特表2022-552044ピッチ可変光学デバイスおよびそれを含んでいるシステム
(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】2022-12-15
(54)【発明の名称】ピッチ可変光学デバイスおよびそれを含んでいるシステム
(51)【国際特許分類】
G02F 1/13 20060101AFI20221208BHJP
G02B 27/02 20060101ALI20221208BHJP
G02F 1/1343 20060101ALI20221208BHJP
G02F 1/133 20060101ALI20221208BHJP
【ＦＩ】
G02F1/13 505
G02B27/02 Z
G02F1/1343
G02F1/133 505
【審査請求】未請求
【予備審査請求】未請求
(21)【出願番号】P 2021577401
(86)(22)【出願日】2020-09-06
(85)【翻訳文提出日】2022-02-25
(86)【国際出願番号】 US2020049611
(87)【国際公開番号】W WO2021076243
(87)【国際公開日】2021-04-22
(31)【優先権主張番号】16/657,663
(32)【優先日】2019-10-18
(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】515046968
【氏名又は名称】メタ プラットフォームズ テクノロジーズ， リミテッド ライアビリティ カンパニー
【氏名又は名称原語表記】ＭＥＴＡ ＰＬＡＴＦＯＲＭＳ ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＩＥＳ， ＬＬＣ
(74)【代理人】
【識別番号】110002974
【氏名又は名称】弁理士法人Ｗｏｒｌｄ ＩＰ
(72)【発明者】
【氏名】チアン， インフェイ
(72)【発明者】
【氏名】ジャマリ， アフスーン
(72)【発明者】
【氏名】チャン， チャンウォン
(72)【発明者】
【氏名】トラビス， エードリアン
(72)【発明者】
【氏名】マイモニ， アンドリュー
(72)【発明者】
【氏名】ルー， ルー
【テーマコード（参考）】
2H088
2H092
2H193
2H199
【Ｆターム（参考）】
2H088EA42
2H088EA48
2H088GA02
2H088GA08
2H088HA02
2H088HA03
2H088HA18
2H088JA06
2H088JA11
2H088KA02
2H088KA26
2H088KA27
2H088MA20
2H092GA13
2H092HA04
2H092NA25
2H092QA08
2H092RA03
2H092RA10
2H193ZA27
2H193ZB51
2H193ZH30
2H193ZH39
2H193ZH53
2H193ZP03
2H193ZP04
2H193ZP15
2H193ZQ07
2H193ZQ12
2H193ZR16
2H199CA02
2H199CA04
2H199CA12
2H199CA23
2H199CA24
2H199CA25
2H199CA27
2H199CA29
2H199CA30
2H199CA42
2H199CA43
2H199CA53
2H199CA62
2H199CA66
2H199CA67
2H199CA68
2H199CA70
2H199CA92
2H199CA94
2H199CA96
(57)【要約】
光学デバイスが提供される。光学デバイスは、光回折格子を含む。光回折格子は、互いに対向して配列された２つの電極と、電極の間にはさまれた液晶（ＬＣ）組成物とを含む。２つの電極は、光回折格子に駆動電圧を供給する。ＬＣ混合物は、ホストＬＣと、ホストＬＣ中にゲストとして溶解された１つまたは複数のＬＣ二量体とを含む。ホストＬＣおよび１つまたは複数のＬＣ二量体は、ネマチック相において反対の符号のそれぞれの誘電異方性を有する。ＬＣ混合物の正味の誘電異方性は、所定の温度において実質的に中性である。
【選択図】図２Ｂ、図２Ｃ
【選択図】図２Ｂ、図２Ｃ
【特許請求の範囲】
【請求項1】
互いに対向して配列された２つの電極と、前記電極の間にはさまれた液晶（ＬＣ）組成物とを含む光回折格子であって、前記２つの電極が、前記光回折格子に駆動電圧を供給する、光回折格子を備え、
ＬＣ混合物は、
ホストＬＣと、
前記ホストＬＣ中にゲストとして溶解された１つまたは複数のＬＣ二量体であって、前記ホストＬＣおよび前記１つまたは複数のＬＣ二量体が、ネマチック相において反対の符号のそれぞれの誘電異方性を有し、前記ＬＣ混合物の正味の誘電異方性が、所定の温度において実質的に中性である、１つまたは複数のＬＣ二量体と
を含む、
光学デバイス。
【請求項2】
前記所定の温度が室温を含む、請求項１に記載の光学デバイス。
【請求項3】
前記光回折格子の周期が、前記駆動電圧の振幅とともに連続的に可変である、請求項１または請求項２に記載の光学デバイス。
【請求項4】
前記光学デバイスのユーザの眼のアイトラッキング情報を提供するように構成されたアイトラッキングデバイスをさらに備える、請求項１から３のいずれか一項に記載の光学デバイス。
【請求項5】
前記アイトラッキングデバイスから前記アイトラッキング情報を受信することと、前記眼の位置を決定することと、
前記眼の前記位置に基づいて、前記光回折格子の所望の周期を得るように、前記光回折格子の前記駆動電圧の振幅を制御することと
を行うように構成されたコントローラ
をさらに備える、請求項４に記載の光学デバイス。
【請求項6】
画像光を生成するように構成されたプロジェクタと、前記光学デバイスのアイボックスにおける１つまたは複数のスポットに、前記プロジェクタから受光された前記画像光を集束させるように構成された画像コンバイナと
をさらに備え、
前記光回折格子が、前記画像コンバイナに光学的に結合され、前記眼の前記位置と実質的に合致するように、前記１つまたは複数のスポットのうちの１つをステアリングするように構成され、好ましくは、前記画像コンバイナが、ホログラフィック光学要素（ＨＯＥ）を含む、
請求項５に記載の光学デバイス。
【請求項7】
前記光回折格子のほうへ光ビームを発するように構成された光源であって、前記光回折格子が、前記光ビームを回折して回折光ビームにするように構成された、光源と、前記光回折格子に光学的に結合され、前記光学デバイスのアイボックスにおける１つまたは複数のスポットに、前記光回折格子から受光された前記回折光ビームを集束させるように構成された光学レンズと
をさらに備え、
前記１つまたは複数のスポットのうちの１つが、前記眼の前記位置と実質的に合致する、
請求項５に記載の光学デバイス。
【請求項8】
前記光源と前記光回折格子との間に動作可能に配設された光学ディフューザであって、前記光学ディフューザが、前記光回折格子のほうへ、前記光源から受光された前記光ビームを一次的に順方向拡散させるように構成され、好ましくは、前記光学ディフューザが、ホログラフィックディフューザであり、および／または好ましくは、前記光学レンズが、第１の光学レンズである、光学ディフューザをさらに備え、前記光学デバイスが、前記光源と前記光学ディフューザとの間に動作可能に配設された第２の光学レンズであって、前記第２の光学レンズが、前記光源から受光された前記光ビームを平行にするように構成された、第２の光学レンズ
をさらに備える、請求項７に記載の光学デバイス。
【請求項9】
前記光回折格子が、それぞれ、２つの電極上に配設された整合層をさらに含み、前記整合層が、逆並列整合方向を提供し、前記２つの電極が、それぞれ、２つの基板に配設された平面電極である、請求項１から８のいずれか一項に記載の光学デバイス。
【請求項10】
前記光学デバイスが、ニアアイディスプレイ（ＮＥＤ）の構成要素である、請求項１から９のいずれか一項に記載の光学デバイス。
【請求項11】
互いに対向して配列された２つの電極と、前記２つの電極の間にはさまれた液晶（ＬＣ）組成物とを含む回折レンズであって、前記２つの電極が、前記回折レンズに駆動電圧を供給し、前記２つの電極のうちの少なくとも１つが、複数のサブ電極を含む、回折レンズを備え、
ＬＣ混合物は、
ホストＬＣと、
前記ホストＬＣ中にゲストとして溶解された１つまたは複数のＬＣ二量体であって、前記ホストＬＣおよび前記１つまたは複数のＬＣ二量体が、ネマチック相において反対の符号のそれぞれの誘電異方性を有し、前記ＬＣ混合物の正味の誘電異方性が、所定の温度において実質的に中性である、１つまたは複数のＬＣ二量体と
を含む、
光学デバイス。
【請求項12】
前記所定の温度が室温を含む、請求項１１に記載の光学デバイス。
【請求項13】
前記２つの電極のうちの前記少なくとも１つの前記サブ電極に印加される前記駆動電圧の振幅が、最外サブ電極から最内サブ電極に向かって漸進的に減少され、前記２つの電極のうちの残りの１つに印加される前記駆動電圧の振幅が、均一である、請求項１１または１２に記載の光学デバイス。
【請求項14】
画像光を生成するように構成された電子ディスプレイをさらに備え、前記回折レンズが、前記光学デバイスのアイボックスのほうへ前記画像光を向けるように構成され、好ましくは、前記光学デバイスのユーザの眼のアイトラッキング情報を提供するように構成されたアイトラッキングデバイスをさらに備え、好ましくは、
前記アイトラッキングデバイスから前記アイトラッキング情報を受信することと、
前記ユーザの各眼の位置を決定することと、
凝視ラインの推定交差に基づいて、よせ運動距離を決定することと、
決定されたよせ運動距離に基づいて、所望の光パワーを得るように、前記回折レンズのそれぞれのサブ電極に印加される前記駆動電圧の振幅を制御することと
を行うように構成されたコントローラ
をさらに備える、請求項１１から１３のいずれか一項に記載の光学デバイス。
【請求項15】
前記光学デバイスが、ニアアイディスプレイ（ＮＥＤ）の構成要素である、請求項１１から１４のいずれか一項に記載の光学デバイス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本開示は、概して、液晶（ＬＣ）混合物に関し、特に、室温において実質的に中性の正味の誘電異方性を呈し、ピッチ可変光学要素を対象とするネマチックＬＣ混合物、ＬＣ混合物を含んでいるピッチ可変光学要素、およびピッチ可変光学要素を含む光学デバイスに関する。
