JP2024026685A - 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 - Google Patents

Abstract

【課題】好適な仮想現実、拡張現実、および複合現実システムのための接眼レンズを提供すること。【解決手段】拡張現実のための接眼レンズ導波管。接眼レンズ導波管は、入力結合器領域、第１、第２の直交瞳エクスパンダ（ＯＰＥ）領域、射出瞳エクスパンダ（ＥＰＥ）領域を伴う透明基板を含み得る。入力結合器領域は、第１のＯＰＥ領域と第２のＯＰＥ領域の間に位置付けられ得、入力結合器領域上に外部から入射する入力光ビームを基板の内側で伝搬する第１、第２の誘導光ビームに分割し、向け直すことができ、第１の誘導ビームは、第１のＯＰＥ領域のほうへ導かれ、第２の誘導ビームは、第２のＯＰＥ領域のほうへ導かれる。第１、第２のＯＰＥ領域の各々は、第１、第２の誘導ビームを複数の複製された間隔を置かれたビームに分割し得る。ＥＰＥ領域は、第１、第２のＯＰＥ領域の両方から複製されたビームが基板から出射するように、それらを向け直し得る。【選択図】図１３Ａ

Description

（任意の優先権出願の参照による組み込み）
本願と共に提出された出願データシートにおいて外国および国内優先権クレームが識別されるあらゆる出願は、３７ ＣＦＲ １．５７下、参照により本明細書に組み込まれる。本願は、米国特許出願第６２／４４９，５２４号（２０１７年１月２３日出願、名称「ＥＹＥＰＩＥＣＥ ＦＯＲ ＶＩＲＴＵＡＬ，ＡＵＧＭＥＮＴＥＤ，ＯＲ ＭＩＸＥＤ ＲＥＡＬＩＴＹ ＳＹＳＴＥＭＳ」）に対する優先権を主張する。

（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。

（関連技術の説明）
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。この画像データは、感覚体験を作成し、それは、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、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。このコンピュータ生成画像データは、実世界環境に文脈上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システムであり、そ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を見る。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、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。

（要約）
いくつかの実施形態では、仮想現実、拡張現実、または複合現実システムのための接眼レンズ導波管は、少なくとも部分的に透明である基板と、基板上またはその中に形成され、入力結合器領域上に外部から入射する少なくとも１つの入力光ビームを基板の内側で伝搬する第１および第２の誘導光ビームに分割し、向け直すように構成される入力結合器領域と、基板上またはその中に形成され、入力結合器領域からの第１の誘導光ビームを複数の平行な間隔を置かれた光ビームに分割するように構成される第１の直交瞳エクスパンダ（ＯＰＥ）領域と、基板上またはその中に形成され、入力結合器領域からの第２の誘導光ビームを複数の平行な間隔を置かれた光ビームに分割するように構成される第２のＯＰＥ領域と、基板上またはその中に形成され、基板から出射するように、第１および第２のＯＰＥ領域の両方からの光ビームを向け直すように構成される共通射出瞳エクスパンダ（ＥＰＥ）領域とを備え、入力結合器領域は、第１のＯＰＥ領域と第２のＯＰＥ領域との間に位置付けられ、第１の誘導光ビームを第１のＯＰＥ領域のほうへ導き、第２の誘導光ビームを第２のＯＰＥ領域のほうへ導くように構成される。

いくつかの実施形態では、接眼レンズ導波管は、光ビームを第１のＯＰＥ領域から受け取り、ＥＰＥ領域のより大きい部分に到達するようにその分布を広げる第１のスプレッダー領域と、光ビームを第２のＯＰＥ領域から受け取り、ＥＰＥ領域のより大きい部分に到達するようにその分布を広げる第２のスプレッダー領域とをさらに備えている。

いくつかの実施形態では、第１のスプレッダー領域および第２のスプレッダー領域の両方は、光ビームの分布をＥＰＥ領域の中心に向かって広げるように構成される。

いくつかの実施形態では、入力結合器領域は、入力光ビームを分割し、第１および第２のＯＰＥ領域のほうへ向け直すための回折光学特徴を備えている。入力結合器領域の回折光学特徴は、少なくとも１つの回折格子を形成する複数のラインを備え得る。入力結合器領域の回折光学特徴は、格子模様パターンにおいてレイアウトされた複数の特徴も備え得る。入力結合器領域の回折光学特徴は、交差格子も備え得る。

いくつかの実施形態では、入力結合器領域の回折光学特徴は、光を第１および第２のＯＰＥ領域のほうへ導くことと、ＯＰＥ領域のいずれも最初に通過せずにＥＰＥ領域のほうへ導くこととを行うように構成される。
本明細書は、例えば、以下の項目も提供する。
（項目１）
仮想現実、拡張現実、または複合現実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、
少なくとも部分的に透明である基板と、
前記基板上またはその中に形成された入力結合器領域であって、前記入力結合器領域は、前記入力結合器領域上に外部から入射する少なくとも１つの入力光ビームを前記基板の内側で伝搬する第１および第２の誘導光ビームに分割し、向け直すように構成されている、入力結合器領域と、
前記基板上またはその中に形成された第１の直交瞳エクスパンダ（ＯＰＥ）領域であって、前記第１のＯＰＥ領域は、前記入力結合器領域からの前記第１の誘導光ビームを複数の平行な間隔を置かれた光ビームに分割するように構成されている、第１のＯＰＥ領域と、
前記基板上またはその中に形成された第２のＯＰＥ領域であって、前記第２のＯＰＥ領域は、前記入力結合器領域からの前記第２の誘導光ビームを複数の平行な間隔を置かれた光ビームに分割するように構成されている、第２のＯＰＥ領域と、
前記基板上またはその中に形成された共通射出瞳エクスパンダ（ＥＰＥ）領域と
を備え、
前記共通ＥＰＥ領域は、前記第１および第２のＯＰＥ領域の両方からの前記光ビームが前記基板から出射するように、それらを向け直すように構成され、
前記入力結合器領域は、前記第１のＯＰＥ領域と前記第２のＯＰＥ領域との間に位置付けられ、前記入力結合器領域は、前記第１の誘導光ビームを前記第１のＯＰＥ領域のほうへ導き、前記第２の誘導光ビームを前記第２のＯＰＥ領域のほうへ導くように構成されている、接眼レンズ導波管。
（項目２）
前記基板は、３２５ミクロン厚未満である、項目１に記載の接眼レンズ導波管。
（項目３）
前記基板は、ガラス、プラスチック、またはポリカーボネートを備えている、項目１に記載の接眼レンズ導波管。
（項目４）
前記接眼レンズ導波管は、画像データの色成分を投影するように構成されている、項目１に記載の接眼レンズ導波管。
（項目５）
光を前記入力結合器領域のほうへ導くためのプロジェクタをさらに備えている、項目１に記載の接眼レンズ導波管。
（項目６）
前記入力結合器領域は、前記入力光ビームを前記第１のＯＰＥ領域のほうへ導かれる＋１次回折光と、前記第２のＯＰＥ領域のほうへ導かれる－１次回折光とに分離するように構成されている、項目１に記載の接眼レンズ導波管。
（項目７）
前記第１および第２のＯＰＥ領域は、約１８０°分離されており、前記ＥＰＥ領域は、ＯＰＥ領域の両方に対して約９０°に位置している、項目１に記載の接眼レンズ導波管。
（項目８）
前記第１および第２のＯＰＥ領域は、前記ＥＰＥ領域に向かって傾けられている、項目１に記載の接眼レンズ導波管。
（項目９）
前記第１および第２のＯＰＥ領域は、約１２０°分離されており、前記ＥＰＥ領域は、ＯＰＥ領域の両方に対して約６０°に位置している、項目８に記載の接眼レンズ導波管。
（項目１０）
前記入力結合器領域は、前記入力光ビームを分割し、前記第１および第２のＯＰＥ領域のほうへ向け直すための回折光学特徴を備えている、項目１に記載の接眼レンズ導波管。
（項目１１）
前記入力結合器領域の前記回折光学特徴は、少なくとも１つの回折格子を形成する複数のラインを備えている、項目１０に記載の接眼レンズ導波管。
（項目１２）
前記入力結合器領域の前記回折光学特徴は、格子模様パターンにおいてレイアウトされた複数の特徴を備えている、項目１０に記載の接眼レンズ導波管。
（項目１３）
前記格子模様パターンは、六角形格子模様を備えている、項目１２に記載の接眼レンズ導波管。
（項目１４）
前記入力結合器領域の前記回折光学特徴は、交差格子を備えている、項目１０に記載の接眼レンズ導波管。
（項目１５）
前記入力結合器領域の前記回折光学特徴は、光を前記第１および第２のＯＰＥ領域のほうへ導くことと、前記ＯＰＥ領域のいずれも最初に通過せずに前記ＥＰＥ領域のほうへ導くこととを行うように構成されている、項目１０に記載の接眼レンズ導波管。
（項目１６）
前記第１および第２のＯＰＥ領域は、前記第１および第２の誘導光ビームの各々を前記複数の平行な間隔を置かれた光ビームに分割するための回折光学特徴を備えている、項目１に記載の接眼レンズ導波管。
（項目１７）
前記第１および第２のＯＰＥ領域の前記回折光学特徴は、回折格子を形成する複数のラインを備えている、項目１６に記載の接眼レンズ導波管。
（項目１８）
前記第１および第２のＯＰＥ領域の前記回折格子は、前記複数の間隔を置かれた光ビームを前記ＥＰＥ領域のほうへ導くように角度付けられている、項目１７に記載の接眼レンズ導波管。
（項目１９）
前記光ビームを前記第１のＯＰＥ領域から受け取り、前記ＥＰＥ領域のより大きい部分に到達するようにその分布を広げる第１のスプレッダー領域と、
前記光ビームを前記第２のＯＰＥ領域から受け取り、前記ＥＰＥ領域のより大きい部分に到達するようにその分布を広げる第２のスプレッダー領域と
をさらに備えている、項目１に記載の接眼レンズ導波管。
（項目２０）
前記第１のスプレッダー領域および前記第２のスプレッダー領域の両方は、前記光ビームの前記分布を前記ＥＰＥ領域の中心に向かって広げるように構成されている、項目１９に記載の接眼レンズ導波管。
（項目２１）
前記第１および第２のスプレッダー領域は、回折光学特徴を備えている、項目１９に記載の接眼レンズ導波管。
（項目２２）
前記第１および第２のスプレッダー領域の各々の回折光学特徴は、回折格子を形成する複数のラインを備えている、項目２１に記載の接眼レンズ導波管。
（項目２３）
前記第１のスプレッダー領域の前記回折格子は、前記第１のＯＰＥ領域の回折格子に対して約９０°に向けられ、前記第２のスプレッダー領域の前記回折格子は、前記第２のＯＰＥ領域の回折格子に対して約９０°に向けられている、項目２２に記載の接眼レンズ導波管。

