(57)【要約】イメージングシステムは、光ビームを生成するように構成される、光源を含む。本システムはまた、個別の第１および第２の入射部分を有し、全内部反射によって、光ビームの少なくとも個別の第１および第２の部分を伝搬するように構成される、第１および第２の光誘導光学要素を含む。本システムはさらに、光分配器入射部分、第１の出射部分、および第２の出射部分を有する、光分配器を含む。光分配器は、光ビームの第１および第２の部分を、それぞれ、第１および第２の入射部分に向かって指向するように構成される。光分配器入射部分および第１の出射部分は、第１の軸に沿って整合される。光分配器入射部分および第２の出射部分は、第１の軸と異なる第２の軸に沿って整合される。
2019508743.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
イメージングシステムであって、
光ビームを生成するように構成される光源と、
第１の入射部分を有する第１の光誘導光学要素であって、前記第１の光誘導光学要素は、全内部反射によって、前記光ビームの少なくとも第１の部分を伝搬するように構成される、第１の光誘導光学要素と、
第２の入射部分を有する第２の光誘導光学要素であって、前記第２の光誘導光学要素は、全内部反射によって、前記光ビームの少なくとも第２の部分を伝搬するように構成される、第２の光誘導光学要素と、
光分配器入射部分、第１の出射部分、および第２の出射部分を有する光分配器であって、前記光分配器は、前記光ビームの第１および第２の部分を、それぞれ、前記第１および第２の入射部分に向かって指向するように構成される、光分配器と
を備え、
前記光分配器入射部分および前記第１の出射部分は、第１の軸に沿って整合され、
前記光分配器入射部分および前記第２の出射部分は、前記第１の軸と異なる第２の軸に沿って整合される、
システム。
【請求項２】
前記第１および第２の光誘導光学要素および前記光分配器は、
前記光ビームが前記第１の出射部分と相互作用すると、前記光ビームの第１の出射ビームレットが、前記光分配器から出射し、前記第１の入射部分を介して、前記第１の光誘導光学要素に入射し、
前記光ビームが前記第２の出射部分と相互作用すると、前記光ビームの第２の出射ビームレットが、前記光分配器から出射し、前記第２の入射部分を介して、前記第２の光誘導光学要素に入射する
ように構成される、請求項１に記載のシステム。
【請求項３】
第１および第２のシャッタをさらに備え、前記第１および第２のシャッタは、それぞれ、第１および第２の出射部分と第１および第２の入射部分との間の第１および第２の光経路を選択的に中断するように構成される、請求項１に記載のシステム。
【請求項４】
前記第１および第２の光誘導光学要素は、前記光分配器の反対側に配置される、請求項１に記載のシステム。
【請求項５】
前記第１および第２の光誘導光学要素間に配置される集束回折光学要素をさらに備え、
前記集束回折光学要素は、前記光ビームの第２の出射ビームレットを前記第２の光誘導光学要素の第２の入射部分に向かって集束させるように構成される、請求項１に記載のシステム。
【請求項６】
前記第１の出射部分は、第１のビームスプリッタであり、前記第２の出射部分は、第２のビームスプリッタである、請求項１に記載のシステム。
【請求項７】
前記第１および第２のビームスプリッタは、異なるサイズを有する、請求項６に記載のシステム。
【請求項８】
前記第１および第２の入射部分は、前記第１および第２のビームスプリッタの異なるサイズに対応する異なるサイズを有する、請求項７に記載のシステム。
【請求項９】
前記光分配器入射部分は、前記光ビームを第１および第２の分裂ビームレットに分割するように構成される受信ビームスプリッタであり、前記第１および第２の分裂ビームレットは、それぞれ、前記第１および第２のビームスプリッタに指向されるように構成される、請求項６に記載のシステム。
【請求項１０】
前記受信ビームスプリッタは、ダイクロイックビームスプリッタである、請求項９に記載のシステム。
【請求項１１】
前記第１の分裂ビームレットは、緑色光を含み、前記第２の分裂ビームレットは、赤色光および青色光を含む、請求項１０に記載のシステム。
【請求項１２】
前記受信ビームスプリッタは、偏光ビームスプリッタであり、前記光ビームは、偏光された光を含む、請求項９に記載のシステム。
【請求項１３】
前記偏光された光は、緑色光を含む、請求項１２に記載のシステム。
【請求項１４】
前記光分配器はまた、前記光ビームの一部の偏光角度を変化させるように構成される遅延フィルタを有する、請求項１２に記載のシステム。
【請求項１５】
前記光ビームの一部は、青色光を含む、請求項１４に記載のシステム。
【請求項１６】
前記受信ビームスプリッタは、Ｘ−立方体ビームスプリッタである、請求項９に記載のシステム。
【請求項１７】
前記第１のビームスプリッタが前記光分配器ビームスプリッタと前記第３のビームスプリッタとの間にあるように前記第１の軸に沿って配置される第３のビームスプリッタをさらに備える、請求項６に記載のシステム。
【請求項１８】
前記第１のビームスプリッタは、前記光ビームを第１および第２の分裂ビームレットに分割するように構成されるダイクロイックビームスプリッタであり、前記第１および第３のビームスプリッタは、前記第１の分裂ビームレットが、前記第１の入射部分に向かって指向され、前記第２の分裂ビームレットが、前記第３のビームスプリッタに向かって指向されるように構成される、請求項１７に記載のシステム。
【請求項１９】
前記第１の分裂ビームレットは、緑色光を含み、前記第２の分裂ビームレットは、赤色光および青色光を含む、請求項１８に記載のシステム。
【請求項２０】
前記第１のビームスプリッタは、偏光ビームスプリッタであり、前記光ビームは、偏光された光を含む、請求項１７に記載のシステム。
【請求項２１】
前記偏光された光は、緑色光を含む、請求項２０に記載のシステム。
【請求項２２】
前記光分配器はまた、前記光ビームの一部の偏光角度を変化させるように構成される、遅延フィルタを有する、請求項２０に記載のシステム。
【請求項２３】
前記光ビームの一部は、青色光を含む、請求項２２に記載のシステム。
【請求項２４】
イメージングシステムであって、
光ビームを生成するように構成される光源と、
第１の入射部分を有する第１の光誘導光学要素であって、前記第１の光誘導光学要素は、全内部反射によって、前記光ビームの少なくとも第１の部分を伝搬するように構成される、第１の光誘導光学要素と、
第２の入射部分を有する第２の光誘導光学要素であって、前記第２の光誘導光学要素は、全内部反射によって、前記光ビームの少なくとも第２の部分を伝搬するように構成される、第２の光誘導光学要素と、
光分配器入射部分、第１の出射部分、および第２の出射部分を有する光分配器であって、前記光分配器は、前記光ビームの少なくとも一部を前記第１および第２の光誘導光学要素の中に指向するように構成される、光分配器と
を備え、
前記光分配器入射部分は、前記第１および第２の出射部分間に配置される、システム。
【請求項２５】
前記光分配器入射部分は、ダイクロイックビームスプリッタである、請求項２４に記載のシステム。
【請求項２６】
前記光分配器入射部分は、Ｘ−立方体ビームスプリッタである、請求項２４に記載のシステム。
【請求項２７】
イメージングシステムであって、
光ビームを生成するように構成される、光源と、
第１の入射部分を有する第１の光誘導光学要素であって、前記第１の光誘導光学要素は、全内部反射によって、前記光ビームの少なくとも第１の部分を伝搬するように構成される、第１の光誘導光学要素と、
第２の入射部分を有する第２の光誘導光学要素であって、前記第２の光誘導光学要素は、全内部反射によって、前記光ビームの少なくとも第２の部分を伝搬するように構成される、第２の光誘導光学要素と、
第１の外部結合格子および第２の外部結合格子を有する光分配器と
を備え、
前記第１および第２の光誘導光学要素および前記光分配器は、
前記光ビームが、前記第１の外部結合格子と相互作用すると、前記光ビームの第１の出射ビームレットが、前記光分配器から出射し、前記第１の入射部分を介して、前記第１の光誘導光学要素に入射し、
前記光ビームが、前記第２の外部結合格子と相互作用すると、前記光ビームの第２の出射ビームレットが、前記光分配器から出射し、前記第２の入射部分を介して、前記第２の光誘導光学要素に入射する
ように構成される、システム。
【請求項２８】
前記第１の外部結合格子は、動的格子である、請求項２７に記載のシステム。
【請求項２９】
前記第１の外部結合格子は、静的格子である、請求項２７に記載のシステム。
【請求項３０】
前記第２の外部結合格子は、動的格子である、請求項２７に記載のシステム。
【請求項３１】
前記第２の外部結合格子は、静的格子である、請求項２７に記載のシステム。
【請求項３２】
イメージングシステムであって、
親光ビームを生成するように構成される光源と、
全内部反射によって、光ビームの少なくとも一部を伝搬するように構成される光誘導光学要素と
を備え、
前記光源は、前記親光ビームを第１および第２の光ビームに分割するように構成されるビームスプリッタを備える、システム。
【請求項３３】
第１および第２のシャッタをさらに備え、前記第１および第２のシャッタは、それぞれ、第１および第２の光ビームを選択的にブロックするように構成される、請求項３２に記載のシステム。
【請求項３４】
イメージングシステムであって、
光ビームを生成するように構成される光源と、
全内部反射によって、前記光ビームの第１の部分を伝搬するように構成される第１の光誘導光学要素と、
全内部反射によって、前記光ビームの第２の部分を伝搬するように構成される第２の光誘導光学要素と
を備え、
前記光ビームの第１の部分は、緑色光を含み、
前記光ビームの第２の部分は、赤色光および青色光を含み、
前記第１および第２の光誘導光学要素は、前記光ビームの第１および第２の部分をユーザの第１および第２の眼に指向するように構成され、
前記第１および第２の光誘導光学要素はまた、第１および第２の画像を同一深度平面にレンダリングするように構成される、システム。
【請求項３５】
イメージングシステムであって、
光ビームを生成するように構成される光源と、
入射部分を有する第１の光誘導光学要素であって、前記第１の光誘導光学要素は、全内部反射によって、前記光ビームの少なくとも一部を伝搬するように構成される、第１の光誘導光学要素と、
第２の光誘導光学要素と、
前記第１の光誘導光学要素に隣接する前記第２の光誘導光学要素の表面上に配置される反射コーティングと
を備え、
