(57)【要約】  ニアアイディスプレイおよび双眼ニアアイディスプレイシステムは、ユーザに焦点深度手がかりを与えるために、アイボックス内の異なる位置にマルチビュー画像の複数の異なるビューを提供する。ニアアイディスプレイは、異なるビューを提供するように構成されたマルチビーム素子ベースディスプレイと、異なるビューをアイボックス内の異なる位置に中継するように構成された光学系とを含む。双眼ニアアイディスプレイシステムは、三次元（３Ｄ）場面を表す立体画像ペアとしての１対のマルチビュー画像を、横方向にずれたアイボックスの対応するペアに提供し、中継するように構成された、１対のマルチビーム素子ベースディスプレイと双眼光学系とを含む。
2021507320.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ニアアイディスプレイであって、
マルチビュー画像の複数の異なるビューを提供するように構成されたマルチビーム素子ベースディスプレイであって、前記マルチビーム素子ベースディスプレイは、前記複数の異なるビューのそれぞれのビュー方向に対応する方向（directions）を有する複数の指向性光ビームを提供するように構成されたマルチビーム素子（multibeam elements）のアレイと、前記マルチビュー画像を提供するために前記複数の指向性光ビームを変調するように構成されたライトバルブ（light valves）のアレイとを備える、マルチビーム素子ベースディスプレイと、
前記マルチビュー画像の前記複数の異なるビューを、前記ニアアイディスプレイの出力におけるアイボックス内の対応する複数の異なる位置（different locations）に中継するように構成された、光学系と
を備える、ニアアイディスプレイ。
【請求項２】
前記アイボックス内の前記対応する複数の異なる位置は、前記ニアアイディスプレイのユーザに焦点深度手がかりを与えるように構成されており、前記複数の異なるビュー（the plurality of different views）における異なるビュー（different views）は、前記マルチビュー画像の異なる斜視図を表す、請求項１に記載のニアアイディスプレイ。
【請求項３】
前記マルチビュー画像の前記複数の異なるビューは、少なくとも４つの異なるビュー（four different views）を含む、請求項１に記載のニアアイディスプレイ。
【請求項４】
前記複数の異なるビューは全角度範囲を有し、前記光学系は入力アパーチャを有し、前記全角度範囲は、前記入力アパーチャのサイズに実質的に対応するように構成されている、請求項１に記載のニアアイディスプレイ。
【請求項５】
前記光学系は、ユーザの目の通常の調節範囲に対応する前記アイボックスからの距離に前記マルチビュー画像の虚像を提供するように構成された単純な拡大鏡を備える、請求項１に記載のニアアイディスプレイ。
【請求項６】
前記マルチビーム素子ベースディスプレイおよび前記光学系の両方が、視野（ＦＯＶ）の一部を実質的に遮るように、ユーザの前記ＦＯＶ内に配置され、前記ニアアイディスプレイは、前記遮られたＦＯＶ部分の中のマルチビュー画像で物理的環境のビューを置き換えるように構成された仮想現実ディスプレイである、請求項１に記載のニアアイディスプレイ。
【請求項７】
前記マルチビーム素子ベースディスプレイは、ユーザの視野（ＦＯＶ）の外側に配置され、前記光学系は前記ＦＯＶ内に配置され、前記ニアアイディスプレイは、前記マルチビュー画像を用いて前記ＦＯＶ内の物理的環境のビューを拡張させるように構成されている拡張現実ディスプレイである、請求項１に記載のニアアイディスプレイ。
【請求項８】
前記光学系は自由曲面プリズムを備える、請求項１に記載のニアアイディスプレイ。
【請求項９】
前記光学系は自由曲面補償レンズをさらに備える、請求項８に記載のニアアイディスプレイ。
【請求項１０】
前記マルチビーム素子ベースディスプレイは、導波光として、光導波路の長さに沿って光を誘導するように構成された前記光導波路をさらに備え、前記マルチビーム素子アレイのマルチビーム素子（a multibeam element）は、前記複数の指向性光ビームのうちの指向性光ビーム（directional light beams）として前記導波光の一部を前記光導波路から散乱させるように構成されている、請求項１に記載のニアアイディスプレイ。
【請求項１１】
前記マルチビーム素子（the multibeam element）は、前記導波光の前記一部を回折により散乱するように構成された回折格子を備える、請求項１０に記載のニアアイディスプレイ。
【請求項１２】
前記マルチビーム素子（the multibeam element）は、マイクロ反射素子およびマイクロ屈折素子の一方または両方を備え、前記マイクロ反射素子は前記導波光の前記一部を反射により散乱するように構成されており、前記マイクロ屈折素子は前記導波光の前記一部を屈折により散乱するように構成されている、請求項１０に記載のニアアイディスプレイ。
【請求項１３】
前記マルチビーム素子ベースディスプレイは、前記光導波路の入力に光学的に結合された光源をさらに備え、前記光源は、非ゼロ伝播角度を有するか、および所定のコリメーション係数にしたがってコリメートされるか、の一方または両方である前記導波光として誘導される光を提供するように構成されている、請求項１０に記載のニアアイディスプレイ。
【請求項１４】
請求項１に記載のニアアイディスプレイのペアを備えるニアアイ双眼ディスプレイシステムであって、前記ペアの第１のニアアイディスプレイは第１のマルチビュー画像の第１の複数の異なるビュー（a first plurality of different views）を第１のアイボックスに提供するように構成され、前記ペアの第２のニアアイディスプレイは第２のマルチビュー画像の第２の複数の異なるビュー（a second plurality of different views）を第２のアイボックスに提供するように構成され、前記第２のアイボックスは前記第１のアイボックスから横方向にオフセットされており、前記第１および第２のマルチビュー画像は立体画像のペアを表す、ニアアイ双眼ディスプレイシステム。
【請求項１５】
マルチビーム素子ベースディスプレイのペアであって、各マルチビーム素子ベースディスプレイは、三次元（３Ｄ）場面を表す立体画像のペアの異なるマルチビュー画像を提供するように構成されている、マルチビーム素子ベースディスプレイのペアと、
前記立体画像ペアの前記異なるマルチビュー画像をアイボックスの対応するペアに別々に中継するように構成された双眼光学系であって、前記アイボックスは互いに横方向にずれている、双眼光学系と
を備え、
前記ディスプレイペアのうちのマルチビーム素子ベースディスプレイは、導波光として光を誘導するように構成された光導波路と、前記異なるマルチビュー画像（the different multiview images）のビュー方向に対応する主角度方向（principal angular directions）を有する複数の指向性光ビーム（directional light beams）として前記導波光の一部を散乱するように構成されたマルチビーム素子アレイとを備える、ニアアイ双眼ディスプレイシステム。
【請求項１６】
前記マルチビーム素子アレイのマルチビーム素子（a multibeam element）は、前記導波光の前記一部を散乱するために前記光導波路に光学的に接続された、回折格子、マイクロ反射素子、およびマイクロ屈折素子のうちの１つまたはそれ以上を備える、請求項１５に記載のニアアイ双眼ディスプレイシステム。
【請求項１７】
前記マルチビーム素子ベースディスプレイは、前記複数の指向性光ビーム（directional light beam plurality）のうちの指向性光ビーム（directional light beams）を選択的に変調するように構成されたライトバルブアレイをさらに備え、前記選択的に変調された指向性光ビームは、前記提供されたマルチビュー画像の前記異なるビュー（the different views）を表し、
前記導波光は所定のコリメーション係数を有し、前記マルチビーム素子アレイのマルチビーム素子（a multibeam element）は、前記光導波路の表面に隣接して配置され、前記マルチビーム素子ベースディスプレイの前記ライトバルブアレイのライトバルブ（a light valve）のサイズに相当するサイズを有する、請求項１５に記載のニアアイ双眼ディスプレイシステム。
【請求項１８】
前記双眼光学系は、前記マルチビュー画像の各々の複数の異なるビューを前記アイボックス（the eye boxes）内の対応する複数の異なる位置に中継するように構成され、前記アイボックス内の前記異なるビューの前記異なる位置は、前記ニアアイ双眼ディスプレイシステムのユーザに焦点深度手がかりを提供するように構成され、前記焦点深度手がかりは前記立体画像のペアの前記異なるマルチビュー画像間の両眼視差に対応する、請求項１５に記載のニアアイ双眼ディスプレイシステム。
【請求項１９】
前記双眼光学系は、第１の自由曲面プリズムおよび第２の自由曲面プリズムを備え、前記第１の自由曲面プリズムは、前記マルチビーム素子ベースディスプレイペアの第１マルチビーム素子ベースディスプレイによって提供された第１のマルチビュー画像を前記アイボックスペアの第１のアイボックスに中継するように構成され、前記第２の自由曲面プリズムは、前記マルチビーム素子ベースディスプレイペアの第２マルチビーム素子ベースディスプレイによって提供された第２のマルチビュー画像を前記アイボックスペアの第２のアイボックスに中継するように構成されている、請求項１５に記載のニアアイ双眼ディスプレイシステム。
【請求項２０】
前記双眼光学系は、前記アイボックスのペアに物理的環境の異なる画像を提供するように構成された自由曲面補償レンズのペアをさらに備え、前記ニアアイ双眼ディスプレイシステムは拡張現実ディスプレイシステムである、請求項１９に記載のニアアイ双眼ディスプレイシステム。
【請求項２１】
前記立体画像ペアの前記提供された異なるマルチビュー画像は、前記アイボックス（the eye boxes）内の物理的環境の双眼ビューに取って代わるように構成され、前記ニアアイ双眼ディスプレイシステムは仮想現実ディスプレイシステムである、請求項１５に記載のニアアイ双眼ディスプレイシステム。
【請求項２２】
ニアアイディスプレイ動作方法であって、前記方法は、
マルチビーム素子のアレイおよびライトバルブのアレイを備えるマルチビーム素子ベースのマルチビューディスプレイを使用して、複数の異なるビュー（a plurality of different views）を有するマルチビュー画像（a multiview image）を提供するステップであって、前記マルチビーム素子のアレイは、前記複数の異なるビューのそれぞれのビュー方向に対応する方向を有する複数の指向性光ビームを提供し、前記ライトバルブのアレイは、前記マルチビュー画像として前記複数の指向性光ビームを変調する、ステップと、
光学系を使用して、前記マルチビュー画像の前記複数の異なるビューをアイボックスに中継するステップと
を含み、
前記マルチビーム素子のアレイのマルチビーム素子（a multibeam element）のサイズは、前記ライトバルブアレイのライトバルブ（a light valve）のサイズに相当する、ニアアイディスプレイ動作方法。
【請求項２３】
前記マルチビーム素子のアレイは、異なる主角度方向を有する前記複数の指向性光ビームを生成するために、前記マルチビーム素子のアレイを使用して光導波路からの導波光の一部を散乱させることによって、前記複数の指向性光ビームを提供する、請求項２２に記載のニアアイディスプレイ動作方法。
【請求項２４】
前記導波光の一部を散乱させることは、
回折格子を備える前記マルチビーム素子（multibeam elements）のアレイのマルチビーム素子（a multibeam element）を使用して、前記導波光の一部を回折により散乱させること、
マイクロ反射素子を備える前記マルチビーム素子のアレイのマルチビーム素子を使用して、前記導波光部分を反射により散乱させること、および
マイクロ屈折素子を備える前記マルチビーム素子のアレイのマルチビーム素子を使用して、前記導波光部分を屈折により散乱させること
のうちの１つまたはそれ以上を含む、請求項２３に記載のニアアイディスプレイ動作方法。
【請求項２５】
前記複数の異なるビューを中継するステップは、前記異なるビュー（different views）の異なるもの（different ones）を前記アイボックス内の異なる位置（different locations）に中継し、前記異なるビューの異なる位置は、前記アイボックス内の前記マルチビュー画像を見ているユーザに焦点深度手がかりを与える、請求項２２に記載のニアアイディスプレイ動作方法。
【請求項２６】
前記マルチビュー画像の前記複数の異なるビューを中継するステップは、前記マルチビュー画像の拡張現実ディスプレイおよび仮想現実ディスプレイの一方または両方を提供する、請求項２２に記載のニアアイディスプレイ動作方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連出願の相互参照
非該当
【０００２】
連邦政府資金による研究開発の記載
非該当
【背景技術】
【０００３】
電子ディスプレイは、様々なデバイスおよび製品のユーザに情報を伝達するための、ほぼどこにでもある媒体である。最も一般的に使用されている電子ディスプレイは、陰極線管（ＣＲＴ）、プラズマディスプレイパネル（ＰＤＰ）、液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）、エレクトロルミネセントディスプレイ（ＥＬ）、有機発光ダイオード（ＯＬＥＤ）およびアクティブマトリックスＯＬＥＤ（ＡＭＯＬＥＤ）ディスプレイ、電気泳動ディスプレイ（ＥＰ）、および電気機械または電気流体光変調を採用する様々なディスプレイ（たとえば、デジタルマイクロミラーデバイス、エレクトロウェッティングディスプレイなど）を含む。一般に、電子ディスプレイは、アクティブディスプレイ（すなわち、光を放出するディスプレイ）またはパッシブディスプレイ（すなわち、別の光源によって提供された光を変調するディスプレイ）のいずれかに分類され得る。アクティブディスプレイの最もわかりやすい例には、ＣＲＴ、ＰＤＰ、およびＯＬＥＤ／ＡＭＯＬＥＤがある。放出光を考慮したときに通常パッシブとして分類されるディスプレイは、ＬＣＤおよびＥＰディスプレイである。パッシブディスプレイは、本質的に低消費電力を含むがこれに限定されない魅力的な性能特性をしばしば呈するが、光を放出する能力が欠如しているので、多くの実際の用途での使用は幾分制限される場合がある。
【０００４】
アクティブまたはパッシブのいずれかに分類されることに加えて、電子ディスプレイはまた、電子ディスプレイの意図された視距離にしたがって特徴付けられてもよい。たとえば、電子ディスプレイの大部分は、人の目の通常または「自然」の調節範囲内の距離に配置されるように意図される。したがって、電子ディスプレイは、追加の光学部品なしで直接かつ自然に見ることができる。一方、いくつかのディスプレイは、通常の調節範囲よりもユーザの目に近い位置になるように特に設計されている。これらの電子ディスプレイは、しばしば「ニアアイ」ディスプレイと呼ばれ、一般に、視認を容易にするために何らかの形態の光学部品を含む。たとえば、光学部品は、物理的電子ディスプレイ自体が直接見えなくても快適な視認を可能にするために、通常の調節範囲内にある物理的電子ディスプレイの虚像を提供し得る。ニアアイディスプレイを採用する用途の例は、ヘッドマウントディスプレイ（ＨＭＤ）および類似のウェアラブルディスプレイ、ならびにいくつかのヘッドアップディスプレイを含むが、これらに限定されない。ニアアイディスプレイはこのような用途で従来のディスプレイよりも没入型の体験を提供できるので、様々な仮想現実システムならびに拡張現実システムは、しばしばニアアイディスプレイを含む。
