JP2022543571A - 画素化されたディスプレイの画像解像度および視野を乗算するための方法および装置 - Google Patents

Abstract

本発明の様々な実施形態による、画素化されたディスプレイの解像度および視野を乗算するためのシステムおよび方法が例示される。一実施形態は、画素化された画像源からの光を固有の角度方向に導くための画像プロジェクタと、第１および第２の視野部分に対応する画像源の本来の画像を算出するために、かつ画像プロジェクタによる連続表示のための、第１および第２の視野部分に対応する所定の方向でシフトされた画像を算出するために、画像プロジェクタに電気的に接続された画像プロセッサと、本来の画像の光を伝播するための本来の構成、および少なくとも１つのシフトされた画像の光を伝播するための少なくとも１つのシフトされた構成を有する、格子の第１のセットと、第１の視野部分を投影するための第１の構成、および第２の視野部分を投影するための第２の構成を有する、格子の第２のセットと、を有する装置を含む。【選択図】図９

Description

本開示は、ディスプレイに関し、より具体的には、画素化されたディスプレイの解像度および視野を乗算するためのホログラフィックデバイスに関する。

導波路は、波を閉じ込め、誘導する（すなわち、波が伝播することができる空間領域を制限する）能力を伴う構造と称することができる。１つのサブクラスは、電磁波、典型的には、可視スペクトルでのそれらを誘導することができる構造である、光導波路を含む。導波路構造は、多数の異なる機構を使用して、波の伝播経路を制御するように設計することができる。例えば、平面導波路は、回折格子を利用し、入射光を回折して導波路構造内に結合するように設計することができ、その結果、内部結合された光は、全内部反射（ＴＩＲ）を介して平面構造内で進み続けることができる。

導波路の製作は、導波路内のホログラフィック光学素子の記録を可能にする材料システムの使用を含むことができる。そのような材料の１つのクラスは、光重合性モノマーおよび液晶を含有している混合物である、ポリマー分散型液晶（ＰＤＬＣ）混合物を含む。そのような混合物のさらなるサブクラスは、ホログラフィックポリマー分散型液晶（ＨＰＤＬＣ）混合物を含む。体積位相格子などのホログラフィック光学素子は、２つの相互にコヒーレントなレーザービームを材料に照射することによって、そのような液体混合物中に記録することができる。記録プロセスの間、モノマーは、重合し、混合物は、光重合誘発相分離を受け、クリアなポリマーの領域に点在する、液晶微小液滴が密集した領域を作成する。交互する液晶豊富な領域と液晶枯渇の領域は、格子の縞面を形成する。一般的にスイッチ可能ブラッグ格子（ＳＢＧ）と称される、結果として生じる格子は、通常、体積またはブラッグ格子に関連付けられるすべての特性を有するが、回折効率の連続範囲（所望の方向に回折される入射光の割合）にわたって格子を電気的に調整する能力と組み合わせると、はるかに高い屈折率変調範囲を有する。後者は、非回折（クリア）から１００％に近い効率の回折に及ぶことができる。

上記に説明されたものなどの導波路光学系は、様々なディスプレイおよびセンサー用途に考慮することができる。多くの用途では、複数の光学機能をエンコードする１つ以上の格子層を含有する導波路は、様々な導波路アーキテクチャおよび材料システムを使用して実現することができ、拡張現実（ＡＲ）および仮想現実（ＶＲ）のための接眼ディスプレイ、道路輸送、航空、および軍事用途のためのコンパクトヘッドアップディスプレイ（ＨＵＤ）およびヘルメットマウントディスプレイまたはヘッドマウントディスプレイ（ＨＭＤ）、ならびに生体認証およびレーザーレーダー（ＬＩＤＡＲ）用途のためのセンサーでの新たな革新を可能にする。回折格子を使用して、レンズサイズを縮小しながらアイボックスサイズを保持する導波路ディスプレイが提案されている。導波路構造によってコリメーティング光学系の瞳孔が効果的に拡張されるヘッドアップディスプレイもまた、実装され得る。

本発明の様々な実施形態による、画素化されたディスプレイの解像度および視野を乗算するためのシステムおよび方法が例示される。一実施形態は、ディプレイ解像度および視野を乗算するための装置を含み、装置は、画素化された画像源の画素からの光を固有の角度方向に導くための画像プロジェクタであって、画像プロジェクタが、投影レンズに光学的に接続されたマイクロディスプレイパネルを含む、画像プロジェクタと、第１および第２の視野部分に対応する画像源の本来の画像を算出するために、かつ画像プロジェクタによる連続表示のための、第１および第２の視野部分に対応する所定の方向でシフトされた画像を算出するために、画像プロジェクタに電気的に接続された画像プロセッサと、画像プロジェクタに光学的に結合された第１の入力格子、および第１の出力格子を含む、格子の第１のセットであって、格子の第１のセットが、回折状態と非回折状態との間でスイッチ可能な少なくとも１つのスイッチ可能格子を含み、格子の第１のセットが、本来の画像の光を伝播するための本来の構成、および少なくとも１つのシフトされた画像の光を伝播するための少なくとも１つのシフトされた構成を有し、各々が、所定の方向における画像シフトに対応する角度変位を有し、画像シフトが、画素寸法のＮ＋１／Ｍ倍に等しく、ＮおよびＭが、整数であり、Ｎが、０を含む、格子の第１のセットと、格子の第１のセットの第１の出力格子に光学的に結合された第２の入力格子を含む格子の第２のセットであって、格子の第２のセットが、回折状態と非回折状態との間でスイッチ可能な少なくとも１つのスイッチ可能格子を含み、格子の第２のセットが、第１の視野部分を投影するための第１の構成、および第２の視野部分を投影するための第２の構成を有する、格子の第２のセットと、を含む。

別の実施形態では、格子の第１のセットが、第１の導波路内に配設されており、格子の第２のセットが、第２の導波路内に配設されている。

さらなる実施形態では、格子の第２のセットが、第１、第２、第３、および第４の格子を含み、第１の格子が、第３の格子と重なり合い、第２の格子が、第４の格子と重なり合い、第１および第３の格子が、入力カプラとして作用し、第２および第４の格子が、出力カプラとして作用する。

また別の実施形態では、第１および第３の格子のうちの少なくとも一方が、スイッチ可能格子である。

またさらなる実施形態では、第１、第２、第３、および第４の格子が、スイッチ可能格子であり、第１の視野部分を投影するための第１の構成が、それらの回折状態にある、第１または第３のスイッチ可能格子のうちの１つおよび第２または第４のスイッチ可能格子のうちの１つによって提供される。

なお別の実施形態では、第２および第４の格子が、スイッチ不可格子である。

なお、さらなる実施形態では、第１および第２のスイッチ可能格子が、導波路内の第１の層内に配設されており、第３および第４のスイッチ可能格子が、導波路内の第２の層内に配設されている。

別の追加の実施形態では、第１および第２のスイッチ可能格子が、第１の導波路内に配設されており、第３および第４のスイッチ可能格子が、第２の導波路内に配設されている。

さらなる追加の実施形態では、Ｍが、２に等しい。

再び別の実施形態では、本来の画像および少なくとも１つのシフトされた画像が、人間の眼の統合周期内で連続的に表示される。

さらに実施形態では、画像シフトが、垂直または水平シフトのうちの１つを含む。

また、なお別の実施形態では、画像シフトが、垂直および水平シフトを含む。

また、なおさらなる実施形態では、スイッチ可能格子が、ホログラフィックポリマー分散型液晶材料に記録される。

また別の追加の実施形態では、格子の第２のセットが、スイッチ不可格子を含む。

また、さらなる追加の実施形態では、格子の第２のセットが、折り曲げ格子を含む。

さらに別の実施形態では、格子の第２のセットが、波長または角度帯域幅のうちの少なくとも１つを多重化する少なくとも１つの格子を含む。

さらに別の実施形態では、画像プロジェクタが、プリズムまたは格子のうちの１つによって格子の第１のセットの第１の入力格子に光学的に結合されている。

なお、別の追加の実施形態では、装置が、照明ホモジナイザをさらに含む。

なお、さらなる追加の実施形態では、格子の第２のセットが、回転ｋベクトル格子を含む。

さらに別の実施形態は、導波路ディスプレイの解像度および視野を乗算する方法を含み、方法は、画像プロジェクタおよび画像プロセッサを提供することと、格子の第１および第２のセットを含む導波路ディスプレイを提供することであって、格子の第１および第２のセットの各々が、回折状態と非回折状態との間でスイッチ可能な少なくとも１つのスイッチ可能格子を含み、格子の第１のセットが、本来のスイッチング構成およびシフトされたスイッチング構成を有し、格子の第２のセットが、第１のスイッチング構成および第２のスイッチング構成を有する、提供することと、少なくとも４つの画像を連続的に投影することであって、少なくとも４つの画像が、第１の視野部分における本来の画像、第１の視野部分におけるシフトされた画像、第２の視野部分における本来の画像、および第２の視野部分におけるシフトされた画像を含み、シフトされた画像が、画素寸法のＮ＋１／Ｍ倍に等しい画像シフトとして定義される対応する本来の画像に対して角度変位を有し、ＮおよびＭが、整数であり、Ｎはゼロを含み、第１の視野部分内の本来の画像は、格子の第１のセットが本来のスイッチング構成にあり、かつ格子の第２のセットが第１のスイッチング構成にあるときに投影され、第２の視野部分内の本来の画像は、格子の第１のセットが本来のスイッチング構成にあり、かつ格子の第２のセットが第２のスイッチング構成にあるときに投影され、第１の視野部分内のシフトされた画像は、格子の第１のセットがシフトされたスイッチング構成にあり、かつ格子の第２のセットが第１のスイッチング構成にあるときに投影され、第２の視野部分内のシフトされた画像は、格子の第１のセットがシフトされたスイッチング構成にあり、かつ格子の第２のセットが第２のスイッチング構成にあるときに投影される。

追加の実施形態および特徴は、以下の説明に部分的に記載されており、部分的に、本明細書の考察によって当業者に明らかとなるか、または本発明の実施により学習され得る。本発明の性質および利点のさらなる理解は、本明細書の残りの部分および本開示の一部を形成する図面を参照することによって実現され得る。

説明は、本発明の例示的な実施形態として提示され、本発明の範囲の完全な列挙として解釈されるべきではない、以下の図およびデータグラフを参照して、より完全に理解されるであろう。

本発明の一実施形態による、解像度乗算導波路デバイスの概略断面図を概念的に例示する。 本発明の一実施形態による、解像度乗算導波路デバイスの概略断面図を概念的に例示する。 本発明の一実施形態による、２つのスイッチ可能格子層を有する解像度乗算導波路デバイスの概略断面図を概念的に例示する。 本発明の一実施形態による、導波路ディスプレイに光学的にインターフェースされた解像度乗算導波路デバイスの概略断面図を概念的に例示する。 本発明の一実施形態による、導波路ディスプレイに光学的にインターフェースされた解像度乗算導波路デバイスの概略断面図を概念的に例示する。 本発明の実施形態による、解像度を４倍化することを提供するために使用される４つの画素シフトステップを概念的に例示する。 本発明の実施形態による、解像度を４倍化することを提供するために使用される４つの画素シフトステップを概念的に例示する。 本発明の実施形態による、解像度を４倍化することを提供するために使用される４つの画素シフトステップを概念的に例示する。 本発明の実施形態による、解像度を４倍化することを提供するために使用される４つの画素シフトステップを概念的に例示する。 本発明の実施形態による、解像度を４倍化する導波路デバイスの概略断面図を概念的に例示する。 本発明の実施形態による、解像度を４倍化する導波路デバイスの概略断面図を概念的に例示する。 本発明の実施形態による、解像度を４倍化する導波路デバイスの概略断面図を概念的に例示する。 本発明の実施形態による、解像度を４倍化する導波路デバイスの概略断面図を概念的に例示する。 本発明の実施形態による、導波路ディスプレイの解像度を乗算する方法を例示するフローチャートである。 本発明の実施形態による、ディスプレイの解像度および視野を乗算するための導波路装置の概略断面図を概念的に例示する。 本発明の実施形態による、ディスプレイの視野を乗算するための導波路装置の概略断面図を概念的に例示する。 本発明の実施形態による、ディスプレイの解像度および視野を乗算するための単一導波路の概略断面図を概念的に例示する。 本発明の実施形態による、導波路ディスプレイの解像度および視野を乗算する方法を例示するフローチャートである。

実施形態を説明する目的のために、光学設計および視覚ディスプレイの当業者に既知の光学技術のいくつかの周知の特徴は、本発明の基本原理を曖昧にしないために、省略されるか、または簡略化される。特に明記しない限り、光線またはビーム方向に関連する「軸上」という用語は、本発明に関連して記載される光学構成要素の表面に対して直角の軸に平行な伝播を指す。以下の説明では、光、光線、ビーム、および方向という用語は、直線軌道に沿った電磁放射の伝播の方向を示すために、互換的に、および互いに関連して使用され得る。光および照射という用語は、電磁スペクトルの可視および赤外線帯域に関連して使用され得る。以下の説明の一部は、光学設計の当業者によって一般的に採用される専門用語を使用して提示される。本明細書で使用される場合、格子という用語は、いくつかの実施形態では、格子のセットから構成された格子を包含し得る。例示的目的のために、図面は、特に明記しない限り、縮尺通りに描かれていないことを理解されたい。