図１は、ＡＲシステムを通した拡張現実（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例を図示し、各深度平面は、複数の異なる成分色を使用して形成される画像を含む。 図９Ａは、各々が内部結合光学要素を含むスタックされた導波管の組の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例の見下げ平面図を図示する。 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とき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とき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、ＶＲ／ＡＲ／ＭＲシステムのための例示的接眼レンズの半分の正面図を図示する（装着されたままの位置における）。 図１３Ｂは、入力結合器領域において接眼レンズの中に投影された画像データが接眼レンズを通して伝搬し、ユーザの眼に向かって射出瞳エクスパンダ（ＥＰＥ）領域から投影されるようにする接眼レンズの回折光学特徴のうちのいくつかを図示する。 図１３Ｃは、図９Ｂに示される直交瞳エクスパンダ（ＯＰＥ）領域の光学動作を図示する。 図１４Ａは、交差回折格子を有する入力結合器領域を含む接眼レンズの実施形態を図示する。 図１４Ｂは、交差回折格子から成る図１４Ａに示される入力結合器領域の例示的実施形態の斜視図である。 図１５Ａは、上側および下側ＯＰＥ領域を伴う接眼レンズの実施形態を図示し、上側および下側ＯＰＥ領域は、ＥＰＥ領域に向かって角度付けられ、よりコンパクトな形状因子を提供する。 図１５Ｂは、図１５Ａに示される接眼レンズの入力結合器領域の回折光学特徴の例示的実施形態を図示する。 図１５Ｃは、図１５Ａに示される接眼レンズのＯＰＥ領域の回折光学特徴の例示的実施形態を図示する。

（詳細な説明）
（例示的ＨＭＤデバイス）
本明細書に開示される仮想および拡張現実システムは、ディスプレイを含むことができ、それは、コンピュータ生成画像データをユーザに提示する。いくつかの実施形態では、ディスプレイシステムは、装着可能であり、それは、有利には、より没入型のＶＲまたはＡＲ体験を提供し得る。図２は、ウェアラブルディスプレイシステム６０の例を図示する。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モジュールならびにシステムとを含む。ディスプレイ７０は、フレーム８０に結合され得、それは、ディスプレイシステムユーザ９０によって装着可能であり、ディスプレイ７０をユーザ９０の眼の正面に位置付けるように構成される。ディスプレイ７０は、いくつかの実施形態では、アイウェアと見なされ得る。いくつかの実施形態では、スピーカ１００が、フレーム８０に結合され、ユーザ９０の外耳道に隣接して位置付けられる。ディスプレイシステムは、１つ以上のマイクロホン１１０も含み、音を検出し得る。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、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もできる。いくつかの実施形態では、ディスプレイシステムは、周辺センサ１２０ａも含み得、それは、フレーム８０と別個であり、ユーザ９０の身体（例えば、頭部、胴体、四肢等上）に取り付けられ得る。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得る。

ディスプレイ７０は、有線導線または無線接続性等の通信リンク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、それは、フレーム８０に固定して取り付けられる構成、ユーザによって装着されるヘルメットもしくは帽子に固定して取り付けられる構成、ヘッドホンに内蔵される構成、または別様にユーザ９０に除去可能に取り付けられる構成（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接続性）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得る。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み得、それらの両方は、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もしくは読み出し後にディスプレイ７０に渡すために、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み得る。ローカル処理およびデータモジュール１４０は、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得、それによって、これらの遠隔モジュール１５０、１６０は、互い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。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つ以上のものを含み得る。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に取り付けられ得るか、または有線もしく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り得る。

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ならびに処理するための１つ以上のプロセッサを含み得る。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、それは、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り得る。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み得る。他の実施形態では、ローカル処理およびデータモジュールにおいて、全てのデータが記憶され、全ての算出が実施され、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表現を提供することによって達成され得る。図３は、ユーザのために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。各眼２１０、２２０のために１つの２つの異なる画像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から間隔を置かれている。画像１９０、２００は、平坦であり、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、画像上に焦点を合わせ得る。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／またはスケールの知覚を提供する。

しかしながら、ヒト視覚系は、複雑であり、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か、または、深度の感覚を全く知覚しないこともある。オブジェクトは、両眼離反運動と遠近調節の組み合わせにより、「３次元」として知覚され得る。互いに対する２つの眼の両眼離反運動の移動（例えば、瞳孔が、互いに向かって、またはそこから離れるように移動し、眼のそれぞれの視線を収束させ、オブジェクトを固視するような瞳孔の回転）は、眼の水晶体の焦点合わせ（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－両眼離反運動反射」ならびに散瞳または縮瞳として知られる関係下、両眼離反運動における整合した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、両眼離反運動の変化は、水晶体形状および瞳孔サイズの遠近調節の整合した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次元的な眺め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表現（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－両眼離反運動反射」に対抗して機能するので、多くのユーザに対して不快であり得る。遠近調節と両眼離反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、ｚ－軸に沿って種々の距離におけるオブジェクトに焦点を合わせる。その結果、特定の遠近調節された状態は、図示される深度平面２４０のうちの特定の１つに関連付けられると言え、関連付けられた焦点距離を有し、それによって、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は、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、焦点が合う。いくつかの実施形態では、３次元画像データは、眼２１０、２２０の各々のために画像の異なる表現を提供することによってシミュレートされ得、異なる深度平面に対応する画像の異なる表現を提供することによってもシミュレートされ得る。眼２１０、２２０のそれぞれの視野は、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、重複し得ることを理解されたい。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焦点が合うように、物理的空間内で湾曲させら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、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も変化させ得る。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、減少する距離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光場は、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、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は、眼に限られた数の深度平面の各々に対応する画像の異なる表現を提供することによって達成され得る。異なる表現は、ユーザの眼によって別個に焦点を合わせられ、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を焦点が合うようにす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ち得る。

（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であり、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の一部であり得る。ディスプレイシステム２５０は、いくつかの実施形態では、明視野ディスプレイと見なされ得ることを理解されたい。

導波管アセンブリ２６０は、複数の特徴３２０、３３０、３４０、３５０を導波管の間に含み得る。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り得る。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得る。各導波管レベルは、特定の深度平面に関連付けられ得、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得る。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得、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得、それらの各々は、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それぞれの導波管にわたって入射光を分配するように構成され得る。光は、画像投入デバイス３６０、３７０、３８０、３９０、４００の各それぞれの出力表面４１０、４２０、４３０、４４０、４５０から出射し、それぞれの導波管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の各々は、対応する導波管の縁であり得るか、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）であり得る。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得、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、その特定の導波管に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のほうへ導かれ得る。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つが、複数（例えば、３つ）の導波管２７０、２８０、２９０、３００、３１０に関連付けられ、その中に光を投入し得る。

いくつかの実施形態では、画像投入デバイス３６０、３７０、３８０、３９０、４００の各々は、各々が対応する導波管２７０、２８０、２９０、３００、３１０の中への投入のための画像情報を生成する個別的な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の各々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み得ることを理解されたい。

いくつかの実施形態では、導波管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、それは、光モジュール５３０を含み、それは、発光ダイオード（ＬＥＤ）等の光源または光エミッタを含み得る。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）に導かれ、それによって変調され得る。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得る。空間光変調器の例は、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もしくはそれの１つ以上のコンポーネントは、フレーム８０（図２）に取り付けられ得る。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）の一部であるか、または、ディスプレイ７０の縁に配置され得る。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と別個であり得る。

いくつかの実施形態では、ディスプレイシステム２５０は、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、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ている走査ファイバディスプレイであり得る。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、それらの各々は、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に伝送する。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の中に向け直し得る。

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、有線もしく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り得る。コントローラ５６４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）の一部であり得る。