【０００５】
本明細書に記載される原理による例および実施形態の様々な特徴は、類似の参照番号が類似の構造要素を指定する以下の添付図面と併せて、以下の詳細な説明を参照することで、より容易に理解され得る。
【図面の簡単な説明】
【０００６】
【図１Ａ】本明細書に記載される原理と一致する一実施形態による、一例におけるマルチビューディスプレイの斜視図を示す。
【０００７】
【図１Ｂ】本明細書に記載される原理と一致する一実施形態による、一例におけるマルチビューディスプレイの特定の主角度方向を有する光ビームの角度成分の図表示を示す。
【０００８】
【図２】本明細書に記載される原理と一致する一実施形態による、一例における回折格子の断面図を示す。
【０００９】
【図３】本明細書に記載される原理の一実施形態による、一例におけるニアアイディスプレイのブロック図を示す。
【００１０】
【図４】本明細書に記載される原理と一致する一実施形態による、一例におけるニアアイディスプレイの光学部品の概略図を示す。
【００１１】
【図５】本明細書に記載される原理と一致する一実施形態による、一例における自由曲面プリズムを含む光学系を有するニアアイディスプレイの断面図を示す。
【００１２】
【図６Ａ】本明細書に記載される原理と一致する一実施形態による、一例におけるマルチビーム素子ベースディスプレイの断面図を示す。
【００１３】
【図６Ｂ】本明細書に記載される原理と一致する一実施形態による、一例におけるマルチビーム素子ベースディスプレイの平面図を示す。
【００１４】
【図６Ｃ】本明細書に記載される原理と一致する一実施形態による、一例におけるマルチビーム素子ベースディスプレイの斜視図を示す。
【００１５】
【図７Ａ】本明細書に記載される原理と一致する一実施形態による、一例におけるマルチビーム素子を含むマルチビーム素子ベースディスプレイの一部の断面図を示す。
【００１６】
【図７Ｂ】本明細書に記載される原理と一致する別の実施形態による、一例におけるマルチビーム素子を含むマルチビーム素子ベースディスプレイの一部の断面図を示す。
【００１７】
【図８Ａ】本明細書に記載される原理と一致する一実施形態による、一例における複数の副格子を備える回折格子の断面図を示す。
【００１８】
【図８Ｂ】本明細書に記載される原理と一致する一実施形態による、一例における図６Ａに示される回折格子の平面図を示す。
【００１９】
【図９】本明細書に記載される原理と一致する一実施形態による、一例における１対のマルチビーム素子の平面図を示す。
【００２０】
【図１０Ａ】本明細書に記載される原理と一致する別の実施形態による、一例におけるマルチビーム素子を含むマルチビーム素子ベースディスプレイの一部の断面図を示す。
【００２１】
【図１０Ｂ】本明細書に記載される原理と一致する別の実施形態による、一例におけるマルチビーム素子を含むマルチビーム素子ベースディスプレイの一部の断面図を示す。
【００２２】
【図１１】本明細書に記載される原理と一致する別の実施形態による、一例におけるマルチビーム素子を含むマルチビーム素子ベースディスプレイの一部の断面図を示す。
【００２３】
【図１２】本明細書に記載される原理と一致する一実施形態による、一例におけるニアアイ双眼ディスプレイシステムのブロック図を示す。
【００２４】
【図１３】本明細書に記載される原理と一致する一実施形態による、一例におけるニアアイディスプレイ動作方法のフローチャートを示す。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
特定の例および実施形態は、上記で参照された図に示される特徴に追加されるかまたはこれに代わる別の特徴を有する。これらおよび別の特徴は、上記で参照された図を参照して、以下で詳述される。
【００２６】
本明細書に記載される原理による実施形態および例は、調節支援を提供するニアアイ画像ディスプレイを提供する。具体的には、本明細書に記載される原理の様々な実施形態によれば、ニアアイディスプレイは、画像の複数の異なるビューを生成するためにマルチビューディスプレイを採用している。複数の異なるビューは、ニアアイマルチビュー画像が見られるアイボックス内の異なる位置に投影またはマッピングされる。異なる位置の異なるビューは、様々な実施形態にしたがって、マルチビュー画像に関する調整を支援（すなわち、物体に目の焦点を合わせるのを支援）し得る。
【００２７】
本明細書では、「二次元ディスプレイ」または「２Ｄディスプレイ」は、画像が見られる（すなわち、２Ｄディスプレイの所定の視野角または範囲内の）方向にかかわらず実質的に同じである画像のビューを提供するように構成されたディスプレイとして定義される。多くのスマートフォンおよびコンピュータモニタに見られる従来の液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）は、２Ｄディスプレイの例である。本明細書では対照的に、「マルチビューディスプレイ」は、異なるビュー方向の、または異なるビュー方向からのマルチビュー画像の異なるビューを提供するように構成された電子ディスプレイまたはディスプレイシステムとして定義される。特に、異なるビューは、マルチビュー画像の場面または物体の異なる斜視図を表し得る。いくつかの例では、マルチビューディスプレイは、たとえばマルチビュー画像の２つの異なるビューを同時に見ることで三次元画像を見ている感覚を提供するときに、三次元（３Ｄ）ディスプレイと呼ばれることもある。
【００２８】
図１Ａは、本明細書に記載される原理と一致する一実施形態による、一例におけるマルチビューディスプレイ１０の斜視図を示す。図１Ａに示されるように、マルチビューディスプレイ１０は、視聴すべきマルチビュー画像を表示または提供するためのスクリーン１２を備える。マルチビューディスプレイ１０は、スクリーン１２に対して異なるビュー方向１６のマルチビュー画像の異なるビュー１４を提供する。ビュー方向１６は、スクリーン１２から様々な異なる主角度方向に延在する矢印として示され、異なるビュー１４は、矢印の終端（すなわち、ビュー方向１６を表す）における斜線の多角形ボックスとして示され、また、４つのビュー１４および４つのビュー方向１６のみが示されており、いずれも例示であって限定ではない。なお、異なるビュー１４が図１Ａにおいてスクリーンより上に示されているが、これらのビュー１４は実際には、マルチビュー画像がマルチビューディスプレイ１０上に表示されているときにはスクリーン１２上またはその近傍に現れることに留意されたい。スクリーン１２の上方にビュー１４を描いているのは、単に説明を簡単にするためであり、特定のビュー１４に対応するビュー方向１６のそれぞれからマルチビューディスプレイ１０を見ることを表すことを意味している。
【００２９】
ビュー方向、言い替えるとマルチビューディスプレイのビュー方向に対応する方向を有する光ビームは、一般に、本明細書の定義では、角度成分｛θ、φ｝によって与えられる主角度方向を有する。角度成分θは、本明細書では、光ビームの「仰角成分」または「仰角」と呼ばれる。角度成分φは、光ビームの「方位角成分」または「方位角」と呼ばれる。定義では、仰角θは垂直平面（たとえば、マルチビューディスプレイスクリーンの平面に対して垂直）内の角度であり、一方で方位角φは、水平平面（たとえば、マルチビューディスプレイスクリーンの平面と平行）内の角度である。
【００３０】
図１Ｂは、本明細書に記載される原理と一致する一実施形態による、一例におけるマルチビューディスプレイのビュー方向（たとえば、図１Ａのビュー方向１６）に対応する特定の主角度方向または単に「方向」を有する光ビーム２０の角度成分｛θ、φ｝の図表示を示す。加えて、光ビーム２０は、本明細書の定義では、特定の点から放出され、または発する。つまり、定義では、光ビーム２０は、マルチビューディスプレイ内の特定の原点に関連付けられた中心線を有する。
図１Ｂは、光ビーム（またはビュー方向）の原点Ｏも示している。
【００３１】
さらに本明細書では、用語「マルチビュー画像」および「マルチビューディスプレイ」において使用される用語「マルチビュー」は、異なる視点を表す、または複数ビューのビュー間の角度の相違を含む、複数のビューとして定義される。加えて、本明細書で用語「マルチビュー」は明確に、本明細書の定義では、３つ以上の異なるビュー（すなわち、最低３つのビューであって通常は４つ以上のビュー）を含む。したがって、本明細書で使用される「マルチビューディスプレイ」は、場面または画像を表すのに２つのみの異なるビューを含む立体ディスプレイとは明確に区別される。しかしながら、マルチビュー画像およびマルチビューディスプレイは３つ以上のビューを含み得るものの、本明細書の定義では、マルチビュー画像は、同時に見るためにマルチビューのビューのうちの２つのみ（たとえば、片方の目につき１つのビュー）を選択することによる立体画像のペアとして（たとえば、マルチビューディスプレイ上で）視聴され得ることに、留意されたい。
【００３２】
「マルチビューピクセル」は、本明細書では、マルチビューディスプレイの類似の複数の異なるビューの各々のサブピクセルまたは「ビュー」ピクセルのセットとして定義される。具体的には、マルチビューピクセルは、マルチビュー画像の異なるビューの各々のビューピクセルに対応するかまたはこれを表す個々のビューピクセルを有し得る。また、マルチビューピクセルのビューピクセルは、定義では、ビューピクセルの各々が、異なるビューの対応する１つの所定のビュー方向に関連付けられている点において、いわゆる「指向性ピクセル」である。さらに、様々な例および実施形態によれば、マルチビューピクセルの異なるビューピクセルは、異なるビューの各々において同等または少なくとも実質的に類似の位置または座標を有し得る。たとえば、第１のマルチビューピクセルは、マルチビュー画像の異なるビューの各々の｛ｘ１，ｙ１｝に位置する個々のビューピクセルを有することができ、一方で第２のマルチビューピクセルは、異なるビューの各々の｛ｘ２，ｙ２｝に位置する個々のビューピクセルを有することができる、などである。
【００３３】
いくつかの実施形態では、マルチビューピクセル内のビューピクセルの数は、マルチビューディスプレイの異なるビューの数に等しくてもよい。たとえば、マルチビューピクセルは、６４個の異なるビューを有するマルチビューディスプレイに関連付けられた６４個のチビューピクセルを提供し得る。別の例では、マルチビューディスプレイは、８×４のビューのアレイ（すなわち、３２個のビュー）を提供し、マルチビューピクセルは３２個のビューピクセル（すなわち、各ビューに１つずつ）を含み得る。加えて、各異なるビューピクセルは、たとえば、６４個の異なるビューに対応するビュー方向の異なる１つに対応する関連の方向（たとえば、光ビーム方向）を有し得る。さらに、いくつかの実施形態によれば、マルチビューディスプレイのマルチビューピクセルの数は、マルチビューディスプレイビューにおけるピクセル（すなわち、選択されたビューを構成するピクセル）の数と実質的に等しくてもよい。たとえば、ビューが６４０×４８０のビューピクセル（すなわち、６４０×４８０ビュー解像度）を含む場合、マルチビューディスプレイは、３０万７千２百個（３０７，２００個）のマルチビューピクセルを有することができる。別の例では、ビューが１００×１００ピクセルを含むとき、マルチビューディスプレイは合計１万個（すなわち、１００×１００＝１０，０００個）のマルチビューピクセルを含み得る。
【００３４】
本明細書では、「光導波路」は、全内反射または「ＴＩＲ」を使用して構造内の光を誘導する構造として定義される。具体的には、光導波路は、光導波路の動作波長で実質的に透明のコアを含み得る。様々な例では、用語「光導波路」は一般に、光導波路の誘電体材料とこの光導波路を包囲する材料または媒体との間の界面で光を誘導するために全内反射を利用する、誘電体光導波部を指す。定義では、全内反射の条件は、光導波路の屈折率が、光導波路材料の表面に隣接する周囲の媒体の屈折率よりも高いことである。いくつかの実施形態では、光導波路は、全内反射をさらに促進するために、上述の屈折率に加えて、またはその代わりに、コーティングを含んでもよい。コーティングは、たとえば反射コーティングであってもよい。光導波路は、板状またはスラブガイドおよびストリップガイドの一方または両方を含むがこれらに限定されない、いくつかの光導波路のいずれであってもよい。
【００３５】
さらに本明細書では、「導光板」と同様に光導波路に適用されるときの用語「板」は、区分的または特異的に平坦な層またはシートとして定義され、「スラブ」ガイドと呼ばれることもある。特に、導光板は、光導波路の上面および底面（すなわち、対抗する面）によって区切られた２つの実質的に直交する方向に光を誘導するように構成された光導波路として、定義される。さらに、本明細書の定義では、上面および底面は両方とも互いに分離されており、少なくとも特異的な意味において互いに実質的に平行であってもよい。つまり、導光板のあらゆる特異的に小さいセクション内で、上面および底面は、実質的に平行または同一平面上にある。
【００３６】
いくつかの実施形態では、導光板は、実質的に平坦（すなわち、平面に限定）であってもよく、したがって、導光板は平面光導波路である。別の実施形態では、導光板は、１つまたは２つの直交する次元で湾曲していてもよい。たとえば、導光板は、円筒形の導光板を形成するために、一次元で湾曲していてもよい。しかしながら、いずれの曲率も、光を誘導するために導光板内で全内反射が維持されることを保証するのに十分に大きい曲率半径を有する。
【００３７】
本明細書では、「等角散乱機能部」、言い替えると「等角散乱体」は、散乱光において機能部または散乱体に入射する光の角度広がりを実質的に保存するような方法で光を散乱するように構成された、任意の機能部または散乱体である。具体的には、定義では、等角散乱機能部によって散乱した光の角度広がりσｓは、入射光の角度広がりσの関数である（すなわち、σｓ＝ｆ（σ））。いくつかの実施形態では、散乱光の角度広がりσｓは、入射光の角度広がりまたはコリメーション係数の一次関数である（たとえば、σｓ＝ａ・σ、ここでａは整数）。つまり、等角散乱機能部によって散乱した光の角度広がりσｓは、入射光の角度広がりまたはコリメーション係数σに実質的に比例し得る。たとえば、散乱光の角度広がりσｓは、入射光角度広がりσと実質的に等しくてもよい（たとえば、σｓ≒σ）。均一な回折格子（すなわち、実質的に均一または一定の回折機能部間隔または格子ピッチを有する回折格子）は、等角散乱機能部の一例である。対照的に、本明細書の定義では、ランバート散乱体またはランバート反射器、ならびに一般的なディフューザ（たとえば、ランバート散乱を有するかまたはこれに近似するもの）は、本明細書の定義では、等角散乱体ではない。
【００３８】
本明細書では、「偏光保存散乱機能部」、言い替えると「偏光保存散乱体」は、散乱光において機能部または散乱体に入射する光の偏光または偏光度を実質的に保存するような方法で光を散乱するように構成された、任意の機能部または散乱体である。したがって、「偏光保存散乱機能部」は、機能部または散乱体に入射する光の偏光度が散乱光の偏光度と実質的に等しい、任意の機能部または散乱体である。さらに、定義では、「偏光保存散乱」は、散乱されている光の所定の偏光を保存または実質的に保存する散乱（たとえば、導波光の散乱）である。散乱されている光は、たとえば偏光光源によって提供された偏光の光であってもよい。
