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(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】2022-12-26
(54)【発明の名称】高屈折率部分を伴うディスプレイ導波路
(51)【国際特許分類】
G02B 27/02 20060101AFI20221219BHJP
G02B 5/18 20060101ALI20221219BHJP
【ＦＩ】
G02B27/02 Z
G02B5/18
【審査請求】未請求
【予備審査請求】未請求
(21)【出願番号】P 2022500565
(86)(22)【出願日】2020-09-27
(85)【翻訳文提出日】2022-03-02
(86)【国際出願番号】 US2020052977
(87)【国際公開番号】W WO2021080734
(87)【国際公開日】2021-04-29
(31)【優先権主張番号】62/926,053
(32)【優先日】2019-10-25
(33)【優先権主張国・地域又は機関】US
(31)【優先権主張番号】16/740,205
(32)【優先日】2020-01-10
(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】リー， ヒユン
【テーマコード（参考）】
2H199
2H249
【Ｆターム（参考）】
2H199CA23
2H199CA25
2H199CA29
2H199CA30
2H199CA32
2H199CA42
2H199CA50
2H199CA66
2H199CA68
2H199CA85
2H199CA94
2H199CA96
2H249AA12
2H249AA50
2H249AA60
2H249AA62
(57)【要約】
画像光をビューアに伝達するために構成されるディスプレイ導波路は、導波路本体であって、その導波路本体の屈折率は、より低い率の領域どうしの間に高屈折率領域を含むように、厚さ方向において変動する、導波路本体を有する。多重層および屈折率分布実施態様が説明される。導波路は、より広い視野を提供するために、導波路の高屈折率領域の中で画像光の一部分を透過させる。
【選択図】図９Ａ
【選択図】図９Ａ
【特許請求の範囲】
【請求項1】
ディスプレイシステムにおいて画像光を伝達するための導波路であって、２つの外方表面と、前記外方表面の間の厚さとを有する導波路本体であって、入力区域と出力区域とを含み、前記入力区域において受け取られる前記画像光を前記出力区域の方に導波するように構成され、所定の屈折率を有し、前記屈折率は、前記厚さの方向において変動し、前記外方表面に近接する前記導波路本体の一部分内より、前記外方表面どうしの間の前記導波路本体の中間部分内で大である、導波路本体と、
前記入力区域内に配され、前記出力区域の方に伝搬させるために、前記導波路本体内へと前記画像光をカップリングするように構成される入力カプラと、
前記出力区域内に配され、アイボックスの方に伝搬させるために、前記導波路本体の外に前記画像光をカップリングするように構成される出力カプラと
を含む、導波路。
【請求項2】
前記入力カプラは、第１の伝搬角度と第２の伝搬角度とを含む伝搬角度の範囲内で、前記導波路本体内へと前記画像光をカップリングすることを、前記第１の伝搬角度において前記導波路本体内へとカップリングされる前記画像光の第１の光線が、前記導波路本体の前記外方表面における全内部屈折により前記出力区域の方に導波され、一方で、前記第２の伝搬角度においてカップリングされる前記画像光の第２の光線が、前記導波路本体の前記中間部分の中で導波されるように
行うように構成される、請求項１に記載の導波路。
【請求項3】
前記入力カプラは、前記中間部分内へと直接的に前記画像光を注入するように、前記導波路本体の前記中間部分内に少なくとも部分的に配される第１の入力格子を含む、請求項１または２に記載の導波路。
【請求項4】
前記出力カプラは、前記導波路本体の前記中間部分内に少なくとも部分的に配される第１の出力格子を含み、好ましくは、前記出力カプラは、前記導波路本体の外に、前記第１の出力格子から受け取られる前記画像光を再指向するように構成される第２の出力格子を含む、請求項１から３のいずれか一項に記載の導波路。
【請求項5】
前記第２の出力格子は、前記導波路本体の前記中間部分内に少なくとも部分的に配され、および／または、好ましくは、前記導波路本体は、複数の層を含み、前記複数の層は、異なる屈折率を有する少なくとも３つの層を含む、請求項４に記載の導波路。
【請求項6】
前記導波路本体の前記中間部分は、中間層を含み、前記導波性本体は、前記中間層を挟む２つの外方層をさらに含み、前記中間層は、前記２つの外方層より大である屈折率を有する、請求項４または５に記載の導波路。
【請求項7】
前記第１の出力格子および前記第２の出力格子のうちの少なくとも１つは、前記中間層内に、もしくは、前記中間層の表面において配され、ならびに／または、好ましくは、前記第１の入力格子は、前記中間層内に、もしくは、前記中間層の表面において配される、請求項６に記載の導波路。
【請求項8】
前記導波路本体は、連続的であり、および／または、好ましくは、前記導波路本体の前記屈折率は、前記中間部分内の少なくとも２．３から、前記導波路本体の前記外方表面における多くとも１．９まで変動し、および／または、好ましくは、前記導波路本体の前記屈折率は、前記厚さ寸法において徐々に変動し、前記導波路本体の前記中間部分内の最大値から、前記導波路本体の前記２つの外方表面における、より少ない値の方に減少する、請求項１から７のいずれか一項に記載の導波路。
【請求項9】
ユーザの頭部上で着用するための支持構造と、前記支持構造により支えられ、画像光を放出するように構成される光プロジェクタと、
前記支持構造により支えられ、前記光プロジェクタからの前記画像光の少なくとも第１の一部分をアイボックスに伝達するように構成される第１の導波路とを含み、前記第１の導波路は、
２つの外方表面と、前記外方表面の間の厚さとを有する導波路本体であって、入力区域と出力区域とを含み、前記入力区域において受け取られる前記画像光を前記出力区域の方に導波するように構成され、所定の屈折率を有し、前記屈折率は、前記厚さの方向において変動し、前記外方表面に近接する前記導波路本体の一部分内より、前記外方表面どうしの間の前記導波路本体の中間部分内で大である、導波路本体と、
前記導波路本体内へと前記画像光の前記第１の一部分をカップリングするように構成される入力カプラと、
アイボックスの方に伝搬させるために、前記導波路本体の外に前記画像光の前記第１の一部分をカップリングするように構成される出力カプラと
を含む、ニアアイディスプレイ（ＮＥＤ）デバイス。
【請求項10】
前記入力カプラは、前記導波路本体の前記中間部分内に少なくとも部分的に配される第１の入力格子を含み、前記出力カプラは、前記導波路本体の前記中間部分内に少なくとも部分的に配される第１の出力格子を含み、前記第１の出力格子は、前記厚さの方向に直交する第１の方向において前記第１の入力格子から間をおいて離隔される、請求項９に記載のＮＥＤデバイス。
【請求項11】
前記画像光は、複数の色チャネルを含み、前記第１の導波路は、前記アイボックスの方に導波するために、前記画像光の少なくとも第１の色チャネルをカップリングするように構成される、請求項９または１０に記載のＮＥＤデバイス。
【請求項12】
前記支持構造により支えられ、前記光プロジェクタからの前記画像光の少なくとも第２の一部分を前記アイボックスに伝達するように構成される第２の導波路を含み、前記画像光は、第１の色チャネルと第２の色チャネルとを含み、前記第１の導波路は、前記第１の色チャネルを透過させるように構成され、前記第２の導波路は、前記第２の色チャネルを透過させるように構成される、請求項９から１１のいずれか一項に記載のＮＥＤデバイス。
【請求項13】
画像光源からの画像光をアイボックスに伝達するための方法であって、２つの反対位置関係にある外方表面と、前記外方表面の間の中間部分とを含む導波路の入力区域上へと、前記画像光を指向することであって、前記中間部分は、前記導波路の前記入力区域から、前記導波路の出力区域まで広がり、前記中間部分は、前記導波路本体の、前記導波路本体の前記反対位置関係にある外方表面に近接する、一部分より大である屈折率を有する、前記画像光を指向することと、
第１の伝搬角度と第２の伝搬角度とを含む伝搬角度の範囲において、前記導波路本体内へと前記画像光をカップリングすることと、
前記第１の伝搬角度において前記導波路内へとカップリングされる前記画像光の第１の光線が、前記導波路の前記反対位置関係にある外方表面における全内部屈折により前記出力区域の方に導波され、一方で、前記第２の伝搬角度において前記導波路内へとカップリングされる前記画像光の第２の光線が、前記導波路本体の前記中間部分の中で前記出力区域の方に伝搬するように、前記入力区域から前記出力区域に前記導波路内で前記画像光を伝搬させることと
を含む、方法。
【請求項14】
前記導波路本体の前記中間部分内に配される少なくとも１つの出力格子を使用して、前記導波路本体の外に前記第２の光線をカップリングすることを含む、請求項１３に記載の方法。
【請求項15】
前記導波路の前記中間部分の中で主として前記画像光の少なくとも１つの色チャネルを導波することを含む、請求項１３または１４に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本開示は、一般的には、光学ディスプレイシステムおよびデバイスに関し、特に、導波路ディスプレイ、および、それらの導波路ディスプレイのための構成要素に関する。
【背景技術】
【0002】
ヘッドマウントディスプレイ（ＨＭＤ）、ヘルメットマウントディスプレイ、ニアアイディスプレイ（ＮＥＤ）などは、仮想現実（ＶＲ）コンテンツ、拡張現実（ＡＲ）コンテンツ、複合現実（ＭＲ）コンテンツなどを表示するためにますます使用されている。そのようなディスプレイは、ほんの数例を挙げると、娯楽、教育、訓練、およびバイオメディカルサイエンスを含む、多様な分野において用途が見出されている。表示されるＶＲ／ＡＲ／ＭＲコンテンツは、体験を向上させ、仮想オブジェクトをユーザが観察する実際のオブジェクトに調和させるために、３次元（３Ｄ）であり得る。目の位置および視線方向、ならびに／またはユーザの向きをリアルタイムで追跡することができ、表示される映像を、ユーザの頭部の向きおよび視線方向に応じて動的に調整することができ、シミュレートまたは拡張された環境に没頭する、よりよい体験を可能にする。
【0003】
コンパクトなディスプレイデバイスが、ヘッドマウントディスプレイには望まれる。ＨＭＤまたはＮＥＤのディスプレイは通常、ユーザの頭部上で着用されるので、大きい、嵩張る、不均衡な、および／または、重いディスプレイデバイスは、扱いにくいことになり、ユーザが着用するのに心地よくないものであり得る。
【0004】
プロジェクタベースのディスプレイは、介在するスクリーンまたはディスプレイパネルなしに、直接的にユーザの目により観察され得る角領域における画像を提供する。イメージング導波路が、角領域における画像を、ユーザの目に搬送するために使用され得る。プロジェクタディスプレイにおいてスクリーンまたはディスプレイパネルがないため、ディスプレイのサイズおよび重量を減らすことができる。
【発明の概要】
【0005】
本発明の実施形態によれば、ディスプレイシステムにおいて画像光を伝達するための導波路であって、２つの外方表面と、それらの外方表面の間の厚さとを有する導波路本体であって、入力区域と出力区域とを含み、入力区域において受け取られる画像光を出力区域の方に導波するように構成され、所定の屈折率を有し、その屈折率は、厚さの方向において変動し、外方表面に近接する導波路本体の一部分内より、外方表面どうしの間の導波路本体の中間部分内で大である、導波路本体と、入力区域内に配され、出力区域の方に伝搬させるために、導波路本体内へと画像光をカップリングするように構成される入力カプラと、出力区域内に配され、アイボックスの方に伝搬させるために、導波路本体の外に画像光をカップリングするように構成される出力カプラとを含む、導波路が提供される。
【0006】
一部の実施形態において、入力カプラは、第１の伝搬角度と第２の伝搬角度とを含む伝搬角度の範囲内で、導波路本体内へと画像光をカップリングすることを、第１の伝搬角度において導波路本体内へとカップリングされる画像光の第１の光線が、導波路本体の外方表面における全内部屈折（ｔｏｔａｌ ｉｎｔｅｒｎａｌ ｒｅｆｒａｃｔｉｏｎ）により出力区域の方に導波され、一方で、第２の伝搬角度においてカップリングされる画像光の第２の光線が、導波路本体の中間部分の中で導波されるように行うように構成され得る。
【0007】
一部の実施形態において、入力カプラは、中間部分内へと直接的に画像光を注入するように、導波路本体の中間部分内に少なくとも部分的に配される第１の入力格子を含み得る。
【0008】
一部の実施形態において、出力カプラは、導波路本体の中間部分内に少なくとも部分的に配される第１の出力格子を含み得る。
【0009】
一部の実施形態において、出力カプラは、導波路本体の外に、第１の出力格子から受け取られる画像光を再指向するように構成される第２の出力格子を含み得る。
【0010】
一部の実施形態において、第２の出力格子は、導波路本体の中間部分内に少なくとも部分的に配され得る。
【0011】
一部の実施形態において、導波路本体の中間部分は、中間層を含み得、導波性本体は、中間層を挟む２つの外方層をさらに含み、中間層は、２つの外方層より大である屈折率を有する。
【0012】
一部の実施形態において、導波路本体は、複数の層を含み得、複数の層は、異なる屈折率を有する少なくとも３つの層を含む。
【0013】
一部の実施形態において、第１の出力格子および第２の出力格子のうちの少なくとも１つは、中間層内に、または、その中間層の表面において配され得る。
【0014】
一部の実施形態において、第１の入力格子は、中間層内に、または、その中間層の表面において配され得る。
【0015】
一部の実施形態において、導波路本体は、連続的であり得る。
【0016】
一部の実施形態において、導波路本体の屈折率は、中間部分内の少なくとも２．３から、その導波路本体の外方表面における多くとも１．９まで変動し得る。
【0017】
一部の実施形態において、導波路本体の屈折率は、厚さ寸法において徐々に変動し得、導波路本体の中間部分内の最大値から、その導波路本体の２つの外方表面における、より少ない値の方に減少する。
【0018】
本発明の実施形態によれば、ユーザの頭部上で着用するための支持構造と、支持構造により支えられ、画像光を放出するように構成される光プロジェクタと、支持構造により支えられ、光プロジェクタからの画像光の少なくとも第１の一部分をアイボックスに伝達するように構成される第１の導波路とを含み、第１の導波路は、２つの外方表面と、それらの外方表面の間の厚さとを有する導波路本体であって、入力区域と出力区域とを含み、入力区域において受け取られる画像光を出力区域の方に導波するように構成され、所定の屈折率を有し、その屈折率は、厚さの方向において変動し、外方表面に近接する導波路本体の一部分内より、外方表面どうしの間の導波路本体の中間部分内で大である、導波路本体と、導波路本体内へと画像光の第１の一部分をカップリングするように構成される入力カプラと、アイボックスの方に伝搬させるために、導波路本体の外に画像光の第１の一部分をカップリングするように構成される出力カプラとを含む、ニアアイディスプレイ（ＮＥＤ）デバイスが提供される。
【0019】