前記反射コーティングは、前記入射部分を通して通過する光を前記入射部分に反射させるように構成される、システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本願は、米国仮出願第６２／３０１，５０２号、出願日２０１６年２月２９日、代理人管理番号ＭＬ．３００５９．００、発明の名称  “ＶＩＲＴＵＡＬ  ＡＮＤ  ＡＵＧＭＥＮＴＥＤ  ＲＥＡＬＩＴＹ  ＳＹＳＴＥＭＳ  ＡＮＤ  ＭＥＴＨＯＤＳ”に対する優先権を主張するものである。本願は、米国特許出願第１４／３３１，２１８号、出願日２０１４年７月１４日、代理人管理番号ＭＬ．２００２０．００、発明の名称  “ＰＬＡＮＡＲ  ＷＡＶＥＧＵＩＤＥ  ＡＰＰＡＲＡＴＵＳ  ＷＩＴＨ  ＤＩＦＦＲＡＣＴＩＯＮ  ＥＬＥＭＥＮＴ（Ｓ）  ＡＮＤ  ＳＹＳＴＥＭ  ＥＭＰＬＯＹＩＮＧ  ＳＡＭＥ”、米国特許出願第１４／５５５，５８５号、出願日２０１４年１１月２７日、代理人管理番号ＭＬ．２００１１．００、発明の名称  “ＶＩＲＴＵＡＬ  ＡＮＤ  ＡＵＧＭＥＮＴＥＤ  ＲＥＡＬＩＴＹ  ＳＹＳＴＥＭＳ  ＡＮＤ  ＭＥＴＨＯＤＳ”、米国特許出願第１４／７２６，４２４号、出願日２０１５年５月２９日、代理人管理番号ＭＬ．２００１６．００、発明の名称  “ＭＥＴＨＯＤＳ  ＡＮＤ  ＳＹＳＴＥＭＳ  ＦＯＲ  ＶＩＲＴＵＡＬ  ＡＮＤ  ＡＵＧＭＥＮＴＥＤ  ＲＥＡＬＩＴＹ”、米国特許出願第１４／７２６，４２９号、出願日２０１５年５月２９日、代理人管理番号ＭＬ．２００１７．００、発明の名称  “ＭＥＴＨＯＤＳ  ＡＮＤ  ＳＹＳＴＥＭＳ  ＦＯＲ  ＣＲＥＡＴＩＮＧ  ＦＯＣＡＬ  ＰＬＡＮＥＳ  ＩＮ  ＶＩＲＴＵＡＬ  ＡＮＤ  ＡＵＧＭＥＮＴＥＤ  ＲＥＡＬＩＴＹ”、米国特許出願第１４／７２６，３９６号、出願日２０１５年５月２９日、代理人管理番号ＭＬ．２００１８．００、発明の名称  “ＭＥＴＨＯＤＳ  ＡＮＤ  ＳＹＳＴＥＭＳ  ＦＯＲ  ＤＩＳＰＬＡＹＩＮＧ  ＳＴＥＲＥＯＳＣＯＰＹ  ＷＩＴＨ  Ａ  ＦＲＥＥＦＯＲＭ  ＯＰＴＩＣＡＬ  ＳＹＳＴＥＭ  ＷＩＴＨ  ＡＤＤＲＥＳＳＡＢＬＥ  ＦＯＣＵＳ  ＦＯＲ  ＶＩＲＴＵＡＬ  ＡＮＤ  ＡＵＧＭＥＮＴＥＤ  ＲＥＡＬＩＴＹ”、および米国仮特許出願第６２／１５６，８０９号、出願日２０１５年５月４日、代理人管理番号ＭＬ．３００５８．００、発明の名称  “ＳＥＰＡＲＡＴＥＤ  ＰＵＰＩＬ  ＯＰＴＩＣＡＬ  ＳＹＳＴＥＭＳ  ＦＯＲ  ＶＩＲＴＵＡＬ  ＡＮＤ  ＡＵＧＭＥＮＴＥＤ  ＲＥＡＬＩＴＹ  ＡＮＤ  ＭＥＴＨＯＤＳ  ＦＯＲ  ＤＩＳＰＬＡＹＩＮＧ  ＩＭＡＧＥＳ  ＵＳＩＮＧ  ＳＡＭＥ”に関連している。上記特許出願の内容は、ここに明示的かつ完全にその全体が記載されているかのように本明細書中に参照により援用される。
【背景技術】
【０００２】
現代のコンピューティングおよびディスプレイ技術は、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、もしくはそのように知覚され得る様式においてユーザに提示される、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いる。仮想現実、すなわち、「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して透明性を伴わずに、デジタルまたは仮想画像情報の提示を伴い、拡張現実、すなわち、「ＡＲ」シナリオは、典型的には、ユーザの周囲の実際の世界の視覚化の拡張として、デジタルまたは仮想画像情報の提示を伴う（すなわち、他の実際の実世界視覚的入力に対して透過性）。故に、ＡＲシナリオは、他の実際の実世界の視覚的入力に対して透明性を伴うデジタルまたは仮想画像情報の提示を伴う。ヒトの視知覚系は、非常に複雑であって、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、ＶＲまたはＡＲ技術を生成することは、困難である。
【０００３】
脳の視覚化中心はまた、両眼およびその構成要素の相互に対する運動から有益な知覚情報を得る。相互に対する両眼の輻輳・開散運動（ｖｅｒｇｅｎｃｅ）（すなわち、眼の視線を収束させ、オブジェクトに固定するための相互に向かって、またはそこから離れる、瞳の転動）は、眼のレンズの合焦（または「遠近調節（ａｃｃｏｍｍｏｄａｔｉｏｎ）」）と密接に関連付けられる。正常条件下では、眼のレンズの焦点を変化させる、すなわち、眼を遠近調節させ、異なる距離におけるオブジェクトに合焦させることは、「遠近調節−輻輳・開散運動反射作用」として知られる関係下、自動的に、同一距離までの輻輳・開散運動における整合的変化を生じさせるであろう。同様に、輻輳・開散運動の変化は、正常条件下では、遠近調節の整合的変化も誘起するであろう。本反射作用に逆らう作用は、（従来の立体視ＡＲまたはＶＲ構成の大部分におけるように）眼疲労、頭痛、または他の形態の不快感をユーザにもたらすことが知られている。
【０００４】
立体視ウェアラブル眼鏡は、概して、３次元視点がヒト視覚系によって知覚されるように、若干異なる要素提示を伴う画像を表示するように構成される、左および右眼のための２つのディスプレイを特徴とする。そのような構成は、画像を３次元において知覚するために克服されなければならない、輻輳・開散運動と遠近調節との間の不整合（「輻輳・開散運動−遠近調節衝突」）に起因して、多くのユーザにとって不快であることが見出されている。実際、一部のユーザは、立体視構成に耐えることが不可能である。これらの限界は、ＡＲおよびＶＲシステムの両方に適用される。故に、大部分の従来のＡＲおよびＶＲシステムは、部分的には、従来のシステムが、輻輳・開散運動−遠近調節衝突を含む、ヒト知覚系の基本的側面のいくつかに対処できないため、ユーザにとって快適かつ最大限に有用となるであろう様式において、豊かな両眼のための３次元体験を提示するために最適に好適ではない。
【０００５】
ＡＲおよび／またはＶＲシステムはまた、仮想デジタルコンテンツを種々の知覚される位置およびユーザに対する距離において表示することが可能でなければならない。ＡＲおよび／またはＶＲシステムの設計はまた、仮想デジタルコンテンツを送達する際のシステムの速度、仮想デジタルコンテンツの品質、ユーザの射出瞳距離（輻輳・開散運動−遠近調節衝突に対処する）、システムのサイズおよび可搬性、ならびに他のシステムおよび光学課題を含む、多数の他の課題を提示する。
【０００６】
これらの問題（輻輳・開散運動−遠近調節衝突を含む）に対処するための１つの可能性として考えられるアプローチは、光および光によってレンダリングされる画像が複数の深度平面から生じるように現れるように、複数の光誘導光学要素を使用して、光をユーザの眼に投影することである。光誘導光学要素は、デジタルまたは仮想オブジェクトに対応する仮想光を内部結合し、全内部反射（「ＴＩＲ」）によって、それを伝搬し、次いで、仮想光を外部結合し、デジタルまたは仮想オブジェクトをユーザの眼に表示するように設計される。ＡＲシステムでは、光誘導光学要素はまた、実際の実世界オブジェクトからの（例えば、そこから反射した）光に透過性であるように設計される。したがって、光誘導光学要素の一部は、ＡＲシステム内の実世界オブジェクトからの実世界光に対して透過性でありながら、ＴＩＲを介した伝搬のために、仮想光を反射させるように設計される。
【０００７】
複数の光誘導光学要素システムを実装するために、１つまたはそれを上回る源からの光は、光誘導光学要素システムのそれぞれに制御可能に分散されなければならない。１つのアプローチは、多数の光学要素（例えば、光源、プリズム、格子、フィルタ、スキャン光学、ビームスプリッタ、ミラー、ハーフミラー、シャッタ、接眼レンズ等）を使用して、画像を十分に多数の（例えば、６つの）深度平面において投影することである。本アプローチに関する問題は、このように多数の構成要素を使用することが、必然的に、望ましいものより大きい形状因子を要求し、システムサイズが縮小され得る程度を限定することである。これらのシステム内の多数の光学要素もまた、より長い光学経路をもたらし、それにわたって、光およびその中に含有される情報が、劣化され得る。これらの設計問題は、煩雑なシステムをもたらし、これはまた、電力集約的でもある。本明細書に説明されるシステムおよび方法は、これらの課題に対処するように構成される。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の実施形態は、１人またはそれを上回るユーザのための仮想現実および／または拡張現実相互作用を促進するためのデバイス、システム、および方法を対象とする。
【０００９】
一実施形態では、イメージングシステムは、光ビームを生成するように構成される、光源を含む。本システムはまた、個別の第１および第２の入射部分を有し、全内部反射によって、光ビームの少なくとも個別の第１および第２の部分を伝搬するように構成される、第１および第２の光誘導光学要素を含む。本システムはさらに、光分配器入射部分、第１の出射部分、および第２の出射部分を有する、光分配器を含む。光分配器は、光ビームの第１および第２の部分を、それぞれ、第１および第２の入射部分に向かって指向するように構成される。光分配器入射部分および第１の出射部分は、第１の軸に沿って整合される。光分配器入射部分および第２の出射部分は、第１の軸と異なる第２の軸に沿って整合される。
【００１０】
１つまたはそれを上回る実施形態では、第１および第２の光誘導光学要素および光分配器は、光ビームが第１の出射部分と相互作用すると、光ビームの第１の出射ビームレットが、光分配器から出射し、第１の入射部分を介して、第１の光誘導光学要素に入射し、光ビームが第２の出射部分と相互作用すると、光ビームの第２の出射ビームレットが、光分配器から出射し、第２の入射部分を介して、第２の光誘導光学要素に入射するように構成される。本システムはまた、それぞれ、第１および第２の出射部分と第１および第２の入射部分との間の第１および第２の光経路を選択的に中断するように構成される、第１および第２のシャッタを含んでもよい。第１および第２の光誘導光学要素は、光分配器の反対側に配置されてもよい。
【００１１】
１つまたはそれを上回る実施形態では、本システムはまた、第１および第２の光誘導光学要素間に配置される、集束回折光学要素を含む。集束回折光学要素は、光ビームの第２の出射ビームレットを第２の光誘導光学要素の第２の入射部分に向かって集束させるように構成されてもよい。
【００１２】
１つまたはそれを上回る実施形態では、第１の出射部分は、第１のビームスプリッタであって、第２の出射部分は、第２のビームスプリッタである。第１および第２のビームスプリッタは、異なるサイズを有してもよい。第１および第２の入射部分は、第１および第２のビームスプリッタの異なるサイズに対応する異なるサイズを有してもよい。光分配器入射部分は、光ビームを第１および第２の分裂ビームレットに分割し、それぞれ、第１および第２のビームスプリッタに指向されるように構成される、受信ビームスプリッタであってもよい。
【００１３】
１つまたはそれを上回る実施形態では、受信ビームスプリッタは、ダイクロイックビームスプリッタである。第１の分裂ビームレットは、緑色光を含んでもよく、第２の分裂ビームレットは、赤色および青色光を含む。
【００１４】
