JP2018527712A - 集光型バックライトおよびそれを使用するニアアイディスプレイシステム - Google Patents

Abstract

集光型バックライトは、光を導く導光体と、導波光の一部分を回折により外へ結合された光として回折により外へ結合して、回折により外へ結合された光をアイボックス中に集光するように構成された、回折格子とを含む。ニアアイディスプレイシステムは、導光体と回折格子とを含むとともに、回折により外へ結合された光を変調してアイボックス内にイメージを形成するように構成された光バルブアレイをさらに含む。形成されたイメージは、アイボックス内部でユーザによって見ることができるように構成されている。

Description

関係する出願の相互参照
本出願は、その全内容が参照により本明細書に組み入れられている、２０１５年９月５日付け出願の米国仮特許出願第６２／２１４９７６号の優先権を主張するものである。

連邦政府支援研究または開発に関する声明
なし

電子ディスプレイは、広範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、ほぼ遍在的な媒体である。最も幅広く使用されている電子ディスプレイとしては、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）、エレクトロルミネッセンスディスプレイ（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）、および電気機械的または電気流体的な光変調（例えば、デジタルマイクロミラーデバイス、エレクトロウェッティングディスプレイなど）を使用する、様々なディスプレイが挙げられる。一般に、電子ディスプレイは、アクティブディスプレイ（すなわち、発光するディスプレイ）またはパッシブディスプレイ（すなわち、別の源から供給される光を変調するディスプレイ）として分類することができる。アクティブディスプレイの最も明白な例としては、ＣＲＴ、ＰＤＰ、およびＯＬＥＤ／ＡＭＯＬＥＤがある。発光を考慮するときに、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、それには限定されないが、本質的に低い電力消費を含む、魅力的な性能特性を示すことが多いが、発光する能力が無いとなれば、多くの実際的な応用においての使用がいくぶんか限定されることになる。

アクティブまたはパッシブとして分類されるのに加えて、電子ディスプレイはまた、電子ディスプレイの意図する視距離によって特徴づけられる。例えば、大多数の電子ディスプレイは、人の眼の正常な、または「自然」な順応範囲（accommodation range）内にある距離に位置するように意図されている。したがって、電子ディスプレイは、追加の光学系なしに、直接的かつ自然に見ることができる。他方で、一部のディスプレイは、正常な順応範囲よりユーザの眼により近く位置す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、「ニアアイ（near-eye）」ディスプレイと呼ばれることが多く、一般に、見ることを容易化するための何らかの形式の光学系を含む。例えば、光学系は、正常な順応範囲内にある、物理的電子ディスプレイの仮想イメージを提供して、物理的な電子ディスプレイ自体は直接的に見ることができなくても、快適に見ることを可能にする。ニアアイディスプレイを使用する応用の例としては、それに限定はされないが、ヘッドマウントディスプレイ（ＨＭＤ）、および同様のウェアラブルディスプレイに加えて、一部のヘッドアップティスプレイが挙げられる。ニアアイディスプレイは、そのような応用において、従来型ディスプレイよりもより没入的経験を提供することができるので、様々な仮想現実システムに加えて、拡張現実システムも、ニアアイディスプレイを含むことが多い。

本明細書に記載された原理による、例および実施形態の様々な特徴は、同一参照番号は同一構造を表わす添付の図面と合わせて、以下の詳細な説明を参照すれば、より容易に理解される。

［図１Ａ］本明細書に記載された原理と一致する実施形態による、一例の集光型バックライトを示す側面図である。［図１Ｂ］本明細書に記載された原理と一致する実施形態による、一例の図１Ａの集光型バックライトの一部分を示す横断面図である。 ［図１Ｃ］本明細書に記載された原理と一致する実施形態による、一例の図１Ａの集光型バックライトの別の部分を示す横断面図である。［図１Ｄ］本明細書に記載された原理と一致する実施形態による、一例の図１Ａの集光型バックライトを示す平面図である。 本明細書に記載された原理と一致する実施形態による、一例の距離の関数としての回折フィーチャ間隔を示すプロットである。 本明細書に記載された原理と一致する実施形態による、一例の集光型バックライトの一部分を示す横断面図である。 ［図３Ｂ］本明細書に記載された原理と一致する別の実施形態による、一例の集光型バックライトの一部分を示す横断面図である。［図３Ｃ］本明細書に記載された原理の別の実施形態による、一例の集光型バックライトの一部分を示す横断面図である。 ［図４Ａ］本明細書に記載された原理と一致する実施形態による、一例の複数の回折格子セグメントを有する、集光型バックライトを示す側面図である。［図４Ｂ］本明細書に記載された原理と一致する別の実施形態による、一例の複数の回折格子セグメントを有する集光型バックライトを示す平面図である。 ［図４Ｃ］本明細書に記載された原理と一致する別の実施形態による、一例の複数の回折格子セグメントを有する集光型バックライトを示す平面図である。［図４Ｄ］本明細書に記載された原理と一致する別の実施形態による、一例の複数の回折格子セグメントを有する集光型バックライトを示す平面図である。 ［図５Ａ］本明細書に記載された原理と一致する実施形態による、一例のニアアイディスプレイシステムを示す側面図である。［図５Ｂ］本明細書に記載された原理と一致する別の実施形態による、一例のニアアイディスプレイシステムを示す斜視図である。 本明細書に記載された原理と一致する実施形態による、一例の２つの光バルブアレイを有するニアアイディスプレイシステムを示す側面図である。 本明細書に記載された原理と一致する別の実施形態による、一例の２つの光バルブアレイを有するニアアイディスプレイシステムを示す側面図である。 本明細書に記載された原理と一致する実施形態による、一例のヘッドマウントディスプレイ（ＨＭＤ）として構成されたニアアイディスプレイシステムを示す斜視図である。 本明細書に記載された原理と一致する別の実施形態による、一例のヘッドマウントディスプレイ（ＨＭＤ）として構成されたニアアイディスプレイシステムを示す斜視図である。 本明細書に記載された原理と一致する実施形態による、一例のニアアイディスプレイ動作の方法を示すフローチャートである。

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た特徴に加えたその他の特徴、およびその代りであるその他の特徴の一方のその他の特徴を有してもよい。これら、およびその他の特徴を、上記で参照された図を参照して、以下に詳述する。

本明細書に記載された原理による実施形態は、ニアアイディスプレイシステムへの応用と共に、集光型バックライトを提供する。様々な実施形態によれば、集光型バックライトは、光を導光体から回折により外へ結合する（diffractively couple light out of a light guide）ように構成された、回折格子を使用する。さらに、様々な実施形態によれば、回折格子は、回折により外へ結合された光（diffractively coupled-out light）をアイボックス（eyebox）中に集光するように構成されている。いくつかの実施形態においては、アイボックスは、所定の幅を有するが、その他の実施形態においては、アイボックスは、所定の幅と、所定の長さとを有してもよい。様々な実施形態によれば、集光型バックライトは、ニアアイディスプレイシステムに使用してもよい。特に、それに限定はされないが、拡張現実システムおよび仮想現実システムを含む、ニアアイディスプレイシステムは、いくつかの実施形態による、本明細書に記載された集光型バックライトを使用して、実現してもよい。

本明細書においては、「回折格子」は、一般的には、回折格子に入射した光の回折をもたらすように配設された、複数のフィーチャ（すなわち、回折フィーチャ）として定義される。いくつかの例においては、複数のフィーチャを、周期的な偽周期的な方法で、配設しもよい。例えば、回折格子は、１次元（１Ｄ）アレイに配設された、複数のフィーチャ（例えば、材料表面における複数の溝または稜部（ridge））を含んでもよい。その他の例においては、回折格子は、フィーチャの２次元（２Ｄ）アレイとしてもよい。回折格子は、例えば、材料表面上の隆起（bump）の、または材料表面内の穴の、２Ｄアレイとしてもよい。

それからして、本明細書における定義により、「回折格子」は、回折格子上に入射した光の回折をもたらす構造である。光が、導光体から回折格子上に入射する場合には、もたらされた回折または回折的な散乱が生じ、したがって、回折格子が回折により導光体の外へ光を結合する点において、「回折結合（diffractive coupling）」と呼ばれる。回折格子はまた、回折によって光を再指向させるか、またはその角度を（すなわち、回折角度で）変化させる。特に、回折の結果として、回折格子から出る光は、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を、本明細書においては「回折再指向（diffractive redirection）」と呼ぶ。それゆえに、回折格子は、回折格子に入射した光を回折的に再指向させる、回折フィーチャを含む構造であると理解してもよく、光が導光体から入射する場合には、回折格子は、導光体からその光を回折により外へ結合させることもできる。

