JP2024045507A - 結像システムにおける動的内部結合格子 - Google Patents

Abstract

【課題】結像システムにおける動的内部結合格子の提供。【解決手段】仮想コンテンツの画像を形成するために、画像明視野を視認者の眼に投影するための接眼レンズは、導波管と、導波管上に入射することになる光ビームを送達するように構成される、光源と、光源に結合され、複数のタイムスロットにおいて光ビームの強度を変調させるように構成される、コントローラと、タイムスロット毎に、光ビームの個別の部分を、導波管の中に、個別の視野角に対応する個別の全内部反射（ＴＩＲ）角で回折させるように構成される、動的入力結合格子（ＩＣＧ）と、光ビームの各個別の部分を、導波管から外に眼に向かって個別の視野角で回折させ、それによって、明視野を視認者の眼に投影するように構成される、外部結合回折光学素子（ＤＯＥ）とを含む。【選択図】図４

Description

（関連出願の相互参照）
本願は、その内容が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、「ＤＹＮＡＭＩＣ ＩＮＣＯＵＰＬＩＮＧ ＧＲＡＴＩＮＧＳ ＩＮ ＩＭＡＧＩＮＧ ＳＹＳＴＥＭＳ」と題され、２０１８年８月２８日に出願された、米国仮特許出願第６２／７２３，６８８号の優先権の利益を主張する。

空間光変調器（ＳＬＭ）ベースのプロジェクタ、微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）スキャナ、およびファイバスキャナ等の種々の結像システムが、接眼レンズを含む拡張現実アイウェア内に画像毎に変調される光を提供するために検討されている。著しい進展にもかかわらず、照明システムのサイズを縮小することは、ますます困難になりつつある。したがって、さらなる小型化を可能にする、新しい拡張可能な結像アーキテクチャが、必要とされている。

動的入力結合格子（ＩＣＧ）を採用し、入力光ビームを導波管の中に結合し、入力光ビーム内で制御可能に走査し、導波管から視認者の眼に出力される画像明視野を形成する、接眼レンズおよび関連付けられる方法が、開示される。多くの実施形態では、入力光ビームの強度が、動的ＩＣＧを介した入力光ビームの走査と併せて変調され、画像明視野を、画像明視野内の個別のＸおよびＹ座標位置に走査される入力光ビームの時間区画の組み合わせとして発生させる。入力光ビームの同時変調と、変調された入力光ビームの対応する走査とを使用することによって、固定された１次元伝搬経路に沿って入力光ビームを伝搬し、それによって、光源が、２次元の明視野が非動的入力結合格子の上に透過されるデバイスおよびアプローチに対して縮小されたサイズを有することを可能にする、単純化された光源が、使用されることができる。

いくつかの実施形態によると、画像明視野を視認者の眼に投影するための接眼レンズは、導波管と、動的入力結合格子（ＩＣＧ）と、光源と、コントローラと、射出瞳拡大器とを含む。導波管は、内部反射を介して光を伝搬するように構成される。動的ＩＣＧは、導波管の第１の側方領域上に形成される。光源は、動的ＩＣＧに透過される光ビームを発生させるように構成される。コントローラは、光源および動的ＩＣＧに結合される。コントローラは、タイムスロットのシーケンスにおいて光ビームの強度を変調させるように構成される。タイムスロットのシーケンスの各タイムスロットは、画像明視野の個別の視野角に対応する。タイムスロットのシーケンスの各タイムスロットにおける光ビームの強度は、個別の視野角における画像明視野の強度に対応する。コントローラは、タイムスロットのシーケンスのタイムスロット毎に、動的ＩＣＧを制御し、光ビームの個別の部分を、導波管の中に個別の視野角に対応する個別の角度で回折させるように構成される。射出瞳拡大器は、導波管の第２の側方領域に結合され、光ビームの各個別の部分を、導波管から外に視認者の眼に向かって個別の視野角で指向し、それによって、画像明視野を視認者の眼に投影するように構成される。

いくつかの実施形態によると、画像明視野を視認者の眼に投影する方法が、提供される。本方法は、コントローラによって、タイムスロットのシーケンスにおいて光ビームの強度を変調させることを含む。タイムスロットのシーケンスの各タイムスロットは、画像明視野の個別の視野角に対応する。タイムスロットのシーケンスの各タイムスロットにおける光ビームの強度は、個別の視野角における画像明視野の強度に対応する。光ビームは、動的入力結合格子（ＩＣＧ）の上に伝搬される。動的ＩＣＧは、コントローラによって制御され、光ビームの個別の部分を、導波管の中に、タイムスロットのシーケンスのタイムスロット毎の個別の視野角に対応する、個別の角度で回折させる。光ビームの各個別の部分は、導波管から外に眼に向かって個別の視野角で指向され、それによって、画像明視野を視認者の眼に投影する。

いくつかの実施形態によると、仮想コンテンツの画像を形成するために、画像明視野を視認者の眼に投影するための接眼レンズは、その中に光を伝搬するように構成される、導波管を含む。導波管は、入力瞳を含み得る。接眼レンズはさらに、入力瞳において導波管上に入射することになる光ビームを送達するように構成される、光源と、光源に結合され、複数のタイムスロットにおいて光ビームの強度を変調させるように構成される、コントローラとを含み得る。各タイムスロットは、画像の個別の視野角に対応し得る。各タイムスロットにおける光ビームの強度は、個別の視野角における画像の強度に対応し得る。接眼レンズはさらに、入力瞳に対応する導波管の第１の側方領域上に形成される、動的入力結合格子（ＩＣＧ）を含み得る。動的ＩＣＧは、タイムスロット毎に、光ビームの個別の部分を、導波管の中に、個別の視野角に対応する個別の全内部反射（ＴＩＲ）角で回折させ、光ビームの変調に従って、ＴＩＲ角を１つのタイムスロットから次のタイムスロットまで走査するように構成され得る。接眼レンズはさらに、導波管の第２の側方領域に結合され、光ビームの各個別の部分を、導波管から外に眼に向かって個別の視野角で回折させ、それによって、明視野を視認者の眼に投影するように構成される、外部結合回折光学素子（ＤＯＥ）を含み得る。

