(57)【要約】本明細書は、超高屈折率接眼レンズ基板ベースの視認光学系アセンブリアーキテクチャを提供する。超高屈折率（ｎ＞２．２）光ガイド基板は、単一の接眼レンズ層内に３つ全ての原色を伴う７０°視野接眼レンズの生産を可能にする。本明細書に開示されるものは、そのような接眼レンズを利用し、サイズおよびコストを低減させ、製造および組立を簡略化し、新規のマイクロディスプレイ設計により良好に適応する、視認光学系アセンブリアーキテクチャである。
2021517663.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ディスプレイシステムであって、
画像投影デバイスであって、前記画像投影デバイスは、多重化された光ストリームを放射するように構成され、前記多重化された光ストリームは、第１の色の第１の光ストリームと、第２の色の第２の光ストリームと、第３の色の第３の光ストリームとを備え、前記第１、第２、および第３の色は、異なり、前記第１、第２、および第３の光ストリームは、画像コンテンツを備える、画像投影デバイスと、
導波管であって、前記導波管は、１．７９を上回る屈折率を有する材料を含み、前記導波管は、前記第１の光ストリーム、前記第２の光ストリーム、および前記第３の光ストリームが、複数の全内部反射によって前記導波管内で誘導されるように、前記画像投影デバイスから放射される前記多重化された光ストリームを受け取るように構成される、導波管と
を備える、ディスプレイシステム。
【請求項２】
前記導波管は、２．２以上の屈折率を有する材料を含む、請求項１に記載のディスプレイシステム。
【請求項３】
前記導波管は、２．３以上の屈折率を有する材料を含む、請求項１−２のいずれかに記載のディスプレイシステム。
【請求項４】
前記導波管は、ニオブ酸リチウムを含む、請求項１−３のいずれかに記載のディスプレイシステム。
【請求項５】
前記導波管は、水平方向に約３０度を上回り、垂直方向に約２４度を上回る視野を有する、請求項１−４のいずれかに記載のディスプレイシステム。
【請求項６】
前記導波管の視野は、前記水平方向に約４５度であり、前記垂直方向に約５６度である、請求項５に記載のディスプレイシステム。
【請求項７】
少なくとも１つの可変焦点光学要素をさらに備え、前記少なくとも１つの可変焦点光学要素は、前記多重化された光ストリームの少なくとも一部が、ユーザの眼に指向されるように、前記導波管から出力される前記多重化された光ストリームを受け取るように配置され、前記可変焦点光学要素は、前記導波管からの光が生じるように見える深度を変動させるように構成される、請求項１−６のいずれかに記載のディスプレイシステム。
【請求項８】
前記多重化された光ストリームは、第１の深度平面と関連付けられる画像情報を備える第１の多重化された光ストリームを備える、請求項１−６のいずれかに記載のディスプレイシステム。
【請求項９】
前記導波管は、前記第１の深度平面と関連付けられる第１の導波管を備え、前記第１の導波管から放射される光は、前記第１の多重化された光ストリームを視認者に指向し、前記第１の深度平面から生じるように見える画像を生成するように構成される、請求項８に記載のディスプレイシステム。
【請求項１０】
前記画像投影デバイスはさらに、第２の深度平面と関連付けられる画像情報を備える第２の多重化された光ストリームを出力するように構成され、前記第２の多重化された光ストリームは、前記第１の色、前記第２の色、および前記第３の色を有する複数の光ストリームを備え、前記第１、第２、および第３の色は、異なる、請求項８−９のいずれかに記載のディスプレイシステム。
【請求項１１】
前記第２の深度平面と関連付けられる第２の導波管をさらに備え、前記第２の導波管は、１．７９を上回る屈折率を有する材料を含み、前記第２の導波管は、前記第２の多重化された光ストリームと関連付けられる前記複数の光ストリームが、複数の全内部反射によって前記第２の導波管を通して誘導されるように、前記画像投影デバイスから放射される前記第２の多重化された光ストリームを受け取るように構成される、請求項１０に記載のディスプレイシステム。
【請求項１２】
前記第２の導波管から放射される光は、前記第２の多重化された光ストリームを視認者に指向し、前記第１の深度平面から生じるように見える画像を生成するように構成される、請求項１１に記載のディスプレイシステム。
【請求項１３】
前記第２の導波管は、頭部搭載型ディスプレイの接眼レンズ内に含まれる、請求項１１−１２のいずれかに記載のディスプレイシステム。
【請求項１４】
前記第１の導波管は、頭部搭載型ディスプレイの接眼レンズ内に含まれる、請求項９−１３のいずれかに記載のディスプレイシステム。
【請求項１５】
前記導波管は、頭部搭載型ディスプレイの接眼レンズ内に含まれる、請求項１−７のいずれかに記載のディスプレイシステム。
【請求項１６】
内部結合光学要素をさらに備え、前記内部結合光学要素は、前記画像投影デバイスから放射される前記多重化された光ストリームを受け取り、複数の全内部反射によってその中で誘導されるように、前記第１の光ストリーム、前記第２の光ストリーム、および前記第３の光ストリームのそれぞれを前記導波管の中に内部結合するように構成される、請求項１−７および１５のいずれかに記載のディスプレイシステム。
【請求項１７】
前記画像投影デバイスは、光変調デバイスを備える、請求項１−１６のいずれかに記載のディスプレイシステム。
【請求項１８】
ディスプレイシステムであって、
画像投影デバイスであって、前記画像投影デバイスは、多重化された光ストリームを放射するように構成され、前記多重化された光ストリームは、第１の色の第１の光ストリームと、第２の色の第２の光ストリームと、第３の色の第３の光ストリームとを備え、前記第１、第２、および第３の色は、異なり、前記第１、第２、および第３の光ストリームは、画像コンテンツを備える、画像投影デバイスと、
第１および第２の導波管であって、前記第１および第２の導波管は、１．７９を上回る屈折率を有する材料を含む、第１および第２の導波管
を備え、
前記第１の導波管は、前記第１の色および前記第２の色を受け取るように構成され、前記第２の導波管は、前記第３の色を受け取るように構成され、異なる色または色の組み合わせは、前記第１および第２の光ストリームが、複数の全内部反射によって前記第１の導波管内で誘導され、前記第３の光ストリームが、複数の全内部反射によって前記第２の導波管内で誘導されるように、前記２つの導波管の中に結合される、ディスプレイシステム。
【請求項１９】
前記第２の導波管はまた、前記第１の光ストリームが、複数の全内部反射によって前記第２の導波管内で誘導されるように、前記第１の色を受け取るように構成される、請求項１８に記載のディスプレイシステム。
【請求項２０】
前記第２の導波管はまた、前記第２の光ストリームが、複数の全内部反射によって前記第２の導波管内で誘導されるように、前記第２の色を受け取るように構成される、請求項１８に記載のディスプレイシステム。
【請求項２１】
前記第２の導波管は、前記第３の光ストリームが、主に、複数の全内部反射によって前記第２の導波管内で誘導されるように、前記第１または第２の色を内部結合するように構成されない、請求項１８に記載のディスプレイシステム。
【請求項２２】
前記第１の導波管内の第１の内部結合光学要素をさらに備え、前記第１の導波管内の第１の内部結合光学要素は、前記第１および第２の光ストリームが、複数の全内部反射によって前記第１の導波管内で誘導されるように、前記第１および第２の光ストリームの両方を前記第１の導波管の中に内部結合するように構成される、請求項１８−２１のいずれかに記載のディスプレイシステム。
【請求項２３】
前記第１の導波管内の第１および第２の内部結合光学要素をさらに備え、前記第１の導波管内の第１および第２の内部結合光学要素は、前記第１および第２の光ストリームが、複数の全内部反射によって前記第１の導波管内で誘導されるように、それぞれ、前記第１および第２の光ストリームの両方を前記第１の導波管の中に内部結合するように構成される、請求項１８−２１のいずれかに記載のディスプレイシステム。
【請求項２４】
前記第２の導波管内の第３の内部結合光学要素をさらに備え、前記第２の導波管内の第３の内部結合光学要素は、前記第３の光ストリームが、複数の全内部反射によって前記第２の導波管内で誘導されるように、前記第３の光ストリームを前記第２の導波管の中に内部結合するように構成される、請求項１８−２１のいずれかに記載のディスプレイシステム。
【請求項２５】
前記第３の内部結合光学要素はまた、前記第１または第２の光ストリームのいずれかが、複数の全内部反射によって前記第２の導波管内で誘導されるように、前記第１または第２の光ストリームのいずれかを前記第２の導波管の中に内部結合するように構成される、請求項２４に記載のディスプレイシステム。
【請求項２６】
第４の内部結合光学要素をさらに備え、前記第４の内部結合光学要素は、前記第１または第２の光ストリームのいずれかが、複数の全内部反射によって前記第２の導波管内で誘導されるように、前記第１または第２の光ストリームのいずれかを前記第２の導波管の中に内部結合するように構成される、請求項２４に記載のディスプレイシステム。
【請求項２７】
回折光学要素を製造する方法であって、前記方法は、
可視光に対して透過性である１．７９を上回る屈折率を有する材料を含む基板を提供することと、
前記基板の表面にわたってパターン化可能な層を配置することと、
前記パターン化可能な層をパターン化することであって、前記パターンは、複数の特徴を備える、ことと、
前記パターン化可能な層を通して前記基板の表面をエッチングし、前記基板の表面上に構造を加工することであって、前記構造は、可視光を回折するように構成される回折特徴を備える、ことと
を含む、方法。
【請求項２８】
前記透明材料は、ＬｉＮｂＯ３を含む、請求項２７に記載の方法。
【請求項２９】
前記基板の表面にわたって前記パターン化可能な層を配置することは、前記基板の表面にわたって前記パターン化可能な層をジェット堆積させることを含む、請求項２７または２８に記載の方法。
【請求項３０】
前記基板の表面は、前記パターン化可能な層を配置することに先立って放電される、請求項２７−２９のいずれかに記載の方法。
【請求項３１】
前記パターン化可能な層は、レジストまたはポリマーを含む、請求項２７−３０のいずれかに記載の方法。
【請求項３２】
回折光学要素を製造する方法であって、前記方法は、
可視光に対して透過性である１．７９を上回る屈折率を有する材料を含む基板を提供することと、
前記基板の表面にわたってパターン化可能な層を配置することと、
前記パターン化可能な層をパターン化することであって、前記パターンは、複数の特徴を備える、ことと
を含み、
前記パターン化されたパターン化可能な層の複数の特徴は、その中で誘導されるように可視光を前記基板の中に回折するように、または、前記基板内で誘導される可視光を前記基板から外に回折するように構成される、方法。
【請求項３３】
前記透明材料は、ＬｉＮｂＯ３を含む、請求項３２に記載の方法。
【請求項３４】
前記基板の表面にわたって前記パターン化可能な層を配置することは、前記基板の表面にわたって前記パターン化可能な層をジェット堆積させることを含む、請求項３２または３３に記載の方法。
【請求項３５】
前記基板の表面は、前記パターン化可能な層を配置することに先立って放電される、請求項３２−３４のいずれかに記載の方法。
【請求項３６】
前記パターン化可能な層は、レジストまたはポリマーを含む、請求項３２−３５のいずれかに記載の方法。
【請求項３７】
回折光学要素を製造する方法であって、前記方法は、
可視光に対して透過性である１．７９を上回る屈折率を有する材料を含む基板を提供することと、
前記基板の表面にわたってパターン化可能な層をジェット堆積させることと、
前記パターン化可能な層をパターン化することであって、前記パターンは、複数の特徴を備える、ことと
を含む、方法。
【請求項３８】
前記透明材料は、ＬｉＮｂＯ３を含む、請求項３７に記載の方法。
【請求項３９】
前記基板の表面は、前記パターン化可能な層を配置することに先立って放電される、請求項３７または３８に記載の方法。
【請求項４０】
前記パターン化可能な層は、レジストまたはポリマーを含む、請求項３７−３９のいずれかに記載の方法。
【請求項４１】
全内部反射によってその中で画像コンテンツを伝搬するための導波管であって、前記導波管は、
可視光に対して透過性である１．７９を上回る屈折率を有する材料を含む基板であって、前記基板は、全内部反射によってその中で画像コンテンツを伝搬することが可能である、基板と、
前記基板の表面にわたる層であって、前記層は、前記基板よりも低い屈折率を有する材料を含み、前記層は、複数の特徴を備えるパターンを備える、層と
を備え、
前記パターン化されたパターン化可能な層の複数の特徴は、その中で誘導されるように可視光を前記基板の中に回折するように、または、前記基板内で誘導される可視光を前記基板から外に回折するように構成される、導波管。
【請求項４２】
前記透明材料は、ＬｉＮｂＯ３を含む、請求項４１に記載の導波管。
【請求項４３】
前記基板の表面は、前記パターン化可能な層を配置することに先立って放電される、請求項４１または４２に記載の導波管。
【請求項４４】
前記パターン化可能な層は、レジストを含む、請求項４１−４３のいずれかに記載の導波管。
【請求項４５】
前記パターン化可能な層は、ポリマーを含む、請求項４１−４４のいずれかに記載の導波管。
【請求項４６】
頭部搭載型ディスプレイデバイスであって、
接眼レンズであって、前記接眼レンズは、１．７９を上回る屈折率を有する材料を含む少なくとも１つの導波管を備え、前記導波管は、第１の主要表面と、前記第１の主要表面と反対の第２の主要表面と、前記第１の主要表面と前記第２の主要表面との間の複数の縁とを備える、接眼レンズと、
複数の回折特徴であって、前記複数の回折特徴は、前記第１の主要表面または前記第２の主要表面のうちの少なくとも１つに形成される、複数の回折特徴と
を備える、頭部搭載型ディスプレイデバイス。
【請求項４７】
前記複数の回折特徴は、前記第１の主要表面または前記第２の主要表面のうちの少なくとも１つをエッチングすることによって、前記第１の主要表面または前記第２の主要表面のうちの少なくとも１つに形成される、請求項４６に記載の頭部搭載型ディスプレイデバイス。
【請求項４８】
前記導波管は、２．２を上回る屈折率を有する材料を含む、請求項４６または４７に記載の頭部搭載型ディスプレイデバイス。
【請求項４９】
前記導波管は、ニオブ酸リチウムを含む、請求項４６−４８のいずれかに記載の頭部搭載型ディスプレイデバイス。
【請求項５０】
前記導波管は、炭化ケイ素を含む、請求項４６−４８のいずれかに記載の頭部搭載型ディスプレイデバイス。
【請求項５１】
前記複数の回折特徴のうちの少なくともいくつかは、内部結合された画像光が、前記第１および前記第２の主要表面における複数の全内部反射によって前記導波管を通して伝搬するように、入射画像光を内部結合するように構成される、請求項４６−５０のいずれかに記載の頭部搭載型ディスプレイデバイス。
【請求項５２】
前記導波管と視認者との間に可変焦点レンズをさらに備え、前記可変焦点レンズは、前記導波管から前記視認者に向かって外部結合される前記第１および前記第２の主要表面における複数の全内部反射によって前記導波管を通して伝搬する画像光の焦点面を変動させるように構成される、請求項４６−５２のいずれかに記載の頭部搭載型ディスプレイデバイス。
【請求項５３】
前記可変焦点レンズは、負のレンズを備える、請求項５２に記載の頭部搭載型ディスプレイデバイス。
【請求項５４】
前記可変焦点レンズは、液体充填レンズを備える、請求項５２−５３のいずれかに記載の頭部搭載型ディスプレイデバイス。
【請求項５５】
前記可変焦点レンズは、液晶を含む、請求項５２−５３のいずれかに記載の頭部搭載型ディスプレイデバイス。
【請求項５６】
前記可変焦点レンズは、幾何学的位相レンズを備える、請求項５２、５３、または５５に記載ののいずれか頭部搭載型ディスプレイデバイス。
【請求項５７】
前記導波管と前記視認者との間に負のレンズをさらに備え、前記負のレンズは、前記負のレンズが、前記導波管から視認者に向かって外部結合される前記第１および前記第２の主要表面における複数の全内部反射によって前記導波管を通して伝搬する光を受け取るようなものである、請求項４６−５１のいずれかに記載の頭部搭載型ディスプレイデバイス。
【請求項５８】
前記負のレンズは、静的レンズを備える、請求項５７に記載の頭部搭載型ディスプレイデバイス。
【請求項５９】
前記導波管および前記負のレンズは、スタックされた導波管アセンブリ内に含まれる、請求項５７または５８に記載の頭部搭載型ディスプレイデバイス。
【請求項６０】
付加的な負のレンズと対合される付加的導波管をさらに備える、請求項５７−５９のいずれかに記載の頭部搭載型ディスプレイデバイス。
【請求項６１】
前記導波管と実世界との間に配置される正のレンズをさらに備える、請求項５７−６０のいずれかに記載の頭部搭載型ディスプレイデバイス。
【請求項６２】
前記導波管とスタックされる偏光器をさらに備える、請求項４６−６１のいずれかに記載の頭部搭載型ディスプレイデバイス。
【請求項６３】
前記複数の回折特徴のうちの少なくともいくつかは、前記第１および前記第２の主要表面における複数の全内部反射によって前記導波管を通して伝搬する画像光を前記視認者に向かって外部結合するように構成される、請求項４６−６２のいずれかに記載の頭部搭載型ディスプレイデバイス。
【請求項６４】
画像光を提供するように構成される結像システムをさらに備える、請求項４６−６２のいずれかに記載の頭部搭載型ディスプレイデバイス。
【請求項６５】
前記結像システムは、前記導波管を視認する視認者の視野外にある、請求項６４に記載の頭部搭載型ディスプレイデバイス。
【請求項６６】
前記結像システムは、
照明システムと、
前記照明システムから変調されていない光を受け取るように構成される変調要素と、
前記変調要素によって出力される画像光を透過させるように構成される投影光学系システムと
を備える、請求項６４−６５のいずれかに記載の頭部搭載型ディスプレイデバイス。
【請求項６７】
前記変調要素は、反射型である、請求項６６に記載の頭部搭載型ディスプレイデバイス。
【請求項６８】
前記照明システムからの変調されていない画像光は、前記投影光学系システムを通して前記反射型変調要素に向かって透過され、前記変調要素から反射され、前記投影光学系を通して前記導波管の中に戻るように透過される、請求項６７に記載の頭部搭載型ディスプレイデバイス。
【請求項６９】
前記照明システムは、
可視光を出力するように構成される光源と、
前記光源から出力される前記可視光を受け取るように構成される光パイプと、
光再指向要素と
を備え、
前記光パイプは、複数の全内部反射によって前記光源から前記光再指向要素に向かって出力される前記光を伝達するように構成され、
前記光再指向要素は、前記変調要素に向かって前記光パイプ内で伝搬する光を再指向するように構成される、請求項６６−６８のいずれかに記載の頭部搭載型ディスプレイデバイス。
【請求項７０】
前記光源は、複数の色で光を放射するように構成される複数の発光要素を備える、請求項６９に記載の頭部搭載型ディスプレイデバイス。
【請求項７１】
前記複数の発光要素は、発光ダイオードまたはレーザを備える、請求項７０に記載の頭部搭載型ディスプレイデバイス。
【請求項７２】
前記複数の発光要素によって放射される光を組み合わせるように構成される光学要素をさらに備える、請求項７０−７１のいずれかに記載の頭部搭載型ディスプレイデバイス。
【請求項７３】
前記光学要素は、ダイクロイックビームコンバイナである、請求項７２に記載の頭部搭載型ディスプレイデバイス。
【請求項７４】
前記光再指向要素は、前記導波管を通して前記変調要素に向かって前記光パイプ内で伝搬する光を再指向するように構成される、請求項６９−７３のいずれかに記載の頭部搭載型ディスプレイデバイス。
【請求項７５】
前記導波管はさらに、前記光再指向要素によって再指向される前記光の分布を調整するように構成される光調整光学系を備える、請求項６９−７４のいずれかに記載の頭部搭載型ディスプレイデバイス。
【請求項７６】
頭部搭載型ディスプレイデバイスであって、
画像投影デバイスと、
炭化ケイ素を含む導波管を備える接眼レンズであって、前記導波管は、第１の主要表面と、前記第１の主要表面と反対の第２の主要表面と、前記第１の主要表面と前記第２の主要表面との間の複数の縁とを備える、接眼レンズと
を備え、
前記導波管は、前記画像投影デバイスから光を受け取り、その中で誘導し、画像を前記頭部搭載型ディスプレイの装着者の眼の中に指向するように構成される、頭部搭載型ディスプレイデバイス。
【請求項７７】
前記第１の主要表面または前記第２の主要表面のうちの少なくとも１つの上に配置される複数の回折特徴をさらに備える、請求項７６に記載の頭部搭載型ディスプレイデバイス。
【請求項７８】
前記複数の回折特徴は、前記第１の主要表面または前記第２の主要表面のうちの少なくとも１つをエッチングすることによって、前記第１の主要表面または前記第２の主要表面のうちの少なくとも１つに形成される、請求項７７に記載の頭部搭載型ディスプレイデバイス。
【請求項７９】
前記複数の回折特徴のうちの少なくともいくつかは、内部結合された画像光が、前記第１および前記第２の主要表面における複数の全内部反射によって前記導波管を通して伝搬するように、入射画像光を内部結合するように構成される、請求項７７−７８のいずれかに記載の頭部搭載型ディスプレイデバイス。
【請求項８０】
前記導波管と視認者との間に可変焦点レンズをさらに備え、前記可変焦点レンズは、前記導波管から前記視認者に向かって外部結合される前記第１および前記第２の主要表面における複数の全内部反射によって前記導波管を通して伝搬する画像光の焦点面を変動させるように構成される、請求項７６−７９のいずれかに記載の頭部搭載型ディスプレイデバイス。
【請求項８１】
前記可変焦点レンズは、負のレンズを備える、請求項８０に記載の頭部搭載型ディスプレイデバイス。
【請求項８２】
前記可変焦点レンズは、液体充填レンズを備える、請求項８０−８１のいずれかに記載の頭部搭載型ディスプレイデバイス。
【請求項８３】
前記可変焦点レンズは、液晶を含む、請求項８０−８１のいずれかに記載の頭部搭載型ディスプレイデバイス。
【請求項８４】
前記可変焦点レンズは、幾何学的位相レンズを備える、請求項８０、８１、または８３のいずれかに記載の頭部搭載型ディスプレイデバイス。
【請求項８５】
前記負のレンズが、前記導波管から視認者に向かって外部結合される前記第１および前記第２の主要表面における複数の全内部反射によって前記導波管を通して伝搬する光を受け取るように、前記導波管と前記視認者との間に負のレンズをさらに備える、請求項７６−７９のいずれかに記載の頭部搭載型ディスプレイデバイス。
【請求項８６】
前記負のレンズは、静的レンズを備える、請求項８５に記載の頭部搭載型ディスプレイデバイス。
【請求項８７】
前記導波管および前記負のレンズは、スタックされた導波管アセンブリ内に含まれる、請求項８５または８６に記載の頭部搭載型ディスプレイデバイス。
【請求項８８】
付加的な負のレンズと対合される付加的導波管をさらに備える、請求項８５−８７のいずれかに記載の頭部搭載型ディスプレイデバイス。
【請求項８９】
前記導波管と実世界との間に配置される正のレンズをさらに備える、請求項８５−８８のいずれかに記載の頭部搭載型ディスプレイデバイス。
【請求項９０】
前記導波管とスタックされる偏光器をさらに備える、請求項７６−８９のいずれかに記載の頭部搭載型ディスプレイデバイス。
【請求項９１】
前記複数の回折特徴のうちの少なくともいくつかは、前記第１および前記第２の主要表面における複数の全内部反射によって前記導波管を通して伝搬する画像光を前記視認者に向かって外部結合するように構成される、請求項７６−９０のいずれかに記載の頭部搭載型ディスプレイデバイス。
【請求項９２】
画像光を提供するように構成される結像システムをさらに備える、請求項７６−９１のいずれかに記載の頭部搭載型ディスプレイデバイス。
【請求項９３】
前記結像システムは、前記導波管を視認する視認者の視野外にある、請求項９２に記載の頭部搭載型ディスプレイデバイス。
【請求項９４】
前記結像システムは、
照明システムと、
前記照明システムから変調されていない光を受け取るように構成される変調要素と、
前記変調要素によって出力される画像光を透過させるように構成される投影光学系システムと
を備える、請求項９２−９３のいずれかに記載の頭部搭載型ディスプレイデバイス。
【請求項９５】
前記変調要素は、反射型である、請求項９４に記載の頭部搭載型ディスプレイデバイス。
【請求項９６】
前記照明システムからの変調されていない画像光は、前記投影光学系システムを通して前記反射型変調要素に向かって透過され、前記変調要素から反射され、前記投影光学系を通して前記導波管の中に戻るように透過される、請求項９５に記載の頭部搭載型ディスプレイデバイス。
【請求項９７】
前記照明システムは、
可視光を出力するように構成される光源と、
前記光源から出力される前記可視光を受け取るように構成される光パイプと、
光再指向要素と
を備え、
前記光パイプは、複数の全内部反射によって前記光源から前記光再指向要素に向かって出力される前記光を伝達するように構成され、
前記光再指向要素は、前記変調要素に向かって前記光パイプ内で伝搬する光を再指向するように構成される、請求項９４−９６のいずれかに記載の頭部搭載型ディスプレイデバイス。
【請求項９８】
前記光源は、複数の色で光を放射するように構成される複数の発光要素を備える、請求項９８に記載の頭部搭載型ディスプレイデバイス。
【請求項９９】
前記複数の発光要素は、発光ダイオードまたはレーザを備える、請求項９８に記載の頭部搭載型ディスプレイデバイス。
【請求項１００】
前記複数の発光要素によって放射される光を組み合わせるように構成される光学要素をさらに備える、請求項９８−９９のいずれかに記載の頭部搭載型ディスプレイデバイス。
【請求項１０１】
前記光学要素は、ダイクロイックビームコンバイナである、請求項１００に記載の頭部搭載型ディスプレイデバイス。
【請求項１０２】
前記光再指向要素は、前記導波管を通して前記変調要素に向かって前記光パイプ内で伝搬する光を再指向するように構成される、請求項９８−１０１のいずれかに記載の頭部搭載型ディスプレイデバイス。
【請求項１０３】
前記導波管はさらに、前記光再指向要素によって再指向される前記光の分布を調整するように構成される光調整光学系を備える、請求項９８−１０２のいずれかに記載の頭部搭載型ディスプレイデバイス。
【請求項１０４】
前記導波管材料は、炭化ケイ素を含む、請求項１−２６のいずれかに記載のディスプレイシステム。
【請求項１０５】
前記透明材料は、炭化ケイ素を含む、請求項２７−４０のいずれかに記載の方法。
【請求項１０６】
前記透明材料は、炭化ケイ素を含む、請求項４１−４５のいずれかに記載の導波管。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
（優先権主張）
本願は、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、２０１８年３月１２日に出願された米国仮特許出願第６２／６４１，９７６号の優先権の利益を主張する。
（参照による引用）
【０００２】
本願は、参照することによって、以下の特許出願のそれぞれの全体、すなわち、２０１８年１０月４日に公開され、「ＬＯＷ−ＰＲＯＦＩＬＥ  ＢＥＡＭ  ＳＰＬＩＴＴＥＲ」（代理人整理番号ＭＬＥＡＰ．１１１Ａ）と題された、米国出願公開第２０１８／０２８４５８５号、および２０１７年３月２１日に出願された、米国特許出願第６２／４７４５４３号、および２０１７年１０月１１日に出願された、米国特許出願第６２／５７０９９５号、２０１８年１２月１３日に公開され、「ＡＵＧＭＥＮＴＥＤ  ＲＥＡＬＩＴＹ  ＤＩＳＰＬＡＹ  ＨＡＶＩＮＧ  ＭＵＬＴＩ−ＥＬＥＭＥＮＴ  ＡＤＡＰＴＩＶＥ  ＬＥＮＳ  ＦＯＲ  ＣＨＡＮＧＩＮＧ  ＤＥＰＴＨ  ＰＬＡＮＥＳ」（代理人整理番号ＭＬＥＡＰ．１１９Ａ）と題された、米国出願公開第２０１８／０３５６６３９号、および２０１７年６月１２日に出願された、米国特許出願第６２／５１８５３９号、および２０１７年７月２５日に出願された、米国特許出願第６２／５３６８７２号、２０１７年１０月２７日に出願された、米国特許出願第１５／７９６，６６９号、２０１８年１２月１０日に出願され、「ＷＡＶＥＧＵＩＤＥ  ＩＬＬＵＭＩＮＡＴＯＲ」（代理人整理番号ＭＬＥＡＰ．１５４Ａ）と題された米国出願公開第＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿号として＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿に公開された、米国特許出願第１６／２１５，４７７号、および２０１７年１２月１１日に出願された、米国特許出願第６２／５９７３５９号、２０１８年１月３０日に出願された、米国特許出願第６２／６２４１０９号、および＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿に米国出願公開第＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿号として公開された、米国特許出願第１６／２６２，６５９号、および２０１８年１月３１日に出願された、米国特許出願第６２／６２４７６２号を組み込む。上記に識別される出願のそれぞれの内容は、参照することによって本明細書に組み込まれる。
【０００３】
本願は、視認光学系アセンブリに関連し、より具体的には、超高屈折率光ガイド基板を利用するように構成される、視認光学系アセンブリアーキテクチャに関連する。視認光学系アセンブリは、拡張現実結像および可視化システムを含む、光学的システムで使用されることができる。
