特表 2022-520801 光を透過させるための導波路

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公表特許公報(A)

(11)【公表番号】

(43)【公表日】2022-04-01

(54)【発明の名称】光を透過させるための導波路

(51)【国際特許分類】

   G02B 27/02 20060101AFI20220325BHJP

   G02B 5/18 20060101ALI20220325BHJP

   G02C 11/00 20060101ALN20220325BHJP

【ＦＩ】

G02B27/02 Z

G02B5/18

G02C11/00

【審査請求】未請求

【予備審査請求】未請求

(21)【出願番号】P 2021547184

(86)(22)【出願日】2020-01-22

(85)【翻訳文提出日】2021-10-11

(86)【国際出願番号】 US2020014506

(87)【国際公開番号】W WO2020167427

(87)【国際公開日】2020-08-20

(31)【優先権主張番号】62/804,967

(32)【優先日】2019-02-13

(33)【優先権主張国・地域又は機関】US

(81)【指定国・地域】

(71)【出願人】

【識別番号】397068274

【氏名又は名称】コーニング インコーポレイテッド

(74)【代理人】

【識別番号】100073184

【弁理士】

【氏名又は名称】柳田 征史

(74)【代理人】

【識別番号】100123652

【弁理士】

【氏名又は名称】坂野 博行

(74)【代理人】

【識別番号】100175042

【弁理士】

【氏名又は名称】高橋 秀明

(72)【発明者】

【氏名】ジニア，マイケル ルシアン

(72)【発明者】

【氏名】クロール，マーク フランシス

(72)【発明者】

【氏名】ムーア，マイケル ジョン

(72)【発明者】

【氏名】シュライバー，ホースト ハーバート アントン

【テーマコード（参考）】

2H006

2H199

2H249

【Ｆターム（参考）】

2H006CA00

2H199CA12

2H199CA50

2H199CA56

2H199CA66

2H199CA67

2H199CA74

2H199CA85

2H249AA02

2H249AA16

2H249AA60

2H249AA62

(57)【要約】

光学デバイスは、第２の湾曲光学素子と積層された第１の湾曲光学素子を含む、積層体を含む。上記第２の湾曲光学素子は、全内部反射によって光を伝播する。上記積層体はまた、上記光を上記第２の光学素子にインカップリング（ｉｎｃｏｕｐｌｅ）するインカップリング用回折格子と、上記第２の湾曲光学素子を介して上記インカップリング用回折格子に光学的に結合される、アウトカップリング（ｏｕｔｃｏｕｐｌｉｎｇ）用回折格子とを含む。上記アウトカップリング用回折格子は、上記光を方向決定する。上記第１の湾曲光学素子は第１の屈折率を有し、上記第２の湾曲光学素子は第２の屈折率を有し、上記第１の屈折率は、上記第２の屈折率とおよそ０．１５～１．２だけ異なる。

【特許請求の範囲】

【請求項1】

光学デバイス（１０４；１０６；４００）であって、
前記光学デバイス（１０４；１０６；４００）は、湾曲光学素子の積層体を備え、
前記積層体は：
第２の湾曲光学素子（４０４；５０２；６０２；７０４；８０４；９０４；１００４；１４００；１５００；１６００；１７０４；１８０４；１９０４；２００４）と積層された第１の湾曲光学素子（４０２；７０２；８０２；９０２；１００２；１７０２；１８０２；１９０２；２００２）であって、前記第２の湾曲光学素子（４０４；５０２；６０２；７０４；８０４；９０４；１００４；１４００；１５００；１６００；１７０４；１８０４；１９０４；２００４）は、全内部反射によって光を伝播するよう構成される、第１の湾曲光学素子（４０２；７０２；８０２；９０２；１００２；１７０２；１８０２；１９０２；２００２）；
前記光を前記第２の湾曲光学素子（４０４；５０２；６０２；７０４；８０４；９０４；１００４；１４００；１５００；１６００；１７０４；１８０４；１９０４；２００４）にインカップリング（ｉｎｃｏｕｐｌｅ）するよう構成された、インカップリング用回折格子（４１４；５１０；１９１４；２０１４）；及び
前記第２の湾曲光学素子（４０４；５０２；６０２；７０４；８０４；９０４；１００４；１４００；１５００；１６００；１７０４；１８０４；１９０４；２００４）を介して前記インカップリング用回折格子（４１４；５１０；１９１４；２０１４）に光学的に結合される、アウトカップリング（ｏｕｔｃｏｕｐｌｉｎｇ）用回折格子（４１２；６０８；７１０；８１０；９１０；１０１２；１４０２；１５０２；１６０２；１８０４）であって、前記アウトカップリング用回折格子（４１２；６０８；７１０；８１０；９１０；１０１２；１４０２；１５０２；１６０２；１８０４）は、前記光を方向決定するよう構成される、アウトカップリング用回折格子（４１２；６０８；７１０；８１０；９１０；１０１２；１４０２；１５０２；１６０２；１８０４）
を備え、
前記第１の湾曲光学素子（４０２；７０２；８０２；９０２；１００２；１７０２；１８０２；１９０２；２００２）は第１の屈折率を有し、
前記第２の湾曲光学素子（４０４；５０２；６０２；７０４；８０４；９０４；１００４；１４００；１５００；１６００；１７０４；１８０４；１９０４；２００４）は第２の屈折率を有し、
前記第１の屈折率は、前記第２の屈折率とおよそ０．１５～１．２だけ異なる、光学デバイス。

【請求項2】

前記積層体は、前記第２の湾曲光学素子（４０４；５０２；６０２；７０４；８０４；９０４；１００４；１４００；１５００；１６００；１７０４；１８０４；１９０４；２００４）と積層された第３の湾曲光学素子（４０６；１７０６；１８０６；１９０６；２００６）を更に備え、
前記第３の湾曲光学素子（４０６；１７０６；１８０６；１９０６；２００６）は、前記第２の湾曲光学素子（４０４；５０２；６０２；７０４；８０４；９０４；１００４；１４００；１５００；１６００；１７０４；１８０４；１９０４；２００４）を保護するように構成され、
前記第３の湾曲光学素子（４０６；１７０６；１８０６；１９０６；２００６）は、前記第２の屈折率とおよそ０．１５～１．２だけ異なる第３の屈折率を有する、請求項１に記載の光学デバイス（１０４；１０６；４００）。

【請求項3】

前記第１の屈折率はおよそ１．４～１．６であり、前記第２の屈折率はおよそ１．７より大きい、請求項１又は２に記載の光学デバイス（１０４；１０６；４００）。

【請求項4】

前記アウトカップリング用回折格子（４１２；６０８；７１０；８１０；９１０；１０１２；１４０２；１５０２；１６０２；１８０４）は更に、前記光の少なくとも一部分を前記第１の湾曲光学素子（４０２；７０２；８０２；９０２；１００２；１７０２；１８０２；１９０２；２００２）へとアウトカップリングするよう構成される、請求項１～３のいずれか１項に記載の光学デバイス（１０４；１０６；４００）。

【請求項5】

前記第１の湾曲光学素子（４０２；７０２；８０２；９０２；１００２；１７０２；１８０２；１９０２；２００２）と前記第２の湾曲光学素子（４０４；５０２；６０２；７０４；８０４；９０４；１００４；１４００；１５００；１６００；１７０４；１８０４；１９０４；２００４）との間に位置決めされた中間層、及び／又は前記第２の湾曲光学素子（４０４；５０２；６０２；７０４；８０４；９０４；１００４；１４００；１５００；１６００；１７０４；１８０４；１９０４；２００４）と前記第３の湾曲光学素子（４０６；１７０６；１８０６；１９０６；２００６）との間に位置決めされた別の中間層を更に備え、
前記中間層及び／又は前記別の中間層は、空隙及び接着材料のうちのいずれか一方を含む、請求項２～４のいずれか１項に記載の光学デバイス。

【発明の詳細な説明】

【優先権】

【0001】

本出願は、２０１９年２月１３日出願の米国仮特許出願第６２／８０４，９６７号に対する優先権の利益を主張するものであり、上記仮特許出願の内容は依拠され、参照によりその全体が本出願に援用される。

【技術分野】

【0002】

本開示は、光をガイドするため、例えば光をヘッドマウントディスプレイへとガイドするための、導波路に関する。

【背景技術】

【0003】

光投射技術の近年の進歩により、ヘッドマウントディスプレイの可用性及び人気が高まっている。ヘッドマウントディスプレイは現在、デジタル仮想画像をユーザに提示できる。オブジェクト又は他の情報を表すことができる仮想画像は、ユーザの周囲環境に存在するかのようになる。これは典型的には、光学素子（例えばレンズ）の様々な位置からユーザの眼へと光を直接投射することによって達成される。ヘッドマウントディスプレイは、ニア・ツー・アイ（ｎｅａｒ‐ｔｏ‐ｅｙｅ）又はニアアイ（ｎｅａｒ‐ｅｙｅ）デバイスとも呼ばれる。これらの用語は、従来の電子ディスプレイ（例えばモニタースクリーン）とは異なる、画像形成のための光学的計算を参照する。ヘッドマウントディスプレイのユーザにとって、ユーザが周囲環境から隔離されていながら仮想画像を提示されている場合には、視覚的体験は「仮想現実（ｖｉｒｔｕａｌ ｒｅａｌｉｔｙ）」と呼ばれることが多い。用語「拡張現実（ａｕｇｍｅｎｔｅｄ ｒｅａｌｉｔｙ）」は多くの場合、仮想画像が現実世界の環境に対する上層としてユーザに提示されて、ユーザが受け取る視覚情報を強化する、視覚体験を指す。また、視覚体験によってユーザが、ユーザの現実世界の環境に組み込まれたように見える視覚的オブジェクトと対話できる場合、この体験は「複合現実（ｍｉｘｅｄ ｒｅａｌｉｔｙ）」と呼ばれることが多い。

【0004】

「非没入型（ｎｏｎ‐ｉｍｍｅｒｓｉｖｅ）」ヘッドマウントディスプレイは、光方向決定素子を用いて、ユーザの眼にデジタル情報を投射する。上記光方向決定素子は、ユーザの視野の大半を、デジタル情報がないままとする（非没入型視覚体験）。携帯電話用仮想現実ヘッドセットは、「没入型（ｉｍｍｅｒｓｉｖｅ）」ヘッドマウントディスプレイの一例である。ユーザは自身の携帯電話をヘッドセットに装着する。次にヘッドセットを、携帯電話のスクリーンがユーザの視野の大半をカバーするように、ユーザに装着する（没入型視覚体験）。これらのタイプのヘッドマウントディスプレイでは、追加の光学素子（例えば眼鏡レンズ）は任意であり、必要ではない。別の例では、没入型ヘッドマウントディスプレイは、積層されたときに、ユーザの視野の大部分にわたって広がる眼鏡レンズのようになる、１つ以上のシースルー材料の１つ以上の層を通して、光をガイドできる。このタイプのヘッドマウントディスプレイは、光をユーザの眼に投射することによって、複合現実体験を生成できる。これは、ユーザの視野の様々な点から（例えばレンズの背面上の異なる複数の点から）のものであるように見える。その一方で同時に、現実の環境を完全に視認できるようにすることができる。しかしながら、これらのタイプのヘッドマウントディスプレイは大型であり、見物人及び通行人から不要な注意を集める可能性があるため、公共の場での使用には魅力的でない。

