JP2023520461A - ナノワイヤｌｅｄマイクロディスプレイを伴うウェアラブルディスプレイシステム - Google Patents

ナノワイヤｌｅｄマイクロディスプレイを伴うウェアラブルディスプレイシステム Download PDF

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Abstract

ウェアラブルディスプレイシステムは、１つまたはそれを上回るナノワイヤＬＥＤマイクロディスプレイを含む。ナノワイヤマイクロＬＥＤディスプレイは、モノクロまたはフルカラーであってもよい。アレイを形成する、ナノワイヤＬＥＤは、有利なこととして、狭角放出プロファイルおよび高光出力を有し得る。複数のナノワイヤＬＥＤマイクロディスプレイが、利用される場合、マイクロディスプレイは、光線を異なるマイクロディスプレイから受光し、光線を立方体の同一面から出力する、光学コンバイナ、例えば、Ｘ－立方体プリズムの異なる側に位置付けられ得る。光学コンバイナは、光を投影光学系に指向し、これは、光を、光をユーザの眼に中継する、接眼レンズに出力する。接眼レンズは、光を、ユーザの眼に、異なる波面発散量を伴って出力し、仮想コンテンツを異なる深度面上に設置し得る。

Description

（優先権の主張）
本願は、参照することによってその全体として本明細書に組み込まれる、「ＷＥＡＲＡＢＬＥ ＤＩＳＰＬＡＹ ＳＹＳＴＥＭＳ ＷＩＴＨ ＮＡＮＯＷＩＲＥ ＬＥＤ ＭＩＣＲＯＤＩＳＰＬＡＹＳ」と題され、２０２０年４月３日に出願された、米国仮特許出願第６３／００５１３２号の優先権を主張する。
（参照による組み込み）
本願は、２０１８年１２月１４日に出願された、米国特許出願第１６／２２１，３５９号、２０１８年１２月２８日に出願された、米国仮出願第６２／７８６１９９号、２０１８年７月２４日に出願された、米国仮出願第６２／７０２，７０７号、および２０１７年４月６日に出願された、米国特許出願第１５／４８１，２５５号の全体を参照することによって組み込む。
本開示は、ディスプレイシステムに関し、より具体的には、拡張および仮想現実ディスプレイシステムに関する。
現代のコンピューティングおよびディスプレイ技術は、いわゆる「仮想現実」または「拡張現実」体験のためのシステムの開発を促進しており、デジタル的に再現された画像またはその一部が、現実であるように見える、またはそのように知覚され得る様式でユーザに提示される。仮想現実、すなわち、「ＶＲ」シナリオは、典型的には、他の実際の実世界の視覚的入力に対する透過性を伴わずに、デジタルまたは仮想画像情報の提示を伴い、拡張現実、すなわち、「ＡＲ」シナリオは、典型的には、ユーザの周囲の実際の世界の可視化に対する拡張としてのデジタルまたは仮想画像情報の提示を伴う。複合現実または「ＭＲ」シナリオは、一種のＡＲシナリオであって、典型的には、自然世界の中に統合され、それに応答する、仮想オブジェクトを伴う。例えば、ＭＲシナリオは、実世界内のオブジェクトによってブロックされて見える、または別様にそれと相互作用するように知覚される、ＡＲ画像コンテンツを含んでもよい。
図１を参照すると、ＡＲ場面１０が、描写されている。ＡＲ技術のユーザには、人々、木々、背景における建物、コンクリートプラットフォーム３０を特徴とする、実世界公園状設定２０が見える。ユーザはまた、実世界プラットフォーム３０上に立っているロボット像４０と、マルハナバチの擬人化のように見える、飛んでいる漫画のようなアバタキャラクタ５０等の「仮想コンテンツ」を「見ている」と知覚する。これらの要素５０、４０は、実世界には存在しないという点で、「仮想」である。ヒトの視知覚系は、複雑であって、他の仮想または実世界画像要素の中で仮想画像要素の快適で、自然な感覚で、かつ豊かな提示を促進する、ＡＲ技術を生産することは、困難である。
いくつかの実施形態では、頭部搭載型ディスプレイシステムが、提供される。頭部搭載型ディスプレイシステムは、頭部搭載可能フレームと、フレームによって支持される、ナノワイヤマイクロＬＥＤディスプレイと、フレームによって支持される、接眼レンズとを含む。ナノワイヤＬＥＤマイクロディスプレイは、画像光を出力するように構成され、接眼レンズは、フレームをユーザ上に搭載することに応じて、画像光をナノワイヤＬＥＤマイクロディスプレイから受光し、画像光をユーザの眼に指向するように構成される。
いくつかの他の実施形態では、頭部搭載型ディスプレイシステムが、提供される。頭部搭載型ディスプレイシステムは、１つまたはそれを上回る導波管を含む、導波管アセンブリと、ナノワイヤマイクロＬＥＤのアレイを含む、画像投影システムとを含む。画像投影システムは、画像を導波管アセンブリ上に投影するように構成される。導波管アセンブリの各導波管は、画像投影システムからの光を導波管の中に内部結合するように構成される、内部結合光学要素と、内部結合された光を導波管から外に外部結合するように構成される、外部結合光学要素とを含む。導波管アセンブリは、外部結合された光を、複数の深度面に対応する、可変波面発散量を伴って、出力するように構成される。
実施形態の付加的実施例が、下記に列挙される。
実施例１．頭部搭載型ディスプレイシステムであって、
頭部搭載可能フレームと、
フレームによって支持される、ナノワイヤマイクロＬＥＤディスプレイであって、画像光を出力するように構成される、ナノワイヤＬＥＤマイクロディスプレイと、
フレームによって支持される、接眼レンズであって、フレームをユーザ上に搭載することに応じて、画像光をナノワイヤＬＥＤマイクロディスプレイから受光し、画像光をユーザの眼に指向するように構成される、接眼レンズと、
を備える、頭部搭載型ディスプレイシステム。
実施例２．ナノワイヤＬＥＤマイクロディスプレイは、複数のナノワイヤＬＥＤマイクロディスプレイのうちの１つであって、
Ｘ－立方体プリズムをさらに備え、
ナノワイヤマイクロＬＥＤディスプレイはそれぞれ、Ｘ－立方体プリズムの異なる側に面し、
接眼レンズは、内部結合光学要素を備え、
Ｘ－立方体プリズムの出力側は、光内部結合要素に面する、
実施例１に記載の頭部搭載型ディスプレイシステム。
実施例３．ナノワイヤＬＥＤマイクロディスプレイは、モノクロナノワイヤＬＥＤマイクロディスプレイである、実施例２に記載の頭部搭載型ディスプレイシステム。
実施例４．Ｘ－立方体プリズムの反射性表面は、異なるモノクロナノワイヤＬＥＤマイクロディスプレイからの光を接眼レンズの異なる面積上に限局するように構成される、実施例３に記載の頭部搭載型ディスプレイシステム。
実施例５．接眼レンズは、Ｘ－立方体プリズムから内部結合光学要素までの明確に異なる光経路を提供する、空間配列を有する、複数の内部結合光学要素を備え、面積の空間配列は、内部結合光学要素の空間配列に対応する、実施例４に記載の頭部搭載型ディスプレイシステム。
実施例６．接眼レンズは、導波管スタックを形成する、複数の導波管を備え、導波管スタックの各導波管は、
ナノワイヤＬＥＤマイクロディスプレイからの光を導波管の中に内部結合するように構成される、内部結合光学要素と、
内部結合された光を導波管から外に外部結合するように構成される、外部結合光学要素と、
を備える、実施例１に記載の頭部搭載型ディスプレイシステム。
実施例７．導波管スタックは、複数の導波管のセットを備え、導波管の各セットは、原色のための専用導波管を備える、実施例６に記載の頭部搭載型ディスプレイシステム。
実施例８．可変焦点レンズ要素をさらに備え、回折光内部結合および外部結合光学要素を備える、導波管が、第１の可変焦点レンズ要素と第２の可変焦点レンズ要素との間にあって、第１の可変焦点レンズ要素は、導波管によって出力された光の波面発散を修正するように構成され、第２の可変焦点レンズ要素は、第２の可変焦点レンズ要素を通して伝搬する、外界からの光の波面発散を修正するように構成される、実施例１に記載の頭部搭載型ディスプレイシステム。
実施例９．カラーフィルタを接眼レンズの導波管スタックの２つの近傍の導波管の間にさらに備え、近傍の導波管の第１のものは、マイクロディスプレイから延在する光経路内において、近傍の導波管の第２のものに先行し、カラーフィルタは、近傍の導波管の第１のものの内部結合光学要素によって内部結合されるように構成される、光の波長に対応する、波長の光を選択的に吸光するように構成される、実施例１に記載の頭部搭載型ディスプレイシステム。
実施例１０．
光経路内において、近傍の導波管の第２のものに続く、第３の導波管と、
近傍の導波管の第２のものの内部結合光学要素によって内部結合されるように構成される、光の波長に対応する、波長の光を選択的に吸光するように構成される、他のカラーフィルタと、
をさらに備える、実施例９に記載の頭部搭載型ディスプレイシステム。
実施例１１．ナノワイヤＬＥＤマイクロディスプレイは、モノクロナノワイヤマイクロＬＥＤの離間されたアレイを共通基板バックプレーン上に備える、実施例１に記載の頭部搭載型ディスプレイシステム。
実施例１２．接眼レンズは、複数の導波管を備え、
導波管は、導波管スタックを形成し、
各導波管は、内部結合光学要素を備え、
上下図に見られるように、内部結合光学要素の空間配列は、異なる離間された位置に限局された異なる導波管の異なる内部結合光学要素を備え、
モノクロナノワイヤマイクロＬＥＤのアレイの空間配列は、内部結合光学要素の空間配列に合致する、
実施例１１に記載の頭部搭載型ディスプレイシステム。
実施例１３．ナノワイヤＬＥＤマイクロディスプレイは、ナノワイヤマイクロＬＥＤのアレイを備え、ナノワイヤマイクロＬＥＤのうちのいくつかは、ナノワイヤマイクロＬＥＤのアレイのその他と異なる原色の光を放出するように構成される、実施例１に記載の頭部搭載型ディスプレイシステム。
実施例１４．頭部搭載型ディスプレイシステムであって、
１つまたはそれを上回る導波管を備える、導波管アセンブリと、
ナノワイヤマイクロＬＥＤのアレイを備える、画像投影システムであって、画像を導波管アセンブリ上に投影するように構成される、画像投影システムと、
を備え、導波管アセンブリの各導波管は、
画像投影システムからの光を導波管の中に内部結合するように構成される、内部結合光学要素と、
内部結合された光を導波管から外に外部結合するように構成される、外部結合光学要素と、
を備え、導波管アセンブリは、外部結合された光を、複数の深度面に対応する、可変波面発散量を伴って、出力するように構成される、頭部搭載型ディスプレイシステム。
実施例１５．ナノワイヤマイクロＬＥＤはそれぞれ、５０°未満の角度放出プロファイルを有する、実施例１４に記載の頭部搭載型ディスプレイシステム。
実施例１６．角度放出プロファイルは、３０～４５°である、実施例１５に記載の頭部搭載型ディスプレイシステム。
実施例１７．ナノワイヤＬＥＤマイクロディスプレイからの光を１つまたはそれを上回る導波管の内部結合光学要素上に収束させるように構成される、投影光学系をさらに備える、実施例１４に記載の頭部搭載型ディスプレイシステム。
実施例１８．光エミッタの個々のものは、複数の原色のうちの１つの光を放出するように構成され、
導波管アセンブリは、複数の導波管のセットを備え、
導波管の各セットは、原色毎に専用導波管を備え、導波管の各セットは、光を、共通深度面に対応する、波面発散を伴って、出力するように構成される、外部結合光学要素を備え、異なる導波管のセットは、光を、異なる深度面に対応する、異なる波面発散量を伴って、出力する、
実施例１４に記載の頭部搭載型ディスプレイシステム。
実施例１９．可変焦点レンズ要素をさらに備え、導波管アセンブリが、第１の可変焦点レンズ要素と第２の可変焦点レンズ要素との間にあって、第１の可変焦点レンズ要素は、導波管アセンブリによって出力された光の波面発散を修正するように構成され、第２の可変焦点レンズ要素は、外界から第２の可変焦点レンズ要素への光の波面発散を修正するように構成される、実施例１４に記載の頭部搭載型ディスプレイシステム。
実施例２０．導波管アセンブリは、導波管のスタックを備える、実施例１４に記載の頭部搭載型ディスプレイシステム。
実施例２１．吸光性カラーフィルタを導波管のうちの少なくともいくつかの主要表面上にさらに備え、導波管の主要表面上の吸光性カラーフィルタは、対応する導波管の中に内部結合された波長の光を吸光するように構成され、導波管は、スタック内に配列される、請求項１４に記載の頭部搭載型ディスプレイシステム。
実施例２２．導波管アセンブリは、導波管のスタックを備え、内部結合光学要素は、光を内部結合するように構成され、内部結合された光は、概して、ある伝搬方向に、関連付けられる導波管を通して伝搬し、内部結合光学要素は、伝搬方向と平行な幅と、伝搬方向に交差する軸に沿った長さとを有する、面積を占有し、長さは、幅を上回る、請求項１４に記載の頭部搭載型ディスプレイシステム。
図１は、ＡＲデバイスを通した拡張現実（ＡＲ）のユーザのビューを図示する。
図２は、ユーザのための３次元画像をシミュレートするための従来のディスプレイシステムを図示する。
図３Ａ－３Ｃは、曲率半径と焦点半径との間の関係を図示する。
図４Ａは、ヒト視覚系の遠近調節－輻輳・開散運動応答の表現を図示する。
図４Ｂは、一対のユーザの眼の異なる遠近調節状態および輻輳・開散運動状態の実施例を図示する。
図４Ｃは、ディスプレイシステムを介してコンテンツを視認するユーザの上下図の表現の実施例を図示する。
図４Ｄは、ディスプレイシステムを介してコンテンツを視認するユーザの上下図の表現の別の実施例を図示する。
図５は、波面発散を修正することによって３次元画像をシミュレートするためのアプローチの側面を図示する。
図６は、画像情報をユーザに出力するための導波管スタックの実施例を図示する。
図７は、導波管によって出力された出射ビームの実施例を図示する。
図８は、スタックされた接眼レンズの実施例を図示し、各深度面は、複数の異なる原色を使用して形成される画像を含む。
図９Ａは、それぞれ、内部結合光学要素を含む、スタックされた導波管のセットの実施例の断面側面図を図示する。
図９Ｂは、図９Ａの複数のスタックされた導波管の実施例の斜視図を図示する。
図９Ｃは、図９Ａおよび９Ｂの複数のスタックされた導波管の実施例の上下平面図を図示する。
図９Ｄは、複数のスタックされた導波管の別の実施例の上下平面図を図示する。
図９Ｅは、内部結合光学要素の構成の別の実施例の上下平面図を図示する。
図９Ｆは、ウェアラブルディスプレイシステムの実施例を図示する。
図１０は、空間光変調器と、別個の光源とを有する、光投影システムを伴う、ウェアラブルディスプレイシステムの実施例を図示する。
図１１Ａは、複数のナノワイヤＬＥＤマイクロディスプレイを有する、光投影システムを伴う、ウェアラブルディスプレイシステムの実施例を図示する。
図１１Ｂは、光エミッタのアレイを伴う、ナノワイヤＬＥＤマイクロディスプレイの実施例の上下平面図を図示する。
図１１Ｃは、ナノワイヤＬＥＤアレイから形成される、図１１ＢのナノワイヤＬＥＤマイクロディスプレイの実施例の断面側面図を図示する。
図１２は、複数のナノワイヤＬＥＤマイクロディスプレイと、関連付けられる光再指向構造とを有する、光投影システムを伴う、ウェアラブルディスプレイシステムの別の実施例を図示する。
図１３Ａは、複数のナノワイヤＬＥＤマイクロディスプレイと、重複し、側方に偏移される、光内部結合光学要素を伴う導波管を有する、接眼レンズとを有する、光投影システムを伴う、ウェアラブルディスプレイシステムの側面図の実施例を図示する。
図１３Ｂは、光を接眼レンズの単一光内部結合面積に指向するように構成される、複数のナノワイヤＬＥＤマイクロディスプレイを有する、光投影システムを伴う、ウェアラブルディスプレイシステムの別の実施例を図示する。
図１４は、単一ナノワイヤＬＥＤマイクロディスプレイを伴う、ウェアラブルディスプレイシステムの実施例を図示する。
図１５は、重複する内部結合光学要素を伴う、導波管のスタックを有する、接眼レンズの実施例の側面図を図示する。
図１６は、導波管間の残影またはクロストークを軽減するためのカラーフィルタを伴う、導波管のスタックの実施例の側面図を図示する。
図１７は、図１５および１６の接眼レンズの上下図の実施例を図示する。
図１８は、図１５および１６の接眼レンズの上下図の別の実施例を図示する。
図１９Ａは、重複し、側方に偏移される、内部結合光学要素を伴う、導波管のスタックを有する、接眼レンズの実施例の側面図を図示する。
図１９Ｂは、導波管間の残影またはクロストークを軽減するためのカラーフィルタを伴う、図１９Ａの接眼レンズの実施例の側面図を図示する。
図２０Ａは、図１９Ａおよび１９Ｂの接眼レンズの上下図の実施例を図示する。
図２０Ｂは、図１９Ａおよび１９Ｂの接眼レンズの上下図の別の実施例を図示する。
図２１は、導波管内の再バウンスの実施例の側面図を図示する。
図２２Ａ－２２Ｃは、再バウンスを低減させるように構成される、内部結合光学要素を有する、接眼レンズの上下図の実施例を図示する。 図２２Ａ－２２Ｃは、再バウンスを低減させるように構成される、内部結合光学要素を有する、接眼レンズの上下図の実施例を図示する。 図２２Ａ－２２Ｃは、再バウンスを低減させるように構成される、内部結合光学要素を有する、接眼レンズの上下図の実施例を図示する。
図２３Ａ－２３Ｃは、再バウンスを低減させるように構成される、内部結合光学要素を有する、接眼レンズの上下図の付加的実施例を図示する。 図２３Ａ－２３Ｃは、再バウンスを低減させるように構成される、内部結合光学要素を有する、接眼レンズの上下図の付加的実施例を図示する。 図２３Ａ－２３Ｃは、再バウンスを低減させるように構成される、内部結合光学要素を有する、接眼レンズの上下図の付加的実施例を図示する。
図２４Ａは、ナノワイヤＬＥＤマイクロディスプレイの個々の光エミッタによって放出される光と、投影光学系によって捕捉された光の角度放出プロファイルの実施例を図示する。
図２４Ｂは、光コリメータのアレイを使用して、角度放出プロファイルの狭化の実施例を図示する。
図２５Ａは、光を投影光学系に指向するためのテーパ状反射性ウェルのアレイの側面図の実施例を図示する。
図２５Ｂは、非対称テーパ状反射性ウェルの側面図の実施例を図示する。
図２６Ａ－２６Ｃは、上層レンズの中心線に対する異なる位置における光エミッタのための光経路における差異の実施例を図示する。
図２７は、上層ナノレンズアレイを伴う、ナノワイヤＬＥＤマイクロディスプレイの個々の光エミッタの側面図の実施例を図示する。
図２８は、図２７のナノワイヤＬＥＤマイクロディスプレイの実施例の斜視図である。
図２９は、図２８のフルカラーナノワイヤＬＥＤマイクロディスプレイを伴う、ウェアラブルディスプレイシステムの実施例を図示する。
図３０Ａは、ナノワイヤＬＥＤマイクロディスプレイと、関連付けられる光コリメータのアレイとを伴う、ウェアラブルディスプレイシステムの実施例を図示する。
図３０Ｂは、それぞれ、関連付けられる光コリメータのアレイを伴う、複数のナノワイヤＬＥＤマイクロディスプレイを伴う、光投影システムの実施例を図示する。
図３０Ｃは、それぞれ、関連付けられる光コリメータのアレイを伴う、複数のナノワイヤＬＥＤマイクロディスプレイを伴う、ウェアラブルディスプレイシステムの実施例を図示する。
図３１Ａおよび３１Ｂは、視認者に対する光の波面発散を変動させるための可変焦点要素を有する、導波管アセンブリの実施例を図示する。
図３２Ａは、光学コンバイナを使用せずに、異なる原色の光を接眼レンズに指向し、異なる色の光を組み合わせる、光投影システムを有する、ウェアラブルディスプレイシステムの実施例を図示する。
図３２Ｂは、光学コンバイナを使用せずに、異なる原色の光を接眼レンズに指向し、異なる色の光を組み合わせる、光投影システムを有する、ウェアラブルディスプレイシステムの別の実施例を図示する。
詳細な説明
拡張現実（ＡＲ）または仮想現実（ＶＲ）システムは、仮想コンテンツをユーザまたは視認者に表示し得る。本コンテンツは、画像情報をユーザの眼に投影する、例えば、アイウェアの一部としての頭部搭載型ディスプレイ上に表示されてもよい。加えて、システムが、ＡＲシステムである場合、ディスプレイはまた、周囲環境からの光をユーザの眼に透過させ、周囲環境のビューを可能にしてもよい。本明細書で使用されるように、「頭部搭載型」または「頭部搭載可能」ディスプレイは、ユーザまたは視認者の頭部上に搭載され得る、ディスプレイであることを理解されたい。
多くの頭部搭載型ディスプレイシステムは、透過性または反射性空間光変調器を利用して、ユーザに提示される、画像を形成する。光源が、光を放出し、これは、空間光変調器に指向され、これは、次いで、光を変調させ、これは、次いで、ユーザに指向される。レンズ構造が、光源と空間光変調器との間に提供され、光源からの光を空間光変調器上に集束させ得る。望ましくないことに、光源および関連光学系は、嵩高性および重量をディスプレイシステムに追加し得る。本嵩高性または重量は、頭部搭載型ディスプレイシステムの快適性および頭部搭載型ディスプレイシステムを長持続時間にわたって装着する能力に悪影響を及ぼし得る。
加えて、いくつかの頭部搭載型ディスプレイシステムのフレームレート限界は、視認不快感を生じさせ得る。いくつかの頭部搭載型ディスプレイシステムは、空間光変調器を使用して、画像を形成する。多くの空間光変調器は、光学要素の移動を利用して、空間光変調器によって出力された光の強度を変調させ、それによって、画像を形成する。例えば、ＭＥＭＳベースの空間光変調器は、可動ミラーを利用して、入射光を変調させ得る一方、ＬＣｏＳベースのディスプレイは、液晶分子の移動を利用して、光を変調させ得る。他のＡＲまたはＶＲシステムは、光ファイバの端部が、光を出力しながら、ある面積を横断して物理的に移動する、走査ファイバディスプレイを利用し得る。光ファイバによって出力された光は、ファイバの端部の位置に伴って、タイミング調整され、それによって、ピクセルを異なる場所に事実上模倣し、それによって、画像を形成する。光ファイバ、ミラー、および液晶分子が、物理的に移動する、要件は、これらの光学要素を使用して、個々のピクセルが、状態を変化させ得る、速度を限定し、また、ディスプレイのフレームレートを制約する。
そのような限界は、例えば、モーションブラーおよび／またはユーザの頭部の配向と表示される画像との間の不整合に起因して、視認不快感を生じさせ得る。例えば、ユーザの頭部の配向の検出と、その配向と一致する画像の提示には、待ち時間が存在し得る。配向を検出することと、画像をユーザに提示することとの間の時間帯に、ユーザの頭部が、移動している場合がある。しかしながら、提示される画像は、異なる配向からのオブジェクトのビューに対応し得る。ユーザの頭部の配向と提示される画像との間のそのような不整合は、不快感（例えば、吐き気）をユーザに生じさせ得る。
加えて、走査ファイバディスプレイは、例えば、望ましい見掛け明度の画像を形成するための高強度光源の使用を要求する、ファイバの小断面に起因して、他の望ましくない光学アーチファクトを提示し得る。好適な高強度光源は、レーザを含み、これは、コヒーレント光を出力する。望ましくないことに、コヒーレント光の使用は、光学アーチファクトを生じさせ得る。
マイクロＬＥＤディスプレイが、上記の空間光変調器および走査ファイバディスプレイのための置換物として提案されている。マイクロＬＥＤディスプレイは、頭部搭載型ディスプレイシステムにおいて使用するための種々の利点を有する。実施例として、マイクロＬＥＤディスプレイは、発光型である。発光型マイクロディスプレイの電力消費は、概して、暗いまたは疎らなコンテンツが、表示するためにより少ない電力を要求するように、画像コンテンツに伴って変動する。ＡＲ環境は、概して、ユーザにその周囲環境が見えることが可能であることが望ましくあり得ることから、多くの場合、疎らであり得るため、発光型マイクロディスプレイは、空間光変調器を使用して、光源からの光を変調させる、他のディスプレイ技術のものを下回る平均電力消費を有し得る。対照的に、他のディスプレイ技術は、暗い、疎らな、または「全てオフの」仮想コンテンツに関しても、実質的電力を利用し得る。別の実施例として、発光型マイクロディスプレイは、著しく高フレームレートをもたらし得（部分分解能アレイの使用を可能にし得る）、低レベルの視覚的に明白な運動アーチファクト（例えば、モーションブラー）を提供し得る。別の実施例として、発光型マイクロディスプレイは、ＬＣｏＳディスプレイによって要求されるタイプの偏光光学系を要求し得ない。したがって、発光型マイクロディスプレイは、偏光光学系内に存在する光学損失を回避し得る。
多くのマイクロＬＥＤディスプレイは、基板上に形成される、平面光エミッタを含む。着目すべきこととして、光エミッタは、ランバート反射光放出プロファイルを有し得、光エミッタの表面積にわたって、光を放出し得る。そのようなマイクロＬＥＤディスプレイは、いくつかの構成では、短所を有し得る。例えば、ある場合には、光学系が、光放出プロファイルを狭化し、放出される光の多くがユーザに指向され、それによって、より高いエネルギー効率を提供することを可能にするために利用され得る。そのような光学系は、マイクロＬＥＤディスプレイを利用する、ディスプレイシステムの複雑性および費用を追加し得る。加えて、製造および電気上の考慮点のため、光エミッタのサイズの減少は、制約され得、光エミッタサイズの低減（およびピクセル密度および分解能の関連増加）は、困難であり得る。例えば、いくつかのマイクロＬＥＤベースのマイクロディスプレイは、約２～約３ミクロンのピクセルピッチを可能にし得る。そのようなピクセルピッチでさえ、所望のピクセルの数を提供するために、マイクロＬＥＤディスプレイは、特に、そのようなシステムのための目標が、眼鏡のものに類似する形状因子およびサイズを有することであり得るため、依然として、望ましくないことに、ウェアラブルディスプレイシステムにおいて使用するために大きくなり得る。加えて、光エミッタの明度は、高電流密度に耐えるその能力によって限定され得る。
本明細書に説明される種々の実施形態は、ナノワイヤＬＥＤマイクロディスプレイを利用し、これは、マイクロＬＥＤディスプレイ全般の利点を提供する一方、光指向性、明度、ピクセル密度の増加のための高スケーラビリティ、改良された色正確度（例えば、高レベルの赤色光を提供することによって）、および高製造スループットのうちの１つまたはそれを上回るものに関するさらなる利点を提供し得る。例えば、ナノワイヤマイクロＬＥＤディスプレイは、ミクロンサイズピクセルに至るまで電気／光変換効率を維持し得、これは、効率が、例えば、１０～２０ミクロンを下回って急減し得る、平面マイクロＬＥＤ設計に優る利点である。結果として、高度に効率的かつ著しく高分解能のナノワイヤＬＥＤアレイが、形成され得る。さらに、ナノワイヤＬＥＤは、内蔵放出プロファイル指向性および操向をもたらし得、これは、ナノワイヤＬＥＤの物理的設計および組成に基づいて選択され得る。これは、指向性および操向のための付加的光学系が回避され得るため、ナノワイヤＬＥＤを利用する、ディスプレイシステムのシステムアーキテクチャおよび製造を簡略化することができる。さらに、いくつかの実施形態では、指向性および操向のための付加的光学系を省略することによって、ナノワイヤＬＥＤアレイは、付加的光学系とインターフェースをとるためにナノワイヤを設計およびグループ化する制約を伴わずに、ナノワイヤＬＥＤでポピュレートされ得る。結果として、より高いナノワイヤ密度、したがって、光出力が、マイクロディスプレイのサイズを変化させずに、達成され得る。ナノワイヤマイクロＬＥＤアレイを有する、マイクロディスプレイの使用は、ＡＲおよびＶＲウェアラブルディスプレイシステムのための高度にコンパクトな形状因子の視認光学アセンブリ（ＶＯＡ）を有効にする。いくつかの実施形態では、ＶＯＡは、ナノワイヤＬＥＤマイクロディスプレイと、マイクロＬＥＤディスプレイからの光をユーザの眼に中継するための接眼レンズとを含んでもよい。有利なこととして、そのようなディスプレイシステムは、広視野にわたって、高画質メトリックおよび色均一性を伴って、電力効率的様式において、高明度を送達し得る。
ナノワイヤＬＥＤは、２つの電極に電気的に接続される、垂直に延在するナノワイヤ（例えば、材料の離間された柱）のアレイから形成されてもよいことを理解されたい。ナノワイヤは、ナノワイヤを通した電流の印加に応じて、光を放出する。いくつかの実施形態では、ナノワイヤは、ＰおよびＮ部分を伴う、ダイオードと見なされ得る。
ナノワイヤはまた、典型的平面ＬＥＤより大きい発光表面積を伴う、３次元ＬＥＤデバイスと見なされ得る。例えば、１μｍ×１μｍ平面ＬＥＤは、１μｍ２アクティブエミッタ面積を有するが、実施例として、それぞれ、１μｍの高さおよび１００ｎｍの直径である、同一１μｍ２占有面積内に成長させられた２５本のナノワイヤのグループは、２５×（π×０．１×１）＝８μｍ２の総アクティブ面積を有し得、これは、平面ＬＥＤの発光面積の８倍である。ＬＥＤ「ピクセル」のための表面積対体積比の本増加は、ナノワイヤＬＥＤの光出力を向上させ得る。本向上は、ナノワイヤＬＥＤピクセルが、非常に微細なピクセルピッチ動作に関しても、高明度出力を維持することを可能にし得る。いくつかの実施形態では、放出される光の性質（波長、外部量子効率、指向性）もまた、限定ではないが、材料およびドーパント、寸法、幾何学形状、構造、屈折率等のナノワイヤパラメータの選択肢によって調整されてもよい。例えば、ナノワイヤの幾何学的形状、サイズ、および間隔は、光放出プロファイルに所望の指向性を提供するように選択されてもよい。
