JP2022544637A - 導波路ディスプレイのための様々な屈折率変調を有する空間多重化体積ブラッグ格子 - Google Patents

導波路ディスプレイのための様々な屈折率変調を有する空間多重化体積ブラッグ格子 Download PDF

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Abstract

導波路ディスプレイは、可視光を透過させる導波路と、導波路上の、および第１の屈折率変調によって特徴付けられる、第１の体積ブラッグ格子（ＶＢＧ）と、導波路上の、および異なるそれぞれの屈折率変調によって特徴付けられる複数の領域を含む、第２の反射ＶＢＧと含む。第１の反射ＶＢＧは、第１の波長範囲および第１の視野（ＦＯＶ）範囲にある表示光を回折するように構成され、その結果として、第１の波長範囲および第１のＦＯＶ範囲にある表示光は、導波路内を、全内部反射を通じて、第２の反射ＶＢＧの複数の領域まで伝播する。第２の反射ＶＢＧの複数の領域は、第１の波長範囲内の異なるそれぞれの波長範囲および第１のＦＯＶ範囲にある表示光を回折するように構成される。【選択図】図３６

Description

本発明は、概して、ニアアイディスプレイのための体積ブラッグ格子ベースの導波路ディスプレイに関する。
ヘッドマウントディスプレイ（ＨＭＤ）またはヘッドアップディスプレイ（ＨＵＤ）システムなどの人工現実システムは一般的に、例えば、ユーザの目の前約１０～２０ｍｍ以内の電子または光学ディスプレイを介して、ユーザにコンテンツを提示するように構成されるニアアイディスプレイ（例えば、ヘッドセットまたは眼鏡の形態にある）を含む。ニアアイディスプレイは、仮想現実（ＶＲ）、拡張現実（ＡＲ）、または複合現実（ＭＲ）応用のように、仮想物体を表示し得るか、または実物体の画像を仮想物体と組み合わせ得る。例えば、ＡＲシステムにおいて、ユーザは、例えば、透明なディスプレイグラスまたはレンズを通して見ることによって（しばしば、光学シースルーと呼ばれる）、仮想物体（例えば、コンピュータ生成画像（ＣＧＩ））および周囲環境の両方の画像を見ることができる。
光学シースルーＡＲシステムの一例は、導波路ベースの光学ディスプレイを使用し得、この場合、投射画像の光は、導波路（例えば、透明基板）内にカップリングされ、導波路内を伝播し、異なる場所で導波路からカップリングアウトされ得る。いくつかの実装形態において、投射画像の光は、格子などの回折光学素子を使用して、導波路内にカップリングされ得るか、または導波路からカップリングアウトされ得る。周囲環境からの光は、導波路のシースルー領域を通過し、同様にユーザの目に到達し得る。
本発明は、概して、ニアアイディスプレイのための体積ブラッグ格子ベースの導波路ディスプレイに関する。より詳細には、本明細書に開示されるのは、アイボックスを拡張するため、表示ヘイズを低減するため、物理的サイズを低減するため、光学効率を向上するため、光学アーチファクトを低減するため、および体積ブラッグ格子（ＶＢＧ）カプラを使用して光学シースルーニアアイディスプレイシステムの視野を増大するための技法である。デバイス、システム、方法などを含む様々な発明の実施形態が本明細書に説明される。
１つの態様において、本発明は、基板と、基板上の、および第１の屈折率変調によって特徴付けられる、第１の反射ＶＢＧと、基板上の、および第１の領域および第２の領域を含む、第２の反射ＶＢＧとを含み得る導波路ディスプレイを提供する。第１の反射ＶＢＧは、第１の波長範囲にある表示光を回折するように構成され、その結果として、第１の波長範囲にある表示光は、基板内を、全内部反射を通じて、第２の反射ＶＢＧの第１の領域および第２の領域まで伝播する。第２の反射ＶＢＧの第１の領域は、第１の屈折率変調よりも低い第２の屈折率変調によって特徴付けられ得、第１の波長範囲内にある第２の波長範囲にある表示光を回折するように構成され得る。第２の反射ＶＢＧの第２の領域は、第２の屈折率変調よりも大きい第３の屈折率変調によって特徴付けられ得、第２の波長範囲を含み、またこれよりも大きい第３の波長範囲にある表示光を回折するように構成され得る。第２の反射ＶＢＧの第１の領域および第２の領域は、第１の波長範囲にある表示光が第１の領域に到達した後に第２の領域に到達するように配置され得る。
いくつかの実施形態において、第１の反射ＶＢＧおよび第２の反射ＶＢＧは、基板の面法線方向に垂直の平面において同じ格子ベクトルを有し得る。第３の屈折率変調は、第１の屈折率変調に等しい、またはこれ未満であってもよく、第１の波長範囲は、第３の波長範囲と同じであり得るか、またはこれを含む。いくつかの実施形態において、第２の反射ＶＢＧは、第１の領域と第２の領域との間に第３の領域をさらに含み得、第３の領域は、第２の屈折率変調よりも大きいが第３の屈折率変調よりも低い第４の屈折率変調によって特徴付けられ得、第２の波長範囲を含み、また第３の波長範囲内にある第４の波長範囲にある表示光を回折するように構成され得る。
いくつかの実施形態において、導波路ディスプレイは、第１の反射ＶＢＧと多重化され、第４の屈折率変調によって特徴付けられる第３の反射ＶＢＧと、第１の領域および第２の領域内の第２の反射ＶＢＧと多重化される第４の反射ＶＢＧとをさらに含み得る。第３の反射ＶＢＧは、第４の波長範囲にある表示光を回折するように構成され、その結果として、第４の波長範囲にある表示光は、基板内を、全内部反射を通じて、第４の反射ＶＢＧの第１の領域および第２の領域まで伝播する。第４の反射ＶＢＧの第１の領域は、第４の屈折率変調よりも低い第５の屈折率変調によって特徴付けられ得、第４の波長範囲内にある第５の波長範囲にある表示光を回折するように構成され得る。第４の反射ＶＢＧの第２の領域は、第５の屈折率変調よりも大きい第６の屈折率変調によって特徴付けられ得、第５の波長範囲を含み、またこれよりも大きい第６の波長範囲にある表示光を回折するように構成され得る。
いくつかの実施形態において、第１の反射ＶＢＧは、第１の波長範囲および第１の視野（ＦＯＶ）範囲にある表示光を回折し、また第４の波長範囲および第１のＦＯＶ範囲とは異なる第２のＦＯＶ範囲にある表示光を回折するように構成され得る。いくつかの実施形態において、基板は、可視光を透過させ得、第２の反射ＶＢＧは、周囲環境からの可視光を透過させ得る。いくつかの実施形態において、第１の反射ＶＢＧは、第１の波長範囲にある表示光を基板内にカップリングするように構成され得、第２の反射ＶＢＧは、第１の波長範囲にある表示光を基板からカップリングするように構成され得る。いくつかの実施形態において、導波路ディスプレイは、第３の格子および第４の格子をさらに含み得、第３の格子は、第１の反射ＶＢＧからの第１の波長範囲にある表示光を第４の格子へ回折するように構成され得、第４の格子は、第４の格子の２つ以上の領域における第１の波長範囲にある表示光を第２の反射ＶＢＧへ回折するように構成され得る。第３の格子および第４の格子は、基板の面法線方向に垂直の平面において同じ格子ベクトルを有し得る。
いくつかの実施形態において、導波路ディスプレイは、第１の波長範囲にある表示光を基板内にカップリングするように構成される入力カプラと、第２の反射ＶＢＧによって回折された表示光を基板からカップリングアウトするように構成される出力カプラとをさらに含み得る。入力カプラおよび出力カプラは、多重化ＶＢＧを含み得る。いくつかの実施形態において、導波路ディスプレイは、表示光を生成するように構成される光源と、表示光をコリメートし、表示光を第１の反射ＶＢＧへ向けるように構成されるプロジェクタ光学系とをさらに含み得る。
別の態様において、本発明は、可視光を透過させる導波路と、導波路上の、および第１の屈折率変調によって特徴付けられる、第１のＶＢＧと、導波路上の、および異なるそれぞれの屈折率変調によって特徴付けられる複数の領域を含む、第２の反射ＶＢＧとを含み得る導波路ディスプレイを提供する。第１の反射ＶＢＧは、第１の波長範囲および第１のＦＯＶ範囲にある表示光を回折するように構成され得、その結果として、第１の波長範囲および第１のＦＯＶ範囲にある表示光は、導波路内を、全内部反射を通じて、第２の反射ＶＢＧの複数の領域まで伝播し得る。第２の反射ＶＢＧの複数の領域は、第１の波長範囲内の異なるそれぞれの波長範囲および第１のＦＯＶ範囲にある表示光を回折するように構成され得る。第１の反射ＶＢＧおよび第２の反射ＶＢＧは、導波路の面法線方向に垂直の平面において同じ格子ベクトルを有し得る。
導波路ディスプレイのいくつかの実施形態において、第１の屈折率変調、および第２の反射ＶＢＧの複数の領域の異なるそれぞれの屈折率変調のうちの少なくとも１つは、回折効率飽和のための最小屈折率変調よりも大きくてもよい。いくつかの実施形態において、第２の反射ＶＢＧの複数の領域は、第１の波長範囲および第１のＦＯＶ範囲にある表示光が、第２の屈折率変調を有する複数の領域の第１の領域に到達した後に、第２の屈折率変調よりも大きい第３の屈折率変調を有する複数の領域の第２の領域に到達し得るように構成され得る。
いくつかの実施形態において、第１の反射ＶＢＧは、第１の波長範囲および第１のＦＯＶ範囲にある表示光を導波路内にカップリングするように構成され得、第２の反射ＶＢＧは、第１の波長範囲および第１のＦＯＶ範囲にある表示光を導波路からカップリングアウトするように構成され得、周囲環境からの可視光を透過させ得る。いくつかの実施形態において、導波路ディスプレイは、第３の格子および第４の格子も含み得る。第３の格子は、第１の反射格子からの第１の波長範囲および第１のＦＯＶ範囲にある表示光を第４の格子へ回折するように構成され得る。第４の格子は、第４の格子の２つ以上の領域における第１の波長範囲および第１のＦＯＶ範囲にある表示光を第２の反射ＶＢＧへ回折するように構成され得る。第３の格子および第４の格子は、導波路の面法線方向に垂直の平面において同じ格子ベクトルを有し得る。
本発明は、添付の特許請求の範囲に規定される。この発明の概要は、特許請求された主題の主要または必須の特徴を特定することを意図するものでも、特許請求された主題の範囲を決定するために孤立して使用されることを意図するものでもない。主題は、本開示の明細書全体の適切な部分、任意またはすべての図面、および各特許請求項への参照により理解されるものとする。前述したことは、他の特徴および例と併せて、以下に続く明細書、特許請求の範囲、および添付の図面において、以下により詳細に説明される。本明細書に説明される態様のいずれかにおける包含に好適であるとして論じられるいかなる特徴も、任意の組み合わせで他の態様のいずれかにおける包含にも好適であるということを理解されたい。
例証的な実施形態は、以下に続く図を参照して、以下に詳細に説明される。
特定の実施形態に従う、ニアアイディスプレイシステムを含む人工現実システム環境の例の簡略ブロック図である。 本明細書に開示される例のいくつかを実施するためのヘッドマウントディスプレイ（ＨＭＤ）デバイスの形態にあるニアアイディスプレイシステムの例の斜視図である。 本明細書に開示される例のいくつかを実施するための眼鏡の形態にあるニアアイディスプレイシステムの例の斜視図である。 ニアアイディスプレイシステム内の光学システムの例を例証する簡略図である。 特定の実施形態に従う、射出瞳拡大のための導波路ディスプレイを含む光学シースルー拡張現実システムの例を例証する図である。 特定の実施形態に従う、射出瞳拡大のための導波路ディスプレイを含む光学シースルー拡張現実システムの例を例証する図である。 反射体積ブラッグ格子（ＶＢＧ）の例のスペクトルバンド幅および透過性表面レリーフ格子（ＳＲＧ）の例のスペクトルバンド幅を例証する図である。 反射ＶＢＧの例の角度バンド幅および透過性ＳＲＧの例の角度バンド幅を例証する図である。 特定の実施形態に従う、射出瞳拡大のための導波路ディスプレイおよび表面レリーフ格子を含む光学シースルー拡張現実システムの例を例証する図である。 特定の実施形態に従う、二次元複製された射出瞳を含むアイボックスの例を例証する図である。 導波路ディスプレイにおける射出瞳拡大のための表面レリーフ格子の例によって回折された光の波動ベクトル、および複数の色のための射出瞳を例証する図である。 導波路ディスプレイにおける射出瞳拡大のための表面レリーフ格子の例による視野クリッピングを例証する図である。 特定の実施形態に従う、体積ブラッグ格子ベースの導波路ディスプレイの例を例証する図である。 図１０Ａに示される体積ブラッグ格子ベースの導波路ディスプレイの例の上面図である。 図１０Ａに示される体積ブラッグ格子ベースの導波路ディスプレイの例の側面図である。 特定の実施形態に従う、体積ブラッグ格子ベースの導波路ディスプレイの例における光分散を例証する図である。 体積ブラッグ格子（ＶＢＧ）の例を例証する図である。 図１２Ａに示される体積ブラッグ格子のためのブラッグ条件を例証する図である。 特定の実施形態に従う、射出瞳拡大および分散低減を伴う体積ブラッグ格子ベースの導波路ディスプレイの例の前面図である。 図１３Ａに示される体積ブラッグ格子ベースの導波路ディスプレイの例の側面図である。 特定の実施形態に従う、反射体積ブラッグ格子ベースの導波路ディスプレイにおける異なる視野からの光の伝播を例証する図である。 特定の実施形態に従う、透過体積ブラッグ格子ベースの導波路ディスプレイにおける異なる視野からの光の伝播を例証する図である。 特定の実施形態に従う、射出瞳拡大および分散低減を伴う反射体積ブラッグ格子ベースの導波路ディスプレイの例を例証する図である。 特定の実施形態に従う、射出瞳拡大および形状因子低減を伴う透過体積ブラッグ格子ベースの導波路ディスプレイの例を例証する図である。 特定の実施形態に従う、導波路ディスプレイにおける透過体積ブラッグ格子の例を例証する図である。 導波路ディスプレイにおける透過ＶＢＧの例を例証する図であり、反射ＶＢＧによって回折された光が、完全には反射されず導波路内で導かれない。 特定の実施形態に従う、導波路ディスプレイにおける反射体積ブラッグ格子の例を例証する図である。 導波路ディスプレイにおける反射ＶＢＧの例を例証する図であり、透過ＶＢＧによって回折された光が、完全には反射されず導波路内で導かれない。 特定の実施形態に従う、導波路ディスプレイにおける反射体積ブラッグ格子の例による光分散を例証する図である。 特定の実施形態に従う、導波路ディスプレイにおける透過体積ブラッグ格子の例による光分散を例証する図である。 特定の実施形態に従う、射出瞳拡大および分散低減を伴う体積ブラッグ格子ベースの導波路ディスプレイの例の前面図である。 特定の実施形態に従う、画像プロジェクタおよび複数のポリマー層を含む体積ブラッグ格子ベースの導波路ディスプレイの例の側面図である。 特定の実施形態に従う、射出瞳拡大、分散低減、形状因子低減、および電力効率向上を伴う体積ブラッグ格子ベースの導波路ディスプレイの別の例を例証する図である。 図２０Ａに示される体積ブラッグ格子ベースの導波路ディスプレイのアイボックスにおける複製された射出瞳の例を例証する図である。 特定の実施形態に従う、射出瞳拡大、分散低減、および形状因子低減を伴う体積ブラッグ格子ベースの導波路ディスプレイの例を例証する図である。 特定の実施形態に従う、射出瞳拡大、分散低減、形状因子低減、および効率向上を伴う体積ブラッグ格子ベースの導波路ディスプレイの例を例証する図である。 特定の実施形態に従う、２つの画像プロジェクタを含む体積ブラッグ格子ベースの導波路ディスプレイの例の前面図である。 特定の実施形態に従う、２つの画像プロジェクタを含む体積ブラッグ格子ベースの導波路ディスプレイの例の側面図である。 特定の実施形態に従う、単一の画像プロジェクタおよび視野貼り合わせのための格子を含む体積ブラッグ格子ベースの導波路ディスプレイの例の前面図である。 特定の実施形態に従う、単一の画像プロジェクタおよび視野貼り合わせのための格子を伴う体積ブラッグ格子ベースの導波路ディスプレイの例の側面図である。 特定の実施形態に従う、異なる視野および／または光波長のための複数の格子層を含む体積ブラッグ格子ベースの導波路ディスプレイの例を例証する図である。 特定の実施形態に従う、体積ブラッグ格子ベースの導波路ディスプレイの例における複数の格子の視野を例証する図である。 体積ブラッグ格子の例による、異なる対応する視野からの異なる色の光の回折を例証する図である。 体積ブラッグ格子の格子周期と異なる色の入射光のための対応する視野との関係を例証する図である。 同じ厚さだが異なる屈折率変調を有する透過体積ブラッグ格子の例の回折効率を例証する図である。 同じ厚さだが異なる屈折率変調を有する反射体積ブラッグ格子の例の回折効率を例証する図である。 ブラッグ条件からの入射角の偏差の関数としての第１の屈折率変調を伴う透過体積ブラッグ格子の例の回折効率を例証する図である。 ブラッグ条件からの入射角の偏差の関数としての第２の屈折率変調を伴う透過体積ブラッグ格子の例の回折効率を例証する図である。 ブラッグ条件からの入射角の偏差の関数としての第３の屈折率変調を伴う透過体積ブラッグ格子の例の回折効率を例証する図である。 ブラッグ条件からの入射角の偏差の関数としての第４の屈折率変調を伴う透過体積ブラッグ格子の例の回折効率を例証する図である。 ブラッグ条件からの入射角の偏差の関数としての第１の屈折率変調を伴う反射体積ブラッグ格子の例の回折効率を例証する図である。 ブラッグ条件からの入射角の偏差の関数としての第２の屈折率変調を伴う反射体積ブラッグ格子の例の回折効率を例証する図である。 ブラッグ条件からの入射角の偏差の関数としての第３の屈折率変調を伴う反射体積ブラッグ格子の例の回折効率を例証する図である。 ブラッグ条件からの入射角の偏差の関数としての第４の屈折率変調を伴う反射体積ブラッグ格子の例の回折効率を例証する図である。 異なる視野からの青色光について第１の屈折率変調を伴う透過ＶＢＧの例の回折効率を例証する図である。 異なる視野からの緑色光について第１の屈折率変調を伴う透過ＶＢＧの例の回折効率を例証する図である。 異なる視野からの赤色光について第１の屈折率変調を伴う透過ＶＢＧの例の回折効率を例証する図である。 異なる視野からの青色光について第２の屈折率変調を伴う透過ＶＢＧの例の回折効率を例証する図である。 異なる視野からの緑色光について第２の屈折率変調を伴う透過ＶＢＧの例の回折効率を例証する図である。 異なる視野からの赤色光について第２の屈折率変調を伴う透過ＶＢＧの例の回折効率を例証する図である。 異なる視野からの青色光について第３の屈折率変調を伴う透過ＶＢＧの例の回折効率を例証する図である。 異なる視野からの緑色光について第３の屈折率変調を伴う透過ＶＢＧの例の回折効率を例証する図である。 異なる視野からの赤色光について第３の屈折率変調を伴う透過ＶＢＧの例の回折効率を例証する図である。 異なる色の光について回折飽和を達成するために異なる格子周期を有する透過体積ブラッグ格子の最小屈折率変調を例証する図である。 青、緑、および赤色光について屈折率変調飽和を回避するために異なる格子周期を有する透過格子の最大屈折率変調を示す図である。 特定の実施形態に従う、最適化された回折効率および均一性のための異なるピッチおよび屈折率変調の多重化ＶＢＧを含む格子層の例を例証する図である。 多重化体積ブラッグ格子の例によって引き起こされたＦＯＶクロストークを例証する図である。 体積ブラッグ格子の格子周期と異なる色の入射光のための対応する視野との関係を例証する図である。 異なる視野についての透過体積ブラッグ格子および反射体積ブラッグ格子のブラッグピークの線幅を例証する図である。 異なる視野についての透過体積ブラッグ格子のブラッグピークの例を例証する図である。 異なる視野についての反射体積ブラッグ格子のブラッグピークの例を例証する図である。 多重化体積ブラッグ格子の例におけるクロストークと効率との間のトレードオフを例証する図である。 多重化体積ブラッグ格子の例におけるクロストークと効率との間のトレードオフを例証する図である。 多重化透過体積ブラッグ格子における最小回折効率と合計屈折率変調と対応するクロストークとの関係を例証する図である。 多重化反射体積ブラッグ格子における最小回折効率と合計屈折率変調と対応するクロストークとの関係を例証する図である。 特定の実施形態に従う、異なる屈折率変調を有する空間多重化反射体積ブラッグ格子を含む導波路ディスプレイの例を例証する図である。 特定の実施形態に従う、２つの多重化体積ブラッグ格子および２つの多重化体積ブラッグ格子間の偏光変換器を含む導波路ディスプレイの例を例証する図である。 特定の実施形態に従う、反射防止層および角度選択的な透過層を含む導波路ディスプレイの例を例証する図である。 特定の実施形態に従う、ニアアイディスプレイの例における電子システムの例の簡略ブロック図である。
図は、例証の目的のためだけに、本発明の実施形態を描写する。当業者は、以下の説明から、例証された構造および方法の代替の実施形態が、本発明の、原則、または、うたわれた利益から逸脱することなく採用され得ることを理解するものとする。
添付の図において、同様の構成要素および／または特徴は、同じ参照ラベルを有し得る。さらに、同じタイプの様々な構成要素は、参照ラベルにダッシュ記号を続けることによって、および同様の構成要素同士を区別する第２のラベルによって区別され得る。第１の参照ラベルのみが明細書において使用される場合、その説明は、第２の参照ラベルにかかわらず、同じ第１の参照ラベルを有する同様の構成要素のうちの任意の１つに適用可能である。
本発明は、概して、ニアアイディスプレイシステムのための体積ブラッグ格子（ＶＢＧ）ベースの導波路ディスプレイに関する。ニアアイディスプレイシステムにおいては、概して、アイボックスを拡大すること、表示ヘイズを低減すること、画像品質（例えば、解像度およびコントラスト）を向上すること、物理的サイズを低減すること、電力効率を増大すること、および視野を増大することが望ましい。導波路ベースのニアアイディスプレイシステムにおいて、投射画像の光は、導波路（例えば、透明基板）内にカップリングされ、導波路内を伝播し、射出瞳を複製しアイボックスを拡大するために異なる場所で導波路からカップリングアウトされ得る。２つ以上の格子が、射出瞳を２つの次元において拡大するために使用され得る。拡張現実応用のための導波路ベースのニアアイディスプレイシステムにおいて、周囲環境からの光は、導波路ディスプレイの少なくともシースルー領域（例えば、透明基板）を通過し、ユーザの目に到達し得る。いくつかの実装形態において、投射画像の光は、格子などの回折光学素子を使用して、導波路内にカップリングされ得るか、または導波路からカップリングアウトされ得る。
回折光学素子を使用して実装される光学カプラは、格子効率の角度依存に起因して、限られた視野を有し得る。したがって、複数の入射角からの（例えば、異なる視野からの）カプラへの光入射は、等価または同様の効率で回折されない場合がある。加えて、回折光学素子を使用して実装されるカプラは、異なる色の光の間で分散を引き起こし得、異なる色の光では異なる回折角度を有し得る。したがって、カラー画像内の異なる光成分は、互いと重複しない場合がある。故に、表示された画像の品質（例えば、色再現中立性）が低減され得る。さらには、異なる色の光のための視野は、導波路ディスプレイによって導かれ得る光の、光分散および波動ベクトルの限られた範囲に起因して、低減され得るか、または部分的にクリッピングされ得る。分散を低減し、視野（ＦＯＶ）範囲および回折効率を向上するために、異なる色成分のための異なる視野をカバーするために多くの多重化格子を含む厚い透過および／または反射ＶＢＧ格子が使用され得、これは、多くの場合は非実用的であり得、ならびに／または格子の厚さおよび多重化ＶＢＧ格子を記録するための大量の露光に起因して、著しい表示およびシースルーヘイズを引き起こし得る。例えば、いくつかの場合においては、１ｍｍよりも大きい厚さを有する透過ＶＢＧ格子が、分散を低減し、所望のＦＯＶ範囲および回折効率を達成するために必要とされ得る。比較的より小さい厚さを有する反射ＶＢＧ格子が、所望の性能を達成するために使用されてもよい。しかしながら、反射格子では、二次元瞳拡大のための格子は、重複しない場合があり、故に、導波路ディスプレイの物理的サイズは大きくなり得、表示ヘイズは、依然として著しくなり得る。
特定の実施形態によると、一致する格子ベクトルを伴う（例えば、透明基板の面法線方向に垂直の平面において同じ格子ベクトルを有する）２つのＶＢＧ格子（または同じ格子の２つの部分）が、表示光を回折し、射出瞳を１つの次元において拡大するために使用され得る。２つのＶＢＧ格子は、２つのＶＢＧ格子における反対のブラッグ条件（例えば、＋１次および－１次回折）に起因して、互いによって引き起こされる表示光の分散を補償して、分散全体を低減し得る。したがって、薄いＶＢＧ格子が使用され得、所望の解像度を依然として達成し得る。分散補償が理由で、薄い透過ＶＢＧ格子が、所望の解像度を達成するために使用され得、二次元瞳拡大のための格子は、導波路ディスプレイの物理的サイズを低減するために少なくとも部分的に重複し得る。
いくつかの実施形態において、所望のＦＯＶ、カップリング効率、および全ＦＯＶおよび色スペクトルにわたるカップリング効率均一性を達成するため、多重化ＶＢＧを含む複数のＶＢＧ層が、１つまたは複数の導波路プレートに形成され得る。各ＶＢＧ層は、比較的高い効率で特定のＦＯＶおよび／または色範囲内の光をカップリングするために使用され得、複数のＶＢＧ層の組み合わせが、比較的高くかつ均一なカップリング効率で所望のＦＯＶおよび色範囲の完全なカバレッジを提供し得る。
いくつかの実施形態において、第１のＶＢＧ格子の対（または格子の２つの部分）は、射出瞳を１つの次元において拡大し、互いによって引き起こされる分散を補償するために使用され得、第２のＶＢＧ格子の対（または格子の２つの部分）は、射出瞳を別の次元において拡大するために使用され得、互いによって引き起こされる分散を補償し得る。故に、射出瞳は、２つの次元において複製され得、表示画像の解像度は、両方の次元において高くなり得る。
特定の実施形態によると、格子の第１の対および／または第２の対は各々、多重化反射体積ブラッグ格子を含み得る。多重化反射ＶＢＧは、高い回折効率、および多重化反射ＶＢＧ内の反射ＶＢＧ間の低いクロストークを有し得る反射ＶＢＧを含み得る。いくつかの実施形態において、反射ＶＢＧは、回折効率飽和のための最小屈折率変調よりも大きい屈折率変調を有し得、故に、高い回折効率ならびに幅広の半値半幅（ＦＷＨＭ）波長範囲および／またはＦＷＨＭ角度範囲を有し得る。そのようなものとして、より少ない反射ＶＢＧが、導波路ディスプレイの効率および性能を向上させるため、光源の波長範囲および全ＦＯＶをカバーするために使用され得る。
