(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】2024-05-21
(54)【発明の名称】薄い照明層導波路および製造方法
(51)【国際特許分類】
G02B 27/02 20060101AFI20240514BHJP
H04N 13/344 20180101ALI20240514BHJP
H04N 5/64 20060101ALI20240514BHJP
【ＦＩ】
G02B27/02 Z
H04N13/344
H04N5/64 511A
【審査請求】未請求
【予備審査請求】未請求
(21)【出願番号】P 2023565906
(86)(22)【出願日】2022-04-28
(85)【翻訳文提出日】2023-12-14
(86)【国際出願番号】 US2022071988
(87)【国際公開番号】W WO2022232820
(87)【国際公開日】2022-11-03
(31)【優先権主張番号】63/182,617
(32)【優先日】2021-04-30
(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】514108838
【氏名又は名称】マジック リープ， インコーポレイテッド
【氏名又は名称原語表記】Ｍａｇｉｃ Ｌｅａｐ，Ｉｎｃ．
【住所又は居所原語表記】７５００ Ｗ ＳＵＮＲＩＳＥ ＢＬＶＤ，ＰＬＡＮＴＡＴＩＯＮ，ＦＬ ３３３２２ ＵＳＡ
(74)【代理人】
【識別番号】100078282
【弁理士】
【氏名又は名称】山本 秀策
(74)【代理人】
【識別番号】100113413
【弁理士】
【氏名又は名称】森下 夏樹
(74)【代理人】
【識別番号】100181674
【弁理士】
【氏名又は名称】飯田 貴敏
(74)【代理人】
【識別番号】100181641
【弁理士】
【氏名又は名称】石川 大輔
(74)【代理人】
【識別番号】230113332
【弁護士】
【氏名又は名称】山本 健策
(72)【発明者】
【氏名】シン， ビクラムジト
(72)【発明者】
【氏名】シュルツ， ジェイソン アレン
(72)【発明者】
【氏名】シュー， フランク ワイ．
(72)【発明者】
【氏名】テコルスト， ロバート ディー．
【テーマコード（参考）】
2H199
【Ｆターム（参考）】
2H199CA12
2H199CA24
2H199CA25
2H199CA27
2H199CA32
2H199CA42
2H199CA43
2H199CA53
2H199CA66
2H199CA67
2H199CA82
2H199CA87
2H199CA92
2H199CA93
2H199CA94
2H199CA95
2H199CA96
(57)【要約】
本明細書では、ヘッドウェアラブルデバイスなどのディスプレイ用のシステムおよび方法が開示される。例示的なディスプレイは、赤外線照明層を含むことができ、赤外線照明層は、第１の面および第２の面を有する導波路を含み、第１の面は、第２の面の反対側に配置される。照明層はまた、第１の面に配置された内部結合格子を含み得て、内部結合格子は、光を導波路に結合して、第１の方向に伝播する内部反射光を生成するように構成される。照明層はまた、第１の面および第２の面のうちの少なくとも一方に配置された複数の外部結合格子を含み得て、複数の外部結合格子は、内部反射光を受光し、導波路からの内部反射光を結合するように構成される。
【特許請求の範囲】
【請求項1】
ディスプレイであって、第１の面および第２の面を有する導波路であって、前記第１の面は、前記導波路に対して前記第２の面の反対側に配置される、導波路と、
前記第１の面に配置された内部結合格子であって、前記内部結合格子は、光を前記導波路に結合して内部反射光を第１の方向に伝播するように構成されている、内部結合格子と、
前記第１の面および前記第２の面のうちの少なくとも一方に配置された複数の外部結合格子であって、前記複数の外部結合格子は、前記内部反射光を受光し、前記導波路からの前記内部反射光を結合するように構成されている、複数の外部結合格子と
を備える、ディスプレイ。
【請求項2】
前記導波路の前記第１の面および前記第２の面のうちの少なくとも一方に配置されたスプレッダをさらに備え、前記スプレッダは、前記内部反射光を前記第１の方向に伝播し、前記内部反射光を第２の異なる方向にさらに伝播するように構成される、請求項１に記載のディスプレイ。
【請求項3】
前記スプレッダは、ライン、メタ格子、孔、およびピラーから選択される少なくとも１つのナノパターンを備える、請求項２に記載のディスプレイ。
【請求項4】
複数のディフューザをさらに備え、前記複数のディフューザの各ディフューザは、前記導波路に対して前記複数の外部結合格子のうちの外部結合格子に対向して配置される、請求項１に記載のディスプレイ。
【請求項5】
前記複数の外部結合格子の各外部結合格子の幅は、前記内部結合格子の幅にほぼ等しい、請求項１に記載のディスプレイ。
【請求項6】
前記複数の外部結合格子は、線、メタ格子、孔、ピラー、鋸歯、傾斜、および多層から選択される少なくとも１つのナノパターンを備える、請求項１に記載のディスプレイ。
【請求項7】
前記内部結合格子は、線、メタ格子、孔、ピラー、鋸歯、傾斜、および多層から選択される少なくとも１つのナノパターンを備える、請求項１に記載のディスプレイ。
【請求項8】
前記内部結合格子の表面および前記複数の外部結合格子のうちの外部結合格子の表面のうちの少なくとも一方に配置された高屈折率コーティングをさらに備える、請求項１に記載のディスプレイ。
【請求項9】
前記導波路は、照明層に対応する、請求項１に記載のディスプレイ。
【請求項10】
赤外線照明層は、可変厚さを有する、請求項９に記載のディスプレイ。
【請求項11】
前記照明層は、前記導波路の前記第２の面に結合されたレンズを備え、前記レンズは、曲面を含む、請求項９に記載のディスプレイ。
【請求項12】
前記複数の外部結合格子のうちの２つ以上の外部結合格子は、前記レンズの前記曲面上に配置される、請求項１１に記載のディスプレイ。
【請求項13】
前記複数の外部結合格子のうちの第１の外部結合格子は、前記内部結合格子から第１の距離だけ離れて配置され、前記複数の外部結合格子のうちの第２の外部結合格子は、前記内部結合格子から第２の距離だけ離れて配置され、前記第２の距離は、前記第１の距離よりも大きく、
前記第１の外部結合格子は、第１の回折効率を示し、前記第２の外部結合格子は、前記第１の効率よりも大きい第２の回折効率を示す、
請求項１に記載のディスプレイ。
【請求項14】
可視光導波路をさらに備え、前記可視光導波路は、デジタルコンテンツを提示するように構成されている、請求項１に記載のディスプレイ。
【請求項15】
前記導波路から結合された前記内部反射光は、外部結合光を含む、請求項１に記載のディスプレイ。
【請求項16】
光センサをさらに備え、前記光センサは、ユーザの眼から反射される前記外部結合された光の少なくとも一部を検出するように構成される、請求項１５に記載のディスプレイ。
【請求項17】
前記複数の外部結合格子は、表面レリーフ格子、液晶格子、および体積位相格子のうちの少なくとも１つを含む、請求項１に記載のディスプレイ。
【請求項18】
方法であって、基材の第１の表面上に第１の樹脂をインプリントすることであって、前記第１の樹脂をインプリントすることは、前記第１の樹脂を第１の領域内に堆積させることを含む、ことと、
第２の領域を形成するために前記第１の領域内の前記第１の樹脂の第１の部分を除去することと、
前記第１の領域内の前記第１の樹脂を第１のナノパターンによってエッチングすることと、
前記基材を剥離することと、
前記基材を洗浄することと、
前記基材の前記第１の表面上に第２の樹脂をインプリントすることであって、前記第２の樹脂をインプリントすることは、前記第２の領域内に前記第２の樹脂を堆積させることを含む、ことと、
前記第２の領域内の前記第２の樹脂を第２のナノパターンによってエッチングすることと
を含む、方法。
【請求項19】
前記第２の樹脂は、第３の領域内に堆積され、前記第３の領域は、前記第１の領域と連続していない、請求項１８に記載の方法。
【請求項20】
前記基材の第２の表面上に第３の樹脂をインプリントすることをさらに含み、前記第３の樹脂をインプリントすることは、前記基材の第４の領域上に前記第３の樹脂を堆積させることを含み、前記基材の前記第２の表面は、前記第１の表面の反対側にあり、前記第４の領域は、前記第２の領域の反対側にある、請求項１８に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
関連出願の相互参照
本出願は、２０２１年４月３０日に出願された米国仮特許出願第６３／１８２，６１７号の優先権を主張し、その内容は参照によりその全体が本明細書に組み込まれる。
本出願は、２０２１年４月３０日に出願された米国仮特許出願第６３／１８２，６１７号の優先権を主張し、その内容は参照によりその全体が本明細書に組み込まれる。
【0002】
分野
本開示は、一般に、視覚情報を表示するためのシステムに関し、特に、拡張現実または複合現実環境において視覚情報を表示するためのアイピースに関する。
本開示は、一般に、視覚情報を表示するためのシステムに関し、特に、拡張現実または複合現実環境において視覚情報を表示するためのアイピースに関する。
【背景技術】
【0003】
背景
仮想環境は、コンピューティング環境においてユビキタスであり、ビデオゲーム（仮想環境がゲーム世界を表し得る）；マップ（仮想環境がナビゲートされる地形を表し得る）；シミュレーション（仮想環境が現実環境をシミュレートし得る）；デジタルストーリーテリング（仮想キャラクタが仮想環境において互いに相互作用し得る）；および多くの他の用途において使用されている。現代のコンピュータユーザは、一般に、仮想環境を快適に知覚し、仮想環境と相互作用する。しかしながら、仮想環境に関するユーザの体験は、仮想環境を提示するための技術によって制限される可能性がある。例えば、従来のディスプレイ（例えば、２Ｄ表示画面）および音声システム（例えば、固定スピーカ）は、魅力的で現実的で没入感のある体験を生み出す方法で仮想環境を実現することができないことがある。
仮想環境は、コンピューティング環境においてユビキタスであり、ビデオゲーム（仮想環境がゲーム世界を表し得る）；マップ（仮想環境がナビゲートされる地形を表し得る）；シミュレーション（仮想環境が現実環境をシミュレートし得る）；デジタルストーリーテリング（仮想キャラクタが仮想環境において互いに相互作用し得る）；および多くの他の用途において使用されている。現代のコンピュータユーザは、一般に、仮想環境を快適に知覚し、仮想環境と相互作用する。しかしながら、仮想環境に関するユーザの体験は、仮想環境を提示するための技術によって制限される可能性がある。例えば、従来のディスプレイ（例えば、２Ｄ表示画面）および音声システム（例えば、固定スピーカ）は、魅力的で現実的で没入感のある体験を生み出す方法で仮想環境を実現することができないことがある。
【0004】
仮想現実（「ＶＲ」）、拡張現実（「ＡＲ」）、複合現実（「ＭＲ」）、および関連技術（まとめて「ＸＲ」）は、ＸＲシステムのユーザに、コンピュータシステム内のデータによって表される仮想環境に対応する感覚情報を提示する能力を共有する。本開示は、ＶＲシステム、ＡＲシステム、およびＭＲシステムの間の区別を想定している（ただし、いくつかのシステムは、１つの態様（例えば、視覚的態様）ではＶＲとして分類され、別の態様（例えば、音声態様）ではＡＲまたはＭＲとして同時に分類され得る）。本明細書で使用される場合、ＶＲシステムは、少なくとも１つの態様においてユーザの現実環境を置き換える仮想環境を提示する。例えば、ＶＲシステムは、遮光ヘッドマウントディスプレイなどを用いて、現実環境の視界を同時に見えにくくしながら、仮想環境の視界をユーザに提示することができる。同様に、ＶＲシステムは、現実環境からの音声を同時にブロック（減衰）しながら、仮想環境に対応する音声をユーザに提示することができる。
【0005】
ＶＲシステムは、ユーザの現実環境を仮想環境に置き換えることから生じる様々な欠点を体験することがある。１つの欠点は、仮想環境におけるユーザの視野が、現実環境（仮想環境ではない）におけるユーザのバランスおよび向きを検出する自分の内耳の状態にもはや対応しないときに生じる可能性がある酔いの感覚である。同様に、ユーザは、自身の身体および手足（ユーザが現実環境において「接地している」と感じるために依拠するビュー）が直接見えないＶＲ環境において見当識障害を体験することがある。別の欠点は、特に仮想環境にユーザを没入させようとするリアルタイムアプリケーションにおいて、完全な３Ｄ仮想環境を提示しなければならない、ＶＲシステムに課される計算負荷（例えば、ストレージ、処理能力）である。同様に、ユーザは、仮想環境の僅かな不完全性にも敏感である傾向があり、そのいずれも仮想環境への没入感を損なう可能性があるため、そのような環境は、没入型と見なされるために非常に高い臨場感基準に達する必要があることがある。さらに、ＶＲシステムの別の欠点は、システムのそのようなアプリケーションが、現実世界において体験する様々な光景および音などの現実環境における広範囲の感覚データを利用することができないことである。関連する欠点は、現実環境において物理的空間を共有するユーザが仮想環境において互いに直接見たり相互作用したりすることができないことがあるため、ＶＲシステムが複数のユーザが相互作用することが可能な共有環境を作成するのに苦労する場合があることである。
【0006】
本明細書で使用されるように、ＡＲシステムは、少なくとも１つの態様において現実環境に重複する、または現実環境にオーバーレイする仮想環境を提示する。例えば、ＡＲシステムは、光がディスプレイを通過してユーザの眼に入ることを可能にしながら表示画像を提示する透過型ヘッドマウントディスプレイなど、現実環境のユーザのビューにオーバーレイされた仮想環境のビューをユーザに提示することができる。同様に、ＡＲシステムは、現実環境からの音声を同時にミキシングしながら、仮想環境に対応する音声をユーザに提示することができる。同様に、本明細書で使用されるように、ＭＲシステムは、ＡＲシステムと同様に、少なくとも１つの態様において現実環境に重複するかまたはオーバーレイする仮想環境を提示し、さらに、ＭＲシステム内の仮想環境が少なくとも１つの態様において現実環境と相互作用することを可能にし得る。例えば、仮想環境内の仮想キャラクタは、現実環境内のライトスイッチを切り替え、現実環境内の対応する電球をオンまたはオフにし得る。別の例として、仮想キャラクタは、現実環境の音声信号に（表情などで）反応し得る。現実環境の提示を維持することによって、ＡＲおよびＭＲシステムは、ＶＲシステムの前述の欠点のいくつかを回避し得る。例えば、現実環境（ユーザ自身の身体を含む）からの視覚的合図が視認可能なままとすることができ、そのようなシステムは没入するために完全に実現された３Ｄ環境をユーザに提示する必要がないため、ユーザの酔いが低減される。さらに、ＡＲおよびＭＲシステムは、現実世界の感覚入力（例えば、風景、オブジェクト、および他のユーザのビューおよび音）を利用して、その入力を増強する新たなアプリケーションを作成することができる。
【0007】
仮想環境を現実的な方法で提示して、堅牢で費用効果の高い方法でユーザの没入体験を作成することは困難である可能性がある。例えば、ヘッドマウントディスプレイは、１つ以上の多層アイピースを有する光学系を含むことができる。アイピースは、異なる機能を果たす複数の層を含む高価で壊れやすい部品とすることができる。例えば、１つ以上の層が使用されて仮想コンテンツをユーザに表示し得て、１つ以上の層が視線追跡用の赤外線（ＩＲ）照明層として使用され得る。複数の層は、ＭＲシステムに重量を加える大きなアイピースをもたらし得る。さらに、層の表面上の反射および曇りによる光透過損失は、仮想コンテンツの品質に影響を及ぼす可能性がある。照明層は、反射防止膜および／またはコーティングを含むことができるが、そのような膜は、光学系にコストおよび複雑さを加える可能性がある。そこで、光学系の透過率を軽量且つコンパクトなフォームファクタで向上させることが望まれている。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【0008】
概要
本明細書では、ヘッドウェアラブルデバイスなどのディスプレイ用のシステムおよび方法が開示される。例示的なディスプレイは、赤外線照明層を含むことができ、赤外線照明層は、第１の面および第２の面を有する導波路を含み、第１の面は、第２の面の反対側に配置される。照明層はまた、第１の面に配置された内部結合格子を含み得て、内部結合格子は、光を導波路に結合して、第１の方向に伝播する内部反射光を生成するように構成される。照明層はまた、第１の面および第２の面のうちの少なくとも一方に配置された複数の外部結合格子を含み得て、複数の外部結合格子は、内部反射光を受光し、導波路からの内部反射光を結合するように構成される。本明細書に開示される実施形態は、照明層に関連付けられた曇りを低減することができる堅牢な照明層を提供し得る。さらに、本明細書に開示される実施形態は、軽量且つコンパクトな光学スタックを提供することができる。さらに、本明細書に開示される実施形態は、照明層からの光の向上した透過率を提供し得る。
本明細書では、ヘッドウェアラブルデバイスなどのディスプレイ用のシステムおよび方法が開示される。例示的なディスプレイは、赤外線照明層を含むことができ、赤外線照明層は、第１の面および第２の面を有する導波路を含み、第１の面は、第２の面の反対側に配置される。照明層はまた、第１の面に配置された内部結合格子を含み得て、内部結合格子は、光を導波路に結合して、第１の方向に伝播する内部反射光を生成するように構成される。照明層はまた、第１の面および第２の面のうちの少なくとも一方に配置された複数の外部結合格子を含み得て、複数の外部結合格子は、内部反射光を受光し、導波路からの内部反射光を結合するように構成される。本明細書に開示される実施形態は、照明層に関連付けられた曇りを低減することができる堅牢な照明層を提供し得る。さらに、本明細書に開示される実施形態は、軽量且つコンパクトな光学スタックを提供することができる。さらに、本明細書に開示される実施形態は、照明層からの光の向上した透過率を提供し得る。
【図面の簡単な説明】
【0009】
【0010】
【0011】
【0012】
【0013】
【0014】
【0015】
【0016】
【0017】
【0018】
【0019】
【0020】
【0021】
【0022】
【0023】
【0024】
【0025】
【0026】
【0027】
【0028】
【0029】
【0030】
【0031】
【発明を実施するための形態】
【0032】
詳細な説明
以下の例の説明では、本明細書の一部を形成し、実施されることができる特定の例を例示として示す添付の図面を参照する。開示された例の範囲から逸脱することなく、他の例が使用されることができ、構造的変更が行われることができることを理解されたい。
以下の例の説明では、本明細書の一部を形成し、実施されることができる特定の例を例示として示す添付の図面を参照する。開示された例の範囲から逸脱することなく、他の例が使用されることができ、構造的変更が行われることができることを理解されたい。
【0033】
複合現実環境
全ての人と同様に、複合現実システムのユーザは、現実環境、すなわち、ユーザによって知覚可能な「現実世界」の３次元部分およびそのコンテンツの全てに存在する。例えば、ユーザは、人間の通常の感覚（視覚、音、触覚、味覚、嗅覚）を使用して現実環境を知覚し、現実環境内で自分の身体を動かすことによって現実環境と相互作用する。現実環境における位置は、座標空間における座標として記述されることができる。例えば、座標は、海面に対する緯度、経度、および高度；基準点からの３つの直交寸法における距離；または他の適切な値を含むことができる。同様に、ベクトルは、座標空間内の方向および大きさを有する量を記述することができる。
全ての人と同様に、複合現実システムのユーザは、現実環境、すなわち、ユーザによって知覚可能な「現実世界」の３次元部分およびそのコンテンツの全てに存在する。例えば、ユーザは、人間の通常の感覚（視覚、音、触覚、味覚、嗅覚）を使用して現実環境を知覚し、現実環境内で自分の身体を動かすことによって現実環境と相互作用する。現実環境における位置は、座標空間における座標として記述されることができる。例えば、座標は、海面に対する緯度、経度、および高度；基準点からの３つの直交寸法における距離；または他の適切な値を含むことができる。同様に、ベクトルは、座標空間内の方向および大きさを有する量を記述することができる。