成功したヘッドマウントＡＲディスプレイのための前提条件は、小さく、低衝撃のフォームファクタ、高輝度、広視野（ＦＯＶ）ディスプレイであるというコンセンサスが高まっている。導波路ディスプレイは、より小さいＦＯＶをタイル化することによって広いＦＯＶを提供し得、各タイルは、導波路に結合されたマイクロディスプレイ上に形成された画像を含有する。各ＦＯＶタイルの画像コンテンツは、時間的に連続して表示され得る。一般に、ＦＯＶが増加するにつれて、ＦＯＶを画像で詳細に満たすのに十分な高解像度を提供する必要がある。市場で成功するためには、５０度のＦＯＶディスプレイを少なくとも１０８０ｐの解像度（１６：９のアスペクト比のＨＤワイドスクリーン標準の１９２０×１０８０画素）でサポートすることが理想的なはずである。２０１８年１０月１６日出願の「Ｓｙｓｔｅｍｓ ａｎｄ Ｍｅｔｈｏｄｓ ｆｏｒ ｔｈｅ Ｍｕｌｔｉｐｌｉｎｇ ｔｈｅ Ｉｍａｇｅ Ｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎ ｏｆ ａ Ｐｉｘｅｌａｔｅｄ Ｄｉｓｐｌａｙ」と題された米国特許出願第１６／１６２，２８０号は、ＦＯＶのタイル化をさらに詳細に論じている。米国特許出願第１６／１６２，２８０号の開示は、すべての目的に関して、参照によりその全体が本明細書に組み込まれる。

現在のウェアラブルフォームファクタの要求を満たすために、入力画像を提供するために使用されるマイクロディスプレイは、０．２３インチの対角線を超えるべきではない。しかしながら、現在の画素サイズは、小さいディスプレイエリアに１０８０ｐ画素解像度を許容しない。ＦＯＶ／解像度のボトルネックを克服する１つのやり方は、画像解像度の乗算を使用することである。Ｔｅｘａｓ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ（ＴＩ）によって、リアプロジェクションテレビにおいて開拓された１つの良好に確立された技術は、それらの高速スイッチングＤＬＰ技術を高速メカニカルミラーと組み合わせて、１０８０ｐの解像度への画素倍増を可能にする。そのような解決策は、フォームファクタならびに機械的な複雑さおよびコストに対する業界の抵抗の両方の観点から、ＡＲウェアラブルには適していない。有機ＬＥＤなどの代替技術は、高輝度で１０８０ｐの解像度をコスト効率良く提供するには十分に成熟していない。このように、ディスプレイ解像度乗算およびＦＯＶ乗算にはコンパクトで光学的に効率的で費用効果の高い解決策が必要である。導波路ディスプレイアーキテクチャ内に統合されたディスプレイ解像度乗算およびＦＯＶ乗算のためのコンパクトで光学的に効率的で費用効果の高い解決策に対するさらなる用件が存在する。

概して、図面を参照すると、本発明の様々な実施形態による、接眼ディスプレイまたはヘッドアップディスプレイシステムに関するシステムおよび方法が概念的に例示される。本明細書に開示されるシステムおよび方法を使用する単一光導波路基板は、現在および従来の導波路システムに見出されるものよりも広い視野を生成し得る。多くの実施形態では、回折格子は、異なる方向に進むいくつかのビームに光線を分割および回折し、それによって、光線を分散させるために使用され得る。さらなる実施形態では、スイッチ可能ブラッグ格子（ＳＢＧ）が、余分な層を排除し、ＨＭＤ、ＨＵＤ、および他の接眼ディスプレイを含む、現在のディスプレイシステムの厚さを低減し、かつマイクロディスプレイ上で連続的に提示される画像をタイル化することによって視野を増加させるために、導波路内で使用され得る。様々なタイプの格子アーキテクチャが、様々な目的のために実装され得る。多数の実施形態では、より大きい射出瞳は、従来の格子（または本明細書に開示される他のタイプの格子）と併せて折り曲げ格子を使用して、水平および垂直方向の両方で単一導波路上に瞳孔拡張を提供することによって作成され得る。格子構造、導波路アーキテクチャ、ならびにディスプレイ解像度乗算およびＦＯＶ乗算技術は、以下にさらに詳細に論じられる。

光導波路および格子構造
導波路に記録される光学構造は、限定しないが、回折格子などの多くの異なるタイプの光学素子を含むことができる。格子は、光を結合することと、光を導くことと、光の透過を防止することとを含むが、これに限定されない、様々な光学機能を実行するために実装され得る。多くの実施形態では、格子は、導波路の外面に存在する表面レリーフ格子である。他の実施形態では、実装される格子は、周期的屈折率変調を有する構造であるブラッグ格子（体積格子とも称される）である。ブラッグ格子は、様々な異なる方法を使用して製作することができる。１つのプロセスは、周期的構造を形成するためのホログラフィックフォトポリマー材料の干渉露光を含む。ブラッグ格子は、光が高次に回折されることがほとんどなく、高効率を有することができる。回折されたおよびゼロ次の光の相対量は、格子の屈折率変調を制御することによって変化させることができ、この特性は、大きな瞳孔にわたって光を抽出するための不可逆導波路格子を作製するために使用することができる。

ホログラフィック導波路デバイスで使用されるブラッグ格子のクラスの１つは、スイッチ可能ブラッグ格子（ＳＢＧ）である。ＳＢＧは、まず、基板間に光重合性モノマーと液晶材料との混合物の薄フィルムを配置することによって製作することができる。基板は、ガラスおよびプラスチックなどの様々なタイプの材料で作製することができる。多くの場合、基板は、並列構成である。他の実施形態では、基板は、くさび形状を形成する。一方または両方の基板は、フィルム全体に電界を印加するための電極、典型的には透明な酸化スズフィルムを支持することができる。ＳＢＧでの格子構造は、空間的に周期的強度変調を伴う干渉露光を使用して、光重合誘発相分離を通じて液体材料（しばしばシロップと称される）に記録され得る。照射強度、混合物中の材料の成分体積分画、および露光温度の制御などであるが、これらに限定されない要因が、結果として生じる格子形態および性能を決定することができる。容易に理解できるように、多種多様な材料および混合物が、所与の用途の具体的な要件に応じて使用され得る。多くの実施形態では、ＨＰＤＬＣ材料が、使用される。記録プロセスの間、モノマーは、重合し、混合物は、相分離を受ける。ＬＣ分子は凝集して、光学波長のスケールでポリマーネットワーク内に周期的に分布される離散的または合体された液滴を形成する。交互する液晶豊富な領域と液晶枯渇の領域は、格子の縞面を形成し、これは、液滴中のＬＣ分子の配向順序から結果として生じる強い光学偏光を伴ってブラッグ回折を生成することができる。

結果として生じる体積位相格子は、非常に高い回折効率を示すことができ、これは、フィルム全体に印加される電界の大きさによって制御することができる。透明電極を介して格子に電界が印加されるときに、ＬＣ液滴の固有の配向は、変化し、縞の屈折率変調を低下させ、ホログラム回折効率を非常に低レベルに低下させ得る。典型的には、電極は、印加された電界が基板に垂直になるように構成されている。多数の実施形態では、電極は、酸化インジウムスズ（ＩＴＯ）から製作される。電界が印加されていないオフ状態では、液晶の異常軸は、概して縞に対して直角に整列する。したがって、格子は、Ｐ偏光について高屈折率変調および高回折効率を示す。電界がＨＰＤＬＣに印加されるときに、格子は、液晶分子の異常軸が印加された電界に平行に、したがって基板に垂直に整列するオン状態に切り替わる。オン状態では、格子は、Ｓ偏光およびＰ偏光の両方について、より低屈折率変調およびより低回折効率を示す。したがって、格子領域は、もはや光を回折しない。各格子領域は、ＨＰＤＬＣデバイスの機能に従って、例えば、ピクセルマトリックスなどの多様な格子要素に分割することができる。典型的には、１つの基板表面上の電極は、均一で連続的である一方、対向する基板表面上の電極は、選択的にスイッチ可能な多様な格子要素に従ってパターン化される。

典型的には、ＳＢＧ要素は、オンに切り替えるために、より長い緩和時間で３０μｓでクリアに切り替えられる。デバイスの回折効率は、印加された電圧によって、連続した範囲にわたって調整することができる。多くの場合、デバイスは、電圧が印加されていない状態でほぼ１００％の効率を示し、十分に高電圧が印加されている状態で実質的にゼロの効率を示す。特定のタイプのＨＰＤＬＣデバイスでは、磁場は、ＬＣ配向を制御するために使用することができる。いくつかのＨＰＤＬＣ用途では、ポリマーからのＬＣ材料の相分離は、識別可能な液滴構造が結果として生じない程度に達成することができる。ＳＢＧは、受動格子としても使用することができる。このモードでは、その主な利点は、ユニークな高屈折率変調である。ＳＢＧは、自由空間用途に透過または反射格子を提供するために使用することができる。ＳＢＧは、ＨＰＤＬＣが導波路コアまたは導波路に近接するエバネッセント（ｅｖａｎｅｓｃｅｎｔｌｙ）結合層のいずれかを形成する導波路デバイスとして実装することができる。ＨＰＤＬＣセルを形成するために使用される基板は、全内部反射（ＴＩＲ）光誘導構造を提供する。スイッチ可能格子がＴＩＲ条件を超える角度で光を回折するときに、光は、ＳＢＧから出て結合され得る。

いくつかの実施形態では、ＬＣは、排出ブラッグ格子（ＥＢＧ）を提供するために、ＳＢＧから抽出または排出することができる。ＥＢＧは、表面レリーフ格子（ＳＲＧ）構造の深さ（表面エッチングおよびＳＲＧを製作するために一般的に使用される他の従来のプロセスを使用して実際に達成可能なものよりもはるかに大きい）により、ブラッグ格子と非常に類似した特性を有するＳＲＧとして特徴付けることができる。ＬＣは、イソプロピルアルコールおよび溶媒でのフラッシングを含むが、これに限定されない様々な異なる方法を使用して抽出することができる。多くの実施形態では、ＳＢＧの透明基板のうちの１つは除去され、ＬＣは抽出される。さらなる実施形態では、除去された基板は、交換される。ＳＲＧは、より高いまたはより低い屈折率の材料で少なくとも部分的に埋め戻することができる。そのような格子は、様々な導波路用途に適合させるために、効率、角度／スペクトル応答、偏光、および他の特性を調整するための余地を提供する。

本発明の様々な実施形態による導波路は、具体的な目的および機能のために設計された様々な格子構成を含むことができる。多くの実施形態では、導波路は、コリメーティング光学系の射出瞳を効果的に拡張することによって、レンズサイズを小さくしながらアイボックスサイズを保持することが可能な格子構成を実装するように設計される。射出瞳は、仮想開口部として定義することができ、この仮想開口部を通過する光線のみがユーザの目に入ることができる。いくつかの実施形態では、導波路は、光源に光学的に結合された入力格子と、第１の方向のビーム拡張を提供するための折り曲げ格子と、典型的には第１の方向に直交する第２の方向にビーム拡張を提供し、アイボックスに向かってビーム抽出を提供するための出力格子と、を含む。折り曲げ格子は、導波路内のＴＩＲ経路内を進み続けるように入射光を偏向させるように構成され得る。容易に理解できるように、格子構成実装導波路アーキテクチャは、所与の用途の具体的な要件に依存し得る。いくつかの実施形態では、格子構成は、複数の折り曲げ格子を含む。いくつかの実施形態では、格子構成は、入力格子と、ビーム拡張およびビーム抽出を同時に実行するための第２の格子とを含む。第２の格子は、視野の異なる部分を伝播するために、別個の重なっている格子層に配列されるか、または単一の格子層に多重化される、異なる処方の格子を含むことができる。さらに、様々なタイプの格子および導波路アーキテクチャも、利用することができる。

いくつかの実施形態では、各層内の格子は、異なるスペクトルおよび／または角度応答を有するように設計されている。例えば、多くの実施形態では、異なる格子層にわたる異なる格子は、スペクトル帯域幅を増加させるために重ねられるか、または多重化されている。いくつかの実施形態では、フルカラー導波路は、各々が異なるスペクトル帯域（赤色、緑色、および青色）で動作するように設計された３つの格子層を使用して実装されている。他の実施形態では、フルカラー導波路は、２つの格子層、赤色－緑色格子層および緑色－青色格子層を使用して実装されている。容易に理解できるように、そのような技術は、導波路の角度帯域幅動作を増加させるために同様に実装することができる。異なる格子層にわたる格子の多重化に加えて、複数の格子は、単一の格子層内で多重化することができ、すなわち、複数の格子は、同じ体積内に重ね合わせることができる。いくつかの実施形態では、導波路は、同じ体積内で多重化された２つ以上の格子処方を有する少なくとも１つの格子層を含む。さらなる実施形態では、導波路は、２つの格子層を含み、各層は、同じ体積内で多重化された２つの格子処方を有している。同じ体積内で２つ以上の格子処方を多重化することは、様々な製作技術を使用して達成することができる。多数の実施形態では、多重化マスター格子は、多重化格子を形成するために露光構成とともに利用される。多くの実施形態では、多重化格子は、２つ以上の露光の構成を有する光学記録材料層を順次露光することによって製作され、各構成は、格子処方を形成するように設計されている。いくつかの実施形態では、多重化格子は、２つ以上の露光の構成の間でまたはその中で交互に光学記録材料層を露光することによって製作され、各構成は、格子処方を形成するように設計されている。容易に理解できるように、当技術分野で周知のものを含む様々な技術は、多重化格子を製作するために必要に応じて使用することができる。