【背景技術】
【0002】
機能材料の周知のタイプの１つとして、ＬＣが、回折格子、回折レンズなど、回折光学要素において広く適用されている。ＬＣは、低コスト、低電力消費および簡単な準備というＬＣの利点により、将来の情報処理にとってますます重要になっている。一般的に、ＬＣを使用する旧来の電気的に切替え可能な回折光学要素は、２つのカテゴリーを有し、１つは、一方または両方の基板上のパターニングされた電極によって誘起された、ＬＣにおける均一でない電界分布に基づき、他方は、ポリマーネットワーク液晶複合材料における複数の整合領域またはホログラフィック記録によって誘起された周期的屈折率プロファイルに基づく。しかしながら、ＬＣを使用する既存の回折光学要素の製造および制御は、複雑で費用がかかり、さらに重要なことには、ＬＣを使用する既存の回折光学要素における回折構造のピッチは、固定され、電気的に連続的に調整され得ない。これにより、回折角は、固定であるか、または電気的に連続的に調整され得ない。
【発明の概要】
【0003】
本開示の一態様は、光回折格子を含む光学デバイスを提供する。光回折格子は、互いに対向して配列された２つの電極と、電極の間にはさまれた液晶（ＬＣ）組成物とを含む。２つの電極は、光回折格子に駆動電圧を供給する。ＬＣ混合物は、ホストＬＣと、ホストＬＣ中にゲストとして溶解された１つまたは複数のＬＣ二量体とを含む。ホストＬＣおよび１つまたは複数のＬＣ二量体は、ネマチック相において反対の符号のそれぞれの誘電異方性を有する。ＬＣ混合物の正味の誘電異方性は、所定の温度において実質的に中性である。
【0004】
いくつかの実施形態では、所定の温度は室温を含む。
【0005】
光回折格子の周期は、駆動電圧の振幅とともに連続的に可変であり得る。
【0006】
いくつかの実施形態では、光学デバイスは、光学デバイスのユーザの眼のアイトラッキング情報を提供するように構成されたアイトラッキングデバイスをさらに備える。
【0007】
さらなる実施形態では、光学デバイスは、アイトラッキングデバイスからアイトラッキング情報を受信することと、眼の位置を決定することと、眼の位置に基づいて、光回折格子の所望の周期を得るように、光回折格子の駆動電圧の振幅を制御することとを行うように構成されたコントローラを備える。
【0008】
光学デバイスは、画像光を生成するように構成されたプロジェクタと、光学デバイスのアイボックスにおける１つまたは複数のスポットに、プロジェクタから受光された画像光を集束させるように構成された画像コンバイナとをも備え得、光回折格子は、画像コンバイナに光学的に結合され、眼の位置と実質的に合致するように、１つまたは複数のスポットのうちの１つをステアリングするように構成される。
【0009】
画像コンバイナは、ホログラフィック光学要素（ＨＯＥ）を含み得る。
【0010】
光学デバイスは、光回折格子のほうへ光ビームを発するように構成された光源であって、光回折格子は、光ビームを回折して回折光ビームにするように構成された、光源と、光回折格子に光学的に結合され、光学デバイスのアイボックスにおける１つまたは複数のスポットに、光回折格子から受光された回折光ビームを集束させるように構成された光学レンズとをさらに備え得、１つまたは複数のスポットのうちの１つは、眼の位置と実質的に合致する。
【0011】
光学ディフューザが、光源と光回折格子との間に動作可能に配設され得、光学ディフューザは、光回折格子のほうへ、光源から受光された光ビームを一次的に順方向拡散させるように構成される。
【0012】
光学ディフューザは、ホログラフィックディフューザであり得る。
【0013】
光学レンズは、第１の光学レンズであり得、光学デバイスは、光源と光学ディフューザとの間に動作可能に配設された第２の光学レンズであって、第２の光学レンズは、光源から受光された光ビームを平行にするように構成された、第２の光学レンズをさらに備え得る。
【0014】
いくつかの実施形態では、光回折格子は、それぞれ、２つの電極上に配設された整合層をさらに含み、整合層は、逆並列整合方向を提供し、２つの電極は、それぞれ、２つの基板に配設された平面電極である。
【0015】
いくつかの実施形態では、光学デバイスは、ニアアイディスプレイ（ＮＥＤ）の構成要素である。
【0016】
本開示の別の態様は、回折レンズを含む光学デバイスを提供する。回折レンズは、互いに対向して配列された２つの電極と、２つの電極の間にはさまれた液晶（ＬＣ）組成物とを含む。２つの電極は、回折レンズに駆動電圧を供給し、２つの電極のうちの少なくとも１つは、複数のサブ電極を含む。ＬＣ混合物は、ホストＬＣと、ホストＬＣ中にゲストとして溶解された１つまたは複数のＬＣ二量体である。ホストＬＣおよび１つまたは複数のＬＣ二量体は、ネマチック相において反対の符号のそれぞれの誘電異方性を有する。ＬＣ混合物の正味の誘電異方性は、所定の温度において実質的に中性である。
【0017】
いくつかの実施形態では、所定の温度は室温を含む。
【0018】
いくつかの実施形態では、２つの電極のうちの少なくとも１つのサブ電極に印加される駆動電圧の振幅は、最外サブ電極から最内サブ電極に向かって漸進的に減少され、２つの電極のうちの残りの１つに印加される駆動電圧の振幅は、均一である。
【0019】
いくつかの実施形態では、光学デバイスは、画像光を生成するように構成された電子ディスプレイをさらに備え、回折レンズは、光学デバイスのアイボックスのほうへ画像光を向けるように構成される。光学デバイスは、光学デバイスのユーザの眼のアイトラッキング情報を提供するように構成されたアイトラッキングデバイスをさらに備え得る。光学デバイスは、アイトラッキングデバイスからアイトラッキング情報を受信することと、ユーザの各眼の位置を決定することと、凝視ラインの推定交差に基づいて、よせ運動距離を決定することと、決定されたよせ運動距離に基づいて、所望の光パワーを得るように、回折レンズのそれぞれのサブ電極に印加される駆動電圧の振幅を制御することとを行うように構成されたコントローラをさらに備え得る。
【0020】
いくつかの実施形態では、光学デバイスは、ニアアイディスプレイ（ＮＥＤ）の構成要素である。
【0021】
本開示の他の態様が、本開示の発明を実施するための形態、特許請求の範囲、および図面に照らして当業者によって理解され得る。
【0022】
以下の図面は、様々な開示される実施形態による例示目的のために提供され、本開示の範囲を限定するものではない。
【図面の簡単な説明】
【0023】
【図1A】スプレイ変形下の洋ナシ形状の液晶（ＬＣ）分子の自発分極を例示する概略図である。
【図1B】曲がり変形下の曲がり形状のＬＣ分子の自発分極を例示する概略図である。
【図2A】本開示の実施形態による、ＬＣ混合物を含んでいるＬＣセルの断面を例示する概略図である。
【図3A】本開示の実施形態による、異なる駆動電圧下の、ＬＣ混合物が充填されたＬＣセルを例示する顕微鏡写真の集まりである。
【図5A】本開示の別の実施形態による、ＬＣ混合物を含んでいるＬＣセルの断面を例示する概略図である。
【図6A】本開示の実施形態による、ピッチ可変光学要素を含む光学アセンブリを例示する概略図である。
【図7】本開示の別の実施形態による、ピッチ可変光学要素を含む光学アセンブリを例示する概略図である。
【図8】本開示の実施形態による、ニアアイディスプレイ（ＮＥＤ）を例示する概略図である。
【図9A】本開示の別の実施形態による、ＮＥＤのワイヤ図を例示するアイソメトリック図である。
【発明を実施するための形態】
【0024】
次に、添付の図面中に例示されている、本開示の例示的な実施形態への言及が、詳細に行われる。以下、本開示に合致する実施形態が、図面を参照しながら説明される。図面において、形状およびサイズは、明快のために、誇張されるか、ひずまされるか、または簡略化され得る。可能な場合はいつでも、同じ参照番号が、同じまたは同様の部分を指すために図面全体にわたって使用され、同じまたは同様の部分の詳細な説明は、省略され得る。
【0025】
さらに、本開示では、開示される実施形態、および開示される実施形態の特徴は、矛盾がない条件下で組み合わせられ得る。説明される実施形態は、本開示の実施形態のうちのいくつかであるが、すべてではないことが明らかである。開示される実施形態に基づいて、当業者は、本開示に合致する他の実施形態を導き出し得、それらのうちのすべては、本開示の範囲内に入る。
【0026】
ＬＣ分子は、通常、永続的なダイポールを有するが、ＬＣ分子は、ダイポールが、それぞれ２つの反対の方向を向くという等しい確率のために、自発分極を呈しない。ＬＣは、異方性誘電体媒体であり、ＬＣの配向は、外部電界など、外部から印加された界によって変化され得る。外部から印加された電界とＬＣとの間の相互作用エネルギーは、以下の式、
によって与えられ、ここで、Δεは、ＬＣの誘電異方性であり、
は、平均分子配向の方向を向くＬＣダイレクタであり、
は、外部から印加された電界の強度である。式（１）によれば、相互作用エネルギーｆｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃは、電界の極性に対して不感応性である。しかしながら、完全な棒形状の構造を有しないが、曲がり形状または洋ナシ形状のいずれかの構造を有するＬＣ分子の場合、ＬＣ配向が、空間中で均一でないとき、ＬＣ分子のダイポールは、同じ方向を向き得、これにより、（フレクソエレクトリック分極とも呼ばれる）自発分極が、以下の式、
によってもたらされ、与えられ得、ここで、ｅｓおよびｅｂは、それぞれ、スプレイおよび曲がりフレクソエレクトリック係数である。図１Ａは、長手方向ダイポールをもつ洋ナシ形状のＬＣ分子１００が、スプレイ変形下で自発分極を呈し得ることを例示する。図１Ｂは、長手方向ダイポールをもつ曲がり形状のＬＣ分子１５０が、曲がり変形下で自発分極を呈し得ることを例示する。自発分極と外部から印加された電界との相互作用エネルギーは、以下の式、
