。ローカル処理およびデータモジュール７０は、ハードウェアプロセッサと、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とを備え得、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６４に動作可能に結合される、または別様に、ユーザ６０に取り付けられ得る）から捕捉され、および／またはｂ）可能性として、処理または読出後、ディスプレイ６２への通過のために、遠隔処理モジュール７２および／または遠隔データリポジトリ７４（仮想コンテンツに関連するデータを含む）を使用して、入手および／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７０は、これらの遠隔モジュール７２、７４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７０への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７６、７８によって、遠隔処理モジュール７２および遠隔データリポジトリ７４に動作可能に結合され得る。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７０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つ以上のものを含み得る。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６４に取り付けられ得る、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７０と通信する、独立型構造であり得る。
【0025】
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７２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得る。いくつかの実施形態では、遠隔データリポジトリ７４は、デジタルデータ記憶設備を備え得、これは、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。いくつかの実施形態では、遠隔データリポジトリ７４は、１つ以上の遠隔サーバを含み得、これは、情報、例えば、拡張現実コンテンツを生成するための情報をローカル処理およびデータモジュール７０および／または遠隔処理モジュール７２に提供する。いくつかの実施形態では、全てのデータは、記憶され、全ての算出は、ローカル処理およびデータモジュール内で実施され、遠隔モジュールからの完全に自律的な使用を可能にする。
【0026】
「３次元」または「３－Ｄ」であるような画像の知覚は、画像の若干異なる提示を視認者の各眼に提供することによって達成され得る。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。眼４、６毎に１つの２つの明確に異なる画像５、７が、ユーザに出力される。画像５、７は、視認者の視線と平行な光学またはｚ－軸に沿って、距離１０だけ眼４、６から離間される。画像５、７は、平坦であって、眼４、６は、単一遠近調節状態をとることによって、画像に合焦させ得る。そのようなシステムは、ヒト視覚系が、画像５、７を組み合わせ、組み合わせられた画像のための深度および／またはスケールの知覚を提供することに依拠する。
【0027】
しかしながら、ヒト視覚系は、より複雑であって、深度の現実的知覚の提供は、より困難であることを理解されるであろう。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を不快であると見出す、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、両眼離反運動と遠近調節の組み合わせに起因して、オブジェクトを「３次元」であると知覚し得ると考えられる。相互に対する２つの眼の両眼離反運動移動（すなわち、瞳孔が、相互に向かって、またはそこから離れるように移動し、眼の視線を収束させ、オブジェクトを固視するような眼の回転）は、眼のレンズおよび瞳孔の合焦（または「遠近調節」）と緊密に関連付けられる。通常条件下、焦点を１つのオブジェクトから異なる距離における別のオブジェクトに変化させるための眼のレンズの焦点の変化または眼の遠近調節は、「遠近調節－両眼離反運動反射」ならびに散瞳または縮瞳として知られる関係下、両眼離反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、両眼離反運動の変化は、通常条件下、レンズ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、すなわち、「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、若干異なる提示（したがって、若干異なる画像）を使用して、場面を各眼に表示する。しかしながら、そのようなシステムは、それらが、とりわけ、単に、場面の異なる提示を提供するが、眼が全ての画像情報を単一遠近調節状態で視認する状態では、「遠近調節－両眼離反運動反射」に反発するため、多くの視認者にとって不快である。遠近調節と両眼離反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、増加された持続時間の装着、ひいては、診断および療法プロトコルへのコンプライアンスに寄与し得る。
【0028】
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４、６から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４、６によって遠近調節される。眼（４および６）は、特定の遠近調節状態をとり、オブジェクトをｚ－軸に沿って異なる距離に合焦させる。その結果、特定の遠近調節状態は、眼がその深度平面のための遠近調節状態にあるとき、特定の深度平面内のオブジェクトまたはオブジェクトの一部が合焦するように、関連付けられた焦点距離を有する、深度平面１４の特定のうちの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４、６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、シミュレートされ得る。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４、６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るであろう。加えて、例証の容易性のために、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状態において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るであろう。
【0029】
オブジェクトと眼４または６との間の距離もまた、その眼によって視認されるように、オブジェクトからの光の発射量を変化させ得る。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４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明視野は、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。曲率が増加すると、オブジェクトと眼４の間の距離が減少する。その結果、異なる深度平面では、光線の発散の程度もまたは、異なり、発散の程度は、深度平面と視認者の眼４との間の距離の減少に伴って増加する。単眼４のみが、図５Ａ－５Ｃおよび本明細書における他の図では、例証を明確にするために図示されるが、眼４に関する議論は、視認者の両眼４および６に適用され得ることを理解されるであろう。
【0030】
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合焦され、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／または焦点外にあ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、ユーザに深度キューを提供することに役立ち得る。
【0031】
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１０００は、複数の導波管１８２、１８４、１８６、１８８、１９０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１７８を含む。いくつかの実施形態では、ディスプレイシステム１０００は、図２のシステム８０であって、図６は、そのシステム８０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１７８は、図２のディスプレイ６２の一部であり得る。ディスプレイシステム１０００は、いくつかの実施形態では、明視野ディスプレイと見なされ得ることを理解されるであろう。
【0032】
図６を継続して参照すると、導波管アセンブリ１７８はまた、複数の特徴１９８、１９６、１９４、１９２を導波管間に含み得る。いくつかの実施形態では、特徴１９８、１９６、１９４、１９２は、１つ以上のレンズであり得る。導波管１８２、１８４、１８６、１８８、１９０および／または複数のレンズ１９８、１９６、１９４、１９２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得る。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得る。画像投入デバイス２００、２０２、２０４、２０６、２０８は、導波管のための光源として機能し得、画像情報を導波管１８２、１８４、１８６、１８８、１９０の中に投入するために利用され得、それぞれ、本明細書に説明されるように、眼４に向かって出力のために各それぞれ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得る。光は、画像投入デバイス２００、２０２、２０４、２０６、２０８の出力表面３００、３０２、３０４、３０６、３０８から出射し、導波管１８２、１８４、１８６、１８８、１９０の対応する入力表面３８２、３８４、３８６、３８８、３９０の中に投入される。いくつかの実施形態では、入力表面３８２、３８４、３８６、３８８、３９０の各々は、対応する導波管の縁であり得る、または対応する導波管の主要表面の一部（すなわち、世界１４４または視認者の眼４に直接面する導波管表面のうちの１つ）であり得る。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得、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４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２００、２０２、２０４、２０６、２０８のうちの単一の１つは、複数（例えば、３つ）の導波管１８２、１８４、１８６、１８８、１９０と関連付けられ、その中に光を投入し得る。
