JP2022140589A - 偏光変換に基づく可変焦点画像デバイス - Google Patents

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Abstract

【課題】好適な偏光変換に基づく可変焦点画像デバイスを提供すること。【解決手段】例示的ディスプレイデバイスは、導波管の主要表面と平行方向に全内部反射下で可視光を伝搬するように構成される、導波管を含む。導波管は、その上に形成された、導波管の主要表面に対する法線の方向に可視光の一部を外部結合するように構成される、外部結合要素を有する。例示的ディスプレイデバイスは、加えて、導波管の第１の側に配置され、第２の偏光を有する可視光の一部を透過させながら、第１の偏光を有する可視光を反射させるように構成される、偏光選択的ノッチ反射体を含む。例示的ディスプレイデバイスはさらに、導波管の第２の側に配置され、第１の偏光および第２の偏光を有する可視光を反射させるように構成される、偏光無依存ノッチ反射体を含み、偏光無依存ノッチ反射体は、そこから反射する可視光の偏光を変換するように構成される。【選択図】図２５Ａ

Description

（参照による援用）
本願は、２０１７年２月２３日に出願され“ＶＡＲＩＡＢＬＥ－ＦＯＣＵＳ ＶＩＲＴＵＡＬ ＩＭＡＧＥ ＤＥＶＩＣＥＳ”と題された米国仮特許出願第６２／４６２，８５０号の利益を主張するものであり、該米国仮特許出願は、その全体が参照により本明細書中に援用される。この仮特許出願は、以下のセクションを含み、これらの両方が、参照により援用され、本願の一部を形成している。
１．セクションＩ：“ＤＩＳＰＬＡＹ ＳＹＳＴＥＭ ＷＩＴＨ ＶＡＲＩＡＢＬＥ ＰＯＷＥＲ ＲＥＦＬＥＣＴＯＲ”（「可変屈折力反射体を有するディスプレイシステム」）と題された出願の部分に対する明細書および図面
２．セクションＩＩ：“ＶＡＲＩＡＢＬＥ－ＦＯＣＵＳ ＶＩＲＴＵＡＬ ＩＭＡＧＥ ＤＥＶＩＣＥＳ ＢＡＳＥＤ ＯＮ ＰＯＬＡＲＩＺＡＴＩＯＮ ＣＯＮＶＥＲＳＩＯＮ”（「偏光変換に基づく可変焦点仮想画像デバイス」）と題された明細書および図面
セクションＩおよびセクションＩＩの両方は、可変焦点または可変屈折力デバイスおよびこれらのデバイスに関連付けられた特徴を議論しており、両セクションは、本願の議論の一部を等しく形成している。したがって、セクションＩに議論されている種々の特徴、要素、構造、方法等は、任意の組み合わせにおいて、セクションＩＩに議論されている特徴、要素、構造、方法等とともに用いられ得、組み合わされ得、組み込まれ得、または、別様にこれらと両立し得る。同様に、セクションＩＩに議論されている種々の特徴、要素、構造、方法等は、任意の組み合わせにおいて、セクションＩにおいて議論されている特徴、要素、構造、方法等とともに用いられ得、組み合わされ得、組み込まれ得、または、別様に両立し得る。
本願はまた、以下の特許出願の各々の全体を参照により援用するものである：米国出願第１４／５５５，５８５号（出願日２０１４年１１月２７日）；米国出願第１４／６９０，４０１号（出願日２０１５年４月１８日）；米国出願第１４／２１２，９６１号（出願日２０１４年３月１４日）；および米国出願第１４／３３１，２１８号（出願日２０１４年７月１４日）。
（分野）
本開示は、ディスプレイシステムに関し、より具体的には、少なくとも部分的に偏光変換に基づく回折デバイス備える、拡張現実ディスプレイシステムに関する。
現代のコンピューティングおよびディスプレイ技術は、いわゆる「仮想現実」または「拡張現実」体験のためのシステムの開発を促進しており、デジタル的に再現された画像またはその一部が、現実であるように見える、またはそのように知覚され得る様式でユーザに提示される。仮想現実、すなわち、「ＶＲ」シナリオは、典型的には、他の実際の実世界の視覚的入力に対する透過性を伴わずに、デジタルまたは仮想画像情報の提示を伴い、拡張現実または「ＡＲ」シナリオは、典型的には、ユーザの周囲の実際の世界の可視化に対する拡張としてのデジタルまたは仮想画像情報の提示を伴う。複合現実または「ＭＲ」シナリオは、一種のＡＲシナリオであって、典型的には、自然世界の中に統合され、それに応答する、仮想オブジェクトを伴う。例えば、ＭＲシナリオでは、ＡＲ画像コンテンツは、実世界内のオブジェクトによってブロックされて見える、または別様にそれと相互作用するように知覚され得る。
図１を参照すると、拡張現実場面１が、描写され、ＡＲ技術のユーザには、人々、木々、背景における建物、およびコンクリートプラットフォーム１１２０を特徴とする、実世界公園状設定１１００が見える。これらのアイテムに加え、ＡＲ技術のユーザはまた、これらの要素１１３０、１１１０が実世界内に存在しないにもかかわらず、実世界プラットフォーム１１２０上に立っているロボット像１１１０と、マルハナバチの擬人化のように見える、飛んでいる漫画のようなアバタキャラクタ１１３０等の「仮想コンテンツ」を「見ている」と知覚する。ヒトの視知覚系は、複雑であって、他の仮想または実世界画像要素間における仮想画像要素の快適で、自然のような感覚で、かつ豊かな提示を促進する、ＡＲ技術の生産は、困難である。
本明細書に開示されるシステムおよび方法は、ＡＲまたはＶＲ技術に関連する種々の課題に対処する。
本願は、可変屈折力を提供するために採用され得る、システムおよび方法の議論を含む。可変焦点または可変屈折力デバイスは、画像が異なる深度から生じた場合のように画像を投影する、特定の頭部搭載型ディスプレイデバイスにおいて用途を見出し得る。頭部搭載型ディスプレイデバイス内の光学要素の屈折力を変化させることによって、頭部搭載型ディスプレイデバイスの装着者に提示される画像は、装着者から異なる距離に位置した場合のように見える。可変焦点または可変屈折力光学デバイスは、したがって、画像コンテンツがユーザに対して異なる場所に位置する場合のように、異なる画像コンテンツを表示させるように変調されることができる。いくつかの可変屈折力要素は、可動膜を備える、反射体を備える。他の可変屈折力要素は、切替可能液晶要素を使用して屈折力レベルを切り替え得る、液晶切替可能デバイスを備える。本明細書に説明されるいくつかの可変焦点デバイスは、光の偏光性質を利用し、１つの焦点から別の焦点に切り替わることを促進する。
ある側面では、ディスプレイデバイスは、導波管の主要表面と平行方向に全内部反射下で可視光を伝搬するように構成される、導波管と、導波管上に形成され、導波管の主要表面に対する法線の方向に可視光の一部を外部結合するように構成される、外部結合要素とを備える。ディスプレイデバイスは、加えて、導波管の第１の側に配置され、第２の偏光を有する可視光の一部を透過させながら、第１の偏光を有する可視光を反射させるように構成される、偏光選択的ノッチ反射体を備える。ディスプレイデバイスはさらに、導波管の第２の側に配置され、第１の偏光を有する可視光および第２の偏光を有する可視光を反射させるように構成される、偏光無依存ノッチ反射体を備え、偏光無依存ノッチ反射体は、そこから反射する可視光の偏光を変換するように構成される。
別の側面では、ディスプレイデバイスは、第１の切替可能レンズと第２の切替可能レンズとの間に介在される導波デバイスを備え、導波デバイスは、それぞれ、複数のキラル構造を備える、１つ以上のコレステリック液晶（ＣＬＣ）層を備え、各キラル構造は、層深度方向に延在し、第１の回転方向に連続的に回転される、複数の液晶分子を備え、キラル構造の液晶分子の配列は、１つ以上のＣＬＣ層が入射光をブラッグ反射させるように構成されるように、層深度方向と垂直な側方方向に周期的に変動する。導波デバイスは、加えて、１つ以上のＣＬＣ層にわたって形成され、導波管の主要表面と平行方向に全内部反射（ＴＩＲ）下で可視光を伝搬するように、かつ可視光を、１つ以上のＣＬＣ層に、またはそこから光学的に結合するように構成される、１つ以上の導波管を含む。
別の側面では、画像をユーザの眼に表示するように構成されるディスプレイデバイスは、光学ディスプレイを備える。光学ディスプレイは、前方側と、後方側とを有し、後方側は、前方側よりもユーザの眼に近い。光学ディスプレイは、後方側に向かって波長範囲を有する光を出力するように構成される。第１のノッチ反射体は、光学ディスプレイの後方に配置され、第１のノッチ反射体は、光学ディスプレイから出力される、波長範囲を有する光を反射させるように構成される。第２のノッチ反射体は、光学ディスプレイの前方に配置され、第２のノッチ反射体は、波長範囲を有する光を反射させるように構成される。第１のノッチ反射体は、第１の偏光を有する光を実質的に透過させ、第１の偏光と異なる第２の偏光を有する光を実質的に反射させるように構成される。第２のノッチ反射体は、第２の偏光を有する、後方面上に入射する光を、第１の偏光に変換するように、かつ光を後方に再指向するように構成される。
別の側面では、動的集束ディスプレイシステムは、第１の円偏光状態で円偏光を出力するように構成される、ディスプレイを備える。ディスプレイは、光学軸に沿って配置され、前方側と、後方側とを有し、後方側は、前方側よりもユーザの眼に近く、光学ディスプレイは、後方側に向かって波長範囲を有する光を出力するように構成される。第１の切替可能光学要素は、光学軸に沿って配置され、第１の切替可能光学要素は、第１の切替可能光学要素を通して透過される光の円偏光状態を、第１の円偏光状態から第２の異なる円偏光状態に変化させるように構成される。第１のコレステリック液晶（ＣＬＣ）レンズは、光学軸に沿って第１の切替可能光学要素の前方に配置される。第２の切替可能光学要素は、光学軸に沿って第１のＣＬＣレンズの前方に配置され、第２の切替可能光学要素は、第２の切替可能光学要素を通して透過される光の円偏光状態を、第１の円偏光状態から第２の異なる円偏光状態に変化させるように構成される。第２のＣＬＣレンズは、光学軸に沿って第２の切替可能光学要素の前方に配置される。コントローラは、第１および第２の切替可能光学要素の状態を電子的に切り替え、第１のＣＬＣレンズまたは第２のＣＬＣレンズのいずれかを動的に選択するように構成される。
別の側面では、ウェアラブル拡張現実頭部搭載型ディスプレイシステムは、頭部搭載型システムを装着した装着者の前方の世界から装着者の眼の中に光を通過させるように構成される。ウェアラブル拡張現実頭部搭載型ディスプレイシステムは、光を出力し、画像を形成するように構成される、光学ディスプレイと、該ディスプレイから該光を受光するように配置される、１つ以上の導波管と、該１つ以上の導波管が、前方側と、後方側とを有し、該後方側が、該前方側よりも該眼に近いように、該眼の前方に導波管を配置するように構成される、フレームと、該１つ以上の導波管の該前方側に配置される、コレステリック液晶（ＣＬＣ）反射体であって、該ＣＬＣ反射体は、電気信号の印加に応じて調節可能である、屈折力または焦点深度を有するように構成される、ＣＬＣ反射体と、１つ以上の導波管から光を抽出し、該導波管内で伝搬する該光の少なくとも一部をＣＬＣ反射体に指向するように、該１つ以上の導波管に対して配置される、１つ以上の外部結合要素であって、該光は、ディスプレイからの画像を装着者の眼の中に提示するように、該ＣＬＣ反射体から該導波管を通して戻るように、かつ該眼の中に指向される、１つ以上の外部結合要素とを備える。
別の側面では、ディスプレイデバイスは、導波管の主要表面と平行方向に全内部反射下で可視光を伝搬するように、かつ主要表面に対する法線の方向に可視光を外部結合するように構成される、導波管を備える。ノッチ反射体は、第１の偏光を有する可視光を反射させるように構成され、ノッチ反射体は、１つ以上のコレステリック液晶（ＣＬＣ）層を備え、ＣＬＣ層はそれぞれ、複数のキラル構造を備え、キラル構造はそれぞれ、層深度方向に延在し、第１の回転方向に連続的に回転される、複数の液晶分子を備え、キラル構造の液晶分子の配列は、１つ以上のＣＬＣ層が入射光をブラッグ反射させるように構成されるように、層深度方向と垂直な側方方向に周期的に変動する。
本明細書に説明される主題の１つ以上の実装の詳細は、付随の図面および下記の説明に記載される。他の特徴、側面、および利点は、説明、図面、および請求項から明白となるであろう。本概要または以下の詳細な説明のいずれも、本発明主題の範囲を定義または限定することを主張するものではない。
本発明は、例えば、以下を提供する。
（項目１）
ディスプレイデバイスであって、
導波管の主要表面と平行方向に全内部反射下で可視光を伝搬するように構成される導波管と、
外部結合要素であって、前記外部結合要素は、前記導波管上に形成され、前記導波管の主要表面に対する法線の方向に前記可視光の一部を外部結合するように構成される、外部結合要素と、
偏光選択的ノッチ反射体であって、前記偏光選択的ノッチ反射体は、前記導波管の第１の側に配置され、第２の偏光を有する可視光を透過させながら、第１の偏光を有する可視光を反射させるように構成される、偏光選択的ノッチ反射体と、
偏光無依存ノッチ反射体であって、前記偏光無依存ノッチ反射体は、前記導波管の第２の側に配置され、前記第１の偏光を有する可視光および前記第２の偏光を有する可視光を反射させるように構成され、前記偏光無依存ノッチ反射体は、そこから反射する可視光の偏光を変換するように構成される、偏光無依存ノッチ反射体と
を備える、ディスプレイデバイス。
（項目２）
前記偏光選択的ノッチ反射体および前記偏光無依存ノッチ反射体はそれぞれ、波長範囲外の波長を有する光を透過させながら、赤色、緑色、または青色光のうちの１つに対応する波長範囲内の波長を有する可視光を反射させるように構成される、項目１に記載のディスプレイデバイス。
（項目３）
前記偏光選択的ノッチ反射体は、１つ以上のコレステリック液晶（ＣＬＣ）層を備える、項目１に記載のディスプレイデバイス。
（項目４）
前記１つ以上のＣＬＣ層はそれぞれ、複数のキラル構造を備え、
前記キラル構造はそれぞれ、複数の液晶分子を備え、前記複数の液晶分子は、少なくとも螺旋ピッチによって、層深度方向に延在し、第１の回転方向に連続的に回転され、
前記螺旋ピッチは、前記第１の回転方向における完全１回転による前記キラル構造の液晶分子の正味回転角度に対応する前記層深度方向における長さであり、
前記キラル構造の液晶分子の配列は、前記層深度方向と垂直な側方方向に周期的に変動する、
項目３に記載のディスプレイデバイス。
（項目５）
前記第１の偏光は、第１の円偏光であり、前記第２の偏光は、第２の円偏光である、項目３に記載のディスプレイデバイス。
（項目６）
第１の４分の１波長板と、第２の４分の１波長板とをさらに備え、前記偏光無依存ノッチ反射体は、前記第１の４分の１波長板と前記導波管との間に介在され、前記偏光選択的ノッチ反射体は、前記導波管と前記第２の４分の１波長板との間に介在される、項目１に記載のディスプレイデバイス。
（項目７）
第１の線形偏光レンズと、第２の線形偏光レンズとをさらに備え、前記第１の４分の１波長板は、前記第１の線形偏光レンズと前記偏光無依存ノッチ反射体との間に介在され、前記第２の４分の１波長板は、前記偏光選択的ノッチ反射体と前記第２の線形偏光レンズとの間に介在される、項目６に記載のディスプレイデバイス。
（項目８）
前記偏光無依存ノッチ反射体および前記偏光選択的ノッチ反射体の外側に配置される、第１のパンチャラトナムベリー（ＰＢ）レンズと、第２のパンチャラトナムベリー（ＰＢ）レンズとをさらに備える、項目１に記載のディスプレイデバイス。
（項目９）
前記偏光無依存ノッチ反射体と前記導波管との間に介在される第１の４分の１波長板をさらに備える、項目１に記載のディスプレイデバイス。
（項目１０）
第２の４分の１波長板をさらに備え、前記偏光無依存ノッチ反射体は、前記第１の４分の１波長板と前記第２の４分の１波長板との間に介在される、項目９に記載のディスプレイデバイス。
（項目１１）
第１の線形偏光レンズと、第２の線形偏光レンズとをさらに備え、前記第１の４分の１波長板は、前記第１の線形偏光レンズと前記偏光無依存ノッチ反射体との間に介在され、前記偏光選択的ノッチ反射体は、前記導波管と前記第２の線形偏光レンズとの間に介在される、項目１０に記載のディスプレイデバイス。
（項目１２）
前記偏光無依存ノッチ反射体および前記偏光選択的ノッチ反射体の外側に配置される第１のパンチャラトナムベリー（ＰＢ）レンズと、第２のパンチャラトナムベリー（ＰＢ）レンズと、前記第２のＰＢレンズと前記偏光選択的ノッチ反射体との間に介在される第２の４分の１波長板とをさらに備える、項目９に記載のディスプレイデバイス。
（項目１３）
画像をユーザの眼に表示するように構成されるディスプレイデバイスであって、前記ディスプレイデバイスは、
光学ディスプレイであって、前記光学ディスプレイは、前方側と、後方側とを備え、前記後方側は、前記前方側よりも前記ユーザの眼に近く、前記光学ディスプレイは、前記後方側に向かって波長範囲を有する光を出力するように構成される、光学ディスプレイと、
前記光学ディスプレイの後方に配置される第１のノッチ反射体であって、前記第１のノッチ反射体は、前記光学ディスプレイから出力される前記波長範囲を有する光を反射させるように構成される、第１のノッチ反射体と、
前記光学ディスプレイの前方に配置される第２のノッチ反射体であって、前記第２のノッチ反射体は、前記波長範囲を有する光を反射させるように構成される、第２のノッチ反射体と
を備え、
前記第１のノッチ反射体は、第１の偏光を有する光を実質的に透過させ、前記第１の偏光と異なる第２の偏光を有する光を実質的に反射させるように構成され、
前記第２のノッチ反射体は、前記第２の偏光を有する後方面上に入射する光を前記第１の偏光に変換するように、かつ、前記光を後方に再指向するように構成される、
ディスプレイデバイス。
（項目１４）
前記第１のノッチ反射体は、コレステリック液晶（ＣＬＣ）格子（ＣＬＣＧ）を備える、項目１３に記載のディスプレイデバイス。
（項目１５）
前記第１のノッチ反射体は、多層を備え、前記第２のノッチ反射体は、非偏光ノッチ反射体と、４分の１波長板とを備える、項目２３に記載のディスプレイデバイス。
（項目１６）
前記第１のノッチ反射体の後方に配置される第１の可変焦点レンズと、前記第２のノッチ反射体の前方に配置される第２の可変焦点レンズとをさらに備え、前記第２の可変焦点レンズの第２の光学特性は、前記第１の可変焦点レンズの第１の光学特性を補償する、項目１３に記載のディスプレイデバイス。
（項目１７）
前記第１の可変焦点レンズおよび前記第２の可変焦点レンズはそれぞれ、線形偏光レンズを備える、項目１６に記載のディスプレイデバイス。
（項目１８）
前記第１の可変焦点レンズおよび前記第２の可変焦点レンズはそれぞれ、パンチャラトナムベリー（ＰＢ）位相レンズを備える、項目１６に記載のディスプレイデバイス。
（項目１９）
前記ＰＢ位相レンズによって導入される空間オフセットを補償するように構成される空間オフセット補償器をさらに備える、項目１８に記載のディスプレイデバイス。
（項目２０）
ディスプレイデバイスであって、
導波管であって、前記導波管は、前記導波管の主要表面と平行方向に全内部反射下で可視光を伝搬するように、かつ、前記主要表面に対する法線の方向に前記可視光を外部結合するように構成される、導波管と、
第１の偏光を有する可視光を反射させるように構成されるノッチ反射体であって、前記ノッチ反射体は、１つ以上のコレステリック液晶（ＣＬＣ）層を備え、前記ＣＬＣ層はそれぞれ、複数のキラル構造を備え、前記キラル構造はそれぞれ、複数の液晶分子を備え、前記複数の液晶分子は、層深度方向に延在し、第１の回転方向に連続的に回転され、前記キラル構造の液晶分子の配列は、前記１つ以上のＣＬＣ層が入射光をブラッグ反射させるように構成されるように、前記層深度方向と垂直な側方方向に周期的に変動する、ノッチ反射体と
を備える、ディスプレイデバイス。
（項目２１）
前記導波管は、選択的に前記ノッチ反射体に向かって前記可視光を外部結合するように構成される、項目２０に記載のディスプレイデバイス。
（項目２２）
前記ノッチ反射体は、変形可能ミラーを備え、前記変形可能ミラーは、その上に形成された前記１つ以上のＣＬＣ層を有する、項目２０に記載のディスプレイデバイス。
（項目２３）
前記１つ以上のＣＬＣ層のうちの異なるものは、波長範囲外の波長を有する光を透過させるように構成されながら、赤色、緑色、または青色光のうちの異なるものに対応する波長範囲内の波長を有する可視光を反射させるように構成される、項目２０に記載のディスプレイデバイス。
（項目２４）
前記ＣＬＣ層のキラル構造はそれぞれ、少なくとも螺旋ピッチによって、層深度方向に延在する複数の液晶分子を備え、前記１つ以上のＣＬＣ層のうちの異なるものは、異なる螺旋ピッチを有する、項目２０に記載のディスプレイデバイス。
（項目２５）
前記１つ以上のＣＬＣ層のうちの異なるものは、実質的に同一の屈折力を有する、項目２０に記載のディスプレイデバイス。
（項目２６）
前記ディスプレイデバイスは、複数のノッチ反射体を備え、前記ノッチ反射体はそれぞれ、第１の偏光を有する可視光を反射させるように構成され、前記ノッチ反射体はそれぞれ、１つ以上のコレステリック液晶（ＣＬＣ）層を備え、前記ＣＬＣ層はそれぞれ、複数のキラル構造を備え、前記キラル構造はそれぞれ、複数の液晶分子を備え、前記複数の液晶分子は、層深度方向に延在し、第１の回転方向に連続的に回転され、前記キラル構造の液晶分子の配列は、１つ以上のＣＬＣ層が入射光をブラッグ反射させるように構成されるように、前記層深度方向と垂直な側方方向に周期的に変動する、項目２０に記載のディスプレイデバイス。
（項目２７）
前記複数のノッチ反射体のうちの異なるものは、異なる屈折力を有する、項目２６に記載のディスプレイデバイス。
（項目２８）
前記複数のノッチ反射体のうちのそれぞれに対応する２分の１波長板をさらに備える、項目２６に記載のディスプレイデバイス。
図１は、ＡＲデバイスを通した拡張現実（ＡＲ）のユーザのビューを図示する。
図２は、ウェアラブルディスプレイシステムの実施例を図示する。
図３は、ユーザのための３次元画像をシミュレートするための従来のディスプレイシステムを図示する。
図４は、複数の深度平面を使用して３次元画像をシミュレートするためのアプローチの側面を図示する。
図５Ａ－５Ｃは、曲率半径と焦点半径との間の関係を図示する。
図６は、画像情報をユーザに出力するための導波管スタックの実施例を図示する。
図７は、導波管によって出力された出射ビームの実施例を図示する。
図８は、スタックされた導波管アセンブリの実施例を図示し、各深度平面は、複数の異なる原色を使用して形成される画像を含む。
図９Ａは、それぞれ、内部結合光学要素を含む、スタックされた導波管のセットの実施例の断面側面図を図示する。
図９Ｂは、図９Ａの複数のスタックされた導波管の実施例の斜視図を図示する。
図９Ｃは、図９Ａおよび９Ｂの複数のスタックされた導波管の実施例の上下平面図を図示する。
図１０は、複数の均一キラル構造を有する、コレステリック液晶回折格子（ＣＬＣＧ）の実施例の断面側面図を図示する。
図１１は、側方方向に異なるように配列されるキラル構造を有する、ＣＬＣＧの実施例の断面側面図を図示する。
図１２は、軸外入射角でブラッグ反射させるために構成される、ＣＬＣ層の実施例の断面側面図を図示する。
図１３Ａは、第１の螺旋ピッチを有し、第１の軸外入射角でブラッグ反射させるために構成される、ＣＬＣ層の実施例の断面側面図を図示する。
図１３Ｂは、第２の螺旋ピッチを有し、第２の軸外入射角でブラッグ反射させるために構成される、ＣＬＣ層の実施例の断面側面図を図示する。
図１３Ｃは、複数の軸外入射角および高回折帯域幅でブラッグ反射させるために、スタックされた構成において異なる螺旋ピッチを有する、図１３Ａおよび１３ＢのＣＬＣ層を含む、ＣＬＣＧの実施例の断面側面図を図示する。
図１４は、複数の軸外入射角および高回折帯域幅でブラッグ反射させるために、深度方向に沿って異なる螺旋ピッチを伴う垂直領域を有する、ＣＬＣ層を含む、ＣＬＣＧの実施例の断面側面図を図示する。
図１５は、ブラッグ反射を空間的に変動させるために、側方方向に沿って異なる螺旋ピッチを伴う側方領域を有する、ＣＬＣ層を含む、ＣＬＣＧの実施例の断面側面図を図示する。
図１６は、ＣＬＣＧに結合され、全内部反射（ＴＩＲ）によって、光を伝搬するように構成される、導波管を備える、光学導波デバイスの実施例を図示する。
図１７Ａは、ＣＬＣＧに結合され、全内部反射（ＴＩＲ）によって、ある波長を有する光を選択的に伝搬するように構成される、導波管を備える、光学導波デバイスの実施例を図示する。
図１７Ｂは、同一光学経路内の複数の光学導波デバイスの実施例を図示し、それぞれ、ＣＬＣＧに結合され、全内部反射（ＴＩＲ）によって、ある波長を有する光を選択的に伝搬するように構成される、導波管を備える。
図１７Ｃは、同一光学経路内の複数の光学導波デバイスの実施例を図示し、それぞれ、ＣＬＣＧに結合され、全内部反射（ＴＩＲ）によって、ある波長を有する光を選択的に伝搬するように構成される、導波管を備える。
図１８は、複数のＣＬＣＧに結合され、全内部反射（ＴＩＲ）によって、複数の波長を有する光を選択的に伝搬するように構成される、共通導波管を備える、光学導波デバイスの実施例を図示する。
図１９は、ＣＬＣＧに結合され、全内部反射（ＴＩＲ）によって、光を伝搬するように構成される、導波管を備える、光学導波デバイスの実施例を図示する。
図２０は、ＣＬＣＧおよび偏光変換反射体に結合される、導波管を備える、光学導波デバイスの実施例を図示し、ＣＬＣＧは、入射光を受光するように構成され、導波管は、全内部反射（ＴＩＲ）によって、ＣＬＣＧからブラッグ反射された光を伝搬するように構成される。
図２１Ａは、図２０の光学導波デバイスを図示し、ＣＬＣＧは、線形偏光または非偏光である入射光を受光するように構成され、導波管は、全内部反射（ＴＩＲ）によって、ＣＬＣＧからブラッグ反射された光および反射体によって反射された光を伝搬するように構成される。
図２１Ｂは、図２０の光学導波デバイスを図示し、ＣＬＣＧは、直交楕円または円偏光ビームに変更された入射光を受光するように構成され、導波管は、全内部反射（ＴＩＲ）によって、ＣＬＣＧからブラッグ反射された光および反射体によって反射された光を伝搬するように構成される。
図２２Ａは、入射光ビームが線形偏光または非偏光される条件下における、第１の回転方向を有するキラル構造を有する、第１のＣＬＣ層と、第１の回転方向と反対の第２の回転方向を有するキラル構造を有する、第２のＣＬＣ層とを含む、共通導波管に結合される、複数のＣＬＣ層を備える、光学導波デバイスの実施例を図示する。
図２２Ｂは、入射光が直交楕円または円偏光ビームに偏光される条件下における、図２２Ａの光学導波デバイスを図示する。
図２２Ｃは、入射光ビームが線形偏光または非偏光される条件下における、第１の回転方向を有するキラル構造を有する、第１のＣＬＣ層と、第１の回転方向と反対の第２の回転方向を有するキラル構造を有する、第２のＣＬＣ層とを含む、２つのＣＬＣ層間に介在される共通導波管に結合される、複数のＣＬＣ層を備える、光学導波デバイスの実施例を図示する。
図２３は、コレステリック液晶（ＣＬＣ）軸外ミラーを使用して、装着者の眼を結像するように構成される、前向きに面したカメラを備える、結像システムの実施例を図示する。
図２４Ａ－２４Ｆは、ＣＬＣ軸外ミラーを使用して、装着者の眼を結像するように構成される、前向きに面したカメラを備える、結像システムの実施例を図示する。 図２４Ａ－２４Ｆは、ＣＬＣ軸外ミラーを使用して、装着者の眼を結像するように構成される、前向きに面したカメラを備える、結像システムの実施例を図示する。 図２４Ａ－２４Ｆは、ＣＬＣ軸外ミラーを使用して、装着者の眼を結像するように構成される、前向きに面したカメラを備える、結像システムの実施例を図示する。 図２４Ａ－２４Ｆは、ＣＬＣ軸外ミラーを使用して、装着者の眼を結像するように構成される、前向きに面したカメラを備える、結像システムの実施例を図示する。 図２４Ａ－２４Ｆは、ＣＬＣ軸外ミラーを使用して、装着者の眼を結像するように構成される、前向きに面したカメラを備える、結像システムの実施例を図示する。 図２４Ａ－２４Ｆは、ＣＬＣ軸外ミラーを使用して、装着者の眼を結像するように構成される、前向きに面したカメラを備える、結像システムの実施例を図示する。
図２４Ｇおよび２４Ｈは、１つ以上のＣＬＣ軸外ミラーを含む複数のセグメントを備える、回折光学要素を使用して、装着者の眼を結像するように構成される、前向きに面したカメラを備える、結像システムの実施例を図示し、セグメントはそれぞれ、異なる光学性質を有することができる。 図２４Ｇおよび２４Ｈは、１つ以上のＣＬＣ軸外ミラーを含む複数のセグメントを備える、回折光学要素を使用して、装着者の眼を結像するように構成される、前向きに面したカメラを備える、結像システムの実施例を図示し、セグメントはそれぞれ、異なる光学性質を有することができる。
図２５Ａは、偏光変換器を備え、画像をユーザに出力するように構成される、例示的ディスプレイデバイスを図示する。
図２５Ｂは、偏光変換器を備え、画像をユーザに出力するように構成される、例示的ディスプレイデバイスを図示する。
図２６Ａは、偏光変換器と、切替可能レンズとを備え、仮想画像をユーザに出力するように構成される、例示的ディスプレイデバイスを図示する。
図２６Ｂは、偏光変換器と、切替可能レンズとを備え、実像をユーザに出力するように構成される、例示的ディスプレイデバイスを図示する。
図２６Ｃは、偏光変換器と、切替可能レンズとを備え、仮想画像をユーザに出力するように構成される、例示的ディスプレイデバイスを図示する。
図２６Ｄは、偏光変換器と、切替可能レンズとを備え、実像をユーザに出力するように構成される、例示的ディスプレイデバイスを図示する。
図２７Ａは、偏光変換器と、パンチャラトナムベリー（ＰＢ）レンズとを備え、仮想画像をユーザに出力するように構成される、例示的ディスプレイデバイスを図示する。
図２７Ｂは、偏光変換器と、ＰＢレンズとを備え、実像をユーザに出力するように構成される、例示的ディスプレイデバイスを図示する。
図２７Ｃは、偏光変換器と、ＰＢレンズとを備え、仮想画像をユーザに出力するように構成される、例示的ディスプレイデバイスを図示する。
図２７Ｄは、偏光変換器と、ＰＢレンズとを備え、実像をユーザに出力するように構成される、例示的ディスプレイデバイスを図示する。
図２８Ａは、偏光変換器と、ＰＢレンズとを備える、例示的ディスプレイデバイスによって形成される、２つの直交偏光画像によって作成される空間オフセットを図示する。
図２８Ｂは、図２８Ａに図示される空間オフセットを補償するための一対のレンズを備える、例示的オフセット補償器を図示する。
図２８Ｃは、図２８Ｂに図示されるオフセット補償器の実施形態を使用する、図２８Ａに図示される空間オフセットの否定効果を図示する。
図２９は、光を非対称に投影するように構成される導波管アセンブリと、ＰＢレンズとを備え、画像をユーザに出力するように構成される、例示的ディスプレイデバイスを図示する。
図３０は、ＣＬＣＧと、変形可能ミラーとを有する、導波管アセンブリを備え、画像をユーザに出力するように構成される、例示的ディスプレイデバイスを図示する。
