JP2023507055A - 切替え可能な回折光学素子および切替え可能な回折光学素子を含む導波路 - Google Patents

Abstract

光学デバイスは、画像光を生成するよう構成された光源組立体と、画像光の複数の光フィールドを、少なくとも１つの導波路を通して、時間多重化して光学デバイスのアイボックスに伝送するよう構成された、インカップリング素子およびアウトカップリング素子を含む、少なくとも１つの導波路とを備える。インカップリング素子またはアウトカップリング素子のうちの少なくとも一方は、少なくとも１つの切替え可能な回折光学素子を含み、切替え可能な回折光学素子は、表面レリーフ型格子（ＳＲＧ）の溝方向に沿った第１の主屈折率、および溝方向に垂直な面内方向に沿った第２の主屈折率を有する光学異方性材料で充填されたＳＲＧを備える。第１および第２の主屈折率のうちの一方は、ＳＲＧの屈折率と実質的に一致し、他方は、不一致である。【選択図】図７

Description

ニアアイディスプレイ（ＮＥＤ：ｎｅａｒ－ｅｙｅ ｄｉｓｐｌａｙ）は、ビデオ再生、ゲーム、およびスポーツなど、様々な用途で広く使用されている。ＮＥＤは、仮想現実（ＶＲ：ｖｉｒｔｕａｌ ｒｅａｌｉｔｙ）、拡張現実（ＡＲ：ａｕｇｍｅｎｔｅｄ ｒｅａｌｉｔｙ）、または複合現実（ＭＲ：ｍｉｘｅｄ ｒｅａｌｉｔｙ）を実現するために使用されている。ＡＲまたはＭＲのヘッドセットは、実世界の画像と重なる仮想画像、すなわちシースルー画像を表示する。回折結合構造を備えた瞳拡大導波路ディスプレイシステムは、ＡＲ／ＭＲディスプレイ向けの最も有望な設計の１つであり、サングラス／眼鏡の形状要素、適度に広い視野（ＦＯＶ：ｆｉｅｌｄ ｏｆ ｖｉｅｗ）、高い透過度、および大きなアイボックスを提供する可能性がある。導波路ディスプレイシステムには、多くの場合、マイクロディスプレイ、コリメータ、および導波路コンバイナなどの導波路光学系が含まれる。導波路コンバイナは、多くの場合回折格子である、インカップリング素子とアウトカップリング素子とを統合し、対応する導波路は回折導波路と呼ばれる。ナノ加工によって得られた表面レリーフ型格子、または様々なタイプのホログラフィック格子など、様々な回折格子が導波路に統合されている。

本開示の一態様は、光学デバイスを提供する。光学デバイスには、画像光を生成するよう構成された光源組立体と、画像光を光学デバイスのアイボックスに向けて誘導するよう構成された、少なくとも１つの導波路とが含まれる。少なくとも１つの導波路には、画像光の複数の光フィールドを、少なくとも１つの導波路を通して、時間多重化して光学デバイスのアイボックスに伝送するよう構成された、インカップリング素子およびアウトカップリング素子が含まれる。インカップリング素子またはアウトカップリング素子のうちの少なくとも一方には、少なくとも１つの切替え可能な回折光学素子が含まれ、切替え可能な回折光学素子には、光学異方性材料で充填された表面レリーフ型格子（ＳＲＧ：ｓｕｒｆａｃｅ ｒｅｌｉｅｆ ｇｒａｔｉｎｇ）が含まれる。光学異方性材料は、ＳＲＧの溝方向に沿った第１の主屈折率、および溝方向に垂直な面内方向に沿った第２の主屈折率を有する。第１および第２の主屈折率のうちの一方は、ＳＲＧの屈折率と実質的に一致し、他方は、ＳＲＧの屈折率と不一致である。

いくつかの実施形態によれば、光学デバイスであって、画像光を生成するよう構成された光源組立体と、画像光の複数の光フィールドを、少なくとも１つの導波路を通して、時間多重化して光学デバイスのアイボックスに伝送するよう構成された、インカップリング素子およびアウトカップリング素子を含む、少なくとも１つの導波路とを備え、インカップリング素子またはアウトカップリング素子のうちの少なくとも一方が、少なくとも１つの切替え可能な回折光学素子を含み、切替え可能な回折光学素子が、ＳＲＧの溝方向に沿った第１の主屈折率と、溝方向に垂直な面内方向に沿った第２の主屈折率とを有する切替え可能な光学異方性材料で充填された表面レリーフ型格子（ＳＲＧ）を備え、第１および第２の主屈折率のうちの一方は、ＳＲＧの屈折率と実質的に一致し、他方は、ＳＲＧの屈折率と不一致である、光学デバイスが提供される。

いくつかの実施形態では、光フィールドは、単一色画像の視野（ＦＯＶ）の所定の部分に対応することができる。

いくつかの実施形態では、光フィールドは、フルカラー画像の視野（ＦＯＶ）の所定の部分に対応することができる。

いくつかの実施形態では、光フィールドは、所定の色の単一色画像に対応することができる。

いくつかの実施形態では、切替え可能な光学異方性材料には、活性液晶（ＬＣ：ｌｉｑｕｉｄ ｃｒｙｓｔａｌ）が含まれ得る。

いくつかの実施形態では、少なくとも１つの切替え可能な回折光学素子は、少なくとも１つの切替え可能な回折光学素子に印加される外部電界によって、回折状態と非回折状態との間で切替え可能であり得る。

いくつかの実施形態では、ＳＲＧは、傾斜格子および非傾斜格子のうちの一方であり得る。

いくつかの実施形態では、少なくとも１つの切替え可能な回折光学素子は、１次元回折格子であり得る。

いくつかの実施形態では、少なくとも１つの切替え可能な回折光学素子には、Ｎ個の切替え可能な回折格子が含まれ得、Ｎは、正の整数でＮ≧２であり、それぞれの期間中に、Ｎ個の切替え可能な回折格子が、複数の光フィールドのうちのそれぞれの光フィールドを伝送するために、順次回折状態になるよう構成され、かつ１つの期間中に、Ｎ個の切替え可能な回折格子のうちの１つが、複数の光フィールドのうちの１つの光フィールドを伝送するために、回折状態になるよう構成され、残りの切替え可能な回折格子は、非回折状態になるよう構成される。

いくつかの実施形態では、Ｎ個の切替え可能な回折格子は、互いに部分的に重なるように配置され得る。

いくつかの実施形態では、Ｎ個の切替え可能な回折格子は、積層されるように配置され得る。

いくつかの実施形態では、少なくとも１つの導波路には、積層されるように配置されたＭ個の導波路が含まれ得、Ｍが、正の整数でＭ≧２であり、Ｍ個の導波路のそれぞれには、少なくとも１つの切替え可能な回折光学素子が含まれ、それぞれの期間中に、それぞれの導波路に含まれる少なくとも１つの切替え可能な回折光学素子が、複数の光フィールドのうちのそれぞれの光フィールドを伝送するために、順次回折状態になるよう構成され、１つの期間中に、Ｍ個の導波路のうちの１つに含まれる少なくとも１つの切替え可能な回折光学素子が、複数の光フィールドのうちの１つの光フィールドを伝送するために、回折状態になるよう構成され、残りの導波路に含まれる少なくとも１つの切替え可能な回折光学素子が、非回折状態になるよう構成される。

いくつかの実施形態では、それぞれの導波路に含まれる少なくとも１つの切替え可能な回折光学素子には、Ｎ個の切替え可能な回折格子が含まれ得、Ｎが、正の整数でＮ≧２である。

本開示の別の態様は、光学デバイスのための方法を提供する。この方法は、第１の期間中に、第１のインカップリング格子を使って、回折によって、複数の光フィールドのうちの第１の光フィールドに対応する第１の複数の画像光を、第１の導波路へインカップリングすることと、第１のアウトカップリング格子を使って、回折によって、第１の複数の画像光を第１の導波路の外へ、光学デバイスのアイボックスの方へ分離させることとを含む。この方法は、第２の期間中に、第２のインカップリング格子を使って、回折によって、複数の光フィールドのうちの第２の光フィールドに対応する第２の複数の画像光を、第２の導波路へインカップリングすることと、第２のアウトカップリング格子を使って、回折によって、第２の複数の画像光を第２の導波路の外へ、光学デバイスのアイボックスの方へ分離させることとをさらに含む。

いくつかの実施形態によれば、光学デバイスの方法は、第１の期間中に、第１のインカップリング格子を使って、回折によって、複数の光フィールドのうちの第１の光フィールドに対応する第１の複数の画像光を、第１の導波路へインカップリングすることと、第１のアウトカップリング格子を使って、回折によって、第１の複数の画像光を第１の導波路の外へ、光学デバイスのアイボックスの方へ分離させることと、第２の期間中に、第２のインカップリング格子を使って、回折によって、複数の光フィールドのうちの第２の光フィールドに対応する第２の複数の画像光を、第２の導波路へインカップリングすることと、第２のアウトカップリング格子を使って、回折によって、第２の複数の画像光を第２の導波路の外へ、光学デバイスのアイボックスの方へ分離させることとを含み、提供される。

いくつかの実施形態では、第１の光フィールドは、単一色画像の視野（ＦＯＶ）の第１の部分に対応することができ、第２の光フィールドは、単一色画像のＦＯＶの第２の部分に対応する。

いくつかの実施形態では、第１の光フィールドは、フルカラー画像の視野（ＦＯＶ）の第１の部分に対応することができ、第２の光フィールドは、フルカラー画像のＦＯＶの第２の部分に対応する。

いくつかの実施形態では、第１の光フィールドは、第１の色の単一色画像に対応することができ、第２の光フィールドは、第２の色の単一色画像に対応する。

いくつかの実施形態では、第１および第２の導波路は、同じ共通導波路であり得、第１および第２のインカップリング格子は、部分的に重なっており、共通導波路の第１の表面または第２の表面に配置され、また第１および第２のアウトカップリング格子は、部分的に重なっており、共通導波路の第１の表面または第２の表面に配置されている。

いくつかの実施形態では、第１および第２の導波路は、同じ共通導波路であり得、第１および第２のインカップリング格子は、積層され、それぞれ、共通導波路の第１の表面または第２の表面に配置され、また第１および第２のアウトカップリング格子は、積層され、それぞれ、共通導波路の第１の表面または第２の表面に配置されている。

いくつかの実施形態では、第１および第２の導波路は、個別の導波路であり得、第１のインカップリング格子および第１のアウトカップリング格子は、それぞれ、第１の導波路の第１の表面または第２の表面に配置され、第２のインカップリング格子および第２のアウトカップリング格子は、それぞれ、第２の導波路の第１の表面または第２の表面に配置されている。

いくつかの実施形態では、この方法は、第３の期間中に、第３のインカップリング格子を使って、回折によって、複数の光フィールドのうちの第３の光フィールドに対応する第３の複数の画像光を、第３の導波路へインカップリングすることと、第３のアウトカップリング格子を使って、回折によって、第３の複数の画像光を第３の導波路の外へ、光学デバイスのアイボックスの方へ分離させることとをさらに含むことができる。

本発明の１つまたは複数の態様または実施形態に組み込むのに好適であると本明細書で説明されているどの特徴も、本開示のありとあらゆる態様および実施形態にわたって、一般化できることを意図していることが理解されよう。

本開示の他の態様は、本開示の説明、特許請求の範囲、および図面に照らして、当業者には理解されよう。

以下の図面は、開示される様々な実施形態に従って、例示を目的として提示されており、本開示の範囲を限定することを意図するものではない。

本開示の実施形態による、ニアアイディスプレイ（ＮＥＤ）の概略図である。 本開示の実施形態による、図１ＡのＮＥＤの断面図である。 本開示の実施形態による、導波路ディスプレイ組立体の概略図である。 本開示の別の実施形態による、導波路ディスプレイ組立体の概略図である。 本開示の実施形態による、非回折状態の格子の概略図である。 本開示の実施形態による、回折状態の格子の概略図である。 本開示の別の実施形態による、回折状態の格子の概略図である。 本開示の別の実施形態による、非回折状態の格子の概略図である。 本開示の別の実施形態による、非回折状態の格子の概略図である。 本開示の別の実施形態による、回折状態の格子の概略図である。 本開示の別の実施形態による、回折状態の格子の概略図である。 本開示の別の実施形態による、非回折状態の格子の概略図である。 本開示の別の実施形態による、切替え可能な回折光学素子の概略図である。 本開示の実施形態による、活性格子の切替えの概略図である。 本開示の実施形態による、活性格子の切替えの概略図である。 本開示の実施形態による、活性格子の切替えの概略図である。 本開示の別の実施形態による、活性格子の切替えの概略図である。 本開示の別の実施形態による、活性格子の切替えの概略図である。 本開示の実施形態による、導波路の概略図である。 本開示の実施形態による、視野（ＦＯＶ）の相異なる部分を時間多重化して送達する、図１０Ａの導波路の動作方式を示す図である。 本開示の実施形態による、視野（ＦＯＶ）の相異なる部分を時間多重化して送達する、図１０Ａの導波路の動作方式を示す図である。 本開示の実施形態による、視野（ＦＯＶ）の相異なる部分を時間多重化して送達する、図１０Ａの導波路の動作方式を示す図である。 本開示の実施形態による、図１０Ａの導波路に含まれる２次格子（ｓｕｂｇｒａｔｉｎｇ）の、重なり合う構成の概略図である。 本開示の別の実施形態による、図１０Ａの導波路に含まれる２次格子の、重なり合う構成の概略図である。 本開示の実施形態による、導波路の積層体の概略図である。 本開示の実施形態による、ＦＯＶの相異なる部分を時間多重化して送達する、図１１Ａの導波路の積層体の動作方式を示す図である。 本開示の実施形態による、ＦＯＶの相異なる部分を時間多重化して送達する、図１１Ａの導波路の積層体の動作方式を示す図である。 本開示の実施形態による、ＦＯＶの相異なる部分を時間多重化して送達する、図１１Ａの導波路の積層体の動作方式を示す図である。 本開示の別の実施形態による、導波路の積層体の概略図である。 本開示の実施形態による、相異なる色の単一色画像を時間多重化して送達する、図１２Ａの導波路の積層体の動作方式を示す図である。 本開示の実施形態による、相異なる色の単一色画像を時間多重化して送達する、図１２Ａの導波路の積層体の動作方式を示す図である。 本開示の実施形態による、相異なる色の単一色画像を時間多重化して送達する、図１２Ａの導波路の積層体の動作方式を示す図である。 本開示の実施形態による、ＦＯＶの相異なる部分を時間多重化して送達するための、光学デバイスの方法の流れ図である。 本開示の別の実施形態による、相異なる色の単一色画像を時間多重化して送達するための、光学デバイスの方法の流れ図である。 本開示の別の実施形態による、ＦＯＶの相異なる部分を時間多重化して送達する、導波路の概略図である。

