JP2021113981A - 導波路から異なる波長の光を出力する構造および方法 - Google Patents

Abstract

【課題】画像形成のために異なる波長を有する光を低いクロストークで選択的に出力する構成を提供する。【解決手段】ある実施形態では、光が導波路に入力結合され、波長に応じて異なる方向に伝搬するよう方向を変えられる。入射光はその後、光の伝搬方向に基づいて光を出力結合する出力結合光学素子により出力結合される。他の実施形態では、導波路と出力結合光学素子との間にカラーフィルタが設けられる。カラーフィルタは出力結合光学素子に作用して出力結合される光の波長を制限する。さらに別の実施形態では、出力される波長域ごとに異なる導波路が提供される。入力結合光学素子は、適切な波長域の光を対応する導波路に選択的に入力結合し、そこから光が出力結合される。【選択図】図９Ａ

Description

本出願は、２０１４年９月２９日出願の米国仮特許出願第６２／０５７，１６５号「仮想および拡張現実システムおよび方法」に基づく優先権を主張し、参照することによってここに全体を取り込む。

本出願は、以下の特許出願を参照することにより全体を取り込む：米国特許出願第１４／３３１，２１８号（代理人整理番号２００２０．００)；米国仮特許出願第６２／０１２，２７３号（代理人整理番号３００１９．００）；および米国仮特許出願第６２／００５，８０７号（代理人整理番号３００１６．００）

本出願は、仮想現実および拡張現実の画像化および可視化システムに関する。

現代のコンピューティングおよび表示技術により、いわゆる「仮想現実」もしくは「拡張現実」と呼ばれる体験のためのシステムの開発が進んでいる。これは、デジタル的に生成された画像やその一部を、現実に見えるように、もしくは現実として知覚されるようにユーザに提示するものである。仮想現実もしくは「ＶＲ」のシナリオは、典型的には、デジタルもしくは仮想の画像情報を、それ以外の実世界の画像入力を透過させることなく提示するものである。拡張現実もしくは「ＡＲ」のシナリオは、典型的には、デジタルもしくは仮想の画像情報を、ユーザの周囲の実世界の画像に対する拡張として提示するものである。例えば、図１を参照すると、ＡＲ技術のユーザが実世界の公園のような、人と、木と、背景の建物とを配した状況１１００と、コンクリートの土台１１２０とを見たときの拡張現実シーンが示されている。これらのものに加えて、実世界の土台１１２０上に立つロボット像１１１０、および、ブンブン飛びまわる蜂の擬人化のように見える、マンガのようなアバターキャラクター１１３０も、これらの要素１１３０、１１１０が実世界には存在していないにもかかわらず、ＡＲ技術のユーザは「見て」いるように知覚する。人間の視覚システムは複雑なので、仮想イメージ要素を他の仮想もしくは実世界の画像要素の中に、快適で自然に感じるようにリッチに提示するＶＲないしＡＲ技術の製作は困難な挑戦である。

本発明のシステムおよび方法は、ＶＲおよびＡＲ技術に関する様々な挑戦に取り組むものである。

（第１の実施形態）
第１の主面と第２の主面とを備えた導波路であって、前記第１および第２の主面の間で全反射により光を伝搬するよう構成された前記導波路と、
入射光を第１の複数の波長で第１の方向に沿って前記導波路に入力結合し、入射光を１以上の第２の波長で第２の方向に沿って前記導波路に入力結合するよう構成された入力結合光学素子であって、前記第１の複数の波長の入力結合された光は全反射により前記第１の方向に沿って前記導波路を通って伝搬し、前記１以上の第２の波長の入力結合された光は全反射により前記第２の方向に沿って前記導波路を通って伝搬する前記入力結合光学素子と、
前記入力結合された光を前記導波路から出力結合するよう構成された、第１および第２の出力結合光学素子と、
を備える光学システム。

（第２の実施形態）
前記入力結合光学素子は、１以上の回折光学素子を含む、第１の実施形態の光学システム。

（第３の実施形態）
前記１以上の回折光学素子は、１以上のアナログ表面レリーフ格子（ＡＳＲ）、バイナリ表面レリーフ構造（ＢＳＲ）、ホログラム、および切り替え可能な回折光学素子を備える、第２の実施形態の光学システム。

（第４の実施形態）
前記切り替え可能な回折光学素子は、切り替え可能な高分子分散型液晶（ＰＤＬＣ）の格子である、第３の実施形態の光学システム。

（第５の実施形態）
前記第１の方向に沿って伝搬する前記第１の複数の波長の入力結合された光を反射するよう構成され、前記第１の複数の波長以外の波長の光を通す第１の波長選択反射器と、
前記第２の方向に沿って伝搬する前記１以上の第２の波長の入力結合された光を反射するよう構成され、前記１以上の第２の波長以外の波長の光を通す第２の波長選択反射器と、をさらに備える第１−第４の実施形態の光学システム。

（第６の実施形態）
前記第１の波長選択反射器を通る入力結合された光を吸収するよう構成された第１の吸収器と、
前記第２の波長選択反射器を通る入力結合された光を吸収するよう構成された第２の吸収器と、をさらに備える第５の実施形態の光学システム。

（第７の実施形態）
前記第１および第２の波長選択反射器は、２色性フィルタである、第５の実施形態の光学システム。

（第８の実施形態）
前記第１の複数の波長の光は、赤色光と青色光とを含む、第１−第７の実施形態の光学システム。

（第９の実施形態）
前記１以上の第２の波長の光は、緑色光を含む、第１−第８の実施形態の光学システム。

（第１０の実施形態）
前記第１の方向に沿って進む前記第１の複数の波長の入力結合された光を受け、前記第１の複数の波長の光を前記第１の出力結合光学素子に分配するよう構成された第１の光分配素子と、
前記第２の方向に沿って進む前記１以上の第２の波長の入力結合された光を受け、前記１以上の第２の波長の光を前記第２の出力結合光学素子に分配するよう構成された第２の光分配素子と、をさらに備える、第１−第９の実施形態の光学システム。

（第１１の実施形態）
前記第１および第２の光分配素子は、１以上の回折光学素子を備える、第１０の実施形態の光学システム。

（第１２の実施形態）
前記１以上の回折光学素子は、１以上の格子を備える、第１１の実施形態の光学システム。

（第１３の実施形態）
前記第１の光分配素子は、前記第２の光分配素子が前記１以上の第２の波長の光について変えるよう構成される方向とは異なる方向に前記導波路内を伝搬するように前記第１の複数の波長の光の方向を変えるよう構成される、第１０−第１２の実施形態の光学システム。

（第１４の実施形態）
前記第１の光分配素子は、前記導波路内を伝搬する前記第１の複数の波長の光の方向を前記第２の方向に変えるよう構成され、前記第２の光分配素子は、前記導波路内を伝搬する前記１以上の第２の波長の光の方向を前記第１の方向に変えるよう構成される、第１０−第１３の実施形態の光学システム。

（第１５の実施形態）
前記第１および第２の光分配素子は、直交瞳エキスパンダである、第１０−第１４の実施形態の光学システム。

（第１６の実施形態）
前記第１の出力結合光学素子は、前記導波路から前記第１の複数の波長の光を出力結合するよう構成された１以上の格子を備え、前記第２の出力結合光学素子は、前記導波路から前記１以上の第２の波長の光を出力結合するよう構成された１以上の格子を備える、第１−第１５の実施形態の光学システム。

（第１７の実施形態）
前記第１の出力結合光学素子の前記１以上の格子は前記導波路の前記第１の主面に設けられ、前記第２の出力結合光学素子の前記１以上の格子は前記導波路の前記第２の主面に設けられる、第１６の実施形態の光学システム。

（第１８の実施形態）
前記第１の出力結合光学素子の前記１以上の格子および前記第２の出力結合光学素子の前記１以上の格子は、前記導波路の同一の主面に設けられる、第１６の実施形態の光学システム。

（第１９の実施形態）
前記第１の出力結合光学素子の前記１以上の格子は、１以上のアナログ表面レリーフ格子（ＡＳＲ）、バイナリ表面レリーフ構造（ＢＳＲ）、ホログラム、および切り替え可能な回折光学素子を備える、第１６−第１８の実施形態の光学システム。

（第２０の実施形態）
前記切り替え可能な回折光学素子は、切り替え可能な高分子分散型液晶（ＰＤＬＣ）の格子を備える、第１９の実施形態の光学システム。

（第２１の実施形態）
積層された複数の導波路を備える光学システムであって、
各々の前記導波路は、第１の主面と第２の主面とを備え、各々の前記導波路は前記第１および第２の主面の間で全反射により光を伝搬するよう構成されており、各々の導波路はさらに、
入射光を第１の複数の波長で第１の方向に沿って前記導波路に入力結合し、入射光を１以上の第２の波長で第２の方向に沿って前記導波路に入力結合するよう構成された入力結合光学素子と、
前記導波路から前記入力結合された光を出力結合するよう構成された、出力結合光学素子と、
を備える、光学システム。

（第２２の実施形態）
各々の前記導波路は関連づけられた深度面を有し、各々の前記導波路は前記関連づけられた深度面に由来するように見える像を生成するよう構成された、第２１の実施形態の光学システム。

（第２３の実施形態）
異なる前記導波路は、異なる関連づけられた深度面を有する、第２１−第２２の実施形態の光学システム。

（第２４の実施形態）
異なる前記深度面に対応する前記出力結合光学素子は、異なる屈折力を有し、各々の前記深度面について出る光の開き角が異なる、第２１−第２３の実施形態の光学システム。

（第２５の実施形態）
第１の主面と第２の主面とを備えた導波路と、
入射光を前記導波路に入力結合するよう構成された入力結合光学素子と、
前記第１の主面に設けられる第１の波長選択フィルタであって、前記第１の波長選択フィルタは、前記第１の主面に隣接する第１の後方表面と、前記第１の後方表面に対向する第１の前方表面とを有し、
前記第１の後方表面を通して入力結合された第１の複数の波長の光を伝送し、前記伝送された前記第１の複数の波長の光の一部を前記第１の前方表面から反射し、
入力結合された光を他の波長で反射するよう構成された、前記第１の波長選択フィルタと、
前記第１の波長選択フィルタ上に設けられる第１の出力結合光学素子であって、前記第１の波長選択フィルタを通して伝送された前記入力結合された前記第１の複数の波長の光を出力結合するよう構成された前記第１の出力結合光学素子と、
を備える光学システム。

（第２６の実施形態）
前記第２の主面に設けられる第２の波長選択フィルタであって、前記第２の波長選択フィルタは、前記第２の主面に隣接する第２の後方表面と、前記第２の後方表面に対向する第２の前方表面とを有し、
前記第２の後方表面を通して入力結合された前記第１の複数の波長と異なる１以上の第２の波長の光を伝送し、前記伝送された１以上の前記第２の波長の光の一部を前記第２の前方表面から反射し、
入力結合された光を前記第１の複数の波長で反射するよう構成された、前記第２の波長選択フィルタと、
前記第２の波長選択フィルタ上に設けられる第２の出力結合光学素子であって、前記第２の波長選択フィルタを通して伝送された前記入力結合された前記１以上の第２の波長の光を出力結合するよう構成された前記第２の出力結合光学素子と、
をさらに備える、第２５の実施形態の光学システム。

（第２７の実施形態）
前記第１および第２の波長選択フィルタは、２色性フィルタを備える、第２６の実施形態の光学システム。

（第２８の実施形態）
前記第１および第２の波長選択フィルタは、前記導波路の対応する前記第１または第２の主面の法線に対して０度と２０度との間の角度で入射する前記第１の複数の波長および前記１以上の第２の波長の光を伝送するよう構成される、第２６−第２７の実施形態の光学システム。

（第２９の実施形態）
前記１以上の第２の波長の光は、緑色光を含む、第２６−第２８の実施形態の光学システム。

（第３０の実施形態）
入力結合された前記第１の複数の波長および前記第２の１以上の波長の光を前記入力結合光学素子から受け、
前記第１の複数の波長および前記１以上の第２の波長の光を前記第１および第２の出力結合光学素子に分配する
よう構成された光分配素子をさらに備える、第２６−第２９の実施形態の光学システム。

（第３１の実施形態）
前記光分配素子は、１以上の回折光学素子を備える、第３０の実施形態の光学システム。

（第３２の実施形態）
前記光分配素子は、直交瞳エキスパンダである、第３０−第３１の実施形態の光学システム。

（第３３の実施形態）
前記第１の複数の波長の光の第１の部分が前記第１の波長選択フィルタの前記第１の前方表面で反射され、前記第１の複数の波長の光の第２の部分が前記光再分配素子により方向を変えられる、第３０−第３２の実施形態の光学システム。

（第３４の実施形態）
前記第１の複数の波長の光の前記第１の部分は、前記第２の主面に反射された後に前記第１の波長選択フィルタに入射し、前記第１の部分の光の一部は前記光再分配素子により方向を変えられる、第３３の実施形態の光学システム。

（第３５の実施形態）
前記１以上の第２の波長の光の第３の部分は前記第２の波長選択フィルタの前記第２の前方表面に反射され、１以上の前記第２の波長の光の第４の部分は前記光再分配素子により方向を変えられる、第３０−第３４の実施形態の光学システム。

（第３６の実施形態）
前記１以上の第２の波長の光の前記第３の部分は前記第１の主面に反射された後に前記第２の波長選択フィルタに入射し、前記第３の部分の光の一部は前記光再分配素子により方向を変えられる、第３５の実施形態の光学システム。

（第３７の実施形態）
前記第１の出力結合光学素子は、１以上の回折光学素子を備え、
前記第２の出力結合光学素子は、１以上の回折光学素子を備える、第２６−第３６の実施形態の光学システム。

（第３８の実施形態）
前記第１の出力結合光学素子の前記１以上の回折光学素子は、１以上のアナログ表面レリーフ格子（ＡＳＲ）、バイナリ表面レリーフ構造（ＢＳＲ）、ホログラム、および切り替え可能な回折光学素子を備える、第３７の実施形態の光学システム。

（第３９の実施形態）
前記切り替え可能な回折光学素子は、切り替え可能な高分子分散型液晶（ＰＤＬＣ）の格子を備える、第３８の実施形態の光学システム。

（第４０の実施形態）
前記第２の出力結合光学素子の前記１以上の回折光学素子は、１以上のアナログ表面レリーフ格子（ＡＳＲ）、バイナリ表面レリーフ構造（ＢＳＲ）、ホログラム、および切り替え可能な回折光学素子を備える、第３７の実施形態の光学システム。

（第４１の実施形態）
前記切り替え可能な回折光学素子は、切り替え可能な高分子分散型液晶（ＰＤＬＣ）の格子を備える、第４０の実施形態の光学システム。

（第４２の実施形態）
前記入力結合光学素子は、１以上の回折光学素子を含む、第２５−第４１の実施形態の光学システム。

（第４３の実施形態）
前記１以上の回折光学素子は、１以上のアナログ表面レリーフ格子（ＡＳＲ）、バイナリ表面レリーフ構造（ＢＳＲ）、ホログラム、および切り替え可能な回折光学素子を備える、第４２の実施形態の光学システム。