【背景技術】
【０００４】
現代のコンピューティングおよびディスプレイ技術は、いわゆる「仮想現実」または「拡張現実」体験のためのシステムの開発を促進しており、デジタル的に再現された画像またはその一部が、現実であるように見える、またはそのように知覚され得る様式でユーザに提示される。仮想現実、すなわち、「ＶＲ」シナリオは、典型的には、他の実際の実世界の視覚的入力に対する透過性を伴わずに、デジタルまたは仮想画像情報の提示を伴い、拡張現実、すなわち、「ＡＲ」シナリオは、典型的には、ユーザの周囲の実際の世界の可視化に対する拡張としてのデジタルまたは仮想画像情報の提示を伴う。複合現実、すなわち、「ＭＲ」シナリオは、一種のＡＲシナリオであって、典型的には、自然世界の中に統合され、それに応答する、仮想オブジェクトを伴う。例えば、ＭＲシナリオは、実世界内のオブジェクトによってブロックされて見える、または別様にそれと相互作用するように知覚される、ＡＲ画像コンテンツを含んでもよい。
【０００５】
図１を参照すると、拡張現実場面１０が、描写されている。ＡＲ技術のユーザには、人々、木々、背景における建物、コンクリートプラットフォーム３０を特徴とする、実世界公園状設定２０が見える。ユーザはまた、実世界プラットフォーム３０上に立っているロボット像４０、およびマルハナバチの擬人化のように見える、飛んでいる漫画のようなアバタキャラクタ５０等の「仮想コンテンツ」を「見ている」と知覚する。これらの要素５０、４０は、実世界には存在しないという点で、「仮想」である。ヒトの視知覚系は、複雑であって、他の仮想または実世界画像要素間における仮想画像要素の快適で、自然のような感覚で、かつ豊かな提示を促進する、ＡＲ技術の生成は、困難である。
【０００６】
本明細書に開示されるシステムおよび方法は、ＡＲまたはＶＲ技術に関連する種々の課題に対処する。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００７】
頭部搭載型ディスプレイシステムは、光をユーザの眼に投影し、拡張現実画像コンテンツをユーザの視野内に表示するように構成されてもよい。頭部搭載型ディスプレイシステムは、ユーザの頭部上に支持されるように構成される、フレームを含んでもよい。頭部搭載型ディスプレイシステムはまた、フレーム上に配置される、接眼レンズを含んでもよい。接眼レンズの少なくとも一部は、透明である、および／または透明部分が、ユーザの正面の環境からの光をユーザの眼に透過させ、ユーザの正面のその環境のビューを提供するように、ユーザが頭部搭載型ディスプレイを装着すると、ユーザの眼の正面の場所に配置されてもよい。接眼レンズは、光をユーザの眼の中に指向し、拡張現実画像コンテンツを形成するように配置される、１つ以上の導波管を含んでもよい。
【０００８】
頭部搭載型ディスプレイシステムの種々の実施形態は、複数の色または波長の範囲（例えば、２つまたは３つの色または波長の範囲）を有する光（例えば、画像光）を出力し、赤色画像成分、緑色画像成分、および青色画像成分等の異なる色画像または画像成分を生成する、１つ以上の瞳を有する、少なくとも１つのプロジェクタを備える。そのような画像成分は、事実上フルカラーの画像を提供するように組み合わせられることができる。これらの色成分は、拡張現実または仮想画像コンテンツを表示するように、ユーザの眼の中に指向されることができる。いくつかの実装では、頭部搭載型ディスプレイシステム内の接眼レンズは、相互にわたってスタックされる複数の導波管を備える、導波管アセンブリを備える。
【０００９】
本願で検討されるディスプレイデバイスの種々の実装では、ガラスの屈折率を上回る屈折率を伴う材料を含む、１つ以上の導波管を含む。例えば、本願で考慮されるディスプレイデバイスの種々の実施形態における１つ以上の導波管は、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ３）または炭化ケイ素（ＳｉＣ）を含むことができる。種々の実施形態では、本願で検討されるディスプレイデバイスの種々の実施形態における１つ以上の導波管は、可視光に対して透過性であり、ガラスの屈折率を上回る屈折率（例えば、約１．７９以上の屈折率）を有する材料を含むことができる。比較的に高い屈折率（例えば、ガラスの屈折率を上回る屈折率、および／または約１．７９以上の屈折率）を伴う材料を含む、１つ以上の導波管は、有利なこととして、ガラスおよび／または約１．７９未満の屈折率を伴う材料を含む導波管と比較して、１つ以上の導波管によってユーザの眼に出力される、プロジェクタからの画像コンテンツの視野を拡大することができる。有利なこととして、ディスプレイデバイスの種々の実装は、光の複数の色または波長（例えば、光の赤色、緑色、および／または青色波長）が、並行して、比較的に高い屈折率（例えば、ガラスの屈折率を上回る屈折率、および／または約１．７９以上の屈折率）を伴う材料を含む単一の導波管の中に内部結合され、その内側で誘導され、色または波長毎に類似角出力を伴ってそこからユーザの眼の中に外部結合されることができる。故に、例えば、３つの色（例えば、赤色、緑色、および青色）のそれぞれに１つ、３つの導波管を使用することとは対照的に、単一の導波管が、プロジェクタから画像の３つの色成分を伝搬するために採用されてもよい。導波管の数のそのような低減は、潜在的に、例えば、重量、全体的な接眼レンズの厚さ、複雑性、形状因子を低減させること、および／または光透過および／または画質を増加させること等の１つ以上の利点を有し得る。
【００１０】
いくつかの実装では、３つの色の代わりに、プロジェクタからの画像コンテンツの２つの色成分が、単一の導波管の中に内部結合され、その内側で誘導され、ユーザの眼に外部結合されることができる。いくつかのそのような設計では、２つの導波管が、３つの色に適応するように使用されてもよい。例えば、第１の導波管は、２つの色（例えば、赤色および緑色、赤色および青色、または緑色および青色）を受け取り、その中で誘導することができ、第２の導波管は、第３の色（例えば、それぞれ、青色、緑色、および赤色）を受け取り、誘導し、ユーザに出力することができる。いくつかの実装では、第１の導波管は、２つの色（例えば、赤色および緑色、赤色および青色、緑色および青色）を受け取り、その中で誘導することができ、第２の導波管は、単一の第３の色または色成分（例えば、それぞれ、青色、緑色、および赤色）を受け取り、誘導し、ユーザに出力することができる。他の実装では、第１の導波管は、２つの色（例えば、赤色および緑色）を受け取り、その中で誘導することができ、第２の導波管は、２つの色または色成分を受け取り、誘導し、視認者に外部結合することができ、色成分のうちの１つは、第１の導波管内で誘導される画像色成分（例えば、緑色および青色）と異なる。（例えば、深度または深度平面毎に）３つの代わりに２つの導波管を使用することは、依然として、厚さ、複雑性を低減させ、潜在的に、本明細書に開示される利点のうちの１つ以上のものを提供し得る。
【００１１】
同様に、複数の導波管の中の異なる導波管は、プロジェクタの瞳から出力される光からの色または複数の波長の範囲のうちの１つの光を内部結合するように構成される、内部結合光学要素を含んでもよい。いくつかの実装では、例えば、導波管内の単一の内部結合光学要素が、その中で誘導されるように３つの色または色成分を導波管の中に結合するために使用される。いくつかの実装では、導波管内の単一の内部結合光学要素が、その中で誘導されるように２つの色または色成分を導波管の中に結合するために使用される。他の実装では、異なる内部結合光学要素が、その中で誘導されるように個別の異なる色または色成分を単一の導波管の中に結合するために使用される。例えば、３つの内部結合光学要素が、３つの個別の色または色成分を単一の導波管の中に結合するために使用されてもよい。同様に、２つの内部結合光学要素が、２つの個別の色または色成分を単一の導波管の中に結合するために使用されてもよい。
【００１２】
故に、１つ以上の実装では、２つ以上の色（例えば、２つまたは３つの色）は、内部結合された２つ以上の色が、全内部反射を介して、比較的に高い屈折率（例えば、ガラスの屈折率を上回る屈折率、および／または約１．７９以上の屈折率）を伴う材料を含む単一の導波管内で伝搬し、仮想画像コンテンツを提示するために視認者に外部結合され得るように、１つ以上の内部結合光学要素を使用して、比較的に高い屈折率（例えば、ガラスの屈折率を上回る屈折率、および／または約１．７９以上の屈折率）を伴う材料を含む単一の導波管の中に結合されることができる。いくつかの実装では、単一の内部結合光学要素は、画像情報を含有する２つ以上の色の光が、全内部反射によって単一の導波管を通して伝搬し、仮想画像コンテンツを提示するために視認者に外部結合されるように、結像システム（例えば、投影デバイス）から画像情報を含有する２つ以上の色の光を受け取り、画像情報を含有する２つ以上の色の受け取られた光を、比較的に高い屈折率（例えば、ガラスの屈折率を上回る屈折率、および／または約１．７９以上の屈折率）を伴う材料を含む単一の導波管の中に内部結合するように構成されることができる。いくつかの実装では、２つ以上の内部結合光学要素は、画像情報を含有する２つ以上の色の光が、全内部反射によって単一の導波管を通して伝搬し、仮想画像コンテンツを提示するために視認者に外部結合されるように、結像システム（例えば、投影デバイス）から画像情報を含有する２つ以上の色の光を受け取り、画像情報を含有する２つ以上の色の受け取られた光を、比較的に高い屈折率（例えば、ガラスの屈折率を上回る屈折率、および／または約１．７９以上の屈折率）を伴う材料を含む単一の導波管の中に内部結合するように構成されることができる。１つ以上の内部結合光学要素は、画像情報を含有する２つ以上の色の光を放射する、プロジェクタまたは結像システムの１つ以上の射出瞳と整合されることができる。
【００１３】
本明細書に開示されるシステム、方法、およびデバイスはそれぞれ、いくつかの革新的側面を有し、そのうちのいずれのものも、本明細書に開示される望ましい属性に単独で責任を負わない。種々の例示的システムおよび方法が、下記に提供される。
【００１４】
（実施形態１）ディスプレイシステムであって、
第１の色の第１の光ストリームと、第２の色の第２の光ストリームと、第３の色の第３の光ストリームとを備える、多重化された光ストリームを放射するように構成される、画像投影デバイスであって、該第１、第２、および第３の色は、異なり、該第１、第２、および第３の光ストリームは、画像コンテンツを備える、画像投影デバイスと、
１．７９を上回る屈折率を有する材料を含む、導波管であって、第１の光ストリーム、第２の光ストリーム、および第３の光ストリームが、複数の全内部反射によって導波管内で誘導されるように、画像投影デバイスから放射される多重化された光ストリームを受け取るように構成される、導波管と、
を備える、ディスプレイデバイス。
【００１５】
（実施形態２）導波管は、２．２以上の屈折率を有する材料を含む、実施形態１に記載のディスプレイシステム。
【００１６】
（実施形態３）導波管は、２．３以上の屈折率を有する材料を含む、実施形態１−２のいずれかに記載のディスプレイシステム。
【００１７】
（実施形態４）導波管は、ニオブ酸リチウムを含む、実施形態１−３のいずれかに記載のディスプレイシステム。
【００１８】
（実施形態５）導波管は、水平方向に約３０度を上回り、垂直方向に約２４度を上回る視野を有する、実施形態１−４のいずれかに記載のディスプレイシステム。
【００１９】
（実施形態６）導波管の視野は、水平方向に約４５度であり、垂直方向に約５６度である、実施形態５に記載のディスプレイシステム。
【００２０】
（実施形態７）多重化された光ストリームの少なくとも一部が、ユーザの眼に指向されるように、導波管から出力される多重化された光ストリームを受け取るように配置される、少なくとも１つの可変焦点光学要素であって、導波管からの光が生じるように見える深度を変動させるように構成される、可変焦点光学要素をさらに備える、実施形態１−６のいずれかに記載のディスプレイシステム。
【００２１】
（実施形態８）多重化された光ストリームは、第１の深度平面と関連付けられる画像情報を備える、第１の多重化された光ストリームを備える、実施形態１−６のいずれかに記載のディスプレイシステム。
【００２２】
（実施形態９）該導波管は、第１の深度平面と関連付けられる第１の導波管を備え、第１の導波管から放射される光は、該第１の多重化された光ストリームを視認者に指向し、第１の深度平面から生じるように見える画像を生成するように構成される、実施形態８に記載のディスプレイシステム。
【００２３】
（実施形態１０）画像投影デバイスはさらに、第２の深度平面と関連付けられる画像情報を備える、第２の多重化された光ストリームを出力するように構成され、第２の多重化された光ストリームは、第１の色、第２の色、および第３の色を有する、複数の光ストリームを備え、該第１、第２、および第３の色は、異なる、実施形態８−９のいずれかに記載のディスプレイシステム。
【００２４】
（実施形態１１）第２の深度平面と関連付けられる、第２の導波管であって、１．７９を上回る屈折率を有する材料を含む、第２の導波管であって、第２の多重化された光ストリームと関連付けられる複数の光ストリームが、複数の全内部反射によって第２の導波管を通して誘導されるように、画像投影デバイスから放射される第２の多重化された光ストリームを受け取るように構成される、第２の導波管をさらに備える、実施形態１０に記載のディスプレイシステム。
【００２５】
（実施形態１２）第２の導波管から放射される光は、該第２の多重化された光ストリームを視認者に指向し、第１の深度平面から生じるように見える画像を生成するように構成される、実施形態１１に記載のディスプレイシステム。
【００２６】
（実施形態１３）第２の導波管は、頭部搭載型ディスプレイの接眼レンズ内に含まれる、実施形態１１−１２のいずれかに記載のディスプレイシステム。
【００２７】
（実施形態１４）第１の導波管は、頭部搭載型ディスプレイの接眼レンズ内に含まれる、実施形態９−１３のいずれかに記載のディスプレイシステム。
【００２８】
（実施形態１５）導波管は、頭部搭載型ディスプレイの接眼レンズ内に含まれる、実施形態１−７のいずれかに記載のディスプレイシステム。
【００２９】
（実施形態１６）画像投影デバイスから放射される多重化された光ストリームを受け取り、複数の全内部反射によってその中で誘導されるように、第１の光ストリーム、第２の光ストリーム、および第３の光ストリームのそれぞれを導波管の中に内部結合するように構成される、内部結合光学要素をさらに備える、実施形態１−７および１５のいずれかに記載のディスプレイシステム。
【００３０】
（実施形態１７）画像投影デバイスは、光変調デバイスを備える、実施形態１−１６のいずれかに記載のディスプレイシステム。
【００３１】
（実施形態１８）ディスプレイシステムであって、
第１の色の第１の光ストリームと、第２の色の第２の光ストリームと、第３の色の第３の光ストリームとを備える、多重化された光ストリームを放射するように構成される、画像投影デバイスであって、該第１、第２、および第３の色は、異なり、該第１、第２、および第３の光ストリームは、画像コンテンツを備える、画像投影デバイスと、
１．７９を上回る屈折率を有する材料を含む、第１および第２の導波管と、
を備え、第１の導波管は、第１の色および第２の色を受け取るように構成され、第２の導波管は、第３の色を受け取るように構成され、異なる色または色の組み合わせは、第１および第２の光ストリームが、複数の全内部反射によって第１の導波管内で誘導され、第３の光ストリームが、複数の全内部反射によって第２の導波管内で誘導されるように、２つの導波管の中に結合される、
ディスプレイシステム。
【００３２】
（実施形態１９）第２の導波管はまた、第１の光ストリームが、複数の全内部反射によって第２の導波管内で誘導されるように、第１の色を受け取るように構成される、実施形態１８に記載のディスプレイシステム。
【００３３】
（実施形態２０）第２の導波管はまた、第２の光ストリームが、複数の全内部反射によって第２の導波管内で誘導されるように、第２の色を受け取るように構成される、実施形態１８に記載のディスプレイシステム。
【００３４】
（実施形態２１）第２の導波管は、第３の光ストリームが、主に、複数の全内部反射によって第２の導波管内で誘導されるように、第１または第２の色を内部結合するように構成されない、実施形態１８に記載のディスプレイシステム。
【００３５】
（実施形態２２）該第１および第２の光ストリームが、複数の全内部反射によって該第１の導波管内で誘導されるように、該第１および第２の光ストリームの両方を該第１の導波管の中に内部結合するように構成される、該第１の導波管内の第１の内部結合光学要素をさらに備える、実施形態１８−２１のいずれかに記載のディスプレイシステム。
【００３６】
（実施形態２３）該第１および第２の光ストリームが、複数の全内部反射によって該第１の導波管内で誘導されるように、それぞれ、該第１および第２の光ストリームの両方を該第１の導波管の中に内部結合するように構成される、該第１の導波管内の第１および第２の内部結合光学要素をさらに備える、実施形態１８−２１のいずれかに記載のディスプレイシステム。
【００３７】
（実施形態２４）該第３の光ストリームが、複数の全内部反射によって該第２の導波管内で誘導されるように、該第３の光ストリームを該第２の導波管の中に内部結合するように構成される、該第２の導波管内の第３の内部結合光学要素をさらに備える、実施形態１８−２１のいずれかに記載のディスプレイシステム。
【００３８】
（実施形態２５）該第３の内部結合光学要素はまた、該第１または第２の光ストリームのいずれかが、複数の全内部反射によって該第２の導波管内で誘導されるように、該第１または第２の光ストリームのいずれかを該第２の導波管の中に内部結合するように構成される、実施形態２４に記載のディスプレイシステム。
【００３９】
（実施形態２６）該第１または第２の光ストリームのいずれかが、複数の全内部反射によって該第２の導波管内で誘導されるように、該第１または第２の光ストリームのいずれかを該第２の導波管の中に内部結合するように構成される、第４の内部結合光学要素をさらに備える、実施形態２４に記載のディスプレイシステム。
【００４０】
（実施形態２７）回折光学要素を製造する方法であって、
可視光に対して透過性である、１．７９を上回る屈折率を有する材料を含む基板を提供することと、
基板の表面にわたってパターン化可能な層を配置することと、
パターン化可能な層をパターン化することであって、パターンは、複数の特徴を備える、ことと、
パターン化可能な層を通して基板の表面をエッチングし、基板の表面上に構造を加工することであって、構造は、可視光を回折するように構成される回折特徴を備える、ことと、
を含む、方法。
【００４１】
（実施形態２８）透明材料は、ＬｉＮｂＯ３を含む、実施形態２７に記載の方法。
【００４２】
（実施形態２９）基板の表面にわたってパターン化可能な層を配置することは、基板の表面にわたってパターン化可能な層をジェット堆積させることを含む、実施形態２７または２８に記載の方法。
【００４３】
（実施形態３０）基板の表面は、パターン化可能な層を配置することに先立って放電される、実施形態２７−２９のいずれかに記載の方法。
【００４４】
（実施形態３１）パターン化可能な層は、レジストまたはポリマーを含む、実施形態２７−３０のいずれかに記載の方法。
【００４５】
（実施形態３２）回折光学要素を製造する方法であって、
可視光に対して透過性である、１．７９を上回る屈折率を有する材料を含む基板を提供することと、
基板の表面にわたってパターン化可能な層を配置することと、
パターン化可能な層をパターン化することであって、パターンは、複数の特徴を備える、ことと、
を含み、パターン化されたパターン化可能な層の複数の特徴は、その中で誘導されるように可視光を基板の中に回折する、または基板内で誘導される可視光を基板から外に回折するように構成される、
方法。
【００４６】
（実施形態３３）透明材料は、ＬｉＮｂＯ３を含む、実施形態３２に記載の方法。
【００４７】
（実施形態３４）基板の表面にわたってパターン化可能な層を配置することは、基板の表面にわたってパターン化可能な層をジェット堆積させることを含む、実施形態３２または３３に記載の方法。
【００４８】
（実施形態３５）基板の表面は、パターン化可能な層を配置することに先立って放電される、実施形態３２−３４のいずれかに記載の方法。
【００４９】
（実施形態３６）パターン化可能な層は、レジストまたはポリマーを含む、実施形態３２−３５のいずれかに記載の方法。
【００５０】
（実施形態３７）回折光学要素を製造する方法であって、
可視光に対して透過性である、１．７９を上回る屈折率を有する材料を含む基板を提供することと、
基板の表面にわたってパターン化可能な層をジェット堆積させることと、
パターン化可能な層をパターン化することであって、パターンは、複数の特徴を備える、ことと、
を含む、方法。
【００５１】
（実施形態３８）透明材料は、ＬｉＮｂＯ３を含む、実施形態３７に記載の方法。
【００５２】
（実施形態３９）基板の表面は、パターン化可能な層を配置することに先立って放電される、実施形態３７または３８に記載の方法。
【００５３】
（実施形態４０）パターン化可能な層は、レジストまたはポリマーを含む、実施形態３７−３９のいずれかに記載の方法。
【００５４】
（実施形態４１）全内部反射によってその中で画像コンテンツを伝搬するための導波管であって、
可視光に対して透過性である、１．７９を上回る屈折率を有する材料を含む基板であって、全内部反射によってその中で画像コンテンツを伝搬することが可能な基板と、
基板の表面にわたる層であって、該基板よりも低い屈折率を有する材料を含む、層であって、複数の特徴を備えるパターンを備える、層と、
を備え、パターン化されたパターン化可能な層の複数の特徴は、その中で誘導されるように可視光を基板の中に回折する、または基板内で誘導される可視光を基板から外に回折するように構成される、
導波管。
【００５５】
（実施形態４２）透明材料は、ＬｉＮｂＯ３を含む、実施形態４１に記載の導波管。
【００５６】
（実施形態４３）基板の表面は、パターン化可能な層を配置することに先立って放電される、実施形態４１または４２に記載の導波管。
【００５７】
（実施形態４４）パターン化可能な層は、レジストを含む、実施形態４１−４３のいずれかに記載の導波管。
【００５８】
（実施形態４５）パターン化可能な層は、ポリマーを含む、実施形態４１−４４のいずれかに記載の導波管。
【００５９】
（実施形態４６）頭部搭載型ディスプレイデバイスであって、
１．７９を上回る屈折率を有する材料を含む、少なくとも１つの導波管を備える、接眼レンズであって、導波管は、第１の主要表面と、第１の主要表面と反対の第２の主要表面と、第１の主要表面と第２の主要表面との間の複数の縁とを備える、接眼レンズと、
第１の主要表面または第２の主要表面のうちの少なくとも１つに形成される、複数の回折特徴と、
を備える、頭部搭載型ディスプレイデバイス。
【００６０】
（実施形態４７）複数の回折特徴は、第１の主要表面または第２の主要表面のうちの少なくとも１つをエッチングすることによって、第１の主要表面または第２の主要表面のうちの少なくとも１つに形成される、実施形態４６に記載の頭部搭載型ディスプレイデバイス。
【００６１】
（実施形態４８）導波管は、２．２を上回る屈折率を有する材料を含む、実施形態４６または４７に記載の頭部搭載型ディスプレイデバイス。
【００６２】
（実施形態４９）導波管は、ニオブ酸リチウムを含む、実施形態４６−４８のいずれかに記載の頭部搭載型ディスプレイデバイス。
【００６３】
（実施形態５０）導波管は、炭化ケイ素を含む、実施形態４６−４８のいずれかに記載の頭部搭載型ディスプレイデバイス。
【００６４】
（実施形態５１）複数の回折特徴のうちの少なくともいくつかは、内部結合された画像光が、第１および第２の主要表面における複数の全内部反射によって導波管を通して伝搬するように、入射画像光を内部結合するように構成される、実施形態４６−５０のいずれかに記載の頭部搭載型ディスプレイデバイス。
【００６５】
（実施形態５２）導波管と視認者との間に可変焦点レンズをさらに備え、可変焦点レンズは、導波管から視認者に向かって外部結合される、第１および第２の主要表面における複数の全内部反射によって導波管を通して伝搬する画像光の焦点面を変動させるように構成される、実施形態４６−５２のいずれかに記載の頭部搭載型ディスプレイデバイス。
【００６６】
（実施形態５３）可変焦点レンズは、負のレンズを備える、実施形態５２に記載の頭部搭載型ディスプレイデバイス。
【００６７】
（実施形態５４）可変焦点レンズは、液体充填レンズを備える、実施形態５２−５３のいずれかに記載の頭部搭載型ディスプレイデバイス。
【００６８】
（実施形態５５）可変焦点レンズは、液晶を含む、実施形態５２−５３のいずれかに記載の頭部搭載型ディスプレイデバイス。
【００６９】
（実施形態５６）可変焦点レンズは、幾何学的位相レンズを備える、実施形態５２、５３、または５５に記載のいずれかの頭部搭載型ディスプレイデバイス。
【００７０】
（実施形態５７）負のレンズが、導波管から視認者に向かって外部結合される、第１および第２の主要表面における複数の全内部反射によって導波管を通して伝搬する光を受け取るように、導波管と視認者との間に負のレンズをさらに備える、実施形態４６−５１のいずれかに記載の頭部搭載型ディスプレイデバイス。
【００７１】
（実施形態５８）負のレンズは、静的レンズを備える、実施形態５７に記載の頭部搭載型ディスプレイデバイス。
【００７２】
（実施形態５９）導波管および負のレンズは、スタックされた導波管アセンブリ内に含まれる、実施形態５７または５８に記載の頭部搭載型ディスプレイデバイス。
【００７３】
（実施形態６０）付加的な負のレンズと対合される付加的導波管をさらに備える、実施形態５７−５９のいずれかに記載の頭部搭載型ディスプレイデバイス。
【００７４】
（実施形態６１）導波管と実世界との間に配置される正のレンズをさらに備える、実施形態５７−６０のいずれかに記載の頭部搭載型ディスプレイデバイス。
【００７５】
（実施形態６２）導波管とスタックされる偏光器をさらに備える、実施形態４６−６１のいずれかに記載の頭部搭載型ディスプレイデバイス。
【００７６】
（実施形態６３）複数の回折特徴のうちの少なくともいくつかは、第１および第２の主要表面における複数の全内部反射によって導波管を通して伝搬する画像光を視認者に向かって外部結合するように構成される、実施形態４６−６２のいずれかに記載の頭部搭載型ディスプレイデバイス。
【００７７】
（実施形態６４）画像光を提供するように構成される、結像システムをさらに備える、実施形態４６−６２のいずれかに記載の頭部搭載型ディスプレイデバイス。
【００７８】
（実施形態６５）結像システムは、導波管を視認する視認者の視野外にある、実施形態６４に記載の頭部搭載型ディスプレイデバイス。
【００７９】
（実施形態６６）結像システムは、
照明システムと、
照明システムから変調されていない光を受け取るように構成される、変調要素と、
変調要素によって出力される画像光を透過させるように構成される、投影光学系システムと、
を備える、実施形態６４−６５のいずれかに記載の頭部搭載型ディスプレイデバイス。
【００８０】
（実施形態６７）変調要素は、反射型である、実施形態６６に記載の頭部搭載型ディスプレイデバイス。
【００８１】
（実施形態６８）照明システムからの変調されていない画像光は、投影光学系システムを通して反射型変調要素に向かって透過され、変調要素から反射され、投影光学系を通して導波管の中に戻るように透過される、実施形態６７に記載の頭部搭載型ディスプレイデバイス。
【００８２】
（実施形態６９）照明システムは、
可視光を出力するように構成される、光源と、
光源から出力される可視光を受け取るように構成される、光パイプと、
光再指向要素と、
を備え、
光パイプは、複数の全内部反射によって光源から光再指向要素に向かって出力される光を伝達するように構成され、
光再指向要素は、変調要素に向かって光パイプ内で伝搬する光を再指向するように構成される、
請求項６６−６８のいずれかに記載の頭部搭載型ディスプレイデバイス。
【００８３】
（実施形態７０）光源は、複数の色で光を放射するように構成される、複数の発光要素を備える、実施形態６９に記載の頭部搭載型ディスプレイデバイス。
【００８４】
（実施形態７１）複数の発光要素は、発光ダイオードまたはレーザを備える、実施形態７０に記載の頭部搭載型ディスプレイデバイス。
【００８５】
（実施形態７２）複数の発光要素によって放射される光を組み合わせるように構成される、光学要素をさらに備える、実施形態７０−７１のいずれかに記載の頭部搭載型ディスプレイデバイス。
【００８６】
（実施形態７３）光学要素は、ダイクロイックビームコンバイナである、実施形態７２に記載の頭部搭載型ディスプレイデバイス。
【００８７】
（実施形態７４）光再指向要素は、導波管を通して変調要素に向かって光パイプ内で伝搬する光を再指向するように構成される、実施形態６９−７３のいずれかに記載の頭部搭載型ディスプレイデバイス。
【００８８】
（実施形態７５）導波管はさらに、光再指向要素によって再指向される光の分布を調整するように構成される、光調整光学系を備える、実施形態６９−７４のいずれかに記載の頭部搭載型ディスプレイデバイス。
【００８９】
（実施形態７６）頭部搭載型ディスプレイデバイスであって、
画像投影デバイスと、
炭化ケイ素を含む導波管を備える、接眼レンズであって、導波管は、第１の主要表面と、第１の主要表面と反対の第２の主要表面と、第１の主要表面と第２の主要表面との間の複数の縁とを備える、接眼レンズと、
を備え、導波管は、画像投影デバイスから光を受け取り、その中で誘導し、画像を頭部搭載型ディスプレイの装着者の眼の中に指向するように構成される、
頭部搭載型ディスプレイデバイス。
【００９０】