図３１Ａ－３１Ｃは、反射回折レンズが、反射偏光ミラーとしての役割を果たすパターン化されたＣＬＣ材料から形成される、ディスプレイデバイスの一部として実装され得る、例示的反射回折レンズを図示する。
図３２Ａは、回折レンズ中で観察される色収差の実施例を図示する。
図３２Ｂは、スタックされた構成において複数の反射回折レンズを備える、例示的反射回折レンズを図示する。
図３３Ａ－３３Ｄは、例示的反射回折レンズアセンブリおよび異なる焦点距離間の動的切替のためのそれらの動作を図示する。 図３３Ａ－３３Ｄは、例示的反射回折レンズアセンブリおよび異なる焦点距離間の動的切替のためのそれらの動作を図示する。 図３３Ａ－３３Ｄは、例示的反射回折レンズアセンブリおよび異なる焦点距離間の動的切替のためのそれらの動作を図示する。 図３３Ａ－３３Ｄは、例示的反射回折レンズアセンブリおよび異なる焦点距離間の動的切替のためのそれらの動作を図示する。
図３４は、光を世界に向けて指向するように構成されるアイピースと、光を眼に向けて再指向するように構成されるＣＬＣレンズとを備える、導波管アセンブリの例示的組み合わせを図示する。
図面全体を通して、参照番号は、参照される要素間の対応を示すために再利用され得る。図面は、本明細書に説明される例示的実施形態を図示するために提供され、本開示の範囲を限定することを意図するものではない。
ＡＲシステムは、依然として、ユーザがその周囲の世界を見えることを可能にしながら、仮想コンテンツをユーザまたは視認者に表示し得る。好ましくは、本コンテンツは、例えば、アイウェアの一部として、画像情報をユーザの眼に投影する、頭部搭載型ディスプレイ上に表示される。加えて、ディスプレイはまた、周囲環境からの光をユーザの眼に透過し、その周囲環境のビューをもたらしてもよい。本明細書で使用されるように、「頭部搭載型」ディスプレイは、視認者の頭部上に搭載され得る、ディスプレイであることを理解されたい。
図２は、ウェアラブルディスプレイシステム８０の実施例を図示する。ディスプレイシステム８０は、ディスプレイ６２と、ディスプレイ６２の機能をサポートするための種々の機械的および電子的モジュールおよびシステムとを含む。ディスプレイ６２は、フレーム６４に結合されてもよく、これは、ディスプレイシステムユーザまたは視認者６０によって装着可能であって、ディスプレイ６２をユーザ６０の眼の正面に位置付けるように構成される。ディスプレイ６２は、いくつかの実施形態では、アイウェアと見なされ得る。いくつかの実施形態では、スピーカ６６が、フレーム６４に結合され、ユーザ６０の外耳道に隣接して位置付けられる（いくつかの実施形態では、示されない別のスピーカが、ユーザの他方の外耳道に隣接して位置付けられ、ステレオ／調節可能音制御を提供する）。いくつかの実施形態では、ディスプレイシステムはまた、１つ以上のマイクロホン６７または他のデバイスを含み、音を検出してもよい。いくつかの実施形態では、マイクロホンは、ユーザが、入力またはコマンド（例えば、音声メニューコマンドの選択、自然言語質問等）をシステム８０に提供することを可能にするように構成され、および／または他の人物（例えば、類似ディスプレイシステムの他のユーザ）とのオーディオ通信を可能にしてもよい。マイクロホンはさらに、周辺センサとして構成され、オーディオデータを持続的に収集してもよい（例えば、ユーザおよび／または環境から受動的に収集するため）。そのようなオーディオデータは、荒い息づかい等のユーザ音または近傍イベントを示す大騒動等の環境音を含んでもよい。ディスプレイシステムはまた、周辺センサ３０ａを含んでもよく、これは、フレーム６４と別個であって、ユーザ６０の身体（例えば、ユーザ６０の頭部、胴体、四肢等上）に取り付けられてもよい。周辺センサ３０ａは、本明細書にさらに説明されるように、いくつかの実施形態では、ユーザ６０の生理学的状態を特性評価するデータを入手するように構成されてもよい。例えば、センサ３０ａは、電極であってもよい。
図２を継続して参照すると、ディスプレイ６２は、有線導線または無線コネクティビティ等の通信リンク６８によって、ローカルデータ処理モジュール７０に動作可能に結合され、これは、フレーム６４に固定して取り付けられる、ユーザによって装着されるヘルメットまたは帽子に固定して取り付けられる、ヘッドホンに内蔵される、または別様にユーザ６０に除去可能に取り付けられる（例えば、リュック式構成において、ベルト結合式構成において）等、種々の構成において搭載されてもよい。同様に、センサ３０ａは、通信リンク３０ｂ、例えば、有線導線または無線コネクティビティによって、ローカルプロセッサおよびデータモジュール７０に動作可能に結合されてもよい。ローカル処理およびデータモジュール７０は、ハードウェアプロセッサおよび不揮発性メモリ（例えば、フラッシュメモリまたはハードディスクドライブ）等のデジタルメモリとを備えてもよく、その両方とも、データの処理、キャッシュ、および記憶を補助するために利用され得る。データは、ａ）画像捕捉デバイス（カメラ等）、マイクロホン、慣性測定ユニット、加速度計、コンパス、ＧＰＳユニット、無線デバイス、ジャイロスコープ、および／または本明細書に開示される他のセンサ等のセンサ（例えば、フレーム６４に動作可能に結合される、または別様にユーザ６０に取り付けられてもよい）から捕捉され、および／またはｂ）場合によっては、処理または読出後にディスプレイ６２の通過のために、遠隔処理モジュール７２および／または遠隔データリポジトリ７４（仮想コンテンツに関連するデータを含む）を使用して入手および／または処理される、データを含む。ローカル処理およびデータモジュール７０は、これらの遠隔モジュール７２、７４が、相互に動作可能に結合され、ローカル処理およびデータモジュール７０へのリソースとして利用可能であるように、有線または無線通信リンク等を介して、通信リンク７６、７８によって、遠隔処理モジュール７２および遠隔データリポジトリ７４に動作可能に結合されてもよい。いくつかの実施形態では、ローカル処理およびデータモジュール７０は、画像捕捉デバイス、マイクロホン、慣性測定ユニット、加速度計、コンパス、ＧＰＳユニット、無線デバイス、および／またはジャイロスコープ等のうちの１つ以上のものを含んでもよい。いくつかの他の実施形態では、これらのセンサのうちの１つ以上のものは、フレーム６４に取り付けられてもよい、または有線または無線通信経路によってローカル処理およびデータモジュール７０と通信する、独立型構造であってもよい。
図２を継続して参照すると、いくつかの実施形態では、遠隔処理モジュール７２は、データおよび／または画像情報を分析および処理するように構成される、１つ以上のプロセッサを備えてもよい。いくつかの実施形態では、遠隔データリポジトリ７４は、デジタルデータ記憶設備を備え得、これは、インターネットまたは「クラウド」リソース構成における他のネットワーキング構成を通して利用可能であってもよい。いくつかの実施形態では、遠隔データリポジトリ７４は、１つ以上の遠隔サーバを含んでもよく、これは、情報、例えば、拡張現実コンテンツを生成するための情報をローカル処理およびデータモジュール７０および／または遠隔処理モジュール７２に提供する。いくつかの実施形態では、全てのデータが、記憶され、全ての算出が、ローカル処理およびデータモジュールにおいて実施され、遠隔モジュールからの完全に自律的な使用を可能にする。
「３次元」または「３－Ｄ」であるような画像の知覚は、画像の若干異なる提示を視認者の各眼に提供することによって達成されてもよい。図３は、ユーザのための３次元画像をシミュレートするための従来のディスプレイシステムを図示する。眼４、６毎に１つの２つの明確に異なる画像５、７が、ユーザに出力される。画像５、７は、視認者の視線と平行な光学またはｚ－軸に沿って、距離１０だけ眼４、６から離間される。画像５、７は、平坦であって、眼４、６は、単一遠近調節状態をとることによって、画像に合焦させ得る。そのようなシステムは、ヒト視覚系が、画像５、７を組み合わせ、組み合わせられた画像のための深度および／またはスケールの知覚を提供することに依拠する。
しかしながら、ヒト視覚系は、より複雑であって、深度の現実的知覚を提供することは、より困難であることを理解されるであろう。例えば、従来の「３－Ｄ」ディスプレイシステムの多くの視認者は、そのようなシステムを不快であると見出す、または深度の感覚を全く知覚しない場合がある。理論によって限定されるわけではないが、オブジェクトの視認者は、輻輳・開散（ｖｅｒｇｅｎｃｅ）と遠近調節（ａｃｃｍｍｏｄａｔｉｏｎ）の組み合わせに起因して、オブジェクトを「３次元」として知覚し得ると考えられる。相互に対する２つの眼の輻輳・開散運動（すなわち、瞳孔が、相互に向かって、またはそこから離れるように移動し、眼の視線を収束させ、オブジェクトを固視するような眼の回転）は、眼のレンズおよび瞳孔の合焦（または「遠近調節」）と緊密に関連付けられる。通常条件下、焦点を１つのオブジェクトから異なる距離における別のオブジェクトに変化させるための眼のレンズの焦点の変化または眼の遠近調節は、「遠近調節－輻輳・開散運動反射」および散瞳または縮瞳として知られる関係下、輻輳・開散運動の整合変化を自動的に同一距離に生じさせるであろう。同様に、輻輳・開散運動の変化は、通常条件下、レンズ形状および瞳孔サイズの遠近調節の整合変化を誘起するであろう。本明細書に記載されるように、多くの立体視、すなわち、「３－Ｄ」ディスプレイシステムは、３次元視点がヒト視覚系によって知覚されるように、若干異なる提示（したがって、若干異なる画像）を使用して、場面を各眼に表示する。しかしながら、そのようなシステムは、それらが、とりわけ、単に、場面の異なる提示を提供するが、眼が全ての画像情報を単一遠近調節状態で視認する状態では、「遠近調節－輻輳・開散運動反射」に反発するため、多くの視認者にとって不快である。遠近調節と輻輳・開散運動との間のより良好な整合を提供するディスプレイシステムは、３次元画像のより現実的かつ快適なシミュレーションを形成し、増加された持続時間の装着、ひいては、診断および療法プロトコルへのコンプライアンスに寄与し得る。
図４は、複数の深度平面を使用して３次元画像をシミュレートするためのアプローチの側面を図示する。図４を参照すると、ｚ－軸上の眼４、６から種々の距離におけるオブジェクトは、それらのオブジェクトが合焦するように、眼４、６によって遠近調節される。眼（４および６）は、特定の遠近調節された状態をとり、オブジェクトをｚ－軸に沿った異なる距離に合焦させる。その結果、特定の遠近調節された状態は、特定の深度平面におけるオブジェクトまたはオブジェクトの一部が、眼がその深度平面に対して遠近調節された状態にあるとき、合焦するように、関連付けられた焦点距離を有する、深度平面１４の特定のうちの１つと関連付けられると言え得る。いくつかの実施形態では、３次元画像は、眼４、６毎に、画像の異なる提示を提供することによって、また、深度平面のそれぞれに対応する画像の異なる提示を提供することによって、シミュレートされてもよい。例証を明確にするために、別個であるように示されるが、眼４、６の視野は、例えば、ｚ－軸に沿った距離が増加するにつれて、重複し得ることを理解されたい。加えて、例証を容易にするために、平坦であるように示されるが、深度平面の輪郭は、深度平面内の全ての特徴が特定の遠近調節された状態における眼と合焦するように、物理的空間内で湾曲されてもよいことを理解されるであろう。
オブジェクトと眼４または６との間の距離もまた、その眼によって視認されるように、オブジェクトからの光の発射量を変化させ得る。図５Ａ－５Ｃは、距離と光線の発散との間の関係を図示する。オブジェクトと眼４との間の距離は、減少距離Ｒ１、Ｒ２、およびＲ３の順序で表される。図５Ａ－５Ｃに示されるように、光線は、オブジェクトまでの距離が減少するにつれてより発散する。距離が増加するにつれて、光線は、よりコリメートされる。換言すると、点（オブジェクトまたはオブジェクトの一部）によって生成されるライトフィールドは、点がユーザの眼から離れている距離の関数である、球状波面曲率を有すると言え得る。曲率が増加すると、オブジェクトと眼４の間の距離が減少する。その結果、異なる深度平面では、光線の発散の程度もまたは、異なり、発散の程度は、深度平面と視認者の眼４との間の距離の減少に伴って増加する。単眼４のみが、図５Ａ－５Ｃおよび本明細書における他の図では、例証を明確にするために図示されるが、眼４に関する議論は、視認者の両眼４および６に適用され得ることを理解されるであろう。
理論によって限定されるわけではないが、ヒトの眼は、典型的には、有限数の深度平面を解釈し、深度知覚を提供することができると考えられる。その結果、知覚された深度の高度に真実味のあるシミュレーションが、眼にこれらの限定数の深度平面のそれぞれに対応する画像の異なる提示を提供することによって達成され得る。異なる提示は、視認者の眼によって別個に合焦され、それによって、異なる深度平面上に位置する場面のための異なる画像特徴に合焦させるために要求される眼の遠近調節に基づいて、および／または焦点外にある異なる深度平面上の異なる画像特徴の観察に基づいて、ユーザに深度キューを提供することに役立ち得る。
図６は、画像情報をユーザに出力するための導波管スタックの実施例を図示する。ディスプレイシステム１０００は、複数の導波管１１８２、１１８４、１１８６、１１８８、１１９０を使用して３次元知覚を眼／脳に提供するために利用され得る、導波管のスタックまたはスタックされた導波管アセンブリ１１７８を含む。いくつかの実施形態では、ディスプレイシステム１０００は、図２のシステム８０であって、図６は、そのシステム８０のいくつかの部分をより詳細に図式的に示す。例えば、導波管アセンブリ１１７８は、図２のディスプレイ６２の一部であってもよい。ディスプレイシステム１０００は、いくつかの実施形態では、ライトフィールドディスプレイと見なされ得ることを理解されるであろう。
図６を継続して参照すると、導波管アセンブリ１１７８はまた、複数の特徴１１９８、１１９６、１１９４、１１９２を導波管間に含んでもよい。いくつかの実施形態では、特徴１１９８、１１９６、１１９４、１１９２は、１つ以上のレンズであってもよい。導波管１１８２、１１８４、１１８６、１１８８、１１９０および／または複数のレンズ１１９８、１１９６、１１９４、１１９２は、種々のレベルの波面曲率または光線発散を用いて画像情報を眼に送信するように構成されてもよい。各導波管レベルは、特定の深度平面と関連付けられてもよく、その深度平面に対応する画像情報を出力するように構成されてもよい。画像投入デバイス１２００、１２０２、１２０４、１２０６、１２０８は、導波管のための光源として機能してもよく、画像情報を導波管１１８２、１１８４、１１８６、１１８８、１１９０の中に投入するために利用されてもよく、それぞれ、本明細書に説明されるように、眼４に向かって出力のために各個別の導波管を横断して入射光を分散させるように構成されてもよい。光は、画像投入デバイス１２００、１２０２、１２０４、１２０６、１２０８の出力表面１３００、１３０２、１３０４、１３０６、１３０８から出射し、導波管１１８２、１１８４、１１８６、１１８８、１１９０の対応する入力表面１３８２、１３８４、１３８６、１３８８、１３９０の中に投入される。いくつかの実施形態では、入力表面１３８２、１３８４、１３８６、１３８８、１３９０はそれぞれ、対応する導波管の縁であってもよい、または対応する導波管の主要表面の一部（すなわち、世界１１４４または視認者の眼４に直接面する導波管表面のうちの１つ）であってもよい。いくつかの実施形態では、光の単一ビーム（例えば、コリメートされたビーム）が、各導波管の中に投入され、クローン化されたコリメートビームの全体場を出力してもよく、これは、特定の導波管と関連付けられた深度平面に対応する特定の角度（および発散量）において眼４に向かって指向される。いくつかの実施形態では、画像投入デバイス１２００、１２０２、１２０４、１２０６、１２０８のうちの単一の１つは、複数（例えば、３つ）の導波管１１８２、１１８４、１１８６、１１８８、１１９０と関連付けられ、その中に光を投入してもよい。
いくつかの実施形態では、画像投入デバイス１２００、１２０２、１２０４、１２０６、１２０８はそれぞれ、それぞれ対応する導波管１１８２、１１８４、１１８６、１１８８、１１９０の中への投入のための画像情報を生成する、離散ディスプレイである。いくつかの他の実施形態では、画像投入デバイス１２００、１２０２、１２０４、１２０６、１２０８は、例えば、画像情報を１つ以上の光学導管（光ファイバケーブル等）を介して、画像投入デバイス１２００、１２０２、１２０４、１２０６、１２０８のそれぞれに送り得る、単一の多重化されたディスプレイの出力端である。画像投入デバイス１２００、１２０２、１２０４、１２０６、１２０８によって提供される画像情報は、異なる波長または色（例えば、本明細書に議論されるように、異なる原色）の光を含んでもよいことを理解されたい。
いくつかの実施形態では、導波管１１８２、１１８４、１１８６、１１８８、１１９０の中に投入される光は、光プロジェクタシステム２０００によって提供され、これは、光モジュール２０４０を備え、これは、発光ダイオード（ＬＥＤ）等の光エミッタを含んでもよい。光モジュール２０４０からの光は、ビームスプリッタ２０５０を介して、光変調器２０３０、例えば、空間光変調器によって指向および修正されてもよい。光変調器２０３０は、導波管１１８２、１１８４、１１８６、１１８８、１１９０の中に投入される光の知覚される強度を変化させるように構成されてもよい。光変調器２０３０は、導波管１１８２、１１８４、１１８６、１１８８、１１９０の中に投入される光の知覚される強度を変化させるように構成されてもよい。空間光変調器の実施例は、シリコン上液晶（ＬＣＯＳ）ディスプレイを含む、液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）を含む。
いくつかの実施形態では、ディスプレイシステム１０００は、光を種々のパターン（例えば、ラスタ走査、螺旋走査、リサジューパターン等）で１つ以上の導波管１１８２、１１８４、１１８６、１１８８、１１９０の中に、最終的には、視認者の眼４に投影するように構成される、１つ以上の走査ファイバを備える、走査ファイバディスプレイであってもよい。いくつかの実施形態では、図示される画像投入デバイス１２００、１２０２、１２０４、１２０６、１２０８は、光を１つまたは複数の導波管１１８２、１１８４、１１８６、１１８８、１１９０の中に投入するように構成される、単一走査ファイバまたは走査ファイバの束を図式的に表し得る。いくつかの他の実施形態では、図示される画像投入デバイス１２００、１２０２、１２０４、１２０６、１２０８は、複数の走査ファイバまたは走査ファイバの複数の束を図式的に表し得、それぞれ、光を導波管１１８２、１１８４、１１８６、１１８８、１１９０のうちの関連付けられた１つの中に投入するように構成される。１つ以上の光ファイバは、光を光モジュール２０４０から１つ以上の導波管１１８２、１１８４、１１８６、１１８８、１１９０に透過するように構成されてもよいことを理解されたい。１つ以上の介在光学構造が、走査ファイバまたは複数のファイバと、１つ以上の導波管１１８２、１１８４、１１８６、１１８８、１１９０との間に提供され、例えば、走査ファイバから出射する光を１つ以上の導波管１１８２、１１８４、１１８６、１１８８、１１９０の中に再指向してもよいことを理解されたい。
コントローラ１２１０は、画像投入デバイス１２００、１２０２、１２０４、１２０６、１２０８、光源２０４０、および光変調器２０３０の動作を含む、スタックされた導波管アセンブリ１１７８のうちの１つ以上のものの動作を制御する。いくつかの実施形態では、コントローラ１２１０は、ローカルデータ処理モジュール７０の一部である。コントローラ１２１０は、例えば、本明細書に開示される種々のスキームのいずれかに従って、導波管１１８２、１１８４、１１８６、１１８８、１１９０への画像情報のタイミングおよび提供を調整する、プログラミング（例えば、非一過性媒体内の命令）を含む。いくつかの実施形態では、コントローラは、単一一体型デバイスまたは有線または無線通信チャネルによって接続される分散型システムであってもよい。コントローラ１２１０は、いくつかの実施形態では、処理モジュール７０または７２（図１）の一部であってもよい。
図６を継続して参照すると、導波管１１８２、１１８４、１１８６、１１８８、１１９０は、全内部反射（ＴＩＲ）によって各個別の導波管内で光を伝搬するように構成されてもよい。導波管１１８２、１１８４、１１８６、１１８８、１１９０はそれぞれ、主要な上部および底部表面およびそれらの主要上部表面と底部表面との間に延在する縁を伴う、平面である、または別の形状（例えば、湾曲）を有してもよい。図示される構成では、導波管１１８２、１１８４、１１８６、１１８８、１１９０はそれぞれ、各個別の導波管内で伝搬する光を導波管から再指向し、画像情報を眼４に出力することによって、光を導波管から抽出するように構成される、外部結合光学要素１２８２、１２８４、１２８６、１２８８、１２９０を含んでもよい。抽出された光はまた、外部結合光と称され得、外部結合光学要素光はまた、光抽出光学要素と称され得る。抽出された光のビームは、導波管によって、導波管内で伝搬する光が光抽出光学要素に衝打する場所において出力される。外部結合光学要素１２８２、１２８４、１２８６、１２８８、１２９０は、例えば、本明細書にさらに議論されるような回折光学特徴を含む、格子であってもよい。説明の容易性および図面の明確性のために、導波管１１８２、１１８４、１１８６、１１８８、１１９０の底部主要表面に配置されて図示されるが、いくつかの実施形態では、外部結合光学要素１２８２、１２８４、１２８６、１２８８、１２９０は、本明細書にさらに議論されるように、上部および／または底部主要表面に配置されてもよく、および／または導波管１１８２、１１８４、１１８６、１１８８、１１９０の容積内に直接配置されてもよい。いくつかの実施形態では、外部結合光学要素１２８２、１２８４、１２８６、１２８８、１２９０は、透明基板に取り付けられ、導波管１１８２、１１８４、１１８６、１１８８、１１９０を形成する、材料の層内に形成されてもよい。いくつかの他の実施形態では、導波管１１８２、１１８４、１１８６、１１８８、１１９０は、モノリシック材料部品であってもよく、外部結合光学要素１２８２、１２８４、１２８６、１２８８、１２９０は、その材料部品の表面上および／または内部に形成されてもよい。
図６を継続して参照すると、本明細書に議論されるように、各導波管１１８２、１１８４、１１８６、１１８８、１１９０は、光を出力し、特定の深度平面に対応する画像を形成するように構成される。例えば、眼の最近傍の導波管１１８２は、眼４にコリメートされた光（そのような導波管１１８２の中に投入された）を送達するように構成されてもよい。コリメートされた光は、光学無限遠焦点面を表し得る。次の上方の導波管１１８４は、眼４に到達し得る前に、第１のレンズ１１９２（例えば、負のレンズ）を通して通過する、コリメートされた光を送出するように構成されてもよい。そのような第１のレンズ１１９２は、眼／脳が、その次の上方の導波管１１８４から生じる光を光学無限遠から眼４に向かって内向きにより近い第１の焦点面から生じるように解釈するように、若干の凸面波面曲率を生成するように構成されてもよい。同様に、第３の上方の導波管１１８６は、眼４に到達する前に、その出力光を第１の１１９２および第２の１１９４レンズの両方を通して通過させる。第１の１１９２および第２の１１９４レンズの組み合わせられた屈折力は、眼／脳が、第３の上方の導波管１１８６から生じる光が次の導波管１１８４からの光であった光学無限遠から人物に向かって内向きにさらに近い第２の焦点面から生じるように解釈するように、別の漸増量の波面曲率を生成するように構成されてもよい。
他の導波管層１１８８、１１９０およびレンズ１１９６、１１９８も同様に構成され、スタック内の最高導波管１１９０は、人物に最も近い焦点面を表す集約焦点力のために、その出力をそれと眼との間のレンズの全てを通して送出する。スタックされた導波管アセンブリ１１７８の他側の世界１１４４から生じる光を視認／解釈するとき、レンズ１１９８、１１９６、１１９４、１１９２のスタックを補償するために、補償レンズ層１１８０が、スタックの上部に配置され、下方のレンズスタック１１９８、１１９６、１１９４、１１９２の集約力を補償してもよい。そのような構成は、利用可能な導波管／レンズ対と同じ数の知覚される焦点面を提供する。導波管の外部結合光学要素およびレンズの集束側面は両方とも、静的であってもよい（すなわち、動的または電気活性ではない）。いくつかの代替実施形態では、一方または両方とも、電気活性特徴を使用して動的であってもよい。
いくつかの実施形態では、導波管１１８２、１１８４、１１８６、１１８８、１１９０のうちの２つ以上のものは、同一の関連付けられた深度平面を有してもよい。例えば、複数の導波管１１８２、１１８４、１１８６、１１８８、１１９０が、同一深度平面に設定される画像を出力するように構成されてもよい、または導波管１１８２、１１８４、１１８６、１１８８、１１９０の複数のサブセットが、深度平面毎に１つのセットを伴う、同一の複数の深度平面に設定される画像を出力するように構成されてもよい。これは、それらの深度平面において拡張された視野を提供するようにタイル化された画像を形成する利点を提供し得る。
図６を継続して参照すると、外部結合光学要素１２８２、１２８４、１２８６、１２８８、１２９０は、導波管と関連付けられた特定の深度平面のために、光をその個別の導波管から再指向し、かつ本光を適切な量の発散またはコリメーションを伴って出力するように構成されてもよい。その結果、異なる関連付けられた深度平面を有する導波管は、外部結合光学要素１２８２、１２８４、１２８６、１２８８、１２９０の異なる構成を有してもよく、これは、関連付けられた深度平面に応じて、異なる量の発散を伴う光を出力する。いくつかの実施形態では、光抽出光学要素１２８２、１２８４、１２８６、１２８８、１２９０は、体積または表面特徴であってもよく、これは、具体的角度で光を出力するように構成されてもよい。例えば、光抽出光学要素１２８２、１２８４、１２８６、１２８８、１２９０は、体積ホログラム、表面ホログラム、および／または回折格子であってもよい。いくつかの実施形態では、特徴１１９８、１１９６、１１９４、１１９２は、レンズではなくてもよい。むしろ、それらは、単に、スペーサであってもよい（例えば、クラッディング層および／または空隙を形成するための構造）。
いくつかの実施形態では、外部結合光学要素１２８２、１２８４、１２８６、１２８８、１２９０は、回折パターンまたは「回折光学要素」（また、本明細書では、「ＤＯＥ」とも称される）を形成する、回折特徴である。好ましくは、ＤＯＥは、ビームの光の一部のみがＤＯＥの各交差点を用いて眼４に向かって偏向される一方、残りが、全内部反射を介して、導波管を通して移動し続けるように、十分に低回折効率（回折されるビーム強度と入射ビーム強度の比率）を有する。画像情報を搬送する光は、したがって、様々な場所において導波管から出射する、いくつかの関連出射ビームに分割され、その結果、導波管内でバウンスする本特定のコリメートされたビームに関して、眼４に向かって非常に均一なパターンの出射放出となる。
いくつかの実施形態では、１つ以上のＤＯＥは、能動的に回折する「オン」状態と有意に回折しない「オフ」状態との間で切替可能であってもよい。例えば、切替可能なＤＯＥは、ポリマー分散液晶の層を備えてもよく、その中で微小液滴は、ホスト媒体中に回折パターンを備え、微小液滴の屈折率は、ホスト材料の屈折率に実質的に整合するように切り替えられてもよい（その場合、パターンは、入射光を著しく回折させない）、または微小液滴は、ホスト媒体のものに整合しない屈折率に切り替えられてもよい（その場合、パターンは、入射光を能動的に回折させる）。
いくつかの実施形態では、カメラアセンブリ５００（例えば、可視光および赤外線光カメラを含む、デジタルカメラ）が、提供され、眼４および／または眼４の周囲の組織の画像を捕捉し、例えば、ユーザ入力を検出し、および／またはユーザの生理学的状態を監視してもよい。本明細書で使用されるように、カメラは、任意の画像捕捉デバイスであってもよい。いくつかの実施形態では、カメラアセンブリ５００は、画像捕捉デバイスと、光（例えば、赤外線光）を眼に投影し、次いで、眼によって反射され、画像捕捉デバイスによって検出され得る、光源とを含んでもよい。いくつかの実施形態では、カメラアセンブ５００は、フレーム６４（図２）に取り付けられてもよく、カメラアセンブリ５００からの画像情報を処理し、例えば、本明細書に議論されるように、ユーザの生理学的状態に関する種々の決定を行い得る、処理モジュール７０および／または７２と電気通信してもよい。ユーザの生理学的状態に関する情報は、ユーザの挙動または感情状態を決定するために使用されてもよいことを理解されたい。そのような情報の実施例は、ユーザの移動および／またはユーザの顔の表情を含む。ユーザの挙動または感情状態は、次いで、挙動または感情状態、生理学的状態、および環境または仮想コンテンツデータ間の関係を決定するように、収集された環境および／または仮想コンテンツデータで三角測量されてもよい。いくつかの実施形態では、１つのカメラアセンブリ５００が、眼毎に利用され、各眼を別個に監視してもよい。
ここで図７を参照すると、導波管によって出力された出射ビームの実施例が、示される。１つの導波管が図示されるが、導波管アセンブリ１１７８（図６）内の他の導波管も同様に機能し得、導波管アセンブリ１１７８は、複数の導波管を含むことを理解されたい。光４００が、導波管１１８２の入力表面１３８２において導波管１１８２の中に投入され、ＴＩＲによって導波管１１８２内を伝搬する。光４００がＤＯＥ１２８２上に衝突する点では、光の一部は、導波管から出射ビーム４０２として出射する。出射ビーム４０２は、略平行として図示されるが、本明細書に議論されるように、また、導波管１１８２と関連付けられた深度平面に応じて、ある角度（例えば、発散出射ビーム形成）において眼４に伝搬するように再指向されてもよい。略平行出射ビームは、眼４からの遠距離（例えば、光学無限遠）における深度平面に設定されるように現れる画像を形成するように光を外部結合する、外部結合光学要素を伴う導波管を示し得ることを理解されたい。他の導波管または他の外部結合光学要素のセットは、より発散する、出射ビームパターンを出力してもよく、これは、眼４がより近い距離に遠近調節し、網膜に合焦させることを要求し、光学無限遠より眼４に近い距離からの光として脳によって解釈されるであろう。
