特許 7539941 コレステリック液晶に基づく回折デバイス

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2024-08-16

(45)【発行日】2024-08-26

(54)【発明の名称】コレステリック液晶に基づく回折デバイス

(51)【国際特許分類】

   G02B 5/18 20060101AFI20240819BHJP

   G02B 5/30 20060101ALI20240819BHJP

   G02B 27/02 20060101ALI20240819BHJP

   H04N 5/64 20060101ALI20240819BHJP

【ＦＩ】

G02B5/18

G02B5/30

G02B27/02 Z

H04N5/64 511A

【請求項の数】 21

【外国語出願】

(21)【出願番号】P 2022077376

(22)【出願日】2022-05-10

(62)【分割の表示】P 2022005582の分割

【原出願日】2017-12-07

(65)【公開番号】P2022103276

(43)【公開日】2022-07-07

【審査請求日】2022-05-10

(31)【優先権主張番号】62/431,745

(32)【優先日】2016-12-08

(33)【優先権主張国・地域又は機関】US

(31)【優先権主張番号】62/431,752

(32)【優先日】2016-12-08

(33)【優先権主張国・地域又は機関】US

(73)【特許権者】

【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

【審査官】中村 説志

(56)【参考文献】

【文献】米国特許出願公開第２０１６／００３３６９８（ＵＳ，Ａ１）

【文献】特表２０１０－５２５３９４（ＪＰ，Ａ）

【文献】国際公開第２０１６／１９４９６１（ＷＯ，Ａ１）

【文献】Yishi Weng, et al.，"Polarization volume grating with high efficiency and large diffraction angle"，Optics Express，2016年08月08日，Vol. 24, No. 16，p. 17746-17759

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｇ０２Ｂ ５／１８

Ｇ０２Ｂ ５／３０

Ｇ０２Ｂ２７／００－０２

Ｈ０４Ｎ ５／６４

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

導波デバイスであって、
１つ以上のコレステリック液晶（ＣＬＣ）層であって、前記１つ以上のＣＬＣ層のそれぞれは、複数のキラル構造を備え、各キラル構造は、複数の液晶分子を備え、前記複数の液晶分子は、層深度方向に延在し、第１の回転方向に連続的に回転され、前記キラル構造の前記液晶分子の配列は、前記１つ以上のＣＬＣ層が、第１の円偏光状態を有する入射光をブラッグ反射させ、前記第１の円偏光状態に直交する第２の円偏光状態を有する入射光を透過させるように構成されるように、前記層深度方向と垂直な側方方向に周期的に変動する、１つ以上のＣＬＣ層と、
前記１つ以上のＣＬＣ層にわたって形成された１つ以上の導波管であって、
前記１つ以上の導波管は、前記１つ以上のＣＬＣ層からのブラッグ反射された光を、前記ブラッグ反射された光が全内部反射（ＴＩＲ）下で前記側方方向に進行するように、光学的に結合するように構成される、１つ以上の導波管と
を備え、
前記導波管と反対の第１の側から前記ＣＬＣ層に入射する前記第２の円偏光状態の光について、前記ＣＬＣ層および導波管は、前記光を透過させ、前記導波デバイスは、前記透過させられた光を、前記第１の円偏光状態における反射された光として、前記ＣＬＣ層が前記反射された光を前記導波管の中に光学的に結合するために、前記ＣＬＣ層に向かって反射させ、
前記導波デバイスは、２０°を超える、回折効率が２５％を上回る、視野（ＦＯＶ）を有するように構成される、導波デバイス。

【請求項2】

前記１つ以上のＣＬＣ層は、第１の軸外入射角で第１の最大ブラッグ反射させるために構成される第１のＣＬＣ層と、前記第１の軸外入射角と異なる第２の軸外入射角で第２の最大ブラッグ反射させるために構成される第２のＣＬＣ層とを備える、請求項１に記載の導波デバイス。

【請求項3】

前記１つ以上のＣＬＣ層は、第１のＦＯＶを有する第１のＣＬＣ層と、前記第１のＦＯＶと少なくとも部分的に重複する第２のＦＯＶを有する第２のＣＬＣ層とを備え、前記第１のＦＯＶと前記第２のＦＯＶは、組み合わせて、２０°を超える前記ＦＯＶを有する、請求項１に記載の導波デバイス。

【請求項4】

前記１つ以上のＣＬＣ層のうちの異なるＣＬＣ層は、異なる螺旋ピッチで前記層深度方向に延在する液晶分子を有する、請求項１に記載の導波デバイス。

【請求項5】

前記１つ以上のＣＬＣ層のうちの異なるＣＬＣ層は、前記層深度方向にスタックされる、請求項４に記載の導波デバイス。

【請求項6】

前記１つ以上のＣＬＣ層のうちの前記異なるＣＬＣ層の螺旋ピッチは、前記１つ以上のＣＬＣ層の光入射表面から離れる前記層深度方向に減少する、請求項５に記載の導波デバイス。

【請求項7】

前記螺旋ピッチは、前記層深度方向に実質的に線形に減少する、請求項６に記載の導波デバイス。

【請求項8】

前記第１のＣＬＣ層および前記第２のＣＬＣ層は、第１のＦＯＶ内で前記１つ以上のＣＬＣ層に入射する入射光の第１の部分が前記第１のＣＬＣ層によって反射される一方で第２のＦＯＶ内で前記１つ以上のＣＬＣ層に入射する前記入射光の第２の部分が前記第１のＣＬＣ層を通して透過されかつ前記第２のＣＬＣ層によって反射されるように、相互にわたってスタックされる、請求項３に記載の導波デバイス。

【請求項9】

前記１つ以上のＣＬＣ層のうちの異なるＣＬＣ層は、前記側方方向に相互に側方に隣接して配置される、請求項４に記載の導波デバイス。

【請求項10】

前記１つ以上のＣＬＣ層のうちの異なるＣＬＣ層は、異なる螺旋ピッチで前記層深度方向に延在する液晶分子を有する、請求項９に記載の導波デバイス。

【請求項11】

前記１つ以上のＣＬＣ層のうちの前記異なるＣＬＣ層の螺旋ピッチは、前記側方方向に変動する、請求項９に記載の導波デバイス。

【請求項12】

前記１つ以上のＣＬＣ層のそれぞれは、１．３５を超える平均屈折率（ｎ_ＬＣ）を有し、前記ｎ_ＬＣは、通常屈折率（ｎ_ｏ）および通常外屈折率（ｎ_ｅ）の平均である値を有する、請求項１に記載の導波デバイス。

【請求項13】

前記１つ以上のＣＬＣ層のそれぞれは、約０．０５～０．７０の複屈折（Δｎ）を有する、請求項１に記載の導波デバイス。

【請求項14】

ディスプレイデバイスであって、
導波管と、
前記導波管上に形成された内部結合光学要素であって、前記内部結合光学要素は、自身の上に入射する光を前記導波管の第１の側の中に内部結合するように構成され、前記内部結合光学要素および前記導波管は、前記導波管の中に内部結合された光が全内部反射（ＴＩＲ）によって前記導波管の面内方向に前記導波管内を伝搬するように構成される、内部結合光学要素と、
前記導波管上に形成された外部結合光学要素であって、前記外部結合光学要素は、自身の上に入射する光を前記導波管から外部結合するように構成される、外部結合光学要素と
を備え、
前記内部結合光学要素および前記外部結合光学要素のうちの一方または両方は、１つ以上のコレステリック液晶（ＣＬＣ）層を備え、前記１つ以上のＣＬＣ層のそれぞれは、複数のキラル構造を備え、各キラル構造は、複数の液晶分子を備え、前記複数の液晶分子は、層深度方向に延在し、第１の回転方向に連続的に回転され、前記キラル構造の前記液晶分子の配列は、前記１つ以上のＣＬＣ層が、第１の円偏光状態を有する入射光をブラッグ反射させ、前記第１の円偏光状態に直交する第２の円偏光状態を有する入射光を透過させるように構成されるように、前記層深度方向と垂直な側方方向に周期的に変動し、
前記導波管と反対の第１の側から前記ＣＬＣ層に入射する前記第２の円偏光状態の光について、前記ＣＬＣ層および導波管は、前記光を透過させ、前記ディスプレイデバイスは、前記透過させられた光を、前記第１の円偏光状態における反射された光として、前記ＣＬＣ層が前記反射された光を前記導波管の中に光学的に結合するために、前記ＣＬＣ層に向かって反射させ、
前記ディスプレイデバイスは、２０°を超える、回折効率が２５％を上回る、視野（ＦＯＶ）を有するように構成される、ディスプレイデバイス。

【請求項15】

前記１つ以上のＣＬＣ層のうちの異なるＣＬＣ層は、前記１つ以上のＣＬＣ層の光入射表面から離れる前記層深度方向にスタックされる、請求項１４に記載のディスプレイデバイス。

【請求項16】

複数の導波管を備え、前記導波管のそれぞれには、自身の上に前記１つ以上のＣＬＣ層のうちの対応するＣＬＣ層が形成されている、請求項１５に記載のディスプレイデバイス。

【請求項17】

前記導波管には、自身の片側上に前記１つ以上のＣＬＣ層が形成されている、請求項１５に記載のディスプレイデバイス。

【請求項18】

第１のＣＬＣ層および第２のＣＬＣ層は、第１の波長を有する前記１つ以上のＣＬＣ層に入射する入射光の第１の部分が前記第１のＣＬＣ層によって反射される一方で前記第１の波長と異なる第２の波長を有する前記１つ以上のＣＬＣ層に入射する前記入射光の第２の部分が前記第１のＣＬＣ層を通して透過されかつ前記第２のＣＬＣ層によって反射されるように、相互にわたってスタックされる、請求項１５に記載のディスプレイデバイス。

【請求項19】

前記外部結合光学要素および前記内部結合光学要素は、前記導波管の反対側上に形成される、請求項１４に記載のディスプレイデバイス。

【請求項20】

前記外部結合光学要素は、右回り円偏光または左回り円偏光のうちの１つを有する光を選択的にブラッグ反射させるように構成される、請求項１４に記載のディスプレイデバイス。

【請求項21】

前記外部結合光学要素は、前記第１の回転方向と同一方向である偏光方向を有する光を選択的にブラッグ反射させるように構成される、請求項１４に記載のディスプレイデバイス。

【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、米国仮特許出願第６２／４３１，７５２号，出願日２０１６年１２月８日、発明の名称 “ＤＩＦＦＲＡＣＴＩＶＥ ＤＥＶＩＣＥＳ ＢＡＳＥＤ ＯＮ ＣＨＯＬＥＳＴＥＲＩＣ ＬＩＱＵＩＤ ＣＲＹＳＴＡＬ”および米国仮特許出願第６２／４３１，７４５ 号，出願日２０１６年１２月８日、発明の名称 “ＤＩＦＦＲＡＣＴＩＶＥ ＤＥＶＩＣＥＳ ＢＡＳＥＤ ＯＮ ＣＨＯＬＥＳＴＥＲＩＣ ＬＩＱＵＩＤ ＣＲＹＳＴＡＬ”に対する優先権の利益を主張するものであり、これらの内容は、全体が参照により本明細書中に援用される。
（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、コレステリック液晶に基づく回折デバイス備える、拡張現実ディスプレイシステムに関する。

【背景技術】

【0002】

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る、または別様にそれと相互作用するように知覚され得る。

【0003】

図１を参照すると、拡張現実場面１が、描写され、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。

【0004】

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】

【0005】

ある側面では、回折格子は、複数のキラル構造を備える、コレステリック液晶（ＣＬＣ）層を備え、各キラル構造は、少なくともある螺旋ピッチによって、層深度方向に延在し、第１の回転方向に連続的に回転される、複数の液晶分子を備える。螺旋ピッチは、第１の回転方向における完全１回転によるキラル構造の液晶分子の正味回転角度に対応する、層深度方向における長さである。キラル構造の液晶分子の配列は、層深度方向と垂直な側方方向に周期的に変動する。

【0006】

別の側面では、頭部搭載型ディスプレイデバイス（ＨＭＤ）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。ＨＭＤは、ユーザの頭部上に支持されるように構成される、フレームを備える、頭部搭載型ディスプレイデバイスを備える。ＨＭＤは、フレーム上に配置される、ディスプレイを備え、ディスプレイの少なくとも一部は、１つ以上の導波管を備える。透明部分がユーザの正面の環境の該部分のビューを提供するように、ユーザの眼に、ユーザの眼の正面の場所から光を伝送するように、ユーザが該頭部搭載型ディスプレイを装着すると、ユーザの眼の正面の場所に配置される。ディスプレイはさらに、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つの回折格子とを備え、少なくとも１つの回折格子は、本明細書のいずれかに説明される側面による、回折格子を備える。

【0007】

別の側面では、導波デバイスは、それぞれ、複数のキラル構造を備える、１つ以上のコレステリック液晶（ＣＬＣ）層を備え、各キラル構造は、層深度方向に延在し、第１の回転方向に連続的に回転される、複数の液晶分子を備え、キラル構造の液晶分子の配列は、１つ以上のＣＬＣ層が入射光をブラッグ反射させるように構成されるように、層深度方向と垂直な側方方向に周期的に変動する。１つ以上の導波管が、１つ以上のＣＬＣ層にわたって形成され、ブラッグ反射された光が、全内部反射（ＴＩＲ）によって、層深度方向と垂直な側方方向に進行するように、ブラッグ反射された光を光学的に結合するように構成される。１つ以上のＣＬＣ層および１つ以上の導波管は、同一光学経路内にあるように構成される。

【0008】

別の側面では、波長選択的コレステリック液晶反射体（ＣＬＣＲ）は、それぞれ、複数のキラル構造を備える、１つ以上のコレステリック液晶（ＣＬＣ）層を備え、各キラル構造は、層深度方向に延在し、第１の回転方向に連続的に回転される、複数の液晶分子を備える。キラル構造の液晶分子の配列は、１つ以上のＣＬＣ層が、第１の波長を有する第１の入射光を実質的にブラッグ反射させる一方、第２の波長を有する第２の入射光を実質的に透過させるように構成されるように、層深度方向と垂直な側方方向に周期的に変動する。

【0009】

別の側面では、ユーザの頭部上に装着されるように構成される、頭部搭載型ディスプレイ（ＨＭＤ）は、一対の耳掛け部と、対の光学要素がそれぞれユーザの眼の前方に配置されることが可能であるように、フレームによって支持される、一対の光学要素と、対の耳掛け部のうちの１つに搭載される、前向きに面した結像機と、それぞれ、複数のキラル構造を備える、１つ以上のコレステリック液晶（ＣＬＣ）層を備える、コレステリック液晶（ＣＬＣ）軸外ミラーとを備える、フレームを備える。各キラル構造は、層深度方向に延在し、第１の回転方向に連続的に回転される、複数の液晶分子を備え、キラル構造の液晶分子の配列は、１つ以上のＣＬＣ層が入射光をブラッグ反射させるように構成されるように、層深度方向と垂直な側方方向に周期的に変動する。コレステリック液晶（ＣＬＣ）軸外ミラーは、対の光学要素のうちの１つ内または上に配置され、反射要素によって反射された赤外線光を受光するように構成される、前向きに面した結像機に向かって、赤外線光を反射させるように構成される。

【0010】

別の側面では、導波デバイスは、それぞれ、複数のキラル構造を備える、１つ以上のコレステリック液晶（ＣＬＣ）層を備え、各キラル構造は、層深度方向に延在し、第１の回転方向に連続的に回転される、複数の液晶分子を備え、キラル構造の液晶分子の配列は、１つ以上のＣＬＣ層が入射光をブラッグ反射させるように構成されるように、層深度方向と垂直な側方方向に周期的に変動する。導波デバイスは、加えて、１つ以上のＣＬＣ層にわたって形成され、ブラッグ反射された光が、全内部反射（ＴＩＲ）によって、層深度方向と垂直な側方方向に進行するように、１つ以上のＣＬＣ層からブラッグ反射された光を光学的に結合するように構成される、１つ以上の導波管を含む。導波デバイスは、２０^ｏを超える、回折効率が２５％を上回る、視野（ＦＯＶ）を有するように構成される。

【0011】

さらに別の側面では、ディスプレイデバイスは、導波管と、導波管上に形成される、内部結合光学要素とを備える。内部結合光学要素は、その上に入射する光を導波管の第１の側の中に内部結合するように構成され、内部結合光学要素および導波管は、導波管の中に内部結合された光が、全内部反射（ＴＩＲ）によって、導波管の面内方向に導波管内を伝搬するように構成される。ディスプレイデバイスは、加えて、導波管上に形成され、その上に入射する光を導波管から外部結合するように構成される、外部結合光学要素を備える。光外部結合要素は、複数のキラル構造を備える、コレステリック液晶（ＣＬＣ）層を備え、キラル構造はそれぞれ、ＣＬＣ層の層深度方向に延在し、第１の回転方向に連続的に回転される、複数の液晶分子を備え、キラル構造の液晶分子の配列は、１つ以上のＣＬＣ層が、その上に入射する光を導波管から第１の側に向かってブラッグ反射させるように構成されるように、層深度方向と垂直な側方方向に周期的に変動する。