（実施形態７７）第１の主要表面または第２の主要表面のうちの少なくとも１つの上に配置される、複数の回折特徴をさらに備える、実施形態７６に記載の頭部搭載型ディスプレイデバイス。
【００９１】
（実施形態７８）複数の回折特徴は、第１の主要表面または第２の主要表面のうちの少なくとも１つをエッチングすることによって、第１の主要表面または第２の主要表面のうちの少なくとも１つに形成される、実施形態７７に記載の頭部搭載型ディスプレイデバイス。
【００９２】
（実施形態７９）複数の回折特徴のうちの少なくともいくつかは、内部結合された画像光が、第１および第２の主要表面における複数の全内部反射によって導波管を通して伝搬するように、入射画像光を内部結合するように構成される、実施形態７７−７８のいずれかに記載の頭部搭載型ディスプレイデバイス。
【００９３】
（実施形態８０）導波管と視認者との間に可変焦点レンズをさらに備え、可変焦点レンズは、導波管から視認者に向かって外部結合される、第１および第２の主要表面における複数の全内部反射によって導波管を通して伝搬する画像光の焦点面を変動させるように構成される、実施形態７６−７９のいずれかに記載の頭部搭載型ディスプレイデバイス。
【００９４】
（実施形態８１）可変焦点レンズは、負のレンズを備える、実施形態８０に記載の頭部搭載型ディスプレイデバイス。
【００９５】
（実施形態８２）可変焦点レンズは、液体充填レンズを備える、実施形態８０−８１のいずれかに記載の頭部搭載型ディスプレイデバイス。
【００９６】
（実施形態８３）可変焦点レンズは、液晶を含む、実施形態８０−８１のいずれかに記載の頭部搭載型ディスプレイデバイス。
【００９７】
（実施形態８４）可変焦点レンズは、幾何学的位相レンズを備える、実施形態８０、８１、または８３のいずれかに記載の頭部搭載型ディスプレイデバイス。
【００９８】
（実施形態８５）負のレンズが、導波管から視認者に向かって外部結合される、第１および第２の主要表面における複数の全内部反射によって導波管を通して伝搬する光を受け取るように、導波管と視認者との間に負のレンズをさらに備える、実施形態７６−７９のいずれかに記載の頭部搭載型ディスプレイデバイス。
【００９９】
（実施形態８６）負のレンズは、静的レンズを備える、実施形態８５に記載の頭部搭載型ディスプレイデバイス。
【０１００】
（実施形態８７）導波管および負のレンズは、スタックされた導波管アセンブリ内に含まれる、実施形態８５または８６に記載の頭部搭載型ディスプレイデバイス。
【０１０１】
（実施形態８８）付加的な負のレンズと対合される付加的導波管をさらに備える、実施形態８５−８７のいずれかに記載の頭部搭載型ディスプレイデバイス。
【０１０２】
（実施形態８９）導波管と実世界との間に配置される正のレンズをさらに備える、実施形態８５−８８のいずれかに記載の頭部搭載型ディスプレイデバイス。
【０１０３】
（実施形態９０）導波管とスタックされる偏光器をさらに備える、実施形態７６−８９のいずれかに記載の頭部搭載型ディスプレイデバイス。
【０１０４】
（実施形態９１）複数の回折特徴のうちの少なくともいくつかは、第１および第２の主要表面における複数の全内部反射によって導波管を通して伝搬する画像光を視認者に向かって外部結合するように構成される、実施形態７６−９０のいずれかに記載の頭部搭載型ディスプレイデバイス。
【０１０５】
（実施形態９２）画像光を提供するように構成される、結像システムをさらに備える、実施形態７６−９１のいずれかに記載の頭部搭載型ディスプレイデバイス。
【０１０６】
（実施形態９３）結像システムは、導波管を視認する視認者の視野外にある、実施形態９２に記載の頭部搭載型ディスプレイデバイス。
【０１０７】
（実施形態９４）結像システムは、
照明システムと、
照明システムから変調されていない光を受け取るように構成される、変調要素と、
変調要素によって出力される画像光を透過させるように構成される、投影光学系システムと、
を備える、実施形態９２−９３のいずれかに記載の頭部搭載型ディスプレイデバイス。
【０１０８】
（実施形態９５）変調要素は、反射型である、実施形態９４に記載の頭部搭載型ディスプレイデバイス。
【０１０９】
（実施形態９６）照明システムからの変調されていない画像光は、投影光学系システムを通して反射型変調要素に向かって透過され、変調要素から反射され、投影光学系を通して導波管の中に戻るように透過される、実施形態９５に記載の頭部搭載型ディスプレイデバイス。
【０１１０】
（実施形態９７）照明システムは、
可視光を出力するように構成される、光源と、
光源から出力される可視光を受け取るように構成される、光パイプと、
光再指向要素と、
を備え、
光パイプは、複数の全内部反射によって光源から光再指向要素に向かって出力される光を伝達するように構成され、
光再指向要素は、変調要素に向かって光パイプ内で伝搬する光を再指向するように構成される、
実施形態９４−９６のいずれかに記載の頭部搭載型ディスプレイデバイス。
【０１１１】
（実施形態９８）光源は、複数の色で光を放射するように構成される、複数の発光要素を備える、実施形態９８に記載の頭部搭載型ディスプレイデバイス。
【０１１２】
（実施形態９９）複数の発光要素は、発光ダイオードまたはレーザを備える、実施形態９８に記載の頭部搭載型ディスプレイデバイス。
【０１１３】
（実施形態１００）複数の発光要素によって放射される光を組み合わせるように構成される、光学要素をさらに備える、実施形態９８−９９のいずれかに記載の頭部搭載型ディスプレイデバイス。
【０１１４】
（実施形態１０１）光学要素は、ダイクロイックビームコンバイナである、実施形態１００に記載の頭部搭載型ディスプレイデバイス。
【０１１５】
（実施形態１０２）光再指向要素は、導波管を通して変調要素に向かって光パイプ内で伝搬する光を再指向するように構成される、実施形態９８−１０１のいずれかに記載の頭部搭載型ディスプレイデバイス。
【０１１６】
（実施形態１０３）導波管はさらに、光再指向要素によって再指向される光の分布を調整するように構成される、光調整光学系を備える、実施形態９８−１０２のいずれかに記載の頭部搭載型ディスプレイデバイス。
【０１１７】
（実施形態１０４）ディスプレイシステムであって、
第１の色と関連付けられる画像コンテンツを備える、第１の光ストリームと、第２の色と関連付けられる画像コンテンツを備える、第２の光ストリームと、第３の色と関連付けられる画像コンテンツを備える、第３の光ストリームとを備える、多重化された光ストリームを放射するように構成される、画像投影デバイスと、
１．７９を上回る屈折率を有する材料を含む、導波管と、
画像投影デバイスから放射される多重化された光ストリームを受け取り、第１の光ストリーム、第２の光ストリーム、および第３の光ストリームが、複数の全内部反射によって導波管を通して伝搬するように、多重化された光ストリームを内部結合するように構成される、第１の内部結合光学要素と、
を備える、ディスプレイシステム。
【０１１８】
（実施形態１０５）導波管は、２．２以上の屈折率を有する材料を含む、実施形態１０４に記載のディスプレイシステム。
【０１１９】
（実施形態１０６）導波管は、２．３以上の屈折率を有する材料を含む、実施形態１０４−１０５のいずれかに記載のディスプレイシステム。
【０１２０】
（実施形態１０７）導波管は、ニオブ酸リチウムまたは炭化ケイ素を含む、実施形態１０４−１０６のいずれかに記載のディスプレイシステム。
【０１２１】
（実施形態１０８）導波管は、水平方向に約３０度を上回り、垂直方向に約２４．７度である視野を有する、実施形態１０４−１０７のいずれかに記載のディスプレイシステム。
【０１２２】
（実施形態１０９）導波管の視野は、水平方向に約４５．９度であり、垂直方向に約５６．１度である、実施形態１０８に記載のディスプレイシステム。
【０１２３】
（実施形態１１０）多重化された光ストリームは、第１の深度平面と関連付けられる画像情報を備える、実施形態１０４−１０９のいずれかに記載のディスプレイシステム。
【０１２４】
（実施形態１１１）導波管は、第１の深度平面と関連付けられ、導波管から放射される光は、第１の深度平面から生じるように見える画像を生成するように構成される、実施形態１１０に記載のディスプレイシステム。
【０１２５】
（実施形態１１２）画像投影デバイスはさらに、第２の深度平面と関連付けられる画像情報を備える、第２の多重化された光ストリームを出力するように構成され、第２の多重化された光ストリームは、第１の色、第２の色、および第３の色と関連付けられる複数の光ストリームを備える、実施形態１１０−１１１のいずれかに記載のディスプレイシステム。
【０１２６】
（実施形態１１３）第２の深度平面と関連付けられる、第２の導波管であって、１．７９を上回る屈折率を有する材料を含む、第２の導波管と、
画像投影デバイスから放射される第２の多重化された光ストリームを受け取り、複数の光ストリームが、複数の全内部反射によって第２の導波管を通して伝搬するように、第２の多重化された光ストリームを内部結合するように構成される、第２の内部結合光学要素と、
をさらに備える、実施形態１１２に記載のディスプレイシステム。
【０１２７】
（実施形態１１４）第２の導波管から放射される光は、第２の深度平面から生じるように見える画像を生成するように構成される、実施形態１１３に記載のディスプレイシステム。
【０１２８】
（実施形態１１５）第２の導波管は、頭部搭載型ディスプレイの接眼レンズ内に含まれる、実施形態１１４−１１５のいずれかに記載のディスプレイシステム。
【０１２９】
（実施形態１１６）導波管は、頭部搭載型ディスプレイの接眼レンズ内に含まれる、実施形態１０４−１１５のいずれかに記載のディスプレイシステム。
【０１３０】
（実施形態１１７）頭部搭載型ディスプレイは、アイウェアを備える、実施形態１１５−１１６のいずれかに記載のディスプレイシステム。
【０１３１】
（実施形態１１８）画像投入デバイスは、光変調デバイスを備える、実施形態１０４−１１７のいずれかに記載のディスプレイシステム。
【０１３２】
（実施形態１１９）ディスプレイシステムであって、
第１の色と関連付けられる画像コンテンツを備える、第１の光ストリームと、第２の色と関連付けられる画像コンテンツを備える、第２の光ストリームと、第３の色と関連付けられる画像コンテンツを備える、第３の光ストリームとを備える、多重化された光ストリームを放射するように構成される、画像投影デバイスと、
１．７９を上回る屈折率を有する材料を含む、導波管と、
画像投影デバイスから放射される多重化された光ストリームを受け取り、第１の光ストリーム、第２の光ストリーム、および第３の光ストリームが、複数の全内部反射によって導波管を通して伝搬するように、多重化された光ストリームを内部結合するように構成される、第１の複数の内部結合光学要素と、
を備える、ディスプレイシステム。
【０１３３】
（実施形態１２０）導波管は、２．２以上の屈折率を有する材料を含む、実施形態１１９に記載のディスプレイシステム。
【０１３４】
（実施形態１２１）導波管は、２．３以上の屈折率を有する材料を含む、実施形態１１９−１２０のいずれかに記載のディスプレイシステム。
【０１３５】
（実施形態１２２）導波管は、ニオブ酸リチウムまたは炭化ケイ素を含む、実施形態１１９−１２１のいずれかに記載のディスプレイシステム。
【０１３６】
（実施形態１２３）導波管は、水平方向に約３０度を上回り、垂直方向に約２４．７度である視野を有する、実施形態１１９−１２２のいずれかに記載のディスプレイシステム。
【０１３７】
（実施形態１２４）導波管の視野は、水平方向に約４５．９度であり、垂直方向に約５６．１度である、実施形態１２３に記載のディスプレイシステム。
【０１３８】
（実施形態１２５）第１の複数の内部結合光学要素は、
第１の光ストリームを内部結合するように構成される、第１の内部結合光学要素と、
第２の光ストリームを内部結合するように構成される、第２の内部結合光学要素と、
第３の光ストリームを内部結合するように構成される、第３の内部結合光学要素と、
を備える、実施形態１１９−１２４のいずれかに記載のディスプレイシステム。
【０１３９】
（実施形態１２６）多重化された光ストリームは、第１の深度平面と関連付けられる画像情報を備える、実施形態１１９−１２５のいずれかに記載のディスプレイシステム。
【０１４０】
（実施形態１２７）導波管は、第１の深度平面と関連付けられ、導波管から放射される光は、第１の深度平面から生じるように見える画像を生成するように構成される、実施形態１２６に記載のディスプレイシステム。
【０１４１】
（実施形態１２８）画像投影デバイスはさらに、第２の深度平面と関連付けられる画像情報を備える、第２の多重化された光ストリームを出力するように構成され、第２の多重化された光ストリームは、第１の色、第２の色、および第３の色と関連付けられる複数の光ストリームを備える、実施形態１２５−１２７のいずれかに記載のディスプレイシステム。
【０１４２】
（実施形態１２９）
第２の深度平面と関連付けられる、第２の導波管であって、１．７９を上回る屈折率を有する材料を含む、第２の導波管と、
画像投影デバイスから放射される第２の多重化された光ストリームを受け取り、複数の光ストリームが、複数の全内部反射によって第２の導波管を通して伝搬するように、第２の多重化された光ストリームを内部結合するように構成される、第２の複数の内部結合光学要素と、
をさらに備える、実施形態１２８に記載のディスプレイシステム。
【０１４３】
（実施形態１３０）第２の導波管から放射される光は、第２の深度平面から生じるように見える画像を生成するように構成される、実施形態１２９に記載のディスプレイシステム。
【０１４４】
（実施形態１３１）第２の導波管は、頭部搭載型ディスプレイの接眼レンズ内に含まれる、実施形態１２９−１３０のいずれかに記載のディスプレイシステム。
【０１４５】
（実施形態１３２）導波管は、頭部搭載型ディスプレイの接眼レンズ内に含まれる、実施形態１１９−１３１のいずれかに記載のディスプレイシステム。
【０１４６】
（実施形態１３３）頭部搭載型ディスプレイは、アイウェアを備える、実施形態１３１−１３２のいずれかに記載のディスプレイシステム。
【０１４７】
（実施形態１３４）画像投入デバイスは、光変調デバイスを備える、実施形態１１９−１３３のいずれかに記載のディスプレイシステム。
【０１４８】
（実施形態１３５）ディスプレイシステムであって、
第１の色と関連付けられる画像コンテンツを備える、第１の光ストリームと、第２の色と関連付けられる画像コンテンツを備える、第２の光ストリームと、第３の色と関連付けられる画像コンテンツを備える、第３の光ストリームとを備える、多重化された光ストリームを放射するように構成される、画像投影デバイスと、
１．７９を上回る屈折率を有する材料を含む、第１の導波管と、
１．７９を上回る屈折率を有する材料を含む、第２の導波管と、
画像投影デバイスから放射される多重化された光ストリームを受け取り、第１の光ストリームおよび第２の光ストリームが、複数の全内部反射によって第１の導波管を通して伝搬するように、第１の光ストリームおよび第２の光ストリームを第１の導波管の中に内部結合するように構成される、第１の内部結合光学要素と、
画像投影デバイスから放射される多重化された光ストリームを受け取り、第３の光ストリームが、複数の全内部反射によって第２の導波管を通して伝搬するように、第３の光ストリームを第２の導波管の中に内部結合するように構成される、第２の内部結合光学要素と、
を備える、ディスプレイシステム。
【０１４９】
（実施形態１３６）第２の内部結合光学要素はさらに、第１の光ストリームまたは第２の光ストリームが、複数の全内部反射によって第１の導波管を通して伝搬するように、第１の光ストリームまたは第２の光ストリームを第２の導波管の中に内部結合するように構成される、実施形態１３５に記載のディスプレイシステム。
【０１５０】
（実施形態１３７）第１の導波管および第２の導波管のうちの少なくとも１つは、２．２以上の屈折率を有する材料を含む、実施形態１３５−１３６のいずれかに記載のディスプレイシステム。
【０１５１】
（実施形態１３８）第１の導波管および第２の導波管のうちの少なくとも１つは、２．３以上の屈折率を有する材料を含む、実施形態１３５−１３７のいずれかに記載のディスプレイシステム。
【０１５２】
（実施形態１３９）第１の導波管および第２の導波管のうちの少なくとも１つは、ニオブ酸リチウムまたは炭化ケイ素を含む、実施形態１３５−１３７のいずれかに記載のディスプレイシステム。
【０１５３】
（実施形態１４０）第１の導波管および第２の導波管のうちの少なくとも１つは、水平方向に約３０度を上回り、垂直方向に約２４．７度である視野を有する、実施形態１３５−１３９のいずれかに記載のディスプレイシステム。
【０１５４】
（実施形態１４１）第１の導波管および第２の導波管のうちの少なくとも１つの視野は、水平方向に約４５．９度であり、垂直方向に約５６．１度である、実施形態１４０に記載のディスプレイシステム。
【０１５５】
（実施形態１４２）多重化された光ストリームは、第１の深度平面と関連付けられる画像情報を備える、実施形態１３５−１４１のいずれかに記載のディスプレイシステム。
【０１５６】
（実施形態１４３）第１の導波管および第２の導波管は、第１の深度平面と関連付けられ、第１の導波管および第２の導波管から放射される光は、第１の深度平面から生じるように見える画像を生成するように構成される、実施形態１４２に記載のディスプレイシステム。
【０１５７】
（実施形態１４４）画像投影デバイスはさらに、第２の深度平面と関連付けられる画像情報を備える、第２の多重化された光ストリームを出力するように構成され、第２の多重化された光ストリームは、第１の色、第２の色、および第３の色と関連付けられる複数の光ストリームを備える、実施形態１３５−１４３のいずれかに記載のディスプレイシステム。
【０１５８】
（実施形態１４５）第２の深度平面と関連付けられる、２つの導波管であって、１．７９を上回る屈折率を伴う材料を含む、２つの導波管と、
画像投影デバイスから放射される第２の多重化された光ストリームを受け取り、第１の色および第２の色と関連付けられる光ストリームが、複数の全内部反射によって２つの導波管のうちの第１のものを通して伝搬するように、第１の色および第２の色と関連付けられる光ストリームを２つの導波管のうちの第１のものの中に内部結合するように構成される、第３の内部結合光学要素と、
画像投影デバイスから放射される多重化された光ストリームを受け取り、第３の色と関連付けられる光ストリームが、複数の全内部反射によって２つの導波管のうちの第２のものを通して伝搬するように、第３の色と関連付けられる光ストリームを２つの導波管のうちの第２のものの中に内部結合するように構成される、第４の内部結合光学要素と、
をさらに備える、実施形態１４４に記載のディスプレイシステム。
【０１５９】
（実施形態１４６）第４の内部結合光学要素はさらに、第１の色または第２の色と関連付けられる光ストリームが、複数の全内部反射によって２つの導波管のうちの第２のものを通して伝搬するように、第１の色または第２の色と関連付けられる光ストリームを２つの導波管のうちの第２のものの中に内部結合するように構成される、実施形態１４５に記載のディスプレイシステム。
【０１６０】
（実施形態１４７）２つの導波管から放射される光は、第２の深度平面から生じるように見える画像を生成するように構成される、実施形態１４５−１４６のいずれかに記載のディスプレイシステム。
【０１６１】
（実施形態１４８）第２の深度平面と関連付けられる２つの導波管は、頭部搭載型ディスプレイの接眼レンズ内に含まれる、実施形態１４５−１４７のいずれかに記載のディスプレイシステム。
【０１６２】
（実施形態１４９）第１の導波管および第２の導波管は、頭部搭載型ディスプレイの接眼レンズ内に含まれる、実施形態１３５−１４８のいずれかに記載のディスプレイシステム。
【０１６３】
（実施形態１５０）頭部搭載型ディスプレイは、アイウェアを備える、実施形態１４８−１４９のいずれかに記載のディスプレイシステム。
【０１６４】
（実施形態１５１）画像投入デバイスは、光変調デバイスを備える、実施形態１３５−１５０のいずれかに記載のディスプレイシステム。
【０１６５】
（実施形態１５２）ディスプレイシステムであって、
第１の色と関連付けられる画像コンテンツを備える、第１の光ストリームと、第２の色と関連付けられる画像コンテンツを備える、第２の光ストリームと、第３の色と関連付けられる画像コンテンツを備える、第３の光ストリームとを備える、多重化された光ストリームを放射するように構成される、画像投影デバイスと、
１．７９を上回る屈折率を有する材料を含む、第１の導波管と、
１．７９を上回る屈折率を有する材料を含む、第２の導波管と、
画像投影デバイスから放射される多重化された光ストリームを受け取り、第１の光ストリームが、複数の全内部反射によって第１の導波管を通して伝搬するように、第１の光ストリームを第１の導波管の中に内部結合するように構成される、第１の内部結合光学要素と、
画像投影デバイスから放射される多重化された光ストリームを受け取り、第２の光ストリームが、複数の全内部反射によって第１の導波管を通して伝搬するように、第２の光ストリームを第１の導波管の中に内部結合するように構成される、第２の内部結合光学要素と、
画像投影デバイスから放射される多重化された光ストリームを受け取り、第３の光ストリームが、複数の全内部反射によって第２の導波管を通して伝搬するように、第３の光ストリームを第２の導波管の中に内部結合するように構成される、第３の内部結合光学要素と、
を備える、ディスプレイシステム。
【０１６６】
（実施形態１５３）第３の内部結合光学要素はさらに、第１の光ストリームまたは第２の光ストリームが、複数の全内部反射によって第１の導波管を通して伝搬するように、第１の光ストリームまたは第２の光ストリームを第２の導波管の中に内部結合するように構成される、実施形態１５２に記載のディスプレイシステム。
【０１６７】
（実施形態１５４）第１の光ストリームまたは第２の光ストリームが、複数の全内部反射によって第１の導波管を通して伝搬するように、第１の光ストリームまたは第２の光ストリームを第２の導波管の中に内部結合するように構成される、第４の内部結合光学要素をさらに備える、実施形態１５２に記載のディスプレイシステム。
【０１６８】
（実施形態１５５）第１の導波管および第２の導波管のうちの少なくとも１つは、２．２以上の屈折率を有する材料を含む、実施形態１５２−１５４のいずれかに記載のディスプレイシステム。
【０１６９】
（実施形態１５６）第１の導波管および第２の導波管のうちの少なくとも１つは、２．３以上の屈折率を有する材料を含む、実施形態１５２−１５５のいずれかに記載のディスプレイシステム。
【０１７０】
（実施形態１５７）第１の導波管および第２の導波管のうちの少なくとも１つは、ニオブ酸リチウムまたは炭化ケイ素を含む、実施形態１５２−１５６のいずれかに記載のディスプレイシステム。
【０１７１】
（実施形態１５８）第１の導波管および第２の導波管のうちの少なくとも１つは、水平方向に約３０度を上回り、垂直方向に約２４．７度である視野を有する、実施形態１５２−１５７のいずれかに記載のディスプレイシステム。
【０１７２】
（実施形態１５９）第１の導波管および第２の導波管のうちの少なくとも１つの視野は、水平方向に約４５．９度であり、垂直方向に約５６．１度である、実施形態１５８に記載のディスプレイシステム。
【０１７３】
（実施形態１６０）多重化された光ストリームは、第１の深度平面と関連付けられる画像情報を備える、実施形態１５２−１５９のいずれかに記載のディスプレイシステム。
【０１７４】
（実施形態１６１）第１の導波管および第２の導波管は、第１の深度平面と関連付けられ、第１の導波管および第２の導波管から放射される光は、第１の深度平面から生じるように見える画像を生成するように構成される、実施形態１６０に記載のディスプレイシステム。
【０１７５】
（実施形態１６２）画像投影デバイスはさらに、第２の深度平面と関連付けられる画像情報を備える、第２の多重化された光ストリームを出力するように構成され、第２の多重化された光ストリームは、第１の色、第２の色、および第３の色と関連付けられる複数の光ストリームを備える、実施形態１５２−１６１のいずれかに記載のディスプレイシステム。
【０１７６】
（実施形態１６３）第２の深度平面と関連付けられる、２つの導波管であって、１．７９を上回る屈折率を伴う材料を含む、２つの導波管と、
画像投影デバイスから放射される第２の多重化された光ストリームを受け取り、第１の色および第２の色と関連付けられる光ストリームが、複数の全内部反射によって２つの導波管のうちの第１のものを通して伝搬するように、第１の色および第２の色と関連付けられる光ストリームを２つの導波管のうちの第１のものの中に内部結合するように構成される、第５の内部結合光学要素と、
画像投影デバイスから放射される多重化された光ストリームを受け取り、第３の色と関連付けられる光ストリームが、複数の全内部反射によって２つの導波管のうちの第２のものを通して伝搬するように、第３の色と関連付けられる光ストリームを２つの導波管のうちの第２のものの中に内部結合するように構成される、第６の内部結合光学要素と、
をさらに備える、実施形態１６２に記載のディスプレイシステム。
【０１７７】
（実施形態１６４）第６の内部結合光学要素はさらに、第１の色または第２の色と関連付けられる光ストリームが、複数の全内部反射によって２つの導波管のうちの第２のものを通して伝搬するように、第１の色または第２の色と関連付けられる光ストリームを２つの導波管のうちの第２のものの中に内部結合するように構成される、実施形態１６３に記載のディスプレイシステム。
【０１７８】
（実施形態１６５）２つの導波管から放射される光は、第２の深度平面から生じるように見える画像を生成するように構成される、実施形態１６３−１６５のいずれかに記載のディスプレイシステム。
【０１７９】
（実施形態１６６）第２の深度平面と関連付けられる２つの導波管は、頭部搭載型ディスプレイの接眼レンズ内に含まれる、実施形態１６３−１６５のいずれかに記載のディスプレイシステム。
【０１８０】
（実施形態１６７）第１の導波管および第２の導波管は、頭部搭載型ディスプレイの接眼レンズ内に含まれる、実施形態１５２−１６６のいずれかに記載のディスプレイシステム。
【０１８１】
（実施形態１６８）頭部搭載型ディスプレイは、アイウェアを備える、実施形態１６６−１６７のいずれかに記載のディスプレイシステム。
【０１８２】
（実施形態１６９）画像投入デバイスは、光変調デバイスを備える、実施形態１５２−１６８のいずれかに記載のディスプレイシステム。
【０１８３】
（実施形態１７０）回折光学要素を製造する方法であって、
可視光に対して透過性である、１．７９を上回る屈折率を有する材料を含む基板を提供することと、
基板の表面にわたってパターン化可能な層を配置することと、
パターン化可能な層をパターン化することであって、パターンは、複数の特徴を備える、ことと、
パターン化可能な層を通して基板の表面をエッチングし、基板の表面上に構造を加工することであって、構造は、可視光を回折するように構成される回折特徴を備える、ことと、
を含む、方法。
【０１８４】
（実施形態１７１）透明材料は、ＬｉＮｂＯ３または炭化ケイ素を含む、実施形態１７０に記載の方法。
【０１８５】
（実施形態１７２）基板の表面にわたってパターン化可能な層を配置することは、基板の表面にわたってパターン化可能な層をジェット堆積させることを含む、実施形態１７０に記載の方法。
【０１８６】
（実施形態１７３）基板の表面は、パターン化可能な層を配置することに先立って放電される、実施形態１７０に記載の方法。
【０１８７】
（実施形態１７４）パターン化可能な層は、レジストまたはポリマーを含む、実施形態１７０に記載の方法。
【０１８８】
（実施形態１７５）回折光学要素を製造する方法であって、
可視光に対して透過性である、１．７９を上回る屈折率を有する材料を含む基板を提供することと、
基板の表面にわたってパターン化可能な層を配置することと、
パターン化可能な層をパターン化することであって、パターンは、複数の特徴を備える、ことと、
を含み、パターン化されたパターン化可能な層の複数の特徴は、可視光を回折するように構成される、
方法。
【０１８９】
（実施形態１７６）透明材料は、ＬｉＮｂＯ３または炭化ケイ素を含む、実施形態１７５に記載の方法。
【０１９０】
（実施形態１７７）基板の表面にわたってパターン化可能な層を配置することは、基板の表面にわたってパターン化可能な層をジェット堆積させることを含む、実施形態１７５に記載の方法。
【０１９１】
（実施形態１７８）基板の表面は、パターン化可能な層を配置することに先立って放電される、実施形態１７５に記載の方法。
【０１９２】
（実施形態１７９）パターン化可能な層は、レジストまたはポリマーを含む、実施形態１７５に記載の方法。
【０１９３】
（実施形態１８０）該導波管材料は、炭化ケイ素を含む、実施形態１−２６のいずれかに記載のディスプレイシステム。
【０１９４】
（実施形態１８１）該透明材料は、炭化ケイ素を含む、実施形態２７−４０のいずれかに記載の方法。
【０１９５】
（実施形態１８２）該透明材料は、炭化ケイ素を含む、実施形態４１−４５のいずれかに記載の導波管。
【０１９６】
（実施形態１８３）頭部搭載型ディスプレイデバイスであって、
画像投影デバイスと、
１．７９を上回る屈折率を有する材料を含む、導波管を備える、接眼レンズであって、導波管は、第１の主要表面と、第１の主要表面と反対の第２の主要表面と、第１の主要表面と第２の主要表面との間の複数の縁とを備える、接眼レンズと、
を備え、導波管は、画像投影デバイスから光を受け取り、その中で誘導し、画像を頭部搭載型ディスプレイの装着者の眼の中に指向するように構成される、
頭部搭載型ディスプレイデバイス。
【０１９７】
（実施形態１８４）導波管材料は、２．２以上の屈折率を有する、実施形態１８３に記載の頭部搭載型ディスプレイデバイス。
【０１９８】
