JP2023519793A

JP2023519793A - 薄型導波路イメージャ

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Publication number: JP2023519793A
Application number: JP2022548740A
Authority: JP
Inventors: アレクサンダーコシェレフ，; ジュゼッペカラフィオレ，
Original assignee: Meta Platforms Technologies LLC
Current assignee: Meta Platforms Technologies LLC
Priority date: 2020-03-31
Filing date: 2021-02-04
Publication date: 2023-05-15
Also published as: CN115298596A; US11435586B2; CN115516365A; EP4127819A1; WO2021201974A1; KR20220159978A; JP2023519794A; US20210302738A1; EP4127821A1; EP4127818A1; US20210302736A1; US20220317455A1; US11372248B2; WO2021201972A1; CN115298598A; US20210302737A1; JP2023519792A; KR20220159969A; US11294187B2; KR20220159972A

Abstract

画像の１Ｄラインを与えるためのデバイスが開示されている。本デバイスは薄型スラブ導波路に基づき、薄型スラブ導波路は、ビームリダイレクトデバイス（傾斜可能ミラーＭＥＭＳスキャナなど）、導波路ベースのフェーズドアレイ、または低モードスラブ導波路中に形成されたコリメート要素に結合された導波路アレイの導波路間で画像光を切り替える導波路ベースの光スイッチに結合されている。画像は、スラブ導波路中を伝搬するコリメートされたビームを走査することによって、または同時に輝度の１Ｄ特異分布を形成することによって形成され得る。本デバイスは、角領域中に２Ｄ画像を形成するために、ニアアイディスプレイにおいて使用され得る。
【選択図】図１Ａ

Description

本開示は、光学デバイスに関し、特にディスプレイシステムおよびモジュールに関する。

ヘッドマウントディスプレイ（ＨＭＤ）、ヘルメットマウントディスプレイ、ニアアイディスプレイ（ＮＥＤ）などは、仮想現実（ＶＲ）コンテンツ、拡張現実（ＡＲ）コンテンツ、複合現実（ＭＲ）コンテンツなどを表示するためにますます使用されるようになっている。そのようなディスプレイは、ほんのいくつかの例を挙げれば、エンターテインメント、教育、トレーニングおよび生体医科学を含む、多様な分野における適用例を見つけている。表示されたＶＲ／ＡＲ／ＭＲコンテンツは、エクスペリエンスを向上させ、仮想オブジェクトをユーザによって観測された現実オブジェクトに一致させるために、３次元（３Ｄ）になり得る。
より良い光学的性能を与えるために、ディスプレイシステムおよびモジュールは、レンズ、導波路、ディスプレイパネルなど、多数の構成要素を含み得る。ＨＭＤまたはＮＥＤのディスプレイは、通常、ユーザの頭部に装着されるので、大きい、かさばる、バランスが悪い、および／または重いディスプレイデバイスは、扱いにくいであろうし、かつユーザが装着するのに快適でないことがある。コンパクトな、軽量の、および効率的なヘッドマウントディスプレイデバイスおよびモジュールが望ましい。

本開示の第１の態様によれば、角領域中に画像のラインを与えるためのデバイスが提供される。本デバイスは低モード導波路を備える。低モード導波路は、画像光を低モード導波路中に結合するためのインカプラと、インカプラによって結合された画像光をＮ個のリニア導波路中に分割するための１×Ｎスプリッタと、Ｎ個のリニア導波路のうちの特定の１つの中を伝搬する画像光部分を制御可能な量だけ遅延させるための、Ｎ個のリニア導波路のうちの特定の１つにそれぞれ結合されたＮ個の位相シフタと、Ｎ個の位相シフタのうちの特定の１つによって遅延させられた画像光部分を放出するための、Ｎ個の位相シフタのうちの特定の１つにそれぞれ結合されたＮ個のリニア導波路エミッタのアレイと、Ｎ個のリニア導波路エミッタのアレイの対応するエミッタによって放出された遅延させられた画像光部分をそれの中で伝搬するための、Ｎ個のリニア導波路エミッタのアレイに結合されたスラブ導波路部分とを備え、Ｎは整数である。

いくつかの実施形態では、スラブ導波路部分は単一モードスラブ導波路を備える。

いくつかの実施形態では、スラブ導波路部分は、１０個以下の横伝搬モードをサポートするフューモードスラブ導波路を備える。

１×Ｎスプリッタは、好ましくは、Ｎ個のリニア導波路間の画像光の屈折力の制御可能な分布を与えるための調整可能なマッハ－ツェンダー干渉計のバイナリツリーを備え得る。

スラブ導波路部分は、好ましくは、そのスラブ導波路部分中の視界（ＦＯＶ）エキスパンダをさらに備え、ＦＯＶエキスパンダは、スラブ導波路部分のコアにエバネセント結合され、スラブ導波路部分のコア中で伝搬される光を制御可能な量だけ偏向させるように成形された、調整可能なクラッディング部分を備え得る。

いくつかの実施形態では、調整可能なクラッディング部分は三角形液晶クラッディング部分のアレイを備え、そのアレイはスラブ導波路部分のコア中の画像光の光路に対して横方向に延び、少なくともいくつかの三角形液晶クラッディング部分は、光路に対して鋭角で延びる側面を有する。

いくつかの実施形態では、スラブ導波路部分はホログラムをさらに備え、そのホログラムは、ホログラムによって反射された画像光のコリメートされたビーム部分が、ホログラム上に入射するコリメートされたビーム部分よりも広くなるように、そのコリメートされたビーム部分をホログラム中のコリメートされたビーム部分の光路に沿った複数のロケーションにおいて反射するように構成される。

本開示の第２の態様によれば、角領域中に画像のラインを与えるためのデバイスであって、本デバイスは低モード導波路を備え、その低モード導波路が、画像光を低モード導波路中に結合するためのインカプラと、インカプラによって結合された画像光の屈折力をＮ個のリニア導波路のアレイのうちのリニア導波路間に分散させるための調整可能な１×Ｎスプリッタと、ｎ個のリニア導波路のアレイのうちのリニア導波路の横方向位置を、ｎ個のリニア導波路のアレイのうちのリニア導波路中で伝搬される画像光部分のビーム角に変換するためのコリメート要素を備える、スラブ導波路部分とを備え、Ｎが整数である、デバイスが提供される

いくつかの実施形態では、１×Ｎスプリッタは、画像光をｎ個のリニア導波路間で切り替えるためのマッハ－ツェンダースイッチのバイナリツリーを備える。

いくつかの実施形態では、スラブ導波路部分はそのスラブ導波路部分中の視界（ＦＯＶ）エキスパンダをさらに備え、ＦＯＶエキスパンダは、スラブ導波路部分のコアにエバネセント結合され、スラブ導波路部分のコア中で伝搬される光を制御可能な量だけ偏向させるように成形された、調整可能なクラッディング部分を備える。

スラブ導波路部分は、好ましくは、ホログラムをさらに備え、そのホログラムは、ホログラムによって反射された画像光のコリメートされたビーム部分が、ホログラム上に入射するコリメートされたビーム部分よりも広くなるように、そのコリメートされたビーム部分をホログラム中のコリメートされたビーム部分の光路に沿った複数のロケーションにおいて反射するように構成され得る。

本発明の第３の態様によれば、角領域中に画像のラインを与えるためのデバイスであって、第１の平面内で画像光を走査するための、傾斜可能反射体を備えるマイクロ電気機械システム（ＭＥＭＳ）ビームスキャナと、ＭＥＭＳビームスキャナによって走査された画像光を伝搬するための、第１の平面内の低モードスラブ導波路と、ＭＥＭＳビームスキャナによって走査された画像光を受光し、その画像光を低モードスラブ導波路に結合するためのカプラとを備える、デバイスが提供される。

低モードスラブ導波路は単一モードスラブ導波路であり得る。

低モードスラブ導波路は、１０個以下の横伝搬モードをサポートするフューモードスラブ導波路であり得る。

いくつかの実施形態では、低モードスラブ導波路はスラブ導波路部分中の視界（ＦＯＶ）エキスパンダをさらに備え、ＦＯＶエキスパンダは、低モードスラブ導波路のコアにエバネセント結合され、スラブ導波路部分のコア中で伝搬される光を制御可能な量だけ偏向させるように成形された、調整可能なクラッディング部分を備える。

いくつかの実施形態では、調整可能なクラッディング部分は三角形液晶クラッディング部分のアレイを備え、そのアレイは低モードスラブ導波路のコア中の画像光の光路に対して横方向に延び、少なくともいくつかの三角形液晶クラッディング部分は、光路に対して鋭角で延びる側面を有する。

いくつかの実施形態では、低モードスラブ導波路はホログラムをさらに備え、そのホログラムは、ホログラムによって反射された画像光のコリメートされたビーム部分が、ホログラム上に入射するコリメートされたビーム部分よりも広くなるように、そのコリメートされたビーム部分をホログラム中のコリメートされたビーム部分の光路に沿った複数のロケーションにおいて反射するように構成される。

次に、例示的な実施形態について図面とともに説明する。

低モード導波路を含む、２つの次元において光をリダイレクトするためのデバイスの３Ｄビューである。図１Ａの低モード導波路の側断面図である。図１Ａのデバイスによる画像のレンダリングを示す概略図である。図１Ａおよび図１Ｂのデバイスの一実施形態のシステムレベルブロック図である。図２のデバイスのニアアイディスプレイの一実施形態の概略正面図である。図３のニアアイディスプレイのフォトニック集積回路（ＰＩＣ）の一実施形態の概略正面図である。図４Ａのニアアイディスプレイデバイスを装着している人の側面図である。図４Ａのニアアイディスプレイデバイスを装着している人の上面図である。キャビティ内（ｉｎｔｒａｃａｖｉｔｙ）スペクトル選択性要素を含む波長調整可能な光源の概略側面図である。外部ダイナミックスペクトル選択性要素を含む調整可能なスペクトル光源の概略側面図である。図６Ａの調整可能なスペクトル光源の動作原理を示すための、スペクトル選択性要素の透過スペクトルと重ね合わせられた光源の出力スペクトルを示す図である。図６Ａの光源の出力スペクトルの図である。光を導波路中に結合するための自由空間格子カプラの側断面図である。光を導波路中に結合するための断熱導波路カプラの側断面図である。本開示のフェーズドアレイ１Ｄイメージャの概略図である。図９のフェーズドアレイ１ＤイメージャのＰＩＣ実装形態の概略上面図である。図１０ＡのＰＩＣ１Ｄイメージャのマッハ－ツェンダー干渉計（Ｍａｃｈ－Ｚｅｈｎｄｅｒｉｎｔｅｒｆｅｒｏｍｅｔｅｒ）（ＭＺＩ）アレイ（ＭＺＩＡ）のＰＩＣ実装形態の概略上面図である。図１０Ｂの個々のＭＺＩの概略上面図である。図１０ＡのＰＩＣ１Ｄイメージャの位相シフタアレイ（ｐｈａｓｅｓｈｉｆｔｅｒａｒｒａｙ）（ＰＳＡ）の概略上面図である。図１０ＡのＰＩＣ１Ｄイメージャの導波路ファンの実装形態の概略上面図である。導波路中にエッチングされた１Ｄレンズを含むハイブリッド１Ｄイメージャの概略上面図である。マイクロ電気機械システム（ｍｉｃｒｏｅｌｅｃｔｒｏｍｅｃｈａｎｉｃａｌｓｙｓｔｅｍ）（ＭＥＭＳ）傾斜可能反射体を含む１Ｄスキャナの自由空間オプティクス（ｆｒｅｅ－ｓｐａｃｅｏｐｔｉｃｓ）（ＦＳＯ）実装形態の概略図である。液晶（ＬＣ）クラッディング導波路に基づく視界（ＦＯＶ）エキスパンダの上部概略図である。図１３ＡのＦＯＶエキスパンダの側断面図である。本開示による、ホログラムベースのビームエキスパンダの概略上面図である。ビームエキスパンダをもつフェーズドアレイ１ＤイメージャのＰＩＣ実装形態の概略上面図である。角分散計算の図示のための出力導波路の側断面図である。アウトカプラの角分散範囲を広げるためのデュアルコア導波路の側断面図である。アウトカプラの角分散範囲を広げるためのフューモード導波路（ＦＭＷ）の上面図である。低速光導波路に基づく高分散性アウトカプラの側断面図である。導波路格子と波形反射体とに基づく高分散性アウトカプラの側断面図である。導波路格子と偏光選択性波形反射体とに基づく高分散性アウトカプラの側断面図である。導波路からアウト結合された画像光を可変的に集束または焦点外しするための屈折率の勾配をもつ低モードスラブ導波路の概略側面図である。導波路からアウト結合された画像光を可変的に集束または焦点外しするための屈折率の勾配をもつ低モードスラブ導波路の概略側面図である。傾斜した液晶（ＬＣ）セルに基づく可変焦点（ｖａｒｉｆｏｃａｌ）アウトカプラの一実施形態の側断面図である。くさび形ポッケルスセル（ｗｅｄｇｅｄＰｏｃｋｅｌｓｃｅｌｌ）に基づく可変焦点アウトカプラの一実施形態の側断面図である。埋め込まれた電極をもつポッケルスセルに基づく可変焦点アウトカプラの一実施形態の側断面図である。熱光学効果に基づく可変焦点アウトカプラの一実施形態の側断面図である。角領域中に画像を与えるための方法のフローチャートである。設定された波長における１Ｄ走査／レンダリングを利用する、図２６の方法の変形態のフローチャートである。表示されるべき画像のフレームの同時生成を使用する、図２６の方法の変形態のフローチャートである。眼鏡のフォームファクタを有する、本開示の拡張現実（ＡＲ）ディスプレイのビューである。一実施形態による、本開示の仮想現実（ＶＲ）ディスプレイの等角図である。