【００３９】
本明細書では、「回折格子」は一般に、回折格子に入射する光の回折を提供するように構成された複数の機能部（すなわち、回折機能部）として定義される。いくつかの例では、複数の機能部は、周期的または準周期的に構成され得る。たとえば、回折格子は、一次元（１Ｄ）アレイに構成された複数の機能部（たとえば、材料表面の複数の溝またはリッジ）を含み得る。別の例では、回折格子は、機能部の二次元（２Ｄ）アレイであってもよい。回折格子は、たとえば材料表面のバンプまたは穴の２Ｄアレイであってもよい。
【００４０】
したがって、本明細書の定義では、「回折格子」は、回折格子に入射する光の回折を提供する構造である。光が光導波路から回折格子に入射する場合、提供される回折または回折散乱は、回折格子が回折によって光導波路からの光を結合することがあり、その点において「回折結合」と呼ばれ得る。回折格子はまた、回折によって（すなわち、回折角で）光の角度を方向変更または変化させる。特に、回折の結果として、回折格子を離れる光は一般に、回折格子に入射する光（すなわち、入射光）の伝播方向とは異なる伝播方向を有する。回折による光の伝播方向の変化は、「回折方向変更」と呼ばれる。
したがって、回折格子は、回折格子に入射する光を回折により方向変更させる回折機能部を含む構造であると理解されてもよく、光が光導波路から入射する場合、回折格子は、光導波路からの光を回折により結合することもできる。
【００４１】
さらに、本明細書の定義では、回折格子の機能部は、「回折機能部」と呼ばれ、たとえば、光導波路の表面（すなわち、２つの材料間の境界）の、その中の、および上の１つまたはそれ以上であり得る。表面は、たとえば、光導波路の表面であってもよい。回折機能部は、表面の、その中の、またはその上の、溝、リッジ、穴、およびバンプのうちの１つまたはそれ以上を含むがこれらに限定されない、光を回折する様々な構造のいずれかを含み得る。たとえば、回折格子は、材料表面の複数の実質的に平行な溝を含んでもよい。別の例では、回折格子は、材料表面から隆起する複数の平行なリッジを含んでもよい。回折機能部（たとえば、溝、リッジ、穴、バンプなど）は、正弦波プロファイル、長方形プロファイル（たとえば、バイナリ回折格子）、三角形プロファイル、および鋸歯状プロファイル（たとえば、ブレーズド格子）のうちの１つまたはそれ以上を含むがこれらに限定されない、回折を提供する様々な断面形状またはプロファイルのいずれかを有し得る。
【００４２】
本明細書に記載される様々な例によれば、回折格子（たとえば、以下で説明されるような、マルチビーム素子の回折格子）は、光ビームとして光導波路（たとえば、導光板）からの光を回折により散乱または結合するために利用され得る。具体的には、局所周期回折格子の、またはこれにより提供される回折角θｍは、以下の式（１）によって与えられる。
【数１】
2021507320.tif 000003
ここで、λは光の波長、ｍは回折次数、ｎは光導波路の屈折率、ｄは回折格子の機能部間の距離または間隔、θｉは回折格子への光の入射角である。簡潔にするために、式（１）は、回折格子が光導波路の表面に隣接し、光導波路の外側の材料の屈折率が１に等しい（すなわち、ｎｏｕｔ＝１）と仮定している。一般に、回折次数ｍは整数で与えられる。回折格子によって生成された光ビームの回折角θｍは、回折次数が正の数（たとえば、ｍ＞０）である式（１）によって与えられてもよい。たとえば、回折次数ｍが１に等しいとき（すなわち、ｍ＝１）、一次回折が提供される。
【００４３】
図２は、本明細書に記載される原理と一致する一実施形態による、一例における回折格子３０の断面図を示す。
たとえば、回折格子３０は、光導波路４０の表面上に位置してもよい。加えて、図２は、入射角θｉで回折格子３０に入射する光ビーム５０を示す。入射光ビーム５０は、光導波路４０内の導波光のビーム（すなわち、導波光ビーム）であってもよい。また、図２には、入射光ビーム５０の回折の結果として回折格子３０によって回折により生成または結合された、指向性光ビーム６０も示されている。指向性光ビーム６０は、式（１）で与えられるような回折角θｍ（または本明細書では「主角度方向」）を有する。
回折角θｍは、回折格子３０の回折次数「ｍ」、たとえば回折次数ｍ＝１（すなわち、一次回折）に対応し得る。
【００４４】
本明細書の定義では、「マルチビーム素子」は、複数の光ビームを含む光を生成するバックライトまたはディスプレイの構造または素子である。いくつかの実施形態では、マルチビーム素子は、光導波路内で誘導された光の一部を結合または散乱することによって複数の光ビームを提供するために、バックライトの光導波路と光学的に結合されてもよい。さらに、マルチビーム素子によって生成された複数の光ビームのうちの光ビームは、本明細書の定義では、互いに異なる主角度方向を有する。具体的には、定義では、複数のうちの光ビームは、複数の光ビームの別の光ビームとは異なる所定の主角度方向を有する。したがって、本明細書の定義では、光ビームは「指向性光ビーム」と呼ばれ、複数の光ビームは複数の「指向性光ビーム」と呼ばれ得る。
【００４５】
さらに、複数の指向性光ビームは、明視野を表してもよい。たとえば、複数の指向性光ビームは、空間の実質的に円錐形の領域に閉じ込められるか、または複数の光ビームにおいて異なる主角度方向の光ビームを含む所定の角度広がりを有してもよい。したがって、所定の角度広がりの光ビームの組み合わせ（すなわち、複数の光ビーム）は、明視野を表すことができる。
【００４６】
様々な実施形態によれば、複数の様々な指向性光ビームの異なる主角度方向は、マルチビーム素子のサイズ（たとえば、長さ、幅、面積など）を含むがこれらに限定されない特性によって決定される。いくつかの実施形態では、マルチビーム素子は、本明細書の定義では、「拡張点光源」、すなわち、マルチビーム素子の範囲全体に分布する複数の点光源と見なされてもよい。さらに、マルチビーム素子によって生成された指向性光ビームは、本明細書の定義では、図１Ｂを参照して上記で説明したように、角度成分｛θ、φ｝によって与えられる主角度方向を有する。
【００４７】
本明細書では、「コリメータ」は、光をコリメートするように構成された、実質的にあらゆる光学デバイスまたは装置として定義される。たとえば、コリメータは、コリメートミラーまたは反射器、コリメートレンズ、回折格子、テーパ光導波路、およびこれらの様々な組み合わせを含み得るが、これらに限定されない。様々な実施形態によれば、コリメータによって提供されるコリメーションの量は、実施形態ごとに所定の程度または量で異なってもよい。さらに、コリメータは、２つの直交する方向（たとえば、垂直方向および水平方向）の一方または両方でコリメーションを提供するように構成されてもよい。つまり、コリメータは、いくつかの実施形態によれば、光コリメーションを提供する２つの直交する方向の一方または両方の形状または類似のコリメート特性を含むことができる。
【００４８】
本明細書では、「コリメーション係数」は、光がコリメートされる度合として定義される。具体的には、本明細書の定義では、コリメーション係数は、コリメートされた光のビーム内の光線の角度広がりを定義する。たとえば、コリメーション係数σは、コリメート光のビーム内の光線の大部分が特定の角度広がり（たとえば、コリメート光ビームの中心角度方向または主角度方向から＋／−σ度）の範囲内であることを指定し得る。いくつかの例によれば、コリメート光ビームの光線は、角度に関してガウス分布を有してもよく、角度広がりは、コリメート光ビームのピーク強度の半分で決定された角度であってもよい。
【００４９】
本明細書では、「光源」は、光の供給源（たとえば、光を生成および放出するように構成された光エミッタ）として定義される。たとえば、光源は、起動またはオンにされたときに光を放出する発光ダイオード（ＬＥＤ）などの光エミッタを備え得る。特に、本明細書では、光源は、実質的にいずれの光の供給源であってもよく、または発光ダイオード（ＬＥＤ）、レーザー、有機発光ダイオード（ＯＬＥＤ）、ポリマー発光ダイオード、プラズマベース光エミッタ、蛍光灯、白熱灯、および事実上その他の光の供給源の１つまたはそれ以上を含むがこれらに限定されない、実質的にあらゆる光エミッタを備え得る。光源によって生成された光は、色を有してもよく（すなわち、特定の波長の光を含んでもよく）、またはある波長の範囲（たとえば、白色光）であってもよい。いくつかの実施形態では、光源は、複数の光エミッタを備えてもよい。たとえば、光源は、光エミッタのうちの少なくとも１つが、セットまたはグループの少なくとも１つの別の光エミッタによって生成された光の色または波長とは異なる、色、言い替えると波長を有する光を生成する、光エミッタのセットまたはグループを含んでもよい。異なる色は、たとえば原色（たとえば、赤、緑、青）を含み得る。「偏光」光源は、本明細書では、所定の偏光を有する光を生成または提供する実質的に任意の光源として定義される。たとえば、偏光光源は、光源の光エミッタの出力に偏光子を備えてもよい。
【００５０】
本明細書で使用される用語「調節」は、目の屈折力を変化させることによって物体または画像素子に焦点を合わせるプロセスを指す。言い換えると、調節は、目の焦点を合わせる能力である。本明細書では、「調節範囲」、言い替えると「調節距離」は、焦点が達成され得る目からの距離の範囲として定義される。調節範囲は個々に異なる可能性があるが、本明細書では、限定ではなく簡潔にするために、たとえば約２５（２５）センチメートル（ｃｍ）の最小「通常」調節距離が想定される。したがって、物体がいわゆる「通常の調節範囲」内にあるためには、物体は一般に、目から約２５ｃｍを超える位置にあると理解される。
【００５１】
本明細書では、「アイボックス」は、ディスプレイまたはその他の光学系（たとえば、レンズ系）によって形成された画像が見える空間の領域または体積として定義される。言い換えると、アイボックスは、ディスプレイシステムによって生成された画像を見るためにユーザの目がその中に配置され得る空間内の場所を定義する。いくつかの実施形態では、アイボックスは空間の二次元領域（たとえば、長さおよび幅を有するが実質的に奥行きのない領域）を表すことができ、他の実施形態では、アイボックスは空間の三次元領域（たとえば、長さ、幅、および奥行きを有する領域）を含むことができる。さらに、「ボックス」と呼ばれるものの、アイボックスは長方形の形状のボックスに限定されなくてもよい。たとえば、アイボックスは、いくつかの実施形態では、空間の円筒形領域を含んでもよい。
【００５２】
さらに、本明細書で使用される際に、冠詞「ａ」は、特許技術におけるその通常の意味、すなわち「１つまたはそれ以上」を有するように意図される。たとえば、本明細書では、「マルチビーム素子（a multibeam element）」は１つまたはそれ以上のマルチビーム素子を意味し、したがって、「マルチビーム素子（the multibeam element）」は、「（１つまたは複数の）マルチビーム素子」を意味する。また、本明細書における「上」、「底」、「上部」、「下部」、「上方」、「下方」、「前」、「後」、「第１」、「第２」、「左」、または「右」のあらゆる言及は、本明細書における限定を意図するものではない。本明細書では、ある値に適用されるときの用語「約」は一般に、その値を生成するために使用された機器の公差範囲内を意味し、または別途明確に指定されない限り、プラスマイナス１０％、またはプラスマイナス５％、またはプラスマイナス１％を意味し得る。さらに、本明細書で使用される用語「実質的に」は、大部分、またはほぼ全て、または全て、または約５１％から約１００％までの範囲内の量を意味する。また、本明細書の例は、説明のみを意図しており、限定ではなく議論の目的で提示されている。
【００５３】
本明細書に記載される原理のいくつかの実施形態によれば、ニアアイディスプレイが提供される。図３は、本明細書に記載される原理の一実施形態による、一例におけるニアアイディスプレイ１００のブロック図を示す。ニアアイディスプレイ１００は、ニアアイディスプレイ１００のアイボックス１０２でマルチビュー画像を提供するように構成されている。具体的には、ニアアイディスプレイ１００は、マルチビュー画像の複数の異なるビュー１０４を提供するように構成され得る。さらに、異なるビュー１０４は、アイボックス１０２の異なる位置に提供され得る。様々な実施形態によれば、アイボックス１０２内の異なる位置に提供された異なるビュー１０４は、様々な実施形態により、ニアアイディスプレイ１００のユーザに焦点深度手がかり（focus depth cues）を与えるように構成されている。焦点深度手がかりは、たとえば焦点深度手がかりに基づいてマルチビュー画像内の深度または距離をユーザが知覚できるようにし得る。ニアアイディスプレイ１００によってユーザに与えられた焦点深度手がかりは、調節および網膜のぼけを含み得るが、これらに限定されない。
【００５４】
図３に示されるように、ニアアイディスプレイ１００は、マルチビーム素子ベースディスプレイ１１０を備える。マルチビーム素子ベースディスプレイ１１０は、マルチビュー画像の複数の異なるビュー１０４を提供するように構成されている。様々な実施形態によれば、実質的にいくつの異なるビューが複数の異なるビュー１０４として提供されてもよい。たとえば、マルチビュー画像の複数の異なるビュー１０４は、２、３、４、５、６、７、８、またはそれ以上の異なるビューを含み得る。別の例では、マルチビュー画像の複数の異なるビュー１０４は、最大で１６（１６）、３２（３２）、６４（６４）、１２８（１２８）、または２５６（２５６）の異なるビューを含むがこれらに限定されない、比較的多数の異なるビューを含む。いくつかの実施形態では、複数の異なるビュー１０４は、少なくとも４つの異なるビューを含む。
【００５５】
いくつかの例では、ニアアイディスプレイ１００によって提供または表示されたマルチビュー画像は、三次元（３Ｄ）情報またはコンテンツ（たとえば、３Ｄ物体または場面を表す３Ｄ画像）のみを含む。したがって、マルチビュー画像は、「完全な」マルチビューまたは３Ｄ画像と呼ばれ得る。別の例では、マルチビュー画像は、二次元（２Ｄ）情報またはコンテンツを含む部分（たとえば、２Ｄ画像部分）とともに、３Ｄコンテンツを提供する部分を含み得る。マルチビュー画像が３Ｄコンテンツ、言い替えると「３Ｄ画像」を含むとき、複数の異なるビュー１０４は、３Ｄ画像の異なる斜視図を表すことができる。本明細書に記載される原理によれば、異なるビューは、たとえば、網膜のぼけおよび調節の一方または両方を通じて、表示された画像内の奥行きのユーザの知覚を強化し得る。いくつかの例（たとえば、以下で説明されるニアアイ双眼ディスプレイシステム）では、調節は、３Ｄ画像および特定の３Ｄディスプレイでしばしば遭遇するいわゆる調節と収束の不一致の影響を緩和し得る。
【００５６】
図３に示されるニアアイディスプレイ１００は、光学系１２０をさらに備える。様々な実施形態によれば、光学系１２０は、マルチビュー画像をニアアイディスプレイ１００のアイボックス１０２に中継するように構成されている。
具体的には、様々な実施形態によれば、光学系１２０は、マルチビュー画像の複数の異なるビュー１０４を、アイボックス１０２内の対応する複数の異なる位置に中継するように構成されている。様々な実施形態によれば、アイボックス１０２内の異なる位置への異なるビュー１０４の中継は、ニアアイディスプレイ１００のユーザに焦点深度手がかりを与えるように構成されている。たとえば、マルチビュー画像の第１のビューは光学系１２０によって第１の位置に中継されてもよく、第２のビューは光学系１２０によって、第１の位置とは別のアイボックス１０２内の第２の位置に中継されてもよい。第１および第２の位置は、たとえば互いに横方向に分離され得る。対応する第１および第２の位置での第１および第２のビューの分離により、ユーザは、たとえばその２つのビューに関してマルチビュー画像内で異なるように調節できるだろう。
