(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
光学ディスプレイであって、前記光学ディスプレイは、
第１の表面および第２の表面を有する第１の導波管と、
入力カプラと、
折畳格子と、
出力格子と、
入力画像ノード（ＩＩＮ）と、
ユーザの眼を位置付けるためのアイボックスと
を備え、
前記光学ディスプレイは、前記第１の導波管の長手軸方向に沿って延びるＸ軸と、前記Ｘ軸および前記アイボックスの平面に対して垂直であるＺ軸とを画定し、
前記入力カプラは、コリメートされた第１の波長の画像変調光を受信することと、前記第１の表面と前記第２の表面との間の全内部反射を介して前記折畳格子まで前記第１の導波管内を前記光が進行するようにすることとを行うように構成されており、
前記折畳格子は、第１の方向における瞳拡張を提供することと、前記第１の表面と前記第２の表面との間の全内部反射を介して前記出力格子に前記光が向かうようにすることとを行うように構成されており、
前記出力格子は、前記第１の方向と異なる第２の方向における瞳拡張を提供することと、前記第１の表面または前記第２の表面から前記第１の導波管から前記光が出射するようにすることとを行うように構成されており、
前記入力カプラ、前記折畳格子、または、前記出力格子のうちの少なくとも１つは、前記格子の格子平面に対して垂直である複数のベクトルを有し、各ベクトルは、前記Ｘ軸および前記Ｚ軸によって画定される平面内の別のベクトルに対して傾斜されている、光学ディスプレイ。
【請求項２】
前記ＩＩＮは、光源と、画像ピクセルを表示するためのマイクロディスプレイと、コリメーション光学とを備え、前記ＩＩＮは、各画像ピクセルが前記第１の導波管内で別の画像ピクセルから変換された角度方向とは異なる角度方向に変換されるように、前記マイクロディスプレイパネル上に表示される画像を投影する、請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記格子のうちの少なくとも１つは、回折状態と非回折状態との間で切り替え可能である、請求項１に記載の装置。
【請求項４】
第１の表面および第２の表面を有する第２の導波管と、入力カプラと、折畳格子と、出力格子とをさらに備え、前記第１の導波管と前記第２の導波管とは、積層されており、前記第２の導波管のための前記入力カプラは、コリメートされた第２の波長光を前記ＩＩＮから受信するように構成されている、請求項１に記載の装置。
【請求項５】
前記入力カプラ、前記折畳格子、前記出力格子のうちの少なくとも１つは、液晶ベースの格子である、請求項１に記載の装置。
【請求項６】
前記入力カプラは、格子またはプリズムのうちの１つである、請求項１に記載の装置。
【請求項７】
前記第１の方向は、前記第２の方向に直交する、請求項１に記載の装置。
【請求項８】
前記第１の方向は、水平であり、前記第２の方向は、鉛直である、請求項１に記載の装置。
【請求項９】
眼トラッカをさらに備えている、請求項１に記載の装置。
【請求項１０】
前記ＩＩＮ内に配置されている動的焦点レンズをさらに備えている、請求項１に記載の装置。
【請求項１１】
前記第１の導波管の前記第１の表面または前記第２の表面に近接して配置されている動的焦点レンズをさらに備えている、請求項１に記載の装置。
【請求項１２】
前記第１の導波管は、第１の光学インターフェースをさらに備え、前記ＩＩＮは、第２の光学インターフェースをさらに備え、前記第１の光学インターフェースが前記第２の光学インターフェースから分断されることが可能であるように、前記第１の光学インターフェースは、機械的機構または磁気機構を介して前記第２の光学インターフェースに接続されている、請求項１に記載の装置。
【請求項１３】
前記第１の導波管は、前記ＩＩＮから除去されるように構成されている、請求項１２に記載の装置。
【請求項１４】
前記第１の表面および前記第２の表面は、平面表面である、請求項１に記載の装置。
【請求項１５】
前記第１の表面および前記第２の表面は、湾曲している、請求項１に記載の装置。
【請求項１６】
前記ＩＩＮは、レーザスキャナを備えている、請求項１に記載の装置。
【請求項１７】
前記ディスプレイは、ＨＭＤ、ＨＵＤ、眼追従ディスプレイ、動的焦点ディスプレイ、または、明視野ディスプレイのうちの１つを提供する、請求項１に記載の装置。
【請求項１８】
前記入力カプラ、前記折畳格子、前記出力格子のうちの少なくとも１つは、色または角度のうちの少なくとも１つを多重化する、請求項１に記載の装置。
【請求項１９】
ビームホモジナイザをさらに備えている、請求項１に記載の装置。
【請求項２０】
前記ディスプレイは、前記ＩＩＮと前記第１の導波管との間で画像成分を中継するための屈折率勾配波誘導コンポーネントをさらに含む、請求項１に記載の装置。
【請求項２１】
前記第１の導波管の前記入力カプラの領域と前記第２の導波管の前記入力カプラの領域との間に配置されているダイクロイックフィルタをさらに備えている、請求項４に記載の装置。
【請求項２２】
前記ＩＩＮは、空間変動開口数コンポーネントをさらに備え、前記空間変動開口数コンポーネントは、前記Ｘ軸に沿って開口数変動を提供する、請求項２に記載の装置。
【請求項２３】
前記空間変動開口数コンポーネントは、回折、複屈折、屈折、または、散乱特性のうちの少なくとも１つを有する、請求項２２に記載の装置。
【請求項２４】
空間変動開口数は、平面の法線ベクトルが前記Ｘ軸を含む平面において最高ディスプレイ画角と平行に整列させられるように、前記平面を傾斜させることによって提供される、請求項２に記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
（優先権の主張）
本願は、米国仮出願第６２／２８４，６０３号（２０１５年１０月５日出願、名称「ＷＡＶＥＧＵＩＤＥ  ＤＩＳＰＬＡＹ」）および米国仮出願第６２／２８５，２７５号（２０１５年１０月２３日出願、名称「ＷＡＶＥＧＵＩＤＥ  ＤＩＳＰＬＡＹ」）からの優先権を主張し、上記出願は、それらの全体が参照により本明細書に組み込まれる。
【０００２】
（関連出願の引用）
以下の特許出願は、それらの全体が参照により本明細書に引用される：
米国特許第９，０７５，１８４号、名称ＣＯＭＰＡＣＴ  ＥＤＧＥ  ＩＬＬＵＭＩＮＡＴＥＤ  ＤＩＦＦＲＡＣＴＩＶＥ  ＤＩＳＰＬＡＹ」、米国特許第８，２３３，２０４号、名称「ＯＰＴＩＣＡＬ  ＤＩＳＰＬＡＹＳ」、ＰＣＴ出願第ＵＳ２００６／０４３９３８、名称「ＭＥＴＨＯＤ  ＡＮＤ  ＡＰＰＡＲＡＴＵＳ  ＦＯＲ  ＰＲＯＶＩＤＩＮＧ  Ａ  ＴＲＡＮＳＰＡＲＥＮＴ  ＤＩＳＰＬＡＹ」、ＰＣＴ出願第ＧＢ２０１２／０００６７７号、名称「ＷＥＡＲＡＢＬＥ  ＤＡＴＡ  ＤＩＳＰＬＡＹ」、米国特許出願第１３／３１７，４６８号、名称「ＣＯＭＰＡＣＴ  ＥＤＧＥ  ＩＬＬＵＭＩＮＡＴＥＤ  ＥＹＥＧＬＡＳＳ  ＤＩＳＰＬＡＹ」、米国特許出願第１３／８６９，８６６号、名称「ＨＯＬＯＧＲＡＰＨＩＣ  ＷＩＤＥ  ＡＮＧＬＥ  ＤＩＳＰＬＡＹ」、米国特許出願第１３／８４４，４５６号、名称「ＴＲＡＮＳＰＡＲＥＮＴ  ＷＡＶＥＧＵＩＤＥ  ＤＩＳＰＬＡＹ」、米国特許出願第１４／６２０，９６９号、名称「ＷＡＶＥＧＵＩＤＥ  ＧＲＡＴＩＮＧ  ＤＥＶＩＣＥ」、米国仮特許出願第６２／１７６，５７２号、名称「ＥＬＥＣＴＲＩＣＡＬＬＹ  ＦＯＣＵＳ  ＴＵＮＡＢＬＥ  ＬＥＮＳ」、米国仮特許出願第６２／１７７，４９４号、名称「ＷＡＶＥＧＵＩＤＥ  ＤＥＶＩＣＥ  ＩＮＣＯＲＰＯＲＡＴＩＮＧ  Ａ  ＬＩＧＨＴ  ＰＩＰＥ」、米国仮特許出願第６２／０７１，２７７、名称「ＭＥＴＨＯＤ  ＡＮＤ  ＡＰＰＡＲＡＴＵＳ  ＦＯＲ  ＧＥＮＥＲＡＴＩＮＧ  ＩＮＰＵＴ  ＩＭＡＧＥＳ  ＦＯＲ  ＨＯＬＯＧＲＡＰＨＩＣ  ＷＡＶＥＧＦＵＩＤＥ  ＤＩＳＰＬＡＹＳ」、米国仮特許出願第６２／１２３，２８２号、名称「ＮＥＡＲ  ＥＹＥ  ＤＩＳＰＬＡＹ  ＵＳＩＮＧ  ＧＲＡＤＩＥＮＴ  ＩＮＤＥＸ  ＯＰＴＩＣＳ」、米国仮特許出願第６２／１２４，５５０号、名称「ＷＡＶＥＧＵＩＤＥ  ＤＩＳＰＬＡＹ  ＵＳＩＮＧ  ＧＲＡＤＩＥＮＴ  ＩＮＤＥＸ  ＯＰＴＩＣＳ」、米国仮特許出願第６２／１２５，０６４号、名称「ＯＰＴＩＣＡＬ  ＷＡＶＥＧＵＩＤＥ  ＤＩＳＰＬＡＹＳ  ＦＯＲ  ＩＮＴＥＧＲＡＴＩＯＮ  ＩＮ  ＷＩＮＤＯＷＳ」、米国仮特許出願第６２／１２５，０６６号、名称「ＯＰＴＩＣＡＬ  ＷＡＶＥＧＵＩＤＥ  ＤＩＳＰＬＡＹＳ  ＦＯＲ  ＩＮＴＥＧＲＡＴＩＯＮ  ＩＮ  ＷＩＮＤＯＷＳ」、米国仮特許出願第６２／１２５，０８９号、名称「ＨＯＬＯＧＲＡＰＨＩＣ  ＷＡＶＥＧＵＩＤＥ  ＬＩＧＨＴ  ＦＩＥＬＤ  ＤＩＳＰＬＡＹＳ」、米国特許第８，２２４，１３３号、名称「ＬＡＳＥＲ  ＩＬＬＵＭＩＮＡＴＩＯＮ  ＤＥＶＩＣＥ」、米国特許第８，５６５，５６０号、名称「ＬＡＳＥＲ  ＩＬＬＵＭＩＮＡＴＩＯＮ  ＤＥＶＩＣＥ」、米国特許第６，１１５，１５２号、名称「ＨＯＬＯＧＲＡＰＨＩＣ  ＩＬＬＵＭＩＮＡＴＩＯＮ  ＳＹＳＴＥＭ」、ＰＣＴ出願第ＰＣＴ／ＧＢ２０１３／０００００５号、名称「ＣＯＮＴＡＣＴ  ＩＭＡＧＥ  ＳＥＮＳＯＲ  ＵＳＩＮＧ  ＳＷＩＴＣＨＡＢＬＥ  ＢＲＡＧＧ  ＧＲＡＴＩＮＧＳ」、ＰＣＴ出願第ＰＣＴ／ＧＢ２０１２／０００６８０号、名称「ＩＭＰＲＯＶＥＭＥＮＴＳ  ＴＯ  ＨＯＬＯＧＲＡＰＨＩＣ  ＰＯＬＹＭＥＲ  ＤＩＳＰＥＲＳＥＤ  ＬＩＱＵＩＤ  ＣＲＹＳＴＡＬ  ＭＡＴＥＲＩＡＬＳ  ＡＮＤ  ＤＥＶＩＣＥＳ」、ＰＣＴ出願第ＰＣＴ／ＧＢ２０���４／０００１９７号、名称「ＨＯＬＯＧＲＡＰＨＩＣ  ＷＡＶＥＧＵＩＤＥ  ＥＹＥ  ＴＲＡＣＫＥＲ」、ＰＣＴ／ＧＢ２０１３／０００２１０、名称「ＡＰＰＡＲＡＴＵＳ  ＦＯＲ  ＥＹＥ  ＴＲＡＣＫＩＮＧ」、ＰＣＴ出願第ＧＢ２０１３／０００２１０号、名称「ＡＰＰＡＲＡＴＵＳ  ＦＯＲ  ＥＹＥ  ＴＲＡＣＫＩＮＧ」、ＰＣＴ／ＧＢ２０１５／０００２７４、名称「ＨＯＬＯＧＲＡＰＨＩＣ  ＷＡＶＥＧＵＩＤＥ  ＯＰＴＩＣＡＬＴＲＡＣＫＥＲ」、米国特許第８，９０３，２０７号、名称「ＳＹＳＴＥＭ  ＡＮＤ  ＭＥＴＨＯＤ  ＯＦ  ＥＸＴＥＮＤＩＮＧ  ＶＥＲＴＩＣＡＬ  ＦＩＥＬＤ  ＯＦ  ＶＩＥＷ  ＩＮ  ＨＥＡＤ  ＵＰ  ＤＩＳＰＬＡＹ  ＵＳＩＮＧ  Ａ  ＷＡＶＥＧＵＩＤＥ  ＣＯＭＢＩＮＥＲ」、米国特許第８，６３９，０７２号、名称「ＣＯＭＰＡＣＴ  ＷＥＡＲＡＢＬＥ  ＤＩＳＰＬＡＹ」、米国特許第８，８８５，１１２号、名称「ＣＯＭＰＡＣＴ  ＨＯＬＯＧＲＡＰＨＩＣ  ＥＤＧＥ  ＩＬＬＵＭＩＮＡＴＥＤ  ＥＹＥＧＬＡＳＳ  ＤＩＳＰＬＡＹ」。