（第４４の実施形態）
前記切り替え可能な回折光学素子は、切り替え可能な高分子分散型液晶（ＰＤＬＣ）の格子を備える、第４３の実施形態の光学システム。

（第４５の実施形態）
前記入力結合光学素子はプリズムを備える、第２５−第４４の実施形態の光学システム。

（第４６の実施形態）
前記第１の複数の波長の光は、赤色光と青色光とを含む、第２５−第４５の実施形態の光学システム。

（第４７の実施形態）
複数の積層された導波路であって、各々の前記導波路は、第１の主面と第２の主面とを備え、各々の導波路はさらに、
入射光を前記導波路に入力結合するよう構成された入力結合光学素子と、
前記第１の主面に設けられる第１の波長選択フィルタであって、前記第１の波長選択フィルタは前記第１の主面に隣接する第１の後方表面と前記第１の後方表面に対向する第１の前方表面とを有し、
前記第１の後方表面を通して入力結合された第１の複数の波長の光を伝送し、伝送された前記第１の複数の波長の光の一部を前記第１の前方表面から反射するよう構成された、前記第１の波長選択フィルタと、
前記第１の波長選択フィルタ上に設けられる第１の出力結合光学素子であって、前記第１の波長選択フィルタを通して伝送された入力結合された前記第１の複数の波長の光を出力結合するよう構成された前記第１の出力結合光学素子と、
を備える光学システム。

（第４８の実施形態）
各々の前記導波路は、さらに、
前記第２の主面に設けられる第２の波長選択フィルタであって、前記第２の波長選択フィルタは、前記第２の主面に隣接する第２の後方表面と、前記第２の後方表面に対向する第２の前方表面とを有し、
前記第２の後方表面を通して入力結合された前記第１の複数の波長と異なる１以上の第２の波長の光を伝送し、前記伝送された前記１以上の第２の波長の光の一部を前記第２の前方表面で反射するよう構成された、前記第２の波長選択フィルタと、
前記第２の波長選択フィルタ上に設けられる第２の出力結合光学素子であって、前記第２の波長選択フィルタを通して伝送された前記入力結合された前記１以上の第２の波長の光を出力結合するよう構成された前記第２の出力結合光学素子と、
を備える、第４７の実施形態の光学システム。

（第４９の実施形態）
各々の前記導波路は関連づけられた深度面を有し、各々の前記導波路は前記関連づけられた深度面に由来するように見える像を生成するよう構成された、第４７−第４８の実施形態の光学システム。

（第５０の実施形態）
異なる前記導波路は、異なる関連づけられた深度面を有する、第４７−第４９の実施形態の光学システム。

（第５１の実施形態）
異なる前記深度面に対応する前記出力結合光学素子は異なる屈折力を有し、各々の前記深度面について出る光の開き角が異なる、第４７−第５０の実施形態の光学システム。

（第５２の実施形態）
各々の前記導波路は、
前記第１および第２の波長選択フィルタを通して伝送される前記第１の複数の波長および前記１以上の第２の波長の光を受け、
前記第１の複数の波長および前記１以上の第２の波長の光を前記第１および第２の出力結合光学素子に分配する
よう構成された光再分配素子をさらに備える、第４８−第５１の実施形態の光学システム。

（第５３の実施形態）
複数の積層された導波路であって、各々の前記導波路は、
入射光の属性に基づいて前記入射光を選択的に前記導波路に入力結合するよう構成された入力結合光学素子と、
前記導波路に入力結合された前記光を出力結合するよう構成された、出力結合光学素子と、
を備える光学システム。

（第５４の実施形態）
前記入射光の前記属性は、波長である、第５３の実施形態の光学システム。

（第５５の実施形態）
前記入力結合光学素子は、波長選択反射器である、第５３−第５４の実施形態の光学システム。

（第５６の実施形態）
前記波長選択反射器は、２色性反射器である、第５５の実施形態の光学システム。

（第５７の実施形態）
各々の前記導波路は、前記複数の積層された導波路における他の導波路の前記波長選択反射器とは異なる波長域の光を反射するよう構成された波長選択反射器を備える、第５５−第５６の実施形態の光学システム。

（第５８の実施形態）
各々の前記波長選択反射器は、前記複数の積層された導波路における他の導波路の前記波長選択反射器とは異なる色に対応する波長域の光を反射するよう構成される、第５５−第５７の実施形態の光学システム。

（第５９の実施形態）
前記複数の積層された導波路は、赤色光を出力するよう構成された第１の導波路と、緑色光を出力するよう構成された第２の導波路と、青色光を出力するよう構成された第３の導波路と、を含む３つの導波路を備える、第５３−第５８の実施形態の光学システム。

（第６０の実施形態）
前記出力結合光学素子は、回折光学素子である、第５３−第５９の実施形態の光学システム。

（第６１の実施形態）
前記回折光学素子は、１以上のアナログ表面レリーフ格子（ＡＳＲ）、バイナリ表面レリーフ構造（ＢＳＲ）、ホログラム、および切り替え可能な回折光学素子を備える、第６０の実施形態の光学システム。

（第６２の実施形態）
前記切り替え可能な回折光学素子は、切り替え可能な高分子分散型液晶（ＰＤＬＣ）の格子を備える、第６１の実施形態の光学システム。

（第６３の実施形態）
各々の前記導波路は、衝突後に前記入射光が前記導波路の表面に対してより浅い角度で伝搬するように、入射光の伝搬角度を変更するよう構成された角度変更光学素子をさらに備える、第５３−第６２の実施形態の光学システム。

（第６４の実施形態）
前記角度変更光学素子は、前記入射光の焦点を変更するよう構成される、第６３の実施形態の光学システム。

（第６５の実施形態）
前記角度変更光学素子は、プリズムである、第６３の実施形態の光学システム。

（第６６の実施形態）
前記角度変更光学素子は、回折光学素子である、第６３の実施形態の光学システム。

（第６７の実施形態）
各々の前記導波路は、光分配素子をさらに備え、前記入力結合光学素子は光を前記光分配素子に向けるよう構成され、前記光分配素子は光を前記出力結合光学素子に向けるよう構成される、第５３−第６６の実施形態の光学システム。

（第６８の実施形態）
前記光分配素子は、直交瞳エキスパンダである、第６７の実施形態の光学システム。

（第６９の実施形態）
前記光分配素子、前記入力結合光学素子、および前記出力結合光学素子は、前記導波路の表面に配置される、第６７−第６８の実施形態の光学システム。

（第７０の実施形態）
前記光分配素子は、１以上のアナログ表面レリーフ格子（ＡＳＲ）、バイナリ表面レリーフ構造（ＢＳＲ）、ホログラム、および切り替え可能な回折光学素子を備える、第６７−第６９の実施形態の光学システム。

（第７１の実施形態）
前記切り替え可能な回折光学素子は、切り替え可能な高分子分散型液晶（ＰＤＬＣ）の格子を備える、第７０の実施形態の光学システム。

（第７２の実施形態）
積層された導波路群を複数備え、各々の前記導波路群は複数の積層された導波路を備え、前記各々の導波路は、
入射光の属性に基づいて前記入射光を選択的に前記導波路に入力結合するよう構成された入力結合光学素子と、
前記導波路に入力結合された前記光を出力結合するよう構成された、出力結合光学素子と、
を備える光学システム。

（第７３の実施形態）
各々の前記導波路は関連づけられた深度面を有し、各々の前記導波路は前記関連づけられた深度面に由来するように見える像を生成するよう構成され、異なる前記導波路群は異なる関連づけられた深度面を有する、第７２の実施形態の光学システム。

（第７４の実施形態）
積層された各々の前記導波路群の前記導波路は、同一の関連づけられた深度面を有する、第７２−第７３の実施形態の光学システム。

（第７５の実施形態）
前記出力結合光学素子は、発散する光ビームを生成する屈折力を有する、第７２−第７４の実施形態の光学システム。

（第７６の実施形態）
異なる前記深度面に対応する前記出力結合光学素子は異なる屈折力を有し、各々の前記深度面について出る光の開き角が異なる、第７２−第７５の実施形態の光学システム。

拡張現実（ＡＲ）装置を通したＡＲのユーザからの見え方を示す図である。 ウェアラブル表示システムの例を示す図である。 ユーザに３次元画像のシミュレーションを行う従来技術の表示システムを示す図である。 多重深度面を用いた３次元画像のシミュレーションの態様を示す図である。 曲率半径と焦点半径との関係を示す図である。 曲率半径と焦点半径との関係を示す図である。 曲率半径と焦点半径との関係を示す図である。 ユーザに画像情報を出力するための導波路群の例を示す図である。 導波路から出力される出口ビームの例を示す図である。 導波路集合体の各々の深度面で複数の異なる色成分を用いて形成される画像の模式図である。 導波路、入力結合光学素子、出力結合光学素子を含む表示デバイスの上面の例を示す模式図である。 図９Ａに示す表示デバイスにおけるＡ−Ａ’断面の例を示す模式図である。 ２色性波長選択フィルタの例および２色性波長選択フィルタの動作を示す図である。 導波路、入力結合光学素子、波長選択フィルタ、第１および第２の出力結合光学素子を含む表示デバイスの上面の例を示す模式図である。 図１０Ａに示す表示デバイスにおけるＡ−Ａ’断面の例を示す図である。 図１０Ａに示す表示デバイスにおけるＡ−Ａ’断面の例を示す図である。 それぞれ異なる波長もしくは波長域の光を出力するよう構成された複数の積層導波路の側断面図の例を示す図である。 図１１Ａに示す複数の積層導波路の透視図の例を示す図である。 光の導波路への入力結合を促進する角度変更光学素子を有する導波路の側方断面の例を示す図である。 光の導波路への入力結合を促進する角度変更光学素子を有する導波路の側方断面の例を示す図である。 屈折率の視野に対する予測される影響を示すグラフである。これらの図は所定の実施例を説明するためのものであり、本発明の範囲を制限するものではない。全体を通して、同一の符号は同一の箇所を示す。

ＶＲおよびＡＲ体験は、複数の深度面に対応する画像を観者に提供するディスプレイを有する表示システムにより提供される。画像を各々の深度面において異なるようにし（例えばシーンまたはオブジェクトをわずかに異ならせて表示させ）、観者の目が個別に焦点を合わせ、異なる深度面に位置するシーンの異なる画像の特徴に焦点を合わせるのに必要な目の遠近調整機能に基づく、および／または、焦点の合っていない異なる深度面の異なる画像の特徴を目にすることによる、奥行の手掛かりをユーザに提供するようにしてよい。ここでいう奥行手掛かりとは、確かな奥行知覚のことである。

ある構成では、それぞれ特定の色成分を有する要素画像を重ねることにより、様々な深度面にフルカラー画像を形成することができる。例えば、赤、緑、青の画像をそれぞれ出力してフルカラー画像を形成することができる。このとき、結果として、各々の深度面は関連づけられた複数の色成分画像を有することとなる。ここでいう色成分画像は、画像情報を含む光を入力結合し、入力結合（incouple）された光を導波路に分配し、観者に向けて光を出力結合（outcouple）する導波路を用いて出力されてよい。

回折素子などの入力結合光学素子を用いて光が導波路に入力結合され、同様に回折素子を用いることのできる出力結合光学素子を用いて導波路の外に出力結合されてよい。通常、一対の入力結合および出力結合光学素子が用いられてよい。しかしながらこのような構成は、画像品質を損なう場合がある。例えば、このような光学素子は通常、特定の設計波長を最も効率的に方向を変え、このようなシステムに供給された赤、緑、青の要素画像は、波長によっては不要にも顕著なクロッピングや焦点誤りを示すことがある（例えば、クロッピングや焦点誤りは設計波長外で起こり得る）。加えて、このような入力結合および出力結合光学素子により、クロストークやゴーストが発生することがある。場合によっては、ある波長に最適化された回折光学素子に他の波長の光が当たると、ゴースト上の画像を生ずることがある。例えば、観者から１メートルの深度面に緑の画像を配置するよう設計された回折光学素子が、１メートルより近くまたは遠くの深度面に、青や赤の画像を配置することがある。こうした深度面間のクロストークは、観者の奥行知覚を損ない、写像性を減少させることになる。

加えて、回折光学素子などの入力結合および出力結合光学素子が、方向を変えるようには設計されていない波長の光であってもある程度方向を変えるという特徴により、色バランスは悪影響を受けることになる。フルカラー画像は複数のカラー要素画像を用いて形成されるため、フルカラー画像における色の正確さと有効色域は、観者に到達する色成分の光の量を正確に制御する能力に左右される。異なる色成分の画像間でクロストークが発生するのは好ましくない。例えば、フルカラー画像は赤、緑、青の要素画像を用いて形成することができる。意図せず緑色光と青色光とを含むような赤色光を用いて形成された赤色成分の画像は、とりわけ、最終的なフルカラー画像を生成する緑または青の光の量を正確に制御する能力を損なうため、好ましくない。これは、クロストークにより異なる色の光の比率を正確に制御する能力を減少させるため、フルカラー画像の色の正確さを低下させ、また、生成される色の範囲を減少させることになる。言い換えると、フルカラー画像は、それぞれの色成分画像が、意図しない色の範囲を含む「汚れた」色成分ではなく、「純粋な」色成分の光で形成されているときに、高品質となり得るのである。

本発明の実施形態は、クロストークおよび意図しない出力結合のレベルが低く好ましい。

ある実施形態では、異なる波長の光を低いクロストークレベルで選択的に出力する様々なアーキテクチャが提供される。ある実施形態では、光が導波路に入力結合され、方向を変えて波長に応じて異なる方向に伝搬する。入力結合された光は、光の伝搬方向に基づいて光を選択的に出力結合する１以上の出力結合光学素子により出力結合される。ある実施形態では、導波路と導波路の表面の１以上の出力結合素子との間にカラーフィルタが提供される。カラーフィルタは、１以上の出力結合素子に作用して出力結合する光の波長を制限する。他の実施形態では、出力される波長域または色に応じて異なる導波路が提供される。１以上の入力結合光学素子は、適切な波長域の光を対応する導波路に選択的に入力結合され、光は導波路から出力結合される。