いくつかの実施形態では、フルカラー画像が、原色、例えば、３つ以上の原色のそれぞれに画像をオーバーレイすることによって、各深度平面において形成されてもよい。図８は、スタックされた導波管アセンブリの実施例を図示し、各深度平面は、複数の異なる原色を使用して形成される画像を含む。図示される実施形態は、深度平面１４ａ－１４ｆを示すが、より多いまたはより少ない深度もまた、検討される。各深度平面は、第１の色Ｇの第１の画像、第２の色Ｒの第２の画像、および第３の色Ｂの第３の画像と関連付けられた３つ以上の原色画像を有してもよい。異なる深度平面は、文字Ｇ、Ｒ、およびＢに続くジオプタ（ｄｐｔ）に関する異なる数字によって図に示される。単なる実施例として、これらの文字のそれぞれに続く数字は、ジオプタ（１／ｍ）、すなわち、視認者からの深度平面の逆距離を示し、図中の各ボックスは、個々の原色画像を表す。いくつかの実施形態では、異なる波長の光の眼の集束における差異を考慮するために、異なる原色に関する深度平面の正確な場所は、変動してもよい。例えば、所与の深度平面に関する異なる原色画像は、ユーザからの異なる距離に対応する深度平面上に設置されてもよい。そのような配列は、視力およびユーザ快適性を増加させ得、および／または色収差を減少させ得る。
いくつかの実施形態では、各原色の光は、単一専用導波管によって出力されてもよく、その結果、各深度平面は、それと関連付けられた複数の導波管を有してもよい。そのような実施形態では、文字Ｇ、Ｒ、またはＢを含む、図中の各ボックスは、個々の導波管を表すものと理解され得、３つの導波管は、深度平面毎に提供されてもよく、３つの原色画像が、深度平面毎に提供される。各深度平面と関連付けられた導波管は、本図面では、説明を容易にするために相互に隣接して示されるが、物理的デバイスでは、導波管は全て、レベル毎に１つの導波管を伴うスタックで配列されてもよいことを理解されたい。いくつかの他の実施形態では、複数の原色が、例えば、単一導波管のみが深度平面毎に提供され得るように、同一導波管によって出力されてもよい。
図８を継続して参照すると、いくつかの実施形態では、Ｇは、緑色であって、Ｒは、赤色であって、Ｂは、青色である。いくつかの他の実施形態では、マゼンタ色およびシアン色を含む、光の他の波長と関連付けられた他の色も、赤色、緑色、または青色のうちの１つ以上のものに加えて使用されてもよい、またはそれらに取って代わってもよい。いくつかの実施形態では、特徴１９８、１９６、１９４、および１９２は、視認者の眼への周囲環境からの光を選択的に遮断するように構成される、能動または受動光学フィルタであってもよい。
本開示全体を通した所与の光の色の言及は、視認者によってその所与の色であるように知覚される、光の波長の範囲内の１つ以上の波長の光を包含するものと理解されるであろうことを認識されたい。例えば、赤色光は、約６２０～７８０ｎｍの範囲内の１つ以上の波長の光を含んでもよく、緑色光は、約４９２～５７７ｎｍの範囲内の１つ以上の波長の光を含んでもよく、青色光は、約４３５～４９３ｎｍの範囲内の１つ以上の波長の光を含んでもよい。
いくつかの実施形態では、光源２０４０（図６）は、視認者の視覚的知覚範囲外の１つ以上の波長、例えば、赤外線および／または紫外線波長の光を放出するように構成されてもよい。加えて、ディスプレイ１０００の導波管の内部結合、外部結合、および他の光再指向構造は、例えば、結像および／またはユーザ刺激用途のために、本光をディスプレイからユーザの眼４に向かって指向および放出するように構成されてもよい
ここで図９Ａを参照すると、いくつかの実施形態では、導波管に衝突する光は、その光を導波管の中に内部結合するために再指向される必要があり得る。内部結合光学要素が、光をその対応する導波管の中に再指向および内部結合するために使用されてもよい。図９Ａは、それぞれ、内部結合光学要素を含む、複数またはセット１２００のスタックされた導波管の実施例の断面側面図を図示する。導波管はそれぞれ、１つ以上の異なる波長または１つ以上の異なる波長範囲の光を出力するように構成されてもよい。スタック１２００は、スタック１１７８（図６）に対応してもよく、スタック１２００の図示される導波管は、複数の導波管１１８２、１１８４、１１８６、１１８８、１１９０の一部に対応してもよいが、画像投入デバイス１２００、１２０２、１２０４、１２０６、１２０８のうちの１つ以上のものからの光が、光が内部結合のために再指向されることを要求する位置から導波管の中に投入されることを理解されたい。
スタックされた導波管の図示されるセット１２００は、導波管１２１０、１２２０、および１２３０を含む。各導波管は、関連付けられた内部結合光学要素（導波管上の光入力面積とも称され得る）を含み、例えば、内部結合光学要素１２１２は、導波管１２１０の主要表面（例えば、上側主要表面）上に配置され、内部結合光学要素１２２４は、導波管１２２０の主要表面（例えば、上側主要表面）上に配置され、内部結合光学要素１２３２は、導波管１２３０の主要表面（例えば、上側主要表面）上に配置される。いくつかの実施形態では、内部結合光学要素１２１２、１２２２、１２３２のうちの１つ以上のものは、個別の導波管１２１０、１２２０、１２３０の底部主要表面上に配置されてもよい（特に、１つ以上の内部結合光学要素は、反射性偏向光学要素である）。図示されるように、内部結合光学要素１２１２、１２２２、１２３２は、その個別の導波管１２１０、１２２０、１２３０の上側主要表面（または次の下側導波管の上部）上に配置されてもよく、特に、それらの内部結合光学要素は、透過性偏向光学要素である。いくつかの実施形態では、内部結合光学要素１２１２、１２２２、１２３２は、個別の導波管１２１０、１２２０、１２３０の本体内に配置されてもよい。いくつかの実施形態では、本明細書に議論されるように、内部結合光学要素１２１２、１２２２、１２３２は、他の光の波長を透過しながら、１つ以上の光の波長を選択的に再指向するような波長選択的である。その個別の導波管１２１０、１２２０、１２３０の片側または角に図示されるが、内部結合光学要素１２１２、１２２２、１２３２は、いくつかの実施形態では、その個別の導波管１２１０、１２２０、１２３０の他の面積内に配置されてもよいことを理解されたい。
図示されるように、内部結合光学要素１２１２、１２２２、１２３２は、相互から側方にオフセットされてもよい。いくつかの実施形態では、各内部結合光学要素は、その光が別の内部結合光学要素を通して通過せずに、光を受光するようにオフセットされてもよい。例えば、各内部結合光学要素１２１２、１２２２、１２３２は、図６に示されるように、光を異なる画像投入デバイス１２００、１２０２、１２０４、１２０６、および１２０８から受光するように構成されてもよく、光を内部結合光学要素１２１２、１２２２、１２３２の他のものから実質的に受光しないように、他の内部結合光学要素１２１２、１２２２、１２３２から分離されてもよい（例えば、側方に離間される）。
各導波管はまた、関連付けられた光分散要素を含み、例えば、光分散要素１２１４は、導波管１２１０の主要表面（例えば、上部主要表面）上に配置され、光分散要素１２２４は、導波管１２２０の主要表面（例えば、上部主要表面）上に配置され、光分散要素１２３４は、導波管１２３０の主要表面（例えば、上部主要表面）上に配置される。いくつかの他の実施形態では、光分散要素１２１４、１２２４、１２３４は、それぞれ、関連付けられた導波管１２１０、１２２０、１２３０の底部主要表面上に配置されてもよい。いくつかの他の実施形態では、光分散要素１２１４、１２２４、１２３４は、それぞれ、関連付けられた導波管１２１０、１２２０、１２３０の上部および底部両方の主要表面上に配置されてもよい、または光分散要素１２１４、１２２４、１２３４は、それぞれ、異なる関連付けられた導波管１２１０、１２２０、１２３０内の上部および底部主要表面の異なるもの上に配置されてもよい。
導波管１２１０、１２２０、１２３０は、例えば、材料のガス、液体、および／または固体層によって離間および分離されてもよい。例えば、図示されるように、層１２１８ａは、導波管１２１０および１２２０を分離してもよく、層１２１８ｂは、導波管１２２０および１２３０を分離してもよい。いくつかの実施形態では、層１２１８ａおよび１２１８ｂは、低屈折率材料（すなわち、導波管１２１０、１２２０、１２３０の直近のものを形成する材料より低い屈折率を有する材料）から形成される。好ましくは、層１２１８ａ、１２１８ｂを形成する材料の屈折率は、導波管１２１０、１２２０、１２３０を形成する材料の屈折率よりも０．０５以上、または０．１０以上小さい。有利には、より低い屈折率層１２１８ａ、１２１８ｂは、導波管１２１０、１２２０、１２３０を通して光の全内部反射（ＴＩＲ）（例えば、各導波管の上部および底部主要表面間のＴＩＲ）を促進する、クラッディング層として機能してもよい。いくつかの実施形態では、層１２１８ａ、１２１８ｂは、空気から形成される。図示されないが、導波管の図示されるセット１２００の上部および底部は、直近クラッディング層を含んでもよいことを理解されたい。
好ましくは、製造および他の考慮点を容易にするために、導波管１２１０、１２２０、１２３０を形成する材料は、類似または同一であって、層１２１８ａ、１２１８ｂを形成する材料は、類似または同一である。いくつかの実施形態では、導波管１２１０、１２２０、１２３０を形成する材料は、１つ以上の導波管間で異なってもよい、および／または層１２１８ａ、１２１８ｂを形成する材料は、依然として、前述の種々の屈折率関係を保持しながら、異なってもよい。
図９Ａを継続して参照すると、光線１２４０、１２４２、１２４４が、導波管のセット１２００に入射する。光線１２４０、１２４２、１２４４は、１つ以上の画像投入デバイス１２００、１２０２、１２０４、１２０６、１２０８（図６）によって導波管１２１０、１２２０、１２３０の中に投入されてもよいことを理解されたい。
いくつかの実施形態では、光線１２４０、１２４２、１２４４は、異なる色に対応し得る、異なる性質、例えば、異なる波長または異なる波長範囲を有する。内部結合光学要素１２１２、１２２２、１２３２はそれぞれ、光がＴＩＲによって導波管１２１０、１２２、１２３０のうちの個別の１つを通して伝搬するように、入射光を偏向させる。
例えば、内部結合光学要素１２１２は、第１の波長または波長範囲を有する、光線１２４０を偏向させるように構成されてもよい。同様に、透過される光線１２４２は、第２の波長または波長範囲の光を選択的に偏向させるように構成される、内部結合光学要素１２２２に衝突し、それによって偏向される。同様に、光線１２４４は、第３の波長または波長範囲の光を選択的に偏向させるように構成される、内部結合光学要素１２３２によって偏向される。
図９Ａを継続して参照すると、偏向された光線１２４０、１２４２、１２４４は、対応する導波管１２１０、１２２０、１２３０を通して伝搬するように偏向される。すなわち、各導波管の内部結合光学要素１２１２、１２２２、１２３２は、光をその対応する導波管１２１０、１２２０、１２３０の中に偏向させ、光を対応する導波管の中に内部結合する。光線１２４０、１２４２、１２４４は、光をＴＩＲによって個別の導波管１２１０、１２２０、１２３０を通して伝搬させる角度で偏向される。光線１２４０、１２４２、１２４４は、導波管の対応する光分散要素１２１４、１２２４、１２３４に衝突するまで、ＴＩＲによって個別の導波管１２１０、１２２０、１２３０を通して伝搬する。
ここで図９Ｂを参照すると、図９Ａの複数のスタックされた導波管の実施例の斜視図が、図示される。前述のように、内部結合された光線１２４０、１２４２、１２４４は、それぞれ、内部結合光学要素１２１２、１２２２、１２３２によって偏向され、次いで、それぞれ、導波管１２１０、１２２０、１２３０内でＴＩＲによって伝搬する。光線１２４０、１２４２、１２４４は、次いで、それぞれ、光分散要素１２１４、１２２４、１２３４に衝突する。光分散要素１２１４、１２２４、１２３４は、それぞれ、外部結合光学要素１２５０、１２５２、１２５４に向かって伝搬するように、光線１２４０、１２４２、１２４４を偏向させる。
いくつかの実施形態では、光分散要素１２１４、１２２４、１２３４は、直交瞳エクスパンダ（ＯＰＥ）である。いくつかの実施形態では、ＯＰＥは、光を外部結合光学要素１２５０、１２５２、１２５４に偏向または分散させることと、また、外部結合光学要素に伝搬するにつれて、本光のビームまたはスポットサイズを増加させることの両方を行う。いくつかの実施形態では、例えば、ビームサイズがすでに所望のサイズである場合、光分散要素１２１４、１２２４、１２３４は、省略されてもよく、内部結合光学要素１２１２、１２２２、１２３２は、光を直接外部結合光学要素１２５０、１２５２、１２５４に偏向させるように構成されてもよい。例えば、図９Ａを参照すると、光分散要素１２１４、１２２４、１２３４は、それぞれ、外部結合光学要素１２５０、１２５２、１２５４と置換されてもよい。いくつかの実施形態では、外部結合光学要素１２５０、１２５２、１２５４は、光を視認者の眼４（図７）内に指向する、射出瞳（ＥＰ）または射出瞳エクスパンダ（ＥＰＥ）である。
故に、図９Ａおよび９Ｂを参照すると、いくつかの実施形態では、導波管のセット１２００は、原色毎に、導波管１２１０、１２２０、１２３０と、内部結合光学要素１２１２、１２２２、１２３２と、光分散要素（例えば、ＯＰＥ）１２１４、１２２４、１２３４と、外部結合光学要素（例えば、ＥＰ）１２５０、１２５２、１２５４とを含む。導波管１２１０、１２２０、１２３０は、各１つの間に空隙／クラッディング層を伴ってスタックされてもよい。内部結合光学要素１２１２、１２２２、１２３２は、入射光をその導波管の中に再指向または偏向させる（異なる内部結合光学要素は、異なる波長の光を受光する）。光は、次いで、個別の導波管１２１０、１２２０、１２３０内でＴＩＲをもたらすであろう、角度で伝搬する。示される実施例では、光線１２４０（例えば、青色光）は、先に説明された様式において、第１の内部結合光学要素１２１２によって偏向され、次いで、導波管を辿ってバウンスし続け、光分散要素（例えば、ＯＰＥ）１２１４、次いで、外部結合光学要素（例えば、ＥＰ）１２５０と相互作用する。光線１２４２および１２４４（例えば、それぞれ、緑色および赤色光）は、導波管１２１０を通して通過し、光線１２４２は、内部結合光学要素１２２２に衝突し、それによって偏向されるであろう。光線１２４２は、次いで、ＴＩＲを介して、導波管１２２０を辿ってバウンスし、その光分散要素（例えば、ＯＰＥ）１２２４、次いで、外部結合光学要素（例えば、ＥＰ）１２５２に進む。最後に、光線１２４４（例えば、赤色光）は、導波管１２２０を通して通過し、導波管１２３０の光内部結合光学要素１２３２に衝突する。光内部結合光学要素１２３２は、光線が、ＴＩＲによって、光分散要素（例えば、ＯＰＥ）１２３４に、次いで、ＴＩＲによって、外部結合光学要素（例えば、ＥＰ）１２５４に伝搬するように、光線１２４４を偏向させる。外部結合光学要素１２５４は、次いで、最後に、光線１２４４を視認者に外部結合し、視認者はまた、他の導波管１２１０、１２２０から外部結合された光も受光する。
図９Ｃは、図９Ａおよび９Ｂの複数のスタックされた導波管の実施例の上下平面図を図示する。図示されるように、導波管１２１０、１２２０、１２３０は、各導波管の関連付けられた光分散要素１２１４、１２２４、１２３４および関連付けられた外部結合光学要素１２５０、１２５２、１２５４とともに、垂直に整合されてもよい。しかしながら、本明細書に議論されるように、内部結合光学要素１２１２、１２２２、１２３２は、垂直に整合されない。むしろ、内部結合光学要素は、好ましくは、非重複する（例えば、上下図に見られるように、側方に離間される）。本明細書でさらに議論されるように、本非重複空間配列は、１対１ベースで異なるリソースから異なる導波管の中への光の投入を促進し、それによって、具体的光源が具体的導波管に一意に結合されることを可能にする。いくつかの実施形態では、非重複の空間的に分離される内部結合光学要素を含む、配列は、偏移瞳システムと称され得、これらの配列内の内部結合光学要素は、サブ瞳に対応し得る。（液晶に基づくブラッグ反射構造）
概して、液晶は、従来の流体と固体との間の中間であり得る、物理的性質を保有する。液晶は、いくつかの側面では、流体状であるが、大部分の流体と異なり、液晶内の分子の配列は、いくつかの構造秩序を呈する。異なるタイプの液晶は、サーモトロピック、リオトロピック、およびポリマー液晶を含む。本明細書に開示されるサーモトロピック液晶は、ネマチック状態／位相、スメクチック状態／位相、キラルネマチック状態／位相、またはキラルスメクチック状態／位相を含む、種々の物理的状態、例えば、位相に実装されることができる。
本明細書に説明されるように、ネマチック状態または位相における液晶は、比較的に少ない位置秩序を有する一方、その長軸が略平行である状態で長距離指向性秩序を有する、カラミチック（棒形状）またはディスコチック（円板形状）有機分子を有することができる。したがって、有機分子は、依然として、その長距離指向性秩序を維持しながら、その質量中心位置が液体中におけるようにランダムに分散された状態で自由に流動し得る。いくつかの実装では、ネマチック位相における液晶は、一軸性であり得る。すなわち、液晶は、より長くかつ好ましい１つの軸を有し、他の２つは、ほぼ同等である。他の実装では、液晶は、二軸性であり得る。すなわち、その長軸の配向に加え、液晶はまた、二次軸に沿って配向され得る。
本明細書に説明されるように、スメクチック状態または位相における液晶は、相互にわたって摺動し得る比較的に明確に画定された層を形成する、有機分子を有することができる。いくつかの実装では、スメクチック位相における液晶は、１つの方向に沿って位置的に秩序付けられることができる。いくつかの実装では、分子の長軸は、液晶層の平面に対して略法線の方向に沿って配向されることができる一方、他の実装では、分子の長軸は、層の平面に対して略法線の方向に対して傾斜されてもよい。
本明細書では、本開示全体を通して、ネマチック液晶は、棒状分子から成り、近傍分子の長軸は、相互に近似的に整合される。本異方性構造を説明するために、配向子と呼ばれる、無次元単位ベクトルｎが、液晶分子の好ましい配向の方向を説明するために使用され得る。
本明細書では、本開示全体を通して、傾斜角度または事前傾斜角度Φは、液晶層または基板の主要表面（ｘ－ｙ平面）と垂直な平面、例えば、ｘ－ｚ平面において測定され、かつ整合方向と主要表面または主要表面と平行方向、例えば、ｘ－方向との間で測定される、角度を指し得る。
本明細書では、本開示全体を通して、方位角または回転角度φは、層法線方向または液晶層の主要表面に対して法線の軸を中心とした回転の角度を説明するために使用され、これは、液晶層または基板の主要表面と平行な平面、例えば、ｘ－ｙ平面において測定され、かつ整合方向、例えば、身長方向または配向子の方向と、主要表面と平行方向、例えば、ｙ－方向との間で測定される。
本明細書では、本開示全体を通して、回転角度φまたは事前傾斜角度Φ等の整合角度が、異なる領域間で実質的に同一であると称されるとき、平均整合角度は、例えば、相互に約１％、約５％、または約１０％以内であり得るが、平均整合は、ある場合には、より大きくあり得ることを理解されたい。
本明細書では、本明細書全体を通して、デューティサイクルは、例えば、第１の整合方向に整合される液晶分子を有する第１の領域の第１の側方寸法と第１の領域を有するゾーンの格子周期との間の比率を指し得る。適用可能である場合、第１の領域は、液晶の整合が異なるゾーン間で変動しない、領域に対応する。
本明細書に説明されるように、ネマチック状態またはスメクチック状態における液晶はまた、キラリティを呈することができる。そのような液晶は、キラル位相またはコレステリック位相にあると称される。キラルまたはコレステリック位相では、液晶は、配向子と垂直な分子の捻転を呈することができ、分子軸は、配向子と平行である。隣接する分子間の有限捻転角度は、その非対称充塞に起因し、これは、より長距離のキラル秩序をもたらす。
本明細書に説明されるように、キラルスメクチック状態または位相における液晶は、液晶分子が位置秩序を層化構造内に有するように構成されることができ、分子は、層法線に対してある有限角度によって傾斜される。加えて、キラリティは、層法線方向における１つの液晶層から次の液晶層へと層法線に対する垂直方向に対して液晶分子の連続方位角捻転を誘発し、それによって、分子軸の螺旋捻転を層法線に沿って生産することができる。
本明細書に説明されるように、本開示全体を通して、キラル構造は、ある方向、例えば、層深度方向等の配向子と方向垂直に延在し、ある回転方向、例えば、時計回りまたは反時計回りに連続的に回転または捻転される、コレステリック位相における複数の液晶分子を指す。一側面では、キラル構造内の液晶分子の配向子は、ある螺旋ピッチを有する螺旋として特徴付けられることができる。
本明細書に説明されるように、キラリティを示すコレステリック位相における液晶は、キラルピッチまたは螺旋ピッチ（ｐ）を有するように説明され得、これは、第１の回転方向における完全１回転によるキラル構造の液晶分子の正味回転角度に対応する、層深度方向における長さに対応する。言い換えると、螺旋ピッチは、液晶分子が完全３６０°捻転を受ける距離を指す。螺旋ピッチ（ｐ）は、例えば、温度が改変されると、または他の分子が液晶ホストに添加されると（アキラル液体ホスト材料は、キラル材料でドープされる場合、キラル位相を形成し得る）、変化し、適宜、所与の材料の螺旋ピッチ（ｐ）が調整されることを可能にし得る。いくつかの液晶システムでは、螺旋ピッチは、可視光の波長と同一秩序である。本明細書に説明されるように、キラリティを示す液晶はまた、捻転角度または回転角度（φ）を有するものとして説明され得、これは、例えば、層法線方向における連続液晶分子間の相対的方位角回転を指し得、かつ正味捻転角度または正味回転角度を有するものとして説明され得、これは、例えば、規定された長さ、例えば、キラル構造の長さまたは液晶層の厚さを横断した最上液晶分子と最下液晶分子との間の相対的方位角回転を指し得る。
本明細書に説明される種々の実施形態によると、上記に説明されるような種々の状態または位相を有する、液晶は、例えば、複屈折、光学異方性、および薄膜プロセスを使用した製造可能性を含む、種々の望ましい材料性質をもたらすように構成されることができる。例えば、液晶層の表面条件を変化させ、および／または異なる液晶材料を混合することによって、空間可変回折性質、例えば、勾配回折効率を呈する、格子構造が、加工されることができる。
本明細書に説明されるように、「重合化可能液晶」は、重合される、例えば、原位置で光重合され得、また、本明細書では、反応性メソゲン（ＲＭ）として説明され得る、液晶材料を指し得る。
液晶分子は、いくつかの実施形態では、重合化可能であり得、いったん重合されると、他の液晶分子と大規模な網状体を形成し得ることを理解されたい。例えば、液晶分子は、化学結合または化学種を他の液晶分子に連結することによって、連結されてもよい。いったんともに継合されると、液晶分子は、ともに連結される前と実質的に同一配向および場所を有する、液晶ドメインを形成し得る。説明を容易にするために、用語「液晶分子」は、本明細書では、重合化前の液晶分子と、重合化後のこれらの分子によって形成される液晶ドメインの両方を指すために使用される。
本明細書に説明される特定の実施形態によると、光重合化可能液晶材料は、ブラッグ反射構造、例えば、回折格子を形成するように構成されることができ、複屈折、キラリティ、および複数のコーティングの容易性を含む、その材料性質は、異なる材料性質、例えば、複屈折、キラリティ、および厚さを伴う回折格子を作成するために利用されることができ、これは、異なる光学性質、例えば、いくつか挙げると、回折効率、波長選択性、および軸外回折角度選択性をもたらし得る。
本明細書に説明されるように、「透過」または「透明」構造、例えば、透明基板は、入射光の少なくとも一部、例えば、少なくとも２０、３０、または５０％が、それを通して通過することを可能にし得ることを理解されたい。故に、透明基板は、いくつかの実施形態では、ガラス、サファイア、またはポリマー基板であってもよい。対照的に、「反射」構造、例えば、反射基板は、入射光の少なくとも一部、例えば、少なくとも２０、３０、５０、７０、９０％、以上のものを反射させ、そこから反射させ得る。
格子の光学性質は、格子の物理的構造（例えば、周期性、深度、およびデューティサイクル）および格子の材料性質（例えば、屈折率、吸収率、および複屈折）によって決定される。液晶が、使用されるとき、格子の光学性質は、例えば、液晶材料の分子配向または分布を制御することによって制御されることができる。例えば、格子面積を横断して液晶材料の分子配向または分布を変動させることによって、格子は、段階的な回折効率を呈し得る。そのようなアプローチは、図を参照して以下に説明される。
（コレステリック液晶回折格子（ＣＬＣＧ））
図６および７を参照して前述で説明されたように、本明細書に説明される種々の実施形態による、ディスプレイシステムは、光学要素、例えば、内部結合光学要素、外部結合光学要素、および光分散要素を含んでもよく、これは、回折格子を含んでもよい。例えば、図７を参照して上記に説明されるように、導波管１１８２の入力表面１３８２において導波管１１８２の中に投入される、光４００は、全内部反射（ＴＩＲ）によって、導波管１１８２内を伝搬する。光４００が外部結合光学要素１２８２上に衝突する点において、光の一部は、導波管から出射ビーム４０２として出射する。いくつかの実装では、光学要素１１８２、１２８２、または１３８２のいずれかは、回折格子として構成されることができる。
光を導波管１１８２の中に効率的に内部結合させる（またはそこから外部結合させる）ことは、例えば、仮想／拡張／複合現実ディスプレイ用途のための導波管ベースのシースルーディスプレイを設計する際の課題であり得る。これらおよび他の用途に関して、その構造が回折性質を含む、種々の光学性質を最適化するように構成可能な材料から形成される回折格子を有することが望ましい。望ましい回折性質は、他の性質の中でもとりわけ、偏光選択性、スペクトル選択性、角度選択性、高スペクトル帯域幅、および高回折効率を含む。これらおよび他の必要性に対処するために、本明細書に開示される種々の実施形態では、光学要素１２８２は、コレステリック液晶回折格子（ＣＬＣＧ）として構成される。後述に説明されるように、種々の実施形態によるＣＬＣＧは、とりわけ、偏光選択性、帯域幅、位相プロファイル、回折性質の空間変動、スペクトル選択性、および高回折効率を最適化するように構成されることができる。
以下では、種々の光学性質のために最適化されたコレステリック液晶（ＣＬＣ）を備える、反射液晶回折格子として構成される、ＣＬＣＧの種々の実施形態が、説明される。概して、回折格子は、周期的構造を有し、これは、光を異なる方向に進行するいくつかのビームに分裂および回折させる。これらのビームの方向は、とりわけ、周期的構造の周期および光の波長に依存する。外部結合光学要素１２８２（図６、７）等のある用途に関して、ある光学性質、例えば、回折効率を最適化するために、ＣＬＣの種々の材料性質は、後述に説明されるように、最適化されることができる。
前述で説明されるように、キラル（ネマチック）位相またはコレステリック位相位おけるコレステリック液晶（ＣＬＣ）層の液晶分子は、液晶層の法線方向または深度方向における膜の位置の関数として、配向子の連続方位角捻転を有するように配列される、複数の液晶分子によって特徴付けられる。本明細書に説明されるように、連続方位角捻転を有するように配列される、液晶分子は、集合的に、本明細書では、キラル構造と称される。本明細書に説明されるように、方位角捻転または回転の角度（φ）は、前述で説明されるように、層法線と平行な方向に対する液晶分子の配向子間の角度として説明される。キラル構造の液晶分子の空間可変配向子は、螺旋パターンを形成するものとして説明され得、螺旋ピッチ（ｐ）は、上記に説明されるように、配向子が３６０ｏ回転した距離（例えば、液晶層の層法線方向）として定義される。本明細書に説明されるように、回折格子として構成されるＣＬＣ層は、液晶の分子構造が深度方向に対して法線の側方方向に周期的に反復する、側方寸法を有する。側方方向における本周期性は、格子周期（∧）と称される。
本明細書に説明される種々の実施形態によると、回折格子は、複数のキラル構造を備える、コレステリック液晶（ＣＬＣ）層を備え、各キラル構造は、少なくともある螺旋ピッチによって、層深度方向に延在し、第１の回転方向に連続的に回転される、複数の液晶分子を備える。螺旋ピッチは、第１の回転方向における完全１回転によるキラル構造の液晶分子の正味回転角度に対応する、層深度方向における長さである。キラル構造の液晶分子の配列は、層深度方向と垂直な側方方向に周期的に変動する。
図１０は、複数の均一キラル構造を備える、コレステリック液晶（ＣＬＣ）層１００４の断面側面図を図示する。ＣＬＣ１００４は、複数のキラル構造１０１２－１、１０１２－２、．．．１０１２－ｉとして配列される、液晶分子を備える、ＣＬＣ層１００８を備え、各キラル構造は、複数の液晶分子を備え、ｉは、２を上回る任意の好適な整数である。例えば、キラル構造１０１２－１は、層法線方向、例えば、図示される実施形態では、ｚ－方向に延在するように配列される、複数の液晶分子１０１２－１－１、１０１２－１－２、．．．１０１２－１－ｊを備え、ｊは、２を上回る任意の好適な整数である。各キラル構造の液晶分子は、第１の回転方向に連続的に回転される。図示される実施形態では、液晶分子は、ｚ－軸の正の方向（すなわち、軸矢印の方向）または入射光ビーム１０１６－Ｌ、１０１６－Ｒの伝搬方向において見られると、時計回り方向に連続的に回転される。例えば、図示される実施形態では、キラル構造１０１２－１の液晶分子１０１２－１－１、１０１２－１－２、．．．１０１２－１－ｊは、例えば、正のｘ－方向に対して、回転角度φ１、φ２、．．．φｊだけ連続的に回転される。図示される実施形態では、例証的目的のために、ｚ－方向における対向端間のキラル構造１０１２－１、１０１２－２、．．．１０１２－ｉのそれぞれの複数の液晶分子は、液晶分子の正味回転角度が約３６０ｏであるように、完全１回転または旋回分、回転される。その結果、キラル構造１０１２－１、１０１２－２、．．．１０１２－ｉは、ｚ－方向に、螺旋ピッチｐと同一である長さＬを有する。しかしながら、実施形態は、そのように限定されず、キラル構造１０１２－１、１０１２－２、．．．１０１２－ｉは、１回を上回るまたはそれ未満の任意の数の完全回転、３６０ｏより低いまたはより高い任意の好適な正味回転角度、および／または螺旋ピッチｐより短いまたはより長いｚ－方向における任意の好適な長さＬを有することができる。例えば、本明細書に説明される種々の実施形態では、キラル構造の完全旋回の数は、他の数の中でもとりわけ、１～３、２～４、３～５、４～６、５～７、６～８、７～９、または８～１０であることができる。
依然として、図１０を参照すると、ｚ－方向における隣接する液晶分子間の連続回転角度φ１、φ２、．．．φｊは、いくつかの実施形態によると、同一である、またはいくつかの他の実施形態によると、異なることができる。例証として、図示される実施形態では、キラル構造１０１２－１、１０１２－２、．．．１０１２－ｉの長さは、約ｐであって、正味回転角度は、ｚ－方向における隣接する液晶分子が約３６０ｏ／（ｍ－１）回転されるように、３６０ｏであって、ｍは、キラル構造内の液晶分子の数である。例えば、例証的目的のために、キラル構造１０１２－１、１０１２－２、．．．１０１２－ｉはそれぞれ、ｚ－方向における隣接する液晶分子が相互に対して約３０ｏ回転されるように、１３の液晶分子を有する。当然ながら、種々の実施形態におけるキラル構造は、任意の好適な数の液晶分子を有することができる。