【０００３】
本開示は、限定ではないが、ニアアイディスプレイを含むディスプレイに関し、より具体的には、ホログラフ導波管ディスプレイに関する。
【背景技術】
【０００４】
導波管光学は、現在、複数の光学機能を薄くて透明な軽量基板の中に統合する導波管の能力が非常に重要であるある範囲のディスプレイおよびセンサ用途のために検討されている。この新しいアプローチは、拡張現実（ＡＲ）および仮想現実（ＶＲ）のためのニアアイディスプレイ、航空および道路交通のためのコンパクトヘッドアップディスプレイ（ＨＵＤ）、および、バイオメトリックおよびレーザレーダ（ＬＩＤＡＲ）用途のためのセンサを含む新しい製品開発を促している。レンズサイズを縮小しながら、回折格子を使用して、アイボックスサイズを保存する導波管ディスプレイが、提案されている。Ｌｅｇｅｒ  Ｓｅａｒｌｅに発行された米国特許第４，３０９，０７０号（特許文献１）およびＵｐａｔｎｉｅｋｓに発行された米国特許第４，７１１，５１２号（特許文献２）は、基板導波管ヘッドアップディスプレイを開示しており、コリメート光学システムの瞳は、導波管構造によって効果的に拡張される。米国特許出願第１３／８６９，８６６号は、ホログラフ広角ディスプレイを開示しており、米国特許出願第１３／８４４，４５６号は、上側および下側視野を有する導波管ディスプレイを開示している。
【０００５】
導波管光学における共通の要件は、２つの直交方向におけるビーム拡張を提供することである。ディスプレイ用途では、これは、大型のアイボックスを意味する。ホログラフ導波管におけるビーム拡張の原理は、十分に確立されているが、２軸拡張は、別個の垂直および水平拡張を提供するために、別個の格子層を要求する。通常、第２の軸拡張を与える格子のうちの一方が、ディスプレイのニアアイコンポーネントも提供し、回折光学の高透過性かつ薄くて軽量の形状因子が、効果を最大化するために使用されることができる。フルカラーおよび広視野を要求する、実践的ディスプレイ用途では、２軸拡張を実装するために要求される層の数は、容認しがたく多くなり、厚さ、重量、およびサイズの増加をもたらす。２つまたは３つの格子を単一層内で多重化することに基づく層の数を低減させるためのソリューション、または２軸拡張（所与の角度範囲および波長に対して）を単一層内で行うことができる折畳格子が、現在開発中である。２軸拡張は、眼追跡およびＬＩＤＡＲ等のセンサ用途のための導波管においても問題となる。低コスト、効率的、かつコンパクトな２軸拡張導波管の要求が存在する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】米国特許第４，３０９，０７０号
【特許文献２】米国特許第４，７１１，５１２号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明の第１の目的は、低コスト、効率的、かつコンパクトな２軸拡張導波管を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の目的は、本発明の第１の実施形態において達成され、第１の表面および第２の表面を備えている第１の導波管と、入力カプラと、折畳格子と、出力格子とを備えている光学ディスプレイが、提供される。入力カプラは、入力画像ノード（ＩＩＮ）からコリメートされた第１の波長光を受信し、折畳格子までの第１の表面と第２の表面との間の全内部反射を介して、光を第１の導波管内に進行させるように構成される。折畳格子は、第１の方向における瞳拡張を提供し、第１の表面と第２の表面との間の全内部反射を介して、光を出力格子に向かわせるように構成される。出力格子は、第１の方向と異なる第２の方向における瞳拡張を提供し、第１の表面または第２の表面から第１の導波管を出射させるように構成される。入力カプラ、折畳格子、または出力格子のうちの少なくとも１つは、回転ｋベクトル格子である。光は、折畳格子との二重相互作用を受ける。
【０００９】
いくつかの実施形態では、ＩＩＮは、光源と、画像ピクセルを表示するためのマイクロディスプレイと、コリメーション光学とを備えている。ＩＩＮは、各画像ピクセルが、第１の導波管内で独特な角度方向に変換されるように、マイクロディスプレイパネル上に表示される画像を投影する。
【００１０】
いくつかの実施形態では、格子のうちの少なくとも１つは、回折状態と非回折状態との間で切り替え可能である。
【００１１】
いくつかの実施形態では、光学ディスプレイはさらに、第１の表面および第２の表面と、入力カプラと、折畳格子と、出力格子とを備えている第２の導波管を備え、入力カプラは、コリメートされた第２の波長光をＩＩＮから受信するように構成される。
【００１２】
いくつかの実施形態では、入力カプラ、折畳格子、および出力格子のうちの少なくとも１つは、液晶ベースの格子である。
【００１３】
いくつかの実施形態では、第１の方向は、第２の方向に直交する。
【００１４】
いくつかの実施形態では、第１の方向は、水平であり、第２の方向は、鉛直である。
【００１５】
いくつかの実施形態では、光学ディスプレイはさらに、眼トラッカを備えている。
【００１６】
いくつかの実施形態では、光学ディスプレイはさらに、ＩＩＮ内に配置されている動的焦点レンズを備えている。
【００１７】
いくつかの実施形態では、光学ディスプレイはさらに、第１の導波管の第１または第２の表面に近接して配置されている動的焦点レンズを備えている。
【００１８】
いくつかの実施形態では、第１の導波管は、第１の光学インターフェースをさらに備え、ＩＩＮは、第２の光学インターフェースをさらに備え、第１および第２の光学インターフェースは、機械的機構または磁気機構のうちの１つによって分断されることができる。
【００１９】
いくつかの実施形態では、第１の導波管は、消耗品である。いくつかの実施形態では、第１の表面および第２の表面は、平面表面である。いくつかの実施形態では、第１の表面および第２の表面は、湾曲表面である。いくつかの実施形態では、ＩＩＮは、レーザスキャナを備えている。
【００２０】
いくつかの実施形態では、ディスプレイは、ＨＭＤ、ＨＵＤ、眼追従ディスプレイ、動的焦点ディスプレイまたは明視野ディスプレイのうちの１つを提供する。
【００２１】
いくつかの実施形態では、入力カプラ、折畳格子、および出力格子のうちの少なくとも１つは、色または角度のうちの少なくとも１つを多重化する。
【００２２】
いくつかの実施形態では、光学ディスプレイはさらに、ビームホモジナイザを備えている。
【００２３】
いくつかの実施形態では、ディスプレイは、屈折率勾配画像転送導波管を横断する少なくとも１つの光学を含む。
【００２４】
いくつかの実施形態では、光学ディスプレイはさらに、第１の導波管の入力格子の領域と第２の導波管の入力格子の領域との間に配置されているダイクロイックフィルタを備えている。
【００２５】
いくつかの実施形態では、ＩＩＮはさらに、入力カプラによって回折される視野座標に対応する方向に沿って開口数変動を提供するための空間変動開口数コンポーネントを備えている。
【００２６】
いくつかの実施形態では、空間変動開口数コンポーネントは、回折、複屈折、屈折、または散乱特性のうちの少なくとも１つを有する。
【００２７】
いくつかの実施形態では、視野座標は、ディスプレイの水平視野である。
【００２８】
いくつかの実施形態では、空間変動開口数は、その法線ベクトルが入力カプラによって回折される視野座標を含む平面において最高ディスプレイ画角と平行に整列させられるように、停止平面を傾斜させることによって提供される。
【００２９】
本開示の一例示的実施形態は、ニアアイ光学ディスプレイに関する。ニアアイ光学ディスプレイは、第１の表面および第２の表面と、入力カプラと、折畳格子と、出力格子とを備えている導波管を含む。入力カプラは、コリメートされた光をディスプレイ源から受信し、折畳格子までの第１の表面と第２の表面との間の全内部反射を介して、光を導波管内で進行させるように構成される。折畳格子は、第１の方向における瞳拡張を提供し、第１の表面および第２の表面との間の全内部反射を介して、光を出力格子に向かわせるように構成される。出力格子は、第１の方向と異なる第２の方向における瞳拡張を提供し、光を導波管を第１の表面または第２の表面から出射させるように構成される。
【００３０】
本開示の別の例示的実施形態は、情報を表示する方法に関する。方法は、第１の表面および第２の表面を有する導波管内にコリメートされた光を受信することと、コリメートされた光を折畳格子までの第１の表面と第２の表面との間の全内部反射を介して提供することと、折畳格子を使用して、第１の方向における瞳拡張を提供し、第１の表面と第２の表面との間の全内部反射を介して、光を出力格子に向かわせることと、第１の方向と異なる第２の方向における瞳拡張を提供し、光を第１の表面または第２の表面から導波管に出射させることとを含む。
【００３１】
以下は、情報を表示するための本発明の光学ディスプレイおよび方法に関連する種々の概念および実施形態のより詳細な説明である。上記に導入され、以下により詳細に議論される種々の概念は、多数の方法のいずれかで実装され得、本開示の概念は、実装の任意の特定の様式に限定されないことを理解されたい。具体的実装および用途の実施例は、主に、例証目的で提供される。本発明のより完全な理解は、付随の図面と併せて以下に詳述される説明を考慮することによって得られることができ、類似指示数字は、類似部分を示す。明確性の目的のために、本発明に関連する技術的分野で公知である技術的材料に関連する詳細は、詳細に説明されない。
例えば、本願は以下の項目を提供する。
（項目１）
光学ディスプレイであって、前記光学ディスプレイは、
第１の表面および第２の表面を有する第１の導波管と、
入力カプラと、
折畳格子と、
出力格子と、
入力画像ノード（ＩＩＮ）と
を備え、
前記入力カプラは、コリメートされた第１の波長の画像変調光を受信することと、前記折畳格子までの前記第１の表面と前記第２の表面との間の全内部反射を介して、前記光に前記第１の導波管内で進行させることとを行うように構成され、
前記折畳格子は、第１の方向における瞳拡張を提供することと、前記第１の表面と前記第２の表面との間の全内部反射を介して、前記光を前記出力格子に向かわせることとを行うように構成され、