様々な実施形態および例とともに本教示について説明するが、本教示はそのような実施形態に限定されるものではない。反対に、本教示は、当業者によって諒解されるように、様々な代替例および等価物を包含する。本開示の原理、態様、および実施形態を具陳する、本明細書におけるすべての記述、ならびにそれらの具体例は、それらの構造的等価物と機能的等価物の両方を包含するものである。さらに、そのような等価物は、現在知られている等価物ならびに将来において開発される等価物の両方、すなわち、構造にかかわらず、同じ機能を実行する開発された任意の要素を含むものである。

本明細書で使用する際、「第１の」、「第２の」などという用語は、順序を暗示するものではなく、むしろ、明記されていない限り、ある要素を別の要素と区別するものである。同様に、方法ステップの順序は、明記されていない限り、それらの実行の順序を暗示しない。図１Ａ、図１Ｂ、図２、図３、図４Ａ、図５、図６Ａ、図７～図９、図１０Ａ～図１０Ｅ、図１１、図１２、図１３Ａ、図１３Ｂ、および図１４～図２５において、同様の参照番号は同様の要素を示す。

ニアアイディスプレイ（ＮＥＤ）は、たとえば、ディスプレイがユーザによって装着されたときに、ディスプレイのアイボックス（ｅｙｅｂｏｘ）上、すなわち、ユーザの目が通常動作中に位置し得る領域上の投影された画像を拡大するために、瞳孔複製（ｐｕｐｉｌ－ｒｅｐｌｉｃａｔｉｎｇ）導波路を使用し得る。瞳孔複製導波路は、一般に、その導波路の上部表面および下部表面からの全内部反射（ｔｏｔａｌｉｎｔｅｒｎａｌｒｅｆｌｅｃｔｉｏｎ）（ＴＩＲ）によってジグザグパターンにおいて画像光を伝搬する透明材料の平行スラブである。そのような導波路は、画角（ｆｉｅｌｄａｎｇｌｅ）に応じて色分散を引き起こす回折効果を生じやすくなり得、一般に、屈曲した基板のためには好適でなく、現実世界の至近の物体についてゴースト画像を生じる。

本開示によれば、本明細書で「低モード」導波路と総称される、単一モード（ＳＭ）またはフューモード（ＦＭ）導波路は、アイボックスに光を伝え、画像を形成するために使用され得る。低モード導波路の１つの利点は、光が、通常のマルチモード光導波路と比較して、数桁だけより頻繁に格子と相互作用することである。結果として、１回の相互作用ごとの格子の回折効率は、虹などのシースルーアーティファクトを低減するかまたはなくし、ディスプレイの被視認性（ｃｏｎｓｐｉｃｕｉｔｙ）を改善するのに十分に小さくされ得る。さらに、単一モード導波路は、より良い均一性および効率につながる、アイボックスにわたる光分布のより正確な制御を可能にする。

単一モード導波路を使用する際の課題は、単一モード導波路が、１Ｄ情報を透過する能力しか有しない、たとえば、水平分解能は透過するが垂直分解能は透過しないか、または垂直分解能は透過するが水平分解能は透過しないことである。この制限は、たとえば、波長など、光の非空間特性中に２Ｄ画像の他の成分を符号化することによって克服され得る。各色チャネルのために使用される波長範囲は、色域（ｃｏｌｏｒｇａｍｕｔ）を著しく縮小しないように十分に小さくされ得る。

本開示によれば、角領域中に画像のラインを与えるためのデバイスが提供される。本デバイスは低モード導波路を含み、その低モード導波路は、画像光を低モード導波路中に結合するためのインカプラと、インカプラによって結合された画像光をＮ個のリニア導波路中に分割するための１×Ｎスプリッタと、Ｎ個のリニア導波路のうちの特定の１つの中を伝搬する画像光部分を制御可能な量だけ遅延させるための、Ｎ個のリニア導波路のうちの特定の１つにそれぞれ結合されたＮ個の位相シフタと、Ｎ個の位相シフタのうちの特定の１つによって遅延させられた画像光部分を放出するための、Ｎ個の位相シフタのうちの特定の１つにそれぞれ結合されたＮ個のリニア導波路エミッタのアレイと、Ｎ個のリニア導波路エミッタのアレイの対応するエミッタによって放出された遅延させられた画像光部分をそれの中で伝搬するための、Ｎ個のリニア導波路エミッタのアレイに結合されたスラブ導波路部分とを備え、Ｎは整数である。スラブ導波路部分は、たとえば、単一モードスラブ導波路、または１０個以下の横伝搬モードをサポートするフューモードスラブ導波路を含み得る。１×Ｎスプリッタは、Ｎ個のリニア導波路間の画像光の屈折力の制御可能な分布を与えるための調整可能なマッハ－ツェンダー干渉計のバイナリツリーを含み得る。

いくつかの実施形態では、スラブ導波路部分はそのスラブ導波路部分中の視界（ＦＯＶ）エキスパンダをさらに含む。ＦＯＶエキスパンダは、スラブ導波路部分のコアにエバネセント結合され、スラブ導波路部分のコア中で伝搬される光を制御可能な量だけ偏向させるように成形された、調整可能なクラッディング部分を含み得る。調整可能なクラッディング部分は三角形液晶クラッディング部分のアレイを含み、そのアレイはスラブ導波路部分のコア中の画像光の光路に対して横方向に延び得る。少なくともいくつかの三角形液晶クラッディング部分は、光路に対して鋭角で延びる側面を有し得る。

いくつかの実施形態では、スラブ導波路部分はホログラムをさらに含み、そのホログラムは、ホログラムによって反射された画像光のコリメートされたビーム部分が、ホログラム上に入射するコリメートされたビーム部分よりも広くなるように、そのコリメートされたビーム部分をホログラム中のコリメートされたビーム部分の光路に沿った複数のロケーションにおいて反射するように構成される。

本開示によれば、角領域中に画像のラインを与えるためのデバイスが提供される。本デバイスは低モード導波路を含み、その低モード導波路は、画像光を低モード導波路中に結合するためのインカプラと、インカプラによって結合された画像光の屈折力をＮ個のリニア導波路のアレイのうちのリニア導波路間に分散させるための調整可能な１×Ｎスプリッタと、ｎ個のリニア導波路のアレイのうちのリニア導波路の横方向位置を、ｎ個のリニア導波路のアレイのうちのリニア導波路中で伝搬される画像光部分のビーム角に変換するためのコリメート要素を備える、スラブ導波路部分とを備え、Ｎは整数であり得る。

スラブ導波路部分は、たとえば、単一モードスラブ導波路、または１０個以下の横伝搬モードをサポートするフューモードスラブ導波路を含み得る。１×Ｎスプリッタは、画像光をｎ個のリニア導波路間で切り替えるためのマッハ－ツェンダースイッチのバイナリツリーを含み得る。いくつかの実施形態では、スラブ導波路部分はそのスラブ導波路部分中の視界（ＦＯＶ）エキスパンダをさらに備える。ＦＯＶエキスパンダは、スラブ導波路部分のコアにエバネセント結合され、スラブ導波路部分のコア中で伝搬される光を制御可能な量だけ偏向させるように成形された、調整可能なクラッディング部分を含み得る。調整可能なクラッディング部分は三角形液晶クラッディング部分のアレイを含み、そのアレイはスラブ導波路部分のコア中の画像光の光路に対して横方向に延び得る。少なくともいくつかの三角形液晶クラッディング部分は、光路に対して鋭角で延びる側面を有し得る。スラブ導波路部分は、ホログラムをさらに含み、そのホログラムは、ホログラムによって反射された画像光のコリメートされたビーム部分が、ホログラム上に入射するコリメートされたビーム部分よりも広くなるように、そのコリメートされたビーム部分をホログラム中のコリメートされたビーム部分の光路に沿った複数のロケーションにおいて反射するように構成され得る。

本開示によれば、角領域中に画像のラインを与えるためのデバイスがさらに提供される。本デバイスは、第１の平面内で画像光を走査するための、傾斜可能反射体を備えるマイクロ電気機械システム（ＭＥＭＳ）ビームスキャナと、ＭＥＭＳビームスキャナによって走査された画像光を伝搬するための、第１の平面内の低モードスラブ導波路と、ＭＥＭＳビームスキャナによって走査された画像光を受光し、その画像光を低モードスラブ導波路に結合するためのカプラとを含み得る。低モードスラブ導波路は、たとえば、単一モードスラブ導波路、または１０個以下の横伝搬モードをサポートするフューモードスラブ導波路を含み得る。低モードスラブ導波路はスラブ導波路部分中の視界（ＦＯＶ）エキスパンダをさらに含み得る。ＦＯＶエキスパンダは、低モードスラブ導波路のコアにエバネセント結合され、スラブ導波路部分のコア中で伝搬される光を制御可能な量だけ偏向させるように成形された、調整可能なクラッディング部分を含み得る。

いくつかの実施形態では、調整可能なクラッディング部分は三角形液晶クラッディング部分のアレイを備え、そのアレイは低モードスラブ導波路のコア中の画像光の光路に対して横方向に延びる。少なくともいくつかの三角形液晶クラッディング部分は、光路に対して鋭角で延びる側面を有し得る。低モードスラブ導波路はホログラムをさらに含み、そのホログラムは、ホログラムによって反射された画像光のコリメートされたビーム部分が、ホログラム上に入射するコリメートされたビーム部分よりも広くなるように、そのコリメートされたビーム部分をホログラム中のコリメートされたビーム部分の光路に沿った複数のロケーションにおいて反射するように構成され得る。

次に図１Ａを参照すると、デバイス１００は角領域中に画像を与える。画像は、輝度Ｉの２次元（２Ｄ）角度分布（α、β）を有する明視野（ｌｉｇｈｔｆｉｅｌｄ）によって定義され得る。角α、角βは、図１Ａに示されているように、３Ｄ空間中の光線角を定義する画像光の光線角である。より一般的には、デバイス１００は、たとえば、２Ｄビームラスタリング、リモートセンシング、デプスセンシング、ライダー（ＬＩＤＡＲ）適用例などのために、２つの次元において、または２つの非平行の平面もしくは表面に沿って光をリダイレクトするために使用可能である。本明細書では、「リダイレクトする」という用語は、コリメートされた光ビームをラスタリングすること、ならびに１つまたは２つの次元または平面中に光の瞬時分布を与えることを含む。

