(57)【要約】  ニアアイディスプレイおよび両眼ニアアイディスプレイシステムが、画像の複数の異なるビューをアイボックス内の異なる位置に提供し、焦点深度キューをユーザに与える。ニアアイディスプレイは、異なるビューを提供するように構成されたマルチビーム回折格子ベースのディスプレイと、異なるビューをアイボックス内の異なる位置に中継するように構成された光学系とを備える。両眼ニアアイディスプレイシステムは、３次元（３Ｄ）シーンを表す立体画像対を提供し、横方向に変位されたアイボックスの対応する対に中継するように構成されたマルチビーム回折格子ベースのディスプレイおよび両眼光学系の対を含む。
2019500634.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ニアアイディスプレイであって、
画像の複数の異なるビューを提供するように構成されたマルチビーム回折格子ベースのディスプレイと、
前記画像の前記複数の異なるビューを、前記ニアアイディスプレイの出力においてアイボックス内の対応する複数の異なる位置に中継するように構成された光学系であって、前記アイボックス内の前記対応する複数の異なる位置は、前記ニアアイディスプレイのユーザに焦点深度キューを与えるように構成される、光学系と、
を備える、ニアアイディスプレイ。
【請求項２】
前記画像は３次元（３Ｄ）画像を含み、前記複数の異なるビューのうちの異なるビューは、前記３Ｄ画像の異なる斜視図を表す、請求項１に記載のニアアイディスプレイ。
【請求項３】
前記画像の前記複数の異なるビューは、少なくとも４つの異なるビューを含む、請求項１に記載のニアアイディスプレイ。
【請求項４】
前記複数の異なるビューは全角度範囲を有し、前記光学系は入力開口を有し、前記全角度範囲は、前記入力開口のサイズに実質的に対応するように構成される、請求項１に記載のニアアイディスプレイ。
【請求項５】
前記光学系は、ユーザの眼の正常調節範囲に対応する前記アイボックスからの距離に前記画像の仮想画像を提供するように構成された単純な拡大鏡を備える、請求項１に記載のニアアイディスプレイ
【請求項６】
前記マルチビーム回折格子ベースのディスプレイおよび前記光学系の双方が、ユーザの視野（ＦＯＶ）の一部分を実質的にブロックするように前記ＦＯＶ内に位置し、前記ニアアイディスプレイは、物理環境のビューを前記ブロックされたＦＯＶ部分内の前記画像と置き換えるように構成されたバーチャルリアリティーディスプレイである、請求項１に記載のニアアイディスプレイ。
【請求項７】
前記マルチビーム回折格子ベースのディスプレイは、ユーザの視野（ＦＯＶ）の外側に位置し、前記光学系は、前記ＦＯＶ内に位置し、前記ニアアイディスプレイは、前記ＦＯＶ内の物理環境のビューを、前記画像を用いて拡張するように構成された拡張現実ディスプレイである、請求項１に記載のニアアイディスプレイ。
【請求項８】
前記光学系は、自由形状プリズムを含む、請求項１に記載のニアアイディスプレイ。
【請求項９】
前記光学系は、自由形状補正レンズを更に含む、請求項８に記載のニアアイディスプレイ。
【請求項１０】
前記マルチビーム回折格子ベースのディスプレイは、
非ゼロ伝播角度でコリメート光ビームを導波するように構成された平板ライトガイドと、
前記平板ライトガイドの表面におけるマルチビーム回折格子のアレイであって、前記アレイのマルチビーム回折格子は、前記導波コリメート光ビームの一部分を、前記画像の前記複数の異なるビューの視認方向に対応する異なる複数の主極大角度方向を有するカップリングして外へ出された複数の光ビームとして回折によりカップリングして外へ出すように構成されるアレイと、
を備える、請求項１に記載のニアアイディスプレイ。
【請求項１１】
前記マルチビーム回折格子は、線形チャープ回折格子である、請求項１０に記載のニアアイディスプレイ。
【請求項１２】
前記マルチビーム回折格子ベースのディスプレイは、
前記コリメート光ビームを平板ライトガイド光に提供するように構成された光源と、
前記平板ライトガイド表面に隣接するライトバルブアレイであって、前記ライトバルブアレイは、前記カップリングして外へ出された光ビームを、前記画像の前記複数の異なるビューに対応する複数のピクセルとして選択的に変調するように構成される、ライトバルブアレイと、
を更に備える、請求項１０に記載のニアアイディスプレイ。
【請求項１３】
前記光源は、異なる色の光を提供するように構成された複数の異なる光源を備え、前記複数の異なる光源は、光の前記異なる色の各々に対応するコリメート導波光ビームの異なる色固有の非ゼロの伝播角度を提供するように構成される、請求項１２に記載のニアアイディスプレイ。
【請求項１４】
請求項１に記載のニアアイディスプレイの対を備えるニアアイ両眼ディスプレイシステムであって、前記対の第１のニアアイディスプレイは、第１の画像の第１の複数の異なるビューを第１のアイボックスに提供するように構成され、前記対の第２のニアアイディスプレイは、第２の画像の第２の複数の異なるビューを第２のアイボックスに提供するように構成され、前記第２のアイボックスは、前記第１のアイボックスから横方向にオフセットされ、前記第１の画像および前記第２の画像は画像の立体対を表す、ニアアイ両眼ディスプレイシステム。
【請求項１５】
ニアアイ両眼ディスプレイシステムであって、
マルチビーム回折格子ベースのディスプレイの対であって、各マルチビーム回折格子ベースのディスプレイは、３次元（３Ｄの）シーンを表す立体画像の対の異なる画像を提供するように構成される、マルチビーム回折格子ベースのディスプレイの対と、
前記立体画像対の前記異なる画像をアイボックスの対応する対に別個に中継するように構成された両眼光学系であって、前記アイボックスは互いに横方向に変位される、両眼光学系と、
を備え、前記ディスプレイ対のマルチビーム回折格子ベースのディスプレイは、平板ライトガイドと、マルチビーム回折格子のアレイとを備え、前記アレイのマルチビーム回折格子は、前記平板ライトガイド内からの導波光を、カップリングして外へ出された複数の光ビームとして回折によりカップリングして外へ出すように構成され、前記カップリングして外へ出された複数の光ビームは、前記立体画像対の前記異なる画像を提供するように構成される、ニアアイ両眼ディスプレイシステム。
【請求項１６】
前記立体画像対の前記異なる画像の各々は、前記３Ｄシーンの複数の異なるビューを含み、前記カップリングして外へ出された複数の光ビームは、前記カップリングして外へ出された複数の光ビームの前記異なるビューの３Ｄビュー方向に対応する異なる主極大角度方向を有する、請求項１５に記載のニアアイ両眼ディスプレイシステム。
【請求項１７】
前記両眼光学系は、前記アイボックス内の対応する複数の異なる位置に前記複数の異なるビューを中継するように構成され、前記アイボックス内の前記異なるビューの前記異なる位置は、前記ニアアイ両眼ディスプレイシステムのユーザに、深度焦点キューを提供するように構成され、前記深度焦点キューは、前記立体画像対の前記異なる画像間の両眼視差に対応する、請求項１６に記載のニアアイ両眼ディスプレイシステム。
【請求項１８】
前記両眼光学系は、第１の自由形状プリズムおよび第２の自由形状プリズムを含み、前記第１の自由形状プリズムは、前記マルチビーム回折格子ベースのディスプレイ対の第１のマルチビーム回折格子ベースのディスプレイによって提供される画像を前記アイボックス対の第１のアイボックスに中継するように構成され、前記第２の自由形状プリズムは、前記マルチビーム回折格子ベースのディスプレイ対の第２のマルチビーム回折格子ベースのディスプレイによって提供される異なる画像を、前記アイボックス対の第２のアイボックスに中継するように構成される、請求項１５に記載のニアアイ両眼ディスプレイシステム。
【請求項１９】
前記両眼光学系は、物理環境の異なる画像を前記アイボックスの対に提供するように構成された自由形状補正レンズの対を更に含み、前記ニアアイ両眼ディスプレイシステムは拡張現実ディスプレイシステムである、請求項１８に記載のニアアイ両眼ディスプレイシステム。
【請求項２０】
前記立体画像対の前記提供される異なる画像は、前記アイボックス内の物理環境の両眼ビューを置き換えるように構成され、前記ニアアイ両眼ディスプレイシステムは、バーチャルリアリティーディスプレイシステムとして構成される、請求項１５に記載のニアアイ両眼ディスプレイシステム。
【請求項２１】
前記マルチビーム回折格子ベースのディスプレイは、
光を提供するように構成される光源と、
前記光源によって提供される前記光をコリメートするように構成される光学コリメータと、
前記平板ライトガイドに隣接するライトバルブのアレイであって、前記ライトバルブアレイは、前記カップリングして外へ出された光ビームを、前記立体画像対の前記提供される画像のピクセルに対応する複数のピクセルとして選択的に変調するように構成される、ライトバルブのアレイと、
を更に備え、前記平板ライトガイドは、非ゼロの伝播角度で前記コリメート光をコリメート光ビームとして導波するように構成される、請求項１５に記載のニアアイ両眼ディスプレイシステム。
【請求項２２】
ニアアイ画像ディスプレイ動作の方法であって、
非ゼロ伝播角度でライトガイド内にコリメート光ビームを導波することと、
マルチビーム回折格子を用いて、前記ライトガイドから前記導波コリメート光ビームの一部分を回折によりカップリングして外へ出し、異なる複数の主極大角度方向で前記ライトガイドから離れる方向に向けられた、カップリングして外へ出された複数の光ビームを生成して、前記カップリングして外へ出された光ビームの前記複数の異なる主極大角度方向に対応する画像の複数の異なるビューを提供する光照射野を形成することと、
前記画像の前記複数の異なるビューを、光学系を用いてアイボックスに中継することと、
を含む、方法。
【請求項２３】
前記複数の異なるビューを中継することは、前記異なるビューのうちの異なる各々を前記アイボックス内の異なる位置に中継し、異なるビューの前記異なる位置は、前記アイボックス内の画像を視認するユーザに深度焦点キューを与える、請求項２２に記載のニアアイ画像ディスプレイ動作の方法。
【請求項２４】
前記画像の前記複数の異なるビューを中継することは、前記アイボックスから、ユーザの眼の正常調節範囲に対応する距離に位置する仮想画像を提供するように前記画像を拡大することを含む、請求項２２に記載のニアアイ画像ディスプレイ動作の方法。
【請求項２５】
前記画像の前記複数の異なるビューを中継することは、前記画像の拡張現実ディスプレイおよびバーチャルリアリティーディスプレイの一方または双方を提供する、請求項２２に記載のニアアイ画像ディスプレイ動作の方法。
【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、参照によりその内容全体が本明細書に援用される、２０１５年１０月１６日に出願された米国仮特許出願第６２／２４２，９８０号の優先権を主張する。
【０００２】
連邦政府資金による研究開発の記載
該当なし
【背景技術】
【０００３】
電子ディスプレイは、多種多様なデバイスおよび製品のユーザに情報を伝達するための、ほぼ至る所にある媒体である。最も一般に見られる電子ディスプレイには、陰極線管（ＣＲＴ）、プラズマディスプレイパネル（ＰＤＰ）、液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）、電子発光ディスプレイ（ＥＬ）、有機発光ダイオード（ＯＬＥＤ）およびアクティブマトリクスＯＬＥＤ（ＡＭＯＬＥＤ）ディスプレイ、電気泳動ディスプレイ（ＥＰ）、ならびに電気機械または電気流体光変調（modulation）（例えば、デジタルマイクロミラーデバイス、エレクトロウェッティングディスプレイ等）を使用した様々なディスプレイがある。一般に、電子ディスプレイは、アクティブディスプレイ（すなわち、光を放射するディスプレイ）またはパッシブディスプレイ（すなわち、別の発生源によりもたらされた光を変調するディスプレイ）に分類することができる。アクティブディスプレイの最も明らかな例には、ＣＲＴ、ＰＤＰ、およびＯＬＥＤ／ＡＭＯＬＥＤがある。放射される光を考慮したときにパッシブとして通常分類されるディスプレイは、ＬＣＤおよびＥＰディスプレイである。パッシブディスプレイは、多くの場合、本質的に消費電力が低いことを含めて、これだけに限らず魅力的な性能特性を呈するが、光を放射する能力がないことを考えれば、多くの実用的な用途においていくらか使用が制限される場合がある。