さらに、本明細書における定義により、回折格子のフィーチャは、「回折フィーチャ」と呼び、材料表面（すなわち、２つの材料の間の境界）における、その中の、およびその上の１種または２種以上としてもよい。表面は、例えば、導光体の表面としてもよい。回折フィーチャとしては、それには限定はされないが、表面における、その中の、またはその上の溝、稜部、穴および隆起の１種または２種以上を含む、光を回折する多様の構造のいずれかを挙げることができる。例えば、回折格子としては、材料表面内の複数の実質的に平行な溝を挙げることができる。別の例においては、回折格子として、材料表面から外に立ちあがる複数の平行な稜部を挙げることができる。回折フィーチャ（例えば、溝、稜部、穴、隆起、等）は、それに限定はされないが、正弦波輪郭、四辺形輪郭（例えば、バイナリ回折格子）、三角形輪郭、および鋸刃形輪郭（例えば、ブレーズド格子（blazed grating））の１種または２種以上を含む、回折をもたらす多様な横断面形状または輪郭のいずれかを有してもよい。

本明細書において用いられるときには、「順応（accommodation）」の用語は、眼の屈折力（optical power）を変化させることによって、対象物またはイメージ要素に合焦させる過程を意味する。言い換えると、順応は、眼の合焦する能力である。本明細書においては、「順応範囲」またはそれと等しく「順応距離」は、対象物の明瞭な、または「焦点の合った」イメージを眼で見ることのできる、眼からの、対象物の最小距離として定義される。言い換えると、本明細書における定義によって、眼は、一般に、順応距離よりも眼に近い対象物に明瞭に焦点を合わせることができない。順応範囲は、個人ごとに変動することがあるが、本明細書においては、例えば、簡単にするために、約２５センチメートル（ｃｍ）の最小の「正常」順応距離が仮定される。したがって、いわゆる「正常順応範囲」内での対象物に対して、対象物は、一般に、眼から約２５ｃｍより大きく位置していると理解される。さらに、本明細書における定義によって、ニアアイディスプレイは、ディスプレイの少なくとも一部分が、ニアアイディスプレイのユーザの眼から２５ｃｍよりも近くに位置する、ディスプレイである。

本明細書において、「アイボックス」とは、ディスプレイまたはその他の光学システム（例えば、レンズシステム）によって形成されたイメージを、その中で見ることのできる、空間の領域または容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イメージを見るために、ユーザの眼を置くことのできる、空間内の場所を画定する。いくつかの実施形態においては、アイボックスは、空間の２次元領域（例えば、長さと幅を有するが、実質的に深さのない領域）を表わしてもよく、それに対してその他の実施形態においては、アイボックスは、空間の３次元領域（例えば、長さ、幅、および深さを有する領域）を含んでもよい。さらに、「ボックス」と呼んでいるが、アイボックスは、多角形または四角形の形状であるボックスに制限されない。例えば、アイボックスは、いくつかの実施形態においては、空間の円筒形領域を含んでもよい。

本明細書において、σで表わされる「コリメーション係数（collimation factor）」は、光がコリメートされる度合として定義される。特に、コリメーション係数は、本明細書における定義により、コリメートされた光ビーム内部の光線の角度広がり（angular spread）を規定する。例えば、コリメーション係数σは、コリメートされた光のビームにおける光線の大多数が、特定の角度広がり範囲（例えば、コリメートされた光ビームの中心または主角度方向のまわりに＋／−σ度）内にあることを指定できる。コリメートされた光ビームの光線は、角度についてガウス分布を有し、角度広がりは、いくつかの例によれば、コリメートされた光ビームのピーク強度の２分の１で決定される角度とすることができる。

本明細書において使用される場合には、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２つ以上」を有することが意図されている。例えば、「a grating（格子）」は、１つまたは２つ以上の格子を意味し、それゆえに、「the grating」は、本明細書においては「the grating(s)」を意味する。また、本明細書における「上端（top）」、「下端（bottom）」、「上部」、「下部」、「上方」、「下方」、「前方」、「後方」、「第１」、「第２」、「左」または「右」への言及は、いずれも本明細書における限定を意味するものではない。本明細書にいては、「約」という用語は、値に付与されるときには、その値を生成するのに使用される機器の許容範囲内を一般に意味するが、例によっては、特に断らない限り、±１０％、±５％、または±１％を意味する。さらに、本明細書において使用されるときには、「実質的に」という用語は、大部分、またはほとんど全部、または全部、あるいは、例えば、約５１％から約１００％の範囲内の量を意味する。さらに、本明細書における例は、説明目的だけのものであり、限定ではなく、考察の目的で提示されている。

本明細書に記載された原理のいくつかの実施形態により、集光型バックライトが提供される。図１Ａは、本明細書に記載された原理と一致する実施形態による、一例の集光型バックライト１００を示す側面図である。図１Ｂは、本明細書に記載された原理と一致する実施形態による、一例の図１Ａの集光型バックライト１００の一部分を示す横断面図である。図１Ｃは、本明細書に記載された原理と一致する実施形態による、一例の図１Ａの集光型バックライト１００の別の部分を示す横断面図である。図１Ｄは、本明細書に記載された原理と一致する実施形態による、一例の図１Ａの集光型バックライト１００を示す平面図である。図示されているように、集光型バックライト１００は、集光型バックライト１００から離れる方向に向けられる、本明細書においては「回折により外に結合された」光１０２と呼ばれる、光を供給または放出するように構成されている。さらに、集光型バックライト１００は、供給または放出された光を、集光型バックライト１００に隣接する（例えば、その上方の）所定の領域に集光するように構成されている。特に、回折により外へ結合された光１０２は、集光型バックライト１００によって、以下にさらに詳細に説明するように、集光型バックライト１００に隣接するアイボックス１０８中に集光してもよい。

様々な実施形態によれば、図１Ａ〜１Ｄに示されている、集光型バックライト１００は、導光体１１０を備える。導光体１１０は、いくつかの実施形態においては（例えば、本明細書に示されるように）、平板導光体１１０としてもよい。導光体１１０は、光を導波光１０４として案内するように構成されている（図１Ｃを参照）。特に、導波光１０４は、様々な実施形態によれば、導光体１１０の長さに沿って、長手方向（例えば、図示のように、ｘ方向）に伝播することができる。さらに、導波光１０４は、図１Ａおよび図１Ｃに示されているように、一般に、導光体１１０の光進入縁部１１２から離れる方向に伝播させてもよい。図１Ａにおいて、導光体１１０内部で、光進入縁部１１２から離れる方向を指している矢印は、導波光１０４自体と、長手方向における、例えば導光体長さに沿った、導波光１０４の伝播の両方を示す。

様々な実施形態によれば、導光体１１０は、全内部反射を使用して、またはそれに従って、導波光１０４を導くように構成されている。特に、導光体１１０は、光透過性の誘電材料の、延長された、実質的に平面状のシートまたはスラブで構成された、光学導波路としてもよい。平板状光導波路として、導光体１１０は、それに限定はされないが、シリカガラス、アルカリアルミノシリケートガラス、ボロシリケートガラスなどの様々な種類のガラスに加えて、それに限定はされないが、ポリ（メチルメタクリレート）またはアクリルガラス、およびポリカーボネートなどの、実質的に光透過性のプラスチックまたはポリマーを含む、ある数の異なる光透過性材料の任意の１種で構成してもよい。いくつかの実施形態においては、導光体１１０は、全内部反射をさらに促進するために、導光体１１０（図示せず）の表面の少なくとも一部分の上にクラッド層を含めてもよい。

様々な実施形態において、光は、それの光進入縁部１１２に沿って、導光体１１０中に結合させてもよい。特に、光は、導波光１０４として導光体１１０内部を伝播するように、所定の角度で、注入または結合させてもよい。さらに、光は、所定の角度またはコリメーション係数σの範囲で結合されるか、またはそれを有してもよい。すなわち、導波光１０４は、コリメートされた光であり、コリメーション係数σの角度範囲、またはそれによって規定される角度範囲は、最終的に平板導光体１１０内部を導波光１０４として伝播する、結合光内の光線の角度分布を表わすことができる。様々な実施形態によれば、回折により外へ結合された光１０２は、コリメーション係数σと実質的に類似するか、またはそれよって少なくとも規定される角度範囲、あるいはその中で規定される角度範囲を含むことができる。例えば、図１Ａにおける回折により外へ結合された光１０２を表わす実線矢印に隣接する破線矢印は、回折により外へ結合された光１０２内の様々な光ビームまたは光線の角度範囲を示す。

一例においては、コリメーション係数σは、約４０度以下の角度広がりを表わす（すなわちσ＜±４０°）。その他の例において、コリメーション係数σは、約３０度以下（すなわち、σ＜±３０°）、約２０度以下（すなわち、σ＜±２０°）、約１０度以下（すなわち、σ＜±１０°）、または約１０度以下（すなわち、σ＜±１０°）の角度広がりを表わすことがある。さらに別の例においては、コリメーション係数σは、約５度未満（すなわち、σ＜±５°）の角度広がりを表わし、式（１）について後述されるように、比較的小さいアイボックス１０８が得られる。いくつかの実施形態においては、導波光１０４は、所定のコリメーション係数σを有するのに加えて、（例えば、平板導光体１１０の臨界角度より小さい）非ゼロ伝播角度で伝播するように構成してもよい。