いくつかの実施形態において、格子の第１の対および／または格子の第２の対の各々は、第１の屈折率変調によって特徴付けられる第１の反射ＶＢＧ、および異なるそれぞれの屈折率変調によって特徴付けられる複数の領域を含む第２の反射ＶＢＧを含み得る。第１の反射ＶＢＧは、第１の波長範囲（および／または第１のＦＯＶ範囲）にある表示光を回折するように構成され得、その結果として、第１の波長範囲（および／または第１のＦＯＶ範囲）にある表示光は、導波路内を、全内部反射を通じて、第２の反射ＶＢＧの複数の領域まで伝播し得る。第２の反射ＶＢＧの複数の領域は、異なるそれぞれの屈折率変調に起因して、第１の波長範囲（および／または第１のＦＯＶ範囲）内の異なるそれぞれの波長（および／またはＦＯＶ）範囲にある表示光を回折するように構成され得る。第１の反射ＶＢＧおよび第２の反射ＶＢＧは、分散を低減するために導波路の面法線方向に垂直の平面において同じ格子ベクトルを有し得る。第１の屈折率変調、および第２の反射ＶＢＧの複数の領域の異なるそれぞれの屈折率変調のうちの少なくとも１つは、回折効率飽和のための最小屈折率変調よりも大きくてもよい。第２の反射ＶＢＧの複数の領域は、第１の波長範囲（および／または第１のＦＯＶ範囲）にある表示光が、複数の領域におけるより低い屈折率変調を有する第１の領域に到達した後に、複数の領域におけるより高い屈折率変調を有する第２の領域に到達するように、配置され得る。このやり方では、第１の波長範囲（および／または第１のＦＯＶ）のより狭い部分にある表示光は、第１の領域によって回折され得、第１の波長範囲（および／または第１のＦＯＶ）にあるがより狭い部分の外側にある表示光は、第２の領域によって回折され得る。
以下の説明において、デバイス、システム、方法などを含む様々な発明の実施形態が説明される。説明の目的のため、特定の詳細事項は、本発明の例の完全な理解を提供するために明記される。しかしながら、様々な例が、これらの特定の詳細事項なしに実践され得ることは明白である。例えば、デバイス、システム、構造体、アセンブリ、方法、および他の構成要素は、不必要な詳細事項において例を不明瞭にすることがないように、ブロック図の形態にある構成要素として示され得る。他の場合において、周知のデバイス、プロセス、システム、構造体、および技法は、例を不明瞭にすることを回避するために、必要な詳細事項なしに示され得る。図および説明は、制限的であることは意図されない。本開示において採用されている用語および表現は、制限ではなく説明の用語として使用され、そのような用語および表現の使用において、示され説明される特徴の任意の等価物またはそれらの部分を排除する意図はない。「例」という言葉は、「例、事例、または例証としての役割を果たす」ことを意味するために本明細書で使用される。「例」として本明細書に説明される任意の実施形態または設計は、必ずしも、他の実施形態または設計よりも、好ましい、または有利であると解釈されるべきではない。
図１は、特定の実施形態に従う、ニアアイディスプレイ１２０を含む人工現実システム環境１００の例の簡略ブロック図である。図１に示される人工現実システム環境１００は、ニアアイディスプレイ１２０、任意選択の外部撮像デバイス１５０、および任意選択の入力／出力インターフェース１４０を含み得、これらの各々が、任意選択のコンソール１１０に結合され得る。図１は、１つのニアアイディスプレイ１２０、１つの外部撮像デバイス１５０、および１つの入力／出力インターフェース１４０を含む人工現実システム環境１００の例を示すが、任意の数のこれらの構成要素が、人工現実システム環境１００に含まれてもよく、または構成要素のうちのいずれかが省略されてもよい。例えば、コンソール１１０と通信状態にある１つまたは複数の外部撮像デバイス１５０によって監視される複数のニアアイディスプレイ１２０が存在してもよい。いくつかの構成において、人工現実システム環境１００は、外部撮像デバイス１５０、任意選択の入力／出力インターフェース１４０、および任意選択のコンソール１１０を含まなくてもよい。代替の構成において、異なるまたは追加の構成要素が、人工現実システム環境１００に含まれてもよい。
ニアアイディスプレイ１２０は、ユーザにコンテンツを提示するヘッドマウントディスプレイであってもよい。ニアアイディスプレイ１２０によって提示されるコンテンツの例は、画像、動画、音声、またはそれらの任意の組み合わせのうちの１つまたは複数を含む。いくつかの実施形態において、音声は、ニアアイディスプレイ１２０、コンソール１１０、または両方から音声情報を受信し、この音声情報に基づいて音声データを提示する外部デバイス（例えば、スピーカおよび／またはヘッドフォン）を介して提示され得る。ニアアイディスプレイ１２０は、互いに剛結合または非剛結合され得る１つまたは複数の剛体を含み得る。剛体同士の剛結合は、結合した剛体を単一の剛実体として作用させ得る。剛体同士の非剛結合は、剛体が互いに対して移動することを可能にし得る。様々な実施形態において、ニアアイディスプレイ１２０は、眼鏡を含む、任意の好適な形状因子で実装され得る。ニアアイディスプレイ１２０のいくつかの実施形態は、図２および図３に関して以下にさらに説明される。加えて、様々な実施形態において、本明細書に説明される機能性は、ニアアイディスプレイ１２０の外部の環境の画像および人工現実コンテンツ（例えば、コンピュータ生成画像）を組み合わせるヘッドセットにおいて使用され得る。したがって、ニアアイディスプレイ１２０は、拡張現実をユーザに提示するために、生成されたコンテンツ（例えば、画像、動画、音など）を用いてニアアイディスプレイ１２０の外部の物理的な現実世界環境の画像を拡張し得る。
様々な実施形態において、ニアアイディスプレイ１２０は、ディスプレイ電子機器１２２、ディスプレイ光学系１２４、およびアイトラッキングユニット１３０のうちの１つまたは複数を含み得る。いくつかの実施形態において、ニアアイディスプレイ１２０はまた、１つまたは複数のロケータ１２６、１つまたは複数の位置センサ１２８、および慣性測定ユニット（ＩＭＵ）１３２を含み得る。ニアアイディスプレイ１２０は、アイトラッキングユニット１３０、ロケータ１２６、位置センサ１２８、およびＩＭＵ１３２のうちのいずれかを省略し得るか、または様々な実施形態において追加の要素を含み得る。加えて、いくつかの実施形態において、ニアアイディスプレイ１２０は、図１と併せて説明される様々な要素の機能を組み合わせた要素を含み得る。
ディスプレイ電子機器１２２は、例えば、コンソール１１０から受信されるデータに従って、ユーザに対して画像を表示し得るか、または画像の表示を促進し得る。様々な実施形態において、ディスプレイ電子機器１２２は、液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）、有機発光ダイオード（ＯＬＥＤ）ディスプレイ、無機発光ダイオード（ＩＬＥＤ）ディスプレイ、微小発光ダイオード（μＬＥＤ）ディスプレイ、アクティブマトリックスＯＬＥＤディスプレイ（ＡＭＯＬＥＤ）、透明ＯＬＥＤディスプレイ（ＴＯＬＥＤ）、または何らかの他のディスプレイなど、１つまたは複数の表示パネルを含み得る。例えば、ニアアイディスプレイ１２０の１つの実装形態において、ディスプレイ電子機器１２２は、前面ＴＯＬＥＤパネル、背面表示パネル、および前面表示パネルと背面表示パネルとの間の光学構成要素（例えば、減衰器、偏光子、または回折もしくは分光フィルム）を含み得る。ディスプレイ電子機器１２２は、赤、緑、青、白、または黄などの主色の光を放出するために画素を含み得る。いくつかの実装形態において、ディスプレイ電子機器１２２は、画像の奥行きの主観的知覚を作り出すために、二次元パネルによって生成される立体視効果を通じて三次元（３Ｄ）画像を表示し得る。例えば、ディスプレイ電子機器１２２は、ユーザの左目および右目の前にそれぞれ位置付けられる左ディスプレイおよび右ディスプレイを含み得る。左および右ディスプレイは、立体視効果（例えば、画像を見ているユーザによる画像の奥行きの知覚）を作り出すために、互いに対して水平にシフトされた画像のコピーを提示し得る。
特定の実施形態において、ディスプレイ光学系１２４は、画像コンテンツを（例えば、光導波路およびカプラを使用して）光学的に表示するか、またはディスプレイ電子機器１２２から受信される画像光を拡大し、画像光と関連付けられた光学誤差を補正し、補正した画像光をニアアイディスプレイ１２０のユーザに提示し得る。様々な実施形態において、ディスプレイ光学系１２４は、例えば、基板、光導波路、アパーチャ、フレネルレンズ、凸レンズ、凹レンズ、フィルタ、入力／出力カプラ、またはディスプレイ電子機器１２２から放出される画像光に影響を及ぼし得る任意の他の好適な光学素子など、１つまたは複数の光学素子を含み得る。ディスプレイ光学系１２４は、異なる光学素子の組み合わせ、ならびに組み合わせた光学素子の相対的な間隔および配向を維持するための機械的結合を含み得る。ディスプレイ光学系１２４内の１つまたは複数の光学素子は、反射防止コーティング、反射コーティング、フィルタリングコーティング、または異なる光学コーティングの組み合わせなど、光学コーティングを有し得る。
ディスプレイ光学系１２４による画像光の拡大は、ディスプレイ電子機器１２２が、物理的により小さくなること、重さが軽くなること、およびより大きいディスプレイよりも少ない電力を消費することを可能にし得る。加えて、拡大は、表示コンテンツの視野を増大させ得る。ディスプレイ光学系１２４による画像光の拡大の量は、光学素子を調節すること、追加すること、またはディスプレイ光学系１２４から除去することによって変更され得る。いくつかの実施形態において、ディスプレイ光学系１２４は、ニアアイディスプレイ１２０よりもユーザの目から離れたところにあり得る１つまたは複数の画像平面に表示画像を投射し得る。
ディスプレイ光学系１２４はまた、二次元光学誤差、三次元光学誤差、またはそれらの任意の組み合わせなど、１つまたは複数のタイプの光学誤差を補正するように設計され得る。二次元誤差は、２つの次元に発生する光学収差を含み得る。二次元誤差の例となるタイプは、たる形ひずみ、糸巻形ひずみ、軸上色収差、および倍率色収差を含み得る。三次元誤差は、３つの次元に発生する光学誤差を含み得る。三次元誤差の例となるタイプは、球面収差、コマ収差、像面湾曲、および非点収差を含み得る。
ロケータ１２６は、互いに対してニアアイディスプレイ１２０上の特定の位置に、およびニアアイディスプレイ１２０上の基準点に対して、位置する物体であり得る。いくつかの実装形態において、コンソール１１０は、人工現実ヘッドセットの位置、配向、または両方を決定するために、外部撮像デバイス１５０によって捕捉される画像内でロケータ１２６を特定し得る。ロケータ１２６は、ＬＥＤ、コーナーキューブリフレクタ、反射マーカ、ニアアイディスプレイ１２０が動作する環境と対照をなす光源のタイプ、またはそれらの任意の組み合わせであってもよい。ロケータ１２６がアクティブ構成要素（例えば、ＬＥＤまたは他のタイプの発光デバイス）である実施形態において、ロケータ１２６は、可視バンド（例えば、約３８０ｎｍ～７５０ｎｍ）、赤外（ＩＲ）バンド（例えば、約７５０ｎｍ～１ｍｍ）、紫外バンド（例えば、約１０ｎｍ～約３８０ｎｍ）、電磁スペクトルの別の部分、または電磁スペクトルの部分の任意の組み合わせで光を放出し得る。
外部撮像デバイス１５０は、１つもしくは複数のカメラ、１つもしくは複数のビデオカメラ、ロケータ１２６のうちの１つもしくは複数を含む画像を捕捉することができる任意の他のデバイス、またはそれらの任意の組み合わせを含み得る。加えて、外部撮像デバイス１５０は、１つまたは複数のフィルタを含み得る（例えば、信号対雑音比を増加させるため）。外部撮像デバイス１５０は、外部撮像デバイス１５０の視野内のロケータ１２６から放出または反射される光を検出するように構成され得る。ロケータ１２６がパッシブ素子（例えば、逆反射体）である実施形態において、外部撮像デバイス１５０は、ロケータ１２６のうちのいくつかまたはすべてを照明する光源を含み得、これらのロケータ１２６は、外部撮像デバイス１５０内の光源に光を再帰反射し得る。低速較正データが、外部撮像デバイス１５０からコンソール１１０へ通信され得、外部撮像デバイス１５０は、１つまたは複数の撮像パラメータ（例えば、焦点距離、焦点、フレームレート、センサ温度、シャッター速度、アパーチャなど）を調節するために、コンソール１１０から１つまたは複数の較正パラメータを受信し得る。
位置センサ１２８は、ニアアイディスプレイ１２０の動きに応答して１つまたは複数の測定信号を生成し得る。位置センサ１２８の例は、加速度計、ジャイロスコープ、磁力計、他の動き検出もしくは誤差補正センサ、またはそれらの任意の組み合わせを含み得る。例えば、いくつかの実施形態において、位置センサ１２８は、並進運動（例えば、前後、上下、または左右）を測定するための複数の加速度計、および回転運動（例えば、ピッチ、ヨー、またはロール）を測定するための複数のジャイロスコープを含み得る。いくつかの実施形態において、様々な位置センサは、互いに直交して配向され得る。
ＩＭＵ１３２は、位置センサ１２８のうちの１つまたは複数から受信される測定信号に基づいて高速較正データを生成する電子デバイスであってもよい。位置センサ１２８は、ＩＭＵ１３２の外部に、ＩＭＵ１３２の内部に、またはそれらの任意の組み合わせで、位置し得る。１つまたは複数の位置センサ１２８からの１つまたは複数の測定信号に基づいて、ＩＭＵ１３２は、ニアアイディスプレイ１２０の初期位置に対するニアアイディスプレイ１２０の推定位置を示す高速較正データを生成し得る。例えば、ＩＭＵ１３２は、速度ベクトルを推定するために加速度計から経時的に受信される測定信号を統合し、ニアアイディスプレイ１２０上の基準点の推定位置を決定するために速度ベクトルを経時的に統合し得る。代替的に、ＩＭＵ１３２は、高速較正データを決定し得るコンソール１１０にサンプリングされた測定信号を提供し得る。基準点は、一般的に、空間内の点として規定され得るが、様々な実施形態において、基準点はまた、ニアアイディスプレイ１２０内の点（例えば、ＩＭＵ１３２の中心）として規定され得る。
アイトラッキングユニット１３０は、１つまたは複数のアイトラッキングシステムを含み得る。アイトラッキングは、ニアアイディスプレイ１２０に対する、目の配向および場所を含む目の位置を決定することを指し得る。アイトラッキングシステムは、１つまたは複数の目を撮像するために撮像システムを含み得、任意選択的に、目によって反射される光が撮像システムによって捕捉され得るように目に向けられる光を生成し得る発光体を含み得る。例えば、アイトラッキングユニット１３０は、可視スペクトルまたは赤外スペクトルで光を放出する非コヒーレント光源またはコヒーレント光源（例えば、レーザダイオード）、およびユーザの目によって反射される光を捕捉するカメラを含み得る。別の例として、アイトラッキングユニット１３０は、小型レーダーユニットによって放出された反射電波を捕捉し得る。アイトラッキングユニット１３０は、目を傷つけない、または身体的な不快感を引き起こさない周波数および強度で光を放出する低出力発光体を使用し得る。アイトラッキングユニット１３０は、アイトラッキングユニット１３０によって消費される電力全体を低減（例えば、アイトラッキングユニット１３０に含まれる発光体および撮像システムによって消費される電力を低減）しながら、アイトラッキングユニット１３０によって捕捉された目の画像におけるコントラストを増大させるように配置され得る。例えば、いくつかの実装形態において、アイトラッキングユニット１３０は、１００ミリワット未満の電力を消費し得る。
ニアアイディスプレイ１２０は、例えば、ユーザの瞳間距離（ＩＰＤ）を決定するため、視線方向を決定するため、奥行きの手がかりを導入するため（例えば、ユーザの主な視線の外側のぶれ画像）、ＶＲメディア内のユーザインタラクションに関するヒューリスティックスを収集するため（例えば、露光刺激の関数としての任意の特定の対象、物体、またはフレームに費やした時間）、ユーザの目の少なくとも一方の配向に部分的に基づくいくつかの他の機能、またはそれらの任意の組み合わせのために、目の配向を使用し得る。配向がユーザの両目に対して決定され得ることから、アイトラッキングユニット１３０は、ユーザがどこを見ているのかを決定することが可能であり得る。例えば、ユーザの視線の方向を決定することは、ユーザの左目および右目の決定された配向に基づいて収束点を決定することを含み得る。収束点は、ユーザの目の２つの中心窩軸が交差する点であり得る。ユーザの視線の方向は、収束点およびユーザの目の瞳の間の中点を通過する線の方向であり得る。
入力／出力インターフェース１４０は、ユーザがコンソール１１０にアクション要求を送信することを可能にするデバイスであってもよい。アクション要求は、特定のアクションを実施するための要求であってもよい。例えば、アクション要求は、アプリケーションを開始すること、もしくは終了すること、またはアプリケーション内で特定のアクションを実施することであってもよい。入力／出力インターフェース１４０は、１つまたは複数の入力デバイスを含み得る。例となる入力デバイスは、キーボード、マウス、ゲームコントローラ、グローブ、ボタン、タッチスクリーン、または、アクション要求を受信し、受信したアクション要求をコンソール１１０に通信するための任意の他の好適なデバイスを含み得る。入力／出力インターフェース１４０によって受信されたアクション要求は、コンソール１１０に通信され得、このコンソール１１０が、要求されたアクションに対応するアクションを実施し得る。いくつかの実施形態において、入力／出力インターフェース１４０は、コンソール１１０から受信した命令に従ってユーザに触覚フィードバックを提供し得る。例えば、入力／出力インターフェース１４０は、アクション要求が受信されるとき、またはコンソール１１０が要求されたアクションをすでに実施しており、命令を入力／出力インターフェース１４０に通信するとき、触覚フィードバックを提供し得る。いくつかの実施形態において、外部撮像デバイス１５０は、コントローラ（例えば、ＩＲ光源を含み得る）またはユーザの手の場所または位置を追跡してユーザの動きを決定することなど、入力／出力インターフェース１４０を追跡するために使用され得る。いくつかの実施形態において、ニアアイディスプレイ１２０は、コントローラまたはユーザの手の場所または位置を追跡してユーザの動きを決定することなど、入力／出力インターフェース１４０を追跡するために１つまたは複数の撮像デバイスを含み得る。
コンソール１１０は、外部撮像デバイス１５０、ニアアイディスプレイ１２０、および入力／出力インターフェース１４０のうちの１つまたは複数から受信される情報に従ったユーザに対する提示のため、ニアアイディスプレイ１２０にコンテンツを提供し得る。図１に示される例において、コンソール１１０は、アプリケーションストア１１２、ヘッドセットトラッキングモジュール１１４、人工現実エンジン１１６、およびアイトラッキングモジュール１１８を含み得る。コンソール１１０のいくつかの実施形態は、図１と併せて説明されるものとは異なるモジュールまたは追加のモジュールを含み得る。以下にさらに説明される機能は、ここに説明されるものとは異なる様式で、コンソール１１０の構成要素に分散され得る。
いくつかの実施形態において、コンソール１１０は、プロセッサ、およびプロセッサによって実行可能な命令を記憶する非一時的なコンピュータ可読記憶媒体を含み得る。プロセッサは、命令を並行して実行する複数の処理ユニットを含み得る。非一時的なコンピュータ可読記憶媒体は、ハードディスクドライブ、リムーバブルメモリ、ソリッドステートドライブ（例えば、フラッシュメモリまたはダイナミックランダムアクセスメモリ（ＤＲＡＭ））など、任意のメモリであってもよい。様々な実施形態において、図１と併せて説明されるコンソール１１０のモジュールは、プロセッサによって実行されるとき、以下にさらに説明される機能をプロセッサに実施させる非一時的なコンピュータ可読記憶媒体内の命令として符号化され得る。
アプリケーションストア１１２は、コンソール１１０による実行のための１つまたは複数のアプリケーションを記憶し得る。アプリケーションは、プロセッサによって実行されるとき、ユーザに対する提示のためのコンテンツを生成する命令のグループを含み得る。アプリケーションによって生成されるコンテンツは、ユーザの目の運動を介してユーザから受信される入力、または入力／出力インターフェース１４０から受信される入力に応答したものであり得る。アプリケーションの例は、ゲーミングアプリケーション、会議アプリケーション、動画再生アプリケーション、または他の好適なアプリケーションを含み得る。
ヘッドセットトラッキングモジュール１１４は、外部撮像デバイス１５０からの低速較正情報を使用してニアアイディスプレイ１２０の運動を追跡し得る。例えば、ヘッドセットトラッキングモジュール１１４は、低速較正情報からの観察したロケータおよびニアアイディスプレイ１２０のモデルを使用してニアアイディスプレイ１２０の基準点の位置を決定し得る。ヘッドセットトラッキングモジュール１１４はまた、高速較正情報からの位置情報を使用してニアアイディスプレイ１２０の基準点の位置を決定し得る。加えて、いくつかの実施形態において、ヘッドセットトラッキングモジュール１１４は、ニアアイディスプレイ１２０の今後の場所を予測するために、高速較正情報、低速較正情報、またはそれらの任意の組み合わせの部分を使用し得る。ヘッドセットトラッキングモジュール１１４は、ニアアイディスプレイ１２０の推定または予測した今後の位置を人工現実エンジン１１６に提供し得る。
人工現実エンジン１１６は、人工現実システム環境１００内でアプリケーションを実行し、ニアアイディスプレイ１２０の位置情報、ニアアイディスプレイ１２０の加速度情報、ニアアイディスプレイ１２０の速度情報、ニアアイディスプレイ１２０の予測した今後の位置、またはそれらの任意の組み合わせをヘッドセットトラッキングモジュール１１４から受信し得る。人工現実エンジン１１６はまた、推測した目の位置および配向情報をアイトラッキングモジュール１１８から受信し得る。受信した情報に基づいて、人工現実エンジン１１６は、ユーザへの提示のためにニアアイディスプレイ１２０に提供するためのコンテンツを決定し得る。例えば、受信した情報が、ユーザが左を見たことを示す場合、人工現実エンジン１１６は、仮想環境におけるユーザの目の運動を左右逆にする、ニアアイディスプレイ１２０のためのコンテンツを生成し得る。加えて、人工現実エンジン１１６は、入力／出力インターフェース１４０から受信されるアクション要求に応答してコンソール１１０に対して実行するアプリケーション内のアクションを実施し、アクションが実施されたことを示すフィードバックをユーザに提供し得る。フィードバックは、ニアアイディスプレイ１２０を介した視覚もしくは可聴フィードバック、または入力／出力インターフェース１４０を介した触覚フィードバックであり得る。
アイトラッキングモジュール１１８は、アイトラッキングユニット１３０からアイトラッキングデータを受信し、アイトラッキングデータに基づいてユーザの目の位置を決定し得る。目の位置は、ニアアイディスプレイ１２０に対する目の配向、場所、もしくは両方、またはそれらの任意の組み合わせを含み得る。目の回転軸が眼窩内の目の場所の関数として変化することから、眼窩内の目の場所を決定することは、アイトラッキングモジュール１１８が目の配向をより正確に決定することを可能にし得る。
図２は、本明細書に開示される例のいくつかを実施するための、ＨＭＤデバイス２００の形態にあるニアアイディスプレイの例の斜視図である。ＨＭＤデバイス２００は、例えば、ＶＲシステム、ＡＲシステム、ＭＲシステム、またはそれらの任意の組み合わせ、の部分であってもよい。ＨＭＤデバイス２００は、本体部２２０およびヘッドストラップ２３０を含み得る。図２は、本体部２２０の下側２２３、前側２２５、および左側２２７を斜視図で示す。ヘッドストラップ２３０は、調節可能または伸長可能な長さを有し得る。ユーザがＨＭＤデバイス２００をユーザの頭に装着するのを可能にするため、ＨＭＤデバイス２００の本体部２２０とヘッドストラップ２３０との間には十分な空間が存在し得る。様々な実施形態において、ＨＭＤデバイス２００は、追加の、より少ない、または異なる構成要素を含み得る。例えば、いくつかの実施形態において、ＨＭＤデバイス２００は、ヘッドストラップ２３０ではなく、例えば、下の図３に示されるような、眼鏡テンプルおよびテンプル先端部を含み得る。
ＨＭＤデバイス２００は、コンピュータ生成要素と共に物理的な現実世界環境の仮想および／または拡張視点を含むメディアをユーザに提示し得る。ＨＭＤデバイス２００によって提示されるメディアの例は、画像（例えば、二次元（２Ｄ）または三次元（３Ｄ）画像）、動画（例えば、２Ｄまたは３Ｄ動画）、音声、またはそれらの任意の組み合わせを含み得る。画像および動画は、ＨＭＤデバイス２００の本体部２２０に収納された１つまたは複数のディスプレイアセンブリ（図２に示されない）によってユーザの各目に提示され得る。様々な実施形態において、１つまたは複数のディスプレイアセンブリは、単一の電子表示パネルまたは複数の電子表示パネル（例えば、ユーザの各目に１つの表示パネル）を含み得る。電子表示パネルの例は、例えば、ＬＣＤ、ＯＬＥＤディスプレイ、ＩＬＥＤディスプレイ、μＬＥＤディスプレイ、ＡＭＯＬＥＤ、ＴＯＬＥＤ、何らかの他のディスプレイ、またはそれらの任意の組み合わせを含み得る。ＨＭＤデバイス２００は、２つのアイボックス領域を含み得る。
いくつかの実装形態において、ＨＭＤデバイス２００は、奥行きセンサ、動きセンサ、位置センサ、およびアイトラッキングセンサなど、様々なセンサ（示されない）を含み得る。これらのセンサのうちのいくつかは、センシングのために構造化光パターンを使用し得る。いくつかの実装形態において、ＨＭＤデバイス２００は、コンソールとの通信のために入力／出力インターフェースを含み得る。いくつかの実装形態において、ＨＭＤデバイス２００は、ＨＭＤデバイス２００内でアプリケーションを実行し、ＨＭＤデバイス２００の、奥行き情報、位置情報、加速度情報、速度情報、予測した今後の位置、またはそれらの任意の組み合わせを様々なセンサから受信することができる仮想現実エンジン（示されない）を含み得る。いくつかの実装形態において、仮想現実エンジンによって受信される情報は、１つまたは複数のディスプレイアセンブリへの信号（例えば、表示命令）を生成するために使用され得る。いくつかの実装形態において、ＨＭＤデバイス２００は、互いに対して、および基準点に対して、本体部２２０上の固定位置に位置するロケータ（示されない、ロケータ１２６など）を含み得る。ロケータの各々は、外部撮像デバイスによって検出可能な光を放出し得る。