【０００４】
アクティブまたはパッシブとして分類されることに加えて、電子ディスプレイは、電子ディスプレイの意図される視認距離に従って特徴付けることもできる。例えば、大多数の電子ディスプレイは、人間の眼の正常なまたは「自然な」調節範囲内にある距離に位置することが意図される。したがって、電子ディスプレイは、直接、かつ当然ながら追加の光学素子なしで見ることができる。一方、いくつかのディスプレイは、正常調節範囲よりもユーザの眼の近くに位置するように特に設計される。これらの電子ディスプレイは、多くの場合、「ニアアイ」ディスプレイと呼ばれ、一般に、視認を容易にするための何らかの形態の光学素子を備える。例えば、光学素子は、物理的電子ディスプレイ自体が直接視認可能でない場合があるにもかかわらず、快適な視認を可能にするように、正常調節範囲内にある物理的電子ディスプレイの仮想画像を提供することができる。ニアアイディスプレイを用いる用途の例は、ヘッドマウントディスプレイ（ＨＭＤ）および類似のウェアラブルディスプレイ、ならびにいくつかのヘッドアップディスプレイであるが、これらに限定されない。様々なバーチャルリアリティーシステムおよび拡張現実システムは、しばしばニアアイディスプレイを含む。なぜなら、ニアアイディスプレイは、そのような用途における従来のディスプレイよりも没入感のある体験をもたらすことができるためである。
【発明の概要】
【０００５】
本明細書で説明する原理による例および実施形態の様々な特徴は、同様の参照番号が同様の構造要素を表す添付の図面と併せて以下の詳細な説明を参照することにより、より容易に理解することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００６】
【図１】本明細書で説明する原理の一例による、特定の主極大角度方向（principal angular direction）を有する光ビームの角度成分｛θ，φ｝のグラフ図である。
【図２】本明細書で説明する原理の実施形態による、一例におけるニアアイディスプレイのブロック図である。
【図３】本明細書で説明する原理と一致した実施形態による、一例におけるニアアイディスプレイの光学素子の概略図である。
【図４】本明細書で説明する原理と一致した実施形態による、一例における自由形状プリズムを含む光学系を有するニアアイディスプレイの断面図である。
【図５Ａ−Ｂ】［図５Ａ］本明細書で説明する原理と一致した実施形態による、一例におけるマルチビーム回折格子ベースのディスプレイの断面図である。［図５Ｂ］本明細書で説明する原理と一致した別の実施形態による、一例におけるマルチビーム回折格子ベースのディスプレイの断面図である。
【図５Ｃ】本明細書で説明する原理と一致した実施形態による、一例におけるマルチビーム回折格子の斜視図である。
【図６】本明細書で説明する原理と一致した実施形態による、一例におけるニアアイ両眼ディスプレイシステムのブロック図である。
【図７】本明細書で説明する原理と一致した実施形態による、一例におけるニアアイディスプレイ動作の方法のフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【０００７】
いくつかの例および実施形態は、上記で参照された図に示す特徴の追加または代替の１つである他の特徴を有している。これらおよび他の特徴は、上記で参照される図を参照して以下で詳述される。
【０００８】
本明細書で説明する原理による実施形態および例は、調節サポートを提供するニアアイ画像ディスプレイを提供する。特に、本明細書で説明する原理の様々な実施形態によれば、ニアアイディスプレイは、マルチビューディスプレイを利用して、画像の複数の異なるビューを生成する。複数の異なるビューは、ニアアイ表示された画像が視認されるアイボックス（eye box）内の異なる位置に投影またはマッピングされる。様々な実施形態によれば、異なる位置における異なるビューは、表示画像に対する調節をサポートする（すなわち、眼の焦点を物体に合わせることをサポートする）ことができる。
【０００９】
様々な実施形態によれば、マルチビューディスプレイは、マルチビーム回折格子ベースの背面照明を含む。マルチビーム回折格子ベースの背面照明は、マルチビーム回折格子を用いたライトガイドからの光のマルチビーム回折カップリングを利用して、複数の異なるビューに対応する光ビームを生成する。いくつかの実施形態では、異なるビューは、マルチビーム回折格子ベースの背面照明に基づく３次元（３Ｄ）電子ディスプレイ（例えば、オートステレオスコピックまたは「裸眼」３Ｄ電子ディスプレイ）によって生成される異なるビューと実質的に類似することができる。したがって、マルチビューディスプレイは、マルチビーム回折格子ベースのディスプレイと呼ぶことができる。
【００１０】
様々な実施形態によれば、マルチビーム回折格子ベースのディスプレイは、マルチビーム回折格子のアレイを有する。マルチビーム回折格子は、ライトガイドからの光をカップリングし、マルチビーム回折格子ベースのディスプレイのピクセル、または等価には、表示される画像の異なるビューのピクセルに対応する、カップリングして外へ出された（coupled-out）光ビームを提供するのに用いられる。具体的には、様々な実施形態によれば、カップリングして外へ出された光ビームは、互いに異なる主極大角度方向を有する。更に、いくつかの実施形態では、マルチビーム回折格子によって生成されたこれらの異なる方向に向けられた光ビームは、変調され、表示画像の異なるビューに対応するピクセルとしての役割を果たすことができる。
【００１１】
本明細書では、「ライトガイド」は、内部全反射を用いて構造体内で光を導波する構造体として定義される。具体的には、ライトガイドは、ライトガイドの動作波長において実質的に透明なコアを含んでいてもよい。「ライトガイド」という用語は一般に、ライトガイドの誘電体材料と、ライトガイドを取り囲む材料または媒体との間の境界面において光を導波するための内部全反射を用いる誘電体光導波路を指す。定義上、内部全反射のための条件は、ライトガイドの屈折率が、ライトガイド材料の表面に隣接する周囲の媒体の屈折率より大きいことである。いくつかの実施形態では、ライトガイドは、内部全反射を更に容易にするために、上述の屈折率差に加えてまたはその代わりにコーティングを含んでいてもよい。コーティングは、例えば反射コーティングとしてもよい。ライトガイドは、平板（plate）またはスラブ（slab）ガイドおよびストリップ（strip）ガイドの一方または両方を含むがこれらに限定されない、いくつかのライトガイドのうちの任意のものとすることができる。
【００１２】
本明細書では更に、「平板」という用語は、「平板ライトガイド」のようにライトガイドに適用された場合は、区分的（piecewise）または個別的（differentially）に平面状の層またはシートとして定義され、場合によっては「スラブ」ガイドと呼ばれる。具体的には、平板ライトガイドは、ライトガイドの上面および下面（すなわち、反対の面）により境界を画された２つの実質的に直交する方向に光を導波するように構成されたライトガイドとして定義される。更に、本明細書における定義上、上面および下面は共に互いに隔てられ、少なくとも個別的な意味で互いに実質的に平行とすることができる。すなわち、平板ライトガイドのいずれの個別的に小さな領域内でも、上面および下面は実質的に平行であるかまたは同一平面上にある（co-planar）。
【００１３】
いくつかの実施形態では、平板ライトガイドは、実質的に平坦（例えば平面に制限される）であってよく、したがって平板ライトガイドは平面状ライトガイドとなる。他の実施形態では、平板ライトガイドは、１つまたは２つの直交する寸法（dimension）において湾曲していてもよい。例えば、平板ライトガイドは、円筒形状の平板ライトガイドを形成するように、単一の寸法において湾曲していてもよい。しかしながら、いずれの曲率も、光を導波するために平板ライトガイド内での内部全反射が維持されることを確実にするように、十分大きな曲率半径を有する。
【００１４】
本明細書において、「回折格子」、より詳細には「マルチビーム回折格子」は、回折格子に入射する光の回折をもたらすように配置された複数の特徴部（すなわち、回折特徴部）として一般に定義される。いくつかの例では、複数の特徴部は、周期的にまたは準周期的に配置してもよい。例えば、回折格子の複数の特徴部（例えば、材料表面における複数の溝）が、１次元（１Ｄ）アレイに配置されていてもよい。他の例では、回折格子は、複数の特徴部の２次元（２Ｄ）アレイとしてもよい。例えば、回折格子は、材料表面の複数の突起（bump）または穴の２Ｄアレイとしてもよい。
【００１５】
したがって、本明細書における定義上、「回折格子」は、回折格子に入射する光の回折をもたらす構造である。光がライトガイドから回折格子に入射する場合、もたらされる回折または回折散乱は、回折格子が、回折によって、光をカップリングして外へ出すことができるという点で、「回折カップリング」を結果として生じることができ、このため「回折カップリング」と呼ばれる。回折格子はまた、回折により（すなわち、回折角度で）光の角度を方向変更する（redirect）かまたは変化させる。具体的には、回折の結果として、回折格子を出る光（すなわち、回折された光）は一般に、回折格子に対し入射する光（すなわち、入射光）の伝播方向とは異なる伝播方向を有する。本明細書では、回折による光の伝播方向の変化は、「回折的方向変更（diffractive redirection）」と呼ばれる。したがって、回折格子は、回折格子に入射する光を回折により方向変更する回折特徴部を含む構造体であると理解することができ、光がライトガイドから入射する場合には、回折格子はライトガイドから光を回折によりカップリングして外へ出すこともできる。
【００１６】
更に、本明細書における定義上、回折格子の複数の特徴部は、「回折特徴部」と呼ばれ、表面（ここで、「表面」は、２つの材料間の境界を指す）、表面内、および表面上（at, in and on）のうちの１つまたは複数にあるものとすることができる。この表面は、平板ライトガイドの表面とすることができる。回折特徴部は、溝、隆線、穴、および突起のうちの１つまたは複数を含むがこれらに限定されない、光を回折する様々な構造体のうちの任意のものを含むことができ、これらの構造は、表面、表面内、または表面上のうちの１つまたは複数にあるものとすることができる。例えば、回折格子は、材料表面における複数の平行な溝を含むことができる。別の例では、回折格子は、材料表面から立ち上がった複数の平行な隆線を含むことができる。回折特徴部は（溝、隆線、穴、突起等を問わず）、正弦波輪郭、長方形輪郭（例えば、バイナリ回折格子）、三角形輪郭、および鋸歯状輪郭（例えば、ブレーズド回折格子）のうちの１つまたは複数を含むがこれらに限定されない、回折をもたらす様々な断面形状または輪郭のうちの任意のものを有することができる。
【００１７】
本明細書における定義上、「マルチビーム回折格子」は、複数の光ビームを含む、カップリングして外へ出される光を生成する回折格子である。更に、本明細書における定義上、マルチビーム回折格子によって生成される複数の光ビームは、互いに異なる主極大角度方向を有する。具体的には、定義上、複数の光ビームは、マルチビーム回折格子による入射光の回折カップリングおよび回折的方向変更の結果として、複数の光ビームのうちの別の光ビームと異なる所定の主極大角度方向を有することができる。複数の光ビームは、光照射野を表すことができる。例えば、複数の光ビームは、８つの異なる主極大角度方向を有する８つの光ビームを含むことができる。例えば、８つの光ビームを組み合わせることにより（すなわち、複数の光ビーム）、光照射野を表すことができる。様々な実施形態によれば、様々な光ビームの異なる主極大角度方向は、格子ピッチまたは間隔と、マルチビーム回折格子に入射する光の伝播方向に対するそれぞれの光ビームの原点におけるマルチビーム回折格子の回折特徴部の向きまたは回転との組み合わせによって決定される。