一部の実施形態において、入力カプラは、導波路本体の中間部分内に少なくとも部分的に配される第１の入力格子を含み得、出力カプラは、導波路本体の中間部分内に少なくとも部分的に配される第１の出力格子を含み、第１の出力格子は、厚さの方向に直交する第１の方向において第１の入力格子から間をおいて離隔される。
【0020】
一部の実施形態において、画像光は、複数の色チャネルを含み得、第１の導波路は、アイボックスの方に導波するために、画像光の少なくとも第１の色チャネルをカップリングするように構成される。
【0021】
一部の実施形態において、ＮＥＤデバイスは、支持構造により支えられ、光プロジェクタからの画像光の少なくとも第２の一部分をアイボックスに伝達するように構成される第２の導波路を含み得、画像光は、第１の色チャネルと第２の色チャネルとを含み、第１の導波路は、第１の色チャネルを透過させるように構成され、第２の導波路は、第２の色チャネルを透過させるように構成される。
【0022】
本発明の実施形態によれば、画像光源からの画像光をアイボックスに伝達するための方法であって、２つの反対位置関係にある外方表面と、それらの外方表面の間の中間部分とを含む導波路の入力区域上へと、画像光を指向することであって、中間部分は、導波路の入力区域から、その導波路の出力区域まで広がり、中間部分は、導波路本体の、その導波路本体の反対位置関係にある外方表面に近接する、一部分より大である屈折率を有する、画像光を指向することと、第１の伝搬角度と第２の伝搬角度とを含む伝搬角度の範囲において、導波路本体内へと画像光をカップリングすることと、第１の伝搬角度において導波路内へとカップリングされる画像光の第１の光線が、導波路の反対位置関係にある外方表面における全内部屈折により出力区域の方に導波され、一方で、第２の伝搬角度において導波路内へとカップリングされる画像光の第２の光線が、導波路本体の中間部分の中で出力区域の方に伝搬するように、入力区域から出力区域に導波路内で画像光を伝搬させることとを含む、方法が提供される。
【0023】
一部の実施形態において、方法は、導波路本体の中間部分内に配される少なくとも１つの出力格子を使用して、導波路本体の外に第２の光線をカップリングすることを含み得る。
【0024】
一部の実施形態において、方法は、導波路の中間部分の中で主として画像光の少なくとも１つの色チャネルを導波することを含み得る。
【0025】
本明細書において開示される実施形態は、類する要素が類する参照番号によって指示される、それらの実施形態の例示的な実施形態を表す、添付図面を参照して、より詳細に説明されることになる。
【図面の簡単な説明】
【0026】
【図1】ユーザに画像を送り届けるための導波路アセンブリを使用する導波路ディスプレイシステムの概略等角視図である。
【図2】ディスプレイ導波路内への色チャネルのカップリング、および、そのディスプレイ導波路に対する入力ＦＯＶを例解する概略線図である。
【図3】選択される色チャネルに対するディスプレイ導波路の入力および出力ＦＯＶを例解する概略線図である。
【図4】主要な外方の面において２つのアウトカプラ格子を伴うディスプレイ導波路の概略側部断面の図である。
【図5】出力カプラ格子、および、それらの出力カプラ格子と位置合わせされるインカプラの例示的な配置設計を例解する瞳拡大導波路の概略絵図視図である。
【図8】ディスプレイ導波路の、そのディスプレイ導波路内の２つの異なる色チャネルの発散を例解する、概略側部断面視図である。
【図9A】導波路内への異なる色チャネルのカップリングを例解する、上部高屈折率層を有するディスプレイ導波路の概略側部断面視図である。
【図12】界面格子の上方にキャッピング層を伴う２層ディスプレイ導波路の概略側部断面視図である。
【図13】ＦＯＶの反対位置関係の両端部における画像光の光線のカップリングを例解する３層ディスプレイ導波路の概略側部断面視図である。
【図14】異なる屈折率の５つの層を伴う多重層ディスプレイ導波路の概略側部断面視図である。
【図15】屈折率分布（ｇｒａｄｉｅｎｔ－ｉｎｄｅｘ）ディスプレイ導波路の概略側部断面視図である。
【図16】２層導波路を含む２導波路積重体の概略側部断面視図である。
【図17A】２つの瞳拡大導波路と、アウトカプラの射出瞳から対角にずらされるインカプラとを伴う両眼ＮＥＤの概略絵図視図である。
【図18A】本開示のヘッドマウントディスプレイの等角視図である。
【発明を実施するための形態】
【0027】
後に続く説明において、限定ではなく解説の目的のために、本発明の綿密な理解をもたらすために、個別の光学および電子回路、光学および電子構成要素、技法、その他などの、特定の詳細が論述される。しかしながら、本発明は、これらの特定の詳細から外れる他の実施形態において実践され得ることが、当業者に明らかであることになる。他の実例において、よく知られている方法、デバイス、および回路の詳細な説明は、例示的な実施形態の説明を分かりにくくしないように省略される。原理、態様、および実施形態、ならびに無論のこととして、それらの特定の例を詳述する、本明細書におけるすべての説述は、先述の原理、態様、および実施形態、ならびに、それらの特定の例の、構造的均等物および機能的均等物の両方を網羅することが意図される。加えて、そのような均等物は、現時に知られている均等物、および無論のこととして、将来において開発される均等物の両方、すなわち、構造を問わず同じ機能を遂行する、開発される任意の要素を含むことが意図される。
【0028】
本明細書において使用される際、用語「第１の」、「第２の」、等々は、明示的に説述されない限り、順次的な順序付けを含意することが意図されるのではなく、むしろ、１つの要素を別のものから区別することが意図されることに留意されたい。同様に、方法またはプロセスステップの順次的な順序付けは、明示的に説述されない限り、それらのステップの実行の順次的な順序を含意しない。
【0029】
さらにまた、後に続く略称および頭字語が、本文書において使用され得る：ＨＭＤ（ヘッドマウントディスプレイ）、ＮＥＤ（ニアアイディスプレイ）、ＶＲ（仮想現実）、ＡＲ（拡張現実）、ＭＲ（複合現実）、ＬＥＤ（発光ダイオード）、ＦＯＶ（視野）、ＴＩＲ（全内部反射）、ＨＩ（高屈折率）。用語「ＮＥＤ」および「ＨＭＤ」は、本明細書において互換的に使用され得る。
【0030】
例示的な実施形態が、３つの別個の色チャネルから成り立つ多色光を参照して、本明細書において下記で説明され得る。最も短い波長を伴う色チャネルは、青（Ｂ）チャネルまたは色と呼称され得、ＲＧＢ色体系の青チャネルを表し得る。最も長い波長を伴う色チャネルは、赤（Ｒ）チャネルまたは色と呼称され得、ＲＧＢ色体系の赤チャネルを表し得る。赤色チャネルと青色チャネルとの間の波長を伴う色チャネルは、緑（Ｇ）チャネルまたは色と呼称され得、ＲＢＧ色体系の緑チャネルを表し得る。青光または色チャネルは、約５００ｎｍの、またはより短い波長に対応し得、赤光または色チャネルは、約６２５ｎｍの、またはより長い波長に対応し得、緑光または色チャネルは、５００ｎｍから５６５ｎｍの波長範囲に対応し得る。しかしながら、本明細書において説明される実施形態は、関連性のある光学スペクトルの異なる一部分を表し得る、２つ以上、または好ましくは、３つ以上の色チャネルの任意の組合せから成り立つ多色光との使用のために適合させられ得ることが認識されることになる。
【0031】
本開示の態様は、導波路と、その導波路に結合される画像光源とを含むディスプレイシステムであって、導波路は、画像光源により放出される画像光を受け取るように、および、ユーザに提示するために、導波路の視野（ＦＯＶ）内で受け取られる画像光をアイボックスに伝達するように構成される、ディスプレイシステムに関する。用語「視野」（ＦＯＶ）は、ディスプレイシステムとの関係において使用されるとき、システムによりサポートされる、または、ユーザに可視である、光伝搬の角度範囲に関係し得る。２次元（２Ｄ）ＦＯＶは、２つの直交平面における角度範囲により規定され得る。例えば、ＮＥＤデバイスの２Ｄ ＦＯＶは、例えば水平平面に相対的に±２０°の垂直ＦＯＶ、および、例えば垂直平面に相対的に±３０°の水平ＦＯＶであり得る、２つの１次元（１Ｄ）ＦＯＶにより規定され得る。ＮＥＤのＦＯＶに関しては、「垂直」および「水平」平面または方向は、ＮＥＤを着用して立っている人物の頭部に相対的に規定され得る。他の場合では、用語「垂直」および「水平」は、説明されている光学システムまたはデバイスの２つの直交平面を参照して、光学システムもしくはデバイスが使用される環境との何らの個別の関係性も、または、環境に対するそれらの光学システムもしくはデバイスの何らの個別の向きも含意することなく、本開示において使用され得る。
【0032】
本開示の態様は、画像光をビューアに伝達するために構成される、および、導波路本体であって、その導波路本体の屈折率は、より低い率の領域どうしの間に高屈折率領域を含むように、厚さ方向において変動する、導波路本体を有する、ディスプレイ導波路に関する。多重層および屈折率分布実施態様が説明される。導波路は、より広い視野を提供するために、導波路の高屈折率領域の中で画像光の一部分を透過させる。
【0033】
本開示の態様は、ディスプレイシステムにおいて画像光を伝達するための導波路であって、２つの外方表面と、それらの外方表面の間の厚さとを有する導波路本体であって、入力区域と出力区域とを含み、入力区域において受け取られる画像光を出力区域の方に導波するように構成され、所定の屈折率を有し、その屈折率は、厚さの方向において変動し、外方表面に近接する導波路本体の一部分内より、外方表面どうしの間の導波路本体の中間部分内で大である、導波路本体を含む、導波路に関する。導波路本体は、連続的であり得る。入力カプラが、入力区域内に配され、出力区域の方に伝搬させるために、導波路本体内へと画像光をカップリングするように構成され得る。出力カプラが、出力区域内に配され、アイボックスの方に伝搬させるために、導波路本体の外に画像光をカップリングするように構成され得る。
【0034】
一部の実施態様において、入力カプラは、第１の伝搬角度と第２の伝搬角度とを含む伝搬角度の範囲内で、導波路本体内へと画像光をカップリングすることを、第１の伝搬角度において導波路本体内へとカップリングされる画像光の第１の光線が、導波路本体の外方表面における全内部屈折により出力区域の方に導波され、一方で、第２の伝搬角度においてカップリングされる画像光の第２の光線が、導波路本体の中間部分の中で導波されるように行うように構成され得る。
【0035】
一部の実施態様において、入力カプラは、中間部分内へと直接的に画像光を注入するように、導波路本体の中間部分内に少なくとも部分的に配される第１の入力格子を含み得る。出力カプラは、導波路本体の中間部分内に少なくとも部分的に配される第１の出力格子を含み得る。一部の実施態様において、出力カプラは、導波路本体の外に、第１の出力格子から受け取られる画像光を再指向するように構成される第２の出力格子を含み得る。第２の出力格子は、導波路本体の中間部分内に少なくとも部分的に配され得る。
【0036】
一部の実施態様において、導波路本体の中間部分は、中間層を含み得、導波性本体は、中間層を挟む２つの外方層をさらに含み得、中間層は、２つの外方層より大である屈折率を有する。一部の実施態様において、第１の出力格子および第２の出力格子のうちの少なくとも１つは、中間層内に、または、その中間層の表面において配され得る。一部の実施態様において、導波路本体は、複数の層を含み得、複数の層は、異なる屈折率を有する少なくとも３つの層を含む。
【0037】
一部の実施態様において、導波路本体の屈折率は、中間部分内の少なくとも２．３から、その導波路本体の外方表面における多くとも１．９まで変動する。一部の実施態様において、導波路本体の屈折率は、厚さ寸法において徐々に変動し、導波路本体の中間部分内の最大値から、その導波路本体の２つの外方表面における、より少ない値の方に減少する。
【0038】
本開示の態様は、ユーザの頭部上で着用するための支持構造と、支持構造により支えられ、画像光を放出するように構成される光プロジェクタと、支持構造により支えられ、光プロジェクタからの画像光の少なくとも第１の一部分をアイボックスに伝達するように構成される第１の導波路とを含むディスプレイデバイスに関する。第１の導波路は、２つの外方表面と、それらの外方表面の間の厚さとを有する導波路本体であって、入力区域と出力区域とを含み、入力区域において受け取られる画像光を出力区域の方に導波するように構成され、所定の屈折率を有し、その屈折率は、厚さの方向において変動し、外方表面に近接する導波路本体の一部分内より、外方表面どうしの間の導波路本体の中間部分内で大であり得る、導波路本体を含み得る。第１の導波路は、導波路本体内へと画像光の第１の一部分をカップリングするように構成される入力カプラと、アイボックスの方に伝搬させるために、導波路本体の外に画像光の第１の一部分をカップリングするように構成される出力カプラとをさらに含み得る。
【0039】
ディスプレイデバイスの一部の実施態様において、入力カプラは、導波路本体の中間部分内に少なくとも部分的に配される第１の入力格子を含み得、出力カプラは、導波路本体の中間部分内に少なくとも部分的に配される第１の出力格子を含み得、第１の出力格子は、厚さの方向に直交し得る第１の方向において第１の入力格子から間をおいて離隔され得る。
【0040】
画像光が複数の色チャネルを含む、ディスプレイデバイスの一部の実施態様において、第１の導波路は、アイボックスの方に導波するために、画像光の少なくとも第１の色チャネルをカップリングするように構成され得る。
【0041】
一部の実施態様において、ディスプレイデバイスは、支持構造により支えられ、光プロジェクタからの画像光の少なくとも第２の一部分をアイボックスに伝達するように構成される第２の導波路を含み得、画像光は、第１の色チャネルと第２の色チャネルとを含み、第１の導波路は、第１の色チャネルを透過させるように構成され得、第２の導波路は、第２の色チャネルを透過させるように構成され得る。
【0042】
本開示の態様は、画像光源からの画像光をアイボックスに伝達するための方法であって、２つの反対位置関係にある外方表面と、それらの外方表面の間の中間部分とを含む導波路の入力区域上へと、画像光を指向することであって、中間部分は、導波路の入力区域から、その導波路の出力区域まで広がり、中間部分は、導波路本体の、その導波路本体の反対位置関係にある外方表面に近接する、一部分より大である屈折率を有する、画像光を指向することと、第１の伝搬角度と第２の伝搬角度とを含む伝搬角度の範囲において、導波路本体内へと画像光をカップリングすることと、第１の伝搬角度において導波路内へとカップリングされる画像光の第１の光線が、導波路の反対位置関係にある外方表面における全内部屈折により出力区域の方に導波され、一方で、第２の伝搬角度において導波路内へとカップリングされる画像光の第２の光線が、導波路本体の中間部分の中で出力区域の方に伝搬するように、入力区域から出力区域に導波路内で画像光を伝搬させることとを含む、方法に関する。方法は、導波路本体の中間部分内に配される少なくとも１つの出力格子を使用して、導波路本体の外に第２の光線をカップリングすることを含み得る。方法は、導波路の中間部分の中で主として画像光の少なくとも１つの色チャネルを導波することを含み得る。
【0043】
本開示の態様は、ディスプレイシステムにおいて画像光を伝達するための導波路であって、２つの外方表面と、それらの外方表面の間の厚さとを有する導波路本体であって、入力区域と出力区域とを含み、入力区域において受け取られる画像光を出力区域の方に導波するように構成され、厚さの方向において変動する屈折率を有する、導波路本体を含む、導波路を提供する。入力カプラが、入力区域内に配され、出力区域の方に伝搬させるために、導波路本体内へと画像光をカップリングするように構成され得る。出力カプラが、出力区域内に配され、ビューイング区域の方に伝搬させるために、導波路本体の外に画像光をカップリングするように構成され得る。