【0034】
コンピューティングデバイスは、例えば、デバイスに関連付けられたメモリに、仮想環境の表現を維持することができる。本明細書で使用される場合、仮想環境は、３次元空間の計算表現である。仮想環境は、任意のオブジェクト、アクション、信号、パラメータ、座標、ベクトル、またはその空間に関連付けられた他の特性の表現を含むことができる。いくつかの例では、コンピューティングデバイスの回路（例えば、プロセッサ）は、仮想環境の状態を維持および更新することができる。すなわち、プロセッサは、第１の時間ｔ０において、仮想環境に関連付けられたデータおよび／またはユーザによって提供された入力に基づいて、第２の時間ｔ１における仮想環境の状態を決定することができる。例えば、仮想環境内のオブジェクトが時間ｔ０において第１の座標に位置し、特定のプログラムされた物理的パラメータ（例えば、質量、摩擦係数）を有する場合、ユーザから受信した入力は、方向ベクトルにおいてオブジェクトに力が加えられるべきであることを指示する。プロセッサは、基本力学を使用して時間ｔ１におけるオブジェクトの位置を決定するために運動学の法則を適用することができる。プロセッサは、仮想環境について知られている任意の適切な情報および／または任意の適切な入力を使用して、時間ｔ１における仮想環境の状態を決定することができる。仮想環境の状態を維持および更新する際に、プロセッサは、仮想環境における仮想オブジェクトの作成および削除に関連するソフトウェア；仮想環境における仮想オブジェクトまたはキャラクタの挙動を定義するためのソフトウェア（例えば、スクリプト）；仮想環境における信号（例えば、音声信号）の挙動を定義するためのソフトウェア；仮想環境に関連付けパラメータを作成および更新するためのソフトウェア；仮想環境において音声信号を生成するためのソフトウェア；入出力を扱うソフトウェア；ネットワーク動作を実装するためのソフトウェア；アセットデータを適用するソフトウェア（例えば、仮想オブジェクトを経時的に移動させるためのアニメーションデータ）；または他の多くの可能性を含む任意の適切なソフトウェアを実行することができる。
【0035】
ディスプレイまたはスピーカなどの出力デバイスは、仮想環境の任意のまたは全ての態様をユーザに提示することができる。例えば、仮想環境は、ユーザに提示されることができる仮想オブジェクト（これは、無生物；人々；動物；ライトなどのオブジェクトの表現を含み得る）を含み得る。プロセッサは、仮想環境のビューを決定することができ（例えば、原点座標、ビュー軸、および錐台を有する「カメラ」に対応する）、ディスプレイに、そのビューに対応する仮想環境の視聴可能なシーンをレンダリングすることができる。この目的のために、任意の適切なレンダリング技術が使用され得る。いくつかの例では、視聴可能なシーンは、仮想環境内のいくつかの仮想オブジェクトのみを含み、特定の他の仮想オブジェクトを除外し得る。同様に、仮想環境は、１つ以上の音声信号としてユーザに提示され得る音声態様を含み得る。例えば、仮想環境内の仮想オブジェクトは、オブジェクトの位置座標から生じる音を生成し得る（例えば、仮想キャラクタは、発話するか、または効果音を発生させ得る）。あるいは、仮想環境は、特定の位置に関連付けられてもよく、または関連付けられなくてもよい音楽キューまたは周囲音に関連付けられてもよい。プロセッサは、「聴取者」座標に対応する音声信号、例えば、仮想環境内の音の合成に対応し、聴取者座標において聴取者が聞く音声信号をシミュレートするために混合および処理された音声信号を決定し、１つ以上のスピーカを介して音声信号をユーザに提示することができる。
【0036】
仮想環境は、計算構造としてのみ存在するため、ユーザは、通常の感覚を使用して仮想環境を直接知覚することはできない。代わりに、ユーザは、例えばディスプレイ、スピーカ、触覚出力デバイスなどによってユーザに提示されるように、仮想環境を間接的にのみ知覚することができる。同様に、ユーザは、仮想環境に直接触れたり、仮想環境を直接操作したり、仮想環境と直接相互作用したりすることはできないが、仮想環境を更新するためにデバイスまたはセンサデータを使用することができるプロセッサに、入力デバイスまたはセンサを介して入力データを提供することができる。例えば、カメラセンサは、ユーザが仮想環境内でオブジェクトを移動させようとしていることを示す光学データを提供することができ、プロセッサは、そのデータを使用して、仮想環境内でオブジェクトにそれに応じて応答させることができる。
【0037】
複合現実システムは、例えば、透過型ディスプレイおよび／または１つ以上のスピーカ（これは、例えば、ウェアラブルヘッドデバイスに組み込まれてもよい）を使用して、現実環境と仮想環境との態様を組み合わせた複合現実環境（「ＭＲＥ」）をユーザに提示することができる。いくつかの実施形態では、１つ以上のスピーカは、ヘッドマウントウェアラブルユニットの外部にあってもよい。本明細書で使用される場合、ＭＲＥは、現実環境と対応する仮想環境との同時表現である。いくつかの例では、対応する現実環境および仮想環境は、単一の座標空間を共有する。いくつかの例では、実座標空間および対応する仮想座標空間は、変換行列（または他の適切な表現）によって互いに関連付けられる。したがって、単一の座標（いくつかの例では、変換行列とともに）は、現実環境内の第１の位置、および仮想環境内の第２の対応する位置を定義することができ、逆もまた同様である。
【0038】
ＭＲＥでは、仮想オブジェクト（例えば、ＭＲＥに関連付けられた仮想環境における）は、現実オブジェクト（例えば、ＭＲＥに関連する現実環境における）に対応することができる。例えば、ＭＲＥの現実環境が位置座標に現実のランプポスト（現実オブジェクト）を含む場合、ＭＲＥの仮想環境は、対応する位置座標に仮想ランプポスト（仮想オブジェクト）を含み得る。本明細書で使用される場合、現実オブジェクトは、対応する仮想オブジェクトと組み合わせて、「複合現実オブジェクト」を構成する。仮想オブジェクトは、対応する現実オブジェクトと完全に一致または位置合わせされる必要はない。いくつかの例では、仮想オブジェクトは、対応する現実オブジェクトの単純化版とすることができる。例えば、現実環境が現実のランプポストを含む場合、対応する仮想オブジェクトは、現実のランプポストとほぼ同じ高さおよび半径の円筒を含み得る（ランプポストがほぼ円筒形の形状であり得ることを反映している）。このように仮想オブジェクトを単純化することは、計算効率を高めることができ、そのような仮想オブジェクトに対して実行される計算を単純化することができる。さらに、ＭＲＥのいくつかの例では、現実環境内の全ての現実オブジェクトが対応する仮想オブジェクトに関連付けられるとは限らない。同様に、ＭＲＥのいくつかの例では、仮想環境内の全ての仮想オブジェクトが対応する現実オブジェクトに関連付けられるとは限らない。すなわち、いくつかの仮想オブジェクトは、現実世界の対応物なしで、ＭＲＥの仮想環境のみであってもよい。
【0039】
いくつかの例では、仮想オブジェクトは、対応する現実オブジェクトの特性とは時々大幅に異なる特性を有し得る。例えば、ＭＲＥ内の現実環境は、緑色の２本腕のサボテン（とげのある無生物のオブジェクト）を含み得るが、ＭＲＥ内の対応する仮想オブジェクトは、人間の顔の特徴および無表情を有する緑色の２本腕の仮想キャラクタの特性を有し得る。この例では、仮想オブジェクトは、特定の特性（色、腕の数）においてその対応する現実オブジェクトに似ているが、他の特性（顔の特徴、性格）は、現実オブジェクトとは異なる。このようにして、仮想オブジェクトは、創造的、抽象的、誇張的、または想像的な方法で現実オブジェクトを表す、または、そうでなければ無生物の現実オブジェクトに挙動（例えば、人間の性格）を与える可能性を有する。いくつかの例では、仮想オブジェクトは、現実世界の対応物のない純粋に想像力のある作成物（例えば、場合によっては現実環境内の空きスペースに対応する位置にいる仮想環境内の仮想モンスター）であり得る。
【0040】
現実環境を不明瞭にしながらユーザに仮想環境を提示するＶＲシステムと比較して、ＭＲＥを提示する複合現実システムは、仮想環境が提示されている間に現実環境が知覚可能なままであるという利点を提供する。したがって、複合現実システムのユーザは、現実環境に関連付けられた視覚的および音声的キューを使用して、対応する仮想環境を体験し、相互作用することができる。例として、上述したように、ユーザは、仮想環境を直接知覚または相互作用することができないため、ＶＲシステムのユーザは、仮想環境に表示された仮想オブジェクトを知覚または相互作用するのに苦労することがあるが、ＭＲシステムのユーザは、自分自身の現実環境内の対応する現実オブジェクトを見て、聞いて、触れることによって仮想オブジェクトと相互作用することが直感的且つ自然であると見出し得る。このレベルの相互作用性は、ユーザの仮想環境との没入感、接続感、および関与感を高めることができる。同様に、現実環境と仮想環境とを同時に提示することによって、複合現実システムは、ＶＲシステムに関連付けられた否定的な心理的感情（例えば、認知的不協和）および否定的な身体的感情（例えば、酔い）を低減することができる。複合現実システムは、現実世界の体験を増強または変更し得るアプリケーションの多くの可能性をさらに提供する。
【0041】
図１Ａは、ユーザ１１０が複合現実システム１１２を使用する例示的な現実環境１００を示している。複合現実システム１１２は、例えば以下に説明するように、ディスプレイ（例えば、透過型ディスプレイ）および１つ以上のスピーカ、ならびに１つ以上のセンサ（例えば、カメラ）を備え得る。図示の現実環境１００は、ユーザ１１０が立っている長方形部屋１０４Ａと、現実オブジェクト１２２Ａ（ランプ）、現実オブジェクト１２４Ａ（テーブル）、現実オブジェクト１２６Ａ（ソファー）、および現実オブジェクト１２８Ａ（絵画）とを含む。部屋１０４Ａは、現実環境１００の原点とみなし得る位置座標１０６をさらに含む。図１Ａに示すように、その原点１０６（世界座標）を有する環境／世界座標系１０８（ｘ軸１０８Ｘ、ｙ軸１０８Ｙ、およびｚ軸１０８Ｚを含む）は、現実環境１００の座標空間を定義することができる。いくつかの実施形態では、環境／世界座標系１０８の原点１０６は、複合現実システム１１２の電源がオンにされた場所に対応し得る。いくつかの実施形態では、環境／世界座標系１０８の原点１０６は、動作中にリセットされてもよい。いくつかの例では、ユーザ１１０は、現実環境１００内の現実オブジェクトとみなし得る。同様に、ユーザ１１０の身体部分（例えば、手、足）は、現実環境１００における現実オブジェクトとみなし得る。いくつかの例では、点１１５（例えば、ユーザ／聴取者／頭部座標）を原点とするユーザ／聴取者／頭部座標系１１４（ｘ軸１１４Ｘ、ｙ軸１１４Ｙ、およびｚ軸１１４Ｚを含む）は、複合現実システム１１２が配置されているユーザ／聴取者／頭部についての座標空間を定義することができる。ユーザ／聴取者／頭部座標系１１４の原点１１５は、複合現実システム１１２の１つ以上の構成要素に対して定義され得る。例えば、ユーザ／聴取者／頭部座標系１１４の原点１１５は、複合現実システム１１２の初期較正中などに、複合現実システム１１２のディスプレイに対して定義され得る。行列（並進行列および四元数行列または他の回転行列を含み得る）、または他の適切な表現は、ユーザ／聴取者／頭部座標系１１４空間と環境／世界座標系１０８空間との間の変換を特徴付けることができる。いくつかの実施形態では、左耳座標１１６および右耳座標１１７は、ユーザ／聴取者／頭部座標系１１４の原点１１５に対して定義され得る。行列（並進行列および四元数行列または他の回転行列を含み得る）、または他の適切な表現は、左耳座標１１６および右耳座標１１７とユーザ／聴取者／頭部座標系１１４空間との間の変換を特徴付けることができる。ユーザ／聴取者／頭部座標系１１４は、ユーザの頭部、または例えば環境／世界座標系１０８に対する頭部装着型デバイスに対する位置の表現を単純化することができる。同時位置推定およびマッピング（ＳＬＡＭ）、ビジュアルオドメトリ、または他の技術を使用して、ユーザ座標系１１４と環境座標系１０８との間の変換がリアルタイムで決定および更新されることができる。
【0042】
図１Ｂは、現実環境１００に対応する例示的な仮想環境１３０を示している。図示の仮想環境１３０は、現実の長方形部屋１０４Ａに対応する仮想の長方形部屋１０４Ｂと、現実オブジェクト１２２Ａに対応する仮想オブジェクト１２２Ｂ；現実オブジェクト１２４Ａに対応する仮想オブジェクト１２４Ｂ；現実オブジェクト１２６Ａに対応する仮想オブジェクト１２６Ｂとを含む。仮想オブジェクト１２２Ｂ、１２４Ｂ、１２６Ｂに関連付けられたメタデータは、対応する現実オブジェクト１２２Ａ、１２４Ａ、および１２６Ａから導出された情報を含むことができる。仮想環境１３０は、現実環境１００内のいかなる現実オブジェクトにも対応しない仮想モンスター１３２をさらに備える。現実環境１００における現実オブジェクト１２８Ａは、仮想環境１３０におけるいずれの仮想オブジェクトにも対応しない。点１３４をその原点とする持続座標系１３３（ｘ軸１３３Ｘ、ｙ軸１３３Ｙ、およびｚ軸１３３Ｚを含む）（持続座標）は、仮想コンテンツの座標空間を定義することができる。持続座標系１３３の原点１３４は、現実オブジェクト１２６Ａなどの１つ以上の現実オブジェクトに対して／相対的に定義され得る。行列（並進行列および四元数行列または他の回転行列を含み得る）、または他の適切な表現は、持続座標系１３３空間と環境／世界座標系１０８空間との間の変換を特徴付けることができる。いくつかの実施形態では、仮想オブジェクト１２２Ｂ、１２４Ｂ、１２６Ｂ、および１３２のそれぞれは、持続座標系１３３の原点１３４に対して独自の持続座標点を有し得る。いくつかの実施形態では、複数の持続座標系が存在してもよく、仮想オブジェクト１２２Ｂ、１２４Ｂ、１２６Ｂ、および１３２のそれぞれは、１つ以上の持続座標系に対して独自の持続座標点を有してもよい。
【0043】
持続座標データは、物理的環境に対して持続的な座標データであり得る。持続座標データは、持続的仮想コンテンツを配置するためにＭＲシステム（例えば、ＭＲシステム１１２、２００）によって使用されてもよく、持続的仮想コンテンツは、仮想オブジェクトが表示されているディスプレイの動きに結び付けられなくてもよい。例えば、２次元スクリーンは、スクリーン上の位置に対する仮想オブジェクトのみを表示し得る。２次元スクリーンの移動に伴って、仮想コンテンツがスクリーンとともに移動してもよい。いくつかの実施形態では、持続的仮想コンテンツは、部屋の隅に表示され得る。ＭＲユーザは、隅を見て、仮想コンテンツを見て、隅から外を見てもよく（ユーザの頭部の動きにより、仮想コンテンツがユーザの視野内からユーザの視野外の位置に移動した可能性があるため、仮想コンテンツはもはや見えなくなり得る）、後ろを見て隅内の仮想コンテンツを見てもよい（現実オブジェクトが挙動し得る方法と同様）。
【0044】
いくつかの実施形態では、持続座標データ（例えば、持続座標系および／または持続座標フレーム）は、原点および３つの軸を含むことができる。例えば、持続座標系は、ＭＲシステムによって部屋の中心に割り当てられ得る。いくつかの実施形態では、ユーザは、部屋の中を動き回ったり、部屋の外に出たり、部屋に再び入ったりしてもよく、持続座標系は、（例えば、物理的環境に対して持続することから）部屋の中心に留まってもよい。いくつかの実施形態では、仮想オブジェクトは、持続的仮想コンテンツの表示を可能にし得る持続座標データへの変換を使用して表示され得る。いくつかの実施形態では、ＭＲシステムは、持続座標データを生成するために同時位置特定およびマッピングを使用し得る（例えば、ＭＲシステムは、持続座標系を空間内の点に割り当て得る）。いくつかの実施形態では、ＭＲシステムは、一定の間隔で持続座標データを生成することによって環境をマッピングし得る（例えば、ＭＲシステムは、グリッド内に持続座標系を割り当て得て、持続座標系は、別の持続座標系から少なくとも５フィート以内にあり得る）。
【0045】
いくつかの実施形態では、持続座標データは、ＭＲシステムによって生成され、リモートサーバに送信され得る。いくつかの実施形態では、リモートサーバは、持続座標データを受信するように構成され得る。いくつかの実施形態では、リモートサーバは、複数の観測インスタンスからの持続座標データを同期させるように構成され得る。例えば、複数のＭＲシステムは、同じ部屋を持続座標データによってマッピングし、そのデータをリモートサーバに送信し得る。いくつかの実施形態では、リモートサーバは、この観測データを使用して、１つ以上の観測に基づき得る標準的な持続座標データを生成し得る。いくつかの実施形態では、標準的な持続座標データは、持続座標データの単一の観測よりも正確および／または信頼性が高くてもよい。いくつかの実施形態では、標準的な持続座標データは、１つ以上のＭＲシステムに送信され得る。例えば、ＭＲシステムは、画像認識および／または位置データを使用して、対応する標準的な持続座標データを有する部屋に位置することを認識し得る（例えば、他のＭＲシステムが以前に部屋をマッピングしていることから）。いくつかの実施形態では、ＭＲシステムは、その位置に対応する標準的な持続座標データをリモートサーバから受信し得る。
【0046】
図１Ａおよび図１Ｂに関連して、環境／世界座標系１０８は、現実環境１００および仮想環境１３０の両方についての共有座標空間を定義する。図示の例では、座標空間は、点１０６にその原点を有する。さらに、座標空間は、同じ３つの直交軸（１０８Ｘ、１０８Ｙ、１０８Ｚ）によって定義される。したがって、現実環境１００内の第１の位置、および仮想環境１３０内の第２の対応する位置は、同じ座標空間に関して記述されることができる。これは、同じ座標が使用されて両方の位置を識別することができるため、現実環境および仮想環境における対応する位置の識別および表示を単純化する。しかしながら、いくつかの例では、対応する現実環境および仮想環境は、共有座標空間を使用する必要はない。例えば、いくつかの例（図示せず）では、行列（並進行列および四元数行列または他の回転行列を含み得る）、または他の適切な表現は、現実環境座標空間と仮想環境座標空間との間の変換を特徴付けることができる。
【0047】
図１Ｃは、現実環境１００および仮想環境１３０の態様を、複合現実システム１１２を介してユーザ１１０に同時に提示する例示的なＭＲＥ１５０を示している。図示の例では、ＭＲＥ１５０は、現実環境１００からの現実オブジェクト１２２Ａ、１２４Ａ、１２６Ａ、および１２８Ａ（例えば、複合現実システム１１２のディスプレイの透過部分を介して）、および仮想環境１３０からの仮想オブジェクト１２２Ｂ、１２４Ｂ、１２６Ｂ、および１３２（例えば、複合現実システム１１２のディスプレイのアクティブ表示部分を介して）をユーザ１１０に同時に提示する。上記のように、原点１０６は、ＭＲＥ１５０に対応する座標空間の原点として機能し、座標系１０８は、座標空間のｘ軸、ｙ軸、およびｚ軸を定義する。
【0048】
図示の例では、複合現実オブジェクトは、座標空間１０８内の対応する位置を占める現実オブジェクトと仮想オブジェクトの対応するペア（すなわち、１２２Ａ／１２２Ｂ、１２４Ａ／１２４Ｂ、１２６Ａ／１２６Ｂ）を含む。いくつかの例では、現実オブジェクトと仮想オブジェクトの両方がユーザ１１０に同時に見えることがある。これは、例えば、仮想オブジェクトが対応する現実オブジェクトのビューを拡張するように設計された情報を提示する場合（仮想オブジェクトが古い損傷した彫刻の欠落したピースを提示する美術館アプリケーションなど）に望ましいことがある。いくつかの例では、対応する現実オブジェクト（１２２Ａ、１２４Ａ、および／または１２６Ａ）を遮るように、仮想オブジェクト（１２２Ｂ、１２４Ｂ、および／または１２６Ｂ）が表示され得る（例えば、画素化遮蔽シャッタを使用するアクティブ画素化遮蔽を介して）。これは、例えば、仮想オブジェクトが対応する現実オブジェクトの視覚的置換として機能する場合（無生物の現実オブジェクトが「生きている」キャラクタになる相互作用型ストーリーテリングアプリケーションなど）に望ましいことがある。
【0049】
いくつかの例では、現実オブジェクト（例えば、１２２Ａ、１２４Ａ、１２６Ａ）は、必ずしも仮想オブジェクトを構成しなくてもよい仮想コンテンツまたはヘルパーデータに関連付けられてもよい。仮想コンテンツまたはヘルパーデータは、複合現実環境における仮想オブジェクトの処理または取り扱いを容易にすることができる。例えば、そのような仮想コンテンツは、対応する現実オブジェクトの２次元表現；対応する現実オブジェクトに関連付けられたカスタムアセットタイプ；または対応する現実オブジェクトに関連付けられた統計データを含むことができる。この情報は、不必要な計算オーバーヘッドを招くことなく、現実オブジェクトを含む計算を可能または容易にすることができる。