【００１８】
具体的には、本明細書における定義上、マルチビーム回折格子により生成された各光ビームは、角度成分｛θ，φ｝で与えられる１つの主極大角度方向を有する。角度成分θは、本明細書では光ビームの「仰角成分」または「仰角」と呼ばれる。角度成分φは、本明細書では光ビームの「方位角成分（azimuth component）」または「方位角（azimuth angle）」と呼ばれる。定義上、仰角θは、垂直面（vertical plane）（例えば、マルチビーム回折格子の平面に垂直）における角度であり、方位角φは、水平面（horizontal plane）（例えば、マルチビーム回折格子平面に平行）における角度である。図１は、本明細書で説明する原理の一例による、特定の主極大角度方向を有する光ビーム１０の角度成分｛θ，φ｝を示す。更に、本明細書における定義上、光ビーム１０は、特定の点から放射または発散（emanate）される。すなわち、定義上、光ビーム１０は、マルチビーム回折格子内の特定の原点に関連付けられた中心光線（central ray）を有する。また、図１は、光ビームの原点Ｏも示す。入射光の例示的な伝播方向は、図１において、原点Ｏに向かって方向付けられた太線の矢印１２を用いて示される。
【００１９】
様々な実施形態によれば、マルチビーム回折格子およびその特徴部（すなわち「回折特徴部（diffractive feature）」）の特性は、複数の光ビームの角度指向性（angular directionality）と、これらの光ビームのうちの１つまたは複数に対するマルチビーム回折格子の波長または色選択性（selectivity）の一方または両方を制御するために用いることができる。角度指向性および波長選択性を制御するために用いることができる特性は、格子長さ、格子ピッチ（特徴部間隔）、特徴部の形状、特徴部のサイズ（例えば、溝または隆線（ridge）の幅）、および格子の向きのうちの１つまたは複数を含むが、これらに限定されない。いくつかの例では、制御のために用いられる様々な特性は、光ビームの原点の近傍に局所的な特性としてもよい。
【００２０】
更に本明細書で説明する様々な実施形態によれば、回折格子（例えば、マルチビーム回折格子）によってライトガイドからカップリングして外へ出された光は、電子ディスプレイのピクセルを表す。具体的には、異なる主極大角度方向を有する複数の光ビームを生成するためのマルチビーム回折格子を有するライトガイドは、マルチビューディスプレイ、「裸眼」３次元（３Ｄ）電子ディスプレイ（「ホログラフィック」電子ディスプレイまたはオートステレオスコピックディスプレイとも呼ばれる）等の電子ディスプレイのバックライトの一部とすることができるか、またはこれらと共に用いることができるが、これらに限定されない。したがって、マルチビーム回折格子を用いてライトガイドから導波光をカップリングして外へ出すことによって生成された、異なる方向に向けられた光ビームは、表示されている画像（例えば、３Ｄ画像）の異なるビューとすることができるか、またはこれらを表すことができる。更に、異なる方向に向けられた光ビームは、異なる画像ビューの異なるビュー角度に対応する方向を有する。
【００２１】
本明細書において、「コリメータ」は、光をコリメートするように構成される実質的に任意の光学デバイスまたは装置として定義される。例えば、コリメータは、コリメートミラーまたは反射器、コリメートレンズ、およびそれらの様々な組み合わせを含むことができるが、これらに限定されない。いくつかの実施形態では、コリメート反射器を備えるコリメータは、放物線または放物形によって特徴付けられる反射面を有することができる。別の例では、コリメート反射器は、成形された放物面反射器（shaped parabolic reflector）を含むことができる。「成形された放物面」とは、成形された放物面反射器の湾曲した反射面が、所定の反射特性（例えば、コリメートの程度）を達成するように決定された方式で、「真の」放物線から逸脱していることを意味する。同様に、コリメートレンズは、球形に成形された面（例えば、両凸球形レンズ）を含むことができる。
【００２２】
いくつかの実施形態では、コリメータは、連続反射器または連続レンズ（すなわち、実質的に平滑で連続した表面を有する反射器またはレンズ）とすることができる。他の実施形態では、コリメート反射器またはコリメートレンズは、限定ではないがフレネル反射器またはフレネルレンズ等の、光コリメートをもたらす実質的に不連続な表面を含む場合がある。様々な実施形態によれば、コリメータによってもたらされるコリメート量は、実施形態によって、所定の度合いまたは量が変動する場合がある。更に、コリメータは、２つの直交する方向（例えば、垂直方向および水平方向）の一方または双方においてコリメートをもたらすように構成することができる。すなわち、いくつかの実施形態によれば、コリメータは、２つの直交する方向の一方または双方において光コリメートをもたらす形状を含むことができる。
【００２３】
本明細書において、「光源」は、光の発生源（例えば、光を放射する装置またはデバイス）として定義される。例えば、光源は、起動されると光を放射する発光ダイオード（ＬＥＤ）とすることができる。光源は、発光ダイオード（ＬＥＤ）、レーザ、有機発光ダイオード（ＯＬＥＤ）、ポリマー発光ダイオード、プラズマベースの光学エミッタ、蛍光灯、白熱灯、および実際上任意の他の光の発生源を含むが、これらに限定されない、実質的に任意の光の発生源または光学エミッタとすることができる。光源によって生成される光は、色を有してもよく、または特定の波長の光を含んでもよい。したがって、「異なる色の複数の光源」は、本明細書において、光源のうちの少なくとも１つが、色を有する光を生成するか、または等価には、複数の光源のうちの少なくとも１つの他の光源によって生成される光の色もしくは波長と異なる波長を有する光を生成する、光源の組またはグループとして明示的に定義される。更に、「異なる色の複数の光源」は、複数の光源のうちの少なくとも２つの光源が異なる色の光源である（すなわち、少なくとも２つの光源が、異なる光の色を生成する）限り、同じまたは実質的に類似した色の２つ以上の光源を含むことができる。このため、本明細書における定義上、異なる色の複数の光源は、第１の色の光を生成する第１の光源と、第２の色の光を生成する第２の光源とを含むことができ、ここで、第２の色は第１の色と異なる。
【００２４】
本明細書において用いられるとき、「調節」という語は、眼の光強度を変更することによって物体または画像要素に焦点を合わせるプロセスを指す。換言すれば、調節は、眼が焦点を合わせる能力である。本明細書において、「調節範囲」または等価には、「調節距離」は、焦点を達成することができる眼からの距離の範囲として定義される。調節範囲は、人ごとに変動する場合があるが、ここでは、単純にするために、例えば、約２５センチメートル（ｃｍ）の最小「正常」調節距離が想定される。したがって、いわゆる「正常」調節範囲内に物体が存在するために、物体は通常、眼から約２５ｃｍよりも離れて位置することが理解される。更に、本明細書における定義上、ニアアイディスプレイは、ディスプレイの少なくとも一部分がニアアイディスプレイのユーザの眼から２５ｃｍよりも近くに配置されたディスプレイである。
【００２５】
ここで、「アイボックス」は、ディスプレイまたは他の光学系（例えば、レンズ系）によって形成される画像を視認することができる空間の領域またはボリュームとして定義される。換言すれば、アイボックスは、ディスプレイシステムによって生成される画像を視認するためにユーザの眼をその中に配置することができる空間内の位置を定義する。いくつかの実施形態では、アイボックスは、空間の２次元領域（例えば、長さおよび幅を有するが実質的な深度を有しない領域）を表すことができるのに対し、他の実施形態では、アイボックスは、空間の３次元領域（例えば、長さ、幅および深度を有する領域）を含むことができる。更に、「ボックス」と呼ばれるが、アイボックスは長方形形状のボックスに限定されない場合がある。例えば、いくつかの実施形態では、アイボックスは、空間の円筒形状の領域を含むことができる。
【００２６】
更に、本明細書において用いられるとき、冠詞「a（１つ）」は、特許技術（patent art）における通常の意味、すなわち、「１つまたは複数（one or more）」を有することが意図される。本明細書では、例えば、「（１つの）格子（a grating）」は１つまたは複数の格子を意味し、したがって「その（１つの）格子（the grating）」は「その１つまたは複数の格子（the grating(s)）」を意味する。また、本明細書における「上部（top）」、「下部（bottom）」、「上側（upper）」、「下側（lower）」、「上向き（up）」、「下向き（down）」、「正面（front）」、「背面（back）」、「第１の」、「第２の」、「左」、または「右」に対するいずれの参照も、本明細書では限定を意図するものではない。本明細書では、「約」という用語は、値に適用されたときは一般にその値を生成するために用いられる機器の許容差範囲（tolerance range）内を意味し、または他に明示的に指定されない限り、±１０％、または±５％、または±１％を意味する。更に、「実質的に」という用語は、本明細書において用いられるとき、大多数、またはほとんど全て、または全て、または約５１％〜約１００％の範囲内の量を意味する。更に、本明細書における例は、例示的にすぎず、考察の目的で示され、限定のためのものではないことが意図される。
【００２７】
本明細書で説明する原理のいくつかの実施形態によれば、ニアアイディスプレイが提供される。図２は、本明細書で説明する原理の実施形態による、一例におけるニアアイディスプレイ１００のブロック図を示す。ニアアイディスプレイ１００は、ニアアイディスプレイ１００のアイボックス１０２において画像（すなわち、表示画像）を提供するように構成される。特に、ニアアイディスプレイ１００は、表示画像の複数の異なるビュー１０４を提供するように構成することができる。更に、異なるビュー１０４は、アイボックス１０２内の異なる位置において提供することができる。様々な実施形態によれば、アイボックス１０２内の異なる位置において提供される異なるビュー１０４は、ニアアイディスプレイ１００のユーザに対し、焦点深度キューを与えるように構成される。焦点深度キューは、例えば、ユーザが、焦点深度キューに基づいて表示画像内の深度または距離を知覚することを可能にすることができる。ニアアイディスプレイ１００によってユーザに与えられる焦点深度キューは、調節および網膜のぼけを含むことができるが、これらに限定されない。
【００２８】
図２に示すように、ニアアイディスプレイ１００は、マルチビーム回折格子ベースのディスプレイ１１０を備える。マルチビーム回折格子ベースのディスプレイ１１０は、表示画像の複数の異なるビュー１０４を提供するように構成される。更なる実施形態によれば、実質的に任意の数の異なるビューを、複数の異なるビュー１０４として提供することができる。例えば、表示画像の複数の異なるビュー１０４は、２つ、３つ、４つ、５つ、６つ、７つ、８つまたはそれ以上の異なるビューを含むことができる。他の例では、表示画像の複数の異なるビュー１０４は、最大で、１６個、３２個、６４個、１２８個または２５６個の異なるビューを含むが、これらに限定されない比較的多数の異なるビューを含む。いくつかの実施形態では、複数の異なるビュー１０４は、少なくとも４つの異なるビューを含む。
【００２９】
いくつかの実施形態では、ニアアイディスプレイ１００によって提供または表示される画像は、３次元（３Ｄ）画像またはその一部分を含む。例えば、表示画像は、完全な３Ｄまたは「マルチビュー」画像とすることができる。別の例では、表示画像は、２Ｄ画像部分と共に３Ｄ画像部分を含むことができる。表示画像が３Ｄ画像を含むとき、複数の異なるビュー１０４は、３Ｄ画像の異なる斜視図（すなわち、「３Ｄビュー」）を表すことができる。本明細書で説明する原理によれば、異なるビュー（例えば、３Ｄビュー）は、例えば、網膜のぼけおよび調節のうちの一方または双方を通じて、表示画像内の深度についてのユーザの知覚を向上させることができる。いくつかの例（例えば、以下で説明するニアアイ両眼ディスプレイ）では、調節により、３Ｄ画像および３Ｄ表示においてしばしば遭遇する、いわゆる調節輻輳矛盾の影響を軽減することができる。