加えて、ナノワイヤは、ともにグループ化され、ピクセルを形成してもよい。例えば、共通接点または電極が、１つまたはそれを上回るナノワイヤが、ピクセルまたは離散光エミッタを形成するために使用されてもよい。各ナノワイヤは、例えば、１００ｎｍ～数百ナノメートルの直径を有し得るため、ピクセルサイズおよびピッチは、ナノワイヤのグループ毎に、共通電極のサイズによって決定されてもよい。例えば、ナノワイヤは、ナノワイヤダイオードのグループのＮおよびＰ部分によって共有される、電気接点によって画定される、ピクセルにグループ化されてもよい。したがって、ピクセルサイズおよびピッチは、電極のサイズに基づいて、著しく小さくされてもよい。結果として、ミクロンまたはサブミクロンピッチのピクセルが、達成され得る。いくつかの実施形態では、ピクセルピッチは、２μｍまたはそれ未満、１μｍまたはそれ未満、または８００ｎｍまたはそれ未満である。いくつかの実施形態では、ピクセルピッチは、２００ｎｍ～２μｍ、２００ｎｍ～１μｍ、または２００～８００ｎｍの範囲内であってもよい。本明細書に説明されるように、ピクセルピッチは、特定の軸（例えば、側方軸）に沿って直接隣接する光エミッタ上の類似点間の距離を指し得、異なる軸は、その独自のピクセルピッチを有する。例えば、いくつかの実施形態では、光エミッタは、第１の軸に沿って、第２の軸（例えば、直交軸）に沿ってより近接して設置されてもよい。
加えて、ナノワイヤＬＥＤの種々の物理的性質は、有利なこととして、非常に優れた発光性質を提供し得る。例えば、ナノワイヤＬＥＤは、低不整合転位を伴って形成され得、平面ＬＥＤより高い電流密度値に耐え、それによって、より高いレベルの光出力を可能にし得る。加えて、赤色光を放出する、ナノワイヤＬＥＤは、Ｇａナノワイヤの強インジウムドーピングによって形成されてもよいことを理解されたい。しかしながら、そのようなドーピングは、そのようなナノワイヤＬＥＤの発光効率を減少させる、結晶格子不整合を生じさせ得る。ナノワイヤは、基板を横断して疎らに分散され得るため、低レベルの蓄積された結晶格子不整合（例えば、ナノワイヤのＩｎＮおよびＧａＮベースの部分間の不整合）が、生じ得、これは、赤色ＬＥＤを形成するための利点を有し得る。低レベルの格子不整合は、ＬＥＤに高光出力効率を提供する。結果として、高レベルの赤色光出力が、達成され得、これは、高色正確度を伴ってディスプレイを形成するための利点を有し得る。
加えて、ナノワイヤＬＥＤは、例えば、所望の色の光出力のための所望の電子バンドギャップ調整を提供するために利用される、インジウムドーピングとともに、ナノワイヤおよび関連電極を形成するために、半導体製造プロセスを使用して形成されてもよい。さらに、半導体基板上へのナノワイヤＬＥＤの形成は、ＣＭＯＳバックプレーンとのプロセス互換性を可能にする（例えば、ウエハ間接合またはフリップチップ接合を介して）。半導体製造プロセスは、高収率製造結果において、高スループットを提供し得ることを理解されたい。
いくつかの実施形態では、１つまたはそれを上回るナノワイヤＬＥＤマイクロディスプレイが、頭部搭載型ディスプレイシステムのための画像を形成するために利用されてもよい。これらの画像を形成するための画像情報を含有する、光は、画像光と称され得る。画像光は、例えば、波長、強度、偏光等が変動し得ることを理解されたい。ナノワイヤＬＥＤマイクロディスプレイは、画像光を接眼レンズに向かって出力し、これは、次いで、光をユーザの眼に中継する。
いくつかの実施形態では、１つまたはそれを上回るナノワイヤＬＥＤマイクロディスプレイが、利用され、光学コンバイナ、例えば、Ｘ－立方体プリズムまたはダイクロイックＸ－立方体の異なる側に位置付けられてもよい。Ｘ－立方体プリズムは、光線を立方体の異なる面上の異なるマイクロディスプレイから受光し、異なるマイクロディスプレイからの光線を立方体の別の面から外に出力する。異なるマイクロディスプレイの全てからの光線は、立方体の同一出力面から出力され得る。出力された光は、画像光を接眼レンズ上に収束または集束させるように構成される、投影光学系に向かって指向されてもよい。
いくつかの実施形態では、１つまたはそれを上回るナノワイヤＬＥＤマイクロディスプレイは、モノクロマイクロディスプレイを含み、これは、単一原色の光を出力するように構成される。種々の原色を組み合わせることは、フルカラー画像を形成する。いくつかの他の実施形態では、ナノワイヤＬＥＤマイクロディスプレイのうちの１つまたはそれを上回るものは、ディスプレイシステムによって利用される原色のうちの２つまたはそれを上回るが、全てではない、光を放出するように構成される、サブピクセルを有してもよい。例えば、単一ナノワイヤＬＥＤマイクロディスプレイは、青色および緑色の色の光を放出する、サブピクセルを有してもよい一方、Ｘ－立方体の異なる面上の別個のナノワイヤＬＥＤマイクロディスプレイは、赤色光を放出するように構成される、ピクセルを有してもよい。いくつかの実施形態では、１つまたはそれを上回るマイクロディスプレイはそれぞれ、例えば、異なる原色の光を放出するように構成される、複数のサブピクセルから形成されるピクセルを含む、フルカラーディスプレイである。有利なこととして、複数のフルカラーマイクロディスプレイの光を組み合わせることは、ディスプレイ明度およびダイナミックレンジを増加させ得る。
ナノワイヤＬＥＤマイクロディスプレイは、光エミッタのアレイを含んでもよいことを理解されたい。好ましくは、本明細書に議論されるように、ナノワイヤＬＥＤを形成する、ナノワイヤの組成および幾何学的形状、サイズ、および間隔は、所望の角度拡張を有する、所望の光放出プロファイルを提供するように選択される。
それにもかかわらず、いくつかの実施形態では、ナノワイヤＬＥＤは、所望より大きい角度放出プロファイルを伴う、光を放出し得る。望ましくないことに、そのような角度放出プロファイルは、放出される光のわずかな部分のみが、最終的に、接眼レンズ上に入射し得るため、光を「無駄」にし得る。いくつかの実施形態では、光コリメータが、ナノワイヤＬＥＤ光エミッタによって放出される光の角度放出プロファイルを狭化するために利用されてもよい。本明細書で使用されるように、光コリメータは、光学構造であって、これは、入射光の角度放出プロファイルを狭化する。すなわち、光コリメータは、比較的に広初期角度放出プロファイルを伴う、関連付けられる光エミッタからの光を受光し、その光を、広い初期角度放出プロファイルより狭い角度放出プロファイルを伴って出力する。いくつかの実施形態では、光コリメータから出射する光の光線は、コリメータを通して透過され、そこから出射する前に、光コリメータによって受光された、光の光線より平行である。光コリメータの実施例は、マイクロレンズ、ナノレンズ、反射性ウェル、メタ表面、および液晶格子を含む。いくつかの実施形態では、光コリメータは、光を操向し、最終的に、異なる側方に偏移される光結合光学要素上に収束させるように構成されてもよい。いくつかの実施形態では、各光エミッタは、専用の光コリメータを有する。光コリメータは、好ましくは、光エミッタに直接隣接または接触して位置付けられ、関連付けられる光エミッタによって放出される光の大割合を捕捉する。
いくつかの実施形態では、単一のナノワイヤＬＥＤマイクロディスプレイが、光を接眼レンズに出力するために利用されてもよい。例えば、単一のナノワイヤＬＥＤマイクロディスプレイは、異なる原色の光を放出する、光エミッタを含む、フルカラーディスプレイであってもよい。いくつかの実施形態では、光エミッタは、共通面積内に限局されたグループを形成してもよく、各グループは、各原色の光を放出する、光エミッタを含む。そのような実施形態では、光エミッタの各グループは、共通マイクロレンズを共有してもよい。有利なこととして、異なる光エミッタからの異なる色の光は、マイクロレンズを通して異なる経路を辿り、これは、本明細書に議論されるように、接眼レンズの異なる内部結合光学要素上に入射する、異なる原色の光で現れ得る。
いくつかの実施形態では、フルカラーマイクロディスプレイは、同一原色の光エミッタの繰り返しグループを含んでもよい。例えば、マイクロディスプレイは、光エミッタの行を含んでもよく、各個々の行の光エミッタは、同一色の光を放出するように構成される。したがって、異なる行は、異なる原色の光を放出してもよい。加えて、マイクロディスプレイは、光を接眼レンズ上の所望の場所、例えば、関連付けられる内部結合光学要素に指向するように構成される、光コリメータの関連付けられるアレイを有してもよい。有利なこととして、そのようなフルカラーマイクロディスプレイの個々の光エミッタは、直接、マイクロディスプレイ上で視認されるように、高品質フルカラー画像を形成するように位置付けられ得ないが、レンズアレイは、光エミッタからの光を接眼レンズに適切に操向し、これは、異なる色の光エミッタによって形成されるモノクロ画像を組み合わせ、それによって、高品質フルカラー画像を形成する。
いくつかの実施形態では、ナノワイヤＬＥＤマイクロディスプレイからの画像光を受光する、接眼レンズは、導波管アセンブリを含んでもよい。その上に画像光が入射する、導波管アセンブリの導波管の面積は、光が、全内部反射（ＴＩＲ）によって、導波管を通して伝搬するように、入射画像光を内部結合する、内部結合光学要素を含んでもよい。いくつかの実施形態では、導波管アセンブリは、それぞれ、関連付けられる内部結合光学要素を有する、導波管のスタックを含んでもよい。異なる内部結合光学要素は、異なる導波管が、異なる色の光をその中に伝搬するように構成され得るように、異なる色の光を内部結合するように構成されてもよい。導波管は、外部結合された光が、ユーザの眼に向かって伝搬するように、その中に伝搬する光を外部結合する、外部結合光学要素を含んでもよい。いくつかの実施形態では、導波管アセンブリは、複数の異なる原色の光を内部結合するように構成される、関連付けられる内部結合光学要素を有する、単一導波管を含んでもよい。
いくつかの実施形態では、内部結合光学要素は、投影光学系から見られるように、側方に偏移される。異なる内部結合光学要素は、異なる色の光を内部結合するように構成されてもよい。好ましくは、異なる色の画像光は、接眼レンズまでの異なる経路を辿り、したがって、異なる対応する内部結合光学要素上に衝突する。
いくつかの実施形態では、画像光をユーザの眼に中継するための他のタイプの接眼レンズまたは光学系が、利用されてもよい。例えば、本明細書に議論されるように、接眼レンズは、１つまたはそれを上回る導波管を含んでもよく、これは、ＴＩＲによって、画像光をその中に伝搬する。別の実施例として、接眼レンズは、画像光を視認者に指向することと、周囲環境のビューを可能にすることとの両方を行う、半透明ミラーを含む、水盤鏡コンバイナを含んでもよい。
いくつかの実施形態では、接眼レンズは、異なる量の波面発散を伴う光を選択的に出力し、ユーザから離れた異なる距離にあるように知覚される仮想コンテンツを１つまたはそれを上回る仮想深度面（本明細書では、単に、「深度面」とも称される）を提供するように構成されてもよい。例えば、接眼レンズは、それぞれ、異なる量の波面発散を伴う光を出力するための異なる屈折力を伴う、外部結合光学要素を有する、１つまたはそれを上回る導波管を含んでもよい。いくつかの実施形態では、可変焦点要素が、接眼レンズとユーザの眼との間に提供されてもよい。可変焦点要素は、屈折力を動的に変化させ、特定の仮想コンテンツのために所望の波面発散を提供するように構成されてもよい。いくつかの実施形態では、屈折力を提供するための導波管光学構造の代替として、またはそれに加え、ディスプレイシステムはまた、屈折力を提供する、または加えて提供する、１つまたはそれを上回るレンズを含んでもよい。
ここで、同様の参照番号が全体を通して同様の部分を指す、図面を参照する。別様に示されない限り、図面は、概略であって、必ずしも、正確な縮尺で描かれていない。
図２は、ユーザのための３次元画像をシミュレートするための従来のディスプレイシステムを図示する。ユーザの眼は、離間されており、空間内の実オブジェクトを見ているとき、各眼は、オブジェクトの若干異なるビューを有し、オブジェクトの画像を各眼の網膜上の異なる場所に形成し得ることを理解されたい。これは、両眼視差と称され得、ヒト視覚系によって、深度の知覚を提供するために利用され得る。従来のディスプレイシステムは、仮想オブジェクトが所望の深度における実オブジェクトであるように各眼によって見えるであろう仮想オブジェクトのビューに対応する、眼２１０、２２０毎に１つの同一仮想オブジェクトの若干異なるビューを伴う２つの明確に異なる画像１９０、２００を提示することによって、両眼視差をシミュレートする。これらの画像は、ユーザの視覚系が深度の知覚を導出するために解釈し得る、両眼キューを提供する。
図２を継続して参照すると、画像１９０、２００は、ｚ－軸上で距離２３０だけ眼２１０、２２０から離間される。ｚ－軸は、その眼が視認者の直前の光学無限遠におけるオブジェクトを固視している状態の視認者の光学軸と平行である。画像１９０、２００は、平坦であって、眼２１０、２２０から固定距離にある。それぞれ、眼２１０、２２０に提示される画像内の仮想オブジェクトの若干異なるビューに基づいて、眼は、必然的に、オブジェクトの画像が眼のそれぞれの網膜上の対応する点に来て、単一両眼視を維持するように回転し得る。本回転は、眼２１０、２２０のそれぞれの視線を仮想オブジェクトが存在するように知覚される空間内の点上に収束させ得る。その結果、３次元画像の提供は、従来、ユーザの眼２１０、２２０の輻輳・開散運動を操作し得、ヒト視覚系が深度の知覚を提供するように解釈する、両眼キューを提供することを伴う。
しかしながら、深度の現実的かつ快適な知覚の生成は、困難である。眼からの異なる距離におけるオブジェクトからの光は、異なる発散量を伴う波面を有することを理解されたい。図３Ａ－３Ｃは、距離と光線の発散との間の関係を図示する。オブジェクトと眼２１０との間の距離は、減少距離Ｒ１、Ｒ２、およびＲ３の順序で表される。図３Ａ－３Ｃに示されるように、光線は、オブジェクトまでの距離が減少するにつれてより発散する。逆に言えば、距離が増加するにつれて、光線は、よりコリメートされる。換言すると、点（オブジェクトまたはオブジェクトの一部）によって生成されるライトフィールドは、点がユーザの眼から離れている距離の関数である、球状波面曲率を有すると言え得る。曲率は、オブジェクトと眼２１０との間の距離の減少に伴って増加する。単眼２１０のみが、例証を明確にするために、図３Ａ－３Ｃおよび本明細書の種々の他の図に図示されるが、眼２１０に関する議論は、視認者の両眼２１０および２２０に適用され得る。
図３Ａ－３Ｃを継続して参照すると、視認者の眼が固視しているオブジェクトからの光は、異なる波面発散度を有し得る。異なる波面発散量に起因して、光は、眼の水晶体によって異なるように集束され得、これは、ひいては、水晶体に、異なる形状をとり、集束された画像を眼の網膜上に形成することを要求し得る。集束された画像が、網膜上に形成されない場合、結果として生じる網膜ぼけは、集束された画像が網膜上に形成されるまで、眼の水晶体の形状に変化を生じさせる、遠近調節のためのキューとして作用する。例えば、遠近調節のためのキューは、眼の水晶体を囲繞する毛様筋の弛緩または収縮をトリガし、それによって、水晶体を保持する提靱帯に印加される力を変調し、したがって、固視されているオブジェクトの網膜ぼけが排除または最小限にされるまで、眼の水晶体の形状を変化させ、それによって、固視されているオブジェクトの集束された画像を眼の網膜（例えば、中心窩）上に形成し得る。眼の水晶体が形状を変化させるプロセスは、遠近調節と称され得、固視されているオブジェクトの集束された画像を眼の網膜（例えば、中心窩）上に形成するために要求される眼の水晶体の形状は、遠近調節状態と称され得る。
ここで図４Ａを参照すると、ヒト視覚系の遠近調節－輻輳・開散運動応答の表現が、図示される。オブジェクトを固視するための眼の移動は、眼にオブジェクトからの光を受光させ、光は、画像を眼の網膜のそれぞれ上に形成する。網膜上に形成される画像内の網膜ぼけの存在は、遠近調節のためのキューを提供し得、網膜上の画像の相対的場所は、輻輳・開散運動のためのキューを提供し得る。遠近調節するためのキューは、遠近調節を生じさせ、眼の水晶体がオブジェクトの集束された画像を眼の網膜（例えば、中心窩）上に形成する特定の遠近調節状態をとる結果をもたらす。一方、輻輳・開散運動のためのキューは、各眼の各網膜上に形成される画像が単一両眼視を維持する対応する網膜点にあるように、輻輳・開散運動移動（眼の回転）を生じさせる。これらの位置では、眼は、特定の輻輳・開散運動状態をとっていると言え得る。図４Ａを継続して参照すると、遠近調節は、眼が特定の遠近調節状態を達成するプロセスであると理解され得、輻輳・開散運動は、眼が特定の輻輳・開散運動状態を達成するプロセスであると理解され得る。図４Ａに示されるように、眼の遠近調節および輻輳・開散運動状態は、ユーザが別のオブジェクトを固視する場合、変化し得る。例えば、遠近調節された状態は、ユーザがｚ－軸上の異なる深度における新しいオブジェクトを固視する場合、変化し得る。
理論によって限定されるわけではないが、オブジェクトの視認者は、輻輳・開散運動および遠近調節の組み合わせに起因して、オブジェクトを「３次元」であると知覚し得ると考えられる。上記に記載されるように、２つの眼の相互に対する輻輳・開散運動移動（例えば、瞳孔が相互に向かって、またはそこから移動し、眼の視線を収束させ、オブジェクトを固視するような眼の回転）は、眼の水晶体の遠近調節と密接に関連付けられる。正常条件下、焦点を１つのオブジェクトから異なる距離における別のオブジェクトに変化させるための眼の水晶体の焦点の変化は、「遠近調節－輻輳・開散運動反射」として知られる関係下、同一距離への輻輳・開散運動の合致する変化を自動的に生じさせるであろう。同様に、輻輳・開散運動の変化は、正常条件下、水晶体形状における合致する変化を誘起するであろう。
ここで図４Ｂを参照すると、眼の異なる遠近調節および輻輳・開散運動状態の実施例が、図示される。対の眼２２２ａは、光学無限遠におけるオブジェクトを固視する一方、対の眼２２２ｂは、光学無限遠未満におけるオブジェクト２２１を固視する。着目すべきこととして、各対の眼の輻輳・開散運動状態は、異なり、対の眼２２２ａは、まっすぐ指向される一方、対の眼２２２は、オブジェクト２２１上に収束する。各対の眼２２２ａおよび２２２ｂを形成する眼の遠近調節状態もまた、水晶体２１０ａ、２２０ａの異なる形状によって表されるように異なる。
望ましくないことに、従来の「３－Ｄ」ディスプレイシステムの多くのユーザは、これらのディスプレイにおける遠近調節と輻輳・開散運動状態との間の不整合に起因して、そのような従来のシステムを不快であると見出す、または奥行感を全く知覚しない場合がある。上記に記載されるように、多くの立体視または「３－Ｄ」ディスプレイシステムは、若干異なる画像を各眼に提供することによって、場面を表示する。そのようなシステムは、それらが、とりわけ、単に、場面の異なる提示を提供し、眼の輻輳・開散運動状態に変化を生じさせるが、それらの眼の遠近調節状態に対応する変化を伴わないため、多くの視認者にとって不快である。むしろ、画像は、眼が全ての画像情報を単一遠近調節状態において視認するように、ディスプレイによって眼から固定距離に示される。そのような配列は、遠近調節状態における整合する変化を伴わずに輻輳・開散運動状態に変化を生じさせることによって、「遠近調節－輻輳・開散運動反射」に逆らう。本不整合は、視認者不快感を生じさせると考えられる。遠近調節と輻輳・開散運動との間のより良好な整合を提供する、ディスプレイシステムは、３次元画像のより現実的かつ快適なシミュレーションを形成し得る。
理論によって限定されるわけではないが、ヒトの眼は、典型的には、有限数の深度面を解釈し、深度知覚を提供することができると考えられる。その結果、知覚された深度の高度に真実味のあるシミュレーションが、眼にこれらの限定数の深度面のそれぞれに対応する画像の異なる提示を提供することによって達成され得る。いくつかの実施形態では、異なる提示は、輻輳・開散運動のためのキューおよび遠近調節するための整合するキューの両方を提供し、それによって、生理学的に正しい遠近調節－輻輳・開散運動整合を提供してもよい。
図４Ｂを継続して参照すると、眼２１０、２２０からの空間内の異なる距離に対応する、２つの深度面２４０が、図示される。所与の深度面２４０に関して、輻輳・開散運動キューが、眼２１０、２２０毎に適切に異なる視点の画像を表示することによって提供されてもよい。加えて、所与の深度面２４０に関して、各眼２１０、２２０に提供される画像を形成する光は、その深度面２４０の距離におけるある点によって生成されたライトフィールドに対応する波面発散を有してもよい。
図示される実施形態では、点２２１を含有する、深度面２４０のｚ－軸に沿った距離は、１ｍである。本明細書で使用されるように、ｚ－軸に沿った距離または深度は、ユーザの眼の射出瞳に位置するゼロ点を用いて測定されてもよい。したがって、１ｍの深度に位置する深度面２４０は、眼が光学無限遠に向かって指向される状態におけるそれらの眼の光学軸上のユーザの眼の射出瞳から１ｍ離れた距離に対応する。近似値として、ｚ－軸に沿った深度または距離は、ユーザの眼の正面のディスプレイ（例えば、導波管の表面）から測定され、デバイスとユーザの眼の射出瞳との間の距離に関する値が加えられてもよい。その値は、瞳距離と呼ばれ、ユーザの眼の射出瞳と眼の正面のユーザによって装着されるディスプレイとの間の距離に対応し得る。実際は、瞳距離に関する値は、概して、全ての視認者に関して使用される、正規化された値であってもよい。例えば、瞳距離は、２０ｍｍであると仮定され得、１ｍの深度における深度面は、ディスプレイの正面の９８０ｍｍの距離にあり得る。
ここで図４Ｃおよび４Ｄを参照すると、整合遠近調節－輻輳・開散運動距離および不整合遠近調節－輻輳・開散運動距離の実施例が、それぞれ、図示される。図４Ｃに図示されるように、ディスプレイシステムは、仮想オブジェクトの画像を各眼２１０、２２０に提供してもよい。画像は、眼２１０、２２０に、眼が深度面２４０上の点１５上に収束する、輻輳・開散運動状態をとらせ得る。加えて、画像は、その深度面２４０における実オブジェクトに対応する波面曲率を有する光によって形成され得る。その結果、眼２１０、２２０は、画像がそれらの眼の網膜上に合焦された遠近調節状態をとる。したがって、ユーザは、仮想オブジェクトを深度面２４０上の点１５にあるように知覚し得る。
眼２１０、２２０の遠近調節および輻輳・開散運動状態はそれぞれ、ｚ－軸上の特定の距離と関連付けられることを理解されたい。例えば、眼２１０、２２０からの特定の距離におけるオブジェクトは、それらの眼に、オブジェクトの距離に基づいて、特定の遠近調節状態をとらせる。特定の遠近調節状態と関連付けられる距離は、遠近調節距離Ａｄと称され得る。同様に、特定の輻輳・開散運動状態または相互に対する位置における眼と関連付けられる特定の輻輳・開散運動距離Ｖｄが、存在する。遠近調節距離および輻輳・開散運動距離が整合する場合、遠近調節と輻輳・開散運動との間の関係は、生理学的に正しいと言え得る。これは、視認者のために最も快適なシナリオと見なされる。
しかしながら、立体視ディスプレイでは、遠近調節距離および輻輳・開散運動距離は、常時、整合しない場合がある。例えば、図４Ｄに図示されるように、眼２１０、２２０に表示される画像は、深度面２４０に対応する波面発散を伴って表示され得、眼２１０、２２０は、その深度面上の点１５ａ、１５ｂが合焦する、特定の遠近調節状態をとり得る。しかしながら、眼２１０、２２０に表示される画像は、眼２１０、２２０を深度面２４０上に位置しない点１５上に収束させる、輻輳・開散運動のためのキューを提供し得る。その結果、いくつかの実施形態では、遠近調節距離は、眼２１０、２２０の射出瞳から深度面２４０までの距離に対応する一方、輻輳・開散運動距離は、眼２１０、２２０の射出瞳から点１５までのより大きい距離に対応する。遠近調節距離は、輻輳・開散運動距離と異なる。その結果、遠近調節－輻輳・開散運動不整合が存在する。そのような不整合は、望ましくないと見なされ、不快感をユーザに生じさせ得る。不整合は、距離（例えば、Ｖｄ－Ａｄ）に対応し、ジオプタを使用して特徴付けられ得ることを理解されたい。
いくつかの実施形態では、同一参照点が遠近調節距離および輻輳・開散運動距離のために利用される限り、眼２１０、２２０の射出瞳以外の参照点が、遠近調節－輻輳・開散運動不整合を決定するための距離を決定するために利用されてもよいことを理解されたい。例えば、距離は、角膜から深度面まで、網膜から深度面まで、接眼レンズ（例えば、ディスプレイデバイスの導波管）から深度面まで等で測定され得る。
理論によって限定されるわけではないが、ユーザは、不整合自体が有意な不快感を生じさせずに、依然として、最大約０．２５ジオプタ、最大約０．３３ジオプタ、および最大約０．５ジオプタの遠近調節－輻輳・開散運動不整合が生理学的に正しいとして知覚し得ると考えられる。いくつかの実施形態では、本明細書に開示されるディスプレイシステム（例えば、ディスプレイシステム２５０、図６）は、約０．５ジオプタまたはそれ未満の遠近調節－輻輳・開散運動不整合を有する画像を視認者に提示する。いくつかの他の実施形態では、ディスプレイシステムによって提供される画像の遠近調節－輻輳・開散運動不整合は、約０．３３ジオプタまたはそれ未満である。さらに他の実施形態では、ディスプレイシステムによって提供される画像の遠近調節－輻輳・開散運動不整合は、約０．２５ジオプタまたはそれ未満であって、約０．１ジオプタまたはそれ未満を含む。
図５は、波面発散を修正することによって、３次元画像をシミュレートするためのアプローチの側面を図示する。ディスプレイシステムは、画像情報でエンコードされた光７７０を受光し、その光をユーザの眼２１０に出力するように構成される、導波管２７０を含む。導波管２７０は、所望の深度面２４０上のある点によって生成されたライトフィールドの波面発散に対応する定義された波面発散量を伴って光６５０を出力してもよい。いくつかの実施形態では、同一量の波面発散が、その深度面上に提示される全てのオブジェクトのために提供される。加えて、ユーザの他方の眼は、類似導波管からの画像情報を提供され得るように図示されるであろう。
いくつかの実施形態では、単一導波管が、単一または限定数の深度面に対応する設定された波面発散量を伴う光を出力するように構成されてもよく、および／または導波管は、限定された範囲の波長の光を出力するように構成されてもよい。その結果、いくつかの実施形態では、複数またはスタックの導波管が、異なる深度面のための異なる波面発散量を提供し、および／または異なる範囲の波長の光を出力するために利用されてもよい。本明細書で使用されるように、深度面は、平面であり得る、または湾曲表面の輪郭に追従し得ることを理解されたい。
図６は、画像情報をユーザに出力するための導波管スタックの実施例を図示する。ディスプレイシステム２５０は、複数の導波管２７０、２８０、２９０、３００、３１０を使用して、３次元知覚を眼／脳に提供するために利用され得る、導波管のスタックまたはスタックされた導波管アセンブリ２６０を含む。ディスプレイシステム２５０は、いくつかの実施形態では、ライトフィールドディスプレイと見なされてもよいことを理解されたい。加えて、導波管アセンブリ２６０はまた、接眼レンズとも称され得る。
いくつかの実施形態では、ディスプレイシステム２５０は、輻輳・開散運動するための実質的に連続キューおよび遠近調節するための複数の離散キューを提供するように構成されてもよい。輻輳・開散運動のためのキューは、異なる画像をユーザの眼のそれぞれに表示することによって提供されてもよく、遠近調節のためのキューは、選択可能離散量の波面発散を伴う画像を形成する光を出力することによって提供されてもよい。換言すると、ディスプレイシステム２５０は、可変レベルの波面発散を伴う光を出力するように構成されてもよい。いくつかの実施形態では、波面発散の各離散レベルは、特定の深度面に対応し、導波管２７０、２８０、２９０、３００、３１０のうちの特定の１つによって提供されてもよい。