【0033】
いくつかの実施形態では、画像投入デバイス２００、２０２、２０４、２０６、２０８の各々は、それぞれ対応する導波管１８２、１８４、１８６、１８８、１９０の中への投入のために画像情報を生産する、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２００、２０２、２０４、２０６、２０８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２００、２０２、２０４、２０６、２０８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２００、２０２、２０４、２０６、２０８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）の光を含み得ることを理解されたい。
【0034】
いくつかの実施形態では、導波管１８２、１８４、１８６、１８８、１９０の中に投入される光は、光プロジェクタシステム２０００によって提供され、これは、光モジュール２０４０を備え、これは、発光ダイオード（ＬＥＤ）等の光エミッタを含み得る。光モジュール２０４０からの光は、ビームスプリッタ２０５０を介して、光変調器２０３０、例えば、空間光変調器によって指向および修正され得る。光変調器２０３０は、導波管１８２、１８４、１８６、１８８、１９０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得る。光変調器２０３０は、導波管１８２、１８４、１８６、１８８、１９０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得る。空間光変調器の実施例は、シリコン上液晶（ＬＣＯＳ）ディスプレイを含む、液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）を含む。
【0035】
いくつかの実施形態では、ディスプレイシステム１０００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１８２、１８４、１８６、１８８、１９０の中に、最終的には、視認者の眼４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ている、走査ファイバディスプレイであり得る。いくつかの実施形態では、図示される画像投入デバイス２００、２０２、２０４、２０６、２０８は、光を１つまたは複数の導波管１８２、１８４、１８６、１８８、１９０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２００、２０２、２０４、２０６、２０８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１８２、１８４、１８６、１８８、１９０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２０４０から１つ以上の導波管１８２、１８４、１８６、１８８、１９０に透過するように構成され得る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１８２、１８４、１８６、１８８、１９０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１８２、１８４、１８６、１８８、１９０の中に再指向し得ることを理解されたい。
【0036】
コントローラ２１０は、画像投入デバイス２００、２０２、２０４、２０６、２０８、光源２０４０、および光変調器２０３０の動作を含む、スタックされた導波管アセンブリ１７８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２１０は、ローカルデータ処理モジュール７０の一部である。コントローラ２１０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１８２、１８４、１８６、１８８、１９０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、単一一体型デバイスまたは有線もしく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り得る。コントローラ２１０は、いくつかの実施形態では、処理モジュール７０または７２（図１）の一部であり得る。
【0037】
図６を継続して参照すると、導波管１８２、１８４、１８６、１８８、１９０は、全内部反射（ＴＩＲ）によって各それぞれの導波管内で光を伝搬するように構成され得る。導波管１８２、１８４、１８６、１８８、１９０の各々は、主要な上部および底部表面ならびにそれらの主要上部表面と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）を有し得る。図示される構成では、導波管１８２、１８４、１８６、１８８、１９０の各々は、各それぞれの導波管内で伝搬する光を導波管から再指向し、画像情報を眼４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２８２、２８４、２８６、２８８、２９０を含み得る。抽出された光はまた、外部結合光と称され得、外部結合光学要素光はまた、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、導波管内を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る。外部結合光学要素２８２、２８４、２８６、２８８、２９０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、格子であり得る。説明の容易性および図面の明確性のために、導波管１８２、１８４、１８６、１８８、１９０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２８２、２８４、２８６、２８８、２９０は、本明細書にさらに議論されるように、上部および／または底部主要表面に配置され得る、ならびに／もしくは導波管１８２、１８４、１８６、１８８、１９０の体積内に直接配置され得る。いくつかの実施形態では、外部結合光学要素２８２、２８４、２８６、２８８、２９０は、透明基板に取り付けられ、導波管１８２、１８４、１８６、１８８、１９０を形成する、材料の層内に形成され得る。いくつかの他の実施形態では、導波管１８２、１８４、１８６、１８８、１９０は、材料のモノリシック部品であってもよく、外部結合光学要素２８２、２８４、２８６、２８８、２９０は、材料のその部品の表面上および／またはその内部に形成され得る。
【0038】
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１８２、１８４、１８６、１８８、１９０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１８２は、眼４にコリメートされた光（そのような導波管１８２の中に投入された）を送達するように構成され得る。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１８４は、眼４に到達し得る前に、第１のレンズ１９２（例えば、負のレンズ）を通過する、コリメートされた光を送出するように構成され得る。そのような第１のレンズ１９２は、眼／脳が、その次の上方の導波管１８４から生じる光を光学無限遠から眼４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得る。同様に、第３の上方の導波管１８６は、眼４に到達する前に、その出力光を第１の１９２および第２の１９４レンズの両方を通過させる。第１の１９２および第２の１９４レンズの組み合わせられた屈折力は、眼／脳が、第３の導波管１８６から生じる光が次の上方の導波管１８４からの光であった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得る。
【0039】
他の導波管層１８８、１９０およびレンズ１９６、１９８も同様に構成され、スタック内の最高導波管１９０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１７８の他側の世界１４４から生じる光を視認／解釈するとき、レンズ１９８、１９６、１９４、１９２のスタックを補償するために、補償レンズ層１８０が、スタックの上部に配置され、下方のレンズスタック１９８、１９６、１９４、１９２の集約力を補償し得る。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は両方とも、静的であり得る（すなわち、動的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り得る。
【0040】
いくつかの実施形態では、導波管１８２、１８４、１８６、１８８、１９０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得る。例えば、複数の導波管１８２、１８４、１８６、１８８、１９０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得る、または導波管１８２、１８４、１８６、１８８、１９０の複数のサブセットが、深度平面毎に１つの組を伴う、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得る。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。
【0041】
図６を継続して参照すると、外部結合光学要素２８２、２８４、２８６、２８８、２９０は、導波管と関連付けられた特定の深度平面のために、光をそのそれぞれ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得る。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２８２、２８４、２８６、２８８、２９０の異なる構成を有し得、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２８２、２８４、２８６、２８８、２９０は、体積または表面特徴であってもよく、これは、具体的角度で光を出力するように構成され得る。例えば、光抽出光学要素２８２、２８４、２８６、２８８、２９０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り得る。いくつかの実施形態では、特徴１９８、１９６、１９４、１９２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（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）であり得る。
【0042】
いくつかの実施形態では、外部結合光学要素２８２、２８４、２８６、２８８、２９０は、回折パターンまたは「回折光学要素」（また、本明細書では、「ＤＯＥ」とも称される）を形成する、回折特徴である。好ましくは、ＤＯＥは、ビームの光の一部のみがＤＯＥの各交差点を用いて眼４に向かって偏向される一方、残りが全内部反射を介して、導波管を通して移動し続けるように、十分に低回折効率を有する。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この特定のコリメートされたビームに関して、眼４に向かって非常に均一パターンの出射放出となる。