【００３０】
図２に示すニアアイディスプレイ１００は、光学系１２０を更に備える。様々な実施形態によれば、光学系１２０は、表示画像を、ニアアイディスプレイ１００のアイボックス１０２に中継するように構成される。具体的には、様々な実施形態によれば、光学系１２０は、表示画像の複数の異なるビュー１０４を、アイボックス１０２内の対応する複数の異なる位置に中継するように構成される。様々な実施形態によれば、アイボックス１０２内の異なる位置に対する異なるビュー１０４の中継は、ニアアイディスプレイ１００のユーザに焦点深度キューを与えるように構成される。例えば、表示画像の第１のビューは、光学系１２０によって第１の位置に中継することができるのに対し、第２のビューは、光学系１２０によってアイボックス１０２内の、第１の位置と分離された第２の位置に中継することができる。第１および第２の位置は、例えば、互いに横方向に分離することができる。対応する第１および第２の位置における第１および第２のビューの分離により、例えば、ユーザが、表示画像内でその２つのビューに対し、異なる形で調節を行うことを可能にすることができる。
【００３１】
いくつかの実施形態によれば、光学系１２０の入力開口においてマルチビーム回折格子ベースのディスプレイ１１０によって提供される複数の異なるビュー１０４の全角度範囲（total angular extent）は、入力開口のサイズに対応するように構成される。具体的には、複数の異なるビュー１０４の組み合わせによって張られる角度は、異なるビュー１０４のうちの任意のビューのかなりの部分が入力開口の外側にまたは入力開口を越えて存在しないように構成される。換言すれば、いくつかの実施形態によれば、異なるビュー１０４に関連付けられたマルチビーム回折格子ベースのディスプレイ１１０の実質的に全ての出力光ビームは、光学系１２０の入力開口内に受け取られるように構成される。いくつかの例において、複数の異なるビュー１０４の全角度範囲（すなわち、張られる角度）は、マルチビーム回折格子ベースのディスプレイ１１０と光学系の入力開口との間の所定の距離、およびマルチビーム回折格子ベースのディスプレイ１１０によって提供される異なるビュー１０４の所定の角度広がり、のうちの一方または双方によって入力開口サイズに実質的に対応するように構成することができる。
【００３２】
いくつかの実施形態によれば、光学系１２０は、拡大鏡を含む。いくつかの実施形態では、拡大鏡は、単純な拡大鏡を含む。単純な拡大鏡は、ユーザの眼の正常調節範囲に対応するアイボックス１０２からある距離に配置された表示画像の仮想画像を提供するように構成される。更に、様々な実施形態によれば、単純な拡大鏡によって提供される仮想画像は、表示画像の複数の異なるビュー１０４を含む。他の実施形態では、拡大鏡は、複雑な拡大鏡（例えば、拡大をもたらすように構成された複数のレンズ）とすることができる。
【００３３】
本明細書において用いられるとき、「単純な拡大鏡」は、より小さな物体または画像の拡大されたまたは大きくされた仮想画像を形成するレンズまたは類似の光学装置として定義される（すなわち、単純な拡大鏡が、角倍率を提供する）。単純な拡大鏡によって形成される仮想画像は、単純な拡大鏡の出力において、または等価には、単純な拡大鏡の出力開口もしくは絞りにおいて（例えば、アイボックス１０２において）形成することができる。更に、本明細書における定義上、単純な拡大鏡は、物体の実際の距離よりも長い見かけの距離または仮想距離において、大きくされた仮想画像を形成することができる。したがって、単純な拡大鏡を用いて、ユーザまたは「閲覧者」に、ユーザの眼から正常調節範囲または距離未満に位置する物体に焦点を合わせる能力を提供することができる。いくつかの実施形態によれば、本明細書において、「正常調節」は、一般に、ユーザの眼から約２５センチメートル（ｃｍ）よりも長い距離において達成可能であり、このため本明細書においてそのように定義される。結果として、光学系１２０の単純な拡大鏡は、表示画像を提供するマルチビーム回折格子ベースのディスプレイ１１０が、ユーザの眼（すなわち、または等価には、ニアアイディスプレイ１００のアイボックス１０２）から正常調節距離よりも近くにある（すなわち、約２５センチメートルよりも近くにある）場合であっても、表示画像（すなわち、「物体」）の複数の異なるビュー１０４が、ユーザによって焦点が合った状態で快適に視認されることを可能にすることができる。
【００３４】
図３は、本明細書で説明する原理と一致した実施形態による、一例におけるニアアイディスプレイ１００の光学素子の概略図を示す。示すように、光学系１２０は、焦点距離ｆを有する単純な拡大鏡１２２を備える。図３における単純な拡大鏡１２２は、例として、両凸レンズとして示されるが、これに限定されない。単純な拡大鏡１２２は、（例えば、図３に示すように、）アイボックス１０２から、単純な拡大鏡１２２の焦点距離ｆに対応する距離に位置することができる。更に、単純な拡大鏡１２２は、マルチビーム回折格子ベースのディスプレイ１１０とアイボックス１０２との間に位置する。単純な拡大鏡１２２は、マルチビーム回折格子ベースのディスプレイ１１０からの複数の異なるビュー（例えば、図２における異なるビュー１０４）によって形成される（すなわち、単純な拡大鏡１２２を通じて視認したときにアイボックス１０２において見られるような）表示画像の仮想画像１０６を提供するように構成される。単純な拡大鏡１２２によって提供される拡大に起因して、仮想画像１０６は、マルチビーム回折格子ベースのディスプレイ１１０によって生成される実際のまたは物理的画像（すなわち、表示画像）の距離よりもアイボックス１０２から遠い距離に位置する（または少なくとも位置するように見える）。具体的には、いくつかの実施形態によれば、仮想画像１０６は、アイボックス１０２から視認したときの人間の眼の正常調節範囲または距離ｄａ内に位置することができる一方で、マルチビーム回折格子ベースのディスプレイ１１０（または等価には、ディスプレイ１１０によって生成または表示される画像）は、正常調節範囲よりもアイボックス１０２の近くにあることができる。このため、単純な拡大鏡１２２は、例えば、アイボックス１０２において、マルチビーム回折格子ベースのディスプレイ１１０（または等価には、マルチビーム回折格子ベースのディスプレイ１１０の出力または仮想画像１０６）の快適な視認を容易にすることができる。
【００３５】
図３において、実線および破線として更に示されるのは、以下で更に説明するような、マルチビーム回折格子ベースのディスプレイ１１０から発散される光線１０８である。実線は、マルチビーム回折格子ベースのディスプレイ１１０によって提供される表示画像の異なるビュー１０４に関連付けられた実際の光線１０８を示す一方で、破線は、仮想画像１０６に対応する光線投影を表す。図３に示す光線１０８は、例えば、以下で説明するように、マルチビーム回折格子ベースのディスプレイ１１０によって生成される様々なカップリングして外へ出された光ビーム（すなわち、光線）に対応することができる。更に、アイボックス１０２内の異なる点において収束するように示される光線１０８は、アイボックス１０２内の異なる位置に異なる複数のビューが中継された後にマルチビーム回折格子ベースのディスプレイ１１０によって提供される表示画像の異なるビューを表すことができる。
【００３６】
いくつかの実施形態によれば、マルチビーム回折格子ベースのディスプレイ１１０および光学系１２０の双方が、ユーザの視野（ＦＯＶ）の中に位置し、その一部を実質的にブロックする。これらの実施形態において、ニアアイディスプレイ１００は、バーチャルリアリティーディスプレイとすることができる。具体的には、ニアアイディスプレイ１００は、物理環境のビュー（すなわち、現実世界のビュー）を、ブロックされたＦＯＶ部分内のニアアイディスプレイ画像と置き換えるかまたは少なくとも実質的に置き換えるように構成することができる。すなわち、ニアアイディスプレイ画像は、物理環境ビューを、ブロックされたＦＯＶ部分と実質的に交換することができる。様々な実施形態によれば、ブロックされたＦＯＶ部分は、ユーザのＦＯＶのうちのいくらかまたは全てを含む場合がある。物理環境ビューを置き換えることによって、ユーザは、物理環境ビューの代わりにニアアイディスプレイ画像（および関連付けられた複数の異なるビュー）によって提供されるバーチャルリアリティービューを提供される。
【００３７】
本明細書において、「物理環境のビュー」または「物理環境ビュー」は、ユーザが、ニアアイディスプレイ１００がない場合に有することになるビューとして定義される。等価には、本明細書における定義上、物理環境は、ユーザに可視とすることができるニアアイディスプレイ１００の向こうの任意のものであり、物理環境「ビュー」は、ユーザのＦＯＶ内の任意のものであるが、ユーザのビューに対しニアアイディスプレイ１００が有することができる任意の効果を除く。
【００３８】
他の実施形態において、マルチビーム回折格子ベースのディスプレイ１１０は、ユーザのＦＯＶの外側に位置する一方で、光学系１２０またはその一部は、ＦＯＶ内に位置する。これらの実施形態において、ニアアイディスプレイ１００は、拡張現実ディスプレイとすることができる。具体的には、ニアアイディスプレイ１００は、物理環境のビューを、ニアアイディスプレイ画像（および関連付けられた複数の異なるビュー１０４）で拡張するように構成することができる。更に、拡張現実ディスプレイとして、ニアアイディスプレイ１００は、ユーザに、ニアアイディスプレイ画像と、ニアアイディスプレイ１００の向こうの物理環境のビューとの重ね合わせまたは組み合わせであるビューを提供するように構成される。
【００３９】
いくつかの実施形態では、拡張現実ディスプレイとして構成されたニアアイディスプレイ１００の光学系１２０は、自由形状プリズムを含む。自由形状プリズムは、ユーザによる視認のために、マルチビーム回折格子ベースのディスプレイ１１０からアイボックス１０２に、複数の異なるビュー１０４を含む表示画像を中継するように構成される。更に、自由形状プリズムは、ユーザのＦＯＶを越えてまたはユーザのＦＯＶの外側に位置するマルチビーム回折格子ベースのディスプレイ１１０から表示画像を中継するように構成される。様々な実施形態によれば、自由形状プリズムは、自由形状プリズムの２つの表面（例えば、前面および後面）間の内部全反射を用いて表示画像を中継する。いくつかの実施形態では、自由形状プリズムは、単純な拡大鏡（例えば、単純な拡大鏡１２２）であるか、または単純な拡大鏡としての役割を果たすことができる。
【００４０】
いくつかの実施形態では、拡張現実ディスプレイとして構成された光学系１２０は、自由形状補正レンズを更に含むことができる。自由形状補正レンズは、自由形状補正器と呼ぶこともできる。具体的には、自由形状補正レンズは、光学系１２０を通過して、物理環境から光学系１２０を越えてアイボックス１０２へ進む光に対し自由形状プリズムが有する影響を補正または修正するように構成される。すなわち、様々な実施形態によれば、自由形状補正レンズは、自由形状プリズムによって生じる場合がある実質的な歪みなしで、ユーザが物理的環境の（すなわち、ユーザのＦＯＶ内の）クリアなビューを有することを可能にする。
【００４１】
図４は、本明細書で説明する原理と一致した実施形態による、一例における自由形状プリズム１２４を含む光学系１２０を有するニアアイディスプレイ１００の断面図を示す。図４に示すように、光学系１２０の自由形状プリズム１２４は、マルチビーム回折格子ベースのディスプレイ１１０と、ニアアイディスプレイ１００のアイボックス１０２（すなわち、射出瞳）との間に位置決めされる。マルチビーム回折格子ベースのディスプレイ１１０によって提供される複数の異なるビュー１０４を含む表示画像を表す光は、自由形状プリズム１２４によって、その入力開口からアイボックス１０２に中継される。マルチビーム回折格子ベースのディスプレイ１１０からの光は、図４において光線１０８として示される。様々な実施形態によれば、自由形状プリズム１２４の入力からその出力への光線１０８の中継は、自由形状プリズム１２４内の内部全反射によって提供することができる。