導波管２７０、２８０、２９０、３００、３１０は、全内部反射（ＴＩＲ）によって、各それぞれの導波管内で光を伝搬するように構成され得る。導波管２７０、２８０、２９０、３００、３１０の各々は、主要上部および底部表面ならびにそれらの主要上部表面と底部表面との間に延びている縁を伴う、平面である、または別の形状（例えば、湾曲）を有し得る。図示される構成では、導波管２７０、２８０、２９０、３００、３１０の各々は、外部結合光学要素５７０、５８０、５９０、６００、６１０を含み得、外部結合光学要素は、各それぞれの導波管内で伝搬する光を向け直すことによって光を導波管から外に抽出し、導波管から外に画像情報を眼２１０に出力するように構成される。抽出された光は、外部結合光とも称され得、光を外部結合する光学要素は、光抽出光学要素とも称され得る。抽出される光のビームは、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り得る。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、上部および／または底部主要表面に配置され得、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得る。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、導波管２７０、２８０、２９０、３００、３１０を形成するための透明基板に取り付けられる材料の層内に形成され得る。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り得、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得る。

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得る。例えば、眼の最近傍の導波管２７０は、眼２１０にコリメートされた光のビームを送達し得る。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、第１のレンズ３５０（例えば、負のレンズ）を通過するコリメートされた光のビームを出力し得る。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得る。同様に、第３の上方の導波管２９０は、眼２１０に到達する前、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得る。

他の導波管層３００、３１０およびレンズ３３０、３２０も同様に構成され、スタック内の最も高い導波管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の他の側の世界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得る。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は、静的であり得る（すなわち、動的または電気活性ではない）。いくつかの代替実施形態では、一方または両方は、電気活性特徴を使用して動的であり得る。

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得る。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得、または、導波管２７０、２８０、２９０、３００、３１０の複数のサブセットが、各深度平面のために１つの組で、同一の複数の深度平面に設定される画像を出力し得る。これは、タイル化された画像を形成し、それらの深度平面において拡張された視野を提供する利点を提供し得る。

外部結合光学要素５７０、５８０、５９０、６００、６１０は、光をそれらのそれぞれの導波管から向け直すことと、導波管に関連付けられた特定の深度平面のために、この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こととの両方を行うように構成され得る。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得、それらは、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、体積または表面特徴であり得、それは、特定の角度において光を出力するように構成され得る。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り得る。いくつかの実施形態では、特徴３２０、３３０、３４０、３５０は、レンズではないこともある。むしろ、それらは、単に、スペーサであり得る（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、十分に低い回折効率を伴う回折特徴であり、それによって、ビーム内の光の出力の一部のみが、各相互作用で、眼２１０のほうへ向け直され、残りは、ＴＩＲを介して導波管を通して移動し続ける。故に、光モジュール５３０の射出瞳は、導波管にわたって複製され、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、それらの幾何学形状にわたって可変回折効率も有し、導波管によって出力される光の均一性を改良し得る。

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、それほど回折しない「オフ」状態との間で切り替え可能であり得る。例えば、切り替え可能な回折特徴は、ポリマー分散液晶の層を含み得、その中で微小液滴は、ホスト媒体中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合致するように切り替えられ得るか（その場合、パターンは、入射光を著しく回折しない）、または微小液滴は、ホスト媒体のものに合致しない屈折率に切り替えられ得る（その場合、パターンは、入射光を能動的に回折しる）。

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を包囲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い得る。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とを含み得、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。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）に取り付けられ得、処理モジュール１４０または１５０と電気通信し得、それは、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、各眼のために利用され、各眼を別個に監視し得る。

図７Ａは、導波管によって出力される出射ビームの例を図示する。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。完璧に効率的システムでは、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に関連付けられた深度平面に応じて、与えられ得る。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ているように見え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組は、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得、それは、眼２１０がより近い距離に遠近調節し、それを網膜上に焦点を合わせることを要求し、それは、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、成分色（ｃｏｍｐｏｎｅｎｔ ｃｏｌｏｒ）（例えば、赤色、緑色、および青色等の３つ以上の成分色）の各々における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得る。図８は、スタックされた導波管アセンブリの例を図示し、各深度平面は、複数の異なる成分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、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、それに関連付けられた３つ以上の成分色画像を有し得る。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。これらの文字の各々に続く数字は、ジオプタ（１／ｍ）、すなわち、ユーザからの深度平面の距離の逆数を示し、図中の各ボックスは、個々の成分色画像を表す。いくつかの実施形態では、異なる波長の光の眼の焦点合わせにおける差異を考慮するために、異なる成分色に関する深度平面の正確な場所は、変動し得る。例えば、所与の深度平面のための異なる成分色画像は、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得る。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、各成分色の光は、単一の専用導波管によって出力され得、その結果、各深度平面は、それに関連付けられた複数の導波管を有し得る。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つの導波管が、深度平面毎に３つの成分色画像を表示するために、深度平面毎に提供され得る。各深度平面に関連付けられた導波管は、この図面では、例証を容易にするために互い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得ることを理解されたい。いくつかの他の実施形態では、複数の成分色が、同一導波管によって出力され得、それによって、例えば、単一導波管のみが、深度平面毎に提供され得る。

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、緑色であり、Ｒは、赤色であり、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に関連付けられた他の色が、加えて使用され得るか、または、赤色、緑色、もしくは青色のうちの１つ以上のものに取って代わり得る。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遮断または選択的に通すように構成された能動または受動光学フィルタであり得る。

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み得、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み得、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み得る。

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得る。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、および他の光向け直し構造は、例えば、結像および／またはユーザ刺激用途のために、この光をディスプレイからユーザの眼２１０のほうへ導きおよび放出するように構成され得る。

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向け直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向け直し、内部結合するために使用され得る。図９Ａは、各々が内部結合光学要素を含むスタックされた導波管の組６６０の例の断面側面図を図示する。導波管の各々は、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得る。スタック６６０は、スタック２６０（図６）に対応し得、スタック６６０の図示される導波管は、複数の導波管２７０、２８０、２９０、３００、３１０の一部に対応し得るが、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向け直されることを要求する位置または向きから導波管の中に投入されることを理解されたい。

図示されるスタックされた導波管の組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（導波管上の光入力エリアとも称され得る）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、それぞれの導波管６７０、６８０、６９０の底部主要表面上に配置され得る（特に、該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、それらのそれぞれの導波管６７０、６８０、６９０の上側主要表面（または次の下側導波管の上部）上に配置され得、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、それぞれの導波管６７０、６８０、６９０の本体内に配置され得る。いくつかの実施形態では、本明細書に議論されるように、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向け直すような波長選択的である。そのそれぞれの導波管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、それらのそれぞれの導波管６７０、６８０、６９０の他のエリア内に配置され得る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、互いから側方にオフセットされ得る。いくつかの実施形態では、各内部結合光学要素は、光が別の内部結合光学要素を通過せずに、その光を受け取るようにオフセットされ得る。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得、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から分離され得る（例えば、側方に間隔を置かれる）。

各導波管は、関連付けられた光分配要素も含み、例えば、光分配要素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、光分配要素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、光分配要素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、光分配要素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得る。いくつかの他の実施形態では、光分配要素７３０、７４０、７５０は、それぞれ、関連付けられた導波管６７０、６８０、６９０の上部および底部両方の主要表面上に配置され得るか、または、光分配要素７３０、７４０、７５０は、それぞれ、異なる関連付けられた導波管６７０、６８０、６９０内の上部および底部主要表面の異なるもの上に配置され得る。

導波管６７０、６８０、６９０は、間隔を置かれ、例えば、材料のガス、液体、および／または固体層によって分離され得る。例えば、図示されるように、層７６０ａは、導波管６７０と６８０とを分離し得、層７６０ｂは、導波管６８０と６９０とを分離し得る。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。いくつかの実施形態では、層７６０ａ、７６０ｂを形成する材料の屈折率は、導波管６７０、６８０、６９０を形成する材料の屈折率を少なくとも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を通した光のＴＩＲ（例えば、各導波管の上部および底部主要表面間のＴＩＲ）を促進するクラッディング層として機能し得る。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、図示される導波管の組６６０の上部および底部は、直接に隣接するクラッディング層を含み得る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り、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り得るか、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、異なり得る。

図９Ａを継続して参照すると、光線７７０、７８０、７９０が、導波管の組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の中に投入され得る。

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の各々は、光が、ＴＩＲによって、導波管６７０、６８０、６９０のうちのそれぞれの１つを通して伝搬するように、入射光を向け直す。

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を選択的に向け直すように構成され得る。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向け直すように構成される内部結合光学要素７１０に衝突し、それによって向け直される。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向け直すように構成される内部結合光学要素７２０によって向け直される。

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向け直される。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の中に向け直し、光を対応する導波管の中に内部結合する。光線７７０、７８０、７９０は、光にＴＩＲによってそれぞれの導波管６７０、６８０、６９０を通して伝搬させる角度で向け直される。光線７７０、７８０、７９０は、導波管の対応する光分配要素７３０、７４０、７５０と相互作用するまで、ＴＩＲによってそれぞれの導波管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、光分配要素７３０、７４０、７５０と相互作用する。光分配要素７３０、７４０、７５０は、光線７７０、７８０、７９０が外部結合光学要素８００、８１０、および８２０に向かって伝搬するように、それらを向け直す。