多くの実施形態では、導波路は、角度多重化格子、色多重化格子、折り曲げ格子、二重相互作用格子、回転Ｋベクトル格子、交差折り曲げ格子、モザイク格子、チャープ格子、空間的に変化する屈折率変調を備えた格子、空間的に変化する格子の厚さを有する格子、空間的に変化する平均屈折率を有する格子、空間的に変化する屈折率変調テンソルを備えた格子、および空間的に変化する平均屈折率テンソルを有する格子のうちの少なくとも１つを組み込むことができる。いくつかの実施形態では、導波路は、半波長板、４分の１波長板、反射防止コーティング、ビーム分割層、アライメント層、グレア低減のためのフォトクロミックバック層、およびグレア低減のためのルーバーフィルム、のうちの少なくとも１つを組み込むことができる。いくつかの実施形態では、導波路は、異なる偏光のために別個の光路を提供する格子を支持することができる。様々な実施形態では、導波路は、異なるスペクトル帯域幅のために別個の光路を提供する格子を支持することができる。多数の実施形態では、格子は、ＨＰＤＬＣ格子、ＨＰＤＬＣに記録されたスイッチング格子（そのようなスイッチ可能ブラッグ格子）、ホログラフィックフォトポリマーに記録されたブラッグ格子、または表面レリーフ格子であり得る。多くの実施形態では、導波路は、単色帯域で動作する。いくつかの実施形態では、導波路は、緑色帯域で動作する。いくつかの実施形態では、赤色、緑色、および青色（ＲＧＢ）などの異なるスペクトル帯域で動作する導波路層は、３層導波路構造を提供するために積層することができる。さらなる実施形態では、層は、導波路層間の空隙とともに積層される。様々な実施形態では、導波路層は、２つの導波路層解決策を提供するために、青色－緑色および緑色－赤色などのより広い帯域で動作する。他の実施形態では、格子は、格子層の数を減らすために色多重化される。様々なタイプの格子を、実装することができる。いくつかの実施形態では、各層の少なくとも１つの格子は、スイッチ可能格子である。

上記に論じられたような光学構造を組み込んだ導波路は、導波路ディスプレイを含むが、これに限定されない様々な異なる用途で実装することができる。様々な実施形態では、導波路ディスプレイは、２５ｍｍより大きいアイレリーフを伴う１０ｍｍより大きいアイボックスで実装される。いくつかの実施形態では、導波路ディスプレイは、２．０～５．０ｍｍの厚さを有する導波路を含む。多くの実施形態では、導波路ディスプレイは、少なくとも５０°の対角線の画像視野を提供することができる。さらなる実施形態では、導波路ディスプレイは、少なくとも７０°の対角線の画像視野を提供することができる。導波路ディスプレイは、多くの異なるタイプの画面（ｐｉｃｔｕｒｅ）生成ユニット（ＰＧＵ）を採用することができる。いくつかの実施形態では、ＰＧＵは、シリコン基板上液晶（ＬＣｏＳ）パネルまたは微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）パネルなどの反射性または透過性空間光変調器であり得る。多数の実施形態では、ＰＧＵは、有機発光ダイオード（ＯＬＥＤ）パネルなどの発光型デバイスであり得る。いくつかの実施形態では、ＯＬＥＤディスプレイは、４０００ニットより大きい輝度および４ｋｘ４ｋ画素の解像度を有することができる。いくつかの実施形態では、導波路は、輝度４０００ニットのＯＬＥＤディスプレイを使用して、４００ニットより大きい画像輝度を提供できるように、１０％より大きい光学効率を有することができる。Ｐ回折格子（すなわち、Ｐ偏光について高効率を有する格子）を実装する導波路は、典型的には、５％～６．２％の導波路効率を有する。Ｐ回折またはＳ回折格子は、ＯＬＥＤパネルなどの非偏光源からの光の半分を浪費するおそれがあるため、多くの実施形態は、導波路の効率を最大２倍まで増加させることを可能にするために、Ｓ回折およびＰ回折格子の両方を提供することを可能にする導波路を対象とする。いくつかの実施形態では、Ｓ回折およびＰ回折格子は、別個の重なっている格子層で実装される。代替的に、単一の格子は、特定の条件下で、ｐ偏光およびｓ偏光の両方について高効率を提供することができる。いくつかの実施形態では、導波路は、格子厚さの適切に選択された値（典型的には、２～５μｍの範囲）について、特定の波長および角度範囲にわたって高いＳおよびＰ回折効率を可能にするために、上記のようなＨＰＤＬＣ格子からＬＣを抽出することによって生成されたブラッグ様格子を含む。

光学記録材料システム
本発明の様々な実施形態による材料システムは、ホログラフィックブラッグ格子を形成することができるフォトポリマー混合物を含み得る。多数の実施形態では、混合物は、干渉フォトリソグラフィを使用してホログラフィック格子を形成することができる。そのような場合、屈折率変調は、干渉パターンの露光強度を変化させることによって生じる。上記のセクションに説明されている技術および当該技術分野で周知の技術を含む、様々なリソグラフィ技術のいずれかが使用され得る。光反応性による屈折率変化に依拠する従来の技術と比較して、本発明の様々な実施形態による材料システムおよび技術は、干渉露光を通じて開始される相分離プロセスを利用する。多くの実施形態では、フォトポリマー混合物は、異なるタイプのモノマー、染料、光開始剤、およびナノ粒子を含む。モノマーとしては、限定されるものではないが、ビニル、アクリレート、メタクリレート、チオール、エポキシド、および他の反応性基が挙げられ得る。いくつかの実施形態では、混合物は、異なる屈折率を有するモノマーを含み得る。いくつかの実施形態では、混合物は、反応性希釈剤および／または接着促進剤を含み得る。容易に理解できるように、様々なタイプの混合物および組成物が、所与の用途の特定の要件に応じて、必要に応じて実装され得る。多数の実施形態では、実装される混合物は、２０１９年１月８日出願の「Ｌｏｗ Ｈａｚｅ Ｌｉｑｕｉｄ Ｃｒｙｓｔａｌ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ」と題された米国出願第１６／２４２，９４３号、２０１９年１月８日出願の「Ｌｉｑｕｉｄ Ｃｒｙｓｔａｌ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ ａｎｄ Ｆｏｒｍｕｌａｔｉｏｎｓ」と題された米国出願第１６／２４２，９５４号、２０１８年６月１３日出願の「Ｈｏｌｏｇｒａｐｈｉｃ Ｍａｔｅｒｉａｌ Ｓｙｓｔｅｍｓ ａｎｄ Ｗａｖｅｇｕｉｄｅｓ Ｉｎｃｏｒｐｏｒａｔｉｎｇ Ｌｏｗ Ｆｕｎｃｔｉｏｎａｌｉｔｙ Ｍｏｎｏｍｅｒｓ」と題された米国出願第１６／００７，９３２号、および２０２０年２月２４日出願の「Ｈｏｌｏｇｒａｐｈｉｃ Ｐｏｌｙｍｅｒ Ｄｉｓｐｅｒｓｅｄ Ｌｉｑｕｉｄ Ｃｒｙｓｔａｌ Ｍｉｘｔｕｒｅｓ ｗｉｔｈ Ｈｉｇｈ Ｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎ Ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ ａｎｄ Ｌｏｗ Ｈａｚｅ」と題された米国出願第１６／７９９，７３５号に説明されている材料システムに基づいている。米国出願第１６／２４２，９４３号、同第１６／２４２，９５４号、同第１６／００７，９３２号、および同第１６／７９９，７３５号の開示は、すべての目的に関して、その全体が参照により本明細書に組み込まれる。

ホログラフィック格子を形成するために、マスター格子は、露光ビームを導き、かつ硬化されていないフォトポリマー材料の層上に干渉パターンを形成して、格子を形成するために使用され得る。記録プロセスは、典型的には、プラスチックまたはガラス板で作製される、２つの透明基板によって挟まれた硬化されていないフォトポリマー材料の層を含む導波路セル上で実施され得る。硬化されていないフォトポリマー材料の層を有する導波路セルは、限定されるものではないが、真空充填および印刷堆積プロセスを含む、多くの異なるやり方で形成され得る。記録ビームでマスター格子を露光することによって、ビームの一部分が回折することになるが、一部分は、ゼロ次光として通過する。回折された部分およびゼロ次部分は、フォトポリマー材料を露光するために干渉し得る。モノマーおよびナノ粒子は、相分離して、干渉パターンに対応するモノマーおよびナノ粒子の交互する領域を形成し、体積ブラッグ格子を効果的に形成する。多数の実施形態では、２つの異なる露光ビームが、所望の露光のための干渉パターンを形成するために利用される。

用途に応じて、形成された格子のタイプおよびサイズは、大きく異なり得る。いくつかの実施形態では、ナノ粒子ベースのフォトポリマーシステムは、等方性格子を形成するように実装される。等方性格子は、多くの異なる導波路用途において有利であり得る。従来のＨＰＤＬＣ材料システムから形成されたものなどの異方性格子は、導波路内で伝播する光に偏光回転効果を生成し、縞および他の望ましくないアーチファクトを結果的にもたらすおそれがある。等方性格子を組み込む導波路は、これらのアーチファクトの多くを排除して、光の均一性を改善することができる。多くの実施形態では、ナノ粒子ベースの格子は、ＳおよびＰ偏光の両方について高い回折効率を有し、これは、典型的なＨＰＤＬＣ格子と比較して、より均一、かつ効率的な導波路を可能にする。いくつかの実施形態では、格子は、ＳおよびＰ偏光の少なくとも一方に対して少なくとも約２０％の回折効率を提供する。さらなる実施形態では、格子は、ＳおよびＰ偏光の少なくとも一方に対して少なくとも約４０％の回折効率を提供する。容易に理解できるように、そのような格子は、所与の用途の特定の要件に応じて、適切な偏光された応答で構成され得る。例えば、多数の実施形態では、格子は、適切な輝度を有する導波路ディスプレイを実装するために、Ｓ偏光に対して少なくとも約４０％の回折効率を提供する。さらなる実施形態では、格子は、Ｓ偏光に対して少なくとも約４０％の回折効率、およびＰ偏光に対して少なくとも約１０％の回折効率を提供する。

導波路用途は、典型的には、サブ波長サイズの格子を利用して、導波路内の光の所望の伝播および制御を可能にする。このように、本発明のいくつかの実施形態は、約５００ｎｍ未満の周期を有する格子を形成するために、ナノ粒子ベースのフォトポリマー材料の使用を含む。さらなる実施形態では、格子は、約３００～５００ｎｍの周期を有する。多数の実施形態では、モノマーおよびナノ粒子のタイプは、格子形成の相分離プロセス中に高い拡散速度を提供するように選択され得る。高い拡散速度は、小格子の形成を容易にし得、いくつかの用途では、必要とされ得る。多くの実施形態では、格子は、回転Ｋベクトルを有するように形成され、すなわち、格子のＫベクトルは、同様の周期を維持しながら変化する。異なる周期および変化するＫベクトルに加えて、格子はまた、特定の厚さを有するように形成され得、これは、典型的には、フォトポリマー材料の層の厚さによって画定される。容易に理解できるように、格子が形成される厚さは、特定の用途に依存し得る。一般に、より薄い格子は、より低い回折効率を結果的にもたらすが、より高い動作角帯域幅を結果的にもたらす。他の従来の材料システムとは対照的に、本発明の様々な実施形態によるフォトポリマー材料システムは、多くの所望の導波路用途のための十分な回折効率値を有する薄い格子を提供することができる。多くの実施形態では、格子は、約５μｍ未満の厚さを有するように形成される。さらなる実施形態では、格子は、約１～３μｍの厚さを有するように形成される。いくつかの実施形態では、格子は、変化する厚さ外形を有する。

利用される構成要素のタイプは、所与の用途の特定の要件に依存し得る。例えば、ナノ粒子のタイプは、残りの構成要素との低い反応性を有するように選択され得る（すなわち、ナノ粒子は、材料システムにおけるモノマー、染料、共開始剤などに対するそれらの非反応性のために選択される）。多数の実施形態では、二酸化ジルコニウムナノ粒子が利用される。多くの用途では、導波路効率が極めて重要である。そのような場合、低い吸収特性を有するナノ粒子が有利であり得る。典型的な導波路用途内の格子相互作用の量を考慮すると、従来のシステムでは低いと考えられている吸収値でさえも、許容できない効率の損失を依然として結果的にもたらし得る。例えば、高い吸収特性を有する典型的な金属ナノ粒子は、多くの導波路用途にとって望ましくない可能性がある。このように、多くの実施形態では、ナノ粒子のタイプは、０．１％未満の吸収をもたらすように選択される。いくつかの実施形態では、ナノ粒子は、非金属である。低い吸収値に加えて、導波路性能および格子形成に影響を与える他の特性もまた、考慮され得る。