１つまたはそれを上回る実施形態では、受信ビームスプリッタは、偏光ビームスプリッタであって、光ビームは、偏光された光を含む。偏光された光は、緑色光を含んでもよい。光分配器はまた、光ビームの一部の偏光角度を変化させるように構成される、遅延フィルタを有してもよい。光ビームの一部は、青色光を含んでもよい。
【００１５】
１つまたはそれを上回る実施形態では、受信ビームスプリッタは、Ｘ−立方体ビームスプリッタである。
【００１６】
１つまたはそれを上回る実施形態では、本システムはまた、第１のビームスプリッタが光分配器ビームスプリッタと第３のビームスプリッタとの間にあるように第１の軸に沿って配置される、第３のビームスプリッタを含む。第１のビームスプリッタは、光ビームを第１および第２の分裂ビームレットに分割するように構成される、ダイクロイックビームスプリッタであってもよい。第１および第３のビームスプリッタは、第１の分裂ビームレットが、第１の入射部分に向かって指向され、第２の分裂ビームレットが、第３のビームスプリッタに向かって指向されるように構成されてもよい。第１の分裂ビームレットは、緑色光を含んでもよく、第２の分裂ビームレットは、赤色および青色光を含んでもよい。
【００１７】
１つまたはそれを上回る実施形態では、第１のビームスプリッタは、偏光ビームスプリッタであって、光ビームは、偏光された光を含む。偏光された光は、緑色光を含んでもよい。光分配器はまた、光ビームの一部の偏光角度を変化させるように構成される、遅延フィルタを有してもよい。光ビームの一部は、青色光を含んでもよい。
【００１８】
別の実施形態では、イメージングシステムは、光ビームを生成するように構成される、光源を含む。本システムはまた、第１の入射部分を有し、全内部反射によって、光ビームの少なくとも第１の部分を伝搬するように構成される、第１の光誘導光学要素を含む。本システムはさらに、第２の入射部分を有し、全内部反射によって、光ビームの少なくとも第２の部分を伝搬するように構成される、第２の光誘導光学要素を含む。さらに、本システムは、光分配器入射部分、第１の出射部分、および第２の出射部分を有し、光ビームの少なくとも一部を第１および第２の光誘導光学要素の中に指向するように構成される、光分配器を含む。光分配器入射部分は、第１および第２の出射部分間に配置される。
【００１９】
１つまたはそれを上回る実施形態では、光分配器入射部分は、ダイクロイックビームスプリッタである。光分配器入射部分は、Ｘ−立方体ビームスプリッタであってもよい。
【００２０】
さらに別の実施形態では、イメージングシステムは、光ビームを生成するように構成される、光源を含む。本システムはまた、第１の入射部分を有し、全内部反射によって、光ビームの少なくとも第１の部分を伝搬するように構成される、第１の光誘導光学要素を含む。本システムはさらに、第２の入射部分を有し、全内部反射によって、光ビームの少なくとも第２の部分を伝搬するように構成される、第２の光誘導光学要素を含む。さらに、本システムは、第１の外部結合格子および第２の外部結合格子を有する、光分配器を含む。第１および第２の光誘導光学要素および光分配器は、光ビームが、第１の外部結合格子と相互作用すると、光ビームの第１の出射ビームレットが、光分配器から出射し、第１の入射部分を介して、第１の光誘導光学要素に入射し、光ビームが、第２の外部結合格子と相互作用すると、光ビームの第２の出射ビームレットが、光分配器から出射し、第２の入射部分を介して、第２の光誘導光学要素に入射するように構成される。
【００２１】
１つまたはそれを上回る実施形態では、第１の外部結合格子は、動的または静的格子である。第２の外部結合格子は、動的または静的格子であってもよい。
【００２２】
さらに別の実施形態では、イメージングシステムは、親光ビームを生成するように構成される、光源を含む。本システムはまた、全内部反射によって、光ビームの少なくとも一部を伝搬するように構成される、光誘導光学要素を含む。光源は、親光ビームを第１および第２の光ビームに分割するように構成される、ビームスプリッタを含む。
【００２３】
１つまたはそれを上回る実施形態では、本システムはまた、それぞれ、第１および第２の光ビームを選択的にブロックするように構成される、第１および第２のシャッタを含む。
【００２４】
さらに別の実施形態では、イメージングシステムは、親光ビームを生成するように構成される、光源を含む。本システムはまた、全内部反射によって、光ビームの第１の部分を伝搬するように構成される、第１の光誘導光学要素を含む。本システムはさらに、全内部反射によって、光ビームの第２の部分を伝搬するように構成される、第２の光誘導光学要素を含む。光ビームの第１の部分は、緑色光を含み、光ビームの第２の部分は、赤色および青色光を含む。第１および第２の光誘導光学要素は、光ビームの第１および第２の部分をユーザの第１および第２の眼に指向するように構成される。第１および第２の光誘導光学要素はまた、第１および第２の画像を同一深度平面にレンダリングするように構成される。
【００２５】
さらに別の実施形態では、イメージングシステムは、親光ビームを生成するように構成される、光源を含む。本システムはまた、入射部分を有し、全内部反射によって、光ビームの少なくとも一部を伝搬するように構成される、第１の光誘導光学要素を含む。本システムはさらに、第２の光誘導光学要素を含む。さらに、本システムは、第１の光誘導光学要素に隣接する第２の光誘導光学要素の表面上に配置される、反射コーティングを含む。反射コーティングは、入射部分を通して通過する光を入射部分に反射させるように構成される。
【００２６】
本発明の付加的および他の目的、特徴、ならびに利点は、発明を実施するための形態、図、および請求項に説明される。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
図面は、本発明の種々の実施形態の設計および可用性を図示する。図は、正確な縮尺で描かれておらず、類似構造または機能の要素は、図全体を通して同一参照番号によって表されることに留意されたい。本発明の種々の実施形態の前述および他の利点ならびに目的を得る方法をより深く理解するために、簡単に前述された発明を実施するための形態が、付随の図面に図示されるその具体的実施形態を参照することによって与えられるであろう。これらの図面は、本発明の典型的実施形態のみを描写し、その範囲の限定として見なされないことを理解した上で、本発明は、付随の図面の使用を通して付加的具体性および詳細とともに記載ならびに説明されるであろう。
【００２８】
【図１】図１−３は、種々の光学システムの詳細な概略図である。
【図２】図１−３は、種々の光学システムの詳細な概略図である。
【図３】図１−３は、種々の光学システムの詳細な概略図である。
【図４】図４は、光学システムの焦点面を描写する、略図である。
【図５】図５は、光学システムの光誘導光学要素の詳細な概略図である。
【図６】図６は、光学システムの光誘導光学要素の詳細な斜視図である。
【図７】図７は、光学システムの詳細な概略図である。
【図８】図８は、一実施形態による、光学システムの詳細な概略図である。
【図９】図９は、一実施形態による、光学システムの詳細な斜視図である。
【図１０】図１０は、図９に描写される光学システムの光分配器の上面図である。
【図１１】図１１は、一実施形態による、光分配器の上面図である。
【図１２】図１２は、一実施形態による、光学システムの詳細な斜視図である。
【図１３】図１３−１５は、２つの実施形態による、光学システムの詳細な概略図である。
【図１４】図１３−１５は、２つの実施形態による、光学システムの詳細な概略図である。
【図１５】図１３−１５は、２つの実施形態による、光学システムの詳細な概略図である。
【図１６】図１６は、一実施形態による、光学システムの詳細な斜視図である。
【図１７】図１７は、一実施形態による、光学システムの詳細な概略図である。
【図１８】図１８および１９は、２つの実施形態による、光学システムの詳細な概略図である。
【図１９】図１８および１９は、２つの実施形態による、光学システムの詳細な概略図である。
【図２０】図２０は、一実施形態による、光分配器の上面図である。
【図２１】図２１、２２、および２３は、一実施形態による、光学システムの詳細な斜視、上部、および側面図である。
【図２２】図２１、２２、および２３は、一実施形態による、光学システムの詳細な斜視、上部、および側面図である。
【図２３】図２１、２２、および２３は、一実施形態による、光学システムの詳細な斜視、上部、および側面図である。
【図２４】図２４は、一実施形態による、光学システムの詳細な斜視図である。
【図２５】図２５は、一実施形態による、光分配器の詳細な斜視図である。
【図２６】図２６は、一実施形態による、光学システムの概略図である。
【図２７】図２７は、図２６に描写される光学システムと併用するために構成される、光誘導光学要素および２つの光分配器の概略図である。
【図２８】図２８および２９は、２つの実施形態による、光学システムの概略図である。
【図２９】図２８および２９は、２つの実施形態による、光学システムの概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００２９】
本発明の種々の実施形態は、単一実施形態または複数の実施形態において光学システムを実装するためのシステム、方法、および製造品を対象とする。本発明の他の目的、特徴、および利点は、発明を実施するための形態、図、および請求項に説明される。
【００３０】
ここで、種々の実施形態が、当業者が本発明を実践することを可能にするように、本発明の例証的実施例として提供される、図面を参照して詳細に説明されるであろう。留意すべきこととして、以下の図および実施例は、本発明の範囲を限定することを意味するものではない。本発明のある要素が、公知の構成要素（または方法もしくはプロセス）を使用して部分的または完全に実装され得る場合、本発明の理解のために必要なそのような公知の構成要素（または方法もしくはプロセス）のそれらの一部のみ、説明され、そのような公知の構成要素（または方法もしくはプロセス）の他の部分の詳細な説明は、本発明を曖昧にしないように、省略されるであろう。さらに、種々の実施形態は、例証として本明細書に参照される構成要素の現在および将来的公知の均等物を包含する。
【００３１】
光学システムは、ＡＲシステムから独立して実装されてもよいが、以下の多くの実施形態は、例証目的のためだけにＡＲシステムに関係して説明される。
（問題および解決策の概要）
【００３２】
画像を種々の深度において生成するための１つのタイプの光学システムは、３−Ｄ体験／シナリオの品質（例えば、イメージング面の数）および画像の品質（例えば、画像色の数）が向上するにつれて、その数が増加し、それによって、ＡＲおよびＶＲシステムの複雑性、サイズ、ならびにコストを増加させる、多数の光学構成要素（例えば、光源、プリズム、格子、フィルタ、スキャン光学、ビームスプリッタ、ミラー、ハーフミラー、シャッタ、接眼レンズ等）を含む。３−Ｄシナリオ／画質の向上に伴う光学システムのサイズの増加は、ＡＲおよびＶＲシステムのサイズに限界を課し、効率が低下した煩雑なシステムをもたらす。