これ以降、本開示と一貫する実施形態を、図面を参照して説明することとするが、これは、例示を目的とした単なる例であり、本開示の範囲を限定することを意図するものではない。図面では、明確にするために、形状およびサイズが誇張、歪曲、または簡略化されている場合がある。可能な限り、同じまたは類似の部品を参照するために、同じ参照番号を、図全体を通して使用することとし、その詳細な説明は省略される場合がある。さらに、本開示において、開示された実施形態および開示された実施形態の特徴は、矛盾のない条件下で組み合わされ得る。説明される実施形態は、本開示の実施形態の一部であるが、すべてではない。当業者は、開示される実施形態に基づいて、本開示と一貫する他の実施形態を導き出すことができ、そのすべてが、本開示の範囲内にある。

本開示は、光学デバイスを提供する。光学デバイスには、画像光を生成するよう構成された光源組立体と、画像光を光学デバイスのアイボックスに誘導するよう構成された、少なくとも１つの導波路とが含まれ得る。導波路には、導波路を通して、画像光に対応する複数の光フィールドを時間多重化してアイボックスに伝送するよう構成された、インカップリング素子およびアウトカップリング素子が含まれ得る。光フィールドは、単一色画像の視野（ＦＯＶ）の所定の部分、フルカラー画像のＦＯＶの所定の部分、または所定の色の単一色画像に対応することができる。インカップリング素子またはアウトカップリング素子の少なくとも一方には、少なくとも１つの切替え可能な回折光学素子が含まれ得る。切替え可能な回折光学素子には、ＳＲＧの溝方向に沿った第１の主屈折率、および溝方向に垂直な面内方向に沿った第２の主屈折率を有する、活性光学異方性材料で充填された表面レリーフ型格子（ＳＲＧ）が含まれ得る。第１および第２の主屈折率のうちの一方は、ＳＲＧの屈折率と実質的に一致し得、他方は、ＳＲＧの屈折率と不一致であり得る。光学異方性材料には、活性または再配向可能な液晶（ＬＣ）が含まれ得る。切替え可能な回折光学素子は、たとえば電界、磁界、または光などの外部フィールドでＬＣを再配向することにより、回折状態と非回折状態との間で切替え可能であり得る。光学デバイスは、ニアアイディスプレイ（ＮＥＤ）の構成要素であり得る。

光学異方性材料は、その屈折率楕円体がその光軸に対して軸対称である、１軸異方性材料であり得る。ｎ^ｏ _ＡＮおよびｎ^ｅ _ＡＮは、１軸異方性材料の主屈折率である。ネマティック液晶（ＬＣ）（ベンドコア形状のような、一部の変わったタイプを除く）は、１軸異方性材料の範疇に属する。ネマティックＬＣ層内を伝搬する光が受ける屈折率は、光の偏光状態と光学異方性材料の光学軸との間の角度αに応じて、常光屈折率ｎ^ｏ _ＡＮと異常光屈折率ｎ^ｅ _ＡＮとの間の範囲で変化でき得る。たとえば、ネマティックＬＣ層内を伝搬する光が受ける屈折率は、角度αが９０°から０°まで変化するとき、ｎ^ｏ _ＡＮからｎ^ｅ _ＡＮまで変化し得る。

切替え可能な回折光学素子は、偏光選択性であり得、たとえば、回折光学素子は、第１の偏光状態を有する直線偏光を選択的に回折し、第２の偏光状態を有する直線偏光を、回折が無視できる状態で透過することができる。第１の偏光状態を有する直線偏光の回折効率は、外部フィールドによって制御可能であり得る。第１の偏光状態を有する直線偏光の回折効率は、所定の閾値、たとえば、約１０％、５％、１％、０．５％、０．１％、または０．０５％よりも低くなり得る。いくつかの実施形態では、第１および第２の主屈折率のうちの一方は、ＳＲＧの屈折率と同じであり得ることにより、回折光学素子は、どんな回折もない状態で、第２の偏光状態を有する直線偏光を透過することができる。

図１Ａは、本開示の実施形態によるニアアイディスプレイ（ＮＥＤ）１００の概略図を示している。いくつかの実施形態では、ＮＥＤ１００は、ヘッドマウントディスプレイ（ＨＭＤ：ｈｅａｄ－ｍｏｕｎｔｅｄ ｄｉｓｐｌａｙ）と呼ばれ得る。ＮＥＤ１００は、媒体をユーザに提示することができる。ＮＥＤ１００によって提示される媒体の例には、１種類または複数種類の画像、ビデオ、音声、またはこれらの何らかの組合せが含まれる。いくつかの実施形態では、音声は、ＮＥＤ１００、コンソール（図示せず）、またはその両方から音声情報を受信し、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（たとえば、スピーカおよび／またはヘッドホン）を介して提示される。ＮＥＤ１００は、ＶＲデバイス、ＡＲデバイス、および／もしくはＭＲデバイス、またはこれらの何らかの組合せとして作用する。いくつかの実施形態では、ＮＥＤ１００がＡＲおよび／またはＭＲデバイスとして作用する場合、ＮＥＤ１００の一部およびＮＥＤ１００の内部構成要素は、少なくとも部分的に透明であり得る。

図１Ａに示されているように、ＮＥＤ１００には、フレーム１０５およびディスプレイ１１０が含まれ得る。一定のデバイスは省略される場合があり、他のデバイスまたは構成要素が含まれる場合もある。フレーム１１０には、ユーザがディスプレイ１１０をＮＥＤとして確実に見るようにするための、適切なタイプの任意の取付け構造が含まれ得る。フレーム１０５は、ユーザに媒体を一体的に表示する、１つまたは複数の光学素子に結合され得る。いくつかの実施形態では、フレーム１０５は、アイウェア／眼鏡のフレームを象ることができる。ディスプレイ１１０は、ユーザが、ＮＥＤ１００によって提示されたコンテンツを見るよう構成される。図１Ｂに関連して下記で論じられるように、ディスプレイ１１０には、画像光をユーザの眼の方に向けるための、少なくとも１つのディスプレイ組立体（図示せず）が含まれ得る。いくつかの実施形態では、少なくとも１つのディスプレイ組立体は、投影システムであり得る。図１Ａは、例示を目的として、投影システムにはフレーム１０５に結合されたプロジェクタ１３５が含まれ得ることを、示している。

図１Ｂは、本開示の実施形態による、図１Ａに示されたＮＥＤ１００の断面図１５０である。ディスプレイ１１０には、少なくとも１つの導波路ディスプレイ組立体１１５が含まれ得る。導波路ディスプレイ組立体１１５には、導波路または導波路の積層体が含まれ得る。射出瞳１２５は、ユーザがＮＥＤ１００を着用したときに、眼１２０がアイボックスの領域に配置される場所であり得る。例示するために、図１Ｂは、単一の眼１２０および単一の導波路ディスプレイ組立体１１５に関連する断面図１５０を示しているが、図示されていない代替の実施形態では、図１Ｂに示されている導波路ディスプレイ組立体１１５から離れた、別のディスプレイ組立体が、ユーザのもう一方の眼の射出瞳に位置するアイボックスに、画像光を供給することができる。

導波路ディスプレイ組立体１１５は、図１Ｂにおいて下記で示されるように、画像光を、眼１２０の射出瞳１２５に位置するアイボックスの方に向けるよう構成され得る。導波路ディスプレイ組立体１１５は、重量を効率的に最小限に抑え、かつＮＥＤ１００のＦＯＶを広げる、１つまたは複数の屈折率を有する１種類または複数種類の材料（たとえば、プラスチック、ガラスなど）から構成され得る。いくつかの実施形態では、導波路ディスプレイ組立体１１５は、ＮＥＤ１００の構成要素（たとえば、ディスプレイ１１０）であり得る。いくつかの実施形態では、導波路ディスプレイ組立体１１５は、他の何らかのＮＥＤ、または表示画像光を特定の場所へ向ける他のシステムの一部であり得る。図１Ｂに示されているように、導波路ディスプレイ組立体１１５は、ユーザの一方の眼１２０用のものであり得る。一方の眼用の導波路ディスプレイ組立体１１５は、他方の眼用の導波路ディスプレイ組立体１１５から離されるか、または部分的に離され得る。特定の実施形態では、単一の導波路ディスプレイ組立体１１５が、ユーザの両眼１２０に使用され得る。

いくつかの実施形態では、ＮＥＤ１００には、導波路ディスプレイ組立体１１５と眼１２０との間に、１つまたは複数の光学素子が含まれ得る。光学素子は、たとえば、導波路ディスプレイ組立体１１５から放射される画像光の収差を補正するか、導波路ディスプレイ組立体１１５から放射される画像光を拡大するか、導波路ディスプレイ組立体１１５から放射される画像光の他の何らかの光学調整、またはこれらの何らかの組合せのために、作用することができる。光学素子の例には、アパーチャ、フレネルレンズ、凸レンズ、凹レンズ、フィルタ、または画像光に影響を与える他の任意の好適な光学素子が含まれ得る。いくつかの実施形態では、ＮＥＤ１００には、適応型調光素子１３０が含まれ得、適応型調光素子１３０は、ＮＥＤ１００を通して見られる実世界の物体の透過度を動的に調整し、これによりＮＥＤ１００を、ＶＲデバイスとＡＲデバイスとの間またはＶＲデバイスとＭＲデバイスとの間で、切り替えることができる。いくつかの実施形態では、適応型調光素子１３０を使用して、ＡＲ／ＭＲデバイスとＶＲデバイスとの間を切り替えると共に、ＡＲおよびＭＲデバイスで、実物体および仮想物体の明るさの差を低減することができる。

図２は、本開示の実施形態による、導波路ディスプレイ組立体２００の概略図を示している。導波路ディスプレイ組立体２００は、ＶＲ、ＡＲ、またはＭＲ用途で、ＮＥＤ内に実装され得る。図２に示されているように、導波路ディスプレイ組立体２００には、光源組立体２０５、導波路２１０、およびコントローラ２１５が含まれ得る。光源組立体２０５には、光源２２０および光学系システム２２５が含まれ得る。いくつかの実施形態では、光源２２０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であり得る。光源２２０には、たとえば、レーザダイオード、垂直共振器面発光型レーザ、および／または発光ダイオードが含まれ得る。いくつかの実施形態では、光源２２０は、液晶ディスプレイ（ＬＣＤ：ｌｉｑｕｉｄ ｃｒｙｓｔａｌ ｄｉｓｐｌａｙ）パネル、液晶オンシリコン（ＬＣｏＳ：ｌｉｑｕｉｄ－ｃｒｙｓｔａｌ－ｏｎ－ｓｉｌｉｃｏｎ）ディスプレイパネル、有機発光ダイオード（ＯＬＥＤ：ｏｒｇａｎｉｃ ｌｉｇｈｔ－ｅｍｉｔｔｉｎｇ ｄｉｏｄｅ）ディスプレイパネル、マイクロ発光ダイオード（マイクロＬＥＤ：ｍｉｃｒｏ ｌｉｇｈｔ－ｅｍｉｔｔｉｎｇ ｄｉｏｄｅ）ディスプレイパネル、デジタル光処理（ＤＬＰ：ｄｉｇｉｔａｌ ｌｉｇｈｔ ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ）ディスプレイパネル、またはこれらの何らかの組合せなどの、ディスプレイパネルであり得る。いくつかの実施形態では、光源２２０は、ＯＬＥＤディスプレイパネルまたはマイクロＬＥＤディスプレイパネルなどの、自己発光パネルであり得る。いくつかの実施形態では、光源２２０は、ＬＣＤパネル、ＬＣｏＳディスプレイパネル、またはＤＬＰディスプレイパネルなどの、外部光源によって照らされるディスプレイパネルであり得る。外部光源の例には、レーザ、ＬＥＤ、ＯＬＥＤ、またはこれらの何らかの組合せが含まれ得る。光学系システム２２５には、光源２２０からの光の状態を整える、１つまたは複数の光学構成要素が含まれ得る。光源２２０からの光の状態を整えることには、コントローラ２１５からの指示に従って、たとえば、透過すること、減衰すること、拡大すること、コリメートすること、および／または向きを調整することが含まれ得る。

光源組立体２０５は、画像光２３０を生成し、画像光２３０を導波路２１０に配置されたインカップリング素子２３５に出力することができる。導波路２１０は、画像光２３０を、ユーザの眼２６５に対して、拡大することができる。導波路２１０は、導波路２１０に配置された１つまたは複数のインカップリング素子２３５で画像光２３０を受光し、受光した画像光２３０を、導波路２１０に配置されたアウトカップリング素子２４５へ誘導することができ、その結果受光した入力画像光２３０は、アウトカップリング素子２４５を通って導波路２１０の外へ分離され、眼２６５に向かう。いくつかの実施形態では、インカップリング素子２３５は、光源組立体２０５からの画像光２３０を導波路２１０に結合することができる。導波路２１０には、実世界に面する第１の表面２１０－１と、眼２６５に面する、反対側の第２の表面２１０－２とが含まれ得る。いくつかの実施形態では、図２に示されているように、インカップリング素子２３５は、導波路２１０の第１の表面２１０－１の一部であるか、または第１の表面２１０－１に付着され得る。いくつかの実施形態では、インカップリング素子２３５は、導波路２１０の第２の表面２１０－２の一部であるか、または第２の表面２１０－２に付着され得る。いくつかの実施形態では、インカップリング素子２３５には、表面レリーフ型格子、体積型ホログラム、偏光格子、偏光体積型ホログラム、メタ表面格子、もしくは他のタイプの回折素子、またはこれらの何らかの組合せが含まれ得る。いくつかの実施形態では、インカップリング素子２３５には、回折格子が含まれ得、回折格子のピッチは、導波路２１０内で全内部反射（ＴＩＲ：ｔｏｔａｌ ｉｎｔｅｒｎａｌ ｒｅｆｌｅｃｔｉｏｎ）が生じ、画像光２３０が、導波路２１０の内部を（たとえば、全内部反射によって）伝搬できるように選択され得る。インカップリング素子２３５は、インカップリング格子とも呼ばれる。