前記出力格子は、前記第１の方向と異なる第２の方向における瞳拡張を提供することと、前記光に前記第１の導波管を前記第１の表面または前記第２の表面から出射させることとを行うように構成され、
前記入力カプラ、前記折畳格子、または前記出力格子のうちの少なくとも１つは、回転ｋベクトル格子であり、
前記光は、前記折畳格子との二重相互作用を受ける、光学ディスプレイ。
（項目２）
前記ＩＩＮは、光源と、画像ピクセルを表示するためのマイクロディスプレイと、コリメーション光学とを備え、前記ＩＩＮは、各画像ピクセルが前記第１の導波管内で独特な角度方向に変換されるように、前記マイクロディスプレイパネル上に表示される画像を投影する、項目１に記載の装置。
（項目３）
前記格子のうちの少なくとも１つは、回折状態と非回折状態との間で切り替え可能である、項目１に記載の装置。
（項目４）
第１の表面および第２の表面と、入力カプラと、折畳格子と、出力格子とを備えている第２の導波管をさらに備え、前記入力カプラは、コリメートされた第２の波長光を前記ＩＩＮから受信するように構成されている、項目１に記載の装置。
（項目５）
前記入力カプラ、前記折畳格子、および前記出力格子のうちの少なくとも１つは、液晶ベースの格子である、項目１に記載の装置。
（項目６）
前記入力カプラは、格子またはプリズムのうちの１つである、項目１に記載の装置。
（項目７）
前記第１の方向は、前記第２の方向に直交する、項目１に記載の装置。
（項目８）
前記第１の方向は、水平であり、前記第２の方向は、鉛直である、項目１に記載の装置。
（項目９）
眼トラッカをさらに備えている、項目１に記載の装置。
（項目１０）
前記ＩＩＮ内に配置されている動的焦点レンズをさらに備えている、項目１に記載の装置。
（項目１１）
前記第１の導波管の前記第１または第２の表面に近接して配置されている動的焦点レンズをさらに備えている、項目１に記載の装置。
（項目１２）
前記第１の導波管は、第１の光学インターフェースをさらに備え、前記ＩＩＮは、第２の光学インターフェースをさらに備え、前記第１および第２の光学インターフェースは、機械的機構または磁気機構のうちの１つによって分断されることができる、項目１に記載の装置。
（項目１３）
前記第１の導波管は、消耗品である、項目１２に記載の装置。
（項目１４）
前記第１の表面および前記第２の表面は、平面表面である、項目１に記載の装置。
（項目１５）
前記第１の表面および前記第２の表面は、湾曲している、項目１に記載の装置。
（項目１６）
前記ＩＩＮは、レーザスキャナを備えている、項目１に記載の装置。
（項目１７）
前記ディスプレイは、ＨＭＤ、ＨＵＤ、眼追従ディスプレイ、動的焦点ディスプレイ、または明視野ディスプレイのうちの１つを提供する、項目１に記載の装置。
（項目１８）
前記入力カプラ、折畳格子、および出力格子のうちの少なくとも１つは、色または角度のうちの少なくとも１つを多重化する、項目１に記載の装置。
（項目１９）
ビームホモジナイザをさらに備えている、項目１に記載の装置。
（項目２０）
前記ディスプレイは、屈折率勾配画像転送導波管を横断する少なくとも１つの光学を含む、項目１に記載の装置。
（項目２１）
前記第１の導波管の前記入力格子の領域と前記第２の導波管の前記入力格子の領域との間に配置されているダイクロイックフィルタをさらに備えている、項目４に記載の装置。
（項目２２）
前記ＩＩＮは、空間変動開口数コンポーネントをさらに備え、前記空間変動開口数コンポーネントは、前記入力カプラによって回折される視野座標に対応する方向に沿って開口数変動を提供する、項目２に記載の装置。
（項目２３）
前記空間変動開口数コンポーネントは、回折、複屈折、屈折、または散乱特性のうちの少なくとも１つを有する、項目２２に記載の装置。
（項目２４）
前記視野座標は、前記ディスプレイの水平視野である、項目２２に記載の装置。
（項目２５）
空間変動開口数は、停止平面の法線ベクトルが前記入力カプラによって回折される視野座標を含む平面において最高ディスプレイ画角と平行に整列させられるように、前記停止平面を傾斜させることによって提供される、項目２に記載の装置。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】図１は、一実施形態における、導波管ディスプレイの概略断面図である。
【図２】図２は、一実施形態における、１つの格子層内の格子の配置を示す導波管ディスプレイの概略平面図である。
【図３】図３は、一実施形態における、２つの格子層内の格子の配置を示す導波管ディスプレイの概略平面図である。
【図４】図４は、一実施形態における、色あたり１つの導波管と、各導波管内の２つの格子層を使用するカラー導波管ディスプレイの概略断面図である。
【図５】図５は、一実施形態における、色あたり１つの導波管と、各導波管内の１つの格子層を使用するカラー導波管ディスプレイの概略断面図である。
【図６】図６は、一実施形態における、入力格子と、折畳格子と、出力格子とを示す導波管ディスプレイの概略平面図である。
【図７】図７は、一実施形態における、本発明の原理による眼追跡ニアアイディスプレイの断面図である。
【図８】図８は、一実施形態における、動的焦点レンズを組み込む眼追跡ニアアイディスプレイの断面図である。
【図９】図９は、一実施形態における、動的焦点レンズを組み込む眼追跡ニアアイディスプレイの断面図である。
【図１０Ａ】図１０Ａは、一実施形態における、ＩＩＮから分断され得る導波管を備えている第１の動作状態ディスプレイの概略平面図である。
【図１０Ｂ】図１０Ｂは、一実施形態における、ＩＩＮから分断され得る導波管を備えている、第２の動作状態ディスプレイの概略平面図である。
【図１１Ａ】図１１Ａは、一実施形態における、ｋベクトル方向に段階的変化を提供する回転ｋベクトル格子である。
【図１１Ｂ】図１１Ｂは、一実施形態における、ｋベクトル方向に連続変化を提供する回転ｋベクトル格子である。
【図１２Ａ】図１２Ａは、一実施形態における、導波管ディスプレイ接眼レンズの正面図である。
【図１２Ｂ】図１２Ａは、一実施形態における、導波管ディスプレイ接眼レンズの平面図である。
【図１２Ｃ】図１２Ａは、一実施形態における、導波管ディスプレイ接眼レンズの側面図である。
【図１２Ｄ】図１２Ａは、一実施形態における、導波管ディスプレイ接眼レンズの３次元図である。
【図１３Ａ】図１３Ａは、一実施形態における、オートバイ用ヘルメット内に実装される導波管ディスプレイの３次元図である。
【図１３Ｂ】図１３Ｂは、一実施形態における、オートバイ用ヘルメット内に実装される導波管ディスプレイの別の３次元図である。
【図１４】図１４は、一実施形態における、空間可変開口数コンポーネントを含むマイクロディスプレイ入力画像ノードの概略断面図である。
【図１５】図１５は、一実施形態における、空間可変開口数コンポーネントを含む反射マイクロディスプレイ入力画像ノードの概略断面図である。
【図１６】図１６は、一実施形態における、空間可変開口数コンポーネントを含む透過マイクロディスプレイ入力画像ノードの概略断面図である。
【図１７】図１７は、一実施形態における、空間可変開口数コンポーネントを含む放射マイクロディスプレイ入力画像ノードの概略断面図である。
【図１８Ａ】図１８Ａは、一実施形態における、ウェッジプリズムに基づく空間可変開口数コンポーネントの概略断面図である。
【図１８Ｂ】図１８Ｂは、一実施形態における、１つの湾曲表面を伴うウェッジプリズムに基づく空間可変開口数コンポーネントの概略断面図である。
【図１８Ｃ】図１８Ｃは、一実施形態における、プリズムの並びに基づく空間可変開口数コンポーネントの概略断面図である。
【図１８Ｄ】図１８Ｄは、一実施形態における、レンズの並びに基づく空間可変開口数コンポーネントの概略断面図である。
【図１９Ａ】図１９Ａは、一実施形態における、散乱要素の並びに基づく空間可変開口数コンポーネントの概略断面図である。
【図１９Ｂ】図１９Ｂは、一実施形態における、連続可変散乱機能を伴う基板に基づく空間可変開口数コンポーネントの概略断面図である。
【図１９Ｃ】図１９Ｃは、一実施形態における、連続可変複屈折テンソルを伴う基板に基づく空間可変開口数コンポーネントの概略断面図である。
【図１９Ｄ】図１９Ｄは、一実施形態における、格子要素の並びに基づく空間可変開口数コンポーネントの概略断面図である。
【図２０】図２０は、一実施形態における、傾斜瞳面を使用して瞳全体に渡り可変開口数を提供するための光学配列の概略断面図である。
【図２１Ａ】図２１Ａは、一実施形態における、後退可能導波管を備えているウェアラブルディスプレイの第１の動作状態の３次元図である。
【図２１Ｂ】図２１Ｂは、一実施形態における、後退可能導波管を備えているウェアラブルディスプレイの第２の動作状態の３次元図である。
【図２１Ａ】図２１Ｃは、一実施形態における、後退可能導波管を備えているウェアラブルディスプレイの第３の動作状態の３次元図である。
【図２２Ａ】図２２Ａは、一実施形態における、入力、折畳、出力格子を示す導波管コンポーネントの正面図である。
【図２２Ｂ】図２２Ｂは、一実施形態における、入力、折畳、出力格子を示す導波管コンポーネントの正面図である。
【図２３】図２３は、一実施形態における、入力、折畳、出力格子を示す導波管コンポーネントの正面図である。
【図２４】図２４は、一実施形態における、ＩＩＮからの光線トレースと、アイボックスまでの導波管コンポーネントとを示すニアアイディスプレイの３次元図である。
【図２５Ａ】図２５Ａは、一実施形態における、オートバイ用ディスプレイの第１の動作状態の３次元図である。
【図２５Ｂ】図２５Ｂは、一実施形態における、オートバイ用ディスプレイの第２の動作状態の３次元図である。
【発明を実施するための形態】
【００３３】
本発明は、ここで、例としてのみ添付の図面を参照して、さらに説明されるであろう。本発明は、以下の説明に開示されるような本発明の一部または全部を用いて実践され得ることが、当業者に明白であろう。本発明を説明する目的のために、光学設計および視覚的ディスプレイの当業者に公知の光学技術の周知の特徴は、本発明の基本原理を曖昧にしないために、省略または簡略化されている。別様に述べられない限り、光線またはビーム方向に関連する用語「軸上」は、本発明に関連して説明される光学コンポーネントの表面に法線の軸と平行な伝搬を指す。以下の説明では、用語「光」、「光線」、「ビーム」、および「方向」は、同義的かつ互いに関連付けて使用され、直線軌道に沿った電磁放射の伝搬方向を示し得る。用語「光」および「照明」は、電磁放射スペクトルの可視および赤外線帯域に関連して使用され得る。以下の説明の一部は、光学設計の当業者によって一般に採用される用語を使用して提示されるであろう。以下の説明では、語句「一実施形態では」の反復使用は、必ずしも、同一実施形態を指すわけではないことにも留意されたい。