【0043】
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」状態との間で切り替え可能であり得る。例えば、切り替え可能なＤＯＥは、ポリマー分散液晶の層を備え得、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得る（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得る（その場合、パターンは、入射光を能動的に回折させる）。
【0044】
いくつかの実施形態では、カメラアセンブリ５００（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、提供され、眼４および／または眼４の周囲の組織の画像を捕捉し、例えば、ユーザ入力を検出し、および／またはユーザの生理学的状態を監視し得る。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り得る。いくつかの実施形態では、カメラアセンブリ５００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、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、光源とを含み得る。いくつかの実施形態では、カメラアセンブ５００は、フレーム６４（図２）に取り付けられてもよく、カメラアセンブリ５００からの画像情報を処理し、例えば、本明細書に議論されるように、ユーザの生理学的状態に関する種々の判定を行い得る、処理モジュール７０および／または７２と電気通信し得る。ユーザの生理学的状態に関する情報は、ユーザの挙動または感情状態を判定するために使用され得ることを理解されたい。そのような情報の実施例は、ユーザの移動および／またはユーザの顔の表情を含む。ユーザの挙動または感情状態は、次いで、挙動または感情状態、生理学的状態、および環境または仮想コンテンツデータ間の関係を判定するように、収集された環境および／または仮想コンテンツデータで三角測量され得る。いくつかの実施形態では、１つのカメラアセンブリ５００が、眼毎に利用され、各眼を別個に監視し得る。
【0045】
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１７８（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１７８は、複数の導波管を含むことを理解されたい。光４００が、導波管１８２の入力表面３８２において導波管１８２の中に投入され、ＴＩＲによって導波管１８２内を伝搬する。光４００がＤＯＥ２８２上に衝突する点では、光の一部は、導波管から出射ビーム４０２として出射する。出射ビーム４０２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１８２と関連付けられた深度平面に応じて、ある角度（例えば、発散出射ビーム形成）において眼４に伝搬するように再指向され得る。略平行出射ビームは、眼４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組は、より発散する、出射ビームパターンを出力し得、これは、眼４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４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。
【0046】
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得る。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１４ａ－１４ｆ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得る。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、変動し得る。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得る。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。
【0047】
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得、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得る。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得、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、説明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得る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得る。
【0048】
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、もしくは青色のうちの１つ以上のものに加えて使用され得る、またはそれらに取って代わり得る。いくつかの実施形態では、特徴１９８、１９６、１９４、および１９２は、視認者の眼への周囲環境からの光を選択的に遮断するように構成される、能動または受動光学フィルタであり得る。
【0049】
本開示全体を通した所与の光の色の言及は、視認者によってその所与の色であるように知覚される、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であろうことを認識されたい。例えば、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。
【0050】
いくつかの実施形態では、光源２０４０（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得る。加えて、ディスプレイ１０００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４に向かって指向および放出するように構成され得る。
【0051】
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得る。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１２００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。導波管の各々は、１つもしくはそれを上回る異なる波長または１つもしくはそれを上回る異なる波長範囲の光を出力するように構成され得る。スタック１２００は、スタック１７８（図６）に対応し得、スタック１２００の図示される導波管は、複数の導波管１８２、１８４、１８６、１８８、１９０の一部に対応し得るが、画像投入デバイス２００、２０２、２０４、２０６、２０８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。
【0052】
スタックされた導波管の図示されるセット１２００は、導波管１２１０、１２２０、および１２３０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１２１２は、導波管１２１０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１２２４は、導波管１２２０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１２３２は、導波管１２３０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１２１２、１２２２、１２３２のうちの１つ以上のものは、それぞれの導波管１２１０、１２２０、１２３０の底部主要表面上に配置され得る（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１２１２、１２２２、１２３２は、そのそれぞれの導波管１２１０、１２２０、１２３０の上側主要表面（または次の下側導波管の上部）上に配置され得、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１２１２、１２２２、１２３２は、それぞれの導波管１２１０、１２２０、１２３０の本体内に配置され得る。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１２１２、１２２２、１２３２は、他の光の波長を透過しながら、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。そのそれぞれの導波管１２１０、１２２０、１２３０の片側または角に図示されるが、内部結合光学要素１２１２、１２２２、１２３２は、いくつかの実施形態では、そのそれぞれの導波管１２１０、１２２０、１２３０の他の面積内に配置され得ることを理解されたい。
【0053】
図示されるように、内部結合光学要素１２１２、１２２２、１２３２は、相互から側方にオフセットされ得る。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過せずに、光を受光するようにオフセットされ得る。例えば、各内部結合光学要素１２１２、１２２２、１２３２は、図６に示されるように、光を異なる画像投入デバイス２００、２０２、２０４、２０６、および２０８から受光するように構成され得、光を内部結合光学要素１２１２、１２２２、１２３２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１２１２、１２２２、１２３２から分離され得る（例えば、側方に離間される）。
【0054】
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１２１４は、導波管１２１０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１２２４は、導波管１２２０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１２３４は、導波管１２３０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１２１４、１２２４、１２３４は、それぞれ、関連付けられた導波管１２１０、１２２０、１２３０の底部主要表面上に配置され得る。いくつかの他の実施形態では、光分散要素１２１４、１２２４、１２３４は、それぞれ、関連付けられた導波管１２１０、１２２０、１２３０の上部および底部両方の主要表面上に配置され得る、または光分散要素１２１４、１２２４、１２３４は、それぞれ、異なる関連付けられた導波管１２１０、１２２０、１２３０内の上部および底部主要表面の異なるもの上に配置され得る。