【００３３】
以下の開示は、より少ない構成要素および増加された効率を伴う光学システムを提供することによって問題に対処する、多焦点面光学要素を使用して、３−Ｄ知覚を生成するためのシステムおよび方法の種々の実施形態を説明する。特に、本明細書に説明されるシステムは、高品質ＡＲおよびＶＲシナリオをレンダリングするために要求される、光を１つまたはそれを上回る光源から複数の光誘導光学要素（「ＬＯＥ」、例えば、平面導波管）に選択的に分配しながら、光学システムのサイズを低減させるための種々のシステムコンポーネントおよび設計を含む、種々の光分配システムを利用する。
（例証的光学システム）
【００３４】
光分配システムの実施形態の詳細を説明する前に、本開示は、ここで、例証的光学システムの簡単な説明を提供するであろう。実施形態は、任意の光学システムと併用されることができるが、具体的システム（例えば、ＡＲシステム）が、実施形態の基礎となる技術を例証するために説明される。
【００３５】
ＡＲシステムを実装するための１つの可能性として考えられるアプローチは、深度平面情報が埋設され、個別の深度平面から生じるよう現れる画像を生成する、複数の体積位相ホログラム、表面レリーフホログラム、または光誘導光学要素を使用する。言い換えると、回折パターン、すなわち、回折光学要素（「ＤＯＥ」）は、コリメートされた光（略平面波面を伴う光ビーム）がＬＯＥに沿って実質的に全内部反射されるにつれて、複数の場所において回折パターンを交差し、ユーザの眼に向かって出射するように、ＬＯＥ内に埋設される、またはその上に刻設されてもよい。ＤＯＥは、ＬＯＥからのそれを通して出射する光が接するように構成され、特定の深度平面から生じるよう現れる。コリメートされた光は、光学凝集レンズ（「コンデンサ」）を使用して、生成されてもよい。
【００３６】
例えば、第１のＬＯＥは、光学無限深度平面から生じるよう現れる、コリメートされた光を眼に送達するように構成されてもよい（０ジオプトリ）。別のＬＯＥは、２メートルの距離から生じるよう現れる、コリメートされた光を送達するように構成されてもよい（１／２ジオプトリ）。さらに別のＬＯＥは、１メートルの距離から生じるよう現れる、コリメートされた光を送達するように構成されてもよい（１ジオプトリ）。スタックされたＬＯＥアセンブリを使用することによって、複数の深度平面が生成され、各ＬＯＥが特定の深度平面から生じるよう現れる画像を表示するように構成され得ることが理解され得る。スタックは、任意の数のＬＯＥを含んでもよいことを理解されたい。しかしながら、少なくともＮ個のスタックされたＬＯＥが、Ｎ個の深度平面を生成するために要求される。さらに、Ｎ、２Ｎ、または３Ｎ個のスタックされたＬＯＥが、ＲＧＢ着色画像をＮ個の深度平面において生成するために使用されてもよい。
【００３７】
３−Ｄ仮想コンテンツをユーザに提示するために、拡張現実（ＡＲ）システムは、Ｚ方向における種々の深度平面から（すなわち、ユーザの眼から直交して離れるように）生じるよう現れるように、仮想コンテンツの画像をユーザの眼の中に投影する。言い換えると、仮想コンテンツは、ユーザが、非常に近くにある、または無限距離にある、もしくはその間の任意の距離にあるようにオブジェクトを知覚し得るように、ＸおよびＹ方向（すなわち、ユーザの眼の中心視覚軸に直交する２Ｄ平面）において変化し得るだけではなく、また、Ｚ方向にも変化するように現れ得る。他の実施形態では、ユーザは、複数のオブジェクトを異なる深度平面において同時に感知し得る。例えば、ユーザには、無限遠から現れ、ユーザに向かって走ってくる、仮想ドラゴンが見え得る。代替として、ユーザには、ユーザから３メートル離れた距離における仮想鳥と、ユーザから腕の長さ（約１メートル）にある仮想コーヒーカップとが同時に見え得る。
【００３８】
多平面焦点システムは、ユーザの眼からＺ方向に個別の固定距離に位置する複数の深度平面の一部または全部上に画像を投影させることによって、可変深度の知覚を生成する。ここで図４を参照すると、多平面焦点システムは、典型的には、固定深度平面２０２（例えば、図４に示される６つの深度平面２０２）においてフレームを表示することを理解されたい。ＡＲシステムは、任意の数の深度平面２０２を含むことができるが、１つの例示的多平面焦点システムは、Ｚ方向に６つの固定深度平面２０２を有する。６つの深度平面２０２のうちの１つまたはそれを上回るものにおいて仮想コンテンツを生成する際、３−Ｄ知覚が、ユーザが１つまたはそれを上回る仮想オブジェクトをユーザの眼から可変距離において知覚するように生成される。ヒトの眼が、離れて現れるオブジェクトより近い距離のオブジェクトにより敏感であることを前提として、図４に示されるように、眼により近いほど、より多くの深度平面２０２が生成される。他の実施形態では、深度平面２０２は、相互から等距離だけ離れて設置されてもよい。
【００３９】
深度平面位置２０２は、典型的には、メートル単位で測定された焦点距離の逆数と等しい屈折力の単位である、ジオプトリで測定される。例えば、一実施形態では、深度平面１は、１／３ジオプトリだけ離れてもよく、深度平面２は、０．３ジオプトリだけ離れてもよく、深度平面３は、０．２ジオプトリだけ離れてもよく、深度平面４は、０．１５ジオプトリだけ離れてもよく、深度平面５は、０．１ジオプトリだけ離れてもよく、深度平面６は、無限遠を表してもよい（すなわち、０ジオプトリ離れている）。他の実施形態は、他の距離／ジオプトリで深度平面２０２を生成してもよいことを理解されたい。したがって、仮想コンテンツを方略的に設置された深度平面２０２に生成する際、ユーザは、仮想オブジェクトを３次元で知覚可能となる。例えば、ユーザは、深度平面１に表示されるとき、自身の近くにあるように第１の仮想オブジェクトを知覚し得る一方、別の仮想オブジェクトは、深度平面６における無限遠において現れる。代替として、仮想オブジェクトは、仮想オブジェクトがユーザに非常に近接して現れるまで、最初に、深度平面６で、次いで、深度平面５で表示される等となってもよい。前述の実施例は、例証目的のために大幅に簡略化されていることを理解されたい。別の実施形態では、全６つの深度平面は、ユーザから離れた特定の焦点距離に集中されてもよい。例えば、表示されるべき仮想コンテンツが、ユーザから１／２メートル離れたコーヒーカップである場合、全６つの深度平面は、コーヒーカップの種々の断面で生成され、ユーザにコーヒーカップの非常に粒度の細かい３Ｄビューを与え得る。
【００４０】
一実施形態では、ＡＲシステムは、多平面焦点システムとして機能してもよい。言い換えると、６つの固定された深度平面から生じるように現れる画像が、光源と迅速に連動して生成され、画像情報をＬＯＥ１、次いで、ＬＯＥ２、次いで、ＬＯＥ３等と迅速に伝達するように、全６つのＬＯＥが、同時に照明されてもよい。例えば、光学的無限遠における空の画像を含む、所望の画像の一部が、時間１において出射されてもよく、光のコリメーションを保持するＬＯＥ１０９０（例えば、図４からの深度平面６）が、利用されてもよい。次いで、より近い木の枝の画像が、時間２において出射されてもよく、１０メートル離れた深度平面から生じるように現れる画像を生成するように構成されるＬＯＥ１０９０（例えば、図４からの深度平面５）が、利用されてもよい。次いで、ペンの画像が、時間３において出射されてもよく、１メートル離れた深度平面から生じるように現れる画像を生成するように構成されるＬＯＥ１０９０が、利用されてもよい。本タイプのパラダイムは、ユーザの眼および脳（例えば、視覚野）が同一画像の全部分であるよう入力を知覚するような迅速時間順次方式（例えば、３６０Ｈｚ）で繰り返されることができる。
【００４１】
ＡＲシステムは、Ｚ軸（すなわち、深度平面）に沿った種々の場所から生じるよう現れ、３−Ｄ体験のための画像を生成する、画像を投影することが要求される（すなわち、光ビームを発散または収束させることによって）。本願で使用されるように、光ビームは、限定ではないが、光源から放射する光エネルギー（可視および非可視光エネルギーを含む）の指向性投影を含む。種々の深度平面から生じるよう現れる画像を生成することは、その画像のために、ユーザの眼の輻輳・開散運動および遠近調節に順応させ、輻輳・開散運動−遠近調節衝突を最小限にする、または排除する。
【００４２】
図１は、画像を単一深度平面において投影させるための基本光学システム１００を描写する。システム１００は、光源１２０と、それと関連付けられた回折光学要素（図示せず）および内部結合格子１９２（「ＩＣＧ」）を有する、ＬＯＥ１９０とを含む。光源１２０は、限定ではないが、ＤＬＰ、ＬＣＯＳ、ＬＣＤ、およびファイバ走査ディスプレイを含む、任意の好適なイメージング光源であることができる。そのような光源は、本明細書に説明されるシステム１００のいずれかと併用されることができる。回折光学要素は、体積または表面レリーフを含む、任意のタイプであってもよい。ＩＣＧ１９２は、ＬＯＥ１９０の反射モードアルミ被覆部分であることができる。代替として、ＩＣＧ１９２は、ＬＯＥ１９０の透過回折部分であることができる。システム１００が使用されているとき、光源１２０からの仮想光ビーム２１０は、ユーザの眼への表示のために、実質的全内部反射（「ＴＩＲ」）によって、ＩＣＧ１９２を介して、ＬＯＥ１９０に入射し、ＬＯＥ１９０に沿って伝搬する。光ビーム２１０は、その一部の画像をシステム１００によって指向されるようにエンコードするため、「仮想」である。１つのみのビームが図１に図示されるが、画像をエンコードする多数のビームが、同一ＩＣＧ１９２を通して広範囲の角度からＬＯＥ１９０に入射し得ることを理解されたい。ＬＯＥの中に「入射する」または「受容される」光ビームは、限定ではないが、実質的ＴＩＲによってＬＯＥに沿って伝搬するようにＬＯＥと相互作用する、光ビームを含む。図１に描写されるシステム１００は、種々の光源１２０（例えば、ＬＥＤ、ＯＬＥＤ、レーザ、およびマスクされた広面積／広帯域エミッタ）を含むことができる。光源１２０からの光はまた、光ファイバケーブル（図示せず）を介して、ＬＯＥ１９０に送達されてもよい。
【００４３】
図２は、光源１２０と、ＬＯＥ１９０および内部結合格子１９２の個別の複数集合（例えば、３つの）とを含む、別の光学システム１００’を描写する。光学システム１００’はまた、３つのビームスプリッタ１６２（光を個別のＬＯＥに指向する）と、３つのシャッタ１６４（ＬＯＥが照明されるときを制御する）とを含む。シャッタ１６４は、任意の好適な光学シャッタであることができ、限定ではないが、液晶シャッタを含む。ビームスプリッタ１６２およびシャッタ１６４は、光学システム１００’の機能を図示するために構成を規定することなく、図２に図式的に描写される。以下に説明される実施形態は、光学システムに関する種々の問題に対処する、具体的光学要素構成を含む。
【００４４】