デバイス１００は、光源１０２と、光源１０２に結合された１Ｄリダイレクタ１０４と、カプラ１０３によって１Ｄリダイレクタ１０４に結合された低モード導波路１０６とを含む。低モード導波路１０６はスラブ導波路部分１０７を含む。本明細書では、「スラブ導波路」という用語は、光伝搬を、１つの次元、すなわち、導波路平面に直角な垂直方向またはＺ方向のみに制限し、それにより光が導波路の平面内、たとえば図１Ａの例ではＸＹ平面内を自由に伝搬することを可能にする導波路を示す。光源１０２は、輝度Ｉの所望の分布（α、β）の関数である、調整可能な光スペクトルを有する光１０８を与える。たとえば、調整可能な光スペクトルは複数のスペクトル成分を有し得る。いくつかの実施形態では、１つのスペクトル成分は調整可能な波長において与えられ得る。

１Ｄリダイレクタ１０４は、光源１０２からの光１０８を受光し、輝度Ｉの所望の分布（α、β）に従って、ＸＹ平面、すなわち低モード導波路１０６の平面内で光１０８をリダイレクトする、たとえば角分散させる。ディスプレイ適用例では、１Ｄリダイレクタ１０４は、２Ｄ画像のラインを与える１Ｄイメージャとして機能する。スラブ導波路部分１０７は、ＸＹ平面内で光１０８を伝搬するが、Ｚ軸に沿って光伝搬を閉じ込め、導くために構成された、単一モード導波路またはフューモード導波路である。スラブ導波路部分１０７は、低モード導波路１０６平面（ＸＹ平面）に対してある角度で画像光１０８をアウト結合するアウトカプラ１１０を含み、その角度は光１０８のスペクトル成分の波長に依存する。いくつかの実施形態では、単一の調整可能なスペクトル成分が、低モード導波路１０６の平面、すなわちＸＹ平面に対してある角度で配設された平面内で、そのスペクトル成分の波長に依存する角度でアウトカプラ１１０によってアウト結合され得る。いくつかの実施形態では、複数のスペクトル成分が、それらのスペクトル成分の波長の分布に対応する角度の分布において同時または瞬時にアウト結合される。アウト結合角度の分布は光１０８の調整可能な光スペクトルによって定義される。Ｘ方向とＹ方向の両方における輝度の角度分布は、視聴者による直接的観察のために輝度Ｉの所望の分布（α、β）を有する角領域中に画像を与えるように制御され得る。

図１Ｂは、側断面図における低モード導波路１０６の一実施形態を示す。低モード導波路１０６は、光１０８がそれの中を伝搬する薄型導波路層１１４を支持する基板１１２を含む。導波路層１１４の屈折率コントラストと厚さとに応じて、ただ１つのモードまたはいくつかの、たとえば最大１０個のモードが薄型導波路層１１４中を伝搬し得る。したがって、「低モード」導波路という用語は、本明細書では、最大１０個の異なる横伝搬モードをサポートする導波路を意味するように定義される。光１０８は、導波路１０６の平面、すなわちＸＹ平面内を伝搬するが、Ｚ方向に拘束されるかまたは導かれる。

波長選択性アウトカプラ１１０は、波長に応じて異なる角度で画像１０８をアウト結合する。たとえば、波長λ_１における第１のスペクトル１２１成分は低モード導波路１０６に対して平角でアウト結合され、波長λ_２における第２のスペクトル成分１２２は低モード導波路１０６に対して鋭角でアウト結合される。光源１０２によって与えられた光１０８のスペクトル組成、ならびに波長選択性アウトカプラ１１０の角分散は、輝度Ｉの所望の角度分布（α、β（λ））を与えるように選択される。非限定的な例として、図１Ｃを参照すると、角領域中の画像１１６全体が形成され得る。画像１１６は輝度Ｉの角度分布（α、β（λ））によって表されている。

図２を参照すると、デバイス２００は図１Ａおよび図１Ｂのデバイス１００の例示的な一実装形態である。図２のディスプレイデバイス２００は、直列に光学的に結合されたスペクトル調整可能な単一モード光源２０２と、インカプラ２０３と、１Ｄイメージャ２０４と、以下の随意のモジュール、すなわち、１ＤＦＯＶエキスパンダ２２４、１Ｄ横方向ビームエキスパンダ２２６、および角分散エンハンサ２２８と、アウトカプラ２１０とを含む。他の要素は、可変焦点調整器２３０、迷光（ｓｔｒａｙｌｉｇｈｔ）フィルタ２３２、および分散型温度センサー２３４をも含み得る。随意の要素は破線丸角矩形中に示されている。要素のすべてまたはいくつかは低モード導波路２０６の一部であり得、たとえば、低モード導波路２０６の中または上に形成され得る。低モード導波路２０６は、リニア導波路、すなわち、２つの次元において光を導くまっすぐなまたは屈曲したリッジタイプ導波路をもつセクションと、ＸＹ平面内の自由伝搬を可能にしながら、ただ１つの次元、すなわち、図２におけるＺ方向のみに光を導くスラブ導波路セクションとを含み得ることに留意されたい。図２に示された要素の結合の順序は変動し得る。

動作中に、スペクトル調整可能な単一モード光源２０２は、上記で説明したように、輝度Ｉの所望の角度分布（α、β（λ））の関数である、調整可能な光スペクトルを有する画像光２０８を与える。カプラ２０３は画像光２０８を１Ｄイメージャ２０４中に結合する。１Ｄイメージャ２０４は、光源２０２からの画像光２０８を受光すること、および画像光２０８をリダイレクトするかまたは角分散させること、画像光２０８のコリメートされたビームを走査することなどを行う。１ＤＦＯＶエキスパンダ２２４は、光の拡散を向上させるかまたは広げるために画像光２０８を複数の隣接するＦＯＶ部分間で切り替えるように構成され得る。１Ｄ横方向ビームエキスパンダ２２６は、ＸＹ平面内の画像光のコリメートされた部分の幅を拡大する、すなわち、低モード導波路２０６の平面内の画像光２０８ビームを広げ、それによってディスプレイデバイス２００のアイボックスの横方向サイズを拡大する。本明細書では、「アイボックス」という用語は、許容できる品質の画像がディスプレイデバイス２００のユーザによって観察され得る幾何学的領域を意味する。角分散エンハンサ２２８は、波長選択性アウトカプラ２１０によってアウト結合されたときに輝度Ｉの所望の第２の１Ｄ角度分布（β）に達するように、画像光２０８のスペクトル分散を高める。可変焦点調整器２３０は、知覚される焦点深度を変動させるために、アウト結合された画像光の収束または発散を調整し得る。迷光フィルタ２３２は、ユーザの目にではなく、外側に向かって外界にアウト結合された画像光の部分を削除または低減し得る。分散型温度センサー２３４は、修正を行い、熱駆動型光学要素および構成要素を動作させるために、低モード導波路２０６にわたる温度分布を取得し得る。より詳細な説明を以下で与える。

図３を参照すると、ディスプレイデバイス３００は図１のデバイス１００または図２のデバイス２００の一実装形態である。図３のディスプレイデバイス３００は、眼鏡のレンズ領域を占有する低モード導波路３０６をもつ、眼鏡３１１のフォームファクタを有するニアアイディスプレイデバイスである。図３のディスプレイデバイス３００は、直列に光学的に結合された光源３０２と、カプラ３０３と、１Ｄイメージャ３０４と、１ＤＦＯＶエキスパンダ３２４と、１Ｄ横方向ビームエキスパンダ３２６と、角分散エンハンサ３２８と、アウトカプラ３１０と、可変焦点調整器３３０とを含む。すべての要素が低モード導波路３０６中に実装され得る。光源３０２は、図示のように別個に配設され得る。

図４Ａを参照すると、ディスプレイデバイス４００は、図１のデバイス１００、図２のデバイス２００、または図３のディスプレイデバイス３００の一実装形態である。図４Ａのディスプレイデバイス４００は、導波路４０６のＰＩＣ部分４３６中に実装されたアクティブ構成要素／特徴をもつ、眼鏡４１１のフォームファクタを有するニアアイディスプレイデバイスである。ＰＩＣ部分４３６は集積回路（ＩＣ）ドライバユニット４０７によって駆動され得る。ディスプレイデバイス４００は、光ファイバー４０３を介してＰＩＣ部分４３６に結合された、調整可能な発光スペクトルを有する光源４０２を含む。ＰＩＣ部分４３６は、たとえば、１Ｄイメージャおよび／または１ＤＦＯＶエキスパンダを含み得る。ＬＣ部分４３６中に形成された光ビーム４０８Ａ、４０８Ｂ、および４０８Ｃ（まとめて４０８）は、それぞれ、光ビーム４０８Ａ、４０８Ｂ、および４０８Ｃを高分散性出力格子４１０のほうにコリメート／リダイレクトするための屈折力（ｏｐｔｉｃａｌｐｏｗｅｒ）（すなわち集束／焦点外し能力）を有する、導波路内光学要素４２６Ａ、４２６Ｂ、および４２６Ｃによって拡大される。高分散性出力格子４１０の機能は、図４Ｂに示されているように、垂直ＦＯＶを与えるために、異なる垂直角度において画像光４０８のアウト結合を行うことである。図４Ｃに示された水平ＦＯＶは、導波路４０６の面内の画像光４０８を拡散させるＰＩＣ部分によって与えられる。

次に、図１、図２、図３、および図４Ａに示されている異なるモジュールの様々な実装形態について考える。

最初に図５を参照すると、本開示のディスプレイデバイスのための波長調整可能な光源として、調整可能なレーザー光源５０２が使用され得る。調整可能なレーザー光源５０２は、ミラーのペアによって形成された光キャビティ５０１と、利得媒体５０４と、利得媒体５０４の利得スペクトル帯域内で調整可能な透過ピークを有する波長選択性キャビティ内要素５０６とを含む。波長選択性要素５０６の透過ピークは、たとえば、水平ＦＯＶがビーム走査によって与えられ、垂直ＦＯＶが調整可能なレーザー光源５０２の出力波長走査によって与えられる、ディスプレイデバイスの必要とされる２ＤＦＯＶを与えるために、コリメートされた光ビーム５０８の１Ｄ角度を走査することと協調して走査され得る。

図６Ａを見ると、本開示のディスプレイデバイスのための波長調整可能な光源として、調整可能なスペクトル光源６０２が使用され得る。調整可能なスペクトル光源６００は、選択可能な任意のスペクトル形状を有するダイナミックスペクトルフィルタ６０６に結合された光６０８の広帯域光源６０４を含む。広帯域光源６０４の発光スペクトル６３０が図６Ｂに示されており、図６Ｂにおいて、広帯域光源６０４の発光スペクトル６３０は、ダイナミックスペクトルフィルタ６０６の例示的な広帯域スペクトル形状６３２、またはダイナミックスペクトルフィルタ６０６の例示的な狭帯域（単一波長）スペクトル形状６３３と重なっている。

ダイナミックスペクトルフィルタ６０６は、単一のまたは複数の隣接する狭スペクトル帯域またはチャネルの透過を独立して調整するように構成され得る。たとえば、ダイナミックスペクトルフィルタ６０６は、ディスプレイデバイスの出力における輝度の所望の角度分布に従って広帯域スペクトル形状６３２の形状を調整し得る。いくつかの実施形態では、狭帯域スペクトル形状６３３は波長において走査され得、その結果、出力光ビームが、ディスプレイデバイスのアウトカプラの分散機能に従って角度的に走査されることになる。

得られた出力スペクトルが図６Ｃに示されている。たとえば、広帯域スペクトル形状６３２は広帯域発光スペクトル６３４を生じ、狭帯域スペクトル形状６３３は、したがって、狭帯域発光スペクトル６３５を生じ、発光波長はダイナミックスペクトルフィルタ６０６によって調整可能である。