いくつかの実施形態では、光分配要素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に向け直すことと、それらが外部結合光学要素に伝搬するときに光分配要素７３０、７４０、７５０を横断する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、この光に関連付けられた瞳を拡張させることとの両方を行う。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）、光分配要素７３０、７４０、７５０は、省略され得、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に向け直すように構成され得る。例えば、図９Ａを参照すると、光分配要素７３０、７４０、７５０は、いくつかの実施形態では、それぞれ、外部結合光学要素８００、８１０、８２０と置換され得る。いくつかの実施形態では、外部結合光学要素８００、８１０、８２０は、光を導波管から外にユーザの眼２１０（図７）のほうへ向け直す射出瞳（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得、ＥＰＥは、ＯＰＥの軸と交差する（例えば、直交する）軸においてアイボックスを増加させるように構成され得る。

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、導波管の組６６０は、各成分色のために、導波管６７０、６８０、６９０と、内部結合光学要素７００、７１０、７２０と、光分配要素（例えば、ＯＰＥ）７３０、７４０、７５０と、外部結合光学要素（例えば、ＥＰ）８００、８１０、８２０とを含む。導波管６７０、６８０、６９０は、各１つの間に空隙／クラッディング層を伴ってスタックされ得る。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導く。光は、次いで、それぞれの導波管６７０、６８０、６９０内でのＴＩＲを支援する角度で伝搬する。ＴＩＲは、ある角度範囲に対してのみ生じるので、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考えられ得る。示される例では、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、導波管を進行する間、導波管の表面から往復反射し続け、光分配要素（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のほうへ導かれる追加の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を伝搬し、その光分配要素（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を通過し、導波管６９０の内部結合光学要素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、光分配要素（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、ユーザは、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例の見下げ平面図を図示する。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配要素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、垂直に整列させられ得る。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、垂直に整列させられない。むしろ、内部結合光学要素は、非重複であり得る（例えば、見下げ図に見られるように、側方に間隔を置かれる）。この非重複空間配列は、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、特定の光源が特定の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、シフト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、それらは、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を保護し得る。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、省略され得る。すでに議論されたように、接眼レンズ導波管１００４は、層構成において配列され得る。接眼レンズ導波管１００４は、一緒に結合され得、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が互い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）と一緒に結合され得る。

接眼レンズ導波管１００４の各々は、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、または１．８を上回る屈折率を有し、光誘導を促進し得る。各接眼レンズ導波管基板の厚さは、例えば、３２５ミクロン以下であり得るが、他の厚さも、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、それらは、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り得る。

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、鼻当てによって分離されるかもしれない２つの半体を伴う同一構造の鏡像を含み得る。

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、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得る。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を含むので、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：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。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を整列させ、その間に配置される空気空間または別の材料を用いて、それらを互いから分離する。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辺全体の周囲に延びていることができる。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、可能である。

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り、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見えるようにすることができる。）同様に、一方が３ｍ深度平面のためのものであり、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り、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の各々は、０．３２５ｍｍ厚であるように図示されるが、他の厚さも、可能である。

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、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。

図１２Ａおよび１２Ｂは、それが画像をユーザの眼２１０に向かって投影するとき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、それは、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）における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に進入するとき、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り得る。

図１２Ａおよび１２Ｂでは、中央像点は、入力ビーム１２０４ａに対応し、それは、実線を用いて図示される。鎖線を用いて図示される入力ビーム１２０２ａは、中央像点の片側に変位させられた像点に対応する一方、破線を用いて図示される入力ビーム１２０６ａは、他側に変位させられた像点に対応する。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、多くの入力ビームを含み、それらは、異なる像点に対応する。入力ビームは、ｘ－方向およびｙ－方向の両方において、光学軸に対してある角度範囲で伝搬するであろう。

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におけるそれぞれの像点との間に、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、それらを分配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、特定の角度で伝搬する光の所与の入力ビーム（例えば、１２０２ａ）を多くの複製されたビーム（例えば、１２０２ｂ）の中に変換することができ、それらは、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互いに関係付けられた角度で射出瞳１２１０を横断して出力される。故に、接眼レンズ導波管１２００は、投影された画像を構成するビームの相対的角度関係を維持しながら、瞳拡張を実施することができる。

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された出力ビーム１２０４ｂの組に変換され、それらは、接眼レンズ導波管１２００の射出瞳１２１０と垂直な光学軸と整列させられている。光の入力ビーム１２０２ａは、鎖線で示される複製された出力ビーム１２０２ｂの組に変換され、それらは、それらがユーザの視野の片側から生じたように見えるような伝搬角度で接眼レンズ導波管１２００から出射する一方、光の入力ビーム１２０６ａは、破線で示される、複製された出力ビーム１２０６ｂの組に変換され、それらは、それらがユーザの視野の他側から生じたように見え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。

各画像のために、複製された出力ビームの組（例えば、１２０２ｂ、１２０４ｂ、１２０６ｂ）、すなわち、像点あたり１組の複製されたビームが存在し、それらは、射出瞳１２１０を横断して異なる角度で出力される。出力ビーム（例えば、１２０２ｂ、１２０４ｂ、１２０６ｂ）の各々は、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組は、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り得る。いずれの場合も、複製された出力ビームの組の特定の伝搬角度は、像面１２０７における対応する像点の場所に依存する。図１２Ａは、出力ビームの各組（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たように見え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びている細線によって表される。図１２Ｂは、出力ビームの各組（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から生じたように見え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びている細線によって表される。

再び、複製された出力ビームの各組（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された出力ビームの組の場合（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された出力ビームの組の場合、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、それらがビームの組の軸に沿って共通点から生じたように見えるという点で、互いに関連する（図１２Ｂ参照）。この軸は、発散出力ビームの組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。

（例示的接眼レンズ導波管）
図１３Ａは、ＶＲ／ＡＲ／ＭＲシステムのための例示的接眼レンズ導波管１３００の半分の正面図を図示する（装着されたままの位置における）。接眼レンズ導波管１３００は、入力結合器領域１３１０と、上側直交瞳エクスパンダ（ＯＰＥ）領域１３２０ａと、下側直交瞳エクスパンダ（ＯＰＥ）領域１３２０ｂと、射出瞳エクスパンダ（ＥＰＥ）領域１３３０と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１３００は、上側スプレッダー領域１３４０ａと、下側スプレッダー領域１３４０ｂとを含むことができる。接眼レンズ導波管１３００は、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。例えば、接眼レンズ導波管１３００は、ガラス、プラスチック、ポリカーボネート、サファイア等の基板１３０２から作製されることができる。選択された材料は、１を上回る屈折率、より好ましくは、１．４を上回るまたは好ましくは１．６を上回る、最も好ましくは、１．８を上回る比較的に高屈折率を有し、光誘導を促進し得る。基板１３０２の厚さは、例えば、３２５ミクロン以下であり得る。接眼レンズ導波管１３００の前述の領域の各々は、１つ以上の回折構造を接眼レンズ導波管基板１３０２上または内に形成することによって作製されることができる。具体的な回折構造は、領域毎に変動し得る。

図１３Ａに図示されないが、接眼レンズ導波管１３００は、接眼レンズ導波管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１３００は、図２に図示されるような頭部搭載型ディスプレイの一部である。一般に、接眼レンズ導波管１３００は、ＥＰＥ領域１３３０が、直接、ユーザの眼の正面にあるように支持される。図１３Ａは、ユーザの眼の一方に対応する接眼レンズ導波管１３００の片側半分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導波管は、典型的には、図１３Ａに図示される同一構造の鏡像も含む（例えば、ユーザの頭部のこめかみに向いたそれぞれの入力結合器領域１３１０と、ユーザの眼の正面のそれぞれのＥＰＥ領域１３３０とを伴い、鼻当てによって分離されることもある）。２つの半体は、同一基板１３０２または別個の基板の一部であることができる。

図１０および１１に示されるように、いくつかの実施形態では、接眼レンズは、一緒にスタックされる（クラッディング層によって分離される）複数の基板１３０２から作製される、複数の接眼レンズ導波管１３００を含むことができる。各基板１３０２は、図１３Ａに図示されるようなものであることができ、画像データを眼の中に投影するための導波管として設計されることができる。いくつかの実施形態では、スタック内の各接眼レンズ導波管１３００によって表示される画像データは、選択された深度平面に対応する画像データの選択された色成分に対応する。例えば、３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、から成る赤色、緑色、および青色成分）を投影する接眼レンズは、一緒にスタックされた合計９つの接眼レンズ導波管１３００を含み得る：３つの深度平面の各々のための画像データの各色成分のために１つの接眼レンズ導波管１３００。

図１３Ｂは、入力結合器領域１３１０において接眼レンズ導波管の中に投影された画像データが接眼レンズ導波管を通して伝搬し、ユーザの眼に向かってＥＰＥ領域１３３０から投影されるようにする接眼レンズ導波管１３００の回折光学特徴のうちのいくつかを図示する。概して、画像データは、光のビームを介して、接眼レンズ導波管１３００の中に投影され、それは、図示される略ｚ－方向に進行し（但し、角度変動の量は、画像データのＦＯＶに依存し得る）、基板１３０２の外側から入力結合器領域１３１０上に入射する。入力結合器領域１３１０は、回折光学特徴を含み、それは、光の入力ビームが全内部反射を介して接眼レンズ導波管１３００の基板１３０２の内側で伝搬するように、光の入力ビームを向け直す。いくつかの実施形態では、入力結合器領域１３１０は、上側および下側ＯＰＥ領域１３２０間に対称的に位置する。入力結合器領域１３１０は、入力光を分割し、これらのＯＰＥ領域１３２０の両方に向け直す。