小さい格子は、多くの導波路用途において有利であり得る。従来のＨＰＤＬＣ材料システムと比較して、相分離されたナノ粒子ベースのフォトポリマー材料は、ＬＣ液滴と比較して比較的小さいサイズのナノ粒子に起因して、はるかに高い解像度を有する格子の形成を可能にし得る。典型的なＨＰＤＬＣ材料システムでは、ＬＣ液滴は、約１００ｎｍのサイズである。これは、いくつかの用途における特定の制限につながり得る。例えば、多くの導波路用途は、導波路内に格子を形成するためのホログラフィック露光／記録プロセスを実装する。用途に応じて、マスター格子の特徴サイズの解像度は、制限され得る。いくつかの実施形態では、マスター格子は、約１２５ｎｍの解像度を有する。このように、１００ｎｍのＬＣ液滴を使用して格子を形成することは、困難であり得、誤差の余裕をほとんど残さない。本明細書に説明されるフォトポリマー材料システムと対照的に、格子を形成するナノ粒子は、少なくとも一桁小さい。いくつかの実施形態では、材料システムは、１５ｎｍ未満の直径を有するナノ粒子を含む。さらなる実施形態では、ナノ粒子は、約４～約１０ｎｍの直径を有する。マスター格子の特徴サイズの解像度と比較して、ナノ粒子の比較的小さいサイズは、高い忠実度を有する格子の形成を可能にする。さらに、ナノ粒子の物理的特性は、従来のＨＰＤＬＣ材料システムの大きい液晶液滴サイズと比較して比較的低いヘイズを結果的にもたらす格子の形成を可能にし得る。いくつかの実施形態では、約１％未満のヘイズが達成され得る。さらなる実施形態では、システムは、約０．５％未満のヘイズを有する。使用されるナノ粒子のタイプの選択において考慮すべき別の重要な特性は、それらの屈折率を含む。導波路ディスプレイ用途などの多くの用途では、構成要素および材料の屈折率は、導波路性能および効率に大きく影響し得る。例えば、格子内の構成要素の屈折率は、その回折効率を決定し得る。いくつかの実施形態では、高い屈折率ｎを有するナノ粒子は、高い回折効率を有する格子を形成するために利用される。例えば、多数の実施形態では、少なくとも１．７の屈折率を有するＺｒＯ_２ナノ粒子が利用される。いくつかの実施形態では、少なくとも１．９の屈折率を有するナノ粒子が利用される。さらなる実施形態では、少なくとも２．１の屈折率を有するナノ粒子が利用される。フォトポリマー混合物内のナノ粒子およびモノマーは、高いΔｎを有する格子を提供するように選択される。いくつかの実施形態では、格子は、少なくとも約０．０４Δｎの屈折率変調を有する。さらなる実施形態では、約０．０５～０．０６Δｎの屈折率変調を有する格子が利用される。そのような材料は、特定の導波路用途のための十分な回折効率を有する薄い格子の形成を可能にするのに有利であり得る。多数の実施形態では、材料は、３０％を上回る回折効率を有する約２μｍ厚さの格子を形成し得る。さらなる実施形態では、格子は、４０％を上回る回折効率を有し得る。特定の場合、金属ナノ粒子は、金属構成要素の典型的な特性である、高屈折率を提供するように実装され得る。しかしながら、金属構成要素は、典型的には、高い吸収性を有し、多くの異なる導波路用途における使用に適していない。このように、本発明の多くの実施形態は、薄く、効率的な格子を形成することができる非金属ナノ粒子を有する材料システムを対象とする。

多くの実施形態では、材料システムは、ＨＰＤＬＣ混合物である。ＨＰＤＬＣ混合物は、概して、ＬＣ、モノマー、光開始剤染料、および共開始剤を含む。混合物（しばしばシロップと称される）はまた、頻繁に界面活性剤を含む。本発明を説明する目的のために、界面活性剤は、液体混合物全体の表面張力を低下させる任意の化学薬品として定義されている。ＰＤＬＣ混合物中での界面活性剤の使用は、公知であり、ＰＤＬＣの最も初期の調査に遡る。例えば、参照によってその開示が本明細書に組み込まれる、Ｒ．Ｌ Ｓｕｔｈｅｒｌａｎｄ ｅｔ ａｌ．による、ＳＰＩＥ Ｖｏｌ．２６８９，１５８－１６９，１９９６の論文は、界面活性剤を添加することができる、モノマーと、光開始剤と、共開始剤と、連鎖延長剤と、ＬＣと、を含むＰＤＬＣ混合物を記載している。界面活性剤はまた、参照によってその開示が本明細書に組み込まれる、Ｎａｔａｒａｊａｎ ｅｔ ａｌ．による、Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｎｏｎｌｉｎｅａｒ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｐｈｙｓｉｃｓ ａｎｄ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ，Ｖｏｌ．５ Ｎｏ．I ８９－９８，１９９６の論文に言及されている。さらに、Ｓｕｔｈｅｒｌａｎｄ ｅｔ ａｌ．による米国特許第７，０１８，５６３号は、少なくとも１つのアクリル酸モノマーと、少なくとも１つのタイプの液晶材料と、光開始剤染料と、共開始剤と、界面活性剤とを有する、ポリマー分散型液晶光学素子を形成するためのポリマー分散液晶材料を議論する。米国特許第７，０１８，５６３号の開示は、参照によってその全体が本明細書に組み込まれる。

特許および科学文献は、高回折効率、迅速な応答時間、低駆動電圧などを達成するためにそのような材料システムを配合することへの調査を含む、ＳＢＧを製作するために使用することができる材料システムおよびプロセスの多くの実施例を含有する。Ｓｕｔｈｅｒｌａｎｄによる米国特許第５，９４２，１５７号およびＴａｎａｋａ ｅｔ ａｌ．による米国特許第５，７５１，４５２号の両方は、ＳＢＧデバイスを製作するために好適なモノマーおよび液晶材料の組み合わせを記載する。レシピの実施例はまた、１９９０年代初頭に遡る論文に見出すことができる。これらの材料の多くは、以下を含むアクリレートモノマーを使用する。
・参照によってその開示が本明細書に組み込まれる、Ｒ．Ｌ．Ｓｕｔｈｅｒｌａｎｄ ｅｔ ａｌ．，Ｃｈｅｍ．Ｍａｔｅｒ．５，１５３３（１９９３）は、アクリレートポリマーおよび界面活性剤の使用を記載する。具体的には、レシピは、架橋多官能性アクリレートモノマー、連鎖延長剤Ｎ－ビニルピロリジノン、ＬＣ Ｅ７、光開始剤ローズベンガル、および共開始剤Ｎ－フェニルグリシンを含む。界面活性剤オクタン酸は、特定の変異体に添加された。
・参照によってその開示が本明細書に組み込まれる、Ｆｏｎｔｅｃｃｈｉｏ ｅｔ ａｌ．，ＳＩＤ ００ Ｄｉｇｅｓｔ ７７４－７７６，２０００は、多官能性アクリレートモノマー、ＬＣ、光開始剤、共開始剤、および連鎖停止剤を含む、反射型ディスプレイ用途のためのＵＶ硬化性ＨＰＤＬＣを記載する。
・参照によってその開示が本明細書に組み込まれる、Ｙ．Ｈ．Ｃｈｏ，ｅｔ ａｌ．，Ｐｏｌｙｍｅｒ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ，４８，１０８５－１０９０，１９９９は、アクリレートを含むＨＰＤＬＣレシピを開示する。
・参照によってその開示が本明細書に組み込まれる、Ｋａｒａｓａｗａ ｅｔ ａｌ．，Ｊａｐａｎｅｓｅ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ，Ｖｏｌ．３６，６３８８－６３９２，１９９７は、様々な官能状態のアクリレートを記載する。
・参照によってその開示が本明細書に組み込まれる、Ｔ．Ｊ．Ｂｕｎｎｉｎｇ ｅｔ ａｌ．，Ｐｏｌｙｍｅｒ Ｓｃｉｅｎｃｅ： Ｐａｒｔ Ｂ： Ｐｏｌｙｍｅｒ Ｐｈｙｓｉｃｓ，Ｖｏｌ．３５，２８２５－２８３３，１９９７はまた、多官能性アクリレートモノマーを記載する。
・参照によってその開示が本明細書に組み込まれる、Ｇ．Ｓ．Ｉａｎｎａｃｃｈｉｏｎｅ ｅｔ ａｌ．，Ｅｕｒｏｐｈｙｓｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ Ｖｏｌ．３６（６）．４２５－４３０，１９９６は、ペンタアクリレートモノマーと、ＬＣと、連鎖延長剤と、共開始剤と、光開始剤とを含む、ＰＤＬＣ混合物を記載する。

アクリレートは、迅速な動態、他の材料との良好な混合、およびフィルム形成プロセスとの適合性の利益を提供する。アクリレートは、架橋されるため、それらは、機械的に堅牢であり、可撓性である傾向がある。例えば、官能性２（ジ）および３（トリ）のウレタンアクリレートは、ＨＰＤＬＣ技術に広範に使用されている。ペンタおよびヘキサ官能性ステムなどのより高い官能性の材料もまた、使用されている。

解像度乗算およびＦＯＶ乗算のための導波路アーキテクチャ
多くの実施形態では、ディスプレイ解像度を乗算するための装置は、マイクロディスプレイからの画像光を、画素からの各光が固有の角度方向にマッピングされるように投影するための画像プロジェクタと、本来の画像、および画像プロジェクタによる連続表示のために所定の方向にシフトされた少なくとも１つの画像を算出するための画像プロセッサと、画像プロセッサ、または生成器に光学的に結合された、回折および非回折状態の間でスイッチ可能な少なくとも１つのスイッチ可能格子と、を含み得、スイッチ可能格子が、本来の画像光を伝播するための第１の構成と、所定の方向の画像シフトに対応する角度変位を伴ってシフトされた画像光を伝播するための少なくとも１つの構成と、を有する。いくつかの実施形態では、スイッチ可能格子は、自由空間で構成され得る。いくつかの実施形態では、スイッチ可能格子は、少なくとも１つの導波路内に配設される。

画像シフトは、いくつかの異なるやり方で実装され得る。多数の実施形態では、画像シフトは、解像度倍増を提供するために垂直または水平のうちの一方である。いくつかの実施形態では、画像シフトは、垂直および水平解像度の両方の倍増を提供するために、垂直および水平シフトを含む。多くの実施形態では、画像シフトは、垂直または水平寸法で正確に半画素に等しい。いくつかの実施形態では、画像シフトは、画素寸法のＮ＋１／２倍であり、Ｎは整数である（０は整数であるとみなされる）。そのような構成は、オフセット設計でより柔軟性を与え得、画像サイズのＮ画素のみを失う。容易に理解できるように、画像シフトは、多数の異なるやり方で実装され得る。いくつかの実施形態では、画像シフトは、限定されるものではないが、画素寸法の１／３または２／５倍などの、任意のサブ画素サイズであり得る。多数の実施形態では、画像シフトは、Ｎ＋画素の任意の分数であり、Ｎは整数である。多くの実施形態では、整数の垂直および半画素の水平オフセットが提供される。いくつかの実施形態では、整数の水平および半画素の垂直オフセットが提供される。いくつかの実施形態では、垂直および水平オフセットは、導波路の平面内の非直交の入力、折り曲げ、および出力格子ベクトル（Ｋベクトル成分）から生じる画像オフセットを補償するために、画素寸法の異なる整数倍を有する。様々な実施形態では、本来の画像およびシフトされた画像は、人間の眼の統合周期内で連続的に表示される。

多くの実施形態では、解像度乗算導波路は、スイッチ可能格子のセットを含み得る。さらなる実施形態では、スイッチ可能格子は、第１の導波路内に配設された第１および第２の格子と、第２の導波路内に配設された第３および第４の格子と、を含む。いくつかの実施形態では、第１の格子は、第３の格子と重なり合い、第２の格子は、第４の格子と重なり合う。格子は、用途に応じて、完全にまたは部分的に重なり合い得る。重なり合う構成では、第１および第３の格子は、入力カプラとして作用し得、第２およびさらなる格子は、出力カプラとして作用し得る。図１Ａ～図１Ｂは、本発明の実施形態による解像度乗算導波路デバイスの側面図を概念的に例示する。図１Ａに例示される第１の構成１００Ａは、第１および第２のスイッチ可能格子がそれらの回折状態にあるときに提供される。図１Ｂに例示される第２の構成１００Ｂは、第１および第２の格子がそれらの非回折状態にあるときに提供される。最初に図１Ａを参照すると、第１の構成１００Ａは、第１の入力格子１０３および第１の出力格子１０４を含む第１の導波路層１０２を含む解像度乗算導波路に結合された画像プロジェクタ１０１を含む。解像度乗算導波路は、第２の入力格子１０６および第２の出力格子１０７を含む第２の導波路層１０５をさらに含む。示されるように、第２の入力格子１０６は、第１の入力格子１０３と実質的に重なり合い、第２の出力格子１０７は、第１の出力格子１０４と実質的に重なり合う。電圧は、記号Ｖによって示され、かつ符号１０８Ａ～１０８Ｂによって参照される、電気接続によって第１の導波路層１０２内の格子に印加され得る。

図１Ａの例示的な実施形態では、画像プロジェクタ１０１は、画素１０１Ｂのアレイを提供するマイクロディスプレイパネル１０１Ａと、各画素からの光が固有の角度方向にマッピングされるように、マイクロディスプレイ１０１Ａからの画像光を投影するための投影レンズ１０１Ｃと、を含む。いくつかの実施形態では、投影レンズ１０１Ｃは、多要素屈折レンズシステムであり得る。いくつかの実施形態では、投影レンズ１０１Ｃは、回折要素または表面を含み得る。この基本構成の画像プロジェクタは、本発明の説明の目的で想定される。しかしながら、本発明は、任意のタイプの画像プロジェクタを使用して適用され得ることが、当業者には明らかなはずである。いくつかの実施形態では、画像プロジェクタ１０１は、大きいスキャナを使用して、画素化された画像を形成し得る。多数の実施形態では、画像プロジェクタ１０１は、２つ以上の画素化された画像源を提供するために、２つ以上のマイクロディスプレイまたはレーザースキャナを含み得る。

