JP2020512578A - 組み合わせられた視野のための異なる回折格子を有するスタックされた導波管 - Google Patents

Abstract

一側面では、光学デバイスは、互いの上に形成され、その上に形成されたそれぞれの回折格子を有する複数の導波管であって、それぞれの回折格子は、それぞれの導波管の中に回折された可視光がその中で伝搬するように、その上に入射する可視光をそれぞれの導波管の中に回折するように構成された複数の導波管を備えている。それぞれの回折格子は、それぞれの導波管の層法線方向に対するそれぞれの視野（ＦＯＶ）内の可視光をそれぞれの導波管の中に回折するように構成されている。それぞれのＦＯＶは、複数の導波管が、連続し、それぞれのＦＯＶの各々より大きい組み合わせられたＦＯＶ内の可視光を回折するように構成されるようなものである。

Description

（参照による組み込み）
本願は、米国仮特許出願第６２／４７４，５２９号（２０１７年３月２１日出願、名称「ＳＴＡＣＫＥＤ ＷＡＶＥＧＵＩＤＥＳ ＨＡＶＩＮＧ ＤＩＦＦＥＲＥＮＴ ＤＩＦＦＲＡＣＴＩＯＮ ＧＲＡＴＩＮＧＳ ＦＯＲ ＣＯＭＢＩＮＥＤ ＦＩＥＬＤ ＯＦ ＶＩＥＷ」）の優先権の利益を主張し、上記出願は、その全体が参照により本明細書に組み込まれる。

（分野）
本開示は、ディスプレイシステムに関し、より具体的には、コレステリック液晶に基づく回折デバイスを備えている拡張現実ディスプレイシステムに関する。

現代のコンピューティングおよびディスプレイ技術は、いわゆる「仮想現実」または「拡張現実」体験のためのシステムの開発を促進しており、デジタル的に再現された画像またはその一部が、現実であるように見える様式、またはそのように知覚され得る様式でユーザに提示される。仮想現実または「ＶＲ」シナリオは、典型的には、他の実際の実世界の視覚的入力に対する透明性を伴わずに、デジタルまたは仮想画像情報の提示を伴い、拡張現実または「ＡＲ」シナリオは、典型的には、ユーザの周囲の実際の世界の可視化に対する拡張としてのデジタルまたは仮想画像情報の提示を伴う。複合現実または「ＭＲ」シナリオは、一種のＡＲシナリオであり、典型的には、自然世界の中に統合され、それに応答する、仮想オブジェクトを伴う。例えば、ＭＲシナリオは、実世界内のオブジェクトによってブロックされているように見える、または別様にそれと相互作用するように知覚される、ＡＲ画像コンテンツを含み得る。

図１を参照すると、拡張現実場面１が、描写されている。ＡＲ技術のユーザは、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３０を特徴とする実世界の公園状設定２０を見ている。ユーザは、実世界プラットフォーム１１２０上に立っているロボット像４０、およびマルハナバチの擬人化のように見える、飛んでいる漫画のようなアバタキャラクタ５０等の「仮想コンテンツ」も「見ている」と知覚する。これらの要素５０、４０は、実世界には存在しないという点で、「仮想」である。ヒトの視知覚系が複雑であるので、他の仮想または実世界画像要素間における仮想画像要素の快適で、自然のような感覚で、かつ豊かな提示を促進する、ＡＲ技術の生産は、困難である。

本明細書に開示されるシステムおよび方法は、ＡＲまたはＶＲ技術に関連する種々の課題に対処する。

第１の側面では、光学デバイスは、互いの上に形成され、その上に形成されたそれぞれの回折格子を有する複数の導波管であって、それぞれの回折格子は、それぞれの導波管の中に回折された可視光がその中で伝搬するように、その上に入射する可視光をそれぞれの導波管の中に回折するように構成された複数の導波管を備えている。それぞれの回折格子は、それぞれの導波管の層法線方向に対するそれぞれの視野（ＦＯＶ）内のそれぞれの導波管上に入射する可視光をそれぞれの導波管の中に回折するように構成されている。それぞれのＦＯＶは、複数の導波管が、連続し、それぞれのＦＯＶの各々より大きい組み合わせられたＦＯＶ内の可視光を回折するように構成されるようなものである。

第２の側面では、光学システムは、その上に形成された第１の回折格子を有する第１の導波管を備えている。第１の回折格子は、第１の周期を有し、第１のＦＯＶ内の第１の導波管上に入射する第１の色を有する光を回折するように構成されている。光学システムは、加えて、その上に形成された第２の回折格子を有する第２の導波管を備えている。第２の回折格子は、第２の周期を有し、第２のＦＯＶ内の第２の導波管上に入射する第１の色を有する光を回折するように構成されている。第１および第２の回折格子は、それぞれの導波管の層法線方向に対するそれぞれの視野（ＦＯＶ）内の第１の色を有する光をそれぞれの導波管の中に回折するように構成されている。それぞれのＦＯＶは、第１および第２の導波管が、連続し、第１および第２のＦＯＶの各々より大きい組み合わせられたＦＯＶ内の第１の色を有する可視光を回折するように構成されるようなものである。

第３の側面では、ディスプレイデバイスは、液晶を備えているその上に形成された第１の回折格子を有する第１の導波管であって、第１の回折格子は、その上に入射する第１の色を有する光の一部を第１の導波管の中に回折するように構成されている、第１の導波管を備えている。第１の回折格子は、加えて、その上に入射する第１の色を有する光の一部を通過させるように構成されている。第１の回折格子は、第２の色を有する光を通過させるようにさらに構成されている。ディスプレイデバイスは、加えて、液晶を備えているその上に形成された第２の回折格子を有する第２の導波管であって、第２の回折格子は、第２の色を有する光を第２の導波管の中に回折するように構成されている、第２の導波管を備えている。第２の回折格子は、第１の回折格子を通過した第１の色を有する光の一部を第２の導波管の中に回折するようにさらに構成されている。

第４の側面では、頭部搭載型ディスプレイデバイスは、光をユーザの眼に投影し、拡張現実画像コンテンツを表示するように構成されている。頭部搭載型ディスプレイデバイスは、ユーザの頭部上に支持されるように構成されたフレームを備えている。頭部搭載型ディスプレイデバイスは、加えて、フレーム上に配置されたディスプレイを備えている。ディスプレイの少なくとも一部は、複数の導波管を備えている。導波管は、透明であり、透明部分が、ユーザの正面の環境の一部からの光をユーザの眼に透過させ、ユーザの正面の環境の一部のビューを提供するように、ユーザが頭部搭載型ディスプレイデバイスを装着すると、ユーザの眼の正面の場所に配置される。ディスプレイは、１つ以上の光源と、光源からの光をディスプレイにおける導波管の中に結合するように構成されたディスプレイにおける複数の回折格子とをさらに備えている。ディスプレイ内の導波管および回折格子は、第１−第３の側面のうちの任意の１つに記載の導波管および回折格子を備えている。

図１は、ＡＲデバイスを通した拡張現実（ＡＲ）のユーザのビューを図示する。

図２は、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、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７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、複数の異なる原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、導波管の受光角Δαを示すその上に配置された回折格子を有する導波管の断面図を図示する。この受光角は、本明細書では、視野（ＦＯＶ）と称され得る。

図１１は、いくつかの実施形態による、その上に配置されたそれぞれの回折格子を有するスタックされた導波管を備えているディスプレイデバイスの断面図を図示し、スタックは、それぞれのコンポーネント導波管の受光角または視野（ＦＯＶ）Δα_１およびΔα_２より大きい総受光角または視野（ＦＯＶ）Δα_ｔｏｔを有する。

図１２Ａおよび１２Ｂは、いくつかの実施形態による、異なる周期を伴うその上に形成されたそれぞれの回折格子を有するスタックされた導波管を備えているディスプレイデバイスの断面図を図示し、スタックは、コンポーネント導波管の視野（ＦＯＶ）より大きい総受光角または組み合わせられた有効視野（ＦＯＶ）を有する。加えて、第２の導波管は、２つの波長（例えば、２つの色）に作用し、ある場合に必要とされる導波管の数を潜在的に低減させることによって、よりコンパクトな設計を提供する。 図１２Ａおよび１２Ｂは、いくつかの実施形態による、異なる周期を伴うその上に形成されたそれぞれの回折格子を有するスタックされた導波管を備えているディスプレイデバイスの断面図を図示し、スタックは、コンポーネント導波管の視野（ＦＯＶ）より大きい総受光角または組み合わせられた有効視野（ＦＯＶ）を有する。加えて、第２の導波管は、２つの波長（例えば、２つの色）に作用し、ある場合に必要とされる導波管の数を潜在的に低減させることによって、よりコンパクトな設計を提供する。

図１３Ａは、コンポーネント導波管のうちの１つが第１の周期を有する図１２Ａおよび１２Ｂに図示されるディスプレイデバイスのコンポーネント導波管のうちの１つの概略図と、第１の視野に対応する結果として生じる画像とを図示する。

図１３Ｂは、コンポーネント導波管のうちの１つが第２の周期を有する図１２Ａおよび１２Ｂに図示されるディスプレイデバイスのコンポーネント導波管のうちの１つの概略図と、第２の視野に対応する結果として生じる画像とを図示する。

図１３Ｃは、図１２Ａおよび１２Ｂに図示されるディスプレイデバイスのスタックされた導波管の概略図と、第１および第２の視野個々より大きい組み合わせられた視野または総視野に対応する結果として生じる画像とを図示する。

図１４Ａおよび１４Ｂは、いくつかの実施形態による、異なる周期を伴うその上に形成されたそれぞれの回折格子を有するスタックされた導波管を備えているディスプレイデバイスの断面図を図示し、対の回折格子は、コンポーネント導波管の視野（ＦＯＶ）より大きい組み合わせられた視野（ＦＯＶ）または総視野を提供する。加えて、導波管のうちのいくつかは、複数の色に作用し、導波管の数を潜在的に低減させることによって、増加したコンパクト性を提供する。 図１４Ａおよび１４Ｂは、いくつかの実施形態による、異なる周期を伴うその上に形成されたそれぞれの回折格子を有するスタックされた導波管を備えているディスプレイデバイスの断面図を図示し、対の回折格子は、コンポーネント導波管の視野（ＦＯＶ）より大きい組み合わせられた視野（ＦＯＶ）または総視野を提供する。加えて、導波管のうちのいくつかは、複数の色に作用し、導波管の数を潜在的に低減させることによって、増加したコンパクト性を提供する。

図１５は、軸外入射角におけるブラッグ反射のための回折格子として構成されたコレステリック液晶（ＣＬＣ）層の断面図を図示する。

図１６Ａは、第１の螺旋ピッチを有し、第１の軸外入射角におけるブラッグ反射のための回折格子として構成されたＣＬＣ層の断面図を図示する。

図１６Ｂは、第２の螺旋ピッチを有し、第２の軸外入射角におけるブラッグ反射のための回折格子として構成されたＣＬＣ層の断面図を図示する。

図１７は、その上に形成されるＣＬＣ回折格子を有し、全内部反射（ＴＩＲ）によって、光を伝搬するように構成された導波管を図示する。

図１８Ａは、その上に形成されるＣＬＣ回折格子を有し、全内部反射（ＴＩＲ）によって、ある波長を有する光を選択的に伝搬するように構成された導波管を図示する。

図１８Ｂは、同一光学経路内の２つの導波管を図示し、各導波管は、その上に形成されるＣＬＣ回折格子を有し、全内部反射（ＴＩＲ）によって、ある波長を有する光を選択的に伝搬するように構成されている。

図１８Ｃは、同一光学経路内の３つの導波管を図示し、それぞれ、ＣＬＣＧに結合され、全内部反射（ＴＩＲ）によって、ある波長を有する光を選択的に伝搬するように構成された導波管を備えている。

図面全体を通して、参照番号は、参照される要素の対応を示すために再使用され得る。図面は、本明細書に説明される例示的実施形態を図示するために提供され、本開示の範囲を限定することを意図するものではない。

ＡＲシステムは、仮想コンテンツをユーザまたは視認者に表示しながら、依然として、ユーザが彼らの周囲の世界を見ることを可能にし得る。好ましくは、このコンテンツは、例えば、画像情報をユーザの眼に投影するアイウェアの一部としてのウェアラブル頭部搭載型ディスプレイ上に表示される。加えて、ディスプレイは、周囲環境からの光をユーザの眼に透過させ、その周囲環境のビューを可能にし得る。本明細書で使用されるように、「頭部搭載型」ディスプレイは、視認者の頭部上に搭載され得るディスプレイであることを理解されたい。

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７０と、そのディスプレイ７０の機能をサポートするための種々の機械的および電子的モジュールおよびシステムとを含む。ディスプレイ７０は、フレーム８０に結合され得、それは、ディスプレイシステムユーザまたは視認者９０によって装着可能であり、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ている。ディスプレイ７０は、いくつかの実施形態では、アイウェアと考えられ得る。いくつかの実施形態では、スピーカ１００が、フレーム８０に結合され、ユーザ９０の外耳道に隣接して位置付けられるように構成される（いくつかの実施形態では、示されない別のスピーカが、随意に、ユーザの他方の外耳道に隣接して位置付けられ、ステレオ／成形可能音制御を提供し得る）。ディスプレイシステムは、１つ以上のマイクロホン１１０もしくは他のデバイスも含み、音を検出し得る。いくつかの実施形態では、マイクロホンは、ユーザが、入力またはコマンド（例えば、音声メニューコマンドの選択、自然言語質問等）をシステム６０に提供することを可能にするように構成され、および／または、他の人物（例えば、類似ディスプレイシステムの他のユーザ）とのオーディオ通信を可能にし得る。マイクロホンは、周辺センサとしてさらに構成され、オーディオデータ（例えば、ユーザおよび／または環境からの音）を収集し得る。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、ユーザ９０の頭部、胴体、四肢等の上）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性評価するデータを入手するように構成され得る。例えば、センサ１２０ａは、電極であり得る。

図２を継続して参照すると、ディスプレイ７０は、有線導線または無線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、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、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、ローカルデータ処理モジュール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備え得、その両方は、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、ａ）画像捕捉デバイス（カメラ等）、マイクロホン、慣性測定ユニット、加速度計、コンパス、ＧＰＳユニット、無線デバイス、ジャイロスコープ、および／または本明細書に開示される他のセンサ等のセンサ（例えば、フレーム８０に動作可能に結合される、または別様にユーザ９０に取り付けられ得る）から捕捉され、および／または、ｂ）可能性として処理または読出後のディスプレイ７０への通過のために、遠隔処理モジュール１５０および／または遠隔データリポジトリ１６０（仮想コンテンツに関連するデータを含む）を使用して入手および／または処理されるデータを含む。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、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得る。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と通信する独立構造であり得る。

図２を継続して参照すると、いくつかの実施形態では、遠隔処理モジュール１５０は、データおよび／または画像情報を分析および処理するように構成された１つ以上のプロセッサを備え得る。いくつかの実施形態では、遠隔データリポジトリ１６０は、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デジタルデータ記憶設備を備え得る。いくつかの実施形態では、遠隔データリポジトリ１６０は、１つ以上の遠隔サーバを含み得、それは、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。いくつかの実施形態では、全てのデータが、記憶され、全ての計算は、ローカル処理およびデータモジュール内で行われ、遠隔モジュールからの完全な自律的使用を可能にする。

ここで図３を参照すると、「３次元」または「３−Ｄ」としての画像の知覚は、視認者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。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、視認者の視線と平行な光学または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／または規模の知覚を提供する。

しかしながら、ヒト視覚系は、より複雑であり、深度の現実的知覚を提供することは、より困難であることを理解されたい。例えば、従来の「３−Ｄ」ディスプレイシステムの多くの視認者は、そのようなシステムが不快であることを見出し得るか、または、深度の感覚を全く知覚しないこともある。理論によって限定されるわけではないが、オブジェクトの視認者は、両眼離反運動と遠近調節の組み合わせに起因して、オブジェクトを「３次元」として知覚し得ると考えられる。互いに対する２つの眼の両眼離反運動（すなわち、瞳孔が、眼の視線を収束させ、オブジェクトを固視するために互いに向かって、または互いから離れるように移動する眼の回転）は、眼の水晶体および瞳孔の焦点合わせ（または「遠近調節」）に密接に関連付けられる。通常条件のもとでは、異なる距離における１つのオブジェクトから別のオブジェクトに焦点を変化させるために、眼の水晶体の焦点を変化させること、または眼を遠近調節することは、「遠近調節−両眼離反運動反射」ならびに瞳孔拡張または収縮として知られる関係のもとで、同一距離までの両眼離反運動における整合変化を自動的に生じさせるであろう。同様、両眼離反運動における変化は、通常条件のもとで、水晶体形状および瞳孔サイズの遠近調節における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、とりわけ、単に、場面の異なる提示を提供するが、眼が全画像情報を単一の遠近調節された状態において視認すると、「遠近調節−両眼離反運動反射」に対抗して機能するので、多くの視認者にとって不快である。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、ｚ−軸上の眼２１０、２２０からの種々の距離におけるオブジェクトは、それらのオブジェクトが焦点が合っているように、眼２１０、２２０によって遠近調節される。眼２１０、２２０は、特定の遠近調節された状態をとり、ｚ−軸に沿った異なる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、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、焦点が合うように、関連付けられた焦点距離を有する深度平面２４０のうちの特定の１つに関連付けられていると言え得る。いくつかの実施形態では、３次元画像は、眼２１０、２２０の各々のために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、深度平面の各々に対応する画像の異なる提示を提供することによってもシミュレートされ得る。例証を明確にするために、別個であるように示されるが、眼２１０、２２０の視野は、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、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によって焦点が合うように、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、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、深度平面と視認者の眼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および本明細書の種々の他の図に図示されるが、眼２１０に関する議論は、視認者の両眼２１０および２２０に適用され得ることを理解されたい。

理論によって限定されるわけではないが、ヒトの眼は、典型的には、有限数の深度平面を解釈し、深度知覚を提供することができると考えられる。その結果、知覚された深度の高度に真実味のあるシミュレーションが、眼にこれらの限定数の深度平面の各々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、視認者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焦点を合わせるために要求される眼の遠近調節に基づいて、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。

図６は、画像情報をユーザに出力するための導波管スタックの例を図示する。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考えられ得ることを理解されたい。

