JP2017531817A - 切換え式回折格子を利用した導波路アイトラッキング - Google Patents

Abstract

赤外光で照明される眼をトラッキングする際に使用される透明な導波路は、入力結合器及び出力結合器を含む。入力結合器は、互いに平行に配列された２つ以上の電子切換え式回折格子のスタックを含み、電子切換え式回折格子のそれぞれが、スタック中の各格子に異なる焦点距離を持たせるそれぞれのレンズ屈折力を有する。電子切換え式回折格子のそれぞれは、オンにされたときに、受けた赤外光を導波路内に結合する。センサは、出力結合器において導波路から出射する赤外光ビームに応じて眼を撮像する。センサを用いて取得された眼の像が解析されて、電子切換え式回折格子のうちのどの１つが、オンにされたときに眼又はその一部分の最も良好に焦点の合った像を提供するかが決定される。眼の最も良好に焦点の合った像を提供する電子切換え式回折格子のうちの１つが、アイトラッキング中に眼を撮像するために使用される。

Description

透視型複合現実ディスプレイデバイスシステム（see-through, mixed reality display device）は、ユーザが物理的光景の上に重畳されたデジタル情報を観察することを可能にする。手を使わないユーザ対話を可能にするために、透視型複合現実ディスプレイデバイスシステムは、アイトラッカ(eye tracker：視線追跡装置)をさらに備えることもある。通常は、アイトラッカは、ユーザの眼を照明する赤外（ＩＲ）光源と、例えば反射グリント（reflected glints）及び光彩の運動を観察して視線方向を計算するためにユーザの眼を撮像するセンサ（例えばカメラ）とを含む。眼の照明及び撮像は、複合現実ディスプレイデバイスシステムの透視性がアイトラッキングハードウェアによって損なわれず、眼の撮像が、全てのタイプの処方調製眼鏡(prescription spectacles)と協働し、眼の撮像が、眼球運動の全範囲に加えて瞳孔間距離範囲(inter-pupillary distance range)及び射出瞳距離範囲（eye relief distance range）もカバーするように実施されることが好ましい。

アイトラッキングのために眼を撮像する１つの方法は、ヘッドマウントディスプレイ（ＨＭＤ）デバイスのフレームに搭載された単純なカメラを使用することであり、このカメラは、ユーザの眼に直接合焦する。換言すれば、カメラから眼までの直接視線がある。このような構成は比較的単純且つ安価であるが、眼に対するカメラの位置及び動きに非常に敏感である。また、このような構成では、カメラは、目の高さに近づけて位置決めされる必要があり、これにより、通常は、複合現実ディスプレイデバイスシステムの透視性が少なくとも部分的に遮られる。或いは、部分反射器を使用して、カメラのビューパスをユーザのテンプル（temple）に折り畳むこともできる。この代替の構成は、カメラを透視野の外側に位置決めすることを可能にするが、アイトラッキングが処方調製眼鏡と協働する必要がある場合には、この代替の構成を実施することは問題がある。

別の可能性は、自由曲面プリズム又はその他の接眼レンズに基づく複合現実ディスプレイデバイスシステムで逆光路撮像を使用することである。この技術は、実際の表示光学系に依拠して、アイトラッキングのための撮像機能を提供する。ただし、自由曲面プリズム又は接眼レンズの構成要素は、サイズがかなり大きくなる傾向があるので、この手法は、常に実用的であるわけではない。アイトラッキングのみのための自由形態光学要素を追加するも可能であるが、この場合、高価になり、システムの重量及びサイズがかなり増すことになる。

本明細書に記載される特定の実施形態は、赤外光で照明される眼をトラッキングする際に使用される導波路（waveguide）に関する。ヘッドマウントディスプレイ（ＨＭＤ）で使用され得るがＨＭＤとの使用に限定されるわけではないこの導波路は、透明（transparent）であり、入力結合器（input-coupler）及び出力結合器（output-coupler）を含む。特定の実施形態によれば、入力結合器は、互いに平行に配列された２つ以上の電子切換え式回折格子（electronically switchable diffractive gratings）のスタック（stack）を含む。電子切換え式回折格子のそれぞれは、それぞれのレンズ屈折力（lens power）及びそれぞれのプリズム屈折力（prismatic power）を有する。電子切換え式回折格子のそれぞれのレンズ屈折力は、互いに異なり、電子切換え式回折格子のそれぞれが異なる焦点距離を有するようになっている。電子切換え式回折格子のそれぞれは、オンにされたときに、赤外波長を有する赤外光を受け、受けた赤外光を導波路内に結合するようになされている。入力結合器が赤外光で照明される眼の前方に位置決めされるときには、眼から反射され、入力結合器で受けられる赤外光の少なくとも一部分が、入力結合器において導波路内に結合され、導波路内を内部全反射によって入力結合器から出力結合器まで伝搬し、出力結合器の近傍で導波路から出射する。センサは、出力結合器において導波路から出射する赤外光ビームに応じて眼を撮像する。特定の実施形態では、レンズモジュールが、出力結合器とセンサの間にあり、出力結合器において導波路から出射する赤外光ビームは、レンズモジュールを通過した後でセンサに入射する。

入力結合器制御装置は、電子切換え式回折格子のそれぞれがいつオンにされるかを、１度にオンにされる電子切換え式回折格子が１つだけであるように制御する。像解析器は、センサを用いて取得された眼の２つ以上の像を解析して、電子切換え式回折格子のうちのどの１つが、オンにされたときに眼又はその一部分の最も良好に焦点の合った像を提供するかを決定する。入力結合器制御装置は、像解析モジュールが眼の最も良好に焦点の合った像を提供すると決定した、電子切換え式回折格子のうちの１つが、アイトラッキング中に眼を撮像するために使用されるようにする。

特定の実施形態では、入力結合器は、互いに平行に配列された２つ以上の電子切換え式回折格子の第２のスタックも含み、この第２のスタックは、第１のスタックに隣接する。このような実施形態では、第２のスタックの電子切換え式回折格子は、第１のスタックの電子切換え式回折格子によって与えられる視野とは異なる視野を提供する。

この概要は、以下の詳細な説明でさらに説明される一連の概念を単純化した形態で紹介するために与えたものである。この概要は、請求される主題の重要な特徴又は不可欠な特徴を特定するためのものではなく、また、請求される主題の範囲を決定する助けとして使用されるように意図されたものでもない。

透視型複合現実ディスプレイデバイスシステムの１実施形態の構成要素例を示すブロック図である。 ハードウェア構成要素及びソフトウェア構成要素の支持を提供する眼鏡として実装された透視型複合現実ディスプレイデバイスの１実施形態のフレームの眼鏡テンプルを示す側面図である。 透視型ニアアイ複合現実デバイスの一体アイトラッキング／表示光学系の１実施形態を示す上面図である。 １つ又は複数の実施形態で使用され得る、透視型ニアアイ複合現実ディスプレイデバイスのハードウェア構成要素及びソフトウェア構成要素の１実施形態を示すブロック図である。 処理ユニットの様々な構成要素を示すブロック図である。 １実施形態による導波路を含むアイトラッキングシステムの一部分を示す側面図である。 図４Ａに示す導波路の部分を示す拡大図である。 入力結合器が互いに平行に配列された２つ以上の電子切換え式回折格子のスタックを含む実施形態による、図４Ａに示す導波路の部分を示す拡大図である。 導波路の入力結合器の回折格子の例示的なｋベクトル及び対応する例示的なｋベクトル角を示す図である。 入力結合器及び出力結合器を含む導波路を示す例示的な正面図である。 入力結合器の２つの電子切換え式回折格子（又は電子切換え式回折格子の２つのスタック）を互いに水平方向に隣接するように位置決めすることによってどのようにしてアイモーションボックスが２つのゾーンに分割され得るかを示す図である。 入力結合器の２つの電子切換え式回折格子（又は電子切換え式回折格子の２つのスタック）を互いに垂直方向に隣接するように位置決めすることによってどのようにしてアイモーションボックスが２つのゾーンに分割され得るかを示す図である。 入力結合器の４つの電子切換え式回折格子（又は電子切換え式回折格子の４つのスタック）を２×２タイル配列で位置決めすることによってどのようにしてアイモーションボックスが４つのゾーンに分割され得るかを示す図である。 どのようにしてレンズ屈折力及び光学くさび屈折力が数学的に２ビームプロセスに結合されてフェーズコピーマスタホログラムを生成することができるか、そしてそのフェーズコピーマスタホログラムがコンタクトコピープロセスで使用されて１実施形態による回折格子型の入力結合器を生成することができるかを示す図である。 眼をトラッキングする際に使用される方法を概説するために使用されるハイレベル流れ図である。

本技術の特定の実施形態は、アイトラッキング（eye tracking：視線捕捉）のための眼の撮像が、複合現実ディスプレイデバイスシステムの透視性を損なうことなく実施されることを可能にする導波路に関する。さらに、これらの実施形態は、処方調製眼鏡とともに使用され得るので有利である。さらに、これらの実施形態は、眼球運動の全範囲に加えて瞳孔間距離範囲及び射出瞳距離範囲までカバーする眼の撮像を実行するために使用され得る。ただし、これらの実施形態についてさらに詳細に述べる前に、まず、本技術の実施形態とともに使用することができる例示的な透視型複合現実ディスプレイデバイスシステムについて説明すると有用である。

図１は、透視型複合現実ディスプレイデバイスシステムの１実施形態の構成要素例を示すブロック図である。システム８は、ワイヤ６を介して処理ユニット４と通信するニアアイヘッドマウントディスプレイデバイス２である透視型ディスプレイデバイスを含む。他の実施形態では、ヘッドマウントディスプレイデバイス２は、無線通信を介して処理ユニット４と通信する。処理ユニット４は、様々な実施形態をとることができる。例えば、処理ユニット４は、スマートフォン、タブレット、又はラップトップコンピュータなどのモバイルデバイスに実装されることもある。いくつかの実施形態では、処理ユニット４は、例えば図示の例における手首などのユーザの身体に、又はポケットの中に装着され得る、分離ユニットであり、ニアアイディスプレイデバイス２を操作するために使用されるコンピューティング能力の大部分を含む。処理ユニット４は、１つ又は複数のハブコンピューティングシステム１２がこの例のように近傍に位置しているか、遠隔に位置しているかを問わず、それらのハブコンピューティングシステム１２と、通信ネットワーク５０を介して無線で（例えばＷｉＦｉ、Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ（登録商標）、赤外線、ＲＦＩＤ伝送、無線ユニバーサルシリアルバス（ＷＵＳＢ）、セルラ、３Ｇ、４Ｇ、又はその他の無線通信手段で）通信することができる。他の実施形態では、処理ユニット４の機能は、ディスプレイデバイス２のソフトウェア構成要素及びハードウェア構成要素に統合されることもある。

１実施形態ではフレーム１１５内の眼鏡の形状をしているヘッドマウントディスプレイデバイス２は、ユーザの頭部に装着されて、ユーザが、この例では各眼の表示光学系１４として実装されるディスプレイを透視することによりユーザ前方の空間の実際直視を有することができるようになっている。

ここで使用される「実際直視（actual direct view）」という用語は、現実世界のオブジェクトを、それらのオブジェクトを表現する人工像を見るのではなく、人間の眼で直接見ることができることを指している。例えば、ある部屋をガラス越しに見るとユーザはその部屋の実際直視を有することができるが、テレビジョン上で部屋の映像を見ても、その部屋の実際直視ではない。例えばゲームアプリケーションなどのソフトウェアを実行するという状況では、このシステムは、この透視型ディスプレイデバイスを装着した人が見ることのできる仮想像と呼ばれることもある仮想オブジェクトの像をディスプレイ上に投影することができ、その一方、その人は、このディスプレイを通して現実世界のオブジェクトも見ている。

フレーム１１５は、システムの要素を適所に保持する支持体、及び電気的接続のための導管を提供する。この実施形態では、フレーム１１５は、以下でさらに述べられるシステムの要素のための支持体として好都合な眼鏡フレームを提供する。他の実施形態では、他の支持構造が使用され得る。このような構造の例は、バイザ、又はゴーグルである。フレーム１１５は、ユーザの耳のそれぞれに載るテンプル又はサイドアームを含む。テンプル１０２は、右側テンプルの１実施形態を表し、ディスプレイデバイス２の制御回路１３６を含む。フレーム１１５の鼻ブリッジ１０４は、音声を記録し、オーディオデータを処理ユニット４に伝送するマイクロホン１１０を含む。

図２Ａは、ハードウェア構成要素及びソフトウェア構成要素の支持を提供する眼鏡として実装される透視型複合現実ディスプレイデバイスの１実施形態のフレーム１１５の眼鏡テンプル１０２を示す側面図である。フレーム１１５の前部には、処理ユニット４に伝送される映像及び静止像を取り込むことができる、物理的環境向き又は外向きのビデオカメラ１１３がある。

カメラからのデータは、制御回路１３６のプロセッサ２１０又は処理ユニット４或いはその両方に送信され得、制御回路１３６のプロセッサ２１０又は処理ユニット４或いはその両方は、このデータを処理することができるが、ユニット４は、このデータをネットワーク５０を介して１つ又は複数のコンピュータシステム１２に送信して処理することもできる。この処理は、ユーザの現実世界の視野を識別し、マッピングするものである。