によって説明される。上記の式（３）によれば、相互作用エネルギーｆｆｌｅｘｏｅｌｅｃｔｒｉｃは、外部から印加された電界の極性、すなわち、印加された電圧の極性に対して感応性である。
【0027】
外部から印加された電界下のＬＣの配向は、通常、誘電効果とフレクソエレクトリック効果の両方によって、すなわち、ｆｆｌｅｘｏｅｌｅｃｔｒｉｃとｆｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃの両方によって決定される。しかしながら、誘電効果が、フレクソエレクトリック効果よりもはるかに強いとき、誘電効果は、ＬＣの配向を決定するための優性効果になる。逆に、フレクソエレクトリック効果が、誘電効果よりもはるかに強いとき、フレクソエレクトリック効果は、ＬＣの配向を決定するための優性効果になる。理論的研究は、フレクソエレクトリック効果自体が、ＬＣの誘電異方性（Δε）を増加させることによって抑制され、対照的に、ＬＣの誘電異方性（Δε）を減少させることによって増強されることを実証する。
【0028】
本開示は、外部から印加された電界下で、増強されたフレクソエレクトリック効果を呈するＬＣ混合物を提供する。ＬＣ混合物は、室温においてネマチック相を有し得る。本明細書で使用される、「室温」は、１５℃以上４０℃以下の温度を意味する。ＬＣ混合物の組成物は、ネマチックホストＬＣと、ホストＬＣ中にゲストとして溶解された１つまたは複数のＬＣ二量体とを含み得、ここで、ホストＬＣおよび１つまたは複数のＬＣ二量体は、ネマチック相において反対の符号のそれぞれの誘電異方性を有し得る。ＬＣ混合物中のＬＣ二量体の重量パーセンテージは、ＬＣ混合物の正味の誘電異方性が、中性にかなり近づき得、すなわち、正味の誘電異方性Δεが、０にかなり近づき得るというやり方で設計される。開示されるＬＣ混合物は、室温において動作される電気光学要素のために使用され得る。電気光学要素は、本開示によるＬＣ混合物中で誘起されたフレクソエレクトリック磁区（ＦＤ）のピッチが、電気的に連続的に可変である、ピッチ可変光学要素であり得る。
【0029】
ホストＬＣは、ＬＣ混合物の大部分であり得、すなわち、ＬＣ混合物中のホストＬＣの重量パーセンテージは、５０％よりも大きいことがある。ホストＬＣは、ネマチック相において実質的に低い誘電異方性（Δε）を有し得る。いくつかの実施形態では、ホストＬＣは、正のＬＣ材料であり得、すなわち、ホストＬＣの誘電異方性（Δε）は正である。いくつかの実施形態では、ホストＬＣは、負のＬＣ材料であり得、すなわち、ホストＬＣの誘電異方性（Δε）は負である。いくつかの実施形態では、ホストＬＣは、室温においてネマチック相にあり得、すなわち、ホストＬＣのネマチック相の温度範囲は、室温を含み得る。ホストＬＣとして好適である化合物および混合物は、かなりの程度まで知られており、また、それらの多くは市販されている。
【0030】
ＬＣ二量体は、ねじり曲がりネマチック相と呼ばれる新しいタイプのネマチック相を呈すること、異常に小さい曲がり弾性定数を有すること、および大きいフレクソエレクトリシティを所有することなど、いくつかの固有の特性を所有する新しいタイプのＬＣである。本開示によるＬＣ混合物は、ホストＬＣ中にゲストとして溶解された１つまたは複数のＬＣ二量体を含み得る。１つまたは複数のＬＣ二量体は、ネマチック相において実質的に低い誘電異方性（Δε）を有し得、１つまたは複数のＬＣ二量体の誘電異方性（Δε）は、ネマチック相においてＬＣホストのものと反対の符号を有し得る。たとえば、ホストＬＣが、正のＬＣ材料であるとき、１つまたは複数のＬＣ二量体は、負のＬＣ材料であり得、ホストＬＣが、負のＬＣ材料であるとき、１つまたは複数のＬＣ二量体は、正のＬＣ材料であり得る。加えて、１つまたは複数のＬＣ二量体は、室温におけるねじり曲がりネマチック相および大きいフレクソエレクトリシティの形成を促進することができる分子構造、たとえば、大きいスプレイフレクソエレクトリック係数を呈する洋ナシ形状の分子構造、大きい曲がりフレクソエレクトリック係数を呈する曲がった形状の分子構造、セミフレキシブルで曲がったコア分子構造を有し得る。さらに、１つまたは複数のＬＣ二量体は、ＬＣホスト中での良好な溶解度を有し得る。ＬＣ混合物中の１つまたは複数のＬＣ二量体の重量パーセンテージは、ＬＣ混合物中のＬＣ二量体の溶解度、ＬＣ混合物の所望の正味の誘電異方性および所望のフレクソエレクトリック係数など、様々な要因によって決定され得る。ＬＣ混合物の正味の誘電異方性およびフレクソエレクトリック係数は、ＬＣ混合物中のＬＣ二量体の重量パーセンテージを変動させることによって調整可能であり得るが、ネマチックホストＬＣ中のＬＣ二量体の溶解度が、考慮されることが望まれる。
【0031】
ホストＬＣ中にゲストとして溶解される１つまたは複数のＬＣ二量体として好適である化合物および混合物は、かなりの程度まで知られており、また、それらの多くは市販されている。いくつかの実施形態では、１つまたは複数のＬＣ二量体は、シアノビフェニルベースＬＣ二量体を含み得る。いくつかの実施形態では、シアノビフェニルベースＬＣ二量体は、以下の化学構造、
を有する１，ω－ビス（４－シアノビフェニル－４’－イル）アルカン同族列のメンバーを含み得、ここで、２つのメソゲンユニット（換言すれば、シアノビフェニル基）は、アルキル鎖からなるフレキシブルな連結を使用して接続される。１，ω－ビス（４－シアノビフェニル－４’－イル）アルカン同族列は、頭字語ＣＢｎＣＢを使用して指され、ここで、ＣＢは、シアノビフェニルを指し示し、ｎは、フレキシブルな連結におけるメチレンユニットの数を指し示す。ＣＢｎＣＢの奇数番号のメンバーは分子構造を有し得、ここで、２つの端にある２つのシアノビフェニル基は、奇数個の炭素をもつアルキル鎖を介して接続され、互いに対してある角度で傾斜される。すなわち、ＣＢｎＣＢの奇数番号のメンバーは、曲がった分子形状を有し得、そのような適合は、大きい曲がりフレクソエレクトリック係数を容易にする。ＣＢｎＣＢの偶数番号のメンバーは、２つの端にある２つのシアノビフェニル基の長軸が互いに平行である分子構造を有し得る。すなわち、ＣＢｎＣＢの偶数番号のメンバーは、直線的な分子形状を有し得、ＣＢｎＣＢの偶数番号のメンバーの曲がりフレクソエレクトリック係数は、ＣＢｎＣＢの奇数番号のメンバーのものと比較して、抑制され得る。
【0032】
ＣＢ７ＣＢ、ＣＢ９ＣＢおよびＣＢ１１ＣＢは、奇数メンバーのＬＣ二量体の例である。ＣＢ７ＣＢは、以下の分子構造、
を有し、ここで、２つの端にある２つのシアノビフェニル基は、７つの炭素をもつアルキル鎖を介して接続され、互いに対してある角度で傾斜される。ＣＢ９ＣＢは、アルキル鎖が、９つの炭素からなることを除いて、ＣＢ９ＣＢのものに類似する以下の分子構造、
を有する。約－３１ｐＣ／ｍの大きい曲がりフレクソエレクトリック係数ｅｂが、ＬＣ二量体ＣＢ７ＣＢについて報告され、類似の曲がりフレクソエレクトリック係数が、ＬＣ二量体ＣＢ９ＣＢについて予想される。ＣＢ７ＣＢおよびＣＢ９ＣＢはまた、約２の類似の正の誘電異方性（Δε）を有する。
【0033】
本開示によるＬＣ混合物は、それ自体公知の様式で、たとえば、透明点を近似的に上回る温度に、ホストＬＣと１つまたは複数のＬＣ二量体の混合物を加熱し、次いで、混合物を室温に冷却して準備され得る。考察の目的で、（ＬＣ混合物Ａと呼ばれる）本開示によるＬＣ混合物が、ホストＬＣとしてのＨＮＧ７２６７（Δε＝－１．９、Δｎ＝０．１５、Ｊｉａｎｇｓｕ Ｈｅｃｈｅｎｇ Ｄｉｓｐｌａｙ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｃｏ．，Ｌｔｄ製（ＨＣＣＨ））を、ＬＣ二量体としてのＣＢ７ＣＢおよびＣＢ９ＣＢと混合することによって準備され、ここで、ＬＣ混合物Ａ中のホストＬＣおよびＬＣ二量体の重量パーセンテージは、それぞれ、約７０％および３０％である。ＣＢ７ＣＢとＣＢ９ＣＢの両方は、ネマチックホストＬＣ中でのＬＣ二量体の溶解度を増強するために、ホストＬＣの中にドープされた。ＬＣ混合物Ａは、室温において、実質的に中性である約－０．２の負の誘電異方性（Δε）を有することが測定された。ＬＣ混合物Ａの曲がりフレクソエレクトリック係数は、約－１０ｐＣ／ｍである。
【0034】
本開示によるＬＣ混合物は、好適なＬＣセルの中に充填され、好適な外部駆動電圧を印加された後、室温において、光回折、回折構造の電気的にチューニング可能なピッチ、電気的にチューニング可能な回折角、および電気的にチューニング可能な回折効率など、固有の光学特性を呈し得る。本開示によるＬＣ混合物を含んでいるＬＣセルの製作は、それ自体公知の様式で、たとえば、ＬＣセルを真空にすることと、真空のＬＣセルの中にＬＣ混合物を導入することとによって行われ得る。
【0035】
図２Ａは、本開示の実施形態による、ＬＣ混合物を含んでいるＬＣセル２００の断面を例示する。図２Ａ中に示されているように、ＬＣセル２００は、２つの対向する基板２１０と、２つの基板２１０の間にはさまれたＬＣ混合物層２２０とを含み得る。ＬＣ混合物層２２０は、本開示の実施形態によるＬＣ混合物の薄膜であり得る。基板２１０は、ＬＣ混合物層２２０に支持および保護を提供し得る。基板２１０は、可視帯域（約３８０ｎｍ～約７００ｎｍ）において実質的に透明であり得る。いくつかの実施形態では、基板２１０はまた、赤外線（ＩＲ）帯域（約７００ｎｍ～約１ｍｍ）の一部または全部において透明であり得る。基板２１０は、上に挙げられた波長範囲の光に対して実質的に透明である好適な材料、たとえば、ガラス、プラスチック、サファイアなどを含み得る。酸化インジウムスズ（ＩＴＯ）電極など、導電性電極２３０が、電源２８０による駆動電圧をＬＣセル２００に印加するために、基板２１０の対向表面上に配設され得る。駆動電圧は、直流（ＤＣ）電圧または超低周波交流（ＡＣ）電圧（たとえば、０．０１ＨｚＡＣ電圧）であり得る。電源のすべての代替使用は、本開示の範囲内にある。導電性電極２３０は、たとえば、連続平面電極、パターニングされた平面電極、または突起電極であり得る。整合層２４０が、導電性電極２３０の対向表面上に配設され得、ＬＣ混合物層２２０は、２つの整合層２４０の間にはさまれ得る。整合層２４０は、ＬＣ混合物層２２０中のＬＣ分子２５０に元の整合を提供し得る。整合層２４０の様々な材料、ならびに整合方向および強度は、境界にあるＬＣ分子２５０が、異なる元の整合を有することを引き起こし得る。いくつかの実施形態では、導電性電極２３０は、各々、導電性電極２３０を通る電荷キャリアの注入を防ぐために、たとえば、ＳｉＯ２の絶縁層で覆われ得る。一実施形態では、図２Ａ中に示されているように、導電性電極２３０は、連続平面電極であり得、２つの整合層２４０は、それぞれ、均質な逆並列整合方向を用いて、たとえば、それぞれ、＋ｙ方向および－ｙ方向に構成され得、それを通して、ＬＣ分子２５０は、電圧オフ状態（Ｖ＝０）において逆並列方向に配向され得る。