【００３４】
概して、図面を参照すると、ニアアイディスプレイまたはヘッドアップディスプレイシステムに関連するシステムおよび方法が、種々の実施形態に従って示される。ホログラフ導波管技術が、有利には、軍事用途および消費者用途（例えば、拡張現実グラス）を含む、多くの用途のために、ヘルメット搭載型ディスプレイまたは頭部搭載型ディスプレイ（ＨＭＤ）およびヘッドアップディスプレイ（ＨＵＤ）のための導波管において使用されることができる。切り替え可能ブラッグ格子（ＳＢＧ）が、導波管において使用されることにより、余分な層を排除し、ＨＭＤ、ＨＵＤ、および他のニアアイディスプレイを含む現在のディスプレイシステムの厚さを低減させ、マイクロディスプレイ上に順次提示される画像をタイル化することによって視野を増加させ得る。より大きい射出瞳は、従来の格子と共に折畳格子（ｆｏｌｄ  ｇｒａｔｉｎｇ）を使用して、水平および垂直の両方向において瞳拡張を単一導波管上に提供することによって、生成され得る。本明細書に開示されるシステムおよび方法を使用して、単一光学導波管基板が、現在の導波管システムにおいて見出されるものより広い視野を発生させ得る。回折格子が、光線を異なる方向に進行するいくつかのビームに分割および回折し、それによって、光線を分散させるために使用され得る。
【００３５】
本発明において使用される格子は、望ましくは、ブラッグ格子である（体積格子とも称される）。ブラッグ格子は、高効率を有し、光は、高次にほとんど回折されない。回折され、ゼロ次における光の相対的な量は、大きな瞳に対して光を抽出するための損失性導波管格子を作製するために使用される性質である格子の屈折率変調を制御することによって変動させられることができる。格子の１つの重要な種類は、切り替え可能ブラッグ格子（ＳＢＧ）として公知である。ＳＢＧは、最初に、光重合可能モノマーおよび液晶材料の混合物の薄膜を平行ガラスプレート間に設置することによって製作される。一方または両方のガラスプレートが、電場を膜全体に渡り印加するために、典型的には透明酸化インジウムスズである、電極を支持する。体積位相格子が、次いで、液晶材料（多くの場合、シロップと称される）を２つの互いにコヒーレントなレーザビームを用いて照明することによって記録され、それらは、干渉し、傾斜フリンジ格子構造を形成する。記録プロセス中、モノマーが、重合し、混合物が、位相分離を受け、クリアポリマーの領域が介在する、液晶微小液滴が高密度に集まった領域を生成する。交互する液晶豊富および液晶欠乏領域が、格子のフリンジ面を形成する。結果として生じる体積位相格子は、非常に高い回折効率を示し得、それは、膜全体に渡り印加される電場の大きさによって制御され得る。電場が、透明電極を介して格子に印加されると、ＬＣ液滴の自然な向きが変化させられ、フリンジの屈折率変調が低減し、ホログラム回折効率が非常に低レベルに降下することをもたらす。典型的には、ＳＢＧ要素は、３０μｓ以内にクリアに切り替えられる。オンに切り替えるために、より長い緩和時間を伴う。デバイスの回折効率は、ある連続した範囲にわたって印加される電圧によって調節されることができることに留意されたい。デバイスは、電圧が印加されないと約１００％効率を示し、十分に高い電圧が印加されると本質的にゼロ効率を示す。あるタイプのＨＰＤＬＣデバイスにおいて、磁場が、ＬＣ向きを制御するために使用され得る。あるタイプのＨＰＤＬＣにおいて、ポリマーからのＬＣ材料の位相分離は、判別可能液滴構造が生じないような程度に達成され得る。ＳＢＧは、受動格子としても使用され得る。このモードにおいて、その主な利点は、比類なく高い屈折率変調である。
【００３６】
ＳＢＧは、自由空間用途のための透過または反射格子を提供するために使用され得る。ＳＢＧは、ＨＰＤＬＣが導波管コアまたは導波管に近接して一時的に結合される層のいずれかを形成する導波管デバイスとして実装され得る。ＨＰＤＬＣセルを形成するために使用される平行ガラスプレートは、全内部反射（ＴＩＲ）光誘導構造を提供する。光は、切り替え可能な格子がＴＩＲ条件を越える角度で光を回折すると、ＳＢＧの外部で結合される。導波管は、さまざまなディスプレイおよびセンサ用途において現在着目されている。ＨＰＤＬＣに関する以前の研究の多くは、反射ホログラムを対象としていたが、透過デバイスが、光学システム構築ブロックとしてはるかに多用途であることを証明しつつある。典型的には、ＳＢＧにおいて使用されるＨＰＤＬＣは、液晶（ＬＣ）、モノマー、光開始剤染料、および開始剤を備えている。混合物は、多くの場合、界面活性剤を含む。特許および科学文献は、ＳＢＧを製作するために使用され得る材料、システムおよびプロセスの多くの例を含む。２つの基本特許は、Ｓｕｔｈｅｒｌａｎｄによる米国特許第５，９４２，１５７号およびＴａｎａｋａ、他による米国特許第５，７５１，４５２号である。両願とも、ＳＢＧデバイスを製作するために好適なモノマーおよび液晶材料の組み合わせを説明する。
【００３７】
透過ＳＢＧの公知の属性のうちの１つは、ＬＣ分子が格子フリンジ平面に対して法線に整列する傾向にあることである。ＬＣ分子整列の効果は、透過ＳＢＧがＰ偏光された光（すなわち、入射面内の偏光ベクトルを伴う光）を効率的に回折するが、Ｓ偏光された光（すなわち、入射面に対して法線の偏光ベクトルを伴う光）に対してほぼゼロ回折効率を有することである。透過ＳＢＧは、入射光と反射光との間の狭角が小さいとき、Ｐ偏光に対する任意の格子の回折効率がゼロまで降下するので、ほぼすれすれ入射では使用されないこともある。
【００３８】
本発明の目的は、２軸拡張導波管ディスプレイ１００が提供される図１に図示される第１の実施形態において達成され、２軸拡張導波管ディスプレイ１００は、光源１０１と、マイクロディスプレイパネル１０２と、２つの格子層１０４Ａ、１０４Ｂを備えている導波管１０４に光学的に結合される入力画像ノード（ＩＩＮ）１０３とを備えている。いくつかの実施形態では、導波管は、スタックを形成するためのガラスまたはプラスチック基板間に挟まれた格子層によって形成され、その中で、全内部反射が、外側基板と空気との界面において生じる。スタックは、ビーム分割コーティングおよび環境保護層等の追加の層をさらに備え得る。各格子層は、入力格子１０５Ａ、１０５Ｂと、折畳格子射出瞳エクスパンダ１０６Ａ、１０６Ｂと、出力格子１０７Ａ、１０７Ｂとを含み、文字ＡおよびＢは、それぞれ、導波管層１０４Ａ、１０４Ｂを指す。入力格子、折畳格子、および出力格子は、切り替え可能または切り替え不可能なＳＢＧ等のホログラフィック格子である。本明細書で使用される場合、用語「格子」は、いくつかの実施形態では、格子の組から成る格子を包含し得る。一般に、ＩＩＮは、光源と、マイクロディスプレイパネルと、光学コンポーネントとを統合し、光学コンポーネントは、ディスプレイパネルを照明すること、反射された光を分離すること、それを要求されるＦＯＶの中にコリメートすることとを行うために必要とされる。図１の実施形態および以下に説明される実施形態では、入力、折畳、および出力格子のうちの少なくとも１つは、電気的に切り替え可能であり得る。多くの実施形態では、全３つの格子タイプは、受動的、すなわち、非切り替え式であることが望ましい。ＩＩＮは、いくつかの実施形態によると、各ディスプレイピクセルが基板導波管内で独特な角度方向に変換されるように、マイクロディスプレイパネル上に表示されている画像を投影する。ＩＩＮ内に含まれるコリメーション光学は、レンズと、ミラーとを備え得、いくつかの実施形態は、それは、回折レンズおよびミラーであり得る。
【００３９】
いくつかの実施形態では、ＩＩＮは、ＨＯＬＯＧＲＡＰＨＩＣ  ＷＩＤＥ  ＡＮＧＬＥ  ＤＩＳＰＬＡＹと題された米国特許出願第１３／８６９，８６６号およびＴＲＡＮＳＰＡＲＥＮＴ  ＷＡＶＥＧＵＩＤＥ  ＤＩＳＰＬＡＹと題された米国特許出願第１３／８４４，４５６号に開示される実施形態および教示に基づき得る。いくつかの実施形態では、ＩＩＮは、光をマイクロディスプレイ上に向かわせ、反射された光を導波管に向かって透過するためのビームスプリッタを含む。一実施形態では、ビームスプリッタは、ＨＰＤＬＣにおいて記録される格子であり、そのような格子の固有の偏光選択性を使用して、ディスプレイを照明する光とディスプレイから反射された画像変調された光とを分離する。いくつかの実施形態では、ビームスプリッタは、偏光ビームスプリッタキューブである。いくつかの実施形態では、ＩＩＮは、デスペックラを組み込む。有利には、デスペックラは、ＬＡＳＥＲ  ＩＬＬＵＭＩＮＡＴＩＯＮ  ＤＥＶＩＣＥと題された米国特許第８，５６５，５６０号の実施形態および教示に基づくホログラフィック導波管デバイスである。
【００４０】
光源は、レーザまたはＬＥＤであることができ、照明ビーム角度特性を修正するための１つ以上のレンズを含むことができる。画像源は、マイクロディスプレイまたはレーザベースのディスプレイであることができる。ＬＥＤは、レーザより均一性を提供するであろう。レーザ照明が、使用される場合、照明帯域固定が導波管出力に生じるリスクがある。いくつかの実施形態では、導波管内のレーザ照明帯域固定は、ＭＥＴＨＯＤ  ＡＮＤ  ＡＰＰＡＲＡＴＵＳ  ＦＯＲ  ＧＥＮＥＲＡＴＩＮＧ  ＩＮＰＵＴ  ＩＭＡＧＥＳ  ＦＯＲＨＯＬＯＧＲＡＰＨＩＣ  ＷＡＶＥＧＦＵＩＤＥ  ＤＩＳＰＬＡＹと題された米国仮特許出願第６２／０７１，２７７号に開示される技法および教示を使用して克服されることができる。いくつかの実施形態では、光源１０１からの光は、偏光される。１つ以上の実施形態では、画像源は、液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）、マイクロディスプレイ、または液晶オンシリコン（ＬＣｏＳ）マイクロディスプレイである。
【００４１】
ＩＩＮを介した源から導波管までの光経路は、光線１０００−１００３によって示される。各格子層の入力格子は、一度、光の一部を導波管内のＴＩＲ経路の中に結合し、そのような経路は、光線１００４−１００５によって表される。出力導波管１０７Ａ、１０７Ｃは、眼１０８による視認のために、導波管からの光を、それぞれ、コリメートされた光１００６、１００７の角度範囲の中に回折する。ディスプレイの視野に対応するその角度範囲は、ＩＩＮ光学によってのみ画定される。いくつかの実施形態では、導波管格子は、出力のコリメーションを調節するために、屈折力をエンコードされ得る。いくつかの実施形態では、出力画像は、無限遠にある。いくつかの実施形態では、出力画像は、アイボックスから数メートルの距離に形成され得る。典型的には、眼は、ディスプレイの射出瞳またはアイボックス内に位置付けられる。