【0012】

本明細書に説明される主題の１つ以上の実装の詳細は、付随の図面および下記の説明に記載される。他の特徴、側面、および利点は、説明、図面、および請求項から明白となるであろう。本概要または以下の詳細な説明のいずれも、本発明主題の範囲を定義または限定することを主張するものではない。
本明細書は、例えば、以下の項目も提供する。
（項目１）
回折格子であって、
複数のキラル構造を備えるコレステリック液晶（ＣＬＣ）層であって、各キラル構造は、複数の液晶分子を備え、前記複数の液晶分子は、少なくともある螺旋ピッチによって、層深度方向において延在し、第１の回転方向に連続的に回転される、コレステリック液晶（ＣＬＣ）層
を備え、
前記螺旋ピッチは、前記第１の回転方向における完全１回転による前記キラル構造の液晶分子の正味回転角度に対応する前記層深度方向における長さであり、
前記キラル構造の液晶分子の配列は、前記層深度方向と垂直な側方方向において周期的に変動する、
回折格子。
（項目２）
各キラル構造は、異なる伸長方向に沿って伸長される少なくとも３つのカラミチック液晶分子を備える、項目１に記載の回折格子。
（項目３）
前記ＣＬＣ層は、層法線方向において見られると、前記第１の回転方向と合致される偏光の掌性を有する楕円または円偏光を実質的にブラッグ反射させるように構成される一方、前記層深度方向において見られると、前記第１の回転方向と反対の偏光の掌性を有する楕円または円偏光を実質的に透過させるように構成される、項目１に記載の回折格子。
（項目４）
前記側方方向において周期的に変動する前記液晶分子の配列は、前記層深度方向においてほぼ同一深度にある、連続的に側方に隣接するキラル構造の液晶分子が、３６０^ｏ／ｎ、但しｎは整数である、だけ第２の回転方向において連続的に回転されるようなものである、項目１に記載の回折格子。
（項目５）
前記側方方向において周期的に変動する前記液晶分子の配列は、前記側方に隣接するキラル構造によってブラッグ反射された楕円または円偏光が、前記側方に隣接するキラル構造間の前記第２の回転方向の回転の角度に比例する角度だけ位相偏移されるようなものである、項目１に記載の回折格子。
（項目６）
前記キラル構造は、実質的に同一螺旋ピッチを有する、項目１に記載の回折格子。
（項目７）
前記キラル構造は、
第１の複数のキラル構造であって、前記第１の複数のキラル構造のそれぞれは、複数の第１の液晶分子を備え、前記複数の第１の液晶分子は、少なくとも第１の螺旋ピッチによって、層深度方向において延在し、前記第１の回転方向に連続的に回転される、第１の複数のキラル構造と、
第２の複数のキラル構造であって、前記第２の複数のキラル構造のそれぞれは、複数の第２の液晶分子を備え、前記複数の第２の液晶分子は、少なくとも第２の螺旋ピッチによって、前記層深度方向において延在し、前記第１の回転方向に連続的に回転される、第２の複数のキラル構造と
を備え、
前記第１の螺旋ピッチおよび前記第２の螺旋ピッチは、前記第１のキラル構造および前記第２のキラル構造が、異なる軸外入射角を有する光をブラッグ反射させるように構成されるようなものである、項目１に記載の回折格子。
（項目８）
前記第１の複数のキラル構造は、第１のコレステリック液晶（ＣＬＣ）層内に形成され、前記第２の複数のキラル構造は、第２のコレステリック液晶（ＣＬＣ）層内に形成され、前記第２のコレステリック液晶（ＣＬＣ）層は、前記第１のＣＬＣ層にわたって形成され、前記層深度方向においてスタックされている、項目７に記載の回折格子。
（項目９）
前記第１の複数のキラル構造は、前記コレステリック液晶（ＣＬＣ）層の第１の領域内に形成され、前記第２の複数のキラル構造は、前記層深度方向において前記第１の領域にわたって形成される前記コレステリック液晶（ＣＬＣ）層の第２の領域内に形成される、項目７に記載の回折格子。
（項目１０）
前記第１の複数のキラル構造は、前記コレステリック液晶（ＣＬＣ）層の第１の領域内に形成され、前記第２の複数のキラル構造は、前記コレステリック液晶（ＣＬＣ）層の第２の領域内に形成され、前記第１および第２の領域は、前記側方方向において側方に隣接する領域である、項目７に記載の回折格子。
（項目１１）
前記第１および第２のキラル構造の一方または両方は、前記層深度方向および前記側方方向の一方または両方において、前記螺旋ピッチの勾配を形成する、項目７－１０のいずれか１項に記載の回折格子。
（項目１２）
導波デバイスであって、
１つ以上のコレステリック液晶（ＣＬＣ）層であって、前記１つ以上のコレステリック液晶（ＣＬＣ）層のそれぞれは、複数のキラル構造を備え、各キラル構造は、複数の液晶分子を備え、前記複数の液晶分子は、層深度方向において延在し、第１の回転方向に連続的に回転され、前記キラル構造の液晶分子の配列は、前記１つ以上のＣＬＣ層が入射光をブラッグ反射させるように構成されるように、前記層深度方向と垂直な側方方向において周期的に変動する、１つ以上のコレステリック液晶（ＣＬＣ）層と、
前記１つ以上のＣＬＣ層にわたって形成される１つ以上の導波管であって、前記１つ以上の導波管は、前記ブラッグ反射された光が、全内部反射（ＴＩＲ）によって、前記層深度方向と垂直な側方方向に進行するように、前記１つ以上のＣＬＣ層からブラッグ反射された光を光学的に結合するように構成される、１つ以上の導波管と
を備え、
前記１つ以上のＣＬＣ層および前記１つ以上の導波管は、同一光学経路内にあるように構成される、導波デバイス。
（項目１３）
前記複数のキラル構造はそれぞれ、少なくともある螺旋ピッチによって、層深度方向において延在し、前記螺旋ピッチは、前記第１の回転方向における完全１回転による前記キラル構造の液晶分子の正味回転角度に対応する前記層深度方向における長さである、項目１２に記載の導波デバイス。
（項目１４）
複数のＣＬＣ層を備え、前記ＣＬＣ層のそれぞれ１つは、前記ＣＬＣ層の他のものと異なる波長を有する入射光を前記ＣＬＣ層の他のものと異なるブラッグ反射角度で選択的にブラッグ反射させるように構成される、異なるように配列されるキラル構造を有する、項目１２に記載の導波デバイス。
（項目１５）
前記液晶層の周期的に変動する側方配列は、ある周期によって特徴付けられ、前記ＣＬＣ層のそれぞれ１つは、前記ＣＬＣ層の他のものと異なる周期を有する、項目１２に記載の導波デバイス。
（項目１６）
前記ＣＬＣ層のそれぞれ１つは、可視スペクトル内の波長を有する入射光を選択的にブラッグ反射させるように構成される、項目１２に記載の導波デバイス。
（項目１７）
前記ＣＬＣ層のそれぞれ１つは、赤外線スペクトル内の波長を有する入射光を選択的にブラッグ反射させる一方、可視スペクトル内の波長を有する光を透過させるように構成される、項目１２に記載の導波デバイス。
（項目１８）
複数の導波管を備え、各導波管は、その上に形成される前記ＣＬＣ層のうちの１つに光学的に結合される、項目１２に記載の導波デバイス。
（項目１９）
前記複数のＣＬＣ層は、スタックを形成し、単一導波管が、前記スタック内のＣＬＣ層のそれぞれ１つに光学的に結合される、項目１２に記載の導波デバイス。
（項目２０）
偏光反射体をさらに備え、前記１つ以上の導波管は、前記１つ以上のＣＬＣ層と前記偏光反射体との間に介在され、前記１つ以上のＣＬＣ層を通して、さらには前記導波管を通して透過する楕円または円偏光入射光が、前記偏光反射体によって、前記楕円または円偏光入射光に対して反対偏光掌性を有する反射光として反射されるように構成される、項目１２－１９のいずれか１項に記載の導波デバイス。
（項目２１）
導波管とスタックを形成する第１のＣＬＣ層および第２のＣＬＣ層を備え、前記第１のＣＬＣ層および前記第２のＣＬＣ層のキラル構造は、反対回転方向に連続的に回転される、項目１２に記載の導波デバイス。
（項目２２）
前記第１および第２のＣＬＣ層は、前記導波管上にスタックされる、項目２１に記載の導波デバイス。
（項目２３）
前記第１および第２のＣＬＣ層は、前記導波管によって介在される、項目２１に記載の導波デバイス。

【図面の簡単な説明】

【0013】

【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。

【0014】

【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。

【0015】

【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。

【0016】

【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。

【0017】

【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。

【0018】

【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。

【0019】

【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。

【0020】

【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。

【0021】

【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。

【0022】

【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。

【0023】

【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。

【0024】

【図10】図１０は、複数の均一キラル構造を有する、コレステリック液晶回折格子（ＣＬＣＧ）の実施例の断面側面図を図示する。

【0025】

【図11】図１１は、側方方向に異なるように配列されるキラル構造を有する、ＣＬＣＧの実施例の断面側面図を図示する。

【0026】

【図12】図１２は、軸外入射角でブラッグ反射させるために構成される、ＣＬＣ層の実施例の断面側面図を図示する。

【0027】

【図13A】図１３Ａは、第１の螺旋ピッチを有し、第１の軸外入射角でブラッグ反射させるために構成される、ＣＬＣ層の実施例の断面側面図を図示する。

【0028】

【図13B】図１３Ｂは、第２の螺旋ピッチを有し、第２の軸外入射角でブラッグ反射させるために構成される、ＣＬＣ層の実施例の断面側面図を図示する。

【0029】

【図13C】図１３Ｃは、複数の軸外入射角および高回折帯域幅でブラッグ反射させるために、スタックされた構成において異なる螺旋ピッチを有する、図１３Ａおよび１３ＢのＣＬＣ層を含む、ＣＬＣＧの実施例の断面側面図を図示する。

【0030】

【図14】図１４は、複数の軸外入射角および高回折帯域幅でブラッグ反射させるために、深度方向に沿って異なる螺旋ピッチを伴う垂直領域を有する、ＣＬＣ層を含む、ＣＬＣＧの実施例の断面側面図を図示する。

【0031】

【図15】図１５は、ブラッグ反射を空間的に変動させるために、側方方向に沿って異なる螺旋ピッチを伴う側方領域を有する、ＣＬＣ層を含む、ＣＬＣＧの実施例の断面側面図を図示する。

【0032】

【図16】図１６は、ＣＬＣＧに結合され、全内部反射（ＴＩＲ）によって、光を伝搬するように構成される、導波管を備える、光学導波デバイスの実施例を図示する。

【0033】

【図17A】図１７Ａは、ＣＬＣＧに結合され、全内部反射（ＴＩＲ）によって、ある波長を有する光を選択的に伝搬するように構成される、導波管を備える、光学導波デバイスの実施例を図示する。

【0034】

【図17B】図１７Ｂは、同一光学経路内の複数の光学導波デバイスの実施例を図示し、それぞれ、ＣＬＣＧに結合され、全内部反射（ＴＩＲ）によって、ある波長を有する光を選択的に伝搬するように構成される、導波管を備える。

【0035】

【図17C】図１７Ｃは、同一光学経路内の複数の光学導波デバイスの実施例を図示し、それぞれ、ＣＬＣＧに結合され、全内部反射（ＴＩＲ）によって、ある波長を有する光を選択的に伝搬するように構成される、導波管を備える。

【0036】

【図18】図１８は、複数のＣＬＣＧに結合され、全内部反射（ＴＩＲ）によって、複数の波長を有する光を選択的に伝搬するように構成される、共通導波管を備える、光学導波デバイスの実施例を図示する。

【0037】

【図19】図１９は、ＣＬＣＧに結合され、全内部反射（ＴＩＲ）によって、光を伝搬するように構成される、導波管を備える、光学導波デバイスの実施例を図示する。

【0038】

【図20】図２０は、ＣＬＣＧおよび偏光変換反射体に結合される、導波管を備える、光学導波デバイスの実施例を図示し、ＣＬＣＧは、入射光を受光するように構成され、導波管は、全内部反射（ＴＩＲ）によって、ＣＬＣＧからブラッグ反射された光を伝搬するように構成される。

【0039】

【図21A】図２１Ａは、図２０の光学導波デバイスを図示し、ＣＬＣＧは、線形偏光または非偏光である入射光を受光するように構成され、導波管は、全内部反射（ＴＩＲ）によって、ＣＬＣＧからブラッグ反射された光および反射体によって反射された光を伝搬するように構成される。

【0040】

【図21B】図２１Ｂは、図２０の光学導波デバイスを図示し、ＣＬＣＧは、直交楕円または円偏光ビームに変更された入射光を受光するように構成され、導波管は、全内部反射（ＴＩＲ）によって、ＣＬＣＧからブラッグ反射された光および反射体によって反射された光を伝搬するように構成される。

【0041】

【図22A】図２２Ａは、入射光ビームが線形偏光または非偏光される条件下における、第１の回転方向を有するキラル構造を有する、第１のＣＬＣ層と、第１の回転方向と反対の第２の回転方向を有するキラル構造を有する、第２のＣＬＣ層とを含む、共通導波管に結合される、複数のＣＬＣ層を備える、光学導波デバイスの実施例を図示する。

【0042】

【図22B】図２２Ｂは、入射光が直交楕円または円偏光ビームに偏光される条件下における、図２２Ａの光学導波デバイスを図示する。

【0043】

【図22C】図２２Ｃは、入射光ビームが線形偏光または非偏光される条件下における、第１の回転方向を有するキラル構造を有する、第１のＣＬＣ層と、第１の回転方向と反対の第２の回転方向を有するキラル構造を有する、第２のＣＬＣ層とを含む、２つのＣＬＣ層間に介在される共通導波管に結合される、複数のＣＬＣ層を備える、光学導波デバイスの実施例を図示する。

【0044】

【図23】図２３は、コレステリック液晶（ＣＬＣ）軸外ミラーを使用して、装着者の眼を結像するように構成される、前向きに面したカメラを備える、結像システムの実施例を図示する。

【0045】

【図24A】図２４Ａ－２４Ｆは、ＣＬＣ軸外ミラーを使用して、装着者の眼を結像するように構成される、前向きに面したカメラを備える、結像システムの実施例を図示する。

【図24B】図２４Ａ－２４Ｆは、ＣＬＣ軸外ミラーを使用して、装着者の眼を結像するように構成される、前向きに面したカメラを備える、結像システムの実施例を図示する。

【図24C】図２４Ａ－２４Ｆは、ＣＬＣ軸外ミラーを使用して、装着者の眼を結像するように構成される、前向きに面したカメラを備える、結像システムの実施例を図示する。

【図24D】図２４Ａ－２４Ｆは、ＣＬＣ軸外ミラーを使用して、装着者の眼を結像するように構成される、前向きに面したカメラを備える、結像システムの実施例を図示する。

【図24E】図２４Ａ－２４Ｆは、ＣＬＣ軸外ミラーを使用して、装着者の眼を結像するように構成される、前向きに面したカメラを備える、結像システムの実施例を図示する。

【図24F】図２４Ａ－２４Ｆは、ＣＬＣ軸外ミラーを使用して、装着者の眼を結像するように構成される、前向きに面したカメラを備える、結像システムの実施例を図示する。

【0046】

【図24G】図２４Ｇおよび２４Ｈは、１つ以上のＣＬＣ軸外ミラーを含む複数のセグメントを備える、回折光学要素を使用して、装着者の眼を結像するように構成される、前向きに面したカメラを備える、結像システムの実施例を図示し、セグメントはそれぞれ、異なる光学性質を有することができる。

【図24H】図２４Ｇおよび２４Ｈは、１つ以上のＣＬＣ軸外ミラーを含む複数のセグメントを備える、回折光学要素を使用して、装着者の眼を結像するように構成される、前向きに面したカメラを備える、結像システムの実施例を図示し、セグメントはそれぞれ、異なる光学性質を有することができる。

【0047】

【図25】図２５は、ＣＬＣＧに結合され、全内部反射（ＴＩＲ）によって、光を伝搬するように構成される、導波管を備える、広範囲の視野にわたって最適化された例示的光学導波デバイスを図示する。

【0048】

【図26】図２６は、ＣＬＣＧに結合され、全内部反射（ＴＩＲ）によって、光を伝搬するように構成される、導波管を備える、外部結合光学要素として構成される、例示的光学導波デバイスを図示する。

【発明を実施するための形態】

【0049】

図面全体を通して、参照番号は、参照される要素間の対応を示すために再利用され得る。図面は、本明細書に説明される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。

【0050】

ＡＲシステムは、依然として、ユーザがその周囲の世界を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。好ましくは、本コンテンツは、例えば、アイウェアの一部として、画像情報をユーザの眼に投影する、頭部搭載型ディスプレイ上に表示される。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し、その周囲環境のビューをもたらしてもよい。本明細書で使用されるように、「頭部搭載型」ディスプレイは、視認者の頭部上に搭載され得る、ディスプレイであることを理解されたい。

【0051】

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、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およびシステムとを含む。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、ユーザの他方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、オーディオデータを持続的に収集してもよい（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んでもよい。ディスプレイシステムはまた、周辺センサ３０ａを含んでもよく、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）に取り付けられてもよい。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てもよい。例えば、センサ３０ａは、電極であってもよい。

【0052】

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、リュック式構成において、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てもよい。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てもよい。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とを備えてもよく、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に取り付けられてもよい）から捕捉され、および／またはｂ）場合によっては、処理または読出後にディスプレイ６２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等のうちの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６４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７０と通信する、独立型構造であってもよい。

【0053】

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ってもよい。いくつかの実施形態では、遠隔データリポジトリ７４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において実施され、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。

【0054】

「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てもよい。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。

【0055】

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、輻輳・開散（ｖｅｒｇｅｎｃｅ）と遠近調節（ａｃｃｍｍｏｄａｔｉｏｎ）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、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－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－輻輳・開散運動反射」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、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。

【0056】

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てもよいことを理解されるであろう。

【0057】

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。

【0058】

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。

【0059】

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１１８２、１１８４、１１８６、１１８８、１１９０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１１７８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１１７８は、図２のディスプレイ６２の一部であってもよい。ディスプレイシステム１０００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得ることを理解されるであろう。

【0060】

図６を継続して参照すると、導波管アセンブリ１１７８はまた、複数の特徴１１９８、１１９６、１１９４、１１９２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１１９８、１１９６、１１９４、１１９２は、１つ以上のレンズであってもよい。導波管１１８２、１１８４、１１８６、１１８８、１１９０および／または複数のレンズ１１９８、１１９６、１１９４、１１９２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１２００、１２０２、１２０４、１２０６、１２０８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１１８２、１１８４、１１８６、１１８８、１１９０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４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１２００、１２０２、１２０４、１２０６、１２０８の出力表面１３００、１３０２、１３０４、１３０６、１３０８から出射し、導波管１１８２、１１８４、１１８６、１１８８、１１９０の対応する入力表面１３８２、１３８４、１３８６、１３８８、１３９０の中に投入される。いくつかの実施形態では、入力表面１３８２、１３８４、１３８６、１３８８、１３９０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１２００、１２０２、１２０４、１２０６、１２０８のうちの単一の１つは、複数（例えば、３つ）の導波管１１８２、１１８４、１１８６、１１８８、１１９０と関連付けられ、その中に光を投入してもよい。

【0061】

いくつかの実施形態では、画像投入デバイス１２００、１２０２、１２０４、１２０６、１２０８はそれぞれ、それぞれ対応する導波管１１８２、１１８４、１１８６、１１８８、１１９０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１２００、１２０２、１２０４、１２０６、１２０８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１２００、１２０２、１２０４、１２０６、１２０８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１２００、１２０２、１２０４、１２０６、１２０８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。

【0062】

いくつかの実施形態では、導波管１１８２、１１８４、１１８６、１１８８、１１９０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んでもよい。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てもよい。光変調器２０３０は、導波管１１８２、１１８４、１１８６、１１８８、１１９０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。光変調器２０３０は、導波管１１８２、１１８４、１１８６、１１８８、１１９０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、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。

【0063】

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１１８２、１１８４、１１８６、１１８８、１１９０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１２００、１２０２、１２０４、１２０６、１２０８は、光を１つまたは複数の導波管１１８２、１１８４、１１８６、１１８８、１１９０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１２００、１２０２、１２０４、１２０６、１２０８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１１８２、１１８４、１１８６、１１８８、１１９０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１１８２、１１８４、１１８６、１１８８、１１９０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１１８２、１１８４、１１８６、１１８８、１１９０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１１８２、１１８４、１１８６、１１８８、１１９０の中に再指向してもよいことを理解されたい。

【0064】

コントローラ１２１０は、画像投入デバイス１２００、１２０２、１２０４、１２０６、１２０８、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１１７８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１２１０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１２１０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１１８２、１１８４、１１８６、１１８８、１１９０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１２１０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）の一部であってもよい。

【0065】

図６を継続して参照すると、導波管１１８２、１１８４、１１８６、１１８８、１１９０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１１８２、１１１８４、１８６、１１８８、１１９０はそれぞれ、主要な上部および底部表面および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）を有してもよい。図示される構成では、導波管１１８２、１１８４、１１８６、１１８８、１１９０はそれぞれ、各個別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１２８２、１２８４、１２８６、１２８８、１２９０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、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る。外部結合光学要素１２８２、１２８４、１２８６、１２８８、１２９０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１１８２、１１８４、１１８６、１１８８、１１９０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１２８２、１２８４、１２８６、１２８８、１２９０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てもよく、および／または導波管１１８２、１１８４、１１８６、１１８８、１１９０の容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１２８２、１２８４、１２８６、１２８８、１２９０は、透明基板に取り付けられ、導波管１１８２、１１８４、１１８６、１１８８、１１９０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１１８２、１１８４、１１８６、１１８８、１１９０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１２８２、１２８４、１２８６、１２８８、１２９０は、その材料部品の表面上および／または内部に形成されてもよい。

【0066】

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１１８２、１１８４、１１８６、１１８８、１１９０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１１８２は、眼４にコリメートされた光（そのような導波管１１８２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１１８４は、眼４に到達し得る前に、第１のレンズ１１９２（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１３５０は、眼／脳が、その次の上方の導波管１１８４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てもよい。同様に、第３の上方の導波管１１８６は、眼４に到達する前に、その出力光を第１の１１９２および第２の１１９４レンズの両方を通して通過させる。第１の１１９２および第２の１１９４レンズの組み合わせられた屈折力は、眼／脳が、第３の上方の導波管１１８６から生じる光が次の導波管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てもよい。

【0067】

他の導波管層１１８８、１１９０およびレンズ１１９６、１１９８も同様に構成され、スタック内の最高導波管１１９０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１１７８の他側の世界１１４４から生じる光を視認／解釈するとき、レンズ１１９８、１１９６、１１９４、１１９２のスタックを補償するために、補償レンズ層１１８０が、スタックの上部に配置され、下方のレンズスタック１１９８、１１９６、１１９４、１１９２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は両方とも、静的であってもよい（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ってもよい。

【0068】

いくつかの実施形態では、導波管１１８２、１１８４、１１８６、１１８８、１１９０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１１８２、１１８４、１１８６、１１８８、１１９０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１１８２、１１８４、１１８６、１１８８、１１９０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。

【0069】

図６を継続して参照すると、外部結合光学要素１２８２、１２８４、１２８６、１２８８、１２９０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１２８２、１２８４、１２８６、１２８８、１２９０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１２８２、１２８４、１２８６、１２８８、１２９０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てもよい。例えば、光抽出光学要素１２８２、１２８４、１２８６、１２８８、１２９０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１１９８、１１９６、１１９４、１１９２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）。

【0070】

いくつかの実施形態では、外部結合光学要素１２８２、１２８４、１２８６、１２８８、１２９０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（回折されるビーム強度と入射ビーム強度の比率）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４に向かって非常に均一なパターンの出射放出となる。

【0071】

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）。

【0072】

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、光源とを含んでもよい。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決定を行い得る、処理モジュール７０および／または７２と電気通信してもよい。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決定するために使用されてもよい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決定するように、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５００が、眼毎に利用され、各眼を別個に監視してもよい。

【0073】

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１１７８（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１１７８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１１８２の入力表面１３８２において導波管１１８２の中に投入され、ＴＩＲによって導波管１１８２内を伝搬する。光４００がＤＯＥ１２８２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１１８２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てもよい。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。

【0074】

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。

【0075】

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、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。

【0076】

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。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ってもよい。

【0077】

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んでもよく、緑色光は、約４９２～５７７ｎｍの範囲内の１つ以上の波長の光を含んでもよく、青色光は、約４３５～４９３ｎｍの範囲内の１つ以上の波長の光を含んでもよい。

【0078】

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てもよい。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てもよい

【0079】

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１２００は、スタック１１７８（図６）に対応してもよく、スタック１２００の図示される導波管は、複数の導波管１１８２、１１８４、１１８６、１１８８、１１９０の一部に対応してもよいが、画像投入デバイス１２００、１２０２、１２０４、１２０６、１２０８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。

【0080】

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、個別の導波管１２１０、１２２０、１２３０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１２１２、１２２２、１２３２は、その個別の導波管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１２１２、１２２２、１２３２は、個別の導波管１２１０、１２２０、１２３０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。その個別の導波管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、その個別の導波管１２１０、１２２０、１２３０の他の面積内に配置されてもよいことを理解されたい。