いくつかの実施形態によると、仮想コンテンツの画像を視認するために、明視野を視認者の眼に投影する方法は、動的入力結合格子（ＩＣＧ）上に入射する光ビームを提供することを含む。動的ＩＣＧは、表面音響波（ＳＡＷ）変調器を含み得る。ＳＡＷ変調器は、圧電材料層と、トランスデューサとを含み得る。ＳＡＷ変調器は、導波管の第１の側方領域に結合され得る。本方法はさらに、複数の視野角に対応する複数のタイムスロットにおいて光ビームの強度を変調させることを含み得る。各タイムスロットにおける光ビームの強度は、個別の視野角における画像の強度に対応し得る。本方法はさらに、動的ＩＣＧが、光ビームの個別の部分を、導波管の中に個別のタイムスロットにおける個別の全内部反射（ＴＩＲ）角で回折させるように、複数のタイムスロットにおいて複数の周波数において発振電気信号をトランスデューサに印加し、それによって、個別のタイムスロットにおける個別の空間周期を伴って圧電材料層内に個別の音波を作成することを含み得る。各個別の周波数は、個別のタイムスロットに対応し得る。光ビームの個別の部分は、導波管の中に伝搬され得る。本方法はさらに、導波管の第２の側方領域に結合される、回折光学素子（ＤＯＥ）を使用して、導波管内で眼に向かって個別の視野角で伝搬する光ビームの各個別の部分を外部結合し、それによって、仮想コンテンツの画像を視認するために、明視野を複数の視野角で眼に投影することを含み得る。
本発明は、例えば、以下を提供する。
（項目１）
画像明視野を視認者の眼に投影するための接眼レンズであって、前記接眼レンズは、
内部反射を介して光を伝搬するように構成される導波管と、
前記導波管の第１の側方領域上に形成される動的入力結合格子（ＩＣＧ）と、
前記動的ＩＣＧに透過される光ビームを発生させるように構成される光源と、
前記光源および前記動的ＩＣＧに結合されるコントローラであって、前記コントローラは、
タイムスロットのシーケンスにおいて前記光ビームの強度を変調させることであって、前記タイムスロットのシーケンスの各タイムスロットは、前記画像明視野の個別の視野角に対応し、前記タイムスロットのシーケンスの各タイムスロットにおける前記光ビームの強度は、前記個別の視野角における前記画像明視野の強度に対応する、ことと、
前記タイムスロットのシーケンスのタイムスロット毎に、前記動的ＩＣＧを制御し、前記光ビームの個別の部分を前記導波管の中に前記個別の視野角に対応する個別の角度で回折させることと
を行うように構成される、コントローラと、
射出瞳拡大器であって、前記射出瞳拡大器は、前記導波管の第２の側方領域に結合され、前記光ビームの各個別の部分を前記導波管から外に前記視認者の眼に向かって前記個別の視野角で指向し、それによって、前記画像明視野を前記視認者の眼に投影するように構成される、射出瞳拡大器と
を備える、接眼レンズ。
（項目２）
前記動的ＩＣＧは、発振電気信号源に結合される表面音響波（ＳＡＷ）変調器を備え、前記発振電気信号源は、前記コントローラの制御下で、前記ＳＡＷ変調器が、前記光ビームの個別の部分を前記導波管の中に各個別のタイムスロットにおける前記個別の角度で回折させるように、前記ＳＡＷ変調器に発振電気信号を供給し、前記ＳＡＷ変調器の表面上に伝搬する個別の音響波を発生させるように動作可能である、項目１に記載の接眼レンズ。
（項目３）
前記ＳＡＷ変調器は、基板と、前記基板に取り付けられるトランスデューサとを備え、
前記トランスデューサは、前記発振電気信号源に結合され、前記トランスデューサを駆動し、前記個別の音響波を発生させる、
項目２に記載の接眼レンズ。
（項目４）
前記トランスデューサは、圧電トランスデューサを含む、項目３に記載の接眼レンズ。
（項目５）
前記ＳＡＷ変調器は、基板と、前記基板に取り付けられる第１のトランスデューサと、前記基板に取り付けられる第２のトランスデューサを含み、
前記第１のトランスデューサは、第１の軸において振動するように構成され、
前記第２のトランスデューサは、前記第１の軸に直交する第２の軸において振動するように構成され、
前記第１のトランスデューサおよび前記第２のトランスデューサは、前記発振電気信号源に結合され、前記第１のトランスデューサおよび前記第２のトランスデューサを駆動し、前記個別の音響波を発生させる、
項目２に記載の接眼レンズ。
（項目６）
前記ＳＡＷ変調器は、基板を含み、
前記基板は、前記個別の音響波を発生させる圧電効果を呈する材料を含む、
項目２に記載の接眼レンズ。
（項目７）
前記圧電効果を呈する前記材料は、溶融シリカ、ニオブ酸リチウム、三硫化砒素、二酸化テルル、テルライトガラス、またはケイ酸鉛のうちの１つを含む、項目６に記載の接眼レンズ。
（項目８）
前記ＳＡＷ変調器は、前記導波管の一体型部分である、項目６に記載の接眼レンズ。
（項目９）
前記光ビームは、前記動的ＩＣＧの表面上に、前記動的ＩＣＧの表面に垂直な方向に沿って入射する、項目１に記載の接眼レンズ。
（項目１０）
前記光ビームは、前記動的ＩＣＧの表面上に、前記動的ＩＣＧの表面に垂直な方向に対して非ゼロのバイアス角で入射する、項目１に記載の接眼レンズ。
（項目１１）
前記動的ＩＣＧは、透過モードにおいて動作する、項目１に記載の接眼レンズ。
（項目１２）
前記動的ＩＣＧは、反射モードにおいて動作する、項目１に記載の接眼レンズ。
（項目１３）
前記導波管に結合される静的格子をさらに備え、前記静的格子は、前記光ビームの一部を前記動的ＩＣＧに向かって前記動的ＩＣＧの表面に垂直な方向に対して非ゼロのバイアス角で回折させるように構成される、項目１２に記載の接眼レンズ。
（項目１４）
前記光ビームは、第１の方向における前記光ビームの伝搬を介して前記動的ＩＣＧの表面上に入射し、
前記タイムスロットのシーケンスにおける前記光ビームの強度は、画角（ＦＯＶ）の第１の範囲内の前記画像明視野の強度に対応し、
前記光源はさらに、前記動的ＩＣＧに透過される第２の光ビームを発生させるように構成され、
前記第２の光ビームは、前記第１の方向と異なる第２の方向における前記第２の光ビームの伝搬を介して前記動的ＩＣＧの表面上に入射し、
前記タイムスロットのシーケンスにおける前記第２の光ビームの強度は、前記角ＦＯＶの第１の範囲と異なる角ＦＯＶの第２の範囲内の前記画像明視野の強度に対応する、
項目１に記載の接眼レンズ。
（項目１５）
前記導波管は、前記画像明視野が、前記導波管を通して前記視認者の眼に透過される外部画像上に重ねられるように透過性である、項目１に記載の接眼レンズ。
（項目１６）
前記射出瞳拡大器は、前記光ビームの各個別の部分を前記導波管から外に前記視認者の眼に向かって前記個別の視野角で回折させるように構成される回折光学素子（ＤＯＥ）を備える、項目１に記載の接眼レンズ。
（項目１７）
前記光ビームは、前記動的ＩＣＧに対して固定される位置と、配向とを有する光軸上で前記動的ＩＣＧに伝搬する、項目１に記載の接眼レンズ。
（項目１８）
画像明視野を視認者の眼に投影する方法であって、前記方法は、
コントローラによって、タイムスロットのシーケンスにおいて光ビームの強度を変調させることであって、前記タイムスロットのシーケンスの各タイムスロットは、前記画像明視野の個別の視野角に対応し、前記タイムスロットのシーケンスの各タイムスロットにおける前記光ビームの強度は、前記個別の視野角における前記画像明視野の強度に対応する、ことと、
前記光ビームを動的入力結合格子（ＩＣＧ）の上に伝搬することと、
前記コントローラによって、前記動的ＩＣＧを制御し、前記光ビームの個別の部分を導波管の中に前記タイムスロットのシーケンスのタイムスロット毎の前記個別の視野角に対応する個別の角度で回折させることと、
前記光ビームの各個別の部分を前記導波管から外に前記眼に向かって前記個別の視野角で指向し、それによって、前記画像明視野を前記視認者の眼に投影することと
を含む、方法。
（項目１９）
前記動的ＩＣＧは、発振電気信号源に結合される表面音響波（ＳＡＷ）変調器を備え、
前記方法は、前記ＳＡＷ変調器が、前記光ビームの個別の部分を前記導波管の中に各個別のタイムスロットにおける前記個別の角度で回折させるように、前記コントローラによって、前記発振電気信号源の動作を制御し、発振電気信号を前記ＳＡＷ変調器に供給し、前記ＳＡＷ変調器の表面上に伝搬する個別の音響波を発生させることを含む、
項目１８に記載の方法。
（項目２０）
前記ＳＡＷ変調器は、基板と、前記基板に取り付けられる圧電トランスデューサとを備え、
前記発振電気信号は、前記圧電トランスデューサに供給され、前記個別の音響波を発生させ、
前記個別の音響波は、前記基板の表面上に伝搬する、
項目１９に記載の方法。
（項目２１）
前記ＳＡＷ変調器は、基板と、前記基板に取り付けられる第１のトランスデューサと、前記基板に取り付けられる第２のトランスデューサとを含み、
前記第１のトランスデューサは、第１の軸において振動するように構成され、
前記第２のトランスデューサは、前記第１の軸に直交する第２の軸において振動するように構成され、
前記第１のトランスデューサおよび前記第２のトランスデューサは、前記発振電気信号源に結合され、前記第１のトランスデューサおよび前記第２のトランスデューサを駆動し、前記個別の音響波を発生させる、
項目１９に記載の方法。
（項目２２）
前記ＳＡＷ変調器は、基板を含み、
前記基板は、前記個別の音響波を発生させる圧電効果を呈する材料を含む、
項目１９に記載の方法。
（項目２３）
前記圧電効果を呈する前記材料は、溶融シリカ、ニオブ酸リチウム、三硫化砒素、二酸化テルル、テルライトガラス、またはケイ酸鉛のうちの１つを含む、項目２２に記載の方法。
（項目２４）
前記ＳＡＷ変調器は、前記導波管の一体型部分である、項目２２に記載の方法。
（項目２５）
前記光ビームは、前記動的ＩＣＧの表面上に、前記動的ＩＣＧの表面に垂直な方向に入射する、項目１８に記載の方法。
（項目２６）
前記光ビームは、前記動的ＩＣＧの表面上に、前記動的ＩＣＧの表面に垂直な方向に対して非ゼロのバイアス角で入射する、項目１８に記載の方法。
（項目２７）
前記動的ＩＣＧは、透過モードにおいて動作する、項目１８に記載の方法。
（項目２８）
前記動的ＩＣＧは、反射モードにおいて動作する、項目１８に記載の方法。
（項目２９）
前記導波管に結合される静的格子を介して前記光ビームを再指向することを含み、前記静的格子は、前記光ビームの一部を前記動的ＩＣＧに向かって前記動的ＩＣＧの表面に垂直な方向に対して非ゼロのバイアス角で回折させるように構成される、項目２８に記載の方法。
（項目３０）
前記コントローラによって、前記タイムスロットのシーケンスにおいて第２の光ビームの強度を変調させることと、
前記第２の光ビームを前記動的ＩＣＧの上に伝搬することと、
前記コントローラによって、前記動的ＩＣＧを制御し、前記第２の光ビームの個別の部分を前記導波管の中に個別の角度で回折させることと、
前記第２の光ビームの各個別の部分を前記導波管から外に前記眼に向かって前記個別の視野角で指向することと
を含み、
前記光ビームは、第１の方向における前記光ビームの伝搬を介して前記動的ＩＣＧの表面上に入射し、
前記タイムスロットのシーケンスにおける前記光ビームの強度は、画角（ＦＯＶ）の第１の範囲内の前記画像明視野の強度に対応し、
前記第２の光ビームは、前記第１の方向と異なる第２の方向における前記第２の光ビームの伝搬を介して前記動的ＩＣＧの表面上に入射し、
前記タイムスロットのシーケンスにおける前記第２の光ビームの強度は、前記角ＦＯＶの第１の範囲と異なる角ＦＯＶの第２の範囲内の前記画像明視野の強度に対応する、
項目１８に記載の方法。
（項目３１）
前記導波管は、前記画像明視野が前記導波管を通して前記視認者の眼に透過される外部画像上に重ねられるように透過性である、項目１８に記載の方法。
（項目３２）
前記光ビームの各個別の部分は、前記光ビームの各個別の部分を前記導波管から外に前記眼に向かって前記個別の視野角で回折させるように構成される回折光学素子（ＤＯＥ）を介して、前記導波管から外に前記眼に向かって前記個別の視野角で指向される、項目１８に記載の方法。
（項目３３）
前記光ビームは、前記動的ＩＣＧに対して固定される位置と、配向とを有する光軸上で前記動的ＩＣＧに伝搬する、項目１８に記載の方法。
（項目３４）
仮想コンテンツの画像を形成するために、画像明視野を視認者の眼に投影するための接眼レンズであって、前記接眼レンズは、
その中に光を伝搬するように構成される導波管であって、前記導波管は、入力瞳を含む、導波管と、
前記入力瞳において前記導波管上に入射することになる光ビームを送達するように構成される光源と、
前記光源に結合され、複数のタイムスロットにおいて前記光ビームの強度を変調させるように構成されるコントローラであって、各タイムスロットは、前記画像の個別の視野角に対応し、各タイムスロットにおける前記光ビームの強度は、前記個別の視野角における前記画像の強度に対応する、コントローラと、
前記入力瞳に対応する前記導波管の第１の側方領域上に形成される動的入力結合格子（ＩＣＧ）であって、前記動的ＩＣＧは、
タイムスロット毎に、前記光ビームの個別の部分を前記導波管の中に個別の視野角に対応する個別の全内部反射（ＴＩＲ）角で回折させることと、
前記光ビームの変調に従って、前記ＴＩＲ角を１つのタイムスロットから次のタイムスロットまで走査することと
を行うように構成される、動的ＩＣＧと、
外部結合回折光学素子（ＤＯＥ）であって、前記ＤＯＥは、前記導波管の第２の側方領域に結合され、前記光ビームの各個別の部分を前記導波管から外に前記眼に向かって前記個別の視野角で回折させ、それによって、前記画像明視野を前記視認者の眼に投影するように構成される、外部結合回折光学素子（ＤＯＥ）と
を備える、接眼レンズ。
（項目３５）
前記動的ＩＣＧは、
表面音響波（ＳＡＷ）変調器であって、前記ＳＡＷ変調器は、
圧電材料層と、
発振電気信号源に結合されるトランスデューサと
を含む、ＳＡＷ変調器
を備え、
前記発振電気信号源は、複数の周波数において前記トランスデューサを駆動するように構成され、各個別の周波数は、個別のタイムスロットに対応し、それによって、前記動的ＩＣＧが、前記光ビームの個別の部分を前記導波管の中に前記個別のタイムスロットにおける前記個別のＴＩＲ角で回折させるように、個別の空間周期を伴って前記圧電材料層内に個別の音波を作成する、
項目３４に記載の接眼レンズ。
（項目３６）
前記トランスデューサは、圧電トランスデューサを含む、項目３５に記載の接眼レンズ。
（項目３７）
前記トランスデューサは、
第１の軸において振動するように構成される第１のトランスデューサと、
前記第１の軸に直交する第２の軸において振動するように構成される第２のトランスデューサと
を備える、項目３５に記載の接眼レンズ。
（項目３８）
前記圧電材料は、溶融シリカ、ニオブ酸リチウム、三硫化砒素、二酸化テルル、テルライトガラス、またはケイ酸鉛のうちの１つを含む、項目３５に記載の接眼レンズ。
（項目３９）
前記導波管は、溶融シリカ、ニオブ酸リチウム、三硫化砒素、二酸化テルル、テルライトガラス、またはケイ酸鉛のうちの１つを含み、前記圧電材料層は、前記導波管の一体型部分である、項目３８に記載の接眼レンズ。
（項目４０）
前記光ビームは、実質的に法線入射で前記導波管上に入射する、項目３４に記載の接眼レンズ。
（項目４１）
前記光ビームは、非ゼロのバイアス角で前記導波管上に入射する、項目３４に記載の接眼レンズ。
（項目４２）
前記動的ＩＣＧは、透過モードにおいて動作する、項目３４に記載の接眼レンズ。
（項目４３）
前記動的ＩＣＧは、反射モードにおいて動作する、項目３４に記載の接眼レンズ。
（項目４４）
前記入力瞳において前記導波管に結合され、前記光ビームを受光し、前記光ビームの一部をバイアス角で前記動的ＩＣＧに向かって回折させるように構成される、静的格子をさらに備える、項目３４に記載の接眼レンズ。
（項目４５）
前記光ビームは、第１の入射角で前記導波管上に入射し、前記複数のタイムスロットにおける前記光ビームの強度は、画角（ＦＯＶ）の第１の範囲内の前記画像の強度に対応し、
前記光源はさらに、前記入力瞳において、前記導波管上に、前記第１の入射角と異なる第２の入射角で入射する第２の光ビームを送達するように構成され、前記光源はさらに、前記複数のタイムスロットにおいて前記第２の光ビームの強度を変調させるように構成され、各タイムスロットは、個別の視野角に対応し、前記複数のタイムスロットにおける前記第２の光ビームの強度は、前記第１の角ＦＯＶと異なる角ＦＯＶの第２の範囲内の前記画像の強度に対応する、
項目３４に記載の接眼レンズ。