図６を継続して参照すると、導波管アセンブリ２６０は、複数の特徴３２０、３３０、３４０、３５０を導波管間に含み得る。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、画像投入デバイスは、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に向かう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の出力表面４１０、４２０、４３０、４４０、４５０から出射し、導波管２７０、２８０、２９０、３００、３１０の対応する入力表面４６０、４７０、４８０、４９０、５００の中に投入される。いくつかの実施形態では、入力表面４６０、４７０、４８０、４９０、５００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または視認者の眼２１０に直接面する導波管表面のうちの１つ）であり得る。いくつかの実施形態では、光の単一ビーム（例えば、コリメートされたビーム）が、各導波管の中に投入され、クローン化されたコリメートビームの全体場を出力し得、それらは、特定の導波管に関連付けられた深度平面に対応する特定の角度（および発散量）において眼２１０に向かって導かれる。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つは、複数（例えば、３つ）の導波管２７０、２８０、２９０、３００、３１０に関連付けられ、それら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、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別々のディスプレイである。いくつかの他の実施形態では、画像投入デバイス３６０、３７０、３８０、３９０、４００は、例えば、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の各々に送り得る単一の多重化されたディスプレイの出力端である。画像投入デバイス３６０、３７０、３８０、３９０、４００によって提供される画像情報は、異なる波長または色（例えば、本明細書に議論されるように、異なる原色）の光を含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、光プロジェクタシステムは、光モジュレータ５３０を備え、光モジュレータは、発光ダイオード（ＬＥＤ）等の光エミッタを含み得る。光モジュレータ５３０からの光は、ビームスプリッタ５５０を介して、光変調器５４０、例えば、空間光変調器に導かれ、かつそれによって修正され得る。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変化させるように構成され得る。空間光変調器の例は、液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）を含み、シリコン上液晶（ＬＣＯＳ）ディスプレイを含む。

いくつかの実施形態では、ディスプレイシステム２５０は、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、視認者の眼２１０に投影するように構成された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た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、光を光モジュレータ５３０から１つ以上の導波管２７０、２８０、２９０、３００、３１０に伝送するように構成され得ることを理解されたい。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ことを理解されたい。

コントローラ５６０は、画像投入デバイス３６０、３７０、３８０、３９０、４００、光源５３０、および光モジュレータ５４０の動作を含むスタックされた導波管アセンブリ２６０のうちの１つ以上のものの動作を制御する。いくつかの実施形態では、コントローラ５６０は、ローカルデータ処理モジュール１４０の一部である。コントローラ５６０は、例えば、本明細書に開示される種々のスキームのいずれかに従って、導波管２７０、２８０、２９０、３００、３１０への画像情報のタイミングおよび提供を調整するプログラミング（例えば、非一過性媒体内の命令）を含む。いくつかの実施形態では、コントローラは、単一の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）の一部であり得る。

図６を継続して参照すると、導波管２７０、２８０、２９０、３００、３１０は、全内部反射（ＴＩＲ）によって各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、主要な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か、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、各それぞれの導波管内で伝搬する光を導波管から外へ向け直し、画像情報を眼２１０に出力することによって、光を導波管から抽出するように構成された外部結合光学要素５７０、５８０、５９０、６００、６１０を含み得る。抽出された光は、外部結合光とも称され得、外部結合光学要素光は、光抽出光学要素とも称され得る。抽出された光のビームは、導波管によって、導波管内で伝搬する光が光抽出光学要素に衝打する場所において出力され得る。外部結合光学要素５７０、５８０、５９０、６００、６１０は、例えば、本明細書にさらに議論されるような回折光学特徴を含む格子であり得る。説明の容易性および図面の明確性のために、導波管２７０、２８０、２９０、３００、３１０の底部主要表面に配置されて図示されるが、いくつかの実施形態では、外部結合光学要素５７０、５８０、５９０、６００、６１０は、本明細書にさらに議論されるように、上部および／または底部主要表面に配置され得、および／または、導波管２７０、２８０、２９０、３００、３１０の容積内に直接配置され得る。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、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得る。いくつかの他の実施形態では、導波管２７０、２８０、２９０、３００、３１０は、材料のモノリシック部品であり得、外部結合光学要素５７０、５８０、５９０、６００、６１０は、材料のその部品の表面上および／またはその内部に形成され得る。

図６を継続して参照すると、本明細書に議論されるように、各導波管２７０、２８０、２９０、３００、３１０は、光を出力し、特定の深度平面に対応する画像を形成するように構成される。例えば、眼の最近傍の導波管２７０は、眼２１０にコリメートされた光（そのような導波管２７０の中に投入された）を送達するように構成され得る。コリメートされた光は、光学無限遠焦点面を表し得る。次の上方の導波管２８０は、眼２１０に到達し得る前、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を送出するように構成され得る。そのような第１のレンズ３５０は、眼／脳が、その次の上方の導波管２８０から生じる光を光学無限遠から眼２１０に向かって内向きにより近い第１の焦点面から生じるように解釈するように、若干の凸面波面曲率を生成するように構成され得る。同様、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３５０および第２の３４０レンズの両方を通過させる。第１の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から生じる光が次の上方の導波管２８０からの光であった光学無限遠から人物に向かって内向きにさらに近い第２の焦点面から生じるように解釈するように、別の漸増量の波面曲率を生成するように構成され得る。

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の他側の世界５１０から生じる光を視認／解釈するとき、レンズ３２０、３３０、３４０、３５０のスタックを補償するために、補償レンズ層６２０が、スタックの上部に配置され、下方のレンズスタック３２０、３３０、３４０、３５０の集約力を補償し得る。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するように構成され得、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つの組を伴う同一の複数の深度平面に設定される画像を出力するように構成され得る。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ためのタイル化された画像を形成する利点を提供し得る。

図６を継続して参照すると、外部結合光学要素５７０、５８０、５９０、６００、６１０は、導波管に関連付けられた特定の深度平面のために、光をそれらのそれぞれの導波管から外へ向け直すことと、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、それらは、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、立体ホログラム、表面ホログラム、および／または回折格子であり得る。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（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）であり得る。

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、回折パターンを形成する回折特徴または「回折光学要素」（本明細書では、「ＤＯＥ」とも称される）である。好ましくは、ＤＯＥは、ビームの光の一部のみがＤＯＥの各交差を用いて眼２１０に向かって偏向させられる一方、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有する。画像情報を搬送する光は、したがって、様々な場所において導波管から出射するいくつかの関連出射ビームに分割され、結果は、導波管内で跳ね返るこの特定のコリメートされたビームに対して、眼２１０に向かって非常に均一なパターンの出射放出である。

いくつかの実施形態では、１つ以上のＤＯＥは、それらが能動的に回折する「オン」状態と、それらがあまり回折しない「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ＤＯＥは、ポリマー分散液晶の層を備え得、その中で微小液滴は、ホスト媒体中に回折パターンを備え、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得る（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、ホスト媒体のそれに整合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する）。

いくつかの実施形態では、カメラアセンブリ６３０（例えば、可視光および赤外線光カメラを含むデジタルカメラ）が、眼２１０および／または眼２１０の周囲の組織の画像を捕捉し、例えば、ユーザ入力を検出するために、および／または、ユーザの生理学的状態を監視するために提供され得る。本明細書で使用されるように、カメラは、任意の画像捕捉デバイスであり得る。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、赤外線光）を眼に投影し、次いで、眼によって反射され、画像捕捉デバイスによって検出され得る光源とを含み得る。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、カメラアセンブリ６３０からの画像情報を処理し得る処理モジュール１４０および／または１５０と電気通信し得る。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。

ここで図７を参照すると、導波管によって出力された出射ビームの例が、示される。１つの導波管が図示されるが、導波管アセンブリ２６０（図６）内の他の導波管も同様に機能し得、導波管アセンブリ２６０は、複数の導波管を含むことを理解されたい。光６４０が、導波管２７０の入力表面４６０において導波管２７０の中に投入され、ＴＩＲによって導波管２７０内で伝搬する。光６４０がＤＯＥ５７０上に衝突する点で、光の一部は、導波管から出射ビーム６５０として出射する。出射ビーム６５０は、実質的に平行として図示されるが、本明細書に議論されるように、それらは、導波管２７０に関連付けられた深度平面に応じて、ある角度（例えば、発散出射ビームを形成する）において眼２１０に伝搬するように向け直され得る。実質的に平行出射ビームは、眼２１０からの遠距離（例えば、光学無限遠）における深度平面に設定されるように見える画像を形成するように光を外部結合する外部結合光学要素を伴う導波管を示し得ることを理解されたい。他の導波管または他の外部結合光学要素の組は、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、網膜に焦点を合わせることを要求し、光学無限遠より眼２１０に近い距離からの光として脳によって解釈されるであろう。

いくつかの実施形態では、フルカラー画像が、原色、例えば、３つ以上の原色の各々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、想定される。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つ以上の原色画像を有し得る。異なる深度平面は、文字Ｇ、Ｒ、およびＢに続くジオプタ（ｄｐｔ）に関する異なる数字によって図に示される。単なる例として、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、視認者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焦点合わせにおける差異を考慮するために、異なる原色のための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、および／または色収差を減少させ得る。

いくつかの実施形態では、各原色の光は、単一専用導波管によって出力され得、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、文字Ｇ、Ｒ、またはＢを含む図中の各ボックスは、個々の導波管を表すものと理解され得、３つの導波管は、深度平面毎に提供され得、３つの原色画像が、深度平面毎に提供される。各深度平面に関連付けられた導波管は、この図面では、説明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、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も、赤色、緑色、もしくは青色のうちの１つ以上のものに加えて使用され得、または、それらに取って代わり得る。

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視認者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ると理解されたい。例えば、赤色光は、約６２０〜７８０ｎｍの範囲内である１つ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、視認者の視覚的知覚範囲外の１つ以上の波長、例えば、赤外線および／または紫外線波長の光を放出するように構成され得る。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、この光をユーザの眼２１０に向かってディスプレイから外へ導き、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、その光を導波管の中に内部結合するため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、それぞれ、内部結合光学要素を含む複数または組６６０のスタックされた導波管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もしくは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、１つ以上の内部結合光学要素は、反射性偏向光学要素である）。図示されるように、内部結合光学要素７００、７１０、７２０は、そ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、透過性偏向光学要素である。いくつかの実施形態では、内部結合光学要素７００、７１０、７２０は、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させながら、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。それら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、その光が別の内部結合光学要素を通過せずに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、例えば、材料のガス、液体および／または固体層によって間隔を置かれ、分離され得る。例えば、図示されるように、層７６０ａは、導波管６７０および６８０を分離し得、層７６０ｂは、導波管６８０および６９０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のうちの直隣接するものを形成する材料より低い屈折率を有する材料）から形成される。好ましくは、層７６０ａ、７６０ｂを形成する材料の屈折率は、導波管６７０、６８０、６９０を形成する材料の屈折率を０．０５もしくはそれを上回る、または、０．１０もしくはそれを下回る。有利には、より低い屈折率層７６０ａ、７６０ｂは、導波管６７０、６８０、６９０を通して光の全内部反射（ＴＩＲ）（例えば、各導波管の上部および底部主要表面間のＴＩＲ）を促進するクラッディング層として機能し得る。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、導波管の図示される組６６０の上部および底部は、直近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。いくつかの実施形態では、導波管６７０、６８０、６９０を形成する材料は、１つ以上の導波管間で異なり得、および／または、層７６０ａ、７６０ｂを形成する材料は、依然として、前述の種々の屈折率関係を保持しながら、異なり得る。

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ことを理解されたい。

いくつかの実施形態では、光線７７０、７８０、７９０は、異なる色に対応し得る異なる性質、例えば、異なる波長または異なる波長範囲を有する。内部結合光学要素７００、７１０、７２０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ものを通して伝搬するように、入射光を偏向させる。いくつかの実施形態では、内部結合光学要素７００、７１０、７２０の各々は、他の波長を下層導波管および関連付けられた内部結合光学要素に透過させながら、１つ以上の特定の光の波長を選択的に偏向させる。

例えば、内部結合光学要素７００は、異なる第２および第３の波長または波長範囲を有する光線１２４２および１２４４を透過させながら、第１の波長または波長範囲を有する光線７７０を選択的に偏向させるように構成され得る。透過させられた光線７８０は、第２の波長または波長範囲の光を選択的に偏向させるように構成された内部結合光学要素７１０に衝突し、それによって偏向させられる。光線７９０は、第３の波長または波長範囲の光を選択的に偏向させるように構成された内部結合光学要素７２０によって偏向させられる。

図９Ａを継続して参照すると、偏向させられた光線７７０、７８０、７９０は、対応する導波管６７０、６８０、６９０を通して伝搬するように偏向させられる。すなわち、各導波管の内部結合光学要素７００、７１０、７２０は、光をその対応する導波管６７０、６８０、６９０の中に偏向させ、光をその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によってそれぞれの導波管６７０、６８０、６９０を通して伝搬する角度で偏向させられる。光線７７０、７８０、７９０は、導波管の対応する光分配要素７３０、７４０、７５０に衝突するまで、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、内部結合された光線７７０、７８０、７９０は、それぞれ、内部結合光学要素７００、７１０、７２０によって偏向させられ、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に衝突する。光分配要素７３０、７４０、７５０は、それぞれ、外部結合光学要素８００、８１０、８２０に向かって伝搬するように、光線７７０、７８０、７９０を偏向させる。

いくつかの実施形態では、光分配要素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に偏向させ、または分散し、いくつかの実施形態では、ＯＰＥは、光が外部結合光学要素に伝搬するにつれて、この光のビームまたはスポットサイズを増加させ得る。いくつかの実施形態では、光分配要素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に偏向させる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、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、光を視認者の眼２１０（図７）に導く、射出瞳（ＥＰ）または射出瞳エクスパンダ（ＥＰＥ）である。ＯＰＥが少なくとも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が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得ることを理解されたい。例えば、各ＯＰＥは、光の残りの部分が導波管を辿って伝搬し続けることを可能にしながら、ＯＰＥに衝打する光の一部を同一導波管のＥＰＥに向け直すように構成され得る。ＯＰＥへの衝突時、再び、残りの光の別の部分は、ＥＰＥに向け直され、その部分の残りの部分は、導波管等を辿ってさらに伝搬し続ける。同様、ＥＰＥへの衝打、衝突光の一部は、ユーザに向かって導波管から外へ導かれ、その光の残りの部分は、ＥＰに再び衝打するまで、導波管を通して伝搬し続け、その時点で、衝突する光の別の部分は、導波管から外へ導かれる等。その結果、内部結合された光の単一ビームは、その光の一部がＯＰＥまたはＥＰＥによって向け直される度に、「複製」され、それによって、図６に示されるように、クローン化された光のビーム野を形成し得る。いくつかの実施形態では、ＯＰＥおよび／またはＥＰＥは、光のビームのサイズを修正するように構成され得る。

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、各原色のために、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）入射光をその導波管の中に向け直し、または偏向させる。光は、次いで、それぞれの導波管６７０、６８０、６９０内にＴＩＲをもたらすであろう角度で伝搬する。示される例では、光線７７０（例えば、青色光）は、前述の様式において、第１の内部結合光学要素７００によって偏向させられ、次いで、導波管を辿って跳ね返り続け、光分配要素（例えば、ＯＰＥ）７３０、次いで、外部結合光学要素（例えば、ＥＰ）８００と相互作用する。光線７８０および７９０（例えば、それぞれ、緑色および赤色光）は、導波管６７０を通過し、光線７８０は、内部結合光学要素７１０に衝突し、それによって偏向させられる。光線７８０は、次いで、ＴＩＲを介して、導波管６８０を辿って跳ね返り、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、ＥＰ）８１０に進むであろう。最後に、光線７９０（例えば、赤色光）は、導波管６９０を通過し、導波管６９０の光内部結合光学要素７２０に衝突する。光内部結合光学要素７２０は、光線が、ＴＩＲによって、光分配要素（例えば、ＯＰＥ）７５０に、次いで、ＴＩＲによって、外部結合光学要素（例えば、ＥＰ）８２０に伝搬するように、光線７９０を偏向させる。外部結合光学要素８２０は、次いで、最後に、光線７９０を視認者に外部結合し、視認者は、他の導波管６７０、６８０からの外部結合した光も受け取る。

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、好ましくは、重複しない（例えば、見下ろし図に見られるように、側方に間隔を置かれる）。本明細書でさらに議論されるように、この重複しない空間配列は、１対１ベースで異なるリソースから異なる導波管の中への光の投入を促進し、それによって、特定の光源が特定の導波管に固有に結合されることを可能にする。いくつかの実施形態では、重複しない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。

（組み合わせられた視野を伴うスタックされた導波管）
導波管ベースのディスプレイシステム、例えば、上で説明される仮想／拡張／複合ディスプレイアプリケーションのために構成された種々の半透明または透明ディスプレイシステムのユーザに没入型の体験を提供することは、とりわけ、ディスプレイシステムの導波管の中に結合する光の種々の特性に依存する。例えば、増加した視野を有する仮想／拡張／複合ディスプレイは、潜在的に、視認体験を向上させることができる。ディスプレイの視野は、接眼レンズ内に含まれる導波管スタック内の複数の導波管によって出力される光の角度に依存し、視認者は、接眼レンズを通してその眼の中に投影された画像を見る。複数の導波管から出力される光の角度は、次に、少なくとも部分的に導波管の中に結合される光の受光角に依存する。上で議論されるように、内部結合格子等の内部結合光学要素が、光を格子の中に結合するために採用され得る。しかしながら、ある場合、限定された角度範囲を有する光のみが、所与の格子を使用して、所与の導波管の中に結合され得る。導波管によるこの限定された光の受光角の範囲は、導波管によって装着者の眼の中に出力される角度範囲も限定し、したがって、潜在的に、装着者のための視野を低減させ得る。この特定の限界と、受光角、したがって、ディスプレイの視野を増加させるための設計とは、下で議論される。

例えば、図６および７を参照して上で説明されるように、本明細書に説明される種々の実施形態によるディスプレイシステムは、光学要素、例えば、内部結合光学要素、外部結合光学要素、および光分配要素を含み得、それらは、回折格子を含み得る。例えば、図７を参照して上で説明されるように、導波管２７０の入力表面４６０において導波管２７０の中に投入される光６４０は、全内部反射（ＴＩＲ）によって、導波管２７０内で伝搬する。光６４０が外部結合光学要素５７０に衝突する点で、光の一部が、ビームレット６５０として導波管から出射する。いくつかの実装では、光学要素５７０、５８０、５９０、６００、６１０のいずれかは、回折格子として構成されることができる。