図７を参照すると、図５の調整可能なレーザー光源５０２、または図６Ａの調整可能なスペクトル光源６０２など、調整可能なスペクトル光源７０２Ａからの光を、本明細書で開示するディスプレイの導波路またはＰＩＣ中に結合するために、自由空間格子カプラ７０３が使用され得る。自由空間格子カプラ７０３は、画像光７０８を受光し、画像光７０８を導波路７０６のコア７０７中に結合する、複数の格子ライン７０５を含む。格子ライン７０４は互いに平行に走り、直線または曲線であり得、たとえば、図７の平面に対して直角に走る同心円弧セクションの形状を有し得る。その同心円弧形状により画像光７０８の集束が行われ、それにより、画像光７０８のモードサイズが、導波路７０６のコア７０７中を伝搬することができる光モード７０９のサイズと一致する。

図８を見ると、調整可能なスペクトルの、導波路ベースのまたはファイバー結合された光源からの光を、本開示のディスプレイの導波路またはＰＩＣ中に結合するために、導波路カプラ８０３が使用され得る。導波路カプラ８０３はテーパ付きセクション８３６を含み、テーパ付きセクション８３６において、光源光ファイバー８０２のテーパ付きコア８１３が、導波路コア８０７を有する導波路８０６のテーパ付き導波路コア８０５の極近傍に、テーパ付き導波路コア８０５に対して平行に配設される。テーパ付きセクション８３６は、光源光ファイバー８０２からの光エネルギーの、導波路８０６の導波路コア８０７への断熱遷移を保証するのに十分に長くなり得る。

図９を参照すると、フェーズドアレイ１Ｄイメージャ９０４は、図１の１Ｄリダイレクタ／イメージャ１０４、図２の１Ｄイメージャ２０４、または図３の１Ｄイメージャ３０４の一実施形態である。図９のフェーズドアレイ１Ｄイメージャ９０４は、１×Ｎパワースプリッタ９２０と、パワースプリッタ９２０に結合されたＮ個の位相シフタ９２２と、位相シフタ９２２に結合されたＮ個のリニア導波路エミッタのアレイ９２４とを含む。本明細書全体にわたって、「リニア導波路」という用語は、光ワイヤのような、光伝搬を２つの次元に限定する導波路を示す。リニア導波路は、まっすぐな、屈曲したなどであり得、言い換えれば、「リニア」という用語はまっすぐな導波路セクションを意味しない。リニア導波路の一例はリッジタイプ導波路である。フェーズドアレイ１Ｄイメージャ９０４のすべての要素が、スラブ導波路部分９０７を含む低モード導波路９０６中に実装され得る。数Ｎは、たとえば、４と１６，０００との間で変動し得る。

動作中に、インカプラ、たとえば自由空間格子カプラ７０３が、図９に示されていない波長調整可能なレーザー光源からの画像光９０８を受光し、画像光９０８をパワースプリッタ９２０中に結合する。パワースプリッタ９２０は画像光９０８を低モード導波路９０６のＮ個のリニア導波路９２１間に分散させ、各リニア導波路９２１は画像光９０８の一部分を搬送する。各画像光部分は、コントローラ９２６によって与えられた制御信号に基づいて、対応する位相シフタ９２２によって位相シフトされるか、または遅延させられる。画像光部分は、所望のビーム角θに対応する位相プロファイルをもつＮ個のリニア導波路エミッタのアレイ９２４によって放出され、それにより、位相面９２１を有する出力ビーム９１９が形成される。出力ビーム９１９はスラブ導波路部分９０７中を伝搬する。いくつかの実施形態では、９２２における位相プロファイルは、すべてのエネルギーが単一のステアリングされたビーム中に集中されるように、１つの回折次数ではなく、すべての回折次数を抑圧するように制御され得る。

図１０Ａを見ると、ＰＩＣフェーズドアレイ１Ｄイメージャ１００４は図９のフェーズドアレイ１Ｄイメージャ９０４の例示的な一実装形態である。図１０のＰＩＣフェーズドアレイ１Ｄイメージャ１００４は、スプリッタ９２０として動作するマッハ－ツェンダー干渉計アレイ（ＭＺＩＡ）１０２０と、ＭＺＩＡ１０２０に結合されたＰＩＣ位相シフタアレイ（ＰＳＡ）１０２２と、ＰＩＣ位相シフタアレイ１０２２に結合された導波路コンセントレータ１０２４とを含む。導波路コンセントレータ１０２４の出力リニア導波路１０３０の端部は、スラブ導波路に対して直角な方向（図１０ＡにおけるＺ方向）に拘束されたままでありながら、スラブ導波路部分の平面（図１０ＡにおけるＸＹ平面）内を自由に伝搬する光を放出する、アンテナ９２４（図９）として動作する。

ＭＺＩＡ１０２０は、図１０Ｂに示されているように、パッシブなＹスプリッタおよび／またはアクティブなマッハ－ツェンダー干渉計（ＭＺＩ）１０２１のバイナリツリーを含み得る。各ＭＺＩは、図１０Ｃに示されているように、１つの入力１０２３と、エバネッセントカプラ１０２６の２つの出力１０３３、１０３４とを含むか、または、２つの入力（それらのうちの１つはアイドル状態である）と、２つのロケーションにおいてエバネッセントカプラによって結合された２つの導波路セクションである２つの出力とを含み得る。ＭＺＩＡ１０２０の機能は、画像光をＮ個の部分に分割することである。パッシブなＹスプリッタが使用される実施形態では、コリメートされたビームを走査するために、ＰＳＡ１０２２が使用され得る。アクティブなＭＺＩが使用される実装形態では、たとえば、走査されたコリメートされたビームのアポディゼーション（ａｐｏｄｉｚａｔｉｏｎ）を与えるために、またはさらには完全な所望の１Ｄ角度プロファイルを作成するために、必要とされる場合に、出力における屈折力分布を等しくない屈折力に制御するために、ＭＺＩの２つの分岐のうちの少なくとも１つにおける位相シフタ１０２７（図１０Ｃ）が使用され得る。

図１０Ｄを参照すると、位相シフタアレイ１０２２は、位相シフタ１０２７中を伝搬する光に制御可能な量の位相シフトまたは遅延を与える複数の位相シフタ１０２７を含み得る。位相シフタ１０２７は、たとえば、熱光学効果に基づく熱光学シフタ、ポッケルス効果および／もしくはカー効果に基づく電気光学シフタ、ならびに／または半導体中の電界吸収（ｅｌｅｃｔｒｏ－ａｂｓｏｒｐｔｉｏｎ）効果に基づく電界吸収型位相シフタであり得、したがって、必要に応じて、導波路の上にヒータおよび／または電極を含み得る。

図１０Ｅを見ると、導波路コンセントレータ１０２４は、必要とされる出力ピッチを達成するためにファンイン（ｆａｎｉｎ）またはファンアウト（ｆａｎｏｕｔ）を行う導波路のアレイを含む。一般に、出力ピッチは、大きいＦＯＶを可能にするのに十分に小さい必要がある。ＦＯＶは、出力リニア導波路１０３０のピッチに対する発光波長の比にほぼ等しい。

図１１を参照すると、ハイブリッド１Ｄイメージャ１１０４は、図１の１Ｄリダイレクタ１０４、図２の１Ｄイメージャ２０４、または図３の１Ｄイメージャ３０４の例示的な一実装形態である。図１１のハイブリッド１Ｄイメージャ１１０４は、ＭＺＩＡ１１２０と、ＭＺＩＡ１１２０に結合された導波路コンセントレータ１１２４と、低モード導波路１１０６中に実装された導波路コンセントレータ１１２４に結合されたＦＯＶコリメータ１１３６とを含む。ＭＺＩＡ１１２０は１×Ｎディストリビュータまたはスイッチとして機能し、Ｎは出力ＭＺＩＡ導波路１１２９の数である。ＭＺＩＡ１１２０は、たとえば、画像光１１０８をＮ個のリニア出力導波路間で切り替えるためのマッハ－ツェンダースイッチのバイナリツリーを含み得る。導波路コンセントレータ１１２４は、それの出力リニア導波路１１３０を出力ＭＺＩＡ導波路１１２９よりも接近させる。導波路コンセントレータ１１２４の出力リニア導波路１１３０の端部は、フューモード導波路１１０６のスラブ導波路部分１１０７中に位置するＦＯＶコリメータ１１３６の焦点面に配設される。ＦＯＶコリメータ１１３６は、導波路コンセントレータ１１２４の出力リニア導波路１１３０の端部から１焦点距離だけ離れて配設されたコリメート要素である。ＦＯＶコリメータ１１３６の機能は、導波路コンセントレータ１１２４の出力リニア導波路１１３０の端部の位置またはＹオフセットを、スラブ導波路部分１１０７中を伝搬する対応する出力光ビーム１１１９のビーム角度に変換することである。言い換えれば、ＦＯＶコリメータ１１３６は、画像光１１０８の一部分を搬送する出力導波路１１３０のうちの選択された１つの出力導波路１１３０のオフセットまたはＹ位置を、その選択された出力導波路中で伝搬される画像光部分から生じる出力光ビーム１１１９の角度に変換する、オフセット対角度（ｏｆｆｓｅｔ－ｔｏ－ａｎｇｌｅ）光学要素として動作する。

ＦＯＶコリメータ１１３６は、レンズまたはミラーなどの単一の要素であり得るか、または、図１１に示されているように、複数のレンズ１１３８、１１４０を含み得る。レンズ１１３８、１１４０は、エッチングによって低モード導波路１１０６中に形成され得、たとえばパンケーキレンズ構成など、折り畳み構成を有し得る。出力光ビーム１１１９は、スラブ導波路部分１１０７によって導かれたままでありながら、すなわち、Ｚ方向に制約されたままでありながら、導波路の平面（ＸＹ平面）内で再成形、集束、コリメートなどされ得る。レンズ表面は、導波路のエッチングされた部分とエッチングされていない部分との間の断熱遷移を促進し、それを行う際に面外光散乱を防ぐために、サブ波長周期をもつ複数のテーパ１１４１を含み得る。

図１２を参照すると、自由空間オプティクス（ＦＳＯ）１Ｄスキャナ１２０４は、傾斜可能反射体１２４５をもつマイクロ電気機械システム（ＭＥＭＳ）ビームスキャナ１２４４と、円柱レンズ１２４６とを含む。動作中に、波長掃引（ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ－ｓｗｅｐｔ）レーザー光源１２０２などの多波長光源が、調整可能な、たとえばリニア掃引される発光波長において光ビーム１２０８を発する。光ビーム１２０８は円柱レンズ１２０３によってＭＥＭＳ傾斜可能反射体１２４５上に集束される。円柱レンズ１２４６は、ＭＥＭＳビームスキャナ１２４４によって走査される画像光１２０８を受光し、画像光１２０８を低モードスラブ導波路１２０７に結合する、カプラとして機能する。円柱レンズ１２０３は、たとえば屈折レンズまたは回折レンズであり得る。たとえばミラーなど、他のタイプのカプラが使用され得る。ＭＥＭＳ傾斜可能反射体１２４５は、両矢印によって示されているように光ビーム１２０８を可変角度で反射する。円柱レンズ１２４６は、ＸＺ平面内では集束能力を有するが、ＸＹ平面内では実質的に集束なしに光ビーム１２０８を伝搬する。円柱レンズ１２４６は、低モードスラブ導波路１２０７の縁部上に、または低モードスラブ導波路１２０７中に形成された格子カプラ上に光ビーム１２０８を集束させる。光ビーム１２０８は、低モードスラブ導波路１２０７中に結合され、ＸＹ平面内で低モードスラブ導波路１２０７中を自由に伝搬し、それによって低モードスラブ導波路１２０７の平面に対して直角なＺ方向に閉じ込められる。円柱レンズ１２４６は、効率的な結合のために低モードスラブ導波路１２０７に対して正確に平行である必要がある。