【0036】
図２Ｂおよび図２Ｃは、電源２８０によって供給された異なる駆動電圧下の電圧オン状態におけるＬＣ分子２５０の配向を例示する。電源２８０の駆動電圧Ｖは、２つの導電性電極２３０上に印加され、ｚ方向に沿った電界が生成される。図２Ｂ中に示されているように、駆動電圧Ｖが、しきい値を超えると、複数のフレクソ磁区（ＦＤ）２６０が、ＬＣ混合物層２２０中で誘起され始め得る。例示目的のために、図２Ｂは、３つのＦＤ２６０を示し、単一のＦＤ２６０が、点線ボックスによって指し示されている。ＦＤ２６０は、フレクソエレクトリック効果によってのみ現れる、一種の電界誘起された変形である。ＬＣ混合物層２２０中でのＦＤの出現は、駆動電圧の振幅および周波数、動作温度など、様々な要因に関係し得る。ＦＤ２６０の構造は、光回折格子に類似し得る。図２Ｂ中に示されているように、ＬＣ混合物層２２０中で誘起されたＦＤ２６０は、均一なピッチ（または周期）Λをもつ空間的に周期的なパターン中に配列され得、単一のＦＤ２６０は、元の整合方向（たとえば、図２Ｂ中のｙ方向）に平行に拡張し得る。すなわち、単一のＦＤ２６０の長さ方向は、元の整合方向（たとえば、図２Ｂ中のｙ方向）に平行であり得る。ＬＣ分子２５０の方位角（φ）は、均一なピッチ（または周期）Λをもつ、ＬＣ混合物層２２０の中心からエッジに向かって直線的に反復的なパターンで変化され得る。ピッチΛは、単一のＦＤ２６０の幅方向（たとえば、ｘ方向）に沿ったサイズであり得るか、またはピッチΛは、パターンの繰り返された部分の間のｘ方向に沿った距離であり得る。ピッチΛは、部分的に、ＦＤ２６０からなる光回折格子の光学特性を決定し得る。たとえば、ピッチΛは、入射光ビームの回折角を決定し得る。概して、ピッチΛが、小さければ小さいほど、設計された波長についての回折角は大きくなる。
【0037】
ＬＣセル２００は、偏光選択的であり得ることに留意されたい。ＬＣセル２００は、第１の偏光を有する光ビームを選択的に回折するが、無視できる回折をもつ第２の偏光を有する光ビームを透過し得る。たとえば、図２Ｂ中に示されているように、整合方向（たとえば、図２Ｂ中のｘ方向）において直線的に偏光された光ビーム２６５は、ＬＣセル２００中を伝搬するとき、周期的屈折率変調を受け得、これにより、ＬＣセル２００によって回折され得る。例示目的のために、図２Ｂは、光ビーム２６０の＋１次回折を示し、ここで、回折角θは、回折光ビーム２７０と光入射表面の法線との間の角度である。整合方向に対して垂直な方向（たとえば、図２Ｂ中のｙ方向）において直線的に偏光された光ビームは、ＬＣセル２００中を伝搬するとき、均一な屈折率を受け得、これにより、無視できる回折をもって透過され得る。いくつかの実施形態では、ＬＣセル２００の上に入射する光ビームが、ＬＣセル２００の要件に一致する所望の偏光を有し得るように、直線偏光子が、ＬＣセル２００に光学的に結合され得る。
【0038】
ＬＣ混合物層２２０中で誘起されたＦＤ２６０の構造は、電源２８０によって供給された駆動電圧の振幅および周波数、動作温度など、様々な要因によって制御され得る。図２Ｃ中に示されているように、駆動電圧の振幅が増加する（駆動電圧が、図２Ｂ中の駆動電圧Ｖｌｏｗと比較して、図２Ｃ中のＶｈｉｇｈになる）につれて、ＬＣ混合物層２２０中で誘起されたＦＤ２６０のピッチΛは、減少し得る。それゆえに、回折角は増加し得る。例示目的のために、図２Ｃは、光ビーム２６０の＋１次回折を示し、ここで、回折角θは、回折光ビーム２７５と光入射表面の法線との間の角度である。図２Ｃ中の回折角θは、図２Ｂ中のものと比較して明らかに増加する。駆動電圧の振幅が、連続的に増加するにつれて、ＬＣ混合物層２２０中で誘起されたＦＤ２６０のピッチΛは、連続的に減少し得る。すなわち、ＦＤ２６０からなる光回折格子のピッチΛは、外部から印加された電圧によって連続的に調整可能であり得る。それゆえに、ＦＤ２６０からなる光回折格子の上に入射する光ビームの回折角は、外部から印加された電圧によって連続的に調整可能であり得る。連続的に調整可能なピッチは、光回折格子の重要で広範な用途の大きな可能性を有し得る。
【0039】
ＬＣ混合物層２２０中で誘起されたＦＤ２６０のピッチΛは、マイクロメートル（μｍ）スケールにあり得、偏光顕微鏡（ＰＯＭ）下で観測され得る。図３Ａは、異なる駆動電圧下の、ＬＣ混合物Ａが充填されたＬＣセルの顕微鏡写真を例示する。ＬＣセルは、図２Ａ中に示されているセル構造を有し得る。セルギャップは約３．７μｍであり、動作温度は室温である。顕微鏡写真は、２つの交差偏光子の間に配列されたＬＣセルを用いて、ＰＯＭ下で取られた。図３Ａ中に示されているように、ＬＣ混合物Ａ中で誘起されたＦＤのモフォロジは、ＬＣセルに印加される駆動電圧が変動するにつれて、変化している。ＦＤは、駆動電圧が０Ｖから６Ｖに徐々に増加するとき、ＬＣ混合物Ａ中で観測されない。駆動電圧が８Ｖに増加すると、ＦＤは、ＬＣ混合物Ａ中で誘起されたことが観測され、ここで、ＦＤは、ＰＯＭ下で、初期ＬＣダイレクタ整合方向に平行な明暗の縞の空間的に周期的なアレイとして現れる。ＦＤのピッチΛは、約５μｍである。駆動電圧の振幅がさらに増加するにつれて、ＬＣ混合物Ａ中のＦＤのピッチΛは、明らかに減少し、たとえば、駆動電圧が１２Ｖ、１６Ｖ、２０Ｖおよび２４Ｖに増加するにつれて、それぞれ、約２．７μｍ、１．７μｍ、１．５μｍおよび１．１μｍに減少する。図３Ｂは、ＬＣ混合物Ａ中で誘起されたＦＤのピッチΛと、駆動電圧の振幅との間の関係を例示する。図３Ｂ中の曲線３１０によって示されているように、ＬＣ混合物Ａ中で誘起されたＦＤのピッチΛは、駆動電圧の振幅の逆数と実質的に直線の関係を有する。また、直線フィッティングが、曲線３１０に実質的に一致する、図３Ｂ中の曲線３２０によって示されているように、ピッチΛと、駆動電圧の様々な振幅の逆数との間で行われる。
【0040】
上記で考察されたように、ＬＣ混合物中で誘起されたＦＤの構造は、光回折格子に類似し、これにより、ＦＤは、入射レーザービームが、ある回折条件、たとえば、ブラッグ条件を満たすとき、レーザー回折スポットを生成し得る。図４は、異なる駆動電圧下の図３Ａ中のＬＣセルによってもたらされたレーザー回折スポットの画像を例示する。回折スポットがその上に表示されるためのスクリーンとして、紙が使用され、回折スポットを示すスクリーンの様々な画像をキャプチャするために、固定位置に置かれたカメラが使用された。図３Ａおよび図４を参照すると、駆動電圧が８Ｖに増加すると、回折スポットは、ＦＤからなる光回折格子が現れたときに発現し、０次、±１次、±２次および±３次回折によって生成された回折スポットが、カメラによって観測およびキャプチャされた。駆動電圧が８Ｖから２０Ｖに増加するにつれて、ピッチΛは徐々に減少し、これにより、回折角は徐々に増加する。スクリーンとＬＣセルとの間の距離が一定であるという条件で、０次回折スポットと非ゼロ次回折スポットとの間の距離は、非ゼロ次回折の回折角が徐々に増加するにつれて、徐々に増加し得る。たとえば、駆動電圧が１２Ｖであるとき、±３次回折の回折スポットは、カメラのビューの外側にあり、０次、±１次、および±２次回折の回折スポットのみが観測される。駆動電圧が、１６Ｖであるとき、２次および±３次回折の回折スポットは、ピッチΛの減少とともに、最終的にカメラのビューの外側に存在し、０次および±１次回折の回折スポットのみが観測される。
【0041】
図２Ａ～図２Ｂ、図３Ａ～図３Ｂおよび図４を参照すると、本開示によるＬＣ混合物（たとえば、ＬＣ混合物Ａ）が充填されたＬＣセル２００は、空間的に周期的に配列されたＦＤによって形成された光回折格子として機能し得、ここで、光回折格子のピッチ（または空間的に周期的に配列されたＦＤのピッチ）は、電気的に連続的にチューニング可能であり得、それゆえに、入射光ビームの回折角は、電気的に連続的にチューニング可能であり得る。連続的に可変のピッチをもつそのような光学要素は、回折光学素子、レーザーディスプレイ、ビーム整形またはステアリング、切替え可能なホログラム、およびアダプティブマイクロデバイスなど、光ビームを操作するための著しい潜在的用途を有し得る。
【0042】
図５Ａは、本開示の別の実施形態による、ＬＣ混合物を含んでいるＬＣセル５００の断面を例示し、図５Ｂは、図５Ａ中のＬＣセル５００の上面図を例示する。ＬＣセル５００は、回折レンズ５００として機能し得る。図５Ａと図２Ａ～図２Ｃとの間の類似点は、ここでは繰り返されず、いくらかの差が解説され得る。図５Ａ中に示されているように、ＬＣセル５００は、互いに対向して配列された第１の基板５１０－１および第２の基板５１０－２と、２つの基板５１０の間にはさまれたＬＣ混合物層５２０とを含み得る。ＬＣ混合物層５２０は、本開示の実施形態によるＬＣ混合物の薄膜であり得る。第１および第２の基板５１０は、各々、透明導電性電極５３０および整合層５４０を備え得、ここで、ＬＣ混合物層５２０は、２つの整合層５４０の間にはさまれる。整合層５４０は、均質な逆並列整合方向を用いて、たとえば、図５Ａ中のｙ方向に構成され得、それを通して、ＬＣ分子５５０は、電圧オフ状態（Ｖ＝０、図５Ａ中に描かれていない）において逆並列方向に配向され得る。各導電性電極５３０は、複数のサブ電極を含むパターニングされた電極であり得る。サブ電極は、中心電極５３２と、中心電極５３２を取り囲む複数の同心リング電極５３４とを含み得る。いくつかの実施形態では、中心電極５３２は、円形電極であり得る。対応して、ＬＣセル５００は、複数のサブ電極に１対１で対応している複数のリセットを含み得、ここで、ＬＣセル５００のリセットは、図５Ｂが示すように、中心リセット５０２と、中心リセット５０２を取り囲む、増加する半径の複数の同心リング形状のリセット５０４とを含み得る。