【0050】
いくつかの例では、上述した提示はまた、音声態様を組み込んでもよい。例えば、ＭＲＥ１５０では、仮想モンスター１３２は、モンスターがＭＲＥ１５０の周りを歩くときに生成される足音効果などの１つ以上の音声信号に関連付けられることができる。以下にさらに説明するように、複合現実システム１１２のプロセッサは、ＭＲＥ１５０内の全てのそのような音の混合および処理された合成に対応する音声信号を計算し、複合現実システム１１２に含まれる１つ以上のスピーカおよび／または１つ以上の外部スピーカを介してユーザ１１０に音声信号を提示することができる。
【0051】
例示的な複合現実システム
例示的な複合現実システム１１２は、（ニアアイディスプレイであってもよい左右の透過型ディスプレイと、ディスプレイからの光をユーザの眼に結合するための関連構成要素とを備え得る）ディスプレイ；左右スピーカ（例えば、ユーザの左右の耳にそれぞれ隣接して配置される）；（例えば、ヘッドデバイスのテンプルアームに取り付けられる）慣性測定ユニット（ＩＭＵ）；（例えば、左側のテンプル片に取り付けられる）直交コイル型電磁受信機；ユーザから離れる方向に向けられた左右のカメラ（例えば、深度（飛行時間）カメラ）；および（例えば、ユーザの眼球運動を検出するための）ユーザに向けられた左右の眼のカメラを備えるウェアラブルヘッドデバイス（例えば、ウェアラブル拡張現実または複合現実ヘッドデバイス）を含むことができる。しかしながら、複合現実システム１１２は、任意の適切なディスプレイ技術、および任意の適切なセンサ（例えば、光学、赤外線、音響、ＬＩＤＡＲ、ＥＯＧ、ＧＰＳ、磁気）を組み込むことができる。さらに、複合現実システム１１２は、他の複合現実システムを含む他のデバイスおよびシステムと通信するためのネットワーキング機能（例えば、Ｗｉ－Ｆｉ機能）を組み込み得る。複合現実システム１１２は、バッテリ（ユーザの腰の周りに装着されるように設計されたベルトパックなどの補助ユニットに装着され得る）、プロセッサ、およびメモリをさらに含み得る。複合現実システム１１２のウェアラブルヘッドデバイスは、ユーザの環境に対するウェアラブルヘッドデバイスの座標のセットを出力するように構成された、ＩＭＵまたは他の適切なセンサなどの追跡構成要素を含み得る。いくつかの例では、追跡構成要素は、同時位置特定およびマッピング（ＳＬＡＭ）および／またはビジュアルオドメトリアルゴリズムを実行するプロセッサに入力を提供し得る。いくつかの例では、複合現実システム１１２はまた、以下にさらに説明するように、ウェアラブルベルトパックであってもよいハンドヘルドコントローラ３００および／または補助ユニット３２０を含んでもよい。
例示的な複合現実システム１１２は、（ニアアイディスプレイであってもよい左右の透過型ディスプレイと、ディスプレイからの光をユーザの眼に結合するための関連構成要素とを備え得る）ディスプレイ；左右スピーカ（例えば、ユーザの左右の耳にそれぞれ隣接して配置される）；（例えば、ヘッドデバイスのテンプルアームに取り付けられる）慣性測定ユニット（ＩＭＵ）；（例えば、左側のテンプル片に取り付けられる）直交コイル型電磁受信機；ユーザから離れる方向に向けられた左右のカメラ（例えば、深度（飛行時間）カメラ）；および（例えば、ユーザの眼球運動を検出するための）ユーザに向けられた左右の眼のカメラを備えるウェアラブルヘッドデバイス（例えば、ウェアラブル拡張現実または複合現実ヘッドデバイス）を含むことができる。しかしながら、複合現実システム１１２は、任意の適切なディスプレイ技術、および任意の適切なセンサ（例えば、光学、赤外線、音響、ＬＩＤＡＲ、ＥＯＧ、ＧＰＳ、磁気）を組み込むことができる。さらに、複合現実システム１１２は、他の複合現実システムを含む他のデバイスおよびシステムと通信するためのネットワーキング機能（例えば、Ｗｉ－Ｆｉ機能）を組み込み得る。複合現実システム１１２は、バッテリ（ユーザの腰の周りに装着されるように設計されたベルトパックなどの補助ユニットに装着され得る）、プロセッサ、およびメモリをさらに含み得る。複合現実システム１１２のウェアラブルヘッドデバイスは、ユーザの環境に対するウェアラブルヘッドデバイスの座標のセットを出力するように構成された、ＩＭＵまたは他の適切なセンサなどの追跡構成要素を含み得る。いくつかの例では、追跡構成要素は、同時位置特定およびマッピング（ＳＬＡＭ）および／またはビジュアルオドメトリアルゴリズムを実行するプロセッサに入力を提供し得る。いくつかの例では、複合現実システム１１２はまた、以下にさらに説明するように、ウェアラブルベルトパックであってもよいハンドヘルドコントローラ３００および／または補助ユニット３２０を含んでもよい。
【0052】
図２Ａ～図２Ｄは、ＭＲＥ（ＭＲＥ１５０に対応し得る）または他の仮想環境をユーザに提示するために使用され得る例示的な複合現実システム２００（複合現実システム１１２に対応し得る）の構成要素を示している。図２Ａは、例示的な複合現実システム２００に含まれるウェアラブルヘッドデバイス２０２の斜視図を示している。図２Ｂは、ユーザの頭部２５２に装着されたウェアラブルヘッドデバイス２０２の平面図を示している。図２Ｃは、ウェアラブルヘッドデバイス２０２の正面図を示している。図２Ｄは、ウェアラブルヘッドデバイス２０２の例示的なアイピース２１０の端面図を示している。図２Ａ～図２Ｃに示すように、例示的なウェアラブルヘッドデバイス２０２は、例示的な左アイピース（例えば、左透明導波路セットアイピース）２０８および例示的な右アイピース（例えば、右透明導波路セットアイピース）２１０を含む。各アイピース２０８および２１０は、現実環境が見られることができる透過要素、ならびに現実環境と重複するディスプレイ（例えば、イメージワイズ変調光を介して）を提示するためのディスプレイ要素を含むことができる。いくつかの例では、そのようなディスプレイ要素は、イメージワイズ変調光の流れを制御するための表面回折光学素子を含むことができる。例えば、左アイピース２０８は、左内部結合格子セット２１２、左直交瞳孔拡張（ＯＰＥ）格子セット２２０、および左射出（出力）瞳孔拡張（ＥＰＥ）格子セット２２２を含むことができる。本明細書で使用される場合、瞳は、格子セットまたは反射器などの光学素子からの光の出射を指し得る。同様に、右アイピース２１０は、右内部結合格子セット２１８、右ＯＰＥ格子セット２１４、および右ＥＰＥ格子セット２１６を含むことができる。イメージワイズ変調された光は、内部結合格子２１２および２１８、ＯＰＥ２１４および２２０、ならびにＥＰＥ２１６および２２２を介してユーザの眼に伝達されることができる。各内部結合格子セット２１２、２１８は、光をその対応するＯＰＥ格子セット２２０、２１４に向けて偏向させるように構成されることができる。各ＯＰＥ格子セット２２０、２１４は、光をその関連するＥＰＥ２２２、２１６に向かって徐々に下方に偏向させ、それによって形成される射出瞳を水平に延ばすように設計されることができる。各ＥＰＥ２２２、２１６は、その対応するＯＰＥ格子セット２２０、２１４から受光した光の少なくとも一部を、アイピース２０８、２１０の背後に画定されたユーザのアイボックス位置（図示せず）に徐々に向け直すように構成されることができ、アイボックスに形成された射出瞳を垂直に延長する。あるいは、内部結合格子セット２１２および２１８、ＯＰＥ格子セット２１４および２２０、ならびにＥＰＥ格子セット２１６および２２２の代わりに、アイピース２０８および２１０は、イメージワイズ変調された光のユーザの眼への結合を制御するための格子ならびに／または屈折および反射機構の他の配置を含むことができる。
【0053】
いくつかの例では、ウェアラブルヘッドデバイス２０２は、左テンプルアーム２３０および右テンプルアーム２３２を含むことができ、左テンプルアーム２３０は、左スピーカ２３４を含み、右テンプルアーム２３２は、右スピーカ２３６を含む。直交コイル電磁受信機２３８は、左テンプル片内、またはウェアラブルヘッドユニット２０２内の別の適切な位置に配置されることができる。慣性測定ユニット（ＩＭＵ）２４０は、右テンプルアーム２３２内に、またはウェアラブルヘッドデバイス２０２内の別の適切な位置に配置されることができる。ウェアラブルヘッドデバイス２０２はまた、左深度（例えば、飛行時間）カメラ２４２および右深度カメラ２４４を含むことができる。深度カメラ２４２、２４４は、より広い視野をともにカバーするように、異なる方向に適切に配向されることができる。
【0054】
図２Ａ～図２Ｄに示す例では、イメージワイズ変調光の左供給源２２４は、左の内部結合格子セット２１２を介して左アイピース２０８に光学的に結合されることができ、イメージワイズ変調光の右供給源２２６は、右内部結合格子セット２１８を介して右アイピース２１０に光学的に結合されることができる。イメージワイズ変調光の供給源２２４、２２６は、例えば、光ファイバスキャナ；デジタル光処理（ＤＬＰ）チップまたは液晶オンシリコン（ＬＣｏＳ）変調器などの電子光変調器を含むプロジェクタ；または、側面ごとに１つ以上のレンズを使用して内部結合格子セット２１２、２１８に結合されたマイクロ発光ダイオード（μＬＥＤ）またはマイクロ有機発光ダイオード（μＯＬＥＤ）パネルなどの発光ディスプレイを含むことができる。入射結合格子セット２１２、２１８は、イメージワイズ変調光の供給源２２４、２２６からの光を、アイピース２０８、２１０の全内部反射（ＴＩＲ）の臨界角を超える角度に偏向させることができる。ＯＰＥ格子セット２１４、２２０は、ＴＩＲによって伝播する光をＥＰＥ格子セット２１６、２２２に向かって徐々に下方に偏向させる。ＥＰＥ格子セット２１６、２２２は、ユーザの眼の瞳孔を含むユーザの顔に向かって光を徐々に結合する。
【0055】
いくつかの例では、図２Ｄに示すように、左アイピース２０８および右アイピース２１０のそれぞれは、複数の導波路２７２を含む。例えば、各アイピース２０８、２１０は、それぞれがそれぞれの色チャネル（例えば、赤色、青色および緑色）専用の複数の個々の導波路を含むことができる。いくつかの例では、各アイピース２０８、２１０は、そのような導波路の複数のセットを含むことができ、各セットは、放射された光に異なる波面曲率を付与するように構成される。波面曲率は、例えば、ユーザの前方にある距離（例えば、波面曲率の逆数に対応する距離だけ）に配置された仮想オブジェクトを提示するために、ユーザの眼に対して凸状であってもよい。いくつかの例では、ＥＰＥ格子セット２１６、２２２は、各ＥＰＥを横切る出射光のポインティングベクトルを変更することによって凸波面曲率を達成する湾曲格子溝を含むことができる。
【0056】
いくつかの例では、表示されたコンテンツが３次元であるという知覚を作り出すために、立体的に調整された左右の眼の画像が、イメージワイズ光変調器２２４、２２６およびアイピース２０８、２１０を通してユーザに提示されることができる。立体的な左右の画像によって示される距離に近い距離に仮想オブジェクトが表示されるように導波路を選択する（したがって、波面曲率に対応する）ことによって、３次元仮想オブジェクトの提示の知覚される臨場感が高められることができる。この技術はまた、立体視左右眼画像によって提供される深度知覚キューと人間の眼の自律神経調節（例えば、オブジェクト距離に依存する焦点）との間の差によって引き起こされ得る、一部のユーザが体験する酔いを低減し得る。
【0057】
図２Ｄは、例示的なウェアラブルヘッドデバイス２０２の右アイピース２１０の上からの端面図を示している。図２Ｄに示すように、複数の導波路２７２は、３つの導波路２７４の第１のサブセットと、３つの導波路２７６の第２のサブセットとを含むことができる。導波路２７４、２７６の２つのサブセットは、出射光に異なる波面曲率を付与するために異なる格子線曲率を特徴とする異なるＥＰＥ格子によって区別されることができる。導波路２７４、２４７６の各サブセット内で、各導波路が使用されて、異なるスペクトルチャネル（例えば、赤色、緑色、および青色のスペクトルチャネルのうちの１つ）をユーザの右眼２５６に結合することができる。（図２Ｄには示されていないが、左アイピース２０８の構造は、右アイピース２１０の構造と類似している。）
【0058】
図３Ａは、複合現実システム２００の例示的なハンドヘルドコントローラ構成要素３００を示している。いくつかの例では、ハンドヘルドコントローラ３００は、グリップ部３４６と、上面３４８に沿って配置された１つ以上のボタン３５０とを含む。いくつかの例では、ボタン３５０は、カメラまたは他の光学センサ（これは、複合現実システム２００のヘッドユニット（例えば、ウェアラブルヘッドデバイス２０２）に装着されることができる）とともに、例えば、ハンドヘルドコントローラ３００の６自由度（６ＤＯＦ）動きを追跡するための光学追跡ターゲットとして使用するように構成され得る。いくつかの例では、ハンドヘルドコントローラ３００は、ウェアラブルヘッドデバイス２０２に対する位置または向きなどの位置または向きを検出するための追跡構成要素（例えば、ＩＭＵまたは他の適切なセンサ）を含む。いくつかの例では、そのような追跡構成要素は、ハンドヘルドコントローラ３００のハンドル内に配置されてもよく、および／またはハンドヘルドコントローラに機械的に結合されてもよい。ハンドヘルドコントローラ３００は、ボタンの押下状態；またはハンドヘルドコントローラ３００の位置、向き、および／または動き（例えば、ＩＭＵを介して）のうちの１つ以上に対応する１つ以上の出力信号を提供するように構成されることができる。そのような出力信号は、複合現実システム２００のプロセッサへの入力として使用され得る。そのような入力は、ハンドヘルドコントローラの位置、向き、および／または動き（および、延長により、コントローラを保持するユーザの手の位置、向き、および／または動きに）に対応し得る。そのような入力は、ユーザがボタン３５０を押すことにも対応し得る。
【0059】
図３Ｂは、複合現実システム２００の例示的な補助ユニット３２０を示している。補助ユニット３２０は、システム２００を動作させるためのエネルギーを供給するためのバッテリを含むことができ、システム２００を動作させるためのプログラムを実行するためのプロセッサを含むことができる。図示のように、例示的な補助ユニット３２０は、補助ユニット３２０をユーザのベルトに取り付けるなどのためのクリップ２２８を含む。ユニットをユーザのベルトに取り付けることを伴わないフォームファクタを含む、他のフォームファクタが補助ユニット３２０に適しており、明らかであろう。いくつかの例では、補助ユニット３２０は、例えば、電線および光ファイバを含むことができる多導管ケーブルを介してウェアラブルヘッドデバイス２０２に結合される。補助ユニット３２０とウェアラブルヘッドデバイス２０２との間の無線接続も使用されることができる。
【0060】
いくつかの例では、複合現実システム２００は、音を検出し、対応する信号を複合現実システムに提供するための１つ以上のマイクロフォンを含むことができる。いくつかの例では、マイクロフォンは、ウェアラブルヘッドデバイス２０２に取り付けられるか、または一体化されてもよく、ユーザの音声を検出するように構成されてもよい。いくつかの例では、マイクロフォンは、ハンドヘルドコントローラ３００および／または補助ユニット３２０に取り付けられるか、または一体化されてもよい。そのようなマイクロフォンは、環境音、周囲の雑音、ユーザもしくは第三者の音声、または他の音を検出するように構成されてもよい。
【0061】
図４は、上述した複合現実システム２００（これは、図１に関する複合現実システム１１２に対応し得る）などの例示的な複合現実システムに対応し得る例示的な機能ブロック図を示している。図４に示すように、例示的なハンドヘルドコントローラ４００Ｂ（ハンドヘルドコントローラ３００（「トーテム」）に対応し得る）は、トーテム・ツー・ウェアラブルヘッドデバイス６自由度（６ＤＯＦ）トーテムサブシステム４０４Ａを含み、例示的なウェアラブルヘッドデバイス４００Ａ（ウェアラブルヘッドデバイス２０２に対応し得る）は、トーテム・ツー・ウェアラブルヘッドデバイス６ＤＯＦサブシステム４０４Ｂを含む。この例では、６ＤＯＦトーテムサブシステム４０４Ａおよび６ＤＯＦサブシステム４０４Ｂは、協働して、ウェアラブルヘッドデバイス４００Ａに対するハンドヘルドコントローラ４００Ｂの６つの座標（例えば、３つの並進方向のオフセットおよび３つの軸に沿った回転）を決定する。６自由度は、ウェアラブルヘッドデバイス４００Ａの座標系を基準として表され得る。３つの並進オフセットは、そのような座標系におけるＸ、Ｙ、およびＺオフセットとして、並進行列として、または他の何らかの表現として表され得る。回転自由度は、ヨー、ピッチ、およびロール回転のシーケンスとして、回転行列として、四元数として、または他の何らかの表現として表され得る。いくつかの例では、ウェアラブルヘッドデバイス４００Ａ；ウェアラブルヘッドデバイス４００Ａに含まれる１つ以上の深度カメラ４４４（および／または１つ以上の非深度カメラ）；および／または１つ以上の光学ターゲット（例えば、上述したハンドヘルドコントローラ４００Ｂのボタン３５０、またはハンドヘルドコントローラ４００Ｂに含まれる専用の光学ターゲット）が６ＤＯＦ追跡に使用されることができる。いくつかの例では、ハンドヘルドコントローラ４００Ｂは、上述したように、カメラを含むことができ、ウェアラブルヘッドデバイス４００Ａは、カメラと連動して光学追跡のための光学ターゲットを含むことができる。いくつかの例では、ウェアラブルヘッドデバイス４００Ａおよびハンドヘルドコントローラ４００Ｂは、それぞれ、３つの識別可能な信号を無線で送受信するために使用される３つの直交して配向されたソレノイドのセットを含む。受信に使用されるコイルのそれぞれにおいて受信された３つの識別可能な信号の相対的な大きさを測定することにより、ハンドヘルドコントローラ４００Ｂに対するウェアラブルヘッドデバイス４００Ａの６ＤＯＦが決定され得る。さらに、６ＤＯＦトーテムサブシステム４０４Ａは、ハンドヘルドコントローラ４００Ｂの迅速な動きに関する改善された精度および／またはよりタイムリーな情報を提供するのに有用な慣性測定ユニット（ＩＭＵ）を含むことができる。
【0062】
いくつかの実施形態では、ウェアラブルシステム４００は、ヘッドギアデバイス４００Ａ上に配置された１つ以上のマイクロフォンを含むことができるマイクロフォンアレイ４０７を含むことができる。いくつかの実施形態では、マイクロフォンアレイ４０７は、４つのマイクロフォンを含むことができる。ヘッドギア４００Ａの前面に２つのマイクロフォンが配置されることができ、ヘッドヘッドギア４００Ａの背面に２つのマイクロフォンが配置されることができる（例えば、左後方に１つ、右後方に１つ）。いくつかの実施形態では、マイクロフォンアレイ４０７によって受信された信号は、ＤＳＰ４０８に送信されることができる。ＤＳＰ４０８は、マイクロフォンアレイ４０７から受信された信号に対して信号処理を実行するように構成されることができる。例えば、ＤＳＰ４０８は、マイクロフォンアレイ４０７から受信した信号に対してノイズ低減、音響エコー除去、および／またはビームフォーミングを実行するように構成されることができる。ＤＳＰ４０８は、信号をプロセッサ４１６に送信するように構成されることができる。
【0063】
いくつかの例では、例えば、座標系１０８に対するウェアラブルヘッドデバイス４００Ａの動きを補償するために、座標をローカル座標空間（例えば、ウェアラブルヘッドデバイス４００Ａに対して固定された座標空間）から慣性座標空間（例えば、現実環境に対して固定された座標空間）に変換することが必要になることがある。例えば、そのような変換は、現実環境に仮想オブジェクト（例えば、現実の椅子に座っており、ウェアラブルヘッドデバイスの位置および向きに関係なく、前方を向いている仮想人物）が存在するという錯覚を維持するために、ウェアラブルヘッドデバイス４００Ａのディスプレイが、ディスプレイ上の固定された位置および向きではなく、現実環境に対して予想される位置（例えば、ディスプレイの右下隅の同じ位置）および向きで仮想オブジェクトを提示するために必要であり得る（そして、例えば、ウェアラブルヘッドデバイス４００Ａが移動および回転するときに現実環境に不自然に配置されているようには見えない）。いくつかの例では、座標空間間の補償変換は、座標系１０８に対するウェアラブルヘッドデバイス４００Ａの変換を決定するために、ＳＬＡＭおよび／またはビジュアルオドメトリ手順を使用して深度カメラ４４４からの画像を処理することによって決定されることができる。図４に示す例では、深度カメラ４４４は、ＳＬＡＭ／ビジュアルオドメトリブロック４０６に結合され、画像をブロック４０６に提供することができる。ＳＬＡＭ／ビジュアルオドメトリブロック４０６の実装は、この画像を処理し、ユーザの頭部の位置および向きを決定するように構成されたプロセッサを含むことができ、頭部座標空間と別の座標空間（例えば、慣性座標空間）との間の変換を識別するために使用されることができる。同様に、いくつかの例では、ユーザの頭部姿勢および位置に関する追加の情報源は、ＩＭＵ４０９から取得される。ＩＭＵ４０９からの情報は、ＳＬＡＭ／ビジュアルオドメトリブロック４０６からの情報と統合されて、ユーザの頭部姿勢および位置の迅速な調整に関する改善された精度および／またはよりタイムリーな情報を提供することができる。