アウトカップリング素子２４５は、導波路２１０の第１の表面２１０－１または第２の表面２１０－２の一部であるか、または第１の表面２１０－１または第２の表面２１０－２に付着され得る。いくつかの実施形態では、図２に示されているように、アウトカップリング素子２４５は、導波路２１０の第２の表面２１０－２の一部であるか、または第２の表面２１０－２に付着され得る。いくつかの実施形態では、アウトカップリング素子２４５は、導波路２１０の第１の表面２１０－１の一部であるか、または第１の表面２１０－１に付着され得る。いくつかの実施形態では、アウトカップリング素子２４５には、表面レリーフ型格子、体積型ホログラム、偏光格子、偏光体積型ホログラム、メタ表面格子、もしくは他のタイプの回折素子、またはこれらの何らかの組合せが含まれ得る。いくつかの実施形態では、アウトカップリング素子２４５には、回折格子が含まれ得、回折格子のピッチは、入射画像光２３０を導波路２１０から出させるように、すなわち、画像光２３０の向きを変えることにより、もはやＴＩＲが生じないように、構成され得る。かかる格子は、アウトカップリング格子とも呼ばれる。

導波路２１０は、画像光２３０の全内部反射を容易にする、１種類または複数種類の材料から構成され得る。導波路２１０は、たとえば、プラスチック、ガラス、および／またはポリマーから構成され得る。導波路２１０は、比較的小さな形状要素を有することができる。たとえば、導波路２１０はおおよそ、ｘ次元に沿って幅が５０ｍｍ、ｙ次元に沿って長さが３０ｍｍ、ｚ次元に沿って厚さが０．５～１ｍｍであり得る。コントローラ２１５は、光源組立体２０５の動作方式を制御することができる。いくつかの実施形態では、導波路２１０は、拡大された画像光２３０を眼２６５に、広い視野（ＦＯＶ）で出力することができる。たとえば、拡大された画像光２３０は、６０度および／もしくは６０度超、ならびに／または１５０度および／もしく１５０度未満の対角のＦＯＶ（ｘおよびｙで）を有し、眼２６５に供給され得る。導波路２１０は、幅８ｍｍ以上および／もしくは５０ｍｍ以下、ならびに／または高さ６ｍｍ以上および／もしくは２０ｍｍ以下のアイボックスを実現するよう構成され得る。導波路ディスプレイ組立体２００を使用して、物理的ディスプレイおよび電子回路を、前部剛体の側面に移動することができ、実世界の完全に遮るもののない視界を実現することができ、これにより、真のＡＲへの可能性を開く。

いくつかの実施形態では、導波路２１０には、光源組立体２０５の瞳の向きを変える／折り曲げる、かつ／または拡大する、さらなる格子が含まれ得る。たとえば、図２Ａに示されているように、導波路ディスプレイ組立体２５０において、導波路２１０には、受光した入力画像光２３０がアウトカップリング素子２４５を通って、導波路２１０の外へ分離されるように、受光した入力画像光２３０の向きをアウトカップリング素子２４５の方に変える、方向付け素子（ｄｉｒｅｃｔｉｎｇ ｅｌｅｍｅｎｔ）２４０が、さらに含まれ得る。方向付け素子２４０は、導波路２１０の第１の面２１０－１の一部であるか、または第１の面２１０－１に付着され得、アウトカップリング素子２４５は、方向付け素子２４０が、アウトカップリング素子２４５と向かい合って配置されるように、導波路２１０の第２の面２１０－２の一部であるか、または第２の面２１０－２に付着され得る。いくつかの実施形態では、方向付け素子２４０およびアウトカップリング素子２４５は、構造的に同様であり得る。いくつかの実施形態では、方向付け素子２４０には、表面レリーフ型格子、体積型ホログラム、偏光格子、偏光体積型ホログラム、メタ表面格子、もしくは他のタイプの回折素子、またはこれらの何らかの組合せが含まれ得る。いくつかの実施形態では、方向付け素子２４０には、回折格子が含まれ得、このケースでは、方向付け素子２４０は、折曲げ格子とも呼ばれる。いくつかの実施形態では、複数の機能、たとえば、光源組立体２０５の瞳の向きを変える／折り曲げる、かつ／または拡大する機能が、単一の格子、たとえばアウトカップリング格子に組み合わされ得る。

図２Ａ～図２Ｂを参照すると、いくつかの実施形態において、導波路ディスプレイ組立体２００／２５０には、一体に積層された複数の導波路が含まれ得、各導波路２１０は、たとえば、仮想画像のＦＯＶの一部および／またはカラースペクトルの一部を処理するよう設計される。いくつかの実施形態では、導波路ディスプレイ組立体２００／２５０には、複数の光源組立体２０５および／または複数の導波路２１０が含まれ得る。光源組立体２０５のそれぞれは、原色（たとえば、赤、緑、または青）に対応する、特定の波長帯域の単色画像光を放射することができる。複数の導波路２１０を一体に積層して、拡大された多色の画像光２３０、すなわちフルカラーの画像光２３０を出力することができる。いくつかの実施形態では、光源組立体２０５のそれぞれは、導波路ディスプレイ組立体２００／２５０から供給されるＦＯＶの相異なる部分に対応するフルカラー画像光を放射することができる。いくつかの実施形態では、光源組立体２０５には、複数の光源２２０が含まれ得る。光源２２０のそれぞれが、フルカラーの画像光を放射することができる。相異なる光源２２０から放射されるフルカラー画像光は、導波路ディスプレイ組立体２００／２５０から供給されるＦＯＶの相異なる部分に対応することができる。たとえば、光源組立体２０５には、ＦＯＶの左側部分、中央部分、および右側部分にそれぞれ対応するフルカラー画像光を放射する、３つの光源２２０が含まれ得る。

図２Ａ～図２Ｂを参照すると、導波路ディスプレイ組立体２００／２５０において、インカップリング格子２３５、アウトカップリング格子２４５、または方向付け格子２３５のうちの少なくとも１つには、本開示の実施形態による、少なくとも１つの切替え可能な回折光学素子が含まれ得る。いくつかの実施形態では、切替え可能な回折光学素子は、外部フィールドによって、回折状態（またはオン状態）と非回折状態（またはオフ状態）との間で、切替え可能であり得る。

図３Ａ～図３Ｂは、それぞれ、本開示の実施形態による、非回折状態および回折状態にある格子３００の概略図を示している。図３Ａ～図３Ｂに示されているように、格子３００には、細長い分子で構成される光学異方性材料３１５で充填された、表面レリーフ型格子（ＳＲＧ）３０５が含まれ得る。ＳＲＧ３０５は、バイナリ型の非傾斜格子であり得る。光学異方性材料３１５の分子３１０は、溝内で、溝方向に、たとえば図３Ａ～図３Ｂのｙ方向に、一様に配向され得る。光学異方性材料３１５は１軸性であり、ＳＲＧ３０５の溝方向（たとえば、ｙ方向）に、第１の主屈折率（たとえば、ｎ^ｅ _ＡＮ）を、またＳＲＧ３０５の溝方向に垂直な面内方向（たとえば、ｘ方向）に沿って、第２の主屈折率（たとえば、ｎ^ｏ _ＡＮ）を有することができる。第２の主屈折率（たとえば、ｎ^ｏ _ＡＮ）は、ＳＲＧ３０５の屈折率ｎ_ｇと実質的に一致し得、第１の主屈折率（たとえば、ｎ^ｅ _ＡＮ）は、ＳＲＧ３０５の屈折率ｎ_ｇと不一致であり得る。

ＳＲＧ３０５は、アモルファスもしくは液晶性ポリマー、ＬＣ特性を有するもの（反応性メソゲン（ＲＭ：ｒｅａｃｔｉｖｅ ｍｅｓｏｇｅｎ））を含む架橋性モノマーなどの有機材料から製造されるか、またはメタ表面の製造に使用される、金属もしくは酸化物などの無機材料から製造され得る。ＳＲＧ３０５の材料は、等方性であっても、または異方性であってもよい。いくつかの実施形態では、ＳＲＧ３０５は、可視帯域などのＥＭ周波数の範囲に対して透明またはほぼ透明である、レジスト材料からナノ加工され得る。レジスト材料は、熱可塑性で、高分子の、光学的に透明なフォトレジストなどの形態であり得る。レジスト材料は、固められるか、または硬化された後、ＳＲＧ３０５に充填された光学異方性材料３１５の配向を可能にすることができる。すなわち、ＳＲＧ３０５は、光学異方性材料３１５の配向層として機能することができる。ＳＲＧ３０５のナノ加工技法を使用して、様々な配向パターンおよび形体（たとえば、１０ｎｍ未満）を形成することができ、これにより、高度なカスタマイズ性を備えた、光学異方性材料３１５の配向パターンの作成が可能になる。たとえば、光学異方性材料３１５の分子は、ＳＲＧ３０５の溝内で、ホメオトロピックに、もしくは一様に、または混成で配向され得る。いくつかの実施形態では、光学異方性材料３１５の分子３１０は、ＳＲＧ３０５の溝内で、延伸、光（たとえば、光配向）、電界、磁界、または任意の適切な配向方法によって、ホメオトロピックに、または一様に配向され得る。

光学異方性材料３１５には、外部フィールドによって切替え可能な活性物質が含まれ得る。活性物質には、活性もしくは再配向可能な液晶（ＬＣ）、重合可能な液晶（ＬＣ）前駆体、またはこれらのいくつかの組合せが含まれ得る。いくつかの実施形態において、重合可能なＬＣ前駆体には、重合可能なＬＣ材料である反応性メソゲン（ＲＭ）が含まれ得る。いくつかの実施形態では、格子３００には、ＳＲＧ３０５および光学異方性材料３１５のコンテナを形成する２つの対向する基板が、さらに含まれ得る。いくつかの実施形態では、格子３００の電気的切替えを可能にするために、各基板には、インジウムスズ酸化物（ＩＴＯ：ｉｎｄｉｕｍ ｔｉｎ ｏｘｉｄｅ）電極などの透明電極が設けられ得る。いくつかの実施形態では、光学異方性材料３１５の配向は、ＳＲＧ３０５以外の１つまたは複数の配向層によって実現され得、配向層は、基板に配置され得る。いくつかの実施形態では、光学異方性材料３１５の厚さは、ＳＲＧ３０５の深さｄと同じであり得る。いくつかの実施形態では、光学異方性材料３１５の厚さは、ＳＲＧ３０５の深さとは異なり得、ＳＲＧ１０５より上に配置された光学異方性材料３１５は均一であり得、回折に寄与し得ない。

格子３００は、直線偏光された入射光に対して、感応性であり得る。図３Ａに示されているように、格子３００は、ＳＲＧ３０５の溝方向に垂直な面内方向（たとえば、ｘ方向）に偏光された入射光３２０に対して、ｎ^ｏ _ＡＮとｎ_ｇとの間で実質的に屈折率が一致することにより、入射光３２０に対して、回折が無視できる状態で、実質的に光学的に均一なプレートであるように見え得る。すなわち、格子３００は、ＳＲＧ３０５の溝方向に垂直な面内方向（たとえば、ｘ方向）に偏光された入射光３２０に対して、非回折状態であり得る。いくつかの実施形態では、第２の主屈折率（たとえば、ｎ^ｏ _ＡＮ）が、ＳＲＧ３０５の屈折率ｎ_ｇと正確に一致し得る（または同じであり得る）ことにより、入射光３２０は、どんな回折もない状態で透過され得る。すなわち、格子３００の回折効果を完全にオフにすることができる。

図３Ｂに示されているように、ＳＲＧ３０５の溝方向（たとえば、ｙ方向）に偏光された入射光３３０の場合、光３３０は、ｎ^ｅ _ＡＮとｎ_ｇとの間の屈折率の差により、格子３００内で屈折率の周期的変調を受け、回折され得る。すなわち、格子３００は、ＳＲＧ３０５の溝方向（たとえば、ｙ方向）に偏光された入射光３３０に対して、回折状態であり得る。光３３０の回折効率は、格子３００によってもたらされる屈折率ｎ_ｍ（すなわち、ｎ^ｅ _ＡＮとｎ_ｇとの間の差）の変調によって決定され得る。回折効率は、外部フィールド、たとえば電界、磁界、または光などによって制御可能であり得る。

図４Ａ～図４Ｂは、それぞれ、回折状態および非回折状態にある格子４００の概略図を示している。図４Ａ～図４Ｂと図３Ａ～図３Ｂとの間の類似点は繰り返さないが、いくつかの相違点が説明され得る。図４Ａ～図４Ｂに示されているように、光学異方性材料４１５の分子４１０は、溝内で、溝方向に、たとえば図４Ａ～図４Ｂのｙ方向に、一様に配向され得る。光学異方性材料４１５は、ＳＲＧ４０５の溝方向（たとえば、ｙ方向）に、第１の主屈折率（たとえば、ｎ^ｅ _ＡＮ）を、またＳＲＧ４０５の溝方向に垂直な面内方向（たとえば、ｘ方向）に沿って、第２の主屈折率（たとえば、ｎ^ｏ _ＡＮ）を有することができる。第２の主屈折率（たとえば、ｎ^ｏ _ＡＮ）は、ＳＲＧ４０５の屈折率ｎ_ｇと不一致であり得、第１の主屈折率（たとえば、ｎ^ｅ _ＡＮ）は、ＳＲＧ４０５の屈折率ｎ_ｇと実質的に一致し得る。

格子４００は、直線偏光された入射光に対して、感応性であり得る。図４Ａに示されているように、入射光４２０は、ＳＲＧ４０５の溝方向に垂直な面内方向（たとえば、ｘ方向）に偏光された光４２０に対して、ｎ^ｏ _ＡＮとｎ_ｇとの間の屈折率の差のために、格子４００内で屈折率の周期的変調を受けることにより、回折され得る。すなわち、格子４００は、ＳＲＧ４０５の溝方向に垂直な面内方向（たとえば、ｘ方向）に偏光された入射光４３０に対して、回折状態であり得る。光４２０の回折効率は、格子４００によってもたらされる屈折率ｎ_ｍ（すなわち、ｎ^ｏ _ＡＮとｎ_ｇとの間の差）の変調によって決定され得る。

図４Ｂに示されているように、格子４００は、ＳＲＧ４０５の溝方向（たとえば、ｙ方向）に偏光された入射光４３０に対して、ｎ^ｅ _ＡＮとｎ_ｇとの間で実質的に屈折率が一致することにより、入射光４２０に対して、回折が無視できる状態で、実質的に光学的に均一なプレートであるように見え得る。すなわち、格子４００は、ＳＲＧ４０５の溝方向（たとえば、ｙ方向）に偏光された入射光４３０に対して、非回折状態であり得る。いくつかの実施形態では、第１の主屈折率（たとえば、ｎ^ｅ _ＡＮ）が、ＳＲＧ４０５の屈折率ｎ_ｇと正確に一致し得る（または同じであり得る）ことにより、入射光４３０は、どんな回折もない状態で透過され得る。すなわち、格子４００の回折効果を完全にオフにすることができる。

