JP7407111B2 - 拡張現実ディスプレイシステムのための接眼レンズ - Google Patents

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Description

（全ての優先権出願の参照による組み込み）
本願は、２０１７年１２月１５日に出願され、「ＥＹＥＰＩＥＣＥＳ ＦＯＲ ＡＵＧＭＥＮＴＥＤ ＲＥＡＬＩＴＹ ＤＩＳＰＬＡＹ ＳＹＳＴＥＭ」と題された、米国仮特許出願第６２／５９９６６３号、２０１７年１２月２０日に出願され、「ＥＹＥＰＩＥＣＥＳ ＦＯＲ ＡＵＧＭＥＮＴＥＤ ＲＥＡＬＩＴＹ ＤＩＳＰＬＡＹ ＳＹＳＴＥＭ」と題された、米国仮特許出願第６２／６０８５５５号、および２０１８年１月２２日に出願され、「ＥＹＥＰＩＥＣＥＳ ＦＯＲ ＡＵＧＭＥＮＴＥＤ ＲＥＡＬＩＴＹ ＤＩＳＰＬＡＹ ＳＹＳＴＥＭ」と題された、米国仮特許出願第６２／６２０４６５号の優先権を主張する。それに関して外国または国内の優先権の主張が上記に識別され、および／または本願とともに出願されるような出願データシート内のあらゆる出願は、３７ＣＦＲ１．５７下、参照することによって本明細書に組み込まれる。
（分野）
本開示は、仮想現実、拡張現実、および複合現実システムのための接眼レンズに関する。
（関連出願の説明）
現代のコンピューティングおよび表示技術は、仮想現実、拡張現実、および複合現実システムの開発を促進している。仮想現実または「ＶＲ」システムは、ユーザが体験するためのシミュレートされた環境を作成する。これは、頭部搭載型ディスプレイを通して、コンピュータ生成画像データをユーザに提示することによって行われることができる。本画像データは、感覚体験を作成し、これは、ユーザをシミュレートされた環境内に没入させる。仮想現実シナリオは、典型的には、実際の実世界画像データもまた含むのではなく、コンピュータ生成画像データのみの提示を伴う。
拡張現実システムは、概して、実世界環境をシミュレートされた要素で補完する。例えば、拡張現実または「ＡＲ」システムは、頭部搭載型ディスプレイを介して、ユーザに、周囲実世界環境のビューを提供し得る。しかしながら、コンピュータ生成画像データもまた、ディスプレイ上に提示され、実世界環境を向上させることができる。本コンピュータ生成画像データは、実世界環境にコンテキスト的に関連する、要素を含むことができる。そのような要素は、シミュレートされたテキスト、画像、オブジェクト等を含むことができる。複合現実または「ＭＲ」システムは、あるタイプのＡＲシステムであって、これもシミュレートされたオブジェクトを実世界環境の中に導入するが、これらのオブジェクトは、典型的には、さらなる相互作用の程度を特徴とする。シミュレートされた要素は、多くの場合、リアルタイムで双方向性であることができる。
図１は、例示的ＡＲ／ＭＲ場面１を描写し、ユーザには、人々、木々、背景における建物、およびコンクリートプラットフォーム２０を特徴とする、実世界公園設定６が見える。これらのアイテムに加え、コンピュータ生成画像データもまた、ユーザに提示される。コンピュータ生成画像データは、例えば、実世界プラットフォーム２０上に立っているロボット像１０と、マルハナバチの擬人化のように見える、飛んでいる漫画状アバタキャラクタ２とを含むことができるが、これらの要素２、１０は、実際には、実世界環境内に存在しない。
いくつかの実施形態では、拡張現実ディスプレイシステムのための接眼レンズ導波管は、光学的に透過性の基板と、基板上または内に形成される、入力結合格子（ＩＣＧ）領域であって、光の入力ビームを受け取り、入力ビームを基板の中に誘導ビームとして結合するように構成される、ＩＣＧ領域と、基板上または内に形成される、多指向性瞳エクスパンダ（ＭＰＥ）領域であって、ＭＰＥ領域は、少なくとも第１の周期性軸および第２の周期性軸に沿って周期性を呈する、複数の回折特徴を備え、誘導ビームをＩＣＧ領域から受け取り、それを複数の方向に回折し、複数の回折ビームを作成するように位置付けられる、ＭＰＥ領域と、基板上または内に形成される、射出瞳エクスパンダ（ＥＰＥ）領域であって、回折ビームのうちの１つ以上のものをＭＰＥ領域から受け取り、それらを光学的に透過性の基板から出力ビームとして外部結合するように位置付けられる、ＥＰＥ領域とを備える。
いくつかの実施形態では、拡張現実ディスプレイシステムのための接眼レンズ導波管は、光学的に透過性の基板と、基板上または内に形成される、入力結合格子（ＩＣＧ）領域であって、ＩＣＧ領域は、光の入力ビームのセットを受け取り、入力ビームのセットを基板の中に誘導ビームのセットとして結合するように構成され、誘導ビームのセットは、少なくとも部分的に、接眼レンズ導波管と関連付けられたｋ－空間環内にある、ｋ－空間内のｋ－ベクトルのセットと関連付けられ、ｋ－空間環は、接眼レンズ導波管内の誘導伝搬と関連付けられたｋ－空間内の領域に対応する、ＩＣＧ領域と、基板上または内に形成される、多指向性瞳エクスパンダ（ＭＰＥ）領域であって、ＭＰＥ領域は、誘導ビームのセットをＩＣＧ領域から受け取るように位置付けられ、少なくとも３つのセットの回折ビームを作成するように、誘導ビームのセットを回折するように構成され、回折ビームのセットは、少なくとも部分的に、ｋ－空間環内にあって、３つの異なる角度場所に中心合わせされる、少なくとも３つのセットのｋ－ベクトルと関連付けられる、ＭＰＥ領域と、基板上または内に形成される、射出瞳エクスパンダ（ＥＰＥ）領域であって、回折ビームのセットのうちの１つをＭＰＥ領域から受け取り、それらを光学的に透過性の基板から出力ビームとして外部結合するように位置付けられる、ＥＰＥ領域とを備える。
いくつかの実施形態では、拡張現実ディスプレイシステムのための接眼レンズ導波管は、画像と関連付けられた光の入力ビームを受け取るための入力結合領域であって、光の入力ビームは、関連付けられた瞳を有する、入力結合領域と、瞳を少なくとも３つの方向に拡張させるように構成される、多指向性瞳エクスパンダ（ＭＰＥ）領域と、画像と関連付けられた光の出力ビームを投影するための出射領域とを備える。
いくつかの実施形態では、拡張現実ディスプレイシステムのための接眼レンズ導波管は、光学的に透過性の基板と、基板上または内に形成される、入力結合格子（ＩＣＧ）領域であって、ＩＣＧ領域は、光の入力ビームのセットを受け取ることであって、入力ビームのセットは、ｋ－空間内のｋ－ベクトルのセットと関連付けられる、ことと、第１の誘導ビームのセットおよび第１の非回折ビームのセットを作成するように、入力ビームのセットを回折することであって、第１の誘導ビームのセットは、接眼レンズ導波管と関連付けられたｋ－空間環内にある、ｋ－ベクトルの平行移動サブセットに対応し、第１の非回折ビームのセットは、ｋ－空間環外にある、ｋ－ベクトルの平行移動サブセットに対応し、ｋ－空間環は、接眼レンズ導波管内の誘導伝搬と関連付けられたｋ－空間内の領域に対応する、ことと、別個の第２の誘導ビームのセットおよび別個の第２の非回折ビームのセットを作成するように、入力ビームのセットを回折することであって、第２の誘導ビームのセットは、ｋ－空間環内にある、ｋ－ベクトルの平行移動サブセットに対応し、第２の非回折ビームのセットは、ｋ－空間環外にある、ｋ－ベクトルの平行移動サブセットに対応することとを行うように構成される、ＩＣＧ領域と、基板上または内に形成される、第１の瞳エクスパンダ領域であって、第１の誘導ビームのセットをＩＣＧ領域から受け取るように位置付けられ、それらを第１の複製ビームのセットとして複製するように構成される、第１の瞳エクスパンダ領域と、基板上または内に形成される、第２の瞳エクスパンダ領域であって、第２の誘導ビームのセットをＩＣＧ領域から受け取るように位置付けられ、それらを第２の複製ビームのセットとして複製するように構成される、第２の瞳エクスパンダ領域と、基板上または内に形成される、出射領域であって、出射領域は、第１および第２の複製ビームのセットを受け取るように位置付けられ、それらを出力ビームとして外部結合するように構成され、出力ビームは、入力ビームの完全セットを表す、出射領域とを備える。
いくつかの実施形態では、拡張現実ディスプレイシステムのための接眼レンズ導波管は、光学的に透過性の基板と、基板上または内に形成される、入力結合格子（ＩＣＧ）領域であって、ＩＣＧ領域は、光の入力ビームのセットを受け取ることであって、入力ビームのセットは、視野（ＦＯＶ）形状をｋ－空間内に形成する、ｋ－ベクトルのセットと関連付けられ、ＦＯＶ形状は、接眼レンズ導波管と関連付けられたｋ－空間環の幅より大きい第１の寸法をｋ－空間内に有し、ｋ－空間環は、接眼レンズ導波管内の誘導伝搬と関連付けられたｋ－空間内の領域に対応する、ことと、それらを基板の中に誘導ビームとして結合するように、かつＦＯＶ形状をｋ－空間環内の第１の位置および第２の位置の両方に平行移動させるように、入力ビームを回折することであって、第１の位置では、ＦＯＶ形状の一部は、ｋ－空間環外にあって、ＦＯＶ形状の第１のサブ部分のみが、ｋ－空間環内にあって、第２の位置では、ＦＯＶ形状の一部は、ｋ－空間環外にあって、ＦＯＶ形状の第２のサブ部分のみが、ｋ－空間環内にある、こととを行うように構成される、ＩＣＧ領域と、基板上または内に形成される、複数の瞳エクスパンダ領域であって、ＦＯＶ形状の第１および第２のサブ部分を、完全ＦＯＶ形状が組み立て直される、ｋ－空間環内の第３の位置に平行移動させるように、誘導ビームを回折するように位置付けられる、複数の瞳エクスパンダ領域とを備える。
いくつかの実施形態では、拡張現実ディスプレイシステムのための接眼レンズ導波管は、光学的に透過性の基板と、基板上または内に形成される、入力結合格子（ＩＣＧ）領域であって、ＩＣＧ領域は、光の入力ビームのセットを受け取り、入力ビームのセットを基板の中に誘導ビームのセットとして結合するように構成され、入力ビームのセットは、ｋ－空間内のｋ－ベクトルのセットと関連付けられ、ｋ－ベクトルのセットは、接眼レンズ導波管と関連付けられたｋ－空間環の幅より大きい第１の寸法をｋ－空間内に有し、ｋ－空間環は、接眼レンズ導波管内の誘導伝搬と関連付けられたｋ－空間内の領域に対応する、ＩＣＧ領域と、基板上または内に形成される、複数の瞳エクスパンダ領域であって、集合的に、誘導ビームをＩＣＧ領域から受け取り、複製ビームのセットを作成するように、それらを回折するように位置付けられる、複数の瞳エクスパンダ領域と、基板上または内に形成される、出射領域であって、複製ビームを受け取り、複製ビームを、光学的に透過性の基板から、入力ビームの完全セットを表す、出力ビームのセットとして外部結合するように位置付けられる、出射領域とを備える。
いくつかの実施形態では、拡張現実ディスプレイシステムのための接眼レンズ導波管は、光学的に透過性の基板と、基板上または内に形成される、入力結合格子（ＩＣＧ）領域であって、ＩＣＧ領域は、入力画像に対応する光の入力ビームのセットを複数の回折次数に回折するように構成される、回折格子を備え、回折格子は、以下を満たす、周期Λを有し、
式中、ｎ２は、光学的に透過性の基板の屈折率であって、ｎ１は、光学的に透過性の基板を囲繞する媒体の屈折率であって、ωは、光の入力ビームの角周波数であって、ｃは、光の速さの定数である、ＩＣＧ領域と、基板上または内に形成される、複数の瞳エクスパンダ領域であって、集合的に、ビームをＩＣＧ領域から受け取り、複製ビームのセットを作成するように、それらを回折するように位置付けられる、複数の瞳エクスパンダ領域と、基板上または内に形成される、出射領域であって、複製ビームを受け取り、複製ビームを、光学的に透過性の基板から、完全入力画像を表す、出力ビームのセットとして外部結合するように位置付けられる、出射領域とを備える。
いくつかの実施形態では、拡張現実ディスプレイシステムのための接眼レンズ導波管は、第１の表面および第２の表面を有する、光学的に透過性の基板と、基板の表面のうちの１つ上または内に形成される、第１の入力結合格子（ＩＣＧ）領域であって、光の入力ビームを受け取り、入力ビームを基板の中に誘導ビームとして結合するように構成される、第１のＩＣＧ領域と、基板の第１の表面上または内に形成される、多指向性瞳エクスパンダ（ＭＰＥ）領域であって、ＭＰＥ領域は、少なくとも第１の周期性軸および第２の周期性軸に沿って周期性を呈する、複数の回折特徴を備え、誘導ビームを第１のＩＣＧ領域から受け取り、それを複数の方向に回折し、複数の回折ビームを作成するように位置付けられる、ＭＰＥ領域と、基板の第２の表面上または内に形成される、射出瞳エクスパンダ（ＥＰＥ）領域であって、ＥＰＥ領域は、ＭＰＥ領域に重複し、回折ビームのうちの１つ以上のものを光学的に透過性の基板から出力ビームとして外部結合するように構成される、ＥＰＥ領域とを備える。
本願明細書は、例えば、以下の項目も提供する。
（項目１）
拡張現実ディスプレイシステムのための接眼レンズ導波管であって、前記接眼レンズ導波管は、
光学的に透過性の基板と、
前記基板上または前記基板内に形成される入力結合格子（ＩＣＧ）領域であって、前記ＩＣＧ領域は、光の入力ビームを受け取り、前記入力ビームを前記基板の中に誘導ビームとして結合するように構成される、ＩＣＧ領域と、
前記基板上または前記基板内に形成される多指向性瞳エクスパンダ（ＭＰＥ）領域であって、前記ＭＰＥ領域は、少なくとも第１の周期性軸および第２の周期性軸に沿って周期性を呈する複数の回折特徴を備え、前記ＭＰＥ領域は、前記誘導ビームを前記ＩＣＧ領域から受け取り、それを複数の方向に回折し、複数の回折ビームを作成するように位置付けられる、ＭＰＥ領域と、
前記基板上または前記基板内に形成される射出瞳エクスパンダ（ＥＰＥ）領域であって、前記ＥＰＥ領域は、前記回折ビームのうちの１つ以上のものを前記ＭＰＥ領域から受け取り、それらを前記光学的に透過性の基板から出力ビームとして外部結合するように位置付けられる、ＥＰＥ領域と
を備える、接眼レンズ導波管。
（項目２）
前記ＭＰＥ領域は、別個の回折特徴の２次元格子模様を備える、項目１に記載の接眼レンズ導波管。
（項目３）
前記ＭＰＥ領域は、交差格子を備える、項目１に記載の接眼レンズ導波管。
（項目４）
前記ＭＰＥ領域は、前記誘導ビームのパワーの一部を前記ＩＣＧ領域から少なくとも３つの方向に回折することによって、前記回折ビームを作成するように構成される、項目１に記載の接眼レンズ導波管。
（項目５）
前記３つの方向のうちの１つは、ゼロ次回折ビームに対応する、項目４に記載の接眼レンズ導波管。
（項目６）
前記３つの方向のうちの２つ以上のものは、一次回折ビームに対応する、項目４に記載の接眼レンズ導波管。
（項目７）
前記３つの方向は、角度的に少なくとも４５度分離される、項目４に記載の接眼レンズ導波管。
（項目８）
前記ＭＰＥ領域および前記ＥＰＥ領域は、重複せず、前記回折ビームの３つの方向のうちの１つのみが、前記ＥＰＥ領域と交差する、項目４に記載の接眼レンズ導波管。
（項目９）
前記３つの方向のうちの１つは、前記ＩＣＧ領域から前記ＭＰＥ領域への方向に対応する、項目４に記載の接眼レンズ導波管。
（項目１０）
前記ＭＰＥ領域は、前記誘導ビームのパワーの一部を前記ＩＣＧ領域から少なくとも４つの方向に回折することによって、前記回折ビームを作成するように構成される、項目４に記載の接眼レンズ導波管。
（項目１１）
前記４つの方向は、角度的に少なくとも４５度分離される、項目１０に記載の接眼レンズ導波管。
（項目１２）
前記ＭＰＥ領域はさらに、再び、同一複数の方向に複数の分散場所において、回折ビームのうち、最初に回折された後も依然として前記ＭＰＥ領域内を伝搬しているものを回折することによって、回折ビームの数を増加させるように構成される、項目１に記載の接眼レンズ導波管。
（項目１３）
前記回折ビームのサブセットのみが、前記ＥＰＥ領域に向かって伝搬する、項目１２に記載の接眼レンズ導波管。
（項目１４）
前記ＥＰＥ領域は、回折ビームのうち、前記複数の方向のうちの１つに伝搬しているもののみを受け取るように位置付けられる、項目１３に記載の接眼レンズ導波管。
（項目１５）
前記ＥＰＥ領域に向かって伝搬する回折ビームは、非均一間隔を有する、項目１４に記載の接眼レンズ導波管。
（項目１６）
前記ＭＰＥ領域の回折特徴のうちのいくつかは、１０％以下の回折効率を有する、項目１に記載の接眼レンズ導波管。
（項目１７）
前記ＭＰＥ領域の回折特徴の回折効率は、空間的に変動する、項目１に記載の接眼レンズ導波管。
（項目１８）
前記ＩＣＧ領域は、１次元周期格子を備える、項目１に記載の接眼レンズ導波管。
（項目１９）
前記ＩＣＧ領域の１次元周期格子は、ブレーズド格子である、項目１に記載の接眼レンズ導波管。
（項目２０）
前記ＥＰＥ領域は、１次元周期格子を備える、項目１に記載の接眼レンズ導波管。
（項目２１）
前記ＥＰＥ領域内の１次元周期格子は、屈折力を前記出力ビームに付与するように湾曲された複数のラインを備える、項目２０に記載の接眼レンズ導波管。
（項目２２）
前記入力ビームは、コリメートされ、５ｍｍ以下の直径を有する、項目１に記載の接眼レンズ導波管。
（項目２３）
前記ＭＰＥ領域および前記ＥＰＥ領域は、重複しない、項目１に記載の接眼レンズ導波管。
（項目２４）
前記光学的に透過性の基板は、平面である、項目１に記載の接眼レンズ導波管。
（項目２５）
前記接眼レンズ導波管は、拡張現実ディスプレイシステムのための接眼レンズの中に組み込まれる、項目１に記載の接眼レンズ導波管。
（項目２６）
前記接眼レンズは、カラー画像を複数の深度平面に表示するように構成される、項目２５に記載の接眼レンズ導波管。
（項目２７）
前記ＩＣＧ領域は、複数の光の入力ビームのセットを受け取り、前記入力ビームのセットを前記基板の中に誘導ビームのセットとして結合するように構成され、前記誘導ビームのセットは、少なくとも部分的に、前記接眼レンズ導波管と関連付けられたｋ－空間環内にあるｋ－空間内のｋ－ベクトルのセットと関連付けられ、前記ｋ－空間環は、前記接眼レンズ導波管内の誘導伝搬と関連付けられたｋ－空間内の領域に対応し、
前記ＭＰＥ領域は、少なくとも３つのセットの回折ビームを作成するように、前記誘導ビームのセットを回折するように構成され、前記回折ビームのセットは、少なくとも部分的に、前記ｋ－空間環内の３つの異なる角度場所にある、少なくとも３つのセットのｋ－ベクトルと関連付けられる、
項目１に記載の接眼レンズ導波管。
（項目２８）
前記誘導ビームのセットと関連付けられた前記ｋ－ベクトルのセットは、前記ｋ－空間環内に完全にある、項目２７に記載の接眼レンズ導波管。
（項目２９）
前記回折ビームのセットと関連付けられた前記ｋ－ベクトルのセットは、前記ｋ－空間環内に完全にある、項目２７に記載の接眼レンズ導波管。
（項目３０）
前記回折ビームのセットと関連付けられた前記ｋ－ベクトルのセットは、少なくとも４５度前記ｋ－空間環内で相互から角度的に離間される、項目２７に記載の接眼レンズ導波管。
（項目３１）
前記回折ビームの個別のセットと関連付けられた前記ｋ－ベクトルのセットは、相互に重複しない、項目２７に記載の接眼レンズ導波管。
（項目３２）
前記回折ビームのセットと関連付けられた前記ｋ－ベクトルのセットのうちの１つは、前記ＩＣＧ領域から前記ＭＰＥ領域への方向に対応する前記ｋ－空間環内のある角位置に位置する、項目２７に記載の接眼レンズ導波管。
（項目３３）
前記回折ビームのセットと関連付けられた前記ｋ－ベクトルのセットのうちの１つは、前記ＭＰＥ領域から前記ＥＰＥ領域への方向に対応する前記ｋ－空間環内のある角位置に位置する、項目２７に記載の接眼レンズ導波管。
（項目３４）
前記ＭＰＥ領域は、少なくとも４つのセットの回折ビームを作成するように、前記誘導ビームのセットを回折するように構成され、前記回折ビームのセットは、少なくとも部分的に、前記ｋ－空間環内の４つの異なる角位置にある少なくとも４つのセットのｋ－ベクトルと関連付けられる、項目２７に記載の接眼レンズ導波管。
（項目３５）
前記回折ビームが前記ＭＰＥ領域内を伝搬する間、前記ＭＰＥ領域は、その対応するｋ－ベクトルのセットが、前記ｋ－空間環内の３つの異なる場所間で遷移するように、前記回折ビームをさらに回折するように構成される、項目２７に記載の接眼レンズ導波管。
（項目３６）
前記入力ビームのセットは、入力画像と関連付けられる、項目２７に記載の接眼レンズ導波管。
（項目３７）
前記入力ビームは、入力画像の中心に対応し、前記ＩＣＧ領域上に垂直に入射する、項目１に記載の接眼レンズ導波管。
（項目３８）
拡張現実ディスプレイシステムのための接眼レンズ導波管であって、前記接眼レンズ導波管は、
光学的に透過性の基板と、
前記基板上または前記基板内に形成される入力結合格子（ＩＣＧ）領域であって、前記ＩＣＧ領域は、光の入力ビームのセットを受け取り、前記入力ビームのセットを前記基板の中に誘導ビームのセットとして結合するように構成され、前記誘導ビームのセットは、少なくとも部分的に、前記接眼レンズ導波管と関連付けられたｋ－空間環内にあるｋ－空間内のｋ－ベクトルのセットと関連付けられ、前記ｋ－空間環は、前記接眼レンズ導波管内の誘導伝搬と関連付けられたｋ－空間内の領域に対応する、ＩＣＧ領域と、
前記基板上または前記基板内に形成される多指向性瞳エクスパンダ（ＭＰＥ）領域であって、前記ＭＰＥ領域は、前記誘導ビームのセットを前記ＩＣＧ領域から受け取るように位置付けられ、少なくとも３つのセットの回折ビームを作成するように、前記誘導ビームのセットを回折するように構成され、前記回折ビームのセットは、少なくとも３つのセットのｋ－ベクトルと関連付けられ、前記少なくとも３つのセットのｋ－ベクトルは、少なくとも部分的に、前記ｋ－空間環内にあり、３つの異なる角度場所に中心合わせされる、ＭＰＥ領域と、
前記基板上または前記基板内に形成される射出瞳エクスパンダ（ＥＰＥ）領域であって、前記ＥＰＥ領域は、前記回折ビームのセットのうちの１つを前記ＭＰＥ領域から受け取り、それらを前記光学的に透過性の基板から出力ビームとして外部結合するように位置付けられる、ＥＰＥ領域と
を備える、接眼レンズ導波管。
（項目３９）
前記誘導ビームのセットと関連付けられた前記ｋ－ベクトルのセットは、前記ｋ－空間環内に完全にある、項目３８に記載の接眼レンズ導波管。
（項目４０）
前記回折ビームのセットと関連付けられた前記ｋ－ベクトルのセットは、前記ｋ－空間環内に完全にある、項目３８に記載の接眼レンズ導波管。
（項目４１）
前記回折ビームのセットと関連付けられた前記ｋ－ベクトルのセットは、少なくとも４５度前記ｋ－空間環内で相互から角度的に離間される、項目３８に記載の接眼レンズ導波管。
（項目４２）
前記回折ビームの個別のセットと関連付けられた前記ｋ－ベクトルのセットは、相互に重複しない、項目３８に記載の接眼レンズ導波管。
（項目４３）
前記回折ビームのセットと関連付けられた前記ｋ－ベクトルのセットのうちの１つは、前記ＩＣＧ領域から前記ＭＰＥ領域への方向に対応する前記ｋ－空間環内のある角位置に位置する、項目３８に記載の接眼レンズ導波管。
（項目４４）
前記回折ビームのセットと関連付けられた前記ｋ－ベクトルのセットのうちの１つは、前記ＭＰＥ領域から前記ＥＰＥ領域への方向に対応する前記ｋ－空間環内のある角位置に位置する、項目３８に記載の接眼レンズ導波管。
（項目４５）
前記ＭＰＥ領域は、少なくとも４つのセットの回折ビームを作成するように、前記誘導ビームのセットを回折するように構成され、前記回折ビームのセットは、少なくとも部分的に、前記ｋ－空間環内にあり、４つの異なる角位置に中心合わせされる少なくとも４つのセットのｋ－ベクトルと関連付けられる、項目３８に記載の接眼レンズ導波管。
（項目４６）
前記回折ビームが、前記ＭＰＥ領域内を伝搬する間、前記ＭＰＥ領域は、その対応するｋ－ベクトルのセットが、前記ｋ－空間環内の３つの異なる場所間で遷移するように、前記回折ビームをさらに回折するように構成される、項目３８に記載の接眼レンズ導波管。
（項目４７）
前記入力ビームのセットは、入力画像と関連付けられる、項目３８に記載の接眼レンズ導波管。
（項目４８）
前記ＭＰＥ領域は、少なくとも第１の周期性軸および第２の周期性軸に沿って周期性を呈する複数の回折特徴を備える、項目３８に記載の接眼レンズ導波管。
（項目４９）
前記ＭＰＥ領域は、別個の回折特徴の２次元格子模様を備える、項目３８に記載の接眼レンズ導波管。
（項目５０）
前記ＭＰＥ領域は、交差格子を備える、項目３８に記載の接眼レンズ導波管。
（項目５１）
前記入力ビームはそれぞれ、コリメートされ、５ｍｍ以下の直径を有する、項目３８に記載の接眼レンズ導波管。
（項目５２）
前記ＭＰＥ領域および前記ＥＰＥ領域は、重複しない、項目３７に記載の接眼レンズ導波管。
（項目５３）
前記接眼レンズ導波管は、拡張現実ディスプレイシステムのための接眼レンズの中に組み込まれる、項目３８に記載の接眼レンズ導波管。
（項目５４）
前記接眼レンズは、カラー画像を複数の深度平面に表示するように構成される、項目５３に記載の接眼レンズ導波管。
（項目５５）
拡張現実ディスプレイシステムのための接眼レンズ導波管であって、前記接眼レンズ導波管は、
画像と関連付けられた光の入力ビームを受け取るための入力結合領域であって、前記光の入力ビームは、関連付けられた瞳を有する、入力結合領域と、
前記瞳を少なくとも３つの方向に拡張させるように構成される多指向性瞳エクスパンダ（ＭＰＥ）領域と、
前記画像と関連付けられた光の出力ビームを投影するための出射領域と
を備える、接眼レンズ導波管。
（項目５６）
前記ＭＰＥ領域は、前記瞳サイズを少なくとも４つの方向に拡張させるように構成される、項目５５に記載の接眼レンズ導波管。
（項目５７）
前記ＭＰＥ領域および前記出射領域は、重複しない、項目５５に記載の接眼レンズ導波管。
（項目５８）
前記ＭＰＥ領域は、出力瞳の非周期的アレイを作成する、項目５５に記載の接眼レンズ導波管。
（項目５９）
前記入力ビームのセットの中心ビームは、前記ＩＣＧ領域上に垂直に入射する、項目３８に記載の接眼レンズ導波管。
（項目６０）
拡張現実ディスプレイシステムのための接眼レンズ導波管であって、前記接眼レンズ導波管は、
光学的に透過性の基板と、
前記基板上または前記基板内に形成される入力結合格子（ＩＣＧ）領域であって、前記ＩＣＧ領域は、
光の入力ビームのセットを受け取ることであって、前記入力ビームのセットは、ｋ－空間内のｋ－ベクトルのセットと関連付けられる、ことと、
第１の誘導ビームのセットおよび第１の非回折ビームのセットを作成するように、前記入力ビームのセットを回折することであって、前記第１の誘導ビームのセットは、前記接眼レンズ導波管と関連付けられたｋ－空間環内にある前記ｋ－ベクトルの平行移動サブセットに対応し、前記第１の非回折ビームのセットは、前記ｋ－空間環外にある前記ｋ－ベクトルの平行移動サブセットに対応し、前記ｋ－空間環は、前記接眼レンズ導波管内の誘導伝搬と関連付けられたｋ－空間内の領域に対応する、ことと、
別個の第２の誘導ビームのセットおよび別個の第２の非回折ビームのセットを作成するように、前記入力ビームのセットを回折することであって、前記第２の誘導ビームのセットは、前記ｋ－空間環内にある前記ｋ－ベクトルの平行移動サブセットに対応し、前記第２の非回折ビームのセットは、前記ｋ－空間環外にある前記ｋ－ベクトルの平行移動サブセットに対応する、ことと
を行うように構成される、ＩＣＧ領域と、
前記基板上または前記基板内に形成される第１の瞳エクスパンダ領域であって、前記第１の瞳エクスパンダ領域は、前記第１の誘導ビームのセットを前記ＩＣＧ領域から受け取るように位置付けられ、それらを第１の複製ビームのセットとして複製するように構成される、第１の瞳エクスパンダ領域と、
前記基板上または前記基板内に形成される第２の瞳エクスパンダ領域であって、前記第２の瞳エクスパンダ領域は、前記第２の誘導ビームのセットを前記ＩＣＧ領域から受け取るように位置付けられ、それらを第２の複製ビームのセットとして複製するように構成される、第２の瞳エクスパンダ領域と、
前記基板上または前記基板内に形成される出射領域であって、前記出射領域は、前記第１および第２の複製ビームのセットを受け取るように位置付けられ、前記出射領域は、それらを出力ビームとして外部結合するように構成され、前記出力ビームは、前記入力ビームの完全セットを表す、出射領域と
を備える、接眼レンズ導波管。
（項目６１）
拡張現実ディスプレイシステムのための接眼レンズ導波管であって、前記接眼レンズ導波管は、
光学的に透過性の基板と、
前記基板上または前記基板内に形成される入力結合格子（ＩＣＧ）領域であって、前記ＩＣＧ領域は、
光の入力ビームのセットを受け取ることであって、前記入力ビームのセットは、視野（ＦＯＶ）形状をｋ－空間内に形成するｋ－ベクトルのセットと関連付けられ、前記ＦＯＶ形状は、前記接眼レンズ導波管と関連付けられたｋ－空間環の幅より大きい第１の寸法をｋ－空間内に有し、前記ｋ－空間環は、前記接眼レンズ導波管内の誘導伝搬と関連付けられたｋ－空間内の領域に対応する、ことと、
入力ビームを前記基板の中に誘導ビームとして結合するように、かつ前記ＦＯＶ形状を前記ｋ－空間環内の第１の位置および第２の位置の両方に平行移動させるように、前記入力ビームを回折することであって、前記第１の位置では、前記ＦＯＶ形状の一部は、前記ｋ－空間環外にあり、前記ＦＯＶ形状の第１のサブ部分のみが、前記ｋ－空間環内にあり、前記第２の位置では、前記ＦＯＶ形状の一部は、前記ｋ－空間環外にあり、前記ＦＯＶ形状の第２のサブ部分のみが、前記ｋ－空間環内にある、ことと
を行うように構成される、ＩＣＧ領域と、
前記基板上または前記基板内に形成される複数の瞳エクスパンダ領域であって、前記複数の瞳エクスパンダ領域は、前記ＦＯＶ形状の前記第１および第２のサブ部分を、前記完全ＦＯＶ形状が組み立て直される前記ｋ－空間環内の第３の位置に平行移動させるように、前記誘導ビームを回折するように位置付けられる、複数の瞳エクスパンダ領域と
を備える、接眼レンズ導波管。
（項目６２）
拡張現実ディスプレイシステムのための接眼レンズ導波管であって、前記接眼レンズ導波管は、
光学的に透過性の基板と、
前記基板上または前記基板内に形成される入力結合格子（ＩＣＧ）領域であって、前記ＩＣＧ領域は、光の入力ビームのセットを受け取り、前記入力ビームのセットを前記基板の中に誘導ビームのセットとして結合するように構成され、前記入力ビームのセットは、ｋ－空間内のｋ－ベクトルのセットと関連付けられ、前記ｋ－ベクトルのセットは、前記接眼レンズ導波管と関連付けられたｋ－空間環の幅より大きい第１の寸法をｋ－空間内に有し、前記ｋ－空間環は、前記接眼レンズ導波管内の誘導伝搬と関連付けられたｋ－空間内の領域に対応する、ＩＣＧ領域と、
前記基板上または前記基板内に形成される複数の瞳エクスパンダ領域であって、前記複数の瞳エクスパンダ領域は、集合的に、前記誘導ビームを前記ＩＣＧ領域から受け取り、複製ビームのセットを作成するように、それらを回折するように位置付けられる、複数の瞳エクスパンダ領域と、
前記基板上または前記基板内に形成される出射領域であって、前記出射領域は、前記複製ビームを受け取り、前記複製ビームを、前記光学的に透過性の基板から、前記入力ビームの完全セットを表す出力ビームのセットとして外部結合するように位置付けられる、出射領域と
を備える、接眼レンズ導波管。
（項目６３）
拡張現実ディスプレイシステムのための接眼レンズ導波管であって、前記接眼レンズ導波管は、
光学的に透過性の基板と、
前記基板上または前記基板内に形成される入力結合格子（ＩＣＧ）領域であって、前記ＩＣＧ領域は、入力画像に対応する光の入力ビームのセットを複数の回折次数に回折するように構成される回折格子を備え、前記回折格子は、

を満たす周期Λを有し、ｎ ２ は、前記光学的に透過性の基板の屈折率であり、ｎ １ は、前記光学的に透過性の基板を囲繞する媒体の屈折率であり、ωは、前記光の入力ビームの角周波数であり、ｃは、光の速さの定数である、ＩＣＧ領域と、
前記基板上または前記基板内に形成される複数の瞳エクスパンダ領域であって、前記複数の瞳エクスパンダ領域は、集合的に、前記ビームを前記ＩＣＧ領域から受け取り、複製ビームのセットを作成するように、それらを回折するように位置付けられる、複数の瞳エクスパンダ領域と、
前記基板上または前記基板内に形成される出射領域であって、前記出射領域は、前記複製ビームを受け取り、前記複製ビームを、前記光学的に透過性の基板から、前記完全入力画像を表す出力ビームのセットとして外部結合するように位置付けられる、出射領域と
を備える、接眼レンズ導波管。
（項目６４）
拡張現実ディスプレイシステムのための接眼レンズ導波管であって、前記接眼レンズ導波管は、
第１の表面および第２の表面を有する光学的に透過性の基板と、
前記基板の表面のうちの１つ上または前記基板の表面のうちの１つ内に形成される第１の入力結合格子（ＩＣＧ）領域であって、前記第１のＩＣＧ領域は、光の入力ビームを受け取り、前記入力ビームを前記基板の中に誘導ビームとして結合するように構成される、第１のＩＣＧ領域と、
前記基板の第１の表面上または前記基板の第１の表面内に形成される多指向性瞳エクスパンダ（ＭＰＥ）領域であって、前記ＭＰＥ領域は、少なくとも第１の周期性軸および第２の周期性軸に沿って周期性を呈する複数の回折特徴を備え、前記ＭＰＥ領域は、前記誘導ビームを前記第１のＩＣＧ領域から受け取り、それを複数の方向に回折し、複数の回折ビームを作成するように位置付けられる、ＭＰＥ領域と、
前記基板の第２の表面上または前記基板の第２の表面内に形成される射出瞳エクスパンダ（ＥＰＥ）領域であって、前記ＥＰＥ領域は、前記ＭＰＥ領域に重複し、前記ＥＰＥ領域は、前記回折ビームのうちの１つ以上のものを前記光学的に透過性の基板から出力ビームとして外部結合するように構成される、ＥＰＥ領域と
を備える、接眼レンズ導波管。
図１は、ＡＲデバイスを通した拡張現実（ＡＲ）場面のユーザのビューを図示する。
図２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３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４は、複数の深度平面を使用して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５Ａ－５Ｃは、曲率半径と焦点半径との間の関係を図示する。
図６は、ＡＲ接眼レンズ内で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７Ａ－７Ｂ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、スタックされた導波管アセンブリの実施例を図示し、各深度平面は、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１０は、例示的ＡＲ接眼レンズ導波管スタックの斜視図である。
図１１は、接眼レンズ導波管をスタックされた構成に支持するための縁シール構造を伴う、例示的接眼レンズ導波管スタックの一部の断面図である。
図１２Ａおよび１２Ｂは、画像をユーザの眼に向かって投影する際の動作時の接眼レンズ導波管の上面図を図示する。 図１２Ａおよび１２Ｂは、画像をユーザの眼に向かって投影する際の動作時の接眼レンズ導波管の上面図を図示する。
図１３Ａは、光線または光ビームの伝搬方向を表すために使用され得る、ｋ－ベクトルを図示する。
図１３Ｂは、平面導波管内の光線を図示する。
図１３Ｃは、屈折率ｎを伴って非境界均質媒体内を伝搬する、所与の角周波数ωの光に関する許容可能ｋ－ベクトルを図示する。
図１３Ｄは、屈折率ｎを伴って均質平面導波管媒体内を伝搬する、所与の角周波数ωの光に関する許容可能ｋ－ベクトルを図示する。
図１３Ｅは、屈折率ｎ２を有する導波管内で誘導され得る光波のｋ－ベクトルに対応する、ｋ－空間内の環を図示する。
図１３Ｆは、ｋ－ベクトルとそのｋ－ベクトルに対応する誘導ビームと導波管上または内に形成される回折格子との間の相互作用の密度との間の関係を図示する、ｋ－空間略図および接眼レンズ導波管を示す。
図１３Ｇは、回折格子の上面図およびその関連付けられたｋ－空間回折格子ベクトルのうちのいくつか（Ｇ－２、Ｇ－１、Ｇ１、Ｇ２）を図示する。
図１３Ｈは、回折格子の横面図および法線入射光線または光のビームに対応するｋ－ベクトルに及ぼされるｋ－空間内のその効果を図示する。
図１３Ｉは、図１３Ｇに示される回折格子の横面図および斜入射光線または光のビームに対応するｋ－ベクトルに及ぼされるｋ－空間内のその効果を図示する。
図１３Ｊは、ＡＲ接眼レンズ導波管の中に投影される画像の視野を図示する、ｋ－空間略図である。
図１３Ｋは、接眼レンズ導波管の入射瞳に位置する入力結合格子（ＩＣＧ）によって生じる、ＦＯＶ矩形のｋ－空間内の平行移動偏移を示す、ｋ－空間略図である。
図１４Ａは、ＩＣＧ領域、直交瞳エクスパンダ（ＯＰＥ）領域、および射出瞳エクスパンダ（ＥＰＥ）領域を伴う、例示的接眼レンズ導波管を図示する。
図１４Ｂは、図１４Ａに示される接眼レンズ導波管のｋ－空間作用を図示する。
図１４Ｃは、図１４Ａおよび１４Ｂに示されるＯＰＥ領域の光学作用を図示する。
図１４Ｄは、ＯＰＥ領域およびＥＰＥ領域のサイズおよび形状を決定するため技法を図示する。
図１５Ａは、その中にＯＰＥ領域が、傾斜され、その下側境界線がＥＰＥ領域の上側境界線と平行であるように、位置する、導波管接眼レンズの例示的実施形態を図示する。
図１５Ｂは、図１５Ａに示される接眼レンズ導波管の作用を図示する、ｋ－空間略図を含む。
図１５Ｃは、図１５Ａに示される接眼レンズ導波管の作用を図示する、別のｋ－空間略図である。
図１５Ｄは、入力ビームと図１５Ａに示される接眼レンズ導波管実施形態のＯＰＥ領域との間の相互作用の第１の生成の略図である。
図１５Ｅは、入力ビームと図１５Ａに示される接眼レンズ導波管実施形態のＯＰＥ領域との間の相互作用の第２の生成の略図である。
図１５Ｆは、入力ビームと図１５Ａに示される接眼レンズ導波管実施形態のＯＰＥ領域との間の相互作用の第３の生成の略図である。
図１５Ｇは、ＩＣＧ領域からの単一入力ビームが、ＯＰＥ領域によって複製され、ＥＰＥ領域に向かって複数のビームとして再指向される方法を図示する、略図である。
図１６Ａは、ＯＰＥ領域ではなく、多指向性瞳エクスパンダ（ＭＰＥ）領域を有する、例示的接眼レンズ導波管を図示する。
図１６Ｂは、図１６Ａに示されるＭＰＥ領域内で使用され得る、例示的２Ｄ格子の一部を、その関連付けられた格子ベクトルとともに図示する。
図１６Ｃは、図１６Ａに示される接眼レンズ導波管のＭＰＥ領域のｋ－空間作用を図示する、ｋ－空間略図である。
図１６Ｄは、図１６Ａに示される接眼レンズ導波管のＭＰＥ領域のｋ－空間作用をさらに図示する、ｋ－空間略図である。
図１６Ｅは、図１６Ａに示される接眼レンズ導波管のｋ－空間作用を図示する、ｋ－空間略図である。
図１６Ｆは、入力ビームと図１６Ａに示される接眼レンズ導波管実施形態のＭＰＥ領域との間の相互作用の第１の生成の略図である。
図１６Ｇは、入力ビームと図１６Ａに示される接眼レンズ導波管実施形態のＭＰＥ領域との間の相互作用の第２の生成の略図である。
図１６Ｈは、入力ビームと図１６Ａに示される接眼レンズ導波管実施形態のＭＰＥ領域との間の相互作用の第３の生成の略図である。
図１６Ｉは、入力ビームと図１６Ａに示される接眼レンズ導波管実施形態のＭＰＥ領域との間の相互作用の第４の生成の略図である。
図１６Ｊは、図１６Ａに示される接眼レンズ導波管実施形態による、ＭＰＥ領域を通して、最終的には、ＥＰＥ領域へとビームが追従し得る、種々の経路を図示する、略図である。
図１６Ｋは、ＩＣＧ領域からの単一入力ビームが、ＭＰＥ領域によって複製され、ＥＰＥ領域に向かって複数のビームとして再指向される方法を図示する、略図である。
図１６Ｌは、ＯＰＥ領域を伴う接眼レンズ導波管対ＭＰＥ領域を伴う接眼レンズ導波管の性能を図示する、対照比較である。
図１６Ｍはさらに、ＭＰＥ領域を伴う接眼レンズ導波管対ＯＰＥ領域を伴う接眼レンズ導波管の性能を図示する。
図１７Ａは、接眼レンズ導波管のＭＰＥ領域内で使用され得る、例示的２Ｄ格子の一部を、その関連付けられた格子ベクトルとともに図示する。
図１７Ｂは、接眼レンズ導波管のＭＰＥ領域のｋ－空間作用を図示する、ｋ－空間略図である。
図１７Ｃは、ＭＰＥ領域を伴う接眼レンズ導波管のｋ－空間作用を図示する、ｋ－空間略図である。
図１７Ｄは、入力ビームと接眼レンズ導波管のＭＰＥ領域との間の相互作用の第１の生成の略図である。
図１７Ｅは、入力ビームと接眼レンズ導波管のＭＰＥ領域との間の相互作用の第２の生成の略図である。
図１７Ｆは、入力ビームと接眼レンズ導波管のＭＰＥ領域との間の相互作用の第３の生成の略図である。
図１７Ｇは、入力ビームと接眼レンズ導波管のＭＰＥ領域との間の相互作用の第４の生成の略図である。
図１８Ａは、ＩＣＧ領域、２つの直交瞳エクスパンダ領域、および射出瞳エクスパンダ領域を伴う、例示的接眼レンズ導波管を図示する。
図１８Ｂおよび１８Ｃは、図１８Ａに示される接眼レンズ導波管のＥＰＥ領域の上面図を図示する。 図１８Ｂおよび１８Ｃは、図１８Ａに示される接眼レンズ導波管のＥＰＥ領域の上面図を図示する。
図１９は、拡張視野を伴う、接眼レンズ導波管の実施形態を図示する。
図２０Ａは、ＥＰＥ領域によって重複されるＭＰＥ領域を伴う、拡張ＦＯＶ接眼レンズ導波管の実施形態を図示する。
図２０Ｂは、図２０Ａにおける接眼レンズ導波管のＭＰＥ領域内で使用され得る、例示的２Ｄ格子の一部を、その関連付けられた格子ベクトルとともに図示する。
図２０Ｃは、図２０Ａにおける接眼レンズ導波管のＩＣＧ領域のｋ－空間作用を図示する、ｋ－空間略図である。
図２０Ｄは、図２０Ａにおける接眼レンズ導波管のＭＰＥ領域のｋ－空間作用の一部を図示する、ｋ－空間略図である。
図２０Ｅは、図２０Ａにおける接眼レンズ導波管のＭＰＥ領域のｋ－空間作用の別の部分を図示する、ｋ－空間略図である。
図２０Ｆは、図２０Ｅに類似するが、（図２０Ｅに図示されるような３時位置の代わりに）９時位置に平行移動された、図２０ＤからのＦＯＶ矩形上のＭＰＥ領域のｋ－空間作用を示す。
図２０Ｇは、図２０Ａにおける接眼レンズ導波管内のＥＰＥ領域のｋ－空間作用を図示する、ｋ－空間略図である。
図２０Ｈは、図２０Ａにおける接眼レンズ導波管のｋ－空間作用を要約する、ｋ－空間略図である。
図２０Ｉは、光のビームが図２０Ａに示される接眼レンズ導波管を通して拡散する方法を図示する、略図である。
図２０Ｊは、図２０Ａにおける接眼レンズ導波管内のＭＰＥ領域の回折効率が、導波管内の輝度の均一性を向上させるように、空間的に変動され得る方法を図示する。
図２０Ｋは、図２０Ａにおける接眼レンズ導波管内のＥＰＥ領域の回折効率が、導波管内の輝度の均一性を向上させるように、空間的に変動され得る方法を図示する。
図２０Ｌは、１つ以上の回折ミラーを導波管の周辺縁の周囲に含む、図２０Ａにおける接眼レンズ導波管の実施形態を図示する。
図２０Ｍは、図２０Ａにおける接眼レンズ導波管の１つ以上のインスタンスを組み込む、眼鏡の例示的実施形態を図示する。
図２０Ｎは、図２０Ａにおける接眼レンズ導波管の１つ以上のインスタンスを組み込む、眼鏡の別の例示的実施形態を図示する。
図２１Ａは、ＥＰＥ領域によって重複されるＭＰＥ領域を伴う、接眼レンズ導波管の別の実施形態を図示する。
図２１Ｂは、入力画像のＦＯＶの第１のサブ部分に対応する第１の入力ビームのセット上の図２０Ａにおける接眼レンズ導波管のｋ－空間作用を図示する、ｋ－空間略図である。