【0064】
いくつかの例では、深度カメラ４４４は、ウェアラブルヘッドデバイス４００Ａのプロセッサに実装され得るハンドジェスチャトラッカ４１１に３Ｄ画像を供給することができる。ハンドジェスチャトラッカ４１１は、例えば、深度カメラ４４４から受信した３Ｄ画像をハンドジェスチャを表す記憶されたパターンと照合することによって、ユーザのハンドジェスチャを識別することができる。ユーザのハンドジェスチャを識別する他の適切な技術が明らかであろう。
【0065】
いくつかの例では、１つ以上のプロセッサ４１６は、ウェアラブルヘッドデバイスの６ＤＯＦヘッドギアサブシステム４０４Ｂ、ＩＭＵ４０９、ＳＬＡＭ／ビジュアルオドメトリブロック４０６、深度カメラ４４４、および／またはハンドジェスチャトラッカ４１１からデータを受信するように構成され得る。プロセッサ４１６はまた、６ＤＯＦトーテムシステム４０４Ａから制御信号を送受信することもできる。プロセッサ４１６は、ハンドヘルドコントローラ４００Ｂが接続されていない例のように、６ＤＯＦトーテムシステム４０４Ａに無線で結合されてもよい。プロセッサ４１６は、さらに、視聴覚コンテンツメモリ４１８、グラフィカル処理ユニット（ＧＰＵ）４２０、および／またはデジタル信号プロセッサ（ＤＳＰ）音声スペーシャライザ４２２などの追加の構成要素と通信してもよい。ＤＳＰ音声スペーシャライザ４２２は、頭部伝達関数（ＨＲＴＦ）メモリ４２５に結合されてもよい。ＧＰＵ４２０は、イメージワイズ変調光４２４の左供給源に結合された左チャネル出力と、イメージワイズ変調光４２６の右供給源に結合された右チャネル出力とを含むことができる。ＧＰＵ４２０は、例えば、図２Ａ～図２Ｄを参照して上述したように、立体画像データをイメージワイズ変調光４２４、４２６の供給源に出力することができる。ＤＳＰ音声スペーシャライザ４２２は、左スピーカ４１２および／または右スピーカ４１４に音声を出力することができる。ＤＳＰ音声スペーシャライザ４２２は、ユーザから仮想音源（これは、例えば、ハンドヘルドコントローラ３２０を介して、ユーザによって移動され得る）への方向ベクトルを示す入力をプロセッサ４１９から受信することができる。方向ベクトルに基づいて、ＤＳＰ音声スペーシャライザ４２２は、（例えば、ＨＲＴＦにアクセスすることによって、または複数のＨＲＴＦを補間することによって）対応するＨＲＴＦを決定することができる。次いで、ＤＳＰ音声スペーシャライザ４２２は、決定されたＨＲＴＦを、仮想オブジェクトによって生成された仮想音に対応する音声信号などの音声信号に適用することができる。これは、複合現実環境における仮想音に対するユーザの相対的な位置および向きを組み込むことによって、すなわち、仮想音が現実環境の現実音である場合にその仮想音がどのように聞こえるかというユーザの期待に一致する仮想音を提示することによって、仮想音の真実味および臨場感を高めることができる。
【0066】
図４に示すようないくつかの例では、プロセッサ４１６、ＧＰＵ４２０、ＤＳＰ音声スペーシャライザ４２２、ＨＲＴＦメモリ４２５、および視聴覚コンテンツメモリ４１８のうちの１つ以上は、補助ユニット４００Ｃ（上述した補助ユニット３２０に対応し得る）に含まれ得る。補助ユニット４００Ｃは、その構成要素に電力を供給するため、および／またはウェアラブルヘッドデバイス４００Ａまたはハンドヘルドコントローラ４００Ｂに電力を供給するためのバッテリ４２７を含み得る。ユーザの腰に装着されることができる補助ユニットにこのような構成要素を含めることは、ウェアラブルヘッドデバイス４００Ａのサイズおよび重量を制限することができ、ひいてはユーザの頭と首の疲労を軽減することができる。
【0067】
図４は、例示的な複合現実システムの様々な構成要素に対応する要素を示しているが、これらの構成要素の様々な他の適切な配置が当業者には明らかになるであろう。例えば、補助ユニット４００Ｃに関連付けられているものとして図４に示されている要素は、代わりに、ウェアラブルヘッドデバイス４００Ａまたはハンドヘルドコントローラ４００Ｂに関連付けられることができる。さらにまた、いくつかの複合現実システムは、ハンドヘルドコントローラ４００Ｂまたは補助ユニット４００Ｃを完全に取り止めてもよい。そのような変形および変更は、開示された例の範囲内に含まれると理解されるべきである。
【0068】
例示的な薄い導波路照明層
例示的な複合現実システム（例えば、複合現実システム２００）のウェアラブルヘッドデバイスまたはヘッドマウントディスプレイは、ディスプレイを介してユーザに画像を提示するための光学系を含み得る。例示的な光学系は、視線追跡機能をさらに含み得る。例えば、図５、図６Ａ～図６Ｂ、図７Ａ～図７Ｄ、図８Ａ～図８Ｃ、および図９Ａ～図９Ｃは、本開示の実施形態にかかるウェアラブルヘッドデバイス（例えば、ウェアラブルヘッドデバイス２０２）において使用されることができる光学系および／または照明層の例を示している。
例示的な複合現実システム（例えば、複合現実システム２００）のウェアラブルヘッドデバイスまたはヘッドマウントディスプレイは、ディスプレイを介してユーザに画像を提示するための光学系を含み得る。例示的な光学系は、視線追跡機能をさらに含み得る。例えば、図５、図６Ａ～図６Ｂ、図７Ａ～図７Ｄ、図８Ａ～図８Ｃ、および図９Ａ～図９Ｃは、本開示の実施形態にかかるウェアラブルヘッドデバイス（例えば、ウェアラブルヘッドデバイス２０２）において使用されることができる光学系および／または照明層の例を示している。
【0069】
図５は、ウェアラブルヘッドデバイス（例えば、ウェアラブルヘッドデバイス２０２）に使用され得る例示的な光学系５００に対応する光学スタックを示している。図に示されるように、光学系５００は、層状に配置された複数の光学部品を含むことができる。例えば、光学系５００は、外側レンズ５０１、調光器５０３、可視光導波路５０５、内側レンズ５０７、ＩＲ照明層５１０、および矯正処方インサート５０９のうちの１つ以上を含み得る。光学系５００は、ユーザの眼５２０にデジタル画像を提示し、ユーザの環境のビューを提示し、および／またはユーザの眼球運動を追跡するように構成され得る。外側レンズおよび内側レンズは、焦点が合っているユーザの環境および／またはデジタル画像のビューを提供し得る。いくつかの例では、外側レンズ５０１および／または内側レンズ５０７は、例えば、レンズがそれらの形状を維持することができるように、剛性のためにキャリアプレート（別個には図示せず）に取り付けられることができる。調光器５０３は、ユーザの環境から光学系に入る光の量を調整するために設けられることができる。可視光導波路５０５は、デジタルコンテンツをユーザに提示するために設けられることができる。ＩＲ照明層５１０（本明細書では照明層とも呼ばれる）は、視線追跡能力を促進するために設けられることができる。いくつかの例では、照明層は、可視光導波路５０５とユーザの眼との間に位置決めされることができる。矯正処方インサート５０９は、光学系を特定のユーザの視力に合わせるために設けられることができる。図面は、例示を目的として含まれており、必ずしも縮尺通りでなくてもよく、および／または層の相対的な厚さを示していなくてもよい。
【0070】
図６Ａは、本開示の実施形態にかかる例示的な照明層６１０Ａを示している。照明層６１０Ａは、光学系、例えば光学系５００に含まれ得る。図に示すように、照明層６１０Ａは、基材６１２および１つ以上のＬＥＤ６１４Ａを含み得る。いくつかの実施形態では、照明層は、１つ以上のＬＥＤ６１４Ａに接続された１つ以上の金属トレース（図示せず）を含み得る。ＬＥＤ６１４Ａは、赤外線範囲の波長に対応するＩＲ ＬＥＤであり得る。図に示されるように、１つ以上のＬＥＤ６１４Ａは、基材６１２の裏面６１８に配置され得る。ＬＥＤ６１４Ａは、ＩＲ照明光６１６をユーザの眼６２０に提供し得る。ＩＲ照明光は、眼６２０の表面から反射されて、ＩＲ眼反射光６２２、例えば眼のグリントを形成し得る。ＩＲ反射光６２２の一部は、光センサ６２４において受光され得る。いくつかの実施形態では、光センサ６２４は、照明層６１０Ａの外縁付近、例えば、光学系５００の縁部付近に配置され得る。いくつかの例では、光センサ６２４は、光学系の一部であってもよいが、照明層上に物理的に配置されなくてもよい。ＩＲ反射光６２２、例えば眼のグリントの受光した部分は、眼６２０の眼球運動を追跡するためにＭＲシステムによって処理されることができる。
【0071】
図６Ｂは、本開示の実施形態にかかる例示的な照明層６１０Ｂを示している。照明層６１０Ｂは、光学系、例えば光学系５００に含まれ得る。図に示すように、照明層６１０Ｂは、基材６１２および１つ以上のＬＥＤ６１４Ｂを含み得る。図に示すように、１つ以上のＬＥＤ６１４Ｂは、基材６１２の前面６２６に配置され得る。いくつかの実施形態では、照明層は、１つ以上のＬＥＤ６１４Ｂに接続された１つ以上の金属トレース（図示せず）を含み得る。ＬＥＤ６１４Ｂは、図６Ａに関して説明したように、ＩＲ照明光６１６をユーザの眼に提供し得る。ＬＥＤ６１４Ｂは、赤外線範囲の波長に対応するＩＲ ＬＥＤであり得る。
【0072】
いくつかの実施形態では、基材６１２は、キャリアプレート、例えばガラスキャリアプレート上に積層されたポリマー層から形成された可撓性または剛性基材であり得る。例えば、基材は、ガラスキャリアプレート上に積層されたポリカーボネート（ＰＣ）、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、および／またはトリアセテートセルロース（ＴＡＣ）を含み得る。基材６１２を形成するポリマー材料は、比較的安価で機械的に信頼性があり得るが、基材６１２は、反射および／または曇りに起因する光透過損失、ならびに材料間の界面、例えばポリマー／ガラス界面での光透過損失を受けやすいことがある。さらに、ポリマー材料は、表面化学的攻撃および膨潤などの加工上の問題を起こしやすい可能性があり、耐擦傷性が低く、これは、光透過性の低下および曇りの増加に寄与する可能性がある。光透過の損失および曇りは、光学系、例えば光学系５００を通過する環境光の量に影響を及ぼし、光学系を介してユーザに提示されるデジタル画像の品質に影響を及ぼす可能性がある。
【0073】
本開示の１つ以上の実施形態では、照明層は、薄い導波路を備えることができる。いくつかの例では、本開示の実施形態にかかる導波路照明層は、ＬＥＤ照明層よりも薄くすることができる。図７Ａおよび図７Ｂは、本開示の実施形態にかかる導波路照明層の例を示している。図７Ａに示すように、照明層７１０Ａは、導波路７１２を含み得る。導波路は、少なくとも内部結合格子７３２および１つ以上の外部結合格子７３４を含み得る。導波路７１２への内部結合光７３６を受光するために、内部結合格子７３２が設けられることができる。導波路７１２からの光７１６を結合するために、１つ以上の外部結合格子７３４が設けられることができる。図に示すように、内部結合格子７１２および１つ以上の外部結合格子７３４Ａの両方は、ユーザの眼７２０から離れて、同じ表面７１８、例えば導波路７１２の裏面７１８に配置されることができる。いくつかの実施形態では、内部結合格子７１２および１つ以上の外部結合格子７３４Ａの両方は、ユーザの眼７２０に向かって、導波路の前面７２６に配置されることができる。１つ以上の例では、内部結合格子および外部結合格子は、対向する面に配置されることができる。例えば、内部結合格子は裏面に配置されることができる一方で、外部結合格子は前面に配置されることができる。
【0074】
図に示すように、内部結合格子７３２は、例えば外部ＩＲ ＬＥＤなどのＬＥＤから光７３６を受光することができる。いくつかの例では、導波路７１２は、内部結合格子７３２が光学系の照明層７１０Ａの外部のＬＥＤと位置合わせされるように位置決めされることができる。受光した光７３６は、導波路を通過し、導波路７１２の裏面７１８に配置された内部結合格子７３２によって導波路７１２内に内部結合されることができる。内部結合光は、内部全反射（ＴＩＲ）を介して導波路７１２内で反射され、内部反射光７３６を形成することができる。
【0075】
１つ以上の外部結合格子７３４Ａは、ＴＩＲを介して反射光７３６を受光し、導波路７１２からの反射光を外部結合して外部結合光７１６を形成することができる。外部結合光７１６は、ユーザの眼に向けられることができる。いくつかの例では、ＩＲ照明光は、眼の表面で反射されて、上述したように眼球運動を追跡するために使用されることができるＩＲ眼反射光（眼のグリント）を形成し得る。いくつかの例では、１つ以上の外部結合格子７３４Ａは、導波路７１２の小さな特定の領域に位置決めされることができる。例えば、１つ以上の外部結合格子７３４Ａは、約０．５ｍｍの直径を有することができる。いくつかの例では、１つ以上の外部結合格子は、高い効率および強度で光７１６を外部結合して、外部結合光７１６のうちの１つ以上を視線追跡のために眼に向けることができる。
【0076】
図７Ｂは、本開示の実施形態にかかる導波路照明層の例を示している。図に示すように、照明層７１０Ｂは、照明層７１０Ａと実質的に同様であり得る。例えば、照明層は、導波路７１２を含むことができ、導波路７１２は、上述したように、少なくとも内部結合格子７３２および１つ以上の外部結合格子７３４Ｂを含むことができる。図に示すように、外部結合格子７３４Ｂは、導波路７１２の前面および裏面の両方に配置されることができる。内部結合格子７３２および外部結合格子７３４Ｂは、照明層７１０Ａに関して説明した格子と同様に機能し得る。
【0077】
本開示の実施形態にかかる導波路照明層は、ＬＥＤ照明層、例えば照明層６１０Ａ～６１０Ｂに関連付けられた曇りおよび光損失を被り得ない。例えば、導波路照明層７１０は、その上に配置された１つ以上の格子を有する導波路層７１２を備えることができるため、導波路照明層は、ポリマーとガラスキャリアプレートとの間を移動する光に関連付けられた光損失を示す必要はない。１つ以上の例では、導波路照明層を通る可視光の透過率を改善するために、１つ以上の反射防止層が、図７Ｃ～図７Ｄに示すように導波路の少なくとも１つの表面に適用されることができる。
【0078】
図７Ｃは、本開示の実施形態にかかる導波路照明層７１０Ｃの例を示している。図に示すように、導波路照明層７１０Ｃは、導波路照明層７１０Ａと実質的に同様であり得る。例えば、照明層７１０Ｃは、導波路７１２を含むことができ、導波路７１２は、少なくとも内部結合格子７３２および１つ以上の外部結合格子７３４Ｃを含むことができる。導波路照明層７１０Ｃは、導波路７１２の前面７２６に配置された反射防止コーティング７５４Ｃをさらに含むことができる。上述したように、反射防止コーティング７５４Ｃは、可視光に対する導波路照明層７１０Ｃの透過率を改善することができる。
【0079】
図７Ｄは、本開示の実施形態にかかる導波路照明層７１０Ｄの例を示している。図に示すように、導波路照明層７１０Ｄは、導波路照明層７１０Ａと実質的に同様であり得る。例えば、照明層７１０Ｄは、導波路７１２を含むことができ、導波路７１２は、少なくとも内部結合格子７３２および１つ以上の外部結合格子７３４Ｄを含むことができる。導波路照明層７１０Ｄは、導波路７１２の前面７２６に配置された反射防止層７５４Ｄをさらに含むことができる。反射防止ナノパターンは、導波路７１０Ｄの１つ以上の表面に表面レリーフ（ＳＲ）パターンを形成する複数のナノ構造を含むことができる。いくつかの例では、反射防止ナノパターン７５４Ｄは、導波路の片面または両面に適用されることができる。図に示すように、例えば、反射防止ナノパターン７５４Ｄは、導波路７１０Ｄの前面７２６にわたってパターニングされることができる。図に示すように、例えば、ナノパターン７５４Ｄは、１つ以上の外部結合格子７３４Ｄの間で、導波路７１０Ｄの裏面７１８にわたってパターニングされることができる。反射防止ナノパターンは、例えば、その全体が参照により本明細書に組み込まれる、２０２１年４月１６日に出願された米国仮特許出願第６３／１７６，０７７号においてより詳細に論じられている。上述したように、反射防止コーティング７５４Ｄは、可視光に対する導波路照明層７１０Ｄの透過率を改善することができる。
【0080】
薄い導波路を含む照明層、例えば照明層７１０Ａおよび７１０Ｂは、光学系スタックに設計の柔軟性を提供することができる。例えば、導波路照明層は、スタック内の異なる位置に移動されることができ、および／または１つ以上の他の光学部品と併合されることができる。図８Ａ～図８Ｃおよび図９Ａ～図９Ｃは、本開示の実施形態にかかる導波路照明層を含む光学系スタックの例を示している。図面は、例示を目的として含まれており、必ずしも縮尺通りでなくてもよく、および／または層の相対的な厚さを示していなくてもよい。
【0081】
いくつかの実施形態では、導波路は、両側または同じ側に内部結合格子および外部結合格子を含むことができる。内部結合格子は、伝送モードで動作し得る。例えば、内部結合格子に関して、光は、最初に表面レリーフ格子に当たるときに結合し、次いで基材内に回折し得て、外部結合格子の場合、光は、基材内から格子に当たり得て、光の大部分は、ユーザに向かって外側に回折し得る。いくつかの実施形態では、内部結合格子は、反射モードで動作し得る。例えば、内部結合格子に関して、光は、基材を介して結合し、次いで、光を基材内に回折させる反対側の表面レリーフ格子に当たり得て、外部結合格子について、光は、基材内から格子に当たり、格子の反対側に向かって、およびユーザまたはディフューザなどの別の光学素子に向かって外側に回折し得る。いくつかの実施形態では、格子のうちの１つは反射モードで動作し、別の格子は透過モードで動作し得る。さらに、いくつかの実施形態では、本明細書に記載の外部結合格子要素は、（例えば、ユーザの眼に向かって外向きに、例えば、グリント反射を改善するために）光を拡散するためのディフューザ要素として作用する格子のピッチ内のフレネルレンズ機能を含み得る。
【0082】
図８Ａ～図８Ｃは、本開示の実施形態にかかる照明層を含む光学系についての光学スタックを示している。これらの図は、光学系に導波路照明層を備えることの汎用性を示している。図８Ａは、例示的な光学系８００Ａを示している。例えば、光学系８００Ａは、外側レンズ８０１、可視光導波路８０５、導波路照明層８１０Ａ、および内側レンズ８０７Ａを含むことができる。外側レンズ８０１および内側レンズ８０７Ａは、ユーザの環境および／またはデジタル画像の焦点を合わせたビューを提供し得る。可視光導波路８０５は、デジタルコンテンツをユーザに提示するために設けられた１つ以上の導波路層を含むことができる。いくつかの例では、外側レンズ８０１および／または内側レンズ８０７Ａは、例えば、レンズがそれらの形状を維持することができるように、剛性のためにキャリアプレート８０９に取り付けられることができる。図に示すように、可視光導波路８０５は、外側レンズ８０１と内側レンズ８０７Ａとの間に配置されることができ、照明層８１０Ａは、可視光導波路８０５に対して内側レンズ８０７Ａの外側に配置されることができる。
【0083】
１つ以上の例では、導波路照明層は、外側レンズと内側レンズとの間に配置されることができる。いくつかの例では、照明は、外側レンズと内側レンズとの間に配置されることができ、これにより、光学スタック内の処方レンズ、例えば光学系５００内の処方レンズ５０９に対するより良好な適合を提供することができる。例えば、図８Ｂは、導波路照明層８１０Ｂが外側レンズと内側レンズとの間に配置されている例示的な光学系８００Ｂを示している。光学系８００Ｂは、外側レンズ８０１、可視光導波路８０５、導波路照明層８１０Ｂ、および内側レンズ８０７Ｂを含むことができる。図に示すように、照明層８１０Ｂは、可視光導波路８０５に隣接する外側レンズ８０１と内側レンズ８０７Ｂとの間に配置されることができる。
【0084】