制御回路１３６は、ヘッドマウントディスプレイデバイス２のその他の構成要素をサポートする様々なエレクトロニクスを提供する。制御回路１３６のさらなる詳細は、以下で図３Ａに関連して与えられる。イヤホン１３０、慣性センサ１３２、ＧＰＳトランシーバ１４４、及び温度センサ１３８が、テンプル１０２の内部にある、又はテンプル１０２に取り付けられる。１実施形態では、慣性センサ１３２は、３軸磁力計１３２Ａ、３軸ジャイロ１３２Ｂ、及び３軸加速度計１３２Ｃを含む（図３Ａ参照）。慣性センサは、ヘッドマウントディスプレイデバイス２の位置、配向、及び急加速を感知するためのものである。これらの動きから、頭部の位置も決定され得る。

像ソース又は像生成ユニット１２０が、テンプル１０２に取り付けられる、又はテンプル１０２の内部にある。１実施形態では、像ソースは、１つ又は複数の仮想オブジェクトの像を投影するマイクロディスプレイ１２０と、マイクロディスプレイ１２０からの像を透視導波路１１２に送り込むレンズ系１２２とを含む。レンズ系１２２は、１つ又は複数のレンズを含むことができる。１実施形態では、レンズ系１２２は、１つ又は複数のコリメーティングレンズを含む。図示の例では、反射要素１２４が、レンズ系１２２によって送られた像を受け、その画像データを導波路１１２に光学的に結合する。

マイクロディスプレイ１２０を実装するために使用され得る様々な像生成技術がある。例えば、マイクロディスプレイ１２０は、白色光が背面照射された光学的に活性な材料によって光源が変調される、透過投影技術を使用して実装され得る。これらの技術は、通常は、強力なバックライト及び高い光エネルギー密度を有するＬＣＤ型ディスプレイを使用して実装される。マイクロディスプレイ１２０は、外部光が光学的に活性な材料によって反射及び変調される、反射型技術を使用しても実装され得る。デジタル光処理（ＤＬＰ）、液晶オンシリコン（ｌｉｑｕｉｄ ｃｒｙｓｔａｌ ｏｎ ｓｉｌｉｃｏｎ：ＬＣＯＳ）、及びクアルコム社製Ｍｉｒａｓｏｌ（登録商標）ディスプレイ技術は、全て、反射型技術の例である。さらに、マイクロディスプレイ１２０は、光がディスプレイによって生成される発光型技術を使用しても実装され得る。これについては、例えば、マイクロビジョン社製のＰｉｃｏＰ（商標）ディスプレイエンジンを参照されたい。発光型ディスプレイ技術の別の例は、マイクロ有機発光ダイオード（ＯＬＥＤ）ディスプレイである。ｅＭａｇｉｎ社及びＭｉｃｒｏｏｌｅｄ社は、マイクロＯＬＥＤディスプレイの例を提供している。

図２Ｂは、透視型ニアアイ拡張現実又は複合現実デバイス（see-through, near-eye, augmented or mixed reality device）の表示光学系１４の１実施形態を示す上面図である。ニアアイディスプレイデバイス２のフレーム１１５の一部分は、表示光学系１４を包囲して、図２Ｂ及び以降の図面に示されるように１つ又は複数の光学要素の支持を提供し、電気的接続を行う。この場合には右眼系の１４ｒである表示光学系１４の構成要素を示すために、このヘッドマウントディスプレイデバイス２では、表示光学系を包囲するフレーム１１５の一部分は示されていない。

１実施形態では、表示光学系１４は、導波路１１２と、任意選択の不透明フィルタ１１４と、透過レンズ１１６と、透過レンズ１１８とを含む。１実施形態では、不透明フィルタ１１４は、透過レンズ１１６の後方にあって透過レンズ１１６と位置合わせされており、導波路１１２は、不透明フィルタ１１４の後方にあって不透明フィルタ１１４と位置合わせされており、透過レンズ１１８は、導波路１１２の後方にあって導波路１１２と位置合わせされている。透過レンズ１１６及び１１８は、眼鏡で使用される標準的なレンズでよく、任意の処方に合わせて作製され得る（度なしも含む）。いくつかの実施形態では、ヘッドマウントディスプレイデバイス２は、透過レンズを１つしか含まない、又は透過レンズを含まない。導波路１１２と位置合わせされた不透明フィルタ１１４は、一様に、又は画素ごとに、自然光が導波路１１２を通過するのを選択的に阻止する。例えば、不透明フィルタは、仮想像のコントラストを向上させる。

導波路１１２は、マイクロディスプレイ１２０からヘッドマウントディスプレイデバイス２を装着しているユーザの眼１４０への可視光を透過させる。透視導波路１１２は、また、表示光学系１４ｒの光軸を表す矢印１４２によって示されるように、ヘッドマウントディスプレイデバイス２の前方からの可視光がそれ自体１１２を通して眼１４０まで透過することも可能にすることにより、ユーザがマイクロディスプレイ１２０からの仮想像を受け取ることに加えてヘッドマウントディスプレイデバイス２の前方の空間の実際直視を有することができるようにする。したがって、透視導波路１１２の壁面は、第１の反射表面（例えば鏡面又はその他の表面）又は第１の回折格子１２４を含む。マイクロディスプレイ１２０からの可視光は、レンズ１２２を通過して、反射表面又は回折格子１２４に入射する。反射表面又は回折格子１２４は、可視光が以下でさらに詳細に述べる内部反射によって導波路１１２を構成する基板の内部に捕捉されるように、マイクロディスプレイ１２０からの入射可視光を反射又は回折する。

アイトラッキングシステム１３４がユーザの眼の位置及び視線方向をトラッキングするために、赤外線の照明及び反射も、導波路１１２を横断する。ユーザの眼は、そのユーザの焦点領域又は視線領域である、環境の一部に向けられることになる。アイトラッキングシステム１３４は、この例ではテンプル１０２に取り付けられる、又はテンプル１０２の内部にある、アイトラッキング用照明源１３４Ａと、この例ではフレーム１１５のブロー１０３に取り付けられる、又はブロー１０３の内部にある、アイトラッキング用ＩＲセンサ１３４Ｂとを備える。アイトラッキング用ＩＲセンサ１３４Ｂは、別法として、レンズ１１８とテンプル１０２の間に位置決めされることもある。また、アイトラッキング用照明源１３４Ａ及びアイトラッキング用ＩＲセンサ１３４Ｂは、フレーム１１５のブロー１０３に取り付けられる、又はブロー１０３の内部にあることもある。

この技術は、像生成ユニット１２０、照明源１３４Ａ及びアイトラッキング用ＩＲセンサ１３４Ｂの導波路に出入りする入射光結合及び出射光結合（入力結合器及び出力結合器と呼ばれることもある）の配置の柔軟性を与える。像を表す可視照明及び赤外線照明は、導波路１１２の周りの任意の方向から入射することができ、１つ又は複数の導波路選択フィルタ（例えば１２７）が、導波路から出射する照明を表示光学系１４の光軸１４２に心合わせされた方向に向ける。

１実施形態では、アイトラッキング用照明源１３４Ａは、所定のＩＲ波長又はある波長範囲で発光する赤外線発光ダイオード（ＬＥＤ）又はレーザ（例えばＶＣＳＥＬ）など、１つ又は複数の赤外線（ＩＲ）エミッタを含むことができる。いくつかの実施形態では、アイトラッキング用ＩＲセンサ１３４Ｂは、グリント位置をトラッキングするＩＲカメラ又はＩＲ位置敏感検出器（ＰＳＤ）とすることができる。

１実施形態では、波長選択フィルタ１２３は、マイクロディスプレイ１２０から反射表面１２４を介して来る可視スペクトル光を通過させ、アイトラッキング用照明源１３４Ａからの赤外波長照明を導波路１１２内に向けて送り、導波路内で、このＩＲ照明は内部反射されて、光軸１４２と位置合わせされた別の波長選択フィルタ１２７に到達する。

ＩＲ反射から、アイトラッキング用ＩＲセンサ１３４ＢがＩＲカメラであるときには既知の撮像技術によって、またアイトラッキング用ＩＲセンサ１３４Ｂが位置敏感検出器（ＰＳＤ）の一種であるときにはグリント位置データによって、眼窩内の瞳孔の位置が特定され得る。その他のタイプのアイトラッキング用ＩＲセンサ及びその他のアイトラッキング技術を使用することも可能であり、実施形態の範囲内である。

導波路１１２内に結合した後、マイクロディスプレイ１２０からの像データを表す可視照明とＩＲ照明とは、導波路１１２内で内部反射される。図２Ｂの例では、基板の表面で複数回反射された後で、捕捉された可視光波は、この例では選択的反射表面１２６１から１２６Ｎとして実装される波長選択フィルタのアレイに到達する。さらに、表示光学系の光軸と位置合わせされた波長選択フィルタ１２７も、導波路１１２内に位置決めされている。反射表面１２６は、ユーザの眼１４０の方向に向けられた基板からそれらの反射表面に入射する可視光波長を結合する。

また、反射表面１２６は、導波路内の赤外放射を通す。ただし、可視照明だけでなく照明源１３４Ａから受けた赤外照明も方向付ける１つ又は複数の波長選択フィルタ１２７が、表示光学系１４ｒの光軸１４２と位置合わせされている。例えば、反射要素１２６１から１２６Ｎがそれぞれ可視スペクトルの異なる部分を反射している場合には、１つ又は複数の波長選択フィルタ１２７は、赤色可視スペクトル及び赤外スペクトルの波長を反射することができる。他の実施形態では、フィルタ１２７は、可視スペクトルの全体又はその大部分、並びにＩＲ反射及びＩＲ照明源によって生成される光の波長の赤外スペクトルをカバーする波長を反射することができる。

さらに、以下で図４Ａ〜図４Ｈを参照してさらに詳細に述べるように、入力結合器（図２Ａ及び図２Ｂには詳細に示されていないが、図４Ａ〜図４Ｈに示されている）は、光軸１４２に心合わせされた導波路の透視壁面を通過する眼からの赤外反射を、赤外光をアイトラッキング用ＩＲセンサ１３４Ｂに向けて送る出力結合器（図２Ａ及び図２Ｂには詳細に示されていないが、図４Ａ及び図４Ｅ〜図４Ｈに示されている）に向かう方向で、導波路の光路内に送り込む。さらに、可視フィルタ及び赤外フィルタが、それらが全て光軸と同軸になるように、レンズ１１６から１１８に向かう方向に積み重ねられる可能性もある。例えば、眼を基準として可視反射要素の前方に配置された双方向性ホットミラーは、可視光は通すが、ＩＲ波長は反射する。さらに、１つ又は複数のフィルタ１２７は、可視スペクトルのフィルタリング波長と赤外スペクトルのフィルタリング波長の間で変調される活性格子として実装され得る。これは、人間の眼が検出できないほど速い速度で行われることになる。

１実施形態では、各眼は、それぞれの導波路１１２を有する。ヘッドマウントディスプレイデバイスが２つの導波路を有するときには、各眼は、両眼に同じ像を表示することも２つの眼に異なる像を表示することもできる、マイクロディスプレイ１２０をそれぞれ有することができる。さらに、ヘッドマウントディスプレイデバイスが２つの導波路を有するときには、各眼は、アイトラッキング用照明源１３４Ａ及びアイトラッキング用ＩＲセンサ１３４Ｂをそれぞれに有することができる。別の実施形態では、それぞれの眼に対して１つずつ２つの光軸を有する１つの導波路があることもあり、この導波路は、鼻ブリッジにまたがり、可視光及び赤外光を両眼に反射する。

上述の実施形態において、示されているレンズの具体的な数は、単なる例に過ぎない。同じ原理で作用する他の数及び他の構成のレンズも、使用され得る。さらに、図２Ａ及び図２Ｂは、ヘッドマウントディスプレイデバイス２の半分しか示していない。ヘッドマウントディスプレイデバイス全体は、例えば、もう１組の透視レンズ１１６及び１１８、もう１つの不透明フィルタ１１４、１つ又は複数の波長選択フィルタ１２７を有するもう１つの導波路１１２、もう１つのマイクロディスプレイ１２０、別のレンズ系１２２、物理的環境向きカメラ１１３（外向き又は前向きカメラ１１３とも呼ばれる）、アイトラッキングアセンブリ１３４、イヤホン１３０、フィルタ１２３、並びに温度センサ１３８を含むことになる。例示的なヘッドマウントディスプレイ２のさらなる詳細は、２０１０年１０月１５日出願のＦｌａｋｓ他による「Ｆｕｓｉｎｇ Ｖｉｒｔｕａｌ Ｃｏｎｔｅｎｔ Ｉｎｔｏ Ｒｅａｌ Ｃｏｎｔｅｎｔ」と題する米国特許出願公開第２０１２／００９２３２８号に与えられている。