導波管２７０、２８０、２９０、３００、３１０の中への光の内部結合（またはそれからの光の外部結合）の望ましい特性を達成するために、回折格子として構成された光学要素５７０、５８０、５９０、６００、６１０は、回折特性を含む種々の光学特性を制御するように構成された構造を有する材料から形成されることができる。望ましい回折特性は、他の特性の中でもとりわけ、スペクトル選択性、角度選択性、偏光選択性、高スペクトル帯域幅および高回折効率、および、広視野（ＦＯＶ）を含む。

これらおよび他の利点のうちの１つ以上のものを達成するために、本明細書に説明される種々の例は、互いの上に形成され、それらの上に形成されたそれぞれの回折格子を有する複数の導波管を含む。回折格子は、その上に入射する可視光をそれぞれの導波管の中に回折するように構成され、導波管の中に回折された可視光は、例えば、全内部反射によって、導波管の各々内で伝搬する。回折格子は、それぞれの角度範囲または視野（ＦＯＶ）（例えば、それぞれの導波管の層法線方向に対する）内で可視光がその上に入射すると、可視光をそれぞれの導波管の中に回折するように構成される。個々の回折格子および導波管によって提供されるそれぞれのＦＯＶは、導波管が、一緒にスタックされると、連続し、かつ、回折格子および導波管によって別個に提供される個々のＦＯＶより大きい総受光角またはＦＯＶを有するようなものである。

本明細書に説明されるように、可視光は、赤色、緑色、または青色範囲を含む種々の色範囲内の１つ以上の波長を有する、光を含み得る。本明細書に説明されるように、赤色光は、約６２０〜７８０ｎｍの範囲における１つ以上の波長の光を含み得、緑色光は、約４９２〜５７７ｎｍの範囲における１つ以上の波長の光を含み得、青色光は、約４３５〜４９３ｎｍの範囲における１つ以上の波長の光を含み得る。したがって、可視は、約４３５ｎｍ〜７８０ｎｍの範囲における１つ以上の波長の光を含み得る。

本明細書に説明されるように、回折格子等の光を回折するように構成された構造は、透過モードおよび／または反射モードにおいて、光を回折し得る。本明細書に説明されるように、透過モードにおいて光を回折するように構成された構造は、構造の光入射側と反対側の光の回折された光の強度が、構造の入射側と同じ側の回折された光の強度と比較して、例えば、少なくとも、１０％を上回る、２０％を上回る、または３０％を上回る構造を指す。逆に、本明細書に説明されるように、反射モードにおいて光を回折するように構成された構造は、構造の入射側と同じ側の回折された光の強度が、構造の光入射側と反対側の光の回折された光の強度と比較して、例えば、少なくとも、１０％を上回る、２０％を上回る、または３０％を上回る構造を指す。

図１０は、いくつかの実施形態による、その上に形成される回折格子１００８を有する導波管１００４を備えているディスプレイデバイス１０００の一部の断面図を図示する。結合された回折格子１００８は、光が導波管１００４内に誘導されるように、可視スペクトル内の波長を有する光を回折するように構成される。導波管１００４は、例えば、図９Ａ−９Ｃに関して上で説明される導波管６７０、６８０、６９０のうちの１つに対応し得る。回折格子１００８は、例えば、内部結合光学要素（７００、７１０、７２０、図９Ａ−９Ｃ）に対応し得る。ディスプレイデバイス１０００は、加えて、光学要素１０１２を含み、それは、例えば、光分配要素（７３０、７４０、７５０、図９Ａ−９Ｃ）、または、例えば、外部結合光学要素（８００、８１０、８２０、図９Ａ−９Ｃ）のうちの１つに対応し得る。

動作時、入射光ビーム１０１６、例えば、可視光が、ｙ−ｚ平面に延びている表面１００８Ｓに垂直である、または直交する面法線１０１２に対して測定される入射角αで、回折格子１００８上に入射すると、回折格子１００８は、面法線１０１２に対して測定される回折角度θで、回折された光ビーム１０２４として入射光ビーム１０１６を少なくとも部分的に回折し、透過させられた光ビーム１０２０として入射光を少なくとも部分的に透過させる。本明細書に説明されるように、実施形態に図示されるような面法線１０１２に対して時計回り方向（すなわち、面法線１０１２の右側）にある角度で入射する光ビームは、負のα（α＜０）を有すると称される一方、面法線１０１２に対して反時計回り方向（すなわち、面法線の左側）にある角度で入射する光ビームは、正のα（α＞０）を有すると称される。回折された光ビーム１０２４が、導波管１００４内で全内部反射の発生のための臨界角θ_ＴＩＲを超える回折角度θで回折されると、回折された光ビーム１０２４は、回折された光ビーム１０２４が、例えば、光分配要素（７３０、７４０、７５０、図９Ａ−９Ｃ）のうちの１つ、または、例えば、外部結合光学要素（８００、８１０、８２０、図９Ａ−９Ｃ）のうちの１つに対応し得る光学要素１０１２に到達するまで、全内部反射（ＴＩＲ）のもと、ｘ−軸に沿って伝搬する。

本明細書のいずれかにさらに説明されるように、回折格子１０１６の材料および構造の好適な組み合わせは、本明細書では、受光角または視野（ＦＯＶ）の範囲と称される入射角αの特定の範囲（Δα）が取得されるように選択され得る。種々の実施形態によると、回折格子１００８および導波管１００４は、Δαが、２０度（例えば、＋／−１０度）、３０度（例えば、＋／−１５度）、４０度（例えば、＋／−２０度）、または５０度（例えば、＋／−２５度）を超えるか、または、面法線１０１２付近（例えば、０度における）の対称および非対称範囲を含むこれらの値のいずれかによって定義された角度の範囲内であるように配列される。本明細書に説明されるように、所望の範囲Δαは、αの負および／または正の値に及ぶ角度範囲によって説明され得、その範囲外では、回折効率は、α＝０における回折効率に対して、１０％、２５％、５０％、または７５％を上回って降下する。回折効率が比較的に高くかつ一定である範囲内のΔαを有することが、例えば、回折された光の均一強度がΔα内で所望される場合、望ましくあり得る。したがって、Δαは、Δα内の入射光ビーム１０１６が、θ_ＴＩＲを超える面法線１０１２（例えば、ｙ−ｚ平面）に対する回折角度θで回折格子１０１６によって効率的回折され、回折された光が、全内部反射（ＴＩＲ）のもと、導波管１００４内で伝搬するように、回折格子１０１６の角度帯域幅に関連付けられる。

種々の実施形態では、回折格子１００８（および光学要素１０１２）は、その屈折率（ｎ_１）または有効屈折率が、導波管１００４の屈折率ｎ_２より高い材料、すなわち、ｎ_１＞ｎ_２である材料から形成される。いくつかの実施形態では、導波管１００４は、例えば、導波管３１０、３００、２９０、２８０、２７０（図６）、および／または、例えば、導波管６７０、６８０、および６９０（図９Ａ−９Ｃ）に対応し得る。いくつかの実装では、実施形態による、導波管１００４の材料は、空気のそれを上回るが、ｎ_１未満である屈折率、例えば、１．５、１．６、１．７、１．８、１．９、またはこれらの値のいずれかによって定義された範囲内である屈折率を有し、それらは、導波管１００４からの光を出力することによって画像を形成するディスプレイのΔαを増加させるための利点を提供し得る。導波管１００４を形成するための材料の例は、シリカガラス（例えば、ドープされたシリカガラス）、酸窒化ケイ素、遷移金属酸化物（例えば、酸化ハフニウム、酸化タンタル、酸化ジルコニウム、酸化ニオブ、ニオブ酸リチウム、酸化アルミニウム（例えば、サファイア））、プラスチック、ポリマー、または、例えば、本明細書に説明されるような好適な屈折率を有する可視光に他の実質的に光学的に透過性の材料を含む。

ある実施形態によると、回折格子１００８は、周期Λ_ａを有する、周期的構造を有し得る。周期Λ_ａは、少なくとも２回、規則的インターバルで、導波管１００４にわたって、側方方向（例えば、ｘ、ｙ方向）に、反復または実質的に反復する。言い換えると、周期Λ_ａは、直接隣り合い反復する構造の同一点間の距離であり得る。種々の実施形態によると、周期Λ_ａは、本願のいずれかに説明されるように、液晶の配列によって形成されるそれに対応し得る。種々の実施形態では、Λ_ａは、格子１００８が回折するように構成された波長より小さくあり得、ある波長または約４３５ｎｍ〜７８０ｎｍの範囲における任意の波長より小さくあり得る。少なくとも赤色光を回折するように構成されたいくつかの実施形態では、Λ_ａは、約６２０〜７８０ｎｍの範囲におけるある波長（または任意の波長）未満であり得る。少なくとも緑色光を回折するように構成されたいくつかの他の実施形態では、Λ_ａは、約４９２〜５７７ｎｍの範囲におけるある波長（または任意の波長）未満であり得る。少なくとも青色光を回折するように構成されたいくつかの他の実施形態では、Λ_ａは、約４３５〜４９３ｎｍの範囲におけるある波長（または任意の波長）未満であり得る。代替として、種々の実施形態によると、Λ_ａは、１０ｎｍ〜５００ｎｍまたは３００ｎｍ〜５００ｎｍを含む１０ｎｍ〜１μｍの範囲内であり得る。本明細書に開示される回折格子は、光を回折するために利用され得、ディスプレイシステム２５０（図６）の一部であり得、ディスプレイシステム２５０は、光を狭帯域の波長を有する格子に導くように構成され得ることを理解されたい。いくつかの実施形態では、所与の回折格子のためのΛ_ａは、ディスプレイシステムの光源が、回折格子に導くように構成された波長の帯域の最小波長未満である。

任意の理論によって拘束されるわけではないが、いくつかの実施形態では、Λ_ａは、比率ｍλ／（ｓｉｎα＋ｎ_２ｓｉｎθ）未満の値を有し得、式中、ｍは、整数（例えば、１、２、３・・・）であって、α、ｎ_２、およびθの各々は、本明細書全体を通して説明される値を有する。例えば、αは、４０度を超える範囲Δα内であり得、ｎ_２は、１〜２の範囲内であり得、θは、４０−８０度の範囲内であり得る。

いくつかの実施形態では、Λ_ａは、格子１００８の表面１００８Ｓにわたって実質的に一定であり得る。しかしながら、実施形態は、そのように限定されず、いくつかの他の実施形態では、Λ_ａは、表面１００８Ｓにわたって変動し得る。

上で説明されるように、視野（ＦＯＶ）またはΔαは、導波管の中に結合され、ＴＩＲを生じさせ得る入射光の角度範囲に対応する。上で議論されるように、この角度範囲は、導波管に影響を及ぼし、接眼レンズによって出力される光の角度範囲にも対応し、したがって、ディスプレイを通して画像を視認するとき、視認者によって経験される視野にも影響を及ぼし得る。入射光を導波管の中に結合し、ＴＩＲのもと、その中で伝搬するために、導波管１００４上に入射する光は、とりわけ、導波管１００４の材料の屈折率ｎ_２および回折格子１００８の材料の屈折率ｎ_１に依存する受光角またはＦＯＶ、Δαの範囲内で導かれ得る。例えば、屈折率１．５を伴うガラス基板を備えている導波管１００４のＦＯＶ（Δα）は、約３０度であり得る。格子が、対称ＦＯＶを生産するように設計されるとき、ガラス基板のためのＦＯＶまたは受光角の範囲は、１次元において±１５度以内であり得る。以下では、種々の実施形態が、説明され、導波管のスタックのための受光角または有効ＦＯＶの組み合わせられた範囲は、個々のコンポーネント導波管に対して拡張され、個々のコンポーネント導波管は、導波管のスタックの有効ＦＯＶに対して異なるＦＯＶ、および／または、それより小さいＦＯＶを有し得る。

本明細書に説明されるように、複数の導波管、例えば、導波管のスタックの組み合わせられた、総、または有効ＦＯＶは、所与の色に対して、個々の導波管のＦＯＶの組み合わせから生じる連続したＦＯＶの範囲を指す。ＦＯＶが重複する場合、連続したＦＯＶの範囲は、個々の導波管のＦＯＶの重複していない部分を含み、例えば、それらの合計であり得る。例えば、その上に形成された第１の回折格子を有する第１の導波管が、所与の色を伴う光に対して、−５〜２０度のα_１（すなわち、Δα_１＝２５度）を有し、その上に形成された第２の回折格子を有する第２の導波管が、所与の色に関して、−２０〜５度のα_２（すなわち、Δα_２＝２５度）を有する場合、スタックからの所与の色に関する相補的ＦＯＶは、４０度である。

種々の実施形態によるディスプレイデバイスは、互いの上に形成され、その上に形成されたそれぞれの回折格子を有する複数の導波管であり、回折格子は、それぞれの導波管の中に回折された可視光が、全内部反射によって、その中で誘導されるように、それぞれの導波管の各々を伝搬するように、その上に入射する可視光をそれぞれの導波管の中に回折するように構成された複数の導波管を含む。回折格子は、導波管の層法線方向に対する異なるＦＯＶ内の可視光をそれぞれの導波管の中に回折するように構成され、それぞれのＦＯＶは、導波管が連続し、個々のそれぞれのＦＯＶの各々より大きい組み合わせられたＦＯＶを有するようなものである。

図１１は、実施形態による、可視波長範囲内の色を有する光のための増加した組み合わせられた有効視野（ＦＯＶ）のために構成されたスタックされた導波管を備えているディスプレイデバイス１１００の一部の断面図を図示する。ディスプレイデバイス１００は、その上に形成されたそれぞれの回折格子１００８、１１０８を有するスタックされた導波管１００４、１１０４を備え、スタックは、コンポーネント導波管１００４、１１０４のそれぞれのＦＯＶ Δα_１、Δα_２より大きい組み合わせられた有効視野（ＦＯＶ）を有する。ディスプレイデバイス１１００は、互いの上に形成された第１の導波管１００４と、第２の導波管１１０４とを含む。第１の導波管１００４は、その上に形成された第１の回折格子１００８を有し、第２の導波管１１０４は、その上に形成された第２の回折格子１１０８を有する。第１および第２の回折格子１００８、１１０８は、それぞれの導波管１００４、１１０４の中に回折された可視光が、それぞれの導波管の各々内で伝搬するように、それぞれ、その上に入射する可視光１１１６、１１２４をそれぞれの導波管１００４、１１０４の中に回折するように構成される。第１および第２の回折格子１００８、１１０８は、異なるそれぞれの視野Δα_１、Δα_２（層法線１０１２、例えば、ｙ−ｚ平面またはｚ−方向に対する）内でその上に入射する可視光をそれぞれの導波管１００４、１１０４の中に回折するように構成される。ディスプレイデバイス１１００は、加えて、導波管１００４および１１０４上にそれぞれ形成された光学要素１０１２および１１１２を含む。

図示される実施形態では、第１および第２の導波管１００４、１１０４は、スタックされた配列にあり、セパレータ１１０６を間に挿入し、全内部反射のもと、実質的に平行な伝搬方向（例えば、ｘ−方向）を有する。

第１の導波管１００４と第２の導波管１１０４とは、互いに類似し、対応する第１の回折格子１００８と第２の回折格子１０１２は、互いに類似するが、第１の回折格子１００４と第２の回折格子１１０８とは、それぞれ、異なる周期Λ_１、Λ_２を有し、同じ一般的色（すなわち、赤色、緑色、または青色）を有するが異なる波長を有する光を回折するように構成される。しかしながら、実施形態は、そのように限定されず、第１および第２の回折格子１００４、１１０８は、実質的に同一周期を有し、同一波長を有する光を回折するように構成されることができる。

加えて、第１の回折格子１００８に結合された第１の導波管１００４は、第１の、例えば、正のα（面法線１０１２に対して反時計回り角度を有する）を有する光を回折するように構成される一方、第２の回折格子１１０８に結合された第２の導波管１１０４は、異なる、例えば、負のα（面法線１０１２に対して時計回り角度を有する）を有する光を回折するように構成される。しかしながら、実施形態は、そのように限定されない。例えば、第１および第２の導波管１００４および１１０４の両方が、正または負であるが異なる入射角を回折するように構成されることができる。他の変形例も、可能である。例えば、第１および第２の導波管１００４および１１０４のいずれでも、正または負の角度、またはその両方を回折するように構成されることができ、角度範囲Δα_１およびΔα_２が、大きさが同一または異なることができる。

第１の回折格子１００８は、その上に入射する可視光１１１６、１１２４を、それぞれ、部分的に回折し、部分的に透過させるように構成される。図示される実施形態では、第１の回折格子１００８は、第１のＦＯＶ（Δα_１）内でその上に入射する可視光１１１６を部分的に回折し、第２のＦＯＶ（Δα_２）内でその上に入射する可視光１１２４を部分的に透過させるように構成される。第２の回折格子１１０８は、入射光として第１の回折格子１００８を通して部分的に透過させられた光１１２８を受け取り、光１１２８を部分的に回折された光１１３２の中に少なくとも部分的に回折するように構成される。

図示される実施形態では、第１および第２の回折格子１００８および１１０８は、同一色を有する光を回折するように構成される。すなわち、第１および第２の回折格子１００８および１１０８の各々は、約４３５ｎｍ〜７８０ｎｍの波長範囲内の同じ色範囲（赤色、緑色、または青色範囲）における１つ以上の波長を有する光を回折するように構成される。種々の実施形態では、第１および第２の回折格子１００８および１１０８は、赤色に対する約６２０〜７８０ｎｍの範囲における同じまたは異なる波長を有する光を回折し、緑色に対する約４９２〜５７７ｎｍの範囲における同じまたは異なる波長を有する光を回折し、または、青色に対する約４３５〜４９３ｎｍの範囲の同じまたは異なる波長を有する光を回折するように構成されることができる。