【００５７】
いくつかの実施形態によれば、マルチビーム素子ベースディスプレイ１１０によって光学系１２０の入力アパーチャに設けられた複数の異なるビュー１０４の全角度範囲は、入力アパーチャのサイズに対応するように構成されている。具体的には、複数の異なるビュー１０４の組み合わせによって張られる角度は、異なるビュー１０４の大部分が入力アパーチャの外側にまたはその向こうに存在しないように、構成されている。言い換えると、いくつかの実施形態によれば、異なるビュー１０４に関連付けられたマルチビーム素子ベースディスプレイ１１０の実質的に全ての出力光ビームは、光学系１２０の入力アパーチャ内で受け取られるように構成されている。いくつかの例では、複数の異なるビュー１０４の全角度範囲（すなわち、張られた角度）は、マルチビーム素子ベースディスプレイ１１０と光学系入力アパーチャとの間の距離、およびマルチビーム素子ベースディスプレイ１１０によって提供された異なるビュー１０４の所定の角度広がりの一方または両方によって、入力アパーチャのサイズに実質的に対応するように構成され得る。
【００５８】
いくつかの実施形態によれば、光学系１２０は拡大鏡を備える。いくつかの実施形態では、拡大鏡は単純な拡大鏡を含む。単純な拡大鏡は、ユーザの目の通常の調節範囲に対応するアイボックス１０２からの距離に位置するマルチビュー画像の虚像を提供するように構成されている。さらに、様々な実施形態によれば、単純な拡大鏡によって提供された虚像は、マルチビュー画像の複数の異なるビュー１０４を含む。別の実施形態では、拡大鏡は複雑な拡大鏡（たとえば、拡大を提供するように構成された複数のレンズ）であってもよい。
【００５９】
本明細書で使用される際に、「単純な拡大鏡」は、より小さい物体または画像の拡大または拡張された虚像を形成するレンズまたは類似の光学装置として定義される（すなわち、単純な拡大鏡は角倍率を提供する）。単純な拡大鏡によって形成された虚像は、単純な拡大鏡の出力に、言い替えると単純な拡大鏡の出力アパーチャまたは虹彩に（たとえば、アイボックス１０２に）形成され得る。さらに、本明細書の定義では、単純な拡大鏡は、物体の実際の距離よりも長い見かけ上の距離または仮想距離に、拡大された虚像を形成し得る。したがって、単純な拡大鏡は、ユーザの目から通常の調節範囲または距離よりも短い位置にある物体に焦点を合わせる能力を、ユーザまたは「視聴者」に提供するために使用され得る。本明細書では、いくつかの実施形態によれば、「通常の調節」は、一般にユーザの目から約２５（２５）センチメートル（ｃｍ）を超える距離実現可能であり、したがって本明細書では、ユーザの目から約２５（２５）センチメートル（ｃｍ）を超える距離として定義される。結果として、光学系１２０の単純な拡大鏡は、マルチビュー画像を提供するマルチビーム素子ベースディスプレイ１１０がユーザの目（すなわち、言い替えるとニアアイディスプレイ１００のアイボックス１０２）から通常の調節距離よりも近い（すなわち、約２５センチメートル未満）としても、ユーザがマルチビュー画像（すなわち、「物体」）の複数の異なるビュー１０４に焦点を合わせて快適に見ることができるようにし得る。
【００６０】
図４は、本明細書に記載される原理と一致する一実施形態による、一例におけるニアアイディスプレイ１００の光学部品の概略図を示す。図示されるように、光学系１２０は、焦点距離ｆを有する単純な拡大鏡１２２を備える。図４の単純な拡大鏡１２２は、限定ではなく例として、両凸レンズとして示されている。単純な拡大鏡１２２は、（たとえば、図４に示されるように）単純な拡大鏡１２２の焦点距離ｆに対応するアイボックス１０２からの距離に配置され得る。さらに、単純な拡大鏡１２２は、マルチビーム素子ベースディスプレイ１１０とアイボックス１０２との間に配置されている。単純な拡大鏡１２２は、マルチビーム素子ベースディスプレイ１１０からの（すなわち、単純な拡大鏡１２２を通して見たときにアイボックス１０２に見えるような）複数の異なるビュー（たとえば、図３の異なるビュー１０４）によって形成されたマルチビュー画像の虚像１０６を提供するように構成されている。単純な拡大鏡１２２によって提供される拡大のため、虚像１０６は、マルチビーム素子ベースディスプレイ１１０によって生成される実像または物理的な画像（すなわち、表示画像）の距離よりもアイボックス１０２から長い距離に配置されている（または少なくとも配置されているように見える）。具体的には、いくつかの実施形態によれば、虚像１０６は、アイボックス１０２から見たときに人間の目の通常の調節範囲または距離ｄａ内に配置されてもよく、マルチビーム素子ベースディスプレイ１１０（言い替えると、マルチビーム素子ベースディスプレイ１１０によって生成または表示された画像）は、通常の調節範囲よりもアイボックス１０２に近くてもよい。したがって、単純な拡大鏡１２２は、たとえば、アイボックス１０２におけるマルチビーム素子ベースディスプレイ１１０（言い替えるとマルチビーム素子ベースディスプレイ１１０の出力または虚像１０６）の快適な視認を容易にし得る。
【００６１】
実線および破線として図４にさらに示されるのは、以下でさらに説明されるように、マルチビーム素子ベースディスプレイ１１０から発せられる光線１０８である。
実線は、マルチビーム素子ベースディスプレイ１１０によって提供されたマルチビュー画像の異なるビュー１０４に関連付けられた実際の光線１０８を示し、破線は、虚像１０６に対応する光線投影を示す。図４に示される光線１０８は、たとえば、以下で説明されるように、マルチビーム素子ベースディスプレイ１１０によって生成された様々な指向性光ビーム（すなわち、光線）に対応し得る。さらに、アイボックス１０２内の異なる点で収束するように示された光線１０８は、異なるビューがアイボックス１０２内の異なる位置に中継された後にマルチビーム素子ベースディスプレイ１１０によって提供されるマルチビュー画像の異なるビューを表し得る。
【００６２】
いくつかの実施形態によれば、マルチビーム素子ベースディスプレイ１１０および光学系１２０のいずれも、ユーザの視野（ＦＯＶ）の中に配置され、その一部を実質的に遮る。これらの実施形態では、ニアアイディスプレイ１００は仮想現実ディスプレイであってもよい。具体的には、ニアアイディスプレイ１００は、遮られたＦＯＶ部分の中のニアアイディスプレイ画像で物理的環境のビュー（すなわち、現実世界のビュー）に取って代わるか、または少なくとも実質的に取って代わるように構成され得る。つまり、ニアアイディスプレイ画像は、物理的環境ビューを遮られたＦＯＶ部分に実質的に置き換えることができる。様々な実施形態によれば、遮られたＦＯＶ部分は、ユーザのＦＯＶの一部または全てを含み得る。物理的環境ビューに取って代わることにより、ユーザには、物理的環境ビューの代わりに、ニアアイディスプレイ画像によって提供された仮想現実ビュー（および関連する複数の異なるビュー）が提供される。
【００６３】
本明細書では、「物理的環境のビュー」または「物理的環境ビュー」は、ニアアイディスプレイ１００がない場合にユーザが有するであろうビューとして定義される。言い替えると、物理的環境は、ユーザにとって視認可能であり得るニアアイディスプレイ１００の向こうのあらゆるものであり、物理的環境「ビュー」はユーザのＦＯＶ内にあるあらゆるものであり、ただし本明細書の定義では、ニアアイディスプレイ１００がユーザのビューに対する可能性のあるいかなる効果も除外する。
【００６４】
別の実施形態では、マルチビーム素子ベースディスプレイ１１０は、ユーザのＦＯＶの外側に配置され、光学系１２０またはその一部は、ＦＯＶ内に配置される。これらの実施形態では、ニアアイディスプレイ１００は拡張現実ディスプレイであり得る。具体的には、ニアアイディスプレイ１００は、ニアアイディスプレイ画像（および関連する複数の異なるビュー１０４）を用いて物理的環境のビューを拡張させるように構成され得る。また、拡張現実ディスプレイとして、ニアアイディスプレイ１００は、ニアアイディスプレイ１００およびニアアイディスプレイ１００の向こうの物理的環境のビューの重畳または組み合わせであるビューを、ユーザに提供するように構成されている。
【００６５】
いくつかの実施形態では、拡張現実ディスプレイとして構成されたニアアイディスプレイ１００の光学系１２０は、自由曲面プリズムを備える。自由曲面プリズムは、ユーザが見るために、複数の異なるビュー１０４を含むマルチビュー画像をマルチビーム素子ベースディスプレイ１１０からアイボックス１０２に中継するように構成されている。また、自由曲面プリズムは、ユーザのＦＯＶの向こうに、またはその外側に配置されたマルチビーム素子ベースディスプレイ１１０から、マルチビュー画像を中継するように構成されている。自由曲面プリズムは、様々な実施形態によれば、自由曲面プリズムの２つの表面（たとえば、前面および後面）の間の全内反射を使用して、マルチビュー画像を中継する。いくつかの実施形態では、自由曲面プリズムは、単純な拡大鏡（たとえば、単純な拡大鏡１２２）であるか、またはその役割を果たし得る。
【００６６】
いくつかの実施形態では、拡張現実ディスプレイとして構成された光学系１２０は、自由曲面補償レンズをさらに備えてもよい。自由曲面補償レンズは、自由曲面コレクタとも呼ばれ得る。具体的には、自由曲面補償レンズは、物理的環境から光学系１２０を超えてアイボックス１０２まで光学系１２０を通る光に対して自由曲面プリズムが有する影響を、補償または補正するように構成されている。つまり、様々な実施形態によれば、自由曲面補償レンズにより、自由曲面プリズムによって導入され得る実質的な歪みのない物理的環境（すなわち、ユーザのＦＯＶ内）を、ユーザがはっきりと見ることができる。
【００６７】
図５は、本明細書に記載される原理と一致する一実施形態による、一例における自由曲面プリズム１２４を含む光学系１２０を有するニアアイディスプレイ１００の断面図を示す。図５に示されるように、光学系１２０の自由曲面プリズム１２４は、ニアアイディスプレイ１００のマルチビーム素子ベースディスプレイ１１０とアイボックス１０２（すなわち、射出瞳）との間に位置している。マルチビーム素子ベースディスプレイ１１０によって提供された複数の異なるビュー１０４を含むマルチビュー画像を表す光は、自由曲面プリズム１２４によって、その入力アパーチャからアイボックス１０２に中継される。マルチビーム素子ベースディスプレイ１１０からの光は、図５に光線１０８として示されている。様々な実施形態によれば、自由曲面プリズム１２４の入力からその出力への光線１０８の中継は、自由曲面プリズム１２４内の全内反射によって提供され得る。
【００６８】
図５は、ユーザのＦＯＶも示す。虚像１０６は、虚像１０６とＦＯＶ内の物理的環境のビューとの重畳を提供するために、ＦＯＶ内にある。さらに、マルチビーム素子ベースディスプレイ１１０は、図５に示されるように、ＦＯＶの外側にある。したがって、図５は、たとえば、ニアアイディスプレイ１００の拡張現実ディスプレイの実施形態を示し得る。
【００６９】
図５に示される光学系１２０は、自由曲面補償レンズ１２６をさらに備える。様々な実施形態によれば、自由曲面補償レンズ１２６は、物理的環境（たとえば、ユーザが見るための）とアイボックス１０２との間の光路内に設けられてもよい。具体的には、図示されるように、自由曲面補償レンズ１２６は、自由曲面プリズム１２４に隣接して、物理的環境と自由曲面プリズム１２４との間に配置されている。自由曲面補償レンズ１２６は、光線（図示せず）が物理的環境内の物体からアイボックス１０２まで実質的に直線的な経路にしたがって通過するように、自由曲面プリズム１２４の影響を補正するように構成されている（すなわち、光線は実質的に歪んでいない）。（図示されるような）いくつかの実施形態では、部分反射器または部分反射面１２８が、自由曲面補償レンズ１２６と自由曲面プリズム１２４との間に設けられてもよい。部分反射面１２８は、自由曲面プリズム１２４内から部分反射面１２８に入射する光を反射するように構成され、物理的環境からの光を部分反射面１２８に通すようにも構成されている。
【００７０】
再び図３を参照すると、いくつかの実施形態では、マルチビーム素子ベースディスプレイ１１０は、非ゼロ伝播角度でコリメート光ビームを誘導するように構成された光導波路を備える。いくつかの実施形態では、マルチビーム素子ベースディスプレイ１１０は、光導波路の表面に、またはこれに隣接して、マルチビーム素子のアレイをさらに備える。様々な実施形態によれば、アレイのマルチビーム素子は、マルチビュー画像の複数の異なるビュー１０４のビュー方向に対応する異なる主角度方向を有する複数の結合光ビームとして、誘導されたコリメート光ビームの一部を回折により結合するように構成されている。
【００７１】
様々な実施形態によれば、ニアアイディスプレイ１００のマルチビーム素子ベースディスプレイ１１０は、マルチビーム素子のアレイを備える。マルチビーム素子アレイは、マルチビュー画像の複数の異なるビューのそれぞれのビュー方向に対応する方向を有する複数の指向性光ビームを提供するように構成されている。様々な実施形態によれば、ニアアイディスプレイ１００のマルチビーム素子ベースディスプレイ１１０は、マルチビュー画像を提供するために複数の指向性光ビームを変調するように構成されたライトバルブのアレイをさらに備える。
【００７２】
図６Ａは、本明細書に記載される原理と一致する一実施形態による、一例におけるマルチビーム素子ベースディスプレイ１１０の断面図を示す。図６Ｂは、本明細書に記載される原理と一致する一実施形態による、一例におけるマルチビーム素子ベースディスプレイ１１０の平面図を示す。図６Ｃは、本明細書に記載される原理と一致する一実施形態による、一例におけるマルチビーム素子ベースディスプレイ１１０の斜視図を示す。図６Ｃの斜視図は、本明細書での議論を容易にするためにのみ、部分的に切り取られて示されている。
【００７３】
図６Ａから図６Ｃに示されるマルチビーム素子ベースディスプレイ１１０は、互いに異なる主角度方向を有する複数の指向性光ビーム１１１（たとえば、明視野）を提供するように構成されている。具体的には、様々な実施形態によれば、提供された複数の指向性光ビーム１１１は、複数の異なるビュー１０４のそれぞれのビュー方向に対応する異なる主角度方向で、マルチビーム素子ベースディスプレイ１１０から離れる方に向けられる。さらに、指向性光ビーム１１１は、マルチビュー画像を提供または表示するために、（たとえば、以下で説明されるようにライトバルブを使用して）変調される。いくつかの実施形態では、マルチビュー画像は３Ｄコンテンツ（たとえば、ユーザが見たときに３Ｄ物体として見える、異なる斜視図で表される仮想物体）を含み得る。
【００７４】
図６Ａから図６Ｃに示されるように、マルチビーム素子ベースディスプレイ１１０は、光導波路１１２を備える。光導波路１１２は、いくつかの実施形態によれば、導光板であってもよい。光導波路１１２は、導波光１１３として、光導波路１１２の長さに沿って光を誘導するように構成されている。たとえば、光導波路１１２は、光導波部として構成された誘電体材料を含み得る。誘電体材料は、誘電体光導波部の周りの媒体の第２の屈折率よりも高い第１の屈折率を有し得る。屈折率の差は、たとえば、光導波路１１２の１つまたはそれ以上の誘導モードにしたがって、導波光１１３の全内反射を促進するように構成されている。
【００７５】