したがって、依然として、図１０を参照すると、側方方向、例えば、ｘ－方向に隣接する、キラル構造は、同様に配列される液晶分子を有する。図示される実施形態では、キラル構造１０１２－１、１０１２－２、．．．１０１２－ｉは、ほぼ同一深度における異なるキラル構造の液晶分子、例えば、光入射表面１００４Ｓに最も近い液晶分子が、ほぼ同一深度における同一回転角度、および連続液晶分子の連続回転角度、および各キラル構造の液晶分子の正味回転角度を有するように、同様に構成される。
以下では、図１０に図示されるＣＬＣ層１００４はさらに、動作時において説明される。説明されるように、ＣＬＣ層１００４は、側方方向、例えば、ｘ－方向に均一配列を有する、キラル構造１０１２－１、１０１２－２、．．．１０１２－ｉを備える。動作時、左回り円偏光を有する光ビームと右回り円偏光を有する光ビームの組み合わせを有する、入射光が、ブラッグ反射によって、ＣＬＣ層１００８の表面１００４Ｓ上に入射すると、円偏光掌性のうちの１つを伴う光は、ＣＬＣ層１００４によって反射される一方、反対偏光掌性を伴う光は、実質的干渉を伴わずに、ＣＬＣ層１００８を通して透過される。本明細書に説明されるように、本開示全体を通して、掌性は、伝搬方向において見られると定義される。実施形態によると、光ビーム１０１６－Ｌ、１０１６－Ｒの偏光の方向または偏光の掌性が、キラル構造１０１２－１、１０１２－２、．．．１０１２－ｉの液晶分子と回転同一方向を有するように合致されるとき、入射光は、反射される。図示されるように、表面１００４Ｓ上に入射するのは、左回り円偏光を有する、光ビーム１０１６－Ｌと、右回り円偏光を有する、光ビーム１０１６－Ｒとである。図示される実施形態では、キラル構造１０１２－１、１０１２－２、．．．１０１２－ｉの液晶分子は、入射光ビーム１０１６－Ｌ、１０１６－Ｒが進行する方向、すなわち、右回り円偏光を有する光ビーム１０１６－Ｒと同一回転方向である、正のｘ－方向に、時計回り方向に連続的に回転される。その結果、右回り円偏光を有する光ビーム１０１６－Ｒは、実質的に反射される一方、左回り円偏光を有する光ビーム１０１６－Ｌは、ＣＬＣ層１００４を通して実質的に透過される。
任意の理論によって拘束されるわけではないが、ブラッグ反射条件下では、入射光の波長（λ）は、ＣＬＣ層の代表値または平均値屈折率（ｎ）および螺旋ピッチ（ｐ）に比例し得、いくつかの状況下では、以下の条件を満たすように表され得る。
Figure 2022140589000002
加えて、ブラッグ反射波長の帯域幅（Δλ）は、ＣＬＣ層１００４の複屈折Δｎ（例えば、光の異なる偏光間の屈折率における差異）および螺旋ピッチ（ｐ）に比例し得、いくつかの状況下では、以下の条件を満たすように表され得る。
Δλ＝Δｎ・ｐ ［２］
本明細書に説明される種々の実施形態では、帯域幅Δλは、約６０ｎｍ、約８０ｎｍ、または約１００ｎｍである。
種々の実施形態によると、例えば、約３９０ｎｍ～約７００ｎｍの可視波長範囲内、または例えば、約７００ｎｍ～約２５００ｎｍの近赤外線波長範囲内のピーク反射強度は、約６０％、約７０％、約８０％、または約９０％を超えることができる。加えて、種々の実施形態によると、半値全幅（ＦＷＨＭ）は、約１００ｎｍ未満、約７０ｎｍ未満、約５０ｎｍ未満、または約２０ｎｍ未満であることができる。
図１１は、側方方向に異なるように配列される、例えば、捻転角度を側方方向に変動させる、キラル構造を有する、ＣＬＣ格子（ＣＬＣＧ）１１５０の断面側面図を図示する。図１０のＣＬＣ層１００４と同様に、回折格子１１５０は、複数のキラル構造１１６２－１、１１６２－２、．．．１１６２－ｉとして配列される液晶分子を備える、コレステリック液晶（ＣＬＣ）層１１５８を備え、各キラル構造は、複数の液晶分子を備える。例えば、キラル構造１１６２－１は、図示される実施形態では、ｚ－方向として表される層法線方向に延在するように配列される、複数の液晶分子１１６２－１－１、１１６２－１－２、．．．１１６２－１－ｊを備える。各キラル構造の液晶分子は、図１０に関して説明される類似様式において、第１の回転方向に連続的に回転される。加えて、長さＬ、液晶分子によって行われる完全回転の数、およびキラル構造あたり液晶分子の数を含む、キラル構造の種々の他のパラメータは、図１０に関して上記で説明されるキラル構造に類似する。
しかしながら、図１０の図示される実施形態と対照的に、図１１の図示される実施形態では、側方方向、例えば、ｘ－方向に隣接するキラル構造は、異なるように配列される液晶分子を有する。キラル構造１１６２－１、１１６２－２、．．．１１６２－ｉは、ほぼ同一深度における異なるキラル構造の液晶分子が異なる回転角度を有するように、ｘ－方向に異なるように構成される。例えば、図示される実施形態では、キラル構造１１６２－１、１１６２－２、．．．１１６２－ｉの入射表面１１５８Ｓに最も近い、液晶分子１１６２－１－１、１１６２－２－１、．．．１１６２－ｉ－１はそれぞれ、例えば、正のｘ－方向に対して正のｘ－軸方向に、回転角度φ１、φ２、．．．φｉだけ連続的に回転される。図示される実施形態では、回折格子１１５０の周期に対応する、側方長さ∧を横断した、入射表面１１５８Ｓに最も近い液晶分子１１６２－１－１、１１６２－２－１、．．．１１６２－ｉ－１の正味回転角度は、約１８０ｏの回転角度である。加えて、ほぼ同一深度レベルに配置される、異なるキラル構造の液晶分子は、個別の表面に最も近い液晶分子に対してほぼ同一回転角度だけ回転される。
依然として、図１１Ａを参照すると、周期∧を横断してｘ－方向に同一深度レベルにある液晶分子の連続回転角度φ１、φ２、．．．φｉは、いくつかの実施形態によると、同一である、またはいくつかの他の実施形態によると、異なることができる。図示される実施形態では、周期∧に関して、正味回転角度が、図示される実施形態におけるように、３６０ｏであるとき、ｘ－方向に隣接する液晶分子は、約３６０ｏ／（ｍ－１）回転され、ｍは、周期∧によってｘ－方向に及ぶ、液晶分子の数である。例えば、例証的目的のために、ｘ－方向に同一垂直レベルにおける隣接する液晶分子が、相互に対して約３０ｏ回転されるように、周期∧を横断して及ぶ、７つの液晶分子が存在する。当然ながら、種々の実施形態におけるキラル構造は、任意の好適な数の液晶分子を有することができる。
例証目的のために、ＣＬＣ層１１５８は、１つのみの周期∧を有するように図示されることを理解されたい。当然ながら、実施形態は、そのように限定されず、ＣＬＣ層１１５８は、ｘ－方向におけるＣＬＣＧの側方寸法によって決定される、任意の好適な数の周期を有することができる。
ＣＬＣＧ１１５０によって図示されるように、側方方向、例えば、ｘ－方向におけるキラル構造が、異なるように配列される、例えば、連続的に回転されると、連続的に回転されるキラル構造は、ｘ－方向に沿って反射された光の相対的位相に偏移を誘発する。これは、グラフ１１７０に関して図示され、これは、ｘ－軸方向に１つの周期∧において回転角度φ１、φ２、．．．φｉだけ連続的に回転されるキラル構造から生じる位相変化φをプロットする。任意の理論によって拘束されるわけではないが、反射された光１０１８の相対的位相差（ΔΦ）は、ΔΦ（ｘ）＝（２πｘ／Λ）として表され得、式中ｘは、側方方向に沿った位置であって、∧は、周期である。帯域幅は、Δλ≒Δｎ・ｐとして表され得る。
図１０－１１および方程式［１］および［２］に戻って参照すると、種々の実施形態によると、ブラッグ反射された波長は、キラル構造の螺旋ピッチｐを変動させることによって、変動されることができる。種々の実施形態では、任意の理論によって拘束されるわけではないが、螺旋ピッチｐは、上記に説明されるような回転または捻転角度を誘発するためのキラル複合物の能力を指す、螺旋捻転力（ＨＴＰ）を増減させることによって、変動されることができる。ＨＴＰは、順に、キラル複合物の量を非キラル複合物の量に対して変化させることによって、変動されることができる。種々の実施形態では、化学的および／または機械的に、キラル複合物と非キラル複合物、例えば、ネマチック複合物を混合させることによって、ブラッグ反射波長、したがって、色が、キラル複合物の相対的割合と螺旋ピッチとの間の逆関係に基づいて、変動されることができる。本明細書に開示される種々の実施形態では、キラル複合物の量と非キラル複合物の量の比率は、重量比約２０：１、１０：１、５：１、４：１、３：１、２：１、１：１、１：２、１：３、１：４、１：５、１：１０、または約１：２０であることができる。
図１０および１１に関して前述の説明では、入射光ビーム１０１６－Ｌ、１０１６－Ｒは、層法線と平行方向に、例えば、ｚ－方向に伝搬するように図示される。しかしながら、種々の用途に関して、例えば、図６および７に関して上記に説明されるように、導波管１１８２内を伝搬する、例えば、全内部反射（ＴＩＲ）によって伝搬する光は、外部結合光学要素１２８２、１２８４、１２８６、１２８８、１２９０、例えば、回折格子上に、ある軸外角度で衝突する。本明細書に説明されるような回折格子は、下記に説明されるように、そのような構成のために、帯域幅および回折効率を最大限にするように構成されることができる。
図１０および１１に関して前述の説明では、液晶分子は、事前傾斜されないように図示される。しかしながら、実施形態は、そのように限定されず、液晶分子は、いくつかの実施形態によると、ＣＬＣＧの主要表面と平行な方向に対して、例えば、ｘ－ｙ平面に対して、約＋／－６０度～約＋／－９０度または約＋／－６５度～約＋／－８５度、例えば、約＋／－７５度、約＋／－３５度～約＋／－６５度または約＋／－４０度～約＋／－６０度、例えば、約＋／－５０度、約＋／－１０度～約＋／－４０度または約＋／－１５度～約＋／－３５度、例えば、約＋／－２５度である、事前傾斜角度Φを有することができる。いくつかの他の実施形態によると、事前傾斜角度Φは、約±１５度または約±１０度または約±５、例えば、０度であることができる。
（軸外入射角における高帯域幅反射のために構成されるＣＬＣＧ）
図１２は、軸外入射角における高反射帯域幅のために構成されるＣＬＣ層１１５８の断面側面図を図示する。本明細書に説明されるように、軸外入射角は、非ゼロ値を有し、反射角度θでブラッグ反射されたビーム１２２０をもたらす、層法線の方向（例えば、図１２では、ｚ－方向）に対する入射ビーム１２１６の入射角θｉｎｃを指す。いくつかの状況下では、反射角度は、λ／Λを変動させることによって、限定された程度まで変動されることができる。任意の理論によって限定されるわけではないが、いくつかの状況下では、軸外反射は、以下の関係に基づいて説明され得る。
ｎ・ｓｉｎ（θ）＝λ／Λ＋ｓｉｎ（θｉｎｃ） ［３］
式中、θｉｎｃは、層法線θの方向に対する入射角であって、θは、層法線の方向に対する反射角であって、ｎは、反射されたビームが伝搬する、媒体の反射率である。ＣＬＣ層１１５８が、軸外角度において入射ビーム１２１６で照明されると、反射スペクトルは、より短い波長に向かって偏移され得る。本明細書に開示される種々の実施形態によると、比率λ／Λは、０．５～０．８、０．６～０．９、０．７～１．０、０．８～１．１、０．９～１．２、１．０～１．６、１．１～１．５、または１．２～１．４の値を有することができる。
任意の理論によって拘束されるわけではないが、ＣＬＣ層１１５８が高効率でブラッグ反射するように構成される、軸外角度はまた、キラル構造の螺旋ピッチｐに依存し得る。
図１３Ａおよび１３Ｂは、軸外入射角における反射のために構成されるＣＬＣ層の断面側面図を図示する。図１３Ａを参照すると、第１のコレステリック液晶（ＣＬＣ）層１３５８Ａは、第１の螺旋ピッチ（ｐ１）を有する、第１の複数のキラル構造を備える。第１のＣＬＣ層１３５８Ａは、第１の入射光ビーム１３１６Ａが、ＣＬＣ層１３５８Ａの入射表面に第１の軸外角度θｉｎｃ，１で指向され、これが、第１の反射角度θ１における第１の反射された光ビーム１３２０Ａをもたらすとき、ブラッグ反射が最大であるような第１の螺旋ピッチｐ１を有する。図示されるように、ＣＬＣ層１３５８Ａはさらに、比較的に高回折効率が取得され得る、第１の範囲１３２４Ａの軸外入射角を有するように構成される。第１の範囲１３２４Ａは、軸外入射角の範囲に対応し得、その外側では、第１の反射された光ビーム１３２０Ａの強度は、例えば、１／ｅを上回って低下する。例えば、第１の範囲１３２４Ａは、θｉｎｃ，１±３°、θｉｎｃ，１±５°、θｉｎｃ，１±７°、θｉｎｃ，１±１０°、またはθｉｎｃ，１±２０°の値を有することができる。
図１３Ｂを参照すると、第２のコレステリック液晶（ＣＬＣ）層１３５８Ｂは、第１のＣＬＣ層１３５８Ａと異なり、図１３Ａの第１のＣＬＣ層１３５８Ａの第１の螺旋ピッチｐ１と異なる第２の螺旋ピッチ（ｐ２）を有する、第２の複数のキラル構造を備える。
図示されるように、第２のＣＬＣ層１３５８Ｂは、第２の入射光ビーム１３１６Ｂが、ＣＬＣ層１３５８Ｂの入射表面に第１の軸外角度θｉｎｃ，１と異なる第２の軸外角度θｉｎｃ，２で指向されるとき、第１の反射角度θ１と異なる第２の反射角度θ２を有する、第２の反射された光ビーム１３２０Ｂが、生成されるように構成される。図示されるように、ＣＬＣ層１３５８Ｂはさらに、図１３Ａに関して上記で説明される第１の範囲１３２４Ａに類似する、軸外角度の第２の範囲１３２４Ｂを有するように構成される。
図１３Ｃは、複数の軸外入射角および高回折帯域幅でブラッグ反射させるために、異なる螺旋ピッチをスタックされた構成において有する、複数のＣＬＣ層を含む、ＣＬＣＧ１３５８の断面側面図を図示する。ＣＬＣＧ１３５８は、例えば、スタックされた構成において、および／または相互に接触して、相互にわたって形成される、それぞれ、図１３Ａおよび１３Ｂに関して上記で説明される、ＣＬＣ層１３５８Ａ、１３５８Ｂを含む。異なる螺旋ピッチを含む、複数のＣＬＣ層１３５８Ａ、１３５８Ｂの種々のパラメータは、ＣＬＣＧ１３５８が、複数の軸外入射角における効率的反射および１つのみのＣＬＣを使用して取得され得るものより広範囲の軸外角度にわたる高回折効率のために構成されるように、改良または最適化されることができる。例えば、図示される実施形態では、ｐ１およびｐ２は、結果として生じる第１および第２の範囲１３２４Ａおよび１３２４Ｂが、少なくとも部分的に、重複し、第１および第２の範囲１３２４Ａおよび１３２４Ｂを含む、連続的波長範囲にわたって、高回折効率を提供するように選択されることができる。しかしながら、他の実施形態では、ｐ１およびｐ２は、第１および第２の範囲１３２４Ａおよび１３２４Ｂが重複しないように選択されることができる。
動作時、第１および第２のＣＬＣ層１３５８Ａ、１３５８Ｂは、第１および第２の軸外角度θｉｎｃ，１、θｉｎｃ，２における、第１および第２の入射光ビーム１３１６Ａ、１３１６Ｂが、第１のＣＬＣ層１３５８Ａの入射表面に指向されると、第１の入射光ビーム１３１６Ａが、第１の反射角度θ１で第１のＣＬＣ層１３５８Ａによって実質的に反射される一方、第２の入射光ビーム１３５８Ｂが、第１のＣＬＣ層１３５８Ａを通して、第２のＣＬＣ層１３５８Ｂの入射表面に向かって実質的に透過し、第２の反射角度θ２で第２のＣＬＣ層１３５８Ｂによって実質的に反射されるように、相互にわたって形成される。明確にするために示されないが、上記に説明される概念は、任意の好適な数のＣＬＣ層に拡張されることができることを理解されたい。
本明細書に説明されるように、本明細書全体を通して、層を通して「実質的に透過する」光ビームは、光が層から出射するにつれて、残っている入射光強度の少なくとも２０％、３０％、５０％、７０％、または９０％を有する光を指し得る。同様に、層によって「実質的に反射された」光ビームは、反射された光に残っている入射光強度の少なくとも２０、３０、５０％、７０％、または９０％を有する光を指し得る。
依然として、図１３Ｃを参照すると、種々の実施形態では、第１および第２のＣＬＣ層１３５８Ａ、１３５８Ｂの液晶分子は、ＣＬＣ層１３５８Ａ、１３５８Ｂが、前述で説明されるように、異なる螺旋捻転力（ＨＴＰ）を有するように、同一キラル複合物を異なる量で含むことができる。例えば、第２のＣＬＣ層１３５８Ｂは、第１のＣＬＣ層１３５８Ａと比較して、より高い相対的量の同一キラル複合物を有してもよい。いくつかの実施形態では、ピッチｐは、キラルおよび非キラル複合物を含む、総液晶複合物に対するキラル複合物の割合に反比例してもよい。しかしながら、実施形態は、そのように限定されず、第１および第２のＣＬＣ層１３５８Ａ、１３５８Ｂは、異なるキラル複合物を有することができる。
加えて、種々の実施形態では、第１および第２のＣＬＣ層１３５８Ａ、１３５８Ｂの液晶分子は、ＣＬＣ層１３５８Ａ、１３５８Ｂが、それぞれ、異なる比率λ／Λ１およびλ／Λ２を有し、ＣＬＣ層１３５８Ａ、１３５８Ｂが、例えば、方程式［３］に従って、異なる入射角θｉｎｃ，１、θｉｎｃ，２で高回折効率のために構成され得るように、同一または異なるキラル複合物を含むことができる。
依然として、図１３Ｃを参照すると、第１および第２のＣＬＣ層１３５８Ａ、１３５８Ｂは、いくつかの実施形態によると、直接、相互の上に加工されることができる。例えば、第１のＣＬＣ層１３５８Ａは、第１のＣＬＣ層１３５８Ａのための整合条件を提供する、整合層上に堆積されることができ、続いて、第２のＣＬＣ層１３５８Ｂは、第１のＣＬＣ層１３５８Ｂ上に堆積されることができる。これらの加工条件下では、第１のＣＬＣ層１３５８Ａの表面は、第２のＣＬＣ層１３５８Ｂのための整合条件を提供することができる。いくつかの他の実施形態では、ＣＬＣ層１３５８Ａ、１３５８Ｂはそれぞれ、別個の整合層を用いて加工されることができる。例えば、第１のＣＬＣ層１３５８Ａは、第１の整合層上に形成されることができ、第２の整合層は、第１のＣＬＣ層１３５８Ａ上に形成されることができ、第２のＣＬＣ層１３５８Ｂは、第２の整合層上に形成されることができる。隔離層、例えば、薄い酸化物層が、いくつかの実施形態によると、第２の整合層および／または第２のＣＬＣ層１３５８Ｂを形成することに先立って、第１のＣＬＣ層１３５８Ａ上に形成されてもよい。さらに他の実施形態では、２つのＣＬＣ層１３５８Ａ、１３５８Ｂは、個々に、異なる基板上に加工され、続いて、スタックされることができる。種々の実施形態では、中間層が、２つのＣＬＣ層１３５８Ａ、１３５８Ｂ間に形成され、例えば、接着性を向上させることができる。
異なる軸外角度における最適回折効率のために最適化された複数のＣＬＣ層を有する、ＣＬＣＧに関して上記に説明される概念は、他の代替実施形態にも拡張されることができる。特に、いくつかの実施形態では、複数の層を形成する代わりに、単一ＣＬＣ層は、異なる軸外角度における最適回折効率のために最適化された異なる領域を有するように構成されることができる。
図１４は、複数の軸外入射角で高回折帯域幅を伴う異なる垂直領域においてブラッグ反射させるために、深度方向に沿って異なる螺旋ピッチを伴う垂直領域を有する、単一ＣＬＣ層１４０４を含む、ＣＬＣＧ１４００の断面側面図を図示する。ＣＬＣ層１４０４は、高回折効率が、均一ピッチを深度方向に有する１つのみのＣＬＣ層を使用して取得され得るものより広範囲の軸外角度にわたって取得され得るように最適化された、異なるパラメータ、例えば、異なる螺旋ピッチを有する、複数の垂直領域を有する。図示される実施形態では、単一ＣＬＣ層１４０４は、複数の垂直領域１４０４Ａ、１４０４Ｂ、１４０４Ｃ、および１４０４Ｄを含み、これは、それぞれ、異なる螺旋ピッチｐ１、ｐ２、ｐ３、およびｐ４を有することができる。図１３Ｃに関して上記に説明されるものと同様に、螺旋ピッチｐ１、ｐ２、ｐ３、およびｐ４は、複数の垂直領域１４０４Ａ、１４０４Ｂ、１４０４Ｃ、および１４０４Ｄが、それぞれ、入射角θｉｎｃＡ、θｉｎｃＢ、θｉｎｃＣ、およびθｉｎｃＤにおける最適回折効率のために構成され、これが、それぞれ、対応する反射角度θＡ、θＢ、θＣ、およびθＤで異なる垂直深度に反射された光ビームをもたらすように選択されることができる。さらに、図１３Ｃに関して上記に説明されるように、ＣＬＣ層１４０４はさらに、比較的に高回折効率が取得されることができる、個別の範囲の軸外角度を有するように構成される。当然ながら、４つの垂直領域が、明確にするために、図示されるが、任意の好適な数の領域が、ＣＬＣ層１４０４内に含まれることができる。加えて、複数のＣＬＣ層を有する、図１３ＣのＣＬＣＧ１３５８に関して上記に説明される異なる変動も、ＣＬＣＧ１４００に適用可能であり得る。
図１４の図示される実施形態では、螺旋ピッチｐ１、ｐ２、ｐ３、およびｐ４の値は、螺旋ピッチの勾配の減少が深度方向（負のｚ－方向）に作成されるように、入射表面１４０４Ｓからの深度の増加に伴って減少する。ｚ－方向における層深度の関数としての螺旋ピッチの減少率が、ＣＬＣ層の１４０４の厚さを横断して均一であるとき、深度と螺旋ピッチとの間の線形関係を表すグラフ１４０８が、取得され得る。しかしながら、実施形態は、そのように限定されない。実施例のために、螺旋ピッチｐ１、ｐ２、ｐ３、およびｐ４は、いくつかの他の実施形態によると、任意の深度で増減することができ、層深度の関数として、異なる率で変化することができる。
螺旋ピッチの勾配を有する、ＣＬＣ層１４０４は、ＣＬＣ層の異なる深度における液晶分子の螺旋捻転力（ＨＴＰ）を変動させる、例えば、増減させることによって、加工されることができる。ＨＴＰは、順に、キラル複合物の相対的量を変化させることによって、空間的に変動されることができる。種々の実施形態では、異なる垂直深度において、化学的および／または機械的に、キラル複合物と非キラル複合物、例えば、ネマチック複合物を混合させることによって、垂直領域１４０４Ａ、１４０４Ｂ、１４０４Ｃ、および１４０４Ｄの螺旋ピッチは、キラル複合物の相対的割合と螺旋ピッチとの間の逆関係に基づいて、それぞれ、異なる入射角θｉｎｃＡ、θｉｎｃＢ、θｉｎｃＣ、およびθｉｎｃＤにおける最適回折効率のために構成されることができる。例えば、ＵＶ照射下において異なる反応率で重合化プロセスを受ける、異なる化学成分（例えば、キラルジアクリレートモノマーおよびネマチック／非キラルモノアクリレートモノマー）の混合物が、使用されることができる。加えて、または代替として、ＨＴＰは、ＣＬＣ層の異なる深度におけるＵＶ照射の暴露強度および／または暴露時間を含む、照射条件を変化させることによって、空間的に変動されることができる。ＨＴＰはまた、ＵＶ照射の前、後、および／または間、熱処理を含む、ＵＶ重合化プロセスの前／後処理を変動させることによって、空間的に変動されることができる。例えば、ＵＶ吸収染料が、混合物に添加されると、ＣＬＣ層の異なる深度におけるＵＶ光の強度勾配が、作成されることができる。例えば、ＵＶ強度勾配に起因して、表面の近傍の重合化は、ＣＬＣ層の底部領域と比較して、より高速で進み得る。例えば、コレステリック成分が、ジアクリレートであるとき、結果として生じるポリマーの中に組み込まれる確率は、ポリマー内に組み込まれるネマチックモノアクリレートの確率よりはるかに高い、例えば、２倍となり得る。いくつかの状況下では、全体的重合化率が、ＣＬＣ層の表面領域の近傍のキラルジアクリレートの枯渇が、ジアクリレート濃度勾配をＣＬＣ層の深度方向に生成するように制御される。これは、ひいては、ＣＬＣ層の表面領域に向かってジアクリレートの拡散を開始する。完全光重合化後、ＣＬＣ層の表面領域が、比較的により大量の非キラル複合物を含有する、ＣＬＣ層の底部領域と比較して、より多くのキラル材料を含有する、したがって、より短い螺旋ピッチを有する結果となり得る。ある他の状況下では、ＵＶ照射前／後または間の熱処理が、重合化プロセスに追加され、螺旋ピッチ勾配を制御することができる。したがって、熱処理の有無にかかわらず、２つの異なる液晶モノマー間の比率および／または異なる深度におけるＵＶ照射の用量を制御することによって、螺旋ピッチ勾配が、ＣＬＣ層の深度方向に沿って達成されることができる。
いくつかの用途に関して、層法線方向に直交する側方方向に沿って変動させるために、他のパラメータの中でもとりわけ、オフ角度回折効率、屈折率、波長選択性、偏光選択性、および位相選択性等の回折格子のある光学特性を有することが望ましくあり得る。側方変動は、光が側方方向に伝搬するように、例えば、上記の図６および７に関して図示されるように、例えば、格子が導波管とともにスタックされるとき、所望される。しかしながら、そのような構成下では、光の強度は、導波管（例えば、図７における１１８２）内で伝搬するにつれて減衰し得る。そのような構成はまた、例えば、光強度を格子（例えば、図７における１２８２）を横断して意図的に歪曲させ、ヒトの眼と関連付けられた感知効率の空間および／または角度変動に適合させ、ユーザ体験を最大限にするために望ましくあり得る。したがって、空間可変光学特性を有する、光学要素、例えば、回折格子の必要がある。
図１５は、ブラッグ反射を空間的に変動させるために、側方方向に沿って異なる螺旋ピッチを伴う側方領域を有する、ＣＬＣ層を含む、ＣＬＣＧの断面側面図を図示する。ＣＬＣ層１４２４は、側方可変性質、例えば、ブラッグ反射のための側方可変軸外入射角が、取得され得るように、異なる液晶材料パラメータ、例えば、螺旋ピッチを有する、複数の側方領域を有する。図示される実施形態では、ＣＬＣ層１４２４は、それぞれ、周期∧を有し、個別の螺旋ピッチｐ１、ｐ２、およびｐ３を有する、複数の側方領域１４２４Ａ、１４２４Ｂ、および１４２４Ｃを含む。螺旋ピッチｐ１、ｐ２、およびｐ３は、複数の垂直領域１４２４Ａ、１４２４Ｂ、および１４０４Ｃが、それぞれ、異なる軸外入射角θｉｎｃＡ、θｉｎｃＢ、およびθｉｎｃＣにおける最適回折効率のために構成され、これが、それぞれ、対応する反射角度θＡ、θＢ、およびθＣにおいて反射された光ビームをもたらすように選択されることができる。さらに、図１３Ｃに関して上記に説明されるように、ＣＬＣ層１４２４の異なる側方領域はさらに、比較的に高回折効率が取得され得る、類似の個別の範囲の軸外角度を有するように構成される。当然ながら、３つの垂直領域が、明確にするために、図示されるが、任意の好適な数の領域は、ＣＬＣ層１４２４内に含まれることができる。
図１５の図示される実施形態では、螺旋ピッチｐ１、ｐ２、およびｐ３の大きさは、螺旋ピッチの勾配が作成されるように、単調に側方方向に変化することができる。ｘ－方向における螺旋ピッチの変化率が、ＣＬＣ層１４２４の幅または長さを横断して均一であるとき、長さまたは幅と螺旋ピッチとの間の線形関係は、グラフ１４２８に図示されるように、取得されることができる。しかしながら、実施形態は、そのように限定されない。実施例のために、螺旋ピッチｐ１、ｐ２、およびｐ３は、任意の側方位置で増減することができ、種々の他の実施形態に従って、長さまたは幅に沿ってｘ－方向に異なる率で変化することができる。
種々の実施形態によると、ＣＬＣ層は、例えば、液晶分子の整合特性または他の材料性質を空間的に変動させることによって、側方可変回折特性を有するように加工されることができる。例えば、図１４に関して前述で説明される類似様式において、例えば、２つの異なる液晶モノマー間の比率および／または異なる側方領域におけるＵＶ照射の用量を制御することによって、側方螺旋ピッチ勾配が、側方寸法に沿って達成されることができる。
（波長選択的光結合のためにＣＬＣＧと結合される導波管）
前述で説明されるように、光の内部結合および外部結合を含む、種々の用途に関して、導波管デバイスは、全内部反射（ＴＩＲ）によって、光を伝搬するように構成されることができる。図１６は、ＣＬＣＧ１１５０に結合される導波管１６０４を備える、光学導波デバイス１６００の実施例を図示する。ＣＬＣＧ１１５０は、図１１に関して前述で説明されるキラル構造１１６２－１、１１６２－２、．．．１１６２－ｉと類似様式において、複数のキラル構造として配列される液晶分子を備える。導波管１６０４は、ＣＬＣＧ１１５０にわたって配置され、ＣＬＣＧ１１５０に光学的に結合される。楕円／円偏光入射光１０１６－Ｒ／Ｌが、キラル構造の液晶分子の回転方向に合致する、偏光掌性を有するとき、入射光１０１６－Ｒ／Ｌは、結合された光が、全内部反射（ＴＩＲ）によって、側方方向（例えば、ｘ－方向）に進行するような角度で、ＣＬＣＧ１１５０によってブラッグ反射され、導波管１６０４の中に結合される。任意の理論によって拘束されるわけではないが、ＴＩＲ条件は、回折角度θが導波管の臨界角θＣを上回るときに満たされ得る。いくつかの状況下では、ＴＩＲ条件は、以下のように表され得る。
ｓｉｎ（θＣ）＝１／ｎｔ ［４］
式中、ｎｔは、導波管１６０４の屈折率である。種々の実施形態によると、ｎｔは、約１～約２、約１．４～約１．８、または約１．５～約１．７であってもよい。例えば、導波管は、ポリカーボネートまたはガラス等のポリマーから成ってもよい。
図１７Ａは、第１のＣＬＣＧ１７５０Ａに結合され、θ＞θｃ３であるとき、全内部反射（ＴＩＲ）によって、第３の波長λ３を有する光を伝搬するように構成される、第１の導波管１７０４Ａを備える、第１の光学導波デバイス１７００Ａを図示する。第１のＣＬＣＧ１７５０Ａは、第１の周期∧１と、第１の螺旋ピッチｐ１とを有する。いくつかの実施形態によると、第１の導波デバイス１７００Ａは、ＴＩＲによって、可視スペクトル（例えば、波長約４００ｎｍ～７００ｎｍを伴う）内の光を伝搬するために構成されてもよい。いくつかの他の実施形態によると、第１の導波デバイス１７００Ａは、ＴＩＲによって、赤外線スペクトル（例えば、波長約７００ｎｍ～１４００ｎｍを伴うスペクトルの近赤外線部分内）内の光を伝搬するために構成されてもよい。図１０および１１に関して上記に説明されるように、ブラッグ反射は、前述の方程式［１］によって表される波長において、前述の方程式［２］によって表される波長Δλの帯域幅内で生じる。例えば、第１のＣＬＣＧ１７５０Ａは、ＴＩＲによって、青色（例えば、約４５０ｎｍ）、緑色（例えば、約５５０ｎｍ）、赤色（例えば、約６５０ｎｍ）、または赤外線のうちの１つ内の第３の波長λ３を有する、第３の入射光１７３６を結合するために設計されてもよい。図示されるように、Δλが、前述で説明されるように、約６０ｎｍ、約８０ｎｍ、または約１００ｎｍであるとき、第１および第２の波長λ１、λ２を有する、第１および第２の光１７１６および１７２６は、方程式［１］がこれらの色に関して満たされないため、実質的に透過され、これは、方程式［４］が満たされないため、第１の導波管１７０４の中に結合されない。