システム１００’が使用されるとき、光源１２０からの仮想光ビーム２１０は、３ビームスプリッタ１６２によって、３つの仮想光サブビーム／ビームレット２１０’に分裂される。３ビームスプリッタはまた、ビームレットを個別の内部結合格子１９２に向かって再指向する。ビームレットが個別の内部結合格子１９２を通してＬＯＥ１９０に入射した後、実質的ＴＩＲ（図示せず）によって、ＬＯＥ１９０に沿って伝搬し、そこで、付加的光学構造と相互作用し、表示をユーザの眼にもたらす。光学経路の遠側上の内部結合格子１９２の表面は、不透明材料（例えば、アルミニウム）でコーティングされ、光が内部結合格子１９２を通して次のＬＯＥ１９０に通過することを防止することができる。ビームスプリッタ１６２は、波長フィルタと組み合わせられ、赤色、緑色、および青色ビームレットを生成することができる。３つの単色ＬＯＥ１９０が、色画像を単一深度平面において表示するために要求される。代替として、ＬＯＥ１９０はそれぞれ、ユーザの視野内に、同一の色または異なる色のいずれかの側方に角変位されるより大きい単一深度平面画像面積（「タイル状視野」）の一部を提示してもよい。全３つの仮想光ビームレット２１０’が、個別のシャッタ１６４を通して通過するように描写されるが、典型的には、１つのみのビームレット２１０’が、任意のある時間に対応するシャッタ１６４を通して選択的に通過することを可能にされる。このように、システム１００’は、ビーム２１０およびビームレット２１０’によってエンコードされる画像情報とＬＯＥ１９０を協調させることができ、それを通してビームレット２１０’およびその中にエンコードされる画像情報は、ユーザの眼に送達されるであろう。
【００４５】
図３は、ビームスプリッタ１６２、シャッタ１６４、ＩＣＧ１９２、およびＬＯＥ１９０の個別の複数集合（例えば、６つ）を有する、さらに別の光学システム１００’’を描写する。図２の議論の際に上記で説明されたように、３つの単一色ＬＯＥ１９０が、色画像を単一深度平面において表示するために要求される。したがって、本システム１００’’の６つのＬＯＥ１９０は、色画像を２つの深度平面において表示することが可能である。光学システム１００’’内のビームスプリッタ１６２は、異なるサイズを有する。光学システム１００’’内のシャッタ１６４は、個別のビームスプリッタ１６２のサイズに対応する異なるサイズを有する。
【００４６】
光学システム１００’’内のＩＣＧ１９２は、個別のビームスプリッタ１６２のサイズに対応する異なるサイズと、ビームスプリッタ１６２とその個別のＩＣＧ１９２との間のビーム経路の長さとを有する。ビームスプリッタ１６２とその個別のＩＣＧ１９２との間のビーム経路の距離が長いほど、より多くのビームが、発散し、光を内部結合するために、より大きいＩＣＧ１９２を要求する。図３に示されるように、より大きいビームスプリッタ１６２はまた、より大きいＩＣＧ１９２を要求する。より大きいビームスプリッタ１６２は、光源１２０がより大きい走査角度、したがって、より大きい視野（「ＦＯＶ」）を有することを可能にするが、それらまた、より大きいＩＣＧ１９２を要求し、これは、「第２の遭遇問題」を受けやすくする。
（第２の遭遇問題）
【００４７】
第２の遭遇問題は、図３に描写される。図３に描写される仮想光ビームレット２１０’は、ＩＣＧ１９２を通してＬＯＥ１９０に入射する。ＩＣＧ１９２のサイズは、ビームレット２１０’がＴＩＲによってＬＯＥ１９０を通して伝搬するにつれて、ビームレット２１０’が、第２の場所２１２においてＩＣＧ１９２に遭遇するようなものである。本第２の遭遇は、ＬＯＥ１９０からの光の意図されない外部結合を可能にし、それによって、ＬＯＥ１９０に沿って伝搬される光の強度を減少させる。故に、ビームレット２１０’が、ＴＩＲの間、ＩＣＧ１９２と第２の遭遇を有するようなＩＣＧ１９２のサイズの増加は、選択ＬＯＥ１９０のための光学システム１００’’の効率を減少させるであろう。第２の遭遇問題に対処する実施形態は、以下に説明される。
【００４８】
本問題は、「第２の」遭遇問題として説明されるが、より大きいＩＣＧ１９２は、一連の反復遭遇を生じさせ得、光学効率をさらに減少させるであろう。さらに、図１−４に示されるように、深度平面、フィールドタイル、または生成される色の数が、増加するにつれて（例えば、増加されるＡＲシナリオ品質に伴って）、ＬＯＥ１９０およびＩＣＧ１９２の数も、増加する。例えば、単一ＲＧＢ色深度平面は、３つのＩＣＧ１９２を伴う少なくとも３つの単一色ＬＯＥ１９０を要求する。その結果、これらの光学要素における実世界光の意図しない内部結合の機会もまた、増加する。さらに、実世界光は、外部結合格子（図示せず）を含む、ＬＯＥ１９０に沿って常時内部結合され得る。したがって、容認可能ＡＲシナリオを生成するために要求される光学要素の数の増加は、システム１００のための第２の遭遇問題を悪化させる。
（瞳エクスパンダ）
【００４９】
図５に示されるように、上記に説明されるＬＯＥ１９０の一部は、射出瞳エクスパンダ１９６（「ＥＰＥ」）として機能し、Ｙ方向における光源１２０の開口数を増加させ、それによって、システム１００の分解能を増加させることができる。光源１２０は、小径／スポットサイズの光を生成するため、ＥＰＥ１９６は、ＬＯＥ１９０から出射する光の瞳の見掛けサイズを拡張させ、システム分解能を増加させる。ＡＲシステム１００はさらに、ＥＰＥ１９６に加え、直交瞳エクスパンダ１９４（「ＯＰＥ」）を備え、Ｘ（ＯＰＥ）およびＹ（ＥＰＥ）方向の両方において光を拡張させてもよい。ＥＰＥ１９６およびＯＰＥ１９４についてのさらなる詳細は、前述の米国特許出願第１４／５５５，５８５号および米国特許出願第１４／７２６，４２４号に説明されており、その内容は、参照することによって前述に組み込まれている。
【００５０】
図５は、ＩＣＧ１９２、ＯＰＥ１９４、およびＥＰＥ１９６を有する、ＬＯＥ１９０を描写する。図５は、ユーザの眼からのビューに類似する、上面図からのＬＯＥ１９０を描写する。ＩＣＧ１９２、ＯＰＥ１９４、およびＥＰＥ１９６は、立体または表面リリーフを含む、任意のタイプのＤＯＥであってもよい。
【００５１】
ＩＣＧ１９２は、ＴＩＲによる伝搬のために、仮想光ビーム２１０を光源１２０から受容するように構成される、ＤＯＥ（例えば、線形格子）である。図５に描写されるシステム１００では、光源１２０は、ＬＯＥ１９０の側面に配置される。
【００５２】
ＯＰＥ１９４は、システム１００を通して伝搬する仮想光ビーム２１０が９０度側方に偏向されるであろうように、側方平面（すなわち、光経路と垂直）に傾斜される、ＤＯＥ（例えば、線形格子）である。ＯＰＥ１９４はまた、光ビーム２１０が、部分的に、ＯＰＥ１９４を通して通過し、複数（例えば、１１）のビームレット２１０’を形成するように、光経路に沿って、部分的に透過性および部分的に反射性である。描写されるシステム１００では、光経路は、Ｘ軸に沿ってあり、ＯＰＥ１９４は、ビームレット２１０’をＹ軸に対して屈曲するように構成される。
【００５３】
ＥＰＥ１９６は、システム１００を通して伝搬するビームレット２１０’がＺ平面においてユーザの眼に向かって９０度偏向されるであろうように、Ｚ平面（すなわち、ＸおよびＹ方向に対して法線方向）に傾斜される、ＤＯＥ（例えば、線形格子）である。ＥＰＥ１９６はまた、ビームレット２１０’が、部分的に、ＥＰＥ１９６を通して通過し、複数（例えば、７つ）のビームレット２１０’を形成するように、光経路（Ｙ軸）に沿って部分的に透過性および部分的に反射性である。選択ビーム２１０およびビームレット２１０’のみが、明確にするために標識される。
【００５４】
ＯＰＥ１９４およびＥＰＥ１９６の両方もまた、Ｚ軸に沿って少なくとも部分的に透過性であって、実世界光（例えば、実世界オブジェクトから反射する）が、Ｚ方向においてＯＰＥ１９４およびＥＰＥ１９６を通して通過し、ユーザの眼に到達することを可能にする。ＡＲシステム１００に関して、ＩＣＧ１９２は、Ｚ軸に沿って少なくとも部分的に透過性であり、また、Ｚ軸に沿って少なくとも部分的に透過性であって、実世界光を受容する。しかしながら、ＩＣＧ１９２、ＯＰＥ１９４、またはＥＰＥ１９６が、ＬＯＥ１９０の透過回折部分であるとき、それらは、実世界光をＬＯＥ１９０の中に非意図的に内部結合し得る。上記に説明されるように、本非意図的に内部結合された実世界光は、ユーザの眼の中に外部結合され、残影アーチファクトを形成し得る。
【００５５】
図６は、ＩＣＧ１９２、ＯＰＥ１９４、およびＥＰＥ１９６を有する、ＬＯＥ１９０を含む、別の光学システム１００を描写する。システム１００はまた、仮想光ビーム２１０をＩＣＧ１９２を介してＬＯＥ１９０の中に指向するように構成される、光源１２０を含む。光ビーム２１０は、上記図５に関して説明されるように、ＯＰＥ１９４およびＥＰＥ１９６によって、ビームレット２１０’に分割される。さらに、ビームレット２１０’が、ＥＰＥ１９６を通して伝搬するにつれて、それらはまた、ＬＯＥ１９０からＥＰＥ１９６を介してユーザの眼に向かって出射する。選択ビーム２１０およびビームレット２１０’のみが、明確にするために標識される。
（複数の深度光学システム）
【００５６】
図７は、複数（例えば、４つ）のＬＯＥ１９０を含む、光学システム１００を描写し、それぞれ、ＩＣＧ１９２と、ＯＰＥ１９４と、ＥＰＥ１９６とを有する。複数のＬＯＥ１９０はそれぞれ、光が、特定の色を有する、および／または特定の深度平面から生じるように現れるように、光をユーザの眼に送達するように構成されることができる。システム１００はまた、仮想光ビーム２１０を光分配器３００の中に指向するように構成される、光源１２０を含む。光分配器３００は、光ビーム２１０を複数（例えば、４つ）のビームレット２１０’に分割し、ビームレット２１０’を個別のシャッタ１６４およびシャッタ１６４の背後の個別のＩＣＧ１９２に向かって指向するように構成される。
【００５７】
光分配器３００は、複数（例えば、４つ）のビームスプリッタ１６２を有する。ビームスプリッタ１６２は、任意のタイプであることができ、限定ではないが、部分的反射性ビームスプリッタ、ダイクロイックビームスプリッタ（例えば、ダイクロイックミラープリズム）、および／または偏光ビームスプリッタ、例えば、ワイヤグリッドビームスプリッタを含む。図７に描写されるシステム１００では、１つのみのシャッタ１６４が、開放され、１つのみのビームレット２１０’が、その個別のＩＣＧ１９２をアドレス指定し、ＴＩＲによって、その個別のＬＯＥ１９０を通して伝搬することを可能にする。ビームスプリッタ１６２およびシャッタ１６４は、光学システム１００の機能を図示するように構成を規定することなく、図７に図式的に描写される。以下に説明される実施形態は、光学システムに関する種々の問題に対処する、具体的光学要素構成を含む。
【００５８】
ビームレット２１０’はさらに、図６に関して上記に説明されるように、ＯＰＥ１９４およびＥＰＥ１９６によって、ビームレット２１０’に分割される。ビームレット２１０’はまた、上記に説明されるように、ＬＯＥ１９０からＥＰＥ１９６を介してユーザの眼に向かって出射する。選択重複システムコンポーネントである、ビーム２１０およびビームレット２１０’のみが、明確にするために標識される。