図３は、本明細書に開示される例のいくつかの実施するための眼鏡の形態にあるニアアイディスプレイ３００の例の斜視図である。ニアアイディスプレイ３００は、図１のニアアイディスプレイ１２０の特定の実装形態であり得、仮想現実ディスプレイ、拡張現実ディスプレイ、および／または複合現実ディスプレイとして動作するように構成され得る。ニアアイディスプレイ３００は、フレーム３０５およびディスプレイ３１０を含み得る。ディスプレイ３１０は、ユーザにコンテンツを提示するように構成され得る。いくつかの実施形態において、ディスプレイ３１０は、ディスプレイ電子機器および／またはディスプレイ光学系を含み得る。例えば、図１のニアアイディスプレイ１２０に関して上に説明されるように、ディスプレイ３１０は、ＬＣＤ表示パネル、ＬＥＤ表示パネル、または光学表示パネル（例えば、導波路ディスプレイアセンブリ）を含み得る。
ニアアイディスプレイ３００は、フレーム３０５上、またはフレーム３０５内に、様々なセンサ３５０ａ、３５０ｂ、３５０ｃ、３５０ｄ、および３５０ｅをさらに含み得る。いくつかの実施形態において、センサ３５０ａ～３５０ｅは、１つまたは複数の奥行きセンサ、動きセンサ、位置センサ、慣性センサ、または周囲光センサを含み得る。いくつかの実施形態において、センサ３５０ａ～３５０ｅは、異なる方向における異なる視野を表す画像データを生成するように構成される１つまたは複数の画像センサを含み得る。いくつかの実施形態において、センサ３５０ａ～３５０ｅは、ニアアイディスプレイ３００の表示コンテンツを制御する、もしくはこれに影響を及ぼすため、および／またはニアアイディスプレイ３００のユーザにインタラクティブなＶＲ／ＡＲ／ＭＲ体験を提供するために、入力デバイスとして使用され得る。いくつかの実施形態において、センサ３５０ａ～３５０ｅはまた、立体撮像のために使用され得る。
いくつかの実施形態において、ニアアイディスプレイ３００は、物理的環境内へ光を投射するために、１つまたは複数の照明器具３３０をさらに含み得る。投射光は、異なる周波数帯（例えば、可視光、赤外光、紫外光など）と関連付けられ得、様々な目的を果たし得る。例えば、照明器具３３０は、暗い環境（または低強度の赤外光、紫外光などを伴う環境）において光を投射して、暗い環境内で異なる物体の画像を捕捉することにおいてセンサ３５０ａ～３５０ｅを支援することができる。いくつかの実施形態において、照明器具３３０は、環境内の物体上に特定の光パターンを投射するために使用され得る。いくつかの実施形態において、照明器具３３０は、図１に関して上に説明されるロケータ１２６など、ロケータとして使用され得る。
いくつかの実施形態において、ニアアイディスプレイ３００はまた、高解像度カメラ３４０を含み得る。カメラ３４０は、視野内の物理的環境の画像を捕捉し得る。捕捉画像は、捕捉画像に仮想物体を追加する、または捕捉画像内の物理的物体を修正するために、例えば、仮想現実エンジン（例えば、図１の人工現実エンジン１１６）によって処理され得、処理画像は、ＡＲまたはＭＲアプリケーションのためのディスプレイ３１０によってユーザに表示され得る。
図４は、ニアアイディスプレイシステム４００内の光学システムの例を例証する簡略図である。光学システム４００は、画像源４１０およびプロジェクタ光学系４２０を含み得る。図４に示される例において、画像源４１０は、プロジェクタ光学系４２０の前にある。様々な実施形態において、画像源４１０は、ユーザの目４９０の視野の外側に位置し得る。例えば、１つまたは複数の反射体または方向性カプラが、ユーザの目４９０の視野の外側にある画像源からの光を偏向させて、この画像源が図４に示される画像源４１０の場所にあるように見せるために使用され得る。画像源４１０上のエリア（例えば、画素または発光デバイス）からの光は、プロジェクタ光学系４２０によって、コリメートされて射出瞳４３０へ向けられ得る。故に、画像源４１０上の異なる空間的位置にある物体は、異なる視野角（ＦＯＶ）においてユーザの目４９０から離れた物体であるように見え得る。異なる視野角からのコリメート光は、次いで、ユーザの目４９０の水晶体によってユーザの目４９０の網膜４９２の異なる場所へと集束され得る。例えば、光の少なくともいくつかの部分は、網膜４９２上で中心窩４９４に集束され得る。画像源４１０上のエリアからの、同じ方向からユーザの目４９０に入射するコリメート光線は、網膜４９２上の同じ場所へ集束され得る。そのようなものとして、画像源４１０の単一の画像が、網膜４９２上に形成され得る。
人工現実システムを使用するというユーザ体験は、視野（ＦＯＶ）、画像品質（例えば、角度分解能）、アイボックスのサイズ（目および頭の運動に適応するため）、およびアイボックス内の光の明るさ（またはコントラスト）を含む、光学システムのいくつかの特性に依存し得る。視野は、片目（単眼ＨＭＤの場合）または両目（双眼または両眼いずれかのＨＭＤの場合）によって観察されるような、通常、度の単位で測定される、ユーザが見る画像の角度範囲を説明する。人間視覚システムは、約２００°（水平）×１３０°（垂直）の合計両眼ＦＯＶを有し得る。完全没入型の視覚環境を作り出すには、大きいＦＯＶ（例えば、約６０°より大きい）は、画像を単に見ているのではなく、画像「の中にいる」という感覚を提供し得ることから、大きいＦＯＶが望ましい。視野が小さくなることも、いくつかの重要な視覚情報を妨げ得る。例えば、小さいＦＯＶを有するＨＭＤシステムは、ジェスチャインターフェースを使用し得るが、ユーザは、自分が正しい動きを使用していることを確信するために小さいＦＯＶ内で自分の手を見ることができない。その一方で、より広い視野は、より大きいディスプレイまたは光学システムを必要とし得、これは、ＨＭＤのサイズ、重量、費用、および使い心地に影響を及ぼし得る。
解像度は、ユーザの前に現れる表示された画素もしくは画像要素の角度サイズ、またはユーザがある画素および／もしくは他の画素によって画像化されるような物体を見て正しく解釈することができる能力を指し得る。ＨＭＤの解像度は、所与のＦＯＶ値についての画像源上の画素の数として指定され得、そこから角度分解能が、１つの方向におけるＦＯＶを画像源上の同じ方向にある画素の数で割ることによって決定され得る。例えば、４０°の水平ＦＯＶおよび画像源上の水平方向における１０８０画素の場合、対応する角度分解能は、Ｓｎｅｌｌｅｎ２０／２０ヒト視力と関連付けられた１分分解能と比較して、約２．２分であり得る。
場合によっては、アイボックスは、ユーザの目の前にある二次元ボックスであってもよく、この二次元ボックスから、画像源からの表示画像を見ることができる。ユーザの瞳がアイボックスの外側へ動く場合、表示画像は、ユーザによって見られない場合がある。例えば、非瞳成形構成においては、ＨＭＤ画像源の非ビネット視聴が中に存在することになる視聴アイボックスが存在しており、表示画像は、ビネットであり得るか、またはクリッピングされ得るが、ユーザの目の瞳が視聴アイボックスの外側にあるときに依然として可視であり得る。瞳成形構成において、画像は、射出瞳の外側では可視ではない場合がある。
最も高い分解能が網膜上で達成され得る人間の目の中心窩は、約２°～約３°のＦＯＶに対応し得る。これは、軸外の物体を最も高い解像度で見るために、目が回転することを必要とし得る。軸外の物体を見るための目の回転は、目が瞳の約１０ｍｍ後ろにある点の周りを回転することから、瞳の移動をもたらし得る。加えて、ユーザは常に、ユーザの目の瞳（例えば、約２．５ｍｍの半径を有する）をアイボックス内の理想の場所に正確に位置付けることができるわけではない。さらには、ＨＭＤが使用される環境は、例えば、ＨＭＤが動く車両において使用されるとき、またはユーザが歩いている間に使用されるように設計されるとき、ＨＭＤに対するユーザの目および／または頭の運動を可能にするためにアイボックスがより大きいことを必要とし得る。これらの状況における運動の量は、ＨＭＤがユーザの頭にどれくらいきちんと結合されるかに依存し得る。
故に、ＨＭＤの光学システムは、ＨＭＤに対するユーザの瞳の運動を受け入れるために、十分に大きい射出瞳またはフル解像度で全ＦＯＶを見るための視聴アイボックスを提供することを必要とし得る。例えば、瞳成形構成においては、１２ｍｍ～１５ｍｍの最小サイズが射出瞳に所望され得る。アイボックスが小さすぎる場合、目とＨＭＤとの小さなずれが、画像の少なくとも部分的損失を結果としてもたらし得、ユーザ体験は、実質的に損なわれ得る。一般に、アイボックスの横方向の広がりは、アイボックスの垂直の広がりよりも重要である。これは、ユーザ間の目の分離距離における著しい相違、ならびに、アイウェアのずれが横寸法においてより頻繁に発生する傾向があるということ、およびユーザが視線を上下に調節するよりも、自らの視線を左右に、より大きい振幅で、より頻繁に調節する傾向があるということに部分的に起因し得る。故に、アイボックスの横寸法を増加させることができる技法は、ＨＭＤを用いたユーザの体験を実質的に向上させ得る。その一方で、アイボックスが大きくなるほど、光学系はより大きくなり、ニアアイディスプレイデバイスはより重く、よりかさばることになり得る。
明るい背景に対して表示画像を見るためには、ＡＲ ＨＭＤの画像源は、十分に明るい必要があり得、光学システムは、表示画像が太陽光などの強い周囲光を含む背景において可視であり得るように、ユーザの目に明るい画像を提供するのに効率的である必要があり得る。ＨＭＤの光学システムは、アイボックス内に光を集中させるように設計され得る。アイボックスが大きいときは、高出力の画像源が、大きいアイボックス内で可視の明るい画像を提供するために使用され得る。故に、アイボックスのサイズ、費用、明るさ、光学複雑性、画像品質、ならびに光学システムのサイズおよび重量の間にはトレードオフが存在し得る。
図５は、特定の実施形態に従う、射出瞳拡大のための導波路ディスプレイを含む光学シースルー拡張現実システム５００の例を例証する。拡張現実システム５００は、プロジェクタ５１０およびコンバイナ５１５を含み得る。プロジェクタ５１０は、光源または画像源５１２およびプロジェクタ光学系５１４を含み得る。いくつかの実施形態において、光源または画像源５１２は、１つまたは複数のマイクロＬＥＤデバイスを含み得る。いくつかの実施形態において、画像源５１２は、ＬＣＤ表示パネルまたはＬＥＤ表示パネルなど、仮想物体を表示する複数の画素を含み得る。いくつかの実施形態において、画像源５１２は、コヒーレントまたは部分的にコヒーレントな光を生成する光源を含み得る。例えば、光源５１２は、レーザダイオード、垂直キャビティ面発光レーザ、ＬＥＤ、スーパールミネッセントＬＥＤ（ｓＬＥＤ）、および／または上に説明されるマイクロＬＥＤを含み得る。いくつかの実施形態において、画像源５１２は、各々が主色（例えば、赤、緑、または青）に対応する単色画像光を放出する複数の光源（例えば、上に説明されるＬＥＤのアレイ）を含み得る。いくつかの実施形態において、画像源５１２は、マイクロＬＥＤの３つの二次元アレイを含み得、マイクロＬＥＤの各二次元アレイが、主色（例えば、赤、緑、または青）の光を放出するように構成されるマイクロＬＥＤを含み得る。いくつかの実施形態において、画像源５１２は、空間光変調器などの光学パターン生成器を含み得る。プロジェクタ光学系５１４は、画像源５１２からの光を拡大すること、コリメートすること、スキャンすること、またはコンバイナ５１５に投射することなど、画像源５１２からの光を調整することができる１つまたは複数の光学構成要素を含み得る。１つまたは複数の光学構成要素は、例えば、１つまたは複数のレンズ、液体レンズ、ミラー、遊離型光学系、アパーチャ、および／または格子を含み得る。例えば、いくつかの実施形態において、画像源５１２は、マイクロＬＥＤの１つまたは複数の一次元アレイまたは細長の二次元アレイを含み得、プロジェクタ光学系５１４は、画像フレームを生成するためにマイクロＬＥＤの一次元アレイまたは細長の二次元アレイをスキャンするように構成される１つまたは複数の一次元スキャナ（例えば、マイクロミラーまたはプリズム）を含み得る。いくつかの実施形態において、プロジェクタ光学系５１４は、画像源５１２からの光をスキャンするのを可能にする複数の電極を有する液体レンズ（例えば、液晶レンズ）を含み得る。
コンバイナ５１５は、プロジェクタ５１０からの光をコンバイナ５１５の基板５２０内にカップリングするための入力カプラ５３０を含み得る。入力カプラ５３０は、体積ホログラフィック格子または別の回折光学素子（ＤＯＥ）（例えば、表面レリーフ格子（ＳＲＧ））、基板５２０の傾斜した反射面、または屈折カプラ（例えば、ウェッジまたはプリズム）を含み得る。例えば、入力カプラ５３０は、反射体積ブラッグ格子または透過体積ブラッグ格子を含み得る。入力カプラ５３０は、可視光の場合、３０％、５０％、７５％、９０％、またはそれ以上のカップリング効率を有し得る。基板５２０内にカップリングされた光は、例えば、全内部反射（ＴＩＲ）を通じて、基板５２０内を伝播し得る。基板５２０は、眼鏡のレンズの形態にあってもよい。基板５２０は、平坦または湾曲表面を有し得、ガラス、クォーツ、プラスチック、ポリマー、ポリ（メチルメタクリレート）（ＰＭＭＡ）、水晶、セラミック、または同様のものなど、１つまたは複数のタイプの誘電材料を含み得る。基板の厚さは、例えば、約１ｍｍ未満～約１０ｍｍ以上の範囲に及び得る。基板５２０は、可視光を透過させ得る。
基板５２０は、複数の出力カプラ５４０を含み得るか、またはこれに結合され得、各々が、基板５２０によって導かれ、かつ基板５２０内を伝播する光の少なくとも一部分を基板５２０から抽出し、抽出した光５６０を、拡張現実システム５００が使用中であるときに拡張現実システム５００のユーザの目５９０が位置し得るアイボックス５９５に向けるように構成される。複数の出力カプラ５４０は、表示画像がより大きいエリアにおいて可視であり得るように、アイボックス５９５のサイズを増大させるために射出瞳を複製し得る。入力カプラ５３０のように、出力カプラ５４０は、格子カプラ（例えば、体積ホログラフィック格子または表面レリーフ格子）、他の回折光学素子（ＤＯＥ）、プリズムなどを含み得る。例えば、出力カプラ５４０は、反射体積ブラッグ格子または透過体積ブラッグ格子を含み得る。出力カプラ５４０は、異なる場所では異なるカップリング（例えば、回折）効率を有し得る。基板５２０はまた、コンバイナ５１５の前の環境からの光５５０がほとんど損失なしに通過することを可能にする。出力カプラ５４０はまた、光５５０がわずかな損失で通過することを可能にし得る。例えば、いくつかの実装形態において、出力カプラ５４０は、光５５０が屈折され得るか、または別途わずかな損失で出力カプラ５４０を通過し得るように、光５５０の非常に低い回折効率を有し得、故に、抽出した光５６０よりも高い強度を有し得る。いくつかの実装形態において、出力カプラ５４０は、光５５０の高い回折効率を有し得、光５５０をわずかな損失で特定の所望の方向（すなわち、回折角度）に回折し得る。その結果として、ユーザは、コンバイナ５１５の前の環境の画像とプロジェクタ５１０によって投射された仮想物体の画像とを組み合わせたものを見ることができてもよい。いくつかの実装形態において、出力カプラ５４０は、光５５０の高い回折効率を有し得、光５５０をわずかな損失で特定の所望の方向（例えば、回折角度）に回折し得る。
いくつかの実施形態において、プロジェクタ５１０、入力カプラ５３０、および出力カプラ５４０は、基板５２０の任意の側面にあってもよい。入力カプラ５３０および出力カプラ５４０は、表示光を基板５２０内にカップリングする、または基板５２０からカップリングアウトするために、反射性格子（反射格子とも称される）または透過性格子（透過格子とも称される）であってもよい。
図６は、特定の実施形態に従う、射出瞳拡大のための導波路ディスプレイを含む光学シースルー拡張現実システム６００の例を例証する。拡張現実システム６００は、拡張現実システム５００と同様であってもよく、導波路ディスプレイ、ならびに光源または画像源６１２およびプロジェクタ光学系６１４を含み得るプロジェクタを含み得る。導波路ディスプレイは、拡張現実システム５００に関して上に説明されるように、基板６３０、入力カプラ６４０、および複数の出力カプラ６５０を含み得る。図５は、単一の視野からの光の伝播のみを示すが、図６は、複数の視野からの光の伝播を示す。
図６は、射出瞳が出力カプラ６５０によって複製されて、集合した射出瞳またはアイボックスを形成することを示し、異なる視野（例えば、画像源６１２上の異なる画素）は、アイボックスへ向かう異なるそれぞれの伝播方向と関連付けられ得、同じ視野（例えば、画像源６１２上の同じ画素）からの光は、異なる個々の射出瞳について同じ伝播方向を有し得る。故に、画像源６１２の単一の画像は、アイボックス内のどこにでも位置するユーザの目によって形成され得、異なる個々の射出瞳からの、同じ方向に伝播する光は、画像源６１２上の同じ画素からのものであり得、ユーザの目の網膜上の同じ場所へ集束され得る。図６は、ユーザの目がアイボックス内の異なる場所へ動くとしても、画像源の画像がユーザの目によって見ることができることを示す。
多くの導波路ベースのニアアイディスプレイシステムにおいて、導波路ベースのニアアイディスプレイのアイボックスを２つの次元において拡大するため、２つ以上の出力格子が、表示光を２つの次元において、または２つの軸に沿って拡大する（二軸瞳拡大と称され得る）ために使用され得る。２つの格子は、一方の格子が１つの方向において射出瞳を複製するために使用され得、他方の格子が別の方向において射出瞳を複製するために使用され得るように、異なる格子パラメータを有し得る。
上に説明されるように、上に説明される入力および出力格子カプラは、非常に異なるＫｌｅｉｎ－ＣｏｏｋパラメータＱ：
Figure 2022544637000002
を有し得る体積ホログラフィック格子または表面レリーフ格子であってもよく、式中、ｄは、格子の厚さであり、λは、自由空間内の入射光の波長であり、Λは、格子周期であり、ｎは、記録媒体の屈折率である。Ｋｌｅｉｎ－ＣｏｏｋパラメータＱは、格子による光回折を３つのレジームに分割し得る。格子がＱ＜＜１によって特徴付けられるとき、格子による光回折は、Ｒａｍａｎ－Ｎａｔｈ回折と称され得、複数の回折次数が、垂直および／または斜入射光の場合に発生し得る。格子がＱ＞＞１（例えば、Ｑ≧１０）によって特徴付けられるとき、格子による光回折は、ブラッグ回折と称され得、一般的にはゼロ次および±１回折次数が、ブラッグ条件を満足する角度で格子に入射する光の場合に発生し得る。格子がＱ≒１によって特徴付けられるとき、格子による回折は、Ｒａｍａｎ－Ｎａｔｈ回折とブラッグ回折との間であり得る。ブラッグ条件を満たすため、格子の厚さｄは、媒体の体積を占有するために（表面においてではなく）特定の値よりも高くてもよく、故に、体積ブラッグ格子と称され得る。ＶＢＧは、一般的に、比較的小さい屈折率変調（例えば、Δｎ≦０．０５）ならびに高いスペクトルおよび角度選択性を有し得る一方、表面レリーフ格子は、一般的に、大きい屈折率変調（例えば、Δｎ≧０．５）ならびに幅広のスペクトルおよび角度バンド幅を有し得る。
図７Ａは、体積ブラッグ格子（例えば、反射ＶＢＧ）の例のスペクトルバンド幅、および表面レリーフ格子（例えば、透過性ＳＲＧ）の例のスペクトルバンド幅を例証する。水平軸は、入射可視光の波長を表し、垂直軸は、回折効率に対応する。曲線７１０によって示されるように、反射ＶＢＧの回折効率は、緑色光などの狭い波長範囲において高い。対照的に、透過性ＳＲＧの回折効率は、曲線７２０によって示されるように、青色～赤色光などの非常に幅広の波長範囲において高くなり得る。
図７Ｂは、体積ブラッグ格子（例えば、反射ＶＢＧ）の例の角度バンド幅、および表面レリーフ格子（例えば、透過性ＳＲＧ）の例の角度バンド幅を例証する。水平軸は、格子に入射する可視光の入射角を表し、垂直軸は、回折効率に対応する。曲線７１５によって示されるように、反射ＶＢＧの回折効率は、完璧なブラッグ条件から約±２．５°など、狭い角度範囲から格子に入射する光では高い。対照的に、透過性ＳＲＧの回折効率は、曲線７２５によって示されるように、約±１０°超またはそれより幅広いなど、非常に幅広い角度範囲において高い。
ブラッグ条件における高いスペクトル選択性に起因して、反射ＶＢＧなどのＶＢＧは、主色間のクロストークなしの単一導波路設計を可能にし得、また優れたシースルー品質を呈し得る。しかしながら、スペクトルおよび角度選択性は、全ＦＯＶ内の表示光の一部分のみが回折されてユーザの目に到達し得ることから、より低い効率をもたらし得る。
図８Ａは、特定の実施形態に従う、射出瞳拡大のための導波路ディスプレイ８００および表面レリーフ格子を含む光学シースルー拡張現実システムの例を例証する。導波路ディスプレイ８００は、基板５２０と同様であり得る基板８１０（例えば、導波路）を含み得る。基板８１０は、可視光を透過させ得、例えば、ガラス、クォーツ、プラスチック、ポリマー、ＰＭＭＡ、セラミック、水晶基板を含み得る。基板８１０は、平坦な基板または湾曲した基板であってもよい。基板８１０は、第１の表面８１２および第２の表面８１４を含み得る。表示光は、入力カプラ８２０によって基板８１０内にカップリングされ得、また表示光が基板８１０内で伝播し得るように、全内部反射を通じて第１の表面８１２および第２の表面８１４によって反射され得る。上に説明されるように、入力カプラ８２０は、格子、屈折カプラ（例えば、ウェッジまたはプリズム）、または反射カプラ（例えば、基板８１０に対して傾斜角を有する反射面）を含み得る。例えば、１つの実施形態において、入力カプラ８２０は、異なる色の表示光を同じ屈折角で基板８１０内にカップリングし得るプリズムを含み得る。別の例において、入力カプラ８２０は、異なる色の光を異なる方向で基板８１０内へ回折し得る格子カプラを含み得る。入力カプラ８２０は、可視光の場合、１０％、２０％、３０％、５０％、７５％、９０％、またはそれ以上のカップリング効率を有し得る。
導波路ディスプレイ８００は、アイボックス（または出力もしくは射出瞳）を表示光で満たすために、入射表示光ビームを２つの次元において拡大するための、基板８１０の１つまたは２つの表面（例えば、第１の表面８１２および第２の表面８１４）に位置付けられた第１の格子８３０および第２の格子８４０を含み得る。第１の格子８３０は、およそｘ方向など、１つの方向に沿って、表示光ビームの少なくとも一部分を拡大するように構成され得る。基板８１０内にカップリングされた表示光は、線８３２によって示される方向に伝播し得る。表示光は、線８３２によって示される方向に沿って基板８１０内を伝播するが、表示光の一部分は、基板８１０内を伝播する表示光が第１の格子８３０に到達する度に、線８３４によって示されるように、第１の格子８３０の一部分によって第２の格子８４０の方へ回折され得る。第２の格子８４０は、次いで、基板８１０内を伝播する表示光が第２の格子８４０に到達する度に表示光の一部分をアイボックスへ回折することによって、第１の格子８３０からの表示光を異なる方向に（例えば、およそｙ方向に）拡大し得る。第２の格子８４０において、出口領域８５０は、アイボックス内の１つの瞳の場所（例えば、アイボックスの中心）における全ＦＯＶのための表示光が導波路ディスプレイ８００からカップリングアウトされ得る領域を表す。
図８Ｂは、二次元複製された射出瞳を含むアイボックスの例を例証する。図８Ｂは、単一の入力瞳８０５が、個々の射出瞳８５２の二次元アレイを含む集合射出瞳８６０を形成するために、第１の格子８３０および第２の格子８４０によって複製され得ることを示す。例えば、射出瞳は、第１の格子８３０によっておよそｘ方向に、第２の格子８４０によっておよそｙ方向に複製され得る。上に説明されるように、個々の射出瞳８５２からの、同じ方向に伝播する出力光は、ユーザの目の網膜内の同じ場所へ集束され得る。故に、単一の画像が、個々の射出瞳８５２の二次元アレイ内の出力光から、ユーザの目によって形成され得る。
図９Ａは、導波路ディスプレイにおける射出瞳拡大のための表面レリーフ格子の例によって回折された光の波動ベクトル、および複数の色のための射出瞳を例証する。円９１０は、導波路によって導かれ得る光の波動ベクトルを表し得る。円９１０の外側の波動ベクトルを有する光の場合、光は、エバネッセントになり得る。円９２０は、全内部反射条件が満たされないために導波路から漏れ出し得る光の波動ベクトルを表し得る。故に、円９１０と円９２０との間の輪は、導波路によって導かれ得、ＴＩＲを通じて導波路内を伝播することができる光の波動ベクトルを表し得る。波動ベクトル９３２は、入力格子によって引き起こされる光分散を示し、異なる色の光は、異なる波動ベクトルおよび異なる回折角度を有し得る。波動ベクトル９４２は、前方格子（例えば、第１の格子８３０）によって引き起こされる光分散を示し、異なる色の光は、異なる回折角度を有し得る。波動ベクトル９５２は、後方格子（例えば、第２の格子８４０）によって引き起こされる光分散を示し、異なる色の光は、異なる回折角度を有し得る。各色の波動ベクトルは、それぞれの閉じた三角形を形成し得、異なる色の三角形は、共通の原頂点９２２を共有し得る。故に、３つの格子による分散全体は、ゼロに近くなり得る。
３つの格子による全体的な分散がゼロになり得るとしても、各格子による分散は、光が円９１０と円９２０との間の輪によって示されるような導波路によって導かれ得る条件に起因して、導波路ディスプレイの視野の低減またはクリッピングを引き起こし得る。例えば、ＦＯＶ９２４では、入力格子による回折の後のＦＯＶのフットプリントは、入力格子による分散に起因して、異なる色では異なり得る。図９Ａに示される例において、第１の色の光のためのＦＯＶのフットプリント９３６は、輪内に位置し得るが、第２の色の光のためのＦＯＶのフットプリント９３４の一部分および第３の色の光のためのＦＯＶのフットプリント９３８の一部分は、輪の外側に入り得、故に、導波路によって導かれない場合がある。加えて、前方格子による回折の後のＦＯＶのフットプリントは、さらにクリッピングまたは低減され得る。図９Ａに示される例において、第１の色の光のためのＦＯＶのフットプリント９４６のわずかな部分、第２の色の光のためのＦＯＶのフットプリント９４４の大部分、および第３の色の光のためのＦＯＶのフットプリント９４８の大部分は、輪の外側に入り得、故に、射出瞳に到達するために、導波路によって導かれず後方格子によって回折されない場合がある。