【0043】
図５Ａに戻ると、第１の基板５１０－１上のサブ電極は、均一な駆動電圧が印加され得、たとえば、接地され得る。第２の基板５１０－２上のサブ電極に印加される駆動電圧の振幅は、最外同心リング電極５３４から最内同心リング電極５３４または中心電極５３２に向かって漸進的に減少され得る。第２の基板５１０－２上の中心電極５３２は、第１の基板５１０－１上のサブ電極と同じ駆動電圧が印加され得、たとえば、接地され得る。図２Ａ～図２Ｃ中で考察されたように、ＦＤによって形成された光回折格子のピッチは、駆動電圧が増加するにつれて、減少し得る。これにより、図５Ａ～図５Ｂを参照すると、第２の基板５１０－２上のサブ電極に印加される駆動電圧の振幅が、最外同心リング電極５３４から中心電極５３２に向かって漸進的に減少されるとき、ＦＤによって形成された光回折格子のピッチは、ＬＣセル５００の、最外のリング形状のリセット５０４から中心リセット５０２に向かって増加され得る。それゆえに、所望の偏光をもつ入射光ビームの同じ回折次数の回折角は、ＬＣセル５００の、最外のリング形状のリセット５０４から中心リセット５０２に向かって減少され得る。第２の基板５１０－２上のサブ電極５３４に印加される駆動電圧の振幅を個々に制御することによって、ＬＣセル５００の複数のリセットからの回折光ビームは、集束され、ＬＣセル５００が、回折レンズ５００として機能することを可能にし得る。たとえば、ＬＣ分子５５０の整合方向（たとえば、図５Ａ中のｘ方向）において直線的に偏光された光ビーム５５５が、ＬＣセル５００の上に実質的に垂直に入射するとき、±１次回折光ビーム５６０の回折角は、±１次回折光ビーム５６０が点Ｆに集束され得るように、ＬＣセル５００の、最外のリング形状のリセット５０４から中心リセット５０２に向かって減少され得る。
【0044】
ＬＣセル５００は、単一の入射光ビームが、伝搬軸に沿って数個の位置に同時に集束されることを可能にし得ることに留意されたい。回折次数が増加するにつれて、回折効率が減少するとき、より高次の回折光ビームの焦点スポットは、視覚的に観測できないことがある。加えて、第１の基板５１０－１上のサブ電極は、均一な駆動電圧が印加されるので、いくつかの実施形態では、第１の基板５１０－１上の透明導電性電極５３０は、均一な駆動電圧が印加される均一な平面電極として構成され得、たとえば、接地され得る。すなわち、第１の基板５１０－１および第２の基板５１０－２上の透明導電性電極５３０のうちの少なくとも１つは、複数のサブ電極を含むパターニングされた電極であることが望まれ得る。
【0045】
さらに、回折レンズ５００の焦点距離または光パワーは、第２の基板５１０－２上のそれぞれのサブ電極に印加される駆動電圧の振幅を変動させることによって、調整可能であり得る。たとえば、第２の基板５１０－２上のそれぞれの同心リング電極に印加される駆動電圧の振幅を徐々に増加させることを通して、ＬＣセル５００のそれぞれのリセットにおけるＦＤによって形成された光回折格子のピッチは、徐々に減少し得、それゆえに、回折角は増加し得る。これにより、回折レンズ５００の焦点距離は、減少され得る。反対に、第２の基板５１０－２上のそれぞれの同心リング電極に印加される駆動電圧の振幅を徐々に減少させることを通して、ＬＣセル５００のそれぞれのリセットにおけるＦＤによって形成された光回折格子のピッチは、徐々に増加し得、それゆえに、回折角は減少し得る。これにより、回折レンズ５００の焦点距離は、増加され得る。
【0046】
いくつかの実施形態では、（第１の電極と呼ばれる）第１の基板５１０－１上の透明導電性電極５３０、および（第２の電極と呼ばれる）第２の基板５１０－２上の透明導電性電極５３０のうちの少なくとも１つは、複数のサブ電極を含み得る。駆動電圧は、第１の電極および第２の電極のうちの少なくとも１つのサブ電極にわたって空間的に変動し得、駆動電圧は、第１の電極および第２の電極のうちの残りの１つにわたって空間的に均一であり得、これは、図５Ａ中のレンズ様の偏向パターンに加えて、任意の偏向パターンを可能にし得る。
【0047】
チューニング可能な光回折格子および回折レンズを実現するための、本開示によるＬＣ混合物の使用は、例示目的のためのものにすぎず、本開示の範囲を限定するものではないことに留意されたい。チューニング可能な光回折格子および回折レンズは、本開示によるＬＣ混合物中で誘起されたＦＤのピッチが、電気的に連続的に可変である、ピッチ可変光学要素の例にすぎない。本開示によるＬＣ混合物は、本開示によって限定されない、チューニング可能なプリズムなど、ＬＣ混合物中で誘起されたＦＤのピッチが、電気的に連続的に可変である、他のピッチ可変光学要素を実現するように構成され得る。さらに、本開示によるＬＣ混合物を含んでいるピッチ可変光学要素は、多種多様な分野における多数の用途を有し得、これらは、すべて、本開示の範囲内にある。拡張現実（ＡＲ）、仮想現実（ＶＲ）および複合現実（ＭＲ）分野におけるいくつかの例示的な用途が、以下で解説される。
【0048】
図６Ａは、本開示の実施形態による、ピッチ可変光学要素６２０を含む光学アセンブリ６００の概略図を例示する。ピッチ可変光学要素６２０は、連続ビームステアリングを提供するチューニング可能な光回折格子であり得る。光学アセンブリ６００は、ニアアイディスプレイ（ＮＥＤ）の一部であり得、ＡＲ、ＶＲまたはＭＲ用途のためのＮＥＤの瞳孔ステアリングを可能にし得る。図６Ａ中に示されているように、光学アセンブリ６００は、示されている例示的な光学系中に配列された、光源６０５、第１の光学レンズ６１０、光学ディフューザ６１５、チューニング可能な光回折格子６２０および第２の光学レンズ６２５を含み得る。上記の光学アセンブリにおいて説明された光学要素は、光学系中で異なるシーケンスにおいて構成され得、そのような異なる構成は、すべて、本開示の範囲内にあることを、当業者は諒解されたい。光学系は、光が、複数の光学要素のうちの各光学要素について、その光学要素によって、複数の光学要素のうちの別の光学要素によって透過される前に、透過されるような、複数の光学要素の相対的配置を指す。その上に、光学要素の順序は重要ではない。たとえば、光学要素Ｂの前に置かれた光学要素Ａ、または光学要素Ａの前に置かれた光学要素Ｂは、両方とも、光学系中にある。電気回路類設計に類似して、光学系は、直列に置かれたときにそれらの光学特性がコンパウンドされる光学要素を表す。
【0049】
図６Ａを参照すると、光学アセンブリ６００は、アイトラッキングデバイス６３５およびコントローラ６４０をさらに含み得る。コントローラ６４０は、アイトラッキングデバイス６３５およびチューニング可能な光回折格子６２０など、他のデバイスのうちの１つまたは複数と電気的に結合され得る。光学アセンブリ６００は、本開示によって限定されない、他の要素を含み得る。光源６０５は、収束または発散している、コヒーレントなまたは部分的にコヒーレントな光を生成するように構成された点光源を含み得る。光源６０５は、たとえば、レーザーダイオード、ファイバーレーザー、垂直共振器面発光レーザー、および／または発光ダイオードを含み得る。いくつかの実施形態では、光源６０５は、光学アセンブリ６００中に含まれた構成要素であり得る。いくつかの実施形態では、光源６０５は、コヒーレントなまたは部分的にコヒーレントな光を生成する、何らかの他の光学アセンブリまたは他のシステムの一部であり得る。いくつかの実施形態では、光学アセンブリ６００は、光源６０５によって生成された光を調節する、１つまたは複数の光学構成要素をさらに含み得る。光源６０５からの光を調節することは、たとえば、光源６０５のコントローラからの命令に従って、偏光することおよび／または配向を調整することを含み得る。いくつかの実施形態では、光源６０５は、たとえば、それぞれ、約４４８ｎｍ、５２４ｎｍ、および６３８ｎｍの中心波長を有する、それぞれ、赤、緑および青色光を発する３つのレーザーダイオードに結合された単一の光ファイバーを含み得る。光源６０５によって生成された光ビームは、チューニング可能な光回折格子６２０の要件に一致するように直線的に偏光され得る。
【0050】
光学系中に配列された、第１の光学レンズ６１０、光学ディフューザ６１５、チューニング可能な光回折格子６２０および第２の光学レンズ６２５は、光源６０５によって生成された光を、光学アセンブリ６００のアイボックス６３０のほうへ向け得る。第１の光学レンズ６１０は、第１の光学レンズ６１０が、光源６０５から出力された発散光ビーム６０２を、光学ディフューザ６１５のほうへ伝搬する平行光ビーム６０４に変換し得るように、光源６０５に対して配列され得る。光学ディフューザ６１５は、平行光ビーム６０４を、チューニング可能な光回折格子６２０に向かう複数の散乱光ビーム６０６に一次的に順方向散乱させ得る。光学ディフューザ６１５は、複数の所望の方向において均一に入射光ビームを拡散させ得、それによって、光学アセンブリ６００の視野（ＦＯＶ）は、増強され得る。光学ディフューザ６１５は、ガラスディフューザ、またはホログラフィックディフューザなど、任意の好適な光学ディフューザを含み得る。いくつかの実施形態では、光学ディフューザ６１５は、ホログラフィックディフューザ６１５であり得、ホログラフィックディフューザ６１５の機能は、たとえば、ホログラフィック記録を介して、ホログラフィック材料の薄膜、すなわち、ホログラフィックフィルムでもたらされたホログラフィック光学要素（ＨＯＥ）によって提供され得る。ＨＯＥは、ホログラフィック記録において複数の格子構造（たとえば、ブラッグ格子構造）を用いて構成され得、得られたホログラフィックディフューザ６１５は、ブラッグ回折によって一次的に光ビームを拡散させる（換言すれば、ブラッグ条件を満たす光ビームを回折する）ことがある。ホログラフィックディフューザ６１５は、ブラッグ条件を満たす光を拡散させるのに大いに有効であり得る。いくつかの実施形態では、ホログラフィックディフューザ６１５は、等方性記録材料にホログラフィック的に記録された偏光不感応性ブラッグ格子を含み得る。いくつかの実施形態では、ホログラフィックディフューザ６１５は、偏光感応性記録材料にホログラフィック的に記録された偏光体積格子（ＰＶＧ）を含み得る。いくつかの実施形態では、ホログラフィックディフューザ６１５の波長スペクトルを広げるために（たとえば、様々な可視波長に平行入射光ビームを回折するために）、フルカラー記録のための波長多重化が、ホログラフィック記録において使用され得る。