図６を継続して参照すると、導波管アセンブリ２６０はまた、複数の特徴３２０、３３０、３４０、３５０を導波管の間に含んでもよい。いくつかの実施形態では、特徴３２０、３３０、３４０、３５０は、１つまたはそれを上回るレンズであってもよい。導波管２７０、２８０、２９０、３００、３１０および／または複数のレンズ３２０、３３０、３４０、３５０は、種々のレベルの波面曲率または光線発散を用いて、画像情報を眼に送信するように構成されてもよい。各導波管レベルは、特定の深度面と関連付けられてもよく、その深度面に対応する画像情報を出力するように構成されてもよい。画像投入デバイス３６０、３７０、３８０、３９０、４００は、導波管のための光源として機能してもよく、画像情報を導波管２７０、２８０、２９０、３００、３１０の中に投入するために利用されてもよく、それぞれ、本明細書に説明されるように、眼２１０に向かって出力するために、各個別の導波管を横断して入射光を分散させるように構成されてもよい。光は、画像投入デバイス３６０、３７０、３８０、３９０、４００の出力表面４１０、４２０、４３０、４４０、４５０から出射し、導波管２７０、２８０、２９０、３００、３１０の対応する入力表面４６０、４７０、４８０、４９０、５００の中に投入される。いくつかの実施形態では、入力表面４６０、４７０、４８０、４９０、５００はそれぞれ、対応する導波管の縁であってもよい、または対応する導波管の主要表面の一部（すなわち、世界５１０または視認者の眼２１０に直接面する導波管表面のうちの１つ）であってもよい。いくつかの実施形態では、光の単一ビーム（例えば、コリメートされたビーム）が、各導波管の中に投入され、特定の導波管と関連付けられる深度面に対応する特定の角度（および発散量）において眼２１０に向かって指向される、クローン化されるコリメートされたビームの場全体を出力してもよい。いくつかの実施形態では、画像投入デバイス３６０、３７０、３８０、３９０、４００のうちの単一の１つは、複数（例えば、３つ）の導波管２７０、２８０、２９０、３００、３１０と関連付けられ、その中に光を投入してもよい。
いくつかの実施形態では、画像投入デバイス３６０、３７０、３８０、３９０、４００はそれぞれ、対応する導波管２７０、２８０、２９０、３００、３１０の中への投入のための画像情報をそれぞれ生成する、離散ディスプレイである。いくつかの他の実施形態では、画像投入デバイス３６０、３７０、３８０、３９０、４００は、例えば、１つまたはそれを上回る光学導管（光ファイバケーブル等）を介して、画像情報を画像投入デバイス３６０、３７０、３８０、３９０、４００のそれぞれに送り得る、単一の多重化されたディスプレイの出力端である。画像投入デバイス３６０、３７０、３８０、３９０、４００によって提供される画像情報は、異なる波長または色（例えば、本明細書に議論されるように、異なる原色）の光を含んでもよいことを理解されたい。
いくつかの実施形態では、導波管２７０、２８０、２９０、３００、３１０の中に投入される光は、光投影システム５２０によって提供され、これは、光モジュール５３０を含み、これは、発光ダイオード（ＬＥＤ）等の光エミッタを含んでもよい。光モジュール５３０からの光は、ビームスプリッタ５５０を介して、光変調器５４０、例えば、空間光変調器によって指向および修正されてもよい。光変調器５４０は、導波管２７０、２８０、２９０、３００、３１０の中に投入される光の知覚される強度を変化させ、光を画像情報でエンコードするように構成されてもよい。空間光変調器の実施例は、シリコン上液晶（ＬＣＯＳ）ディスプレイを含む、液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）を含む。画像投入デバイス３６０、３７０、３８０、３９０、４００は、図式的に図示され、いくつかの実施形態では、これらの画像投入デバイスは、光を導波管２７０、２８０、２９０、３００、３１０の関連付けられるものの中に出力するように構成される、共通投影システム内の異なる光経路および場所を表し得ることを理解されたい。いくつかの実施形態では、導波管アセンブリ２６０の導波管は、導波管の中に投入された光をユーザの眼に中継しながら、理想的レンズとして機能し得る。本概念では、オブジェクトは、空間光変調器５４０であってもよく、画像は、深度面上の画像であってもよい。
いくつかの実施形態では、ディスプレイシステム２５０は、光を種々のパターン（例えば、ラスタ走査、螺旋走査、リサジューパターン等）で１つまたはそれを上回る導波管２７０、２８０、２９０、３００、３１０の中に、最終的には、視認者の眼２１０に投影するように構成される、１つまたはそれを上回る走査ファイバを含む、走査ファイバディスプレイであってもよい。いくつかの実施形態では、図示される画像投入デバイス３６０、３７０、３８０、３９０、４００は、光を１つまたは複数の導波管２７０、２８０、２９０、３００、３１０の中に投入するように構成される、単一走査ファイバまたは走査ファイバの束を図式的に表し得る。いくつかの他の実施形態では、図示される画像投入デバイス３６０、３７０、３８０、３９０、４００は、複数の走査ファイバまたは走査ファイバの複数の束を図式的に表し得、それぞれ、光を導波管２７０、２８０、２９０、３００、３１０のうちの関連付けられる１つの中に投入するように構成される。１つまたはそれを上回る光ファイバは、光を光モジュール５３０から１つまたはそれを上回る導波管２７０、２８０、２９０、３００、３１０に透過させるように構成されてもよいことを理解されたい。１つまたはそれを上回る介在光学構造が、走査ファイバまたは複数のファイバと、１つまたはそれを上回る導波管２７０、２８０、２９０、３００、３１０との間に提供され、例えば、走査ファイバから出射する光を１つまたはそれを上回る導波管２７０、２８０、２９０、３００、３１０の中に再指向してもよいことを理解されたい。
コントローラ５６０は、画像投入デバイス３６０、３７０、３８０、３９０、４００、光源５３０、および光変調器５４０の動作を含む、スタックされた導波管アセンブリ２６０のうちの１つまたはそれを上回るものの動作を制御する。いくつかの実施形態では、コントローラ５６０は、ローカルデータ処理モジュール１４０の一部である。コントローラ５６０は、例えば、本明細書に開示される種々のスキームのいずれかに従って、導波管２７０、２８０、２９０、３００、３１０への画像情報のタイミングおよび提供を調整する、プログラミング（例えば、非一過性媒体内の命令）を含む。いくつかの実施形態では、コントローラは、単一一体型デバイスまたは有線または無線通信チャネルによって接続される分散型システムであってもよい。コントローラ５６０は、いくつかの実施形態では、処理モジュール１４０または１５０（図９Ｆ）の一部であってもよい。
図６を継続して参照すると、導波管２７０、２８０、２９０、３００、３１０は、全内部反射（ＴＩＲ）によって各個別の導波管内で光を伝搬するように構成されてもよい。導波管２７０、２８０、２９０、３００、３１０はそれぞれ、主要上部表面および底部表面およびそれらの主要上部表面と底部表面との間に延在する縁を伴う、平面である、または別の形状（例えば、湾曲）を有してもよい。図示される構成では、導波管２７０、２８０、２９０、３００、３１０はそれぞれ、各個別の導波管内で伝搬する光を導波管から外に再指向し、画像情報を眼２１０に出力することによって、光を導波管から抽出するように構成される、外部結合光学要素５７０、５８０、５９０、６００、６１０を含んでもよい。抽出された光はまた、外部結合された光と称され得、外部結合光学要素はまた、光抽出光学要素と称され得る。抽出された光のビームは、導波管によって、導波管内で伝搬する光が光抽出光学要素に衝打する場所において出力され得る。外部結合光学要素５７０、５８０、５９０、６００、６１０は、例えば、本明細書にさらに議論されるような回折光学特徴を含む、格子であってもよい。説明を容易にし、図面を明確にするために、導波管２７０、２８０、２９０、３００、３１０の底部主要表面に配置されて図示されるが、いくつかの実施形態では、外部結合光学要素５７０、５８０、５９０、６００、６１０は、本明細書にさらに議論されるように、上部および／または底部主要表面に配置されてもよく、および／または導波管２７０、２８０、２９０、３００、３１０の容積内に直接配置されてもよい。いくつかの実施形態では、外部結合光学要素５７０、５８０、５９０、６００、６１０は、透明基板に取り付けられ、導波管２７０、２８０、２９０、３００、３１０を形成する、材料の層内に形成されてもよい。いくつかの他の実施形態では、導波管２７０、２８０、２９０、３００、３１０は、材料のモノリシック片であってもよく、外部結合光学要素５７０、５８０、５９０、６００、６１０は、その材料片の表面上および／または内部に形成されてもよい。
図６を継続して参照すると、本明細書に議論されるように、各導波管２７０、２８０、２９０、３００、３１０が、光を出力し、特定の深度面に対応する画像を形成するように構成される。例えば、眼の最近傍の導波管２７０は、眼２１０にコリメートされた光（そのような導波管２７０の中に投入された）を送達するように構成されてもよい。コリメートされた光は、光学無限遠焦点面を表し得る。次の上方の導波管２８０は、眼２１０に到達し得る前に、第１のレンズ３５０（例えば、負のレンズ）を通して通過する、コリメートされた光を送出するように構成されてもよい。そのような第１のレンズ３５０は、眼／脳が、その次の上方の導波管２８０から生じる光を光学無限遠から眼２１０に向かって内向きにより近い第１の焦点面から生じるものとして解釈するように、若干の凸面波面曲率を生成するように構成されてもよい。同様に、第３の上方の導波管２９０は、眼２１０に到達する前に、その出力光を第１のレンズ３５０および第２のレンズ３４０の両方を通して通過させる。第１のレンズ３５０および第２のレンズ３４０の組み合わせられた屈折力は、眼／脳が、第３の導波管２９０から生じる光が次の上方の導波管２８０からの光であった光学無限遠から人物に向かって内向きにさらに近い第２の焦点面から生じるものとして解釈するように、別の漸増量の波面曲率を生成するように構成されてもよい。
他の導波管層３００、３１０およびレンズ３３０、３２０も同様に構成され、スタック内の最高導波管３１０が、人物に最も近い焦点面を表す集約焦点力のために、その出力をそれと眼との間のレンズの全てを通して送出する。スタックされた導波管アセンブリ２６０の他側の世界５１０から生じる光を視認／解釈するとき、レンズ３２０、３３０、３４０、３５０のスタックを補償するために、補償レンズ層６２０が、スタックの上部に配置され、下方のレンズスタック３２０、３３０、３４０、３５０の集約力を補償してもよい。そのような構成は、利用可能な導波管／レンズ対と同じ数の知覚される焦点面を提供する。導波管の外部結合光学要素およびレンズの集束側面は両方とも、静的であってもよい（すなわち、動的または電気活性ではない）。いくつかの代替実施形態では、一方または両方とも、電気活性特徴を使用して動的であってもよい。
いくつかの実施形態では、導波管２７０、２８０、２９０、３００、３１０のうちの２つまたはそれを上回るものは、同一の関連付けられる深度面を有してもよい。例えば、複数の導波管２７０、２８０、２９０、３００、３１０が、同一深度面に設定される画像を出力するように構成されてもよい、または導波管２７０、２８０、２９０、３００、３１０の複数のサブセットが、深度面毎に１つのセットを伴う、同一の複数の深度面に設定される画像を出力するように構成されてもよい。これは、それらの深度面において拡張された視野を提供するようにタイル化された画像を形成する利点を提供し得る。
図６を継続して参照すると、外部結合光学要素５７０、５８０、５９０、６００、６１０は、導波管と関連付けられる特定の深度面のために、光をそれらの個別の導波管から再指向し、かつ本光を適切な量の発散またはコリメーションを伴って出力するように構成されてもよい。その結果、異なる関連付けられる深度面を有する導波管は、外部結合光学要素５７０、５８０、５９０、６００、６１０の異なる構成を有してもよく、これは、関連付けられる深度面に応じて、異なる量の発散を伴って光を出力する。いくつかの実施形態では、光抽出光学要素５７０、５８０、５９０、６００、６１０は、光を具体的角度で出力するように構成され得る、立体または表面特徴であってもよい。例えば、光抽出光学要素５７０、５８０、５９０、６００、６１０は、立体ホログラム、表面ホログラム、および／または回折格子であってもよい。いくつかの実施形態では、特徴３２０、３３０、３４０、３５０は、レンズではなくてもよい。むしろ、それらは、単に、スペーサであってもよい（例えば、空隙を形成するためのクラッディング層および／または構造）。
いくつかの実施形態では、外部結合光学要素５７０、５８０、５９０、６００、６１０は、回折パターンを形成する回折特徴または「回折光学要素」（また、本明細書では、「ＤＯＥ」とも称される）である。好ましくは、ＤＯＥは、ビームの光の一部のみがＤＯＥの各交差部で眼２１０に向かって偏向される一方、残りがＴＩＲを介して、導波管を通して移動し続けるように、十分に低回折効率を有する。画像情報を搬送する光は、したがって、様々な場所において導波管から出射する、いくつかの関連出射ビームに分割され、その結果、導波管内でバウンスする本特定のコリメートされたビームに関して、眼２１０に向かって非常に均一なパターンの出射放出となる。
いくつかの実施形態では、１つまたはそれを上回るＤＯＥは、それらが能動的に回折する「オン」状態と有意に回折しない「オフ」状態との間で切替可能であり得る。例えば、切替可能なＤＯＥは、微小液滴がホスト媒体中に回折パターンを含む、ポリマー分散液晶の層を含んでもよく、微小液滴の屈折率は、ホスト材料の屈折率に実質的に合致するように切り替えられてもよい（その場合、パターンは、入射光を著しく回折させない）、または微小液滴は、ホスト媒体のものに合致しない屈折率に切り替えられてもよい（その場合、パターンは、入射光を能動的に回折させる）。
いくつかの実施形態では、カメラアセンブリ６３０（例えば、可視光および赤外線光カメラを含む、デジタルカメラ）が、眼２１０および／または眼２１０の周囲の組織の画像を捕捉し、例えば、ユーザ入力を検出する、および／またはユーザの生理学的状態を監視するために提供されてもよい。本明細書で使用されるように、カメラは、任意の画像捕捉デバイスであってもよい。いくつかの実施形態では、カメラアセンブリ６３０は、画像捕捉デバイスと、光（例えば、赤外線光）を眼に投影し、次いで、眼によって反射され、画像捕捉デバイスによって検出され得る、光源とを含んでもよい。いくつかの実施形態では、カメラアセンブリ６３０は、フレームまたは支持構造８０（図９Ｆ）に取り付けられてもよく、カメラアセンブリ６３０からの画像情報を処理し得る、処理モジュール１４０および／または１５０と電気通信してもよい。いくつかの実施形態では、１つのカメラアセンブリ６３０が、眼毎に利用され、各眼を別個に監視してもよい。
ここで図７を参照すると、導波管によって出力された出射ビームの実施例が、示される。１つの導波管が図示されるが、導波管アセンブリ２６０（図６）内の他の導波管も同様に機能し得、導波管アセンブリ２６０は、複数の導波管を含むことを理解されたい。光６４０が、導波管２７０の入力表面４６０において導波管２７０の中に投入され、ＴＩＲによって導波管２７０内を伝搬する。光６４０がＤＯＥ５７０上に衝突する点において、光の一部が、出射ビーム６５０として導波管から出射する。出射ビーム６５０は、略平行として図示されるが、本明細書に議論されるように、また、導波管２７０と関連付けられる深度面に応じて、（例えば、発散出射ビームを形成する）ある角度で眼２１０に伝搬するように再指向されてもよい。略平行出射ビームは、眼２１０からの遠距離（例えば、光学無限遠）における深度面に設定されるように現れる画像を形成するように光を外部結合する、外部結合光学要素を伴う導波管を示し得ることを理解されたい。他の導波管または他の外部結合光学要素のセットが、より発散する、出射ビームパターンを出力してもよく、これは、眼２１０がより近い距離に遠近調節し、網膜上に合焦させることを要求し、光学無限遠より眼２１０に近い距離からの光として脳によって解釈されるであろう。
いくつかの実施形態では、フルカラー画像が、原色、例えば、３つまたはそれを上回る原色のそれぞれに画像をオーバーレイすることによって、各深度面において形成されてもよい。図８は、スタックされた導波管アセンブリの実施例を図示し、各深度面は、複数の異なる原色を使用して形成される画像を含む。図示される実施形態は、深度面２４０ａ－２４０ｆを示すが、より多いまたはより少ない深度もまた、検討される。各深度面は、第１の色Ｇの第１の画像、第２の色Ｒの第２の画像、および第３の色Ｂの第３の画像を含む、それと関連付けられる３つまたはそれを上回る原色画像を有してもよい。異なる深度面は、文字Ｇ、Ｒ、およびＢに続くジオプタ（ｄｐｔ）に関する異なる数字によって図に示される。単なる実施例として、これらの文字のそれぞれに続く数字は、ジオプタ（１／ｍ）、すなわち、視認者からの深度面の逆距離を示し、図中の各ボックスは、個々の原色画像を表す。いくつかの実施形態では、異なる波長の光の眼の集束における差異を考慮するために、異なる原色に関する深度面の正確な場所は、変動してもよい。例えば、所与の深度面に関する異なる原色画像は、ユーザからの異なる距離に対応する深度面上に設置されてもよい。そのような配列は、視力およびユーザ快適性を増加させ得、および／または色収差を減少させ得る。
いくつかの実施形態では、各原色の光は、単一専用導波管によって出力されてもよく、その結果、各深度面は、それと関連付けられる複数の導波管を有してもよい。そのような実施形態では、文字Ｇ、Ｒ、またはＢを含む、図中の各ボックスは、個々の導波管を表すものと理解され得、３つの導波管は、深度面毎に提供されてもよく、３つの原色画像が、深度面毎に提供される。各深度面と関連付けられる導波管は、本図面では、説明を容易にするために相互に隣接して示されるが、物理的デバイスでは、導波管は全て、レベル毎に１つの導波管を伴うスタックで配列されてもよいことを理解されたい。いくつかの他の実施形態では、複数の原色が、例えば、単一導波管のみが深度面毎に提供され得るように、同一導波管によって出力されてもよい。
図８を継続して参照すると、いくつかの実施形態では、Ｇは、緑色であって、Ｒは、赤色であって、Ｂは、青色である。いくつかの他の実施形態では、マゼンタ色およびシアン色を含む、光の他の波長と関連付けられる他の色も、赤色、緑色、または青色のうちの１つまたはそれを上回るものに加えて使用されてもよい、またはそれらに取って代わってもよい。
本開示全体を通した所与の光の色の言及は、その所与の色として視認者によって知覚される、光の波長の範囲内の１つまたはそれを上回る波長の光を包含するものと理解されると理解されたい。例えば、赤色光は、約６２０～７８０ｎｍの範囲内である１つまたはそれを上回る波長の光を含んでもよく、緑色光は、約４９２～５７７ｎｍの範囲内である１つまたはそれを上回る波長の光を含んでもよく、青色光は、約４３５～４９３ｎｍの範囲内である１つまたはそれを上回る波長の光を含んでもよい。
いくつかの実施形態では、光源５３０（図６）は、視認者の視覚的知覚範囲外の１つまたはそれを上回る波長、例えば、赤外線および／または紫外線波長の光を放出するように構成されてもよい。加えて、ディスプレイ２５０の導波管の内部結合、外部結合、および他の光再指向構造は、例えば、結像および／またはユーザ刺激用途のために、本光をディスプレイからユーザの眼２１０に向かって指向および放出するように構成されてもよい。
ここで図９Ａを参照すると、いくつかの実施形態では、導波管に衝突する光は、その光を導波管の中に内部結合するために再指向される必要があり得る。内部結合光学要素が、光をその対応する導波管の中に再指向および内部結合するために使用されてもよい。図９Ａは、それぞれ、内部結合光学要素を含む、複数またはセット６６０のスタックされた導波管の実施例の断面側面図を図示する。導波管はそれぞれ、１つまたはそれを上回る異なる波長または１つまたはそれを上回る異なる波長範囲の光を出力するように構成されてもよい。スタック６６０は、スタック２６０（図６）に対応し得、スタック６６０の図示される導波管は、複数の導波管２７０、２８０、２９０、３００、３１０の一部に対応してもよいが、画像投入デバイス３６０、３７０、３８０、３９０、４００のうちの１つまたはそれを上回るものからの光が、光が内部結合のために再指向されることを要求する位置から導波管の中に投入されることを理解されたい。
スタックされた導波管の図示されるセット６６０は、導波管６７０、６８０、および６９０を含む。各導波管は、関連付けられる内部結合光学要素（導波管上の光入力面積とも称され得る）を含み、例えば、内部結合光学要素７００は、導波管６７０の主要表面（例えば、上側主要表面）上に配置され、内部結合光学要素７１０は、導波管６８０の主要表面（例えば、上側主要表面）上に配置され、内部結合光学要素７２０は、導波管６９０の主要表面（例えば、上側主要表面）上に配置される。いくつかの実施形態では、内部結合光学要素７００、７１０、７２０のうちの１つまたはそれを上回るものは、個別の導波管６７０、６８０、６９０の底部主要表面上に配置されてもよい（特に、１つまたはそれを上回る内部結合光学要素は、反射性偏向光学要素である）。図示されるように、内部結合光学要素７００、７１０、７２０は、その個別の導波管６７０、６８０、６９０の上側主要表面（または次の下側導波管の上部）上に配置されてもよく、特に、それらの内部結合光学要素は、透過性偏向光学要素である。いくつかの実施形態では、内部結合光学要素７００、７１０、７２０は、個別の導波管６７０、６８０、６９０の本体内に配置されてもよい。いくつかの実施形態では、本明細書に議論されるように、内部結合光学要素７００、７１０、７２０は、他の光の波長を透過しながら、１つまたはそれを上回る光の波長を選択的に再指向するような波長選択的である。その個別の導波管６７０、６８０、６９０の片側または角に図示されるが、内部結合光学要素７００、７１０、７２０は、いくつかの実施形態では、その個別の導波管６７０、６８０、６９０の他の面積内に配置されてもよいことを理解されたい。
図示されるように、内部結合光学要素７００、７１０、７２０は、これらの内部結合光学要素に伝搬する光の方向における、図示される真正面図に見られるように、相互から側方にオフセットされてもよい。いくつかの実施形態では、各内部結合光学要素は、その光が別の内部結合光学要素を通して通過せずに、光を受光するようにオフセットされてもよい。例えば、各内部結合光学要素７００、７１０、７２０は、図６に示されるように、光を異なる画像投入デバイス３６０、３７０、３８０、３９０、および４００から受光するように構成されてもよく、光を内部結合光学要素７００、７１０、７２０の他のものから実質的に受光しないように、他の内部結合光学要素７００、７１０、７２０から分離されてもよい（例えば、側方に離間される）。
各導波管はまた、関連付けられる光分散要素を含み、例えば、光分散要素７３０は、導波管６７０の主要表面（例えば、上部主要表面）上に配置され、光分散要素７４０は、導波管６８０の主要表面（例えば、上部主要表面）上に配置され、光分散要素７５０は、導波管６９０の主要表面（例えば、上部主要表面）上に配置される。いくつかの他の実施形態では、光分散要素７３０、７４０、７５０は、それぞれ、関連付けられる導波管６７０、６８０、６９０の底部主要表面上に配置されてもよい。いくつかの他の実施形態では、光分散要素７３０、７４０、７５０は、それぞれ、関連付けられる導波管６７０、６８０、６９０の上部および底部両方の主要表面上に配置されてもよい、または光分散要素７３０、７４０、７５０は、それぞれ、異なる関連付けられる導波管６７０、６８０、６９０内の上部および底部主要表面の異なるもの上に配置されてもよい。
導波管６７０、６８０、６９０は、例えば、材料のガス、液体、および／または固体層によって離間および分離されてもよい。例えば、図示されるように、層７６０ａは、導波管６７０および６８０を分離してもよく、層７６０ｂは、導波管６８０および６９０を分離してもよい。いくつかの実施形態では、層７６０ａおよび７６０ｂは、低屈折率材料（すなわち、導波管６７０、６８０、６９０の直近のものを形成する材料より低い屈折率を有する材料）から形成される。好ましくは、層７６０ａ、７６０ｂを形成する材料の屈折率は、導波管６７０、６８０、６９０を形成する材料の屈折率を０．０５またはそれよりも多くまたは０．１０下回る。有利なこととして、より低い屈折率層７６０ａ、７６０ｂは、導波管６７０、６８０、６９０を通して光の全内部反射（ＴＩＲ）（例えば、各導波管の上部および底部主要表面間のＴＩＲ）を促進する、クラッディング層として機能してもよい。いくつかの実施形態では、層７６０ａ、７６０ｂは、空気から形成される。図示されないが、導波管の図示されるセット６６０の上部および底部は、直近クラッディング層を含んでもよいことを理解されたい。
好ましくは、製造および他の考慮点を容易にするために、導波管６７０、６８０、６９０を形成する材料は、類似または同一であって、層７６０ａ、７６０ｂを形成する材料は、類似または同一である。いくつかの実施形態では、導波管６７０、６８０、６９０を形成する材料は、１つまたはそれを上回る導波管間で異なってもよい、および／または層７６０ａ、７６０ｂを形成する材料は、依然として、前述の種々の屈折率関係を保持しながら、異なってもよい。
図９Ａを継続して参照すると、光線７７０、７８０、７９０が、導波管のセット６６０に入射する。光線７７０、７８０、７９０は、１つまたはそれを上回る画像投入デバイス３６０、３７０、３８０、３９０、４００（図６）によって導波管６７０、６８０、６９０の中に投入されてもよいことを理解されたい。
いくつかの実施形態では、光線７７０、７８０、７９０は、異なる色に対応し得る、異なる性質、例えば、異なる波長または異なる波長範囲を有する。内部結合光学要素７００、７１０、７２０はそれぞれ、光が、ＴＩＲによって、導波管６７０、６８０、６９０のうちの個別の１つを通して伝搬するように、入射光を偏向させる。いくつかの実施形態では、内部結合光学要素７００、７１０、７２０はそれぞれ、他の波長を下層導波管および関連付けられる内部結合光学要素に透過させながら、１つまたはそれを上回る特定の光の波長を選択的に偏向させる。
例えば、内部結合光学要素７００は、それぞれ、異なる第２および第３の波長または波長範囲を有する、光線７８０および７９０を透過させながら、第１の波長または波長範囲を有する、光線７７０を偏向させるように構成されてもよい。透過された光線７８０は、第２の波長または波長範囲の光を偏向させるように構成される、内部結合光学要素７１０に衝突し、それによって偏向される。光線７９０は、第３の波長または波長範囲の光を選択的に偏向させるように構成される、内部結合光学要素７２０によって偏向される。
図９Ａを継続して参照すると、偏向された光線７７０、７８０、７９０は、対応する導波管６７０、６８０、６９０を通して伝搬するように偏向される。すなわち、各導波管の内部結合光学要素７００、７１０、７２０は、光をその対応する導波管６７０、６８０、６９０の中に偏向させ、光を対応する導波管の中に内部結合する。光線７７０、７８０、７９０は、光をＴＩＲによって個別の導波管６７０、６８０、６９０を通して伝搬させる角度で偏向される。光線７７０、７８０、７９０は、導波管の対応する光分散要素７３０、７４０、７５０に衝突するまで、ＴＩＲによって個別の導波管６７０、６８０、６９０を通して伝搬する。
ここで図９Ｂを参照すると、図９Ａの複数のスタックされた導波管の実施例の斜視図が、図示される。上記に記載されるように、内部結合された光線７７０、７８０、７９０は、それぞれ、内部結合光学要素７００、７１０、７２０によって偏向され、次いで、それぞれ、導波管６７０、６８０、６９０内でＴＩＲによって伝搬する。光線７７０、７８０、７９０は、次いで、それぞれ、光分散要素７３０、７４０、７５０に衝突する。光分散要素７３０、７４０、７５０は、それぞれ、外部結合光学要素８００、８１０、８２０に向かって伝搬するように、光線７７０、７８０、７９０を偏向させる。