いくつかの実施形態では、第１および第２の回折格子１００８および１１０８は、それぞれの周期Λ_１、Λ_２を構成することによって、特定の波長を回折するように構成され得る。任意の理論によって拘束されるわけではないが、いくつかの状況のもとで、周期Λは、概して、以下の方程式によって、α、ｎ_２、θ、およびλに関連され得る：
Λ_ａ（ｓｉｎα＋ｎ_２ｓｉｎθ）＝ｍλ ［１］
式中、ｍは、整数（例えば、１、２、３・・・）であり、α、ｎ_２、θ、およびλは、それぞれ、入射角、導波管の屈折率、回折された光の角度、および光の波長であって、本明細書のいずれかに説明される値を有し得る。他のタイプの回折光学要素および可能なホログラフィック光学要素も、使用されることができる。
依然として、図１１を参照すると、図示される実施形態では、第１および第２の回折格子１００８および１１０８の各々を同じ色範囲（赤色、緑色、または青色範囲）内の１つ以上の波長を有する光を回折するように構成するために、Λ_１およびΛ_２の各々は、格子１００８および１１０８が回折するように構成される波長より小さいように選択され得る。したがって、第１および第２の回折格子１００８および１１０８の各々が、少なくとも赤色光を回折するように構成される場合、Λ_１およびΛ_２の各々は、約６２０〜７８０ｎｍの範囲におけるある波長（または任意の波長）未満であるように選択され得、第１および第２の回折格子１００８および１１０８の各々が、少なくとも緑色光を回折するように構成される場合、Λ_１およびΛ_２の各々は、約４９２〜５７７ｎｍの範囲におけるある波長（または任意の波長）未満であるように選択され得、第１および第２の回折格子１００８および１１０８の各々が、少なくとも青色光を回折するように構成される場合、Λ_１およびΛ_２の各々は、約４３５〜４９３ｎｍの範囲におけるある波長（または任意の波長）未満であるように選択され得る。種々の実施形態では、Λ_１およびΛ_２は、約４０％〜約９９％、約５０％〜約９０％、または約６０％〜約８０％、例えば、それぞれの回折格子が回折するように構成される波長のいずれかの約７１％であり得る。例えば、導波管が、５３０ｎｍ（緑色）の波長を有する光を回折するように構成される場合、回折格子は、３８０ｎｍの周期を有し得、導波管が、６５０ｎｍ（赤色）の波長を有する光を回折するように構成される場合、回折格子は、４６５ｎｍの周期を有し得る。

依然として、図１１の図示される実施形態を参照すると、第１の格子１００８および第１の導波管１００４の組み合わせは、第２の格子１１０８および第２の導波管１１０４の組み合わせが回折するように構成された第２のＦＯＶ（Δα_２）と異なる第１のＦＯＶ（Δα_１）内の光を回折するように構成される。いくつかの実施形態では、異なるＦＯＶ Δα_１およびΔα_２は、第１および第２の導波管１００４および１１０４のそれぞれの屈折率ｎ_２を、１．５、１．６、１．７、１．８、１．９、またはこれらの値のいずれかによって定義された範囲内である値、または、より高いがｎ_１未満である異なる値を有するように構成することによって取得されることができる。

依然として、図１１を参照すると、動作時、入射光１１１６、例えば、可視光が、第１の周期Λ_１を有する第１の回折格子１００８上に入射角α_１で入射すると、第１の回折格子１００８は、回折された光１１２０として第１の回折角度θ_１で入射光１１１６を少なくとも部分的に回折する。第１の導波管１００４は、Δα_１内で表面１００８Ｓ上に入射する入射光１１１６が、入射すると、第１の導波管１００４が、導波管１００４内の全内部反射の発生のために、臨界角θ_{ＴＩＲ−１}を超える第１の回折角度θ_１で、入射光１１１６を回折するように、第１の導波管屈折率ｎ_２−１を有する。結果として生じる回折された光１１２０は、光が、光学要素１０１２に到達し、それを通して出射するまで、全内部反射（ＴＩＲ）のもと、ｘ−軸に沿って伝搬する。

第１の回折格子１００８は、透過させられた光１１２８として、入射光１１２４を少なくとも部分的に透過させ、それは、次に、第２の周期Λ_２を有する第２の回折格子１１０８上に入射角α_２で入射する光となる。第２の回折格子１１０８は、次に、回折された光１１３２として、第２の回折角度θ_２で、光１１２８を少なくとも部分的に回折する。第２の導波管１１０４は、光１１２８が、Δα_２内で表面１１０８Ｓ上に入射すると、第２の導波管１１０４が、導波管１１０４内の全内部反射の発生のために、臨界角θ_{ＴＩＲ−２}を超える回折角度で、光１１２８を回折するように、第２の導波管屈折率ｎ_２−２を有する。結果として生じる回折された光１１３２は、光が光学要素１１１２に到達するまで、全内部反射（ＴＩＲ）のもと、ｘ−軸に沿って伝搬する。

したがって、その上に形成された第１の回折格子１００８を有する第１の導波管１００４およびその上に形成された第１の回折格子１１０８を有する第２の導波管１１０４は、それぞれ、個々に、Δα_１およびΔα_２を有するが、ディスプレイデバイス１１００の一部に図示されるようにスタックされると、結果として生じるスタックされた導波管１００４、１１０４は、連続し、コンポーネント導波管１００４、１１０４のそれぞれのＦＯＶ Δα_１、Δα_２より大きい組み合わせられたＦＯＶを有する。

図示される実施形態では、回折格子１００８および１１０８は、重複する部分が、Δα_２内の入射光１１２４が第１および第２の回折格子１００８および１１０８の両方を横断するために十分であるように、ｘ−方向に好適な長さを有し、部分的または完全に、ｘ−方向に互いに重複する。

図示される実施形態では、高回折効率を伴う組み合わせられたＦＯＶを有するために、第１の回折格子１００８は、高回折効率を伴って、Δα_１内の入射光１１１６を回折するように構成される一方、入射光１１２４を少なくとも部分的に透過させるように構成され、第２の回折格子１１０８は、高回折効率を伴って、Δα_２内のその入射光１１２８を回折するように構成されることを理解されたい。実施形態によると、第１および第２の回折格子１００８および１１０８は、実施形態に従って、約２０％、４０％、６０％、または８０％を超える、またはこれらの値のいずれかによって定義された任意の範囲内のパーセンテージを有する回折効率を伴って、それぞれ、Δα_１およびΔα_２内の入射光１１１６および１１２４を回折するように構成される。実施形態によると、第１の回折格子１００８は、実施形態に従って、約２０％、４０％、６０％、または８０％を超える、またはこれらの値のいずれかによって定義された任意の範囲内のパーセンテージを有する透過効率を伴って、Δα_２内の入射光１１２４を透過させるように構成される。

いくつかの実施形態では、Δα_１とΔα_２とは、部分的に重複し得る。実施形態によると、Δα_１とΔα_２とは、Δα_１またはΔα_２に基づいて、２０％、４０％、６０％、または８０％未満、またはこれらの値のいずれかによって定義された任意の範囲内のパーセンテージ、または、実施形態に従って、５^°、１０^°、１５^°、または２０^°未満、またはこれらの値のいずれかによって定義された任意の範囲内の値だけ重複する。

一例では、第１の導波管１００４は、０〜３０度のα_１（すなわち、Δα_１＝３０度）かつ緑色波長（例えば、５３０ｎｍ）を有する光を第１の導波管１００４の中に結合するように構成される一方、第２の導波管１１０４は、同じ緑色波長かつ−３０〜０度のα_２（すなわち、Δα_２＝３０度）を有する光を結合するように構成される。結果として生じる組み合わせられたＦＯＶは、６０度もの高ＦＯＶであることができる。

依然として、図１１を参照すると、２つのみの導波管は、図示される実施形態ではスタックされるが、実施形態は、そのように限定されない。他の実施形態では、追加の導波管が、さらにスタックされ、さらにより大きい組み合わせられたＦＯＶを提供し得る。例えば、第３の導波管および第３の回折格子の組み合わせが、第２の導波管１１０４の下に形成され、第３のＦＯＶ Δα_３内で第１の回折格子１００８上に入射する入射光１１１６、１１２４と同じ色および同じまたは異なる波長を有する可視光が、第３の回折格子を通して回折されるように、第１および第２の回折格子１００８、１１０８を通して部分的に透過させられ得るように構成され得る。

図１２Ａおよび１２Ｂは、実施形態による、可視波長範囲内の複数の色を有する光のための増加した組み合わせられた有効視野（ＦＯＶ）のために構成されたスタックされた導波管を備えているディスプレイデバイス１２００の一部の断面図を図示する。図１２Ａおよび１２Ｂは、いくつかの実施形態による、その上に形成されたそれぞれの回折格子１００８、１２０８を有するスタックされた導波管１００４、１２０４を備えているディスプレイデバイス１２００の一部の断面図を図示し、スタックは、コンポーネント導波管１００４、１２０４のそれぞれの視野（ＦＯＶ）より大きい組み合わせられた視野（ＦＯＶ）を有する。上記の図１１に関して図示されるディスプレイデバイス１１００と同様、ディスプレイデバイス１２００は、互いの上に形成された第１の導波管１００４と、第２の導波管１２０４とを含む。第１の導波管１００４は、その上に形成された第１の回折格子１００８を有し、第２の導波管１２０４は、その上に形成された第２の回折格子１２０８を有する。ディスプレイデバイス１２００は、加えて、導波管１００４および１２０４上にそれぞれ形成された光学要素１０１２および１２１２を含む。上記の図１１に関して図示されるディスプレイデバイス１１００と同一または類似するディスプレイデバイス１２００の他の配列は、本明細書では省略される。

しかしながら、上記の図１１に関して図示されるディスプレイデバイス１１００と異なり、第１および第２の回折格子１００８、１２０８は、それぞれ、異なる周期Λ_１、Λ_２を有し、異なる色（すなわち、赤色、緑色、または青色）を有する光を回折するように構成される。

図１２Ａを参照すると、第１および第２の回折格子１００８、１２０８は、それぞれ、各々がその上に入射する第１の色および第１の波長λ_１を有する可視光１１１６、１１２４をそれぞれの導波管１００４、１２０４の中に回折するように構成され、それによって、第１の色およびλ_１を有する可視光は、それぞれの導波管１００４、１２０４の中に回折され、それぞれの導波管内で伝搬する。第１および第２の回折格子１００８、１２０８は、それぞれ、面法線１０１２、例えば、ｚ−方向に対して異なる視野Δα_１、Δα_２内のその上に入射する第１の色を有する可視光を、それぞれの導波管１００４、１２０４の中に回折するように構成される。

図１２Ｂを参照すると、第１の回折格子１００８は、第２の色および第２の波長λ_２を有する可視光１２１６、１２１４を実質的に透過させるように構成される。ここで、第２の回折格子１２０８上に入射する第２の色および波長λ_２を有する、透過させられた可視光１２２６は、少なくとも部分的に第２の導波管１２０４の中に回折され、ｘ−方向に伝搬される。第２の回折格子１２０８は、第２の色を有し、視野Δα_１、Δα_２の一方または両方内で第１の回折格子１００８上に入射する可視光１２１６、１２１４を第２の導波管１２０４の中に回折するように構成される。図示される実施形態では、可視光１２１６は、第２の導波管１２０４の中に回折されるように回折される。

要約すると、図１２Ａを参照すると、第１の導波管１００４および第１の回折格子１００８は、第１の色およびλ_１を有し、正のα_１（Δα_１以内）を有する可視光を回折するように構成される一方、第２の導波管１２０４および第２の回折格子１２０８は、第１の色およびλ_１を有し、負のα_２（Δα_２以内）を有する可視光を回折するように構成される。

要約すると、図１２Ｂを参照すると、第１の導波管１００４および第１の回折格子１００８は、第２の色およびλ_２を有し、正のα_１（Δα_１以内）および負のα_２（Δα_２以内）をそれぞれ有する可視光１２１６、１２１４を実質的に透過させるように構成される一方、第２の導波管１２０４および第２の回折格子１２０８は、第２の色およびλ_２を有し、正のα_１（Δα_１以内）および負のα_２（Δα_２以内）のうちの少なくとも１つを有する可視光を少なくとも部分的に回折するように構成される。いくつかの実施形態では、異なるＦＯＶ Δα_１およびΔα_２は、第１および第２の導波管１００４および１２０４のそれぞれの屈折率ｎ_２−１およびｎ_２−１を１．５、１．６、１．７、１．８、１．９以上の値またはこれらの値のいずれかによって定義された範囲内である値であるが回折格子１００４、１２０８のｎ_１未満であり得る異なる値を有するように構成することによって取得されることができる。

図１１に関して図示される実施形態と異なり、図１２Ａおよび１２Ｂの図示される実施形態では、第１および第２の回折格子１００８および１２０８は、約４３５ｎｍ〜７８０ｎｍの範囲における波長内の異なる色（赤色、緑色、または青色範囲）に対応する１つ以上の波長を有する光を回折するように構成される。例えば、第１および第２の回折格子１００８および１２０８は、赤色に対する約６２０〜７８０ｎｍ、緑色に対する約４９２〜５７７ｎｍ、または青色に対する約４３５〜４９３ｎｍの異なる範囲内の異なる波長を有する光を回折するように構成される。特に、図示される実施形態では、第１の回折格子１００８は、緑色光を回折するように構成され、第２の回折格子１２０８は、緑色光および赤色光を回折するように構成される。

図示される実施形態では、第１および第２の回折格子１００８および１２０８の各々を異なる色（赤色、緑色、または青色）に対応する１つ以上の波長を有する光を回折するように構成するために、それぞれのΛ_１およびΛ_２は、格子１００８および１２０８が回折するように構成される波長と異なり、かつそれより小さいように選択され得る。したがって、第１および第２の回折格子１００８および１２０８が、それぞれ、緑色光および赤色光を回折するように構成される場合、Λ_１およびΛ_２は、それぞれ、緑色に対する約４９２〜５７７ｎｍ、赤色に対する約６２０〜７８０ｎｍの異なる範囲内のある波長（または任意の波長）未満であるように選択され得る。加えて、第１および第２の回折格子１００８および１２０８が、それぞれ、青色光および緑色光を回折するように構成される場合、Λ_１およびΛ_２は、それぞれ、青色に対する約４３５〜４９３ｎｍ、緑色に対する約４９２〜５７７ｎｍの異なる範囲内のある波長（または任意の波長）未満であるように選択され得る。

図１２Ａを参照すると、動作時、入射光１１１６、例えば、第１の色およびλ_１を有する可視光が、第１の周期Λ_１を有する第１の回折格子１００８上に入射角α_１で入射すると、第１の回折格子１００８は、回折された光ビーム１１２０として、第１の回折角度θ_１で、入射光１１１６を少なくとも部分的に回折する。第１の導波管１００４は、入射光１１１６が、Δα_１内で表面１００８Ｓ上に入射すると、第１の回折格子１００８が、導波管１００４内の全内部反射（ＴＩＲ）の発生のために、臨界角θ_{ＴＩＲ−１}を超える回折角度で、入射光１１１６を回折するように、第１の導波管屈折率ｎ_２−１を有する。結果として生じる回折された光１１２０は、光が、光学要素１０１２に到達し、それを通して出射するまで、ＴＩＲのもと、ｘ−軸に沿って伝搬する。

第１の回折格子１０１６は、透過させられる光１１２８として、第１の色およびλ_１を有する入射角α_２でその上に入射する入射光１１２４を少なくとも部分的に透過させ、それは、次に、第２の周期Λ_２を有する第２の回折格子１２０８上に入射する光１１２８となる。第２の回折格子１２０８は、第２の回折角度θ_２で回折された光１２３２として、Δα_２内で入射する光１１２８を少なくとも部分的に回折する。第２の導波管１２０４は、光１１２８が、Δα_２内で入射すると、第２の導波管１２０４が、導波管１２０４内の全内部反射の発生のために、臨界角θ_{ＴＩＲ−２}を超える回折角度で、光１１２８を回折するように、第２の導波管屈折率ｎ_２−２を有する。結果として生じる回折された光１２３２は、全内部反射（ＴＩＲ）のもと、光が、光学要素１２１２に到達し、それを通して出射するまで、ｘ−軸に沿って伝搬する。

図１２Ｂを参照すると、入射光１２１６および１２１４、例えば、第２の色およびλ_２を有する可視光が、それぞれ、Δα_１内のα_１およびΔα_２内のα_２で、第１の回折格子１００８上に入射すると、第１の回折格子１００８は、入射光１２１６および１２１４を対応する実質的に透過させられるそれぞれの光１２２６および１２２４の中に実質的に透過させる。透過させられた光１２２６および１２２４は、次に、それぞれ、Δα_１内のα_１およびΔα_２内のα_２で、第２の回折格子１２０８上に入射する。第２の導波管１２０４は、光１２１６が、Δα_１内で表面１２０８Ｓ上に入射すると、回折格子１２０８が、第２の導波管１２０４内の全内部反射の発生のために、臨界角θ_{ＴＩＲ−２}を超える回折角度で、光１２２６を回折し、回折された光１２３６が、光が、光学要素１２１２に到達し、それを通して出射するまで、全内部反射（ＴＩＲ）のもと、ｘ−軸に沿って伝搬するように、第２の導波管屈折率ｎ_２−２を有する。

したがって、第１の周期Λ_１を有するその上に形成された第１の回折格子１００８を有する第１の導波管１００４と、第２の周期Λ_２を有するその上に形成された第２の回折格子１２０８を有する第２の導波管１２０４をスタックすることによって、第１の回折格子１００８は、第１の色およびλ_１を有し、Δα_１内の光を回折するように構成され、第２の回折格子１２０８は、第１の色およびλ_１を有し、Δα_２内の光を回折するように構成され、第２の回折格子１２０８は、第２の色およびλ_２を有し、少なくともΔα_１内の光を回折するようにさらに構成される。結果として生じるスタックは、コンポーネント導波管１００４、１２０４のそれぞれの視野（ＦＯＶ）Δα_１、Δα_２より大きい組み合わせられたＦＯＶを有する。さらに、第２の導波管は、２つ以上の色を伝搬し、潜在的に、スタック内の導波管の数を低減させる。

図示される実施形態では、図１２Ａを参照すると、高回折効率を伴う組み合わせられたＦＯＶを有するために、第１の回折格子１００８は、高回折効率を伴って、Δα_１内の第１の色を有する入射光１１１６を回折するように構成される一方、Δα_２内の第１の色を有する入射光１１２４を少なくとも部分的に透過させるように構成されることを理解されたい。加えて、図１２Ｂを参照すると、第１の回折格子１００８は、Δα_１およびΔα_２内の第２の色を有するそれぞれの入射光１２１６、１２１４を実質的に透過させるように構成される。加えて、第２の回折格子１２０８は、高回折効率を伴って、Δα_２内の第１の色を有するその入射光１１２８と、少なくともΔα_２内の第２の色を有する１２２６とを回折するように構成される。実施形態によると、高効率を伴って光を回折するように構成される場合、第１および／または第２の回折格子１００８および／または１２０８は、実施形態に従って、約２０％、４０％、６０％、または８０％を超える、またはこれらの値のいずれかによって定義された任意の範囲内のパーセンテージを有する回折効率を伴って、Δα_１またはΔα_２内の入射光を回折するように構成される。実施形態によると、光を実質的に透過させるように構成される場合、第１の回折格子１００８は、実施形態に従って、約２０％、４０％、６０％、または８０％を超える、またはこれらの値のいずれかによって定義された任意の範囲内のパーセンテージを有する透過効率を伴って、Δα_１またはΔα_２内の入射光を透過させるように構成される。