図５Ａ～図５Ｂは、それぞれ、非回折状態および回折状態にある格子５００の概略図を示している。図３Ａ～図３Ｂと図５Ａ～図５Ｂとの間の類似点は繰り返さないが、いくつかの相違点が説明され得る。図３Ａ～図３Ｂの格子３００と同様に、図５Ａ～図５Ｂに示されている格子５００には、光学異方性材料５１５で充填されたＳＲＧ５０５が含まれ得る。図３Ａ～図３Ｂの、バイナリ型の非傾斜ＳＲＧ３０５とは異なり、図５Ａ～図５ＢのＳＲＧ５０５は、バイナリ型の傾斜格子であり得る。図５Ａ～図５Ｂの格子５００の回折状態および非回折状態は、図３Ａ～図３Ｂの格子３００の回折状態および非回折状態を参照することができ、詳細はここでは繰り返さない。

図６Ａ～図６Ｂは、それぞれ、非回折状態および回折状態にある格子６００の概略図を示している。図４Ａ～図４Ｂと図６Ａ～図６Ｂとの間の類似点は繰り返さないが、いくつかの相違点が説明され得る。図４Ａ～図４Ｂの格子４００と同様に、図６Ａ～図６Ｂに示されている格子６００には、光学異方性材料６１５で充填されたＳＲＧ６０５が含まれ得る。図４Ａ～図４Ｂの、バイナリ型の非傾斜ＳＲＧ４０５とは異なり、図６Ａ～図６ＢのＳＲＧ６０５は、バイナリ型の傾斜格子であり得る。図６Ａ～図６Ｂの格子６００の回折状態および非回折状態は、図４Ａ～図４Ｂの格子４００の回折状態および非回折状態を参照することができ、詳細はここでは繰り返さない。

図３Ａ～図６Ｂは、回折光学素子が、周期的な長方形の形態を有するＳＲＧを含む活性格子であること、すなわち、ＳＲＧの溝の断面の形態は、周期的な長方形の形状を有することを示しているが、これは例示を目的とするものであり、本開示の範囲を限定することを意図するものではない。いくつかの実施形態では、格子のへりは直線状であり得、すなわち、格子は１次元格子であり得る。いくつかの実施形態では、回折光学素子には、パターン化および／または積層された複数のＳＲＧが含まれ得る。いくつかの実施形態では、ＳＲＧの溝の断面の形態は、用途シナリオに応じて、非長方形、たとえば、正弦波、三角形、または鋸歯状であり得る。いくつかの実施形態では、ＳＲＧの溝の断面の形態は、非周期的であり得、例示的な回折光学素子は、図７で説明することにする。いくつかの実施形態では、回折光学素子は、屈折力（ｏｐｔｉｃａｌ ｐｏｗｅｒ）の有無にかかわらず構成され得る。開示されている回折光学素子はまた、レンズ、プリズム、または球面などの従来の屈折光学系とほぼ同じ光学機能を実現することもできるが、はるかに小さく、より軽いものであり得る。

図７は、本開示の別の実施形態による、切替え可能な回折光学素子７００の概略図を示している。図７に示されているように、回折光学素子７００には、光学異方性材料７１５で充填されたＳＲＧ７０５が含まれ得る。光学異方性材料７１５の分子７１０は、溝内で一様に、またはホメオトロピックに配向され、たとえば、ＳＲＧ７０５の溝方向（たとえば、ｙ方向）に一様に配向され得る。光学異方性材料７１５は、ＳＲＧ７０５の溝方向（たとえば、ｙ方向）に、第１の主屈折率（たとえば、異常光屈折率ｎ^ｅ _ＡＮ）を、また溝方向に垂直な面内方向（たとえば、ｘ方向）に沿って、第２の主屈折率（たとえば、常光屈折率ｎ^ｏ _ＡＮ）を有することができる。第１の主屈折率および第２の主屈折率のうちの一方は、ＳＲＧ７０５の屈折率ｎ_ｇと実質的に一致し得、他方は、ＳＲＧ７０５の屈折率ｎ_ｇと不一致であり得る。議論する目的で、回折光学素子７００において、光学異方性材料７１５の第２の主屈折率（たとえば、ｎ^ｏ _ＡＮ）は、ＳＲＧ７０５の屈折率ｎ_ｇと実質的に一致し得、ＳＲＧ７０５の溝方向（たとえば、ｙ方向）の第１の主屈折率（たとえば、ｎ^ｅ _ＡＮ）は、ＳＲＧ７０５の屈折率ｎ_ｇと不一致であり得る。

ＳＲＧ７０５の溝の断面の形態は、非周期的な長方形の形態を有することができる。ＳＲＧ７０５の溝方向（たとえば、ｙ方向）に垂直な面内方向（たとえば、ｘ方向）において、ＳＲＧ７０５の周期性（ｗ_{ｇｒｏｏｖｅ}＋ｗ_ｈｉｌｌ）は、ＳＲＧ７０５の中心（ｃ）から周辺へ単調に減少し得、これにより、光の集束効果がもたらされる。ＳＲＧ７０５の溝方向（たとえば、ｙ方向）に偏光された入射光７３０の場合、光７３０は、ｎ^ｅ _ＡＮとｎ_ｇとの間の屈折率の差により、回折光学素子７００で屈折率の周期的変調を受け、回折され得る。ＳＲＧ７０５の溝の断面の形態、ならびに光学異方性材料７１５およびＳＲＧ７０５の屈折率を設定することにより、回折光ビーム７４０は、さらに集束され得る。すなわち、回折光学素子７００は、円筒形回折レンズとして機能することができる。回折光学素子７００にはまた、基板、電気的に切り替えるための電極、配向層などの他の素子も含まれ得、図７は単に、回折光学素子７００の部分的な構造を示している。

本開示の実施形態による、活性回折光学素子（たとえば、活性格子）の回折状態と非回折状態との間の切替えを、添付の図８Ａ～図８Ｃおよび図９Ａ～図９Ｂと共に、以下に説明することにする。いくつかの実施形態では、本開示の実施形態による活性回折光学素子は、活性ＬＣ材料に電界を印加することにより、ＳＲＧに充填されたＬＣの電界誘起再配向のために、非回折状態と回折状態との間で切替え可能であり得る。いくつかの実施形態では、活性回折光学素子は、活性ＬＣ材料に光を加えることにより、ＳＲＧに充填されたＬＣの光誘起再配向のために、非回折状態と回折状態との間で切替え可能であり得る。いくつかの実施形態では、活性回折光学素子は、活性ＬＣ材料に磁界を印加することにより、ＳＲＧに充填されたＬＣの磁界誘起再配向のために、非回折状態と回折状態との間で切替え可能であり得る。さらに、回折状態では、活性回折光学素子へ入射する光の回折効率は、印加する電界、光、または磁界を連続的に変えることによって、連続的に変化させることが可能であり得る。すなわち、活性回折光学素子は、入射光に対して相異なる回折効率をもたらすよう構成され、これにより、様々な用途シナリオを満足させることができる。いくつかの実施形態では、活性回折光学素子の電極のうちの少なくとも１つには、ピクセル化された電極が含まれ得る。活性回折光学素子へ入射する光は、１つまたは複数のピクセル化された電極を照射することができ、光の回折効率は、相異なるピクセル化された電極へ相異なる電圧を印加することにより、空間的に変わることができる。議論する目的で、活性ＬＣで充填された格子が、図８Ａ～図８Ｃおよび図９Ａ～図９Ｂに開示された回折光学素子の切替えを説明する例として、使用される。

図８Ａ～図８Ｃは、本開示の実施形態による、回折光学素子８００の切替えの概略図を示している。議論する目的で、回折光学素子８００は、格子８００であり得る。図８Ａ～図８Ｃに示されているように、格子８００には、互いに対向して配置された上部基板および下部基板８１０が含まれ得る。各基板８１０は、基板８１０の内面に、格子８００に電界を印加するための、ＩＴＯ電極（描かれていない）などの透明電極が設けられ得る。格子８００には、下部基板８１０に接着または形成されたＳＲＧ８０５と、ＳＲＧ８０５の溝に充填された光学異方性材料８１５とが含まれ得る。光学異方性材料８１５には、正または負の誘電率異方性を有する活性ＬＣなどの、活性異方性材料が含まれ得る。光学異方性材料８１５は、ＳＲＧ８０５の溝方向（たとえば、ｙ方向）に、第１の主屈折率（たとえば、ｎ^ｅ _ＡＮ）を、またＳＲＧ８０５の溝方向に垂直な面内方向（たとえば、ｘ方向）に沿って、第２の主屈折率（たとえば、ｎ^ｏ _ＡＮ）を有することができる。

議論する目的で、図８Ａ～図８Ｃでは、光学異方性材料８１５には、ネマティック液晶（ＮＬＣ：ｎｅｍａｔｉｃ ｌｉｑｕｉｄ ｃｒｙｓｔａｌ）などの、正の異方性を有する活性ＬＣが含まれ得る。ＬＣ分子８２０は、溝内で、溝方向、たとえばｙ方向に一様に配向され得る。第２の主屈折率（たとえば、ｎ^ｏ _ＡＮ）は、ＳＲＧ８０５の屈折率ｎ_ｇと実質的に一致し得、第１の主屈折率（たとえば、ｎ^ｅ _ＡＮ）は、ＳＲＧ８０５の屈折率ｎ_ｇと不一致であり得る。図８Ａに示されているように、ＳＲＧ８０５の溝方向（たとえば、ｙ方向）に偏光された入射光８３０の場合、電圧オフ状態で、光８３０は、格子８００を通って伝搬するときに、ｎ^ｅ _ＡＮとｎ_ｇとの間の屈折率の差のために、屈折率の周期的変調を受けることにより、回折され得る。すなわち、格子８００は、ＳＲＧ８０５の溝方向（たとえば、ｙ方向）に偏光された入射光８３０に対して、回折状態（またはオン状態）であり得る。

いくつかの実施形態では、電圧オフ状態で（またはより一般的には、印加電圧が、ＬＣ分子８２０を再配向するための閾値電圧よりも低い場合）、格子８００によって光８３０にもたらされる屈折率ｎ_ｍ（すなわち、ｎ^ｅ _ＡＮとｎ_ｇとの間の差）の変調は、他の電圧オン状態と比較して最大であり得る。したがって、光８３０の回折効率は最大であり得る。電圧オン状態では、図８Ｂに示されているように、電界（たとえば、ｚ方向に沿った）が、２つの対向する基板８１０間に生成され得る。印加電圧が徐々に増加して閾値保持電圧よりも高くなると、正の誘電率異方性を有するＬＣ分子８２０は、電界に沿って再配向される傾向があり得る。ＳＲＧ８０５の溝方向（たとえば、ｙ方向）に偏光された入射光８３０の場合、格子８００によってもたらされる屈折率ｎ_ｍ（すなわち、ｎ^ｅ _ＡＮとｎ_ｇとの間の差）の変調は、印加電圧が変化するにつれて、これに応じて変化し得、さらに、格子８００によって入射光８３０にもたらされる回折効率が変化する。さらに、回折状態では、格子８００によって入射光８３０にもたらされる回折効率は、印加電圧を連続的に変えることにより、連続的に調整可能であり得る。すなわち、格子８００は、光８３０に対して相異なる回折効率をもたらし、これにより、様々な用途シナリオを満足させることができる。いくつかの実施形態では、格子８００の電極のうちの少なくとも１つには、複数のピクセル化された電極が含まれ得る。光８３０は、１つまたは複数のピクセル化された電極を照射することができ、光８３０の回折効率は、相異なるピクセル化された電極へ相異なる電圧を印加することにより、空間的に変化することができる。

図８Ｃに示されているように、印加電圧が十分に高い電圧オン状態では、正の誘電率異方性を有するＬＣ分子８２０は、電界方向（たとえば、ｚ方向）に平行になるように再配向され得る。格子８００は、ＳＲＧ８０５の溝方向に偏光された入射光８３０の場合、ｎ^ｏ _ＡＮとｎ_ｇとの間で実質的に屈折率が一致することにより、入射光８３０に対して、実質的に光学的に均一なプレートであるように見え得る。すなわち、格子８００は、ＳＲＧ８０５の溝方向に偏光された入射光８３０に対して、非回折状態（またはオフ状態）であり得る。いくつかの実施形態では、第２の主屈折率（たとえば、ｎ^ｏ _ＡＮ）が、ＳＲＧ８０５の屈折率ｎ_ｇと正確に一致し得る（または同じであり得る）ことにより、光８３０は、格子８００をどんな回折もない状態で透過され得る。すなわち、格子８００の入射光８３０に対する回折効果を、完全にオフにすることができる。

図９Ａ～図９Ｂは、本開示の別の実施形態による、回折光学素子９００の切替えの概略図を示している。図９Ａ～図９Ｂと図８Ａ～図８Ｂとの間の類似点は繰り返さない場合があるが、いくつかの相違点が説明され得る。図８Ａ～図８Ｃに示された、ＳＲＧ８０５に充填された正の誘電率異方性を有する活性ＬＣ８１５とは異なり、図９Ａ～図９ＢのＳＲＧ９０５は、負の誘電率異方性を有する活性ＬＣ９１５で充填され得る。ＬＣ分子９２０は、ＳＲＧ９０５の溝内で、基板９１０に垂直な面外方向、たとえば図９Ａ～図９Ｂのｚ方向に、ホメオトロピックに配向され得る。ＬＣ９１５の第２の主屈折率（たとえば、ｎ^ｏ _ＡＮ）は、ＳＲＧ９０５の屈折率ｎ_ｇと実質的に一致し得、ＬＣ９１５の第１の主屈折率（たとえば、ｎ^ｅ _ＡＮ）は、ＳＲＧ９０５の屈折率ｎ_ｇと不一致であり得る。

図９Ａに示されているように、印加電圧がゼロである（またはより一般的には、印加電圧が、ＬＣ分子９２０を再配向するための閾値電圧よりも低い）電圧オフ状態では、負の誘電率異方性を有するＬＣ分子９２０は、溝内で、たとえばｚ方向に、ホメオトロピックに配向され得る。格子９００は、ＳＲＧ９０５の溝方向（たとえば、ｙ方向）に偏光された入射光９３０の場合、ｎ^ｏ _ＡＮとｎ_ｇとの間で実質的に屈折率が一致することにより、光９３０に対して、実質的に光学的に均一なプレートであるように見え得る。すなわち、格子９００は、ＳＲＧ９０５の溝方向に偏光された光９３０に対して、非回折状態であり得る。いくつかの実施形態では、ＬＣ９１５の第２の主屈折率（たとえば、ｎ^ｏ _ＡＮ）が、ＳＲＧ９０５の屈折率ｎ_ｇと実質的に一致し得、光９３０は、回折が無視できる状態で、格子８００を透過され得る。いくつかの実施形態では、ＬＣ９１５の第２の主屈折率（たとえば、ｎ^ｏ _ＡＮ）が、ＳＲＧ９０５の屈折率ｎ_ｇと同じであり得ることにより、光９３０は、どんな回折もない状態で透過され得る。すなわち、格子９００の、ＳＲＧ９０５の溝方向に偏光された光９３０に対する回折効果を、完全にオフにすることができる。