いくつかの実施形態では、光分散要素７３０、７４０、７５０は、直交瞳エクスパンダ（ＯＰＥ）である。いくつかの実施形態では、ＯＰＥは、光を外部結合光学要素８００、８１０、８２０に偏向または分散し、いくつかの実施形態では、また、外部結合光学要素に伝搬するにつれて、本光のビームまたはスポットサイズを増加させ得る。いくつかの実施形態では、光分散要素７３０、７４０、７５０は、省略されてもよく、内部結合光学要素７００、７１０、７２０は、光を直接外部結合光学要素８００、８１０、８２０に偏向させるように構成されてもよい。例えば、図９Ａを参照すると、光分散要素７３０、７４０、７５０は、それぞれ、外部結合光学要素８００、８１０、８２０と置換されてもよい。いくつかの実施形態では、外部結合光学要素８００、８１０、８２０は、光を視認者の眼２１０（図７）に指向させる、射出瞳（ＥＰ）または射出瞳エクスパンダ（ＥＰＥ）である。ＯＰＥは、少なくとも１つの軸においてアイボックスの寸法を増加させるように構成されてもよく、ＥＰＥは、ＯＰＥの軸と交差する、例えば、直交する軸においてアイボックスを増加させてもよいことを理解されたい。例えば、各ＯＰＥは、光の残りの部分が導波管を辿って伝搬し続けることを可能にしながら、ＯＰＥに衝打する光の一部を同一導波管のＥＰＥに再指向するように構成されてもよい。ＯＰＥへの衝突に応じて、再び、残りの光の別の部分は、ＥＰＥに再指向され、その部分の残りの部分は、導波管等を辿ってさらに伝搬し続ける。同様に、ＥＰＥへの衝打に応じて、衝突光の一部は、導波管からユーザに向かって指向され、その光の残りの部分は、ＥＰに再び衝打するまで、導波管を通して伝搬し続け、その時点で、衝突する光の別の部分は、導波管から指向される等となる。その結果、内部結合された光の単一ビームは、その光の一部がＯＰＥまたはＥＰＥによって再指向される度に、「複製」され、それによって、図６に示されるように、クローン化された光のビーム野を形成し得る。いくつかの実施形態では、ＯＰＥおよび／またはＥＰＥは、光のビームのサイズを修正するように構成されてもよい。
故に、図９Ａおよび９Ｂを参照すると、いくつかの実施形態では、導波管のセット６６０は、原色毎に、導波管６７０、６８０、６９０と、内部結合光学要素７００、７１０、７２０と、光分散要素（例えば、ＯＰＥ）７３０、７４０、７５０と、外部結合光学要素（例えば、ＥＰ）８００、８１０、８２０とを含む。導波管６７０、６８０、６９０は、各１つの間に空隙／クラッディング層を伴ってスタックされてもよい。内部結合光学要素７００、７１０、７２０は、（異なる波長の光を受光する異なる内部結合光学要素を用いて）入射光をその導波管の中に再指向または偏向させる。光は、次いで、個別の導波管６７０、６８０、６９０内にＴＩＲをもたらすであろう角度で伝搬する。示される実施例では、光線７７０（例えば、青色光）は、前述の様式において、第１の内部結合光学要素７００によって偏光され、次いで、導波管を辿ってバウンスし続け、光分散要素（例えば、ＯＰＥ）７３０、次いで、外部結合光学要素（例えば、ＥＰ）８００と相互作用する。光線７８０および７９０（例えば、それぞれ、緑色および赤色光）は、導波管６７０を通して通過し、光線７８０は、内部結合光学要素７１０上に衝突し、それによって偏向される。光線７８０は、次いで、ＴＩＲを介して、導波管６８０を辿ってバウンスし、その光分散要素（例えば、ＯＰＥ）７４０、次いで、外部結合光学要素（例えば、ＥＰ）８１０に進むであろう。最後に、光線７９０（例えば、赤色光）は、導波管６９０を通して通過し、導波管６９０の光内部結合光学要素７２０に衝突する。光内部結合光学要素７２０は、光線が、ＴＩＲによって、光分散要素（例えば、ＯＰＥ）７５０、次いで、ＴＩＲによって、外部結合光学要素（例えば、ＥＰ）８２０に伝搬するように、光線７９０を偏向させる。外部結合光学要素８２０は、次いで、最後に、光線７９０を視認者に外部結合し、視認者はまた、他の導波管６７０、６８０からの外部結合された光も受光する。
図９Ｃは、図９Ａおよび９Ｂの複数のスタックされた導波管の実施例の上下平面図を図示する。本上下図は、内部結合光学要素８００、８１０、８２０に向かう光の伝搬方向に見られるように、真正面図とも称され得る、すなわち、上下図は、画像光がページに対して法線に入射する、導波管の図であることを理解されたい。図示されるように、導波管６７０、６８０、６９０は、各導波管の関連付けられる光分散要素７３０、７４０、７５０および関連付けられる外部結合光学要素８００、８１０、８２０とともに、垂直に整合されてもよい。しかしながら、本明細書に議論されるように、内部結合光学要素７００、７１０、７２０は、垂直に整合されない。むしろ、内部結合光学要素は、好ましくは、非重複する（例えば、上下図に見られるように、側方に離間される）。本明細書でさらに議論されるように、本非重複空間配列は、１対１ベースで異なるソースから異なる導波管の中への光の投入を促進し、それによって、具体的光源が具体的導波管に一意に結合されることを可能にする。いくつかの実施形態では、非重複の空間的に分離される内部結合光学要素を含む、配列は、偏移瞳システムと称され得、これらの配列内の内部結合光学要素は、サブ瞳に対応し得る。
空間的に重複する面積は、上下図に見られるように、その面積の７０％またはそれを上回る、８０％またはそれを上回る、または９０％またはそれを上回る側方重複を有し得ることを理解されたい。他方では、側方に偏移される面積は、上下図に見られるように、その面積の３０％未満の重複、２０％未満の重複、または１０％未満の重複を有してもよい。いくつかの実施形態では、側方に偏移される面積は、重複を有していない。
図９Ｄは、複数のスタックされた導波管の別の実施例の上下平面図を図示する。図示されるように、導波管６７０、６８０、６９０は、垂直に整合されてもよい。しかしながら、図９Ｃの構成と比較して、別個の光分散要素７３０、７４０、７５０および関連付けられる外部結合光学要素８００、８１０、８２０は、省略される。代わりに、光分散要素および外部結合光学要素が、事実上、重畳され、上下図に見られるように、同一面積を占有する。いくつかの実施形態では、光分散要素（例えば、ＯＰＥ）が、導波管６７０、６８０、６９０の１つの主要表面上に配置されてもよく、外部結合光学要素（例えば、ＥＰＥ）が、それらの導波管の他の主要表面上に配置されてもよい。したがって、各導波管６７０、６８０、６９０は、集合的に、それぞれ、組み合わせられたＯＰＥ／ＥＰＥ１２８１、１２８２、１２８３と称される、重畳された光分散および外部結合光学要素を有してもよい。そのような組み合わせられたＯＰＥ／ＥＰＥに関するさらなる詳細は、２０１８年１２月１４日に出願された、米国特許出願第１６／２２１，３５９号（その開示全体は、参照することによって本明細書に組み込まれる）に見出され得る。内部結合光学要素７００、７１０、７２０は、光を内部結合し、それぞれ、組み合わせられたＯＰＥ／ＥＰＥ１２８１、１２８２、１２８３に指向する。いくつかの実施形態では、図示されるように、内部結合光学要素７００、７１０、７２０は、側方に偏移され（例えば、それらは、図示される上下図に見られるように、側方に離間される）、偏移された瞳空間配列を有してもよい。図９Ｃの構成と同様に、本側方に偏移された空間配列は、１対１のベースで、異なる導波管の中への異なる波長の光の投入を促進する（例えば、異なる光源から）。
図９Ｅは、内部結合光学要素７００、７１０、７２０のための構成の別の実施例の上下平面図を図示する。図示されるように、内部結合光学要素７００、７１０、７２０は、それらが、上下図から視認されるとき、三角形形態で離間されるように偏移されてもよい。本構成では、内部結合光学要素７００、７１０、７２０の空間配列は、１つまたはそれを上回るナノワイヤＬＥＤアレイ１０３０ａ、１０３０ｂ、１０３０ｃの空間配列に合致し得ることを理解されたい。いくつかの実施形態では、これらのナノワイヤＬＥＤアレイ１０３０ａ、１０３０ｂ、１０３０ｃは、共通基板またはバックプレーン１０９３上に形成されてもよい。いくつかの実施形態では、ナノワイヤＬＥＤアレイ１０３０ａ、１０３０ｂ、１０３０ｃはそれぞれ、異なる原色（例えば、赤色、緑色、および青色）の光を放出するように構成されてもよい。
図９Ｆは、本明細書に開示される種々の導波管および関連システムが統合され得る、ウェアラブルディスプレイシステム６０の実施例を図示する。いくつかの実施形態では、ディスプレイシステム６０は、図６のシステム２５０であって、図６は、そのシステム６０のいくつかの部分をより詳細に図式的に示す。例えば、図６の導波管アセンブリ２６０は、ディスプレイ７０の一部であってもよい。
図９Ｆを継続して参照すると、ディスプレイシステム６０は、ディスプレイ７０と、そのディスプレイ７０の機能をサポートするための種々の機械的および電子的モジュールおよびシステムとを含む。ディスプレイ７０は、フレーム８０に結合されてもよく、これは、ディスプレイシステムユーザまたは視認者９０によって装着可能であって、ディスプレイ７０をユーザ９０の眼の正面に位置付けるように構成される。ディスプレイ７０は、いくつかの実施形態では、アイウェアと見なされ得る。いくつかの実施形態では、スピーカ１００が、フレーム８０に結合され、ユーザ９０の外耳道に隣接して位置付けられるように構成される（いくつかの実施形態では、示されない別のスピーカも、随意に、ユーザの他方の外耳道に隣接して位置付けられ、ステレオ／成形可能音制御を提供してもよい）。ディスプレイシステム６０はまた、１つまたはそれを上回るマイクロホン１１０または他のデバイスを含み、音を検出してもよい。いくつかの実施形態では、マイクロホンは、ユーザが入力またはコマンドをシステム６０に提供することを可能にするように構成され（例えば、音声メニューコマンドの選択、自然言語質問等）、および／または他の人物（例えば、類似ディスプレイシステムの他のユーザ）とのオーディオ通信を可能にしてもよい。マイクロホンはさらに、周辺センサとして構成され、オーディオデータ（例えば、ユーザおよび／または環境からの音）を収集してもよい。いくつかの実施形態では、ディスプレイシステム６０はさらに、オブジェクト、刺激、人々、動物、場所、またはユーザの周囲の世界の他の側面を検出するように構成される、１つまたはそれを上回る外向きに指向される環境センサ１１２を含んでもよい。例えば、環境センサ１１２は、１つまたはそれを上回るカメラを含んでもよく、これは、例えば、ユーザ９０の通常の視野の少なくとも一部に類似する画像を捕捉するように外向きに面して位置してもよい。いくつかの実施形態では、ディスプレイシステムはまた、周辺センサ１２０ａを含んでもよく、これは、フレーム８０と別個であって、ユーザ９０の身体（例えば、ユーザ９０の頭部、胴体、四肢等）上に取り付けられてもよい。周辺センサ１２０ａは、いくつかの実施形態では、ユーザ９０の生理学的状態を特徴付けるデータを入手するように構成されてもよい。例えば、センサ１２０ａは、電極であってもよい。
図９Ｆを継続して参照すると、ディスプレイ７０は、有線導線または無線コネクティビティ等の通信リンク１３０によって、ローカルデータ処理モジュール１４０に動作可能に結合され、これは、フレーム８０に固定して取り付けられる、ユーザによって装着されるヘルメットまたは帽子に固定して取り付けられる、ヘッドホンに内蔵される、または別様にユーザ９０に除去可能に取り付けられる（例えば、リュック式構成において、ベルト結合式構成において）等、種々の構成において搭載されてもよい。同様に、センサ１２０ａは、通信リンク１２０ｂ、例えば、有線導線または無線コネクティビティによって、ローカルデータ処理モジュール１４０に動作可能に結合されてもよい。ローカル処理およびデータモジュール１４０は、ハードウェアプロセッサおよび不揮発性メモリ（例えば、フラッシュメモリまたはハードディスクドライブ）等のデジタルメモリを含んでもよく、その両方とも、データの処理、キャッシュ、および記憶を補助するために利用され得る。随意に、ローカル処理およびデータモジュール１４０は、１つまたはそれを上回る中央処理ユニット（ＣＰＵ）、グラフィック処理ユニット（ＧＰＵ）、専用処理ハードウェア等を含んでもよい。データは、ａ）センサ（画像捕捉デバイス（カメラ等）、マイクロホン、慣性測定ユニット、加速度計、コンパス、ＧＰＳユニット、無線デバイス、ジャイロスコープ、および／または本明細書に開示される他のセンサ（例えば、フレーム８０に動作可能に結合される、または別様にユーザ９０に取り付けられ得る））から捕捉されるデータ、および／またはｂ）可能性として、処理または読出後にディスプレイ７０への通過のために、遠隔処理モジュール１５０および／または遠隔データリポジトリ１６０（仮想コンテンツに関連するデータを含む）を使用して入手および／または処理されるデータを含んでもよい。ローカル処理およびデータモジュール１４０は、これらの遠隔モジュール１５０、１６０が相互に動作可能に結合され、ローカル処理およびデータモジュール１４０に対するリソースとして利用可能であるように、有線または無線通信リンク等を介して、通信リンク１７０、１８０によって、遠隔処理モジュール１５０および遠隔データリポジトリ１６０に動作可能に結合されてもよい。いくつかの実施形態では、ローカル処理およびデータモジュール１４０は、画像捕捉デバイス、マイクロホン、慣性測定ユニット、加速度計、コンパス、ＧＰＳユニット、無線デバイス、および／またはジャイロスコープのうちの１つまたはそれを上回るものを含んでもよい。いくつかの他の実施形態では、これらのセンサのうちの１つまたはそれを上回るものは、フレーム８０に取り付けられてもよい、または有線または無線通信経路によってローカル処理およびデータモジュール１４０と通信する、独立構造であってもよい。
図９Ｆを継続して参照すると、いくつかの実施形態では、遠隔処理モジュール１５０は、データおよび／または画像情報を分析および処理するように構成される、１つまたはそれを上回るプロセッサを含んでもよく、例えば、１つまたはそれを上回る中央処理ユニット（ＣＰＵ）、グラフィック処理ユニット（ＧＰＵ）、専用処理ハードウェア等を含む。いくつかの実施形態では、遠隔データリポジトリ１６０は、デジタルデータ記憶設備を含んでもよく、これは、インターネットまたは「クラウド」リソース構成における他のネットワーキング構成を通して利用可能であってもよい。いくつかの実施形態では、遠隔データリポジトリ１６０は、１つまたはそれを上回る遠隔サーバを含んでもよく、これは、情報、例えば、仮想コンテンツを生成するための情報をローカル処理およびデータモジュール１４０および／または遠隔処理モジュール１５０に提供する。いくつかの実施形態では、全てのデータが、記憶され、全ての算出が、ローカル処理およびデータモジュールにおいて実施され、遠隔モジュールからの完全に自律的な使用を可能にする。随意に、ＣＰＵ、ＧＰＵ等を含む、外部システム（例えば、１つまたはそれを上回るプロセッサ、１つまたはそれを上回るコンピュータのシステム）が、処理（例えば、画像情報を生成する、データを処理する）の少なくとも一部を実施し、例えば、無線または有線接続を介して、情報をモジュール１４０、１５０、１６０に提供し、情報をそこから受信してもよい。
図１０は、空間光変調器９３０と、別個の光源９４０とを有する、光投影システム９１０を伴う、ウェアラブルディスプレイシステムの実施例を図示する。光源９４０は、１つまたはそれを上回る光エミッタを含み、空間光変調器（ＳＬＭ）９３０を照明してもよい。レンズ構造９６０が、光源９４０からの光をＳＬＭ９３０上に集束させるために使用されてもよい。ビームスプリッタ（例えば、偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ））９５０が、光源９４０からの光を空間光変調器９３０に反射させ、これは、光を反射および変調させる。画像光とも称される、反射された変調された光は、次いで、ビームスプリッタ９５０を通して、接眼レンズ９２０に伝搬する。別のレンズ構造である、投影光学系９７０が、画像光を接眼レンズ９２０上に収束または集束させるために利用されてもよい。接眼レンズ９２０は、１つまたはそれを上回る導波管または変調された光を眼２１０に中継する導波管を含んでもよい。
本明細書に記載されるように、別個の光源９４０および関連付けられるレンズ構造９６０は、望ましくないことに、重量およびサイズをウェアラブルディスプレイシステムに追加し得る。これは、特に、長時間にわたってディスプレイシステムを装着しているユーザにとって、ディスプレイシステムの快適性を減少させ得る。
加えて、光源９４０は、ＳＬＭ９３０と併せて、エネルギーを非効率的に消費し得る。例えば、光源９４０は、ＳＬＭ９３０の全体を照明し得る。ＳＬＭ９３０は、次いで、光を接眼レンズ９２０に向かって選択的に反射させる。したがって、光源９４０によって生産された全ての光が、画像を形成するために利用され得ない。本光の一部、例えば、画像の暗い領域に対応する光は、接眼レンズ９２０に反射されない。結果として、光源９４０は、光を生成するためのエネルギーを利用して、ＳＬＭ９３０の全体を照明するが、本光のある割合のみが、いくつかの画像を形成するために必要とされ得る。
さらに、本明細書に記載されるように、ある場合には、ＳＬＭ９３０は、入射光を選択的に反射させるためのマイクロミラーを使用して、または下層ミラーから反射された光の量を修正する、液晶分子を使用して、光を変調させ得る。結果として、そのようなデバイスは、光源９４０からの光を変調させるために、光学要素（例えば、それぞれ、マイクロミラーまたは液晶分子）の物理的移動を要求する。光を変調させ、光を、例えば、ピクセルに対応する、画像情報でエンコーディングするために要求される、物理的移動は、例えば、ＬＥＤまたはＯＬＥＤを「オン」または「オフ」にする能力と比較して、比較的に低速で生じ得る。本比較的に低速の移動は、ディスプレイシステムのフレームレートを限定し得、例えば、モーションブラー、色割れ、および／またはユーザの頭部の姿勢または該姿勢の変化と不整合される、提示される画像として、可視であり得る。
有利なこととして、本明細書に開示されるようなナノワイヤＬＥＤマイクロディスプレイを利用する、ウェアラブルディスプレイは、比較的に低重量および嵩高性、高エネルギー効率、および高フレームレートを有し、低モーションブラーおよび運動から画像描画までの短待ち時間を伴う、ウェアラブルディスプレイシステムを促進し得る。低ぼけおよび運動から画像描画までの短待ち時間はさらに、２０１８年１２月２８日に出願された、米国仮出願第６２／７８６１９９号（その開示全体は、参照することによって本明細書に組み込まれる）に議論される。加えて、走査式ファイバディスプレイと比較して、ナノワイヤＬＥＤマイクロディスプレイは、コヒーレント光源の使用によって生じるアーチファクトを回避し得る。
ここで図１１Ａを参照すると、複数のナノワイヤＬＥＤマイクロディスプレイ１０３０ａ、１０３０ｂ、１０３０ｃを有する、光投影システム１０１０を伴う、ウェアラブルディスプレイシステムの実施例が、図示される。マイクロディスプレイ１０３０ａ、１０３０ｂ、１０３０ｃからの光は、光学コンバイナ１０５０によって組み合わせられ、接眼レンズ１０２０に向かって指向され、これは、光をユーザの眼２１０に中継する。投影光学系１０７０は、光学コンバイナ１０５０と接眼レンズ１０２０との間に提供されてもよい。いくつかの実施形態では、接眼レンズ１０２０は、１つまたはそれを上回る導波管を含む、導波管アセンブリであってもよい。いくつかの実施形態では、光投影システム１０１０および接眼レンズ１０２０は、フレーム８０（図９Ｆ）に支持されてもよい（例えば、取り付けられる）。
いくつかの実施形態では、マイクロディスプレイ１０３０ａ、１０３０ｂ、１０３０ｃは、モノクロマイクロディスプレイであってもよく、各モノクロマイクロディスプレイは、異なる原色の光を出力し、モノクロ画像を提供する。本明細書に議論されるように、モノクロ画像は、組み合わせられ、フルカラー画像を形成する。
いくつかの他の実施形態では、マイクロディスプレイ１０３０ａ、１０３０ｂ、１０３０ｃはそれぞれ、全ての原色の光を出力するように構成される、フルカラーディスプレイであってもよい。例えば、マイクロディスプレイ１０３０ａ、１０３０ｂ、１０３０ｃはそれぞれ、赤色、緑色、および青色光エミッタを含む。マイクロディスプレイ１０３０ａ、１０３０ｂ、１０３０ｃは、同じであってもよく、同一画像を表示してもよい。しかしながら、複数のマイクロディスプレイを利用することは、複数のマイクロディスプレイからの光を組み合わせ、単一画像を形成することによって、画像の明度および明度の明度ダイナミックレンジを増加させるための利点を提供し得る。いくつかの実施形態では、２つまたはそれを上回る（例えば、３つの）マイクロディスプレイが、利用されてもよく、光学コンバイナ１０５０は、これらのマイクロディスプレイの全てからの光を組み合わせるように構成される。
図１１Ａを継続して参照すると、マイクロディスプレイ１０３０ａ、１０３０ｂ、１０３０ｃはそれぞれ、画像光１０３２ａ、１０３２ｂ、１０３２ｃを放出するように構成されてもよい。マイクロディスプレイが、モノクロマイクロディスプレイである場合、画像光１０３２ａ、１０３２ｂ、１０３２ｃはそれぞれ、異なる原色であってもよい。光学コンバイナ１０５０は、画像光１０３２ａ、１０３２ｂ、１０３２ｃを受光し、光が、概して、同一方向に、例えば、投影光学系１０７０に向かって伝搬するように、本光を効果的に組み合わせる。いくつかの実施形態では、光学コンバイナ１０５０は、画像光１０３２ａ、１０３２ｂ、１０３２ｃを投影光学系１０７０に再指向する、反射性内部表面を有する、ダイクロイックＸ－立方体プリズムであってもよい。投影光学系１０７０は、画像光を接眼レンズ１０２０上に収束または集束させる、１つまたはそれを上回るレンズを含む、レンズ構造であってもよいことを理解されたい。接眼レンズ１０２０は、次いで、画像光１０３２ａ、１０３２ｂ、１０３２ｃを眼２１０に中継する。
いくつかの実施形態では、接眼レンズ１０２０は、それぞれ、個別の内部結合光学要素１０２２ａ、１０２２ｂ、１０２２ｃを有する、複数のスタックされた導波管１０２０ａ、１０２０ｂ、１０２０ｃを含んでもよい。いくつかの実施形態では、導波管の数は、マイクロディスプレイ１０３０ａ、１０３０ｂ、１０３０ｃによって提供される原色の数に比例する。例えば、３つの原色が存在する場合、接眼レンズ１０２０内の導波管の数は、３つの導波管のセットまたは各３つの導波管の複数のセットを含んでもよい。いくつかの実施形態では、各セットは、本明細書に議論されるように、特定の深度面に対応する波面発散を伴う、光を出力してもよい。導波管１０２０ａ、１０２０ｂ、１０２０ｃおよび内部結合光学要素１０２２ａ、１０２２ｂ、１０２２ｃは、それぞれ、図９Ａ－９Ｃの導波管６７０、６８０、６９０および内部結合光学要素７００、７１０、７２０に対応し得ることを理解されたい。投影光学系１０７０から視認されるように、内部結合光学要素１０２２ａ、１０２２ｂ、１０２２ｃは、それらが、少なくとも部分的に、そのような図に見られるように、重複しないように、側方に偏移されてもよい。
図示されるように、本明細書に開示される種々の内部結合光学要素（例えば、内部結合光学要素１０２２ａ、１０２２ｂ、１０２２ｃ）は、関連付けられる導波管（例えば、それぞれ、導波管１０２０ａ、１０２０ｂ、１０２０ｃ）の主要表面上に配置されてもよい。加えて、また、図示されるように、その上に所与の内部結合光学要素が配置される、主要表面は、導波管の背面表面であってもよい。そのような構成では、内部結合光学要素は、反射性光再指向要素であってもよく、これは、関連付けられる導波管を通して、ＴＩＲを支援する角度で光を反射させることによって、光を内部結合する。ある他の構成では、内部結合光学要素は、導波管の（後方表面より投影光学系１０７０に近い）前方表面上に配置されてもよい。そのような構成では、内部結合光学要素は、透過性光再指向要素であってもよく、これは、光が内部結合光学要素を通して透過されるにつれて、光の伝搬方向を変化させることによって、光を内部結合する。本明細書に開示される内部結合光学要素のいずれも、反射性または透過性内部結合光学要素であってもよいことを理解されたい。
図１１Ａを継続して参照すると、マイクロディスプレイ１０３０ａ、１０３０ｂ、１０３０ｃの異なるものからの画像光１０３２ａ、１０３２ｂ、１０３２ｃは、それらが内部結合光学要素１０２２ａ、１０２２ｂ、１０２２ｃの異なるもの上に衝突するように、接眼レンズ１０２０への異なる経路を辿り得る。画像光１０３２ａ、１０３２ｂ、１０３２ｃが、異なる原色の光を含む場合、関連付けられる内部結合光学要素１０２２ａ、１０２２ｂ、１０２２ｃは、それぞれ、例えば、図９Ａ－９Ｃの内部結合光学要素７００、７１０、７２０に関して上記に説明されるように、異なる波長の光を選択的に内部結合するように構成されてもよい。
図１１Ａを継続して参照すると、光学コンバイナ１０５０は、内部結合光学要素１０２２ａ、１０２２ｂ、１０２２ｃの適切な関連付けられるもの上に衝突するために、画像光が異なる光学経路に沿って伝搬するように、マイクロディスプレイ１０３０ａ、１０３０ｂ、１０３０ｃによって放出される画像光１０３２ａ、１０３２ｂ、１０３２ｃを再指向するように構成されてもよい。したがって、光学コンバイナ１０５０は、画像光が、光学コンバイナ１０５０の共通面から出力されるという意味において、画像光１０３２ａ、１０３２ｂ、１０３２ｃを組み合わせるが、光は、光学コンバイナから若干異なる方向に出射する。例えば、Ｘ－立方体プリズムの反射性内部表面１０５２、１０５４はそれぞれ、画像光１０３２ａ、１０３２ｂ、１０３２ｃを異なる経路に沿って接眼レンズ１０２０に指向するように角度付けられてもよい。結果として、画像光１０３２ａ、１０３２ｂ、１０３２ｃは、内部結合光学要素１０２２ａ、１０２２ｂ、１０２２ｃの異なる関連付けられるもの上に入射し得る。いくつかの実施形態では、マイクロディスプレイ１０３０ａ、１０３０ｂ、１０３０ｃは、Ｘ－立方体プリズムの反射性内部表面１０５２、１０５４に対して適切に角度付けられ、所望の光経路を内部結合光学要素１０２２ａ、１０２２ｂ、１０２２ｃに提供し得る。例えば、マイクロディスプレイ１０３０ａ、１０３０ｂ、１０３０ｃのうちの１つまたはそれを上回るものの面は、マイクロディスプレイによって放出される画像光が、反射性内部表面１０５２、１０５４上に適切な角度で入射し、関連付けられる内部結合光学要素１０２２ａ、１０２２ｂ、または１０２２ｃに向かって伝搬するように、光学コンバイナ１０５０の面に合致するように角度付けられてもよい。いくつかの実施形態では、本明細書に議論されるように、マイクロワイヤＬＥＤは、有利なこととして、指向性光出力を提供するようにエンジニアリングされてもよい。マイクロディスプレイ１０３０ａ、１０３０ｂ、１０３０ｃ毎に、光出力の優勢方向が、これらのマイクロディスプレイのそれぞれから内部結合光学要素１０２２ａ、１０２２ｂ、および１０２２ｃの対応するものまでの適切な光経路に沿って、光を伝搬するように選択されてもよい。立方体に加え、光学コンバイナ１０５０は、種々の他の多面体の形態をとってもよいことを理解されたい。例えば、光学コンバイナ１０５０は、正方形ではなく、少なくとも２つの面を有する、直角プリズムの形状であってもよい。
図１１Ａを継続して参照すると、いくつかの実施形態では、直接、出力面１０５１に対向する、モノクロマイクロディスプレイ１０３０ｂは、有利なこととして、緑色光を出力し得る。反射性表面１０５２、１０５４は、マイクロディスプレイから光を反射させるとき、光学損失を有し得ることを理解されたい。加えて、ヒトの眼は、緑色の色に最も敏感である。その結果、出力面１０５１に対向する、モノクロマイクロディスプレイ１０３０ｂは、好ましくは、緑色光が、光学コンバイナ１０５０から出力されるために反射される必要なく、直接、光学コンバイナ１０５０を通して進み得るように、緑色光を出力する。しかしながら、緑色モノクロマイクロディスプレイは、いくつかの他の実施形態では、光学コンバイナ１０５０の他の表面に面してもよいことを理解されるであろう。
本明細書に議論されるように、ユーザによるフルカラー画像の知覚は、いくつかの実施形態では、時間分割多重化を用いて達成され得る。例えば、ナノワイヤＬＥＤマイクロディスプレイ１０３０ａ、１０３０ｂ、１０３０ｃの異なるものが、異なる時間にアクティブ化され、異なる原色画像を生成し得る。そのような実施形態では、単一フルカラー画像を形成する、異なる原色画像が、ヒト視覚系が原色画像が異なる時間に表示されているように知覚しないほど十分に迅速に、順次、表示され得る。すなわち、単一フルカラー画像を形成する、異なる原色画像は全て、ユーザが、時間的に分離されているのではなく、同時に提示されているように、原色画像を知覚するほど十分に短い、持続時間内に表示され得る。例えば、ヒト視覚系は、フリッカ融合閾値を有し得ることを理解されたい。フリッカ融合閾値は、ヒト視覚系が異なる時間に提示されているような画像を区別することが不可能である、持続時間と理解され得る。その持続時間内に提示される画像は、融合され、または組み合わせられ、結果として、ユーザによって、同時に提示されているように知覚され得る。その持続時間外の画像間の時間的間隙を伴う、フリッカ画像は、組み合わせられず、画像のフリッカが、知覚可能である。いくつかの実施形態では、持続時間は、１／６０秒またはそれ未満であって、これは、６０Ｈｚまたはそれを上回るフレームレートに対応する。好ましくは、任意の個々の眼のための画像フレームは、ユーザのフリッカ融合閾値の持続時間に等しいまたはより高いフレームレートでユーザに提供される。例えば、左眼または右接眼レンズ毎のフレームレートは、６０Ｈｚまたはそれを上回る、または１２０Ｈｚまたはそれを上回ってもよく、結果として、光投影システム１０１０によって提供されるフレームレートは、いくつかの実施形態では、１２０Ｈｚまたはそれを上回る、または２４０Ｈｚまたはそれを上回ってもよい。時分割多重化は、有利なこととして、表示される画像を形成するために利用される、プロセッサ（例えば、グラフィックプロセッサ）上の算出負荷を低減させ得ることを理解されたい。十分な算出リソースが利用可能である場合等のいくつかの他の実施形態では、フルカラー画像を形成する、全ての原色画像は、マイクロディスプレイ１０３０ａ、１０３０ｂ、１０３０ｃによって、同時に表示されてもよい。