【0005】

現在、ヘッドマウントディスプレイの広範な適用にとっての障壁は、特にコスト、サイズ、電子機器面での課題、光学的課題、社会的受容に関する課題である。例えばヘッドマウントディスプレイは、社会的により受容されているアイウェア（例えば度付き眼鏡、サングラス）よりもはるかに大型であり、目立つことが知られている。ユーザの眼への光の輸送を提供する光学素子のサイズの削減は、困難である。

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

仮想現実、拡張現実、及び複合現実用途のための光投射を達成できる、低コストで目立たない光学素子に対する需要が、当該技術分野に存在する。

【課題を解決するための手段】

【0007】

第１の実施形態によると、光学デバイスは、湾曲光学素子の積層体を備える。上記積層体は、第２の湾曲光学素子と積層された第１の湾曲光学素子を備える。上記第２の湾曲光学素子は、全内部反射によって光を伝播するよう構成される。上記積層体は更に、上記光を上記第２の湾曲光学素子にインカップリング（ｉｎｃｏｕｐｌｅ）するよう構成された、インカップリング用回折格子と、上記第２の湾曲光学素子を介して上記インカップリング用回折格子に光学的に結合される、アウトカップリング（ｏｕｔｃｏｕｐｌｉｎｇ）用回折格子とを備え、上記アウトカップリング用回折格子は、上記光を方向決定するよう構成される。上記第１の湾曲光学素子は第１の屈折率を有し、上記第２の湾曲光学素子は第２の屈折率を有し、上記第１の屈折率は、上記第２の屈折率とおよそ０．１５～１．２だけ異なる。

【0008】

第２の実施形態は、上記積層体が、上記第２の湾曲光学素子と積層された第３の湾曲光学素子を更に備える、第１の実施形態の光学デバイスを含む。上記第３の湾曲光学素子は、上記第２の湾曲光学素子を保護するように構成され、上記第２の屈折率とおよそ０．１５～１．２だけ異なる第３の屈折率を有する。

【0009】

第３の実施形態は、上記第１及び／又は第３の屈折率が上記第２の屈折率より高い、第１又は第２の実施形態の光学デバイスを含む。

【0010】

第４の実施形態は、上記第１及び／又は第３の屈折率が上記第２の屈折率より低い、第１又は第２の実施形態の光学デバイスを含む。

【0011】

第５の実施形態は、上記第１及び／又は第３の屈折率がおよそ１．４～１．６であり、上記第２の屈折率がおよそ１．７より大きい、第１、第２、又は第４の実施形態の光学デバイスを含む。

【0012】

第６の実施形態は、上記アウトカップリング用回折格子が更に、上記光の少なくとも一部分を上記第２の湾曲光学素子へと方向転換するよう構成される、第１～第５の実施形態のいずれかの光学デバイスを含む。

【0013】

第７の実施形態は、上記アウトカップリング用回折格子が更に、上記光の少なくとも一部分を上記第１の湾曲光学素子へとアウトカップリングするよう構成される、第１～第６の実施形態のいずれかの光学デバイスを含む。

【0014】

第８の実施形態は、上記アウトカップリング用回折格子が、上記第１の湾曲光学素子と上記第２の湾曲光学素子との間の境界に沿って、上記第２の湾曲光学素子と上記第３の湾曲光学素子との間の境界に沿って、又は上記第２の湾曲光学素子の内側に、位置決めされる、第１～第７の実施形態のいずれかの光学デバイスを含む。

【0015】

第９の実施形態は、上記インカップリング用回折格子が、上記第１の湾曲光学素子と上記第２の湾曲光学素子との間の境界に沿って、上記第２の湾曲光学素子と上記第３の湾曲光学素子との間の境界に沿って、又は上記第２の湾曲光学素子の内側に、位置決めされる、第１～第８の実施形態のいずれかの光学デバイスを含む。

【0016】

第１０の実施形態は、上記アウトカップリング用回折格子が、反射型格子又は屈折型格子を含む、第１～第９の実施形態のいずれかの光学デバイスを含む。

【0017】

第１１の実施形態は、上記インカップリング用回折格子が、反射型格子又は屈折型格子を含む、第１～第１０の実施形態のいずれかの光学デバイスを含む。

【0018】

第１２の実施形態は、上記アウトカップリング用回折格子及び上記インカップリング用回折格子が更に、上記光を、－１次透過、＋１次透過、－１次反射、及び／又は＋１次反射を用いて方向決定するよう構成される、第１０又は第１１の実施形態の光学デバイスを含む。

【0019】

第１３の実施形態は、上記光が、上記インカップリング用回折格子と相互作用する前に上記第１の湾曲光学素子を通って透過する、第１～第１２の実施形態のいずれかの光学デバイスを含む。

【0020】

第１４の実施形態は、上記光が、上記インカップリング用回折格子と相互作用する前に上記第１の湾曲光学素子を通って透過しない、第１～第１３の実施形態のいずれかの光学デバイスを含む。

【0021】

第１５の実施形態は、上記光学デバイスが、上記第１の湾曲光学素子と上記第２の湾曲光学素子との間に位置決めされた中間層、及び／又は上記第２の湾曲光学素子と上記第３の湾曲光学素子との間に位置決めされた別の中間層を更に備える、第１～第１４の実施形態のいずれかの光学デバイスを含む。

【0022】

第１６の実施形態は、上記中間層及び／又は上記別の中間層が、空隙又は接着材料を含む、第１５の実施形態の光学デバイスを含む。

【0023】

第１７の実施形態は、上記光が赤色、緑色、及び／又は青色波長を含む、第１～第１６の実施形態のいずれかの光学デバイスを含む。

【0024】

第１８の実施形態は、上記第１の湾曲光学素子、上記第２の湾曲光学素子、及び／又は上記第３の湾曲光学素子が、上記光学デバイスを支持して上記光学デバイスの曲がりを防止するよう構成された、剛体を備える、第１～第１７の実施形態のいずれかの光学デバイスを含む。

【0025】

第１９の実施形態は、上記光学デバイスが、およそベース２、ベース４、ベース６、ベース８、又はベース１０より大きなベースカーブを更に備える、第１～第１８の実施形態のいずれかの光学デバイスを含む。

【0026】

第２０の実施形態は、上記第２の湾曲光学素子の厚さが、およそ１０００マイクロメートル、８００マイクロメートル、又は６００マイクロメートルを超えない、第１～第１９の実施形態のいずれかの光学デバイスを含む。

【0027】

第２１の実施形態は、上記光学デバイスの厚さが、およそ１５ｍｍ、１２ｍｍ、１１ｍｍ、又は１０ｍｍを超えない、第１～第２０の実施形態のいずれかの光学デバイスを含む。

【0028】

第２２の実施形態は、上記第２の湾曲光学素子が、窒化ケイ素、酸窒化ケイ素、ハフニア（ｈａｆｎｉａ）、アルミナ、タンタラ（ｔａｎｔａｌａ）、酸窒化タンタル、二酸化チタン、ジルコニア、酸化スカンジウム、酸化ニオブ、チタン酸ランタン、ランタナ（ｌａｎｔｈａｎａ）、セリア、プラセオジミア（ｐｒａｓｅｏｄｙｍｉａ）、又はイットリアを含む、第１～第２１の実施形態のいずれかの光学デバイスを含む。

【0029】

第２３の実施形態は、上記第１及び／又は第３の光学素子が、ポリメチルメタクリレート、ポリメチルペンテン、シクロオレフィンポリマー、環状オレフィンコポリマー、スチレンアクリレート、ポリカーボネート、ＣＲ‐３９、ポリスチレン、ポリエーテルイミド、ポリエーテルスルホン、ポリエチレンテレフタレート、又は高純度溶融シリカを含む、第１～第２２の実施形態のいずれかの光学デバイスを含む。

【0030】

第２４の実施形態は、上記第３の湾曲光学素子が、現実世界の画像に対する眼科矯正力を提供するよう構成された光学的形状を有する、第１～第２３の実施形態のいずれかの光学デバイスを含む。

【0031】

第２５の実施形態は、眼科矯正力がおよそ－１０～１０ジオプターである、第２４の実施形態の光学デバイスを含む。

【0032】

第２６の実施形態は、上記アウトカップリング用回折格子が更に、上記光が集束する、発散する、又は実質的にコリメートされるように、上記光のうちのアウトカップリングされた部分を方向決定するよう構成される、第１～第２５の実施形態のいずれかの光学デバイスを含む。

【0033】

第２７の実施形態は、上記第１の湾曲光学素子が、上記光が上記第１の湾曲光学素子を出るときに集束する、発散する、又は実質的にコリメートされるように、上記光のうちの上記アウトカップリングされた部分を方向転換するよう構成される、第１～第２６の実施形態のいずれかの光学デバイスを含む。

【0034】

第２８の実施形態は、上記光学デバイスが更に、およそ４０°超かつおよそ１４０°未満、およそ６０°超かつおよそ１４０°未満、およそ８０°超かつおよそ１４０°未満、およそ１００°超かつおよそ１４０°未満、又はおよそ１２０°超かつおよそ１４０°未満の最大水平視野を有する、第１～第２７の実施形態のいずれかの光学デバイスを含む。

【0035】

第２９の実施形態は、上記光学デバイスが更に、上記インカップリングされた光を拡張するよう構成された少なくとも１つの中間格子を備え、これにより、上記光のうちの上記アウトカップリングされた部分が２次元アレイを形成し、上記アレイの各構成要素が、上記インカップリングされた光の複製である、第１～第２８の実施形態のいずれかの光学デバイスを含む。

【0036】

第３０の実施形態は、光学デバイスの系を含み、上記系は、第１の実施形態の光学デバイスを複数備える。

【0037】

本明細書に記載のプロセス及びシステムの更なる特徴及び利点は、以下の「発明を実施するための形態」に記載され、またその一部は、当業者には、「発明を実施するための形態」の記載から容易に明らかになるか、又は以下の「発明を実施するための形態」、特許請求の範囲、及び添付の図面を含む本明細書に記載された実施形態を実践することによって、容易に認識されるだろう。

【0038】

以上の「発明の概要」及び以下の「発明を実施するための形態」はいずれも、様々な実施形態を説明しており、請求対象の主題の性質及び特徴を理解するための概観又は枠組みを提供することを意図している。添付の図面は、上記様々な実施形態の更なる理解を提供するために含まれており、本明細書に組み込まれて本明細書の一部を構成する。図面は、本明細書に記載の様々な実施形態を図示し、本記載と併せて、請求対象の主題の原理及び動作を説明する役割を果たす。

【0039】

図面に記載の実施形態は、説明的及び例示的性質のものであり、特許請求の範囲によって定義される主題を限定することを意図したものではない。これらの説明用の実施形態の以下の詳細な説明は、以下の図面と併せて読むと理解できる。