図８Ｃは、例示的な光学系８００Ｃを示している。例えば、光学系８００Ｃは、外側レンズ８０１、可視光導波路８０５、導波路照明層８１０Ｃ、および内側レンズ８０７を含むことができる。図に示すように、照明層８１０Ｃは、可視光導波路８０５によって外側レンズ８０１と内側レンズ８０７Ｃとの間に配置されることができる。いくつかの例では、内側レンズ８０７Ｃは、例えば、キャリアプレートに結合される代わりに、照明層８１０Ｃに結合されることができる。例えば、いくつかの実施形態では、内側レンズ８０７Ｃは、照明層８１０Ｃに成形されることができる。このようにして、照明層８１０Ｃおよび内側レンズ８０７Ｃは、単一の構成要素を形成することができる。これは、光学系スタック８００Ａおよび８００Ｂと比較して、光学系スタック８００Ｃの全体の厚さを低減することができる。
【0085】
図９Ａ～図９Ｃは、本開示の実施形態にかかる照明層用のアイピーススタックを示している。これらの図は、導波路照明層、例えば照明層７１０Ａまたは７１０Ｂを使用して、薄いアイピーススタックを提供することができる方法を示している。
【0086】
図９Ａは、ウェアラブルヘッドデバイス（例えば、ウェアラブルヘッドデバイス２０２）に使用されることができる例示的な光学系９００Ａを示している。図に示すように、光学系９００Ａは、層状に配置された複数の光学部品を含むことができる。例えば、光学系９００Ａは、外側レンズ９０１Ａ、調光器９０３、可視光導波路９０５Ａ、内側レンズ９０７Ａ、ＩＲ照明層９１０Ａ、および矯正処方インサート９０９のうちの１つ以上を含み得る。光学系９００Ａは、ユーザの眼にデジタル画像を提示し、ユーザの環境のビューを提示し、および／またはユーザの眼球運動を追跡するように構成され得る。光学系９００Ａのこれらの構成要素は、上述したように様々な機能を実行することができる。図に示すように、導波路照明層９１０Ａは、可視光導波路９０５Ａに隣接する外側レンズ９０１Ａと内側レンズ９０７Ａとの間に配置されることができる。光学系９００Ａは、薄い導波路照明層を有しない視線追跡を有する導波路光学系よりも薄くてもよい。例えば、上述した光学系５００は、約８～１２ｍｍの厚さを有することができ、光学系９００Ａは、約４～８ｍｍの範囲の厚さを有することができる。
【0087】
図９Ｂは、ウェアラブルヘッドデバイス（例えば、ウェアラブルヘッドデバイス２０２）に使用され得る例示的な光学系９００Ｂを示している。図に示すように、光学系９００Ｂは、層状に配置された複数の光学部品を含むことができる。例えば、光学系９００Ｂは、外側レンズ９０１Ｂ、調光器９０３、可視光導波路９０５Ｂ、内側レンズ９０７Ｂ、ＩＲ照明層９１０Ｂ、および矯正処方インサート９０９のうちの１つ以上を含み得る。光学系９００Ｂは、ユーザの眼にデジタル画像を提示し、ユーザの環境のビューを提示し、および／またはユーザの眼球運動を追跡するように構成され得る。光学系９００Ｂのこれらの構成要素は、上述したように様々な機能を実行することができる。図に示すように、いくつかの例では、導波路照明層９１０Ｂは、可視光導波路９０５Ｂによって外側レンズ９０１Ｂと内側レンズ９０７Ｂとの間に配置されることができる。いくつかの例では、内側レンズ９０７Ｂは、例えば、キャリアプレートに結合される代わりに、照明層９１０Ｂ上に結合されることができる。いくつかの例では、調光器９０３は、外側レンズ９０１Ｂと内側レンズ９０７Ｂとの間に調光器９０３が位置しないように、外側レンズ９０１Ｂの外側に配置されることができる。いくつかの例では、内側レンズ９０７Ｂと導波路照明層９１０Ｂとの併合に起因して、光学系９００Ｂの全体の厚さが低減されることができる。いくつかの例では、外側レンズ９０１Ｂは、キャリアプレートに取り付けられる必要はなく、これは、光学系９００Ｂの厚さを低減することもできる。いくつかの例では、アイピーススタックは、約３．１５ｍｍの厚さ（ｔ）を有することができる。
【0088】
光学系の嵩およびサイズを低減することに加えて、内側レンズ９０７Ｂを導波路照明層９１０Ｂに組み合わせることは、内側レンズ９０７Ｂの曲率に起因する厚さの変動を導波路照明層９１０Ｂに提供することができる。例えば、内側レンズ９０７Ｂおよび導波路照明層９１０Ｂの両方を含む単一構成要素を考慮すると、内側レンズ９０７Ｂの曲率は、約５０～５００μｍの厚さ変動を提供し得る。図に示すように、ＴＩＲを介して反射された内部結合された反射光９３６Ｂは、照明層９１０Ｂと内側レンズ９０７Ｂとを組み合わせた厚さにわたって横断および反射され得る。内側レンズ９０７Ｂの曲率による厚さの変動は、内部結合された反射光９３６Ｂの光の非干渉性の量を増加させることができる。例えば、反射光９３６Ｂは、例えば厚さの変動がない平面照明層９１０Ｂよりも大きな角度変化量を有し得る。光散乱の増加は、ユーザの眼からの眼のグリントの検出を改善することができる。したがって、導波路照明層、例えば７１０Ａまたは７１０Ｂは、改善された視線追跡能力を有する、より薄く、より軽量の光学スタックに寄与することができる。
【0089】
図９Ｃは、ウェアラブルヘッドデバイス（例えば、ウェアラブルヘッドデバイス２０２）に使用され得る例示的な光学系９００Ｃを示している。図に示すように、光学系９００Ｂは、層状に配置された複数の光学部品を含むことができる。例えば、光学系９００Ｃは、図９Ｃと同様であり、外側レンズ９０１Ｃ、調光器９０３、可視光導波路９０５Ｃ、内側レンズ９０７Ｃ、ＩＲ照明層９１０Ｃ、および矯正処方インサート９０９のうちの１つ以上を含み得る。光学系９００Ｂに関して上述したように、いくつかの例では、光学系９００Ｃは、外側レンズ９０１Ｃの外側に配置された調光器を含むことができる。いくつかの例では、外側レンズ９０１Ｃは、キャリアプレートに取り付けられなくてもよい。いくつかの例では、可視光導波路９０５Ｃは、光学スタックの厚さ（ｔ）をさらに低減させることができる単一層を含むことができる。いくつかの例では、内側レンズ９０７Ｃは、導波路照明層９１０Ｃに結合、例えば取り付けおよび／または成形されることができる。上述したように、内側レンズ内側レンズ９０７Ｃを照明層９１０Ｃに成形することは、反射光９３６Ｃの拡散を改善することができる。いくつかの例では、光学系９００Ｃの光学スタックの厚さ（ｔ）は、約２．４ｍｍとすることができる。したがって、導波路照明層、例えば７１０Ａおよび７１０Ｂは、改善された視線追跡能力を有する、より薄く、より軽量の光学スタックに寄与することができる。
【0090】
したがって、本開示にかかる実施形態は、頭部装着型ＭＲ／ＡＲシステムの嵩を低減することができ、それによってユーザがＭＲ／ＡＲ環境により容易に没入することを可能にする、より軽量でより薄い光学系を提供することができる。さらに、本開示にかかる実施形態は、照明層に関連付けられた曇りおよび可視光損失を低減することができる。さらに、いくつかの実施形態では、照明層の厚さの変動は、視線追跡に使用されるＩＲ光の散乱を改善することができ、これは、以下により詳細に説明するように、眼のグリント検出を改善することができる。
【0091】
例示的な照明層構成
本開示の実施形態にかかる導波路照明層は、ヘッドウェアラブルデバイスに含まれ、ユーザの眼球運動を追跡するために使用されることができる。上述したように、照明層は、光を眼に提供して、ユーザの眼のグリントを反射させてヘッドウェアラブルデバイスに戻す。光センサは、反射された眼のグリントを受光することができ、ヘッドウェアラブルデバイスは、反射された眼のグリントを使用してユーザの眼球運動を検出することができる。比較すると、可視光導波路は、デジタルコンテンツをユーザに提示するために当該技術分野において使用されることができる。したがって、導波路照明層および可視光照明層の構造およびレイアウトは、導波路照明層および可視光導波路の異なる機能に起因して異なることができる。
本開示の実施形態にかかる導波路照明層は、ヘッドウェアラブルデバイスに含まれ、ユーザの眼球運動を追跡するために使用されることができる。上述したように、照明層は、光を眼に提供して、ユーザの眼のグリントを反射させてヘッドウェアラブルデバイスに戻す。光センサは、反射された眼のグリントを受光することができ、ヘッドウェアラブルデバイスは、反射された眼のグリントを使用してユーザの眼球運動を検出することができる。比較すると、可視光導波路は、デジタルコンテンツをユーザに提示するために当該技術分野において使用されることができる。したがって、導波路照明層および可視光照明層の構造およびレイアウトは、導波路照明層および可視光導波路の異なる機能に起因して異なることができる。
【0092】
例えば、可視光導波路では、ユーザの眼の前に配置された導波路の面を横切って光を出射して、広い視野（ＦＯＶ）にわたってデジタルコンテンツをユーザに提供するように構成されることができる。このようにして、ユーザは、導波路の異なる領域を見ることができ、デジタルコンテンツを有する広いＦＯＶを有することができる。したがって、可視光導波路の外部結合格子は、例えば上述したＭＲシステム２００のように、可視光導波路の面にまたがる連続領域にパターニングされることができる。比較すると、本開示の実施形態にかかる導波路照明層は、ユーザのＦＯＶ内の導波路照明層の複数の離散領域に配置された１つ以上の外部結合格子を含み得る。
【0093】
図１０は、本開示の実施形態にかかるＭＲシステムについての例示的な照明層１０１０を示している。図に示すように、照明層１０１０は、導波路１０１２、内部結合格子１０３２、および１つ以上の外部結合格子１０３４を含むことができる。いくつかの例では、照明層１０１０は、スプレッダ１０４４を含むことができる。スプレッダ１０４４は、内部反射光１０４２を広げる、例えば扇形に広げるために設けられる一種の格子とすることができる。例えば、図に示すように、スプレッダ１０４４は、少なくともｘ方向およびｙ方向に内部反射光１０４２を伝播することができる。
【0094】
いくつかの例では、スプレッダ１０４４および１つ以上の外部結合格子は、領域１０４８に配置されることができる。領域１０４８は、ユーザの眼の前に配置された照明層１０１０の領域に対応することができる。例えば、図に示すように、外部結合格子１０３４およびスプレッダ１０４４は、ユーザの眼の前および／またはユーザの視野（ＦＯＶ）内に配置されることができる。１つ以上の外部結合格子およびスプレッダは、ユーザの視野内に配置されてもよいが、これらの構成要素は、例えば、１つ以上の外部結合格子のサイズが小さいこと、および／またはこれらの構成要素に対して選択された屈折率のために、ユーザには見えない場合がある。いくつかの例では、内部結合格子１０３２は、ユーザのＦＯＶの側面に配置されることができる。いくつかの例では、内部結合格子１０３２は、ユーザのテンプルの近くに配置されることができる。
【0095】
いくつかの例では、光１０３６を受信して導波路１０１２に内部結合するために、内部結合格子１０３２が設けられることができる。例えば、内部結合格子１０３２は、ヘッドウェアラブルデバイスの光学系のＬＥＤ、例えばＩＲ ＬＥＤと位置合わせされることができる。いくつかの例では、内部結合光１０３６は、第１の方向に沿って伝播されることができる。例えば、図に示すように、内部結合格子１０３２を出る内部反射光１０４２は、ｘ軸に沿ってｘ方向に伝播されることができる。いくつかの例では、内部結合格子１０３２の格子パターンは、内部反射光１０４２が伝播する方向を決定することができる。様々な格子パターンについては、以下により詳細に説明する。いくつかの例では、スプレッダ１０４４は、少なくとも第１の方向および第２の方向に沿って、内部結合格子１０３２からの内部反射光１０４２を拡散させるために設けられることができる。このようにして、スプレッダ１０４４は、内部反射光１０４２が１つ以上の外部結合格子のそれぞれに到達することができるように、内部反射光１０４２を拡散させることができる。例えば、図に示すように、内部反射光１０４２は、スプレッダ１０４４内で少なくともｘ軸に沿っておよびｙ軸に沿って伝播されることができる。１つ以上の外部結合格子１０３４は、導波路１０１２の別個の位置に配置されることができる。
【0096】
１つ以上の外部結合格子１０３４は、導波路１０１２からの内部反射光１０４２を結合することによって外部結合光１０１６を生成するために設けられることができる。例えば、図に示すように、外部結合格子１０３４は、スプレッダ１０４４によってｙ方向に沿って広げられた内部反射光１０４２を受光することができる。いくつかの例では、外部結合格子のそれぞれは、約０．５ｍｍの直径を有することができる。外部結合格子は、円として示されているが、当業者は、本開示の範囲から逸脱して様々な形状、例えば、楕円形、正方形、長方形、菱形、半円などが使用されることができることを理解するであろう。
【0097】
したがって、本開示の実施形態にかかる導波路照明層は、薄くて軽量な導波路照明層を提供することができる。さらに、導波路照明層上に配置された１つ以上の格子は、眼に見えない、例えば、ヘッドウェアラブルデバイスを装着しているユーザには気付かれないことがある。
【0098】
本開示の実施形態にかかる導波路照明層は、様々な構成の格子、例えば、内部結合格子、外部結合格子、およびスプレッダを含むことができる。図１１Ａ～図１１Ｃは、本開示の実施形態にかかる例示的な照明層１１１０Ａ～１１１０Ｃを示している。これらの図は、内部結合格子、スプレッダ、および１つ以上の外部結合格子の様々な例示的な構成を示すことができる。これらの図は、例示的なものであり、当業者は、本開示の範囲から逸脱することなく、多数の異なる構成、例えば、導波路の形状、内部結合格子、スプレッダ、外部結合格子の形状および／または数、ならびにこれらの格子の相対位置が使用されることができることを理解するであろう。
【0099】
図１１Ａは、本開示の実施形態にかかるＡＲシステムについての例示的な照明層１１１０Ａを示している。図に示すように、照明層１１１０Ａは、導波路１１１２Ａ、内部結合格子１１３２Ａ、１つ以上の外部結合格子１１３４Ａ、およびスプレッダ１１４４Ａを含むことができる。内部結合格子１１３２Ａ、１つ以上の外部結合格子１１３４Ａ、およびスプレッダ１１４４Ａは、導波路照明層１０１０に関して説明した対応する構成要素と同様とすることができる。いくつかの例では、図に示すように、内部結合格子１１３２Ａは、ユーザの視野外の位置に配置されることができる。例えば、内部結合格子１１３２Ａの位置は、ヘッドウェアラブルデバイスのテンプル領域の近く、例えば、ユーザのテンプルの近くとすることができる。
【0100】
いくつかの例では、スプレッダ１１４４Ａは、内部結合格子１１３２Ａと外部結合格子１１３４Ａとの間に配置されることができる。図に示すように、いくつかの例では、スプレッダ１１４４は、長方形の形状とすることができる。いくつかの例では、スプレッダ１１４４Ａは、互いに隣接して配置された１つ以上のスプレッダ格子パターンを含むことができる。１つ以上の例では、内部反射光の全内部反射を促進するためにスプレッダが設けられることができる。いくつかの例では、スプレッダ１１４４Ａは、所与の波長に対して外部結合格子１１３４Ａおよび／または内部結合格子１１３２Ａよりも小さいピッチを有することができる。
【0101】
図に示すように、いくつかの例では、導波路照明層１１１０Ａは、１つ以上の外部結合格子１１３４Ａを含むことができる。いくつかの例では、導波路照明層は、約５つの外部結合格子１１３４Ａを含むことができる。外部結合格子の数は、本開示の範囲を限定することを意図するものではなく、より多くのまたはより少ない外部結合格子が使用されることができる。外部結合格子１１３４Ａは、例えば、ユーザの視野内で、頭部装着型デバイスを装着しているユーザの眼１１２０Ａの前に位置する照明層１１１０Ａの一部に配置されることができる。当業者は、外部結合格子１１３４Ａおよび／または導波路１１１２Ａに対する様々なユーザの眼の位置が一貫していなくてもよく、眼１１２０が例示目的で示されていることを理解するであろう。いくつかの例では、１つ以上の外部結合格子１１３４Ａは、ユーザの眼１１２０の予想位置の周りに近似リングを形成するように位置決めされることができる。このようにして、１つ以上の外部結合格子１１３４Ａは、ユーザの眼を照らすための光を提供することができる。
【0102】
図１１Ｂは、本開示の実施形態にかかるＡＲシステムについての例示的な照明層１１１０Ｂを示している。図に示すように、照明層１１１０Ｂは、導波路１１１２、内部結合格子１１３２Ｂ、１つ以上の外部結合格子１１３４Ｂ、および１つ以上のスプレッダ１１４４Ｂを含むことができる。内部結合格子１１３２Ｂ、１つ以上の外部結合格子１１３４Ｂ、および１つ以上のスプレッダ１１４４Ｂは、導波路照明層１０１０に関して説明した対応する構成要素と同様とすることができる。図に示すように、内部結合格子１１３２Ｂは、それぞれ、２つ以上の格子パターン１１４８Ｂ、１１４９Ｂを含むことができ、２つ以上の格子パターン１１４８Ｂ、１１４９Ｂのそれぞれは、対応する方向に光を伝播することができる。例えば、２つ以上の格子パターン１１４８Ｂのうちの第１の格子パターンは、光１１４２Ｂを第１の方向に伝播することができ、２つ以上の格子パターン１１４９Ｂのうちの第２の格子パターンは、光１１４２Ｂを第２の異なる方向に伝播することができる。
【0103】
したがって、図に示すように、いくつかの実施形態では、照明層１１１０Ｂは、２つ以上の格子パターン１１４８Ｂ、１１４９Ｂのそれぞれからの内部反射光１１４２Ｂを拡散させるための１つ以上のスプレッダ１１４４Ｂを含むことができる。図に示すように、いくつかの例では、１つ以上のスプレッダ１１４４Ｂは、導波路１１１２の１つ以上の縁部に沿って、例えば、導波路１１１２の周囲付近に配置されることができる。このようにして、１つ以上の外部結合格子１１３４Ｂは、１つ以上の供給源、例えば、スプレッダ１１４４Ｂの一方または両方から光を受光することができる。図に示すように、いくつかの例では、スプレッダ１１４４Ｂは、長方形の形状とすることができる。外部結合格子１１３４Ｂは、上述した外部結合格子１１３４Ａと同様に構成されることができる。
【0104】
図１１Ｃは、本開示の実施形態にかかるＡＲシステムについての例示的な照明層１１１０Ｃを示している。図に示すように、照明層１１１０Ｃは、導波路１１１２、内部結合格子１１３２Ｃ、１つ以上の外部結合格子１１３４Ｃ、およびスプレッダ１１４４Ｃを含むことができる。内部結合格子１１３２Ｃ、１つ以上の外部結合格子１１３４Ｃ、およびスプレッダ１１４４Ｃは、図１１Ａ～図１１Ｂに関して上述した対応する構成要素と同様とすることができる。図に示すように、例えば、スプレッダ１１４４Ｃは、外周付近の導波路１１１２Ｃの上部長にわたって配置されることができる。このようにして、スプレッダは、結合された内部反射光が導波路１１１２Ｃの面を横切って拡張されて１つ以上の外部結合格子１１３４Ｃのそれぞれに到達することを確実にすることができる。外部結合格子１１３４Ｂは、上述したように、外部結合格子１１３４Ａと同様に構成されることができる。
【0105】
上述したように、本開示の実施形態にかかる導波路照明層は、様々な構成の格子、例えば、内部結合格子、外部結合格子、およびスプレッダを含むことができる。図１２Ａ～図１２Ｆは、それぞれ、本開示の実施形態にかかる例示的な照明層１２１０Ａ～１２１０Ｆを示している。これらの図は、内部結合格子、スプレッダ、および１つ以上の外部結合格子の様々な例示的な構成を示すことができる。これらの図は例示的なものであり、当業者は、本開示の範囲から逸脱することなく、多数の変更および／または異なる構成、例えば、内部結合格子、スプレッダ、外部結合格子、およびこれらの格子の相対位置の形状および／または数が使用されることができることを理解するであろう。
【0106】
図１２Ａは、本開示の実施形態にかかるＡＲシステムについての例示的な照明層１２１０Ａを示している。図に示すように、照明層１２１０Ａは、内部結合格子１２３２Ａおよび１つ以上の外部結合格子１２３４Ａを含むことができる。いくつかの例では、照明層１２１０Ａは、内部結合格子１２３２Ａと１つ以上の外部結合格子１２３４Ａとの間に位置決めされることができるスプレッダ１２４４Ａを含むことができる。内部結合格子１２３２Ａ、１つ以上の外部結合格子１２３４Ａ、およびスプレッダ１２４４Ａは、上述した対応する構成要素と同様とすることができる。いくつかの例では、内部結合格子１２３２Ａは、ユーザの視野外の位置に配置されることができる。例えば、内部結合格子１２３２Ａの位置は、ヘッドウェアラブルデバイスのテンプル領域の近く、例えば、ユーザのテンプルの近くとすることができる。いくつかの例では、図に示すように、スプレッダ１２４４Ａは、ユーザの眼の直前ではなく、ユーザのＦＯＶの縁部の近くに含めることができる。いくつかの例では、１つ以上の外部結合格子１２３４Ａは、ユーザのＦＯＶ内の領域、例えばユーザの眼の前に位置決めされることができる。