【0055】
導波管１２１０、１２２０、１２３０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ならびに分離され得る。例えば、図示されるように、層１２１８ａは、導波管１２１０および１２２０を分離し得、層１２１８ｂは、導波管１２２０および１２３０を分離し得る。いくつかの実施形態では、層１２１８ａおよび１２１８ｂは、低屈折率材料（すなわち、導波管１２１０、１２２０、１２３０の直近の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１２１８ａ、１２１８ｂを形成する材料の屈折率は、導波管１２１０、１２２０、１２３０を形成する材料の屈折率を０．０５もしくはそれを上回って、または０．１０もしくはそれを下回る。有利には、より低い屈折率層１２１８ａ、１２１８ｂは、導波管１２１０、１２２０、１２３０を通して光の全内部反射（ＴＩＲ）（例えば、各導波管の上部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得る。いくつかの実施形態では、層１２１８ａ、１２１８ｂ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１２００の上部および底部は、直近クラッディング層を含み得ることを理解されたい。
【0056】
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１２１０、１２２０、１２３０を形成する材料は、類似または同一であって、層１２１８ａ、１２１８ｂ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１２１０、１２２０、１２３０を形成する材料は、１つ以上の導波管間で異なり得る、および／または層１２１８ａ、１２１８ｂ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、異なり得る。
【0057】
図９Ａを継続して参照すると、光線１２４０、１２４２、１２４４が、導波管の組１２００に入射する。光線１２４０、１２４２、１２４４は、１つ以上の画像投入デバイス２００、２０２、２０４、２０６、２０８（図６）によって導波管１２１０、１２２０、１２３０の中に投入され得ることを理解されたい。
【0058】
いくつかの実施形態では、光線１２４０、１２４２、１２４４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１２１２、１２２、１２３２の各々は、光がＴＩＲによって導波管１２１０、１２２０、１２３０のうちのそれぞれの１つを通して伝搬するように、入射光を偏向させる。
【0059】
例えば、内部結合光学要素１２１２は、第１の波長または波長範囲を有する、光線１２４０を偏向させるように構成され得る。同様に、伝送される光線１２４２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１２２２に衝突し、それによって偏向される。同様に、光線１２４４は、第３の波長または波長の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１２３２によって偏向される。
【0060】
図９Ａを継続して参照すると、偏向された光線１２４０、１２４２、１２４４は、対応する導波管１２１０、１２２０、１２３０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１２１２、１２２２、１２３２は、光をその対応する導波管１２１０、１２２０、１２３０の中に偏向させ、光を対応する導波管の中に内部結合する。光線１２４０、１２４２、１２４４は、光をＴＩＲによってそれぞれの導波管１２１０、１２２０、１２３０を通して伝搬させる角度で偏向される。光線１２４０、１２４２、１２４４は、導波管の対応する光分散要素１２１４、１２２４、１２３４に衝突するまで、ＴＩＲによってそれぞれの導波管１２１０、１２２０、１２３０を通して伝搬する。
【0061】
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１２４０、１２４２、１２４４は、それぞれ、内部結合光学要素１２１２、１２２２、１２３２によって偏向され、次いで、それぞれ、導波管１２１０、１２２０、１２３０内でＴＩＲによって伝搬する。光線１２４０、１２４２、１２４４は、次いで、それぞれ、光分散要素１２１４、１２２４、１２３４に衝突する。光分散要素１２１４、１２２４、１２３４は、それぞれ、外部結合光学要素１２５０、１２５２、１２５４に向かって伝搬するように、光線１２４０、１２４２、１２４４を偏向させる。
【0062】
いくつかの実施形態では、光分散要素１２１４、１２２４、１２３４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１２５０、１２５２、１２５４に偏向または分散させることと、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ることの両方を行う。いくつかの実施形態では、例えば、ビームサイズがすでに所望のサイズである場合、光分散要素１２１４、１２２４、１２３４は、省略され得、内部結合光学要素１２１２、１２２２、１２３２は、光を直接外部結合光学要素１２５０、１２５２、１２５４に偏向させるように構成され得る。例えば、図９Ａを参照すると、光分散要素１２１４、１２２４、１２３４は、それぞれ、外部結合光学要素１２５０、１２５２、１２５４と置換され得る。いくつかの実施形態では、外部結合光学要素１２５０、１２５２、１２５４は、光を視認者の眼４（図７）内に指向する、射出瞳（ＥＰ）または射出瞳エクスパンダ（ＥＰＥ）である。
【0063】
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、導波管の組１２００は、原色毎に、導波管１２１０、１２２０、１２３０と、内部結合光学要素１２１２、１２２２、１２３２と、光分散要素（例えば、ＯＰＥ）１２１４、１２２４、１２３４と、外部結合光学要素（例えば、ＥＰ）１２５０、１２５２、１２５４とを含む。導波管１２１０、１２２０、１２３０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得る。内部結合光学要素１２１２、１２２２、１２３２は、入射光をその導波管の中に再指向または偏向させる（異なる内部結合光学要素は、異なる波長の光を受光する）。光は、次いで、それぞれの導波管１２１０、１２２０、１２３０内で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１２４０（例えば、青色光）は、先に説明された様式において、第１の内部結合光学要素１２１２によって偏向され、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）１２１４、次いで、外部結合光学要素（例えば、ＥＰ）１２５０と相互作用する。光線１２４２および１２４４（例えば、それぞれ、緑色および赤色光）は、導波管１２１０を通過し、光線１２４２は、内部結合光学要素１２２２に衝突し、それによって偏向されるであろう。光線１２４２は、次いで、ＴＩＲを介して、導波管１２２０を辿ってバウンスし、その光分散要素（例えば、ＯＰＥ）１２２４、次いで、外部結合光学要素（例えば、ＥＰ）１２５２に進む。最後に、光線１２４４（例えば、赤色光）は、導波管１２２０を通過し、導波管１２３０の光内部結合光学要素１２３２に衝突する。光内部結合光学要素１２３２は、光線が、ＴＩＲによって、光分散要素（例えば、ＯＰＥ）１２３４に、次いで、ＴＩＲによって、外部結合光学要素（例えば、ＥＰ）１２５４に伝搬するように、光線１２４４を偏向させる。外部結合光学要素１２５４は、次いで、最後に、光線１２４４を視認者に外部結合し、視認者はまた、他の導波管１２１０、１２２０から外部結合された光も受光する。
【0064】
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見下げ平面図を図示する。図示されるように、導波管１２１０、１２２０、１２３０は、各導波管の関連付けられた光分散要素１２１４、１２２４、１２３４および関連付けられた外部結合光学要素１２５０、１２５２、１２５４とともに、垂直に整合され得る。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１２１２、１２２２、１２３２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、見下げ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。
【0065】
ここで、いくつかの実施形態による、ＴＩＲを介して２次元導波管光マルチプレクサ１３２０を通して伝搬する、内部結合光１３１０の例示的概略図を示す、図１０を参照する。光１３１０は、伝搬するにつれて、２次元導波管光マルチプレクサ１３２０と相互作用し、２つの方向に沿って、第１の次元、例えば、ｘ－次元で分散または多重化され、それに応じて、法線方向に２次元導波管光マルチプレクサ１３２０から外部結合１３１２される。光１３１０はまた、２次元導波管光マルチプレクサ１３２０と相互作用し、２つの方向に沿って、第２の次元、例えば、ｙ－次元で多重化され、それに応じて、２次元導波管光マルチプレクサ１３２０から法線方向に外部結合１３１４される。したがって、内部結合光１３１０は、２次元で多重化され、２次元導波管光マルチプレクサ１３２０から外部結合１３１２、１３１４される。
【0066】
図１１Ａは、例示的回折格子１４３０によって、例示的導波管１４２０の中に内部結合され、ＴＩＲを介して伝搬する、光１４１０の部分的概略図を示す。いくつかの実施形態では、回折格子１４３０は、導波管の屈折率（ｎ）によって除算される光１４１０の波長（λ）より大きいが、光１４１０の波長（λ）より小さい、周期（Λ）を有する。いくつかの実施形態では、回折格子１４３０は、バイナリまたは正弦波表面レリーフ格子であり得る。ＴＩＲを達成するために、一次回折角度（θ）は、θｃを上回り、θおよびθｃは、導波管の外側の媒体が空気である場合、ｎ・ｓｉｎ（θ）＝λ／Λおよびｎ・ｓｉｎ（θｃ）＝１であるようなものである。入射光１４１０は、回折格子１４３０と相互作用し、導波管１４２０の中に回折され、それに応じて、ＴＩＲが、達成される。回折された光１４１２が、ＴＩＲを介して導波管１４２０を通して伝搬するにつれて、一部の光は、複数回、回折格子１４３０に衝突し、それと相互作用する。
【0067】
図１１Ｂに図示されるように、伝搬する回折光１４１２が、回折格子１４３０と相互作用する場合、２つの方向１４１４、１４１６において、ｘ－次元に沿って、導波管１４２０から外部結合され、それによって、入射光１４１０の多重化を達成する。本外部結合は、＋１および－１次回折を介して生じる。
【0068】