【0044】
一部の実施態様において、屈折率は、外方表面の一方において、外方表面の他方においてよりも大であり得る。一部の実施態様において、屈折率は、外方表面に近接する導波路本体の一部分内より、外方表面どうしの間の導波路本体の中間部分内で大であり得る。
【0045】
本開示の例示的な実施形態が、今から、導波路ディスプレイを参照して説明されることになる。一般的には、導波路ディスプレイは、画素化（ｐｉｘｉｌａｔｅｄ）電子ディスプレイまたは走査プロジェクタアセンブリなどの画像光源と、コントローラと、ユーザに画像を提示するために、画像光源からの画像光を射出瞳に透過させるように構成される光学導波路とを含み得る。画像光源は、さらには、ディスプレイプロジェクタ、画像プロジェクタと、または単純にプロジェクタと本明細書において呼称され得る。ここで開示される特徴および手法が使用され得る、ディスプレイ導波路を組み込む例示的なディスプレイシステムは、ニアアイディスプレイ（ＮＥＤ）、ヘッドアップディスプレイ（ＨＵＤ）、ヘッドダウンディスプレイなどを含むが、それらに限定されない。
【0046】
図１を参照すると、例示的な実施形態による導波路ディスプレイ１００が例解される。導波路ディスプレイ１００は、画像光源１１０と、導波路１２０とを含み、ディスプレイコントローラ１５５をさらに含み得る。
【0047】
プロジェクタ１１０と本明細書において呼称され得る画像光源１１０は、画像光１１１を放出するように構成される。一部の実施形態において、画像光源１１０は、走査プロジェクタの形式でのものであり、または、走査プロジェクタを含み得る。一部の実施形態において、走査プロジェクタは、限定されるものでないが、レーザダイオード（ＬＤ）または発光ダイオード（ＬＥＤ）などの、光源と、１つまたは複数の走査反射器とを含み得る。一部の実施形態において、走査プロジェクタは、走査光源を含み得る。一部の実施形態において、画像光源１１０は、例えば、限定されるものでないが、液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）、有機発光ディスプレイ（ＯＬＥＤ）、無機発光ディスプレイ（ＩＬＥＤ）、アクティブマトリクス有機発光ダイオード（ＡＭＯＬＥＤ）ディスプレイ、または透明有機発光ダイオード（ＴＯＬＥＤ）ディスプレイなどの、画素化マイクロディスプレイを含み得る。一部の実施形態において、画像光源１１０は、光源の直線状アレイ、そのようなＬＥＤ、ＬＤ、または類するものを含み得る。一部の実施形態において、その画像光源１１０は、２Ｄ画素アレイを含み得、各々の画素は、多色光を放出するように構成され得る。画像光源１１０は、画像光を好適にコンディショニングするように構成される１つまたは複数の光学構成要素をさらに含み得る。このコンディショニングは、限定することなく、拡大すること、コリメートすること、収差に対して補正すること、および／もしくは、画像光の伝搬の方向を調整すること、または、個別のシステムおよび電子ディスプレイに対して望まれ得るような任意の他の好適なコンディショニングを含み得る。光学部品ブロックにおける１つまたは複数の光学構成要素は、限定することなく、１つもしくは複数のレンズ、鏡、開口部、格子、または、それらの組合せを含み得る。一部の実施形態において、画像光源１１０の光学部品ブロックは、光のビームを、そのビームの伝搬角度に関して走査するように動作可能な１つまたは複数の調整可能要素を含み得る。
【0048】
導波路１２０は、導波路本体１２３と、導波路の入力区域内の入力カプラ１３０と、導波路の出力区域内の出力カプラ１４０とを含み得る。一部の実施形態において、１つが別のものの上方に積重される２つ以上の導波路から組成される導波路積重体が、導波路１２０の代わりに使用され得る。入力カプラ１３０は、その入力カプラ１３０が画像光源１１０から画像光１１１を受け取ることができる場所において配され得る。さらにはインカプラ１３０と本明細書において呼称され得る入力カプラ１３０は、導波路１２０内へと画像光１１１をカップリングするように構成され、その導波路１２０において、その画像光１１１は、出力カプラ１４０の方に伝搬する。さらにはアウトカプラと本明細書において呼称され得る出力カプラ１４０は、入力カプラ１３０からずらされ、例えばユーザの目１６６の方になど、望まれる方向において伝搬させるために、導波路１２０から画像光をデカップリングするように構成され得る。アウトカプラ１４０は、画像ビームを、その画像ビームが導波路を離脱する際に、サイズにおいて拡大するために、および、プロジェクタ１１０の射出瞳より大きい射出瞳をサポートするために、インカプラ１３０よりサイズにおいて大であり得る。一部の実施形態において、導波路本体１２３は、外側光に対して部分的に透明であり得、ＡＲ用途において使用され得る。導波路１２０は、入力カプラ１３０からの２次元（２Ｄ）ＦＯＶを出力カプラ１４０に、および結局のところはユーザの目１６６に伝達するように構成され得る。ここで、および、後に続く説明において、ディスプレイ導波路１２０、および、そのディスプレイ導波路１２０の実施形態は、デカルト座標系（ｘ，ｙ，ｚ）を参照して説明され得、（ｘ，ｙ）平面は、導波路の、外方の面であって、それらを通して導波路が画像光を受け取る、および／または出力する、外方の面に平行であり、ｚ軸は、その（ｘ，ｙ）平面に直交する。一部の実施形態において、導波路１２０の２Ｄ ＦＯＶは、さらにはそれぞれ垂直ＦＯＶおよび水平ＦＯＶと呼称され得る、（ｙ，ｚ）平面における１Ｄ ＦＯＶ、および、（ｘ，ｚ）平面における１Ｄ ＦＯＶにより規定され得る。
【0049】
図２は、入射角度αの範囲に対する、導波路２１０内への波長λの光のカップリングを概略的に例解する。導波路２１０は、ディスプレイ１００の導波路１２０、または、導波路１２０の代わりに使用され得る導波路積重体の任意の導波路を表し得る。導波路２１０は、例えば基材２０５の形式でのものであり、または、基材２０５を含み得る、導波路本体を伴うスラブ導波路であり得る。基材２０５は、非限定的な例として、ガラスまたは好適なプラスチックもしくはポリマーなどの、可視光において透明である光学材料の薄いプレートであり得る。導波路２１０の主要な外方の面２１１、２１２であって、それらを通って画像光が導波路に進入し、または、導波路を離脱し得る、主要な外方の面２１１、２１２は、互いに対して公称的に平行であり得る。基材材料の屈折率ｎは、包囲する媒体の屈折率より大であり得、一部の実施形態において、例えば１．４から２．０の範囲内であり得る。一部の実施形態において、高屈折率材料が、基材２０５、または、その基材２０５の一部分に対して使用され得る。一部の実施形態において、これらの材料は、約２．２より大である屈折の率ｎを有し得る。一部の実施形態において、これらの材料は、約２．３より大である屈折の率ｎを有し得る。一部の実施形態において、これらの材料は、約２．５より大である屈折の率ｎを有し得る。そのような材料の非限定的な例は、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ３）、二酸化チタン（ＴｉＯ２）、窒化ガリウム（ＧａＮ）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、炭化ケイ素（ＳｉＣ）、ＣＶＤダイヤモンド、硫化亜鉛（ＺｎＳ）である。
【0050】
インカプラ２３０が、導波路２１０の入力区域２０３内に設けられ得、１つまたは複数の回折格子の形式でのものであり得る。さらには１つまたは複数の回折格子の形式でのものであり得るアウトカプラ２４０が、導波路の出力区域２０９内に配され得、例えばｙ軸に沿って、インカプラ２３０から横にずらされ得る。例解される実施形態において、アウトカプラ２４０は、導波路２１０の、インカプラ１３０と同じ面２１１において場所を定められるが、他の実施形態において、そのアウトカプラ２４０は、導波路の反対位置関係の面２１２において場所を定められ得る。一部の実施形態は、導波路の主要な外方の面２１１、２１２において配され得る２つの入力格子、および／あるいは、導波路の主要な外方の面２１１、２１２において配され、または、導波路の中の同じ面において、もしくは同じ平面において重ねられ得る、２つの出力格子を有し得る。カプラ２３０、２４０を具現する格子は、例えばブレーズ格子などの、体積格子および表面レリーフ格子を含む、任意の好適な回折格子であり得る。格子は、さらには体積ホログラフィック格子であり得る。一部の実施形態において、それらの格子は、導波路それ自体の材料内で形成され得る。一部の実施形態において、それらの格子は、望まれる場所において導波路の面または複数の面に貼り付けられ得る、異なる材料または複数の材料内で製作され得る。
【0051】
インカプラ２３０は、さらには受光角度と本明細書において呼称され得る、入力ＦＯＶ２３４をサポートするように構成され得る。波長に依存する入力ＦＯＶ２３４は、入射の角度αの範囲を規定し、その範囲に対して、インカプラ２３０に入射する光が、導波路内へとカップリングされ、アウトカプラ２４０の方に伝搬する。本明細書の文脈において、「導波路内へとカップリングされる」は、導波路の導波モード、または、好適に低い放射損失を有するモード内へとカップリングされることを意味する。導波路の外方表面２１１および２１２上で全内部反射（ＴＩＲ）を経験する、導波路内へとカップリングされる光は、その光がアウトカプラにより再指向されるまで、好適に低い減衰を伴って導波路の中で伝搬し得る。かくして、導波路２１０は、導波路の外側からのインカプラ２３０への光の入射の角度が導波路２１０の入力ＦＯＶ２３４の中であることを前提として、ＴＩＲを以て個別の波長λの光をトラップし、アウトカプラ２４０の方に、トラップされる光を導波し得る。導波路の入力ＦＯＶ２３４は、少なくとも部分的に、インカプラ格子２３０のピッチｐにより、および、導波路の屈折率ｎにより決定される。所与の格子ピッチｐに対して、（ｙ，ｚ）平面において入射の角度αにおいて空気から格子２３０に入射する光の１次回折角度βは、回折式（１）から見出され得る。
ｎ・ｓｉｎ（β）－ｓｉｎ（α）＝λ／ｐ （１）
ここで、入射の角度α、および、回折角度βは、対応する波ベクトルが、アウトカプラ２４０の方に指向される成分を有する場合正である。回折角度βは、導波路内の画像光の回折させられる光線の伝搬の角度を規定し、さらには伝搬角度と本明細書において呼称され得る。式（１）は、光が、屈折率ｎｃ＞１を伴う材料から導波路２１０に進入する、実施形態に対して容易に修正され得る。式（１）は、インカプラ格子の溝（ｇｒｏｖｅ）に対して法線方向の入射の平面を伴う画像光の光線に対して、すなわち、画像光の入射の平面がインカプラの格子ベクトルを含むときに当てはまる。例解される例において、インカプラの格子ベクトルは、ｙ軸に沿って指向され得る。
ｎ・ｓｉｎ（β）－ｓｉｎ（α）＝λ／ｐ （１）
ここで、入射の角度α、および、回折角度βは、対応する波ベクトルが、アウトカプラ２４０の方に指向される成分を有する場合正である。回折角度βは、導波路内の画像光の回折させられる光線の伝搬の角度を規定し、さらには伝搬角度と本明細書において呼称され得る。式（１）は、光が、屈折率ｎｃ＞１を伴う材料から導波路２１０に進入する、実施形態に対して容易に修正され得る。式（１）は、インカプラ格子の溝（ｇｒｏｖｅ）に対して法線方向の入射の平面を伴う画像光の光線に対して、すなわち、画像光の入射の平面がインカプラの格子ベクトルを含むときに当てはまる。例解される例において、インカプラの格子ベクトルは、ｙ軸に沿って指向され得る。
【0052】
導波路または層内でＴＩＲを経験する光は、インカップリングされる光、または、トラップされる光と本明細書において呼称され得る。導波路の中の回折させられる光に対するＴＩＲ条件は、式（２）により規定され得る。
ｎ・ｓｉｎ（β）≧１ （２）
ここに、等号は、ＴＩＲ角度βｃ＝ａｓｉｎ（１／ｎ）に対応する。導波路２１０の入力ＦＯＶ２３４は、ＦＯＶ角度と本明細書において呼称され得る、入射の第１のＦＯＶ角度α１と、入射の第２のＦＯＶ角度α２との間に及ぶ。図２Ａにおける最も右の入射光線１１１ｂに対応する入射の第１のＦＯＶ角度α１は、インカップリングされる光、すなわち、導波路の中でトラップされる光のＴＩＲ角度βｃにより規定され得る。
図２Ａにおける最も左の入射光線１１１ａに対応する入射の第２のＦＯＶ角度α２は、インカップリングされる光の最大角度βｍａｘについての制限により規定され得る。
ｎ・ｓｉｎ（β）≧１ （２）
ここに、等号は、ＴＩＲ角度βｃ＝ａｓｉｎ（１／ｎ）に対応する。導波路２１０の入力ＦＯＶ２３４は、ＦＯＶ角度と本明細書において呼称され得る、入射の第１のＦＯＶ角度α１と、入射の第２のＦＯＶ角度α２との間に及ぶ。図２Ａにおける最も右の入射光線１１１ｂに対応する入射の第１のＦＯＶ角度α１は、インカップリングされる光、すなわち、導波路の中でトラップされる光のＴＩＲ角度βｃにより規定され得る。
【0053】
個別の波長における導波路２１０の入力１Ｄ ＦＯＶの幅ｗ＝｜α１－α２｜は、式（３）および（４）から推定され得る。一般的には、導波路の入力ＦＯＶは、導波路の屈折率が、包囲する媒体の屈折率に相対的に増大する際に増大する。例としてのことであるが、空気により包囲される率ｎの基材に対して、および、βｍａｘ＝７５°、λ／ｐ＝１．３に対して、単色光に対する導波路の入力１Ｄ ＦＯＶの幅ｗは、ｎ＝１．５に対して約２６°、ｎ＝１．８に対して約４３°、および、ｎ＝２．４に対して約１０７°であり得る。
【0054】
式（３）および（４）から認められ得るように、導波路２１０の入力ＦＯＶ２３４は、入力光の波長λの関数であり、そのことによって、入力ＦＯＶ２３４は、波長が変化する際に、角度空間におけるその入力ＦＯＶ２３４の位置をシフトし、例えば、その入力ＦＯＶ２３４は、波長が増大する際に、アウトカプラ２４０の方にシフトする。かくして、単一の導波路によって、多色画像光に対する十分に広いＦＯＶを提供することは、難題であることがある。
【0055】
図３を参照すると、インカプラ２３０により導波路２１０内へとカップリングされる光が、アウトカプラ２４０の方に導波路内で伝搬する。アウトカプラ２４０は、アウトカプラ２４０により部分的に規定される、導波路の出力ＦＯＶ２４４の中の角度または複数の角度において、導波路２１０の外に、インカップリングされる光の少なくとも一部分を再指向するように構成される。導波路の総体的なＦＯＶ、すなわち、導波路によりビューアに伝達され得る入射角度αの範囲は、インカプラ２３０およびアウトカプラ２４０の両方により、影響され得る。
【0056】
一部の実施形態において、インカプラ２３０およびアウトカプラ２４０を具現する格子は、それらの格子の格子ベクトルｇｉのベクトル和が実質的にゼロに等しいように構成され得る。
｜Σｇｉ｜≒０ （５）
ここで、式（５）の左辺（ＬＨＳ）における足し合わせは、インカプラ２３０の１つまたは複数の格子と、アウトカプラ２３０の１つまたは複数の格子とを含む、導波路を通り過ぎる入力光を回折させるために協働するすべての格子の格子ベクトルｇｉにわたって遂行される。格子ベクトルｇｉは、格子の等位相平面、すなわち、その格子の「溝」に対して法線方向に指向されるベクトルであり、その格子ベクトルの大きさは、格子ピッチｐに反比例し、｜ｇｉ｜＝２π／ｐである。式（５）の条件のもとで、画像光の光線は、導波路２１０が、平行な外方の面２１１、２１２を伴う理想的なスラブ導波路であり、導波路のＦＯＶが、その導波路の入力ＦＯＶにより規定されることを前提として、それらの光線がインカプラ２３０に進入した同じ角度において、アウトカプラ２４０を以て導波路を抜け出る。実践的な実施態様において、式（５）は、個別のディスプレイシステムに対して許され得る誤差しきい値の中で、ある程度の正確度を伴って当てはまることになる。単一の１Ｄ入力格子と１Ｄ出力格子とを伴う例示的な実施形態において、アウトカプラ２４０の格子ピッチは、インカプラ２３０の格子ピッチに実質的に等しくあり得る。