【0081】

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１２００、１２０２、１２０４、１２０６、および１２０８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から分離されてもよい（例えば、側方に離間される）。

【0082】

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てもよい。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てもよい、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２１０、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てもよい。

【0083】

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および分離されてもよい。例えば、図示されるように、層１２１８ａは、導波管１２１０および１２２０を分離してもよく、層１２１８ｂは、導波管１２２０および１２３０を分離してもよい。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またはそれを上回って、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てもよい。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んでもよいことを理解されたい。

【0084】

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ってもよい、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、異なってもよい。

【0085】

図９Ａを継続して参照すると、光線１２４０、１２４２、１２４４が、導波管のセット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１２００、１２０２、１２０４、１２０６、１２０８（図６）によって導波管１２１０、１２２０、１２３０の中に投入されてもよいことを理解されたい。

【0086】

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、１２２２、１２３２はそれぞれ、光がＴＩＲによって導波管１２１０、１２２０、１２３０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。

【0087】

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てもよい。同様に、透過される光線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。

【0088】

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によって個別の導波管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によって個別の導波管１２１０、１２２０、１２３０を通して伝搬する。

【0089】

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。

【0090】

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、省略されてもよく、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てもよい。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と置換されてもよい。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。

【0091】

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てもよい。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、個別の導波管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を通して通過し、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を通して通過し、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。

【0092】

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、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。（液晶に基づくブラッグ反射または回折構造）

【0093】

概して、液晶は、従来の流体と固体との間の中間であり得る、物理的性質を保有する。液晶は、いくつかの側面では、流体状であるが、大部分の流体と異なり、液晶内の分子の配列は、いくつかの構造秩序を呈する。異なるタイプの液晶は、サーモトロピック、リオトロピック、およびポリマー液晶を含む。本明細書に開示されるサーモトロピック液晶は、ネマチック状態／位相、スメクチック状態／位相、キラルネマチック状態／位相、またはキラルスメクチック状態／位相を含む、種々の物理的状態、例えば、位相に実装されることができる。

【0094】

本明細書に説明されるように、ネマチック状態または位相における液晶は、比較的に少ない位置秩序を有する一方、その長軸が略平行である状態で長距離指向性秩序を有する、カラミチック（棒形状）またはディスコチック（円板形状）有機分子を有することができる。したがって、有機分子は、依然として、その長距離指向性秩序を維持しながら、その質量中心位置が液体中におけるようにランダムに分散された状態で自由に流動し得る。いくつかの実装では、ネマチック位相における液晶は、一軸性であり得る。すなわち、液晶は、より長くかつ好ましい１つの軸を有し、他の２つは、ほぼ同等である。他の実装では、液晶は、二軸性であり得る。すなわち、その長軸の配向に加え、液晶はまた、二次軸に沿って配向され得る。

【0095】

本明細書に説明されるように、スメクチック状態または位相における液晶は、相互にわたって摺動し得る比較的に明確に画定された層を形成する、有機分子を有することができる。いくつかの実装では、スメクチック位相における液晶は、１つの方向に沿って位置的に秩序付けられることができる。いくつかの実装では、分子の長軸は、液晶層の平面に対して略法線の方向に沿って配向されることができる一方、他の実装では、分子の長軸は、層の平面に対して略法線の方向に対して傾斜されてもよい。

【0096】

本明細書では、本開示全体を通して、ネマチック液晶は、棒状分子から成り、近傍分子の長軸は、相互に近似的に整合される。本異方性構造を説明するために、配向子と呼ばれる、無次元単位ベクトルｎが、液晶分子の好ましい配向の方向を説明するために使用され得る。

【0097】

本明細書では、本開示全体を通して、傾斜角度または事前傾斜角度Φは、液晶層または基板の主要表面（ｘ－ｙ平面）と垂直な平面、例えば、ｘ－ｚ平面において測定され、かつ整合方向と主要表面または主要表面と平行方向、例えば、ｘ－方向との間で測定される、角度を指し得る。

【0098】

本明細書では、本開示全体を通して、方位角または回転角度φは、層法線方向または液晶層の主要表面に対して法線の軸を中心とした回転の角度を説明するために使用され、これは、液晶層または基板の主要表面と平行な平面、例えば、ｘ－ｙ平面において測定され、かつ整合方向、例えば、身長方向または配向子の方向と、主要表面と平行方向、例えば、ｙ－方向との間で測定される。

【0099】

本明細書では、本開示全体を通して、回転角度φまたは事前傾斜角度Φ等の整合角度が、異なる領域間で実質的に同一であると称されるとき、平均整合角度は、例えば、相互に約１％、約５％、または約１０％以内であり得るが、平均整合は、ある場合には、より大きくあり得ることを理解されたい。

【0100】

本明細書では、本明細書全体を通して、デューティサイクルは、例えば、第１の整合方向に整合される液晶分子を有する第１の領域の第１の側方寸法と第１の領域を有するゾーンの格子周期との間の比率を指し得る。適用可能である場合、第１の領域は、液晶の整合が異なるゾーン間で変動しない、領域に対応する。

【0101】

本明細書に説明されるように、ネマチック状態またはスメクチック状態における液晶はまた、キラリティを呈することができる。そのような液晶は、キラル位相またはコレステリック位相にあると称される。キラルまたはコレステリック位相では、液晶は、配向子と垂直な分子の捻転を呈することができ、分子軸は、配向子と平行である。隣接する分子間の有限捻転角度は、その非対称充塞に起因し、これは、より長距離のキラル秩序をもたらす。

【0102】

本明細書に説明されるように、キラルスメクチック状態または位相における液晶は、液晶分子が位置秩序を層化構造内に有するように構成されることができ、分子は、層法線に対してある有限角度によって傾斜される。加えて、キラリティは、層法線方向における１つの液晶層から次の液晶層へと層法線に対する垂直方向に対して液晶分子の連続方位角捻転を誘発し、それによって、分子軸の螺旋捻転を層法線に沿って生産することができる。

【0103】

本明細書に説明されるように、本開示全体を通して、キラル構造は、ある方向、例えば、層深度方向等の配向子と方向垂直に延在し、ある回転方向、例えば、時計回りまたは反時計回りに連続的に回転または捻転される、コレステリック位相における複数の液晶分子を指す。一側面では、キラル構造内の液晶分子の配向子は、ある螺旋ピッチを有する螺旋として特徴付けられることができる。

【0104】

本明細書に説明されるように、キラリティを示すコレステリック位相における液晶は、キラルピッチまたは螺旋ピッチ（ｐ）を有するように説明され得、これは、第１の回転方向における完全１回転によるキラル構造の液晶分子の正味回転角度に対応する、層深度方向における長さに対応する。言い換えると、螺旋ピッチは、液晶分子が完全３６０°捻転を受ける距離を指す。螺旋ピッチ（ｐ）は、例えば、温度が改変されると、または他の分子が液晶ホストに添加されると（アキラル液体ホスト材料は、キラル材料でドープされる場合、キラル位相を形成し得る）、変化し、適宜、所与の材料の螺旋ピッチ（ｐ）が調整されることを可能にし得る。いくつかの液晶システムでは、螺旋ピッチは、可視光の波長と同一秩序である。本明細書に説明されるように、キラリティを示す液晶はまた、捻転角度または回転角度（φ）を有するものとして説明され得、これは、例えば、層法線方向における連続液晶分子間の相対的方位角回転を指し得、かつ正味捻転角度または正味回転角度を有するものとして説明され得、これは、例えば、規定された長さ、例えば、キラル構造の長さまたは液晶層の厚さを横断した最上液晶分子と最下液晶分子との間の相対的方位角回転を指し得る。

【0105】

本明細書に説明される種々の実施形態によると、上記に説明されるような種々の状態または位相を有する、液晶は、例えば、複屈折、光学異方性、および薄膜プロセスを使用した製造可能性を含む、種々の望ましい材料性質をもたらすように構成されることができる。例えば、液晶層の表面条件を変化させ、および／または異なる液晶材料を混合することによって、空間可変回折性質、例えば、勾配回折効率を呈する、格子構造が、加工されることができる。

【0106】

本明細書に説明されるように、「重合化可能液晶」は、重合される、例えば、原位置で光重合され得、また、本明細書では、反応性メソゲン（ＲＭ）として説明され得る、液晶材料を指し得る。

【0107】

液晶分子は、いくつかの実施形態では、重合化可能であり得、いったん重合されると、他の液晶分子と大規模な網状体を形成し得ることを理解されたい。例えば、液晶分子は、化学結合または化学種を他の液晶分子に連結することによって、連結されてもよい。いったんともに継合されると、液晶分子は、ともに連結される前と実質的に同一配向および場所を有する、液晶ドメインを形成し得る。説明を容易にするために、用語「液晶分子」は、本明細書では、重合化前の液晶分子と、重合化後のこれらの分子によって形成される液晶ドメインの両方を指すために使用される。

【0108】

本明細書に説明される特定の実施形態によると、光重合化可能液晶材料は、ブラッグ反射または回折構造、例えば、回折格子を形成するように構成されることができ、複屈折、キラリティ、および複数のコーティングの容易性を含む、その材料性質は、異なる材料性質、例えば、複屈折、キラリティ、および厚さを伴う回折格子を作成するために利用されることができ、これは、異なる光学性質、例えば、いくつか挙げると、回折効率、波長選択性、および軸外回折角度選択性をもたらし得る。

【0109】

本明細書に説明されるように、「透過」または「透明」構造、例えば、透明基板は、入射光の少なくとも一部、例えば、少なくとも２０、３０、または５０％が、それを通して通過することを可能にし得ることを理解されたい。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。対照的に、「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％、以上のものを反射させ、そこから反射させ得る。

【0110】

格子の光学性質は、格子の物理的構造（例えば、周期性、深度、およびデューティサイクル）および格子の材料性質（例えば、屈折率、吸収率、および複屈折）によって決定される。液晶が、使用されるとき、格子の光学性質は、例えば、液晶材料の分子配向または分布を制御することによって制御されることができる。例えば、格子面積を横断して液晶材料の分子配向または分布を変動させることによって、格子は、段階的な回折効率を呈し得る。そのようなアプローチは、図を参照して以下に説明される。
（コレステリック液晶回折格子（ＣＬＣＧ））

【0111】

図６および７を参照して前述で説明されたように、本明細書に説明される種々の実施形態による、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、外部結合光学要素、および光分散要素を含んでもよく、これは、回折格子を含んでもよい。例えば、図７を参照して上記に説明されるように、導波管１１８２の入力表面１３８２において導波管１１８２の中に投入される、光４００は、全内部反射（ＴＩＲ）によって、導波管１１８２内を伝搬する。光４００が外部結合光学要素１２８２上に衝突する点において、光の一部は、導波管から出射ビーム４０２として出射する。いくつかの実装では、光学要素１１８２、１２８２、または１３８２のいずれかは、回折格子として構成されることができる。

【0112】

光を導波管１１８２の中に効率的に内部結合させる（またはそこから外部結合させる）ことは、例えば、仮想／拡張／複合現実ディスプレイ用途のための導波管ベースのシースルーディスプレイを設計する際の課題であり得る。これらおよび他の用途に関して、その構造が回折性質を含む、種々の光学性質を最適化するように構成可能な材料から形成される回折格子を有することが望ましい。望ましい回折性質は、他の性質の中でもとりわけ、偏光選択性、スペクトル選択性、角度選択性、高スペクトル帯域幅、および高回折効率を含む。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種々の実施形態では、光学要素１２８２は、コレステリック液晶回折格子（ＣＬＣＧ）として構成される。後述に説明されるように、種々の実施形態によるＣＬＣＧは、とりわけ、偏光選択性、帯域幅、位相プロファイル、回折性質の空間変動、スペクトル選択性、および高回折効率を最適化するように構成されることができる。

【0113】

以下では、種々の光学性質のために最適化されたコレステリック液晶（ＣＬＣ）を備える、反射液晶回折格子として構成される、ＣＬＣＧの種々の実施形態が、説明される。概して、回折格子は、周期的構造を有し、これは、光を異なる方向に進行するいくつかのビームに分裂および回折させる。これらのビームの方向は、とりわけ、周期的構造の周期および光の波長に依存する。外部結合光学要素１２８２（図６、７）等のある用途に関して、ある光学性質、例えば、回折効率を最適化するために、ＣＬＣの種々の材料性質は、後述に説明されるように、最適化されることができる。

【0114】

前述で説明されるように、キラル（ネマチック）位相またはコレステリック位相位おけるコレステリック液晶（ＣＬＣ）層の液晶分子は、液晶層の法線方向または深度方向における膜の位置の関数として、配向子の連続方位角捻転を有するように配列される、複数の液晶分子によって特徴付けられる。本明細書に説明されるように、連続方位角捻転を有するように配列される、液晶分子は、集合的に、本明細書では、キラル構造と称される。本明細書に説明されるように、方位角捻転または回転の角度（φ）は、前述で説明されるように、層法線と平行な方向に対する液晶分子の配向子間の角度として説明される。キラル構造の液晶分子の空間可変配向子は、螺旋パターンを形成するものとして説明され得、螺旋ピッチ（ｐ）は、上記に説明されるように、配向子が３６０^ｏ回転した距離（例えば、液晶層の層法線方向）として定義される。本明細書に説明されるように、回折格子として構成されるＣＬＣ層は、液晶の分子構造が深度方向に対して法線の側方方向に周期的に反復する、側方寸法を有する。側方方向における本周期性は、格子周期（∧）と称される。

【0115】

本明細書に説明される種々の実施形態によると、回折格子は、複数のキラル構造を備える、コレステリック液晶（ＣＬＣ）層を備え、各キラル構造は、少なくともある螺旋ピッチによって、層深度方向に延在し、第１の回転方向に連続的に回転される、複数の液晶分子を備える。螺旋ピッチは、第１の回転方向における完全１回転によるキラル構造の液晶分子の正味回転角度に対応する、層深度方向における長さである。キラル構造の液晶分子の配列は、層深度方向と垂直な側方方向に周期的に変動する。

【0116】

図１０は、実施形態による、複数の均一キラル構造を備える、コレステリック液晶（ＣＬＣ）層１００４の断面側面図を図示する。ＣＬＣ１００４は、複数のキラル構造１０１２－１、１０１２－２、．．．１０１２－ｉとして配列される、液晶分子を備える、ＣＬＣ層１００８を備え、各キラル構造は、複数の液晶分子を備え、ｉは、２を上回る任意の好適な整数である。例えば、キラル構造１０１２－１は、層法線方向、例えば、図示される実施形態では、ｚ－方向に延在するように配列される、複数の液晶分子１０１２－１－１、１０１２－１－２、．．．１０１２－１－ｊを備え、ｊは、２を上回る任意の好適な整数である。各キラル構造の液晶分子は、第１の回転方向に連続的に回転される。図示される実施形態では、液晶分子は、ｚ－軸の正の方向（すなわち、軸矢印の方向）または入射光ビーム１０１６－Ｌ、１０１６－Ｒの伝搬方向において見られると、時計回り方向に連続的に回転される。例えば、図示される実施形態では、キラル構造１０１２－１の液晶分子１０１２－１－１、１０１２－１－２、．．．１０１２－１－ｊは、例えば、正のｘ－方向に対して、回転角度φ１、φ２、．．．φｊだけ連続的に回転される。図示される実施形態では、例証的目的のために、ｚ－方向における対向端間のキラル構造１０１２－１、１０１２－２、．．．１０１２－ｉのそれぞれの複数の液晶分子は、液晶分子の正味回転角度が約３６０^ｏであるように、完全１回転または旋回分、回転される。その結果、キラル構造１０１２－１、１０１２－２、．．．１０１２－ｉは、ｚ－方向に、螺旋ピッチｐと同一である長さＬを有する。しかしながら、実施形態は、そのように限定されず、キラル構造１０１２－１、１０１２－２、．．．１０１２－ｉは、１回を上回るまたはそれ未満の任意の数の完全回転、３６０^ｏより低いまたはより高い任意の好適な正味回転角度、および／または螺旋ピッチｐより短いまたはより長いｚ－方向における任意の好適な長さＬを有することができる。例えば、本明細書に説明される種々の実施形態では、キラル構造の完全旋回の数は、他の数の中でもとりわけ、１～３、２～４、３～５、４～６、５～７、６～８、７～９、または８～１０であることができる。

【0117】

依然として、図１０を参照すると、ｚ－方向における隣接する液晶分子間の連続回転角度φ１、φ２、．．．φｊは、いくつかの実施形態によると、同一である、またはいくつかの他の実施形態によると、異なることができる。例証として、図示される実施形態では、キラル構造１０１２－１、１０１２－２、．．．１０１２－ｉの長さは、約ｐであって、正味回転角度は、ｚ－方向における隣接する液晶分子が約３６０^ｏ／（ｍ－１）回転されるように、３６０^ｏであって、ｍは、キラル構造内の液晶分子の数である。例えば、例証的目的のために、キラル構造１０１２－１、１０１２－２、．．．１０１２－ｉはそれぞれ、ｚ－方向における隣接する液晶分子が相互に対して約３０^ｏ回転されるように、１３の液晶分子を有する。当然ながら、種々の実施形態におけるキラル構造は、任意の好適な数の液晶分子を有することができる。

【0118】

したがって、依然として、図１０を参照すると、側方方向、例えば、ｘ－方向に隣接する、キラル構造は、同様に配列される液晶分子を有する。図示される実施形態では、キラル構造１０１２－１、１０１２－２、．．．１０１２－ｉは、ほぼ同一深度における異なるキラル構造の液晶分子、例えば、光入射表面１００４Ｓに最も近い液晶分子が、ほぼ同一深度における同一回転角度、および連続液晶分子の連続回転角度、および各キラル構造の液晶分子の正味回転角度を有するように、同様に構成される。

【0119】

以下では、図１０に図示されるＣＬＣ層１００４はさらに、実施形態に従って、動作時において説明される。説明されるように、ＣＬＣ層１００４は、側方方向、例えば、ｘ－方向に均一配列を有する、キラル構造１０１２－１、１０１２－２、．．．１０１２－ｉを備える。動作時、左回り円偏光を有する光ビームと右回り円偏光を有する光ビームの組み合わせを有する、入射光が、ブラッグ反射または回折によって、ＣＬＣ層１００８の表面１００４Ｓ上に入射すると、円偏光掌性のうちの１つを伴う光は、ＣＬＣ層１００４によって反射される一方、反対偏光掌性を伴う光は、実質的干渉を伴わずに、ＣＬＣ層１００８を通して透過される。本明細書に説明されるように、本開示全体を通して、掌性は、伝搬方向において見られると定義される。実施形態によると、光ビーム１０１６－Ｌ、１０１６－Ｒの偏光の方向または偏光の掌性が、キラル構造１０１２－１、１０１２－２、．．．１０１２－ｉの液晶分子と回転同一方向を有するように合致されるとき、入射光は、反射される。図示されるように、表面１００４Ｓ上に入射するのは、左回り円偏光を有する、光ビーム１０１６－Ｌと、右回り円偏光を有する、光ビーム１０１６－Ｒとである。図示される実施形態では、キラル構造１０１２－１、１０１２－２、．．．１０１２－ｉの液晶分子は、入射光ビーム１０１６－Ｌ、１０１６－Ｒが進行する方向、すなわち、右回り円偏光を有する光ビーム１０１６－Ｒと同一回転方向である、正のｘ－方向に、時計回り方向に連続的に回転される。その結果、右回り円偏光を有する光ビーム１０１６－Ｒは、実質的に反射される一方、左回り円偏光を有する光ビーム１０１６－Ｌは、ＣＬＣ層１００４を通して実質的に透過される。

【0120】

任意の理論によって拘束されるわけではないが、ブラッグ反射または回折条件下では、入射光の波長（λ）は、ＣＬＣ層の代表値または平均値屈折率（ｎ）および螺旋ピッチ（ｐ）に比例し得、いくつかの状況下では、以下の条件を満たすように表され得る。

【化1】

【0121】

加えて、ブラッグ反射または回折波長の帯域幅（Δλ）は、ＣＬＣ層１００４の複屈折Δｎ（例えば、光の異なる偏光間の屈折率における差異）および螺旋ピッチ（ｐ）に比例し得、いくつかの状況下では、以下の条件を満たすように表され得る。
Δλ＝Δｎ・ｐ ［２］

【0122】

本明細書に説明される種々の実施形態では、帯域幅Δλは、約６０ｎｍ、約８０ｎｍ、または約１００ｎｍである。

【0123】

種々の実施形態によると、例えば、約３９０ｎｍ～約７００ｎｍの可視波長範囲内、または例えば、約７００ｎｍ～約２５００ｎｍの近赤外線波長範囲内のピーク反射強度は、約６０％、約７０％、約８０％、または約９０％を超えることができる。加えて、種々の実施形態によると、半値全幅（ＦＷＨＭ）は、約１００ｎｍ未満、約７０ｎｍ未満、約５０ｎｍ未満、または約２０ｎｍ未満であることができる。