図２１Ｃは、入力画像のＦＯＶの第２のサブ部分に対応する第２の入力ビームのセット上の図２１Ａにおける接眼レンズ導波管のｋ－空間作用を図示する、ｋ－空間略図である。
図２１Ｄは、図２１Ａにおける接眼レンズ導波管のｋ－空間作用を要約する、ｋ－空間略図である。
図２１Ｅは、図２１Ａにおける接眼レンズ導波管の１つ以上のインスタンスを組み込む、眼鏡の例示的実施形態を図示する。
図２１Ｆは、図２１Ｅにおける眼鏡に対応する例示的ＦＯＶを図示する。
図２１Ｇは、図２１Ａに示される接眼レンズ導波管の別の実施形態のｋ－空間作用を図示する。
図２２Ａは、２つの方向に拡張されたＦＯＶを投影し得る、接眼レンズ導波管の実施形態を図示する。
図２２Ｂは、図２２Ａに示される接眼レンズ導波管の反対側を図示する。
図２２Ｃは、図２２Ａにおける接眼レンズ導波管実施形態内のＩＣＧ領域およびＯＰＥ領域のｋ－空間作用を図示する。
図２２Ｄは、図２２Ａにおける接眼レンズ導波管実施形態内のＭＰＥ領域のｋ－空間作用を図示する。
図２２Ｅは、図２２Ａにおける接眼レンズ導波管実施形態内のＥＰＥ領域のｋ－空間作用を図示する。
図２３は、角度付けられたプロジェクタとともに機能するように設計される、接眼レンズ導波管の例示的実施形態を図示する。
（概要）
本開示は、画像をユーザの眼に投影するためにＡＲディスプレイシステム内で使用され得る、種々の接眼レンズ導波管を説明する。接眼レンズ導波管は、物理的用語およびｋ－空間表現の使用の両方において説明される。
（例示的ＨＭＤデバイス）
図２は、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。ディスプレイシステム６０は、ディスプレイまたは接眼レンズ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な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てもよい。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。ディスプレイシステムはまた、１つ以上のマイクロホン１１０を含み、音を検出してもよい。マイクロホン１１０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ことができ（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することができる。マイクロホン１１０はまた、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）をユーザの周囲から収集することができる。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、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取得してもよい。
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、またはベルト結合式構成において）等、種々の構成で搭載され得る。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、ローカルプロセッサおよびデータモジュール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。データは、１）画像捕捉デバイス（例えば、カメラ）、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等の（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）センサから捕捉されるデータ、および／または２）場合によっては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）を使用して取得および／または処理された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つ以上の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つ以上のものは、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、独立デバイスであってもよい。
遠隔処理モジュール１５０は、画像およびオーディオ情報等のデータを分析および処理するための１つ以上のプロセッサを含んでもよい。いくつかの実施形態では、遠隔データリポジトリ１６０は、デジタルデータ記憶設備であり得、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、情報（例えば、拡張現実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、１つ以上の遠隔サーバを含んでもよい。他の実施形態では、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。
「３次元」または「３－Ｄ」としての画像の知覚は、ユーザの各眼への画像の若干異なる提示を提供することによって達成され得る。図３は、ユーザに関する３次元画像データ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。眼２１０、２２０毎に１つの２つの明確に異なる画像１９０、２００が、ユーザに出力される。画像１９０、２００は、ユーザの視線と平行な光学軸またはｚ－軸に沿って距離２３０だけ眼２１０、２２０から離間される。画像１９０、２００は、平坦であって、眼２１０、２２０は、単一の遠近調節された状態をとることによって、画像上に合焦し得る。そのような３－Ｄディスプレイシステムは、ヒト視覚系に依拠し、画像１９０、２００を組み合わせ、組み合わせられた画像の深度および／または尺度の知覚を提供する。
しかしながら、ヒト視覚系は、複雑であって、深度の現実的知覚を提供することは、困難である。例えば、従来の「３－Ｄ」ディスプレイシステムの多くのユーザは、そのようなシステムが不快であることを見出す、または深度の感覚を全く知覚しない場合がある。オブジェクトは、輻輳・開散運動（ｖｅｒｇｅｎｃｅ）と遠近調節（ａｃｃｏｍｍｏｄａｔｉｏｎ）の組み合わせに起因して、「３次元」として知覚され得る。相互に対する２つの眼の輻輳・開散運動の移動（例えば、瞳孔が、相互に向かって、またはそこから離れるように移動し、眼の個別の視線を収束させ、オブジェクトを固視するような眼の回転）は、眼の水晶体の合焦（または「遠近調節」）と緊密に関連付けられる。通常条件下、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レンズの焦点の変化または眼の遠近調節は、「遠近調節－輻輳・開散運動反射」および散瞳または縮瞳として知られる関係下、輻輳・開散運動の整合変化を自動的に同一距離に生じさせるであろう。同様に、通常条件下、輻輳・開散運動の変化は、水晶体形状および瞳孔サイズの遠近調節の整合変化を誘起するであろう。本明細書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、３次元視点がヒト視覚系によって知覚されるように、各眼への若干異なる提示（したがって、若干異なる画像）を使用して、場面を表示する。しかしながら、そのようなシステムは、単に、画像情報を単一の遠近調節された状態において提供し、「遠近調節－輻輳・開散運動反射」に対抗して機能するため、多くのユーザにとって不快であり得る。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次元画像データ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。
図４は、複数の深度平面を使用して３次元画像データ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４を参照すると、眼２１０、２２０は、異なる遠近調節された状態をとり、オブジェクトをｚ－軸上の種々の距離に合焦させる。その結果、特定の遠近調節された状態は、特定の深度平面におけるオブジェクトまたはオブジェクトの一部が、眼がその深度平面に対して遠近調節された状態にあるとき、合焦するように、関連付けられた焦点距離を有する、図示される深度平面２４０のうちの特定の１つと関連付けられると言え得る。いくつかの実施形態では、３次元画像データは、眼２１０、２２０毎に、画像の異なる提示を提供することによって、また、異なる深度平面に対応する画像の異なる提示を提供することによってシミュレートされてもよい。眼２１０、２２０の個別の視野は、例証を明確にするために、別個であるように示されるが、それらは、例えば、ｚ－軸に沿った距離が増加するにつれて、重複し得る。加えて、例証を容易にするために、深度平面は、平坦であるように示されるが、深度平面の輪郭は、深度平面内の全ての特徴が特定の遠近調節された状態における眼と合焦するように、物理的空間内で湾曲され得ることを理解されたい。
オブジェクトと眼２１０または２２０との間の距離はまた、その眼によって視認されるようなそのオブジェクトからの光の発散の量を変化させ得る。図５Ａ－５Ｃ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５Ａ－５Ｃ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。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。その結果、異なる深度平面では、光線の発散度もまた、異なり、発散度は、深度平面とユーザの眼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５Ａ－５Ｃおよび本明細書の他の図に図示されるが、眼２１０に関する議論は、ユーザの両眼２１０および２２０に適用され得ることを理解されたい。
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、眼に限定数の深度平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。異なる提示は、ユーザの眼によって別個に集束され、それによって、異なる深度平面上に位置する場面のための異なる画像特徴に合焦させるために要求される眼の遠近調節の量に基づいて、および／または焦点がずれている異なる深度平面上の異なる画像特徴の観察に基づいて、ユーザに深度合図を提供することに役立ててもよい。
（ＡＲまたはＭＲ接眼レンズのための導波管スタックアセンブリの実施例）
図６は、ＡＲ接眼レンズ内で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。いくつかの実施形態では、ディスプレイシステム２５０は、図２のシステム６０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、導波管アセンブリ２６０は、図２のディスプレイ７０の一部であってもよい。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。
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つ以上の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、特定の深度平面と関連付けられてもよく、その深度平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に向かって出力の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、各個別の画像投入デバイス３６０、３７０、３８０、３９０、４００の出力表面４１０、４２０、４３０、４４０、４５０から出射し、個別の導波管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またはユーザの眼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てもよく、導波管内の屈折によって、ビームレットにサンプリングすること等によって複製され、次いで、その特定の導波管と関連付けられた深度平面に対応する屈折力の量を伴って、眼２１０に向かって指向されてもよい。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、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、画像情報を１つ以上の光学導管（光ファイバケーブル等）を介して画像投入デバイス３６０、３７０、３８０、３９０、４００のそれぞれに伝送し得る、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、光プロジェクタシステム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）等の光源または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（ＢＳ）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変調されてもよい。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空間的および／または時間的に変化させてもよい。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）およびデジタル光処理（ＤＬＰ）ディスプレイを含む。
いくつかの実施形態では、光プロジェクタシステム５２０またはその１つ以上のコンポーネントは、フレーム８０（図２）に取り付けられてもよい。例えば、光プロジェクタシステム５２０は、フレーム８０のつる部分（例えば、耳掛け部８２）の一部である、またはディスプレイ７０の縁に配置されてもよい。いくつかの実施形態では、光モジュール５３０は、ＢＳ５５０および／または光変調器５４０と別個であってもよい。
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つ以上の導波管２７０、２８０、２９０、３００、３１０の中に、最終的には、ユーザの眼２１０の中に投影するための１つ以上の走査ファイバを備える、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た１つの中に投入するように構成される。１つ以上の光ファイバは、光を光モジュール５３０から１つ以上の導波管２７０、２８０、２９０、３００、および３１０に伝送してもよい。加えて、１つ以上の介在光学構造が、走査ファイバまたは複数のファイバと、１つ以上の導波管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つ以上の導波管２７０、２８０、２９０、３００、３１０の中に再指向してもよい。
コントローラ５６０は、画像投入デバイス３６０、３７０、３８０、３９０、４００、光源５３０、および光モジュール５４０の動作を含む、スタックされた導波管アセンブリ２６０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、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２）の一部であってもよい。
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主要底部表面およびそれらの主要上部表面と主要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、光を再指向させ、各個別の導波管内で伝搬させ、導波管から画像情報を眼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、外部結合光と称され得、光を外部結合する光学要素はまた、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格子を含む、回折光学特徴であってもよい。外部結合光学要素５７０、５８０、５９０、６００、６１０は、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、それらは、本明細書にさらに議論されるように、上部主要表面および／または底部主要表面に配置されてもよい、および／または導波管２７０、２８０、２９０、３００、３１０の体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、モノリシック材料部品であってもよく、外部結合光学要素５７０、５８０、５９０、６００、６１０は、その材料部品の表面上および／または内部に形成されてもよい。
各導波管２７０、２８０、２９０、３００、３１０は、光を出力し、特定の深度平面に対応する画像を形成してもよい。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のビームを送達してもよい。コリメートされた光のビームは、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に到達する前に、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のビームを出力してもよい。第１のレンズ３５０は、眼／脳が、その導波管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ように解釈するように、若干の凸面波面曲率をコリメートされたビームに追加してもよい。同様に、第３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３４０レンズ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３４０レンズの組み合わせられた屈折力は、眼／脳が、第３の導波管２９０から生じる光が第２の導波管２８０からの光であったよりも光学無限遠から内向きにさらに近い第２の焦点面から生じるように解釈するように、別の漸増量の波面曲率を追加してもよい。
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は、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の集約屈折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の両方とも、静的であってもよい（すなわち、動的ではない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つ以上のものは、同一の関連付けられた深度平面を有してもよい。例えば、複数の導波管２７０、２８０、２９０、３００、３１０が、同一深度平面に設定される画像を出力してもよい、または導波管２７０、２８０、２９０、３００、３１０の複数のサブセットが、深度平面毎に１つのセットを伴う、同一の複数の深度平面に設定される画像を出力してもよい。これは、それらの深度平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。
外部結合光学要素５７０、５８０、５９０、６００、６１０は、導波管と関連付けられた特定の深度平面のために、光をそ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た深度平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、関連付けられた深度平面に応じて、異なる量の発散を伴う光を出力する。いくつかの実施形態では、光抽出光学要素５７０、５８０、５９０、６００、６１０は、体積特徴または表面特徴であってもよく、これは、具体的角度において光を出力するように構成されてもよい。例えば、光抽出光学要素５７０、５８０、５９０、６００、６１０は、体積ホログラム、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、クラッディング層および／または空隙を形成するための構造）。
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、ビーム内の光のパワーの一部のみが、各相互作用を伴って、眼２１０に向かって再指向される一方、残りが、ＴＩＲを介して、導波管を通して移動し続けるように、十分に低い回折効率を伴う、回折特徴である。故に、光モジュール５３０の射出瞳は、導波管を横断して複製され、光源５３０からの画像情報を搬送する複数の出力ビームを作成し、眼２１０が複製された光源射出瞳を捉え得る場所の数を効果的に拡張させる。これらの回折特徴はまた、その幾何学形状を横断して可変回折効率を有し、導波管によって出力される光の均一性を改良してもよい。
いくつかの実施形態では、１つ以上の回折特徴は、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ってもよい。例えば、切替可能な回折要素は、ポリマー分散液晶の層を含んでもよく、その中で微小液滴は、ホスト媒体内に回折パターンを形成し、微小液滴の屈折率は、ホスト材料の屈折率に実質的に整合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整合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ＩＲ光カメラを含む、デジタルカメラ）が、提供され、眼２１０、眼２１０の一部、または眼２１０を囲繞する組織の少なくとも一部の画像を捕捉し、例えば、ユーザ入力を検出し、バイオメトリック情報を眼から抽出し、眼の視線方向を推定および追跡し、ユーザの生理学的状態を監視すること等を行ってもよい。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、ＩＲまたは近ＩＲ光）を眼に投影するための光源（その光は、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）とを含んでもよい。いくつかの実施形態では、光源は、ＩＲまたはその近ＩＲを放出する、発光ダイオード（「ＬＥＤ」）を含む。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８０（図２）に取り付けられてもよく、処理モジュール１４０または１５０と電気通信してもよく、これは、カメラアセンブリ６３０からの画像情報を処理し、例えば、ユーザの生理学的状態、装着者の視線方向、虹彩識別等に関する、種々の決定を行い得る。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。
図７Ａは、導波管によって出力される出射ビームの実施例を図示する。１つの導波管が、図示される（斜視図を用いて）が、導波管アセンブリ２６０（図６）内の他の導波管も、同様に機能し得る。光６４０は、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。回折特徴との相互作用を通して、光は、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、画像を導波管の中に投影する、プロジェクタデバイスからの射出瞳を複製する。出射ビーム６５０のうちの任意の１つは、入力光６４０の総エネルギーのサブ部分を含む。また、完璧に効率的なシステムでは、全ての出射ビーム６５０内のエネルギーの和は、入力光６４０のエネルギーに等しくなるであろう。出射ビーム６５０は、図７Ａでは、略平行であるように図示されるが、本明細書に議論されるように、ある屈折力の量が、導波管２７０と関連付けられた深度平面に応じて、付与されてもよい。平行出射ビームは、光を外部結合し、眼２１０から長距離（例えば、光学無限遠）における深度平面上に設定されるように現れる、画像を形成する、外部結合光学要素を伴う導波管を示し得る。他の導波管または他の外部結合光学要素のセットは、図７Ｂに示されるように、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、赤色、緑色、および青色等の３つ以上の原色）のそれぞれに画像をオーバーレイすることによって、各深度平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、各深度平面は、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、深度平面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。各深度平面は、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た３つ以上の原色画像を有してもよい。異なる深度平面は、文字Ｇ、Ｒ、およびＢに続く異なるジオプタ度数によって図に示される。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、ユーザからの深度平面の逆距離を示し、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平面の正確な場所は、変動してもよい。例えば、所与の深度平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平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、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、各深度平面は、それと関連付けられた複数の導波管を有してもよい。そのような実施形態では、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、深度平面毎に３つの原色画像を表示するように、深度平面毎に提供されてもよい。各深度平面と関連付けられた導波管は、本図面では、例証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平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、黄色、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た他の色も、加えて使用されてもよい、または赤色、緑色、または青色のうちの１つ以上のものに取って代わってもよい。いくつかの実施形態では、特徴３２０、３３０、３４０、および３５０は、ユーザの眼への周囲環境からの光を選択的に遮断または通過させるように構成される、能動または受動光学フィルタであってもよい。
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ユーザによって知覚される、光の波長の範囲内の１つ以上の波長の光を包含するものと理解されたい。例えば、赤色光は、約６２０～７８０ｎｍの範囲内である１つ以上の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つ以上の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つ以上の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、ユーザの視覚的知覚範囲外の１つ以上の波長、例えば、ＩＲ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。ＩＲ光は、７００ｎｍ～１０μｍの範囲内の波長を伴う光を含むことができる。いくつかの実施形態では、ＩＲ光は、７００ｎｍ～１．５μｍの範囲内の波長を伴う近ＩＲ光を含むことができる。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、光を導波管の中に内部結合するよう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、スタックされた導波管のセット６６０の実施例の断面側面図を図示する。導波管はそれぞれ、１つ以上の異なる波長または１つ以上の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）に対応してもよく、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つ以上のものからの光が、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または配向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、関連付けられた内部結合光学要素（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つ以上のものは、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つ以上の内部結合光学要素は、反射性光学要素である）。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つ以上の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、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、光を受け取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から受け取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け取らないように、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、関連付けられた光分散要素を含み、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、関連付けられた導波管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、関連付けられた導波管６７０、６８０、６９０の上部主要表面上および底部主要表面上の両方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た導波管６７０、６８０、６９０内の上部主要表面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に対して少なくとも０．０５または少なくとも０．１０下回る。有利には、より低い屈折率層７６０ａ、７６０ｂは、導波管６７０、６８０、６９０を通して光のＴＩＲ（例えば、各導波管の上部主要表面および底部主要表面の間の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。他の実施形態では、導波管６７０、６８０、６９０を形成する材料は、１つ以上の導波管間で異なってもよい、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つ以上の画像投入デバイス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。
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、入射光を再指向させる。
例えば、内部結合光学要素７００は、第１の波長または波長範囲を有する、光線７７０を選択的に再指向させるように構成されてもよい。同様に、透過された光線７８０は、第２の波長または波長範囲の光を再指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、それによって再指向される。同様に、光線７９０は、第３の波長または波長範囲の光を選択的に再指向させるように構成される、内部結合光学要素７２０によって再指向される。
図９Ａを継続して参照すると、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再指向される。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の中に再指向させ、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再指向される。光線７７０、７８０、７９０は、導波管の対応する光分散要素７３０、７４０、７５０と相互作用するまで、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。前述のように、光線７７０、７８０、７９０は、それぞれ、内部結合光学要素７００、７１０、７２０によって内部結合され、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と相互作用する。光分散要素７３０、７４０、７５０は、それぞれ、外部結合光学要素８００、８１０、および８２０に向かって伝搬するように、光線７７０、７８０、７９０を再指向させる。
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に再指向することと、また、それらが外部結合光学要素に伝搬するにつれて、光分散要素７３０、７４０、７５０を横断して多くの場所において光線７７０、７８０、７９０をサンプリングすることによって、本光と関連付けられた瞳を拡張させることの両方を行う。いくつかの実施形態では（例えば、射出瞳がすでに所望のサイズである場合）、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に再指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、光を導波管からユーザの眼２１０（図７）に向かって再指向させる、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、ＥＰＥ）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け取る異なる内部結合光学要素を用いて）入射光を対応する導波管の中に指向させる。光は、次いで、個別の導波管６７０、６８０、６９０内のＴＩＲを支援する角度で伝搬する。ＴＩＲは、ある角度範囲にわたってのみ生じるため、光線７７０、７８０、７９０の伝搬角度の範囲は、限定される。ＴＩＲを支援する角度の範囲は、そのような実施例では、導波管６７０、６８０、６９０によって表示され得る、視野の角度限界と見なされ得る。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によって内部結合され、次いで、導波管を辿って進行する間、導波管の表面から往復反射し続け、光分散要素（例えば、ＯＰＥ）７３０は、それを漸次的にサンプリングし、外部結合光学要素（例えば、ＥＰＥ）８００に向かって指向される、付加的複製光線を作成する。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、それによって内部結合される。光線７８０は、次いで、ＴＩＲを介して、導波管６８０を辿って伝搬し、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、ＥＰＥ）８１０に進むであろう。最後に、光線７９０（例えば、赤色光）は、導波管６７０、６８０を通して通過し、導波管６９０の光内部結合光学要素７２０上に衝突する。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、ＥＰＥ）８２０に伝搬するように、光線７９０を内部結合する。外部結合光学要素８２０は、次いで、最後に、光線７９０をユーザに外部結合し、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け取る。
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た光分散要素７３０、７４０、７５０および関連付けられた外部結合光学要素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、非重複であってもよい（例えば、上下図に見られるように、側方に離間される）。本非重複空間配列は、１対１ベースで異なる源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光学的に結合されることを可能にし得る。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。
図１０は、例示的ＡＲ接眼レンズ導波管スタック１０００の斜視図である。接眼レンズ導波管スタック１０００は、世界側カバーウィンドウ１００２と、眼側カバーウィンドウ１００６とを含み、カバーウィンドウ間に位置付けられる１つ以上の接眼レンズ導波管１００４を保護してもよい。他の実施形態では、カバーウィンドウ１００２、１００６の一方または両方は、省略されてもよい。すでに議論されたように、接眼レンズ導波管１００４は、層化構成において配列されてもよい。接眼レンズ導波管１００４は、ともに結合されてもよく、例えば、各個々の接眼レンズ導波管は、１つ以上の隣接する接眼レンズ導波管に結合される。いくつかの実施形態では、導波管１００４は、隣接する接眼レンズ導波管１００４が相互に直接接触しないように、縁シール（図１１に示される縁シール１１０８等）とともに結合されてもよい。
接眼レンズ導波管１００４はそれぞれ、ガラス、プラスチック、ポリカーボネート、サファイア等、少なくとも部分的に透明である、基板材料から作製されることができる。選択された材料は、１．４を上回る、例えば、１．６を上回る、または１．８を上回る屈折率を有し、光誘導を促進してもよい。各接眼レンズ導波管基板の厚さは、例えば、３２５ミクロン以下であってもよいが、他の厚さもまた、使用されることができる。各接眼レンズ導波管は、１つ以上の内部結合領域と、光分散領域と、画像拡張領域と、外部結合領域とを含むことができ、これは、各導波管基板９０２上または内に形成される回折特徴から成ってもよい。
図１０に図示されないが、接眼レンズ導波管スタック１０００は、それをユーザの眼の正面に支持するための物理的支持構造を含むことができる。いくつかの実施形態では、接眼レンズ導波管スタック１０００は、図２に図示されるように、頭部搭載型ディスプレイシステム６０の一部である。一般に、接眼レンズ導波管スタック１０００は、外部結合領域が、直接、ユーザの眼の正面にあるように支持される。図１０は、ユーザの眼の一方に対応する、接眼レンズ導波管スタック１０００の一部のみを図示することを理解されたい。完成した接眼レンズは、可能性として鼻当てによって分離される２つの半体を伴う、同一構造の鏡像を含んでもよい。
いくつかの実施形態では、接眼レンズ導波管スタック１０００は、カラー画像データを複数の深度平面からユーザの眼の中に投影することができる。接眼レンズ１０００内の各個々の接眼レンズ導波管１００４によって表示される画像データは、選択された深度平面のための画像データの選択された色成分に対応してもよい。例えば、接眼レンズ導波管スタック１０００は、６つの接眼レンズ導波管１００４を含むため、２つの異なる深度平面に対応するカラー画像データ（例えば、赤色、緑色、および青色成分から成る）を投影することができる、すなわち、深度平面あたりの色成分あたり１つの接眼レンズ導波管１００４となる。他の実施形態は、より多いまたはより少ない色成分および／またはより多いまたはより少ない深度平面のための接眼レンズ導波管１００４を含むことができる。
図１１は、接眼レンズ導波管１１０４をスタックされた構成に支持するための縁シール構造１１０８を伴う、例示的接眼レンズ導波管スタック１１００の一部の断面図である。縁シール構造１１０８は、接眼レンズ導波管１１０４を整合させ、その間に配置される空気空間または別の材料を用いて、それらを相互から分離する。図示されないが、縁シール構造１１０８は、スタックされた導波管構成の周全体の周囲に延在することができる。図１１では、各接眼レンズ導波管間の分離は、０．０２７ｍｍであるが、他の距離もまた、可能性として考えられる。
図示される実施形態では、一方が、３ｍ深度平面のためのものであって、他方が、１ｍ深度平面のためのものである、赤色画像データを表示するように設計される、２つの接眼レンズ導波管１１０４が存在する。（再び、接眼レンズ導波管１１０４によって出力される光のビームの発散は、画像データを特定の距離に位置する深度平面から生じるように現れさせることができる。）同様に、一方が、３ｍ深度平面のためのものであって、他方が、１ｍ深度平面のためのものである、青色画像データを表示するように設計される、２つの接眼レンズ導波管１１０４と、一方が、３ｍ深度平面のためのものであって、他方が、１ｍ深度平面のためのものである、緑色画像データを表示するように設計される、２つの接眼レンズ導波管１１０４とが存在する。これらの６つの接眼レンズ導波管１１０４はそれぞれ、０．３２５ｍｍ厚であるように図示されるが、他の厚さもまた、可能性として考えられる。
世界側カバーウィンドウ１１０２および眼側カバーウィンドウ１１０６もまた、図１１に示される。これらのカバーウィンドウは、例えば、０．３３０ｍｍ厚であることができる。６つの接眼レンズ導波管１１０４、７つの空気間隙、２つのカバーウィンドウ１１０２、１１０６、および縁シール１１０８の厚さを考慮すると、図示される接眼レンズ導波管スタック１１００の総厚は、２．８ｍｍである。
（ＡＲ接眼レンズ導波管のｋ－空間表現）
図１２Ａおよび１２Ｂは、画像をユーザの眼２１０に向かって投影する際の動作時の接眼レンズ導波管１２００の上面図を図示する。画像は、最初に、投影レンズ１２１０またはある他のプロジェクタデバイスを使用して、像面１２０７から接眼レンズ導波管１２００の入射瞳１２０８に向かって投影されることができる。各像点（例えば、画像ピクセルまたは画像ピクセルの一部）は、光の対応する入力ビーム（例えば、１２０２ａ、１２０４ａ、１２０６ａ）を有し、これは、入射瞳１２０８（例えば、プロジェクタレンズ１２１０の光学軸に対する特定の角度）において特定の方向に伝搬する。光線として図示されるが、光の入力ビーム１２０２ａ、１２０４ａ、１２０６ａは、例えば、それらが接眼レンズ導波管１２００に入射するとき、数ミリメートル以下の直径を伴う、コリメートされたビームであってもよい。
図１２Ａおよび１２Ｂでは、中央像点は、入力ビーム１２０４ａに対応し、これは、実線を用いて図示される。右側像点は、破線を用いて図示される、入力ビーム１２０２ａに対応する。鎖線を用いて図示される、左側像点は、入力ビーム１２０６ａに対応する。例証を明確にするために、３つのみの入力ビーム１２０２ａ、１２０４ａ、１２０６ａが、入射瞳１２０８に示されるが、典型的入力画像は、２次元像面内の異なる像点に対応する、ｘ－方向およびｙ－方向の両方において、ある角度範囲で伝搬する、多くの入力ビームを含むであろう。