｜Σｇｉ｜≒０ （５）
ここで、式（５）の左辺（ＬＨＳ）における足し合わせは、インカプラ２３０の１つまたは複数の格子と、アウトカプラ２３０の１つまたは複数の格子とを含む、導波路を通り過ぎる入力光を回折させるために協働するすべての格子の格子ベクトルｇｉにわたって遂行される。格子ベクトルｇｉは、格子の等位相平面、すなわち、その格子の「溝」に対して法線方向に指向されるベクトルであり、その格子ベクトルの大きさは、格子ピッチｐに反比例し、｜ｇｉ｜＝２π／ｐである。式（５）の条件のもとで、画像光の光線は、導波路２１０が、平行な外方の面２１１、２１２を伴う理想的なスラブ導波路であり、導波路のＦＯＶが、その導波路の入力ＦＯＶにより規定されることを前提として、それらの光線がインカプラ２３０に進入した同じ角度において、アウトカプラ２４０を以て導波路を抜け出る。実践的な実施態様において、式（５）は、個別のディスプレイシステムに対して許され得る誤差しきい値の中で、ある程度の正確度を伴って当てはまることになる。単一の１Ｄ入力格子と１Ｄ出力格子とを伴う例示的な実施形態において、アウトカプラ２４０の格子ピッチは、インカプラ２３０の格子ピッチに実質的に等しくあり得る。
【0057】
図４は、アウトカプラ２４０が、例えば導波路の主要な外方の面において配され得る、２つの回折格子２４１、２４２を含む、実施形態を例解する。回折格子２４１および２４２は、インカップリングされる光２１１ａが、これらの格子の各々により一度順次的に回折させられる後に、出力光２２１として導波路を抜け出るように構成され得る。一部の実施形態において、回折格子２４１、２４２の格子ベクトルｇ１およびｇ２は、互いに対して所定の角度において指向され得る。少なくとも一部の実施形態において、それらの格子ベクトルは、（ｇ０＋ｇ１＋ｇ２）＝０であるように選択され得、ここに、ｇ０は、インカプラ２３０の格子ベクトルである。
【0058】
図５は、絵図視図において、導波路の入力区域４０３内に配されるインカプラ４３０と、導波路の出力区域４０７内に配されるアウトカプラ４４０とを伴うディスプレイ導波路４１０を例解する。インカプラ４３０は、アウトカプラ４４０の方に全体的に指向される格子ベクトルｇ０を伴う入力回折格子の形式でのものであり得る。アウトカプラ４４０は、互いに対して所定の角度において向きを定められる格子ベクトルｇ１およびｇ２を伴う２つの出力直線状回折格子４４１および４４２から成り立つ。一部の実施形態において、格子４４１および４４２は、導波路の主要な外方の面において形成される直線状回折格子であり得る。一部の実施形態において、それらの格子は、２Ｄ格子を形成するために、導波路のどちらかの面において、または、その導波路の体積内で、互いの上に重ねられ得る。導波路のＦＯＶの中でインカプラ４３０に入射する光４０１が、インカップリングされる光線４１１ａおよび４１１ｂにより例解されるように、導波路の平面において、サイズにおいて拡大して、アウトカプラ４４０の方に伝搬するために、導波路内へとインカプラ４３０によりカップリングされ得る。格子４４１、４４２は、それらの格子の各々を離れる続けざまの回折が、導波路の外に、インカップリングされる光を再指向するように構成される。光線４１１ａは、アウトカプラ４４０が場所を定められる導波路の出力区域４０７に進入することを機に、導波路の中で、いくらかの距離を伝搬する後に、最初に、第１の格子４４１により回折させられ、次いで、第２の格子４４２により導波路の外に回折させられる、インカップリングされる光の光線であり得る。光線４１１ｂは、最初に、第２の格子４４２により回折させられ、次いで、第１の格子４４１により導波路の外に回折させられる、インカップリングされる光の光線であり得る。さらにはアイボックス投射区域４５０と呼称され得る、導波路の射出瞳４５０が指示され、その射出瞳４５０において、例えば、その射出瞳が、望まれる寸法を有する場合、アウトカップリングされる光は、ビューイングのための最適の特性を有する。射出瞳４５０は、インカプラ４３０から、いくらかの距離において場所を定められ得る。
【0059】
図６Ａは、（Ｋｘ，Ｋｙ）平面を参照して、ディスプレイ導波路４１０の動作の態様を例解するものであり、ここに、ＫｘおよびＫｙは、導波路の平面上の画像光の正規化されたｋベクトルＫ＝ｋ・２π／λの射影のｘおよびｙ座標を表象する。
Ｋｘ＝ｎｓｉｎ（θｘ）、および、Ｋｙ＝ｎｓｉｎ（θｙ） （６）
ここで、ｎは、インカップリングされる光が伝搬している基材の屈折率であり、角度θｘおよびθｙは、それぞれ、ｘ軸およびｙ軸上の射影における導波路の平面（ｘ，ｙ）における光伝搬の方向を規定する。これらの角度は、さらには、導波路の２Ｄ ＦＯＶが規定され得る角度空間の座標を表し得る。（Ｋｘ，Ｋｙ）平面は、Ｋ空間と、および、正規化された波ベクトルＫ＝（Ｋｘ，Ｋｙ）は、平面内Ｋベクトルと、または単純にＫベクトルと、本明細書において呼称され得る。
Ｋｘ＝ｎｓｉｎ（θｘ）、および、Ｋｙ＝ｎｓｉｎ（θｙ） （６）
ここで、ｎは、インカップリングされる光が伝搬している基材の屈折率であり、角度θｘおよびθｙは、それぞれ、ｘ軸およびｙ軸上の射影における導波路の平面（ｘ，ｙ）における光伝搬の方向を規定する。これらの角度は、さらには、導波路の２Ｄ ＦＯＶが規定され得る角度空間の座標を表し得る。（Ｋｘ，Ｋｙ）平面は、Ｋ空間と、および、正規化された波ベクトルＫ＝（Ｋｘ，Ｋｙ）は、平面内Ｋベクトルと、または単純にＫベクトルと、本明細書において呼称され得る。
【0060】
Ｋ空間において、インカップリングされる光は、ＴＩＲ環５００により、グラフィカルに表され得る。ＴＩＲ環５００は、ＴＩＲ円５０１および最大角度円５０２により境を定められるＫ空間の区域であり、両方の円は、導波路への法線方向の入射に対応するＫ０＝（０，０）において中心を定められる。ＴＩＲ円５０１は、ＴＩＲ角度βｃに対応する。最大角度円５０２は、インカップリングされる光に対する最大伝搬角度βｍａｘに対応する。ＴＩＲ円５０１の中の状態は、カップリングされない光、すなわち、インカプラ４３０に入射する入来する光、または、アウトカプラ格子４４１および／もしくは４４２により導波路の外にカップリングされる光を表す。正規化によって、ＴＩＲ円５０１の半径ｒＴＩＲ、および、外方円５０２の半径ｒｍａｘは、後に続く式により規定され得る。
ｒＴＩＲ＝１、ｒｍａｘ＝ｎ・ｓｉｎ（βｍａｘ） （７）
屈折率ｎが大であるほど、ＴＩＲ環５００は広く、導波路内へとカップリングされ得る波長λの入力光の角度範囲は幅広い。
ｒＴＩＲ＝１、ｒｍａｘ＝ｎ・ｓｉｎ（βｍａｘ） （７）
屈折率ｎが大であるほど、ＴＩＲ環５００は広く、導波路内へとカップリングされ得る波長λの入力光の角度範囲は幅広い。
【0061】
図６Ａにおいてｇ０、ｇ１、およびｇ２と標記される矢印は、個別の波長λに対する、それぞれ、インカプラ４３０、第１のアウトカプラ格子４４１、および、第２のアウトカプラ格子４４２の正規化された格子ベクトルを表し、格子長さｇｉ＝λ／ｐｉであり、ここに、ｐｉは、第ｉの格子のピッチであり、ｉ＝０、１、または２である。図において、これらの格子ベクトルは、Ｋ空間における２つの可能な経路を描く、２つの閉じられた三角形を形成し、それらの経路に沿って、入来する光は、３つの格子の各々により一度回折させられる後に、同じＫ空間状態に戻り得、そのことにより、導波路の入力から出力まで、角度空間における伝搬の方向を保つ。各々の回折は、対応する格子ベクトルによる（Ｋｘ，Ｋｙ）平面におけるシフトとして表され得る。区域５２０、５３０は、組み合わさって、（Ｋｘ，Ｋｙ）平面における導波路のＦＯＶを表し、それぞれ、第１および第２の部分的ＦＯＶ区域と呼称され得る。それらの区域は、インカプラ格子およびアウトカプラ格子、ならびに、導波路の屈折率により規定され、入力格子４３０、および、出力格子４４１、４４２の一方上での続けざまの回折、ならびに、２つの出力格子の他方上での後続の回折の後のＴＩＲ円５０１の内方における同じ（Ｋｘ，Ｋｙ）場所への戻りの後の、導波路（ＴＩＲ環５００）の中でトラップされる光滞留のすべてのｋベクトルを表す。第１の部分的ＦＯＶ区域５２０は、入力格子４３０、第１の出力格子４４１、および、第２の出力格子４４２上での続けざまの回折により、その区域自体にイメージングされる、すべての（Ｋｘ，Ｋｙ）状態を識別することにより決定され得、それらの回折の各々は、対応する格子ベクトルによる（Ｋｘ，Ｋｙ）平面におけるシフトとして表され得る。第２の部分的ＦＯＶ区域５３０は、入力格子４３０、第２の出力格子４４２、および、第１の出力格子４４１上での続けざまの回折により、その区域自体にイメージングされる、すべての（Ｋｘ，Ｋｙ）状態を識別することにより決定され得る。
【0062】
図６Ｂは、２Ｄ角度空間における第１および第２の部分的ＦＯＶ５２０、５３０を例解し、水平軸および垂直軸は、両方が度において、それぞれ、ｘ軸方向およびｙ軸方向における、入力光の入射の角度θｘおよびθｙを表す。（０，０）点は、インカプラへの法線方向の入射に対応する。組み合わさって、部分的ＦＯＶ５２０、５３０は、ユーザに伝達され得る選択される色または波長の入力光のすべての入射光線を網羅する、波長λにおける導波路の完全ＦＯＶ５５０を規定する。完全ＦＯＶ５５０の中にはまる矩形区域５５５が、ディスプレイにおいて有用であり得る導波路の単色ＦＯＶを規定し得る。
【0063】
角度空間における各々の部分的ＦＯＶ５２０、５３０の位置、サイズ、および形状、ならびにかくして、導波路の完全２Ｄ ＦＯＶは、入力光の波長λに、入来する光の波長λに対する入力および出力格子のピッチｐ０、ｐ１、およびｐ２の比率に、ならびに、格子の相対的な向きに依存する。かくして、導波路の２Ｄ ＦＯＶは、ピッチサイズ、および、格子の相対的な向きを選択することにより、個別の色チャネルまたは複数のチャネルに対して、角度空間において、好適に形状を定められ、位置を定められ得る。導波路４１０の一部の実施形態において、出力格子４４１、４４２は、同じピッチｐ１＝ｐ２を有し、入力格子に相対的に、対称的に向きを定められ得る。そのような実施形態において、第１および第２の出力格子の格子ベクトルｇ１、ｇ２は、インカプラの格子ベクトルｇ０に相対的に、±φの角度において向きを定められ得る。非限定的な例としてのことであるが、格子向き角度φは、５０から７０度、例えば６０から６６度の範囲内であり得、導波路の屈折率に依存し得る。図６Ｂは、例示的な導波路のＦＯＶを例解するものであり、屈折率ｎ＝１．８、φ≒６０°、および、ｐ１＝ｐ２＝ｐ３＝ｐであり、ｐ／λは、ＦＯＶ５５５について、法線方向の入射において中心を定めるように選択される。
【0064】
一部の実施形態において、光学的に透明な高屈折率基材から形成される単一の導波路が、画像源からのＲＧＢ光の複数個の色チャネルを、ＮＥＤのアイボックスなどの、導波路ディスプレイのビューイング区域に伝達するために、ディスプレイシステムにおいて使用され得る。一部の実施形態において、同じ入力格子および出力格子が、画像光の少なくとも２つの色チャネルに対して、例えば、赤、緑、および青ＲＧＢ色チャネルのうちの少なくとも２つに対して、または、すべての３つのＲＧＢ色チャネルに対して使用され得る。高屈折率ｎを有する望ましさは、波長で正規化されたＫ空間において、各々の格子ベクトルの長さは、波長とともにスケーリングする、すなわち、ｇｉ＝λ／ｐｉであり、ここに、ｐｉは、第ｉの格子のピッチであり、ｉ＝０、１、または２であることに留意することにより理解され得る。ＴＩＲ環５００の幅は、屈折率ｎに比例するので、屈折率の、より大である値は、より幅広い多色ＦＯＶ、すなわち、画像光の２つ以上の色チャネルにより共用される共通ＦＯＶを可能にする。
【0065】
図７は、図６ＡのＫ空間線図における、２つの異なる波長λ１およびλ２＞λ１に対する、インカプラ４３０の、波長でスケーリングされた格子ベクトル５３１、５３２を例解する。例解される例において、インカプラの格子ベクトルは、ｙ軸に沿って指向される。第１の波長λ１に対する正規化された格子ベクトル５３１は、長さλ１／ｐ０を有し、一方で、より長い正規化された格子ベクトル５３２は、λ２／ｐ０の長さを有する。第１の波長λ１は、例えば、青色チャネルのピーク波長であり得、一方で、第２の波長λ２は、例えば、赤色チャネルのピーク波長であり得る。
【0066】
一部の実施形態において、２つの波長により共用される対称ＦＯＶの最大ｙ軸幅（２α）、ＦＯＶｙ＝（－α，＋α）が、式（８）および（９）から推定され得る。
１＋ｓｉｎ（α）＝λ１／ｐ０ （８）
ｎ・ｓｉｎ（βｍａｘ）－ｓｉｎ（α）＝λ２／ｐ０ （９）
式（８）は、格子ベクトル５３１、５３２のうちの短い方が、格子ベクトルの方向においてＴＩＲ円５０１から最も遠いＦＯＶの状態Ａ１から、ＴＩＲ円５０１に達するのに足るだけ長いという条件を表す。式（９）は、ＦＯＶの反対位置関係の端部におけるＫ状態Ａ２が、ＴＩＲ環５００の外方境界５０２から、２つの格子ベクトル５３１、５３２のうちの長い方がその外方境界を越えて延びないということに足るだけ遠いという条件を表す。これらの条件は、インカプラ格子のピッチｐ０に対する推定値（式（１０））、および、ｙ軸に沿った２つの波長の共通ＦＯＶの対応する半幅αの推定値（式１１）をもたらす。
１＋ｓｉｎ（α）＝λ１／ｐ０ （８）
ｎ・ｓｉｎ（βｍａｘ）－ｓｉｎ（α）＝λ２／ｐ０ （９）
式（８）は、格子ベクトル５３１、５３２のうちの短い方が、格子ベクトルの方向においてＴＩＲ円５０１から最も遠いＦＯＶの状態Ａ１から、ＴＩＲ円５０１に達するのに足るだけ長いという条件を表す。式（９）は、ＦＯＶの反対位置関係の端部におけるＫ状態Ａ２が、ＴＩＲ環５００の外方境界５０２から、２つの格子ベクトル５３１、５３２のうちの長い方がその外方境界を越えて延びないということに足るだけ遠いという条件を表す。これらの条件は、インカプラ格子のピッチｐ０に対する推定値（式（１０））、および、ｙ軸に沿った２つの波長の共通ＦＯＶの対応する半幅αの推定値（式１１）をもたらす。
【0067】
波長λ１およびλ２に対する共用される１Ｄ ＦＯＶの推定される幅２αは、導波路の屈折率ｎが最小値ｎｍｉｎより上に増大する際に増大し、その最小値は、一部の実施形態において、ｎｍｉｎ＝λ２／λ１ｓｉｎ（βｍａｘ）として推定され得る。例としてのことであるが、より長い波長λ２は、例えば６３５ｎｍの波長を伴う赤光に対応し得、一方で、より短い波長λ１は、例えば４６５ｎｍの波長を伴う青光に対応し得、そのことは、ＲＧＢ光のすべての３つの色チャネルを透過させるように構成される導波路に対する、約１．４のｎの最小限の値を結果的に生じさせる。式（１１）によれば、１つの実施形態において、ＲＧＢ光のすべての３つのチャネルにより共用され得る、単一の１層導波路の対称１Ｄ ＦＯＶの推定される幅２αは、ｎ＝２．０に対して約３０度、ｎ＝２．２に対して約４０度、および、ｎ＝２．６に対して約６３度であり得る。
【0068】
式（１１）は、法線方向の入射において中心を定められ、λ１からλ２の波長を伴う多色光に対して単一の導波路によりサポートされ得る、１Ｄ ＦＯＶの推定値を提供する。導波路がその導波路の出力において、例えばアイボックスにおいて、多色光に対してサポートする２Ｄ ＦＯＶは、出力格子の数および構成など、アウトカプラにさらに依存し得る。
【0069】