【００４２】
図１に示されるものに類似する、いくつかの実施形態では、各格子層は、総視野の半分に対処する。典型的には、折畳格子は、４５°でクロックされ（すなわち、導波管平面内で傾けられ）、折畳された光のための適正な角度帯域幅を確実にする。しかしながら、本発明のいくつかの実施形態は、他のクロック角度を使用し、ディスプレイの人間工学的設計において生じ得る格子の位置付けに対する空間的制約を満たし得る。いくつかの実施形態では、入力および出力格子のうちの少なくとも１つは、回転ｋベクトルを有する。ｋベクトルは、格子平面（またはフリンジ）に対して法線に整列させられたベクトルであり、それは、入力および回折される角度の所与の範囲にわたる光学効率を決定する。ｋベクトルを回転させることは、導波管厚を増加させる必要なく、格子の角度帯域幅が拡張されることを可能にする。
【００４３】
いくつかの実施形態では、折畳格子角度帯域幅は、誘導される光の格子との二重相互作用を提供する格子規定を設計することによって向上させられることができる。二重相互作用折畳格子の例示的実施形態は、ＷＡＶＥＧＵＩＤＥ  ＧＲＡＴＩＮＧ  ＤＥＶＩＣＥと題された米国特許出願第１４／６２０，９６９号に開示される。
【００４４】
２つ以上のホログラフィック規定が単一ホログラフィック層の中に記録されることができることは、ホログラフィの文献で十分に立証されている。そのような多重化されたホログラムを記録するための方法は、当業者に周知である。いくつかの実施形態では、入力、折畳、または出力格子のうちの少なくとも１つは、２つ以上の角度回折規定を組み合わせ、角度帯域幅を拡張させ得る。同様に、いくつかの実施形態では、入力、折畳、または出力格子のうちの少なくとも１つは、２つ以上のスペクトル回折規定を組み合わせ、スペクトル帯域幅を拡張させ得る。例えば、色多重化された格子が、使用され、原色の２つ以上のものを回折し得る。
【００４５】
図２は、図１に使用されるものに類似する単一格子層の平面図１１０である。ＩＩＮ  １１２に光学的に結合される格子層１１１は、入力格子１１３と、第１のビームスプリッタ１１４と、折畳格子１１５と、第２のビームスプリッタ１１６と、出力格子１１７とを備えている。ビームスプリッタは、複数の反射経路を導波管内に提供することによって、波誘導光を均質化する部分的透過コーティングである。各ビームスプリッタは、２つ以上のコーティング層を備え得、各コーティング層は、透明基板に塗布される。ＩＩＮから眼１１８までの典型的ビーム経路は、光線１０１０−１０１４によって示される。
【００４６】
図３は、図１に使用されるものに類似する２つの格子層構成の平面図１１０である。ＩＩＮ  １２２に光学的に結合される格子層１２１Ａ、１２１Ｂは、入力格子１２３Ａ、１２３Ｂと、第１のビームスプリッタ１２４Ａ、１２４Ｂと、折畳格子１２５Ａ、１２５Ｂと、第２のビームスプリッタ１２６Ａ、１２６Ｂと、出力格子１２７Ａ、１２７Ｂとを備え、文字Ａ、Ｂは、第１および第２の格子層を指し、２つの層の格子およびビームスプリッタは、実質的に重複する。
【００４７】
大部分の導波管構成では、入力折畳および出力格子は、透明基板によって挟まれる単一層内に形成される。図１の実施形態は、スタックされた２つのそのような層を有する。いくつかの実施形態では、導波管は、１つのみの格子層を備え得る。基板は、図１に図示されず、切り替え式透明電極である格子は、切り替え式格子を挟む基板層の対向表面に適用される。いくつかの実施形態では、セル基板は、ガラスから製作され得る。例示的ガラス基板は、標準的Ｃｏｒｎｉｎｇ  Ｗｉｌｌｏｗガラス基板（屈折率１．５１）であり、それは、５０ミクロンまでの厚さにおいて利用可能である。他の実施形態では、セル基板は、光学プラスチックであり得る。
【００４８】
いくつかの実施形態では、格子層は、別個の層に分解され得る。例えば、いくつかの実施形態では、第１の層は、折畳格子を含む一方、第２の層は、出力格子を含む。いくつかの実施形態では、第３の層は、入力格子を含むことができる。その層の数は、次いで、単一導波管基板に一緒に積層され得る。いくつかの実施形態では、格子層は、一緒に積層され、単一基板導波管を形成する入力カプラと、折畳格子と、出力格子（またはその一部）とを含むいくつかの部品から成る。部品は、部品のそれに合致する屈折率の光学糊または他の透明材料によって分離され得る。別の実施形態では、格子層は、入力カプラ、折畳格子、および出力格子の各々のための所望の格子厚のセルを生成し、各セルをＳＢＧ材料で真空充填することによるセル作製プロセスを介して、形成され得る。一実施形態では、セルは、入力カプラ、折畳格子、および出力格子のための所望の格子厚を画定する、ガラスのプレート間の間隙を伴って、ガラスの複数のプレートを位置付けることによって形成される。一実施形態では、１つのセルは、別個の開口がＳＢＧ材料の異なるポケットで充填されるように、複数の開口を伴って作製され得る。任意の介在空間が、次いで、分離材料（例えば、糊、油等）によって分離され、別個のエリアを画定し得る。一実施形態では、ＳＢＧ材料は、基板上にスピンコーティングされ、次いで、材料の硬化後、第２の基板によって覆われ得る。折畳格子を使用することによって、導波管ディスプレイは、いくつかの実施形態によると、有利には、情報を表示する以前のシステムおよび方法より少ない層を要求する。加えて、折畳格子を使用することによって、光は、二重瞳拡張を達成しながら、導波管外側表面によって画定される単一長方形プリズム内の導波管の中を全内部反射によって進行することができる。別の実施形態では、入力カプラ、折畳格子、および出力格子は、２つの光の波を基板内である角度で干渉させ、ホログラフィック波面を生成し、それによって、所望の角度で導波管基板１０１内に設定される明暗フリンジを生成することによって、生成されることができる。いくつかの実施形態では、所与の層内の格子は、格子エリアにわたって記録レーザビームを走査またはステッピングすることによって、段階的方式で記録される。いくつかの実施形態では、格子は、ホログラフィック印刷産業において現在使用されているマスタリングおよび接触複写プロセスを使用して記録される。
【００４９】
一実施形態では、ＳＢＧとして具現化される入力カプラ、折畳格子、および出力格子は、ホログラフィックポリマー分散液晶（ＨＰＤＬＣ）（例えば、液晶液滴のマトリクス）において記録されるブラッグ格子であることができるが、ＳＢＧはまた、他の材料において記録され得る。一実施形態では、ＳＢＧは、液体ポリマー内に分散される固体液晶のマトリクスを有するＰＯＬＩＣＲＹＰＳまたはＰＯＬＩＰＨＥＭ等の均一変調材料において記録される。ＳＢＧは、性質上、切り替えまたは非切り替え式であることができる。その非切り替え形態では、ＳＢＧは、従来のホログラフィックフォトポリマー材料に対する利点を有し、その液晶コンポーネントに起因して高屈折率変調を提供可能である。例示的均一変調液晶ポリマー材料系は、Ｃａｐｕｔｏ、他による米国特許出願公開第ＵＳ２００７／００１９１５２号およびＳｔｕｍｐｅ、他によるＰＣＴ出願第ＰＣＴ／ＥＰ２００５／００６９５０号（両方とも、参照することによってその全体として本明細書に組み込まれる）に開示される。均一変調格子は、高屈折率変調（故に、高回折効率）および低散乱によって特徴付けられる。
【００５０】
一実施形態では、入力カプラ、折畳格子、および出力格子は、反転モードＨＰＤＬＣ材料。反転モードＨＰＤＬＣは、格子が、電場が印加されないとき、受動的であり、電場の存在下、回折性となるという点において、従来のＨＰＤＬＣと異なる。反転モードＨＰＤＬＣは、ＩＭＰＲＯＶＥＭＥＮＴＳ  ＴＯ  ＨＯＬＯＧＲＡＰＨＩＣ  ＰＯＬＹＭＥＲ  ＤＩＳＰＥＲＳＥＤ  ＬＩＱＵＩＤ  ＣＲＹＳＴＡＬ  ＭＡＴＥＲＩＡＬＳ  ＡＮＤ  ＤＥＶＩＣＥＳと題されたＰＣＴ出願第ＰＣＴ／ＧＢ２０１２／０００６８０号に開示されるレシピおよびプロセスのいずれかに基づき得る。格子は、前述の材料系のいずれかにおいて記録されるが、受動（非切り替え）モードにおいて使用され得る。製作プロセスは、切り替え式のために使用されるそれと同じであるが、電極コーティング段階は、省略される。ＬＣポリマー材料系は、その高屈折率変調に照らして非常に望ましい。いくつかの実施形態では、格子は、ＨＰＤＬＣにおいて記録されるが、切り替えられない。
【００５１】
いくつかの実施形態では、入力格子は、プリズムまたは反射表面等の別のタイプの入力カプラによって置換され得る。いくつかの実施形態では、入力カプラは、切り替え可能または非切り替え可能ＳＢＧ格子等のホログラフィック格子であることができる。入力カプラは、コリメートされた光をディスプレイ源から受信し、第１の表面と第２の表面との間の全内部反射を介して、光に導波管内で折畳格子まで進行させるように構成される。入力カプラは、直接折畳格子に向かって、またはそれに対してある角度において、向けられ得る。例えば、一実施形態では、入力カプラは、折畳格子に対して若干の傾斜に設定され得る。
【００５２】
いくつかの実施形態では、折畳格子は、対角線方向に向けられ得る。折畳格子は、いくつかの実施形態では、第１の方向における瞳拡張を提供し、導波管の内側の全内部反射を介して、光を出力格子に向かわせるように構成される。
【００５３】
一実施形態では、各折畳格子の縦方向縁は、入力カプラの整列軸に対して斜めであり、各折畳格子は、ディスプレイ光の伝搬方向に対して対角線上に設定される。折畳格子は、入力カプラからの光が出力格子に向け直されるように角度付けられる。一例では、折畳格子は、ディスプレイ画像が入力カプラから放出される方向に対して４５の度の角度に設定される。この特徴は、折畳格子に沿って伝搬するディスプレイ画像が出力格子に向けられるようにする。例えば、一実施形態では、折畳格子は、画像が９０度出力格子に向けられるようにする。このように、単一導波管は、２軸瞳拡張を水平および垂直方向の両方に提供する。一実施形態では、折畳格子の各々は、部分的回折構造を有し得る。
【００５４】
いくつかの実施形態では、折畳格子の各々は、完全回折構造を有し得る。いくつかの実施形態では、異なる格子構成および技術が、単一導波管内に組み込まれ得る。
【００５５】