【0051】
チューニング可能な光回折格子６２０は、回折条件（たとえば、ブラッグ条件）を満たす散乱光ビーム６０６を、回折を介して回折光ビーム６０８にステアリングし得、第２の光学レンズ６２５は、光学アセンブリ６００の射出瞳（または光学アセンブリ６００を含むＮＥＤの射出瞳）が位置決めされた表面における１つまたは複数の光スポットに、回折光ビーム６０８を集束させ得る。射出瞳は、ユーザがＮＥＤを着用したとき、ユーザの眼瞳孔６４５がアイボックス６３０領域に配置されるロケーションであり得る。１つまたは複数の光スポットは、アイボックス６３０領域において利用可能な１つまたは複数の射出瞳と考えられ得る。アイボックス７３０領域において利用可能な１つまたは複数の射出瞳のうちの１つが、眼瞳孔６４５の位置と実質的に合致するとき、光源６０５から出力された光ビーム６０２は、眼瞳孔６４５に最終的に向けられ得る。
【0052】
チューニング可能な光回折格子６２０は、図２Ａ～図２Ｃに関連して説明されたＬＣセル２００の実施形態であり得る。チューニング可能な光回折格子６２０は、駆動電圧が連続的に変化するとき、ＬＣ混合物中の誘起されたＦＤの連続的に調整可能なピッチを有し、それゆえに、入射光ビームの連続的に調整可能な回折角を有し得る。いくつかの実施形態では、チューニング可能な光回折格子６２０は、コントローラ６４０からの命令に従って、入射光ビームに複数のステアリング状態を提供し得る。チューニング可能な光回折格子６２０は、駆動電圧を切り替えることによって、複数のステアリング状態の間で電気的に切替え可能であり得る。複数のステアリング状態は、入射光ビームの複数のステアリング角度を生じ得、ここで、複数のステアリング角度は、連続し得る。すなわち、チューニング可能な光回折格子６２０は、入射光ビームにステアリング角度の連続調整範囲を提供し得、これは、光学アセンブリ６００の射出瞳の連続シフトを可能にし得る。
【0053】
続けて図６Ａを参照すると、アイトラッキングデバイス６３５は、それに基づいて、眼瞳孔６４５の位置が決定され得、それゆえに、チューニング可能な光回折格子６２０のステアリング状態が決定され得る、アイトラッキング情報を提供し得る。任意の好適なアイトラッキングデバイス６３５が、使用され得る。アイトラッキングデバイス６３５は、たとえば、ユーザの一方または両方の眼を照らす１つまたは複数のソースと、ユーザの一方または両方の眼の画像をキャプチャする１つまたは複数のカメラとを含み得る。アイトラッキングデバイス６３５は、ユーザの眼瞳孔６４５の位置、動き、および／または閲覧方向をトラッキングするように構成され得る。いくつかの実施形態では、アイトラッキングデバイス６３５は、各眼の最高６つの自由度の眼位置および／または眼の動き（換言すれば、３Ｄ位置、ロール、ピッチ、およびヨー）を測定し得る。いくつかの実施形態では、アイトラッキングデバイス６３５は、瞳孔サイズを測定し得る。アイトラッキングデバイス６３５は、眼瞳孔６４５の位置および／または動きに関する信号（フィードバック）をコントローラ６４０に提供し得る。
【0054】
アイトラッキングデバイス６３５によって提供されたアイトラッキング情報に基づいて、コントローラ６４０は、アイボックス６３０において利用可能な１つまたは複数の射出瞳の位置が変化され得、アイボックス６３０において利用可能な１つまたは複数の射出瞳のうちの１つが、眼瞳孔６４５の位置と実質的に合致し、眼瞳孔６４５の上に来得るように光ビームのステアリング角度を調整するように、チューニング可能な光回折格子６２０を制御するように構成され得る。これは、図２Ａ～図２Ｃ中の電源２８０の電圧を調整することによってなされ得る。これにより、第２の光学レンズ６２５によって集束された光ビームは、眼瞳孔６４５の中に向けられ得る。すなわち、チューニング可能な光回折格子６２０および第２の光学レンズ６２５は、ともに、アイトラッキングデバイス６３５によって提供されたアイトラッキング情報に基づいて、拡大されたアイボックスエリアをカバーするように、光学アセンブリ６００の射出瞳を連続的にシフトし得る。
【0055】
例示目的のために、図６Ａは、チューニング可能な光回折格子６２０の２つのステアリング状態を示す。たとえば、アイトラッキングデバイス６３５は、ユーザの眼瞳孔６４５が、アイボックス６３０領域における位置Ｐ１に位置決めされたことを検出し得る。アイトラッキング情報に基づいて、チューニング可能な光回折格子６２０は、回折条件（たとえば、ブラッグ条件）を満たす散乱光ビーム６０６が、回折を介してチューニング可能な光回折格子６２０によって光ビーム６０８になるようにステアリングされ得るような、第１のステアリング状態に切り替わるようにコントローラ６４０によって制御され得る。コントローラ６４０は、光回折格子６２０に印加される電圧を調整するために、図２Ａ～図２Ｃ中の電源２８０と結合されるように構成され得る。
【0056】
第２の光学レンズ６２５は、眼瞳孔６４５の位置Ｐ１と実質的に合致する射出瞳に回折光ビーム６０８を集束させ得る。ユーザの眼瞳孔６４５がアイボックス６３０領域における新しい位置Ｐ２に動かされたことを、アイトラッキングデバイス６３５が検出した後、それに基づいて、チューニング可能な光回折格子６２０は、回折条件（たとえば、ブラッグ条件）を満たす散乱光ビーム６０６が、回折を介してチューニング可能な光回折格子６２０によって光ビーム６０８’になるようにステアリングされ得るように、第１のステアリング状態から第２のステアリング状態に切り替わるようにコントローラ６４０によって制御され得る。第２の光学レンズ６２５は、眼瞳孔６４５の新しい位置Ｐ２と実質的に合致する射出瞳に回折光ビーム６０８’を集束させ得る。すなわち、ＮＥＤの射出瞳は、眼瞳孔６４５の動きに従って位置Ｐ１から位置Ｐ２にシフトされ得、それを通して、アイボックス６３０は拡大され得る。これにより、ユーザが、アイボックス６３０内で眼を動かしたとき、光出力（たとえば、表示された仮想画像）は、アイボックス６３０の外側に動いてユーザのビューから消えることがないようにし得る。
【0057】
開示される実施形態では、チューニング可能な光回折格子６２０は、光学ディフューザ６１５から受光された拡散光ビームに、複数のステアリング状態を提供するように構成され得、ここで、複数のステアリング状態は、光学ディフューザ６１５から受光された拡散光ビームのステアリング角度の連続調整範囲に対応し得る。これにより、光学アセンブリ６００の射出瞳の連続シフトは、アイトラッキングデバイス６３５によって提供されたアイトラッキング情報に基づいて、拡大されたアイボックスエリアをカバーするように提供され得る。チューニング可能な光回折格子６２０は、ＮＥＤのフォームファクタを低減するために、コンパクトであり、数ミリメートルの厚さをもち得る。加えて、チューニング可能な光回折格子６２０は、異なるステアリング状態の間で切り替わるとき、実質的に速い切替え速度、たとえば、眼瞳孔６４５の動きとペースを合わせるのに十分に早いことがあるミリ秒程度の切替え速度を有し得る。これにより、リアルタイムアイトラッキング、および射出瞳位置のリアルタイムシフティングが提供され得る。
【0058】
図６Ｂは、図６Ａ中のコントローラ６４０の概略図を例示する。図６Ｂ中に示されているように、コントローラ６４０は、プロセッサ６４１、ストレージデバイス６４２、および入出力インターフェース６４３を含み得る。プロセッサ６４１は、中央処理ユニット、マイクロプロセッサ、特定用途向け集積回路、プログラマブル論理デバイス、複合プログラマブル論理デバイス、フィールドプログラマブルゲートアレイなど、任意の好適なプロセッサを含み得る。プロセッサ６４１は、アイトラッキングデバイス６３５によって提供されたフィードバック（たとえば、眼位置情報）に基づいて、チューニング可能な光回折格子６２０を通過する光ビームのステアリング角度を調整するように、チューニング可能な光回折格子６２０を制御するように特別にプログラムされ得る。言い換えれば、プロセッサ６４１は、アイトラッキングデバイス６３５によって提供された、眼の位置および／または動きに基づいて、アイボックス６３０において利用可能な１つまたは複数の射出瞳のロケーションを変化させるように構成され得る。１つまたは複数の射出瞳のロケーションは、任意のインスタンスにおいて、１つまたは複数の射出瞳のうちの少なくとも１つの射出瞳が、眼瞳孔６４５の上に来得るようにシフトされ得る。
【0059】
ストレージデバイス６４２は、データ、信号、情報、あるいはコンピュータ可読コードまたは命令を記憶するように構成され得る。ストレージデバイス６４２は、磁気ディスク、光ディスク、フラッシュメモリ、読取り専用メモリ（ＲＯＭ）、またはランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）など、非一時的コンピュータ可読記憶媒体を含み得る。プロセッサ６４１は、ストレージデバイス６４２にアクセスし、ストレージデバイス６４２からデータまたは命令を取り出し得る。いくつかの実施形態では、ストレージデバイス６４２は、アイトラッキングデバイス６３５によって提供されたフィードバックデータを記憶し得る。プロセッサ６４１は、分析のために、アイトラッキングデバイス６３５によって提供されたフィードバックデータを取り出し得る。いくつかの実施形態では、ストレージデバイス６４２は、チューニング可能な光回折格子６２０のステアリング状態を記憶し得、プロセッサ６４１は、チューニング可能な光回折格子６２０のための次のステアリング状態を決定するとき、現在のステアリング状態を取り出し得る。
【0060】