一部の実施形態において、約２．３、または、好ましくは２．４以上の屈折率を伴う、光学的に透明な高屈折率材料から作製される単一の導波路が、画像源からのＲＧＢ光をＮＥＤのアイボックスに伝達するために、ディスプレイシステムにおいて使用され得る。一部の実施形態において、ＮＥＤは、少なくとも２．５の屈折率を伴う、光学的に透明な高屈折率材料から作製される単一の導波路によって画像光を透過させ得る。一部の実施形態において、ＮＥＤは、少なくとも２．６の屈折率を伴う、光学的に透明な高屈折率材料から作製される単一の導波路によって画像光を透過させ得る。
【0070】
今から図８を参照すると、同じ格子により導波路内へとカップリングされる異なる色チャネルの光線が、異なる角度において導波路内で伝搬することになり、差は、大であるほど、色チャネルの間のスペクトル距離は大いなるものである。図８は、ディスプレイ導波路６００内での入力ＲＧＢ光６１１の、青色チャネルの光線６１１Ｂ、および、赤色チャネルの光線６１１Ｒの伝搬を概略的に例解する。ディスプレイ導波路６００は、高屈折率基材などの導波路本体６１０と、入力カプラ６３０と、出力カプラ６４０とから形成され得る。入力カプラ６３０および出力カプラ６４０は、例えば、図３、４のカプラ２３０、２４０、または、図５のカプラ４３０、４４０を参照して上記で説明されたようなものであり得る。例解される実施形態において、入力カプラ６３０は、ピッチｐ０の回折格子の形式でのものである。この格子上での回折は、波長によって、入射ＲＧＢ光６１１を分散させる。結果として、赤色チャネルの光線６１１Ｒは、青色チャネルの光線６１１Ｂの伝搬角度βＢより有意に大である角度βＲにおいて基材６１０内で伝搬し得る。ディスプレイ導波路６００の基材６１０内での色チャネルのこの発散は、アウトカプラ６４０の、より複雑な設計を必要とし得る。実際のところ、より小さい角度において伝搬する光線６１１Ｂは、より大である角度において伝搬する光線６１１Ｒよりも、導波路の、外方の面を離れる、より大である数の跳ね返りを経験し得る。出力格子が導波路の、外方の面において形成される実施形態において、光線６１１Ｂは、さらには、出力格子との、より大である数の相互作用を経験することになる。格子－光線相互作用における同様の、またはより大でさえある不一致が、図２において示される光線１１１ａおよび１１１ｂなどの、入力ＦＯＶの縁部における同じ波長の画像光線に対して生起する。それゆえに、ＦＯＶ全域で色および明るさ均一性を維持することは、格子効率の強い角度依存性を伴う出力格子を要し得る。格子は、異なる色、および／または、入射の異なる角度の画像光線に対して、導波路の出力区域の単位長さ当たりの、導波路「跳ね返り」または光線－格子相互作用の数における差に対して補償するように特異的に設計されなければならないことがある。このことは、格子設計を有意に複雑化し得る。
【0071】
図９Ａを参照すると、本開示の実施形態による例示的な２層ディスプレイ導波路７００が例解される。ディスプレイ導波路７００は、より高い率の材料内で伝搬させるように、より長い波長の色チャネルの少なくとも一部分を指向することにより、角度差問題点に対処する。導波路７００と単純に本明細書において以降呼称され得る、２層ディスプレイ導波路７００は、上記で説明された導波路１２０または導波路４１０の実施形態であり得る。その導波路７００は、相対的に、より低い屈折の率を有し得る、基材７２０により支持される高屈折率（ＨＩ）層７１０を含む導波路本体７０７を有する。ＨＩ層７１０は、さらには上部層７１０と本明細書において呼称され得る。基材７２０は、２層導波路７００の第２の、または下側の層の役割を果たす。ＨＩ層７１０および基材７２０の両方は、好適に低い吸収係数を有する、光学的に透明な材料から作製され得る。ＨＩ層７１０は、連続的な導波路本体を形成するために、基材７２０の上方に、それらのＨＩ層７１０と基材７２０との間に空気ギャップを伴わずに配され得る。用語「高屈折率層」は、本明細書において使用される際、基材７２０の屈折率ｎ２より大である屈折率ｎ１、ｎ１＞ｎ２を伴う層を指し得る。１つの実施形態において、ｎ２は、１．５から２．０の範囲内であり得、ｎ１は、２．２から２．６以上の範囲内であり得、好適な材料の入手可能性により規定され得る、上の方の限度を伴う。層の屈折率どうしの間の差Δｎ＝（ｎ１－ｎ２）は、少なくとも一部の実施形態において、０．３より大であり得る。一部の実施形態において、率差Δｎは、０．３から１の範囲内であり得る。一部の実施形態において、Δｎは、０．４より大であり得る。一部の実施形態において、Δｎは、０．５より大であり得る。
【0072】
約０．４より。ＨＩ層７１０に対して使用され得る可能な材料の例は、ＬｉＮｂＯ３、ＴｉＯ２、ＧａＮ、ＡｌＮ、ＳｉＣ、ＣＶＤダイヤモンド、ＺｎＳを含む。ＨＩ層７１０および基材７２０の厚さは、それらのＨＩ層７１０および基材７２０の率および／または設計目標に依存して変動し得る。非限定的な例としてのことであるが、ＨＩ層７１０の厚さｄ１は、１５０から４００μｍの範囲内、例えば約３００μｍであり得る。基材厚さｄ２は、例えば２００から６００μｍの間であり得る。これらの範囲の外側の層および基材厚さを伴う実施形態が、さらには構想され得る。
【0073】
図９Ａを参照することを継続すると、導波路７００は、導波路内へと画像光７１１をカップリングするためのインカプラ７３０と、アイボックス７５４の方に、導波路の外に、インカップリングされる画像光をカップリングするためのアウトカプラ７４０とを含み得る。１つの実施形態において、インカプラ７３０は、入力格子の形式でのものであり、または、入力格子を含み得る。１つの実施形態において、インカプラ７３０は、プリズムの形式でのものであり、または、プリズムを含み得る。インカプラ７３０を実現する入力格子は、ＨＩ層７１０内へと直接的に光を注入するように配され得、ＨＩ層７１０内に、または、ＨＩ層７１０上に配され得る。一部の実施形態において、入力格子は、さらには、ＨＩ層７１０と基材７２０との間の界面７０２において形成され得る。一部の実施形態において、１つより多くの入力格子が設けられ得る。例えば、２つ以上の入力格子を伴う実施形態において、少なくとも１つのそのような格子が、ＨＩ層７１０内に、または、そのＨＩ層７１０の表面において配され得る。アウトカプラ７４０は、例えば、インカプラの格子ベクトルの方向においてｙ軸に沿って、インカプラ７３０から横にずらされ得る。アウトカプラ７４０は、２つ以上の回折格子の形式でのものであり得、それらの回折格子のうちの少なくとも一部は、ＨＩ層７１０内で伝搬する光を回折させるように構成される。１つの実施形態において、アウトカプラ７４０は、ＨＩ層７１０の表面７０１において配され得る第１の格子７４１と、基材７２０とＨＩ層７１０との間の界面７０２において配され得る第２の格子７４２とを含み得る。一部の実施形態において、これらの格子７４１、７４２の１つまたは両方は、ＨＩ層７１０の中に配され得る。一部の実施形態において、任意選択の出力格子７４３、７４４の対が、図９Ｂにおいて例解されるように、基材７２０の中に、および／または、その基材７２０の表面において配され得る。表面７０１、７０３は、導波路本体の２つの主要な外方の面を規定し得、それらの面は、ＴＩＲにより導波路本体の中で、インカップリングされる画像光について境を定めることを、その画像光がインカプラからアウトカプラに伝搬する際に行い、それらの面を通って、画像光は、導波路に進入し得、および／または、導波路を抜け出る。
【0074】
画像光７１１は、第１の色チャネルと、第２の色チャネルとを含み得、第２の色チャネルは、第１の色チャネルより長い波長を含む。第１の色チャネルは、文字「Ｂ」によって指示され、青色チャネルまたは青光と呼称され得、第２の色チャネルは、文字「Ｒ」によって指示され、赤色チャネルまたは赤光と呼称され得る。一部の実施形態において、第１の色チャネル、および、第２の色チャネルは、ＲＧＢ光の「Ｂ」および「Ｒ」色チャネルに対応し得る。ＨＩ層７１０は、基材７２０との界面７０２においてＴＩＲを以て、画像光７１１の赤色チャネルの少なくとも一部分をトラップするように構成され得、一方で、画像光の青色チャネルが基材７２０内へと伝搬することを可能とし、その場合、その青色チャネルは、その基材７２０の第２の外方表面７０３においてＴＩＲによりトラップされ得る。このことは、ＨＩ層７１０内でトラップされている画像光７１１の赤色チャネルの光線７１１Ｒ、ならびに、基材７２０内へと伝搬する、および、その基材７２０の表面７０３においてＴＩＲを経験する、画像光７１１の青色チャネルの光線７１１Ｂにより、概略的に例解される。ＨＩ層７１０の、基材７２０に相対的に、より高い屈折率に起因して、ＨＩ層７１０内での赤光線７１１Ｒの伝搬角度β１、および、基材７２０の中での青光線７１１Ｂの伝搬角度は、ＨＩ層７１０内でのそれらの光線の伝搬角度、または、図８の導波路６００内での光線６１１Ｒおよび６１１Ｂの伝搬角度より、互いに対して実質的に近くあり得る。一部の実施形態において、層７１０の厚さｄ１、および、基材７２０の厚さｄ２は、赤光線７１１Ｒおよび青光線７１１Ｂがアウトカプラ７４０までのそれらの光線の途上で経験する、跳ね返りの数を実質的に等しくするように選択され得る。一部の実施形態において、層７１０の厚さｄ１、および、基材７２０の厚さｄ２は、赤光線７１１Ｒおよび青光線７１１Ｂが、アウトカプラ７４０が配される導波路の本体の出力区域内で伝搬するときに経験する、アウトカプラ格子７４１、７４２との相互作用の数を実質的に等しくするように選択され得る。
【0075】
入力格子７３０によるＨＩ層７１０内での波長λの画像光７１１のカップリングは、ｎ＝ｎ１およびｐ＝ｐ０である式（１）を使用して説明され得、ここに、ｐ０は、入力格子７３０のピッチである。界面７０２上でのＴＩＲ条件は、次式のように具象され得る。
ｎ１ｓｉｎ（β１）≧ｎ２ （１２）
式（１）および（１２）から、入力格子７３０への画像光７１１の入射の第１の特定の角度α１２、すなわち、波長λの画像光が界面７０２においてＴＩＲを経験する入射の角度が、後に続く式（１３）から推定され得る。
より小さい角度α＜α１２において導波路に入射する、画像光７１１の光線は、基材７２０内へと伝搬し得、その基材７２０の外方表面７０３においてＴＩＲを経験し得る。α１２よりわずかに大である角度において入射する光線は、部分的に、ＨＩ層７１０内へと引き返すように反射させられ、部分的に、７１３において例解されるような「かすめる（ｇｌａｎｃｉｎｇ）」角度において基材７２０内へと伝搬することになり、反射させられる小部分は、大であるほど、界面７０２におけるＴＩＲ条件に近く、透過させられる小部分は、ＴＩＲ条件において消滅する。
ｎ１ｓｉｎ（β１）≧ｎ２ （１２）
式（１）および（１２）から、入力格子７３０への画像光７１１の入射の第１の特定の角度α１２、すなわち、波長λの画像光が界面７０２においてＴＩＲを経験する入射の角度が、後に続く式（１３）から推定され得る。
【0076】
導波路７００への入射の第２の特定の角度α２３、すなわち、波長λの画像光が外方表面７０３においてＴＩＲを経験する、入射の最も小さい角度が、後に続く式（１４）から推定され得る。
基材７２０内でのインカップリングされる光の最大伝搬角度β２ｍａｘについての制限が、後に続く式（１５）から推定され得る、入射の第３の特定の角度α３をもたらす。
ＨＩ層７１０内でトラップされる光の最大伝搬角度β１ｍａｘについての制限が、後に続く式（１６）から推定され得る、入射の第４の特定の角度α４をもたらす。
【0077】
図９Ｂは、多重層導波路７００内での波長λの画像光７１１の例示的な光線７１６および７１７の伝搬を例解する。光線７１６および７１７は、導波路の入力ＦＯＶ７１５の反対位置関係の両縁部から受け取られ得る。入力ＦＯＶ７１５は、入射の個別の平面に対して、画像光７１１が入力格子７３０により導波路７００内へとカップリングされ得る、入射の角度範囲を規定する。光線７１６により例示されるような、ＨＩ層７１０内での、相対的に、より大である伝搬角度β１＞α１２に対応する、入力ＦＯＶ７１５の一部分から受け取られる画像光は、その層内でトラップされ、上部外方表面７０１および界面７０２においてＴＩＲにより導波されて、アウトカプラ７４０の方に伝搬し得る。第２の光線７１７により例示されるような、入力ＦＯＶ７１５の残りから受け取られる同じ波長の画像光は、少なくとも部分的に、基材７２０内へと界面７０２を通過し、導波路の外方表面７０１、７０３においてＴＩＲにより、少なくとも部分的に導波されて、アウトカプラ７４０の方に伝搬し得る。ＨＩ層７１０などの、導波路の厚さの高屈折率領域または一部分内に、ＦＯＶ７１５の一部分から受け取られる画像光を拘束することにより、ＦＯＶの異なる一部分の間の格子－光相互作用における不一致が、有利には低減され得る。
【0078】
図１０は、正規化されたＫ空間（Ｋｘ，Ｋｙ）における導波路７００の例示的な実施形態の動作を例解するＫ状態線図を示す。図６Ａおよび７の線図と同様に、第１のＴＩＲ円８０１の内方は、カップリングされない光の平面内Ｋベクトルを表す。第１のＴＩＲ環８０５の内方は、少なくとも部分的に、層－基材界面７０２を通過し、基材７２０の外方表面７０３においてＴＩＲを経験する、インカップリングされる光を表す。第１のＴＩＲ環８０５は、半径ｒ１＝１の第１のＴＩＲ円８０１、および、半径ｒ２＝ｎ２・ｓｉｎ（β２ｍａｘ）の第１の最大角度円８０２により境を定められる。第２のＴＩＲ環８０６の内方は、ＨＩ層７１０内でトラップされ、基材７２０との界面７０２においてＴＩＲを経験する、インカップリングされる光を表し、その基材７２０への入射の角度は、β１ｍａｘ未満であり、すなわち、ＨＩ層７１０における「かすめる」光線を排除する。第２のＴＩＲ環８０６は、半径ｒ３＝ｎ２の第２のＴＩＲ円８０３、および、半径ｒ４＝ｎ１・ｓｉｎ（β１ｍａｘ）の第２の最大角度円８０４により境を定められる。インカプラ７３０は、長さｇλ＝λ／ｐ０の、波長でスケーリングされた格子ベクトルｇλにより表され、その格子ベクトルｇλは、第１のＴＩＲ円８０１の内側のカップリングされないＫ状態を、格子ベクトルｇλによりシフトされるカップリングされるＫ状態にカップリングする。
【0079】
図１０において、選択される波長λに対する導波路７００の動作が、入射光の２つの異なるＫ状態を参照して、例としてのことであるが例解される。Ｋ空間の中心（０，０）における状態「Ａ」は、導波路への画像光の法線方向の入射に対応する。状態「Ｂ」は、導波路への入射の非ゼロ角度αＢを伴う画像光に対応し、０＜αＢ＜９０であり、状態「Ｂ」は、Ｋ空間中心（０，０）から距離ｄＢ＝｜ｓｉｎ（αＢ）｜にある。例解される例において、インカプラ７３０は、状態「Ａ」を、第１のＴＩＲ環８０５の中の状態へと移行させ、状態「Ｂ」を、第２のＴＩＲ環８０６の中の状態へと移行させる。ゆえに、波長λの、法線方向に入射する光は、少なくとも部分的に、界面７０２を通過し、ＴＩＲにより基材の外方表面７０３を離れるように跳ね返ることになる。ＨＩ層７１０が非存在の場合に、カップリングされることなく導波路を通過することになる、角度αＢにおいて導波路に入射する同じ波長の画像光は、ＨＩ層７１０の中でトラップされることになる。かくして、ＨＩ層７１０の追加は、インカップリングされる光のｋ空間を拡大し、そのことにより、導波路７００がサポートすることができるＦＯＶを幅広くする。
【0080】