【図面の簡単な説明】

【0040】

【図1】１つ以上の実施形態による、光学デバイスを装用するユーザの上面図

【図2】１つ以上の実施形態による光学デバイス

【図3】１つ以上の実施形態による光学デバイス

【図4】１つ以上の実施形態による光学デバイス

【図5】１つ以上の実施形態による、平面又は湾曲光学デバイスの入力セクション

【図6】１つ以上の実施形態による、平面又は湾曲光学デバイスの出力セクション

【図7】１つ以上の実施形態による、湾曲光学デバイスの出力セクション

【図8】１つ以上の実施形態による、湾曲光学デバイスの出力セクション

【図9】１つ以上の実施形態による、湾曲光学デバイスの出力セクション

【図10】１つ以上の実施形態による、湾曲光学デバイスの出力セクション

【図11】１つ以上の実施形態による平面光導体

【図12】１つ以上の実施形態による平面光導体

【図13】１つ以上の実施形態による平面光導体

【図14】１つ以上の実施形態による湾曲光導体

【図15】１つ以上の実施形態による湾曲光導体

【図16】１つ以上の実施形態による湾曲光導体

【図17】１つ以上の実施形態による、湾曲光学デバイスの出力セクション

【図18】１つ以上の実施形態による、湾曲光学デバイスの出力セクション

【図19】１つ以上の実施形態による、光学デバイスの入力セクション

【図20】１つ以上の実施形態による、光学デバイスの入力セクション

【図21】１つ以上の実施形態による光学デバイス

【発明を実施するための形態】

【0041】

本発明の特徴及び利点は、以下に記載された「発明を実施するための形態」を図面と併せて参照すると、より明らかになるだろう。図面では全体を通して、同様の参照記号によって、対応する要素を識別する。図面では、同様の参照番号は全体として、同一の、機能的に類似した、及び／又は構造的に類似した要素を指す。更に全体として、参照番号の一番左の１つ以上の桁は、この参照番号が最初に現れる図を識別する。特段の指示がない限り、本開示全体を通して提供されている図面は、正確な縮尺の図面として解釈してはならない。

【0042】

以下、デジタル画像を特にヘッドマウントディスプレイに表示するための光学素子及び方法の実施形態について、詳細に言及する。これらの例は添付の図面に図示されている。

【0043】

本明細書では、光学デバイス（例えば光導体を備えたウェアラブルレンズ）の設計及び製造を促進するための実施形態を説明し、上記光学デバイスは、光ビームをガイドでき、また光ビームを、１つ以上の上記光学デバイスを採用したヘッドマウントディスプレイのユーザに対して、デジタル画像として出力できる。

【0044】

概算を意味する用語、例えば「おおよその（ａｐｐｒｏｘｉｍａｔｅ）」、「およそ（ａｐｐｒｏｘｉｍａｔｅｌｙ）」、「約（ａｂｏｕｔ）」等は、本明細書では、ある特定の技術、及び／又は１つ以上の特定のパラメータに基づいて変動し得る所与の量の値を示すために使用できる。例えば、概算を意味する用語は、量、サイズ、処方、パラメータ、並びに他の量及び特徴を修飾してよく、必ずしも正確でなく、必要に応じて許容誤差、換算係数、丸め、測定誤差等、及び当業者に公知のその他の因子を反映した、おおよそのもの、及び／又は大きい若しくは小さいものであってよい。このような概算を意味する用語は、所与の量の値が、例えばこの値の０～１０％（例えばこの値の±０．５％、±５％、又は±１０％）以内で変動することを示していてよい。

【0045】

方向及び空間的関係を意味する用語、例えば「…の下（ｂｅｎｅａｔｈ）」、「…の下方（ｂｅｌｏｗ）」、「…より下（ｌｏｗｅｒ）」、「…の上方（ａｂｏｖｅ）」、「…の上（ｏｎ）」、「…より上（ｕｐｐｅｒ）」、「上部（ｔｏｐ）」、「底部（ｂｏｔｔｏｍ）」、「左（ｌｅｆｔ）」、「右（ｒｉｇｈｔ）」等は、本明細書では、説明を分かりやすくするために、図面に図示されているような、ある要素又は特徴の、別の１つ以上の要素又は特徴に対する関係を説明するために使用され得る。方向及び空間的関係を意味する用語は、図面に図示された配向に加えて、使用中又は動作中のデバイスの異なる複数の配向を包含することを意図したものである。装置は他の配向となる（９０°又は他の配向で回転される）場合があり、本明細書中で使用される、方向及び空間的関係を意味する用語は、これに伴って同様に解釈され得る。

【0046】

用語「観察者（ｖｉｅｗｅｒ）」、「装用者（ｗｅａｒｅｒ）」、「典型的な装用者（ｔｙｐｉｃａｌ ｗｅａｒｅｒ）」、「ユーザ（ｕｓｅｒ）」、「典型的なユーザ（ｔｙｐｉｃａｌ ｕｓｅｒ）」等は、本明細書では特に、全体としての中央値のユーザ、人口統計学又はアクティビティによる中央値のユーザ、あるいは人間に関する測定値の規格又は公知のデータベースに一致する身体的寸法を有するユーザを指すために使用され得る。例えば、典型的なヘッドマウントディスプレイユーザは、米国国家規格協会（Ａｍｅｒｉｃａｎ Ｎａｔｉｏｎａｌ Ｓｔａｎｄａｒｄｓ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ：ＡＮＳＩ）、欧州規格、又は人体測定調査に一致する身体的寸法を有するユーザであってよい。

【0047】

用語「光（ｌｉｇｈｔ）」は、本明細書では「電磁放射（ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ ｒａｄｉａｔｉｏｎ）」、又は単に「放射（ｒａｄｉａｔｉｏｎ）」の一形態を示すために使用でき、これらの用語は相互交換可能なものとして使用され得る。同様に、用語「ビーム（ｂｅａｍ）」は、本明細書ではビーム又はビーム状の構成を有する光を指すために使用できる。

【0048】

用語「光導体（ｌｉｇｈｔｇｕｉｄｅ）」は、本明細書では光をガイドする光学部品、いわゆる「導波路（ｗａｖｅｇｕｉｄｅ）」を指すために使用でき、用語「光導体」及び「導波路」は相互交換可能なものとして使用され得る。

【0049】

用語「屈折率（ｉｎｄｅｘ）」は、本明細書では屈折率（ｒｅｆｒａｃｔｉｖｅ ｉｎｄｅｘ）を指すために使用でき、またこの用語は材料の特徴を示すために使用でき、例えば「高屈折率材料（ｈｉｇｈｅｒ ｉｎｄｅｘ ｍａｔｅｒｉａｌ）」は、別の材料と比較して高い屈折率を有する材料を指すことができる。

【0050】

用語「入力（ｉｎｐｕｔ）」、「入射（ｌａｕｎｃｈ）」、「インカップリング（ｉｎｃｏｕｐｌｅ）」、「注入（ｉｎｊｅｃｔ）」等は、本明細書では媒体に入る光を説明するために使用できる。同様に、用語「出力（ｏｕｔｐｕｔ）」、「出る（ｅｘｉｔ）」、「アウトカップリング（ｏｕｔｃｏｕｐｌｅ）」、「射出（ｅｊｅｃｔ）」等は、本明細書では媒体を出る光を説明するために使用できる。

【0051】

ヘッドマウントディスプレイの多くの進歩にも関わらず、広い視野、非電子的なアイウェアに迫るフォームファクタ、及び構成コストの削減を可能としながら優れた光学的品質を有する光学的構造体に対して、需要が存在し続けている。

【0052】

光導体は、光が伝播する際に、ある空間領域に閉じ込められた光をガイドする、光学的構造体である。光の閉じ込めは典型的には、光導体とその周囲の材料との間の屈折率の差、及び光が光導体に入射する角度を用いて達成される。正しい条件下では、光は全内部反射する。一般的な光導体の一例は光ファイバであり、これは光の伝播を、狭い「パイプ」、即ち光ファイバのいわゆるコアに沿って閉じ込める。典型的には、伝播は比較的低損失であり、即ち光導体を通って漏れる、又はその他の様式で減衰する光はごくわずかであり、多くの場合無視できる。光ファイバを通る光の移動経路は、比較的直線状である（例えば光ファイバの光軸に沿ってしか移動しない）が、２次元光導体を、周囲の材料との屈折率差を有する材料の薄い平面層として設計できる。光導体を取り囲む材料は、クラッド又は空気であってよい。更に、このような平面状の光導体は、平坦な面に限定されない場合がある。例えば、ある２次元曲率に従うように光導体を湾曲させてよい。限定ではなく単に説明を容易にすることを目的として、用語「光導体」は、特段の記載がない限り、この２次元のものを指すものとする。

【0053】

湾曲光導体は、平面光導体に比べて様々な利点を有する。例えば、光導体を、ヘッドマウントディスプレイのウェアラブルレンズとして使用できる。この例では、光導体の曲率により：より広い視野を可能とする、ユーザの顔を包み込むフォームファクタ；及び一般的なアイウェア（例えば眼鏡）に似たフォームファクタが可能となる。

【0054】

図１は、１つ以上の実施形態による、光学デバイス１０４及び光学デバイス１０６を装用したユーザ１０２の上面図を示す。いくつかの実施形態では、光学デバイス１０４及び光学デバイス１０６は湾曲している。光学デバイス１０４及び光学デバイス１０６は、例えばアイウェアのフレーム（図示せず）によって支持される。光学デバイス１０４及び光学デバイス１０６は、装用時、ユーザ１０２の直線状の視線の経路内にある。いくつかの実施形態では、光学デバイス１０４及び光学デバイス１０６はユーザ１０２の顔を包み込む。いくつかの実施形態では、光学デバイス１０４は、光１０８をユーザ１０２の眼に送るよう構成される。同様に、光学デバイス１０６は、光１１０をユーザ１０２の別の眼に送るよう構成される。いくつかの実施形態では、光学デバイス１０４及び光学デバイス１０６を、アイウェア（例えばゴーグル、バイザー等）に使用される一体レンズの類似物を形成する一体型光学デバイスとして、組み合わせてよい。

【0055】

湾曲光導体について詳述する前に、まず平面光導体について検討することが有益である。図２は、１つ以上の実施形態による光学デバイス２００を示す。いくつかの実施形態では、光学デバイス２００は、光導体２０２、材料２０４、境界２０６ａ、境界２０６ｂ、格子２０８、及び格子２１０を備える。格子２０８及び格子２１０はそれぞれ、アウトカップリング用回折格子及びインカップリング用回折格子と呼ぶこともできる。例えば格子の機能に従ったこのような命名スキームは、本明細書中において、本開示の他の実施形態の格子にも使用され得る。

【0056】

いくつかの実施形態では、材料２０４は光導体２０２を取り囲む。いくつかの実施形態では、格子２０８及び／又は格子２１０は、境界２０６ｂに位置決めされていてよい。いくつかの実施形態では、格子２０８及び／又は格子２１０は、境界２０６ａ（図示されていない位置）に位置決めされていてよい。いくつかの実施形態では、格子２０８及び／又は格子２１０は、例えば材料２０４と接触しない光導体２０２内（図示されていない位置）に位置決めされていてよい。格子２０８及び格子２１０の異なる複数の位置によって、格子の反射挙動又は屈折挙動の使用が可能となる。これらについては図５及び６を参照して後述する。境界２０６ａ及び境界２０６ｂはおおよそ平行である。