【0124】

図１１は、実施形態による、側方方向に異なるように配列される、例えば、捻転角度を側方方向に変動させる、キラル構造を有する、ＣＬＣ格子（ＣＬＣＧ）１１５０の断面側面図を図示する。図１０のＣＬＣ層１００４と同様に、回折格子１１５０は、複数のキラル構造１１６２－１、１１６２－２、．．．１１６２－ｉとして配列される液晶分子を備える、コレステリック液晶（ＣＬＣ）層１１５８を備え、各キラル構造は、複数の液晶分子を備える。例えば、キラル構造１１６２－１は、図示される実施形態では、ｚ－方向として表される層法線方向に延在するように配列される、複数の液晶分子１１６２－１－１、１１６２－１－２、．．．１１６２－１－ｊを備える。各キラル構造の液晶分子は、図１０に関して説明される類似様式において、第１の回転方向に連続的に回転される。加えて、長さＬ、液晶分子によって行われる完全回転の数、およびキラル構造あたり液晶分子の数を含む、キラル構造の種々の他のパラメータは、図１０に関して上記で説明されるキラル構造に類似する。

【0125】

しかしながら、図１０の図示される実施形態と対照的に、図１１の図示される実施形態では、側方方向、例えば、ｘ－方向に隣接するキラル構造は、異なるように配列される液晶分子を有する。キラル構造１１６２－１、１１６２－２、．．．１１６２－ｉは、ほぼ同一深度における異なるキラル構造の液晶分子が異なる回転角度を有するように、ｘ－方向に異なるように構成される。例えば、図示される実施形態では、キラル構造１１６２－１、１１６２－２、．．．１１６２－ｉの入射表面１１５８Ｓに最も近い、液晶分子１１６２－１－１、１１６２－２－１、．．．１１６２－ｉ－１はそれぞれ、例えば、正のｘ－方向に対して正のｘ－軸方向に、回転角度φ１、φ２、．．．φｉだけ連続的に回転される。図示される実施形態では、回折格子１１５０の周期に対応する、側方長さ∧を横断した、入射表面１１５８Ｓに最も近い液晶分子１１６２－１－１、１１６２－２－１、．．．１１６２－ｉ－１の正味回転角度は、約１８０^ｏの回転角度である。加えて、ほぼ同一深度レベルに配置される、異なるキラル構造の液晶分子は、個別の表面に最も近い液晶分子に対してほぼ同一回転角度だけ回転される。

【0126】

依然として、図１１を参照すると、周期∧を横断してｘ－方向に同一深度レベルにある液晶分子の連続回転角度φ１、φ２、．．．φｉは、いくつかの実施形態によると、同一である、またはいくつかの他の実施形態によると、異なることができる。図示される実施形態では、周期∧に関して、正味回転角度が、図示される実施形態におけるように、３６０^ｏであるとき、ｘ－方向に隣接する液晶分子は、約３６０^ｏ／（ｍ－１）回転され、ｍは、周期∧によってｘ－方向に及ぶ、液晶分子の数である。例えば、例証的目的のために、ｘ－方向に同一垂直レベルにおける隣接する液晶分子が、相互に対して約３０^ｏ回転されるように、周期∧を横断して及ぶ、７つの液晶分子が存在する。当然ながら、種々の実施形態におけるキラル構造は、任意の好適な数の液晶分子を有することができる。

【0127】

例証目的のために、ＣＬＣ層１１５８は、１つのみの周期∧を有するように図示されることを理解されたい。当然ながら、実施形態は、そのように限定されず、ＣＬＣ層１１５８は、ｘ－方向におけるＣＬＣＧの側方寸法によって決定される、任意の好適な数の周期を有することができる。

【0128】

ＣＬＣＧ１１５０によって図示されるように、側方方向、例えば、ｘ－方向におけるキラル構造が、異なるように配列される、例えば、連続的に回転されると、連続的に回転されるキラル構造は、ｘ－方向に沿って反射された光の相対的位相に偏移を誘発する。これは、グラフ１１７０に関して図示され、これは、ｘ－軸方向に１つの周期∧において回転角度φ１、φ２、．．．φｉだけ連続的に回転されるキラル構造から生じる位相変化φをプロットする。任意の理論によって拘束されるわけではないが、反射された光１０１８の相対的位相差（ΔΦ）は、ΔΦ（ｘ）＝（２πｘ／Λ）として表され得、式中ｘは、側方方向に沿った位置であって、∧は、周期である。帯域幅は、Δλ≒Δｎ・ｐとして表され得る。

【0129】

図１０－１１および方程式［１］および［２］に戻って参照すると、種々の実施形態によると、ブラッグ反射された波長は、キラル構造の螺旋ピッチｐを変動させることによって、変動されることができる。種々の実施形態では、任意の理論によって拘束されるわけではないが、螺旋ピッチｐは、上記に説明されるような回転または捻転角度を誘発するためのキラル複合物の能力を指す、螺旋捻転力（ＨＴＰ）を増減させることによって、変動されることができる。ＨＴＰは、順に、キラル複合物の量を非キラル複合物の量に対して変化させることによって、変動されることができる。種々の実施形態では、化学的および／または機械的に、キラル複合物と非キラル複合物、例えば、ネマチック複合物を混合させることによって、ブラッグ反射波長、したがって、色が、キラル複合物の相対的割合と螺旋ピッチとの間の逆関係に基づいて、変動されることができる。本明細書に開示される種々の実施形態では、キラル複合物の量と非キラル複合物の量の比率は、重量比約２０：１、１０：１、５：１、４：１、３：１、２：１、１：１、１：２、１：３、１：４、１：５、１：１０、または約１：２０であることができる。

【0130】

図１０および１１に関して前述の説明では、入射光ビーム１０１６－Ｌ、１０１６－Ｒは、層法線と平行方向に、例えば、ｚ－方向に伝搬するように図示される。しかしながら、種々の用途に関して、例えば、図６および７に関して上記に説明されるように、導波管１１８２内を伝搬する、例えば、全内部反射（ＴＩＲ）によって伝搬する光は、外部結合光学要素１２８２、１２８４、１２８６、１２８８、１２９０、例えば、回折格子上に、ある軸外角度で衝突する。本明細書に説明されるような回折格子は、下記に説明されるように、そのような構成のために、帯域幅および回折効率を最大限にするように構成されることができる。

【0131】

図１０および１１に関して前述の説明では、液晶分子は、事前傾斜されないように図示される。しかしながら、実施形態は、そのように限定されず、液晶分子は、いくつかの実施形態によると、ＣＬＣＧの主要表面と平行な方向に対して、例えば、ｘ－ｙ平面に対して、約＋／－６０度～約＋／－９０度または約＋／－６５度～約＋／－８５度、例えば、約＋／－７５度、約＋／－３５度～約＋／－６５度または約＋／－４０度～約＋／－６０度、例えば、約＋／－５０度、約＋／－１０度～約＋／－４０度または約＋／－１５度～約＋／－３５度、例えば、約＋／－２５度である、事前傾斜角度Φを有することができる。いくつかの他の実施形態によると、事前傾斜角度Φは、約±１５度または約±１０度または約±５、例えば、０度であることができる。
（軸外入射角における高帯域幅反射のために構成されるＣＬＣＧ）

【0132】

図１２は、実施形態による、軸外入射角における高反射帯域幅のために構成されるＣＬＣ層１１５８の断面側面図を図示する。本明細書に説明されるように、軸外入射角は、非ゼロ値を有し、反射角度θでブラッグ反射されたビーム１２２０をもたらす、層法線の方向（例えば、図１２では、ｚ－方向）に対する入射ビーム１２１６の入射角θ_ｉｎｃを指す。いくつかの状況下では、反射角度は、λ／Λを変動させることによって、限定された程度まで変動されることができる。任意の理論によって限定されるわけではないが、いくつかの状況下では、軸外反射は、以下の関係に基づいて説明され得る。
ｎ・ｓｉｎ（θ）＝λ／Λ＋ｓｉｎ（θ_ｉｎｃ） ［３］
式中、θ_ｉｎｃは、層法線θの方向に対する入射角であって、θは、層法線の方向に対する反射角であって、ｎは、反射されたビームが伝搬する、媒体の反射率である。ＣＬＣ層１１５８が、軸外角度において入射ビーム１２１６で照明されると、反射スペクトルは、より短い波長に向かって偏移され得る。本明細書に開示される種々の実施形態によると、比率λ／Λは、０．５～０．８、０．６～０．９、０．７～１．０、０．８～１．１、０．９～１．２、１．０～１．６、１．１～１．５、または１．２～１．４の値を有することができる。

【0133】

任意の理論によって拘束されるわけではないが、ＣＬＣ層１１５８が高効率でブラッグ反射するように構成される、軸外角度はまた、キラル構造の螺旋ピッチｐに依存し得る。

【0134】

図１３Ａおよび１３Ｂは、実施形態による、軸外入射角における反射のために構成されるＣＬＣ層の断面側面図を図示する。図１３Ａを参照すると、第１のコレステリック液晶（ＣＬＣ）層１３５８Ａは、第１の螺旋ピッチ（ｐ１）を有する、第１の複数のキラル構造を備える。第１のＣＬＣ層１３５８Ａは、第１の入射光ビーム１３１６Ａが、ＣＬＣ層１３５８Ａの入射表面に第１の軸外角度θ_{ｉｎｃ，１}で指向され、これが、第１の反射角度θ_１における第１の反射された光ビーム１３２０Ａをもたらすとき、ブラッグ反射が最大であるような第１の螺旋ピッチｐ１を有する。図示されるように、ＣＬＣ層１３５８Ａはさらに、比較的に高回折効率が取得され得る、第１の範囲１３２４Ａの軸外入射角を有するように構成される。第１の範囲１３２４Ａは、軸外入射角の範囲に対応し得、その外側では、第１の反射された光ビーム１３２０Ａの強度は、例えば、１／ｅを上回って低下する。例えば、第１の範囲１３２４Ａは、θ_{ｉｎｃ，１}±３°、θ_{ｉｎｃ，１}±５°、θ_{ｉｎｃ，１}±７°、θ_{ｉｎｃ，１}±１０°、またはθ_{ｉｎｃ，１}±２０°の値を有することができる。

【0135】

図１３Ｂを参照すると、第２のコレステリック液晶（ＣＬＣ）層１３５８Ｂは、第１のＣＬＣ層１３５８Ａと異なり、図１３Ａの第１のＣＬＣ層１３５８Ａの第１の螺旋ピッチｐ１と異なる第２の螺旋ピッチ（ｐ２）を有する、第２の複数のキラル構造を備える。

【0136】

図示されるように、第２のＣＬＣ層１３５８Ｂは、第２の入射光ビーム１３１６Ｂが、ＣＬＣ層１３５８Ｂの入射表面に第１の軸外角度θ_{ｉｎｃ，１}と異なる第２の軸外角度θ_{ｉｎｃ，２}で指向されるとき、第１の反射角度θ_１と異なる第２の反射角度θ_２を有する、第２の反射された光ビーム１３２０Ｂが、生成されるように構成される。図示されるように、ＣＬＣ層１３５８Ｂはさらに、図１３Ａに関して上記で説明される第１の範囲１３２４Ａに類似する、軸外角度の第２の範囲１３２４Ｂを有するように構成される。

【0137】

図１３Ｃは、実施形態による、複数の軸外入射角および高回折帯域幅でブラッグ反射させるために、異なる螺旋ピッチをスタックされた構成において有する、複数のＣＬＣ層を含む、ＣＬＣＧ１３５８の断面側面図を図示する。ＣＬＣＧ１３５８は、実施形態によると、例えば、スタックされた構成において、および／または相互に接触して、相互にわたって形成される、それぞれ、図１３Ａおよび１３Ｂに関して上記で説明される、ＣＬＣ層１３５８Ａ、１３５８Ｂを含む。異なる螺旋ピッチを含む、複数のＣＬＣ層１３５８Ａ、１３５８Ｂの種々のパラメータは、ＣＬＣＧ１３５８が、複数の軸外入射角における効率的反射および１つのみのＣＬＣを使用して取得され得るものより広範囲の軸外角度にわたる高回折効率のために構成されるように、改良または最適化されることができる。例えば、図示される実施形態では、ｐ１およびｐ２は、結果として生じる第１および第２の範囲１３２４Ａおよび１３２４Ｂが、少なくとも部分的に、重複し、第１および第２の範囲１３２４Ａおよび１３２４Ｂを含む、連続的波長範囲にわたって、高回折効率を提供するように選択されることができる。しかしながら、他の実施形態では、ｐ１およびｐ２は、第１および第２の範囲１３２４Ａおよび１３２４Ｂが重複しないように選択されることができる。

【0138】

動作時、第１および第２のＣＬＣ層１３５８Ａ、１３５８Ｂは、第１および第２の軸外角度θ_{ｉｎｃ，１}、θ_{ｉｎｃ，２}における、第１および第２の入射光ビーム１３１６Ａ、１３１６Ｂが、第１のＣＬＣ層１３５８Ａの入射表面に指向されると、第１の入射光ビーム１３１６Ａが、第１の反射角度θ_１で第１のＣＬＣ層１３５８Ａによって実質的に反射される一方、第２の入射光ビーム１３５８Ｂが、第１のＣＬＣ層１３５８Ａを通して、第２のＣＬＣ層１３５８Ｂの入射表面に向かって実質的に透過し、第２の反射角度θ_２で第２のＣＬＣ層１３５８Ｂによって実質的に反射されるように、相互にわたって形成される。明確にするために示されないが、上記に説明される概念は、任意の好適な数のＣＬＣ層に拡張されることができることを理解されたい。

【0139】

本明細書に説明されるように、本明細書全体を通して、層を通して「実質的に透過する」光ビームは、光が層から出射するにつれて、残っている入射光強度の少なくとも２０％、３０％、５０％、７０％、または９０％を有する光を指し得る。同様に、層によって「実質的に反射された」光ビームは、反射された光に残っている入射光強度の少なくとも２０、３０、５０％、７０％、または９０％を有する光を指し得る。

【0140】

依然として、図１３Ｃを参照すると、種々の実施形態では、第１および第２のＣＬＣ層１３５８Ａ、１３５８Ｂの液晶分子は、ＣＬＣ層１３５８Ａ、１３５８Ｂが、前述で説明されるように、異なる螺旋捻転力（ＨＴＰ）を有するように、同一キラル複合物を異なる量で含むことができる。例えば、第２のＣＬＣ層１３５８Ｂは、第１のＣＬＣ層１３５８Ａと比較して、より高い相対的量の同一キラル複合物を有してもよい。いくつかの実施形態では、ピッチｐは、キラルおよび非キラル複合物を含む、総液晶複合物に対するキラル複合物の割合に反比例してもよい。しかしながら、実施形態は、そのように限定されず、第１および第２のＣＬＣ層１３５８Ａ、１３５８Ｂは、異なるキラル複合物を有することができる。

【0141】

加えて、種々の実施形態では、第１および第２のＣＬＣ層１３５８Ａ、１３５８Ｂの液晶分子は、ＣＬＣ層１３５８Ａ、１３５８Ｂが、それぞれ、異なる比率λ／Λ１およびλ／Λ２を有し、ＣＬＣ層１３５８Ａ、１３５８Ｂが、例えば、方程式［３］に従って、異なる入射角θ_{ｉｎｃ，１}、θ_{ｉｎｃ，２}で高回折効率のために構成され得るように、同一または異なるキラル複合物を含むことができる。

【0142】

依然として、図１３Ｃを参照すると、第１および第２のＣＬＣ層１３５８Ａ、１３５８Ｂは、いくつかの実施形態によると、直接、相互の上に加工されることができる。例えば、第１のＣＬＣ層１３５８Ａは、第１のＣＬＣ層１３５８Ａのための整合条件を提供する、整合層上に堆積されることができ、続いて、第２のＣＬＣ層１３５８Ｂは、第１のＣＬＣ層１３５８Ｂ上に堆積されることができる。これらの加工条件下では、第１のＣＬＣ層１３５８Ａの表面は、第２のＣＬＣ層１３５８Ｂのための整合条件を提供することができる。いくつかの他の実施形態では、ＣＬＣ層１３５８Ａ、１３５８Ｂはそれぞれ、別個の整合層を用いて加工されることができる。例えば、第１のＣＬＣ層１３５８Ａは、第１の整合層上に形成されることができ、第２の整合層は、第１のＣＬＣ層１３５８Ａ上に形成されることができ、第２のＣＬＣ層１３５８Ｂは、第２の整合層上に形成されることができる。隔離層、例えば、薄い酸化物層が、いくつかの実施形態によると、第２の整合層および／または第２のＣＬＣ層１３５８Ｂを形成することに先立って、第１のＣＬＣ層１３５８Ａ上に形成されてもよい。さらに他の実施形態では、２つのＣＬＣ層１３５８Ａ、１３５８Ｂは、個々に、異なる基板上に加工され、続いて、スタックされることができる。種々の実施形態では、中間層が、２つのＣＬＣ層１３５８Ａ、１３５８Ｂ間に形成され、例えば、接着性を向上させることができる。

【0143】

異なる軸外角度における最適回折効率のために最適化された複数のＣＬＣ層を有する、ＣＬＣＧに関して上記に説明される概念は、他の代替実施形態にも拡張されることができる。特に、いくつかの実施形態では、複数の層を形成する代わりに、単一ＣＬＣ層は、異なる軸外角度における最適回折効率のために最適化された異なる領域を有するように構成されることができる。

【0144】

図１４は、実施形態による、複数の軸外入射角で高回折帯域幅を伴う異なる垂直領域においてブラッグ反射させるために、深度方向に沿って異なる螺旋ピッチを伴う垂直領域を有する、単一ＣＬＣ層１４０４を含む、ＣＬＣＧ１４００の断面側面図を図示する。ＣＬＣ層１４０４は、高回折効率が、均一ピッチを深度方向に有する１つのみのＣＬＣ層を使用して取得され得るものより広範囲の軸外角度にわたって取得され得るように最適化された、異なるパラメータ、例えば、異なる螺旋ピッチを有する、複数の垂直領域を有する。図示される実施形態では、単一ＣＬＣ層１４０４は、複数の垂直領域１４０４Ａ、１４０４Ｂ、１４０４Ｃ、および１４０４Ｄを含み、これは、それぞれ、異なる螺旋ピッチｐ_１、ｐ_２、ｐ_３、およびｐ_４を有することができる。図１３Ｃに関して上記に説明されるものと同様に、螺旋ピッチｐ_１、ｐ_２、ｐ_３、およびｐ_４は、複数の垂直領域１４０４Ａ、１４０４Ｂ、１４０４Ｃ、および１４０４Ｄが、それぞれ、入射角θ_ｉｎｃＡ、θ_ｉｎｃＢ、θ_ｉｎｃＣ、およびθ_ｉｎｃＤにおける最適回折効率のために構成され、これが、それぞれ、対応する反射角度θＡ、θＢ、θ_Ｃ、およびθＤで異なる垂直深度に反射された光ビームをもたらすように選択されることができる。さらに、図１３Ｃに関して上記に説明されるように、ＣＬＣ層１４０４はさらに、比較的に高回折効率が取得されることができる、個別の範囲の軸外角度を有するように構成される。当然ながら、４つの垂直領域が、明確にするために、図示されるが、任意の好適な数の領域が、ＣＬＣ層１４０４内に含まれることができる。加えて、複数のＣＬＣ層を有する、図１３ＣのＣＬＣＧ１３５８に関して上記に説明される異なる変動も、ＣＬＣＧ１４００に適用可能であり得る。

【0145】

図１４の図示される実施形態では、螺旋ピッチｐ_１、ｐ_２、ｐ_３、およびｐ_４の値は、螺旋ピッチの勾配の減少が深度方向（負のｚ－方向）に作成されるように、入射表面１４０４Ｓからの深度の増加に伴って減少する。ｚ－方向における層深度の関数としての螺旋ピッチの減少率が、ＣＬＣ層の１４０４の厚さを横断して均一であるとき、深度と螺旋ピッチとの間の線形関係を表すグラフ１４０８が、取得され得る。しかしながら、実施形態は、そのように限定されない。実施例のために、螺旋ピッチｐ_１、ｐ_２、ｐ_３、およびｐ_４は、いくつかの他の実施形態によると、任意の深度で増減することができ、層深度の関数として、異なる率で変化することができる。