図１３Ａおよび図１３Ｂを見ると、液晶（ＬＣ）１ＤＦＯＶエキスパンダ１３２４は図２の１ＤＦＯＶエキスパンダ２２４および図３の１ＤＦＯＶエキスパンダ３２４の一実施形態である。図１３Ａおよび図１３ＢのＬＣ１ＤＦＯＶエキスパンダ１３２４は、図示のように、画像光１３０８がＸＹ平面内を自由に伝搬することを可能にしながら、コア１３０７中の画像光１３０８を導くためのコア１３０７を有する、スラブ導波路１３０６を含む。上部クラッディング１３３７は、スラブ導波路１３０６のコア１３０７にエバネッセント結合され、スラブ導波路１３０６のコア１３０７中で伝搬される光を制御可能な量だけ偏向させるように成形された、調整可能なクラッディング部分１３３９、１３４０を含む。図１３Ａに示された実施形態では、調整可能なクラッディング部分１３３９、１３４０は、ＸＹ平面内ののこ歯形状、たとえば、図１３Ａに示されているように、三角形のアレイを有する。アレイは、スラブ導波路１３０６のコア１３０７中の画像光の光路に対して横方向に延びる。少なくともいくつかの三角形の調整可能なクラッディング部分が、図１３Ａ中の水平矢印によって表されている光路に対して鋭角で延びる辺１３３９Ａ、１３４０Ａを有する。調整可能なクラッディング部分１３３９、１３４０と導波路コア１３０７との間の直接接触を回避するために、調整可能なクラッディング部分１３３９、１３４０の下に下層１３３８（図１３Ｂ）が与えられ得る。下層１３３８は、コア１３０７中を伝搬する光の、調整可能なクラッディング部分１３３９、１３４０とのエバネッセント結合を保証するのに十分に薄くなり得る。

上部クラッディング１３３７の調整可能なクラッディング部分１３３９、１３４０は、調整可能なクラッディング部分１３３９、１１４０に電界が印加されると、ある偏光の光に対してそれの屈折率が変化する液晶（ＬＣ）ＬＣ材料を含む。上部クラッディング１３３７のＬＣ調整可能クラッディング部分１３３９、１１４０の屈折率が変化すると、スラブ導波路１３０６の有効屈折率も変化し、それにより、ＬＣ調整可能クラッディング部分１３３９、１１４０の傾斜面上のフレネル屈折により、画像光１３０８が元の伝搬方向から偏向する。偏向の大きさは、ＬＣ調整可能クラッディング部分１３３９および１３４０の傾斜面の角度と（Ｙ方向における）垂直ピッチとに依存する。方向１３４９および１３５０におけるエネルギーの分布は、バイナリモードで動作させられ得る、ＬＣ調整可能クラッディング部分１３３９および１３４０のスイッチング状態、ＯＮ／ＯＦＦに依存する。ＬＣ調整可能クラッディング部分１３３９および１３４０の各アレイは、ＬＣ調整可能クラッディング部分１３３９および１３４０が連続的に調整可能でないときに１ＤＦＯＶを離散的な量だけオフセットし得る。したがって、ｍ個のＬＣ要素のカスケード接続により、１ＤＦＯＶオフセットの２のｍ乗個の組合せが生じるであろう。異なる三角形ＬＣ調整可能クラッディング部分１３３９、１３４０に通電することによって、画像光１３０８が異なる角度で偏向され得る。たとえば、より大きい三角形１３３９に通電すると、画像光１３０８は、１３４９において示されている角度で伝搬するように偏向され、より浅い三角形１３４０に通電すると、画像光１３０８は、１３５０に示されているより急な角度で伝搬するように偏向される。異なる偏向角度をもつＬＣ部分のアレイが多いほど、より正確な角度制御が可能になり得る。ＬＣ調整可能ラッディング部分１３３９、１３４０の異なる三角形が、１Ｄイメージャまたはスキャナを動作させることと協調して通電されると、複数の隣接するＦＯＶ部分間で画像光が切り替えられ、それにより、効果的な制御可能な光拡散と、関連する水平ＦＯＶとを拡大するまたは向上させることが可能になる。

図１４を参照すると、ホログラフィックビームエキスパンダ１４２６は、２つの次元におけるスラブ導波路１４０６の平面内の、すなわちＸＹ平面内の画像光の伝搬を可能にする、低モードスラブ導波路１４０６中のホログラム１４５６を含む。ホログラム１４５６は、少なくとも１つのコリメートされたビーム部分、たとえば、互いにある角度で伝搬する、第１のコリメートされたビーム部分（１４５１、点線）と第２のコリメートされたビーム部分（１４５２、一点鎖線）とを含む、画像光１４０８を受光し、各コリメートされたビーム部分を、ホログラム１４５６中のコリメートされたビーム部分の光路に沿った複数のロケーションにおいて反射するように構成される。たとえば、第１のコリメートされたビーム部分１４５１は第１の角度で複数のロケーション１４５１Ａ、１４５１Ｂ、１４５１Ｃにおいて反射され、それにより第１の出力ビーム（１４６１、点線）が生成され、第２のコリメートされたビーム部分１４５２は第２の角度で複数のロケーション１４５２Ａ、１４５２Ｂ、１４５２Ｃにおいて反射され、それにより第２の出力ビーム（１４６２、一点鎖線）が生成される。任意の他の光ビームが第１の角度と第２の角度との間のビーム角度で反射され、それにより第１の出力ビーム１４６１の方向と第２の出力ビーム１４６２の方向との間の複数の方向において伝搬する。そのために、ホログラム１４５６は、入射ビーム角度に応じて所望の方向における反射を保証するように構成された複数のフリンジを含み得る。そのような反射ジオメトリは光ビーム１４５１、１４５２の拡大につながることが図１４から見られる。

図１５を見ると、広幅ビームＰＩＣフェーズドアレイ１Ｄイメージャ１５０４は、図１０ＡのＰＩＣフェーズドアレイ１Ｄイメージャ１００４と同様であるが、ＭＺＩＡ１５２０とＰＳＡ１５２２（図１５）との中にさらに多いリニア導波路を含む。出力導波路アレイカプラまたはビームエキスパンダ１５２４は、コンセントレータ１０２４と同様であるが、場合によって、５ｍｍ、１０ｍｍ、または１５ｍｍの横方向距離にわたる、さらに多い出力リニア導波路１５３０、たとえば、１０，０００個、２０，０００個、３０，０００個、またはより多くの導波路を含む。出力ビームは、リニア導波路１５３０アレイの幅と同じ幅であり得、したがって、ニアアイディスプレイのアイボックスの上の出力ビームを拡大するために、後続のビーム拡大およびコリメーションを必要としないことがあり、それにより全体的な設計が簡略化され得る。

次に図１６を参照すると、スラブ導波路１６０６は、スラブ導波路１６０６のＸＹ平面内を伝搬する画像光１６０８の一部分を回析して外に出すための回折格子１６６１を支持する。回折格子１６６１のＫベクトルは画像光１６０８のＫベクトルのｘ成分と整合させられる。画像光１６０８の回折角度θは、式

に従い、ここで、ｎは屈折率であり、Ｔは格子周期であり、λは伝搬媒体中の光の波長である。したがって、

であり、ここで、ｎ_ｇｒは群屈折率である。分散が小さい通常の導波路では、ｎ_ｇｒ＝ｎであり、したがって、

である。したがって、垂直入射において、Ｔ＝λ／ｎである式（３）から、５１０ｎｍから５３０ｎｍまでの波長において、ｎ＝２である場合、

となる。本開示によれば、回折角θを大きくすることによって、角度範囲がある程度まで拡大され得る。たとえば、格子ピッチを１８０ｎｍに低減することによって、１４．４度までの回折角の範囲ｄθが達成され得る。

たとえば、多層出力導波路を使用することによって、角分散範囲が拡大し得る。図１７を参照すると、ＸＹ平面内にデュアルコアスラブ導波路１７０６が延びている。デュアルコアスラブ導波路１７０６は、それぞれ第１のクラッディング１７０５および第２のクラッディング１７５５によって囲まれた、基板１７３６のＸＹ平面内で互いに平行に走る第１のコア１７０７と第２のコア１７５７とを含む。第１のコア１７０７および第１のクラッディング１７０５は画像光の第１のビーム（実線矢印、１７０８）の単一モード伝搬のために構成される。同様に、第２のコア１７５７および第２のクラッディング１７５５は画像光の第２のビーム（破線矢印、１７５８）の単一モード伝搬のために構成される。

第１のコア１７０７および第２のコア１７５７は、それぞれ第１のコア１７０７および第２のコア１７５７の中または上に形成された第１の回折格子１７１０および第２の回折格子１７６０を有する。第１の回折格子１７１０は、リダイレクトされた画像光のスペクトル成分を、第１の波長に依存する第１の角度でアウト結合するように構成される。第１の角度は、使用される波長調整可能な光源の調整範囲に対応する第１の角度範囲内である。同様に、第２の回折格子１７６０は、リダイレクトされた画像光のスペクトル成分を、第１の角度とは異なる第２の角度でアウト結合するように構成される。第２の角度は、波長調整可能な光源の調整範囲に対応する第２の角度範囲内である。

第１の光ビーム１７０８と第２の光ビーム１７５８とによって表される画像光の同じ波長について、コア１７０７および１７５７の厚さもしくは屈折率、クラッディング１７０５および１７５５の屈折率、または回折格子１７１０および１７６０のピッチを変更することによって、デュアルコア導波路１７０６の異なるコア１７０７、１７５７からの異なる回折角および回折角範囲が獲得され得る。製作を簡略化するために、第１のコア１７０７層中に単一の格子がエッチングされ得、第２のコア１７５７層または任意の後続の層はただ指向性材料堆積によってこの格子を複製し得る。後者の場合、層の厚さ、したがって有効屈折率を変えることによってＦＯＶが調整され得る。

別個の層からのより小さい角度範囲をタイリングすることによって対応する「垂直」１ＤＦＯＶを拡大するために、異なる回折角が使用され得る。本明細書では、「垂直」という用語は、「水平」と呼ばれる、低モード導波路の平面、すなわちＸＹ平面内で画像光をリダイレクトすることによって１ＤＦＯＶと区別することを意味する。この文脈における「水平」および「垂直」という用語は、面内１ＤＦＯＶを波長分散１ＤＦＯＶと区別するためのものにすぎず、使用時のデバイスの実際の方位を暗示しないことに留意されたい。第１のコア１７０７と第２のコア１７５７との間の切替えは、たとえば、マッハ－ツェンダー干渉計と方向性カプラとを使用して達成され得る。可能なスイッチング構成に関するさらなる詳細を以下でさらに与える。

図１８を見ると、角分散モジュール１８２８は、必要とされる垂直１ＤＦＯＶを得るために画像光の向上した波長分散を与える。角分散モジュール１８２８は、直列に結合された、垂直モード変換器１８２１、たとえば非対称方向性カプラに結合されたＭＺＩＡ１８２０と、垂直モード変換器１８２１からの光を受光するマルチモード干渉（ＭＭＩ）カプラ１８５１と、ＭＭＩカプラ１８５１からの光を受光するフューモードスラブ導波路部分１８５６とを含む。フューモードスラブ導波路部分１９５６のコア中を伝搬し得る画像光の横伝搬モードの数は、２つ、３つ、４つ、５つ、もしくは６つ、たとえば、またはより一般的には、１０個以下のモードであり得る。フューモードスラブ導波路部分１８５６のコアの中または上に配設された回折格子１８０７は、画像光を波長に依存する角度でアウト結合するアウトカプラとして動作する。回折格子１８０７は、リダイレクトされた画像光の各スペクトル成分を、そのスペクトル成分の波長に依存する角度でアウト結合するように構成される。アウト結合角度は、使用される波長調整可能な光源の調整範囲に対応するアウト結合角度範囲内である。フューモードスラブ導波路部分１８５６の各横伝搬モードは異なる有効屈折率を有するので、アウト結合角度範囲はフューモードスラブ導波路部分１８５６の横伝搬モードごとに異なる。

最初に、画像光の基本モードのみがインカプラ１８０３によってＭＺＩＡ１８２０中に結合される。ＭＺＩＡ１８２０は、それの出力導波路間で画像光を切り替える１×Ｎ光スイッチとして機能する。各ＭＺＩＡ１８２０出力導波路の端部において、画像光が垂直モード変換器１８２１によって異なる垂直モードに変換される。すべての導波路からの画像光が、ＭＭＩカプラ１８５１を使用してフューモードスラブ導波路部分１９５６中に組み合わせられる。このようにして、面内画像エンコーダレイアウト、すなわち、図９～図１５を参照しながら上記で開示した水平１Ｄイメージャ回路が、ＦＭＷ１８５６中の画像光の異なる伝搬モード間で共有され得る。