図９Ｂは、導波路ディスプレイにおける射出瞳拡大のための表面レリーフ格子の例による視野クリッピングを例証する。例えば、後方格子による回折の後の第１の色の光のためのＦＯＶは、フットプリント９５６によって示され得、これは、全ＦＯＶに近くてもよい。第２の色の光の場合、ＦＯＶの上部分は、第１の格子による回折の後にクリッピングされ得、ＦＯＶの右部分は、前方格子による回折の後にクリッピングされ得る。故に、後方格子による回折の後の第２の色の光のためのＦＯＶは、フットプリント９５４によって示され得、これは、全ＦＯＶよりもはるかに小さくてもよい。同様に、第３の色の光の場合、ＦＯＶの下部分は、第１の格子による回折の後にクリッピングされ得、ＦＯＶの左部分は、前方格子による回折の後にクリッピングされ得る。故に、後方格子による回折の後の第３の色の光のためのＦＯＶは、フットプリント９５８によって示され得、これは、全ＦＯＶよりもはるかに小さくてもよい。故に、画像の特定の色成分は、特定の視野では欠けている場合がある。そのようなものとして、異なる色のための全ＦＯＶを達成するために、２つ以上の導波路および対応する格子が使用され得る。加えて、上に説明されるように、ＳＲＧの幅広い帯域幅が、異なる主色の光間の、および／または異なるＦＯＶからのクロストークを引き起こし得、故に、複数の導波路もまた、クロストークを回避するために使用され得る。
ブラッグ条件における高いスペクトル選択性に起因して、反射ＶＢＧなどのＶＢＧは、体積ブラッグ格子における主色間のクロストークなしの単一導波路設計を可能にし得、また優れたシースルー品質を達成し得る。故に、入力カプラ５３０または６４０および出力カプラ５４０または６５０は、体積ブラッグ格子を含み得、この体積ブラッグ格子は、２つ以上のコヒーレント光ビーム間の干渉によって生成される光パターンにホログラフィック記録材料を露光することによってホログラフィック記録材料に記録される体積ホログラムであってもよい。体積ブラッグ格子において、入射光の入射角および波長は、入射光がブラッグ格子によって回折されるように、ブラッグ位相整合条件を満足する必要があり得る。単一のブラッグ格子が導波路ベースのニアアイディスプレイにおいて使用されるとき、体積ブラッグ格子のスペクトルおよび角度選択性は、表示光の一部分のみが回折されて、ユーザの目に到達し得ることから、より低い効率をもたらし得、導波路ベースのニアアイディスプレイの視野および作動波長範囲は限られ得る。いくつかの実施形態において、多重化ＶＢＧが、効率を向上し、ＦＯＶを増大させるために使用され得る。
図１０Ａは、特定の実施形態に従う、体積ブラッグ格子ベースの導波路ディスプレイ１０００の例の前面図である。導波路ディスプレイ１０００は、基板５２０と同様であり得る基板１０１０を含み得る。基板１０１０は、可視光を透過させ得、例えば、ガラス、クォーツ、プラスチック、ポリマー、ＰＭＭＡ、セラミック、水晶基板を含み得る。基板１０１０は、平坦な基板または湾曲した基板であり得る。基板１０１０は、第１の表面１０１２および第２の表面１０１４を含み得る。表示光は、入力カプラ１０２０によって基板１０１０内にカップリングされ得、また表示光が基板１０１０内で伝播し得るように、全内部反射を通じて第１の表面１０１２および第２の表面１０１４によって反射され得る。上に説明されるように、入力カプラ１０２０は、回折カプラ（例えば、体積ホログラフィック格子または表面レリーフ格子）、屈折カプラ（例えば、ウェッジまたはプリズム）、または反射カプラ（例えば、基板１０１０に対して傾斜角を有する反射面）を含み得る。例えば、１つの実施形態において、入力カプラ１０２０は、異なる色の表示光を同じ屈折角で基板１０１０内にカップリングし得るプリズムを含み得る。別の例において、入力カプラは、異なる色の光を異なる方向で基板１０１０内に回折し得る格子カプラを含み得る。
導波路ディスプレイ１０００は、アイボックスを表示光で満たすために、入射表示光ビームを２つの次元において拡大するための、基板１０１０の１つまたは２つの表面（例えば、第１の表面１０１２および第２の表面１０１４）に位置付けられた第１の格子１０３０および第２の格子１０４０を含み得る。第１の格子１０３０は、各々が表示光ビーム（例えば、特定の視野および／または波長範囲に対応する光）の少なくとも一部分を、線１０３２、１０３４、および１０３６によって示されるように、１つの方向に沿って、拡大するように構成される１つまたは複数の多重化体積ブラッグ格子を含み得る。例えば、表示光は、線１０３２、１０３４、または１０３６によって示される方向に沿って基板１０１０内を伝播するが、表示光の一部分は、基板１０１０内を伝播する表示光が第１の格子１０３０に到達する度に、第１の格子１０３０によって第２の格子１０４０へ回折され得る。第２の格子１０４０は、次いで、基板１０１０内を伝播する表示光が第２の格子１０４０に到達する度に表示光の一部分をアイボックスへ回折することによって、第１の格子１０３０からの表示光を異なる方向に拡大し得る。第２の格子１０４０において、出口領域１０５０は、アイボックス内の１つの瞳の場所（例えば、アイボックスの中心）における全ＦＯＶのための表示光が導波路ディスプレイ１０００からカップリングアウトされ得る領域を表す。
上に説明されるように、第１の格子１０３０および第２の格子１０４０は各々、各々が特定のＦＯＶ範囲および／または波長範囲のために設計される複数のＶＢＧを含む多重化ＶＢＧを含み得る。例えば、第１の格子１０３０は、数百以上の露光によって記録される数百以上のＶＢＧ（例えば、約３００～約１０００のＶＢＧ）を含み得、各ＶＢＧは異なる条件下で記録され得る。第２の格子１０４０もまた、数十または数百の露光によって記録される数十または数百のＶＢＧ（例えば、５０以上のＶＢＧ）を含み得る。第１の格子１０３０および第２の格子１０４０は各々、透過格子または反射格子であり得る。
図１０Ｂおよび図１０Ｃは、それぞれ、体積ブラッグ格子ベースの導波路ディスプレイ１０００の上面図および側面図を例証する。入力カプラ１０２０は、プロジェクタ光学系（示されない、例えば、レンズ）およびプリズムを含み得る。表示光は、プロジェクタ光学系によって、コリメートされてプリズム上に投射され得、プリズムによって基板１０１０内にカップリングされ得る。プリズムは、基板１０１０の屈折率に一致する屈折率を有し得、基板１０１０内にカップリングされる光が基板１０１０の臨界角よりも大きい入射角で基板１０１０の表面１０１２または１０１４に入射し得るように特定の角度を有するウェッジを含み得る。そのようなものとして、基板１０１０内にカップリングされる表示光は、全内部反射を通じて基板１０１０によって導かれ得、上に説明されるように、第１の格子１０３０の複数の領域によって第２の格子１０４０の方へ回折され得る。第２の格子１０４０は、次いで、表示光を複数の領域で基板１０１０の外へ回折して、射出瞳を複製し得る。
図１１は、特定の実施形態に従う、導波路ディスプレイ１０００などの体積ブラッグ格子ベースの導波路ディスプレイの例における光分散を例証する。例に示されるように、球１１１０は、導波路によって導かれ得る光の波動ベクトルを表し得る。球１１１０の外側の波動ベクトルを有する光の場合、光は、エバネッセントになり得る。錐体１１２０は、全内部反射条件が満たされないために導波路から漏れ出し得る光の波動ベクトルを表し得る。故に、錐体１１２０の外側の球１１１０の領域は、導波路によって導かれ得、ＴＩＲを通じて導波路内を伝播することができる光の波動ベクトルを表し得る。点１１３０は、例えば、プリズムによって、導波路内にカップリングされる表示光の波動ベクトルを表し得る。波動ベクトル１１４０は、第１の格子１０３０によって引き起こされる光分散を示し、異なる色の光は、異なる回折角度を有し得る。波動ベクトル１１５０は、第２の格子１０４０によって引き起こされる光分散を示し、異なる色の光は、異なる回折角度を有し得る。故に、基板からカップリングアウトされる光は、異なる色の画像が互いと完璧に重複せずに１つの画像を形成し得るように、いくらかの分散を有し得る。したがって、表示画像は、ぼやけている場合があり、表示画像の解像度は低減され得る。
図１２Ａは、体積ブラッグ格子１２００の例を例証する。図１２Ａに示される体積ブラッグ格子１２００は、厚さＤを有する透過ホログラフィック格子を含み得る。体積ブラッグ格子１２００の屈折率ｎは、振幅Δｎで変調され得、体積ブラッグ格子１２００の格子周期は、Λであり得る。波長λを有する入射光１２１０は、入射角θで体積ブラッグ格子１２００に入射し得、体積ブラッグ格子１２００内を角度θｎで伝播する入射光１２２０として体積ブラッグ格子１２００内へ屈折され得る。入射光１２２０は、体積ブラッグ格子１２００によって回折光１２３０へと回折され得、この回折光１２３０は、体積ブラッグ格子１２００内を回折角度θｄで伝播し得、回折光１２４０として体積ブラッグ格子１２００の外へ屈折され得る。
図１２Ｂは、図１２Ａに示される体積ブラッグ格子１２００のためのブラッグ条件を例証する。体積ブラッグ格子１２００は、透過格子であってもよい。ベクトル１２０５は、
Figure 2022544637000003
を表し得、ここで、
Figure 2022544637000004
である。ベクトル１２２５は、
Figure 2022544637000005
を表し得、ベクトル１２３５は、
Figure 2022544637000006
を表し得、ここで、
Figure 2022544637000007
である。ブラッグ位相整合条件下では、
Figure 2022544637000008
である。故に、所与の波長λの場合、ブラッグ条件を完璧に満たす、入射角θ（またはθｎ）および回折角度θｄの１つのペアのみが存在し得る。同様に、所与の入射角θの場合、ブラッグ条件を完璧に満たす１つの波長λが存在し得る。そのようなものとして、回折は、小さい波長範囲について、および完璧なブラッグ条件周辺の小さい入射角範囲において発生し得る。体積ブラッグ格子１２００の回折効率、波長選択性、および角度選択性は、体積ブラッグ格子１２００の厚さＤの関数であり得る。例えば、ブラッグ条件周辺の体積ブラッグ格子１２００の半値全幅（ＦＷＨＭ）波長範囲およびＦＷＨＭ角度範囲は、体積ブラッグ格子１２００の厚さＤに反比例し得るが、ブラッグ条件での最大回折効率は、ｓｉｎ２（ａ×Δｎ×Ｄ）の関数であり得、式中、ａは、係数である。反射体積ブラッグ格子では、ブラッグ条件での最大回折効率は、ｔａｎｈ２（ａ×Δｎ×Ｄ）の関数であり得る。
上に説明されるように、いくつかの設計において、大きいＦＯＶ（例えば、±３０°よりも大きい）および異なる色の回折光を達成するために、各々が異なる色（例えば、Ｒ、Ｇ、またはＢ）および／または異なるＦＯＶのためにブラッグ格子を含む複数のポリマー層が、ユーザの目に表示光をカップリングするためにスタックで配置され得る。いくつかの設計において、多重化ブラッグ格子が使用され得、この場合、多重化ブラッグ格子の各部分は、異なるＦＯＶ範囲および／または異なる波長範囲内の光を回折するために使用され得る。故に、いくつかの設計において、全可視スペクトル（例えば、約４００ｎｍ～約７００ｎｍ、または約４５０ｎｍ～約６５０ｎｍ）について所望の回折効率および大きいＦＯＶを達成するために、各々が、数百または１０００超など、大量の露光によって記録される（例えば、ホログラフィック記録）大量の格子（またはホログラム）を含む１つまたは複数の厚い体積ブラッグ格子が使用され得る。
上に説明されるＶＢＧまたは他のホログラフィック光学素子は、ホログラフィ材料（例えば、フォトポリマー）層に記録され得る。いくつかの実施形態において、ＶＢＧは、まず記録され、次いでニアアイディスプレイシステム内の基板にラミネートされ得る。いくつかの実施形態において、ホログラフィ材料層が、基板にコーティングまたはラミネートされ得、次いでＶＢＧが、ホログラフィ材料層に記録され得る。
一般に、感光材料層にホログラフィック光学素子を記録するためには、２つのコヒーレントビームは、特定の角度で互いと干渉して、感光材料層内に特有の干渉パターンを生成し得、今度はこれが、感光材料層内に特有の屈折率変調パターンを生成し得、この屈折率変調パターンは、干渉パターンの光強度パターンに対応し得る。感光材料層は、例えば、ハロゲン化銀乳剤、重クロム酸化ゼラチン、ポリマーマトリックス中に浮遊した光重合性モノマーを含むフォトポリマー、光屈折結晶、および同様のものを含み得る。ホログラフィック記録のための感光材料層の一例は、ホログラフィック記録をし、ホログラフィック記録のためのモノマーを書き込む前に、高分子バインダを形成するために予備硬化され得るマトリックス前駆体を含み得る二段フォトポリマーである。
１つの例において、感光材料層は、高分子バインダ、モノマー（例えば、アクリルモノマー）、および開始剤、連鎖移動剤、または感光色素などの、起爆剤を含み得る。高分子バインダは、支持マトリックスとして作用し得る。モノマーは、支持マトリックス内に分散され得、屈折率変調器としての役割を果たし得る。感光色素は、光を吸収し、開始剤と相互作用してモノマーを重合し得る。故に、各露光（記録）において、干渉パターンは、明るいフリンジに対してモノマーの重合および拡散を引き起こし得、屈折率変調を結果としてもたらし得る濃度および密度勾配を生成する。例えば、より高い濃度のモノマーおよび重合を伴うエリアは、より高い屈折率を有し得る。露光および重合が進むにつれて、重合に利用可能なモノマーは少なくなり得、拡散は抑えられ得る。すべてまたは実質的にすべてのモノマーが重合された後は、感光材料層に記録される新たな格子はなくなり得る。大量の露光において記録される大量の格子を含む厚いＶＢＧにおいては、表示ヘイズが著しい場合がある。
上に説明されるように、いくつかの導波路ベースのニアアイディスプレイシステムにおいて、導波路ベースのニアアイディスプレイのアイボックスを拡大するため、２つの出力格子（または、２つの格子層もしくは多重化格子の２つの部分）が、一般的に、表示光を２つの次元において、または二軸瞳拡大のための２つの軸に沿って拡大するために使用され得る。２つの出力格子を空間的に分離し、各出力格子のための合計露光数を低減することは、導波路ベースのニアアイディスプレイのシースルー領域（例えば、中央）が１つの出力格子のみを含み得ることから、表示ヘイズを低減するのを助け得る。例えば、いくつかの実施形態において、第１の出力格子は、より多くの露光（例えば、＞５００または＞１０００回）により記録され得、導波路ベースのニアアイディスプレイのシースルー領域の外側に位置付けられ得る。第２の出力格子は、より少ない露光（例えば、＜１００または＜５０回）により記録され得、導波路ベースのニアアイディスプレイのシースルー領域に位置付けられ得る。故に、シースルー領域内の表示ヘイズは、著しく低減され得る。しかしながら、２つの出力格子の空間分離が理由で、導波路ベースのニアアイディスプレイの全体的なサイズは非常に大きくなり得る。
上に説明される格子カプラは、いくつかの同様の特徴およびいくつかの異なる特徴を有し得る透過ＶＢＧまたは反射ＶＢＧを含み得る。例えば、上に説明されるように、ブラッグ条件近くの透過または反射体積ブラッグ格子のＦＷＨＭ波長範囲およびＦＷＨＭ角度範囲は、透過または反射体積ブラッグ格子の厚さＤに反比例し得る。透過ＶＢＧのためのブラッグ条件での最大回折効率は、ｓｉｎ２（ａ×Δｎ×Ｄ）の関数であり得、式中、ａは、係数であり、Δｎは、屈折率変調であるが、反射ＶＢＧのためのブラッグ条件での最大回折効率は、ｔａｎｈ２（ａ×Δｎ×Ｄ）の関数であり得る。加えて、透過および反射体積ブラッグ格子のパラメータ（例えば、格子傾斜角）は、カップリングされた表示光がＴＩＲを通じて導波路によって導かれ得るように特定の角度で表示光を導波路内にカップリングするために異なり得る。異なる格子パラメータが理由で、透過格子および反射格子の分散特徴は異なり得る。
図１３Ａは、特定の実施形態に従う、射出瞳拡大および分散低減を伴う体積ブラッグ格子ベースの導波路ディスプレイ１３００の例の前面図を例証する。図１３Ｂは、特定の実施形態に従う、射出瞳拡大および分散低減を伴う体積ブラッグ格子ベースの導波路ディスプレイ１３００の例の側面図を例証する。導波路ディスプレイ１３００は、導波路ディスプレイ１０００と同様であり得、入力カプラ１０２０と比較して異なる場所に入力カプラ１３２０を含み得る。導波路ディスプレイ１３００は、基板１３１０、ならびに基板１３１０上または基板１３１０内に形成される第１の格子１３３０および第２の格子１３４０を含み得る。入力カプラ１０２０のように、入力カプラ１３２０は、プロジェクタ光学系１３２２（例えば、レンズ）およびプリズム１３２４を含み得る。表示光は、入力カプラ１３２０によって基板１３１０内にカップリングされ得、基板１３１０によって導かれ得る。表示光は、第１の格子１３３０の第１の部分１３３２に到達し得、第１の格子１３３０の第１の部分１３３２によって回折されて伝播方向を変え、第１の格子１３３０の他の部分に到達し得、この他の部分が各々、表示光を第２の格子１３４０の方へ回折し得る。第２の格子１３４０は、上に説明されるように表示光を異なる場所で基板１３１０の外へ回折して、複数の射出瞳を形成し得る。
第１の格子１３３０の第１の部分１３３２および他の部分の各々は、一致する格子ベクトル（例えば、ｘ－ｙ平面において同じ格子ベクトルを有し、ならびにｚ方向において同じ格子ベクトル、反対の格子ベクトル、または同じ格子ベクトルおよび反対の格子ベクトルの両方を有するが、異なる回折効率を達成するために異なる露光持続時間で記録される）を有し得る。したがって、それらは、第１の格子１３３０の第１の部分１３３２および他の部分の各々における回折の反対のブラッグ条件（例えば、＋１次および－１次回折）に起因して、互いによって表示光の分散を補償して、全体的な分散を低減し得る。したがって、導波路ディスプレイ１３００による表示光の全体的な分散は、少なくとも１つの方向において低減され得る。
図１４Ａは、特定の実施形態に従う、反射体積ブラッグ格子ベースの導波路ディスプレイ１４００における異なる視野からの光の伝播を例証する。導波路ディスプレイ１４００は、反射ＶＢＧ１４１０を含み得る。反射ＶＢＧ１４１０の格子傾斜角および故に格子ベクトルに起因して、正の視野からの光（線１４２２によって示される）は、反射ＶＢＧ１４１０のフリンジに対するより小さい入射角、およびまた導波路ディスプレイ１４００の上面１４０２に対するより小さい入射角を有し得る。その一方で、負の視野からの光（線１４２４によって示される）は、反射ＶＢＧ１４１０のフリンジに対するより大きい入射角、およびまた導波路ディスプレイ１４００の上面１４０２に対するより大きい入射角を有し得る。
図１４Ｂは、特定の実施形態に従う、透過体積ブラッグ格子ベースの導波路ディスプレイ１４５０における異なる視野からの光の伝播を例証する。導波路ディスプレイ１４５０は、透過ＶＢＧ１４６０を含み得る。格子傾斜角差に起因して、透過ＶＢＧ１４６０は、反射ＶＢＧ１４１０と比較して異なる様式で異なる視野からの光を回折し得る。例えば、例証されるように、正の視野からの光（線１４７２によって示される）は、透過ＶＢＧ１４６０のフリンジに対してより小さい入射角を有し得るが、導波路ディスプレイ１４５０の下面１４５２に対してより大きい入射角を有し得る。その一方で、負の視野からの光（線１４７４によって示される）は、透過ＶＢＧ１４６０のフリンジに対するより大きい入射角を有し得るが、導波路ディスプレイ１４５０の下面１４５２に対するより小さい入射角を有し得る。反射または透過格子による異なる視野からの光の回折の様式は、導波路ディスプレイの因子および性能に影響を及ぼし得る。
図１５は、特定の実施形態に従う、射出瞳拡大および分散低減を伴う反射体積ブラッグ格子ベースの導波路ディスプレイ１５００の例を例証する。導波路ディスプレイ１５００は、上部格子１５０５および下部格子１５１５を含み得る。例証された例において、上部格子１５０５は、反射ＶＢＧであってもよく、下部格子１５１５もまた、反射格子であってもよい。下部格子１５１５において、出口領域１５５０は、アイボックス内の１つの瞳の場所（例えば、アイボックスの中心）における全ＦＯＶのための表示光が下部格子からカップリングアウトされ得る領域を表す。図１５に示されるように、右上角１５２２と左上角１５２４との間の線によって表される出口領域１５５０における上部ＦＯＶは、上部格子１５０５上の曲線１５３０にマッピングし得、出口領域１５５０の右上角１５２２および左上角１５２４が、それぞれ上部格子１５０５上の場所１５３２および場所１５３４にマッピングし得る。右下角１５４２と左下角１５４４との間の線によって表される出口領域１５５０における下部ＦＯＶは、下部格子１５０５上の曲線１５１０にマッピングし得、出口領域１５５０の右下角１５４２および左下角１５４４が、それぞれ下部格子１５０５上の場所１５１２および場所１５１４にマッピングし得る。故に、曲線１５３０が、出口領域１５５０の右上角１５２２と左上角１５２４との間の線より下にある場合、何らかのＦＯＶクリッピングが存在し得る。そのようなものとして、全ＦＯＶを保護するため、曲線１５３０は、出口領域１５５０の右上角１５２２と左上角１５２４との間の線より上にあり得る。したがって、導波路ディスプレイ１５００のサイズは、大きくなり得る。
図１６は、特定の実施形態に従う、射出瞳拡大および形状因子低減を伴う透過体積ブラッグ格子ベースの導波路ディスプレイ１６００の例を例証する。導波路ディスプレイ１６００は、上部格子１６０５および下部格子１６１５を含み得る。例証された例において、上部格子１６０５は、反射ＶＢＧであってもよく、下部格子１６１５は、透過ＶＢＧであってもよい。下部格子１６１５において、出口領域１６５０は、アイボックス内の１つの瞳の場所（例えば、アイボックスの中心）における全ＦＯＶのための表示光が下部格子からカップリングアウトされ得る領域を表す。図１６に示されるように、右上角１６２２と左上角１６２４との間の線によって表される出口領域１６５０における上部ＦＯＶは、上部格子１６０５上の曲線１６１０にマッピングし得、出口領域１６５０の右上角１６２２および左上角１６２４が、それぞれ上部格子１６０５上の場所１６１２および場所１６１４にマッピングし得る。右下角１６４２と左下角１６４４との間の線によって表される出口領域１６５０における下部ＦＯＶは、下部格子１６０５上の曲線１６３０にマッピングし得、出口領域１６５０の右下角１６４２および左下角１６４４が、それぞれ下部格子１６０５上の場所１６３２および場所１６３４にマッピングし得る。故に、導波路ディスプレイ１６００の全体的なサイズを低減するために上部格子１６０５と下部格子１６１５との間にはいくらかの重複が存在し得る。例えば、場所１６３２は、右上角１６２２よりも低くてもよく、依然として右下角１６４２にマッピングされ得る。
図１７Ａは、特定の実施形態に従う、導波路ディスプレイにおける透過体積ブラッグ格子１７００の例を例証する。透過ＶＢＧ１７００の格子傾斜角αは、表示光を透過的に回折するために特定の範囲内にある必要があり得る。例えば、透過ＶＢＧ１７００の格子傾斜角αが特定の値よりも小さい場合、透過ＶＢＧ１７００は、反射ＶＢＧになり得、表示光が格子に到達し得る２つの連続した場所の間の距離は、大きすぎる場合がある（および故に、射出瞳がアイボックス内で疎に複製され得る）か、または表示光は、エバネッセントになり得る。故に、透過ＶＢＧ１７００の格子傾斜角αは、表示光を透過的に回折するために特定の値よりも大きい必要がある。
図１７Ｂは、導波路ディスプレイにおける透過ＶＢＧ１７１０の例を例証し、透過ＶＢＧによって回折された光は、完全には反射されず導波路内で導かれない場合がある。透過ＶＢＧ１７１０の格子傾斜角αは、約６０°より大きいなど、特定の値よりも大きくてもよい。そのようなものとして、導波路内にカップリングされた光は、臨界角よりも小さい入射角で導波路の表面に入射し得、故に、完全には反射されず導波路内で導かれない場合がある。故に、透過ＶＢＧの格子傾斜角αはまた、回折光が全内部反射を通じて導波路によって導かれ得るように表示光を導波路内に透過的に回折するために特定の値（例えば、約６０°）よりも小さい必要があり得る。そのようなものとして、透過ＶＢＧの格子傾斜角αは、特定の範囲内にある必要があり得る。
図１７Ｃは、特定の実施形態に従う、導波路ディスプレイにおける反射体積ブラッグ格子１７５０の例を例証する。反射ＶＢＧ１７５０の格子傾斜角αもまた、表示光を反射的に回折するために特定の範囲内にある必要があり得る。反射ＶＢＧ１７５０の格子傾斜角αが特定の値よりも大きい場合、反射ＶＢＧ１７５０は、透過ＶＢＧになり得、表示光が格子に到達し得る２つの連続した場所の間の距離は、大きすぎる場合がある（および故に、射出瞳がアイボックス内で疎に複製され得る）か、または表示光は、エバネッセントになり得る。故に、反射ＶＢＧの格子傾斜角αもまた、表示光を反射的に回折するために特定の値よりも小さい必要がある。１つの例において、反射ＶＢＧ１７５０の格子傾斜角αは、約３０°であってもよい。
図１７Ｄは、導波路ディスプレイにおける反射ＶＢＧ１７６０の例を例証する図であり、反射ＶＢＧによって回折された光は、完全には反射されず導波路内で導かれない。図１７Ｄに示される反射ＶＢＧ１７６０の格子傾斜角αは、特定の値よりも小さくてもよい。そのようなものとして、導波路内にカップリングされた光は、臨界角よりも小さい入射角で導波路の表面に入射し得、故に、完全には反射されず導波路内で導かれない場合がある。反射ＶＢＧ１７６０の格子傾斜角αは、約３０°よりも小さくてもよい。故に、反射ＶＢＧの格子傾斜角αはまた、特定の値よりも大きい必要があり得る。そのようなものとして、反射ＶＢＧの格子傾斜角αはまた、回折光が全内部反射を通じて導波路によって導かれ得るように表示光を導波路内に反射的に回折するために特定の範囲内にある必要があり得る。図１７Ａ～図１７Ｄは、格子傾斜角αが反射格子の場合は透過格子の場合よりも小さくなり得ることを示す。
図１８Ａは、特定の実施形態に従う、導波路ディスプレイにおける反射体積ブラッグ格子１８００の例による光分散を例証する。反射ＶＢＧ１８００は、格子ベクトルｋｇ、厚さｄ、および平均屈折率ｎによって特徴付けられ得る。反射ＶＢＧ１８００の面法線方向は、Ｎである。反射ＶＢＧ１８００による光分散の量は、
Figure 2022544637000009
によって決定され得、式中、λ０は、ブラッグ条件を完璧に満たす光の波長であり、ｋｏｕｔは、反射ＶＢＧ１８００によって回折される光の波動ベクトルである。反射ＶＢＧ１８００の格子傾斜角αが約３０°であるとき、反射ＶＢＧ１８００による光分散の量は、およそ、
Figure 2022544637000010
であり得る。故に、角度分解能約２分を達成するために、反射ＶＢＧ１８００の厚さｄは、少なくとも約０．５ｍｍであり得る。
図１８Ｂは、特定の実施形態に従う、導波路ディスプレイにおける透過体積ブラッグ格子１８５０の例による光分散を例証する。透過ＶＢＧ１８５０は、同様に、格子ベクトルｋｇ、厚さｄ、および平均屈折率ｎによって特徴付けられ得る。透過ＶＢＧ１８５０の面法線方向は、Ｎである。透過ＶＢＧ１８５０による光分散の量は、