【0057】

いくつかの実施形態では、光導体２０２は、境界２０６ａと境界２０６ｂとの間の全内部反射（ＴＩＲ）によって光２１２をガイドする。光導体２０２は屈折率ｎ_ｄを有し、材料２０４は屈折率ｎ_０を有する。いくつかの実施形態では、ｎ_ｄはｎ_０とは異なる。いくつかの実施形態では、ＴＩＲを可能とするために、ｎ_ｄはｎ_０より大きい。そして、光が境界２０６ａ又は境界２０６ｂに：

【0058】

【数1】

【0059】

となるような入射角θ_ｉで入射すると、ＴＩＲが起こり、ここでθ_ｃはいわゆる臨界角である。他の実施形態では、ｎ_ｄはｎ_０より小さい。

【0060】

境界２０６ａ及び境界２０６ｂがおおよそ平行である構成では、光導体２０２内でＴＩＲを受ける光２１２は、通常、境界２０６ａ又は境界２０６ｂを通って光導体２０２から出ることはできない。従っていくつかの実施形態では、格子２０８を用いて、光導体２０２から光２１２をアウトカップリングする。同様に、境界２０６ａ及び境界２０６ｂがおおよそ平行である構成では、光２１２は通常、条件θ_ｉ≧θ_ｃをもたらすような角度で光導体２０２に入ることはできない。従っていくつかの実施形態では、格子２１０を用いて、光２１２をある角度で光導体２０２へとインカップリングする。格子２０８及び格子２１０のこれらの構成により、光２１２の方向を修正して、条件θ_ｉ≧θ_ｃを生成又は破棄する。

【0061】

ＴＩＲ性能は、光導体の表面の損傷及び摩耗に対して敏感である。ＴＩＲ性能は、光導体の比較的大規模な構造変化、例えば光導体が薄い場合又は可撓性材料製である場合に発生し得る光導体の曲げに対しても、敏感である。より堅固な構造を実現して光導体を衝撃から保護するオーバーモールド、カプセル、又はクラッドを含むことが、光学デバイスにとって有利となる。

【0062】

図３は、１つ以上の実施形態による光学デバイス３００を示す。いくつかの実施形態では、光学デバイス３００は、支持層３０２、光導体３０４、境界３０８、境界３１０、格子３１２、及び格子３１４を備える。いくつかの実施形態では、光学デバイス３００は保護層３０６を備える。

【0063】

いくつかの実施形態では、支持層３０２、光導体３０４、及び保護層３０６は平坦である。支持層３０２は境界３１０において、光導体３０４と積層される。保護層３０６は境界３０８において、光導体３０４と積層される。いくつかの実施形態では、光学デバイス３００の厚さ及び／又は全体的なサイズを削減するために、保護層３０６は存在しなくてもよい。いくつかの実施形態では、格子３１２及び／又は格子３１４は境界３１０に位置決めされる。いくつかの実施形態では、格子３１２及び／又は格子３１４は境界３０８（図示されていない位置）に位置決めされる。いくつかの実施形態では、格子３１２及び／又は格子３１４は、例えば支持層３０２又は保護層３０６と接触しない光導体３０４内（図示されていない位置）に位置決めされる。

【0064】

いくつかの実施形態では、光導体３０４は、境界３０８と境界３１０との間のＴＩＲを用いて光３１６をガイドする。光導体３０４は屈折率ｎ_ｄを有し、支持層３０２は屈折率ｎ_ｏ，１を有する。保護層３０６は屈折率ｎ_ｏ，２を有する。いくつかの実施形態では、ｎ_ｄは、ｎ_ｏ，１及びｎ_ｏ，２とは異なる。いくつかの実施形態では、ＴＩＲを可能とするために、ｎ_ｄはｎ_ｏ，１より大きく、及び／又はｎ_ｏ，２より大きい。いくつかの実施形態では、ｎ_ｄはｎ_ｏ，１より小さく、及び／又はｎ_ｏ，２より小さい。

【0065】

いくつかの実施形態では、格子３１２は光３１６の方向を決定する。いくつかの実施形態では、格子３１２は、光３１６の少なくとも一部分を光導体３０４へと方向転換する。いくつかの実施形態では、格子３１２は、光３１６の少なくとも一部分を支持層３０２へとアウトカップリングする。光３１６のうちのアウトカップリングされた部分は、支持層３０２を出る。この出てゆく光はビーム３１８で表される。ビーム３１８は例えば、光学デバイス１０４及び光学デバイス１０６（図１）と同様の光学デバイス３００のユーザの眼へと送達される。いくつかの実施形態では、格子３１４を用いて、光３１６を光導体３０４へとインカップリングする。格子３１４を用いて光３１６をインカップリングする理由は、格子２１０（図２）に関して上述した理由と同様である。図示されている出力ビームの数は非限定的なものであること、及びいずれの数の出力ビーム（例えば１画素あたり１つのビーム）を出力するように光学デバイス３００を設計できることは、当業者には明らかであろう。

【0066】

平面光学デバイスと比較した場合の湾曲光学デバイスのいくつかの利点としては、より広い視野、及び一般的なアイウェア（例えば眼鏡）により近いフォームファクタが挙げられる。しかしながら、湾曲光学デバイスの設計には、既存の平面光学デバイスに湾曲を付与する以上のことが必要となる。例えば、湾曲を光学デバイス３００に付与する場合、光３１６をガイドするジオメトリは変化することになり、細心の注意を払って設計された格子が意図したとおりに機能しなくなる可能性があり、ビーム３１８の方向が改変され、これによって、ビーム３１８が形成する画像の品質が劣化する。従って、本発明の実施形態は、曲率の影響を補償する湾曲光学デバイスを提供する。

【0067】

図４は、１つ以上の実施形態による光学デバイス４００を示す。いくつかの実施形態では、光学デバイス４００は、支持層４０２、光導体４０４、境界４０８、境界４１０、格子４１２、及び格子４１４を備える。いくつかの実施形態では、光学デバイス４００は保護層４０６を備える。

【0068】

いくつかの実施形態では、支持層４０２、光導体４０４、及び保護層４０６は湾曲している。支持層４０２は境界４１０において、光導体４０４と積層される。保護層４０６は境界４０８において、光導体４０４と積層される。いくつかの実施形態では、境界４０８は、材料の薄い介在層、即ち中間層（例えば接着剤、空隙）を有する。境界４１０もまた中間層を含んでよい。いくつかの実施形態では、光学デバイス４００の厚さ及び／又は全体的なサイズを削減するために、保護層４０６は存在しなくてもよい。いくつかの実施形態では、格子４１２及び／又は格子４１４は境界４１０に位置決めされる。いくつかの実施形態では、格子４１２及び／又は格子４１４は境界４０８（図示されていない位置）に位置決めされる。いくつかの実施形態では、格子４１２及び／又は格子４１４は、例えば支持層４０２又は保護層４０６と接触しない光導体４０４内（図示されていない位置）に位置決めされる。

【0069】

いくつかの実施形態では、光導体４０４は、境界４０８と境界４１０との間のＴＩＲを用いて光４２０をガイドする。光導体４０４は屈折率ｎ_ｄを有し、支持層４０２は屈折率ｎ_ｏ，１を有する。保護層４０６は屈折率ｎ_ｏ，２を有する。いくつかの実施形態では、ｎ_ｄは、ｎ_ｏ，１及びｎ_ｏ，２とは異なる。いくつかの実施形態では、ＴＩＲを可能とするために、ｎ_ｄはｎ_ｏ，１より大きく、及び／又はｎ_ｏ，２より大きい。いくつかの実施形態では、ｎ_ｄはｎ_ｏ，１より小さく、及び／又はｎ_ｏ，２より小さい。屈折率ｎ_ｄと屈折率ｎ_ｏ，２（又はｎ_ｏ，１）との間の差は、およそ０．１５～１．２である。屈折率の差に関して、他の値の範囲も可能であることは、当業者には明らかであろう。屈折率の差の重要性については、図１８を参照して後述する。

【0070】

いくつかの実施形態では、光学デバイス４００は、支持層４０２、光導体４０４、及び保護層４０６が、セクション４１６及びセクション４１８両方に存在するように、セクション４１６及びセクション４１８へと構成できる。セクション４１６及びセクション４１８はそれぞれ、光学デバイスの出力セクション及び入力セクションと呼ばれる場合もある。例えばセクションの機能に従ったこのような命名スキームは、本明細書中において、本開示の他の実施形態の光学デバイスのセクションにも使用され得る。いくつかの実施形態では、格子４１２はセクション４１６に配置される。いくつかの実施形態では、格子４１４はセクション４１８に配置される。格子４１２は、光４２０の少なくとも一部分を光導体４０４へと方向転換する。いくつかの実施形態では、格子４１２は、光４２０の少なくとも一部分を支持層４０２へとアウトカップリングする。光４２０のうちのアウトカップリングされた部分は、支持層４０２を出る。この出てゆく光は、セクション４１６のビーム４２２で表される。格子４１２は光４２０及びビーム４２２の方向を決定する。ビーム４２２は例えば、光学デバイス１０４及び光学デバイス１０６（図１）と同様の光学デバイス４００のユーザの眼へと送達される。図示されている出力ビームの数は非限定的なものである。いくつかの実施形態では、格子４１４を用いて、光４２０をセクション４１８の光導体４０４へとインカップリングする。格子４１４を用いて光４２０をインカップリングする理由は、格子２１０（図２）に関して上述した理由と同様である。

【0071】

光４２０が光導体４０４を通過する際、境界４０８及び境界４１０に対する光４２０の入射角は、光導体４０４の曲率を理由として、反射のたびに異なり得る。上記入射角が光４２０と格子４１２との間の相互作用に影響するため、ビーム４２２の方向もまた、光導体４０４の曲率に影響される。この影響は、格子４１２を適切な格子パラメータ（例えば線幅、ピッチ等）で設計することによって補償できる。インカップリング用回折格子、例えば格子４１４の説明から始めると、より有益である。

【0072】

図５は、１つ以上の実施形態による平面又は湾曲光学デバイスの入力セクション５００を示す。いくつかの実施形態では、入力セクション５００は、光導体５０２、材料５０４、境界５０６、及び格子５０８を備える。

【0073】

いくつかの実施形態では、材料５０４は境界５０６において光導体５０２と接触する。例えば、材料５０４は、支持層３０２（図３）若しくは４０２（図４）、保護層３０６（図３）若しくは４０６（図４）、又は空気であってよい。格子５０８は境界５０６に位置決めされる。

【0074】

いくつかの実施形態では、材料５０４の側部から境界５０６に入射した光５１０は、格子５０８と相互作用する。光５１０は光導体５０２へとインカップリングされる。格子５０８との相互作用の後、光５１０は、回折次数（例えば－１、０、＋１等）によって標識されることが多い多数の回折角で、回折し得る。図５に示されている光路は、限定ではなく単に説明を容易にすることを目的としたものである。光５１０が、垂直入射を含む可能な入射角を無限に有し、関連する回折角も無限に有することは、当業者には明らかであろう。回折角は格子パラメータによっても決定される。いくつかの実施形態では、－１次又は＋１次経路に沿って光導体５０２へとインカップリングされた光５１０は、ＴＩＲを用いた透過のために使用される。更に、格子５０８は、光５１０を光導体５０２に入力するための透過動作には使用する必要がない。その代わりに、いくつかの実施形態では、格子５０８を、境界５０６の反対側に位置決めされた反射型回折素子として動作させる。格子５０８が光導体５０２の内部に（例えば材料５０４と接触せずに）位置決めされていたとしても、格子５０８を用いて、反射型のインカップリングであるか屈折型のインカップリングであるかにかかわらず、光５１０をインカップリングしてＴＩＲを開始させることが依然として可能であることは、当業者には理解されるだろう。このシナリオでは、光５１０は（例えば略垂直の入射において）境界５０６を透過し、光導体５０２内へとある距離だけ進んだ後、格子５０８にぶつかる。