【0146】

螺旋ピッチの勾配を有する、ＣＬＣ層１４０４は、ＣＬＣ層の異なる深度における液晶分子の螺旋捻転力（ＨＴＰ）を変動させる、例えば、増減させることによって、加工されることができる。ＨＴＰは、順に、キラル複合物の相対的量を変化させることによって、空間的に変動されることができる。種々の実施形態では、異なる垂直深度において、化学的および／または機械的に、キラル複合物と非キラル複合物、例えば、ネマチック複合物を混合させることによって、垂直領域１４０４Ａ、１４０４Ｂ、１４０４Ｃ、および１４０４Ｄの螺旋ピッチは、キラル複合物の相対的割合と螺旋ピッチとの間の逆関係に基づいて、それぞれ、異なる入射角θ_ｉｎｃＡ、θ_ｉｎｃＢ、θ_ｉｎｃＣ、およびθ_ｉｎｃＤにおける最適回折効率のために構成されることができる。例えば、ＵＶ照射下において異なる反応率で重合化プロセスを受ける、異なる化学成分（例えば、キラルジアクリレートモノマーおよびネマチック／非キラルモノアクリレートモノマー）の混合物が、使用されることができる。加えて、または代替として、ＨＴＰは、ＣＬＣ層の異なる深度におけるＵＶ照射の暴露強度および／または暴露時間を含む、照射条件を変化させることによって、空間的に変動されることができる。ＨＴＰはまた、ＵＶ照射の前、後、および／または間、熱処理を含む、ＵＶ重合化プロセスの前／後処理を変動させることによって、空間的に変動されることができる。例えば、ＵＶ吸収染料が、混合物に添加されると、ＣＬＣ層の異なる深度におけるＵＶ光の強度勾配が、作成されることができる。例えば、ＵＶ強度勾配に起因して、表面の近傍の重合化は、ＣＬＣ層の底部領域と比較して、より高速で進み得る。例えば、コレステリック成分が、ジアクリレートであるとき、結果として生じるポリマーの中に組み込まれる確率は、ポリマー内に組み込まれるネマチックモノアクリレートの確率よりはるかに高い、例えば、２倍となり得る。いくつかの状況下では、全体的重合化率が、ＣＬＣ層の表面領域の近傍のキラルジアクリレートの枯渇が、ジアクリレート濃度勾配をＣＬＣ層の深度方向に生成するように制御される。これは、ひいては、ＣＬＣ層の表面領域に向かってジアクリレートの拡散を開始する。完全光重合化後、ＣＬＣ層の表面領域が、比較的により大量の非キラル複合物を含有する、ＣＬＣ層の底部領域と比較して、より多くのキラル材料を含有する、したがって、より短い螺旋ピッチを有する結果となり得る。ある他の状況下では、ＵＶ照射前／後または間の熱処理が、重合化プロセスに追加され、螺旋ピッチ勾配を制御することができる。したがって、熱処理の有無にかかわらず、２つの異なる液晶モノマー間の比率および／または異なる深度におけるＵＶ照射の用量を制御することによって、螺旋ピッチ勾配が、ＣＬＣ層の深度方向に沿って達成されることができる。

【0147】

いくつかの用途に関して、層法線方向に直交する側方方向に沿って変動させるために、他のパラメータの中でもとりわけ、オフ角度回折効率、屈折率、波長選択性、偏光選択性、および位相選択性等の回折格子のある光学特性を有することが望ましくあり得る。側方変動は、光が側方方向に伝搬するように、例えば、上記の図６および７に関して図示されるように、例えば、格子が導波管とともにスタックされるとき、所望される。しかしながら、そのような構成下では、光の強度は、導波管（例えば、図７における１１８２）内で伝搬するにつれて減衰し得る。そのような構成はまた、例えば、光強度を格子（例えば、図７における１２８２）を横断して意図的に歪曲させ、ヒトの眼と関連付けられた感知効率の空間および／または角度変動に適合させ、ユーザ体験を最大限にするために望ましくあり得る。したがって、空間可変光学特性を有する、光学要素、例えば、回折格子の必要がある。

【0148】

図１５は、実施形態による、ブラッグ反射を空間的に変動させるために、側方方向に沿って異なる螺旋ピッチを伴う側方領域を有する、ＣＬＣ層を含む、ＣＬＣＧの断面側面図を図示する。ＣＬＣ層１４２４は、側方可変性質、例えば、ブラッグ反射のための側方可変軸外入射角が、取得され得るように、異なる液晶材料パラメータ、例えば、螺旋ピッチを有する、複数の側方領域を有する。図示される実施形態では、ＣＬＣ層１４２４は、それぞれ、周期∧を有し、個別の螺旋ピッチｐ_１、ｐ_２、およびｐ_３を有する、複数の側方領域１４２４Ａ、１４２４Ｂ、および１４２４Ｃを含む。螺旋ピッチｐ_１、ｐ_２、およびｐ_３は、複数の垂直領域１４２４Ａ、１４２４Ｂ、および１４０４Ｃが、それぞれ、異なる軸外入射角θ_ｉｎｃＡ、θ_ｉｎｃＢ、およびθ_ｉｎｃＣにおける最適回折効率のために構成され、これが、それぞれ、対応する反射角度θ_Ａ、θ_Ｂ、およびθ_Ｃにおいて反射された光ビームをもたらすように選択されることができる。さらに、図１３Ｃに関して上記に説明されるように、ＣＬＣ層１４２４の異なる側方領域はさらに、比較的に高回折効率が取得され得る、類似の個別の範囲の軸外角度を有するように構成される。当然ながら、３つの垂直領域が、明確にするために、図示されるが、任意の好適な数の領域は、ＣＬＣ層１４２４内に含まれることができる。

【0149】

図１５の図示される実施形態では、螺旋ピッチｐ_１、ｐ_２、およびｐ_３の大きさは、螺旋ピッチの勾配が作成されるように、単調に側方方向に変化することができる。ｘ－方向における螺旋ピッチの変化率が、ＣＬＣ層１４２４の幅または長さを横断して均一であるとき、長さまたは幅と螺旋ピッチとの間の線形関係は、グラフ１４２８に図示されるように、取得されることができる。しかしながら、実施形態は、そのように限定されない。実施例のために、螺旋ピッチｐ_１、ｐ_２、およびｐ_３は、任意の側方位置で増減することができ、種々の他の実施形態に従って、長さまたは幅に沿ってｘ－方向に異なる率で変化することができる。

【0150】

種々の実施形態によると、ＣＬＣ層は、例えば、液晶分子の整合特性または他の材料性質を空間的に変動させることによって、側方可変回折特性を有するように加工されることができる。例えば、図１４に関して前述で説明される類似様式において、例えば、２つの異なる液晶モノマー間の比率および／または異なる側方領域におけるＵＶ照射の用量を制御することによって、側方螺旋ピッチ勾配が、側方寸法に沿って達成されることができる。
（波長選択的光結合のためにＣＬＣＧと結合される導波管）

【0151】

前述で説明されるように、光の内部結合および外部結合を含む、種々の用途に関して、導波管デバイスは、全内部反射（ＴＩＲ）によって、光を伝搬するように構成されることができる。図１６は、ＣＬＣＧ１１５０に結合される導波管１６０４を備える、光学導波デバイス１６００の実施例を図示する。ＣＬＣＧ１１５０は、図１１に関して前述で説明されるキラル構造１１６２－１、１１６２－２、．．．１１６２－ｉと類似様式において、複数のキラル構造として配列される液晶分子を備える。導波管１６０４は、ＣＬＣＧ１１５０にわたって配置され、ＣＬＣＧ１１５０に光学的に結合される。楕円／円偏光入射光１０１６－Ｒ／Ｌが、キラル構造の液晶分子の回転方向に合致する、偏光掌性を有するとき、入射光１０１６－Ｒ／Ｌは、結合された光が、全内部反射（ＴＩＲ）によって、側方方向（例えば、ｘ－方向）に進行するような角度で、ＣＬＣＧ１１５０によってブラッグ反射され、導波管１６０４の中に結合される。任意の理論によって拘束されるわけではないが、ＴＩＲ条件は、回折角度θが導波管の臨界角θ_Ｃを上回るときに満たされ得る。いくつかの状況下では、ＴＩＲ条件は、以下のように表され得る。
ｓｉｎ（θ_Ｃ）＝１／ｎ_ｔ ［４］
式中、ｎ_ｔは、導波管１６０４の屈折率である。種々の実施形態によると、ｎ_ｔは、約１～約２、約１．４～約１．８、または約１．５～約１．７であってもよい。例えば、導波管は、ポリカーボネートまたはガラス等のポリマーから成ってもよい。

【0152】

図１７Ａは、第１のＣＬＣＧ１７５０Ａに結合され、θ＞θ_ｃ３であるとき、全内部反射（ＴＩＲ）によって、第３の波長λ_３を有する光を伝搬するように構成される、第１の導波管１７０４Ａを備える、第１の光学導波デバイス１７００Ａを図示する。第１のＣＬＣＧ１７５０Ａは、第１の周期∧１と、第１の螺旋ピッチｐ１とを有する。いくつかの実施形態によると、第１の導波デバイス１７００Ａは、ＴＩＲによって、可視スペクトル（例えば、波長約４００ｎｍ～７００ｎｍを伴う）内の光を伝搬するために構成されてもよい。いくつかの他の実施形態によると、第１の導波デバイス１７００Ａは、ＴＩＲによって、赤外線スペクトル（例えば、波長約７００ｎｍ～１４００ｎｍを伴うスペクトルの近赤外線部分内）内の光を伝搬するために構成されてもよい。図１０および１１に関して上記に説明されるように、ブラッグ反射は、前述の方程式［１］によって表される波長において、前述の方程式［２］によって表される波長Δλの帯域幅内で生じる。例えば、第１のＣＬＣＧ１７５０Ａは、ＴＩＲによって、青色（例えば、約４５０ｎｍ）、緑色（例えば、約５５０ｎｍ）、赤色（例えば、約６５０ｎｍ）、または赤外線のうちの１つ内の第３の波長λ_３を有する、第３の入射光１７３６を結合するために設計されてもよい。図示されるように、Δλが、前述で説明されるように、約６０ｎｍ、約８０ｎｍ、または約１００ｎｍであるとき、第１および第２の波長λ１、λ２を有する、第１および第２の光１７１６および１７２６は、方程式［１］がこれらの色に関して満たされないため、実質的に透過され、これは、方程式［４］が満たされないため、第１の導波管１７０４の中に結合されない。

【0153】

図１７Ｂは、図１７Ａに関して上記で図示される第１の光学導波デバイス１７００Ａと組み合わせられる、第２の光学導波デバイス１７００Ｂを図示する。光学導波デバイス１７００Ｂは、光学導波デバイス１７００Ａに続いて、光学経路内に配置され、第２のＣＬＣＧ１７５０Ｂに結合され、θ＞θｃ２であるとき、全内部反射（ＴＩＲ）によって、第２の波長λ２を有する第２の光１７２６を伝搬するように構成される、第２の導波管１７０４Ｂを備える。第２のＣＬＣＧ１７５０Ｂは、第２の周期∧２と、第２の螺旋ピッチｐ２とを有する。図１７Ａに関して上記に説明されるように、第１および第２の波長λ１、λ２を有する、第１および第２の光１７１６および１７２６は、第１の光学導波デバイス１７００Ａを通して実質的に透過される。透過される第１および第２の光１７１６および１７２６のうち、第２のＣＬＣＧ１７５０Ｂは、θ＞θｃ２であるとき、ＴＩＲによって、青色（例えば、約４５０ｎｍ）、緑色（例えば、約５５０ｎｍ）、赤色（例えば、約６５０ｎｍ）、または赤外線のうちの透過されたもの内の第２の波長λ２を有する、第２の入射光１７２６を結合するために設計されてもよい。したがって、図示されるように、Δλが、前述で説明されるように、約６０ｎｍ、約８０ｎｍ、または約１００ｎｍであるとき、第１の波長λ１を有する第１の光１７１６は、第２の導波デバイス１７００Ｂをさらに通して実質的に透過される。

【0154】

図１７Ｃは、図１７Ｂに関して上記に図示される第１および第２の光学導波デバイス１７００Ａおよび１７００Ｂと組み合わせられる、第３の光学導波デバイス１７００Ｃを図示する。第３の光学導波デバイス１７００Ｃは、第１および第２の光学導波デバイス１７００Ａおよび１７００Ｂに続いて、光学経路内に配置され、第３のＣＬＣＧ１７５０Ｃに結合され、θ＞θｃ１であるとき、全内部反射（ＴＩＲ）によって、第１の波長λ２を有する第１の光１７１６を伝搬するように構成される、第３の導波管１７０４Ｃを備える。第３のＣＬＣＧ１７５０Ｃは、第３の周期∧３と、第３の螺旋ピッチｐ３とを有する。図１７Ｂに関して上記に説明されるように、第１の波長λ１を有する第１の光１７１６は、第１および第２の導波デバイス１７００Ａおよび１７００Ｂを通して実質的に透過される。第３のＣＬＣＧ１７５０Ｃは、θ＞θｃ１であるとき、ＴＩＲによって、青色（例えば、約４５０ｎｍ）、緑色（例えば、約５５０ｎｍ）、赤色（例えば、約６５０ｎｍ）、または赤外線のうちの透過されたもの内の第１の波長λ１を有する、第１の入射光１７１６を結合するために設計されてもよい。したがって、図示されるように、Δλが、前述で説明されるように、約６０ｎｍ、約８０ｎｍ、または約１００ｎｍであるとき、第１の波長λ１を有する第１の光１７１６は、方程式［４］が満たされるため、第３の導波管１７０４Ｃの中に実質的に結合される。

【0155】

したがって、図１７Ａ－１７Ｃに関して上記に説明されるように、第１、第２、および第３の光学導波デバイス１７００Ａ、１７００Ｂ、および１７００Ｃのうちの１つ以上のものを同一光学経路内に設置することによって、異なる波長λ１、λ２、およびλ_３を有する、第１、第２、および第３の光１７１６、１７２６、および１７３６のうちの１つ以上のものが、それぞれ、第１、第２、および第３の導波管１７０４Ａ、１７０４Ｂ、および１７０４Ｃのうちの１つ内でＴＩＲによって伝搬するように結合されることができる。図１７Ａ－１７Ｃのそれぞれでは、第１－第３の光学導波デバイス１７０４Ａ、１７０４Ｂ、および１７０４Ｃはそれぞれ、それぞれ、専用第１－第３の導波管１７０４Ａ、１７０４Ｂ、および１７０４Ｃと、専用第１－第３のＣＬＣＧ１７５０Ａ、１７５０Ｂ、および１７５０Ｃとを有するが、実施形態は、そのように限定されない。例えば、単一導波管は、ＴＩＲによって、図１８に関して後述に図示されるように、複数のＣＬＣＧのスタックからブラッグ反射された光を結合することができる。加えて、３つを上回る（または３つ未満の）任意の好適な数の光学導波デバイスもまた、ブラッグ反射によってさらに選択的結合するために、組み合わせられることができる。

【0156】

図１８は、複数のＣＬＣＧ１７５０に結合される共通導波管１７０４を備える、光学導波デバイス１８００を図示する。複数のＣＬＣＧ１７５０は、第１－第３のＣＬＣＧ１７５０Ａ－１７５０Ｃを備える、スタックとして構成され、それぞれ、全内部反射（ＴＩＲ）によって、第３、第２、および第１の波長λ_３、λ２、およびλ１を有する、第３、第２、および第１の光１７３６、１７２６、および１７１６を伝搬するように構成される。ＴＩＲは、それぞれ、第３、第２、および第１の光１７３６、１７２６、および１７１６のうちの１つ以上のものが、図１７Ａ－１７Ｃに関して上記に説明される類似様式において、それぞれ、条件θ＞θｃ３、θ＞θｃ２、およびθ＞θｃ１を満たすときに生じる。また、類似様式において、第１、第２、および第３のＣＬＣＧ１７５０Ａ、１７５０Ｂ、および１７５０Ｃは、それぞれ、θ＞θｃ３、θ＞θｃ２、およびθ＞θｃ１であるとき、第３、第２、および第１の光１７３６、１７２６、および１７１６を選択的にブラッグ反射させるように構成される。当然ながら、３つ未満以上の（または３つ未満の）任意の好適な数のＣＬＣＧが、ブラッグ反射によってさらに選択的に結合するためにスタックされることができる。したがって、図１７Ｂおよび１７Ｃに関して上記で説明される実施形態と比較して、よりコンパクトな導波デバイス１８００が、共通導波管１７０４を採用することによって取得されることができる。また、３つの明確に異なるＣＬＣＧ層（図１８に示されるように）の代わりに、ＣＬＣＧ層のスタックは、ｐ１～ｐ３の範囲を含む、螺旋ピッチ勾配を有する、単一（または複数の）層として配列され得る。

【0157】

図１７Ａ－１８に関して上記に説明されるように、第１－第３のＣＬＣＧ１７５０、１７５０Ｂ、１７５０Ｃは、それぞれ、第１－第３の周期∧１、∧２、および∧３と、それぞれ、第１－第３の螺旋ピッチｐ_１、ｐ_２、およびｐ_３とを有する。種々の実施形態では、ＣＬＣＧはそれぞれ、波長／周期比率λ／∧が、約０．３～２．３、約０．８～１．８または約１．１～約１．５、例えば、約１．３であるように構成されることができる。代替として、周期（∧）は、ＣＬＣＧがブラッグ反射のために構成される個別の波長（λ）より約１ｎｍ～２５０ｎｍ小さい、約５０ｎｍ～２００ｎｍ小さい、または約８０ｎｍ～１７０ｎｍ小さいように構成されることができる。例えば、λ１、λ２、およびλ_３が、それぞれ、可視範囲、例えば、約６２０ｎｍ～約７８０ｎｍ、例えば、約６５０ｎｍ（赤色）、約４９２ｎｍ～約５７７ｎｍ、例えば５５０ｎｍ（緑色）、および約４３５ｎｍ～約４９３ｎｍ、例えば、約４５０ｎｍ（青色）内であるとき、対応する周期Λ１、Λ２、およびΛ３は、それぞれ、約４５０ｎｍ～約５５０ｎｍ、例えば、約５００ｎｍ、約３７３ｎｍ～約４７３ｎｍ、例えば、約４２３ｎｍ、および約２９６ｎｍ～約３９６ｎｍ、例えば、約３４６ｎｍであることができる。代替として、λ１、λ２、およびλ_３が、赤外線範囲、例えば、近赤外線範囲約７５０ｎｍ～約１４００ｎｍ内、例えば、約８５０ｎｍであるとき、対応する周期Λ１、Λ２、およびΛ３は、約９７５ｎｍ～約１８２０ｎｍ、例えば、約１１０５ｎｍであることができる。加えて、種々の実施形態では、ＣＬＣＧはそれぞれ、波長／螺旋ピッチ比率λ／ｐが、約０．６～２．６、約１．１～２．１、または約１．４～約１．８、例えば、約１．６であるように構成されることができる。代替として、螺旋ピッチ（ｐ）は、ＣＬＣＧがブラッグ反射のために構成される個別の波長（λ）より約５０ｎｍ～３５０ｎｍ小さい、約１００ｎｍ～３００ｎｍ小さい、または約１４０ｎｍ～２８０ｎｍ小さいように構成されることができる。例えば、λ１、λ２、およびλ_３が、それぞれ、約６２０ｎｍ～約７８０ｎｍ、例えば、約６５０ｎｍ（赤色）、約４９２ｎｍ～約５７７ｎｍ、例えば５５０ｎｍ（緑色）、および約４３５ｎｍ～約４９３ｎｍ、例えば、約４５０ｎｍ（青色）であるとき、対応する螺旋ピッチｐ_１、ｐ_２、およびｐ_３は、それぞれ、約３５０ｎｍ～約４５０ｎｍ、例えば、約４００ｎｍ、約２９０ｎｍ～約３９０ｎｍ、例えば、約３４０ｎｍ、約２３０ｎｍ～約３３０ｎｍ、例えば、約２８０ｎｍであることができる。代替として、λ１、λ２、およびλ_３が、赤外線範囲、例えば、近赤外線範囲約７５０ｎｍ～約１４００ｎｍ内、例えば、約８５０ｎｍであるとき、対応する周期Λ１、Λ２、およびΛ３は、約１２００ｎｍ～約２２４０ｎｍ、例えば、約１３６０ｎｍであることができる。
（波長選択的光結合のためにＣＬＣＧおよびミラーと結合される導波管）

【0158】

図１９は、図１６に関して前述で説明される光学導波デバイスと同様に、ＣＬＣＧ１１５０に結合される導波管１６０４を備える、光学導波デバイス１９００を図示する。図１０および１１に関して前述で説明されるように、動作時、楕円形／円偏光入射光の偏光の掌性が、ＣＬＣＧ１１５０のキラル構造の液晶分子と同一回転方向を有するとき、ＣＬＣＧ１１５０は、入射光を実質的に反射させる。図示されるように、表面１０５０Ｓ上に入射するのは、左回り円偏光を有する光ビーム１０１６－Ｌと、右回り円偏光を有する光ビーム１０１６－Ｒとである。図示される実施形態では、キラル構造の液晶分子は、液晶分子の回転方向が右回り円偏光を有する光ビーム１０１６－Ｒの掌性に合致するように、入射光ビーム１０１６－Ｌ、１０１６－Ｒが進行する方向、すなわち、負のｚ－方向において見られると、時計回り方向に連続的に回転される。その結果、右回り円偏光を有する光ビーム１０１６－Ｒは、ＣＬＣＧ１１５０によって実質的に反射される一方、左回り円偏光を有する光ビーム１０１６－Ｌは、ＣＬＣＧ１１５０を通して実質的に透過される。

【0159】

いくつかの用途に関して、図１９に関して上記で説明されるものに類似する導波デバイスの中に結合することに先立って、楕円または円偏光された光の偏光掌性を反転させることが望ましくあり得る。これは、例えば、前述で議論されるように、ＣＬＣＧが導波管の中に結合するために光をブラッグ反射させるように構成されないように、入射楕円または円偏光の偏光掌性が、ＣＬＣＧ内のキラル構造の回転方向に合致しないときに該当し得る。ある他の用途に関して、入射楕円または円偏光の偏光掌性とＣＬＣＧ内のキラル構造の回転方向との間の合致の欠如に起因して、ＣＬＣＧを通して透過される光をリサイクルすることが望ましくあり得る。これらおよび他の必要性に対処するために、以下では、偏光変換反射体を採用し、これらの必要性に対処する、導波デバイスの種々の実施形態が、開示される。