（実施形態１８５）導波管材料は、２．３以上の屈折率を有する、実施形態１８３−１８４のいずれかに記載の頭部搭載型ディスプレイデバイス。
【０１９９】
（実施形態１８６）材料は、ニオブ酸リチウムを含む、実施形態１８３−１８５のいずれかに記載の頭部搭載型ディスプレイデバイス。
【０２００】
（実施形態１８７）材料は、炭化ケイ素を含む、実施形態１８３−１８５のいずれかに記載の頭部搭載型ディスプレイデバイス。
【０２０１】
（実施形態１８８）導波管は、水平方向に約３０度を上回り、垂直方向に約２４度を上回る視野を有する、実施形態１８３−１８７のいずれかに記載の頭部搭載型ディスプレイデバイス。
【０２０２】
（実施形態１８９）導波管の視野は、水平方向に約４５度であり、垂直方向に約５６度である、実施形態１８８に記載の頭部搭載型ディスプレイデバイス。
【０２０３】
（実施形態１９０）第１の主要表面または第２の主要表面のうちの少なくとも１つの上に配置される、複数の回折特徴をさらに備える、実施形態１８３−１８９のいずれかに記載の頭部搭載型ディスプレイデバイス。
【０２０４】
（実施形態１９１）複数の回折特徴は、第１の主要表面または第２の主要表面のうちの少なくとも１つをエッチングすることによって、第１の主要表面または第２の主要表面のうちの少なくとも１つに形成される、実施形態１９０に記載の頭部搭載型ディスプレイデバイス。
【０２０５】
（実施形態１９２）複数の回折特徴のうちの少なくともいくつかは、内部結合された画像光が、第１および第２の主要表面における複数の全内部反射によって導波管を通して伝搬するように、入射画像光を内部結合するように構成される、実施形態１８３−１９１のいずれかに記載の頭部搭載型ディスプレイデバイス。
【０２０６】
（実施形態１９３）導波管と視認者との間に可変焦点レンズをさらに備え、可変焦点レンズは、導波管から視認者に向かって外部結合される、第１および第２の主要表面における複数の全内部反射によって導波管を通して伝搬する画像光の焦点面を変動させるように構成される、実施形態１８３−１９２のいずれかに記載の頭部搭載型ディスプレイデバイス。
【０２０７】
（実施形態１９４）可変焦点レンズは、負のレンズを備える、実施形態１９３に記載の頭部搭載型ディスプレイデバイス。
【０２０８】
（実施形態１９５）可変焦点レンズは、液体充填レンズを備える、実施形態１９３−１９４のいずれかに記載の頭部搭載型ディスプレイデバイス。
【０２０９】
（実施形態１９６）可変焦点レンズは、液晶を含む、実施形態１９３−１９５のいずれかに記載の頭部搭載型ディスプレイデバイス。
【０２１０】
（実施形態１９７）可変焦点レンズは、幾何学的位相レンズを備える、実施形態１９３、１９４、または１９６のいずれかに記載の頭部搭載型ディスプレイデバイス。
【０２１１】
（実施形態１９８）負のレンズが、導波管から視認者に向かって外部結合される、第１および第２の主要表面における複数の全内部反射によって導波管を通して伝搬する光を受け取るように、導波管と視認者との間に負のレンズをさらに備える、実施形態１８３−１９２のいずれかに記載の頭部搭載型ディスプレイデバイス。
【０２１２】
（実施形態１９９）負のレンズは、静的レンズを備える、実施形態１９８に記載の頭部搭載型ディスプレイデバイス。
【０２１３】
（実施形態２００）導波管および負のレンズは、スタックされた導波管アセンブリ内に含まれる、実施形態１９８または１９９に記載の頭部搭載型ディスプレイデバイス。
【０２１４】
（実施形態２０１）付加的な負のレンズと対合される付加的導波管をさらに備える、実施形態１９８−２００のいずれかに記載の頭部搭載型ディスプレイデバイス。
【０２１５】
（実施形態２０２）導波管と実世界との間に配置される正のレンズをさらに備える、実施形態１９８−２０１のいずれかに記載の頭部搭載型ディスプレイデバイス。
【０２１６】
（実施形態２０３）導波管とスタックされる偏光器をさらに備える、実施形態１８３−２０２のいずれかに記載の頭部搭載型ディスプレイデバイス。
【０２１７】
（実施形態２０４）複数の回折特徴のうちの少なくともいくつかは、第１および第２の主要表面における複数の全内部反射によって導波管を通して伝搬する画像光を視認者に向かって外部結合するように構成される、実施形態１８３−２０３のいずれかに記載の頭部搭載型ディスプレイデバイス。
【０２１８】
（実施形態２０５）画像光を提供するように構成される、結像システムをさらに備える、実施形態１８３−２０４のいずれかに記載の頭部搭載型ディスプレイデバイス。
【０２１９】
（実施形態２０６）結像システムは、導波管を視認する視認者の視野外にある、実施形態２０５に記載の頭部搭載型ディスプレイデバイス。
【０２２０】
（実施形態２０７）結像システムは、
照明システムと、
照明システムから変調されていない光を受け取るように構成される、変調要素と、
変調要素によって出力される画像光を透過させるように構成される、投影光学系システムと、
を備える、実施形態２０５−２０６のいずれかに記載の頭部搭載型ディスプレイデバイス。
【０２２１】
（実施形態２０８）変調要素は、反射型である、実施形態２０７に記載の頭部搭載型ディスプレイデバイス。
【０２２２】
（実施形態２０９）照明システムからの変調されていない画像光は、投影光学系システムを通して反射型変調要素に向かって透過され、変調要素から反射され、投影光学系を通して導波管の中に戻るように透過される、実施形態２０８に記載の頭部搭載型ディスプレイデバイス。
【０２２３】
（実施形態２１０）照明システムは、
可視光を出力するように構成される、光源と、
光源から出力される可視光を受け取るように構成される、光パイプと、
光再指向要素と、
を備え、
光パイプは、複数の全内部反射によって光源から光再指向要素に向かって出力される光を伝達するように構成され、
光再指向要素は、変調要素に向かって光パイプ内で伝搬する光を再指向するように構成される、
実施形態２０７−２０９のいずれかに記載の頭部搭載型ディスプレイデバイス。
【０２２４】
（実施形態２１１）光源は、複数の色で光を放射するように構成される、複数の発光要素を備える、実施形態２１０に記載の頭部搭載型ディスプレイデバイス。
【０２２５】
（実施形態２１２）複数の発光要素は、発光ダイオードまたはレーザを備える、実施形態２１１に記載の頭部搭載型ディスプレイデバイス。
【０２２６】
（実施形態２１３）複数の発光要素によって放射される光を組み合わせるように構成される、光学要素をさらに備える、実施形態２１１−２１２のいずれかに記載の頭部搭載型ディスプレイデバイス。
【０２２７】
（実施形態２１４）光学要素は、ダイクロイックビームコンバイナである、実施形態２１３に記載の頭部搭載型ディスプレイデバイス。
【０２２８】
（実施形態２１５）光再指向要素は、導波管を通して変調要素に向かって光パイプ内で伝搬する光を再指向するように構成される、実施形態２１０−２１４のいずれかに記載の頭部搭載型ディスプレイデバイス。
【０２２９】
（実施形態２１６）導波管はさらに、光再指向要素によって再指向される光の分布を調整するように構成される、光調整光学系を備える、実施形態２１０−２１５のいずれかに記載の頭部搭載型ディスプレイデバイス。
【０２３０】
（実施形態２１７）導波管内また上に回折格子をさらに備える、実施形態１８３−２１６のいずれかに記載の頭部搭載型ディスプレイデバイス。
【図面の簡単な説明】
【０２３１】
【図１】図１は、いくつかの実施形態による、ＡＲデバイスを通した拡張現実（ＡＲ）のユーザのビューを図示する。
【０２３２】
【図２】図２は、いくつかの実施形態による、ウェアラブルディスプレイシステムの実施例を図示する。
【０２３３】
【図３】図３は、いくつかの実施形態による、ユーザのための３次元画像をシミュレートするためのディスプレイシステムを図示する。
【０２３４】
【図４】図４は、いくつかの実施形態による、複数の深度平面を使用して３次元画像をシミュレートするためのアプローチの側面を図示する。
【０２３５】
【図５】図５Ａ−５Ｃは、いくつかの実施形態による、曲率半径と焦点半径との間の関係を図示する。
【０２３６】
【図６】図６は、いくつかの実施形態による、画像情報をユーザに出力するための導波管スタックの実施例を図示する。
【０２３７】
【図７】図７は、いくつかの実施形態による、導波管によって出力された出射ビームの実施例を図示する。
【０２３８】
【図８】図８は、いくつかの実施形態による、各深度平面が、複数の異なる原色を使用して形成される画像を含む、スタックされた導波管アセンブリの実施例を図示する。
【０２３９】
【図９Ａ】図９Ａは、いくつかの実施形態による、それぞれ、内部結合光学要素を含む、スタックされた導波管のセットの実施例の断面側面図を図示する。
【０２４０】
【図９Ｂ】図９Ｂは、いくつかの実施形態による、図９Ａのスタックされた導波管のセットの実施例の斜視図を図示する。
【０２４１】
【図９Ｃ】図９Ｃは、いくつかの実施形態による、図９Ａおよび９Ｂのスタックされた導波管の実施例のセットの上下平面図を図示する。
【０２４２】
【図１０】図１０は、結像システムと、高屈折率材料を含む導波管と、複数の可変焦点要素とを備え、例えば、複数の深度平面または深度から生じる場合のような画像を提供するように構成される、液体充填レンズを備える、ディスプレイシステムの実施例を図示する。
【０２４３】
【図１１】図１１は、結像システムと、高屈折率材料を含む導波管と、複数の可変焦点要素とを備え、例えば、複数の深度平面または深度から生じる場合のような画像を提供するように構成される、幾何学的位相（ＧＰ）レンズを備える、ディスプレイシステムの実施例を図示する。
【０２４４】
【図１２】図１２は、結像システムと、高屈折率材料を含む２つの導波管であって、少なくとも１つの焦点面または深度を提供するように構成される、導波管アセンブリ内に含まれる２つの導波管とを備える、ディスプレイシステムの実施例を図示する。
【０２４５】
【図１３】図１３は、画像情報を含む、変調された光が、変調要素から反射され、投影光学系システムを通して導波管スタックに向かって戻るように透過されるように、変調されていない照明が、投影光学系システムを通して反射型変調要素に向かって結像システムの中に入力される、結像システムを図示する。
【０２４６】
【図１４Ａ−Ｃ】図１４Ａは、それぞれ３つの導波管を備える、２つの深度平面のために第１および第２の導波管群を構成するための制約された作動距離を有する、ディスプレイシステムを図示する。図１４Ｂは、加えて、第１および第２の導波管群とともに含まれるレンズを含む、図１４Ａに示されるような類似ディスプレイシステムを図示する。図１４Ｃは、いくつかの実施形態による、導波管を構成するための改良された作動距離を有する、ディスプレイシステムを図示する。
【０２４７】
【図１４Ｄ−１】図１４Ｄ−１、１４Ｄ−２、１４Ｄ−３、１４Ｅ−１、１４Ｅ−２、および１４Ｅ−３は、いくつかの実施形態による、ディスプレイシステムの作動距離を構成するための種々の設計考慮点を図示する。
【図１４Ｄ−２】図１４Ｄ−１、１４Ｄ−２、１４Ｄ−３、１４Ｅ−１、１４Ｅ−２、および１４Ｅ−３は、いくつかの実施形態による、ディスプレイシステムの作動距離を構成するための種々の設計考慮点を図示する。
【図１４Ｄ−３】図１４Ｄ−１、１４Ｄ−２、１４Ｄ−３、１４Ｅ−１、１４Ｅ−２、および１４Ｅ−３は、いくつかの実施形態による、ディスプレイシステムの作動距離を構成するための種々の設計考慮点を図示する。
【図１４Ｅ】図１４Ｄ−１、１４Ｄ−２、１４Ｄ−３、１４Ｅ−１、１４Ｅ−２、および１４Ｅ−３は、いくつかの実施形態による、ディスプレイシステムの作動距離を構成するための種々の設計考慮点を図示する。
【０２４８】
【図１５】図１５は、結像システムと、高屈折率材料を含む、３つの導波管であって、３つの焦点面または深度を提供するように構成される、３つの導波管とを備える、ディスプレイシステムの実施例を図示する。
【０２４９】
【図１６】図１６は、照明パイプ１６３０を備える、ディスプレイシステムの実施形態を図示する。
【０２５０】
【図１７】図１７Ａおよび１７Ｂは、個々の着色照明を結像システムの実施形態に提供するように構成される、個々の照明パイプを含む、側面図および上面図を示す。
【０２５１】
【図１８】図１８Ａおよび１８Ｂは、高屈折率材料を含む基板（例えば、導波管）の表面上に回折格子を加工する２つの異なる方法のフローチャートを図示する。
【０２５２】
図面は、例示的実施形態を図示するために提供され、本開示の範囲を限定することを意図するものではない。同様の参照番号は、全体を通して同様の部分を指す。
【発明を実施するための形態】
【０２５３】
ＶＲおよびＡＲ体験は、複数の深度平面に対応する画像が視認者に提供される、ディスプレイを有する、ディスプレイシステムによって、提供され得る。画像は、プロジェクタから射出瞳によって中継され得、特定のディスプレイ光学系（導波管等）と関連付けられる射出瞳は、特定の深度平面から画像を表示するように構成される。ディスプレイシステムは、それによって、眼の遠近調節に基づいて深度キューをユーザに提供することに役立つ、または同様に、画像または仮想コンテンツの深度に基づいて遠近調節キューを提供する。眼の遠近調節は、場面内の異なる深度平面上に位置する異なるコンテンツを合焦させ得る。本明細書に議論されるように、そのような深度キューは、視認者による深度の信頼できる知覚を提供することを補助する。
【０２５４】
いくつかの構成では、フルカラー画像が、特定の成分色をそれぞれ有する、成分画像をオーバーレイすることによって、種々の深度平面に関して形成され得る。例えば、赤色、緑色、および青色画像がそれぞれ、各フルカラー画像を形成するように出力されてもよい。結果として、各深度平面は、それと関連付けられる複数の成分色画像を有してもよい。本明細書に開示されるように、成分色画像は、画像情報を含有する光を内部結合し、導波管を横断して内部結合された光を分散させ、次いで、視認者に向かって光を外部結合する、導波管を使用して、出力されてもよい。光は、回折要素（例えば、回折格子）等の内部結合光学要素を使用して、導波管の中に内部結合され、次いで、格子等の回折要素でもあり得る、外部結合光学要素を使用して、導波管から外に外部結合されてもよい。
【０２５５】
多くの場合、例えば、複合現実または拡張現実（ＡＲ）接眼ディスプレイ等のＶＲおよびＡＲ体験を提供するディスプレイシステムは、軽量で低コストであり、小さい形状因子を有し、広い仮想画像視野を有し、少なくとも光の可視波長に対して可能な限り透過性であることが望ましい。加えて、種々の実装では、輻輳・開散運動（ｖｅｒｇｅｎｃｅ）−遠近調節（ａｃｃｏｍｍｏｄａｔｉｏｎ）不一致に関する許容差を超えることなく、多種多様な用途のために実用的であるために、複数の（例えば、２つ以上の）焦点面内で仮想画像情報を提示する構成を有することが望ましい。複数の焦点面はまた、本明細書では複数の深度平面または深度（例えば、画像コンテンツが生じるように見える）と称されることもできる。これらの目標のサブセットを達成するためのいくつかのアーキテクチャが存在するが、それらの全てに包括的に対処するものは比較的に少ない。上記に識別される目的の多くを達成するために、例えば、所与の視野に関する所望の数のピクセルを含む、マイクロディスプレイ（例えば、プロジェクタ）等の小型またはさらに可能な限り小型の結像システムを組み込む、アーキテクチャを追求することが望ましくあり得る。また、所望の数の焦点（または深度）面または深度を伝達するために必要とされる、少数、削減された数、または最も少ない数の接眼レンズを使用することも望ましくあり得る。加えて、それらの意図された位置において設計された焦点または深度平面を結像することに関与する効率的、透明、および／または低コストの焦点要素、および軽量および高光学的品質を伴って望ましい視野および小さい形状因子を達成するためのコンパクトな接眼レンズ設計が、所望され得る。
【０２５６】
複合現実ライトフィールドを生成するために使用され得る、視認光学要素の多数の組み合わせの１つのアーキテクチャクラスは、無限遠合焦接眼レンズの両側にあり、無限遠以外のある位置（例えば、深度）にある仮想画像と併せて倍率がない実世界ビューを視認者に提示する役割を果たす、静的光学要素を組み込む。これは、両方のレンズが等しい屈折力を有する、正／負のレンズの組み合わせの使用を通して遂行されることができる。
【０２５７】
コンパクトな接眼レンズソリューションの１つの群は、結像システムからの入射瞳を再指向および複製し、広い瞳を用いて広い視野を生成し、快適で柔軟なマルチＩＰＤ（瞳孔間距離）視認および眼球運動を促進する、漏出性格子（射出瞳エクスパンダ（「ＥＰＥ」）／直交瞳エクスパンダ（「ＯＰＥ」）構成等）をホストする光ガイドを組み込む。本用途では、用語「光ガイド」および「導波管」は、同義的に使用されることができる。種々の実施形態では、光ガイドは、ナノ構造またはマイクロ構造格子を備えることができる。いくつかの実施形態では、接眼レンズは、光ガイドの両側（例えば、主要表面、前部および後部等）にＥＰＥ／ＯＰＥの組み合わせを形成する、格子または回折光学要素を備え、いくつかの実施形態では、格子または回折光学要素は、光ガイドの単一の表面上に形成される複合瞳エクスパンダ（光の拡散および外部結合の両方を行うもの）を備える。
【０２５８】
例えば、マイクロディスプレイ等の画像を生成するためのコンパクトな結像システムは、空間光変調器と、空間光変調器によって形成される画像を投影するための光学システム（例えば、投影光学系）と、画像を生成するための空間光変調器を照明するための照明モジュールとを備えてもよい。マルチコアまたは単一コア光ファイバ等の他のマイクロディスプレイ技術、またはマイクロＬＥＤディスプレイもまた、光源または画像源として使用されてもよい。照明モジュールは、コンパクトであり、低減された、または最小限の加熱を、マイクロディスプレイの光学要素に伝達することが望ましくあり得る。
【０２５９】
光学システム（例えば、投影光学系）は、マイクロディスプレイの射出瞳を生成するように構成されてもよい。いずれの一般性も失うことなく、射出瞳は、それを通して光が光学システムから出射する、光学システムの瞳に対応し得る。マイクロディスプレイの射出瞳から放射される光は、接眼レンズの光ガイド上の内部結合要素（例えば、格子）に交差させられることができる、またはその近位にあり得る。結像システムから放射される異なる色の画像光のための別個のサブ瞳を生成するように構成され得る、いくつかのマイクロディスプレイソリューションが、説明および実証されている。例えば、結像システムの一実施形態は、第１の深度または焦点面のための赤色、緑色、および青色画像成分に対応する光を出力するための３つの別個の出力サブ瞳の第１のセットと、第２の深度または焦点面のための赤色、緑色、および青色画像成分に対応する光を出力するための３つの別個の出力サブ瞳の第２のセットとを有する。いくつかの実装では、３つの入力サブ瞳が、１つ以上の光源から赤色、緑色、および青色光を受け取るように、深度平面毎に接眼レンズ内に含まれてもよい。しかしながら、そのようなシステムは、嵩張り得、小さいアーキテクチャ形状因子および低減された体積／重量の目的を達成するために実用的ではない場合がある。
【０２６０】
接眼レンズ内の導波管は、システム視野のために望ましい画角の範囲をホストするために好適な具体的屈折率を伴う光ガイド材料を含んでもよい。例えば、単一の接眼レンズ層が、相互の上に重畳される３つ全ての色を表示するために所望される格子ベクトルおよび画角の全てをホストすることができないことに起因して、赤色、緑色、および青色画像成分毎に採用される、別個の接眼レンズ層を有することが好ましくあり得る。しかしながら、頭部搭載型ＶＲおよび／またはＡＲデバイスの接眼レンズの導波管スタックの生産のコストは、導波管スタック内の導波管の数が増加するにつれて増加し得る。頭部搭載型ＶＲおよび／またはＡＲデバイスの接眼レンズの導波管スタックの生産のコストはまた、導波管スタックの掌性（例えば、「左」または「右」）に依存し得る。例えば、右眼および左眼の正面に位置付けられるように構成される、異なる導波管スタックを製造するための生産コストは、左眼の正面に位置付けられ得る単一の導波管スタックおよび右眼の正面に位置付けられ得る単一の導波管スタックよりも高くあり得る。上記に議論されるように、頭部搭載型ＶＲおよび／またはＡＲデバイスの接眼レンズの導波管スタックの種々の実装は、６つの別個の設計と、６つの別個の導波管とを備えることができる。そのような導波管スタックを製造し、組み立てるコストは、製造および組立プロセス中に導波管スタックの種々の導波管の品質を監視するコストの増加に起因して、さらに増加され得る。そのような導波管スタックを製造し、組み立てるコストはさらに、導波管スタックの単一の導波管の品質が基準を満たさない場合に、多数の導波管を備える導波管スタックが拒否され得る、より高い可能性に起因して、増加され得る。さらに、各色彩成分が、ｘ、ｙ、およびｚにおいて他のものと一致する、その画像を生成するために所望されるため、低減された光学的品質の可能性の増加が存在する。加えて、６つの導波管を備える、導波管スタックの全厚さの変動は、色彩成分のそれぞれのピクセルの位置を独立して変化させ、潜在的に、ある色彩成分を焦点ずれさせ得る。計算上広範な較正／画像ワーピングが、厚さの変動の結果としての色成分の変動を補正するように実装され得る。これらの理由により、３つ等の複数の異なる着色画像成分（例えば、赤色、緑色、および青色画像成分）の伝搬を支援し得る、例えば、１つまたは２つの導波管等のより少ない導波管を伴う導波管スタックを有することが、望ましくあり得る。
【０２６１】
電力消費量が優先事項である、ウェアラブルコンピューティングシステムを用いると、仮想画像光の増加した、または最大光学スループットが、望ましくあり得る。加えて、また、例えば、他者とのアイコンタクトを促進するために、ウェアラブルコンピューティングシステムの装着者への外部環境の可視性を増加させる、または最大限にするシステムを生産することも、望ましくあり得る。また、ウェアラブルコンピューティングシステムの装着者、または複合または拡張現実システムのオペレータが、危険を回避し、日常の快適性および機能を促進するために、低減された、または可能な限り少ない減衰を伴って、実世界を知覚することが可能であることも、望ましくあり得る。いずれの特定の理論に依拠するわけではないが、外部環境（例えば、実世界）からの光の透過性は、装着者の眼と実世界との間の光学インターフェースの数が増加するにつれて、減少される、および／または侵害され得る。本付加的理由により、装着者の眼と実世界との間に位置付けられる、接眼レンズの導波管スタック内で、外部環境からの光を散乱させる、および／または吸収し得る、導波管および／または他の光学要素内の導波管層の数を低減させる、または最小限にすることが、望ましくあり得る。
【０２６２】
加えて、一般に、より高い屈折率は、より大きい視野を提供する。故に、本明細書に説明されるいくつかの設計では、基板は、約１．７９またはより高い屈折率を有し得る。１つのそのような材料は、可視波長内で約２．３の屈折率を伴う、薄いウエハ形態で利用可能な結晶性材料である、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ３）である。本願で検討される別の高屈折率材料は、炭化ケイ素（ＳｉＣ）である。ＳｉＣは、可視光を少なくとも部分的に透過させる、高屈折率材料である。故に、ＳｉＣを含む１つ以上の導波管が、ディスプレイデバイスに統合される（例えば、頭部搭載型ディスプレイデバイスの接眼レンズに組み込まれる）ことができる。高屈折率に起因して、全内部反射を介してＳｉＣを含む導波管を通して伝搬する、２つ以上の異なる色の光が、広い視野を伴う視聴者に向かって放射されることができる。ＳｉＣを含む導波管は、落下される、または別様に取り扱いを誤りやすい、アイウェアにとって有益であり得る、高い硬度係数（例えば、約９〜１０Ｍｏｈｓ）に起因して、傷抵抗性である、および／またはより壊れにくいという付加的利点を有することができる。
【０２６３】
本明細書に説明される種々の実装は、したがって、単一の導波管内で、または少なくとも１つの導波管が２つの色成分の誘導された伝搬を支援する、２つの導波管内で、複数の異なる着色画像成分（例えば、赤色、緑色、および青色画像成分）の誘導された伝搬を支援し得る、高屈折率材料（例えば、ガラスの屈折率を上回る屈折率を伴う材料および／または約１．７９以上の屈折率を伴う材料）を伴う材料を含む、導波管を備える、接眼レンズを含む。例えば、画像情報を備える、２つ以上の異なる着色光ストリーム（例えば、画像情報を備える、赤色、緑色、および青色着色画像ストリーム）が、その導波管内で全内部反射を介して伝搬するように、約１．７９および／または２．２を上回る屈折率を伴う材料（例えば、ニオブ酸リチウム）を含む、１つの導波管の中に内部結合されることができる。加えて、高屈折率材料（例えば、ガラスの屈折率を上回る屈折率を伴う材料および／または約１．７９以上の屈折率を伴う材料）を伴う１つ以上の導波管を備える、ディスプレイデバイスの視野は、１つ以上のガラス導波管、または約１．７９未満の屈折率を有する材料を含む、１つ以上の導波管を備える、ディスプレイデバイスの視野を上回り得る。
【０２６４】
故に、本明細書に説明されるディスプレイデバイスの種々の実装は、結像システム（例えば、マイクロディスプレイおよび／またはプロジェクタ）から放射される赤色、緑色、および青色画像光を効率的に内部結合し、増加した視野を伴う視認者に向かって赤色、緑色、および青色画像を投影し得る、高屈折率材料（例えば、ガラスの屈折率を上回る屈折率を伴う材料および／または約１．７９以上の屈折率を伴う材料）を伴う材料を含む、１つ以上の導波管を備える。例えば、本願に説明されるディスプレイデバイスのいくつかの実装では、高屈折率材料（例えば、ガラスの屈折率を上回る屈折率を伴う材料および／または約１．７９以上の屈折率を伴う材料）を伴う材料を含む、単一の導波管は、結像システム（例えば、マイクロディスプレイおよび／またはプロジェクタ）から放射される、２つの色、例えば、赤色および緑色、または緑色および青色、または赤色および青色画像光または画像成分を効率的に内部結合し、増加した視野を伴う視認者に向かってこれらの画像（例えば、赤色および緑色、または緑色および青色、または赤色および青色画像）を投影することができる。本願に説明されるディスプレイデバイスのいくつかの実装では、高屈折率材料（例えば、ガラスの屈折率を上回る屈折率を伴う材料および／または約１．７９以上の屈折率を伴う材料）を伴う材料を含む、単一の導波管は、結像システム（例えば、マイクロディスプレイおよび／またはプロジェクタ）から放射される、３つの色、例えば、赤色、緑色、および青色画像光または画像成分を効率的に内部結合し、増加した視野を伴う視認者に向かってこれらの画像（例えば、赤色、緑色、および青色画像）を投影することができる。
【０２６５】
ここで、図面を参照するが、同様の参照番号は、全体を通して同様の部分を指す。
【０２６６】
図２は、ウェアラブルディスプレイシステム６０の実施例を図示する。ディスプレイシステム６０は、ディスプレイ７０と、そのディスプレイ７０の機能をサポートするための種々の機械的および電子モジュールおよびシステムとを含む。ディスプレイ７０は、ディスプレイシステムユーザまたは視認者９０によって装着可能であり、ディスプレイ７０をユーザ９０の眼の正面に位置付けるように構成される、フレーム８０に結合されてもよい。ディスプレイ７０は、いくつかの実施形態では、アイウェアと見なされ得る。いくつかの実施形態では、スピーカ１００が、フレーム８０に結合され、ユーザ９０の外耳道に隣接して位置付けられるように構成される（いくつかの実施形態では、示されていない別のスピーカも、随意に、ユーザの他方の外耳道に隣接して位置付けられ、ステレオ／成形可能音制御を提供してもよい）。ディスプレイシステムはまた、１つ以上のマイクロホン１１０または他のデバイスを含み、音を検出してもよい。いくつかの実施形態では、マイクロホンは、ユーザが入力またはコマンド（例えば、音声メニューコマンドの選択、自然言語質問等）をシステム６０に提供することを可能にするように構成される、および／または他の人物と（例えば、類似ディスプレイシステムの他のユーザと）のオーディオ通信を可能にしてもよい。マイクロホンはさらに、周辺センサとして構成され、オーディオデータ（例えば、ユーザおよび／または環境からの音）を収集してもよい。いくつかの実施形態では、ディスプレイシステムはまた、フレーム８０と別個であって、ユーザ９０の身体（例えば、ユーザ９０の頭部、胴体、四肢等）上に取り付けられ得る、周辺センサ１２０ａを含んでもよい。周辺センサ１２０ａは、いくつかの実施形態では、ユーザ９０の生理学的状態を特性評価するデータを入手するように構成されてもよい。例えば、センサ１２０ａは、電極であってもよい。
【０２６７】