具体的には、光導波路１１２は、光学的に透明な誘電体材料の、延伸された実質的に平坦なシートを含む、スラブまたは板状の光導波部であってもよい。誘電体材料の実質的に平坦なシートは、全内反射を使用して導波光１１３を誘導するように構成されている。様々な例によれば、光導波路１１２の光学的に透明な材料は、様々なタイプのガラス（たとえば、シリカガラス、アルカリアルミノケイ酸ガラス、ホウケイ酸ガラスなど）の１つまたはそれ以上、および実質的に光学的に透明なプラスチックまたはポリマー（たとえば、ポリ（メタクリル酸メチル）または「アクリルガラス」、ポリカーボネートなど）のいずれかを含むかまたはこれらにより構成されてもよい。いくつかの例では、光導波路１１２は、光導波路１１２の表面（たとえば、上面および底面の一方または両方）の少なくとも一部に、クラッド層（図示せず）をさらに含んでもよい。クラッド層は、いくつかの例によれば、全内反射をさらに促進するために使用され得る。
【００７６】
さらに、いくつかの実施形態によれば、光導波路１１２は、光導波路１１２の第１表面１１２’（たとえば、「前」面または側）と第２表面１１２’’（たとえば、「後」面または側）との間の非ゼロ伝播角度での全内反射にしたがって導波光１１３を誘導するように構成されている。具体的には、導波光１１３は、非ゼロ伝播角度で光導波路１１２の第１表面１１２’と第２表面１１２’’との間を反射または「跳ね返る」ことによって伝播する。いくつかの実施形態では、導波光１１３は、光の色が異なる複数の導波光ビームを含む。複数の導波光ビームの光ビームは、異なる色固有の非ゼロ伝播角度のそれぞれで、光導波路１１２によって誘導され得る。なお、説明を簡潔にするために、非ゼロ伝播角度は示されていないことに留意されたい。しかしながら、伝播方向１１５を示す太矢印は、図６Ａの光導波路長に沿った導波光１１３の一般的な伝播方向を示している。
【００７７】
本明細書で定義される際に、「非ゼロ伝播角度」は、光導波路１１２の表面（たとえば、第１表面１１２’または第２表面１１２’’）に対する角度である。さらに、非ゼロ伝播角度は、様々な実施形態によれば、ゼロより大きく、かつ光導波路１１２内の全内反射の臨界角よりも小さい。たとえば、導波光１１３の非ゼロ伝播角度は、約１０度から約５０度の間、またはいくつかの例では、約２０度から約４０度の間、または約２５度から約３５度の間であってもよい。たとえば、非ゼロ伝播角度は、約３０度であってもよい。別の例では、非ゼロ伝播角度は、約２０度、または約２５度、または約３５度であってもよい。また、特定の非ゼロ伝播角度が光導波路１１２内の全内反射の臨界角よりも小さくなるよう選択される限り、特定の非ゼロ伝播角度は、特定の実施について（たとえば任意に）選択されてもよい。
【００７８】
光導波路１１２の導波光１１３は、非ゼロ伝播角度（たとえば、約３０〜３５度）で光導波路１１２内に導入または結合され得る。
レンズ、ミラー、または類似の反射器（たとえば、傾斜コリメート反射器）、回折格子、およびプリズム（図示せず）のうちの１つまたはそれ以上は、たとえば、非ゼロ伝播角度で導波光１１３として光導波路１１２の入力端に光を結合することを容易にし得る。光導波路１１２に結合されると、導波光１１３は、入力端から全体的に離れる方向で光導波路１１２に沿って伝播する（たとえば、図６Ａのｘ軸に沿って指し示す太い矢印で示される）。
【００７９】
さらに、様々な実施形態によれば、導波光１１３、言い替えると光導波路１１２に光を結合することによって生成された導波光１１３は、コリメート光ビームであってもよい。本明細書では、「コリメート光」または「コリメート光ビーム」は、一般に、光ビームの光線が光りビーム（たとえば、導波光１１３）内で実質的に平行な光のビームとして定義される。さらに、本明細書の定義では、コリメート光ビームから発散または散乱する光線は、コリメート光ビームの一部と見なされない。いくつかの実施形態では、マルチビーム素子ベースディスプレイ１１０は、たとえば光源からの光をコリメートするように構成された、コリメータ、たとえばレンズ、反射器またはミラー、回折格子、またはテーパ光導波路を含み得る。いくつかの実施形態では、光源はコリメータを備える。光導波路１１２に提供されるコリメート光は、コリメートされた導波光１１３である。様々な実施形態では、導波光１１３は、コリメーション係数にしたがってコリメートされ、またはこれを有してもよい。
【００８０】
いくつかの実施形態では、光導波路１１２は、導波光１１３を「再利用」するように構成されてもよい。具体的には、光導波路長に沿って誘導された導波光１１３は、伝播方向１１５とは異なる別の伝播方向１１５’に、その長さに沿って戻るように方向変更され得る。たとえば、光導波路１１２は、光源に隣接する入力端の反対側の光導波路１１２の端部に、反射器（図示せず）を含み得る。反射器は、再利用された導波光として入力端に向けて導波光１１３を反射するように構成され得る。このようにして導波光１１３を再利用することで、以下で説明されるように、導波光を、たとえば、マルチビーム素子に２回以上利用可能にすることによって、マルチビーム素子ベースディスプレイ１１０の輝度（たとえば、指向性光ビーム１１１の強度）を増加させることができる。
【００８１】
図６Ａでは、（たとえば、負のｘ方向に向けられた）再利用された導波光の伝播方向１１５’を示す太い矢印は、光導波路１１２内の再利用された導波光の一般的な伝播方向を示す。
あるいは（たとえば、導波光の再利用とは対照的に）、別の伝播方向１１５’に伝播する導波光１１３は、（たとえば、伝播方向１１５を有する導波光１１３に加えて）別の伝播方向１１５’を有する光導波路１１２内に光を誘導することによって提供され得る。
【００８２】
図６Ａから図６Ｃに示されるように、マルチビーム素子ベースディスプレイ１１０は、光導波路長に沿って互いに離間した複数またはアレイのマルチビーム素子１１４を、さらに備える。具体的には、マルチビーム素子１１４のアレイ（またはマルチビーム素子アレイ）のマルチビーム素子１１４は、有限の空間によって互いに分離されており、光導波路長に沿って別個の異なる素子を表し得る。つまり、本明細書の定義では、マルチビーム素子アレイのマルチビーム素子１１４は、有限の（すなわち、非ゼロ）素子間距離（たとえば、有限の中心間距離）にしたがって互いに離間している。さらに、いくつかの実施形態によれば、マルチビーム素子アレイのマルチビーム素子１１４は一般に、互いに交差、重畳、またはその他の方法で接触しない。つまり、マルチビーム素子アレイの各マルチビーム素子１１４は一般に、マルチビーム素子１１４の他のものとは異なり、分離している。
【００８３】
いくつかの実施形態によれば、マルチビーム素子アレイのマルチビーム素子１１４は、一次元（１Ｄ）アレイまたは二次元（２Ｄ）アレイのいずれかで構成され得る。たとえば、マルチビーム素子１１４のアレイは、線形の１Ｄアレイとして構成されてもよい。別の例では、マルチビーム素子１１４のアレイは、長方形の２Ｄアレイまたは円形の２Ｄアレイとして構成されてもよい。さらに、アレイ（すなわち、１Ｄまたは２Ｄアレイ）は、いくつかの例では、規則的または均一なアレイであってもよい。具体的には、マルチビーム素子１１４間の素子間距離（たとえば、中心間距離または間隔）は、アレイ全体にわたって実質的に均一または一定であり得る。別の例では、マルチビーム素子１１４間の素子間距離は、アレイ全体にわたって、および光導波路１１２の長さに沿っての一方または両方で、異なってもよい。
【００８４】
様々な実施形態によれば、マルチビーム素子アレイのマルチビーム素子１１４は、複数の指向性光ビーム１１１として、導波光１１３の一部を結合または散乱するように構成されている。具体的には、図６Ａおよび図６Ｃは、光導波路１１２の第１（または前）表面１１２’から離れる方に向けられるように描かれた複数の広がる矢印として、指向性光ビーム１１１を示している。さらに、様々な実施形態によれば、マルチビーム素子１１４のサイズは、マルチビーム素子ベースディスプレイ１１０の、マルチビューピクセル内のビューピクセルのサイズ（言い替えると、以下で説明されるライトバルブ１１６のサイズ）に相当する。
【００８５】
本明細書では、「サイズ」は、長さ、幅、または面積を含むがこれらに限定されないような様々な方法のいずれかで定義され得る。たとえば、ビューピクセルのサイズはその長さであってもよく、マルチビーム素子１１４の相当するサイズもまた、マルチビーム素子１１４の長さであってもよい。別の例では、サイズは、マルチビーム素子１１４の面積がビューピクセルの面積に相当するように、面積を指してもよい。
【００８６】
いくつかの実施形態では、マルチビーム素子１１４のサイズは、マルチビーム素子サイズがビューピクセルサイズの約５０パーセント（５０％）から約２００パーセント（２００％）の間となるように、ビューピクセルサイズに相当する。たとえば、（たとえば図６Ａに示されるように）マルチビーム素子サイズが「ｓ」で示されてビューピクセルが「Ｓ」で示されるときには、マルチビーム素子サイズｓは以下の式（２）によって得ることができる。
【数２】
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別の例では、マルチビーム素子サイズは、ビューピクセルの約６０パーセント（６０％）超、またはビューピクセルサイズの約７０パーセント（７０％）超、またはビューピクセルサイズの約８０パーセント（８０％）超、またはビューピクセルサイズの約９０パーセント（９０％）超であり、マルチビーム素子は、ビューピクセルサイズの約１８０パーセント（１８０％）未満、またはビューピクセルサイズの約１６０パーセント（１６０％）未満、またはビューピクセルサイズの約１４０パーセント（１４０％）未満、またはビューピクセルサイズの約１２０パーセント（１１４％）未満である。たとえば、「相当するサイズ」では、マルチビーム素子サイズは、ビューピクセルサイズの約７５パーセント（７５％）から約１５０パーセント（１５０％）の間であってもよい。別の例では、マルチビーム素子１１４は、マルチビーム素子サイズがビューピクセルサイズの約１２５パーセント（１２５％）から約８５パーセント（８５％）の間となるビューピクセルのサイズに相当し得る。いくつかの実施形態によれば、マルチビーム素子１１４およびビューピクセル（またはライトバルブ１１６）の相当するサイズは、同時にマルチビュー画像の異なるビューの間の重畳を低減、またはいくつかの例では最小限に抑えながら、マルチビュー画像のビュー間の暗いゾーンを低減、またはいくつかの例では最小限に抑えるように、選択され得る。
【００８７】
図６Ａから図６Ｃに示されるように、マルチビーム素子ベースディスプレイ１１０は、ライトバルブ１１６のアレイ（またはライトバルブアレイ）をさらに備える。ライトバルブ１１６のアレイは、複数の指向性光ビームのうちの指向性光ビーム１１１を変調するように構成されている。具体的には、ライトバルブアレイは、マルチビーム素子ベースディスプレイ１１０、たとえばマルチビュー画像によって表示されている画像として、またはこれを提供するために、指向性光ビーム１１１を変調するように構成さ得る。図６Ｃでは、ライトバルブ１１６のアレイは、ライトバルブアレイの下にある光導波路１１２およびマルチビーム素子１１４の視覚化を可能にするために、部分的に切り取られている。
【００８８】
さらに、異なる主角度方向を有する指向性光ビーム１１１のうちの異なるものは、ライトバルブアレイ内のライトバルブ１１６のうちの異なるものを通過し、したがってこれらによって変調されるように、構成されている。さらに、図示されるように、アレイのライトバルブ１１６はビューピクセルに対応し、ライトバルブアレイのライトバルブ１１６のセットはマルチビーム素子ベースディスプレイ１１０のマルチビューピクセルに対応する。具体的には、ライトバルブアレイの異なるセットのライトバルブ１１６は、マルチビーム素子１１４のうちの異なるものから指向性光ビーム１１１を受け取り、これを変調するように構成されている。したがって、図示されるように、各マルチビーム素子１１４に固有の１セットのライトバルブ１１６がある。様々な実施形態では、ライトバルブアレイのライトバルブ１１６として、液晶ライトバルブ、電気泳動ライトバルブ、およびエレクトロウェッティングに基づく、またはこれを利用する、ライトバルブのうちの１つまたはそれ以上を含むがこれらに限定されない、様々な異なるタイプのライトバルブのいずれかが利用され得る。
【００８９】
図６Ａは、第１マルチビーム素子１１４−１から指向性光ビーム１１１を受け取って変調するように構成された第１ライトバルブセット１１６−１を示し、図示されるように、第２ライトバルブセット１１６−２は、第２マルチビーム素子１１４−２から指向性光ビーム１１１を受け取って変調するように構成されている。したがって、図６Ａに示されるように、ライトバルブアレイ内のライトバルブセット（たとえば、第１および第２ライトバルブセット１１６−１、１１６−２）は、それぞれ異なるマルチビューピクセルにそれぞれ対応し、ライトバルブセットの個々のライトバルブ１１６は、それぞれのマルチビューピクセルのビューピクセルに対応する。
【００９０】
なお、図６Ａでは、ビューピクセルのサイズはライトバルブアレイのライトバルブ１１６の実際のサイズに対応し得ることに留意されたい。別の例では、ビューピクセルサイズ、言い替えるとライトバルブサイズは、ライトバルブアレイの隣接するライトバルブ１１６間の距離（たとえば、中心間距離）として定義されてもよい。たとえば、ライトバルブ１１６は、ライトバルブアレイにおけるライトバルブ１１６間の中心間距離より小さくてもよい。ビューピクセルまたはライトバルブサイズは、たとえば、ライトバルブ１１６のサイズ、またはライトバルブ１１６間の中心間距離に対応するサイズのいずれかとして定義され得る。
【００９１】
いくつかの実施形態では、マルチビーム素子アレイのマルチビーム素子１１４と対応するマルチビューピクセル（たとえば、ライトバルブ１１６のセット）との関係は、一対一の関係であってもよい。つまり、同数のマルチビューピクセルおよびマルチビーム素子１１４があってもよい。図６Ｂは、例として、ライトバルブ１１６の異なるセットを備える各マルチビューピクセルが破線で囲まれて示されている、一対一の関係を明確に示している。別の実施形態（図示せず）では、マルチビューピクセルおよびマルチビーム素子１１４の数は、互いに異なってもよい。
【００９２】
いくつかの実施形態では、マルチビーム素子アレイの隣接するマルチビーム素子１１４のペア間の素子間距離（たとえば、中心間距離）は、たとえばライトバルブセットによって表される、マルチビューピクセルの対応する隣接ペア間のピクセル間距離（たとえば、中心間距離）と等しくてもよい。たとえば、図６Ａから図６Ｂでは、図示されるように、第１マルチビーム素子１１４−１と第２マルチビーム素子１１４−２との間の中心間距離ｄは、第１ライトバルブセット１１６−１と第２ライトバルブセット１１６−２との間の中心間距離Ｄと実質的に等しい。別の実施形態（図示せず）では、マルチビーム素子１１４のペアおよび対応するライトバルブセットの相対的な中心間距離は異なってもよく、たとえば、マルチビーム素子１１４は、マルチビューピクセルを表すライトバルブセット間の間隔（すなわち、中心間距離Ｄ）よりも大きいかまたは小さい素子間間隔（すなわち、中心間距離ｄ）を有してもよい。
【００９３】