図３Ａは、１つ又は複数の実施形態とともに使用され得る、透視型ニアアイ複合現実ディスプレイデバイス２のハードウェア構成要素及びソフトウェア構成要素の１実施形態を示すブロック図である。図３Ｂは、処理ユニット４の様々な構成要素を示すブロック図である。この実施形態では、ニアアイディスプレイデバイス２は、仮想像についての命令を処理ユニット４から受信し、センサからのデータを処理ユニット４に提供する。例えば図３Ｂに示されるように処理ユニット４内に実装され得るソフトウェア構成要素及びハードウェア構成要素は、ディスプレイデバイス２からセンサ情報を受信し、また、コンピューティングシステム１２からネットワーク５０を介してセンサ情報を受信することもできる。この情報に基づいて、処理ユニット４は、どこでいつ仮想像をユーザに対して提供するかを決定し、それに応じてディスプレイデバイス２の制御回路１３６に命令を送信する。

なお、図３Ａの構成要素の一部（例えば外向き又は物理的環境向きカメラ１１３、アイカメラ１３４、マイクロディスプレイ１２０、不透明フィルタ１１４、アイトラッキング用照明ユニット１３４Ａ、イヤホン１３０、１つ又は複数の波長選択フィルタ１２７、及び温度センサ１３８）がシャドーで示され、それらの各デバイスが、ヘッドマウントディスプレイデバイス２の左側に少なくとも１つ、右側に少なくとも１つ、合計で少なくとも２つ存在する可能性があることを示していることに留意されたい。図３Ａは、電力管理回路２０２と通信する制御回路２００を示している。制御回路２００は、プロセッサ２１０、メモリ２４４（例えばＤＲＡＭ）と通信しているメモリ制御装置２１２、カメラインタフェース２１６、カメラバッファ２１８、ディスプレイドライバ２２０、ディスプレイフォーマッタ２２２、入力結合器制御装置２２３、像解析器２２５、タイミング生成器２２６、ディスプレイ出力インタフェース２２８、及びディスプレイ入力インタフェース２３０を含む。１実施形態では、制御回路２００の全ての構成要素は、１つ又は複数のバスの専用回線を介して互いに通信する。別の実施形態では、制御回路２００の各構成要素は、プロセッサ２１０と通信する。

カメラインタフェース２１６は、２つの物理的環境向きカメラ１１３及びこの実施形態ではセンサ１３４ＢであるＩＲカメラへのインタフェースを提供し、カメラ１１３、１３４Ｂから受信するそれぞれの像をカメラバッファ２１８に記憶する。ディスプレイドライバ２２０は、マイクロディスプレイ１２０を駆動する。ディスプレイフォーマッタ２２２は、マイクロディスプレイ１２０に表示されている仮想像についての情報を、複合現実システムの処理を実行する１つ又は複数のコンピュータシステム、例えば４及び１２の、１つ又は複数のプロセッサに提供することができる。ディスプレイフォーマッタ２２２は、不透明性制御ユニット２２４に対して、表示光学系１４に対する透過率設定を特定することができる。タイミング生成器２２６は、タイミングデータをシステムに提供するために使用される。ディスプレイ出力インタフェース２２８は、物理的環境向きカメラ１１３及びアイカメラ１３４Ｂからの像を処理ユニット４に提供するためのバッファを含む。ディスプレイ入力インタフェース２３０は、マイクロディスプレイ１２０上に表示される仮想像などの像を受信するためのバッファを含む。ディスプレイ出力インタフェース２２８及びディスプレイ入力インタフェース２３０は、処理ユニット４とのインタフェースであるバンドインタフェース２３２と通信する。

入力結合器制御装置２２３は、以下でさらに詳細に述べるように、複数の電子切換え式回折格子のそれぞれがいつオンにされるかを、それらの電子切換え式回折格子のうち１度にオンにされるのが１つだけであるように制御する。像解析器２２５は、以下でさらに詳細に述べるように、ＩＲアイトラッキングカメラ１３４Ｂを用いて取得された眼の２つ以上の像を解析して、電子切換え式回折格子のうちのどの１つが、オンに切り換えられたときに眼（又はその一部分）の最も良好に焦点の合った像を提供するかを決定する。これに加えて、又は別法として、像解析器は、複数の電子切換え式回折格子のうちのどの１つ又は複数がその視野内に眼を含むかを決定することができる。

電力管理回路２０２は、電圧調整器２３４、アイトラッキング用照明ドライバ２３６、オーディオＤＡＣ／増幅器２３８、マイクロホンプリアンプ／オーディオＡＤＣ２４０、温度センサインタフェース２４２、アクティブフィルタ制御装置２３７、及びクロック生成器２４５を含む。電圧調整器２３４は、処理ユニット４からバンドインタフェース２３２を介して電力を受け取り、その電力をヘッドマウントディスプレイデバイス２の他の構成要素に提供する。照明ドライバ２３６は、例えば駆動電流又は電圧を介して、アイトラッキング用照明ユニット１３４Ａを、おおよそ所定の波長で、又は波長範囲で動作するように制御する。オーディオＤＡＣ／増幅器２３８は、オーディオデータをイヤホン１３０に提供する。マイクロホンプリアンプ／オーディオＡＤＣ２４０は、マイクロホン１１０とのインタフェースを提供する。温度センサインタフェース２４２は、温度センサ１３８とのインタフェースである。アクティブフィルタ制御装置２３７は、各波長選択フィルタ１２７が選択波長フィルタとして作用する１つ又は複数の波長を示すデータを受信する。電力管理ユニット２０２は、３軸磁力計１３２Ａ、３軸ジャイロスコープ１３２Ｂ、及び３軸加速度計１３２Ｃにも電力を提供し、それらから戻されるデータを受信する。電力管理ユニット２０２は、ＧＰＳトランシーバ１４４にも電力を提供し、ＧＰＳトランシーバ１４４から戻されるデータを受信し、またＧＰＳトランシーバ１４４にデータを送信する。

図３Ｂは、透視型ニアアイ複合現実ディスプレイユニットに関連付けられた処理ユニット４のハードウェア構成要素及びソフトウェア構成要素の１実施形態を示すブロック図である。図３Ｂは、電力管理回路３０６と通信する制御回路３０４を示している。制御回路３０４は、中央処理ユニット（ＣＰＵ）３２０、グラフィックス処理ユニット（ＧＰＵ）３２２、キャッシュ３２４、ＲＡＭ３２６、メモリ３３０（例えばＤＲＡＭ）と通信するメモリ制御装置３２８、フラッシュメモリ３３４（又はその他のタイプの不揮発性記憶装置）と通信するフラッシュメモリ制御装置３３２、バンドインタフェース３０２及びバンドインタフェース２３２を介して透視型ニアアイディスプレイデバイス２と通信するディスプレイ出力バッファ３３６、バンドインタフェース３０２及びバンドインタフェース２３２を介してニアアイディスプレイデバイス２と通信するディスプレイ入力バッファ３３８、マイクロホンに接続するための外部マイクロホンコネクタ３４２と通信するマイクロホンインタフェース３４０、無線通信デバイス３４６に接続するためのＰＣＩエクスプレスインタフェース、並びに１つ又は複数のＵＳＢポート３４８を含む。

１実施形態では、無線通信構成要素３４６は、Ｗｉ−Ｆｉ式通信デバイス、Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ通信デバイス、赤外線通信デバイス、セルラ、３Ｇ、４Ｇ通信デバイス、無線ＵＳＢ（ＷＵＳＢ）通信デバイス、ＲＦＩＤ通信デバイスなどを含み得る。無線通信構成要素３４６は、したがって、例えば別のディスプレイデバイスシステム８とのピアツーピアデータ転送、並びに無線ルータ又は携帯電話基地局を介したより大きなネットワークへの接続を可能にする。ＵＳＢポートは、処理ユニット４を別のディスプレイデバイスシステム８にドッキングするために使用され得る。さらに、処理ユニット４は、データ又はソフトウェアを処理ユニット４にロードするため、及び処理ユニット４を充電するために、別のコンピューティングシステム１２にドッキングすることができる。１実施形態では、ＣＰＵ３２０及びＧＰＵ３２２は、どこで、いつ、どのように、ユーザのビューに仮想像を挿入するかを決定する主力要素である。

電力管理回路３０６は、クロック生成器３６０、アナログ／デジタル変換器３６２、バッテリ充電器３６４、電圧調整器３６６、透視型ニアアイディスプレイ電源３７６、及び温度センサ３７４（処理ユニット４の手首バンド上に位置する）と通信する温度センサインタフェース３７２を含む。交流／直流変換器３６２は、充電ジャック３７０に接続されて、ＡＣの供給を受け、システム用のＤＣ供給を生成する。電圧調整器３６６は、システムに電力を供給するバッテリ３６８と通信する。バッテリ充電器３６４は、充電ジャック３７０から電力を受けたときに（電圧調整器３６６を介して）バッテリ３６８を充電するために使用される。デバイス電力インタフェース３７６は、ディスプレイデバイス２に電力を提供する。

導波路アイトラッキングシステム
次に、図４Ａ〜図４Ｈを使用して、本技術の様々な実施形態による導波路４１２の具体的な特徴について説明する。最初に、図４Ａ及び図４Ｂを使用して、眼４４０で反射される赤外光を収集して、その赤外光をアイトラッキングに使用するためにアイトラッキング用ＩＲセンサ（例えば図２Ｂ及び図３Ａを参照して上述した１３４Ｂ）に提供するために使用される導波路４１２の部分について説明する。したがって、導波路４１２は、アイトラッカ導波路４１２又はアイトラッキング導波路４１２と呼ばれることもある。さらに一般的には、導波路は、眼をトラッキングする際に使用される装置と呼ばれることもある。

導波路４１２は、図１〜図３Ｂを参照して上述したものなどの透視型複合現実ディスプレイデバイスシステムに組み込まれることもあるが、このシステムとの使用に限定されるわけではない。例えば、導波路４１２は、図１、図２Ａ及び図２Ｂを参照して上述した導波路１１２（又はその一部分）を実装するために使用され得る。或いは、実施態様によっては、導波路４１２は、導波路１１２に隣接して位置する、又は導波路１１２の代わりに使用される可能性もある。トラッキングされているユーザの左右の眼のそれぞれについて、別の導波路４１２が設けられることもある。図１から図３Ｂを参照して上述した透視型複合現実ディスプレイデバイスシステムで使用される場合には、導波路４１２は、透視レンズ（例えば１１６及び／又は１１８）の隣又は間に位置決めされ得、これらの透視レンズは、眼鏡で使用される標準的なレンズであってよく、任意の処方に合わせて作製され得る（度なしも含む）。或いは、導波路４１２は、眼から反射される赤外光に基づいてアイトラッキングを実行するようになされた任意のシステムとともに使用され得る。

図４Ａは、導波路４１２を含むアイトラッキングシステム４００の一部分を示す側面図であり、したがって、図４Ａに示すアイトラッキングシステムの部分は、導波路アイトラッカ４００と呼ばれることもある。導波路４１２は、入力結合器４１４及び出力結合器４２４を含む。図４Ａには、導波路４１２内の光線が出力結合器４２４の近傍で導波路４１２から出射した後でそれらの光線の角度空間を２次元（２Ｄ）空間に変換するように構成された１つ又は複数のレンズを含むレンズモジュール４３０も示されている。別の説明の仕方をすれば、撮像レンズ４３０と呼ばれることもあるレンズモジュール４３０は、角度符号化赤外光ビームを２次元（２Ｄ）空間符号化赤外光ビームに変換するために使用される。２次元空間に変換された後で、赤外光ビームは、図４Ａに示すように、アイトラッキング用ＩＲセンサ１３４Ｂの２次元平面上に入射する。アイトラッキング用ＩＲセンサ１３４Ｂは、センサ１３４Ｂに入射する２次元空間符号化赤外光ビームに応じてアイトラッキングデータを生成する。

さらに一般的には、アイトラッキング用ＩＲセンサ１３４Ｂは、出力結合器４２４で導波路４１２から出射する赤外光ビームに応じて眼４４０の像を生成する。出力結合器４２４で導波路４１２から出射する赤外光ビームは、レンズモジュール４３０を通過した後で、アイトラッキング用ＩＲセンサ１３４Ｂに入射する。上記で説明したように、レンズモジュール４３０は、出力結合器４２４で導波路４１２から出射する赤外光ビームを角度符号化赤外光ビームから２次元空間符号化赤外光ビームに変換する。或いは、レンズモジュール４３０の機能が、完全に、又は部分的に、出力結合器４２４に内蔵され、レンズモジュール４３０がない可能性もある。

一般に、導波路の入力結合器４１４は、眼４４０と軸方向に位置合わせされて、眼４４０が赤外光で照明されたときに、眼から反射された赤外光ビームが導波路４１２の入力結合器４１４に入射するようになっていることが好ましい。さらに一般的には、例えば上記で説明したように眼４４０がアイトラッキング用照明ユニット１３４Ａによって生成された赤外光で照明されたときに、赤外光は、眼４４０で反射される。

出力結合器４２４は、眼を撮像するために使用されるセンサ又はカメラ（例えばアイトラッキング用ＩＲセンサ１３４Ｂ）に極めて近接して位置することが好ましい。上述のように、このようなセンサ又はカメラは、フレーム（例えば１１５）のブロー（例えば１０３）に取り付けられる、又はブローの内部にあることがある。或いは、センサ又はカメラは、フレームのテンプル又はサイドアーム（例えば１０２）に取り付けられる、又はテンプル又はサイドアームの内部にあることがあり、この場合には、入力結合器４１４と出力結合器４２４の相対位置が９０度回転していることがある。上記で説明したように、レンズモジュール（例えば４３０）は出力結合器４２４とセンサ（例えばアイトラッキング用ＩＲセンサ１３４Ｂ）との間に配置することができる。１実施形態では、出力結合器は、部分的又は完全にレンズモジュール４３０に取って代わるレンズ屈折力を組み込んでいる。例えば、１実施形態では、出力結合器４２４は、単一の回折光学素子で、光学くさび屈折力及びレンズ屈折力を提供する。