依然として、図１２Ａおよび１２Ｂを参照すると、いくつかの実施形態では、第２の色は、第１の色と比較してより長い波長を有する色に対応する。例えば、第２の色が、赤色であるとき、第１の色は、緑色（または青色）であることができ、第２の色が、緑色であるとき、第１の色は、青色であることができる。そのような配列は、上で議論される第１の回折格子１００８の透過率を可能にする。しかしながら、実施形態は、そのように限定されず、いくつかの他の実施形態では、第２の色は、第１の色と比較してより短い波長を有する色に対応し得る。

いくつかの実施形態では、Δα_１およびΔα_２は、部分的に重複し得る。実施形態によると、Δα_１およびΔα_２は、Δα_１またはΔα_２に基づいて、２０％、４０％、６０％、または８０％未満、またはこれらの値のいずれかによって定義された任意の範囲内のパーセンテージ、または、実施形態に従って、５^°、１０^°、１５^°、または２０^°未満、またはこれらの値のいずれかによって定義された範囲内である値だけ重複する。

一例では、第１の導波管１００４は、Λ_１＝３８０ｎｍを有する第１の回折格子１００８を用いて、−５〜２０度のα_１（すなわち、Δα_１＝２５度）を有する緑色光（例えば、５３０ｎｍ）を第１の導波管１００４の中に結合するように構成されることができる。第２の導波管１２０４は、Λ_２＝４６５ｎｍを有する第２の回折格子１２０８を用いて、−２０〜５度のα_２（すなわち、Δα_２＝２５度）を有する緑色光（例えば、５３０ｎｍ）を第２の導波管１２０４の中に結合するように構成されることができる。結果として生じる組み合わせられたＦＯＶは、４０度であり、それは、Δα_１＝２５度またはΔα_２＝２５度のいずれにも優る有意な改良である。加えて、Λ_２＝４６５ｎｍを有する第２の回折格子１２０８を用いて構成された第２の導波管１２０４は、−５〜２０度のα_１（すなわち、Δα_１＝２５度）を有する赤色光（例えば、６５０ｎｍ）を第２の導波管１２０４の中に結合することができる。したがって、スタックは、４０度の組み合わせられたＦＯＶを有する緑色カラー画像（例えば、５３０ｎｍ）と２５度のＦＯＶを有する赤色カラー画像（例えば、６５０ｎｍ）とを投影するために使用されることができる。

図１３Ａ−１３Ｃは、実施形態による、動作時における、図１２Ａおよび１２Ｂに関して上で図示されるものに類似する構成における導波管を組み合わせることまたはスタックすることのユーザへの視覚的効果を図式的に図示する。図１３Ａは、実施形態による、第１の導波管（図１２Ａ、１２Ｂにおける１０１２）と同様に構成される導波管を備えているディスプレイデバイス１２００Ａの概略斜視図を図示し、図１３Ｂは、第２の導波管（図１２Ａにおける１１１２および図１２Ｂにおける１２１２）と同様に構成される導波管を備えているディスプレイデバイス１２００Ｂの概略斜視図を図示し、図１３Ｃは、増加した組み合わせられた有効視野（ＦＯＶ）のために構成されたスタックされた導波管（図１１における１１００、図１２における１２００）を備えているディスプレイデバイス１２００の概略斜視図を図示する。動作時、コンポーネントの第１の（１０１２、図１３Ａ）および第２の（１２１２、図１３Ｂ）導波管は、上で説明されるように、それぞれのＦＯＶ Δα_１およびΔα_２内でディスプレイデバイス上に入射する入射光１１１６（図１３Ａ）、１１２４（図１３Ｂ）内に含まれる所与の色のための入射画像情報を受信するように構成される。図１３Ｃを参照すると、第１および第２の導波管１０１２、１２１２が、スタックされると、第１の色（例えば、緑色）およびλ_１を有する入射光１１１６、１１２４は、ＴＩＲのもと、それぞれの導波管１００４、１２０４内で伝搬されるように、それぞれの回折格子１００８、１２０８によって回折されることによって、導波管１００４、１２０４に内部結合される。回折された光１１２０、１２３２は、続いて、それぞれの光分配要素１０１０、１２１０上に衝突する。光分配要素１０１０、１２１０は、光を偏向させ、光は、外部結合光学要素１０１２、１２１２に向かって伝搬し、それぞれ、外部結合された光１１４０、１１４８として外部結合される。ユーザへの導波管をスタックすることの視覚的効果は、下で説明される。

図１３Ａは、例証的目的のためだけに、図１２Ａおよび１２Ｂに図示されるディスプレイデバイス１２００の第１の導波管１００４（導波管１００４は、第１の周期Λ_１を有するその上に形成された第１の回折格子１００８を有する）のみを備えているディスプレイデバイス１２００Ａの概略図と、結果として生じる画像１１４４とを図示する。導波管１００４は、Δα_１内の入射光１１１６を内部結合するように構成されるが、入射画像情報は、加えて、Δα_２内の入射光１１２４内にも含まれるので、結果として生じる画像１１４４は、第１の色（例えば、緑色）の入射情報の一部のみを含む。

図１３Ｂは、例証的目的のためだけに、図１２Ａおよび１２Ｂに図示されるディスプレイデバイス１２００の第２の導波管１２０４（導波管１２０４は、第２の周期Λ_２を有するその上に形成された第２の回折格子１２０８を有する）のみを備えているディスプレイデバイス１２００Ｂの概略図と、結果として生じる画像１１５２とを図示する。導波管１２０４は、Δα_２内の入射光１１２４を内部結合するように構成されるが、入射画像情報は、加えて、Δα_１内の入射光１１１６内にも含まれるので、結果として生じる画像１１４４は、第１の色（例えば、緑色）の入射情報の一部のみを含む。

図１３Ｃは、導波管１００４が、第１の周期Λ_１を有するその上に形成された第１の回折格子１００８を有し、導波管１２０４が、第２の周期Λ_２を有するその上に形成された第２の回折格子１２０８を有する図１２Ａおよび１２Ｂに図示されるものに類似するスタックされた第１および第２の導波管１００４および１２０４を備えているディスプレイデバイス１２００の概略図を図示する。第１および第２の導波管１００４、１２０４の組み合わせは、Δα_１内の第１の色を有する入射光１１１６とΔα_２内の第１の色を有する入射光１１２４との両方を内部結合するように構成されるので、結果として生じる画像１１６０は、第１の導波管１００４と第２の導波管１２０４とからの第１の色（例えば、緑色）の情報の合計を含む。

図１４Ａおよび１４Ｂは、それぞれ、実施形態による、ディスプレイデバイス１４００Ａおよび１４００Ｂの断面図を図示し、それぞれ、その上に形成されたそれぞれの回折格子１００８、１２０８、１３０８、１４０８を有する複数のスタックされた導波管１００４、１２０４、１３０４、１４０４を備え、スタックされた導波管は、可視波長範囲内の複数の色を有する光のための増加した組み合わせられた有効視野（ＦＯＶ）のために構成される。スタックされた導波管は、いくつかの実施形態によると、コンポーネント導波管１００４、１２０４、１３０４、１４０４のそれぞれの視野（ＦＯＶ）より大きい組み合わせられた視野（ＦＯＶ）または総視野を有するように構成される。ディスプレイデバイス１４００Ａおよび１４００Ｂは、互いに類似するが、ディスプレイデバイス１４００Ａは、入射光に面する回折格子１００８、１２０８、１３０８、１４０８を有する一方、ディスプレイデバイス１４００Ｂは、入射光から外方に面する回折格子１００８、１２０８、１３０８、１４０８を有する。ディスプレイデバイスの動作原理は、１４００Ａと１４００Ｂとの間で類似し、本明細書では、ともに説明されるであろう。

上記の図１２Ａおよび１２Ｂに関して図示されるディスプレイデバイス１２００と同様、ディスプレイデバイス１４００Ａおよび１４００Ｂは、その上に配置される第１の回折格子１００８を有する第１の導波管１００４と、その上に配置される第２の回折格子１２０８を有する第２の導波管１２０４と、その上に配置される第３の回折格子１３０８を有する第３の導波管１３０４と、その上に配置される第４の回折格子１４０８を有する第４の導波管１４０４とを含む。第１−第４の回折格子１００８、１２０８、１３０８、１４０８は、第１−第４の周期Λ_１、Λ_２、Λ_３、Λ_４を有する。前の実施形態（例えば、１０１２、図１２Ａ、１２Ｂ）に類似する追加の光学要素は、明確にするために、本明細書では省略される。上記の図１２Ａおよび１２Ｂに関して図示されるディスプレイデバイス１２００と同一または類似するディスプレイデバイス１４００Ａおよび１４００Ｂの他の類似配列は、本明細書では省略される。

動作時、λ_１を有する光の結合を参照すると、入射光１１１６、例えば、各々が第１の色およびλ_１を有する可視光が、入射角α_１で第１の回折格子１００８上に入射すると、第１の回折格子１００８は、入射光１１１６を少なくとも部分的に回折する。特に、第１の導波管１００４は、入射光１１１６が、Δα_１内でその表面上に入射すると、第１の導波管１００４が、導波管１００４内の全内部反射の発生のために、臨界角θ_{ＴＩＲ−１}を超える回折角度で、入射光１１１６を回折し、回折された光１１２０が、全内部反射（ＴＩＲ）のもと、ｘ−軸に沿って伝搬するように、第１の導波管屈折率ｎ_２−１を有する。

第１の回折格子１００８は、第１の色およびλ_１の入射光１１２４を少なくとも部分的に透過させ、それは、次に、入射角α_２で第２の周期Λ_２を有する第２の回折格子１２０８上に入射する。第２の回折格子１２０８は、Δα_２内の第１の色および波長の光１２２４を回折された光１２３２として少なくとも部分的に回折する。特に、第２の導波管１２０４は、第１の色および波長の光１１２８が、Δα_２内で表面１２０８Ｓ上に入射すると、第２の導波管１２０４が、導波管１２０４内の全内部反射の発生のために、臨界角θ_{ＴＩＲ−２}を超える回折角度で、光１１２４を回折し、回折された光１２３２が、全内部反射（ＴＩＲ）のもと、ｘ−軸に沿って伝搬するように、第２の導波管屈折率ｎ_２−２を有する。

λ_２を有する光の結合を参照すると、入射光１２２６および１２２４、例えば、第２の色およびλ_２を有する可視光が、第１の回折格子１００８上に入射すると、第１の回折格子１００８は、入射光１２２６および１２２４を実質的に透過させ、それらは、次に、それぞれ、Δα_１内のα_１およびΔα_２内のα_２で第２の回折格子１２０８への入射となる。第２の導波管１２０４は、第２の色および波長の光１２２６が、Δα_１内でその表面上に入射すると、第２の導波管１２０４が、第２の導波管１２０４内の全内部反射の発生のために、臨界角θ_{ＴＩＲ−２}を超える回折角度で、第２の色および波長の光１２２６を回折し、第２の色および波長の回折された光１２３６が、全内部反射（ＴＩＲ）のもと、ｘ−軸に沿って伝搬するように、第２の導波管屈折率ｎ_２−２を有する。他方、第２の回折格子１２０８は、第２の色および波長の光１２２４を実質的に透過させ、それは、次に、Δα_２内のα_２で第３の回折格子１３０８への入射となる。第３の導波管１３０４は、第２の色および波長の光１２２４が、Δα_２内でその表面上に入射すると、第３の導波管１３０４が、第３の導波管１３０４内の全内部反射の発生のために、臨界角θ_{ＴＩＲ−３}を超える回折角度で、第２の色および波長の光１２２４を回折し、第２の色および波長の回折された光１３２４が、全内部反射（ＴＩＲ）のもと、ｘ−軸に沿って伝搬するように、第３の導波管屈折率ｎ_２−３を有する。

λ_３を有する光の結合を参照すると、入射光１３１６および１３２４、例えば、第３の色およびλ_３有する可視光が、第１および第２の回折格子１００８、１２０８上に入射すると、第１および第２の回折格子１００８、１２０８は、入射光１３１６および１３２４を実質的に透過させ、それらは、次に、それぞれ、Δα_１内のα_１およびΔα_２内のα_２で第３の回折格子１３０８への入射となる。第３の導波管１３０４は、光１３１６が、Δα_１内でその表面上に入射すると、第３の導波管１３０４が、第３の導波管１３０４内の全内部反射の発生のために、臨界角θ_{ＴＩＲ−３}を超える回折角度で、光１３１６を回折し、回折された光１３２８が、全内部反射（ＴＩＲ）のもと、ｘ−軸に沿って伝搬するように、第３の導波管屈折率ｎ_２−３を有する。他方、第３の回折格子１３０８は、光１３２４を実質的に透過させ、それは、次に、Δα_２内のα_２で第４の回折格子１４０８への入射となる。第４の導波管１４０４は、光１３２４が、Δα_２内でその表面上に入射すると、第４の導波管１４０４が、第４の導波管１４０４内の全内部反射の発生のために、臨界角θ_{ＴＩＲ−４}を超える回折角度で、光１３２４を回折し、回折された光１３３２が、全内部反射（ＴＩＲ）のもと、ｘ−軸に沿って伝搬するように、第４の導波管屈折率ｎ_２−４を有する。

依然として、図１４Ａおよび１４Ｂを参照すると、いくつかの実施形態では、λ_３は、λ_２と比較してより長い波長を有する色に対応し、λ_２は、λ_１と比較してより長い波長を有する色に対応する。例えば、λ_３は、赤色に対応し、λ_２は、緑色に対応し、λ_１は、青色に対応する。第１−第４の周期Λ_１、Λ_２、Λ_３、Λ_４は、ある場合、光伝搬方向に減少する値を有し得る。例えば、Λ_１は、上で説明されるように、青色光を回折するように構成される回折格子に対応する好適な値を有し得、Λ_２は、上で説明されるように、例えば、緑色（および青色）を回折するように構成される回折格子に対応する好適な値を有し得、Λ_３およびΛ_４の各々は、上で説明されるように、赤色（および緑色）光を回折するように構成される回折格子に対応する好適な値を有し得る。しかしながら、実施形態は、そのように限定されず、いくつかの他の実施形態では、Λ_１、Λ_２、Λ_３、Λ_４は、光伝搬方向に増加する、またはランダムな順序を有する、値を有し得る。

したがって、それぞれの周期Λ_１、Λ_２、Λ_３、Λ_４を有するその上に形成されたそれぞれの回折格子１００８、１２０８、１３０８、１４０８を有する第１−第４の導波管１００４、１２０４、１３０４、１４０４をスタックすることによって、コンポーネントである第１および第２の導波管１００４、１２０４のそれぞれの視野ＦＯＶ Δα_１、Δα_２より大きい組み合わせられたＦＯＶが、λ_１における第１の色（例えば、青色）を有する光のために達成されるように、第１の導波管１００４は、第１の色およびλ_１を有し、Δα_１内の光を回折するように構成され、第２の導波管１２０４は、第１の色およびλ_１を有し、Δα_２内の光を回折するように構成される。同様、コンポーネントである第２および第３の導波管１２０４、１３０４のそれぞれの視野ＦＯＶ Δα_１、Δα_２より大きい組み合わせられたＦＯＶが、λ_２における第２の色（例えば、緑色）を有する光のために達成されるように、第２の導波管１２０４は、第２の色およびλ_２を有し、Δα_１内の光を回折するように構成され、第３の導波管１３０４は、第２の色およびλ_２を有し、Δα_２内の光を回折するように構成される。同様、コンポーネントである第３および第４の導波管１３０４、１４０４のそれぞれの視野ＦＯＶ Δα_１、Δα_２より大きい組み合わせられたＦＯＶが、λ_３における第３の色（例えば、赤色）を有する光のために達成されるように、第３の導波管１３０４は、第３の色およびλ_２を有し、Δα_１内の光を回折するように構成され、第４の導波管１４０４は、第３の色およびλ_３を有し、Δα_２内の光を回折するように構成される。

着目すべきこととして、いくつかの導波管が、複数の色および対応する波長に作用する。ある場合、したがって、より少ない導波管が、潜在的に使用される。スタックは、したがって、より単純であり、可能性として、より小さく、より軽量、より安価であり得、少なくともあまり複雑ではないこともある。

（液晶ベースの回折格子に基づいて組み合わせられた視野を伴うスタックされた導波管）
上で説明されるように、種々の実施形態は、例えば、スタックされた構成において、互いの上に形成され、その上に形成されたそれぞれの回折格子を有する、複数の導波管を含み、それぞれの回折格子は、それぞれの導波管の中に回折された可視光が、それぞれの導波管の各々内を伝搬するように、その上に入射する可視光をそれぞれの導波管の中に回折するように構成される。それぞれの回折格子は、それぞれの導波管の層法線方向に対するそれぞれの視野（ＦＯＶ）内の可視光をそれぞれの導波管の中に回折するように構成され、それぞれのＦＯＶは、連続し、それぞれのＦＯＶの各々より大きい組み合わせられたＦＯＶを導波管が有するようなものである。以下では、液晶に基づく回折格子および液晶回折格子を有する導波管の実施形態が、説明される。導波管および回折格子は、組み合わせられたＦＯＶを伴うスタックされた導波管を形成するために、回折および透過の波長選択性ならびにそれらのＦＯＶを含む上で説明される特定の配列を達成するように構成される。

概して、液晶は、従来の流体と固体との間の中間であり得る物理的性質を保有する。液晶は、いくつかの側面では、流体状であるが、大部分の流体と異なり、液晶内の分子の配列は、ある構造秩序を示す。異なるタイプの液晶は、サーモトロピック、リオトロピック、およびポリマー液晶を含む。本明細書に開示されるサーモトロピック液晶は、種々の物理的状態において、例えば、ネマチック状態／相、スメクチック状態／相、キラルネマチック状態／相またはキラルスメクチック状態／相を含む相において実装されることができる。

本明細書に説明されるように、ネマチック状態または相における液晶は、比較的に少ない位置秩序を有する一方、長距離方向性秩序を有し、その長軸が、実質的に平行であるカラミチック（ロッド形状）またはディスコチック（ディスク形状）有機分子を有することができる。したがって、有機分子は、自由に流動し得、その質量中心位置は、液体中におけるようにランダムに分散される一方、依然として、その長距離方向性秩序を維持する。いくつかの実装では、ネマチック相における液晶は、一軸性であり得、すなわち、液晶は、より長く、優先される１つの軸を有し、他の２つは、ほぼ同等である。他の実装では、液晶は、二軸性であり得、すなわち、その長軸を配向することに加え、液晶は、二次軸に沿っても配向し得る。