いくつかの実施形態では、マルチビーム素子１１４の形状は、マルチビューピクセルの形状、言い替えると、マルチビューピクセルに対応するライトバルブ１１６のセット（または「サブアレイ」）の形状に類似し得る。たとえば、マルチビーム素子１１４は正方形の形状を有してもよく、マルチビューピクセル（またはライトバルブ１１６の対応するセットの構成）は実質的に正方形であってもよい。別の例では、マルチビーム素子１１４は長方形の形状を有してもよく、すなわち、幅または横寸法よりも大きい長さまたは縦寸法を有してもよい。この例では、マルチビーム素子１１４に対応するマルチビューピクセル（言い替えるとライトバルブ１１６のセットの構成）は、類似の長方形の形状を有し得る。図６Ｂは、正方形のマルチビーム素子１１４、およびライトバルブ１１６の正方形のセットを含む対応する正方形のマルチビューピクセルの上面図または平面図を示す。さらに別の例（図示せず）では、マルチビーム素子１１４および対応するマルチビューピクセルは、三角形、六角形、および円形を含むかまたは少なくともこれらに近似するがこれらに限定されない、様々な形状を有する。
【００９４】
さらに（たとえば、図６Ａに示されるように）、各マルチビーム素子１１４は、いくつかの実施形態によれば、唯一のマルチビューピクセルに指向性光ビーム１１１を提供するように構成され得る。具体的には、マルチビーム素子１１４の所与のものについて、マルチビュー画像の異なるビュー１０４に対応する異なる主角度方向を有する指向性光ビーム１１１は、（たとえば、図６Ａに示されるように）単一の対応するマルチビューピクセルおよびそのビューピクセル、すなわちマルチビーム素子１１４に対応するライトバルブ１１６の単一のセットに実質的に閉じ込められる。したがって、マルチビーム素子ベースディスプレイ１１０の各マルチビーム素子１１４は、マルチビュー画像の異なるビュー１０４に対応する異なる主角度方向のセットを有する指向性光ビーム１１１の対応するセットを提供する（すなわち、指向性光ビーム１１１のセットは、異なるビュー方向の各々に対応する方向を有する光ビームを含む）。
【００９５】
様々な実施形態によれば、マルチビーム素子１１４は、導波光１１３の一部を結合するように構成された、いくつかの異なる構造のいずれかを備え得る。たとえば、異なる構造は、回折格子、マイクロ反射素子、マイクロ屈折素子、またはこれらの様々な組み合わせを含み得るが、これらに限定されない。いくつかの実施形態では、回折格子を備えるマルチビーム素子１１４は、異なる主角度方向を有する複数の指向性光ビーム１１１として導波光部分を回折により結合するように構成されている。別の実施形態では、マイクロ反射素子を備えるマルチビーム素子１１４は、複数の指向性光ビーム１１１として導波光部分を反射により結合するように構成され、またはマイクロ屈折素子を備えるマルチビーム素子１１４は、屈折によって、または屈折を使用して、複数の指向性光ビーム１１１として導波光部分を結合するように構成されている（すなわち、屈折により導波光部分を結合する）。
【００９６】
図７Ａは、本明細書に記載される原理と一致する一実施形態による、一例におけるマルチビーム素子１１４を含むマルチビーム素子ベースディスプレイ１１０の一部の断面図を示す。図７Ｂは、本明細書に記載される原理と一致する別の実施形態による、一例におけるマルチビーム素子１１４を含むマルチビーム素子ベースディスプレイ１１０の一部の断面図を示す。具体的には、図７Ａから図７Ｂは、回折格子１１４ａを備えるマルチビーム素子ベースディスプレイ１１０のマルチビーム素子１１４を示す。回折格子１１４ａは、複数の指向性光ビーム１１１として、導波光１１３の一部を回折により結合するように構成されている。回折格子１１４ａは、回折機能部間隔によって互いに離間した複数の回折機能部、もしくは導波光部分からの回折結合を提供するように構成された回折機能部または格子ピッチを備える。様々な実施形態によれば、回折格子１１４ａ内の回折機能部の間隔または格子ピッチは、サブ波長（すなわち、導波光の波長未満）であってもよい。
【００９７】
いくつかの実施形態では、マルチビーム素子１１４の回折格子１１４ａは、光導波路１１２の表面に、またはこれと隣接した位置にあってもよい。たとえば、回折格子１１４ａは、図７Ａに示されるように、光導波路１１２の第１表面１１２’に、またはこれと隣接していてもよい。光導波路第１表面１１２’の回折格子１１４ａは、指向性光ビーム１１１として第１表面１１２’を通る導波光部分を回折により結合するように構成された、透過モード回折格子であってもよい。別の例では、図７Ｂに示されるように、回折格子１１４ａは、光導波路１１２の第２表面１１２’’に、またはこれと隣接した位置にあってもよい。第２表面１１２’’に位置するとき、回折格子１１４ａは反射モード回折格子であり得る。反射モード回折格子として、回折格子１１４ａは、回折指向性光ビーム１１１として第１表面１１２’を通じて出射するために、導波光部分を回折し、かつ回折した導波光部分を第１表面１１２’に向けて反射するように構成されている。別の実施形態（図示せず）では、回折格子は、たとえば透過モード回折格子および反射モード回折格子の一方または両方として、光導波路１１２の表面の間に位置してもよい。なお、本明細書に記載されるいくつかの実施形態では、指向性光ビーム１１１の主角度方向は、光導波路表面で光導波路１１２を出る指向性光ビーム１１１による屈折の影響を含み得ることに留意されたい。たとえば、図７Ｂは、限定ではなく例として、指向性光ビーム１１１が第１表面１１２’を横切るときの屈折率の変化による、指向性光ビーム１１１の屈折（すなわち、屈曲）を示している。以下で説明される図１０Ａおよび図１０Ｂも参照されたい。
【００９８】
いくつかの実施形態によれば、回折格子１１４ａの回折機能部は、互いに離間した溝およびリッジの一方または両方を備えてもよい。溝またはリッジは、光導波路１１２の材料を備えてもよく、たとえば、光導波路１１２の表面に形成されてもよい。別の例では、溝またはリッジは、光導波路材料以外の材料、たとえば、光導波路１１２の表面上の別の材料のフィルムまたは層から形成されてもよい。
【００９９】
いくつかの実施形態では、マルチビーム素子１１４の回折格子１１４ａは、回折機能部間隔が回折格子１１４ａ全体にわたって実質的に一定または不変である、均一な回折格子である。別の実施形態では、回折格子１１４ａはチャープ回折格子である。定義では、「チャープ」回折格子は、チャープ回折格子の範囲または長さにわたって変化する回折機能部の回折間隔（すなわち、格子ピッチ）を呈するかまたは有する回折格子である。いくつかの実施形態では、チャープ回折格子は、距離とともに直線的に変化する回折機能部間隔の「チャープ」を有するかまたは呈し、または回折機能部間隔を変化させてもよい。したがって、チャープ回折格子は、定義では、「線形チャープ」回折格子である。別の実施形態では、マルチビーム素子１１４のチャープ回折格子は、回折機能部間隔の非線形チャープを呈し得る。指数チャープ、対数チャープ、または別の、実質的に不均一またはランダムだが依然として単調な方法で変化するチャープを含むがこれらに限定されない、様々な非線形チャープが使用され得る。正弦波チャープまたは三角形または鋸歯状チャープなどの、ただしこれらに限定されない、非単調チャープもまた利用され得る。これらのタイプのチャープのいずれかの組み合わせもまた利用され得る。
【０１００】
いくつかの実施形態では、回折格子１１４ａは、複数の回折格子、言い替えると複数の副格子を備えてもよい。図６Ａは、本明細書に記載される原理と一致する一実施形態による、一例における複数の副格子を備える回折格子１１４ａの断面図を示す。図８Ｂは、本明細書に記載される原理と一致する一実施形態による、一例における図６Ａに示される回折格子１１４ａを示す。図６Ａの断面図は、たとえば図８Ｂに示される回折格子１１４ａの副格子の最下列を左から右に通る断面を表し得る。図６Ａおよび図８Ｂに示されるように、複数の副格子は、光導波路１１２の表面（たとえば、図示されるように、第２表面１１２’’）上のマルチビーム素子１１４の回折格子１１４ａ内に、第１の副格子１１４ａ−１および第２の副格子１１４ａ−２を備える。マルチビーム素子１１４のサイズｓは図６Ａおよび図８Ｂの両方に示されており、マルチビーム素子１１４の境界は、破線を用いて図８Ｂに示されている。
【０１０１】
いくつかの実施形態によれば、複数のマルチビーム素子の異なるマルチビーム素子１１４間の回折格子１１４ａ内の副格子の差分密度は、それぞれの異なるマルチビーム素子１１４によって回折により散乱された複数の指向性光ビーム１１１の相対強度を制御するように構成されている。言い換えると、マルチビーム素子１１４はその中に回折格子１１４ａの異なる密度を有し、異なる密度（すなわち、副格子の差分密度）は複数の指向性光ビーム１１１の相対強度を制御するように構成され得る。具体的には、回折格子１１４ａ内により少なく副格子を有するマルチビーム素子１１４は、比較的多くの副格子を有する別のマルチビーム素子１１４よりも低い強度（またはビーム密度）を有する複数の指向性光ビーム１１１を生成し得る。副格子の差分密度は、たとえば副格子が欠如した、またはこれがないマルチビーム素子１１４の位置、たとえば図８Ｂに示された位置１１４ａ’などを使用して、提供され得る。
【０１０２】
図９は、本明細書に記載される原理と一致する一実施形態による、一例における１対のマルチビーム素子１１４の平面図を示す。図示されるように、ペアのうちの第１マルチビーム素子１１４−１は、ペアのうちの第２マルチビーム素子１１４−２内に存在するよりも高い回折格子１１４ａ内の副格子の密度を有する。具体的には、第２マルチビーム素子１１４−２は、第１マルチビーム素子１１４−１よりも副格子が少なく、副格子のない位置１１４ａ’が多い回折格子１１４ａを有する。いくつかの実施形態では、第１マルチビーム素子１１４−１内の高密度の副格子は、第２マルチビーム素子１１４−２によって提供された複数の指向性光ビームの強度よりも高い強度を有する複数の指向性光ビームを提供し得る。いくつかの実施形態によれば、図９に示される異なる副格子密度によって提供されるそれぞれの複数の指向性光ビームのより高いおよび低い強度は、伝播距離の関数としての光導波路内の導波光の光強度の変化を補償するために使用され得る。限定ではなく例として、図９は、湾曲した回折機能部を有する副格子を備えた回折格子１１４ａも示す。
【０１０３】
図１０Ａは、本明細書に記載される原理と一致する別の実施形態による、一例におけるマルチビーム素子１１４を含むマルチビーム素子ベースディスプレイ１１０の一部の断面図を示す。図１０Ｂは、本明細書に記載される原理と一致する別の実施形態による、一例におけるマルチビーム素子１１４を含むマルチビーム素子ベースディスプレイ１１０の一部の断面図を示す。具体的には、図１０Ａおよび図１０Ｂは、マイクロ反射素子を備えるマルチビーム素子１１４の様々な実施形態を示す。マルチビーム素子１１４として使用される、またはこれに含まれるマイクロ反射素子は、反射材料もしくはその層（たとえば、反射金属）を利用する反射器、または全内反射（ＴＩＲ）に基づく反射器を含み得るが、これらに限定されない。いくつかの実施形態によれば（たとえば、図１０Ａから図１０Ｂに示されるように）、マイクロ反射素子を備えるマルチビーム素子１１４は、光導波路１１２の表面（たとえば、第２表面１１２’’）に、またはこれと隣接した位置にあってもよい。別の実施形態（図示せず）では、マイクロ反射素子は、第１および第２表面１１２’、１１２’’の間の光導波路１１２内に位置してもよい。
【０１０４】
たとえば、図１０Ａは、光導波路１１２の第２表面１１２’’に隣接した位置にある反射ファセットを有するマイクロ反射素子１１４ｂ（たとえば、「プリズム」マイクロ反射素子）を備えるマルチビーム素子１１４を示す。図示されるプリズムマイクロ反射素子１１４ｂのファセットは、指向性光ビーム１１１として光導波路１１２からの導波光１１３の一部を反射（すなわち、反射により散乱）するように構成されている。ファセットは、たとえば、光導波路１１２からの導波光部分を反射するために、導波光１１３の伝播方向に対して偏向または傾斜していてもよい（すなわち、傾斜角を有する）。ファセットは、様々な実施形態によれば、（たとえば、図１０Ａに示されるように）光導波路１１２内で反射材料を使用して形成されてもよく、または第２表面１１２’’のプリズムキャビティの表面であってもよい。いくつかの実施形態では、プリズムキャビティが利用されるとき、キャビティ表面における屈折率変化が反射（たとえば、ＴＩＲ反射）を提供してもよく、もしくはファセットを形成するキャビティ表面が、反射を提供するために反射材料で被覆されてもよい。
【０１０５】
別の例では、図１０Ｂは、半球状のマイクロ反射素子１１４ｂなどの、ただしこれに限定されない、実質的に平滑な曲面を有するマイクロ反射素子１１４ｂを備えるマルチビーム素子１１４を示す。マイクロ反射素子１１４ｂの特定の表面曲線は、たとえば、導波光１１３が接触する曲面の入射点に応じて異なる方向に導波光部分を反射するように構成されてもよい。図１０Ａおよび図１０Ｂに示されるように、限定ではなく例として、光導波路１１２から反射により散乱された導波光部分は、第１表面１１２’から出射または放出される。図１０Ａのプリズムマイクロ反射素子１１４ｂと同様に、限定ではなく例として、図１０Ｂに示されるように、図１０Ｂのマイクロ反射素子１１４ｂは、光導波路１１２内の反射材料、または第２表面１１２’’に形成されたキャビティ（たとえば、半円形キャビティ）であってもよい。図１０Ａおよび図１０Ｂはまた、限定ではなく例として、２つの伝播方向１１５、１１５’（すなわち、太い矢印で示される）を有する導波光１１３も示す。２つの伝播方向１１５、１１５’を使用することで、たとえば、対称な主角度方向を有する複数の指向性光ビーム１１１を提供することを容易にし得る。
【０１０６】
図１１は、本明細書に記載される原理と一致する別の実施形態による、一例におけるマルチビーム素子１１４を含むマルチビーム素子ベースディスプレイ１１０の一部の断面図を示す。具体的には、図１１は、マイクロ屈折素子１１４ｃを備えるマルチビーム素子１１４を示す。様々な実施形態によれば、マイクロ屈折素子１１４ｃは、光導波路１１２からの導波光１１３の一部を屈折により結合または散乱するように構成されている。つまり、マイクロ屈折素子１１４ｃは、図１１に示されるように、指向性光ビーム１１１として光導波路１１２からの導波光部分を結合または散乱するために、屈折（たとえば、回折または反射とは対照的な屈折結合）を利用するように構成されている。マイクロ屈折素子１１４ｃは、半球形、長方形、角柱形（すなわち、傾斜したファセットを有する形状）、および逆角柱形（たとえば、図１１に示されるような）を含むがこれらに限定されない、様々な形状を有し得る。様々な実施形態によれば、マイクロ屈折素子１１４ｃは、図示されるように、光導波路１１２の表面（たとえば、第１表面１１２’）から延伸もしくは突起してもよく、または表面内のキャビティ（図示せず）であってもよい。さらに、いくつかの実施形態では、マイクロ屈折素子１１４ｃは、光導波路１１２の材料を備えてもよい。別の実施形態では、マイクロ屈折素子１１４ｃは、光導波路表面に隣接し、いくつかの例では接触している、別の材料を備えてもよい。
【０１０７】
再び図６Ａを参照すると、マルチビーム素子ベースディスプレイ１１０は、光源１１８をさらに備えてもよい。様々な実施形態によれば、光源１１８は、光導波路１１２内に誘導される光を提供するように構成されている。具体的には、光源１１８は、光導波路１１２の入射面または入射端（入力端）に隣接して配置され得る。様々な実施形態では、光源１１８は、１つまたはそれ以上の発光ダイオード（ＬＥＤ）またはレーザー（たとえば、レーザーダイオード）を含むがこれらに限定されない、実質的に任意の光源（たとえば、光エミッタ）を含み得る。いくつかの実施形態では、光源１１８は、特定の色によって示される狭帯域スペクトルを有する実質的に単色の光を生成するように構成された光エミッタを備えてもよい。具体的には、単色光の色は、特定の色空間または色モデル（たとえば、赤緑青（ＲＧＢ）カラーモデル）の原色であり得る。別の例では、光源１１８は、実質的に広帯域または多色の光を提供するように構成された、実質的に広帯域の光源であってもよい。たとえば、光源１１８は、白色光を提供し得る。いくつかの実施形態では、光源１１８は、異なる色の光を提供するように構成された、複数の異なる光エミッタを備えてもよい。異なる光エミッタは、異なる色の光の各々に対応する導波光の、異なる色固有の非ゼロ伝播角度を有する光を提供するように構成され得る。