１実施形態では、入力結合器の水平方向×垂直方向の面積は、２８ｍｍ×１６ｍｍであり、これがアイトラッキング領域である。代替の面積も可能であり、実施形態の範囲内である。出力結合器の開口は、例えば３．７ｍｍであるが、これより小さい開口、又はこれより大きい開口も可能であり、実施形態の範囲内である。レンズモジュール４３０のＦ数は、例えば１．３５とすることができるが、これより小さなＦ数、又はこれより大きなＦ数も可能であり、実施形態の範囲内である。導波路４１２の厚さは、１ｍｍ以下であることが好ましいが、これより大きな厚さも可能であり、実施形態の範囲内である。導波路４１２は、ＢＫ７光学ガラスを用いて製造され得るが、他の光学材料を使用することも可能であり、実施形態の範囲内である。アイトラッキングに使用される赤外光の波長を８５０ｎｍと仮定すると、導波路４１２は、８５０ｎｍで４２度より大きい入射角（ＡＯＩ）に対して内部全反射をもたらすことが好ましい。また、代替の赤外波長が使用され得ることも、実施形態の範囲内である。基板の臨界角未満で内部全反射を実現するために、反射コーティング４２２が導波路４１２の外側表面の空気／ガラス界面に適用されることもある。このコーティングは、入力結合器によって生成される内部角の範囲が、基板が対応し得る内部角範囲より大きい実施形態で、有用である。例えば、アイトラッキング領域が２８ｍｍ×１６ｍｍであり、射出瞳距離（眼から入力結合器までの距離）が約２０ｍｍである場合、撮像レンズに最も近い入力結合器の領域がＢＫ７の臨界角よりわずかに大きい内部角を生成する場合には、撮像レンズから最も遠い入力結合器の領域によって生成される内部角は、基本的に不可能である９０度を超える必要があることになる。或いは、入力結合器が、撮像レンズから最も遠い入力結合器の領域で約７０度の内部角を生成するように設計された場合には、撮像レンズに最も近い入力結合器の領域によって生成される内部角は、ＢＫ７の臨界角未満となり、内部反射を拡大するコーティングが必要になることになる。

次に、入力結合器４１４を含む導波路４１２の部分の拡大図である図４Ｂを使用して、１実施形態による導波路４１２のさらなる詳細について説明する。図４Ｂを参照すると、導波路４１２は、第１の透明層４０２、第２の透明層４０４、及び入力結合器４１４を含むものとして示されている。図４Ｂには詳細には示されていないが、出力結合器４２４も、同様に第１の透明層４０２と第２の透明層４０４の間に置くことができる。透明層４０２及び４０４は、ガラス又は光学プラスチックで構成され得るが、それらに限定されるわけではない。透明層４０２及び４０４が光学プラスチックで構成される場合でも、これらの層と空気との間の界面は、やはり空気／ガラス界面と呼ばれることに留意されたい。図４Ｂに示すように、入力結合器４１４は、下側境界４１５及び上側境界４１６を有し、上側境界４１６の方が下側境界４１５より出力結合器４２４に近い。

回折要素である入力結合器４１４は、入射角とは異なる回折角を有するように構成される。さらに詳細には、回折要素である入力結合器４１４は、第１の透明層４０２を通過する光の角度を、その光が透明層４０４の空気／ガラス界面に到達するときの角度が臨界角を超え、したがって導波路４１２内で内部反射されるように、調節する。この光は、上述のように、その後、出力結合器４２４で導波路４１２から出射することになる。

入力結合器４１４が赤外光で照明された眼４４０の前方に位置決めされているときには、眼４４０で反射された赤外光ビーム（その１例が、図４Ｂでは破線矢印で示されている）は、第１の透明層４０２を通過して、入力結合器４１４に入射する。これらの赤外光ビームは、入力結合器４１４で導波路４１２に進入し、内部全反射によって導波路４１２内を入力結合器４１４から出力結合器４２４まで伝搬し、出力結合器４２４の近傍で導波路４１２から出射する。別の説明の仕方をすれば、眼４４０で反射された赤外光は、入力結合器４１４によって撮像され、同時に、回折された赤外光が内部全反射の臨界角より大きな角度で導波路４１２の表面に入射するようにその赤外光を回折することによって道破モードに回折される。

入力結合器４１４は、回折格子として実装され得、その例については以下で述べる。反射性でも、回折性でも、又は屈折性でも、或いはそれらの組合せでもよい出力結合器４２４は、例えば、線状格子型の出力結合器、ホログラフィック格子型の出力結合器、プリズム、又は赤外光を導波路４１２から出射させることができる別の光学結合器として実装され得る。出力結合器４２４は、さらに、レンズモジュール４３０のレンズ屈折力の一部又は全てに取って代わることができる、処方に一体化されたレンズ屈折力を有することができる。１つのこのような実施形態では、出力結合器４２４は、光学くさび屈折力及びレンズ屈折力を有するボリュームブラッグ格子とすることができる。出力結合器４２４のレンズ屈折力は、レンズモジュール４３０のレンズ屈折力の一部又は全てを提供することができる。１実施形態では、出力結合器４２４は、例えば非球面補正を提供することによって、レンズモジュール４３０にわずかな補正を提供する。図４Ａを再度参照すると、出力結合器４２４の目的は、赤外光を導波路４１２からレンズモジュール４３０及び／又はアイトラッキング用ＩＲセンサ１３４Ｂに向かって出射させることである。この赤外光は、その後最終的に、レンズモジュール４３０（又は出力結合器４２４自体）によってアイトラッキング用ＩＲセンサ１３４Ｂ上に撮像される。アイトラッキング用ＩＲセンサは、例えば、電荷結合素子（ＣＣＤ）又はＣＭＯＳ２次元（２Ｄ）画素センサアレイとすることができるが、これらに限定されるわけではない。

１実施形態では、入力結合器４１４及び出力結合器４２４は、テレセントリシティ（telecentricity）を実現するように互いに対して相対的に位置決めされる。この状況では、入射瞳は無限遠に位置し、これにより、入力結合器は、物体空間テレセントリックになる。これは、眼４４０の直交投影をもたらすことができるので有利である。テレセントリシティは、入力結合器４１４の角度帯域幅を、眼平面からの全ての光について平行な光を中心とするように設計することによっても実現され得る。これは、必ずしも、角度帯域幅が導波路に直交する光に心合わせされることを意味するわけではない。例えば、眼平面より下の方向（眼を見上げる方向）から眼平面を見て、睫毛による掩蔽を低減すると有利であることもある。別の説明の仕方をすれば、物体空間でテレセントリシティを実現するためには、入力結合器４１４の各点の角度帯域幅は、入力結合器４１４の全ての主光線が実質的に平行である場合に、主光線に心合わせされなければならない。

１実施形態では、入力結合器４１４は、レンズ屈折力及び光学くさび屈折力を有する。入力結合器４１４のレンズ屈折力は、眼４４０と入力結合器４１４との間の距離に等しい焦点距離を有することが好ましく、これにより、赤外光（眼４４０から反射され、入力結合器４１４に入射する）が、導波路４１２内でコリメートされるので有利である。例えば、眼４４０と入力結合器４１４との間の距離が２０ミリメートル（ｍｍ）である場合には、入力格子のレンズ屈折力の焦点距離は、２０ｍｍであることが好ましい。光学くさび回折屈折力又はプリズム屈折力と呼ばれることもある光学くさび屈折力は、赤外光（コリメートされていることが好ましい）を導波モードに回折する。光学くさび屈折力は、入力結合器４１４の一部分にその上側境界４１６の付近で入射した赤外光が、導波路の空気／ガラス界面への入射角が導波路４１２の内部全反射（ＴＩＲ）角度より大きくなるように（したがって導波路４１２によって案内されるように）内部で回折されるように、選択されることが好ましい。さらに、光学くさび屈折力は、入力結合器４１４の一部分にその下側境界４１５の付近で入射した赤外光が、導波路の空気／ガラス界面への入射角が大きくなりすぎず（例えば７０度を超えず）、光線が導波路４１２の表面とほぼ平行に進行することを回避するように内部で回折されるように、選択されることが好ましい。１実施形態では、レンズ屈折力及び光学くさび屈折力は、数学的に結合され、単一の格子処方で実装される。これは、入力角の条件を満たす位相多項式を格子の表面にわたって出力角に数学的にフィッティングすることによって実現され得る。このタイプの位相多項式の生成は、クロム又はガラスなどの媒体に表面格子を生成するように電子ビームエッチング機をプログラムするために使用され得る。この表面格子を使用して、フェーズコピーマスタホログラムを生成することができ、このフェーズコピーマスタホログラムをコンタクトコピープロセスで使用して、回折格子型の入力結合器４１４を大量生産することができる。

導波路４１２内で反射されるビームは、互いに接近しており、これらのビームの間の距離は、導波路４１２内の伝搬角、導波路４１２の厚さ、及びビーム幅に依って決まる。導波路４１２の厚さは、実際的である限り薄くすることが望ましいので、導波路４１２内の異なるビームどうしが、互いに極めて近接し、場合によっては互いに重なり合うこともある。

アイトラッカ光学系は、全体としては、眼平面（例えば眼４４０に関連付けられる）からカメラセンサ平面（例えばアイトラッキング用ＩＲセンサ１３４Ｂに関連付けられる）への光を再撮像するリレーレンズ系のように作用する。１実施形態では、アイトラッキング用ＩＲセンサ１３４Ｂ（カメラセンサ又は像センサと呼ばれることもある）が物体平面（眼平面）よりはるかに小さいので、系全体の倍率は、１よりはるかに小さい（縮小である）。入力結合器４１４は、入力結合器４１４の様々な水平位置及び垂直位置に入射する様々な赤外光ビームを、それぞれ異なる反射角で導波路４１２内を伝搬させ、それらの赤外光ビームが出射する導波路４１２の表面に対するそれぞれ異なる入射角で出力結合器４２４から出射させることが好ましい。別の説明の仕方をすれば、入力結合器４１４は、入力結合器４１４に入射する赤外光ビームの角度符号化を引き起こすことにより、出力結合器４２４を通って導波路４１２から出射する赤外光ビームが、入力結合器４１４の異なる水平位置及び垂直位置に入射した赤外光ビームを区別するように（例えばアイトラッキング用ＩＲセンサ１３４Ｂによって）撮像され得るようにすることが好ましい。

上述のように、入力結合器４１４のレンズ屈折力は、眼４４０と入力結合器４１４との間の距離に等しい焦点距離を有することが好ましく、これにより、赤外光（眼４４０から反射され、入力結合器４１４に入射する）が、導波路内でコリメートされるので有利である。これは好ましい条件ではあるが、人によって鼻及びその他の顔の特徴の形状が異なり、眼の位置も異なるので、このような条件を一貫して実現することは容易ではない。さらに、同一人物でも、導波路４１２を含むＨＭＤデバイスを装着し、且つ／又はＨＭＤデバイスを調節するたびに、その人の眼と入力結合器４１４との間の距離が変化する可能性がある。眼４４０と入力結合器４１４との間の距離は、射出瞳距離と呼ばれることもあることに留意されたい。

入力結合器４１４のレンズ屈折力の焦点距離が入力結合器４１４と眼４４０の間の距離と等しくない（すなわち射出瞳距離と等しくない）ときには、内部全反射によって導波路４１２内を進行する赤外光ビームは、完全にはコリメートされないことになる。この状態の問題は、眼４４０上の同一点から（入力結合器４１４を通って）導波路内に反射された２つ以上の光ビームが、内部全反射によって入力結合器４１４から出力結合器４２４まで進行した後で、２つ以上の異なる位置で（出力結合器４２４を通って）導波路から出射することになり、これにより複数の（例えば２重、３重などの）像がレンズモジュール４３０及びアイトラッキング用ＩＲセンサ１３４Ｂによって生成されることになることである。換言すれば、眼平面内の同一点から来る２つ以上のビームが導波路４１２内で収束又は拡散して、２つ以上の別個の像がアイトラッキング用ＩＲセンサ１３４Ｂによって形成される。このような多重（例えば２重、３重など）撮像は、アイトラッキングの精度を低下させ、且つ／又はアイトラッキングの実行をはるかに複雑にするので、望ましくない。