図示されるように、集光型バックライト１００は、回折格子１２０をさらに備える。様々な実施形態において、回折格子１２０は、導光体１１０に光学的に結合されている。例えば、回折格子１２０は、導光体１１０の表面の上、表面に、または表面に隣接して位置してもよい。表面は、例えば、導光体１１０の「上端」面（例えば、発光表面）と「下端」面の一方または両方としてもよい。図１Ａ〜１Ｄにおいて、回折格子１２０は、例示としてであって、限定としてではなく、導光体１１０の上端面に図示されている。

様々な実施形態によれば、回折格子１２０は、導光体１１０内部から導波光１０４の一部分を回折により外へ結合させるように構成される。特に、導波光１０４の一部分は、回折により外へ結合された光１０２として、回折により外へ結合させてもよい。さらに、回折格子１２０は、回折により外へ結合された光を、導光体表面に隣接して位置しそこから（例えば、図示されているように、上端面の上方に）離間されたアイボックス１０８内に集光するように構成される。例えば、図１Ａは、回折により外へ結合された光１０２を、導光体表面からアイボックス１０８へ延びる光線または光ビームを表わす矢印として、図示している。導光体１１０の両縁部または両端からアイボックス１０８へ延びる破線で図示されているように、回折により外へ結合された光は、導光体１１０の表面に隣接して（すなわち、その上方に）位置する、アイボックス１０８を表わす空間の所定の、実質的に局所化された領域に集光してもよい。さらに、回折により外へ結合された光１０２は、様々な実施形態による、回折格子１２０の集光効果によって、導光体１１０とアイボックス１０８の間の領域（例えば、円錐形／角錐形領域または光伝搬円錐１０６）に実質的に閉じ込めることができる。

図１Ｂの横断面図に示されている集光型バックライト１００の一部分は、回折格子１２０の回折フィーチャを、ｚ方向に突出する稜部１２４として描写している。さらに、稜部１２４は、図示のように、溝１２２によって互いに離隔されている。溝１２２と隣接する稜部１２４の組合せは、本明細書における「回折フィーチャ」と呼んでもよい。代替的に、稜部１２４と溝１２２それら自体は、回折フィーチャと呼んでもよい。溝１２２の幅はｗ_ｇで表わされ、稜部１２４の幅はｗ_ｒで表わされる。溝幅ｗ_ｇと稜部幅ｗ_ｒの合計を、本明細書においては「フィーチャ間隔」と定義して、図示のように、Λで表わす。「フィーチャ間隔」の代替的な定義は、（溝１２２によって離隔された）稜部１２４の隣接対、または（稜部１２４によって離隔された）溝１２２の隣接対の間の中心間距離としてもよい。いくつかの実施形態によれば（例えば、以下に説明する、図１Ｄに示されるように）、溝１２２と稜部１２４の幅は、回折フィーチャの長さ（例えば、溝１２２および稜部１２４の長さ）に沿って実質的に一定である。さらに、いくつかの実施形態においては、回折フィーチャの長さに沿った、フィーチャ間隔Λは、例えば、図１Ｄに示されるように、実質的に一定である。

図１Ｃの横断面図は、集光型バックライト１００の一部分、特に、光進入縁部１１２近くの導光体１１０を示す。そこに示されているように、光進入縁部１１２に沿って、導光体１１０中に結合された光は、導波光１０４として、様々な拡大矢印によって示される方向に伝播する。特に、導波光１０４の一部、１０４ａは、全内部反射によって、導光体１１０内部に残留するように構成されている。導波光１０４の他の部分、１０４ｂは、図１Ｃにさらに示されているように、回折格子１２０によって外へ結合されて回折により外へ結合された光１０２となってもよい。さらに、導波光方向は、以下に記載されるように、回折格子１２０の減少するフィーチャ間隔Λの全体方向である。

例えば、図１Ｃにおける拡大矢印は、全内部反射によって導光体１１０内に実質的に捕捉されたままとなる、所定のコリメーション係数σ内での導波光１０４ａの光線の経路を表わすことができる。特に、光線の経路は、図示のように、導光体１１０の上端面と下端面の間で「はね返るか」または交互する。すなわち、対向する上端面と底面表面からの反射の様々な点において、導波光１０４ａは、導光体１１０の臨界角度よりも小さい角度で対向する表面に当たることがある。それゆえに、導波光１０４ａは、全内部反射によって導光体１１０内部に捕捉される。

図１Ｃにおける別の拡大矢印は、回折格子１２０によって回折により外へ結合された光１０２として、例えば、回折により外へ結合された光１０２の光線として、導光体１１０から外へ結合された、所定のコリメーション係数σ内での導波光１０４の別の光線、１０４ｂの経路を表わすことができる。様々な実施形態によれば、回折格子１２０と相互作用する、導波光１０４ｂを、１次回折ビームとして、導光体１１０から回折により外へ結合させてもよい。すなわち、回折格子１２０は、第１の回折次数に従って導波光部分を回折により外へ結合させるように構成されている。様々な実施形態において、ゼロ次回折光ビームおよび高次回折光ビームを実質的に抑制してもよい。例えば、回折により外へ結合された光１０２は、導光体１１０の表面法線に対して、回折角度θで導光体１１０から回折により外へ結合される、１次の回折光を表わしてもよい。

いくつかの実施形態（図示せず）においては、回折格子１２０は、実質的に直線状である、回折フィーチャを有してもよい。実質的に直線状の回折フィーチャ（例えば、直線溝１２２および直線稜部１２４の両方）によって、実質的に１次元である、アイボックス１０８を得ることができる。すなわち、アイボックス１０８は、幅（例えば、長手方向）を有し、幅の方向と直交する方向にある、別の次元（例えば、長さ）をさらに有してもよい。その他の次元または長さは、実質的に無制限であっても、例えば、導光体１１０の同様の大きさによって、制限されてもよい。

その他の実施形態において、回折格子１２０には、曲線状回折フィーチャ、または曲線を近似するように配設された回折フィーチャを含めることができる。図１Ｄの平面図は、集光型バックライト１００の導光体１１０の表面における回折格子１２０を示す。回折格子１２０の回折パターンは、回折格子１２０の回折フィーチャ、例えば、導光体１１０の表面における溝１２２と稜部１２４の一方または両方を表わす、交互する黒と白の帯として描写されている。さらに、図１Ｄに示されるように、回折フィーチャは、例示としてであって、限定ではなく、曲線状回折フィーチャである。特に、図１Ｄに示されるように、同心の黒と白の曲線は、導光体表面上の同心の曲線状回折フィーチャ（例えば、同心の曲線状稜部と同心の曲線状溝の両方）を表わす。同心の曲線状回折フィーチャは、導光体１１０の縁部を超えて位置する、曲率中心Ｃを有する。いくつかの実施形態において、回折格子１２０の曲線状回折フィーチャは、（すなわち、半円形の曲線状回折フィーチャであってもよい）半円によって表わされるのに対して、他の実施形態においては、別の実質的に非円形の曲線を、曲線状回折フィーチャを実現するために用いることができる。回折フィーチャの曲線は、回折により外へ結合された光を、アイボックス１０８の面内で２つの直交方向に集光するように構成してもよい。そうすれば、曲線状回折フィーチャは、２次元アイボックス１０８を提供するように構成することができる。様々な実施形態において、２次元アイボックス１０８は、導光体表面に平行な面内に位置してもよい（例えば、以下に記載の図５Ｂを参照）。

様々な実施形態によれば、回折格子１２０における回折フィーチャのフィーチャ間隔は、導光体長さに沿った、または導光体１１０内部の伝播方向における、距離の関数として変動してもよい。例えば、図１Ｄの平面図に示されるように、回折格子１２０のフィーチャ間隔Λは、曲率中心Ｃからの距離が増加するにつれて、減少する。それと等しく、フィーチャ間隔Λは、図１Ｄにおける導光体１１０の光進入縁部１１２からの距離の関数として減少しているのが示されている。曲率の中心から、または光進入縁部１１２からの距離は、例えば、半径Ｒに沿って測定してもよい。距離の関数としてのフィーチャ間隔Λ減少は、「チャープ（chirp）」と呼んでもよく、図１Ｄに示された回折格子１２０は、例えば、「チャープ」回折格子としてもよい。さらに、フィーチャ間隔Λにおける減少は、いくつかの実施形態においては、距離の線形関数を表わしてもよい。その他の実施形態においては、フィーチャ間隔は、それに限定はされないが、距離の指数関数および距離の双曲線関数を含む、別の（すなわち、非線形の）距離の関数に応じて、減少してもよい。