【００４２】
図４は、ユーザのＦＯＶも示す。仮想画像１０６は、仮想画像１０６と、ＦＯＶ内の物理環境のビューとの重ね合わせを提供するために、ＦＯＶ内にある。更に、図４に示すように、マルチビーム回折格子ベースのディスプレイ１１０は、ＦＯＶの外側にある。したがって、図４は、例えば、ニアアイディスプレイ１００の拡張現実ディスプレイの実施形態を示すことができる。
【００４３】
図４に示す光学系１２０は、自由形状補正レンズ１２６を更に備える。様々な実施形態によれば、自由形状補正レンズ１２６は、（例えば、ユーザによって視認される）物理環境とアイボックス１０２との間の光学経路内に提供することができる。具体的には、示されるように、自由形状補正レンズ１２６は、自由形状プリズム１２４に隣接し、物理環境と自由形状プリズム１２４との間に位置する。自由形状補正レンズ１２６は、光線（図示せず）が実質的に直線状の経路に従って物理環境内の物体からアイボックス１０２に通過する（すなわち、光線が実質的に歪んでいない）ように自由形状プリズム１２４の効果を修正するように構成される。（示されるような）いくつかの実施形態では、部分的反射器または部分的に反射性の表面１２８を、自由形状補正レンズ１２６と自由形状プリズム１２４との間に設けることができる。部分的に反射性の表面１２８は、自由形状プリズム１２４内から部分的に反射性の表面１２８上に入射する光を反射するように構成され、また、物理環境からの光が部分的に反射性の表面１２８を通過することを可能にするように構成される。
【００４４】
再び図２を参照すると、いくつかの実施形態では、マルチビーム回折格子ベースのディスプレイ１１０は、非ゼロの伝播角度でコリメート光ビームを導波するように構成された平板ライトガイドを備える。いくつかの実施形態において、マルチビーム回折格子ベースのディスプレイ１１０は、平板ライトガイドの表面においてまたは平板ライトガイドの表面に隣接してマルチビーム回折格子のアレイを更に備える。様々な実施形態によれば、アレイのマルチビーム回折格子は、導波されたコリメート光ビームの一部分を、表示画像の複数の異なるビュー１０４のビュー方向に対応する異なる主極大角度方向を有するカップリングして外へ出された複数の光ビームとして、回折によりカップリングして外へ出すように構成される。
【００４５】
図５Ａは、本明細書で説明する原理と一致した実施形態による、一例におけるマルチビーム回折格子ベースのディスプレイ１１０の断面図を示す。図５Ｂは、本明細書で説明する原理と一致した別の実施形態による、一例におけるマルチビーム回折格子ベースのディスプレイ１１０の断面図を示す。様々な実施形態によれば、図５Ａ〜図５Ｂに示すマルチビーム回折格子ベースのディスプレイ１１０は、「指向性の」光、すなわち、異なる主極大角度方向を有する光ビームまたは光線を含む光を生成するように構成される。
【００４６】
例えば、図５Ａ〜図５Ｂに示すように、マルチビーム回折格子ベースのディスプレイ１１０は、異なる複数の所定の主極大角度方向におけるマルチビーム回折格子ベースのディスプレイ１１０から出て、そこから離れる方向に向けられた矢印として（例えば光照射野として）示される複数の光ビームを提供または生成するように構成される。そして、複数の光ビームは、以下で説明するように、情報の表示、すなわち、画像（例えば、表示画像）の異なるビューを容易にするように変調することができる。いくつかの実施形態では、異なる所定の主極大角度方向を有する光ビームは、マルチビーム回折格子ベースのディスプレイ１１０によって表示される３Ｄ画像の複数の３Ｄビューを形成する。更に、いくつかの実施形態によれば、マルチビーム回折格子ベースのディスプレイ１１０は、いわゆる「裸眼」３Ｄ電子ディスプレイ（例えば、マルチビュー、「ホログラフィック」またはオートステレオスコピックディスプレイ）とすることができる。具体的には、ニアアイディスプレイ１００に関して、異なる複数の所定の主極大角度方向は、表示画像の複数の異なるビュー（例えば、図２に示す異なるビュー１０４）を形成する。したがって、変調された光ビームは、上記で説明した光線（rays or light rays）１０８とすることができる。
【００４７】
図５Ａおよび図５Ｂに示されるように、マルチビーム回折格子ベースのディスプレイ１１０は、平板ライトガイド１１２を備える。平板ライトガイド１１２は、光を導波光ビーム（以下で更に説明されるように、平板ライトガイド１１２内を伝播する伸びた矢印として示される）として導波するように構成される。例えば、平板ライトガイド１１２は、光導波路として構成される誘電材料を含むことができる。誘電材料は、誘電光導波路を取り囲む媒体の第２の屈折率よりも高い第１の屈折率を有することができる。屈折率の差異は、例えば、平板ライトガイド１１２の１つまたは複数の導波モードに従って導波光の内部全反射を容易にするように構成される。
【００４８】
様々な実施形態によれば、光は、平板ライトガイド１１２の長さによって、かつこの長さに沿って導波される。更に、平板ライトガイド１１２は、非ゼロの伝播角度で、光を導波光ビームとして導波するように構成される。導波光ビームは、例えば、内部全反射を用いて、平板ライトガイド１１２内を非ゼロ伝播角度で導波することができる。具体的には、導波光ビームは、非ゼロ伝播角度で平板ライトガイド１１２の上面と底面との間で反射するかまたは「跳ね返る」ことによって伝播する（例えば、導波光ビームの光線を表す伸びた角度を付けられた矢印によって示される）。
【００４９】
本明細書において定義されるとき、「非ゼロ伝播角度」は、平板ライトガイド１１２の表面（例えば、上面または底面）に対する角度である。更に、様々な実施形態によれば、非ゼロ伝播角度は、ゼロより大きく、かつ平板ライトガイド内の内部全反射の臨界角未満である。例えば、導波光ビームの非ゼロ伝播角度は、約１０度〜約５０度、またはいくつかの例では、約２０度〜約４０度、または約２５度〜約３５度とすることができる。例えば、非ゼロ伝播角度は、約３０度とすることができる。他の例では、非ゼロ伝播角度は、約２０度、または約２５度、または約３５度とすることができる。
【００５０】
平板ライトガイド１１２における導波光ビームとして導波される光は、非ゼロ伝播角（例えば、約３０度〜３５度）において、平板ライトガイド１１２内に導入またはカップリングすることができる。レンズ、ミラー、または類似の反射器（例えば、傾斜付きコリメート反射器）、およびプリズム（図示せず）のうちの１つまたは複数により、例えば非ゼロの伝播角における光ビームとして、光を平板ライトガイド１１２の入力端にカップリングすることを容易にすることができる。平板ライトガイド１１２内にカップリングされると、導波光ビームは、一般に入力端から離れる方向に、平板ライトガイド１１２に沿って伝播する（例えば、図５Ａ〜図５Ｂにおけるｘ軸に沿った方向を指す太線の矢印によって示される）。
【００５１】
更に、様々な実施形態によれば、平板ライトガイド１１２内に光をカップリングすることによって生成された導波光ビームは、コリメート光ビームとすることができる。具体的には、「コリメート光ビーム」とは、導波光ビーム内の光の光線が導波光ビーム内で互いに実質的に平行であることを意味する。本明細書における定義上、導波光ビームのコリメートされた光ビームから発散または散乱する光線は、コリメート光ビームの一部分とみなされない。コリメートされた導波光ビームを生成するための光のコリメートは、光を平板ライトガイド１１２内にカップリングするのに用いられる、上記で説明されたレンズまたはミラー（例えば、傾斜付きコリメート反射器等）を含むが、これらに限定されないコリメータによって提供することができる。
【００５２】
いくつかの実施形態では、平板ライトガイド１１２は、光学的に透明な誘電材料の伸びた実質的に平坦なシートを含むスラブまたはプレート光導波路とすることができる。誘電材料の実質的に平坦なシートは、内部全反射を用いて導波光ビームを導波するように構成される。様々な実施形態によれば、平板ライトガイド１１２の光学的に透明な材料は、様々なタイプのガラス（例えば、シリカガラス、アルミノケイ酸アルカリガラス、ホウケイ酸ガラス等）、および実質的に光学的に透明なプラスチックまたはポリマー（例えば、ポリ（メチルメタクリレート）または「アクリルガラス」、ポリカーボネート等）のうちの１つまたは複数を含むが、これらに限定されない、多岐にわたる誘電材料のうちの任意のものを含むか、またはこれらから作製することができる。いくつかの実施形態では、平板ライトガイド１１２は、平板ライトガイド１１２の表面（例えば、上面および底面のうちの一方または双方）の少なくとも一部分の上にクラッド層を更に含むことができる（図示せず）。いくつかの例によれば、クラッド層を用いて、内部全反射を更に容易にすることができる。
【００５３】
図５Ａおよび図５Ｂにおいて、マルチビーム回折格子ベースのディスプレイ１１０は、マルチビーム回折格子１１４のアレイを更に備える。図５Ａおよび図５Ｂに示されるように、マルチビーム回折格子１１４は、平板ライトガイド１１２の表面（例えば、上面または前面）に位置する。他の例（図示せず）では、マルチビーム回折格子１１４のうちの１つまたは複数が平板ライトガイド１１２内に位置することができる。更に他の例では（図示せず）、マルチビーム回折格子１１２のうちの１つまたは複数が平板ライトガイド１１２の底面または背面（すなわち、マルチビーム回折格子１１４と共に示される表面に対し反対の表面）に、あるいは底面上または背面上に位置することができる。組み合わせで、平板ライトガイド１１２およびマルチビーム回折格子１１４のアレイは、マルチビーム回折格子ベースのディスプレイ１１０のマルチビーム回折格子ベースの背面照明を提供するか、またはその機能を果たす。
【００５４】
様々な実施形態によれば、アレイのマルチビーム回折格子１１４は、マルチビーム回折格子ベースのディスプレイ１１０の異なるビューに対応する異なる主極大角度方向を有する複数の光ビームとして導波光ビームの一部分を散乱するかまたは回折によりカップリングして外へ出すように構成される。例えば、導波光ビームの一部分は、マルチビーム回折格子１１４によって、平板ライトガイド表面を通じて（例えば、平板ライトガイド１１２の上面を通じて）回折によりカップリングして外へ出すことができる。更に、マルチビーム回折格子１１４は、導波光ビームの一部分をカップリングして外へ出された光ビームとして回折によりカップリングして外へ出し、カップリングして外へ出された光ビームを、平板ライトガイド表面から離れるように回折により方向変更するように構成される。上記で論考したように、カップリングして外へ出された複数の光ビームの各々は、マルチビーム回折格子１１４の回折特徴の特性によって決定される異なる所定の主極大角度方向を有することができる。
【００５５】
具体的には、アレイのマルチビーム回折格子１１４は、回折をもたらす複数の回折特徴を含む。もたらされる回折は、平板ライトガイド１１２から導波光ビームの一部分を回折によりカップリングする役割を果たす。例えば、マルチビーム回折格子１１４は、平板ライトガイド１１２の表面における溝と、平板ライトガイド表面から突出する、回折特徴として機能する隆線との一方または双方を含むことができる。溝および隆線は、少なくとも回折特徴に沿ったある点において、互いに平行に配置することができ、溝および隆線は、マルチビーム回折格子１１４によってカップリングして外へ出される導波光ビームの伝播方向に対し直交する。
【００５６】
いくつかの例において、溝または隆線は、平板ライトガイドの表面にエッチング、フライス加工または成形することができる。したがって、マルチビーム回折格子１１４の材料は、平板ライトガイド１１２の材料を含むことができる。図５Ａに示すように、例えば、マルチビーム回折格子１１４は、平板ライトガイド１１２の表面を貫通する実質的に平行な溝を含む。図５Ｂにおいて、マルチビーム回折格子１１４は、平板ライトガイド１１２の表面から突出する実質的に平行な隆線を含む。他の例（図示せず）では、マルチビーム回折格子１１４は、平板ライトガイド表面に施されるかまたは貼られるフィルムまたは層を含むことができる。