特定の実施形態によれば、入力結合器４１４は、単一のレンズ屈折力を有し、したがって単一の焦点距離を有する単一の回折格子を含むのではなく、図４Ｃに示すように互いに平行に配列された２つ以上の電子切換え式回折格子のスタックを含む。さらに詳細には、図４Ｃを参照すると、入力結合器４１４は、４１９ａ、４１９ｂ、４１９ｃ、４１９ｄとして示される、互いに平行に配列された４つの電子切換え式回折格子のスタックを含むものとして示されている。電子切換え式回折格子４１９ａ、４１９ｂ、４１９ｃ、４１９ｄは、個別に電子切換え式回折格子４１９と呼ばれることも、集合的に電子切換え式回折格子４１９と呼ばれることもある。電子切換え式回折格子４１９のそれぞれは、それぞれのレンズ屈折力、及びそれぞれのプリズム屈折力を有する。電子切換え式回折格子４１９のそれぞれのレンズ屈折力は互いに異なり、電子切換え式回折格子のそれぞれが異なる焦点距離を有するようになっている。このような実施形態は、２つ以上の異なる焦点距離を用いてユーザの眼を撮像し、最も良好に焦点の合った像をアイトラッキングに使用するために選択することを可能にする。さらに詳細には、このような実施形態は、アイトラッキング用ＩＲセンサ１３４Ｂを用いて取得される眼の２つ以上の像を解析して、電子切換え式回折格子４１９のうちのどの１つが、オンに切り換えられたときに眼又はその一部分の最も良好に焦点の合った像（例えば最も良好に焦点の合った眼の瞳孔の像）を提供するかを決定することを可能にする。

例えば、潜在的な射出瞳距離範囲が、７ｍｍから２７ｍｍで、その幅が２０ｍｍであるものと仮定する。図４Ｃのように電子切換え式回折格子４１９が４つある場合には、電子切換え式回折格子４１９のそれぞれは、２０ｍｍの射出瞳距離範囲の異なる５ｍｍ幅を中心とする焦点距離を有することができる。この例で説明を続けると、この４つの電子切換え式回折格子４１９の４つの異なる焦点距離は、９．５ｍｍ、１４．５ｍｍ、１９．５ｍｍ、及び２４．５ｍｍとすることができる。さらに詳細な例では、電子切換え式回折格子４１９ａの焦点距離を９．５ｍｍとし、電子切換え式回折格子４１９ｂの焦点距離を１４．５ｍｍとし、電子切換え式回折格子４１９ｃの焦点距離を１９．５ｍｍとし、電子切換え式回折格子４１９ｄの焦点距離を２４．５ｍｍとすることができる。或いは、電子切換え式回折格子４１９の順序は焦点距離が短い方から長い方に並べなければならないというわけではないので、この順序を並べ替えることもできる。或いは、入力結合器４１４は、４つを超える、又は４つ未満の電子切換え式回折格子４１９のスタックを含むこともできる。さらに一般的には、図４Ｃを参照して述べている実施形態では、入力結合器４１４は、互いに平行に配列された２つ以上の電子切換え式回折格子４１９のスタックを含み、この電子切換え式回折格子４１９のそれぞれは、それぞれのレンズ屈折力及びそれぞれのプリズム屈折力を有し、電子切換え式回折格子４１９のそれぞれのレンズ屈折力は互いに異なり、電子切換え式回折格子のそれぞれが異なる焦点距離を有するようになっている。プリズム屈折力は、複数の電子切換え式回折格子４１９の全てで同じにすることもできるが、そのようにする必要があるわけではない。

１実施形態によれば、電子切換え式回折格子のそれぞれは、電子切換え式ブラッグ格子（ＥＳＢＧ）である。このような実施形態では、電子切換え式ブラッグ格子は、トラッキングされている眼を照明する赤外光の赤外波長と一致するブラッグ波長を有することになる。別の実施形態によれば、電子切換え式回折格子のそれぞれは、電子切換え式ニオブ酸リチウム回折格子である。さらに別の実施形態では、電子切換え式回折格子のそれぞれは、電子切換え式ＰＯＬＹＣＲＩＰＳ回折格子である。他のタイプの電子切換え式回折格子を使用することも可能であり、本技術の範囲内である。

電子切換え式回折格子４１９のスタックは、第１の透明層４０２と第２の透明層４０４の間に挟まれ、この第１の透明層４０２及び第２の透明層４０４は、上述のようにガラス又は光学プラスチックで構成され得るが、これに限定されるわけではない。１実施形態によれば、電子切換え式回折格子４１９のそれぞれは、それぞれの透明層（ガラス又は光学プラスチックで構成される）の対を含み、それらの間に、２つの異なる値の間で切り換えることができる屈折率を有する材料（例えばホログラフィック高分子分散液晶）が位置する。このような透明層は、例えば、これらに限定されるわけではないが、インジウムスズ酸化物（ＩＴＯ）、アルミニウムドープ酸化亜鉛（ＡＺＯ）、又はインジウムドープ酸化カドミウムなどの透明導電性酸化物（ＴＣＯ）で構成された透明導電性膜（ＴＣＦ）でコーティングされ得る。別の例では、各電子切換え式回折格子４１９の透明層の対をコーティングする透明導電性膜は、例えば、これらに限定されるわけではないが、ポリ（３、４−エチレンジオキシチオフェン）（ＰＥＤＯＴ）又はポリ（４、４−ジオクチルシクロペンタジチオフェン）などの透明導電性高分子で構成され得る。このような透明導電性膜は、電子切換え式回折格子４１９の両側の間に電位差を選択的に印加して、それらを選択的にオン／オフにするために使用される。

電子切換え式回折格子４１９のそれぞれは、常時オン、又は常時オフにすることができる。電子切換え式回折格子４１９が常時オンである場合、それは、格子の２つの側の間に電位差が印可されないときに、格子がオンにされ、格子の両側の間に電位差が印可されると、格子がオフになることを意味する。電子切換え式回折格子４１９が常時オフである場合、それは、格子の両側の間に電位差が印可されないときに、格子がオフにされ、格子の両側の間に電位差が印可されると、格子がオンにされることを意味する。電子切換え式回折格子４１９がオフにされると、ユーザの眼から反射されて格子に入射する赤外光は、基本的に格子が存在しないかのように格子を通過する。さらに詳細には、電子切換え式回折格子４１９がオフになると、その屈折率が導波路の周囲の高分子の屈折率とほぼ一致して、格子がそこに入射する赤外光に対して基本的に透明になる。電子切換え式回折格子４１９がオンにされると、ユーザの眼から反射されて格子に入射する赤外光は、導波路４１２に結合され、導波路４１２内を内部全反射によってオン状態の格子から出力結合器４２４まで伝搬し、出力結合器４２４の近傍で導波路から出射する。

１実施形態によれば、入力結合器制御装置２２３（図３Ａの説明で紹介されている）は、１度にオンにされる電子切換え式回折格子が１つだけであるように、電子切換え式回折格子４１９のオン／オフを制御する。個々の電子切換え式回折格子４１９がそれぞれオンである間に、ＩＲアイトラッキングセンサ１３４Ｂは、ユーザの眼から反射されて、入力結合器４１４のオン状態の格子４１９において導波路４１２に進入し、内部全反射によって導波路４１２内を伝搬し、出力結合器４２４で導波路４１２から出射する赤外光ビームに応じて、眼を撮像する（すなわち眼の像を生成する）。例えば、図４Ｃを参照すると、電子切換え式回折格子４１９ａがオンである（格子４１９ｂ、４１９ｃ、及び４１９ｄはオフである）間、ＩＲアイトラッキングセンサ１３４Ｂは、ユーザの眼から反射されてオン状態の格子４１９ａで導波路４１２に進入する赤外光ビームに応じて眼を撮像する（すなわち眼の像を生成する）。さらに図４Ｃを参照すると、電子切換え式回折格子４１９ｂがオンである（格子４１９ａ、４１９ｃ、及び４１９ｄはオフである）間、ＩＲアイトラッキングセンサ１３４Ｂは、ユーザの眼から反射されてオン状態の格子４１９ｂで導波路４１２に進入する赤外光ビームに応じて眼を撮像する。電子切換え式回折格子４１９ｃがオンである（格子４１９ａ、４１９ｂ、及び４１９ｄはオフである）間、アイトラッキング用ＩＲセンサ１３４Ｂは、ユーザの眼から反射されてオン状態の格子４１９ｃで導波路４１２に進入する赤外光ビームに応じて眼を撮像する。最後に、電子切換え式回折格子４１９ｄがオンである（格子４１９ａ、４１９ｂ、及び４１９ｃはオフである）間、アイトラッキング用ＩＲセンサ１３４Ｂは、ユーザの眼から反射されてオン状態の格子４１９ｄで導波路４１２に進入する赤外光ビームに応じて眼を撮像する。

電子切換え式回折格子４１９のうち実際の射出瞳距離に最も近い焦点距離を有する１つを使用して取得される眼の像が、複数の像のうちで最も良好に焦点の合った像となる。１実施形態によれば、像解析器２２５（図３Ａの説明で紹介されている）は、アイトラッキング用ＩＲセンサを用いて取得された眼の複数の像を解析して、電子切換え式回折格子４１９のうちのどの１つが、オンに切り換えられたときに、眼又はその一部分（例えば眼の瞳孔）の最も良好に焦点の合った像を提供するかを決定する。特定の実施形態によれば、像解析器２２５は、当技術分野で周知の１つ又は複数の自動焦点技術を使用して、複数の電子切換え式回折格子４１９（それぞれ異なる焦点距離を有する）のうちのどの１つが最も良好に焦点の合った像を提供するかを決定することができる。このような自動焦点技術は、例えば、解像度、コントラスト、及び／又はエントロピの測度を決定して、像の鮮鋭度のメトリック、又はより一般的には焦点のメトリックを決定することができる。例えば、解像度のメトリックは、合焦のメトリックとして決定され、使用され得る。像が焦点外れになり、解像度が失われるにつれて、像の細部はぼけるので、解像度が高くなるほど、合焦は良好になる。特定の実施形態では、解像度のメトリックは、フーリエ周波数スペクトルの高周波数成分である。別の例として、コントラストのメトリックも、合焦のメトリックとして決定され、使用され得る。像は、合焦しているときの方が、合焦していないときより鮮鋭であり、これにより、像の隣接する画素どうしの間のコントラストが高くなる。特定の実施形態では、プロットの傾きを解析して、コントラストのメトリックを決定することができ、この場合には、傾きが急になるほど、コントラストが高くなり、したがって合焦は良好になる。これらは、使用され得る自動焦点技術のうちのごく一部の例に過ぎず、全てを包含しているわけではない。このような技術は、回路、及び／又はプロセッサ（例えば２１０）を使用して実行されるアルゴリズムを用いて、実施され得る。換言すれば、像解析モジュールは、ハードウェア、ファームウェア、又はソフトウェア、或いはそれらの組合せを用いて実装され得る。

１実施形態によれば、最も良好に焦点の合った像を提供する電子切換え式回折格子４１９が特定されたら、入力結合器制御装置２２３（図３Ａの説明で紹介されている）は、最も良好に焦点の合った眼の像を提供する電子切換え式回折格子４１９のうちの１つがアイトラッキング中に眼の撮像に使用されるようにする。電子切換え式回折格子４１９のそれぞれが常時オフである場合には、入力結合器制御装置２２３は、最も良好に焦点の合った眼の像を提供する格子４１９の対向する側面の間に適当な電位差が印加されるようにして、アイトラッキングが実行されている間、その格子４１９をオンにする。電子切換え式回折格子４１９のそれぞれが常時オンである場合には、入力結合器制御装置２２３は、最も良好に焦点の合った眼の像を提供しない１つ又は複数の格子４１９の対向する側面の間に適当な電位差が印加されるようにして、アイトラッキングが実行されている間、それらの格子４１９をオフにする。

本技術の特定の実施形態は、眼４４０と入力結合器４１４の間の距離（すなわち射出瞳距離）が入力結合器４１４の焦点距離と正確に同じでないときの導波路アイトラッカ４００に付きものの多重像の効果を低減し、好ましくは最小限に抑える。いくつかのこのような実施形態は、接線方向（すなわち伝搬方向）に極めて狭い角度帯域幅を有するように入力結合器４１４を設計することによって、多重像の間の距離を低減し、好ましくは最小限に抑えることによって、これを行う。さらに詳細には、１実施形態によれば、入力結合器４１４の角度帯域幅（ＡＢＷ）は、５度未満、好ましくは２度未満、さらに好ましくは１度から２度の間、さらに好ましくは１．５度以下である。

本明細書で使用される、入力結合器４１４などの回折格子の角度帯域幅（ＡＢＷ）という用語は、回折効率（ＤＥ）がピークＤＥの５０％以上になる、入射角のピークＤＥ周りの角度範囲である。したがって、本明細書では、ＡＢＷは、より正確に半値幅（ＦＷＨＭ）ＡＢＷと呼ばれることもある。このような狭いＡＢＷを有する回折格子は、容易に設計され製造され得るので有利である。

ＡＢＷをこのような狭い角度に制限することにより、眼４４０上の同一点から反射される赤外光が導波路内でコリメートされない可能性がある範囲が、かなり制限される。換言すれば、入力結合器４１４のこの極めて狭いＡＢＷは、眼４４０上の同一点から反射される（そして入力結合器４１４で導波路に進入する）赤外光ビームが、導波路４１２内で完璧にコリメートされている状態からどの程度逸脱する可能性があるかを制限する。さらに一般的には、狭いＡＢＷを有する入力結合器４１４を使用することにより、眼から反射される光の円錐角が制限され、これにより撮像の被写界深度が増大し、これにより導波路アイトラッカ４００が眼と入力結合器４１４の間の距離の範囲に適合するようになる。