図１Ａは、いくつかの実施形態による、一対の拡張現実眼鏡の概略斜視図である。

図１Ｂは、いくつかの実施形態による、例示的拡張現実システムを示す。

図２は、いくつかの実施形態による、図１に示される拡張現実眼鏡の接眼レンズの一部の概略端面図である。

図３は、いくつかの実施形態による、接眼レンズを通して画像明視野を観察者の眼に投影するために使用され得る、結像システムを示す。

図４は、いくつかの実施形態による、動的内部結合格子（ＩＣＧ）を含む、接眼レンズを図式的に図示する。

図５は、いくつかの実施形態による、図４に示される動的ＩＣＧの機能を図式的に図示する。

図６Ａは、いくつかの実施形態による、小型のアイウェアを図式的に図示する。図６Ｂは、いくつかの実施形態による、小型のアイウェアを図式的に図示する。

図７Ａは、いくつかの実施形態による、表面音響波（ＳＡＷ）変調器に基づく、１次元（１Ｄ）の動的ＩＣＧを図式的に図示する。図７Ｂは、いくつかの実施形態による、ＳＡＷ変調器に基づく、２次元（２Ｄ）の動的ＩＣＧを図式的に図示する。

図８Ａは、いくつかの実施形態による、透過幾何学形状における接眼レンズ内の２Ｄ動的ＩＣＧを図式的に図示する。図８Ｂは、いくつかの実施形態による、反射幾何学形状における接眼レンズ内の２Ｄ動的ＩＣＧを図式的に図示する。

図９は、いくつかの実施形態による、相互に対して階段状に連続される、２つの１Ｄ動的ＩＣＧを含む、接眼レンズを図式的に図示する。

図１０Ａは、いくつかの実施形態による、入力光ビームが法線入射に対してバイアス角θ_ｂｉａｓで動的ＩＣＧ上に入射する、接眼レンズを図式的に図示する。図１０Ｂは、いくつかの実施形態による、動的ＩＣＧ上に入射する入力光ビームに関して、バイアス角θ’_ｂｉａｓを作成するための静的回折格子を含む、接眼レンズを図式的に図示する。

図１１は、いくつかの実施形態による、２つの入力光ビームが全視野（ＦＯＶ）を増加させるために使用される、構成を図式的に図示する。

図１２は、いくつかの実施形態による、透過幾何学形状における１Ｄ動的ＩＣＧを伴う接眼レンズを図式的に図示する。

図１３は、いくつかの実施形態による、図１２に図示される１Ｄ動的ＩＣＧの一次回折に関するｋベクトル図を示す。

図１４は、いくつかの実施形態による、法線入射入力ビームに関する２Ｄ動的ＩＣＧのｋベクトル図を示す。

図１５は、いくつかの実施形態による、導波管の全内部反射（ＴＩＲ）図上に重ねられる、法線入射入力ビームに関する２Ｄ動的ＩＣＧのｋベクトル図を示す。

図１６は、いくつかの実施形態による、導波管の全内部反射（ＴＩＲ）図上に重ねられる、角度バイアスを伴う入力ビームに関する２Ｄ動的ＩＣＧのｋベクトル図を示す。

図１７は、いくつかの実施形態による、導波管の全内部反射（ＴＩＲ）図上に重ねられる、動的格子領域をＴＩＲ領域に偏移させるための角度バイアスを伴う入力ビームに関する２Ｄ動的ＩＣＧのｋベクトル図を示す。