再び図１Ａを参照すると、デバイスは、データ通信および制御リンク１０９Ａを介して画像プロジェクタ１０１に電気的に接続される画像プロセッサ１０９をさらに含む。画像プロセッサ１０９は、本来の（シフトされていない）画像と、画像プロジェクタ１０１による連続表示のために所定の方向にシフトされた少なくとも１つの画像と、を算出するように構成され得る。画像シフトは、限定されるものではないが、Ｎ＋画素の任意の分数を含む、上記のスキームのいずれかにおいて実装され得、Ｎはゼロを含む整数である。画像プロジェクタ１０１からの画像光は、プリズム１１０によって解像度乗算導波路に光学的に結合され得る。いくつかの実施形態では、プリズム１１０は、格子によって置換され得る。

本来の画像フレームがマイクロディスプレイ１０１Ａ上に表示されるとき、画像プロジェクタ１０１または画像生成器から、第１の導波路層１０２を通って、第１の導波路層１０２から光抽出経路内への光路は、第１の導波路層１０２の格子１０３、１０４が回折状態にある場合、本来の画像フレーム画素が１１６によって示されている図１Ａにおいて、光線１１１～１１５によって示される。

シフトされた画像フレームが表示されるとき、画像プロジェクタ１０１、または画像生成器から、第２の導波路層１０５内への、および第２の導波路層１０５から光抽出経路内への、第１の導波路層１０２を通る光路は、図１Ｂにおいて光線１１７～１２２によって示されている。シフトされた画像フレーム画素は、１２３によって示され、対応する本来の画像フレーム画素は、ここでも、１１６によって示されている。例示的な実施形態では、図１Ａの光線１２４および図１Ｂの光線１２５によって示されるように、導波路層１０２、１０５の各々の入力格子１０３、１０６からのゼロ次光は、導波路層１０２、１０５から光トラップ１２６上に実質的に偏位されずに伝播する。図面から、図１Ａ～図１Ｂに示されるアーキテクチャに対するわずかな修正によって、導波路のいずれかが、本来の画像フレームを伝播するために使用され得ることが明らかなはずである。

多くの実施形態では、第１の導波路層の格子は、スイッチ可能であるが、第２の導波路層の格子は、スイッチングを必要としない。いくつかの実施形態では、第２の導波路層内の格子は、常にそれらの回折状態にあるように構成される。図２に例示されるものなどの、いくつかの実施形態では、両方の導波路層の格子は、スイッチ可能であり、回折状態と非回折状態とをスイッチするように構成される。示されるように、図２の構成２００は、第１の入力格子２０２および第１の出力格子２０３を有する第１の導波路層２０１、ならびに第２の入力格子２０５および第２の出力格子２０６を有する第２の導波路層２０４を含む、図１Ａ～図１Ｂの実施形態に示されるものと同様の構成要素を有し得る導波路層を含む。しかしながら、図２の例示的な実施形態では、第１の導波路層２０１の格子２０２、２０３がそれらの回折状態にスイッチされるとき、第２の導波路層２０４の格子２０５、２０６は、それらの非回折状態にスイッチされる。電圧は、記号Ｖによって示され、かつ符号２０７Ａ～２０７Ｄによって参照される、電圧源への電気接続を介して格子に印加される。第１の導波路層２０１内の格子２０２、２０３が回折しているときに、第２の導波路層２０４内の格子２０５、２０６のスイッチングを制御することによって、ゼロ次光２０８が第１の導波路層２０１内に戻って結合するリスクが最小化され得る。

格子は、第１の導波路層の格子がそれらの回折状態にあるときに、入力画像生成器が本来の画像を表示するように、かつ第１の導波路層の格子がそれらの非回折状態にあるときに、画像生成器が半画素水平シフトで再計算された画像を表示するように、マイクロディスプレイのフレーム更新と協調してスイッチされ得る。本来のフレームおよびシフトされたフレームのスイッチングが、人間の眼の統合時間内に行われるため、ディスプレイ視聴者は、表示された画像解像度の倍増を知覚し得る。

多くの実施形態では、第１および第２の導波路層内の格子は、同様に構成されるが、本来の画像に対して、半画素または任意の他の所定の値と同等であり得る、相対的な角度シフトを生成するように設計された、わずかに異なる格子処方を有し得る。いくつかの実施形態では、必要とされる角度シフトは、格子Ｋベクトルに小さい傾きを適用することによって生成される。いくつかの実施形態では、必要とされる角度シフトは、入力および出力格子によって形成される表面格子に対する小さい変化によって生成される。本来のおよびシフトされた画像フレームの角度分離が、典型的には、非常に小さいため、ディスプレイ導波路に結合されたとき、フレームの画像光は、導波路ディスプレイのアイボックス内に抽出される前に、高効率で伝播され得る。

いくつかの実施形態では、第１および第２の導波路層は、光抽出前にわずかな全内部反射（ＴＩＲ）反跳が生じるように設計される。これは、ビーム拡張が、別個の導波路デバイス内への効率的な結合のために最小化されることを確実にする。

いくつかの実施形態では、第１および第２の導波路層は、完全な光学的隔離を確実にするために、小さい空隙によって分離される。いくつかの実施形態では、ナノ多孔質材料などの低屈折率材料が、導波路の分離に使用され得る。

いくつかの実施形態では、赤色、緑色、および青色の光のために別個の導波路層が提供される。いくつかの実施形態では、赤色および青色／緑色の光のために、別個の導波路層が提供される。多くの実施形態では、格子は、２つ以上の波長を多重化する。多数の実施形態では、格子は、２つ以上の角度帯域幅を多重化する。いくつかの実施形態では、さらなる解像度乗算動作が実装され得る。例えば、解像度を４倍化することを提供するために、導波路は、さらに積層されて、異なる方向の画素シフトに対応する異なる方向に光を偏向させ得る。そのような実施態様は、図１Ａ～図１Ｂおよび図２に示されるものと同様の原理および実施形態に基づき得る。

いくつかの実施形態では、解像度乗算導波路は、導波路ディスプレイに光学的に結合される。図３Ａ～図３Ｂは、１つのそのような実施形態の２つの動作状態３００Ａ、３００Ｂを例示する概略側面図を概念的に例示する。示されるように、図１Ａ～図１Ｂおよび図２に例示されるものと同様の実施形態に基づいて実装され得る解像度乗算導波路は、導波路ディスプレイ３０１に光学的に結合される。例示的な実施形態では、導波路ディスプレイ３０１は、入力格子３０２および出力格子３０３を含む。いくつかの実施形態では、導波路ディスプレイ３０１は、折り曲げ格子をさらに含み得る。多くの実施形態では、導波路ディスプレイ３０１は、異なる色の光を伝搬するための別個の層を含み得る。図３Ａの例示的な実施形態では、解像度乗算導波路の第１の導波路層から出現する本来の画像フレーム光３０４は、３０８によって示されるものなどの画素を含む出力画像を形成するために、光線３０５～３０６によって表されるＴＩＲ経路に沿って導波路ディスプレイ３０１に結合され、光線３０７によって表されるように導波路３０１から外に結合される。図３Ｂに示されるように、解像度乗算導波路の第２の導波路層から出現するシフトされた画像フレーム光３０９は、対応する本来の画素３０８から半画素幅だけシフトされる、３１３によって示されるものなどの画素を含む出力画像を形成するために、光線３１０～３１１によって表されるＴＩＲ経路に沿って導波路ディスプレイ３０１に結合され、光線３１２によって表されるように導波路から外に結合される。

上記のように、解像度乗算アプリケーションは、ディスプレイの解像度の４倍化、すなわち、垂直および水平解像度の両方を倍増することを提供するために実装され得る。図４Ａ～図４Ｄは、本発明の実施形態による、解像度を４倍化することを提供するために使用される４つの異なる画素シフトステップの例示を提供する。図４Ａは、間隙４０２によって分離された４０１などの画素を含む４×４画素アレイによって表される本来の画像４００Ａを示す。図４Ｂは、４０３などの各画素が、その対応する本来の画素４０１に対して第１の半画素水平シフトを受けた、画素アレイ４００Ｂを例示する。図４Ｃは、４０４などの各画素が、その対応する本来の画素４０１に対して半画素垂直および水平シフトを受けた、画素アレイ４００Ｃを例示する。図４Ｄは、４０５などの各画素が、その対応する本来の画素４０１に対して半画素垂直シフトを受けた、画素アレイ４００Ｄを例示する。

図５Ａ～図５Ｄは、図４Ａ～図４Ｄに例示される４画素アレイ構成を伝播することができる導波路ディスプレイ５０１の格子状態５００Ａ～５００Ｄを例示する。示されるように、導波路ディスプレイ５０１は、画像プロジェクタ５０２からの光を導波路ディスプレイ５０１内のＴＩＲ経路内に結合するための第１および第２の入力格子を含み、導波路ディスプレイ５０１は、導波路ディスプレイ５０１から外に光を結合するための第１および第２の出力格子をさらに含む。導波路ディスプレイ５０１は単一層として例示されるが、そのような導波路ディスプレイは、格子層を各々含む複数の導波路層で実装され得る。図５Ａに戻って参照すると、導波路ディスプレイ５０１は、第１の入力および出力格子と同じ格子層に配設された共通折り曲げ格子５０３をさらに含み、第１および第２の出力格子と関連付けて２次元ビーム拡張を提供するために、格子構成５００Ａ、５００Ｂの両方で使用され得る。折り曲げ格子５０３は、２つの格子層のいずれかに配設され得る。いくつかの実施形態では、折り曲げ格子５０３は、必要とされない場合がある。電圧は、記号Ｖによって示され、かつ符号５０４Ａ～５０４Ｄによって参照される、電圧源への電気接続を介して格子に印加される。

図５Ａは、第２の入力格子および第２の出力格子がそれぞれそれらの回折状態５０５Ａ、５０６Ａにあり、第１の入力格子および第１の出力格子がそれぞれそれらの非回折状態５０７Ｂ、５０８Ｂにある、図４Ａの画素構成（本来の画像）を伝播するための格子構成５００Ａを例示する。光線経路は、光線５０９Ａ～５１２Ａによって示される。図５Ｂは、第１の入力格子および第２の出力格子がそれぞれそれらの回折状態５０７Ａ、５０６Ａにあり、第２の入力格子および第１の出力格子がそれぞれそれらの非回折状態５０５Ｂ、５０８Ｂにある、図４Ｂの画素構成を伝播するための格子構成５００Ｂを例示する。光線経路は、光線５０９Ｂ～５１２Ｂによって示される。図５Ｃは、第１の入力格子および第１の出力格子がそれぞれそれらの回折状態５０７Ａ、５０８Ｂにあり、第２の入力格子および第２の出力格子がそれぞれそれらの非回折状態５０５Ｂ、５０６Ｂにある、図４Ｃの画素構成を伝播するための格子構成５００Ｃを例示する。光線経路は、光線５０９Ｃ～５１２Ｃによって示される。図５Ｄは、第２の入力格子および第１の出力格子がそれぞれそれらの回折状態５０５Ａ、５０８Ａにあり、第１の入力格子および第２の出力格子がそれぞれそれらの非回折状態５０７ＢＡ、５０６Ｂにある、図４Ｄの画素構成を伝播するための格子構成５００Ｄを例示する。回折光線経路は、光線５１０Ｄ～５１３Ｄによって示される。

図５Ａ～図５Ｄの装置を使用して６０Ｈｚの１０８０ｐの画像フレームレートを達成することは、４つのビデオサブフレームが２４０Ｈｚのビデオフレームレートで生成されることを必要とし得る。各ビデオサブフレームは、赤色、緑色、青色のサブフレームを必要とし得、フレームレートを７２０Ｈｚまで増加させる。いくつかの実施形態では、図５Ａ～図５Ｄに例示される２層格子アーキテクチャは、単色光を伝播するために使用され、さらなる同様の導波路が他の色に対して必要とされる。例えば、いくつかの実施形態では、赤色、緑色、および青色のために別個の導波路が必要になる。いくつかの実施形態では、カラーディスプレイは、１つの赤色導波路および１つの青色／緑色導波路を備える。図５Ａ～図５Ｄのスイッチ可能格子配置は、限定されるものではないが、低コストおよび低複雑性、最小数のＩＴＯ層を通過するプロジェクタからの入力画像、ならびに二重スイッチ可能格子オフセットが別々にスイッチされ、それによって、損失を最小化することを含む、いくつかの利点を有する。

図５Ａ～図５Ｄの検討から、いくつかの実施形態では、第１または第２の入力格子のうちの一方は、本来の画像およびシフトされた画像を連続的に伝播する導波路を提供するために排除されてもよいことが明らかなはずである。あるいは、同じ理由によって、第１または第２の出力格子のうちの一方が同じ効果を達成するために排除されてもよい。いくつかの実施形態では、図５Ａ～図５Ｄの格子層のうちの１つは、非スイッチングであってもよい。