【０１０８】
いくつかの実施形態では、光源１１８は、コリメータ（図示せず）をさらに備えてもよい。コリメータは、光源１１８の光エミッタのうちの１つまたはそれ以上から実質的にコリメートされていない光を受け取るように構成され得る。コリメータは、実質的にコリメートされていない光をコリメート光に変換するように、さらに構成されている。いくつかの実施形態によれば、具体的には、コリメータは、非ゼロ伝播角度を有するとともに、所定のコリメーション係数にしたがってコリメートされた、コリメート光を提供し得る。また、異なる色の光エミッタが利用されるとき、コリメータは、異なる色固有の非ゼロ伝播角度のうちの１つまたはそれ以上を有し、かつ異なる色固有のコリメーション係数を有する、コリメート光を提供するように構成され得る。コリメータは、上述のように、導波光１１３として伝播するためにコリメート光ビームを光導波路１１２に伝達するように、さらに構成されている。
【０１０９】
本明細書に記載される原理のいくつかの実施形態にしたがって、ニアアイ双眼ディスプレイシステムが提供される。図１２は、本明細書に記載される原理と一致する一実施形態による、一例におけるニアアイ双眼ディスプレイシステム２００のブロック図を示す。ニアアイ双眼ディスプレイシステム２００は、三次元（３Ｄ）場面を表す立体画像のペアとしてマルチビュー画像２０２を提供し、ユーザが見るために立体画像のペアを対応するアイボックス２０４のペアに中継するように構成されている。様々な実施形態によれば、ペアのアイボックス２０４は、ユーザの目の位置に対応するように互いに横方向にずれている。具体的には、ユーザは、横方向にずれたアイボックス２０４のペアで、立体画像ペアのマルチビュー画像２０２を快適かつ自然に見ることができる。さらに、いくつかの実施形態によれば、立体画像ペアのマルチビュー画像２０２は、３Ｄ体験を提供するだけでなく、しばしばニアアイ立体ディスプレイに関連付けられる様々な収束−調節問題に対処することもできる。
【０１１０】
図１２に示されるように、ニアアイ双眼ディスプレイシステム２００は、１対のマルチビーム素子ベースディスプレイ２１０を備える。様々な実施形態によれば、各マルチビーム素子ベースディスプレイ２１０は、３Ｄ場面を表す立体画像ペアの異なるマルチビュー画像２０２を提供するように構成されている。
いくつかの実施形態では、マルチビーム素子ベースディスプレイ２１０のペアにおけるマルチビーム素子ベースディスプレイ２１０の一方または両方は、ニアアイディスプレイ１００に関して上記で説明された実質的にマルチビーム素子ベースディスプレイ１１０と類似であり得る。
【０１１１】
具体的には、図示されるように、マルチビーム素子ベースディスプレイ２１０は各々、（たとえば、図示されるように）光導波路２１２およびマルチビーム素子アレイ２１４を備える。光導波路２１２は、導波光として光を誘導するように構成されている。マルチビーム素子アレイ２１４は、異なるマルチビュー画像のビュー方向に対応する主角度方向を有する複数の指向性光ビームとして、導波光の一部を散乱するように構成されている。いくつかの実施形態では、光導波路２１２は光導波路１１２と実質的に類似であってもよく、マルチビーム素子アレイ２１４は、マルチビーム素子ベースディスプレイ１１０のマルチビーム素子１１４のアレイと実質的に類似であってもよい。具体的には、マルチビーム素子アレイ２１４のマルチビーム素子は、光導波路２１２の表面に、またはこれと隣接した位置にあってもよい。さらに、いくつかの実施形態によれば、マルチビーム素子アレイ２１４のマルチビーム素子は、導波光の一部を散乱するために光導波路に光学的に接続された、回折格子、マイクロ反射素子、およびマイクロ屈折素子のうちの１つまたはそれ以上を備えてもよい。
【０１１２】
図１２に示されるマルチビーム素子ベースディスプレイ２１０は、ライトバルブアレイ２１６をさらに備える。ライトバルブアレイ２１６は、複数の指向性光ビームにおける指向性光ビームを選択的に変調するように構成されている。様々な実施形態によれば、選択的に変調された指向性光ビームは、提供されたマルチビュー画像の異なるビューを表し得る。いくつかの実施形態では、ライトバルブアレイ２１６は、上記のマルチビーム素子ベースディスプレイ１１０のライトバルブ１１６のアレイと実質的に類似であってもよい。たとえば、ライトバルブアレイ２１６のライトバルブは液晶ライトバルブを備えてもよい。別の実施形態では、ライトバルブアレイ２１６は、たとえば、エレクトロウェッティングライトバルブ、電気泳動ライトバルブ、これらの組み合わせ、または液晶ライトバルブと別のライトバルブタイプとの組み合わせを含むがこれらに限定されない、別のライトバルブを備えてもよい。いくつかの実施形態では、マルチビーム素子アレイ２１４のマルチビーム素子のサイズは、マルチビーム素子ベースディスプレイ２１０のライトバルブアレイ２１６のライトバルブのサイズに相当する。
【０１１３】
いくつかの実施形態によれば、１対のマルチビーム素子ベースディスプレイ２１０によって提供された立体画像ペアの提供されたマルチビュー画像２０２の各々は、３Ｄ場面の複数の異なるビューを含む。異なるビューは、たとえば、３Ｄ場面の異なる斜視図を表し得る。さらに、様々な実施形態によれば、複数の指向性光ビームにおける指向性光ビームは、マルチビュー画像のビュー方向に対応する異なる主角度方向を有し得る。
【０１１４】
図１２に示されるニアアイ双眼ディスプレイシステム２００は、双眼光学系２２０をさらに備える。双眼光学系２２０は、マルチビーム素子ベースディスプレイ２１０のペアによって提供された立体画像ペアの異なるマルチビュー画像２０２を、対応するアイボックス２０４のペアに別々に中継するように構成されている。様々な実施形態によれば、アイボックス２０４は、互いに横方向にずれている。上述のように、アイボックス２０４の横方向のずれは、たとえば、ユーザによる視認を容易にし得る。図１２に示されるアイボックス２０４の間の垂直の破線は、横方向のずれを示す。
【０１１５】
いくつかの実施形態では、双眼光学系２２０は、双眼構成で構成されているものの、ニアアイディスプレイ１００の光学系１２０と実質的に類似であってもよい。具体的には、双眼光学系２２０は、複数の異なるビューをアイボックス２０４内の対応する複数の異なる位置に中継するように構成され得る。加えて、アイボックス２０４内の異なる位置は、ニアアイ双眼ディスプレイシステム２００のユーザに焦点深度手がかりを提供するように構成されている。具体的には、様々な実施形態によれば、焦点深度手がかりは、立体画像ペアの提供されたマルチビュー画像２０２の間の両眼視差に対応し得る。
【０１１６】
さらに、いくつかの実施形態によれば、双眼光学系２２０は、第１の自由曲面プリズムおよび第２の自由曲面プリズム（図１２には図示せず）を備えてもよい。第１の自由曲面プリズムは、マルチビーム素子ベースディスプレイペアの第１マルチビーム素子ベースディスプレイ２１０によって提供された第１のマルチビュー画像２０２をアイボックスペアの第１のアイボックス２０４に中継するように構成され得る。同様に、第２の自由曲面プリズムは、マルチビーム素子ベースディスプレイペアの第２マルチビーム素子ベースディスプレイ２１０によって提供された第２のマルチビュー画像２０２をアイボックスペアの第２のアイボックス２０４に中継するように構成され得る。別の実施形態（図示せず）によれば、双眼光学系２２０は、１対の拡大鏡（たとえば、上記の単純な拡大鏡１２２と実質的に類似の１対の単純な拡大鏡）を備えてもよい。
【０１１７】
いくつかの実施形態では、ニアアイ双眼ディスプレイシステム２００は、仮想現実ディスプレイシステムであるように構成される。具体的には、立体画像ペアの提供された異なるマルチビュー画像２０２は、少なくともアイボックス２０４内の、物理的環境の双眼ビューに取って代わるように構成され得る。別の実施形態では、図１２に示されるニアアイ双眼ディスプレイシステム２００は、拡張現実ディスプレイシステムであるように構成されてもよい。拡張現実ディスプレイシステムとして構成されたとき、立体画像ペアの提供された異なるマルチビュー画像２０２は、たとえばアイボックス２０４内の物理的環境ビューを拡張させ得るが、一般的には取って代わるものではない。つまり、拡張現実ディスプレイシステムとして構成されたニアアイ双眼ディスプレイシステム２００は、立体画像ペアの光学的重畳および物理的環境のビューをユーザに提供する。さらに、拡張現実ディスプレイシステムとして構成されたとき、双眼光学系２２０は、１対の自由曲面補償レンズをさらに備え得る。様々な実施形態によれば、自由曲面補償レンズは、物理的環境の画像をアイボックス２０４のペアに提供するように構成され得る。
【０１１８】
いくつかの実施形態によれば、図１２に示されるように、マルチビーム素子ベースディスプレイ２１０は、光源２１８をさらに備え得る。光源２１８は、光導波路２１２に光を提供するように構成されている。いくつかの実施形態では、光源２１８は、光源２１８によって提供された光をコリメートするように構成された光コリメータを含み得る。いくつかの実施形態では、光源２１８によって提供された導波光は、所定のコリメーション係数を有する。いくつかの実施形態によれば、光源２１８は、ニアアイディスプレイ１００に関して上記で説明されたマルチビーム素子ベースディスプレイ１１０の光源１１８と実質的に類似であってもよい。
【０１１９】
本明細書に記載される原理の別の実施形態によれば、ニアアイディスプレイ動作方法が提供される。図１３は、本明細書に記載される原理と一致する一実施形態による、一例におけるニアアイディスプレイ動作方法３００のフローチャートを示す。図１３に示されるように、ニアアイディスプレイ動作方法３００は、マルチビーム素子ベースのマルチビューディスプレイを使用して、複数の異なるビューを有するマルチビュー画像を提供するステップ３１０を含む。いくつかの実施形態では、マルチビュー画像を提供するステップ３１０で使用されるマルチビーム素子ベースのマルチビューディスプレイは、ニアアイディスプレイ１００に関して上記で説明されたマルチビーム素子ベースディスプレイ１１０と実質的に類似であってもよい。
【０１２０】
具体的には、様々な実施形態によれば、マルチビーム素子ベースディスプレイは、マルチビーム素子のアレイおよびライトバルブのアレイを備える。マルチビーム素子のアレイは、複数の異なるビューのそれぞれのビュー方向に対応する方向を有する複数の指向性光ビームを提供する。さらに、ライトバルブのアレイは、マルチビュー画像として複数の指向性光ビームを変調する。
【０１２１】
いくつかの実施形態では、マルチビーム素子のアレイは、異なる主角度方向を有する複数の指向性光ビームを生成するために、マルチビーム素子のアレイを使用して光導波路からの導波光の一部を散乱させることによって、複数の指向性光ビームを提供する。いくつかの実施形態では、導波光の一部を散乱させることは、マイクロ回折格子を備えるマルチビーム素子アレイのマルチビーム素子を使用して導波光の一部を回折により散乱させることを含む。いくつかの実施形態では、導波光の一部を散乱させることは、マイクロ反射素子を備えるマルチビーム素子アレイのマルチビーム素子を使用して導波光の一部を反射により散乱させることを含む。いくつかの実施形態では、導波光の一部を散乱させることは、マイクロ屈折素子を備えるマルチビーム素子アレイのマルチビーム素子を使用して導波光の一部を屈折により散乱させることを含む。
【０１２２】
図１３に示されるように、ニアアイディスプレイ動作方法３００は、光学系を使用してマルチビュー画像の複数の異なるビューをアイボックスに中継するステップ３２０をさらに含む。いくつかの実施形態では、光学系は、上記で説明されたニアアイディスプレイ１００の光学系１２０と実質的に類似であってもよい。具体的には、いくつかの実施形態によれば、画像の複数の異なるビューを中継するステップ３２０は、アイボックス内の画像を見ているユーザに焦点深度手がかりを与えるために、異なるビューのうちの異なるものをアイボックス内の異なる位置に中継する。焦点深度手がかりは、たとえばユーザの目による画像調節を容易にし得る。
【０１２３】
いくつかの実施形態では、中継されたマルチビュー画像は三次元（３Ｄ）画像を備えてもよく、複数の異なるビューのうちの異なるビューは、マルチビュー画像の異なる斜視図を表し得る。いくつかの実施形態では、中継された画像は、立体画像ペアの画像のマルチビュー画像である。さらに、画像の複数の異なるビューは、少なくとも４つの異なるビューを含み得る。いくつかの実施形態では、画像の複数の異なるビューを中継するステップ３２０は、ユーザの目の通常の調節範囲に対応するアイボックスからの距離に位置する虚像を提供するために、画像を拡大することを含む。いくつかの実施形態では、複数の異なるビューを中継するステップ３２０は、マルチビュー画像の拡張現実ディスプレイおよび仮想現実ディスプレイの一方または両方を提供する。
【０１２４】
このように、画像の複数の異なるビューを提供するためにマルチビーム素子ベースディスプレイを採用する、ニアアイディスプレイ、双眼ニアアイディスプレイシステム、およびニアアイディスプレイ動作方法の例および実施形態が説明されてきた。上記の例が、単に本明細書に記載される原理を表す多くの具体例のいくつかを表すに過ぎないことは、理解されるべきである。明らかに、当業者は、以下の請求項で定義される範囲を逸脱することなく、他の多くの構成を容易に考案することができる。
【図１Ａ】
2021507320.tif 000005
【図１Ｂ】
2021507320.tif 000006
【図２】
2021507320.tif 000007
【図３】
2021507320.tif 000008
【図４】
2021507320.tif 000009
【図５】
2021507320.tif 000010
【図６Ａ】
2021507320.tif 000011
【図６Ｂ】
2021507320.tif 000012
【図６Ｃ】
2021507320.tif 000013
【図７Ａ】
2021507320.tif 000014
【図７Ｂ】
2021507320.tif 000015
【図８Ａ】
2021507320.tif 000016
【図８Ｂ】
2021507320.tif 000017
【図９】
2021507320.tif 000018
【図１０Ａ】
2021507320.tif 000019
【図１０Ｂ】
2021507320.tif 000020
【図１１】
2021507320.tif 000021
【図１２】
2021507320.tif 000022
【図１３】
2021507320.tif 000023
【手続補正書】
【提出日】令和2年9月23日(2020.9.23)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００５
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００５】
本開示は、以下の［１］から［２６］を含む。
［１］ニアアイディスプレイであって、