図１８は、いくつかの実施形態による、仮想コンテンツの画像を視認するために、明視野を視認者の眼に投影する方法を図示する、単純化されたフローチャートである。

図１９は、いくつかの実施形態による、画像明視野を視認者の眼に投影する方法を図示するフローチャートである。

本開示のいくつかの実施形態によると、接眼レンズは、導波管と、導波管に結合される、動的入力結合格子（ＩＣＧ）とを含む。動的ＩＣＧは、固定入力レーザビームを、導波管内の２次元のＴＩＲ角のある範囲内に走査するように構成される。動的ＩＣＧの走査と同期化される、視野内の画像点場所の関数として、タイムスロットのシーケンスにおいてレーザビーム強度を変調させることによって、視認者には、完全な画像視野表示が見え得る。本結像パラダイムは、外部プロジェクタの必要性を排除し得、したがって、小型かつ軽量のアイウェアをもたらし得る。そのようなアイウェアは、例えば、拡張現実システムまたは他のウェアラブルディスプレイおよびコンピューティング製品において使用され得る。

回折格子は、光の波長および格子上の入射角に依存する角度だけ光を偏向させる、光学コンポーネントである。回折格子は、回折格子が使用されることになる光の波長の規模である周期を伴う、周期的構造を有し得る。周期的構造は、表面起伏外形または透過性材料の屈折率の体積変調であり得る。回折格子の動作は、以下の格子方程式によって決定され得る。

式中、θ_ｍは、格子の表面に法線のベクトルに対する回折格子から出射する光ビームの角度（回折角）であり、λは、波長であり、ｍは、回折「次数」として既知である整数の値をとるパラメータであり、ｄは、格子の周期であり、θ_ｉは、格子の表面に法線のベクトルに対する入力光ビームの入射角である。

格子はまた、ブレーズされる、すなわち、それらが回折させる光を、次数パラメータｍの特定の値によって規定される特定の「次数」に集中させるように、特定の周期的プロファイルを与えられ得る。格子は、光が格子上に入射する同一の側の格子から、光が離れる場合は、反射性である、または光が入射するものと反対の格子の側面から、光が主に出射する場合は、透過性であり得る。

図１Ａは、いくつかの実施形態による、一対の拡張現実眼鏡１００の斜視図である。眼鏡１００は、正面ピース１０８によって接続される、左アーム１０４と、右アーム１０６とを含む、フレーム１０２を含む。正面ピース１０８は、左接眼レンズ１１０と、右接眼レンズ１１２とを支持する。議論の目的のために特に右接眼レンズ１１２を参照すると、右接眼レンズ１１２は、複数の導波管の右スタック１１４を含む。導波管の右スタック１１４は、眼鏡１００を装着する人物に、拡張現実眼鏡１００を着用している間、現実世界が見え得、仮想コンテンツが現実世界との関連で重ねられ、表示され得るように透過性である。図１に図示されるように、右スタック導波管１１４内に含まれる、右正面の導波管１１６は、右正面の選択的に作用可能な内部結合格子１１８と、右正面の直交瞳拡大器１２０と、右正面の射出瞳拡大器１２２とを含む。「Ｐｌａｎａｒ Ｗａｖｅｇｕｉｄｅ Ａｐｐａｒａｔｕｓ ｗｉｔｈ Ｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎ ｅｌｅｍｅｎｔ（ｓ） ａｎｄ Ｓｙｓｔｅｍ Ｅｍｐｌｏｙｉｎｇ Ｓａｍｅ」と題された、Ａｂｏｖｉｔｚ ｅｔ
ａｌ．の米国特許第９，６１２，４０３号内に議論されるように、射出瞳拡大器１２２は、異なる仮想源光に対応する、異なる像面湾曲を、出射光に付与するように設計されることができる。同様に、左接眼レンズ１１０は、左正面の導波管１２６を含む、導波管の左スタック１２４を含む。図１に図示されるように、左正面の導波管は、左正面の選択的に作用可能な内部結合格子１２８と、左側の直交瞳拡大器１３０と、左側の射出瞳拡大器１３２とを含む。左接眼レンズ１１０もまた、透過性である。画像毎に変調された光の左側源１３４および画像毎に変調された光の右側源１３６は、それぞれ、フレーム１０２の左アーム１０４および右アーム１０６のインボードに支持され、それぞれ、導波管の左スタック１２４および導波管の右スタック１１４に選択的に光学的に結合される。

図１Ｂは、ユーザ１５２の視野内に仮想コンテンツ（例えば、仮想オブジェクト、仮想ツール、および他の仮想構築物、例えば、アプリケーション、特徴、文字、テキスト、数字、および他の記号）をレンダリングするように動作可能であり得、頭部搭載型ウェアラブルディスプレイデバイス１５４と、コンピューティングデバイス１５６とを含み得る、例示的拡張現実システム１５０を示す。頭部搭載型ウェアラブルディスプレイデバイス１５４は、図１Ａに図示されるものに類似する、一対の拡張現実眼鏡１００を含み得る。コンピューティングデバイス１５６は、ユーザ１５２に関連のある仮想コンテンツを提示するための多数の処理タスクを実施する、コンポーネント（例えば、処理コンポーネント、給電コンポーネント、メモリ等）を含み得る。

コンピューティングデバイス１５６は、接続１５８（例えば、有線導線接続、無線接続等）を介して頭部搭載型ウェアラブルディスプレイデバイス１５４に動作可能および／または通信可能に結合され得る。コンピューティングデバイス１５６は、ベルト結合式構成において、ユーザ１５２の腰部２０３に除去可能に取り付けられてもよい。他の実施例では、コンピューティングデバイス１５６は、ユーザ１５２の身体の別の部分に除去可能に取り付けられる、ユーザ１５２によって着用される衣服または他の付属品（例えば、フレーム、帽子、またはヘルメット等）に取り付けられる、またはその中に位置する、またはユーザ１５２の環境内の別の場所に位置付けられてもよい。

図２は、図１Ａに図示される右接眼レンズ１１２の概略端面図である。内部結合格子１１８、直交瞳拡大器１２０、および射出瞳拡大器１２２の設置場所が、例証の目的のために、図２において、図１に示される設置場所に対して改変されていることに留意されたい。図示されていないが、左接眼レンズ１１０の構造は、右接眼レンズ１１２の構造の鏡像である。図２に図示されるように、右正面の導波管１１６に加えて、右接眼レンズ１１２の複数の導波管の右スタック１１４は、右正面の導波管１１６の背後に配置される、右の第２の導波管２０２と、右の第２の導波管２０２の背後に配置される、右の第３の導波管２０４と、右の第３の導波管２０４の背後に配置される、右の第４の導波管２０６と、右の第４の導波管２０６の背後に配置される、右の第５の導波管２０８と、右の第５の導波管２０８の背後に配置される、右の背面導波管２１０とを含む。第２から第５の導波管２０２、２０４、２０６、２０８、および背面導波管２１０はそれぞれ、第２から第６の内部結合格子１１８ｂ、１１８ｃ、１１８ｄ、１１８ｅ、１１８ｆを、それぞれ有する。内部結合格子１１８ａ、１１８ｂ、１１８ｃ、１１８ｄ、１１８ｅ、１１８ｆは、例えば、導波管１１６、２０２、２０４、２０６、２０８に関して臨界角を上回る角度に垂直に入射する、画像毎に変調された光を偏向させるための格子ピッチおよび外形（例えば、ブレーズされた外形）を有するように設計されることができる。第２から第５の導波管２０２、２０４、２０６、２０８、および背面導波管２１０はまた、それぞれ、直交瞳拡大器２１４の付加的セットのうちの１つと、射出瞳拡大器２１６の付加的セットのうちの１つとを含む。

画像毎に変調された光の右側源１３６は、別個の時間サブフレーム周期の間に、異なる色チャネルに関して、かつ異なる仮想オブジェクト深度に関して画像毎に変調された光を適切に出力する。色チャネルおよび深度平面の特定のシーケンスが、ビデオフレームレートで周期的に繰り返されることができる。６つの導波管のスタック１１４は、３つの導波管の２つのセットを含むことができ、２つのセットはそれぞれ、赤色、緑色、および青色（ＲＧＢ色）のチャネル導波管を含み、２つのセットはそれぞれ、放出される光の像面湾曲によって決定される、２つの仮想オブジェクトの距離のうちの一方で光を放出する。右接眼レンズ１１０の正面から出射する光は、後方に指向され、眼の位置２２０まで通過する。

図３は、接眼レンズ３２０を通して画像明視野を観察者の眼３３０に投影するために使用され得る、結像システム３１０を示す。結像システム３１０は、空間光変調器（ＳＬＭ）３１２を含み得る。ＳＬＭ３１２は、例えば、シリコン上液晶（ＬＣＯＳ）ディスプレイ、デジタル光処理（ＤＬＰ）チップ、または同等物を含み得る。発光ダイオード（ＬＥＤ）、レーザ、および同等物等の照明源（図示せず）が、ＳＬＭ３１２上に入射することになる、（疑似）コリメート光照明３１４を提供し得る。ＳＬＭ３１２は、照明３１４を空間的に変調し、各ピクセル上に入射する、透過（または反射）光の量を制御することによって仮想コンテンツの２次元（２Ｄ）画像を形成し得る。結像システム３１０はさらに、投影レンズ３１６を含み得る。ＳＬＭ３１２は、投影レンズ３１６の背面焦点面に位置付けられ得る。個別のピクセルＰによって位置（ｘ_Ｐ、ｙ_Ｐ）において透過される光が、接眼レンズ３２０によって転換され得る。