異なる垂直モードは、異なる有効屈折率を有し、したがって、同じ波長に対して異なる角度で回折格子１８０７において回析する。全体的な垂直１ＤＦＯＶは、時系列様式で、すなわち、すべての垂直１ＤＦＯＶがカバーされるまで、対応する垂直１ＤＦＯＶ部分を与える特定のコアに切り替え、次いで、異なる垂直１ＤＦＯＶ部分を与える別のコアに切り替えるなど、別個のモードの回折範囲を使用して拡大され得る。ＭＭＩカプラ１８５１は、あらかじめ定義された垂直座標を有する各垂直モードについてのＭＭＩカプラの光挿入損失を表すオペランドを有するように（メリット関数とも呼ばれる）最適化関数を定義し、物理設計ソフトウェアに最適化を実行させることによって、その物理設計ソフトウェアを使用して垂直モードの必要とされる結合のために最適化され得る。

図１８の結合構成、すなわち、ＭＭＩ１８５１に結合された垂直モード変換器１８２１に結合されたＭＺＩＡ１８２は、インカプラ１８０３によって受光された画像光を、いくつかの垂直モードをサポートする任意の導波路構成要素の異なる垂直モード中に結合するために使用され得る。そのような構成は、たとえば、図１７のデュアルコアスラブ導波路１７０６のコア中に画像光を結合するために使用され得る。デュアルコアスラブ導波路１７０６の場合、ＭＺＩＡ１８２０の代わりに、１×２光スイッチとして動作するただ１つのマッハ－ツェンダー干渉計が使用され得る。マルチコアスラブ導波路は複数のコアを含み得、画像光をマルチコアスラブ導波路のいずれかのコア中に結合するために、図１８の結合構成が使用され得る。

図１９を参照すると、角分散エンハンサ１９２８は、ＸＹ平面内に延び、低速光導波路１９０６からの画像光をアウト結合するための回折格子構造１９１０をもつクラッディング１９０５を支持する、低速光スラブ導波路１９０６をベースにしている。低速光導波路１９０６は、群速度屈折率を、たとえば２０倍に、または少なくとも１０倍に高めるための、均一な２Ｄフォトニック結晶、多層構造、またはそれら２つの組合せを含み得る。したがって、式（２）～式（４）から、ＦＯＶは、２０の減速係数（ｓｌｏｗｉｎｇｆａｃｔｏｒ）の場合、１０倍、たとえば４．４度から４４度に増加し得ることになる。いくつかの実施形態では、低速光導波路２００６はリニアフォトニック結晶導波路のアレイを含み得る。

図２０Ａを参照すると、角分散エンハンサ２０２８Ａは、ＸＹ平面内に配設されたスラブ導波路部分２０５６を有する低モード導波路２００６と、スラブ導波路部分２０５６によって支持された波形反射体２０７０Ａとを含む。それのスペクトル中に符号化された画像情報を搬送する画像光２００８はスラブ導波路部分２０５６中を伝搬する。スラブ導波路部分２０５６中の回折格子２０１０、たとえばブラッグ格子は、画像光２００８の異なるスペクトル成分を、スラブ導波路部分２０５６中の画像光２００８の伝搬方向に対して９０度を超える異なる角度でアウト結合する。たとえば、第１のスペクトル成分２０８１は第１の角度θ１でアウト結合され、第２のスペクトル成分２０８１は第２のより大きい角度θ２でアウト結合される。波形反射体２０７０Ａは、スラブ導波路部分２０５６を通して、低モード導波路２０５６の外側で、回折格子２０１０によって回析された画像光２００８の第１のスペクトル成分２０８１と第２のスペクトル成分２０８２とを反射する。

アウト結合された画像光２００８の角分散は、画像光２００８がほとんど真後ろにアウト結合されたときに、すなわち角度θが１８０度に近いときに最も大きくなる。たとえば、屈折率２の通常の導波路格子を仮定すると、波長を５１０ｎｍから５３０ｎｍに変化させることにより、平均回折角θが０である場合は４．４度のシフトが生じるが、平均回折角θが約６５度である場合は１４度のシフトが生じる。この構成では、回折格子２０１０は、角分散を最大にするために、したがってディスプレイのＦＯＶを増加させるために、画像光２００８を後方にアウト結合する。波形反射体２０７０Ａは、中心視野角がスラブ導波路部分２０５６に対して直角である、すなわちＺ軸に対して平行であることを確実にするために、スラブ導波路部分２０５６に対して垂直な方向において画像光２００８をリダイレクトする、スラブ導波路部分２０５６によって支持された反射コーティング２０７４をもつ複数のプリズム２０７２を含み得る。非限定的な例として、反射層２０７４は、（１）全内部反射（ＴＩＲ）のためのより低い屈折率の材料、（２）半反射ミラーを形成する薄い金属層、または（３）狭スペクトル多層ミラーコーティング、もしくはワイヤグリッド偏光子もしくは二重輝度向上フィルム（ＤＢＥＦ：ｄｕａｌｂｒｉｇｈｔｎｅｓｓｅｎｈａｎｃｅｍｅｎｔｆｉｌｍ）などの反射型偏光子のうちのいずれか１つ、あるいはそれらの組合せから製造され得る。

図２０Ｂを見ると、角分散エンハンサ２０２８Ｂは図２０Ａの角分散エンハンサ２０２８Ａの偏光選択性の一実施形態である。図２０Ｂの角分散エンハンサ２０２８Ｂでは、波形反射体は、第１の偏光において光を反射し、第１の偏光に直交する第２の偏光において光を透過するように構成された、偏光選択性反射体２０７０Ｂを含む。角分散エンハンサ２０２８Ｂは、偏光選択性反射体２０７０Ｂからスラブ導波路部分２０５６の反対側でスラブ導波路部分２０５６によって支持された１／４波長波長板（ＱＷＰ）２０７６をさらに含む。ＱＷＰ２０７６は、偏光選択性反射体２０７０Ｂによって反射された画像光成分２０８１、２０８２を受光するように構成される。画像光成分２０８１、２０８２は第１の偏光状態にある。

回折構造２０７８、たとえば反射性表面レリーフ型回折格子は、ＱＷＰ２０７６によって支持され、ＱＷＰ２０７６を通して伝搬された画像光成分２０８１、２０８２を、再びＱＷＰ２０７６を通して伝搬するために反射して返し、それにより、画像光成分２０８１、２０８２の偏光を第１の偏光から第２の偏光に変換するように構成される。次いで、成分２０８１、２０８２は、スラブ導波路部分２０５６を通って、および偏光選択性反射体２０７０Ｂを通って伝搬し、偏光選択性反射体２０７０Ｂは、成分２０８１、２０８２が第２の偏光状態にあるので、成分２０８１、２０８２を透過する。回折構造２０７８の目的は、画像光２００８の角分散をさらに高めることである。

図２１Ａおよび図２１Ｂを参照すると、アウト結合された画像光の可変焦点調整（すなわち、収束／発散を調整すること）の原理が示されている。図２１Ａ中の低モードスラブ導波路部分２１５６Ａは、均一な屈折率をもつ格子アウトカプラを含む。画像光成分２１０８は、無限遠において集束される平行ビームとして、垂直方向に、すなわちスラブ導波路部分２１５６Ａの平面に対して直角にアウト結合される。図２１Ｂ中のスラブ導波路部分２１５６Ｂは、格子アウトカプラの屈折力（集束能力）の逆数に等しい焦点距離における集束ビームとして、図示のような収束を用いて、画像光成分２１０８を垂直方向に、すなわちスラブ導波路部分２１５６Ｂの平面に対して直角にアウト結合させるために、制御可能な均一でない屈折率をもつ格子アウトカプラを含む。１６ｍｍのアイボックス２１１２の所望のサイズを仮定すると、スラブ導波路部分２１５６Ｂからの画像光成分２１０８をアイボックス２１１２に対して２メートル離れた焦点スポット２１８５に集束させるためには、０．００８の屈折率差が必要とされる。この集束機能を達成するために、格子アウトカプラの有効屈折率ｎ_ｅｆｆは、アイボックス２１１２を横断する際に０．００４から－０．００４まで直線的に変動する必要がある。この原理は、本明細書で検討される任意の分散エンハンサにおいて使用され得る。共振構造をもつ分散エンハンサの場合、スタック中の材料の物理屈折率の変化によりｎ_ｅｆｆのより大きい変化が生じ、したがって、アウトカプラに沿った屈折率の変化による集束または焦点外しが促進されるであろう。この原理に基づく可変焦点調整器の例示的な例について以下で図２２～図２５を参照しながら検討する。

最初に図２２を参照すると、可変焦点調整器２２３０は、光、たとえば画像光２２０８を伝搬するための低モードスラブ導波路部分２２５６を含む。スラブ導波路部分２２５６は、画像光２２０８をスラブ導波路部分２２５６のＸＹ平面に対してある角度でアウト結合するように構成されたアウトカプラ２２１０、たとえばブラッグ格子を含む。液晶（ＬＣ）セル２２８８はスラブ導波路部分２２５６にエバネッセント結合される。スラブ導波路部分２２５６の上側クラッディング２２８７の厚さは、モードスラブ導波路部分２２５６のコア中を進行する画像光２２０８の導波モード２２９０の尾部がＬＣセル２２８８に重なり、それにより、ＬＣセル２２８８を支持する上側クラッディング２２８７を通ってＬＣセル２２８８のＬＣ層２２８９に到達するように選択される。ＬＣ層２２８９は電極２２８３のペア間に配設される。導波モード２２９０はＬＣセル２２８８のＬＣ層２２８９に重なる。

ＬＣセル２２８８は、スラブ導波路部分２２５６中を伝搬する画像光２２０８の導波モード２２９０についての有効屈折率を定義する。有効屈折率ｎ_ｅｆｆは、低モードスラブ導波路２２５６中の画像光２２０８の伝搬方向、すなわち図２２中のＸ方向において変動する。有効屈折率ｎ_ｅｆｆが変動することにより、アウト結合された画像光２２０８部分の方向が、Ｘ軸に沿って進む際に変動し、それにより、図２１Ａおよび図２１Ｂを参照しながら上記で説明したように、アウト結合された画像光２２０８が集束したりまたは焦点が外れたりする。上側クラッディング２２８７（図２２）の厚さプロファイルは、ＬＣ層２２８９の屈折率の変化により、伝搬する導波路モード２２９０についての有効屈折率ｎ_ｅｆｆの線形変化が生じるであろうように選択され得る。これにより、アウト結合された画像光２２０８が集束したりまたは焦点が外れたりする。変化の絶対値、したがって焦点距離は、ＬＣセル２２８８に印加される電圧によって制御され得る。上側クラッディング２２８７の厚さプロファイルは線形にされ得、すなわち、ＬＣセル２２８８は、スラブ導波路部分２２５６と鋭角を形成し、それにより導波路モード２２９０についての有効屈折率ｎ_ｅｆｆが変動し得る。

ＬＣ層２２８９の屈折率は、ＬＣセル２２８８に電圧を印加することによって変動する。上記で説明したように、これにより、アウト結合された画像光２２０８の伝搬方向がスラブ導波路部分２２５６中の画像光２２０８の伝搬方向（すなわちＸ方向）に沿って変動し、それにより、アウト結合された画像光２２０８がＸＺ平面内で発散または収束する。印加される電圧を変動させることによって、アウト結合された画像光２２０８の（「発散」と総称される）発散／収束が制御され得る。いくつかの実施形態では、ＬＣセル２２８８は、スラブ導波路部分２２５６に対して平行であり得、画像光２２０８の伝搬方向に沿って、すなわちＸ方向に沿って屈折率変化プロファイルを与えるためにピクセル化され得る。