図２は、本明細書に記載される原理に一致する実施形態による一例において、距離の関数としての回折フィーチャ間隔のプロットを示す。図示のように、水平軸は、図１Ｄにおける半径Ｒに沿った距離（例えば、曲率の中心Ｃからの半径方向距離）を表わし、例えば、水平軸上の「０」のラベルが付けられた点は、半径Ｒと導光体１１０の光進入縁部１１２との交叉を表わしてもよい。プロットにおける垂直軸は、回折格子回折フィーチャのフィーチャ間隔Λを表わす。曲線１３０、１４０および１５０は、回折フィーチャのフィーチャ間隔が、曲率の中心Ｃからの距離の増加につれて、減少する様子を表わしてもよい。曲線１３０は、曲率の中心Ｃからの距離の増加に伴う、フィーチャ間隔の指数的減少を表わす。曲線１４０は、曲率の中心Ｃから距離の増加の関数として、フィーチャ間隔における線形減少を表わす。曲線１５０は、曲率の中心Ｃからの距離の増加に伴う、フィーチャ間隔における双曲線状の減少を表わす。

図１Ｄに示された例示回折格子において、ならびに本明細書に示された様々な他の例示において、回折フィーチャの横断面図は、説明を容易にするためであって、限定の意味ではなく、四辺形の溝および稜部によって表わされている。特に、様々な実施形態によれば、回折格子１２０の回折フィーチャは、それに限定はされないが、鋸刃形状、台形形状、または半球形状を含む、多様なその他の横断面形状を有してもよい。例えば、回折格子１２０の回折フィーチャは、台形横断面を有する稜部を有してもよい。

様々な実施形態によれば、回折格子１２０は、それに限定はされないが、ウェットエッチング、イオンミリング（ion milling）、フォトリソグラフィ、インプリントリソグラフィ、異方性エッチング、プラズマエッチング、またはそれらの１種または２種以上の組合せを含む、多くの異なる微細加工技術（microfabrication technique）またはナノスケール加工技術の任意のものによって設けてもよい。例えば、図１Ａ〜１Ｄに示されるように、集光型バックライト１００の回折格子１２０を、イオンミリングまたはプラズマエッチングを使用して、導光体１１０の光透過性の誘電材料のスラブの表面内に設けてもよい。別の実施形態において、集光型バックライト１００の回折格子１２０は、誘電材料または金属の層を導光体１１０の表面上に堆積させることによって、設けてもよい。層の堆積に続いて、堆積された層のエッチングを行い、例えば、回折格子１２０を形成してもよい。さらに別の実施形態においては、回折格子１２０は、導光体１１０の表面に引き続いて付着される、材料層内に形成してもよい。

図３Ａは、本明細書に記載された原理と一致する実施形態による、一例の集光型バックライト１００の一部分の横断面図を示す。特に、集光型バックライト１００の図示された部分は、誘電材料のスラブから形成された導光体１１０（すなわち、平板導光体１１０）を含む。さらに、平板導光体１１０の表面（例えば、上端面）における回折格子１２０が図示されている。回折格子１２０は、図示のように、平板導光体１１０の上端面に設けられた稜部１２４を備える。図３Ａの実施形態によれば、稜部１２４は、例えば、図３Ａにおける斜線によって図示されるような、平板導光体１１０の誘電材料スラブの材料とは異なる材料（すなわち、誘電材料または金属）を含んでもよい。図３Ａにおける稜部１２４の異なる材料を、例えば、平板導光体１１０の上端面上にその材料を堆積させることによって設けてもよい。その他の実施形態において（例えば、図１Ａ〜１Ｃに図示されるように）、溝１２２および稜部１２４は、導光体１１０の材料、例えば、誘電材料のスラブを含んでもよい。

その他の実施形態においては、回折格子１２０は、集光型バックライト１００の導光体１１０の下端面に、または下端面内に設けてもよい。図３Ｂは、本明細書に記載された原理と一致する、別の実施形態による、一例の集光型バックライト１００の一部分を示す横断面図である。特に、図３Ｂは、集光型バックライト１００が、平板導光体１１０および回折格子１２０を備える、部分を図示する。しかしながら、図３Ｂにおいて、回折格子１２０は、平板導光体１１０の誘電材料のスラブの下端面に設けられている。図示のように、材料の層１２６が、回折格子１２０の回折フィーチャ（例えば、平板導光体材料における溝１２２）を実質的に覆うとともに、溝１２２を実質的に充填している。様々な例によれば、材料層１２６は、それに限定はされないが、金属、反射性材料、または平板導光体１１０の屈折率よりも低い屈折率を有する、誘電材料を含んでもよい。図３Ｂに示されている回折格子１２０は、例えば、反射モード回折格子を表わしてもよい。回折格子１２０が反射モード回折格子である場合には、回折により外へ結合された光１０２は、回折格子１２０を有する下端面の反対側の上端面を通り、導光体１１０から出るか、または放出されてもよい。

図３Ｃは、本明細書に記載された原理と一致する別の実施形態による、一例の集光型バックライト１００の一部分の横断面図を示す。図３Ｃに示されるように、集光型バックライト部分は、下端面に回折格子１２０を有する、平板導光体１１０を備える。この実施形態において、溝１２２は、金属で、または平板導光体１１０の屈折率よりも低い屈折率を有する誘電材料で充填されている。さらに、反射性層１２８（例えば、金属層または、低屈折率誘電材料層）が、図示のように、平板導光体１１０の下端面を覆う。

図１Ａを再び参照すると、上述されて図示されたように、回折格子１２０のフィーチャ間隔は、集光型バックライト１００から距離ｆに位置するアイボックス１０８に光を集光するように構成されている。例えば、距離ｆは、図示のように、導光体１１０の上端面から測定してもよい。様々な実施形態によれば、アイボックス１０８の近似の幅ｗ_{ｅｙｅｂｏｘ}は、距離ｆと、導光体１１０内部を伝播する光のコリメーション係数σとの積、またはそれと等価に、光が光進入縁部１１２に沿って導光体１１０に進入する、コリメーション係数σとの積によって与えられる。特に、アイボックス幅ｗ_{ｅｙｅｂｏｘ}は、式（１）により与えられる：
ｗ_{ｅｙｅｂｏｘ}＝ｆ・σ （１）
いくつかの実施形態においては、長手方向（例えば、光伝播方向）におけるアイボックス幅ｗ_{ｅｙｅｂｏｘ}は、約２５ミリメートル（２５ｍｍ）未満としてもよい。２５ｍｍのアイボックス幅ｗ_{ｅｙｅｂｏｘ}は、例えば、集光型バックライト１００または集光型バックライト１００を使用するディスプレイのいずれかを見ているユーザの眼の平均幅にほぼ一致する。ある実施形態よれば、特に、集光型バックライト１００を見るために、ユーザの眼がアイボックス１０８内部に位置するときには、ユーザの眼は、大きさがアイボックス１０８と実質的に同様にしてもよい。

上記に考察されたように、集光型バックライト１００によって供給される回折により外へ結合された光１０２は、アイボックス１０８内に実質的に集光するか、またはそれと等しく、円錐領域または図１Ａにおいて破線によって描写されている「光伝搬円錐」１０６内部に実質的に集光してもよい。回折により外へ結合された光１０２の集光の結果として、集光型バックライト１００によって生成された光は、ユーザの眼がアイボックス１０８内部に位置しているときには、ユーザの眼に「焦点を合わせる」ことができる。例えば、典型的な人の眼の平均直径は、約２５ｍｍである。いくつかの実施形態においては、集光型バックライト１００は、光をアイボックス１０８内に位置するユーザの眼の上に集光するために、約１４ミリメートルから約２７ミリメートルまで（１４ｍｍ〜２７ｍｍ）の範囲のアイボックス幅ｗ_{ｅｙｅｂｏｘ}を有するアイボックス１０８を提供するように構成してもよい。別の例においては、人の眼の虹彩は、直径が約１０ミリメートルから約１３ミリメートル（１０ｍｍ〜１３ｍｍ）の範囲であり、虹彩の平均直径は、約１２ミリメートル（１２ｍｍ）である。いくつかの例においては、集光型バックライト１００は、回折により外へ結合された光１０２を、アイボックス１０８内部に位置するユーザの眼の虹彩の上に集光するために、約９ミリメートルから約１４ミリメートル（９ｍｍ〜１４ｍｍ）の範囲のアイボックス幅ｗ_{ｅｙｅｂｏｘ}を提供するように構成してもよい。さらに他の例において、人の瞳孔の平均直径は、明るい光の下での約１．５ｍｍから薄暗い光の下での約８ｍｍまでの範囲にあり、集光型バックライト１００は、１．５ミリメートルから８ミリメートル（１．５ｍｍ〜８ｍｍ）の瞳孔範囲に一致させるために、約８ミリメートル（８ｍｍ）未満である、アイボックス幅ｗ_{ｅｙｅｂｏｘ}を有するアイボックス１０８を提供するように構成してもよい。