接眼レンズ３２０の内部結合格子（ＩＣＧ）３２２上に入射するビームは、入射光の一部を、導波管３２６の中に個別の伝搬方向（θ_{Ｐ，ＴＩＲ}、φ_{Ｐ，ＴＩＲ}）における全内部屈折（ＴＩＲ）ビームとして結合する。各ＴＩＲビームは、導波管３２６内で、全て同一の伝搬方向を伴う、複数のＴＩＲビームに複製される。射出瞳拡大器（ＥＰＥ）３２４が、ＴＩＲビームを、接眼レンズ３２０から外に、全て観察者の眼３３０に向かう同一の伝搬方向（θ_Ｐ、φ_Ｐ）において、複数の出力ビームとして結合する。ビーム複製は、観察者が、事実上より大きい出射瞳、故に、用語としては、射出瞳拡大器から画像を視認することを可能にする。観察者の眼３３０の瞳は、いくつかのこれらのビームを集光し、これは、次いで、眼の水晶体によって、網膜上の具体的な位置（ｘ_Ｐ’、ｙ_Ｐ’）に集束されるであろう。したがって、個別のピクセルＰによって位置（ｘ_Ｐ、ｙ_Ｐ）において透過される光は、接眼レンズ３２０によって、個別の方向（θ_Ｐ、φ_Ｐ）に伝搬する平行光線のビームに転換され得る。明確化のために、第２の座標ｙ_Ｐおよび第２の角度φ_Ｐは、図３および後続の図において隠蔽されている。

空間光変調器（ＳＬＭ）ベースのプロジェクタ、微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）スキャナ、およびファイバスキャナ等の種々の結像システムが、図３に図示される接眼レンズ３２０等の接眼レンズを含む、拡張現実アイウェア内に画像毎に変調される光を提供するために検討されている。著しい進展にもかかわらず、プロジェクタのサイズを縮小することは、ますます困難になりつつある。例えば、照明モジュールを除外したＳＬＭベースのプロジェクタの典型的サイズは、約１５ｍｍであり得、照明モジュールを除外したファイバスキャナの典型的サイズは、約１０ｍｍであり得、照明モジュールを除外したＭＥＭＳスキャナの典型的サイズは、約１０ｍｍであり得る。

上記に説明されるように、ＳＬＭ３１２（またはファイバスキャナ等の他のタイプの２Ｄスキャナ）上の各ピクセル位置（ｘ_Ｐ、ｙ_Ｐ）と、自由空間内の個別の伝搬方向（θ_Ｐ、φ_Ｐ）と、導波管３２６の内側の個別のＴＩＲ伝搬方向（θ_{Ｐ，ＴＩＲ}、φ_{Ｐ，ＴＩＲ}）と、観察者の眼３３０の網膜における個別の画像位置（ｘ_Ｐ’、ｙ_Ｐ’）との間には、１対１の対応が存在し得る。本開示のいくつかの実施形態によると、ＴＩＲ伝搬方向（θ_{Ｐ，ＴＩＲ}、φ_{Ｐ，ＴＩＲ}）は、直接、接眼レンズ内に発生され得、画像野内の全ての点に関して走査され得る。本新しい結像パラダイムは、外部結像システム３１０の必要性を排除し得、したがって、非常に小型のアイウェアの構築を可能にし得る。

図４は、いくつかの実施形態による、接眼レンズ４００を図式的に図示する。接眼レンズ４００は、導波管４１０と、導波管４１０の第１の側方領域に結合される、２次元（２Ｄ）の動的ＩＣＧ４２０と、導波管４１０の第２の側方領域に結合される、（直交瞳拡大器、すなわち、ＯＰＥ、および／または射出瞳拡大器、すなわち、ＥＰＥ等の）回折光学素子（ＤＯＥ）４１２とを含む。固定された伝搬方向（例えば、導波管４１０に法線、すなわち、

を伴う入力光ビーム４０２が、動的ＩＣＧ４２０上に入射する。入力光ビーム４０２は、タイムスロット毎に、入力光ビーム４０２の強度が画像野内の個別の画像点Ｐの相対的明度に対応するように、１つ以上のタイムスロットにおいて変調される強度であり得る（画像点Ｐは、図３に図示されるＳＬＭ３１２上のピクセル（ｘ_Ｐ、ｙ_Ｐ）に類似し得る）。

図５は、いくつかの実施形態による、動的ＩＣＧ４２０の作用を図式的に図示する。動的ＩＣＧ４２０は、入力光ビーム４０２をＴＩＲビームとして導波管４１０の中に回折的に結合するように構成される。図５に図示されるように、回折光ビーム５１０のＴＩＲ角は、タイムスロット毎のＴＩＲ角

が、個別の画像野Ｐに対応するように、入力光ビーム４０２の変調と同期的に１つのタイムスロットから別のタイムスロットまで動的に変動され得る。したがって、１つ以上のスロットにおいてＴＩＲ角のある範囲内でＴＩＲ角

を走査することによって、全画像野が、走査され得る。

再び図４を参照すると、個別のタイムスロットにおける個別のＴＩＲ角

に関して、ＥＰＥ４１２は、ＴＩＲビームを、接眼レンズ４００から外に観察者の眼４３０に向かって対応する伝搬方向（θ_Ｐ、φ_Ｐ）に結合させる。観察者の眼４３０の瞳は、出力ビームを集光し、これは、次いで、眼の水晶体によって、網膜上の具体的な位置（ｘ_Ｐ’、ｙ_Ｐ’）に集束される。ＴＩＲ角

が、１つ以上のタイムスロットにおいてＴＩＲ角の範囲内で動的ＩＣＧ４２０によって走査されるにつれて、出力ビームの伝搬方向（θ_Ｐ、φ_Ｐ）が、対応して走査され、それによって、全画像野を網羅する。（明確化のために、１つのみの伝搬方向（θ_Ｐ、φ_Ｐ）が図４に示されていることに留意されたい。）

したがって、上記に説明されるように、動的ＩＣＧ４２０は、ＩＣＧの機能を単一のデバイス内のスキャナの機能と統合し、それによって、図３に図示されるような別個の結像システム３１０の必要性を排除する。したがって、アイウェアは、従来のアイウェアと比較して有意に縮小したサイズおよび重量を伴って作製され得る。いくつかの実施形態では、動的ＩＣＧ４２０は、例えば、ファイバスキャナまたはＭＥＭＳスキャナとは異なり、可動部品を有していなくてもよい。動的ＩＣＧ４２０を組み込む接眼レンズは、他の利点ももたらし得る。例えば、付加的損失を引き起こし得る、より少ない光学コンポーネントが存在するため、より高い明度およびより低い電力消費量が、実現され得る。

いくつかの実施形態では、同時色が、使用され得る。これらの実施形態では、赤色（Ｒ）、緑色（Ｇ）、および青色（Ｂ）の情報が、それぞれ、Ｒ、Ｇ、Ｂレーザからの同一直線上のＲ、Ｇ、Ｂビームとして同時に存在し得る。３つの同一直線上のＲ、Ｇ、Ｂビームが、画像野を横断して走査されるにつれて、任意の点（ピクセル）における各色の量が、３つのレーザを独立して、但し、同時に変調させることによって制御され得る。対照的に、単一のＬＣＯＳが共有され、Ｒ、Ｇ、Ｂ画像を一度に１色ずつ発生させる場合、シーケンシャル色が、使用され得る。

図６Ａは、いくつかの実施形態による、小型のアイウェアを図式的に図示する。小型のアイウェアは、（例えば、動的ＩＣＧ４２０に類似する）動的ＩＣＧを含む、（例えば、接眼レンズ４００に類似する）接眼レンズを含み得る。アイウェア上に搭載される小型の光源モジュールが、固定された伝搬方向で動的ＩＣＧ上に入射する、入力光ビームを提供し得る。いくつかの実施形態では、小型の光源モジュールは、コリメート光を放出し得る。いくつかの実施形態では、小型の光源モジュールは、狭いスペクトル／ビームの広がりを有する、光を放出し得る。いくつかの実施形態では、小型の光源モジュールは、１つ以上のレーザを含み得る。例えば、小型の光源モジュールは、赤色レーザと、青色レーザと、緑色レーザとを含んでもよい。いくつかの実施形態では、小型の光源モジュールは、（例えば、図１Ｂに図示される頭部搭載型ウェアラブルディスプレイデバイス１５４に類似する）頭部搭載型ウェアラブルディスプレイデバイス内にあってもよい。いくつかの実施形態では、小型の光源モジュールは、１つ以上のＬＥＤを含み得る。例えば、１つ以上のＬＥＤは、１つ以上のスーパールミネセントＬＥＤ（ＳＬＥＤ）であってもよい。いくつかの実施形態では、コントローラが、小型の光源モジュールを動作させる、例えば、小型の光源モジュールを移動させる、および／または小型の光源モジュールを変調させるために使用され得る。コントローラは、画像を１つ以上の光ビームにロードするために使用され得る。