図６は、本発明の実施形態による、導波路ディスプレイの解像度を乗算する方法６００を概念的に例示するフロー図である。フロー図を参照すると、方法６００は、画像プロジェクタおよび画像プロセッサを提供すること（６０１）と、第１、第２、第３、および第４のスイッチ可能格子を含む導波路を提供すること（６０２）と、を含み、第１および第３の格子が重なり合っており、第２および第４の格子が重なり合っており、各格子が入射光に角度シフトを適用するための光学的処方を有する。Ｐを乗算した画素シフト（Ｎ＋１／２）が実施され得（６０３）、Ｎは、ゼロ以上の整数であり、Ｐは、画素寸法である。上記のように、１／２の代わりに任意の分数画素シフトが実装され得る。シフトされた画像が、画像プロセッサを使用して算出され得る（６０４）。シフトされた画像が、画像プロジェクタに書き込まれ得る（６０５）。第１および第３のスイッチ可能格子のうちの１つ、ならびに第２および第４のスイッチ可能格子のうちの１つは、それらの回折状態にスイッチされ得る（６０６）。シフトされた画像光は、回折する第１または第３のスイッチ可能格子を介して導波路内に結合され得る（６０７）。画像光は、回折するスイッチ可能格子の処方によって決定された画素シフトを伴う回折する第２または第４のスイッチ可能格子を介して導波路から外に結合され得る（６０８）。画素シフトステップは、すべての必要とされる画像画素シフトが完了するまで繰り返され得る（６０８）。

解像度乗算導波路アーキテクチャに加えて、解像度および視野を乗算するための導波路もまた、図１～図６に示されるものと同様の関連原理を使用して実装され得る。図７は、本発明の実施形態による、解像度および視野を乗算するための装置の概略的な例示である。示されるように、装置７００は、解像度を乗算するための第１の導波路７０１（上記の実施形態のいずれかに従って実装され得る）と、画像変調された光７０３を提供する入力画像源７０２と、入力格子７０５Ａ、７０５Ｂおよび出力格子７０６Ａ、７０６Ｂを支持する視野を乗算するための第２の導波路７０４と、を含む。第１の導波路７０１は、第２の導波路７０４に結合される解像度乗算された光７０７Ａを提供する。いくつかの実施形態では、入力格子７０５Ａ、７０５Ｂは、スイッチ可能格子であり、出力格子７０６Ａ、７０６Ｂは、非スイッチング格子である。多くの実施形態では、入力格子７０５Ａ、７０５Ｂのうちの一方は、非スイッチング格子であり得、出力格子のうちの一方または両方は、非スイッチング格子であり得る。いくつかの実施形態では、格子のすべてが、スイッチングしてもよい。

図７の実施形態では、入力格子７０５Ａおよび出力格子７０６Ａは、第１の視野部分のための第１の導波路経路を提供する。第１の導波路経路は、出力格子７０６Ａによって導波路７０４からアイボックス７０８への光線経路７０７Ｄ内に結合される全内部反射光線７０７Ｂ、７０７Ｃによって例示される。入力格子７０５Ｂおよび出力格子７０６Ｂは、第２の視野部分のための第２の導波路経路（図示せず）を提供し得る。多くの実施形態では、画像源７０２は、入力格子７０５Ａおよび出力格子７０６Ａがそれらの回折状態にあり、かつ入力格子７０５Ｂおよび出力格子７０６Ｂがそれらの非回折状態にあるときに、第１の視野部分に投影するための第１の画像変調された光を提供する。いくつかの実施形態では、画像源は、入力格子７０５Ａおよび出力格子７０６Ａがそれらの非回折状態にあり、かつ入力格子７０５Ｂおよび出力格子７０６Ｂがそれらの回折状態にあるときに、第２の視野部分に投影するための第２の画像変調された光を提供する。容易に理解できるように、第１および第２の画像変調された光を伝播するために、様々な回折および非回折構成が実装され得る。図７の検討から、視認のためのさらなる視野部分を生成する目的のために、さらなる入力および出力格子が追加され得ることが明らかなはずである。多くの実施形態では、複数の視野部分がタイル化されて、連続的な、かつ拡張された視野を提供し得る。いくつかの実施形態では、視野部分は、隣接する必要はない。

図８は、先に論じられたように、スイッチ不可回折要素が利用される場合に存在し得る画像倍増および色収差を出力光が被らないように、インカップリングスイッチ可能回折要素およびアウトカップリング回折要素がどのようにペアリングされ、インおよびアウト（オンおよびオフ、またはその逆）にスイッチされ得るかを示す導波路８００を概念的に例示する。示されるように、導波路８００は、入力回折要素８０１～８０３（または入力格子）および出力回折要素８０４～８０６（または出力格子）を含む。いくつかの実施形態では、入力回折要素８０１～８０３は、スイッチ可能格子であり、出力回折要素８０４～８０６は、非スイッチング格子である。多くの実施形態では、入力回折要素８０１～８０３および出力回折要素８０４～８０６は、スイッチングおよび非スイッチング格子の任意の組み合わせを含み得る。いくつかの実施形態では、回折要素のすべてが、スイッチングであり得る。回折要素は、ホログラフィック記録媒体の１つ以上の層内に形成され得る。例示的な実施形態では、回折要素は、基板８０８Ａ、８０８Ｂによって挟まれたホログラフィック記録媒体８０７内に形成される。他の実施形態では、各入力回折要素およびその対応する出力回折要素は、２つの透明基板によって挟まれたホログラフィック記録媒体内に形成される。いくつかの実施形態では、入力回折要素８０１～８０３および対応する出力回折要素８０４～８０６は、等しく、かつ対向する回折力を有する。例示的な実施形態では、入力光は、３つの異なる角度から受信される。３つの角度は、各々、視野の一部分内に含まれる入射光線の主角度または中心角度に対応し得る。いくつかの実施形態では、入力コリメーティングレンズ（図示せず）は、光学ディスプレイシステムに必要とされる視野を生成する。いくつかの例示的な実施形態によると、コリメーティングレンズは、入力回折要素と統合され得るが、他の例示的な実施形態では、コリメーティングレンズは、別個であってもよい。任意の時点で、各入力要素８０１、８０２、８０３のうちの１つのみが、それぞれ、その対応する出力要素８０４、８０５、８０６とともに動作可能であるか、またはスイッチオンされてもよく、すべての要素が、システムのフレーム時間内で連続的にスイッチしてもよい。いくつかの実施形態では、光は、動作可能である回折要素（８０１、８０２、または８０３）に当たるまで、導波路８００に結合しない。したがって、任意の１つの時点において、１つの角度範囲からの光のみが導波路内に結合される。さらに、そのような実施形態では、光は、動作可能である回折要素（８０４、８０５、または８０６）に当たるまで、基板から外に結合されない。いくつかの実施形態では、入力または出力格子に非スイッチング格子を使用することは、特定の格子に対して入射光線がオフブラッグになる（すなわち、ブラッグ方程式を満たさない）ことを結果的にもたらし得る。

図示された例によると、破線によって示された単一平行ビームの光が回折表面に当たり、それが相補的な回折表面に当たるまで導波路内に回折され、それが導波路に入るときと同じ角度で導波路から外に回折される。光線経路は、光線８０９Ａ～８０９Ｃで示されている。入力回折力が出力回折力と等しく、それに対向するため、システム内で色収差が誘発されない。図８は、３つの入力および出力スイッチ可能回折要素の使用を例示するが、他の例示的な実施形態によると、３つよりも多いか、または少ないスイッチ可能回折要素が使用され得ることに留意されたい。図８は、３つの異なる角度における光の受光および出力を例示するが、図は、示されている３つの視野角の間の範囲の光を含まないことにも留意されたい。回折表面の各々に対する光の入射は、格子の回折効率角度帯域幅によって制限される範囲内にある。

図８の導波路は、回折要素の単一列を有するように例示されているが、他の例示的な実施形態によると、導波路は、２次元アレイ内に配設されたインカップリングおよびアウトカップリング格子を含み得、対応する入力および出力要素は、図８に例示された原理に従って、ペアリングされていて、入力および出力アレイの対応する要素は、等しい、かつ対向する格子ベクトル成分を有する。

いくつかの実施形態では、視野乗算導波路は、第１のビーム拡張を提供するための折り曲げ格子をさらに含み得、出力格子は、第１のビーム拡張に直交する第２の拡張を提供する。そのような構成では、入力、出力、および折り曲げ格子は、実質的にゼロに合計される格子ベクトルを有し得る。いくつかの実施形態では、視野乗算導波路は、異なる波長帯域を回折するための格子を支持する。いくつかの実施形態では、視野乗算導波路は、異なる入射光偏光を回折するための格子を支持する。多数の実施形態では、視野乗算導波路支持は、異なる波長帯域、角度帯域幅、または偏光状態の光を回折するための少なくとも１つの多重化格子を支持し得る。多くの実施形態では、視野乗算導波路は、少なくとも１つの回転ｋベクトル格子を支持し得る。いくつかの実施形態では、視野乗算導波路は、少なくとも１つの二重相互作用格子を支持し得る。

図９は、本発明の実施形態による、解像度および視野を乗算するための導波路を概略的に例示する。装置９００は、入力格子の第１のペア９０２Ａ、９０２Ｂ、入力格子の第２のペア９０３Ａ、９０３Ｂ、ならびに出力格子の第１のペア９０２Ｃ、９０２Ｄ、および出力格子の第２のペア９０３Ｃ、９０３Ｄを支持する導波路９０１を含む。例示的な実施形態では、入力格子の第１のペア９０２Ａ、９０２Ｂおよび出力格子の第１のペア９０２Ｃ、９０２Ｄは、上記のセクション（図１～図６に例示されるものなど）で論じられた原理に従って、本来の画像および画素シフトされた画像のための導波路経路を提供するように格子がスイッチされている状態で、第１の視野部分内で投影される光のための解像度乗算を提供する。画像源９０４からアイボックス９０５への光線経路は、光線９０６～９０８によって表される。入力格子の第２のペア９０３Ａ、９０３Ｂおよび出力格子の第２のペア９０３Ｃ、９０３Ｄは、本来の画像および画素シフトされた画像のための導波路経路を提供するように格子がスイッチされている状態で、第２の視野部分内で投影される光のための解像度乗算を提供する。第１および第２の視野部分を提供することは、上記のセクションに説明された原理のいずれかに従って実装され得る。容易に理解できるように、入力および出力格子は、同様の機能を実装するために積層され得るいくつかの格子層および／または導波路にわたって配設され得る。

図１０は、本発明の実施形態による、画像の視野および解像度を乗算する方法を概念的に例示するフロー図である。示されるように、画像の視野および解像度を乗算する方法１０００が提供される。フロー図を参照すると、方法１０００は、画素化された画像ディスプレイの画素から固有の角度方向に光を導くための画像プロジェクタを提供すること（１００１）と、第１および第２の視野部分に対応する本来の画像を算出するための画像プロセッサを提供すること（１００２）であって、少なくとも１つの第１の視野画像が所定の方向にシフトされ、少なくとも１つの第２の視野画像が所定の方向にシフトされ、２つの直交方向のうちの少なくとも一方に画像解像度を倍増させるための、入力格子および出力格子を支持する第１の導波路を提供すること（１００３）と、第１の視野部分のための第１の導波路経路、および第２の視野部分のための第２の導波路経路を提供するための、入力格子および出力格子を支持する第２の導波路を提供すること（１００４）と、を含む。いくつかの実施形態では、入力格子は、スイッチ可能格子であり、出力格子は、非スイッチング格子である。多くの実施形態では、入力格子のうちの少なくとも１つは、非スイッチング格子であり得、出力格子のうちの少なくとも１つは、非スイッチング格子であり得る。いくつかの実施形態では、格子のすべてが、スイッチングであってもよい。

再び図１０を参照すると、方法１０００は、第１の視野内への投影のために第１の画像を算出すること（１００５）をさらに含む。第１の視野画像の解像度は、第１の導波路を使用して乗算され得る（１００６）。第１の視野部分内への投影のための光を伝播させるための入力格子および出力格子は、第２の視野部分内への投影のための光を伝播させるための入力格子および出力格子がそれらの非回折状態にスイッチされると同時に、それらの回折状態にスイッチされ得る（１００７）。解像度乗算された第１の視野部分は、視認のために投影され得る（１００８）。第２の視野内への投影のための第２の画像は、画像プロセッサを使用して算出され得る（１００９）。第２の視野画像の解像度は、第１の導波路を使用して乗算され得る（１０１０）。第１の視野部分内への投影のための光を伝播させるための入力格子および出力格子は、第２の視野部分内への投影のための光を伝播させるための入力格子および出力格子がそれらの回折状態にスイッチされると同時に、それらの非回折状態にスイッチされ得る（１０１１）。解像度乗算された第２の視野部分は、視認のために投影され得る（１０１２）。

図７～図１０は、特定の構成および方法を例示するが、所与の出願の特定の要件に応じて、様々な構成要素およびステップが修正、除去、または包含され得ることが容易に明らかなはずである。例えば、図１０は、２つの別個の導波路を使用して視野および解像度を乗算するための方法を説明する。他の実施形態では、２つの導波路の機能は、単一導波路内で実装され得る。