入出力インターフェース６４３は、任意の好適なデータまたは信号インターフェースであり得る。入出力インターフェース６４３は、ワイヤードまたはワイヤレス通信のために構成されたインターフェースであり得る。いくつかの実施形態では、入出力インターフェース６４３は、信号を受信および送信するように構成されたトランシーバを含み得る。いくつかの実施形態では、入出力インターフェース６４３は、アイトラッキングデバイス６３５およびチューニング可能な光回折格子６２０と通信するように構成され得、アイトラッキングデバイス６３５およびチューニング可能な光回折格子６２０から（またはアイトラッキングデバイス６３５およびチューニング可能な光回折格子６２０に）データまたは信号を受信（あるいはデータまたは信号を送信）し得る。
【0061】
図７は、本開示の別の実施形態による、ピッチ可変光学要素７２５を含む光学アセンブリ７００の概略図を例示する。ピッチ可変光学要素は、連続ビームステアリングを提供するチューニング可能な光回折格子であり得、光学アセンブリ７００は、ＮＥＤの一部であり、ＡＲ、ＶＲまたはＭＲ用途のためのＮＥＤの瞳孔ステアリングを達成し得る。図７中に示されているように、光学アセンブリ７００は、画像光を生成するプロジェクタ７０５と、光学アセンブリ７００のアイボックス７３０のほうへ画像光を向けるために光学系中に配列された画像コンバイナ７２０およびチューニング可能な光回折格子７２５とを含み得る。光学アセンブリ７００は、アイトラッキングデバイス７３５およびコントローラ７４０をさらに含み得る。コントローラ７４０は、アイトラッキングデバイス７３５およびチューニング可能な光回折格子７２５など、他のデバイスのうちの１つまたは複数と電気的に結合され得る。光学アセンブリ７００は、本開示によって限定されない、他の要素を含み得る。アイトラッキングデバイス７３５は、図６Ａ中のアイトラッキングデバイス６３５に類似し得、コントローラ７４０は、図６Ａおよび図６Ｂ中のコントローラ６４０に類似し得、詳細は、ここでは繰り返されない。
【0062】
プロジェクタ７０５は、ソース７１０および光学システム７１５を含み得る。ソース７１０は、コヒーレントなまたは部分的にコヒーレントな光を生成する光源であり得る。ソース７１０は、たとえば、レーザーダイオード、垂直共振器面発光レーザー、および／または発光ダイオードを含み得る。いくつかの実施形態では、ソース７１０は、液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）パネル、液晶オンシリコン（ＬＣｏＳ）ディスプレイパネル、有機発光ダイオード（ＯＬＥＤ）ディスプレイパネル、マイクロＬＥＤ（マイクロ発光ダイオード）ディスプレイパネル、デジタル光処理（ＤＬＰ）ディスプレイパネル、またはそれらの何らかの組合せなどのディスプレイパネルであり得る。いくつかの実施形態では、ソース７１０は、ＯＬＥＤディスプレイパネルまたはマイクロＬＥＤディスプレイパネルなどの自発光パネルであり得る。いくつかの実施形態では、ソース７１０は、ＬＣＤパネル、ＬＣｏＳディスプレイパネル、またはＤＬＰディスプレイパネルなど、外部ソースによって照らされるディスプレイパネルであり得る。外部ソースの例は、レーザー、ＬＥＤ、ＯＬＥＤ、またはそれらの何らかの組合せを含み得る。光学システム７１５は、ソース７１０からの光を調節する１つまたは複数の光学構成要素を含み得る。ソース７１０からの光を調節することは、たとえば、偏光させること、減衰させること、拡大すること、平行にすること、および／または配向を調整することを含み得る。いくつかの実施形態では、プロジェクタ７０５から出力された画像光は、チューニング可能な光回折格子７２５の要件に一致するように直線的に偏光され得る。
【0063】
画像コンバイナ７２０は、ＮＥＤの射出瞳が位置決めされた表面における１つまたは複数の光スポットに、プロジェクタ７０５から受光された画像光を集束させ得る。射出瞳は、ユーザがＮＥＤを着用したとき、ユーザの眼瞳孔７４５がアイボックス７３０領域に配置されるロケーションであり得る。言い換えれば、画像コンバイナ７２０は、プロジェクタ７０５から受光された画像光を、アイボックス７３０領域におけるＮＥＤの１つまたは複数の射出瞳に集束させ得る。ＡＲ用途で使用されるとき、画像コンバイナ７２０は、プロジェクタ７０５から受光された画像光ビームと、（図７中に示されていない）現実世界の環境からの光ビームとを組み合わせ、ＮＥＤのアイボックス７３０のほうへ両方の光ビームを向け得る。いくつかの実施形態では、画像コンバイナ７２０は、広いＦＯＶを有するホログラフィック光学要素（ＨＯＥ）を含み得、画像コンバイナ７２０は、ＨＯＥ画像コンバイナとも呼ばれる。ＨＯＥは、大きく軸を外れた光ビームからの光を、眼瞳孔７４５の前の軸上光ビームの中に集束させる固定ホログラムを含み得る。いくつかの実施形態では、ＨＯＥは、体積（またはブラッグ）ホログラムを含み得、角度および波長の狭セット上でのみ機能し、それにより、プロジェクタ７０５から受光された光ビームを向け直し、集束させ、一方、クリアで、大いに透明なシースルービューをユーザに提供し得る。ＨＯＥは、複数の波長（たとえば、赤、緑および青色波長）において高い回折効率を有するように多重化され、それにより、フルカラー表示を可能にし得る。
【0064】
チューニング可能な光回折格子７２５は、図６Ａ中のチューニング可能な光回折格子６２０に類似し得、詳細は、ここでは繰り返されない。動作中に、アイトラッキングデバイス７３５によって提供されたアイトラッキング情報に基づいて、コントローラ７４０は、１つまたは複数の射出瞳のうちの少なくとも１つが、眼瞳孔７４５の位置と実質的に合致し、眼瞳孔７４５の上に来るようにビームステアリングを介して１つまたは複数の射出瞳の位置を変化させるように、チューニング可能な光回折格子７２５を制御し得る。すなわち、プロジェクタ７０５から発せられた画像光は、眼瞳孔７４５の中に最終的に向けられ得る。チューニング可能な光回折格子は、入射光ビームのステアリング角度の連続調整範囲を提供するので、光学アセンブリ７００の射出瞳は、アイトラッキングデバイス７３５によって提供されたアイトラッキング情報に基づいて、拡大されたアイボックスエリアをカバーするように連続的にシフトされ得る。
【0065】
例示目的のために、図７は、チューニング可能な光回折格子７２５の２つのステアリング状態を示す。たとえば、アイトラッキングデバイス７３５は、ユーザの眼瞳孔７４５が、アイボックス７３０領域における位置Ｐ１に位置決めされたことを検出し得る。アイトラッキング情報に基づいて、チューニング可能な光回折格子７２５は、１つまたは複数の射出瞳のうちの少なくとも１つが、眼瞳孔７４５の位置Ｐ１と実質的に合致し、眼瞳孔７４５の上に来るように回折を介してチューニング可能な光回折格子７２５によってステアリングされ得るような、第１のステアリング状態に切り替わるようにコントローラ７４０によって制御され得る。ユーザの眼瞳孔７４５がアイボックス７３０領域における新しい位置Ｐ２に動かされたことを、アイトラッキングデバイス７３５が検出した後、それに基づいて、チューニング可能な光回折格子７２５は、１つまたは複数の射出瞳のうちの少なくとも１つが、眼瞳孔７４５の新しい位置Ｐ２と実質的に合致し、眼瞳孔７４５の上に来るように回折を介してチューニング可能な光回折格子７２５によってステアリングされ得るように、第１のステアリング状態から第２のステアリング状態に切り替わるようにコントローラ７４０によって制御され得る。コントローラ７４０は、光回折格子７２５に印加される電圧を調整するために、図２Ａ～図２Ｃ中の電源２８０と結合されるように構成され得ることに留意されたい。
【0066】
図６Ａおよび図７は、例示目的のためのものであって、本開示の範囲を限定するものではない、開示されるチューニング可能な光回折格子を使用することによってＮＥＤの瞳孔ステアリングを達成することができる、２つの光学アセンブリを例示することに留意されたい。異なる光学構成をもつ光学アセンブリも、開示されるチューニング可能な光回折格子を使用することによってＮＥＤの瞳孔ステアリングを達成し得る。
【0067】
図８は、本開示の実施形態による、ＮＥＤ８００の概略図を例示する。図８中に示されているように、ＮＥＤ８００は、ユーザの頭に載るように構成されたフレーム８０５と、フレーム８０５に取り付けられた右眼および左眼ディスプレイシステム８１０Ｌおよび８１０Ｒとを含み得る。右眼および左眼ディスプレイシステム８１０および８１５の各々は、コンピュータ生成された仮想画像を、ユーザのＦＯＶ中の左および右ディスプレイウィンドウ８１５Ｒおよび８１５Ｌの中に投影するように構成された画像ディスプレイ部品を含み得る。右眼および左眼ディスプレイシステム８１０Ｌおよび８１０Ｒを代表する例示的なディスプレイシステムは、図６Ａ中に示されている光学アセンブリ６００、または図７中に示されている光学アセンブリ７００を含み得る。ＮＥＤ８００は、ＶＲデバイス、ＡＲデバイス、複合現実ＭＲデバイス、またはそれらの任意の組合せとして機能し得る。いくつかの実施形態では、ＮＥＤ８００が、ＡＲまたはＭＲデバイスとして機能するとき、右および左ディスプレイウィンドウ８１５Ｒおよび８１５Ｌは、周囲の現実世界の環境のビューをユーザに与えるために、ユーザから見ると完全にまたは部分的に透明であり得る。いくつかの実施形態では、ＮＥＤ８００が、ＶＲデバイスとして機能するとき、右および左ディスプレイウィンドウ８１５Ｒおよび８１５Ｌは、ユーザが、ＮＥＤを介して提供されたＶＲ像中に完全に没入され得るように、不透明であり得る。いくつかの実施形態では、ＮＥＤ８００は、右および左ディスプレイウィンドウ８１５Ｒおよび８１５Ｌを通して閲覧される現実世界のオブジェクトの透過率を動的に調整し得る調光要素をさらに含み得、それにより、ＶＲデバイスとＡＲデバイスとの間で、またはＶＲデバイスとＭＲデバイスとの間でＮＥＤ８００を切り替え得る。いくつかの実施形態では、ＡＲ／ＭＲデバイスとＶＲデバイスとの間で切り替えることとともに、調光要素は、現実および仮想オブジェクトの輝度の差を緩和するために、ＡＲデバイスにおいて使用され得る。
【0068】