図１１Ｃは、上で説明される現象が、導波管１４２０上の第１の場所における第１の回折格子１４３２および同一導波管上の第２の場所における第２の回折格子１４３４を介して、光多重化を達成するために使用され得る方法を実証する。光１４１０は、第１の回折格子１４３２上に入射し、それに応じて、上で説明されるように、ＴＩＲを介して、導波管１４２０を通して回折され、伝搬する。伝搬する光１４１２は、導波管１４２０上の第２の場所において、第２の回折格子１４３４と相互作用し、それに応じて、２つの法線方向１４１４、１４１６に外部結合される。したがって、第１の場所において導波管１４２０上に入射する光１４１０の単一入射ビームまたは光線は、両方向に沿ってｘ－次元に第２の場所において多重化および外部結合され得る。
【0069】
いくつかの実施形態では、図１２Ａに示されるように、２次元導波管光マルチプレクサ１５００が、図１１Ａ－Ｃに関して上記で説明される現象を利用して、相互にわたって配置される２つの回折格子１５３２、１５３４を含むことによって、入射光の２次元多重化を達成することができる。いくつかの実施形態では、第１の回折格子１５３２は、導波管１５２０の底部主要表面上に位置し、第２の回折格子１５３４は、導波管１５２０の上部主要表面上に位置する。
【0070】
重要なこととして、各回折格子１５３２、１５３４は、対応する格子方向を有し、回折格子１５３２、１５３４は、第１の回折格子１５３２の格子方向が、ｘ－次元に沿ってあり、ｙ－次元に沿った第２の回折格子１５３４の格子方向と垂直であるように配列される。いくつかの実施形態では、第１の回折格子の格子方向が第２の回折格子の格子方向と垂直である、２つの回折格子の本配列は、交差回折格子と称され得る。いくつかの実施形態によると、図１２Ａに示されるように、格子方向は、回折格子１５３２、１５３４の物理的配向に対応する。
【0071】
使用時、入射光１５１０は、第１の回折格子１５３２と相互作用し、それによって、両方向に沿って、ｘ－次元で回折および拡散される。回折される光は、ＴＩＲを介して、導波管１５２０を通して伝搬する。光が伝搬するにつれて、再び、第１の回折格子１５３２と相互作用し、回折され、時として、導波管１５２０から外に外部結合１５１２され得る。しかしながら、回折光１５１２の一部は、第２の回折格子１５３４と相互作用し、導波管１５２０の中に内向きに逆回折される。第２の回折格子１５３４によって回折される本光は、第２の回折格子１５３４によって回折された後、光がＴＩＲを介して導波管１５２０を通して伝搬するにつれて、両方向に沿って、ｙ－次元で拡散され得る。光がｙ－次元で伝搬するにつれて、再び、第２の回折格子１５３４と相互作用し、回折され、導波管１５２０から外に外部結合１５１６され得る。本プロセスは、光が２次元で２次元導波管光マルチプレクサ１５００から外部結合１５１２、１５１６されるまで、複数回、継続する。
【0072】
いくつかの実施形態では、図１２Ｂに図示されるように、２次元導波管光マルチプレクサ１５００は、導波管１５２０の上部主要表面上に配置される、第１の回折格子１５３２と、第１の回折格子１５３２および導波管１５２０の上部主要表面の上方に配置される、第２の回折格子１５３４とを備え得る。本構成は、図１２Ａに図示される２次元導波管光マルチプレクサと同様に機能し、同じ２次元光多重化１５１２を達成することができる。図１２Ｂを継続して参照すると、いくつかの実施形態では、第１の回折格子１５３２および第２の回折格子１５３４は、スペーサ材料１５４０によって分離され得る。いくつかの実施形態では、スペーサ材料１５４０は、光学的に透明材料、例えば、光学的に透明酸化物材料または光学的に透明ポリマーを備え得る。
【0073】
加えて、いくつかの実施形態では、光１５１０は、最初に、図１１Ｃに関して上記で説明されものと類似様式において、別個の回折格子または導波管１５２０上の第１および第２の回折格子１５３２、１５３４と別個の場所に位置付けられる他の光学要素を介して、２次元導波管光マルチプレクサ１５００の中に内部結合され得る。
【0074】
いくつかの実施形態では、回折格子は、回折格子が優先回折方向を有するように、非対称回折格子であり得る。いくつかの実施形態では、非対称回折格子は、例えば、ブレーズド格子、ブラッグ格子、液晶格子、正弦波格子、バイナリ格子、体積位相格子、またはメタ表面格子であり得る。いくつかの実施形態では、非対称回折格子は、偏光格子、例えば、液晶偏光格子であり得る。図１３Ａに図示されるように、回折格子１６３０が、優先回折方向を有する非対称回折格子である場合、光１６１０は、主に、例えば、ＴＩＲを介して、例示的導波管１６２０内で優先回折方向に沿って分散されるであろう。いくつかの実施形態では、図１３Ａに示されるように、回折格子１６３０は、＋１次においてのみ、優先的に、左に、光１６１０を分散させる。有利には、図１１Ａに示される回折格子１４３０と比較して、回折格子１６３０は、優先回折方向に沿って、＋１次回折のみを呈する。さらに、非対称回折格子１６３０は、対称回折格子、例えば、バイナリまたは正弦波表面レリーフ格子より高い回折効率を呈することができる。より高い回折効率は、格子と相互作用するより多くの光が、優先回折方向に回折されることを可能にし、それによって、例えば、低減された信号損失またはより低い電力光信号を使用する能力につながり得る。故に、伝搬する光１６１２として図示される光多重化は、主に、優先回折方向に１次元で導波管１６２０を通して生じるであろう。本明細書に説明される他の実施形態と同様に、ＴＩＲを介して導波管１６２０を通して伝搬する、光１６１２が、優先回折方向に沿って回折格子１６３０と相互作用すると、相互作用が生じる場所において、回折格子１６３０に対して略法線に外部結合１６１４される。
【0075】
いくつかの実施形態では、図１３Ｂに示されるように、第１の非対称回折格子１６３２が、導波管１６２０の主要表面上に配置され得、第２の非対称回折格子１６３４が、第１の回折格子１６３２の上方に配置され得る。第２の回折格子１６３４は、回折方向が第１の回折格子１６３２の回折方向と逆平行であるように構成される。入射光１６１０は、図１３Ａに関して上で説明されるように、導波管１６２０を通過し、第１の回折格子１６３２と相互作用する。一部の光は、第１の回折格子１６３２によって回折されず、法線方向に継続し、そこで、第２の回折格子１６３４と相互作用する。第２の回折格子１６３４の回折方向が、第１の回折格子１６３２の回折方向と逆平行であるため、第２の回折格子１６３４は、第１の回折格子１６３２と同一次元に沿って反対方向に、光を回折および拡散させる。第１の回折格子１６３２によって回折される光は、優先回折方向に沿って伝搬するにつれて、第１の回折格子１６３２と相互作用し、相互作用が生じる場所において、回折格子１６３２に対して法線に外部結合１６１４される。同様に、第２の回折格子１６３４によって回折される光は、優先回折方向に沿って伝搬するにつれて、第２の回折格子１６３４と相互作用し、相互作用が生じる場所において、回折格子１６３４に対して法線に外部結合１６１４される。このように、いくつかの実施形態によると、２つの逆平行の非対称回折格子１６３２、１６３４の配列は、１次元で双方向光多重化を達成することができる。
【0076】
図１３Ｃは、上で説明される現象が、導波管１６２０上の第１の場所における第１の非対称回折格子１６３２および同一導波管上の第２の場所における第２の回折格子１６３４を介して、指向性光多重化を達成するために使用され得る方法を図示する。図１１Ｃに図示される実施形態と同様に、光１６１０が、第１の回折格子１６３２上に入射し、それに応じて、ＴＩＲを介して、導波管１６２０を通して回折され、伝搬する。光１６１０は、優先回折方向に回折され、したがって、回折格子１６３２は、光１４１０を２つの対向方向に回折する、図１１Ｃの回折格子１４３２より高い回折効率を達成し得る。伝搬する光１６１２は、導波管１６２０上の第２の場所において、第２の回折格子１６３４と相互作用し、それに応じて、法線方向と、光を２つの法線方向１４１４、１４１６に外部結合した図１１Ｃの回折格子１４３４と比較して反対方向とに、外部結合１６１４される。したがって、再び、図１３Ｃに図示される光学要素は、図１１Ｃに図示される光学要素と比較して、第２の回折格子１６３４から外部結合される光に関してより高い効率を達成することができる。したがって、第１の場所において導波管１６２０上に入射する光１６１０入射は、単一方向に沿って１次元で第２の場所において効率的に多重化および外部結合され得る。
【0077】
図１３Ｄは、図１３Ｃの光学要素によって達成されるものと類似効果が、第２の回折格子１６３４を第２の場所において導波管１６２０の底部主要表面上に含むことによって達成されることができることを図示する。第２の回折格子１６３４は、反射性に動作し、反射回折格子と称され得る、図１３Ｃの第２の回折格子１６３４と比較して、透過性に動作し、透過回折格子と称され得る。図１３Ｃの光学デバイスと比較して、図１３Ｄに図示され、いくつかの実施形態による、光学デバイスは、単一方向に沿って１次元で効率的光多重化を達成することができる。図１３Ｄの光学デバイスは、単一方向に１次元で第２の場所において光１６１４外部結合することができる。
【0078】
図１４Ａに図示され、いくつかの実施形態による、２次元導波管光マルチプレクサ１７００は、相互にわたって配置される、第１の非対称回折格子１７３２と、第２の非対称回折格子１７３４とを備えている。いくつかの実施形態では、第１の回折格子１７３２は、導波管１７２０の底部主要表面上に位置し、第２の回折格子１７３４は、導波管１７２０の上部主要表面上に位置する。第１の非対称回折格子１７３２は、上で議論されるように、優先回折方向が第２の非対称回折格子１７３４の優先回折方向と垂直であるように配列される。本配列における回折格子は、交差回折格子と称され得る。
【0079】
図１４Ａに図示され、いくつかの実施形態による、２次元導波管光マルチプレクサ１７００は、図１２Ａに図示される２次元導波管光マルチプレクサ１５００と類似結果を達成するが、可能性として、より高い効率を伴う。使用時、入射光１７１０は、第１の回折格子１７３２と相互作用し、それによって、優先回折方向に沿って第１の次元で回折および拡散または多重化される。回折される光は、ＴＩＲを介して、導波管１７２０を通して伝搬する。光が伝搬するにつれて、第１の回折格子１７３２と相互作用し、回折および外部結合１７１２される。第１の回折格子１７３２によって回折される光の一部は、第２の回折格子１７３４と相互作用し、第１の回折格子１７３２の優先回折方向と垂直である、第２の回折格子の優先回折方向に沿って、ＴＩＲを介して、導波管内を伝搬するように、回折され得る。本光は、再び、第２の回折格子１７３２によって回折され、示されるように、前方（ｚ）方向に、光導波路から外部結合され得る。本プロセスは、光が２次元導波管光マルチプレクサ１７００から２次元で外部結合１７１２、１７１４されるまで、複数回、継続する。着目すべきこととして、非対称回折格子は、光を所望の優先回折方向に回折させるため、より少ない光が、他の方向または他の次数における回折を介して損失され、それによって、２次元導波管光マルチプレクサが、より多くの元の入射光信号を分散および多重化することを可能にする。
【0080】
図１４Ｂは、いくつかの実施形態による、導波管１７２０の上部主要表面上に配置される、第１の非対称回折格子１７３２と、導波管１７２０の上部主要表面上の第１の回折格子１７３２の上方に配置される、第２の非対称回折格子１７３４とを備えている、２次元導波管光マルチプレクサ１７００を図示する。図１４Ａに図示される実施形態におけるように、第１の非対称回折格子１７３２および第２の非対称回折格子１７３４は、交差される。第１および第２の非対称回折格子の本構成は、図１４Ａに図示される２次元導波管光マルチプレクサと同様に機能し、同じ２次元光多重化を達成することができる。いくつかの実施形態では、第１の非対称回折格子１７３２および第２の回折格子１７３４は、スペーサ材料によって分離され得る。いくつかの実施形態では、スペーサ材料は、光学的に透明材料、例えば、光学的に透明酸化物材料または光学的に透明ポリマーを備え得る。