図２を継続して参照すると、ディスプレイ７０は、有線導線または無線コネクティビティによって等、通信リンク１３０によって、フレーム８０に固定して取り付けられる、ユーザによって装着されるヘルメットまたは帽子に固定して取り付けられる、ヘッドホン内に埋設される、または別様にユーザ９０に除去可能に取り付けられる（例えば、リュック式構成において、ベルト結合式構成において）等、種々の構成で搭載され得る、ローカルデータ処理モジュール１４０に動作可能に結合される。同様に、センサ１２０ａは、通信リンク１２０ｂ、例えば、有線導線または無線コネクティビティによって、ローカルデータ処理モジュール１４０に動作可能に結合されてもよい。ローカル処理およびデータモジュール１４０は、ハードウェアプロセッサ、および不揮発性メモリ（例えば、フラッシュメモリまたはハードディスクドライブ）等のデジタルメモリを備えてもよく、両方とも、データの処理、キャッシュ、および記憶を補助するために利用されてもよい。データは、ａ）画像捕捉デバイス（カメラ等）、マイクロホン、慣性測定ユニット、加速度計、コンパス、ＧＰＳユニット、無線デバイス、ジャイロスコープ、および／または本明細書に開示される他のセンサ等の（例えば、フレーム８０に動作可能に結合される、または別様にユーザ９０に取り付けられ得る）センサから捕捉されるデータ、および／またはｂ）可能性として処理または読出後にディスプレイ７０への通過のための遠隔処理モジュール１５０および／または遠隔データリポジトリ１６０（仮想コンテンツに関連するデータを含む）を使用して入手および／または処理される、データを含む。ローカル処理およびデータモジュール１４０は、これらの遠隔モジュール１５０、１６０が、相互に動作可能に結合され、ローカル処理およびデータモジュール１４０に対するリソースとして利用可能であるように、有線または無線通信リンクを介して等、通信リンク１７０、１８０によって、遠隔処理モジュール１５０および遠隔データリポジトリ１６０に動作可能に結合されてもよい。いくつかの実施形態では、ローカル処理およびデータモジュール１４０は、画像捕捉デバイス、マイクロホン、慣性測定ユニット、加速度計、コンパス、ＧＰＳユニット、無線デバイス、および／またはジャイロスコープのうちの１つ以上のものを含んでもよい。いくつかの他の実施形態では、これらのセンサのうちの１つ以上のものは、フレーム８０に取り付けられてもよい、または有線または無線通信経路によってローカル処理およびデータモジュール１４０と通信する独立構造であってもよい。
【０２６８】
図２を継続して参照すると、いくつかの実施形態では、遠隔処理モジュール１５０は、データおよび／または画像情報を分析および処理するように構成される、１つ以上のプロセッサを備えてもよい。いくつかの実施形態では、遠隔データリポジトリ１６０は、インターネットまたは「クラウド」リソース構成における他のネットワーキング構成を通して利用可能であり得る、デジタルデータ記憶設備を備えてもよい。いくつかの実施形態では、遠隔データリポジトリ１６０は、情報、例えば、拡張現実コンテンツを生成するための情報をローカル処理およびデータモジュール１４０および／または遠隔処理モジュール１５０に提供する、１つ以上の遠隔サーバを含んでもよい。いくつかの実施形態では、全てのデータが、記憶され、全ての計算が、ローカル処理およびデータモジュール内で実施され、遠隔モジュールからの完全に自律的な使用を可能にする。
【０２６９】
ここで図３を参照すると、「３次元」または「３−Ｄ」としての画像の知覚は、視認者の各眼への画像の若干異なる提示を提供することによって達成され得る。図３は、ユーザのための３次元画像をシミュレートするための従来のディスプレイシステムを図示する。眼２１０、２２０毎に１つずつ、２つの明確に異なる画像１９０、２００が、ユーザに出力される。画像１９０、２００は、視認者の視線と平行な光学またはｚ−軸に沿って距離２３０だけ眼２１０、２２０から離間される。画像１９０、２００は、平坦であって、眼２１０、２２０は、単一の遠近調節された状態をとることによって、画像上に合焦し得る。そのような３−Ｄディスプレイシステムは、ヒト視覚系に依拠し、画像１９０、２００を組み合わせ、組み合わせられた画像の深度および／または尺度の知覚を提供する。
【０２７０】
しかしながら、ヒト視覚系は、より複雑であって、深度の現実的知覚を提供することは、より困難であることを理解されたい。例えば、従来の「３−Ｄ」ディスプレイシステムの多くの視認者は、そのようなシステムが不快であることを見出す、または深度の感覚を全く知覚しない場合がある。理論によって限定されるわけではないが、オブジェクトの視認者は、輻輳・開散運動および遠近調節の組み合わせに起因して、オブジェクトを「３次元」として知覚し得ると考えられる。相互に対する２つの眼の輻輳・開散運動の移動（すなわち、瞳孔が、相互に向かって、またはそこから離れるように移動し、眼の視線を収束させ、オブジェクトを固視するような眼の回転）は、眼の水晶体および瞳孔の集束（または「遠近調節」）と密接に関連付けられる。通常条件下では、眼の水晶体の焦点を変化させる、または眼を遠近調節し、１つのオブジェクトから異なる距離における別のオブジェクトに焦点を変化させることは、「遠近調節−輻輳・開散運動反射」および瞳孔拡張または収縮として知られる関係下で、同一距離までの輻輳・開散運動における一致する変化を自動的に生じさせるであろう。同様に、輻輳・開散運動における変化は、通常条件下では、水晶体形状および瞳孔サイズの遠近調節の一致する変化を誘起するであろう。本明細書に記載されるように、多くの立体視または「３−Ｄ」ディスプレイシステムは、３次元視点がヒト視覚系によって知覚されるように、各眼への若干異なる提示（したがって、若干異なる画像）を使用して、場面を表示する。しかしながら、そのようなシステムは、とりわけ、単に、場面の異なる提示を提供するが、眼が全画像情報を単一の遠近調節された状態において視認すると、「遠近調節−輻輳・開散運動反射」に対抗して機能するため、多くの視認者にとって不快である。遠近調節と輻輳・開散運動との間のより優れた一致を提供するディスプレイシステムは、３次元画像のより現実的かつ快適なシミュレーションを形成し得る。
【０２７１】
図４は、複数の深度平面を使用して３次元画像をシミュレートするためのアプローチの側面を図示する。図４を参照すると、ｚ−軸上の眼２１０、２２０からの種々の距離におけるオブジェクトは、それらのオブジェクトが合焦するように、眼２１０、２２０によって遠近調節される。眼２１０、２２０は、特定の遠近調節された状態をとり、ｚ−軸に沿って異なる距離においてオブジェクトを合焦させる。その結果、特定の遠近調節された状態は、特定の深度平面におけるオブジェクトまたはオブジェクトの一部が、眼がその深度平面のための遠近調節された状態にあるときに合焦するように、関連付けられる焦点距離を有する、深度平面２４０のうちの特定のものと関連付けられると言え得る。いくつかの実施形態では、３次元画像は、眼２１０、２２０毎に画像の異なる提示を提供することによって、また、深度平面のそれぞれに対応する画像の異なる提示を提供することによってシミュレートされてもよい。例証を明確にするために、別個であるものとして示されているが、眼２１０、２２０の視野は、例えば、ｚ−軸に沿った距離が増加するにつれて重複し得ることを理解されたい。加えて、例証を容易にするために、平坦であるものとして示されているが、深度平面の輪郭は、深度平面内の全ての特徴が、特定の遠近調節された状態における眼と合焦するように、物理的空間内で湾曲され得ることを理解されたい。
【０２７２】
オブジェクトと眼２１０または２２０との間の距離はまた、その眼によって視認されるようなそのオブジェクトからの光の発散の量を変化させ得る。図５Ａ−５Ｃは、距離と光線の発散との間の関係を図示する。オブジェクトと眼２１０との間の距離は、減少距離Ｒ１、Ｒ２、およびＲ３の順序で表される。図５Ａ−５Ｃに示されるように、光線は、オブジェクトまでの距離が減少するにつれてより発散する。距離が増加するにつれて、光線は、よりコリメートされる。換言すると、点（オブジェクトまたはオブジェクトの一部）によって生成されるライトフィールドは、点がユーザの眼から離れている距離の関数である、球状波面曲率を有すると言え得る。曲率は、オブジェクトと眼２１０との間の距離の減少に伴って増加する。その結果、異なる深度平面では、光線の発散度もまた、異なり、発散度は、深度平面と視認者の眼２１０との間の距離の減少に伴って増加する。単眼２１０のみが、例証を明確にするために、図５Ａ−５Ｃおよび本明細書の他の図に図示されるが、眼２１０に関する議論は、視認者の両眼２１０および２２０に適用され得ることを理解されたい。
【０２７３】
理論によって限定されるわけではないが、ヒトの眼は、典型的には、有限数の深度平面を解釈し、深度知覚を提供し得ると考えられる。その結果、知覚された深度の高度に真実味のあるシミュレーションが、眼にこれらの限定数の深度平面のそれぞれに対応する画像の異なる提示を提供することによって達成され得る。異なる提示は、視認者の眼によって別個に集束され、それによって、異なる深度平面上に位置する場面のための異なる画像特徴を合焦させるために要求される眼の遠近調節に基づいて、および／または焦点がずれている異なる深度平面上の異なる画像特徴の観察に基づいて、ユーザに深度キューを提供することに役立ち得る。
【０２７４】
図６は、画像情報をユーザに出力するための導波管スタックの実施例を図示する。ディスプレイシステム２５０は、複数の導波管２７０、２８０、２９０、３００、３１０を使用して３次元知覚を眼／脳に提供するために利用され得る、導波管のスタックまたはスタックされた導波管アセンブリ２６０を含む。いくつかの実施形態では、ディスプレイシステム２５０は、図２のシステム６０であって、図６は、そのシステム６０のいくつかの部分をより詳細に図式的に示す。例えば、導波管アセンブリ２６０は、図２のディスプレイ７０の一部であってもよい。ディスプレイシステム２５０は、いくつかの実施形態では、ライトフィールドディスプレイと見なされてもよいことを理解されたい。加えて、導波管アセンブリ２６０はまた、接眼レンズとも称され得る。
【０２７５】
図６を継続して参照すると、導波管アセンブリ２６０はまた、複数の特徴３２０、３３０、３４０、３５０を導波管の間に含んでもよい。いくつかの実施形態では、特徴３２０、３３０、３４０、３５０は、１つ以上のレンズであってもよい。導波管２７０、２８０、２９０、３００、３１０、および／または複数のレンズ３２０、３３０、３４０、３５０は、種々のレベルの波面曲率または光線発散を伴って画像情報を眼に送信するように構成されてもよい。各導波管レベルは、特定の深度平面と関連付けられてもよく、その深度平面に対応する画像情報を出力するように構成されてもよい。画像投入デバイス３６０、３７０、３８０、３９０、４００は、導波管のための光源として機能してもよく、画像情報を導波管２７０、２８０、２９０、３００、３１０の中に投入するために利用されてもよく、それぞれ、本明細書に説明されるように、眼２１０に向かって出力するために各個別の導波管を横断して入射光を分散させるように構成されてもよい。光は、画像投入デバイス３６０、３７０、３８０、３９０、４００の出力表面４１０、４２０、４３０、４４０、４５０から出射し、導波管２７０、２８０、２９０、３００、３１０の対応する入力表面４６０、４７０、４８０、４９０、５００の中に投入される。いくつかの実施形態では、入力表面４６０、４７０、４８０、４９０、５００はそれぞれ、対応する導波管の縁であってもよい、または対応する導波管の主要表面の一部（すなわち、世界５１０または視認者の眼２１０に直接面する導波管表面のうちの１つ）であってもよい。いくつかの実施形態では、単一の光ビーム（例えば、コリメートされたビーム）が、各導波管の中に投入され、特定の導波管と関連付けられる深度平面に対応する特定の角度（および発散量）において眼２１０に向かって指向される、クローン化されたコリメートビームの全体場を出力してもよい。いくつかの実施形態では、画像投入デバイス３６０、３７０、３８０、３９０、４００のうちの単一のものが、複数（例えば、３つ）の導波管２７０、２８０、２９０、３００、３１０と関連付けられ、その中に光を投入してもよい。
【０２７６】
いくつかの実施形態では、画像投入デバイス３６０、３７０、３８０、３９０、４００はそれぞれ、それぞれ対応する導波管２７０、２８０、２９０、３００、３１０の中への投入のために画像情報を生成する、離散ディスプレイである。いくつかの他の実施形態では、画像投入デバイス３６０、３７０、３８０、３９０、４００は、例えば、画像情報を１つ以上の光学導管（光ファイバケーブル等）を介して画像投入デバイス３６０、３７０、３８０、３９０、４００のそれぞれに送り得る、単一の多重化されたディスプレイの出力端である。画像投入デバイス３６０、３７０、３８０、３９０、４００によって提供される画像情報は、異なる波長または色（例えば、本明細書に議論されるような異なる原色）の光を含み得ることを理解されたい。
【０２７７】
いくつかの実施形態では、導波管２７０、２８０、２９０、３００、３１０の中に投入される光は、発光ダイオード（ＬＥＤ）等の光エミッタを含み得る、光モジュール５４０を備える、光プロジェクタシステム５２０によって提供されてもよい。光モジュール５４０からの光は、ビームスプリッタ５５０を介して、光変調器５３０、例えば、空間光変調器に指向され、それによって修正されてもよい。光変調器５３０は、導波管２７０、２８０、２９０、３００、３１０の中に投入される光の知覚される強度を変化させるように構成されてもよい。空間光変調器の実施例は、シリコン上液晶（ＬＣＯＳ）ディスプレイを含む、液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）を含む。画像投入デバイス３６０、３７０、３８０、３９０、４００は、図式的に図示され、いくつかの実施形態では、これらの画像投入デバイスは、光を導波管２７０、２８０、２９０、３００、３１０の関連付けられるものの中に出力するように構成される、共通投影システム内の異なる光経路および場所を表し得ることを理解されたい。
【０２７８】
いくつかの実施形態では、ディスプレイシステム２５０は、光を種々のパターン（例えば、ラスタ走査、螺旋走査、リサジューパターン等）で１つ以上の導波管２７０、２８０、２９０、３００、３１０の中に、最終的には、視認者の眼２１０に投影するように構成される、１つ以上の走査ファイバを備える、走査ファイバディスプレイであってもよい。いくつかの実施形態では、図示される画像投入デバイス３６０、３７０、３８０、３９０、４００は、光を１つまたは複数の導波管２７０、２８０、２９０、３００、３１０の中に投入するように構成される、単一の走査ファイバまたは走査ファイバの束を図式的に表し得る。いくつかの他の実施形態では、図示される画像投入デバイス３６０、３７０、３８０、３９０、４００は、複数の走査ファイバまたは走査ファイバの複数の束を図式的に表し得、それぞれ、光を導波管２７０、２８０、２９０、３００、３１０のうちの関連付けられるものの中に投入するように構成される。１つ以上の光ファイバは、光を光モジュール５４０から１つ以上の導波管２７０、２８０、２９０、３００、３１０に透過させるように構成され得ることを理解されたい。１つ以上の介在光学構造が、走査ファイバまたは複数のファイバと、１つ以上の導波管２７０、２８０、２９０、３００、３１０との間に提供され、例えば、走査ファイバから出射する光を１つ以上の導波管２７０、２８０、２９０、３００、３１０の中に再指向し得ることを理解されたい。
【０２７９】
コントローラ５６０は、画像投入デバイス３６０、３７０、３８０、３９０、４００、光源５４０、および光変調器５３０の動作を含む、スタックされた導波管アセンブリ２６０のうちの１つ以上のものの動作を制御する。いくつかの実施形態では、コントローラ５６０は、ローカルデータ処理モジュール１４０の一部である。コントローラ５６０は、例えば、本明細書に開示される種々のスキームのいずれかに従って、導波管２７０、２８０、２９０、３００、３１０への画像情報のタイミングおよび提供を調整する、プログラミング（例えば、非一過性媒体内の命令）を含む。いくつかの実施形態では、コントローラは、単一の一体型デバイスまたは有線または無線通信チャネルによって接続される分散型システムであってもよい。コントローラ５６０は、いくつかの実施形態では、処理モジュール１４０または１５０（図２）の一部であってもよい。
【０２８０】
図６を継続して参照すると、導波管２７０、２８０、２９０、３００、３１０は、全内部反射（ＴＩＲ）によって各個別の導波管内で光を伝搬するように構成されてもよい。導波管２７０、２８０、２９０、３００、３１０はそれぞれ、主要上部表面および主要底部表面およびそれらの主要上部表面と底部表面との間に延在する縁を伴って、平面である、または別の形状（例えば、湾曲）を有してもよい。図示される構成では、導波管２７０、２８０、２９０、３００、３１０はそれぞれ、各個別の導波管内で伝搬する光を導波管から外に再指向し、画像情報を眼２１０に出力することによって、光を導波管から抽出するように構成される、外部結合光学要素５７０、５８０、５９０、６００、６１０を含んでもよい。抽出された光はまた、外部結合された光と称され得、光を外部結合する光学要素はまた、光抽出光学要素とも称され得る。抽出された光のビームは、導波管によって、導波管内を伝搬する光が光抽出光学要素に衝打する場所において出力され得る。外部結合光学要素５７０、５８０、５９０、６００、６１０は、例えば、本明細書にさらに議論されるような回折光学特徴を含む、格子であってもよい。説明の容易性および図面の明確性のために、導波管２７０、２８０、２９０、３００、３１０の底部主要表面に配置されて図示されるが、いくつかの実施形態では、外部結合光学要素５７０、５８０、５９０、６００、６１０は、本明細書にさらに議論されるように、上部主要表面および／または底部主要表面に配置されてもよい、および／または導波管２７０、２８０、２９０、３００、３１０の容積内に直接配置されてもよい。いくつかの実施形態では、外部結合光学要素５７０、５８０、５９０、６００、６１０は、透明基板に取り付けられ、導波管２７０、２８０、２９０、３００、３１０を形成する、材料の層内に形成されてもよい。いくつかの他の実施形態では、導波管２７０、２８０、２９０、３００、３１０は、モノリシックな材料片であってもよく、外部結合光学要素５７０、５８０、５９０、６００、６１０は、その材料片の表面上および／または内部に形成されてもよい。
【０２８１】
図６を継続して参照すると、本明細書に議論されるように、各導波管２７０、２８０、２９０、３００、３１０は、光を出力し、特定の深度平面に対応する画像を形成するように構成される。例えば、眼の最近傍の導波管２７０は、眼２１０にコリメートされた光（そのような導波管２７０の中に投入された）を送達するように構成されてもよい。コリメートされた光は、光学無限遠焦点面を表し得る。次の上方の導波管２８０は、眼２１０に到達し得る前に、第１のレンズ３５０（例えば、負のレンズ）を通して通過する、コリメートされた光を送出するように構成されてもよい。そのような第１のレンズ３５０は、眼／脳が、その次の上方の導波管２８０から生じる光を光学無限遠から眼２１０に向かって内向きにより近い第１の焦点面から生じるものとして解釈するように、若干の凸面波面曲率を生成するように構成されてもよい。同様に、第３の上方の導波管２９０は、眼２１０に到達する前に、その出力光を第１のレンズ３５０および第２のレンズ３４０の両方を通して通過させ、第１のレンズ３５０および第２のレンズ３４０の組み合わせられた屈折力は、眼／脳が、第３の導波管２９０から生じる光を次の上方の導波管２８０からの光であった光学無限遠から人物に向かって内向きにさらに近い第２の焦点面から生じるものとして解釈するように、別の漸増量の波面曲率を生成するように構成されてもよい。
【０２８２】
他の導波管層３００、３１０およびレンズ３３０、３２０も同様に構成され、スタック内の最高導波管３１０は、人物に最も近い焦点面を表す集約焦点力のために、その出力をそれと眼との間のレンズの全てを通して送出する。スタックされた導波管アセンブリ２６０の他側の世界５１０から生じる光を視認／解釈するとき、レンズ３２０、３３０、３４０、３５０のスタックを補償するために、補償レンズ層６２０が、スタックの上部に配置され、下方のレンズスタック３２０、３３０、３４０、３５０の集約力を補償してもよい。そのような構成は、利用可能な導波管／レンズ対と同じ数の知覚される焦点面を提供する。導波管の外部結合光学要素およびレンズの集束側面は両方とも、静的であり得る（すなわち、動的または電気活性ではない）。いくつかの代替実施形態では、いずれか一方または両方は、電気活性特徴を使用して動的であり得る。
【０２８３】
いくつかの実施形態では、導波管２７０、２８０、２９０、３００、３１０のうちの２つ以上のものは、同一の関連付けられる深度平面を有してもよい。例えば、複数の導波管２７０、２８０、２９０、３００、３１０は、同一深度平面に設定される画像を出力するように構成されてもよい、または導波管２７０、２８０、２９０、３００、３１０の複数のサブセットは、深度平面毎に１つのセットを伴って、同一の複数の深度平面に設定される画像を出力するように構成されてもよい。これは、それらの深度平面において拡張された視野を提供するようにタイル化された画像を形成するための利点を提供し得る。
【０２８４】
図６を継続して参照すると、外部結合光学要素５７０、５８０、５９０、６００、６１０は、光をそれらの個別の導波管から外に再指向するように、かつ導波管と関連付けられた特定の深度平面のために適切な量の発散またはコリメーションを伴って本光を出力するように構成されてもよい。結果として、異なる関連付けられた深度平面を有する導波管は、関連付けられた深度平面に応じて、異なる量の発散を伴う光を出力する、外部結合光学要素５７０、５８０、５９０、６００、６１０の異なる構成を有してもよい。いくつかの実施形態では、光抽出光学要素５７０、５８０、５９０、６００、６１０は、具体的角度で光を出力するように構成され得る、体積特徴または表面特徴であってもよい。例えば、光抽出光学要素５７０、５８０、５９０、６００、６１０は、体積ホログラム、表面ホログラム、および／または回折格子であってもよい。いくつかの実施形態では、特徴３２０、３３０、３４０、３５０は、レンズではなくてもよく、むしろ、それらは、単に、スペーサ（例えば、クラッディング層および／または空隙を形成するための構造）であってもよい。
【０２８５】
いくつかの実施形態では、外部結合光学要素５７０、５８０、５９０、６００、６１０は、回折パターンを形成する回折特徴または「回折光学要素」（本明細書では、「ＤＯＥ」とも称される）である。好ましくは、ＤＯＥは、ビームの光の一部のみが、ＤＯＥの各交差部で眼２１０に向かって偏向される一方、残りが、ＴＩＲを介して導波管を通して移動し続けるように、十分に低い回折効率を有する。画像情報を搬送する光は、したがって、様々な場所において導波管から出射する、いくつかの関連出射ビームに分割され、その結果、導波管内でバウンスする本特定のコリメートされたビームに関して、眼２１０に向かって非常に均一なパターンの出射放出となる。
【０２８６】
いくつかの実施形態では、１つ以上のＤＯＥは、能動的に回折する「オン」状態と有意に回折しない「オフ」状態との間で切替可能であり得る。例えば、切替可能なＤＯＥは、ポリマー分散液晶の層を備えてもよく、その中で微小液滴は、ホスト媒体中に回折パターンを備え、微小液滴の屈折率は、ホスト材料の屈折率に実質的に一致するように切り替えられてもよい（その場合、パターンは、入射光を著しく回折させない）、または微小液滴は、ホスト媒体のものに一致しない屈折率に切り替えられてもよい（その場合、パターンは、入射光を能動的に回折させる）。
【０２８７】
いくつかの実施形態では、カメラアセンブリ６３０（例えば、可視光および赤外光カメラを含む、デジタルカメラ）が、眼２１０および／または眼２１０の周囲の組織の画像を捕捉し、例えば、ユーザ入力を検出する、および／またはユーザの生理学的状態を監視するために提供されてもよい。本明細書で使用されるように、カメラは、任意の画像捕捉デバイスであってもよい。いくつかの実施形態では、カメラアセンブリ６３０は、画像捕捉デバイスと、眼によって反射されて画像捕捉デバイスによって検出され得る光（例えば、赤外光）を眼に投影するための光源とを含んでもよい。いくつかの実施形態では、カメラアセンブリ６３０は、フレーム８０（図２）に取り付けられてもよく、カメラアセンブリ６３０からの画像情報を処理し得る、処理モジュール１４０および／または１５０と電気通信してもよい。いくつかの実施形態では、１つのカメラアセンブリ６３０が、眼毎に利用され、各眼を別個に監視してもよい。
【０２８８】
ここで図７を参照すると、導波管によって出力された出射ビームの実施例が、示される。１つの導波管が図示されるが、導波管アセンブリ２６０（図６）内の他の導波管も同様に機能し得、導波管アセンブリ２６０は、複数の導波管を含むことを理解されたい。光６４０が、導波管２７０の入力表面４６０において導波管２７０の中に投入され、ＴＩＲによって導波管２７０内を伝搬する。光６４０がＤＯＥ５７０上に衝突する点では、光の一部は、導波管から出射ビーム６５０として出射する。出射ビーム６５０は、略平行として図示されるが、本明細書に議論されるように、また、導波管２７０と関連付けられる深度平面に応じて、ある角度（例えば、発散出射ビームを形成する）において眼２１０に伝搬するように再指向されてもよい。略平行出射ビームは、眼２１０からの遠距離（例えば、光学無限遠）における深度平面に設定されるように現れる画像を形成するように光を外部結合する、外部結合光学要素を伴う導波管を示し得ることを理解されたい。他の導波管または他の外部結合光学要素のセットは、より発散する、出射ビームパターンを出力してもよく、これは、眼２１０がより近い距離に遠近調節し、網膜に合焦させることを要求し、光学無限遠より眼２１０に近い距離からの光として脳によって解釈されるであろう。
【０２８９】
いくつかの実施形態では、フルカラー画像が、原色、例えば、３つ以上の原色のそれぞれに画像をオーバーレイすることによって、各深度平面において形成されてもよい。図８は、各深度平面が、複数の異なる原色を使用して形成される画像を含む、スタックされた導波管アセンブリの実施例を図示する。図示される実施形態は、深度平面２４０ａ−２４０ｆを示すが、より多いまたはより少ない深度もまた、検討される。各深度平面は、第１の色Ｇの第１の画像、第２の色Ｒの第２の画像、および第３の色Ｂの第３の画像を含む、それと関連付けられる３つ以上の原色画像を有してもよい。異なる深度平面は、文字Ｇ、Ｒ、およびＢに続くジオプタ（ｄｐｔ）に関する異なる数字によって図に示される。単なる実施例として、これらの文字のそれぞれに続く数字は、ジオプタ（１／ｍ）、すなわち、視認者からの深度平面の逆距離を示し、図中の各ボックスは、個々の原色画像を表す。いくつかの実施形態では、異なる波長の光の眼の集束における差異を考慮するために、異なる原色に関する深度平面の正確な場所は、変動してもよい。例えば、所与の深度平面に関する異なる原色画像は、ユーザからの異なる距離に対応する深度平面上に設置されてもよい。そのような配列は、視力およびユーザ快適性を増加させ得る、および／または色収差を減少させ得る。
【０２９０】
いくつかの実施形態では、各原色の光は、単一の専用導波管によって出力されてもよく、その結果、各深度平面は、それと関連付けられる複数の導波管を有してもよい。そのような実施形態では、文字Ｇ、Ｒ、またはＢを含む、図中の各ボックスは、個々の導波管を表すと理解され得、３つの導波管は、３つの原色画像が深度平面毎に提供される、深度平面毎に提供されてもよい。各深度平面と関連付けられる導波管は、本図面では、説明を容易にするために相互に隣接して示されるが、物理的デバイスでは、導波管は全て、レベル毎に１つの導波管を伴うスタックに配列され得ることを理解されたい。いくつかの他の実施形態では、例えば、単一の導波管のみが深度平面毎に提供され得るように、複数の原色が、同一導波管によって出力されてもよい。
【０２９１】
図８を継続して参照すると、いくつかの実施形態では、Ｇは、緑色であって、Ｒは、赤色であって、Ｂは、青色である。いくつかの他の実施形態では、マゼンタ色およびシアン色を含む、光の他の波長と関連付けられる他の色も、赤色、緑色、または青色のうちの１つ以上のものに加えて使用されてもよい、またはそれらに取って代わってもよい。
【０２９２】
本開示の全体を通した所与の光の色の言及は、視認者によってその所与の色であるものとして知覚される、光の波長の範囲内の１つ以上の波長の光を包含すると理解されるであろうことを理解されたい。例えば、赤色光は、約６２０〜７８０ｎｍの範囲内の１つ以上の波長の光を含んでもよく、緑色光は、約４９２〜５７７ｎｍの範囲内の１つ以上の波長の光を含んでもよく、青色光は、約４３５〜４９３ｎｍの範囲内の１つ以上の波長の光を含んでもよい。
【０２９３】
いくつかの実施形態では、光源５４０（図６）は、視認者の視覚的知覚範囲外の１つ以上の波長、例えば、赤外線および／または紫外線波長の光を放射するように構成されてもよい。加えて、ディスプレイ２５０の導波管の内部結合、外部結合、および他の光再指向構造は、例えば、結像および／またはユーザ刺激用途のために、本光をディスプレイからユーザの眼２１０に向かって指向および放射するように構成されてもよい。
【０２９４】
ここで図９Ａを参照すると、いくつかの実施形態では、導波管に衝突する光は、その光を導波管の中に内部結合するために再指向される必要があり得る。内部結合光学要素が、光をその対応する導波管の中に再指向および内部結合するために使用されてもよい。図９Ａは、それぞれ、内部結合光学要素を含む、複数のスタックされた導波管またはそのセット６６０の実施例の断面側面図を図示する。導波管はそれぞれ、１つ以上の異なる波長または１つ以上の異なる波長範囲の光を出力するように構成されてもよい。画像投入デバイス３６０、３７０、３８０、３９０、４００のうちの１つ以上のものからの光が、光が内部結合のために再指向されることを要求する位置から導波管の中に投入されることを除いて、スタック６６０は、スタック２６０（図６）に対応し得、スタック６６０の図示される導波管は、複数の導波管２７０、２８０、２９０、３００、３１０の一部に対応し得ることを理解されたい。
【０２９５】