本明細書に議論されるように、マイクロディスプレイ１０３０ａ、１０３０ｂ、１０３０ｃはそれぞれ、画像を形成するためのナノワイヤＬＥＤ光エミッタのアレイを含んでもよい。図１１Ｂは、光エミッタ１０４４のアレイ１０４２の実施例を図示する。関連付けられるマイクロディスプレイが、モノクロマイクロディスプレイである場合、光エミッタ１０４４は全て、同一色の光を放出するように構成されてもよい。
関連付けられるマイクロディスプレイが、フルカラーマイクロディスプレイである場合、光エミッタ１０４４の異なるものは、異なる色の光を放出するように構成されてもよい。そのような実施形態では、光エミッタ１０４４は、サブピクセルと見なされ得、グループ内に配列されてもよく、各グループは、各原色の光を放出するように構成される、少なくとも１つの光エミッタを有する。例えば、原色が、赤色、緑色、および青色である場合、各グループは、少なくとも１つの赤色サブピクセルと、少なくとも１つの緑色サブピクセルと、少なくとも１つの青色サブピクセルとを有してもよい。
光エミッタ１０４４は、例証を容易にするために、グリッドパターンで配列されて示されるが、光エミッタ１０４４は、他の規則的に繰り返す空間配列を有してもよいことを理解されるであろう。例えば、異なる原色の光エミッタの数は、変動し得、光エミッタのサイズも、変動し得、光エミッタの形状および／または光エミッタのグループによって作り出される形状も、変動し得る等である。
図１１Ｃは、図１１ＢのナノワイヤＬＥＤアレイ１０４２の断面側面図を図示する。いくつかの実施形態では、ナノワイヤＬＥＤアレイ１０４２は、１つまたはそれを上回るナノワイヤ１０９４を含んでもよく、これは、発光ダイオード要素であってもよい。いくつかの実施形態では、ナノワイヤアレイは、ナノワイヤ１０９４の均一アレイであってもよい。実施例として、ナノワイヤ１０９４は、１０～１０，０００ｎｍ、１００～１，０００ｎｍ、５００～１，０００ｎｍ、または７００～１，０００ｎｍの高さと、例えば、２００ｎｍまたはそれ未満、または１００ｎｍまたはそれ未満、および１０ｎｍを上回るものを含む、１０～１，０００ｎｍの幅とを有してもよい。いくつかの実施形態では、ナノワイヤ１０９４は、円筒形であってもよく、幅は、ナノワイヤの直径に対応してもよい。ナノワイヤ１０９４は、ナノワイヤ１０９４の各グループによって共有される、電気接点１０９５によって画定される、ピクセルにグループ化されてもよい。ピクセルを形成する、ナノワイヤ１０９４の各グループは、第２の電気接点（図示せず）を共有してもよいことを理解されたい。ナノワイヤのグループを含み得る、各ピクセルは、個々の光エミッタ１０４４であってもよい。
図１１Ｃを継続して参照すると、ナノワイヤＬＥＤは、無機材料、例えば、ＧａＡｓ、ＧａＮ、および／またはＧａＩｎ等の第ＩＩＩ－Ｖ族材料を利用してもよく、基板１０９３上にあってもよく、これは、ナノワイヤＬＥＤの動作を制御するためのＣＭＯＳデバイス等の種々の電子デバイスを含有する、バックプレーンであってもよい。ＧａＮ材料の実施例は、ＩｎＧａＮを含み、これは、いくつかの実施形態では、青色または緑色光エミッタを形成するために使用されてもよい。種々の実施形態は、他の材料を利用してもよいが、ＧａＮが、有利なこととして、単に、Ｉｎドーピング濃度を制御し、所望の波長の光の放出を生じさせる、所望の電子バンドギャップ調整を取得することによって、可視スペクトル全体を生成するために使用され得る。したがって、ナノワイヤは、モノクロであってもよく、各グループ化は、同一色を放出するように作製されてもよい、または異なるピクセルのための異なるドーピングレベルを使用することによって、異なるピクセルが、異なる色の光を放出するように作製されてもよい。結果として、青色、緑色、および赤色エミッタは全て、単一ＧａＮ半導体上に形成され、それによって、製造を簡略化し、製造スループットを増加させ得る。加えて、ＧａＮおよびＩｎＧａＮは、シリコン等の標準的半導体材料上に成長させられてもよく、これは、ナノワイヤＬＥＤピクセルを駆動するための関連マイクロ電子機器回路網（ＣＭＯＳ Ｓｉバックプレーン）との統合を可能にする。
ＧａＩｎ材料の実施例は、ＡｌＧａＩｎＰを含み、これは、いくつかの実施形態では、赤色光エミッタを形成するために使用されてもよい。
ここで図１２を参照すると、複数のナノワイヤＬＥＤマイクロディスプレイ１０３０ａ、１０３０ｂ、１０３０ｃを有する、光投影システムを伴う、ウェアラブルディスプレイシステムの別の実施例が、図示される。図示されるディスプレイシステムは、図１１Ａのディスプレイシステムに類似するが、光学コンバイナ１０５０は、標準的Ｘ－立方体プリズム構成を有し、Ｘ－立方体プリズムの反射性表面１０５２、１０５４上への光の入射角を修正するために、光再指向構造１０８０ａおよび１０８０ｃを含む。標準的Ｘ－立方体プリズム構成は、Ｘ－立方体の面に対して法線である、光を受光し、Ｘ－立方体の横方向面から法線角度で出力されるように、本光を４５°で再指向するであろうことを理解されたい。しかしながら、これは、画像光１０３２ａ、１０３２ｂ、１０３２ｃを接眼レンズ１０２０の同一内部結合光学要素上に入射させるであろう。画像光が、導波管アセンブリの内部結合光学要素１０２２ａ、１０２２ｂ、１０２２ｃの関連付けられるもの上に入射するように、画像光１０３２ａ、１０３２ｂ、１０３２ｃのための異なる経路を提供するために、光再指向構造１０８０ａ、１０８０ｃが、利用されてもよい。
いくつかの実施形態では、光再指向構造１０８０ａ、１０８０ｃは、レンズ構造であってもよい。レンズ構造は、入射光を受光し、光が、反射性表面１０５２、１０５４の対応するものから反射し、光経路に沿って、内部結合光学要素１０２２ａ、１０２２ｃの対応するものに向かって伝搬するような角度で、入射光を再指向するように構成されてもよいことを理解されたい。実施例として、光再指向構造１０８０ａ、１０８０ｃは、マイクロレンズ、ナノレンズ、反射性ウェル、メタ表面、および液晶格子を含んでもよい。いくつかの実施形態では、マイクロレンズ、ナノレンズ、反射性ウェル、メタ表面、および液晶格子は、アレイに編成されてもよい。例えば、マイクロディスプレイ１０３０ａ、１０３０ｃの各光エミッタは、１つのマイクロレンズと合致されてもよい。いくつかの実施形態では、光を特定の方向に再指向するために、マイクロレンズまたは反射性ウェルは、非対称であってもよく、および／または光エミッタは、マイクロレンズに対して中心からずらして配置されてもよい。加えて、いくつかの実施形態では、光再指向構造１０８０ａ、１０８０ｃは、コリメータであってもよく、これは、関連付けられる光エミッタの角度放出プロファイルを狭化し、最終的に接眼レンズ１０２０の中に内部結合された光の量を増加させる。そのような光再指向構造１０８０ａ、１０８０ｃに関するさらなる詳細は、図２４Ａ－２７Ｃに関して下記に議論される。
図１２を継続して参照すると、いくつかの実施形態では、光再指向構造１０８０ａ、１０８０ｃの一方または両方は、省略されてもよく、ナノワイヤＬＥＤマイクロディスプレイ１０３０ａ、１０３０ｂ、１０３０ｃのナノワイヤＬＥＤは、所望の指向性を伴う光を放出し、光経路に沿って、関連付けられる内部結合光学要素１０２２ａ、１０２２ｂ、１０２２ｃまで伝搬させるように構成されてもよい。本明細書に議論されるように、ナノワイヤＬＥＤは、選択された指向性を伴って、エンジニアリングされてもよく、これは、関連付けられるマイクロディスプレイの光出力表面に対して非法線であってもよい。したがって、いくつかの実施形態では、ナノワイヤＬＥＤマイクロディスプレイ１０３０ａ、１０３０ｂ、１０３０ｃのそれぞれのナノワイヤＬＥＤの物理的設計および組成は、図示されるように、光出力を異なる方向に提供するように選択されてもよい。
ここで図１３Ａを参照すると、いくつかの実施形態では、内部結合光学要素１０２２ａ、１０２２ｂ、１０２２ｃのうちの２つまたはそれを上回るものは、重複してもよい（例えば、内部結合光学要素１０２２ａ、１０２２ｂ、１０２２ｃの中への光伝搬の方向における、真正面図に見られるように）。図１３Ａは、複数のナノワイヤＬＥＤマイクロディスプレイ１０３２ａ、１０３２ｂ、１０３２ｃと、重複する光内部結合光学要素１０２２ａ、１０２２ｃおよび非重複する光内部結合光学要素１０２２ｂを伴う、接眼レンズ１０２０とを有する、光投影システム１０１０を伴う、ウェアラブルディスプレイシステムの側面図の実施例を図示する。図示されるように、内部結合光学要素１０２２ａ、１０２２ｃは、重複する一方、内部結合光学要素１０２２ｂは、側方に偏移される。換言すると、内部結合光学要素１０２２ａ、１０２２ｃは、直接、画像光１０３２ａ、１０３２ｃの経路内に整合される一方、画像光１０３２ｂは、画像光１０３２ａ、１０３２ｃが入射される面積に対して側方に偏移される、接眼レンズ１０２０の面積上に入射するように、接眼レンズ１０２０への別の経路を辿る。
図示されるように、画像光１０３２ｂおよび画像光１０３２ａ、１０３２ｃのための経路間の差異は、光再指向構造１０８０ａ、１０８０ｃを使用して確立されてもよい。いくつかの実施形態では、ナノワイヤＬＥＤマイクロディスプレイ１０３０ｂからの画像光１０３２ｂは、直接、光学コンバイナ１０５２を通して進む。ナノワイヤＬＥＤマイクロディスプレイ１０３２ａからの画像光１０３２ａは、光再指向構造１０８０ａによって、反射性表面１０５４から反射し、光学コンバイナ１０５０から外に、画像光１０３２ｃと同一方向に伝搬するように再指向される。ナノワイヤＬＥＤマイクロディスプレイ１０３２ｃからの画像光１０３２ｃは、光再指向構造１０８０ｃによって、画像光１０３２ｃが、光学コンバイナ１０５０から外に、画像光１０３２ｂと同一方向に伝搬するような角度で、反射性表面１０５２から反射するように再指向されることを理解されたい。したがって、光再指向構造１０８０ａ、１０８０ｃによる光の再指向および反射性表面１０５２、１０５４の角度は、光学コンバイナ１０５０から外に画像光１０３２ａ、１０３２ｃのための共通経路を提供するように構成され、本共通経路は、画像光１０３２ｂの経路と異なる。いくつかの他の実施形態では、光再指向構造１０８０ａ、１０８０ｃの一方または両方は、省略されてもよく、光学コンバイナ１０５０内の反射性表面１０５２、１０５４は、光学コンバイナ１０５０から出射し、画像光１０３２ｂの方向と異なる、同一方向に伝搬するように、画像光１０３２ａ、１０３２ｃを適切な個別の方向に反射させるように構成されてもよい。したがって、投影光学系１０７０を通して伝搬後、画像光１０３２ａ、１０３２ｃは、１つの射出瞳から出射する一方、画像光１０３２ｂは、別の射出瞳から出射する。本構成では、光投影システム１０１０は、２瞳投影システムと称され得る。
いくつかの実施形態では、光投影システム１０１０は、単一出力瞳を有してもよく、単一瞳投影システムと称され得る。そのような実施形態では、光投影システム１０１０は、画像光１０３２ａ、１０３２ｂ、１０３２ｃを接眼レンズ１０２０の単一共通面積上に指向するように構成されてもよい。そのような構成は、光を接眼レンズ１０２０の単一光内部結合面積に指向するように構成される、複数のナノワイヤＬＥＤマイクロディスプレイ１０３０ａ、１０３０ｂ、１０３０ｃを有する、光投影システム１０１０を伴う、ウェアラブルディスプレイシステムを図示する、図１３Ｂに示される。いくつかの実施形態では、さらに本明細書で議論されるように、接眼レンズ１０２０は、重複する光内部結合光学要素を有する、導波管のスタックを含んでもよい。いくつかの他の実施形態では、単一光内部結合光学要素は、全ての原色の光を単一導波管の中に内部結合するように構成されてもよい。いくつかの実施形態では、単一導波管は、光学的に透過性の高屈折率材料、例えば、炭化ケイ素（ＳｉＣ）から形成されてもよい。
図１３Ｂのディスプレイシステムは、光再指向構造１０８０ａ、１０８０ｃの省略および内部結合光学要素１１２２ａと関連付けられる導波管１０２０ａの併用を除き、図１３Ａのディスプレイシステムに類似する。図示されるように、内部結合光学要素１１２２ａは、画像光１０３２ａ、１０３２ｂ、１０３２ｃのそれぞれを導波管１０２０ａの中に内部結合し、これは、次いで、画像光を眼２１０に中継する。いくつかの実施形態では、内部結合光学要素１１２２ａは、回折格子を含んでもよい。いくつかの実施形態では、内部結合光学要素１１２２ａは、メタ表面および／または液晶格子である。
いくつかの他の実施形態では、導波管１０２０ａは、２つまたはそれを上回る離間された内部結合光学要素を含んでもよく、２つまたはそれを上回る離間された内部結合光学要素はそれぞれ、異なる波長の範囲（例えば、異なる色）の光を内部結合するように構成されてもよい。離間された内部結合光学要素は、上下平面図に見られるように（導波管１０２０ａ上に衝突する光の方向に真正面から視認されるように）、空間的に分離されてもよいことを理解されたい。例えば、導波管１０２０ａは、内部結合光学要素１０２２ａ、１０２２ｂ、１０２２ｃをその単一導波管上に含んでもよく（例えば、図１１Ａ（側面図）または図９Ｃまたは９Ｄ（上下図）に示されるように、配列されるが、同一導波管１０２０ａ上で空間的に分離される）、内部結合光学要素は、光投影システム１０１０からの異なる色の画像光が内部結合光学要素１０２２ａ、１０２２ｂ、１０２２ｃの関連付けられるもの上に一意に衝突するように空間的に分離される。いくつかの実施形態では、２つの空間的に分離される内部結合光学要素が、利用されてもよく、内部結合光学要素のうちの少なくとも１つは、複数の異なる色の光を内部結合するように構成される。例えば、そのような配列では、内部結合光学要素は、図１３Ａ（側面図）の内部結合要素１０２２ａ、１０２２ｂと同様に配列されてもよいが、同一導波管１０２０ａ上で空間的に分離される。
本明細書に議論されるように、いくつかの実施形態では、ナノワイヤＬＥＤマイクロディスプレイ１０３０ａ、１０３０ｂ、１０３０ｃは、異なる色の光を放出するように構成される、モノクロマイクロディスプレイであってもよい。いくつかの実施形態では、ナノワイヤＬＥＤマイクロディスプレイ１０３０ａ、１０３０ｂ、１０３０ｃのうちの１つまたはそれを上回るものは、２つまたはそれを上回るが、全てではない原色の光を放出するように構成される、光エミッタのグループを有してもよい。例えば、単一ナノワイヤＬＥＤマイクロディスプレイは、青色光を放出するように構成される、グループあたり少なくとも１つの光エミッタと、緑色光を放出するように構成される、グループあたり少なくとも１つの光エミッタとを伴う、光エミッタのグループを有してもよく、Ｘ－立方体１０５０の異なる面上の別個のナノワイヤＬＥＤマイクロディスプレイは、赤色光を放出するように構成される、光エミッタを有してもよい。いくつかの他の実施形態では、ナノワイヤＬＥＤマイクロディスプレイ１０３０ａ、１０３０ｂ、１０３０ｃはそれぞれ、それぞれ、全ての原色の光エミッタを有する、フルカラーディスプレイであってもよい。本明細書に記載されるように、複数の類似マイクロディスプレイを利用することは、ダイナミックレンジのための利点および増加されたディスプレイ明度を提供し得る。
いくつかの実施形態では、単一フルカラーナノワイヤＬＥＤマイクロディスプレイが、利用されてもよい。図１４は、単一ナノワイヤＬＥＤマイクロディスプレイ１０３０ｂを伴う、ウェアラブルディスプレイシステムの実施例を図示する。図１４のウェアラブルディスプレイシステムは、図１３Ａおよび１３Ｂのウェアラブルディスプレイシステムに類似するが、単一ナノワイヤＬＥＤマイクロディスプレイ１０３０ｂは、全ての原色の光を放出するように構成される、フルカラーマイクロディスプレイである。図示されるように、マイクロディスプレイ１０３０ｂは、各原色の画像光１０３２ａ、１０３２ｂ、１０３２ｃを放出する。そのような実施形態では、光学コンバイナ１０５０（図１３Ｂ）は、省略されてもよく、これは、有利なこととして、光学コンバイナを伴うシステムに対して、ウェアラブルディスプレイシステムの重量およびサイズを低減させ得る。
上記に議論されるように、接眼レンズ１０２０の内部結合光学要素は、種々の構成をとってもよい。接眼レンズ１０２０に関する構成のいくつかの実施例は、図１５－２３Ｃに関連して下記に議論される。
図１５は、それぞれ、重複する内部結合光学要素１０２２ａ、１０２２ｂ、１０２２ｃを伴う、導波管１０２０ａ、１０２０ｂ、１０２０ｃのスタックを有する、接眼レンズ１０２０の実施例の側面図を図示する。図示される導波管スタックは、図１３Ｂおよび１４の単一の図示される導波管１０２０ａの代わりに利用されてもよいことを理解されたい。本明細書に議論されるように、内部結合光学要素１０２２ａ、１０２２ｂ、１０２２ｃはそれぞれ、具体的色を有する光を内部結合するように構成される（例えば、特定の波長または波長の範囲の光）。画像光が接眼レンズ１０２０に向かってページを辿って垂直に伝搬する、接眼レンズ１０２０の図示される配向では、内部結合光学要素１０２２ａ、１０２２ｂ、１０２２ｃは、上下図（内部結合光学要素に伝搬する画像光１０３２ａ、１０３２ｂ、１０３２ｃの方向における真正面図）に見られるように、それらが相互に空間的に重複するように、相互に垂直に整合される（例えば、画像光１０３２ａ、１０３２ｂ、１０３２ｃの伝搬方向と平行な軸に沿って）。
図１５を継続して参照すると、本明細書に議論されるように、投影システム１０１０（図１３、１４）は、投影システムの単一瞳を通して、第１のモノクロカラー画像、第２のモノクロカラー画像、および第３のモノクロカラー画像（例えば、赤色、緑色、および青色カラー画像）を出力するように構成され、モノクロ画像は、それぞれ、画像光１０３２ａ、１０３２ｂ、１０３２ｃによって形成される。内部結合光学要素１０２２ｃは、導波管１０２０ｃの上側および底部主要表面における複数回の全内部反射によって、導波管１０２０ｃを通して伝搬するように、第１のカラー画像のために、画像光１０３２ｃを導波管１０２０ｃの中に内部結合するように構成され、内部結合光学要素１０２２ｂは、導波管１０２０ｂの上側および底部主要表面における複数回の全内部反射によって、導波管１０２０ｂを通して伝搬するように、第２のカラー画像のために、画像光１０３２ｂを導波管１０２０ｂの中に内部結合するように構成され、内部結合光学要素１０２２ａは、導波管１０２０ａの上側および底部主要表面における複数回の全内部反射によって、導波管１０２０ａを通して伝搬するように、第３のカラー画像のために、画像光１０３２ａを導波管１０２０ａの中に内部結合するように構成される。
本明細書に議論されるように、内部結合光学要素１０２２ｃは、好ましくは、第１のカラー画像に対応する、実質的に全ての入射光１０３２ｃを関連付けられる導波管１０２０ｃの中に内部結合する一方、それぞれ、第２のカラー画像および第３のカラー画像に対応する、実質的に全ての入射光１０３２ｂ、１０３２ａが、内部結合されずに、透過されることを可能にするように構成される。同様に、内部結合光学要素１０２２ｂは、好ましくは、第２のカラー画像に対応する、実質的に全ての入射画像光１０３２ｂを関連付けられる導波管１０２０ｂの中に内部結合する一方、第３のカラー画像に対応する、実質的に全ての入射光が、内部結合されずに、透過されることを可能にするように構成される。
実践では、種々の内部結合光学要素は、完璧な選択性を有していない場合があることを理解されたい。例えば、画像光１０３２ｂ、１０３２ａの一部は、望ましくないことに、内部結合光学要素１０２２ｃによって、導波管１０２０ｃの中に内部結合され得、入射画像光１０３２ａの一部は、望ましくないことに、内部結合光学要素１０２２ｂによって、導波管１０２０ｂの中に内部結合され得る。さらに、画像光１０３２ｃの一部は、内部結合光学要素１０２２ｃを通して透過され、それぞれ、内部結合光学要素１０２０ｂおよび／または１０２０ａによって、導波管１０２０ｂおよび／または１０２０ａの中に内部結合され得る。同様に、画像光１０３２ｂの一部は、内部結合光学要素１０２２ｂを通して透過され、内部結合光学要素１０２２ａによって、導波管１０２０ａの中に内部結合され得る。
カラー画像のための画像光を意図するものではない導波管の中に内部結合することは、例えば、クロストークおよび／または残影等の望ましくない光学効果を生じさせ得る。例えば、第１のカラー画像のための画像光１０３２ｃの意図するものではない導波管１０２０ｂおよび／または１０２０ａの中への内部結合は、第１のカラー画像、第２のカラー画像、および／または第３のカラー画像間の望ましくないクロストークをもたらし得、および／または望ましくない残影をもたらし得る。別の実施例として、それぞれ、第２または第３のカラー画像のための画像光１０３２ｂ、１０３２ａの意図するものではない導波管１０２０ｃの中への内部結合は、第１のカラー画像、第２のカラー画像、および／または第３のカラー画像間の望ましくないクロストークをもたらし得、および／または望ましくない残影を生じさせ得る。いくつかの実施形態では、これらの望ましくない光学効果は、意図するものではない導波管の中に内部結合される、入射光の量を低減させ得る、カラーフィルタ（例えば、吸光性カラーフィルタ）を提供することによって軽減され得る。
図１６は、残影または導波管間のクロストークを軽減するために、カラーフィルタを伴う、導波管のスタックの実施例の側面図を図示する。図１６の接眼レンズ１０２０は、カラーフィルタ１０２４ｃ、１０２４ｂおよび１０２８、１０２６のうちの１つまたはそれを上回るものの存在を除き、図１５のものに類似する。カラーフィルタ１０２４ｃ、１０２４ｂは、それぞれ、導波管１０２０ｂおよび１０２０ａの中に非意図的に内部結合される、光の量を低減させるように構成される。カラーフィルタ１０２８、１０２６は、それぞれ、導波管１０２０ｂ、１０２０ｃを通して伝搬する、非意図的に内部結合される画像光の量を低減させるように構成される。
図１６を継続して参照すると、導波管１０２０ｃの上側および下側主要表面上に配置される、一対のカラーフィルタ１０２６は、導波管１０２０ｃの中に非意図的に内部結合されたとされ得る、画像光１０３２ａ、１０３２ｂを吸光するように構成されてもよい。いくつかの実施形態では、導波管１０２０ｃと１０２０ｂとの間に配置される、カラーフィルタ１０２４ｃは、内部結合されずに、内部結合光学要素１０２２ｃを通して透過される、画像光１０３２ｃを吸光するように構成される。導波管１０２０ｂの上側および下側主要表面上に配置される、一対のカラーフィルタ１０２８は、導波管１０２０ｂの中に内部結合される、画像光１０３２ａを吸光するように構成される。導波管１０２０ｂと１０２０ａとの間に配置される、カラーフィルタ１０２４ｂは、内部結合光学要素７１０を通して透過される、画像光１０３２ｂを吸光するように構成される。
いくつかの実施形態では、導波管１０２０ｃの各主要表面上のカラーフィルタ１０２６は、類似し、画像光１０３２ａ、１０３２ｂの両方の波長の光を吸光するように構成される。いくつかの他の実施形態では、導波管１０２０ｃの１つの主要表面上のカラーフィルタ１０２６は、画像光１０３２ａの色の光を吸光するように構成されてもよく、他の主要表面上のカラーフィルタは、画像光１０３２ｂの色の光を吸光するように構成されてもよい。配列のいずれかでは、カラーフィルタ１０２６は、全内部反射によって、導波管１０２０ｃを通して伝搬する、画像光１０３２ａ、１０３２ｂを選択的に吸光するように構成されてもよい。例えば、導波管１０２０ｃの主要表面からの画像光１０３２ａ、１０３２ｂのＴＩＲバウンスでは、画像光１０３２ａ、１０３２ｂは、それらの主要表面上のカラーフィルタ１０２６に接触し、その画像光の一部は、吸光される。好ましくは、カラーフィルタ１０２６による画像光１０３２ａ、１０３２ｂの選択的吸光に起因して、導波管１０２０ｃを通してＴＩＲを介して内部結合される画像光１０３２ｃの伝搬は、著しく影響されない。
同様に、複数のカラーフィルタ１０２８が、全内部反射によって、導波管１０２０ｂを通して伝搬する、内部結合される画像光１０３２ａを吸光する、吸光フィルタとして構成されてもよい。導波管１０２０ｂの主要表面からの画像光１０３２ａのＴＩＲバウンスでは、画像光１０３２ａは、それらの主要表面上のカラーフィルタ１０２８に接触し、その画像光の一部は、吸光される。好ましくは、画像光１０３２ａの吸光は、選択的であって、同様に導波管１０２０ｂを通してＴＩＲを介して伝搬する、内部結合される画像光１０３２ｂの伝搬に影響を及ぼさない。
図１６を継続して参照すると、カラーフィルタ１０２４ｃおよび１０２４ｂはまた、吸光フィルタとして構成されてもよい。カラーフィルタ１０２４ｃは、画像光１０３２ａ、１０３２ｂが、殆どまたは全く減衰を伴わずに、カラーフィルタ１０２４ｃを通して透過される一方、画像光１０３２ｃの色の光が、選択的に吸光されるように、画像光１０３２ａ、１０３２ｂの色の光に対して実質的に透明であってもよい。同様に、カラーフィルタ１０２４ｂは、入射画像光１０３２ａが、殆どまたは全く減衰せずに、カラーフィルタ１０２４ｂを通して透過される一方、画像光１０３２ｂの色の光が、選択的に吸光されるように、画像光１０３２ａの色の光に対して実質的に透明であってもよい。カラーフィルタ１０２４ｃは、図１６に示されるように、導波管１０２０ｂの主要表面（例えば、上側主要表面）上に配置されてもよい。代替として、カラーフィルタ１０２４ｃは、導波管１０２０ｃと１０２０ｂとの間に位置付けられる、別個の基板上に配置されてもよい。同様に、カラーフィルタ１０２４ｂは、導波管１０２０ａの主要表面（例えば、上側主要表面）上に配置されてもよい。代替として、カラーフィルタ１０２４ｂは、導波管１０２０ｂと１０２０ａとの間に位置付けられる、別個の基板上に配置されてもよい。カラーフィルタ１０２４ｃおよび１０２４ｂは、画像光１０３２ａ、１０３２ｂ、１０３２ｃを出力する、プロジェクタの単一瞳と垂直に整合されてもよい（画像光１０３２ａ、１０３２ｂ、１０３２ｃが、図示されるように、導波管スタック１０２０に対して垂直に伝搬する、配向において）ことを理解されたい。
いくつかの実施形態では、カラーフィルタ１０２６および１０２８は、導波管１０２０ｃ、１０２０ｂの厚さを通して伝搬する、光（例えば、導波管１０２０ｃ、１０２０ｂを通して周囲環境および／または他の導波管から伝搬する、画像光１０３２ａ、１０３２ｂの色の光）の有意な望ましくない吸光を回避するために、約１０％未満（例えば、約５％未満またはそれに等しく、約２％未満またはそれに等しく、かつ約１％を上回る）単一通過減衰係数を有してもよい。カラーフィルタ１０２４ｃおよび１０２４ｂの種々の実施形態は、透過されるべき波長のための低減衰係数と、吸光されるべき波長のための高減衰係数とを有するように構成されてもよい。例えば、いくつかの実施形態では、カラーフィルタ１０２４ｃは、画像光１０３２ａ、１０３２ｂの色を有する、入射光の８０％を上回って、９０％を上回って、または９５％を上回って透過させ、画像光１０３２ａの色を有する、入射光の８０％を上回って、９０％を上回って、または９５％を上回って吸光するように構成されてもよい。同様に、カラーフィルタ１０２４ｂは、画像光１０３２ａの色を有する、入射光の８０％を上回って、９０％を上回って、または９５％を上回って透過させ、画像光１０３２ｂの色を有する、入射光の８０％を上回って、９０％を上回って、または９５％を上回って吸光するように構成されてもよい。
いくつかの実施形態では、カラーフィルタ１０２６、１０２８、１０２４ｃ、１０２４ｂは、導波管１０２０ｃ、１０２０ｂ、および／または１０２０ａの一方または両方の表面上に堆積される、色選択的吸光材料の層を含んでもよい。色選択的吸光材料は、染料、インク、または金属、半導体、および誘電体等の他の吸光材料を含んでもよい。いくつかの実施形態では、金属、半導体、および誘電体等の材料の吸光は、これらの材料を利用して、サブ波長格子（例えば、光を回折しない、格子）を形成することによって、色選択的にされてもよい。格子は、プラズモニクス（例えば、金、銀、およびアルミニウム）または半導体（例えば、シリコン、非晶質シリコン、およびゲルマニウム）から作製されてもよい。