【0160】

図２０は、実施形態による、ＣＬＣＧ１６０４および偏光変換反射体２００４に結合される導波管１１５０を備える、光学導波デバイス２０００を図示し、ＣＬＣＧ１６０４は、入射光を受光するように構成され、導波管１１５０は、全内部反射（ＴＩＲ）によって、ＣＬＣＧからブラッグ反射された光を伝搬するように構成される。偏光変換反射体２００４は、そこからの反射に応じて、入射楕円または円偏光の偏光掌性が、反対偏光掌性（例えば、左回りから右回りまたは右回りから左回り）に反転されるように構成される。導波デバイス２０００は、図１９に関して上記で説明される、導波デバイス１９００に類似するが、最初に、入射光ビームを導波管１１５０を通して受光するように構成される代わりに、導波デバイス２０００は、最初に、例えば、左回り円偏光を有する入射光ビーム２０１６－ＬをＣＬＣＧ１６０４を通して受光するように構成される。入射光ビーム２０１６－Ｌは、ＣＬＣＧ１６０４によってブラッグ反射されないように、入射光ビーム２０１６－Ｌの伝搬方向（負のｚ－方向）において見られると、ＣＬＣＧ１６０４内のキラル構造の回転方向に合致しない、偏光掌性を有する。その結果、入射光ビーム２０１６－Ｌは、ＣＬＣＧ１６０４を通して実質的に透過され、続いて、偏光変換反射体２００４によって反射される。例えば、右回り円偏光を有する反射された光ビーム２０１６－Ｒは、それによって、導波管１１５０の表面１１５０Ｓ上への入射光ビームとなる。反転された偏光掌性のため、ここで、導波管１１５０の表面１１５０Ｓ上に入射する、反射された光ビーム２０１６－Ｒは、ＣＬＣＧ１６０４によってブラッグ反射されるように、反射された光ビーム２０１６－Ｒ（正のｚ－方向）の伝搬方向において見られると、ＣＬＣＧ１６０４内のキラル構造の回転方向に合致する、偏光掌性を有する。さらに反射されたビーム２０１８が層法線方向（ｚ－軸）に対して角度θ＞θｃで反射されるにつれて反射された反射光ビーム２０１６－Ｒは、導波管１１５０に結合し、それを通して側方方向（例えば、ｘ－方向）に進行する。

【0161】

図２１Ａは、入射光ビーム２１１６が、それぞれ、左回りおよび右回り円偏光成分の両方を含むように処理され得る、線形偏光または非偏光される条件下における、図２０に関して上記で説明される、光学導波デバイス２０００を図示する。そのような条件下では、入射光ビーム２１１６は、ＴＩＲによって、両側方方向において、導波管の中に結合されることができる。例えば、図２０に関して上記に説明されものと同様に、ＣＬＣＧ１６０４内のキラル構造の回転方向に合致しない、偏光掌性、例えば、左掌性を有する、入射光ビーム２１１６の成分は、ＣＬＣＧ１６０４を通して実質的に透過され、続いて、偏光変換反射体２００４によって反射され、偏光掌性が反転され、例えば、右掌性に反転され、導波管１１５０の中に結合され、それを通して第１の側方方向（例えば、正のｘ－方向）に進行する。他方では、図１９に関して上記に説明されるものと同様に、ＣＬＣＧ１６０４内のキラル構造の回転方向に合致する、偏光掌性、例えば、右掌性を有する、入射光ビーム２１１６の成分は、ＣＬＣＧ１６０４によって直接実質的に反射され、続いて、導波管１１５０の中に結合され、それを通して第１の側方方向と反対の第２の側方方向（例えば、負のｘ－方向）に進行する。

【0162】

図２１Ｂは、入射光が、２つの直交楕円または円偏光ビーム、例えば、左回り円偏光を有する光ビーム１０１６－Ｌと、右回り円偏光を有する光ビーム１０１６－Ｒとに偏光される条件における、図２１Ａに関して上記で説明される、光学導波デバイス２０００を図示する。そのような条件下では、入射光ビーム１０１６－Ｌ、１０１６－Ｒは、前述で図２１Ａに関して説明される類似様式において、ＴＩＲによって、両側方方向に伝搬するように、導波管の中に結合されることができる。例えば、ＣＬＣＧ１６０４内のキラル構造の回転方向に合致しない、偏光掌性、例えば、左掌性を有する、光ビーム１０１６－Ｌは、ＣＬＣＧ１６０４を通して実質的に透過され、続いて、偏光変換反射体２００４によって反射され、偏光掌性が反転され、例えば、右掌性に反転され、導波管１１５０の中に結合され、それを通して第１の側方方向（例えば、正のｘ－方向）に進行する。他方では、ＣＬＣＧ１６０４内のキラル構造の回転方向に合致する、偏光掌性、例えば、右掌性を有する、入射光ビーム１０１６－Ｒは、ＣＬＣＧ１６０４によって直接実質的に反射され、続いて、導波管１１５０の中に結合され、それを通して第１の側方方向と反対の第２の側方方向（例えば、負のｘ－方向）に進行する。

【0163】

図２２Ａは、実施形態による、例えば、第１の回転方向を有するキラル構造を有する、第１のＣＬＣＧ２２０４と、第１の回転方向と反対の第２の回転方向を有するキラル構造を有する、第２のＣＬＣＧ２２０８とを含む、スタックとして配列される、複数のＣＬＣＧに結合される共通導波管２２０４を備える、光学導波デバイス２２００を図示する。種々の実施形態に関して前述で説明されるように、動作時、入射光ビームの偏光方向の方向が、ＣＬＣＧのキラル構造の液晶分子の回転の方向に合致されると、入射光は、反射される。図示される光学導波デバイス２２００は、入射光ビーム２１１６が線形偏光または非偏光される条件下にある。そのような条件下では、入射光ビーム２１１６は、ＴＩＲによって、両側方方向（正のおよび負のｘ方向）の両方において、導波管の中に結合されることができる。図示される実施形態では、入射光２１１６が進行する方向、すなわち、負のｚ－方向において見られると、第１のＣＬＣＧ２２０４のキラル構造の液晶分子は、時計回り方向に連続的に回転される一方、第２のＣＬＣＧ２２０４のキラル構造の液晶分子は、反対の反時計回り方向に連続的に回転される。

【0164】

依然として、図２２Ａを参照すると、第１のＣＬＣＧ２２０４のキラル構造の回転方向、例えば、時計回り方向に合致する、第１の偏光掌性、例えば、右回り偏光成分を有する、楕円または円形入射光ビーム２１１６の成分は、第１のＣＬＣＧ２２０４によって実質的に反射され、それによって、層法線方向（ｚ－軸）に対して角度θ＞θｃ１における第１の反射されたビーム２１１８Ａをもたらし、共通導波管２２０４に結合し、それを通して第１の側方方向（例えば、正のｘ－方向）に進行する。

【0165】

依然として、図２２Ａを参照すると、他方では、第１のＣＬＣＧ２２０４のキラル構造の回転方向に合致しない、第２の偏光掌性、例えば、左回り偏光成分を有する、楕円または円形入射光ビーム２１１６の成分は、第１のＣＬＣＧ２２０４を通して実質的に透過される。第１のＣＬＣＧ２２０４を通して透過された後、第２のＣＬＣＧ２２０８のキラル構造の回転方向、例えば、反時計回り方向に合致する、第２の偏光掌性２１１６を有する、楕円または円形入射光ビーム２１１６は、第２のＣＬＣＧ２２０８によって実質的に反射され、それによって、層法線方向（ｚ－軸）に対して角度θ＞θｃ２における第２の反射されたビーム２１１８Ｂをもたらし、共通導波管２２０４に結合し、それを通して第２の側方方向（例えば、負のｘ－方向）に進行する。

【0166】

図２２Ｂは、入射光が、２つの直交楕円または円偏光ビーム、例えば、左回り楕円形／円偏光を有する、例えば、光ビーム１０１６－Ｌと、例えば、右回り楕円形／円偏光を有する、光ビーム１０１６－Ｒとに偏光される異なる条件における、図２２Ａに関して上記で説明される、光学導波デバイス２０００を図示する。そのような条件下では、入射光ビーム１０１６－Ｌ、１０１６－Ｒは、第１および第２の偏光掌性、例えば、左掌性および右掌性を有する、入射光ビーム１０１６－Ｌ、１０１６－Ｒを結合するために、前述で図２２Ａに関して説明される類似様式において、ＴＩＲによって、両側方方向において、共通導波管２２０４の中に結合されることができる。

【0167】

図２１Ｂおよび２２Ｂに関して上記で説明される実施形態は、特に、例えば、異なる光信号（すなわち、画像）が直交円偏光においてエンコードされる、ある用途において有利であり得る。そのような状況下では、光は、偏光掌性に応じて、反対方向（例えば、正のおよび負のｘ－方向）に結合されることができる。

【0168】

図２２Ｃは、実施形態による、例えば、第１の回転方向を有するキラル構造を有する、第１のＣＬＣＧ２２０４と、第１の回転方向と反対の第２の回転方向を有するキラル構造を有する、第２のＣＬＣＧ２２０８とを含む、スタックとして配列される、複数のＣＬＣＧに結合される共通導波管２２５０を備える、光学導波デバイス２２２０を図示する。図２２Ａおよび２２Ｂに関して説明される実施形態と異なり、導波デバイス２２２０では、共通導波管２２５０は、第１および第２のＣＬＣＧ層２２０４、２２０８間に介在される。例証目的のために、図示される光学導波デバイス２２２０は、入射光ビーム２１１６が線形偏光または非偏光される条件下にある。そのような条件下では、入射光ビーム２１１６は、ＴＩＲによって、両側方方向において、導波管の中に結合されることができる。図示される実施形態では、入射光２１１６が進行する方向、すなわち、負のｚ－方向において見られると、第１のＣＬＣＧ２２０４のキラル構造の液晶分子は、時計回り方向に連続的に回転される一方、第２のＣＬＣＧ２２０４のキラル構造の液晶分子は、反対反時計回り方向に連続的に回転される。当然ながら、反対配列も、可能性として考えられる。

【0169】

依然として、図２２Ｃを参照すると、第１のＣＬＣＧ２２０４のキラル構造の回転方向、例えば、時計回り方向に合致する、第１の偏光掌性、例えば、右回り偏光成分を有する、楕円または円形入射光ビーム２１１６の成分は、第１のＣＬＣＧ２２０４によって実質的に反射され、それによって、層法線方向（ｚ－軸）に対して角度θ＞θｃ１における第１の反射されたビーム２１１８Ａをもたらし、これは、順に、ＴＩＲによって、共通導波管２２５０の中に結合し、それを通して第１の側方方向（例えば、負のｘ－方向）に進行する前に、第１のＣＬＣＧ２２０４の外側表面から反射する。

【0170】

依然として、図２２Ｃを参照すると、他方では、第１のＣＬＣＧ２２０４のキラル構造の回転方向、例えば、時計回り方向に合致しない、第２の偏光掌性、例えば、左回り偏光成分を有する、楕円または円形入射光ビーム２１１６の成分は、第１のＣＬＣＧ２２０４を通して、さらに、共通導波管２２０４を通して実質的に透過され、その後、第２のＣＬＣＧ２２０８によって実質的に反射され、それによって、層法線方向（ｚ－軸）に対して角度θ＞θｃ２における第２の反射されたビーム２２１８Ｂをもたらし、ＴＩＲによって、共通導波管２２５０に結合し、それを通して第２の側方方向（例えば、正のｘ－方向）に進行する。
（コレステリック液晶軸外ミラー）

【0171】

種々の実施形態に関して前述で説明されるように、入射楕円または円偏光の偏光の掌性とＣＬＣ層のキラル構造の液晶分子回転方向を合致させることによって、ＣＬＣ層は、ブラッグ反射体として構成されることができる。さらに、異なる螺旋ピッチを有する、１つ以上のＣＬＣ層は、高帯域幅を伴う、波長選択的ブラッグ反射体として構成されることができる。種々の実施形態に関して本明細書に説明される概念に基づいて、ＣＬＣ層は、第１の範囲の波長、例えば、赤外線波長（例えば、近赤外線）を選択的に反射させる一方、別の範囲の波長、例えば、可視波長を透過させるように構成される、軸外ミラーとして構成されることができる。以下では、実施形態による、眼追跡システム内に実装されるＣＬＣ軸外ミラーの種々の実施形態の用途が、開示される。

【0172】

図２３は、種々の実施形態による、視認者の眼３０２を結像するように構成される、コレステリック液晶反射体（ＣＬＣＲ）、例えば、波長選択的ＣＬＣＲ１１５０を採用する、眼追跡システム２３００の実施例を図示する。眼追跡は、他の用途の中でもとりわけ、仮想／拡張／複合現実ディスプレイ用途のためのウェアラブルディスプレイ、例えば、図２におけるウェアラブルディスプレイシステム２００または図２４Ａ－２４Ｈに説明されるシステム７００を含む、双方向視覚または制御システムにおける重要な特徴であり得る。良好な眼追跡を達成するために、眼３０２の画像を低視点角度において取得することが望ましくあり得、そのために、ひいては、眼追跡カメラ７０２ｂを視認者の眼の中心位置の近傍に配置することが望ましくあり得る。しかしながら、カメラ７０２ｂのそのような位置は、ユーザのビューに干渉し得る。代替として、眼追跡カメラ７０２ｂは、より低い位置または側に配置されてもよい。しかしながら、カメラのそのような位置は、眼画像がより急峻な角度で捕捉されるため、ロバストかつ正確な眼追跡を取得することの困難度を増加させ得る。選択的に、赤外線（ＩＲ）光２３０８（例えば、８５０ｎｍの波長を有する）を眼３０２から反射させる一方、図４に示されるように世界からの可視光２３０４を透過させるように、ＣＬＣＲ１１５０を構成することによって、カメラ７０２ｂは、眼画像を法線または低視点角度で捕捉しながら、ユーザのビューから離れるように設置されることができる。そのような構成は、可視光が反射されないため、ユーザのビューに干渉しない。同一ＣＬＣＲ１１５０はまた、図示されるように、ＩＲ照明源２３２０として構成されることができる。ＩＲ照明器の低視点角度は、例えば、睫毛からのオクルージョンを殆どもたらし得ず、その構成は、鏡面反射のよりロバストな検出を可能にし、これは、現代の眼追跡システムにおいて重要な特徴であり得る。

【0173】

依然として、図２３を参照すると、種々の実施形態によると、ＣＬＣＲ１１５０は、それぞれ、複数のキラル構造を備える、１つ以上のコレステリック液晶（ＣＬＣ）層を備え、各キラル構造は、前述で説明されるように、層深度方向（例えば、ｚ－方向）に延在し、第１の回転方向に連続的に回転される、複数の液晶分子を備える。キラル構造の液晶分子の配列は、１つ以上のＣＬＣ層が、第１の波長（λ１）を有する第１の入射光を実質的にブラッグ反射させる一方、第２の波長（λ２）を有する第２の入射光を実質的に透過させるように構成されるように、層深度方向と垂直な側方方向に周期的に変動する。本明細書のいずれかに説明されるように、１つ以上のＣＬＣ層はそれぞれ、層深度方向において見られると、第１の回転方向と合致される偏光の掌性を有する、楕円または円偏光第１および第２の入射光を実質的にブラッグ反射させるように構成される一方、層深度方向において見られると、第１の回転方向と反対の偏光の掌性を有する、楕円または円偏光第１および第２の入射光を実質的に透過させるように構成される。実施形態によると、側方方向に周期的に変動する液晶分子の配列は、第１の波長と周期との間の比率が約０．５～約２．０であるような周期を側方方向に有するように配列される。実施形態によると、第１の波長は、本明細書のいずれかに説明されるように、近赤外線範囲約６００ｎｍ～約１．４μｍ、例えば、約８５０ｎｍ内にあって、第２の波長は、１つ以上の色を有する可視範囲内にある。実施形態によると、キラル構造の液晶分子は、層深度方向に対する法線の方向に対して事前傾斜される。構成されるように、１つ以上のＣＬＣ層は、第１の入射光が、層深度方向（ｚ－方向）に対してある角度（θＲ）で、例えば、前述で説明される方程式［３］に基づいて、層深度方向に対して約５０^ｏ、約６０^ｏ、約７０^ｏ、または約８０^ｏ度を超えて反射されるように構成される。

【0174】

図２に戻って参照すると、頭部搭載型ディスプレイ（ＨＭＤ）（例えば、図２におけるウェアラブルディスプレイシステム２００）の装着者の眼は、例えば、ホログラフィック光学要素（ＨＯＥ）であり得る、反射軸外回折光学要素（ＤＯＥ）を使用して結像されることができる。結果として生じる画像は、片眼または両眼を追跡し、網膜を結像し、眼形状を３次元で再構築し、バイオメトリック情報を眼（例えば、虹彩識別）から抽出する等のために使用されることができる。

【0175】

頭部搭載型ディスプレイ（ＨＭＤ）が装着者の眼の状態についての情報を使用し得るには、種々の理由が存在する。例えば、本情報は、装着者の視線方向を推定するため、またはバイオメトリック識別のために使用されることができる。しかしながら、本問題は、ＨＭＤと装着者の眼との間の短距離のため、困難である。これはさらに、視線追跡が、より大きい視野を要求する一方、バイオメトリック識別が、比較的に高ピクセル数を虹彩上の標的上に要求するという事実によって複雑になる。これらの目的の両方を遂行するように試みるであろう、結像システムに関して、２つのタスクの要件は、主として、衝突する。最後に、両問題は、眼瞼および睫毛によるオクルージョンによってさらに複雑になる。本明細書に説明される結像システムの実施形態は、これらの問題の一部または全部に対処する。図２４Ａ－２４Ｆを参照して本明細書に説明される結像システム７００の種々の実施形態は、本明細書に説明されるディスプレイデバイス（例えば、図２に示されるウェアラブルディスプレイシステム２００および／または図６に示されるディスプレイシステム１０００）を含む、ＨＭＤと併用されることができる。

【0176】

図２４Ａは、眼３０４を視認するために使用され、装着者のこめかみに近接して（例えば、ウェアラブルディスプレイシステム２００のフレーム６４、図２、例えば、耳掛け部上に）搭載される、結像機７０２ｂを備える、結像システム７００の実施例を図式的に図示する。他の実施形態では、第２の結像機が、各眼が別個に結像されるように、装着者の他方の眼３０２のために使用される。結像機７０２ｂは、赤外線放射に敏感な赤外線デジタルカメラを含むことができる。結像機７０２ｂは、後方に面し、眼３０４に指向される（図６に示されるカメラ５００と同様に）のではなく、前方（装着者の視覚の方向）に面するように搭載される。結像機７０２ｂを装着者の耳のより近くに配置することによって、結像機７０２ｂの重量もまた、耳のより近くとなり、ＨＭＤは、結像機が後方に面し、ＨＭＤの正面のより近くに（例えば、図２のディスプレイ６２に近接して）配置される、ＨＭＤと比較して、装着がより容易になり得る。加えて、前向きに面した結像機７０２ｂを装着者のこめかみの近傍に設置することによって、装着者の眼３０４から結像機までの距離は、ＨＭＤの正面の近傍に配置される後方に面した結像機と比較して（例えば、図４に示されるカメラ５００と比較して）、約２倍となる。画像の被写界深度は、本距離にほぼ比例するため、前向きに面した結像機７０２ｂのための被写界深度は、後方に面した結像機と比較して、約２倍となる。結像機７０２ｂのためのより大きい被写界深度は、大きいまたは突出した鼻、眉弓等を有する、装着者の眼領域を結像するために有利であり得る。

【0177】

結像機７０２ｂは、そうでなければ透明な光学要素７０６の内側表面７０４を視認するために位置付けられる。光学要素７０６は、ＨＭＤのディスプレイ７０８（または一対の眼鏡内のレンズ）の一部であることができる。光学要素７０６は、光学要素上に入射する可視光の少なくとも１０％、２０％、３０％、４０％、５０％、以上のものに対して透過性であることができる。他の実施形態では、光学要素７０６は、透明である必要はない（例えば、仮想現実ディスプレイ内において）。光学要素７０６は、ＣＬＣ軸外ミラー７０８を備えることができる。ＣＬＣ軸外ミラー７０８は、第１の範囲の波長を反射させる一方、第２の範囲の波長（第１の範囲の波長と異なる）に対して実質的に透過性である、表面であることができる。第１の範囲の波長は、赤外線内であることができ、および第２の範囲の波長は、可視内であることができる。例えば、ＣＬＣ軸外ミラー７０８は、ホットミラーを備えることができ、これは、赤外線光を反射させる一方、可視光を透過させる。そのような実施形態では、装着者からの赤外線光７１０ａ、７１２ａ、７１４ａは、光学要素７０６に伝搬し、そこから反射し、反射された赤外線光７１０ｂ、７１２ｂ、７１４ｂをもたらし、これは、結像機７０２ｂによって結像されることができる。いくつかの実施形態では、結像機７０２ｂは、ＣＬＣ軸外ミラー７０８によって反射された第１の範囲の波長の少なくともサブセット（非空サブセットおよび／または全部未満のサブセット等）に敏感である、またはそれを捕捉可能であり得る。例えば、ＣＬＣ軸外ミラー７０８は、７００ｎｍ～１．５μｍの範囲内の赤外線光を反射させ得、結像機７０２ｂは、波長７００ｎｍ～９００ｎｍにおける近赤外線光に敏感である、またはそれを捕捉可能であり得る。別の実施例として、ＣＬＣ軸外ミラー７０８は、７００ｎｍ～１．５μｍの範囲内の赤外線光を反射させ得、結像機７０２ｂは、結像機７０２ｂが波長７００ｎｍ～９００ｎｍにおける近赤外線光を捕捉し得るように、９００ｎｍ～１．５μｍの範囲内の赤外線光をフィルタリング除去する、フィルタを含んでもよい。