ＯＰＥ領域１３２０は、回折光学特徴を含み、それは、少なくとも２つの機能を実施することができる：第１に、それらは、ｙ－方向に沿って多くの場所において光の各入力ビームを空間的に複製し、多くの間隔を置かれた平行ビームを形成することによって、瞳拡張を実施することができ、第２に、それらは、概して、ＥＰＥ領域１３３０に向かって、光の複製されたビームを経路上で回折することができる。

ＥＰＥ領域１３３０も同様に、回折光学特徴を含み、それらは、少なくとも２つの機能を実施することができる：第１に、それらは、ビームを別の方向（例えば、ビームがＯＰＥ領域１３２０によって複製されるものに略直交する方向）に沿って多くの場所に複製することができ、第２に、それらは、ＯＰＥ領域１３２０から生じる光のビームが接眼レンズ導波管１３００の基板１３０２から出射し、ユーザの眼に向かって伝搬するように、それらを回折することができる。ＥＰＥ領域１３３０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、ある程度の屈折力を光の出射ビームに与え、それらを所望の深度平面から生じるかのように見えさせ得る。接眼レンズ導波管１３００は、光ビームがＥＰＥ領域１３３０によって出力される、出射の角度が、入力結合器領域１３１０における対応する入力ビームの進入の角度と一意に互いに関係付けられ、それによって、眼が入力画像データを忠実に再現することを可能にする性質を有することができる。

接眼レンズ導波管１３００の光学動作が、ここで、より詳細に説明されるであろう。最初に、画像データが、１つ以上の入力デバイスから入力結合器領域１３１０において接眼レンズ導波管１３００の中に投影される。入力デバイスは、例えば、空間光変調器プロジェクタ（ユーザの顔に対する接眼レンズ導波管１３００の正面または背面に位置する）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）技術、シリコン上液晶（ＬＣｏＳ）技術、デジタル光処理（ＤＬＰ）技術、またはファイバ走査ディスプレイ（ＦＳＤ）技術を使用し得るが、その他も、使用されることができる。各入力デバイスは、１つ以上の光のビームを入力結合器領域１３１０のサブ部分上に投影することができる。本明細書のいずれかに議論されるように、各基板１３０２は、導波管としての機能を果たし、画像データの所与の深度平面のための所与の色成分をユーザの眼の中に導くことができる。入力結合器領域１３１０の異なるサブ部分が、接眼レンズを構成する複数のスタックされた接眼レンズ導波管１３００の各々のために画像データを入力するために使用されることができる。これは、各接眼レンズ導波管１３００のための画像データをその接眼レンズ導波管１３００の基板１３０２の中に入力するために充てられている入力結合器領域１３１０のサブ部分に、適切な回折光学特徴を提供することによって遂行されることができる（例えば、図９Ａ－９Ｃに示されるように）。例えば、１つの基板１３０２は、その入力結合器領域１３１０の中心に提供される回折特徴を有し得る一方、その他は、そのそれぞれの入力結合器領域の周縁、例えば、３時または９時位置に提供される回折特徴を有し得る。したがって、各接眼レンズ導波管１３００のために意図される入力画像データは、正しい画像データが、他の基板の中に結合されずに、正しい基板１３０２の中に結合されるように、入力結合器領域１３１０の対応するサブ部分にプロジェクタによって狙いを定められることができる。

プロジェクタは、光の入力ビームが、概して、図示されるｚ－方向に沿って、基板１３０２の入力結合器領域１３１０に接近するように提供され得る（但し、入力画像の異なる点に対応する光ビームが異なる角度で投影されるであろうことを所与として、ある程度の角度偏差が存在するであろう）。任意の所与の基板１３０２の入力結合器領域１３１０は、回折光学特徴を含み、それは、全内部反射を介して接眼レンズ導波管１３００の基板１３０２内を伝搬する光の入力ビームを適切な角度で向け直す。拡大図１３１２によって示されるように、いくつかの実施形態では、入力結合器領域１３１０の回折光学特徴は、多くのラインから成る回折格子を形成し得、ラインは、図示されるｘ－方向に水平に延び、図示されるｙ－方向に垂直に周期的に繰り返される。いくつかの実施形態では、ラインは、接眼レンズ導波管１３００の基板１３０２の中にエッチングされ得、および／または、それらは、基板１３０２上に堆積される材料から形成され得る。例えば、入力結合器格子（ＩＣＧ）は、基板の背面（入力光ビームが進入する場所と反対側）の中にエッチングされ、次いで、金属等のスパッタリングされた反射材料で被覆されるラインを備え得る。そのような実施形態では、入力結合器格子は、反射モードで作動するが、他の設計は、透過モードを使用することができる。入力結合器格子は、表面レリーフ格子、バイナリ表面レリーフ構造、体積ホログラフィック光学要素（ＶＨＯＥ）、切り替え可能なポリマー分散液晶格子等を含むいくつかのタイプのいずれかであることができる。ラインの周期、デューティサイクル、深度、プロファイル等は、基板が設計される光の波長、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。

この入力結合器回折格子上に入射する入力光は、分割され、上側ＯＰＥ領域１３２０ａのほうへ上向きに＋ｙ方向と、下側ＯＰＥ領域１３２０ｂのほうへ下向きに－ｙ方向との両方に向け直される。具体的には、入力結合器領域１３１０の回折格子上に入射する入力光は、正および負の回折次数に分離され、正の回折次数は、上側ＯＰＥ領域１３２０ａのほうへ上向きに導かれ、負の回折次数は、下側ＯＰＥ領域１３２０ｂのほうへ下向きに導かれ、またはその逆となる。いくつかの実施形態では、入力結合器領域１３１０における回折格子は、主に、入力光を＋１の回折次数および－１の回折次数の中に結合するように設計される。（回折格子は、０次回折次数と１次回折次数を超えるより高い回折次数と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、例えば、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。）

図１３Ａに示されるように、光ビーム１３２４ａおよび１３２４ｂは、それぞれ、経路を例証し、経路に沿って、入力結合器領域１３１０の９時位置に投影された入力画像の４つの角に対応する入力ビームが、上側ＯＰＥ領域１３２０ａおよび下側ＯＰＥ領域１３２０ｂのほうへ向け直される。同様に、光ビーム１３２６ａおよび１３２６ｂは、それぞれ、経路を例証し、経路に沿って、入力結合器領域１３１０の３時位置に投影された入力画像の４つの角に対応する入力ビームが、上側ＯＰＥ領域１３２０ａおよび下側ＯＰＥ領域１３２０ｂのほうへ向け直される。

上側ＯＰＥ領域１３２０ａおよび下側ＯＰＥ領域１３２０ｂも、回折光学特徴を含む。いくつかの実施形態では、これらの回折光学特徴は、接眼レンズ導波管１３００の基板１３０２上または内に形成されるラインである。ラインの周期、デューティサイクル、深度、プロファイル等は、基板が設計される光の波長、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１３２０ａ、１３２０ｂの具体的形状は、変動し得るが、一般に、入力画像データの完全ビューを提供するように、入力画像データの角に対応する光のビームおよびその間の全ての光のビームに適応するために必要とされるものに基づいて、決定され得る。

すでに述べられたように、ＯＰＥ領域１３２０ａ、１３２０ｂ内のこれらの回折格子の１つの目的は、各入力光ビームを多くの空間場所で複製し、複数の間隔を置かれた平行光ビームを生産することである。これは、ビームと格子の各相互作用に伴って、ＴＩＲを介して、基板１３０２の正面と背面との間で往復して反射するにつれて、格子が、光ビームの出力の所望の部分のみを向け直す（例えば、１次回折を介して）一方、残りの部分が、接眼レンズ導波管１３００の平面内で同一方向に伝搬し続けるように（例えば、０次回折を介して）、ＯＰＥ回折格子が比較的に低回折効率（例えば、１０％未満）を有するように設計することによって遂行されることができる。（格子の回折効率に影響を及ぼすために使用され得る１つのパラメータは、ラインのエッチング深度である。）ＯＰＥ領域１３２０ａ、１３２０ｂ内の回折格子の別の目的は、概して、ＥＰＥ領域１３３０のほうへ、それらの複製された光ビームを経路に沿って導くことである。すなわち、光ビームがＯＰＥ回折格子と相互作用する度に、その出力の一部は、ＥＰＥ領域１３３０に向かって回折され、その出力の残りの部分は、再び格子と相互作用するまでＯＰＥ領域内で同一方向に伝送し続け、その出力の別の部分は、ＥＰＥ領域に向かって偏向される等。このように、各入力光ビームは、複数の平行光ビームに分割され、それらは、概して、ＥＰＥ領域１３３０のほうへ、経路に沿って導かれる。これは、図１３Ｃに図示される。