次に図２３を参照すると、可変焦点調整器２３３０は、光、たとえば画像光２３０８を伝搬するための低モードスラブ導波路部分２３５６を含む。スラブ導波路部分２３５６は、コア層２３０７と、画像光２３０８をスラブ導波路部分の一平面に対してある角度でアウト結合するように構成されたアウトカプラ２３１０とを含む。コア層２３０７は、印加された電界に依存する屈折率を有する材料から製造される。たとえば、コア層２３０７は、ＬｉＮｂＯ３、ＡｌＮ、ＳｉＣ、または高い電気光学係数をもつ別の材料から製造され得る。

コア層２３０７に電界２３８６を印加するために、コア層２３０７の上および下に電極２３８３が配設される。電極２３８３は互いに鋭角で配設され、それによりくさび形が形成され得る。電極２３８３に電圧が印加されると、電界２３８６がスラブ導波路部分２３５６のコア２３０７中の画像光２３０８の伝搬方向に沿って、すなわちＸ方向に沿って空間的に変動する。これにより、スラブ導波路部分２３５６からアウト結合される画像光２３０８の方向が低モードスラブ導波路中の光の伝搬方向に沿って変動し、それにより、アウト結合された画像光２２０８がＸＺ平面内で効果的に発散または収束する。印加される電圧を変動させることによって、アウト結合された画像光２３０８の収束／発散の程度が制御可能な様式で変動させられ得る。

屈折率の空間変調は、スラブ導波路部分２３５６の材料を通るＤＣ電界またはＡＣ電界と、伝搬する光モード２３９０とによって達成され得る。屈折率変調がそれの中で望まれる結晶軸と、構成要素設計とに応じて、電極は、それぞれ上側／下側クラッディングの上／下に、またはこれらの層のうちの１つの中のみに配置され得る。電極が導波路のコアを挟んでいる場合、電界２３８６は、図２３に示されているように垂直方向に走る。（集束を達成するために制御される必要がある相対強度である）画像光２３０８の伝搬に沿った電界２３８６の相対強度は、電極２３８２間の距離を変化させることによって与えられ得る。距離が大きいほど、電界２３８６は弱くなる。そうすることによって、局所的な屈折率変化と比例的に相関する所定のくさび型プロファイル電界２３８６を組み込むことができる。印加電圧Ｖ＝０であるとき、画像光２３０８はコリメートされる、すなわち、画像は無限遠にある。印加電圧Ｖが上昇するにつれて、システムの焦点面はより近くなる。

電界２４８６がフューモードスラブ導波路２４５６のコア層２４０７に対して平行である図２４の可変焦点調整器２４３０において、同様の原理が適用される。電界２４８６のそのような向きは、電圧Ｖがそれに印加され得る端部電極のペア２４８５間の、低モードスラブ導波路２４５６中の画像光２４０８の伝搬方向に沿って延びる浮遊電極２４８２によって定義される。浮遊電極２４８２は、アウト結合された画像光２４０８の集束のために必要とされる屈折率分布に一致する、電界２４８６の強度分布を与えるように配設される。いくつかの実施形態では、電界２４８６の強度分布がより良く制御されるように、独立して制御される電極のセットが与えられ得る。

次に図２５を参照すると、可変焦点調整器２５３０は、第１の屈折率を有し、第２の屈折率を有する個々の格子フリンジ２５１０間の基板２５１２によって囲まれた、格子フリンジのアレイ２５１１を含む格子構造２５１０を支持する低モードスラブ導波路部分２５０６を含む。格子構造２５１０は低モードスラブ導波路部分２５０６からの画像光２５０８をアウト結合する。第１の屈折率または第２の屈折率のうちの少なくとも１つは、アウトカプラによってスラブ導波路部分からアウト結合された画像光２５０８の集束または焦点外しのために、第１の屈折率または第２の屈折率のうちの少なくとも１つの勾配を与えるように調整可能である。そのために、格子構造２５１０に均一でない空間選択的な加熱を与えるために、加熱要素のアレイ２５７０が導波路２５０６に結合され得る。空間選択的な加熱により、画像光２５０８についての局所回折角を変更し得る屈折率勾配が生じ、それにより、導波路２５０６からアウト結合された画像光２５０８の集束または焦点外しが可能になる。非限定的な例として、１６ｍｍのアイボックス長の場合に１ｍの焦点距離を達成するためには、有効屈折率について最大Δｎ＝０．００８が必要とされる。この数値は、導波路２５０６の代わりに低速光導波路が使用される場合に、比例してより小さくなる。いくつかの実施形態では、基板２５１０は、印加電界を用いて液晶（ＬＣ）層を調整することによって必要とされる屈折率勾配を与えるためのＬＣ層を含み得る。屈折率がそれの中で変更される層は薄いので、その層は、ディスプレイ光路のみに影響を及ぼすが、シースルー光路には影響を及ぼさない。

図１Ａをさらに参照しながら図２６を参照すると、角領域中に画像を与えるための方法２６００（図２６）は、画像光、たとえば、第１の波長におけるスペクトル成分を含む図１Ａ中の光１０８を、インカプラ、たとえばインカプラ１０３を使用して１Ｄリダイレクタ／イメージャに結合すること（２６０２）を含む。画像光は、本明細書で開示する水平ＦＯＶ１Ｄリダイレクタ／イメージャのいずれか、たとえば、図１０Ａ～図１０ＥのＰＩＣ実施形態のいずれかを含む図９のフェーズドアレイ１Ｄイメージャ９０４、図１１のハイブリッド１Ｄイメージャ１１０４、または図１２のＦＳＯ１Ｄスキャナ１２０４を使用してリダイレクトされ得る。１Ｄイメージャは、第１の平面内で、たとえば、図１Ａ中の（低モードスラブ導波路部分１０７の平面である）ＸＹ平面内で画像光をリダイレクトする（２６０４）。１Ｄイメージャによってリダイレクトされた画像光１０８は低モードスラブ導波路部分１０７中で伝搬される（２６０６）。第１の波長におけるスペクトル成分は、第１の波長に依存する角度で、アウトカプラ１１０、たとえば、本明細書で検討される格子アウトカプラのいずれかによって、低モードスラブ導波路からアウト結合される（２６０８）。低モードスラブ導波路部分は単一モードスラブ導波路またはフューモード（１０個以下のモード）スラブ導波路を含み得る。

図２７を見ると、方法２７００は図２６の方法２６００の一実施形態である。図２７の方法２７００は、たとえば、図５の調整可能なレーザー光源５０２など、画像光の単色の調整可能な光源を使用する。方法２７００は、単色の調整可能な光源の発光波長を設定すること（２７０２）と、ＸＹ平面内で１Ｄイメージャ中に結合された画像光をリダイレクトすること（２７０４）とを含む。言い換えれば、調整可能な光源の波長はシフトされないが、１Ｄイメージャは第１の平面内で画像光をリダイレクトし、それにより、第１の平面内でリダイレクトされた画像光が同じ角度でアウト結合される。次いで、表示されている画像のピクセルの所望の輝度に対応する光源の出力パワーのそれ自体の値において、次の波長（２７０６）が設定され、プロセスが繰り返される。ＸＹ平面内のリダイレクションは、ＸＹ平面内でコリメートされた光ビームを角度的に走査すること（２７０８）、または輝度の角度分布を同時に形成すること（２７１０）を含む。

次に図２８を参照すると、方法２８００は図２６の方法２６００の一実施形態である。図２８の方法２８００は、調整可能なスペクトル光源、たとえば、図６Ａの調整可能なスペクトル光源６０２を使用する。図２８の方法２８００は、表示されるべき画像の垂直ＦＯＶに対応する複数のスペクトル成分を有する画像光を与える（２８０２）ために、調整可能なスペクトル光源を使用することを含む。走査すること（２８０８）または瞬時角度分布を形成すること（２８１０）によって行われ得る、ＸＹ平面内で輝度の角度分布を与えることによって、複数のスペクトル成分をもつ画像光がＸＹ平面内でリダイレクトされる（２８０４）。角度的に分散させられた多波長画像光が、その画像光のスペクトル組成に対応する角度分布をもつ低モードスラブ導波路からアウト結合される（２８０６）。

図２９を見ると、拡張現実（ＡＲ）ニアアイディスプレイ２９００は、眼鏡のフォームファクタ（ｆｏｒｍｆａｃｔｏｒ）を有するフレーム２９０１を含む。フレーム２９０１は、各目について、本明細書で説明する調整可能なスペクトル光源を含む光エンジン２９０８と、光エンジン２９０８に光学的に結合された、本明細書で開示する低モード、すなわち単一モードまたはフューモード導波路２９１０とを支持する。ＡＲニアアイディスプレイ２９００は、アイトラッキングカメラ２９０４と、複数の照明器２９０６と、アイトラッキングカメラコントローラ２９０７とをさらに含み得る。照明器２９０６は、アイボックス２９１２を照明するために導波路２９１０によって支持され得る。光エンジン２９０８は、ユーザの目の中に投影されるべき垂直１ＤＦＯＶを表すスペクトルを有する光ビームを与える。導波路２９１０は、光ビームを受光し、光ビームをアイボックス２９１２の上に拡大する。水平１ＤＦＯＶは、本明細書で開示する１Ｄイメージャ、たとえば、図４ＡのＰＩＣベースのイメージャ４３６、図９のフェーズドアレイ１Ｄイメージャ９０４、図１のハイブリッド１Ｄイメージャ１１０４、または図１２のＭＥＭＳベースのスキャナ１２０４によって与えられ得る。

アイトラッキングカメラ２９０４の目的は、ユーザの両方の目の位置および／または向きを決定することである。ユーザの目の位置および向きが知られると、注視（ｇａｚｅ）収束距離および方向が決定され得る。表示される画像は、表示された拡張現実シーン中へのユーザの没入の迫真性が向上するようにユーザの注視を考慮するために、および／または拡張現実との対話の特定の機能を与えるために、動的に調整され得る。動作中に、照明器２９０６は、アイトラッキングカメラが目の画像を得ることを可能にするために、ならびに参照反射、すなわちグリント（ｇｌｉｎｔ）を与えるために、対応するアイボックス２９１２において目を照明する。グリントは、キャプチャされた目画像中の参照ポイントとして機能し、それにより、グリント画像に対する瞳孔画像の位置を決定することによる目注視方向決定が容易になり得る。ユーザが照明光に気を取られることを回避するために、照明光はユーザに見えなくされ得る。たとえば、アイボックス２９１２を照明するために赤外光が使用され得る。

アイトラッキングカメラコントローラ２９０７の機能は、ユーザの両方の目の目注視方向をリアルタイムで決定するために、アイトラッキングカメラ２９０４によって得られた画像を処理することである。いくつかの実施形態では、画像処理機能および目の位置／向きの決定機能は、ＡＲニアアイディスプレイ２９００の図示されていない中央コントローラによって実行され得る。中央コントローラはまた、決定された目の位置、目の向き、注視方向、両眼転導（ｅｙｅｓｖｅｒｇｅｎｃｅ）などに応じて、光エンジン２９０８に制御信号を与え得る。

次に図３０を参照すると、ＨＭＤ３０００は、ＡＲ／ＶＲ環境中への没入の程度が向上するようにユーザの顔を覆うＡＲ／ＶＲウェアラブルディスプレイシステムの一例である。ＨＭＤ３０００の機能は、コンピュータ生成画像を用いて物理的な現実世界環境のビューを拡張すること、または完全な仮想３Ｄ画像を生成することである。ＨＭＤ３０００は前面本体３００２とバンド３００４とを含み得る。前面本体３００２は、信頼できる快適な様式でユーザの目の前に配置するように構成され、バンド３００４は、前面本体３００２をユーザの頭部上に固定するために伸縮され得る。ディスプレイシステム３０８０は、ユーザにＡＲ／ＶＲ画像を提示するために前面本体３００２中に配設され得る。前面本体３００２の側面３００６は不透明または透明であり得る。