電圧オン状態では、図９Ｂに示されているように、２つの対向する基板９１０の電極間に電界が生成され得、負の誘電率異方性を有するＬＣ分子９２０は、電界によって、垂直（ホメオトロピック）状態から、水平（平面の）状態に再配向され得る。ＬＣ分子９２０の長軸は、印加電圧が十分に高い場合、電界方向（たとえば、ｚ方向）に垂直になり、ＳＲＧ９０５の溝方向（たとえば、ｙ方向）に平行になる、傾向があり得る。ＳＲＧ９０５の溝方向（たとえば、ｙ方向）に偏光された光９３０は、ｎ^ｅ _ＡＮとｎ_ｇとの間の屈折率差のために、格子９００で屈折率の周期的変調を受けることにより、回折され得る。すなわち、格子９００は、ＳＲＧ９０５の溝方向（たとえば、ｙ方向）に偏光された光９３０に対して、回折状態であり得る。図８Ａ～図８Ｃおよび図９Ａ～図９Ｂを参照すると、格子の構成および入射光の偏光状態に応じて、格子は、格子が電圧オフ状態にあるとき、回折状態または非回折状態になり得、格子は同様に、格子が電圧オン状態にあるとき、回折状態または非回折状態になり得る。

本開示の実施形態による活性格子は、１つまたは複数の導波路によって送達される複数の相異なる光フィールド（たとえば、ＦＯＶの一部、様々な色の画像など）の、時間多重化を可能にし得る。導波路でのＦＯＶは、多くの場合、格子の角度帯域幅ばかりでなく、主に導波路の屈折率によって決定される、導波路の角度制限によって制限される。ＦＯＶを拡大する１つの方法は、ＦＯＶをいくつかの部分に分割し、相異なる格子または格子のセットによってその部分を送達することである。格子間のクロストークを回避するために、ＦＯＶの相異なる部分に対応する光フィールドが、たとえば、時間多重化のアプローチを使用することによって、相異なる時間枠で送達されることが望ましい場合がある。以下では、導波路を通って並進した後にＦＯＶが回転されない「対称の」ケースに対応する、例示的な導波路アーキテクチャが説明される。このケースはまた、導波路の別個の格子によって引き起こされる光分散の補償にも対応することができ、これにより、広帯域光源を、導波路に結合された光源として使用することが可能となり得る。たとえば、２つの格子の導波路で、インカップリング格子およびアウトカップリング格子によって引き起こされる、分散の相互補償が実現し得る。このレジームを説明する数式は

であり、ここで、ｋ_ｉはｉ番目の格子の格子ベクトル、ｎは導波路内の光路上の格子の数である。すなわち、導波路内の光の各部分を方向付ける、格子の格子ベクトルのベクトル和が、実質的にゼロに等しくなり得る。本開示の実施形態による活性格子は、共通の導波路で格子を並べて配置する手法、または共通の導波路または相異なる導波路で格子を積層する手法など、様々な手法で配置された活性格子の相異なる対によって分割および送達される、ＦＯＶの相異なる部分を時間多重化することによって、ＦＯＶの拡大を可能にし得る。同様の原理を使用して、相異なる色の画像を送達することができる。

図１０Ａは、導波路１０００の概略図を示し、図１０Ｂ～図１０Ｄは、ＦＯＶの相異なる部分を時間多重化して送達する、図１０Ａの導波路１０００の動作方式を示している。導波路１０００は、図２Ａ～図２Ｂの導波路２１０の実施形態であり得る。図１０Ａに示されているように、導波路１０００は、画像光を、光源組立体２０５からインカップリング格子１００５を介して受光し、画像光を、アウトカップリング格子１０１０を介して眼２６５の方へ誘導するよう構成され得る。インカップリング格子１００５およびアウトカップリング格子１０１０のうちの少なくとも一方は、開示された活性格子のうちのいずれか１つであり得る。インカップリング格子１００５およびアウトカップリング格子１０１０にはそれぞれ、複数の２次格子が含まれ得、隣接する２次格子が、連続するＦＯＶを得るために、部分的に重ねられ得る。２次格子の例示的な重なり合う構成を、添付の図１０Ｅ～図１０Ｆと共に以下に説明することにする。

図１０Ａを参照すると、インカップリング格子１００５の２次格子は、アウトカップリング格子１０１０の２次格子に１対１で対応し得る。それぞれの格子の２次格子の数は、分割されるＦＯＶの部分の数に対応することができる。インカップリング格子１００５およびアウトカップリング格子１０１０の２次格子は、導波路１０００の第１の表面１０００－１および／または第２の表面１０００－２に配置され得る。インカップリング格子１００５の２次格子は、導波路１０００の同じ表面または別の表面に配置され得る。アウトカップリング格子１０１０の２次格子は、導波路１０００の同じ表面または別の表面に配置され得る。いくつかの実施形態では、２次格子は、ＦＯＶを１次元でパターン化し、並べて配置した、１Ｄ格子を有することができる。いくつかの実施形態では、２次格子は、ＦＯＶを２次元でパターン化し、並べて配置した、２Ｄ格子を有することができる。

議論する目的で、インカップリング格子１００５およびアウトカップリング格子１０１０はそれぞれ、導波路１０００の第２の表面１０００＿２および第１の表面１０００＿１に配置され得、インカップリング格子１００５とアウトカップリング格子１０１０との両方が、開示された切替え可能な格子であり得る。インカップリング格子１００５には、第１のインカップリング２次格子１００５＿１、第２のインカップリング２次格子１００５＿２、および第３のインカップリング２次格子１００５＿３の、３つの２次格子が含まれ得る。アウトカップリング格子１０１０には、第１のアウトカップリング２次格子１０１０＿１、第２のアウトカップリング２次格子１０１０＿２、および第３のアウトカップリング２次格子１０１０＿３の、３つの２次格子が含まれ得、これらは、第１のインカップリング２次格子１００５＿１、第２のインカップリング２次格子１００５＿２、および第３のインカップリング２次格子１００５＿３に、１対１で対応している。

光源組立体２０５は、光源（たとえば、ディスプレイ）からインカップリング格子１００５に向けて、画像光を放射することができる。画像光には、ディスプレイのＦＯＶの相異なる部分に対応する光線が含まれ得る。たとえば、図１０Ａに示されているように、画像光の光線１０２０に包含される角度範囲は、ディスプレイのＦＯＶの左側部分に対応することができ、画像光の光線１０３０に包含される角度範囲は、ディスプレイのＦＯＶの中央部分に対応することができ、画像光の光線１０４０に包含される角度範囲は、ディスプレイのＦＯＶの右側部分に対応することができる。いくつかの実施形態では、画像光は直線偏光であり得る。いくつかの実施形態では、画像光は、直線偏光以外のものであってもよく、また光学素子（たとえば、直線偏光子、または４分の１波長板など）が、光源組立体２０５から放射された画像光を直線偏光画像光になるよう変換して、インカップリング格子１００５に入射させるために、光源組立体２０５と導波路１０００との間に配置され得る。

光源組立体２０５のディスプレイの表示フレームは、ディスプレイのＦＯＶの相異なる部分に対応する光線を順次伝送するための３つの２次フレームに分割され得、これにより、ディスプレイのＦＯＶの相異なる部分の順次伝送を実現する。図１０Ａおよび図１０Ｂを参照すると、第１の２次フレームにおいて、第１のインカップリング２次格子１００５＿１および第１のアウトカップリング２次格子１０１０＿１は、回折状態（またはオン状態）に切り替えられ得るが、残りの２次格子はすべて、非回折状態（またはオフ状態）に切り替えられ得る。したがって、光線１０２０に包含される角度範囲内の光線は、第１のインカップリング２次格子１００５＿１を通って導波路１０００内のＴＩＲ経路に結合され、第１のアウトカップリング２次格子１０１０＿１を通って導波路１０００の外へ、眼２６５で見るべき、光線１０２０’に包含される角度範囲内へ分離され得る。一方、光線１０３０に包囲される角度範囲内の光線、および光線１０４０に包囲される角度範囲内の光線は、導波路１０００に結合され得ない。光線１０２０’に包含される角度範囲は、ＦＯＶの左側部分に対応することができる。

図１０Ａおよび図１０Ｃを参照すると、第２の２次フレームにおいて、第２のインカップリング２次格子１００５＿２および第２のアウトカップリング２次格子１０１０＿２は、回折状態（またはオン状態）に切り替えられ得るが、残りの２次格子はすべて、非回折状態（またはオフ状態）に切り替えられ得る。したがって、光線１０３０に包囲される角度範囲内の光線は、第２のインカップリング２次格子１００５＿２を通って導波路１０００内のＴＩＲ経路に結合され、第２のアウトカップリング２次格子１０１０＿２を通って導波路１０００の外へ、眼２６５で見るべき、光線１０３０’に包含される角度範囲内へ分離され得る。一方、光線１０２０に包囲される角度範囲内の光線、および光線１０４０に包囲される角度範囲内の光線は、導波路１０００に結合され得ない。光線１０３０’に包含される角度範囲は、ＦＯＶの中央の部分に対応することができる。

図１０Ａおよび図１０Ｄを参照すると、第３の２次フレームにおいて、第３のインカップリング２次格子１００５＿３および第３のアウトカップリング２次格子１０１０＿３は、回折状態（またはオン状態）に切り替えられ得るが、残りの２次格子はすべて、非回折状態（またはオフ状態）に切り替えられ得る。したがって、光線１０４０に包囲される角度範囲内の光線は、第３のインカップリング２次格子１００５＿３を通って導波路１０００内のＴＩＲ経路に結合され、第３のアウトカップリング２次格子１０１０＿３を通って導波路１０００の外へ、眼２６５で見るべき、光線１０４０’の角度範囲内へ分離され得る。一方、光線１０２０に包囲される角度範囲内の光線、および光線１０３０に包囲される角度範囲内の光線は、導波路１０００に結合され得ない。光線１０４０’に包含される角度範囲は、ＦＯＶの右側部分に対応することができる。

したがって、第１のインカップリング２次格子１００５＿１と第１のアウトカップリング２次格子１０１０＿１との対、第２のインカップリング２次格子１００５＿２と第２のアウトカップリング２次格子１０１０＿２との対、ならびに第３のインカップリング２次格子１００５＿３と第３のアウトカップリング２次格子１０１０＿３との対を、順次回折状態へ切り替え、ＦＯＶを並べて配置することにより、共通の導波路でのＦＯＶの相異なる部分の順次伝送が実現され得る。さらに、相異なる２次フレームの２次格子を切り替えることにより、隣接する２次格子間の空間的な重なりによって引き起こされる、クロストークをなくすことができる。いくつかの実施形態では、インカップリング格子１００５およびアウトカップリング格子１０１０にはそれぞれ、ディスプレイのＦＯＶの右側部分および左側部分を順次伝送するよう最適化された、２つの２次格子が含まれ得る。

図１０Ａは、ＦＯＶ全体に対応する画像光を放射する単一の光源組立体２０５を示しているが、これは例示を目的とするものであり、本開示の範囲を限定することを意図するものではないことに留意されたい。いくつかの実施形態では、複数の光源組立体が使用され得、光源組立体のそれぞれが、導波路ディスプレイ組立体から供給される、ＦＯＶ全体のうちの一部に対応する画像光を放射する。たとえば、３つの光源組立体が使用され得、これらは、ＦＯＶ全体のうちの左側部分、中央部分、および右側部分にそれぞれ対応する画像光を放射する。いくつかの実施形態では、連続するＦＯＶが、インカップリング素子１００５から導波路内に導入され得るように、ＦＯＶ全体のうちの左側部分および中央部分に対応する、放射された画像光が、部分的に重ねられ得、またＦＯＶ全体のうちの右側部分および中央部分に対応する画像光が、部分的に重ねられ得る。

図１０Ａは、インカップリング格子１００５とアウトカップリング格子１０１０との両方に、複数の開示された切替え可能な格子が含まれることを示しているが、これは例示を目的とするものであり、本開示の範囲を限定することを意図するものではないことに留意されたい。いくつかの実施形態では、インカップリング格子１００５およびアウトカップリング格子１０１０のうちの一方には、複数の開示された切替え可能な格子が含まれ得るが、他方には、１つまたは複数の切替え不可能な格子が含まれ得る。たとえば、ＦＯＶの相異なる部分が、切替え不可能なインカップリング格子１００５から、導波路内に導入され得る。アウトカップリング格子１０１０には、３つのアウトカップリング２次格子が含まれ得、表示フレームには、３つの２次フレームが含まれ得る。各２次フレームの間に、１つの２次格子が回折状態に切り替えられ、ＦＯＶの所定の部分に対応する画像光が導波路１０００の外へ分離され得るが、残りの２次格子は、クロストークを抑制するために、非回折状態に切り替えられ得る。

図１０Ｅ～図１０Ｆは、図１０Ａの導波路１０００に含まれる、インカップリング２次格子の重なり合う構成の概略図を示している。いくつかの実施形態では、１つまたは複数のインカップリング２次格子は、隣接するインカップリング２次格子が部分的に重なり得るように、相異なる平面に配置され得る。インカップリング２次格子の周囲の空間は、屈折率整合材料で充填され得る。一実施形態では、図１０Ｅに示されているように、インカップリング２次格子１００５＿１、１００５＿２、および１００５＿３のそれぞれが、隣接するインカップリング２次格子が部分的に重なり得るように、相異なる平面に配置され得る。インカップリング２次格子の周囲の空間は、空間内で光の反射が抑制され得るように、屈折率整合材料１０５０で充填され得る。一実施形態では、図１０Ｆに示されているように、隣接するインカップリング２次格子が部分的に重なり得るように、第１のインカップリング２次格子１００５＿１および第３のインカップリング２次格子１００５＿３は同じ平面に配置され得るが、第２のインカップリング２次格子１００５＿２は別の平面に配置され得る。図１０Ａの導波路１０００に含まれるアウトカップリング２次格子の重なり合う構成は、インカップリング２次格子の構成と同様であり得、詳細はここでは繰り返さない。