なお、集光型バックライト１００の回折格子１２０の作用によって、一般に、回折により外へ結合された光１０２は、光伝搬円錐１０６とアイボックス１０８とに閉じ込められることに留意されたい。それゆえに、様々な実施形態によれば、集光型バックライト１００からの光は、ユーザの眼がアイボックス１０８の外側、または光伝搬円錐１０６の外側に位置するときには、ユーザの眼に進入することができない。したがって、集光型バックライト１００、特に回折格子１２０は、例えば、アイボックス１０８の外側から、または光伝搬円錐１０６の外側から見たときに、実質的に黒く見える（すなわち、無発光である）。

集光型バックライト１００は、いくつかの実施形態によれば、アイボックス１０８が、集光型バックライト１００に対して正常な順応距離よりも近く位置してもよい点において、「ニアアイ」バックライトと呼ぶことができる。特に、いくつかの実施形態において、「ニアアイバックライト」としての集光型バックライト１００は、集光型バックライト１００から約２５センチメートル（２５ｃｍ）未満である距離ｆに、アイボックス１０８を設けるように構成してもよい。その他の実施形態においては、距離ｆは、例えば、導光体１１０とアイボックス１０８の間に位置する光バルブアレイからの距離を、ほぼ、正常な順応距離未満とするとともに、回折により外へ結合された光１０２を変調して、アイボックス１０８において見られるイメージを（例えば、後述するように）形成するのに使用してもよい。様々な実施形態によると、集光型バックライト１００は、回折により外へ結合された光１０２をアイボックス１０８内に集光するので、イメージを見ているユーザは、ユーザの眼がアイボックス１０８内部に位置するときには、焦点の合ったイメージを感知することができる。

（例えば、図１Ａおよび図１Ｄに示されている）いくつかの実施形態において、集光型バックライト１００の回折格子１２０は、導光体１１０の光放出部分を実質的に覆うように構成された単一の回折格子としてもよい。その他の実施形態において、集光型バックライト１００の回折格子１２０には、それぞれが導光体１１０の異なる領域に位置する、複数の回折格子セグメントを含めてもよい。いくつかの実施形態においては、回折格子セグメントは、（すなわち、空間、または回折フィーチャのない導光体１１０の区域によって）互いに離隔されていてもよい。様々な実施形態において、複数の回折格子セグメントは、協働して、回折により外へ結合された光１０２をアイボックス１０８中に集光するように構成される。

図４Ａは、本明細書に記載された原理と一致する実施形態による、一例の複数回折格子セグメント１２０’を有する、集光型バックライト１００の側面図を示す。特に、図４Ａは、（以下の考察のために、個別にラベル付けされたセグメント１２０’ａ、１２０’ｂ、１２０’ｃを有する）複数回折格子セグメント１２０’を備える回折格子１２０を示す。さらに、複数の回折格子セグメント１２０’は、図示のように、導光体１１０の表面において互いに離間されている。図４Ａの集光型バックライト１００において、光は、内部反射角度回折σで、またはそれを有して、光進入縁部１１２に沿って導光体１１０中に結合されてもよい。複数の回折格子セグメント１２０’は、回折により外へ結合された光１０２として導光体１１０内に案内された光の一部分を回折により外へ結合させるように構成してもよい。さらに、複数の回折格子セグメント１２０’は、回折により外へ結合された光１０２を、導光体１１０から距離ｆにあるアイボックス１０８内に、協働して集光するように構成される。

図４Ｂは、本明細書に記載された原理と一致する別の実施形態による例において、複数の回折格子セグメント１２０’を有する、集光型バックライト１００の平面図を示す。図４Ｂに示された集光型バックライト１００は、例えば、図４Ａに示された集光型バックライト１００に実質的に同様である。特に、図４Ｂに示されるように、例えば、個別にラベル付けされた回折格子セグメント１２０’ａ、１２０’ｂ、１２０’ｃを含む、回折格子セグメント１２０’は、ｙ方向に導光体表面を横切るストリップを形成する。さらに、図示のように、回折格子セグメント１２０’を形成するストリップの隣接するストリップ間に間隔が設けられている。これらの間隔は、例えば、導光体表面の非パターン化領域または非エッチング領域を表わしてもよい。回折格子セグメント１２０’は、例えば、図１Ｄに図示された回折格子１２０のセグメント化バージョンに実質的に同様である、単一の回折格子１２０を近似してもよい。

図４Ｃは、本明細書に記載された原理と一致する実施形態による、一例の複数の回折格子セグメント１２０’を有する、集光型バックライト１００の平面図を示す。特に、図４Ｃに示されるように、回折格子セグメント１２０’は、ｘ方向とｙ方向の両方に延びる間隔によって離隔された、領域（例えば、曲線状溝と曲線状稜部の一方または両方の四辺形領域）を含む。図４Ｃに示された集光型バックライト１００は、例えば、図４Ａに示された集光型バックライト１００と、実質的に同様であってもよい。特に、図４Ｃに示されているように、例えば、個別にラベル付けされたセグメント１２０’ａ、１２０’ｂ、１２０’ｃを含む、回折格子セグメント１２０’は、ｘ方向とｙ方向の両方に、導光体表面を横切る、２次元アレイを形成する。また、図４Ｂに示されるように、図４Ｃに示された回折格子セグメント１２０’は、例えば、図１Ｄに示された回折格子１２０の別のセグメント化バージョンと実質的に同様である、単一の回折格子１２０を近似してもよい。

いくつかの実施形態においては、回折格子セグメント１２０’には、曲線状回折フィーチャを近似するように、導光体１１０上に配設された、実質的に直線状の回折フィーチャを含めてもよい。図４Ｄは、本明細書に記載された原理と一致する別の実施形態による、一例の複数の回折格子セグメント１２０’を有する集光型バックライト１００の平面図を示す。図４Ｄに示されるように、回折格子セグメント１２０’の異なるセグメントは、異なるフィーチャ間隔と、回折格子１２０の曲線状回折フィーチャを（区分式曲線であるが）集合的に近似する、異なる回折格子方位とを有する。例えば、近似的な曲線状回折フィーチャは、組合せにより、図１Ｄに示されるように回折格子１２０の曲線状回折フィーチャを実質的に近似することができる。さらに、図４Ｄに示される集光型バックライト１００は、例えば、図４Ａに示される集光型バックライト１００と実質的に同様としてもよい。特に、図４Ｄに示されるように、例えば、個々にラベル付けされたセグメント１２０’ａ、１２０’ｂ、１２０’ｃを含む、回折格子セグメント１２０’は、ｘ方向およびｙ方向の両方において導光体表面を横切る別の２次元アレイを形成する。

本明細書に記載された原理と一致する他の実施形態によって、ニアアイディスプレイシステムが提供される。図５Ａは、本明細書に記載された原理と一致する実施形態による、一例のニアアイディスプレイシステム２００の側面図を示す。図５Ｂは、本明細書に記載された原理と一致する実施形態による、例における、ニアアイディスプレイシステム２００の斜視図を示す。いくつかの実施形態において、ニアアイディスプレイシステム２００は、上述の、集光型バックライト１００と実質的に同様である、集光型バックライトを使用してもよい。特に、様々な実施形態によれば、ニアアイディスプレイシステム２００は、回折により外へ結合された光２０２を供給して、回折により外へ結合された光２０２を、アイボックス２０８に向けて、その中に集光するように構成されている。さらに、ニアアイディスプレイシステム２００は、回折により外へ結合された光２０２を変調して、アイボックス２０８内にイメージを形成するように構成されている。様々な実施形態によって、形成されたイメージは、アイボックス２０８内部でユーザが見ることが可能である。さらに、アイボックス２０８は、図示のように２次元アイボックスとしてもよい。

図５Ａおよび５Ｂに示されるように、ニアアイディスプレイシステム２００は導光体２１０を備える。平板導光体２１０は、光を導くように構成され、いくつかの実施形態においては、平板導光体２１０としてもよい。いくつかの実施形態によれば、導光体２１０は、集光型バックライト１００について上述した、導光体１１０と実質的に同様であってもよい。例えば、導光体１１０は、全内部反射によって光を導くように構成された、透過性材料のスラブからなっていてもよい。さらに、例えば、導光体２１０によって案内された光は、コリメーション係数σを有してもよい。

図５Ａ〜５Ｂに示されたニアアイディスプレイシステム２００は、回折格子２２０をさらに含む。回折格子２２０は、導光体２１０に光学的に結合されている。さらに、回折格子２２０は、導光体内の導波光の一部分を回折により外へ結合させて、回折により外へ結合された光２０２をアイボックス２０８に向かって、その中に集光するように構成されている。様々な実施形態によると、アイボックス２０８は、導光体２１０の表面に隣接している。いくつかの実施形態によれば、回折格子２２０は、上述した集光型バックライト１００の回折格子１２０と実質的に同様であってもよい。特に、回折格子２２０は、回折により外へ結合された光２０２を、外へ結合させるとともに、アイボックス２０８に向かって、その中に集光する、その両方に構成された複数の回折フィーチャを含む。さらに、アイボックス２０８は、図５Ａに示されるように、導光体表面から距離ｆだけ離れて位置している。いくつかの実施形態によれば、距離ｆは、ニアアイディスプレイシステム２００のユーザの眼の正常な順応範囲（例えば、２５ｃｍ）よりも小さい。さらに、回折格子２２０には、いくつかの実施形態においては、回折により外へ結合された光２０２を協働して集光するように構成された、複数の回折格子セグメントを含めてもよい。