【0081】
加えて、いくつかの実施形態では、光１７１０は、最初に、図１３Ｃに関して上記で説明されるものと類似様式において、導波管１７２０上の第１および第２の非対称回折格子１７３２、１７３４と別個の場所に位置付けられる別個の回折格子を介して、２次元導波管光マルチプレクサ１７００の中に内部結合され得る。
【0082】
図１５Ａに示されるように、いくつかの実施形態では、回折格子は、偏光格子であり得る。偏光格子は、格子ベクトルに沿って周期的に変動する複屈折パターンを備え得る。いくつかの実施形態では、偏光格子の格子軸は、回折効率が、所望の角度、例えば、偏光格子１８３０が、図１５Ａに図示されるように、導波管１８２０の主要表面上に配置されるとき、ＴＩＲを達成するであろう、回折角度において最大限にされるように、ブラッグ条件を満たすように傾斜されることができる。いくつかの実施形態では、偏光格子は、液晶材料から成り得る。例えば、偏光格子１８３０は、整合された液晶分子１８４０を備え得る。偏光格子１８３０の非対称構造および傾斜された格子軸に起因して、偏光格子１８３０は、偏光格子のパターンに応じて、所望のタイプの円偏光、例えば、左円偏光のためだけに、光１８１０を＋１次回折の優先方向に回折する。このように、偏光格子上に入射する円偏光は、例えば、図１３Ａに関して説明される非対称回折格子と同様に挙動することができる。直交偏光、例えば、右円偏光を有する、任意の光は、偏光格子１８３０を通して透過され、図１５Ｂに図示されるように、回折されないであろう。いくつかの実施形態では、偏光が、例えば、左円偏光を優先的に回折し、右円偏光を透過させる場合、偏光格子は、左偏光格子と称され得る。
【0083】
図１５Ｃは、上で説明される現象が、第１の偏光を有する第１の偏光格子１８３２と、第１の偏光格子の上方に配置され、第１の偏光格子および導波管１８２０の回折方向と逆平行である、第１の偏光に直交する第２の偏光を有する、第２の偏光格子１８４３とを有する、光学要素または逆対称偏光格子１８００を介して、双方向光多重化を達成するために使用され得る方法を図示する。いくつかの実施形態では、第１の偏光格子１８３２は、整合された液晶分子１８４２を備え得、第２の偏光格子１８３４は、整合された液晶分子１８４４を備え得る。図１５Ｃに示される２つの逆平行偏光格子を介して達成される、双方向多重化は、図１３Ｂに図示される逆平行回折格子を介して達成される、双方向多重化に類似する。線形または楕円形に偏光または非偏光され得る、光１８１０が、入射する。例えば、第１の偏光格子１８３２上では、第１の偏光格子の偏光に対応する光の一部は、偏光格子１８３２によって優先回折方向に沿って、回折または内部結合される。第１の偏光格子１８３２の偏光に対応しない偏光を有する、光は、第１の偏光格子１８３２を通して透過され、そこで、第２の偏光格子１８３４と相互作用する。第２の偏光格子１８３４との相互作用に応じて、第２の偏光格子１８３４の偏光に対応する偏光を有する、光は、第１の偏光格子１８３２の回折方向と逆平行である、第２の偏光格子１８３４の優先回折方向に沿って、回折または内部結合される。回折または内部結合光は、その対応する回折方向にＴＩＲを介して伝搬を継続し、そこで、外部結合され、それによって、１次元で双方向多重化を達成するように、対応する偏光格子との相互作用に進む。
【0084】
いくつかの実施形態では、偏光格子は、液晶材料から成り得る。いくつかの実施形態では、偏光格子が、液晶材料を備えている場合、偏光格子軸の傾斜または角度は、液晶材料内のドーパントの量および／またはキラリティを制御することによって制御されることができる。いくつかの実施形態では、液晶が、ネマチック液晶を備えている場合、液晶材料内に存在するキラルドーパントの量および／またはキラリティが、偏光格子軸の所望の傾斜を達成するために調節され得る。いくつかの実施形態では、偏光格子が、コレステリック液晶材料を備えている場合、液晶材料のコレステリック液晶のキラリティまたは掌性が、所望の偏光格子軸傾斜を達成するために制御され得る。
【0085】
いくつかの実施形態では、液晶材料は、高キラリティ液晶材料とより低いキラリティを有する液晶材料の混合物を備え得る。いくつかの実施形態では、液晶材料のキラリティが、高キラリティ液晶材料と低キラリティ液晶材料の比率を調節することによって制御され得る。いくつかの実施形態では、液晶材料は、非キラル液晶材料と、キラルドーパントとを備え得る。いくつかの実施形態では、液晶材料のキラリティが、液晶材料内に存在するキラルドーパントの量を調節することによって制御され得る。いくつかの実施形態では、液晶材料は、キラルではない。いくつかの実施形態では、液晶材料の所望されるキラリティは、光の波長、光の入射角、導波管内の光の進行角度、または他の要因に対応し得る。いくつかの実施形態では、液晶材料は、重合化可能液晶材料であり得る。
【0086】
いくつかの実施形態では、図１６Ａに図示されるように、偏光格子等の回折格子は、整合層１９１０を基板１９００上に堆積させることによって加工され得る。いくつかの実施形態では、整合層１９１０は、液晶材料の結晶分子１９５０を所望の配向に整合させる役割を果たし得る。いくつかの実施形態では、基板１９００は、例えば、導波管を備え得る。いくつかの実施形態では、堆積される整合層１９１０は、液晶材料１９２０を所望の配向に整合させるようにパターン化され得る。いくつかの実施形態では、液晶材料１９２０は、続いて、整合層１９１０上に堆積され、それによって、回折格子を形成し得る。
【0087】
いくつかの実施形態では、いくつかの異なる整合プロセスが、回折格子を加工するために利用され得る。いくつかの実施形態では、整合プロセスは、液晶材料の結晶を整合させ、それによって、回折格子を形成し得る。いくつかの実施形態では、回折格子は、例えば、２０１６年１１月１８日に出願された米国仮特許出願６２／４２４，３０５号および第６２／４２４，３１０号（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）に開示されるプロセスに従って加工され得る。いくつかの実施形態では、堆積される液晶層は、例えば、アゾ含有ポリマー等の液晶材料の光整合、微小研磨、ナノインプリント、またはホログラフィック記録によって整合され得る。いくつかの実施形態では、ナノインプリントプロセスが、液晶材料を整合させるために使用され得る。いくつかの実施形態では、例えば、重合化可能液晶材料または反応性メソゲン材料が、回折格子を形成するために使用される。液晶材料の第１の層が、整合のためにインプリントされることができ、次いで、追加の整合層または処理の必要なく、任意の続いて堆積される液晶層のための整合層としての役割を果たすことができる。
【0088】
いくつかの実施形態によると、図１６Ｂに図示されるように、第１の重合化可能液晶層１９２０が、基板１９００上に堆積され、これは、例えば、導波管を備え得る。堆積された第１の液晶層１９２０は、次いで、ナノインプリントプロセスを介して整合され得る。ナノ構造を備えている、インプリントテンプレート１９３０が、第１の液晶層１９２０の液晶が所望の様式で整合されるように、第１の液晶層１９２０の表面上に押圧され得る。第１の液晶層１９２０は、次いで、重合され得、インプリントテンプレート１９３０は、第１の液晶層１９２０から分離および除去され得、その表面は、インプリントテンプレート１９３０の構造に対応する、エンボス加工されたパターンを備えている。第２の液晶層１９２２が、次いで、第１の液晶層１９２０上に堆積され得る。いくつかの実施形態では、第２の液晶層１９２２は、第１の液晶層１９２０と同一材料を備え得る。いくつかの実施形態では、第２の液晶層１９２２は、第１の液晶層１９２０と異なるキラリティを有する、液晶材料から成り得る。いくつかの実施形態では、第２の液晶層１９２２は、第１の液晶層１９２０のキラリティによって判定されたキラリティを有する、液晶材料から成り得る。いくつかの実施形態では、第１の液晶層１９２０のインプリントされたパターンは、堆積された第２の液晶層１９２２を整合させる役割を果たす。追加の液晶層１９２４または複数の層が、追加のインプリントまたは整合ステップの必要なく、第２の液晶層１９２２上に堆積され得る。いくつかの実施形態では、追加の液晶層１９２４または複数の層は、第１または第２の液晶層１９２０、１９２２と同一材料から成り得る。いくつかの実施形態では、追加の液晶層は、１つ以上の他の液晶層と異なるキラリティを有し得る。いくつかの実施形態では、第２、第３、第４、第５、またはそれを上回る液晶層の堆積後、続いて堆積される液晶層がインプリントされた表面構造を充填し、それによって、平滑表面を格子上に残すため、インプリントシグネチャは、加工された回折格子の表面上に残らない。
【0089】
有利には、いくつかの実施形態によると、上で説明されるナノインプリントプロセスは、整合層をその間に伴わずに、種々の空間パターン、例えば、異なる格子周期を基板上に有する、格子パターンを有する、液晶層を堆積させるために使用されることができる。ある場合には、可変濃度のキラルドーパントを備えている、液晶層が、使用される。いくつかの異なる配向または異なる周期を有する、いくつかの堆積される液晶層が、各格子間の整合層の必要なく、１つ以上の異なるインプリントテンプレートを伴うインプリントによって、単一基板上に形成されることができる。
【0090】
いくつかの実施形態によると、図１６Ｃに図示されるように、第１の重合化可能液晶層１９２０が、基板１９００上に堆積され、これは、例えば、導波管を備え得る。第１の液晶層１９２０は、例えば、１つ以上の液晶サブ層を備え得、図１６Ｂに関して上記で説明されるプロセスに類似するナノインプリントするプロセスを使用して整合され得る。いくつかの実施形態では、第１の液晶層１９２０は、第１の周期および／または第１の配向を有する、回折格子を備え得る。いくつかの実施形態では、隔離層１９６０が、第１の液晶層１９２０上に堆積されることができる。隔離層１９６０は、例えば、透明酸化物層、透明絶縁体層、または透明ポリマーを備え得る。
【0091】
いくつかの実施形態では第２の液晶サブ層１９４０は、隔離層１９６０上に堆積され得る。堆積された第２の液晶サブ層１９４０は、次いで、図１６Ｂに関して上で説明されるように、ナノインプリントプロセスを介して整合され得る。いくつかの実施形態では、第２の液晶サブ層のためのナノインプリントプロセスは、第１の液晶層１９２０をインプリントするために使用されるインプリントテンプレート、例えば、異なる周期または異なる配向を有するインプリントテンプレートと異なるインプリントテンプレートを利用し得る。したがって、第２の液晶サブ層１９４０は、第１の液晶層１９２０と異なる第２の周期または配向を有し得る。追加の液晶サブ層、例えば、液晶サブ層１９４２、１９４４が、次いで、図１６Ｂに関して上で説明されるように、追加のインプリントまたは整合ステップの必要なく、第２の液晶サブ層１９４０上に堆積され得る。
【0092】