入射瞳１２０８における入力ビーム（例えば、１２０２ａ、１２０４ａ、１２０６ａ）の種々の伝搬角度と像面１２０７における個別の像点との間には、一意の対応が存在する。接眼レンズ導波管１２００は、全て、像点とビーム角度との間の対応を実質的に維持しながら、入力ビーム（例えば、１２０２ａ、１２０４ａ、１２０６ａ）を内部結合し、それらを分散型様式において空間を通して複製し、それらを誘導し、入射瞳１２０８より大きく、複製されたビームから成る、射出瞳１２１０を形成するように設計されることができる。接眼レンズ導波管１２００は、光の所与の入力ビーム（例えば、１２０２ａ）を変換することができ、これは、特定の角度で多くの複製されたビーム（例えば、１２０２ｂ）の中に伝搬し、その特定の入力ビームおよびその対応する像点と実質的に一意に相関される角度で射出瞳１２１０を横断して出力される。例えば、各入力ビームに対応する複製出力ビームは、その対応する入力ビームと実質的に同一角度で接眼レンズ導波管１２００から出射し得る。
図１２Ａおよび１２Ｂに示されるように、光の入力ビーム１２０４ａは、像面１２０７における中央像点に対応し、実線で示される、複製出力ビーム１２０４ｂのセットに変換され、これは、接眼レンズ導波管１２００の射出瞳１２１０と垂直な光学軸と整合される。像面１２０７における右側像点に対応する光の入力ビーム１２０２ａは、破線で示される、複製出力ビーム１２０２ｂのセットに変換され、これは、それらがユーザの視野の右側部分内のある場所から生じているように現れるような伝搬角度で接眼レンズ導波管１２００から出射する。同様に、像面１２０７における左側像点に対応する光の入力ビーム１２０６ａは、鎖線で示される、複製出力ビーム１２０６ｂのセットに変換され、これは、それらがユーザの視野の左側部分内のある場所から生じているように現れるような伝搬角度で接眼レンズ導波管１２００から出射する。入力ビーム角度および／または出力ビーム角度の範囲が大きいほど、接眼レンズ導波管１２００の視野（ＦＯＶ）は大きくなる。
画像毎に、複製出力ビームのセット（例えば、１２０２ｂ、１２０４ｂ、１２０６ｂ）、すなわち、像点あたり１セットの複製されたビームが存在し、これは、射出瞳１２１０を横断して異なる角度で出力される。個々の出力ビーム（例えば、１２０２ｂ、１２０４ｂ、１２０６ｂ）はそれぞれ、コリメートされることができる。所与の像点に対応する出力ビームのセットは、平行経路（図１２Ａに示されるように）または発散経路（図１２Ｂに示されるように）に沿って伝搬する、ビームから成ってもよい。いずれの場合も、複製出力ビームのセットの具体的伝搬角度は、像面１２０７における対応する像点の場所に依存する。図１２Ａは、出力ビームの各セット（例えば、１２０２ｂ、１２０４ｂ、１２０６ｂ）が平行経路に沿って伝搬するビームから成る場合を図示する。これは、画像が光学無限遠から生じているように現れるように投影される結果をもたらす。これは、図１２Ａでは、周辺出力ビーム１２０２ｂ、１２０４ｂ、１２０６ｂから接眼レンズ導波管１２００の世界側（ユーザの眼２１０が位置する場所と反対側）上の光学無限遠に向かって延在する、細線によって表される。図１２Ｂは、出力ビームの各セット（例えば、１２０２ｂ、１２０４ｂ、１２０６ｂ）が発散経路に沿って伝搬するビームから成る場合を図示する。これは、画像が光学無限遠より近い距離を有する仮想深度平面から生じているように現れるように投影される結果をもたらす。これは、図１２Ｂでは、周辺出力ビーム１２０２ｂ、１２０４ｂ、１２０６ｂから接眼レンズ導波管１２００の世界側上の点に向かって延在する、細線によって表される。
再び、複製出力ビームの各セット（例えば、１２０２ｂ、１２０４ｂ、１２０６ｂ）は、像面１２０７における特定の像点に対応する、伝搬角度を有する。平行経路に沿って伝搬する複製出力ビームのセットの場合（図１２Ａ参照）、全てのビームの伝搬角度は、同一である。しかしながら、発散経路に沿って伝搬する複製出力ビームのセットの場合、個々の出力ビームは、異なる角度で伝搬し得るが、それらの角度は、それらが、集約発散波面を作成し、ビームのセットの軸に沿って共通点から生じているように現れるという点で、相互に関連する（図１２Ｂ参照）。本軸は、発散出力ビームのセットに関する伝搬の角度を定義し、像面１２０７における特定の像点に対応する。
接眼レンズ導波管１２００に入射し、接眼レンズ導波管内を伝搬し、接眼レンズ導波管から出射する、種々の光のビームは全て、１つ以上の波ベクトル、すなわち、ビームの伝搬方向を説明する、ｋ－ベクトルを使用して説明される。ｋ－空間は、ｋ－ベクトルと幾何学的点を関連させる、分析フレームワークである。ｋ－空間では、空間内の各点は、一意のｋ－ベクトルに対応し、これは、ひいては、特定の伝搬方向を伴う光のビームまたは光線を表すことができる。これは、その対応する伝搬角度を伴う入力および出力ビームが、ｋ－空間内の点のセット（例えば、矩形）として理解されることを可能にする。接眼レンズを通して進行する間、光ビームの伝搬方向を変化させる、回折特徴は、ｋ－空間では、単に、画像を構成するｋ－空間点のセットの場所を平行移動させるものとして理解され得る。本新しい平行移動されたｋ－空間場所は、新しいｋ－ベクトルのセットに対応し、これは、ひいては、回折特徴と相互作用後のビームまたは光線の新しい伝搬角度を表す。
接眼レンズ導波管の動作は、投影された画像に対応する、ｋ－空間矩形の内側の点等の点のセットをｋ－空間内で移動させる様式によって理解され得る。これは、別様に、ビームおよびその伝搬角度を図示するために使用され得る、より複雑な光線トレース図と対照的である。ｋ－空間は、したがって、接眼レンズ導波管の設計および動作を説明するための効果的ツールである。以下の議論は、種々のＡＲ接眼レンズ導波管の特徴および機能のｋ－空間表現を説明する。
図１３Ａは、光線または光ビームの伝搬方向を表すために使用され得る、ｋ－ベクトル１３０２を図示する。特定の図示されるｋ－ベクトル１３０２は、平面波面１３０４を伴う、平面波を表す。ｋ－ベクトル１３０２は、それが表す、光線またはビームの伝搬方向を指す。ｋ－ベクトル１３０２の大きさ、すなわち、長さは、波数ｋによって定義される。分散式ω＝ｃｋは、光の角周波数ω、光の速さｃ、および波数ｋを関連させる。（真空では、光の速さは、光の速さの定数ｃと等しい。しかしながら、媒体内では、光の速さは、媒体の屈折率に反比例する。したがって、媒体では、方程式は、ｋ＝ｎω／ｃとなる。）定義上、ｋ＝２π／λおよびω＝２πｆであって、式中、ｆは、光の周波数（例えば、ヘルツ単位）であることに留意されたい。本方程式から明白となるように、より高い角周波数ωを伴う光ビームは、より大きい波数、したがって、より大きい大きさのｋ－ベクトル（同一伝搬媒体と仮定する）を有する。例えば、同一伝搬媒体と仮定すると、青色光ビームは、赤色光ビームより大きい大きさのｋ－ベクトルを有する。
図１３Ｂは、平面導波管１３００内のｋ－ベクトル１３０２に対応する光線１３０１を図示する。導波管１３００は、本明細書に説明される導波管のいずれかを表し得、ＡＲディスプレイシステムのための接眼レンズの一部であり得る。導波管１３００は、全内部反射（ＴＩＲ）を介して、あるｋ－ベクトルを有する光線を誘導することができる。例えば、図１３Ｂに示されるように、ｋ－ベクトル１３０２によって図示される光線１３０１は、ある角度で導波管１３００の上側表面に向かって指向される。角度が、スネルの法則によって統制されるように、あまり急峻ではない場合、光線１３０１は、入射角と等しい角度で、導波管１３００の上側表面において反射し、次いで、導波管１３００の下側表面に向かって下方に伝搬し、そこで、再び、上側表面に向かって戻るように反射するであろう。光線１３０１は、導波管１３００内で誘導方式において伝搬し、その上側表面と下側表面との間で往復して反射し続けるであろう。
図１３Ｃは、屈折率ｎを伴う非境界均質媒体内を伝搬する、所与の角周波数ωの光に関する許容可能ｋ－ベクトルを図示する。図示されるｋ－ベクトル１３０２の長さ、すなわち、大きさｋは、光の速さの定数ｃによって除算される、媒体の屈折率ｎ×光の角周波数ωと等しい。屈折率ｎを伴う均質媒体内を伝搬する、所与の角周波数ωを伴う光線またはビームに関して、全ての許容可能ｋ－ベクトルの大きさは、同一である。また、非誘導伝搬に関して、全ての伝搬方向が、許容される。したがって、全ての許容可能ｋ－ベクトルを定義する、ｋ－空間内の多様体は、中空球体１３０６であって、球体のサイズは、光の角周波数および媒体の屈折率に依存する。
図１３Ｄは、屈折率ｎを伴う均質平面導波管媒体内を伝搬する、所与の角周波数ωの光に関する許容可能ｋ－ベクトルを図示する。非境界媒体内では、全ての許容可能ｋ－ベクトルは、中空球体１３０６上にあるが、平面導波管内の許容可能ｋ－ベクトルを決定するために、平面（例えば、ｘ－ｙ平面）上の許容可能ｋ－ベクトルの球体１３０６を投影することができる。これは、平面導波管内を伝搬し得る、ｋ－ベクトルを表す、投影されたｋ－空間内の中実円板１３０８をもたらす。図１３Ｄに示されるように、ｘ－ｙ平面における平面導波管（例えば、導波管１３００）内を伝搬し得る、ｋ－ベクトルは全て、ｘ－ｙ平面におけるｋ－ベクトルの成分が、光の速さの定数ｃによって除算される媒体の屈折率ｎ×光の角周波数ω以下のものである。
中実円板１３０８内の全ての点が、導波管内を伝搬し得る、波のｋ－ベクトルに対応する（但し、これらのｋ－ベクトルの全てが、図１３Ｅに関して下記に議論されるように、導波管内の誘導伝搬をもたらすわけではない）。中実円板１３０８内の各点では、２つの許容される波が存在する。すなわち、１つは、ページの中に向かう伝搬のｚ－成分を伴うものであって、もう１つは、ページから外に向かう伝搬のｚ－成分を伴うものである。したがって、ｋ－ベクトルの面外成分ｋｚは、方程式
を使用して求められ得、選定される符号は、波がページの内外に伝搬するかどうかを決定する。屈折率ｎを伴う均質媒体内を伝搬する、所与の角周波数ωの全ての光波は、同一大きさｋ－ベクトルを有するため、そのｘ－ｙ成分が中実円板１３０８の半径にサイズがより近いｋ－ベクトルを伴う、光波は、伝搬のより小さいｚ－成分を有する（図１３Ｂに関して議論されるように、ＴＩＲのために必要なあまり急峻ではない伝搬角度をもたらす）一方、そのｘ－ｙ成分が中実円板１３０８の中心のより近くに位置するｋ－ベクトルを伴う、光波は、伝搬のより大きいｚ－成分を有する（ＴＩＲし得ない、より急峻な伝搬角度をもたらす）。故に、ｋ－空間の全ての言及は、その中で２－次元ｋ－平面が導波管の平面に対応する、投影されたｋ－空間を指す（別様に文脈から明白ではない限り）。すなわち、導波管の表面間の伝搬方向が、明示的に述べられない限り、議論および図面は、概して、導波管の表面と平行な方向のみを検討する。さらに、ｋ－空間をプロットするとき、典型的には、プロットがω／ｃに事実上正規化されるように、自由空間円板半径を１に正規化することが最も便宜的である。
図１３Ｅは、屈折率ｎ２（例えば、ｎ２＝１．５）を有する導波管内で誘導され得る、光波のｋ－ベクトルに対応する、ｋ－空間内の環１３１０を図示する。導波管は、より低い屈折率ｎ１
を有する、媒体（例えば、空気）によって物理的に囲繞される。図１３Ｄに関して議論されたばかりのように、ｘ－ｙ平面における平面導波管媒体内の許容波に対応するｋ－ベクトルは全て、その個別のｘ－ｙ成分がｋ－空間内の中実円板１３０８内にある、それらのｋ－ベクトルである。中実円板１３０８の半径は、導波管媒体の屈折率に比例する。したがって、図１３Ｅに戻って参照すると、屈折率ｎ２＝１．５を有する平面導波管媒体内を伝搬し得る光波に対応する、ｋ－ベクトルは、その個別のｘ－ｙ成分がより大きい円板１３０８ａ内にあるものである。一方、屈折率ｎ１＝１を有する周囲媒体内を伝搬し得る光波に対応する、ｋ－ベクトルは、その個別のｘ－ｙ成分がより小さい円板１３０８ｂ内にあるものである。その個別のｘ－ｙ成分が環１３１０の内側にある、全てのｋ－ベクトルは、導波管媒体内を伝搬し得るが、周囲媒体（例えば、空気）内を伝搬しない、それらの光波に対応する。これらは、図１３Ｂに関して説明されるように、全内部反射を介して導波管媒体内で誘導される、光波である。したがって、光線またはビームは、それらがｋ－空間環１３１０内にあるｋ－ベクトルを有する場合、ＡＲ接眼レンズの導波管内で誘導伝搬のみを受け得る。より大きい円板１３０８ａの外側のｋ－ベクトルを有する、伝搬光波は、禁止されることに留意されたい。すなわち、そのｋ－ベクトルがその領域内にある、伝搬する波は、存在しない（その領域内の波は、その伝搬方向に沿って、一定ではなく、エバネッセント減衰振幅を有する）。
本明細書に説明される種々のＡＲ接眼レンズ導波管は、回折構造等の回折特徴を使用することによって、光を内部結合し、（例えば、プロジェクタからの）自由空間
内を伝搬する光ビームのｋ－ベクトルを接眼レンズ導波管のｋ－空間環１３１０の中に指向することができる。そのｋ－ベクトルが環１３１０内にある、任意の光波は、接眼レンズ導波管内で誘導方式において伝搬することができる。環１３１０の幅は、接眼レンズ導波管内で誘導され得る、ｋ－ベクトルの範囲、故に、伝搬角度の範囲を決定する。したがって、ｋ－空間環１３１０の幅は、典型的には、接眼レンズ導波管によって投影され得る、最大視野（ＦＯＶ）を決定すると考えられている。環１３１０の幅は、それ自体が接眼レンズ導波管媒体の屈折率ｎ２に部分的に依存する、より大きい円板１３０８ａの半径に依存するため、接眼レンズＦＯＶを増加させるための１つの技法は、より大きい屈折率（接眼レンズ導波管を囲繞する媒体の屈折率と比較して）を伴う接眼レンズ導波管媒体を使用することである。しかしながら、材料コスト等、ＡＲ接眼レンズ内で使用され得る導波管媒体の屈折率に関する実践的限界が存在する。これは、ひいては、ＡＲ接眼レンズのＦＯＶに実践的限界を課すと考えられている。しかし、本明細書に説明されるように、より大きいＦＯＶを可能にするためにこれらの限界を克服するために使用され得る、技法が存在する。
図１３Ｅにおけるより大きい円板１３０８ａの半径はまた、光の角周波数ωおよび環１３１０の幅に依存し、したがって、光の色に依存するが、これは、ＦＯＶに対応する任意の所与の角度範囲が、同様に、角周波数に正比例してスケーリングされるため、接眼レンズ導波管によって支持されるＦＯＶが、より高い角周波数を伴う光に関してより大きいことを含意するわけではない。
図１３Ｆは、図１３Ｅに描写されるものに類似するｋ－空間略図を示す。ｋ－空間略図は、屈折率ｎ１の第１の媒体内の許容可能ｋ－ベクトルに対応する、より小さい円板１３０８ｂと、屈折率ｎ２（ｎ２＞ｎ１）の第２の媒体内の許容可能ｋ－ベクトルに対応する、より大きい円板１３０８ａと、より小さい円板１３０８ａおよびより大きい円板１３０８ｂの外側境界間の環１３１０とを示す。環１３１０の幅１３４２内の全てのｋ－ベクトルは、誘導伝搬角度に対応するが、環１３１０の幅１３４２内にあるｋ－ベクトルの全てより少ないものが、画像を表示する際に使用するために十分であり得ることも可能性として考えられる。
図１３Ｆはまた、相互と比較して示される２つの誘導ビームを伴う、導波管１３５０を示す。第１の光ビームは、環１３１０の外側縁の近傍の第１のｋ－ベクトル１３４４ａを有する。第１のｋ－ベクトル１３４４ａは、屈折率ｎ１の空気によって囲繞される屈折率ｎ２を有する導波管１３５０の断面図に示される、第１のＴＩＲ伝搬経路１３４４ｂに対応する。ｋ－空間環１３１０の中心により近い第２のｋ－ベクトル１３４６ａを有する、第２の光ビームもまた、示される。第２のｋ－ベクトル１３４６ａは、導波管１３５０内の第２のＴＩＲ伝搬経路１３４６ｂに対応する。導波管１３５０は、導波管１３５０上または内に回折格子１３５２を含んでもよい。光ビームが、回折格子１３５２を伴う導波管１３５０の表面に遭遇すると、相互作用が生じ、これは、ビームが導波管内でＴＩＲし続ける間、光ビームエネルギーのサンプルを導波管から外に送出し得る。光ビームが導波管を通してＴＩＲで伝搬する、角度は、回折格子１３５２を伴う導波管１３５０の表面に対する単位長あたりの反射イベントの密度、すなわち、バウンスの数を決定する。光ビーム比較の実施例に戻ると、第１のＴＩＲ伝搬経路１３４４ｂ内の第１の光ビームは、回折格子１３５２を伴う導波管表面から、４回反射し、回折格子１３５２の長さにわたって４つの射出瞳１３５４（実線を用いて図示される）を生産する一方、第２のＴＩＲ伝搬経路１３４６ｂ内の第２の光ビームは、同一または類似距離にわたって、回折格子１３５２を伴う導波管表面から、１０回反射し、回折格子１３５２の長さを横断して、１０の射出瞳１３５６（破線を用いて図示される）を生産する。
実際は、出力ビーム、すなわち、射出瞳間隔を事前に選択された範囲と等しいまたはその中に制約し、ユーザに投影されたコンテンツが事前に定義されたアイボックス内の任意の位置から見えるであろうことを確実にすることが望ましくあり得る。本情報を用いることで、環１３１０の幅１３４２を、本制約が該当する、ｋ－ベクトル１３４４のサブセットに限定し、あまりかすめ入射角の角度が設計計算内に含まれないように除外することが可能である。サブセット１３４４より多いまたはより少ない角度も、所望の性能、回折格子設計、および他の最適化要因に応じて、容認可能であり得る。同様に、いくつかの実施形態では、導波管の表面に対してあまりに急峻であって、回折格子１３５２とあまりに多くの相互作用を提供する、伝搬角度に対応するｋ－ベクトルもまた、使用から除外されてもよい。そのような実施形態では、環１３１０の幅１３４２は、使用可能角度の境界をより大きい円板１３０８ａとより小さい円板１３０８ｂとの間の境界から半径方向外向きに事実上移動させることによって減少されることができる。本明細書に開示される接眼レンズ導波管のいずれかの設計は、ｋ－空間環の幅１３１０をこのように制約することによって調節されることができる。
上記に説明されるように、準最適ＴＩＲ伝搬経路に対応する、環１３１０内のｋ－ベクトルは、接眼レンズ設計計算における使用から省略され得る。代替として、あまりにかすめ入射角の角度を伴うＴＩＲ伝搬経路、したがって、回折格子を伴う導波管の表面上のあまりに少ない反射イベントの密度に対応する、ｋ－ベクトルは、本明細書に説明される種々の技法を使用して、補償されてもよい。１つの技法は、内部結合格子を使用して、入射画像の視野（ＦＯＶ）の一部をｋ－空間環１３１０の２つの異なるエリアに指向することである。特に、入射画像を、第１のｋ－ベクトルの群によって表されるｋ－空間環１３１０の第１の側および第２のｋ－ベクトルの群によって表されるｋ－空間環１３１０の第２の側に指向することが有利であり得、ｋ－空間環１３１０の第１および第２の側は、相互から実質的に対向する。例えば、第１のｋ－ベクトルの群は、環１３１０の左側のｋ－ベクトルのＦＯＶ矩形に対応し得、第２のｋ－ベクトルの群は、環１３１０の右側のｋ－ベクトルのＦＯＶ矩形に対応し得る。左ＦＯＶ矩形は、その左縁をより大きい円板１３０８ａの外側縁の近傍に有し、かすめ入射角近傍ｋ－ベクトル角度に対応する。本縁における光は、疎隔射出瞳を生産するであろう。しかしながら、環１３１０の右側に位置する、右ＦＯＶ矩形の同一左縁は、より大きい円板１３０８ａの中心により近いであろう。右ＦＯＶ矩形の同一左縁における光は、高密度の射出瞳を有するであろう。したがって、左および右ＦＯＶ矩形が、再結合され、導波管からユーザの眼に向かって出射し、画像を生産するとき、十分な数の射出瞳が、視野の全てのエリアにおいて生産される。
回折格子等の回折特徴は、光を、接眼レンズ導波管の中に、接眼レンズ導波管から外に結合し、および／または接眼レンズ導波管内の光の伝搬方向を変化させるために使用されることができる。ｋ－空間内では、特定のｋ－ベクトルによって表される光線または光のビームに及ぼされる回折格子の効果は、ある格子ベクトルを伴う回折格子の平面におけるｋ－ベクトル成分のベクトル追加によって決定される。格子ベクトルの大きさおよび方向は、回折格子の具体的性質に依存する。図１３Ｇ、１３Ｈ、および１３Ｉは、ｋ－空間内のｋ－ベクトルに及ぼされる回折格子の作用を図示する。
図１３Ｇは、回折格子１３２０の上面図およびその関連付けられたｋ－空間回折格子ベクトルのうちのいくつか（Ｇ－２、Ｇ－１、Ｇ１、Ｇ２）を図示する。回折格子１３２０は、ｘ－ｙ平面に配向され、図１３Ｇは、ｚ－方向からその上に入射する、光線またはビームの目線からの格子の図を示す。回折格子１３２０は、回折格子と同一平面に配向される、ｋ－空間回折格子ベクトル（例えば、Ｇ－２、Ｇ－１、Ｇ１、Ｇ２）の関連付けられたセットを有する。Ｇ１およびＧ－１格子ベクトルは、それぞれ、±１回折次数に対応する一方、Ｇ２およびＧ－２格子ベクトルは、それぞれ、±２回折次数に対応する。±１回折次数に関する格子ベクトルは、（格子の周期性軸に沿って）反対方向を指し、回折格子１３２０の周期Λに反比例する、等しい大きさを有する。したがって、より細かいピッチを伴う回折格子は、より大きい格子ベクトルを有する。±２回折次数に関する格子ベクトルもまた、反対方向を指し、±１回折次数に関する格子ベクトルの２倍の等しい大きさを有する。付加的なより高い回折次数に関する格子ベクトルもまた存在し得るが、それらは、図示されない。例えば、±３回折次数に関する格子ベクトルの大きさは、±１回折次数に関する格子ベクトルの３倍等と続く。基本格子ベクトルＧ１は、単に、格子の周期性（方向およびピッチ）によって決定される一方、格子の組成（例えば、表面プロファイル、材料、層構造）は、回折効率および回折位相等の格子の他の特性に影響を及ぼし得ることに留意されたい。基本格子ベクトル（例えば、Ｇ－１、Ｇ２、Ｇ－２等）の全ての高調波は、単に、基本Ｇ１の整数倍数であるため、格子の全ての回折方向は、単に、格子の周期性によって決定される。回折格子１３２０の作用は、格子ベクトルを入射光線またはビームに対応するｋ－ベクトルの面内成分に追加することである。これは、図１３Ｈに示される。
図１３Ｈは、回折格子１３２０の横面図および法線入射光線または光のビームに対応するｋ－ベクトル１３０２に及ぼされるｋ－空間内のその効果を図示する。回折格子１３２０は、入射光線または光のビームを１つ以上の回折次数に回折する。これらの回折次数のそれぞれにおける新しい光線または光のビームは、新しいｋ－ベクトル（例えば、１３０２ａ－ｅ）によって表される。これらの新しいｋ－ベクトル（例えば、１３０２ａ－ｅ）は、格子ベクトル（例えば、Ｇ－２、Ｇ－１、Ｇ１、Ｇ２）のそれぞれを伴うｋ－ベクトル１３０２の面内成分のベクトル追加によって決定される。法線入射光線または光のビームの図示される場合では、ｋ－ベクトル１３０２は、回折格子のｘ－ｙ平面に成分を有していない。したがって、回折格子１３２０の効果は、そのｋ－ベクトル（例えば、１３０２ａ－ｅ）が対応する格子ベクトルと等しいｘ－ｙ成分を有する、１つ以上の新しい回折される光線または光のビームを作成することである。例えば、入射光線または光のビームの±１回折次数のｘ－ｙ成分は、それぞれ、Ｇ１およびＧ－１となる。一方、新しいｋ－ベクトルの大きさは、２π／ωに制約され、したがって、新しいｋ－ベクトル（例えば、１３０２ａ－ｅ）は全て、図１３Ｈに示されるように、半円形上にある。入射ｋ－ベクトル１３０２の面内成分が、その長さが基本インクリメントと等しい、または基本インクリメントの２倍等である、格子ベクトルに追加されている一方、各結果として生じるｋ－ベクトルの大きさが、制約されるため、種々の回折次数に関するｋ－ベクトル（例えば、１３０２ａ－ｅ）間の角度は、等しくない。むしろ、ｋ－ベクトル（例えば、１３０２ａ－ｅ）は、回折次数の増加に伴って、より角度的に疎隔となる。
平面接眼レンズ導波管上または内に形成される、回折格子の場合、新しいｋ－ベクトル（例えば、１３０２ａ－ｅ）の面内成分は、それらが接眼レンズ導波管のｋ－空間環１３１０内にある場合、回折される光線または光のビームが、接眼レンズ導波管を通して、誘導伝搬を受けるであろうため、最も着目され得る。しかし、新しいｋ－ベクトル（例えば、１３０２ａ－ｅ）の面内成分が、中心円板１３０８ｂ内にある場合、回折される光線または光のビームは、接眼レンズ導波管から出射するであろう。
図１３Ｉは、回折格子１３２０の横面図および斜入射光線または光のビームに対応するｋ－ベクトル１３０２に及ぼされるｋ－空間内のその効果を図示する。効果は、図１３Ｈに関して説明されるものに類似する。具体的には、回折される光線または光のビームのｋ－ベクトルは、格子ベクトル（Ｇ－２、Ｇ－１、Ｇ１、Ｇ２）を伴う入射ｋ－ベクトルの面内成分のベクトル追加によって決定される。斜入射ｋ－ベクトル１３０２に関して、回折格子１３２０のｘ－ｙ平面におけるｋ－ベクトルの成分は、非ゼロである。本成分は、格子ベクトルに追加され、回折される光線または光のビームに関する新しいｋ－ベクトルの面内成分を決定する。新しいｋ－ベクトルの大きさは、２π／ωに制約される。また、再び、回折される光線または光のビームのｋ－ベクトルの面内成分が、接眼レンズ導波管のｋ－空間環１３１０内にある場合、回折される光線または光のビームは、接眼レンズ導波管を通して、誘導伝搬を受けるであろう。
図１３Ｊは、ＡＲ接眼レンズ導波管（例えば、１２００、１３００）の中に投影される画像の視野（ＦＯＶ）を図示する、ｋ－空間略図である。ｋ－空間略図は、接眼レンズ導波管内を伝搬し得る光ビームまたは光線のｋ－ベクトルを定義する、より大きい円板１３０８ａを含む。ｋ－空間略図はまた、接眼レンズ導波管を囲繞する空気等の媒体内を伝搬し得る光ビームまたは光線のｋ－ベクトルを定義する、より小さい円板１３０８ｂを含む。また、すでに議論されたように、ｋ－空間環１３１０は、接眼レンズ導波管内で誘導伝搬を受け得る、光ビームまたは光線のｋ－ベクトルを定義する。
接眼レンズ導波管の入射瞳の中に投影される、入力ビーム（例えば、１２０２ａ、１２０４ａ、１２０６ａ）が、図１２Ａおよび１２Ｂに示される。各入力ビームは、像面内の対応する像点の空間場所によって一意に定義される、伝搬角度を有する。入力ビームのセットは、ｘ－方向およびｙ－方向の両方にある角度広がりを有する。ｘ－方向における角度広がりは、水平視野を定義し得る一方、ｙ－方向における角度広がりは、垂直視野を定義し得る。加えて、例えば、ｘ－方向とｙ－方向との間の対角線に沿った入力ビームの角度広がりは、対角線視野を定義し得る。
ｋ－空間内では、入力画像の視野は、ＦＯＶ矩形１３３０によって近似され得る。ＦＯＶ矩形１３３０は、入力光ビームのセットに対応する、ｋ－ベクトルのセットを包囲する。ＦＯＶ矩形１３３０は、ｋｘ－軸に沿った寸法を有し、これは、ｘ－方向における入力ビームの角度広がりに対応する。具体的には、ＦＯＶ矩形１３３０の水平幅は、
であって、式中、θｘは、総水平ＦＯＶであって、ｎは、入射媒体の屈折率である。ＦＯＶ矩形１３３０はまた、ｋｙ－軸に沿った寸法を有し、これは、ｙ－方向における入力ビームの角度広がりを定義する。同様に、ＦＯＶ矩形１３３０の垂直高さは、
であって、式中、θｙは、総垂直ＦＯＶである。矩形は、入力ビームのセットを表すように示されるが、いくつかの実施形態では、入力ビームのセットは、ｋ－空間内の異なる形状に対応するであろうようなものであり得る。しかし、概して、ＦＯＶ矩形またはＦＯＶ正方形を使用して示される、本明細書におけるｋ－空間分析は、同様に、ｋ－空間内の他の形状にも等しく適用されることができる。
図１３Ｊに示されるように、ＦＯＶ矩形１３３０は、より小さい円板１３０８ｂ上に中心合わせされ、その中に完全に位置する。ＦＯＶ矩形１３３０の本位置は、入力ビームのセット（例えば、画像源からの軸上、すなわち、テレセントリック投影を伴う構成において）、または、概して、±ｚ－方向に伝搬する、出力ビームのセット（但し、ビームのセットは、ｚ－軸上に中心合わせされ、入射瞳または射出瞳に対して法線のものを除く、ビームは全て、±ｚ－方向に対してある程度の量の角度逸脱を有する）のｋ－ベクトルに対応する。言い換えると、ＦＯＶ矩形１３３０は、ｋ－空間略図内のより小さい円板１３０８ｂ内にあるとき、それらが、画像源から、自由空間を通して、接眼レンズ導波管に伝搬するにつれた、入力ビームを表すことができる。また、それらが接眼レンズ導波管からユーザの眼に伝搬するにつれた、出力ビームを表すことができる。ＦＯＶ矩形１３３０内の各ｋ－空間点は、入力ビーム方向のうちの１つまたは出力ビーム方向のうちの１つを表す、ｋ－ベクトルに対応する。ＦＯＶ矩形１３３０によって表される入力ビームが、接眼レンズ導波管内で誘導伝搬を受けるために、ＦＯＶ矩形１３３０は、ｋ－空間環１３１０に平行移動されなければならない。逆に言えば、ＦＯＶ矩形１３３０によって表される出力ビームが、接眼レンズ導波管から出射するために、ＦＯＶ矩形１３３０は、ｋ－空間環１３１０からより小さい円板１３０８ｂに逆平行移動されなければならない。導波管を通した伝搬から幾何学的および色分散を導入しないために、入力ビームのＦＯＶ矩形１３３０は、出力ビームのＦＯＶ矩形と一致し得る。すなわち、本構成では、接眼レンズ導波管は、入力から出力までビーム角度を保存する。
以下の方程式は、いくつかの接眼レンズ導波管内で達成され得る、ＦＯＶを説明する。
ＦＯＶが、θｘ＝０に水平に中心合わせされる場合、従来の接眼レンズ導波管は、以下の限界を有し得る。
角周波数に関するｍａｘ（ＦＯＶｘ）の唯一の依存性は、角周波数への導波管屈折率の依存性からのものであって、これは、いくつかの用途では、重要な詳細であり得るが、多くの場合、比較的に小さい効果を有する。
図１３Ｋは、接眼レンズ導波管の入射瞳に位置する入力結合格子（ＩＣＧ）によって生じる、ＦＯＶ矩形１３３０のｋ－空間内の平行移動偏移を示す、ｋ－空間略図である。ＩＣＧは、図１３Ｇ－１３Ｉに関して議論されたばかりのように、関連付けられた回折格子ベクトル（Ｇ－１、Ｇ１）を有する。ＩＣＧは、ＦＯＶ矩形１３３０によって表される入力ビームのそれぞれを＋１回折次数および－１回折次数に回折する。ｋ－空間内では、＋１回折次数への入力ビームの回折は、Ｇ１格子ベクトルによってｋｘ－方向に変位されたＦＯＶ矩形１３３０によって表される。同様に、ｋ－空間内では、－１回折次数への入力ビームの回折は、Ｇ－１格子ベクトルによって－ｋｘ－方向に変位されたＦＯＶ矩形１３３０によって表される。
図１３Ｋに示される特定の実施例に関して、平行移動されたＦＯＶ矩形は、大きすぎて、ｋ－空間環１３１０内に全体的に適合することができない。これは、接眼レンズ導波管が、それらの間の角度広がりが大きすぎるため、正または負の回折次数にあるかどうかにかかわらず、誘導伝搬モードにおけるＦＯＶ内の入力ビームの全てを支持することができないことを意味する。より大きい円板１３０８ａ外にある、平行移動されたＦＯＶ矩形内の点に対応するｋ－ベクトルは、それらのｋ－ベクトルが許容されないため、ＩＣＧによって全く回折されないであろう。（これはまた、この場合、それらの次数と関連付けられた格子ベクトルが、より長く、したがって、ｋ－ベクトルをより大きい円板１３０８ａのさらに外側に平行移動させるであろうため、±２およびより高い回折次数への回折を防止するであろう。）一方、平行移動されたＦＯＶ矩形の任意の部分が、ＩＣＧによる平行移動後、依然として、より小さい円板１３０８ｂの内側にあることになる場合、それらの特定のｋ－ベクトルに対応する光ビームは、ＴＩＲしないため、その平面を通して透過することによって、接眼レンズ導波管から出射し、導波管を通して誘導伝搬を受けないであろう。
誘導モードにおける平行移動されたＦＯＶ矩形１３３０によって表される光の入力ビームの多くを支持するために行われ得る、１つの可能性として考えられる修正は、接眼レンズ導波管および周囲媒体の屈折率間の差異を増加させることであり得る。これは、より大きい円板１３０８ａのサイズを増加させ、および／またはより小さい円板１３０８ｂのサイズを減少させ（より小さい円板１３０８ｂのサイズの減少は、導波管が空気によって囲繞されない場合、可能である）、それによって、ｋ－空間環１３１０のサイズを増加させるであろう。
直交瞳エクスパンダを伴う例示的ＡＲ接眼レンズ導波管
図１４Ａは、ＩＣＧ領域１４４０、直交瞳エクスパンダ（ＯＰＥ）領域１４５０、および射出瞳エクスパンダ（ＥＰＥ）領域１４６０を伴う、例示的接眼レンズ導波管１４００を図示する。図１４Ｂは、ｋ－空間内の接眼レンズ導波管１４００のこれらのコンポーネントのそれぞれの効果を図示する、ｋ－空間略図を含む。接眼レンズ導波管１４００のＩＣＧ領域１４４０、ＯＰＥ領域１４５０、およびＥＰＥ領域１４６０は、種々の回折特徴を含み、これは、入力ビームを接眼レンズ導波管の中に結合し、誘導モードを介して伝搬し、ビームを空間内の複数の分散場所において複製し、複製ビームを接眼レンズ導波管から出射させ、ユーザの眼に向かって投影させる。
入力画像に対応する入力ビームは、接眼レンズ導波管１４００の中に１つ以上の入力デバイスから投影されることができる。入力ビームは、接眼レンズ導波管１４００の入射瞳と一致し得る、ＩＣＧ領域１４４０上に入射する。入力ビームを投影するために使用される入力デバイスは、例えば、空間光変調器プロジェクタ（ユーザの顔に対して接眼レンズ導波管１４００の正面または背後に位置する）を含むことができる。いくつかの実施形態では、入力デバイスは、液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）、シリコン上液晶（ＬＣｏＳ）、ファイバ走査ディスプレイ（ＦＳＤ）技術、または走査型微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）ミラーディスプレイを使用してもよいが、その他もまた、使用されることができる。入力デバイスからの入力ビームは、概して、図示される－ｚ－方向において、種々の伝搬角度で、接眼レンズ導波管１４００の中に投影され、接眼レンズ導波管の基板の外側からＩＣＧ領域１４４０上に入射する。
ＩＣＧ領域１４４０は、それらが、全内部反射を介して、接眼レンズ導波管１４００の内側で伝搬するように、入力ビームを再指向する、回折特徴を含む。いくつかの実施形態では、ＩＣＧ領域１４４０の回折特徴は、図示されるｙ－方向に垂直に延在し、図示されるｘ－方向に水平に周期的に繰り返される、多くのラインから成る、１次元周期（１Ｄ）回折格子を形成してもよい。いくつかの実施形態では、ラインは、接眼レンズ導波管１４００の正面または背面の中にエッチングされてもよく、および／またはそれらは、正面または背面上に堆積される材料から形成されてもよい。ラインの周期、デューティサイクル、深度、プロファイル、ブレーズ角度等は、それに関して接眼レンズ導波管１４００が設計される光の角周波数ω、格子の所望の回折効率、および他の要因に基づいて、選択されることができる。いくつかの実施形態では、ＩＣＧ領域１４４０は、主に、入力光を＋１および－１回折次数に結合するように設計される。（回折格子は、０次回折次数および１次回折次数を超えるより高い回折次数を低減または排除するように設計されることができる。これは、各ラインのプロファイルを適切に成形することによって遂行されることができる。しかしながら、ＡＲディスプレイ内の多くの実践的ＩＣＧでは、全てのより高い回折次数は、ｋ－空間環を超える、ｋ－ベクトルに対応する。したがって、それらのより高い回折次数は、格子デューティサイクル、深度、およびプロファイルのような非ｋ－空間属性にかかわらず、禁止されるであろう。）ＩＣＧ領域１４４０からの±１回折次数のうちの一方における回折ビームは、次いで、概して、－ｘ－方向において、ＯＰＥ領域１４５０に向かって伝搬する一方、±１回折次数の他方における回折ビームは、次いで、概して、＋ｘ－方向において伝搬し、接眼レンズ導波管１４００から出射する。
ＯＰＥ領域１４５０は、少なくとも２つの機能を実施し得る、回折特徴を含む。第１に、それらは、概して、－ｘ－方向における多くの新しい場所において、各光の入力ビームを空間的に複製することによって、瞳拡張を実施することができる。第２に、それらは、各複製された光のビームを、概して、ＥＰＥ領域１４６０に向かう経路上で誘導することができる。いくつかの実施形態では、これらの回折特徴は、接眼レンズ導波管１４００の基板上または内に形成される、ラインである。周期、デューティサイクル、深度、プロファイル、ラインのブレーズ角度等は、それに関して接眼レンズ導波管１４００が設計される光の角周波数ω、格子の所望の回折効率、および他の要因に基づいて、選択されることができる。ＯＰＥ領域１４５０の具体的形状は、変動し得るが、一般に、ＩＣＧ領域１４４０からの光のビームの広がりおよびＥＰＥ領域１４６０のサイズおよび場所に基づいて決定されてもよい。これは、図１４Ｄに関してさらに議論される。
ＯＰＥ領域１４５０の回折格子は、比較的に低いおよび／または可変回折効率を用いて設計されることができる。これらの性質は、ＯＰＥ領域１４５０が、ＩＣＧ領域１４４０から到着する各光のビームを複製し、および／または少なくとも１つの寸法における光エネルギーをより均一に分散させることを可能にすることができる。比較的に低回折効率のため、光のビームと格子の各相互作用は、光ビーム内のパワーの一部のみを回折する一方、残りの部分は、同一方向に伝搬し続ける。（格子の回折効率に影響を及ぼすために使用され得る、いくつかのパラメータは、ライン特徴の高さおよび幅またはライン特徴と背景媒体との間の屈折率差の大きさである。）すなわち、ビームが、ＯＰＥ領域１４５０内の回折格子と相互作用すると、そのパワーの一部は、ＥＰＥ領域１４６０に向かって回折されるであろう一方、残りの部分は、ＯＰＥ領域内を透過し続け、再び、異なる空間場所における格子に遭遇し、そこで、ビームのパワーの別の部分は、ＥＰＥ領域１４６０に向かって回折される等と続き得る。各光ビームのパワーの一部は、ＥＰＥ領域１４６０に向かって回折される前に、他の部分よりＯＰＥ領域１４５０を通してさらに進行するため、－ｘ－方向に異なる場所からＥＰＥ領域に向かって進行する入射ビームの多数のコピーが存在する。ＯＰＥ領域１４５０を通したオリジナル入射ビームの伝搬方向における、複製ビームの空間範囲は、したがって、事実上増加する一方、入射ビームの強度は、入力ビームを構成する光が、ここで、多くの複製ビームの中で分割されるため、対応して、減少する。
ＯＰＥ領域１４５０内の回折格子は、ビームを、概して、ＥＰＥ領域１４６０に向かって回折するように、ＩＣＧ領域１４４０から到着するビームに対して斜めに配向される。ＯＰＥ領域１４５０内の回折格子の傾斜の具体的角度は、接眼レンズ導波管１４００の種々の領域のレイアウトに依存し得、おそらく、図１４Ｂにおいて後に見出され、議論される、ｋ－空間略図内により明確に見られ得る。接眼レンズ導波管１４００内では、ＩＣＧ領域１４４０は、ＯＰＥ領域１４５０の右に位置する一方、ＥＰＥ領域１４６０は、ＯＰＥ領域の下方に位置する。したがって、ＩＣＧ領域１４４０からの光をＥＰＥ領域１４６０に向かって再指向するために、ＯＰＥ領域１４５０の回折格子は、図示されるｘ－軸に対して約４５°に配向されてもよい。
図１４Ｃは、図１４Ａおよび１４Ｂに示されるＯＰＥ領域１４５０の光学作用の３次元例証である。図１４Ｃは、ＩＣＧ領域１４４０およびＯＰＥ領域１４５０を示し、両方とも、視認者により近い導波管の側にある。格子ラインは、それらが微視的であるため、見ることができない。この場合、単一入力ビーム１４０１が、図示されるが、画像は、接眼レンズ導波管１４００を通して若干異なる方向に伝搬する、多くのそのような入力ビームから成るであろう。入力ビーム１４０１は、ＩＣＧ領域１４４０からＯＰＥ領域１４５０に入射する。入力ビーム１４０１は、次いで、全内部反射を介して、接眼レンズ導波管１４００を通して伝搬し続け、その表面間で往復して繰り返し反射する。これは、図１４Ｃでは、各ビームの図示される伝搬内のジグザグによって表される。
入力ビーム１４０１が、ＯＰＥ領域１４５０内に形成される回折格子と相互作用すると、そのパワーの一部は、ＥＰＥ領域に向かって回折される一方、そのパワーの別の部分は、同一経路に沿って、ＯＰＥ領域１４５０を通して継続する。すでに述べられたように、これは、部分的に、格子の比較的に低回折効率に起因する。さらに、ＥＰＥ領域に向かって回折されるビームは、ＯＰＥ領域１４５０の格子に再遭遇し、入力ビーム１４０１のオリジナル伝搬方向に戻るように回折し得る。これらのビームの一部の経路が、図１４Ｃに矢印によって示される。効果は、入力ビームがＯＰＥ領域１４５０を通して伝搬するにつれて複製されるため、光の空間範囲が拡張されることになる。これは、図１４Ｃから明白であって、これは、入力ビーム１４０１が、多くの光ビームに複製され、最終的には、ＥＰＥ領域に向かって、概して、－ｙ－方向に進行することを示す。
ＥＰＥ領域１４６０も同様に、少なくとも２つの機能を実施し得る、回折特徴を含む。第１に、それらは、別の方向（例えば、ビームがＯＰＥ領域１４５０によって複製される方向に略直交する方向）に沿って、ビームを複製することができる。第２に、それらは、各光のビームを接眼レンズ導波管１４００から外にユーザの眼に向かって回折することができる。ＥＰＥ領域１４６０は、ＯＰＥ領域１４５０と同一方法において、光ビームを複製することができる。すなわち、ビームが、ＥＰＥ領域１４６０を通して伝搬するにつれて、回折格子と繰り返し相互作用し、そのパワーの一部を第１の回折次数に回折し、それによって、ユーザの眼に向かって外部結合される。ビームのパワーの他の部分は、ゼロ次回折し、後に、再び、格子と相互作用するまで、ＥＰＥ領域１４６０内で同一方向に伝搬し続ける。ＥＰＥ領域１４６０の回折光学特徴はまた、本明細書のいずれかで議論されるように、それらをそれらが所望の深度平面から生じたかのように現れさせる程度の光の複製される出力ビームに屈折力を付与し得る。これは、レンズ機能を使用して、曲率をＥＰＥ領域１４６０内の回折格子のラインに付与することによって遂行されることができる。
図１４Ｂは、接眼レンズ導波管１４００のｋ－空間内の作用を図示する。具体的には、図１４Ｂは、接眼レンズ導波管１４００のコンポーネント毎のｋ－空間略図（ＫＳＤ）を含み、そのコンポーネントのｋ－空間効果を図示する。ｋ－空間略図内のＦＯＶ矩形および接眼レンズ導波管を通した光の対応する伝搬方向を示す矢印は、合致する陰影を有する。第１のｋ－空間略図ＫＳＤ１は、入力デバイスからＩＣＧ領域１４４０上に入射する、入力ビームのｋ－空間表現を示す。すでに議論されたように、入力ビームのセットは、そのｋｘおよびｋｙ寸法がｘ－およびｙ－方向における入力ビームの角度広がりに対応する、ＦＯＶ矩形１４３０によってｋ－空間内に表されることができる。ＫＳＤ１内におけるＦＯＶ矩形内の各具体的点は、入力ビームのうちの１つと関連付けられたｋ－ベクトルに対応し、ｋｘ成分は、ｘ－方向における入力ビームの伝搬角度を示し、ｋｙ成分は、ｙ－方向における入力ビームの伝搬角度を示す。より精密には、ｋｘ＝ｓｉｎ（θｘ）であって、式中、θｘは、入力ビームおよびｙ－ｚ平面によって形成される角度であって、ｋｙ＝ｓｉｎ（θｙ）であって、式中、θｙは、入力ビームおよびｘ－ｚ平面によって形成される角度である。ＫＳＤ１内のＦＯＶ矩形が、略図のｋｚ－軸上に中心合わせされるという事実は、表される入力光ビームが、－ｚ－方向に伝搬する入力ビームを中心として中心合わせされる伝搬角度を有し、したがって、全ての入力ビームが、概して、－ｚ－方向に伝搬することを意味する。（ここでは図示されないが、本明細書に説明される導波管ディスプレイのいずれかはまた、±ｚ－方向に対して軸外にあるＦＯＶのためにも設計されることができる。）