図１１は、インカプラ格子のピッチｐへの依存性のある、赤および青色チャネルの波長に対する、式（１３）、（１４）、および（１６）から推定される入射の特定の角度を、例としてのことであるが例解する。ｎ１＝２．６およびｎ２＝１．９を伴う導波路７００の実施形態が想定される。波長λＲ＝６４０ｎｍおよびλＢ＝４６５ｎｍが、それぞれ、赤および青色チャネルに対して想定される。実線は青色チャネルに関係し、点線は赤色チャネルに関係する。ＨＩ層－基材界面７０２におけるＴＩＲの初発に対応する、入射の第１の特定の角度が、赤色チャネルに対して８１０Ｒにおいて、および、青色チャネルに対して８１０Ｂにおいて示される。外方表面７０３におけるＴＩＲの初発に対応する、入射の第２の特定の角度が、赤色チャネルに対して８１１Ｒにおいて、および、青色チャネルに対して８１１Ｂにおいて示される。ＨＩ層における最大伝搬角度β１ｍａｘについての制限により規定される、入射の第３の特定の角度が、赤色チャネルに対して８１３Ｒにおいて、および、青色チャネルに対して８１３Ｂにおいて示される。各々の色チャネルに対して、曲線８１１ｘおよび８１３ｘは、導波路内へとカップリングされ得る入射角度の範囲について境を定め、一方で、曲線８１０ｘおよび８１３ｘは、導波路のＨＩ層内でトラップされ得る入射角度の範囲について境を定め、ここで、「ｘ」は、「Ｒ」または「Ｂ」のいずれかを象徴する。曲線８１１Ｂおよび８１３Ｒは、赤および青の両方の波長に対する、導波路内へとカップリングされ得る入射角度の範囲８１５について境を定め、そのことにより、ＲＧＢ光に対する導波路の入力１Ｄ ＦＯＶの幅Θを規定する。例解される例において、赤色チャネルの光は、入力１Ｄ ＦＯＶ８１５の第１の一部分８２１内で受け取られる場合、ＨＩ層７１０の中でトラップされ得、入力１Ｄ ＦＯＶ８１５の第２の、より小さい一部分８２２内で受け取られる場合、基材７２０内で幾分かの時間伝搬し得る。この例において、約３００ｎｍより小さいｐを伴う実施形態に対して、ＴＩＲによりＨＩ層７１０内でトラップされる、青波長のインカップリングされる光はない。約３００ｎｍより大であるｐを伴う実施形態において、入力ＦＯＶ８１５の小さい一部分８３１内で受け取られる青波長の光は、ＨＩ層７１０内でトラップされ得る。基材の、より小さい屈折率ｎ２を伴う実施形態において、ＨＩ層７１０内での伝搬は、赤および青の両方の色チャネルに対する１Ｄ ＦＯＶの、より大である一部分をサポートし得る。ＨＩ層７１０の、より小さい屈折率ｎ１を伴う実施形態において、赤および青の両方の色チャネルに対する１Ｄ ＦＯＶの、より大である一部分が、基材７２０内での伝搬によりサポートされ得る。緑色チャネルに対して、ＨＩ層内でトラップされる光の小部分は、赤色チャネルに対する対応する小部分と、青色チャネルに対する対応する小部分との間であることになる。少なくとも一部の実施形態において、ＨＩ層７１０は、画像光の色チャネルのうちの少なくとも１つの角度ＦＯＶ幅Θの少なくとも５０％をサポートし得る。
【0081】
ＨＩ層７１０内で伝搬する光は、一般的には、ＨＩ層の中に、または、そのＨＩ層の表面において、任意のところに配され得る、アウトカプラ格子７４１および７４２により、導波路の外に回折させられ得る。アウトカプラ格子７４１および７４２は、これらの２つの格子からの逐次的な回折が、インカップリングされる光を導波路から、導波路へのその光の入射の方向においてデカップリングするように、それらの格子の格子ベクトルｇ１およびｇ２の和（ｇ１＋ｇ２）が（－ｇ０）に等しいように構成され得、ここに、ｇ０は、インカプラ７３０の格子ベクトルである。基材７２０内へと入り込むインカップリングされる光は、第１の格子７４１、第２の格子７４２、および、存在するときの任意選択の第３の格子７４３のうちの２つ以上の何らかの組合せ上での回折により、導波路からアウトカップリングされ得る。一部の実施形態において、第３のアウトカプラ格子７４３は、第１および第３の格子７４１、７４３からの、幾分か基材７２０内で伝搬するインカップリングされる光の逐次的な回折が、その光を、導波路へのその光の入射の方向においてアウトカップリングするように、第１の格子７４１の格子ベクトルｇ１、および、インカプラ７３０の格子ベクトルｇ０との、その第３のアウトカプラ格子７４３の格子ベクトルｇ３のベクトル和が実質的にゼロであるように構成され得る。一部の実施形態において、第２の格子７４２、および、第３の格子７４３は、等しい格子ベクトルｇ３＝ｇ２を有し得る。一部の実施形態において、第３の格子７４３は、非存在であり得、幾分か基材７２０内で伝搬するインカップリングされる光は、第１の格子７４１、および、第２の格子７４２からの逐次的な回折により、導波路からアウトカップリングされ得る。一部の実施形態において、格子ベクトルｇ４を伴う第４の格子７４４が、第１の格子７４１、第２の格子７４２、または、第３の格子７４３のうちの１つと協働して、基材に入り込むインカップリングされる光を導波路からデカップリングするために設けられ得る。第４の格子７４４は、例えば外方基材表面７０３において配され得、その表面において、その第４の格子７４４は、第３の格子７４３と重ねられ、または積重され得る。一部の実施形態において、第４の格子７４４の格子ベクトルｇ４は、第１の格子７４１の格子ベクトルｇ１に等しくあり得る。
【0082】
図１２は、実施形態による２層ディスプレイ導波路８５０を例解する。２層ディスプレイ導波路８５０は、上記で説明された導波路７００の実施形態であり得る。２層ディスプレイ導波路８５０は、第１の層としての率ｎ２の基材８５２と、第２の層としての率ｎ１＞ｎ２のＨＩ層８５１とを含む。インカプラ格子８３０が、例えば、ＨＩ層の上部表面内のレリーフ格子として、ＨＩ層８５１内に、または、ＨＩ層８５１上に形成される。アウトカプラ８４０は、第１の格子８４１と、第２の格子８４２と、第３の格子８３とを含み得る。格子８３０、８４１、８４２、および８４３は、上記で説明された導波路７００の格子７３０、７４１、７４２、および７４３の実施形態であり得る。１つの実施形態において、２層ディスプレイ導波路８５０は、ｉ）例えばエッチングによるレリーフ格子として、基材８５２の反対位置関係の両面において第２および第３の格子８４２、８４３を形成することと、ｉｉ）任意選択で、表面を平らにするために第２の格子８４２の上方に薄いキャッピング層を堆積させることと、ｉｉｉ）キャップ層８５５の上方に、または、基材８５２の上方に直接的に、ＨＩ層８５１を堆積させることとを含むプロセスにより形成され得る。１つの実施形態において、キャップ層８５５は、そのキャップ層８５５自体が２つ以上の層を含み得る。１つの実施形態において、基材は、非限定的な例として、例えば、好適にドープされ得るガラス、プラスチックなどの、１．４および２．０の範囲内の屈折率を伴う、光学的に透明な材料、または、低い光学損失、および、例えば１．５から１．９の望まれる範囲内の屈折率を伴う、任意の他の好適な光学材料のものであり得る。ＨＩ層８５１は、例えば２．２および２．６の範囲内の、基材８５２の屈折率より大である屈折率を伴う、光学的に透明な材料のものであり得る。ＨＩ層８５１に対して好適であり得る、より高い率の材料の例は、導波路７００に言及して上記で列挙されたものを含む。
【0083】
図９Ａ、９Ｂ、１２は、アウトカプラ格子７４１～７４３が、導波路の反対位置関係の両表面において、および、基材－層界面において配される、実施形態を例解する。異なって配置される、および／または、異なって構成される格子を伴う、この実施形態の変形形態が、さらには構想され得る。それらの変形形態のうちの少なくとも一部において、第１および第２の格子は、導波路の外に、ＨＩ層内でトラップされる光を再指向するように構成され得る。一部の実施形態において、それらの格子は、例えばホログラフィック格子として、ＨＩ層の内方において形成され得る。一部の実施形態において、それらの格子は、ＨＩ層の内方において、ＨＩ層の表面において、または、基材とのＨＩ層の界面において重ねられ得る。同様に、ＨＩ層内でトラップされないインカップリングされる光を再指向するように構成される第３の格子は、基材もしくはＨＩ層の内方において形成され得、または、その第３の格子は、第１および第２の格子のうちのいずれか１つと重ねられ得る。一部の実施形態において、アウトカプラ７４０は、第３の出力格子を省き得る。
【0084】
図９Ａ、９Ｂにおいて例解される例示的な多重層導波路７００は、例えば、層の順序を変化させること、および／または、より多くの層を追加することにより修正され得る。画像光が、基材を通って導波路本体に進入し、次いで、ＨＩ層内に、または、そのＨＩ層の表面において形成される入力格子により、ＨＩ層内へと、そのＨＩ層内でのトラッピングのために注入される、実施形態が構想され得る。例えば、図９Ａの修正された実施形態において、画像光７１１は、基材７２０の外方表面７０３を通って導波路７００に進入し、反射において動作するように構成される入力格子７３０により、ＨＩ層７１０内へとカップリングされた様態になり得る。別の実施形態において、入力格子７３０は、ＨＩ層７１０の中に、または、ＨＩ層７１０および基材７２０の界面７０２において形成され得る。別の実施形態において、追加的な層が、例えば、ＨＩ層の屈折率より低い屈折率を伴って、ＨＩ層の上方に配され得る。
【0085】
図１３を参照すると、厚さｄ１の中心層９２２と、それぞれ厚さｄ０およびｄ２の、２つの外方層９２１、９２３とから成り立つ導波路本体９１０を有する多重層導波路９００の例示的な実施形態が例解される。多重層導波路９００は、上記で説明された導波路１２０および４１０の実施形態であり得る。３つの層９２１、９２２、９２３は、可視光などの、動作スペクトル範囲の光に対して透明であり得、連続的な導波路本体９１０を形成し得る。中心層９２２は、２つの外方層９２１、９２３の屈折率ｎ２およびｎ３より大である屈折率ｎ１を有し得る。屈折率ｎ２およびｎ３は、同じであり、または異なり得る。一部の実施形態において、中心層と外方層との間の屈折率差は、０．３から１の範囲内で、または、一部の実施形態において、０．４から０．７の範囲内であり得る。一部の実施形態において、外方層９２１、９２３は、同じ屈折率ｎ２＝ｎ３を有し得るが、外方層９２１、９２３が、相違する屈折率を有する、実施形態が構想され得る。一部の実施形態において、外方層９２１、９２３のうちの１つの屈折率は、他の２つの層のものより大であり得る。インカプラ９３０が、ＨＩ層９２２内へと画像光の少なくとも一部分をカップリングすることを、アウトカプラ３４０の方に、そのＨＩ層９２２内で伝搬させるために行うように構成される。インカプラ９３０は、ＨＩ層９２２内に、もしくは、外方層のうちの１つとのそのＨＩ層９２２の界面において形成され得る、１つもしくは複数の入力格子を含み、または、それらの入力格子の形式でのものであり得、例解される実施形態において、インカプラ９３０は、入力格子９３０として実現され、その入力格子９３０は、上部外方層９２１とＨＩ層９２２との間の界面において配され、透過において動作する。アウトカプラ９４０が、導波路の平面においてインカプラから空間的にずらされ、ビューイング区域またはアイボックス９５４の方に、導波路内で伝搬する画像光をデカップリングするように構成される。一部の実施形態において、アウトカプラ９４０は、外方層９２１、９２２とのＨＩ層９２２の界面において形成され得る２つの出力格子９４１および９４２を伴って形成される。一部の実施形態において、出力格子９４１および９４２の１つまたは両方は、ＨＩ層９２の中に形成され得る。一部の実施形態において、出力格子９４１および９４２は重ねられ得る。入力格子９３０および出力格子９４２、９４２は、それらの格子の格子ベクトルが、製作正確度の差異は無視して、和が実質的にゼロになるように構成され得る。一部の実施形態において、アウトカプラ９４０は、例えば、外方層９２１、９２３のうちの少なくとも１つ内で伝搬する光を回折させるための、追加的な出力格子を含み得る。一部の実施形態において、アウトカプラ９４０は、第１の９２１層、および、第３の９２３層内で伝搬する光をアウトカップリングするための、２つの追加的な格子９４３、９４４を含み得る。一部の実施形態において、これらの２つの追加的な格子は、導波路９００の外方表面９９１および９９４において配され得る。
【0086】
図１３は、より大である屈折率ｎ１を有する中心層９２２と、より小さい屈折率ｎ２およびｎ３の２つの外方層とを伴う導波路９１０の実施形態において、画像光９１１の２つの光線９５１、９５２の伝搬を概略的に例解する。２つの光線９５１および９５２は、導波路９００のＦＯＶの反対位置関係の両縁部に対応し得、光線９５１の伝搬角度βＴＩＲは、導波路９００の、外方の面９９１、９９４におけるＴＩＲ条件により規定される。中心ＨＩ層９２２が非存在の場合に、光線９５２は、ほぼかすめる角度βｍａｘにおいて導波路内で伝搬していたことになり、そのことは、アウトカプラ９４０の長さに沿った光線－格子相互作用の数における、２つの光線９５１、９５２の間の大きい不一致を結果的に生じさせる。例としてのことであるが、ｎ２＝ｎ３＝１．９に対して、最大角度βｍａｘ＝７５度において導波路内で伝搬する「かすめる」光線９５２は、ＴＩＲで制限される光線９５１より約６倍少ない、導波路内での跳ね返り、および、出力格子との相互作用を有することになり、比率は、βｍａｘ＝８５度における、いっそう「かすめる」光線を考慮するとき、１８に増大する。
【0087】
中心ＨＩ層９２２は、全体的には、ＨＩ層７１０との関係において、図９Ａおよび９Ｂを参照して上記で説明されたことと同様の手立てで、その中心ＨＩ層９２２自体の中でＴＩＲにより、「かすめる」光線９５２をトラップするように構成される。層の、それらの層の屈折率への依存性のある、厚さｄ０、ｄ１、およびｄ２を好適に選択することにより、導波路のＦＯＶの反対位置関係の両縁部における光線９５１および９５２に対する、アウトカプラ９４０に沿った、関連性のある光線－格子相互作用の数における差は、全体的には近似的に厚さ比率ｄ１／ｄだけ、実質的に低減され得、ここに、ｄは、導波路９１０の全厚さである。このことは、それぞれ、光線９５１および９５２の、これらの光線に対応する画像光がアウトカプラ９４０に沿って伝搬する際の、出力格子９４１および９４２を離れる、続けざまの回折により生み出される、アウトカップリングされる光線９６１（点線）および９６２（破線）を概略的に示す、図１３において例解される。図において認められ得るように、光線９５２および９５１に対する続けざまの回折事象の間の距離は、ＨＩ層９２２内でのそれらの光線の伝搬角度の大きい不一致にもかかわらず、近似的に同じであり得る。非限定的な例としてのことであるが、ＨＩ層の厚さｄ１は、導波路の全厚さｄの２０から５０％の範囲内であり得る。
【0088】
今から図１４に目を向けると、変動する屈折率を伴う、複数の光学的に透明な層９８１から形成される、連続的な導波路本体を有する例示的な多重層ディスプレイ導波路９８０が例解される。プレーナ導波路であり得る導波路９８０は、図において、その導波路の外方光学面と直角をなす平面による断面において示される。導波路９８０は、上記で説明された導波路１２０および４１０の実施形態であり得る。例解される実施形態において、５つの層９８１が、例としてのことであるが示されるが、導波路内の層の数は、他の実施形態において異なり得る。図１４の右における挿入物は、層の屈折率ｎｉ、ｉ＝１、・・・、５を例解するプロットである。例解される例において、屈折率は、中間層に対して最も大であり、導波路の、外方の面の方へと減少するものであり、しかしながら、他の４つの層のいずれかが、導波路内で最も大である率を有する、実施形態がさらには構想され得る。例えば、１つの実施形態において、２つの上部層、または、２つの下部層は、最も高い率の層が導波路の外方表面に近接するように、省かれ得る。導波路の厚さの方向、図におけるｚ軸における屈折率変動の振れ幅Δｎは、約０．３より大であり、または好ましくは、約０．４より大であり得る。層の屈折率ｎｉおよび厚さｄｉは、より小さい伝搬角度βにおいて導波路内へとカップリングされる光線よりも、導波路の本体の、より狭い一部分の中に、より多くの「滑空する（ｇｌｉｄｉｎｇ）」光線を拘束するように選択され得る。インカプラ９８３が、導波路の高屈折率層または複数の層内へと、画像光９１１の少なくとも一部の一部分をカップリングするように配され得、例えば、インカプラ９８３は、画像光の源（図示せず）に対して近傍の中心層の界面において配される回折格子として実現され得る。アウトカプラ９８４が、インカプラ９８３から横にずらされ、導波路の高屈折率部分内に拘束される光を含む、インカップリングされる画像光を、導波路の外に再指向するように配され得る。例えば、アウトカプラ９８３は、図１４において例解されるように、外方の、より低い率の層との中心層の界面において配され得る２つの回折格子によって実現され得る。一部の実施形態において、１つまたは複数の、追加的な入力格子、および／または、追加的な出力格子が設けられ得る。