【0107】
図に示すように、いくつかの例では、光を受光して照明層１２１０Ａに内部結合するために、内部結合格子１２３２Ａが設けられることができる。いくつかの例では、内部結合光は、第１の方向に沿って伝播されることができる。例えば、図に示すように、内部結合格子１２３２Ａを出る内部反射光１２４２Ａは、ｙ軸に沿って伝播されることができる。いくつかの例では、スプレッダ１２４４Ａは、内部結合格子１２３２Ａからの内部反射光１２４２Ａを少なくとも第１の方向および第２の方向に、例えばｘ軸およびｙ軸に沿って広げるために設けられることができる。このようにして、スプレッダ１２４４Ａは、内部反射光１２４２Ａが１つ以上の外部結合格子のそれぞれに到達するのに十分な広がりを有することを確実にすることができる。例えば、図に示すように、スプレッダ１２４４Ａがなければ、内部反射光１２４２Ａは、１つ以上の外部結合格子１２３４Ａのそれぞれに到達しないことがある。図に示すように、１つ以上の外部結合格子１２３４Ａは、照明層１２１０Ａの別個の位置に配置されることができる。１つ以上の外部結合格子１２３４Ａは、内部反射光１２４２Ａを照明層１２１０Ａからユーザの眼に向かって外部結合するために設けられることができる。
【0108】
図１２Ｂは、本開示の実施形態にかかるＡＲシステムについての例示的な照明層１２１０Ｂを示している。図に示すように、照明層１２１０Ｂは、内部結合格子１２３２Ｂおよび１つ以上の外部結合格子１２３４Ｂを含むことができる。いくつかの例では、照明層１２１０Ｂは、スプレッダ１２４４Ｂを含むことができる。図に示すように、スプレッダ１２４４Ｂは、１つ以上の外部結合格子１２３４Ｂと重なるように配置されることができる。内部結合格子１２３２Ｂ、１つ以上の外部結合格子１２３４Ｂ、およびスプレッダ１２４４Ｂは、上述した対応する構成要素と同様とすることができる。いくつかの例では、内部結合格子１２３２Ｂは、ユーザの視野外の位置に配置されることができる。例えば、内部結合格子１２３２Ｂの位置は、ヘッドウェアラブルデバイスのテンプル領域の近く、例えば、ユーザのテンプルの近くとすることができる。いくつかの例では、図に示すように、スプレッダ１２４４Ｂおよび１つ以上の外部結合格子１２３４Ｂは、ユーザのＦＯＶ内の領域、例えばユーザの眼の前に位置決めされることができる。そのような例では、外部結合格子１２３４Ｂによって外部結合される光は、例えば、ユーザのＦＯＶ内の領域に配置されていない外部結合格子によって外部結合される光よりも高い強度を有し得る。１つ以上の例では、１つ以上の外部結合格子１２３４Ｂは、内部結合格子のための空間が制限されている場合、例えば、内部結合格子が狭い場合、および／または単一の内部結合格子および入射源がある場合、ユーザのＦＯＶ内の領域に位置決めされることができる。
【0109】
図に示すように、いくつかの例では、光を受光して導波路照明層１２１０Ｂに内部結合するために、内部結合格子１２３２Ｂが設けられることができる。いくつかの例では、内部結合光は、第１の方向に沿って伝播されることができる。例えば、図に示すように、内部結合格子１２３２Ｂを出る内部反射光１２４２Ｂは、ｙ方向に伝播されることができる。いくつかの例では、内部結合格子１２３２Ｂの格子パターンは、内部反射光１２４２Ｂが伝播する方向を決定することができる。いくつかの例では、スプレッダ１２４４Ｂは、内部結合格子１２３２Ｂからの内部反射光１２４２Ｂを第１の方向および第２の方向に広げるために設けられることができる。例えば、図に示すように、スプレッダ１２４４Ｂは、少なくともｘ軸およびｙ軸に沿って光を伝播することができる。このようにして、スプレッダ１２４４Ｂは、内部反射光１２４２Ｂが１つ以上の外部結合格子１２３４Ｂのそれぞれに到達するのに十分な広がりを有することを確実にすることができる。例えば、図に示すように、スプレッダ１２４４Ｂがなければ、内部反射光１２４２Ｂは、１つ以上の外部結合格子１２３４Ａのそれぞれに到達しないことがある。図に示すように、１つ以上の外部結合格子１０３４Ｂは、照明層１２１０Ａのスプレッダ１２４４Ｂ内の離散位置に配置されることができる。１つ以上の外部結合格子１２３４Ｂは、内部反射光１２４２Ｂを照明層１２１０Ｂからユーザの眼に向かって外部結合するために設けられることができる。
【0110】
スプレッダおよび１つ以上の外部結合格子がユーザのＦＯＶ内に配置される１つ以上の例では、ユーザのＦＯＶ内の照明層の透明度を維持するようにこれらの構成要素を構成することが望ましい可能性がある。例えば、図１３は、内部に配置された１つ以上の外部結合格子を有するスプレッダ１３４４を示している。スプレッダ１３４４および１つ以上の外部結合格子１３３４は、導波路照明層１２１０Ｂに関して上述したように、ユーザのＦＯＶ内に位置決めされるように構成されることができる。ユーザのＦＯＶの透明性を維持するために、スプレッダ１３４４の屈折率は、例えば約１．４５～２．７の範囲内で比較的透明であるように選択されることができる。いくつかの例では、スプレッダ１３４４の屈折率は、約１．５２～１．５６の範囲内とすることができる。比較すると、１つ以上の外部結合要素１６３４Ａは、外部結合格子１３３４が内部反射光を眼に効果的に外部結合することができることを確実にするために、例えば約１．４５～２．７の範囲内の比較的高いインデックスを有するように製造されることができる。１つ以上の例では、外部結合格子１３３４の回折効率を改善するために、外部結合格子１３３４は、高屈折率材料、例えば炭化ケイ素、二酸化チタン、二酸化ジルコニウムなど、または金属、例えばアルミニウム、銀などによってコーティングされることができる。１つ以上の外部結合格子は、例えば、外部結合格子の直径が小さい、例えば０．５ｍｍであるために、ＡＲシステムのユーザには気付かない場合がある。これと比較して、スプレッダは、ユーザが気付くことができるより大きな領域を占有し得る。したがって、スプレッダ１３４４と１つ以上の外部結合格子１３３４とについて屈折率に差を持たせることは、外部結合光の効率を犠牲にすることなく、照明層の透明性を維持することができる。
【0111】
図１２Ｃは、本開示の実施形態にかかるＡＲシステムについての例示的な導波路照明層１２１０Ｃを示している。図に示すように、照明層１２１０Ｃは、１つ以上の内部結合格子１２３２Ｃおよび１つ以上の外部結合格子１２３４Ｃを含むことができる。いくつかの例では、照明層１２１０Ｃは、１つ以上の内部結合格子１２３２Ｃと１つ以上の外部結合格子１２３４Ｃとの間に位置決めされることができるスプレッダ１２４４Ｃを含むことができる。内部結合格子１２３２Ｃ、１つ以上の外部結合格子１２３４Ｃ、およびスプレッダ１２４４Ｃは、上述した対応する構成要素と同様とすることができる。いくつかの例では、内部結合格子１２３２Ｃは、ユーザの視野外の位置に配置されることができる。例えば、内部結合格子１２３２Ｃの位置は、ヘッドウェアラブルデバイスのテンプル領域の近く、例えば、ユーザのテンプルの近くとすることができる。いくつかの例では、図に示すように、スプレッダ１２４４Ｃは、ユーザの眼の真前ではなく、ユーザのＦＯＶの縁部の近くに含めることができる。いくつかの例では、１つ以上の外部結合格子１２３４Ｃは、ユーザのＦＯＶ内の領域、例えばユーザの眼の前に位置決めされることができる。いくつかの例では、２つ以上の内部結合格子を含むことは、外部結合格子によって受光される光の量を増加させることができる。そのような例では、外部結合格子は、単一の内部結合格子を有する基材よりも広げられてもよく、例えば、外部結合格子間の平均距離は、より大きくすることができる。
【0112】
図に示すように、いくつかの例では、光を受光して照明層１２１０Ｃに内部結合するために、１つ以上の内部結合格子１２３２Ｃが設けられることができる。いくつかの例では、内部結合光は、第１の方向に沿って伝播されることができる。例えば、図に示すように、１つ以上の内部結合格子１２３２Ｃを出る内部反射光１２４２Ｃは、ｙ方向に伝播されることができる。いくつかの例では、スプレッダ１２４４Ｃは、内部結合格子１２３２Ｃからの内部反射光１２４２Ｃを少なくとも第１の方向および第２の方向に、例えばｘ軸およびｙ軸に沿って広げるために設けられることができる。このようにして、スプレッダ１２４４Ｃは、内部反射光１２４２Ｃが１つ以上の外部結合格子のそれぞれによって受光されるのに十分な広がりを有することを確実にすることができる。図に示すように、１つ以上の外部結合格子１２３４Ｃは、照明層１２１０Ｃの別個の位置に配置されることができる。１つ以上の外部結合格子１２３４Ｃは、内部反射光１２４２Ｃを照明層１２１０Ｃからユーザの眼に向かって外部結合するために設けられることができる。
【0113】
図１２Ｄは、本開示の実施形態にかかるＡＲシステムについての例示的な照明層１２１０Ｄを示している。図に示すように、照明層１２１０Ｄは、１つ以上の内部結合格子１２３２Ｄおよび１つ以上の外部結合格子１２３４Ｄを含むことができる。いくつかの例では、照明層１２１０Ｂは、スプレッダ１２４４Ｄを含むことができる。図に示すように、スプレッダ１２４４Ｄは、１つ以上の外部結合格子１２３４Ｄと重なるように配置されることができる。１つ以上の内部結合格子１２３２Ｄ、１つ以上の外部結合格子１２３４Ｄ、およびスプレッダ１２４４Ｄは、上述した対応する構成要素と同様とすることができる。いくつかの例では、１つ以上の内部結合格子１２３２Ｄは、ユーザの視野外の位置に配置されることができる。例えば、内部結合格子１２３２Ｄの位置は、ヘッドウェアラブルデバイスのテンプル領域の近く、例えば、ユーザのテンプルの近くとすることができる。いくつかの例では、図に示すように、スプレッダ１２４４Ｄおよび１つ以上の外部結合格子１２３４Ｄは、ユーザのＦＯＶ内の領域、例えばユーザの眼の前に位置決めされることができる。いくつかの例では、２つ以上の内部結合格子を含むことは、外部結合格子によって受光される光の量を増加させることができる。
【0114】
図に示すように、いくつかの例では、光を受光して照明層１２１０Ｄに内部結合するために、１つ以上の内部結合格子１２３２Ｄが設けられることができる。いくつかの例では、内部結合光は、第１の方向に沿って伝播されることができる。例えば、図に示すように、内部結合格子１２３２Ｄを出る内部反射光１２４２Ｄは、ｙ方向に伝播されることができる。いくつかの例では、内部結合格子１２３２Ｄの格子パターンは、内部反射光１２４２Ｄが伝播する方向を決定することができる。いくつかの例では、スプレッダ１２４４Ｄが設けられて、内部結合格子１２３２Ｄからの内部反射光１２４２Ｄを少なくとも第１の方向および第２の方向に広げることができる。例えば、図に示すように、スプレッダ１２４４Ｄは、ｘ軸およびｙ軸に沿って光を伝播することができる。このようにして、スプレッダ１２４４Ｄは、内部反射光１２４２Ｄが１つ以上の外部結合格子１２３４Ｄのそれぞれに到達するのに十分な広がりを有することを確実にすることができる。図に示すように、１つ以上の外部結合格子１０３４Ｄは、照明層１０１０Ｄのスプレッダ１２４４Ｄ内の別個の位置に配置されることができる。１つ以上の外部結合格子１２３４Ｄは、内部反射光１２４２Ｄを照明層１２１０Ｄからユーザの眼に向かって外部結合するために設けられることができる。
【0115】
図１２Ｅは、本開示の実施形態にかかるＡＲシステムについての例示的な照明層１２１０Ｅを示している。図に示すように、照明層１２１０Ｅは、１つ以上の内部結合格子１２３２Ｅおよび１つ以上の外部結合格子１２３４Ｅを含むことができる。図に示すように、いくつかの例では、照明層１２１０Ｅは、内部結合格子１２３２Ｅの数のために拡散要素を省略することができる。例えば、図に示すように、各外部結合格子１２３４Ｅは、対応する内部結合格子１２３２Ｅにマッピングされることができる。いくつかの実施形態では、内部結合格子１２３２Ｅの数は、各外部結合格子１２３４Ｅが内部反射光１２４２Ｅを確実に受光するようにするためのものであってもよい。例えば、内部結合格子１２３２Ｅによって内部結合された光は、第１の方向に沿って、例えばｙ軸に沿って伝播されることができる。図に示すように、１つ以上の外部結合格子１２３４Ｅは、照明層１２１０Ｅの別個の位置に配置され、スプレッダなしで内部結合格子１２３２Ｅから内部反射光１２４２Ｅを受光するように配置されることができる。１つ以上の外部結合格子１２３４Ｅは、上述したように、内部反射光１２４２Ｅを照明層１２１０Ｅからユーザの眼に向けて外部結合するために設けられることができる。
【0116】
図１２Ｆは、本開示の実施形態にかかるＡＲシステムについての例示的な照明層１２１０Ｆを示している。図に示すように、照明層１２１０Ｆは、内部結合格子１２３２Ｆおよび１つ以上の外部結合格子１２３４Ｆを含むことができる。図に示すように、いくつかの例では、内部結合格子は、照明層１２１０Ｆの幅にわたるバー形状を有することができる。したがって、照明層１２１０Ｆは、内部結合格子１２３２Ｆのサイズおよび構成に起因してスプレッダを省略することができる。例えば、内部結合格子１２３２Ｆの寸法は、外部結合格子１２３４Ｆのそれぞれが内部反射光１２４２Ｆを確実に受信するのに十分であり得る。例えば、図に示すように、光は、内部結合格子１２３２Ｆの長さに沿って内部結合され、ｙ方向に伝播されることができる。図に示すように、１つ以上の外部結合格子１２３４Ｆは、照明層１２１０Ｆの別個の位置に配置され、スプレッダなしで内部結合格子１２３２Ｆから内部反射光１２４２Ｆを受光するように配置されることができる。１つ以上の外部結合格子１２３４Ｆは、上述したように、内部反射光１２４２Ｆを照明層１２１０Ｆからユーザの眼に向けて外部結合するために設けられることができる。
【0117】
照明層１２１０Ａ～１２１０Ｆは、特定の形状および構成要素の相対的なサイズで示されているが、これらの図面は、縮尺通りではない場合がある。例えば、内部結合格子および１つ以上の外部結合格子は、円形の形状として示されているが、これは本開示の範囲を限定することを意図するものではなく、本開示の範囲から逸脱することなく、楕円形、長方形、半円、三角形、多角形などを含む任意の適切な形状が使用されることができる。さらに、内部結合格子および１つ以上の外部結合格子は、ほぼ同じサイズであるように示され得るが、１つ以上の例では、内部結合格子および１つ以上の外部結合格子は、異なる相対サイズを有することができる。
【0118】
上述したように、本開示の実施形態にかかる導波路照明層は、格子、例えば、内部結合格子、外部結合格子、およびスプレッダ、ならびに様々な構成の他の構成要素を含むことができる。図１４Ａ～図１４Ｉは、本開示の実施形態にかかる例示的な照明層１４１０Ａ～１４１０Ｆを示している。これらの図は、内部結合格子、スプレッダ、１つ以上の外部結合格子、ディフューザおよび／または屈折レンズを含む導波路部品の様々な例示的な構成を示すことができる。これらの図は例示的なものであり、当業者は、本開示の範囲から逸脱することなく、多数の異なる構成、例えば、内部結合格子、スプレッダ、外部結合格子の形状および／または数、ならびにこれらの格子の相対位置が使用されることができることを理解するであろう。例えば、図面に示される要素は、（別段の指示がない限り）縮尺通りでなくてもよく、および／または説明目的のために強調されてもよい。
【0119】
図１４Ａは、本開示の実施形態にかかるＡＲヘッドウェアラブルデバイスの光学系についての導波路照明層を示している。図に示すように、照明層１４１０Ａは、導波路１４１２Ａ、内部結合格子１４３２Ａ、１つ以上の外部結合格子１４３４Ａ、およびスプレッダ１４４４Ａを含むことができる。内部結合格子１４３２Ａ、１つ以上の外部結合格子１４３４Ａ、およびスプレッダ１４４４Ａは、上述した対応する構成要素と同様とすることができる。図に示すように、内部結合格子１４３２Ａ、スプレッダ１４４４Ａ、および外部結合格子１４３４Ａは、同じ面、例えば、導波路１４１２Ａの裏面１４１８Ａに配置されることができる。いくつかの実施形態では、内部結合格子１４３２Ａ、スプレッダ１４４４Ａ、および外部結合格子１４３４Ａは、導波路１４１２Ａの前面１４４２Ａに配置されることができる。さらに、図に示すように、内部結合格子１４３２Ａは、１つ以上の外部結合格子１４３４Ａよりも短くてもよい。そのような実施形態では、１つまたは外部結合格子は、内部結合格子１４３２Ａと比較して、より高い効率を有し得て、例えば、より少ない損失でより多くの量の光を結合し得る。１つ以上の例では、格子の効率を改善するために、内部結合格子１４３２Ａおよび１つ以上の外部結合格子１４３４Ａは、高屈折率材料および／または屈折金属１４５２Ａによってコーティングされることができる。１つ以上の例では、内部結合格子１４３４Ａは、レンズと同様に、ユーザの眼に向かって様々な角度で光を発散させることができる。このコーティング１４５２Ａについては、以下により詳細に説明する。
【0120】
図１４Ｂは、本開示の実施形態にかかるＡＲヘッドウェアラブルデバイスの光学系についての導波路照明層を示している。図に示すように、照明層１４１０Ｂは、導波路１４１２Ｂ、内部結合格子１４３２Ｂ、１つ以上の外部結合格子１４３４Ｂ、およびスプレッダ１４４４Ｂを含むことができる。内部結合格子１４３２Ｂ、１つ以上の外部結合格子１４３４Ｂ、およびスプレッダ１４４４Ｂは、上述した対応する構成要素と同様とすることができる。さらに、格子の構成は、導波路照明層１４１０Ａと同様とすることができる。しかしながら、図に示すように、導波路照明層１４１０Ｂの１つ以上の内部結合格子１４３４Ｂは、異なる効率を有してもよい。例えば、図に示すように、第１の外部結合格子１４３４Ｂは、第１の高さを有し得る一方で、第２の外部結合格子１４３４Ｂは、第２の高さを有し得て、２つの外部結合格子１４３４Ｂのうちの短い方は、効率が低く、および／または回折性が低くなり得る。いくつかの例では、１つ以上の外部結合格子１４３４Ｂの他の特徴は、効率の差、例えば異なる格子パターン、コーティングなどを提供するために異なり得る。
【0121】
１つ以上の例では、１つ以上の外部結合格子１４３４Ｂの効率は、内部結合格子１４３２Ｂにより近い外部結合格子の効率が低くなるように構成され得る。例えば、光が導波路１４１２Ｂ内で内部反射されるときのいくらかの光損失および／または散乱に起因して、内部結合光は、内部結合格子１４３２Ｂにより近いより大きな強度を有し得る。照明層１４１０Ｂを参照すると、内部結合格子１４３２Ｂの近くに配置された右側の外部結合格子は、左側の外部結合格子１４３４Ｂよりも大きい強度を有する内部反射光を受光し得る。したがって、１つ以上の外部結合格子１４３４Ｂの効率は、この強度の差を説明するように調整されることができる。１つ以上の例では、例えば、外部結合格子１４３４Ｂのそれぞれがほぼ同じ強度で光を外部結合することができることを確実にするために、外部結合格子の効率を調整することに加えて、またはその代わりに、追加の格子、例えば内部結合格子および／またはスプレッダが含まれることができる。
【0122】
図１４Ｃは、本開示の実施形態にかかるＡＲヘッドウェアラブルデバイスの光学系についての導波路照明層を示している。図に示すように、照明層１４１０Ｃは、導波路１４１２Ｃ、内部結合格子１４３２Ｃ、１つ以上の外部結合格子１４３４Ｃ、およびスプレッダ１４４４Ｃを含むことができる。内部結合格子１４３２Ｃ、１つ以上の外部結合格子１４３４Ｃ、およびスプレッダ１４４４Ｃは、上述した対応する構成要素と同様とすることができる。さらに、格子の構成は、導波路照明層１４１０Ａと同様とすることができる。しかしながら、図に示すように、導波路照明層１４１０Ｃは、図７Ｃおよび図７Ｄに関して上述したように反射防止層１４５４Ｃを含むことができる。図に示すように、例えば、反射防止層１４５４Ｃは、１つ以上の外部結合格子１４３４Ｃとは反対側の面に配置されることができる。いくつかの例では、反射防止層１４５４Ｃは、反射防止コーティングおよび／または反射防止ナノパターンから選択される少なくとも１つを含むことができる。いくつかの例では、反射防止層１４５４Ｃは、可視光に対する導波路照明層１４１０Ｃの透過率を改善するために、ユーザの視野内の領域に配置されることができる。
【0123】
図１４Ｄは、本開示の実施形態にかかるＡＲヘッドウェアラブルデバイスの光学系についての導波路照明層を示している。図に示すように、照明層１４１０Ｄは、導波路１４１２Ｄ、内部結合格子１４３２Ｄ、１つ以上の外部結合格子１４３４Ｄ、およびスプレッダ１４４４Ｄを含むことができる。内部結合格子１４３２Ｄ、１つ以上の外部結合格子１４３４Ｄ、およびスプレッダ１４４４Ｄは、上述した対応する構成要素と同様とすることができる。さらに、格子の構成は、導波路照明層１４１０Ｃと同様とすることができる。しかしながら、図に示すように、反射防止層１４５４Ｄは、１つ以上の外部結合格子１４３４Ｄと重なるように位置決めされることができる。