さらに、回折格子２２０は、導光体２１０の光進入縁部２１２からの距離が増大に伴って減少する、隣接する回折フィーチャ間のフィーチャ間隔を有する、回折フィーチャを有する。すなわち、いくつかの実施形態において、回折格子２２０は、上述の回折格子１２０のいくつかの実施形態と同様である、チャープ型回折格子としてもよい。いくつかの実施形態において、回折フィーチャ間隔は、距離の線形関数として減少するのに対して、他の実施形態においては、この減少は、距離の非線形関数を表わす。

いくつかの実施形態において（例えば、図５Ｂに示されるように）回折格子２２０は、曲線状回折フィーチャ２２２を含む。曲線状回折フィーチャ２２２（例えば、曲線状溝および曲線状稜部の一方または両方）は、回折により外へ結合された光２０２を２つの直交方向に集光して、２次元（２Ｄ）アイボックス２０８を提供するように構成してもよい。図５Ｂは，導光体表面に平行な面内に位置する、２つの直交方向（すなわち、ｘ方向およびｙ方向）を有する、例示的２Ｄアイボックス２０８を示す。さらに、回折により外へ結合された光２０２の光線を表わす矢印は、曲線状回折フィーチャ２２２によって提供されるように、２Ｄアイボックス２０８上に収束して、集光されるのが示されている。

ニアアイディスプレイシステム２００は、光バルブアレイ２３０をさらに備える。光バルブアレイ２３０は、導光体２１０とアイボックス２０８の間に位置している。光バルブアレイ２３０は、回折により外へ結合された光２０２を変調して、アイボックス２０８において、またはその中にイメージを形成するように構成されている。特に、光バルブアレイ２３０の個々の光バルブは、アイボックス２０８においてイメージを一緒に形成する、ピクセルを供給するように、独立して構成してもよい。いくつかの実施形態において、光バルブアレイ２３０からアイボックス２０８までの距離ｄは、正常な順応距離よりも小さい。すなわち、距離ｆと距離ｄの一方または両方が、図５Ａに示されるように、ニアアイディスプレイシステム２００のユーザの眼の正常な順応距離（例えば、約２５ｃｍ）よりも小さくしてもよい。

様々な実施形態によれば、形成されたイメージは、アイボックス２０８内部で、ユーザが見ることができる。したがって、ユーザがアイボックス２０８内に眼を置いたときに、ユーザは、形成されたイメージを見ることができる。様々な実施形態によれば、形成されたイメージは、ユーザの眼がアイボックス２０８の外側にあるときには、見ることができない。さらに、回折により外へ結合された光２０２をアイボックス２０８内へ集光することによって、アイボックス２０８が、導光体２１０と光バルブアレイ２３０の一方または両方からの正常な順応距離よりも小さい位置にあるときでも、ユーザの眼による順応を促進して、形成されたイメージを、焦点が合った状態で見ることを可能にする。特に、イメージを形成するように光バルブアレイ２３０によって変調された、回折により外へ結合された光２０２がアイボックス２０８内に集光されるか、または「焦点を合わせられる」ので、様々な実施形態によれば、ユーザは、アイボックス２０８が、正常な順応距離よりも近いにもかかわらず、形成されたイメージを快適に見ることができる。

様々な実施形態によれば、光バルブアレイ２３０には、それには限定されないが、液晶光バルブ、エレクトロウェッティング光バルブおよび電気泳動式光バルブを含む、多様な光バルブの実質的に任意のものを含めてもよい。さらに、図５Ａおよび５Ｂに示されるように、光バルブアレイ２３０は、回折により外へ結合された光２０２によって形成された光伝搬円錐（または角錐）と交叉するように、導光体２１０に実質的に平行に配向させてもよい。例えば、光バルブアレイ２３０には、それぞれが、光バルブを通過する光の量を変調することによってピクセルとして個別に動作させることのできる、液晶光バルブのアレイを含めてもよい。いくつかの実施形態においては、光バルブは、有色光バルブとしてもよい（すなわち、光バルブはカラーフィルタを含んでもよい）。例えば、光バルブアレイ２３０に、複数の赤色光バルブ、複数の緑色光バルブ、および複数の青色光バルブを含めてもよい。光バルブアレイ２３０の赤色、緑色、および青色の光バルブは合わせて、例えば、回折により外へ結合された光２０２を変調することによって、赤−緑−青（ＲＧＢ）ベースの「フルカラー」で形成されたイメージを提供することができる。特に、光バルブアレイ２３０の光バルブの個別のそれぞれを通過する回折により外へ結合された光２０２を選択的に変調して、ユーザの眼がアイボックス２０８内に位置するときに、観察者の眼の瞳孔上に集光される、フルカラーまたは白黒のイメージを生成してもよい。

いくつかの実施形態において（例えば、図５Ｂに示されるように）、ニアアイディスプレイシステム２００は、導光体２１０に光学的に結合された光源２４０をさらに備える。例えば、光源２４０は、図５Ｂに示されるように、光進入縁部２１２に沿った導光体２１０に光学的に結合させてもよい。光源２４０は、様々な実施形態によれば、光２４２を生成して、コリメーション係数σを有する導波光として、導光体２１０中に注入するように構成される。光源２４０としては、それに限定はされないが、発光ダイオード（ＬＥＤ）、有機ＬＥＤ（ＯＬＥＤ）、ポリマーＬＥＤ、プラズマベース光エミッタ、蛍光ランプ、または白熱ランプなどの、光エミッタが挙げられる。様々な実施形態によれば、光源２４０による光出力には、単色光または多色光を含めてもよい。例えば、光は、光の単一色（例えば、赤色光、緑色光、または青色光）、光の複数色、または実質的に白色光である光を含めてもよい。図５Ａ〜図５Ｂに示されるように、光源２４０からの光２４２は、光進入縁部２１２に沿って、導光体２１０中に結合されて、光進入縁部２１２から実質的に離れる、導光体２１０内部の方向２０４に伝播する。言い換えると、様々な実施形態によれば、光２４２は導光体２１０中に結合され、その結果として、導光体２１０内部で、回折格子２２０の回折フィーチャのフィーチャ間隔が減少する全体的方向に、光２４２が伝播する。

いくつかの実施形態において、ニアアイディスプレイシステム２００には、図５Ａ〜５Ｂについて上述した光バルブアレイ２３０に加えて、別の（例えば、第２の）光バルブアレイを含めてもよい。図６は、本明細書に記載された原理と一致する実施形態による、一例の２つの光バルブアレイを有するニアアイディスプレイシステムの側面図を示す。図６に示されるように、光バルブアレイ２３０（すなわち、第１の光バルブアレイ２３０）に加えて、ニアアイディスプレイシステム２００は、導光体２１０とアイボックス２０８の間に位置する、別の光バルブアレイ２５０（すなわち、第２の光バルブアレイ２５０）を含む。特に、他方の光バルブアレイ２５０は、例示としてであって、限定ではなく図６に示されるように、光バルブアレイ２３０とアイボックス２０８の間に位置している。図６に示されるように、例えば、他方の光バルブアレイ２５０は、アイボックス２０８から距離ｄ_２にあってもよく、これに対して光バルブアレイ２３０は、アイボックス２０８から距離ｄ_１にあってもよい（例えば、ｄ_２＜ｄ_１）。いくつかの実施形態において、他方の光バルブアレイ２５０は、光バルブアレイ２３０と実質的に同様にしてもよい。しかしながら、いくつかの実施形態において、他方の光バルブアレイ２５０は、光バルブアレイ２３０よりも、低い光バルブ密度、または低い変調分解能を有してもよい。

様々な実施形態によれば、他方の光バルブアレイ２５０は、回折により外へ結合された光２０２をさらに変調してアイボックス２０８内にイメージを形成するように構成してもよい。すなわち、他方の光バルブアレイ２５０は、光バルブアレイ２３０によっても変調される、回折により外へ結合された光２０２をさらに変調してもよい。それゆえに、形成されたイメージには、両方の光バルブアレイ２３０、２５０からの変調された光を含めてもよい。いくつかの実施形態において、回折により外へ結合された光２０２のさらなる変調は、ユーザに眼の順応キューを与えるように構成される。例えば、２つの光バルブアレイ２３０、２５０のそれぞれにおける光バルブは、アイボックス２０８内に位置するユーザの眼の瞳孔に進入する光の明るさを変調するように独立に制御してもよい。結果として、２つの光バルブアレイ２３０、２５０の組合せは、形成されたイメージ上に表示された対象物がユーザの眼により近く、または遠く離れて見えるように意図されるかどうかに応じて、異なる量のボケを有するように、形成されたイメージ内部で対象物を協働して表示することによって、眼の順応をもたらすのに使用してもよい。