いくつかの実施形態では、前面本体３００２は、ＨＭＤ３０００の加速度を追跡するためのロケータ３００８および慣性測定ユニット（ＩＭＵ）３０１０と、ＨＭＤ３０００の位置を追跡するための位置センサー３０１２とを含む。ＩＭＵ３０１０は、ＨＭＤ３０００の動きに応答して１つまたは複数の測定信号を生成する位置センサー３０１２のうちの１つまたは複数から受信された測定信号に基づいて、ＨＭＤ３０００の位置を示すデータを生成する電子デバイスである。位置センサー３０１２の例は、１つまたは複数の加速度計、１つまたは複数のジャイロスコープ、１つまたは複数の磁力計、動きを検出する別の好適なタイプのセンサー、ＩＭＵ３０１０の誤り訂正のために使用されるタイプのセンサー、またはそれらの何らかの組合せを含む。位置センサー３０１２は、ＩＭＵ３０１０の外部に、ＩＭＵ３０１０の内部に、またはそれらの何らかの組合せに位置し得る。

ロケータ３００８は、仮想現実システムがＨＭＤ３０００全体のロケーションおよび向きを追跡することができるように、仮想現実システムの外部画像化デバイスによって追跡される。ＩＭＵ３０１０と位置センサー３０１２とによって生成された情報は、ＨＭＤ３０００の位置および向きの追跡精度が改善されるように、ロケータ３００８を追跡することによって得られた位置および向きと比較され得る。３Ｄ空間中でユーザが移動し、向きを変える際に、ユーザに適切な仮想シーンを提示するためには、正確な位置および向きが重要である。

ＨＭＤ３０００は、ＨＭＤ３０００の一部または全部を囲むローカルエリアの深度情報を記述するデータをキャプチャする、深度カメラアセンブリ（ＤＣＡ）３０１１をさらに含み得る。そのために、ＤＣＡ３０１１は、レーザーレーダー（ライダー（ＬＩＤＡＲ））、または同様のデバイスを含み得る。深度情報は、３Ｄ空間中のＨＭＤ３０００の位置および向きの決定の精度が向上するように、ＩＭＵ３０１０からの情報と比較され得る。

ＨＭＤ３０００は、ユーザの目の向きおよび位置をリアルタイムで決定するためのアイトラッキングシステム３０１４をさらに含み得る。また、目の得られた位置および向きにより、ＨＭＤ３０００は、ユーザの注視方向を決定し、それに応じて、ディスプレイシステム３０８０によって生成される画像を調整することが可能になる。一実施形態では、両眼転導、すなわち、ユーザの目注視の収束角が決定される。決定された注視方向および両眼転導角はまた、画角と目の位置とに応じた視覚的アーティファクトのリアルタイム補償のために使用され得る。さらに、決定された両眼転導角および注視角は、ユーザとの対話、オブジェクトをハイライトすること、オブジェクトを最前面に出すこと、追加のオブジェクトまたはポインタを作成することなどのために使用され得る。たとえば、前面本体３００２に組み込まれた小型スピーカーのセットを含む、オーディオシステムも与えられ得る。

本開示の実施形態は、人工現実システムを含むか、または人工現実システムとともに実装され得る。人工現実システムは、視覚情報、音声、触覚（ｔｏｕｃｈ）（体性感覚（ｓｏｍａｔｏｓｅｎｓａｔｉｏｎ））情報、加速度、バランスなど、感覚によって得られた外界についての感覚情報を、ユーザへの提示の前に何らかの様式で調整する。非限定的な例として、人工現実は、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合せおよび／もしくは派生物を含み得る。人工現実コンテンツは、全体的に生成されたコンテンツ、またはキャプチャされた（たとえば現実世界の）コンテンツと組み合わせられた生成されたコンテンツを含み得る。人工現実コンテンツは、ビデオ、オーディオ、体性（ｓｏｍａｔｉｃ）もしくは触覚（ｈａｐｔｉｃ）フィードバック、またはそれらの何らかの組合せを含み得る。このコンテンツのいずれかが、視聴者への３次元効果を生成するステレオビデオにおいてなど、単一のチャネルにおいてまたは複数のチャネルにおいて提示され得る。さらに、いくつかの実施形態では、人工現実はまた、たとえば、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段に使用される（たとえば、人工現実においてアクティビティを実行する）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合せに関連付けられ得る。人工現実コンテンツを与え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ＨＭＤ、スタンドアロンＨＭＤ、眼鏡のフォームファクタを有するニアアイディスプレイなどのウェアラブルディスプレイ、モバイルデバイスもしくは計算システム、または１人または複数の視聴者に人工現実コンテンツを与えることが可能な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上に実装され得る。

本開示は、本明細書で説明した特定の実施形態によって範囲が限定されるべきではない。実際、本明細書で説明したものに加えて、他の様々な実施形態および改変が、上記の説明および添付の図面から当業者に明らかになろう。したがって、そのような他の実施形態および改変は本開示の範囲内に入るものである。さらに、特定の目的のための特定の環境中の特定の実装形態の文脈において本開示について本明細書で説明したが、当業者は、本開示の有用性がその特定の実装形態に限定されないこと、および本開示が任意の数の目的のための任意の数の環境中に有利に実装され得ることを認識しよう。したがって、以下に記載する特許請求の範囲は、本明細書で説明した本開示の全容および趣旨に鑑みて解釈されるべきである。

Claims

角領域中に画像のラインを与えるためのデバイスであって、前記デバイスは低モード導波路を備え、前記低モード導波路が、
画像光を前記低モード導波路中に結合するためのインカプラと、
前記インカプラによって結合された前記画像光をＮ個のリニア導波路中に分割するための１×Ｎスプリッタと、
前記Ｎ個のリニア導波路のうちの特定の１つの中を伝搬する画像光部分を制御可能な量だけ遅延させるための、前記Ｎ個のリニア導波路のうちの前記特定の１つにそれぞれ結合されたＮ個の位相シフタと、
前記Ｎ個の位相シフタのうちの特定の１つによって遅延させられた前記画像光部分を放出するための、前記Ｎ個の位相シフタのうちの前記特定の１つにそれぞれ結合されたＮ個のリニア導波路エミッタのアレイと、
Ｎ個のリニア導波路エミッタの前記アレイの対応するエミッタによって放出された前記遅延させられた画像光部分を内部で伝搬するための、Ｎ個のリニア導波路エミッタの前記アレイに結合されたスラブ導波路部分と
を備え、Ｎが整数である、デバイス。
前記スラブ導波路部分が単一モードスラブ導波路を含む、請求項１に記載のデバイス。
前記スラブ導波路部分が、１０個以下の横伝搬モードをサポートするフューモードスラブ導波路を含む、請求項１に記載のデバイス。
前記１×Ｎスプリッタが、前記Ｎ個のリニア導波路間の前記画像光の屈折力の制御可能な分布を与えるための調整可能なマッハ－ツェンダー干渉計のバイナリツリーを備える、請求項１から３のいずれか一項に記載のデバイス。
前記スラブ導波路部分が前記スラブ導波路部分中の視界（ＦＯＶ）エキスパンダをさらに備え、前記ＦＯＶエキスパンダが、前記スラブ導波路部分のコアにエバネセント結合され、かつ前記スラブ導波路部分の前記コア中で伝搬される光を制御可能な量だけ偏向させるように成形された、調整可能なクラッディング部分を備え、
好ましくは、前記調整可能なクラッディング部分が三角形液晶クラッディング部分のアレイを含み、前記アレイが前記スラブ導波路部分の前記コア中の前記画像光の光路に対して横方向に延び、少なくともいくつかの三角形液晶クラッディング部分が、前記光路に対して鋭角で延びる側面を有する、請求項１から４のいずれか一項に記載のデバイス。
前記スラブ導波路部分がホログラムをさらに備え、前記ホログラムは、前記ホログラムによって反射された前記画像光のコリメートされたビーム部分が、前記ホログラム上に入射する前記コリメートされたビーム部分よりも広くなるように、前記コリメートされたビーム部分を前記ホログラム中の前記コリメートされたビーム部分の光路に沿った複数のロケーションにおいて反射するように構成された、請求項１から５のいずれか一項に記載のデバイス。
角領域中に画像のラインを与えるためのデバイスであって、前記デバイスは低モード導波路を備え、前記低モード導波路が、
画像光を前記低モード導波路中に結合するためのインカプラと、
前記インカプラによって結合された前記画像光の屈折力をＮ個のリニア導波路のアレイのうちのリニア導波路間に分散させるための調整可能な１×Ｎスプリッタと、
ｎ個のリニア導波路の前記アレイのうちのリニア導波路の横方向位置を、ｎ個のリニア導波路の前記アレイのうちの前記リニア導波路中で伝搬される画像光部分のビーム角に変換するためのコリメート要素を備える、スラブ導波路部分と
を備え、Ｎが整数である、デバイス。
前記スラブ導波路部分が単一モードスラブ導波路を含むか、または好ましくは、前記スラブ導波路部分が、１０個以下の横伝搬モードをサポートするフューモードスラブ導波路を含む、請求項７に記載のデバイス。
前記１×Ｎスプリッタが、前記画像光を前記ｎ個のリニア導波路間で切り替えるためのマッハ－ツェンダースイッチのバイナリツリーを備える、請求項７または８に記載のデバイス。
前記スラブ導波路部分が前記スラブ導波路部分中の視界（ＦＯＶ）エキスパンダをさらに備え、前記ＦＯＶエキスパンダが、前記スラブ導波路部分のコアにエバネセント結合され、かつ前記スラブ導波路部分の前記コア中で伝搬される光を制御可能な量だけ偏向させるように成形された、調整可能なクラッディング部分を備え、好ましくは、前記調整可能なクラッディング部分が三角形液晶クラッディング部分のアレイを含み、前記アレイが前記スラブ導波路部分の前記コア中の前記画像光の光路に対して横方向に延び、少なくともいくつかの三角形液晶クラッディング部分が、前記光路に対して鋭角で延びる側面を有する、請求項７から９のいずれか一項に記載のデバイス。
前記スラブ導波路部分がホログラムをさらに備え、前記ホログラムは、前記ホログラムによって反射された前記画像光のコリメートされたビーム部分が、前記ホログラム上に入射する前記コリメートされたビーム部分よりも広くなるように、前記コリメートされたビーム部分を前記ホログラム中の前記コリメートされたビーム部分の光路に沿った複数のロケーションにおいて反射するように構成された、請求項７から９のいずれか一項に記載のデバイス。
角領域中に画像のラインを与えるためのデバイスであって、前記デバイスは、
第１の平面内で画像光を走査するための、傾斜可能反射体を備えるマイクロ電気機械システム（ＭＥＭＳ）ビームスキャナと、
前記ＭＥＭＳビームスキャナによって走査された前記画像光を伝搬するための、前記第１の平面内の低モードスラブ導波路と、
前記ＭＥＭＳビームスキャナによって走査された前記画像光を受光し、前記画像光を前記低モードスラブ導波路に結合するためのカプラと
を備える、デバイス。
前記低モードスラブ導波路が単一モードスラブ導波路であるか、または好ましくは、前記低モードスラブ導波路が、１０個以下の横伝搬モードをサポートするフューモードスラブ導波路である、請求項１２に記載のデバイス。
前記低モードスラブ導波路がスラブ導波路部分中の視界（ＦＯＶ）エキスパンダをさらに備え、前記ＦＯＶエキスパンダが、前記低モードスラブ導波路のコアにエバネセント結合され、かつ前記スラブ導波路部分の前記コア中で伝搬される光を制御可能な量だけ偏向させるように成形された、調整可能なクラッディング部分を備え、好ましくは、前記調整可能なクラッディング部分が三角形液晶クラッディング部分のアレイを含み、前記アレイが前記低モードスラブ導波路の前記コア中の前記画像光の光路に対して横方向に延び、少なくともいくつかの三角形液晶クラッディング部分が、前記光路に対して鋭角で延びる側面を有する、請求項１２または１３に記載のデバイス。
前記低モードスラブ導波路がホログラムをさらに備え、前記ホログラムは、前記ホログラムによって反射された前記画像光のコリメートされたビーム部分が、前記ホログラム上に入射する前記コリメートされたビーム部分よりも広くなるように、前記コリメートされたビーム部分を前記ホログラム中の前記コリメートされたビーム部分の光路に沿った複数のロケーションにおいて反射するように構成された、請求項１２から１４のいずれか一項に記載のデバイス。