出力格子は、瞳拡張を第１の方向と異なる第２の方向に提供し、光に第１の表面または第２の表面から導波管を出射させるように構成される。出力格子は、全内部反射を介して、ディスプレイ画像を折畳格子から受信し、瞳拡張を第２の方向に提供する。いくつかの実施形態では、出力格子は、基板の複数の層から成り、それによって、出力格子の複数の層を備えている。故に、格子が導波管内の１つの平面内にあるべきという要件は存在せず、格子は、互いの上にスタックされ得る（例えば、互いの上にスタックされた格子のセル）。
【００５６】
いくつかの実施形態では、基板導波管上の４分の１波プレートが、偏光を回転させ、ＳＢＧとの効率的結合を維持する。４分の１波プレートは、基板導波管１０１の表面に結合または接着され得る。例えば、一実施形態では、４分の１波プレートは、基板導波管に塗布されるコーティングである。４分の１波プレートは、光波偏光管理を提供する。そのような偏光管理は、導波管内の歪波を補償することによって、光線が意図される視認軸との整列を保持することに役立ち得る。４分の１波プレートは、いくつかの実施形態では、随意であり、光学設計の効率を増加させることができる。いくつかの実施形態では、導波管は、４分の１波プレート１４２を含まない。４分の１波プレートは、多層コーティングとして提供され得る。
【００５７】
図１の実施形態は、通常、モノクロで動作されるであろう。カラーは、図１におけるものと類似設計のモノクロ導波管のスタックを備えているであろう。設計は、示されるような赤色、緑色、および青色導波管層、または代替として、赤色および青色／緑色層を使用し得る。図５の実施形態では、２軸拡張導波管ディスプレイ１３０は、光源１３２と、マイクロディスプレイパネル１３１と、入力画像ノード（ＩＩＮ）１３３とを備え、ＩＩＮ  １３３は、各々が２つの格子層を備えている赤色、緑色、および青色導波管１３４Ｒ、１３４Ｇ、１３４Ｂに光学的に結合されている。波誘導が各導波管内で生じ得るために、３つの導波管は、空隙によって分離される。いくつかの実施形態では、導波管は、ナノ多孔性フィルム等の低屈折率材料によって分離される。Ｒによって標識される赤色格子層は、入力格子１３５Ｒ、１３６Ｒと、折畳格子射出瞳エクスパンダ１３７Ｒ、１３８Ｒと、出力格子１３９Ｒ、１４０Ｒとを含む。青色および緑色導波管の格子要素は、同一数字を使用して標識され、Ｂ、Ｇは、青色および赤色を指定する。赤色、緑色、および青色導波管の各々におけるＩＩＮおよび導波管を通る光経路は、図１に図示されるものに類似するので、それらは、図４に示されない。いくつかの実施形態では、入力、折畳、および出力格子は全て、受動的であり、すなわち、非切り替え式である。いくつかの実施形態では、格子のうちの少なくとも１つは、切り替え式である。いくつかの実施形態では、各層内の入力格子は、切り替え可能であり、導波管層間の色クロストークを回避する。いくつかの実施形態では、色クロストークは、ダイクロイックフィルタ１４１、１４２を赤色と青色および青色と緑色導波管の入力格子領域間に配置することによって回避される。
【００５８】
いくつかの実施形態では、色導波管ベースは、各モノクロ導波管内で１つのみの格子層を使用し得る。図４のうちの１つに類似する、図５に示される実施形態では、２軸拡張導波管ディスプレイ１５０は、光源１３２と、マイクロディスプレイパネル１３１と、入力画像ノード（ＩＩＮ）１３３とを備え、ＩＩＮ  １３３は、各々が１つの格子層を備えている赤色、緑色、および青色導波管１５１Ｒ、１５１Ｇ、１５１Ｂに光学的に結合されている。Ｒによって標識される赤色格子層は、入力格子１５２Ｒと、折畳格子射出瞳エクスパンダ１５３Ｒと、出力格子１５４Ｒとを含む。青色および緑色導波管の格子要素は、同一数字を使用して標識され、Ｂ、Ｇは、青色および赤色を指定する。ダイクロイックフィルタ１５５、１５６が、赤色と青色および青色と緑色導波管の入力格子領域間に配置され、色クロストークを制御する。赤色、緑色、および青色導波管の各々におけるＩＩＮならびに導波管を通る光経路は、図１に図示されるそれらに類似するので、それらは、図５に示されない。
【００５９】
図６は、導波管ディスプレイ内の格子層１６０の平面図であり、入力格子１６３と、折畳格子１６２と、出力格子１６３とを備えているレイアウトを示す。格子は、線を使用して陰影され、格子フリンジの向きを示し、入力格子フリンジは、示されるデカルト基準フレームのＸ座標に対して９０度に整列させられ、折畳格子フリンジは、４５度に整列させられ、出力格子フリンジは、０度に整列させられる。
【００６０】
図７に示される本発明の一実施形態では、本発明の原理による導波管ディスプレイと、眼トラッカとを備えている眼追跡ディスプレイが、提供される。１つの好ましい実施形態では、眼トラッカは、ＨＯＬＯＧＲＡＰＨＩＣ  ＷＡＶＥＧＵＩＤＥ  ＥＹＥ  ＴＲＡＣＫＥＲと題された第ＰＣＴ／ＧＢ２０１４／０００１９７号、ＨＯＬＯＧＲＡＰＨＩＣ  ＷＡＶＥＧＵＩＤＥ  ＯＰＴＩＣＡＬＴＲＡＣＫＥＲと題された第ＰＣＴ／ＧＢ２０１５／０００２７４号、およびＡＰＰＡＲＡＴＵＳ  ＦＯＲ  ＥＹＥ  ＴＲＡＣＫＩＮＧと題されたＰＣＴ出願第ＧＢ２０１３／０００２１０号の実施形態および教示に基づく導波管デバイスである。再び図７に目を向けると、眼追跡ディスプレイ１７０は、前述の実施形態のいずれかに基づく２軸拡張導波管ディスプレイを備え、入力折畳および出力格子を組み込む少なくとも１つの格子層を含む導波管１７１と、ＩＩＮ  １７３と、導波管１７３を備えている眼トラッカと、赤外線検出器１７４と、赤外線源１７５とを備えている。眼トラッカおよびディスプレイ導波管は、空隙または低屈折材料によって分離される。前述の参考文献に説明されるように、眼トラッカは、別個の照明と、検出器導波管とを備え得る。赤外線源から眼までの光学経路は、光線１０３３−１０３５によって示され、眼から後方散乱された信号は、光線１０３６−１０３７によって示される。ディスプレイは、導波管９６６と、入力画像ノード９６８とを備えている。入力画像ノードからディスプレイ導波管を通してアイボックスまでの光学経路は、光線１０３０−１０３２によって示される。
【００６１】
本発明のいくつかの実施形態では、二重拡張導波管ディスプレイは、動的集束要素をさらに備えている。図８に示されるもの等のいくつかの実施形態では、二重拡張導波管ディスプレイ１８０は、導波管ディスプレイの主表面に近接して配置される動的集束要素１８１と、眼トラッカとをさらに備えている。有利には、動的集束要素は、ＬＣデバイスである。いくつかの実施形態では、ＬＣデバイスは、ＬＣ層と回折光学要素とを組み合わせる。いくつかの実施形態では、回折光学要素は、電気的に制御可能なＬＣベースのデバイスである。いくつかの実施形態では、動的集束要素は、導波管ディスプレイと眼トラッカとの間に配置される。いくつかの実施形態では、動的集束要素は、眼から遠いほうのディスプレイ導波管の表面に近接して配置され得る。図９に図示されるもの等のいくつかの実施形態では、二重拡張導波管ディスプレイ１９０は、ＩＩＮ内に配置される動的集束要素１９１を含む。動的焦点デバイスの効果は、複数の画像表面１０４０を提供することである。明視野ディスプレイ用途では、少なくとも４つの画像表面が、要求される。動的集束要素は、ＥＬＥＣＴＲＩＣＡＬＬＹ  ＦＯＣＵＳ  ＴＵＮＡＢＬＥ  ＬＥＮＳと題された米国仮特許出願第６２／１７６，５７２号の実施形態および教示に基づき得る。いくつかの実施形態では、動的集束要素と、眼トラッカとをさらに備えている二重拡張導波管ディスプレイは、ＨＯＬＯＧＲＡＰＨＩＣ  ＷＡＶＥＧＵＩＤＥ  ＬＩＧＨＴ  ＦＩＥＬＤ  ＤＩＳＰＬＡＹＳと題された米国仮特許出願第６２／１２５，０８９号に開示される実施形態および教示に基づく明視野ディスプレイを提供し得る。
【００６２】
いくつかの実施形態では、導波管ディスプレイは、導波管がＩＩＮアセンブリから容易に後退させられることを可能にする光学−機械インターフェースによって、ＩＩＮに結合される。基本原理は、入力格子２０２、折畳格子２０３、および出力格子２０４を含む、導波管２０１と、ＩＩＮ２０５とを備えている２軸拡張導波管ディスプレイ２００を示す、図１０Ａに図示される。装置は、導波管に接続される光学リンク２０６と、光学リンクで終端する第１の光学インターフェース２０７と、ＩＩＮの出射光学ポートを形成する第２の光学インターフェース２０８とをさらに備えている。第１および第２の光学インターフェースは、図１０Ｂに示される間隙２０９によって示されるように、分断されることができる。いくつかの実施形態では、光学リンクは、導波管である。いくつかの実施形態では、光学リンクは、湾曲される。いくつかの実施形態では、光学リンクは、ＧＲＩＮ画像中継デバイスである。いくつかの実施形態では、光学接続は、機械的機構を使用して確立される。いくつかの実施形態では、光学接続は、磁気機構を使用して確立される。ヘルメット搭載型ディスプレイ用途における導波管をＩＩＮから分断する利点は、使用されないとき、ディスプレイのニアアイ（ｎｅａｒ  ｅｙｅ）部分が除去されることである。導波管が受動格子を備えている、いくつかの実施形態では、ニアアイ光学は、消耗品であることができる。
【００６３】
図１１は、本発明との使用のための回転ｋベクトル格子を図示する。最初に、図１１Ａを参照すると、いくつかの実施形態では、回転ｋベクトル格子２２０は、ｋベクトル１０５０−１０５３を有する個別的な格子要素２１２−２１５を含む、導波管部分として実装される。次に、図１１Ｂを参照すると、いくつかの実施形態では、回転ｋベクトル格子２２０は、ｋベクトルが図示される方向１０５０−１０５３を含む方向になめらかな単調変動を受ける格子要素２２２を含む導波管部分として実装される。
【００６４】
図１２Ａ−１２Ｄは、一実施形態における、オートバイ用ヘルメット搭載型ディスプレイ内で使用される２軸拡張ディスプレイの１つの接眼レンズの正面、平面、側面、および３次元図を図示する。ディスプレイは、導波管２３１と、入力格子２３２と、折畳格子２３３と、出力格子２３４と、ディスプレイをヘルメットに取り付けるためのヒンジ機構２３５と、導波管結合機構２３６とを備えている。図１３Ａ−１３Ｂは、オートバイ用ヘルメット内に統合される接眼レンズの３次元図を示す。
【００６５】