第２のｋ－空間略図ＫＳＤ２は、ＩＣＧ領域１４４０のｋ－空間作用を示す。すでに議論されたように、回折格子は、関連付けられた格子ベクトル（例えば、Ｇ１、Ｇ－１）を有する。ＫＳＤ２は、Ｇ１格子ベクトルおよびＧ－１格子ベクトルを示し、これは、大きさが等しく、ＩＣＧの周期性軸に沿った方向において反対である。ＩＣＧ領域１４４０は、入力ビームを±１回折次数に回折する。また、ｋ－空間内では、これは、ＩＣＧが、Ｇ１およびＧ－１格子ベクトルの両方を使用して、それを平行移動させることによって、ＦＯＶ矩形を２つの新しい場所にコピーすることを意味する。図示されるインスタンスでは、ＩＣＧは、格子ベクトルＧ１、Ｇ－１の大きさが、コピーされたＦＯＶ矩形を導波管のｋ－空間環内に完全に設置するように、入力ビームの角周波数ωに基づく周期Λを用いて設計される。故に、回折される入力ビームは全て、誘導伝搬モードに入る。
－ｋｘ－軸上の点（ｋ－空間環内の９時位置）に中心合わせされる、ＦＯＶ矩形のコピーは、対応する回折ビームが、接眼レンズ導波管１４００の平面におけるその伝搬成分が－ｘ－方向にあるビームの周囲に中心合わせされる、伝搬角度を有することを示す。したがって、それらのビームは全て、ＴＩＲを介して、接眼レンズ導波管１４００の正面と背面との間で往復して反射しながら、概して、ＯＰＥ領域１４５０に向かって伝搬する。一方、＋ｋｘ－軸上の点（ｋ－空間環内の３時位置）に中心合わせされる、ＦＯＶ矩形のコピーは、対応する回折ビームが、接眼レンズ導波管１４００の平面におけるその伝搬成分が＋ｘ－方向にあるビームの周囲に中心合わせされる、伝搬角度を有することを示す。したがって、それらのビームは全て、ＴＩＲを介して、接眼レンズ導波管１４００の正面と背面との間で往復して反射しながら、概して、接眼レンズ導波管１４００の右縁に向かって伝搬する。本特定の接眼レンズ導波管１４００では、それらのビームは、概して、喪失され、ユーザの眼に向かった画像の投影に有意義に寄与しない。
ＫＳＤ２は、図示される一次格子ベクトルＧ１、Ｇ－１の倍数である、高次格子ベクトルを図示しない。ＩＣＧは、そのように行うことが、本インスタンスでは、許容されるｋ－ベクトルを定義するｋ－空間円板の外周を越えるＦＯＶ矩形を構成する、ｋ－ベクトルを平行移動させるであろうため、光ビームをそれらの回折次数に回折しない。故に、より高い回折次数は、本実施形態では、生じない。
第３のｋ－空間略図ＫＳＤ３は、ＯＰＥ領域１４５０のｋ－空間作用を示す。再び、ＯＰＥ領域１４５０は、回折格子を含むため、関連付けられた格子ベクトル（例えば、Ｇ１、Ｇ－１）を有し、これは、大きさが等しく、ＯＰＥ格子の周期性軸に沿った方向において反対であり得る。この場合、回折格子の周期性軸は、ｘ－軸に対して４５°角度にある。故に、ＯＰＥ回折格子の格子ベクトル（例えば、Ｇ１、Ｇ－１）は、ｋｘ－軸に対して４５°角度を指す。ＫＳＤ３に示されるように、格子ベクトルのうちの１つは、ＦＯＶ矩形を、－ｋｙ－軸上に位置する点（ｋ－空間環内の６時位置）に中心合わせされる新しい場所に平行移動させる。ＦＯＶ矩形の本コピーは、対応する回折ビームが、接眼レンズ導波管１４００の平面におけるその伝搬成分がＥＰＥ領域１４６０に向かって－ｙ－方向にあるビームの周囲に中心合わせされる、伝搬角度を有することを示す。一方、他の図示されるＯＰＥ格子ベクトルは、ＦＯＶ矩形をｋ－空間円板の外周の外側の場所に設置するであろう。しかし、円板の外側のｋ－ベクトルは、許容されず、したがって、ＯＰＥ回折格子は、ビームをその回折次数に回折しない。ＯＰＥ領域１４５０内の回折格子の周期性軸は、必ずしも、正確に４５°である必要はない。例えば、ＫＳＤ３の精査によって分るように、周期性軸は、依然として、ＦＯＶ矩形をＦＯＶ矩形がｋ－空間環内に全体的に適合し得る６時位置に平行移動させながらも、幾分、４５°より大きいまたはより小さい角度であり得る。これは、ＦＯＶ矩形が、必ずしも、－ｋｙ－軸に沿ったｋ－空間環内に中心合わせされずに、ＦＯＶ矩形を６時位置に設置するであろう。
図示されるインスタンスでは、ＯＰＥ回折格子は、格子ベクトルＧ１、Ｇ－１のうちの一方が、導波管のｋ－空間環内に完全にあるコピーされたＦＯＶ矩形を６時位置に設置するように、入力ビームの角周波数ωに基づく周期Λを用いて設計される。故に、回折される入力ビームは全て、誘導伝搬モードのままである。ＯＰＥ格子によって実施される平行移動である、ｋ－空間環内の９時位置から６時位置までのｋ－空間距離は、ＩＣＧによって実施される平行移動である、ｋ－空間略図の原点から環までの距離を上回るため、ＯＰＥ格子ベクトルは、ＩＣＧ格子ベクトルと大きさが異ならなければならない。特に、ＯＰＥ格子ベクトルは、ＩＣＧ格子ベクトルより長く、これは、ＯＰＥ格子が、したがって、ＩＣＧ格子より短い周期Λを有することを意味する。
第４のｋ－空間略図ＫＳＤ４は、ＥＰＥ領域１４６０のｋ－空間作用を示す。再び、ＥＰＥ領域１４６０は、回折格子を含むため、関連付けられた格子ベクトル（例えば、Ｇ１、Ｇ－１）を有し、これは、大きさが等しく、ＥＰＥ格子の周期性軸に沿った方向において反対である。この場合、回折格子の周期性軸は、接眼レンズ導波管１４００のｙ－軸に沿っている。故に、ＥＰＥ回折格子の格子ベクトル（例えば、Ｇ１、Ｇ－１）は、±ｋｙ－方向を指す。ＫＳＤ４に示されるように、格子ベクトルのうちの一方は、ＦＯＶ矩形を、ｋ－空間略図の原点に中心合わせされる、新しい場所に平行移動させる。ＦＯＶ矩形の本コピーは、対応する回折ビームが、接眼レンズ導波管１４００の平面におけるその伝搬成分がユーザの眼に向かって＋ｚ－方向にあるビームの周囲に中心合わせされる、伝搬角度を有することを示す。一方、他方の一次ＥＰＥ格子ベクトルは、ＦＯＶ矩形をｋ－空間円板の外周の外側の場所に設置し、したがって、ＥＰＥ回折格子は、ビームをその回折次数に回折しない。しかしながら、二次ＥＰＥ格子ベクトルのうちの一方は、ＦＯＶ矩形をｋ－空間環内の１２時場所に平行移動させるであろう。したがって、ＥＰＥ格子は、光の一部を第２の回折次数のうちの一方に回折し得る。二次回折方向は、＋ｙ－方向に沿った誘導伝搬方向に対応し得、典型的には、望ましくない効果である。例えば、二次回折は、下記に議論されるように、ＥＰＥ格子が、摂動され、屈折力を導入すると、視覚的アーチファクトをもたらし、フレアまたは不鮮明化効果をユーザに提示される画像内にもたらし得る。
図示されるインスタンスでは、ＥＰＥ回折格子は、格子ベクトルＧ１、Ｇ－１のうちの一方が、コピーされたＦＯＶ矩形を導波管のｋ－空間円板の内側に完全にあるように設置するように、入力ビームの角周波数ωに基づく周期Λを用いて設計される。故に、ＥＰＥ回折格子によって回折されるビームは全て、もはや誘導伝搬モードではなく、したがって、接眼レンズ導波管１４００から出射する。さらに、ＥＰＥ回折格子は、ＦＯＶ矩形をｋ－空間略図の原点（入力ビームに対応するＦＯＶ矩形が位置した場所）に戻るように平行移動させるため、出力ビームは、その対応する入力ビームと同一伝搬角度を有する。図示される実施形態では、ＥＰＥ回折格子は、これらの回折格子の両方がＦＯＶ矩形を同一ｋ－空間距離だけ平行移動させるため、ＩＣＧと同一周期Λを有する。しかしながら、これは、要件ではない。ＦＯＶ矩形のｋｙ寸法が、６時位置におけるｋ－空間環のｋｙ寸法未満である場合、ＦＯＶ矩形は、環内の異なるｋｙ場所における可能性として考えられる６時位置の範囲を有することができる。故に、ＥＰＥ格子ベクトル、ひいては、ＯＰＥベクトルが、ＦＯＶ矩形をｋ－空間環内の場所および／またはｋ－空間略図の原点の近傍に設置するための多数のエンジニアリング選択肢が存在し得る。
いくつかの実施形態では、ＥＰＥ回折格子のラインは、屈折力をＥＰＥ領域１４６０から出射する出力ビームに付与するように、若干湾曲されてもよい。例えば、ＥＰＥ領域１４６０内の回折格子のラインは、負の屈折力を付与するために、導波管の平面において、ＯＰＥ領域に向かって曲げられることができる。これは、例えば、図１２Ｂに示されるように、出力ビームを発散経路に追従させるために使用されることができる。これは、投影された画像を光学無限遠より近い深度平面に現れさせる。具体的曲率は、レンズ機能によって決定されることができる。ｋ－空間内では、これは、ＥＰＥ領域１４６０内の異なる空間領域が、その具体的領域内の格子ラインの曲率に応じて、若干異なる方向を指す格子ベクトルを有するであろうことを意味する。これらの実施形態では、これは、ＦＯＶ矩形をｋ－空間略図の原点の周囲に中心合わせされる種々の異なる場所に平行移動させる。これは、ひいては、平行移動されたＦＯＶ矩形のそれぞれに対応する出力ビームのセットを異なる伝搬角度の周囲に中心合わせさせ、これは、ひいては、深度の錯覚を生じさせる。
図１４Ｄは、ＯＰＥ領域１４５０およびＥＰＥ領域１４６０のサイズおよび形状を決定するための技法を図示する。図１４Ｄは、ＩＣＧ領域１４４０と、ＯＰＥ領域１４５０と、ＥＰＥ領域１４６０とを含む、図１４Ａおよび１４Ｂに示されるものと同一接眼レンズ導波管１４００を図示する。図１４Ｄはまた、ｋ－空間略図ＫＳＤ１、ＫＳＤ２、およびＫＳＤ３の簡略化されたバージョンを含む。第１のｋ－空間略図ＫＳＤ１を参照すると、ＦＯＶ矩形の４つの角ｋ－ベクトルは、入力平面内の画像の角から最も斜角でＩＣＧ上に入射する、入力ビームに対応するものである（図１２Ａおよび１２Ｂ参照）。これらの入力ビームの伝搬角度は、視野内の全てのもののうちの最も極限であるため、そのｋ－ベクトルは、ｋ－空間内のＦＯＶ矩形の４つの角に位置する。
図１４Ｄは、入力画像の４つの角に対応する、ＩＣＧ領域１４４０からの４つの回折ビームを定義する、光線を示す。特に、ＯＰＥ領域１４５０の上部の近傍の光線は、上向き方向かつＯＰＥ領域から離れるような最急伝搬角度でＩＣＧ領域１４４０上に入射する入力ビームに対応する、回折ビーム（すなわち、ＦＯＶ矩形の右上角に位置するｋ－ベクトル）を定義する。また、ＯＰＥ領域１４５０の底部の近傍の光線は、下向きかつＯＰＥ領域から離れるような最急伝搬角度でＩＣＧ領域１４５０上に入射する入力ビームに対応する、回折ビーム（すなわち、ＦＯＶ矩形の右下角に位置するｋ－ベクトル）を定義する。これらの２つのビームは、ＩＣＧ領域１４４０からの回折ビームの広がりを定義する。これらの２つのビームおよびその間のその他の全ての複製されたインスタンスを作成し、それらをユーザの眼に向かって投影するために、ＯＰＥ領域の上部および底部の境界は、これらの２つのビームの伝搬経路を包含すべきである。その具体的伝搬経路は、第２のｋ－空間略図ＫＳＤ２を参照して決定されることができる。
ＫＳＤ２は、ＩＣＧ領域１４４０からＯＰＥ領域１４５０に向かって回折する、ビームの結果として生じるｋ－ベクトルを示す。ＫＳＤ２における矢印は、ＦＯＶ矩形の右上角に位置するｋ－ベクトルに対応する、ビームの伝搬角度を示す。
ＥＰＥ領域１４６０のサイズ、形状、および場所は、第３のｋ－空間略図ＫＳＤ３内のｋ－ベクトルから明白である、伝搬角度を使用して、後方光線トレースを実施することによって決定されることができる。ＫＳＤ３から明白であるように、ＦＯＶ矩形の左および右上角ｋ－ベクトルは、ＯＰＥ領域１４５０からＥＰＥ領域１４６０に向かった方向に伝搬する間にビームが追従する、伝搬経路の広がりを定義する。これらの伝搬角度を使用して、ＯＰＥ領域１４５０から最も遠く（すなわち、ＥＰＥ領域の下角）に位置するＥＰＥ領域１４６０の部分から後方トレースすることによって、左および右上角ｋ－ベクトルによって定義された伝搬角度を伴ってＥＰＥ領域の下角に到着するであろう、それらの光線のＯＰＥ領域内の原点を決定することができる。それらの光線のこれらの原点は、ＯＰＥ領域１４５０の残りの境界を決定するために使用されることができる。例えば、ビームをＯＰＥ領域１４５０からＥＰＥ領域１４６０の左下角に指向するために、最悪の場合の伝搬角度は、ＦＯＶ矩形の右上角ｋ－ベクトルによって示されるものである。したがって、その角度を伴う伝搬経路は、ＯＰＥ領域１４５０の左境界を定義するために使用されることができる。同様に、ビームをＯＰＥ領域１４５０からＥＰＥ領域の右下角に指向するために、最悪の場合、伝搬角度は、ＦＯＶ矩形の左上角ｋ－ベクトルによって示されるものである。したがって、その角度を伴う伝搬経路は、ＯＰＥ領域１４５０の右境界を定義するために使用されることができる。
図１４Ｄに示されるように、図示される接眼レンズ導波管１４００の場合、ＥＰＥ領域１４６０は、ＩＣＧ領域１４４０から－ｘおよび－ｙ－方向に位置する。また、回折ビームの一部は、それらの同一方向に経路に沿ってＩＣＧ領域１４４０から広がる。最初に、ＯＰＥ領域１４５０を通して伝搬する前に、これらの回折ビームがＥＰＥ領域に入射することを回避するために、ＩＣＧ領域１４４０は、回折ビームの広がりがＥＰＥ領域１４６０と交差しないように、＋ｙ－方向に、ＥＰＥ領域から十分に離れて位置し得る。これは、ＯＰＥ領域１４５０の下側境界線とＥＰＥ領域１４６０の上側境界線の間に大きな間隙をもたらす。いくつかの実施形態では、本間隙を除去または低減させることによって、接眼レンズ導波管のサイズを減少させることが望ましくあり得る。図１５Ａは、これらの目標を遂行する、例示的実施形態を図示する。
図１５Ａは、その中にＯＰＥ領域１５５０が、傾斜され、その下側境界線がＥＰＥ領域１５６０の上側境界線と平行であるように位置する、導波管接眼レンズ１５００の例示的実施形態を図示する。実際、ＯＰＥ領域１５５０およびＥＰＥ領域１５６０は、実際には、境界線を共有してもよい。本実施形態によると、導波管接眼レンズ１５００のサイズは、図１４Ａに示される接眼レンズ導波管実施形態内のＯＰＥ領域とＥＰＥ領域との間の間隙を低減または排除することによって、よりコンパクトにされることができる。
ＯＰＥ領域１５５０の傾斜された配向に適応するために、ＩＣＧ領域１５４０は、ＩＣＧ領域からの回折ビームの広がりが、ＯＰＥ領域１５５０の傾斜された配向に合致するように傾斜されるように、修正されることができる。例えば、ＩＣＧ領域１５４０の格子ラインは、回折ビームが－ｙ－方向における成分を有する伝搬方向にＩＣＧ領域から出射しないように配向されることができる。加えて、ＩＣＧ領域１５４０は、ＯＰＥ領域１５５０およびＥＰＥ領域１５６０の共有境界線の近傍にあるが、ＩＣＧ領域のいずれの部分もその共有境界線を越える－ｙ－方向に延在しないように位置付けられることができる。ＩＣＧ領域１５４０の作用は、図１５Ｂに示されるｋ－空間略図に見られ得る。
図１５Ｂは、図１５Ａに示される接眼レンズ導波管１５００の作用を図示する、ｋ－空間略図を含む。第１のｋ－空間略図ＫＳＤ１は、ＩＣＧ領域１５４０に向かって接眼レンズ導波管１５００の外側に位置するプロジェクタから投影される入力ビームに対応する、ＦＯＶ矩形を示す。図示される実施形態では、これらの入力ビームは、－ｚ－方向を中心として中心合わせされる伝搬角度を有する。したがって、ｋ－空間内では、それらは、ＫＳＤ１の原点においてｋｚ－軸上に中心合わせされるＦＯＶ矩形によって表され得る。
第２のｋ－空間略図ＫＳＤ２は、入力ビームに及ぼすＩＣＧ領域１５４０の作用を示す。ＩＣＧ領域１５４０は、入力ビームを回折し、それらをＯＰＥ領域１５５０に向かって再指向する。ｋ－空間内では、これは、ＩＣＧ領域１５４０と関連付けられた格子ベクトルを使用して、ＦＯＶ矩形を平行移動させることに対応する。本実施形態では、ＩＣＧ領域１５４０内の格子ラインは、＋ｙ－方向に成分を有する周期性軸を伴って配向される。これは、ＩＣＧ１５４０と関連付けられた格子ベクトルもまた、＋ｋｙ－方向における成分を有することを意味する。＋ｋｙ－方向における本成分の大きさは、ｋｙ－方向におけるＦＯＶ矩形の幅の１／２以上であり得る。これは、ＦＯＶ矩形のいずれの部分も、ＩＣＧ領域１５４０によって平行移動された後、ｋ－空間略図ＫＳＤ２の水平軸の下方に延在しないことを意味する。これは、ひいては、ＩＣＧ領域１５４０からの回折ビームのいずれも、－ｋｙ－方向における成分を伴う伝搬角度を有していないことを意味する。故に、回折ビームのいずれも、ＥＰＥ領域１５６０に向かってＩＣＧ領域１５４０から下向きに進行しない。また、したがって、回折ビームのいずれも、ＯＰＥ領域１５５０を通して通過することに先立って、ＥＰＥ領域１５６０に入射しないであろう。
第３のｋ－空間略図ＫＳＤ３は、ＩＣＧ領域１５４０からの回折ビームに及ぼすＯＰＥ領域１５５０の作用を示す。図示されるように、ＯＰＥ領域１５５０の回折格子は、ｋ－空間環内の６時位置から若干変位された位置に平行移動されたＦＯＶ矩形に対応する角度で、光のビームを再指向するように、配向されることができる。例えば、ＫＳＤ３内の平行移動されたＦＯＶ矩形は、ＫＳＤ２内の平行移動されたＦＯＶ矩形が９時位置から変位されるにつれて、同一角度だけ、ｋ－空間環内の６時位置から変位されることができる。言い換えると、ＫＳＤ３内の平行移動されたＦＯＶ矩形は、ＫＳＤ２内の平行移動されたＦＯＶ矩形から９０°分離されることができる。しかしながら、本具体的角度分離は、要求されない。すなわち、各ＦＯＶ矩形の具体的場所は、相互に対する接眼レンズ導波管の種々の領域のレイアウトに依存し得る。
ＫＳＤ３内の平行移動されたＦＯＶ矩形は、－ｋｘ－方向における成分を有するｋ－ベクトルの周囲に中心合わせされるため、ＯＰＥ領域１５５０からの光のビームは、概して、－ｘ－方向における成分を有する角度で、ＥＰＥ領域１５６０に向かって進行する。図１５Ａから、本角度に起因して、ＯＰＥ領域１５５０の先端部分１５５５からの光ビームの一部は、ＥＰＥ領域１５６０と交差しないであろうことが分り得る。ＯＰＥ領域１５５０の先端部分１５５５は、ＥＰＥ領域１５６０への光の比較的に小部分に寄与し得るため、上側先端１５５５を排除するサイズ利点は、任意の光学不利点に勝り得る。いくつかの実施形態では、導波管接眼レンズ１５００は、したがって、ＯＰＥ領域１５５０の上側先端１５５５を排除することによって、さらによりコンパクトにされることができる。
最後に、第４のｋ－空間略図ＫＳＤ４は、ＥＰＥ領域１５６０が、ＦＯＶ矩形をｋ－空間略図の原点に戻るように平行移動させるように設計される、回折格子を有することを示す。図１５Ａに示される接眼レンズ導波管実施形態のためのＫＳＤ４内のＦＯＶ矩形の開始場所は、図１４Ａに示される接眼レンズ導波管実施形態のためのＫＳＤ４内のＦＯＶ矩形の開始場所と若干異なるため、ＥＰＥ領域１５６０内の回折格子の設計もまた、幾分、異なる。例えば、ＥＰＥ領域１５６０内の回折格子の格子ラインの配向は、関連付けられた格子ベクトルが、＋ｋｘ－方向における成分を有し、ＯＰＥ領域１５５０が、ＥＰＥ領域１５６０の左縁を越えて延在する必要がないように、傾斜されることができる（図１４Ｄの議論を参照し、かつ図１４ＤにおけるＫＳＤ３内の右上角ｋ－ベクトルの場所と図１５ＢにおけるＫＳＤ３内の対応するｋ－ベクトルの場所を比較されたい）。これは、図１５ＢのＫＳＤ４内のＦＯＶ矩形が、ｋ－空間略図の原点に戻るように平行移動される結果をもたらし、これは、平行移動されたＦＯＶ矩形によって表される光のビームが、本明細書ですでに説明されたように、その対応する入力ビームと同一伝搬角度を用いて、接眼レンズ導波管１５００から外にユーザの眼に向かって結合されることを意味する（すなわち、出力ビームを表すＦＯＶ矩形が、ｋ－空間略図内において、入力ビームを表すＦＯＶ矩形と同一場所にある）。
図１５Ｃは、図１５Ａに示される接眼レンズ導波管１５００の作用を図示する、別のｋ－空間略図である。図１５Ｃにおけるｋ－空間略図は、図１５Ｂに示される全てのｋ－空間略図の重畳である。また、ＯＰＥ領域１５５０を通して伝搬する光ビームは、概して、－ｋｘ－方向における伝搬角度（ｋ－空間環の９時位置の近傍に位置するＦＯＶ矩形によって表されるように）と、概して、－ｋｙ－方向における伝搬角度（ｋ－空間環の６時位置の近傍に位置するＦＯＶ矩形によって表されるように）との間で往復して切り替わることができることも図示する。これは、ｋ－空間環の９時位置の近傍のＦＯＶ矩形と６時位置の近傍のＦＯＶ矩形との間の両矢印を伴う格子ベクトルによって示される。図１５Ｄ－１５Ｆは、本挙動をより詳細に図示する。
図１５Ｄは、図１５Ａに示される接眼レンズ導波管実施形態の入力ビームとＯＰＥ領域１５５０との間の相互作用の第１の生成の略図である。接眼レンズ導波管１５００のＯＰＥ領域１５５０は、周期性の方向に繰り返される平行格子ラインから成る、回折格子を含む。周期性の方向は、回折格子と関連付けられた格子ベクトルの方向を決定する。本インスタンスでは、図１５Ｃにおける両矢印を伴う格子ベクトルは、ＯＰＥ領域１５５０の作用を図示し、図１５Ｄ－１５Ｆに示される格子ラインの周期性の方向に沿って指すものである。
図１５Ｄは、ＩＣＧ領域１５４０からＯＰＥ領域１５５０に入射する、入力ビームを示す。入力ビームは、図１５Ｃにおけるｋ－空間環の９時位置の近傍に位置するＦＯＶ矩形の中心点、すなわち、ｋ－ベクトルに対応する方向に伝搬するように示される。示されるように、入力ビームとＯＰＥ領域１５５０との間の相互作用の第１の生成は、２つの回折出力ビームをもたらす。すなわち、入力ビームのパワーの一部は、単に、出力１として、接眼レンズ導波管１５００の上部表面または底部表面から反射し、入力ビームと同一ｘ－ｙ方向に継続し（すなわち、０次回折）、入力ビームのパワーの一部は、一次（例えば、ＯＰＥ領域の一次格子ベクトルＧ１によって）に、出力２として下向きに回折する。出力２ビームは、図１５Ｃにおけるｋ－空間環の６時位置の近傍に位置するＦＯＶ矩形の中心点、すなわち、ｋ－ベクトルに対応する方向に伝搬するように示される。相互作用の本第１の生成後、出力１ビームおよび出力２ビームは、異なる伝搬角度を有するが、それらは両方とも、依然として、ＯＰＥ領域１５５０内を伝搬し、したがって、図１５Ｅおよび１５Ｆに示されるように、ＯＰＥ領域との付加的相互作用を有し得る。図示されないが、異なる伝搬角度を用いてＯＰＥ領域１５５０に入射する、他の入力ビームも、同様であるが、若干異なる入力および出力角度を用いて挙動するであろう。
図１５Ｅは、図１５Ａに示される接眼レンズ導波管実施形態の入力ビームとＯＰＥ領域１５５０との間の相互作用の第２の生成の略図である。相互作用の第１の生成に関連するビームは、破線を用いて示される一方、相互作用の第２の生成に関連するビームは、実線を用いて示される。図１５Ｅに示されるように、相互作用の第１の生成からの出力ビーム、すなわち、出力１および出力２はそれぞれ、ここで、第１の生成において生じたものと類似するＯＰＥ領域１５５０との相互作用を受け得る。すなわち、図１５Ｄからの出力１ビームからのパワーの一部は、単に、同一ｘ－ｙ方向に継続する（すなわち、０次回折）一方、そのビームのパワーの別の部分は、格子と相互作用し、下向きに再指向される（例えば、ＯＰＥ領域の一次格子ベクトルＧ１によって）。同様に、図１５Ｄからの出力２ビームからのパワーの一部は、単に、ＥＰＥ領域１５６０に向かって下向きに継続する（すなわち、０次回折）一方、そのビームのパワーの別の部分は、格子と相互作用し、概して、－ｘ－方向に回折され（例えば、ＯＰＥ領域の負の一次格子ベクトルＧ－１によって）、ＯＰＥ領域１５５０の中に初期入力ビームと同一方向にさらに伝搬し続ける。
相互作用の第２の生成が、ＯＰＥ領域１５５０内で生じた後、結果として生じるビームのうちの２つが交差する、干渉ノード１５５６が存在する。干渉ノード１５５６に到着するためにこれらのビームのそれぞれによって追従される光学経路は、実質的に同じ長さである。したがって、同一方向に伝搬する干渉ノード１５５６から出射するビームは、同一または類似位相を有し得、したがって、相互に建設的または破壊的波干渉を受け得る。これは、下記に議論される、画像アーチファクトをもたらし得る。
図１５Ｆは、図１５Ａに示される接眼レンズ導波管実施形態の入力ビームとＯＰＥ領域１５５０との間の相互作用の第３の生成の略図である。相互作用の第１および第２の生成に関連するビームは、破線を用いて示される一方、相互作用の第３の生成に関連するビームは、実線を用いて示される。図１５Ｆに示されるように、相互作用の第２の生成から生じる出力ビームはそれぞれ、再度、前の生成において生じたものと類似するＯＰＥ領域１５５０との相互作用を被り得る。それらのビームのパワーの一部は、同一方向に継続する（すなわち、０次回折）一方、それらのビームのパワーの他の部分は、一部は、概して、－ｘ－方向に、一部は、概して、－ｙ－方向に（すなわち、ＯＰＥ領域の一次格子ベクトルＧ１およびＧ－１によって）、再指向される。概して、－ｘ－方向に伝搬する、ビームは全て、図１５Ｃにおけるｋ－空間略図のｋ－空間環内の９時位置の近傍に位置するＦＯＶ矩形によって表される状態にある一方、概して、－ｙ－方向に伝搬する、ビームは全て、６時位置の近傍に位置するＦＯＶ矩形によって表される状態にある。図１５Ｃから分かるように、１Ｄ周期性回折格子から成るＯＰＥ領域１５５０の場合、任意の所与の入力ビームに関して、その入力ビームに対応する光の複製ビームは、ＯＰＥ領域内で２つのみの方向に進行する（但し、２つの方向は、異なる伝搬角度においてＯＰＥ領域に入射する、異なる入力ビームに関して異なるであろう）。
ＯＰＥ領域との相互作用の第３の生成は、同一または類似光学経路長を伴うビームが相互に交差する、付加的干渉ノード１５５６の作成をもたらし、可能性として、建設的または破壊的波干渉をもたらす。ノード１５５６はそれぞれ、ＥＰＥ領域１５６０に向かって放出される光源としての役割を果たす。１Ｄ周期性を伴う回折格子から成る、ＯＰＥ領域の場合、これらのノード１５５６のレイアウトは、均一格子模様パターンを形成し、したがって、図１５Ｇに示されるように、画像アーチファクトをもたらし得る。
図１５Ｇは、ＩＣＧ領域１５４０からの単一入力ビーム１５４５が、ＯＰＥ領域１５５０によって複製され、ＥＰＥ領域１５６０に向かって複数のビーム１５６５として再指向される方法を図示する、略図である。ＥＰＥ領域１５６０に向かって、またはその中で伝搬するように示される、複製ビーム１５６５はそれぞれ、干渉ノード１５５６のうちの１つから生じる。これらの干渉ノードは、秩序付けられた分布を有し、源の疎隔された周期的アレイとしての役割を果たす。干渉ノード１５５６の秩序付けられた分布に起因して、ＥＰＥ領域を照明する、複製ビーム１５６５は全て、同一間隔によって分離されるが、ビームは、非単調に変動する強度を有してもよい。また、その結果、ＯＰＥ領域１５５０からの複製光ビーム１５６５は、比較的に疎隔された非均一分布を伴って、ＥＰＥ領域１５６０を照明し得る。いくつかの実施形態では、接眼レンズ導波管のＥＰＥ領域を照明する、複製光ビームが、より均一に分散され得る場合、有利であり得る。図１６は、そのような実施形態を図示する。
（多指向性瞳エクスパンダを伴う例示的ＡＲ接眼レンズ導波管）
図１６Ａは、ＯＰＥ領域ではなく、多指向性瞳エクスパンダ（ＭＰＥ）領域１６５０を有する、例示的接眼レンズ導波管１６００を図示する。巨視的レベルでは、接眼レンズ導波管１６００の図示される実施形態は、図１５Ａに示される接眼レンズ導波管１５００に類似する。入力ビームは、ＩＣＧ領域１６４０によって、接眼レンズ導波管１６００の中に結合される。回折ビームは、ＩＣＧ領域１６４０から、ＯＰＥ領域に取って代わる、ＭＰＥ領域１６５０に向かって、かつそれを通して伝搬する。最後に、ＭＰＥ領域１６５０は、光のビームをＥＰＥ領域１６６０に向かって回折し、そこで、それらは、ユーザの眼に向かって外部結合される。ＩＣＧ領域１６４０およびＥＰＥ領域１６６０は、図１５Ａ－１５Ｇに関して説明される接眼レンズ導波管１５００内の対応する領域と同一方法で機能するように設計されてもよい。しかしながら、ＭＰＥ領域１６５０は、光をより多くの方向に回折するという点で、ＯＰＥ領域１５５０と明確に異なる。本特徴は、有利には、ＥＰＥ領域１６６０内の光ビームの分布における周期的均一性を減少させ、これは、ひいては、ＥＰＥ領域をより均一に照明させることができる。
ＭＰＥ領域１６５０は、複数の方向において周期性を呈する、回折特徴から成る。ＭＰＥ領域１６５０は、２Ｄ格子模様に配列される散乱特徴のアレイから成ってもよい。個々の散乱特徴は、例えば、任意の形状のくぼみまたは突出部であることができる。散乱特徴の２Ｄアレイは、その２Ｄ格子模様のレシプロカル格子模様から導出される、関連付けられた格子ベクトルを有する。一実施例として、ＭＰＥ領域１６５０は、２つ以上の明確に異なる周期性の方向に沿って繰り返される格子ラインを伴う交差格子から成る、２Ｄ周期的回折格子であり得る。これは、周期性の異なる方向を伴う２つの１Ｄ格子を重畳することによって遂行されることができる。
図１６Ｂは、図１６Ａに示されるＭＰＥ領域１６５０内で使用され得る、例示的２Ｄ周期的格子の一部を、その関連付けられた格子ベクトルとともに図示する。２Ｄ周期的格子１６５０は、その周期性の方向がベクトルｕおよびｖによって図示される、回折特徴の空間格子模様であることができる。そのような２Ｄ周期的格子は、格子ベクトルと関連付けられる。周期性の方向ｕおよびｖに対応する、２つの基本格子ベクトルＧおよびＨは、以下によって数学的に定義される。
数学的に、ベクトルｕおよびｖは、空間格子模様を定義し、ＧおよびＨは、基本二重、すなわち、レシプロカル格子模様ベクトルに対応する。Ｇは、ｕに直交し、Ｈは、ｖに直交することに留意されたい。しかしながら、ｕは、必ずしも、Ｈと平行ではなく、ｖは、必ずしも、Ｇと平行ではない。
一実施例として、２Ｄ周期的格子は、図１６Ｂに示されるように、２セットの１Ｄ周期的格子ラインを重畳することによって設計または形成されることができる（但し、２Ｄ周期的格子は、代わりに、例えば、図１６Ｂに示される格子ラインの交点に位置する、個々の散乱特徴から成り得る）。第１のセットの格子ライン１６５６は、基本格子ベクトルＧの方向に沿って繰り返されることができる。基本格子ベクトルＧは、２π／ａと等しい大きさを有することができ、式中、ａは、第１のセットの格子ライン１６５６の周期である。図１６Ｂに示される２Ｄ格子はまた、第１の基本格子ベクトルＧの高調波と関連付けられる。これらは、－Ｇおよび２Ｇ、－２Ｇ等の高次高調波を含む。第２のセットの格子ライン１６５７は、基本格子ベクトルＨの方向に沿って繰り返されることができる。基本格子ベクトルＨは、２π／ｂと等しい大きさを有することができ、式中、ｂは、第２のセットの格子ライン１６５７の周期である。図１６Ｂに示される２Ｄ格子はまた、第２の基本格子ベクトルＨの高調波と関連付けられる。これらは、－Ｈおよび２Ｈ、－２Ｈ等の高次高調波を含む。
回折特徴の任意の２Ｄ周期的アレイは、レシプロカル格子模様全体に対応し、基本格子ベクトルＧおよびＨの整数線形組み合わせ（重畳）によって決定された方向を指す、関連付けられた格子ベクトルを有するであろう。図示される実施形態では、これらの重畳は、付加的格子ベクトルをもたらし、これはまた、図１６Ｂに示される。これらは、例えば、－Ｇ、－Ｈ、Ｈ＋Ｇ、Ｈ－Ｇ、Ｇ－Ｈ、および－（Ｈ＋Ｇ）を含む。典型的には、これらのベクトルは、（±１，０）、（０，±１）、（±１，±１）、（±２，０）等の２つのインデックスを用いて説明される。図１６Ｂは、一次格子ベクトルおよび２Ｄ回折格子と関連付けられたその重畳のみを図示するが、高次格子ベクトルもまた、存在してもよい。
本明細書の他の場所ですでに議論されたように、画像を構成する光ビームのセットに及ぼす格子のｋ－空間作用は、格子と関連付けられた格子ベクトルを使用して、画像に対応するＦＯＶ矩形を平行移動させることである。これは、図１６Ｂに示される例示的２Ｄ ＭＰＥ回折格子に関して図１６Ｃおよび１６Ｄに示される。
図１６Ｃは、図１６Ａに示される接眼レンズ導波管１６００のＭＰＥ領域１６５０のｋ－空間作用を図示する、ｋ－空間略図である。ｋ－空間略図は、ｋ－空間環の９時位置の近傍に位置する陰影付きＦＯＶ矩形を含む。これは、ＩＣＧ領域１６４０が、入力ビームを接眼レンズ導波管１６００の中に結合し、ＭＰＥ領域１６５０に向かって再指向した後の、ＦＯＶ矩形の場所である。図１６Ｃは、ＭＰＥ領域１６５０内の２Ｄ格子が、図１６Ｂに示される格子ベクトルを使用して、ＦＯＶ矩形を平行移動させる方法を示す。８つの格子ベクトル（Ｇ、Ｈ、－Ｇ、－Ｈ、Ｈ＋Ｇ、Ｈ－Ｇ、Ｇ－Ｈ、および－（Ｈ＋Ｇ））が存在するため、ＭＰＥ領域１６５０は、ＦＯＶ矩形を８つの可能性として考えられる新しいｋ－空間場所に平行移動させるように試みる。これらの８つの可能性として考えられるｋ－空間場所のうち、６つは、ｋ－空間略図の外側周縁外にある。これらは、非陰影付きＦＯＶ矩形を用いて図示される。ｋ－空間略図の境界の外側のｋ－ベクトルは、許容されないため、６つの格子ベクトルのうちのいずれも、回折をもたらさない。しかしながら、ｋ－空間略図の境界内の新しい位置へのＦＯＶ矩形の平行移動をもたらす、２つの格子ベクトル（すなわち、－Ｇおよび－（Ｈ＋Ｇ））が存在する。これらの場所のうちの一方は、ｋ－空間環内の６時位置の近傍にあって、他方は、２時位置の近傍にある。これらの場所におけるｋ－ベクトルは、許容され、誘導伝搬モードをもたらすため、これらの場所におけるＦＯＶ矩形は、陰影が付けられ、光のビームがそれらの２つの状態に回折されることを示す。したがって、ｋ－空間環の９時位置の近傍に位置するＦＯＶ矩形によって示される伝搬角度を伴ってＭＰＥ領域１６５０に入射する、光のビームのパワーは、部分的に、他の２つの陰影付きＦＯＶ矩形（すなわち、２時位置の近傍のＦＯＶ矩形および６時位置の近傍のＦＯＶ矩形）によって示される状態の両方に回折される。
図１６Ｄは、図１６Ａに示される接眼レンズ導波管１６００のＭＰＥ領域１６５０のｋ－空間作用をさらに図示する、ｋ－空間略図である。本特定のｋ－空間略図は、ｋ－空間環の２時位置の近傍に位置するＦＯＶ矩形によって図示される伝搬状態にある、光のビームへのＭＰＥ領域１６５０の作用を図示する。再び、ＭＰＥ領域１６５０内の２Ｄ回折格子は、これらの光のビームをその８つの関連付けられた格子ベクトルによって規定された回折次数に回折するように試みる。示されるように、格子ベクトルのうちの６つは、ＦＯＶ矩形をｋ－空間略図の境界の外側の位置に平行移動させるであろう。したがって、それらの回折次数は、生じない。これらの位置は、非陰影付きＦＯＶ矩形を用いて図示される。しかしながら、格子ベクトルのうちの２つ（すなわち、ＨおよびＨ－Ｇ）は、ＦＯＶ矩形をｋ－空間略図の境界内の位置に平行移動させる。これらは、ｋ－空間環の９時位置の近傍および６時位置の近傍に位置する陰影付きＦＯＶ矩形によって図示される。したがって、ＭＰＥ領域１６５０内の２Ｄ回折格子は、部分的に、ｋ－空間環の２時位置の近傍に位置するＦＯＶ矩形によって示される方向に伝搬するビームのパワーを他の２つの陰影付きＦＯＶ矩形（すなわち、９時位置の近傍のＦＯＶ矩形および６時位置の近傍のＦＯＶ矩形）によって示される状態の両方に回折する。
図示されないが、類似ｋ－空間略図が、ｋ－空間環の６時位置の近傍に位置するＦＯＶ矩形によって示される伝搬角度を伴って進行する光のビームに及ぼすＭＰＥ領域１６５０のｋ－空間作用を図示するように導き出され得る。そのｋ－空間略図は、ＭＰＥ領域１６５０内の２Ｄ周期回折格子が、部分的に、それらのビームのパワーをｋ－空間環の９時位置の近傍および２時位置の近傍に位置する２つの陰影付きＦＯＶ矩形によって示される状態の両方に回折することを示すであろう。
図１６Ｅは、図１６Ａに示される接眼レンズ導波管１６００のｋ－空間作用を図示する、ｋ－空間略図である。すでに述べられたように、接眼レンズ導波管１６００は、概して、－ｚ－方向に伝搬し、外側源から導波管１６００のＩＣＧ領域１６４０上に入射する、光の入力ビームを受け取ることができる。それらの入力ビームは、ｋ－空間略図の原点におけるｋｚ－軸上に中心合わせされる、ＦＯＶ矩形によって表される。ＩＣＧ領域１６４０は、次いで、それらが、誘導され、ｋ－空間環の９時位置の近傍に位置するＦＯＶ矩形の中心点に対応する伝搬方向の周囲に中心合わせされる、伝搬角度を有するように、入力ビームを回折する。
誘導ビームは、ＭＰＥ領域１６５０に入射し、そこで、それらは、複数の相互作用を有することができる。相互作用の各生成の間、ビームのそれぞれのパワーの一部は、ゼロ次回折し、ＭＰＥ領域１６５０を通して、同一方向に伝搬し続けることができる。相互作用の第１の生成では、例えば、本ゼロ次回折は、ｋ－空間環の９時位置の近傍に位置するＦＯＶ矩形によって示される状態に留まる、それらのビームのパワーのその部分に対応する。ビームのパワーの他の部分は、新しい方向に回折されることができる。再び、相互作用の第１の生成では、これは、ｋ－空間環の２時位置の近傍に位置するＦＯＶ矩形の中心点に対応する伝搬方向の周囲に中心合わせされる、伝搬角度と、６時位置の近傍に位置するＦＯＶ矩形の中心点に対応する、伝搬方向とを有する、個別の回折ビームを作成する。
ビームが、ＭＰＥ領域１６５０内に留まる限り、それらは、付加的相互作用を被り、それぞれ、ゼロ次回折し、同一方向に継続する、または新しい方向に回折される、ビームのパワーの部分をもたらし得る。これは、図１６Ｅに示されるｋ－空間環内のＦＯＶ矩形の中心点によって示される伝搬方向のそれぞれの周囲に中心合わせされる伝搬角度を有する、空間的に分散された回折ビームのセットをもたらす。本挙動は、ｋ－空間環内の各対のＦＯＶ矩形間の両矢印によって表される。
任意の所与の光の入力ビームは、ＭＰＥ領域１６５０内を伝搬するにつれて、３つの許容方向にのみ進行し得る、多くの回折ビームに分裂され、各方向は、図１６Ｅにおけるｋ－空間略図の環内のＦＯＶ矩形内の対応するｋ－ベクトル、すなわち、点によって定義される。（これは、ＭＰＥ領域１６５０内を伝搬する任意の光の入力ビームに該当する。しかしながら、３つの許容方向は、各初期入力ビームがＭＰＥ領域１６５０に入射する伝搬角度に応じて、若干異なるであろう。）また、任意の所与の光の入力ビームのパワーの一部は、ＭＰＥ領域１６５０との任意の数の相互作用後、同一の３つの伝搬方向のいずれかに回折されるため、画像情報は、これらの相互作用全体を通して保存される。
ＯＰＥ領域１５５０の２つの許容可能伝搬方向とは対照的に、入力ビーム毎に３つの許容可能伝搬方向を有する、ＭＰＥ領域１６５０と関連付けられた利点が存在する。これらの利点は、下記にさらに議論されるが、ここでは、ＭＰＥ領域１６５０内の伝搬方向の増加された数は、ＭＰＥ領域１６５０内により複雑な分布の干渉ノードをもたらし得、これは、ひいては、ＥＰＥ領域１６６０内の照明の均一性を改良し得ると言うにとどめておく。
図１６Ｅは、ＭＰＥ領域１６５０の一例示的実施形態のｋ－空間作用を図示することを理解されたい。他の実施形態では、ＭＰＥ領域１６５０は、各光の入力ビームがＭＰＥ領域内で３つを上回る方向に回折し得るように、設計されることができる。例えば、いくつかの実施形態では、ＭＰＥ領域１６５０は、４方向、５方向、６方向、７方向、８方向等において各光の入力ビームの回折を可能にするように設計されてもよい。すでに議論されたように、ＭＰＥ領域１６５０内の回折特徴は、ＦＯＶ矩形を選択された回折方向に対応するｋ－空間環内の場所にコピーする、格子ベクトルを提供するように設計されることができる。加えて、ＭＰＥ領域１６５０内の回折特徴は、格子ベクトルの大きさに対応する周期を用いて設計されることができ、これは、ＦＯＶ矩形のこれらのコピーが全体的にｋ－空間環内にある（かつＦＯＶ矩形の他の試みられたコピーが、全体的にｋ－空間略図の外側周縁外にあるような）結果をもたらす。
いくつかの実施形態では、ＭＰＥ領域１６５０の内側の所与の光のビームに関する許容される伝搬方向のそれぞれの間の角度分離は、少なくとも４５度である。任意の対の選択された方向間の角度分離が、本量未満である場合、ＭＰＥ領域１６５０内の回折特徴は、それらの角度遷移をｋ－空間環内で行なうための格子ベクトルを提供するように設計される必要があるであろう。そのような格子ベクトルは、より小さい角度分離に起因して、ｋ－空間環のサイズと比較して、比較的に短いであろう。これは、基本ＭＰＥ格子ベクトルの重畳が、部分的にのみｋ－空間環内にあるＦＯＶ矩形のコピーを作成するであろう可能性をより高くし得、これは、画像情報の損失をもたらし得る（本明細書でさらに議論されるように、慎重に行われない場合）。加えて、ＭＰＥ領域１６５０内の任意の対の許容される伝搬方向間の角度分離が、小さくなりすぎる場合、結果として生じる比較的に短い格子ベクトルもまた、格子ベクトル重畳が、部分的にｋ－空間略図の中心円板の内側にある、ＦＯＶ矩形のコピーを作成するであろう可能性をより高くし得る。これは、光が、接眼レンズ導波管１６００から、ユーザの眼に向かって、指定されるＥＰＥ領域１６６０の外側の場所から外部結合される結果をもたらし得るため、望ましくあり得ない。
ＭＰＥ領域１６５０内の許容可能伝搬方向を決定するとき、種々の設計ガイドラインが、模範とされ得る。例えば、許容可能伝搬方向は、１つがＩＣＧ領域１６４０からＭＰＥ領域１６５０への方向に対応するように選択されることができる。加えて、許容可能伝搬方向は、１つのみが、ＭＰＥ領域１６５０の内側の場所からその方向に伝搬する、光のビームをＥＰＥ領域１６６０と交差させるであろうように選択されることができる。これは、ＥＰＥ領域１６６０に入射する光の複製ビームが、同一伝搬角度を伴って各入力ビームに対応することを確実にする。加えて、ＭＰＥ領域１６５０の内側の許容可能伝搬方向は、ＦＯＶ矩形が重複しないように選択されることができる。ＦＯＶ矩形の重複は、異なる像点からの画像情報の混合をもたらし得、残影画像を生じさせ得る。
図１６Ｆは、入力ビームと図１６Ａに示される接眼レンズ導波管実施形態のＭＰＥ領域１６５０との間の相互作用の第１の生成の略図である。図１６Ｆは、ＩＣＧ領域１６４０からＭＰＥ領域１６５０に入射する、入力ビームを示す。入力ビームは、図１６Ｅにおけるｋ－空間環の９時位置の近傍に位置するＦＯＶ矩形の中心点、すなわち、ｋ－ベクトルに対応する方向に伝搬するように示される。
ＭＰＥ領域１６５０は、多くの１μｍ以下の特徴を含むことができる。また、ＭＰＥ領域との相互作用毎に、入力の約１ｍｍ径ビームは、ＴＩＲにおいて３つの異なる方向に伝搬する、３つのビーム（同一直径であるが、入力ビームのオリジナルパワーのある割合を伴う）に分裂されるであろう。１つの方向は、ゼロ次回折に対応し、導波管の平面におけるオリジナル伝搬角度である。他の２つの方向は、ＭＰＥ領域１６５０の格子ベクトルＧおよびＨに依存する。示されるように、入力ビームとＭＰＥ領域１６５０との間の相互作用の第１の生成は、３つのビームをもたらす。すなわち、入力ビームのパワーの一部は、単に、接眼レンズ導波管１６００の上部表面または底部表面から出力１としての反射し、入力ビームと同一ｘ－ｙ方向に継続し（すなわち、０次回折）、入力ビームのパワーの一部は、ＭＰＥ領域１６５０内の２Ｄ格子と相互作用し、出力２として下向きに回折され、入力ビームのパワーの一部は、格子と相互作用し、出力３として上向きかつ右に回折される。出力２ビームは、図１６Ｅにおけるｋ－空間環の６時位置の近傍に位置するＦＯＶ矩形の中心点、すなわち、ｋ－ベクトルに対応する方向に伝搬するように示される一方、出力３ビームは、２時位置の近傍に位置するＦＯＶ矩形の中心点、すなわち、ｋ－ベクトルに対応する方向に伝搬するように示される。本相互作用の第１の生成後、出力１ビーム、出力２ビーム、および出力３ビームは、図１６Ｇ－１６Ｉに示されるように、異なる伝搬角度を有するが、それらは全て、依然として、ＭＰＥ領域１６５０内を伝搬し、したがって、ＭＰＥ領域との付加的相互作用を有し得る。図示されないが、異なる伝搬角度を伴ってＭＰＥ領域１６５０に入射する他の入力ビームは、同様にではあるが、若干異なる入力および出力角度を伴って挙動するであろう。