これらの様々な実施形態においては、記載のように、導波路により、入力画像情報を受けて入力画像情報に基づき出力画像を生成する、直視型表示デバイスまたは眼近傍型表示デバイスを構成可能である。これらのデバイスはウェアラブルであってよく、眼鏡として構成してもよい。導波路が受けた入力画像情報は多重化された異なる波長（例えば赤、緑、青の光）の光であってよく、１以上の導波路に入力結合される。入力結合された光は１以上の出力結合光学素子により導波路から出力結合（または出力）される。１以上の出力結合光学素子は、例えばアナログ表面レリーフ格子（ＡＳＲ:Analog Surface Relief grating）、バイナリ表面レリーフ構造（ＢＳＲ:Binary Surface Relief structures）、体積ホログラフィック光学素子（ＶＨＯＥ:Volume Holographic Optical Elements）、デジタル表面レリーフ構造および／または体積位相ホログラフィック材料（例えば体積位相ホログラフィック材料に記録されたホログラム）、または切り替え可能な回折光学素子（例えば高分子分散型液晶（ＰＤＬＣ:Polymer Dispersed Liquid Crystal）の格子）などの、回折構造を含んでよい。アナログ表面レリーフ格子は単独の構造に複数の機能を組み合わせることができることが理解されよう。これらの構造は、連続的な製造工程を経ることで（例えばある機能の構造の上に他の機能の構造を設けて）、付加的に機能（例えば、特定の波長または波長域の光の方向を選択的に変える機能や、他の波長または波長域の光の方向を選択的に変える機能であってよい）を設けることができる。

本発明の様々な実施形態には、１以上の格子（例えば線状の溝）を含む。格子は、格子と実質的に平行な方向に沿って伝搬する光が導波路から出力結合されるほどには方向を変えないように構成される。これに対し、格子に対してある角度の方向（例えば溝に垂直）に伝搬する光は、格子に当たって作用し、全反射（ＴＩＲ:Total Internal Reflection）の要件を満たさない角度で回折し、導波路から出力結合される。ある実施形態では、導波路は対応する回折構造の方向に応じた異なる方向に光の方向を変える１以上の入力結合光学素子を含んでよい。

本明細書に記載の様々な実施形態には、光の特定の波長を伝送する光学フィルタを含んでよい。フィルタは１以上の出力結合光学素子に作用しまたは衝突する光の波長を制限でき、これにより意図しない波長の光の出力結合可能性を減少できる。

本発明の実施形態により以下の１以上の効果が得られることが理解されよう。例えば、記載されるように、意図しない波長の光の出力結合が減少し、上述のようにゴーストの発生が減少する。このゴーストの減少ないし除去により、写像性が改善する。加えて、意図しない波長の光の出力結合が減少すると、光を用いて形成される画像の色知覚品質が向上する。ある実施形態では、所望の波長もしくは波長域の光に特化した出力結合能力により、画像が高度に正確な色精度を持つようにできる。加えて、個別の波長の光の出力結合に対する高度な制御により、最終的なフルカラー画像における特定の波長の光の割合の高度な制御が可能となり、その結果表示される色の範囲が増大する。異なる波長の光の割合を正確に制御する能力により、可能な色成分の反復可能な組み合わせの数が増加し、その結果表示される色（色成分の合成による）の数が増加する。ある実施形態では、多数の波長もしくは色の光が同一の導波路から出力結合され、製造可能性と製造量が改善されて、例えば表示システムに使用される部品数が減少することによりデバイスのコストが下がり、表示システムの構造的かつ電気的な複雑さが減少する。

本発明の実施形態は、一般に、表示システムとして実装可能である。ある実施形態では、表示システムは眼鏡（例えばウェアラブルである）の態様をとり、より没入したＶＲまたはＡＲ体験を提供するのに好適である。例えば、積層された導波路（単一の導波路または複数の深度面をもつ導波路群）が、装着したときにユーザまたは観者の目の前にくるように構成されてよい。ある実施形態では、多重の導波路、例えばそれぞれが観者の目に対応する２つの積層導波路群、が、それぞれの目に異なる画像を提供するために用いられてもよい。

図２はウェアラブル表示システム８０の例を示す図である。表示システム８０はディスプレイ６２と、このディスプレイ６２の機能をサポートする様々な機械的および電子的なモジュールおよびシステムを含む。ディスプレイ６２は眼鏡を構成し、フレーム６４に接続され、表示システムのユーザまたは観者６０に装着可能となり、ディスプレイ６２をユーザ６０の目の前に配置するよう構成される。ある実施形態では、スピーカ６６がフレーム６４に接続され、ユーザ６０の外耳道の近傍に配置される（ある実施形態では、図示しない他のスピーカがユーザのもう一方の外耳道の近傍に配置され、立体音声制御が可能となる）。ある実施形態では、表示システムは１以上のマイク６７もしくは他の音声検出デバイスを含んでよい。ある実施形態では、マイクはユーザがシステム８０への入力や命令（例えば音声入力コマンドの選択や自然言語による問い合わせなど）ができるように構成されてよく、および／または、他の人（例えば同様の表示システムの他の利用者と）との音声通話が可能になっていてもよい。

引き続き図２を参照して、ディスプレイ６２は、例えばフレーム６４に固定的に接続され、ユーザが被るヘルメットや帽子に固定的に接続され、ヘッドフォンに埋め込まれ、その他ユーザ６０から取り外し可能に取り付けられる（例えばバックパック内の構成やベルトによる取り付け構成）ローカル処理データモジュール７０に対し、例えば有線または無線によって動作可能に接続６８される。ローカル処理データモジュール７０は、ハードウェアプロセッサおよびデジタルメモリ、例えば不揮発性メモリ（例えばフラッシュメモリやハードディスクドライブ）を備え、これらはいずれもデータの処理、キャッシングおよび保存のため用いられてよい。データには、ａ）例えば画像取得デバイス（例えばカメラ）、マイク、慣性力測定ユニット、加速度計、コンパス、ＧＰＳユニット、無線デバイス、および／またはジャイロといったセンサ（例えばフレーム６４に動作可能に接続され、または、ユーザ６０に取り付けられていてよい）が取得したデータ、および／または、ｂ）リモート処理モジュール７２および／またはリモートデータリポジトリ７４を用いて取得および／または処理されたデータであって、場合によってはこうした処理または取得の後ディスプレイ６２に向かう途中のデータを含む。ローカル処理データモジュール７０は、例えば有線または無線通信リンクである通信リンク７６、７８により、リモート処理モジュール７２およびリモートデータリポジトリ７４に動作可能に接続され、これらのリモートモジュール７２、７４は互いに動作可能に接続され、ローカル処理データモジュール７０の資源として利用可能となる。ある実施形態では、ローカル処理データモジュール７０は、１以上の画像取得デバイス、マイク、慣性力測定ユニット、加速度計、コンパス、ＧＰＳユニット、無線デバイス、および／またはジャイロを含んでよい。ある実施形態では、１以上のこれらのセンサはフレーム６４に取り付けられてよく、またはローカル処理データモジュール７０と有線または無線通信経路により通信を行う独立型構造であってもよい。

引き続き図２を参照して、ある実施形態では、リモート処理モジュール７２はデータおよび／または画像情報の分析および処理を行うよう構成された１以上のプロセッサを備えてよい。ある実施形態では、リモートデータリポジトリ７４は、インターネットもしくは「クラウド」資源構成における他のネットワーク構成を通してアクセス可能な、デジタルデータ記憶設備であってよい。ある実施形態では、すべてのデータがローカル処理データモジュールに記憶され、すべての演算がここで行われ、リモートモジュールによらない自立的な使用が可能となる。

「３次元」または「３Ｄ」となる画像の知覚は、観者のそれぞれの目にわずかに異なる画像を提示することによって得ることができる。図３はユーザに３次元画像のシミュレーションを行う従来技術の表示システムを示す図である。２つの異なる画像５、７が −それぞれの目４、６に１つずつ− ユーザに出力される。画像５、７は、観者の視線と平行な光軸またはＺ軸に沿って、目４、６から距離１０だけ離れている。画像５、７は平らであり、目４、６は単一の適応状態を想定することで画像に焦点を合わせることができる。このように画像５、７を結合させて結合画像の奥行を知覚させるしくみは、人間の視覚システムに依存している。

しかしながら、好ましいことに、人間の視覚システムはさらに複雑で、現実的な奥行知覚を提供するのはさらにやりがいのあることである。例えば、従来の「３Ｄ」表示システムの観者の多くは、このシステムが快適でなく、または奥行をまったく知覚できないことがある。理論に拘束されるものではないが、物体の観者は輻輳開散とピント調節の組み合わせによって物体が「３次元」であると知覚すると考えられている。両眼における輻輳開散（すなわち、視線を集中させて物体を凝視するために瞳孔を寄せたり離したりする回転運動）は、目の水晶体による焦点合わせ（もしくは「調節」）と密接に関連している。通常の状態では、距離の異なるある物体から別の物体に焦点を変更するための目の水晶体の焦点距離の変更、または目のピント調節を行うと、同じ距離への輻輳開散も自動的に起きる。この関係は、「調節−輻輳反射」として知られている。同様に、輻輳状態が変化すると、通常の状態ではピント調節が起きる。本明細書に記載のように、多くの立体視または「３Ｄ」表示システムは、それぞれの目にわずかに異なる表示（そうして、わずかに異なる画像）を用いて一つのシーンを表示し、人間の視覚システムは３次元の奥行を知覚する。しかし、このようなシステムはとりわけ、目にシーンの異なる表示を行うのみであって、すべての画像情報は単一の焦点距離にあり、「調節−輻輳反射」に反して働くため、多くの観者にとって快適なものではない。調整と輻輳開散とをよりよく整合する表示システムであれば、より現実的で快適な３次元画像のシミュレーションが可能となる。

図４は、多重深度面を用いた３次元画像のシミュレーションの態様を示す図である。図４を参照すると、Ｚ軸上で目４、６からさまざまな距離の物体に焦点が合うように、目４、６が調節を行う。目（４および６）は特定の調節状態を仮定して、Ｚ軸上で異なる距離にある複数の物体に焦点を合わせる。結果として、特定の調節状態は複数の深度面１４の特定の一つに関連し、特定の焦点距離に関連すると言え、特定の深度面にある物体または物体の一部は、目がその深度面に調節した状態ではピントが合っている。ある実施形態では、それぞれの目４、６に異なる画像の表示を提供することにより、また、それぞれの深度面に対応した異なる画像の表示を提供することにより、３次元画像がシミュレーションできる。説明の明確化のために離して図示されているが、目４、６の視野は、Ｚ軸上の距離が大きくなるにつれて重なりあっていてもよいことが理解されよう。加えて、記載の簡略化のため平らに見えているが、深度面の形状は物理空間では湾曲し、特定の調節状態にあるときに目が深度面上のすべての特徴に焦点が合うようになっていてもよいことが理解されよう。

物体と目４または６との距離により、目から見たときの物体からの光の開き角も変動する。図５Ａ−５Ｃは、距離と光線の開き角との関係を示す図である。物体と目４との間の距離は、降順に、Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３で示される。図５Ａ−５Ｃに示すように、物体までの距離が減少するにつれて、光線はより大きく広がる。距離が大きくなると、光線は平行に近づく。言い換えると、ある点（物体または物体の一部）が形成する光照射野は、ユーザの目からその点がどれだけ遠いかの関数である球体の波面曲率を有する。物体と目４との間の距離が減少すると曲率が増大する。結果として、異なる深度面においては、光線の開き角の角度も異なり、深度面と観者の目４との間の距離が減少すると開き角の角度が大きくなる。図５Ａ−５Ｃおよび本出願の他の図面において図面の明確化のために一方の目４のみ記載しているが、目４についての説明は観者の両目４および６に適用可能であることが理解されよう。

理論に拘束されるものではないが、人間の目が奥行知覚のために解釈可能な深度面の数には限界があると考えられている。結果として、１つの画像について、この有限数の深度面に対応する異なる表現を目に提示することにより、非常にリアルな奥行知覚シミュレーションが可能となる。観者の目は異なる表現に個別に焦点を合わせ、異なる深度面に配置されたシーン上の異なる画像の特徴に焦点を合わせるのに必要な目のピント調節に基づき、および／または、異なる深度面上の焦点の合っていない異なる画像の特徴を見ることにより、ユーザは奥行手掛かりを得ることができるのである。

図６は、ユーザに画像情報を出力するための導波路群の例を示す図である。表示システム１０００は、複数の導波路１８２、１８４、１８６、１８８、１９０を用いて目／脳に３次元知覚を提供するのに用いられる導波路集合体、または導波路群の集合体、１７８を含む。ある実施形態では、表示システム１０００は図２のシステム８０であり、図６はシステム８０の一部を図式的に詳細に表したものである。例えば、導波路群１７８は図２のディスプレイ６２に対応する部分であってよい。

引き続き図６を参照して、導波路群１７８は、導波路の間に複数の特徴１９８、１９６、１９４、１９２を含んでもよい。ある実施形態では、特徴１９８、１９６、１９４、１９２はレンズであってよい。導波路１８２、１８４、１８６、１８８、１９０および／または複数のレンズ１９８、１９６、１９４、１９２はさまざまなレベルの波面曲率または光線の開き角で画像情報を目に届けるよう構成されてよい。各々の導波路のレベルは深度面に関連づけられ、その深度面に対応する画像情報を出力するよう構成されてよい。画像注入器２００、２０２、２０４、２０６、２０８は導波路の光源として機能し、ここで記載するように、入ってきた光をそれぞれの導波路に分配して目４に出力するよう構成された、導波路１８２、１８４、１８６、１８７、１９０に画像情報を注入するのに用いられてよい。光は画像注入器２００、２０２、２０４、２０６、２０８の出力面３００、３０２、３０４、３０６、３０８を出て、導波路１８２、１８４、１８６、１８８、１９０の対応する入力面３８２、３８４、３８６、３８８、３９０に注入される。ある実施形態では、入力面３８２、３８４、３８６、３８８、３９０は対応する導波路の端部であってよく、対応する導波路の主面（すなわち、外界１４４または観者の目４に直接面した導波路の面の１つ）の一部であってもよい。ある実施形態において、単一ビームの光（例えば平行ビーム）が各々の導波路に注入され、導波路ごとに関連づけられた深度面に対応する所定の角度（および開き角の角度）で目４に向かうように、複製された平行ビームの全領域が出力される。ある実施形態において、画像注入器２００、２０２、２０４、２０６、２０８の１つは、複数（例えば３つ）の導波路１８２、１８４、１８６、１８８、１９０に関連づけられ、光を注入してよい。

ある実施形態において、画像注入器２００、２０２、２０４、２０６、２０８は、別個のディスプレイであり、対応する導波路１８２、１８４、１８６、１８８、１９０に注入する画像情報をそれぞれ作成する。他のある実施形態において、画像注入器２００、２０２、２０４、２０６、２０８は単一の多重ディスプレイの出力端であって、１以上の光学導管（例えば光ファイバーケーブル）を介して画像情報を各々の画像注入器２００、２０２、２０４、２０６、２０８につないでよい。画像注入器２００、２０２、２０４、２０６、２０８が提供する画像情報が、異なる波長または色（例えば、本明細書に記載のように、異なる光成分）の光を含んでよいことが理解されよう。