マルチビュー画像の複数の異なるビューを提供するように構成されたマルチビーム素子ベースディスプレイであって、上記マルチビーム素子ベースディスプレイは、上記複数の異なるビューのそれぞれのビュー方向に対応する方向（directions）を有する複数の指向性光ビームを提供するように構成されたマルチビーム素子（multibeam elements）のアレイと、上記マルチビュー画像を提供するために上記複数の指向性光ビームを変調するように構成されたライトバルブ（light valves）のアレイとを備える、マルチビーム素子ベースディスプレイと、
上記マルチビュー画像の上記複数の異なるビューを、上記ニアアイディスプレイの出力におけるアイボックス内の対応する複数の異なる位置（different locations）に中継するように構成された、光学系と
を備える、ニアアイディスプレイ。
［２］上記アイボックス内の上記対応する複数の異なる位置は、上記ニアアイディスプレイのユーザに焦点深度手がかりを与えるように構成されており、上記複数の異なるビュー（the plurality of different views）における異なるビュー（different views）は、上記マルチビュー画像の異なる斜視図を表す、上記［１］に記載のニアアイディスプレイ。
［３］上記マルチビュー画像の上記複数の異なるビューは、少なくとも４つの異なるビュー（four different views）を含む、上記［１］に記載のニアアイディスプレイ。
［４］上記複数の異なるビューは全角度範囲を有し、上記光学系は入力アパーチャを有し、上記全角度範囲は、上記入力アパーチャのサイズに実質的に対応するように構成されている、上記［１］に記載のニアアイディスプレイ。
［５］上記光学系は、ユーザの目の通常の調節範囲に対応する上記アイボックスからの距離に上記マルチビュー画像の虚像を提供するように構成された単純な拡大鏡を備える、上記［１］に記載のニアアイディスプレイ。
［６］上記マルチビーム素子ベースディスプレイおよび上記光学系の両方が、視野（ＦＯＶ）の一部を実質的に遮るように、ユーザの上記ＦＯＶ内に配置され、上記ニアアイディスプレイは、上記遮られたＦＯＶ部分の中のマルチビュー画像で物理的環境のビューを置き換えるように構成された仮想現実ディスプレイである、上記［１］に記載のニアアイディスプレイ。
［７］上記マルチビーム素子ベースディスプレイは、ユーザの視野（ＦＯＶ）の外側に配置され、上記光学系は上記ＦＯＶ内に配置され、上記ニアアイディスプレイは、上記マルチビュー画像を用いて上記ＦＯＶ内の物理的環境のビューを拡張させるように構成されている拡張現実ディスプレイである、上記［１］に記載のニアアイディスプレイ。
［８］上記光学系は自由曲面プリズムを備える、上記［１］に記載のニアアイディスプレイ。
［９］上記光学系は自由曲面補償レンズをさらに備える、上記［８］に記載のニアアイディスプレイ。
［１０］上記マルチビーム素子ベースディスプレイは、導波光として、光導波路の長さに沿って光を誘導するように構成された上記光導波路をさらに備え、上記マルチビーム素子アレイのマルチビーム素子（a multibeam element）は、上記複数の指向性光ビームのうちの指向性光ビーム（directional light beams）として上記導波光の一部を上記光導波路から散乱させるように構成されている、上記［１］に記載のニアアイディスプレイ。
［１１］上記マルチビーム素子（the multibeam element）は、上記導波光の上記一部を回折により散乱するように構成された回折格子を備える、上記［１０］に記載のニアアイディスプレイ。
［１２］上記マルチビーム素子（the multibeam element）は、マイクロ反射素子およびマイクロ屈折素子の一方または両方を備え、上記マイクロ反射素子は上記導波光の上記一部を反射により散乱するように構成されており、上記マイクロ屈折素子は上記導波光の上記一部を屈折により散乱するように構成されている、上記［１０］に記載のニアアイディスプレイ。
［１３］上記マルチビーム素子ベースディスプレイは、上記光導波路の入力に光学的に結合された光源をさらに備え、上記光源は、非ゼロ伝播角度を有するか、および所定のコリメーション係数にしたがってコリメートされるか、の一方または両方である上記導波光として誘導される光を提供するように構成されている、上記［１０］に記載のニアアイディスプレイ。
［１４］上記［１］に記載のニアアイディスプレイのペアを備えるニアアイ双眼ディスプレイシステムであって、上記ペアの第１のニアアイディスプレイは第１のマルチビュー画像の第１の複数の異なるビュー（a first plurality of different views）を第１のアイボックスに提供するように構成され、上記ペアの第２のニアアイディスプレイは第２のマルチビュー画像の第２の複数の異なるビュー（a second plurality of different views）を第２のアイボックスに提供するように構成され、上記第２のアイボックスは上記第１のアイボックスから横方向にオフセットされており、上記第１および第２のマルチビュー画像は立体画像のペアを表す、ニアアイ双眼ディスプレイシステム。
［１５］マルチビーム素子ベースディスプレイのペアであって、各マルチビーム素子ベースディスプレイは、三次元（３Ｄ）場面を表す立体画像のペアの異なるマルチビュー画像を提供するように構成されている、マルチビーム素子ベースディスプレイのペアと、
上記立体画像ペアの上記異なるマルチビュー画像をアイボックスの対応するペアに別々に中継するように構成された双眼光学系であって、上記アイボックスは互いに横方向にずれている、双眼光学系と
を備え、
上記ディスプレイペアのうちのマルチビーム素子ベースディスプレイは、導波光として光を誘導するように構成された光導波路と、上記異なるマルチビュー画像（the different multiview images）のビュー方向に対応する主角度方向（principal angular directions）を有する複数の指向性光ビーム（directional light beams）として上記導波光の一部を散乱するように構成されたマルチビーム素子アレイとを備える、ニアアイ双眼ディスプレイシステム。
［１６］上記マルチビーム素子アレイのマルチビーム素子（a multibeam element）は、上記導波光の上記一部を散乱するために上記光導波路に光学的に接続された、回折格子、マイクロ反射素子、およびマイクロ屈折素子のうちの１つまたはそれ以上を備える、上記［１５］に記載のニアアイ双眼ディスプレイシステム。
［１７］上記マルチビーム素子ベースディスプレイは、上記複数の指向性光ビーム（directional light beam plurality）のうちの指向性光ビーム（directional light beams）を選択的に変調するように構成されたライトバルブアレイをさらに備え、上記選択的に変調された指向性光ビームは、上記提供されたマルチビュー画像の上記異なるビュー（the different views）を表し、
上記導波光は所定のコリメーション係数を有し、上記マルチビーム素子アレイのマルチビーム素子（a multibeam element）は、上記光導波路の表面に隣接して配置され、上記マルチビーム素子ベースディスプレイの上記ライトバルブアレイのライトバルブ（a light valve）のサイズに相当するサイズを有する、上記［１５］に記載のニアアイ双眼ディスプレイシステム。
［１８］上記双眼光学系は、上記マルチビュー画像の各々の複数の異なるビューを上記アイボックス（the eye boxes）内の対応する複数の異なる位置に中継するように構成され、上記アイボックス内の上記異なるビューの上記異なる位置は、上記ニアアイ双眼ディスプレイシステムのユーザに焦点深度手がかりを提供するように構成され、上記焦点深度手がかりは上記立体画像のペアの上記異なるマルチビュー画像間の両眼視差に対応する、上記［１５］に記載のニアアイ双眼ディスプレイシステム。
［１９］上記双眼光学系は、第１の自由曲面プリズムおよび第２の自由曲面プリズムを備え、上記第１の自由曲面プリズムは、上記マルチビーム素子ベースディスプレイペアの第１マルチビーム素子ベースディスプレイによって提供された第１のマルチビュー画像を上記アイボックスペアの第１のアイボックスに中継するように構成され、上記第２の自由曲面プリズムは、上記マルチビーム素子ベースディスプレイペアの第２マルチビーム素子ベースディスプレイによって提供された第２のマルチビュー画像を上記アイボックスペアの第２のアイボックスに中継するように構成されている、上記［１５］に記載のニアアイ双眼ディスプレイシステム。
［２０］上記双眼光学系は、上記アイボックスのペアに物理的環境の異なる画像を提供するように構成された自由曲面補償レンズのペアをさらに備え、上記ニアアイ双眼ディスプレイシステムは拡張現実ディスプレイシステムである、上記［１９］に記載のニアアイ双眼ディスプレイシステム。
［２１］上記立体画像ペアの上記提供された異なるマルチビュー画像は、上記アイボックス（the eye boxes）内の物理的環境の双眼ビューに取って代わるように構成され、上記ニアアイ双眼ディスプレイシステムは仮想現実ディスプレイシステムである、上記［１５］に記載のニアアイ双眼ディスプレイシステム。
［２２］ニアアイディスプレイ動作方法であって、上記方法は、
マルチビーム素子のアレイおよびライトバルブのアレイを備えるマルチビーム素子ベースのマルチビューディスプレイを使用して、複数の異なるビュー（a plurality of different views）を有するマルチビュー画像（a multiview image）を提供するステップであって、上記マルチビーム素子のアレイは、上記複数の異なるビューのそれぞれのビュー方向に対応する方向を有する複数の指向性光ビームを提供し、上記ライトバルブのアレイは、上記マルチビュー画像として上記複数の指向性光ビームを変調する、ステップと、
光学系を使用して、上記マルチビュー画像の上記複数の異なるビューをアイボックスに中継するステップと
を含み、
上記マルチビーム素子のアレイのマルチビーム素子（a multibeam element）のサイズは、上記ライトバルブアレイのライトバルブ（a light valve）のサイズに相当する、ニアアイディスプレイ動作方法。
［２３］上記マルチビーム素子のアレイは、異なる主角度方向を有する上記複数の指向性光ビームを生成するために、上記マルチビーム素子のアレイを使用して光導波路からの導波光の一部を散乱させることによって、上記複数の指向性光ビームを提供する、上記［２２］に記載のニアアイディスプレイ動作方法。
［２４］上記導波光の一部を散乱させることは、
回折格子を備える上記マルチビーム素子（multibeam elements）のアレイのマルチビーム素子（a multibeam element）を使用して、上記導波光の一部を回折により散乱させること、
マイクロ反射素子を備える上記マルチビーム素子のアレイのマルチビーム素子を使用して、上記導波光部分を反射により散乱させること、および
マイクロ屈折素子を備える上記マルチビーム素子のアレイのマルチビーム素子を使用して、上記導波光部分を屈折により散乱させること
のうちの１つまたはそれ以上を含む、上記［２３］に記載のニアアイディスプレイ動作方法。
［２５］上記複数の異なるビューを中継するステップは、上記異なるビュー（different views）の異なるもの（different ones）を上記アイボックス内の異なる位置（different locations）に中継し、上記異なるビューの異なる位置は、上記アイボックス内の上記マルチビュー画像を見ているユーザに焦点深度手がかりを与える、上記［２２］に記載のニアアイディスプレイ動作方法。
［２６］上記マルチビュー画像の上記複数の異なるビューを中継するステップは、上記マルチビュー画像の拡張現実ディスプレイおよび仮想現実ディスプレイの一方または両方を提供する、上記［２２］に記載のニアアイディスプレイ動作方法。
本明細書に記載される原理による例および実施形態の様々な特徴は、類似の参照番号が類似の構造要素を指定する以下の添付図面と併せて、以下の詳細な説明を参照することで、より容易に理解され得る。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１８
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１８】
【図８Ｂ】本明細書に記載される原理と一致する一実施形態による、一例における図８Ａに示される回折格子の平面図を示す。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０１００
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０１００】
いくつかの実施形態では、回折格子１１４ａは、複数の回折格子、言い替えると複数の副格子を備えてもよい。図８Ａは、本明細書に記載される原理と一致する一実施形態による、一例における複数の副格子を備える回折格子１１４ａの断面図を示す。図８Ｂは、本明細書に記載される原理と一致する一実施形態による、一例における図８Ａに示される回折格子１１４ａを示す。図８Ａの断面図は、たとえば図８Ｂに示される回折格子１１４ａの副格子の最下列を左から右に通る断面を表し得る。図８Ａおよび図８Ｂに示されるように、複数の副格子は、光導波路１１２の表面（たとえば、図示されるように、第２表面１１２’’）上のマルチビーム素子１１４の回折格子１１４ａ内に、第１の副格子１１４ａ−１および第２の副格子１１４ａ−２を備える。マルチビーム素子１１４のサイズｓは図８Ａおよび図８Ｂの両方に示されており、マルチビーム素子１１４の境界は、破線を用いて図８Ｂに示されている。
【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０１１９
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０１１９】
本明細書に記載される原理の別の実施形態によれば、ニアアイディスプレイ動作方法が提供される。図１３は、本明細書に記載される原理と一致する一実施形態による、一例におけるニアアイディスプレイ動作方法３００のフローチャートを示す。図１３に示されるように、ニアアイディスプレイ動作方法３００は、マルチビーム素子ベースディスプレイを使用して、複数の異なるビューを有するマルチビュー画像を提供するステップ３１０を含む。いくつかの実施形態では、マルチビュー画像を提供するステップ３１０で使用されるマルチビーム素子ベースディスプレイは、ニアアイディスプレイ１００に関して上記で説明されたマルチビーム素子ベースディスプレイ１１０と実質的に類似であってもよい。
【手続補正５】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図６Ａ
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図６Ａ】
2021507320.tif 000024
【手続補正６】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】図９
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図９】
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【国際調査報告】
2021507320.tif 000026
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