図６Ｂは、いくつかの実施形態による、小型のアイウェアを図式的に図示する。ここで、別個の光源パッケージが、光ファイバを介して入力光ビームを提供し得る。いくつかの実施形態では、小型の光源モジュールは、（例えば、図１Ｂに図示されるコンピューティングデバイス１５６内の）ベルトパック内にあってもよく、ファイバを介して頭部搭載型ウェアラブルディスプレイデバイスにもたらされてもよい。動的ＩＣＧの動作は、偏光に依存しない場合があるため、入力光ビームは、不偏光であり得る。したがって、効率的なファイバ輸送が、非偏光維持光ファイバを使用することによって実現され得る。

図７Ａは、いくつかの実施形態による、表面音響波（ＳＡＷ）変調器に基づく、１次元の動的ＩＣＧを図式的に図示する。ＳＡＷ変調器は、音響光学効果を使用し、（例えば、無線周波数における）音波を使用して光を回折させる。トランスデューサ（例えば、圧電トランスデューサ）が、ＳＡＷ変調器の基板に取り付けられる。発振電気信号が、トランスデューサを振動させるように駆動し得、これは、基板の表面上に伝搬する音響波を作成し得る。本音響波（表面音響波、すなわち、ＳＡＷと称される）は、表面の変形を引き起こし、回折格子を形成し得る。基板は、溶融シリカ、ニオブ酸リチウム、タンタル酸リチウム、ランタンガリウムシリケート、三硫化砒素、二酸化テルル、テルライトガラス、ケイ酸鉛、または同等物等の圧電効果を呈する材料を含み得る。基板は、初めから加工されるような、圧電効果を呈する材料、または基板上に蓄積され得る、圧電効果を呈する材料を含むことができる。ピクセル毎に、特定の方向に光を回折させるであろう、特定の格子ピッチを有する、２Ｄにおけるある回析格子が、作成される。格子ピッチを変化させることによって回折格子を変化させることは、方向の変化をもたらすであろう。

ＳＡＷによって形成される回折格子上に入射する光ビーム（「Ｉｎ」）が、（例えば、金属化された表面上で）透過幾何学形状または反射幾何学形状のいずれかにおいて回折され得る。図７Ａは、透過幾何学形状におけるＳＡＷ変調器を図示する。図示されるように、種々の回折次数（例えば、－１、０、＋１次）が、結果として生じ得る。回折格子の周期は、駆動電気信号の周波数に依存し得る。（例えば、１次回析における）回折角は、回折格子の周期に依存する。したがって、駆動電気信号の周波数を変調させることによって、回折光は、ある範囲の角度を走査し得る。

上記に説明されるＳＡＷ変調器は、２次元（２Ｄ）の場合に拡張され得る。図７Ｂは、いくつかの実施形態による、透過幾何学形状における２Ｄ ＳＡＷ変調器を図式的に図示する。Ｘ軸運動のための第１のトランスデューサと、Ｙ軸運動のための第２のトランスデューサとが、基板に取り付けられる。第１の発振電気信号ＲＦ（ＲＦ）_ｘが、第１のトランスデューサをＸ軸に沿って振動させるように駆動し得、第２の発振電気信号ＲＦ（ＲＦ）_ｙが、第２のトランスデューサをＹ軸に沿って振動させるように駆動し得、これらはともに、基板の表面上に伝搬する、２Ｄ ＳＡＷを作成し得る。２Ｄ ＳＡＷは、基板の表面の変形を引き起こし、２Ｄ回折格子を形成し得る。入射光ビームが、回折格子によって回折され得る（明確化のために、主な回折次数、例えば、第１の次数のみが、図７Ｂに示されている）。それぞれ、Ｘ軸およびＹ軸に沿って、駆動電気信号（ＲＦ）_ｘおよび（ＲＦ）_ｙの周波数を走査することによって、回折光は、例えば、ｘ／ｙパターン（ラスタ走査）または渦巻パターンで、２Ｄ角度（θ、φ）の範囲を走査し得る。

いくつかの実施形態では、複数の駆動周波数が、相互の上に重ねられ得る。例えば、１つ以上の電気信号が、Ｘ軸に沿った複合駆動信号として組み合わせられ得、各個別の電気信号は、個別の周波数に対応する。このように、Ｘ軸に沿ったピクセルの群（またはピクセルのライン全体）が、同時にアドレス指定され得る。いくつかの実施形態では、音響波は、ＲＦ信号の重畳によって変調され得る。いくつかの実施形態では、２つの格子が、重ねられ得、光が、２つの格子のそれぞれの回折特性（例えば、ピッチおよび／または振幅）に従って回折され得る。例えば、第１の格子および第２の格子が、存在し、第１の格子および第２の格子が、重ねられる場合、その上に入射する光が、第１の格子の第１のピッチおよび第２の格子の第２のピッチの両方によって決定される方向に回折および分割され、第１の格子の第１の振幅および第２の格子の第２の振幅に関連する振幅を有するであろう。第１のＲＦ信号の周波数が、第１の格子の第１のピッチを決定し得、第１のＲＦ信号の振幅が、第１の格子の振幅を決定し得る。同様に、第２のＲＦ信号の周波数が、第２の格子の第２のピッチを決定し得、第２のＲＦ信号の振幅が、第２の格子の振幅を決定し得る。いくつかの実施形態では、複数の格子が、重ねられ得、複数の格子から回折される光が、複数の格子の全てに追従し得る。

格子の振幅が、１つ以上のトランスデューサに送達される電力に依存し得ることに留意されたい。したがって、いくつかの実施形態では、画像強度変調もまた、ＳＡＷ変調器によって、駆動電気信号の周波数を変調させることに加えて、駆動電気信号の電力を変調させることによって実施され得る。

また、周波数／振幅変調の結果として絶えず変化する回折格子が、静的格子が生成し得るコヒーレントアーチファクトを低減させることに役立ち得ることにも留意されたい。例えば、静的格子によって生成されるコヒーレントアーチファクトは、画像野を横断して明暗変動として明白であり得る。絶えず変化する回折格子は、眼が応答時間ウィンドウ内に光を統合するため、あまり顕著ではなくあり得る、「摺動する」明暗変動を生成し得る。

いくつかの実施形態では、ＳＡＷ変調器は、図５に図示されるように、導波管の表面上に形成され得る。例えば、ニオブ酸リチウム等の圧電材料層および１つ以上のトランスデューサが、導波管の表面に取り付けられ得る。いくつかの実施形態では、ＳＡＷ変調器は、導波管の表面の下方に形成され得る。例えば、圧電材料層が、導波管内に埋め込まれ得、１つ以上のトランスデューサが、圧電材料層に結合され得る。いくつかの実施形態では、ＳＡＷ変調器は、導波管の一体型部分であり得る。例えば、導波管は、ニオブ酸リチウム等の圧電材料を含み得る。１つ以上のトランスデューサが、表面の第１の側方領域内にＳＡＷを発生させるために、導波管の表面の第１の側方領域上に形成され得る。

ＳＡＷ変調器が、動的ＩＣＧの実施例として上記に議論されているが、他のタイプの類似する走査技術もまた、動的ＩＣＧのために使用され得ることを理解されたい。

図８Ａは、いくつかの実施形態による、透過幾何学形状における接眼レンズ内の２Ｄ動的ＩＣＧを図式的に図示する。接眼レンズは、第１の表面と、第１の表面の反対の第２の表面とを有する、導波管を含む。２Ｄ動的ＩＣＧは、導波管の第１の表面に結合される。本構成が、図４および５に図示されるものに類似することに留意されたい。強度変調される入力光ビームが、２Ｄ動的ＩＣＧ上に法線に入射する。図５を参照して上記に説明されるように、２Ｄ動的ＩＣＧは、ある範囲の伝搬角（θ、φ）を伴う透過幾何学形状における１つ以上の対応する回折光ビームが、導波管内に伝搬されるように、入力光ビームの強度変調と同期的に変調される。各伝搬角（θ、φ）は、個別の画像野Ｐに対応する。２Ｄ動的ＩＣＧが、導波管の第１の表面の上方に位置付けられるように図示されているが、これは、要求されていないことを理解されたい。いくつかの実施形態では、２Ｄ動的ＩＣＧは、導波管内に埋め込まれてもよい、または導波管の一体型部分であってもよい。

図８Ｂは、いくつかの実施形態による、反射幾何学形状における、接眼レンズ内の２Ｄ動的ＩＣＧを図式的に図示する。接眼レンズは、第１の表面と、第１の表面の反対の第２の表面とを有する、導波管を含む。２Ｄ動的ＩＣＧは、導波管の第２の表面に結合される。強度変調される入力光ビームが、導波管を通して通過し、２Ｄ動的ＩＣＧ上に法線に入射する。２Ｄ動的ＩＣＧは、ある範囲の伝搬角（θ、φ）を伴う反射幾何学形状における１つ以上の対応する回折光ビームが、導波管内に伝搬されるように、入力光ビームの強度変調と同期的に変調される。各伝搬角（θ、φ）は、個別の画像野Ｐに対応する。２Ｄ動的ＩＣＧが、導波管の第２の表面の下方に位置付けられるように図示されているが、これは、要求されていないことを理解されたい。いくつかの実施形態では、２Ｄ動的ＩＣＧは、導波管内に埋め込まれてもよい、または導波管の一体型部分であってもよい。