１つ以上の後続液晶層、例えば、液晶サブ層１９４０、１９４２、および１９４４が、隔離層１９６０上に堆積される、いくつかの実施形態では、隔離層は、第１の液晶層１９２０と任意の後続液晶層との間の任意の断続性に起因して、回位を含む、液晶整合欠陥を回避するために、第１の液晶層１９２０を１つ以上の後続液晶層から分離する役割を果たし得る。
【0093】
いくつかの実施形態では、逆対称または逆平行回折格子が、図１６Ｄに図示されるように、第１の掌性または捻じり角度を有する、第１の液晶層１９２０と、第２の反対掌性または捻じり角度を有する、第２の液晶層１９２２とを堆積させることによって、加工されることができる。いくつかの実施形態では、第１の液晶層１９２０は、第１の掌性を有する、キラルドーパントを備え得、第２の液晶層１９２２は、第２の反対掌性を有する、キラルドーパントを備え得る。いくつかの実施形態では、第１の液晶層１９２０は、第１の掌性を有する液晶分子１９５０を備えている、コレステリック液晶材料から成ってもよく、第２の液晶層１９２２は、第２の反対掌性を有する液晶分子１９５２を備えている、コレステリック液晶材料から成り得る。逆平行回折格子は、図１５Ｃに図示される逆平行回折格子光学要素と同様に機能する。いくつかの実施形態では、第１の液晶層１９２０は、基板１９００、例えば、導波管上に堆積された整合層１９１０上に堆積され得る。
【0094】
図１６Ｅは、本明細書に説明されるプロセスに従って、基板１９００、例えば、導波管上に堆積された整合層１９１０上に堆積される、複数の液晶層１９２０、１９２２、１９２４を備えている、回折格子１９０１を図示する。いくつかの実施形態では、回折格子１９０１は、偏光格子を備え得る。体積位相格子を含む、従来のブラッグ格子は、典型的には、高回折効率、例えば、半値全幅回折角度に関して約５度未満を有する、狭範囲の入射角を有する。しかしながら、偏光格子は、高回折効率、例えば、半値全幅回折角度に関して約１５～２０度を有する、比較的に広範な入射角を呈することができる。いくつかの実施形態では、高回折効率を有する角度の範囲は、図１６Ｅに図示されるように、いくつかの層を異なる傾斜角度を有する偏光格子内に含むことによって、なおもさらに広げられ得る。上で説明されるように、各液晶層１９２０、１９２２、１９２４の傾斜角度は、層毎に、液晶材料のキラリティを制御することによって制御されることができる。いくつかの実施形態では、キラリティは、ネマチック液晶材料内に存在するキラルドーパントの量を介して制御され得る。いくつかの実施形態では、キラリティは、異なる螺旋捻じり力を有するコレステリック液晶を利用することによって制御されることができる。さらに、図１６Ｂに関して上で説明されるように、整合層またはパターン化もしくはインプリントは、異なる傾斜角度を有する液晶層１９２０、１９２２、１９２４のそれぞれ間に必要とされない。３つの液晶層を有するように図示されるが、いくつかの実施形態では、偏光格子１９０１は、２つ、３つ、４つ、５つ、１０、２０、５０、またはそれを上回る液晶層を備え得る。
【0095】
図１６Ｆは、２つの液晶層１９２０、１９４０がそれぞれ、複数の液晶サブ層を備え、各サブ層が、異なる傾斜角度を有する、逆平行または逆対称偏光格子１９０１を図示する。いくつかの実施形態では、逆対称または逆平行偏光格子１９０１は、第１の掌性または捻じり角度を有する第１の液晶層１９２０を堆積させることによって加工されることができる。第１の液晶層１９２０は、複数の液晶サブ層１９２２、１９２４、１９２６を堆積させることによって加工され、各液晶サブ層は、同一掌性を有するが、それぞれ、異なる傾斜角度を有する。いくつかの実施形態では、液晶サブ層１９２２、１９２４、１９２６は、本明細書に説明されるプロセスに従って堆積および整合される。第２の液晶層１９４０は、第１の液晶層１９２０の上方に堆積され、第２の液晶層は、複数の液晶サブ層１９４２、１９４４、１９４６を備え、各液晶サブ層は、同一掌性を有するが、それぞれ、異なる傾斜角度を有する。液晶層１９４０および液晶サブ層１９４２、１９４４、１９４６の掌性は、第１の液晶層１９２０および液晶サブ層１９２２、１９２４、１９２６の掌性と反対である。図１６Ｆに図示され、いくつかの実施形態による、非対称偏光格子は、図１５Ｃに図示される図示される逆対称偏光格子１８００と類似様式において、双方向光多重化を達成することができる。しかしながら、逆対称偏光格子１９０１は、逆対称偏光格子の液晶サブ層の複数の傾斜角度に起因して、実質的により広範囲の入射角に対して効率的光多重化を達成することができる。
【0096】
いくつかの実施形態では、２次元導波管光マルチプレクサは、導波管と、導波管の主要表面上に配置される、第１の逆平行または逆対称偏光格子と、第１の逆平行偏光格子の上方に配置される、第２の逆平行または非対称偏光格子とを備えていることができる。いくつかの実施形態では、第１および第２の逆平行偏光格子は、各逆平行偏光格子の双方向多重化方向が相互に垂直であって、逆平行偏光格子が交差されると言え得るように配向される。いくつかの実施形態では、第１の逆平行偏光格子は、導波管の底部主要表面上に配置され得、第２の逆平行偏光格子は、導波管の上部主要表面上に配置され得る。いくつかの実施形態では、第１の逆平行偏光格子は、導波管の上部主要表面上に配置され得、第２の逆平行偏光格子は、第１の逆平行偏光格子および導波管の上部主要表面の上方に配置され得る。いくつかの実施形態では、第２の逆平行のまたは偏光格子は、隔離層または整合層によって、第１の逆平行偏光格子から分離され得る。いくつかの実施形態では、逆平行偏光格子は、本明細書に説明されるように、液晶材料を備えていることができる。
【0097】
図１７Ａは、いくつかの実施形態による、導波管２０２０の底部主要表面上に配置される、図１６Ｅに関して説明される液晶逆平行偏光格子１９０１等の液晶の第１の逆平行偏光格子２０３０を備えている、２次元導波管光マルチプレクサ２０００を図示する。２次元導波管光マルチプレクサはさらに、第１の逆平行偏光格子２０３０の上方の導波管２０２０の上部主要表面上に配置される、第２の液晶逆平行偏光格子２０４０を備えている。第２の液晶逆平行偏光格子２０４０はまた、図１６Ｅに関して説明される液晶逆平行偏光格子１９０１に類似する、逆平行偏光格子であり得る。第１および第２の逆平行偏光格子２０３０、２０４０は、第１の逆平行偏光格子２０３０の双方向多重化方向が第２の逆平行偏光格子２０４０の双方向多重化方向と垂直であるように配向される。本明細書に説明される２次元導波管光マルチプレクサの他の実施形態と同様に、逆平行偏光格子２０３０、２０４０は、交差逆平行偏光格子であると言え得る。２次元導波管光マルチプレクサはまた、本明細書に説明されるプロセスに従って、第１および後続液晶層と第１の逆平行偏光格子２０３０を備えているサブ層を整合させるために使用される、導波管２０２０の底部主要表面上に堆積される、第１の整合層２０３２を備えている。２次元導波管光マルチプレクサはまた、同様に、第１および後続液晶層と「第２の逆平行偏光格子２０４０を備えているサブ層を整合させるために使用される、導波管２０２０の上部主要表面上に堆積される、第２の整合層２０４２を備えている。図１７Ａに図示され、いくつかの実施形態による、２次元導波管光マルチプレクサ２０００は、例えば、１２Ａ、１２Ｂ、１４Ａ、および１４Ｂに図示される、２次元導波管光マルチプレクサと類似様式で機能する。しかしながら、２次元導波管光マルチプレクサ２０００が交差逆平行偏光格子を利用する、いくつかの実施形態では、対称回折格子またはさらに非対称回折格子を使用する２次元導波管光マルチプレクサより高い効率で、より広範囲の入射角光２０１０に対して２次元光多重化２０１２を達成することができる。
【0098】
図１７Ｂは、いくつかの実施形態による、２次元導波管光マルチプレクサ２０００を図示し、第１の液晶逆平行偏光格子２０３０は、導波管２０２０の上部主要表面上に配置され、第２の液晶逆平行偏光格子２０４０は、第１の逆平行偏光格子２０３０および導波管２０２０の上部主要表面の上方に配置される。液晶逆平行偏光格子２０３０、２０４０は、本明細書に説明されるプロセスに従って、整合層を介して整合される。いくつかの実施形態では、第１の整合層２０３２は、導波管２０２０の上部主要表面上に堆積され得、第１の逆平行偏光格子２０３０が、その上に加工され得る。第２の整合層２０４２が、次いで、第１の逆平行偏光格子２０３０上に堆積され得、第２の逆平行偏光格子２０４０が、その上に加工され、２次元導波管光マルチプレクサ２０００を形成し得る。したがって、いくつかの実施形態によると、２次元導波管光マルチプレクサ２０００の第１の逆平行偏光格子２０２０および第２の逆平行の偏光格子２０４０は、整合層２０４２によって分離され得る。
【0099】
図１７Ｃは、第１および第２の逆平行偏光格子２０３０、２０４０の両方が導波管の上部主要表面上に配置されるように、図１７Ｂに図示される２次元導波管光マルチプレクサと類似構成を有する、２次元導波管光マルチプレクサ２０００を図示する。図１７Ｃに図示される２次元導波管光マルチプレクサ２０００は、図１５Ｂに関して説明されるプロセス等のナノインプリントプロセスを介して加工および整合される、液晶逆平行偏光格子２０３０、２０４０を備えている。各逆平行偏光格子２０３０、２０４０は、別個の整合層が要求されないように加工される。故に、隔離層２０５０は、第１の逆平行偏光格子２０３０の上部主要表面上に堆積または形成され、第１の逆平行偏光格子２０３０を第２の逆平行偏光格子２０４０から分離する。いくつかの実施形態では、隔離層２０５０は、第２の逆平行偏光格子２０４０のインプリントの間、第１の逆平行偏光格子２０３０を保護する役割を果たし得る。いくつかの実施形態では、隔離層２０５０は、本明細書に説明される他の隔離層に類似し得、例えば、透明酸化物またはポリマーを備え得る。
【0100】
いくつかの実施形態では、同一インプリントテンプレートが、第１および第２の逆平行偏光格子２０３０、２０４０の両方を加工するために使用され得る。いくつかの実施形態では、同一インプリントテンプレートが、第１および第２の逆平行偏光格子２０３０、２０４０の両方を加工するために使用される場合、インプリントテンプレートは、第１および第２の逆平行偏光格子２０３０、２０４０が交差されるように、第２の逆平行偏光格子２０４０を加工するとき、第１の逆平行偏光格子２０３０のインプリントの間のその配向に対して９０度回転される。
【0101】
図１７Ｄは、図１７Ｂの２次元導波管光マルチプレクサ２０００を図示し、また、２次元光多重化が広範な入射角の光２０１０のために高効率で達成されることができることを図示する。本広範な入射は、光が、多重化され、２次元導波管光マルチプレクサ２０００から、外部結合２０１２されるとき、広視野を有する画像を備えている光信号が２次元で効率的に多重化され得るように保存される。広視野画像を２次元で効率的に多重化する能力は、例えば、本明細書に説明されるように、拡張現実デバイスにおいて有用であり得る。
【0102】
（追加の実施例）
第１の実施例では、光学要素が、本明細書に提供され、光学要素は、導波管と、格子方向を有する少なくとも１つ以上の第１の回折格子であって、導波管の主要表面上に配置されている、１つ以上の第１の回折格子と、格子方向を有する少なくとも１つ以上の第２の回折格子であって、１つ以上の第１の回折格子の格子方向が１つ以上の第２の回折格子の格子方向と垂直であるように、１つ以上の第１の回折格子に対して配置されている、１つ以上の第２の回折格子とを備えている。