制御部２１０は、導波路群集合体１７８と画像注入器２００、２０２、２０４、２０６、２０８の動作を制御する。ある実施形態では、制御部２１０はローカル処理データモジュール７０の一部である。制御部２１０は、例えば本明細書に記載のさまざまな考え方に従って、導波路１８２、１８４、１８６、１８８、１９０の画像情報のタイミングおよび供給を調整するプログラミング（例えば不揮発性媒体中の命令）を含む。ある実施形態において、制御部は単一機器、または有線もしくは無線通信チャネルで接続された分散システムであってよい。制御部２１０は、ある実施形態では、処理モジュール７０または７２（図１）の一部であってよい。

引き続き図６を参照して、導波路１８２、１８４、１８６、１８８、１９０は、各々の導波路内を光が全反射（ＴＩＲ）により伝搬するよう構成されてよい。導波路１８２、１８４、１８６、１８８、１９０はそれぞれ、上側主面と下側主面と、上側主面と下側主面との間に延びる端部とを備えた、平面または他の（例えば曲面の）形状であってよい。図示した構成では、導波路１８２、１８４、１８６、１８８、１９０は、それぞれ対応する導波路内を伝搬する光の方向を変えて導波路外に出力結合し、目４に画像情報を出力するよう構成された１以上の出力結合光学素子２８２、２８４、２８６、２８８、２９０を、それぞれ含んでよい。抽出光は出力結合光とも言い、１以上の出力結合光学素子は光抽出光学素子とも言う。抽出された光ビームは、導波路内を伝搬する光が光抽出光学素子に衝突した位置で導波路から出力される。１以上の出力結合光学素子２８２、２８４、２８６、２８８、２９０の一部または全部は、例えば、本明細書でより詳細に説明するような回折に関する光学特徴を含む、１以上の格子であってよい。簡潔な説明と明確な図示のため、導波路１８２、１８４、１８６、１８８、１９０の下側主面に配置されるよう図示しているが、１以上の出力結合光学素子２８２、２８４、２８６、２８８、２９０は、本明細書内で詳細に説明するように、上側および／または下側主面に配置されてよく、および／または導波路１８２、１８４、１８６、１８８、１９０の内側に直接構成されてもよい。ある実施形態において、１以上の出力結合光学素子２８２、２８４、２８６、２８８、２９０は、導波路１８２、１８４、１８６、１８８、１９０を構成する透明基板に添付される材料層内に形成されてよい。他のある実施形態において、導波路１８２、１８４、１８６、１８８、１９０はモノリシックな材料片であってよく、１以上の出力結合光学素子２８２、２８４、２８６、２８８、２９０はそのような材料片の表面および／または内部に形成されてよい。

引き続き図６を参照して、本明細書内で説明するように、各々の導波路１８２、１８４、１８６、１８８、１９０は光を出力し、個々の深度面に対応する画像を形成するよう構成されている。例えば、目に最も近い導波路１８２は、この導波路１８２に注入されたままの平行光を、目４に送るよう構成されてよい。平行光は光学無限遠深度を代表するものである。次の上の導波路１８４は平行光を送出するよう構成され、目４に届く前に第１のレンズ１９２（例えば負レンズ）を通る。第１のレンズ１９２は、弱い凸の波面曲率をなすよう構成され、目／脳は、この次の導波路１８４に由来する光が無限遠よりも目４に近い第１の深度面に由来するものと解釈する。同様に、第３の上の導波路１８６の出力光は目４に届く前に第１のレンズ１９２と第２のレンズ１９４とを通る。第１のレンズ１９２と第２のレンズ１９４とをあわせた屈折力が、波面曲率をさらに増加させるよう構成され、目／脳は第３の導波路１８６に由来する光が、次の導波路１８４に由来する光よりも無限遠から人により近い第２の深度面に由来するものと解釈する。これらの知覚色を生成する他の方法も可能である。

他の導波路層１８８、１９０およびレンズ１９６、１９８は同様に構成され、集合体における最上位の導波路１９０の出力は目までの間にあるすべてのレンズを通り、合計屈折力により人に最も近い深度面をあらわす。導波路群集合体１７８の反対側の外界１４４から来た光を見る／解釈するときのレンズ群１９８、１９６、１９４、１９２の補正のため、補正レンズ層１８０を集合体の最上部に配置し、以下のレンズ群１９８、１９６、１９４、１９２の合計屈折率を補正するようにしてもよい。このように構成すると、導波路−レンズの組の数だけ深度面知覚を提供できるようになる。導波路の１以上の出力結合光学素子およびレンズの合焦は静的（すなわち動的または電気活性のない）であってよい。他のある実施形態では、いずれかまたは両方が、電気活性機能を用いた動的特徴であってよい。

ある実施形態において、２以上の導波路１８２、１８４、１８６、１８８、１９０は同じ深度面に関連づけられていてもよい。例えば、複数の導波路１８２、１８４、１８６、１８８、１９０が同一の深度面に画像を出力するよう構成されてよく、導波路の複数の構成部分１８２、１８４、１８６、１８８、１９０が同一の複数の深度面に画像を出力するよう構成し、それぞれの深度面につき１セットになるようにしてもよい。これにより、そうした深度面において拡張された視界を提供するタイル状の画像を形成できるという効果を有しうる。

引き続き図６を参照して、１以上の出力結合光学素子２８２、２８４、２８６、２８８、２９０は、対応する導波路から出るように光の向きを変え、その導波路に関連づけられた個々の深度面に対応する適切な開き角の角度で、もしくは平行に、光を出力結合するよう構成されうる。結果として、異なる深度面に関連づけられた導波路では組み合わされる１以上の出力結合光学素子２８２、２８４、２８６、２８８、２９０が異なり、関連づけられた深度面に応じた異なる開き角で光を出力結合するものが組み合わされる。ある実施形態においては、特徴１９８、１９６、１９４、１９２はレンズではなく、単なるスペーサ（例えば被覆層および／または空隙作成のための構造）であってよい。

ある実施形態においては、１以上の出力結合光学素子２８２、２８４、２８６、２８８、２９０は、回折パターンを形成する回折に関する特徴、または「回折光学素子」（本明細書では「ＤＯＥ」（diffractive optical element）ともいう）である。ＤＯＥと交差する度に光ビームのある部分だけが目４の方に方向を変え、残りが全反射により導波路内を移動し続けるよう、ＤＯＥは、好ましくは十分低い回折効率を有する。画像情報が重畳された光はこのようにして、複数の位置で導波路を出るいくつかの出力ビームに分割され、その結果、導波路内で反射し回る特定の平行光は、かなり均一なパターンで目４に向けて出力放射される。

ある実施形態においては、１以上のＤＯＥは積極的に回折する「オン」状態とあまり回折を行わない「オフ」状態との間で切り替え可能であってよい。例えば、切り替え可能なＤＯＥは、高分子分散型液晶の層を有し、微液滴がホスト媒体内で回折パターンを構成し、微液滴の屈折率がホスト媒体と実質的に同一の屈折率となるよう切り替え可能であり（このときパターンは知覚できるほど入射光を回折しない）、また、微液滴がホスト媒体と異なる屈折率となるよう切り替え可能である（このときパターンは入射光を積極的に回折する）。

図７は、導波路から出力される出口ビームの例を示す図である。１つの導波路が図示されているが、導波路群１７８が複数の導波路を含むところ、導波路群１７８の他の導波路も同様に機能し得ることが理解されよう。光４００が導波路１８２の入射端３８２から導波路１８２に注入され、全反射により導波路１８２内を伝搬する。光がＤＯＥ２８２に衝突する地点にて、光の一部が導波路から出力ビーム４０２として出力される。出力ビーム４０２は実質的に平行に図示されているが、本明細書で記載のように、導波路１８２に関連づけられた深度面に応じて目に対しある角度で伝搬されるよう方向づけられて（例えば広がる出力ビームを形成して）もよい。実質的に平行な出力ビームは、目４からの距離が大きい（例えば無限遠）深度面に表示されるべき画像を形成する光を出力結合する１以上の出力結合光学素子を、導波路が備えていることを示し得ることが理解されよう。他の導波路または他の出力結合光学素子は、目４は網膜に焦点を合わせるためにより近い距離に調節する必要があり、無限遠よりも近い距離からの光と脳に解釈される、より広がった出力ビームパターンを出力してもよい。

図８は、導波路集合体の各々の深度面で複数の異なる色成分を用いて形成される画像の模式図である。ある実施形態では、それぞれの色成分、例えば３以上の色成分の画像を重ね合わせることで、各々の深度面にてフルカラー画像を形成してよい。実施形態では深度面１４ａ−１４ｆを図示しているが、深度の増減は考えられる。各々の深度面は関連づけられた３つの色成分画像を有してよい。すなわち、第１の色Ｇの第１の画像、第２の色Ｒの画像、第３の色Ｇの画像である。異なる深度面は、Ｇ、Ｒ、Ｂの文字の後ろの異なる視度の数値で示される。例えば、各々の文字の後ろの数字は視度（１／ｍ）、または深度面の観者からの距離を示し、図中の各々の箱は個別の色成分を示す。

ある実施形態では、各々の色成分の光がひとつの専用の導波路から出力され、結果として、各々の深度面には複数の導波路が関連づけられる。このような実施形態では、文字Ｇ、Ｒ、Ｂを含む図中の各々の箱は別個の導波路を示し、深度面あたり３つの色成分画像が供給されるところ、３つの導波路が１つの深度面に対応するものと考えることができる。簡潔な説明のため模式図では各々の深度面に関連づけられた導波路が互いに隣接するよう記載されているが、実際のデバイスでは、導波路はレベルごとに１つの導波路を積層して構成し得ることが理解されよう。他の実施形態では、複数の色成分が同一の導波路から出力され、例えば深度面ごとに１つの導波路が用いられる。

引き続き図８を参照して、ある実施形態では、Ｇは緑色で、Ｒは赤色で、Ｂは青色である。他の実施形態では、マゼンタとシアンを含む他の色が、赤、緑、青のうち１以上に加えて、または代えて用いられてよい。

本明細書において、ある色の光というとき、観者にその色であると知覚される光の波長の範囲内にある１以上の波長の光を含むことが理解されよう。例えば、赤色光は約620-780nmの範囲内の１以上の波長の光を含み、緑色光は約492-577nmの範囲内の１以上の波長の光を含み、青色光は約435-493nmの範囲内の１以上の波長の光を含み得る。

次に図９Ａを参照すると、導波路９０５と入力結合光学素子９０７と１以上の出力結合光学素子９０９ａ／９０９ｂとを含む表示デバイス９００の上面の例を示す模式図が記載されている。導波路９０５は平面であって、第１の主面９０５ａと、第１の主面９０５ａに対向する第２の主面９０５ｂと、第１および第２の主面９０５ａおよび９０５ｂの間に延びる端部を有してよい。かかる実施形態では、第１および第２の主面９０５ａおよび９０５ｂはｘ−ｙ平面に延伸し、第１および第２の主面９０５ａおよび９０５ｂを横断する表面法線はｚ軸に沿った向きになる。導波路９０５は、可視スペクトルの波長または導波路９０５から出力されるべき色成分に対応する波長を透過するように構成された光学等級部材を備えてよい。さまざまな実施形態において、導波路９０５を含む本明細書に記載の導波路は、モノリシックな材料片であってよい。例えば、第１および第２の主面９０５ａおよび９０５ｂと２つの主面９０５ａおよび９０５ｂとの間の空間は、同じ材料であってよい。ある実施形態では、導波路は複数の材料層を含んでよい。例えば、第１および第２の主面９０５ａおよび９０５ｂの間の空間は第１の屈折率を持つ材料を含んでよく、第１および第２の主面９０５ａおよび９０５ｂの間の空間は異なる屈折率を持つ材料を含んでよい。

１以上の出力結合光学素子は、表示デバイス９００におけるＡ−Ａ’断面の例を示す模式図である図９Ｂに記載のように、第１の出力結合光学素子９０９ａと第２の出力結合光学素子９０９ｂとを含んでよい。ある実施形態では、第１および第２の出力結合光学素子９０９ａおよび９０９ｂは、結合されて単一の出力結合光学素子として、例えば同一の主面または第１・第２の主面９０５ａおよび９０５ｂに、形成されてもよい。

入力結合光学素子９０７は、入射光を第１の複数の波長で全反射により第１の方向に導波路９０５を通って伝搬するように入力結合し、入射光を１以上の第２の波長で全反射により第２の方向に導波路を通って伝搬するように入力結合するよう構成される。第１および第２の方向は、導波路９０５の第１および第２の主面９０５ａおよび９０５ｂと同一平面上に延伸する。例えば、図９Ａに示すように、導波路９０５を第１および第２の主面９０５ａおよび９０５ｂの表面法線に平行な方向から見ると（例えば、導波路９０５の第１の主面９０５ａが上面を向くときに上方から見ると）、第１の方向はｙ軸と平行で第２の方向はｘ軸と平行であってよい。その結果、図９Ａは、第１および第２の方向が第１および第２の主面９０５ａおよび９０５ｂと同一平面上で互いに直交することを示している。しかし、他の実施形態では、第１および第２の方向のなす角が、第１および第２の主面９０５ａおよび９０５ｂの表面法線に平行な方向から見たときに９０度と異なる角度であってもよい。例えば、第１および第２の方向のなす角は、６０度と１２０度の間であってよく、７０度と１１０度の間であってよく、８０度と１００度の間であってよく、８５度と９５度の間であってよく、これらの間の角度であってよい。好ましくは、角度は、第１の方向に伝搬する光が一の出力結合素子に高い効率で、他の出力結合光学素子に低い効率で屈折させられ、第２の方向に伝搬する光が前者の出力結合素子に高い効率で、後者の出力結合光学素子に低い効率で屈折させられるように、選択される。

１以上の第２の波長は、第１の複数の波長と異なっていてよい。様々な実施形態で、複数の色成分（例えば、赤、緑、青）を持つ光が導波路に導入される。第１の出力結合光学素子９０９ａは、導波路９０５内を第１の方向に沿って伝搬する第１の複数の波長の光の方向を、導波路９０５の外に変更するよう構成され、第２の出力結合光学素子９０９ｂは、導波路９０５内を第２の方向に沿って伝搬する１以上の第２の波長の光の方向を、導波路９０５の外に変更するよう構成される。ある実施形態では、第１の複数の波長は２つの色成分、例えば赤と青の光を含み、１以上の第２の波長は第３の色成分、例えば緑の光を含む。２つの色成分は、これらの２つの色成分の間における波長の相違が、２つの色成分のいずれかと第３の色成分との間における波長の相違よりも大きいと、クロストークの低減につながり好ましい。ある実施形態では、第１の出力結合光学素子９０９ａはＡＳＲを含み、２つの色成分それぞれの光の方向を変える。

導波路９０５は表示システム１０００（図６）の導波路集合体の一部であってよいことが理解されよう。例えば、導波路９０５は導波路１８２、１８４、１８６、１８８、１９０の１つに対応してよく、出力結合光学素子９０９ａおよび９０９ｂは図６の出力結合光学素子２８２、２８４、２８６、２８８、２９０に対応してよい。