その他の実施形態においては、他方の光バルブアレイ２５０は、専用の光バルブアレイとしてもよい。図７は、本明細書に記載された原理と一致する別の実施形態による、一例の２つの光バルブアレイを有するニアアイディスプレイシステム２００の側面図を示す。特に、図７は、ユーザの眼に着用されるように構成された、ピクセル化されたコンタクトレンズを含む、専用の光バルブアレイとして、他方の光バルブアレイ２５０を示す。様々な実施形態によれば、ピクセル化されたコンタクトレンズは、ユーザの眼がアイボックス２０８内部に位置するときに、ユーザの眼に進入する光の量を制御するように動作可能に構成された、個別の光バルブ（またはピクセル）を有してもよい。個々の光バルブを使用してユーザの眼に進入する光の量を制御することによって、例えば、順応キューをユーザに提供してもよい。

例えば、他方の光バルブアレイ２５０を含む、ピクセル化されたコンタクトレンズは、残りの光バルブは「オフ」にされている（すなわち、不透明にされる）間に、一時に１つだけの光バルブを「オン」にする（すなわち、透明にされる）ことによって動作される、瞳孔区域当たり約２つから約９つの光バルブ（すなわち、約２〜９ピクセル）のアレイを備えてもよい。ピクセル化されたコンタクトレンズは、例えば、独立に制御される光バルブを備える、「生体工学的（bionic）」レンズとしてもよい。いくつかの実施形態においては、他方の光バルブアレイ２５０を含む、ピクセル化されたコンタクトレンズは、液晶光バルブを使用して、ピクセル化されたコンタクトレンズを通過して、ユーザの眼に進入する光の量を変調してもよい。いくつかの例においては、光バルブアレイ２３０の光バルブ、および他方の光バルブアレイ２５０のピクセル化されたコンタクトレンズにおける光バルブを独立に変調して、変調された回折により外へ結合された光２０２がユーザの眼に進入する方向を制御してもよい。この方向を制御することは、ユーザの眼に、眼の順応キューを与えてもよい。例えば、一時に１つの光バルブだけを「オン」に切り換えることによって、ユーザの眼の瞳孔に進入する光の方向が変化させることができる。この変化によって、異なる形成されたイメージを、ユーザの眼の網膜上の異なる場所に表示させることが可能になる。結果として、ユーザの眼の合焦応答をトリガリングして、ユーザの眼から異なる距離にある対象物の効果（すなわち順応応答）を生成してもよい。

本明細書に記載された原理の様々な実施形態によれば、上述のニアアイディスプレイシステム２００を、ヘッドマウントディスプレイに組み込んで、仮想現実（ＶＲ）イメージと拡張現実（ＡＲ）イメージの一方または両方をユーザに提供してもよい。したがって、ニアアイディスプレイシステム２００は、拡張現実（ＡＲ）システムおよび仮想現実（ＶＲ）システムの一方としてもよい。

図８は、本明細書に記載された原理と一致する実施形態による、一例のヘッドマウントディスプレイ（ＨＭＤ）として構成されたニアアイディスプレイシステムの斜視図を示す。図８に示されるように、ニアアイディスプレイシステム２００は、ニアアイディスプレイシステム２００を、ＨＭＤとしてユーザの眼の前方に位置決めするように構成された、ヘッドセット２６０をさらに含む。特に、ヘッドセット２６０は、ユーザの眼の前方、例えば、ユーザの眼の視野内に、導光体２１０、回折格子２２０および光バルブアレイ２３０を含む、光学アセンブリ２００’を保持または位置決め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、ヘッドセット２６０は、アイボックスを、ユーザの眼に（例えば、ユーザの眼の虹彩に）位置決めするように構成されている。例えば、ヘッドセット２６０には、図８に示されるような、一対の眼鏡のフレームに類似する、フレームを含めてもよい。ニアアイディスプレイシステム２００の光学アセンブリ２００’は、例えば、１対の眼鏡のレンズの代わりに、ヘッドセットフレームに装着してもよい。図８において、光学アセンブリ２００’は、レンズの一方の代わりに位置しており、別のレンズは図示されていない。いくつかの例においては、他方のレンズは含まれない。その他の例においては、他方のレンズは、標準眼鏡レンズとしてもよい。

いくつかの例においては、光学アセンブリ２００’は、導光体表面に直交する方向に、実質的に光透過性としてもよい。光透過性の光学アセンブリ２００’は、形成されたイメージを、アイボックスを超えた物理的環境の視界上に重ね合わせられたイメージとして、アイボックス内に供給してもよい。特に、ニアアイディスプレイシステム２００は、アイボックス内部に提供される形成されたイメージを用いて、物理的環境の視界を拡張するように構成してもよい。この構成において、ニアアイディスプレイシステム２００は、例えば、ＡＲシステムのＡＲディスプレイとして働くことができる。

図９は、本明細書に記載された原理と一致する別の実施形態による、一例のヘッドマウントディスプレイ（ＨＭＤ）として構成されたニアアイディスプレイシステム２００の斜視図を示す。図９に示されるように、ヘッドセット２６０は、一対の光学アセンブリ２００’を収容するように構成してもよい。特に、この対のそれぞれの光学アセンブリ２００’は、ユーザの異なる眼の前方に、例えば、それぞれの眼の前方に１つ位置決めしてもよい。図９に示されたヘッドセット２６０は、例えば、一対のゴッグルに類似させてもよい。光学アセンブリ２００’の対を用いて、ニアアイディスプレイシステム２００は、ユーザに対する３次元イメージを模擬する、形成されたイメージの立体的な対を提供してもよい。さらに、図９に示されている、ニアアイディスプレイシステム２００は、例えば、光学アセンブリ２００’を超えた環境の視界を実質的に遮ることによって、ＶＲシステムのＶＲディスプレイとして働くことができる。特に、ニアアイディスプレイシステム２００は、例えば、ユーザの眼の視野を妨げることによって、アイボックスのそれぞれにおいて、形成されたイメージで、物理的環境の視界（すなわち、「実世界」視界）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してもよい。物理的環境視界に取って代わることによって、ユーザには、物理的環境視界の代わりに、ニアアイディスプレイシステム２００によって提供される仮想現実視界（例えば、形成されたイメージ）が与えられる。

本明細書に記載された原理のその他の実施形態によって、ニアアイディスプレイ動作の方法が提供される。図１０は、本明細書に記載された原理と一致する実施形態による、一例のニアアイディスプレイ動作の方法３００のフローチャートを示す。図示のように、ニアアイディスプレイ動作の方法３００は、導波光として導光体（例えば、平板導光体）内の光を、導く３１０ステップを含む。いくつかの例においては、導波光は、導光体の長さに沿って案内３１０してもよい。例えば、光は、長手方向に案内してもよい。いくつかの実施形態においては、導光体は、集光型バックライト１００について上述した導光体１１０と実質的に同様としてもよい。例えば、導光体は、全内部反射を使用して光を導く３１０ように構成された、光透過性の材料のスラブからなる、平板導光体としてもよい。さらに、導波光は、導光体１１０について上述したコリメーション係数σと実質的に同様である、所定のコリメーション係数を有する。

図１０に示されるように、ニアアイディスプレイ動作の方法３００は、導波光の一部分を回折により外へ結合させて、アイボックス中に向けるために、回折格子を使用する、導光体に隣接して位置する、アイボックス内に光を集光する３２０ステップをさらに含む。光を集光する３２０ステップに使用される回折格子は、いくつかの例においては、導光体の表面に位置してもよい。さらに、光がその中に集光される３２０、アイボックスは、導光体表面に隣接して位置してもよい。特に、いくつかの例においては、アイボックスは、ユーザの眼の正常な順応距離よりも小さい、導光体表面からの距離に位置している。光を集光する３２０ステップに使用される回折格子は、上述された集光型バックライト１００の回折格子１２０と実質的に同様であってもよい。特に、回折格子は、導光体の光進入縁部からの距離が増加するにつれて減少するフィーチャ間隔を有する回折フィーチャを含む、チャープ型回折格子としてもよい。さらに、回折格子には、曲線状の回折フィーチャを含めてもよい。曲線状の回折フィーチャは、例えば、回折により外へ結合された光を２つの直交方向に集光して、２次元（２Ｄ）アイボックスを提供するように、構成してもよい。さらに、いくつかの実施形態においては、アイボックスは、上述したアイボックス１０８と実質的に同様にしてもよい。

図１０に示された、ニアアイディスプレイ動作の方法は、光バルブアレイを使用して、集光された光を変調する３３０ステップをさらに含む。光バルブアレイは、導光体と、アイボックスの間に位置している。集光された光を変調するステップ３３０は、アイボックス内部にイメージを形成する。いくつかの実施形態によれば、変調する３３０ステップに使用される、光バルブアレイは、ニアアイディスプレイシステム２００について上述された光バルブアレイ２３０と実質的に同様であってもよい。特に、いくつかの例においては、回折により外へ結合された光を変調する３３０ステップに、単一の光バルブアレイを使用してもよい。その他の実施形態においては、一対の光バルブアレイを、回折により外へ結合された光を変調する３３０ステップに使用してもよい。