第１の実施例では、光学要素が、本明細書に提供され、光学要素は、導波管と、格子方向を有する少なくとも１つ以上の第１の回折格子であって、導波管の主要表面上に配置されている、１つ以上の第１の回折格子と、格子方向を有する少なくとも１つ以上の第２の回折格子であって、１つ以上の第１の回折格子の格子方向が１つ以上の第２の回折格子の格子方向と垂直であるように、１つ以上の第１の回折格子に対して配置されている、１つ以上の第２の回折格子とを備えている。
【0103】
第２の実施例では、第１の実施例の光学要素において、１つ以上の第１の回折格子は、導波管の底部主要表面上に配置され、１つ以上の第２の回折格子は、導波管の上部主要表面上に配置される。
【0104】
第３の実施例では、第１の実施例の光学要素において、１つ以上の第１の回折格子は、導波管の上部主要表面上に配置され、１つ以上の第２の回折格子は、導波管の上部主要表面の上方に配置される。
【0105】
第４の実施例では、第３の実施例の光学要素において、１つ以上の第２の回折格子は、隔離層によって、１つ以上の第１の回折格子から分離される。
【0106】
第５の実施例では、第４の実施例の光学要素において、隔離層は、透明酸化物またはポリマー材料を備えている。
【0107】
第６の実施例では、第１－第３の実施例のいずれかの光学要素において、１つ以上の第１の回折格子および１つ以上の第２の回折格子の各々は、対称回折格子を備えている。
【0108】
第７の実施例では、第１－第３の実施例のいずれかの光学要素において、１つ以上の第１の回折格子はさらに、第１の回折方向を有する少なくとも１つ以上の第１の非対称回折格子と、第１の回折方向と逆平行の第２の回折方向を有する少なくとも１つ以上の第２の非対称回折格子とを備え、１つ以上の第２の回折格子はさらに、第３の優先回折方向を有する少なくとも１つ以上の第３の非対称回折格子と、第３の回折方向と逆平行の第４の回折方向を有する少なくとも１つ以上の第４の非対称回折格子とを備えている。
【0109】
第８の実施例では、第７の実施例の光学要素において、１つ以上の第１、第２、第３、および第４の非対称回折格子は、ブレーズド格子、ブラッグ格子、液晶格子、正弦波格子、バイナリ格子、体積位相格子、またはメタ表面格子を備えている。
【0110】
第９の実施例では、第８の実施例の光学要素において、１つ以上の第１、第２、第３、および第４の非対称回折格子は、液晶材料を備えている。
【0111】
第１０の実施例では、第９の実施例の光学要素において、１つ以上の第１、第２、第３、および第４の非対称回折格子は、ネマチック液晶材料を備えている。
【0112】
第１１の実施例では、第９の実施例の光学要素において、１つ以上の第１、第２、第３、および第４の非対称回折格子は、コレステリック液晶材料を備えている。
【0113】
第１２の実施例では、第９の実施例の光学要素において、１つ以上の第１、第２、第３、および第４の非対称回折格子は、重合化可能液晶材料を備えている。
【0114】
第１３の実施例では、第９－１２の実施例のいずれかの光学要素において、１つ以上の第１、第２、第３、および第４の非対称回折格子は、ナノインプリントプロセスによって形成される。
【0115】
第１４の実施例では、第９－１２の実施例のいずれかの光学要素において、第１の非対称回折格子は、第１の整合層上に堆積され、第３の非対称回折格子は、第２の整合層上に堆積される。
【0116】
第１５の実施例では、第１４の実施例の光学要素において、第２の非対称回折格子は、直接、第１の非対称回折格子上に堆積され、第４の非対称回折格子は、直接、第３の非対称回折格子上に堆積される。
【0117】
第１６の実施例では、第９－１５の実施例のいずれかの光学要素において、１つ以上の第１、第２、第３、および第４の非対称回折格子は、偏光格子を備えている。
【0118】
第１７の実施例では、第１１の実施例の光学要素において、１つ以上の第１、第２、第３、および第４の非対称回折格子は、偏光格子を備え、非対称回折格子の傾斜角度は、コレステリック液晶材料のキラリティ、掌性、および螺旋ピッチに対応する。
【0119】
第１８の実施例では、第１６の実施例の光学要素において、各非対称回折格子の傾斜角度は、液晶材料内のキラルドーパントの量に対応する。
【0120】
第１９の実施例では、第１６の実施例の光学要素において、第１、第２、第３、および第４の非対称回折格子は、複数の液晶材料層を備え、該回折格子のうちの１つのための複数の液晶材料層のうちの少なくとも２つは、異なる傾斜角度を有する。
【0121】
第２０の実施例では、１６－１９の実施例のいずれかの光学要素において、１つ以上の第１の非対称回折格子は、第１の円偏光掌性を備え、１つ以上の第２の非対称回折格子は、第１の円偏光掌性に直交する第２の円偏光掌性を備えている。
【0122】
第２１の実施例では、第１６－２０の実施例のいずれかの光学要素において、１つ以上の第３の非対称回折格子は、第３の円偏光掌性を備え、１つ以上の第４の非対称回折格子は、第３の円偏光掌性に直交する第４の円偏光掌性を備えている。
【0123】
第２２の実施例では、２次元で光信号を分散させる方法であって、本方法は、第１の回折格子を介して、光信号を第１の方向に分散させることを含む。本方法は、加えて、導波管内の全内部反射を介して、光信号の一部を第１の方向に伝搬させることを含む。本方法は、加えて、第１の回折格子を介して、第１の方向に伝搬する光信号の一部を外部結合方向に外部結合させることを含む。本方法は、加えて、第２の回折格子を介して、光信号の一部を第２の方向に分散させることを含む。本方法は、加えて、導波管内の全内部反射を介して、光信号の一部を第２の方向に伝搬させることを含む。本方法は、加えて、第２の回折格子を介して、第２の方向に伝搬する光信号の一部を外部結合方向に外部結合させることを含み、第１の方向は、第２の方向と垂直であって、光信号は、導波管の主要表面上に配置される複数の場所において外部結合される。
【0124】
前述の明細書では、種々の具体的な実施形態が説明された。しかしながら、種々の修正および変更が、本発明のより広義の精神および範囲から逸脱することなくそこに行われ得ることが明白となるであろう。明細書および図面は、故に、限定的意味ではなく、例証的と見なされるべきである。
【0125】
実際、本開示のシステムおよび方法は、それぞれ、いくつかの革新的側面を有し、そのうちのいかなるものも、本明細書に開示される望ましい属性に単独で関与しない、またはそのために要求されないことを理解されたい。上で説明される種々の特徴およびプロセスは、相互に独立して使用され得る、または種々の方法で組み合わせられ得る。全ての可能な組み合わせおよび副次的組み合わせが、本開示の範囲内に該当することが意図される。
【0126】
別個の実施形態の文脈において本明細書に説明されるある特徴はまた、単一の実施形態における組み合わせにおいて実装され得る。逆に、単一の実施形態の文脈において説明される種々の特徴もまた、複数の実施形態において別個に、または任意の好適な副次的組み合わせにおいて実装され得る。さらに、特徴がある組み合わせにおいて作用するものとして上で説明され、さらに、そのようなものとして最初に請求され得るが、請求される組み合わせからの１つ以上の特徴は、いくつかの場合では、組み合わせから削除され得、請求される組み合わせは、副次的組み合わせまたは副次的組み合わせの変形例を対象とし得る。いかなる単一の特徴または特徴のグループも、あらゆる実施形態に必要もしくは必須ではない。
【0127】
とりわけ、「～できる（ｃａｎ）」、「～し得る（ｃｏｕｌｄ）」、「～し得る（ｍｉｇｈｔ）」、「～し得る（ｍａｙ）」、「例えば（ｅ．ｇ．）」、および同等物等、本明細書で使用される条件文は、別様に具体的に記載されない限り、または使用されるような文脈内で別様に理解されない限り、概して、ある実施形態がある特徴、要素、および／またはステップを含む一方、他の実施形態がそれらを含まないことを伝えることが意図されることを理解されたい。したがって、そのような条件文は、概して、特徴、要素、および／もしくはステップが、１つもしくはそれを上回る実施形態に対していかようにも要求されること、または１つもしくはそれを上回る実施形態が、著者の入力または促しの有無を問わず、これらの特徴、要素、および／もしくはステップが任意の特定の実施形態において含まれる、もしくは実施されるべきかどうかを決定するための論理を必然的に含むことを示唆することを意図されない。用語「～を備えている」、「～を含む」、「～を有する」、および同等物は、同義語であり、非限定的方式で包括的に使用され、追加の要素、特徴、行為、動作等を除外しない。また、用語「または」は、その包括的意味において使用され（およびその排他的意味において使用されず）、したがって、例えば、要素のリストを接続するために使用されると、用語「または」は、リスト内の要素のうちの１つ、いくつか、または全てを意味する。加えて、本願および添付される請求項で使用されるような冠詞「ａ」、「ａｎ」、および「ｔｈｅ」は、別様に規定されない限り、「１つ以上の」もしくは「少なくとも１つ」を意味するように解釈されるべきである。同様に、動作は、特定の順序で図面に描写され得るが、これは、望ましい結果を達成するために、そのような動作が示される特定の順序で、もしくは連続的順序で実施される、または全ての図示される動作が実施される必要はないと認識されるべきである。さらに、図面は、フローチャートの形態で１つ以上の例示的プロセスを図式的に描写し得る。しかしながら、描写されない他の動作も、図式的に図示される例示的方法およびプロセス内に組み込まれることができる。例えば、１つ以上の追加の動作が、図示される動作のいずれかの前に、その後に、それと同時に、またはその間に実施されることができる。加えて、動作は、他の実装において再配列される、または再順序付けられ得る。ある状況では、マルチタスクおよび並列処理が、有利であり得る。さらに、上で説明される実施形態における種々のシステムコンポーネントの分離は、全ての実施形態におけるそのような分離を要求するものとして理解されるべきではなく、説明されるプログラムコンポーネントおよびシステムは、概して、単一のソフトウェア製品においてともに統合される、または複数のソフトウェア製品にパッケージ化され得ることを理解されたい。加えて、他の実装も、以下の請求項の範囲内である。いくつかの場合では、請求項に列挙されるアクションは、異なる順序で実施され、依然として、望ましい結果を達成することができる。
【0128】
故に、請求項は、本明細書に示される実施形態に限定されることを意図するものではなく、本明細書に開示される本開示、原理、および新規の特徴と一貫する最も広い範囲を与えられるべきである。
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9A】
【図9B】
【図9C】
【図10】
【図11A】
【図11B】
【図11C】
【図12A】
【図12B】
【図13A】
【図13B】
【図13C】
【図13D】
【図14A】
【図14B】
【図15A】
【図15B】
【図15C】
【図16A】
【図16B】
【図16C】
【図16D】
【図16E】
【図16F】
【図17A】
【図17B】
【図17C】
【図17D】
【外国語明細書】