色選択的材料は、種々の堆積方法を使用して、基板上に堆積されてもよい。例えば、色選択的吸光材料は、ジェット堆積技術（例えば、インクジェット堆積）を使用して、基板上に堆積されてもよい。インクジェット堆積は、色選択的吸光材料の薄い層の堆積を促進し得る。インクジェット堆積は、堆積が基板の選択された面積上に限局されることを可能にするため、インクジェット堆積は、基板を横断して非均一厚さおよび／または組成を提供することを含む、色選択的吸光材料の層の厚さおよび組成の高度の制御を提供する。いくつかの実施形態では、インクジェット堆積を使用して堆積される色選択的吸光材料は、厚さ約１０ｎｍ～約１ミクロン（例えば、約１０ｎｍ～約５０ｎｍ、約２５ｎｍ～約７５ｎｍ、約４０ｎｍ～約１００ｎｍ、約８０ｎｍ～約３００ｎｍ、約２００ｎｍ～約５００ｎｍ、約４００ｎｍ～約８００ｎｍ、約５００ｎｍ～約１ミクロン、またはこれらの値のいずれかによって定義された範囲／サブ範囲内の任意の値）を有してもよい。色選択的吸光材料の堆積される層の厚さを制御することは、所望の減衰係数を有する、カラーフィルタを達成する際に有利であり得る。さらに、異なる厚さを有する層が、基板の異なる部分に堆積されてもよい。加えて、色選択的吸光材料の異なる組成が、インクジェット堆積を使用して、基板の異なる部分に堆積されてもよい。組成および／または厚さのそのような変動は、有利なこととして、吸光率の場所特有の変動を可能にし得る。例えば、周囲からの光の透過（視認者に周囲環境が見えることを可能にするために）が必要ない、導波管の面積では、組成および／または厚さは、光の選択された波長の高吸光率または減衰率を提供するように選択されてもよい。コーティング、スピンコーティング、噴霧等の他の堆積方法も、色選択的吸光材料を基板上に堆積させるために採用されてもよい。
図１７は、図１５および１６の導波管アセンブリの上下図の実施例を図示する。図示されるように、内部結合光学要素１０２２ａ、１０２２ｂ、１０２２ｃは、空間的に重複する。加えて、導波管１０２０ａ、１０２０ｂ、１０２０ｃは、各導波管の関連付けられる光分散要素７３０、７４０、７５０および関連付けられる外部結合光学要素８００、８１０、８２０とともに、垂直に整合されてもよい。内部結合光学要素１０２２ａ、１０２２ｂ、１０２２ｃは、画像光が、ＴＩＲによって、関連付けられる光分散要素７３０、７４０、７５０に向かって伝搬するように、入射画像光１０３２ａ、１０３２ｂ、１０３２ｃ（図１５および１６）がそれぞれ、それぞれ、導波管１０２０ａ、１０２０ｂ、１０２０ｃ内に内部結合するように構成される。
図１８は、図１５および１６の導波管アセンブリの上下図の別の実施例を図示する。図１７におけるように、内部結合光学要素１０２２ａ、１０２２ｂ、１０２２ｃは、空間的に重複し、導波管１０２０ａ、１０２０ｂ、１０２０ｃは、垂直に整合される。しかしながら、各導波管の関連付けられる光分散要素７３０、７４０、７５０および関連付けられる外部結合光学要素８００、８１０、８２０の代わりに、それぞれ、組み合わせられたＯＰＥ／ＥＰＥ１２８１、１２８２、１２８３がある。内部結合光学要素１０２２ａ、１０２２ｂ、１０２２ｃは、画像光が、ＴＩＲによって、関連付けられる組み合わせられたＯＰＥ／ＥＰＥ１２８１、１２８２、１２８３に向かって伝搬するように、入射画像光１０３２ａ、１０３２ｂ、１０３２ｃ（図１５および１６）がそれぞれ、それぞれ、導波管１０２０ａ、１０２０ｂ、１０２０ｃ内に内部結合するように構成される。
図１５－１８は、ディスプレイシステムの単一瞳構成のために、重複する内部結合光学要素を示すが、ディスプレイシステムは、いくつかの実施形態では、２瞳構成を有してもよいことを理解されたい。３つの原色が利用される、そのような構成では、２つの色のための画像光は、重複する内部結合光学要素を有してもよい一方、第３の色のための画像光は、側方に偏移された内部結合光学要素を有してもよい。例えば、光学コンバイナ１０５０（図１１Ａ、１２、１３Ａ－１３Ｂ）および／または光再指向構造１０８０ａ、１０８０ｃは、２つの色の画像光が、直接、接眼レンズ１０２０の重複面積上に入射する一方、画像光の別の色が、側方に偏移される面積上に入射するように、画像光を投影光学系１０７０を通して指向するように構成されてもよい。例えば、反射性表面１０５２、１０５４（図１１Ａ）は、１つの色の画像光が、ナノワイヤＬＥＤマイクロディスプレイ１０３０ｂからの画像光と共通光経路を辿る一方、別の色の画像光が、異なる光経路を辿るように、角度付けられてもよい。いくつかの実施形態では、光再指向構造１０８０ａ、１０８０ｃ（図１２）の両方を有するのではなく、これらの光再指向構造のうちの１つは、マイクロディスプレイ１０３０ａ、１０３０ｃのうちの１つからの光のみが、角度付けられ、他の２つのマイクロディスプレイによって放出される光と異なる光経路を提供するように、省略されてもよい。
図１９Ａは、いくつかの重複する内部結合光学要素と、いくつかの側方に偏移された内部結合光学要素とを伴う、導波管のスタックを有する、接眼レンズの実施例の側面図を図示する。図１９Ａの接眼レンズは、図１５の接眼レンズに類似するが、内部結合光学要素のうちの一方は、他方の内部結合光学要素に対して側方に偏移される。画像光が接眼レンズ１０２０に向かってページを辿って垂直に伝搬する、接眼レンズ１０２０の図示される配向では、内部結合光学要素１０２２ａ、１０２２ｃは、内部結合光学要素１０２２ａ、１０２２ｂ、１０２２ｃに伝搬する画像光１０３２ａ、１０３２ｃの方向における、真正面図に見られるように、それらが相互に空間的に重複するように、相互に垂直に整合される（例えば、画像光１０３２ａ、１０３２ｃの伝搬方向と平行な軸に沿って）。同一真正面図に見られるように（例えば、図示される配向における上下図に見られるように）、内部結合光学要素１０２２ｂは、他の内部結合光学要素１０２２ａ、１０２２ｃに対して側方に偏移される。内部結合光学要素１０２２ｂのための光は、内部結合光学要素１０２２ａ、１０２２ｃのための光と異なる射出瞳を通して、接眼レンズ１０２０に出力される。導波管１０２０ａ、１０２０ｂ、１０２０ｃを含む、図示される導波管スタックは、図１３Ａ、１３Ｂ、および１４の単一の図示される導波管１０２０ａの代わりに利用されてもよいことを理解されたい。
図１９Ａを継続して参照すると、内部結合光学要素１０２２ｃは、導波管１０２０ｃの上側主要表面と底部主要表面との間の複数回の全内部反射によって、導波管１０２０ｃを通して伝搬するように、画像光１０３２ｃを導波管１０２０ｃの中に内部結合するように構成され、内部結合光学要素１０２２ｂは、導波管１０２０ｂの上側主要表面と底部主要表面との間の複数回の全内部反射によって、導波管１０２０ｂを通して伝搬するように、画像光１０３２ｂを導波管１０２０ｂの中に内部結合するように構成され、内部結合光学要素１０２２ａは、導波管１０２０ａの上側主要表面と底部主要表面との間の複数回の全内部反射によって、導波管１０２０ａを通して伝搬するように、画像光１０３２ａを導波管１０２０ａの中に内部結合するように構成される。
内部結合光学要素１０２２ｃは、好ましくは、全ての入射光１０３２ｃを関連付けられる導波管１０２０ｃの中に内部結合する一方、全ての入射光１０３２ａを透過させるように構成される。他方では、画像光１０３２ｂは、任意の他の内部結合光学要素を通して伝搬する必要なく、内部結合光学要素１０２２ｂに伝搬し得る。これは、いくつかの実施形態では、それに対して眼がより敏感である光が、他の内部結合光学要素を通した伝搬と関連付けられる、任意の損失または歪曲を伴わずに、所望の内部結合光学要素上に入射することを可能にすることによって、有利であり得る。理論によって限定されるわけではないが、いくつかの実施形態では、画像光１０３２ｂは、それに対してヒトの眼がより敏感である、緑色光である。導波管１０２０ａ、１０２０ｂ、１０２０ｃは、特定の順序で配列されるように図示されるが、いくつかの実施形態では、導波管１０２０ａ、１０２０ｂ、１０２０ｃの順序は、異なり得ることを理解されたい。
本明細書に議論されるように、内部結合光学要素１０２２ａの上層の内部結合光学要素１０２２ｃは、完璧な選択性を有していない場合があることを理解されたい。画像光１０３２ａの一部は、望ましくないことに、内部結合光学要素１０２２ｃによって、導波管１０２０ｃの中に内部結合され得、画像光１０３２ｃの一部は、内部結合光学要素１０２２ｃを通して透過され得、その後、画像光１０３２ｃは、内部結合光学要素１０２０ａに衝打し、導波管１０２０ａの中に内部結合され得る。本明細書に議論されるように、そのような望ましくない内部結合は、残影またはクロストークとして可視であり得る。
図１９Ｂは、残影または導波管間のクロストークを軽減するためのカラーフィルタを伴う、図１９Ａの接眼レンズの実施例の側面図を図示する。特に、カラーフィルタ１０２４ｃおよび／または１０２６は、図１９Ａに示される構造に追加される。図示されるように、内部結合光学要素１０２２ｃは、画像光１０３２ａの一部を導波管１０２０ｃの中に非意図的に内部結合し得る。加えて、または代替として、画像光１０３２ｃの一部は、望ましくないことに、内部結合光学要素１０２２ｃを通して透過され、その後、内部結合光学要素１０２２ａによって、非意図的に内部結合され得る。
導波管１０２２ｃを通して伝搬する画像光１０３２ａを非意図的に内部結合することを軽減させるために、吸光性カラーフィルタ１０２６が、導波管１０２２ｃの一方または両方の主要表面上に提供されてもよい。吸光性カラーフィルタ１０２６は、非意図的に内部結合される画像光１０３２ａの色の光を吸光するように構成されてもよい。図示されるように、吸光性カラーフィルタ１０２６は、導波管１０２０ｃを通した画像光の一般的伝搬方向に配置される。したがって、吸光性カラーフィルタ１０２６は、その光がＴＩＲによって導波管１０２０ｃを通して伝搬し、導波管１０２０ｃの主要表面の一方または両方から反射する際、吸光性カラーフィルタ１０２６に接触するにつれて、画像光１０３２ａを吸光するように構成される。
図１９Ｂを継続して参照すると、内部結合されずに、内部結合光学要素１０２２ｃを通して伝搬する、画像光１０３２ｃを軽減させるために、吸光性カラーフィルタ１０２４ｃが、内部結合光学要素１０２２ａの前方に提供されてもよい。吸光性カラーフィルタ１０２４ｃは、画像光１０３２ｃの色の光を吸光し、その光が内部結合光学要素１０２２ａに伝搬しないように防止するように構成される。導波管１０２０ｃと１０２０ｂとの間に図示されるが、いくつかの他の実施形態では、吸光性カラーフィルタ１０２４ｃは、導波管１０２０ｂと１０２０ａとの間に配置されてもよい。吸光性カラーフィルタ１０２４ｃおよび１０２６の組成、形成、および性質に関するさらなる詳細は、図１６の議論に提供されることを理解されたい。
また、図１６および１９Ｂに図示される実施形態では、カラーフィルタ１０２６、１０２８、１０２４ｃ、および１０２４ｂのうちの１つまたはそれを上回るものは、１つまたはそれを上回る内部結合光学要素１０２２ａ、１０２２ｂ、１０２２ｃが、それぞれ、関連付けられる導波管１０２０ａ、１０２０ｂ、１０２２ｃの中に内部結合されるように意図される、光の色に関して十分に高選択性を有する場合、省略されてもよいことを理解されたい。
図２０Ａは、図１９Ａおよび１９Ｂの接眼レンズの上下図の実施例を図示する。図示されるように、内部結合光学要素１０２２ａ、１０２２ｃは、空間的に重複する一方、内部結合光学要素１０２２ｂは、側方に偏移される。加えて、導波管１０２０ａ、１０２０ｂ、１０２０ｃは、各導波管の関連付けられる光分散要素７３０、７４０、７５０および関連付けられる外部結合光学要素８００、８１０、８２０とともに、垂直に整合されてもよい。内部結合光学要素１０２２ａ、１０２２ｂ、１０２２ｃは、画像光が、ＴＩＲによって、関連付けられる光分散要素７３０、７４０、７５０に向かって伝搬するように、入射画像光１０３２ａ、１０３２ｂ、１０３２ｃ（図１５および１６）をそれぞれ、それぞれ、導波管１０２０ａ、１０２０ｂ、１０２０ｃ内に内部結合するように構成される。
図２０Ｂは、図１９Ａおよび１９Ｂの導波管アセンブリの上下図の別の実施例を図示する。図２０Ａにおけるように、内部結合光学要素１０２２ａ、１０２２ｃは、空間的に重複し、内部結合光学要素は、側方に偏移され、導波管１０２０ａ、１０２０ｂ、１０２０ｃは、垂直に整合される。しかしながら、各導波管の関連付けられる光分散要素７３０、７４０、７５０および関連付けられる外部結合光学要素８００、８１０、８２０の代わりに、それぞれ、組み合わせられたＯＰＥ／ＥＰＥ１２８１、１２８２、１２８３がある。内部結合光学要素１０２２ａ、１０２２ｂ、１０２２ｃは、画像光が、ＴＩＲによって、関連付けられる組み合わせられたＯＰＥ／ＥＰＥ１２８１、１２８２、１２８３に向かって伝搬するように、入射画像光１０３２ａ、１０３２ｂ、１０３２ｃ（図１５および１６）をそれぞれ、それぞれ、導波管１０２０ａ、１０２０ｂ、１０２０ｃ内に内部結合するように構成される。
ここで図２１を参照すると、内部結合された光の再バウンスが、望ましくないことに、導波管内で生じ得ることを理解されたい。再バウンスは、導波管に沿って伝搬する内部結合された光が、初期内部結合入射後、２回目として、または後続の時間において、内部結合光学要素に衝打するときに生じる。再バウンスは、内部結合された光の一部が、望ましくないことに、内部結合光学要素の材料によって、外部結合および／または吸光される結果をもたらし得る。外部結合および／または吸光は、望ましくないことに、全体的内部結合効率および／または内部結合された光の均一性の低減を生じさせ得る。
図２１は、導波管１０３０ａ内の再バウンスの実施例の側面図を図示する。図示されるように、画像光１０３２ａは、内部結合光学要素１０２２ａによって、導波管１０３０ａの中に内部結合される。内部結合光学要素１０２２ａは、概して、方向１０３３に、導波管を通して伝搬するように、画像光１０３２ａを再指向する。再バウンスは、内部結合される画像光が、内部結合光学要素１０２２ａに対向する導波管１０３０ａの主要表面から内部反射またはバウンスし、内部結合光学要素１０２２ａ上に入射する、または第２のバウンス（再バウンス）を被るときに生じ得る。導波管１０３０ａの同一表面上の２つの近傍のバウンス間の距離は、間隔１０３４によって示される。
理論によって限定されるわけではないが、内部結合光学要素１０２２ａは、対称的に挙動し得ることを理解されたい。すなわち、入射光が、ＴＩＲ角度で導波管を通して伝搬するように、入射光を再指向し得る。しかしながら、ＴＩＲ角度で回折光学要素上に入射する光（再バウンスに応じて等）はまた、外部結合され得る。加えて、または代替として、内部結合光学要素１０２２ａが反射性材料でコーティングされる、実施形態では、金属等の材料の層からの光の反射はまた、反射が材料からの光の吸光および放出を伴い得るため、入射光の部分的吸光を伴い得ることを理解されたい。結果として、光の外部結合および／または吸光は、望ましくないことに、内部結合された光の損失を引き起こし得る。故に、再バウンスされた光は、内部結合光学要素１０２２ａと１回のみ相互作用する、光と比較して、有意な損失を被り得る。
いくつかの実施形態では、内部結合要素は、再バウンスに起因する内部結合される画像光損失を軽減させるように構成される。概して、内部結合された光の再バウンスは、内部結合光学要素１０２２ａの端部１０２３に向かって、内部結合された光の伝搬方向１０３３に生じる。例えば、端部１０２３に対向する内部結合光学要素１０２２ａの端部において内部結合された光は、その光のための間隔１０３４が十分に短い場合、再バウンスし得る。そのような再バウンスを回避するために、いくつかの実施形態では、内部結合光学要素１０２２ａは、伝搬方向端部１０２３において切頂され、それに沿って再バウンスが生じる可能性が高い、内部結合光学要素１０２２ａの幅１０２２ｗを低減させる。いくつかの実施形態では、切頂は、内部結合光学要素１０２２ａの全ての構造（例えば、金属化および回折格子）の完全切頂であってもよい。いくつかの他の実施形態では、例えば、内部結合光学要素１０２２ａが、金属化された回折格子を含む場合、伝搬方向端部１０２３における内部結合光学要素１０２２ａの一部は、内部結合光学要素１０２２ａの伝搬方向端部１０２３が、再バウンス光を殆ど吸光せず、および／またはより低い効率を伴って、再バウンス光を外部結合するように、金属化されなくてもよい。いくつかの実施形態では、内部結合光学要素１０２２ａの回折領域は、伝搬方向１０３３に沿って、伝搬方向１０３３と垂直なその長さより短い幅を有してもよく、および／または画像光１０３２ａの第１の部分が、内部結合光学要素１０２２ａ上に入射し、光のビームの第２の部分が、内部結合光学要素１０２２ａ上に入射せずに、導波管１０３０ａ上に衝突するようにサイズ決めおよび成形されてもよい。導波管１０３２ａおよび光内部結合光学要素１０２２ａは、明確にするために、単独で図示されるが、再バウンスおよび再バウンスを低減させるための議論される方略は、本明細書に開示される内部結合光学要素のいずれかに適用されてもよいことを理解されたい。また、間隔１０３４は、導波管１０３０ａの厚さに比例する（より大きい厚さは、より大きい間隔１０３４をもたらす）ことを理解されたい。いくつかの実施形態では、個々の導波管の厚さは、再バウンスが生じないように、間隔１０３４を設定するように選択されてもよい。再バウンス軽減に関するさらなる詳細は、２０１８年７月２４日に出願された、米国仮出願第６２／７０２，７０７号（その開示全体は、参照することによって本明細書に組み込まれる）に見出され得る。
図２２Ａ－２３Ｃは、再バウンスを低減させるように構成される、内部結合光学要素を有する、接眼レンズの上下図の実施例を図示する。内部結合光学要素１０２２ａ、１０２２ｂ、１０２２ｃは、関連付けられる光分散要素７３０、７４０、７５０（図２２Ａ－２２Ｃ）または組み合わせられるＯＰＥ／ＥＰＥ１２８１、１２８２、１２８３（図２３Ａ－２３Ｃ）に向かった伝搬方向に伝搬するように、光を内部結合するように構成される。図示されるように、内部結合光学要素１０２２ａ、１０２２ｂ、１０２２ｃは、伝搬方向に沿ったより短い寸法と、横軸に沿ったより長い寸法とを有してもよい。例えば、内部結合光学要素１０２２ａ、１０２２ｂ、１０２２ｃはそれぞれ、伝搬方向の軸に沿ったより短い辺と、直交軸に沿ったより長い辺とを伴う、矩形形状であってもよい。内部結合光学要素１０２２ａ、１０２２ｂ、１０２２ｃは、他の形状（例えば、直交、六角形等）を有してもよいことを理解されたい。加えて、内部結合光学要素１０２２ａ、１０２２ｂ、１０２２ｃの異なるものは、いくつかの実施形態では、異なる形状を有してもよい。また、好ましくは、図示されるように、非重複する内部結合光学要素は、それらが他の内部結合光学要素の伝搬方向にないように位置付けられてもよい。例えば、図２２Ａ、２２Ｂ、２３Ａ、および２３Ｂに示されるように、非重複する内部結合光学要素は、伝搬方向の軸を交差（例えば、直交）する軸に沿った線に配列されてもよい。
図２２Ａ－２２Ｃの導波管アセンブリは、内部結合光学要素１０２２ａ、１０２２ｂ、１０２２ｃの重複を除き、類似することを理解されたい。例えば、図２２Ａは、重複を伴わない、内部結合光学要素１０２２ａ、１０２２ｂ、１０２２ｃを図示する。図２２Ｂは、重複する内部結合光学要素１０２２ａ、１０２２ｃと、非重複する内部結合光学要素１０２２ｂとを図示する。図２２Ｃは、全ての内部結合光学要素１０２２ａ、１０２２ｂ、１０２２ｃ間の重複を図示する。
図２３Ａ－２３Ｃの導波管アセンブリもまた、内部結合光学要素１０２２ａ、１０２２ｂ、１０２２ｃの重複を除き、類似する。図２３Ａは、重複を伴わない、内部結合光学要素１０２２ａ、１０２２ｂ、１０２２ｃを図示する。図２３Ｂは、重複する内部結合光学要素１０２２ａ、１０２２ｃと、非重複する内部結合光学要素１０２２ｂとを図示する。図２２Ｃは、全ての内部結合光学要素１０２２ａ、１０２２ｂ、１０２２ｃ間の重複を図示する。
ここで図２４Ａを参照すると、ナノワイヤＬＥＤマイクロディスプレイは、高エタンデュを有し、これが、効率的光の利用に関する課題を提示することを理解されたい。本明細書に議論されるように、ナノワイヤＬＥＤマイクロディスプレイは、複数の個々の光エミッタを含んでもよい。これらの光エミッタはそれぞれ、大角度放出プロファイル、例えば、ランバートまたは近ランバート放出プロファイルを有し得る。望ましくないことに、本光は全て、捕捉され、ディスプレイシステムの接眼レンズに指向されない場合がある。
有利なこととして、本明細書に議論されるように、ナノワイヤＬＥＤは、例えば、光子結晶材料として挙動する、周期的アレイ構造に起因して、平面ＬＥＤの角度放出プロファイルより狭い、角度放出プロファイルを有し得る。したがって、ナノワイヤＬＥＤは、典型的平面マイクロＬＥＤと比較して、より高い指向性を伴う、光出力を有し得る。いくつかの実施形態では、指向性は、ピクセルピッチから独立してもよく、限定ではないが、ナノワイヤ材料、ドーパント、寸法、屈折率等のナノワイヤマイクロＬＥＤパラメータを調節することによって調整されてもよい。結果として、本明細書に議論されるように、ナノワイヤＬＥＤマイクロディスプレイは、有利なこととして、ナノワイヤＬＥＤから放出される光を操向するための光学系を省略してもよい。そのような光学系の欠如は、本明細書に議論されるように、ディスプレイシステムを簡略化し、また、光出力を増加させるための利点を有し得る。それにもかかわらず、いくつかの実施形態では、角度放出プロファイルおよび／または出力された光の方向をさらに操作することが望ましくあり得る。
いくつかの実施形態では、種々の光学構造が、ナノワイヤＬＥＤによって放出される光の角度広がりをさらに狭化するために利用されてもよい。図２４Ａは、誇張された形態において、ナノワイヤＬＥＤマイクロディスプレイ１０３２の個々の光エミッタ１０４４によって放出された光と、投影光学系１０７０によって捕捉された光との角度放出プロファイルの実施例を図示する。図示されるナノワイヤＬＥＤマイクロディスプレイ１０３２は、ナノワイヤＬＥＤマイクロディスプレイ１０３２ａ、１０３２ｂ、１０３２ｃを含む、本明細書に開示される発光ＬＥＤマイクロディスプレイのいずれかに対応し得る。図示されるように、投影光学系１０７０は、角度放出プロファイル１０４６を有する、光を捕捉するであろうようにサイズ決めされてもよい。しかしながら、光エミッタ１０４４内の角度放出プロファイル１０４６は、有意により大きくあり得、光エミッタ１０４４によって放出される光の全てが、投影光学系１０７０上に入射するわけではなく、必ずしも、光が投影光学系１０７０の中およびそれを通して伝搬し得る、角度で入射しない場合がある。結果として、光エミッタ１０４４によって放出される光の一部は、望ましくないことに、捕捉され、最終的に、ユーザの眼に中継され、画像を形成しないため、「無駄」となり得る。これは、光エミッタ１０４０によって出力された光のより多くのものが、最終的に、ユーザの眼に到達した場合に予期されるであろうものより暗く現れる、画像をもたらし得る。
いくつかの実施形態では、光エミッタ１０４０によって放出される光のより多くのものを捕捉するための１つの方略は、投影光学系１０７０のサイズを増加させ、光を捕捉する投影光学系１０７０の開口数のサイズを増加させることである。加えて、または代替として、投影光学系１０７０はまた、高屈折率材料（例えば、１．５を上回る屈折率を有する）で形成されてもよく、これはまた、集光を促進し得る。いくつかの実施形態では、投影光学系１０７０は、光エミッタ１０４４によって放出される光の所望の高割合を捕捉するようにサイズ決めされる、レンズを利用してもよい。いくつかの実施形態では、投影光学系１０７０は、伸長射出瞳を有し、例えば、図２２Ａ－２３Ｃの内部結合光学要素１０２２ａ、１０２２ｂ、１０２２ｃの形状に類似する断面プロファイルを有する、光ビームを放出するように構成されてもよい。例えば、投影光学系１０７０は、図２２Ａ－２３Ｃの内部結合光学要素１０２２ａ、１０２２ｂ、１０２２ｃの伸長寸法に対応する寸法において、伸長されてもよい。理論によって限定されるわけではないが、そのような伸長内部結合光学要素１０２２ａ、１０２２ｂ、１０２２ｃは、ナノワイヤＬＥＤマイクロディスプレイと接眼レンズ１０２０（図２２Ａ－２３Ｃ）との間のエタンデュ不整合を改良し得る。いくつかの実施形態では、接眼レンズ１０２０（例えば、図１１Ａおよび１２－２３Ｃ）の導波管の厚さは、例えば、本明細書に議論されるように、再バウンス間隔を増加させることにより、再バウンスを低減させることによって、事実上捕捉される光のパーセンテージを増加させるように選択されてもよい。
いくつかの実施形態では、１つまたはそれを上回る光コリメータが、光エミッタ１０４４からの光の角度放出プロファイルを低減または狭化するために利用されてもよい。結果として、光エミッタ１０４４によって放出される光のより多くのものが、投影光学系１０７０によって捕捉され、ユーザの眼に中継され、有利なこととして、画像の明度およびディスプレイシステムの効率を増加させ得る。いくつかの実施形態では、光コリメータは、投影光学系の集光効率（投影光学系によって捕捉される、光エミッタ１０４４によって放出される光のパーセンテージ）が、約８５～９５％または８５～９０％を含む、８０％またはそれを上回る、８５％またはそれを上回る、または９０％またはそれを上回る値に到達することを可能にし得る。加えて、光エミッタ１０４４からの光の角度放出プロファイルは、５０°またはそれ未満、４０°またはそれ未満、または３０°またはそれ未満に低減され得る。いくつかの実施形態では、低減された角度放出プロファイルは、約３０～６０°、３０～５０°、または３０～４０°の範囲内であってもよい。光エミッタ１０４４からの光は、円錐の形状を作り出し得、光エミッタ１０４４は、円錐の頂点にあることを理解されたい。角度放出プロファイルは、円錐の辺によって作り出される角度を指し、関連付けられる光エミッタ１０４４は、その角度の頂点にある（円錐の中央を通して延在し、円錐頂点を含む、平面に沿って得られた、断面に見られるように）。
図２４Ｂは、光コリメータのアレイを使用した角度放出プロファイルの狭化の実施例を図示する。図示されるように、ナノワイヤＬＥＤマイクロディスプレイ１０３２は、光エミッタ１０４４のアレイを含み、これは、角度放出プロファイル１０４６を伴う、光を放出する。光コリメータ１３０２のアレイ１３００は、光エミッタ１０４４の前方に配置される。いくつかの実施形態では、各光エミッタ１０４４は、関連付けられる光コリメータ１３０２と１対１で合致される（光エミッタ１０４４あたり１つの光コリメータ１３０２）。各光コリメータ１３０２は、関連付けられる光エミッタ１０４４からの入射光を再指向し、狭化された角度放出プロファイル１０４７を提供する。したがって、比較的に大角度放出プロファイル１０４６は、より小さい角度放出プロファイル１０４７に狭化される。
いくつかの実施形態では、光コリメータ１３０２およびアレイ１３００は、図１２および１３Ａの光再指向構造１０８０ａ、１８０ｃの一部であってもよい。したがって、光コリメータ１３０２は、光学コンバイナ１０５０の中に適切な角度で伝搬し、複数の光経路および関連する複数の射出瞳を画定するように、光エミッタ１０４４の角度放出プロファイルを狭化し、また、光を再指向してもよい。光は、光コリメータ１３０２を適切に成形することによって、特定の方向に再指向されてもよいことを理解されたい。
好ましくは、光コリメータ１３０２は、光エミッタ１０４４に近接近して位置付けられ、光エミッタ１０４４によって出力された大割合の光を捕捉する。いくつかの実施形態では、間隙が、光コリメータ１３０２と光エミッタ１０４４との間に存在してもよい。いくつかの他の実施形態では、光コリメータ１３０２は、光エミッタ１０４４と接触してもよい。角度放出プロファイル１０４６は、光の広円錐を作り出してもよいことを理解されたい。好ましくは、光エミッタ１０４４からの光の円錐の全体または大部分は、単一の関連付けられる光コリメータ１３０２上に入射する。したがって、いくつかの実施形態では、各光エミッタ１０４４は、関連付けられる光コリメータ１３０２の受光面より小さい（より小さい面積を占有する）。いくつかの実施形態では、各光エミッタ１０４４は、近傍の離れた光エミッタ１０４４間の間隔より小さい幅を有する。
有利なこととして、光コリメータ１３０２は、光の利用の効率を増加させ得、また、近傍の光エミッタ１０４４間のクロストークの発生を低減させ得る。光エミッタ１０４４間のクロストークは、近傍の光エミッタからの光が、その近傍の光エミッタと関連付けられない光コリメータ１３０２によって捕捉されるときに生じ得ることを理解されたい。その捕捉された光は、ユーザの眼に伝搬され、それによって、所与のピクセルに関する誤った画像情報を提供し得る。
図２４Ａおよび２４Ｂを参照すると、投影光学系１０７０によって捕捉される光のビームのサイズは、投影光学系１０７０から出射する、光のビームのサイズに影響を及ぼし得る。図２４Ａに示されるように、光コリメータを使用しないと、出射ビームは、比較的に大幅１０５０を有し得る。図２４Ｂに示されるように、光コリメータ１３０２を伴うと、出射ビームは、より小さい幅１０５２を有し得る。したがって、いくつかの実施形態では、光コリメータ１３０２が、接眼レンズの中に内部結合するために、所望のビームサイズを提供するために使用されてもよい。例えば、光コリメータ１３０２が角度放出プロファイル１０４６を狭化する量は、少なくとも部分的に、それに対して投影光学系１０７０によって出力された光が指向される、接眼レンズ内の内部結合光学要素のサイズに基づいて、選択されてもよい。