【００５７】
いくつかの実施形態によれば、マルチビーム回折格子１１４は、チャープ回折格子とするか、またはチャープ回折格子を含むことができる。定義上、「チャープ」回折格子は、例えば、図５Ａ〜図５Ｂに示されるように、チャープ回折格子の広がりまたは長さにわたって変動する回折特徴の回折間隔（すなわち、回折ピッチ）を呈するかまたは有する回折格子である。本明細書において、様々な回折間隔が定義され、「チャープ」と呼ばれる。チャープの結果として、平板ライトガイド１１２から回折によりカップリングして外へ出される導波光ビームの一部分は、マルチビーム回折格子１１４のチャープ回折格子にわたって異なる原点に対応する異なる回折角度でカップリングして外へ出された光ビームとしてチャープ回折格子から出るかまたは放射される。予め定義されたチャープにより、チャープ回折格子は、複数の光ビームのうちの、カップリングして外へ出された光ビームの所定の異なる複数の主極大角度方向に関与する。
【００５８】
いくつかの例では、マルチビーム回折格子１１４のチャープ回折格子は、距離と共に線形に変動する回折間隔のチャープを有するかまたは呈することができる。したがって、チャープされた回折格子は、定義上、「線形チャープ」回折格子である。図５Ａ〜図５Ｂは、限定ではなく例として、線形チャープ回折格子としてマルチビーム回折格子１１４を示す。具体的には、示されるように、回折特徴は、マルチビーム回折格子１１４の第１の端部よりも第２の端部において互いに近接している。更に、示される回折特徴の回折間隔は、示されるように、第１の端部から第２の端部へと線形に変動する。
【００５９】
別の例（図示せず）において、マルチビーム回折格子１１４のチャープ回折格子は、回折間隔の非線形チャープを呈することができる。マルチビーム回折格子１１４を実現するのに用いることができる様々な非線形チャープは、指数チャープ、対数チャープ、または別の実質的に非一様もしくはランダムであるが依然として単調に変動するチャープを含むが、これらに限定されない。正弦曲線チャープまたは三角形もしくは鋸歯状チャープ等であるがこれらに限定されない非単調チャープも用いることができる。これらのタイプのチャープのうちの任意のものの組み合わせも用いることができる。
【００６０】
いくつかの実施形態によれば、マルチビーム回折格子１１４は、湾曲およびチャープのうちの一方または双方を受けた回折特徴を含むことができる。図５Ｃは、本明細書で説明する原理と一致した実施形態による、一例におけるマルチビーム回折格子１１４の斜視図を示す。図５Ｃに示されるように、マルチビーム回折格子１１４は、平板ライトガイド１１２の表面内に、表面に、または表面上にある。更に、示されるマルチビーム回折格子１１４は、湾曲およびチャープの双方を受けた回折特徴を含む（すなわち、図５Ｃにおけるマルチビーム回折格子１１４は、湾曲し、チャープされた回折格子である）。
【００６１】
図５Ｃに示されるように、導波光ビームは、マルチビーム回折格子１１４の第１の端部において太線の矢印として示されるマルチビーム回折格子１１４に対する入射方向を有する。平板ライトガイド１１２の表面における、マルチビーム回折格子１１４から離れる方に向いた矢印によって示される、カップリングして外へ出されたまたは放射された複数のビームも示される。光ビームは、複数の所定の異なる主極大角度方向において放射される。具体的には、放出される光ビームの所定の異なる主極大角度方向は、示されるように、方位角および仰角の双方において互いに異なる。様々な例によれば、回折特徴の所定のチャープおよび回折特徴の曲線の双方が、放射される光ビームの所定の異なる主極大角度方向に関与することができる。
【００６２】
具体的には、回折特徴の曲線に沿った複数の異なる点において、湾曲した回折特徴に関連付けられたマルチビーム回折格子１１４の「基礎をなす回折格子」は、異なる方位配向角（azimuthal orientation angle）を有する。「基礎をなす回折格子」とは、重ね合わせると、マルチビーム回折格子１１４の湾曲した回折特徴をもたらす、複数の湾曲していない回折格子のうちの回折格子を意味する。湾曲した回折特徴に沿った所与の点において、湾曲は、一般に、湾曲した回折特徴に沿った別の点における方位配向角と異なる特定の方位配向角を有する。更に、特定の方位配向角の結果として、所与の点から放射される光ビームの主極大角度方向の対応する方位成分が得られる。いくつかの例では、回折特徴の湾曲（例えば、溝、隆線等）の湾曲は、円のセクションを表すことができる。円は、ライトガイド表面と同一平面にあることができる。他の例では、湾曲は、例えば、ライトガイド表面と同一平面にある、楕円または別の湾曲形状のセクションを表すことができる。
【００６３】
いくつかの実施形態によれば、マルチビーム回折格子ベースのディスプレイ１１０は、ライトバルブのアレイまたはライトバルブアレイ１１６を更に備える。ライトバルブアレイ１１６は、表示画像の異なるビューのピクセルに対応する複数のピクセル（すなわち、変調されたピクセル）として、カップリングして外へ出された光を選択的に変調するように構成することができる。例えば、図５Ａおよび図５Ｂを参照すると、ライトバルブアレイ１１６は、平板ライトガイド表面に隣接して示される。様々な実施形態によれば、ライトバルブアレイ１１６は、表示画像の異なるビューに対応する異なる方向に向けられた光ビーム（すなわち、マルチビーム回折格子１１４からの異なる所定の主極大角度方向を有する複数の光ビーム）を変調するように構成される。具体的には、複数の光ビームのうちの光ビームは、ライトバルブアレイ１１６の個々のライトバルブを通過し、これらのライトバルブによって変調される。様々な実施形態によれば、変調され、回折により方向付けられた光ビーム（すなわち、光線１０８）は、カップリングして外へ出された光ビームの異なる方向に依拠して表示画像の異なるビューのピクセルを表すことができる。様々な実施形態において、液晶ライトバルブ、電気泳動バルブ、およびエレクトロウェッティングに基づくライトバルブのうちの１つまたは複数を含むがこれらに限定されない、異なるタイプのライトバルブをライトバルブアレイ１１６において用いることができる。
【００６４】
（例えば、図５Ａおよび図５Ｂに示すような）いくつかの実施形態によれば、マルチビーム回折格子ベースのディスプレイ１１０は、光源１１８を更に含むことができる。光源１１８は、コリメート光ビームを平板ライトガイド１１２に提供するように構成される。具体的には、光源１１８は、平板ライトガイド１１０の入口面または端部（入力端）に隣接して位置することができる。様々な実施形態において、光源１１８は、１つまたは複数の発光ダイオード（ＬＥＤ）またはレーザ（例えば、レーザダイオード）を含むがこれらに限定されない、実質的に任意の光源（例えば、光学エミッタ）を含むことができる。いくつかの実施形態では、光源１１８は、特定の色によって表される狭帯域スペクトルを有する実質的に単色の光を生成するように構成された光学エミッタを含むことができる。具体的には、単色の光の色は、特定の色空間または色モデル（例えば、赤−緑−青（ＲＧＢ）色モデル）の原色とすることができる。いくつかの実施形態では、光源１１８は、異なる色の光を提供するように構成された複数の異なる光学エミッタを含むことができる。異なる光学エミッタは、光の異なる色の各々に対応する、コリメート光ビームの異なる色固有の非ゼロの伝播角度を有する光を提供するように構成することができる。
【００６５】
いくつかの実施形態では、光源１１８は、（図５Ａおよび図５Ｂにおいて影付きの領域として示される）コリメータを更に含むことができる。コリメータは、光源１１８の光学エミッタの１つまたは複数から、実質的にコリメートされていない光を受け取るように構成することができる。コリメータは、実質的にコリメートされていない光を、コリメート光ビームに変換するように更に構成される。いくつかの実施形態によれば、具体的には、コリメータは、２つの実質的に直交する方向においてコリメートされたコリメート光ビームを提供することができる。更に、異なる色の光エミッタが用いられるとき、コリメータは、異なる色固有の非ゼロの伝播角度を有するコリメート光ビームを提供するように構成することができる。コリメータは、上記で説明した非ゼロの伝播角度を有するコリメートされた導波光ビームとして伝播するように、コリメート光ビームを平板ライトガイド１１２に伝達するように更に構成することができる。
【００６６】
本明細書で説明する原理のいくつかの実施形態によれば、ニアアイ両眼ディスプレイシステムが提供される。図６は、本明細書で説明する原理と一致した実施形態による、一例におけるニアアイ両眼ディスプレイシステム２００のブロック図を示す。ニアアイ両眼ディスプレイシステム２００は、３次元（３Ｄ）シーンの立体画像２０２の対を提供し、立体画像２０２の対を、ユーザによって視認するために、対応するアイボックス２０４の対に中継するように構成される。様々な実施形態によれば、対のアイボックス２０４は、ユーザの眼の位置に対応するように互いに横方向に変位される。具体的には、ユーザは、横方向に変位されたアイボックス２０４の対において立体画像２０２の対を快適にかつ自然に視認することができる。いくつかの実施形態によれば、更に、立体画像２０２の対は、３Ｄ体験を提供し、かつ多くの場合にニアアイ立体ディスプレイに関連付けられた様々な輻輳調節問題に対処することができる。
【００６７】
図６に示すように、ニアアイ両眼ディスプレイシステム２００は、マルチビーム回折格子ベースのディスプレイ２１０の対を備える。様々な実施形態によれば、各マルチビーム回折格子ベースのディスプレイ２１０は、対の他のディスプレイ２１０によって提供される画像２０２と異なる画像２０２を提供するように構成される。対の異なる画像２０２は、３Ｄシーンの立体画像２０２である。いくつかの実施形態では、対のマルチビーム回折格子ベースのディスプレイ２１０の一方または双方は、ニアアイディスプレイ１００に関して上記で説明されたマルチビーム回折格子ベースのディスプレイ１１０に実質的に類似することができる。
【００６８】
具体的には、示されるように、マルチビーム回折格子ベースのディスプレイ２１０は、各々が、平板ライトガイド２１２およびマルチビーム回折格子２１４のアレイまたは（例えば図示するように）単に「マルチビーム格子２１４」を含む。いくつかの実施形態では、平板ライトガイド２１２は、平板ライトガイド１１２に実質的に類似することができ、マルチビーム回折格子２１４のアレイは、マルチビーム回折格子ディスプレイ１１０のマルチビーム回折格子１１４のアレイに実質的に類似することができる。具体的には、マルチビーム回折格子２１４は、平板ライトガイド２１２の表面に位置するかまたは隣接することができる。更に、いくつかの実施形態では、アレイのマルチビーム回折格子２１４は、カップリングして外へ出された複数のビームとして、平板ライトガイド２１２内から導波光を回折によりカップリングして外へ出すように構成することができる。いくつかの実施形態では、マルチビーム回折格子２１４は、湾曲した回折特徴を有するチャープ回折格子を備える。いくつかの実施形態では、チャープ回折格子のチャープは線形チャープである。
【００６９】
いくつかの実施形態によれば、マルチビーム回折格子ベースのディスプレイ２１０の対によって提供される立体画像対の提供される画像２０２の各々は、３Ｄシーンの複数の異なるビューを含む。異なるビューは、例えば、３Ｄシーンの異なる視点を表すことができる。更に、様々な実施形態において、カップリングして外へ出された複数の光ビームは、３Ｄシーンの複数の異なるビュー（すなわち、３Ｄ斜視図）のうちの異なるビューの３Ｄビュー方向に対応する異なる主極大角度方向を有することができる。
【００７０】
図６に示されるニアアイ両眼ディスプレイシステム２００は、両眼光学系２２０を更に備える。両眼光学系２２０は、マルチビーム回折格子ベースのディスプレイ２１０の対によって提供される立体画像対の異なる画像２０２を、アイボックス２０４の対応する対に別個に中継するように構成される。様々な実施形態によれば、アイボックス２０４は、互いに横方向に変位される。上述したように、アイボックス２０４の横方向の変位は、例えば、ユーザによる視認を容易にすることができる。図６に示されるアイボックス２０４間の垂直の破線は、横方向の変位を示す。