Figure 2022544637000011
によって決定され得、式中、λ０は、ブラッグ条件を完璧に満たす光の波長であり、ｋｏｕｔは、透過ＶＢＧ１８５０によって回折される光の波動ベクトルである。透過ＶＢＧ１８５０の格子傾斜角αが約６０°であるとき、透過ＶＢＧ１８５０による光分散の量は、およそ、
Figure 2022544637000012
であり得る。故に、角度分解能約２分を達成するために、透過ＶＢＧ１８５０の厚さｄは、少なくとも約１．５ｍｍであり得、これは、同じ角度分解能を有する反射ＶＢＧの厚さの約３倍であり、達成が困難であり得るか、または著しい表示ヘイズを引き起こし得る。
ＶＢＧベースの導波路ディスプレイの物理的サイズを低減し、ＶＢＧの厚さおよび表示ヘイズを低減し、所望の解像度を達成するため、分散補償が、ＶＢＧベースの導波路ディスプレイにおいて所望され得る。特定の実施形態によると、一致する格子ベクトルを有し、反対の回折条件（例えば、＋１次回折対－１次回折）で動作する１つまたは複数の格子対（例えば、透過格子）は、互いによって引き起こされる分散を補償するために使用され得る。
図１９Ａは、特定の実施形態に従う、射出瞳拡大および分散低減を伴う体積ブラッグ格子ベースの導波路ディスプレイ１９００の例の前面図である。図１９Ｂは、特定の実施形態に従う、射出瞳拡大および分散低減を伴う体積ブラッグ格子ベースの導波路ディスプレイ１９００の例の側面図である。導波路ディスプレイ１９００は、導波路ディスプレイ１３００と同様であり得るが、入力カプラ１３２０とは異なる入力カプラを含み得る。導波路ディスプレイ１９００は、基板１９１０、ならびに基板１９１０上または基板１９１０内に形成される第１の格子１９３０および第２の格子１９４０を含み得る。入力カプラは、プロジェクタ光学系１９２０（例えば、レンズ）、および、プリズムではなく入力格子１９２２を含み得る。表示光は、プロジェクタ光学系１９２０によってコリメートされ、入力格子１９２２上に投射され得、この入力格子１９２２が、例えば、図５および図６に関して上に説明されるように回折によって表示光を基板１９１０内にカップリングし得る。表示光は、第１の格子１９３０の第１の部分１９３２に到達し得、第１の格子１９３０の第１の部分１９３２によって回折されて伝播方向を変え、第１の格子１９３０の他の部分に到達し得、この他の部分が各々、表示光を第２の格子１９４０の方へ回折し得る。第２の格子１９４０は、上に説明されるように表示光を異なる場所で基板１９１０の外へ回折して、複数の射出瞳を形成し得る。
第１の格子１９３０の第１の部分１９３２および他の部分の各々は、一致する格子ベクトル（例えば、ｘ－ｙ平面において同じ格子ベクトルを有し、ならびにｚ方向において同じ格子ベクトルおよび／または反対の格子ベクトルを有するが、異なる回折効率を達成するために異なる露光持続時間で記録される）を有し得る。したがって、それらは、第１の格子１９３０の第１の部分１９３２および他の部分の各々における回折の反対のブラッグ条件（例えば、＋１次および－１次回折）に起因して、互いによって引き起こされる表示光の分散を補償して、１つの方向において全体的な分散を低減し得る。加えて、入力格子１９２２および第２の格子１９４０は、一致する格子ベクトル（例えば、ｘ－ｙ平面において同じ格子ベクトルを有し、ならびにｚ方向において同じおよび／または反対の格子ベクトルを有するが、異なる回折効率を達成するために異なる露光持続時間で記録される）を有し得、入力格子１９２２は、表示光を基板１９１０内にカップリングし得るが、第２の格子１９４０は、表示光を導波路からカップリングアウトし得る。したがって、入力格子１９２２および第２の格子１９４０は、入力格子１９２２および第２の格子１９４０における回折の反対の回折方向および反対のブラッグ条件（例えば、＋１次および－１次回折）に起因して、互いによって引き起こされる表示光の分散を補償して、少なくとも１つの方向において全体的な分散を低減し得る。このやり方では、第１の格子１９３０の第１の部分１９３２および他の部分の各々による全体的な分散は、低減または相殺され得、入力格子１９２２および第２の格子１９４０による全体的な分散もまた、低減または相殺され得る。したがって、導波路ディスプレイ１９００による表示光の全体的な分散は、任意の方向において最小化され得る。そのようなものとして、表示画像のより高い解像度が達成され得る。故に、薄い反射または透過ＶＢＧは、入力および出力カプラとして使用され得、依然として所望の解像度を達成し得る。透過ＶＢＧはまた、上に説明されるように導波路ディスプレイの物理的寸法を低減するために第１および第２の格子が少なくとも部分的に重複されることを可能にし得る。
導波路ディスプレイ１９００は、１つまたは複数の導波路プレート上に複数のポリマー層を含み得、入力格子１９２２、第１の格子１９３０、および第２の格子１９４０は各々、複数のポリマー層に記録される複数の格子へと分かれ得る。各ポリマー層上の格子は、異なるそれぞれのＦＯＶおよび光スペクトルをカバーし得、複数のポリマー層の組み合わせが、全ＦＯＶおよびスペクトルカバレッジを提供し得る。このやり方では、各ポリマー層は、薄くてもよく（例えば、約２０μｍ～約１００μｍ）、より少ない格子を記録するためにより少ない回数（例えば、約１００未満）露光されて、曇りを低減し得、複数のポリマー層の全体的な効率は、全ＦＯＶおよびスペクトルについては依然として高くなり得る。図１９Ａおよび図１９Ｂに示される例において、導波路ディスプレイ１９００は、１つまたは複数のプレートまたは基板上に第１のポリマー層１９１２および第２のポリマー層１９１４を含み得る。各ポリマー層１９１２または１９１４は、入力格子１９２２、第１の格子１９３０、および／または第２の格子１９４０の部分を含み得る。
図２０Ａは、特定の実施形態に従う、射出瞳拡大、分散低減、形状因子低減、および効率向上を伴う体積ブラッグ格子ベースの導波路ディスプレイ２０００の別の例を例証する。導波路ディスプレイ２０００のように、導波路ディスプレイ２０００は、基板１９１０と同様であり得る基板２０１０を含み得る。基板２０１０は、第１の表面２０１２および第２の表面２０１４を含み得る。光源（例えば、ＬＥＤ）からの表示光は、入力カプラ２０２０によって基板２０１０内にカップリングされ得、また表示光が基板２０１０内を（例えば、－ｙ方向に）伝播し得るように、全内部反射を通じて第１の表面２０１２および第２の表面２０１４によって反射され得る。上に説明されるように、入力カプラ２０２０は、異なる回折角度で異なる色の表示光を基板２０１０内へカップリングし得る、多重化ＶＢＧなどの回折カプラを含み得る。
導波路ディスプレイ２０００は、第１の表面２０１２および／または第２の表面２０１４に形成される第１の格子２０３０および第２の格子２０４０を含み得る。導波路ディスプレイ２０００はまた、第１の表面２０１２および／または第２の表面２０１４に形成される第３の格子２０６０および第４の格子２０７０を含み得る。第３の格子２０６０および第４の格子２０７０は各々、複数のＶＢＧを含む多重化ＶＢＧであってもよい。いくつかの実施形態において、第３の格子２０６０、第４の格子２０７０、および第１の格子２０３０は、基板２０１０の同じ表面または異なる表面にあってもよい。いくつかの実施形態において、第３の格子２０６０、第４の格子２０７０、および第１の格子２０３０は、同じ格子または同じ格子材料層の異なる領域にあってもよい。
いくつかの実施形態において、第１の格子２０３０、第３の格子２０６０、および第４の格子２０７０は各々、複数のＶＢＧを含み得る。第３の格子２０６０および第１の格子２０３０は、第３の格子２０６０内の各ＶＢＧが第１の格子２０３０内のそれぞれのＶＢＧに一致し得る（例えば、ｘ－ｙ平面において同じ格子ベクトルを有し、ｚ方向において同じおよび／または反対の格子ベクトルを有する）ように、複数の露光において、および同様の記録条件下で、記録され得る（しかしながら、異なる回折効率を達成するために異なる露光持続時間にわたって記録され得る）。例えば、いくつかの実施形態において、第３の格子２０６０内のＶＢＧおよび第１の格子２０３０内の対応するＶＢＧは、同じ格子周期および同じ格子傾斜角（および故に同じ格子ベクトル）、ならびに同じ厚さを有し得る。第４の格子２０７０および第１の格子２０３０は、第４の格子２０７０内の各ＶＢＧが第１の格子２０３０内のそれぞれのＶＢＧに一致し得る（例えば、ｘ－ｙ平面において同じ格子ベクトルを有し、ｚ方向において同じおよび／または反対の格子ベクトルを有する）ように、複数の露光において、および同様の記録条件下で、記録され得る（しかしながら、異なる露光持続時間にわたって）。いくつかの実施形態において、第３の格子２０６０を記録するための記録条件は、第３の格子２０６０および第４の格子２０７０が異なるブラッグ条件（および異なる格子ベクトル）を有し得、故に、異なるＦＯＶ範囲および／または波長範囲からの光を回折して、大きいＦＯＶ範囲内の可視光の全体的な回折効率を向上させるように、第４の格子２０７０を記録するための記録条件とは異なり得る。いくつかの実施形態において、第３の格子２０６０および第４の格子２０７０は、同様の格子ベクトルを有し得、故に、同じＦＯＶ範囲および／または波長範囲からの光を、同様または異なる回折効率で回折して、特定のＦＯＶ範囲および／または波長範囲内の光の全体的な回折効率を向上させ得る。
いくつかの実施形態において、第３の格子２０６０内のＶＢＧに一致する第１の格子２０３０内のＶＢＧは、第１の格子２０３０の１つのエリア（例えば、上方領域）に記録され得るが、第４の格子２０７０内のＶＢＧに一致する第１の格子２０３０内の他のＶＢＧは、第１の格子２０３０の異なるエリア（例えば、下方領域）に記録され得る。１つの例において、第３の格子２０６０および第４の格子２０７０は各々、厚さ約２０μｍを有し得、各々、約２０回の露光を通じて記録される約２０個のＶＢＧを含み得る。例において、第１の格子２０３０は、厚さ約２０μｍ以上を有し得、約４０回の露光を通じて異なる領域に記録される約４０個のＶＢＧを含み得る。第２の格子２０４０は、厚さ約２０μｍ以上を有し得、約５０回の露光を通じて記録される約５０個のＶＢＧを含み得る。
入力カプラ２０２０は、光源からの表示光を基板２０１０内へカップリングし得る。表示光は、第３の格子２０６０に直接到達し得るか、または第１の表面２０１２および／もしくは第２の表面２０１４によって第３の格子２０６０へ反射され得、表示光ビームのサイズは、入力カプラ２０２０におけるサイズよりもわずかに大きくなり得る。第３の格子２０６０内の各ＶＢＧは、ＶＢＧのブラッグ条件をほぼ満足するＦＯＶ範囲および波長範囲内の表示光の一部分を第１の格子２０３０の上方領域へ回折し得る。上に説明されるように、第１の格子２０３０の上方領域は、第３の格子２０６０内のＶＢＧに一致するＶＢＧを含み得る。したがって、第３の格子２０６０内のＶＢＧによって回折される表示光は、全内部反射を通じて基板２０１０内を（例えば、線２０３２によって示される方向に沿って）伝播するが、表示光の一部分は、基板２０１０内を伝播する表示光が第１の格子２０３０に到達する度に、第１の格子２０３０内の対応するＶＢＧによって第２の格子２０４０へ回折され得る。
第３の格子２０６０によって回折されない表示光（例えば、１００％未満の回折効率に起因して、またはブラッグ条件近くの小さいＦＯＶ範囲および／または波長範囲に起因して）は、基板２０１０内を伝播し続け得、第４の格子２０７０に到達し得る。第４の格子２０７０内の各ＶＢＧは、ＶＢＧのブラッグ条件をほぼ満足するＦＯＶ範囲および波長範囲内の表示光の一部分を第１の格子２０３０の下方領域へ回折し得る。上に説明されるように、第１の格子２０３０の下方領域は、第４の格子２０７０内のＶＢＧに一致するＶＢＧを含み得る。したがって、第４の格子２０７０内のＶＢＧによって回折される表示光は、全内部反射を通じて基板２０１０内を（例えば、線２０３４によって示される方向に沿って）伝播するが、表示光の一部分は、基板２０１０内を伝播する表示光が第１の格子２０３０に到達する度に、第１の格子２０３０内の対応するＶＢＧによって第２の格子２０４０へ回折され得る。第２の格子２０４０は、基板２０１０内を伝播する表示光が第２の格子２０４０に到達する度に、表示光の一部分をアイボックス２０５０（例えば、＋ｚまたは－ｚ方向において第２の格子２０４０から約１８ｍｍの距離にある）へ回折することによって、第１の格子２０３０からの表示光を異なる方向に（例えば、およそｙ方向に）拡大し得る。このやり方では、表示光は、アイボックス２０５０を満たすために２つの次元において拡大され得る。
図２０Ｂは、体積ブラッグ格子ベースの導波路ディスプレイ２０００のアイボックス２０８０（例えば、アイボックス２０５０）における複製された射出瞳を例証する。射出瞳は、格子２０６０、２０３０、および２０４０によって複製される射出瞳２０８２の第１のセット、ならびに格子２０７０、２０３０、および２０４０によって複製される射出瞳２０８４の第２のセットを含み得る。格子２０６０および２０７０が異なる格子ベクトルを有する実施形態において、射出瞳２０８２の第１のセットおよび射出瞳２０８４の第２のセットは、異なるＦＯＶ範囲および／または異なる波長範囲に対応し得る。格子２０６０および２０７０が同様の格子ベクトルを有する実施形態において、射出瞳２０８２の第１のセットおよび射出瞳２０８４の第２のセットは、同じＦＯＶ範囲および／または波長範囲に対応し得る。射出瞳２０８２の第１のセットおよび射出瞳２０８４の第２のセットは、重複、または部分的に重複し得る。故に、瞳複製密度は、増大され得、光は、２つの空間的に多重化したＶＢＧのセットによる表示光の回折に起因して、アイボックス内でより均一であり得る。
加えて、分散は、上に説明されるように反対のブラッグ条件下で動作する一対の一致する格子による各次元における二重回折に起因して、２つの次元において低減され得る。さらには、より幅広いバンド幅にある表示光は、より少ない数の露光（および故に、各ＶＢＧのより高い屈折率変調Δｎ）が理由で、格子によってより高い回折効率でアイボックスへ回折され得る。故に、導波路ディスプレイの電力効率は向上され得る。いくつかの実施形態において、第１の格子２０３０および第２の格子２０４０は、上に説明されるように導波路ディスプレイ２０００の形状因子を低減するために少なくとも部分的に重複し得る。
図２１Ａは、特定の実施形態に従う、射出瞳拡大、分散低減、および形状因子低減を伴う体積ブラッグ格子ベースの導波路ディスプレイ２１００の別の例を例証する。導波路ディスプレイ２１００のように、導波路ディスプレイ２１００は、基板２１１０と同様であり得る基板２１１０を含み得る。基板２１１０は、第１の表面２１１２および第２の表面２１１４を含み得る。光源（例えば、ＬＥＤ）からの表示光は、入力カプラ２１２０によって基板２１１０内にカップリングされ得、また表示光が基板２１１０内を伝播し得るように、全内部反射を通じて第１の表面２１１２および第２の表面２１１４によって反射され得る。上に説明されるように、入力カプラ２１２０は、ＶＢＧなどの回折カプラを含み得る。導波路ディスプレイ２１００はまた、第１の表面２１１２および／または第２の表面２１１４に形成される第１の格子２１３０および第２の格子２１４０を含み得る。図２１Ａに示される例において、第１の格子２１３０および第２の格子２１４０は、ｘ方向において異なる場所にあってもよく、導波路ディスプレイ２１００のシースルー領域の少なくとも一部分において重複し得る。第１の格子２１３０および第２の格子２１４０は、アイボックス２１５０（例えば、＋ｚまたは－ｚ方向において第２の格子２１４０から約１８ｍｍの距離にある）を表示光で満たすために、入射表示光ビームを２つの次元において拡大するための二軸瞳拡大のために使用され得る。例えば、第１の格子２１３０は、表示光ビームをおよそｙ方向に拡大し得るが、第２の格子２１４０は、表示光ビームをおよそｘ方向に拡大し得る。
加えて、導波路ディスプレイ２１００は、第１の表面２１１２および／または第２の表面２１１４に形成される第３の格子２１６０を含み得る。いくつかの実施形態において、第３の格子２１６０および第１の格子２１３０は、基板２１１０の同じ表面上に、ｙ方向において異なる場所に配置され得る。いくつかの実施形態において、第３の格子２１６０および第１の格子２１３０は、同じ格子または同じ格子材料層の異なる領域にあってもよい。いくつかの実施形態において、第３の格子２１６０は、第１の格子２１３０から空間的に離れていてもよい。いくつかの実施形態において、第３の格子２１６０および第１の格子２１３０は、第３の格子２１６０内の各ＶＢＧが第１の格子２１３０内のそれぞれのＶＢＧに一致し得る（例えば、ｘ－ｙ平面において同じ格子ベクトルを有し、ｚ方向において同じおよび／または反対の格子ベクトルを有する）ように、同じ数の露光において、および同様の記録条件下で、記録され得る（しかしながら、異なる回折効率を達成するために異なる露光持続時間にわたって記録され得る）。
入力カプラ２１２０は、光源からの表示光を基板２１１０内にカップリングし得る。表示光は、基板２１１０内をおよそｘ方向に沿って伝播し得、第３の格子２１６０に直接到達し得るか、または第１の表面２１１２および／または第２の表面２１１４によって第３の格子２１６０へ反射され得る。第３の格子２１６０内の各ＶＢＧは、ＶＢＧのブラッグ条件をほぼ満足するＦＯＶ範囲および波長範囲内の表示光の一部分を第１の格子２１３０へと下方へ回折し得る。第３の格子２１６０内のＶＢＧによって回折される表示光は、全内部反射を通じて基板２１１０内をある方向に沿って（例えば、およそ、線２１３２によって示されるｙ方向に）伝播するが、表示光の一部分は、基板２１１０内を伝播する表示光が第１の格子２１３０に到達する度に、第１の格子２１３０内の対応するＶＢＧによって第２の格子２１４０へ回折され得る。第２の格子２１４０は、次いで、基板２１１０内を伝播する表示光が第２の格子２１４０に到達する度に表示光の一部分をアイボックス２１５０へ回折することによって、第１の格子２１３０からの表示光を異なる方向に（例えば、およそｘ方向に）拡大し得る。入力カプラ２１２０および第２の格子２１４０は、入力カプラ２１２０および第２の格子２１４０によって引き起こされる全体的な分散を低減するために、一致するＶＢＧ（例えば、ｘ－ｙ平面において同じ格子ベクトル、ｚ方向において同じまたは反対の格子ベクトルを有するＶＢＧ）を含み得る。同様に、格子２１３０および２１６０は、格子２１３０および２１６０によって引き起こされる全体的な分散を低減するために、一致するＶＢＧ（例えば、ｘ－ｙ平面において同じ格子ベクトルを有し、ｚ方向において同じおよび／または反対の格子ベクトルを有するＶＢＧ）を含み得る。故に、導波路ディスプレイ２１００内の格子による全体的な分散は、低減されるか、最小限にされ得る。
第１の格子２１３０および第２の格子２１４０の各々は、例えば、１００μｍ（例えば、２０μｍ）未満の厚さを有し得、例えば、５０個未満のＶＢＧを含み得る。故に、導波路ディスプレイ２１００の光学シースルー領域内の任意のエリアは、１００個未満のＶＢＧを含み得る。したがって、表示ヘイズは、大きくならない場合がある。加えて、第１の格子２１３０および第２の格子２１４０は、導波路ディスプレイ２１００の形状因子を低減するために少なくとも部分的に重複し得、故に導波路ディスプレイ２１００の物理的寸法は、通常の眼鏡のレンズの物理的寸法と同様であり得る。
図２１Ｂは、特定の実施形態に従う、射出瞳拡大、分散低減、形状因子低減、および効率向上を伴う体積ブラッグ格子ベースの導波路ディスプレイ２１０５の例を例証する。導波路ディスプレイ２１００のように、導波路ディスプレイ２１０５は、基板２１１５の第１の表面２１１６および／または第２の表面２１１８に形成される第１の格子２１３５、第２の格子２１４５、第３の格子２１６５、および第４の格子２１７５を含み得る。第１の格子２１３５、第２の格子２１４５、第３の格子２１６５、および第４の格子２１７５は各々、複数のＶＢＧを含む多重化ＶＢＧを含み得る。いくつかの実施形態において、第３の格子２１６５、第４の格子２１７５、および第１の格子２１３５は、基板２１１５の同じ表面にあってもよい。いくつかの実施形態において、第３の格子２１６５、第４の格子２１７５、および第１の格子２１３５は、同じ格子または同じ格子材料層の異なる領域にあってもよい。
第３の格子２１６５内の各ＶＢＧは、第１の格子２１３５内のそれぞれのＶＢＧの格子ベクトルに一致する格子ベクトル（例えば、ｘ－ｙ平面において同じ格子ベクトルを有し、ｚ方向において同じおよび／または反対の格子ベクトルを有する）を有し得る。第４の格子２１７５内の各ＶＢＧは、第１の格子２１３５内のそれぞれのＶＢＧの格子ベクトルに一致する格子ベクトル（例えば、ｘ－ｙ平面において同じ格子ベクトルを有し、ｚ方向において同じおよび／または反対の格子ベクトルを有する）を有し得る。いくつかの実施形態において、第３の格子２１６５および第４の格子２１７５は、異なる格子ベクトルを有し得、故に、異なるＦＯＶ範囲および／または波長範囲からの光を回折して、大きいＦＯＶ範囲内の可視光の全体的な回折効率を向上させ得る。いくつかの実施形態において、第３の格子２１６５および第４の格子２１７５は、同様の格子ベクトルを有し得、故に、同じＦＯＶ範囲および／または波長範囲からの光を、同様または異なる回折効率で回折して、特定のＦＯＶ範囲および／または波長範囲内の光の全体的な回折効率を向上させ得る。
入力カプラ２１２５は、光源からの表示光を基板２１１５内にカップリングし得る。表示光は、第３の格子２１６５に直接到達し得るか、または第１の表面２１１６および／または第２の表面２１１８によって第３の格子２１６５へ反射され得る。第３の格子２１６５内の各ＶＢＧは、ＶＢＧのブラッグ条件をほぼ満足するＦＯＶ範囲および波長範囲内の表示光の一部分を第１の格子２１３５の左領域へ回折し得る。第３の格子２１６５内のＶＢＧによって回折される表示光は、全内部反射を通じて基板２１１５内を（例えば、線２１３６によって示される方向に沿って）伝播するが、表示光の一部分は、基板２１１５内を伝播する表示光が第１の格子２１３５に到達する度に、第１の格子２１３５内の対応するＶＢＧによって第２の格子２１４５へ回折され得る。
第３の格子２１６５によって回折されない表示光（例えば、１００％未満の回折効率に起因して、またはブラッグ条件近くの小さいＦＯＶ範囲および／または波長範囲に起因して）は、基板２１１５内を伝播し続け得、第４の格子２１７５に到達し得る。第４の格子２１７５内の各ＶＢＧは、ＶＢＧのブラッグ条件をほぼ満足するＦＯＶ範囲および波長範囲内の表示光の一部分を第１の格子２１３５の右領域へ回折し得る。第４の格子２１７５内のＶＢＧによって回折される表示光は、全内部反射を通じて基板２１１５内を（例えば、線２１３８によって示される方向に沿って）伝播するが、表示光の一部分は、基板２１１５内を伝播する表示光が第１の格子２１３５に到達する度に、第１の格子２１３５内の対応するＶＢＧによって第２の格子２１４５へ回折され得る。
第２の格子２１４５は、基板２１１５内を伝播する表示光が第２の格子２１４５に到達する度に表示光の一部分をアイボックス２１５５（例えば、＋ｚまたは－ｚ方向において第２の格子２１４５から約１８ｍｍの距離にある）へ回折することによって、第１の格子２１３５からの表示光を異なる方向に（例えば、およそｘ方向に）拡大し得る。このやり方では、表示光は、アイボックス２１５５を満たすために２つの次元において拡大され得る。結果として生じる射出瞳は、格子２１６５、２１３５、および２１４５によって複製される射出瞳の第１のセット、ならびに格子２１７５、２１３５、および２１４５によって複製される射出瞳の第２のセットを含み得る。格子２１６５および２１７５が異なる格子ベクトルを有する実施形態において、射出瞳の第１のセットおよび射出瞳の第２のセットは、異なるＦＯＶ範囲および／または異なる波長範囲に対応し得る。格子２１６５および２１７５が同様の格子ベクトルを有する実施形態において、射出瞳の第１のセットおよび射出瞳の第２のセットは、同じＦＯＶ範囲および／または波長範囲に対応し得る。射出瞳の第１のセットおよび射出瞳の第２のセットは、重複、または部分的に重複し得る。故に、瞳複製密度は、増大され得、光は、２つの空間的に多重化したＶＢＧのセットによる表示光の回折に起因して、アイボックス内でより均一であり得る。
いくつかの実施形態において、表示画像の全ＦＯＶ範囲は、２つ以上の格子のセットによってカバーされるように２つ以上のＦＯＶ範囲に分割され得る。２つ以上のＦＯＶ範囲は、一緒に貼り合わせられて、全視野を提供し得る。各ＦＯＶ範囲について、格子のセットは、アイボックスを満たすために射出瞳を２つの次元において拡大するために使用され得る。
図２２Ａは、特定の実施形態に従う、２つの画像プロジェクタ２２２０および２２５０を含む体積ブラッグ格子ベースの導波路ディスプレイ２２００の例の前面図である。図２２Ｂは、特定の実施形態に従う、２つの画像プロジェクタ２２２０および２２５０を含む体積ブラッグ格子ベースの導波路ディスプレイ２２００の例の側面図である。画像プロジェクタ２２２０、第１の入力格子２２２２、第１の上部格子２２３０、および下部格子２２４０は、導波路ディスプレイ２２００の全ＦＯＶの第１の部分（例えば、左半分）を提供するために使用され得る。全ＦＯＶの第１の部分の表示光は、コリメートされ、第１の入力格子２２２２上に投射され得、この第１の入力格子２２２２が、例えば、図５～図６に関して上に説明されるように回折によって表示光を導波路２２１０内にカップリングし得る。表示光は、第１の上部格子２２３０の第１の部分２２３２に到達し得、第１の上部格子２２３０の第１の部分２２３２によって回折されて伝播方向を変え、第１の上部格子２２３０の他の部分に到達し得、この他の部分が各々、表示光を下部格子２２４０の方へ回折し得る。下部格子２２４０は、上に説明されるように表示光を異なる場所で導波路２２１０の外へ回折して、複数の射出瞳を形成し得る。第１の上部格子２２３０の第１の部分２２３２および第１の上部格子２２３０の他の部分の各々は、同様の格子パラメータを有し得る（しかしながら、異なる回折効率を達成するために異なる露光持続時間において記録され得る）。したがって、それらは、第１の上部格子２２３０の第１の部分２２３２および第１の上部格子２２３０の他の部分の各々における回折の反対のブラッグ条件（例えば、＋１次および－１次回折）に起因して、互いによって引き起こされる表示光の分散を補償して、全体的な分散を低減し得る。