図１６Ｇは、入力ビームと図１６Ａに示される接眼レンズ導波管実施形態のＭＰＥ領域１６５０との間の相互作用の第２の生成の略図である。相互作用の第１の生成に関連するビームは、破線を用いて示される一方、相互作用の第２の生成に関連するビームは、実線を用いて示される。図１６Ｇに示されるように、相互作用の第１の生成からの出力ビーム、出力１、出力２、および出力３はそれぞれ、ここで、前の生成において生じたものと類似するＭＰＥ領域１６５０との相互作用を受け得る。すなわち、図１６Ｆからの出力１ビームのパワーの一部は、単に、同一ｘ－ｙ方向に継続する一方、そのビームのパワーの別の部分は、格子と相互作用し、６時位置の近傍に位置するＦＯＶ矩形に対応する方向に回折され、さらにそのビームのパワーの別の部分は、格子と相互作用し、２時位置の近傍に位置するＦＯＶ矩形に対応する方向に回折される。同様に、図１６Ｆからの出力２ビームのパワーの一部は、単に、ＥＰＥ領域１６６０に向かって継続する一方、そのビームのパワーの別の部分は、格子と相互作用し、９時位置の近傍に位置するＦＯＶ矩形によって示される方向に回折され、さらにそのビームのパワーの別の部分は、格子と相互作用し、２時位置の近傍に位置するＦＯＶ矩形に対応する方向に回折される。さらに、図１６Ｆからの出力３ビームのパワーの一部は、単に、２時位置の近傍に位置するＦＯＶ矩形によって示される方向に継続する一方、そのビームのパワーの別の部分は、格子と相互作用し、９時位置の近傍に位置するＦＯＶ矩形によって示される方向に回折され、さらにそのビームのパワーの別の部分は、格子と相互作用し、６時位置の近傍に位置するＦＯＶ矩形に対応する方向に回折される。
図１６Ｈは、入力ビームと図１６Ａに示される接眼レンズ導波管実施形態のＭＰＥ領域１６５０との間の相互作用の第３の生成の略図である。相互作用の第１および第２の生成に関連するビームは、破線を用いて示される一方、相互作用の第３の生成に関連するビームは、実線を用いて示される。図１６Ｈに示されるように、相互作用の第２の生成から生じた出力ビームはそれぞれ、再度、前の生成において生じたものと類似するＭＰＥ領域１６５０との相互作用を被り得る。
図１６Ｉは、入力ビームと図１６Ａに示される接眼レンズ導波管実施形態のＭＰＥ領域１６５０との間の相互作用の第４の生成の略図である。相互作用の第１、第２、および第３の生成に関連するビームは、破線を用いて示される一方、相互作用の第４の生成に関連するビームは、実線を用いて示される。全てのこれらの相互作用後、結果として生じるビームは全て、任意の所与の入力ビームに関してＭＰＥ領域１６５０の内側で許容される、３つの方向、すなわち、ｋ－空間環の９時位置の近傍に位置するＦＯＶ矩形に対応する方向、２時位置の近傍に位置するＦＯＶ矩形に対応する方向、または６時位置の近傍に位置するＦＯＶ矩形に対応する方向のうちの１つにおいて伝搬している。これらのビームの一部が、ＭＰＥ領域１６５０を通して伝搬する間、相互に交差し得る、ノードが存在するが、それらのノードの場所は、図１５Ｄ－１５Ｇに図示されたようなＯＰＥ領域１５５０の場合より複雑な分布を有する。さらに、ビームは、異なる経路を介して、これらのノードのそれぞれに到着し得、したがって、必ずしも、相互に同相ではないであろう。故に、干渉ノードの秩序付けられた分布から生じ得る、画像アーチファクトは、ＯＰＥ領域（例えば、１５５０）の代わりに、ＭＰＥ領域１６５０を使用する、接眼レンズ導波管実施形態１６００内で低減されることができる。これは、図１６Ｊおよび１６Ｋに見られ得る。
図１６Ｊは、ビームが、ＭＰＥ領域１６５０を通して、最終的には、ＥＰＥ領域１６６０に追従し得る、種々の経路を図示する、略図である。単一方向の変化のみを含む一方、その他が、複数の方向の変化を含む、いくつかの経路が存在する（但し、より長くてより複雑な経路のうちのいくつかは、必然的に、より少ないパワーを搬送するであろう）。ＭＰＥ領域１６５０内の別の回折角度の存在によって導入される複雑性に起因して、最終的には、ＥＰＥ領域１６６０を照明する、光のビーム１６６５間に多くの異なる間隔が存在する。また、実際、光ビーム１６６５間の任意の可能性として考えられる間隔は、ＭＰＥ領域１６５０内の十分な数の相互作用を通して達成されることができる。図１６Ｋに示されるように、これは、ＥＰＥ領域１６６０のより多くの均一照明をもたらし得る。
図１６Ｋは、ＩＣＧ領域１６４０からの単一入力ビーム１６４５が、ＭＰＥ領域１６５０によって複製され、ＥＰＥ領域１６６０に向かって複数のビーム１６６５として再指向される方法を図示する、略図である。これらのビーム１６６５はそれぞれ、ノードの稠密グリッドから生じる。依然として、これらの複製ビーム１６６５の一部の間には、間隙が存在し得るが、それらは、概して、ＯＰＥ領域（例えば、図１５Ｇに示されるような１５５０）から出力された複製ビーム間の間隙より小さく、かつ規則的ではない。全て異なる位置における、そのように多くの経路がＥＰＥ領域１６６０に向かって存在するため、ＭＰＥ領域１６５０は、複雑な射出瞳パターンを提供し、これは、ＥＰＥ領域１５６０をより均一に照明することができる。
図１６Ｌは、ＯＰＥ領域を伴う接眼レンズ導波管対ＭＰＥ領域を伴う接眼レンズ導波管の性能を図示する、対照比較である。左には、１Ｄ周期的回折格子を伴うＯＰＥ領域１５５０を含む、接眼レンズ導波管１５００が示される。すでに議論されたように、ＯＰＥ領域１５５０は、規則的に離間された複製光ビームの疎隔されたセットを用いて、ＥＰＥ領域１５６０を照明する。接眼レンズ導波管１５００の下方には、シミュレートされた出力画像がある。これは、全て同一色および明度を有するピクセルから成る入力画像に応答して、接眼レンズ導波管１５００のＥＰＥ領域１５６０から投影されるであろう、シミュレートされた出力画像である。
図１６Ｌは、右に、２Ｄ周期的回折格子を伴うＭＰＥ領域１６５０を含む、接眼レンズ導波管１６００を示す。図から分かるように、ＭＰＥ領域１６５０は、ＥＰＥ領域１６６０をより均一に照明する。接眼レンズ導波管１６００の下方には、左の接眼レンズ導波管１５００に関するシミュレーションにおいて使用された同一入力画像の結果である、シミュレートされた出力画像がある。右のシミュレートされた画像から、ＭＰＥ領域１６５０を使用する接眼レンズ導波管１６００が、より平滑かつより均一分布の出力光を達成することが明白である。対照的に、ＯＰＥ領域１５５０を伴う接眼レンズ導波管１５００のシミュレートされた出力である、左の画像は、可視高空間周波数条線を有し、これは、そのＥＰＥ領域１５６０を照明する複製光ビームの疎隔され、秩序付けられたセットから生じる。
図１６Ｍはさらに、ＭＰＥ領域を伴う接眼レンズ導波管対ＯＰＥ領域を伴う接眼レンズ導波管の性能を図示する。図１６Ｍにおけるグラフの上行は、図１５Ａに示される接眼レンズ導波管１５００の性能を図示する。本接眼レンズ導波管から投影された画像の水平断面のグラフは、比較的に高空間周波数変動を示し、これは、図１６Ｌに示されるシミュレートされた出力画像において条線として可視であった。図１６Ｍは、接眼レンズ導波管１５００が、１．２％のアイボックス効率を有することを示す。また、本接眼レンズ導波管と関連付けられた点拡がり関数を示す。点拡がり関数は、単一の明るい点の入力画像に応答して、接眼レンズ導波管から取得される、出力画像を図示する。これは、接眼レンズ導波管１５００が、２．５～５弧分（ａｒｃ ｍｉｎｕｔｅ）のぼけのみを有するため、非常に鮮明であることを示す。
接眼レンズ導波管１５００からの出力画像における高空間周波数変動を克服するための１つのアプローチは、ある程度のディザリングをＯＰＥ領域１５５０内に導入することである。例えば、小変動が、ＯＰＥ領域１５５０の配向角度および／または格子周期に導入されることができる。これは、ＯＰＥ領域１５５０内に存在し得る、干渉ノードの秩序付けられた性質を破壊するための試みにおいて行われる。図１６Ｍにおける第２および第３の行は、２つの異なるタイプのディザリングを伴う、接眼レンズ導波管１５００の性能を図示する。これらの導波管に関して投影された画像の水平断面から分かるように、高空間周波数変動が、依然として、存在する。さらに、これらのディザリングされた実施形態に関する点拡がり関数は、ある場合には、４５弧分ものはるかに大量のぼけを示す。
図１６Ｍの下行は、ＭＰＥ領域１６５０を伴う接眼レンズ導波管１６００の性能を図示する。本導波管に関する投影された画像の断面は、はるかに少ない高空間周波数変動を示す。依然として、低周波数空間変動が存在するが、これは、ソフトウェアを介して、高空間周波数変動よりはるかに容易に補正されることができる。本接眼レンズ導波管のアイボックス効率は、０．９％と、その他より若干低い。これは、ＭＰＥ領域１６５０が、入力光の一部を、図１６Ｅに示されるｋ－空間略図の環内の２時位置の近傍に位置するＦＯＶ矩形に対応する一般的方向に再指向するという事実に起因し得る。接眼レンズ導波管１６００の巨視的レイアウトに起因して、本伝搬方向を伴うＭＰＥ領域１６５０から出射する光は、決してＥＰＥ領域に入射せず、したがって、ユーザの眼に向かって投影されない。代わりに、導波管１６００の縁から喪失される。しかしながら、本光の損失は、アイボックス効率において比較的にわずかな減少のみをもたらす。一方、接眼レンズ導波管１６００に関する点拡がり関数は、２．５～５弧分のみのぼけを伴って、非常に鮮明であることを示す。
図１６Ａ－１６Ｍは、入力ビーム毎に３つの許容可能伝搬方向を有する、ＭＰＥ領域１６５０を伴う接眼レンズ導波管１６００を図示する。しかしながら、ＭＰＥ領域の他の実施形態は、入力ビーム毎にさらにより多くの伝搬方向を可能にするように設計されることができる。１つのそのような実施例は、図１７Ａ－１７Ｇに図示される。これらの図は、その巨視的設計では、接眼レンズ導波管１６００と同じである、接眼レンズ導波管１７００を図示する。すなわち、接眼レンズ導波管１７００は、ＩＣＧ領域１７４０と、ＭＰＥ領域１７５０と、ＥＰＥ領域１７６０とを含み、これは全て、図１６Ａに示される接眼レンズ導波管１６００内の対応する領域と同一方法で配列される。しかしながら、接眼レンズ導波管１７００は、そのＭＰＥ領域１７５０の微視的設計において異なる。
図１７Ａは、接眼レンズ導波管１７００のＭＰＥ領域１７５０内で使用され得る、例示的２Ｄ格子の一部を、その関連付けられた格子ベクトルとともに図示する。２Ｄ周期的格子１７５０は、その周期性の方向がｕおよびｖである、回折特徴の空間格子模様であることができる。すでに議論されたように、そのような２Ｄ周期的格子は、基本格子ベクトルＧおよびＨと関連付けられる。一実施例として、２Ｄ周期的格子１７５０は、２セットの１Ｄ周期的格子ラインを重畳することによって設計または形成されることができる（但し、２Ｄ周期的格子は、代わりに、例えば、図１７Ａに示される格子ラインの交点に位置する個々の散乱特徴から成り得る）。第１のセットの格子ライン１７５６は、基本格子ベクトルＧの方向に沿って繰り返されることができる。基本格子ベクトルＧは、２π／ａと等しい大きさを有することができ、式中、ａは、第１のセットの格子ライン１７５６の周期である。図１７Ｂに示される２Ｄ格子はまた、第１の基本格子ベクトルＧの高調波と関連付けられる。これらは、－Ｇおよび２Ｇ、－２Ｇ等の高次高調波を含む。第２のセットの格子ライン１７５７は、基本格子ベクトルＨの方向に沿って繰り返されることができる。基本格子ベクトルＨは、２π／ｂと等しい大きさを有することができ、式中、ｂは、第２のセットの格子ライン１６５７の周期である。図１７Ｂに示される２Ｄ格子はまた、第２の基本格子ベクトルＨの高調波と関連付けられる。これらは、－Ｈおよび２Ｈ、－２Ｈ等の高次高調波を含む。また、すでに議論されたように、任意の２Ｄ周期的アレイ回折特徴は、基本格子ベクトルの整数線形組み合わせ（重畳）によって決定された方向を指す、関連付けられた格子ベクトルを有するであろう。この場合、これらの重畳は、付加的格子ベクトルをもたらす。これらは、例えば、－Ｇ、－Ｈ、Ｈ＋Ｇ、Ｈ－Ｇ、Ｇ－Ｈ、および－（Ｈ＋Ｇ）を含む。図１７Ａは、一次格子ベクトルおよび２Ｄ回折格子と関連付けられたその重畳のみを図示するが、高次格子ベクトルもまた、存在してもよい。
図１７Ｂは、接眼レンズ導波管１７００のＭＰＥ領域１７５０のｋ－空間作用を図示する、ｋ－空間略図である。ｋ－空間略図は、ｋ－空間環の９時位置の近傍に位置する陰影付きＦＯＶ矩形を含む。これは、ＩＣＧ領域１７４０が、入力ビームを接眼レンズ導波管１７００の中に結合し、それらをＭＰＥ領域１７５０に向かって再指向した後の、ＦＯＶ矩形の場所である。図１７Ｂは、ＭＰＥ領域１７５０内の２Ｄ格子が、図１７Ａに示される格子ベクトルを使用して、ＦＯＶ矩形を平行移動させる方法を示す。８つの格子ベクトルが存在するため、ＭＰＥ領域１７５０は、ＦＯＶ矩形をｋ－空間略図内の８つの可能性として考えられる新しい場所に平行移動させるように試みる。これらの８つの可能性として考えられる場所のうち、５つが、ｋ－空間略図の外側周縁の外側にある。これらの場所は、非陰影付きＦＯＶ矩形を用いて図示される。ｋ－空間略図の外側周縁の外側のｋ－ベクトルは、許容されないため、それらの５つの格子ベクトルのいずれも、回折をもたらさない。しかしながら、ｋ－空間略図の境界内の新しい位置へのＦＯＶ矩形の平行移動をもたらす、３つの格子ベクトル（すなわち、－Ｈ、－Ｇ、および－（Ｈ＋Ｇ））が存在する。これらの場所のうちの１つは、ｋ－空間環内の６時位置の近傍にあって、別のものは、１２時位置の近傍にあって、最後のものは、３時位置の近傍にある。これらの場所におけるｋ－ベクトルは、許容され、誘導伝搬モードをもたらすため、これらの場所におけるＦＯＶ矩形は、光のビームがそれらの３つの状態に回折されることを示すように陰影が付けられる。したがって、ｋ－空間環の９時位置の近傍に位置するＦＯＶ矩形によって示される伝搬角度を伴ってＭＰＥ領域１７５０に入射する光のビームは、他の３つの陰影付きＦＯＶ矩形（すなわち、１２時位置の近傍のＦＯＶ矩形、３時位置の近傍のＦＯＶ矩形、および６時位置の近傍のＦＯＶ矩形）によって示される状態の全てに回折される。
図示されないが、類似ｋ－空間略図が、ｋ－空間環の１２時位置の近傍、３時位置の近傍、および６時位置の近傍に位置するＦＯＶ矩形によって示される伝搬角度を伴って進行する光のビームに及ぼされるＭＰＥ領域１７５０のｋ－空間作用を図示するために導き出され得る。それらのｋ－空間略図は、ＭＰＥ領域１７５０内の２Ｄ回折格子がそれらのビームを図１７Ｂにおけるｋ－空間略図の環内の陰影付きＦＯＶ矩形によって示される残りの状態の全てに回折することを示すであろう。
図１７Ｃは、接眼レンズ導波管１７００のｋ－空間作用を図示する、ｋ－空間略図である。接眼レンズ導波管１７００は、概して、－ｚ－方向に伝搬し、外側源から導波管１７００のＩＣＧ領域１７４０上に入射する、光の入力ビームを受け取ることができる。それらの入力ビームは、ｋ－空間略図の原点におけるｋｚ－軸上に中心合わせされるＦＯＶ矩形によって表される。ＩＣＧ領域１７４０は、次いで、それらが、誘導され、ｋ－空間環の９時位置の近傍に位置するＦＯＶ矩形の中心点に対応する、伝搬方向の周囲に中心合わせされる伝搬角度を有するように、入力ビームを回折する。
回折ビームは、ＭＰＥ領域１７５０に入射し、そこで、それらは、複数の相互作用を有し得る。相互作用の各生成の間、ビームのそれぞれのパワーの一部は、ＭＰＥ領域１７５０を通して、同一方向に伝搬し続ける。相互作用の第１の生成では、例えば、これは、９時位置の近傍に位置するＦＯＶ矩形によって示される状態に留まるそれらのビームのパワーのその部分に対応するであろう。ビームのパワーの他の部分は、新しい方向に回折されることができる。再び、相互作用の第１の生成では、これは、ｋ－空間環の１２時位置の近傍に位置するＦＯＶ矩形の中心点、３時位置の近傍に位置するＦＯＶ矩形の中心点、および６時位置の近傍に位置するＦＯＶ矩形の中心点に対応する、伝搬方向の周囲に中心合わせされる伝搬角度を有する、個別の回折ビームを作成する。
各相互作用後、依然として、ＭＰＥ領域１７５０内に留まる、回折ビームは、付加的相互作用を被り得る。これらの付加的相互作用はそれぞれ、ビームのパワーの一部が、ゼロ次回折し、同一方向に継続する一方、ビームのパワーの一部が、新しい方向に回折される結果をもたらす。これは、図１７Ｃに示されるｋ－空間環内のＦＯＶ矩形の中心点によって示される伝搬方向のそれぞれの周囲に中心合わせされる伝搬角度を有する、空間的に分散された回折ビームのセットをもたらす。これは、ｋ－空間環内の各対のＦＯＶ矩形間の両矢印によって表される。言い換えると、ＭＰＥ領域１７５０内を伝搬する光のビームは、ｋ－空間環内のＦＯＶ矩形のうちの１つによって表される任意の伝搬状態からこれらの伝搬状態のうちの任意の他のものに遷移することができる。
任意の所与の光の入力ビームが、ＭＰＥ領域１７５０内を伝搬するにつれて、多くの回折ビームに分裂され、これは、４つの可能にされる方向にのみ進行し得る。各方向は、図１７Ｃにおけるｋ－空間略図の環内のＦＯＶ矩形内の対応するｋ－ベクトル、すなわち、点によって定義される。（これは、ＭＰＥ領域１７５０内を伝搬する任意の光の入力ビームに該当する。しかしながら、４つの可能にされる方向は、各初期入力ビームがＭＰＥ領域１７５０に入射する伝搬角度に応じて、若干異なるであろう。）また、任意の所与の光の入力ビームのパワーの一部は、ＭＰＥ領域１７５０との任意の数の相互作用後、同一の４つの伝搬方向に回折されるため、画像情報は、これらの相互作用全体を通して保存される。図１６Ａ－１６Ｍに関して説明されるＭＰＥ領域１６５０と比較して、ＭＰＥ領域１７５０内で許容される付加的伝搬方向は、ＥＰＥ領域１７６０内の照明の均一性におけるさらなる改良をもたらし得る。これは、図１７Ｄ－１７Ｇに示される略図に見られ得る。
図１７Ｄは、入力ビームと接眼レンズ導波管１７００のＭＰＥ領域１７５０との間の相互作用の第１の生成の略図である。図１７Ｄは、ＩＣＧ領域１７４０からＭＰＥ領域１７５０に入射する、入力ビームを示す。入力ビームは、図１７Ｃにおけるｋ－空間環の９時位置の近傍に位置するＦＯＶ矩形の中心点、すなわち、ｋ－ベクトルに対応する方向に伝搬するように示される。
ＭＰＥ領域１７５０は、多くの１μｍ以下の特徴を含むことができる。また、ＭＰＥ領域との相互作用毎に、約１ｍｍ径ビームは、ＴＩＲにおいて４つの異なる方向に伝搬する、４つのビーム（同一直径であるが、入力ビームのオリジナルパワーのある割合を伴う）に分裂されるであろう。１つの方向は、ゼロ次回折に対応し、導波管の平面におけるオリジナル角度である。他の３つの方向は、ＭＰＥ領域１７５０の格子ベクトルＧおよびＨに依存する。示されるように、入力ビームとＭＰＥ領域１７５０との間の相互作用の第１の生成は、４つのビームをもたらす。すなわち、入力ビームのパワーの一部は、単に、出力１として、接眼レンズ導波管１７００の上部表面または底部表面から反射し、入力ビームと同一ｘ－ｙ方向に継続し（すなわち、０次回折）、入力ビームのパワーの一部は、格子と相互作用し、出力２として下向きに回折され、入力ビームのパワーの一部は、格子と相互作用し、出力３として上向きに回折され、入力ビームのパワーの一部は、格子と相互作用し、出力４として右に回折される。出力２ビームは、図１７Ｃにおけるｋ－空間環の６時位置の近傍に位置するＦＯＶ矩形の中心点、すなわち、ｋ－ベクトルに対応する方向に伝搬するように示される一方、出力３ビームは、１２時位置の近傍に位置するＦＯＶ矩形の中心点、すなわち、ｋ－ベクトルに対応する方向に伝搬するように示され、出力４ビームは、３時位置の近傍に位置するＦＯＶ矩形の中心点、すなわち、ｋ－ベクトルに対応する方向に伝搬するように示される。本相互作用の第１の生成後、出力１ビーム、出力２ビーム、出力３ビーム、および出力４ビームは、図１７Ｅ－１７Ｇに示されるように、異なる伝搬角度を有するが、それらは全て、依然として、ＭＰＥ領域１７５０内を伝搬し、したがって、ＭＰＥ領域と付加的相互作用を有し得る。図示されないが、異なる伝搬角度を伴ってＭＰＥ領域１７５０に入射する、他の入力ビームは、同様であるが、若干異なる入力および出力角度を伴って挙動するであろう。
図１７Ｅは、入力ビームと接眼レンズ導波管１７００のＭＰＥ領域１７５０との間の相互作用の第２の生成の略図である。相互作用の第１の生成に関連するビームは、破線を用いて示される一方、相互作用の第２の生成に関連するビームは、実線を用いて示される。図１７Ｄに示されるように、相互作用の第１の生成からの出力ビーム、すなわち、出力１、出力２、出力３、および出力４はそれぞれ、ここで、前の生成において生じたものと類似するＭＰＥ領域１７５０との相互作用を受け得る。すなわち、図１７Ｄからの出力１ビームのパワーの一部は、単に、同一ｘ－ｙ方向に継続する一方、そのビームのパワーの他の部分は、格子と相互作用し、１２時位置の近傍、３時位置の近傍、および６時位置の近傍に位置するＦＯＶ矩形に対応する方向に回折される。同様に、図１７Ｄからの出力２ビームのパワーの一部は、単に、ＥＰＥ領域１７６０に向かって継続する一方、そのビームのパワーの他の部分は、格子と相互作用し、９時位置の近傍、１２時位置の近傍、および３時位置の近傍に位置するＦＯＶ矩形によって示される、方向に回折される。さらに、図１７Ｄからの出力３ビームのパワーの一部は、単に、１２時位置の近傍に位置するＦＯＶ矩形によって示される方向に継続する一方、そのビームのパワーの他の部分は、格子と相互作用し、３時位置の近傍、６時位置の近傍、および９時位置の近傍に位置するＦＯＶ矩形によって示される、方向に回折される。最後に、図１７Ｄからの出力４ビームのパワーの一部は、単に、３時位置の近傍に位置するＦＯＶ矩形によって示される方向に継続する一方、そのビームのパワーの他の部分は、格子と相互作用し、６時位置の近傍、９時位置の近傍、および１２時位置の近傍に位置するＦＯＶ矩形によって示される、方向に回折される。
図１７Ｆは、入力ビームと接眼レンズ導波管実施形態１７００のＭＰＥ領域１７５０との間の相互作用の第３の生成の略図である。相互作用の第１および第２の生成に関連するビームは、破線を用いて示される一方、相互作用の第３の生成に関連するビームは、実線を用いて示される。図１７Ｆに示されるように、相互作用の第２の生成から生じた出力ビームはそれぞれ、再度、前の生成において生じたものと類似するＭＰＥ領域１７５０との相互作用を被り得る。
図１７Ｇは、入力ビームと接眼レンズ導波管実施形態１７００のＭＰＥ領域１７５０との間の相互作用の第４の生成の略図である。相互作用の第１、第２、および第３の生成に関連するビームは、破線を用いて示される一方、相互作用の第４の生成に関連するビームは、実線を用いて示される。全てのこれらの相互作用後、結果として生じるビームは全て、任意の所与の入力ビームに関するＭＰＥ領域１７５０との４つの許容される伝搬方向、すなわち、ｋ－空間環の９時位置の近傍に位置するＦＯＶ矩形に対応する方向、１２時位置の近傍に位置するＦＯＶ矩形に対応する方向、３時位置の近傍に位置するＦＯＶ矩形に対応する方向、または６時位置の近傍に位置するＦＯＶ矩形に対応する方向のうちの１つにおいて伝搬している。これらのビームの一部が、ＭＰＥ領域１７５０を通して伝搬する間、相互に交差し得る、ノードが存在するが、それらのノードの場所は、図１６Ａ－１６Ｍに図示されたようなＭＰＥ領域１６５０の場合よりさらに複雑な分布を有する。さらに、これらのノードは、２つの同相ビーム間の干渉をもたらす可能性がさらに低い。故に、本ＭＰＥ領域１７５０は、ＥＰＥ領域１７６０のさらにより均一の照明をもたらし得る。
概要として、本明細書に説明されるＭＰＥ領域は、以下の利点の一部または全部が可能である。すなわち、ＭＰＥ領域は、画像瞳を複数の方向に一度に拡張させることができる。ＭＰＥ領域は、出力瞳の稠密な非周期的アレイを作成することができる。ＭＰＥ領域は、導波管を通した光経路間の干渉効果を低減させることができる。ＭＰＥベースの接眼レンズ導波管は、低減された高周波数条線および高画像鮮明度を伴って、改良された輝度均一性を達成することができる。
（入力ビームを複製するための複数の明確に異なる領域を伴う、例示的ＡＲ接眼レンズ導波管）
図１８Ａは、ＩＣＧ領域１８４０と、２つの直交瞳エクスパンダ（ＯＰＥ）領域１８５０ａ、１８５０ｂと、射出瞳エクスパンダ（ＥＰＥ）領域１８６０とを伴う、例示的接眼レンズ導波管１８００を図示する。図１８Ａはまた、ｋ－空間内の接眼レンズ導波管１８００のこれらのコンポーネントのそれぞれの効果を図示する、ｋ－空間略図を含む。接眼レンズ導波管１８００のＩＣＧ領域１８４０、ＯＰＥ領域１８５０ａ、１８５０ｂ、およびＥＰＥ領域１８６０は、入力ビームを接眼レンズ導波管１８００の中に結合し、誘導モードを介して伝搬し、空間的に分散された様式においてビームを複製し、複製ビームを接眼レンズ導波管から出射させ、ユーザの眼に向かって投影させる、種々の回折特徴を含む。特に、接眼レンズ導波管１８００は、入力ビームを複製するための複数の明確に異なるおよび／または非連続的領域を含む。これらの明確に異なる領域からの複製ビームは、共通射出瞳領域内で再度組み合わせられることができる。
図１８Ａに図示される接眼レンズ導波管１８００は、図１４Ａに図示される接眼レンズ導波管１４００に類似するが、１つの代わりに、２つのＯＰＥ領域１８５０ａ、１８５０ｂを含む。接眼レンズ導波管１４００内のＩＣＧ領域１４４０は、入力ビームを＋１および－１回折次数に回折したが、これらの回折次数のうちの１つにおけるビームは、ＯＰＥ領域１４５０から離れるように伝搬し、最終的には、接眼レンズ導波管から喪失されたことを思い出されたい。故に、入力ビームからの光の一部は、喪失された。図１８Ａに示される接眼レンズ導波管１８００は、ＩＣＧ領域１８４０の両側に１つずつ、２つのＯＰＥ領域１８５０ａ、１８５０ｂを含むことによって、これを修正する。このように、接眼レンズ導波管１８００は、ＩＣＧ１８４０の＋１および－１回折次数の両方を利用することができる。
ＩＣＧ領域１８４０の動作は、図１４Ａおよび１４ＢにおけるＩＣＧ領域１４４０に関して説明されたものに類似する。図１４Ｂに示される同一ｋ－空間略図ＫＳＤ１はまた、図１８ＡにおけるＩＣＧ領域１８４０上に入射する入力ビームのセットに対応する、ＦＯＶ矩形の例証である。すなわち、入力ビームが、ＩＣＧ領域１８４０上に入射する前に、ＦＯＶ矩形は、ｋ－空間略図の原点に中心合わせされる。
図１８Ａにおけるｋ－空間略図ＫＳＤ２は、ＩＣＧ領域１８４０のｋ－空間内の作用を図示する。すなわち、図１４Ｂにおける対応するｋ－空間略図に関して議論されるように、ＩＣＧ領域１８４０は、それぞれ、ＦＯＶ矩形をｋ－空間環内の３時および９時位置に平行移動させる、２つの格子ベクトルと関連付けられる。３時位置に位置する平行移動されたＦＯＶ矩形は、右ＯＰＥ領域１８５０ｂに向かって伝搬する、回折ビームを表す一方、９時位置に位置する平行移動されたＦＯＶ矩形は、左ＯＰＥ領域１８５０ａに向かって伝搬する、回折ビームを表す。
左ＯＰＥ領域１８５０ａの作用はまた、図１４Ａおよび１４ＢにおけるＯＰＥ領域１４５０に対して説明されたものに類似する。ｋ－空間略図ＫＳＤ３ａは、左ＯＰＥ領域１８５０ａのｋ－空間作用を図示し、その回折格子がＦＯＶ矩形をｋ－空間環内の９時位置から６時位置に平行移動させることを示す。６時位置に位置するＦＯＶ矩形は、ＥＰＥ領域１８６０に向かって－ｙ－方向に伝搬する、回折ビームを表す。
右ＯＰＥ領域１８５０ｂの動作は、左ＯＰＥ領域１８５０ａのものに類似するが、その関連付けられた格子ベクトルは、左ＯＰＥ領域１８５０ａのものに対して垂直線を中心として鏡映される。これは、右ＯＰＥ領域１８５０ｂ内の回折格子のラインが、左ＯＰＥ領域１８５０ａ内の回折格子のものに対して垂直線を中心として鏡映されるという事実に起因する。右ＯＰＥ領域１８５０ｂ内の回折格子のラインの本配向の結果、ｋ－空間内の本格子の効果は、ｋ－空間略図ＫＳＤ３ｂに示されるように、ＦＯＶ矩形をｋ－空間環内の３時位置から６時位置に平行移動させることになる。ＫＳＤ３ａおよびＫＳＤ３ｂ内の平行移動されたＦＯＶは、ｋ－空間環の６時位置では、同一場所にある。したがって、各入力ビームのパワーは、ＩＣＧ領域１８４０によって、＋１および－１回折次数に分裂され、それらの明確に異なる回折次数は、接眼レンズ導波管１８００を通して、異なる経路を進行するが、それらは、それでもかかわらず、同一伝搬角度を伴ってＥＰＥ領域１８６０に到着する。これは、接眼レンズ導波管１８００を通して異なる伝搬経路を追従する、各入力ビームの別個の回折次数が、最終的には、同一角度を伴ってＥＰＥ領域１８６０から出射し、したがって、投影された画像内の同一点を表すことを意味する。
最後に、ＥＰＥ領域１８６０の作用もまた、図１４Ａおよび１４ＢにおけるＥＰＥ領域１４６０に対して説明されたものに類似する。ｋ－空間略図ＫＳＤ４は、ＥＰＥ領域１８６０のｋ－空間作用を図示し、その回折格子が、ｋ－空間環の６時位置に位置するＦＯＶ矩形（ＯＰＥ領域１８５０ａ、１８５０ｂの両方からの光ビームから成る）をｋ－空間略図の中心に戻るように平行移動させることを示す。他の場所ですでに議論されたように、これは、ＥＰＥ領域１８６０が、光のビームを、概して、ｚ－方向にユーザの眼に向かって外部結合することを表す。
図１８Ｂおよび１８Ｃは、図１８Ａに示される接眼レンズ導波管１８００のＥＰＥ領域１８６０の上面図を図示する。ＥＰＥ領域１８６０は、ユーザの眼２１０の真正面に支持される。本明細書のいずれかに議論されるように（図１２Ａおよび１２Ｂ参照）、ＥＰＥ領域１８６０は、複製出力ビームのセットを投影し、複製出力ビームの各セットは、接眼レンズ導波管の中に投影された入力ビームのうちの１つに対応する、伝搬角度を有する。
図１８Ｂは、これらの複製出力ビームのセットのうちの１つを図示する。本特定の場合では、ＥＰＥ領域１８６０から出射する複製出力ビーム１８６１は、左から右に進行する。言い換えると、複製出力ビーム１８６１は、＋ｘ－方向における成分を伴う伝搬方向を有する。複製出力ビーム１８６１の本伝搬角度は、それらのうちのいくつかがその他よりもユーザの眼２１０と交差する傾向が強い結果をもたらす。特に、ＥＰＥ領域１８６０の左側部分から出射する、複製出力ビーム１８６１は、眼２１０の中心位置および光ビームの左／右伝搬に起因して、ユーザの眼２１０と交差する傾向が強い。これらの光ビームは、実線を用いて図示される。一方、ＥＰＥ領域１８６０の右側部分から出射する、複製出力ビーム１８６１は、眼２１０から逸れる傾向が強い。これらの光ビームは、破線を用いて図示される。
図１８Ｂはまた、ＥＰＥ領域がＦＯＶ矩形を略図の原点に戻るように平行移動させた後の、ｋ－空間内の出力ビームの状態を図示する、ｋ－空間略図ＫＳＤ５を含む。ＦＯＶ矩形は、２つの半体を用いて図示される。半体はそれぞれ、接眼レンズ導波管１８００の水平視野の半分を表す。ＦＯＶ矩形の陰影付き右半体１８３２は、＋ｋｘ－方向における成分を伴うｋ－ベクトルを含む。これらは、図１８Ｂに図示される左／右伝搬のタイプを伴ってＥＰＥ領域１８６０から出射する、出力ビーム１８６１に対応する、ｋ－ベクトルである。１つのみのセットの複製出力ビーム１８６１が、ＥＰＥ領域１８６０から出射するように図示されるが、そのｋ－ベクトルがＦＯＶ矩形の陰影付き右半体１８３２内にある、出力ビームは全て、同様に、左／右への伝搬方向を伴ってＥＰＥ領域から出射するであろう。したがって、そのｋ－ベクトルがＦＯＶ矩形の陰影付き右半体１８３２内にある、出力ビームの全てに関して、ＥＰＥ領域１８６０の左側から出射するそれらのビームは、ＥＰＥ領域の右側から出射するそれらの出力ビームより、眼２１０と交差する傾向が強いであろうことが言える。
図１８Ｃは、接眼レンズ導波管１８００のＥＰＥ領域１８６０から出射する、別のセットの複製光ビーム１８６２を図示する。しかし、この場合、ＥＰＥ領域１８６０から出射する複製出力ビーム１８６２は、右から左に進行する。言い換えると、複製出力ビーム１８６２は、－ｘ－方向における成分を伴う伝搬方向を有する。複製出力ビーム１８６２の本伝搬角度は、図１８Ｂから導き出されるものの反対観察につながる。すなわち、右／左に伝搬する出力ビーム１８６２に関して、ＥＰＥ領域１８６０の右側部分から出射するビーム（実線を用いて図示される）は、眼２１０と交差する傾向が強い一方、ＥＰＥ領域の左側部分から出射する、それらの光ビーム（破線を用いて図示される）は、眼を逸失する傾向が強い。
図１８Ｃとともに含まれる、ｋ－空間略図ＫＳＤ５を参照すると、そのｋ－ベクトルがＦＯＶ矩形の陰影付き左半体１８３１内にある、出力ビームは、図１８Ｃに示される右／左伝搬のタイプを伴って、ＥＰＥ領域１８６０から出射するものである。そのｋ－ベクトルがＦＯＶ矩形の陰影付き左半体１８３１内にある、出力ビームは全て、異なる伝搬角度を有するであろうが、それらは全て、ＥＰＥ領域１８６０の右側から出射するビームが、ＥＰＥ領域の左側から出射する出力ビームより、眼２１０と交差する傾向が強いであろうという性質を共有する。
図１８Ｂおよび１８Ｃから導き出され得る結論は、ユーザの眼２１０に実際に入射する、光ビームに基づいて、ＥＰＥ領域１８６０の半分が、主に、水平視野の１／２に寄与する一方、ＥＰＥ領域の他の半分が、主に、水平視野の残り半分に寄与するということである。本観察に基づいて、接眼レンズ導波管によって投影され得る視野は、ＥＰＥ領域１９６０の全ての部分からＦＯＶ矩形全体を投影することが不必要であるため、少なくとも１つの寸法において、誘導モードにおいて接眼レンズによって支持される伝搬角度の範囲を越えて拡張されることができる。これは、図１９に図示される。
（拡張視野を伴う例示的ＡＲ接眼レンズ導波管）
図１９は、拡張視野を伴う接眼レンズ導波管１９００の実施形態を図示する。接眼レンズ導波管１９００は、ＩＣＧ領域１９４０と、左ＯＰＥ領域１９５０ａと、右ＯＰＥ領域１９５０ｂと、ＥＰＥ領域１９６０とを含む。巨視的レベルでは、図１９に示される接眼レンズ導波管１９００は、図１８Ａに示される接眼レンズ導波管１８００と同じであることができる。しかしながら、接眼レンズ導波管１９００内の回折特徴のうちのいくつかは、少なくとも１つの寸法において増加された視野を可能にする特性を伴って、設計されることができる。これらの特徴は、図１９に示されるｋ－空間略図によって図示される、接眼レンズ導波管１９００のｋ－空間作用に基づいて、明確に理解されることができる。
図１９に示されるｋ－空間略図は、図１８Ａに示されるものより大きいＦＯＶ矩形を有する。これは、図１８Ａにおけるｋ－空間略図内のＦＯＶ矩形が、ｋ－空間環の幅より大きい任意の寸法を有しないように制約されたためである。本制約は、それらのＦＯＶ矩形が、環の周囲の任意の位置において、ｋ－空間環内に全体的に適合し得、したがって、ＦＯＶ矩形内のｋ－ベクトルによって表されるビーム全てが、接眼レンズの平面における任意の方向に伝搬する間、接眼レンズ導波管１８００内で誘導伝搬を受け得ることを確実にした。しかしながら、図１９の例示的実施形態では、ＦＯＶ矩形は、ｋ－空間環の幅より大きい、少なくとも１つの寸法（例えば、ｋｘ寸法）を有する。いくつかの実施形態では、ＦＯＶ矩形の１つ以上の寸法は、ｋ－空間環の幅より最大２０％、最大４０％、最大６０％、最大８０％、または最大１００％大きくあることができる。
図１９のｋ－空間略図に図示される特定の実施形態に関して、ＦＯＶ矩形の水平寸法は、ｋ－空間環より広い。ＦＯＶ矩形の水平寸法は、接眼レンズ導波管の中に投影される、入力ビームの伝搬角度内の水平広がりに対応する。したがって、接眼レンズ導波管１９００は、より大きい水平寸法を有するＦＯＶ矩形との併用が可能であるように図示されるため、これは、接眼レンズ導波管の水平視野が増加されることを意味する。屈折率１．８を伴う接眼レンズ導波管（空気によって囲繞される）の場合、図１８Ａに示される接眼レンズ導波管１８００は、概して、４５°×４５°のＦＯＶを達成することが可能である一方、図１９に示される接眼レンズ導波管１９００は、最大９０°×４５°のＦＯＶを達成することが可能であるが、接眼レンズ導波管のいくつかの実施形態は、アイボックス体積の典型的設計制約を満たし（ＦＯＶの一部を接眼レンズ導波管の両側に送出し、適正に定寸されたアイボックスを提供することが有利であり得る）、疎らに離間された出力ビームから生じる網戸アーチファクトを回避するように、約６０°×４５°のより小さいＦＯＶのために設計されてもよい。接眼レンズ導波管１９００の視野を拡張させるための技法は、拡張された水平視野のコンテキストにおいて説明されるが、同一技法はまた、接眼レンズ導波管１９００の垂直視野を拡張させるためにも使用されることができる。さらに、後の実施形態では、類似技法は、接眼レンズ導波管の水平および垂直視野の両方を拡張させるために示される。
図１９におけるｋ－空間略図の精査によって、図示されるＦＯＶ矩形は、環の周囲のある位置に位置するとき、ｋ－空間環内に全体的に適合し得ないが、それらは、他の位置に位置するとき、依然として、環内に全体的に適合し得ることが分かり得る。例えば、ＦＯＶ矩形の１つの寸法が、ｋ－空間環の幅より大きい場合、ＦＯＶ矩形は、ＦＯＶ矩形が、拡大された寸法の軸またはその近傍に位置するとき、環内に全体的に適合し得ない。ｋｘ寸法がｋ－空間環の幅より大きい、ＦＯＶ矩形は、ＦＯＶ矩形が、ｋｘ－軸またはその近傍（すなわち、３時および９時位置またはその近傍）に位置するとき、環内に全体的に適合し得ない。同様に、ｋｙ寸法がｋ－空間環の幅より大きい、ＦＯＶ矩形は、ＦＯＶ矩形が、ｋｙ－軸またはその近傍（すなわち、１２時および６時位置またはその近傍）に位置するとき、環内に全体的に適合し得ない。しかしながら、そのようなＦＯＶ矩形は、反対軸またはその近傍に位置するとき、依然として、ｋ－空間環内に全体的に適合し得る。ｋｘ寸法がｋ－空間環の幅より大きい、ＦＯＶ矩形は、依然として、ＦＯＶ矩形が、ｋｙ－軸またはその近傍（すなわち、１２時および６時位置またはその近傍）に位置するとき、環内に全体的に適合し得る。同様に、ｋｙ寸法がｋ－空間環の幅より大きい、ＦＯＶ矩形は、ＦＯＶ矩形が、ｋｘ－軸またはその近傍（すなわち、３時および９時位置またはその近傍）に位置するとき、依然として、環内に全体的に適合し得る。これは、ｋ－空間環内に、半径方向より方位角方向により大きいＦＯＶ矩形に適応するためのエリアが存在するためである。
ｋ－空間環の半径方向サイズは、誘導伝搬モードを支持する、導波管の平面に対して法線の方向（すなわち、厚さ方向）における伝搬角度の範囲に対応する。伝搬角度の本範囲は、スネルの法則およびＴＩＲが生じるために満たされなければならない要件によって制約される。対照的に、ｋ－空間環の方位角寸法におけるｋ－ベクトルの広がりは、平面導波管の面内方向における様々な伝搬角度に対応する。平面導波管の平面における伝搬角度の広がりは、厚さ方向におけるものと同一制約によって限定されないため、より広範囲のビーム伝搬角度が、支持されることができる。
さらに、接眼レンズ導波管の厚さ方向における伝搬角度の広がりを面内方向における伝搬角度の広がりおよびその逆に変換することが可能である。回折格子（または他の回折特徴の群）が、ＦＯＶ矩形によって表されるビームのセットが、次いで、新しい方向に伝搬するように、ＦＯＶ矩形をｋ－空間環内の１つ位置から別の位置に平行移動させるとき、これはまた、平面導波管の厚さ方向において以前に拡散されたビームの一部を、代わりに、面内方向に拡散させ、そしてその逆も同様である。これは、例えば、回折格子が、ＦＯＶ矩形をｋ－空間環内の９時位置から６時位置に平行移動させるときに見られ得る。９時位置にある間、ｋｘ方向におけるビームの広がりは、その場所では、ｋｘ方向がｋ－空間環の半径方向に対応するため、導波管の厚さ方向における物理的広がりに対応する。しかしながら、６時位置では、ｋｘ方向におけるビームの広がりは、その場所では、ｋｘ方向がｋ－空間環の方位角方向に対応するため、導波管の面内方向における物理的広がりに対応する。
これらの観察を使用して、接眼レンズ導波管のＦＯＶは、ＦＯＶ矩形を複数のサブ部分に分割し、回折特徴を使用して、空間的に分散された様式において、ＦＯＶの複数のサブ部分に属する、ビームを複製し、回折特徴を使用して、ＦＯＶの各サブ部分に対応するビームが、正しい伝搬角度を有し、オリジナル画像を再作成するように、ＦＯＶの複数のサブ部分を接眼レンズ導波管の射出瞳において組み立て直すことによって、増加されることができる。例えば、回折特徴は、それらが、最終的には、ＦＯＶ矩形の他のサブ部分に対してオリジナル画像におけるものと同一相対的位置を有するように、ＦＯＶ矩形の各サブ部分をｋ－空間内の１つ以上の場所に平行移動させるために使用されることができる。
いくつかの実施形態では、ＦＯＶの複数のサブ部分は、これが、ＦＯＶ全体を導波管の射出瞳において組み立て直すための制約を緩和することに役立ち得、ビームの全てが存在することを確実にすることに役立ち得るため、相互に部分的に重複することができる（例えば、異なる対のＦＯＶサブ部分は、同一入力ビームの一部を含み得る）。例えば、いくつかの実施形態では、入力画像ＦＯＶの一対のサブ部分は、１０％以下、２０％以下、３０％以下、４０％以下、５０％以下、またはそれを上回って重複してもよい。
図１９におけるｋ－空間略図ＫＳＤ２は、接眼レンズ導波管１９００の中に投影される入力ビームに及ぼすＩＣＧ領域１９４０のｋ－空間作用を図示する。本明細書のいずれかに議論されるように、接眼レンズ導波管１９００の中に投影される、入力ビームは、ｋ－空間略図ＫＳＤ２の原点に中心合わせされる、ＦＯＶ矩形によって表され得る。ＩＣＧ領域１９４０は、その関連付けられた格子ベクトルに基づいて、ｋ－空間内の本ＦＯＶ矩形の場所を平行移動させる。図１８Ａに図示されるＩＣＧ領域１８４０の場合、ＩＣＧ領域は、その関連付けられた格子ベクトルＧ１、Ｇ－１がｋ－空間略図の原点からｋ－空間環の中点までの距離と等しい大きさを有するように設計された。これは、ＦＯＶ矩形をｋ－空間環内に中心合わせさせた。しかし、図１９に図示されるＩＣＧ領域１９４０は、より大きい格子ベクトルを有するように設計されることができる。また、すでに議論されたように、接眼レンズ導波管１９００の中に投影される、入力ビームのセットは、ｋ－空間環の幅より大きい少なくとも１つの寸法をｋ－空間内に有することができる。
いくつかの実施形態では、ＩＣＧ領域１９４０は、その格子ベクトルＧ１、Ｇ－１が、拡大されたＦＯＶ矩形のいずれの部分もｋ－空間略図の内側円板の内側にないように、拡大されたＦＯＶ矩形をｋ－空間略図の原点から十分に離れるように平行移動させるように設計されることができる。その水平寸法がｋ－空間環の幅の２倍の大きさである、ＦＯＶ矩形の場合、本目標を達成するために、ＩＣＧ１９４０の格子ベクトルＧ１、Ｇ－１の大きさは、ｋ－空間略図の外側円板の半径とほぼ等しくなる必要があるであろう。一方、その水平寸法が、単に、ｋ－空間環の幅より若干大きい、ＦＯＶ矩形の場合、本目標を達成するために、ＩＣＧ領域１９４０の格子ベクトルＧ１、Ｇ－１の大きさは、ｋ－空間略図の原点からｋ－空間環の中点までの距離を上回る必要があるであろう。数学的に、これは、以下を意味する。
これは、以下を与える。