【0075】

アウトカップリング用回折格子、例えば格子４１２を通って光導体を出る光についても、同様の相互作用が適用可能である。図６は、１つ以上の実施形態による平面又は湾曲光学デバイスの出力セクション６００を示す。いくつかの実施形態では、出力セクション６００は、光導体６０２、材料６０４、境界６０６、格子６０８を備える。

【0076】

いくつかの実施形態では、材料６０４は境界６０６において光導体６０２と接触する。例えば、材料６０４は、支持層３０２（図３）若しくは４０２（図４）、保護層３０６（図３）若しくは４０６（図４）、又は空気であってよい。いくつかの実施形態では、格子６０８は境界６０６に位置決めされる。

【0077】

いくつかの実施形態では、光導体６０２の側部から境界６０６に入射した光６１０は、格子６０８と相互作用する。格子６０８は光６１０の方向を決定する。いくつかの実施形態では、格子６０８は光６１０の一部分を材料６０４へとアウトカップリングする。アウトカップリングされた部分は、光６１２である。また、光６１０の別の部分は、光導体６０２へと方向転換（例えば反射）される。反射された部分は光６１４である。限定ではなく単に説明を容易にすることを目的として、図６は、図５に示されている回折角と対応するような光６１０、光６１２、及び光６１４の特定の構成を示す。他の回折次数も使用できることは、当業者には明らかであろう。また、光６１２及び光６１４の方向は、光６１０の方向、及び／又は格子６０８のパラメータを変更することによって修正できる。更に、光６１２によって表される、光を光導体６０２から出力するための透過動作には、格子６０８を使用する必要がない。従っていくつかの実施形態では、格子６０８は、光導体６０２から光をアウトカップリングするための反射型回折素子として使用される。例えば、光６１４が、図示されているものとは異なる（例えば境界６０６に対しておおよそ垂直な）角度で与えられる場合、光６１４を、アウトカップリングされる光として使用してよい。このシナリオでは、光６１４は反対側の境界６０６から出ることになる。格子６０８が光導体６０２の内部に（例えば材料６０４と接触せずに）位置決めされていたとしても、格子６０８を用いて、反射型のアウトカップリングであるか屈折型のアウトカップリングであるかにかかわらず、光６１０をアウトカップリングすることが依然として可能であることは、当業者には理解されるだろう。このシナリオでは、光６１０はまず格子６０８と相互作用し、これによって光６１２（又は光６１４）が光導体内で生成され、おおよそ垂直な入射で境界６０６（又は反対側の境界）まである距離だけ進み、その後光導体６０２を出る。

【0078】

図７～９はそれぞれ、１つ以上の実施形態による、光導体によって出力された光の方向を制御できる出力セクション７００、出力セクション８００、及び出力セクション９００を示す。

【0079】

特段の指示がない限り、以下の図７の構造の説明は、同様に番号付与された要素を使用した図８及び９にも同様に当てはまる。いくつかの実施形態では、出力セクション７００は、支持層７０２、光導体７０４、境界７０６、境界７０８、及び格子７１０を備える。支持層７０２は境界７０８において光導体７０４と積層される。格子７１０は、屈折動作か又は反射動作かに応じて、境界７０６又は境界７０８に位置決めされる（反射位置は図示されていない）。他の実施形態では、格子７１０は、例えば支持層７０２と接触しない光導体７０４内（図示されていない位置）に位置決めされる。いくつかの実施形態では、光を格子７１０によって光導体７０４からアウトカップリングして、出力ビーム７１２を形成する。いくつかの実施形態では、出力ビーム７１２は光導体７０４から支持層７０２へとアウトカップリングされ、その後支持層７０２を出る。

【0080】

アウトカップリング用回折格子を用いて、アウトカップリングされた光の方向を決定できることは、出力セクション６００（図６）に関して既に説明した。出力セクション７００、出力セクション８００、及び出力セクション９００はそれぞれ、別個の構成の出力ビーム７１２、出力ビーム８１２、及び出力ビーム９１２を示す。いくつかの実施形態では、出力ビーム７１２は集束する。この出力ビーム７１２の方向は、光導体７０４を通過する光の入射角度、及び支持層７０２の外側表面を出る際の出力ビーム７１２の反射を考慮に入れた、適切な格子パラメータを設計することによって達成される。いくつかの実施形態では、出力ビーム８１２は略コリメートされ、即ち観察者の瞳に対して垂直である。出力ビーム８１２は、出力ビーム７１２に関して説明した方法と同様の方法を用いて、略コリメートできる。いくつかの実施形態では、出力ビーム９１２は発散する。出力ビーム９１２は、出力ビーム７１２に関して説明した方法と同様の方法を用いて、発散させることができる。図７～９に示されているように出力光の方向を制御することによって、出力ビーム７１２、出力ビーム８１２、又は出力ビーム９１２によって形成される画像オブジェクトの見かけの距離を操作でき、例えば、コリメートされた出力ビーム９１２によって形成される画像は、ユーザの瞳に対して無限遠点にある。

【0081】

更に、光と支持層（例えば図７の支持層７０２）の出力表面との相互作用を、上記出力表面の形状を変更することによって制御できる。図１０は、湾曲光学デバイスの出力セクション１００を示す。いくつかの実施形態では、出力セクション１０００は、支持層１００２、光導体１００４、境界１００６、境界１００８、境界１０１０、及び格子１０１２を備える。境界１０１０は、光を屈折させる形状を有する。支持層１００２は境界１００８において光導体１００４と積層される。境界１０１０は、ユーザに対面する出力セクション１０００の表面である。格子１０１２は、屈折動作か又は反射動作かに応じて、境界１００６又は境界１００８に位置決めされる（反射位置は図示されていない）。他の実施形態では、格子１０１２は、例えば支持層１００２と接触しない光導体１００４内（図示されていない位置）に位置決めされる。いくつかの実施形態では、光を格子１０１２によって光導体１００４からアウトカップリングして、出力ビーム１０１４を形成する。いくつかの実施形態では、出力ビーム１０１４は光導体１００４からアウトカップリングされ、境界１０１０を通って出力セクション１０００を出る。境界１０１０の形状は、格子１０１２と共に、所望の構成の出力ビーム１０１４を生成するように作用するよう、設計される。図１０に示されている構成では、出力ビーム１０１４は、略コリメートされ、即ち観察者の瞳に対して垂直となっている。しかしながら、他の構成（例えば発散又は集束）も可能であることは、当業者には明らかであろう。

【0082】

光導体の厚さを用いて光を制御できる。光導体を薄くすることによって、より密な瞳のサンプリング（例えばピクセル解像度）が可能となり、光導体を利用するヘッドマウントディスプレイを、より小型でより目立たないものとすることができる。図１１～１３は、光導体の厚さをスケーリングする効果を示す。

【0083】

特段の指示がない限り、以下の図１１の構造の説明は、同様に番号付与された要素を使用した図１２及び１３にも同様に当てはまる。図１１～１３はそれぞれ、１つ以上の実施形態による平面光導体１１００、平面光導体１２００、及び平面光導体１３００を示す。いくつかの実施形態では、平面光導体１１００は格子１１０２を備える。格子１１０２は、平面光導体１１００から出力ビーム１１０４をアウトカップリングするよう構成される。いくつかの実施形態では、出力ビーム１１０４のビームの間の間隔１１０６は、光導体の厚さ１１０８によって決定される。同様の従属性が、出力ビーム１２０４と厚さ１２０８、及び出力ビーム１３０４と厚さ１３０８にも当てはまる。図１１～１３の図は、単に厚さのスケーリングの影響を比較するものであり、構造的要素（例えば全内部反射中の入射角、外側材料の存在又は不在等）をある１つの所与の図に限定することを意図したものではない。

【0084】

図１１～１３は、間隔１１０６、間隔１２０６、及び間隔１３０６がそれぞれ厚さ１１０８、厚さ１２０８、及び厚さ１３０８に比例することを示している。換言すれば、瞳のサンプリング、即ち解像度は、平面光導体の厚さが削減されるほど密にすることができる。

【0085】

厚さの選択の影響は、湾曲光導体においても同様である。図１４～１６は、光導体の厚さをスケーリングする影響を示す。特段の指示がない限り、以下の図１４の構造の説明は、同様に番号付与された要素を使用した図１５及び１６にも同様に当てはまる。図１４～１６はそれぞれ、１つ以上の実施形態による湾曲光導体１４００、湾曲光導体１５００、及び湾曲光導体１６００を示す。いくつかの実施形態では、光導体１４００は格子１４０２を備える。格子１４０２は、光導体１４００から出力ビーム１４０４をアウトカップリングするよう構成される。いくつかの実施形態では、出力ビーム１４０４のビームの間の間隔１４０６は、光導体の厚さ１４０８によって決定される。同様の従属性が、出力ビーム１５０４と厚さ１５０８、及び出力ビーム１６０４と厚さ１６０８にも当てはまる。図１４～１６の図は、単に厚さのスケーリングの影響を比較するものであり、構造的要素をある１つの所与の図に限定することを意図したものではない。

【0086】

図１４～１６は、間隔１４０６、間隔１５０６、及び間隔１６０６がそれぞれ厚さ１４０８、厚さ１５０８、及び厚さ１６０８に比例することを示している。換言すれば、瞳のサンプリング、即ち解像度は、湾曲光導体の厚さが削減されるほど密にすることができる。

【0087】

従っていくつかの実施形態では、光導体の厚さは１．０ｍｍを超えない。いくつかの実施形態では、光導体の厚さは０．８ｍｍを超えない。いくつかの実施形態では、光導体の厚さは０．６ｍｍを超えない。いくつかの実施形態では、光導体の厚さは０．４ｍｍを超えない。いくつかの実施形態では、光導体の厚さは０．３ｍｍを超えない。いくつかの実施形態では、光導体の厚さは０．２ｍｍを超えない。いくつかの実施形態では、光導体の厚さは０．１ｍｍを超えない。いくつかの実施形態では、光導体の厚さは０．０５ｍｍを超えない。

【0088】

本発明の実施形態は、眼科矯正（例えば度付きレンズ）を含む。図１７は、１つ以上の実施形態による湾曲光学デバイスの出力セクション１７００を示す。いくつかの実施形態では、出力セクション１７００は、支持層１７０２、光導体１７０４、保護層１７０６、境界１７０８、境界１７１０、境界１７１２、及び境界１７１４を備える。