図１１Ａ～図１１Ｄは、導波路の積層体によって送達される、ＦＯＶの相異なる部分の時間多重化の概略図を示している。図１１Ａは、導波路の積層体１１００の概略図を示し、図１１Ｂ～図１１Ｄは、ＦＯＶの相異なる部分を時間多重化して送達する、図１１Ａの積層体１１００の動作方式を示している。導波路の積層体１１００は、図２Ａ～図２Ｂの導波路２１０の実施形態であり得る。図１０Ａと図１１Ａとの間の類似点は説明しないが、いくつかの相違点が説明され得る。図１１Ａに示されているように、積層体１１００には、一体に積層された複数の導波路、たとえば、３つの導波路１１１０、１１２０および１１３０が含まれ得る。導波路１１１０には、インカップリング格子１１１２およびアウトカップリング格子１１１４が含まれ得、導波路１１２０には、インカップリング格子１１２２およびアウトカップリング格子１１２４が含まれ得、導波路１１３０には、インカップリング格子１１３２およびアウトカップリング格子１１３４が含まれ得る。各導波路で確実に導波が行われ得るように、３つの導波路１１１０、１１２０および１１３０は、空隙によって離され得る。いくつかの実施形態では、導波路１１１０、１１２０、および１１３０の間の空隙は、導波路の屈折率よりも低い屈折率を有する材料（たとえば、液体接着剤）で充填され得る。インカップリング格子およびアウトカップリング格子のうちの少なくとも一方には、開示された切替え可能な格子のうちのいずれか１つが含まれ得る。インカップリング格子およびアウトカップリング格子は、それぞれの導波路の第１の表面および／または第２の表面に配置され得る。議論する目的で、図１１Ａでは、積層体１１００のすべてのインカップリング格子およびアウトカップリング格子が、開示された切替え可能な格子であり得、それぞれの導波路の第２の表面に配置され得る。

光源組立体２０５は、光源（たとえば、ディスプレイ）から積層体１１００に向けて画像光を放射することができ、画像光には、ディスプレイのＦＯＶの相異なる部分に対応する光線が含まれ得る。たとえば、図１１Ａでは、光線１１４０に包含される角度範囲は、ディスプレイのＦＯＶの左側部分に対応することができ、光線１１５０に包含される角度範囲は、ディスプレイのＦＯＶの中央部分に対応し、光線１１６０に包含される角度範囲は、ディスプレイのＦＯＶの右側部分に対応することができる。光源組立体２０５から放射される画像光は、直線偏光であり得るか、または光源組立体２０５と積層体１１００との間に配置されたいくつかの光学素子によって直線偏光に変換され得る。

表示フレームは、ＦＯＶの相異なる部分に対応する光線を順次伝送するための３つの２次フレームに分割され得る。図１１Ａおよび図１１Ｂを参照すると、第１の２次フレームにおいて、導波路１１１０におけるインカップリング格子１１１２およびアウトカップリング格子１１１４が、回折状態（またはオン状態）に切り替えられ得るが、導波路１１２０におけるインカップリング格子１１２２およびアウトカップリング格子１１２４、ならびに導波路１１３０におけるインカップリング格子１１３２およびアウトカップリング格子１１３４は、非回折状態（またはオフ状態）に切り替えられ得る。したがって、光線１１４０に包含される角度範囲内の光線は、インカップリング格子１１１２を通って導波路１１１０内のＴＩＲ経路に結合され、アウトカップリング格子１１１４を通って導波路１１１０の外へ、眼２６５で見るべき、光線１１４０’に包含される角度範囲内へ分離され得る。一方、光線１１５０に包含される角度範囲内の光線、および光線１１６０に包含される角度範囲内の光線は、導波路１１１０、１１２０、および１１３０のいずれにも結合され得ない。光線１１４０’に包含される角度範囲は、ＦＯＶの左側部分に対応することができる。すなわち、ＦＯＶの左側部分は、眼２６５の射出瞳に位置するアイボックスで複製され得る。

図１１Ａおよび図１１Ｃを参照すると、第２の２次フレームにおいて、導波路１１２０におけるインカップリング格子１１２２およびアウトカップリング格子１１２４が、回折状態（またはオン状態）に切り替えられ得るが、導波路１１１０におけるインカップリング格子１１１２およびアウトカップリング格子１１１４、ならびに導波路１１３０におけるインカップリング格子１１３２およびアウトカップリング格子１１３４はすべて、非回折状態（またはオフ状態）に切り替えられ得る。したがって、光線１１５０に包含される角度範囲内の光線は、インカップリング格子１１２２を通って導波路１１２０内のＴＩＲ経路に結合され、アウトカップリング格子１１２４を通って導波路１１２０の外へ、眼２６５で見るべき、光線１１５０’に包含される角度範囲内へ分離され得る。一方、光線１１４０に包含される角度範囲内の光線、および光線１１６０に包含される角度範囲内の光線は、導波路１１１０、１１２０、および１１３０のいずれにも結合され得ない。光線１１５０’に包含される角度範囲は、ＦＯＶの中央の部分に対応することができる。すなわち、ＦＯＶの中央の部分は、眼２６５の射出瞳に位置するアイボックスで複製され得る。

図１１Ａおよび図１１Ｄを参照すると、第３の２次フレームにおいて、導波路１１３０におけるインカップリング格子１１３２およびアウトカップリング格子１１３４が、回折状態（またはオン状態）に切り替えられ得るが、導波路１１１０におけるインカップリング格子１１１２およびアウトカップリング格子１１１４、ならびに導波路１１２０におけるインカップリング格子１１２２およびアウトカップリング格子１１２４はすべて、非回折状態（またはオフ状態）に切り替えられ得る。したがって、光線１１６０に包含される角度範囲内の光線だけが、インカップリング格子１１３２を通って導波路１１３０内のＴＩＲ経路に結合され、アウトカップリング格子１１３４を通って導波路１１３０の外へ、眼２６５で見るべき、光線１１６０’に包含される角度範囲内へ分離され得る。一方、光線１１４０に包含される角度範囲内の光線、および光線１１５０に包含される角度範囲内の光線は、導波路１１１０、１１２０、および１１３０のいずれにも結合され得ない。光線１１６０’に包含される角度範囲は、ＦＯＶの右側部分に対応することができる。すなわち、ＦＯＶの右側部分は、眼２６５の射出瞳に位置するアイボックスで複製され得る。

したがって、積層体１１００のそれぞれの導波路におけるインカップリング格子とアウトカップリング格子との対を、順次回折状態に切り替え、一方で積層体１１００の残りのインカップリング格子およびアウトカップリング格子を、非回折状態に切り替えることによって、ＦＯＶの左側、中央、および右側の部分の順次伝送が実現され得る。積層体１１００のインカップリング格子およびアウトカップリング格子は、ＦＯＶの左側、中央、および右側の部分が部分的に重なって伝送され、フレーム全体から送達される連続的なＦＯＶを供給できるように設計され得る。さらに、相異なる２次フレームの、それぞれの導波路でのインカップリング格子とアウトカップリング格子との対の切替えは、ＦＯＶの相異なる部分間の空間的な重なりによって引き起こされる、クロストークをなくすことができる。いくつかの実施形態では、ＦＯＶは、２つの部分、たとえば左側部分および右側部分に分割され得、同じ原理が、ＦＯＶの２つの部分の別々の伝送に使用され得る。

いくつかの実施形態では、積層体１１００のそれぞれの導波路にインカップリング格子およびアウトカップリング格子を配置するのではなく、図１５が示しているように、インカップリング格子１１１２、１１２２、および１１３２が積層されて、共通の（たとえば、単一の）導波路に取り付けられ得、かつアウトカップリング格子１１１４、１１２４、および１１３４が積層されて、共通の導波路に取り付けられ得る。図１５は、本開示の別の実施形態による、ＦＯＶの相異なる部分を時間多重化して送達する、導波路１５００の概略図を示している。図１１Ａと図１５との間の類似点は繰り返さないが、いくつかの相違点が説明され得る。図１５に示されているように、複数のインカップリング格子１５１２、１５２２、および１５３２が、導波路１５００の第１の表面または第２の表面に配置され得、複数のアウトカップリング格子１５１４、１５２４、および１５３４が、導波路１５００の第１の表面または第２の表面に配置され得る。複数のインカップリング格子１５１２、１５２２、および１５３２、ならびに複数のアウトカップリング格子１５１４、１５２４、および１５３４は、導波路１５００の同じ表面または別の表面に配置され得る。ＦＯＶの左側、中央、および右側の部分の時系列伝送を実現する、インカップリング格子１５１２、１５２２、および１５３２ならびにアウトカップリング格子１５１４、１５２４、および１５３４の動作方式は、図１１Ｂ～図１１Ｄに示されたものと同様であり得、詳細はここでは繰り返さない。

図１２Ａは、本開示の別の実施形態による、導波路の積層体１２００の概略図を示し、図１２Ｂ～図１２Ｄは、相異なる色の単一色画像を時間多重化して送達する、図１２Ａの導波路の積層体１２００の動作方式を示している。導波路の積層体１２００は、図１１Ａの導波路の積層体１１００と同様であり得、詳細はここでは繰り返さない。導波路の積層体１２００は、複数の供給源組立体、たとえば、３つの供給源組立体１２４０、１２５０、および１２６０から、画像光を受光することができる。各供給源組立体は、原色（たとえば、赤、緑、または青）に対応する、特定の波長帯域の単色画像光を放射することができる。たとえば、供給源組立体１２４０、１２５０、および１２６０はそれぞれ、第１の原色（たとえば、赤）、第２の原色（たとえば、緑）、および第３の原色（たとえば、青）に対応する、特定の波長帯域の単色画像光１２４５、１２５５、および１２６５を放射することができる。供給源組立体１２４０、１２５０、および１２６０は、コントローラからの指示に従って、対応する画像光を順次放射するよう構成され得る。供給源組立体１２４０、１２５０、および１２６０からそれぞれ放射される画像光は、直線偏光であり得るか、または供給源組立体と積層体１２００との間に配置されたいくつかの光学素子によって、直線偏光に変換され得る。

導波路１２１０には、両方ともが第１の原色（たとえば、赤）に対応する波長帯域用に設計された、インカップリング格子１２１２およびアウトカップリング格子１２１４が含まれ得、導波路１２２０には、両方ともが第２の原色（たとえば、緑）に対応する波長帯域用に設計された、インカップリング格子１２２２およびアウトカップリング格子１２２４が含まれ得、導波路１２３０には、両方ともが第３の原色（たとえば、青）に対応する波長帯域用に設計された、インカップリング格子１２３２およびアウトカップリング格子１２３４が含まれ得る。インカップリング格子１２１２、１２２２、および１２３２、ならびにアウトカップリング格子１２１４、１２２４、および１２３４のうちの少なくとも一方には、開示された、偏光感応性で切替え可能な格子のうちのいずれか１つが含まれ得る。議論する目的で、すべてのカップリング格子１２１２、１２２２、および１２３２、ならびにアウトカップリング格子１２１４、１２２４、および１２３４が、開示された、偏光感応性で切替え可能な格子であり得る。

表示フレームは、画像光１２４０、１２５０、および１２６０を順次伝送するための３つの２次フレームに分割され得る。図１２Ａおよび図１２Ｂを参照すると、第１の２次フレームにおいて、画像光１２４５（たとえば、赤色光）が、供給源組立体１２４０から積層体１２００に向かって放射され得、画像光１２５５（たとえば、緑色光）および１２６５（たとえば、青色光）は、対応する供給源組立体から放射され得ない。導波路１２１０におけるインカップリング格子１２１２およびアウトカップリング格子１２１４が、回折状態（またはオン状態）に切り替えられ得るが、導波路１２２０におけるインカップリング格子１２２２およびアウトカップリング格子１２２４、ならびに導波路１２３０におけるインカップリング格子１２３２およびアウトカップリング格子１２３４はすべて、非回折状態（またはオフ状態）に切り替えられ得る。したがって、画像光１２４５（たとえば、赤色光）は、インカップリング格子１２１２を通って導波路１２１０内のＴＩＲ経路に結合され、アウトカップリング格子１２１４を通って導波路１２１０の外へ、眼２６５で見るべき画像光１２４５’（たとえば、赤色光）へ分離され得る。すなわち、単一色画像（たとえば、赤色画像）を眼２６５で見ることができる。

図１２Ａおよび図１２Ｃを参照すると、第２の２次フレームにおいて、画像光１２５５（たとえば、緑色光）が、供給源組立体１２５０から積層体１２００に向かって放射され得、画像光１２４５（たとえば、赤色光）および１２６５（たとえば、青色光）は、対応する供給源組立体から放射され得ない。導波路１２２０におけるインカップリング格子１２２２およびアウトカップリング格子１２２４が、回折状態（またはオン状態）に切り替えられ得るが、導波路１２１０におけるインカップリング格子１２１２およびアウトカップリング格子１２１４、ならびに導波路１２３０におけるインカップリング格子１２３２およびアウトカップリング格子１２３４はすべて、非回折状態（またはオフ状態）に切り替えられ得る。したがって、画像光１２５５（たとえば、緑色光）は、インカップリング格子１２２２を通って導波路１２２０内のＴＩＲ経路に結合され、アウトカップリング格子１２２４を通って導波路１２２０の外へ、眼２６５で見るべき画像光１２５５’（たとえば、緑色光）へ分離され得る。すなわち、単一色画像（たとえば、緑色画像）を眼２６５で見ることができる。

図１２Ａおよび図１２Ｄを参照すると、第３の２次フレームにおいて、画像光１２６５（たとえば、青色光）が、供給源組立体１２６０から積層体１２００に向かって放射され得、画像光１２４５（たとえば、赤色光）および１２５５（たとえば、緑色光）は、対応する供給源組立体から放射され得ない。導波路１２３０におけるインカップリング格子１２３２およびアウトカップリング格子１２３４が、回折状態（またはオン状態）に切り替えられ得るが、導波路１２１０におけるインカップリング格子１２１２およびアウトカップリング格子１２１４、ならびに導波路１２２０におけるインカップリング格子１２２２およびアウトカップリング格子１２２４はすべて、非回折状態（またはオフ状態）に切り替えられ得る。したがって、画像光１２６５（たとえば、青色光）は、インカップリング格子１２３２を通って導波路１２３０内のＴＩＲ経路に結合され、アウトカップリング格子１２３４を通って導波路１２３０の外へ、眼２６５で見るべき画像光１２６５’（たとえば、青色光）へ分離され得る。すなわち、単一色画像（たとえば、青色画像）を眼２６５で見ることができる。