加えて、第１の入力格子２２２２および下部格子２２４０は、少なくともｘ－ｙ平面において同様の格子パラメータまたは同様の格子ベクトルを有し得（しかしながら、異なる回折効率を達成するために異なる露光持続時間において記録され得る）、第１の入力格子２２２２は、表示光を導波路２２１０内にカップリングする一方、下部格子２２４０は、表示光を導波路２２１０からカップリングアウトし得る。したがって、第１の入力格子２２２２および下部格子２２４０は、それぞれの回折についての反対の回折方向および反対のブラッグ条件（例えば、＋１次および－１次回折）に起因して、互いによって引き起こされる表示光の分散を補償して、全体的な分散を低減し得る。このやり方では、第１の上部格子２２３０の第１の部分２２３２および第１の上部格子２２３０の他の部分の各々による分散は、相殺され得、第１の入力格子２２２２および下部格子２２４０による分散もまた、相殺され得る。
同様に、画像プロジェクタ２２５０、第２の入力格子２２５２、第２の上部格子２２６０、および下部格子２２４０（または異なる下部格子）は、導波路ディスプレイ２２００の全ＦＯＶの別の部分（例えば、右半分）を提供するために使用され得る。上に説明されるように、下部格子２２４０は、視野の両方の部分のために使用され得るか、または視野の一部分に１つずつ２つの格子を含み得る。第２の上部格子２２６０の第１の部分２２６２および他の部分の各々による分散は、相殺され得、第２の入力格子２２５２および下部格子２２４０による分散もまた、相殺され得る。したがって、導波路ディスプレイ２２００による表示光の全体的な分散は、任意の方向において最小化され得る。そのようなものとして、表示画像のより高い解像度は、ポリマー層が薄く、透過ＶＢＧが薄いポリマー層に記録されるとしても、達成され得る。
導波路ディスプレイ２２００は、第１の導波路プレート２２１２および第２の導波路プレート２２１４など、１つまたは複数の導波路プレート上に複数のポリマー層を含み得る。入力格子２２２２および２２５２、上部格子２２３０および２２６０、ならびに下部格子２２４０は各々、複数のポリマー層に記録される複数の格子に分かれ得る。各ポリマー層上の格子は、異なるそれぞれのＦＯＶおよび光スペクトルをカバーし得る。複数のポリマー層の組み合わせは、全ＦＯＶおよびスペクトルカバレッジを提供し得る。このやり方では、各ポリマー層は、薄くてもよく（例えば、約２０μｍ～約１００μｍ）、より少ない格子を記録するためにより少ない回数（例えば、約１００未満）露光され得、故にシースルー画像の曇りを低減する。複数のポリマー層の全体的な効率は、全ＦＯＶおよび可視光スペクトルについて依然として高くなり得る。
図２３Ａは、特定の実施形態に従う、単一の画像プロジェクタ２３２０および視野貼り合わせのための格子を含む体積ブラッグ格子ベースの導波路ディスプレイ２３００の例の前面図である。図２３Ｂは、特定の実施形態に従う、画像プロジェクタ２３２０および視野貼り合わせのための格子を有する体積ブラッグ格子ベースの導波路ディスプレイ２３００の例の側面図である。導波路ディスプレイ２３００は、１つまたは複数の導波路プレート２３１０上に複数のポリマー層を含み得る。画像プロジェクタ２３２０、入力格子２３３０、上部格子２３４０、および下部格子２３５０は、導波路ディスプレイ２３００の全ＦＯＶの第１の部分（例えば、左半分）を提供するために使用され得る。上に説明されるように、ＦＯＶの第１の部分の表示光は、コリメートされ、入力格子２３３０上に投射され得、この入力格子２３３０が、例えば、上に説明されるように回折によって表示光を導波路プレート２３１０内にカップリングし得る。表示光は、上部格子２３４０の第１の部分に到達し得、上部格子２３４０の第１の部分によって上部格子２３４０の他の部分へ回折され得、この他の部分が各々、表示光を下部格子２３５０の方へ回折し得る。下部格子２３５０は、上に説明されるように表示光を異なる場所で導波路プレート２３１０の外へ回折して、射出瞳を複製し得る。上部格子２３４０の第１の部分および他の部分の各々は、互いによって引き起こされる分散を補償し得、入力格子２３３０および下部格子２３５０もまた、上に説明されるように互いによって引き起こされる分散を補償し得る。
画像プロジェクタ２３２０、入力格子２３３２、上部格子２３４２、および下部格子２３５２は、導波路ディスプレイ２３００の全ＦＯＶの一部分（例えば、右半分）を提供するために使用され得る。表示光は、入力格子２３３２によって、コリメートされて、導波路プレート２３１０内にカップリングされ得る。表示光は、上部格子２３４２の第１の部分に到達し得、上部格子２３４２の第１の部分によって上部格子２３４２の他の部分へ回折され得、この他の部分が各々、表示光を下部格子２３５２の方へ回折し得る。下部格子２３５２は、上に説明されるように表示光を異なる場所で導波路プレート２３１０の外へ回折して、射出瞳を複製し得る。上部格子２３４２の第１の部分および他の部分の各々は、互いによって引き起こされる分散を補償し得、入力格子２３３２および下部格子２３５２もまた、上に説明されるように互いによって引き起こされる分散を補償し得る。
導波路ディスプレイ２３００は、１つまたは複数の導波路プレート２３１０上に複数のポリマー層を含み得、入力格子２３３０および２３３２、上部格子２３４０および２３４２、ならびに下部格子２３５０および２３５２は各々、複数のポリマー層に記録される複数の格子へ分かれ得、各ポリマー層上の格子は、異なるそれぞれのＦＯＶおよび光スペクトルをカバーし得る。複数のポリマー層の組み合わせは、全ＦＯＶおよびスペクトルカバレッジを提供し得る。このやり方では、各ポリマー層は、薄くてもよく（例えば、約２０μｍ～約１００μｍ）、より少ない格子を記録するためにより少ない回数（例えば、約１００未満）露光されて、曇りを低減し得、複数のポリマー層の全体的な効率は、全ＦＯＶおよび可視光スペクトルについては依然として高くなり得る。
図２３Ｂに示される例において、入力格子２３３０、上部格子２３４０、および下部格子２３５０の各々は、２つの多重化格子へ分かれ得、この２つの多重化格子は各々、それぞれのポリマー層に記録され、また各々、それぞれのＦＯＶをカバーし、複数のＶＢＧが、各々それぞれのポリマー層に記録されて、多重化格子を形成し得る。同様に、入力格子２３３２、上部格子２３４２、および下部格子２３５２の各々は、２つの多重化格子へ分かれ得、この２つの多重化格子は各々、それぞれのポリマー層に記録され、また各々、それぞれのＦＯＶをカバーし、複数のＶＢＧが、各々それぞれのポリマー層に記録されて、多重化格子を形成し得る。図２３Ｂに示されるように、入力格子２３３２および２３３０は、異なるポリマー層にあってもよい。同様に、上部格子２３４０および２３４２は、異なるポリマー層にあってもよく、下部格子２３５０および２３５２は、異なるポリマー層にあってもよい。故に、これらの間のクロストークは低減され得る。
図２４は、特定の実施形態に従う、異なる視野および／または光波長のための複数の格子層を含む体積ブラッグ格子ベースの導波路ディスプレイ２４００の例を例証する。ＶＢＧベースの導波路ディスプレイ２４００は、上に説明されるＶＢＧベースの導波路ディスプレイ２３００の例であり得る。導波路ディスプレイ２４００において、格子は、ｚ方向に沿って空間的に多重化され得る。例えば、導波路ディスプレイ２４００は、基板２４１０、２４１２、２４１４、および同様のものなど、複数の基板を含み得る。基板は、同様の屈折率を有する同じ材料（複数可）を含み得る。１つまたは複数のＶＢＧ（例えば、ＶＢＧ２４２０、２４２２、２４２４など）は、基板上に形成されるホログラフィ材料層に記録されるなど、各基板上に作製され得る。ＶＢＧは、反射格子または透過格子であってもよい。ＶＢＧを伴う基板は、空間多重化のためｚ方向に沿って基板スタックで配置され得る。各ＶＢＧは、異なる波長範囲および／または異なるＦＯＶ内の表示光を導波路内にカップリングするため、または導波路からカップリングアウトするための異なるブラッグ条件のために設計される複数の格子を含む多重化ＶＢＧであってもよい。
図２４に示される例において、ＶＢＧ２４２０は、導波路内の光線２４４４によって示されるように、正の視野からの光２４３４を導波路内にカップリングし得る。ＶＢＧ２４２２は、導波路内の光線２４４０によって示されるように、約０°視野からの光２４３０を導波路内にカップリングし得る。ＶＢＧ２４２４は、導波路内の光線２４４２によって示されるように、負の視野からの光２４３２を導波路内にカップリングし得る。上に説明されるように、ＶＢＧ２４２０、２４２２、および２４２４の各々は、多くの露光を伴う多重化ＶＢＧであってもよく、故に、異なるＦＯＶ範囲からの光を、導波路内にカップリングし得るか、または導波路からカップリングアウトし得る。
図２５は、特定の実施形態に従う、体積ブラッグ格子ベースの導波路ディスプレイの例における複数の格子の視野を例証する。いくつかの実施形態において、格子の各々は、それぞれの格子層内またはそれぞれの導波路プレート上にあってもよい。格子の各々は、多くの露光を含む多重化格子であってもよく、複数のＦＯＶ範囲からの表示光を高効率で、導波路内にカップリングし得るか、または導波路からカップリングアウトし得る。例えば、曲線２５１０は、異なる視野からの光についての第１のＶＢＧ（例えば、図２４のＶＢＧ２４２２）の回折効率を示し得る。曲線２５２０は、異なる視野からの光についての第２のＶＢＧ（例えば、図２４のＶＢＧ２４２０）の回折効率を示し得る。曲線２５３０は、異なる視野からの光についての第３のＶＢＧ（例えば、図２４のＶＢＧ２４２４）の回折効率を示し得る。第１、第２、および第３のＶＢＧは、スタックで配置されるとき、全視野（例えば、約－２０°～約２０°）内の光を高効率でより均一に回折し得る。いくつかの実施形態において、第１のＶＢＧ、第２のＶＢＧ、および第３のＶＢＧは、同じ色の表示光をカップリングするために使用され得る。異なるＶＢＧのセットは、異なる色の表示光のための全視野をカバーするために使用され得る。
１つの波長内および１つの角度範囲からの光を回折するように設計されるＶＢＧはまた、別の波長内および別の角度範囲からの光を回折し得る。例えば、特定の周期および傾斜角によって特徴付けられるＶＢＧは、異なる波長内および異なる入射角からの光を回折し得る。
図２６Ａは、体積ブラッグ格子２６１０の例による、対応する視野からの異なる色の光の回折を例証する。例に示されるように、ＶＢＧ２６１０は、第１の入射角からの青色光２６０２を第１の回折角度で導波路内へ回折し得る。ＶＢＧ２６１０はまた、第２の入射角からの緑色光２６０４を第２の回折角度で導波路内へ回折し得る。ＶＢＧ２６１０はさらに、第３の入射角からの赤色光２６０６を第３の回折角度で導波路内へ回折し得る。
図２６Ｂは、体積ブラッグ格子の格子周期と異なる色の入射光のための対応する視野との関係を例証する。曲線２６２０は、異なる視野からの赤色光が、異なる格子周期を有するＶＢＧによって回折され得ることを示す。同様に、曲線２６３０は、異なる視野からの緑色光が、異なる格子周期を有するＶＢＧによって回折され得ることを示し、曲線２６３０は、異なる視野からの青色光が、異なる格子周期を有するＶＢＧによって回折され得ることを示す。図２６Ｂはまた、特定の格子周期および傾斜角を有するＶＢＧが、異なる波長内および異なる入射角からの（例えば、異なる視野からの）光を回折し得ることを示す。図２６Ｂの領域２６０５は、２つ以上のそれぞれのＦＯＶからの２つ以上の色の光を回折し得る格子を示す。例えば、図２６Ｂの破線２６５０は、格子周期約４５０ｎｍを有するＶＢＧに対応し得、このＶＢＧは、約－７°視野からの赤色光を回折し、約２°視野からの緑色光を回折し、約６°視野からの青色光を回折し得る。
上に説明されるように、ＶＢＧは、反射ＶＢＧまたは透過ＶＢＧであってもよい。反射ＶＢＧおよび透過ＶＢＧは、異なる回折特性を有し得る。例えば、図１８Ａおよび図１８Ｂに関して上に説明されるように、反射格子は、同様の厚さの透過格子よりも比較的低い分散を有し得る。出力格子として使用される透過格子は、図１６に関して上に説明されるように、導波路ディスプレイの物理的サイズを低減するために、二次元射出瞳複製のための格子の重複を可能にし得るが、反射格子は、図１５に関して上に説明されるように、そうではない場合がある。
図２７Ａは、同じ厚さだが異なる屈折率変調を有する透過体積ブラッグ格子の例の回折効率を例証する。回折効率は、偏光依存であり得る。曲線２７１０は、ｓ偏光された光についての透過ＶＢＧの例の回折効率を示す一方、曲線２７２０は、ｐ偏光された光についての透過ＶＢＧの例の回折効率を示す。曲線２７３０は、ｓ偏光された光およびｐ偏光された光（例えば、無偏光の光）についての透過ＶＢＧの例の平均回折効率を示す。図２７Ａに示されるように、曲線２７１０および曲線２７２０は、シヌソイド関数の二乗に比例する関数に対応し得る（例えば、∝ｓｉｎ２（ａ×ｎ１×Ｄ））。透過格子の回折効率は、屈折率変調の増加に伴って増加または減少し得る。故に、透過ＶＢＧの屈折率変調を増加させることは、必ずしも透過ＶＢＧの回折効率を増加させない場合がある。
図２７Ｂは、同じ厚さだが異なる屈折率変調を有する反射体積ブラッグ格子の例の回折効率を例証する。反射ＶＢＧの回折効率もまた、偏光依存である。曲線２７６０は、ｓ偏光された光についての反射ＶＢＧの例の回折効率を示す一方、曲線２７２０は、ｐ偏光された光についての反射ＶＢＧの例の回折効率を示す。曲線２７３０は、ｓ偏光された光およびｐ偏光された光（例えば、無偏光の光）についての反射ＶＢＧの例の平均回折効率を示す。図２７Ｂに示されるように、反射ＶＢＧの回折効率は、屈折率変調の増加に伴って増加し得（例えば、∝ｔａｎｈ２（ａ×ｎ１×Ｄ））、屈折率変調が特定の値に到達するときに飽和し得る。
図２８Ａ～図２８Ｄは、ブラッグ条件からの入射角の偏差の関数としての異なる屈折率変調を伴う透過体積ブラッグ格子の例の回折効率を例証する。図２８Ａの曲線２８１０は、屈折率変調約０．００２を伴う透過ＶＢＧの例の回折効率を示し、主ローブのピーク回折効率は１００％に近い。図２８Ｂの曲線２８２０は、屈折率変調約０．００４を伴う透過ＶＢＧの例の回折効率を示し、図２８Ａの透過ＶＢＧと比較して、ピーク回折効率は、約０°で約０に下がり、回折効率曲線２８２０は２つのピークを有し、サイドローブは増加する。図２８Ｃの曲線２８３０は、屈折率変調約０．００５４を伴う透過ＶＢＧの例の回折効率を示し、図２８Ｂの透過ＶＢＧと比較して、ピーク回折効率、主ローブのＦＷＨＭ角度範囲、およびサイドローブは、増加し得る。図２８Ｄの曲線２８４０は、屈折率変調約０．００７８を伴う透過ＶＢＧの例の回折効率を示し、図２８Ｃの透過ＶＢＧと比較して、ピーク回折効率は減少し、回折効率曲線２８４０は２つのピークを有し、サイドローブは増加する。
図２９Ａ～図２９Ｄは、ブラッグ条件からの入射角の偏差の関数としての異なる屈折率変調を有する反射体積ブラッグ格子の例の回折効率を例証する。図２９Ａの曲線２９１０は、屈折率変調約０．００２を伴う反射ＶＢＧの例の回折効率を示し、主ローブのピーク回折効率は８０％よりも大きい。図２９Ｂの曲線２９２０は、屈折率変調約０．００４を伴う反射ＶＢＧの例の回折効率を示し、図２９Ａの反射ＶＢＧと比較して、ピーク回折効率は１００％まで増加し、主ローブのＦＷＨＭ角度範囲は増加し、サイドローブは増加する。図２９Ｃの曲線２９３０は、屈折率変調約０．００５４を伴う反射過ＶＢＧの例の回折効率を示し、図２９Ｂの反射ＶＢＧと比較して、ピーク回折効率は約１００％であり、主ローブのＦＷＨＭ角度範囲はさらに増加し、およびサイドローブも同様にさらに増加する。図２９Ｄの曲線２９４０は、屈折率変調約０．００７８を伴う反射ＶＢＧの例の回折効率を示し、図２９Ｃの反射ＶＢＧと比較して、ピーク回折効率は約１００％であり、主ローブのＦＷＨＭ角度範囲はさらに増加し、およびサイドローブも同様にさらに増加する。
透過ＶＢＧの場合、偏光された光の回折効率は、図２７Ａに示されるように、屈折率変調の関数（例えば、∝ｓｉｎ２（ａ×ｎ１×Ｄ））であり得る。加えて、回折効率は、色依存であり得る。例えば、透過ＶＢＧは、１つの色（例えば、青）について別の色（例えば、緑または赤）よりも、図２７Ａに示される第１の回折ピークに到達するために低い屈折率変調を必要とし得る。図２７Ａに示される第１の回折ピークに対応する屈折率変調よりも低い特定の屈折率変調を伴う格子は、青色光については緑または赤色光よりも高い回折効率を有し得る。
図３０Ａ～図３０Ｃは、第１の屈折率変調（例えば、約０．０１）を伴う透過ＶＢＧの例の回折効率を例証する。透過ＶＢＧは、図２６Ａおよび図２６Ｂに関して上に説明されるように、異なるそれぞれの視野からの異なる色の光を異なるそれぞれの回折効率で回折し得る。例えば、図３０Ａの曲線３０１０は、約１４°視野からの青色光についての透過ＶＢＧの回折効率を例証し得、ピーク回折効率は１００％に近い場合がある。図３０Ｂの曲線３０２０は、約１０°視野からの緑色光についての同じ透過ＶＢＧの回折効率を例証し得、ピーク回折効率は、まだ１００％に到達していない（例えば、約９０％）。図３０Ｃの曲線３０３０は、約３°視野からの赤色光についての同じ透過ＶＢＧの回折効率を例証し得、ピーク回折効率は、約８０％であり得る。
図３０Ｄ～図３０Ｆは、第２の屈折率変調（例えば、０．０１２）を伴う透過ＶＢＧの例の回折効率を例証する。透過ＶＢＧは、図３０Ａ～図３０Ｃと関連付けられた透過ＶＢＧとは屈折率変調のみが異なり得る。透過ＶＢＧは、異なるそれぞれの視野からの異なる色の光を異なるそれぞれの回折効率で回折し得る。例えば、図３０Ｄの曲線３０１２は、約１４°視野からの青色光についての透過ＶＢＧの回折効率を例証し得、ピーク回折効率は、屈折率変調が図３０Ａに示されるような第１の回折効率ピークと関連付けられた屈折率変調よりも大きいことから、図３０Ａに示される約１００％のピーク値から減少している場合がある。図３０Ｅの曲線３０２２は、約１０°視野からの緑色光についての同じ透過ＶＢＧの回折効率を例証し得、ピーク回折効率は、増加している場合がある（例えば、９０％よりも大きい）。図３０Ｆの曲線３０３２は、約３°視野からの赤色光についての同じ透過ＶＢＧの回折効率を例証し得、ピーク回折効率は、８０％超まで増加している場合がある。
図３０Ｇ～図３０Ｉは、第３の屈折率変調（例えば、０．０１５）を伴う透過ＶＢＧの例の回折効率を例証する。透過ＶＢＧは、図３０Ａ～図３０Ｆと関連付けられた透過ＶＢＧとは屈折率変調のみが異なり得る。透過ＶＢＧは、異なるそれぞれの視野からの異なる色の光を異なるそれぞれの回折効率で回折し得る。例えば、図３０Ｇの曲線３０１４は、約１４°視野からの青色光についての透過ＶＢＧの回折効率を例証し得、ピーク回折効率は、屈折率変調が図３０Ａに示されるような第１の回折効率ピークと関連付けられた屈折率変調よりも大きいことから、図３０Ｄに示される値からさらに減少している場合がある。図３０Ｈの曲線３０２４は、約１０°視野からの緑色光についての同じ透過ＶＢＧの回折効率を例証し得、ピーク回折効率はまた、その最大値から減少している場合がある。図３０Ｉの曲線３０３４は、約３°視野からの赤色光についての同じ透過ＶＢＧの回折効率を例証し得、ピーク回折効率は、さらに増加している場合がある。
対照的に、反射ＶＢＧの場合、図２７Ｂおよび図２９Ａ～図２９Ｄに示されるように、回折効率は、屈折率変調の増加に伴って減少しない場合がある。回折効率曲線の主ローブおよびサイドローブのＦＷＨＭ角度範囲は、屈折率変調の増加に伴って増加し得る。
図３１Ａは、異なる色について回折飽和を達成するために、異なる格子周期を有する透過体積ブラッグ格子の最小屈折率変調を例証する。曲線３１１０は、赤色光について最大回折効率を達成するための透過ＶＢＧの最小屈折率変調を示し、曲線３１２０は、緑色光について最大回折効率を達成するための透過ＶＢＧの最小屈折率変調を示す一方、曲線３１３０は、青色光について最大回折効率を達成するための透過ＶＢＧの最小屈折率変調を示す。例証されるように、所与の格子周期および厚さを有する格子の場合、最大回折効率を達成するための最小屈折率変調は、異なる色では異なり得る。例えば、青色光の場合の最大回折効率のための最小屈折率変調は、緑色光または赤色光の場合のものよりも低くてもよい。故に、図３０Ａ～図３０Ｉにも例証されるように、複数の色にある光を回折することができる格子の場合、屈折率変調が青色光について最も高い回折効率を達成することができる値にあるとき、緑色光および赤色光についての同じ格子の回折効率は、より低くてもよく、屈折率変調が赤色光について最も高い回折効率を達成することができる値にあるとき、青色光および緑色光についての同じ格子の回折効率は、それらのピーク値から減少し得る。したがって、異なる色についての回折効率間に何らかのトレードオフが存在する必要があり得る。
図３１Ｂは、任意の色の屈折率変調飽和を回避するために異なる格子周期を有する透過格子の屈折率変調を示す曲線３１４０を例証する。例えば、青色光を回折し得る格子の場合、屈折率変調は、青色光の屈折率変調飽和に基づいて決定され得る。緑色および赤色光のみを回折し得る格子の場合、屈折率変調は、緑色光の屈折率変調飽和に基づいて決定され得る。赤色光のみを回折し得る格子の場合、屈折率変調は、赤色光の屈折率変調飽和に基づいて決定され得る。
上に説明されるように、赤、緑、および青色光のための全視野をカバーするために、ＶＢＧは、異なる記録光パターンに複数回露光される多重化格子であってもよく、各露光が、異なるそれぞれの視野からの赤、緑、および青色光を回折し得る格子を記録し得る。多重化ＶＢＧ内の格子は、異なる格子周期を有し得る。多重化ＶＢＧは、全視野からのすべての色の光を回折するために使用され得る。加えて、多重化ＶＢＧ内の格子は、異なる色についての回折効率を最適化するために異なる屈折率変調を有し得る。
図３１Ｃは、特定の実施形態に従う、最適化された回折効率および回折効率均一性のための異なるピッチおよび異なる屈折率変調の多重化ＶＢＧを含む格子層の例を例証する図解３１５０である。図解３１５０内の各データ点３１５２は、格子の周期および対応する屈折率変調を示す。例証された例において、格子層は、４０超の格子を含み得る。格子層は、約０．０８の最大屈折率変調を有し得る。各格子は、約０．００２以下の屈折率変調を有し得る。多重化格子は、組み合わせて、可視光のための全ＦＯＶを提供し得る。
大きい視野のための光の回折効率を増加させるために多重化ＶＢＧ内のより多くの格子を多重化することが、一般的には望ましい場合がある。しかしながら、多くの格子が多重化ＶＢＧにおいて多重化されるとき、クロストークが格子間に発生し得る。
図３２Ａは、導波路ディスプレイ３２００における多重化体積ブラッグ格子の例によって引き起こされたクロストークを例証する。導波路ディスプレイ３２００は、入力格子３２１２を含む多重化入力格子を含み得る。導波路ディスプレイ３２００はまた、同じ格子層または複数の格子層に記録され得る、第１の出力格子３２１４および第２の出力格子３２１６など、２つ以上の出力格子を含む多重化出力格子３２１０を含み得る。第１の色にある、また第１の視野のための、表示光は、入力格子３２１２によって導波路内にカップリングされ得、第１の出力格子３２１４によって、入力角度に等しい出力角度（例えば、例証された例では約９０°）など、所望の角度で導波路からカップリングアウトされ得る。入力格子３２１２および第１の出力格子３２１４は、一致する格子ベクトル（例えば、少なくともｘ－ｙ平面において）を有し得、故に、互いによって引き起こされる分散を補償し、入力角度に等しい出力角度を保持し得る。
第２の出力格子３２１６と関連付けられたＦＯＶは、例えば、図２８Ａ～図３０Ｉに示されるような各格子の回折効率曲線の非ゼロ幅に起因して、第１の出力格子３２１４と関連付けられた第１のＦＯＶと少なくとも部分的に重複し得る。したがって、第１の視野からの、および入力格子３２１２によって導波路内にカップリングされる、表示光は、第２の出力格子３２１６によって、望ましくない角度で導波路から少なくとも部分的にカップリングアウトされ得る。入力格子３２１２と第２の出力格子３２１６との格子ベクトル不一致が理由で、入力角度（例えば、例では約９０°）、ならびに第１のＦＯＶ内の、および第２の出力格子３２１６によって導波路からカップリングアウトされる、表示光の出力角度は、図３２Ａに示されるように異なり得る。故に、望ましくないゴースト画像が生成され得る。
図３２Ｂは、体積ブラッグ格子の格子周期と異なる色の入射光のための対応する視野との関係を例証する。例証されるように、同じＶＢＧ（例えば、線３２３０によって表されるＶＢＧ）は、負の視野（線３２３０および曲線３２４０の交差点によって示されるような）からの第１の波長にある赤色光を回折し得る。同じＶＢＧはまた、異なる負の視野（線３２３０および曲線３２４２の交差点によって示されるような）からの異なる（例えば、第２の）波長にある赤色光を回折し得る。第１の波長および第２の波長にある赤色光は、狭いスペクトル範囲にある光を放出する同じ光源（例えば、赤色ＬＥＤ）によって放出され得る。同様に、同じＶＢＧは、正の視野（線３２３０および曲線３２５０の交差点によって示されるような）からの第３の波長にある緑色光、および異なる正の視野（線３２３０および曲線３２５２の交差点によって示されるような）からの異なる（例えば、第４の）波長にある緑色光を回折し得る。第３の波長および第４の波長にある緑色光は、狭いスペクトル範囲にある光を放出する同じ光源（例えば、緑色ＬＥＤ）によって放出され得る。同じＶＢＧは、正の視野（線３２３０および曲線３２６０の交差点によって示されるような）からの第５の波長にある青色光、および異なる正の視野（線３２３０および曲線３２６２の交差点によって示されるような）からの異なる（例えば、第６の）波長にある青色光を回折し得る。第５の波長および第６の波長にある青色光は、狭いスペクトル範囲にある光を放出する同じ光源（例えば、青色ＬＥＤ）によって放出され得る。
場合によっては、ゴースト効果が、異なる視野のための格子による第１の視野のための表示光の望ましくない回折によって引き起こされ得る。例えば、ゴースト画像は、ＦＯＶの左半分のための表示光がＦＯＶの右半分のための上部格子によって回折される場合、またはＦＯＶの右半分のための表示光がＦＯＶの左半分のための上部格子によって回折される場合に存在し得る。いくつかの実施形態において、ゴースト効果を低減するため、２つ以上の上部格子は、互いからオフセットされ得、重複しない場合がある。いくつかの実施形態において、２つ以上の上部格子は、格子による表示光の望ましくない回折がアイボックスに到達することができず、故にユーザによって観察されることができないように設計され得る。