【００７１】
いくつかの実施形態では、両眼光学系２２０は、ニアアイディスプレイ１００の光学系１２０と実質的に類似することができるが、ただし両眼構成で配置されている。具体的には、両眼光学系２２０は、アイボックス２０４内の複数の異なる位置に対応する複数の異なるビュー（例えば、３Ｄビュー）を中継するように構成することができる。更に、アイボックス２０４内の異なる位置は、ニアアイ両眼ディスプレイシステム２００のユーザに深度焦点キューを提供するように構成される。様々な実施形態によれば、具体的には、深度焦点キューは、立体画像対の提供された画像２０２間の両眼視差に対応することができる。
【００７２】
更に、いくつかの実施形態によれば、両眼光学系２２０は、第１の自由形状プリズムおよび第２の自由形状プリズム（図６に示されていない）を含むことができる。第１の自由形状プリズムは、マルチビーム回折格子ベースのディスプレイ対のうちの第１のマルチビーム回折格子ベースのディスプレイ２１０によって提供される画像２０２を、アイボックス対のうちの第１のアイボックス２０４に中継するように構成することができる。同様に、第２の自由形状プリズムは、マルチビーム回折格子ベースのディスプレイ対のうちの第２のマルチビーム回折格子ベースのディスプレイ２１０によって提供される画像２０２を、アイボックス対のうちの第２のアイボックス２０４に中継するように構成することができる。他の実施形態（図示せず）では、両眼光学系２２０は、拡大鏡の対（例えば、上記で説明した単純な拡大鏡１２２に実質的に類似した単純な拡大鏡の対）を含むことができる。
【００７３】
いくつかの実施形態では、ニアアイ両眼ディスプレイシステム２００は、バーチャルリアリティーディスプレイシステムとなるように構成される。具体的には、立体対の提供される異なる画像２０２は、少なくともアイボックス２０４内で、物理環境の両眼ビューを置き換えるように構成することができる。他の実施形態では、図６に示すニアアイ両眼ディスプレイシステム２００は、拡張現実ディスプレイシステムとなるように構成することができる。拡張現実ディスプレイシステムとして構成されるとき、立体対の提供される異なる画像２０２は、例えば、アイボックス２０４内の物理環境ビューを拡張することができるが、一般に置き換えることはない。すなわち、拡張現実ディスプレイシステムとして構成されるニアアイ両眼ディスプレイシステム２００は、ユーザに、立体画像対と物理環境のビューとの光学的重ね合わせを提供する。更に、拡張現実ディスプレイシステムとして構成されるとき、両眼光学系２２０は、自由形状補正レンズの対を更に含むことができる。様々な実施形態によれば、自由形状補正レンズは、アイボックス２０４の対に、物理環境の画像を提供するように構成することができる。
【００７４】
いくつかの実施形態によれば、マルチビーム回折格子ベースのディスプレイ２１０は、ライトバルブ２１６のアレイおよび光源２１８を更に備えることができる。いくつかの実施形態では、ライトバルブ２１６のアレイは、ニアアイディスプレイ１００のマルチビーム回折格子ベースのディスプレイ１１０に関して上記で説明したライトバルブ１１６のアレイと実質的に類似することができる。例えば、ライトバルブ２１６のアレイは、平板ライトガイド２１２の表面に隣接して位置することができる。様々な実施形態によれば、ライトバルブ２１６は、マルチビーム回折格子２１４からカップリングして外へ出された光ビームを、立体画像対の提供された画像２０２のピクセルに対応する複数のピクセルまたは変調された光ビームとして選択的に変調するように構成される。いくつかの実施形態では、アレイのライトバルブ２１６は、液晶ライトバルブを含む。他の実施形態では、ライトバルブアレイのライトバルブ２１６は、例えば、エレクトロウェッティングライトバルブ、電気泳動ライトバルブ、それらの組み合わせ、または液晶ライトバルブと別のライトバルブタイプとの組み合わせを含むがこれらに限定されない、別のライトバルブを含むことができる。
【００７５】
いくつかの実施形態によれば、マルチビーム回折格子ベースのディスプレイ２１０は、光源２１８を更に備えることができる。光源２１８、平板ライトガイド２１２に光を提供するように構成される。いくつかの実施形態では、光源２１８は、光源２１８によって提供される光をコリメートするように構成された光学コリメータを含むことができる。様々な実施形態によれば、マルチビーム回折格子ベースのディスプレイ２１０の平板ライトガイド２１２は、コリメート光を、非ゼロの伝播角度でコリメート光ビームとして導波するように構成することができる。いくつかの実施形態によれば、光源２１８は、ニアアイディスプレイ１００に関して上記で説明したマルチビーム回折格子ベースのディスプレイ１１０の光源１１８に実質的に類似することができる。
【００７６】
いくつかの実施形態では、光源２１８は、異なる色の光（論考を簡単にするために「異なる色のＬＥＤ」と呼ばれる）を提供するように構成された複数の異なる発光ダイオード（ＬＥＤ）を含むことができる。いくつかの実施形態では、異なる色のＬＥＤは、互いにオフセットする（例えば、横方向にオフセットする）ことができるか、または平板ライトガイド２１２内のコリメート光ビームの異なる色固有の非ゼロの伝播角度を提供するようにコリメータと併せて他の形で構成することができる。更に、異なる色固有の非ゼロの伝播角度は、光源２１８によって提供される光の異なる色の各々に対応することができる。
【００７７】
いくつかの実施形態（図示せず）によれば、光の異なる色は、赤−緑−青（ＲＧＢ）色モデルの赤色、緑色および青色を含むことができる。更に、平板ライトガイド２１２は、平板ライトガイド２１２内の異なる色に依拠した非ゼロの伝播角度でコリメート光ビームとして異なる色を導波するように構成することができる。いくつかの実施形態によれば、例えば、第１のカラー導波光ビーム（例えば、赤色光ビーム）は、第１の色に依拠した非ゼロの伝播角度で導波することができ、第２のカラー導波光ビーム（例えば、緑色光ビーム）は、第２の色に依拠した非ゼロの伝播角度で導波することができ、第３のカラー導波光ビーム（例えば、青色光ビーム）は、第３の色に依拠した非ゼロの伝播角度で導波することができる。
【００７８】
本明細書で説明する原理の他の実施形態によれば、ニアアイディスプレイ動作の方法が提供される。図７は、本明細書で説明する原理と一致した実施形態による、一例におけるニアアイディスプレイ動作の方法３００のフローチャートを示す。図７に示すように、ニアアイディスプレイ動作の方法３００は、非ゼロ伝播角度でライトガイド内にコリメート光ビームを導波すること（３１０）を含む。様々な実施形態によれば、コリメート光ビームは、ニアアイディスプレイ１００に関して上記で説明した平板ライトガイド１１２と実質的に類似した平板ライトガイドにおいて導波することができる。更に、コリメート光ビームは、ニアアイディスプレイ１００に対し、上記で説明した非ゼロ伝播角度で導波する（３１０）ことができる。
【００７９】
ニアアイディスプレイ動作の方法３００は、マルチビーム回折格子を用いてライトガイドから導波されたコリメート光ビームの一部分を回折によりカップリングして外へ出し（３２０）、異なる複数の主極大角度方向でライトガイドから離れる方向に向けられた、カップリングして外へ出された複数の光ビームを生成して光照射野を形成することを更に含む。様々な実施形態によれば、光照射野は、カップリングして外へ出された光ビームの異なる複数の主極大角度方向に対応する画像（例えば、表示画像）の複数の異なるビューを提供する。いくつかの実施形態では、マルチビーム回折格子は、ニアアイディスプレイ１００に関して上記で説明したマルチビーム回折格子１１４に実質的に類似している。具体的には、コリメート光ビームを導波する（３１０）際に用いられるライトガイド、およびコリメート光ビーム部分を回折によりカップリングして外へ出す（３２０）際に用いられるマルチビーム回折格子は、ニアアイディスプレイ１００のマルチビーム回折格子ベースのディスプレイ１１０と実質的に類似したマルチビーム回折格子ベースのディスプレイの一部とすることができる。
【００８０】
図７に示すように、ニアアイディスプレイ動作の方法３００は、光学系を用いて、画像の複数の異なるビューをアイボックスに中継すること（３３０）を更に含む。いくつかの実施形態では、光学系は、上記で説明したニアアイディスプレイ１００の光学系１２０に実質的に類似することができる。具体的には、いくつかの実施形態によれば、画像の複数の異なるビューを中継すること（３３０）は、異なる複数のビューのうちの異なる各々をアイボックス内の異なる位置に中継し、アイボックス内の画像を視認するユーザに深度焦点キューを与える。深度焦点キューは、例えば、ユーザの眼の画像調節を容易にすることができる。
【００８１】
いくつかの実施形態では、中継される画像は、３次元（３Ｄ）画像を含むことができ、複数の異なるビューのうちの異なるビューは、３Ｄ画像の異なる斜視ビューを表すことができる。いくつかの実施形態では、中継画像は、画像の立体対の画像である。更に、いくつかの例では、画像の複数の異なるビューは、少なくとも４つの異なるビューを含むことができる。いくつかの実施形態では、画像の複数の異なるビューを中継すること（３３０）は、アイボックスから、ユーザの眼の正常調節範囲に対応する距離に位置する仮想画像を提供するように画像を拡大することを含む。いくつかの実施形態では、複数の異なるビューを中継すること（３１０）は、画像の拡張現実ディスプレイおよびバーチャルリアリティーディスプレイのうちの一方または双方を提供する。
【００８２】
このため、マルチビーム回折格子ベースのディスプレイを用いて画像の複数の異なるビューを提供する、ニアアイディスプレイ、両眼ニアアイディスプレイシステム、およびニアアイディスプレイ動作の方法の例および実施形態が説明された。上述の例は、本明細書で説明する原理を表す多数の特定の例のいくつかを単に例示するものであることが理解されるべきである。明らかに当業者は、添付の特許請求の範囲により定義される範囲から逸脱せずに数多くの他の構成を容易に考案することができる。
【符号の説明】
【００８３】
１０  光ビーム
１２  矢印
１００  ニアアイディスプレイ
１０２  アイボックス
１０４  複数の異なるビュー
１０６  仮想画像
１０８  光線
１１０  マルチビーム回折格子ベースのディスプレイ
１１２  平板ライトガイド
１１４  マルチビーム回折格子
１１６  ライトバルブアレイ
１１８  光源
１２０  光学系
１２２  拡大鏡
１２４  自由形状プリズム
１２６  自由形状補正レンズ
１２８  部分的に反射性の表面
２００  ニアアイ両眼ディスプレイシステム
２０２  画像
２０４  アイボックス
２１０  マルチビーム回折格子ベースのディスプレイ
２１２  平板ライトガイド
２１４  マルチビーム回折格子
２１６  光バルブ
２１８  光源
２２０  両眼光学系
【図１】
2019500634.tif 000003
【図２】
2019500634.tif 000004
【図３】
2019500634.tif 000005
【図４】
2019500634.tif 000006
【図５Ａ−Ｂ】
2019500634.tif 000007
【図５Ｃ】
2019500634.tif 000008
【図６】
2019500634.tif 000009
【図７】
2019500634.tif 000010
【手続補正書】
【提出日】平成30年7月31日(2018.7.31)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００３４
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００３４】