当技術分野で既知の通り、回折格子は、特定の波長の周りの波長範囲（帯域幅）で大きな回折効率が得られるように、屈折率の周期的変動を有するように設計され得る。例えば、回折格子がボリュームブラッグ格子である場合には、回折波長λＢ（ブラッグ波長とも呼ばれる）は、ブラッグ条件ｓｉｎ _Ｂ＝ _Ｂ／（２ｎ_ｅｆｆ）で定義され、導波路の有効屈折率（ｎｅｆｆ）及び一定のブラッグ入射方向_Ｂの格子周期（Λ）に比例する。ボリュームブラッグ格子は、格子周期（Λ）を定義する格子面（干渉縞、干渉縞面、又はブラッグ面とも呼ばれる）を含む。ボリュームブラッグ格子のＫベクトルは、これらのブラッグ面に対して直角である（すなわち直交する）。１実施形態によれば、ブラッグ波長λＢは、アイトラッキングに使用される赤外光の波長と一致する（すなわち実質的に等しい）。より一般的には、回折格子のＫベクトルは、回折格子の格子面に対して直角である（すなわち直交する）。

再度図４Ｂを参照すると、赤外光ビーム（破線矢印で示される）が入力結合器４１４の４１８と標識される領域で回折されると、この赤外光ビームは、高い効率で導波モードに回折される。入力結合器４１４の処方が、４２０と標識される領域において、４１８と標識される領域と全く同じである場合には、赤外光（点線矢印で示される）の高い割合が、４２０と標識される領域で導波路の外部に回折されることになる。これは、（入力結合器４１４によって）導波路４１２内に回折される赤外光の一部分が出力結合器４２４に到達しなくなり、それによりデバイスの全体としての光学的効率が有意に低下し、像処理の用語で言えば、信号対雑音比（ＳＮＲ）が低下するので、望ましくない。

特定の実施形態では、入力結合器４１４によって導波路の外部に回折される赤外光の量を低下させ、好ましくは最小限に抑えるために、入力結合器４１４の処方が、入力結合器４１４の下側境界４１５と上側境界４１６の間で変化する。これは、入力結合器４１４の電子切換え式回折格子４１９のそれぞれを、４２０と標識される領域における格子４１９のｋベクトルが４１８と標識される領域におけるｋベクトルから十分にシフトされるように設計することによって実現される。これにより、効率曲線のピークが、角度にして、入力結合器４１４の４２０と標識される領域及びその他の領域において導波路の外部に回折される（すなわち外結合される）赤外光の量を有意に低下させるのに十分にシフトされることになるので好ましい。さらに、格子周期（すなわち隣接する格子面どうしの間の距離）、したがって格子周波数（格子周期の逆数）が、入力結合器４１４の電子切換え式回折格子４１９のそれぞれの下側境界４１５と上側境界４１６の間で変化して、光学くさび屈折力とレンズ屈折力の所望の組合せを実現する。

さらに詳細には、特定の実施形態によれば、入力結合器４１４の電子切換え式回折格子４１９のそれぞれは、その下側境界４１５において、その上側境界４１６におけるｋベクトル角より大きなｋベクトル角を有し、下側境界４１５と上側境界４１６の間のｋベクトル角は、徐々に減少する。このような回折格子４１９は、変動ｋベクトル、又はロールドｋベクトルを有すると言われることもある。赤外光が導波路４１２内で伝搬される方向に沿って回折格子４１９のｋベクトル角を変化させることにより、導波路４１２内に結合された赤外光のほとんど（好ましくは全て、又は実質的に全て）が、出力結合器４２４によって外結合される点まで内部全反射によって導波路４１２内を伝達されるような、赤外光の導波路４１２内への効率的な結合が実現される。

特定の実施形態によれば、入力結合器４１４の電子切換え式回折格子４１９のそれぞれは、その下側境界４１５において、その上側境界４１６より小さな格子周期（格子間隔と呼ばれることもある）を有し、下側境界４１５と上側境界４１６の間の格子周期は徐々に増大する。このような回折格子は、変動格子周期を有すると言われることもある。これは、入力結合器４１４の電子切換え式回折格子４１９のそれぞれが、その下側境界４１５において、その上側境界４１６より大きな格子周波数を有し、下側境界４１５と上側境界４１６の間の格子周波数は徐々に減少する、と言うことと同じである。このような入力結合器４１４の電子切換え式回折格子４１９のそれぞれは、変動格子周波数を有すると言われることもある。

１実施形態では、入力結合器４１４の各電子切換え式回折格子４１９のレンズ屈折力及び光学くさび屈折力は、格子周波数を変化させることによって実現される。レンズ屈折力は、眼平面からの光を合焦させる。射出瞳距離（眼の瞳孔平面から入力回折格子までの距離）が回折レンズの焦点距離と等しいときには、光はレンズ屈折力によってコリメートされる。光学くさび屈折力構成要素は、このコリメートされた光を、基板の最小回折角が基板内の内部全反射（ＴＩＦ）の臨界角を超えるように、したがって導波路内を案内されるように回折させる。入力結合器４１４の下側部分（下側境界４１５の付近）に入射した光は、上側部分（上側境界４１６の付近）に入射した光より大きな角度で回折され、入力結合器４１４の電子切換え式回折格子４１９のレンズ屈折力及び光学くさび屈折力の組合せによって伝搬する。ピーク効率が得られる入力角は全て実質的に同じであるので、入力結合器４１４の回折格子４１９の構成光学系の第１のビームは、ほぼ平行になることになる。回折力は、回折レンズ屈折力及び光学くさび屈折力の組合せに従って変化するので、回折記録用の第２の構成ビームは、実質的に収束することになる。１実施形態によれば、これら２つのビームの組合せが回折格子をもたらし、それにより、ｋベクトルが自然に変化する。２つの構成ビームは、回折効率及び回折力が入力結合器４１４の効率及び幾何学的性質に合うように最適化されるように、最適化されることが好ましい。

以下の表は、下側境界４１５と上側境界４１６の間の総距離が１６ｍｍである入力結合器４１４のこのような電子切換え式回折格子４１９の例示的なｋベクトル角、並びに格子周期及び格子周波数を示している。

上記の表では、簡潔性及び整合性の点から、入力結合器４１４の電子切換え式回折格子に入射する赤外光ビームのゼロ度の入射角があるものと仮定されている。ただし、必ずしもそのようになっている必要はなく、本明細書に記載される実施形態は、この条件に限定されない。

回折格子のＫベクトルは、定義によれば、回折格子の干渉縞面に直角である（すなわち直交する）。本明細書で使用されるｋベクトル角という用語は、図４Ｄから理解されるように、回折格子の面法線に対するｋベクトルの角度を指す。図４Ｄを参照すると、２つの干渉縞面４２４（多数の干渉縞面のうちの２つであり、その他は示されていない）が示されている。また、図４Ｄには、回折格子の表面に対して直角な破線４３０も示されている。２つのｋベクトルも示されており、これらはそれぞれの干渉縞面４２４に対して直交し、それぞれ回折格子の面法線に対して異なるｋベクトル角を有する。

上述のように、特定の実施形態によれば、入力結合器４１４の電子切換え式回折格子４１９のそれぞれは、ロールドｋベクトルを有し、その下側境界４１５におけるｋベクトル角は、その上側境界４１６におけるｋベクトル角より大きく、下側境界４１５と上側境界４１６の間のｋベクトル角は徐々に減少する。このようなロールドｋベクトルを狭いＡＢＷと組み合わせて使用することは、アイトラッキング用ＩＲセンサ１３４Ｂに到達する反射赤外光の量を実質的に最大にする助けになるので有利である。ロールドｋベクトルは、導波路４１２を含むヘッドマウントディスプレイデバイス（例えばデバイス２）の装着者に見えるレインボー効果を生じる可能性があり望ましくない色フレアの量を低減する助けにもなる。入力結合器が高いＡＢＷを有する場合には、広スペクトル照明（例えば太陽又はタングステン電球によって生成される）が入力結合器に進入して導波モードに回折されたときにレインボー効果が見えるようになる可能性があることが、実験から分かっている。このような広スペクトル照明の回折角は、回折方程式によって指定されるように、異なる光の波長ごとに異なる。入力結合器で導波路に進入した光ビームの一部は、それらのビームが導波路内を出力結合器に向かって伝搬する際に、さらに１回又は複数回入力結合器に入射する。この光の一部が、導波路の外部へユーザの眼の方向に回折される可能性がある。回折格子の干渉縞面どうしの間の間隔が導波路の長さに沿って変化するので、導波路から出射する回折角は、導波路に進入する角度とは異なる。これが、光（例えば白色光）を複数のスペクトル線に分割させる可能性があり、これによりレインボー効果が生じる。ただし、広いＡＢＷの代わりに狭いＡＢＷを使用することにより、このようなレインボー効果は、実質的に解消され得るので有利である。この機構は、屈折率の変調が低いホログラムによってサポートされる。これは、比較的大きな視野に対応するために高変調ホログラムである必要がある、像を表示するために使用されるホログラムに一般的に望まれるものとは対照的である。

アイモーションボックスとは、ユーザの眼４４０が依然として入力結合器４１４の視野（ＦＯＶ）内にある、したがってＩＲアイトラッキングセンサ１３４ＢのＦＯＶ内にある間に動く可能性がある領域を表す。アイモーションボックスの例示的なサイズは、１６ｍｍ×２８ｍｍ（垂直方向×水平方向）である。前述の電子切換え式回折格子４１９のそれぞれは、アイモーションボックス全体を撮像するように使用され得る。或いは、アイモーションボックスを複数のゾーンに分割して、第１の電子切換え式回折格子４１９（又は互いに平行に配列された電子切換え式回折格子４１９の第１のスタック）が、第２の電子切換え式回折格子４１９（又は互いに平行に配列された電子切換え式回折格子４１９の第２のスタック）と隣接するようにして、第２の電子切換え式回折格子４１９（又は電子切換え式回折格子４１９の第２のスタック）が第１の電子切換え式回折格子４１９（又は電子切換え式回折格子４１９の第１のスタック）によって与えられる視野とは異なる視野を与えるようにすることもできる。

第１及び第２の電子切換え式回折格子４１９は、電子切換え式回折格子４１９の各スタックがこの例示的な１６ｍｍ×２８ｍｍのアイモーションボックスの水平方向の半分を撮像するように、すなわちそれぞれ８ｍｍ×２８ｍｍを撮像するように、水平方向に互いに隣接して配置され得る。同様に、電子切換え式回折格子４１９の第１及び第２のスタックは、電子切換え式回折格子４１９の各スタックがこの例示的な１６ｍｍ×２８ｍｍのアイモーションボックスの水平方向の半分を撮像するように、すなわちそれぞれ８ｍｍ×２８ｍｍを撮像するように、水平方向に互いに隣接して配置され得る。

或いは、第１及び第２の電子切換え式回折格子４１９は、各電子切換え式回折格子４１９がこの例示的な１６ｍｍ×２８ｍｍのアイモーションボックスの垂直方向の半分を撮像するように、すなわちそれぞれ１６ｍｍ×１４ｍｍを撮像するように、垂直方向に互いに隣接して配置され得る。同様に、電子切換え式回折格子４１９の第１及び第２のスタックは、電子切換え式回折格子４１９の各スタックがこの例示的な１６ｍｍ×２８ｍｍのアイモーションボックスの垂直方向の半分を撮像するように、すなわちそれぞれ１６ｍｍ×１４ｍｍを撮像するように、垂直方向に互いに隣接して配置され得る。

また、アイモーションボックスを複数の水平方向ゾーン及び複数の垂直方向ゾーンに分割することも可能である。例えば、アイモーションボックスが４つのゾーンに分割され、２×２パターンに配列された４つの電子切換え式回折格子４１９（又はそのスタック）を含む入力結合器４１４を用いて撮像されることもある。アイモーションボックスの撮像を複数のゾーンに分割するために複数の電子切換え式回折格子４１９（又はそのスタック）を使用するだけでなく、複数の電子切換え式回折格子４１９（又はそのスタック）を使用して、アイモーションボックスの全体のサイズを拡大して、さらに大きな瞳孔間距離（ＩＰＤ）のばらつき及びその他の眼の位置及び顔の特徴のばらつきに対応することもできる。

より一般的には、入力結合器４１４の２つ以上の電子切換え式回折格子４１９（又はそのスタック）は、垂直方向に互いに重ねて配列され得る。別法として、又はこれに加えて、２つ以上の電子切換え式回折格子４１９（又はそのスタック）は、水平方向に互いに並べて配列され得る。このような実施形態では、入力結合器制御装置２２３は、１度にオンにされる格子４１９が１つだけであるように、この複数の電子切換え式回折格子４１９を制御することができる。このような実施形態では、眼は、複数のフレームで撮像される可能性がある。また、眼は、これらの格子４１９又はそのスタックのうちの１つＦＯＶ内にしかなく、したがって依然として単一のフレームで撮像することができることもある。