上に説明されるように、透過格子および反射格子は、回折効率、回折効率飽和、分散、ＦＷＨＭ角度範囲、および同様のものなど、異なる性能特徴を有し得る。例えば、透過格子は、反射格子よりも幅の広いブラッグピーク線幅を有し得る。加えて、透過ＶＢＧまたは反射ＶＢＧについてのブラッグピーク線幅は、対応する視野により変化し得る。
図３３Ａは、異なる視野についての透過体積ブラッグ格子および反射体積ブラッグ格子のブラッグピークの線幅を例証する。曲線３３１０は、異なる視野のための透過ＶＢＧのブラッグピークの線幅を示す。曲線３３１０は、透過ＶＢＧのブラッグピークの線幅が対応する視野の増大と共に著しく増大し得ることを示す。曲線３３２０は、異なる視野のための反射ＶＢＧのブラッグピークの線幅を例証する。曲線３３２０は、反射ＶＢＧのブラッグピークの線幅が対応する視野の増大と共にわずかにのみ増大し得ることを示す。
図３３Ｂは、異なる視野についての透過体積ブラッグ格子のブラッグピーク３３３０の例を例証する。示されるように、より大きい視野のための透過ＶＢＧの線幅は、より小さい視野のための透過ＶＢＧの線幅よりもはるかに幅広くてもよく、故に、より大きいＦＯＶ範囲をカバーし得る。
図３３Ｃは、異なる視野についての反射体積ブラッグ格子のブラッグピーク３３４０の例を例証する。示されるように、より大きい視野のための反射ＶＢＧの線幅は、より小さい視野のための反射ＶＢＧの線幅とほぼ同じであり得る。
図３４Ａは、複数のＶＢＧを含む多重化体積ブラッグ格子の例におけるクロストークと効率との間のトレードオフを例証する。図３４Ａに示される例において、ＶＢＧは、曲線３４１０によって示されるように、ブラッグピーク重複、および故に大きい正の視野からの青色光のためのＶＢＧ間のクロストークを回避するために疎に多重化され得る。上に説明されるように、ＶＢＧは、他の視野からの他の色の光も回折し得る。故に、正の視野からの青色光を回折するための格子は、負の視野からの赤色光も回折し得る。しかしながら、図３３Ａ～図３３Ｂに関して上に説明されるように、格子が疎に多重化され、透過格子のブラッグピークの線幅が負の視野においてより狭いことから、いくつかの負の視野からの赤色光は、曲線３４２０内のピーク間の空隙によって示されるように格子によって回折されない場合があり、故に、特定の負の視野における赤色光についての効率性を低減する。
図３４Ｂは、複数のＶＢＧを含む多重化体積ブラッグ格子の例におけるクロストークと効率との間のトレードオフを例証する。例証された例において、ＶＢＧは、曲線３４４０によって示されるように赤色光のための負の視野のカバレッジを増大するために密に多重化され得る。密に多重化されたＶＢＧは、正の視野からの青色光も回折し得る。ＶＢＧが密に多重化され、透過格子のブラッグピークの線幅が正の視野においてより幅広いことから、正の視野における青色光のブラッグピークは、曲線３４３０によって示されるように、重複し、大きい正の視野からの青色光のためのＶＢＧ間のクロストークを引き起こし得る。
故に、透過格子において、クロストークを最小限にし、かつ効率を最大限にするのは困難であり得る。多くの場合、透過ＶＢＧベースの導波路ディスプレイの最大限の達成可能な効率は、最大許容クロストークによって制限され得る。
図３５Ａは、多重化透過体積ブラッグ格子における最小回折効率と合計屈折率変調と対応するクロストークとの関係を例証する。図３５Ａの水平軸は、所望の最小効率に対応する。データ点３５２０は、対応する所望の最小回折効率を達成するための最小屈折率変調を示す。データ点３５１０は、対応する所望の最小効率を達成するための対応する最小屈折率変調と関連付けられた最大クロストーク値を示す。
図３５Ａに示される例において、所望のクロストークは、破線３５３０によって示されるように、例えば、０．０６未満であってもよい（チェッカーボードコントラストが約３０であり得るように）。各導波路プレートには、２つのポリマー層が装着されていてもよい。各ポリマー層における最大屈折率変調は、合計屈折率変調が破線３５４０によって示されるように約０．１であり得るように、例えば、約０．０５であってもよい。データ点３５４２によって示されるように、２つのポリマー層の合計屈折率変調が、所望の効率を達成するために０．１であるとき、クロストークは、破線３５３０によって示される最大許容クロストークよりもはるかに高くてもよい。データ点３５３２によって示されるように、０．０６未満のクロストークを達成するため、ポリマー層の最大屈折率変調は、完全に利用されなくてもよく、最小効率は比較的低くなり得る。図３５Ａのデータ点３５３２によって示される例において、２つのポリマー層の合計屈折率変調の約２０％のみが、クロストーク性能を達成するために利用され得る。故に、透過ＶＢＧベースの導波路ディスプレイの効率は、最大許容クロストークによって制限され得る。
図３５Ｂは、多重化反射体積ブラッグ格子における最小回折効率と合計屈折率変調と対応するクロストークとの関係を例証する。水平軸は、所望の最小効率に対応する。データ点３５７０は、対応する所望の最小効率を達成するための屈折率変調を示す。データ点３５６０は、対応する所望の最小効率を達成するための対応する屈折率変調と関連付けられた最大クロストーク値を示す。
図３５Ｂに示される例において、各導波路プレートには、２つのポリマー層が装着されていてもよい。各ポリマー層における最大屈折率変調は、合計屈折率変調が破線３５８０によって示されるように、例えば、約０．１であり得るように、例えば、約０．０５であってもよい。図３５Ｂの点３５８２によって示されるように、ポリマー層の最大屈折率変調（例えば、０．１）が完全に利用されるとき、格子のクロストークは、線３５９０によって示されるように最大許容クロストークよりも依然としてはるかに低く（例えば、約０．０６）、効率は比較的高くなり得る。故に、反射ＶＢＧベースの導波路ディスプレイにおいて、回折効率は、ポリマー層の最大屈折率変調によって制限され得る。様々な実施形態において、透過格子および反射格子は、形状因子、効率、画像品質、および同様のものなど、設計上の考慮事項に基づいて選択され得る。
透過ＶＢＧおよび反射ＶＢＧの特徴、ならびに、効率、視野、解像度、コントラスト、クロストーク、ゴースト画像、レインボー効果、物理的寸法、および同様のものなどの導波路ディスプレイの所望の特徴に基づいて、透過ＶＢＧまたは反射ＶＢＧが、導波路ディスプレイを実装するために選択され得る。例えば、図２７Ｂおよび図２９Ａ～図２９Ｄに関して上に説明されるように、反射格子では、回折効率は、屈折率変調がしきい値を上回るときに飽和し得る。ＦＷＨＭ角度範囲またはＦＷＨＭ波長範囲は、屈折率変調が増加し続けると広がり得る。反射ＶＢＧのそのような特性は、いくつかの導波路システムにおいて利用され得る。
例えば、導波路ディスプレイの例において、プロジェクト内の光源は、約１０ｎｍ～約３０ｎｍの波長帯域幅で光を放出し得る。約５０μｍの厚さを有する不飽和の反射ＶＢＧでは、ＦＷＨＭ波長範囲は、約１ｎｍであってもよい。故に、複数のＶＢＧが、光源の波長帯域幅にある放出された光を回折するために必要とされ得る。約５０μｍの厚さを有する飽和した反射ＶＢＧのＦＷＨＭ波長範囲は、１ｎｍよりもはるかに広くてもよく、故に、より少ない反射ＶＢＧが、光源の波長帯域幅にある放出された光を回折するために必要とされ得る。
図３６は、特定の実施形態に従う、異なる屈折率変調を有する空間多重化反射体積ブラッグ格子を含む導波路ディスプレイ３６００の例を例証する。図３６に示される反射ＶＢＧは、１次元瞳拡大および分散補償のために使用され得る。図３６に示される反射ＶＢＧは、単に例証の目的のためであるということに留意されたい。いくつかの実施形態において、追加の反射または透過ＶＢＧ格子３６１５が、瞳を別の次元において拡大して、上に説明されるように２つの次元において瞳拡大を達成するために使用され得る。例えば、ＶＢＧ格子３６１５は、上に説明されるように第１の次元に実質的に垂直の第２の次元における瞳拡大および分散補償のために使用され得る反射ＶＢＧの別のセットを含み得る。
図３６に示される例において、導波路ディスプレイ３６００は、第１の反射格子３６１０および第２の反射格子３６２０を含み得る。第１の反射格子３６１０および第２の反射格子３６２０は、ｘ－ｙ平面において同じ格子ベクトルならびにｚ方向において同じおよび／または反対の格子ベクトルなど、一致する格子ベクトルを有し得る。例えば、第１の反射格子３６１０および第２の反射格子３６２０は、格子周期、傾斜角、および厚さ、ならびに同様のものなど、いくつかの同じ格子パラメータを有し得る。第１の反射格子３６１０および第２の反射格子３６２０は、上に説明されるように互いによって引き起こされる分散を補償し得る。
いくつかの実施形態において、第１の反射格子３６１０は、入力格子１９２２、２２２２、２２５２、２３３０、２３３２、および同様のものなど、上に説明される入力格子の例であり得る。第２の反射格子３６２０は、第２の格子１９４０、下部格子２２４０、下部格子２３５０および２３５２、ならびに同様のものなど、出力格子または下部格子の例であり得る。第１の反射格子３６１０および第２の反射格子３６２０は、それぞれ、表示光を導波路内にカップリングするため、および導波路からカップリングアウトするために使用され得る。
いくつかの実施形態において、第１の反射格子３６１０は、第１の格子１９３０の第１の部分１９３２、第１の上部格子２２３０の第１の部分２２３２、第２の上部格子２２６０の第１の部分２２６２、上部格子２３４０の第１の部分、上部格子２３４２の第１の部分、および同様のものの例であり得る。第２の反射格子３６２０は、第１の格子１９３０、第１の上部格子２２３０、第２の上部格子２２６０、上部格子２３４０、上部格子２３４２、および同様のものの他の部分の例であり得る。
導波路ディスプレイ３６００において、第１の反射格子３６１０および第２の反射格子３６２０は、異なる屈折率変調を有し得る。例えば、第１の反射格子３６１０は、強く飽和され得、故に、第１の反射格子３６１０の回折効率は、図形３６１２によっておおよそ示され得、ＦＷＨＭ波長範囲（および／またはＦＷＨＭ角度範囲）は、大きい波長範囲（および／または大きいＦＯＶ範囲）をカバーするために幅広であってもよい。故に、第１の反射格子３６１０は、大きい波長範囲（および／または大きいＦＯＶ範囲）にある表示光を回折し得る。
第２の反射格子３６２０は、複数の区域３６２２、３６２４、３６２６、および同様のものを含み得る。第１の反射格子３６１０によって回折される（例えば、導波路内にカップリングされるか、または異なる方向へ偏向される）表示光は、全内部反射を通じて導波路と伝播し得、直接的または間接的に（例えば、格子３６１５を通じて）、第２の反射格子３６２０の複数の区域の各々に到達し得る。第２の反射格子３６２０の複数の区域は各々、表示光の一部分を、例えば、導波路からカップリングアウトし得るか、または出力（もしくは下部）格子の方へカップリングし得る。複数の区域３６２２、３６２４、３６２６、および同様のものの各々は、異なるそれぞれの屈折率変調を有し得、故に、異なるそれぞれのレベルで飽和され得、異なるそれぞれのＦＷＨＭ波長範囲（および／またはＦＷＨＭ角度範囲）を有し得る。例えば、第１の区域３６２２は、飽和レベルを下回る、飽和レベルにある、または飽和レベルをわずかに上回る屈折率変調を有し得、故に、図形３６３２によって示される回折効率曲線を有し得る。第２の区域３６２４は、より高い屈折率変調を有し得、故に、図形３６３４によって示されるように、より幅広のＦＷＨＭ波長範囲（および／またはＦＷＨＭ角度範囲）を有し得る。第３の区域３６２６は、さらにより高い屈折率変調を有し得、故に、図形３６３６によって示されるように、はるかにより幅広のＦＷＨＭ波長範囲（および／またはＦＷＨＭ角度範囲）を有し得る。いくつかの実施形態において、第２の反射格子３６２０は、異なる屈折率変調および異なるＦＷＨＭ波長範囲（および／またはＦＷＨＭ角度範囲）を有し得る複数の（例えば、４つ以上の）区域を含み得る。
いくつかの実施形態において、第２の反射格子３６２０の第１の区域３６２２は、第１の波長（および／またはＦＯＶ）範囲にある表示光を高い効率（例えば、図形３６３２によって示されるように１００％に近い）で導波路からカップリングアウトして、第１の波長（および／またはＦＯＶ）範囲にある光のための瞳を複製し得る。第２の反射格子３６２０の第２の区域３６２４は、第２の波長（および／またはＦＯＶ）範囲にある表示光を図形３６３４によって示されるような高い効率で導波路からカップリングアウトし得る。第２の波長（および／またはＦＯＶ）範囲は、第１の波長（および／またはＦＯＶ）範囲を含み得、第１の波長（および／またはＦＯＶ）範囲よりも広くてもよい。第１の波長（および／またはＦＯＶ範囲）にある光の大部分またはすべてが、第１の区域３６２２によって回折されていてもよいため、第２の区域３６２４は、第２の波長（および／またはＦＯＶ）範囲内にある光のみを回折し得、別の瞳を複製するために図形３６３４内のエリア３６４４によって示されるように第１の区域３６２２によって回折されていない。同様に、第２の反射格子３６２０の第３の区域３６２６は、第３の波長（および／またはＦＯＶ）範囲にある表示光を図形３６３６によって示されるような高い効率で導波路からカップリングアウトし得る。第３の波長（および／またはＦＯＶ）範囲は、第２の波長（および／またはＦＯＶ）範囲を含み得、第２の波長（および／またはＦＯＶ）範囲よりも広くてもよい。第２の波長（および／またはＦＯＶ）範囲にある光の大部分またはすべてが、第１の区域３６２２および第２の区域３６２４によって回折されていてもよいため、第３の区域３６２６は、第３の波長（および／またはＦＯＶ）範囲内にある光のみを回折し得、第３の瞳を複製するために図形３６３６に示されるように第１の区域３６２２および第２の区域３６２４によって回折されていない。
いくつかの実施形態において、第１の反射格子３６１０および第２の反射格子３６２０は各々、複数の飽和した反射ＶＢＧを含むそれぞれの多重化格子内の格子であってもよい。多重化格子内の各々の飽和した反射ＶＢＧは、例えば、図２６Ａ、図２６Ｂ、および図３２Ｂに関して上に説明されるように、異なるそれぞれの波長および／またはＦＯＶ範囲からの赤、緑、および／または青色光を回折し得る。複数の飽和した反射ＶＢＧは、故に、例えば、図１９Ｂ、図２２Ｂ、図２３Ｂ、図２５、および図３３Ｃに関して上に説明されるように、光源（例えば、赤、緑、および青色ＬＥＤ）によって放出される表示画像の赤、緑、および青色光のための全ＦＯＶを提供し得る。
いくつかの実施形態において、透過格子の回折効率が偏光感受型であり、入ってくる表示光が無偏光であり得ることから、表示光のいくつかの成分は、格子によって回折されない場合があり、故に、導波路ディスプレイの効率は低減され得る。無偏光の光または特定の偏光状態にある光の効率を向上させるため、偏光変換器および２つの空間的に多重化された格子が、表示光を導波路内にカップリングするため、または導波路からカップリングアウトするために使用され得る。
図３７は、特定の実施形態に従う、２つの多重化体積ブラッグ格子３７１０および３７４０、ならびに２つの多重化体積ブラッグ格子３７１０および３７４０間の偏光変換器３７３０を含む導波路ディスプレイ３７００の例を例証する図である。いくつかの実施形態において、透過格子の回折効率が偏光感受型であり、入ってくる表示光が無偏光であり得ることから、表示光のいくつかの成分は、格子によって回折されない場合があり、故に、導波路ディスプレイの効率は低減され得る。無偏光の光または特定の偏光状態にある光の効率を向上させるため、偏光変換器および２つの空間的に多重化された格子が、表示光を導波路内にカップリングするため、または導波路からカップリングアウトするために使用され得る。第１のＶＢＧ３７１０は、基板３７２０上、または偏光変換器３７３０の表面上に形成され得る。第２のＶＢＧ３７４０は、基板３７５０上、または偏光変換器３７３０の別の表面上に形成され得る。
無偏光の光３７０２は、ｓ偏光された光およびｐ偏光された光を含み得る。第１のＶＢＧ３７１０は、回折光３７０４によって示されるように、ｓ偏光された光の大部分およびｐ偏光された光の一部分を回折し得る。回折光３７０４は、偏光変換器３７３０によって部分的に変換され、ブラッグ条件が満足されないため、透過光３７０６によって示されるように、第２のＶＢＧ３７４０によって回折されることなく第２のＶＢＧ３７４０を通過し得る。第１のＶＢＧ３７１０によって回折されないｐ偏光された光の部分３７０８は、偏光変換器３７３０を通過し得、ｓ偏光された光へと変換され得、第２のＶＢＧ３７４０によって回折され得、回折光３７１２は、透過光３７０６と同じ伝播方向を有し得る。このやり方では、無偏光の光３７０２は、導波路ディスプレイ３７００によってより効率的に回折され得る。
外部光（例えば、ランプまたは太陽などの外部光源からの）は、格子カプラの表面において反射されて、格子カプラへ戻り得、反射光は、格子カプラによって回折されてレインボー画像を生成し得る。何らかの導波路ディスプレイにおいて、導波路ディスプレイのシースルー視野の外側の大きい入射角を有する周囲光もまた、格子カプラによって回折されてレインボー画像を生成し得る。いくつかの実施形態によると、反射コーティング層（例えば、大きいシースルーＦＯＶからの光のため）および／または反射防止コーティング層（例えば、小さいシースルーＦＯＶからの光のため）などの追加の構造体が、レインボー効果などの光学アーチファクトを低減するために導波路ディスプレイにおいて使用され得る。例えば、角度選択的な透過層が、外部光源によって引き起こされるアーチファクトを低減するために導波路および導波路ディスプレイの格子カプラの前（または後ろ）に置かれ得る。角度選択的な透過層は、ニアアイディスプレイのシースルー視野内の周囲光が通過して、ほとんど損失なしにユーザの目に到達することを可能にしながら、導波路ディスプレイのシースルー視野の２分の１よりも大きい入射角を有する周囲光を反射、回折、または吸収するように構成され得る。角度選択的な透過層は、例えば、１つまたは複数の誘電層、格子（例えば、メタ格子）などの回折素子、ナノ構造体（例えば、ナノワイヤ、ナノピラー、ナノプリズム、ナノピラミッド）、および同様のものを含み得るコーティングを含み得る。
図３８は、特定の実施形態に従う、反射防止層３８５０および角度選択的な透過層３８４０を含む導波路ディスプレイ３８００の例を例証する。導波路ディスプレイ３８００は、導波路３８１０、および導波路３８１０の下面に格子カプラ３８２０を含み得る。格子カプラ３８２０は、上に説明される格子カプラと同様であり得る。導波路３８１０に入射する外部光３８３０は、外部光３８３２として導波路３８１０内へ屈折され得、次いで、格子カプラ３８２０によって回折され得る。回折光は、０次回折３８３４（例えば、屈折回折）および－１次回折（示されない）を含み得る。格子カプラ３８２０の高さ、周期、および／または傾斜角は、－１次回折が、外部光について低減または最小限にされ得るように構成され得る。
導波路ディスプレイ３８００は、格子カプラ３８２０の下面３８２２に反射防止層３８５０を含み得る。反射防止層３８５０は、例えば、下面３８２２に被覆された１つもしくは複数の誘電薄膜層または他の反射防止層を含み得、下面３８２２において外部光の反射を低減するために使用され得る。故に、格子カプラ３８２０の下面３８２２において反射されて格子カプラ３８２０に戻り得る外部光はほとんどなく、したがって、さもなければ格子カプラ３８２０によって下面３８２２において反射される外部光の回折に起因して形成され得るレインボーゴーストは、低減または最小限にされ得る。表示光のいくつかの部分は、格子カプラ３８２０によって回折され得、ユーザの目の方へ導波路３８１０からカップリングアウトされ得る（例えば、－１次回折に起因して）。反射防止層３８５０はまた、格子カプラ３８２０によって導波路３８１０からカップリングアウトされる表示光の部分の反射を低減するのを助け得る。
角度選択的な透過層３８４０は、導波路３８１０の上面または格子カプラ３８２０に被覆され得る。角度選択的な透過層３８４０は、特定のしきい値よりも大きい入射角を有する入射光について、高反射性、高回折効率、または高吸収を有し得、しきい値よりも低い入射角を有する入射光については低損失を有し得る。しきい値は、導波路ディスプレイ３８００のシースルー視野に基づいて決定され得る。例えば、シースルー視野よりも大きい入射角を有する入射光３８６０は、角度選択的な透過層３８４０によって、大半が反射、回折、または吸収され得、故に、導波路３８１０に到達しない場合がある。シースルー視野内の入射角を有する外部光３８３０は、大半が、角度選択的な透過層および導波路３８１０を通過し得、格子カプラ３８２０によって屈折または回折され得る。
上に説明される角度選択的な透過層３８４０は、様々なやり方で実装され得る。いくつかの実施形態において、角度選択的な透過層は、１つまたは複数の誘電層（またはエアギャップ）を含み得る。各誘電層は、それぞれの屈折率を有し得、隣接する誘電層は、異なる屈折率を有し得る。いくつかの実施形態において、角度選択的な透過層は、例えば、マイクロミラーまたはプリズム、格子、メタ格子、ナノワイヤ、ナノピラー、または他のマイクロもしくはナノ構造体を含み得る。いくつかの例において、角度選択的な透過層は、基板上に形成される小さい格子周期を有する格子（例えば、表面レリーフ格子またはホログラフィック格子）を含み得る。格子は、大きい入射角（例えば、約７５°～約９０°）を有する光のみを回折し得、回折光は、回折光がアイボックスに到達することができないような方向に伝播し得る。格子周期は、角度選択的な透過層がシースルー視野内の光に影響を及ぼし得ないように、例えば、２８０ｎｍ未満（例えば、約２００ｎｍ）であり得る。いくつかの例において、角度選択的な透過層は、大きい入射角を有する入射光を反射、回折、または吸収し得るマイクロスケールまたはナノスケールの異方構造体を含み得る。異方構造体は、例えば、透明媒質、ナノワイヤアレイ、特定の液晶材料、および同様のものの中に整列および浸漬された大きいアスペクト比のナノ粒子を含み得る。
本発明の実施形態は、人工現実システムの構成要素を実装するために使用され得るか、または人工現実システムと併せて実装され得る。人工現実は、例えば、仮想現実（ＶＲ）、拡張現実（ＡＲ）、複合現実（ＭＲ）、ハイブリッド現実、またはそれらの何らかの組み合わせおよび／もしくは派生物を含み得る、ユーザへの提示前に何らかの様式で調節されている現実の形態である。人工現実コンテンツは、完全に生成したコンテンツ、または捕捉した（例えば、現実世界）コンテンツと組み合わせた生成したコンテンツを含み得る。人工現実コンテンツは、動画、音声、触覚フィードバック、またはそれらの何らかの組み合わせを含み得、それらのうちのいずれかが、単一のチャネルまたは複数のチャネルにおいて提示され得る（視聴者に三次元効果をもたらすステレオ動画像など）。加えて、いくつかの実施形態において、人工現実はまた、例えば、人工現実においてコンテンツを作成するために使用される、および／または人工現実において別途使用される（例えば、人工現実においてアクティビティを実施する）、アプリケーション、製品、アクセサリ、サービス、またはそれらの何らかの組み合わせと関連付けられ得る。人工現実コンテンツを提供する人工現実システムは、ホストコンピュータシステムに接続されたヘッドマウントディスプレイ（ＨＭＤ）、スタンドアローンＨＭＤ、モバイルデバイスもしくはコンピューティングシステム、または１もしくは複数の視聴者に人工現実コンテンツを提供することができる任意の他のハードウェアプラットフォームを含む、様々なプラットフォームに実装され得る。
図３９は、本明細書に開示される例のいくつかを実施するための、例となるニアアイディスプレイ（例えば、ＨＭＤデバイス）の例となる電子システム３９００の簡略ブロック図である。電子システム３９００は、上に説明されるＨＭＤデバイスまたは他のニアアイディスプレイの電子システムとして使用され得る。この例では、電子システム３９００は、１つまたは複数のプロセッサ３９１０およびメモリ３９２０を含み得る。プロセッサ３９１０は、いくつかの構成要素において動作を実施するための命令を実行するように構成され得、例えば、汎用プロセッサ、またはポータブル電子デバイス内の実装に好適なマイクロプロセッサであり得る。プロセッサ３９１０は、電子システム３９００内の複数の構成要素と通信可能に結合され得る。この通信可能な結合を実現するため、プロセッサ３９１０は、バス３９４０にわたる他の例証された構成要素と通信し得る。バス３９４０は、電子システム３９００内でデータを転送するように適合される任意のサブシステムであってもよい。バス３９４０は、データを転送するために複数のコンピュータバスおよび追加の回路を含み得る。
メモリ３９２０は、プロセッサ３９１０に結合され得る。いくつかの実施形態において、メモリ３９２０は、短期および長期記憶の両方を提供し得、いくつかのユニットに分割され得る。メモリ３９２０は、スタティックランダムアクセスメモリ（ＳＲＡＭ）および／もしくはダイナミックランダムアクセスメモリ（ＤＲＡＭ）などの揮発性、ならびに／またはリードオンリメモリ（ＲＯＭ）、フラッシュメモリ、および同様のものなどの不揮発性であってもよい。さらには、メモリ３９２０は、セキュアデジタル（ＳＤ）カードなどのリムーバブルストレージデバイスを含み得る。メモリ３９２０は、電子システム３９００のためのコンピュータ可読命令、データ構造、プログラムモジュール、および他のデータのストレージを提供し得る。いくつかの実施形態において、メモリ３９２０は、異なるハードウェアモジュールに分散され得る。命令および／またはコードのセットが、メモリ３９２０に記憶され得る。命令は、電子システム３９００によって実行可能であり得る実行可能なコードの形態をとり得、ならびに／または、電子システム３９００上でのコンパイルおよび／もしくはインストール（例えば、様々な一般的に利用可能なコンパイラ、インストールプログラム、圧縮／解凍ユーティリティなどのいずれかを使用すること）の際に実行可能なコードの形態をとり得る、ソースおよび／もしくはインストール可能なコードの形態をとり得る。
いくつかの実施形態において、メモリ３９２０は、任意の数のアプリケーションを含み得る複数のアプリケーションモジュール３９２２～３９２４を記憶し得る。アプリケーションの例は、ゲーミングアプリケーション、会議アプリケーション、動画再生アプリケーション、または他の好適なアプリケーションを含み得る。アプリケーションは、奥行き感知機能またはアイトラッキング機能を含み得る。アプリケーションモジュール３９２２～３９２４は、プロセッサ３９１０によって実行されるべき特定の命令を含み得る。いくつかの実施形態において、特定のアプリケーションまたはアプリケーションモジュール３９２２～３９２４の部分は、他のハードウェアモジュール３９８０によって実行可能であり得る。特定の実施形態において、メモリ３９２０は、追加的に、コピーまたはセキュアな情報への他の不正アクセスを防ぐために追加のセキュリティ制御を含み得るセキュアメモリを含み得る。