図９は、いくつかの実施形態による、相互に対して階段状に連続される、２つの１次元（１Ｄ）の動的ＩＣＧを含む、接眼レンズを図式的に図示する。接眼レンズは、第１の表面と、第１の表面の反対の第２の表面とを有する、導波管を含む。第１の１Ｄ動的ＩＣＧは、導波管の第２の表面に結合される。第２の１Ｄ動的ＩＣＧは、導波管の第１の表面に結合される。強度変調される入力光ビームが、導波管を通して通過し、第１の１Ｄ動的ＩＣＧ上に法線に入射する。

第１の１Ｄ動的ＩＣＧは、ある範囲の伝搬角θを伴う反射幾何学形状における１つ以上の対応する回折光ビームが、導波管内に伝搬されるように、入力光ビームの強度変調と同期的に変調される。図９に図示される第１の１Ｄ動的ＩＣＧの下の左および右の矢印は、入力光ビームが、紙の平面内の１つ以上の伝搬角θに分散されることを示す。

ある範囲の伝搬角θを伴う第１の１Ｄ動的ＩＣＧによって回折される、光ビームは、第２の１Ｄ動的ＩＣＧ上に入射する。第２の１Ｄ動的ＩＣＧは、ある範囲の伝搬角φを伴う反射幾何学形状における１つ以上の対応する回折光ビームが、導波管内に伝搬されるように、入力光ビームの強度変調と同期的に変調される。図９に図示される第２の１Ｄ動的ＩＣＧの上方のドットおよび十字は、光ビームが紙に垂直な平面において１つ以上の伝搬角φに分散されることを示す。いくつかの実施形態では、入力光ビームは（第１の１Ｄ動的ＩＣＧによって、続いて第２の１Ｄ動的ＩＣＧによって）２回回折されるため、結合効率は、図８Ａおよび８Ｂに図示されるような単一の２Ｄ動的ＩＣＧを伴う場合におけるものと同程度には高くない場合がある（効果的な回折効率は、約η^２であり得、ηは、単一のＩＣＧの回折効率である）。

ある場合には、入力光ビームを、動的ＩＣＧ上にバイアス角θ_ｂｉａｓで入射させることが、望ましくあり得る。図１０Ａは、いくつかの実施形態による、入力光ビームが動的ＩＣＧ上に、動的ＩＣＧの表面の法線に対してバイアス角θ_ｂｉａｓで入射する、接眼レンズを図式的に図示する。透過モードにおける、ある範囲の動的に変調される角度（θ、φ）における回折光ビームが、導波管内で伝搬される。角度バイアスは、θまたはφのいずれかまたはそれらの組み合わせの任意の方向に行われることができる（明確化の目的のために、図１０Ａには、θに関するもののみが、示されている）。

バイアス角θ_ｂｉａｓが、全内部反射（ＴＩＲ）を介した導波管内での伝搬を促進するために、ある場合には望ましくあり得る。例えば、動的ＩＣＧによって発生され得る可能性として考えられる格子ベクトルに応じて、法線入射入力光ビームから発生される回折光ビームの伝搬角（θ、φ）の範囲は、導波管のＴＩＲ条件を充足しない場合がある。そのような場合には、入力光ビームのバイアス角θ_ｂｉａｓは、伝搬角（θ、φ）の範囲に（図１７を参照して下記にさらに詳細に議論されるような）導波管のＴＩＲ条件を充足させるために必要とされる、追加の「キック」を提供し得る。

図１０Ｂは、導波管の第１の表面に結合される静的回折格子を含む、接眼レンズを図式的に図示する。入力光ビームは、静的回折格子上に法線に入射し、静的回折格子によってバイアス角θ’_ｂｉａｓで回折される。回折光ビームは、次いで、動的ＩＣＧ上にバイアス角θ’_ｂｉａｓで入射し、動的ＩＣＧによって、反射モードにおいて、ある範囲の動的に変調される角度（θ、φ）に回折される。本実施形態では、入力光ビームは、（静的回折格子によって、続いて動的ＩＣＧによって）２回回折されるため、結合効率は、図１０Ａに図示される場合と同程度に高くはない場合がある。

ある場合には、動的ＩＣＧの変調範囲は、全視野（ＦＯＶ）を網羅するためには十分に大きくない場合がある。いくつかの実施形態では、複数の入力光ビームが、画像視野を増加させるために使用され得る。図１１は、２つの入力光ビーム（「ＩＮ１」および「ＩＮ２」）が使用される、構成を図式的に図示する。接眼レンズは、導波管の第１の表面に結合される、静的ＩＣＧと、導波管の第２の表面に結合される、動的ＩＣＧとを含み得る。第１の入力光ビーム「ＩＮ１」は、静的ＩＣＧ上に第１のバイアス角θ_{１，ｂｉａｓ}で入射し、静的ＩＣＧによって第１の回折角で回折される。静的ＩＣＧによって回折される第１の入力光ビーム「ＩＮ１」は、続いて、動的ＩＣＧによって、動的に変調される全内部反射（ＴＩＲ）角△θ_{１，ＴＩＲ}の第１の範囲内に回折される。第２の入力光ビーム「ＩＮ２」は、静的ＩＣＧ上に第２のバイアス角θ_{２，ｂｉａｓ}で入射し、静的ＩＣＧによって第２の回折角で回折される。静的ＩＣＧによって回折される第２の入力光ビーム「ＩＮ２」は、続いて、動的ＩＣＧによって動的に変調されるＴＩＲ角△θ_{２，ＴＩＲ}の範囲内に回折される。ＴＩＲ角△θ_ＴＩＲの全範囲は、動的に変調されるＴＩＲ角△θ_{１，ＴＩＲ}の第１の範囲と、動的に変調されるＴＩＲ角△θ_{２，ＴＩＲ}の第２の範囲との和であり得る。したがって、単一の入力光ビームの場合と比較してより大きい視野が、達成され得る。例えば、第１のＴＩＲ角θ_{１，ＴＩＲ}は、４０°～５５°（すなわち、△θ_{１，ＴＩＲ}＝１５°）の範囲に及び得、第２のＴＩＲ角θ_{２，ＴＩＲ}は、５５°～７０°（すなわち、△θ_{２，ＴＩＲ}＝１５°）の範囲に及び得る。したがって、ＴＩＲ角△θ_ＴＩＲの全範囲は、３０°であり得る。

図８Ａ－８Ｂ、９、１０Ａ－１０Ｂ、および１１に図示される構成のうちの２つ以上のものが、いくつかの実施形態に従って組み合わせられ得ることを理解されたい。

いくつかの実施形態では、ＲＧＢ色全てが、（例えば、図２に図示されるような）３つの導波管のスタックを使用して実装され得、各導波管は、ＲＧＢ色のうちの１つのために構成される。色は、米国特許第１０，３７１，８９６号（その内容は、参照することによって本明細書に組み込まれる）において説明されるような、分割瞳構成またはインライン構成を使用して分離され得る。

ＳＡＷの速度がｖ_ｓであり、ＲＦ駆動周波数が、ｆであると仮定して、ＳＡＷ格子周期Λ_ｓは、以下のように表現され得る。

図１２に図示されるような、入力入射角θ_ｉｎを伴う、１Ｄ透過動的ＩＣＧを検討する。変調器によって支援されるＲＦ周波数が、ｆ_ｍｉｎ～ｆ_ｍａｘの範囲に及ぶと仮定する。さらに、一次回折が、動作可能なＲＦ周波数範囲にわたって（屈折率ｎ_ｇを伴う）導波管の内側のＴＩＲを介して伝搬すると仮定する（そうでなければ、角度バイアスが、図１７を参照して下記に議論されるように使用され得る）。図１３は、横方向の運動量保存に基づく、一次回折に関するｋベクトル図を示す。ｋベクトル図は、以下の方程式によって表され得る。

式中、Ｋは、大きさ２π／Λ_ｓを伴う、動的格子ベクトルである。方程式（２）から、ブラッグ－スネル方程式が、続く。

数値例として、θ_ｉｎ＝０°（法線入射）、λ＝５３０ｎｍ、ｎ＝１．８、ｖ_ｓ＝６００ｍ／秒、ｆ_ｍｉｎ＝１．２ＧＨｚ、およびｆ_ｍａｘ＝２．０ＧＨｚと仮定する。方程式（３）を使用して、θ_ＴＩＲ（ｆ_ｍｉｎ）＝３６．１°（３４．４°の臨界角を上回る）およびθ_ＴＩＲ（ｆ_ｍａｘ）＝７９．０°であることが、見出され得る。０．３７５μｍピッチのＥＰＥを使用して、ＴＩＲビームは、Δθ＝４１．４°（すなわち、±２０．７°）の画角（ＦＯＶ）に及ぶように外部結合されることができる。