本明細書に説明されるように、スメクチック状態または相における液晶は、互いの上にスライドし得る比較的に明確に画定された層を形成する有機分子を有することができる。いくつかの実装では、スメクチック相における液晶は、１つの方向に沿って位置的に順序付けられることができる。いくつかの実装では、分子の長軸は、液晶層の平面に略垂直な方向に沿って配向されることができる一方、他の実装では、分子の長軸は、層の平面に垂直な方向に対して傾斜され得る。

ここで、および本開示全体を通して、ネマチック液晶は、ロッド状分子から成り、近傍分子の長軸は、互いにほぼ整列させられる。この異方性構造を説明するために、配向子と呼ばれる、無次元単位ベクトル
が、液晶分子の好ましい配向の方向を説明するために使用され得る。

ここで、および本開示全体を通して、傾斜角度または事前傾斜角度Φは、液晶層または基板の主要表面（ｘ−ｙ平面）と垂直な平面、例えば、ｘ−ｚ平面において測定され、かつ整列方向と主要表面との間または主要表面と平行な方向、例えば、ｘ−方向において測定される角度を指し得る。

ここで、および本開示全体を通して、方位角または回転角度φは、液晶層または基板の主要表面と平行な平面、例えば、ｘ−ｙ平面において測定され、かつ整列方向、例えば、伸長方向または配向子の方向と、主要表面と平行方向、例えば、ｙ−方向との間で測定される層法線方向または液晶層の主要表面に対して垂直の軸の周りの回転角度を説明するために使用される。

ここで、および本開示全体を通して、回転角度φまたは事前傾斜角度Φ等の角度が、異なる領域間で実質的に同一であると称されるとき、平均整列角度は、例えば、互いの約１％、約５％、または約１０％以内であり得るが、平均整列は、ある場合、より大きくあり得ることを理解されたい。

ここで、および本明細書全体を通して、デューティサイクルは、例えば、第１の整列方向に整列させられた液晶分子を有する第１の領域の第１の側方寸法と、第１の領域を有するゾーンの格子周期との間の比率を指し得る。適用可能な場合、第１の領域は、液晶の整列が異なるゾーン間で変動しない領域に対応する。

本明細書に説明されるように、ネマチック状態またはスメクチック状態における液晶は、キラリティを示すこともできる。そのような液晶は、キラル相またはコレステリック相にあると称される。キラル相またはコレステリック相では、液晶は、配向子と垂直な分子のねじれを示し得、分子軸は、配向子と平行である。隣接する分子間の有限ねじれ角度は、その非対称充塞に起因し、それは、より長距離のキラル秩序をもたらす。

本明細書に説明されるように、キラルスメクチック状態または相における液晶は、液晶分子が、位置秩序を層化構造内に有し、分子が層法線に対して有限角度によって傾斜されるように構成されることができる。加えて、キラリティは、層法線方向における１つの液晶分子から次の液晶分子に、層法線と垂直な方向に対して、液晶分子の連続方位角ねじれを誘発し、それによって、層法線に沿って分子軸の螺旋ねじれを生産することができる。

ここで説明されるように、かつ本開示全体を通して、キラル構造は、ある方向に、例えば、層深度方向等の配向子と垂直方向に延び、回転方向、例えば、時計回りまたは反時計回りに連続的に回転またはねじられるコレステリック相における複数の液晶分子を指す。一側面では、キラル構造内の液晶分子の配向子は、螺旋ピッチを有する渦巻として特徴付けられることができる。

本明細書に説明されるように、キラリティを表すコレステリック相における液晶は、第１の回転方向における１回転によるキラル構造の液晶分子の正味回転角度に対応する層深度方向における長さに対応するキラルピッチまたは螺旋ピッチ（ｐ）を有すると説明されることができる。言い換えると、螺旋ピッチは、液晶分子が完全３６０°ねじりを受ける距離を指す。螺旋ピッチ（ｐ）は、例えば、温度が改変されると、または他の分子が液晶ホストに追加されると（アキラル液体ホスト材料は、キラル材料でドープされる場合、キラル相を形成することができる）、変化し、所与の材料の螺旋ピッチ（ｐ）が、適宜、調整されることを可能にすることができる。いくつかの液晶システムでは、螺旋ピッチは、可視光の波長と同しオーダーのものである。本明細書に説明されるように、キラリティを表す液晶は、例えば、層法線方向における連続液晶分子間の相対的方位角回転を指し得るねじれ角度または回転角度（φ）を有し、かつ、例えば、規定された長さ、例えば、キラル構造の長さまたは液晶層の厚さを横断した最上液晶分子と最下液晶分子との間の相対的方位角回転を指し得る正味ねじれ角度または正味回転角度を有すると説明されることもできる。

本明細書に説明される種々の実施形態によると、上で説明されるような種々の状態または相を有する、液晶は、例えば、複屈折、光学異方性、および薄皮膜プロセスを使用した製造可能性を含む種々の望ましい材料特性をもたらすように構成されることができる。例えば、液晶層の表面条件を変化させ、および／または異なる液晶材料を混合させることによって、空間的に変動する回折特性、例えば、勾配回折効率を示す格子構造が、製作されることができる。

本明細書に説明されるように、「重合化可能液晶」は、重合化される、例えば、原位置で光重合され得、本明細書では、反応性メソゲン（ＲＭ）として説明され得る液晶材料を指し得る。

液晶分子は、いくつかの実施形態では、重合化可能であり得、重合化されると、他の液晶分子との大規模網を形成し得ることを理解されたい。例えば、液晶分子は、化学結合によって、または化学種と他の液晶分子を連結することによって、連結され得る。一緒に接合されると、液晶分子は、一緒に連結される前と実質的に同一配向および場所を有する液晶ドメインを形成し得る。説明を容易にするために、用語「液晶分子」は、本明細書では、重合化前の液晶分子と、重合化後のこれらの分子によって形成される液晶ドメインとの両方を指すために使用される。

本明細書に説明される特定の実施形態によると、光重合化可能液晶材料は、ブラッグ反射構造、例えば、回折格子を形成するように構成されることができ、複屈折、キラリティ、および複数のコーティングのための容易性を含むその材料特性は、異なる材料特性、例えば、複屈折、キラリティ、および厚さを伴う回折格子を作成するために利用されることができ、それらは、異なる光学特性、例えば、いくつか挙げると、回折効率、波長選択性、および軸外回折角度選択性をもたらし得る。

格子の光学特性は、格子の物理的構造（例えば、周期性、深度、およびデューティサイクル）ならびに格子の材料特性（例えば、屈折率、吸収率、および複屈折）によって決定される。液晶が、使用される場合、格子の光学特性は、例えば、液晶材料の分子配向または分布を制御することによって制御されることができる。例えば、液晶材料の分子配向または分布を格子エリアにわたって変動させることによって、格子は、段階的な回折効率を示し得る。そのようなアプローチは、図を参照して以下に説明される。

以下では、種々の光学特性のために最適化されたコレステリック液晶回折格子（ＣＬＣＧ）の種々の実施形態が、説明される。概して、回折格子は、周期的構造を有し、それは、光を異なる方向に進行するいくつかのビームに分割および回折する。これらのビームの方向は、とりわけ、周期的構造の周期および光の波長に依存する。内部結合光学要素（図１２Ａおよび１２Ｂにおける１００８、１２０８）または外部結合光学要素（図１２Ａおよび１２Ｂにおける１０１２、１２１２）等のある用途のためのある光学特性、例えば、回折効率を最適化するために、ＣＬＣの種々の材料特性は、下で説明されるように、最適化されることができる。

上で説明されるように、キラル（ネマチック）相またはコレステリック相におけるコレステリック液晶（ＣＬＣ）層の液晶分子は、液晶層の法線方向または深度方向におけるフィルム内の位置の関数として配向子の連続方位角ねじれを有するように配列される複数の液晶分子によって特徴付けられる。本明細書に説明されるように、連続方位角ねじれを有するように配列される液晶分子は、本明細書では、集合的に、キラル構造と称される。本明細書に説明されるように、方位角ねじれまたは回転の角度（φ）は、上で説明されるように、層法線と平行方向に対する液晶分子の配向子間の角度として説明される。キラル構造の液晶分子の空間的に変動する配向子は、螺旋パターンを形成すると説明されることができ、螺旋ピッチ（ｐ）は、上で説明されるように、配向子が３６０°回転した距離（例えば、液晶層の層法線方向に）として定義される。本明細書に説明されるように、回折格子として構成されるＣＬＣ層は、それによって液晶の分子構造が深度方向に対して法線の側方方向に周期的に反復する側方寸法を有する。側方方向におけるこの周期性は、格子周期（Λ）と称される。

本明細書に説明される種々の実施形態によると、回折格子は、複数のキラル構造を備えているコレステリック液晶（ＣＬＣ）層を備え、各キラル構造は、少なくとも螺旋ピッチだけ層深度方向に延び、第１の回転方向に連続的に回転させられた複数の液晶分子を備えている。螺旋ピッチは、第１の回転方向における１回転によるキラル構造の液晶分子の正味回転角度に対応する層深度方向における長さである。キラル構造の液晶分子の配列は、層深度方向と垂直な側方方向に周期的に変動する。

任意の理論によって拘束されるわけではないが、ブラッグ反射条件のもと、入射光（λ）の波長は、ＣＬＣ層の平均または代表屈折率（ｎ）および螺旋ピッチ（ｐ）に比例し得、いくつかの状況下では、以下の条件を満たすものとして表され得る。

加えて、ブラッグ反射波長の帯域幅（Δλ）は、ＣＬＣ層の複屈折Δｎ（例えば、光の異なる偏光間の屈折率の差異）および螺旋ピッチ（ｐ）に比例し得、いくつかの状況下では、以下の条件を満たすものとして表され得る：
Δλ＝Δｎ・ｐ ［３］

本明細書に説明される種々の実施形態では、帯域幅Δλは、約６０ｎｍ、約８０ｎｍ、または約１００ｎｍである。

種々の実施形態によると、例えば、約３９０ｎｍ〜約７００ｎｍの可視波長範囲内、または、例えば、約７００ｎｍ〜約２５００ｎｍの近赤外線波長範囲内のピーク反射強度は、約６０％、約７０％、約８０％、または約９０％を超えることができる。加えて、種々の実施形態によると、半値全幅（ＦＷＨＭ）は、約１００ｎｍ未満、約７０ｎｍ未満、約５０ｎｍ未満、または約２０ｎｍ未満であることができる。

図１５は、実施形態による、上記の図１２Ａおよび１２Ｂに関して図示されるものに類似するディスプレイデバイス上に入射する光に対する軸外入射角、例えば、軸外角度Δα_１内のα_１またはΔα_２内のα_２における反射の高帯域幅のために構成されたＣＬＣ層１１５８の断面側面図を図示する。本明細書に説明されるように、軸外入射角は、非ゼロ値を有し、反射角度θにおいてブラッグ反射ビーム１２２０をもたらす層法線の方向（例えば、図１２におけるｚ−方向）に対する入射ビーム１２１６の入射角θ_ｉｎｃを指す。いくつかの状況下では、反射角度は、λ／Λを変動させることによって、限定された程度まで変動させられることができる。任意の理論によって限定されるわけではないが、いくつかの状況下では、軸外反射は、以下の関係に基づいて説明されることができる。
ｎ・ｓｉｎ（θ）＝λ／Λ＋ｓｉｎ（θ_ｉｎｃ） ［４］
式中、θ_ｉｎｃは、層法線の方向に対する入射角であり、θは、層法線の方向に対する反射角度であり、ｎは、反射されたビームが伝搬する媒体の反射率である。ＣＬＣ層１１５８が、入射ビーム１２１６で軸外角度で照明されると、反射スペクトルは、より短い波長に向かってシフトされ得る。本明細書に開示される種々の実施形態によると、比率λ／Λは、０．５〜０．８、０．６〜０．９、０．７〜１．０、０．８〜１．１、０．９〜１．２、１．０〜１．６、１．１〜１．５、または１．２〜１．４の値を有することができる。

任意の理論によって拘束されるわけではないが、ＣＬＣ層１１５８が高効率を伴ってブラッグ反射するように構成される軸外角度も、キラル構造の螺旋ピッチｐに依存し得る。

図１６Ａおよび１６Ｂは、実施形態による、上記の図１２Ａおよび１２Ｂに関して図示されるものに類似するディスプレイデバイス上に入射する光のための軸外入射角、例えば、軸外角度Δα_１内のα_１またはΔα_２内のα_２での反射のために構成されたＣＬＣ層の断面側面図を図示する。図１６Ａを参照すると、第１のコレステリック液晶（ＣＬＣ）層１３５８Ａは、第１の螺旋ピッチ（ｐ_１）を有する第１の複数のキラル構造を備えている。第１のＣＬＣ層１３５８Ａは、第１の入射光ビーム１３１６Ａが、第１の軸外角度θ_{ｉｎｃ，１}で、ＣＬＣ層１３５８Ａの入射表面に導かれるとき、ブラッグ反射が最大となるように、第１の螺旋ピッチｐ_１を有し、第１の軸外角度θ_{ｉｎｃ，１}は、第１の反射角度θ_１における第１の反射された光ビーム１３２０Ａをもたらす。図示されるように、ＣＬＣ層１３５８Ａは、軸外入射角の第１の範囲１３２４Ａを有するようにさらに構成され、第１の範囲１３２４Ａは、比較的に高回折効率が取得され得る上記の図１２Ａおよび１２Ｂに関して図示されるディスプレイデバイス１２００上に入射する光に関するΔα_１またはΔα_２に対応し得る。第１の範囲１３２４Ａは、その範囲外では、第１の反射された光ビーム１３２０Ａの強度が、例えば、１／ｅを上回って降下する、軸外入射角の範囲に対応し得る。例えば、第１の範囲１３２４Ａは、θ_{ｉｎｃ，１}±３°、θ_{ｉｎｃ，１}±５°、θ_{ｉｎｃ，１}±７°、θ_{ｉｎｃ，１}±１０°、またはθ_{ｉｎｃ，１}±２０°の値を有することができる。

図１６Ｂを参照すると、第２のコレステリック液晶（ＣＬＣ）層１３５８Ｂは、第１のＣＬＣ層１３５８Ａと異なり、図１６Ａの第１のＣＬＣ層１３５８Ａの第１の螺旋ピッチｐ_１と異なる第２の螺旋ピッチ（ｐ_２）を有する第２の複数のキラル構造を備えている。

図示されるように、第２のＣＬＣ層１３５８Ｂは、第２の入射光ビーム１３１６Ｂが、第１の軸外角度θ_ｉｎｃ１と異なる第２の軸外角度θ_{ｉｎｃ，２}で、ＣＬＣ層１３５８Ｂの入射表面に導かれるとき、第１の反射角度θ_１と異なる第２の反射角度θ_２を有する第２の反射された光ビーム１３２０Ｂが生成されるように構成される。図示されるように、ＣＬＣ層１３５８Ｂは、図１６Ａに関して上で説明される第１の範囲１３２４Ａに類似する軸外角度の第２の範囲１３２４Ｂを有するようにさらに構成される。

上で説明されるように、光の内部結合および外部結合を含む種々の用途のために、導波管デバイスは、全内部反射（ＴＩＲ）によって、光を伝搬するように構成されることができる。図１７は、ＣＬＣＧ１１５０に結合された導波管１６０４を備えている光学導波デバイス１６００の例を図示する。導波デバイス１６００は、例えば、図１０に関して上で説明されるディスプレイデバイス１０００に対応し得、導波管１６０４は、導波管１００４に対応し、ＣＬＣＧ１１５０は、回折格子１００８に対応し得る。ＣＬＣＧ１１５０は、上で説明されるように、複数のキラル構造として配列された液晶分子を備えている。導波管１６０４は、ＣＬＣＧ１１５０の上に配置され、ＣＬＣＧ１１５０に光学的に結合される。楕円／円偏光入射光１０１６−Ｒ／Ｌが、キラル構造の液晶分子の回転方向に合致する偏光掌性を有するとき、入射光１０１６−Ｒ／Ｌは、ＣＬＣＧ１１５０によってブラッグ反射され、結合された光が側方方向（例えば、ｘ−方向）に進行するような角度で、全内部反射（ＴＩＲ）によって、導波管１６０４の中に結合される。任意の理論によって拘束されるわけではないが、ＴＩＲ条件は、回折角度θが導波管の臨界角θ_Ｃを上回るときに満たされることができる。いくつかの状況下では、ＴＩＲ条件は、以下のように表され得る：
ｓｉｎ（θ_Ｃ）＝１／ｎ_ｔ ［５］
式中、ｎ_ｔは、導波管１６０４の屈折率である。種々の実施形態によると、ｎ_ｔは、約１〜約２、約１．４〜約１．８、または約１．５〜約１．７であり得る。例えば、導波管は、ポリカーボネート等のポリマーまたはガラスを備え得る。

図１８Ａは、第１のＣＬＣＧ１７５０Ａに結合され、θ＞θ_ｃ３であるとき、全内部反射（ＴＩＲ）によって、第３の波長λ_３を有する光を伝搬するように構成された第１の導波管１７０４Ａを備えている第１の光学導波デバイス１７００Ａを図示する。導波デバイス１７００Ａは、例えば、図１２Ａおよび１２Ｂに関して上で説明されるディスプレイデバイス１２００に対応し得、導波管１７０４Ａは、導波管１００４または１２０４のうちの１つに対応し得、ＣＬＣＧ１７５０Ａは、回折格子１００８または１２０８のうちの１つに対応し得る。第１のＣＬＣＧ１７５０Ａは、第１の周期Λ_１および第１の螺旋ピッチｐ_１を有する。いくつかの実施形態によると、第１の導波デバイス１７００Ａは、ＴＩＲによって、可視スペクトル（例えば、波長約４００ｎｍおよび７００ｎｍを伴う）内の光を伝搬するために構成され得る。いくつかの他の実施形態によると、第１の導波デバイス１７００Ａは、ＴＩＲによって、赤外線スペクトル（例えば、波長約７００ｎｍ〜１４００ｎｍを伴うスペクトルの近赤外線部分）内の光を伝搬するために構成され得る。上で説明されるように、ブラッグ反射は、上記の方程式［２］によって表される波長で、上記の方程式［３］によって表される波長Δλの帯域幅内で生じる。例えば、第１のＣＬＣＧ１７５０Ａは、ＴＩＲによって、青色（例えば、約４５０ｎｍ）、緑色（例えば、約５５０ｎｍ）、赤色（例えば、約６５０ｎｍ）のうちの１つ、または赤外線内の第３の波長λ_３を有する第３の入射光１７３６を結合するために設計され得る。図示されるように、Δλが、上で説明されるように、約６０ｎｍ、約８０ｎｍ、または約１００ｎｍであるとき、第１および第２の波長λ_１、λ_２を有する第１および第２の光１７１６および１７２６は、実質的に透過させられる。何故なら、方程式［２］が、これらの色に対して満たされず、それらが、方程式［５］が満たされないので第１の導波管１７０４の中に結合されないからである。