図９Ａと図９Ｂを引き続き参照すると、様々な実施形態で、入力結合光学素子９０７は、導波路９０５内を全反射により異なる方向に沿って伝搬するように異なる波長の光の方向を変えるよう構成された、波長選択光学素子であってよい。例えば、入力結合光学素子９０７は、第１の複数の波長の光に作用するよう構成された第１の入力結合光学素子セットと、１以上の第２の波長の光に作用するよう構成された第２の入力結合光学素子セットとを備えてよい。様々な実施形態で、入力結合光学素子９０７を形成する素子は、１以上の光学プリズム、または１以上の回折素子および／または屈折素子を含む光学部品を含んでよい。

ある実施形態で、入力結合光学素子９０７は、１以上の波長の光に作用する１以上の格子を含んでよい。例えば、入射光が赤、緑、青の波長の光を含む場合、入力結合光学素子９０７は、３つすべての波長に作用する１つの格子を含んでよく、赤色光に作用する第１の格子と、緑色光に作用する第２の格子と、青色光に作用する第３の格子とを含んでもよい。ある実施形態では、赤色光に作用する第１の格子と青色光に作用する第３の格子が、単一の格子構造に結合されていてよい。入力結合光学素子９０７に含まれる１以上の格子は、アナログ表面レリーフ格子（ＡＳＲ）、バイナリ表面レリーフ構造（ＢＳＲ）、体積ホログラフィック光学素子（ＶＨＯＥ）、デジタル表面レリーフ構造および／または体積位相ホログラフィック材料（例えば体積位相ホログラフィック材料に記録されたホログラム）、または切り替え可能な回折光学素子（例えば高分子分散型液晶（ＰＤＬＣ）の格子）などを含んでよい。本明細書に記載の機能を有するその他の形式の格子、ホログラム、および／または回折光学素子も、使用することができる。１以上の格子は、第１の複数の波長の入射光 −光線９０３ｉ１および９０３ｉ２で表される− の方向を、第１の複数の波長の光が導波路９０５内を第１の方向に（例えばｙ軸と平行な方向に沿って）伝搬するように変え、１以上の第２の波長の入射光 −光線９０３ｉ３で表される− の方向を、１以上の第２の波長の光が第２の方向に（例えばｘ軸と平行な方向に沿って）伝搬するように変えるよう構成される。従って、１以上の格子は、第１の主面９０５ａの前方から入射する光、または第２の主面９０５ｂの後方から入射する光の方向を適切な角度に変更し、入射光が導波路９０５内で全反射するように導波路９０５内に光を入力結合するよう構成される。入力結合光学素子９０７は回折格子および／または透過型格子を含んでよい。１以上の回折格子を含むある実施形態では、光が導波路９０５の内側から格子上に投射され、導波路９０５の第１または第２の方向に沿って回折される。

ある実施形態で、１以上の波長選択フィルタ９１３ａおよび９１３ｂは、入力結合光学素子９０７と一体で形成され、または、隣接して配置されてよい。１以上の波長選択フィルタ９１３ａおよび９１３ｂは、第１の方向に沿って伝搬する１以上の第２の波長の光の一部、および、第２の方向に沿って伝搬する第１の複数の波長の光の一部を、それぞれ除去するよう構成されてよい。ある実施形態で、波長選択フィルタ９１３ａおよび９１３ｂは、吸収型フィルタであってよい。例えば、様々な実施形態において、波長選択フィルタ９１３ａおよび９１３ｂは色バンド吸収体であってよい。

ある実施形態で、波長選択フィルタ９１３ａおよび９１３ｂは２色性フィルタを含んでよい。図９Ｃは、２色性波長選択フィルタの例および２色性波長選択フィルタの動作を示す図である。２色性波長選択フィルタ９１３ａ（または９１３ｂ）は、全反射により第２の方向（または第１の方向）に沿って伝搬する第１の複数の波長（または１以上の第２の波長）の光を通しまたは伝送し、全反射により第２の方向（または第１の方向）に沿って伝搬する１以上の第２の波長（または第１の複数の波長）の光を反射するよう構成される。２色性波長選択フィルタ９１３ｂ（または９１３ａ）を通る光は、２色性波長選択フィルタ９１３ｂ（または９１３ａ）と一体で形成され、または隣接して配置される吸収体９１５ｂに吸収される。このようにして、入力結合光学素子９０７は、単独で、または波長選択フィルタ９１３ｂ（または９１３ａ）と吸収体９１５ｂとの組み合わせにより、第１の方向に沿って導波路９０５内を伝搬する第１の複数の波長の入力結合された光と第２の方向に沿って導波路９０５内を伝搬する１以上の第２の波長の入力結合された光との間の分離度合いを高めることができる。言い換えると、入力結合光学素子９０７は、単独で、または波長選択フィルタ９１３ｂ（または９１３ａ）と吸収体９１５ｂとの組み合わせにより、導波路９０５内を伝搬する異なる波長の光量を制限して、第１の方向に沿って導波路９０５内を伝搬する第１の複数の波長の入力結合された光と、第２の方向に沿って導波路９０５内を伝搬する１以上の第２の波長の入力結合された光との間のクロストークを低減することができる。第１の方向に沿って導波路９０５内を伝搬する第１の複数の波長の入力結合された光と、第２の方向に沿って導波路９０５内を伝搬する１以上の第２の波長の入力結合された光との間のクロストークの低減により、第１および第２の出力結合光学素子９０９ａおよび９０９ｂの出力結合効率の改善が有利となり、出力結合光が生成するカラー画像の品質も改善されうる。

入力結合光学素子９０７は、導波路９０５の第１または第２の主面９０５ａまたは９０５ｂに連接して配置してよい。様々な実施形態で、入力結合光学素子９０７は、導波路９０５の角部に隣接して配置してよい。入力結合光学素子９０７は、導波路９０５と別部材であってよい。逆に、入力結合光学素子９０７は、導波路９０５の第１または第２の主面９０５ａまたは９０５ｂの一方または両方と一体であってもよい。様々な実施形態で、入力結合光学素子９０７と導波路９０５は、一体に集積されていてよい。様々な実施形態で、入力結合光学素子９０７は導波路９０５の一部に形成されてよい。例えば、入力結合光学素子９０７が１以上の格子を含む実施形態において、導波路９０５の第１および／または第２の主面９０５ａおよび／または９０５ｂの一部に、１以上の格子が形成されてよい。様々な実施形態において、入力結合光学素子９０７は、導波路９０５の第１および／または第２の主面９０５ａおよび／または９０５ｂに隣接して配置される光学透過材料層に配置されてよい。他の実施形態では、本明細書に記載のように、入力結合光学素子９０７は導波路９０５の大部分に配置されてよい。

様々な実施形態で、表示デバイス９００は、第１の方向に沿って導波路９０５内を伝搬する第１の複数の波長の入力結合された光の光路に配置される第１の光分配素子９１１ａを含んでよい。表示デバイス９００は、第２の方向に沿って導波路９０５内を伝搬する１以上の第２の波長の入力結合された光の光路に配置される第２の光分配素子９１１ｂも含んでよい。第１および第２の光分配素子９１１ａおよび９１１ｂは、それぞれ第１および第２の方向に沿って第１の複数の波長および１以上の第２の波長の光を分配するよう構成されてよい。例えば、様々な実施形態において、第１および第２の光分配素子９１１ａおよび９１１ｂは、それぞれ第１および第２の方向に沿った第１の複数の波長および１以上の第２の波長の光を伸長する（例えば、光を長さ方向に拡張する）よう構成されてよい。第１および第２の光分配素子９１１ａおよび９１１ｂは、第１および第２の方向に沿って光を分配するため、第１の複数の波長の光を含む第１の光ビームおよび１以上の第２の波長の光を含む第２の光ビームのスポットサイズを有利に増大させることができ、したがってこれを、瞳エキスパンダまたは直交瞳エキスパンダ（ＯＰＥ:orthogonal pupil expanders）と呼ぶことができる。第１および第２の光分配素子９１１ａおよび９１１ｂは、表示デバイス９００の射出瞳のサイズを増加させるのにも役立ち得る。射出瞳のサイズが増加すると、表示デバイス９００がユーザによる直視用に構成され、および／または、ニアアイ表示に適用されるときに役立つ。射出瞳のサイズの増加は、表示デバイス９００を見るときの目の緊張緩和の点でも有利となり得る。

第１および第２の光分配素子９１１ａおよび９１１ｂは、第１および第２の方向に沿って伝搬する光をそれぞれ第１および第２の出力結合光学素子９０９ａおよび９０９ｂに向けるよう構成された１以上の格子を含んでよい。１以上の格子は、例えば所定のサイズ（例えば溝の深さまたは溝の高さ、形状、間隔、および／または周期）と向きを持ち、第１の方向に沿って伝搬する第１の複数の波長の光に、または第２の方向に沿って伝搬する１以上の第２の波長の光に作用するよう構成される。例えば第１の複数の波長が赤と青の光を含むとき、第１の光分配素子９１１ａは、赤と青の光に作用するよう構成された１つの格子、または、赤の光に作用する第１の格子と青の光に作用する第２の格子とを含んでよい。同様に、１以上の第２の波長が緑の光を含むとき、第２の光分配素子９１１ｂは、緑の光に作用する格子を含んでよい。

ある実施形態では、第１および第２の光分配素子９１１ａおよび９１１ｂは、第１の複数の波長および１以上の第２の波長の入力結合された光が導波路内を全反射により伝搬するときに光が跳ね返るごとに格子に衝突する光の一部の方向をそれぞれ変えるよう構成される。第１および第２の光分配素子９１１ａおよび９１１ｂは、第１および第２の方向に沿って伝搬する第１および第２の光ビームを、第１および第２の出力結合光学素子９０９ａおよび９０９ｂに向けて方向を変えられた関連する多重ビームに分割してよい。様々な実施形態において、関連する多重ビームは互いのコピーであってよい。このようにして、第１および第２の光分配素子９１１ａおよび９１１ｂは均一に、または実質的に均一に、第１および第２の出力結合光学素子９０９ａおよび９０９ｂの広い領域を照射するよう構成され、結果として導波路９０５からの出力放射のかなり均一なパターンを得ることができる。一般性を何ら損なうことなく、第１および第２の光分配素子９１１ａおよび９１１ｂを、単一波長または所定波長域内の複数の波長の入射光の向きを変えるよう、構成することができる。

様々な実施形態において、第１および第２の光分配素子９１１ａおよび９１１ｂに含まれる１以上の格子は、アナログ表面レリーフ格子（ＡＳＲ）、バイナリ表面レリーフ構造（ＢＳＲ）、体積ホログラフィック光学素子（ＶＨＯＥ）、デジタル表面レリーフ構造および／または体積位相ホログラフィック材料、または切り替え可能な回折光学素子（例えば高分子分散型液晶（ＰＤＬＣ）の格子）などを含んでよい。本明細書に記載の機能を有するよう構成されたその他の形式の格子、ホログラム、および／または回折光学素子も、使用することができる。第１および第２の光分配素子９１１ａおよび９１１ｂは、導波路９０５の第１または第２の主面９０５ａまたは９０５ｂに隣接して配置されてよい。様々な実施形態では、第１および第２の光分配素子９１１ａおよび９１１ｂは、第１および第２の出力結合光学素子９０９ａおよび９０９ｂと間を置くように配置されてよく、ある実施形態では第１および第２の光分配素子９１１ａおよび９１１ｂはそのように構成されていなくてもよい。第１および第２の光分配素子９１１ａおよび９１１ｂは、導波路９０５の第１または第２の主面９０５ａまたは９０５ｂの一方または両方と一体に構成されてもよい。様々な実施形態では、第１および第２の光分配素子９１１ａおよび９１１ｂおよび導波路９０５は、一体に集積されていてもよい。様々な実施形態において、第１および第２の光分配素子９１１ａおよび９１１ｂは、導波路９０５の第１および／または第２の主面９０５ａおよび／または９０５ｂに形成されてよい。様々な実施態様では、第１および第２の光分配素子９１１ａおよび９１１ｂは、導波路９０５の第１および／または第２の主面９０５ａおよび／または９０５ｂに隣接して配置される１以上の光学透過材料層に配置されてよい。他の実施形態では、本明細書に記載のように、第１および第２の光分配素子９１１ａおよび９１１ｂは、導波路９０５の大部分に配置されてよい。

ここまで説明したように、第１の出力結合光学素子９０９ａおよび第２の出力結合光学素子９０９ｂは、入力結合されて入射した光を導波路９０５の平面の外に向けるよう構成される。第１および第２の出力結合光学素子９０９ａおよび９０９ｂは、第１および第２の出力結合光学素子９０９ａおよび９０９ｂに入射した光を、観者（例えば図７における目４）に向け、観者が良好な画質のカラー画像を知覚できるように異なる波長の光を適切に重ね合わせされる適切な角度に変えるよう構成される。第１および第２の出力結合光学素子９０９ａおよび９０９ｂは、導波路９０５から出る光により形成される画像が所定の距離に由来するものと見えるように、導波路９０５から出る光に開き角を与える屈折力を有してよい。したがって導波路９０５は、第１および第２の出力結合光学素子９０９ａおよび９０９ｂの屈折力と相互に関連する関連深度面を備えていると考えることができる。本明細書の説明のとおり、表示デバイスの様々な実施態様は、上述した導波路９０５ −入力結合光学素子９０７と、異なる屈折力を有する第１および第２の出力結合光学素子９０９ａおよび９０９ｂとを含む− と類似の、異なる複数の、互いに積層された導波路を含んでよい。このような実施形態では、異なる導波路は、そこに含む異なる屈折力の第１および第２の出力結合光学素子９０９ａおよび９０９ｂに対応する異なる深度面に関連づけられ得る。このように複数の異なる互いに積層された導波路を含む表示デバイスは、３Ｄ画像、特に、ライトフィールドベースの３Ｄ画像の生成に有効となり得る。

上述のように、第１の出力結合光学素子９０９ａ、および第２の出力結合光学素子９０９ｂは、１以上の格子を含んでよい。例えば、第１の出力結合光学素子９０９ａは第１の複数の波長の光に作用するよう構成された１以上の格子を含み、第２の出力結合光学素子９０９ｂは１以上の第２の波長の光に作用するよう構成された１以上の格子を含んでよい。例えば第１の複数の波長が赤と青の波長を含むとき、第１の出力結合光学素子９０９ａは、赤と青の光に作用する１つの格子、または、赤の光に作用する第１の格子と青の光に作用する第２の格子とを含んでよい。他の実施形態で、１以上の第２の波長が緑の光を含むとき、第２の出力結合光学素子９０９ｂは、緑の光に作用する格子を含んでよい。