図１７Ｂは、図１７Ａに関して上記で図示される第１の光学導波デバイス１７００Ａと組み合わせられる、第２の光学導波デバイス１７００Ｂを図示する。光学導波デバイス１７００Ｂは、光学導波デバイス１７００Ａに続いて、光学経路内に配置され、第２のＣＬＣＧ１７５０Ｂに結合され、θ＞θｃ２であるとき、全内部反射（ＴＩＲ）によって、第２の波長λ２を有する第２の光１７２６を伝搬するように構成される、第２の導波管１７０４Ｂを備える。第２のＣＬＣＧ１７５０Ｂは、第２の周期∧２と、第２の螺旋ピッチｐ２とを有する。図１７Ａに関して上記に説明されるように、第１および第２の波長λ１、λ２を有する、第１および第２の光１７１６および１７２６は、第１の光学導波デバイス１７００Ａを通して実質的に透過される。透過される第１および第２の光１７１６および１７２６のうち、第２のＣＬＣＧ１７５０Ｂは、θ＞θｃ２であるとき、ＴＩＲによって、青色（例えば、約４５０ｎｍ）、緑色（例えば、約５５０ｎｍ）、赤色（例えば、約６５０ｎｍ）、または赤外線のうちの透過されたもの内の第２の波長λ２を有する、第２の入射光１７２６を結合するために設計されてもよい。したがって、図示されるように、Δλが、前述で説明されるように、約６０ｎｍ、約８０ｎｍ、または約１００ｎｍであるとき、第１の波長λ１を有する第１の光１７１６は、第２の導波デバイス１７００Ｂをさらに通して実質的に透過される。
図１７Ｃは、図１７Ｂに関して上記に図示される第１および第２の光学導波デバイス１７００Ａおよび１７００Ｂと組み合わせられる、第３の光学導波デバイス１７００Ｃを図示する。第３の光学導波デバイス１７００Ｃは、第１および第２の光学導波デバイス１７００Ａおよび１７００Ｂに続いて、光学経路内に配置され、第３のＣＬＣＧ１７５０Ｃに結合され、θ＞θｃ１であるとき、全内部反射（ＴＩＲ）によって、第１の波長λ２を有する第１の光１７１６を伝搬するように構成される、第３の導波管１７０４Ｃを備える。第３のＣＬＣＧ１７５０Ｃは、第３の周期∧３と、第３の螺旋ピッチｐ３とを有する。図１７Ｂに関して上記に説明されるように、第１の波長λ１を有する第１の光１７１６は、第１および第２の導波デバイス１７００Ａおよび１７００Ｂを通して実質的に透過される。第３のＣＬＣＧ１７５０Ｃは、θ＞θｃ１であるとき、ＴＩＲによって、青色（例えば、約４５０ｎｍ）、緑色（例えば、約５５０ｎｍ）、赤色（例えば、約６５０ｎｍ）、または赤外線のうちの透過されたもの内の第１の波長λ１を有する、第１の入射光１７１６を結合するために設計されてもよい。したがって、図示されるように、Δλが、前述で説明されるように、約６０ｎｍ、約８０ｎｍ、または約１００ｎｍであるとき、第１の波長λ１を有する第１の光１７１６は、方程式［４］が満たされるため、第３の導波管１７０４Ｃの中に実質的に結合される。
したがって、図１７Ａ－１７Ｃに関して上記に説明されるように、第１、第２、および第３の光学導波デバイス１７００Ａ、１７００Ｂ、および１７００Ｃのうちの１つ以上のものを同一光学経路内に設置することによって、異なる波長λ１、λ２、およびλ３を有する、第１、第２、および第３の光１７１６、１７２６、および１７３６のうちの１つ以上のものが、それぞれ、第１、第２、および第３の導波管１７０４Ａ、１７０４Ｂ、および１７０４Ｃのうちの１つ内でＴＩＲによって伝搬するように結合されることができる。図１７Ａ－１７Ｃのそれぞれでは、第１－第３の光学導波デバイス１７０４Ａ、１７０４Ｂ、および１７０４Ｃはそれぞれ、それぞれ、専用第１－第３の導波管１７０４Ａ、１７０４Ｂ、および１７０４Ｃと、専用第１－第３のＣＬＣＧ１７５０Ａ、１７５０Ｂ、および１７５０Ｃとを有するが、実施形態は、そのように限定されない。例えば、単一導波管は、ＴＩＲによって、図１８に関して後述に図示されるように、複数のＣＬＣＧのスタックからブラッグ反射された光を結合することができる。加えて、３つを上回る（または３つ未満の）任意の好適な数の光学導波デバイスもまた、ブラッグ反射によってさらに選択的結合するために、組み合わせられることができる。
図１８は、複数のＣＬＣＧ１７５０に結合される共通導波管１７０４を備える、光学導波デバイス１８００を図示する。複数のＣＬＣＧ１７５０は、第１－第３のＣＬＣＧ１７５０Ａ－１７５０Ｃを備える、スタックとして構成され、それぞれ、全内部反射（ＴＩＲ）によって、第３、第２、および第１の波長λ３、λ２、およびλ１を有する、第３、第２、および第１の光１７３６、１７２６、および１７１６を伝搬するように構成される。ＴＩＲは、それぞれ、第３、第２、および第１の光１７３６、１７２６、および１７１６のうちの１つ以上のものが、図１７Ａ－１７Ｃに関して上記に説明される類似様式において、それぞれ、条件θ＞θｃ３、θ＞θｃ２、およびθ＞θｃ１を満たすときに生じる。また、類似様式において、第１、第２、および第３のＣＬＣＧ１７５０Ａ、１７５０Ｂ、および１７５０Ｃは、それぞれ、θ＞θｃ３、θ＞θｃ２、およびθ＞θｃ１であるとき、第３、第２、および第１の光１７３６、１７２６、および１７１６を選択的にブラッグ反射させるように構成される。当然ながら、３つ未満以上の（または３つ未満の）任意の好適な数のＣＬＣＧが、ブラッグ反射によってさらに選択的に結合するためにスタックされることができる。したがって、図１７Ｂおよび１７Ｃに関して上記で説明される実施形態と比較して、よりコンパクトな導波デバイス１８００が、共通導波管１７０４を採用することによって取得されることができる。また、３つの明確に異なるＣＬＣＧ層（図１８に示されるように）の代わりに、ＣＬＣＧ層のスタックは、ｐ１～ｐ３の範囲を含む、螺旋ピッチ勾配を有する、単一（または複数の）層として配列され得る。
図１７Ａ－１８に関して上記に説明されるように、第１－第３のＣＬＣＧ１７５０、１７５０Ｂ、１７５０Ｃは、それぞれ、第１－第３の周期∧１、∧２、および∧３と、それぞれ、第１－第３の螺旋ピッチｐ１、ｐ２、およびｐ３とを有する。種々の実施形態では、ＣＬＣＧはそれぞれ、波長／周期比率λ／∧が、約０．３～２．３、約０．８～１．８または約１．１～約１．５、例えば、約１．３であるように構成されることができる。代替として、周期（∧）は、ＣＬＣＧがブラッグ反射のために構成される個別の波長（λ）より約１ｎｍ～２５０ｎｍ小さい、約５０ｎｍ～２００ｎｍ小さい、または約８０ｎｍ～１７０ｎｍ小さいように構成されることができる。例えば、λ１、λ２、およびλ３が、それぞれ、可視範囲、例えば、約６２０ｎｍ～約７８０ｎｍ、例えば、約６５０ｎｍ（赤色）、約４９２ｎｍ～約５７７ｎｍ、例えば５５０ｎｍ（緑色）、および約４３５ｎｍ～約４９３ｎｍ、例えば、約４５０ｎｍ（青色）内であるとき、対応する周期Λ１、Λ２、およびΛ３は、それぞれ、約４５０ｎｍ～約５５０ｎｍ、例えば、約５００ｎｍ、約３７３ｎｍ～約４７３ｎｍ、例えば、約４２３ｎｍ、および約２９６ｎｍ～約３９６ｎｍ、例えば、約３４６ｎｍであることができる。代替として、λ１、λ２、およびλ３が、赤外線範囲、例えば、近赤外線範囲約７５０ｎｍ～約１４００ｎｍ内、例えば、約８５０ｎｍであるとき、対応する周期Λ１、Λ２、およびΛ３は、約９７５ｎｍ～約１８２０ｎｍ、例えば、約１１０５ｎｍであることができる。加えて、種々の実施形態では、ＣＬＣＧはそれぞれ、波長／螺旋ピッチ比率λ／ｐが、約０．６～２．６、約１．１～２．１、または約１．４～約１．８、例えば、約１．６であるように構成されることができる。代替として、螺旋ピッチ（ｐ）は、ＣＬＣＧがブラッグ反射のために構成される個別の波長（λ）より約５０ｎｍ～３５０ｎｍ小さい、約１００ｎｍ～３００ｎｍ小さい、または約１４０ｎｍ～２８０ｎｍ小さいように構成されることができる。例えば、λ１、λ２、およびλ３が、それぞれ、約６２０ｎｍ～約７８０ｎｍ、例えば、約６５０ｎｍ（赤色）、約４９２ｎｍ～約５７７ｎｍ、例えば５５０ｎｍ（緑色）、および約４３５ｎｍ～約４９３ｎｍ、例えば、約４５０ｎｍ（青色）であるとき、対応する螺旋ピッチｐ１、ｐ２、およびｐ３は、それぞれ、約３５０ｎｍ～約４５０ｎｍ、例えば、約４００ｎｍ、約２９０ｎｍ～約３９０ｎｍ、例えば、約３４０ｎｍ、約２３０ｎｍ～約３３０ｎｍ、例えば、約２８０ｎｍであることができる。代替として、λ１、λ２、およびλ３が、赤外線範囲、例えば、近赤外線範囲約７５０ｎｍ～約１４００ｎｍ内、例えば、約８５０ｎｍであるとき、対応する周期Λ１、Λ２、およびΛ３は、約１２００ｎｍ～約２２４０ｎｍ、例えば、約１３６０ｎｍであることができる。
（波長選択的光結合のためにＣＬＣＧおよびミラーと結合される導波管）
図１９は、図１６に関して前述で説明される光学導波デバイスと同様に、ＣＬＣＧ１１５０に結合される導波管１６０４を備える、光学導波デバイス１９００を図示する。図１０および１１に関して前述で説明されるように、動作時、楕円形／円偏光入射光の偏光の掌性が、ＣＬＣＧ１１５０のキラル構造の液晶分子と同一回転方向を有するとき、ＣＬＣＧ１１５０は、入射光を実質的に反射させる。図示されるように、表面１０５０Ｓ上に入射するのは、左回り円偏光を有する光ビーム１０１６－Ｌと、右回り円偏光を有する光ビーム１０１６－Ｒとである。図示される実施形態では、キラル構造の液晶分子は、液晶分子の回転方向が右回り円偏光を有する光ビーム１０１６－Ｒの掌性に合致するように、入射光ビーム１０１６－Ｌ、１０１６－Ｒが進行する方向、すなわち、負のｚ－方向において見られると、時計回り方向に連続的に回転される。その結果、右回り円偏光を有する光ビーム１０１６－Ｒは、ＣＬＣＧ１１５０によって実質的に反射される一方、左回り円偏光を有する光ビーム１０１６－Ｌは、ＣＬＣＧ１１５０を通して実質的に透過される。
いくつかの用途に関して、図１９に関して上記で説明されるものに類似する導波デバイスの中に結合することに先立って、楕円または円偏光された光の偏光掌性を反転させることが望ましくあり得る。これは、例えば、前述で議論されるように、ＣＬＣＧが導波管の中に結合するために光をブラッグ反射させるように構成されないように、入射楕円または円偏光の偏光掌性が、ＣＬＣＧ内のキラル構造の回転方向に合致しないときに該当し得る。ある他の用途に関して、入射楕円または円偏光の偏光掌性とＣＬＣＧ内のキラル構造の回転方向との間の合致の欠如に起因して、ＣＬＣＧを通して透過される光をリサイクルすることが望ましくあり得る。これらおよび他の必要性に対処するために、以下では、偏光変換反射体を採用し、これらの必要性に対処する、導波デバイスの種々の実施形態が、開示される。
図２０は、ＣＬＣＧ１６０４および偏光変換反射体２００４に結合される導波管１１５０を備える、光学導波デバイス２０００を図示し、ＣＬＣＧ１６０４は、入射光を受光するように構成され、導波管１１５０は、全内部反射（ＴＩＲ）によって、ＣＬＣＧからブラッグ反射された光を伝搬するように構成される。偏光変換反射体２００４は、そこからの反射に応じて、入射楕円または円偏光の偏光掌性が、反対偏光掌性（例えば、左回りから右回りまたは右回りから左回り）に反転されるように構成される。導波デバイス２０００は、図１９に関して上記で説明される、導波デバイス１９００に類似するが、最初に、入射光ビームを導波管１１５０を通して受光するように構成される代わりに、導波デバイス２０００は、最初に、例えば、左回り円偏光を有する入射光ビーム２０１６－ＬをＣＬＣＧ１６０４を通して受光するように構成される。入射光ビーム２０１６－Ｌは、ＣＬＣＧ１６０４によってブラッグ反射されないように、入射光ビーム２０１６－Ｌの伝搬方向（負のｚ－方向）において見られると、ＣＬＣＧ１６０４内のキラル構造の回転方向に合致しない、偏光掌性を有する。その結果、入射光ビーム２０１６－Ｌは、ＣＬＣＧ１６０４を通して実質的に透過され、続いて、偏光変換反射体２００４によって反射される。例えば、右回り円偏光を有する反射された光ビーム２０１６－Ｒは、それによって、導波管１１５０の表面１１５０Ｓ上への入射光ビームとなる。反転された偏光掌性のため、ここで、導波管１１５０の表面１１５０Ｓ上に入射する、反射された光ビーム２０１６－Ｒは、ＣＬＣＧ１６０４によってブラッグ反射されるように、反射された光ビーム２０１６－Ｒ（正のｚ－方向）の伝搬方向において見られると、ＣＬＣＧ１６０４内のキラル構造の回転方向に合致する、偏光掌性を有する。さらに反射されたビーム２０１８が層法線方向（ｚ－軸）に対して角度θ＞θｃで反射されるにつれて反射された反射光ビーム２０１６－Ｒは、導波管１１５０に結合し、それを通して側方方向（例えば、ｘ－方向）に進行する。
図２１Ａは、入射光ビーム２１１６が、それぞれ、左回りおよび右回り円偏光成分の両方を含むように処理され得る、線形偏光または非偏光される条件下における、図２０に関して上記で説明される、光学導波デバイス２０００を図示する。そのような条件下では、入射光ビーム２１１６は、ＴＩＲによって、両側方方向において、導波管の中に結合されることができる。例えば、図２０に関して上記に説明されものと同様に、ＣＬＣＧ１６０４内のキラル構造の回転方向に合致しない、偏光掌性、例えば、左掌性を有する、入射光ビーム２１１６の成分は、ＣＬＣＧ１６０４を通して実質的に透過され、続いて、偏光変換反射体２００４によって反射され、偏光掌性が反転され、例えば、右掌性に反転され、導波管１１５０の中に結合され、それを通して第１の側方方向（例えば、正のｘ－方向）に進行する。他方では、図１９に関して上記に説明されるものと同様に、ＣＬＣＧ１６０４内のキラル構造の回転方向に合致する、偏光掌性、例えば、右掌性を有する、入射光ビーム２１１６の成分は、ＣＬＣＧ１６０４によって直接実質的に反射され、続いて、導波管１１５０の中に結合され、それを通して第１の側方方向と反対の第２の側方方向（例えば、負のｘ－方向）に進行する。
図２１Ｂは、入射光が、２つの直交楕円または円偏光ビーム、例えば、左回り円偏光を有する光ビーム１０１６－Ｌと、右回り円偏光を有する光ビーム１０１６－Ｒとに偏光される条件における、図２１Ａに関して上記で説明される、光学導波デバイス２０００を図示する。そのような条件下では、入射光ビーム１０１６－Ｌ、１０１６－Ｒは、前述で図２１Ａに関して説明される類似様式において、ＴＩＲによって、両側方方向に伝搬するように、導波管の中に結合されることができる。例えば、ＣＬＣＧ１６０４内のキラル構造の回転方向に合致しない、偏光掌性、例えば、左掌性を有する、光ビーム１０１６－Ｌは、ＣＬＣＧ１６０４を通して実質的に透過され、続いて、偏光変換反射体２００４によって反射され、偏光掌性が反転され、例えば、右掌性に反転され、導波管１１５０の中に結合され、それを通して第１の側方方向（例えば、正のｘ－方向）に進行する。他方では、ＣＬＣＧ１６０４内のキラル構造の回転方向に合致する、偏光掌性、例えば、右掌性を有する、入射光ビーム１０１６－Ｒは、ＣＬＣＧ１６０４によって直接実質的に反射され、続いて、導波管１１５０の中に結合され、それを通して第１の側方方向と反対の第２の側方方向（例えば、負のｘ－方向）に進行する。
図２２Ａは、例えば、第１の回転方向を有するキラル構造を有する、第１のＣＬＣＧ２２０４と、第１の回転方向と反対の第２の回転方向を有するキラル構造を有する、第２のＣＬＣＧ２２０８とを含む、スタックとして配列される、複数のＣＬＣＧに結合される共通導波管２２０４を備える、光学導波デバイス２２００を図示する。種々の実施形態に関して前述で説明されるように、動作時、入射光ビームの偏光方向の方向が、ＣＬＣＧのキラル構造の液晶分子の回転の方向に合致されると、入射光は、反射される。図示される光学導波デバイス２２００は、入射光ビーム２１１６が線形偏光または非偏光される条件下にある。そのような条件下では、入射光ビーム２１１６は、ＴＩＲによって、両側方方向（正のおよび負のｘ方向）の両方において、導波管の中に結合されることができる。図示される実施形態では、入射光２１１６が進行する方向、すなわち、負のｚ－方向において見られると、第１のＣＬＣＧ２２０４のキラル構造の液晶分子は、時計回り方向に連続的に回転される一方、第２のＣＬＣＧ２２０４のキラル構造の液晶分子は、反対の反時計回り方向に連続的に回転される。
依然として、図２２Ａを参照すると、第１のＣＬＣＧ２２０４のキラル構造の回転方向、例えば、時計回り方向に合致する、第１の偏光掌性、例えば、右回り偏光成分を有する、楕円または円形入射光ビーム２１１６の成分は、第１のＣＬＣＧ２２０４によって実質的に反射され、それによって、層法線方向（ｚ－軸）に対して角度θ＞θｃ１における第１の反射されたビーム２１１８Ａをもたらし、共通導波管２２０４に結合し、それを通して第１の側方方向（例えば、正のｘ－方向）に進行する。
依然として、図２２Ａを参照すると、他方では、第１のＣＬＣＧ２２０４のキラル構造の回転方向に合致しない、第２の偏光掌性、例えば、左回り偏光成分を有する、楕円または円形入射光ビーム２１１６の成分は、第１のＣＬＣＧ２２０４を通して実質的に透過される。第１のＣＬＣＧ２２０４を通して透過された後、第２のＣＬＣＧ２２０８のキラル構造の回転方向、例えば、反時計回り方向に合致する、第２の偏光掌性２１１６を有する、楕円または円形入射光ビーム２１１６は、第２のＣＬＣＧ２２０８によって実質的に反射され、それによって、層法線方向（ｚ－軸）に対して角度θ＞θｃ２における第２の反射されたビーム２１１８Ｂをもたらし、共通導波管２２０４に結合し、それを通して第２の側方方向（例えば、負のｘ－方向）に進行する。
図２２Ｂは、入射光が、２つの直交楕円または円偏光ビーム、例えば、左回り楕円形／円偏光を有する、例えば、光ビーム１０１６－Ｌと、例えば、右回り楕円形／円偏光を有する、光ビーム１０１６－Ｒとに偏光される異なる条件における、図２２Ａに関して上記で説明される、光学導波デバイス２０００を図示する。そのような条件下では、入射光ビーム１０１６－Ｌ、１０１６－Ｒは、第１および第２の偏光掌性、例えば、左掌性および右掌性を有する、入射光ビーム１０１６－Ｌ、１０１６－Ｒを結合するために、前述で図２２Ａに関して説明される類似様式において、ＴＩＲによって、両側方方向において、共通導波管２２０４の中に結合されることができる。
図２１Ｂおよび２２Ｂに関して上記で説明される実施形態は、特に、例えば、異なる光信号（すなわち、画像）が直交円偏光においてエンコードされる、ある用途において有利であり得る。そのような状況下では、光は、偏光掌性に応じて、反対方向（例えば、正のおよび負のｘ－方向）に結合されることができる。
図２２Ｃは、例えば、第１の回転方向を有するキラル構造を有する、第１のＣＬＣＧ２２０４と、第１の回転方向と反対の第２の回転方向を有するキラル構造を有する、第２のＣＬＣＧ２２０８とを含む、スタックとして配列される、複数のＣＬＣＧに結合される共通導波管２２５０を備える、光学導波デバイス２２２０を図示する。図２２Ａおよび２２Ｂに関して説明される実施形態と異なり、導波デバイス２２２０では、共通導波管２２５０は、第１および第２のＣＬＣＧ層２２０４、２２０８間に介在される。例証目的のために、図示される光学導波デバイス２２２０は、入射光ビーム２１１６が線形偏光または非偏光される条件下にある。そのような条件下では、入射光ビーム２１１６は、ＴＩＲによって、両側方方向において、導波管の中に結合されることができる。図示される実施形態では、入射光２１１６が進行する方向、すなわち、負のｚ－方向において見られると、第１のＣＬＣＧ２２０４のキラル構造の液晶分子は、時計回り方向に連続的に回転される一方、第２のＣＬＣＧ２２０４のキラル構造の液晶分子は、反対反時計回り方向に連続的に回転される。当然ながら、反対配列も、可能性として考えられる。
依然として、図２２Ｃを参照すると、第１のＣＬＣＧ２２０４のキラル構造の回転方向、例えば、時計回り方向に合致する、第１の偏光掌性、例えば、右回り偏光成分を有する、楕円または円形入射光ビーム２１１６の成分は、第１のＣＬＣＧ２２０４によって実質的に反射され、それによって、層法線方向（ｚ－軸）に対して角度θ＞θｃ１における第１の反射されたビーム２１１８Ａをもたらし、これは、順に、ＴＩＲによって、共通導波管２２５０の中に結合し、それを通して第１の側方方向（例えば、負のｘ－方向）に進行する前に、第１のＣＬＣＧ２２０４の外側表面から反射する。
依然として、図２２Ｃを参照すると、他方では、第１のＣＬＣＧ２２０４のキラル構造の回転方向、例えば、時計回り方向に合致しない、第２の偏光掌性、例えば、左回り偏光成分を有する、楕円または円形入射光ビーム２１１６の成分は、第１のＣＬＣＧ２２０４を通して、さらに、共通導波管２２０４を通して実質的に透過され、その後、第２のＣＬＣＧ２２０８によって実質的に反射され、それによって、層法線方向（ｚ－軸）に対して角度θ＞θｃ２における第２の反射されたビーム２２１８Ｂをもたらし、ＴＩＲによって、共通導波管２２５０に結合し、それを通して第２の側方方向（例えば、正のｘ－方向）に進行する。
（コレステリック液晶軸外ミラー）
種々の実施形態に関して前述で説明されるように、入射楕円または円偏光の偏光の掌性とＣＬＣ層のキラル構造の液晶分子回転方向を合致させることによって、ＣＬＣ層は、ブラッグ反射体として構成されることができる。さらに、異なる螺旋ピッチを有する、１つ以上のＣＬＣ層は、高帯域幅を伴う、波長選択的ブラッグ反射体として構成されることができる。種々の実施形態に関して本明細書に説明される概念に基づいて、ＣＬＣ層は、第１の範囲の波長、例えば、赤外線波長（例えば、近赤外線）を選択的に反射させる一方、別の範囲の波長、例えば、可視波長を透過させるように構成される、軸外ミラーとして構成されることができる。以下では、眼追跡システム内に実装されるＣＬＣ軸外ミラーの種々の実施形態の用途が、開示される。
図２３は、種々の実施形態による、視認者の眼３０２を結像するように構成される、コレステリック液晶反射体（ＣＬＣＲ）、例えば、波長選択的ＣＬＣＲ１１５０を採用する、眼追跡システム２３００の実施例を図示する。眼追跡は、他の用途の中でもとりわけ、仮想／拡張／複合現実ディスプレイ用途のためのウェアラブルディスプレイ、例えば、図２におけるウェアラブルディスプレイシステム２００または図２４Ａ－２４Ｈに説明されるシステム７００を含む、双方向視覚または制御システムにおける重要な特徴であり得る。良好な眼追跡を達成するために、眼３０２の画像を低視点角度において取得することが望ましくあり得、そのために、ひいては、眼追跡カメラ７０２ｂを視認者の眼の中心位置の近傍に配置することが望ましくあり得る。しかしながら、カメラ７０２ｂのそのような位置は、ユーザのビューに干渉し得る。代替として、眼追跡カメラ７０２ｂは、より低い位置または側に配置されてもよい。しかしながら、カメラのそのような位置は、眼画像がより急峻な角度で捕捉されるため、ロバストかつ正確な眼追跡を取得することの困難度を増加させ得る。選択的に、赤外線（ＩＲ）光２３０８（例えば、８５０ｎｍの波長を有する）を眼３０２から反射させる一方、図４に示されるように世界からの可視光２３０４を透過させるように、ＣＬＣＲ１１５０を構成することによって、カメラ７０２ｂは、眼画像を法線または低視点角度で捕捉しながら、ユーザのビューから離れるように設置されることができる。そのような構成は、可視光が反射されないため、ユーザのビューに干渉しない。同一ＣＬＣＲ１１５０はまた、図示されるように、ＩＲ照明源２３２０として構成されることができる。ＩＲ照明器の低視点角度は、例えば、睫毛からのオクルージョンを殆どもたらし得ず、その構成は、鏡面反射のよりロバストな検出を可能にし、これは、現代の眼追跡システムにおいて重要な特徴であり得る。
依然として、図２３を参照すると、種々の実施形態によると、ＣＬＣＲ１１５０は、それぞれ、複数のキラル構造を備える、１つ以上のコレステリック液晶（ＣＬＣ）層を備え、各キラル構造は、前述で説明されるように、層深度方向（例えば、ｚ－方向）に延在し、第１の回転方向に連続的に回転される、複数の液晶分子を備える。キラル構造の液晶分子の配列は、１つ以上のＣＬＣ層が、第１の波長（λ１）を有する第１の入射光を実質的にブラッグ反射させる一方、第２の波長（λ２）を有する第２の入射光を実質的に透過させるように構成されるように、層深度方向と垂直な側方方向に周期的に変動する。本明細書のいずれかに説明されるように、１つ以上のＣＬＣ層はそれぞれ、層深度方向において見られると、第１の回転方向と合致される偏光の掌性を有する、楕円または円偏光第１および第２の入射光を実質的にブラッグ反射させるように構成される一方、層深度方向において見られると、第１の回転方向と反対の偏光の掌性を有する、楕円または円偏光第１および第２の入射光を実質的に透過させるように構成される。実施形態によると、側方方向に周期的に変動する液晶分子の配列は、第１の波長と周期との間の比率が約０．５～約２．０であるような周期を側方方向に有するように配列される。実施形態によると、第１の波長は、本明細書のいずれかに説明されるように、近赤外線範囲約６００ｎｍ～約１．４μｍ、例えば、約８５０ｎｍ内にあって、第２の波長は、１つ以上の色を有する可視範囲内にある。実施形態によると、キラル構造の液晶分子は、層深度方向に対する法線の方向に対して事前傾斜される。構成されるように、１つ以上のＣＬＣ層は、第１の入射光が、層深度方向（ｚ－方向）に対してある角度（θＲ）で、例えば、前述で説明される方程式［３］に基づいて、層深度方向に対して約５０ｏ、約６０ｏ、約７０ｏ、または約８０ｏ度を超えて反射されるように構成される。
図２に戻って参照すると、頭部搭載型ディスプレイ（ＨＭＤ）（例えば、図２におけるウェアラブルディスプレイシステム２００）の装着者の眼は、例えば、ホログラフィック光学要素（ＨＯＥ）であり得る、反射軸外回折光学要素（ＤＯＥ）を使用して結像されることができる。結果として生じる画像は、片眼または両眼を追跡し、網膜を結像し、眼形状を３次元で再構築し、バイオメトリック情報を眼（例えば、虹彩識別）から抽出する等のために使用されることができる。
頭部搭載型ディスプレイ（ＨＭＤ）が装着者の眼の状態についての情報を使用し得るには、種々の理由が存在する。例えば、本情報は、装着者の視線方向を推定するため、またはバイオメトリック識別のために使用されることができる。しかしながら、本問題は、ＨＭＤと装着者の眼との間の短距離のため、困難である。これはさらに、視線追跡が、より大きい視野を要求する一方、バイオメトリック識別が、比較的に高ピクセル数を虹彩上の標的上に要求するという事実によって複雑になる。これらの目的の両方を遂行するように試みるであろう、結像システムに関して、２つのタスクの要件は、主として、衝突する。最後に、両問題は、眼瞼および睫毛によるオクルージョンによってさらに複雑になる。本明細書に説明される結像システムの実施形態は、これらの問題の一部または全部に対処する。図２４Ａ－２４Ｆを参照して本明細書に説明される結像システム７００の種々の実施形態は、本明細書に説明されるディスプレイデバイス（例えば、図２に示されるウェアラブルディスプレイシステム２００および／または図６に示されるディスプレイシステム１０００）を含む、ＨＭＤと併用されることができる。
図２４Ａは、眼３０４を視認するために使用され、装着者のこめかみに近接して（例えば、ウェアラブルディスプレイシステム２００のフレーム６４、図２、例えば、耳掛け部上に）搭載される、結像機７０２ｂを備える、結像システム７００の実施例を図式的に図示する。他の実施形態では、第２の結像機が、各眼が別個に結像されるように、装着者の他方の眼３０２のために使用される。結像機７０２ｂは、赤外線放射に敏感な赤外線デジタルカメラを含むことができる。結像機７０２ｂは、後方に面し、眼３０４に指向される（図６に示されるカメラ５００と同様に）のではなく、前方（装着者の視覚の方向）に面するように搭載される。結像機７０２ｂを装着者の耳のより近くに配置することによって、結像機７０２ｂの重量もまた、耳のより近くとなり、ＨＭＤは、結像機が後方に面し、ＨＭＤの正面のより近くに（例えば、図２のディスプレイ６２に近接して）配置される、ＨＭＤと比較して、装着がより容易になり得る。加えて、前向きに面した結像機７０２ｂを装着者のこめかみの近傍に設置することによって、装着者の眼３０４から結像機までの距離は、ＨＭＤの正面の近傍に配置される後方に面した結像機と比較して（例えば、図４に示されるカメラ５００と比較して）、約２倍となる。画像の被写界深度は、本距離にほぼ比例するため、前向きに面した結像機７０２ｂのための被写界深度は、後方に面した結像機と比較して、約２倍となる。結像機７０２ｂのためのより大きい被写界深度は、大きいまたは突出した鼻、眉弓等を有する、装着者の眼領域を結像するために有利であり得る。
結像機７０２ｂは、そうでなければ透明な光学要素７０６の内側表面７０４を視認するために位置付けられる。光学要素７０６は、ＨＭＤのディスプレイ７０８（または一対の眼鏡内のレンズ）の一部であることができる。光学要素７０６は、光学要素上に入射する可視光の少なくとも１０％、２０％、３０％、４０％、５０％、以上のものに対して透過性であることができる。他の実施形態では、光学要素７０６は、透明である必要はない（例えば、仮想現実ディスプレイ内において）。光学要素７０６は、ＣＬＣ軸外ミラー７０８を備えることができる。ＣＬＣ軸外ミラー７０８は、第１の範囲の波長を反射させる一方、第２の範囲の波長（第１の範囲の波長と異なる）に対して実質的に透過性である、表面であることができる。第１の範囲の波長は、赤外線内であることができ、および第２の範囲の波長は、可視内であることができる。例えば、ＣＬＣ軸外ミラー７０８は、ホットミラーを備えることができ、これは、赤外線光を反射させる一方、可視光を透過させる。そのような実施形態では、装着者からの赤外線光７１０ａ、７１２ａ、７１４ａは、光学要素７０６に伝搬し、そこから反射し、反射された赤外線光７１０ｂ、７１２ｂ、７１４ｂをもたらし、これは、結像機７０２ｂによって結像されることができる。いくつかの実施形態では、結像機７０２ｂは、ＣＬＣ軸外ミラー７０８によって反射された第１の範囲の波長の少なくともサブセット（非空サブセットおよび／または全部未満のサブセット等）に敏感である、またはそれを捕捉可能であり得る。例えば、ＣＬＣ軸外ミラー７０８は、７００ｎｍ～１．５μｍの範囲内の赤外線光を反射させ得、結像機７０２ｂは、波長７００ｎｍ～９００ｎｍにおける近赤外線光に敏感である、またはそれを捕捉可能であり得る。別の実施例として、ＣＬＣ軸外ミラー７０８は、７００ｎｍ～１．５μｍの範囲内の赤外線光を反射させ得、結像機７０２ｂは、結像機７０２ｂが波長７００ｎｍ～９００ｎｍにおける近赤外線光を捕捉し得るように、９００ｎｍ～１．５μｍの範囲内の赤外線光をフィルタリング除去する、フィルタを含んでもよい。
外界（１１４４、図６）からの可視光は、光学要素７０６を通して透過され、装着者によって知覚されることができる。事実上、図２４Ａに示される結像システム７００は、装着者の眼３０４に向かって逆指向される仮想結像機７０２ｃが存在するかのように作用する。仮想結像機７０２ｃは、装着者の眼７０４から光学要素７０６を通して伝搬される仮想赤外線光７１０ｃ、７１２ｃ、７１４ｃ（点線として示される）を結像することができる。ホットミラー（または本明細書に説明される他のＤＯＥ）は、光学要素７０６の内側表面７０４上に配置され得るが、これは、限定ではない。他の実施形態では、ホットミラーまたはＤＯＥは、光学要素７０６の外側表面上または光学要素７０６（例えば、体積ＨＯＥ）内に配置されることができる。