図１８Ｂは、上記の図１８Ａに関して図示される第１の光学導波デバイス１７００Ａと組み合わせられた第２の光学導波デバイス１７００Ｂを図示する。光学導波デバイス１７００Ｂは、光学導波デバイス１７００Ａに続く光学経路内に配置され、第２のＣＬＣＧ１７５０Ｂに結合され、θ＞θ_ｃ２であるとき、全内部反射（ＴＩＲ）によって、第２の波長λ２を有する第２の光１７２６を伝搬するように構成された第２の導波管１７０４Ｂを備えている。導波デバイス１７００Ｂは、例えば、図１２Ａおよび１２Ｂに関して上で説明されるディスプレイデバイス１２００に対応し得、導波管１７０４Ａおよび１７０４Ｂは、それぞれ、導波管１００４または１２０４に対応し得、ＣＬＣＧ１７５０ＡおよびＣＬＣＧ１７５０Ｂは、それぞれ、回折格子１００８または１２０８に対応し得る。第２のＣＬＣＧ１７５０Ｂは、第２の周期Λ_２および第２の螺旋ピッチｐ_２を有する。図１７Ａに関して上で説明されるように、λ_１、λ_２の第１および第２の波長を有する第１および第２の光１７１６および１７２６は、第１の光学導波デバイス１７００Ａを通して実質的に透過させられる。透過させられた第１および第２の光１７１６および１７２６のうち、第２のＣＬＣＧ１７５０Ｂは、θ＞θ_ｃ２であるとき、ＴＩＲによって、青色（例えば、約４５０ｎｍ）、緑色（例えば、約５５０ｎｍ）、赤色（例えば、約６５０ｎｍ）、または赤外線のうちの透過させられたもの内の第２の波長λ２を有する第２の入射光１７２６を結合するために設計され得る。したがって、図示されるように、Δλが、上で説明されるように、約６０ｎｍ、約８０ｎｍ、または約１００ｎｍであるとき、第１の波長λ_１を有する第１の光１７１６は、第２の導波デバイス１７００Ｂをさらに通して実質的に透過させられる。

図１８Ｃは、上記の図１８Ｂに関して図示される第１および第２の光学導波デバイス１７００Ａおよび１７００Ｂと組み合わせられた第３の光学導波デバイス１７００Ｃを図示する。第３の光学導波デバイス１７００Ｃは、第１および第２の光学導波デバイス１７００Ａおよび１７００Ｂに続く光学経路内に配置され、第３のＣＬＣＧ１７５０Ｃに結合され、全内部反射（ＴＩＲ）によって、θ＞θ_ｃ１であるとき、第１の波長λ_２を有する第１の光１７１６を伝搬するように構成された第３の導波管１７０４Ｃを備えている。導波デバイス１７００Ｃは、例えば、図１４Ｂに関して上で説明されるディスプレイデバイス１４００Ｂに対応し得、導波管１７０４Ａ、１７０４Ｂ、および１７０４Ｃは、それぞれ、導波管１００４、１２０４、および１３０４に対応し得、ＣＬＣＧ１７５０Ａ、ＣＬＣＧ１７５０Ｂ、およびＣＬＣＧ１７５０Ｃは、それぞれ、回折格子１００８、１２０８、および１３０８に対応し得る。第３のＣＬＣＧ１７５０Ｃは、第３の周期Λ_３および第３の螺旋ピッチｐ_３を有する。図１７Ｂに関して上で説明されるように、第１の波長λ１を有する第１の光１７１６は、第１および第２の導波デバイス１７００Ａおよび１７００Ｂを通して実質的に透過させられる。第３のＣＬＣＧ１７５０Ｃは、θ＞θ_ｃ１であるとき、ＴＩＲによって、青色色（例えば、約４５０ｎｍ）、緑色色（例えば、約５５０ｎｍ）、赤色（例えば、約６５０ｎｍ）、または赤外線のうちの透過させられたもの内の第１の波長λ_１を有する第１の入射光１７１６を結合するために設計され得る。したがって、図示されるように、Δλが、上で説明されるように、約６０ｎｍ、約８０ｎｍ、または約１００ｎｍであるとき、第１の波長λ_１を有する第１の光１７１６は、方程式［５］が満たされるので、第３の導波管１７０４Ｃの中に実質的に結合される。

したがって、図１８Ａ−１８Ｃに関して上で説明されるように、第１、第２、および第３の光学導波デバイス１７００Ａ、１７００Ｂ、および１７００Ｃのうちの１つ以上のものを同一光学経路内に設置することによって、異なる波長λ_１、λ_２、およびλ_３を有する第１、第２、および第３の光１７１６、１７２６、および１７３６のうちの１つ以上のものは、ＴＩＲによって、それぞれ、第１、第２、および第３の導波管１７０４Ａ、１７０４Ｂ、および１７０４Ｃのうちの１つ内で伝搬するように結合されることができる。図１８Ａ−１８Ｃの各々において、第１−第３の光学導波デバイス１７０４Ａ、１７０４Ｂ、および１７０４Ｃの各々は、それぞれ、専用の第１−第３の導波管１７０４Ａ、１７０４Ｂ、および１７０４Ｃと、専用の第１−第３のＣＬＣＧ１７５０Ａ、１７５０Ｂ、および１７５０Ｃとを有するが、実施形態は、そのように限定されない。例えば、単一導波管が、ＴＩＲによって、複数のＣＬＣＧのスタックからブラッグ反射された光を結合することができる。加えて、４つ以上の（または２つ以下の）任意の好適な数の光学導波デバイスも、ブラッグ反射によるさらに選択的結合のために組み合わせられることができる。

図１８Ａ−１８Ｃに関して上で説明されるように、第１−第３のＣＬＣＧ１７５０Ａ、１７５０Ｂ、１７５０Ｃは、それぞれ、第１−第３の周期Λ_１、Λ_２、およびΛ_３と、それぞれ、第１−第３の螺旋ピッチｐ_１、ｐ_２、およびｐ_３とを有する。種々の実施形態では、ＣＬＣＧの各々は、波長／周期比率λ／Λが、約０．３〜２．３、約０．８〜１．８、または約１．１〜約１．５、例えば、約１．３であるように構成されることができる。代替として、周期（Λ）は、ＣＬＣＧがブラッグ反射のために構成されるそれぞれの波長（λ）より約１ｎｍ〜２５０ｎｍ小さい、約５０ｎｍ〜２００ｎｍ小さい、または約８０ｎｍ〜１７０ｎｍ小さいように構成されることができる。例えば、λ_１、λ_２、およびλ_３が、それぞれ、可視範囲、例えば、約６２０ｎｍ〜約７８０ｎｍ、例えば、約６５０ｎｍ（赤色）、約４９２ｎｍ〜約５７７ｎｍ、例えば５５０ｎｍ（緑色）、および約４３５ｎｍ〜約４９３ｎｍ、例えば、約４５０ｎｍ（青色）内であるとき、対応する周期Λ_１、Λ_２、およびΛ_３は、それぞれ、約４５０ｎｍ〜約５５０ｎｍ、例えば、約５００ｎｍ、約３７３ｎｍ〜約４７３ｎｍ、例えば、約４２３ｎｍ、および約２９６ｎｍ〜約３９６ｎｍ、例えば、約３４６ｎｍであることができる。代替として、λ_１、λ_２、およびλ_３が、赤外線範囲、例えば、近赤外線範囲約７５０ｎｍ〜約１４００ｎｍ内、例えば、約８５０ｎｍであるとき、対応する周期Λ_１、Λ_２、およびΛ_３は、約９７５ｎｍ〜約１８２０ｎｍ、例えば、約１１０５ｎｍであることができる。追加の種々の実施形態では、ＣＬＣＧの各々は、波長／螺旋ピッチ比率λ／ｐが、約０．６〜２．６、約１．１〜２．１、または約１．４〜約１．８、例えば、約１．６であるように構成されることができる。代替として、螺旋ピッチ（ｐ）は、ＣＬＣＧがブラッグ反射のために構成されるそれぞれの波長（λ）より約５０ｎｍ〜３５０ｎｍ小さい、約１００ｎｍ〜３００ｎｍ小さい、または約１４０ｎｍ〜２８０ｎｍ小さいように構成されることができる。例えば、λ_１、λ_２、およびλ_３が、それぞれ、約６２０ｎｍ〜約７８０ｎｍ、例えば、約６５０ｎｍ（赤色）、約４９２ｎｍ〜約５７７ｎｍ、例えば５５０ｎｍ（緑色）、および約４３５ｎｍ〜約４９３ｎｍ、例えば、約４５０ｎｍ（青色）であるとき、対応する螺旋ピッチｐ_１、ｐ_２、およびｐ_３は、それぞれ、約３５０ｎｍ〜約４５０ｎｍ、例えば、約４００ｎｍ、約２９０ｎｍ〜約３９０ｎｍ、例えば、約３４０ｎｍ、および約２３０ｎｍ〜約３３０ｎｍ、例えば、約２８０ｎｍであることができる。代替として、λ_１、λ_２、およびλ_３が、赤外線範囲、例えば、近赤外線範囲約７５０ｎｍ〜約１４００ｎｍ内、例えば、約８５０ｎｍであるとき、対応する周期Λ_１、Λ_２、およびΛ_３は、約１２００ｎｍ〜約２２４０ｎｍ、例えば、約１３６０ｎｍであることができる。
（追加の側面）

第１の例では、光学デバイスは、互いの上に形成され、その上に形成されたそれぞれの回折格子を有する複数の導波管であって、それぞれの回折格子は、それぞれの導波管の中に回折された可視光がその中で伝搬するように、その上に入射する可視光をそれぞれの導波管の中に回折するように構成された複数の導波管を備えている。それぞれの回折格子は、それぞれの導波管の層法線方向に対するそれぞれの視野（ＦＯＶ）内の可視光をそれぞれの導波管の中に回折するように構成されている。それぞれのＦＯＶは、複数の導波管が、連続し、それぞれのＦＯＶの各々より大きい組み合わせられたＦＯＶ内の可視光を回折するように構成されるようなものである。

第２の例では、第１の例の光学デバイスにおいて、複数の導波管は、それぞれの導波管の中に回折された可視光が、全内部反射のもと、その中で伝搬するように、その屈折率の 各々が回折格子の有効屈折率より小さい材料から形成される。

第３の例では、第１または第２の例の光学デバイスにおいて、複数の導波管は、スタックされた配列にあり、全内部反射のもと、可視光を実質的に平行方向に伝搬するように構成されている。

第４の例では、第１−第３の例の光学デバイスにおいて、それぞれの回折格子のうちの異なるものは、層法線方向と垂直な側方方向に互いに重複するように配置される。

第５の例では、第１−第４の例のうちの任意の１つの光学デバイスにおいて、それぞれのＦＯＶのうちの異なるものは、それぞれのＦＯＶのうちの異なるものの合計に基づいて、２０％より大きく重複しない。

第６の例では、第１−第５の例のうちの任意の１つの光学デバイスにおいて、複数の導波管は、その上に入射する可視光を部分的に回折し、部分的に透過させるように構成されたその上に形成された第１の回折格子を有する第１の導波管を含み、かつ、その上に入射する第１の回折格子からの透過させられた可視光を少なくとも部分的に回折するように構成されたその上に形成された第２の回折格子を有する第２の導波管を含む。

第７の例では、第６の例の光学デバイスにおいて、第１および第２の回折格子は、異なる周期を有し、異なる波長を有するが、同一色を有する可視光を回折するように構成されている。

第８の例では、第６の例の光学デバイスにおいて、第１および第２の回折格子は、実質的に同一周期を有し、実質的に同一波長を有する可視光を回折するように構成されている。

第９の例では、第６の例の光学デバイスにおいて、第１および第２の回折格子は、異なる周期を有し、異なる波長および異なる色を有する可視光を回折するように構成されている。

第１０の例では、第９の例の光学デバイスにおいて、第１の回折格子は、第１の周期を有し、第１の色を有する可視光を回折するように構成され、第２の格子は、第２の周期を有し、第１の色を有する可視光と第２の色を有する可視光とを回折するように構成されている。

第１１の例では、第１０の例の光学デバイスにおいて、第１の色は、第２の色と比較してより短い波長に対応する。

第１２の例では、第１０または第１１の例の光学デバイスにおいて、第１の回折格子は、第１のＦＯＶ内のその上に入射する第１の色を有する可視光を部分的に回折し、第２のＦＯＶ内のその上に入射する第１の色を有する可視光を部分的に透過させるように構成され、第２の回折格子は、第１の回折格子を部分的に透過させられた第１の色を有する可視光を少なくとも部分的に回折するように構成されている。

第１３の例では、第１２の例の光学デバイスにおいて、第１の回折格子は、第２の色を有する可視光を実質的に透過させるように構成され、第２の回折格子は、第１のＦＯＶ内の入射する第２の色を有する可視光を少なくとも部分的に回折するように構成されている。

第１４の例では、第１３の例の光学デバイスにおいて、光学デバイスは、第３の周期を有し、第３の色を有する可視光を回折するように構成されたその上に形成された第３の回折格子を有する第３の導波管をさらに備え、第２の色は、第３の色と比較してより短い波長に対応する。

第１５の例では、第１４の例の光学デバイスにおいて、第２の回折格子は、第２の色を有する可視光を少なくとも部分的に透過させるように構成され、第３の回折格子は、第２のＦＯＶ内の第２の回折格子からの第２の色を有する部分的に透過させられた可視光を受け取り、少なくとも部分的に回折するように構成されている。

第１６の例では、第１５の例の光学デバイスにおいて、第１および第２の回折格子は、第３の色を有する可視光を実質的に透過させるように構成され、第３の回折格子は、第１のＦＯＶ内の第１および第２の回折格子を透過させられた第３の色を有する可視光を少なくとも部分的に回折するように構成されている。

第１７の例では、光学システムは、その上に形成された第１の回折格子を有する第１の導波管を備えている。第１の回折格子は、第１の周期を有し、第１のＦＯＶ内の第１の色を有し、第１の導波管上に入射する光を回折するように構成されている。光学システムは、加えて、その上に形成された第２の回折格子を有する第２の導波管を備えている。第２の回折格子は、第２の周期を有し、第２のＦＯＶ内の第１の色を有し、第２の導波管上に入射する光を回折するように構成されている。第１および第２の回折格子は、それぞれの導波管の層法線方向に対するそれぞれの視野（ＦＯＶ）内の第１の色を有する光をそれぞれの導波管の中に回折するように構成されている。それぞれのＦＯＶは、第１および第２の導波管が、連続し、第１および第２のＦＯＶの各々より大きい組み合わせられたＦＯＶ内の第１の色を有する可視光を回折するように構成されるようなものである。

第１８の例では、第１７の例の光学システムにおいて、第１の導波管および第２の導波管は、スタックされた構成にあり、第１の導波管は、第２の導波管に先立って第１の色を有する光を受け取るように構成され、第１の周期は、第２の周期より短い。

第１９の例では、第１８の例の光学システムにおいて、第２の回折格子は、実質的に回折せずに第１の回折格子を実質的に透過した後の第２のＦＯＶ内の第１の色を有する光を回折するように構成されている。

第２０の例では、第１９の例の光学システムにおいて、第１の回折格子は、第２の色を有する光を実質的に回折せずにそれを通して実質的に透過させるように構成され、第２の色を有する光は、第１の色を有する光と比較してより長い波長を有する。

第２１の例では、第２０の例の光学システムにおいて、第２の回折格子は、導波管内に誘導されるべき第２のＦＯＶ内の第２の色を有する光を回折するように構成されている。

第２２の例では、第１７の例の光学システムにおいて、第１および第２の回折格子の各々は、コレステリック液晶（ＣＬＣ）層を備えている。

第２３の例では、第２０の例の光学システムにおいて、ＣＬＣ層は、複数のキラル構造であり、各キラル構造は、少なくとも螺旋ピッチだけ層深度方向に延び、第１の回転方向に連続的に回転させられた複数の液晶分子を備えている、複数のキラル構造を備えている。螺旋ピッチは、第１の回転方向における１回転によるキラル構造の液晶分子の正味回転角度に対応する層深度方向における長さである。キラル構造の液晶分子の配列は、層深度方向と垂直な側方方向に周期的に変動する。

第２４の例では、第２０の例の光学システムにおいて、各キラル構造は、異なる伸長方向に沿って伸長された少なくとも３つのカラミチック液晶分子を備えている。

第２５の例では、ディスプレイデバイスは、液晶を備えているその上に形成された第１の回折格子を有する第１の導波管を備え、第１の回折格子は、その上に入射する第１の色を有する光の一部を第１の導波管の中に回折するように構成されている。第１の回折格子は、加えて、その上に入射する第１の色を有する光の一部を通過させるように構成されている。第１の回折格子は、第２の色を有する光を通過させるようにさらに構成されている。ディスプレイデバイスは、加えて、液晶を備えているその上に形成された第２の回折格子を有する第２の導波管を備え、第２の回折格子は、第２の色を有する光を第２の導波管の中に回折するように構成されている。第２の回折格子は、第１の回折格子を通過した第１の色を有する光の一部を回折するようにさらに構成されている。

第２６の例では、第２５の例のディスプレイデバイスにおいて、第１の回折格子は、層法線に対する第１の入射角範囲内の第１の色を有する光を回折するように構成され、第１の回折格子は、層法線に対する第２の入射角範囲内の第１の色を有する光を通過させるように構成されている。

第２７の例では、第２６の例のディスプレイデバイスにおいて、第２の回折格子は、第１の角度範囲内のその上に入射する第２の色を有する光を回折するように構成され、第２の回折格子は、第２の入射角範囲内のその上に入射する第１の色を有する光を回折するように構成されている。

第２８の例では、第２７の例のディスプレイデバイスにおいて、第１の角度範囲および第２の角度範囲は、第１の角度範囲および第２の角度範囲の合計に基づいて、２０％より大きく重複しない。