【0089】
今から図１５に目を向けると、導波路厚さの方向において、すなわち、図におけるｚ軸に沿って間断なく変動する屈折率ｎを有する例示的な屈折率分布ディスプレイ導波路９９０が例解される。プレーナ導波路であり得る導波路９９０は、図において、その導波路の、外方の面と直角をなす平面による断面において示される。導波路９９０は、上記で説明された導波路１２０および４１０の実施形態であり得る。図１５の右における挿入物は、「深さ」座標ｚの関数ｎ＝ｎ（ｚ）として屈折率を例解するプロットである。例解される例において、導波路は、導波路の本体の中間において、最も大である屈折率を伴って、「深さ」方向（ｚ軸）において対称的であり、しかしながら、導波路の、外方の面に関係のある、屈折率の非対称的な率分布を伴う実施形態が、さらには構想され得、それらの実施形態のうちの一部は、最も高い率の一部分が導波路の外方表面の隣であるときを含むが、外方の導波路の面のうちの一方に、他方によりも近い、最も大である率の場所を有し得る。導波路の厚さの方向、図におけるｚ軸における屈折率変動の振れ幅Δｎは、約０．３より大であり、または好ましくは、約０．４より大であり得る。「深さ」座標ｚの関数としての屈折率ｎ（ｚ）の分布は、より小さい伝搬角度βにおいて導波路内へとカップリングされる光線よりも、導波路の本体の、より狭い一部分の中に、より多くの「滑空する」光線を拘束するように最適化され得る。インカプラ１５８３およびアウトカプラ１５８４が、全体的には、図９Ａ、９Ｂ、１２～１４を参照して上記で説明されたように、より高い率の一部分内へと画像光９１１のうちの少なくとも一部をカップリングするために、および、導波路の外に、インカップリングされる光をデカップリングするために、導波路の、より高い率の一部分内に配される回折格子によって実現され得る。例えば、アウトカプラ１５８４は、導波路の中間部分内で、その導波路の高屈折率領域内で、互いに対して近く配され、または、重ねられ得る、２つの回折格子によって実現され得る。屈折率分布実施態様は、層界面において屈折率における急激な段部を伴う多重層実施態様にまさる、いくらかの利点を有し得る。これらの利点は、屈折率段部を離れる画像光の反射を回避すること、ならびに、画像光の、異なる色および入射の角度にまたがる、瞳複製密度の、より良好な均質化を含み得る。上記で説明されたような屈折率分布プレーナ導波路は、例えば、層融合により実現され得る。
【0090】
図９Ａ～１５を参照して上記で説明された実施形態は、ディスプレイシステムにおいて画像光を伝達するためのディスプレイ導波路であって、２つの外方表面と、それらの外方表面の間の厚さと、厚さの方向において変動する屈折率とを伴う、連続的な導波路本体を有する、導波路の例である。導波路は、入力区域内に配され、出力区域の方に伝搬させるために、導波路本体内へと画像光をカップリングするように構成される入力カプラと、出力区域内に配され、アイボックスの方に伝搬させるために、導波路本体の外に画像光をカップリングするように構成される出力カプラとをさらに含む。導波路本体は、入力区域と、その入力区域からずらされる出力区域とを有し、入力区域からの画像光を出力区域の方に導波するように構成される。図１３～１５を参照して上記で説明された実施形態などの、一部の実施形態において、屈折率は、外方表面に近接する導波路本体の一部分内より、外方表面どうしの間の導波路本体の中間部分内で大である。図９Ａ～１２を参照して上記で説明された実施形態などの、一部の実施形態において、屈折率は、導波路本体の、その導波路本体の外方表面のうちの１つに近接する、一部分内で、より大である。
【0091】
上記で説明された実施形態は、導波路によって画像光源からの画像光をアイボックスに伝達するための方法であって、画像光の第１の一部分を、導波路の本体の、画像光の第２の一部分より小さい体積内に選択的に拘束することを、導波路の外への、それらの一部分の閉じ込め解除（ｄｅ－ｃｏｏｐｉｎｇ）の条件を等しくするために行うことによる、方法を実現する。
【0092】
一部の実施形態において、方法は、２つの反対位置関係にある外方表面と、それらの外方表面の間の高屈折率部分とを含む導波路の入力区域上へと、画像光を指向することであって、高屈折率部分は、導波路の入力区域から、その導波路の出力区域まで広がり、高屈折率部分は、導波路本体の、その導波路本体の反対位置関係にある外方表面のうちの１つに近接する、一部分より大である屈折率を有する、画像光を指向することと、第１の伝搬角度と第２の伝搬角度とを含む伝搬角度の範囲において、導波路本体内へと画像光をカップリングすることと、第１の伝搬角度において導波路内へとカップリングされる画像光の第１の光線が、導波路の反対位置関係にある外方表面における全内部屈折により出力区域の方に導波され、一方で、第２の伝搬角度において導波路内へとカップリングされる画像光の第２の光線が、導波路本体の高屈折率部分の中で出力区域の方に伝搬するように、入力区域から出力区域に導波路内で画像光を伝搬させることとを含み得る。
【0093】
一部の実施形態において、方法は、２つの反対位置関係にある外方表面と、それらの外方表面の間の中間部分とを含む導波路の入力区域上へと、画像光を指向することであって、中間部分は、導波路の入力区域から、その導波路の出力区域まで広がり、中間部分は、導波路本体の、その導波路本体の反対位置関係にある外方表面に近接する、一部分より大である屈折率を有する、画像光を指向することと、第１の伝搬角度と第２の伝搬角度とを含む伝搬角度の範囲において、導波路本体内へと画像光をカップリングすることと、第１の伝搬角度において導波路内へとカップリングされる画像光の第１の光線が、導波路の反対位置関係にある外方表面における全内部屈折により出力区域の方に導波され、一方で、第２の伝搬角度において導波路内へとカップリングされる画像光の第２の光線が、導波路本体の中間部分の中で出力区域の方に伝搬するように、入力区域から出力区域に導波路内で画像光を伝搬させることとを含み得る。
【0094】
図１６を参照すると、一部の実施形態において、例としてのことであるが例解される、２層導波路１１０２などの、多重層または屈折率分布導波路が、導波路積重体１１００を形成するために、第２の導波路１１０１と組み合わされ得る。導波路１１０２は、図９Ａ～１５のいずれかを参照して上記で説明されたようなものであり得る。第２の導波路は、図２～４において示されるタイプの単一層導波路、または、導波路厚さの方向において変動する屈折率を伴う、上記で説明された多重層もしくは屈折率分布導波路のいずれかであり得る。ギャップが、２層導波路１１０２、および、第２の導波路１１０１を分離し得る。ギャップは、空気ギャップ、真空ギャップであり得、または、そのギャップは、導波路の屈折率より低い屈折率の材料を含み得る。導波路のインカプラ１１３１、１１３２、および、アウトカプラ１１４１、１１４２は、異なる波長範囲に対して最適化され得る。例えば、２層導波路１１０２のインカプラ１１３２およびアウトカプラ１１４２は、青および緑色チャネルの光をｋするために最適化され得、一方で、第２の導波路１１０１のインカプラ１１３１およびアウトカプラ１１４１は、赤色チャネルの光をカップリングするために最適化され得る。一部の実施形態において、１つまたは複数の色チャネルの光は、例えば入射の角度に依存して、２つの導波路の各々により伝達され得る。
【0095】
図１７Ａは、フレームまたは複数のフレーム１２１５により支持される２つの導波路アセンブリ１２１０を含む両眼ニアアイディスプレイ（ＮＥＤ）１２００の例示的な配置設計を概略的に例解する。導波路アセンブリ１２１０の各々は、ディスプレイプロジェクタ１２６０からの画像光を、ユーザの異なる目に伝達するように構成される。インカプラ１２３０が、対応するインカプラ１２３０の方に画像光を投射するために配され得る、共通マイクロディスプレイプロジェクタ、または、２つの別々のマイクロディスプレイプロジェクタ１２６０とともに設けられ得る。導波路アセンブリ１２１０は、各々、上記で説明されたような、ターゲットＦＯＶ内の多色光を導波するように構成され得る単一の多重層もしくは屈折率分布導波路の形式でのものであり、または、その単一の多重層もしくは屈折率分布導波路を含み得る。各々の導波路は、インカプラ１２３０と、アウトカプラ１２４０とを含み、各々のインカプラは、対応するアウトカプラと対角に位置合わせされる。他の実施形態において、対応するアウトカプラ１２４０の周辺部におけるインカプラ１２３０の配置は異なり得る。各々のアウトカプラ１２４０は、さらには導波路の射出瞳と呼称され得る、アイボックス投射区域１２５１を含み、その区域から、動作において、画像光がユーザの目に投射される。アイボックスは、良好な品質の画像がユーザの目に提示され得る、および、動作において、ユーザの目が、場所を定められることを予期される、幾何学的区域である。アイボックス投射区域１２５１は、それらの区域の中心を接続する軸１２０１上に配され得る。軸１２０１は、ＮＥＤを着用するユーザの目と好適に位置合わせされ、または、少なくともユーザの目を接続する線に平行であり得、水平軸（ｘ軸）と呼称され得る。インカプラ１２３０は、全体的にはそれぞれの導波路アセンブリのアイボックス投射区域１２５１の方に指向され得る格子ベクトルｇ０を伴う、回折格子の形式でのものであり得る。各々のアウトカプラ１２４０は、互いに対して所定の角度において向きを定められるそれぞれの格子の格子ベクトルｇ１およびｇ２を伴う、２つの回折格子の形式でのものであり得る。これらの格子は、各々の導波路の高屈折率部分において配されることが、上記で説明されたように、それらの高屈折率部分内で画像光をカップリングするために、および、導波路の外に、高屈折率層または領域内で伝搬する光をデカップリングするために行われ得る。インカプラおよびアウトカプラの格子は、図１７Ｂにおいて例解されるベクトル線図を満足させるように構成され得る。一部の実施形態において、各々の導波路アセンブリ１２１０は、格子ベクトルｇ０、ｇ１、およびｇ２を伴う、上記で説明されたような、２つ以上の導波路を伴う導波路積重体の形式でのものであり、または、その導波路積重体を含み得、それらの格子ベクトルは、積重体の各々の導波路に対して長さにおいて異なり得、異なる色チャネルを伝達するために最適化され得る。一部の実施形態において、積重体の各々の導波路の格子は、上記で説明されたような、サポートされるＦＯＶ、または、少なくともサポートされるＦＯＶのあらかじめ規定された中心一部分内への、一度回折させられる周囲光の漏れを、回避する、または、少なくとも、より少なくするように構成され得る。
【0096】
本開示の実施形態は、人工現実システムを含み、または、人工現実システムと連関して実現され得る。人工現実システムは、ユーザへの提示の前に、何らかの様式で、視覚情報、オーディオ、タッチ（体性感覚（ｓｏｍａｔｏｓｅｎｓａｔｉｏｎ））情報、加速度、平衡、その他などの、知覚を通して取得される、外側世界に関する知覚的情報を調整する。非限定的な例としてのことであるが、人工現実は、仮想現実（ＶＲ）、拡張現実（ＡＲ）、複合現実（ＭＲ）、ハイブリッド現実、または、それらの何らかの組合せおよび／もしくは派生物を含み得る。人工現実コンテンツは、全面的に生成されるコンテンツ、または、捕捉される（例えば、現実世界）コンテンツと組み合わされる生成されるコンテンツを含み得る。人工現実コンテンツは、ビデオ、オーディオ、体性もしくは触覚フィードバック、または、それらの何らかの組合せを含み得る。このコンテンツのいずれも、単一のチャネルにおいて、または、ビューアに対する３次元効果を生み出すステレオビデオにおいてなど、複数個のチャネルにおいて提示され得る。さらにまた、一部の実施形態において、人工現実は、さらには、例えば人工現実においてコンテンツを創出するために使用される、および／または、他の形で人工現実において使用される（例えば、人工現実において活動を遂行する）、アプリケーション、製品、アクセサリ、サービス、または、それらの何らかの組合せと関連付けられ得る。人工現実コンテンツを提供する人工現実システムは、ホストコンピュータシステムに接続されるＨＭＤ、スタンドアローンＨＭＤ、眼鏡のフォームファクタを有するニアアイディスプレイなどのウェアラブルディスプレイ、モバイルデバイス、もしくはコンピューティングシステムを含む様々なプラットフォーム、または、１つもしくは複数のビューアに人工現実コンテンツを提供する能力がある任意の他のハードウェアプラットフォーム上で実現され得る。
【0097】
図１８Ａを参照すると、ＨＭＤ１３００は、ＡＲ／ＶＲ環境内への、より大である度合の没入のためにユーザの顔を囲む、ＡＲ／ＶＲウェアラブルディスプレイシステムの例である。ＨＭＤ１３００は、例えば、図１Ａの導波路ディスプレイ１００、または、図１７ＡのＮＥＤ１２００の実施形態であり得る。ＨＭＤ１３００の機能は、コンピュータで生成される映像によって物理的現実世界環境のビューを拡張すること、および／または、全面的に仮想の３Ｄ映像を生成することである。ＨＭＤ１３００は、前部本体１３０２と、バンド１３０４とを含み得る。前部本体１３０２は、信頼性の高い、および心地よい様式での、ユーザの目の前部における配置のために構成され、バンド１３０４は、ユーザの頭部上で前部本体１３０２を据え付けるために引き伸ばされ得る。ディスプレイシステム１３８０が、ユーザにＡＲ／ＶＲ映像を提示するために、前部本体１３０２内に配され得る。前部本体１３０２の側部１３０６は、不透明または透明であり得る。ディスプレイシステム１３８０は、画像プロジェクタ１３１４に結合される、上記で説明されたようなディスプレイ導波路を含み得る。
【0098】
一部の実施形態において、前部本体１３０２は、ロケータ１３０８と、ＨＭＤ１３００の加速度を追跡するための慣性測定ユニット（ＩＭＵ）１３１０と、ＨＭＤ１３００の位置を追跡するための位置センサ１３１２とを含む。ＩＭＵ１３１０は、ＨＭＤ１３００のモーションに応答して１つまたは複数の測定信号を生成する、位置センサ１３１２のうちの１つまたは複数から受け取られる測定信号に基づいて、ＨＭＤ１３００の位置を指示するデータを生成する電子デバイスである。位置センサ１３１２の例は、１つもしくは複数の加速度計、１つもしくは複数のジャイロスコープ、１つもしくは複数の磁気計、モーションを検出する別の好適なタイプのセンサ、ＩＭＵ１３１０の誤差補正のために使用される所定のタイプのセンサ、または、それらの何らかの組合せを含む。位置センサ１３１２は、ＩＭＵ１３１０の外部に、ＩＭＵ１３１０の内部に、または、それらの何らかの組合せで、場所を定められ得る。
【0099】
ロケータ１３０８は、仮想現実システムがＨＭＤ１３００の場所および向きを追跡することができるように、仮想現実システムの外部イメージングデバイスによりトレースされる。ＩＭＵ１３１０および位置センサ１３１２により生成される情報が、ＨＭＤ１３００の位置および向きの改善される追跡正確度のために、ロケータ１３０８を追跡することにより取得される位置および向きと比較され得る。正確な位置および向きは、適切な仮想風景をユーザに提示することを、そのユーザが３Ｄ空間において、動き、回る際に行うために重要である。