図２４Ｂは、結像システム７００の別の実施例を図式的に図示する。本実施形態では、視点歪曲が、視結像機７０２ｂを伴う視点制御レンズアセンブリ７１６ｂ（例えば、偏移レンズアセンブリ、傾斜レンズアセンブリ、または傾斜偏移レンズアセンブリ）の使用によって、低減または排除され得る。いくつかの実施形態では、視点制御レンズアセンブリ７１６ｂは、結像機７０２ｂのレンズの一部であってもよい。視点制御レンズ７１６ｂは、結像機７０２ｂに対する法線が、ＤＯＥ（またはＨＯＥ）またはホットミラーを含む、表面７０４の領域に対する法線と略平行であるように構成されることができる。事実上、図２４Ｂに示される結像システム７００は、装着者の眼３０４に向かって逆指向される仮想視点制御レンズアセンブリ７１６ｃを伴う仮想結像機７０２ｃであるかのように作用する。
加えて、または代替として、図２４Ｃに図式的に示されるように、光学要素７０６のＣＬＣ軸外ミラー７０８は、その表面７０４上に、軸外ホログラフィックミラー（ＯＡＨＭ）を有してもよく、これは、光７１０ａ、７１２ａ、７１４ａを反射させ、反射された光７１０ｂ、７１２ｂ、７１４ｂを捕捉する、カメラ結像機７０２ｂによる眼３０４の視認を促進するために使用される。ＯＡＨＭ７０８は、同様に、屈折力を有してもよく、その場合、これは、図２４Ｄに図式的に示されるように、軸外立体回折光学要素（ＯＡＶＤＯＥ）であることができる。図２４Ｄに示される実施例では、仮想カメラ７０２ｃの効果的場所は、無限遠にある（かつ図２４Ｄに示されない）。
いくつかの実施形態では、ＨＯＥ（例えば、ＯＡＨＭまたはＯＡＶＤＯＥ）は、複数のセグメントに分割されることができる。これらのセグメントはそれぞれ、例えば、セグメントが入射（赤外線）光を反射させる反射角度または屈折力を含む、異なる光学性質または特性を有することができる。セグメントは、光が各セグメントから結像機７０２ｂに向かって反射されるように構成されることができる。その結果、結像機７０２ｂによって入手された画像もまた、対応する数のセグメントに分割され、それぞれ、眼を異なる角度から効果的に視認する。図２４Ｅは、眼３０４を異なる角度場所において結像する個別の仮想カメラ７０２ｃ１、７０２ｃ２、７０２ｃ３として作用する、それぞれ、３つのセグメント７１８ａ１、７１８ａ２、７１８ａ３を伴う、ＯＡＨＭを有する、ディスプレイシステム７００の実施例を図式的に図示する。
図２４Ｆは、各セグメントが、眼３０４を異なる角度場所において結像する、無限遠における仮想カメラを生成する、屈折力（例えば、セグメント化されたＯＡＶＤＯＥ）を有する、それぞれ、３つのセグメント７１８ａ１、７１８ａ２、７１８ａ３を伴う、ＯＡＨＭを有する、ディスプレイシステム７００の別の実施例を図式的に図示する。３つのセグメントが、図２４Ｅおよび２４Ｆに図式的に図示されるが、これは、例証のためであって、限定ではない。他の実施形態では、２つ、４つ、５つ、６つ、７つ、８つ、９つ、以上のセグメントが、利用されることができる。ＨＯＥのこれらのセグメントのいずれも、屈折力を有していない、またはその一部または全部が、屈折力を有することができる。
３つのセグメント７１８ａ１、７１８ａ２、７１８ａ３は、図２４Ｅおよび２４Ｆでは、光学要素７０６を横断して水平に離間されるように示される。他の実施形態では、セグメントは、光学要素７０６上で垂直に離間されることができる。例えば、図２４Ｇは、２つの垂直に離間されるセグメント７１８ａ１および７１８ａ２を有する、ＤＯＥ７１８を図式的に示し、セグメント７１８ａ１は、光を結像機７０２ｂ（セグメント７１８ａ１と同一略水平平面にあってもよい）に向かって反射させるように構成される、ＣＬＣ軸外ミラーを備え、セグメント７１８ａ２は、光を結像機７０２ｂに向かって上向きに反射させるように構成される。二焦点レンズと同様に、図２４Ｇに示される配列は、結像システム７００が、装着者がＨＭＤの上側部分を通して前方を見ている（実線矢印線を介して図式的に示される）とき、上側セグメント７１８ａ１から結像機７０２ｂによって入手された反射画像を使用し、装着者がＨＭＤの下側部分を通して下向きに見ている（破線矢印線を介して図式的に示される）とき、下側セグメント７１８ａ２からの反射画像を使用することを可能にする際に有利であり得る。
水平に離間および垂直に離間されるセグメントの混合が、他の実施形態では、使用されることができる。例えば、図２４Ｈは、それぞれ、ＣＬＣ軸外ミラーを備える、３×３のセグメントのアレイを伴う、ＨＯＥ７１８の別の実施例を示す。結像機７０２ｂは、眼領域の異なるエリアおよびそこからの角度方向から生じる光線を表す、これらの９つのセグメントのそれぞれからの反射データを入手することができる。眼領域からＨＯＥ７１８に伝搬し、結像機７０２ｂに反射する、２つの例示的光線が、実線および破線として示される。結像システム７００（または処理モジュール２２４または２２８）は、複数のセグメントからの反射データを分析し、眼の３次元形状または眼の視線方向（例えば、眼姿勢）を多視点的に計算することができる。
セグメントを利用する光学システム７００の実施形態は、複数の利点を有し得る。例えば、セグメントは、特定のタスクに最良の特定のセグメントを選択することによって、個々に使用されることができる、またはそれらは、集合的に使用され、眼の３次元形状または姿勢を多視点的に推定することができる。前者の場合、本選択性は、例えば、少なくとも眼瞼または睫毛によるオクルージョンを有する、装着者の虹彩の画像を選択するために使用されることができる。後者の場合、眼の３次元再構成が、配向（例えば、角膜の傍流の場所の推定によって）または遠近調節状態（例えば、瞳孔の見掛けの場所上のレンズ誘発歪曲の推定によって）を推定するために使用されることができる。
（ノッチ反射体に基づく偏光変換器）
ライトフィールドディスプレイを実現するために、仮想画像の焦点は、輻輳・開散－遠近調節衝突を解決するように調節されるべきである。可変焦点レンズは、ディスプレイとユーザの眼との間で仮想画像の焦点を変化させるように設置されることができる。しかしながら、可変／切替可能焦点レンズの殆どが、偏光感受性である一方で、投影された仮想画像は、十分に偏光されない場合がある。そのようなディスプレイは、偏光非感受性レンズ（多くの場合、一対のレンズセット）または偏光器（非透過偏光における光の損失に起因して、明度が＞５０％低減する）を要求し得る。仮想画像偏光の効率的な変換が、コンパクト／光効率的な可変焦点ライトフィールドディスプレイを作製するために所望される。
拡張現実ディスプレイにおいて仮想画像を生成するために、いくつかの狭帯域源（例えば、赤色、緑色、青色（ＲＢＧ）ＬＥＤまたはレーザ）が、多くの場合、使用される。導波管ベースのディスプレイシステムは、ユーザの眼の中に画像を投影するように、回折光学要素を伴って構築されることができる。投影された画像は、多くの場合、画像の明確に画定された偏光が導波管の中に投入されるときでさえも、偏光純度を保存しない。
本明細書に説明されるように、ノッチ反射体は、概して、実質的に改変されていない光の殆どの波長を透過させるが、比較的高い効率で具体的な波長の範囲内の光を反射させる、光反射体を指す。光が反射される、具体的な波長の範囲は、「ノッチ」と称される。ノッチ反射体は、時として、狭帯域反射体とも称される。ノッチ内の波長範囲は、例えば、＜１０ｎｍ、＜５０ｎｍ、＜１００ｎｍ、＜２５０ｎｍ、またはこれらの値のうちのいずれか２つによって定義される範囲を含む、異なる範囲であってもよい。ノッチ反射体は、複数の誘電体層（多層）、液晶、メタ材料、メタ構造等から形成されることができる。ノッチ反射体は、回折光学要素、表面または体積ホログラム等を含むことができる。ノッチ反射体は、基板材料（例えば、ポリマーまたはガラス）上に積層されることができる。本明細書に説明される実装の多くでは、ＲＧＢ光を反射させるために、反射体は、複数のノッチ反射体を備え、各反射体内のノッチは、具体的ＲＧＢ色のうちの１つに同調される（例えば、Ｒ－ノッチ反射体、Ｇ－ノッチ反射体、およびＢ－ノッチ反射体を備える、反射体）。故に、各ノッチの波長範囲は、ディスプレイの中に投入される光の波長範囲に合致することができる（例えば、Ｒ－ノッチは、赤色ＬＥＤまたはレーザによって投入される赤色光の波長範囲に合致され、ＧおよびＢノッチに関しても同様である）。
本明細書に説明される種々の実施形態は、透過性基板、例えば、その上に形成された１つ以上の活性層を有する、研磨ガラスまたはポリマー基板を含む、ノッチ反射体を備える。本明細書に説明されるように、活性層は、本明細書に説明されるノッチ反射特性のうちの１つ以上のものを提供するように構成される、層またはコーティングを備える。１つ以上の活性層は、約５０ｎｍ、約７０ｎｍ、約１００ｎｍ約１５０ｎｍ、またはこれらの値のうちのいずれか未満の範囲内、またはこれらの値のうちのいずれか２つによって定義される範囲内の波長範囲Δλを有する光をノッチ反射させるように構成され、範囲は、約６２０～７８０ｎｍの範囲内の１つ以上の波長の光を含む、赤色光、約４９２～５７７ｎｍの範囲内の１つ以上の波長の光を含む、緑色光、または約４３５～４９３ｎｍの範囲内の１つ以上の波長の光を含む、青色光を中心とする。いくつかの実施形態では、波長範囲Δλは、約６２０～７８０ｎｍの赤色光範囲、約４９２～５７７ｎｍの緑色光範囲、または約４３５～４９３ｎｍの青色光範囲を実質的に網羅し得る。
本明細書に説明される種々の実施形態は、偏光ノッチ反射体として構成される、ノッチ反射体を備える。ノッチ反射範囲内で、偏光ノッチ反射体は、１つの極性を有する光が、実質的にそれを通して通過することを可能にする一方で、反対の極性を有する光を実質的に反射させる。例えば、ノッチ反射範囲内の左回り偏光（ＬＨＣＰ）および右回り円偏光（ＲＨＣＰ）の両方を有する光が、偏光ノッチ反射体上に入射するとき、ノッチ反射体は、ＲＨＣＰおよびＬＨＣＰのうちの一方を有する光を実質的に反射させる一方で、ＲＨＣＰおよびＬＨＣＰのうちの反対のものを有する光を実質的に通過させることができる。同様に、線形垂直偏光（ＬＶＰ）および線形水平偏光（ＬＨＰ）の両方を有する光が、偏光ノッチ反射体上に入射するとき、ノッチ反射体は、ＬＶＰおよびＬＨＰのうちの一方を有する光を実質的に反射させる一方で、ＬＶＰおよびＬＨＰのうちの反対のものを有する光を実質的に通過させることができる。
本明細書に説明される種々の実施形態は、非偏光ノッチ反射体として構成される、ノッチ反射体を備える。ノッチ反射範囲内で、非偏光ノッチ反射体は、その偏光にかかわらず、その上に入射する光を実質的に反射させる。例えば、ノッチ反射範囲内のＬＨＣＰおよびＲＨＣＰの両方を有する光が、非偏光ノッチ反射体上に入射するとき、ノッチ反射体は、ＲＨＣＰおよびＬＨＣＰの両方を有する光を実質的に反射させることができる。同様に、ＬＶＰおよびＬＨＰの両方を有する光が、偏光ノッチフィルタ上に入射するとき、ノッチフィルタは、ＬＶＰおよびＬＨＰの両方を有する光を実質的に反射させることができる。
本明細書に説明される種々の実施形態では、偏光または非偏光ノッチ反射体として構成されるノッチ反射体はまた、偏光変換ノッチ反射体として独立して構成されることもできる。ノッチ反射範囲内で、偏光を有する光を反射させることに応じて、偏光変換ノッチ反射体は、反射された光の偏光を反対の極性に変換する。例えば、ノッチ反射範囲内のＬＨＣＰおよびＲＨＣＰのうちの一方を有する光が、偏光変換ノッチ反射体上に入射するとき、ノッチ反射体は、ＲＨＣＰおよびＬＨＣＰのうちの一方をＲＨＣＰおよびＬＨＣＰのうちの反対のものに変換する。同様に、ＬＶＰおよびＬＨＰのうちの一方を有する光が、偏光変換ノッチ反射体上に入射するとき、ノッチ反射体は、ＬＶＰおよびＬＨＰのうちの一方をＬＶＰおよびＬＨＰのうちの反対のものに変換する。
本明細書に説明されるように、ノッチ反射範囲（Δλ）内で、１つ以上の偏光を有する光を反射させるように構成されるノッチ反射体は、その上に入射する１つ以上の偏光を有する光の実質的に全てを反射させるように構成されることができる。例えば、ノッチ反射体が、ＲＨＣＰおよびＬＨＣＰの一方または両方を有する光を反射させるように構成されるとき、ノッチ反射体は、例えば、その上に入射するＲＨＣＰおよびＬＨＣＰの一方または両方を有する光の８０％を上回る、９０％を上回る、９５％を上回る、９９％を上回る、９９．９９％を上回る、９９．９９９％を上回る、または９９．９９９９％を上回るものを反射させてもよい。他方では、ノッチ反射体が、ＲＨＣＰおよびＬＨＣＰのうちの一方を有するが、他方を有していない光を反射させるように構成されるとき、ノッチ反射体は、例えば、その上に入射するＲＨＣＰおよびＬＨＣＰのうちの一方を有するが、他方を有していない光の８０％を上回る、９０％を上回る、９５％を上回る、９９％を上回る、９９．９９％を上回る、９９．９９９％を上回る、または９９．９９９９％を上回るものを反射させてもよい。逆に、ノッチ反射体は、反射されない光、例えば、ノッチ反射範囲（Δλ）外の波長、またはノッチ反射体が反射させるように構成されていない偏光を有する、光が、実質的に完全に透過される、例えば、その上に入射する光の８０％を上回る、９０％を上回る、９５％を上回る、９９％を上回る、９９．９９％を上回る、９９．９９９％を上回る、または９９．９９９９％を上回るものが透過され得るように、構成される。
本明細書に説明される、あるディスプレイデバイスでは、導波管から外部結合される、ある程度の光をリサイクルすることが望ましくあり得る。例えば、導波管が、１つを上回る偏光を有する光を外部結合してもよい一方で、ユーザによって視認されることに先立って、光学機能、例えば、屈折力を外部結合された光に及ぼすように構成される、レンズ、例えば、透過性または反射レンズ等の光学要素は、偏光選択的であり得る。いくつかの状況下で、光学要素が光学機能を及ぼすように構成されていない偏光を有する光は、ユーザによって視認されることなく透過されてもよい。例えば、導波管に結合されるレンズは、屈折力を、偏光、例えば、ＲＨＣＰまたはＬＨＣＰのうちの一方を有する光に及ぼす一方で、入射楕円または円偏光の偏光掌性とＣＬＣＧ内のキラル構造の回転方向との間の合致の欠如に起因して、別の偏光、例えば、ＲＨＣＰまたはＬＨＣＰのうちの他方を有する光を、それを通して透過させるように構成され得る。これらの状況では、ＲＨＣＰまたはＬＨＣＰのうちの他方を有する光をリサイクルし、より高い明度を伴って視認体験をユーザに送達することが望ましくあり得る。これらおよび他の必要性に対処するために、以下では、１つ以上の偏光変換反射体を採用し、これらの必要性に対処する、導波デバイスの種々の実施形態が、開示される。
（例示的円偏光変換ディスプレイデバイス）
図２５Ａは、画像情報をユーザに出力するように構成される、ディスプレイデバイス２５００Ａを図示する。ディスプレイデバイス２５００Ａは、非偏光ノッチ反射体２５０８と偏光ノッチ反射体２５１２との間に介在される、アイピースとも称される導波管アセンブリ２５０４を備える。種々の実施形態では、導波管アセンブリ２５０４は、図６に関して上記で説明される導波管アセンブリ１１７８と類似様式において構成されることができる。図６に関して上記で説明される構成と同様に、動作時、ディスプレイデバイス２５００Ａは、眼４がディスプレイデバイス２５００Ａおよび世界１１１４の両方から光を受光するように、世界１１１４と眼４との間に配置されるであろう。
特に、本明細書に説明される種々の実施形態では、ディスプレイデバイス２５００Ａの導波管アセンブリ２５０４は、ｘ－方向に全内部反射（ＴＩＲ）によって各個別の導波管内で光を伝搬するようにそれぞれ構成される、１つ以上の導波管（例えば、図６の１１８２、１１８４、１１８６、１１８８、１１９０）を備える。略ｘ－方向に伝搬する光は、例えば、各個別の導波管内で伝搬する光を導波管から外へ再指向し、ｚ－方向に画像情報を眼４に出力することによって、光を導波管から抽出するように構成される、外部結合光学要素または光抽出光学要素（例えば、図６の１２８２、１２８４、１２８６、１２８８、１２９０）を使用して、出力されてもよい。種々の実施形態では、明確にするために示されないが、導波管アセンブリ２５０４は、上記に説明されるように、外部結合光学要素として構成される１つ以上のＣＬＣ層から形成される、ＣＬＣＧのうちのいずれかを含んでもよい。上記で説明される導波管アセンブリ２５０４の種々の他の詳細は、本明細書では省略される。
依然として、図２５Ａを参照すると、本明細書に説明される種々の実施形態による、非偏光ノッチ反射体２５０８は、ノッチ反射範囲内で、非偏光ノッチ反射体２５０８が、その偏光にかかわらず、その上に入射する光を実質的に反射させるように、構成される。さらに、図示される実施形態では、非偏光反射体は、ノッチ反射範囲内で、偏光を有する光を反射させることに応じて、偏光変換ノッチ反射体が反射された光の偏光を反対の極性に変換するように、偏光変換ノッチ反射体として構成される。非偏光ノッチ反射体２５０８は、透過性基板、例えば、その上に形成された１つ以上の活性層を有する、研磨ガラスまたはポリマー基板を含む。本明細書に説明されるノッチ反射体のいくつかの実施形態では、基板上に形成される１つ以上の活性層は、その組み合わせが、上記で説明される種々のノッチ反射特性を生じさせる、１つ以上の誘電体コーティングを含むことができる。
依然として、図２５Ａを参照すると、本明細書に説明される種々の実施形態による、偏光ノッチ反射体２５１２は、ノッチ反射範囲内で、偏光ノッチ反射体２５１２が偏光選択的様式でその上に入射する光を実質的に反射させるように、構成される。さらに、図示される実施形態では、偏光反射体２５１２は、非偏光ノッチ反射体２５０８と異なり、偏光ノッチ反射体２５１２が偏光変換ノッチ反射体として構成されないため、偏光を有する光を反射させることに応じて、偏光ノッチ反射体２５１２が反射された光の偏光を反対の極性に変換しないように、構成される。偏光ノッチ反射体２５１２は、透過性基板、例えば、その上に形成された１つ以上の活性層を有する、研磨ガラスまたはポリマー基板を含む。本明細書に説明されるノッチ反射体のいくつかの実施形態では、基板上に形成される１つ以上の活性層は、１つ以上のコレステリック液晶（ＣＬＣ）層を含むことができる。基板上に形成される１つ以上の活性層は、上記で説明される種々の実施形態に従って説明される、１つ以上のコレステリック液晶（ＣＬＣ）層を含むことができる。
依然として、図２５Ａを参照すると、以下では、ディスプレイデバイス２５００Ａはさらに、動作について説明される。上記に説明されるように、導波管アセンブリ２５０４内の１つ以上の導波管内でｘ－方向に伝搬する光の一部は、ｚ－方向に再指向または外部結合されてもよい。図示される実施形態では、導波管アセンブリ２５０４から外部結合される光は、ＬＨＣＰを有する円偏光ビーム２５１６－Ｌと、ＲＨＣＰを有する２５１６－Ｒとを含む。ＬＨＣＰを有する光ビーム２５１６－ＬおよびＲＨＣＰを有する２５１６－Ｒは、ビームが偏光ノッチ反射体２５１２の表面上に衝突するまで、例えば、正のｚ－方向に進行する。
偏光ノッチ反射体２５１２は、上記で説明されるものに類似するキラル構造、例えば、図１０に関して上記で説明されるキラル構造１０１２－１、１０１２－２、…１０１２－ｉを有する、ＣＬＣ層１００４を備える。動作時、左回り円偏光を有する光ビームおよび右回り円偏光を有する光ビームの組み合わせを有する、入射光が、ブラッグ反射によって、偏光ノッチ反射体２５１２の表面上に入射するとき、円偏光掌性のうちの１つを伴う光は、ＣＬＣ層１００４によって反射される一方、反対偏光掌性を伴う光は、実質的干渉を伴わずに、ＣＬＣ層１００８を通して透過される。本明細書に説明されるように、本開示全体を通して、掌性は、伝搬方向において見られると定義される。実施形態によると、光ビーム２５１６－Ｌ、２５１６－Ｒの偏光の方向または偏光の掌性が、キラル構造１０１２－１、１０１２－２、…１０１２－ｉの液晶分子と同一の回転方向を有するように合致されるとき、入射光は、反射される。図示されるように、ＣＬＣ層１００４の表面上に入射するのは、左回り円偏光を有する光ビーム２５１６－Ｌおよび右回り円偏光を有する光ビーム２５１６－Ｒである。図示される実施形態では、キラル構造１０１２－１、１０１２－２、…１０１２－ｉの液晶分子は、入射光ビーム２５１６－Ｌ、２５１６－Ｒが、例えば、左回り円偏光を有する光ビーム１０１６－Ｌと同一の回転方向である、正のｘ－方向に進行する、方向において、連続的に時計回り方向に回転される。その結果、右回り円偏光を有する光ビーム２５１６－Ｌが、偏光ノッチ反射体２５１２から実質的に反射される一方で、右回り円偏光を有する光ビーム２５１６－Ｒは、偏光ノッチ反射体２５１２を通して実質的に透過される。
ＣＬＣ層１００４から外部結合され、ＬＨＣＰを有する光ビーム２５１６－Ｌは、光ビーム２５１６－Ｌと同一の偏光を留保する光ビーム２５２０－Ｌとして、偏光ノッチ反射体２５１２によって反射される。結果として生じる光ビーム２５２０－Ｌは、ＬＨＣＰを有する光ビーム２５２０－Ｌが、非偏光ノッチ反射体２５０８の偏光変換特性に起因して、非偏光ノッチ反射体２５０８によって、反対の偏光掌性、例えば、ＲＨＣＰを有する、光ビーム２５２０－Ｒの中に実質的に反射されるまで、非偏光ノッチ反射体２５０８に向かって伝搬する。ＲＨＣＰを有する、結果として生じる光ビーム２５２０－Ｒは、眼４に進入するように、ＣＬＣ層１００４を通して、さらに偏光ノッチ反射体２５１２を通して実質的に透過される。依然として、図２５Ａを参照して、要約すると、導波管アセンブリ２５０４とユーザの眼４との間に偏光ノッチ反射体２５１２（例えば、コレステリック液晶（ＣＬＣ）ノッチ反射体）を配置することによって、１つの偏光（例えば、右回り円偏光（ＲＨＣＰ））を有する光ビーム２５１６－Ｒが、偏光ノッチ反射体２５１２を通して透過される一方で、直交偏光（例えば、左回り円偏光（ＬＨＣＰ））を有する光２５１６－Ｌは、光ビーム２５２０－Ｌとして世界１１１４に向かって反射される。別のノッチ反射体、すなわち、非偏光ノッチ反射体２５０８（例えば、多層ノッチ反射体）は、世界１１１４と導波管アセンブリ２５０４との間に配置され、光ビーム２５２０－Ｒとしてユーザの眼に戻るように光ビーム２５２０－Ｌを反射させるように構成される。偏光ノッチ反射体２５１２、例えば、ＣＬＣノッチ反射体が、そこから反射される光の偏光を変換しない一方で、非偏光ノッチ反射体、例えば、多層反射体が、そこから反射される光の偏光を変換するため、光ビーム２５１６－Ｒはまた、示されるように偏光ノッチ反射体２５１２を通して透過されることもできる。両方のノッチ反射体２５１２、２５０８（例えば、ＣＬＣおよび多層）は、仮想画像のための光源のみを反射させ、世界１１１４への画像の影響を最小限にするように設計され得ることを理解されたい。
（例示的線形偏光変換ディスプレイデバイス）
図２５Ｂは、画像情報をユーザに出力するように構成される、ディスプレイデバイス２５００Ｂを図示する。図２５Ａに関して上記で図示されるディスプレイデバイス２５００Ａと同様に、ディスプレイデバイス２５００Ｂは、非偏光ノッチ反射体２５０８と偏光ノッチ反射体２５１４、例えば、線形偏光ノッチ反射体との間に介在される、導波管アセンブリ２５０４を備える。導波管アセンブリ２５０４および非偏光ノッチ反射体２５０８は、図２５Ａに関して上記に説明されるように類似様式において構成され、したがって、本明細書では詳細に説明されない。
依然として、図２５Ｂを参照すると、図２５Ａに関して上記で説明される偏光ノッチ反射体２５１２と同様に、偏光ノッチ反射体２５１４は、図示される実施形態では、ノッチ反射範囲内で、ノッチ反射体２５１４が偏光選択的様式でその上に入射する光を実質的に反射させるように、構成される。さらに、図示される実施形態では、偏光反射体２５１４は、非偏光ノッチ反射体２５０８と異なり、偏光反射体２５１４が反射された光の偏光を反対の極性に変換しないように、構成される。
しかしながら、図２５Ａに関して上記で説明される偏光ノッチ反射体２５１２と異なり、偏光ノッチ反射体２５１４は、図示される実施形態では、偏光ノッチ反射体２５１４がＣＬＣ層を含まないように構成される。代わりに、偏光ノッチ反射体２５１４は、透過性基板、例えば、その上に形成された１つ以上の活性層を有する、研磨ガラスまたはポリマー基板を含む。本明細書に説明されるノッチ反射体のいくつかの実施形態では、基板上に形成される１つ以上の活性層は、その組み合わせが、上記で説明される種々のノッチ反射特性を生じさせる、１つ以上の誘電体コーティングを含むことができる。
依然として、図２５Ｂを参照すると、ディスプレイデバイス２５００Ｂはさらに、非偏光ノッチ反射体２５０８と導波管アセンブリ２５０４との間に介在される４分の１波長板２５１０を備える。
依然として、図２５Ｂを参照すると、以下では、ディスプレイデバイス２５００Ｂはさらに、動作について説明される。上記に説明されるように、導波管アセンブリ２５０４内の１つ以上の導波管内でｘ－方向に伝搬する光の一部は、ｚ－方向に再指向または外部結合されてもよい。図示される実施形態では、導波管アセンブリ２５０４から外部結合される光は、ＬＶＰを有する線形偏光ビーム２５１６－Ｖと、ＬＨＰを有する２５１６－Ｈとを含む。ＬＶＰを有する光ビーム２５１６－ＶおよびＬＨＰを有する２５１６－Ｈは、ビームが偏光ノッチ反射体２５１４の表面上に衝突するまで、例えば、正のｚ－方向に進行する。その上で、ＬＶＰを有する光ビーム２５１６－Ｖが、偏光ノッチ反射体２５１４から実質的に反射される一方で、ＬＨＰを有する光ビーム２５１６－Ｈは、偏光ノッチ反射体２５１４を通して実質的に透過される。
導波管アセンブリ２５０４から外部結合され、ＬＶＰを有する、光ビーム２５１６－Ｖは、光ビーム２５１６－Ｖと同一の偏光を留保する光ビーム２５２０－Ｖとして、偏光ノッチ反射体２５１４によって反射される。ＬＶＰを有する、結果として生じる光ビーム２５２０－Ｖは、４分の１波長板２５１０に向かって伝搬し、それを通して透過され、非偏光ノッチ反射体２５０８から反射され、さらに、非偏光ノッチ反射体２５０８の偏光変換特性に起因して、反対の偏光掌性、例えば、ＬＨＰを有する、光ビーム２５２０－Ｈとして、４分の１波長板２５１０を通して透過される。ＬＨＰを有する、結果として生じる光ビーム２５２０－Ｈは、偏光ノッチ反射体２５１４を通して実質的に透過される。
依然として、図２５Ｂを参照して、要約すると、ＣＬＣ含有偏光ノッチ反射体２５１２（図２５Ａ）の代わりに、具体的波長のための１つの線形偏光（例えば、線形垂直偏光（ＬＶＰ））を反射させる、偏光ノッチ反射体２５１４を配置し、さらに、非偏光ノッチ反射体２５０８と導波管アセンブリ２５０４との間に介在される４分の１波長板２５１０を配置することによって、非偏光ノッチ反射体２５０８から反射される光の偏光は、示されるように直交（例えば、線形水平偏光（ＬＨＰ））になる。図２５Ａに関して上記で説明されるＣＬＣ含有ノッチ反射体と同様に、投影された仮想画像の偏光は、効率的な様式（例えば、１００％効率に近い）で１つの線形偏光に変換される。
（偏光変換器に基づく可変焦点仮想画像システム）
（例示的線形偏光可変焦点レンズ）
図２６Ａおよび２６Ｂは、画像情報をユーザに出力するように構成される、ディスプレイデバイス２６００Ａ、２６００Ｂを図示する。ディスプレイデバイス２６００Ａおよび２６００Ｂは、構造的に同じである。ディスプレイデバイス２６００Ａが、仮想画像をユーザに出力することを説明するために本明細書で使用される一方で、ディスプレイデバイス２６００Ｂは、実世界画像をユーザに出力することを説明するために本明細書で使用される。
ディスプレイデバイス２６００Ａ／２６００Ｂは、図２５Ａに関して上記で説明されるディスプレイデバイス２５００Ａの種々のコンポーネントを備え、さらに、そこから出力される光を合焦および変換するための付加的光学コンポーネントを含む。図２５Ａに関して上記で図示されるディスプレイデバイス２５００Ａと同様に、ディスプレイデバイス２６００Ａ／２６００Ｂは、非偏光ノッチ反射体２５０８と偏光ノッチ反射体２５１２との間に介在される導波管アセンブリ２５０４を備える。導波管アセンブリ２５０４、非偏光ノッチ反射体２５０８、および偏光ノッチ反射体２５１２は、図２５Ａに関して上記に説明されるように類似様式において構成され、したがって、本明細書ではさらに詳細に説明されない。
ディスプレイデバイス２６００Ａ／２６００Ｂは、加えて、非偏光ノッチ反射体２５０８、例えば、多層ノッチ反射体、および偏光ノッチ反射体２５１２、例えば、ＣＬＣノッチ反射体の外側に形成される、第１の４分の１波長板（ＱＷＰ１）２６０４および第２の４分の１波長板（ＱＷＰ２）２６０８を含み、さらに、ＱＷＰ１ ２５０４およびＱＷＰ２ ２６０８の外側に形成される、第１の線形偏光レンズ（Ｌ１）２６１２および第２の線形偏光レンズ（Ｌ２）２６１６を含む。種々の実施形態では、Ｌ１およびＬ２の一方または両方は、例えば、電場、電圧、または電流の印加によって切替可能であり得る、切替可能レンズであることができる。さらに、Ｌ１およびＬ２の一方または両方は、可変焦点強度または焦点深度を有することができ、その焦点強度または焦点深度は、例えば、電場、電圧、または電流の印加によって、制御されることができる。
図２６Ａを参照すると、ディスプレイデバイス２６００Ａは、仮想画像をユーザに出力することを説明するために本明細書で使用される。図２５Ａに関して上記に説明されるように、導波管アセンブリ２５０４内の１つ以上の導波管内でｘ－方向に伝搬する光の一部は、ｚ－方向に再指向または外部結合されてもよい。図示される実施形態では、導波管アセンブリ２５０４から外部結合される光は、ＬＨＣＰを有する円偏光ビーム２５１６－Ｌと、ＲＨＣＰを有する２５１６－Ｒとを含む。ＬＨＣＰを有する光ビーム２５１６－ＬおよびＲＨＣＰを有する２５１６－Ｒは、ビームが偏光ノッチ反射体２５１２の表面上に衝突するまで、例えば、正のｚ－方向に進行する。偏光ノッチ反射体２５１２の中に含まれるＣＬＣ層１００４により、右回り円偏光を有する光ビーム２５１６－Ｌが、偏光ノッチ反射体２５１２から実質的に反射される一方で、右回り円偏光を有する光ビーム２５１６－Ｒは、偏光ノッチ反射体２５１２を通して実質的に透過される。
ＣＬＣ層１００４から外部結合され、ＬＨＣＰを有する光ビーム２５１６－Ｌは、光ビーム２５１６－Ｌと同一の偏光を留保する光ビーム２５２０－Ｌとして、偏光ノッチ反射体２５１２によって反射される。結果として生じる光ビーム２５２０－Ｌは、ＬＨＣＰを有する光ビーム２５２０－Ｌが、非偏光ノッチ反射体２５０８の偏光変換特性に起因して、非偏光ノッチ反射体２５０８によって、反対の偏光掌性、例えば、ＲＨＣＰを有する、光ビーム２５２０－Ｒの中に実質的に反射されるまで、非偏光ノッチ反射体２５０８に向かって伝搬する。ＲＨＣＰを有する、結果として生じる光ビーム２５２０－Ｒは、ＣＬＣ層１００４を有する偏光ノッチ反射体２５１２を通して実質的に透過される。
偏光ノッチ反射体２５１２から出射することに応じて、ＲＨＣＰを有する光ビーム２５１６－Ｒおよび２５２０－Ｒはさらに、円偏光ビーム２５１６－Ｒおよび２５２０－Ｒを、それぞれ、線形偏光ビーム２５２０－Ｈおよび２５１６－Ｈに変換する、ＱＷＰ２ ２６０８を通して透過される。その後、ＱＷＰ２ ２６０８から出射することに応じて、光ビーム２５２０－Ｈおよび２５１６－Ｈはさらに、Ｌ２ ２６１６を通して透過される。アクティブ化されたとき、Ｌ２ ２６１６は、眼４によって視認されることに先立って、光ビーム２５２０－Ｈおよび２５１６－Ｈを集束出力光ビーム２６２０に合焦または合焦解除させる。