他の実施形態
上記のセクションに説明されている実施形態および技術は、多くの異なるやり方で構成および修正され得る。例えば、本発明の様々な実施形態によるデバイスは、２０１８年１０月１６日出願の「Ｓｙｓｔｅｍｓ ａｎｄ Ｍｅｔｈｏｄｓ ｆｏｒ Ｍｕｌｔｉｐｌｙｉｎｇ ｔｈｅ Ｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎ ｏｆ ａ Ｐｉｘｅｌａｔｅｄ Ｄｉｓｐｌａｙ」と題された米国特許出願第１６／１６２，２８０号、２０１２年１月２０日出願の「Ｏｐｔｉｃａｌ Ｄｉｓｐｌａｙｓ」と題された米国特許第８，８１７，３５０号、２０１３年４月２４日出願の「Ｈｏｌｏｇｒａｐｈｉｃ Ｗｉｄｅ Ａｎｇｌｅ Ｄｉｓｐｌａｙ」と題された米国特許出願第１３／８６９，８６６号に開示された技術および教示を組み込み得、それらの開示は、あらゆる目的に関してそれらの全体が参照により本明細書に組み込まれる。さらに、導波路実施形態は、様々な格子構成を含み得る。いくつかの実施形態では、スイッチング可能格子は、非スイッチング格子をさらに含む導波路内に配設される。いくつかの実施形態では、非スイッチング格子は、参考文献に説明されるように、ビーム拡張のために使用される折り曲げ格子（回転格子と呼ばれる場合もある）である。そのような実施形態では、本発明は、解像度乗算および２軸ビーム拡張を具体化するディスプレイ導波路を提供する。いくつかの実施形態では、解像度乗算に使用される格子のうちの少なくとも１つは、回転ｋベクトル格子である。Ｋベクトル（より一般的には、格子ベクトルと呼ばれる）は、格子面（または縞）に対するベクトル整列法線であり、これは、所与の範囲の入力および回折角度に関する光学効率を決定する。Ｋベクトルを回転させることは、導波路厚さを増大させる必要がなく、格子の角度帯域幅を拡張させることを可能にする。いくつかの実施形態では、スイッチ可能格子は、波長または角度帯域幅のうちの少なくとも１つを多重化する少なくとも１つの格子を含む。２つ以上のホログラフィック処方が単一ホログラフィック層内に記録され得ることが、ホログラフィの文献において十分に確立されている。そのような多重化されたホログラムを記録するための方法は、当業者にとって周知である。いくつかの実施形態では、スイッチング格子およびそれらと関連して使用される他の格子のうちの少なくとも１つは、２つ以上の角度回折処方を組み合わせて、角度帯域幅を拡張するか、またはスペクトル帯域幅を拡張し得る。例えば、色多重化格子が、原色のうちの２つ以上を回折するために使用され得る。

上記に説明された実施形態のうちのいずれかでは、参考文献のうちのいくつかで入力画像ノード（ＩＩＮ）と呼ばれる画像プロジェクタは、マイクロディスプレイパネルと、光源と、ディスプレイパネルを照射し、反射された光を分離し、それを必要な視野内にコリメートするために一般的に使用される他の光学構成要素と、を統合し得る。いくつかの実施形態では、画像プロジェクタは、ＨＯＬＯＧＲＡＰＨＩＣ ＷＩＤＥ－ＡＮＧＬＥ ＤＩＳＰＬＡＹと題された米国特許出願第１３／８６９，８６６号、およびＴＲＡＮＳＰＡＲＥＮＴ ＷＡＶＥＧＵＩＤＥ ＤＩＳＰＬＡＹと題された米国特許出願第１３／８４４，４５６号に開示された実施形態および教示に基づき得る。いくつかの実施形態では、画像プロジェクタは、光をマイクロディスプレイ上に導き、反射された光を導波路に向かって透過させるためのビームスプリッタを含む。いくつかの実施形態では、ビームスプリッタは、ＨＰＤＬＣに記録された格子であり、そのような格子の固有の偏光選択性を使用して、ディスプレイを照射する光と、ディスプレイから反射される画像変調された光と、を分離する。いくつかの実施形態では、ビームスプリッタは、偏光ビームスプリッタキューブである。いくつかの実施形態では、画像プロジェクタは、照明ホモジナイザまたはレーザービームスペックル除去器を組み込む。有利には、スペックル除去器は、ＬＡＳＥＲ ＩＬＬＵＭＩＮＡＴＩＯＮ ＤＥＶＩＣＥと題された米国特許第８，５６５，５６０号の実施形態および教示に基づいたホログラム導波路デバイスである。

いくつかの実施形態では、光源は、レーザーである。いくつかの実施形態では、光源は、ＬＥＤである。いくつかの実施形態では、画像プロジェクタは、照明角度特性を修正するための１つ以上のレンズを含む。ＬＥＤは、レーザーよりも良好な均一性を提供する。レーザー照明が使用される場合、導波路出力で照明バンディングが発生するリスクが存在する。いくつかの実施形態では、導波路におけるレーザー照明バンディングは、ＭＥＴＨＯＤ ＡＮＤ ＡＰＰＡＲＡＴＵＳ ＦＯＲ ＧＥＮＥＲＡＴＩＮＧ ＩＮＰＵＴ ＩＭＡＧＥＳ ＦＯＲ ＨＯＬＯＧＲＡＰＨＩＣ ＷＡＶＥＧＵＩＤＥ ＤＩＳＰＬＡＹＳと題された米国特許出願第１５／５１２，５００号に開示された技術および教示を使用して克服され得る。いくつかの実施形態では、光源からの光は、偏光される。１つ以上の実施形態では、画像源は、液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）マイクロディスプレイまたはシリコン基板上液晶（ＬＣｏＳ）マイクロディスプレイである。いくつかの実施形態では、画像源は、ＭＥＭＳデバイスである。いくつかの実施形態では、画像源は、Ｔｅｘａｓ ＩｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓのＤｉｇｉｔａｌ Ｌｉｇｈｔ Ｐｒｏｊｅｃｔｏｒ（ＤＬＰ）技術に基づくディスプレイパネルである。

いくつかの実施形態では、本発明を適用するために使用される格子のいずれかは、出力のコリメーションを調整するために光学パワーをエンコードし得る。いくつかの実施形態では、出力画像は、無限大である。いくつかの実施形態では、出力画像は、導波路から数メートルの距離で形成され得る。

折り曲げ格子を使用するいくつかの実施形態では、折り曲げ格子角度帯域幅は、格子処方を設計することによって強化され、格子と導かれた光との二重相互作用を提供する。二重相互作用折り曲げ格子の例示的な実施形態は、ＷＡＶＥＧＵＩＤＥ ＧＲＡＴＩＮＧ ＤＥＶＩＣＥと題された米国特許出願第１４／６２０，９６９号に開示されている。

いくつかの実施形態では、本発明で使用される導波路は、格子層をガラス基板間またはプラスチック基板間に挟み込んで、外側基板および空気界面で全内部反射が発生する積層を形成することによって形成される。積層は、ビーム分割コーティングおよび環境保護層などの追加の層をさらに含み得る。いくつかの実施形態では、セル基板は、ガラスから製作され得る。例示的なガラス基板は、５０ミクロンまでの厚さで利用可能である標準的なＣｏｒｎｉｎｇ Ｗｉｌｌｏｗガラス基板（屈折率１．５１）である。他の実施形態では、セル基板は、光学プラスチックであり得る。いくつかの実施形態では、格子は、ホログラフィック露光プロセスが完了した後、透明基板上にコーティングされ、かつ保護透明層によって覆われた材料の層内で記録され得る。いくつかの実施形態では、格子層は、別個の層に分解され得る。例えば、いくつかの実施形態では、第１の層は、折り曲げ格子を含み、一方、第２の層は、出力格子を含む。いくつかの実施形態では、第３の層は、入力カプラまたは格子を含み得る。次いで、層の数は、単一導波路基板内に一緒に積層され得る。多数の実施形態では、格子層は、単一基板導波路を形成するために一緒に積層される入力カプラ、折り曲げ格子、および出力格子（またはその一部分）を含む、いくつかの部品から構成される。部品は、光学接着剤または部品の屈折率と一致する屈折率の他の透明材料によって分離され得る。別の実施形態では、格子層は、所望の格子厚さのセルを作成し、各セルを、入力カプラ、折り曲げ格子、および出力格子の各々に対するホログラフィック記録材料で真空充填することによって、セル作製プロセスを介して形成され得る。一実施形態では、セルは、入力カプラ、折り曲げ格子、および出力格子のための所望の格子厚さを画定するガラスのプレートの間に間隙を有する複数のガラスのプレートを位置決めすることによって形成される。一実施形態では、１つのセルは、別個の開口がホログラフィック記録材料の異なるポケットで充填されるように、複数の開口で作製され得る。次いで、任意の介在空間は、分離エリアを画定するために、接着剤またはオイルなどの分離材料によって分離され得る。一実施形態では、ホログラフィック材料は、基板上にスピンコーティングされ、次いで、材料の硬化後に第２の基板によって覆われ得る。折り曲げ格子を使用することによって、導波路ディスプレイは、有利には、いくつかの実施形態に従って情報を表示する上記のシステムおよび方法よりも少ない層を必要とする。加えて、折り曲げ格子を使用することによって、光は、二重瞳拡張を達成しながら、導波路外面によって画定された単一矩形プリズム内で導波路内の全内部反射によって進み得る。別の実施形態では、入力カプラ、折り曲げ格子、および出力格子は、ホログラフィック波面を生成するために、基板内の角度で２つの光の波を干渉させることによって作成され得、それによって、導波路基板内で所望の角度で設定されている明暗の縞を作成する。いくつかの実施形態では、所与の層における格子は、格子エリアにわたって記録レーザービームを走査またはステッピングすることによって、段階的に記録される。いくつかの実施形態では、格子は、ホログラフィック印刷業界で現在使用されているマスタリングおよび密着印画プロセスを使用して記録される。

いくつかの実施形態では、格子は、ホログラフィックポリマー分散型液晶（ＨＰＤＬＣ）（例えば、液晶液滴のマトリクス）に記録されるが、ＳＢＧはまた、他の材料にも記録され得る。一実施形態では、ＳＢＧは、液体ポリマー中に分散された固体液晶のマトリクスを有するＰＯＬＩＣＲＹＰＳまたはＰＯＬＩＰＨＥＭなどの均一変調材料に記録される。ＳＢＧは、本質的にスイッチングまたは非スイッチングであり得る。その非スイッチング形態では、ＳＢＧは、その液晶成分に起因して、高屈折率変調を提供することができる、従来のホログラフィックフォトポリマー材料よりも利点を有する。例示的な均一変調液晶ポリマー材料システムは、Ｃａｐｕｔｏらによる米国特許出願公開第２００７／００１９１５２号、およびＳｔｕｍｐｅらによるＰＣＴ出願第ＰＣＴ／ＥＰ２００５／００６９５０号に開示されていて、その両方の全内容が参照により本明細書に組み込まれる。均一変調格子は、高屈折率変調（したがって、高い回折効率）および低散乱によって特徴付けられる。

いくつかの実施形態では、格子のうちの少なくとも１つは、リバースモードＨＰＤＬＣ材料に記録される。リバースモードＨＰＤＬＣは、格子が、電界が印加されないときに受動的であり、電界の存在下で回折性になるという点で、従来のＨＰＤＬＣとは異なる。リバースモードＨＰＤＬＣは、ＩＭＰＲＯＶＥＭＥＮＴＳ ＴＯ ＨＯＬＯＧＲＡＰＨＩＣ ＰＯＬＹＭＥＲ ＤＩＳＰＥＲＳＥＤ ＬＩＱＵＩＤ ＣＲＹＳＴＡＬ ＭＡＴＥＲＩＡＬＳ ＡＮＤ ＤＥＶＩＣＥＳと題されたＰＣＴ出願第ＰＣＴ／ＧＢ ２０１２／０００６８０号に開示されたレシピおよびプロセスのいずれかに基づき得る。格子は、上記の材料システムのいずれかに記録されるが、受動（非スイッチング）モードで使用され得る。製作プロセスは、スイッチングに使用されるものと同一であるが、電極コーティング段階が省略されている。ＬＣポリマー材料システムは、それらの高屈折率変調の観点で非常に望ましい。いくつかの実施形態では、格子は、ＨＰＤＬＣに記録されるが、スイッチされない。

本発明のいくつかの実施形態では、解像度乗算装置は、本発明の原理による導波路ディスプレイと、アイトラッカーと、を備えるアイトラックディスプレイで使用される。１つの好ましい実施形態では、アイトラッカーは、ＨＯＬＯＧＲＡＰＨＩＣ ＷＡＶＥＧＵＩＤＥ ＥＹＥ ＴＲＡＣＫＥＲと題されたＰＣＴ／ＧＢ２０１４／０００１９７、ＨＯＬＯＧＲＡＰＨＩＣ ＷＡＶＥＧＵＩＤＥ ＯＰＴＩＣＡＬＴＲＡＣＫＥＲと題されたＰＣＴ／ＧＢ２０１５／０００２７４、およびＡＰＰＡＲＡＴＵＳ ＦＯＲ ＥＹＥ ＴＲＡＣＫＩＮＧと題されたＰＣＴ出願第ＧＢ２０１３／０００２１０号の実施形態および教示に基づいた導波路デバイスである。