いくつかの実施形態（図１０に図示せず）において、ニアアイディスプレイ動作の方法は、例えば、光源を使用して、導波光として、光進入縁部において導光体中に、光を光学的に結合するステップをさらに含めてもよい。いくつかの実施形態において、光源は、上述のニアアイディスプレイシステム２００の光源２４０と実質的に同様にしてもよい。特に、いくつかの実施形態によれば、光を導光体中に光学的に結合するステップには、上述のように、所定のコリメーション係数で、導波光を供給するステップを含めてもよい。

以上、アイボックス内に集光される回折により外へ結合された光を供給する、集光型バックライト、ニアアイディスプレイシステム、およびニアアイディスプレイ動作の方法の、例および実施形態について記述した。上記の例は、本明細書に記載された原理を表わす、多数の具体的な例の一部を単に説明するものである。明らかに、当業者は、添付の特許請求の範囲で定義された範囲から逸脱することなく、多数のその他の配設を容易に考案することができる。

１００ 集光型バックライト
１０２ 回折により外へ結合された光
１０４ 導波光
１０６ 光伝搬円錐
１０８ アイボックス
１１０ 導光体
１１２ 光進入縁部
１２０ 回折格子
１２０’ 回折格子セグメント
１２０’ａ 回折格子セグメント
１２０’ｂ 回折格子セグメント
１２０’ｃ 回折格子セグメント
１２２ 溝
１２４ 稜部
１２６ 層
１２８ 反射性層
１３０ 曲線
１４０ 曲線
１５０ 曲線
２００ ニアアイディスプレイシステム
２００’ 光学アセンブリ
２０２ 回折により外へ結合された光
２０４ 方向
２０８ アイボックス
２１０ 導光体
２１２ 光進入縁部
２２０ 回折格子
２２２ 回折フィーチャ
２３０ 光バルブアレイ
２４０ 光源
２４２ 光
２５０ 光バルブアレイ
２６０ ヘッドセット
３００ 方法
３１０ 導く
３２０ 集光する
３３０ 変調する
ｗ_ｇ 溝の幅
ｗ_ｒ 稜部の幅
σ コリメーション係数
Ｒ 半径
Ｃ 曲率中心
ｄ 距離
ｆ 距離
Λ フィーチャ間隔
θ 回折角度

Claims (22)

1. 導光体の長さに沿って光を導くように構成された、導光体と、
   前記導光体の表面にある回折格子であって、前記導光体からの導波光の一部分を回折により外へ結合された光として回折により外へ結合させて、前記回折により外へ結合された光を、前記導光体表面に隣接して位置し、そこから離間されたアイボックス中に集光するように構成された、回折格子と
   を備える、集光型バックライト。
2. 前記アイボックスが、前記導光体表面に平行な面内に位置する２次元アイボックスであり、前記回折格子が、前記回折により外へ結合された光を２つの直交方向に前記アイボックスの前記平行面中に集光するように構成された複数の曲線状回折フィーチャを備える、請求項１に記載の集光型バックライト。
3. 前記複数の曲線状回折フィーチャが、１つの曲率中心を有する、同心曲線状稜部と同心曲線状溝の一方または両方を含む、請求項２に記載の集光型バックライト。
4. 前記回折格子が、前記導光体の光進入縁部からの距離の関数として直線的に減少する、隣接する回折フィーチャ間のフィーチャ間隔を有する、回折フィーチャを含む、請求項１に記載の集光型バックライト。
5. 前記回折格子が、第１の回折次数に従って、前記導波光部分を回折により外へ結合させるように構成されている、請求項１に記載の集光型バックライト。
6. 前記アイボックスの幅が、約２５ミリメートル（２５ｍｍ）未満である、請求項１に記載の集光型バックライト。
7. 前記アイボックスが、ユーザの眼の正常な順応距離よりも小さい、前記導光体からの距離に位置している、請求項１に記載の集光型バックライト。
8. 前記回折格子が、空間で離隔された複数の回折格子セグメントを含み、前記複数の回折格子セグメントは、前記回折により外へ結合された光を前記アイボックス中に、協働で集光するように構成されている、請求項１に記載の集光型バックライト。
9. 集光型バックライトが、前記導光体表面に直交する方向に光透過性である、請求項１に記載の集光型バックライト。
10. 請求項１に記載の集光型バックライトを備える、ニアアイディスプレイであって、
    前記導光体と前記アイボックスの間に位置する光バルブアレイをさらに備え、前記光バルブアレイが、回折により外へ結合された光を変調して、前記アイボックス内にイメージを供給するように構成され、前記イメージが、ユーザによって前記アイボックス内部で見られるように構成されている、ニアアイディスプレイ。
11. 光を導くように構成された、導光体と、
    前記導光体に光学的に結合された回折格子であって、前記導波光の一部分を回折により外へ結合された光として回折により外へ結合して、前記回折により外へ結合された光を、前記導光体の表面に隣接するアイボックス内に集光するように構成された、回折格子と、
    前記導光体と前記アイボックスの間に位置する光バルブアレイであって、前記回折により外へ結合された光を変調して、前記アイボックス内にイメージを形成するように構成された、光バルブアレイと
    を備え、前記形成されたイメージが、前記アイボックス内部でユーザによって見ることができるように構成されている、ニアアイディスプレイシステム。
12. 前記回折格子が、前記導光体の光進入縁部からの距離の増加と共に減少する、隣接する回折フィーチャ間のフィーチャ間隔を有する、回折フィーチャを含む、請求項１１に記載のニアアイディスプレイシステム。
13. 前記回折格子が、前記回折により外へ結合された光を２つの直交方向に集光して、２次元アイボックスとしての前記アイボックスを提供するように構成された、複数の曲線状回折フィーチャを含む、請求項１１に記載のニアアイディスプレイシステム。
14. 前記導光体の光進入縁部に光学的に結合された光源をさらに備え、前記光源が、所定のコリメーション係数を有する前記導波光として光を前記導光体中に注入するように構成されている、請求項１１に記載のニアアイディスプレイシステム。
15. 前記導光体と前記アイボックスの間に位置する別の光バルブアレイをさらに備え、前記別の光バルブアレイが、前記回折により外へ結合された光をさらに変調して、前記アイボックス内にイメージを形成するように構成され、前記回折により外へ結合された光のさらなる変調が、ユーザに眼の順応キューを与えるように構成されている、請求項１１に記載のニアアイディスプレイシステム。
16. 前記別の光バルブアレイが、ユーザの眼に着用されるように構成された、ピクセル化されたコンタクトレンズを含み、前記ピクセル化されたコンタクトレンズは、ユーザの眼が前記アイボックス内部に位置するときに、ユーザの眼に進入する光の量を制御するように動作可能に構成された、個別の光バルブを有する、請求項１５に記載のニアアイディスプレイシステム。
17. 前記回折格子が、空間によって離隔された、複数の回折格子セグメントを含み、前記複数の回折格子セグメントは、前記回折により外へ結合された光を前記アイボックス中に協働で集光するように構成されている、請求項１１に記載のニアアイディスプレイシステム。
18. 前記ニアアイディスプレイシステムを、ヘッドマウントディスプレイとして、ユーザの眼の前に位置決めするように構成された、ヘッドセットをさらに備え、前記ニアアイディスプレイシステムは、前記ヘッドセットによりユーザの眼を前記アイボックス内部に位置決めするように配置されており、前記ニアアイディスプレイシステムは、拡張現実システムおよび仮想現実システムの内の一方である、請求項１１に記載のニアアイディスプレイシステム。
19. 前記ニアアイディスプレイシステムは、前記導光体内部の前記導波光の伝播方向に直交する方向において、光透過性であり、また前記ニアアイディスプレイシステムは、物理的環境の視界に、形成されたイメージを重ね合わせるように構成された、拡張現実システムである、請求項１８に記載のニアアイディスプレイシステム。
20. 導光体内で光を導波光として導くステップと、
    回折格子を使用して、前記導光体に隣接して位置するアイボックス内に光を集光して、前記導波光の一部分を回折により外へ結合させて、前記アイボックス中に向けるステップと、
    前記導光体と前記アイボックスの間の光バルブアレイを使用して、前記集光光を変調して、前記アイボックス内部にイメージを形成するステップと
    を含む、ニアアイディスプレイ動作の方法。
21. 光源によって供給される光を、導波光として、光進入縁部において導光体中に光学的に結合するステップをさらに含み、光を光学的に結合することは、コリメーション係数で前記導波光を供給する、請求項２０に記載のニアアイディスプレイ動作の方法。
22. 前記回折格子が、前記導光体の光進入縁部からの距離が増加するにつれて減少するフィーチャ間隔を有する、複数の曲線状回折フィーチャを含む、請求項２０に記載のニアアイディスプレイ動作の方法。