動的格子の長さがＤであると仮定して、Ｆの焦点距離を伴うフーリエ変換レンズを使用して、変換面における点サイズは、ｄ＝２Ｆλ／Ｄとして表現され得る。

のＦＯＶを用いると、画像サイズは、

となるであろう。したがって、走査される画像を横断した分解能点の数は、以下のように表現され得る。

実施例１からの

を使用して、動的格子の長さＤ＝２ｍｍであると仮定すると、分解能点の数は、（１．７４ａｒｃｍｉｎの角度分解能に対応する）１４２６であり得る。

最小ピクセル時間は、ＳＡＷが格子長Ｄを横断して進行する時間であり得る。過渡期を考慮するピクセル時間Ｔ_{ｐｉｘｅｌ}に関するより保守的な値は、本比率の約３倍であると仮定され得る。

ｖ_ｓ＝６００ｍ／秒およびＤ＝２ｍｍに関して、方程式（５）に従って、ピクセル時間は、Ｔ_{ｐｉｘｅｌ}＝１０μｓとなるであろう。

図１４は、法線入射入力ビームに関する２Ｄ動的ＩＣＧのｋベクトル図を示す。例証の目的のために、＋および－の方向に伝搬する、２つの直交性の固有モードを伴う２Ｄ動的ＩＣＧが、検討される。ｋ空間内の陰影が付けられた領域１４２０は、２Ｄ動的ＩＣＧによって発生され得る大きさ２π／Λｓを伴う、全ての格子ベクトルＫを表す。陰影が付けられた領域１４２０は、本明細書では動的格子領域と称され得る。下付き文字「ｍｉｎ」および「ｍａｘ」は、それぞれ、最小および最大ＲＦ周波数に対応する。いくつかの実施形態では、広帯域トランスデューサが、より大きい動的格子領域１４２０、したがって、より広いＦＯＶを達成するために使用され得る。

接眼レンズ導波管の内側での伝搬を示すために、図１５に図示されるように、上記の図を導波管ＴＩＲの図にオーバーレイすることが、有用であり得る。２つの円１５１２および１５１４によって境界される、環状領域１５１０は、ＴＩＲが導波管内で生じ得る、ｋ空間を表す。動的格子領域１５２０（すなわち、陰影が付けられた領域）およびＴＩＲ環状領域１５１０の重複は、２Ｄ動的ＩＣＧによって発生される、回折光ビームが、ＴＩＲを介して導波管内で伝搬し得る、ｋ空間を表す。

角度バイアスが、図１６に図示されるように、ＴＩＲ領域の利用を改良するために適用されることができる。例えば、図１５に示される、陰影が付けられた領域１５２０と比較して、図１６のより大きい陰影が付けられた領域１６２０に留意されたい。

比較的に小さい動的格子ベクトルに関して、動的格子領域は、ＴＩＲ領域１５１０の外に常駐し得る。そのような場合、角度バイアスが、図１７に図示されるように、動的格子領域１７２０をＴＩＲ領域１５１０に偏移させるために使用され得る。上記に説明されるように、バイアスは、（図１０Ａに図示されるような）具体的な外部入射角を使用することによって、または（図１０Ｂに図示されるような）静的格子を使用することによって導入され得る。

手短に、動的ＩＣＧを使用する非常に小型のアイウェアの概念が、提示される。動的ＩＣＧが、固定入力レーザビームを、接眼レンズ内の２次元のＴＩＲ角の範囲内に走査するように構成され得る。画像点場所の関数としてレーザビーム強度を変調させることによって、観察者に、全画像野が見え得る。本新しい結像パラダイムは、外部プロジェクタの必要性を排除し得、したがって、非常に小型のアイウェアの構築を可能にし得る。

図１８は、いくつかの実施形態による、仮想コンテンツの画像を視認するために、明視野を視認者の眼に投影する方法１８００を図示する、フローチャートである。任意の好適なコンポーネント、アセンブリ、およびアプローチが、限定ではないが、本明細書に説明される任意の好適なコンポーネント、アセンブリ、およびアプローチを含む、方法１８００を遂行するために使用されることができる。

方法１８００は、１８０２において、動的入力結合格子（ＩＣＧ）上に入射する光ビームを提供することを含み得る。動的ＩＣＧは、表面音響波（ＳＡＷ）変調器を含み得る。ＳＡＷ変調器は、圧電材料層と、トランスデューサとを含み得る。ＳＡＷ変調器は、導波管の第１の側方領域に結合され得る。

方法１８００はさらに、１８０４において、１つ以上の視野角に対応する、１つ以上のタイムスロットにおいて光ビームの強度を変調させることを含み得る。各タイムスロットにおける光ビームの強度は、個別の視野角における画像の強度に対応する。方法１８００はさらに、１８０６において、複数のタイムスロットにおいて１つ以上の周波数で、発振電気信号をトランスデューサに印加することを含み得る。各個別の周波数は、個別のタイムスロットに対応する。したがって、個別の音波は、動的ＩＣＧが、光ビームの個別の部分を、導波管の中に個別のタイムスロットにおける個別の全内部反射（ＴＩＲ）角で回折させるように、個別のタイムスロットにおける個別の空間周期を伴って圧電材料層内に作成される。光ビームの個別の部分は、導波管内に伝搬する。

方法１８００はさらに、１８０８において、導波管の第２の側方領域に結合される回折光学素子（ＤＯＥ）を使用して、導波管内で眼に向かって個別の視野角で伝搬する光ビームの各個別の部分を外部結合することを含み得る。したがって、１つ以上の視野角における明視野は、仮想コンテンツの画像を視聴するために目に投影される。

図１８に図示される具体的な行為が、いくつかの実施形態に従って、仮想コンテンツの画像を視聴するために明視野を視認者の眼に投影する特定の方法を提供することを理解されたい。行為の他のシーケンスもまた、いくつかの実施形態に従って実施され得る。例えば、いくつかの実施形態は、上記に概説される行為を異なる順序で実施し得る。また、図１８に図示される個々の行為は、個々の行為に対して適宜、種々のシーケンスで実施され得る、複数の部分行為を含み得る。さらに、付加的行為が、特定の用途に応じて追加または除去され得る。当業者は、多くの変形例、修正、および代替物を認識するであろう。

図１９は、いくつかの実施形態に従って、画像明視野を視認者の眼に投影する方法１９００を図示する、フローチャートである。任意の好適なコンポーネント、アセンブリ、およびアプローチが、限定ではないが、本明細書に説明される任意の好適なコンポーネント、アセンブリ、およびアプローチを含む、方法１９００を遂行するために使用されることができる。

方法１９００は、１９０２において、コントローラによって、タイムスロットのシーケンスにおいて光ビームの強度を変調させることを含む。タイムスロットのシーケンスの各タイムスロットは、画像明視野の個別の視野角に対応する。タイムスロットのシーケンスの各タイムスロットにおける光ビームの強度は、個別の視野角における画像明視野の強度に対応する。

方法１９００は、１９０４において、光ビームを動的入力結合格子（ＩＣＧ）の上に伝搬することを含む。多くの実施形態では、光ビームは、光ビームの任意の横断的走査、または固定された光学経路に対して横断的な光ビームの変動を伴わない、固定された光学経路上の動的ＩＣＧに伝搬される。多くの実施形態では、光ビームは、ＩＣＧ上の固定された点に伝搬される。故に、動的ＩＣＧ上に光ビームを発生および透過させるために使用される、光源が、光ビームの２次元走査または光ビームの伝搬方向に対して横断的な光ビームの２次元の変動のために構成される光源に対して、縮小されたサイズを有することができる。

方法１９００は、１９０６において、コントローラによって、動的ＩＣＧを制御し、光ビームの個別の部分を、導波管の中に、タイムスロットのシーケンスのタイムスロット毎の個別の視野角に対応する個別の角度で回折させることを含む。多くの実施形態では、コントローラは、光ビームの２次元走査に影響を及ぼし、視認者の眼に投影される画像明視野を形成するように、動的ＩＣＧの制御と併せて光ビームの強度の変調を制御する。

方法１９００は、１９０８において、光ビームの各個別の部分を、導波管から外に眼に向かって個別の視野角で指向し、それによって、画像明視野を視認者の眼に投影することを含む。したがって、１つ以上の視野角における画像明視野は、視認者の眼に投影される。方法１９００は、限定ではないが、視認者の眼によって視認される外部画像上に画像明視野を重ねることを含む、任意の好適なアプリケーションにおいて、画像明視野を視認者の眼に投影するために使用されることができる。

図１９に図示される具体的な行為が、いくつかの実施形態に従って、画像明視野を視認者の眼に投影する特定の方法を提供することを理解されたい。行為の他のシーケンスもまた、いくつかの実施形態に従って実施され得る。例えば、いくつかの実施形態は、上記に概説される行為を異なる順序で実施し得る。また、図１９に図示される個々の行為は、個々の行為に対して、適宜、種々のシーケンスで実施され得る、複数の部分作用を含み得る。さらに、付加的行為が、特定の用途に応じて追加または除去され得る。当業者は、多くの変形例、修正、および代替物を認識するであろう。

また、本明細書に説明される実施例および実施形態が、例証的目的のためのものにすぎず、それに照らした種々の修正または変更が、当業者に示唆されるであろうこと、かつ本願の精神および権限、および添付の請求項の範囲内に含まれることも理解されたい。

Claims (1)

1. 本明細書に記載の発明。