【0089】

いくつかの実施形態では、支持層１７０２は境界１７１０において光導体１７０４と積層される。保護層１７０６は境界１７０８において光導体１７０４と積層される。境界１７１４は、ユーザに対面する出力セクション１７００の表面である。境界１７１２は、現実世界に対面する（例えばユーザとは反対側を向いた）出力セクション１７００の表面である。いくつかの実施形態では、境界１７１２は、およそ－１０～１０ジオプターの眼科矯正力を提供する形状を有する。いくつかの実施形態では、境界１７１２の形状は、最も遠い対向する表面（例えば境界１７１４）と共に作用して、眼科矯正力を提供する。

【0090】

光導体の１つのパラメータは、この光導体が観察者の眼に光を送達できる角度範囲、即ち最大視野である。図１８を用いると、光導体の最大視野の数学的関係がより良好に理解される。図１８は、１つ以上の実施形態による湾曲光学デバイスの出力セクション１８００を示す。いくつかの実施形態では、出力セクション１８００は、支持層１８０２、光導体１８０４、保護層１８０６、境界１８０８、境界１８１０、境界１８１２、及び格子１８１４を備える。

【0091】

いくつかの実施形態では、保護層１８０６は境界１８０８において光導体１８０４と積層される。支持層１８０２は境界１８１０において光導体１８０４と積層される。境界１８１２は、ユーザに対面する出力セクション１８００の表面である。格子１８１４は境界１８１０に位置決めされる。支持層１８０２は屈折率ｎ_０，１を有する。光導体１８０４は屈折率ｎ_ｄを有する。保護層１８０６は屈折率ｎ_０，２を有する。いくつかの実施形態では、ｎ_ｄはｎ_０，１及びｎ_０，２より大きい。出力セクション１８００の外側の材料は空気であり、屈折率ｎ_ｉ≒１を有する。

【0092】

いくつかの実施形態では、光１８１６は格子１８１４と相互作用して、支持層１８０２内へと透過する。次に光１８１６は境界１８１２を通って出力セクション１８００を出る。続いて光１８１６は、点１８１８（例えば標的）に向けられる。点１８１８と境界１８１２との間の距離はｄとして定義される。

【0093】

湾曲光導体の最大視野は、ＤｅＨｏｏｇ， Ｅ．， Ｈｏｍｓｔｅｄｔ， Ｊ．， ＆ Ａｙｅ， Ｔ． （２０１６） Ｆｉｅｌｄ ｏｆ Ｖｉｅｗ ｏｆ ｌｉｍｉｔａｔｉｏｎｓ ｉｎ ｓｅｅ‐ｔｈｒｏｕｇｈ ＨＭＤ ｕｓｉｎｇ ｇｅｏｍｅｔｒｉｃ ｗａｖｅｇｕｉｄｅｓ， Ａｐｐｌｉｅｄ Ｏｐｔｉｃｓ， ５５（２２）， ５９２４‐５９３０に記載されている完全前後方（ＱＵ）光線トレース法に従って導出でき、上記文献はその全体が参照により本出願に援用される。湾曲光導体の最大視野θ_ＦＯＶが：

【0094】

【数2】

【0095】

であることを示すことができ、ここでＧは格子の周波数であり、λは光１８１６の波長であり、Ｒは光導体１８０４の曲率半径である。式２は、光導体の全体的な厚さがＲよりも大幅に小さいと仮定している。Ｒが無限大となるとき、式２は平面光導体を記述できる。

【0096】

特定の用途では、観察者の顔をぴったりと包み込む湾曲光学デバイスを得ることが有利となり得るが、他の用途には、わずかに湾曲した（例えば眼鏡状の）レンズ形状で十分であり得る。本開示の実施形態では、光導体の曲率半径は、ある用途に適合するように選択できる。しかしながら、式２が光導体の曲率半径を含むことに留意する必要がある。即ち上記曲率半径は、光学デバイスによって表示される画像の視野に影響を及ぼす。

【0097】

いくつかの実施形態では、光学デバイスは、およそ２０～１４０°の最大視野を有する。いくつかの実施形態では、光学デバイスは、およそ４０～１４０°の最大視野を有する。いくつかの実施形態では、光学デバイスは、およそ６０～１４０°の最大視野を有する。いくつかの実施形態では、光学デバイスは、およそ８０～１４０°の最大視野を有する。いくつかの実施形態では、光学デバイスは、およそ１００～１４０°の最大視野を有する。いくつかの実施形態では、光学デバイスは、およそ１２０～１４０°の最大視野を有する。いくつかの実施形態では、光学デバイスは、およそ２０～１２０°の最大視野を有する。いくつかの実施形態では、光学デバイスは、およそ２０～１００°の最大視野を有する。いくつかの実施形態では、光学デバイスは、およそ２０～８０°の最大視野を有する。いくつかの実施形態では、光学デバイスは、およそ２０～６０°の最大視野を有する。いくつかの実施形態では、光学デバイスは、およそ２０～４０°の最大視野を有する。最大視野に関するこれらの値の範囲は、水平視野、垂直視野、又はこれら両方に適用できる。他の視野範囲も可能であることは、当業者には明らかであろう。

【0098】

ベースカーブは、アイウェア業界で使用される有用な規格である。具体的には、アイウェアの「ラップアラウンド（ｗｒａｐ‐ａｒｏｕｎｄ）」曲線に言及する際に、５３０ｍｍ半径規格（５３０ｍｍ ｒａｄｉｕｓ ｓｔａｎｄａｒｄ）が使用される。この規格では、５３０ｍｍの曲率半径を「ベース１」として定義する。ベースカーブの値と半径との間の変換には、以下の式が使用される：

【0099】

【数3】

【0100】

例えば、いくつかの一般的なラップアラウンドサングラスは、約８のベースカーブ値（即ちベース８）を有する。式３に従うと、これは６６．２５ｍｍの曲率半径に等しい。またベース０は無限大の半径（即ち平面）に対応する。

【0101】

いくつかの実施形態では、光学デバイスはおよそベース２を超えるベースカーブを有する。いくつかの実施形態では、光学デバイスはおよそベース４を超えるベースカーブを有する。いくつかの実施形態では、光学デバイスはおよそベース６を超えるベースカーブを有する。いくつかの実施形態では、光学デバイスはおよそベース８を超えるベースカーブを有する。いくつかの実施形態では、光学デバイスはおよそベース１０を超えるベースカーブを有する。いくつかの用途は、ベースカーブが、一定ではないものの、ベースカーブ値のある範囲内にあり続けていること、例えば自由曲面形状を有するレンズを必要とする場合がある。いくつかの実施形態では、光学デバイスはおよそベース０～ベース５．６のベースカーブを有する。いくつかの実施形態では、光学デバイスはおよそベース２～ベース５のベースカーブを有する。いくつかの実施形態では、光学デバイスはおよそベース３～ベース５のベースカーブを有する。いくつかの実施形態では、光学デバイスはおよそベース６～ベース１０のベースカーブを有する。いくつかの実施形態では、光学デバイスはおよそベース７～ベース１０のベースカーブを有する。いくつかの実施形態では、光学デバイスはおよそベース７～ベース９のベースカーブを有する。いくつかの用途は、水平方向のベースカーブが垂直方向のベースカーブとは異なること、例えばトーリックレンズを必要とする場合がある。従って、ベースカーブのこれらの値の範囲は、水平方向のベースカーブ、垂直方向のベースカーブ、又はこれら両方に適用できる。他のベースカーブ範囲も可能であることは、当業者には明らかであろう。

【0102】

屈折率ｎ_ｄと屈折率ｎ_０，２との間の差が大きいほど、最大視野θ_ＦＯＶが大きくなることが、式２から推断できる。アイウェアで使用されるいくつかの一般的な透明材料は、およそ１．４～１．６の屈折率を有する。この値の範囲内の材料は、アイウェアレンズに使用される透明材料の文脈では、低屈折率材料とみなすことができる。低屈折率材料としては、ポリメチルメタクリレート、ポリメチルペンテン、シクロオレフィンポリマー、環状オレフィンコポリマー、スチレンアクリレート、ポリカーボネート、ＣＲ‐３９、ポリスチレン、ポリエーテルイミド、ポリエーテルスルホン、ポリエチレンテレフタレート、及び高純度溶融シリカが挙げられる。これらは、例えば支持層及び保護層の製作に使用してよい材料である。屈折率値は材料の温度に依存し得ることを理解されたい。従って、特段の記載がない限り、本明細書で開示される屈折率値は、およそ２５℃の温度に対応する。

【0103】

反対に、比較的高屈折率の材料は、およそ２．６に達する屈折率を有してよく、例えば二酸化チタンである。透明な高屈折率材料としては、窒化ケイ素、酸窒化ケイ素、ハフニア、アルミナ、タンタラ、酸窒化タンタル、二酸化チタン、ジルコニア、酸化スカンジウム、酸化ニオブ、チタン酸ランタン、ランタナ、セリア、プラセオジミア、又はイットリアが挙げられる。これらは、例えば光導体の製作に使用してよい材料である。従って、光導体材料として使用される高屈折率材料と、光導体を取り囲む材料としての低屈折率材料とを合わせると、およそ１．２もの屈折率差が生じる。光導体が空気によって取り囲まれている場合、屈折率差はおよそ１．６にもなり得る。光導体とその周囲の材料との間の屈折率差の下限は、光導体内の全内部反射を可能とするものでありさえすればよく、例えば上記差はおよそ０．１５であってよい。

【0104】

従っていくつかの実施形態では、屈折率ｎ_ｄと屈折率ｎ_０，２（又はｎ_０，１）の間の差は、およそ０．１５～１．６である。いくつかの実施形態では、屈折率ｎ_ｄと屈折率ｎ_０，２（又はｎ_０，１）の間の差は、およそ０．１５～１．２である。

【0105】

視野の制約が厳しいものでない場合、光導体とその周囲の材料との間の屈折率差に関する制約を緩和してよい。従って、いくつかの実施形態では、屈折率ｎ_ｄと屈折率ｎ_０，２（又はｎ_０，１）の間の差はおよそ０．３～１．２である。いくつかの実施形態では、屈折率ｎ_ｄと屈折率ｎ_０，２（又はｎ_０，１）の間の差はおよそ０．３～１．１である。いくつかの実施形態では、屈折率ｎ_ｄと屈折率ｎ_０，２（又はｎ_０，１）の間の差はおよそ０．４～１．１である。いくつかの実施形態では、屈折率ｎ_ｄと屈折率ｎ_０，２（又はｎ_０，１）の間の差はおよそ０．５～１．１である。いくつかの実施形態では、屈折率ｎ_ｄと屈折率ｎ_０，２（又はｎ_０，１）の間の差はおよそ０．６～１．１である。屈折率差に関する他の値の範囲も可能であることは、当業者には明らかであろう。

【0106】

本開示は、光導体への光のインカップリングを可能とする、様々な構造的構成を提供する。図１９は、光学デバイスの入力セクション１９００を示す。いくつかの実施形態では、入力セクション１９００は、支持層１９０２、光導体１９０４、境界１９０８、境界１９１０、及び格子１９１２を備える。いくつかの実施形態では、入力セクション１９００は保護層１９０６を備える。他の実施形態では、入力セクション１９００を備える光学デバイスの厚さ及び／又は全体的なサイズを削減するために、保護層１９０６は存在しなくてもよい。