スタックされた導波管の図示されるセット６６０は、導波管６７０、６８０、および６９０を含む。導波管６７０は、導波管６８０の前方にあり、または導波管６８０よりも画像光源に近く、導波管６９０は、導波管６８０の後方にある、または導波管６８０よりも画像光源から遠い。各導波管は、関連付けられる内部結合光学要素（導波管上の光入力面積とも称され得る）を含み、例えば、内部結合光学要素７００は、導波管６７０の主要表面（例えば、上側主要表面）上に配置され、内部結合光学要素７１０は、導波管６８０の主要表面（例えば、上側主要表面）上に配置され、内部結合光学要素７２０は、導波管６９０の主要表面（例えば、上側主要表面）上に配置される。いくつかの実施形態では、内部結合光学要素７００、７１０、７２０のうちの１つ以上のものは、個別の導波管６７０、６８０、６９０の底部主要表面上に配置されてもよい（特に、１つ以上の内部結合光学要素は、反射型偏向光学要素である）。図示されるように、内部結合光学要素７００、７１０、７２０は、それらの個別の導波管６７０、６８０、６９０の上側主要表面（または次の下側導波管の上部）上に配置されてもよく、特に、それらの内部結合光学要素は、透過型偏向光学要素である。いくつかの実施形態では、内部結合光学要素７００、７１０、７２０は、個別の導波管６７０、６８０、６９０の本体内に配置されてもよい。いくつかの実施形態では、本明細書に議論されるように、内部結合光学要素７００、７１０、７２０は、他の光の波長を透過させながら、１つ以上の光の波長を選択的に再指向するように、波長選択的である。それらの個別の導波管６７０、６８０、６９０の片側または角に図示されるが、内部結合光学要素７００、７１０、７２０は、いくつかの実施形態では、それらの個別の導波管６７０、６８０、６９０の他の面積内に配置され得ることを理解されたい。
【０２９６】
図示されるように、内部結合光学要素７００、７１０、７２０は、相互から側方にオフセットされてもよい。いくつかの実施形態では、各内部結合光学要素は、その光が別の内部結合光学要素を通して通過することなく、光を受け取るようにオフセットされてもよい。例えば、各内部結合光学要素７００、７１０、７２０は、図６に示されるように、光を異なる画像投入デバイス３６０、３７０、３８０、３９０、および４００から受け取るように構成されてもよく、光を内部結合光学要素７００、７１０、７２０の他のものから実質的に受け取りないように、他の内部結合光学要素７００、７１０、７２０から分離（例えば、側方に離間）されてもよい。
【０２９７】
各導波管はまた、関連付けられる光分散要素を含み、例えば、光分散要素７３０は、導波管６７０の主要表面（例えば、上部主要表面）上に配置され、光分散要素７４０は、導波管６８０の主要表面（例えば、上部主要表面）上に配置され、光分散要素７５０は、導波管６９０の主要表面（例えば、上部主要表面）上に配置される。いくつかの他の実施形態では、光分散要素７３０、７４０、７５０は、それぞれ、関連付けられる導波管６７０、６８０、６９０の底部主要表面上に配置されてもよい。いくつかの他の実施形態では、光分散要素７３０、７４０、７５０は、それぞれ、関連付けられる導波管６７０、６８０、６９０の上部主要表面および底部主要表面の両方の上に配置されてもよい、または光分散要素７３０、７４０、７５０は、それぞれ、異なる関連付けられる導波管６７０、６８０、６９０内の上部主要表面および底部主要表面の異なるものの上に配置されてもよい。
【０２９８】
導波管６７０、６８０、６９０は、例えば、材料のガス、液体、および／または固体層によって離間および分離されてもよい。例えば、図示されるように、層７６０ａは、導波管６７０および６８０を分離してもよく、層７６０ｂは、導波管６８０および６９０を分離してもよい。いくつかの実施形態では、層７６０ａおよび７６０ｂは、低屈折率材料（すなわち、導波管６７０、６８０、６９０のうちの直近のものを形成する材料より低い屈折率を有する材料）から形成される。好ましくは、層７６０ａ、７６０ｂを形成する材料の屈折率は、導波管６７０、６８０、６９０を形成する材料の屈折率に対して０．０５またはそれを上回る、または０．１０またはそれを下回る。有利には、より低い屈折率層７６０ａ、７６０ｂは、導波管６７０、６８０、６９０を通して光の全内部反射（ＴＩＲ）（例えば、各導波管の上部主要表面と底部主要表面との間のＴＩＲ）を促進する、クラッディング層として機能してもよい。いくつかの実施形態では、層７６０ａ、７６０ｂは、空気から形成される。図示されないが、導波管の図示されるセット６６０の上部および底部は、直近クラッディング層を含み得ることを理解されたい。
【０２９９】
好ましくは、製造および他の考慮点を容易にするために、導波管６７０、６８０、６９０を形成する材料は、類似または同一であって、層７６０ａ、７６０ｂを形成する材料は、類似または同一である。いくつかの実施形態では、導波管６７０、６８０、６９０を形成する材料は、１つ以上の導波管間で異なり得る、および／または層７６０ａ、７６０ｂを形成する材料は、依然として、上記の種々の屈折率関係を保持しながら、異なり得る。
【０３００】
図９Ａを継続して参照すると、光線７７０、７８０、７９０が、導波管のセット６６０に入射する。光線７７０、７８０、７９０は、１つ以上の画像投入デバイス３６０、３７０、３８０、３９０、４００（図６）によって導波管６７０、６８０、６９０の中に投入され得ることを理解されたい。光線７７０、７８０、７９０は、画像光、すなわち、画像情報でエンコードされる光を構成してもよい。例えば、光は、例えば、画像を形成するピクセルを形成するように、空間的に変調させられている、または異なる場所において異なる強度および／または異なる波長を別様に提供されている場合がある。
【０３０１】
いくつかの実施形態では、光線７７０、７８０、７９０は、異なる色に対応し得る、異なる性質、例えば、異なる波長または異なる波長範囲を有する。内部結合光学要素７００、７１０、７２０はそれぞれ、光が、ＴＩＲによって、導波管６７０、６８０、６９０のうちの個別の１つを通して伝搬するように、入射光を偏向させる。いくつかの実施形態では、内部結合光学要素７００、７１０、７２０はそれぞれ、他の波長を下層導波管および関連付けられる内部結合光学要素に透過させながら、１つ以上の特定の光の波長を選択的に偏向させる。
【０３０２】
例えば、内部結合光学要素７００は、それぞれ、異なる第２および第３の波長または波長範囲を有する、光線７８０および７９０を透過させながら、第１の波長または波長範囲を有する、光線７７０を偏向させるように構成されてもよい。透過された光線７８０は、第２の波長または波長範囲の光を偏向させるように構成される、内部結合光学要素７１０に衝突し、それによって偏向される。光線７９０は、第３の波長または波長範囲の光を選択的に偏向させるように構成される、内部結合光学要素７２０によって偏向される。
【０３０３】
図９Ａを継続して参照すると、偏向された光線７７０、７８０、７９０は、対応する導波管６７０、６８０、６９０を通して伝搬するように偏向される。すなわち、各導波管の内部結合光学要素７００、７１０、７２０は、光をその対応する導波管６７０、６８０、６９０の中に偏向させ、光をその対応する導波管の中に内部結合する。光線７７０、７８０、７９０は、光をＴＩＲによって個別の導波管６７０、６８０、６９０を通して伝搬させる角度で偏向される。光線７７０、７８０、７９０は、導波管の対応する光分散要素７３０、７４０、７５０に衝突するまで、ＴＩＲによって個別の導波管６７０、６８０、６９０を通して伝搬する。
【０３０４】
ここで図９Ｂを参照すると、図９Ａの複数のスタックされた導波管の実施例の斜視図が、図示される。上記のように、内部結合された光線７７０、７８０、７９０は、それぞれ、内部結合光学要素７００、７１０、７２０によって偏向され、次いで、それぞれ、導波管６７０、６８０、６９０内でＴＩＲによって伝搬する。光線７７０、７８０、７９０は、次いで、それぞれ、光分散要素７３０、７４０、７５０に衝突する。光分散要素７３０、７４０、７５０は、それぞれ、外部結合光学要素８００、８１０、８２０に向かって伝搬するように、光線７７０、７８０、７９０を偏向させる。
【０３０５】
いくつかの実施形態では、光分散要素７３０、７４０、７５０は、直交瞳エクスパンダ（ＯＰＥ）である。いくつかの実施形態では、ＯＰＥは、光を外部結合光学要素８００、８１０、８２０に偏向または分散し、いくつかの実施形態では、また、外部結合光学要素に伝搬するにつれて、本光のビームまたはスポットサイズを増加させ得る。いくつかの実施形態では、光分散要素７３０、７４０、７５０は、省略されてもよく、内部結合光学要素７００、７１０、７２０は、光を直接外部結合光学要素８００、８１０、８２０に偏向させるように構成されてもよい。例えば、図９Ａを参照すると、光分散要素７３０、７４０、７５０は、それぞれ、外部結合光学要素８００、８１０、８２０と置換されてもよい。いくつかの実施形態では、外部結合光学要素８００、８１０、８２０は、光を視認者の眼２１０（図７）に指向させる、射出瞳（ＥＰ）または射出瞳エクスパンダ（ＥＰＥ）である。ＯＰＥは、少なくとも１つの軸においてアイボックスの寸法を増加させるように構成され得、ＥＰＥは、ＯＰＥの軸と交差する、例えば、直交する軸においてアイボックスを増加させるものであり得ることを理解されたい。例えば、各ＯＰＥは、光の残りの部分が導波管を辿って伝搬し続けることを可能にしながら、ＯＰＥに衝打する光の一部を同一導波管のＥＰＥに再指向するように構成されてもよい。ＯＰＥに再び衝突することに応じて、残りの光の別の部分は、ＥＰＥに再指向され、その部分の残りの部分は、導波管を辿ってさらに伝搬し続ける等である。同様に、ＥＰＥへの衝打に応じて、衝突光の一部は、ユーザに向かって導波管から外に指向され、その光の残りの部分は、ＥＰに再び衝打するまで、導波管を通して伝搬し続け、その時点で、衝突光の別の部分は、導波管から外に指向される等である。その結果、内部結合された光の単一ビームは、その光の一部がＯＰＥまたはＥＰＥによって再指向される度に、「複製」され、それによって、図６に示されるように、クローン化された光のビーム野を形成し得る。いくつかの実施形態では、ＯＰＥおよび／またはＥＰＥは、光のビームのサイズを修正するように構成されてもよい。
【０３０６】
故に、図９Ａおよび９Ｂを参照すると、いくつかの実施形態では、導波管のセット６６０は、原色毎に、導波管６７０、６８０、６９０と、内部結合光学要素７００、７１０、７２０と、光分散要素（例えば、ＯＰＥ）７３０、７４０、７５０と、外部結合光学要素（例えば、ＥＰ）８００、８１０、８２０とを含む。導波管６７０、６８０、６９０は、各１つの間に空隙／クラッディング層を伴ってスタックされてもよい。内部結合光学要素７００、７１０、７２０は、（異なる波長の光を受け取る異なる内部結合光学要素を用いて）入射光をその導波管の中に再指向または偏向させる。光は、次いで、個別の導波管６７０、６８０、６９０内にＴＩＲをもたらすであろう角度で伝搬する。示される実施例では、光線７７０（例えば、青色光）は、前述の様式において、第１の内部結合光学要素７００によって偏光され、次いで、導波管を辿ってバウンスし続け、光分散要素（例えば、ＯＰＥ）７３０、次いで、外部結合光学要素（例えば、ＥＰ）８００と相互作用する。光線７８０および７９０（例えば、それぞれ、緑色および赤色光）は、導波管６７０を通して通過し、光線７８０は、内部結合光学要素７１０上に衝突し、それによって偏向される。光線７８０は、次いで、ＴＩＲを介して、導波管６８０を辿ってバウンスし、その光分散要素（例えば、ＯＰＥ）７４０、次いで、外部結合光学要素（例えば、ＥＰ）８１０に進むであろう。最後に、光線７９０（例えば、赤色光）は、導波管６９０を通して通過し、導波管６９０の光内部結合光学要素７２０に衝突する。光内部結合光学要素７２０は、光線が、ＴＩＲによって、光分散要素（例えば、ＯＰＥ）７５０、次いで、ＴＩＲによって、外部結合光学要素（例えば、ＥＰ）８２０に伝搬するように、光線７９０を偏向させる。外部結合光学要素８２０は、次いで、最後に、光線７９０を、他の導波管６７０、６８０からの外部結合した光も受け取る視認者に外部結合する。
【０３０７】
図９Ｃは、図９Ａおよび９Ｂの複数のスタックされた導波管の実施例の上下平面図を図示する。図示されるように、導波管６７０、６８０、６９０は、各導波管の関連付けられる光分散要素７３０、７４０、７５０および関連付けられる外部結合光学要素８００、８１０、８２０とともに、垂直に整合されてもよい。しかしながら、本明細書に議論されるように、内部結合光学要素７００、７１０、７２０は、垂直に整合されない。むしろ、内部結合光学要素は、好ましくは、非重複する（例えば、上下図に見られるように、側方に離間される）。本明細書にさらに議論されるように、本非重複空間配列は、１対１ベースで異なるリソースから異なる導波管の中への光の投入を促進し、それによって、具体的光源が具体的導波管に一意に結合されることを可能にする。いくつかの実施形態では、非重複の空間的に分離される内部結合光学要素を含む、配列は、偏移または分割瞳システムと称され得、これらの配列内の内部結合光学要素は、サブ瞳に対応し得る。
【０３０８】
上記に議論されるように、ディスプレイシステム６０またはディスプレイシステム２５０の種々の実施形態は、高屈折率材料を伴う導波管を備えることができる。例えば、ディスプレイシステム６０またはディスプレイシステム２５０の種々の実施形態は、ガラスの屈折率を上回る屈折率を有する、材料を伴う１つ以上の導波管を備えることができる。ディスプレイシステム６０またはディスプレイシステム２５０の種々の実施形態は、約１．７９以上かつ約４．５以下の屈折率を有する、材料を伴う１つ以上の導波管を備えることができる。例えば、ディスプレイシステム６０またはディスプレイシステム２５０の種々の実施形態は、１．８以上かつ２．１以下、２．１以上かつ２．２以下、２．２以上かつ２．３以下、２．３以上かつ２．４以下、２．４以上かつ２．５以下、２．５以上かつ２．６以下、２．６以上かつ２．７以下、２．７以上かつ２．８以下、２．８以上かつ２．９以下、２．９以上かつ３．０以下、３．０以上かつ３．１以下、３．１以上かつ３．２以下、３．２以上かつ３．３以下、３．３以上かつ３．４以下、３．４以上かつ３．５以下、３．５以上かつ３．６以下、３．６以上かつ３．７以下、３．７以上かつ３．８以下、３．８以上かつ３．９以下、３．９以上かつ４．０以下、４．０以上かつ４．２以下、４．０以上かつ４．４以下、４．０以上かつ４．５以下、またはこれらの値によって定義される任意の範囲／部分範囲内の任意の値の屈折率を有する、材料を伴う１つ以上の導波管を備えることができる。いずれの一般性も失うことなく、本願で検討される高屈折率材料は、可視光に対して透過性であり得る。例えば、本願内のいくつかの実装で検討される高屈折率材料は、約８０％または９０％以上の効率で約４５０ｎｍ〜約７５０ｎｍの間のスペクトル範囲内の可視光を透過させるように構成されることができる。しかしながら、フレネル反射が、ある実装では導波管の界面において起こり得る。
【０３０９】
上記に議論されるように、高屈折率材料を伴う（例えば、ガラスの屈折率を上回る屈折率を伴う、および／または約１．７９以上の屈折率を伴う）１つ以上の導波管を備える、ディスプレイシステム６０またはディスプレイシステム２５０の種々の実施形態は、ガラスおよび／または約１．７９未満の屈折率を伴う材料を伴う１つ以上の導波管を備える、ディスプレイシステム６０またはディスプレイシステム２５０の実施形態と比較して、増加した視野を有することができる。さらに、上記に議論されるように、光の複数の色または波長（例えば、２つまたは可能性として３つの色）が、高屈折率材料を含む単一の導波管の中に並行して結合されることができる。故に、ディスプレイシステム６０またはディスプレイシステム２５０の種々の実施形態は、異なる深度平面と関連付けられる、異なる導波管を備えることができる。いくつかの実装では、深度平面と関連付けられる導波管は、３つの色（例えば、赤色、緑色、および青色波長）等の異なる色の入射光が、その単一の導波管の中に結合され、その中で誘導され得るように、高屈折率材料を含むことができる。故に、関連付けられる導波管は、視認者に向かって、異なる波長（例えば、赤色、緑色、および青色波長）の光を含む多色画像を投影する能力を有する。同様に、いくつかの実装では、深度平面と関連付けられる１つの導波管は、２つの色（例えば、赤色および緑色または緑色および青色波長）等の異なる色の入射光が、その単一の導波管の中に結合され、その中で誘導され得るように、高屈折率材料を含むことができる。その深度平面と関連付けられる別の導波管は、少なくとも１つの異なる色（例えば、それぞれ、青色または赤色）が、その単一の導波管の中に結合され、その中で誘導され得るように、構成されてもよい。本導波管はまた、高屈折率材料を含んでもよい。その深度平面または深度のための導波管の組み合わせは、したがって、視認者に向かって、異なる波長（例えば、赤色、緑色、および青色波長）の光を含む多色画像を投影する能力を有する。１つ以上の他の導波管構成も、他の深度平面または深度に使用されてもよい。本願で検討される種々の高屈折率材料は、例えば、約２．３の屈折率を有するニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ３）、または２．７を上回る屈折率を有する炭化ケイ素、または他の類似材料、さらに可能性として、より高い屈折率を有する材料等の材料を含む。
【０３１０】
上記に議論されるように、ディスプレイシステム６０またはディスプレイシステム２５０の種々の実装における１つ以上の導波管は、光を１つ以上の導波管の中に内部結合するための内部結合光学要素（例えば、内部結合光学要素７００、７１０、７２０）、および／または１つ以上の導波管からの外部結合光学要素（例えば、５７０、５８０、５９０、８００、８１０、８２０）を備えることができる。ディスプレイシステム６０またはディスプレイシステム２５０の種々の実施形態では、１つ以上の導波管は、光分散要素（例えば、光分散要素７３０、７４０、７５０）を備えることができる。種々の実施形態では、光分散要素（例えば、光分散要素７３０、７４０、７５０）は、直交瞳エクスパンダ（ＯＰＥ）として構成されることができる、および／または外部結合要素（例えば、８００、８１０、８２０）は、射出瞳エクスパンダ（ＥＰＥ）として、または直交拡張および外部結合の両方の機能性を呈する複合瞳エクスパンダ（ＣＰＥ）として、構成されることができる。接眼レンズは、内部結合光学要素（ＩＣＧ）、直交瞳エクスパンダ（ＯＰＥ）、射出瞳エクスパンダ（ＥＰＥ）、および複合瞳エクスパンダ（ＣＰＥ）のうちのいずれか１つ、またはそれらの組み合わせを含んでもよい。故に、広範囲の構成が、可能である。例えば、いくつかの接眼レンズは、直交瞳エクスパンダ（ＯＰＥ）を含まない。内部結合光学要素、外部結合光学要素、および光分散要素は、回折特徴を備えることができる。回折光学要素は、マイクロスケールおよび／またはナノスケール特徴を備えることができる。いずれの一般性も失うことなく、内部結合光学要素、外部結合光学要素、および／または光分散要素は、ディスプレイシステム６０またはディスプレイシステム２５０の異なる実施形態では、導波管の一方または両方の表面（例えば、主要表面、前および後面等）の上に提供されることができる。例えば、本願に説明される導波管の種々の実施形態は、導波管の両方の表面（例えば、主要表面、前および後面等）の上に配置される、または単一の表面上に全て配置される、さらに単一の表面上で重複する、回折構造を有することができる。
【０３１１】
複合現実システムのための視認光学系アセンブリアーキテクチャ内の高屈折率材料（例えば、ガラスの屈折率を上回る屈折率および／または約１．７９を上回る屈折率）を含む１つ以上の導波管の使用は、有利なこととして、削減された数の光学インターフェースおよび導波管層を伴う導波管スタックを提供する、潜在的に低コストで軽量の仮想画像焦点距離偏移要素の使用を可能にする、導波管スタックの透明性を増加させる、または最大限にする、製造コストを削減する、または最小限にする、または導波管スタックの形状因子、重量、および／または質量を低減させる、または最小限にする、または潜在的にこれらの特徴の任意の組み合わせを提供することができる。
【０３１２】
故に、本願に説明されるディスプレイシステム（例えば、頭部搭載型ＡＲ／ＶＲディスプレイデバイス）の種々の実施形態は、高屈折率材料（例えば、約２．３以上の屈折率等の、例えば、１．７９を上回る屈折率）を含む、１つ以上の導波管を備える。１つ以上の導波管は、上部主要表面および底部主要表面と、上部主要表面と底部主要表面との間の複数の縁とを備える。１つ以上の導波管はさらに、結像システム（例えば、マイクロディスプレイおよび／またはプロジェクタ）から放射される異なる着色画像光を内部結合するように構成される、内部結合光学要素（例えば、内部結合光学要素７００、７１０、７２０に類似する内部結合光学要素）と、装着者の眼に向かって内部結合された光を投影するように構成される、外部結合光学要素（例えば、要素５７０、５８０、５９０、８００、８１０、８２０に類似する外部結合光学要素）とを備えることができる。いくつかの実施形態では、１つ以上の導波管はさらに、光分散要素（例えば、光分散要素７３０、７４０、７５０に類似する光分散要素）を備えることができる。上記に議論されるように、内部結合光学要素、外部結合光学要素、および光分散要素のうちの１つ以上のものは、回折格子を備えることができる。種々の実施形態では、回折格子は、マイクロスケールまたはナノスケール特徴を備えることができる。回折格子は、表面特徴または体積特徴を備えることができる。いずれの一般性も失うことなく、内部結合光学要素、外部結合光学要素、および光分散要素は、１つ以上の導波管の主要表面の一方または両方の上に提供されることができる。
【０３１３】
上記に議論されるように、本願に説明されるディスプレイシステム（例えば、頭部搭載型ＡＲ／ＶＲディスプレイデバイス）の種々の実施形態は、１つ以上の内部結合光学要素は、異なる色の内部結合された光が、全内部反射によって単一の導波管内で伝搬するように、結像システム（例えば、マイクロディスプレイおよび／またはプロジェクタ）から放射される、画像情報を含む２つ以上の異なる着色光ストリームを、高屈折率材料（例えば、約２．３以上の屈折率等の、例えば、１．７９を上回る屈折率）を含む単一の導波管の中に内部結合するように構成されることができる。例えば、いくつかの実施形態では、画像情報を含む、第１、第２、および第３の（例えば、赤色、緑色、および青色）着色光ストリームは、内部結合された第１、第２、および第３の（例えば、赤色、緑色、および青色）光が、全内部反射によって対応する導波管内で伝搬するように、高屈折率材料（例えば、約２．３以上の屈折率等の、例えば、１．７９を上回る屈折率）を含む、１つまたは２つの導波管の中に内部結合されることができる。例えば、いくつかのそのような実施形態では、画像情報を含む、第１、第２、および第３の（例えば、赤色、緑色、および青色）着色光ストリームは、高屈折率材料（例えば、約２．３以上の屈折率等の、例えば、１．７９を上回る屈折率）を含む、単一の導波管の中に内部結合されることができる。
【０３１４】
上記に議論されるように、高屈折率（例えば、約２．３以上の屈折率等の、例えば、１．７９を上回る屈折率）を備える導波管から外に投影される光は、それを通して光が導波管によって出力され、その結果、それを通して視認者に仮想画像コンテンツが見え得る、増加した視野を有することができる。視野は、導波管の材料の屈折率および導波管の中に内部結合される波長の数に基づいて、変動することができる。下記の表１Ａおよび表１Ｂは、１つまたは単一の色、２つまたは二重色（例えば、緑色および青色または赤色および青色）、および３つまたは三重色（例えば、赤色、緑色、および青色）の光が、導波管の中に内部結合されるときに、約１．７３〜約２．３の屈折率を伴う材料を含む、頭部搭載型ＡＲ／ＶＲディスプレイデバイスのための導波管の種々の実施形態によって提供される、度単位の垂直および水平視野の計算された値を含む。
【表１−１】
2021517663.tif 000003
【表１−２】
2021517663.tif 000004
【０３１５】
表１Ａおよび１Ｂから、導波管の材料の屈折率が増加すると、度単位の垂直および水平視野も増加することに留意されたい。例えば、約１．７９を上回る屈折率を有する材料を含む導波管は、１つまたは単一の色、２つまたは二重色（例えば、緑色および青色または赤色および青色）、および３つまたは三重色（例えば、赤色、緑色、および青色）の光が、導波管の中に内部結合されるかどうかに応じて、約２０．２度を上回る水平視野および約２０．２度を上回る垂直視野を有する。さらに、表１Ａから、３つ全ての色（例えば、赤色、緑色、および青色）の光が、導波管の中に内部結合されるときに、約２．３の屈折率を伴う材料（例えば、ニオブ酸リチウム）を含む、頭部搭載型ＡＲ／ＶＲディスプレイデバイスの導波管の種々の実施形態によって提供される、度単位の垂直および水平視野は、それぞれ、おおよそ、約７０度の対角の視野である、約４５．９および５６．１であることに留意されたい。したがって、約２．３（例えば、ニオブ酸リチウム）またはそれよりも高い（例えば、炭化ケイ素）屈折率を伴う材料を含む導波管を備える、接眼レンズの実施形態は、増加した視野を伴うディスプレイデバイスを取得するための魅力的なソリューションである。
【０３１６】
高屈折率に加えて、ニオブ酸リチウムは、他の利点を有する。例えば、ニオブ酸リチウムは、一般的にウエハ形態で利用可能であり、可視光に対して光学的に透過性であり、低散乱を有する。ニオブ酸リチウムは、複合現実接眼レンズのためのＩＣＧ、ＥＰＥ、およびＯＰＥで使用される格子構造等の大面積表面レリーフ漏出性格子構造が加工され得る基板材料として、以前は主要な候補と見なされていない場合があるが、格子は、頭部搭載型ディスプレイで使用するために本明細書に説明されるように加工されることができる。ニオブ酸リチウムが、ＩＣＧ、ＥＰＥ、およびＯＰＥで使用される格子構造が加工され得る基板材料として、あまり望ましくない場合がある１つの理由は、少なくとも部分的に、大面積格子構造を経済的に生産することの困難に起因し得る。ニオブ酸リチウムの強誘電体および焦電性質は、レジスト層のジェット堆積およびレジスト層のパターン化によって取得されるエッチングマスクを使用して、大面積格子構造を加工することの困難を提示する。それにもかかわらず、本明細書に説明されるようなニオブ酸リチウム処理方法は、大面積格子構造を加工するために使用されることができる。ニオブ酸リチウムを加工する方法についての付加的議論が、下記に含まれる。
【０３１７】
そのような高屈折率導波管は、有利なこととして、図１０に示されるような頭部搭載型ディスプレイで使用される光学システム内に含まれてもよい。図１０は、結像システム１００１と、高屈折率材料（例えば、約１．７９を上回る屈折率）を含む導波管１００３と、複数の可変焦点要素１００５ａおよび１００５ｂとを備える、ディスプレイシステム１０００の実施例を図示する。結像システム１００１は、投影光学系システム１００９と、３つの色（例えば、赤色、緑色、および青色光）を提供する、照明光学系システム１０１１と、照明光学系システム１０１１から放射される光（例えば、赤色、緑色、および青色光）を変調させ、画像情報を含む光ストリームを形成する、空間光変調要素１０１３とを備える。画像情報を含む、空間光変調器によって変調される３つの異なる色（例えば、赤色、緑色、および青色）の光ストリームは、投影光学系システム１００９の単一の射出瞳から出力される。投影光学系システム１００９の単一の射出瞳から出射する、画像情報を含む３つの異なる色（例えば、赤色、緑色、および青色）の光ストリームは、導波管１００３と関連付けられる１つ以上の内部結合光学要素によって受け取られ、画像情報を含む３つの色（例えば、赤色、緑色、および青色）の光ストリームが、導波管１００３の中に内部結合されるように、回折される。上記に議論されるように、種々の実装では、１つ以上の内部結合光学要素は、１つ以上の内部結合光学要素の少なくとも一部が、上下図において投影光学系システム１００９の単一の射出瞳と重複するように、投影光学系システム１００９の単一の射出瞳と整合される（例えば、垂直に整合される）ことができる。
【０３１８】
ある実装では、結像システム１００１は、低質量のコンパクトなマイクロディスプレイを備えることができる。いくつかの実装では、結像システム１００１は、混合色瞳、密接に離間された赤・緑・青色（「ＲＧＢ」）サブ瞳セット、または内部瞳（瞳が走査鏡面に存在する、ＭＥＭシステムのような）のいずれかを備えることができる。種々の実施形態では、結像システム１００１は、図１１−１７Ｂを参照して下記に議論される結像システムのうちのいずれかに類似する特徴を有してもよい。
【０３１９】
導波管１００３は、例えば、ニオブ酸リチウム等の約２．３以上の屈折率を有する材料を含むことができる。導波管１００３が、ニオブ酸リチウムを含むとき、導波管から出力される光の対角視野は、赤色、緑色、および青色波長に関して約７０°であり得る。いくつかの実装では、ディスプレイシステム１０００は、単一の導波管１００３の代わりに、２つの導波管を備えることができる。例えば、２つの導波管のうちの第１のものは、画像情報を含む、１つまたは２つの異なる着色光ストリーム（例えば、赤色着色画像ストリーム、または赤色および緑色着色画像ストリーム）を内部結合するように構成されることができ、２つの導波管のうちの第２のものは、画像情報を含む、別の１つまたは２つの異なる着色光ストリーム（例えば、それぞれ、青色および緑色着色画像ストリーム、または青色着色画像ストリーム）を内部結合するように構成されることができる。第１の導波管が、２つの異なる色の光ストリームを含む、いくつかの実装では、２つの導波管のうちの第２のものは、第１の導波管内の色と異なる１つの着色光ストリーム、および第１の導波管に含まれるものと同一である、または類似する色の１つの光ストリーム（例えば、緑色および青色着色画像ストリーム、または赤色および青色着色画像ストリーム）を内部結合するように構成されることができる。
【０３２０】