第２９の例では、第２５−第２８の例のうちの任意の１つのディスプレイデバイスにおいて、第１の色は、第２の色と比較してより短い波長に対応する。

第３０の例では、第２５−第２９の例のうちの任意の１つのディスプレイデバイスにおいて、第１の回折格子は、側方方向に第１の周期を有するように配列された周期的に変動する液晶を備え、第２の回折格子は、側方方向に第１の周期より大きい第２の周期を有するように配列された周期的に変動する液晶を備えている。

第３１の例では、第３０の例のディスプレイデバイスにおいて、第１の回折格子および第２の回折格子の一方または両方は、ある波長を有する光を回折するように構成され、
波長／周期比率（λ／Λ）が約０．３〜２．３であるような周期を側方方向に有する。

第３２の例では、第３０の例のディスプレイデバイスにおいて、第１の回折格子および第２の回折格子の一方または両方は、ある波長を有する光を回折するように構成され、周期が１ｎｍ〜２５０ｎｍだけ波長より小さいような周期を有する。

第３３の例では、第２５−第３２の例のうちの任意の１つのディスプレイデバイスにおいて、液晶は、コレステリック液晶を備えている。

第３４の例では、第３３の例のディスプレイデバイスにおいて、第１の回折格子の液晶は、第２の回折格子の液晶のものより小さい螺旋ピッチを有する。

第３５の例では、第２５−第３４の例のうちの任意の１つのディスプレイデバイスにおいて、第１の回折格子および第２の回折格子の一方または両方は、光をそれぞれの導波管の中に透過的に回折するように構成されている。

第３６の例では、第２５−第３４の例のうちの任意の１つのディスプレイデバイスにおいて、第１の回折格子および第２の回折格子の一方または両方は、光をそれぞれの導波管の中に反射的に回折するように構成されている。

第３７の例では、第２５−第３６の例のうちの任意の１つのディスプレイデバイスにおいて、第１の色は、緑色であり、第２の色は、赤色である。

第３８の例では、第２５−第３６の例のうちの任意の１つのディスプレイデバイスにおいて、第１の色は、青色であり、第２の色は、緑色である。

第３９の例では、頭部搭載型ディスプレイデバイスは、光をユーザの眼に投影し、拡張現実画像コンテンツを表示するように構成されている。頭部搭載型ディスプレイデバイスは、ユーザの頭部上に支持されるように構成されたフレームを備えている。頭部搭載型ディスプレイデバイスは、加えて、フレーム上に配置されたディスプレイを備えている。ディスプレイの少なくとも一部は、複数の導波管を備えている。導波管は、透明であり、透明部分が、ユーザの正面の環境の一部からの光をユーザの眼に透過させ、ユーザの正面の環境の一部のビューを提供するように、ユーザが頭部搭載型ディスプレイデバイスを装着すると、ユーザの眼の正面の場所に配置される。ディスプレイは、１つ以上の光源および光源からの光をディスプレイにおける導波管の中に結合するように構成されたディスプレイにおける複数の回折格子をさらに備えている。ディスプレイ内の導波管および回折格子は、第１−第３８の例のうちの任意の１つに記載の導波管および回折格子を備えている。

第４０の例では、第３９の例のデバイスにおいて、１つ以上の光源は、ファイバ走査プロジェクタを備えている。

第４１の例では、第３９または第４０の例において、ディスプレイは、複数の深度平面における画像コンテンツをユーザに提示するように、光をユーザの眼の中に投影するように構成されている。
（追加の考慮点）

上で説明される実施形態では、拡張現実ディスプレイシステム、より具体的には、空間可変回折格子は、特定の実施形態に関連して説明される。しかしながら、実施形態の原理および利点は、空間可変回折格子の必要性を伴う任意の他のシステム、装置、または方法のために使用されることができることを理解されるであろう。前述では、実施形態のうちの任意の１つの任意の特徴は、実施形態のうちの任意の他の１つの任意の他の特徴と組み合わせられ、および／またはそれで代用されることができることを理解されたい。

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「〜を備えている」、「〜を備えている」、「〜を含む」、「〜を含んでいる」等は、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、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。加えて、単語「本明細書で」、「上で」、「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、本単語は、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１つ以上のアイテムの任意の組み合わせを網羅する。加えて、本願および添付される請求項で使用されるような冠詞「ａ」、「ａｎ」、および「ｔｈｅ」は、別様に規定されない限り、「１つ以上の」もしくは「少なくとも１つ」を意味するように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つの各々が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）」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つもしくはそれを上回る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。

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。実際、本明細書に説明される新規装置、方法、およびシステムは、種々の他の形態で具現化され得る。さらに、本明細書に説明される方法およびシステムの形態における種々の省略、代用、および変更が、本開示の精神から逸脱することなく成され得る。例えば、ブロックが、所与の配列で提示されるが、代替実施形態は、異なるコンポーネントおよび／または回路トポロジを用いて類似機能性を実施し得、いくつかのブロックは、削除される、移動される、追加される、細分割される、組み合わせられた、および／または修正され得る。これらのブロックの各々は、種々の異なる方法で実装され得る。上で説明される種々の実施形態の要素および作用の任意の好適な組み合わせが、さらなる実施形態を提供するために組み合わせられたことができる。上で説明される種々の特徴およびプロセスは、互いに独立して実装され得る、または種々の方法で組み合わせられ得る。いずれの要素または要素の組み合わせも、すべての実施形態に関して必要または不可欠なわけではない。本開示の特徴の全ての好適な組み合わせおよび副次的組み合わせが、本開示の範囲内であるように意図される。

Claims (41)

1. 光学デバイスであって、
   前記光学デバイスは、互いの上に形成された複数の導波管を備え、前記複数の導波管は、それらの上に形成されたそれぞれの回折格子を有し、前記それぞれの回折格子は、その上に入射する可視光をそれぞれの導波管の中に回折するように構成され、前記それぞれの導波管の中に回折された可視光は、前記それぞれの導波管の中で伝搬し、
   前記それぞれの回折格子は、前記それぞれの導波管の層法線方向に対するそれぞれの視野（ＦＯＶ）内の前記それぞれの導波管上に入射する可視光を前記それぞれの導波管の中に回折するように構成され、前記それぞれのＦＯＶは、前記複数の導波管が組み合わせられたＦＯＶ内の前記可視光を回折するように構成されるようなものであり、前記組み合わせられたＦＯＶは、連続しており、前記それぞれのＦＯＶの各々より大きい、
   光学デバイス。
2. 前記複数の導波管は、その屈折率が前記それぞれの回折格子の有効屈折率より小さい材料から形成されており、それによって、前記それぞれの導波管の中に回折された前記可視光は、全内部反射のもと、前記それぞれの導波管の中で伝搬する、請求項１に記載の光学デバイス。
3. 前記複数の導波管は、スタックされた配列にあり、全内部反射のもと、前記可視光を実質的に平行方向に伝搬するように構成されている、請求項１に記載の光学デバイス。
4. 前記それぞれの回折格子のうちの異なるものは、前記層法線方向と垂直な側方方向に互いに重複するように配置されている、請求項１に記載の光学デバイス。
5. 前記それぞれのＦＯＶのうちの異なるものは、前記それぞれのＦＯＶのうちの前記異なるものの合計に基づいて、２０％より大きく重複しない、請求項１に記載の光学デバイス。
6. 前記複数の導波管は、第１の導波管を含み、前記第１の導波管は、その上に形成された第１の回折格子を有し、前記第１の回折格子は、その上に入射する可視光を部分的に回折し、部分的に透過させるように構成され、前記複数の導波管は、第２の導波管を含み、前記第２の導波管は、その上に形成された第２の回折格子を有し、前記第２の回折格子は、その上に入射する前記第１の回折格子からの前記透過させられた可視光を少なくとも部分的に回折するように構成されている、請求項１−５のいずれか１項に記載の光学デバイス。
7. 前記第１および第２の回折格子は、異なる周期を有し、前記第１および第２の回折格子は、異なる波長を有するが、同一色を有する可視光を回折するように構成されている、請求項６に記載の光学デバイス。
8. 前記第１および第２の回折格子は、実質的に同一周期を有し、実質的に同一波長を有する可視光を回折するように構成されている、請求項６に記載の光学デバイス。
9. 前記第１および第２の回折格子は、異なる周期を有し、異なる波長および異なる色を有する可視光を回折するように構成されている、請求項６に記載の光学デバイス。
10. 前記第１の回折格子は、第１の周期を有し、第１の色を有する可視光を回折するように構成され、前記第２の格子は、第２の周期を有し、前記第１の色を有する可視光と第２の色を有する可視光とを回折するように構成されている、請求項９に記載の光学デバイス。
11. 前記第１の色は、前記第２の色と比較してより短い波長に対応する、請求項１０に記載の光学デバイス。
12. 前記第１の回折格子は、第１のＦＯＶ内のその上に入射する前記第１の色を有する可視光を部分的に回折し、第２のＦＯＶ内のその上に入射する前記第１の色を有する前記可視光を部分的に透過させるように構成され、前記第２の回折格子は、前記第１の回折格子を部分的に透過させられた前記第１の色を有する前記可視光を少なくとも部分的に回折するように構成されている、請求項１０に記載の光学デバイス。
13. 前記第１の回折格子は、前記第２の色を有する前記可視光を実質的に透過させるように構成され、前記第２の回折格子は、前記第１のＦＯＶ内の入射する前記第２の色を有する前記可視光を少なくとも部分的に回折するように構成されている、請求項１２に記載の光学デバイス。
14. 第３の導波管をさらに備え、前記第３の導波管は、その上に形成された第３の回折格子を有し、前記第３の回折格子は、第３の周期を有し、第３の色を有する可視光を回折するように構成され、前記第２の色は、前記第３の色と比較してより短い波長に対応する、請求項１３に記載の光学デバイス。
15. 前記第２の回折格子は、前記第２の色を有する前記可視光を少なくとも部分的に透過させるように構成され、前記第３の回折格子は、前記第２のＦＯＶ内の前記第２の回折格子からの前記第２の色を有する前記部分的に透過させられた可視光を受け取り、少なくとも部分的に回折するように構成されている、請求項１４に記載の光学デバイス。
16. 前記第１および第２の回折格子は、前記第３の色を有する前記可視光を実質的に透過させるように構成され、前記第３の回折格子は、前記第１のＦＯＶ内の前記第１および第２の回折格子を透過させられた前記第３の色を有する前記可視光を少なくとも部分的に回折するように構成されている、請求項１５に記載の光学デバイス。
17. 光学システムであって、前記光学システムは、
    第１の導波管であって、前記第１の導波管は、その上に形成された第１の回折格子を有し、前記第１の回折格子は、第１の周期を有し、第１のＦＯＶ内の前記第１の導波管上に入射する第１の色を有する光を回折するように構成されている、第１の導波管と、
    第２の導波管であって、前記第２の導波管は、その上に形成された第２の回折格子を有し、前記第２の回折格子は、第２の周期を有し、第２のＦＯＶ内の前記第２の導波管上に入射する前記第１の色を有する光を回折するように構成されている、第２の導波管と
    を備え、
    前記第１および第２の回折格子は、前記それぞれの導波管の層法線方向に対するそれぞれの視野（ＦＯＶ）内の前記第１の色を有する前記光を前記それぞれの導波管の中に回折するように構成され、前記それぞれのＦＯＶは、前記第１および第２の導波管が組み合わせられたＦＯＶ内の前記第１の色を有する前記可視光を回折するように構成されるようなものであり、前記組み合わせられたＦＯＶは、連続しており、前記第１および第２のＦＯＶの各々より大きい、光学システム。
18. 前記第１の導波管および前記第２の導波管は、スタックされた構成にあり、前記第１の導波管は、前記第２の導波管に先立って前記第１の色を有する前記光を受け取るように構成され、前記第１の周期は、前記第２の周期より短い、請求項１７に記載の光学システム。
19. 前記第２の回折格子は、実質的に回折せずに前記第１の回折格子を実質的に透過した後の前記第２のＦＯＶ内の前記第１の色を有する前記光を回折するように構成されている、請求項１８に記載の光学システム。
20. 前記第１の回折格子は、前記第２の色を有する前記光を実質的に回折せずに前記第１の回折格子を実質的に透過させるように構成され、前記第２の色を有する前記光は、前記第１の色を有する前記光と比較してより長い波長を有する、請求項１９に記載の光学システム。
21. 前記第２の回折格子は、前記導波管内に誘導されるべき前記第２のＦＯＶ内の前記第２の色を有する前記光を回折するように構成されている、請求項２０に記載の光学システム。
22. 前記第１および第２の回折格子の各々は、コレステリック液晶（ＣＬＣ）層を備えている、請求項１７に記載の光学システム。
23. 前記ＣＬＣ層は、
    複数のキラル構造を備え、各キラル構造は、複数の液晶分子を備え、前記複数の液晶分子は、少なくとも螺旋ピッチだけ層深度方向に延び、第１の回転方向に連続的に回転させられており、
    前記螺旋ピッチは、前記第１の回転方向における１回転による前記キラル構造の前記液晶分子の正味回転角度に対応する前記層深度方向における長さであり、
    前記キラル構造の前記液晶分子の配列は、前記層深度方向と垂直な側方方向に周期的に変動する、請求項２０に記載の光学システム。
24. 各キラル構造は、異なる伸長方向に沿って伸長された少なくとも３つのカラミチック液晶分子を備えている、請求項２０に記載の光学システム。
25. ディスプレイデバイスであって、前記ディスプレイデバイスは、
    第１の導波管であって、前記第１の導波管は、その上に形成された第１の回折格子を有し、前記第１の回折格子は、液晶を備え、前記第１の回折格子は、
    前記第１の回折格子の上に入射する第１の色を有する光の一部を前記第１の導波管の中に回折することと、
    前記第１の回折格子の上に入射する前記第１の色を有する前記光の一部を通過させることと、
    第２の色を有する光を通過させることと
    を行うように構成されている、第１の回折格子と、
    第２の導波管と
    を備え、
    前記第２の導波管は、その上に形成された第２の回折格子を有し、前記第２の回折格子は、液晶を備え、前記第２の回折格子は、
    前記第２の色を有する前記光を前記第２の導波管の中に回折することと、
    前記第１の回折格子を通過した前記第１の色を有する前記光の一部を前記第２の導波管の中に回折することと
    を行うように構成されている、ディスプレイデバイス。
26. 前記第１の回折格子は、層法線に対する第１の入射角範囲内の前記第１の色を有する前記光を回折するように構成され、前記第１の回折格子は、前記層法線に対する第２の入射角範囲内の前記第１の色を有する光を通過させるように構成されている、請求項２５に記載のディスプレイデバイス。
27. 前記第２の回折格子は、前記第１の角度範囲内の前記第２の回折格子の上に入射する前記第２の色を有する前記光を回折するように構成され、前記第２の回折格子は、前記第２の入射角範囲内の前記第２の回折格子の上に入射する前記第１の色を有する前記光を回折するように構成されている、請求項２６に記載のディスプレイデバイス。
28. 前記第１の角度範囲および前記第２の角度範囲は、前記第１の角度範囲および前記第２の角度範囲の合計に基づいて、２０％より大きく重複しない、請求項２７に記載のディスプレイデバイス。
29. 前記第１の色は、前記第２の色と比較してより短い波長に対応する、請求項２５に記載のディスプレイデバイス。
30. 前記第１の回折格子は、側方方向に第１の周期を有するように配列された周期的に変動する液晶を備え、前記第２の回折格子は、前記側方方向に前記第１の周期より大きい第２の周期を有するように配列された周期的に変動する液晶を備えている、請求項２５に記載のディスプレイデバイス。
31. 前記第１の回折格子および前記第２の回折格子の一方または両方は、ある波長を有する光を回折するように構成され、波長／周期比率λ／Λが約０．３〜２．３であるような側方方向における周期を有する、請求項３０に記載のディスプレイデバイス。
32. 前記第１の回折格子および前記第２の回折格子の一方または両方は、ある波長を有する光を回折するように構成され、前記周期が１ｎｍ〜２５０ｎｍだけ前記波長より小さいような周期を有する、請求項３０に記載のディスプレイデバイス。
33. 前記液晶は、コレステリック液晶を備えている、請求項２５に記載のディスプレイデバイス。
34. 前記第１の回折格子の液晶は、前記第２の回折格子の液晶の螺旋ピッチより小さい螺旋ピッチを有する、請求項３３に記載のディスプレイデバイス。
35. 前記第１の回折格子および前記第２の回折格子の一方または両方は、光を前記それぞれの導波管の中に透過的に回折するように構成されている、請求項２５−３４のいずれか１項に記載のディスプレイデバイス。
36. 前記第１の回折格子および前記第２の回折格子の一方または両方は、光を前記それぞれの導波管の中に反射的に回折するように構成されている、請求項２５−３４のいずれか１項に記載のディスプレイデバイス。
37. 前記第１の色は、緑色であり、前記第２の色は、赤色である、請求項２５−３４のいずれか１項に記載のディスプレイデバイス。
38. 前記第１の色は、青色であり、前記第２の色は、緑色である、請求項２５−３４のいずれか１項に記載のディスプレイデバイス。
39. 光をユーザの眼に投影し、拡張現実画像コンテンツを表示するように構成された頭部搭載型ディスプレイデバイスであって、頭部搭載型ディスプレイデバイスは、
    前記ユーザの頭部上に支持されるように構成されたフレームと、
    前記フレーム上に配置されたディスプレイと
    を備え、
    前記ディスプレイの少なくとも一部は、複数の導波管を備え、前記導波管は、透明であり、前記ユーザが前記頭部搭載型ディスプレイデバイスを装着すると、前記ユーザの眼の正面の場所に配置され、それによって、前記透明部分は、前記ユーザの正面の環境の一部からの光をユーザの眼に透過させ、前記ユーザの正面の前記環境の前記一部のビューを提供し、前記ディスプレイは、１つ以上の光源と、前記ディスプレイにおける複数の回折格子とをさらに備え、前記複数の回折格子は、前記光源からの光を前記ディスプレイにおける前記導波管の中に結合するように構成され
    前記ディスプレイは、請求項２５−３４のいずれか１項に記載のものである、デバイス。
40. 前記１つ以上の光源は、ファイバ走査プロジェクタを備えている、請求項３９に記載のデバイス。
41. 前記ディスプレイは、光をユーザの眼の中に投影し、複数の深度平面における画像コンテンツを前記ユーザに提示するように構成されている、請求項３９または４０に記載のデバイス。