（注記：本方程式はまた、例えば、図２０－２２に示され、下記に説明されるもの等、本明細書に説明される他の接眼レンズ導波管実施形態にも適用されることができる。）
言い換えると、接眼レンズ導波管１９００の視野を拡張させるための本技法は、ＩＣＧ領域１９４０の格子ベクトルＧ１、Ｇ－１が、視野が、所与の接眼レンズ導波管のｋ－空間環の半径方向寸法内に適合し得る、伝搬角度の範囲によって、全ての寸法において制約される、実施形態より長くあるように設計されることを意味する。格子ベクトルＧ１、Ｇ－１の長さは、格子周期Λを減少させることによって、増加されるため、これは、ＩＣＧ領域１９４０が、所与の角周波数ωの光のために従来使用されるであろうものより細かいピッチを有し、入力ビームが全て誘導モードに回折され得ることを確実にすることを意味する。
当然ながら、図１９に図示される実施形態によると、ＦＯＶ矩形のより大きいサイズおよびより長い格子ベクトルＧ１、Ｇ－１は、平行移動されたＦＯＶ矩形の一部を、ＩＣＧ領域１９４０による回折後、ｋ－空間略図内のより大きい円板の外周を越えて延在させる。本円板外のｋ－ベクトルは、許容されないため、それらのｋ－ベクトルに対応する入力ビームは、ＩＣＧ領域１９４０によって回折されない。代わりに、ＫＳＤ２における平行移動されたＦＯＶ矩形の陰影付き部分内のｋ－ベクトルに対応する入力ビームのみが、接眼レンズ導波管１９００内での誘導伝搬モードに入る。ｋ－空間略図の外側円板の外側にあるであろうｋ－ベクトルを伴って＋１次数に回折するであろう、入力ビームは、回折することが許容されず、したがって、喪失される。同様に、ｋ－空間略図の外側円板の外側にあるであろうｋ－ベクトルを伴って－１次数に回折するであろう、入力ビームは、回折することが許容されず、したがって、喪失される。幸い、これらの回折次数のそれぞれから喪失されるビームは、同一のものではない。これは、完全視野がＥＰＥ領域１９６０において復元されることを可能にする。ｋ－空間略図ＫＳＤ２の３時位置に位置する、切頂ＦＯＶ矩形、または９時位置に位置する、切頂ＦＯＶ矩形のいずれも、入力ビームの完全セットを含まない場合でも、これらの切頂ＦＯＶ矩形は、ＥＰＥ領域１９６０において適切に再度組み合わせられるとき、入力ビームの完全セットが、復元されることができる。
ｋ－空間略図ＫＳＤ３ａおよびＫＳＤ３ｂはそれぞれ、左ＯＰＥ領域１９５０ａおよび右ＯＰＥ領域１９５０ｂ内の回折格子のｋ－空間作用を図示する。図１８Ａに関して議論されるように、これらのＯＰＥ領域は、３時および９時位置に位置するＦＯＶ矩形を６時位置に平行移動させるように配向される、回折格子を含むことができる。しかしながら、図１９に図示される実施形態では、ＯＰＥ領域１９５０ａ、１９５０ｂ内の回折格子の配向は、本目的を遂行するために調節される必要があり得る。具体的には、ＩＣＧ領域１９４０と関連付けられた格子ベクトルＧ１、Ｇ－１は、もはや３時および９時位置におけるｋ－空間環の中点で終端し得ないため、ＯＰＥ領域と関連付けられた格子ベクトルの大きさおよび方向は、ＦＯＶ矩形を６時位置におけるある場所（例えば、ｋｙ－方向におけるｋ－空間環内で中心合わせされるもの）に平行移動させるために、調節される必要があり得る。これらの調節は、ＯＰＥ領域１９５０ａ、１９５０ｂ内の格子ラインの配向を改変することによって、および／または拡張ＦＯＶを伴わない実施形態におけるＯＰＥ領域と比較して、その格子周期Λを変化させることによって、遂行されることができる。
ＫＳＤ３ａ内のＦＯＶ矩形の陰影付き右側部分は、ＦＯＶの第１のサブ部分を表す一方、ＫＳＤ３ｂ内のＦＯＶ矩形の陰影付き左側部分は、ＦＯＶの第２のサブ部分を表す。図示される実施形態では、これらのＦＯＶサブ部分は、ＦＯＶ矩形の中心領域内で重複する。
ｋ－空間略図ＫＳＤ３ａは、９時位置に位置するＦＯＶ矩形が、６時位置に平行移動されるとき、ＦＯＶ矩形の陰影付き右側領域に対応するビームのみが存在することを図示する。ｋ－空間略図ＫＳＤ３ｂは、同一現象を示すが、不在ビームは、そのｋ－ベクトルがＦＯＶ矩形の反対側上に位置するものである。最後に、ｋ－空間略図ＫＳＤ４は、２つの切頂ＦＯＶ矩形が、ｋ－空間環の６時位置において重畳されるとき、ＦＯＶ矩形の非陰影付き部分が充填されることを示し、入力画像の完全ＦＯＶを構成する、ビームが全て、ここで存在し、ＥＰＥ領域１９６０内の回折格子によって、接眼レンズ導波管１９００から外にユーザの眼に向かって投影されることができることを意味する。図１８Ａにおける実施形態と同様に、ＥＰＥ領域１９６０は、ＦＯＶ矩形をｋ－空間略図ＫＳＤ４内の原点に戻るように平行移動させる。重要なこととして、９時および３時位置からの２つの切頂ＦＯＶ矩形は、オリジナルＦＯＶ矩形内の陰影付き領域の相対的位置を維持するような様式において、６時位置に平行移動されるべきである。これは、ＦＯＶの各サブ部分内の光のビームが、オリジナル画像を再作成するように、正しい伝搬角度を有することを確実にする。
これが物理的観点において意味することは、接眼レンズ導波管１９００が画像視野を複数の部分に分割するということである。画像視野のこれらの部分のそれぞれに対応する光ビームは、異なる経路に沿って、接眼レンズ導波管１９００を通して伝搬し、そこで、それらは、空間的に分散された様式において、異なるＯＰＥ領域１９５０ａ、１９５０ｂによって複製され得る。また、最終的には、画像視野の別個の部分は、ＥＰＥ領域１９６０内で再度組み合わせられ、ユーザの眼に向かって投影される。
いくつかの実施形態では、接眼レンズ１９００の種々の回折格子は、個別のＯＰＥ領域１９５０ａ、１９５０ｂによってＥＰＥ領域１９６０に供給されるビームのサブセット間に重複が存在するように、設計されることができる。他の実施形態では、しかしながら、回折格子は、各ＯＰＥ領域１９５０ａ、１９５０ｂが、入力画像を完全に再作成するために要求される、ビームの一意のサブセットを供給するように、設計されることができる。
拡張視野および重複ＭＰＥおよびＥＰＥ領域を伴う、例示的ＡＲ接眼レンズ導波管
図１９は、ＯＰＥ領域を使用して、入力ビームを複製する、拡張ＦＯＶを伴う、接眼レンズ導波管の実施形態を図示するが、他の実施形態は、有利には、ＭＰＥ領域を使用することができる。図２０Ａ－２０Ｌは、１つのそのような例示的実施形態を図示する。
図２０Ａは、ＥＰＥ領域２０６０によって重複されるＭＰＥ領域２０５０を伴う、拡張ＦＯＶ接眼レンズ導波管２０００の実施形態を図示する。接眼レンズ導波管２０００は、導波管の厚さ方向における誘導伝搬モードで支持され得る伝搬角度の範囲より大きくあり得る、拡張視野を達成することができる。接眼レンズ導波管２０００は、第１の表面２０００ａと、第２の表面２０００ｂとを有する。さらに下記に議論されるように、異なる回折特徴が、接眼レンズ導波管２０００の反対表面２０００ａ、２０００ｂ上または内に形成されることができる。接眼レンズ導波管２０００の２つの表面２０００ａ、２０００ｂは、図２０Ａでは、ｘ－ｙ平面において相互に対して変位されるように図示される。しかしながら、これは、例証目的のためにすぎず、各表面上または内に形成される異なる回折特徴を示すことが可能である。第１の表面２０００ａおよび第２の表面２０００ｂは、ｘ－ｙ平面において相互に整合されることを理解されたい。加えて、ＭＰＥ領域２０５０およびＥＰＥ領域２０６０は、同一サイズであって、ｘ－ｙ平面において正確に整合されるように図示されるが、他の実施形態では、それらは、幾分異なるサイズを有してもよく、部分的に不整合にされてもよい。いくつかの実施形態では、ＭＰＥ領域２０５０およびＥＰＥ領域２０６０は、少なくとも７０％、少なくとも８０％、少なくとも９０％、または少なくとも９５％、相互に重複する。
接眼レンズ導波管２０００は、ＩＣＧ領域２０４０と、ＭＰＥ領域２０５０と、ＥＰＥ領域２０６０とを含む。ＩＣＧ領域２０４０は、入力ビームのセットをプロジェクタデバイスから受け取る。明細書のいずれかに説明されるように、入力ビームは、それらがＩＣＧ領域２０４０上に入射するまで、プロジェクタデバイスから、自由空間を通して、概して、ｚ－方向に伝搬することができる。ＩＣＧ領域２０４０は、それらの全てまたは少なくとも一部が、接眼レンズ導波管２０００内で誘導伝搬モードに入るように、それらの入力ビームを回折する。ＩＣＧ領域２０４０の格子ラインは、回折ビームを－ｙ－方向にＭＰＥ領域２０５０に向かって指向するように、配向されることができる。
ＭＰＥ領域２０５０は、複数の軸に沿って周期性を呈する、複数の回折特徴を含むことができる。ＭＰＥ領域２０５０は、２Ｄ格子模様において配列される、散乱特徴のアレイから成ってもよい。個々の散乱特徴は、例えば、任意の形状のくぼみまたは突出部であることができる。散乱特徴の２Ｄアレイは、その２Ｄ格子模様のレシプロカル格子模様から導出される、関連付けられた格子ベクトルを有する。一実施例として、ＭＰＥ領域２０５０は、周期性の２つ以上の方向に沿って繰り返される格子ラインを伴う交差格子から成る、２Ｄ回折格子であり得る。ＭＰＥ領域２０５０を構成する、回折特徴は、比較的に低回折効率（例えば、１０％以下）を有することができる。本明細書に議論されるように、これは、光のビームが、それらがＭＰＥ領域２０５０を通して伝搬するにつれて、空間的に分散された様式において、複数の方向に複製されることを可能にする。
図２０Ｂは、接眼レンズ導波管２０００のＭＰＥ領域２０５０内で使用され得る、例示的２Ｄ格子の一部を、その関連付けられた格子ベクトルとともに図示する。交差格子が、図示されるが、２Ｄ周期的格子が、代わりに、例えば、図示される格子ラインの交点に位置する、個々の散乱特徴から成り得る。２Ｄ格子は、第１の周期性の方向に沿って繰り返される、第１のセットの格子ライン２０５６を有する。これらの格子ライン２０５６は、第１のセットの格子ライン２０５６の周期性の方向に沿って指し、２π／ａ（式中、ａは、第１のセットの格子ライン２０５６の周期である）と等しい大きさを有する、関連付けられた基本格子ベクトルＧを有する。図２０Ｂに示される２Ｄ格子はまた、第１の基本格子ベクトルＧの高調波と関連付けられる。これらは、－Ｇおよび２Ｇ、－２Ｇ等の高次高調波を含む。ＭＰＥ領域２０５０内の２Ｄ格子はまた、第２の周期性の方向に沿って繰り返される、第２のセットの格子ライン２０５７を有する。いくつかの実施形態では、第１および第２の周期性の方向は、垂直ではない。第２のセットの格子ライン２０５７は、第２のセットの格子ラインの周期性の方向に沿って指し、２π／ｂ（式中、ｂは、第２のセットの格子ライン２０５７の周期である）と等しい大きさを伴う、関連付けられた基本格子ベクトルＨを有する。図２０Ｂに示される２Ｄ格子はまた、第２の基本格子ベクトルＨの高調波と関連付けられる。これらは、－Ｈおよび２Ｈ、－２Ｈ等の高次高調波を含む。最後に、回折特徴の任意の２Ｄアレイはまた、基本格子ベクトルＧおよびＨの整数線形組み合わせ（重畳）によって決定された方向を指す、関連付けられた格子ベクトルを有するであろう。図示される実施形態では、これらの重畳は、付加的格子ベクトルをもたらし、これはまた、図２０Ｂに示される。これらは、例えば、－Ｇ、－Ｈ、Ｈ＋Ｇ、Ｈ－Ｇ、Ｇ－Ｈ、および－（Ｈ＋Ｇ）を含む。図２０Ｂは、一次格子ベクトルおよび２Ｄ回折格子と関連付けられたその重畳のみを図示するが、高次格子ベクトルもまた、存在してもよい。
図２０Ｃは、接眼レンズ導波管２０００のＩＣＧ領域２０４０のｋ－空間作用を図示する、ｋ－空間略図ＫＳＤ１である。ＫＳＤ１の原点に中心合わせされるＦＯＶ矩形は、プロジェクタデバイスによってＩＣＧ領域２０４０に向かって投影される、入力ビームのセットを表す。ｋｘ－方向におけるＦＯＶ矩形の寸法は、ｘ－方向における入力ビームのＦＯＶを表す一方、ｋｙ－方向におけるＦＯＶ矩形の寸法は、ｙ－方向における入力ビームのＦＯＶを表す。図示されるように、本特定の実施形態では、ＦＯＶ矩形のｋｘ寸法は、ｋ－空間環の幅より大きい。
ＭＰＥ領域２０５０は、図２０Ａに示される接眼レンズ導波管２０００の物理的レイアウトに従って、ＩＣＧ領域２０４０から－ｙ－方向に位置するため、ＩＣＧ領域２０４０内の回折格子は、入力ビームをその方向に回折するように設計されることができる。したがって、図２０ＣにおけるＫＳＤ１は、ＩＣＧ領域２０４０が、ＦＯＶ矩形をｋ－空間略図の原点からｋ－空間環内の６時位置における－ｋｙ－軸上の場所に平行移動させることを示す。本特定の位置では、ＦＯＶ矩形のより広い寸法は、ｋ－空間環の方位角方向に配向され、したがって、ＦＯＶ矩形は、環内に全体的に適合する。これは、ＦＯＶ矩形によって表されるビームが全て、接眼レンズ導波管２０００内で誘導伝搬モードに入り、概して、－ｙ－方向にＭＰＥ領域２０５０に向かって伝搬することを意味する。
本明細書で議論される他のＭＰＥ領域（例えば、１６５０、１７５０）におけるように、ＭＰＥ領域２０５０は、入力ビームを、それらがそれを通して伝搬するにつれて、空間的に分散された様式において複製することによって、画像瞳を複数の方向に拡張させる。図２０Ｄ－２０Ｆおよび２０Ｈは、ｋ－空間内のＭＰＥ領域２０５０の本挙動を図示する。
図２０Ｄは、接眼レンズ導波管２０００のＭＰＥ領域２０５０のｋ－空間作用の一部を図示する、ｋ－空間略図ＫＳＤ２である。ｋ－空間略図は、ｋ－空間環の６時位置に位置する陰影付きＦＯＶ矩形を含む。これは、ＩＣＧ領域２０４０が、入力ビームを接眼レンズ導波管２０００の中に結合し、それらをＭＰＥ領域２０５０に向かって回折した後の、ＦＯＶ矩形の場所である。図２０Ｄは、ＭＰＥ領域２０５０内の２Ｄ格子が、図２０Ｂに示される格子ベクトルを使用して、ＦＯＶ矩形を平行移動させる方法を示す。８つの格子ベクトルが存在するため、ＭＰＥ領域２０５０は、ＦＯＶ矩形をｋ－空間環内の６時位置からｋ－空間略図内の８つの可能性として考えられる新しい場所に平行移動させるように試みる。これらの８つの可能性として考えられる場所のうち、５つは、完全に、ｋ－空間略図の外側周縁の外側にある。これらの場所は、非陰影付きＦＯＶ矩形を用いて図示される。ｋ－空間略図の外側周縁の外側のｋ－ベクトルは、許容されないため、それらの５つの格子ベクトルのいずれも、回折をもたらさない。しかしながら、少なくとも部分的にｋ－空間略図の境界内の新しい位置へのＦＯＶ矩形の平行移動をもたらす、３つの格子ベクトル（すなわち、Ｇ、－Ｈ、およびＧ－Ｈ）が存在する。これらの場所のうちの１つは、ｋ－空間環内の９時位置にあって、別のものは、１２時位置にあって、最後のものは、３時位置にある。これらの場所におけるｋ－ベクトルは、許容され、誘導伝搬モードをもたらすため、これらの場所におけるＦＯＶ矩形は、光のビームがそれらの３つの状態に回折されることを示すように陰影が付けられる。
ｋ－空間環内の９時および３時位置の場合、平行移動されたＦＯＶ矩形は、そのｋｘ寸法が環の幅より大きいため、環内に完全に適合しない。したがって、これらの場所における平行移動されたＦＯＶ矩形は、切頂され、そのｋ－ベクトルがｋ－空間略図の外側周縁の外側にある、ビームが、誘導されないことを意味する。これは、ＫＳＤ２では、９時および３時位置における平行移動されたＦＯＶ矩形の非陰影付き部分によって表される。これは、それぞれ、＋ｘおよび－ｘ方向に、ＭＰＥ領域２０５０を通して拡散する、ビームのセットがそれぞれ、入力ビームのオリジナルセットの全てを含まないことを意味する。＋ｘ方向に、ＭＰＥ領域２０５０を通して伝搬する、ビームのセットは、ＦＯＶ矩形の右側に対応するビームを逸失している一方、－ｘ方向に伝搬するビームのセットは、ＦＯＶ矩形の左側に対応するビームを逸失している。しかしながら、集合的に、ＦＯＶを構成するビームは全て、依然として、存在する。
９時位置における平行移動されたＦＯＶ矩形の陰影付き右側部分は、ＦＯＶの第１のサブ部分を表す一方、３時位置におけるＦＯＶ矩形の陰影付き左側部分は、ＦＯＶの第２のサブ部分を表す。図示される実施形態では、これらのＦＯＶサブ部分は、ＦＯＶ矩形の中心領域において重複する（但し、重複は、必ずしも、要求されない）。
すでに述べられたように、いくつかの実施形態では、ＭＰＥ領域２０５０の２Ｄ格子内の第１および第２の周期性軸は、直交しない。これは、ひいては、基本格子ベクトルＧおよびＨも同様に、直交しないことを意味する。これは、ＭＰＥ領域２０５０内の２Ｄ格子が、３時および９時位置におけるＦＯＶ矩形を、それらの矩形の中心がｋ－空間環の中点を越えてある一方、６時および１２時位置におけるＦＯＶ矩形の中心が、環の中点またはそのより近くに位置し得るように、平行移動させることを可能にすることができる。その結果、３時および９時位置における平行移動されたＦＯＶ矩形は、切頂され、これは、ＦＯＶが第１および第２のサブ部分に分割される結果をもたらす。これは、ＦＯＶを第１および第２のサブ部分に分割することが、接眼レンズ導波管２０００のＦＯＶを増加させるためのプロセスの一部であるため、図示される実施形態では、着目に値する。
図２０Ｅは、接眼レンズ導波管２０００のＭＰＥ領域２０５０のｋ－空間作用の別の部分を図示する、ｋ－空間略図ＫＳＤ３である。ＫＳＤ３は、ｋ－空間環の３時位置に位置する、部分的に陰影付きＦＯＶ矩形を含む。これは、ＭＰＥ領域２０５０内の第１の相互作用後の、平行移動されたＦＯＶ矩形のうちの１つの場所である。図２０Ｅは、後続相互作用の間、ＭＰＥ領域２０５０内の２Ｄ格子が、図２０Ｂに示される格子ベクトルを使用して、本ＦＯＶ矩形を平行移動させる方法を示す。再び、８つの格子ベクトルが存在するため、ＭＰＥ領域２０５０は、ＦＯＶ矩形をｋ－空間環内の３時位置からｋ－空間略図内の８つの可能性として考えられる新しい場所に平行移動させるように試みる。これらの８つの可能性として考えられる場所のうち、５つは、再び、ｋ－空間略図の外側周縁の外側にある。これらの場所は、非陰影付きＦＯＶ矩形を用いて図示される。ｋ－空間略図の外側周縁の外側のｋ－ベクトルは、許容されないため、それらの５つの格子ベクトルのいずれも、回折をもたらさない。しかしながら、少なくとも部分的にｋ－空間略図の境界内の新しい位置へのＦＯＶ矩形の平行移動をもたらす、３つの格子ベクトル（すなわち、Ｇ、Ｈ、およびＨ＋Ｇ）が存在する。これらの場所のうちの１つは、ｋ－空間環内の９時位置にあって、別のものは、１２時位置にあって、および最後のものは、６時位置に戻る。これらの場所におけるｋ－ベクトルは、許容され、誘導伝搬モードをもたらすため、これらの場所におけるＦＯＶ矩形は、光のビームがそれらの３つの状態に回折されることを示すように陰影が付けられる（またはゼロ次回折ビームは、３時位置におけるＦＯＶ矩形によって表される伝搬状態のままであることができる）。
図２０Ｅに示されるように、ｋ－空間環の３時位置における平行移動されたＦＯＶ矩形は、図２０Ｄに示されるＭＰＥ領域２０５０内の第１の回折相互作用の結果、すでに切頂されている。したがって、切頂ＦＯＶ矩形のみが、ｋ－空間環の９時、１２時、および６時位置に平行移動される。９時位置の場合、ＦＯＶ矩形はさらに、切頂され、その特定の平行移動されたＦＯＶ矩形の中心陰影付き部分に対応するビームのみが、実際には、本状態に回折されることを意味する。
図２０Ｆは、図２０Ｅに類似するが、（図２０Ｅに図示されるように、３時位置の代わりに）９時位置に平行移動された図２０ＤからのＦＯＶ矩形に及ぼされる、ＭＰＥ領域２０５０のｋ－空間作用を示す。本状態におけるビームに及ぼされるＭＰＥ領域２０５０の作用は、図２０Ｅに示されるものの鏡像（ｋｙ－軸を中心として）である。
図示されないが、類似ｋ－空間略図が、ｋ－空間環の１２時位置に位置するＦＯＶ矩形によって示される伝搬角度を伴って進行する光のビームに及ぼされるＭＰＥ領域２０５０のｋ－空間作用を図示するように導き出され得る。そのｋ－空間略図は、ＭＰＥ領域２０５０内の２Ｄ回折格子が、それらのビームを、図２０Ｄ、２０Ｅ、および２０Ｆにおけるｋ－空間略図の環内の３時、６時、および９時位置におけるＦＯＶ矩形によって表される状態に回折するであろうことを示すであろう。
図２０Ｄ－２０Ｆにおけるｋ－空間略図によって示されるように、ＩＣＧ領域２０４０からの回折光ビームが、ＭＰＥ領域２０５０に到着すると、多くの複製ビームが、空間的に分散された様式で形成される。また、これらの複製ビームは全て、ｋ－空間環内の３時、６時、９時、および１２時位置におけるＦＯＶ矩形によって示される方向のうちの１つに伝搬する。ＭＰＥ領域２０５０を通して伝搬する、光ビームは、ＭＰＥ領域の回折特徴との任意の数の相互作用を受け、任意の数の伝搬方向の変化をもたらし得る。このように、光ビームは、ＭＰＥ領域２０５０全体を通してｘ－方向およびｙ－方向の両方に沿って複製される。これは、図２０Ａにおける接眼レンズ導波管２０００のＭＰＥ領域２０５０内の矢印によって表される。
ＥＰＥ領域２０６０は、接眼レンズ導波管２０００のｘ－ｙ平面においてＭＰＥ領域２０５０に重複するため、複製光ビームもまた、それらが、導波管を通して拡散し、全内部反射を介して、第１の表面２０００ａと第２の表面２０００ｂとの間で往復して反射するにつれて、ＥＰＥ領域２０６０と相互作用する。光ビームのうちの１つが、ＥＰＥ領域２０６０と相互作用すると、そのパワーの一部は、図２０Ａにおける接眼レンズ導波管２０００のＥＰＥ領域２０６０内の矢印によって示されるように、回折され、接眼レンズ導波管からユーザの眼に向かって出射する。
いくつかの実施形態では、ＥＰＥ領域２０６０は、そのラインがＩＣＧ領域２０４０を構成する回折格子のラインに対して垂直に配向される、回折格子を含む。その実施例は、図２０Ａに示され、ＩＣＧ領域２０４０は、ｘ－方向に延在し、ｙ－方向に周期的に繰り返される、格子ラインを有する一方、ＥＰＥ領域２０６０は、ｙ－方向に延在し、ｘ－方向に周期的に繰り返される、格子ラインを有する。ＥＰＥ領域２０６０内の格子ラインは、光ビームが、ＥＰＥ領域２０６０によって接眼レンズ導波管２０００から外に結合される前に、ＭＰＥ領域２０５０と相互作用するであろうことを確実にすることに役立つため、ＩＣＧ領域２０４０内の格子ラインに対して垂直に配向されることが有利である。本挙動は、図２０Ｇにおけるｋ－空間に示される。
図２０Ｇは、図２０Ａに示される接眼レンズ導波管２０００内のＥＰＥ領域２０６０のｋ－空間作用を図示する、ｋ－空間略図ＫＳＤ５である。すでに議論されたように、光のビームは、ｋ－空間環の１２時、３時、６時、および９時位置に位置するＦＯＶ矩形によって示される方向の全てに、ＭＰＥ領域２０５０を通して伝搬する。また、ＥＰＥ領域２０６０は、ＭＰＥ領域２０５０に物理的に重複するため、これらの伝搬状態の全てにおける光のビームは、ＭＰＥ領域を通して拡散しながら、ＥＰＥ領域内の回折格子と接触する。
ＥＰＥ領域２０６０内の回折格子の周期性軸は、±ｋｘ－方向を指すため、ＥＰＥ領域と関連付けられた、格子ベクトルも同様に、同一方向を指す。図２０Ｇは、ＥＰＥ領域２０６０が、これらの格子ベクトルを使用して、ＦＯＶ矩形を１２時、３時、６時、および９時位置に平行移動させるように試みる方法を示す。±ｋｘ－方向におけるその配向に起因して、ＥＰＥ領域２０６０と関連付けられた格子ベクトルは、ｋ－空間環の３時および６時位置に位置するＦＯＶ矩形のみをｋ－空間略図の原点に戻るように平行移動させることができる。したがって、ＥＰＥ領域２０６０は、それらの２つの伝搬状態のいずれかにある、光のビームのみを外部結合することができる。すなわち、ＥＰＥ領域は、ｋ－空間環の１２時および６時位置におけるＦＯＶ矩形に対応する状態で伝搬している、光のビームを外部結合しない。
ＥＰＥ領域２０６０内の格子ラインのための周期性軸が、ＩＣＧ領域２０４０内の格子ラインのための周期性軸と垂直ではなく、平行である場合、ＥＰＥ領域と関連付けられた格子ベクトルは、±ｋｙ－方向を指すであろうことに留意することが重要である。これは、ひいては、ｋ－空間環の１２時および６時位置におけるＦＯＶ矩形に対応する伝搬状態における光ビームが、ＥＰＥ領域によって外部結合されることを可能にするであろう。入力ビームは、６時位置に対応する伝搬状態では、ＭＰＥ／ＥＰＥ領域に到着するため、これは、光ビームが、ＭＰＥ領域２０５０と相互作用し、それによって拡散される前に、ＥＰＥ領域２０６０によって外部結合され得、これが、典型的には、望ましくないであろうことを意味するであろう。ＥＰＥ領域２０６０内の格子ラインのための周期性軸が、ＩＣＧ領域２０４０のものと垂直であるという事実は、光ビームが、典型的には、外部結合される前に、ＭＰＥ領域内において、少なくとも１回、可能性として、それを上回って、方向変化を受ける必要があるであろうことを意味する。これは、ＭＰＥ領域２０５０内の光のビームの向上された広がりを可能にする。
図２０Ｈは、図２０Ａに示される接眼レンズ導波管２０００のｋ－空間作用を要約する、ｋ－空間略図ＫＳＤ６である。これは、本質的に、図２０Ｃ－２０Ｇに示されるｋ－空間略図の重畳である。再び、図２０Ｈにおけるｋ－空間略図は、ｋ－空間環の幅より大きい少なくとも１つの寸法を有する、ＦＯＶ矩形を示す。いくつかの実施形態では、ＦＯＶ矩形の少なくとも１つの寸法は、ｋ－空間環の幅より最大約２倍大きくあることができる。図示される実施形態では、ＦＯＶ矩形の水平寸法が、ｋ－空間環の幅より大きいが、同一技法はまた垂直視野を拡張させるためにも使用されることができる。
ＫＳＤ６は、略図の原点に中心合わせされるＦＯＶ矩形を含む。再び、ＦＯＶ矩形の本場所は、入力ビームが接眼レンズ導波管２０００の中に投影されるか、または複製出力ビームが導波管から外にユーザの眼に向かって投影されるかのいずれかを説明し得る。図示される実施形態では、ｋ－空間内のＩＣＧ領域２０４０の作用は、ＦＯＶ矩形をｋ－空間略図の中心から６時位置まで下方に平行移動させることである。図示されるように、ＩＣＧ領域２０４０は、その格子ベクトルのうちの１つが－ｋｙ－方向に配向されるように、設計されることができる。これは、回折ビームを－ｙ－方向にＭＰＥ領域２０５０に向かって伝搬させる。さらに、ＩＣＧ領域２０４０は、その格子ベクトルの大きさが、ＦＯＶ矩形を６時位置においてｋ－空間環内に完全に適合しない位置にコピーさせるように、設計されることができる。これは、例えば、その一次格子ベクトルの大きさがｋ－空間略図の原点からｋ－空間環の中点までの距離と等しいようなピッチを伴う、ＩＣＧ領域２０４０を設計することによって行われることができる。６時位置におけるＦＯＶ矩形は、ｋ－空間環内に完全にあるため、回折ビームは全て、伝搬の誘導モードに入る。
すでに議論されたように、ＭＰＥ領域は、複数の異なる軸に沿って周期性を呈する、複数の回折特徴を含む。これは、ＭＰＥ領域が、ＦＯＶ矩形を６時位置から９時、１２時、および３時位置のいずれかに平行移動させ得る、複数の関連付けられた格子ベクトルを有することを意味する。ＭＰＥ領域２０５０との付加的相互作用の間、ＦＯＶ矩形は、１２時、３時、６時、および９時位置のいずれか間で往復して平行移動されることができる。これは、それらの伝搬状態間における両矢印によって表される。図２０Ｈに示されるように、ｋ－空間環の３時および６時位置におけるＦＯＶ矩形は、切頂され、完全ＦＯＶと関連付けられた光のビームが全て、それらの伝搬状態のそれぞれに存在するわけではないことを意味する。しかしながら、ＦＯＶのそれらのサブ部分が、集合的に検討されるとき、完全ＦＯＶを構成する、光のビームは全て、存在する。したがって、ＦＯＶ矩形が、最終的に、光のビームをユーザの眼に向かって外部結合するように、３時または６時位置からｋ－空間略図の原点に戻るように平行移動されると、入力画像の完全ＦＯＶを構成するために要求される、ビームは全て、存在し、接眼レンズ導波管２０００から投影される。
図２０Ｉは、光のビームが、図２０Ａに示される接眼レンズ導波管２０００を通して拡散する方法を図示する、略図である。ＭＰＥ領域２０５０に入射し、－ｙ－方向にＩＣＧ領域２０４０から伝搬する、誘導ビームは、空間的に分散された様式において、多くのビームに複製され、一部は、±ｙ－方向（ｋ－空間環内の６時および１２時位置におけるＦＯＶ矩形に対応する）に進行し、一部は、±ｘ－方向（ｋ－空間環内の３時および９時位置におけるＦＯＶ矩形に対応する）に進行する。このように、光ビームは、接眼レンズ導波管２０００全体を通して側方に拡散する。
図２０Ｊは、接眼レンズ導波管２０００内のＭＰＥ領域２０５０の回折効率が、導波管内の輝度の均一性を向上させるように、空間的に変動され得る方法を図示する。図では、ＭＰＥ領域２０５０内のより暗い陰影は、より高い回折効率を表す一方、より明るい陰影は、より低い回折効率を表す。ＭＰＥ領域２０５０の回折効率における空間変動は、格子深度、デューティサイクル、ブレーズ角度、傾斜角度等の格子特性における空間変動を導入することによって遂行されることができる。
図２０Ｊに見られるように、導波管内の輝度の均一性は、ＩＣＧ領域２０４０により近いＭＰＥ領域２０５０の部分をより高い回折効率を有するように設計することによって、向上されることができる。これは、光ビームがＩＣＧ領域２０４０からＭＰＥ領域２０５０に入射する場所であるため、より多くの光が、本エリア内に存在し、したがって、回折効率は、光をあまり光が存在しないＭＰＥ領域２０５０の他の部分により効果的に拡散させるように、より高くなることができる。加えて、または代替として、複数のＩＣＧ領域が、光をより多くの場所に入力し、それによって、導波管内の輝度の均一性を改良するように、ＭＰＥ領域２０５０の周縁の周囲の種々の角度場所に提供されることができる。
輝度の均一性はまた、ＭＰＥ領域２０５０の中心部分が、ビームがＩＣＧ領域２０４０からＭＰＥ領域２０５０の中に伝搬する方向に沿って、より高い回折効率を有するように設計することによって、向上されることができる。再び、ＩＣＧ領域２０４０が光を入力する軸に沿って位置するため、より多くの光が、ＭＰＥ領域２０５０の本エリア内に存在する。より多くの光が本エリア内に存在するため、回折効率は、光をＭＰＥ領域２０５０の他の部分により効果的に拡散させるように、より高くなり得る。
図２０Ｋは、接眼レンズ導波管２０００内のＥＰＥ領域２０６０の回折効率が、導波管内の輝度の均一性を向上させるように、空間的に変動され得る方法を図示する。ＥＰＥ領域２０６０内のより暗い陰影は、再び、より高い回折効率を表す一方、より明るい陰影は、より低い回折効率を表す。ＥＰＥ領域２０６０は、より高い回折効率を周辺エリア内に有するように設計されることができる。ＥＰＥ領域２０６０の周辺エリア内のより高い回折効率は、光が導波管の縁から外に喪失される前に、光をユーザの眼に外部結合することに役立つ。
図２０Ｌは、１つ以上の回折ミラー２０７０を導波管の周辺縁の周囲に含む、接眼レンズ導波管２０００の実施形態を図示する。回折ミラー２０７０は、ＭＰＥ／ＥＰＥ領域を通して伝搬し、導波管２０００の縁から出射する、光を受け取ることができる。回折ミラーは、次いで、接眼レンズ導波管２０００からの画像の投影に寄与するために使用され得るように、その光をＭＰＥ／ＥＰＥ領域の中に戻るように回折することができる。すでに議論されたように、ＭＰＥ領域２０５０は、４つの一般的方向、すなわち、概して、ｘ－方向（すなわち、ｋ－空間環の３時位置におけるＦＯＶ矩形によって表されるように、概して、－ｘ－方向（すなわち、９時位置におけるＦＯＶ矩形によって表されるように）、概して、ｙ－方向（すなわち、１２時位置におけるＦＯＶ矩形によって表されるように）、および概して、－ｙ－方向（すなわち、６時位置におけるＦＯＶ矩形によって表されるように）におけるビームの伝搬を許容する。回折ミラー２０７０は、ビームをこれらの同一伝搬状態のうちの１つに回折するように設計されることができる。
例えば、接眼レンズ導波管２０００の左側の回折ミラー２０７０は、概して、ｘ－方向から入射する、ビームを、それらが、概して、ｘ－方向にＯＰＥ領域２０５０を通して戻るように進行するように、３時位置におけるＦＯＶ矩形によって表される伝搬状態に回折することができる。同様に、接眼レンズ導波管２０１０の底部の回折ミラー２０７０は、概して、－ｙ－方向から入射する、ビームを、それらが、概して、ｙ－方向にＯＰＥ領域２０５０を通して戻るように進行するように、１２時位置におけるＦＯＶ矩形によって表される伝搬状態に回折することができる。
図２０Ｌは、底部回折ミラー２０７０のｋ－空間作用を図示する。ｋ－空間略図に示されるように、底部回折ミラー２０７０は、ＩＣＧ領域２０４０内の格子のものの半分である周期を伴って、設計されることができる。このより細かい周期は、ＩＣＧ領域２０４０のものの２倍の長さの関連付けられた格子ベクトルを有する底部回折ミラーをもたらす。故に、底部回折ミラーは、ＦＯＶ矩形をｋ－空間環内の６時位置から１２時位置に平行移動させることができる。接眼レンズ導波管２０００に対して図示されるが、同一技法（すなわち、ＯＰＥ、ＭＰＥ、ＥＰＥ領域等の回折効率の空間変動、および周辺縁に沿った回折ミラーの使用）はまた、本明細書に説明される他の実施形態のいずれかとも併用されることができる。
図２０Ｍは、接眼レンズ導波管２０００の１つ以上のインスタンスを組み込む、眼鏡７０の例示的実施形態を図示する。接眼レンズ導波管２０００の第１のインスタンスは、眼鏡７０の左視認部分の中に統合される一方、接眼レンズ導波管２０００の第２のインスタンスは、右視認部分の中に統合される。図示される実施形態では、導波管２０００はそれぞれ、約５０×３０ｍｍ２であるが、多くの異なるサイズが、使用されることができる。各導波管２０００は、画像を対応する導波管の中に投影する、別個のプロジェクタ２０２０を伴うことができる。接眼レンズ導波管は、１．８の屈折率を伴う材料から作製されると仮定すると、接眼レンズ導波管２０００のいくつかの実施形態は、９０°×４５°の大きさのＦＯＶを達成することが可能であるが、接眼レンズ導波管のいくつかの実施形態は、アイボックス体積の典型的設計制約を満たし（ＦＯＶの一部を接眼レンズ導波管の両側に送出し、適正に定寸されたアイボックスを提供すことが有利であり得る）、疎らに離間された出力ビームから生じる網戸アーチファクトを回避するように、約６０°×４５°のより小さいＦＯＶのために設計されてもよい。
図２０Ｎは、接眼レンズ導波管２０００の１つ以上のインスタンスを組み込む、眼鏡７０の別の例示的実施形態を図示する。眼鏡７０の本実施形態は、図２０Ｍに示されるものに類似するが、導波管２０００および付随のプロジェクタ２０２０の配向は、眼鏡７０のつるに向かって９０°回転されている。本構成では、接眼レンズ導波管２０００のいくつかの実施形態は、接眼レンズ導波管が１．８の屈折率を伴う材料から作製されると仮定して、４５°×９０°の大きさのＦＯＶを達成することが可能であるが、いくつかの実施形態は、他の設計制約を満たすために、約４５°×６０°のより小さいＦＯＶのために設計されてもよい。
図２１Ａは、ＥＰＥ領域２１６０によって重複される、ＭＰＥ領域２１５０を伴う接眼レンズ導波管２１００の別の実施形態を図示する。図２０Ａに示される接眼レンズ導波管２０００と同様に、図２１Ａに示される接眼レンズ導波管２１００は、導波管の厚さ方向において誘導伝搬モードに支持され得る伝搬角度の範囲より大きくあり得る、拡張視野を達成することができる。接眼レンズ導波管２１００は、第１の表面２１００ａと、第２の表面２１００ｂとを有する。さらに下記に議論されるように、異なる回折特徴は、接眼レンズ導波管２１００の反対表面２１００ａ、２１００ｂ上または内に形成されることができる。接眼レンズ導波管２１００の２つの表面２１００ａ、２１００ｂは、図２１Ａでは、ｘ－ｙ平面において相互に対して変位されるように図示される。しかしながら、これは、例証目的のためだけのものであって、各表面上または内に形成される異なる回折特徴を示すことが可能である。第１の表面２１００ａおよび第２の表面２１００ｂは、ｘ－ｙ平面において相互に整合されることを理解されたい。加えて、ＭＰＥ領域２１５０およびＥＰＥ領域２１６０は、同一サイズであって、ｘ－ｙ平面において正確に整合されるように図示されるが、他の実施形態では、それらは、幾分異なるサイズを有してもよく、部分的に不整合にされてもよい。いくつかの実施形態では、ＭＰＥ領域２１５０およびＥＰＥ領域２１６０は、少なくとも７０％、少なくとも８０％、少なくとも９０％、または少なくとも９５％、相互に重複する。
図２０Ａに示される接眼レンズ導波管２０００のように、図２１Ａに示される接眼レンズ導波管２１００は、ＭＰＥ領域２１５０と、ＥＰＥ領域２１６０とを含む。図２０Ａに示される接眼レンズ導波管２０００と異なり、図２１Ａに示される接眼レンズ導波管２１００は、単一ＩＣＧ領域ではなく、ＭＰＥ／ＥＰＥ領域の反対側上に位置する、２つのＩＣＧ領域２１４０ａ、２１４０ｂを含む。ＩＣＧ領域２１４０ａ、２１４０ｂはそれぞれ、その独自の関連付けられたプロジェクタを有することができる。２つのプロジェクタはそれぞれ、完全入力画像ＦＯＶのサブ部分を接眼レンズ導波管２１００の中に入力することができる。故に、ＩＣＧ領域２１４０ａ、２１４０ｂはそれぞれ、同様に、ＦＯＶのサブ部分に対応する入力ビームを内部結合するために使用されることができる。それらのサブ部分は、次いで、接眼レンズ導波管２１００の射出瞳において組み合わせられることができる。
左ＩＣＧ領域２１４０ａは、ＦＯＶの第１のサブ部分に対応する第１の入力ビームのセットを第１のプロジェクタデバイスから受け取る一方、右ＩＣＧ領域２１４０ｂは、ＦＯＶの第２のサブ部分に対応する第２の入力ビームのセットを第２のプロジェクタデバイスから受け取る。ＦＯＶの第１および第２のサブ部分は、一意であってもよい、またはそれらは、部分的に重複してもよい。第１の入力ビームのセットは、左ＩＣＧ領域２１４０ａに向かって、概して、－ｚ－方向に沿って投影されるが、－ｘ－方向に伝搬の成分を有する入力ビームの周囲に中心合わせされ得る一方、第２の入力ビームのセットは、右ＩＣＧ領域２１４０ｂに向かって、概して、－ｚ－方向に沿って投影されるが、＋ｘ－方向に伝搬の成分を有する入力ビームの周囲に中心合わせされ得る。左ＩＣＧ領域２１４０ａは、少なくとも一部が＋ｘ－方向に伝搬する誘導モードに入るように、第１の入力ビームのセットを回折し、右ＩＣＧ領域２１４０ｂは、少なくとも一部が－ｘ－方向に伝搬する誘導モードに入るように、第２の入力ビームのセットを回折する。このように、ＦＯＶの第１および第２のサブ部分に対応する第１および第２の入力ビームのセットは両方とも、それらが左および右ＩＣＧ領域２１４０ａ、２１４０ｂ間に位置するＭＰＥ領域２１５０に向かって伝搬するように、接眼レンズ導波管２１００の中に結合される。
図２０Ａに示される接眼レンズ導波管２０００と同様に、図２１Ａに示される接眼レンズ導波管２１００はまた、導波管の第１の側２１００ａ上または内に形成される、ＭＰＥ領域２１５０と、導波管の第２の側２１００ｂ上または内に形成される、重複ＥＰＥ領域２１６０とを含むことができる。図２１Ａに示される接眼レンズ導波管２１００内のＭＰＥ領域２１５０は、図２０Ａに示される接眼レンズ導波管２０００内のＭＰＥ領域２０５０に類似することができる。すなわち、ＭＰＥ領域２１５０は、複数の軸に沿って周期性を呈する、複数の回折特徴を含むことができる。同様に、図２１Ａに示される接眼レンズ導波管２１００内のＥＰＥ領域２１６０は、図２０Ａに示される接眼レンズ導波管２０００内のＥＰＥ領域２０６０に類似することができる。すなわち、ＥＰＥ領域２１６０は、その周期性軸が２つのＩＣＧ領域２１４０ａ、２１４０ｂのものに直交する、回折格子を含むことができる。図２１ＡにおけるＭＰＥ領域２１５０およびＥＰＥ領域２１６０の作用はまた、図２１Ｂ－２１Ｄに示されるように、図２０ＡにおけるＭＰＥ領域２０５０およびＥＰＥ領域２０６０のものに類似することができる。
図２１Ｂは、入力画像のＦＯＶの第１のサブ部分に対応する第１の入力ビームのセットに及ぼされる接眼レンズ導波管２１００のｋ－空間作用を図示する、ｋ－空間略図ＫＳＤ１である。ＫＳＤ１の原点に中心合わせされるＦＯＶ矩形は、接眼レンズ導波管２１００によってユーザの眼に向かって投影されるべき完全入力画像ＦＯＶに対応する、光のビームを表す。全体としてのＦＯＶ矩形のサイズは、ｋ－空間環の幅より最大約２倍大きい寸法を有する。故に、図２１Ａに示される接眼レンズ導波管２１００は、図１９および２０Ａに示される実施形態に類似する向上されたＦＯＶを有するように設計される。しかしながら、左ＩＣＧ領域２１４０ａに向かって投影される、第１の入力ビームのセットは、ＦＯＶ矩形の陰影付きサブ部分のみに対応する。図２１Ｂに示されるように、第１の入力ビームのセットに対応する、ＦＯＶ矩形の陰影付き部分は、ＦＯＶ矩形の左側部分である。ＦＯＶ矩形の陰影付き部分の中心は、－ｋｘ－方向において、ｋ－空間略図の原点からオフセットされるため、第１のプロジェクタからの第１の入力ビームのセットは、正確に－ｚ－方向に伝搬するビームを中心としてではなく（ＦＯＶ矩形の陰影付き部分が、ｋ－空間略図の原点を中心として中心合わせされる場合に該当するであろう）、むしろ、－ｘ－方向に伝搬成分を伴う斜ビームを中心として中心合わせされる。
左ＩＣＧ領域２１４０ａは、その格子ベクトルが±ｋｘ－方向に配向されるように、設計されることができる。ｋ－空間内の左ＩＣＧ領域２１４０ａの作用は、ＦＯＶ矩形の陰影付き左側部分をｋ－空間略図の中心からｋ－空間環内の３時位置に平行移動させることである。これは、回折ビームを、概して、ｘ－方向に、ＭＰＥ領域２１５０に向かって伝搬させるであろう。いくつかの実施形態では、ＦＯＶ矩形の陰影付き左側部分は、ＦＯＶ矩形の半分以上に構成することができる。また、いくつかの実施形態では、左ＩＣＧ領域２１４０ａは、任意の半径方向位置に対するＦＯＶ矩形の中心をｋ－空間環の中点から環の外側境界に平行移動させるように設計されることができる。さらに、左ＩＣＧ領域２１４０ａは、その格子ベクトルの大きさが、ＦＯＶ矩形を陰影付き部分が３時位置においてｋ－空間環内に完全に適合する位置にコピーさせるように設計されることができる。これは、例えば、ＩＣＧ格子ベクトルの大きさをｋ－空間略図の原点からｋ－空間環の中点までの距離を上回るように設定することによって遂行されることができる。３時位置におけるＦＯＶ矩形の陰影付き部分は、ｋ－空間環内に完全にあるため、ＦＯＶの第１のサブ部分に対応する第１の入力ビームのセットは全て、伝搬の誘導モードに入る。ｋ－空間環の３時位置におけるＦＯＶ矩形は、環の外側に延在する、右側部分を有するが、ＦＯＶ矩形の本部分は、必ずしも、その関連付けられたプロジェクタによって左ＩＣＧ領域２１４０ａに提供されるＦＯＶの第１のサブ部分の一部ではない、入力ビームに対応する。
左ＩＣＧ領域２１４０ａはまた、第１の入力ビームのセットの一部を反対方向に回折する（すなわち、ＦＯＶ矩形をｋ－空間環の９時位置に平行移動させる）ことができるが、接眼レンズ導波管２１００の図示される実施形態では、それらの特定の回折ビームは、単に、導波管の縁から外に出射するであろう。
ＭＰＥ領域２１５０は、複数の周期性軸を有する、複数の回折特徴を含む。いくつかの実施形態では、ＭＰＥ領域２１５０は、図２０Ａ－２０Ｍに関して図示および議論されるＭＰＥ領域２０５０に類似することができる。例えば、ＭＰＥ領域２１５０は、ＦＯＶ矩形を３時位置からｋ－空間環の６時、９時、および１２時位置のいずれかに平行移動させ得る、複数の関連付けられた格子ベクトルを有することができる。図２１Ｂに示されるように、ｋ－空間環の９時位置におけるＦＯＶ矩形の陰影付き部分は、切頂され、ＦＯＶの第１のサブ部分と関連付けられた光のビームが全て、必ずしも、その特定の伝搬状態に存在するわけではないことを意味する。