【0178】

外界（１１４４、図６）からの可視光は、光学要素７０６を通して透過され、装着者によって知覚されることができる。事実上、図２４Ａに示される結像システム７００は、装着者の眼３０４に向かって逆指向される仮想結像機７０２ｃが存在するかのように作用する。仮想結像機７０２ｃは、装着者の眼７０４から光学要素７０６を通して伝搬される仮想赤外線光７１０ｃ、７１２ｃ、７１４ｃ（点線として示される）を結像することができる。ホットミラー（または本明細書に説明される他のＤＯＥ）は、光学要素７０６の内側表面７０４上に配置され得るが、これは、限定ではない。他の実施形態では、ホットミラーまたはＤＯＥは、光学要素７０６の外側表面上または光学要素７０６（例えば、体積ＨＯＥ）内に配置されることができる。

【0179】

図２４Ｂは、結像システム７００の別の実施例を図式的に図示する。本実施形態では、視点歪曲が、視結像機７０２ｂを伴う視点制御レンズアセンブリ７１６ｂ（例えば、偏移レンズアセンブリ、傾斜レンズアセンブリ、または傾斜偏移レンズアセンブリ）の使用によって、低減または排除され得る。いくつかの実施形態では、視点制御レンズアセンブリ７１６ｂは、結像機７０２ｂのレンズの一部であってもよい。視点制御レンズ７１６ｂは、結像機７０２ｂに対する法線が、ＤＯＥ（またはＨＯＥ）またはホットミラーを含む、表面７０４の領域に対する法線と略平行であるように構成されることができる。事実上、図２４Ｂに示される結像システム７００は、装着者の眼３０４に向かって逆指向される仮想視点制御レンズアセンブリ７１６ｃを伴う仮想結像機７０２ｃであるかのように作用する。

【0180】

加えて、または代替として、図２４Ｃに図式的に示されるように、光学要素７０６のＣＬＣ軸外ミラー７０８は、その表面７０４上に、軸外ホログラフィックミラー（ＯＡＨＭ）を有してもよく、これは、光７１０ａ、７１２ａ、７１４ａを反射させ、反射された光７１０ｂ、７１２ｂ、７１４ｂを捕捉する、カメラ結像機７０２ｂによる眼３０４の視認を促進するために使用される。ＯＡＨＭ７０８は、同様に、屈折力を有してもよく、その場合、これは、図２４Ｄに図式的に示されるように、軸外立体回折光学要素（ＯＡＶＤＯＥ）であることができる。図２４Ｄに示される実施例では、仮想カメラ７０２ｃの効果的場所は、無限遠にある（かつ図２４Ｄに示されない）。

【0181】

いくつかの実施形態では、ＨＯＥ（例えば、ＯＡＨＭまたはＯＡＶＤＯＥ）は、複数のセグメントに分割されることができる。これらのセグメントはそれぞれ、例えば、セグメントが入射（赤外線）光を反射させる反射角度または屈折力を含む、異なる光学性質または特性を有することができる。セグメントは、光が各セグメントから結像機７０２ｂに向かって反射されるように構成されることができる。その結果、結像機７０２ｂによって入手された画像もまた、対応する数のセグメントに分割され、それぞれ、眼を異なる角度から効果的に視認する。図２４Ｅは、眼３０４を異なる角度場所において結像する個別の仮想カメラ７０２ｃ１、７０２ｃ２、７０２ｃ３として作用する、それぞれ、３つのセグメント７１８ａ１、７１８ａ２、７１８ａ３を伴う、ＯＡＨＭを有する、ディスプレイシステム７００の実施例を図式的に図示する。

【0182】

図２４Ｆは、各セグメントが、眼３０４を異なる角度場所において結像する、無限遠における仮想カメラを生成する、屈折力（例えば、セグメント化されたＯＡＶＤＯＥ）を有する、それぞれ、３つのセグメント７１８ａ１、７１８ａ２、７１８ａ３を伴う、ＯＡＨＭを有する、ディスプレイシステム７００の別の実施例を図式的に図示する。３つのセグメントが、図２４Ｅおよび２４Ｆに図式的に図示されるが、これは、例証のためであって、限定ではない。他の実施形態では、２つ、４つ、５つ、６つ、７つ、８つ、９つ、以上のセグメントが、利用されることができる。ＨＯＥのこれらのセグメントのいずれも、屈折力を有していない、またはその一部または全部が、屈折力を有することができる。

【0183】

３つのセグメント７１８ａ１、７１８ａ２、７１８ａ３は、図２４Ｅおよび２４Ｆでは、光学要素７０６を横断して水平に離間されるように示される。他の実施形態では、セグメントは、光学要素７０６上で垂直に離間されることができる。例えば、図２４Ｇは、２つの垂直に離間されるセグメント７１８ａ１および７１８ａ２を有する、ＤＯＥ７１８を図式的に示し、セグメント７１８ａ１は、光を結像機７０２ｂ（セグメント７１８ａ１と同一略水平平面にあってもよい）に向かって反射させるように構成される、ＣＬＣ軸外ミラーを備え、セグメント７１８ａ２は、光を結像機７０２ｂに向かって上向きに反射させるように構成される。二焦点レンズと同様に、図２４Ｇに示される配列は、結像システム７００が、装着者がＨＭＤの上側部分を通して前方を見ている（実線矢印線を介して図式的に示される）とき、上側セグメント７１８ａ１から結像機７０２ｂによって入手された反射画像を使用し、装着者がＨＭＤの下側部分を通して下向きに見ている（破線矢印線を介して図式的に示される）とき、下側セグメント７１８ａ２からの反射画像を使用することを可能にする際に有利であり得る。

【0184】

水平に離間および垂直に離間されるセグメントの混合が、他の実施形態では、使用されることができる。例えば、図２４Ｈは、それぞれ、ＣＬＣ軸外ミラーを備える、３×３のセグメントのアレイを伴う、ＨＯＥ７１８の別の実施例を示す。結像機７０２ｂは、眼領域の異なるエリアおよびそこからの角度方向から生じる光線を表す、これらの９つのセグメントのそれぞれからの反射データを入手することができる。眼領域からＨＯＥ７１８に伝搬し、結像機７０２ｂに反射する、２つの例示的光線が、実線および破線として示される。結像システム７００（または処理モジュール２２４または２２８）は、複数のセグメントからの反射データを分析し、眼の３次元形状または眼の視線方向（例えば、眼姿勢）を多視点的に計算することができる。

【0185】

セグメントを利用する光学システム７００の実施形態は、複数の利点を有し得る。例えば、セグメントは、特定のタスクに最良の特定のセグメントを選択することによって、個々に使用されることができる、またはそれらは、集合的に使用され、眼の３次元形状または姿勢を多視点的に推定することができる。前者の場合、本選択性は、例えば、少なくとも眼瞼または睫毛によるオクルージョンを有する、装着者の虹彩の画像を選択するために使用されることができる。後者の場合、眼の３次元再構成が、配向（例えば、角膜の傍流の場所の推定によって）または遠近調節状態（例えば、瞳孔の見掛けの場所上のレンズ誘発歪曲の推定によって）を推定するために使用されることができる。
（視野のために最適化されたＣＬＣＧと結合される導波管）

【0186】

光の偏光および伝搬方向に依存する屈折率を有する、媒体は、複屈折（または二重屈折）と称される。本明細書に全体を通して説明され、関連産業において理解されるように、その偏光が複屈折媒体の光学軸と垂直である、光は、通常屈折率（ｎ_ｏ）によって影響されるものとして説明され、その偏光が複屈折媒体の光学軸と平行である、光は、通常外屈折率（ｎ_ｅ）によって影響されるものとして説明され、複屈折媒体材料中に観察される屈折率の差異ｎ_ｅ－ｎ_ｏは、複屈折Δｎを有するものとして説明される。本明細書に説明されるように、複屈折ＣＬＣＧの平均屈折率ｎ_ＬＣは、以下のように表され得る。

【化2】

【0187】

本明細書に説明される種々の実施形態によると、コレステリック液晶（ＣＬＣ）層は、０．０５～０．１０、０．１５～０．２０、０．２０～０．２５、０．２５～０．３０、０．３０～０．３５、０．３５～０．４０、０．４０～０．４５、０．４５～０．５０、０．５０～０．５５、０．５５～０．６０、０．６０～０．６５、０．６５～０．７０、またはこれらの値のいずれかによって定義された範囲内の値の代表値、局所値、平均値、中央値、最大値、または最小値複屈折（Δｎ）を有することができる。

【0188】

本明細書に説明されるように、複屈折Δｎを有する材料媒体中の光の位相減速度（Г）は、Г＝２πΔｎｄ／λとして表され得、式中、λは、光の波長であって、ｄは、媒体の厚さである。加えて、液晶を有する層等の複屈折媒体の回折効率（η）は、η＝ｓｉｎ^２（πΔｎｄ／λ）として表され得、式中、Δｎは、複屈折であって、λは、波長であって、ｄは、媒体の厚さである。回折コンポーネントを通して伝搬する光の位相減速度は、従来の複屈折媒体に関して、波長に伴って変動するため、回折格子を含むいくつかの回折コンポーネントは、回折効率が比較的に高い可視スペクトル内で限定された波長の範囲または帯域幅を示し得る。

【0189】

種々の実施形態によると、本明細書に説明される種々のＣＬＣ層およびＣＬＣＧは、それらが、時として、受光角または視野（ＦＯＶ）の範囲とも称される、特定の範囲の入射角内で、比較的に高効率を伴って、その上に入射する光を回折するように構成されてもよい。本明細書に説明されるように、ＦＯＶは、ＦＯＶの中心線波長に対して負および正の値の入射角に及ぶ角度範囲を含み得、その外側では、回折効率は、ＦＯＶの中心線波長における回折効率に対して、またはＦＯＶ内のピーク効率に対応する波長における回折効率に対して、１０％を上回って、２５％を上回って、５０％を上回って、７５％、またはこれらの値のいずれかによって定義された範囲内の値で低下する。換言すると、ＦＯＶの内側では、ＣＬＣ層およびＣＬＣＧは、回折効率が、ＦＯＶの中心線波長における回折効率に対して、またはＦＯＶ内のピーク効率に対応する波長における回折効率に対して、２５％を上回って、５０％を上回って、７５％を上回って、９０％を上回って、またはこれらの値のいずれかによって定義された範囲内の値であるように構成される。回折効率が比較的に一定である、ＦＯＶを有することが、例えば、均一強度の回折光がＦＯＶ内で所望される場合、望ましくあり得る。

【0190】

本出願人は、ＣＬＣ層およびＣＬＣＧのＦＯＶが、適切な複屈折（例えば、方程式［６］参照）を伴うＣＬＣ層およびＣＬＣＧを選択することによって、上記に説明されるようなＣＬＣ層およびＣＬＣＧと結合される導波管の種々の実施形態に関して増加または最適化され得ることを認識している。図２５は、実施形態による、比較的に高ＦＯＶのために最適化された例示的光学導波デバイス２５００を図示する。光学導波デバイス２５００は、ＣＬＣＧ１１５０に結合された導波管１６０４を備える。本明細書に説明される種々の実施形態と同様に、ＣＬＣＧ１１５０は、例えば、図１１に関して前述で説明されるキラル構造１１６２－１、１１６２－２、．．．１１６２－ｉと類似様式において、複数のキラル構造として配列される液晶分子を備える。導波管１６０４は、ＣＬＣＧ１１５０にわたって配置され、そこに光学的に結合される。

【0191】

右／左（Ｒ／Ｌ）掌性を有する、楕円／円偏光入射光２５０４が、導波管１６０４の層法線に対して角度θ_ｉｎｃで導波管１６０４上に入射すると、入射光２５０４は、光２５０８として導波管１６０４の中に結合され、これは、層法線に対して角度θ_{ｉｎｃＷＧ}でＣＬＣＧ１１５０上に入射する。光２５０８は、ＣＬＣＧ１１５０内のキラル構造の液晶分子の回転方向に合致する、偏光掌性を有する（Ｒ／Ｌ）とき、導波管１６０４の中に結合され、光２５０８は、ＣＬＣＧ１１５０によって、層法線に対して角度θ_ＬＣを有する光２５１２の中にブラッグ反射される。反射された光２５１２は、続いて、光２５１６が側方方向（例えば、ｘ－方向）に全内部反射（ＴＩＲ）下で進行するように、光２５１６として、層法線に対して角度θ_ＷＧで導波管１６０４の中に逆結合される。任意の理論によって拘束されるわけではないが、ＴＩＲ条件は、角度θ_ＷＧが臨界角を上回るときに満たされ得る。

【0192】

任意の理論によって拘束されるわけではないが、入射角が、対称｜ｓｉｎθ_ｉｎｃ｜＜（ｎ－１）／２であって、所与のＦＯＶに関する最小屈折率が、

【化3】

を満たすとき、伝搬角度の範囲は、以下のように、伝搬媒体の材料屈折率によって限定され得る。

【化4】

本条件はまた、ＣＬＣＧ層内でも、光が回折し、層を通して伝搬する際に有効であり得る。ＣＬＣＧ層は、複屈折であるため、伝搬する光は、ＬＣ材料の平均屈折率ｎ_ＬＣを被る。ｎ_ｏが固定されると仮定して（必須ではない）、最小複屈折Δｎは、以下のように、ＦＯＶの入射角に関連する。

【化5】

【0193】

ＣＬＣＧ層のＬＣ材料は、方程式［６］に基づいて選択され、所望のＦＯＶを提供することができる。ＦＯＶは、ＣＬＣＧ１１５０内の液晶分子が方程式［６］に従って構成されるとき、２０^ｏ３０^ｏ、３６^ｏ、４０^ｏ、４４^ｏ、５０^ｏを超える角度範囲、またはこれらの値のいずれかによって定義された角度の範囲内の角度範囲を有し得る。例えば、以下のＦＯＶ入射角は、

【化6】

としての平均屈折率と関連付けられることができる。別の実施例として、ｎ_ＬＣが、約１．３５～約１．８５であるとき、完全ＦＯＶは、約２０^ｏ～約５０^ｏであり得る、または５０^ｏを超え得る。

【0194】

種々の実施形態では、ＦＯＶの上記に開示される値は、導波管１６０４が、屈折率ｎ_ｔ約１～約２、約１．４～約１．８または約１．５～約１．７を有する好適な材料から形成されるとき、取得されることができる。例えば、導波管は、ポリカーボネートまたはガラス等のポリマーから成ってもよい。
（外部結合光学要素として構成されるＣＬＣＧと結合される導波管）

【0195】

図９Ｂおよび９Ｃに関して上記に説明されるように、本明細書に開示されるディスプレイデバイスの種々の実施形態は、外部結合光学要素１２５０、１２５２、１２５４を含み、これは、光を視認者の眼４（図７）内で指向する、射出瞳エクスパンダ（ＥＰＥ）として構成されてもよい。本明細書に説明される種々の実施形態では、レンズ、ミラー、および格子等の種々の光学コンポーネントは、ある光伝搬方向および／または光のある偏光、例えば、右回りまたは左回り円偏光に特有であるように構成されてもよい。本明細書に説明されるように、種々の実施形態では、ＣＬＣ層およびＣＬＣＧは、複数のキラル構造を備え、各キラル構造は、少なくともある螺旋ピッチによって、層深度方向に延在し、ある回転方向に連続的に回転される、複数の液晶分子を備える。ＣＬＣ層またはＣＬＣＧは、有利には、液晶分子の回転方向に合致される偏光の掌性を有する、楕円または円偏光を実質的にブラッグ反射させるように構成される一方、液晶分子の回転方向と反対の偏光の掌性を有する、楕円または円偏光を実質的に透過させるように構成されることができる。ＣＬＣ層およびＣＬＣＧのこれらの性質に基づいて、本明細書に開示されるディスプレイデバイスの種々の実施形態は、１つ以上のＣＬＣ層またはＣＬＣＧを備える、光学要素１２５０、１２５２、１２５４を有する。

【0196】

図２６は、実施形態による、ＥＰＥ等の外部結合光学要素として構成される、例示的光学導波デバイス２６００を図示する。導波デバイス２６００は、ＣＬＣＧ１１５０に結合され、および全内部反射（ＴＩＲ）によって、光を伝搬するように構成される、導波管１６０４を備える。本明細書に説明される種々の実施形態と同様に、ＣＬＣＧ１１５０は、例えば、図１１に関して前述で説明されるキラル構造１１６２－１、１１６２－２、．．．１１６２－ｉと類似様式において、複数のキラル構造として配列される液晶分子を備える。

【0197】

依然として、図２６を参照すると、導波管１６０４に結合されるＣＬＣＧ１１５０は、図９Ｂ、９Ｃに図示されるように、導波管１２１０、１２２０、１２３０のうちの個別の１つに結合される、外部結合光学要素１２５０、１２５２、１２５４のうちの任意の１つを表し得るが、個別の導波管１２１０、１２２０、１２３０の光出射側上に形成される、外部結合光学要素１２５０、１２５２、１２５４と異なり、ＣＬＣＧ１１５０は、導波管１６０４の光出射側の反対側上に形成される。したがって、いくつかの実施形態によると、外部結合光学要素１２５０、１２５２、１２５４のそれぞれおよび内部結合光学要素１２１２、１２２２、１２３２のうちの対応する１つは、導波管１２１０、１２２０、１２３０のうちの対応する１つの反対側上に形成される。動作時、例えば、内部結合光学要素１２１２、１２２２、１２３２（図９Ａ－９Ｃ）によって内部結合される光は、層面内方向に、ＴＩＲによって、それぞれ、導波管１２１０、１２２０、１２３０（図９Ａ－９Ｃ）内を伝搬する。内部結合された光は、次いで、存在するとき、光分散要素１２１４、１２２４、１２３４（図９Ａ－９Ｃ）上に衝突し得、これは、外部結合光学要素１２５０、１２５２、１２５４に向かって伝搬するように、光を偏向し得る。外部結合光学要素１２５０、１２５２、１２５４に接近する光は、図２６では、光２６０４によって表され得る。ＣＬＣＧ１１５０上への衝突に応じて、光２６０４の少なくとも一部は、ＣＬＣＧ１１５０によって、回折光２６０８として回折され得、これは、例えば、視認者の眼４（図７）の中に指向され得る。

【0198】

依然として、図２６を参照すると、図示されるＣＬＣＧ１１５０の液晶分子は、ある回転方向に連続的に回転され、キラル構造の液晶分子の配列は、層深度方向と垂直な側方方向に周期的に変動する。液晶分子の回転配列のため、光２６０４が、キラル構造の液晶分子の回転方向に合致する、偏光掌性、例えば、左掌性または右掌性のうちの１つを有する、楕円／円偏光であるとき、光２６０４は、ＣＬＣＧ１１５０によってブラッグ反射される。すなわち、ＣＬＣＧ１１５０内の液晶分子の回転配列は、ＣＬＣＧ１１５０が１つの掌性を有する光を選択的にブラッグ反射させる一方、反対掌性を有する光を非ブラッグ反射または透過させるようなものである。加えて、ブラッグ反射は、回折条件下で生じるため、ブラッグ反射された光２６０８は、一方向性（例えば、光の大部分は、図２６における矢印２６０８によって示される方向等、外部結合において１つの方向に向かって指向される）。外部結合された光は、均一偏光状態を保存することができ、これは、ＣＬＣ材料のキラリティに対応する。したがって、光学外部結合要素として構成されるとき、ＣＬＣＧ１１５０は、偏光器および一方向性反射体としての役割を果たし、これは、本明細書に説明される種々のディスプレイシステム内で他の光学コンポーネントとの効率的統合を可能にする。例えば、光学要素２６００は、射出瞳エクスパンダとして導波管ベースのＡＲディスプレイ内で使用され、単一方向に制御された偏光状態を伴う仮想画像を投影することができる。
（付加的側面）

【0199】

第１の側面では、回折格子は、複数のキラル構造を備える、コレステリック液晶（ＣＬＣ）層を備え、各キラル構造は、少なくともある螺旋ピッチによって、層深度方向に延在し、第１の回転方向に連続的に回転される、複数の液晶分子を備える。螺旋ピッチは、第１の回転方向における完全１回転によるキラル構造の液晶分子の正味回転角度に対応する、層深度方向における長さである。キラル構造の液晶分子の配列は、層深度方向と垂直な側方方向に周期的に変動する。

【0200】

第２の側面では、第１の側面の回折格子において、各キラル構造は、異なる伸長方向に沿って伸長される、少なくとも３つのカラミチック液晶分子を備える。

【0201】

第３の側面では、第１－第２の側面のいずれか１つの回折格子において、ＣＬＣ層は、層法線方向において見られると、第１の回転方向と合致される偏光の掌性を有する、楕円または円偏光を実質的にブラッグ反射させるように構成される一方、層深度方向において見られると、第１の回転方向と反対の偏光の掌性を有する、楕円または円偏光を実質的に透過させるように構成される。