いくつかの実施形態において、メモリ３９２０は、そこにロードされたオペレーティングシステム３９２５を含み得る。オペレーティングシステム３９２５は、アプリケーションモジュール３９２２～３９２４によって提供される命令の実行を開始するように、および／または、１つもしくは複数のワイヤレストランシーバを含み得るワイヤレス通信サブシステム３９３０を用いて他のハードウェアモジュール３９８０ならびにインターフェースを管理するように動作可能であり得る。オペレーティングシステム３９２５は、スレッディング、リソース管理、データ記憶制御、および他の同様の機能性を含む、電子システム３９００の構成要素にわたる他の動作を実施するように適合され得る。
ワイヤレス通信サブシステム３９３０は、例えば、赤外通信デバイス、ワイヤレス通信デバイスおよび／もしくはチップセット（ブルートゥース（登録商標）デバイス、ＩＥＥＥ８０２．１１デバイス、Ｗｉ－Ｆｉデバイス、ＷｉＭａｘデバイス、セルラ通信施設など）、ならびに／または同様の通信インターフェースを含み得る。電子システム３９００は、ワイヤレス通信サブシステム３９３０の部分として、またはシステムの任意の部分に結合された別個の構成要素として、ワイヤレス通信のための１つまたは複数のアンテナ３９３４を含み得る。所望の機能性に応じて、ワイヤレス通信サブシステム３９３０は、ワイヤレス広域ネットワーク（ＷＷＡＮ）、ワイヤレスローカルエリアネットワーク（ＷＬＡＮ）、またはワイヤレスパーソナルエリアネットワーク（ＷＰＡＮ）などの異なるデータネットワークおよび／またはネットワークタイプと通信することを含み得る、ベーストランシーバ基地局ならびに他のワイヤレスデバイスおよびアクセスポイントと通信するために別個のトランシーバを含み得る。ＷＷＡＮは、例えば、ＷｉＭａｘ（ＩＥＥＥ８０２．１６）ネットワークであってもよい。ＷＬＡＮは、例えば、ＩＥＥＥ８０２．１１ｘネットワークであってもよい。ＷＰＡＮは、例えば、ブルートゥースネットワーク、ＩＥＥＥ８０２．１５ｘ、またはいくつかの他のタイプのネットワークであってもよい。本明細書に説明される技法は、ＷＷＡＮ、ＷＬＡＮ、および／またはＷＰＡＮの任意の組み合わせのためにも使用され得る。ワイヤレス通信サブシステム３９３０は、データが、ネットワーク、他のコンピュータシステム、および／または本明細書に説明される任意の他のデバイスと交換されることを許可し得る。ワイヤレス通信サブシステム３９３０は、アンテナ３９３４およびワイヤレスリンク３９３２を使用して、ＨＭＤデバイスの識別子、位置データ、地理的地図、ヒートマップ、写真、または動画などのデータを送信または受信するための手段を含み得る。ワイヤレス通信サブシステム３９３０、プロセッサ３９１０、およびメモリ３９２０は一緒に、本明細書に開示されるいくつかの機能を実施するための手段のうちの１つまたは複数の少なくとも一部を備え得る。
電子システム３９００の実施形態はまた、１つまたは複数のセンサ３９９０を含み得る。センサ３９９０は、例えば、画像センサ、加速度計、圧力センサ、温度センサ、近接センサ、磁力計、ジャイロスコープ、慣性センサ（例えば、加速度計およびジャイロスコープを組み合わせたモジュール）、周囲光センサ、または、奥行きセンサもしくは位置センサなど、センサ出力を提供するように、および／もしくはセンサ入力を受信するように動作可能な任意の他の同様のモジュールを含み得る。例えば、いくつかの実装形態において、センサ３９９０は、１つもしくは複数の慣性測定ユニット（ＩＭＵ）および／または１つもしくは複数の位置センサを含み得る。ＩＭＵは、位置センサのうちの１つまたは複数から受信される測定信号に基づいて、ＨＭＤデバイスの初期位置に対するＨＭＤデバイスの推定位置を示す較正データを生成し得る。位置センサは、ＨＭＤデバイスの動きに応答して１つまたは複数の測定信号を生成し得る。位置センサの例は、限定されるものではないが、１つもしくは複数の加速度計、１つもしくは複数のジャイロスコープ、１つもしくは複数の磁力計、動きを検出する別の好適なタイプのセンサ、ＩＭＵの誤り補正のために使用されるタイプのセンサ、またはそれらの何らかの組み合わせを含み得る。位置センサは、ＩＭＵの外部に、ＩＭＵの内部に、またはそれらの任意の組み合わせで位置し得る。少なくともいくつかのセンサは、センシングのために構造化光パターンを使用し得る。
電子システム３９００は、ディスプレイモジュール３９６０を含み得る。ディスプレイモジュール３９６０は、ニアアイディスプレイであってもよく、画像、動画、および様々な命令などの情報を、電子システム３９００からユーザへ図式で提示し得る。そのような情報は、１つまたは複数のアプリケーションモジュール３９２２～３９２４、仮想現実エンジン３９２６、１つもしくは複数の他のハードウェアモジュール３９８０、それらの組み合わせ、またはユーザのためのグラフィックコンテンツを（例えば、オペレーティングシステム３９２５によって）分解するための任意の他の好適な手段から導出され得る。ディスプレイモジュール３９６０は、液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）技術、発光ダイオード（ＬＥＤ）技術（例えば、ＯＬＥＤ、ＩＬＥＤ、μＬＥＤ、ＡＭＯＬＥＤ、ＴＯＬＥＤなどを含む）、発光ポリマーディスプレイ（ＬＰＤ）技術、または何らかの他のディスプレイ技術を使用し得る。
電子システム３９００は、ユーザ入力／出力モジュール３９７０を含み得る。ユーザ入力／出力モジュール３９７０は、ユーザがアクション要求を電子システム３９００に送信することを可能にし得る。アクション要求は、特定のアクションを実施するための要求であってもよい。例えば、アクション要求は、アプリケーションを開始もしくは終了すること、またはアプリケーション内で特定のアクションを実施することであってもよい。ユーザ入力／出力モジュール３９７０は、１つまたは複数の入力デバイスを含み得る。例となる入力デバイスは、タッチスクリーン、タッチパッド、マイク、ボタン、ダイアル、スイッチ、キーボード、マウス、ゲームコントローラ、またはアクション要求を受信し、受信したアクション要求を電子システム３９００に通信するための任意の他の好適なデバイスを含み得る。いくつかの実施形態において、ユーザ入力／出力モジュール３９７０は、電子システム３９００から受信した命令に従ってユーザに触覚フィードバックを提供し得る。例えば、触覚フィードバックは、アクション要求が受信されるとき、または実施されたときに提供され得る。
電子システム３９００は、例えば、ユーザの目の位置をトラッキングするための、ユーザの写真または動画を撮るために使用され得るカメラ３９５０を含み得る。カメラ３９５０はまた、例えば、ＶＲ、ＡＲ、またはＭＲアプリケーションのための環境の写真または動画を撮るために使用され得る。カメラ３９５０は、例えば、数百万または数千万の画素を有する相補形金属酸化膜半導体（ＣＭＯＳ）画像センサを含み得る。いくつかの実装形態において、カメラ３９５０は、３Ｄ画像を捕捉するために使用され得る２つ以上のカメラを含み得る。
いくつかの実施形態において、電子システム３９００は、複数の他のハードウェアモジュール３９８０を含み得る。他のハードウェアモジュール３９８０の各々は、電子システム３９００内の物理モジュールであってもよい。他のハードウェアモジュール３９８０の各々は、構造体として永久に構成され得るが、他のハードウェアモジュール３９８０のいくつかは、特定の機能を実施するように一時的に構成され得るか、または一時的に起動され得る。他のハードウェアモジュール３９８０の例は、例えば、音声出力および／または入力モジュール（例えば、マイクまたはスピーカ）、近距離無線通信（ＮＦＣ）モジュール、再充電バッテリ、バッテリ管理システム、有線／ワイヤレスバッテリ充電システムなどを含み得る。いくつかの実施形態において、他のハードウェアモジュール３９８０の１つまたは複数の機能は、ソフトウェアにおいて実施され得る。
いくつかの実施形態において、電子システム３９００のメモリ３９２０はまた、仮想現実エンジン３９２６を記憶し得る。仮想現実エンジン３９２６は、電子システム３９００内でアプリケーションを実行し、ＨＭＤデバイスの位置情報、加速度情報、速度情報、予測した今後の位置、またはそれらの何らかの組み合わせを様々なセンサから受信し得る。いくつかの実施形態において、仮想現実エンジン３９２６によって受信される情報は、ディスプレイモジュール３９６０への信号（例えば、表示命令）を生成するために使用され得る。例えば、受信した情報が、ユーザが左を見たことを示す場合、仮想現実エンジン３９２６は、仮想環境におけるユーザの運動を左右逆にする、ＨＭＤデバイスのためのコンテンツを生成し得る。加えて、仮想現実エンジン３９２６は、ユーザ入力／出力モジュール３９７０から受信されるアクション要求に応答してアプリケーション内のアクションを実施し、フィードバックをユーザに提供し得る。提供されたフィードバックは、視覚、可聴、または触覚フィードバックであり得る。いくつかの実装形態において、プロセッサ３９１０は、仮想現実エンジン３９２６を実行し得る１つまたは複数のＧＰＵを含み得る。
様々な実装形態において、上で説明したハードウェアおよびモジュールは、単一のデバイス、または有線もしくはワイヤレス接続を使用して互いと通信することができる複数のデバイスに実装され得る。例えば、いくつかの実装形態において、ＧＰＵ、仮想現実エンジン３９２６、およびアプリケーション（例えば、トラッキングアプリケーション）などのいくつかの構成要素またはモジュールは、ヘッドマウントディスプレイデバイスとは別個のコンソールに実装され得る。いくつかの実装形態において、１つのコンソールが、２つ以上のＨＭＤに接続され得るか、またはこれをサポートし得る。
代替の構成において、異なるおよび／または追加の構成要素が、電子システム３９００に含まれてもよい。同様に、構成要素のうちの１つまたは複数の機能性は、上に説明される様式とは異なる様式で構成要素間に分散され得る。例えば、いくつかの実施形態において、電子システム３９００は、ＡＲシステム環境および／またはＭＲ環境などの他のシステム環境を含むために修正され得る。
上で論じられる方法、システム、およびデバイスは、例である。様々な実施形態は、必要に応じて、様々な手順または構成要素を省略、置換、または追加し得る。例えば、代替の構成において、説明される方法は、説明されるものとは異なる順で実施され得、および／または様々なステージが、追加される、省略される、および／または組み合わされ得る。また、特定の実施形態に関して説明される特徴は、様々な他の実施形態において組み合わされ得る。実施形態の異なる態様および要素は、同様の様式で組み合わされ得る。また、技術は進化するものであり、故に、要素の多くは、本発明の範囲をそれらの特定の例に限定しない例である。
特定の詳細事項は、実施形態の完全な理解を提供するために説明において与えられる。しかしながら、実施形態は、これらの特定の詳細事項なしに実践され得る。例えば、周知の回路、プロセス、システム、構造体、および技法は、実施形態を不明瞭にすることを回避するために、不必要な詳細事項なしに示されている。この説明は、例となる実施形態を提供するにすぎず、本発明の範囲、適用性、または構成を制限することは意図されない。むしろ、実施形態の前述の説明は、様々な実施形態を実施するための実用可能な説明を当業者に提供するものである。様々な変更が、添付の特許請求の範囲に規定されるような本発明の範囲から逸脱することなく、要素の機能および配置においてなされ得る。
また、いくつかの実施形態は、フロー図またはブロック図として描写されたプロセスとして説明された。各々は逐次プロセスとして動作を説明し得るが、動作の多くは、並行して、または同時に実施され得る。加えて、動作の順序は、並べ替えられてもよい。プロセスは、図に含まれない追加のステップを有し得る。さらには、本方法の実施形態は、ハードウェア、ソフトウェア、ファームウェア、ミドルウェア、マイクロコード、ハードウェア記述言語、またはそれらの任意の組み合わせによって実施され得る。ソフトウェア、ファームウェア、ミドルウェア、またはマイクロコードにおいて実施されるとき、関連タスクを実施するためのプログラムコードまたはコードセグメントは、記憶媒体などのコンピュータ可読媒体に記憶され得る。プロセッサが、関連タスクを実施し得る。
実質的な変動が特定の要件に従ってなされ得ることは当業者には明らかである。例えば、カスタマイズされたハードウェアもしくは特定用途向けハードウェアもまた使用され得、および／または特定の要素は、ハードウェア、ソフトウェア（アップレットなどのポータブルソフトウェアを含む）、または両方において実装され得る。さらに、ネットワーク入力／出力デバイスなどの他のコンピューティングデバイスへの接続が採用され得る。
添付の図を参照して、メモリを含み得る構成要素は、非一時的なマシン可読媒体を含み得る。用語「マシン可読媒体」および「コンピュータ可読媒体」は、マシンを特定の方式で動作させるデータを提供することに参加する任意の記憶媒体を指し得る。本明細書内の上に提供される実施形態において、様々なマシン可読媒体は、命令／コードを実行のために処理ユニットおよび／または他のデバイスに提供することに関与し得る。追加的または代替的に、マシン可読媒体は、そのような命令／コードを記憶および／または保持するために使用され得る。多くの実装形態において、コンピュータ可読媒体は、物理および／または有形記憶媒体である。そのような媒体は、限定されるものではないが、不揮発性媒体、揮発性媒体、および伝送媒体を含む、多くの形態をとり得る。コンピュータ可読媒体の一般的形態は、例えば、コンパクトディスク（ＣＤ）もしくはデジタル多用途ディスク（ＤＶＤ）などの磁気および／または光学媒体、パンチカード、ペーパーテープ、穴のパターンを有する任意の他の物理媒体、ＲＡＭ、プログラマブルリードオンリメモリ（ＰＲＯＭ）、消去可能なプログラマブルリードオンリメモリ（ＥＰＲＯＭ）、ＦＬＡＳＨ－ＥＰＲＯＭ、任意の他のメモリチップもしくはカートリッジ、本明細書内で以後説明されるような搬送波、またはコンピュータが命令および／もしくはコードを読むことができる任意の他の媒体を含み得る。コンピュータプログラム製品は、手順、機能、サブプログラム、プログラム、ルーチン、アプリケーション（Ａｐｐ）、サブルーチン、モジュール、ソフトウェアパッケージ、クラス、または、命令、データ構造、もしくはプログラムステートメントの任意の組み合わせを表し得る、コードおよび／またはマシン実行可能命令を含み得る。
当業者は、本明細書に説明されるメッセージを通信するために使用される情報および信号が、様々な異なる技術および技法のいずれかを使用して表され得ることを理解するものとする。例えば、上の説明全体を通して言及され得るデータ、命令、コマンド、情報、信号、ビット、符号、およびチップは、電圧、電流、電磁波、磁場もしくは磁性粒子、光場もしくは光粒子、またはそれらの任意の組み合わせによって表され得る。
用語「および（ａｎｄ）」および「または（ｏｒ）」は、本明細書で使用される場合、そのような用語が使用される文脈に少なくとも部分的に依存することも予期される様々な意味を含み得る。典型的には、「または」は、Ａ、Ｂ、またはＣなどのリストを関連付けるために使用される場合、包含的意味で使用される、Ａ、Ｂ、およびＣ、ならびに排他的意味で使用される、Ａ、Ｂ、またはＣを意味することが意図される。加えて、用語「１つまたは複数」は、本明細書で使用される場合、任意の特徴、構造体、または特性を単数で説明するために使用され得るか、特徴、構造体、または特性の何らかの組み合わせを説明するために使用され得る。しかしながら、これは単に例証的な例であり、特許請求された主題はこの例に限定されないことに留意されたい。さらには、用語「少なくとも１つ」は、Ａ、Ｂ、またはＣなど、リストを関連付けるために使用される場合、Ａ、ＡＢ、ＡＣ、ＢＣ、ＡＡ、ＡＢＣ、ＡＡＢ、ＡＡＢＢＣＣＣなど、Ａ、Ｂ、および／またはＣの任意の組み合わせを意味するように解釈され得る。
さらに、特定の実施形態は、ハードウェアおよびソフトウェアの特定の組み合わせを使用して説明されているが、ハードウェアおよびソフトウェアの他の組み合わせも可能であるということを理解されたい。特定の実施形態は、ハードウェアのみ、またはソフトウェアのみ、またはそれらの組み合わせを使用して、実施され得る。１つの例において、ソフトウェアは、本開示に説明されるステップ、動作、またはプロセスのいずれかまたはすべてを実施するための１つまたは複数のプロセッサによって実行可能なコンピュータプログラムコードまたは命令を含むコンピュータプログラム製品と共に実装され得る。本明細書に説明される様々なプロセスは、同じプロセッサまたは任意の組み合わせにある異なるプロセッサ上で実施され得る。
デバイス、システム、構成要素、またはモジュールが、特定の動作または機能を実施するように構成されるものと説明される場合、そのような構成は、例えば、動作を実施するように電子回路を設計することによって、コンピュータ命令もしくはコードを実行することによってなど、動作を実施するようにプログラム可能電子回路（マイクロプロセッサなど）をプログラムすることによって、または非一時的なメモリ媒体に記憶されたコードもしくは命令を実行するようにプログラムされたプロセッサもしくはコア、またはそれらの任意の組み合わせによって達成され得る。プロセスは、プロセス間通信のための従来の技法を含むが、これに限定されない様々な技法を使用して通信することができ、異なるプロセス対は、異なる技法を使用し得るか、同じプロセス対は、異なる時に異なる技法を使用し得る。
本発明は、添付の特許請求の範囲に規定される。明細書および図面は、したがって、制限的意味ではなく例証的意味と見なされるものとする。しかしながら、追加、減算、削除、ならびに他の修正および変更が、特許請求の範囲に明記される範囲から逸脱することなく、それらに対してなされ得ることは明らかである。故に、特定の実施形態が説明されているが、これらは、限定していることは意図されないものとする。様々な修正形態および等価物は、以下の特許請求項の範囲の範囲内である。

Claims (15)

  1. 基板と、
    前記基板上の、および第１の屈折率変調によって特徴付けられる、第１の反射体積ブラッグ格子（ＶＢＧ）と、
    前記基板上の、ならびに第１の領域および第２の領域を含む、第２の反射ＶＢＧと、を備える、導波路ディスプレイであって、
    前記第１の反射ＶＢＧは、第１の波長範囲にある表示光を回折するように構成され、その結果として、前記第１の波長範囲にある前記表示光は、前記基板内を、全内部反射を通じて、前記第２の反射ＶＢＧの前記第１の領域および前記第２の領域まで伝播し、
    前記第２の反射ＶＢＧの前記第１の領域は、前記第１の屈折率変調よりも低い第２の屈折率変調によって特徴付けられ、前記第１の波長範囲内にある第２の波長範囲にある表示光を回折するように構成され、
    前記第２の反射ＶＢＧの前記第２の領域は、前記第２の屈折率変調よりも大きい第３の屈折率変調によって特徴付けられ、前記第２の波長範囲を含み、またこれよりも大きい第３の波長範囲にある表示光を回折するように構成される、導波路ディスプレイ。
  2. 前記第２の反射ＶＢＧの前記第１の領域および前記第２の領域は、前記第１の波長範囲にある前記表示光が前記第１の領域に到達した後に前記第２の領域に到達するように配置される、請求項１に記載の導波路ディスプレイ。
  3. 前記第３の屈折率変調は、前記第１の屈折率変調に等しいか、またはこれ未満であり、
    前記第１の波長範囲は、前記第３の波長範囲と同じであるか、またはこれを含む、請求項１または２に記載の導波路ディスプレイ。
  4. 前記第１の反射ＶＢＧおよび前記第２の反射ＶＢＧは、前記基板の面法線方向に垂直の平面において同じ格子ベクトルを有する、請求項１から３のいずれか一項に記載の導波路ディスプレイ。
  5. 前記第２の反射ＶＢＧは、前記第１の領域と前記第２の領域との間に第３の領域をさらに含み、前記第３の領域は、前記第２の屈折率変調よりも大きいが、前記第３の屈折率変調よりも低い第４の屈折率変調によって特徴付けられ、前記第２の波長範囲を含み、また前記第３の波長範囲内にある第４の波長範囲にある表示光を回折するように構成される、請求項１から４のいずれか一項に記載の導波路ディスプレイ。
  6. 前記第１の反射ＶＢＧと多重化され、第４の屈折率変調によって特徴付けられる第３の反射ＶＢＧと、
    前記第１の領域および第２の領域内の前記第２の反射ＶＢＧと多重化される第４の反射ＶＢＧと、をさらに備え、
    前記第３の反射ＶＢＧは、第４の波長範囲にある表示光を回折するように構成され、その結果として、前記第４の波長範囲にある前記表示光は、前記基板内を、全内部反射を通じて、前記第４の反射ＶＢＧの前記第１の領域および前記第２の領域まで伝播し、
    前記第４の反射ＶＢＧの前記第１の領域は、前記第４の屈折率変調よりも低い第５の屈折率変調によって特徴付けられ、前記第４の波長範囲内にある第５の波長範囲にある表示光を回折するように構成され、
    前記第４の反射ＶＢＧの前記第２の領域は、前記第５の屈折率変調よりも大きい第６の屈折率変調によって特徴付けられ、前記第５の波長範囲を含み、またこれよりも大きい第６の波長範囲にある表示光を回折するように構成される、請求項１から５のいずれか一項に記載の導波路ディスプレイ。
  7. 前記第１の反射ＶＢＧが、
    前記第１の波長範囲および第１の視野（ＦＯＶ）範囲にある表示光を回折し、また
    第４の波長範囲および前記第１のＦＯＶ範囲とは異なる第２のＦＯＶ範囲にある表示光を回折するように構成されること、
    前記基板が可視光を透過させ、かつ
    前記第２の反射ＶＢＧが、周囲環境からの可視光を透過させること
    のうちの１つまたは複数である、請求項１から６のいずれか一項に記載の導波路ディスプレイ。
  8. 前記第１の反射ＶＢＧは、前記第１の波長範囲にある前記表示光を前記基板内にカップリングするように構成され、
    前記第２の反射ＶＢＧは、前記第１の波長範囲にある前記表示光を前記基板からカップリングアウトするように構成される、請求項１から７のいずれか一項に記載の導波路ディスプレイ。
  9. 第３の格子および第４の格子をさらに備え、
    前記第３の格子は、前記第１の反射ＶＢＧからの前記第１の波長範囲にある前記表示光を前記第４の格子へ回折するように構成され、
    前記第４の格子は、前記第４の格子の２つ以上の領域における前記第１の波長範囲にある前記表示光を前記第２の反射ＶＢＧへ回折するように構成され、
    任意選択的に、前記第３の格子および前記第４の格子は、前記基板の面法線方向に垂直の平面において同じ格子ベクトルを有する、請求項８に記載の導波路ディスプレイ。
  10. 前記第１の波長範囲にある前記表示光を前記基板内にカップリングするように構成される入力カプラと、
    前記第２の反射ＶＢＧによって回折された前記表示光を前記基板からカップリングアウトするように構成される出力カプラと、をさらに備え、
    任意選択的に、前記入力カプラおよび前記出力カプラは、多重化ＶＢＧを含む、請求項１から９のいずれか一項に記載の導波路ディスプレイ。
  11. 前記表示光を生成するように構成される光源と、
    前記表示光をコリメートし、前記表示光を前記第１の反射ＶＢＧへ向けるように構成されるプロジェクタ光学系と、をさらに備える、請求項１から１０のいずれか一項に記載の導波路ディスプレイ。
  12. 可視光を透過させる導波路と、
    前記導波路上の、および第１の屈折率変調によって特徴付けられる、第１の反射体積ブラッグ格子（ＶＢＧ）と、
    前記導波路上の、および異なるそれぞれの屈折率変調によって特徴付けられる複数の領域を含む、第２の反射ＶＢＧと、を備える、導波路ディスプレイであって、
    前記第１の反射ＶＢＧは、第１の波長範囲および第１の視野（ＦＯＶ）範囲にある表示光を回折するように構成され、その結果として、前記第１の波長範囲および前記第１のＦＯＶ範囲にある前記表示光は、前記導波路内を、全内部反射を通じて、前記第２の反射ＶＢＧの前記複数の領域まで伝播し、
    前記第２の反射ＶＢＧの前記複数の領域は、前記第１の波長範囲内の異なるそれぞれの波長範囲および前記第１のＦＯＶ範囲にある前記表示光を回折するように構成される、導波路ディスプレイ。
  13. 前記第１の反射ＶＢＧおよび前記第２の反射ＶＢＧは、前記導波路の面法線方向に垂直の平面において同じ格子ベクトルを有する、請求項１２に記載の導波路ディスプレイ。
  14. 前記第１の屈折率変調、および前記第２の反射ＶＢＧの前記複数の領域の前記異なるそれぞれの屈折率変調のうちの少なくとも１つが、回折効率飽和のための最小屈折率変調よりも大きいこと、
    前記第２の反射ＶＢＧの前記複数の領域は、前記第１の波長範囲および前記第１のＦＯＶ範囲にある前記表示光が、第２の屈折率変調を有する前記複数の領域の第１の領域に到達した後に、前記第２の屈折率変調よりも大きい第３の屈折率変調を有する前記複数の領域の第２の領域に到達するように構成されること、
    のうちの１つまたは複数である、請求項１２または１３に記載の導波路ディスプレイ。
  15. 前記第１の反射ＶＢＧが、前記第１の波長範囲および前記第１のＦＯＶ範囲にある前記表示光を前記導波路内にカップリングするように構成され、かつ
    前記第２の反射ＶＢＧが、前記第１の波長範囲および前記第１のＦＯＶ範囲にある前記表示光を前記導波路からカップリングアウトするように構成され、周囲環境からの可視光を透過させること、
    前記第３の格子が、前記第１の反射格子からの前記第１の波長範囲および前記第１のＦＯＶ範囲にある前記表示光を前記第４の格子へ回折するように構成され、
    前記第４の格子が、前記第４の格子の２つ以上の領域における前記第１の波長範囲および前記第１のＦＯＶ範囲にある前記表示光を前記第２の反射ＶＢＧへ回折するように構成され、かつ
    前記第３の格子および前記第４の格子が、前記導波路の面法線方向に垂直の平面において同じ格子ベクトルを有すること
    のうちの１つまたは複数である、請求項１２から１４のいずれか一項に記載の導波路ディスプレイ。
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