ＭＰＥ領域２１５０との付加的相互作用の間、ＦＯＶ矩形は、１２時、３時、６時、および９時位置のいずれか間で往復して平行移動されることができる。これは、ＫＳＤ１内のそれらの伝搬状態間の両矢印によって表される。このように、第１の入力ビームのセットは、本明細書に説明されるように、その回折特徴との複数の相互作用を受けることによって、ＭＰＥ領域２１５０全体を通して複製されることができる。これは、図２１Ａにおける接眼レンズ導波管２１００のＯＰＥ領域２１５０内の矢印によって示される。
ＥＰＥ領域２１６０は、接眼レンズ導波管２１００のｘ－ｙ平面においてＭＰＥ領域２１５０に重複するため、複製光ビームはまた、それらが、導波管を通して拡散し、全内部反射を介して、第１の表面２１００ａと第２の表面２１００ｂとの間で往復して反射するにつれて、ＥＰＥ領域２１６０と相互作用する。複製光ビームのうちの１つが、ＥＰＥ領域２１６０と相互作用する度に、そのパワーの一部は、図２１Ａにおける接眼レンズ導波管２１００のＥＰＥ領域２１６０内の矢印によって示されるように、回折され、ユーザの眼に向かって外部結合される。
いくつかの実施形態では、ＥＰＥ領域２１６０は、そのラインが、ＩＣＧ領域２１４０ａ、２１４０ｂを構成する回折格子のラインに対して垂直に配向される、回折格子を含む。本特定の実施例では、ＩＣＧ領域２１４０ａ、２１４０ｂは、ｙ－方向に延在し、ｘ－方向に周期的に繰り返される、格子ラインを有するため、ＥＰＥ領域２１６０は、ｘ－方向に延在し、ｙ－方向に周期的に繰り返される、格子ラインを有する。再び、光ビームが、ＥＰＥ領域２１６０によって接眼レンズ導波管２１００から外に結合される前に、ＭＰＥ領域２１５０と相互作用するであろうことを確実にすることに役立つため、ＥＰＥ領域２１６０内の格子ラインは、ＩＣＧ領域２１４０ａ、２１４０ｂ内の格子ラインに対して垂直に配向されることが有利である。
図２１Ｂはまた、ＦＯＶの第１のサブ部分に対応する第１のセットのビームに及ぼされるＥＰＥ領域２１６０のｋ－空間作用を図示する。すでに議論されたように、光のビームは、ｋ－空間環の１２時、３時、６時、および９時位置に位置するＦＯＶ矩形によって示される方向のいずれかに、ＭＰＥ領域２１５０を通して伝搬することができる。また、ＥＰＥ領域２１６０は、ＭＰＥ領域２１５０に重複するため、これらの伝搬状態のいずれかにおける光のビームは、ＥＰＥ領域と相互作用し、接眼レンズ導波管２１００から外部結合されることができる。ＥＰＥ領域２１６０内の回折格子の周期性軸は、±ｋｙ－方向を指すため、ＥＰＥ領域と関連付けられた格子ベクトルも同様に、同一方向を指す。図２１Ｂは、ＥＰＥ領域２１６０が、したがって、ｋ－空間環の１２時および６時位置に位置するＦＯＶ矩形をｋ－空間略図の原点に戻るように平行移動させる方法を示す。したがって、ＥＰＥ領域２１６０は、それらの２つの伝搬状態のいずれかにおける光のビームのみを外部結合することができる。図２１Ｂに示されるように、ＦＯＶ矩形が、最終的に、ｋ－空間略図ＫＳＤ１の中心に戻るように平行移動されると、ＦＯＶの第１のサブ部分を構成する、第１のセットのビームは全て、存在し、ユーザの眼に向かって投影される。
図２１Ｃは、入力画像のＦＯＶの第２のサブ部分に対応する第２の入力ビームのセットに及ぼされる接眼レンズ導波管２１００のｋ－空間作用を図示する、ｋ－空間略図ＫＳＤ２である。再び、ＫＳＤ２の原点に中心合わせされるＦＯＶ矩形は、接眼レンズ導波管２１００によってユーザの眼に向かって投影されるべき完全入力画像に対応する、光のビームを表す。しかしながら、右ＩＣＧ領域２１４０ｂに向かって投影される、第２の入力ビームのセットは、ＦＯＶ矩形の陰影付きサブ部分のみに対応する。図２１Ｃに示されるように、第２の入力ビームのセットに対応する、ＦＯＶ矩形の陰影付き部分は、ＦＯＶ矩形の右側部分である。ＦＯＶ矩形の陰影付き部分の中心は、ｋ－空間略図の原点から＋ｋｘ－方向にオフセットされるため、第２のプロジェクタからの第２の入力ビームのセットは、正確に－ｚ－方向に伝搬するビームを中心として（ＦＯＶ矩形の陰影付き部分がｋ－空間略図の原点を中心として中心合わせされる場合に該当するであろう）ではなく、むしろ、＋ｘ－方向に伝搬成分を伴う斜ビームを中心として中心合わせされる。
図示される実施形態では、ｋ－空間内の右ＩＣＧ領域２１４０ｂの作用は、ＦＯＶ矩形の右側陰影付き部分をｋ－空間略図の中心から９時位置に平行移動させることである。図示されるように、右ＩＣＧ領域２１４０ｂは、その格子ベクトルが±ｋｘ－方向に配向されるように、設計されることができる。これは、回折ビームの一部を－ｘ－方向にＭＰＥ領域２１５０に向かって伝搬させるであろう。いくつかの実施形態では、ＦＯＶ矩形の陰影付き右側部分は、ＦＯＶ矩形の半分以上に構成することができる。また、いくつかの実施形態では、右ＩＣＧ領域２１４０ｂは、任意の半径方向位置に対するＦＯＶ矩形の中心をｋ－空間環の中点から環の外側境界に平行移動させるように設計されることができる。さらに、右ＩＣＧ領域２１４０ｂは、その格子ベクトルの大きさが、ＦＯＶ矩形を陰影付き部分が９時位置においてｋ－空間環内に完全に適合する位置にコピーさせるように、設計されることができる。これは、例えば、その格子ベクトルの大きさが、ｋ－空間略図の原点からｋ－空間環の中点までの距離を上回るように、ＩＣＧを設計することによって行われることができる。９時位置におけるＦＯＶ矩形の陰影付き部分は、ｋ－空間環内に完全にあるため、ＦＯＶの第２のサブ部分に対応する第２の入力ビームのセットは全て、伝搬の誘導モードに入る。ｋ－空間環の９時位置におけるＦＯＶ矩形は、環の外側に延在する、左側部分を有するが、ＦＯＶ矩形の本部分は、入力ビームに対応し、これは、必ずしも、その関連付けられたプロジェクタによって右ＩＣＧ領域２１４０ｂの中に投影されたＦＯＶの第２のサブ部分の一部ではない。
右ＩＣＧ領域２１４０ｂはまた、第２の入力ビームのセットの一部を反対方向に回折する（すなわち、ＦＯＶ矩形をｋ－空間環の３時位置に平行移動させる）ことができるが、接眼レンズ導波管２１００の図示される実施形態では、それらの特定の回折ビームは、単に、導波管の縁から外に出射するであろう。
すでに議論されたように、ＭＰＥ領域２１５０は、ＦＯＶ矩形を９時位置からｋ－空間環の６時、３時、および１２時位置のいずれかに平行移動させ得る、複数の関連付けられた格子ベクトルを有することができる。図２１Ｃに示されるように、ｋ－空間環の３時位置におけるＦＯＶ矩形の陰影付き部分は、切頂され、ＦＯＶの第２のサブ部分と関連付けられた光のビームが全て、必ずしも、特定の伝搬状態に存在するわけではないことを意味する。
ＭＰＥ領域２１５０との付加的相互作用の間、ＦＯＶ矩形は、１２時、３時、６時、および９時位置のいずれか間で往復して平行移動されることができる。これは、ＫＳＤ２内のそれらの伝搬状態間の両矢印によって表される。このように、第２の入力ビームのセットは、本明細書に説明されるように、その回折特徴との複数の相互作用を受けることによって、ＭＰＥ領域２１５０全体を通して複製されることができる。再び、これは、図２１Ａにおける接眼レンズ導波管２１００のＯＰＥ領域２１５０内の矢印によって示される。
図２１Ｃはまた、ＦＯＶの第２のサブ部分に対応する第２のセットのビームに及ぼされるＥＰＥ領域２１６０のｋ－空間作用を図示する。すでに議論されたように、ＥＰＥ領域２１６０は、ｋ－空間環の１２時および６時位置に位置するＦＯＶ矩形をｋ－空間略図の原点に戻るように平行移動させる。したがって、ＥＰＥ領域２１６０は、それらの２つの伝搬状態のいずれかにおける、光のビームのみを外部結合することができる。図２１Ｃに示されるように、ＦＯＶ矩形が、最終的に、ｋ－空間略図ＫＳＤ２の中心に戻るように平行移動されると、ＦＯＶの第２のサブ部分を構成する、第２のセットのビームは全て、存在し、ユーザの眼に向かって投影される。
図２１Ｄは、図２１Ａに示される接眼レンズ導波管２１００のｋ－空間作用を要約する、ｋ－空間略図ＫＳＤ３である。これは、本質的に、図２１Ｂおよび２１Ｃに示されるｋ－空間略図の重畳である。再び、図２１Ｄにおけるｋ－空間略図は、ｋ－空間環の幅より大きい少なくとも１つの寸法を有する、ＦＯＶ矩形を示す。いくつかの実施形態では、ＦＯＶ矩形の少なくとも１つの寸法は、ｋ－空間環の幅より最大約２倍大きくあることができる。図示される実施形態では、ＦＯＶ矩形の水平寸法は、ｋ－空間環の幅より大きい。接眼レンズ導波管２１００は、拡張された水平視野を提供するように図示されるが、同一技法はまた、垂直視野を拡張させるためにも使用されることができる。
図２１Ｄに示されるように、別個のプロジェクタおよびＩＣＧ領域２１４０ａ、２１４０ｂを使用して、第１および第２の入力ビームのセットは、接眼レンズ導波管２１００の中に別個に投影されるが、いったんｋ－空間環の１２時、３時、６時、および９時位置からの種々のＦＯＶ矩形が、ｋ－空間略図の原点に戻るように平行移動され、したがって、ユーザの眼に向かって外部結合されると、完全画像ＦＯＶを構成するために要求されるビームは全て、存在する。また、ＦＯＶの第１および第２のサブ部分は、完全入力ＦＯＶ内におけるように、相互に対して同一相対的位置を伴ってｋ－空間内で整合される。
図２１Ｅは、接眼レンズ導波管２１００の１つ以上のインスタンスを組み込む、眼鏡７０の例示的実施形態を図示する。図２１Ｆは、図２１Ｅにおける眼鏡７０に対応する例示的ＦＯＶを図示する。接眼レンズ導波管２１００の第１のインスタンスは、眼鏡７０の左視認部分の中に統合される一方、接眼レンズ導波管２１００の第２のインスタンスは、右視認部分の中に統合される。図示される実施形態では、接眼レンズ導波管２１００はそれぞれ、約５０×３０ｍｍ２であるが、多くの異なるサイズは、使用されることができる。各接眼レンズ導波管２１００は、２つの別個のプロジェクタ２１２０ａ、２１２０ｂを伴うことができ、これはそれぞれ、議論されたばかりのように、ＦＯＶのサブ部分を対応する導波管の中に投影する。いくつかの実施形態では、導波管２１００毎の第１のプロジェクタ２１２０ａは、光を接眼レンズ導波管２１００のこめかみ側に入力することができる一方、第２のプロジェクタ２１２０ｂは、光を接眼レンズ導波管の鼻側に入力することができる。ｎ＝１．８の屈折率を有する材料から作製される接眼レンズ導波管の場合、プロジェクタ２１２０ａ、２１２０ｂはそれぞれ、アイボックスサイズおよび網戸アーチファクト等の他の設計制約に応じて、５０°×６０°以上の大きさのＦＯＶのサブ部分を入力することができる。また、完全ＦＯＶは、１００°×６０°以上の大きさであることができる。これは、図２１Ｆに図示される単眼接眼レンズＦＯＶ構成として示される。合致する陰影によって図示されるように、本構成では、第１のプロジェクタ２１２０ａ（こめかみ側）は、完全ＦＯＶの鼻側を投影するために使用されることができ、第２のプロジェクタ２１２０ｂ（鼻側）は、完全ＦＯＶのこめかみ側を投影するために使用されることができる。十字線は、１つの可能性として考えられる瞳整合を示すが、その他もまた、使用されることができることに留意されたい。
代替として、接眼レンズ導波管２１００および眼鏡７０の２つのインスタンスは、ともに双眼ＦＯＶを提供するために使用されることができる。例えば、接眼レンズ導波管２１００はそれぞれ、単眼接眼レンズ構成に示されるように、ＦＯＶを投影することができる。しかしながら、２つの接眼レンズ導波管２１００によって投影されたＦＯＶは、少なくとも部分的に重複され得る。図２１Ｆは、２つの接眼レンズ導波管２１００によって投影されたＦＯＶが、水平方向に５０°重複され、１５０°×６０°の全体的双眼ＦＯＶを提供する場合を図示する。双眼ＦＯＶは、あまり重複が２つの接眼レンズ導波管２１００のＦＯＶの間に提供されない場合、さらにより大きくなることができる。合致する陰影によって図示されるように、双眼ＦＯＶ構成では、第１のプロジェクタ２１２０ａ（こめかみ側）は、双眼ＦＯＶの中央部分を投影するために使用されることができ、第２のプロジェクタ２１２０ｂ（鼻側）は、双眼ＦＯＶの側面を投影するために使用されることができる。
図２１Ｇは、図２１Ａに示される接眼レンズ導波管２１００の別の実施形態のｋ－空間作用を図示する。本実施形態では、ＦＯＶ矩形のサイズは、ｋｘおよびｋｙ寸法の両方においてｋ－空間環の幅を超えることができる。図２１Ｇでは、ＦＯＶ矩形のより暗い陰影付き部分は、ＦＯＶの右部分に対応する一方、ＦＯＶ矩形のより明るい陰影付き部分は、ＦＯＶの左部分に対応する。左および右ＩＣＧ領域２１４０ａ、２１４０ｂは、格子ベクトルを用いて、すでに議論されたように、ＦＯＶ矩形を３時および９時位置に偏移させるように設計されることができる。ＩＣＧ領域の格子ベクトルの大きさは、完全ＦＯＶ矩形の中心が、例えば、ｋ－空間環の中点と環の外周との間の任意の半径方向位置に偏移されるようなものであり得る。また、ＭＰＥ領域は、格子ベクトルを用いて、すでに議論されたように、完全ＦＯＶ矩形を３時、６時、９時、および１２時位置に偏移させるように設計されることができる。しかし、ＭＰＥ領域２１５０の格子ベクトルの大きさはまた、完全ＦＯＶ矩形の中心が、例えば、ｋ－空間環の中点と環のそれらの場所における外周との間の任意の半径方向位置に、偏移されるように設計されることができる。故に、ＦＯＶ矩形のより短い寸法の軸に沿って位置する、１２時および６時位置でさえも、ＦＯＶ矩形の一部は、矩形の一部が切頂されるように、ｋ－空間環の外周を越えて延在し得る。
ＦＯＶ矩形の切頂部分に対応する誘導ビームは、喪失され得るが、完全ＦＯＶを構成するために必要であるビームは全て、３時、６時、９時および１２時位置によって表される全ての伝搬状態を考慮すると、依然として、導波管内に存在する。左ＦＯＶ（より明るい陰影付き矩形）は、９時位置において完全に保存される一方、底部部分は、１２時位置において保存され、上部部分は、６時位置において保存される。同様に、右ＦＯＶ（より暗い陰影付き矩形）は、３時位置において完全に保存される一方、底部部分は、１２時位置において保存され、上部部分は、６時位置において保存される。したがって、ＦＯＶ矩形が、ｋ－空間略図の原点に戻るように平行移動され、ユーザの眼に向かって外部結合されると、完全ＦＯＶを構成するために必要であるビームは全て、存在し、完全ＦＯＶは、再作成されることができる。複数の方向におけるＦＯＶ矩形の拡張は、図２２Ａ－２２Ｅにおいてさらに議論される。
図２２Ａは、接眼レンズ導波管の厚さ方向における誘導伝搬モードにおいて支持され得る、伝搬角度の範囲を越えて、２つの方向に拡張されたＦＯＶを投影し得る、接眼レンズ導波管２２００の実施形態を図示する。接眼レンズ導波管２２００は、第１の対の上部ＯＰＥ領域および底部ＯＰＥ領域２２５０ａ１、２２５０ａ２間に提供される、左ＩＣＧ領域２２４０ａを含む。また、第２の対の上部ＯＰＥ領域および底部ＯＰＥ領域２２５０ｂ１、２２５０ｂ２間に提供される、右ＩＣＧ領域２２４０ｂを含む。最後に、ＭＰＥ領域２２５０ｃおよび重複ＥＰＥ領域２２６０が、第１および第２のＩＣＧ領域２２４０ａ、２２４０ｂとその個別のＯＰＥ領域間に提供される。ＭＰＥ領域２２５０ｃは、接眼レンズ導波管２２００（図２２Ａに示される）の第１の表面２２００ａ上または内に提供されることができる一方、ＥＰＥ領域２２６０は、導波管（図２２Ｂに示される）の第２の表面上または内に提供されることができる。ＭＰＥ領域２２５０ｃおよびＥＰＥ領域２２６０は、同一サイズとして図示され、ｘ－ｙ平面において正確に整合されるが、他の実施形態では、それらは、幾分異なるサイズを有してもよく、部分的に不整合にされてもよい。いくつかの実施形態では、ＭＰＥ領域２２５０ｃおよびＥＰＥ領域２２６０は、少なくとも７０％、少なくとも８０％、少なくとも９０％、または少なくとも９５％、相互に重複する。
左ＩＣＧ領域２２４０ａおよび第１の対の上部ＯＰＥ領域および底部ＯＰＥ領域２２５０ａ１、２２５０ａ２は、図１９に関して図示および説明されたものと同様に機能する。すなわち、プロジェクタまたは他の入力デバイスは、左ＩＣＧ領域２２４０ａに向かって、概して、－ｚ－方向に沿って、入力画像ＦＯＶに対応するビームのセットを投影する。左ＩＣＧ領域２２４０ａは、ｘ－方向に延在し、ｙ－方向に周期的に繰り返される、格子ラインを有する。左ＩＣＧ領域２２４０ａは、したがって、光の入力ビームを＋１回折次数および－１回折次数に結合し、これは、概して、＋ｙ－方向において上側ＯＰＥ領域２２５０ａ１に向かって、および－ｙ－方向に下側ＯＰＥ領域２２５０ａ２に向かって伝搬する。第１のセットの上側および下側ＯＰＥ領域２２５０ａ１、２２５０ａ２は、本明細書に議論されるように、それらの入力ビームを複製し、次いで、概して、ｘ－方向において、ＭＰＥ／ＥＰＥ領域に向かって、複製出力ビームのセットを誘導する。
右ＩＣＧ領域２２４０ｂおよび第２の対の上部ＯＰＥ領域および底部ＯＰＥ領域２２５０ａ１、２２５０ａ２は、同一方法で機能するが、ｙ－軸を中心として鏡映される。すなわち、プロジェクタまたは他の入力デバイスは、右ＩＣＧ領域２２４０ｂに向かって、概して、－ｚ－方向に沿って、同一入力ビームのセットを投影する。右ＩＣＧ領域２２４０ｂはまた、ｘ－方向に延在し、ｙ－方向に周期的に繰り返される、格子ラインを有する。右ＩＣＧ領域２２４０ｂは、したがって、また、光の入力ビームを＋１回折次数および－１回折次数に結合し、これは、概して、＋ｙ－方向に上側ＯＰＥ領域２２５０ｂ１に向かって、および－ｙ－方向に下側ＯＰＥ領域２２５０ｂ２に向かって伝搬する。第２のセットの上側および下側ＯＰＥ領域２２５０ｂ１、２２５０ｂ２は、それらの入力ビームを複製し、次いで、概して、－ｘ－方向に、ＭＰＥ／ＥＰＥ領域に向かって、複製出力ビームのセットを誘導する。
図２２Ｃは、図２２Ａに示される接眼レンズ導波管実施形態２２００内のＩＣＧ領域２２４０ａ、２２４０ｂおよびＯＰＥ領域２２５０ａ１、２２５０ａ２、２２５０ｂ１、２２５０ｂ２のｋ－空間作用を図示する。具体的には、図２２Ｃの左パネル（ＫＳＤ１ａ）は、左ＩＣＧ領域２２４０ａおよびその関連付けられた第１のセットの上部ＯＰＥ領域および底部ＯＰＥ領域２２５０ａ１、２２５０ａ２のｋ－空間作用を図示する一方、図２２Ｃの右パネル（ＫＳＤ１ｂ）は、右ＩＣＧ領域２２４０ｂおよびその関連付けられた第２のセットの上部ＯＰＥ領域および底部ＯＰＥ領域２２５０ｂ１、２２５０ｂ２のｋ－空間作用を図示する。
入力画像のＦＯＶに対応する入力ビームのセットは、左ＩＣＧ領域２２４０ａおよび右ＩＣＧ領域２２４０ｂの両方に向かって投影される。本入力ビームのセットは、これらのｋ－空間略図の個別の原点に中心合わせされるＦＯＶ正方形としてＫＳＤ１ａおよびＫＳＤ１ｂに図示される。ｋ－空間環の幅より大きいＦＯＶの単一寸法のみを示した、前の図示される向上されたＦＯＶ実施形態と異なり、ＫＳＤ１ａおよびＫＳＤ１ｂにおけるＦＯＶ正方形の両寸法が、ｋ－空間環の幅より大きい。いくつかの実施形態では、ＦＯＶ正方形の両寸法は、ｋ－空間環の幅より最大約２倍大きくあることができる。本実施形態は、等しい水平および垂直ＦＯＶを伴うＦＯＶ正方形を使用して図示されるが、これは、要件ではなく、水平および垂直ＦＯＶは、必ずしも、等しくある必要はない。図２２Ａに示される接眼レンズ導波管２２００の実施形態は、屈折率１．８を伴う接眼レンズ導波管（空気によって囲繞される）と仮定して、アイボックスサイズおよび網戸アーチファクト等の他の設計制約に応じて、１００°×６０°以上の（例えば、１００°×９０°）大きさのＦＯＶを達成することが可能であり得る。
ＫＳＤ１ａでは、ＦＯＶ正方形は、左ＩＣＧ領域２２４０ａと関連付けられた格子ベクトルによって、ｋ－空間内の±ｋｙ－方向に平行移動される。同様に、ＫＳＤ１ｂでは、ＦＯＶ正方形は、右ＩＣＧ領域２２４０ｂと関連付けられた格子ベクトルによって、ｋ－空間内の±ｋｙ－方向に平行移動される。両場合において、ＩＣＧ領域２２４０ａ、２２４０ｂによって接眼レンズ導波管２２００の中に内部結合された後、入力ビームは、ｋ－空間環の１２時および６時位置における平行移動されたＦＯＶ正方形によって表される伝搬状態にある。ＫＳＤ１ａおよびＫＳＤ１ｂの両方に示されるように、これらの位置におけるＦＯＶ正方形は、それらがｋ－空間環内に全体的に適合しないため、切頂される。１２時位置におけるＦＯＶ正方形の陰影付き下側部分に対応するそれらのビームのみが、誘導伝搬モードに入る。一方、６時位置におけるＦＯＶ正方形の陰影付き上側部分に対応するそれらのビームのみが、誘導伝搬モードに入る。
ＫＳＤ１ａはまた、第１のセットの上部ＯＰＥ領域および底部ＯＰＥ領域２２５０ａ１、２２５０ａ２のｋ－空間作用を示す。これらのＯＰＥ領域は、ＦＯＶ正方形を１２時および６時位置から３時位置に平行移動させる、関連付けられた格子ベクトルを有するように設計される、回折格子を含む。３時位置におけるビームは、概して、ｘ－方向に、ＭＰＥ／ＥＰＥ領域に向かって伝搬する。
ｋ－空間内の３時位置におけるＦＯＶ正方形の上側部分に対応するビームは、以前に６時位置に位置したＦＯＶ正方形によって提供される一方、３時位置におけるＦＯＶ正方形の下側部分に対応するビームは、以前に１２時位置に位置したＦＯＶ正方形によって提供される。しかしながら、ＦＯＶ正方形は、再び、大きすぎて、３時位置においてｋ－空間環内に全体的に適合することができない。ＦＯＶ正方形は、したがって、切頂されるが、今回は、ＦＯＶ正方形の陰影付き左側部分に対応するビームは、誘導伝搬モードのままである一方、ＦＯＶ正方形の非陰影付き右側部分に対応するビームは、ｋ－空間環外にあって、喪失される。
第２のセットの上部ＯＰＥ領域および底部ＯＰＥ領域２２５０ｂ１、２２５０ｂ２のｋ－空間作用は、第１のセットの上部ＯＰＥ領域および底部ＯＰＥ領域２２５０ａ１、２２５０ａ２のｋ－空間作用の鏡映バージョン（ｋｙ－軸を中心として）である。したがって、ＫＳＤ１ｂに示されるように、第２のセットの上部ＯＰＥ領域および底部ＯＰＥ領域２２５０ｂ１、２２５０ｂ２は、最終的には、切頂ＦＯＶ正方形をｋ－空間環の９時位置に生産し、そこで、正方形の陰影付き右側部分に対応するビームは、ＭＰＥ／ＥＰＥ領域に向かって誘導モードで伝搬する一方、ＦＯＶ正方形の非陰影付き左側部分に対応するビームは、ｋ－空間環外にあって、喪失される。
図２２Ｄは、図２２Ａに示される接眼レンズ導波管実施形態２２００内のＭＰＥ領域２２５０ｃのｋ－空間作用を図示する。具体的には、図２２Ｄの左パネル（ＫＳＤ２ａ）は、左ＩＣＧ領域２２４０ａおよびその関連付けられた第１のセットの上部ＯＰＥ領域および底部ＯＰＥ領域２２５０ａ１、２２５０ａ２から受け取られたビームに及ぼされるＭＰＥ領域２２５０ｃのｋ－空間作用を図示する一方、右パネル（ＫＳＤ２ｂ）は、右ＩＣＧ領域２２４０ｂおよびその関連付けられた第２のセットの上部ＯＰＥ領域および底部ＯＰＥ領域２２５０ｂ１、２２５０ｂ２から受け取られたビームに及ぼされるＭＰＥ領域２２５０ｃのｋ－空間作用を図示する。
ＭＰＥ領域２２５０ｃは、図２０Ａおよび２１ＡにおけるＭＰＥ領域２０５０、２１５０に対して説明されたものと同様に作用することができる。すなわち、すでに議論されたように、ＭＰＥ領域２２５０ｃは、複数の方向に周期性を呈する、回折特徴の２Ｄアレイから成ることができる。ＭＰＥ領域２２５０ｃは、したがって、ｋ－空間環の３時、６時、９時、および１２時位置の中で往復してＦＯＶ正方形を平行移動させ得る、複数の関連付けられた格子ベクトルを有する。これは、ＫＳＤ２ａおよびＫＳＤ２ｂ内の伝搬状態間の両矢印によって表される。本実施形態では、ＭＰＥ領域２２５０ｃの格子ベクトルＧおよびＨは、ＦＯＶが、両寸法においてｋ－空間環の幅を越えて拡張され、したがって、ＦＯＶ正方形の中心が、ｋｘおよびｋｙ方向の両方において、ｋ－空間環内の同一半径方向場所に平行移動され得るため、相互に対して垂直であることができる。
すでに議論されたように、左ＩＣＧ領域２２４０ａおよび第１のセットの上部ＯＰＥ領域および底部ＯＰＥ領域２２５０ａ１、２２５０ａ２からＭＰＥ領域２２５０ｃに到着するビームは、ｋ－空間環の３時位置におけるＦＯＶ正方形によって表される伝搬状態にある。ＦＯＶ正方形の陰影付き左側部分に対応するビームのみが、本伝搬状態に存在する。ＫＳＤ２ａに示されるように、ＭＰＥ領域２２５０ｃが、これらのビームを１２時位置におけるＦＯＶ正方形によって表される伝搬状態に回折すると、ＦＯＶ正方形は、再び、切頂され、ＦＯＶ正方形の陰影付き左下部分に対応するビームのみが、誘導伝搬状態のままである。一方、ＭＰＥ領域２２５０ｃが、ビームを３時位置におけるＦＯＶ正方形によって表される伝搬状態から６時位置におけるＦＯＶ正方形によって表される伝搬状態に回折すると、ＦＯＶ正方形はまた、再び、切頂され、ＦＯＶ正方形の陰影付き左上部分に対応するビームのみが、誘導伝搬状態のままである。最後に、ＦＯＶ正方形が、ｋ－空間環の１２時位置または６時位置のいずれかから９時位置に平行移動されると、ＦＯＶ正方形は、さらに再び、切頂され、これは、可能性として、ビームのいずれも誘導伝搬状態のままにし得ない。これは、ＫＳＤ２ａ内の９時位置における非陰影付きＦＯＶ正方形によって示される。
ＫＳＤ２ｂは、ｋｙ－軸を中心としたＫＳＤ２ａの鏡像である。ＫＳＤ２ｂは、右ＩＣＧ領域２２４０ｂおよび第２のセットの上部ＯＰＥ領域および底部ＯＰＥ領域２２５０ｂ１、２２５０ｂ２から到着する光のビームに及ぼされる、ＭＰＥ領域２２５０ｃのｋ－空間作用を示す。これらのビームは、ｋ－空間環の９時位置におけるＦＯＶ正方形によって表される伝搬状態にある。ＦＯＶ正方形の陰影付き右側部分に対応するビームのみが、本伝搬状態に存在する。ＫＳＤ２ｂに示されるように、ＭＰＥ領域２２５０ｃが、これらのビームを１２時位置におけるＦＯＶ正方形によって表される伝搬状態に回折すると、ＦＯＶ正方形は、再び、切頂され、ＦＯＶ正方形の陰影付き右下部分に対応するビームのみが、誘導伝搬状態のままである。一方、ＭＰＥ領域２２５０ｃが、ビームを９時位置におけるＦＯＶ正方形によって表される伝搬状態から６時位置におけるＦＯＶ正方形によって表される伝搬状態に回折すると、ＦＯＶ正方形はまた、再び、切頂され、ＦＯＶ正方形の陰影付き右上部分に対応するビームのみが、誘導伝搬状態のままである。最後に、ＦＯＶ正方形が、ｋ－空間環の１２時位置または６時位置のいずれかから３時位置に平行移動されると、ＦＯＶ正方形は、さらに再び、切頂され、これは、可能性として、ビームのいずれも誘導伝搬状態に残し得ない。これは、ＫＳＤ２ｂ内の３時位置における非陰影付きＦＯＶ正方形によって示される。
このように、ＭＰＥ領域２２５０ｃを通した伝搬によって複製される、ビームは、ＦＯＶの４つのサブ部分、すなわち、ＦＯＶ正方形の左上部分に対応する第１のサブ部分、ＦＯＶ正方形の右上部分に対応する第２のサブ部分、ＦＯＶ正方形の左下部分に対応する第３のサブ部分、およびＦＯＶ正方形の右下部分に対応する第４のサブ部分に分割される。完全ＦＯＶの任意の対のこれらのサブ部分は、部分的に重複することができる。言い換えると、ＦＯＶの任意の対のこれらのサブ部分は、同一入力ビームのうちの１つ以上のものに対応する、ビームを含むことができる。代替として、ＦＯＶのサブ部分はまた、重複を伴わずに、一意であり得る。いずれの場合も、ＦＯＶのサブ部分は、組み合わせられ、完全ＦＯＶを接眼レンズ導波管２２００の射出瞳に再作成する。これは、図２２Ｅに示される。
図２２Ｅは、図２２Ａに示される接眼レンズ導波管実施形態２２００内のＥＰＥ領域２２６０のｋ－空間作用を図示する。ＥＰＥ領域２２６０は、図２０Ａおよび２１ＡにおけるＥＰＥ領域２０６０、２１６０に対して説明されたものと同様に機能することができる。本明細書に議論されるように、ＥＰＥ領域２２６０は、ＭＰＥ領域２２５０ｃに重複するため、ＭＰＥ領域内を伝搬する光のビームはまた、ＥＰＥ領域と相互作用し、接眼レンズ導波管２２００から外部結合されることができる。ＥＰＥ領域２２６０は、その周期性軸が左ＩＣＴ領域２２４０ａおよび右ＩＣＧ領域２２４０ｂのものと整合される、回折格子を含む。図示される実施形態では、ＥＰＥ領域２２６０のための周期性軸は、±ｋｙ－方向を指す。ＥＰＥ領域２２６０は、したがって、関連付けられた格子ベクトルを有し、これは、同様に、同一方向を指し、ｋ－空間環の１２時および６時位置に位置するＦＯＶ正方形をｋ－空間略図の原点に戻るように平行移動させる。図２２Ｅは、これが生じるとき、ＦＯＶの４つのサブ部分が、組み立てられ、完全ＦＯＶを再作成することを示す。完全画像ＦＯＶを構成するために要求されるビームは全て、存在する。また、ＦＯＶの４つのサブ部分は、完全入力ＦＯＶにおけるように、相互に対して同一相対的位置を伴ってｋ－空間内で整合される。
（角度付けられたプロジェクタと協働するように設計される接眼レンズ導波管）
本明細書に説明される接眼レンズ導波管実施形態の多くは、その光学軸が垂直角度でＩＣＧ領域と交差する、プロジェクタ（または他の画像入力デバイス）と協働するように設計されている。そのような実施形態では、中心入力ビーム（入力画像の中心点に対応する）は、ＩＣＧ領域上に垂直に入射し、入力画像の上部／底部および左／右部分に対応する入力ビームは、対称角度でＩＣＧ領域上に入射する。しかしながら、いくつかの実施形態では、接眼レンズ導波管は、角度付けられたプロジェクタ（または他の画像入力デバイス）と機能するように設計されてもよい。図２３は、そのような実施形態の実施例を図示する。
図２３は、角度付けられたプロジェクタと機能するように設計される、接眼レンズ導波管２３００の例示的実施形態を図示する。接眼レンズ導波管２３００は、ＩＣＧ領域２３４０と、左および右ＯＰＥ領域２３５０ａ、２３５０ｂと、ＥＰＥ領域２３６０とを含む。プロジェクタからの入力ビームは、ＩＣＧ領域２３４０上に入射し、誘導伝搬モードにおいて接眼レンズ導波管２３００の中に結合される。本実施形態では、プロジェクタは、ＩＣＧ領域２３４０に対してある非垂直角度で配向される。プロジェクタからの中心入力ビーム２３４１は、したがって、ある斜角でＩＣＧ領域２３４０上に入射する（例えば、図１３Ｉに図示されるように）。これは、入力ビームのためのｋ－ベクトルのｋ－空間内の偏移をもたらし、それらをもはやｋ－空間略図の原点を中心として中心合わせさせない。その結果、ＩＣＧ、ＯＰＥ、および／またはＥＰＥ領域の光学設計は、その物理的形状とともに、改変される必要があり得（例えば、図１４Ｄを参照して説明される原理に従って）、ｋ－空間環内のＦＯＶ矩形の設置もまた、下記に議論されるように、変化してもよい。
ＩＣＧ領域２３４０からの正および負の回折次数は、次いで、それぞれ、左および右ＯＰＥ領域２３５０ａ、２３５０ｂに伝搬する。ＯＰＥ領域２３５０は、空間的に分散された様式において、入力ビームを水平方向に複製し、それらをＥＰＥ領域２３６０に向かって指向する。ＥＰＥ領域２３６０は、次いで、本明細書のいずれかで議論されるように、空間的に分散された様式において、ビームを垂直方向にさらに複製し、それらをユーザの眼に向かって外部結合する。
図２３は、接眼レンズ導波管２３００のｋ－空間作用を図示する、ｋ－空間略図ＫＳＤを含む。明細書のいずれかに説明されるように、ｋ－空間略図の中心部分内のＦＯＶ矩形は、プロジェクタからの入力ビームおよび接眼レンズ導波管２３００からの出力ビームに対応する。ｋ－空間環内の４時および８時位置の近傍のＦＯＶ矩形は、ＩＣＧ領域２３４０からＯＰＥ領域２３５０に伝搬する光のビームに対応する。最後に、ｋ－空間環内の６時位置におけるＦＯＶ矩形は、ＯＰＥ領域２３５０からＥＰＥ領域２３６０に向かって下向きに伝搬する光のビームに対応する。
プロジェクタは、ＩＣＧ領域２３４０に対して角度付けられるため、入力ビームに対応するＦＯＶ矩形は、ｋ－空間略図の原点に中心合わせされない。代わりに、図示される実施形態では、入力ビームに対応するＦＯＶ矩形は、ｋｙ－軸上に中心合わせされるが、ｋｘ－軸の下方に位置する。これは、入力ビームのいずれも、＋ｙ－方向における成分を伴う伝搬方向を有しないことを意味する。言い換えると、入力ビームは、プロジェクタからＩＣＧ領域に向かって下向きに伝搬する。ＩＣＧ領域２３４０は、次いで、ＦＯＶ矩形を±ｋｘ－方向にｋ－空間環の中に水平に平行移動させる。
ＩＣＧ領域２３４０からの誘導光ビームのいずれも、正のｋｙ成分を伴うｋ－ベクトルを有しない（すなわち、ＦＯＶ矩形が、ｋｘ－軸の下方に位置する）ため、ＯＰＥ領域２３５０の上部縁は、図示されるように、＋ｙ－方向に上向きに広がる光のビームに適応する必要がないため、水平であることができる。ＯＰＥ領域２３５０の本特性は、いくつかの実施形態では、コンパクトな設計を可能にし得るため、有利であり得る。しかしながら、ＯＰＥ領域２３５０の水平上部縁は、角度付けられた画像プロジェクタによって実践的にされる。しかしながら、角度付けられた画像プロジェクタは、いくつかの不利点と関連付けられ得る。例えば、接眼レンズ導波管２３００（例えば、格子の光学設計および／または物理的レイアウトを含む）は、上向きの角度からの入力光を受け取るように設計されるため、太陽または天井灯具等のオーバーヘッド源からの光も同様に、接眼レンズ導波管の中に結合され得る。これは、表示される仮想コンテンツ上に重畳される、それらの光源の残影画像、アーチファクト、低減されたコントラスト等の望ましくない画像特徴をもたらし得る。オーバーヘッド源からの光は、接眼レンズ導波管２３００を天井灯から遮るように、バイザを含むことによって遮断され得るが、そのようなバイザは、嵩張る、または審美的に望ましくあり得ない。したがって、垂直プロジェクタと機能するように設計される、接眼レンズ導波管が、バイザの必要性が低減または排除され得るため、好ましくあり得る。加えて、上向きにまたは下向きに角度付けられたプロジェクタ設計に関して、出力ビームもまた、入力ビームに類似する角度で導波管から出射するという事実は、接眼レンズ導波管が、ユーザの中心視線ベクトルに対して傾斜される必要があり得、および／または眼の真正面にではなく、その上方または下方に設置される必要があり得ることを意味する。
（例示的実施形態）
いくつかの実施形態では、拡張現実ディスプレイシステムのための接眼レンズ導波管であって、接眼レンズ導波管は、光学的に透過性の基板と、基板上または内に形成される、入力結合格子（ＩＣＧ）領域であって、光の入力ビームを受け取り、入力ビームを基板の中に誘導ビームとして結合するように構成される、ＩＣＧ領域と、基板上または内に形成される、多指向性瞳エクスパンダ（ＭＰＥ）領域であって、ＭＰＥ領域は、少なくとも第１の周期性軸および第２の周期性軸に沿って周期性を呈する、複数の回折特徴を備え、誘導ビームをＩＣＧ領域から受け取り、それを複数の方向に回折し、複数の回折ビームを作成するように位置付けられる、ＭＰＥ領域と、基板上または内に形成される、射出瞳エクスパンダ（ＥＰＥ）領域であって、回折ビームのうちの１つ以上のものをＭＰＥ領域から受け取り、それらを光学的に透過性の基板から出力ビームとして外部結合するように位置付けられる、ＥＰＥ領域とを備える。
先行実施形態では、ＭＰＥ領域は、別個の回折特徴の２次元格子模様を備えてもよい。
先行実施形態のいずれかでは、ＭＰＥ領域は、交差格子を備えてもよい。
先行実施形態のいずれかでは、ＭＰＥ領域は、誘導ビームのパワーの一部をＩＣＧ領域から少なくとも３つの方向に回折することによって、回折ビームを作成するように構成されてもよい。
先行実施形態のいずれかでは、３つの方向のうちの１つは、ゼロ次回折ビームに対応してもよい。
先行実施形態のいずれかでは、３つの方向のうちの２つ以上のものは、一次回折ビームに対応してもよい。
先行実施形態のいずれかでは、３つの方向は、角度的に少なくとも４５度分離されてもよい。
先行実施形態のいずれかでは、ＭＰＥ領域およびＥＰＥ領域は、重複し得ず、回折ビームの３つの方向のうちの１つのみが、ＥＰＥ領域と交差し得る。
先行実施形態のいずれかでは、３つの方向のうちの１つは、ＩＣＧ領域からＭＰＥ領域への方向に対応してもよい。
先行実施形態のいずれかでは、ＭＰＥ領域は、誘導ビームのパワーの一部をＩＣＧ領域から少なくとも４つの方向に回折することによって、回折ビームを作成するように構成されてもよい。
先行実施形態のいずれかでは、４つの方向は、角度的に少なくとも４５度分離されてもよい。
先行実施形態のいずれかでは、ＭＰＥ領域はさらに、再び、同一複数の方向に複数の分散場所において、回折ビームのうち、最初に回折された後も依然としてＭＰＥ領域内を伝搬しているものを回折することによって、回折ビームの数を増加させるように構成されてもよい。
先行実施形態のいずれかでは、回折ビームのサブセットのみが、ＥＰＥ領域に向かって伝搬し得る。
先行実施形態のいずれかでは、ＥＰＥ領域は、回折ビームのうち、複数の方向のうちの１つに伝搬しているもののみを受け取るように位置付けられてもよい。
先行実施形態のいずれかでは、ＥＰＥ領域に向かって伝搬するそれらの回折ビームは、非均一間隔を有してもよい。
先行実施形態のいずれかでは、ＭＰＥ領域の回折特徴のうちのいくつかは、１０％以下の回折効率を有してもよい。
先行実施形態のいずれかでは、ＭＰＥ領域の回折特徴の回折効率は、空間的に変動してもよい。
先行実施形態のいずれかでは、ＩＣＧ領域は、１次元周期格子を備えてもよい。
先行実施形態のいずれかでは、ＩＣＧ領域の１次元周期格子は、ブレーズド格子であってもよい。
先行実施形態のいずれかでは、ＥＰＥ領域は、１次元周期格子を備えてもよい。
先行実施形態のいずれかでは、ＥＰＥ領域内の１次元周期格子は、屈折力を出力ビームに付与するように湾曲された複数のラインを備えてもよい。
先行実施形態のいずれかでは、入力ビームは、コリメートされ、５ｍｍ以下の直径を有してもよい。
先行実施形態のいずれかでは、ＭＰＥ領域およびＥＰＥ領域は、重複し得ない。
先行実施形態のいずれかでは、光学的に透過性の基板は、平面であってもよい。
先行実施形態のいずれかでは、接眼レンズ導波管は、拡張現実ディスプレイシステムのための接眼レンズの中に組み込まれてもよい。
先行実施形態のいずれかでは、接眼レンズは、カラー画像を複数の深度平面に表示するように構成されてもよい。
先行実施形態のいずれかでは、ＩＣＧ領域は、複数の光の入力ビームのセットを受け取り、入力ビームのセットを基板の中に誘導ビームのセットとして結合するように構成されてもよく、誘導ビームのセットは、少なくとも部分的に、接眼レンズ導波管と関連付けられたｋ－空間環内にある、ｋ－空間内のｋ－ベクトルのセットと関連付けられ、ｋ－空間環は、接眼レンズ導波管内の誘導伝搬と関連付けられたｋ－空間内の領域に対応し、ＭＰＥ領域は、少なくとも３つのセットの回折ビームを作成するように、誘導ビームのセットを回折するように構成されてもよく、回折ビームのセットは、少なくとも部分的に、ｋ－空間環内の３つの異なる角度場所にある、少なくとも３つのセットのｋ－ベクトルと関連付けられる。
先行実施形態のいずれかでは、誘導ビームのセットと関連付けられたｋ－ベクトルのセットは、ｋ－空間環内に完全にあってもよい。
先行実施形態のいずれかでは、回折ビームのセットと関連付けられたｋ－ベクトルのセットは、ｋ－空間環内に完全にあってもよい。
先行実施形態のいずれかでは、回折ビームのセットと関連付けられたｋ－ベクトルのセットは、少なくとも４５度、ｋ－空間環内で相互から角度的に離間されてもよい。
先行実施形態のいずれかでは、回折ビームの個別のセットと関連付けられたｋ－ベクトルのセットは、相互に重複し得ない。
先行実施形態のいずれかでは、回折ビームのセットと関連付けられたｋ－ベクトルのセットのうちの１つは、ＩＣＧ領域からＭＰＥ領域への方向に対応する、ｋ－空間環内のある角位置に位置してもよい。
先行実施形態のいずれかでは、回折ビームのセットと関連付けられたｋ－ベクトルのセットのうちの１つは、ＭＰＥ領域からＥＰＥ領域への方向に対応する、ｋ－空間環内のある角位置に位置してもよい。
先行実施形態のいずれかでは、ＭＰＥ領域は、少なくとも４つのセットの回折ビームを作成するように、誘導ビームのセットを回折するように構成されてもよく、回折ビームのセットは、少なくとも部分的に、ｋ－空間環内の４つの異なる角位置にある、少なくとも４つのセットのｋ－ベクトルと関連付けられる。
先行実施形態のいずれかでは、回折ビームがＭＰＥ領域内を伝搬する間、ＭＰＥ領域は、その対応するｋ－ベクトルのセットが、ｋ－空間環内の３つの異なる場所間で遷移するように、回折ビームをさらに回折するように構成されてもよい。
先行実施形態のいずれかでは、入力ビームのセットは、入力画像と関連付けられてもよい。
先行実施形態のいずれかでは、入力ビームは、入力画像の中心に対応し、ＩＣＧ領域上に垂直に入射してもよい。
いくつかの実施形態では、拡張現実ディスプレイシステムのための接眼レンズ導波管は、光学的に透過性の基板と、基板上または内に形成される、入力結合格子（ＩＣＧ）領域であって、ＩＣＧ領域は、光の入力ビームのセットを受け取り、入力ビームのセットを基板の中に誘導ビームのセットとして結合するように構成され、誘導ビームのセットは、少なくとも部分的に、接眼レンズ導波管と関連付けられたｋ－空間環内にある、ｋ－空間内のｋ－ベクトルのセットと関連付けられ、ｋ－空間環は、接眼レンズ導波管内の誘導伝搬と関連付けられたｋ－空間内の領域に対応する、ＩＣＧ領域と、基板上または内に形成される、多指向性瞳エクスパンダ（ＭＰＥ）領域であって、ＭＰＥ領域は、誘導ビームのセットをＩＣＧ領域から受け取るように位置付けられ、少なくとも３つのセットの回折ビームを作成するように、誘導ビームのセットを回折するように構成され、回折ビームのセットは、少なくとも部分的に、ｋ－空間環内にあって、３つの異なる角度場所に中心合わせされる、少なくとも３つのセットのｋ－ベクトルと関連付けられる、ＭＰＥ領域と、基板上または内に形成される、射出瞳エクスパンダ（ＥＰＥ）領域であって、回折ビームのセットのうちの１つをＭＰＥ領域から受け取り、それらを光学的に透過性の基板から出力ビームとして外部結合するように位置付けられる、ＥＰＥ領域とを備える。
先行実施形態では、誘導ビームのセットと関連付けられたｋ－ベクトルのセットは、ｋ－空間環内に完全にあってもよい。
先行実施形態のいずれかでは、回折ビームのセットと関連付けられたｋ－ベクトルのセットは、ｋ－空間環内に完全にあってもよい。
先行実施形態のいずれかでは、回折ビームのセットと関連付けられたｋ－ベクトルのセットは、少なくとも４５度、ｋ－空間環内で相互から角度的に離間されてもよい。
先行実施形態のいずれかでは、回折ビームの個別のセットと関連付けられたｋ－ベクトルのセットは、相互に重複し得ない。
先行実施形態のいずれかでは、回折ビームのセットと関連付けられたｋ－ベクトルのセットのうちの１つは、ＩＣＧ領域からＭＰＥ領域への方向に対応する、ｋ－空間環内のある角位置に位置してもよい。
先行実施形態のいずれかでは、回折ビームのセットと関連付けられたｋ－ベクトルのセットのうちの１つは、ＭＰＥ領域からＥＰＥ領域への方向に対応する、ｋ－空間環内のある角位置に位置してもよい。
先行実施形態のいずれかでは、ＭＰＥ領域は、少なくとも４つのセットの回折ビームを作成するように、誘導ビームのセットを回折するように構成されてもよく、回折ビームのセットは、少なくとも部分的に、ｋ－空間環内にあって、４つの異なる角位置に中心合わせされる、少なくとも４つのセットのｋ－ベクトルと関連付けられる。
先行実施形態のいずれかでは、回折ビームがＭＰＥ領域内を伝搬する間、ＭＰＥ領域は、その対応するｋ－ベクトルのセットがｋ－空間環内の３つの異なる場所間で遷移するように、回折ビームをさらに回折するように構成されてもよい。
先行実施形態のいずれかでは、入力ビームのセットは、入力画像と関連付けられてもよい。