【0107】

いくつかの実施形態では、支持層１９０２は境界１９０８において光導体１９０４と積層される。保護層１９０６は境界１９１０において光導体１９０４と積層される。格子１９１２は、屈折動作か又は反射動作かに応じて、境界１９０８又は境界１９１０に位置決めされる（反射位置は図示されていない）。他の実施形態では、格子１９１２は、例えば支持層１９０２又は保護層１９０６と接触しない光導体１９０４内（図示されていない位置）に位置決めされる。いくつかの実施形態では、支持層１９０２は光１９１４を、光導体１９０４が受け取る前に受け取る。換言すると、光１９１４は支持層１９０２を透過した後、格子１９１２と相互作用する。

【0108】

図２０は、光学デバイスの入力セクション２０００を示す。いくつかの実施形態では、入力セクション２０００は、支持層２００２、光導体２００４、境界２００８、境界２０１０、及び格子２０１２を備える。いくつかの実施形態では、入力セクション２０００は保護層２００６を備える。他の実施形態では、入力セクション２０００を備える光学デバイスの厚さ及び／又は全体的なサイズを削減するために、保護層２００６は存在しなくてもよい。

【0109】

いくつかの実施形態では、支持層２００２は境界２００８において光導体２００４と積層される。支持層２００２は、格子２０１２において方向決定される光２０１４の経路ではない。保護層２００６は境界２０１０において光導体２００４と積層される。格子２０１２は、屈折動作か又は反射動作かに応じて、境界２００８又は境界２０１０に位置決めされる（反射位置は図示されていない）。他の実施形態では、格子２０１２は、例えば支持層２００２又は保護層２００６と接触しない光導体２００４内（図示されていない位置）に位置決めされる。いくつかの実施形態では、光２０１４が光導体２００４において受け取られる前に支持層２００２を通るのが回避される。換言すると、光２０１４は、支持層２００２を最初に通過することなく、格子２０１２と相互作用する。

【0110】

これまで、光学デバイス又は光導体から出力された光は断面図で示されてきたが、これでは、２次元画像を形成できる出力ビームの複数の行を図示するのは困難である。本発明は、インカップリングされた光を拡張（例えば複製、クロスカップリング（ｃｒｏｓｓ‐ｃｏｕｐｌｅ））するための構造を提供し、これにより、光のうちのアウトカップリングされた部分が２次元アレイを形成し、アレイの各構成要素がインカップリングされた光の複製となる。図２１は、１つ以上の実施形態による光学デバイス２１００を示す。いくつかの実施形態では、光学デバイス２１００は、光導体２１０２、格子２１０４、格子２１０６、及び格子２１０８を備える。

【0111】

いくつかの実施形態では、光導体２１０２は、湾曲眼鏡レンズに類似した形状を有する。右眼レンズの形状が図２１に図示されているが、左眼レンズの要素及び構造がその鏡像であってよいことは、当業者には明らかであろう。いくつかの実施形態では、格子２１０８は、光学デバイス２１００のユーザの直線状の視線の、予想される経路内に位置決めされる。この配置を補助するために、光学デバイス２１００をヘッドマウントディスプレイのフレーム（例えば眼鏡フレーム）上に設置してよい。いくつかの実施形態では、格子２１０４及び格子２１０６は、光２１１０を生成する光源（図示せず）の付近となるように位置決めされる。例えば図２１は、ユーザの鼻により近い、格子２１０４の位置を示す。

【0112】

いくつかの実施形態では、格子２１０４は光２１１０を受け取る。格子２１０４は光２１１０を光導体２１０２に、１つの回折次数（－１又は＋１）で入力する。格子２１０４の回折次数は、光２１１０がＴＩＲによってガイドされるように方向決定される。光２１１０は光導体２１０２を通って格子２１０６に向かって進む。格子２１０６は光２１１０を受け取る。いくつかの実施形態では、格子２１０６は、２つの回折次数（例えば０及び１、０及び－１、又は－１及び＋１）を有するように設計される。いくつかの実施形態では、格子２１０６は、光２１１０の反復ビーム分割によって、ビーム２１１２を生成する。格子２１０６はその機能により、瞳孔拡張器又はクロスカップリング用格子としても知られる。格子２１０６は、例えばその光学的位置がインカップリング用回折格子とアウトカップリング用回折格子との間である場合、中間格子と呼ばれる場合もある。格子２１０６はまた、アウトカップリング用回折格子と組み合わせることによって、アウトカップリング／クロスカップリング複合格子を形成する場合もある。格子２１０６の回折次数は、ビーム２１１２がＴＩＲによってガイドされるように方向決定される。ビーム２１１２は光導体２１０２を通って格子２１０８に向かって進む。いくつかの実施形態では、格子２１０８もまた、２つの回折次数（例えば０及び１、０及び－１、又は－１及び＋１）を有する。格子２１０８は、ビーム２１１２の反復ビーム分割によって、ビーム２１１４を生成する。いくつかの実施形態では、格子２１０８は、他の回折次数が光導体２１０２からビーム２１１４を出力する間、１つの回折次数が光導体２１０２を通ってガイドされ続けるように設計される。回折次数の効率は、格子２１０８にわたって、垂直な視認方向に沿って変動するため、ビーム２１１４は略均一な強度を有する。いくつかの実施形態では、ビーム２１１４は２次元アレイを形成し、このアレイの各構成要素は、光２１１０の複製である。次にビーム２１１４は、観察者の網膜に像を形成する。図２１の瞳孔拡張器の設定は、光学デバイスに２次元画像の生成及び表示を可能とする、多数の可能な構成のうちの１つである。ここで提供されている構成は、非限定的なものである。

【0113】

本発明の実施形態において、複数の波長を使用してよいことは、当業者には明らかであろう。例えば１つ以上の実施形態では、単一の光導体を、単色の光を送達するように設計してよい。例えば上記光は、赤色（６２０～７５０ｎｍ）、緑色（４９５～５７０ｎｍ）、又は青色（４３０～４９５ｎｍ）波長を有してよい。いくつかの実施形態では、各光導体が単一波長の光、例えば赤色、緑色、及び青色波長を送達する、複数の光導体を設計してよい。いくつかの実施形態では、単一の導波路が、可視スペクトル（４００ｎｍ～７５０ｎｍ）にわたる複数の波長を有する光を送達できる。光の波長及び光導体の個数の他の組み合わせも可能であることは、当業者には明らかであろう。

【0114】

ヘッドマウントディスプレイは、多様な色を処理し、また観察者からの様々な見かけの距離に画像を配置するように、設計してよい。複数の光導体を使用（例えば積層）してよく、また（ＴＩＲを促進するために）分離材料を用いて隔ててよいことは、当業者には明らかであろう。光導体の積層体内の各光導体は、別個の波長のために使用してよく、また観察者からの様々な見かけの距離（例えば深度）に画像を表示するために使用してよい。いくつかの実施形態では、光学デバイスのシステムは、複数の積層された光学デバイス（例えば限定するものではないが、図４の光学デバイス）を備える。上記積層された光学デバイスの各光学デバイスは、本明細書で開示される実施形態に従って設計される。上記積層された光学デバイスの各光学デバイスは、１つ以上の所与の波長（例えば赤色、緑色、及び／又は青色）の光を有する画像を生成するよう構成され、上記画像は、ヘッドマウントディスプレイを使用する観察者からの、ある見かけの距離を有する。光学デバイス積層体の異なる組み合わせも可能であることは、当業者には明らかであろう。例えば、１つの積層体内に３つの光学デバイスを使用してよく、各光学デバイスは、赤色、緑色、及び青色波長を個々に処理するが、全て１つの共通の見かけの深度に画像を形成するように構成される。

【0115】

いくつかの実施形態では、光学デバイスの合計厚さはおよそ２０ｍｍを超えない。いくつかの実施形態では、光学デバイスの合計厚さはおよそ１５ｍｍを超えない。いくつかの実施形態では、光学デバイスの合計厚さはおよそ１２ｍｍを超えない。いくつかの実施形態では、光学デバイスの合計厚さはおよそ１１ｍｍを超えない。いくつかの実施形態では、光学デバイスの合計厚さはおよそ１０ｍｍを超えない。

【0116】

本発明の実施形態は、多様な製作方法で実装してよい。例えば、まず初期層（例えば光導体又は支持層）が製作される。製作方法は例えば、射出成形、積層、又はプレス成形であってよい。これに続く隣接する層は、初期層の上に堆積させてよい。材料堆積技法は例えば、オーバーモールド、薄膜蒸着、積層であってよい。初期層は、格子等の特徴部分を既に含んでいてよい。あるいは、格子である特徴部分を、初期層上にエッチング、スクライビング、ナノインプリント、又はプレス加工してよい。これに続く、隣接する層の堆積により、格子である特徴部分は充填される。このシナリオでは、格子は光導体と一体である。あるいは、隣接する初期層とは異なる材料を用いて、格子である特徴部分を充填してもよい。これらの製作方法は、単なる例として提供されており、限定的なものではない。

【0117】

本明細書で使用される場合、単数形「ある（ａ、ａｎ）」及び「上記、その（ｔｈｅ）」は、文脈上そうでないことが明らかでない限り、複数の指示対象を含む。従って例えば、「ある」構成部品に対する言及は、文脈上そうでないことが明らかでない限り、２つ以上のこのような構成部品を有する態様も含む。

【0118】

本明細書中の術語又は用語法は、説明を目的としたものであって、限定を目的としたものではなく、従って、１つ以上の関連分野の当業者は、本明細書の用語法又は術語を本明細書の教示に照らして解釈するべきであることを理解されたい。

【0119】

ここに記載された１つ以上の実施形態、及び本明細書中での「一実施形態（ｏｎｅ ｅｍｂｏｄｉｍｅｎｔ）」、「ある実施形態（ａｎ ｅｍｂｏｄｉｍｅｎｔ）」、「ある例示的実施形態（ａｎ ｅｘａｍｐｌｅ ｅｍｂｏｄｉｍｅｎｔ）」等への言及は、記載されている１つ以上の実施形態がある特定の特徴部分、構造又は特徴を含み得るものの、全ての実施形態が上記特定の特徴部分、構造又は特徴を必ずしも含むわけではない場合があることを示している。更に、このような句は、必ずしも同じ実施形態について言及しているわけではない。更に、ある特定の特徴部分、構造又は特徴が、ある実施形態に関連して記載されている場合、明示的に記載されているかどうかにかかわらず、上記特定の特徴部分、構造又は特徴を他の実施形態に関連して実現することは、当業者の知識の範囲内であることが理解される。

【0120】

特段の記載がない限り、本明細書に記載のいずれの方法が、その全てのステップを実施すること又はそのステップを特定の順序で実施することを必要とするものとして解釈されることは、全く意図されていない。従って、方法クレームが、その複数のステップが従うべき順序を実際に記載していない場合、あるいはいずれの装置クレームが、個々の構成部品に対して順序又は配向を実際に記載していない場合、あるいは特許請求の範囲若しくは明細書において、これらのステップが特定の順序に限定されるべきであること、又は装置の構成部品の特定の順序若しくは配向が必要となることが、具体的に記載されていない場合、順序又は配向が推定されることは、いかなる点でも一切意図されていない。これは：複数のステップの配置、動作フロー、構成部品の順序、又は構成部品の配向に関する論理の問題；文法的構成又は句読点から導出される明白な意味；及び本明細書に記載の実施形態の個数又はタイプを含む、解釈のためのいずれの非明示的根拠にも当てはまる。