図９Ａは、本開示の別の実施形態による、ＮＥＤ９００のワイヤ図を例示し、図９Ｂは、図９Ａ中に示されているＮＥＤ９００の前剛体９０５の断面９５０を例示する。ＮＥＤ９００は、ＮＥＤ中のよせ運動適応矛盾を緩和するために光パワーの連続調整範囲を提供する回折レンズである、開示されるピッチ可変光学要素を含み得る。ＮＥＤ９００は、人工現実システムの一部であり得る。ＮＥＤ９００は、ユーザにコンテンツを表示し得る。図９Ａ中に示されているように、ＮＥＤ９００は、前剛体９０５およびバンド９１０を含み得る。前剛体９０５は、（図９Ａ中に描かれていない）電子ディスプレイの１つまたは複数の電子ディスプレイ要素、慣性測定ユニット（ＩＭＵ）９１５、１つまたは複数の位置センサー９２０、およびロケータ９２５を含み得る。図９Ａによって示されている実施形態では、位置センサー９２０は、ＩＭＵ９１５内に位置決めされ得、ＩＭＵ９１５も位置センサー９２０もユーザに見えないことがある。ＮＥＤ９００は、ＶＲデバイス、ＡＲデバイスまたはＭＲデバイス、あるいはそれらの何らかの組合せとして機能し得る。いくつかの実施形態では、ＮＥＤ９００が、ＡＲまたはＭＲデバイスとして機能するとき、ＮＥＤ９００の部分、およびＮＥＤ９００の内部構成要素は、少なくとも部分的に透明であり得る。
【0069】
図９Ｂは、図９Ａ中に示されているＮＥＤ９００の実施形態の前剛体９０５の断面９５０である。図９Ｂ中に示されているように、前剛体９０５は、ともに射出瞳９７５に画像光を提供する、電子ディスプレイ９５５および可変焦点ブロック９６０を含み得る。射出瞳９７５は、ユーザの眼９６５が配置された、前剛体９０５のロケーションであり得る。例示目的のために、図９Ｂは、単一の眼９６５に関連する断面９５０を示すが、可変焦点ブロック９６０とは別個の、別の可変焦点ブロック９６０が、改変された画像光をユーザの別の眼に提供し得る。いくつかの実施形態では、前剛体９０５は、ユーザの眼９６５についてのアイトラッキング情報を決定するアイトラッキングデバイス９７０をさらに含み得る。アイトラッキングデバイス９７０は、たとえば、ユーザの一方または両方の眼を照らす１つまたは複数のソースと、ユーザの一方または両方の眼の画像をキャプチャする１つまたは複数のカメラとを含み得る。決定されたアイトラッキング情報は、アイボックスにおけるユーザの眼９６５の配向の情報、すなわち、視線の角度に関する情報を含み得る。いくつかの実施形態では、ユーザの眼９６５は、構造化光を用いて照らされ得、アイトラッキングデバイス９７０は、眼位置および視線を決定するために、キャプチャされた画像中の反射された構造化光のロケーションを使用し得る。いくつかの実施形態では、アイトラッキングデバイス９７０は、複数の時刻にわたってキャプチャされた画像光のマグニチュードに基づいて、眼位置および視線を決定し得る。
【0070】
電子ディスプレイ９５５は、ユーザに画像を表示し得る。いくつかの実施形態では、電子ディスプレイ９５５は、単一の電子ディスプレイ、または複数の電子ディスプレイ（たとえば、ユーザの各眼のためのディスプレイ）を備え得る。電子ディスプレイ９５５の例は、液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）、有機発光ダイオード（ＯＬＥＤ）ディスプレイ、アクティブマトリックス有機発光ダイオードディスプレイ（ＡＭＯＬＥＤ）、量子ドット有機発光ダイオード（ＱＯＬＥＤ）、量子ドット発光ダイオード（ＱＬＥＤ）、何らかの他のディスプレイ、またはそれらの何らかの組合せを含む。いくつかの実施形態では、電子ディスプレイ９５５は、限定はしないが、スタック型の導波路ディスプレイを含む、１つまたは複数の導波路ディスプレイのスタックを含み得る。いくつかの実施形態では、スタック型の導波路ディスプレイは、それらの画像光が、異なる色のそれぞれの単色ソースからのものである導波路ディスプレイをスタックすることによって作成された、多色ディスプレイ（たとえば、赤緑青（ＲＧＢ）ディスプレイ）であり得る。いくつかの実施形態では、スタック型の導波路ディスプレイは、単色ディスプレイであり得る。
【0071】
可変焦点ブロック９６０は、電子ディスプレイ９５５から発せられた光からの配向を、光が、ユーザからの特定の焦点距離に現れるように調整し得る。可変焦点ブロック９６０は、可変焦点ブロック９６０に光パワーの連続調整範囲を提供する回折レンズ９８０である、開示されるピッチ可変光学要素９８０を含み得る。回折レンズ９８０は、図５Ａ中のＬＣセル５００の実施形態であり得、詳細は、ここでは繰り返されない。追加として、いくつかの実施形態では、可変焦点ブロック９６０は、受光された光を大きくし、画像光に関連する光学誤差を補正し、ＮＥＤ９００のユーザに、補正された画像光を提示し得る。可変焦点ブロック９６０は、光学系中に１つまたは複数の光学要素を追加として含み得る。光学要素は、アパーチャ、フレネルレンズ、凸レンズ、凹レンズ、フィルタ、直線偏光子、または画像光を改変する任意の他の好適な光学要素であり得る。たとえば、直線偏光子は、回折レンズ９８０の上に入射する光が、所望の偏光方向を有する直線的に偏光された光であることを保証するために、回折レンズ９８０に光学的に結合され得る。
【0072】
いくつかの実施形態では、コントローラ９８５が、アイトラッキングデバイス９７０から得られたアイトラッキング情報に基づいて回折レンズ９８０の光パワーを決定するために、回折レンズ９８０に結合され得る。コントローラ９８５は、ユーザが現在見ている、仮想画像内のロケーションまたはオブジェクトを決定するために、アイトラッキングデバイス９７０からの画像情報を使用してユーザの眼９６５の位置およびロケーションをトラッキングし得る。いくつかの実施形態では、コントローラ９８５は、少なくとも、眼の３Ｄ位置、ロール、ピッチ、およびヨーのサブセットをトラッキングし、各眼の３Ｄ凝視点を推定するためにこれらの量を使用し得る。いくつかの実施形態では、コントローラ９８５は、眼９６５の３Ｄ凝視点を推定するために、過去の眼位置からの情報、ユーザの頭の位置を記述する情報、およびユーザに提示されたシーンを記述する情報を使用し得る。
【0073】
凝視ラインの推定交差に基づいて、コントローラ９８５は、眼９６５が現在見ている、仮想画像内のロケーションまたはオブジェクトのよせ運動距離を決定し得る。決定されたよせ運動距離および他の情報に基づいて、コントローラ９８５は、回折レンズ９８０の所望の光パワーを決定し得る。回折レンズ９８０の決定された光パワー、およびアイトラッキング情報に基づいて、コントローラ９８５は、回折レンズ９８０のための構成パラメータを決定し得る。たとえば、アイトラッキング情報に基づいて、コントローラ９８５は、回折レンズ９８０のそれぞれのサブ電極に印加される、（図２Ａ～図２Ｃ中の）電源２８０によって供給される所望の駆動電圧を決定し、それにより、眼９６５が現在見ている、仮想画像内のロケーションまたはオブジェクトを、よせ運動距離に対応する所望の画像距離をもって画像面に合焦させ得る。
【0074】
本開示の実施形態の上記の説明は、例示の目的のために提示された。上記の説明は、網羅的なものではないか、または開示された厳密な形態に本開示を限定するものではない。当業者は、多くの変更形態および変形形態が、上記の開示に照らして可能であることを諒解することができる。
【0075】
この説明のいくつかの部分は、情報に対する動作のアルゴリズムおよび記号表現に関して本開示の実施形態を説明する。これらのアルゴリズム説明および表現は、一般に、データ処理技術の当業者によって、他の当業者に効果的に彼らの作業の要旨を伝えるために使用される。これらの動作は、機能的に、計算的に、または論理的に説明されたが、コンピュータプログラムまたは等価電気回路、マイクロコード、あるいは同様のものによって実装されることが理解される。その上、一般性の喪失なしに、モジュールとして動作のこれらの配列を指すことが時々好都合であることも判明している。説明された動作と、動作の関連するモジュールとは、ソフトウェア、ファームウェア、ハードウェア、またはそれらの任意の組合せにおいて具現され得る。
【0076】
本明細書で説明されたステップ、動作、またはプロセスのいずれも、単独でまたは他のデバイスと組み合わせて、１つまたは複数のハードウェアまたはソフトウェアモジュールを用いて実施または実装され得る。いくつかの実施形態では、ソフトウェアモジュールは、説明されたステップ、動作、またはプロセスのうちのいずれかまたはすべてを実施するためにコンピュータプロセッサによって実行され得る、コンピュータプログラムコードを含んでいるコンピュータ可読媒体を備えるコンピュータプログラム製品を用いて実装される。
【0077】
本開示の実施形態は、本明細書における動作を実施するための装置にも関し得る。この装置は、必要とされる目的のために特別に構築され得、および／または装置は、コンピュータに記憶されたコンピュータプログラムによって選択的にアクティブにされるかまたは再構成される汎用コンピューティングデバイスを備え得る。そのようなコンピュータプログラムは、非一時的、有形コンピュータ可読記憶媒体、またはコンピュータシステムバスに結合され得る、電子命令を記憶するのに好適な任意のタイプの媒体に記憶され得る。その上、本明細書で言及されたどのコンピューティングシステムも、単一のプロセッサを含み得るか、または増加された計算能力のためにマルチプロセッサ設計を採用するアーキテクチャであり得る。
【0078】
本開示の実施形態は、本明細書で説明された計算プロセスによってもたらされる製品にも関し得る。そのような製品は、計算プロセスから生じた情報を備え得、ここで、情報は、非一時的、有形コンピュータ可読記憶媒体に記憶され、コンピュータプログラム製品または本明細書で説明された他のデータ組合せの任意の実施形態を含み得る。
【0079】
最後に、本明細書で使用される言葉は、主に、読み易さおよび教示目的のために選択されており、言葉は、本発明の主題を線引きまたは制限するために選択されたものではない。それゆえ、本開示の範囲は、この発明を実施するための形態によってではなく、むしろ、本明細書に基づく出願に関して生じる特許請求の範囲によって限定されるものとする。それゆえに、実施形態の開示は、以下の特許請求の範囲に記載されている本開示の範囲の限定ではなく、例示であるものとする。
【図1A】
【図1B】
【図2A】
【図2B】
【図2C】
【図3A】
【図3B】
【図4】
【図5A】
【図5B】
【図6A】
【図6B】
【図7】
【図8】
【図9A】
【図9B】
【国際調査報告】