図４Ｅは、入力結合器４１４及び出力結合器４２４を含む導波路４１２であり、入力結合器４１４が電子切換え式回折格子４１９（又はそのスタック）を含む導波路４１２を示す例示的な正面図である。図４Ｆは、４１９ａ及び４１９ｂと標識される２つの電子切換え式回折格子（又はそのスタック）を水平方向に互いに隣接するように位置決めすることによって、アイモーションボックスがどのようにして２つのゾーンに分割され得るかを示す図である。図４Ｇは、４１９ａ及び４１９ｂと標識される２つの電子切換え式回折格子（又はそのスタック）を垂直方向に互いに隣接するように位置決めすることによって、アイモーションボックスがどのようにして２つのゾーンに分割され得るかを示す図である。図４Ｈは、４１９ａ、４１９ｂ、４１９ｃ、及び４１９ｄと標識される２×２のタイリングの電子切換え式回折格子（又はそのスタック）を使用して、アイモーションボックスがどのようにして４つのゾーンに分割され得るかを示す図である。これらは、入力結合器４１４の複数の電子切換え式回折格子４１９又は複数の電子切換え式回折格子４１９のスタックがどのようにして配列され得るかを示す単なるいくつかの例に過ぎず、全てを包含するように意図されたものではない。

図４Ｆ〜図４Ｈを参照して説明した実施形態では、入力結合器４１４は、電子切換え式回折格子のうちの少なくともいくつかが互いに異なる視野を有するように互いに対して配列された複数の電子切換え式回折格子４１９を含む。入力結合器４１４の電子切換え式回折格子４１９のそれぞれは、オンにされたときに、赤外光を受け、受けた赤外光を導波路４１２内に結合する。特定の実施形態では、入力結合器制御装置２２３は、１度にオンにされる電子切換え式回折格子４１９が１つだけであるように、電子切換え式回折格子４１９のそれぞれがいつオンにされるかを制御する。アイトラッキング用ＩＲセンサ１３４Ｂは、出力結合器４２４で導波路４１２から出射する赤外光ビームに応じて眼を撮像する。１実施形態によれば、像解析モジュール２２５は、センサを用いて取得された像を解析して、電子切換え式回折格子４１９のうちのどの１つ又は複数が、オンにされたときに、眼又はその一部をその視野内に含むかを決定する。格子４１９のうちの１つが眼の全体（又は眼の関心部分の全体）をその視野内に含む場合には、その後は、その格子４１９が、アイトラッキングに使用され得る。また、眼（又は眼の関心部分）が部分的に複数の格子４１９の視野内にあることもあり、その場合には、電子切換え式回折格子４１９のうちの複数を用いた像取得が、アイトラッキングに使用され得る。

電子切換え式回折格子（又はそのスタック）を水平方向及び／又は垂直方向に互いに隣接するように配列することは、タイリングと呼ばれることがある。電子切換え式回折格子（又はそのスタック）を互いに隣接するようにタイリングする１つの理由は、眼の像の特殊な解像度を低下させることなく、アイモーションボックスを拡大するためである。例えば、アイトラッキング用ＩＲセンサ１３４Ｂの解像度を高めることなくアイモーションボックスのサイズを２倍にすることが望ましい場合には、隣接する電子切換え式回折格子（又はそのスタック）の数を単純に２倍にすればよい。逆に、タイリングの程度を高めることにより、このようなタイリングを使用して、アイトラッキング用ＩＲセンサ１３４Ｂの解像度を低下させることもできる。電子切換え式回折格子（又はそのスタック）をタイリングすることの別の利点は、このようなタイリングを使用すると、導波路内の大きな入射角を実質的に回避することができることである。

図５は、どのようにしてレンズ屈折力及び光学くさび屈折力が２ビームプロセスに結合されてマスタホログラムを生成することができるか、そしてそのマスタホログラムがコンタクトコピープロセスで使用されて入力結合器４１４の回折格子４１９を生成することができるかを示す図である。図５を参照すると、第１の表面５０２、カバーレンズ５０４、記録されているマスタホログラムを生成するために使用されるホログラフィック記録媒体５０６、軸外しレンズ系５０８、及び第２の表面５１０が示されている。ホログラフィック記録媒体５０６は、重クロム酸ゼラチン又は感光性重合体とすることができるが、これらに限定されるわけではない。第１のビームは、第１の表面５０２から発出するコリメートされたビームによって生成される。第１のビームは、カバーレンズ５０４によって収束した後で、記録媒体５０６に入射する。第２のビームは、第２の表面５１０から発出するコリメートされたビームによって生成される。このビームは、軸外しレンズ系５０８及びカバーレンズ５０４によって修正された後で、記録媒体に入射する。この２つのビームが互いに干渉して、ホログラフィック記録媒体５０６に干渉縞を生成し、それによりマスタホログラムを生成する。このようなマスタホログラムは、その後、コンタクトコピーを使用して入力結合器４１４の回折格子４１９を大量生産するために使用され得る。コンタクトコピーのレンズ屈折力又は回折力は、マスタホログラムがコピーと直接接触している場合にのみ同じになる。マスタとコピーとの間に隙間又は距離がある場合には、マスタホログラムは、この隙間を補償するように設計されなければならない。

図６は、アイトラッキングで使用される方法を概説するために使用される流れ図である。図６を参照すると、ステップ６０２で、導波路の入力結合器がほぼ軸方向に眼と位置合わせされている間に、眼が赤外光で照明される。図４Ｃを参照して上述した特定の実施形態によれば、入力結合器は、互いに平行に配列された２つ以上の電子切換え式回折格子のスタックを含む。電子切換え式回折格子のそれぞれは、それぞれのレンズ屈折力及びそれぞれのプリズム屈折力を有し、電子切換え式回折格子のそれぞれのレンズ屈折力は互いに異なり、電子切換え式回折格子のそれぞれは異なる焦点距離を有するようになっている。

引き続き図６を参照すると、ステップ６０４は、電子切換え式回折格子のそれぞれが別々の期間だけ個別にオンにされるように、入力結合器の電子切換え式回折格子のうち、１度に１つだけを選択的にオンにさせることを含む。ステップ６０６は、入力結合器の下側境界から上側境界までの間で徐々に減少するｋベクトル角を使用して、入力結合器によって導波路内に結合される赤外光の少なくとも大部分（好ましくはその全て、又は実質的に全て）を導波路内を導波路の出力結合器まで伝搬させることを含む。また、ステップ６０６、又は別のステップは、５度以下の入力結合器の角度帯域幅を使用して、眼上の同一点から反射された後で導波路内に結合される異なる赤外光ビームが、それらの異なる赤外光ビームが入力結合器から出力結合器まで伝搬するときにコリメートされない状態であることができる程度を制限することを含むこともできる。ステップ６０８に示すように、導波路の出力結合器を使用して、入力結合器から出力結合器まで伝搬した赤外光ビームを導波路から出射させる。

ステップ６１０は、入力結合器の電子切換え式回折格子のそれぞれが別個にオンにされる間に、導波路の出力結合器で導波路から出射する赤外光ビームに応じて眼を別個に撮像することにより、眼の２つ以上の像を取得することを含む。例えば、図４Ｂのように、入力結合器が互いに平行に配列された４つの電子切換え式回折格子のスタックを含み、そのそれぞれがそれぞれの焦点距離を有する場合には、眼の４つの像が、ステップ６１０で取得され得る。

ステップ６１２は、眼の２つ以上の像を解析して、入力結合器の電子切換え式回折格子のうちのどの１つが、オンにされたときに、眼又はその一部分の最も良好に焦点の合った像を提供するかを決定することを含む。本明細書で使用される「最も良好」という用語は、相対的な用語であり、最適を指すことを意図しているわけではない。換言すれば、複数の像のうちの最も良好に焦点の合った像は、必ずしも完全に焦点の合った像というわけではない。そうではなくて、最も良好に焦点の合った像とは、複数の像のうち、他の像よりも焦点が合っている像のことである。上記でさらに詳細に説明されている特定の実施形態によれば、ステップ６１２は、２つ以上の像のそれぞれの解像度、コントラスト、又はエントロピのうちの少なくとも１つの測度を決定し、それによりその２つ以上の像のそれぞれの合焦のメトリックを決定することを含むことができる。ステップ６１２は、また、２つ以上の像のうちのどの１つが最大の合焦のメトリックを有するかを決定し、入力結合器の電子切換え式回折格子のうち、その最大の合焦のメトリックを有する像を取得するために使用された１つを、眼又はその一部分の最も良好に焦点の合った像を提供する電子切換え式回折格子として選択することも含むことができる。

ステップ６１４は、眼又はその一部分の最も良好に焦点の合った像を提供する入力結合器の電子切換え式回折格子がオンである間に導波路に進入した赤外光ビームに応じてアイトラッキングデータを生成することを含む。ステップ６１６は、アイトラッキングデータに基づいて適用の態様を制御又は修正することを含む。より一般的には、アイトラッキングは、眼又はその一部分の最も良好に焦点の合った像を提供する入力結合器の電子切換え式回折格子がオンである間に取得された眼の１つ又は複数の像を使用して実行される。上記で説明したように、これは、アイトラッキング用ＩＲセンサ（例えば１３４Ｂ）を使用して実現され得る。このセンサは、例えば、電荷結合素子（ＣＣＤ）又はＣＭＯＳ画素センサアレイとすることができるが、これらに限定されるわけではない。アイトラッキングデータのいくつかの例は、赤外カメラの像データ、又は位置敏感検出器（ＰＳＤ）によってグリントについて検出された位置である。アイトラッキングデータは、例えば、ユーザが注視している現実又は仮想の１つ又は複数の物体を示す注視点を決定するために使用され得る。換言すれば、アイトラッキングデータは、ユーザが視ている方向又は物体を決定するために使用され得る。当技術分野で既知の通り、アイトラッキングは、両眼転動、瞳孔間距離（ＩＰＤ）、視線決定、眼球運動に基づくコマンド、バイオメトリクス認証を測定することを含むことができるが、これらに限定されるわけではない。

眼窩内の瞳孔の位置は、ＩＲセンサがＩＲカメラであるときには既知の撮像技術によって、或いは位置敏感検出器（ＰＳＤ）の一種を使用して、特定され得る。さらに具体的な例では、瞳孔の位置は、ＩＲ照明が実質的に軸上であるときに網膜からの反射を検出する既知の撮像技術によって特定され得る。この実施形態では、網膜で反射する光は、その周囲の光彩で反射する光より明るい。この実施形態は、一般に、アイトラッキングの明瞳孔法と呼ばれる。別の実施形態では、ＩＲ照明は、実質的に軸外れである。この実施形態では、眼の瞳孔に進入する光は、網膜によってＩＲカメラに反射されない。この場合には、ＩＲカメラに到達する瞳孔内の光は、光彩からＩＲカメラ内に反射される光よりはるかに少ない。この実施形態は、一般に、暗瞳孔法と呼ばれる。いわゆる、角膜からのプルキニエ反射など、その他の眼からの反射をカメラで撮像して、眼ベクトルの計算を可能にすることもできる。角膜からの反射は、一般に、ＩＲカメラ上に小さなスポットを形成する。これらの反射は、眼グリントと呼ばれることもある。瞳孔及びグリントの相対位置をトラッキングすることによって眼ベクトルを計算することができることが示されることがある。これらは、例えば２００８年７月２２日にＫｒａｎｚ他に発行された「Ｈｅａｄ Ｍｏｕｎｔｅｄ Ｅｙｅ Ｔｒａｃｋｉｎｇ ａｎｄ Ｄｉｓｐｌａｙ Ｓｙｓｔｅｍ」と題する米国特許第７４０１９２０号に開示されるような、既知の像処理技術である。このような技術は、トラッキングカメラ（例えばアイトラッキング用ＩＲセンサ１３４Ｂ）に対する眼の中心の位置を突きとめることができる。一般に、アイトラッキングは、眼の像を取得し、コンピュータビジョン技術を使用して、眼窩内の瞳孔の位置を決定することを含む。１実施形態では、両方の眼は通常は調和して動くので、一方の眼の位置をトラッキングすれば十分である。ただし、それぞれの眼を別々にトラッキングすることも可能である。両眼がトラッキングされる場合には、それぞれの眼ごとに、本明細書に記載される導波路４１２が別個にあることもある。反射赤外光に基づいて眼をトラッキングして、アイトラッキングデータを生成する技術について記載している特許の別の例は、２０１３年７月１６日にＬｅｗｉｓ他に発行された「Ｇａｚｅ Ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ｉｎ ａ Ｓｅｅ−Ｔｈｒｏｕｇｈ、 Ｎｅａｒ−Ｅｙｅ、 Ｍｉｘｅｄ Ｒｅａｌｉｔｙ Ｄｉｓｐｌａｙ」と題する米国特許第８４８７８３８号である。

ステップ６１６は、例えばプロセッサ（例えば２１０又は３２０）を使用して実行され得る。ステップ６１６は、例えば、ユーザがリストから選択できるようにすること、アバタがどのように仮想環境内を進行するかをユーザが制御できるようにすること、又は特定の仮想オブジェクトを強調させることを含むことができるが、これらに限定されるわけではない。ステップ６１６は、これに加えて、又は別法として、特定の仮想刺激に対するユーザの反応を観察することなどを含むことができる。

本明細書に開示される導波路は、複合現実ディスプレイデバイスシステムの透視性を損なわないように、アイトラッキングハードウェアとともに利用され得るので有利である。さらに、本明細書に開示される導波路は、全てのタイプの処方調製眼鏡と協働する眼の撮像を可能にし、眼球運動の全範囲に加えて瞳孔間距離範囲もカバーする眼の撮像を可能にする。