【0121】

請求対象の主題の精神及び範囲から逸脱することなく、本明細書に記載の実施形態に対して様々な修正及び変更を実施できることは、当業者には明らかであろう。従って、本明細書は、本明細書に記載の様々な実施形態の修正及び変更が、添付の特許請求の範囲及びその均等物の範囲内にある限りにおいて、このような修正及び変更を包含することを意図している。

【0122】

以下、本発明の好ましい実施形態を項分け記載する。

【0123】

実施形態１
光学デバイスであって、
上記光学デバイスは、湾曲光学素子の積層体を備え、
上記積層体は：
第２の湾曲光学素子と積層された第１の湾曲光学素子であって、上記第２の湾曲光学素子は、全内部反射によって光を伝播するよう構成される、第１の湾曲光学素子；
上記光を上記第２の湾曲光学素子にインカップリングするよう構成された、インカップリング用回折格子；及び
上記第２の湾曲光学素子を介して上記インカップリング用回折格子に光学的に結合される、アウトカップリング用回折格子であって、上記アウトカップリング用回折格子は、上記光を方向決定するよう構成される、アウトカップリング用回折格子
を備え、
上記第１の湾曲光学素子は第１の屈折率を有し、
上記第２の湾曲光学素子は第２の屈折率を有し、
上記第１の屈折率は、上記第２の屈折率とおよそ０．１５～１．２だけ異なる、光学デバイス。

【0124】

実施形態２
上記積層体は、上記第２の湾曲光学素子と積層された第３の湾曲光学素子を更に備え、
上記第３の湾曲光学素子は、上記第２の湾曲光学素子を保護するように構成され、
上記第３の湾曲光学素子は、上記第２の屈折率とおよそ０．１５～１．２だけ異なる第３の屈折率を有する、実施形態１に記載の光学デバイス。

【0125】

実施形態３
上記第１の屈折率及び／又は上記第３の屈折率は、上記第２の屈折率より高い、実施形態１又は２に記載の光学デバイス。

【0126】

実施形態４
上記第１の屈折率及び／又は上記第３の屈折率は、上記第２の屈折率より低い、実施形態１又は２に記載の光学デバイス。

【0127】

実施形態５
上記第１の屈折率及び／又は上記第３の屈折率はおよそ１．４～１．６であり、上記第２の屈折率はおよそ１．７より大きい、実施形態１～４のいずれか１つに記載の光学デバイス。

【0128】

実施形態６
上記アウトカップリング用回折格子は更に、上記光の少なくとも一部分を上記第２の湾曲光学素子へと方向転換するよう構成される、実施形態１～５のいずれか１つに記載の光学デバイス。

【0129】

実施形態７
上記アウトカップリング用回折格子は更に、上記光の少なくとも一部分を上記第１の湾曲光学素子へとアウトカップリングするよう構成される、実施形態１～６のいずれか１つに記載の光学デバイス。

【0130】

実施形態８
上記アウトカップリング用回折格子は、上記第１の湾曲光学素子と上記第２の湾曲光学素子との間の境界に沿って、上記第２の湾曲光学素子と上記第３の湾曲光学素子との間の別の境界に沿って、又は上記第２の湾曲光学素子の内側に、位置決めされる、実施形態１～７のいずれか１つに記載の光学デバイス。

【0131】

実施形態９
上記インカップリング用回折格子は、上記第１の湾曲光学素子と上記第２の湾曲光学素子との間の境界に沿って、上記第２の湾曲光学素子と上記第３の湾曲光学素子との間の別の境界に沿って、又は上記第２の湾曲光学素子の内側に、位置決めされる、実施形態１～８のいずれか１つに記載の光学デバイス。

【0132】

実施形態１０
上記アウトカップリング用回折格子は、反射型格子又は屈折型格子を含む、実施形態１～９のいずれか１つに記載の光学デバイス。

【0133】

実施形態１１
上記インカップリング用回折格子は、反射型格子又は屈折型格子を含む、実施形態１～１０のいずれか１つに記載の光学デバイス。

【0134】

実施形態１２
上記アウトカップリング用回折格子及び上記インカップリング用回折格子は更に、上記光を、－１次透過、＋１次透過、－１次反射、及び／又は＋１次反射を用いて方向決定するよう構成される、実施形態１０又は１１に記載の光学デバイス。

【0135】

実施形態１３
上記光は、上記インカップリング用回折格子と相互作用する前に上記第１の湾曲光学素子を通って透過する、実施形態１～１２のいずれか１つに記載の光学デバイス。

【0136】

実施形態１４
上記光は、上記インカップリング用回折格子と相互作用する前に上記第１の湾曲光学素子を通って透過しない、実施形態１～１２のいずれか１つに記載の光学デバイス。

【0137】

実施形態１５
上記第１の湾曲光学素子と上記第２の湾曲光学素子との間に位置決めされた中間層、及び／又は上記第２の湾曲光学素子と上記第３の湾曲光学素子との間に位置決めされた別の中間層を更に備える、実施形態１～１４のいずれか１つに記載の光学デバイス。

【0138】

実施形態１６
上記中間層及び／又は上記別の中間層は、空隙又は接着材料を含む、実施形態１５に記載の光学デバイス。

【0139】

実施形態１７
上記光は赤色、緑色、及び／又は青色波長を含む、実施形態１～１６のいずれか１つに記載の光学デバイス。

【0140】

実施形態１８
上記第１の湾曲光学素子、上記第２の湾曲光学素子、及び／又は上記第３の湾曲光学素子は、上記光学デバイスを支持して上記光学デバイスの曲がりを防止するよう構成された、剛体を備える、実施形態１～１７のいずれか１つに記載の光学デバイス。

【0141】

実施形態１９
およそベース２、ベース４、ベース６、ベース８、又はベース１０より大きな水平ベースカーブを更に備える、実施形態１～１８のいずれか１つに記載の光学デバイス。

【0142】

実施形態２０
上記第２の湾曲光学素子の厚さは、およそ１０００マイクロメートル、８００マイクロメートル、又は６００マイクロメートルを超えない、実施形態１～１９のいずれか１つに記載の光学デバイス。

【0143】

実施形態２１
上記光学デバイスの厚さは、およそ１５．０ｍｍ、１２．０ｍｍ、１１ｍｍ、又は１０ｍｍを超えない、実施形態１～２０のいずれか１つに記載の光学デバイス。

【0144】

実施形態２２
上記第２の湾曲光学素子は、窒化ケイ素、酸窒化ケイ素、ハフニア、アルミナ、タンタラ、酸窒化タンタル、二酸化チタン、ジルコニア、酸化スカンジウム、酸化ニオブ、チタン酸ランタン、ランタナ、セリア、プラセオジミア、又はイットリアを含む、実施形態１～２１のいずれか１つに記載の光学デバイス。

【0145】

実施形態２３
上記第１の湾曲光学素子及び／又は上記第３の湾曲光学素子は、ポリメチルメタクリレート、ポリメチルペンテン、シクロオレフィンポリマー、環状オレフィンコポリマー、スチレンアクリレート、ポリカーボネート、ＣＲ‐３９、ポリスチレン、ポリエーテルイミド、ポリエーテルスルホン、ポリエチレンテレフタレート、又は高純度溶融シリカを含む、実施形態１～２２のいずれか１つに記載の光学デバイス。

【0146】

実施形態２４
上記第３の湾曲光学素子は、現実世界の画像に対する眼科矯正力を提供するよう構成された光学的形状を有する、実施形態１～２３のいずれか１つに記載の光学デバイス。

【0147】

実施形態２５
上記眼科矯正力はおよそ－１０～１０ジオプターである、実施形態２４に記載の光学デバイス。

【0148】

実施形態２６
上記アウトカップリング用回折格子は更に、上記光が集束する、発散する、又は実質的にコリメートされるように、上記光のうちのアウトカップリングされた部分を方向決定するよう構成される、実施形態１～２５のいずれか１つに記載の光学デバイス。

【0149】

実施形態２７
上記第１の湾曲光学素子は、上記光が上記第１の湾曲光学素子を出るときに集束する、発散する、又は実質的にコリメートされるように、上記光のうちの上記アウトカップリングされた部分を方向転換するよう構成される、実施形態１～２６のいずれか１つに記載の光学デバイス。

【0150】

実施形態２８
およそ４０°超かつおよそ１４０°未満、およそ６０°超かつおよそ１４０°未満、およそ８０°超かつおよそ１４０°未満、およそ１００°超かつおよそ１４０°未満、又はおよそ１２０°超かつおよそ１４０°未満の最大水平視野を更に有する、実施形態１～２７のいずれか１つに記載の光学デバイス。

【0151】

実施形態２９
上記インカップリングされた光を拡張するよう構成された少なくとも１つの中間格子を更に備え、これにより、上記光のうちの上記アウトカップリングされた部分が２次元アレイを形成し、上記２次元アレイの各構成要素が、上記インカップリングされた光の複製である、実施形態１～２８のいずれか１つに記載の光学デバイス。

【0152】

実施形態３０
光学デバイスの系であって、上記系は、実施形態１に記載の光学デバイスを複数備える、光学デバイスの系。

【符号の説明】

【0153】

１０２ ユーザ
１０４、１０６、２００、３００、４００、２１００ 光学デバイス
１０８、１１０、２１２、３１６、４２０、５１０、６１０、６１２、６１４、１８１６、１９１４、２０１４、２１１０ 光
２０２、３０４、４０４、５０２、６０２、７０４、１００４、１７０４、１８０４、１９０４、２００４、２１０２ 光導体
２０４、５０４、６０４ 材料
２０６ａ、２０６ｂ、３０８、３１０、４０８、４１０、５０６、６０６、７０６、７０８、１００６、１００８、１０１０、１７０８、１７１０、１７１２、１７１４、１８０８、１８１０、１８１２、１９０８、１９１０、２００８、２０１０ 境界
２０８、２１０、３１２、３１４、４１２、４１４、５０８、６０８、７１０、１０１２、１１０２、１４０２、１８１４、１９１２、２０１２、２１０４、２１０６、２１０８ 格子
３０２、４０２、７０２、１００２、１７０２、１８０２、１９０２、２００２ 支持層
３０６、４０６、１７０６、１８０６、１９０６、２００６ 保護層
３１８、４２２、２１１２、２１１４ ビーム
４１６、４１８ セクション
５００、１９００、２０００ 入力セクション
６００、７００、８００、９００、１０００、１７００、１８００ 出力セクション
７１２、８１２、９１２、１０１４、１１０４、１２０４、１３０４、１４０４、１５０４、１６０４ 出力ビーム
１１００、１２００、１３００ 平面光導体
１１０６、１２０６、１３０６、１４０６、１５０６、１６０６ ビームの間の間隔
１１０８、１２０８、１３０８、１４０８、１５０８、１６０８ 光導体の厚さ
１４００、１５００、１６００ 湾曲光導体
１８１８ 点

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】

【図16】

【図17】

【図18】

【図19】

【図20】

【図21】

【国際調査報告】