【0202】

第４の側面では、第１－第３の側面のいずれか１つの回折格子において、側方方向に周期的に変動する液晶分子の配列は、層深度方向においてほぼ同一深度にある、連続的に側方に隣接するキラル構造の液晶分子が、３６０^ｏ／ｎ（ｎは、整数である）、第２の回転方向において連続的に回転されるようなものである。

【0203】

第５の側面では、第１－第４の側面のいずれか１つの回折格子において、側方方向に周期的に変動する液晶分子の配列は、側方に隣接するキラル構造によってブラッグ反射された楕円または円偏光が、側方に隣接するキラル構造間の第２の回転方向の回転の角度に比例する角度だけ位相偏移されるようなものである。

【0204】

第６の側面では、第１－第５の側面のいずれか１つの回折格子において、キラル構造は、実質的に同一螺旋ピッチを有する。

【0205】

第７の側面では、第１－第４の側面のいずれか１つの回折格子において、キラル構造は、それぞれ、少なくとも第１の螺旋ピッチによって、層深度方向に延在し、第１の回転方向に連続的に回転される、複数の第１の液晶分子を備える、第１の複数のキラル構造と、それぞれ、少なくとも第２の螺旋ピッチによって、層深度方向に延在し、第１の回転方向に連続的に回転される、複数の第２の液晶分子を備える、第２の複数のキラル構造とを備える。第１の螺旋ピッチおよび第２の螺旋ピッチは、第１のキラル構造および第２のキラル構造が、異なる軸外入射角を有する光をブラッグ反射させるように構成されるようなものである。

【0206】

第８の側面では、第７の側面の回折格子において、第１の複数のキラル構造は、第１のコレステリック液晶（ＣＬＣ）層内に形成され、第２の複数のキラル構造は、第１のＣＬＣ層にわたって形成され、層深度方向においてスタックされた第２のコレステリック液晶（ＣＬＣ）層内に形成される。

【0207】

第９の側面では、第７の側面の回折格子において、第１の複数のキラル構造は、コレステリック液晶（ＣＬＣ）層の第１の領域内に形成され、第２の複数のキラル構造は、層深度方向に第１の領域にわたって形成されるコレステリック液晶（ＣＬＣ）層の第２の領域内に形成される。

【0208】

第１０の側面では、第７の側面の回折格子において、第１の複数のキラル構造は、コレステリック液晶（ＣＬＣ）層の第１の領域内に形成され、および第２の複数のキラル構造は、コレステリック液晶（ＣＬＣ）層の第２の領域内に形成され、第１および第２の領域は、側方方向に側方に隣接する領域である。

【0209】

第１１の側面では、第７－第１０の側面のいずれか１つの回折格子において、第１および第２のキラル構造の一方または両方は、層深度方向および側方方向の一方または両方において、螺旋ピッチの勾配を形成する。

【0210】

第１２の側面では、導波デバイスは、それぞれ、複数のキラル構造を備える、１つ以上のコレステリック液晶（ＣＬＣ）層を備え、各キラル構造は、層深度方向に延在し、第１の回転方向に連続的に回転される、複数の液晶分子を備える。キラル構造の液晶分子の配列は、１つ以上のＣＬＣ層が入射光をブラッグ反射させるように構成されるように、層深度方向と垂直な側方方向に周期的に変動する。導波デバイスは、加えて、１つ以上のＣＬＣ層にわたって形成され、ブラッグ反射された光が、全内部反射（ＴＩＲ）によって、層深度方向と垂直な側方方向に進行するように、１つ以上のＣＬＣ層からブラッグ反射された光を光学的に結合するように構成される、１つ以上の導波管を備える。１つ以上のＣＬＣ層および１つ以上の導波管は、同一光学経路内にあるように構成される。

【0211】

第１３の側面では、第１２の側面の導波デバイスにおいて、複数のキラル構造はそれぞれ、少なくともある螺旋ピッチによって、層深度方向に延在し、螺旋ピッチは、第１の回転方向における完全１回転によるキラル構造の液晶分子の正味回転角度に対応する、層深度方向における長さである。

【0212】

第１４の側面では、第１２－第１３の側面のいずれか１つの導波デバイスは、複数のＣＬＣ層を備え、ＣＬＣ層のそれぞれ１つは、ＣＬＣ層の他のものと異なる波長を有する入射光を、ＣＬＣ層の他のものと異なるブラッグ反射角度で選択的にブラッグ反射させるように構成される、異なるように配列されるキラル構造を有する。

【0213】

第１５の側面では、第１２－第１４の側面のいずれか１つの導波デバイスにおいて、液晶層の周期的に変動する側方配列は、ある周期によって特徴付けられ、ＣＬＣ層のそれぞれ１つは、ＣＬＣ層の他のものと異なる周期を有する。

【0214】

第１６の側面では、第１２－第１５の側面のいずれか１つの導波デバイスにおいて、ＣＬＣ層のそれぞれ１つは、可視スペクトル内の波長を有する入射光を選択的にブラッグ反射させるように構成される。

【0215】

第１７の側面では、第１２－第１５の側面のいずれか１つの導波デバイスにおいて、ＣＬＣ層のそれぞれ１つは、赤外線スペクトル内の波長を有する入射光を選択的にブラッグ反射させる一方、可視スペクトル内の波長を有する光を透過させるように構成される。

【0216】

第１８の側面では、第１２－第１７の側面のいずれか１つの導波デバイスは、複数の導波管を備え、各導波管は、その上に形成されるＣＬＣ層のうちの１つに光学的に結合される。

【0217】

第１９の側面では、第１２－第１８の側面のいずれか１つの導波デバイスにおいて、複数のＣＬＣ層は、スタックを形成し、単一導波管が、スタック内のＣＬＣ層のそれぞれ１つに光学的に結合される。

【0218】

第２０の側面では、第１２－第１９の側面のいずれか１つの導波デバイスはさらに、偏光反射体を備え、１つ以上の導波管が、１つ以上のＣＬＣ層と偏光反射体との間に介在され、１つ以上のＣＬＣ層を通して、さらに導波管を通して透過する、楕円または円偏光入射光が、偏光反射体によって、楕円または円偏光入射光に対して反対偏光掌性を有する反射光として反射されるように構成される。

【0219】

第２１の側面では、第１２－第２０の側面のいずれか１つの導波デバイスは、導波管とスタックを形成する、第１のＣＬＣ層および第２のＣＬＣ層を備え、第１のＣＬＣ層および第２のＣＬＣ層のキラル構造は、反対回転方向に連続的に回転される。

【0220】

第２２の側面では、第２１の側面の導波デバイスにおいて、第１および第２のＣＬＣ層は、導波管上にスタックされる。

【0221】

第２３の側面では、第２１の側面の導波デバイスにおいて、第１および第２のＣＬＣ層は、導波管によって介在される。

【0222】

第２４の側面では、第１２－第２３の側面のいずれか１つの導波デバイスにおいて、１つ以上のＣＬＣ層はそれぞれ、１．３５を超える平均屈折率（ｎ_ＬＣ）を有し、ｎ_ＬＣは、通常屈折率（ｎ_ｏ）および通常外屈折率（ｎ_ｅ）の平均である、値を有する。

【0223】

第２５の側面では、第２４の側面の導波デバイスにおいて、１つ以上の導波管は、入射光が層深度方向に対してある入射角で１つ以上のＣＬＣ層上に入射すると、１つ以上のＣＬＣ層からブラッグ反射された光を光学的に結合するように構成され、入射角は、視野（ＦＯＶ）内にあって、その中では、回折効率は、２５％を上回り、少なくとも２０^ｏに及ぶ。

【0224】

第２６の側面では、第２４－第２５の側面のいずれか１つの導波デバイスにおいて、１つ以上のＣＬＣ層はそれぞれ、複屈折（Δｎ）約０．０５～０．７０を有する。第２４－第２６の側面のいずれかでは、１つ以上のＣＬＣ層のいずれかは、

【化7】

を上回る複屈折Δｎを有してもよく、θ_ｉｎｃは、導波デバイスの視野（ＦＯＶ）の入射角であって、ｎ_ｏは、１つ以上のＣＬＣ層の通常屈折率である。

【0225】

第２７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、フレームを備える。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、ディスプレイを備え、ディスプレイの少なくとも一部は、１つ以上の導波管を備える。１つ以上の導波管は、透明であって、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、ユーザが頭部搭載型ディスプレイデバイスを装着すると、ユーザの眼の正面の場所に配置される。ディスプレイはさらに、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つの回折格子とを備え、少なくとも１つの回折格子は、第１－第１１の側面のうちの任意の１つに記載の回折格子を備える。

【0226】

第２８の側面では、第２７の側面の頭部搭載型デバイスにおいて、１つ以上の光源は、ファイバ走査プロジェクタを備える。

【0227】

第２９の側面では、第２７－第２８の側面のいずれか１つの頭部搭載型デバイスは、画像コンテンツをユーザに複数の深度平面上で提示するように、光をユーザの眼の中に投影するように構成される。

【0228】

第３０の側面では、波長選択的コレステリック液晶反射体（ＣＬＣＲ）は、それぞれ、複数のキラル構造を備える、１つ以上のコレステリック液晶（ＣＬＣ）層を備え、各キラル構造は、層深度方向に延在し、第１の回転方向に連続的に回転される、複数の液晶分子を備える。キラル構造の液晶分子の配列は、１つ以上のＣＬＣ層が、第１の波長を有する第１の入射光を実質的にブラッグ反射させる一方、第２の波長を有する第２の入射光を実質的に透過させるように構成されるように、層深度方向と垂直な側方方向に周期的に変動する。

【0229】

第３１の側面では、第３０の側面の波長選択的ＣＬＣＲにおいて、１つ以上のＣＬＣ層はそれぞれ、層深度方向において見られると、第１の回転方向と合致される偏光の掌性を有する、楕円または円偏光の第１または第２の入射光を実質的にブラッグ反射させるように構成される一方、層深度方向において見られると、第１の回転方向と反対の偏光の掌性を有する、楕円または円偏光の第１または第２の入射光を実質的に透過させるように構成される。

【0230】

第３２の側面では、第３０－第３１の側面のいずれか１つの波長選択的ＣＬＣＲにおいて、側方方向に周期的に変動する液晶分子の配列は、第１の波長と周期との間の比率が約１．１～約１．５であるような周期を側方方向に有するように配列される。

【0231】

第３３の側面では、第３０－第３２の側面のいずれか１つの波長選択的ＣＬＣＲにおいて、第１の波長は、近赤外線範囲約７５０ｎｍ～約１４００ｎｍ内にあって、第２の波長は、可視範囲内にある。

【0232】

第３４の側面では、第３０－第３２の側面のいずれか１つの波長選択的ＣＬＣＲにおいて、１つ以上のＣＬＣ層は、第１の入射光が層深度方向に対して６０度を超える角度で反射されるように構成される。

【0233】

第３５の側面では、第３０－第３２の側面のいずれか１つの波長選択的ＣＬＣＲにおいて、キラル構造の複数の液晶分子は、層深度方向に対する法線の方向に対して事前傾斜される。

【0234】

第３６の側面では、ユーザの頭部上に装着されるように構成される、頭部搭載型ディスプレイ（ＨＭＤ）は、一対の耳掛け部を備える、フレームを備える。ＨＭＤは、加えて、対の光学要素がそれぞれ、ユーザの眼の正面に配置されることが可能であるように、フレームによって支持される、一対の光学要素を備える。ＨＭＤは、加えて、対の耳掛け部のうちの１つに搭載される、前向きに面した結像機を備える。ＨＭＤはさらに、第３０－第３５の側面のうちの任意の１つに記載のコレステリック液晶（ＣＬＣ）軸外ミラーを備える。コレステリック液晶（ＣＬＣ）軸外ミラーは、対の光学要素のうちの１つ内または上に配置され、反射要素によって反射された赤外線光を受光するように構成される、前向きに面した結像機に向かって、赤外線光を反射させるように構成される。

【0235】

第３７の側面では、第３６の側面のＨＭＤにおいて、ＣＬＣ軸外ミラーは、複数のＣＬＣ層を備え、ＣＬＣ層のそれぞれ１つは、ＣＬＣ層の他のものと異なる波長を有する入射光を、ＣＬＣ層の他のものと異なるブラッグ反射角度で選択的にブラッグ反射させるように構成される、異なるように配列されるキラル構造を有する。

【0236】

第３８の側面では、第３６－第３７の側面のいずれか１つのＨＭＤにおいて、液晶層の周期的に変動する側方配列は、ある周期によって特徴付けられ、ＣＬＣ層のそれぞれ１つは、ＣＬＣ層の他のものと異なる周期を有する。

【0237】

第３９の側面では、第３６－第３８の側面のいずれか１つのＨＭＤにおいて、ＣＬＣ層のそれぞれ１つは、赤外線スペクトル内の波長を有する入射光を選択的にブラッグ反射させる一方、可視スペクトル内の波長を有する入射光を透過させるように構成される。

【0238】

第４０の側面では、第３６－第３９の側面のいずれか１つのＨＭＤにおいて、対の光学要素はそれぞれ、可視光に対して透明である。

【0239】

第４１の側面では、第３６－第４０の側面のいずれか１つのＨＭＤにおいて、対の光学要素はそれぞれ、画像をユーザに表示するように構成される。

【0240】

第４２の側面では、導波デバイスは、それぞれ、複数のキラル構造を備える、１つ以上のコレステリック液晶（ＣＬＣ）層を備え、各キラル構造は、層深度方向に延在し、第１の回転方向に連続的に回転される、複数の液晶分子を備え、キラル構造の液晶分子の配列は、１つ以上のＣＬＣ層が入射光をブラッグ反射させるように構成されるように、層深度方向と垂直な側方方向に周期的に変動する。導波デバイスは、加えて、１つ以上のＣＬＣ層にわたって形成され、ブラッグ反射された光が、全内部反射（ＴＩＲ）によって、層深度方向と垂直な側方方向に進行するように、１つ以上のＣＬＣ層からブラッグ反射された光を光学的に結合するように構成される、１つ以上の導波管を含む。導波デバイスは、２０^ｏを超える、回折効率が２５％を上回る、視野（ＦＯＶ）を有するように構成される。

【0241】

第４３の側面では、第４２の側面の導波デバイスにおいて、１つ以上のＣＬＣ層はそれぞれ、１．３５を超える平均屈折率（ｎ_ＬＣ）を有し、ｎ_ＬＣは、通常屈折率（ｎ_ｏ）および通常外屈折率（ｎ_ｅ）の平均である、値を有する。

【0242】

第４４の側面では、第４２－第４３の側面のいずれか１つの導波デバイスにおいて、１つ以上のＣＬＣ層はそれぞれ、複屈折（Δｎ）約０．０５～０．７０を有する。

【0243】

第４５の側面では、ディスプレイデバイスは、導波管と、導波管上に形成され、その上に入射する光を導波管の第１の側の中に内部結合するように構成される、内部結合光学要素とを備え、内部結合光学要素および導波管は、導波管の中に内部結合された光が、全内部反射（ＴＩＲ）によって、導波管の面内方向に導波管内を伝搬するように構成される。ディスプレイデバイスは、加えて、導波管上に形成され、その上に入射する光を導波管から外部結合するように構成される、外部結合光学要素を備える。光外部結合要素は、複数のキラル構造を備える、コレステリック液晶（ＣＬＣ）層を備え、キラル構造はそれぞれ、ＣＬＣ層の層深度方向に延在し、第１の回転方向に連続的に回転される、複数の液晶分子を備え、キラル構造の液晶分子の配列は、層深度方向と垂直な側方方向に周期的に変動し、１つ以上のＣＬＣ層が、その上に入射する光を導波管から第１の側に向かってブラッグ反射させるように構成されるようなものである。

【0244】

第４６の側面では、第４５の側面のディスプレイデバイスにおいて、外部結合光学要素および内部結合光学要素は、導波管の反対側上に形成される。

【0245】

第４７の側面では、第４５の側面のディスプレイデバイスにおいて、光外部結合光学要素は、右回り円偏光または左回り円偏光のうちの１つを有する、光を選択的にブラッグ反射させるように構成される。

【0246】

第４８の側面では、第４５の側面のディスプレイデバイスにおいて、光外部結合光学要素は、第１の回転方向と同一方向の偏光方向を有する、光を選択的にブラッグ反射させるように構成される。

【0247】

第４９の側面では、第４５の側面のディスプレイデバイスにおいて、光内部結合光学要素は、液晶層を備える。

【0248】

第５０の側面では、第４９の側面のディスプレイデバイスにおいて、液晶層は、複数のキラル構造を備える、第２のＣＬＣ層を備え、キラル構造はそれぞれ、第２のＣＬＣ層の層深度方向に延在し、第１の回転方向に連続的に回転される、複数の液晶分子を備え、キラル構造の液晶分子の配列は、側方方向に周期的に変動する。
（付加的考慮点）

【0249】

上記に説明される実施形態では、拡張現実ディスプレイシステム、より具体的には、空間可変回折格子は、特定の実施形態に関連して説明される。しかしながら、実施形態の原理および利点は、空間可変回折格子の必要性を伴う、任意の他のシステム、装置、または方法のために使用されることができることを理解されるであろう。前述では、実施形態のうちの任意の１つの任意の特徴は、実施形態のうちの任意の他の１つの任意の他の特徴と組み合わせられる、および／またはそれで代用されることができることを理解されたい。

【0250】

文脈によって別様に明確に要求されない限り、説明および請求項全体を通して、単語「～を備える」、「～を備えている」、「～を含む」、「～を含んでいる」、および同等物は、排他的または包括的意味とは対照的に、包含的意味、すなわち、「限定ではないが～を含む」の意味で解釈されるべきである。単語「結合される」は、本明細書で概して使用されるように、直接接続されるか、または１つ以上の中間要素を経由して継続されるかのいずれかであり得る、２つ以上の要素を指す。同様に、単語「接続される」は、本明細書で概して使用されるように、直接接続されるか、または１つ以上の中間要素を経由して継続されるかのいずれかであり得る、２つ以上の要素を指す。加えて、単語「本明細書で」、「上記で」、「下記で」、「後述の」、「前述の」、および類似意味の単語は、本願で使用されるとき、全体として本願を指すものとし、本願の任意の特定の部分を指すものではない。文脈によって許容される場合、単数形または複数形を使用する上記の詳細な説明における単語はまた、それぞれ、複数形または単数形を含んでもよい。単語「または」は、２つ以上のアイテムのリストを参照する場合、本単語は、以下の単語の解釈の全て、すなわち、リスト内のアイテムのいずれか、リスト内のアイテムの全て、およびリスト内のアイテムの１つ以上のアイテムの任意の組み合わせを網羅する。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」または「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。

【0251】

本明細書で使用されるように、項目のリスト「～のうちの少なくとも１つ」を指す語句は、単一の要素を含む、それらの項目の任意の組み合わせを指す。ある実施例として、「Ａ、Ｂ、またはＣのうちの少なくとも１つ」は、Ａ、Ｂ、Ｃ、ＡおよびＢ、ＡおよびＣ、ＢおよびＣ、およびＡ、Ｂ、およびＣを網羅することが意図される。語句「Ｘ、Ｙ、およびＺのうちの少なくとも１つ」等の接続文は、別様に具体的に記載されない限り、概して、項目、用語等がＸ、Ｙ、またはＺのうちの少なくとも１つであり得ることを伝えるために使用されるような文脈で別様に理解される。したがって、そのような接続文は、概して、ある実施形態が、Ｘのうちの少なくとも１つ、Ｙのうちの少なくとも１つ、およびＺのうちの少なくとも１つがそれぞれ存在するように要求することを示唆することを意図されない。

【0252】

さらに、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．）」、「例えば（ｆｏｒ ｅｘａｍｐｌｅ）」、「等（ｓｕｃｈ ａｓ）」、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／または状態を含む一方、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／または状態が、１つ以上の実施形態に対していかようにも要求されること、またはこれらの特徴、要素、および／または状態が任意の特定の実施形態において含まれる、または実施されるべきかどうかを示唆することを意図されない。

【0253】

ある実施形態が、説明されたが、これらの実施形態は、一例としてのみ提示され、本開示の範囲を限定することを意図するものではない。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、種々の他の形態で具現化されてもよい。さらに、本明細書に説明される方法およびシステム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成されてもよい。例えば、ブロックが、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用いて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作用の任意の好適な組み合わせが、さらなる実施形態を提供するために組み合わせられることができる。上記に説明される種々の特徴およびプロセスは、相互に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。いずれの要素または要素の組み合わせも、すべての実施形態に関して必要または不可欠なわけではない。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が、本開示の範囲内であるように意図される。

【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11】

【図12】

【図13A】

【図13B】

【図13C】

【図14】

【図15】

【図16】

【図17A】

【図17B】

【図17C】

【図18】

【図19】

【図20】

【図21A】

【図21B】

【図22A】

【図22B】

【図22C】

【図23】

【図24A】

【図24B】

【図24C】

【図24D】

【図24E】

【図24F】

【図24G】

【図24H】

【図25】

【図26】