要約すると、図２６Ａの図示される実施形態は、線形偏光（例えば、図示される実施形態ではＬＨＰ）を有する光に作用するように構成される、可変焦点／切替可能レンズを有する導波管ベースの投影ディスプレイの一実施例を示す。したがって、仮想画像の光の偏光は、光が偏光ノッチ反射体２５１２、例えば、ＣＬＣノッチ反射体を通過するにつれて、円偏光のうちの１つ（例えば、図２６ＡのＲＨＣＰ）を有するように変換され、さらに、ＱＷＰ２ ２６０８によって線形偏光のうちの１つ（例えば、図２６ＡのＬＨＰ）を有するように変換される。仮想画像の焦点は、図２６Ａに示されるように、Ｌ２ ２６１６によって制御される。
図２６Ｂを参照すると、ディスプレイデバイス２６００Ｂは、世界１１１４の画像をユーザに出力することを説明するために本明細書で使用される。図示されるように、それぞれ、ＬＨＰおよびＬＶＰを有する、入射光ビーム２６３２－Ｈおよび２６２４－Ｖは、Ｌ１ ２６１２に進入し、それ通して透過される。Ｌ１ ２６１２から出射することに応じて、光ビーム２６３２－Ｈおよび２６２４－Ｖは、個別の光ビームを、それぞれ、ＲＨＣＰおよびＬＨＣＰを有する、光ビーム２６３２－Ｒおよび２６２４－Ｌに変換する、ＱＷＰ１ ２６０４を通して通過する。光ビーム２６３２－Ｒおよび２６２４－Ｌは、続いて、非偏光ノッチ反射体２５０８、導波管アセンブリ２５０４、偏光ノッチ反射体２５１２、およびＱＷＰ２ ２６０８を通して透過され、それによって、個別の光ビームを、それぞれ、ＬＨＰおよびＬＶＰを有する、光ビーム２６３６－Ｈおよび２６２８－Ｖに再変換する。その後、光ビーム２６３６－Ｈおよび２６２８－Ｖは、Ｌ２ ２６１６を通して透過され、それによって、それぞれ、個別の光ビーム２６３６および２６２８を出力する。
実世界画像を出力するために、レンズＬ１ ２６１２およびＬ２ ２６１６は、線形偏光のうちの一方を有するが、他方を有していない、光に作用するように構成される。その結果、図示される実施形態では、入射光ビーム２６３２－Ｈおよび２６２４－Ｖのうちの一方、例えば、ＬＨＰを有する光ビーム２６３２－Ｈは、レンズＬ１ ２６１２およびＬ２ ２６１６によって影響されない。
Ｌ１ ２６１２およびＬ２ ２６１６は、それを通して通過する光に反対レンズ効果または屈折力を及ぼすように構成されることができる。例えば、Ｌ１ ２６１２が合焦レンズ効果を有するよう構成される場合、Ｌ２ ２６１６は、反対レンズ効果が相互を無効にするように、合焦効果を有するよう構成されることができる。したがって、入射光ビーム２６３２－Ｈおよび２６２４－Ｖのうちの他方、例えば、ＬＶＰを有する光ビーム２６３２－Ｖは、それを通して通過することに応じて、Ｌ１ ２６１２による、レンズ効果、例えば、合焦または合焦解除を受ける。しかしながら、ＬＨＣＰを有する光ビーム２６２４－Ｌに変換され、ＬＶＰを有する光ビーム２６２８－Ｖに戻るように変換された後、Ｌ１ ２６１２のレンズ効果は、反対レンズ効果を有するＬ２ ２６１６によって無効にされる。したがって、その光遅延効果が相互を無効にする、２つの４分の１波長板ＱＷＰ１ ２６０４、ＱＷＰ２ ２６０８があるので、そして、そのレンズ効果が相互を無効にする、２つのレンズＬ１ ２６１２およびＬ２ ２６１６があるので、眼４によって視認されるような世界１１１４の画像が、実質的に影響を受け得ない一方で、仮想画像は、図２６Ｂに関して上記に説明されるように、Ｌ２ ２６１６によって影響される。
上記に説明されるように、ＣＬＣ層１００４を含む偏光ノッチ反射体２５１２を有する、ディスプレイデバイス２５００Ａ（図２５Ａ）を使用して実施されるものに類似する偏光変換はまた、ＣＬＣ層を含まない偏光ノッチ反射体２５１４を有する、ディスプレイデバイス２５００Ｂ（図２５Ｂ）を使用して実施されることもできる。故に、図２６Ｃおよび２６Ｄは、画像情報をユーザに出力するように構成される、ディスプレイデバイス２６００Ｃ、２６００Ｄを図示し、ディスプレイデバイス２６００Ｃ、２６００Ｄは、ＣＬＣ層を含まない偏光ノッチ反射体２５１４を有する。ディスプレイデバイス２６００Ｃおよび２６００Ｄは、構造的に同じである。ディスプレイデバイス２６００Ｃが、仮想画像をユーザに出力することを説明するために本明細書で使用される一方で、ディスプレイデバイス２６００Ｄは、実世界画像をユーザに出力することを説明するために本明細書で使用される。
図２５Ｂに関して上記に図示されるディスプレイデバイス２５００Ｂと同様に、ディスプレイデバイス２６００Ｃ／２６００Ｄは、非偏光ノッチ反射体２５０８と偏光ノッチ反射体２５１４との間に介在される導波管アセンブリ２５０４を備える。導波管アセンブリ２５０４および非偏光ノッチ反射体２５０８は、図２５Ａに関して上記に説明されるように類似様式において構成され、したがって、本明細書ではさらに詳細に説明されない。
依然として、図２６Ｃを参照すると、図２５Ｂに関して上記で説明されるような類似様式において、偏光ノッチ反射体２５１４は、図示される実施形態では、ノッチ反射範囲内で、ノッチ反射体２５１４が偏光選択的様式でその上に入射する光を実質的に反射させるように、構成される。さらに、図示される実施形態では、偏光反射体２５１４は、非偏光ノッチ反射体２５０８と異なり、偏光反射体２５１４が反射された光の偏光を反対の極性に変換しないように、構成される。
依然として、図２５Ｂに関する上記の説明と同様に、ディスプレイデバイス２６００Ｃ／２６００Ｄの偏光ノッチ反射体２５１４は、図示される実施形態では、偏光ノッチ反射体２５１４がＣＬＣ層を含まないように構成される。加えて、ディスプレイデバイス２６００Ｃ／２６００Ｄはさらに、非偏光ノッチ反射体２５０８と導波管アセンブリ２５０４との間に介在される第２の４分の１波長板ＱＷＰ１ ２５１０を備える。
ディスプレイデバイス２６００Ｃ／２６００Ｄは、加えて、非偏光ノッチ反射体２５０８、例えば、多層ノッチ反射体の左側（世界１１１４の側）に形成される、第１の４分の１波長板（ＱＷＰ１）２６０４を含み、さらに、それぞれ、ＱＷＰ１ ２５０４および偏光ノッチ反射体２５１４の外側に形成される、第１の線形偏光レンズ（Ｌ１）２６１２および第２の線形偏光レンズ（Ｌ２）２６１６を含む。種々の実施形態では、Ｌ１およびＬ２の一方または両方は、例えば、電場、電圧、または電流の印加によって切替可能であり得る、切替可能レンズであることができる。さらに、Ｌ１およびＬ２の一方または両方は、可変焦点強度または焦点深度を有することができ、その焦点強度または焦点深度は、例えば、電場、電圧、または電流の印加によって、制御されることができる。
図２６Ｃを参照すると、ディスプレイデバイス２６００Ｃは、仮想画像をユーザに出力することを説明するために本明細書で使用される。図２５Ｂに関して上記に説明されるように、導波管アセンブリ２５０４内の１つ以上の導波管内でｘ－方向に伝搬する光の一部は、ｚ－方向に再指向または外部結合されてもよい。図示される実施形態では、導波管アセンブリ２５０４から外部結合される光は、ＬＶＰを有する線形偏光ビーム２５１６－Ｖと、ＬＨＰを有する２５１６－Ｈとを含む。ＬＶＰを有する光ビーム２５１６－ＶおよびＬＨＰを有する２５１６－Ｈは、ビームが偏光ノッチ反射体２５１４の表面上に衝突するまで、例えば、正のｚ－方向に進行する。その上で、ＬＶＰを有する光ビーム２５１６－Ｖが、偏光ノッチ反射体２５１４から実質的に反射される一方で、ＬＨＰを有する光ビーム２５１６－Ｈは、偏光ノッチ反射体２５１４を通して実質的に透過される。
導波管アセンブリ２５０４から外部結合され、ＬＶＰを有する、光ビーム２５１６－Ｖは、光ビーム２５１６－Ｖと同一の偏光を留保する光ビーム２５２０－Ｖとして、偏光ノッチ反射体２５１４によって反射される。ＬＶＰを有する、結果として生じる光ビーム２５２０－Ｖは、ＱＷＰ２ ２５１０に向かって伝搬し、それを通して透過され、非偏光ノッチ反射体２５０８から反射され、さらに、非偏光ノッチ反射体２５０８の偏光変換特性に起因して、反対の偏光掌性、例えば、ＬＨＰを有する、光ビーム２５２０－Ｈとして、ＱＷＰ２ ２５１０を通して透過される。ＬＨＰを有する、結果として生じる光ビーム２５２０－Ｈは、偏光ノッチ反射体２５１４を通して実質的に透過される。
偏光ノッチ反射体２５１４から出射することに応じて、ＬＨＰを有する光ビーム２５１６－Ｖおよび２５１６－Ｈはさらに、Ｌ２ ２６１６を通して透過される。アクティブ化されたとき、Ｌ２は、眼４によって視認されることに先立って、光ビーム２５２０－Ｈおよび２５１６－Ｈを集束出力光ビーム２６２０に合焦または合焦解除させる。
図２６Ｄを参照すると、ディスプレイデバイス２６００Ｄは、世界１１１４の画像をユーザに出力することを説明するために本明細書で使用される。図示されるように、それぞれ、ＬＨＰおよびＬＶＰを有する、入射光ビーム２６３２－Ｈおよび２６２４－Ｖは、Ｌ１ ２６１２に進入し、それを通して透過される。Ｌ１ ２６１２から出射することに応じて、光ビーム２６３２－Ｈおよび２６２４－Ｖは、個別の光ビームを、それぞれ、ＲＨＣＰおよびＬＨＣＰを有する、光ビームに変換する、ＱＷＰ１ ２６０４を通して通過する。光ビーム２６３２－Ｒおよび２６２４－Ｌは、続いて、非偏光ノッチ反射体２５０８を通して透過され、その後に、ＲＨＣＰおよびＬＨＣＰを有する光ビームを、それぞれ、ＬＨＰおよびＬＶＰを有する、光ビーム２６３６－Ｈおよび２６２８－Ｖに後方変換する、ＱＷＰ２ ２５１０が続く。その後、光ビーム２６３６－Ｈおよび２６２８－Ｖは、導波管アセンブリ２５０４を通して透過され、その後に偏光ノッチ反射体２５１４が続き、その後にＬ２ ２６１６が続き、それによって、それぞれ、個別の光ビーム２６３６および２６２８を出力する。
図２６Ａ／２６Ｂに関して上記で説明されるディスプレイデバイスと同様に、レンズＬ１ ２６１２およびＬ２ ２６１６は、線形偏光のうちの一方を有するが、他方を有していない、光に作用するように構成される。その結果、図示される実施形態では、入射光ビーム２６３２－Ｈおよび２６２４－Ｖのうちの一方、例えば、ＬＨＰを有する光ビーム２６３２－Ｈは、レンズＬ１ ２６１２およびＬ２ ２６１６によって影響されない。
また、図２６Ａ／２６Ｂに関して上記で説明されるディスプレイデバイスと同様に、その光遅延効果が相互を無効にする、２つの４分の１波長板ＱＷＰ１ ２６０４、ＱＷＰ２ ２６０８があるので、そして、そのレンズ効果が相互を無効にする、２つのレンズＬ１ ２６１２およびＬ２ ２６１６があるので、眼４によって視認されるような世界１１１４の画像が、実質的に影響を受けない一方で、仮想画像は、図２６Ｃに関して上記に説明されるように、Ｌ２ ２６１６によって影響される。
要約すると、図２６Ｃおよび２６Ｄに図示される実施形態では、その中にＣＬＣ層を備える、偏光ノッチ反射体を有する、ディスプレイデバイス２６００Ａ／２６００Ｂを使用して、達成されるものに類似する偏光変換は、図２６Ｃおよび２６Ｄに示されるように、その中にＣＬＣ層を有する偏光ノッチ反射体２５１４（図２６Ａ／２６Ｂ）の代わりに、偏光ノッチ反射体２５１４、例えば、線形偏光ノッチ反射体を使用して、達成されることができる。仮想画像の偏光を変換するために、ＱＷＰ２ ２５１０は、非偏光ノッチ反射体２５０８と導波管アセンブリ２５０４との間に配置される。偏光ノッチ反射体２５１４、例えば、線形偏光ノッチ反射体が、仮想画像偏光を線形偏光（例えば、ＬＨＰ）に変換するため、別の４分の１波長板ＱＷＰ１ ２６０４が、補償するようにＬ１ ２６１２と非偏光ノッチ反射体２５０８との間に配置される。
（例示的円偏光可変焦点レンズ）
任意の理論によって拘束されるわけではないが、光ビームが光の偏光状態の空間内で閉鎖サイクルに沿って辿られるとき、累積経路長から、および幾何学的位相から動的位相を入手し得る。幾何学的位相から入手される動的位相は、偏光の局所変化に起因する。対照的に、所望の位相面を形成するための幾何学的位相に基づくいくつかの光学要素は、パンチャラトナムベリー位相光学要素（ＰＢＯＥ）と称され得る。ＰＢＯＥは、高速軸の配向が波長板要素の空間位置に依存する、波長板要素から構築されてもよい。ＰＢＯＥの用途は、種々の他の用途の中でもとりわけ、回折格子、例えば、ブレーズド格子、集束レンズ、およびアキシコンを含む。
以下では、図２７Ａ－２７Ｄに関して、ＰＢレンズの直接変調によって、または静的ＰＢレンズに結合されるＬＣ波長板の変調によって、動的に切り替えられ得る、例えば、パンチャラトナムベリー位相（ＰＢ）レンズ要素を含む、切替可能レンズ要素または切替可能レンズアセンブリを採用する、ディスプレイデバイスが、説明される。異なる焦点距離を伴う複数のＰＢレンズ要素がスタックされるとき、レンズスタックの全体的な焦点は、それらの間に設置されるＰＢレンズまたはＬＣ波長板を変調させることによって、それらの間で切り替えられることができる。有利には、ＰＢレンズは、円偏光を有する光を合焦または合焦解除させるように構成されることができる。その結果、ディスプレイデバイス、例えば、ディスプレイデバイス２６００Ａ、２６００Ｂの一部として含まれる４分の１波長板は、仮想画像偏光がＣＬＣ反射体を通して円偏光（例えば、ＲＨＣＰ）に変換されるため、省略されることができる。
図２７Ａおよび２７Ｂは、画像情報をユーザに出力するように構成される、ディスプレイデバイス２７００Ａ、２７００Ｂを図示する。ディスプレイデバイス２７００Ａおよび２７００Ｂは、構造的に同じである。ディスプレイデバイス２７００Ａが、仮想画像をユーザに出力することを説明するために本明細書で使用される一方で、ディスプレイデバイス２７００Ｂは、実世界画像をユーザに出力することを説明するために本明細書で使用される。
ディスプレイデバイス２７００Ａ／２７００Ｂは、図２６Ａおよび２６Ｂに関して上記で説明されるディスプレイデバイス２６００Ａ／２６００Ｂの種々のコンポーネントを備え、さらに、そこから出力される光を集束および変換するための付加的光学コンポーネントを含む。図２６Ａおよび２６Ｂに関して上記で図示されるディスプレイデバイス２６００Ａ／２６００Ｂと同様に、ディスプレイデバイス２７００Ａ／２７００Ｂは、非偏光ノッチ反射体２５０８と偏光ノッチ反射体２５１２との間に介在される導波管アセンブリ２５０４を備える。導波管アセンブリ２５０４、非偏光ノッチ反射体２５０８、および偏光ノッチ反射体２５１２は、図２６Ａおよび２６Ｂに関して上記に説明されるように類似様式において構成され、したがって、本明細書ではさらに詳細に説明されない。
しかしながら、ディスプレイデバイス２６００Ａ／２６００Ｂと異なり、ディスプレイデバイス２７００Ａ／２７００Ｂでは、非偏光ノッチ反射体２５０８、例えば、多層ノッチ反射体、および偏光ノッチ反射体２５１２、例えば、ＣＬＣノッチ反射体の外側に形成される４分の１波長板は、省略される。さらに、ディスプレイデバイス２６００Ａ／２６００Ｂと異なり、線形偏光レンズの代わりに、ディスプレイデバイス２７００Ａ／２７００Ｂは、それぞれ、非偏光ノッチ反射体２５０８および偏光ノッチ反射体２５１２の外側に形成される、第１のＰＢレンズ（ＰＢ Ｌ１）２７１２および第２のＰＢレンズ（ＰＢ Ｌ２）２７１６を含む。種々の実施形態では、ＰＢ Ｌ１ ２７１２およびＰＢ Ｌ２ ２７１６の一方または両方は、例えば、電場、電圧、または電流の印加によって切替可能であり得る、切替可能レンズであることができる。さらに、ＰＢ Ｌ１ ２７１２およびＰＢ Ｌ２ ２７１６の一方または両方は、可変焦点強度、屈折力、または焦点深度を有することができ、例えば、電場、電圧、または電流の印加によって、制御されることができる。
図２７Ａを参照すると、ディスプレイデバイス２７００Ａは、仮想画像をユーザに出力することを説明するために本明細書で使用される。動作時、図２５Ａに関して上記に説明されるように、導波管アセンブリ２５０４内の１つ以上の導波管内でｘ－方向に伝搬する光の一部は、ｚ－方向に再指向または外部結合されてもよい。ＬＨＣＰを有する円偏光ビーム２５１６－ＬおよびＲＨＣＰを有する２５１６－Ｒを含む、導波管アセンブリ２５０４から外部結合される光ビームの経路は、ＲＨＣＰを有する光ビーム２５１６－Ｒおよび２５２０－Ｒが、ＣＬＣ層１００４を有する偏光ノッチ反射体２５１２を通して透過されるまで、図２６Ａに関して上記で説明されるものと同一である。偏光ノッチ反射体２５１２から出射することに応じて、ＲＨＣＰを有する光ビーム２５１６－Ｒおよび２５２０－Ｒはさらに、ＰＢ Ｌ２ ２７１６を通して透過される。アクティブ化されたとき、ＰＢ Ｌ２は、眼４によって視認されることに先立って、光ビーム２５２０－Ｈおよび２５１６－Ｈを集束出力光ビーム２６２０に合焦または合焦解除させる。
図２７Ｂを参照すると、ディスプレイデバイス２７００Ｂは、世界１１１４の画像をユーザに出力することを説明するために本明細書で使用される。図示されるように、それぞれ、ＲＨＣＰおよびＬＨＣＰを有する、入射光ビーム２６３２－Ｒおよび２６２４－Ｌは、続いて、非偏光ノッチ反射体２５０８、導波管アセンブリ２５０４、偏光ノッチ反射体２５１２およびＰＢ Ｌ２ ２７１６を通して透過される、光ビーム２６３６－Ｒおよび２６２８－Ｌとして、ＰＢ Ｌ１ ２７１２を通して透過される。図２６Ｂに関して上記に図示されるディスプレイデバイス２６００Ｂと異なり、ディスプレイデバイス２７００の中に４分の１波長板がないため、光ビームは、位相変換および合焦の全体を通して円偏光ビームとして留まる。その後、光ビーム２６３６－Ｒおよび２６２８－Ｌは、ＰＢ Ｌ２ ２７１６を通して透過され、それによって、それぞれ、個別の光ビーム２６３２および２６２８を出力する。
実世界画像を出力するために、レンズＰＢ Ｌ１ ２７１２およびＰＢ Ｌ２ ２７１６は、円偏光のうちの一方を有するが、他方を有していない、光に作用するように構成される。その結果、図示される実施形態では、入射光ビーム２６３２－Ｒおよび２６２４－Ｌのうちの一方、例えば、ＬＨＣＰを有する光ビーム２６２４－Ｌは、レンズＰＢ Ｌ１ ２７１２およびＰＢ Ｌ２ ２７１６によって影響されない。
ＰＢ Ｌ１ ２７１２およびＰＢ Ｌ２ ２７１６は、それを通して通過する光に反対レンズ効果を及ぼすように構成されることができる。例えば、ＰＢ Ｌ１ ２７１２が合焦レンズ効果を有するよう構成される場合、ＰＢ Ｌ２ ２７１６は、反対レンズ効果が相互を無効にするように、合焦解除効果を有するよう構成されることができる。その結果、眼４によって視認されるような世界１１１４の画像が、実質的に影響を受け得ない一方で、仮想画像は、図２７Ａに関して上記に説明されるように、ＰＢ Ｌ２ ２７１６によって影響される。
上記に説明されるように、ＣＬＣ層１００４を含む偏光ノッチ反射体２５１２を有する、ディスプレイデバイス２５００Ａ（図２５Ａ）を使用して実施されるものに類似する偏光変換はまた、ＣＬＣ層を含まない偏光ノッチ反射体２５１４を有する、ディスプレイデバイス２５００Ｂ（図２５Ｂ）を使用して実施されることもできる。故に、図２７Ｃおよび２７Ｄは、画像情報をユーザに出力するように構成される、ディスプレイデバイス２７００Ｃ、２７００Ｄを図示し、ディスプレイデバイス２７００Ｃ、２７００Ｄは、ＣＬＣ層を含まない偏光ノッチ反射体２５１４を有する。ディスプレイデバイス２６００Ｃおよび２６００Ｄは、構造的に同じである。ディスプレイデバイス２７００Ｃが、仮想画像をユーザに出力することを説明するために本明細書で使用される一方で、ディスプレイデバイス２７００Ｄは、実世界画像をユーザに出力することを説明するために本明細書で使用される。
図２５Ｂに関して上記に図示されるディスプレイデバイス２５００Ｂと同様に、ディスプレイデバイス２７００Ｃ／２７００Ｄは、非偏光ノッチ反射体２５０８と偏光ノッチ反射体２５１４との間に介在される導波管アセンブリ２５０４を備える。導波管アセンブリ２５０４および非偏光ノッチ反射体２５０８は、図２５Ａに関して上記に説明されるように類似様式において構成され、したがって、本明細書ではさらに詳細に説明されない。
ディスプレイデバイス２７００Ｃ／２７００Ｄは、加えて、非偏光ノッチ反射体２５０８、例えば、多層ノッチ反射体と導波管アセンブリ２５０４との間に形成される、第１の４分の１波長板（ＱＷＰ１）２６０４と、偏光ノッチ反射体２５１４と第２のＰＢレンズ（ＰＢ Ｌ２）２６１６との間に形成される、第２の４分の１波長板（ＱＷＰ２）２５１０とを含む。ディスプレイデバイス２７００Ｃ／２７００Ｄはさらに、非偏光ノッチ反射体２５０８の外側に第１のＰＢレンズ（ＰＢ Ｌ１）２６１２を含む。したがって、ディスプレイデバイス２７００Ｃ／２７００Ｄは、ＱＷＰ１ ２６０４およびＱＷＰ２５１０の相対位置およびレンズのタイプを除いて、図２６Ｃおよび２７Ｄに関して説明されるディスプレイデバイス２６００Ｃ／２６００Ｄに類似する。
種々の実施形態では、ＰＢ Ｌ１ ２６１２およびＰＢ Ｌ２ ２６１６の一方または両方は、例えば、電場、電圧、または電流の印加によって切替可能であり得る、切替可能レンズであることができる。さらに、ＰＢ Ｌ１ ２６１２およびＰＢ Ｌ２ ２６１６の一方または両方は、可変焦点強度または焦点深度を有することができ、その焦点強度または焦点深度は、例えば、電場、電圧、または電流の印加によって、制御されることができる。
図２７Ｃを参照すると、ディスプレイデバイス２７００Ｃは、仮想画像をユーザに出力することを説明するために本明細書で使用される。図２５Ｂに関して上記に説明されるように、導波管アセンブリ２５０４内の１つ以上の導波管内でｘ－方向に伝搬する光の一部は、ｚ－方向に再指向または外部結合されてもよい。ＬＶＰを有する線形偏光ビーム２５１６－ＶおよびＬＨＰを有する２５１６－Ｈを含む、導波管アセンブリ２５０４から外部結合される光ビームの経路は、ＬＶＰを有する光ビーム２５１６－Ｖおよび２５２０－Ｖが、偏光ノッチ反射体２５１４、例えば、線形偏光ノッチ反射体を通して透過されるまで、図２６Ｃに関して上記で説明されるものと同一である。偏光ノッチ反射体２５１４から出射することに応じて、光ビーム２５１６－Ｖおよび２５２０－Ｖは、ＱＷＰ２ ２５１０を通して透過され、それによって、ＲＨＣＰを有する光ビーム２５１６－Ｒおよび２５２０－Ｒに変換される。その後、ＲＨＣＰを有する光ビーム２５１６－Ｒおよび２５２０－Ｒはさらに、ＰＢ Ｌ２ ２７１６を通して透過される。アクティブ化されたとき、ＰＢ Ｌ２は、眼４によって視認されることに先立って、光ビーム２５２０－Ｒおよび２５１６－Ｒを集束出力光ビーム２６２０に合焦または合焦解除させる。
図２７Ｄを参照すると、ディスプレイデバイス２７００Ｄは、世界１１１４の画像をユーザに出力することを説明するために本明細書で使用される。図示されるように、それぞれ、ＲＨＣＰおよびＬＨＣＰを有する、入射光ビーム２６３２－Ｒおよび２６２４－Ｌは、ＰＢ Ｌ１ ２７１２を通して、非偏光ノッチ反射体２５０８を通して、およびＱＷＰ１ ２６０４を通して透過され、それに応じて、光ビームは、線形偏光ビームに変換される。円偏光ビームはさらに、導波管アセンブリ２５０４、偏光ノッチ反射体２５１４、例えば、線形偏光ノッチ反射体を通して、およびＱＷＰ２ ２５１０を通して透過され、それに応じて、光ビームは、それぞれ、ＲＨＣＰおよびＬＨＣＰを有する、円偏光ビーム２６３６－Ｒおよび２６２８－Ｌに後方変換される。その後、光ビーム２６３６－Ｒおよび２６２８－Ｌは、ＰＢ Ｌ２ ２７１６を通して透過され、それによって、それぞれ、個別の光ビーム２６３６および２６２８を出力する。
実世界画像を出力するために、レンズＰＢ Ｌ１ ２７１２およびＰＢ Ｌ２ ２７１６は、円偏光のうちの一方を有するが、他方を有していない、光に作用するように構成される。その結果、図示される実施形態では、入射光ビーム２６３２－Ｒおよび２６２４－Ｌのうちの一方、例えば、ＬＨＣＰを有する光ビーム２６２４－Ｌは、レンズＰＢ Ｌ１ ２７１２およびＰＢ Ｌ２ ２７１６によって影響されない。
ＰＢ Ｌ１ ２７１２およびＰＢ Ｌ２ ２７１６は、それを通して通過する光に反対レンズ効果を及ぼすように構成されることができる。例えば、ＰＢ Ｌ１ ２７１２が合焦レンズ効果を有するよう構成される場合、ＰＢ Ｌ２ ２７１６は、反対レンズ効果が相互を無効にするように、合焦解除効果を有するよう構成されることができる。その結果、眼４によって視認されるような世界１１１４の画像が、実質的に影響を受け得ない一方で、仮想画像は、図２７Ｃに関して上記に説明されるように、ＰＢ Ｌ２ ２７１６によって影響される。
（偏光感受性可変焦点レンズのための例示的空間オフセット補償器）
ＰＢレンズ等の偏光感受性レンズが使用されるとき、２つの直交偏光画像が、レンズを通した異なる光学通過を受ける。例えば、ＰＢレンズは、世界画像を、（それらの間に空間オフセットを伴う二重画像につながり得る）異なる倍率を有する２つの偏光画像に分割することができる。本効果は、図２７Ａおよび２７Ｂのディスプレイデバイス２７００Ａ／２７００Ｂと同様に構成されるディスプレイデバイス２８００Ａを図示する、図２８Ａに図示される。上記に説明されるように、２つのＰＢレンズは、相互のレンズ効果を無効にするように構成されることができるが、ＬＨＣＰを有する光ビーム２６３２によって、およびＲＨＣＰを有する光ビーム２６２８によって形成される、２つの偏光画像のサイズのオフセット２８０４は、図２８Ａに図示されるように残留し得る。例えば、図２８Ａでは、ＰＢ Ｌ１は、ＬＨＣＰを有する光ビーム２６２４－Ｌに負の屈折力を及ぼす一方で、ＲＨＣＰを有する光ビーム２６３２－Ｒに正の屈折力を及ぼす。以下では、オフセット２８０４を補償するように構成される種々の配列が、開示される。
図２８Ｂは、一対のレンズ２８０４、２８０８、例えば、一対のＰＢレンズを備える、オフセット補償器２８００Ｂを図示する。一対のレンズＰＢ Ｌ３ ２８０４およびＰＢ Ｌ４ ２８０８は、ＲＨＣＰおよびＬＨＣＰを有する入射光ビームがＰＢ Ｌ３上に入射するとき、ＰＢ Ｌ３が、ＬＨＣＰを有する光ビームに正の屈折力を及ぼす一方で、ＲＨＣＰを有する光ビームに負の屈折力を及ぼすように、構成される。したがって、ＰＢ Ｌ３ ２８０４およびＰＬ４ ２８０８の屈折力は、空間オフセット２８１２が、方向が反対であり、オフセット補償器２８００Ｂから出力される出力光ビーム２６３２および２６２８と比較して大きさが実質的に同一である、ディスプレイデバイス２８００Ａ（図２８Ａ）から出力される出力光ビーム２６３２と２６２８との間に存在するように、それぞれ、ＰＢ Ｌ１ ２６１２およびＰＢ Ｌ２ ２７１６のものと反対である。したがって、図２８Ａに図示される空間オフセット２８０４は、図２８Ｂに図示されるものと反対の方向に同一の大きさを有するオフセット２８１２を生成する、一対のレンズを設置することによって、補償されることができる。
図２８Ｃは、オフセット補償器２８００Ｂ（図２８Ｂ）とともにスタックされたディスプレイデバイス２８００Ａ（図２８Ａ）の組み合わせを図示する。図２８Ａの光学系で使用されるものと同一タイプの可変焦点レンズが、オフセット補償器を構築するために使用されることができる。静的レンズが、部分補償が容認可能であるときに使用されることができる。図示されるように、オフセットは、ノッチフィルタの前に偏光器（例えば、線形ＬＣレンズ用の線形偏光器またはＰＢレンズ用の円偏光器）を設置する一方で、世界画像の明度を犠牲にすることによって、回避されることができる。依然として、仮想画像は、影響されない。オフセット補償器２８００Ｂは、（例えば、図２８Ｃに示されるように）アイピースの世界の方に配置されることができる、またはアイピースの眼の方に（例えば、ユーザの眼が位置する右に向かって）配置されることができる。複数のオフセット補償器が、使用されることができる。
種々のディスプレイデバイスに関して上記に説明されるように、導波管アセンブリ２５０４内の１つ以上の導波管（例えば、図６の１１８２、１１８４、１１８６、１１８８、１１９０）内で、概して、伝搬方向、例えば、ｘ－方向に伝搬する光は、直交方向、例えば、ｚ－方向に画像情報を出力するように、例えば、外部結合光学要素または光抽出光学要素（例えば、図６の１２８２、１２８４、１２８６、１２８８、１２９０）を使用して、導波管から出力されてもよい。上記に説明されるように、外部結合光学要素の種々の実施形態は、コレステリック液晶格子（ＣＬＣＧ）を備えてもよい。光が１つ以上の導波管（例えば、図６の１１８２、１１８４、１１８６、１１８８、１１９０）内で伝搬すると、ＣＬＣＧ（例えば、図６の１２８２、１２８４、１２８６、１２８８、１２９０）は、１つ以上の導波管から外へ光を結合する。ＣＬＣＧのＣＬＣ層のある構成の下で、外部結合された光は、実質的に単一の方向、例えば、ｚ－方向に均一な偏光状態を有することができる。例えば、液晶分子が、同一方向、例えば、時計回りまたは反時計回りに回転される、キラル構造（例えば、図１０の１０１２－１、１０１２－２、…１０１２－ｉ）を有するＣＬＣＧのＣＬＣ層は、実質的に均一な偏光、例えば、ＬＨＣＰまたはＲＨＣＰを有する、光を外部結合してもよい。これらの実施形態では、導波管アセンブリ２５０４が、実質的に均一な偏光を有する光を外部結合するため、ＣＬＣＧを備える導波管アセンブリ２５０４を組み込む、ディスプレイデバイスは、出力光の偏光を変換するための上記で説明される光学要素のうちのいくつかを省略してもよい。
（可変焦点レンズを伴う例示的偏光アイピース）
以下では、アイピース１００４は、他の方向（例えば、図２９では左に、世界に向けて）と比較して、特定の方向に（例えば、図２９では右に、眼に向けて）光を優先的に投影してもよい。図２９を参照すると、ディスプレイデバイス２９００は、導波管アセンブリ２９０４が、それぞれ、第１および第２のＰＢレンズ２６１２および２６１６の間に介在される、導波管アセンブリ２９０４を備える。有利には、本実施例では、導波管アセンブリ２９０４から出力される画像の光ビーム２６３６－Ｒがすでに偏光されている（例えば、右回り円偏光またはＲＨＣＰ）ため、付加的偏光器または偏光変換は、アイピース１００４から投影される光が、すでに優先的にレンズ２６１６によって作用される偏光状態（本実施例ではＲＨＣＰ）であるため、省略されてもよい。したがって、導波管アセンブリ２９０４内で、ＴＩＲ下で伝搬する光の一部は、例えば、円偏光ビーム２６３６－Ｒ（または他の実装では線形偏光ビーム）として、その中に形成されたＤＯＥによって外部結合されてもよい。ＲＨＣＰを有する光ビーム２６３６－Ｒは、眼４によって視認される前に、ビームが偏光ノッチ反射体を通過することなくＰＢ Ｌ２ ２６１６上に衝突するまで、例えば、正のｚ－方向に進行する。アイピース１００４は、所望の方向に、（随意に）所望の偏光状態を伴って（例えば、図２９では、ＲＨＣＰを伴って右に）光を非対称に投影するように設計される、ＤＯＥ、メタ材料、ホログラムを含んでもよい。
（例示的変形可能ミラー可変焦点ディスプレイ）