【0124】
図１４Ｅは、本開示の実施形態にかかるＡＲヘッドウェアラブルデバイスの光学系についての導波路照明層を示している。図に示すように、照明層１４１０Ｅは、導波路１４１２Ｅ、内部結合格子１４３２Ｅ、１つ以上の外部結合格子１４３４Ｅ、およびスプレッダ１４４４Ｅを含むことができる。内部結合格子１４３２Ｅ、１つ以上の外部結合格子１４３４Ｅ、およびスプレッダ１４４４Ｅは、上述した対応する構成要素と同様とすることができる。さらに、格子の構成は、導波路照明層１４１０Ａと同様とすることができる。しかしながら、図に示すように、導波路照明層１４１０Ｅは、１つ以上の外部結合格子１４３４Ｅのそれぞれの上に配置されることができる１つ以上のディフューザ１４３８Ｅをさらに含むことができる。
【0125】
いくつかの例では、１つ以上のディフューザ１４３８Ｅは、１つ以上のディフューザ１４３８Ｅのそれぞれが１つ以上の外部結合格子１４３８Ｅのそれぞれと重なり合うことができるように、導波路１４１２Ｅの前面１４２６Ｅに設けられることができる。ディフューザは、外部結合格子１４３４Ｅによって外部結合された光を拡散および／または散乱させるために設けられることができる。いくつかの例では、１つ以上の外部結合格子１４３４Ｅは、外部結合光が拡散および／または散乱しにくいように、例えば外部結合光が狭い角度またはビームを有するように、コヒーレント光を外部結合し得る。１つ以上のディフューザ１４３８Ｅは、外部結合格子１４３４Ｅからコヒーレント光を受光し、ユーザの眼によって受光された光が広角またはビームを有するように拡散および／または散乱を付与し得る。このようにして、眼は、複数の角度で外部結合された光を受光することができ、これにより、ヘッドウェアラブルデバイスの光センサによって受光され、視線追跡に使用されることができる堅牢な眼のグリント、例えば反射された眼の光を提供することができる。
【0126】
図１４Ｆは、本開示の実施形態にかかるＡＲヘッドウェアラブルデバイスの光学系についての導波路照明層を示している。図に示すように、照明層１４１０Ｆは、導波路１４１２Ｆ、内部結合格子１４３２Ｆ、１つ以上の外部結合格子１４３４Ｆ、およびスプレッダ１４４４Ｆを含むことができる。内部結合格子１４３２Ｆ、１つ以上の外部結合格子１４３４Ｆ、およびスプレッダ１４４４Ｆは、上述した対応する構成要素と同様とすることができる。さらに、格子の構成は、導波路照明層１４１０Ａと同様とすることができる。しかしながら、図に示すように、導波路照明層１４１０Ｆは、外部結合格子１４３４Ｆのそれぞれが外部結合格子１４３４Ｆの反対側に位置する対応する外部結合格子１４３６Ｆを有することができるように、外部結合格子１４３６Ｆの追加のセットを含むことができる。図に示すように、追加のセットの外部結合格子１４３６Ｆは、高屈折率および／または反射金属コーティングを含まなくてもよい。いくつかの例では、追加のセットの外部結合格子１４３６Ｆを外部結合格子１４３４Ｆの反対側に位置決めすることは、例えば導波路照明層１４１０Ａと比較して、外部結合される光の量を増加させることができる。１つ以上の例では、内部結合格子１４３６Ｆは、レンズとして機能し、光をユーザの眼に向かって様々な角度で発散させることができる。
【0127】
図１４Ｇは、本開示の実施形態にかかるＡＲヘッドウェアラブルデバイスの光学系についての導波路照明層を示している。図に示すように、照明層１４１０Ｇは、導波路１４１２Ｇ、内部結合格子１４３２Ｇ、１つ以上の外部結合格子１４３４Ｇ、およびスプレッダ１４４４Ｇを含むことができる。内部結合格子１４３２Ｇ、１つ以上の外部結合格子１４３４Ｇ、およびスプレッダ１４４４Ｇは、上述した対応する構成要素と同様とすることができる。さらに、格子の構成は、導波路照明層１４１０Ａと同様とすることができる。しかしながら、図に示すように、導波路照明層１４１０Ｇは、例えば導波路８１０Ｃと同様に、導波路１４１２Ｇに結合された屈折レンズを含むことができる。上述したように、導波路１４１２Ｇを屈折レンズ１４０７Ｇに結合することは、導波路照明層１４１０Ｇ内の内部反射光の散乱を促進することができ、これにより、外部結合光の光散乱を増加させることができ、それにより、検出された眼のグリントが改善される。
【0128】
図１４Ｈは、本開示の実施形態にかかるＡＲヘッドウェアラブルデバイスの光学系についての導波路照明層を示している。図に示すように、照明層１４１０Ｈは、導波路１４１２Ｈ、内部結合格子１４３２Ｈ、１つ以上の外部結合格子１４３４Ｈ、およびスプレッダ１４４４Ｈを含むことができる。内部結合格子１４３２Ｈ、１つ以上の外部結合格子１４３４Ｈ、およびスプレッダ１４４４Ｈは、上述した対応する構成要素と同様とすることができる。さらに、格子の構成は、導波路照明層１４１０Ｇと同様とすることができる。しかしながら、図に示すように、導波路照明層１４１０Ｈは、例えば、外部結合格子１４３６Ｈの追加のセットが導波路１４１２Ｈの上方であるが屈折レンズ１４０７Ｈの下方に配置されるように、外部結合格子１４３４Ｈのそれぞれの反対側の、導波路１４１２Ｈの前面に配置された外部結合格子１４３６Ｈの追加のセットを含むことができる。いくつかの例では、外部結合格子１４３６Ｈをレンズ１４０７Ｈの下方に位置決めすることは、外光と外部結合格子１４３６Ｈとの間の相互作用を低減することができる。上述したように、導波路１４１２Ｈを屈折レンズ１４０７Ｈに結合することは、導波路照明層１４０１Ｈ内の内部反射光の散乱を促進することができ、これにより、外部結合光の光散乱を増加させることができ、それにより、検出された眼のグリントが改善される。さらに、追加のセットの外部結合格子１４３６Ｈを外部結合格子１４３４Ｈの反対側に位置決めすることは、例えば導波路照明層１４１０Ｇと比較して、外部結合される光の量を増加させることができる。さらに、外部結合格子１４３６Ｈの追加のセットは、外部結合格子１４３４Ｈからコヒーレント光を受信し、ユーザの眼によって受光された光が広角またはビームを有するように拡散および／または散乱を付与することができる。このようにして、眼は、複数の角度で外部結合された光を受光することができ、これにより、ヘッドウェアラブルデバイスの光センサによって受光され、視線追跡に使用されることができる堅牢な眼のグリント、例えば反射された眼の光を提供することができる。
【0129】
図１４Ｉは、本開示の実施形態にかかるＡＲヘッドウェアラブルデバイスの光学系についての導波路照明層を示している。図に示すように、照明層１４１０Ｉは、導波路１４１２Ｉ、内部結合格子１４３２Ｉ、１つ以上の外部結合格子１４３４Ｉ、およびスプレッダ１４４４Ｉを含むことができる。内部結合格子１４３２Ｉ、１つ以上の外部結合格子１４３４Ｉ、およびスプレッダ１４４４Ｉは、上述した対応する構成要素と同様とすることができる。さらに、格子の構成は、導波路照明層１４１０Ｇと同様とすることができる。しかしながら、図に示すように、導波路照明層１４１０Ｉは、例えば、追加のセットの外部結合格子１４３６Ｉが屈折レンズ１４０７Ｉの上方に配置されるように、外部結合格子１４３４Ｉのそれぞれの反対側に、屈折レンズ１４０７Ｉの曲面に沿って配置された追加のセットの外部結合格子１４３６Ｉを含むことができる。上述したように、導波路１４１２Ｉを屈折レンズ１４０７Ｉに結合することは、導波路照明層１４１０Ｉ内の内部反射光の散乱を促進することができ、これにより、外部結合光の光散乱を増加させることができ、それにより、検出された眼のグリントが改善される。さらに、追加のセットの外部結合格子１４３６Ｉを外部結合格子１４３４Ｉの反対側に位置決めすることは、例えば導波路照明層１４１０Ｇと比較して、外部結合される光の量を増加させることができる。いくつかの例では、外部結合格子１４３６Ｉをレンズ１４０７Ｉの外側に位置決めすることは、内部反射光がレンズ曲率に起因する厚さ変動を利用し、外部結合光の角度広がりを最適化することを可能にすることができる。さらに、外部結合格子１４３６Ｈの追加のセットは、外部結合格子１４３４Ｈからコヒーレント光を受信し、ユーザの眼によって受光された光が広角またはビームを有するように拡散および／または散乱を付与することができる。このようにして、眼は、複数の角度で外部結合された光を受光することができ、これにより、ヘッドウェアラブルデバイスの光センサによって受光され、視線追跡に使用されることができる堅牢な眼のグリント、例えば反射された眼の光を提供することができる。
【0130】
したがって、本開示の実施形態は、導波路照明層の様々な構成を提供する。例えば、可視光導波路とは異なり、本開示の実施形態にかかる導波路照明層は、ユーザの眼球運動を追跡するために使用されることができるインコヒーレント光の１つ以上のビームを提供するために、１つ以上の位置に外部結合格子を含み得る。本開示の実施形態にかかる１つ以上の例は、頭部装着型ＭＲ／ＡＲシステムの嵩を低減することができ、それによってユーザがＭＲ／ＡＲ環境により容易に没入することを可能にする、より軽量でより薄い光学系を提供することができる。
【0131】
例示的な格子構成
１つ以上の例では、格子、例えば内部結合格子、外部結合格子、および／またはスプレッダは、表面レリーフ（ＳＲ）格子、液晶（ＬＣ）格子、または体積位相（ＶＰ）格子のうちの１つ以上を含むことができる。図１５Ａ～図１５Ｃは、本開示の実施形態にかかるＡＲシステムについての例示的な照明層を示している。図１５Ａは、１つ以上の表面レリーフ（ＳＲ）格子を使用することができる照明層１５１０Ａを示している。例えば、図に示すように、内部結合格子１５３２Ａおよび１つ以上の外部結合格子１５３４Ａは、１つ以上のＳＲ格子を含むことができる。本開示の実施形態によれば、ＳＲ格子は、１つ以上の格子パターン、例えばＳＲ格子パターンを形成することができるナノ構造を含むことができる。ＳＲ格子は、１次元ナノ構造（例えば、線、メタ格子線）、２次元ナノ構造（例えば、ピラーおよび孔）、および／または３次元ナノ構造（例えば、多断面）を含むことができる。これらのナノ特徴は、例えば、バイナリ、傾斜、対称多段階、ブレーズ多段階、ブレーズ鋸歯などを含むことができる。１つ以上の例では、ＳＲ格子の屈折率は、約１．４５～４．０の範囲内とすることができる。様々な表面レリーフパターンについては、以下により詳細に説明する。１つ以上の例では、格子の回折効率を高めるために、格子は、高屈折率材料および／または反射金属（例えば、アルミニウム、銀など）によってコーティングされることができる。
１つ以上の例では、格子、例えば内部結合格子、外部結合格子、および／またはスプレッダは、表面レリーフ（ＳＲ）格子、液晶（ＬＣ）格子、または体積位相（ＶＰ）格子のうちの１つ以上を含むことができる。図１５Ａ～図１５Ｃは、本開示の実施形態にかかるＡＲシステムについての例示的な照明層を示している。図１５Ａは、１つ以上の表面レリーフ（ＳＲ）格子を使用することができる照明層１５１０Ａを示している。例えば、図に示すように、内部結合格子１５３２Ａおよび１つ以上の外部結合格子１５３４Ａは、１つ以上のＳＲ格子を含むことができる。本開示の実施形態によれば、ＳＲ格子は、１つ以上の格子パターン、例えばＳＲ格子パターンを形成することができるナノ構造を含むことができる。ＳＲ格子は、１次元ナノ構造（例えば、線、メタ格子線）、２次元ナノ構造（例えば、ピラーおよび孔）、および／または３次元ナノ構造（例えば、多断面）を含むことができる。これらのナノ特徴は、例えば、バイナリ、傾斜、対称多段階、ブレーズ多段階、ブレーズ鋸歯などを含むことができる。１つ以上の例では、ＳＲ格子の屈折率は、約１．４５～４．０の範囲内とすることができる。様々な表面レリーフパターンについては、以下により詳細に説明する。１つ以上の例では、格子の回折効率を高めるために、格子は、高屈折率材料および／または反射金属（例えば、アルミニウム、銀など）によってコーティングされることができる。
【0132】
図１５Ｂは、１つ以上のＬＣ格子を使用することができる照明層１５１０Ｂを示している。例えば、図に示すように、内部結合格子１５３２Ｂおよび１つ以上の外部結合格子１５３４Ｂは、１つ以上のＬＣ格子を含むことができる。本開示の実施形態によれば、ＬＣ格子に特定の周波数で印加される外部電圧は、格子方向を変えることができ、それによって、例えば、内部結合光の光ビーム操向を可能にするか、または外部結合光強度を変化させて眼のグリント反射を最適化することを可能にする。図１５Ｃは、１つ以上の体積位相（ＶＰ）格子を使用することができる照明層１５１０Ｃを示している。例えば、図に示すように、内部結合格子１５３２Ｃおよび１つ以上の外部結合格子１５３４Ｃは、１つ以上のＶＰ格子を含むことができる。本開示の実施形態によれば、ＶＰ格子は、特定の所定の波長および光の角度に対して高い効率を提供することができる。例えば、ＶＰ格子は、ＩＲ供給源の狭帯域、例えばレーザＩＲ供給源について、光の内部結合および外部結合において９５％を超える効率を有するように調整されることができる。
【0133】
上述したように、格子、例えば内部結合格子、外部結合格子、およびスプレッダは、１つ以上の格子パターン、例えばＳＲ格子パターンを含むことができる。いくつかの例では、格子パターンは、複数のナノ構造を含むことができる。格子に使用される１つ以上の格子パターンは、光が格子によってどのように反射されるかに影響を及ぼすことができる。いくつかの例では、格子パターンは、光が格子パターンによってどのように反射されるかに基づいて選択されることができる。図１６Ａ～図１６Ｈは、内部結合格子および外部結合格子についての例示的な格子パターンを示している。図１７Ａ～図１７Ｅは、スプレッダの例示的な格子パターンを示している。これらの格子パターンは、例示的なものであり、本開示の範囲を限定することを意図するものではない。したがって、本開示の実施形態によれば、他の格子パターンが使用されることができる。
【0134】
図１６Ａ～図１６Ｈは、内部結合格子および外部結合格子、例えば上述した内部結合格子１０３２および外部結合格子１０３４についての例示的な格子パターンを示している。これらの図に示すように、内部結合および／または外部結合格子は、様々なパターンを含むことができる。パターンのそれぞれは、それぞれの格子が光をどのように受光および反射するかに影響を及ぼし得る。例えば、いくつかの例では、内部結合格子および外部結合格子サイズは、例えば、内部結合格子を介して光を内部結合するとき、および外部結合格子を介して光を外部結合するとき、光の複数の反射による光損失を最小限に抑えるように選択されることができる。いくつかの例では、内部結合格子ピッチは、基材インデックスおよび導波される光の波長に基づくことができる。いくつかの例では、以下の式１が使用されて、内部結合格子のピッチを決定することができる。例えば、８５５ｎｍにピーク強度を有するＩＲ ＬＥＤは、ｎ＝１．４５～２．０の範囲の基材インデックスについて、約６９８ｎｍから５７０ｎｍの範囲の内部結合格子のピッチに対応することができる。そのような例では、これらのピッチ値を用いて、５０％デューティサイクル格子パターンは、例えばピッチと同様に、約２８５～３４９ｎｍの線幅範囲および約６９８～５７０ｎｍの高さ範囲を有することができる。
【化1】
【0135】
図１６Ａは、本開示の１つ以上の実施形態にかかる例示的なバイナリラインおよびスペース構造１６００Ａを示している。いくつかの例では、構造１６００Ａによって反射された光は、無指向性であり得る。例えば、構造１６００Ａによって反射された光は、ヘッドウェアラブルデバイスを装着しているユーザの環境に向けられ、および／または基材内に反射されることができる。図１６Ｂは、本開示の１つ以上の実施形態にかかる例示的な傾斜（またはブレーズド）ラインおよびスペース構造１６００Ｂを示している。いくつかの例では、傾斜の角度および方向は、光を所望の方向に向けるように調整され得る。図１６Ｃは、本開示の１つ以上の実施形態にかかる、三角形断面１６００Ｃを有する例示的なラインアンドスペース構造を示している。図１６Ｄは、本開示の１つ以上の実施形態にかかる例示的な鋸歯構造１６００Ｄを示している。いくつかの例では、鋸歯の角度および方向は、光を所望の方向に向けるように調整され得る。
【0136】
図１６Ｅは、本開示の１つ以上の実施形態にかかる例示的なバイナリ構造１６００Ｅを示している。いくつかの例では、構造１６００Ｅによって反射された光は、無指向性であり得る。この図に示すように、バイナリ構造１６００Ｅは、パターンのピッチよりも大きい高さを有することができる。図１６Ｆは、本開示の１つ以上の実施形態にかかる例示的な多段階鋸歯構造１６００Ｆを示している。いくつかの例では、鋸歯の角度および方向は、光を所望の方向に向けるように調整され得る。図１６Ｇは、本開示の１つ以上の実施形態にかかる例示的なホールアンドスペース構造１６００Ｇを示している。いくつかの例では、構造１６００Ｇによって反射された光は、無指向性であり得る。ホールアンドスペース構造１６００Ｇに示される孔は、例えば上面から見たときに円形断面を有することができるが、孔は、円形、楕円形、角丸長方形、菱形などを含むがこれらに限定されない任意の適切な形状を有することができる。図１６Ｇは、本開示の１つ以上の実施形態にかかる例示的なピラー構造１６００Ｈを示している。ピラー構造１６００Ｈは、例えば上面から見たときに円形断面を有することができるが、ピラーは、円形、楕円形、角丸長方形、菱形などを含むがこれらに限定されない任意の適切な形状を有することができる。いくつかの例では、構造１６００Ｈによって反射された光は、無指向性であり得る。いくつかの例では、ピラーは、４５～９０度の範囲の角度で傾斜されることができる。構造１６００Ａ～１６００Ｈは、特定のピッチおよび幅で示されているが、これらの特定の例は、本開示の範囲を限定することを意図するものではない。さらに、構造１６００Ａ～１６００Ｈは、例示的なものであり、本開示の範囲から逸脱することなく他のナノ構造パターンが使用されることができる。
【0137】
図１７Ａ～図１７Ｅは、本開示の１つ以上の実施形態にかかるスプレッダの例示的なナノ構造パターンを示している。上述したように、スプレッダは、例えば、内部結合格子からの内部反射光を拡散させるために設けられることができる。１つ以上の例では、スプレッダ１０４４は、１つ以上のＳＲ格子パターンを含むことができる。いくつかの実施形態では、スプレッダは、例えば導波路１４１２Ａ～１４１２Ｉのように、導波路の片側または両側にパターニングされることができる。いくつかの例では、スプレッダは、導波路の面上で光を外部結合することなく、全内部反射における回折次数の光の指向性の広がりを増加させるために、外部結合格子よりも小さいピッチを有することができる。いくつかの例では、ピッチは、約２５０～５００ｎｍとすることができる。
【0138】
図１７Ａは、本開示の実施形態にかかるスプレッダについての例示的なメタ格子構造１７００Ａを示している。メタ格子構造１７００Ａは、上述したように、光を１つ以上の方向に広げるように構成されることができる。いくつかの例では、メタ格子構造は、六角形に充填された構成のピラーまたは孔のいずれかを含むことができ、ピラーおよび／または孔は、線の交点に位置する。図１７Ｂは、本開示の実施形態にかかるスプレッダについての例示的なラインアンドスペース構造１７００Ｂを示している。図に示すように、構造１７００Ｂの線は、１つ以上の方向に配向されることができる。ラインアンドスペース構造１７００Ｂは、上述したように、光を１つ以上の方向に広げるように構成されることができる。図１７Ｃは、本開示の実施形態にかかるスプレッダについての例示的なラインアンドスペース構造１７００Ｃを示している。ラインアンドスペース構造１７００Ｃは、上述したように、光を１つ以上の方向に広げるように構成されることができる。図１７Ｄは、本開示の実施形態にかかるスプレッダのための例示的な孔構造１７００Ｄを示している。孔構造１７００Ｄは、上述したように、光を１つ以上の方向に広げるように構成されることができる。図１７Ｅは、本開示の実施形態にかかるスプレッダについての例示的なピラー構造１７００Ｅを示している。ピラー構造１７００Ｅは、上述したように、光を１つ以上の方向に広げるように構成されることができる。例えば、光は、その元の経路に沿って回折され、および／または基材内で内部反射されるように構成されることができる。
【0139】