図面では、導波路４１２は、通常は、１対の平坦面を含む導波路であるものとして示されている。代替の実施形態では、導波路の表面は、非平面でもよい、すなわち湾曲していてもよい。格子は平坦面上又は平坦面内の方が容易に製造され得るが、１つ又は複数の湾曲表面があると、システム内の光学収差の一部を低減することが可能になり得る。

本明細書に記載される特定の実施形態は、赤外波長を有する赤外光で照明される眼をトラッキングする際に使用される装置を対象としている。出力結合器は、線状格子、ホログラフィック格子、又はプリズムとすることができるが、これらに限定されるわけではない。特定の実施形態では、入力結合器は、互いに平行に配列された２つ以上の電子切換え式回折格子のスタックを含む。電子切換え式回折格子のそれぞれは、それぞれのレンズ屈折力及びそれぞれのプリズム屈折力を有する。電子切換え式回折格子のそれぞれのレンズ屈折力は互いに異なり、電子切換え式回折格子のそれぞれが異なる焦点距離を有するようになっている。電子切換え式回折格子のそれぞれは、オンにされたときに、赤外波長を有する赤外光を受け、受けた赤外光を導波路内に結合するようになされている。電子切換え式回折格子のそれぞれは、下側境界及び上側境界を有し、上側境界の方が、下側境界より出力結合器に近い。１実施形態では、電子切換え式回折格子のそれぞれは、下側境界において、上側境界における電子切換え式回折格子のｋベクトル角より大きなｋベクトル角を有し、下側境界と上側境界の間のｋベクトル角は、電子切換え式回折格子の格子平面と上側境界の間の距離が減少するにつれて徐々に減少する。

入力結合器が赤外光で照明される眼の前方に位置決めされるときには、眼から反射されて入力結合器によって受けられた赤外光の少なくとも一部分は、入力結合器において導波路内に結合され、導波路内を内部全反射によって入力結合器から出力結合器まで伝搬し、出力結合器の近傍で導波路から出射する。センサは、出力結合器において導波路から出射する赤外光ビームに応じて眼を撮像する。特定の実施形態では、レンズモジュールが、出力結合器とセンサの間にあり、出力結合器において導波路から出射する赤外光ビームは、レンズモジュールを通過した後でセンサに入射する。

入力結合器制御装置は、電子切換え式回折格子のそれぞれがいつオンにされるかを、１度にオンにされる電子切換え式回折格子が１つだけであるように制御する。像解析器は、センサを用いて取得された眼の２つ以上の像を解析して、電子切換え式回折格子のうちのどの１つが、オンにされたときに眼又はその一部分の最も良好に焦点の合った像を提供するかを決定する。入力結合器制御装置は、像解析モジュールが眼の最も良好に焦点の合った像を提供すると決定した、電子切換え式回折格子のうちの１つが、アイトラッキング中に眼を撮像するために使用されるようにする。

特定の実施形態では、入力結合器は、互いに平行に配列された２つ以上の電子切換え式回折格子の第２のスタックも含み、この第２のスタックは、第１のスタックに隣接する。このような実施形態では、第２のスタックの電子切換え式回折格子は、第１のスタックの電子切換え式回折格子によって与えられる視野とは異なる視野を提供する。さらに、このような実施形態では、像解析モジュールは、電子切換え式回折格子のうちのどの１つが、オンにされたときに、その視野内に眼を含み、眼又はその一部分の最も鮮鋭な像を提供するかを決定することができる。

本明細書に記載される特定の実施形態は、眼をトラッキングする際に使用される方法を対象としている。このような方法は、導波路の入力結合器が眼とほぼ軸方向に位置合わせされている間に眼を赤外光で照明することを含む。入力結合器は、互いに平行に配列された２つ以上の電子切換え式回折格子のスタックを含み、電子切換え式回折格子のそれぞれは、それぞれのレンズ屈折力及びそれぞれのプリズム屈折力を有し、電子切換え式回折格子のそれぞれのレンズ屈折力は互いに異なり、電子切換え式回折格子のそれぞれが異なる焦点距離を有するようになっている。この方法は、電子切換え式回折格子のそれぞれが別々の期間だけ個別にオンにされるように、入力結合器の電子切換え式回折格子のうち、１度に１つだけを選択的にオンにさせることを含むことができる。さらに、この方法は、入力結合器の電子切換え式回折格子のそれぞれが別個にオンにされる間に、導波路の出力結合器で導波路から出射する赤外光ビームに応じて眼を別個に撮像することにより、眼の２つ以上の像を取得することを含むことができる。さらに、この方法は、眼の２つ以上の像を解析して、入力結合器の電子切換え式回折格子のうちのどの１つが、オンにされたときに、眼又はその一部分の最も良好に焦点の合った像を提供するかを決定することを含むことができる。その後、眼又はその一部分の最も良好に焦点の合った像を提供する入力結合器の電子切換え式回折格子がオンである間に取得された眼の１つ又は複数の像を使用して、アイトラッキングが実行され得る。

１実施形態によれば、導波路の入力結合器は、互いに異なる視野を有するように互いに対して配列された、２つ以上の電子切換え式回折格子を含む。この実施形態では、入力結合器の電子切換え式回折格子のそれぞれは、オンにされたときに、赤外波長を有する赤外光を受け、受けた赤外光を導波路内に結合するようになされている。入力結合器制御装置は、電子切換え式回折格子のそれぞれがいつオンにされるかを、１度にオンにされる電子切換え式回折格子が１つだけであるように制御する。センサは、出力結合器において導波路から出射する赤外光ビームに応じて眼を撮像する。入力結合器が赤外光で照明される眼の前方に位置決めされるときには、眼から反射されて入力結合器で受けられた赤外光の少なくとも一部分は、入力結合器において導波路内に結合され、導波路内を内部全反射によって入力結合器から出力結合器まで伝搬し、出力結合器の近傍で導波路から出射する。像解析モジュールは、センサを用いて取得された像を解析して、電子切換え式回折格子のうちのどの１つ又は複数が、オンにされたときに眼（又はその関心部分）をその視野内に含むかを決定する。プロセッサは、眼の１つ又は複数の像に応じてアイトラッキングデータを生成し、このアイトラッキングデータに基づいて適用の態様を制御又は修正する。

以上、本技術の実施形態について、その指定された機能及び関係の実行を説明する機能ビルディングブロックを援用して説明した。説明の便宜上、本明細書では、これらの機能ビルディングブロックの境界が定義されていることが多い。しかし、その指定された機能及び関係が適切に実行される限り、代替の境界も定義され得る。したがって、このような代替の境界は、いずれも本技術の範囲及び趣旨に含まれる。例えば、図６に示されることのうちのいくつかを結合する、又は分離することも可能である。別の例として、図３Ａ及び図３Ｂに示されるブロックのうちのいくつかの境界を変更することも可能である。

主題について、構造的特徴及び／又は方法論的作用に特有の表現で説明したが、添付の特許請求の範囲で定義される主題は、必ずしも上述の特定の特徴又は作用に限定されるわけではないことを理解されたい。限定的なものではなく、上述の特定の特徴及び作用は、特許請求の範囲を実施する例示的な形態として開示されたものである。本技術の範囲は、本明細書に添付された特許請求の範囲によって定義されるものと意図されている。

Claims (10)

1. 赤外波長を有する赤外光で照明される眼をトラッキングする際に使用される装置であって、
   入力結合器及び出力結合器を含む、透明な導波路を含む装置であり、
   前記入力結合器が、互いに平行に配列された２つ以上の電子切換え式回折格子のスタックを含み、
   前記電子切換え式回折格子のそれぞれが、それぞれのレンズ屈折力及びそれぞれのプリズム屈折力を有し、
   前記電子切換え式回折格子のそれぞれの前記レンズ屈折力が、互いに異なり、前記電子切換え式回折格子のそれぞれが異なる焦点距離を有するようになっており、
   前記電子切換え式回折格子のそれぞれが、オンにされたときに、前記赤外波長を有する赤外光を受け、前記受けた赤外光を前記導波路内に結合するようになされる、装置。
2. 前記電子切換え式回折格子のそれぞれが、下側境界及び上側境界を有し、前記上側境界が、前記下側境界よりも前記出力結合器に近く、
   前記電子切換え式回折格子のそれぞれが、前記下側境界において、前記上側境界における前記電子切換え式回折格子のｋベクトル角より大きなｋベクトル角を有し、前記下側境界と前記上側境界の間のｋベクトル角が、前記電子切換え式回折格子の格子平面と前記上側境界の間の距離が減少するにつれて徐々に減少する、請求項１に記載の装置。
3. 前記出力結合器において前記導波路から出射する赤外光ビームに応じて眼を撮像するセンサと、
   前記電子切換え式回折格子のそれぞれがいつオンにされるかを、１度にオンにされる前記電子切換え式回折格子が１つだけであるように制御する入力結合器制御装置と、
   前記センサを用いて取得された眼の２つ以上の像を解析して、前記電子切換え式回折格子のうちのどの１つが、オンにされたときに眼又はその一部分の最も良好に焦点の合った像を提供するかを決定する像解析器とをさらに含み、
   前記入力結合器制御装置が、像解析モジュールが前記眼の最も良好に焦点の合った像を提供すると決定した、前記電子切換え式回折格子のうちの１つが、アイトラッキング中に前記眼を撮像するために使用されるようにする、請求項１又は２に記載の装置。
4. 前記入力結合器が、互いに平行に配列された２つ以上の電子切換え式回折格子の第２のスタックを含み、前記第２のスタックが、第１のスタックに隣接し、前記第２のスタックの前記電子切換え式回折格子が、前記第１のスタックの前記電子切換え式回折格子によって与えられる視野とは異なる視野を提供する、請求項１又は２に記載の装置。
5. 前記出力結合器において前記導波路から出射する赤外光ビームに応じて眼を撮像するセンサと、
   前記第１のスタック及び前記第２のスタックの前記電子切換え式回折格子のそれぞれがいつオンにされるかを、１度にオンにされる前記電子切換え式回折格子が１つだけであるように制御する入力結合器制御モジュールと、
   前記センサを用いて取得された像を解析して、前記電子切換え式回折格子のうちのどの１つが、オンにされたときに眼をその視野内に含み、眼又はその一部分の最も鮮鋭な像を提供するかを決定する像解析モジュールとをさらに含む、請求項４に記載の装置。
6. 眼をトラッキングする際に使用される方法であって、
   導波路の入力結合器が眼とほぼ軸方向に位置合わせされている間に前記眼を赤外光で照明することであり、前記入力結合器が、互いに平行に配列された２つ以上の電子切換え式回折格子のスタックを含み、前記電子切換え式回折格子のそれぞれが、それぞれのレンズ屈折力及びそれぞれのプリズム屈折力を有し、前記電子切換え式回折格子のそれぞれの前記レンズ屈折力が互いに異なり、前記電子切換え式回折格子のそれぞれが異なる焦点距離を有するようになっていることと、
   前記電子切換え式回折格子のそれぞれが別々の期間だけ個別にオンにされるように、前記入力結合器の前記電子切換え式回折格子のうち、１度に１つだけを選択的にオンにさせることと、
   前記入力結合器の前記電子切換え式回折格子のそれぞれが別個にオンにされる間に、前記導波路の出力結合器で前記導波路から出射する赤外光ビームに応じて前記眼を別個に撮像することにより、前記眼の２つ以上の像を取得することと、
   前記眼の前記２つ以上の像を解析して、前記入力結合器の前記電子切換え式回折格子のうちのどの１つが、オンにされたときに、前記眼又はその一部分の最も良好に焦点の合った像を提供するかを決定することとを含む、方法。
7. 前記眼又はその一部分の前記最も良好に焦点の合った像を提供する前記入力結合器の前記電子切換え式回折格子がオンである間に取得された前記眼の１つ又は複数の像を使用して、アイトラッキングを実行することをさらに含む、請求項６に記載の方法。
8. 前記眼又はその一部分の前記最も良好に焦点の合った像を提供する前記入力結合器の前記電子切換え式回折格子がオンである間に前記導波路に進入した赤外光ビームに応じてアイトラッキングデータを生成することと、
   前記アイトラッキングデータに基づいて適用の態様を制御又は修正することとをさらに含む、請求項６に記載の方法。
9. 前記解析することが、
   前記２つ以上の像のそれぞれの解像度、コントラスト、又はエントロピのうちの少なくとも１つの測度を決定することによって、前記２つ以上の像のそれぞれについて合焦のメトリックを決定することと、
   前記２つ以上の像のうちのどの１つが最大の合焦のメトリックを有するかを決定することと、
   前記最大の合焦のメトリックを有する像を取得するために使用された前記入力結合器の前記電子切換え式回折格子のうちの１つを、前記眼又はその一部分の前記最も良好に焦点の合った像を提供する電子切換え式回折格子として選択することとを含む、請求項６、７、又は８に記載の方法。
10. 前記入力結合器の前記電子切換え式回折格子のそれぞれの下側境界から上側境界の間で徐々に減少するｋベクトル角を使用して、前記入力結合器によって前記導波路内に結合される前記赤外光の少なくとも大部分を、前記導波路内を前記導波路の前記出力結合器まで伝搬させることと、
    前記導波路の前記出力結合器を使用して、前記入力結合器から前記出力結合器まで伝搬した前記赤外光ビームを前記導波路から出射させることとをさらに含む、請求項６、７、又は８に記載の方法。

Images