【００５９】
さらに、ＩＣＧ１９２は、システム１００内の上部ＬＯＥ１９０の上部表面および４つのＬＯＥ１９０のそれぞれの側面に描写される。本側面図は、ＬＯＥ１９０のスタックのそれぞれのＩＣＧ１９２が、そのＬＯＥ１９０の面上の異なる場所に配置され、ＬＯＥ１９０のスタック内の各ＩＣＧ１９２が分配デバイス内の別個のビームスプリッタ１６２によってアドレス指定されることを可能にすることを実証する。各ビームスプリッタ１６２は、制御可能シャッタによってその個別のＩＣＧ１９２から分離されるため、システム１００は、１つのＬＯＥ１９０が特定の時間においてビームレット２１０’によって照明されるように選択することができる。図式的に図示されるシャッタ１６４およびＩＣＧ１９２の場所は、Ｘ軸に沿ってのみ変動するように現れるが、場所は、任意の空間軸（Ｘ、Ｙ、またはＺ）に沿って変動することができる。
【００６０】
図８は、一実施形態による、光学システム１００を描写し、これは、複数（例えば、５つ）のＬＯＥ１９０を含み、それぞれ、ＩＣＧ１９２と、ＯＰＥ１９４と、ＥＰＥ１９６とを有する。複数のＬＯＥ１９０はそれぞれ、光が、特定の色を有する、および／または特定の深度平面から生じるように現れるように、光をユーザの眼に送達するように構成されることができる。システム１００はまた、仮想光ビーム２１０を光分配器３００の中に指向するように構成される、光源１２０を含む。光分配器３００は、光ビーム２１０を複数（例えば、５つ）のビームレット２１０’に分割し、ビームレット２１０’を個別のシャッタ１６４およびシャッタ１６４の背後の個別のＩＣＧ１９２に向かって指向するように構成される。
【００６１】
図８に描写される光分配器３００は、ＩＣＧ１９２と、複数（例えば、５つ）の外部結合格子３０２（「ＯＣＧ」）とを有する、一体型光学要素である。ＩＣＧ１９２は、実質的ＴＩＲによって光分配器３００内で伝搬するように、光源１２０からの仮想光ビーム２１０を内部結合するように構成される。ＯＣＧは、動的格子（例えば、ＰＤＬＣ）または静的格子であることができる。ＯＣＧ３０２は、光分配器３００の縦軸およびＴＩＲ光経路に沿って順次配置される。ＯＣＧはそれぞれ、光分配器３００に対する接線の近傍の光ビーム２１０の一部（例えば、ビームレット２１０’）を光分配器３００から個別のＬＯＥ１９０内の個別のＩＣＧ１９２に向かって指向するように構成される。ビーム２１０の別の部分は、より斜角においてＯＣＧ３０２から反射し、実質的ＴＩＲによって、光分配器を通して伝搬し続ける。ビーム２１０の本他の部分は、システム１００内のＬＯＥ１９０のそれぞれに対応する、残りの複数のＯＣＧ３０２と相互作用する。
【００６２】
図７に描写されるシステム１００のように、図８に描写されるシステム１００はまた、光分配器３００を個別のＩＣＧ１９２から分離する、複数（例えば、５つ）のシャッタ１６４を含む。図式的に図示されるＯＣＧ３０２、シャッタ１６４、およびＩＣＧ１９２の場所は、Ｘ軸に沿ってのみ変動するように現れるが、場所は、任意の空間軸（Ｘ、Ｙ、またはＺ）に沿って変動することができる。
【００６３】
上記に説明されるように、光分配器３００は、仮想光ビーム２１０を複数（例えば、５つ）のビームレット２１０’に分割するように構成される。図８に描写される各ＯＣＧ３０２は、出射のために、ビームレット２１０’を光分配器３００の反対側に向かって再指向するが、ＯＣＧ３０２はまた、他の実施形態では、ビームレット２１０’がそれを通して出射することを可能にしてもよい。そのような実施形態では、ＯＣＧ３０２は、シャッタ１６４およびＬＯＥ１９０に隣接する光分配器の表面上に配置されることができる。図８に描写されるシステム１００では、１つのみのシャッタ１６４が、開放され、１つのみのビームレット２１０’がその個別のＩＣＧ１９２をアドレス指定し、ＴＩＲによって、その個別のＬＯＥ１９０を通して伝搬することを可能にする。しかしながら、他のビームレット２１０’は、その経路を図示するために、その個別の閉鎖されたシャッタ１６４を通して通過するように描写される。
【００６４】
ビームレット２１０’はさらに、図６に関して上記に説明されるように、ＯＰＥ１９４およびＥＰＥ１９６によって、ビームレット２１０’に分割される。ビームレット２１０’はまた、上記に説明されるように、ＬＯＥ１９０からＥＰＥ１９６を介してユーザの眼に向かって出射する。選択重複システムコンポーネントである、ビーム２１０およびビームレット２１０’のみが、明確にするために標識される。
【００６５】
さらに、ＩＣＧ１９２は、上部ＬＯＥ１９０の上部表面およびＬＯＥ１９０上の全ての側面に描写される。本側面図は、ＬＯＥ１９０のスタックのそれぞれのＩＣＧ１９２が、そのＬＯＥ１９０の面上の異なる場所に配置され、ＬＯＥ１９０のスタック内の各ＩＣＧ１９２が分配デバイス内の別個のビームスプリッタ１６２によってアドレス指定されることを可能にすることを実証する。各ビームスプリッタ１６２は、制御可能シャッタによってその個別のＩＣＧ１９２から分離されるため、システム１００は、１つのＬＯＥ１９０がビームレット２１０’によって特定の時間において照明されるように選択することができる。
【００６６】
図８に描写されるシステムはまた、発散するビームレット２１０’を光分配器３００と対応するＬＯＥ１９０内の対応するＩＣＧ１９２との間のＬＯＥ１９０に集束させることによって上記に説明される第２の遭遇問題に対処する、随意の集束光学要素３０４を含む。発散するビームレット２１０’を集束光学要素３０４に集束させることは、ビームレット２１０’をＩＣＧ１９２上に収束させ、それによって、光分配器３００によって送達される全範囲のビームレット２１０’を内部結合するために要求されるＩＣＧ１９２のサイズを低減させる。
【００６７】
図９は、別の実施形態による、光学システム１００を描写し、これは、複数（例えば、４つ）のＬＯＥ１９０を含み、それぞれ、ＩＣＧ１９２と、ＯＰＥ１９４と、ＥＰＥ１９６とを有する。複数のＬＯＥ１９０はそれぞれ、光が、特定の色を有する、および／または特定の深度平面から生じるように現れるように、光をユーザの眼に送達するように構成されることができる。システム１００はまた、仮想光ビーム２１０を光分配器３００の中に指向するように構成される、光源１２０を含む。光分配器３００は、光ビーム２１０を複数（例えば、４つ）のビームレット２１０’に分割し、ビームレット２１０’を個別のシャッタ１６４およびシャッタ１６４の背後の個別のＩＣＧ１９２に向かって指向するように構成される。
【００６８】
光分配器３００は、「Ｌ」形状に配列される、複数（例えば、５つ）のビームスプリッタ１６２を有する。「Ｌ」形状は、内部結合ビームスプリッタ３０８と、そこに接続される２つの「アーム」３０６とから形成される。アーム３０６はそれぞれ、２つのビームスプリッタ１６２を含む。アーム３０６内のビームスプリッタ１６２は、任意のタイプであることができ、限定ではないが、部分的反射性ビームスプリッタ、ダイクロイックビームスプリッタ（例えば、ダイクロイックミラープリズム）、または偏光ビームスプリッタ、例えば、ワイヤグリッドビームスプリッタを含む。ダイクロイックおよび偏光ビームスプリッタは、それぞれ、波長（すなわち、色）および偏光に基づいて、光を分離させる。内部結合ビームスプリッタ３０８は、本実施形態では、部分的反射性ビームスプリッタ（例えば、５０％反射性および５０％透過性）であるが、内部結合ビームスプリッタ３０８は、他の実施形態では、ダイクロイックまたは偏光ビームスプリッタであることができる。
【００６９】
内部結合ビームスプリッタ３０８は、仮想光ビーム２１０を光源１２０から受容し、ＴＩＲによる２つのアーム３０６に沿った伝搬のために、それを２つのビームレット２１０’に分割するように構成される。２つのビームレット２１０’は、アーム３０６を通して伝搬し、図７に描写される光分配器３００内のビームスプリッタ１６２と相互作用するビーム２１０と類似方式において、その中のビームスプリッタ１６２と相互作用する。図９におけるシャッタ１６４は、閉鎖されるように描写されるが、それらは、一度に１つ開放され、１つのみのビームレット２１０’が、その個別のＩＣＧ１９２をアドレス指定し、ＴＩＲによって、その個別のＬＯＥ１９０を通して伝搬することを可能にするように構成される。ＬＯＥ１９０では、ビームレット２１０’はさらに、図６に関して上記に説明されるように、ＯＰＥ１９４およびＥＰＥ１９６によって、ビームレット２１０’に分割される。ビームレット２１０’はまた、上記に説明されるように、ＬＯＥ１９０からＥＰＥ１９６を介してユーザの眼に向かって出射する。選択重複システムコンポーネントである、ビーム２１０およびビームレット２１０’のみが、明確にするために標識される。各ビームスプリッタ１６２は、制御可能シャッタによってその個別のＩＣＧ１９２から分離されるため、システム１００は、１つのＬＯＥ１９０がビームレット２１０’によって特定の時間において照明されるように選択することができる。
【００７０】
図９に描写される光分配器３００の「Ｌ」形状は、図９に描写されるシステム１００では、略「Ｌ」形状におけるシャッタ１６４の位置付けをもたらす。光分配器３００の「Ｌ」形状はまた、図９に描写されるシステム１００では、略「Ｌ」形状におけるＩＣＧ１９２の位置付けをもたらす。図９に描写される「Ｌ」形状は、図７に描写される線形形状と比較して、ＩＣＧ１９２のよりコンパクトな空間分布である。「Ｌ」形状はまた、隣接するＩＣＧ１９２からの光の意図しない内部結合のより少ない機会を提供する。これらの特徴は両方とも、図９に描写される光分配器３００の上面図である、図１０から明白である。
【００７１】
図１１は、さらに別の実施形態による、光分配器３００の上面図である。光分配器３００では、アーム３０６を形成する、内部結合ビームスプリッタ３０８およびビームスプリッタ１６２は、異なるサイズである。より大きいビームスプリッタ１６２、３０８は、より大きい走査角度および付随するより大きいＦＯＶを有する、光に適応することができる。ビームスプリッタ１６２のサイズは、ビームスプリッタ１６２に対応するＬＯＥ１９０の走査角度要件に基づいて最適化されることができる。例えば、システム１００および／またはビームスプリッタ１６２のサイズは、少なくとも以下の走査角度考慮点／メトリック、すなわち、システム１００内のＬＯＥ１９０の数およびサイズ、ＦＯＶサイズを最大限にすること、射出瞳サイズを最大限にすること、第２の遭遇問題を低減させること（例えば、ＩＣＧ１９２のサイズを低減させることによって）のバランスをとることによって最適化されることができる。
【００７２】
図９−１１における光分配器３００の形状は、システム１００のＬＯＥ１９０内のシャッタ１６４およびＩＣＧの対応する配列を要求する。また、光分配器３００の形状は、特に、光源１２０と光分配器３００との間の位置関係をもたらし、これは、ひいては、対応する全体的システムプロファイルをもたらす。
【００７３】