上述したように、１つ以上の例では、１つ以上の外部結合格子は、高屈折率（例えば、酸化チタン、酸化ジルコニウム、炭化ケイ素）材料および／または反射金属（例えば、アルミニウム、銀など）によってコーティングされることができる。例えば、図１８Ａ～図１８Ｈは、本開示の実施形態にかかる照明層の１つ以上の格子１８３０Ａ～１８３０Ｈを示している。さらに、これらの図は、異なるナノ構造幾何形状を有する１つ以上の格子をコーティングするための異なる堆積プロセスを示している。これらの図に示すように、格子の形状ならびに堆積プロセスを変えることは、コーティングがナノ構造体の表面にわたってどのように堆積されるかに影響を与える可能性があり、これは、ひいては異なる角度の光に対するナノ構造体の回折効率に影響を与える可能性がある。
【0140】
例えば、図１８Ａ～図１８Ｃは、本開示の実施形態にかかる１つ以上の例示的な鋸歯格子１８３０Ａ～１８３０Ｃを示している。図１８Ａは、その上にコーティング１８５２Ａが配置された鋸歯格子１８３０Ａを示している。コーティング１８５２Ａは、例えば、高屈折率材料および／または反射金属とすることができる。コーティング１８５２Ａは、コンフォーマル方法、例えばスパッタリングプロセスおよび／または低圧蒸着プロセスを使用して堆積されることができる。この図に示すように、コンフォーマル堆積法は、ほぼ均一な厚さを有するコーティング１８５２Ａを提供することができる。図１８Ｂは、その上にコーティング１８５２Ｂが配置された鋸歯格子１８３０Ｂを示している。コーティング１８５２Ｂは、例えば、高屈折率材料および／または反射金属とすることができる。コーティング１８５２Ｂは、コーティングを真っ直ぐに、例えばオーバーヘッド方式で堆積させる蒸着プロセスを使用して堆積されることができる。図に示すように、蒸着プロセスは、水平成分を有する表面、例えば垂直面ではない表面上にコーティング１８５２Ｂを提供し得て、および／またはコーティングは、急な角度で傾斜した表面上でより薄くされ得る。図１８Ｃは、その上にコーティング１８５２Ｃが配置された鋸歯格子１８３０Ｃを示している。コーティング１８５２Ｃは、例えば、高屈折率材料および／または反射金属とすることができる。コーティング１８５２Ｃは、コーティングを斜めに堆積させる斜め蒸着プロセスを使用して堆積されることができる。図に示すように、蒸着プロセスは、堆積角度にさらされる表面上にコーティング１８５２Ｃを提供し得る。図に示すように、鋸歯格子の裏面１８５４Ａは、その上に配置されたコーティング１８５２Ｃを有する必要はない。
【0141】
図１８Ｄ～図１８Ｆは、本開示の実施形態にかかる１つ以上の例示的な多段階格子１８３０Ｄ～１８３０Ｆを示している。図１８Ｄは、その上にコーティング１８５２Ｄが配置された多段階格子１８３０Ｄを示している。コーティング１８５２Ｄは、例えば、高屈折率材料および／または反射金属とすることができる。コーティング１８５２Ｄは、コンフォーマル方法、例えばスパッタリングプロセスおよび／または低圧蒸着プロセスを使用して堆積されることができる。この図に示すように、コンフォーマル堆積法は、ほぼ均一な厚さを有するコーティング１８５２Ｄを提供することができる。図１８Ｅは、その上にコーティング１８５２Ｅが配置された鋸歯格子１８３０Ｅを示している。コーティング１８５２Ｅは、例えば、高屈折率材料および／または反射金属とすることができる。コーティング１８５２Ｅは、コーティングを真っ直ぐに、例えばオーバーヘッド方式で堆積させる蒸着プロセスを使用して堆積されることができる。図に示すように、蒸着プロセスは、水平成分を有する表面、例えば垂直面ではない表面上にコーティング１８５２Ｅを提供し得る。例えば、垂直面１８５４Ｅは、その上に配置されたコーティング１８５２Ｅを有する必要はない。図１８Ｆは、コーティング１８５２Ｆが配置された多段階格子１８３０Ｆを示している。コーティング１８５２Ｆは、例えば、高屈折率材料および／または反射金属とすることができる。コーティング１８５２Ｆは、コーティングを斜めに堆積させる斜め蒸着プロセスを使用して堆積されることができる。図に示すように、蒸着プロセスは、堆積角度にさらされる表面上にコーティング１８５２Ｆを提供し得る。図に示すように、垂直面１８５４Ｆは、その上に配置されたコーティング１８５２Ｆを有する必要はない。
【0142】
図１８Ｇ～図１８Ｉは、本開示の実施形態にかかる１つ以上の例示的な鮫鰭格子１８３０Ｇ～１８３０Ｉを示している。図１８Ｇは、その上にコーティング１８５２Ｇが配置された鮫鰭格子１８３０Ｇを示している。コーティング１８５２Ｇは、例えば、高屈折率材料および／または反射金属とすることができる。コーティング１８５２Ｇは、コンフォーマル方法、例えばスパッタリングプロセスおよび／または低圧蒸着プロセスを使用して堆積されることができる。鋸歯格子１８３０Ａおよび多段階格子１８３０Ｄのコンフォーマルコーティングとは異なり、コーティング１８５２Ｇは、格子１８３０Ｇの表面にわたって均一な厚さを有する必要はない。例えば、コーティング１８５２Ｇは、その角度のために表面１８５４Ｇ上に堆積する必要はない。例えば、導波路基材に対する表面１８５４Ｇの角度は、スパッタリングおよび／または低蒸着によって堆積された粒子がその上に堆積されることを困難にすることがある。図１８Ｈは、その上にコーティング１８５２Ｈが配置された鮫鰭格子１８３０Ｈを示している。コーティング１８５２Ｈは、例えば、高屈折率材料および／または反射金属とすることができる。コーティング１８５２Ｈは、コーティングを真っ直ぐに、例えばオーバーヘッド方式で堆積させる蒸着プロセスを使用して堆積されることができる。表面１８５４Ｇと同様に、コーティング１８５２Ｈは、その角度のために表面１８５４Ｈ上に堆積される必要はない。図１８Ｉは、その上にコーティング１８５２Ｉが配置された鮫鰭格子１８３０Ｉを示している。コーティング１８５２Ｉは、例えば、高屈折率材料および／または反射金属とすることができる。コーティング１８５２Ｉは、コーティングを斜めに堆積させる斜め蒸着プロセスを使用して堆積されることができる。図に示すように、蒸着プロセスは、堆積角度にさらされる表面上にコーティング１８５２Ｉを提供し得る。図に示すように、垂直面１８５４Ｉは、その上に配置されたコーティング１８５２Ｉを有する必要はない。
【0143】
図１９Ａ～図１９Ｃおよび図２０Ａ～図２０Ｃは、ベア格子と、高屈折率材料および／または反射金属によってコーティングされた格子との間の効率の差を示している。図１９Ａ～図１９Ｃは、ベア格子に対応するが、図２０Ａ～図２０Ｃは、高屈折率材料および／または反射金属によってコーティングされた格子に対応する。例えば、図１９Ａは、１．６５のインデックスおよび４０ｍＡの入力ＬＥＤ入力アンペア数を有するブレーズド構造を有する直径１ｍｍの多角形外部結合要素から外部結合されることができる例示的な光強度１９００Ａを示している。図１９Ｂは、１．６５のインデックスおよび３００ｍＡの入力ＬＥＤ入力アンペア数を有するブレーズド構造を有する直径１ｍｍの多角形外部結合要素から外部結合されることができる例示的な光強度１９００Ｂを示している。図１９Ｃは、例示的な光強度１９００Ｂの外部結合光の輝度に対応するグラフ１９００Ｃを示している。図１９Ｃに示すように、コーティングされていない格子の最大強度は、約９００単位とすることができる。
【0144】
図２０Ａは、アルミニウムによってコンフォーマルにコーティングされた１．６５のインデックスおよび４０ｍＡの入力ＬＥＤアンペア数を有するブレーズド構造を有する直径１ｍｍの多角形外部結合素子から外部結合されることができる例示的な光強度２０００Ａを示している。図２０Ｂは、コンフォーマルにコーティングされた１．６５のインデックスおよび３００ｍＡの入力ＬＥＤアンペア数を有するブレーズド構造を有する直径１ｍｍの多角形外部結合素子から外部結合されることができる例示的な光強度２０００Ｂを示している。光強度１９００Ａおよび１９００Ｂと比較して、光強度２０００Ａおよび２０００Ｂは、明らかに明るく、例えば、同じアンペア数で光を外部結合する際により効率的である。実際に、光強度２０００Ａ（４０ｍＡの入力アンペア数に対応する）は、光強度１９００Ｂ（３００ｍＡの入力アンペア数に対応する）よりも明るく見える。図２０Ｃは、例示的な光強度２０００Ｂの外部結合光の輝度に対応するグラフ２０００Ｃを示している。図２０Ｃに示すように、コーティングされていない格子の最大強度は、約２０，０００単位とすることができる。グラフ１９００Ｃに示される最大強度と比較して、グラフ２０００Ｃのコーティングされた格子は、約２０００％の光スループットの改善をもたらす。
【0145】
製造プロセス
図２１は、本開示の実施形態にかかる導波路照明層を製造するための例示的なプロセス２１００を示している。例えば、図２１は、製造プロセス中の様々な段階における導波路照明層を示している。図２２は、本開示の実施形態にかかる導波路照明層を製造するためのプロセス２２００に向けられた例示的なブロック図を示している。例えば、プロセス２２００は、導波路照明層を製造するためのステップに向けられることができる。製造プロセスを説明するために、プロセス２１００および２２００は、一緒に参照され得る。プロセス２１００および２２００は、例示的なものであり、本開示の範囲から逸脱することなく導波路照明層を製造するために他のプロセスが使用されることができる。
図２１は、本開示の実施形態にかかる導波路照明層を製造するための例示的なプロセス２１００を示している。例えば、図２１は、製造プロセス中の様々な段階における導波路照明層を示している。図２２は、本開示の実施形態にかかる導波路照明層を製造するためのプロセス２２００に向けられた例示的なブロック図を示している。例えば、プロセス２２００は、導波路照明層を製造するためのステップに向けられることができる。製造プロセスを説明するために、プロセス２１００および２２００は、一緒に参照され得る。プロセス２１００および２２００は、例示的なものであり、本開示の範囲から逸脱することなく導波路照明層を製造するために他のプロセスが使用されることができる。
【0146】
１つ以上の実施形態では、２１０１に示すように、基材２１１２には、スプレッダ２１４４が配置される領域に材料２１６０がインプリントされることができる（ステップ２２０２）。いくつかの例では、材料は、樹脂、例えばＵＶ感受性樹脂とすることができる。１つ以上の実施形態では、２１０２に示すように、金属マスク２１６２が基材２１１２上に重ねられることができる。金属マスク２１６２は、外部結合格子の所望の位置に対応する１つ以上の開口部２１６４を含むことができる。開口部の下方に位置する樹脂が除去されることができる（ステップ２２０４）。例えば、ＵＶ光が基材２１１２に印加されて、ＵＶ感受性樹脂を除去することができる。結果として得られる構造が２１０３に示されており、基材２１１２は、外部結合格子の所望の位置に対応する１つ以上の孔２１６６を有するインプリント材料２１６０を含む。
【0147】
１つ以上の実施形態では、２１０４に示すように、インプリント材料２１６０がエッチングされて（ステップ２２０６）、スプレッダ２１４４用のナノ構造、例えばＳＲ格子を形成することができる。１つ以上の実施形態では、２１０５に示すように、基材が剥離され、洗浄されることができる（ステップ２２０８）。１つ以上の実施形態では、２１０６に示すように、基材２１１２は、内部結合格子および外部結合格子に対応する基材の領域にインプリント材料２１６０によってインプリントされることができる（ステップ２２１０）。インプリント材料は、例えば、ＵＶ感受性樹脂とすることができる。１つ以上の実施形態では、２１０７に示すように、金属マスク２１６２が基材２１１２上に重ねられることができる。金属マスク２１６２は、内部結合格子および外部結合格子の所望の位置に対応する１つ以上の開口部２１６４を含むことができる。開口部の下方に位置する樹脂がエッチングされることができる（ステップ２２１２）。内部結合格子および外部結合格子は、上述した１つ以上のパターンにしたがってエッチングされることができる。したがって、２１０８に示すように、内部結合格子２１３２、外部結合格子２１３４、およびスプレッダ２１４４を有する照明層２１１２が製造されることができる。
【0148】
当業者は、プロセス２１００および２２００が例示的であり、本開示の範囲から逸脱することなく導波路照明層を製造するために他のプロセスが使用されることができることを理解するであろう。例えば、いくつかの実施形態では、導波路照明層を製造するためにマスタテンプレートが使用されることができ、マスタテンプレートは、内部結合格子、外部結合格子、およびスプレッダについてのＳＲ格子パターンを含む。例えば、そのようなプロセスは、ジェットおよびフラッシュインプリントリソグラフィプロセスを含むことができる。いくつかの例では、その全体が本開示に組み込まれる、Ｎａｎｏｉｍｐｒｉｎｔ Ｌｉｔｈｏｇｒａｐｈｙ Ｍｅｔｈｏｄｓ ｏｎ Ｃｕｒｖｅｄ Ｓｕｂｓｔｒａｔｅｓに記載されているように、軟質モールドが使用されて照明導波路の１つ以上の部分を製造することができる。
【0149】
本明細書では、ヘッドウェアラブルデバイスなどのディスプレイ用のシステムおよび方法が開示される。本開示にかかる実施形態は、赤外線照明層を含むことができるディスプレイであって、赤外線照明層が、第１の面および第２の面を有する導波路を含み、第１の面が、第２の面の反対側に配置される、ディスプレイを提供することができる。いくつかの例では、照明層はまた、第１の面に配置された内部結合格子を含み得て、内部結合格子が、光を導波路に結合して、第１の方向に伝播する内部反射光を生成するように構成される。いくつかの例では、照明層はまた、第１の面および第２の面のうちの少なくとも一方に配置された複数の外部結合格子を含み得て、複数の外部結合格子は、内部反射光を受光し、導波路からの内部反射光を結合するように構成されることができる。
【0150】
１つ以上の例では、ディスプレイは、導波路の第１の面および第２の面のうちの少なくとも一方に配置されたスプレッダを含むことができ、スプレッダは、内部結合光を第１の方向に、さらに第２の異なる方向に伝播するように構成されることができる。１つ以上の例では、スプレッダは、ライン、メタ格子、孔、およびピラーから選択される少なくとも１つのナノパターンを含むことができる。１つ以上の例では、スプレッダのピッチは、約２５０～５００ｎｍの範囲内とすることができる。
【0151】
１つ以上の例では、ディスプレイは、複数のディフューザを含むことができ、各ディフューザは、複数の外部結合格子のそれぞれに対向する導波路面上に配置されることができる。１つ以上の例では、複数の外部結合格子のそれぞれの幅および内部結合格子の幅は、ほぼ同じとすることができる。１つ以上の例では、ディスプレイの外部結合格子の直径は、約０．５ｍｍとすることができる。１つ以上の例では、複数の外部結合格子は、線、メタ格子、孔、ピラー、鋸歯、ブレーズド、および多層から選択される少なくとも１つのナノパターンを含むことができる。１つ以上の例では、内部結合格子は、線、メタ格子、孔、ピラー、鋸歯、ブレーズド、および多層から選択される少なくとも１つのナノパターンを含むことができる。１つ以上の例では、ディスプレイは、内部結合格子の表面、および複数の外部結合格子のうちの外部結合格子の表面のうちの少なくとも一方に配置された高屈折率コーティングを含むことができる。１つ以上の例では、ディスプレイは、導波路の第２の面に結合されたレンズを含むことができ、レンズは、曲面を含むことができる。１つ以上の例では、複数の外部結合格子のうちの２つ以上がレンズの曲面上に配置されることができる。１つ以上の例では、レンズの曲面は、約５０～１００μｍの厚さ変動を有することができる。
【0152】
１つ以上の例では、ディスプレイは、複数の外部結合格子のうちの第１の外部結合格子を含むことができ、第１の外部結合格子は、内部結合格子から第１の距離だけ離れて配置されることができる。いくつかの例では、ディスプレイは、複数の外部結合格子のうちの第２の外部結合格子であって、内部結合格子から第１の距離だけ離れて配置されることができる第２の外部結合格子をさらに含むことができ、第２の距離は、第１の距離よりも大きい。いくつかの例では、第１の外部結合格子は、第１の回折効率を示すことができ、第２の外部結合格子は、第１の効率よりも高い第２の回折効率を示す。
【0153】
本開示にかかる実施形態は、第１の面および第２の面を有する導波路を含む照明層を含むことができるディスプレイであって、第１の面が、第２の面の反対側に配置される、ディスプレイを提供することができる。いくつかの例では、照明層は、第１の面に配置された内部結合格子を含むことができ、内部結合格子が、光を導波路に結合して、第１の方向に伝播する内部反射光を生成するように構成される。いくつかの例では、照明層は、第１の面および第２の面のうちの少なくとも一方に配置された複数の外部結合格子を含むことができ、複数の外部結合格子は、内部反射光を受光し、導波路からの内部反射光を結合して外部結合光を生成するように構成されることができる。
【0154】
１つ以上の例では、ディスプレイは、可視光導波路を含むことができ、可視光導波路は、デジタルコンテンツを提示するように構成されることができる。１つ以上の例では、ディスプレイは、光センサを含むことができ、光センサは、ユーザの眼から反射された外部結合光の少なくとも一部を検出するように構成されることができる。１つ以上の例では、ディスプレイは、導波路の第１の面および第２の面のうちの少なくとも一方に配置されることができるスプレッダを含むことができ、スプレッダは、内部結合光を第１の方向に、さらに第２の異なる方向に伝播するように構成されることができる。１つ以上の例では、ディスプレイは、複数のディフューザを含むことができ、複数のディフューザの各ディフューザは、複数の外部結合格子の外部結合格子に対向する導波路面上に配置されることができる。１つ以上の例では、ディスプレイは、導波路の第２の面に結合されたレンズを含むことができ、レンズは、曲面を含むことができる。
【0155】
本開示にかかる実施形態は、基材の第１の表面上に第１の樹脂をインプリントすることを含む方法であって、樹脂が、第１の領域内に堆積されることができる、方法を提供することができる。いくつかの例では、本方法は、第１の領域内の第１の樹脂の第１の部分を除去して第２の領域を形成することを含むことができる。いくつかの例では、本方法は、第１のナノパターンによって第１の領域の第１の樹脂をエッチングすることを含むことができる。いくつかの例では、本方法は、基材の剥離および洗浄を含むことができる。いくつかの例では、本方法は、基材の第１の表面上に第２の樹脂をインプリントすることを含むことができ、第２の樹脂は、第２の領域内に堆積される。いくつかの例では、本方法は、第２のナノパターンによって第２の領域の第２の樹脂をエッチングすることを含むことができる。
【0156】
１つ以上の例では、本方法は、第２の樹脂を基材の第１の表面上にインプリントすることを含むことができ、第２の樹脂は、第３の領域内に堆積され、第３の領域は、第１の領域と連続していない。１つ以上の例では、本方法は、第３の樹脂を基材の第２の表面上にインプリントすることを含むことができ、第３の樹脂は、基材の第４の領域上に堆積され、基材の第２の表面は、第１の表面の反対側にあり、第４の領域は、第２の領域の反対側にある。
【0157】
開示された例は、添付の図面を参照して十分に説明されているが、様々な変形および変更が当業者には明らかになることに留意されたい。例えば、図面に示される要素および／または構成要素は、縮尺通りでなくてもよく、および／または説明目的のために強調されてもよい。別の例として、１つ以上の実装の要素が組み合わせられ、削除され、変更され、または補足されて、さらなる実装を形成してもよい。他の組み合わせおよび変更は、添付の特許請求の範囲によって定義される開示された例の範囲内に含まれると理解されるべきである。
【図1A】
【図1B】
【図1C】
【図2A】
【図2B】
【図2C】
【図2D】
【図3A】
【図3B】
【図4】
【図5】
【図6A】
【図6B】
【図7A】
【図7B】
【図7C】
【図7D】
【図8A】
【図8B】
【図8C】
【図9A】
【図9B】
【図9C】
【図10】
【図11A】
【図11B】
【図11C】
【図12A-12F】
【図13】
【図14A】
【図14B】
【図14C】
【図14D】
【図14E】
【図14F】
【図14G】
【図14H】
【図14I】
【図15A】
【図15B】
【図15C】
【図16A】
【図16B】
【図16C】
【図16D】
【図16E】
【図16F】
【図16G】
【図16H】
【図17A】
【図17B】
【図17C】
【図17D】
【図17E】
【図18A】
【図18B】
【図18C】
【図18D】
【図18E】
【図18F】
【図18G】
【図18H】
【図18I】
【図19】
【図20】
【図21-1】
【図21-2】
【図22】
【国際調査報告】