システム１０００は、無限遠以外のある位置にある仮想画像とともに、倍率がない実世界ビューを視認者または視認者の眼１００７に提示する、無限遠合焦システムとして構成されることができる。可変焦点要素１００５ａおよび１００５ｂは、仮想画像焦点面を偏移させる能力を提供する。可変焦点要素１００５ａは、正の連続的可変焦点要素として構成されることができ、可変焦点要素１００５ｂは、負の連続的可変焦点要素として構成されることができる。種々の実施形態では、可変焦点要素１００５ａおよび１００５ｂは、液体充填可変焦点レンズ対を備えることができる。いくつかの実施形態では、可変焦点要素１００５ａおよび１００５ｂは、ピクセルで構成されたプログラマブルフレネルレンズ対に基づく液晶（ＬＣ）を含むことができる。負の焦点要素１００５ｂは、仮想画像位置を偏移させるように構成されることができ、正の焦点要素１００５ａは、同時に一対の可変焦点要素１００５ａおよび１００５ｂを通して見られるような実世界に関して負の焦点要素１００５ｂの屈折力を中和するように構成されることができる。導波管１００３から外に投影される光は、負の焦点要素１００５ｂのみを横断する。本アプローチおよび要素の組み合わせは、可変焦点要素１００５ａおよび１００５ｂの具体的能力に応じて、一連の焦点面、深度平面、または深度を生成することができる。例示的近距離および遠距離平面が、図１０に示される。種々の画像が適切な深度において提示されるように、空間光変調器１０１３を可変焦点要素１００５ａおよび１００５ｂと協調させる、スイッチまたは制御モジュールが、図式的に示される。可変焦点要素１００５ａおよび１００５ｂと、単一の導波管１００３とを備える、統合型スタックは、主に可変焦点要素１００５ａおよび１００５ｂを小型化する能力に応じて、十分に薄く、低質量であるように作製されることができる。いずれの一般性も失うことなく、可変焦点要素１００５ａおよび１００５ｂと、単一の導波管１００３とを備える、統合型スタックは、ディスプレイシステム１０００が頭部搭載型ディスプレイ内に含まれるとき、接眼レンズと称されることができる。いくつかの実装では、接眼レンズは、少なくとも１つの状態において遠距離で焦点を有するように設計される、無限遠合焦接眼レンズであってもよい。
【０３２１】
図１０に図示されるディスプレイシステム１０００の設計は、有利なこととして、混合色を伴う単瞳のみが使用されるため、実質的に小型のマイクロディスプレイを提供することができ、焦点面偏移は、完全に液体レンズ対または液晶（「ＬＣ」）ベースのプログラマブルレンズ対によって遂行される。しかしながら、いくつかの実装では、ディスプレイシステム１０００の重量は、液体レンズまたはプログラマブルフレネルレンズシステムの増加した重量の結果として、増加され得る。加えて、液体レンズまたはプログラマブルフレネルレンズシステムの使用は、光学歪曲を増加させ得る。加えて、導波管１００３と、可変焦点要素１００５ａおよび１００５ｂとを備える、統合型スタックの厚さは、可変焦点要素１００５ａおよび１００５ｂを支持するために要求されるフレームに起因して、増加され得る。
【０３２２】
図１１は、ディスプレイシステム１１００の別の実施形態を図示する。ディスプレイシステム１１００は、上記に議論される結像システム１００１および導波管１００３を採用する。故に、ディスプレイシステム１１００の種々の要素は、ディスプレイシステム１０００の対応する要素に類似し得る。ディスプレイシステム１１００では、切替可能な幾何学的位相（ＧＰ）レンズスタックが、液体充填レンズ対またはＬＣベースのピクセルで構成されたプログラマブルフレネルレンズ対の代わりに、可変焦点要素１００５ａおよび１００５ｂとして使用される。ディスプレイシステム１１００は、潜在的に、そのディスプレイシステム１０００よりも薄く、軽くあり得る。しかしながら、幾何学的位相（ＧＰ）レンズスタックが、偏光のみに作用するため、ディスプレイシステム１１００は、システムに入射する実世界光をフィルタ処理するための偏光器を含むことができる。偏光器の組み込みは、システムに入射する実世界光の輝度の低減を生じさせ得る。例えば、偏光器の組み込みは、いくつかの実施形態では、約５０％の輝度の低減を生じさせ得る。ＧＰレンズスタックからの他の損失と相まって、実世界光の全スループットは、いくつかの実装では、３０％を下回り得る。加えて、ＧＰレンズスタック内のレンズからの散乱は、いくつかの実施形態では、望ましいレベルを下回って光学性能を低減させ得る。加えて、ディスプレイシステム１１００の減衰性質は、サングラスを着用している個人のシナリオと潜在的に同様に、少なくとも近傍の人々に装着者の眼を部分的に見えなくさせ、それによって、アイコンタクトをより困難にし得る。ディスプレイシステム１１００はまた、回折されていない光の漏出によって誘発される他のアーチファクトをもたらし得、２〜４つの利用可能な深度平面に及ぶ相対的屈折力を変化させるための切り替え可能な波長板の使用を伴い得る。いくつかの実施形態では、ディスプレイシステム１１００は、単一の導波管１００３の代わりに、２つの導波管を備えることができる。２つの導波管のうちの第１のものは、例えば、画像情報を含む、１つまたは２つの異なる着色光ストリーム（例えば、赤色着色画像ストリーム、または赤色および緑色着色画像ストリーム）を内部結合するように構成されることができ、２つの導波管のうちの第２のものは、画像情報を含む、別の１つまたは２つの異なる着色光ストリーム（例えば、それぞれ、青色および緑色着色画像ストリーム、または青色着色画像ストリーム）を内部結合するように構成されることができる。第１の導波管が、２つの異なる色の光ストリームを含む、いくつかの実装では、２つの導波管のうちの第２のものは、第１の導波管内の色と異なる１つの着色光ストリーム、および第１の導波管に含まれるものと同一である、または類似する色の１つの光ストリーム（例えば、緑色および青色着色画像ストリーム、または赤色および青色着色画像ストリーム）を内部結合するように構成されることができる。
【０３２３】
図１２は、結像システム１２０１と、高屈折率材料を含む導波管とを備える、ディスプレイシステム１２００の別の実施形態を図示する。結像システム１２０１の種々のコンポーネントは、結像システム１００１の対応するコンポーネントに類似し得る。しかしながら、投影光学系システム１２０９は、それぞれ、３つの色、例えば、第１、第２、および第３の色（例えば、赤色、緑色、および青色）を放射するように構成される、２つの射出瞳を有するように構成される。第１の出力プロジェクタ射出瞳は、第１の深度または焦点面に関して画像情報を備える、第１、第２、第３の（例えば、赤色、緑色、および青色）光ストリームを放射するように構成され、第２のプロジェクタ射出瞳は、第２の深度または焦点面に関して画像情報を備える、第１、第２、第３の（例えば、赤色、緑色、および青色）光ストリームを放射するように構成される。第１の射出瞳から放射される、第１の深度または焦点面に関して画像情報を備える、第１、第２、第３の（例えば、赤色、緑色、および青色）光ストリームは、導波管アセンブリ１２０３の第１の導波管１２０３ａの中に内部結合される。第２の射出瞳から放射される、第２の深度または焦点面に関して画像情報を備える、第１、第２、第３の（例えば、赤色、緑色、および青色）光ストリームは、導波管アセンブリ１２０３の第２の導波管１２０３ｂの中に内部結合される。故に、ディスプレイシステム１２００の実施形態は、各深度平面が、独立した導波管対合（屈折レンズ等の屈折力コンポーネントまたは深度平面と関連付けられる屈折力を付与するように導波管の表面上に配置される光学要素との導波管の対合）によって対処される、２つの深度平面システムとして構成される。導波管１２０３ａおよび１２０３ｂは、いくつかの実施形態では、相互と同じであり得る。導波管１００３と同様に、導波管１２０３ａおよび１２０３ｂは、高屈折率（例えば、例えば、約２．３等の、例えば、約１．７９を上回る屈折率）を有する材料を含むことができる。例えば、いくつかの実施形態では、導波管１２０３ａおよび１２０３ｂは、ニオブ酸リチウムまたは炭化ケイ素を含むことができる。導波管１００３と同様に、導波管１２０３ａおよび１２０３ｂは、無限遠合焦であり得る。導波管１２０３ａおよび１２０３ｂから放射される光の焦点位置の変動性は、例えば、眼鏡で一般的に使用されているものに類似する、静的屈折レンズ１２０５ａ、１２０５ｂ、および１２０５ｃ（例えば、薄い屈折レンズ）によって提供されることができる。静的屈折レンズ１２０５ｂは、第１の導波管１２０３ａと装着者の眼１２０７との間に位置付けられ、静的屈折レンズ１２０５ｃは、第１の導波管１２０３ａと第２の導波管１２０３ｂとの間に位置付けられ、静的屈折レンズ１２０５ａは、外界と第２の導波管１２０３ｂとの間に位置付けられる。いくつかの実装では、第１の導波管１２０３ａと第２の導波管１２０３ｂとの間の間隙は、静的屈折レンズ１２０５ｃに適応するために十分に大きいが、導波管１２０３ａおよび１２０３ｂを備える接眼レンズの形状因子を低減させ、作動距離構成および公差の柔軟性を提供するために十分に小さくあり得る。例えば、第１の導波管１２０３ａと第２の導波管１２０３ｂとの間の間隙は、いくつかの実装では、約１．０ｍｍ〜約１．５ｍｍであり得る。
【０３２４】
屈折レンズ１２０５ｂおよび１２０５ｃは、負の倍率のレンズとして構成されることができ、屈折レンズ１２０５ａは、正の倍率のレンズとして構成される。図１２に図示されるディスプレイシステム１２００の実施形態では、屈折レンズ１２０５ｂは、−０．５ジオプタの屈折力を有する平凹レンズであり、屈折レンズ１２０５ｃは、−１．５ジオプタの屈折力を有する平凹レンズであり、屈折レンズ１２０５ａは、＋２．０ジオプタの屈折力を有する平凸レンズである。いくつかの実施形態では、静的屈折レンズは、成型されてもよい。いくつかの実施形態では、静的屈折レンズは、他の製造技法によって形成されることができる。いくつかの実施形態では、静的屈折レンズは、ポリマー（例えば、高屈折率ポリマー）から大量生産されることができる。種々の実施形態では、反射防止層が、ポリマーを含む静的屈折レンズにわたって配置されることができる。例えば、いくつかの実施形態では、ポリマーを含む静的屈折レンズは、安価な方法を使用して、反射防止層／コーティングでコーティングされることができる。第１の導波管１２０３ａからの光は、単一の負の屈折レンズ１２０５ｂを通して通過し、単一の負の屈折レンズ１２０５ｂの屈折力による距離で集束される。第２の導波管１２０３ｂからの光は、２つの負の屈折レンズ１２０５ｂおよび１２０５ｃを通して通過し、２つの負の屈折レンズ１２０５ｂおよび１２０５ｃの複合屈折力による距離で集束される。外側の正の屈折レンズ１２０５ａは、２つの負の屈折レンズ１２０５ｂおよび１２０５ｃの組み合わせを無効にし、レンズ１２０５ｂおよび１２０５ｃによる影響を受けない実世界ビューをもたらす。
【０３２５】
図１２に図示されるディスプレイシステム１２００の実施形態は、独立して各層に対処するために、多重瞳マイクロディスプレイを利用することができる（したがって、各深度平面または深度は、一意の画像コンテンツを有することができる）。上記に議論されるように、実施例では、結像システム１２０１は、２つの深度平面に関して画像コンテンツを出力する、２つのＲＧＢ混合射出瞳を備える。種々の実施形態では、結像システム１２０１は、幾何学的にオフセットおよび分離されたＲ、Ｇ、およびＢサブ瞳、または少なくとも部分的に組み合わせられたＲＧＢサブ瞳（少なくとも２つの色が、同一の内部結合光学要素を使用して同一の導波管の中に入力される）を通して、特定の深度平面に関して画像の赤色（Ｒ）、緑色（Ｇ）、および青色（Ｂ）色成分を出力するように構成され得ることを認識されたい。上記に議論されるように、結像システム内の出力サブ瞳の数の削減は、概して、ウェアラブルシステムにとって利点であり得る、有意により小型の投影光学系および対応してより小型の結像システムをもたらし得る。ディスプレイシステム１２００の種々の実施形態では、結像システム１２０１は、２つの独立した単瞳マイクロディスプレイを備えることができる。独立した単瞳マイクロディスプレイは、ＬＣＯＳベースの単瞳システムまたは独立したＭＥＭスキャナプロジェクタであり得る。そのような実施形態では、各独立した単瞳マイクロディスプレイは、画像光を対応する導波管に指向するように構成される。
【０３２６】
いくつかの実施形態では、ディスプレイシステム１２００は、深度平面あたり１つの導波管のかわりに、深度平面毎に２つの導波管アセンブリを備えることができる。深度平面毎に、２つの導波管のうちの第１のものは、その深度平面に関する画像情報を含む、１つまたは２つの異なる着色光ストリーム（例えば、赤色着色画像ストリーム、または赤色および緑色着色画像ストリーム）を内部結合するように構成されることができ、２つの導波管のうちの第２のものは、その深度平面に関する画像情報を含む、別の１つまたは２つの異なる着色光ストリーム（例えば、それぞれ、青色および緑色着色画像ストリーム、または青色着色画像ストリーム）を内部結合するように構成されることができる。第１の導波管が、２つの異なる色の光ストリームを含む、いくつかの実装では、２つの導波管のうちの第２のものは、第１の導波管内の色と異なる１つの着色光ストリーム、および第１の導波管に含まれるものと同一である、または類似する色の１つの光ストリーム（例えば、緑色および青色着色画像ストリーム、または赤色および青色着色画像ストリーム）を内部結合するように構成されることができる。
【０３２７】
図１３は、画像情報を備える多色光ストリームを、装着者の眼の正面に位置付けられるように頭部搭載型ディスプレイ等のアイウェア上に配置される１つ以上の導波管を備える、スタック１３０３に提供するように構成される、結像システム１３００の実施形態を図示する。いくつかの実施形態では、１つ以上の導波管は、高屈折率材料（例えば、約１．７９を上回る屈折率）を含むことができる。種々の実施形態では、スタック１３０３は、深度平面毎に１つ以上の導波管（例えば、高屈折率材料を含む導波管）を備えることができる。例えば、スタック１３０３は、深度平面毎に高屈折率材料を含む１つの導波管を備えることができる。２つの導波管は、内部結合された画像光が、全内部反射によって導波管内で伝搬するように、１つ以上の異なる波長を有する、結像システム１３００から出力される画像光を内部結合するように構成されることができる。高屈折率材料を含む、１つ以上の導波管はさらに、広い視野（例えば、約２０度を上回る水平視野および約２０度を上回る垂直視野）にわたって内部結合された光を視認者に投影するように構成されることができる。
【０３２８】
結像システムは、多色の変調されていない照明光が、投影光学系システム１３０７を通して変調要素１３０５に向かって、１つ以上の入射瞳を介して結像システムの中に入力される、正面照射結像システムとして構成される。変調要素１３０５は、反射型であり、投影光学系システム１３０７からの照明光によって正面照射される。画像情報を含む、変調された光は、変調要素１３０５から反射され、１つ以上の射出瞳を通して導波管スタック１３０３に向かって戻るように、投影光学系システム１３０７を通して透過される。種々の実施形態では、結像システム１３００は、それぞれ、多色照明を提供し、２つの異なる深度または焦点面に関して画像を生成するように構成される、２つの入射瞳を有するように構成されることができる。いくつかのそのような実施形態では、結像システム１３００は、同様に、それぞれ、２つの異なる深度または焦点面に関して多色画像光を出力するように構成される、２つの射出瞳を有するように構成されることができる。２つの射出瞳から放射される、２つの異なる深度または焦点面に関する多色画像光は、スタック１３０３の対応する導波管に向かって指向されることができる。図１３に図示される結像システムは、限定ではないが、瞳の小さいサイズおよび／または可能性として削減された数を含む、いくつかの利点を有する。
【０３２９】
他の構成も、可能である。例えば、スタック１３０３は、深度平面毎に高屈折率材料を含む２つの導波管を備えることができる。１つの例証的設計では、例えば、２つの導波管のうちの第１のものは、内部結合された画像光が、全内部反射によって導波管内で伝搬するように、結像システム１３００から出力される、赤色、緑色、および青色着色画像光（例えば、赤色着色画像光、または赤色および緑色着色画像光、または赤色および青色着色画像光）等の第１、第２、または第３の色のうちの１つ以上のものを内部結合するように構成されることができ、２つの導波管のうちの第２のものは、内部結合された画像光が、全内部反射によって導波管内で伝搬するように、結像システム１３００から出力される、赤色、緑色、および青色着色画像光（例えば、青色着色画像光、または青色および緑色着色画像光、または青色および赤色着色画像光）等の第１、第２、または第３の色のうちの１つ以上のものを内部結合するように構成されることができる。
【０３３０】
上記に議論されるように、投影光学系システム（例えば、投影光学系システム１１０７、１２０７、および１３０７）の設計は、特に、投影光学系システムからの光が複数の導波管または導波管アセンブリによって出力されることを所望されるときに、困難であり得る。そのような投影光学系システムを設計する際に遭遇される１つの困難は、限定された作動距離（例えば、投影光学系システムの最後の光学表面から関連性がある導波管の表面までの距離）である。上記に議論されるように、高屈折率材料（例えば、約１．７９を上回る屈折率）を含む導波管を採用することの１つの利点は、深度または焦点面毎に使用される導波管の数の削減である（例えば、潜在的に、深度平面あたり３つから深度平面あたり１つまたは２つまで導波管の数を削減する）。高屈折率材料を使用することに起因する導波管の数の削減は、多数の導波管を伴うシステムまたは接眼レンズでは実用的ではなかった投影レンズ設計オプションを可能にし得る、付加的作動距離の獲得を提供することができる。そのような付加的作動距離の獲得、およびそのコンポーネントの最適な作動距離のために構成されるディスプレイシステムの実施形態は、図１４Ａ−１４Ｅ−３を参照して下記にさらに解説される。
【０３３１】
図１４Ａは、２つの深度平面に関して第１および第２の導波管群１４０１および１４０３を有する、ディスプレイシステム（例えば、頭部搭載型システムの接眼レンズ）を図示する。導波管の各群１４０１、１４０３は、投影光学系から広範囲の角度を横断して複数の光ビームを受け取り、全内部反射による伝搬のために該光を導波管の中に内部結合するように構成される、３つの導波管を有する。例えば、複数の光ビームは、ディスプレイシステムの視野と関連付けられる角度の範囲を横断して、第１、第２、および第３の色（その深度平面に関する画像情報を備える、赤色、青色、および緑色光）であってもよい。
【０３３２】
図１４Ａの各導波管は、個別の作動距離（投影光学系システム１４０５の最後の光学表面から、投影光学系システム１４０５のより近傍にある、またはより遠い導波管表面であり得る、サブ瞳の近位にあるその導波管の表面までの距離）を有すると考えられ得る。図１４Ａに描写されるように、最左および最右導波管における複数の光ビームに関するサブ瞳は、視野の角度において画像データを搬送する光ビーム束を狭くし、次いで、広げることによって、光ビームが投影光学系によって操向されるため、導波管スタックの中央により近い導波管におけるサブ瞳と比較して、より大きい。故に、これらの最左および最右導波管のための内部結合要素は、個別のサブ瞳の光の全てを捕捉するように、対応してより大きくなければならない。
【０３３３】
しかしながら、大型内部結合要素は、全内部反射による伝搬が始まる前に、同一の内部結合要素を通して導波管から外に導波管に結合されるいくつかの光の角度を反射すること等の画像効率問題を導入し得る。図１４Ｅ−１は、同一の内部結合要素１４１６ａを通して導波管１４０３から外に内部結合された光の一部を反射するために十分に大きいサイズを有する、内部結合要素１４１６ａを備える、導波管１４０３の実施例を図示する。同一の内部結合要素を通して内部結合された光を外部結合する現象は、本明細書では「再バウンス」と称される。同一の内部結合要素を通して内部結合された光を外部結合するリスクを低減させるための１つの方法は、内部結合要素をより小さく作製することである。図１４Ｅ−２は、内部結合要素１４１６ａよりも小さいサイズを有する内部結合要素１４１６ｂを備える、導波管１４０３の実施例を図示する。しかしながら、単に再バウンスを低減させるために内部結合要素のサイズを縮小することは、内部結合要素が受け取り得る光の量を低減させ得る。例えば、導波管におけるサブ瞳が、同一の導波管における内部結合要素よりも大きい場合には、内部結合要素に入射しない受け取られた光の一部は、内部結合されず、失われるであろう。
【０３３４】
加えて、全内部反射中の各バウンスにおいて、導波管の構造内のある量の不完全性は、導波管あたりのバウンスの数が多いほど、画質がさらに劣化するように、収差を光路に導入する。本問題は、全内部反射によって、より少ないバウンスを誘発し得る、より厚い導波管を用いると低減され得る。図１４Ｅ−３は、図１４Ｅ−１および１４Ｅ−２の導波管１４０３よりも厚い導波管１４０３ｃの実施例を示す。より厚い導波管は、内部結合要素を通して内部結合された光を外部結合するリスクを低減させながら、全ての入射光を受け取るために十分に大きい内部結合要素を有することができる。しかしながら、いずれか１つの導波管（それらの全てよりもはるかに少ない）の厚さを増加させることは、図１４Ａの導波管アセンブリ１４０１の最左導波管を投影光学系システム１４０５からさらに遠く設置し、さらに大きいサブ瞳サイズをもたらし、さらに大型の内部結合要素を要求し、これは、上記に説明されるような効率問題をさらに悪化させるであろう。したがって、図１４Ａから留意されるように、１４０１および１４０３の導波管アセンブリは、導波管のメトリック（導波管の厚さ、または投影光学系システム１４０５からの導波管の距離等）への任意の変更が、結果として生じるであろうサブ瞳サイズの増加に悪影響を及ぼし得るため、全体的な限定された作動距離を有する。
【０３３５】
図１４Ｂは、屈折レンズ１４０９ａが導波管アセンブリ１４０１と１４０３との間に導入された場合のこれを図示する。導波管アセンブリの間に屈折レンズ１４０９ａを設置することによって、導波管アセンブリ１４０１上のサブ瞳交差点は、図１４Ａよりもさらに遠く、より薄い導波管が形状因子を維持すること（増加したバウンスによって画像内の収差を増加させる）、および／またはより大型の内部結合要素が新しいサブ瞳距離において全ての角度を受け取る（導波管の効率を低減させる）ことを要求するであろう。換言すると、視認者のための深度キューを別様に支援および改良する、屈折レンズ１４０９ａの設置は、増加した作動距離からの劣化した画質をもたらす。
【０３３６】
第１および第２の群１４０１および１４０３の導波管を、高屈折率材料を含む導波管と置換することによって、各群内の導波管の数は、図１４Ｃに示されるように、深度平面あたり３つから深度平面あたり１つまで削減されることができる。いくつかの実施形態では、導波管の数は、深度平面あたり３つから深度平面あたり２つまで削減されることができる。本構成は、全体的な導波管アセンブリが、ここではより薄いため、いずれか１つの導波管の作動距離を縮小することができる。導波管あたり約３００〜４００ミクロンの導波管厚さを仮定すると、図１４Ｃは、図１４Ｃの高屈折率導波管を伴う深度平面毎の導波管の数を削減することの結果として、作動距離の最大１．２ｍｍの「回復」または「再獲得」を図示する。図１４Ｃに図示される構成は、改良された作動距離からいくつかの付加的利点を有することができる。例えば、より小型の内部結合格子が、（導波管とプロジェクタとの間のような）より小さい作動距離に起因する導波管内の光を内部結合するために採用されることができ、代替として、導波管に入射する、より小さいビームサイズにより、または導波管の厚さは、全内部反射によるバウンスの数を精緻化し、図１４Ｅ−１の「再バウンス」問題の影響を受けやすい角度の数を削減するように、増加され得る（これは、実際に作動距離を増加させ得る）。導波管厚さのそのような増加は、スタック内の連続導波管に関する作動距離の増加に起因して、以前は所望されなかったが、作動距離がすでに短縮されたため、ごくわずかな性能効果を有し得る。別の実施例として、１つ以上の付加的深度平面は、可能性として、下記の図１５に示されるようにシステムに組み込まれることができる。
【０３３７】
図１４Ｄ−１、１４Ｄ−２、および１４Ｄ−３は、２つの導波管対合（導波管および屈折レンズ）を備える、ディスプレイシステムの実施形態を図示する。図１４Ｄ−１は、光が導波管の前に要素を通して通過する、透過型内部結合要素１４１４および１４１６を有する、ディスプレイシステムを図示する一方で、図１４Ｄ−２は、光が要素と相互作用する前に導波管に入射する、反射型内部結合要素１４１４−１および１４１６−１を有する、ディスプレイシステムを図示し、図１４Ｄ−３は、透過型および反射型内部結合要素の両方を利用する、ディスプレイシステムを図示する。
【０３３８】
図１４Ｄ−１、１４Ｄ−１、および１４Ｄ−３はそれぞれ、複数の角度においてプルジェクタ全体（描写せず）から複数の光ビームを投影するための最後のレンズ１４０５を有する、投影光学系システムを描写し、画像と関連付けられる複数の角度は、視野を有する。角度の範囲は、光ビーム１４１２から光ビーム１４１０までのものを包含する。投影光学系システムは、したがって、角度の範囲にわたって複数の光ビームの狭くなり、次いで、広がる円錐を生成する。角度の１つだけの範囲が描写されているが、図１４Ｄ−１、１４Ｄ−２、および１４Ｄ−３は、（図１４Ｃのような）多重瞳プロジェクタにも作用し得、図１４Ｄ−１、１４Ｄ−２、および１４Ｄ−３の単瞳は、説明を容易にするために図示されることを理解されたい。
【０３３９】
導波管１４０１および１４０３は、異なる場所においてサブ瞳円錐に交差する。導波管１４０１は、円錐が広がっている場所に位置付けられ、導波管１４０３は、円錐が狭くなっている場所に設置される。いくつかの実施形態では、屈折レンズが、導波管１４０１と１４０３との間に設置される。
【０３４０】
内部結合要素（例えば、回折格子）は、主要表面がサブ瞳に交差する、導波管１４０１および１４０３上に位置付けられる。透過型内部結合要素を描写する図１４Ｄ−１では、内部結合要素は、投影光学系システムの最後のレンズ１４０５のより近傍で導波管の表面上に位置付けられる。反射型内部結合要素を描写する図１４Ｄ−２では、内部結合要素は、投影光学系システムの最後のレンズ１４０５からより遠くで導波管の表面上に位置付けられる。内部結合要素のサイズは、内部結合要素が配置される表面、および内部結合要素が配置される導波管に依存し得ることを理解されたい。図１４Ｄ−１に示されるように、内部結合要素１４１４は、内部結合要素１４１６よりも小さく、反対が、図１４Ｄ−２に当てはまる。導波管作動距離１４１０または１４１２を増加または減少させることは、光ビームの範囲を捕捉するために要求される内部結合要素のサイズを調節し得る。図１４Ｄ−３は、近距離または遠距離側に内部結合要素を設置し、個別の導波管のための内部結合要素サイズを増加させる、または最適化する、実施形態を図示する。換言すると、図１４Ｄ−１および１４Ｄ−２の内部結合要素の表面位置は、相互排他的ではなく、交換可能であり得る。
【０３４１】
当技術分野内の導波管ディスプレイシステムは、可能な限りプロジェクタの近くに導波管を設置し、内部結合サイズを最小限にすることによって、形状因子を最小限にし、全効率を最大限にし得る。本明細書に説明される高屈折率導波管を実装することによって、作動距離の最適化が、代わりに、理想的な内部結合要素サイズと関連付けられ、次いで、導波管厚さおよび屈折または可変焦点レンズ等の有益な中間光学系の存在を最適化し得る。
【０３４２】
図１４Ｄ−１は、内部結合要素１４１４から投影光学系システムの最後のレンズ１４０５まで測定されるような、第１の作動距離１４１２における導波管の近傍表面上に内部結合要素１４１６を有する、第１の導波管１４０３を図示する。導波管の近傍表面上に内部結合要素１４１６を有する、第２の導波管１４０１は、内部結合要素１４１４から投影光学系システムの最後のレンズ１４０５まで測定されるような、第２の作動距離１４１０に設置される。図１４Ｄ−２および１４Ｄ−３は、内部結合要素表面場所上の変形例、および作動距離への対応する変化を伴って、類似実施形態を図示し、注目すべきこととして、図１４Ｄ−３は、第１の作動距離１４１２−１および第２の作動距離１４１０を使用してもよく、必ずしも内部結合要素表面配置のその特定の可変構成のための一意の作動距離ではない。
【０３４３】
いくつかの実施形態では、少なくとも１つの屈折レンズ１４２０が、導波管１４０１と１４０３との間に配置され、少なくとも１つの屈折レンズ１４２０は、深度キューを、それを通して通過する光に提供するように構成される。いくつかの実施形態では。屈折レンズ１４２０は、光学処方または屈折力を有する。いくつかの実装では、レンズ１４２０がより厚くあり得るほど、それが及ぼし得る屈折力が大きくなり、レンズ１４２０の厚さの増加は、少なくとも第２の作動距離も増加させるであろうことを理解されたい。
【０３４４】
いくつかの実施形態では、導波管１４０１および１４０３（または少なくともそれらの個別の内部結合要素１４１４または１４１４−１および１４１６または１４１６−１）は、視野の画像データを備える、複数の光ビームの角度の範囲が、狭くなる円錐から広がる円錐に遷移する、サブ瞳遷移点１４１８の両側に設置される。いくつかの実施形態では、導波管（または少なくともそれらの個別の内部結合要素）は、サブ瞳遷移点１４１８の共通側に設置される。図１４Ｄ−１、１４Ｄ−２、および１４Ｄ−３は、前者を図示するが、当業者は、本明細書で提供される説明から、後者の適用可能性を理解するであろう。さらに、サブ瞳遷移点１４１８または本明細書で適用されるような作動距離は、必ずしもプロジェクタの光学瞳に共同設置されないことに留意されたい。
【０３４５】
例えば、図１０、１２、１３、１４Ｃ、１４Ｄ−１、および１４Ｄ−２に図示される実施形態等の本明細書に開示される種々のシステム、アーキテクチャ、および設計の利益は、限定されないが、他の２深度平面アーキテクチャと比較して、高い透過性、比較的に小さい形状因子および厚さ（例えば、約５ｍｍ未満の接眼レンズの公称厚さ）、削減された製造コスト、およびより低い質量を含む。高屈折率材料（例えば、１．７９を上回る屈折率および／または２．２を上回る屈折率）を伴う単一の導波管を備える、フルカラー接眼レンズの質量は、３つの導波管の１つの導波管への統合に起因して、３つのガラス導波管を備えるフルカラー接眼レンズと比較して、低減されることができる。