図１２は、さらに別の実施形態による、光学システム１００を描写する。図１２におけるシステム１００は、図９に描写されるものとほぼ同じである。差異は、第２の内部結合ビームスプリッタ３０８’の追加である。第２の内部結合ビームスプリッタ３０８’は、光源１２０が、図９におけるように、光分配器３００の平面の代わりに、光分配器３００を光分配器３００の平面の下方からアドレス指定することを可能にするように構成される。本設計変化は、いくつかの実施形態では、大型であり得る、光源１２０が、システム１００内の異なる位置に位置することを可能にする。
【００７４】
図１３は、別の実施形態による、光学システム１００を図式的に描写する。本実施形態では、光分配器３００は、異なるサイズを有する、ビームスプリッタ１６２から形成され、これは、ビームスプリッタ１６２に対応するＬＯＥ１９０の走査角度要件に従って、システム１００の最適化を可能にする。いくつかの実施形態では、システム１００および／またはビームスプリッタ１６２のサイズは、少なくとも以下の走査角度考慮点／メトリック、すなわち、システム１００内のＬＯＥ１９０の数およびサイズ、ＦＯＶサイズを最大限にすること、射出瞳サイズを最大限にすること、第２の遭遇問題を低減させること（例えば、ＩＣＧ１９２のサイズを低減させることによって）のバランスをとることによって最適化されることができる。例えば、第１のビームスプリッタ１６２−１は、辺長１．５ｍｍを伴う立方体である。対応する第１のシャッタ１６４−１は、長さ１．５ｍｍを有する。第２のビームスプリッタ１６２−２は、辺長１ｍｍを伴う立方体である。対応する第２のシャッタ１６４−２は、長さ１ｍｍを有する。第３のビームスプリッタ１６２−３は、辺長１．５ｍｍを伴う立方体である。対応する第３のシャッタ１６４−３は、長さ１．２ｍｍを有する。第４のビームスプリッタ１６２−４は、辺長２ｍｍを伴う立方体である。対応する第４のシャッタ１６４−４は、長さ１．８ｍｍを有する。
【００７５】
システム１００はまた、個別の複数（例えば、４つ）のＬＯＥ１９０と、それに対応するＩＣＧ１９２とを含む。図１３に示されるように、シャッタ１６４およびＩＣＧ１９２のサイズ（例えば、長さ）は、（１）光源１２０および対応するビームスプリッタ１６２と（２）対応するビームスプリッタおよび対応するＩＣＧ１９２との間の距離の関数である。これは、これらの距離が、ビームスプリッタ１６２、シャッタ１６４、およびＩＣＧ１９２と相互作用するとき、仮想光ビーム２１０およびビームレット２１０’が収束するかまたは発散するかを判定し得るからである。選択ビーム２１０およびビームレット２１０’のみが、明確にするために標識される。図１３におけるシャッタ１６４は、閉鎖されるように描写されるが、それらは、一度に１つ開放され、１つのみのビームレット２１０’が、その個別のＩＣＧ１９２をアドレス指定し、ＴＩＲによって、その個別のＬＯＥ１９０を通して伝搬することを可能にするように構成される。図１３におけるビームレット２１０’は、その経路を図示するために、その個別の閉鎖されたシャッタ１６４を通して通過するように描写される。
【００７６】
図１４は、さらに別の実施形態による、光学システム１００を図式的に描写する。図１３に描写される光分配器のように、図１４に描写される光分配器３００は、異なるサイズを有する、ビームスプリッタ１６２から形成され、これは、ビームスプリッタ１６２に対応するＬＯＥ１９０の走査角度要件に従って、システム１００の最適化を可能にする。例えば、システム１００および／またはビームスプリッタ１６２のサイズは、少なくとも以下の走査角度考慮点／メトリック、すなわち、システム１００内のＬＯＥ１９０の数およびサイズ、ＦＯＶサイズを最大限にすること、射出瞳サイズを最大限にすること、第２の遭遇問題を低減させること（例えば、ＩＣＧ１９２のサイズを低減させることによって）のバランスをとることによって最適化されることができる。図１３に描写されるシステム１００と異なり、図１４に描写されるシステム１００は、ビームスプリッタ１６２の反対側上に配置される、ＬＯＥ１９０およびシャッタ１６４を含む。本構成は、いくつかのＬＯＥ１９０のための光経路を短縮し、それによって、光ビームレット２１０’を発散させるための対応するＩＣＧ１９２のサイズを低減させる。ＩＣＧ１９２のサイズの低減は、第２の遭遇問題を回避することによって、光学効率を改良する。ＬＯＥ１９０（およびシャッタ１６４）をビームスプリッタ１６２の反対側上に配置することは、ビームスプリッタ１６２−１、１６２−２のうちのいくつかが、光を第１の直交方向に指向し、他のビームスプリッタ１６２−３、１６２−４が、光を反対の第２の直交方向に指向することを要求する。
【００７７】
図１４における選択ビーム２１０およびビームレット２１０’のみが、明確にするために標識される。図１４におけるシャッタ１６４は、閉鎖されるように描写されるが、それらは、一度に１つ開放され、１つのみのビームレット２１０’が、その個別のＩＣＧ１９２をアドレス指定し、ＴＩＲによって、その個別のＬＯＥ１９０を通して伝搬することを可能にするように構成される。図１４におけるビームレット２１０’は、その経路を図示するために、その個別の閉鎖されたシャッタ１６４を通して通過するように描写される。
【００７８】
図１５および１６は、２つの他の実施形態による、光学システム１００を描写する。図１５および１６に描写されるシステム１００は、図９、１２、１５、および１６に描写されるシステム１００がそれぞれ、４つのＬＯＥ１９０を有するため、図９および１２に描写されるシステム１００に類似する。システム１００における差異は、その中の光分配器３００の異なる構成によって生じる。図１５における光分配器３００は、内部結合ビームスプリッタ３０８によって接続され、ＸおよびＹ軸において相互からオフセットされる、２つの平行アーム３０６（ビームスプリッタ１６２から形成される）を有する。図１６における光分配器３００は、内部結合ビームスプリッタ３０８によって接続され、Ｙ軸において相互からオフセットされる、２つの垂直アーム３０６（ビームスプリッタ１６２から形成される）を有する。
【００７９】
図１５および１６における光分配器３００の異なる構成は、シャッタ１６４（図１６にのみ示される）およびＬＯＥ１９０の構成における差異につながる。異なる光分配器３００、シャッタ１６４、およびＬＯＥ１９０構成は、光学システム１００の３次元占有面積をカスタマイズし、特定のデバイス形状因子を提供するために使用されることができる。選択システムコンポーネントである、ビーム２１０およびビームレット２１０’のみが、含まれ、明確にするために図１５および１６に標識される。図１６におけるシャッタ１６４は、閉鎖されるように描写されるが、それらは、一度に１つ開放され、１つのみのビームレット２１０’が、その個別のＩＣＧ１９２をアドレス指定し、ＴＩＲによって、その個別のＬＯＥ１９０を通して伝搬することを可能にするように構成される。
【００８０】
図１７は、別の実施形態による、光学システム１００を図式的に描写し、これは、複数（例えば、５つの）のＬＯＥ１９０を有する。図１７に描写されるシステム１００は、システム１００が、ビームスプリッタ１６２の反対側上に配置される、ＬＯＥ１９０およびシャッタ１６４を含むため、図１４に描写されるシステム１００に類似する。上記に説明されるように、本構成は、いくつかのＬＯＥ１９０のための光経路を短縮し、それによって、光ビームレット２１０’を発散させるための対応するＩＣＧ１９２のサイズを低減させ、第２の遭遇問題を低減させる。
【００８１】
図１４および１７に描写されるシステム１００間の主な差異は、図１７に描写される光分配器３００が、図１４に示されるように、複数のビームスプリッタ１６２の代わりに、一体型光学要素であることである。図１７における光分配器３００は、仮想光ビーム２１０を複数（例えば、５つ）のビームレット２１０’に分割し、それらのビームレット２１０’を個別のシャッタ１６４およびシャッタ１６４の背後の個別のＩＣＧ１９２に向かって指向するように構成される、不規則的に成形されるＤＯＥ３１０を含む。不規則的に成形されるＤＯＥ３１０の部分は、より大きいサイズまたは走査角度を有するビームレット２１０’を指向させ、それによって、システム１００の分解能を増加させるように構成される。
【００８２】
選択システムコンポーネントである、ビーム２１０およびビームレット２１０’のみが、含まれ、明確にするために図１７に標識される。図１７におけるシャッタ１６４は、閉鎖されるように描写されるが、それらは、一度に１つ開放され、１つのみのビームレット２１０’が、その個別のＩＣＧ１９２をアドレス指定し、ＴＩＲによって、その個別のＬＯＥ１９０を通して伝搬することを可能にするように構成される。
【００８３】
図１８−２０は、３つの他の実施形態による、光学システム１００およびその中に位置する光分配器３００を描写する。図１８−２０に描写されるシステム１００および光分配器３００は、図９、１２、１５、および１６に描写されるシステム１００および光分配器３００に類似するが、しかしながら、システム１００はそれぞれ、異なる光分配器３００およびＬＯＥ１９０構成を有する。図１８−２０に描写されるシステム１００および光分配器３００は、それらが全て６つのＬＯＥのための６つのチャネルに適応するため、相互に類似する。３つの単色ＬＯＥ１９０が、単一深度平面においてカラー画像を表示するために要求されるため、これらのシステム１００の６つのＬＯＥ１９０は、２つの深度平面においてカラー画像を表示することができる。
【００８４】
図１８−２０（および図９、１２、１５、および１６）に描写されるシステム１００における差異は、その中の光分配器３００の異なる構成によって生じる。図１８における光分配器３００は、２つの内部結合ビームスプリッタ３０８によって接続される、３つのアーム３０６−１、３０６−２、３０６−３（ビームスプリッタ１６２から形成される）を有する。２つのアーム３０６−１、３０６−２は、平行であるが、ＹおよびＺ軸において相互からオフセットされる。他のアーム３０６−３は、第１の２つのアーム３０６−１、３０６−２と垂直であって、ＸおよびＹ軸において他の２つのアーム３０６−１、３０６−２からオフセットされる。アーム３０６−１、３０６−２、３０６−３内のビームスプリッタ１６２は、任意のタイプであることができ、限定ではないが、部分的反射性ビームスプリッタ、ダイクロイックビームスプリッタ（例えば、ダイクロイックミラープリズム）、または偏光ビームスプリッタ、例えば、ワイヤグリッドビームスプリッタを含む。内部結合ビームスプリッタ３０８は、本実施形態では、部分的反射性ビームスプリッタであるが、内部結合ビームスプリッタ３０８は、他の実施形態では、ダイクロイックまたは偏光ビームスプリッタであることができる。
【００８５】