いくつかの実施形態では、変形可能ミラーが、ミラーから反射されるときに仮想画像上に可変焦点効果をもたらすために使用されることができる。図３０は、導波管アセンブリ２９０４および変形可能ミラー３００４を使用して、画像情報をユーザに出力するように構成される、ディスプレイデバイス３０００を図示する。ディスプレイデバイス３０００は、導波管アセンブリ２９０４が、（屈折力を有するように）湾曲または変形可能ミラー３００４と随意のクリーン偏光器３００８との間に介在される、導波管アセンブリ２９０４を備える。図２９を参照して説明されるように、アイピース２９０４は、本実施例では、右（眼に向けて）ではなく左に向かって（世界に向けて）光を非対称に投影するように構成されてもよい。アイピース２９０４は、所望の非対称方向および／または所望の偏光状態（例えば、線形または円形）で光を優先的に投影し得る、ＤＯＥ、メタ材料、ホログラムを備えてもよい。例えば、図３４に示されるように、アイピース２９０４は、ＣＬＣ層またはＣＬＣＧを備えてもよい。
動作時、図２９に関して上記に説明されるように、導波管アセンブリ２９０４内の１つ以上の導波管内でｘ－方向に伝搬する光の一部は、均一な円偏光（例えば、ＲＨＣＰ）を有する光ビーム３０１２として、ｚ－方向に再指向または外部結合されてもよい。導波管アセンブリ２９０４は、湾曲または変形可能ミラー３００４に向かって（ユーザの眼４の反対側に）仮想画像の光ビーム３０１２を投影する。いくつかの実施形態では、変形可能ミラー３００４は、指定偏光を有する光、例えば、ＣＬＣＧの外部結合偏光と同一の偏光を有する光を反射させるように、かつ実世界１１１４からの光が眼４に向かって透過されることを可能にするように、偏光反射層（例えば、多層線形偏光反射体または広帯域コレステリック液晶円偏光反射体）でコーティングされる。いくつかの他の実施形態では、偏光反射層の代わりに、変形可能ミラー３００４は、導波管アセンブリ２９０４からの外部結合された光の仮想画像帯域幅に合致する、狭い帯域幅Δλ内の光を反射させるように設計される、ノッチ反射層またはＣＬＣ反射層でコーティングされる。いくつかの実施形態では、クリーンアップ偏光器３００８が、随意に、変形可能ミラーを通過することなく任意の残像を排除するように、図３０に示されるように設置されることができる。
（コレステリック液晶レンズ）
本明細書の他の場所に説明されるように（例えば、図３０および３４参照）、いくつかのディスプレイデバイスは、世界に向けて（例えば、世界１１１４に向かってユーザの眼４から離れるように）光を非対称に投影するように構成される、アイピースと、次いで、ユーザの眼４に向かって戻るように光の方向を（例えば、反射または回折によって）逆転させる、光学構造（例えば、図３０の変形可能ミラー３００４または図３４のＣＬＣレンズ）とを備える。
図３１Ａおよび３１Ｂは、反射回折レンズ３１００Ａが、透過性ＰＢ ＬＣレンズと類似様式において反射偏光ミラーとしての役割を果たすパターン化されたＣＬＣ材料から形成される、ディスプレイデバイスの一部として実装され得る反射回折レンズ３１００Ａを図示する。図３１Ａは、二元フレネルレンズパターンの上の液晶配向子（矢印）の局所配向を図示する。故に、ＣＬＣレンズ３１００Ａは、（印加される電場等によって調節可能であり得る）屈折力を有するように構成されることができる。ＣＬＣレンズ３１００Ａの実施形態は、図３０のディスプレイでは変形可能ミラー３００４の代替物として使用されることができる、または（例えば、ミラー３００４の表面上にＣＬＣレンズをコーティングまたは積層することを介して、例えば、ＣＬＣレンズ３１００Ａおよびミラー３００４を組み合わせることによって）図３０のディスプレイでは付加的反射性または屈折力を提供するために使用されることができる。
図３１Ｂを参照すると、レンズ３１００Ａが、ＣＬＣキラリティの掌性（例えば、ＲＨＣＰ）に対応する（例えば、同一の掌性を有する）円偏光を有する、円偏光入射光３０１２で照明されるとき、反射された光３０１６は、透過性ＰＢレンズに類似するレンズ効果を呈する。他方では、直交偏光（例えば、ＬＨＣＰ）を伴う光が、干渉を伴わずに透過される。レンズ３１００Ａは、約１０ｎｍ未満、約２５ｎｍ未満、約５０ｎｍ未満、約１００ｎｍ未満の範囲、またはある他の範囲内の帯域幅を有するように構成されることができる。
図３１Ｃは、複数の反射回折レンズ３１００－Ｒ、３１００－Ｇ、および３１００－Ｂを備える、反射回折レンズ３１００Ｃを図示する。図示される実施形態では、反射回折レンズ３１００－Ｒ、３１００－Ｇ、および３１００－Ｂは、スタックされた構成にあり、それぞれ、赤色、緑色、および青色スペクトル内の波長Δλの範囲内の光を反射させるように構成される。レンズ３１００Ｃが、ＣＬＣキラリティの掌性に対応する円偏光（例えば、ＲＨＣＰ）と、赤色、緑色、および青色スペクトル内の波長Δλの範囲内の波長とを有する、円偏光入射光３０１２で照明されるとき、反射された光３０１６は、透過性ＰＢレンズに類似するレンズ効果を呈する。他方では、直交偏光（例えば、ＬＨＣＰ）を伴う光が、干渉を伴わずに透過される。
回折レンズ（例えば、フレネルレンズ）は、多くの場合、焦点距離３２０４が光の波長に応じて変動するにつれて、深刻な色収差を被る。これは、レンズ３２００Ａから異なる距離において集束されている入射赤色、緑色、および青色光を示す、回折レンズ３２００Ａに関して図３２Ａに図示される。
ＣＬＣ材料の適度な帯域幅の利益を受けると、レンズのスタックは、異なる色に関して実質的に同一の焦点距離を有するように実装されることができる。図３２Ｂは、図３１Ｃに関して図示される反射回折レンズ３１００Ｃに類似するスタックされた構成において複数の反射回折レンズ３２００－Ｒ、３２００－Ｇ、および３２００－Ｂを備える、反射回折レンズ３２００Ｂを図示する。図３２Ｂに示されるように、３つの個々のレンズ３２００－Ｒ、３２００－Ｇ、および３２００－Ｂは、それぞれ、赤色、緑色、および青色波長に関して実質的に同一の焦点距離または屈折力を有するように設計される。ＣＬＣ材料の帯域幅が、多くの実装では約５０ｎｍ～１００ｎｍであるため、３つの波長の間のクロストークが、低減される、または最小限にされることができる。３つのＣＬＣ層が示されているが、より少数または多数の層が、レンズ３２００Ｂ上に入射する光の色に対応して使用されることができる。
（ＣＬＣレンズの間の例示的動的切替）
図３３Ａは、異なる焦点距離の間の動的切替のために構成される、反射回折レンズアセンブリ３３００を図示する。動的切替は、第１、第２、および第３の多層回折レンズＣＬＣ Ｌ１、ＣＬＣ Ｌ２、およびＣＬＣ Ｌ３を備える、複数の反射回折レンズサブアセンブリ３３００－１、３３００－２、および３３００－３をスタックすることによって達成され、多層回折レンズＣＬＣ Ｌ１、ＣＬＣ Ｌ２、およびＣＬＣ Ｌ３はそれぞれ、複数のレンズ３１００－Ｒ、３１００－Ｇ、および３１００－Ｂを備える。構成されると、反射回折レンズサブアセンブリ３３００－１、３３００－２、および３３００－３は、異なる焦点距離を有するように構成される。複数の反射回折レンズサブアセンブリ３３００－１、３３００－２、および３３００－３は、第１、第２、および第３の切替可能な２分の１波長板ＨＷＰ１、ＨＷＰ２、およびＨＷＰ３（例えば、切替可能ＬＣ２分の１波長板）を含む。図示される実施形態では、反射回折レンズサブアセンブリ３３００－１、３３００－２、および３３００－３は、サブアセンブリ３３００－１、３３００－２、および３３００－３の多層回折レンズＣＬＣ Ｌ１、ＣＬＣ Ｌ２、およびＣＬＣ Ｌ３が、サブアセンブリ３３００－１、３３００－２、および３３００－３の切替可能な２分の１波長板（ＨＷＰ）と交互になるように、スタックされた構成にある。
図３３Ｂおよび３３Ｃは、それぞれの中に配置されるＨＷＰを変調させることによる、２つの異なる反射回折レンズサブアセンブリ３３００－１および３３００－２の間の例示的切替動作を図示する。第１のＨＷＰ（ＨＷＰ１）がオフ状態（例えば、遅延なし）であるとき、光が、第１のＣＬＣレンズ（ＣＬＣ Ｌ１）によって反射され、画像焦点が、第１のＣＬＣ Ｌ１によって決定される。ＨＷＰ１およびＨＷＰ２が両方ともオン状態（例えば、半波遅延）であるとき、その偏光が動作偏光（例えば、ＲＨＣＰ）と直交（例えば、ＬＨＣＰ）になるため、光は、ＣＬＣ Ｌ１から反射されない。偏光状態は、ＨＷＰ２によって復元され、光は、ＣＬＣ Ｌ２から反射される。画像焦点は、ここで、ＣＬＣ Ｌ２によって決定される。
同様に、３つの異なる焦点距離が、図３３Ｄに示されるように、付加的な一対のＣＬＣレンズおよびＨＷＰを追加することによって、実装されることができる。光偏光は、ＨＷＰ１によって動作偏光（例えば、ＲＨＣＰ）に対する直交偏光（例えば、ＬＣＨＰ）に変換される。ＨＷＰ２がオフ状態であるため、偏光は、影響されず、光は、干渉を伴わずにＣＬＣ Ｌ２を通して伝搬する。ＨＷＰ３の後、偏光は、再び反転され、動作偏光（例えば、ＲＨＣＰ）になり、光は、ＣＬＣ Ｌ３によって反射される。画像焦点は、ここで、図３３Ｄに示されるように、ＣＬＣ Ｌ３によって決定される。
実施形態では、仮想画像の可変焦点は、図３４に図示されるように、導波管アセンブリ３４０４（およびＣＬＣレンズ３４０８も）を組み合わせることによって、実装されることができる。ＣＬＣレンズ３４０８は、本明細書に説明されるＣＬＣレンズ３１００Ａ、３１００Ｃ、３２００Ａ、３２００Ｂ、３３００の実施形態のうちのいずれかを含むことができる。導波管アセンブリ３４０４から投影される画像が、均一な円偏光を伴ってＣＬＣレンズに向かって（例えば、世界に向けて、ユーザの眼から離れる方向に）優先的に伝搬するため、画像焦点は、上記に説明されるようなＣＬＣレンズによって制御されることができる。ＣＬＣレンズ３４０８は、複数の深度平面（例えば、図３３Ａに示されるＤｏＦ１－ＤｏＦ３）を含み、図３３Ｂ－３３Ｄを参照して説明されるように、動的に切替可能であり得る。色順次ディスプレイが仮想画像を生成するために使用されるとき、ＣＬＣレンズ内の波長板は、アイピース３４０４によって投影される動作色と同期して変調される必要がある。上記に説明されるように、ＣＬＣレンズ３４０８は、仮想画像用の可変焦点ディスプレイデバイスを提供するために、単独で、または変形可能ミラー（例えば、ミラー３００４）と組み合わせて、使用されることができる。
（付加的側面）
第１の側面では、ディスプレイデバイスは、導波管の主要表面と平行方向に全内部反射下で可視光を伝搬するように構成される、導波管を備える。外部結合要素が、導波管上に形成され、導波管の主要表面に対する法線の方向に可視光の一部を外部結合するように構成される。偏光選択的ノッチ反射体が、導波管の第１の側に配置され、第２の偏光を有する可視光の一部を透過させながら、第１の偏光を有する可視光を反射させるように構成される。偏光無依存ノッチ反射体が、導波管の第２の側に配置され、第１の偏光を有する可視光および第２の偏光を有する可視光を反射させるように構成され、偏光無依存ノッチ反射体は、そこから反射する可視光の偏光を変換するように構成される。
第２の側面では、第１の側面のディスプレイデバイスにおいて、偏光選択的ノッチ反射体および偏光無依存ノッチ反射体はそれぞれ、波長範囲外の波長を有する光を透過させながら、赤色、緑色、または青色光のうちの１つに対応する波長範囲内の波長を有する可視光を反射させるように構成される。
第３の側面では、第１から第２の側面のうちのいずれかのディスプレイデバイスにおいて、偏光選択的ノッチ反射体は、１つ以上のコレステリック液晶（ＣＬＣ）層を備える。
第４の側面では、第１から第３の側面のうちのいずれかのディスプレイデバイスにおいて、１つ以上のＣＬＣ層はそれぞれ、複数のキラル構造を備え、キラル構造はそれぞれ、少なくとも螺旋ピッチによって、層深度方向に延在し、第１の回転方向に連続的に回転される、複数の液晶分子を備える。螺旋ピッチは、第１の回転方向における完全１回転によるキラル構造の液晶分子の正味回転角度に対応する、層深度方向における長さである。キラル構造の液晶分子の配列は、層深度方向と垂直な側方方向に周期的に変動する。
第５の側面では、第１から第４の側面のうちのいずれかのディスプレイデバイスにおいて、第１の偏光は、第１の円偏光であり、第２の偏光は、第２の円偏光である。
第６の側面では、第１から第５の側面のうちのいずれかのディスプレイデバイスにおいて、ディスプレイデバイスはさらに、第１の４分の１波長板と、第２の４分の１波長板とを備え、偏光無依存ノッチ反射体は、第１の４分の１波長板と導波管との間に介在され、偏光選択的ノッチ反射体は、導波管と第２の４分の１波長板との間に介在される。
第７の側面では、第６の側面のディスプレイデバイスにおいて、ディスプレイデバイスはさらに、第１の線形偏光レンズと、第２の線形偏光レンズとを備え、第１の４分の１波長板は、第１の線形偏光レンズと偏光無依存ノッチ反射体との間に介在され、第２の４分の１波長板は、偏光選択的ノッチ反射体と第２の線形偏光レンズとの間に介在される。
第８の側面では、第１から第４の側面のうちのいずれかのディスプレイデバイスにおいて、ディスプレイデバイスはさらに、偏光無依存ノッチ反射体および偏光選択的ノッチ反射体の外側に配置される、第１のパンチャラトナムベリー（ＰＢ）レンズと、第２のパンチャラトナムベリー（ＰＢ）レンズとを備える。
第９の側面では、第１または第２の側面のうちのいずれかのディスプレイデバイスにおいて、ディスプレイデバイスはさらに、偏光無依存ノッチ反射体と導波管との間に介在される第１の４分の１波長板を備える。
第１０の側面では、第９の側面のディスプレイデバイスにおいて、ディスプレイデバイスはさらに、第２の４分の１波長板を備え、偏光無依存ノッチ反射体は、第１の４分の１波長板と第２の４分の１波長板との間に介在される。
第１１の側面では、第１０の側面のディスプレイデバイスにおいて、ディスプレイデバイスはさらに、第１の線形偏光レンズと、第２の線形偏光レンズとを備え、第１の４分の１波長板は、第１の線形偏光レンズと偏光無依存ノッチ反射体との間に介在され、偏光選択的ノッチ反射体は、導波管と第２の線形偏光レンズとの間に介在される。
第１２の側面では、第９の側面のディスプレイデバイスにおいて、ディスプレイデバイスはさらに、偏光無依存ノッチ反射体および偏光選択的ノッチ反射体の外側に配置される、第１のパンチャラトナムベリー（ＰＢ）レンズと、第２のパンチャラトナムベリー（ＰＢ）レンズと、第２のＰＢレンズと偏光選択的ノッチ反射体との間に介在される第２の４分の１波長板とを備える。
第１３の側面では、ディスプレイデバイスは、第１の切替可能レンズと第２の切替可能レンズとの間に介在される導波デバイスを備える。導波デバイスは、それぞれ、複数のキラル構造を備える、１つ以上のコレステリック液晶（ＣＬＣ）層を備え、各キラル構造は、層深度方向に延在し、第１の回転方向に連続的に回転される、複数の液晶分子を備え、キラル構造の液晶分子の配列は、１つ以上のＣＬＣ層が入射光をブラッグ反射させるように構成されるように、層深度方向と垂直な側方方向に周期的に変動する。１つ以上の導波管が、１つ以上のＣＬＣ層にわたって形成され、導波管の主要表面と平行方向に全内部反射（ＴＩＲ）下で可視光を伝搬するように、かつ可視光を、１つ以上のＣＬＣ層に、またはそこから光学的に結合するように構成される。
第１４の側面では、第１３の側面のディスプレイデバイスにおいて、１つ以上の導波管は、偏光選択的ノッチ反射体と偏光無依存ノッチ反射体との間に介在され、偏光選択的ノッチ反射体は、第２の偏光を有する可視光を透過させながら、第１の偏光を有する可視光を反射させるように構成され、偏光無依存ノッチ反射体は、第１の偏光を有する可視光および第２の偏光を有する可視光を反射させるように構成される。
第１５の側面では、第１３の側面のディスプレイデバイスにおいて、１つ以上のＣＬＣ層は、偏光選択的ノッチ反射体としての役割を果たす。
第１６の側面では、第１３の側面のディスプレイデバイスにおいて、偏光選択的ノッチ反射体は、１つ以上のコレステリック液晶（ＣＬＣ）層を備える。
第１７の側面では、第１６の側面のディスプレイデバイスにおいて、１つ以上のＣＬＣ層はそれぞれ、複数のキラル構造を備え、キラル構造はそれぞれ、少なくとも螺旋ピッチによって、層深度方向に延在し、第１の回転方向に連続的に回転される、複数の液晶分子を備える。螺旋ピッチは、第１の回転方向における完全１回転によるキラル構造の液晶分子の正味回転角度に対応する、層深度方向における長さである。キラル構造の液晶分子の配列は、層深度方向と垂直な側方方向に周期的に変動する。
第１８の側面では、第１３から第１７の側面のうちのいずれか１つのディスプレイデバイスにおいて、偏光選択的ノッチ反射体は、そこから反射する可視光の偏光を保存するように構成され、偏光無依存ノッチ反射体は、そこから反射する可視光の偏光を変換するように構成される。
第１９の側面では、第１３から第１８の側面のうちのいずれか１つのディスプレイデバイスにおいて、第１の切替可能レンズおよび第２の切替可能レンズは、アクティブ化されたときに反対の符号を有する屈折力を有する。
第２０の側面では、第１３から第１９の側面のうちのいずれか１つのディスプレイデバイスにおいて、第１の切替可能レンズは、パンチャラトナムベリー（ＰＢ）レンズを備え、第２の切替可能レンズは、第２のパンチャラトナムベリー（ＰＢ）レンズを備える。
第２１の側面では、第１３から第２０の側面のうちのいずれか１つのディスプレイデバイスにおいて、ディスプレイデバイスはさらに、偏光無依存ノッチ反射体と導波管との間に介在される第１の４分の１波長板を備える。
第２２の側面では、第１３から第２１の側面のうちのいずれか１つのディスプレイデバイスにおいて、ディスプレイデバイスはさらに、第２の切替可能レンズと偏光選択的ノッチ反射体との間に介在される第２の４分の１波長板を備える。
第２３の側面では、画像をユーザの眼に表示するように構成されるディスプレイデバイスは、前方側と、後方側とを備える、光学ディスプレイであって、後方側は、前方側よりもユーザの眼に近く、後方側に向かって波長範囲を有する光を出力するように構成される、光学ディスプレイを備える。第１のノッチ反射体が、光学ディスプレイの後方に配置され、第１のノッチ反射体は、光学ディスプレイから出力される、波長範囲を有する光を反射させるように構成される。第２のノッチ反射体が、光学ディスプレイの前方に配置され、第２のノッチ反射体は、波長範囲を有する光を反射させるように構成される。第１のノッチ反射体は、第１の偏光を有する光を実質的に透過させ、第１の偏光と異なる第２の偏光を有する光を実質的に反射させるように構成される。第２のノッチ反射体は、第２の偏光を有する、後方面上に入射する光を、第１の偏光に変換するように、かつ光を後方に再指向するように構成される。
第２４の側面では、第２３の側面のディスプレイデバイスにおいて、第１のノッチ反射体は、コレステリック液晶（ＣＬＣ）格子（ＣＬＣＧ）を備える。
第２５の側面では、第２３の側面のディスプレイデバイスにおいて、第１のノッチ反射体は、多層を備え、第２のノッチ反射体は、非偏光ノッチ反射体と、４分の１波長板とを備える。
第２６の側面では、第２３から第２５の側面のうちのいずれか１つのディスプレイデバイスにおいて、ディスプレイデバイスはさらに、第１のノッチ反射体の後方に配置される、第１の可変焦点レンズと、第２のノッチ反射体の前方に配置される、第２の可変焦点レンズとを備え、第２の可変焦点レンズの第２の光学特性は、第１の可変焦点レンズの第１の光学特性を補償する。
第２７の側面では、第２６の側面のディスプレイデバイスにおいて、第１の可変焦点レンズおよび第２の可変焦点レンズはそれぞれ、線形偏光レンズを備える。
第２８の側面では、第２６の側面のディスプレイデバイスにおいて、第１の可変焦点レンズおよび第２の可変焦点レンズはそれぞれ、パンチャラトナムベリー（ＰＢ）位相レンズを備える。
第２９の側面では、第２８の側面のディスプレイデバイスにおいて、ディスプレイデバイスはさらに、ＰＢ位相レンズによって導入される空間オフセットを補償するように構成される、空間オフセット補償器を備える。
第３０の側面では、動的集束ディスプレイシステムは、第１の円偏光状態で円偏光を出力するように構成される、ディスプレイを備える。ディスプレイは、光学軸に沿って配置され、前方側と、後方側とを有し、後方側は、前方側よりもユーザの眼に近く、光学ディスプレイは、後方側に向かって波長範囲を有する光を出力するように構成される。第１の切替可能光学要素は、光学軸に沿って第１のＣＬＣレンズの前方に配置され、第１の切替可能光学要素は、第１の切替可能光学要素を通して透過される光の円偏光状態を、第１の円偏光状態から第２の異なる円偏光状態に変化させるように構成される。第１のコレステリック液晶（ＣＬＣ）レンズは、光学軸に沿って第１の切替可能光学要素の前方に配置される。第２の切替可能光学要素は、光学軸に沿って第１のＣＬＣレンズの前方に配置され、第２の切替可能光学要素は、第２の切替可能光学要素を通して透過される光の円偏光状態を、第１の円偏光状態から第２の異なる円偏光状態に変化させるように構成される。第２のＣＬＣレンズは、光学軸に沿って第２の切替可能光学要素の前方に配置される。コントローラは、第１および第２の切替可能光学要素の状態を電子的に切り替え、第１のＣＬＣレンズまたは第２のＣＬＣレンズのいずれかを動的に選択するように構成される。
第３１の側面では、第３０の側面の動的集束ディスプレイシステムにおいて、第１のＣＬＣレンズの選択に応答して、第１の切替可能光学要素は、第１の偏光状態を有する光の透過を可能にするように切り替えら得る。第２のＣＬＣレンズの選択に応答して、第１の切替可能光学要素は、光の偏光を第１の円偏光状態から第２の円偏光状態に変化させるように切り替えられ、第２の切替可能光学要素は、光の偏光を第２の円偏光状態から第１の円偏光状態に変化させるように切り替えられる。
第３２の側面では、第３０または第３１の側面の動的集束ディスプレイデバイスにおいて、第１および第２の切替可能光学要素は、２分の１波長板を備える。
第３３の側面では、ウェアラブル拡張現実ディスプレイシステムは、第３０から第３２の側面のうちのいずれか１つの動的集束ディスプレイシステムを備える。
第３４の側面では、ウェアラブル拡張現実頭部搭載型ディスプレイシステムは、頭部搭載型システムを装着した装着者の前方の世界から装着者の眼の中に光を通過させるように構成される。ウェアラブル拡張現実頭部搭載型ディスプレイシステムは、光を出力し、画像を形成するように構成される、光学ディスプレイと、該ディスプレイから該光を受光するように配置される、１つ以上の導波管と、該１つ以上の導波管が、前方側と、後方側とを有し、該後方側が、該前方側よりも該眼に近いように、該眼の前方に導波管を配置するように構成される、フレームと、該１つ以上の導波管の該前方側に配置される、コレステリック液晶（ＣＬＣ）反射体であって、電気信号の印加に応じて調節可能である、屈折力または焦点深度を有するように構成される、ＣＬＣ反射体と、１つ以上の導波管から光を抽出し、該導波管内で伝搬する該光の少なくとも一部をＣＬＣ反射体に指向するように、該１つ以上の導波管に対して配置される、１つ以上の外部結合要素であって、該光は、ディスプレイからの画像を装着者の眼の中に提示するように、該ＣＬＣ反射体から該導波管を通して戻るように、かつ該眼の中に指向される、外部結合要素とを備える。
第３５の側面では、ディスプレイデバイスは、導波管の主要表面と平行方向に全内部反射下で可視光を伝搬するように、かつ主要表面に対する法線の方向に可視光を外部結合するように構成される、導波管を備える。ノッチ反射体は、第１の偏光を有する可視光を反射させるように構成され、ノッチ反射体は、１つ以上のコレステリック液晶（ＣＬＣ）層を備え、ＣＬＣ層はそれぞれ、複数のキラル構造を備え、キラル構造はそれぞれ、層深度方向に延在し、第１の回転方向に連続的に回転される、複数の液晶分子を備え、キラル構造の液晶分子の配列は、１つ以上のＣＬＣ層が入射光をブラッグ反射させるように構成されるように、層深度方向と垂直な側方方向に周期的に変動する。
第３６の側面では、第３５の側面のディスプレイデバイスにおいて、導波管は、選択的にノッチ反射体に向かって可視光を外部結合するように構成される。
第３７の側面では、第３５または第３６の側面のディスプレイデバイスにおいて、ノッチ反射体は、その上に形成された（または配置された）１つ以上のＣＬＣ層を有する、変形可能ミラーを備える。
第３８の側面では、第３５から第３７の側面のうちのいずれか１つのディスプレイデバイスにおいて、１つ以上のＣＬＣ層のうちの異なるものは、波長範囲外の波長を有する光を透過させるように構成されながら、赤色、緑色、または青色光のうちの異なるものに対応する波長範囲内の波長を有する可視光を反射させるように構成される。
第３９の側面では、第３５から第３８の側面のうちのいずれか１つのディスプレイデバイスにおいて、ＣＬＣ層のキラル構造はそれぞれ、少なくとも螺旋ピッチによって、層深度方向に延在する、複数の液晶分子を備え、１つ以上のＣＬＣ層のうちの異なるものは、異なる螺旋ピッチを有する。
第４０の側面では、第３８または第３９の側面のディスプレイデバイスにおいて、１つ以上のＣＬＣ層のうちの異なるものは、実質的に同一の屈折力を有する。
第４１の側面では、第３５から第４０の側面のうちのいずれか１つのディスプレイデバイスにおいて、ディスプレイデバイスは、複数のノッチ反射体を備え、ノッチ反射体はそれぞれ、第１の偏光を有する可視光を反射させるように構成され、ノッチ反射体はそれぞれ、１つ以上のコレステリック液晶（ＣＬＣ）層を備え、ＣＬＣ層はそれぞれ、複数のキラル構造を備え、キラル構造はそれぞれ、層深度方向に延在し、第１の回転方向に連続的に回転される、複数の液晶分子を備え、キラル構造の液晶分子の配列は、１つ以上のＣＬＣ層が入射光をブラッグ反射させるように構成されるように、層深度方向と垂直な側方方向に周期的に変動する。
第４２の側面では、第３５から第４１の側面のうちのいずれか１つのディスプレイデバイスにおいて、複数のノッチ反射体のうちの異なるものは、異なる屈折力を有する。
第４３の側面では、第４１または第４２の側面のディスプレイデバイスにおいて、ディスプレイデバイスはさらに、ノッチ反射体のうちのそれぞれに対応する２分の１波長板を備える。
（付加的考慮点）
上記に説明される実施形態では、拡張現実ディスプレイシステム、より具体的には、空間可変回折格子は、特定の実施形態に関連して説明される。しかしながら、実施形態の原理および利点は、空間可変回折格子の必要性を伴う、任意の他のシステム、装置、または方法のために使用されることができることを理解されるであろう。前述では、実施形態のうちの任意の１つの任意の特徴は、実施形態のうちの任意の他の１つの任意の他の特徴と組み合わせられる、および／またはそれで代用されることができることを理解されたい。
文脈によって別様に明確に要求されない限り、説明および請求項全体を通して、単語「～を備える」、「～を備えている」、「～を含む」、「～を含んでいる」、および同等物は、排他的または包括的意味とは対照的に、包含的意味、すなわち、「限定ではないが～を含む」の意味で解釈されるべきである。単語「結合される」は、本明細書で概して使用されるように、直接接続されるか、または１つ以上の中間要素を経由して継続されるかのいずれかであり得る、２つ以上の要素を指す。同様に、単語「接続される」は、本明細書で概して使用されるように、直接接続されるか、または１つ以上の中間要素を経由して継続されるかのいずれかであり得る、２つ以上の要素を指す。加えて、単語「本明細書で」、「上記で」、「下記で」、「後述の」、「前述の」、および類似意味の単語は、本願で使用されるとき、全体として本願を指すものとし、本願の任意の特定の部分を指すものではない。文脈によって許容される場合、単数形または複数形を使用する上記の詳細な説明における単語はまた、それぞれ、複数形または単数形を含んでもよい。単語「または」は、２つ以上のアイテムのリストを参照する場合、本単語は、以下の単語の解釈の全て、すなわち、リスト内のアイテムのいずれか、リスト内のアイテムの全て、およびリスト内のアイテムの１つ以上のアイテムの任意の組み合わせを網羅する。加えて、本願および添付される請求項で使用されるような冠詞「ａ」、「ａｎ」、および「ｔｈｅ」は、別様に規定されない限り、「１つ以上の」または「少なくとも１つ」を意味するように解釈されるべきである。
本明細書で使用されるように、項目のリスト「～のうちの少なくとも１つ」を指す語句は、単一の要素を含む、それらの項目の任意の組み合わせを指す。ある実施例として、「Ａ、Ｂ、またはＣのうちの少なくとも１つ」は、Ａ、Ｂ、Ｃ、ＡおよびＢ、ＡおよびＣ、ＢおよびＣ、およびＡ、Ｂ、およびＣを網羅することが意図される。語句「Ｘ、Ｙ、およびＺのうちの少なくとも１つ」等の接続文は、別様に具体的に記載されない限り、概して、項目、用語等がＸ、Ｙ、またはＺのうちの少なくとも１つであり得ることを伝えるために使用されるような文脈で別様に理解される。したがって、そのような接続文は、概して、ある実施形態が、Ｘのうちの少なくとも１つ、Ｙのうちの少なくとも１つ、およびＺのうちの少なくとも１つがそれぞれ存在するように要求することを示唆することを意図されない。
さらに、とりわけ、「～できる（ｃａｎ）」、「～し得る（ｃｏｕｌｄ）」、「～し得る（ｍｉｇｈｔ）」、「～し得る（ｍａｙ）」、「例えば（ｅ．ｇ．）」、「例えば（ｆｏｒ ｅｘａｍｐｌｅ）」、「等（ｓｕｃｈ ａｓ）」、および同等物等、本明細書で使用される条件文は、別様に具体的に記載されない限り、または使用されるような文脈内で別様に理解されない限り、概して、ある実施形態がある特徴、要素、および／または状態を含む一方、他の実施形態がそれらを含まないことを伝えることが意図されることを理解されたい。したがって、そのような条件文は、概して、特徴、要素、および／または状態が、１つ以上の実施形態に対していかようにも要求されること、またはこれらの特徴、要素、および／または状態が任意の特定の実施形態において含まれる、または実施されるべきかどうかを示唆することを意図されない。
ある実施形態が、説明されたが、これらの実施形態は、一例としてのみ提示され、本開示の範囲を限定することを意図するものではない。実際、本明細書に説明される新規装置、方法、およびシステムは、種々の他の形態で具現化されてもよい。さらに、本明細書に説明される方法およびシステムの形態における種々の省略、代用、および変更が、本開示の精神から逸脱することなく成されてもよい。例えば、ブロックが、所与の配列で提示されるが、代替実施形態は、異なるコンポーネントおよび／または回路トポロジを用いて類似機能性を実施してもよく、いくつかのブロックは、削除される、移動される、追加される、細分割される、組み合わせられる、および／または修正されてもよい。これらのブロックはそれぞれ、種々の異なる方法で実装されてもよい。上記に説明される種々の実施形態の要素および作用の任意の好適な組み合わせが、さらなる実施形態を提供するために組み合わせられることができる。上記に説明される種々の特徴およびプロセスは、相互に独立して実装されてもよい、または種々の方法で組み合わせられてもよい。いずれの要素または要素の組み合わせも、すべての実施形態に関して必要または不可欠なわけではない。本開示の特徴の全ての好適な組み合わせおよび副次的組み合わせが、本開示の範囲内であるように意図される。

Claims (1)

  1. 本明細書に記載の発明。
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