本発明のいくつかの実施形態では、解像度乗算装置は、動的集束要素をさらに備える導波路ディスプレイで使用される。動的集束要素は、ＥＬＥＣＴＲＩＣＡＬＬＹ ＦＯＣＵＳ ＴＵＮＡＢＬＥ ＬＥＮＳと題された米国特許仮出願第６２／１７６，５７２号の実施形態および教示に基づき得る。いくつかの実施形態では、動的集束要素およびアイトラッカーをさらに含む二重拡張導波路ディスプレイは、ＨＯＬＯＧＲＡＰＨＩＣ ＷＡＶＥＧＵＩＤＥ ＬＩＧＨＴ ＦＩＥＬＤ ＤＩＳＰＬＡＹＳと題された米国特許仮出願第６２／１２５，０８９号に開示された実施形態および教示に基づくライトフィールドディスプレイを提供し得る。

いくつかの実施形態では、本発明の原理による解像度乗算装置は、例えば、道路車両用途のためのウインドスクリーン一体型ＨＵＤのウィンドウ内に統合された導波路ディスプレイで使用され得る。いくつかの実施形態では、ウィンドウ一体型ディスプレイは、ＯＰＴＩＣＡＬ ＷＡＶＥＧＵＩＤＥ ＤＩＳＰＬＡＹＳ ＦＯＲ ＩＮＴＥＧＲＡＴＩＯＮ ＩＮ ＷＩＮＤＯＷＳと題された米国特許仮出願第６２／１２５，０６４号、ＯＰＴＩＣＡＬ ＷＡＶＥＧＵＩＤＥ ＤＩＳＰＬＡＹＳ ＦＯＲ ＩＮＴＥＧＲＡＴＩＯＮ ＩＮ ＷＩＮＤＯＷＳと題された米国特許仮出願第６２／１２５，０６６号に開示された実施形態および教示に基づき得る。いくつかの実施形態では、解像度乗算装置は、画像プロジェクタと解像度乗算格子を含む導波路との間の画像コンテンツを中継するための屈折率分布型（ＧＲＩＮ）導波路構成要素を含み得る。例示的な実施形態は、ＮＥＡＲ ＥＹＥ ＤＩＳＰＬＡＹ ＵＳＩＮＧ ＧＲＡＤＩＥＮＴ ＩＮＤＥＸ ＯＰＴＩＣＳと題された米国特許仮出願第６２／１２３，２８２号、およびＷＡＶＥＧＵＩＤＥ ＤＩＳＰＬＡＹ ＵＳＩＮＧ ＧＲＡＤＩＥＮＴ ＩＮＤＥＸ ＯＰＴＩＣＳと題された米国特許仮出願第６２／１２４，５５０号に開示されている。いくつかの実施形態では、解像度乗算装置は、ＷＡＶＥＧＵＩＤＥ ＤＥＶＩＣＥ ＩＮＣＯＲＰＯＲＡＴＩＮＧ Ａ ＬＩＧＨＴ ＰＩＰＥと題された米国仮特許出願第６２／１７７，４９４号に開示された実施形態に基づいて、１つの方向にビーム拡張を提供するための光パイプを組み込む、二重拡張導波路ディスプレイで使用され得る。いくつかの実施形態では、画像プロジェクタ内の入力画像源は、ＣＯＭＰＡＣＴ ＥＤＧＥ ＩＬＬＵＭＩＮＡＴＥＤ ＤＩＦＦＲＡＣＴＩＶＥ ＤＩＳＰＬＡＹと題された米国特許第９，０７５，１８４号に開示されるレーザースキャナであってもよい。

本発明の実施形態は、ＡＲおよびＶＲのためのＨＭＤ、ヘルメットマウントディスプレイ、投影ディスプレイ、ヘッドアップディスプレイ（ＨＵＤ）、ヘッドダウンディスプレイ（ＨＤＤ）、自動立体視ディスプレイ、および他の３Ｄディスプレイを含む広範囲のディスプレイで使用され得る。いくつかの実施形態では、本発明の原理による解像度乗算装置は、５０度の対角線の視野を有する拡張現実（ＡＲ）導波路ディスプレイにインターフェースされ得る。本発明の用途で使用され得る導波路ディスプレイの例は、参考文献で論じられている。本発明の用途は、必ずしも導波路ディスプレイに限定されるものではない。いくつかの実施形態では、解像度倍増導波路は、任意のタイプのウェアラブルまたは投影ディスプレイで使用するためのコンパクトな画像生成器を提供し得る。いくつかの実施形態では、解像度乗算装置は、画像プロジェクタを提供し得る。いくつかの実施形態では、装置は、画像表示光学系、接眼レンズ、投影レンズ、または導波路のうちの１つに光学的に結合される。いくつかの実施形態では、装置は、ＨＭＤ、ＨＵＤ、アイスレーブディスプレイ、動的集束ディスプレイ、またはライトフィールドディスプレイの一部を形成する。本開示の実施形態および教示のいくつかは、例えば、アイトラッカー、指紋スキャナ、およびＬＩＤＡＲシステムなどの導波路センサーに適用され得る。

図面は、例示的であり、寸法は、誇張されていることが強調されるべきである。例えば、ＳＢＧ層の厚さは、大幅に誇張されている。上記の実施形態のいずれかに基づく光学デバイスは、ＩＭＰＲＯＶＥＭＥＮＴＳ ＴＯ ＨＯＬＯＧＲＡＰＨＩＣ ＰＯＬＹＭＥＲ ＤＩＳＰＥＲＳＥＤ ＬＩＱＵＩＤ ＣＲＹＳＴＡＬ ＭＡＴＥＲＩＡＬＳ ＡＮＤ ＤＥＶＩＣＥＳと題されたＰＣＴ出願第ＰＣＴ／ＧＢ ２０１２／０００６８０号に開示された材料およびプロセスを使用して、プラスチック基板を使用して実装され得る。いくつかの実施形態では、本発明の導波路実施形態は、湾曲していてもよい。

様々な例示的な実施形態に示されるようなシステムおよび方法の構成および配列は、例示的なものに過ぎない。本開示では、わずかな実施形態しか詳細に記載されていないが、多くの修正が可能である（例えば、様々な要素のサイズ、寸法、構造、形状、および割合の変化、パラメータの値、取り付け配列、材料の使用、色、配向など）。例えば、要素の位置は、逆または他の方法で変更され得、別個の要素の性質もしくは数または位置は、改変または変更され得る。したがって、すべてのそのような修正は、本開示の範囲内に含まれることが意図される。任意のプロセスまたは方法ステップの順序もしくは配列は、代替の実施形態に従って変更または再配列され得る。他の置換、修正、変更、および省略は、本開示の範囲から逸脱することなく、例示的な実施形態の設計、動作条件、および配列において行われ得る。

等価物の理論
上記の説明は、本発明の多くの具体的実施形態を含有するが、これらは、本発明の範囲の限定として解釈されるべきではなく、むしろ、その一実施形態の実施例として解釈されるべきである。したがって、本発明が、本発明の範囲および趣旨から逸脱することなく、具体的に記載された方法以外の方法で実施され得ることを理解されたい。このように、本発明の実施形態は、あらゆる点で例示的であり、限定的ではないと見なされるべきである。したがって、本発明の範囲は、例示された実施形態によってではなく、添付の特許請求の範囲およびそれらの等価物によって決定されるべきである。

Claims (20)

1. ディプレイ解像度および視野を乗算するための装置であって、
   画素化された画像源の複数の画素からの光を固有の角度方向に導くための画像プロジェクタであって、前記画像プロジェクタが、投影レンズに光学的に接続されたマイクロディスプレイパネルを含む、画像プロジェクタと、
   第１および第２の視野部分に対応する前記画像源の本来の画像を算出するために、かつ前記画像プロジェクタによる連続表示のための、前記第１および第２の視野部分に対応する所定の方向でシフトされた画像を算出するために、前記画像プロジェクタに電気的に接続された画像プロセッサと、
   前記画像プロジェクタに光学的に結合された第１の入力格子、および第１の出力格子を含む、格子の第１のセットであって、前記格子の第１のセットが、回折状態と非回折状態との間でスイッチ可能な少なくとも１つのスイッチ可能格子を含み、前記格子の第１のセットが、前記本来の画像の前記光を伝播するための本来の構成、および少なくとも１つのシフトされた画像の前記光を伝播するための少なくとも１つのシフトされた構成を有し、各々が、前記所定の方向における画像シフトに対応する角度変位を有し、前記画像シフトが、画素寸法のＮ＋１／Ｍ倍に等しく、ＮおよびＭが、整数であり、Ｎが、０を含む、格子の第１のセットと、
   前記格子の第１のセットの前記第１の出力格子に光学的に結合された第２の入力格子を含む格子の第２のセットであって、前記格子の第２のセットが、回折状態と非回折状態との間でスイッチ可能な少なくとも１つのスイッチ可能格子を含み、前記格子の第２のセットが、前記第１の視野部分を投影するための第１の構成、および前記第２の視野部分を投影するための第２の構成を有する、格子の第２のセットと、を備える、装置。
2. 前記格子の第１のセットが、第１の導波路内に配設されており、前記格子の第２のセットが、第２の導波路内に配設されている、請求項１に記載の装置。
3. 前記格子の第２のセットが、第１、第２、第３、および第４の格子を含み、前記第１の格子が、前記第３の格子と重なり合い、前記第２の格子が、前記第４の格子と重なり合い、前記第１および前記第３の格子が、入力カプラとして作用し、前記第２および前記第４の格子が、出力カプラとして作用する、請求項１に記載の装置。
4. 前記第１および前記第３の格子のうちの少なくとも一方が、スイッチ可能格子である、請求項３に記載の装置。
5. 前記第１、前記第２、前記第３、および前記第４の格子が、スイッチ可能格子であり、前記第１の視野部分を投影するための前記第１の構成が、それらの回折状態にある前記第１または前記第３のスイッチ可能格子のうちの１つおよび前記第２または前記第４のスイッチ可能格子のうちの１つによって提供される、請求項４に記載の装置。
6. 前記第２および前記第４の格子が、スイッチ不可格子である、請求項３に記載の装置。
7. 前記第１および前記第２のスイッチ可能格子が、導波路内の第１の層内に配設されており、前記第３および前記第４のスイッチ可能格子が、前記導波路内の第２の層内に配設されている、請求項３に記載の装置。
8. 前記第１および前記第２のスイッチ可能格子が、第１の導波路内に配設されており、前記第３および前記第４のスイッチ可能格子が、第２の導波路内に配設されている、請求項３に記載の装置。
9. Ｍが、２に等しい、請求項１に記載の装置。
10. 前記本来の画像および前記少なくとも１つのシフトされた画像が、人間の眼の統合周期内で連続的に表示される、請求項１に記載の装置。
11. 前記画像シフトが、垂直または水平シフトのうちの一方を含む、請求項１に記載の装置。
12. 前記画像シフトが、垂直および水平シフトを含む、請求項１に記載の装置。
13. 前記スイッチ可能格子が、ホログラフィックポリマー分散型液晶材料に記録される、請求項１に記載の装置。
14. 前記格子の第２のセットが、スイッチ不可格子を含む、請求項１に記載の装置。
15. 前記格子の第２のセットが、折り曲げ格子を含む、請求項１に記載の装置。
16. 前記格子の第２のセットが、波長または角度帯域幅のうちの少なくとも１つを多重化する少なくとも１つの格子を含む、請求項１に記載の装置。
17. 前記画像プロジェクタが、プリズムまたは格子のうちの１つによって前記格子の第１のセットの前記第１の入力格子に光学的に結合されている、請求項１に記載の装置。
18. 照明ホモジナイザをさらに備える、請求項１に記載の装置。
19. 前記格子の第２のセットが、回転ｋベクトル格子を含む、請求項１に記載の装置。
20. 導波路ディスプレイの解像度および視野を乗算する方法であって、
    画像プロジェクタおよび画像プロセッサを提供することと、
    格子の第１および第２のセットを含む導波路ディスプレイを提供することであって、前記格子の第１および前記第２のセットの各々が、回折状態と非回折状態との間でスイッチ可能な少なくとも１つのスイッチ可能格子を含み、前記格子の第１のセットが、本来のスイッチング構成およびシフトされたスイッチング構成を有し、前記格子の第２のセットが、第１のスイッチング構成および第２のスイッチング構成を有する、提供することと、
    少なくとも４つの画像を連続的に投影することであって、前記少なくとも４つの画像が、第１の視野部分における本来の画像、第１の視野部分におけるシフトされた画像、第２の視野部分における本来の画像、および第２の視野部分におけるシフトされた画像を含み、前記シフトされた画像が、画素寸法のＮ＋１／Ｍ倍に等しい画像シフトとして定義される対応する本来の画像に対して角度変位を有し、ＮおよびＭが、整数であり、Ｎが、ゼロを含む、投影することと、を含み、
    前記第１の視野部分内の前記本来の画像は、前記格子の第１のセットが前記本来のスイッチング構成にあり、かつ前記格子の第２のセットが前記第１のスイッチング構成にあるときに投影され、
    前記第２の視野部分内の前記本来の画像は、前記格子の第１のセットが前記本来のスイッチング構成にあり、かつ前記格子の第２のセットが前記第２のスイッチング構成にあるときに投影され、
    前記第１の視野部分内の前記シフトされた画像は、前記格子の第１のセットが前記シフトされたスイッチング構成にあり、かつ前記格子の第２のセットが前記第１のスイッチング構成にあるときに投影され、
    前記第２の視野部分内の前記シフトされた画像は、前記格子の第１のセットが前記シフトされたスイッチング構成にあり、かつ前記格子の第２のセットが前記第２のスイッチング構成にあるときに投影される、方法。

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