したがって、単色画像光１２４５、１２５５、および１２６５を順次放射し、対応するインカップリング格子およびアウトカップリング格子の対を、回折状態に順次切り替えることにより、相異なる色（たとえば、赤、緑、青）の画像光の順次伝送が実現され得る。すなわち、相異なる色の単一色画像の順次伝送が実現され得る。最終画像は、多色画像として、眼２６５で見ることができる。さらに、開示された切替え可能な格子を使用することによって実現される時間多重化は、積層体１２００のクロストークをなくし、これにより、積層体１２００を含む導波路ディスプレイ組立体の画像性能を向上させることができる。いくつかの実施形態では、供給源組立体１２４０、１２５０、および１２６０は、対応するインカップリング格子とアウトカップリング格子との対が非回折状態に切り替えられたときでさえ、それぞれの画像光を放射し続けることができ、これにより制御が簡素化され得るが、消費電力は増加する可能性がある。

いくつかの実施形態では、積層体１２００のそれぞれの導波路にインカップリング格子およびアウトカップリング格子を配置するのではなく、インカップリング格子１２１２、１２２２、および１２３２が積層されて、共通の（たとえば、単一の）導波路に取り付けられ得、またアウトカップリング格子１２１４、１２２４、および１２３４が積層されて、共通の導波路に取り付けられ得る。同様の構造が、図１１Ｅで参照され得る。インカップリング格子の積層体およびアウトカップリング格子の積層体はそれぞれ、共通の導波路の第１の表面または第２の表面に配置され得る。相異なる色の画像光の時系列伝送を実現する、インカップリング格子１２１２、１２２２、および１２３２ならびにアウトカップリング格子１２１４、１２２４、および１２３４の動作方式は、図１２Ｂ～図１２Ｄに示されたものと同様であり得、詳細はここでは繰り返さない。

図１２Ａ～図１２Ｄの実施形態は、単色画像光に対して有効であり得る。カラー画像の場合、相異なる色の画像光が、空間的および／または時間的に多重化され得る。積層体の導波路の数は、２つに減らすことができる。色を別々に伝送するために、一方の導波路が赤／緑用に、他方が緑／青色用に構成され得る。

図１２Ａは、インカップリング格子およびアウトカップリング格子のそれぞれが、開示された切替え可能な格子であることを示しているが、これは例示を目的とするものであり、本開示の範囲を限定することを意図するものではないことに留意されたい。いくつかの実施形態では、インカップリング格子はそれぞれ、開示された切替え可能な格子であり得るが、アウトカップリング格子はそれぞれ、切替え不可能な格子であり得る。いくつかの実施形態では、アウトカップリング格子はそれぞれ、開示された切替え可能な格子であり得るが、インカップリング格子はそれぞれ、切替え不可能な格子であり得る。たとえば、ＲＧＢカラーは、切替え不可能なインカップリング格子によって、別々のプロジェクタから導入されてもよい。表示フレームには、３つの２次フレームが含まれ得る。各２次フレームにおいて、ＲＧＢカラーのうちの１色を放射するプロジェクタだけをオンにすることができ、またＲＧＢカラーのうちの１色に対応するアウトカップリング格子は、回折状態になり、ＲＧＢカラーのうちの１色の画像光を送達するよう構成され得るが、残りのプロジェクタはオフにすることができ、また残りのアウトカップリング格子は、クロストークを抑制するために非回折状態になるよう構成され得る。

本開示はまた、導波路ディスプレイ組立体が、光源組立体から時間多重化して放射される画像光の、複数の光フィールドを送達する方法も提供する。この方法は、第１の期間中に、第１のインカップリング格子を使って、回折によって、複数の光フィールドのうちの第１の光フィールドに対応する第１の複数の画像光を、第１の導波路へインカップリングすることと、第１のアウトカップリング格子を使って、回折によって、第１の複数の画像光を第１の導波路の外へ、光学デバイスのアイボックスの方へ分離させることとを含むことができる。この方法は、第２の期間中に、第２のインカップリング格子を使って、回折によって、複数の光フィールドのうちの第２の光フィールドに対応する第２の複数の画像光を、第２の導波路へインカップリングすることと、第２のアウトカップリング格子を使って、回折によって、第２の複数の画像光を第２の導波路の外へ、光学デバイスのアイボックスの方へ分離させることとを含むことができる。光フィールドは、単一色画像の視野（ＦＯＶ）の所定の部分、フルカラー画像のＦＯＶの所定の部分、または所定の色の単一色画像に対応することができる。この方法は、第３の期間中に、第３のインカップリング格子を使って、回折によって、複数の光フィールドのうちの第３の光フィールドに対応する第３の複数の画像光を、第３の導波路へインカップリングすることと、第３のアウトカップリング格子を使って、回折によって、第３の複数の画像光を第３の導波路の外へ、光学デバイスのアイボックスの方へ分離させることとをさらに含むことができる。

議論する目的で、図１３は、本開示の実施形態による、導波路ディスプレイ組立体の、ＦＯＶの相異なる部分を時間多重化して送達するための方法の流れ図１３００を示している。導波路ディスプレイ組立体は、図２Ａ～図２Ｂの導波路ディスプレイ組立体２００および２５０の実施形態であり得る。導波路ディスプレイ組立体には、少なくとも１つの開示された切替え可能な回折光学素子が含まれ得る。

図１３に示されているように、この方法は、第１の期間中に、第１のインカップリング素子を使って、回折によって、光源組立体から放射される第１の複数の光線を、第１の導波路へインカップリングすることと、第１のアウトカップリング素子を使って、回折によって、第１の複数の光線を第１の導波路から外れて第１の光線の角度範囲内へ、アイボックスの方へ分離させることとを含むことができる（Ｓ１３１０）。光源組立体から放射される第１の複数の光線の角度範囲は、光源組立体から供給されるＦＯＶの第１の部分に対応することができる。第１の導波路の外へ分離された第１の光線の角度範囲は、光源組立体から供給されるＦＯＶの第１の部分に対応することができる。

この方法は、第２の期間中に、第２のインカップリング素子を使って、回折によって、光源組立体から放射される第２の複数の光線を、第２の導波路へインカップリングすることと、第２のアウトカップリング素子を使って、回折によって、第２の複数の光線を第２の導波路から外れて第２の光線の角度範囲内へ、アイボックスの方へ分離させることとを、さらに含むことができる（Ｓ１３２０）。光源組立体から放射される第２の複数の光線の角度範囲は、光源組立体から供給されるＦＯＶの第２の部分に対応することができる。第２の導波路の外へ分離された第２の光線の角度範囲は、光源組立体から供給されるＦＯＶの第２の部分に対応することができる。

いくつかの実施形態では、光源組立体には、ディスプレイである供給源が含まれ得、第１の期間および第２の期間は、それぞれ、ディスプレイの表示フレームの第１の２次フレームおよび第２の２次フレームであり得る。いくつかの実施形態では、第１および第２の導波路は、同じ導波路（共通導波路と呼ばれる）であり得、共通導波路は、光源組立体に面する第１の表面、および反対側の第２の表面を有することができる。いくつかの実施形態では、第１および第２のインカップリング素子が、共通導波路の第１または第２の表面に並べて配置され得、第１および第２のアウトカップリング素子が、共通導波路の第１または第２の表面に並べて配置され得る。いくつかの実施形態では、第１および第２のインカップリング素子が積層され、共通導波路の第１または第２の表面に取り付けられ得、また第１および第２のアウトカップリング素子が積層され、共通導波路の第１または第２の表面に取り付けられ得る。

いくつかの実施形態では、第１および第２の導波路は、低屈折率材料によって離された個別の導波路であり得、各導波路は、光源組立体に面する第１の表面、および反対側の第２の表面を有することができる。それぞれの導波路のインカップリング素子が、それぞれの導波路の第１または第２の表面に配置され得、またそれぞれの導波路のアウトカップリング素子が、それぞれの導波路の第１または第２の表面に配置され得る。

いくつかの実施形態では、この方法は、第３の期間中に、第３のインカップリング素子を使って、回折によって、光源組立体から放射される第３の複数の光線を、第３の導波路へインカップリングすることと、第３のアウトカップリング素子を使って、回折によって、第３の複数の光線を第３の導波路から外れて第３の光線の角度範囲内へ、アイボックスの方へ分離させることとを、さらに含むことができる。光源組立体から放射される第３の複数の光線の角度範囲は、光源組立体から供給されるＦＯＶの第３の部分に対応することができる。第３の導波路の外へ分離された第３の光線の角度範囲は、光源組立体から供給されるＦＯＶの第３の部分に対応することができる。

議論する目的で、図１４は、本開示の実施形態による、導波路ディスプレイ組立体の、相異なる色の単一色画像を時間多重化して送達するための方法の流れ図１４００を示している。導波路ディスプレイ組立体は、図２Ａ～図２Ｂの導波路ディスプレイ組立体２００および２５０の実施形態であり得る。導波路ディスプレイ組立体には、少なくとも１つの開示された切替え可能な回折光学素子が含まれ得る。

図１４に示されているように、この方法は、第１の期間中に、第１のインカップリング素子を使って、回折によって、第１の光源組立体から放射される第１の色の画像光を、第１の導波路へインカップリングすることと、第１のアウトカップリング素子を使って、回折によって、第１の色の画像光を第１の導波路の外へ、アイボックスの方へ分離させることとを含むことができる（Ｓ１４１０）。この方法は、第２の期間中に、第２のインカップリング素子を使って、回折によって、第２の光源組立体から放射される第２の色の画像光を、第２の導波路へインカップリングすることと、第２のアウトカップリング素子を使って、回折によって、第２の色の画像光を第２の導波路の外へ、アイボックスの方へ分離させることとを含むことができる（Ｓ１４２０）。

いくつかの実施形態では、第１および第２の光源組立体は、個別の光源組立体であり得る。第１および第２の光源組立体のそれぞれには、ディスプレイである供給源が含まれ得、第１の期間および第２の期間は、それぞれ、ディスプレイの表示フレームの第１の２次フレームおよび第２の２次フレームであり得る。いくつかの実施形態では、第１および第２の光源組立体は、同じ共通光源組立体であり得、共通光源組立体が、第１の色の画像光および第２の色の画像光を順次放射するよう制御される。いくつかの実施形態では、第１の色の画像光および第２の色の画像光は、相異なる原色に対応する波長帯域の単色光であり得る。第１および第２の導波路は、低屈折率材料によって離された個別の導波路であり得る。各導波路は、光源組立体に面する第１の表面、および反対側の第２の表面を有することができる。それぞれの導波路のインカップリング素子が、それぞれの導波路の第１または第２の表面に配置され得、それぞれの導波路のアウトカップリング素子が、それぞれの導波路の第１または第２の表面に配置され得る。

いくつかの実施形態では、この方法は、第３の期間中に、第３のインカップリング素子を使って、回折によって、第３の光源組立体から放射される第３の色の画像光を、第３の導波路へインカップリングすることと、第３のアウトカップリング素子を使って、回折によって、第３の色の画像光を第３の導波路の外へ、アイボックスの方へ分離させることとを、さらに含むことができる。

開示された切替え可能な格子をベースとして、相異なる色および／またはＦＯＶの相異なる部分を空間多重化および／または時間多重化するための、開示された方法を組み合わせて、広いＦＯＶを有するフルカラー画像を送達することができ、このすべてが本開示の範囲内にあることに留意されたい。たとえば、図１１Ａの導波路積層体１１００または図１５の導波路１５００はまた、大きなＦＯＶを有するフルカラー画像を伝送するために使用され得、１つまたは複数の導波路は、ＦＯＶの相異なる部分を有するフルカラー画像を、時間多重化して送達するよう構成される。大きなＦＯＶを有するフルカラー画像の、導波路を通し、時間多重化した伝送を実現するために、各導波路のインカップリング格子およびアウトカップリング格子のそれぞれには、ＦＯＶの相異なる部分に対応する、相異なる色（たとえば、赤、緑、および青色）を送達するための複数の２次格子が含まれ得る。

たとえば、ＦＯＶの所定の部分に対応するフルカラーの画像光を、時間多重化して、図１１Ａの導波路積層体１１００または図１５の導波路１５００を通して順次送達するために、図１１Ａのインカップリング格子１１１２、１１２２、および１１３２、または図１５のインカップリング格子１５１２、１５２２、１５３２のそれぞれには、複数の切替え可能なインカップリング２次格子が含まれ得、また図１１Ａのアウトカップリング格子１１１４、１１２４、および１１３４、または図１５のアウトカップリング格子１５１４、１５２４、１５３４のそれぞれには、複数の切替え可能なアウトカップリング２次格子が含まれ得る。図１１Ａのインカップリング格子１１１２、１１２２、および１１３２、または図１５のインカップリング格子１５１２、１５２２、１５３２は、インカップリング格子の積層体であり得、また図１１Ａのアウトカップリング格子１１１４、１１２４、および１１３４、または図１５のアウトカップリング格子１５１４、１５２４、１５３４は、アウトカップリング格子の積層体であり得る。Ｘ個の２次格子が、ＦＯＶを送達するよう設計され、Ｙ個の２次格子が、フルカラー画像（たとえば、ＲＧＢカラー）を形成する単一色画像を送達するよう設計されていることを条件として、インカップリング格子積層体およびアウトカップリング格子積層体のそれぞれに含まれる２次格子の総数は、Ｘ＊Ｙであり得、ここで、ＸおよびＹは正の整数でＸ≧２およびＹ≧２である。たとえば、ＦＯＶの１／３の部分（Ｘ＝３）を送達するよう機能する、図１１Ａのインカップリング格子１１１２、１１２２、および１１３２、または図１５のインカップリング格子１５１２、１５２２、１５３２のそれぞれが、ＦＯＶの対応する部分を赤、緑、および青色で送達するために、３つの２次格子（Ｙ＝３）に分割され得る。同じ目的で、ＦＯＶの１／３の部分（Ｘ＝３）を送達するよう機能する、図１１Ａのアウトカップリング格子１１１４、１１２４、および１１３４、または図１５のアウトカップリング格子１５１４、１５２４、１５３４が、ＦＯＶの対応する部分を赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、および青（Ｂ）色で送達するために、３つの２次格子（Ｙ＝３）に分割され得る。インカップリング２次格子の総数は、アウトカップリング２次格子の総数と等しくなり得、Ｘ＊Ｙ＝３＊３＝９で設計され得る。いくつかの実施形態では、インカップリング格子積層体およびアウトカップリング格子積層体における対応する２次格子は、クロストークを抑制するために、別々の２次フレーム（たとえば、９個の２次フレーム）で活性化され得る。