本発明の実践的実施形態では、ＩＩＮが導波管に光学的に合致させられることを確実にするように配慮されなければならない。導波管は、従来の光学システムが、遭遇しない光学インターフェース問題、特に、入力画像角度成分を導波管および入力格子の角度容量に合致させるという光学インターフェース問題を生じさせる。光学設計の課題は、画角の関数としてのＩＩＮ開口変動を回転ｋベクトル入力格子回折方向に合致させることである。望ましくは、導波管は、入力格子上の任意の所与の点における画角の広がりを最大化しながら、導波管厚を可能な限り薄くするように設計されるべきであり、入力格子は、入力格子の角度帯域幅と導波管の角度搬送容量とによって課される制限にさらされる。先願の前述の説明および教示の考慮から、コリメートされた角度画像成分を全視野に対して、瞳全体に渡る照明分布の有意な非均一性を伴わずに結合することは、マイクロディスプレイの片側の高ＮＡから他の側における低ＮＡに平滑に低下する開口数（ＮＡ）変動を要求することを理解されたい。本発明を説明する目的のために、ＮＡは、マイクロディスプレイの法線軸に対してマイクロディスプレイ表面上の点からの画像光線円錐の最大角度の正弦に比例するものとして定義される。他の同等の評価基準が、導波管結合に対する最適なＩＩＮを決定する目的のために使用され得る。ＮＡをこのように制御することは、ＬＥＤ照明ディスプレイの場合、高光学効率ならびに低減された帯域固定および他の照明非均質性を確実にするであろう。レーザ照明ディスプレイは、特に均質性に関して、マイクロディスプレイ全体に渡るＮＡ変動の制御からも利益を享受するであろう。
【００６６】
以下の実施形態は、ＮＡの変動の問題に対処する。一実施形態は、角度選択的コーティング、格子ウェッジ、マイクロ要素、自由形態要素等をＩＩＮの内側で使用する。図面に示されるＸＹＺデカルト座標系を参照されたい。本発明を説明する目的のために、Ｚ軸は、導波管およびアイボックス平面に対して垂直である。ＹおよびＸ軸は、それぞれ、鉛直および水平である。回転ｋベクトル格子は、Ｘ−Ｚ平面内で傾斜されたそれらのｋベクトルを有する。導波管内の画像光は、略Ｘ−方向に伝搬する。以下の段落では、ＮＡをＸ−方向に沿ったマイクロディスプレイの水平軸全体に渡り高から低（またはその逆）に変動させるためのスキームが説明される。いくつかの実施形態では、マイクロディスプレイは、ＬＣｏＳデバイスである。
【００６７】
図１４に示される一実施形態では、ＩＩＮ２５０は、マイクロディスプレイパネル２５１と、空間変動ＮＡコンポーネント２５２と、マイクロディスプレイ光学２５３とを備えている。マイクロディスプレイ光学は、光１０６０を図示されない照明源から受け取り、光をマイクロディスプレイ上に光線１０６１によって示される方向に偏向させる。マイクロディスプレイから反射された光は、発散光線対１０６２−１０６４によって示され、ＮＡ角度は、Ｘ軸に沿って変動する。図１４に基づく実施形態では、空間変動ＮＡコンポーネントは、マイクロディスプレイ光学とマイクロディスプレイとの間に配置される。いくつかの実施形態では、空間変動ＮＡコンポーネントは、図１５に図示されるように、マイクロディスプレイ光学の出力表面に隣接して配置され、図１５は、マイクロディスプレイ２６１と、照明コンポーネント２６２と、空間変動ＮＡコンポーネント２６３とを示し、光線１０７０、１０７１によって示されるように、入力照明およびマイクロディスプレイ光学からマイクロディスプレイ上に放射される照明を伴う。マイクロディスプレイから反射された光は、発散光線対１０７２−１０７４によって示され、ＮＡ角度は、Ｘ軸に沿って変動する。
【００６８】
図１４−１５の実施形態では、マイクロディスプレイは、反射デバイスである。いくつかの実施形態では、マイクロディスプレイは、透過デバイス、典型的には、透過ＬＣｏＳデバイスである。図１６の実施形態では、ＩＩＮ２６０は、バックライト２６１と、マイクロディスプレイ２６２と、可変ＮＡコンポーネント２６３とを備えている。典型的にはバックライト全体に渡り均一ＮＡを有する、光線１０７１−１０７３によって示されるバックライトからの光は、マイクロディスプレイの後表面を照明し、可変ＮＡコンポーネントを通した伝搬後、発散光線対１０７２−１０７４によって示される出力画像変調光に変換され、ＮＡ角度は、Ｘ軸に沿って変動する。
【００６９】
いくつかの実施形態では、本発明の原理は、放射ディスプレイに適用され得る。本発明との使用のための放射ディスプレイの例は、ＬＥＤの並びおよび発光ポリマーの並びに基づくものを含む。図１７の実施形態では、ＩＩＮ２６５は、放射マイクロディスプレイ２６６と、空間変動ＮＡコンポーネント２６７とを備えている。典型的には、ディスプレイの放射表面全体に渡り均一ＮＡを有する、光線１０７７−１０７９によって示される、マイクロディスプレイからの光は、空間変動ＮＡコンポーネントを照明し、発散光線対１０８０−１０８２によって示される出力画像変調光に変換され、ＮＡ角度は、Ｘ軸に沿って変動する。
【００７０】
本発明は、マイクロディスプレイ光学のためのどんな特定の設計も仮定しない。いくつかの実施形態では、マイクロディスプレイ光学は、偏光ビームスプリッタキューブを備えている。いくつかの実施形態では、マイクロディスプレイ光学は、ビームスプリッタコーティングが塗布されている、傾斜されたプレートを備えている。いくつかの実施形態では、マイクロディスプレイ光学は、ＨＯＬＯＧＲＡＰＨＩＣ  ＷＩＤＥ  ＡＮＧＬＥ  ＤＩＳＰＬＡＹと題された米国特許出願第１３／８６９，８６６号およびＴＲＡＮＳＰＡＲＥＮＴ  ＷＡＶＥＧＵＩＤＥ  ＤＩＳＰＬＡＹと題された米国特許出願第１３／８４４，４５６号の実施形態のうちのいくつかに基づく偏光選択的ビームスプリッタとしての役割を果たすＳＢＧを備えている導波管デバイスを備えている。いくつかの実施形態では、マイクロディスプレイ光学は、照明光の開口数を制御するために、屈折コンポーネントおよび湾曲反射表面のうちの少なくとも１つ、または回折光学要素を含む。いくつかの実施形態では、マイクロディスプレイ光学は、照明光の波長特性を制御するために、スペクトルフィルタを含む。いくつかの実施形態では、マイクロディスプレイ光学は、迷光を制御するために、開口と、マスクと、フィルタと、コーティングとを含む。いくつかの実施形態では、マイクロディスプレイ光学は、バードバス光学を組み込む。
【００７１】
次に、空間変動ＮＡコンポーネントの例示的実施形態を説明する。いくつかの実施形態では、空間変動ＮＡコンポーネントは、均一に変動するＮＡ特性を有する。いくつかの実施形態では、段階的方式において提供される。空間変動ＮＡコンポーネントの種々の例示的実施形態は、例証にすぎず、多くの修正が、可能である（例えば、種々の要素のサイズ、寸法、構造、形状、および割合、パラメータの値、搭載配列、材料の使用、向き等の変動）。例えば、要素の位置は、逆転または別様に変動させられ得、個別的な要素または位置の性質もしくは数は、改変または変動させられ得る。
【００７２】
図１８Ａに図示されるもの等のいくつかの実施形態では、空間変動ＮＡコンポーネント２７０は、ウェッジ２７１を備えている。図１８Ｂに図示されるもの等のいくつかの実施形態では、空間変動ＮＡコンポーネント２７２は、湾曲表面２７３を有するウェッジを備えている。図１８Ｃに図示されるもの等のいくつかの実施形態では、空間変動ＮＡコンポーネント２７４は、要素２７５、２７６等の異なるプリズム角度を有するプリズム要素の並びを備えている。図１８Ｄに図示されるもの等のいくつかの実施形態では、空間変動ＮＡコンポーネント２７７は、２７８、２７９によって示されるレンズ要素等の異なる開口および屈折力を有するレンズの並びを備えている。
【００７３】
図１９Ａに図示されるもの等のいくつかの実施形態では、空間変動ＮＡコンポーネント２８０は、要素２８１Ａ、２８１Ｂ等の散乱要素の並びを備え、それらは、それぞれ、２８２Ａ、２８２Ｂによって示されるもの等の異なる散乱光線角度分布を提供する。いくつかの実施形態では、散乱性質は、基板に適用される表面テクスチャによって提供され得る。いくつかの実施形態では、散乱性質は、基板のバルク性質によって提供され得る。いくつかの実施形態では、基板は、粒子材料のそれと異なる屈折率のマトリクス内に懸濁された粒子を含み得る。いくつかの実施形態では、基板は、ＰＤＬＣ材料であり得る。図１９Ｂに図示されるもの等のいくつかの実施形態では、空間変動ＮＡコンポーネント２８３は、散乱光線角度分布２８５Ａ、２８５Ｂによって示されるように、連続的に変動する散乱特性を有する基板２８４を備えている。散乱性質は、表面またはバルク媒体特性によって提供され得る。
【００７４】
図１９Ｃに図示されるもの等のいくつかの実施形態では、空間変動ＮＡコンポーネント２８６は、１軸結晶指数関数２８８Ａ、２８８Ｂによって表される、空間的に変動する複屈折を有する複屈折基板２８７を備えている。いくつかの実施形態では、基板は、複屈折の連続した変動を提供する。いくつかの実施形態では、基板は、個別的な要素を備え、各々、独特の複屈折を有する。いくつかの実施形態では、空間変動ＮＡコンポーネントは、複屈折性質を伴う散乱基板である。いくつかの実施形態では、空間変動ＮＡコンポーネントは、複屈折基板を使用して実装する、図１８Ａ−１８Ｄの実施形態のいずれかに基づく。いくつかの実施形態では、視野全体に渡るＮＡ変動は、Ｒｅａｃｔｉｖｅ  Ｍｅｓｏｇｅｎ材料でコーティングされた薄い基板を備えている、複屈折層を使用して行われる。Ｒｅａｃｔｉｖｅ  Ｍｅｓｏｇｅｎｓは、光開始剤および指向性ＵＶ光の存在下で互いに重合し、剛体網状体を形成する、例えば、反応性アクリレート末端基を含む液晶性モノマーを備えている重合可能液晶である。液晶分子の末端の相互重合は、その向きを３次元パターンに凍結させる。例示的Ｒｅａｃｔｉｖｅ  Ｍｅｓｏｇｅｎ材料は、Ｍｅｒｃｋ  ＫｇａＡ（ドイツ）によって製造されている。
【００７５】
図１９Ｄに図示されるもの等のいくつかの実施形態では、空間変動ＮＡコンポーネント２８６は、回折要素の並びを備え、回折要素の各々は、独特のｋベクトルおよび回折効率角度帯域幅によって特徴付けられる。例えば、コンポーネントの一端における要素２８９Ａは、高ＮＡを提供するように構成されるｋベクトルｋ１および帯域幅Δθ１とを有する一方、他端における要素２８９Ｂは、低ＮＡを提供するように構成される、ｋベクトルｋ２および帯域幅Δθ２を有する。いくつかの実施形態では、格子特性は、基板全体に渡り持続的に変動する。いくつかの実施形態では、格子は、ＨＰＤＬＣ材料において記録されるブラッグホログラムである。いくつかの実施形態では、格子は、表面起伏格子である。いくつかの実施形態では、格子は、コンピュータ生成ホログラム（ＣＧＨ）等のコンピュータ生成回折構造である。
【００７６】