図３は、本明細書で説明する原理と一致した実施形態による、一例におけるニアアイディスプレイ１００の光学素子の概略図を示す。示すように、光学系１２０は、焦点距離ｆを有する単純な拡大鏡１２２を備える。図３における単純な拡大鏡１２２は、例として、両凸レンズとして示されるが、これに限定されない。単純な拡大鏡１２２は、（例えば、図３に示すように、）アイボックス１０２から、単純な拡大鏡１２２の焦点距離ｆに対応する距離に位置することができる。更に、単純な拡大鏡１２２は、マルチビーム回折格子ベースのディスプレイ１１０とアイボックス１０２との間に位置する。単純な拡大鏡１２２は、マルチビーム回折格子ベースのディスプレイ１１０からの複数の異なるビュー（例えば、図２における異なるビュー１０４）によって形成される（すなわち、単純な拡大鏡１２２を通じて視認したときにアイボックス１０２において見られるような）表示画像の仮想画像１０６を提供するように構成される。単純な拡大鏡１２２によって提供される拡大に起因して、仮想画像１０６は、マルチビーム回折格子ベースのディスプレイ１１０によって生成される実際のまたは物理的画像（すなわち、表示画像）の距離よりもアイボックス１０２から遠い距離に位置する（または少なくとも位置するように見える）。具体的には、いくつかの実施形態によれば、仮想画像１０６は、アイボックス１０２から視認したときの人間の眼の正常調節範囲または距離ｄａ内に位置することができる一方で、マルチビーム回折格子ベースのディスプレイ１１０（または等価には、マルチビーム回折格子ベースのディスプレイ１１０によって生成または表示される画像）は、正常調節範囲よりもアイボックス１０２の近くにあることができる。このため、単純な拡大鏡１２２は、例えば、アイボックス１０２において、マルチビーム回折格子ベースのディスプレイ１１０（または等価には、マルチビーム回折格子ベースのディスプレイ１１０の出力または仮想画像１０６）の快適な視認を容易にすることができる。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００３５
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００３５】
図３において、実線および破線として更に示されるのは、以下で更に説明するような、マルチビーム回折格子ベースのディスプレイ１１０から発散される光線１０８（光線）である。実線は、マルチビーム回折格子ベースのディスプレイ１１０によって提供される表示画像の異なるビュー１０４に関連付けられた実際の光線１０８を示す一方で、破線は、仮想画像１０６に対応する光線投影を表す。図３に示す光線１０８は、例えば、以下で説明するように、マルチビーム回折格子ベースのディスプレイ１１０によって生成される様々なカップリングして外へ出された光ビーム（すなわち、光線）に対応することができる。更に、アイボックス１０２内の異なる点において収束するように示される光線１０８は、アイボックス１０２内の異なる位置に異なる複数のビューが中継された後にマルチビーム回折格子ベースのディスプレイ１１０によって提供される表示画像の異なるビューを表すことができる。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００５３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００５３】
図５Ａおよび図５Ｂにおいて、マルチビーム回折格子ベースのディスプレイ１１０は、マルチビーム回折格子１１４のアレイを更に備える。図５Ａおよび図５Ｂに示されるように、マルチビーム回折格子１１４は、平板ライトガイド１１２の表面（例えば、上面または前面）に位置する。他の例（図示せず）では、マルチビーム回折格子１１４のうちの１つまたは複数が平板ライトガイド１１２内に位置することができる。更に他の例では（図示せず）、マルチビーム回折格子１１４のうちの１つまたは複数が平板ライトガイド１１２の底面または背面（すなわち、マルチビーム回折格子１１４と共に示される表面に対し反対の表面）に、あるいは底面上または背面上に位置することができる。組み合わせで、平板ライトガイド１１２およびマルチビーム回折格子１１４のアレイは、マルチビーム回折格子ベースのディスプレイ１１０のマルチビーム回折格子ベースの背面照明を提供するか、またはその機能を果たす。
【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００５８
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００５８】
いくつかの例では、マルチビーム回折格子１１４のチャープ回折格子は、距離と共に線形に変動する回折間隔のチャープを有するかまたは呈することができる。したがって、チャープされた回折格子は、定義上、「線形チャープ」回折格子である。図５Ａ〜図５Ｂは、限定ではなく例として、線形チャープ回折格子としてマルチビーム回折格子１１４を示す。具体的には、示されるように、回折特徴は、マルチビーム回折格子１１４の第２の端部よりも第１の端部において互いに近接している。更に、示される回折特徴の回折間隔は、示されるように、第１の端部から第２の端部へと（太字矢印の方向に）線形に変動する。
【手続補正５】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００６４
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００６４】
（例えば、図５Ａおよび図５Ｂに示すような）いくつかの実施形態によれば、マルチビーム回折格子ベースのディスプレイ１１０は、光源１１８を更に含むことができる。光源１１８は、コリメート光ビームを平板ライトガイド１１２に提供するように構成される。
具体的には、光源１１８は、平板ライトガイド１１２の入口面または端部（入力端）に隣接して位置することができる。様々な実施形態において、光源１１８は、１つまたは複数の発光ダイオード（ＬＥＤ）またはレーザ（例えば、レーザダイオード）を含むがこれらに限定されない、実質的に任意の光源（例えば、光学エミッタ）を含むことができる。いくつかの実施形態では、光源１１８は、特定の色によって表される狭帯域スペクトルを有する実質的に単色の光を生成するように構成された光学エミッタを含むことができる。具体的には、単色の光の色は、特定の色空間または色モデル（例えば、赤−緑−青（ＲＧＢ）色モデル）の原色とすることができる。いくつかの実施形態では、光源１１８は、異なる色の光を提供するように構成された複数の異なる光学エミッタを含むことができる。異なる光学エミッタは、光の異なる色の各々に対応する、コリメート光ビームの異なる色固有の非ゼロの伝播角度を有する光を提供するように構成することができる。
【手続補正６】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００６７
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００６７】
図６に示すように、ニアアイ両眼ディスプレイシステム２００は、マルチビーム回折格子ベースのディスプレイ２１０の対を備える。様々な実施形態によれば、各マルチビーム回折格子ベースのディスプレイ２１０は、上記対のその他のマルチビーム回折格子ベースのディスプレイ２１０によって提供される画像２０２と異なる画像２０２を提供するように構成される。対の異なる画像２０２は、３Ｄシーンの立体画像２０２である。いくつかの実施形態では、対のマルチビーム回折格子ベースのディスプレイ２１０の一方または双方は、ニアアイディスプレイ１００に関して上記で説明されたマルチビーム回折格子ベースのディスプレイ１１０に実質的に類似することができる。
【手続補正７】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００６８
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００６８】
具体的には、示されるように、マルチビーム回折格子ベースのディスプレイ２１０は、各々が、平板ライトガイド２１２およびマルチビーム回折格子２１４のアレイまたは（例えば図示するように）単に「マルチビーム格子２１４」を含む。いくつかの実施形態では、平板ライトガイド２１２は、平板ライトガイド１１２に実質的に類似することができ、マルチビーム回折格子２１４のアレイは、マルチビーム回折格子ベースのディスプレイ１１０のマルチビーム回折格子１１４のアレイに実質的に類似することができる。具体的には、マルチビーム回折格子２１４は、平板ライトガイド２１２の表面に位置するかまたは隣接することができる。更に、いくつかの実施形態では、アレイのマルチビーム回折格子２１４は、カップリングして外へ出された複数のビームとして、平板ライトガイド２１２内から導波光を回折によりカップリングして外へ出すように構成することができる。いくつかの実施形態では、マルチビーム回折格子２１４は、湾曲した回折特徴を有するチャープ回折格子を備える。いくつかの実施形態では、チャープ回折格子のチャープは線形チャープである。
【手続補正８】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００７４
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００７４】
いくつかの実施形態によれば、マルチビーム回折格子ベースのディスプレイ２１０は、ライトバルブ２１６のアレイおよび光源２１８を更に備えることができる。いくつかの実施形態では、ライトバルブ２１６のアレイは、ニアアイディスプレイ１００のマルチビーム回折格子ベースのディスプレイ１１０に関して上記で説明したライトバルブアレイ１１６と実質的に類似することができる。例えば、ライトバルブ２１６のアレイは、平板ライトガイド２１２の表面に隣接して位置することができる。様々な実施形態によれば、ライトバルブ２１６は、マルチビーム回折格子２１４からカップリングして外へ出された光ビームを、立体画像対の提供された画像２０２のピクセルに対応する複数のピクセルまたは変調された光ビームとして選択的に変調するように構成される。いくつかの実施形態では、アレイのライトバルブ２１６は、液晶ライトバルブを含む。他の実施形態では、ライトバルブアレイのライトバルブ２１６は、例えば、エレクトロウェッティングライトバルブ、電気泳動ライトバルブ、それらの組み合わせ、または液晶ライトバルブと別のライトバルブタイプとの組み合わせを含むがこれらに限定されない、別のライトバルブを含むことができる。
【手続補正９】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００８１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００８１】
いくつかの実施形態では、中継される画像は、３次元（３Ｄ）画像を含むことができ、複数の異なるビューのうちの異なるビューは、３Ｄ画像の異なる斜視ビューを表すことができる。いくつかの実施形態では、中継画像は、画像の立体対の画像である。更に、いくつかの例では、画像の複数の異なるビューは、少なくとも４つの異なるビューを含むことができる。いくつかの実施形態では、画像の複数の異なるビューを中継すること（３３０）は、アイボックスから、ユーザの眼の正常調節範囲に対応する距離に位置する仮想画像を提供するように画像を拡大することを含む。いくつかの実施形態では、複数の異なるビューを中継すること（３３０）は、画像の拡張現実ディスプレイおよびバーチャルリアリティーディスプレイのうちの一方または双方を提供する。
【手続補正１０】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図５Ａ−Ｂ
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図５Ａ−Ｂ】
2019500634.tif 000011
【手続補正１１】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図５Ｃ
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図５Ｃ】
2019500634.tif 000012
【国際調査報告】
2019500634.tif 000013
2019500634.tif 000014