【０３４６】
上記に議論されるように、高屈折率材料（例えば、１．７９を上回る屈折率および／または２．２を上回る屈折率）を含む導波管を採用することは、１つ以上の付加的深度平面を含む可能性を可能にする、深度平面あたりの導波管の数を削減することができる。図１５は、複数の導波管１５２０、１５２２、および１５２４を含む、スタック１５１８を備える、接眼レンズを備える、ディスプレイシステム１５００の実施形態を図示する。各導波管１５２０、１５２２、および１５２４は、対応する深度平面と関連付けられることができる。（いくつかの他の実施形態では、２つの導波管は、各深度と関連付けられることができる。）いくつかの実装では、導波管の間の間隙は、約０．３ｍｍである。導波管は、ある場合には、約４００ミクロンの基板を備えてもよい。深度平面毎に画像情報を備える光が、結像システム１５０１の１つ以上の射出瞳から放射されることができる。例えば、図１５に図示される実施形態では、結像システム１５０１は、３つの射出瞳を備えることができ、各射出瞳は、対応する深度平面に関して多色画像光を出力するように構成される。（深度または深度平面を提供するために使用される類似システムに関して、３つと対照的に２つの射出瞳が、使用されてもよい。）種々の実施形態では、スタック１５１８内の導波管は、無限遠合焦であり得、固定距離多焦点要素を含むことができる。特に、いくつかのそのような実施形態では、スタック１５１８は、異なる深度平面と関連付けられる導波管から投影される仮想画像の焦点位置を変動させるように、深度平面と装着者の眼１５０７との間に位置付けられる、複数の負の静的幾何学的位相１５３０（「ＧＰ」）レンズ（例えば、液晶偏光格子）を備えることができる。スタック１５１８はさらに、負のＧＰレンズによって導入される屈折力を補償するように、外界と装着者の眼１５０７との間に配置される、正のＧＰレンズ１５２６を備えることができる。静的ＧＰレンズを使用することは、他のタイプの可変焦点レンズを使用することと比較して、スタック１５１８の厚さおよび重量を低減させることができる。ＧＰレンズの多くの実施形態は、偏光感受性であり得る。故に、スタック１５１８はさらに、ディスプレイシステム１５００の適切な機能性を確実にするための偏光器１５２８（例えば、円形偏光器、または、例えば、１つ以上の液晶層および偏光器を備える、偏光器ベースの可変減衰器）を備えることができる。スタック１５１８に偏光器を組み込むことの１つの欠点は、光学スループットまたは輝度の減少である。例えば、スタック１５１８に偏光器を組み込むことは、いくつかの実施形態では、光学スループットを約５０％低減させ得る。いくつかの実施形態では、液晶ベースの可変減衰器および偏光器の組み合わせが、スタック１５１８に統合されることができる。
【０３４７】
本願は、屈折および回折（ＧＰ）レンズのハイブリッド組み合わせを含む、上記に説明されるディスプレイシステム、および結像システムの変形例および組み合わせを考慮する。
【０３４８】
例えば、図１３に図示される結像システム１３００等の正面照射結像システムの種々の実施形態では、照明パイプまたは光パイプが、照明光を結像システムの変調要素１３０５に提供するために使用されることができる。図１６は、照明パイプ１６３０を備える、ディスプレイシステム１６００の実施形態を図示する。ディスプレイシステム１６００は、アイウェアまたは頭部搭載型ディスプレイに統合され得る、１つ以上の導波管を備える、スタック１６０３を備える。照明パイプ１６３０は、スタック１６０３内の導波管の間に配置されてもよい。いくつかの設計では、導波管の間の１つ以上のレンズ要素の厚さによる影響を受け得る、導波管の分離は、ある場合には、幅１〜１．２ｍｍであり得る。変調要素１６０５と、投影光学系システム１６０７とを備える、結像システムからの光は、スタック１６０３に向かって指向され、本明細書に説明されるような内部結合光学要素を使用して、導波管の中に内部結合される。ディスプレイシステム１６００はさらに、１つ以上の単色または多色の個々の光源（例えば、レーザまたはＬＥＤ）１６３２ａ−１６３２ｃを備える。図示される実装では、個々の光源１６３２ａ−１６３２ｃは、赤色、緑色、および青色光等の第１、第２、および第３の色源を含む。個々の光源１６３２ａ−１６３２ｃからの光は、白色ビームを生成するようにダイクロイックビームスプリッタ１６３４と組み合わせられ、照明パイプ１６３０の中に投入される。いくつかの実施形態では、白色光源（例えば、白色ＬＥＤ）が、照明パイプ１６３０を辿って白色光を指向するために使用されることができる。そのような実施形態では、ビーム結合ダイクロイックビームスプリッタ１６３４は、排除されることができる。入射白色光ビームは、パイプ１６３０から出射するように、光再指向器または旋回要素１６３６（例えば、ウェッジおよび／またはミラー）を用いて再指向されてもよい。いくつかの実施形態では、本光は、照明パイプ１６３０および／またはスタック１６０３の導波管の主要表面に対して公称上直交方向に再指向され、投影光学系システム１６０７を介して、スタック１６０３の１つ以上の導波管を通して変調要素１６０５に向かって指向される。光は、変調要素１６０５から反射され、変調された光ストリームは、投影光学系１６０７を通して戻るように通過され、スタック１６０３内の導波管の中に内部結合される。いくつかの実施形態では、再指向された光は、発散レンズ、または投影光学系システム１６０７を通した伝搬後に変調要素１６０５上に所望の光分布を生成するように設計される回折光学要素を備える、調整光学系１６３８を用いて、修正または変調されることができる。調整光学系１６３８は、いくつかの実装では、トップハットビームプロファイル回折光学要素を備えてもよい。ある場合には、調整光学系１６３８は、ディスプレイシステム１６００の必要性に応じて、光の分布を任意の恣意的設計に効率的に調整することができる。調整光学系１６３８は、導波管の主要表面の一方または両方の上に提供されてもよい。いくつかの実施形態では、回折光学要素を備える、調整光学系が、導波管の表面上に加工される内部結合光学要素および外部結合光学要素と同時に加工されることができる。光パイプ照明器構成を採用することの付加的利益は、一般に、熱変動または高温に敏感であり得る、導波管から離れるように、光源を移動させることである。
【０３４９】
いくつかの実施形態では、別個の照明パイプが、異なる色の照明光を提供するために使用されてもよい。図１７Ａおよび１７Ｂは、個々の着色照明を結像システムに提供するように構成される、個々の照明パイプ１７３０ａ、１７３０ｂ、および１７３０ｃの側面図および上面図を示す。図１６に示される設計と対照的に、ダイクロイックビームスプリッタ１６３４は、使用されず、光は、図１７Ａおよび１７Ｂに示される実装では、光パイプの端部から光パイプ１６３０の中に結合される。図示される実装では、光パイプ１７３０ａは、第１の色（例えば、赤色）照明を提供するように構成され、光パイプ１７３０ｂは、第１の色（例えば、緑色）照明を提供するように構成され、光パイプ１７３０ｃは、第３の色（例えば、青色）照明を提供するように構成される。色の任意の組み合わせのための光パイプが、使用され得る。そのような実施形態では、色毎に設計または最適化される別個の回折光学要素（ＤＯＥ）が、変調されることに先立って、照明光を調整するために使用されることができる。加えて、結像システムから画像光を受け取る内部結合格子もまた、例えば、内部結合効率を増加させるように、個々の色毎に設計または最適化されることができる。種々の実施形態では、導波管は、より接近した間隔を可能にするように、テーパ状であり得る。
深度平面あたり１つの導波管
【０３５０】
上記に説明されるディスプレイデバイスの種々の実施形態は、深度平面あたり高屈折率材料（例えば、約１．７９以上の屈折率）を含む単一の導波管を備える。深度平面に関する画像情報を含む、第１の色、第２の色、および第３の色の光を含む、光の多重化されたストリームが、少なくとも１つの内部結合光学要素を使用して、その深度平面に関して導波管の中に内部結合される。いずれの一般性も失うことなく、第１の色、第２の色、および第３の色は、赤色、緑色、および青色を含む群から選択されることができる。いくつかの実施形態では、単一の内部結合光学要素は、深度平面に関する画像情報を含む、第１の色、第２の色、および第３の色の光を、導波管の中に再指向する（例えば、回折する）ように構成されることができる。他の実施形態では、２つの内部結合光学要素は、深度平面に関する画像情報を含む、第１の色、第２の色、および第３の色の光を、導波管の中に再指向する（例えば、回折する）ように構成されることができ、異なる色または色の組み合わせは、２つの内部結合光学要素によって導波管の中に結合される。例えば、いくつかの実施形態では、それぞれ、２つの内部結合光学要素のうちの第１のものは、第１の色および第２の色の光を再指向する（例えば、回折する）ように構成されることができ、２つの内部結合光学要素のうちの第２のものは、第３の色の光を再指向する（例えば、回折する）ように構成されることができる。他の実施形態では、それぞれ、２つの内部結合光学要素のうちの第１のものは、第１の色および第２の色の光を再指向する（例えば、回折する）ように構成されることができ、２つの内部結合光学要素のうちの第２のものは、第３の色の光、および第１または第２の色のうちの１つの光を再指向する（例えば、回折する）ように構成されることができる。いくつかの実施形態では、３つの内部結合光学要素、すなわち、第１、第２、および第３の内部結合光学要素は、深度平面に関する画像情報を含む、第１の色、第２の色、および第３の色の光を、導波管の中に再指向する（例えば、回折する）ように構成されることができる。例えば、いくつかの実施形態では、それぞれ、３つの内部結合光学要素のうちの第１のものは、第１の色の光を再指向する（例えば、回折する）ように構成されることができ、３つの内部結合光学要素のうちの第２のものは、第２の色の光を再指向する（例えば、回折する）ように構成されることができ、３つの内部結合光学要素のうちの第３のものは、第３の色の光を再指向する（例えば、回折する）ように構成されることができる。
深度平面あたり２つの導波管
【０３５１】
上記に説明されるディスプレイデバイスの種々の実施形態は、深度平面あたり高屈折率材料（例えば、約１．７９以上の屈折率）を含む２つの導波管を備えることができる。深度平面に関する画像情報を含む、第１の色、第２の色、および第３の色の光を含む、光の多重化されたストリームが、２つの導波管の中に内部結合され、第１および第２の異なる色または色の組み合わせは、２つの導波管の中に結合される。いずれの一般性も失うことなく、第１の色、第２の色、および第３の色は、赤色、緑色、および青色を含む群から選択されることができる。いくつかの実施形態では、それぞれ、第１の導波管は、深度平面に関する画像情報を含む、第１の色および第２の色を受け取り、その中で誘導するように構成されることができ、第２の導波管は、深度平面に関する画像情報を含む、第３の色を受け取り、その中で誘導するように構成されることができる。他の実施形態では、それぞれ、第１の導波管は、深度平面に関する画像情報を含む、第１の色および第２の色を受け取り、その中で誘導するように構成されることができ、第２の導波管は、深度平面に関する画像情報を含む、第３の色および第１または第２の色のうちの１つを受け取り、その中で誘導するように構成されることができる。例えば、それぞれ、第１の導波管は、赤色および緑色を受け取り、その中で誘導するように構成されることができ、第２の導波管は、緑色および青色または赤色および青色を受け取り、その中で誘導するように構成されることができる。
【０３５２】
種々の実装では、深度平面に関する画像情報を含む、第１の色、第２の色、および第３の色の光を含む、光の多重化されたストリームが、少なくとも２つの内部結合光学要素を使用して、２つの導波管の中に内部結合される。いくつかの実施形態では、それぞれ、第１の内部結合光学要素は、深度平面に関する画像情報を含む、第１の色および第２の色の光を、第１の導波管の中に再指向する（例えば、回折する）ように構成されることができ、第２の内部結合光学要素は、深度平面に関する画像情報を含む、第３の色の光を、第２の導波管の中に再指向する（例えば、回折する）ように構成されることができる。いくつかの実施形態では、第２の内部結合光学要素はまた、第１の色または第２の色の光を第２の導波管の中に再指向する（例えば、回折する）ように構成されることもできる。いくつかの実施形態では、第１の内部結合光学要素は、深度平面に関する画像情報を含む、第１の色の光を第１の導波管の中に再指向する（例えば、回折する）ように構成されることができ、第２の内部結合光学要素は、深度平面に関する画像情報を含む、第２の色の光を第１の導波管の中に再指向する（例えば、回折する）ように構成されることができる。第３の内部結合光学要素は、深度平面に関する画像情報を含む、第３の色の光を、その深度平面に関する第２の導波管の中に再指向する（例えば、回折する）ように構成されることができる。いくつかの実施形態では、第２の内部結合光学要素はさらに、第１の色または第２の色の光を第２の導波管の中に再指向する（例えば、回折する）ように構成されることができる。いくつかの他の実施形態では、第４の内部結合光学要素は、第１の色または第２の色の光を第２の導波管の中に再指向する（例えば、回折する）ように構成されることができる。
高屈折率導波管上に格子を製造する方法
【０３５３】
本願で検討される高屈折率材料（例えば、約１．７９以上の屈折率）を含む導波管を含む、ディスプレイデバイスの種々の実施形態は、導波管の表面上に配置される回折構造を備えることができる。上記に議論されるように、回折構造を伴う高屈折率材料（例えば、約１．７９以上の屈折率）を含む導波管は、結像システム（例えば、マイクロディスプレイまたはプロジェクタ）から放射される、画像情報を含む多色光を内部結合する、１つ以上の所望の方向に沿って内部結合された光を分散させる、および／または視認者に向かって内部結合された光を外部結合するように構成されることができる。回折構造を伴う高屈折率材料（例えば、約１．７９以上の屈折率）を含む導波管を加工する異なる方法は、下記に説明される。
【０３５４】
図１８Ａおよび１８Ｂは、高屈折率材料（例えば、１．７９を上回る屈折率）を含む基板（例えば、導波管）の表面上に回折格子を加工する２つの異なる方法のフローチャートを図示する。いくつかの実装では、基板は、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ３）または炭化ケイ素（ＳｉＣ）を含むことができる。本方法は、ブロック１８０１に示されるように、高屈折率の基板を提供することを含む。本方法はさらに、ブロック１８０３に示されるように、基板の表面上にパターン化可能な材料の層を配置することを含む。いくつかの実施形態では、パターン化可能な材料は、レジストを含むことができる。いくつかの実施形態では、パターン化可能な材料は、ポリマーを含むことができる。例えば、パターン化可能な層は、紫外線（ＵＶ）硬化性ポリマーを含むことができる。パターン化可能な層は、基板の材料の屈折率未満の屈折率（例えば、１．７９未満の屈折率）を有することができる。例えば、パターン化可能な層の屈折率は、約１．２〜約１．８であり得る。種々の実施形態では、パターン化可能な層の屈折率は、約１．２以上かつ約１．３以下、約１．３以上かつ約１．４以下、約１．４以上かつ約１．５以下、約１．５以上かつ約１．６以下、約１．６以上かつ約１．７以下、約１．７以上かつ約１．７９以下、またはこれらの値のうちのいずれかの間の任意の範囲／部分範囲であり得る。種々の実施形態では、パターン化可能な層は、約１０ｎｍ〜約１０００ｎｍの厚さを有することができる。
【０３５５】
パターン化可能な層は、ジェット堆積技術（例えば、インクジェット堆積）を使用して、基板の表面にわたって配置されることができる。上記に議論されるように、例えば、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ３）等のある高屈折率材料は、圧電、強誘電体、および／または焦電気性であり得、パターン化可能な材料の堆積のために調製されると、実質的な表面電荷を発生させ得る。基板の荷電表面にわたって、ジェット堆積技術を使用して、パターン化可能な材料を配置することは、実用的ではない場合がある。故に、いくつかの実施形態では、高屈折率材料を含む基板の荷電表面は、ジェット堆積技術を使用してパターン化可能な材料を配置することに先立って、放電されることができる。
【０３５６】
パターン化可能な層は、ブロック１８０５に示されるように、所望の（例えば、格子または回折光学要素）パターンを伴ってパターン化されることができる。パターン化された層は、ブロック１８０７に示されるように、高屈折率材料（例えば、約１．７９以上の屈折率）を含む基板の表面をエッチングし、基板の表面上に回折構造を加工するために、エッチングマスクとして使用されることができる。
【０３５７】
いくつかの実施形態では、パターン化された層は、高屈折率材料（例えば、約１．７９以上の屈折率）を含む基板の表面上に留保されることができる。そのような実施形態では、パターン化された層は、回折光学要素として機能するように構成されることができる。故に、パターン化された層は、機能層として機能するように構成されることができる。
【０３５８】
本発明の種々の例示的実施形態が、本明細書に説明される。非限定的な意味で、これらの実施例が参照される。それらは、本発明のより広く適用可能な側面を例証するように提供される。種々の変更が、説明される本発明に行われてもよく、均等物が、本発明の真の精神および範囲から逸脱することなく代用されてもよい。加えて、多くの修正が、特定の状況、材料、組成物、プロセス、プロセスの行為またはステップを、本発明の目的、精神、または範囲に適合させるように、行われてもよい。さらに、当業者によって理解されるであろうように、本明細書に説明および図示される個々の変形例はそれぞれ、本発明の範囲または精神から逸脱することなく、他のいくつかの実施形態のうちのいずれかの特徴から容易に分離される、またはそれと組み合わせられ得る、離散コンポーネントおよび特徴を有する。全てのそのような修正は、本開示と関連付けられる請求項の範囲内であることを意図している。
【０３５９】
本発明は、本デバイスを使用して実施され得る、方法を含む。本方法は、そのような好適なデバイスを提供する行為を含んでもよい。そのような提供は、エンドユーザによって実施されてもよい。換言すると、「提供する」行為は、単に、エンドユーザに、本方法において必須デバイスを提供するために、取得する、アクセスする、接近する、位置付ける、設定する、アクティブ化する、電源を入れる、または別様の行為を要求する。本明細書に記載される方法は、論理的に可能である記載される事象の任意の順序で、および事象の記載される順序で、実施されてもよい。
【０３６０】
本発明の例示的側面が、材料選択および製造に関する詳細とともに、上記に記載された。本発明の他の詳細に関して、これらは、上記に参照される特許および公開と関連して理解されるとともに、概して、当業者によって把握または理解され得る。同じことが、一般的または論理的に採用されるような付加的行為の観点から、本発明の方法ベースの側面に関しても当てはまり得る。加えて、本発明は、随意に、種々の特徴を組み込む、いくつかの実施例を参照して説明されたが、本発明は、本発明の各変形例に関して検討されるものとして説明される、または示されるものに、限定されるものではない。種々の変更が、説明される本発明および均等物に行われてもよく（本明細書に記載されるか、またはある程度簡単にするために含まれていないかにかかわらず）、本発明の真の精神および範囲から逸脱することなく、代用されてもよい。加えて、値の範囲が提供される場合、その範囲の上限および下限と、その規定範囲内の任意の他の規定または介在値との間で、あらゆる介在値が本開示内に包含されることを理解されたい。
【０３６１】
また、説明される発明の変形例の任意の随意の特徴は、独立して、または本明細書に説明される特徴のうちのいずれか１つ以上のものと組み合わせて、記載および請求され得ることが検討される。単数のアイテムの言及は、複数の同一アイテムが存在する可能性を含む。より具体的には、本明細書およびそれに関連付けられる請求項で使用されるように、単数形「ａ」、「ａｎ」、「ｓａｉｄ」、および「ｔｈｅ」は、別様に具体的に記述されない限り、複数の指示対象を含む。換言すると、冠詞の使用は、上記の説明および本開示と関連付けられる請求項において本アイテムの「少なくとも１つ」を可能にする。さらに、そのような請求項は、任意の随意の要素を除外するように起草され得ることに留意されたい。したがって、本記述は、請求項要素の記載と関連する「ｓｏｌｅｌｙ（単に）」、「ｏｎｌｙ（のみ）」、および同等物等の排他的用語の使用、または「否定的」限定の使用のための先行詞としての役割を果たすことを意図している。
【０３６２】
そのような排他的用語を使用することなく、本開示と関連付けられる請求項内の用語「〜を備える（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」は、所与の数の要素がそのような請求項で列挙されるかどうかにかかわらず、任意の付加的要素の包含を可能にするものとする、または特徴の追加は、そのような請求項に記載される要素の性質を変換すると見なされ得る。本明細書で具体的に定義される場合を除いて、本明細書で使用される全ての技術および科学用語は、請求項の有効性を維持しながら、可能な限り広い一般的に理解されている意味を与えられるものである。
【０３６３】
本発明の範疇は、提供される実施例および／または本明細書に限定されるものではなく、むしろ、本開示と関連付けられる請求項の用語の範囲のみによって限定される。
【０３６４】
デバイス（例えば、光学デバイス、ディスプレイデバイス、照明器、統合型光学デバイス等）およびシステム（例えば、照明システム）の種々の実施例が、提供された。これらのデバイスおよび／またはシステムのいずれかは、光を（例えば、１つ以上の内部結合光学要素を用いて）導波管および／または接眼レンズの中に結合し、画像を形成するように、頭部搭載型ディスプレイシステム内に含まれてもよい。加えて、デバイスおよび／またはシステムは、デバイスおよび／またはシステムのうちの１つ以上のものが、頭部搭載型ディスプレイシステム内に含まれ得るように、比較的に小型（例えば、１ｃｍ未満）であり得る。例えば、デバイスおよび／またはシステムは、接眼レンズに対して小型であり得る（例えば、接眼レンズの長さおよび／または幅の３分の１未満である）。
【０３６５】
前述の明細書では、本発明は、その具体的実施形態を参照して説明された。しかしながら、種々の修正および変更が、本発明のより広義の精神および範囲から逸脱することなく、そこに行われ得ることが明白となるであろう。本明細書および図面は、故に、限定的意味ではなく、例証的と見なされるべきである。
【０３６６】
実際、本開示のシステムおよび方法はそれぞれ、いくつかの革新的側面を有し、そのうちのいかなるものも、本明細書に開示される望ましい属性に単独で関与しない、またはそのために要求されないことを理解されたい。上記に説明される種々の特徴およびプロセスは、相互に独立して使用されてもよい、または種々の方法で組み合わせられてもよい。全ての可能性として考えられる組み合わせおよび副次的組み合わせは、本開示の範囲内に該当することを意図している。
【０３６７】
別個の実施形態の文脈において本明細書に説明されるある特徴はまた、単一の実施形態において組み合わせて実装されてもよい。逆に、単一の実施形態の文脈において説明される種々の特徴もまた、複数の実施形態において別個に、または任意の好適な副次的組み合わせで実装されてもよい。さらに、特徴は、ある組み合わせで作用するものとして上記に説明され、さらに、そのようなものとして最初に例示され得るが、例示的組み合わせからの１つ以上の特徴は、ある場合には、組み合わせから削除されてもよく、例示される組み合わせは、副次的組み合わせまたは副次的組み合わせの変形例を対象とし得る。いかなる単一の特徴または特徴群も、あらゆる実施形態に必要または必須ではない。
【０３６８】
とりわけ、「〜できる（ｃａｎ）」、「〜し得る（ｃｏｕｌｄ）」、「〜し得る（ｍｉｇｈｔ）」、「〜し得る（ｍａｙ）」、「例えば（ｅ．ｇ．）」、および同等物等、本明細書で使用される条件付き用語は、別様に具体的に記述されない限り、または使用されるような文脈内で別様に理解されない限り、概して、ある実施形態が、ある特徴、要素、および／またはステップを含む一方、他の実施形態がそれらを含まないことを伝えることを意図していることを理解されたい。したがって、そのような条件付き用語は、概して、特徴、要素、および／またはステップが、１つ以上の実施形態のためにいかようにも要求されること、または１つ以上の実施形態が、著者の入力またはプロンプトの有無を問わず、これらの特徴、要素、および／またはステップが任意の特定の実施形態において含まれる、または実施されるものであるかどうかを決定するための論理を必然的に含むことを含意することを意図していない。用語「〜を備える（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」、「〜を含む（ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ）」、「〜を有する（ｈａｖｉｎｇ）」、および同等物は、同義語であり、非限定的方式で包括的に使用され、付加的要素、特徴、行為、動作等を除外しない。また、用語「または」は、例えば、要素のリストを接続するために使用されると、用語「または」が、リスト内の要素のうちの１つ、いくつか、または全てを意味するように、その包括的意味で使用される（かつその排他的意味で使用されない）。加えて、本願および添付される請求項で使用されるような冠詞「ａ」、「ａｎ」、および「ｔｈｅ」は、別様に規定されない限り、「１つ以上の」または「少なくとも１つ」を意味するように解釈されるものである。同様に、動作は、特定の順序で図面に描写され得るが、これは、望ましい結果を達成するために、そのような動作が、示される特定の順序で、または連続的順序で実施される必要がない、または全ての図示される動作が実施される必要はないことを認識されたい。さらに、図面は、フローチャートの形態で１つ以上の例示的プロセスを図式的に描写し得る。しかしながら、描写されていない他の動作も、図式的に図示される例示的方法およびプロセス内に組み込まれてもよい。例えば、１つ以上の付加的動作が、図示される動作のうちのいずれかの前に、その後に、それと同時に、またはその間に実施されてもよい。加えて、動作は、他の実施形態では、再配列される、または再順序付けられてもよい。ある状況では、マルチタスクおよび並列処理が、有利であり得る。さらに、上記に説明される実施形態における種々のシステムコンポーネントの分離は、全ての実施形態においてそのような分離を要求するものとして理解されるべきではなく、説明されるプログラムコンポーネントおよびシステムは、概して、単一のソフトウェア製品にともに統合される、または複数のソフトウェア製品にパッケージ化され得ることを理解されたい。加えて、他の実施形態も、以下の実施例の範囲内である。ある場合には、実施例に列挙されるアクションは、異なる順序で実施され、依然として、望ましい結果を達成し得る。
【０３６９】
故に、本開示は、本明細書に示される実装に限定されることを意図しておらず、本明細書に開示される本開示、原理、および新規の特徴と一致する最も広い範囲を与えられるものである。
【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５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図５Ｃ】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９Ａ】
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【図９Ｂ】
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【図９Ｃ】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４Ａ−Ｃ】
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【図１４Ｄ−１】
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【図１４Ｄ−２】
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【図１４Ｄ−３】
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【図１４Ｅ−１】
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【図１４Ｅ−２】
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【図１４Ｅ−３】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７Ａ】
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【図１７Ｂ】
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【図１８】
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【国際調査報告】
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