第１および第２の出力結合光学素子９０９ａおよび９０９ｂは線状の溝を含んでもよく、溝の長手方向に実質的に平行な方向に沿って伝搬する光の方向を導波路の外に出るほどには変えないよう溝を構成してよい。反対に、溝に対してある角度をなす方向（例えば溝の長手方向に垂直）に沿って伝搬する光は、溝に衝突すると全反射の要件を満たさない角度に変えられて導波路９０５の外に出力結合される。従って、第２の方向に沿って伝搬する１以上の第２の波長の光が第１の出力結合光学素子９０９ａにより方向を変えられて導波路９０５の外に出力結合されないように、また、第１の方向に沿って伝搬する第１の複数の波長の光が第１の出力結合光学素子９０９ａにより方向を変えられて導波路９０５から出力結合されるように、第１の出力結合光学素子９０９ａの溝は、第２の方向と平行または実質的に平行な方向に配向される。第１の方向に沿って伝搬する第１の複数の波長の光が第２の出力結合光学素子９０９ｂにより方向を変えられて導波路９０５の外に出力結合されないように、また、第２の方向に沿って伝搬する１以上の第２の波長の光が第２の出力結合光学素子９０９ｂにより方向を変えられて導波路９０５から出力結合されるように、第２の出力結合光学素子９０９ｂの溝は、第１の方向と平行または実質的に平行な方向に配向される。

第１の出力結合光学素子９０９ａおよび第２の出力結合光学素子９０９ｂは、アナログ表面レリーフ格子（ＡＳＲ）、バイナリ表面レリーフ構造（ＢＳＲ）、体積ホログラフィック光学素子（ＶＨＯＥ）、デジタル表面レリーフ構造および／または体積位相ホログラフィック材料（例えば体積位相ホログラフィック材料に記録されたホログラム）、または切り替え可能な回折光学素子（例えば高分子分散型液晶（ＰＤＬＣ）の格子）などを含んでよい。本明細書に記載の機能を有するよう構成されたその他の形式の格子、ホログラム、および／または回折光学素子も、使用することができる。様々な実施形態では、第１および第２の出力結合光学素子９０９ａおよび９０９ｂは、単一の出力結合光学素子９０９として一体に構成されてもよい。例えば、図９Ｂで示すように第１および第２の主面９０５ａおよび９０５ｂに配置される２つの出力結合光学素子９０９ａおよび９０９ｂに変えて、異なる波長（例えば赤、緑、青）ごとに異なるホログラムを含み重畳して記録される単一の出力結合光学素子９０９を、主面９０５ａおよび９０５ｂの１つに配置してもよい。ある実施形態では、第１の出力結合光学素子９０９ａが第１または第２の主面９０５ａまたは９０５ｂに配置され、第２の出力結合光学素子９０９ｂがもう一方の主面に配置される。第１および第２の出力結合光学素子９０９ａおよび９０９ｂが、第１および第２の出力結合光学素子９０９ａおよび９０９ｂの一方または両方に形成されてよい。様々な実施形態にて、第１および第２の出力結合光学素子は、第１または第２の主面９０５ａまたは９０５ｂの一方に配置される層上に形成されてよい。

図１０Ａは、導波路９０５、入力結合光学素子１００７、波長選択フィルタ１０１３ａおよび１０１３ｂ、第１および第２の出力結合光学素子１００９ａおよび１００９ｂを含む表示デバイス１０００の上面の例を示す模式図である。図１０Ｂおよび図１０Ｃは、図１０Ａに示す表示デバイス１０００におけるＡ−Ａ’断面の例を示す図である。表示デバイスは、光線９０３ｉ１、９０３ｉ２および９０３ｉ３で示す異なる波長の入射光が入力結合光学素子１００７によって導波路９０５に入力結合されるよう構成される。入力結合光学素子１００７はすべての波長の入射光を、導波路内での全反射による伝搬をサポートする適切な角度で、導波路９０５に結合するよう構成されてよい。様々な実施形態にて、入力結合光学素子１００７は異なる波長の入射光を異なる方向に沿って伝搬するように入力結合するよう構成されていなくてよい。このように、ある実施形態では、すべての波長の入射光が導波路に取り込まれ、導波路内を同一の方向に沿って伝搬する。入力結合光学素子は、アナログ表面レリーフ格子（ＡＳＲ）、バイナリ表面レリーフ構造（ＢＳＲ）、体積ホログラフィック光学素子（ＶＨＯＥ）、デジタル表面レリーフ構造および／または体積位相ホログラフィック材料（例えば体積位相ホログラフィック材料に記録されたホログラム）、または切り替え可能な回折光学素子（例えば高分子分散型液晶（ＰＤＬＣ）の格子）などを含んでよい。本明細書に記載の機能を有するよう構成されたその他の形式の格子、ホログラム、および／または回折光学素子も、使用することができる。様々な実施形態で、入力結合光学素子１００７は、１以上の光学プリズム、または１以上の回折素子および／または屈折素子を含む光学部品を含んでよい。

表示デバイス１０００は波長選択フィルタ１０１３ａおよび１０１３ｂを含み、それぞれの波長選択フィルタ１０１３ａおよび１０１３ｂは出力結合光学素子１００９ａおよび１００９ｂの１つと関連づけられる。図示した実施形態では、波長選択フィルタ１０１３ａは出力結合光学素子１００９ａに関連づけられ、波長選択フィルタ１０１３ｂは出力結合光学素子１００９ｂに関連づけられている。波長選択フィルタ１０１３ａは、第１の後方表面と第１の後方表面に対向する第１の前方表面とを含む。波長選択フィルタ１０１３ｂは、第２の後方表面と第２の後方表面に対向する第２の前方表面とを含む。ある実施形態では、波長選択フィルタ１０１３ａは、導波路９０５の第１の主面上の凹部に配置され、例えば図１０Ｂで示すように、第１の前方表面が導波路９０５の第１の主面９０５ａの部分と同じ高さとなっている。他の実施形態では、波長選択フィルタ１０１３ａは、図１０Ｃで示すように、第１の主面９０５ａ上に第１の後方表面が乗るように（凹部に配置されることなく）配置される。ある実施形態では、波長選択フィルタ１０１３ｂは、導波路９０５の第２の主面上の凹部に配置され、例えば図１０Ｂで示すように、第２の前方表面が導波路９０５の第２の主面９０５ｂと同じ高さとなっている。他の実施形態では、波長選択フィルタ１０１３ｂは、図１０Ｃで示すように、第２の主面９０５ｂ上に第２の後方表面が乗るように（凹部に配置されることなく）配置される。導波路９０５内を伝搬する光は、第１または第２の波長選択フィルタ１０１３ａまたは１０１３ｂのそれぞれ第１または第２の後方表面に入射する。第１の複数の波長（または１以上の第２の波長）の光は、第１の波長選択フィルタ１０１３ａ（または第２の波長選択フィルタ１０１３ｂ）の第１の後方表面（または第２の後方表面）を通して伝送される。第１および第２の波長選択フィルタ１０１３ａおよび１０１３ｂは、第１または第２の後方表面を通して伝送された光の一部を反射することができる。

波長選択フィルタ１０１３ａは、導波路９０５内を伝搬する第１の複数の波長の光（例えば、赤と青の波長域の光）の一部を、第１の複数の波長の光の方向を導波路９０５の外に変える対応した出力結合光学素子１００９ａまで多重反射させて伝送するよう構成される。波長選択フィルタ１０１３ａは、第１の複数の波長と異なる波長の光を反射して出力結合光学素子１００９ａから遠ざけるよう構成される。同様に、波長選択フィルタ１０１３ｂは、導波路９０５内を伝搬する１以上の第２の波長の光（例えば、緑の波長域の光）の一部を、１以上の第２の波長の光の方向を導波路９０５の外に変える対応した出力結合光学素子１００９ｂまで多重反射させて伝送するよう構成される。波長選択フィルタ１０１３ｂは、１以上の第２の波長と異なる波長の光を反射して出力結合光学素子１００９ｂから遠ざけるよう構成される。このようにして、波長選択フィルタ１０１３ａおよび１０１３ｂは、カラー画像を生成するために導波路９０５から出力結合される光の異なる波長の間のクロストークを低減することができる。

様々な実施形態において、波長選択フィルタ１０１３ａおよび１０１３ｂは、１以上の２色性フィルタを含んでよい。波長選択フィルタ１０１３ａおよび１０１３ｂは、導波路９０５の第１および第２の主面９０５ａおよび９０５ｂ上に配置されてよい。波長選択フィルタ１０１３ａおよび１０１３ｂが、フィルタ１０１３ａおよび１０１３ｂに略垂直に入射する光を伝送するように構成されても、一般性は何ら損なわれることはない。例えば、波長選択フィルタ１０１３ａおよび１０１３ｂが第１および第２の主面９０５ａおよび９０５ｂに平行に配置されるとき、第１および第２の主面９０５ａおよび９０５ｂの法線に対して、例えばおよそ０度から２０度の角度で入射する光が、波長選択フィルタ１０１３ａおよび１０１３ｂを通して伝送されてよい。その結果、波長選択フィルタ１０１３ａおよび１０１３ｂは周囲の状況からの通過光を伝送するよう構成されることとなり、観者は導波路を通してこれを見ることができる。

第１および第２の出力結合光学素子１００９ａおよび１００９ｂは、対応する波長選択フィルタ１０１３ａおよび１０１３ｂ上に配置されてよい。例えば、第１の出力結合光学素子１００９ａは対応する波長選択フィルタ１０１３ａ上に配置され、波長選択フィルタ１０１３ａを通って伝送された第１の複数の波長の光を導波路９０５の外に出力結合するよう構成される。同様に、第２の出力結合光学素子１００９ｂは対応する波長選択フィルタ１０１３ｂ上に配置され、波長選択フィルタ１０１３ｂを通って伝送された１以上の第２の複数の波長の光を導波路９０５の外に出力結合するよう構成される。ある実施形態では、本明細書に記載のように、第１の複数の波長は２つの色成分、例えば赤と青の光を含み、１以上の第２の波長は第３の色成分、例えば緑の光を含む。２つの色成分は、これらの２つの色成分の間における波長の相違が、２つの色成分のいずれかと第３の色成分との間における波長の相違よりも大きいと、クロストークの低減につながり好ましい。ある実施形態では、第１の出力結合光学素子１００９ａは１以上のＡＳＲを含み、２つの色成分それぞれの光の方向を変え、第２の出力結合光学素子１００９ｂはＡＳＲを含み、第３の色成分の光の方向を変える。

導波路９０５は表示システム１０００（図６）の導波路集合体の一部であってよいことが理解されよう。例えば、導波路９０５は導波路１８２、１８４、１８６、１８８、１９０の１つに対応してよく、出力結合光学素子１００９ａおよび１００９ｂおよび波長選択フィルタ１０１３ａおよび１０１３ｂは、図６の出力結合光学素子２８２、２８４、２８６、２８８、２９０に対応してよい。

第１および第２の出力結合光学素子１００９ａおよび１００９ｂは、図９Ａおよび図９Ｂに図示し上述した第１および第２の出力結合光学素子９０９ａおよび９０９ｂと、物理的および機能的に同様のものであってよい。例えば、第１の出力結合光学素子１００９ａおよび第２の出力結合光学素子１００９ｂは、アナログ表面レリーフ格子（ＡＳＲ）、バイナリ表面レリーフ構造（ＢＳＲ）、体積ホログラフィック光学素子（ＶＨＯＥ）、デジタル表面レリーフ構造および／または体積位相ホログラフィック材料（例えば体積位相ホログラフィック材料に記録されたホログラム）、または切り替え可能な回折光学素子（例えば高分子分散型液晶（ＰＤＬＣ）の格子）などを含んでよい。

第１の出力結合光学素子９０９ａおよび第２の出力結合光学素子９０９ｂと同様に、第１および第２の出力結合光学素子１００９ａおよび１００９ｂは、観者が良好な画質のカラー画像を知覚できるように異なる波長の光を適切に重ね合わせされる適切な角度および効率で、入力結合されて入射した光の方向を変えるよう構成される。第１および第２の出力結合光学素子１００９ａおよび１００９ｂは、導波路９０５から出る光により形成される画像が所定の距離に由来するものと見えるように、導波路９０５から出る光に開き角を与える屈折力を有してよい。

光再分配素子、例えば第１および第２の光分配素子１０１１ａおよび１０１１ｂは、導波路９０５内を伝搬する異なる波長の光に沿った光路上に配置されてよい。第１および第２の光分配素子１０１１ａおよび１０１１ｂは、図９Ａおよび図９Ｂを参照して上で説明した第１および第２の光分配素子９１１ａおよび９１１ｂと、物理的および機能的に同様のものであってよい。例えば、第１および第２の光分配素子１０１１ａおよび１０１１ｂは、アナログ表面レリーフ格子（ＡＳＲ）、バイナリ表面レリーフ構造（ＢＳＲ）、体積ホログラフィック光学素子（ＶＨＯＥ）、デジタル表面レリーフ構造および／または体積位相ホログラフィック材料（例えば体積位相ホログラフィック材料に記録されたホログラム）、または切り替え可能な回折光学素子（例えば高分子分散型液晶（ＰＤＬＣ）の格子）などを含んでよい。第１および第２の光分配素子１０１１ａおよび１０１１ｂは、第１および第２の出力結合光学素子１００９ａおよび１００９ｂに向けて導波路９０５内を伝搬する光の一部に作用し方向を変えて、光の伝搬方向のビームサイズを拡大するよう構成されてよい。したがって、第１および第２の光分配素子１０１１ａおよび１０１１ｂは、導波路９０５を含む表示デバイス１０００の射出瞳のサイズを増加させるのにも役立ち得る。ある実施形態で、第１および第２の光分配素子１０１１ａおよび１０１１ｂは、このように直交瞳エキスパンダ（ＯＰＥ）として機能する。

第１および第２の光分配素子９１１ａおよび９１１ｂと同様に、第１および第２の光分配素子１０１１ａおよび１０１１ｂは、導波路の第１および第２の主面９０５ａおよび９０５ｂの一方または両方に配置されてよい。図１０Ａおよび図１０Ｂに示した実施形態では、第１の光分配素子１０１１ａは第１の主面９０５ａに配置され、第２の光分配素子１０１１ｂは第２の主面９０５ｂに配置される。他の実施形態では、第１および第２の光分配素子１０１１ａおよび１０１１ｂは導波路９０５の同一の主面に配置されてもよい。様々な実施形態で、第１および第２の光分配素子１０１１ａおよび１０１１ｂは単一の光分配光学素子を形成するよう結合されてもよい。

様々な実施形態で、第１および第２の光分配素子１０１１ａおよび１０１１ｂは、波長選択を行うよう構成され、ある波長の光を他の波長の光よりも高い効率で方向を変える。例えば、様々な実施形態で、第１の光再分配素子１０１１ａは第１の出力結合光学素子１００９ａに向かう第１の複数の波長の光を向け直すよう構成され、第２の光再分配素子１０１１ｂは第１の出力結合光学素子１００９ｂに向かう１以上の第２の波長の光を向け直すよう構成されてよい。このような実施形態では、第１の光分配素子１０１１ａは第１の波長選択フィルタ１０１３ａの上方に配置され、第２の光分配素子１０１１ｂは第２の波長選択フィルタ１０１３ｂの上方に配置されてよい。このようにして、第１の（または第２の）光分配素子１０１１ａ（または１０１１ｂ）に向け直された１以上の第２の（または第１の複数の）波長の光の量が削減され得る。