光コリメータ１３０２は、種々の形態をとってもよいことを理解されたい。例えば、光コリメータ１３０２は、いくつかの実施形態では、マイクロレンズまたはレンズレットであってもよい。本明細書に議論されるように、各マイクロレンズは、好ましくは、関連付けられる光エミッタ１０４４の幅を上回る幅を有する。マイクロレンズは、フォトレジストおよびエポキシ等の樹脂を含む、ガラスまたはポリマー等の湾曲透明材料から形成されてもよい。いくつかの実施形態では、光コリメータ１３０２は、ナノレンズ、例えば、回折光学格子であってもよい。いくつかの実施形態では、光コリメータ１３０２は、メタ表面および／または液晶格子であってもよい。いくつかの実施形態では、光コリメータの１３０２は、反射性ウェルの形態をとってもよい。
異なる光コリメータ１３０２は、関連付けられる光エミッタ１０４４によって放出される光の波長または色に応じて、異なる寸法および／または形状を有してもよいことを理解されたい。したがって、フルカラーナノワイヤＬＥＤマイクロディスプレイに関して、アレイ１３００は、関連付ける光エミッタ１０４４によって放出される光の色に応じて、異なる寸法および／または形状を伴う、複数の光コリメータ１３０２を含んでもよい。ナノワイヤＬＥＤマイクロディスプレイがモノクロマイクロディスプレイである、実施形態では、アレイ１３００は、簡略化されてもよく、アレイ内の光コリメータ１３０２のそれぞれが、同一色の光を再指向するように構成される。そのようなモノクロマイクロディスプレイを用いることで、光コリメータ１３０２は、いくつかの実施形態では、アレイ１３００を横断して、類似してもよい。
図２４Ｂを継続して参照すると、本明細書に議論されるように、光コリメータ１３０２は、光エミッタ１０４４と１対１の関連付けを有してもよい。例えば、各光エミッタ１０４４は、離散する関連付けられる光コリメータ１３０２を有してもよい。いくつかの他の実施形態では、光コリメータ１３０２は、それらが、複数の光エミッタ１０４４を横断して延在するように、伸長されてもよい。例えば、いくつかの実施形態では、光コリメータ１３０２は、ページの向こう側に向けて伸長され、複数の光エミッタ１０４４の行の正面に延在してもよい。いくつかの他の実施形態では、単一光コリメータ１３０２は、光エミッタ１０４４の列を横断して延在してもよい。さらに他の実施形態では、光コリメータ１３０２は、レンズ構造（例えば、ナノレンズ構造、マイクロレンズ構造等）のスタックされた列および／または行を含んでもよい。
上記に述べられたように、光コリメータ１３０２は、反射性ウェルの形態をとってもよい。図２５Ａは、光を投影光学系に指向するためのテーパ状反射性ウェルのアレイの側面図の実施例を図示する。図示されるように、光コリメータアレイ１３００は、その中に反射性ウェルの形態における、複数の光コリメータ１３０２が、形成され得る、基板１３０１を含んでもよい。各ウェルは、少なくとも１つの光エミッタ１０４４を含んでもよく、これは、ランバート角度放出プロファイル１０４６を伴う光を放出してもよい。光コリメータ１３０２のウェルの反射性壁１３０３は、テーパ状であって、より狭角度放出プロファイル１０４７を伴って、ウェルから出力されるように、放出される光を反射させる。図示されるように、反射性壁１３０３は、断面サイズが光エミッタ１０４４からの距離に伴って増加するように、テーパ状であってもよい。いくつかの実施形態では、反射性壁１３０３は、湾曲されてもよい。例えば、側１３０３は、複合放物線集光器（ＣＰＣ）の形状を有してもよい。
ここで図２５Ｂを参照すると、非対称テーパ状反射性ウェルの側面図の実施例が、図示される。本明細書に議論されるように、例えば、図１２－１３Ａに図示されるように、光コリメータ１３０２を利用して、光エミッタ１０４４の表面に対して法線ではない特定の方向に、光を操向することが望ましくあり得る。いくつかの実施形態では、図２５Ｂに図示されるような側面図において視認されるように、光コリメータ１３０２は、非対称であってもよく、上辺１３０３ａは、光エミッタ１０４４の表面と、下辺１３０３ｂと異なる角度（例えば、より大きい角度）を形成する。例えば、光エミッタ１０４４に対する反射性壁１３０３ａ、１３０３ｂの角度は、光を特定の非法線方向に指向するために、光コリメータ１３０２の異なる辺上で異なり得る。したがって、図示されるように、光コリメータ１３０２から出射する光は、概して、光エミッタ１０４４の表面に対して法線ではない、方向１０４８に伝搬し得る。いくつかの他の実施形態では、光を方向１０４８に指向するために、上辺１３０３ａのテーパは、下辺のテーパと異なり得る。例えば、上辺１３０３ａは、下辺１３０３ｂより広い範囲に拡開し得る。
図２５Ｂを継続して参照すると、基板１３０１は、反射性壁１３０３の所望の形状を維持するために十分な機械的完全性を有する、種々の材料から形成されてもよい。好適な材料の実施例は、金属、プラスチック、およびガラスを含む。いくつかの実施形態では、基板１３０１は、材料のプレートであってもよい。いくつかの実施形態では、基板１３０１は、連続する一体型の材料片である。いくつかの他の実施形態では、基板１３０１は、２つまたはそれを上回る材料片をともに継合することによって形成されてもよい。
反射性壁１３０３は、種々の方法によって、基板１３０１内に形成されてもよい。例えば、壁１３０３は、基板１３０１を機械加工する、または別様に、材料を除去し、壁１３０３を画定することによって、所望の形状に形成されてもよい。いくつかの他の実施形態では、壁１３０３は、基板１３０１が形成されるにつれて形成されてもよい。例えば、壁１３０３は、基板１３０１がその所望の形状に成型されるにつれて、基板１３０１の中に成型されてもよい。いくつかの他の実施形態では、壁１３０３は、本体２２００の形成後、材料の再配列によって画定されてもよい。例えば、壁１３０３は、インプリントによって画定されてもよい。
いったん壁１３０３の輪郭が、形成されると、それらは、さらなる処理を受け、所望の反射度を有する、表面を形成してもよい。いくつかの実施形態では、基板１３０１の表面自体が、反射性であってもよく、例えば、本体は、反射性金属から形成される。そのような場合、さらなる処理は、壁１３０３の内部表面を平滑化または研磨し、その反射率を増加させるステップを含んでもよい。いくつかの他の実施形態では、反射体２１１０の内部表面は、例えば、蒸着プロセスによって、反射性コーティングで裏打ちされてもよい。例えば、反射性層は、物理的蒸着（ＰＶＤ）または化学蒸着（ＣＶＤ）によって形成されてもよい。
関連付けられる光コリメータに対する光エミッタの場所は、光コリメータから外に放出される光の方向に影響を及ぼし得ることを理解されたい。これは、例えば、上層の関連付けられる光コリメータの中心線に対して異なる位置における光エミッタのための光経路の差異の実施例を図示する、図２６Ａ－２６Ｃに図示される。図２６Ａに示されるように、ナノワイヤＬＥＤマイクロディスプレイ３０は、それぞれ、関連付けられる光コリメータ１３０２を有する、複数の光エミッタ１０４４ａを有し、これは、狭化された角度放出プロファイル１０４７を有する、光の出力を促進する。光は、投影光学系１０７０（例証を容易にするために、単純レンズとして表される）を通して通過し、これは、種々の光エミッタ１０４４ａからの光を面積１４０２ａ上に収束させる。
図２６Ａを継続して参照すると、いくつかの実施形態では、光コリメータ１３０２はそれぞれ、対称であってもよく、光コリメータの対称性の軸に沿って延在する、中心線を有してもよい。図示される構成では、光エミッタ１０４４ａは、光コリメータ１３０２のそれぞれの中心線上に配置される。
ここで図２６Ｂを参照すると、光エミッタ１０４４ｂは、その個別の光コリメータ１３０２の中心線から距離１４００だけオフセットされる。本オフセットは、光エミッタ１０４４ｂからの光に、光コリメータ１３０２を通る、異なる経路を辿らせ、これは、狭化された角度放出プロファイル１０４７ｂを伴う、光エミッタ１０４４ｂからの光を出力する。投影光学系１０７０は、次いで、光エミッタ１０４４ｂからの光を面積１４０２ｂ上に収束させ、これは、その上に光エミッタ１０４４ａからの光が収束する、面積１４０２ａに対してオフセットされる。
ここで図２６Ｃを参照すると、光エミッタ１０４４ａおよび１０４４ｂの両方からオフセットされた光エミッタ１０４４ｃが、図示される。本オフセットは、光エミッタ１０４４ｃからの光に、光コリメータ１３０２を通る、光エミッタ１０４４ａおよび１０４４ｂからの光と異なる経路を辿らせる。これは、光コリメータ１３０２に、投影光学系１０７０への、光エミッタ１０４４ａおよび１０４４ｂからの光と異なる経路を辿る、狭化された角度放出プロファイルを伴う、光エミッタ１０４４ｃからの光を出力させる。最終的には、投影光学系１０７０は、光エミッタ１０４４ｃからの光を面積１４０２ｃ上に収束させ、これは、面積１４０２ａおよび１４０２ｂに対してオフセットされる。
図２６Ａ－２６Ｃを参照すると、光エミッタ１０４４ａ、１０４４ｂ、１０４４ｃの各三回対称軸は、共通光コリメータ１３０２を共有してもよい。いくつかの実施形態では、マイクロディスプレイ１０３０は、フルカラーマイクロディスプレイであってもよく、各光エミッタ１０４４ａ、１０４４ｂ、１０４４ｃは、異なる原色の光を放出するように構成されてもよい。有利なこととして、オフセット面積１４０２ａ、１４０２ｂ、１４０２ｃは、いくつかの実施形態では、導波管の内部結合光学要素に対応し得る。例えば、面積１４０２ａ、１４０２ｂ、１４０２ｃは、それぞれ、図１１Ａおよび１２の内部結合光学要素１０２２ａ、１０２２ｂ、１０２２ｃに対応し得る。したがって、光コリメータ１３０２および光エミッタ１０４４ａ、１０４４ｂ、１０４４ｃのオフセット配向は、有利なこととして、フルカラーナノワイヤＬＥＤマイクロディスプレイを使用して、単純３瞳投影システム１０１０を提供し得る。
本明細書に記載されるように、光コリメータ１３０２はまた、ナノレンズの形態をとってもよい。図２７は、ナノレンズである、光コリメータ１３０２の上層アレイ１３００を伴う、ナノワイヤＬＥＤマイクロディスプレイ１０３０の個々の光エミッタ１０４４の側面図の実施例を図示する。本明細書に議論されるように、光エミッタ１０４４の個々のものはそれぞれ、関連付けられる光コリメータ１３０２を有してもよい。光コリメータ１３０２は、光エミッタ１０４４からの光を再指向し、光エミッタ１０４４の大角度放出プロファイル１０４６を狭化し、狭化された角度放出プロファイル１０４７を伴う、光を出力する。
図２７を継続して参照すると、いくつかの実施形態では、光コリメータ１３０２は、格子構造であってもよい。いくつかの実施形態では、光コリメータ１３０２は、異なる屈折率を有する材料の交互伸長離散拡張部（例えば、線）によって形成される、格子であってもよい。例えば、材料１３０６の拡張部は、ページの内外に伸長されてもよく、基板１３０８の材料内に形成され、それによって分離されてもよい。いくつかの実施形態では、材料１３０６の伸長拡張部は、サブ波長幅およびピッチを有してもよい（例えば、光コリメータ１３０２が関連付けられる光エミッタ１０４４から受光するように構成される、光の波長より小さい、幅およびピッチ）。いくつかの実施形態では、ピッチ１３０４は、３０～３００ｎｍであってもよく、格子の深度は、１０～１，０００ｎｍであってもよく、基板１３０８を形成する材料の屈折率は、１．５～３．５であってもよく、格子特徴１３０６を形成する材料の屈折率は、１．５～２．５であってもよい（かつ基板１３０８を形成する材料の屈折率と異なる）。
図示される格子構造は、種々の方法によって形成されてもよい。例えば、基板１３０８は、エッチングまたはナノインプリントされ、溝を画定してもよく、溝は、基板１３０８と異なる屈折率の材料で充填され、格子特徴１３０６を形成してもよい。
有利なこととして、ナノレンズアレイは、種々の利点を提供し得る。例えば、ナノレンズレットの集光効率は、大きく、例えば、８５～９０％を含む、８０～９５％であり得、角度放出プロファイルの優れた低減、例えば、３０～４０°までの低減（１８０°から）を伴う。加えて、低レベルのクロストークが、ナノレンズ光コリメータ１３０２のそれぞれが、特定の色および可能性として特定の入射角の光に作用する一方、好ましくは、高消光率を提供する（他の色の光の波長に関して）ように選択される、物理的寸法および性質（例えば、ピッチ、深度、特徴１３０６および基板１３０８を形成する材料の屈折率）を有し得るため、達成され得る。加えて、ナノレンズアレイは、平坦プロファイル（例えば、平坦基板上に形成される）を有し得、これは、フラットパネルであり得る、マイクロディスプレイとの統合を促進し得、また、ナノレンズアレイを形成する際、製造を促進し、高再現性および精度を提供し得る。例えば、高度に再現可能な溝形成および堆積プロセスが、各ナノレンズを形成するために使用されてもよい。さらに、これらのプロセスは、アレイのナノレンズ間の変動に関して、類似変動を伴う湾曲レンズを形成するときに典型的に達成されるものを上回る容易性および再現性を可能にする。
ここで図２８を参照すると、ナノワイヤＬＥＤマイクロディスプレイ１０３０の実施例の斜視図が、図示される。光コリメータアレイ１３００は、有利なこととして、マイクロディスプレイから放出される光が所望に応じてルーティングされることを可能にすることを理解されたい。結果として、いくつかの実施形態では、フルカラーマイクロディスプレイの光エミッタは、例えば、ディスプレイデバイス内での製造または実装の容易性のために、所望に応じて編成され得る。いくつかの実施形態では、光エミッタ１０４４は、行または列１３０６ａ、１３０６ｂ、１３０６ｃ内に配列されてもよい。各行または列は、同一原色の光を放出するように構成される、光エミッタ１０４４を含んでもよい。３つの原色が利用される、ディスプレイでは、３つの行または列のグループが存在してもよく、これは、マイクロディスプレイ１０３０を横断して繰り返される。より多くの原色が利用される場合、各繰り返しグループは、その数の行または列を有してもよいことを理解されたい。例えば、４つの原色が利用される場合、各グループは、４つの行または４つの列を有してもよく、１つの行または１つの列は、単一原色の光を放出するように構成される、光エミッタによって形成される。
いくつかの実施形態では、いくつかの行または列は、特定の原色の光エミッタの数を増加させるように繰り返されてもよい。例えば、いくつかの原色の光エミッタは、複数の行または列を占有してもよい。これは、色平衡を促進し得、および／または経時的光放出強度における微分劣化または低減に対処するために利用されてもよい。
図２８を継続して参照すると、各光エミッタ１０４４は、特定の軸に沿って（例えば、図示されるように、ｙ－軸に沿って）伸長されてもよい。すなわち、各光エミッタは、特定の軸に沿って長さを有し、長さは、光エミッタの幅より長い。加えて、同一原色の光を放出するように構成される、光エミッタのセットが、光エミッタ１０４４の伸長軸を交差（例えば、直交）する、軸（例えば、ｘ－軸）に沿って延在するライン１３０６ａ、１３０６ｂ、または１３０６ｃ（例えば、行または列）内に配列されてもよい。したがって、いくつかの実施形態では、同一原色の光エミッタ１０４４は、光エミッタのライン１３０６ａ、１３０６ｂ、または１３０６ｃを形成し、ラインは、第１の軸（例えば、ｘ－軸）に沿って延在し、ライン内の個々の光エミッタ１０４４は、第２の軸（例えば、ｙ－軸）に沿って伸長される。
対照的に、フルカラーマイクロディスプレイは、典型的には、各原色のサブピクセルを含み、サブピクセルは、グループ内の特定の比較的に緊密に充塞された空間配向に配列され、これらのグループは、アレイを横断して再現されることを理解されたい。サブピクセルの各グループは、画像内のピクセルを形成してもよい。ある場合には、サブピクセルは、軸に沿って伸長され、同一原色のサブピクセルの行または列は、その同一軸に沿って延在する。そのような配列は、各グループのサブピクセルがともに近接して位置することを可能にし、これが、画質およびピクセル密度に関する利点を有し得ることを理解されたい。しかしながら、図２８の図示される配列では、異なる原色のサブピクセルは、光エミッタ１０４４の伸長形状に起因して、比較的に遠く離れている。すなわち、ライン１３０６ａの光エミッタは、ライン１３０６ｂの光エミッタの伸長形状が、光エミッタ１３０６ａおよび１３０６ｃを光エミッタの所与のラインの近傍の光エミッタより離間させるため、ライン１３０６ｃの光エミッタから比較的に遠く離れている。これは、マイクロディスプレイ１０３０の表面上に形成される、画像が、直接、ユーザの眼に中継される場合、容認不可能に不良な画質を提供することが予期され得るが、光コリメータアレイ１３００の使用は、有利なこととして、異なる色の光が、所望に応じてルーティングされ、高品質画像を形成することを可能にする。例えば、各原色の光が、別個のモノクロ画像を形成するために使用されてもよく、これは、次いで、接眼レンズ１０２０（例えば、図１１Ａおよび１２－１４）等の接眼レンズにルーティングされ、その中で組み合わせられる。
図２７および２８を参照すると、いくつかの実施形態では、光エミッタ１０４４はそれぞれ、関連付けられる光コリメータ１３０２を有してもよい。いくつかの他の実施形態では、複数の光エミッタ１０４４の各ライン１３０６ａ、１３０６ｂ、１３０６ｃは、単一の関連付けられる光コリメータ１３０２を有してもよい。その単一の関連付けられる光コリメータ１３０２は、関連付けられるライン１３０６ａ、１３０６ｂ、または１３０６ｃの実質的に全体を横断して延在してもよい。いくつかの他の実施形態では、関連付けられる光コリメータ１３０２は、関連付けられるライン１３０６ａ、１３０６ｂ、または１３０６ｃの一部を形成する、複数の光エミッタ１０４４にわたって伸長され、延在してもよく、複数の類似光コリメータ１３０２が、関連付けられるライン１３０６ａ、１３０６ｂ、１３０６ｃのそれぞれに沿って提供されてもよい。
光コリメータ１３０２は、光を異なる光経路に沿って指向し、多瞳投影システムを形成するために利用されてもよいことを理解されたい。例えば、光コリメータ１３０２は、光内部結合のために、異なる原色の光を、それぞれ、２つまたは３つの面積に指向してもよい。
図２９は、多瞳投影システム１０１０を形成するために使用される、図２８のフルカラーナノワイヤＬＥＤマイクロディスプレイ１０３０を伴う、ウェアラブルディスプレイシステムの実施例を図示する。図示される実施形態では、フルカラーナノワイヤＬＥＤマイクロディスプレイ１０３０は、３つの原色の光を放出し、３瞳投影システム１０１０を形成する。投影システム１０１０は、３つの射出瞳を有し、それを通して異なる原色の画像光１０３２ａ、１０３２ｂ、１０３２ｃが、それぞれ、接眼レンズ１０２０の３つの側方に偏移された光内部結合光学要素１０２２ａ、１０２２ｂ、１０２２ｃに伝搬する。接眼レンズ１０２０は、次いで、画像光１０３２ａ、１０３２ｂ、１０３２ｃをユーザの眼２１０に中継する。
発光型マイクロディスプレイ１０３０は、光エミッタ１０４４のアレイを含み、これは、モノクロ光エミッタ１０４４ａ、１０４４ｂ、１０４４ｃに細分割されてもよく、これは、それぞれ、画像光１０３２ａ、１０３２ｂ、１０３２ｃを放出する。光エミッタ１０４４は、広角放出プロファイル１０４６を伴う、画像光を放出することを理解されたい。画像光は、光コリメータのアレイ１３００を通して伝搬し、これは、角度放出プロファイルを狭化された角度放出プロファイル１０４７に低減させる。
加えて、光コリメータのアレイ１３００は、画像光が適切な内部結合光学要素１０２２ａ、１０２２ｂ、１０２２ｃに伝搬するように、投影光学系１０７０に画像光を出力させる角度で、画像光が投影光学系１０７０上に入射するように、画像光（画像光１０３２ａ、１０３２ｂ、１０３２ｃ）を再指向するように構成される。例えば、光コリメータのアレイ１３００は、好ましくは、投影光学系１０７０を通して伝搬し、内部結合光学要素１０２２ａ上に入射するように、画像光１０３２ａを指向し、投影光学系１０７０を通して伝搬し、内部結合光学要素１０２２ｂ上に入射するように、画像光１０３２ｂを指向し、投影光学系１０７０を通して伝搬し、内部結合光学要素１０２２ｃ上に入射するように、画像光１０３２ｃを指向するように構成される。
異なる光エミッタ１０４４は、異なる波長の光を放出し得、適切な内部結合光学要素に到達するために、異なる方向に再指向される必要があり得るため、いくつかの実施形態では、異なる光エミッタ１０４４と関連付けられる、光コリメータは、異なる物理的パラメータ（例えば、異なるピッチ、異なる幅等）を有してもよい。有利なこととして、光コリメータとしての平坦ナノレンズの使用は、光コリメータのアレイ１３００を横断して物理的性質を変動させる、光コリメータの形成を促進する。本明細書に記載されるように、ナノレンズは、パターン化および堆積プロセスを使用して、形成されてもよく、これは、基板を横断して異なるピッチ、幅等を伴う、構造の形成を促進する。
再び、図２４Ａを参照すると、図示されるディスプレイシステムは、単一ナノワイヤＬＥＤマイクロディスプレイを示し、光学コンバイナ１０５０（図１１Ａおよび１２－１３Ｂ）を省略することを理解されたい。光学コンバイナ１０５０を利用する実施形態では、光学コンバイナ１０５０内の反射性表面１０５２、１０５４（図１１Ａ、１２－１３Ｂ、および３０Ｂ）は、好ましくは、鏡面反射体であって、光エミッタ１０４４からの光は、反射性表面１０５２、１０５４から反射された後、その大角度放出プロファイルを留保することが予期されるであろう。したがって、光図２４Ａに示される無駄にされる光に関する問題は、光学コンバイナ１０５０が利用されるときにも同様に存在する。
ここで図３０Ａを参照すると、ナノワイヤＬＥＤマイクロディスプレイと、関連付けられる光コリメータのアレイとを伴う、ウェアラブルディスプレイシステムの実施例が、図示される。図３０Ａは、光エミッタ１０４４と、光コリメータ１３０２と、接眼レンズ１０２０の内部結合光学要素との間の交互作用に関する付加的詳細を示す。ディスプレイシステムは、マイクロディスプレイ１０３０ｂを含み、これは、いくつかの実施形態では、フルカラーマイクロディスプレイであってもよい。いくつかの他の実施形態では、マイクロディスプレイ１０３０ｂは、モノクロマイクロディスプレイであってもよく、付加的モノクロマイクロディスプレイ（図示せず）が、随意の光学コンバイナ１０５０の異なる面に提供されてもよい（図３０Ｃに示されるように）。
図３０Ａを継続して参照すると、マイクロディスプレイ１０３０ｂは、それぞれ、広角放出プロファイル（例えば、ランバート角度放出プロファイル）を伴う、光を放出する、光エミッタ１０４４のアレイを含む。各光エミッタ１０４４は、関連付けられる専用光コリメータ１３０２を有し、これは、事実上、角度放出プロファイルを狭化された角度放出プロファイル１０４７に狭化する。狭化された角度放出プロファイルを伴う、光ビーム１０３２ｂは、投影光学系１０７０を通して通過し、これは、それらの光ビームを内部結合光学要素１０２２ｂ上に投影または収束させる。光ビーム１０３２ｂは、ある断面形状およびサイズ１０４７ａを有することを理解されたい。いくつかの実施形態では、内部結合光学要素１０２２ｂは、ビーム１０３２ｂがその内部結合光学要素１０２２ｂ上に入射するときの光ビーム１０３２ｂの断面形状およびサイズと実質的に合致する、またはそれより大きい、サイズおよび形状を有する。したがって、いくつかの実施形態では、内部結合光学要素１０２２ｂのサイズおよび形状は、内部結合光学要素１０２２ｂ上に入射するときの光ビーム１０３２ｂの断面サイズおよび形状に基づいて選択されてもよい。いくつかの他の実施形態では、他の要因（再バウンス軽減または内部結合光学要素１０２２ｂによって支援される角度または視野）が、内部結合光学要素１０２２ｂのサイズおよび形状を決定するために利用されてもよく、光コリメータ１３０２は、好ましくは、内部結合光学要素１０２２ｂのサイズおよび形状によって完全またはほぼ完全に包含される、適切にサイズ決めおよび成形された断面を伴う、光ビーム１０３２ｂを提供するように構成（例えば、サイズ決めおよび成形）されてもよい。いくつかの実施形態では、光コリメータ１３０２および内部結合光学要素１０２２ｂのための物理的パラメータは、他の所望の機能性（例えば、再バウンス軽減、所望の視野のための支援等）と併せて、高度に効率的光利用を提供するように相互に修正されてもよい。有利なこととして、光コリメータ１３０２によって提供される上記の光コリメーションと、光ビーム１０３２ｂの断面サイズおよび形状と内部結合光学要素１０２２ｂのサイズおよび形状の合致は、内部結合光学要素１０２２ｂが入射光ビーム１０３２ｂの大パーセンテージを捕捉することを可能にする。内部結合された光は、次いで、導波管１０２０ｂを通して伝搬し、眼２１０に外部結合される。
いくつかの実施形態では、光コリメータ１３０２は、直接、関連付けられる光エミッタ１０４４上に配置され、それを囲繞する、マイクロレンズである。いくつかの実施形態では、近傍のマイクロレンズ１３０２が相互にほぼ接触または直接接触する。光エミッタ１０４４からの光は、関連付けられるマイクロレンズ１３０２を充填し、事実上、光エミッタ１０４４によって包含される面積を拡大し得ることを理解されたい。有利なこととして、そのような構成は、光を放出しない、そうでなければ、暗い空間としてユーザに可視となり得る、面積の知覚性を低減させる。しかしながら、マイクロレンズ１３０２は、マイクロレンズ１３０２の面積全体を横断して延在するように、事実上、関連付けられる光エミッタ１０４４を拡大するため、光を放出しない、面積は、マスクされてもよい。
図３０Ａを継続して参照すると、光エミッタ１０４４および光コリメータ１３０２の相対的サイズは、光エミッタ１０４４からの光が関連付けられる光コリメータ１３０２を充填するように選択されてもよい。例えば、光エミッタ１０４４は、所望の曲率を有する、マイクロレンズコリメータ１３０２が、光エミッタ１０４４の個々のものにわたって延在して形成され得るように、十分に離間されてもよい。加えて、上記に述べられたように、内部結合光学要素１０２２ｂのサイズおよび形状は、好ましくは、その内部結合光学要素１０２２ｂ上に入射するときの光ビーム１０３２ｂの断面形状およびサイズに合致する、またはそれを超えるように選択される。その結果、いくつかの実施形態では、内部結合光学要素１０２２ｂの幅１０２５は、マイクロレンズ１３０２の幅に等しいまたはそれを上回る。好ましくは、幅１０２５は、光ビーム１０３２ｂのある程度の拡散を考慮するために、マイクロレンズ１３０２の幅を上回る。本明細書に議論されるように、幅１０２５はまた、再バウンスを軽減させるように選択されてもよく、内部結合光学要素１０２２ｂの長さ（幅に直交する）より短くてもよい。いくつかの実施形態では、幅１０２５は、眼２１０への伝搬のために外部結合される前に、導波管１０２０ｂを通して、内部結合された光１０３２ｂの伝搬方向と同一軸に沿って延在してもよい。
ここで図３０Ｂを参照すると、複数のナノワイヤＬＥＤマイクロディスプレイ１０３０ａ、１０３０ｂ、１０３０ｃと、光コリメータの関連付けられるアレイ１３００ａ、１３００ｂ、１３００ｃとを伴う、光投影システム１０１０の実施例が、それぞれ、図示される。マイクロディスプレイ１０３０ａ、１０３０ｂ、１０３０ｃによって放出される光の角度放出プロファイルは、光コリメータアレイ１３００ａ、１３００ｂ、１３００ｃによって狭化され、それによって、光が光学コンバイナ１０５０を通して伝搬後、投影光学系１０７０によって放出される光の大パーセンテージの集光を促進する。投影光学系１０７０は、次いで、光を接眼レンズ１０２０（例えば、図１１Ａおよび１２－１４）（図示せず）等の接眼レンズに指向する。
図３０Ｃは、それぞれが、それぞれ、光コリメータの関連付けられるアレイ１３００ａ、１３００ｂ、１３００ｃを伴う、複数のナノワイヤＬＥＤマイクロディスプレイ１０３０ａ、１０３０ｂ、１０３０ｃを伴う、ウェアラブルディスプレイシステムの実施例を図示する。図示されるディスプレイシステムは、画像情報を伴う光を放出するために、複数のマイクロディスプレイ１０３０ａ、１０３０ｂ、１０３０ｃを含む。図示されるように、マイクロディスプレイ１０３０ａ、１０３０ｂ、１０３０ｃは、マイクロＬＥＤパネルであってもよい。いくつかの実施形態では、マイクロディスプレイは、モノクロマイクロＬＥＤパネルであってもよく、それぞれ、異なる原色を放出するように構成される。例えば、マイクロディスプレイ１０３０ａは、赤色である、光１０３２ａを放出するように構成されてもよく、マイクロディスプレイ１０３０ｂは、緑色である、光１０３２ｂを放出するように構成されてもよく、マイクロディスプレイ１０３０ｃは、青色である、光１０３２ｃを放出するように構成されてもよい。