ＯＰＥ回折格子の向きは、概して、ＥＰＥ領域１３３０のほうへ、それらの光ビームを向け直すように、入力結合器領域１３１０から到達する光ビームに対して傾けられる。傾きの具体的角度は、接眼レンズ導波管１３００の種々の領域のレイアウトに依存し得る。図１３Ａおよび１３Ｂに図示される接眼レンズ導波管実施形態では、上側ＯＰＥ領域１３２０ａは、＋ｙ－方向に延びている一方、下側ＯＰＥ領域１３２０ｂは、－ｙ－方向に延びており、それらは、１８０°離れて向けられる。一方、ＥＰＥ領域１３３０は、ＯＰＥ領域１３２０ａ、１３２０ｂの軸に対して９０°で位置する。したがって、ＯＰＥ領域１３２０ａ、１３２０ｂからの光をＥＰＥ領域１３３０に向け直すために、ＯＰＥ領域の回折格子は、図示されるｘ－軸に対して約＋／－４５°に向けられ得る。具体的には、拡大図１３２２ａによって示されるように、上側ＯＰＥ領域１３２０ａの回折格子は、ｘ－軸に対して約＋４５°に向けられるラインから成り得る。一方、拡大図１３２２ｂによって示されるように、下側ＯＰＥ領域１３２０ｂの回折格子は、ｘ－軸に対して約－４５°に向けられるラインから成り得る。

図１３Ｃは、図１３Ｂに示されるＯＰＥ領域の光学動作の３次元例証である。図１３Ｃは、図１３Ｂからの入力結合器領域１３１０と、上側ＯＰＥ領域１３２０ａとを示し、両方は、視認者により近い基板１３０２の側上にある。入力結合器領域１３１０および上側ＯＰＥ領域１３２０ａの回折光学特徴は、それらが微視的であるので見えない。この場合、単一入力ビーム１３１１が、図示されるが、画像は、接眼レンズ導波管１３００を通して若干異なる角度で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１３１１は、入力結合器領域１３１０から上側ＯＰＥ領域１３２０ａに進入する。入力ビーム１３１１は、次いで、全内部反射を介して、接眼レンズ導波管１３００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１３Ｃでは、各ビームの図示される伝搬におけるジグザグによって表される。

入力ビーム１３１１が、上側ＯＰＥ領域１３２０ａ内に形成される回折格子と相互作用すると、その出力の一部は、ＥＰＥ領域１３３０に向かって回折される一方、その出力の別の部分は、上側ＯＰＥ領域１３２０ａを通して、同一経路に沿って継続する。すでに述べられたように、それは、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１３３０に向かって回折されるビームは、上側ＯＰＥ領域１３２０ａの格子に再遭遇し得、その出力の一部は、入力ビーム１３１１の元の伝搬方向に逆回折され得る一方、その屈折力の他の部分は、ＥＰＥ領域に向かって継続し得る。これらのビームの一部の経路は、矢印によって、図１３Ｃに示される。その効果は、上側ＯＰＥ領域１３２０ａを通して伝搬するにつれて、入力ビームが多くの場所において複製されるので、光の空間的広がりが拡張されることである。これは、入力ビーム１３１１が、最終的には、ＥＰＥ領域１３３０に向かって、概して、ｘ－方向に進行する多くの光ビームに複製されることを示す図１３Ｃから明白である。

図１３Ｂに戻って参照すると、入力結合器領域１３１０が２つのＯＰＥ領域間に位置することが有利である。まぜなら、これが、１つのＯＰＥ領域が入力結合器領域１３１０から１つ以上の正の回折次数を受け取り、他のＯＰＥ領域が１つ以上の負の回折次数を受け取るように、接眼レンズ導波管１３００が、入力結合器領域１３１０において正および負の回折次数に回折される光を効率的に利用することを可能にするからである。正および負の回折次数からの光は、次いで、ＥＰＥ領域１３３０において再び組み合わせられ、ユーザの眼に外部結合されることができる。上側および下側ＯＰＥ領域１３２０ａ、１３２０ｂ間の入力結合器領域１３１０の位置は、この点において有利であるが、入力結合器領域１３１０が、事実上、ＥＰＥ領域１３３０の中心部分を陰にする結果をもたらし得る。すなわち、入力ビームは、入力結合器によって、正および負の回折次数に分離され、ＥＰＥ領域１３３０のほうへ＋ｘ方向に向け直される前、最初に、＋ｙ方向または－ｙ方向に導かれるので、より少ない光ビームが、図１３Ａおよび１３Ｂにおいて入力結合器領域１３１０の左側に直接位置するＥＰＥ領域の中心部分に到達し得る。これは、ＥＰＥ領域１３３０の中心がユーザの眼と整列させられた場合、ＯＰＥ領域１３２０間の入力結合器領域１３１０の位置によって生じるこの陰にする効果に起因して、より少ない光ビームが、最終的に、ＥＰＥ領域１３３０の中心部分からユーザの眼に導かれ得るので、望ましくないこともある。これに対する解決策として、接眼レンズ導波管１３００は、上側および下側スプレッダー領域１３４０ａ、１３４０ｂも含むことができる。これらのスプレッダー領域は、ＥＰＥ領域１３３０の中心部分を充填するように、ＯＰＥ領域からの光ビームを向け直すことができる。上側および下側スプレッダー領域１３４０ａ、１３４０ｂは、図１３Ｂに図示される回折特徴を用いて、このタスクを遂行する。

拡大図１３４２ａに示されるように、上側スプレッダー領域１３４０ａは、その格子ラインが、ｘ－軸に対して約－４５°で形成される回折格子を含むことができ、それは、上側スプレッダー領域１３４０ａが光を主に受け取る近傍の上側ＯＰＥ領域１３２０ａ内の格子ラインに略直交する。ＯＰＥ格子のように、スプレッダー領域内の格子の効率は、各光ビームの出力の一部のみが、格子との各相互作用の間、向け直されるように設計されることができる。上側スプレッダー領域１３４０ａ内の回折格子ラインの配向に起因して、上側ＯＰＥ領域１３２０ａからの光ビームは、ＥＰＥ領域１３３０のほうへ＋ｘ－方向に継続する前、幾分、－ｙ－方向に向け直される。したがって、上側スプレッダー領域１３４０ａは、ＥＰＥ領域１３３０に対する入力結合器領域１３１０の位置によって生じる任意の陰づけにもかかわらず、ＥＰＥ領域１３３０の中心部分に到達する光ビームの数を増加させることに役立つ。同様に、拡大図１３４２ｂに示されるように、下側スプレッダー領域１３４０ｂは、ｘ－軸に対して約＋４５°で形成される格子ラインを含むことができ、それは、下側スプレッダー領域１３４０ｂが光を主に受け取る近傍の下側ＯＰＥ領域１３２０ｂ内の格子ラインに略直交する。下側スプレッダー領域１３４０ｂ内の回折格子ラインは、ＥＰＥ領域１３３０のほうへ＋ｘ方向に継続する前、下側ＯＰＥ領域１３２０ｂからの光ビームを、幾分、＋ｙ方向に向け直す。したがって、下側スプレッダー領域１３４０ｂも、ＥＰＥ領域１３３０の中心部分に到達する光ビームの数を増加させることに役立つ。

ＯＰＥ領域１３２０ａ、１３２０ｂおよびスプレッダー領域１３４０ａ、１３４０ｂからの光ビームは、最終的に、ＥＰＥ領域１３３０に到達するまで、接眼レンズ導波管１３００の基板１３０２を通して伝搬する。ＥＰＥ領域１３３０は、回折光学特徴を含むことができ、それは、光ビームを接眼レンズ導波管１３００からユーザの眼に向け直す。拡大図１３３２に示されるように、ＥＰＥ領域１３３０の回折光学特徴は、ｙ－方向に延び、ｘ－方向に周期性を示す垂直格子ラインであることができる。代替として、図１４に示されるように、ＥＰＥ領域１３３０内の回折格子のラインは、屈折力を画像データに与えるために、幾分、湾曲させられることができる。ラインの周期、デューティサイクル、深度、プロファイル等は、基板が設計される光の波長、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。各光ビームの出力の一部は、ＥＰＥ領域１３３０内の格子との各相互作用の結果、接眼レンズ導波管１３００の基板１３０２から向け直される。各出力ビームが接眼レンズ導波管１３００のＥＰＥ領域１３３０から出射する具体的角度は、入力結合器領域１３１０における対応する入力ビームの入射角によって決定される。

図１４Ａは、交差回折格子を伴う入力結合器領域１４１０を含む、接眼レンズ導波管１４００の実施形態を図示する。接眼レンズ導波管１４００は、基板１４０２から形成され、入力結合器領域１４１０と、上側ＯＰＥ領域１４２０ａと、下側ＯＰＥ領域１４２０ｂと、ＥＰＥ領域１４３０とを含む。別様に述べられない限り、図１４に示される接眼レンズ導波管１４００は、図１３Ａ－１３Ｃに図示される接眼レンズ導波管１３００と同様に機能することができる。接眼レンズ導波管１４００の設計は、必ずしも、図１３Ａ－１３Ｃに関して議論されるスプレッダー領域１３４０ａ、１３４０ｂのタイプを使用せずに、ＥＰＥ領域１４３０（入力結合器領域１４１０のすぐ左側に位置する）の中心部分のほうへ導かれる光の量を増加させるための別の方法を表す。