図９Ａ−図１０Ｂを参照して説明した実施形態では、第１および第２の出力結合光学素子９０９ａ、９０９ｂ、１００９ａおよび１００９ｂは、導波路からの光が主面９０５ａおよび９０５ｂの前方と後方に同程度回折するように、配置される第１または第２の主面の一方の面に対称に光を回折するよう構成されてよい。したがって、カラー画像の色のいくつかが導波路のある主面に配置された出力結合素子から出力結合され、カラー画像の色の他のいくつかが導波路の他の主面に配置された出力結合素子から出力結合された光から生成されたとしても、カラー画像の品質が大きく低下することはない。

加えて、様々な入力結合および出力結合光学素子、および光分配素子が、それぞれ単一の波長に作用するよう構成された異なる回折構造の組み合わせによって、複数の異なる波長の光に作用するよう構成されてよい。異なる回折構造の組み合わせは、回折構造の射出圧縮成形、ＵＶレプリケーションまたはナノインプリントなどの製造方法を用いて導波路上に形成することができる。

次に図１１Ａを参照すると、それぞれ異なる波長もしくは波長域の光を出力するよう構成された、複数の積層導波路、または積層導波路セット１２００の側断面図の例が示されている。積層導波路セット１２００は、導波路１２１０、１２２０、および１２３０を含む。それぞれの導波路は、関連づけられた入力結合光学素子、例えば導波路１２１０の主面（例えば底主面）に配置された入力結合光学素子１２１２、導波路１２２０の主面（例えば底主面）に配置された入力結合光学素子１２２２、および導波路１２３０の主面（例えば底主面）に配置された入力結合光学素子１２３２を含む。ある実施形態で、１以上の入力結合光学素子１２１２、１２２２、１２３２は、（特に１以上の入力結合光学素子が透過型の屈折光学素子の場合、）対応する導波路１２１０、１２２０、１２３０の上主面に配置されてもよい。入力結合光学素子１２１２、１２２２、１２３２は、対応する導波路１２１０、１２２０、１２３０の底主面（または１つ下の導波路の上）に配置されるのが好ましい。ある実施形態で、入力結合光学素子１２１２、１２２２、１２３２は対応する導波路１２１０、１２２０、１２３０本体内に配置されてもよい。入力結合光学素子１２１２、１２２２、１２３２は、光の１以上の波長を選択的に反射し、他の波長を伝送するフィルタを含むカラーフィルタであるのが好ましい。カラーフィルタの例としては、本明細書に記載の２色性フィルタが含まれる。対応する導波路１２１０、１２２０、１２３０の端または角に図示しているが、入力結合光学素子１２１２、１２２２、１２３２はある実施形態において、対応する導波路１２１０、１２２０、１２３０の他の領域に配置されていてよいことが理解されよう。

各々の導波路はまた、関連づけられた光分配素子、例えば導波路１２１０の主面（例えば上主面）に配置された光分配素子１２１４、導波路１２２０の主面（例えば上主面）に配置された光分配素子１２２４、および導波路１２３０の主面（例えば上主面）に配置された光分配素子１２３４を含む。ある他の実施形態で、光分配素子１２１４、１２２４、１２３４は、それぞれ対応する導波路１２１０、１２２０、１２３０の底主面に配置されてもよい。ある他の実施形態で、光分配素子１２１４、１２２４、１２３４は、それぞれ対応する導波路１２１０、１２２０、１２３０の上主面と底主面の両方に配置されてもよく、また、光分配素子１２１４、１２２４、１２３４は、それぞれ異なる対応する導波路１２１０、１２２０、１２３０の上主面と底主面のいずれかに配置されてもよい。

導波路１２１０、１２２０、１２３０は、離散配置され、気体および／または液体の物質層で隔てられていてよい。例えば、図示するように、層１２１６ａおよび１２１８ａが導波路１２１０と１２２０とを隔て、層１２１６ｂおよび１２１８ｂが導波路１２２０と１２３０とを隔ててよい。ある実施形態で、層１２１６ａおよび１２１６ｂは、直接隣接した導波路１２１０、１２２０、１２３０の１つを形成する材料と屈折率が整合する材料で形成される。屈折率整合層１２１６ａと１２１６ｂは導波路セット１２００の厚さ方向における光の伝搬を促進し、光は好ましくは、例えば導波路１２１０、１２２０および１２３０を通って入力結合光学素子１２３２まで、ほとんど反射や損失なく進むようになる。

ある実施形態で、層１２１６ｂおよび１２１８ｂは、低屈折材料（すなわち、直接隣接した導波路１２１０、１２２０、１２３０の１つを形成する材料よりも小さな屈折率を有する材料）で形成される。層１２１６ｂ、１２１８ｂを形成する材料の屈折率は０．０５以上、または、導波路１２１０、１２２０、１２３０を形成する材料の屈折率よりも０．１以上小さいと好ましい。低屈折率層１２１６ｂ、１２１８ｂは、導波路１２１０、１２２０、１２３０内の光の全反射（ＴＩＲ）（例えば各々の導波路の上主面と底主面との間の全反射）を促進する被覆層としての機能を有すると好適である。ある実施形態で、層１２１６ｂ、１２１８ｂは空気で形成される。図示しないが、導波路セット１２００の上面と底面は直接隣接した被覆層を含んでよいことが理解されよう。

導波路１２１０、１２２０、１２３０を形成する材料が類似または同一、および、層１２１６ｂ、１２１８ｂを形成する材料が類似または同一であると、製造が容易となり、また他の点を考慮して、好ましい。ある実施形態で、導波路１２１０、１２２０、１２３０を形成する材料は１以上の導波路の間で相違し、および／または、層１２１６ｂ、１２１８ｂを形成する材料は相違し、なお上述した屈折率の諸関係を維持するようにしてもよい。

引き続き図１１Ａを参照して、光線１２４０、１２４２、１２４４が導波路セット１２００に入射する。導波路セット１２００は、表示システム１０００（図６）の導波路集合体の一部であってよいことが理解されよう。例えば、導波路１２１０、１２２０、１２３０は導波路１８２、１８４、１８６、１８８、１９０の３つに対応してよく、光線１２４０、１２４２、１２４４が１以上の画像注入器２００、２０２、２０４、２０６、２０８により導波路１２１０、１２２０、１２３０に注入されてよい。

光線１２４０、１２４２、１２４４は、異なる属性、例えば異なる色に対応する異なる波長域を有すると好ましい。入力結合光学素子１２１２、１２２２、１２３２は、光の属性の特定の特徴に基づいて光線１２４０、１２４２、１２４４の方向を選択的に変え、一方、そのような属性または特徴を有しない光は伝送する。ある実施形態で、光の属性は波長であり、入力結合光学素子１２１２、１２２２、１２３２は光のそれぞれ１以上の特定の波長の方向を選択的に変え、他の波長は下方の導波路に関連する入力結合光学素子に伝送する。

例えば、入力結合光学素子１２１２は、第１の波長または波長域を有する光線１２４０の方向を選択的に変え（例えば反射）、異なる第２および第３の波長または波長域をそれぞれ有する光線１２４２および１２４４を伝送する。伝送された光線１２４２は続いて、第２の波長または波長域の光の方向を選択的に変える（例えば反射する）よう構成された入力結合光学素子１２２２に衝突して方向を変えられる。光線１２４４は入力結合光学素子１２４４に伝送され、続いて、第３の波長または波長域の光の方向を選択的に変える（例えば反射する）よう構成された入力結合光学素子１２３２に衝突して方向を変えられる。ある実施形態で、入力結合光学素子１２１２、１２２２、１２３２は２色性フィルタなどの反射型カラーフィルタである。

引き続き図１１Ａを参照して、方向を変えられた光線１２４０、１２４２、１２４４は、対応する導波路１２１０、１２２０、１２３０内を伝搬するよう方向を変えられる。すなわち、各々の導波路の入力結合光学素子１２１２、１２２２、１２３２は光の方向を変えて、対応する導波路１２１０、１２２０、１２３０に入力結合する。光線１２４０、１２４２、１２４４は、それぞれの導波路１２１０、１２２０、１２３０内で全反射により光線が伝搬するような角度に向けられる。

ある実施形態で、光線１２４０、１２４２、１２４４が全反射する角度で入力結合光学素子１２１２、１２２２、１２３２に衝突するように、光線１２４０、１２４２、１２４４が入力結合光学素子に当たる角度を変更する角度変更光学素子１２６０が用いられてもよい。例えば、ある実施形態で、光線１２４０、１２４２、１２４４が導波路１２１０に垂直な角度で角度変更光学素子１２６０に入射するとする。すると角度変更光学素子１２６０は、導波路１２１０の表面に対して９０度よりも小さい角度で入力結合光学素子１２１２、１２２２、１２３２に当たるように、光線１２４０、１２４２、１２４４の伝搬方向を変更する。ある実施形態で、角度変更光学素子１２６０は格子である。ある他の実施形態で、角度変更光学素子１２６０はプリズムである。

引き続き図１１Ａを参照して、光線１２４０、１２４２、１２４４はそれぞれ導波路１２１０、１２２０、１２３０内を全反射により伝搬し、導波路に対応する光分配素子１２１４、１２２４、１２３４に衝突する。

次に図１１Ｂを参照すると、図１１Ａに示す複数の積層導波路の透視図の例が示されている。上述したように、入力結合された光線１２４０、１２４２、１２４４は、それぞれ入力結合光学素子１２１２、１２２２、１２３２により方向を変えられ、それぞれ導波路１２１０、１２２０、１２３０内を全反射により伝搬する。光線１２４０、１２４２、１２４４はその後、それぞれ光分配素子１２１４、１２２４、１２３４に衝突する。光分配素子１２１４、１２２４、１２３４は、光線１２４０、１２４２、１２４４がそれぞれ出力結合光学素子１２５０、１２５２、１２５４に向かって伝搬するよう方向を変える。

ある実施形態で、光分配素子１２１４、１２２４、１２３４は直交瞳エキスパンダ（ＯＰＥ）である。ある実施形態でＯＰＥは、出力結合光学素子１２５０、１２５２、１２５４に光の方向を変え、または分配し、さらに出力結合光学素子に向けて伝搬するにつれてこの光のビームまたはスポットの大きさを増大させる。ある実施形態で、例えばビームサイズがすでに希望のサイズであると、光分配素子１２１４、１２２４、１２３４を省略して入力結合光学素子１２１２、１２２２、１２３２が光の向きを変えて直接出力結合光学素子１２５０、１２５２、１２５４へ向かうように構成してよい。例えば、図１１Ａを参照して、光分配素子１２１４、１２２４、１２３４は、ある実施形態では、それぞれ出力結合光学素子１２５０、１２５２、１２５４に置き換えてよい。

本明細書に記載のように、出力結合光学素子１２５０、１２５２、１２５４は、アナログ表面レリーフ格子（ＡＳＲ）、バイナリ表面レリーフ構造（ＢＳＲ）、体積ホログラフィック光学素子（ＶＨＯＥ）、デジタル表面レリーフ構造および／または体積位相ホログラフィック材料、または切り替え可能な回折光学素子（例えば高分子分散型液晶（ＰＤＬＣ）の格子）などのような回折構造を含んでよいことが理解されよう。ある実施形態において、出力結合光学素子１２５０、１２５２、１２５４は図６の出力結合光学素子２８２、２８４、２８６、２８８、２９０のうちの３つであってよいことが理解されよう。ある実施形態において、出力結合光学素子１２５０、１２５２、１２５４は、光を観者の目４（図７）に向ける射出瞳（ＥＰ：Exit Pupil)または射出瞳エキスパンダ（ＥＰＥ：Exit Pupil Expander）である。

したがって、図１１Ａおよび図１１Ｂを参照すると、ある実施形態では、導波路セット１２００は別個の導波路１２１０、１２２０、１２３０と、光分配素子（例えばＯＰＥ）１２１４、１２２４、１２３４と、出力結合光学素子（例えばＥＰ）１２５０、１２５２、１２５４とを、色成分ごとに含む。３つの導波路１２１０、１２２０、１２３０は、入力結合光学素子（例えばカラーフィルタ）１２１２、１２２２、１２３２が置かれる場所を除いて、それぞれの間に空隙をもって積層されてよい。カラーフィルタは所望の色を適切な導波路に反射し、他の色の光は伝送する。例えば、光はまず、入力結合格子またはプリズムのような角度変更光学素子１２６０によって第１の導波路１２１０に入力結合される。光はその後、出会った表面の反対側に比較的低い屈折率の材料（例えば空気）があれば全反射となる角度で伝搬し、光が適切な波長を有しているときの適切に設計された２色性フィルタのような入力結合光学素子（例えばカラーフィルタ）１２１２、１２２２、１２３２に衝突すると、ほぼ完全に反射する。示した例では、上述したように、光線１２４０（例えば緑色光）は、第１の入力結合光学素子（例えばカラーフィルタ）１２１２から反射し、そのまま全反射により反射して導波路に至り、光分配素子（例えばＯＰＥ）１２１４とその後出力結合光学素子（例えばＥＰ）１２５０に作用する。光線１２４２および１２４４（例えば青と赤の光）は入力結合光学素子（例えばカラーフィルタ）１２１２を通り、次に導波路１２２０に至る。光線１２４２は次の入力結合光学素子（例えばカラーフィルタ）１２２２から反射し、そのまま全反射により反射して導波路１２２０に至り、光分配素子（例えばＯＰＥ）１２２４とその後の出力結合光学素子（例えばＥＰ）１２５２に進む。最後に光線１２４４(例えば赤色光）は、入力結合光学素子（例えばカラーフィルタ）１２３２を通って導波路１２３０に入り、光分配素子（例えばＯＰＥ）とその後の出力結合光学素子（例えばＥＰ）１２５４に伝搬して、最終的に、他の導波路１２１０、１２２０からの光とともに、観者へと出力結合される。

次に図１２Ａ−図１２Ｂを参照すると、光の導波路への入力結合を促進する角度変更光学素子１２６０を有する導波路の側方断面の例が示されている。本明細書中に記載のように、角度変更光学素子１２６０は、例えば回折により光線の方向を変える、格子を含んでよい。ある他の実施形態では、角度変更光学素子１２６０は、光線の伝搬方向または角度を、例えば屈折により変更する、プリズムであってよい。図１２Ａは、プリズム１２６０を通して入力結合され、入力結合光学素子（例えばカラーフィルタ）１２１２から反射され、第１の導波路１２１０内を全反射により伝搬する、ある波長域の光を示している。図１２Ｂは、入力結合光学素子（例えばカラーフィルタ）１２１２を通って伝送され、入力結合光学素子（例えばカラーフィルタ）１２２２から反射され、第２の導波路１２２０内を全反射により伝搬する、第２の波長域の光を示している。