いくつかの実施形態では、ＩＩＮ設計は、少なくとも部分的に、停止平面の法線ベクトルが最高水平画角と平行に整列させられる（光学軸と平行にではなく）ように、停止平面を傾斜させることによって、ＮＡ変動問題に対処する。図２０に図示されるように、ＩＩＮ２８７は、光学軸１０８７を中心として対称に配置される限定光線１０８６、１０８６Ｂによって画定された半角θの出力視野を提供するように構成される。停止平面１０８８は、限界光線１０８６Ｂに対して法線である。図示されない導波管入力格子は、水平視野を導波管（図示せず）に結合すると仮定される。
【００７７】
前述のように、図１０に図示されるもの等のいくつかの実施形態では、導波管ディスプレイは、導波管がＩＩＮアセンブリから容易に後退させられることを可能にする光学−機械インターフェースによって、ＩＩＮに結合される。図２１Ａは、ニアアイ導波管コンポーネントと、ＩＩＮとを備えている取り外し可能ニアアイディスプレイ２９０を示す。導波管コンポーネントは、ＩＩＮに結合するための光学−機械インターフェースを含む。導波管は、ＩＩＮアセンブリから後退させられて示される。図２１Ｂは、ＨＭＤ２９６の第２の３Ｄ図を示し、導波管コンポーネントは、後退させられている。図２１Ｃは、ＨＭＤ２９７の３Ｄ図を示し、導波管コンポーネントとＩＩＮとが接続され、使用のための準備ができている。
【００７８】
図２２は、本発明によって提供され得る２つの導波管格子レイアウトの概略正面図を示す。図２２Ａの実施形態では、導波管３００は、１０８６によって示される単一層内に、入力格子３０２と、折畳格子３０３と、出力格子３０４とを備えている成形された導波管を備えている。各格子の内側に示されるフリンジに対して法線ベクトルである３つの格子のｋベクトルは、１０８３−１０８４によって示される。各例では、ｋベクトルは、図面の平面に投影されていることに留意されたい。導波管の全体的寸法は、６０ｍｍ水平×４７ｍｍ鉛直である。図２２Ｂの実施形態では、導波管３１０は、１０９０によって示される単一層内に、入力格子３１３と、折畳格子３１４と、出力格子３１５とを備えている成形された導波管を備えている。各格子の内側に示されるフリンジに対して法線ベクトルである３つの格子のｋベクトルは、１０８７−１０８９によって示される。各例では、ｋベクトルは、図面の平面に投影される。導波管の全体的寸法は、７５ｍｍ水平×６０ｍｍ鉛直である。図２３は、本発明によって提供され得る、さらに一般的導波管格子レイアウトを示す。導波管３２０は、単一層内に、入力格子３２２と、折畳格子３２３と、出力格子３２４とを備えている長方形導波管を備えている。各格子の内側に示されるフリンジに対して法線ベクトルである３つの格子のｋベクトルは、１０９１−１０９３によって示される。各例では、ｋベクトルは、図面の平面に投影される。折畳格子は、この場合、格子の平面に４５度に整列させられるブラッグフリンジを有する。
【００７９】
図２４は、一実施形態における、ＩＩＮと、導波管コンポーネントとを備えている近接ディスプレイの３Ｄ例証である。ディスプレイ３３０は、ＩＩＮ  ３３１と、単一層内に、入力格子３３および折畳格子３３４と、出力３３５とを含む導波管３３２とを備えている。入口瞳２０００から、入力格子、折畳格子、および出力格子を通して、アイボックス２００５までの導波管経路は、光線２００１−２００４によって表される。
【００８０】
図２５は、オートバイ用ＨＭＤ３４０が提供される一実施形態の３Ｄ例証であり、ＨＭＤ３４０は、ヘルメットの一部を形成するＩＩＮ  ３４５に結合するための光学−機械インターフェース３４４と共にニアアイ導波管３４３を使用する。装置は、図２１に図示されるものに類似する。図２５Ａは、第１の動作状態３４１を示し、導波管コンポーネントは、ＩＩＮアセンブリから完全に後退させられている。図２５Ｂは、その動作状態３４２におけるディスプレイを示し、導波管コンポーネントは、ＩＩＮに接続されている。
【００８１】
いくつかの実施形態では、本発明の原理による二重拡張導波管ディスプレイは、窓内に統合され得、例えば、道路車両用途のためのフロントガラス統合型ＨＵＤである。いくつかの実施形態では、窓統合型ディスプレイは、ＯＰＴＩＣＡＬ  ＷＡＶＥＧＵＩＤＥ  ＤＩＳＰＬＡＹＳ  ＦＯＲ  ＩＮＴＥＧＲＡＴＩＯＮ  ＩＮ  ＷＩＮＤＯＷＳと題された米国仮特許出願第６２／１２５，０６４号およびＯＰＴＩＣＡＬ  ＷＡＶＥＧＵＩＤＥ  ＤＩＳＰＬＡＹＳ  ＦＯＲ  ＩＮＴＥＧＲＡＴＩＯＮ  ＩＮ  ＷＩＮＤＯＷＳと題された米国仮特許出願第６２／１２５，０６６号に開示される実施形態および教示に基づき得る。いくつかの実施形態では、二重拡張導波管ディスプレイは、ＩＩＮと導波管との間で画像成分を中継するための屈折率勾配（ＧＲＩＮ）波誘導コンポーネントを含んでもよい。例示的実施形態は、ＮＥＡＲ  ＥＹＥ  ＤＩＳＰＬＡＹ  ＵＳＩＮＧ  ＧＲＡＤＩＥＮＴ  ＩＮＤＥＸ  ＯＰＴＩＣＳと題された米国仮特許出願第６２／１２３，２８２号およびＷＡＶＥＧＵＩＤＥ  ＤＩＳＰＬＡＹ  ＵＳＩＮＧ  ＧＲＡＤＩＥＮＴ  ＩＮＤＥＸ  ＯＰＴＩＣＳと題された米国仮特許出願第６２／１２４，５５０号に開示される。いくつかの実施形態では、二重拡張導波管ディスプレイは、ＷＡＶＥＧＵＩＤＥ  ＤＥＶＩＣＥ  ＩＮＣＯＲＰＯＲＡＴＩＮＧ  Ａ  ＬＩＧＨＴ  ＰＩＰＥと題された米国仮特許出願第６２／１７７，４９４号に開示される実施形態に基づいて、ビーム拡張を１つの方向に提供するための光パイプを組み込み得る。いくつかの実施形態では、ＩＩＮ内の入力画像源は、ＣＯＭＰＡＣＴ  ＥＤＧＥ  ＩＬＬＵＭＩＮＡＴＥＤ  ＤＩＦＦＲＡＣＴＩＶＥ  ＤＩＳＰＬＡＹと題された米国特許第９，０７５，１８４号に開示されるようなレーザスキャナであり得る。本発明の実施形態は、ＡＲおよびＶＲのためのＨＭＤ、ヘルメット搭載型ディスプレイ、投影ディスプレイ、ヘッドアップディスプレイ（ＨＵＤ）、ヘッドダウンディスプレイ、（ＨＤＤ）、オートステレオスコピックディスプレイ、ならびに他の３Ｄディスプレイを含む、広範囲のディスプレイ内で使用され得る。
【００８２】
本開示の実施形態および教示のうちのいくつかは、例えば、眼トラッカ、指紋スキャナ、およびＬＩＤＡＲシステム等、導波管センサにおいて適用され得る。
【００８３】
図面は、例示的であり、寸法は、誇張されていることを強調されたい。例えば、ＳＢＧ層の厚さは、大幅に誇張されている。前述の実施形態のいずれかに基づく光学デバイスは、ＩＭＰＲＯＶＥＭＥＮＴＳ  ＴＯ  ＨＯＬＯＧＲＡＰＨＩＣ  ＰＯＬＹＭＥＲ  ＤＩＳＰＥＲＳＥＤ  ＬＩＱＵＩＤ  ＣＲＹＳＴＡＬ  ＭＡＴＥＲＩＡＬＳ  ＡＮＤ  ＤＥＶＩＣＥＳと題されたＰＣＴ出願第ＰＣＴ／ＧＢ２０１２／０００６８０号に開示される材料およびプロセスを使用するプラスチック基板を使用して、実装され得る。いくつかの実施形態では、二重拡張導波管ディスプレイは、湾曲され得る。
【００８４】
種々の例示的実施形態に示されるようなシステムおよび方法の構造および配列は、例証にすぎない。いくつかの実施形態のみが、本開示に詳細に説明されているが、多くの修正が、可能性として考えられる（例えば、種々の要素のサイズ、寸法、構造、形状、および割合、パラメータの値、搭載配列、材料の使用、色、向き等の変動）。例えば、要素の位置は、逆転または別様に変動させられ得、個別的な要素または位置の性質もしくは数は、改変または変動させられ得る。故に、全てのそのような修正は、本開示の範囲内に含まれることが意図される。任意のプロセスまたは方法ステップの順序もしくはシーケンスは、代替実施形態に従って、変動させられる、または並べ替えられ得る。他の代用、修正、変更、および省略は、本開示の範囲から逸脱することなく、例示的実施形態の設計、動作条件、および配列に行われ得る。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０Ａ】
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【図１０Ｂ】
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【図１１Ａ】
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【図１１Ｂ】
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【図１２Ａ】
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【図１２Ｂ】
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【図１２Ｃ】
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【図１２Ｄ】
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【図１３Ａ】
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【図１３Ｂ】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８Ａ−１８Ｄ】
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【図１９Ａ−１９Ｄ】
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【図２０】
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【図２１Ａ】
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【図２１Ｂ】
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【図２１Ｃ】
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【図２２Ａ】
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【図２２Ｂ】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５Ａ】
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【図２５Ｂ】
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