図１３Ａ－１３Ｃにおける接眼レンズ導波管１３００と比較した図１４Ａにおける接眼レンズ導波管１４００の主な差異は、入力結合器領域１４１０の設計である。図１３Ａ－１３Ｃに示される接眼レンズ導波管１３００では、入力結合器領域１３１０は、入力光を主に上側および下側ＯＰＥ領域１３２０ａ、１３２０ｂのみに向け直すように設計された。対照的に、図１４Ａに示される入力結合器領域１４１０は、入力光を、上側および下側ＯＰＥ領域１４２０ａ、１４２０ｂに導くことと、ＥＰＥ領域１４３０に直接導くこととの両方を行うように設計される。これは、入力結合器領域１４１０内の交差回折格子を使用することによって、遂行されることができる。

図１４Ｂは、交差回折格子から成る入力結合器領域１４１０の例示的実施形態の斜視図である。交差格子は、異なる向きを伴う２つの回折格子の重なりと考えられ得る。第１の回折格子は、図１３Ａ－１３Ｃに関して図示されたものと同様に形成されることができる。すなわち、ｘ－方向に延び、ｙ－方向に周期的に繰り返されるラインから成ることができる。この第１の回折格子は、入力光を正のおよび負の回折次数に分割し、それらは、それぞれ、上側および下側ＯＰＥ領域１４２０ａ、１４２０ｂのほうへ導かれる。第１の回折格子は、ＯＰＥ領域１４２０ａ、１４２０ｂに向け直す入力光の出力の割合を制御するための第１の回折効率を有することができる。

第２の回折格子は、ｙ－方向に延び、ｘ－方向に周期的に繰り返されるラインから成ることができる。言い換えると、第２の回折格子は、第１の回折格子に対して約９０°に向けられることができる。第２の回折格子のこの向きは、光の入力ビームを、ＯＰＥ領域を最初に通過せずに、本実施形態では、ＯＰＥ領域１４２０ａ、１４２０ｂが入力結合器領域１４１０に対して位置する方向から実質的に９０°の方向に位置するＥＰＥ領域１４３０のほうへ向け直す。（第２の回折格子は、他の実施形態では、ＥＰＥ領域１４３０が位置する方向に応じて、他の向きも有し得る。）第２の回折格子は、第１の回折格子のものと異なり得る第２の回折効率を有するように設計されることができる。いくつかの実施形態では、第２の回折格子は、第１の回折格子未満の効率性であるように設計されることができる。（これは、例えば、図１４Ｂに示されるように、第２の回折格子のラインを第１の回折格子のものより浅くすることによって遂行されることができる。）したがって、入力光の出力の大部分は、第１の回折格子によって、上側および下側ＯＰＥ領域１４２０ａ、１４２０ｂのほうへ向け直される（光ビーム１４１２ａ、１４１２ｂによって表される）一方、入力光の出力のより少ない部分は、直接、第２の回折格子によって、ＥＰＥ領域１４３０のほうへ向け直される（光ビーム１４１４によって表される）。入力結合器領域１４１０は、ＯＰＥ領域１４２０を最初に通過しないように、入力光の出力の一部を、直接、ＥＰＥ領域１４３０に向け直すので、入力結合器領域のＥＰＥ領域の中心部分の前述の陰づけは、低減させられることができる。

図１５Ａは、上側および下側ＯＰＥ領域を伴う接眼レンズ導波管１５００の実施形態を図示し、上側および下側ＯＰＥ領域は、ＥＰＥ領域１５３０に向かって角度付けられ、よりコンパクトな形状因子を提供する。接眼レンズ導波管１５００は、基板１５０２から形成され、入力結合器領域１５１０と、上側ＯＰＥ領域１５２０ａと、下側ＯＰＥ領域１５２０ｂと、ＥＰＥ領域１５３０とを含む。別様に述べられない限り、図１５Ａに示される接眼レンズ導波管１５００は、図１３Ａ－１３Ｃに図示される接眼レンズ導波管１３００と同様に機能することができる。

図１３Ａ－１３Ｃにおける接眼レンズ導波管１３００と比較した図１５Ａにおける接眼レンズ導波管１５００の主な差異は、ＯＰＥ領域１５２０ａ、１５２０ｂが、ＥＰＥ領域１５３０に向かって角度付けられていることである。図１５Ａに示される実施形態では、各ＯＰＥ領域は、ｙ－軸から約３０°傾斜される。したがって、図１３Ａ－１３Ｂに図示される実施形態におけるように、約１８０°分離されるのではなく、上側ＯＰＥ領域１５２０ａおよび下側ＯＰＥ領域１５２０ｂは、約１２０°分離される。ＥＰＥ領域に向かったＯＰＥ領域１５２０ａ、１５２０ｂの角度付けの精密な量は、変動し得る（例えば、最大６０°）が、一般に、そのような角度付けは、接眼レンズ導波管１５００が、よりコンパクト設計を達成することを可能にし得る。これは、ＶＲ／ＡＲ／ＭＲシステムの頭部搭載型ディスプレイがあまり嵩張らないように作製されることを可能にし得るので、有利であり得る。

入力結合器領域１５１０内の回折特徴の設計は、ＯＰＥ領域１５２０ａ、１５２０ｂが入力結合器領域１５１０に対して位置する方向に対応するように、光の入力ビームが接眼レンズ導波管１５００の基板１５０２の中に発射される角度に合致するように変化させられることができる。入力結合器領域１５１０の回折特徴の例示的実施形態は、図１５Ｂにおける拡大図１５１２に示される。

図１５Ｂは、図１５Ａに示される接眼レンズ導波管１５００の入力結合器領域１５１０の回折光学特徴の例示的実施形態を図示する。図示される実施形態では、入力結合器領域１５１０は、六角形格子模様１５１６においてレイアウトされた複数の回折特徴または光散乱特徴１５１４（例えば、くぼみ、突出部等）を有する。（注記：各回折特徴１５１４の周囲の点線は、六角形格子模様１５１６を図示するように意図され、必ずしも、点線に沿った任意の物理的構造に対応するわけではない。）回折特徴の六角形格子模様１５１６は、入力結合器領域上に入射する光の入力ビームが６０°間隔で複数の方向に接眼レンズ導波管１５００の基板１５０２の中に発射されるようにする。したがって、図１５Ａに示されるように、第１の入力ビームの組は、ｘ－軸に対して約６０°で上側ＯＰＥ領域１５２０ａに向かって発射され、第２の入力ビームの組は、ｘ－軸に対して約－６０°で下側ＯＰＥ領域１５２０ｂに向かって発射され、第３の入力ビームの組は、概して、ｘ－軸に沿って、直接、ＥＰＥ領域１５３０に向かって発射される。他のモザイク式構成も、接眼レンズ導波管１５００の形状および入力結合器領域１５１０からＯＰＥ領域への方向に応じて、使用されることができる。回折特徴１５１４の具体的形状は、光がこれらの方向の各々に向け直される効率を決定する。図示される実施形態では、回折特徴１５１４の各々は、菱形であるが、他の形状も、可能である。加えて、回折特徴１５１４は、単段階または多段階であることができる。

いくつかの実施形態では、入力結合器領域１５１０の回折特徴は、基板１５０２の背面（入力ビームが入力デバイスから基板１５０２に進入する場所と反対側）の中にエッチングされる。基板１５０２の背面上のエッチングされた回折特徴は、次いで、反射材料でコーティングされることができる。このように、光の入力ビームは、回折特徴が反射モードで動作するように、基板の正面表面に進入し、背面上の回折特徴から回折する。上側ＯＰＥ領域１５２０ａおよび下側ＯＰＥ領域１５２０ｂも、前述のような回折光学特徴を含む。上側ＯＰＥ領域１５２０ａの回折特徴は、図１５Ｃにおける拡大図１５２２に図示される。

図１５Ｃは、図１５Ａに示される接眼レンズ導波管１５００のＯＰＥ領域１５２０ａの回折光学特徴の例示的実施形態を図示する。図１３Ａおよび１３Ｂに示される接眼レンズ導波管１３００内のＯＰＥ領域の回折特徴の場合のように、図１５Ａに示される接眼レンズ導波管１５００のＯＰＥ領域１５２０ａ、１５２０ｂの回折特徴も同様に、周期的に繰り返されるパターンのラインであり、それらは、回折格子を形成する。しかしながら、この場合、ラインが向けられる角度は、依然として、光のビームをＥＰＥ領域１５３０に向け直すように、ＯＰＥ領域１５２０ａの傾けられた向きを考慮して調節されている。具体的には、上側ＯＰＥ領域１５２０ａの回折格子のラインは、ｘ－軸に対して約＋３０°に向けられる。同様に、下側ＯＰＥ領域１５２０ｂ内の回折格子のラインは、ｘ－軸に対して約－３０°に向けられる。

（追加の考慮点）
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「備えている」、「～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継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、それぞれ、複数形または単数形も含み得る。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、ならびに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／もしくは状態が、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／もしくは状態が任意の特定の実施形態において含まれる、もしく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。

別様に述べられない、または図示されない、もしくは文脈から当業者に明白ではない限り、述べられた値または他の記述子とともに使用される「約」、「およそ」、および「概して」のような単語は、述べられた値の周囲の±２０％の範囲を示すと理解され得る。

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、これらの利点の各々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、例証的であり、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、可能である。コンポーネント、要素、および／またはステップは、改変され、追加され、除去され、または再配列され得る。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 (22)