【0100】
ＨＭＤ１３００は、ＨＭＤ１３００の一部またはすべてを包囲する局所的区域の深度情報を説明するデータを捕捉する深度カメラアセンブリ（ＤＣＡ）１３１１をさらに含み得る。その最終目的のために、ＤＣＡ１３１１は、レーザレーダ（ＬＩＤＡＲ）、または同様のデバイスを含み得る。深度情報は、３Ｄ空間におけるＨＭＤ１３００の位置および向きの決定の、より良好な正確度のために、ＩＭＵ１３１０からの情報と比較され得る。
【0101】
ＨＭＤ１３００は、リアルタイムでユーザの目の向きおよび位置を決定するための目追跡システムをさらに含み得る。ユーザの目の決定される位置は、ＨＭＤ１３００が（自己）調整手順を遂行することを可能とする。目の取得される位置および向きは、さらには、ＨＭＤ１３００が、ユーザの視線方向を決定すること、および、そのことに応じて、ディスプレイシステム１３８０により生成される画像を調整することを可能とする。１つの実施形態において、バーゼンス（ｖｅｒｇｅｎｃｅ）、すなわち、ユーザの目の視線の輻輳角度（ｃｏｎｖｅｒｇｅｎｃｅ ａｎｇｌｅ）が決定される。決定される視線方向およびバーゼンス角度が、さらには、ビューの角度および目の位置に依存的な視覚アーチファクトのリアルタイム補償のために使用され得る。さらにまた、決定されるバーゼンスおよび視線角度は、ユーザとの相互作用、オブジェクトをハイライトすること、オブジェクトを前景にもっていくこと、追加的なオブジェクトまたはポインタを創出すること、その他のために使用され得る。例えば、前部本体１３０２内に作り付けられる小さいスピーカのセットを含む、オーディオシステムが、さらには設けられ得る。
【0102】
図１８Ｂを参照すると、ＡＲ／ＶＲシステム１３５０は、図１Ａの導波路ディスプレイ１００、または、図１７ＡのＮＥＤ１２００の例示的な実施態様であり得る。ＡＲ／ＶＲシステム１３５０は、図１８ＡのＨＭＤ１３００と、様々なＡＲ／ＶＲアプリケーション、セットアップおよび較正手順、３Ｄビデオ、その他を記憶する外部コンソール１３９０と、コンソール１３９０を動作させる、および／または、ＡＲ／ＶＲ環境と相互作用するための入力／出力（Ｉ／Ｏ）インターフェイス１３１５とを含む。ＨＭＤ１３００は、物理的ケーブルによってコンソール１３９０に「つながれ」、または、Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ（登録商標）、Ｗｉ－Ｆｉ、その他などのワイヤレス通信リンクによってコンソール１３９０に接続され得る。関連付けられるＩ／Ｏインターフェイス１３１５を各々が有する、複数個のＨＭＤ１３００が存在し得、各々のＨＭＤ１３００およびＩ／Ｏインターフェイス１３１５は、コンソール１３９０と通信する。代替的構成において、異なる、および／または追加的な構成要素が、ＡＲ／ＶＲシステム１３５０内に含まれたものであり得る。加えて、図１８Ａおよび１８Ｂにおいて示される構成要素のうちの１つまたは複数と連関して説明される機能性は、一部の実施形態において、図１８Ａおよび１８Ｂと連関して説明されるのと異なる様式で、構成要素の間で分け散らされ得る。例えば、コンソール１３１５の機能性の一部またはすべては、ＨＭＤ１３００により提供され得、逆もしかりである。ＨＭＤ１３００は、そのような機能性を達成する能力がある処理モジュールを設けられ得る。
【0103】
図１８Ａを参照して上記で説明されたように、ＨＭＤ１３００は、目の位置および向きを追跡すること、視線角度および輻輳角度を決定すること、その他のための目追跡システム１３２５と、３Ｄ空間におけるＨＭＤ１３００の位置および向きを決定するためのＩＭＵ１３１０と、外側環境を捕捉するためのＤＣＡ１３１１と、ＨＭＤ１３００の位置を独立的に決定するための位置センサ１３１２と、ユーザにＡＲ／ＶＲコンテンツを表示するためのディスプレイシステム１３８０とを含み得る。ディスプレイシステム１３８０は、液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）、有機発光ディスプレイ（ＯＬＥＤ）、無機発光ディスプレイ（ＩＬＥＤ）、アクティブマトリクス有機発光ダイオード（ＡＭＯＬＥＤ）ディスプレイ、透明有機発光ダイオード（ＴＯＬＥＤ）ディスプレイ、プロジェクタ、または、それらの組合せを含むが、それらに限定されない、１つもしくは複数の走査プロジェクタ、または、１つもしくは複数の電子ディスプレイなどの、１つまたは複数の画像プロジェクタ１３１４を含む（図１８Ｂ）。ディスプレイシステム１３８０は、ディスプレイ導波路１３３０をさらに含み、そのディスプレイ導波路１３３０の機能は、画像プロジェクタ１３１４により生成される画像をユーザの目に伝達することである。ディスプレイシステム１３８０は、光学部品ブロック１３３５をさらに含み得、その光学部品ブロック１３３５は、様々なレンズ、例えば、屈折レンズ、Ｆｒｅｓｎｅｌレンズ、回折レンズ、能動または受動Ｐａｎｃｈａｒａｔｎａｍ－Ｂｅｒｒｙ位相（ＰＢＰ）レンズ、液体レンズ、液晶レンズ、その他、瞳複製導波路、格子構造、コーティング、その他を含み得る。一部の実施形態において、光学部品ブロック１３３５は、例えば、バーゼンス調節矛盾（ｖｅｒｇｅｎｃｅ－ａｃｃｏｍｍｏｄａｔｉｏｎ ｃｏｎｆｌｉｃｔ）に対して補償するために、個別のユーザの視力障害に対して補正するために、収差を相殺するために、その他で、可変焦点機能性、光学部品ブロック１３３０の焦点を調整するための可変焦点モジュールを含み得る。
【0104】
Ｉ／Ｏインターフェイス１３１５は、ユーザが、アクション要求を送出し、コンソール１３９０から応答を受け取ることを可能とするデバイスである。アクション要求は、個別のアクションを遂行するための要求である。例えば、アクション要求は、画像もしくはビデオデータの捕捉を開始もしくは終了するための命令、または、アプリケーションの中で個別のアクションを遂行するための命令であり得る。Ｉ／Ｏインターフェイス１３１５は、アクション要求を受け取り、コンソール１３９０にアクション要求を伝えるための、キーボード、マウス、ゲームコントローラ、または、任意の他の好適なデバイスなどの、１つまたは複数の入力デバイスを含み得る。Ｉ／Ｏインターフェイス１３１５により受け取られるアクション要求は、アクション要求に対応するアクションを遂行するコンソール１３９０に伝えられる。一部の実施形態において、Ｉ／Ｏインターフェイス１３１５は、Ｉ／Ｏインターフェイス１３１５の初期位置に相対的な、Ｉ／Ｏインターフェイス１３１５の推定される位置を指示する較正データを捕捉するＩＭＵを含む。一部の実施形態において、Ｉ／Ｏインターフェイス１３１５は、コンソール１３９０から受け取られる命令によって、ユーザに触覚フィードバックを提供し得る。例えば、触覚フィードバックは、アクション要求が受け取られるときに提供され得、または、コンソール１３９０は、コンソール１３９０がアクションを遂行するときに触覚フィードバックを生成することをＩ／Ｏインターフェイス１３１５に行わせる、Ｉ／Ｏインターフェイス１３１５への命令を伝える。
【0105】
コンソール１３９０は、ＩＭＵ１３１０、ＤＣＡ１３１１、目追跡システム１３２５、およびＩ／Ｏインターフェイス１３１５のうちの１つまたは複数から受け取られる情報によって処理するために、ＨＭＤ１３００にコンテンツを提供し得る。図１８Ｂにおいて示される例において、コンソール１３９０は、アプリケーション記憶機構１３５５と、追跡モジュール１３６０と、処理モジュール１３６５とを含む。コンソール１３９０の一部の実施形態は、図１８Ｂと連関して説明されるモジュールまたは構成要素と異なる、モジュールまたは構成要素を有し得る。同様に、下記でさらに説明される機能は、図１８Ａおよび１８Ｂと連関して説明されるのと異なる様式で、コンソール１３９０の構成要素の間で分け散らされ得る。
【0106】
アプリケーション記憶機構１３５５は、コンソール１３９０による実行のための１つまたは複数のアプリケーションを記憶し得る。アプリケーションは、プロセッサにより実行されるときに、ユーザへの提示のためのコンテンツを生成する、命令の群である。アプリケーションにより生成されるコンテンツは、ＨＭＤ１３００またはＩ／Ｏインターフェイス１３１５の動きによってユーザから受け取られる入力に応答したものであり得る。アプリケーションの例は、ゲーミングアプリケーション、プレゼンテーションおよび会議アプリケーション、ビデオ再生アプリケーション、または、他の好適なアプリケーションを含む。
【0107】
追跡モジュール１３６０は、１つまたは複数の較正パラメータを使用してＡＲ／ＶＲシステム１３５０を較正し得、ＨＭＤ１３００またはＩ／Ｏインターフェイス１３１５の位置の決定における誤差を低減するために、１つまたは複数の較正パラメータを調整し得る。追跡モジュール１３６０により遂行される較正は、さらには、ＨＭＤ１３００内のＩＭＵ１３１０、および／または、もしあれば、Ｉ／Ｏインターフェイス１３１５内に含まれたものであるＩＭＵから受け取られる情報に対して責任をもつ。加えて、ＨＭＤ１３００の追跡が逃れられる場合、追跡モジュール１３６０は、ＡＲ／ＶＲシステム１３５０の一部またはすべてを再較正し得る。
【0108】
追跡モジュール１３６０は、ＨＭＤ１３００の、または、Ｉ／Ｏインターフェイス１３１５、ＩＭＵ１３１０、もしくは、それらの何らかの組合せの、動きを追跡し得る。例えば、追跡モジュール１３６０は、ＨＭＤ１３００からの情報に基づいて、局所的区域のマッピングにおけるＨＭＤ１３００の基準点の位置を決定し得る。追跡モジュール１３６０は、さらには、それぞれ、ＩＭＵ１３１０からのＨＭＤ１３００の位置を指示するデータを使用して、または、Ｉ／Ｏインターフェイス１３１５内に含まれたものであるＩＭＵからのＩ／Ｏインターフェイス１３１５の位置を指示するデータを使用して、ＨＭＤ１３００の基準点、または、Ｉ／Ｏインターフェイス１３１５の基準点の位置を決定し得る。さらにまた、一部の実施形態において、追跡モジュール１３６０は、ＩＭＵ１３１０からのＨＭＤ１３００の位置を指示するデータの一部分、および無論のこととして、ＤＣＡ１３１１からの局所的区域の表現を使用して、ＨＭＤ１３００の将来の場所を予測し得る。追跡モジュール１３６０は、ＨＭＤ１３００またはＩ／Ｏインターフェイス１３１５の、推定または予測される将来の位置を、処理モジュール１３６５に提供する。
【0109】
処理モジュール１３６５は、ＨＭＤ１３００から受け取られる情報に基づいて、ＨＭＤ１３００の一部またはすべてを包囲する区域（「局所的区域」）の３Ｄマッピングを生成し得る。一部の実施形態において、処理モジュール１３６５は、深度を計算することにおいて使用される技法に対して関連性のある、ＤＣＡ１３１１から受け取られる情報に基づいて、局所的区域の３Ｄマッピングに対する深度情報を決定する。様々な実施形態において、処理モジュール１３６５は、深度情報を使用して、局所的区域のモデルを更新し、更新されるモデルに部分的に基づいてコンテンツを生成し得る。
【0110】
処理モジュール１３６５は、ＡＲ／ＶＲシステム１３５０の中でアプリケーションを実行し、ＨＭＤ１３００の、位置情報、加速度情報、速度情報、予測される将来の位置、または、それらの何らかの組合せを、追跡モジュール１３６０から受け取る。受け取られる情報に基づいて、処理モジュール１３６５は、ユーザへの提示のためにＨＭＤ１３００に提供するためのコンテンツを決定する。例えば、受け取られる情報が、ユーザが左を眺めたことを指示する場合、処理モジュール１３６５は、仮想環境内での、または、追加的なコンテンツによって局所的区域を拡張する環境内での、ユーザの動きを反映する、ＨＭＤ１３００に対するコンテンツを生成する。加えて、処理モジュール１３６５は、Ｉ／Ｏインターフェイス１３１５から受け取られるアクション要求に応答して、コンソール１３９０上で実行するアプリケーションの中でアクションを遂行し、アクションが遂行されたという、ユーザへのフィードバックを提供する。提供されるフィードバックは、ＨＭＤ１３００による視覚もしくは可聴フィードバック、または、Ｉ／Ｏインターフェイス１３１５による触覚フィードバックであり得る。
【0111】
一部の実施形態において、目追跡システム１３２５から受け取られる目追跡情報（例えば、ユーザの目の向き）に基づいて、処理モジュール１３６５は、画像プロジェクタ１３１４によるユーザへの提示のための、ＨＭＤ１３００に提供されるコンテンツの解像度を決定する。処理モジュール１３６５は、ユーザの視線の中心窩領域において最大画素解像度を有する、ＨＭＤ１３００へのコンテンツを提供し得る。処理モジュール１３６５は、ユーザの視線の周辺部において、より低い画素解像度を提供し得、かくして、ユーザの視覚体験を損なうことなく、ＡＲ／ＶＲシステム１３５０の電力消費をより少なくし、コンソール１３９０の計算リソースを節約する。一部の実施形態において、処理モジュール１３６５は、さらに、バーゼンス調節矛盾を防止するために、ならびに／または、光学ひずみおよび収差を相殺するために、目追跡情報を使用して、どこにオブジェクトがユーザの目に対して表示されるかを調整することができる。
【0112】
本明細書において開示される態様と結び付いて説明される、様々な例解的な論理、論理ブロック、モジュール、および回路を実現するために使用されるハードウェアは、本明細書において説明される機能を遂行するように設計される、汎用目的プロセッサ、デジタル信号プロセッサ（ＤＳＰ）、特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）、フィールドプログラマブルゲートアレイ（ＦＰＧＡ）もしくは他のプログラマブル論理デバイス、離散ゲートもしくはトランジスタ論理、離散ハードウェア構成要素、または、それらの任意の組合せによって、実現または遂行され得る。汎用目的プロセッサは、マイクロプロセッサであり得、ただし、代替案において、プロセッサは、任意の従来のプロセッサ、コントローラ、マイクロコントローラ、または状態機械であり得る。プロセッサは、さらには、コンピューティングデバイスの組合せ、例えば、ＤＳＰおよびマイクロプロセッサの組合せ、複数のマイクロプロセッサ、ＤＳＰコアと連関した１つもしくは複数のマイクロプロセッサ、または、任意の他のそのような構成として実現され得る。代替案として、一部のステップまたは方法は、所与の機能に特異的である回路網により遂行され得る。
【0113】
本開示は、本明細書において説明される特定の実施形態により、範囲において限定されるべきではない。実際のところ、本明細書において説明される実施形態および修正形態に加えて、他の様々な実施形態および修正形態が、前述の説明、および、添付図面から、当業者に明らかであることになる。かくして、そのような他の実施形態および修正形態は、本開示の範囲の中に収まることが意図される。さらに、本開示は、個別の目的のための個別の環境における個別の実施態様の文脈において、本明細書において説明されたが、当業者は、本開示の有用性はその実施態様に限定されないこと、および、本開示は任意の数の目的のために任意の数の環境において有益に実現され得ることを認識することになる。よって、下記で論述される特許請求の範囲は、特許請求の範囲の、最大限の広さおよび範囲の見地において解釈されるべきである。
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6A】
【図6B】
【図7】
【図8】
【図9A】
【図9B】
【図10】
【図11】
【図12】
【図13】
【図14】
【図15】
【図16】
【図17A】
【図17B】
【図18A】
【図18B】
【国際調査報告】