様々な導波路（例えば図９Ａ−図１０Ｂの９０５、図１１Ａ−図１１Ｂの１２１０、１２２０、１２３０)を、高い屈折率を有する材料で作成するとよいことが知られている。図１３は、屈折率の視野に対する予測される影響を示すグラフである。図１３は、図１１Ａ−図１１Ｂの導波路１２１０、１２２２０、１２３０の１つに類似した単色のアイピースをディスプレイ６２に用いたときのシミュレーション結果を示している。シミュレーションでは、導波路の屈折率は、様々な樹脂に関連する値（上端）から石英ガラスの値（下端)まで変化する。有効視野が明らかに増大することが、グラフから見て取れる。この理由により、ある実施形態では、本発明の様々な導波路は高い屈折率の導波路となるような材料で形成されてよい。

ある実施形態で、本発明の様々な導波路（例えば図９Ａ−図１０Ｂの９０５、図１１Ａ−図１１Ｂの１２１０、１２２０、１２３０)を、ガラス、ポリマー、プラスチック、サファイア、樹脂、またはその他可視スペクトルの波長を透過する材料で形成してよい。本明細書に記載のように、高い屈折率を有する材料からなる導波路は、高い有効視野（ＦｏＶ：Field of View）を有し得る。例えば、導波路の材料の屈折率が約１．４５から約１．７５に増加すると、有効視野は約３５度から約６０度に増加し得る。従って、本発明の様々な実施形態は、屈折率が１．５より大きい、約１．５と１．８の間、１．６より大きい、または１．８より大きい、材料をからなる導波路を含んでよい。

ある実施形態で、導波路上に回折構造（例えば格子）を有する導波路は、例えば回折構造の射出圧縮成形、ＵＶレプリケーションまたはナノインプリントなどの製造方法を用いて、屈折率の高い基板の上に構成可能なことが理解されよう。ある実施形態で、ＡＳＲ構造ベースの形状ないしバイナリ表面レリーフ形状を形成するのにこのような方法を使用してもよい。

本発明の様々な実施形態例がここに記載されている。これらの例への言及は、非限定的な意味でなされている。これらの例は、発明の実施可能な態様をより広く説明するために記載されている。記載された発明に様々な変更を加えることができ、本発明の本旨および範囲から離れることなく均等物による置き換えが可能である。

有効な例としてウェアラブルシステムにおける眼鏡として説明したが、本発明の導波路と関連する構造およびモジュールは、ウェアラブルでないディスプレイを形成するのに適用することができる。例えば、ウェアラブルなフレーム６４（図２）に取り付けられるのではなく、ディスプレイ６２は、スタンド、埋め込み、またはディスプレイ６２を支持し、観者６０が身につけなくてもディスプレイ６２が観者６０に画像を提供できるようにするその他の構造に（例えばデスクトップモニターとして）取り付けてもよい。

ある実施形態で、所定の図を引用して本明細書中で説明した様々な特徴は、他の図を引用して説明した実施形態でも用いることができる。例えば、図９Ｂを参照して、図１０Ｂおよび図１０Ｃのカラーフィルタ１０１３ａ、１０１３ｂのようなカラーフィルタを、それぞれ出力結合光学素子９０９ａ、９０９ｂと導波路９０５との間に設けてもよい。同様に、図１１Ａを参照して、図１０Ｂおよび図１０Ｃのカラーフィルタ１０１３ａ、１０１３ｂのようなカラーフィルタを、出力結合光学素子１２１４、１２２４、１２３４と対応する導波路１２１０、１２２０、１２３０との間に設けてもよい。各々の出力結合光学素子において、素子を対応する導波路から分離するカラーフィルタは、出力結合光学素子が出力結合するよう構成されている波長または波長の光を伝送し、他の波長の光を反射するよう構成されると好ましい。

加えて、特定の状況、材料、物質組成、方法、行為またはステップを、本発明の目的、精神または範囲に合わせるための多くの変更が可能である。さらに、本明細書に記載し説明した個々のバリエーションが、本発明の範囲または精神から離れることなく他の実施形態の特徴と容易に分離または結合可能な独立した構成要素および特徴を有していることが、当業者には認められるだろう。これらすべての変更は、本発明にかかる特許請求の範囲に含まれるべきものである。

本発明は、対象機器を用いて実行される方法を含む。この方法は、このように好適な機器を提供する方法を含む。提供する行為は、エンドユーザが実行してもよい。言い換えると、「提供(providing)」行為は単に、対象方法における必須の機器に対してユーザが、取得し、アクセスし、近接し、位置し、セットアップし、有効化し、電源を入れ、またはその他の行為を行うことであればよい。本明細書に記載の方法は、記載した事象の順の他に、事象について論理的に可能などのような順でも行うことができる。

材料の選択および製造に関する詳細とともに、発明の態様の例をここまで記載してきた。本発明の他の詳細については、当業者に広く知られ理解されることに加え、本明細書で引用した特許および文献に関連して理解することができる。本発明の方法ベースの態様に共通的または論理的に適用される追加行為についても同様のことが言える。

加えて、種々の特徴を選択的に有するいくつかの例を参照して発明を説明してきたが、発明は、これらそれぞれのバリエーションについて想定されるものと説明し示したものに限定されない。本発明の精神および範囲から何ら離れることなく、本発明への様々な変更が可能であり、均等物（本明細書に記載されているか長さの都合で含まれていないかにかかわらず）により置き換えることができる。加えて、数値範囲を述べた箇所においては、すべての中間値、その範囲の上限と下限との間の値、およびその範囲において記載された他の中間値が、発明に内包される。

また、記載された発明のバリエーションにおける任意の特徴は、単独で、または本明細書に記載の１以上のいかなる特徴との組み合わせにおいても、説明し権利範囲とすることが想定可能である。単数形での記載は、同じ物が複数存在する可能性を含む。より具体的には、本明細書で使用され関連して請求項でも使用される単数形「a」、「an」、「said」および「the」は、明示的に反対の記載がなければ、複数のものも含む。言い換えると、本明細書および関連する請求項における「少なくとも１つの」対象物を複数用いてもよい。さらに、任意な要素を 除外する請求項が記載されてもよい。このように、この記載は、請求項の構成要件の記載における「solely」「only」などの排他的な用語の使用、または「消極的」限定の使用の先行例として働くことを意図したものである。

このように排他的な用語の使用なく、本明細書に関連する請求項における用語「comprising」は、要素の数がその請求項に規定されているか否かにかかわらず、要素の追加を許容し得るものであり、特徴の追加はその請求項における要素の本質を変更するものと考えられる。本明細書に明示的に規定されている場合を除き、本明細書で用いられるすべての技術的および学術的用語は、請求項の有効性を維持する限り広く一般に理解される意味を有するものとする。

本発明の範囲は本明細書および／または記載した例に限定されるものではなく、本明細書に関連する請求項の文言の範囲によってのみ規定される。

Claims (22)

1. 導波路群を形成する複数の導波路を備える光学システムであって、
   各導波路は第１の主面と第２の主面とを備え、各導波路は前記第１の主面及び前記第２の主面の間で全反射により光を伝搬するよう構成され、少なくとも１つの導波路はその他の導波路と異なる開き角で光を出力し、異なる開き角は異なる深度面と関連し、
   各導波路は、
   入射光を第１の複数の波長で第１の方向に沿って前記導波路に入力結合し、入射光を１以上の第２の波長で第２の方向に沿って前記導波路に入力結合するよう構成された入力結合光学素子であって、前記第１の複数の波長の入力結合された光は全反射により前記第１の方向に沿って前記導波路を通って伝搬し、前記１以上の第２の波長の入力結合された光は全反射により前記第２の方向に沿って前記導波路を通って伝搬する、入力結合光学素子と、
   前記第１の複数の波長の前記入力結合された光を前記導波路から出力結合し、出力結合された光を前記導波路と関連する深度面に対する開き角で出力するよう構成された第１の出力結合光学素子と、
   前記１以上の第２の波長の前記入力結合された光を前記導波路から出力結合し、出力結合された光を前記導波路と関連する特定の深度面に対する開き角で出力するよう構成された第２の出力結合光学素子と、
   前記入力結合光学素子と前記第１の出力結合光学素子との間で前記第１の方向に伝搬する光の経路内の第１の波長選択フィルタであって、吸収型フィルタを含むか、又は前記第１の方向に沿って伝搬する前記第１の複数の波長の入力結合された光を反射し、前記第１の複数の波長以外の波長の光を通すよう構成される第１の波長選択フィルタと、
   前記入力結合光学素子と前記第２の出力結合光学素子との間で前記第２の方向に伝搬する光の経路内の第２の波長選択フィルタであって、吸収型フィルタを含むか、又は前記第２の方向に沿って伝搬する前記１以上の第２の波長の入力結合された光を反射し、前記１以上の第２の波長以外の波長の光を通すよう構成される第２の波長選択フィルタと、
   を更に備える、光学システム。
2. 前記入力結合光学素子は、１以上の回折光学素子を含む、請求項１に記載の光学システム。
3. 前記１以上の回折光学素子は、１以上のアナログ表面レリーフ格子（ＡＳＲ）、バイナリ表面レリーフ構造（ＢＳＲ）、ホログラム、及び切り替え可能な回折光学素子を備える、請求項２に記載の光学システム。
4. 前記切り替え可能な回折光学素子は、切り替え可能な高分子分散型液晶（ＰＤＬＣ）の格子である、請求項３に記載の光学システム。
5. 各導波路は、
   前記第１の波長選択フィルタを通る入力結合された光を吸収するよう構成された第１の吸収器と、
   前記第２の波長選択フィルタを通る入力結合された光を吸収するよう構成された第２の吸収器と、を更に備える、請求項１に記載の光学システム。
6. 前記第１および第２の波長選択フィルタは、２色性フィルタである、請求項１に記載の光学システム。
7. 前記第１の複数の波長の光は、赤色光と青色光とを含む、請求項１に記載の光学システム。
8. 前記１以上の第２の波長の光は、緑色光を含む、請求項１に記載の光学システム。
9. 各導波路は、
   前記第１の方向に沿って進む前記第１の複数の波長の入力結合された光を受け、前記第１の複数の波長の光を前記第１の出力結合光学素子に分配するよう構成された第１の光分配素子と、
   前記第２の方向に沿って進む前記１以上の第２の波長の入力結合された光を受け、前記１以上の第２の波長の光を前記第２の出力結合光学素子に分配するよう構成された第２の光分配素子と、を更に備える、請求項１に記載の光学システム。
10. 前記第１および第２の光分配素子は、１以上の回折光学素子を備える、請求項９に記載の光学システム。
11. 前記１以上の回折光学素子は、１以上の格子を備える、請求項１０に記載の光学システム。
12. 前記第１の光分配素子は、前記第２の光分配素子が前記１以上の第２の波長の光について変えるよう構成される方向とは異なる方向に沿って前記導波路内を伝搬するように前記第１の複数の波長の光の方向を変えるよう構成される、請求項９に記載の光学システム。
13. 前記第１の光分配素子は、前記導波路内を伝搬する前記第１の複数の波長の光の方向を前記第２の方向に変えるよう構成され、前記第２の光分配素子は、前記導波路内を伝搬する前記１以上の第２の波長の光の方向を前記第１の方向に変えるよう構成される、請求項１２に記載の光学システム。
14. 前記第１および第２の光分配素子は、直交瞳エキスパンダである、請求項９に記載の光学システム。
15. 前記第１の出力結合光学素子の１以上の格子は前記導波路の前記第１の主面に設けられ、前記第２の出力結合光学素子の１以上の格子は前記導波路の前記第２の主面に設けられる、請求項１に記載の光学システム。
16. 前記第１の出力結合光学素子の１以上の格子および前記第２の出力結合光学素子の１以上の格子は、前記導波路の同一の主面に設けられる、請求項１に記載の光学システム。
17. 前記第１の出力結合光学素子の１以上の格子は、１以上のアナログ表面レリーフ格子（ＡＳＲ）、バイナリ表面レリーフ構造（ＢＳＲ）、ホログラム、および切り替え可能な回折光学素子を備える、請求項１に記載の光学システム。
18. 前記切り替え可能な回折光学素子は、切り替え可能な高分子分散型液晶（ＰＤＬＣ）の格子を備える、請求項１７の光学システム。
19. 導波路群を形成する複数の導波路を備える光学システムであって、
    各導波路は第１の主面と第２の主面とを備え、各導波路は前記第１の主面及び前記第２の主面の間で全反射により光を伝搬するよう構成され、少なくとも１つの導波路はその他の導波路と異なる開き角で光を出力し、異なる開き角は異なる深度面と関連し、
    各導波路は、
    第１の複数の波長の入力結合された入射光が第１の方向に沿って全反射により前記導波路内を伝搬するように入射光を前記第１の複数の波長で前記導波路に入力結合し、１以上の第２の波長の入力結合された入射光が第２の方向に沿って全反射により前記導波路内を伝搬するように入射光を前記１以上の第２の波長で前記導波路に入力結合するよう構成された入力結合光学素子と、
    前記第１の方向に沿って前記導波路を通って伝搬する前記第１の複数の波長の前記入力結合された光を前記導波路から出力結合し、前記出力結合された光を前記導波路と関連する特定の深度面に対する開き角で出力するよう構成された第１の出力結合光学素子と、
    前記第２の方向に沿って前記導波路を通って伝搬する前記１以上の第２の波長の前記入力結合された光を前記導波路から出力結合し、前記出力結合された光を前記導波路と関連する特定の深度面に対する開き角で出力するよう構成された第２の出力結合光学素子と、
    前記入力結合光学素子と前記第１の出力結合光学素子との間で前記第１の方向に伝搬する光の経路内の第１の波長選択フィルタであって、吸収型フィルタを含むか、又は前記第１の方向に沿って伝搬する前記第１の複数の波長の入力結合された光を反射し、前記第１の複数の波長以外の波長の光を通すよう構成される第１の波長選択フィルタと、
    前記入力結合光学素子と前記第２の出力結合光学素子との間で前記第２の方向に伝搬する光の経路内の第２の波長選択フィルタであって、吸収型フィルタを含むか、又は前記第２の方向に沿って伝搬する前記１以上の第２の波長の入力結合された光を反射し、前記１以上の第２の波長以外の波長の光を通すよう構成される第２の波長選択フィルタと、
    を更に備える、光学システム。
20. 各導波路は関連づけられた深度面を有し、各導波路は前記関連づけられた深度面に由来するように見える像を生成するよう構成される、請求項１９に記載の光学システム。
21. 異なる導波路は、異なる関連づけられた深度面を有する、請求項１９に記載の光学システム。
22. 異なる深度面に対する前記第１の出力結合光学素子及び前記第２の出力結合光学素子は、異なる屈折力を有し、各々の深度面について出る光の開き角が異なる、請求項２１に記載の光学システム。

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