1. 仮想現実、拡張現実、または複合現実システムのための接眼レンズであって、前記接眼レンズは、
   少なくとも部分的に透明である導波管基板と、
   前記導波管基板上またはその中に形成された入力結合器格子であって、前記入力結合器格子は、前記入力結合器格子上に外部から入射する少なくとも１つの入力光ビームを前記導波管基板の内側で伝搬する少なくとも第１の誘導光ビームおよび第２の誘導光ビームに結合し、分割し、向け直すように構成されている、入力結合器格子と、
   前記導波管基板上またはその中に形成された第１の直交瞳エクスパンダ（ＯＰＥ）格子であって、前記第１のＯＰＥ格子は、前記入力結合器格子からの前記第１の誘導光ビームを第１の複数の平行な間隔を置かれた光ビームに分割するように構成されている、第１のＯＰＥ格子と、
   前記導波管基板上またはその中に形成された第２のＯＰＥ格子であって、前記第２のＯＰＥ格子は、前記入力結合器格子からの前記第２の誘導光ビームを第２の複数の平行な間隔を置かれた光ビームに分割するように構成されている、第２のＯＰＥ格子と、
   前記第１の複数の平行な間隔を置かれた光ビームの少なくとも一部を前記第１のＯＰＥ格子から受け取り、その分布を広げる第１のスプレッダー格子であって、前記第１のスプレッダー格子は、前記第１のＯＰＥ格子の回折特徴に対して約９０°に向けられた回折特徴を備えている、第１のスプレッダー格子と、
   前記第２の複数の平行な間隔を置かれた光ビームの少なくとも一部を前記第２のＯＰＥ格子から受け取るように構成された第２のスプレッダー格子と、
   前記導波管基板上またはその中に形成された射出瞳エクスパンダ（ＥＰＥ）格子であって、前記ＥＰＥ格子は、前記第１および第２のＯＰＥ格子からのならびに前記第１および第２のスプレッダー格子からの光ビームが前記導波管基板から出射するように、それらを向け直すように構成されている、ＥＰＥ格子と
   を備えており、
   前記第１および第２のＯＰＥ格子は、前記ＥＰＥ格子に向かって傾けられており、
   前記入力結合器格子は、前記第１のＯＰＥ格子と前記第２のＯＰＥ格子との間に位置付けられ、前記入力結合器格子は、前記第１の誘導光ビームを前記第１のＯＰＥ格子のほうへ導き、前記第２の誘導光ビームを前記第２のＯＰＥ格子のほうへ導くように構成されており、
   前記第１および第２のＯＰＥ格子は、約１２０°分離されており、前記ＥＰＥ格子は、ＯＰＥ格子の両方に対して約６０°に位置しており、
   前記第２のスプレッダー格子は、前記ＥＰＥ格子のより大きい部分に到達するように前記第２のＯＰＥ格子からの前記第２の複数の平行な間隔を置かれた光ビームの前記少なくとも一部の分布を広げるように構成されている、接眼レンズ。
2. 前記第１のＯＰＥ格子の前記回折特徴は、前記第１の複数の平行な間隔を置かれた光ビームを前記ＥＰＥ格子のほうへ導くように角度付けられている、請求項１に記載の接眼レンズ。
3. 前記第１のスプレッダー格子は、前記第１のＯＰＥ格子からの前記第１の複数の平行な間隔を置かれた光ビームの前記少なくとも一部の前記分布を前記ＥＰＥ格子の中心に向かって広げるように構成されている、請求項１に記載の接眼レンズ。
4. 前記導波管基板は、３２５ミクロン厚未満である、請求項１に記載の接眼レンズ。
5. 前記導波管基板は、ガラス、プラスチック、またはポリカーボネートを備えている、請求項１に記載の接眼レンズ。
6. 前記接眼レンズは、画像データの色成分を投影するように構成されている、請求項１に記載の接眼レンズ。
7. 光を前記入力結合器格子のほうへ導くためのプロジェクタをさらに備えている、請求項１に記載の接眼レンズ。
8. 前記入力結合器格子は、前記入力光ビームを前記第１のＯＰＥ格子のほうへ導かれる＋１次回折光と、前記第２のＯＰＥ格子のほうへ導かれる－１次回折光とに分離するように構成されている、請求項１に記載の接眼レンズ。
9. 前記入力結合器格子は、前記入力光ビームを分割し、前記第１および第２のＯＰＥ格子のほうへ向け直すための回折光学特徴を備えている、請求項１に記載の接眼レンズ。
10. 前記入力結合器格子の前記回折光学特徴は、少なくとも１つの回折格子を形成する複数のラインを備えている、請求項９に記載の接眼レンズ。
    
11. 前記入力結合器格子の前記回折光学特徴は、格子模様パターンにおいてレイアウトされた複数の特徴を備えている、請求項９に記載の接眼レンズ。
12. 前記格子模様パターンは、六角形格子模様を備えている、請求項１１に記載の接眼レンズ。
13. 前記入力結合器格子の前記回折光学特徴は、交差格子を備えている、請求項９に記載の接眼レンズ。
14. 前記入力結合器格子の前記回折光学特徴は、光を前記第１および第２のＯＰＥ格子のほうへ導くことと、前記ＯＰＥ格子のいずれも最初に通過せずに前記ＥＰＥ格子のほうへ導くこととを行うように構成されている、請求項９に記載の接眼レンズ。
15. 仮想現実、拡張現実、または複合現実システムのための接眼レンズであって、前記接眼レンズは、
    少なくとも部分的に透明である導波管基板と、
    前記導波管基板上またはその中に形成された入力結合器格子であって、前記入力結合器格子は、前記入力結合器格子上に外部から入射する少なくとも１つの入力光ビームを前記導波管基板の内側で伝搬する少なくとも第１の誘導光ビームおよび第２の誘導光ビームに結合し、分割し、向け直すように構成されている、入力結合器格子と、
    前記導波管基板上またはその中に形成された第１の直交瞳エクスパンダ（ＯＰＥ）格子であって、前記第１のＯＰＥ格子は、前記入力結合器格子からの前記第１の誘導光ビームを第１の複数の平行な間隔を置かれた光ビームに分割するように構成されている、第１のＯＰＥ格子と、
    前記導波管基板上またはその中に形成された第２のＯＰＥ格子であって、前記第２のＯＰＥ格子は、前記入力結合器格子からの前記第２の誘導光ビームを第２の複数の平行な間隔を置かれた光ビームに分割するように構成されている、第２のＯＰＥ格子と、
    前記第１の複数の平行な間隔を置かれた光ビームの少なくとも一部を前記第１のＯＰＥ格子から受け取り、その分布を広げる第１のスプレッダー格子であって、前記第１のスプレッダー格子は、前記第１のＯＰＥ格子の回折特徴に対して約９０°に向けられた回折特徴を備えている、第１のスプレッダー格子と、
    前記第２の複数の平行な間隔を置かれた光ビームの少なくとも一部を前記第２のＯＰＥ格子から受け取るように構成された第２のスプレッダー格子と、
    前記導波管基板上またはその中に形成された射出瞳エクスパンダ（ＥＰＥ）格子であって、前記ＥＰＥ格子は、前記第１および第２のＯＰＥ格子からのならびに前記第１および第２のスプレッダー格子からの光ビームが前記導波管基板から出射するように、それらを向け直すように構成されている、ＥＰＥ格子と
    を備えており、
    前記入力結合器格子は、前記第１のＯＰＥ格子と前記第２のＯＰＥ格子との間に位置付けられ、前記入力結合器格子は、前記第１の誘導光ビームを前記第１のＯＰＥ格子のほうへ導き、前記第２の誘導光ビームを前記第２のＯＰＥ格子のほうへ導くように構成されており、
    前記第２のスプレッダー格子は、前記ＥＰＥ格子のより大きい部分に到達するように前記第２のＯＰＥ格子からの前記第２の複数の平行な間隔を置かれた光ビームの前記少なくとも一部の分布を広げるように構成されており、
    前記入力結合器格子は、前記入力光ビームを分割し、前記第１および第２のＯＰＥ格子のほうへ向け直すための回折光学特徴を備えており、
    前記入力結合器格子の前記回折光学特徴は、六角形格子模様パターンにおいてレイアウトされた複数の特徴を備えている、接眼レンズ。
16. 前記第１のＯＰＥ格子の前記回折特徴は、前記第１の複数の平行な間隔を置かれた光ビームを前記ＥＰＥ格子のほうへ導くように角度付けられている、請求項１５に記載の接眼レンズ。
17. 前記第１のスプレッダー格子は、前記第１のＯＰＥ格子からの前記第１の複数の平行な間隔を置かれた光ビームの少なくとも一部の前記分布を前記ＥＰＥ格子の中心に向かって広げるように構成されている、請求項１５に記載の接眼レンズ。
18. 前記導波管基板は、３２５ミクロン厚未満である、請求項１５に記載の接眼レンズ。
19. 前記導波管基板は、ガラス、プラスチック、またはポリカーボネートを備えている、請求項１５に記載の接眼レンズ。
20. 前記接眼レンズは、画像データの色成分を投影するように構成されている、請求項１５に記載の接眼レンズ。
21. 光を前記入力結合器格子のほうへ導くためのプロジェクタをさらに備えている、請求項１５に記載の接眼レンズ。
22. 前記第１および第２のＯＰＥ格子は、約１８０°分離されており、前記ＥＰＥ格子は、ＯＰＥ格子の両方に対して約９０°に位置している、請求項１５に記載の接眼レンズ。