それぞれの２次フレームにおいて、１対の切替え可能なインカップリング２次格子およびアウトカップリング２次格子は、ＦＯＶの所定の部分に対応する単一色画像を眼に伝送するために回折状態になるよう構成され得、一方、インカップリング２次格子およびアウトカップリング２次格子の残りの対は、非回折状態になるよう構成され得る。したがって、表示フレーム全体の間に、ＦＯＶの相異なる部分に対応する単一色画像が、時間多重化して、順次眼に伝送され得る。たとえば、ＦＯＶの左側部分に対応する赤色の単一色画像、ＦＯＶの左側部分に対応する緑色の単一色画像、ＦＯＶの左側部分に対応する青色の単一色画像、ＦＯＶの中央部分に対応する赤色の単一色画像、ＦＯＶの中央部分に対応する緑色の単一色画像、ＦＯＶの中央部分に対応する青色の単一色画像、ＦＯＶの右側部分に対応する赤色の単一色画像、ＦＯＶの右側部分に対応する緑色の単一色画像、およびＦＯＶの右側部分に対応する青色の単一色画像が、時間多重化して、順次眼に伝送され得る。いくつかの実施形態では、２次フレームの数は、導波路積層体１１００（たとえば、相異なる色用）または導波路１５００のいくつかの２次格子が、２次格子間のクロストークが無視でき得るように、高度に選択されることを条件として、減らすことができる。

同様に、図１０Ａの導波路１０００もまた、導波路１０００が、ＦＯＶの相異なる部分を有するフルカラー画像を、時間多重化して送達するよう構成される場合に、大きなＦＯＶを有するフルカラー画像を伝送するために使用され得る。導波路を通し、時間多重化して、大きなＦＯＶを有するフルカラー画像の伝送を実現するために、インカップリング２次格子１００５＿１、１００５＿２、および１００５＿３のそれぞれには、複数のインカップリング３次格子がさらに含まれ得、また相異なる色（たとえば、赤、緑、および青色）を送達するために、アウトカップリング２次格子１０１０＿１、１０１０＿２および１０１０＿３のそれぞれには、複数のアウトカップリング３次格子がさらに含まれ得る。それぞれの３次格子は、導波路１０００の表面に積層されるか、または並べて配置され得、詳細はここでは繰り返さない。インカップリング３次格子およびアウトカップリング３次格子の数は、図１１Ａの導波路積層体１１００に含まれるインカップリング２次格子およびアウトカップリング２次格子の数と同じ手法で決定され得、詳細はここでは繰り返さない。導波路１０００の切替え可能なインカップリング３次格子およびアウトカップリング３次格子の対の動作方式は、図１１Ａの導波路積層体１１００の切替え可能なインカップリング２次格子およびアウトカップリング２次格子の対の動作方式と同様であり得、詳細はここでは繰り返さない。

上記の議論において、ＦＯＶの所定の部分に対応するフルカラー画像光を時間多重化して順次送達するために、各インカップリング格子には、３つの切替え可能なインカップリング２次格子が含まれ得、また各アウトカップリング格子には、３つの切替え可能なアウトカップリング２次格子が含まれ得るが、これは例示を目的とするものであり、本開示の範囲を限定することを意図するものではない。いくつかの実施形態では、色を多重化し、同時にＦＯＶを並べて配置するために、各インカップリング格子（２次格子）には、Ｎ個のインカップリング２次格子（３次格子）が含まれ得、また各アウトカップリング格子（２次格子）には、Ｎ個のアウトカップリング２次格子（３次格子）が含まれ得、Ｎは正の整数でＮ≧２である。いくつかの実施形態では、Ｎ≧３である。すなわち、インカップリング２次格子（３次格子）および対応するアウトカップリング２次格子（３次格子）が対を成すことができ、開示された導波路または導波路積層体には、Ｎ個の対が含まれ得る。それぞれの期間中、Ｎ個の対のうちのそれぞれの対は、複数の光フィールドのうちのそれぞれの光フィールドを伝送するために、順次回折状態になるよう構成され得、Ｎ個の対のうちの残りの対は、非回折状態になるよう構成され得る。複数の光フィールドは、相異なる色の単一色画像、単一色画像のＦＯＶの相異なる部分、またはフルカラー画像のＦＯＶの相異なる部分に対応することができる。

さらに、相異なる色および／またはＦＯＶの相異なる部分を空間多重化および／または時間多重化するための、開示された方法および開示された導波路ディスプレイ組立体はまた、活性ＬＣ、メタ表面／ＬＣ格子などをベースとする幾何学的位相格子などの、他の切替え可能な格子によって実現されてもよく、これらはすべて本開示の範囲内にある。

本開示の実施形態の前述の説明は、例示するために提示されてきた。網羅的であること、または本開示を開示された正確な形態に限定することを意図するものではない。当業者は、上記の開示に照らして、多くの変更および変形が可能であることを理解されよう。

この説明のいくつかの部分は、情報に対する操作のアルゴリズムおよび記号表現の観点から、本開示の実施形態を説明している。こうしたアルゴリズムの説明および表現は、データ処理分野の当業者が、自分の作業の内容を他の当業者に効果的に伝えるために、一般的に使用する。こうした操作は、機能的に、計算的に、または論理的に説明されているが、コンピュータプログラムまたは同等の電気回路、マイクロコードなどによって実施されると理解されている。さらに、こうした操作の構成を、一般性を失うことなく、モジュールとして示すこともまた、好都合な場合があると証明されている。説明された操作および操作に関連するモジュールは、ソフトウェア、ファームウェア、ハードウェア、またはこれらの任意の組合せで具現化され得る。

本明細書で説明されたステップ、操作、またはプロセスのいずれもが、１つまたは複数のハードウェアまたはソフトウェアモジュールを使って、単独で、または他のデバイスと組み合わせて、実行または実施され得る。一実施形態では、ソフトウェアモジュールは、コンピュータプログラムコードを収めるコンピュータ可読媒体を含むコンピュータプログラム製品で実装され、説明されたステップ、操作、またはプロセスのいずれかまたはすべてを実行する、コンピュータプロセッサによって実行され得る。

本開示の実施形態はまた、本明細書の操作を実行するための装置にも関係し得る。この装置は、必要な目的のために特別に構築され得、かつ／またはこの装置には、コンピュータに記憶されたコンピュータプログラムによって選択的に起動または再構成される、汎用コンピュータ処理デバイスが含まれ得る。かかるコンピュータプログラムは、コンピュータシステムバスに結合され得る、非一時的で有形のコンピュータ可読記憶媒体、または電子命令を記憶するのに好適な任意のタイプの媒体に記憶され得る。さらに、本明細書で言及される任意のコンピュータ処理システムには、単一のプロセッサが含まれ得るか、またはコンピュータ処理能力を向上させるために、複数のプロセッサの設計を採用するアーキテクチャであり得る。

本開示の実施形態はまた、本明細書で説明されたコンピュータ処理プロセスによって生成される製品にも関係し得る。かかる製品は、情報が非一時的で有形のコンピュータ可読記憶媒体に記憶される、コンピュータ処理プロセスによって得られる情報を含むことができ、コンピュータプログラム製品または本明細書に説明された他のデータの組合せの、任意の実施形態を含み得る。

最後に、本明細書で使用される言語は、主に読み易さおよび教育目的で選択されており、本発明の主題を描写または限定するためには選択されていない場合がある。したがって、本開示の範囲は、この詳細な説明によってではなく、本明細書に基づく出願に関して発行される、すべての特許請求の範囲によって限定されることが意図される。したがって、実施形態の開示は、添付の特許請求の範囲に記載される開示の範囲を例示することを意図するが、限定することを意図するものではない。

Claims (15)

1. 光学デバイスであって、
   画像光を生成するよう構成された光源組立体と、
   少なくとも１つの導波路であって、前記画像光の複数の光フィールドを、前記少なくとも１つの導波路を通して、時間多重化して前記光学デバイスのアイボックスに伝送するよう構成された、インカップリング素子およびアウトカップリング素子を含む、少なくとも１つの導波路と
   を備え、
   前記インカップリング素子または前記アウトカップリング素子のうちの少なくとも一方が、少なくとも１つの切替え可能な回折光学素子を含み、前記切替え可能な回折光学素子が、
   表面レリーフ型格子（ＳＲＧ）であって、前記ＳＲＧの溝方向に沿った第１の主屈折率と、前記溝方向に垂直な面内方向に沿った第２の主屈折率とを有する切替え可能な光学異方性材料で充填され、前記第１および第２の主屈折率のうちの一方が、前記ＳＲＧの屈折率と実質的に一致し、他方が、前記ＳＲＧの前記屈折率と不一致である、ＳＲＧ
   を備える、光学デバイス。
2. 光フィールドが、
   ｉ．単一色画像の視野（ＦＯＶ）の所定の部分、
   ｉｉ．フルカラー画像の視野（ＦＯＶ）の所定の部分、
   ｉｉｉ．所定の色の単一色画像、
   の群から選択される１つまたは複数に対応する、請求項１に記載の光学デバイス。
3. 前記切替え可能な光学異方性材料が、活性液晶（ＬＣ）を含む、請求項１または２に記載の光学デバイス。
4. 前記少なくとも１つの切替え可能な回折光学素子が、前記少なくとも１つの切替え可能な回折光学素子に印加される外部電界によって、回折状態と非回折状態との間で切替え可能である、請求項１から３のいずれか一項に記載の光学デバイス。
5. 前記ＳＲＧが、傾斜格子および非傾斜格子のうちの一方である、請求項１から４のいずれか一項に記載の光学デバイス。
6. 前記少なくとも１つの切替え可能な回折光学素子が、１次元回折格子である、請求項１から５のいずれか一項に記載の光学デバイス。
7. 前記少なくとも１つの切替え可能な回折光学素子が、Ｎ個の切替え可能な回折格子を含み、Ｎが、正の整数でＮ≧２であり、
   それぞれの期間中に、前記Ｎ個の切替え可能な回折格子が、前記複数の光フィールドのうちのそれぞれの光フィールドを伝送するために、順次回折状態になるよう構成され、かつ
   １つの期間中に、前記Ｎ個の切替え可能な回折格子のうちの１つが、前記複数の光フィールドのうちの１つの光フィールドを伝送するために、回折状態になるよう構成され、残りの切替え可能な回折格子が、非回折状態になるよう構成される、
   請求項１から６のいずれか一項に記載の光学デバイス。
8. 前記Ｎ個の切替え可能な回折格子が、互いに部分的に重なるように配置されるか、または好ましくは、
   前記Ｎ個の切替え可能な回折格子が、積層されるように配置される、
   請求項７に記載の光学デバイス。
9. 前記少なくとも１つの導波路が、積層されるように配置されたＭ個の導波路を含み、Ｍが、正の整数でＭ≧２であり、前記Ｍ個の導波路のそれぞれが、前記少なくとも１つの切替え可能な回折光学素子を含み、
   それぞれの期間中に、それぞれの前記導波路に含まれる前記少なくとも１つの切替え可能な回折光学素子が、前記複数の光フィールドのうちのそれぞれの光フィールドを伝送するために、順次回折状態になるよう構成され、
   １つの期間中に、前記Ｍ個の導波路のうちの１つに含まれる前記少なくとも１つの切替え可能な回折光学素子が、前記複数の光フィールドのうちの１つの光フィールドを伝送するために、回折状態になるよう構成され、残りの導波路に含まれる前記少なくとも１つの切替え可能な回折光学素子が、非回折状態になるよう構成され、かつ好ましくは、
   前記それぞれの導波路に含まれる前記少なくとも１つの切替え可能な回折光学素子が、Ｎ個の切替え可能な回折格子を含み、Ｎが、正の整数でＮ≧２である、
   請求項１から８のいずれか一項に記載の光学デバイス。
10. 光学デバイスの方法であって、
    第１の期間中に、第１のインカップリング格子を使って、回折によって、複数の光フィールドのうちの第１の光フィールドに対応する第１の複数の画像光を、第１の導波路へインカップリングすることと、第１のアウトカップリング格子を使って、前記回折によって、前記第１の複数の画像光を前記第１の導波路の外へ、前記光学デバイスのアイボックスの方へ分離させることと、
    第２の期間中に、第２のインカップリング格子を使って、回折によって、前記複数の光フィールドのうちの第２の光フィールドに対応する第２の複数の画像光を、第２の導波路へインカップリングすることと、第２のアウトカップリング格子を使って、前記回折によって、前記第２の複数の画像光を前記第２の導波路の外へ、前記光学デバイスのアイボックスの方へ分離させることと
    を含む、方法。
11. 前記第１の光フィールドが、
    ｉ．単一色画像の視野（ＦＯＶ）の第１の部分であり、前記第２の光フィールドが、前記単一色画像の前記ＦＯＶの第２の部分に対応する、
    ｉｉ．フルカラー画像の視野（ＦＯＶ）の第１の部分であり、前記第２の光フィールドが、前記フルカラー画像の前記ＦＯＶの第２の部分に対応する、
    ｉｉｉ．第１の色の単一色画像であり、前記第２の光フィールドが、第２の色の前記単一色画像に対応する、
    の群から選択される１つまたは複数に対応する、請求項１０に記載の方法。
12. 前記第１および第２の導波路が、同じ共通導波路であり、前記第１および第２のインカップリング格子が、部分的に重なっており、前記共通導波路の第１の表面または第２の表面に配置され、前記第１および第２のアウトカップリング格子が、部分的に重なっており、前記共通導波路の前記第１の表面または前記第２の表面に配置されている、請求項１０または１１に記載の方法。
13. 前記第１および第２の導波路が、同じ共通導波路であり、前記第１および第２のインカップリング格子が、積層され、それぞれ、前記共通導波路の第１の表面または第２の表面に配置され、前記第１および第２のアウトカップリング格子が、積層され、それぞれ、前記共通導波路の前記第１の表面または前記第２の表面に配置されている、請求項１０または１１に記載の方法。
14. 前記第１および第２の導波路が、個別の導波路であり、前記第１のインカップリング格子および前記第１のアウトカップリング格子が、それぞれ、前記第１の導波路の第１の表面または第２の表面に配置され、前記第２のインカップリング格子および前記第２のアウトカップリング格子が、それぞれ、前記第２の導波路の第１の表面または第２の表面に配置されている、請求項１０または１１に記載の方法。
15. 第３の期間中に、第３のインカップリング格子を使って、回折によって、前記複数の光フィールドのうちの第３の光フィールドに対応する第３の複数の画像光を、第３の導波路へインカップリングすることと、第３のアウトカップリング格子を使って、前記回折によって、前記第３の複数の画像光を前記第３の導波路の外へ、前記光学デバイスのアイボックスの方へ分離させることと
    をさらに含む、請求項１０から１４のいずれか一項に記載の方法。

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