各マイクロディスプレイ１０３０ａ、１０３０ｂ、１０３０ｃは、それぞれ、光コリメータの関連付けられるアレイ１３００ａ、１３００ｂ、１３００ｃを有してもよい。光コリメータは、関連付けられるマイクロディスプレイの光エミッタからの光１０３２ａ、１０３２ｂ、１０３２ｃの角度放出プロファイルを狭化する。いくつかの実施形態では、個々の光エミッタは、専用の関連付けられる光コリメータ（図３０Ａに示されるように）を有する。
図３０Ｃを継続して参照すると、光コリメータのアレイ１３００ａ、１３００ｂ、１３００ｃは、関連付けられるマイクロディスプレイ１０３０ａ、１０３０ｂ、１０３０ｃと光学コンバイナ１０５０との間にあって、これは、Ｘ－立方体であってもよい。図示されるように、光学コンバイナ１０５０は、入射光を光学コンバイナの出力面から外に反射させるために、内部反射性表面１０５２、１０５４を有する。入射光の角度放出プロファイルの狭化に加え、光コリメータのアレイ１３００ａ、１３００ｃは、光が、それぞれ、関連付けられる光内部結合光学要素１０２２ａ、１０２２ｃに向かって伝搬するために適切な角度で、光学コンバイナ１０５０の内部反射性表面１０５２、１０５４に衝打するように、関連付けられるマイクロディスプレイ１０３０ａ、１０３０ｃからの光を再指向するように構成されてもよい。いくつかの実施形態では、光を特定の方向に再指向するために、光コリメータのアレイ１３００ａ、１３００ｃは、マイクロレンズまたは反射性ウェルを含んでもよく、これは、非対称であってもよく、および／または光エミッタが、本明細書に開示されるように、マイクロレンズまたは反射性ウェルに対して中心からずらして配置されてもよい。
図３０Ｃを継続して参照すると、投影光学系１０７０（例えば、投影レンズ）が、光学コンバイナ１０５０の出力面に配置され、その光学コンバイナから出射される画像光を受光する。投影光学系１０７０は、画像光を接眼レンズ１０２０上に収束または集束させるように構成される、レンズを含んでもよい。図示されるように、接眼レンズ１０２０は、複数の導波管を含んでもよく、それぞれ、特定の色の光を内部結合および外部結合するように構成される。例えば、導波管１０２０ａは、赤色光１０３２ａをマイクロディスプレイ１０３０ａから受光するように構成されてもよく、導波管１０２０ｂは、緑色光１０３２ｂをマイクロディスプレイ１０３０ｂから受光するように構成されてもよく、導波管１０２０ｃは、青色光１０３２ｃをマイクロディスプレイ１０３０ｃから受光するように構成されてもよい。各導波管１０２０ａ、１０２０ｂ、１０２０ｃは、光をその中に内部結合するために、それぞれ、関連付けられる光内部結合光学要素１０２２ａ、１０２２ｂ、１０２２ｃを有する。加えて、本明細書に議論されるように、導波管１０２０ａ、１０２０ｂ、１０２０ｃは、それぞれ、図９Ｂの導波管６７０、６８０、６９０に対応し得、それぞれ、関連付けられる直交瞳エクスパンダ（ＯＰＥ）と、射出瞳エクスパンダ（ＥＰＥ）とを有してもよく、これは、最終的には、光１０３２ａ、１０３２ｂ、１０３２ｃをユーザに外部結合する。
本明細書に議論されるように、マイクロディスプレイを組み込む、ウェアラブルディスプレイシステムは、好ましくは、異なる量の波面発散を伴う、光を出力し、ユーザのために快適な遠近調節－輻輳・開散運動整合を提供するように構成される。これらの異なる量の波面発散は、異なる屈折力を伴う外部結合光学要素を使用して、達成されてもよい。本明細書に議論されるように、外部結合光学要素は、接眼レンズ１０２０（例えば、図１１Ａおよび１２－１４）等の接眼レンズの導波管上または内に存在してもよい。いくつかの実施形態では、レンズが、外部結合光学要素によって提供される波面発散を増大させるために利用されてもよい、または外部結合光学要素がコリメートされた光を出力するように構成される構成では、所望の波面発散を提供するために使用されてもよい。
図３１Ａおよび３１Ｂは、視認者への光の波面発散を変動させるためのレンズを有する、接眼レンズ１０２０の実施例を図示する。図３１Ａは、導波管構造１０３２を有する、接眼レンズ１０２０を図示する。いくつかの実施形態では、本明細書に議論されるように、全ての原色の光が、導波管構造１０３２が、単一導波管のみを含むように、単一導波管の中に内部結合されてもよい。これは、有利なこととして、コンパクトな接眼レンズを提供する。いくつかの他の実施形態では、導波管構造１０３２は、複数の導波管（例えば、図１１Ａおよび１２－１３Ａの導波管１０３２ａ、１０３２ｂ、１０３２ｃ）を含むと理解され得、それぞれ、単一原色の光をユーザの眼に中継するように構成されてもよい。
いくつかの実施形態では、可変焦点レンズ要素１５３０、１５４０が、導波管構造１０３２の両側上に配置されてもよい。可変焦点レンズ要素１５３０、１５４０は、眼２１０への導波管構造１０３２からの画像光の経路内と、また、周囲環境から導波管構造１００３ ２を通して眼２１０への光の経路内とにあってもよい。可変焦点光学要素１５３０は、導波管構造１０３２によって眼２１０に出力される画像光の波面発散を変調させ得る。可変焦点光学要素１５３０は、世界の眼２１０のビューを歪曲させ得る、屈折力を有し得ることを理解されたい。その結果、いくつかの実施形態では、第２の可変焦点光学要素１５４０が、導波管構造１０３２の世界側上に提供されてもよい。第２の可変焦点光学要素１５４０は、可変焦点レンズ要素１５３０、１５４０および導波管構造１０３２の正味屈折力が実質的にゼロであるように、可変焦点光学要素１５３０のものと反対の（または導波管構造１０３２が屈折力を有する場合、光学要素１５３０および導波管構造１０３２の正味屈折力と反対の）屈折力を提供し得る。
好ましくは、可変焦点レンズ要素１５３０、１５４０の屈折力は、例えば、電気信号をそこに印加することによって、動的に改変されてもよい。いくつかの実施形態では、可変焦点レンズ要素１５３０、１５４０は、動的レンズ（例えば、液晶レンズ、電気活性レンズ、可動要素を伴う従来の屈折レンズ、機械的変形ベースのレンズ、エレクトロウェッティングレンズ、エラストマレンズ、または異なる屈折率を伴う複数の流体）等の透過性光学要素を含んでもよい。可変焦点レンズ要素の形状、屈折率、または他の特性を改変することによって、入射光の波面が、変化されてもよい。いくつかの実施形態では、可変焦点レンズ要素１５３０、１５４０は、２つの基板間に狭入される、液晶の層を含んでもよい。基板は、ガラス、プラスチック、アクリル等の光学的に透過性の材料を含んでもよい。
いくつかの実施形態では、仮想コンテンツを異なる深度面上に設置するために、可変量の波面発散を提供することに加えて、または代替として、可変焦点レンズ要素１５３０、１５４０および導波管構造１０３２は、有利なこととして、補正レンズのためのユーザの処方箋屈折力に等しい、正味屈折力を提供してもよい。したがって、接眼レンズ１０２０は、近視、遠視、老眼、および非点収差を含む、屈折誤差を補正するために使用される、レンズのための代用品としての役割を果たし得る。補正レンズのための代用品としての可変焦点レンズ要素の使用に関するさらなる詳細は、２０１７年４月６日に出願された、米国特許出願第１５／４８１，２５５号（その開示全体は、参照することによって本明細書に組み込まれる）に見出され得る。
ここで図３１Ｂを参照すると、いくつかの実施形態では、接眼レンズ１０２０は、可変ではなく、静的レンズ要素を含んでもよい。図３１Ｂと同様に、導波管構造１０３２は、単一導波管（例えば、異なる色の光を中継し得る）または複数の導波管（例えば、それぞれ、単一原色の光を中継し得る）を含んでもよい。同様に、導波管構造１０３４は、単一導波管（例えば、異なる色の光を中継し得る）または複数の導波管（例えば、それぞれ、単一原色の光を中継し得る）を含んでもよい。導波管構造１０３２、１０３４の一方または両方は、屈折力を有してもよく、特定の波面発散の量を伴う、光を出力してもよい、または、単に、コリメートされた光を出力してもよい。
図３１Ｂを継続して参照すると、接眼レンズ１０２０は、いくつかの実施形態では、静的レンズ要素１５３２、１５３４、１５４２を含んでもよい。これらのレンズ要素はそれぞれ、周囲環境から導波管構造１０３２、１０３４を通して眼２１０の中への光の経路内に配置される。加えて、レンズ要素１５３２は、導波管構造１００３ ２と眼２１０との間にある。レンズ要素１５３２は、導波管構造１０３２によって眼２１０に出力される光の波面発散を修正する。
レンズ要素１５３４は、導波管構造１０３４によって眼２１０に出力される光の波面発散を修正する。導波管構造１０３４からの光はまた、レンズ要素１５３２を通して通過することを理解されたい。したがって、導波管構造１０３４によって出力される光の波面発散は、レンズ要素１５３４およびレンズ要素１５３２（および導波管構造１００３ ２が屈折力を有する場合、導波管構造１０３２）の両方によって修正される。いくつかの実施形態では、レンズ要素１５３２、１５３４および導波管構造１０３２は、導波管構造１０３４から出力される光のための特定の正味屈折力を提供する。
図示される実施形態は、２つの異なるレベルの波面発散を提供し、１つは、導波管構造１０３２から出力される光のためのものであって、２つ目は、導波管構造１０３４によって出力される光のためのものである。結果として、仮想オブジェクトは、異なるレベルの波面発散に対応する、２つの異なる深度面上に設置され得る。いくつかの実施形態では、付加的レベルの波面発散、したがって、付加的深度面が、付加的レンズ要素を付加的導波管構造と眼２１０との間に伴って、付加的導波管構造をレンズ要素１５３２と眼２１０との間に追加することによって提供されてもよい。さらなるレベルの波面発散は、さらなる導波管構造およびレンズ要素を追加することによって、同様に追加されてもよい。
図３１Ｂを継続して参照すると、レンズ要素１５３２、１５３４および導波管構造１０３２、１０３４は、世界のユーザビューを歪曲させ得る、正味屈折力を提供することを理解されたい。結果として、レンズ要素１５４２が、周囲光の屈折力および歪曲に対抗するために使用されてもよい。いくつかの実施形態では、レンズ要素１５４２の屈折力は、レンズ要素１５３２、１５３４および導波管構造１０３２、１０３４によって提供される集約屈折力を無効にするために設定される。いくつかの他の実施形態では、レンズ要素１５４２、レンズ要素１５３２、１５３４、および導波管構造１０３２、１０３４の正味屈折力は、補正レンズのためのユーザの処方箋屈折力に等しい。
いくつかの実施形態では、図３２Ａ－３２Ｂに図示されるように、異なるマイクロディスプレイが、異なる原色の光を生成するために利用される場合でも、光学コンバイナは、投影システム１５００から省略されてもよい。例えば、マイクロディスプレイ１０３０ａ－１０３０ｃはそれぞれ、光を、投影光学系１０７０ａ－１０７０ｃの専用の関連付けられるものを介して、接眼レンズ１０２０にルーティングしてもよい。図示されるように、マイクロディスプレイ１０３０ａは、光を関連付けられる内部結合光学要素１０２２ａ上に集束させる、関連付けられる投影光学系１０７０ａを有し、マイクロディスプレイ１０３０ｂは、光を関連付けられる内部結合光学要素１０２２ｂ上に集束させる、関連付けられる投影光学系１０７０ｂを有し、マイクロディスプレイ１０３０ｃは、光を関連付けられる内部結合光学要素１０２２ｃ上に集束させる、関連付けられる投影光学系１０７０ｃを有する。
光学コンバイナ１５００が使用されない、実施形態では、いくつかの例示的利点が達成され得ることを理解されたい。実施例として、介在光学コンバイナ１５００が省略されるとき、マイクロディスプレイ１０３０ａ－１０３０ｃが、投影光学系１０７０ａ－１０７０ｃのより近くに設置され得るため、改良された集光が存在し得る。結果として、より高い光利用効率および画像明度が、達成され得る。加えて、Ｘ－立方体を通した光伝搬に関連する光学収差（クロストーク等）および非効率（大受光角に関する要件および光を反射させる際の非効率性に起因する）が、有利なこととして、回避され得る。別の実施例として、投影システム１５００は、簡略化され、特定の原色の光に調整され得る。例えば、個別の投影光学系１０７０ａ－１０７０Ｃ毎の光学系設計は、マイクロディスプレイ１０３０ａ－１０３０ｃによって生成される各原色の光のために別個に較正され得る。このように、投影システム１５００は、投影光学系の無色化の必要性を回避し得る。
別の例示的利点として、図３２Ａに図示されるように、投影光学系１０７０ａ－１０７０ｃのそれぞれからの光は、有利なこととして、個別の関連付けられる内部結合光学要素１０２２ａ－１０２２ｃ上により特有に集束され得る。図３２Ａ－３２Ｂの実施例は、個別の内部結合要素１０２２ａ－１０２２ｃ上への各原色のより精密な集束を可能にする。原色毎の投影光学系１０７０ａ－１０７０ｃは、光を個別の内部結合要素１０２２ａ－１０２２ｃ上に精密に集束させるように構成されてもよい。いくつかの実施形態では、本精密な集束は、各原色の明確に集束される画像を提供することによって、画質を改良し得る。
図３２Ａは、光学コンバイナ（例えば、上記に説明される光学コンバイナ１０５０）を伴わない、光投影システム１５００の実施例を図示する。図示される実施例では、３つのマイクロディスプレイ１０３０ａ－１０３０ｃは、光（例えば、原色光）を個別の投影光学系１０７０ａ－１０７０ｃに提供する。各マイクロディスプレイ１０３０ａ－１０３０ｃからの光は、投影光学系１０７０ａ－１０７０ｃを通してルーティングされ、接眼レンズ１０２０内に含まれる個別の内部結合要素１０２２ａ－１０２２ｃ上に集束されてもよい。各マイクロディスプレイ１０３０ａ－１０３０ｃは、明確に異なる構造であってもよく、各マイクロディスプレイは、異なるバックプレーン上に形成される、ナノワイヤＬＥＤのアレイを含むことを理解されたい。
図３２Ｂは、光学コンバイナを伴わない、光投影システムを有する、ウェアラブルディスプレイシステムの別の実施例を図示する。いくつかの実施形態では、マイクロディスプレイ１０３０ａ－１０３０ｃは、単一一体型ユニットを形成してもよく、例えば、マイクロディスプレイ１０３０ａ－１０３０ｃは、単一バックプレーン１０９３上に設置される。いくつかの実施形態では、バックプレーン１０９３は、シリコンバックプレーンであってもよく、これは、マイクロディスプレイ１０３０ａ－１０３０ｃのための電気コンポーネントを含んでもよく、マイクロディスプレイ１０３０ａ－１０３０ｃのナノワイヤＬＥＤを制御するためのＣＭＯＳデバイス等の種々の電子デバイスを含んでもよい。
本明細書に議論されるように、図３２Ａおよび３２Ｂの両方を参照すると、図示される接眼レンズ１０２０は、いくつかの実施形態では、３つの導波管ではなく、単一導波管から形成されてもよいことを理解されたい。そのような実施形態では、単一導波管は、複数の色（例えば、２つまたは３つの色）の内部結合、内部伝搬、および外部結合を支援し得る。単一導波管は、内部結合光学要素１０２２ａ、１０２２ｂ、１０２２ｃのそれぞれを、関連付けられる個別のマイクロディスプレイ１０３０ａ、１０３０ｂ、１０３０ｃの光出力と整合される、異なる場所に含んでもよい。本明細書に議論されるように、いくつかの実施形態では、単一導波管は、光学的に透過性の高屈折率材料（例えば、炭化ケイ素）から形成されてもよい。
本発明の種々の例示的実施形態が、本明細書に説明される。非限定的な意味で、これらの実施例が参照される。それらは、本発明のより広くて適用可能な側面を例証するように提供される。種々の変更が、説明される本発明に行われてもよく、本発明の真の精神および範囲から逸脱することなく、同等物が置換されてもよい。
例えば、有利なこととして、複数の深度面を横断して画像を提供する、ＡＲディスプレイとともに利用されるが、本明細書に開示される仮想コンテンツはまた、画像を単一深度面上に提供する、システムによって表示されてもよい。加えて、本明細書のディスプレイシステムはまた、周囲環境からの光が接眼レンズを通して透過されない、仮想現実ディスプレイとして機能してもよい。
別の実施例として、また、複数の導波管を伴う、図示される接眼レンズ１０２０のそれぞれはまた、単に、単一導波管のみを含んでもよいことを理解されたい。いくつかの実施形態では、単一導波管は、光学的に透過性の高屈折率材料、例えば、炭化ケイ素（ＳｉＣ）から形成されてもよい。単一導波管は、単一内部結合光学要素を含み、例えば、複数の異なる原色の光を内部結合してもよい。他の実施形態では、単一導波管は、複数の空間的に分離された内部結合光学要素を含んでもよく、これはそれぞれ、異なる原色の光を内部結合するように構成されてもよい。いくつかの他の実施形態では、内部結合光学要素のうちの少なくとも１つは、複数の異なる原色の光を内部結合するように構成されてもよい。
加えて、特定の状況、材料、物質組成、プロセス、プロセス行為、またはステップを本発明の目的、精神、または範囲に適合させるように、多くの修正が行われてもよい。さらに、当業者によって理解されるように、本明細書で説明および例証される個々の変形例はそれぞれ、本発明の範囲または精神から逸脱することなく、他のいくつかの実施形態のうちのいずれかの特徴から容易に分離され、またはそれらと組み合わせられ得る、離散コンポーネントおよび特徴を有する。全てのそのような修正は、本開示と関連付けられる請求項の範囲内にあることを意図している。
本発明は、本主題のデバイスを使用して実施され得る方法を含む。本方法は、そのような好適なデバイスを提供する行為を含んでもよい。そのような提供は、エンドユーザによって実施されてもよい。換言すると、「提供する」行為は、単に、ユーザが、本主題の方法において必要なデバイスを取得する、それにアクセスする、それに接近する、それを位置付ける、それを設定する、それをアクティブ化する、それに電源を入れる、または別様にそれを提供するように作用することを要求する。本明細書に列挙される方法は、論理的に可能な列挙されたイベントの任意の順番およびイベントの列挙された順序で行なわれてもよい。
本発明の例示的側面が、材料選択および製造に関する詳細とともに、上記に記載されている。本発明の他の詳細に関して、これらは、上記で参照された特許および刊行物に関連して理解され、概して、当業者によって公知である、または理解され得る。同じことが、一般または論理的に採用されるような付加的な行為の観点から、本発明の方法ベースの側面に関しても当てはまり得る。
加えて、本発明は、随意に、種々の特徴を組み込む、いくつかの実施例を参照して説明されているが、本発明は、本発明の各変形例に関して検討されるように説明および指示されるものに限定されるものではない。種々の変更が、説明される本発明に行われてもよく、均等物（本明細書に列挙されるか、またはある程度の簡潔目的のために含まれていないかにかかわらず）が、本発明の真の精神および範囲から逸脱することなく代用されてもよい。加えて、値の範囲が提供される場合、その範囲の上限と下限との間の全ての介在値および任意の他の述べられた値または述べられた範囲内の介在値が、本発明内に包含されるものと理解されたい。
また、説明される本発明の変形例の任意の随意の特徴は、独立して、または本明細書に説明される特徴のうちの任意の１つまたはそれを上回るものと組み合わせて、記載および請求され得ることが検討される。単数形項目の言及は、存在する複数の同一項目が存在する可能性を含む。より具体的には、本明細書および本明細書に関連付けられる請求項で使用されるように、単数形「ａ」、「ａｎ」、「ｓａｉｄ」、および「ｔｈｅ」は、別様に具体的に述べられない限り、複数の言及を含む。換言すると、冠詞の使用は、上記の説明および本開示と関連付けられる請求項における本主題の項目のうちの「少なくとも１つ」を可能にする。さらに、そのような請求項は、任意の随意の要素を除外するように起草され得ることに留意されたい。したがって、本文言は、請求項の要素の列挙と関連する「単に」、「のみ」、および同等物等の排他的専門用語の使用、または「消極的」限定の使用のための先行詞としての役割を果たすことが意図される。そのような排他的用語を使用することなく、本開示と関連付けられる請求項での「～を含む」という用語は、所与の数の要素がそのような請求項で列挙されるか、または特徴の追加をそのような請求項に記載される要素の性質の変換として見なすことができるかにかかわらず、任意の付加的な要素を含むことを可能にするものとする。
故に、請求項は、本明細書に示される実施形態に限定されることを意図されず、本明細書に開示される本開示、原理、および新規の特徴と一貫する最も広い範囲を与えられるべきである。

Claims (20)

  1. 頭部搭載型ディスプレイシステムであって、
    頭部搭載可能フレームと、
    前記フレームによって支持されるナノワイヤマイクロＬＥＤディスプレイであって、ナノワイヤＬＥＤマイクロディスプレイは、画像光を出力するように構成される、ナノワイヤマイクロＬＥＤディスプレイと、
    前記フレームによって支持される接眼レンズであって、前記接眼レンズは、前記フレームを前記ユーザ上に搭載することに応じて、前記画像光を前記ナノワイヤＬＥＤマイクロディスプレイから受光し、前記画像光をユーザの眼に指向するように構成される、接眼レンズと
    を備える、頭部搭載型ディスプレイシステム。
  2. 前記ナノワイヤＬＥＤマイクロディスプレイは、複数のナノワイヤＬＥＤマイクロディスプレイのうちの１つであり、
    Ｘ－立方体プリズムをさらに備え、
    前記ナノワイヤマイクロＬＥＤディスプレイはそれぞれ、前記Ｘ－立方体プリズムの異なる側に面し、
    前記接眼レンズは、内部結合光学要素を備え、
    前記Ｘ－立方体プリズムの出力側は、前記光内部結合要素に面する、
    請求項１に記載の頭部搭載型ディスプレイシステム。
  3. 前記ナノワイヤＬＥＤマイクロディスプレイは、モノクロナノワイヤＬＥＤマイクロディスプレイである、請求項２に記載の頭部搭載型ディスプレイシステム。
  4. 前記Ｘ－立方体プリズムの反射性表面は、異なるモノクロナノワイヤＬＥＤマイクロディスプレイからの光を前記接眼レンズの異なる面積上に限局するように構成される、請求項３に記載の頭部搭載型ディスプレイシステム。
  5. 前記接眼レンズは、前記Ｘ－立方体プリズムから前記内部結合光学要素までの明確に異なる光経路を提供する空間配列を有する複数の内部結合光学要素を備え、前記面積の空間配列は、前記内部結合光学要素の空間配列に対応する、請求項４に記載の頭部搭載型ディスプレイシステム。
  6. 前記接眼レンズは、導波管スタックを形成する複数の導波管を備え、前記導波管スタックの各導波管は、
    前記ナノワイヤＬＥＤマイクロディスプレイからの光を前記導波管の中に内部結合するように構成される内部結合光学要素と、
    内部結合された光を前記導波管から外に外部結合するように構成される外部結合光学要素と
    を備える、請求項１に記載の頭部搭載型ディスプレイシステム。
  7. 前記導波管スタックは、複数の導波管のセットを備え、導波管の各セットは、原色のための専用導波管を備える、請求項６に記載の頭部搭載型ディスプレイシステム。
  8. 可変焦点レンズ要素をさらに備え、回折光内部結合および外部結合光学要素を備える導波管は、第１の可変焦点レンズ要素と第２の可変焦点レンズ要素との間にあり、前記第１の可変焦点レンズ要素は、前記導波管によって出力された光の波面発散を修正するように構成され、前記第２の可変焦点レンズ要素は、前記第２の可変焦点レンズ要素を通して伝搬する外界からの光の波面発散を修正するように構成される、請求項１に記載の頭部搭載型ディスプレイシステム。
  9. カラーフィルタを前記接眼レンズの導波管スタックの２つの近傍の導波管の間にさらに備え、前記近傍の導波管の第１のものは、前記マイクロディスプレイから延在する光経路内において、前記近傍の導波管の第２のものに先行し、前記カラーフィルタは、前記近傍の導波管の第１のものの内部結合光学要素によって内部結合されるように構成される光の波長に対応する波長の光を選択的に吸光するように構成される、請求項１に記載の頭部搭載型ディスプレイシステム。
  10. 前記光経路内において、前記近傍の導波管の第２のものに続く第３の導波管と、
    他のカラーフィルタであって、前記他のカラーフィルタは、前記近傍の導波管の第２のものの前記内部結合光学要素によって内部結合されるように構成される光の波長に対応する波長の光を選択的に吸光するように構成される、他のカラーフィルタと
    をさらに備える、請求項９に記載の頭部搭載型ディスプレイシステム。
  11. 前記ナノワイヤＬＥＤマイクロディスプレイは、モノクロナノワイヤマイクロＬＥＤの離間されたアレイを共通基板バックプレーン上に備える、請求項１に記載の頭部搭載型ディスプレイシステム。
  12. 前記接眼レンズは、複数の導波管を備え、
    前記導波管は、導波管スタックを形成し、
    各導波管は、内部結合光学要素を備え、
    上下図に見られるように、前記内部結合光学要素の空間配列は、異なる離間された位置に限局された異なる導波管の異なる内部結合光学要素を備え、
    前記モノクロナノワイヤマイクロＬＥＤのアレイの空間配列は、前記内部結合光学要素の空間配列に合致する、
    請求項１１に記載の頭部搭載型ディスプレイシステム。
  13. 前記ナノワイヤＬＥＤマイクロディスプレイは、ナノワイヤマイクロＬＥＤのアレイを備え、前記ナノワイヤマイクロＬＥＤのうちのいくつかは、ナノワイヤマイクロＬＥＤのアレイのその他と異なる原色の光を放出するように構成される、請求項１に記載の頭部搭載型ディスプレイシステム。
  14. 頭部搭載型ディスプレイシステムであって、
    １つまたはそれを上回る導波管を備える導波管アセンブリと、
    ナノワイヤマイクロＬＥＤのアレイを備える画像投影システムであって、前記画像投影システムは、画像を前記導波管アセンブリ上に投影するように構成される、画像投影システムと
    を備え、
    前記導波管アセンブリの各導波管は、
    前記画像投影システムからの光を前記導波管の中に内部結合するように構成される内部結合光学要素と、
    内部結合された光を前記導波管から外に外部結合するように構成される外部結合光学要素と
    を備え、
    前記導波管アセンブリは、複数の深度面に対応する可変波面発散量を伴って前記外部結合された光を出力するように構成される、頭部搭載型ディスプレイシステム。
  15. 前記ナノワイヤマイクロＬＥＤはそれぞれ、５０°未満の角度放出プロファイルを有する、請求項１４に記載の頭部搭載型ディスプレイシステム。
  16. 前記ナノワイヤＬＥＤマイクロディスプレイからの光を前記１つまたはそれを上回る導波管の内部結合光学要素上に収束させるように構成される投影光学系をさらに備える、請求項１４に記載の頭部搭載型ディスプレイシステム。
  17. 前記光エミッタの個々のものは、複数の原色のうちの１つの光を放出するように構成され、
    前記導波管アセンブリは、複数の導波管のセットを備え、
    導波管の各セットは、原色毎に専用導波管を備え、導波管の各セットは、共通深度面に対応する波面発散を伴って光を出力するように構成される外部結合光学要素を備え、異なる導波管のセットは、異なる深度面に対応する異なる波面発散量を伴って光を出力する、
    請求項１４に記載の頭部搭載型ディスプレイシステム。
  18. 可変焦点レンズ要素をさらに備え、前記導波管アセンブリは、第１の可変焦点レンズ要素と第２の可変焦点レンズ要素との間にあり、前記第１の可変焦点レンズ要素は、前記導波管アセンブリによって出力された光の波面発散を修正するように構成され、前記第２の可変焦点レンズ要素は、外界から前記第２の可変焦点レンズ要素への光の波面発散を修正するように構成される、請求項１４に記載の頭部搭載型ディスプレイシステム。
  19. 吸光性カラーフィルタを前記導波管のうちの少なくともいくつかの主要表面上にさらに備え、前記導波管の主要表面上の前記吸光性カラーフィルタは、対応する導波管の中に内部結合された波長の光を吸光するように構成され、前記導波管は、スタック内に配列される、請求項１４に記載の頭部搭載型ディスプレイシステム。
  20. 前記導波管アセンブリは、導波管のスタックを備え、前記内部結合光学要素は、光を内部結合するように構成され、前記内部結合された光は、概して、ある伝搬方向に、関連付けられる導波管を通して伝搬し、前記内部結合光学要素は、前記ある伝搬方向と平行な幅と、前記ある伝搬方向に交差する軸に沿った長さとを有する、面積を占有し、前記長さは、前記幅を上回る、請求項１４に記載の頭部搭載型ディスプレイシステム。
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