先行実施形態のいずれかでは、ＭＰＥ領域は、少なくとも第１の周期性軸および第２の周期性軸に沿って周期性を呈する、複数の回折特徴を備えてもよい。
先行実施形態のいずれかでは、ＭＰＥ領域は、別個の回折特徴の２次元格子模様を備えてもよい。
先行実施形態のいずれかでは、ＭＰＥ領域は、交差格子を備えてもよい。
先行実施形態のいずれかでは、入力ビームはそれぞれ、コリメートされ、５ｍｍ以下の直径を有してもよい。
先行実施形態のいずれかでは、ＭＰＥ領域およびＥＰＥ領域は、重複し得ない。
先行実施形態のいずれかでは、接眼レンズ導波管は、拡張現実ディスプレイシステムのための接眼レンズの中に組み込まれてもよい。
先行実施形態のいずれかでは、接眼レンズは、カラー画像を複数の深度平面に表示するように構成されてもよい。
いくつかの実施形態では、拡張現実ディスプレイシステムのための接眼レンズ導波管は、画像と関連付けられた光の入力ビームを受け取るための入力結合領域であって、光の入力ビームは、関連付けられた瞳を有する、入力結合領域と、瞳を少なくとも３つの方向に拡張させるように構成される、多指向性瞳エクスパンダ（ＭＰＥ）領域と、画像と関連付けられた光の出力ビームを投影するための出射領域とを備える。
先行実施形態では、ＭＰＥ領域は、瞳サイズを少なくとも４つの方向に拡張させるように構成されてもよい。
先行実施形態のいずれかでは、ＭＰＥ領域および出射領域は、重複し得ない。
先行実施形態のいずれかでは、ＭＰＥ領域は、出力瞳の非周期的アレイを作成してもよい。
先行実施形態のいずれかでは、入力ビームのセットの中心ビームは、ＩＣＧ領域上に垂直に入射してもよい。
いくつかの実施形態では、拡張現実ディスプレイシステムのための接眼レンズ導波管は、光学的に透過性の基板と、基板上または内に形成される、入力結合格子（ＩＣＧ）領域であって、ＩＣＧ領域は、光の入力ビームのセットを受け取ることであって、入力ビームのセットは、ｋ－空間内のｋ－ベクトルのセットと関連付けられる、ことと、第１の誘導ビームのセットおよび第１の非回折ビームのセットを作成するように、入力ビームのセットを回折することであって、第１の誘導ビームのセットは、接眼レンズ導波管と関連付けられたｋ－空間環内にある、ｋ－ベクトルの平行移動サブセットに対応し、第１の非回折ビームのセットは、ｋ－空間環外にある、ｋ－ベクトルの平行移動サブセットに対応し、ｋ－空間環は、接眼レンズ導波管内の誘導伝搬と関連付けられたｋ－空間内の領域に対応する、ことと、別個の第２の誘導ビームのセットおよび別個の第２の非回折ビームのセットを作成するように、入力ビームのセットを回折することであって、第２の誘導ビームのセットは、ｋ－空間環内にある、ｋ－ベクトルの平行移動サブセットに対応し、第２の非回折ビームのセットは、ｋ－空間環外にある、ｋ－ベクトルの平行移動サブセットに対応し得る、こととを行うように構成される、ＩＣＧ領域と、基板上または内に形成される、第１の瞳エクスパンダ領域であって、第１の誘導ビームのセットをＩＣＧ領域から受け取るように位置付けられ、それらを第１の複製ビームのセットとして複製するように構成される、第１の瞳エクスパンダ領域と、基板上または内に形成される、第２の瞳エクスパンダ領域であって、第２の誘導ビームのセットをＩＣＧ領域から受け取るように位置付けられ、それらを第２の複製ビームのセットとして複製するように構成される、第２の瞳エクスパンダ領域と、基板上または内に形成される、出射領域であって、出射領域は、第１および第２の複製ビームのセットを受け取るように位置付けられ、それらを出力ビームとして外部結合するように構成され、出力ビームは、入力ビームの完全セットを表す、出射領域とを備える。
先行実施形態では、第１の誘導ビームのセットは、ＩＣＧ領域の正の回折次数に対応してもよく、第２の誘導ビームのセットは、負の回折次数に対応してもよい。
先行実施形態のいずれかでは、第１の誘導ビームのセットと関連付けられたｋ－ベクトルの平行移動サブセットは、ｋ－空間環内の第１の位置に位置してもよく、第２の誘導ビームのセットと関連付けられたｋ－ベクトルの平行移動サブセットは、第１の位置と反対のｋ－空間環内の第２の位置に位置してもよい。
先行実施形態のいずれかでは、第１および第２の位置の中心点は、１８０度分離されてもよい。
先行実施形態のいずれかでは、第１の瞳エクスパンダ領域および第２の瞳エクスパンダ領域は、それぞれ、第１の誘導ビームのセットと関連付けられたｋ－ベクトルのサブセットおよび第２の誘導ビームのセットと関連付けられたｋ－ベクトルのサブセットをｋ－空間環内の隣り合った位置に平行移動させるように構成されてもよい。
先行実施形態のいずれかでは、第１の誘導ビームのセットおよび第２の誘導ビームのセットはそれぞれ、個々に、入力ビームのサブセットのみを表すが、集合的に、入力ビームの完全セットを表し得る。
先行実施形態のいずれかでは、第１の瞳エクスパンダ領域および第２の瞳エクスパンダ領域は、それぞれ、第１の誘導ビームのセットと関連付けられたｋ－ベクトルのサブセットおよび第２の誘導ビームのセットと関連付けられたｋ－ベクトルのサブセットをｋ－空間環内の重複位置に平行移動させるように構成されてもよい。
先行実施形態のいずれかでは、第１の誘導ビームのセットおよび第２の誘導ビームのセットはそれぞれ、個々に、入力ビームのサブセットのみを表すが、集合的に、入力ビームの完全セットを表し得る。
先行実施形態のいずれかでは、入力ビームのセットと関連付けられたｋ－ベクトルのセットは、ｋ－空間環の幅より大きい第１の寸法をｋ－空間内に有してもよい。
先行実施形態のいずれかでは、第１の寸法は、ｋ－空間環の幅の最大２倍の大きさであってもよい。
先行実施形態のいずれかでは、第１の寸法は、少なくとも６０度の視野に対応してもよい。
先行実施形態のいずれかでは、入力ビームのセットと関連付けられたｋ－ベクトルのセットは、ｋ－空間環の幅より大きくない第２の寸法を有し得る。
先行実施形態のいずれかでは、入力ビームのセットは、入力画像と関連付けられてもよい。
先行実施形態のいずれかでは、第１および第２の瞳エクスパンダ領域は、直交瞳エクスパンダ（ＯＰＥ）領域を備えてもよい。
先行実施形態のいずれかでは、出射領域は、射出瞳エクスパンダ（ＥＰＥ）領域を備えてもよい。
先行実施形態のいずれかでは、入力ビームはそれぞれ、コリメートされ、５ｍｍ以下の直径を有してもよい。
先行実施形態のいずれかでは、第１および第２の瞳エクスパンダ領域は、出射領域に重複し得ない。
先行実施形態のいずれかでは、接眼レンズ導波管は、拡張現実ディスプレイシステムのための接眼レンズの中に組み込まれてもよい。
先行実施形態のいずれかでは、接眼レンズは、カラー画像を複数の深度平面に表示するように構成されてもよい。
先行実施形態のいずれかでは、入力ビームのセットの中心ビームは、ＩＣＧ領域上に垂直に入射してもよい。
いくつかの実施形態では、拡張現実ディスプレイシステムのための接眼レンズ導波管は、光学的に透過性の基板と、基板上または内に形成される、入力結合格子（ＩＣＧ）領域であって、ＩＣＧ領域は、光の入力ビームのセットを受け取ることであって、入力ビームのセットは、ｋ－空間内の視野（ＦＯＶ）形状を形成する、ｋ－ベクトルのセットと関連付けられ、ＦＯＶ形状は、接眼レンズ導波管と関連付けられたｋ－空間環の幅より大きい第１の寸法をｋ－空間内に有し、ｋ－空間環は、接眼レンズ導波管内の誘導伝搬と関連付けられたｋ－空間内の領域に対応する、ことと、それらを基板の中に誘導ビームとして結合するように、かつＦＯＶ形状をｋ－空間環内の第１の位置および第２の位置の両方に平行移動させるように、入力ビームを回折することであって、第１の位置では、ＦＯＶ形状の一部は、ｋ－空間環外にあって、ＦＯＶ形状の第１のサブ部分のみが、ｋ－空間環内にあって、第２の位置では、ＦＯＶ形状の一部は、ｋ－空間環外にあって、ＦＯＶ形状の第２のサブ部分のみが、ｋ－空間環内にある、こととを行うように構成される、ＩＣＧ領域と、基板上または内に形成される、複数の瞳エクスパンダ領域であって、ＦＯＶ形状の第１および第２のサブ部分を、完全ＦＯＶ形状が組み立て直される、ｋ－空間環内の第３の位置に平行移動させるように、誘導ビームを回折するように位置付けられる、複数の瞳エクスパンダ領域とを備える。
先行実施形態では、接眼レンズ導波管はさらに、基板上または内に形成される、出射領域であって、複数の瞳エクスパンダ領域によって回折されるビームを受け取り、それらを、光学的に透過性の基板から、入力ビームの完全セットを表す、出力ビームのセットとして外部結合するように位置付けられる、出射領域を備えてもよい。
先行実施形態のいずれかでは、ｋ－空間環内の第１および第２の位置では、ＦＯＶ形状の第１の寸法は、ｋ－空間環の半径方向に延在してもよい。
先行実施形態のいずれかでは、ｋ－空間環内の第３の位置では、ＦＯＶ形状の第１の寸法は、ｋ－空間環の方位角方向に延在してもよい。
先行実施形態のいずれかでは、ＦＯＶ形状は、ｋ－空間環の幅より小さいｋ－空間内の第２の寸法を有してもよく、ｋ－空間環内の第１および第２の位置では、ＦＯＶ形状の第２の寸法は、ｋ－空間環の方位角方向に延在してもよい。
先行実施形態のいずれかでは、ｋ－空間環内の第３の位置では、ＦＯＶ形状の第２の寸法は、ｋ－空間環の半径方向に延在してもよい。
先行実施形態のいずれかでは、ＦＯＶ形状は、ＦＯＶ矩形を備えてもよい。
先行実施形態のいずれかでは、ＦＯＶ形状の第１および第２のサブ部分は、重複し得ない。
先行実施形態のいずれかでは、ＦＯＶ形状の第１および第２のサブ部分は、重複してもよい。
先行実施形態のいずれかでは、第３の位置は、ｋ－空間環内で半径方向に中心合わせされてもよい。
先行実施形態のいずれかでは、入力ビームのセットの中心ビームは、ＩＣＧ領域上に垂直に入射してもよい。
いくつかの実施形態では、拡張現実ディスプレイシステムのための接眼レンズ導波管は、光学的に透過性の基板と、基板上または内に形成される、入力結合格子（ＩＣＧ）領域であって、ＩＣＧ領域は、光の入力ビームのセットを受け取り、入力ビームのセットを基板の中に誘導ビームのセットとして結合するように構成され、入力ビームのセットは、ｋ－空間内のｋ－ベクトルのセットと関連付けられ、ｋ－ベクトルのセットは、接眼レンズ導波管と関連付けられたｋ－空間環の幅より大きい第１の寸法をｋ－空間内に有し、ｋ－空間環は、接眼レンズ導波管内の誘導伝搬と関連付けられたｋ－空間内の領域に対応する、ＩＣＧ領域と、基板上または内に形成される、複数の瞳エクスパンダ領域であって、集合的に、誘導ビームをＩＣＧ領域から受け取り、複製ビームのセットを作成するように、それらを回折するように位置付けられる、複数の瞳エクスパンダ領域と、基板上または内に形成される、出射領域であって、複製ビームを受け取り、複製ビームを、光学的に透過性の基板から、入力ビームの完全セットを表す、出力ビームのセットとして外部結合するように位置付けられる、出射領域とを備える。
いくつかの実施形態では、拡張現実ディスプレイシステムのための接眼レンズ導波管は、光学的に透過性の基板と、基板上または内に形成される、入力結合格子（ＩＣＧ）領域であって、ＩＣＧ領域は、入力画像に対応する光の入力ビームのセットを複数の回折次数に回折するように構成される、回折格子を備え、回折格子は、以下を満たす、周期Λを有し、
式中、ｎ２は、光学的に透過性の基板の屈折率であって、ｎ１は、光学的に透過性の基板を囲繞する媒体の屈折率であって、ωは、光の入力ビームの角周波数であって、ｃは、光の速さの定数である、ＩＣＧ領域と、基板上または内に形成される、複数の瞳エクスパンダ領域であって、集合的に、ビームをＩＣＧ領域から受け取り、複製ビームのセットを作成するように、それらを回折するように位置付けられる、複数の瞳エクスパンダ領域と、基板上または内に形成される、出射領域であって、複製ビームを受け取り、複製ビームを、光学的に透過性の基板から、完全入力画像を表す、出力ビームのセットとして外部結合するように位置付けられる、出射領域とを備える。
先行実施形態では、入力ビームのセットは、少なくとも１つの方向に、全内部反射を受け得る、光学的に透過性の基板の厚さ方向における角度の範囲を上回る、角度広がりを有してもよい。
先行実施形態のいずれかでは、入力ビームのセットの角度広がりは、全内部反射を受け得る、光学的に透過性の基板の厚さ方向における角度の範囲を最大２倍上回ってもよい。
先行実施形態のいずれかでは、ＩＣＧ領域は、入力ビームを正の回折次数および負の回折次数に回折するように構成されてもよい。
先行実施形態のいずれかでは、第１の瞳エクスパンダ領域は、正の回折次数に回折される入力ビームを受け取るように位置付けられてもよく、第２の瞳エクスパンダ領域は、負の回折次数に回折される入力ビームを受け取るように位置付けられてもよい。
いくつかの実施形態では、拡張現実ディスプレイシステムのための接眼レンズ導波管は、第１の表面および第２の表面を有する、光学的に透過性の基板と、基板の表面のうちの１つ上または内に形成される、第１の入力結合格子（ＩＣＧ）領域であって、光の入力ビームを受け取り、入力ビームを基板の中に誘導ビームとして結合するように構成される、第１のＩＣＧ領域と、基板の第１の表面上または内に形成される、多指向性瞳エクスパンダ（ＭＰＥ）領域であって、ＭＰＥ領域は、少なくとも第１の周期性軸および第２の周期性軸に沿って周期性を呈する、複数の回折特徴を備え、誘導ビームを第１のＩＣＧ領域から受け取り、それを複数の方向に回折し、複数の回折ビームを作成するように位置付けられる、ＭＰＥ領域と、基板の第２の表面上または内に形成される、射出瞳エクスパンダ（ＥＰＥ）領域であって、ＥＰＥ領域は、ＭＰＥ領域に重複し、回折ビームのうちの１つ以上のものを光学的に透過性の基板から出力ビームとして外部結合するように構成される、ＥＰＥ領域とを備える。
先行実施形態では、ＭＰＥ領域およびＥＰＥ領域は、少なくとも９０％重複してもよい。
先行実施形態のいずれかでは、ＭＰＥ領域およびＥＰＥ領域は、同一サイズであってもよい。
先行実施形態のいずれかでは、ＭＰＥ領域およびＥＰＥ領域は、相互に整合されてもよい。
先行実施形態のいずれかでは、第１のＩＣＧ領域は、複数の周期的に繰り返されるラインを有する、回折格子を備えてもよく、ＥＰＥ領域は、第１のＩＣＧ領域内の回折格子のラインと垂直に配向される、複数の周期的に繰り返されるラインを有する、回折格子を備えてもよい。
先行実施形態のいずれかでは、ＭＰＥ領域は、別個の回折特徴の２次元格子模様を備えてもよい。
先行実施形態のいずれかでは、ＭＰＥ領域は、交差格子を備えてもよい。
先行実施形態のいずれかでは、ＭＰＥ領域は、第１のＩＣＧ領域からの誘導ビームのパワーの一部を少なくとも４つの方向に回折することによって、回折ビームを作成するように構成されてもよい。
先行実施形態のいずれかでは、４つの方向のうちの１つは、ゼロ次回折ビームに対応してもよい。
先行実施形態のいずれかでは、４つの方向のうちの３つ以上のものは、一次回折ビームに対応してもよい。
先行実施形態のいずれかでは、４つの方向は、角度的に９０度分離されてもよい。
先行実施形態のいずれかでは、ＭＰＥ領域はさらに、再び、同一複数の方向に複数の分散場所において、回折ビームのうち、最初に回折された後も依然としてＭＰＥ領域内を伝搬しているものを回折することによって、回折ビームの数を増加させるように構成されてもよい。
先行実施形態のいずれかでは、ＭＰＥ領域の回折特徴における第１および第２の周期性軸は、直交し得ない。
先行実施形態のいずれかでは、ＭＰＥ領域の回折特徴の回折効率は、空間的に変動してもよい。
先行実施形態のいずれかでは、第１のＩＣＧ領域により近い、ＭＰＥ領域内に位置する回折特徴は、より高い回折効率を有してもよい。
先行実施形態のいずれかでは、それに沿って第１のＩＣＧ領域が誘導ビームを指向する軸により近い、ＭＰＥ領域内に位置する回折特徴は、より高い回折効率を有してもよい。
先行実施形態のいずれかでは、接眼レンズ導波管はさらに、ＭＰＥ領域の周囲の１つ以上の対応する場所に提供される、１つ以上の付加的なＩＣＧ領域を備え、異なる場所においてＭＰＥ領域に入射する１つ以上の対応する付加的光の入力ビームを提供してもよい。
先行実施形態のいずれかでは、ＥＰＥ領域内の回折特徴の回折効率は、空間的に変動してもよい。
先行実施形態のいずれかでは、ＥＰＥ領域の周縁のより近くに位置する回折特徴は、より高い回折効率を有してもよい。
先行実施形態のいずれかでは、接眼レンズ導波管はさらに、基板の周縁の周囲に位置する、１つ以上の回折ミラーを備えてもよい。
先行実施形態のいずれかでは、入力ビームは、コリメートされ、５ｍｍ以下の直径を有してもよい。
先行実施形態のいずれかでは、光学的に透過性の基板は、平面であってもよい。
先行実施形態のいずれかでは、接眼レンズ導波管は、拡張現実ディスプレイシステムのための接眼レンズの中に組み込まれてもよい。
先行実施形態のいずれかでは、接眼レンズは、カラー画像を複数の深度平面に表示するように構成されてもよい。
先行実施形態のいずれかでは、入力ビームは、入力画像の中心に対応し、ＩＣＧ領域上に垂直に入射してもよい。
先行実施形態のいずれかでは、第１のＩＣＧ領域は、複数の光の入力ビームのセットを受け取るように構成されてもよく、入力ビームのセットは、ｋ－空間内の視野（ＦＯＶ）形状を形成する、ｋ－ベクトルのセットと関連付けられ、ＦＯＶ形状は、接眼レンズ導波管と関連付けられたｋ－空間環の幅より大きい第１の寸法をｋ－空間内に有し、ｋ－空間環は、接眼レンズ導波管内の誘導伝搬と関連付けられたｋ－空間内の領域に対応し、第１のＩＣＧ領域は、それらを基板の中に誘導ビームとして結合するように、かつＦＯＶ形状を、ＦＯＶ形状がｋ－空間環内に完全にある、第１の位置に平行移動させるように、入力ビームを回折するように構成されてもよい。
先行実施形態のいずれかでは、ｋ－空間環内の第１の位置では、ＦＯＶ形状の第１の寸法は、ｋ－空間環の方位角方向に延在してもよい。
先行実施形態のいずれかでは、ＭＰＥ領域は、ＦＯＶ形状をｋ－空間環内の第２の位置および第３の位置の両方に平行移動させるように、第１のＩＣＧ領域からの誘導ビームを回折するように構成されてもよく、第２の位置では、ＦＯＶ形状の一部は、ｋ－空間環外にあって、ＦＯＶ形状の第１のサブ部分のみが、ｋ－空間環内にあって、第３の位置では、ＦＯＶ形状の一部は、ｋ－空間環外にあって、ＦＯＶ形状の第２のサブ部分のみが、ｋ－空間環内にある。
先行実施形態のいずれかでは、ｋ－空間環内の第２および第３の位置では、ＦＯＶ形状の第１の寸法は、ｋ－空間環の半径方向に延在してもよい。
先行実施形態のいずれかでは、ＥＰＥ領域は、ＦＯＶ形状の第１のサブ部分を、ｋ－空間環内の第２の位置から、ｋ－空間環によって囲繞される、ｋ－空間内の中心位置に平行移動させるように、かつＦＯＶ形状の第２のサブ部分をｋ－空間環内の第３の位置から中心位置に平行移動させるように、ＭＰＥ領域からの回折ビームをさらに回折するように構成されてもよい。
先行実施形態のいずれかでは、完全ＦＯＶ形状は、中心位置において組み立て直されてもよい。
先行実施形態のいずれかでは、ＦＯＶ形状の第１および第２のサブ部分は、重複し得ない。
先行実施形態のいずれかでは、ＦＯＶ形状の第１および第２のサブ部分は、重複してもよい。
先行実施形態のいずれかでは、接眼レンズ導波管は、ＦＯＶ形状の第１の寸法方向に６０度の大きさの視野を提供してもよい。
先行実施形態のいずれかでは、入力ビームのセットの中心ビームは、ＩＣＧ領域上に垂直に入射してもよい。
先行実施形態のいずれかでは、第１のＩＣＧ領域は、接眼レンズ導波管が装着時配向にあるとき、ＭＰＥ領域およびＥＰＥ領域の上方に位置してもよい。
先行実施形態のいずれかでは、接眼レンズ導波管はさらに、第２のＩＣＧ領域を備えてもよく、ＭＰＥ領域およびＥＰＥ領域は、第１のＩＣＧ領域と第２のＩＣＧ領域との間に位置する。
先行実施形態のいずれかでは、接眼レンズ導波管が装着時配向にあるとき、第１のＩＣＧ領域は、ＭＰＥ領域およびＥＰＥ領域の鼻側に位置してもよく、第２のＩＣＧ領域は、ＭＰＥ領域およびＥＰＥ領域のこめかみ側に位置してもよい。
先行実施形態のいずれかでは、第１のＩＣＧ領域および第２のＩＣＧ領域は両方とも、同一方向に延在する複数の周期的に繰り返されるラインを有する、回折格子を備えてもよい。
先行実施形態のいずれかでは、ＥＰＥ領域は、第１および第２のＩＣＧ領域内の回折格子のラインと垂直に配向される複数の周期的に繰り返されるラインを有する、回折格子を備えてもよい。
先行実施形態のいずれかでは、接眼レンズ導波管は、入力画像を形成する、入力ビームのセットを受け取るように構成されてもよく、入力ビームのセットは、ｋ－空間内の視野（ＦＯＶ）形状を形成する、ｋ－ベクトルのセットと関連付けられ、ＦＯＶ形状は、接眼レンズ導波管と関連付けられたｋ－空間環の幅より大きい第１の寸法をｋ－空間内に有し、ｋ－空間環は、接眼レンズ導波管内の誘導伝搬と関連付けられたｋ－空間内の領域に対応し、第１のＩＣＧ領域は、それらを基板の中に誘導ビームとして結合するように、かつＦＯＶ形状を、ＦＯＶ形状の第１のサブ部分がｋ－空間環内に完全にある、第１の位置に平行移動させるように、ＦＯＶ形状の第１のサブ部分に対応する入力ビームの第１のサブセットを受け取り、入力ビームの第１のサブセットを回折するように構成されてもよく、第２のＩＣＧ領域は、それらを基板の中に誘導ビームとして結合するように、かつＦＯＶ形状を、ＦＯＶ形状の第２のサブ部分がｋ－空間環内に完全にある、第２の位置に平行移動させるように、ＦＯＶ形状の第２のサブ部分に対応する入力ビームの第２のサブセットを受け取り、入力ビームの第２のサブセットを回折するように構成されてもよい。
先行実施形態のいずれかでは、ＭＰＥ領域は、ＦＯＶ形状の第１のサブ部分をｋ－空間環内の第３の位置および第４の位置の両方に平行移動させるように、第１のＩＣＧ領域からの誘導ビームを回折するように構成されてもよく、ＭＰＥ領域はさらに、ＦＯＶ形状の第２のサブ部分をｋ－空間環内の第３の位置および第４の位置の両方に平行移動させるように、第２のＩＣＧ領域からの誘導ビームを回折するように構成されてもよい。
先行実施形態のいずれかでは、ｋ－空間環内の第３および第４の位置では、ＦＯＶ形状の第１の寸法は、ｋ－空間環の方位角方向に延在してもよい。
先行実施形態のいずれかでは、完全ＦＯＶ形状は、第３の位置および第４の位置において組み立て直されてもよい。
先行実施形態のいずれかでは、ＦＯＶ形状の第１および第２のサブ部分は、重複し得ない。
先行実施形態のいずれかでは、ＦＯＶ形状の第１および第２のサブ部分は、重複してもよい。
先行実施形態のいずれかでは、ＥＰＥ領域は、完全に組み立て直されたＦＯＶ形状を、ｋ－空間環内の第３および第４の位置の両方から、ｋ－空間環によって囲繞される、ｋ－空間内の中心位置に平行移動させるように、ＭＰＥ領域からの回折ビームをさらに回折するように構成されてもよい。
先行実施形態のいずれかでは、接眼レンズ導波管は、ＦＯＶ形状の第１の寸法方向に１００度の大きさの視野を提供してもよい。
先行実施形態のいずれかでは、接眼レンズ導波管の第１のインスタンスおよび接眼レンズ導波管の第２のインスタンスは、双眼構成に提供されてもよい。
先行実施形態のいずれかでは、接眼レンズ導波管の第１のインスタンスの視野は、接眼レンズ導波管の第２のインスタンスの視野と重複してもよい。
先行実施形態のいずれかでは、双眼構成は、１５０度またはより大きい１つの方向における視野を提供してもよい。
先行実施形態のいずれかでは、接眼レンズ導波管はさらに、第１のＩＣＧ領域の反対側の第１の対の直交瞳エクスパンダ（ＯＰＥ）領域と、第２のＩＣＧ領域の反対側の第２の対のＯＰＥ領域とを備えてもよい。
先行実施形態のいずれかでは、第１のＩＣＧ領域および第２のＩＣＧ領域は両方とも、同一方向に延在する複数の周期的に繰り返されるラインを有する、回折格子を備えてもよい。
先行実施形態のいずれかでは、ＥＰＥ領域は、第１および第２のＩＣＧ領域内の回折格子のラインと同一方向に配向される複数の周期的に繰り返されるラインを有する、回折格子を備えてもよい。
先行実施形態のいずれかでは、接眼レンズ導波管は、入力画像を形成する、入力ビームのセットを受け取るように構成されてもよく、入力ビームのセットは、ｋ－空間内の視野（ＦＯＶ）形状を形成する、ｋ－ベクトルのセットと関連付けられ、ＦＯＶ形状は、接眼レンズ導波管と関連付けられたｋ－空間環の幅より大きい第１および第２の寸法をｋ－空間内に有し、ｋ－空間環は、接眼レンズ導波管内の誘導伝搬と関連付けられたｋ－空間内の領域に対応し、第１のＩＣＧ領域は、それらの少なくとも一部を基板の中に誘導ビームとして結合するように、かつＦＯＶ形状を、少なくともＦＯＶ形状の第１および第２のサブ部分がそれぞれｋ－空間環内に完全にある、第１および第２の位置に平行移動させるように、入力ビームのセットを回折するように構成されてもよく、第２のＩＣＧ領域は、それらの少なくとも一部を基板の中に誘導ビームとして結合するように、かつＦＯＶ形状を、少なくともＦＯＶ形状の第１および第２のサブ部分がそれぞれ、ｋ－空間環内に完全にある、第１および第２の位置に平行移動させるように、入力ビームのセットを回折するように構成されてもよい。
先行実施形態のいずれかでは、第１の対のＯＰＥ領域は、ＦＯＶ形状の第１および第２のサブ部分を、ＦＯＶ形状の第１および第２のサブ部分の少なくとも第１の部分がｋ－空間環内に完全にある、第３の位置に平行移動させるように、第１のＩＣＧ領域からの誘導ビームを回折するように構成されてもよく、第２の対のＯＰＥ領域は、ＦＯＶ形状の第１および第２のサブ部分を、ＦＯＶ形状の第１および第２のサブ部分の少なくとも第２の部分がｋ－空間環内に完全にある、第４の位置に平行移動させるように、第２のＩＣＧ領域からの誘導ビームを回折するように構成されてもよい。
先行実施形態のいずれかでは、ＭＰＥ領域は、ＦＯＶ形状の第１および第２のサブ部分の第１の部分を、ｋ－空間環内の第１、第２、および第４の位置に平行移動させるように、第１の対のＯＰＥ領域からの誘導ビームを回折するように構成されてもよく、ＭＰＥ領域は、ＦＯＶ形状の第１および第２のサブ部分の第２の部分を、ｋ－空間環内の第１、第２、および第３の位置に平行移動させるように、第２の対のＯＰＥ領域からの誘導ビームをさらに回折するように構成されてもよい。
先行実施形態のいずれかでは、ＥＰＥ領域は、完全ＦＯＶ形状を、ｋ－空間環によって囲繞される、ｋ－空間内の中心位置に組み立て直すように、ＭＰＥ領域からの回折ビームをさらに回折するように構成されてもよい。
先行実施形態のいずれかでは、ＦＯＶ形状の第１および第２のサブ部分は、重複し得ない。
先行実施形態のいずれかでは、ＦＯＶ形状の第１および第２のサブ部分は、重複してもよい。
先行実施形態のいずれかでは、入力ビームのセットの中心ビームは、第１のＩＣＧ領域および第２のＩＣＧ領域上に垂直に入射してもよい。
（付加的考慮点）
文脈によって別様に明確に要求されない限り、説明および請求項全体を通して、単語「備える」、「～を備えている」、「～を含む」、「～を含んでいる」、「～を有する」、「～を有している」および同等物は、排他的または包括的意味とは対照的に、包含的意味、すなわち、「限定ではないが～を含む」の意味で解釈されるべきである。単語「結合される」は、本明細書で概して使用されるように、直接接続されるか、または１つ以上の中間要素を経由して接続されるかのいずれかであり得る、２つ以上の要素を指す。同様に、単語「接続される」は、本明細書で概して使用されるように、直接接続されるか、または１つ以上の中間要素を経由して接続されるかのいずれかであり得る、２つ以上の要素を指す。文脈に応じて、「結合される」または「接続される」は、光が１つの光学要素から別の光学要素に結合または接続されるような光学結合または光学接続を指し得る。加えて、単語「本明細書で」、「上記で」、「下記で」、「後述の」、「前述の」、および類似意味の単語は、本願で使用されるとき、全体として本願を指すものとし、本願の任意の特定の部分を指すものではない。文脈によって許容される場合、単数形または複数形を使用する上記の詳細な説明における単語はまた、それぞれ、複数形または単数形を含んでもよい。単語「または」は、２つ以上のアイテムのリストを参照する場合、包含的（排他的ではなく）「または」であって、「または」は、以下の単語の解釈の全て、すなわち、リスト内のアイテムのいずれか、リスト内のアイテムの全て、およびリスト内のアイテムのうちの１つ以上のものの任意の組み合わせを網羅し、リストに追加される他のアイテムを除外しない。加えて、冠詞「ａ」、「ａｎ」、および「ｔｈｅ」は、本願および添付の請求項において使用される場合、別様に規定されない限り、「１つ以上の」または「少なくとも１つ」を意味すると解釈されるべきである。
本明細書で使用されるように、項目のリスト「～のうちの少なくとも１つ」を指す語句は、単一の要素を含む、それらの項目の任意の組み合わせを指す。ある実施例として、「Ａ、Ｂ、またはＣのうちの少なくとも１つ」は、Ａ、Ｂ、Ｃ、ＡおよびＢ、ＡおよびＣ、ＢおよびＣ、およびＡ、Ｂ、およびＣを網羅することが意図される。語句「Ｘ、Ｙ、およびＺのうちの少なくとも１つ」等の接続文は、別様に具体的に記載されない限り、概して、項目、用語等がＸ、Ｙ、またはＺのうちの少なくとも１つであり得ることを伝えるために使用されるような文脈で別様に理解される。したがって、そのような接続文は、概して、ある実施形態が、Ｘのうちの少なくとも１つ、Ｙのうちの少なくとも１つ、およびＺのうちの少なくとも１つがそれぞれ存在するように要求することを示唆することを意図されない。
さらに、とりわけ、「～できる（ｃａｎ）」、「～し得る（ｃｏｕｌｄ）」、「～し得る（ｍｉｇｈｔ）」、「～し得る（ｍａｙ）」、「例えば（ｅ．ｇ．）」、「例えば（ｆｏｒ ｅｘａｍｐｌｅ）」、「等（ｓｕｃｈ ａｓ）」、および同等物等、本明細書で使用される条件文は、別様に具体的に記載されない限り、または使用されるような文脈内で別様に理解されない限り、概して、ある実施形態がある特徴、要素、および／または状態を含む一方、他の実施形態がそれらを含まないことを伝えることが意図されることを理解されたい。したがって、そのような条件文は、概して、特徴、要素、および／または状態が、１つ以上の実施形態に対していかようにも要求されること、またはこれらの特徴、要素、および／または状態が任意の特定の実施形態において含まれる、または実施されるべきかどうかを示唆することを意図されない。
ある実施形態が、説明されたが、これらの実施形態は、一例としてのみ提示され、本開示の範囲を限定することを意図するものではない。実施形態のうちの任意の１つの特徴は、実施形態の任意の他の１つの特徴と組み合わせられる、および／またはそれで代用されることができる。種々の実施形態のある利点が、本明細書に説明された。しかし、全ての実施形態が、必ずしも、これらの利点のそれぞれを達成するわけではない。
実施形態は、付随の図面に関連して説明された。しかしながら、図は、正確な縮尺で描かれていない。距離、角度等は、単に、例証的であって、必ずしも、図示されるデバイスの実際の寸法およびレイアウトとの正確な関係を伝えるものではない。
前述の実施形態は、当業者が、本明細書に説明されるデバイス、システム、方法等を作製および使用することを可能にするために、ある程度詳細に説明された。様々な変形例が、可能性として考えられる。コンポーネント、要素、および／またはステップは、改変される、追加される、除去される、または再配列されてもよい。ある実施形態が、明示的に説明されたが、他の実施形態も、本開示に基づいて、当業者に明白となるであろう。

Claims (33)

  1. 拡張現実ディスプレイシステムのための接眼レンズ導波管であって、前記接眼レンズ導波管は、
    第１の表面および第２の表面を有する光学的に透過性の基板と、
    前記基板の表面のうちの１つ上または前記基板の表面のうちの１つ内に形成される第１の入力結合格子（ＩＣＧ）領域であって、前記第１のＩＣＧ領域は、光の入力ビームを受け取り、前記入力ビームを前記基板の中に誘導ビームとして結合するように構成される、第１のＩＣＧ領域と、
    前記基板の第１の表面上または前記基板の第１の表面内に形成される多指向性瞳エクスパンダ（ＭＰＥ）領域であって、前記ＭＰＥ領域は、少なくとも第１の周期性軸および第２の周期性軸に沿って周期性を呈する複数の回折特徴を備え、前記ＭＰＥ領域は、前記誘導ビームを前記第１のＩＣＧ領域から受け取り、それを複数の方向に回折し、複数の回折ビームを作成するように位置付けられる、ＭＰＥ領域と、
    前記基板の第２の表面上または前記基板の第２の表面内に形成される射出瞳エクスパンダ（ＥＰＥ）領域であって、前記ＥＰＥ領域は、前記ＭＰＥ領域に重複し、前記ＥＰＥ領域は、前記回折ビームのうちの１つ以上のものを前記光学的に透過性の基板から出力ビームとして外部結合するように構成される、ＥＰＥ領域と、
    第２のＩＣＧ領域であって、前記ＭＰＥ領域および前記ＥＰＥ領域は、前記第１のＩＣＧ領域と前記第２のＩＣＧ領域との間に位置する、第２のＩＣＧ領域と、
    前記第１のＩＣＧ領域の反対側の第１の対の直交瞳エクスパンダ（ＯＰＥ）領域と、
    前記第２のＩＣＧ領域の反対側の第２の対のＯＰＥ領域と
    を備え、
    前記ＭＰＥ領域は、前記第１のＩＣＧ領域からの前記誘導ビームのパワーの一部を少なくとも４つの方向に回折することによって、前記回折ビームを作成するように構成される、接眼レンズ導波管。
  2. 前記ＭＰＥ領域および前記ＥＰＥ領域は、同一サイズであり、相互に整合される、請求項１に記載の接眼レンズ導波管。
  3. 前記第１のＩＣＧ領域は、複数の周期的に繰り返されるラインを有する回折格子を備え、前記ＥＰＥ領域は、前記第１のＩＣＧ領域内の前記回折格子のラインと垂直に配向される複数の周期的に繰り返されるラインを有する、回折格子を備える、請求項１に記載の接眼レンズ導波管。
  4. 前記ＭＰＥ領域は、別個の回折特徴の２次元格子模様または交差格子を備える、請求項１に記載の接眼レンズ導波管。
  5. 前記４つの方向のうちの３つ以上のものは、一次回折ビームに対応する、請求項１に記載の接眼レンズ導波管。
  6. 前記４つの方向は、角度的に９０度分離される、請求項１に記載の接眼レンズ導波管。
  7. 前記ＭＰＥ領域の前記回折特徴における前記第１および第２の周期性軸は、直交しない、請求項１に記載の接眼レンズ導波管。
  8. 前記ＭＰＥ領域の前記回折特徴の回折効率は、空間的に変動し、前記第１のＩＣＧ領域により近い、前記ＭＰＥ領域内に位置する回折特徴は、より高い回折効率を有し、または、それに沿って前記第１のＩＣＧ領域が前記誘導ビームを指向する軸により近い、前記ＭＰＥ領域内に位置する回折特徴は、より高い回折効率を有する、請求項１に記載の接眼レンズ導波管。
  9. 異なる場所において前記ＭＰＥ領域に入射する１つ以上の対応する付加的光の入力ビームを提供するために、前記ＭＰＥ領域の周囲の１つ以上の対応する場所に提供される１つ以上の付加的なＩＣＧ領域をさらに備える、請求項１に記載の接眼レンズ導波管。
  10. 前記ＥＰＥ領域内の回折特徴の回折効率は、空間的に変動し、前記ＥＰＥ領域の周縁のより近くに位置する回折特徴は、より高い回折効率を有する、請求項１に記載の接眼レンズ導波管。
  11. 前記基板の周縁の周囲に位置する１つ以上の回折ミラーをさらに備える、請求項１に記載の接眼レンズ導波管。
  12. 前記接眼レンズ導波管は、拡張現実ディスプレイシステムのための接眼レンズの中に組み込まれる、請求項１に記載の接眼レンズ導波管。
  13. 前記接眼レンズ導波管が装着時配向にあるとき、前記第１のＩＣＧ領域は、前記ＭＰＥ領域および前記ＥＰＥ領域の鼻側に位置し、前記第２のＩＣＧ領域は、前記ＭＰＥ領域および前記ＥＰＥ領域のこめかみ側に位置する、請求項１に記載の接眼レンズ導波管。
  14. 前記第１のＩＣＧ領域および前記第２のＩＣＧ領域は両方、同一方向に延在する複数の周期的に繰り返されるラインを有する回折格子を備え、前記ＥＰＥ領域は、前記第１および第２のＩＣＧ領域内の前記回折格子のラインと垂直に配向される複数の周期的に繰り返されるラインを有する、回折格子を備える、請求項１に記載の接眼レンズ導波管。
  15. 前記接眼レンズ導波管は、入力画像を形成する入力ビームのセットを受け取るように構成され、前記入力ビームのセットは、ｋ－空間内の視野（ＦＯＶ）形状を形成するｋ－ベクトルのセットと関連付けられ、前記ＦＯＶ形状は、前記接眼レンズ導波管と関連付けられたｋ－空間環の幅より大きい、ｋ－空間内の第１の寸法を有し、前記ｋ－空間環は、ｋ－空間内の領域であり、前記ｋ－空間環内にあるｋ－ベクトルと関連付けられた入力ビームは、全内部反射を介して前記接眼レンズ導波管内の誘導伝搬を受け、
    前記第１のＩＣＧ領域は、前記ＦＯＶ形状の第１のサブ部分に対応する前記入力ビームの第１のサブセットを受け取り、前記入力ビームの第１のサブセットを前記基板の中に誘導ビームとして結合するように、かつ前記ＦＯＶ形状を、前記ＦＯＶ形状の前記第１のサブ部分が前記ｋ－空間環内に完全にある、第１の位置に平行移動させるように、前記入力ビームの前記第１のサブセットを回折するように構成され、
    前記第２のＩＣＧ領域は、前記ＦＯＶ形状の第２のサブ部分に対応する前記入力ビームの第２のサブセットを受け取り、前記入力ビームの第２のサブセットを前記基板の中に誘導ビームとして結合するように、かつ前記ＦＯＶ形状を、前記ＦＯＶ形状の前記第２のサブ部分が前記ｋ－空間環内に完全にある、第２の位置に平行移動させるように、前記入力ビームの前記第２のサブセットを回折するように構成される、請求項１に記載の接眼レンズ導波管。
  16. 前記ＭＰＥ領域は、前記ＦＯＶ形状の前記第１のサブ部分を前記ｋ－空間環内の第３の位置および第４の位置の両方に平行移動させるように、前記第１のＩＣＧ領域からの前記誘導ビームを回折するように構成され、
    前記ＭＰＥ領域はさらに、前記ＦＯＶ形状の前記第２のサブ部分を前記ｋ－空間環内の前記第３の位置および前記第４の位置の両方に平行移動させるように、前記第２のＩＣＧ領域からの前記誘導ビームを回折するように構成される、請求項１５に記載の接眼レンズ導波管。
  17. 前記ｋ－空間環内の前記第３および第４の位置では、前記ＦＯＶ形状の前記第１の寸法は、前記ｋ－空間環の方位角方向に延在する、請求項１６に記載の接眼レンズ導波管。
  18. 完全ＦＯＶ形状は、前記第３の位置および前記第４の位置において組み立て直される、請求項１６に記載の接眼レンズ導波管。
  19. 前記ＦＯＶ形状の前記第１および第２のサブ部分は、重複しない、請求項１８に記載の接眼レンズ導波管。
  20. 前記ＦＯＶ形状の前記第１および第２のサブ部分は、重複する、請求項１８に記載の接眼レンズ導波管。
  21. 前記ＥＰＥ領域は、前記完全に組み立て直されたＦＯＶ形状を、前記ｋ－空間環内の前記第３および第４の位置の両方から、前記ｋ－空間環によって囲繞されるｋ－空間内の中心位置に平行移動させるように、前記ＭＰＥ領域からの前記回折ビームをさらに回折するように構成される、請求項１８に記載の接眼レンズ導波管。
  22. 前記接眼レンズ導波管は、前記ＦＯＶ形状の前記第１の寸法の方向に１００度の大きさの視野を提供する、請求項１５に記載の接眼レンズ導波管。
  23. 前記接眼レンズ導波管の第１のインスタンスおよび前記接眼レンズ導波管の第２のインスタンスは、双眼構成に提供される、請求項１５に記載の接眼レンズ導波管。
  24. 前記接眼レンズ導波管の前記第１のインスタンスの視野は、前記接眼レンズ導波管の前記第２のインスタンスの視野と重複する、請求項２３に記載の接眼レンズ導波管。
  25. 前記双眼構成は、１５０度またはより大きい１つの方向における視野を提供する、請求項２４に記載の接眼レンズ導波管。
  26. 前記第１のＩＣＧ領域および前記第２のＩＣＧ領域は両方、同一方向に延在する複数の周期的に繰り返されるラインを有する回折格子を備える、請求項１に記載の接眼レンズ導波管。
  27. 前記接眼レンズ導波管は、入力画像を形成する入力ビームのセットを受け取るように構成され、前記入力ビームのセットは、ｋ－空間内の視野（ＦＯＶ）形状を形成するｋ－ベクトルのセットと関連付けられ、前記ＦＯＶ形状は、前記接眼レンズ導波管と関連付けられたｋ－空間環の幅より大きい、ｋ－空間内の第１および第２の寸法を有し、前記ｋ－空間環は、ｋ－空間内の領域であり、前記ｋ－空間環内にあるｋ－ベクトルと関連付けられた入力ビームは、全内部反射を介して前記接眼レンズ導波管内の誘導伝搬を受け、
    前記第１のＩＣＧ領域は、前記入力ビームのセットの少なくとも一部を前記基板の中に誘導ビームとして結合するように、かつ前記ＦＯＶ形状を、少なくとも前記ＦＯＶ形状の第１および第２のサブ部分がそれぞれ、前記ｋ－空間環内に完全にある、第１および第２の位置に平行移動させるように、前記入力ビームのセットを回折するように構成され、
    前記第２のＩＣＧ領域は、前記入力ビームのセットの少なくとも一部を前記基板の中に誘導ビームとして結合するように、かつ前記ＦＯＶ形状を、少なくとも前記ＦＯＶ形状の前記第１および第２のサブ部分がそれぞれ、前記ｋ－空間環内に完全にある、前記第１および第２の位置に平行移動させるように、前記入力ビームのセットを回折するように構成される、請求項１に記載の接眼レンズ導波管。
  28. 前記第１の対のＯＰＥ領域は、前記ＦＯＶ形状の前記第１および第２のサブ部分を、前記ＦＯＶ形状の前記第１および第２のサブ部分の少なくとも第１の部分が前記ｋ－空間環内に完全にある、第３の位置に平行移動させるように、前記第１のＩＣＧ領域からの前記誘導ビームを回折するように構成され、
    前記第２の対のＯＰＥ領域は、前記ＦＯＶ形状の前記第１および第２のサブ部分を、前記ＦＯＶ形状の前記第１および第２のサブ部分の少なくとも第２の部分が前記ｋ－空間環内に完全にある、第４の位置に平行移動させるように、前記第２のＩＣＧ領域からの前記誘導ビームを回折するように構成される、請求項２７に記載の接眼レンズ導波管。
  29. 前記ＭＰＥ領域は、前記ＦＯＶ形状の前記第１および第２のサブ部分の前記第１の部分を、前記ｋ－空間環内の前記第１、第２、および第４の位置に平行移動させるように、前記第１の対のＯＰＥ領域からの前記誘導ビームを回折するように構成され、
    前記ＭＰＥ領域は、前記ＦＯＶ形状の前記第１および第２のサブ部分の前記第２の部分を、前記ｋ－空間環内の前記第１、第２、および第３の位置に平行移動させるように、前記第２の対のＯＰＥ領域からの前記誘導ビームを回折するようにさらに構成される、請求項２８に記載の接眼レンズ導波管。
  30. 前記ＥＰＥ領域は、完全ＦＯＶ形状を、前記ｋ－空間環によって囲繞されるｋ－空間内の中心位置に組み立て直すように、前記ＭＰＥ領域からの前記回折ビームをさらに回折するように構成される、請求項２９に記載の接眼レンズ導波管。
  31. 前記ＦＯＶ形状の前記第１および第２のサブ部分は、重複しない、請求項３０に記載の接眼レンズ導波管。
  32. 前記ＦＯＶ形状の前記第１および第２のサブ部分は、重複する、請求項３０に記載の接眼レンズ導波管。
  33. 前記入力ビームのセットの中心ビームは、前記第１のＩＣＧ領域および前記第２のＩＣＧ領域上に垂直に入射する、請求項２７に記載の接眼レンズ導波管。
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