図１９における光分配器３００は、内部結合ビームスプリッタ３０８によって接続される、２つのアーム３０６−１、３０６−２（ビームスプリッタ１６２から形成される）を有する。アーム３０６−１、３０６−２は、１つの軸上に配置され、内部結合ビームスプリッタ３０８をその間に伴う。内部結合ビームスプリッタ３０８は、光ビーム２１０の半分を第１のアーム３０６−１の中に、他の半分を第２のアーム３０６−２の中に指向するように構成される、Ｘ−立方体ビームスプリッタである。アーム３０６−１、３０６−２内のビームスプリッタ１６２のいくつかは、その偏光に基づいて１つのみの光の色を再指向するように構成される、偏光ビームスプリッタであることができる。
【００８６】
例えば、（第１および第２のアーム３０６−１、３０６−２のそれぞれ内の）内部結合ビームスプリッタ３０８に隣接する第１のビームスプリッタ１６２−１は、赤色および青色（それぞれ、９０度偏光を伴う）光が、ビームスプリッタ１６２−１を通して進むことを可能にしながら、緑色光（０度偏光を伴う）をビームスプリッタ１６２−１から再指向するように構成されることができる。遅延フィルタ３１２は、第１のビームスプリッタ１６２−１と第２のビームスプリッタ１６２−２との間に配置される。遅延フィルタ３１２は、赤色光のみの偏光を９０度〜０度変化させ、青色光を９０度偏光を伴ったままにするように構成される。第２のビームスプリッタ１６２−２は、赤色光（遅延フィルタ３１２を通して通過後、０度偏光を伴う）をビームスプリッタ１６２−２から再指向するが、青色（９０度偏光を伴う）光がビームスプリッタ１６２−２を通して進むことを可能にするように構成されることができる。第３の「ビームスプリッタ」１６２−３は、単純４５度ミラーと置換されることができる。代替として、第３のビームスプリッタ１６２−３は、青色光をビームスプリッタ１６２−３から再指向するように構成される、ダイクロイックビームスプリッタであることができる。
【００８７】
図２０における光分配器３００は、内部結合ビームスプリッタ３０８によって接続される、３つのアーム３０６−１、３０６−２、３０６−３（ビームスプリッタ１６２から形成される）を有する。「Ｔ」形状からのアーム３０６−１、３０６−２、３０６−３は、９０度反時計回りに回転し、内部結合ビームスプリッタ３０８を「Ｔ」形状の合流点に伴う。内部結合ビームスプリッタ３０８は、赤色光を第１のアーム３０６−１の中に、青色光を第３のアーム３０６−３の中に指向し、緑色光が第２のアーム３０６−２の中に通過することを可能にするように構成される、ダイクロイックビームスプリッタまたはダイクロイックミラープリズムである。各ビームスプリッタ１６２は、部分的反射性であって、着色光の一部をビームスプリッタから対応するＬＯＥ（図示せず）の中に指向することができる。
【００８８】
ダイクロイックビームスプリッタ、ダイクロイックミラープリズム、偏光ビームスプリッタ、および遅延フィルタは、特定の色を伴うビームレット２１０’を生成するように構成される、種々の光分配器３００を設計するために使用されることができる。
【００８９】
図１８−２０における光分配器３００の異なる構成は、シャッタ１６４およびＬＯＥ１９０（図１８および１９にのみ示される）の構成における差異につながる。異なる光分配器３００、シャッタ１６４、およびＬＯＥ１９０構成は、光学システム１００の３次元占有面積をカスタマイズし、特定のデバイス形状因子を提供するために使用されることができる。選択システムコンポーネントである、ビーム２１０およびビームレット２１０’のみが、含まれ、明確にするために図１８−２０に標識される。図１６におけるシャッタ１６４は、閉鎖されるように描写されるが、それらは、一度に１つ開放され、１つのみのビームレット２１０’が、その個別のＩＣＧ１９２をアドレス指定し、ＴＩＲによって、その個別のＬＯＥ１９０を通して伝搬することを可能にするように構成される。
【００９０】
図２１−２３は、それぞれ、別の実施形態による、斜視、上部、および側面図からの光学システム１００を描写する。図２１−２３に描写されるシステム１００および光分配器３００は、図９、１２、１５、１６、および１８−２０に描写されるシステム１００および光分配器３００に類似するが、しかしながら、システム１００はそれぞれ、異なる光分配器３００およびＬＯＥ１９０構成を有する。図２１−２３に描写されるシステム１００および光分配器３００は、それらが全て６つのＬＯＥのための６つのチャネルに適応するため、図１８−２０に描写されるものに類似する。
【００９１】
図２１−２３に描写される光分配器３００は、２つの内部結合ビームスプリッタ３０８によって接続される、２つのアーム３０６−１、３０６−２（ビームスプリッタ１６２から形成される）を有する。アーム３０６−１、３０６−２は、平行であるが、Ｚ軸において相互からオフセットされる。内部結合ビームスプリッタ３０８は、光ビーム２１０の半分を第１のアーム３０６−１の中に、他の半分を第２のアーム３０６−２の中に指向するように構成される、部分的反射性ビームスプリッタである。第２の内部結合「ビームスプリッタ」３０８は、単純４５度ミラーと置換されることができる。アーム３０６−１、３０６−２内のビームスプリッタ１６２のいくつかは、その偏光に基づいて光の１つのみの色を再指向するように構成される、偏光ビームスプリッタであることができる。
【００９２】
例えば、第１の遅延フィルタ３１２は、内部結合ビームスプリッタ３０８と第１のビームスプリッタ１６２−１との間に配置される。第１の遅延フィルタ３１２は、赤色および青色光の偏光を０度〜９０度変化させる一方、緑色光の偏光を０度のままにするように構成される。内部結合ビームスプリッタ３０８および第１の遅延フィルタ３１２に隣接する第１のビームスプリッタ１６２−１は、緑色光（０度偏光を伴う）をビームスプリッタ１６２−１から再指向するが、赤色および青色（それぞれ、９０度偏光を伴う）光が、ビームスプリッタ１６２−１を通して進むことを可能にするように構成されることができる。
【００９３】
第２の遅延フィルタ３１２は、第１のビームスプリッタ１６２−１と第２のビームスプリッタ１６２−２との間に配置される。第２の遅延フィルタ３１２は、赤色光のみの偏光を９０度〜０度変化させ、青色光を９０度偏光のままにするように構成される。第２のビームスプリッタ１６２−２は、赤色光（第２の遅延フィルタ３１２を通して通過後、０度偏光を伴う）をビームスプリッタ１６２−２から再指向するが、青色光（９０度偏光を伴う）がビームスプリッタ１６２−２を通して進むことを可能にするように構成されることができる。第３の「ビームスプリッタ」１６２−３は、単純４５度ミラーであることができる。代替として、第３のビームスプリッタ１６２−３は、青色光をビームスプリッタ１６２−３から再指向するように構成される、ダイクロイックビームスプリッタであることができる。半波プレート３１４が、第３のビームスプリッタ１６２−３とＬＯＥ１９０との間に配置され、青色光を０度偏光に復元する。第１および第２のアーム３０６−１、３０６−２の両方内のビームスプリッタ１６２−１、１６２−２、１６２−３は、類似様式で機能する。
【００９４】
図２４は、別の実施形態による、光学システム１００を描写する。図２４に描写されるシステム１００は、図２１−２３に描写されるシステム１００に類似するが、しかしながら、システム１００内の光分配器３００は、異なる縦横比を伴うビームスプリッタ１６２を有する。図２１−２３に描写されるビームスプリッタ１６２は、等辺（例えば、３ｍｍ）を伴う立方体である。図２４に描写されるビームスプリッタ１６２は、３ｍｍ×３ｍｍ×５ｍｍである。Ｚ方向における５ｍｍサイズは、それを通して光が指向されるビームスプリッタ１６２の面（すなわち、Ｙ−Ｚ平面およびＸ−Ｚ平面）が３×５縦横比を有することを意味する。本縦横比は、走査角度における指向性増加を提供する。
【００９５】
図２５は、両光分配器３００内のビームスプリッタ１６２が３×５縦横比を有するという点において図２４に描写されるものに類似する、光分配器３００を描写する。しかしながら、図２４における２つの内部結合ビームスプリッタ３０８は、事実上同一サイズであるが、図２５における２つの内部結合ビームスプリッタ３０８は、異なるサイズを有する。例えば、図２５における第１の内部結合ビームスプリッタ３０８−１は、５ｍｍ×３ｍｍ×５ｍｍであって、第２の内部結合ビームスプリッタ３０８−２は、５ｍｍ×３ｍｍ×３ｍｍである。内部結合ビームスプリッタ３０８のサイズの変化は、２つのアーム３０６−１、３０６−２の走査角度を変化させる。
【００９６】
図２６は、別の実施形態による、光学システム１００を描写する。システム１００は、複数のＬＯＥ１９０と、第１および第２の光分配器３００−１、３００−２と、二重ビーム光源１２０とを含む。二重ビーム光源１２０は、単一仮想光ビーム２１０を、それぞれ、第１および第２の光分配器３００−１、３００−２の中に指向されることができる、２つの空間的に分離されたビームレット２１０’に分割するように構成される。二重ビーム光源１２０は、２つのビームスプリッタ１６２と、２つのシャッタ１６４と、種々の集束光学要素３１６とを含む。ビームスプリッタ１６２は、任意のタイプであることができ、限定ではないが、部分的反射性ビームスプリッタ、ダイクロイックビームスプリッタ（例えば、ダイクロイックミラープリズム）、または偏光ビームスプリッタ、例えば、ワイヤグリッドビームスプリッタを含む。２つのビームスプリッタ１６２およびシャッタ１６４を光分配器３００から光源１２０の中に移動させ、１つの光分配器３００を２つの光分配器３００−１、３００−２に分裂することは、全体的システム構成および形状因子を変化させる。
【００９７】
図２７は、別の実施形態による、図２６に描写されるシステム１００と併用するために構成される、複数のＬＯＥ１９０および２つの光分配器３００−１、３００−２を描写する。図２７における光分配器３００−１、３００−２は、光分配器３００−１、３００−２を形成するビームスプリッタのサイズより大きく、より大きい走査角度を可能にする、個別の内部結合ビームスプリッタ３０８を含む。
【００９８】
図２８は、さらに別の実施形態による、光学システム１００を図式的に描写する。本システム１００は、赤色および青色光を１つのＬＯＥ１９０の中に組み合わせ、容認可能カラー画像を１つの深度平面にレンダリングするために必要とされるＬＯＥ１９０の数を３つから２つに低減させる。故に、図２８に描写されるシステム１００は、１２の代わりに、８つのＬＯＥ１９０を使用して、容認可能なフルカラー画像を４つの深度平面に生成する。ＬＯＥ１９０および対応する光学要素（例えば、レンズ、ビームスプリッタ１６２、シャッタ１６４等）の数の本低減は、システム１００の全体的サイズを低減させる。
【００９９】
図２９は、別の実施形態による、光学システム１００を描写する。図２９に描写されるシステム１００は、意図しない外部結合問題に対処する。システム１００は、光源１２０と、３つのＬＯＥ１９０とを含む。光源１２０は、仮想光ビーム２１０を第１のＬＯＥ１９０−１のＩＣＧ１９２に向かって指向するように構成される。ＩＣＧ１９２は、ビーム２１０を第１のＬＯＥ１９０−１の中に指向し、ＴＩＲによって、それを通して伝搬するように構成されるが、ビーム２１０’の第１の部分のみが、第１のＬＯＥ１９０−１の中に指向される。ＩＣＧ１９２効率は、１００％未満（例えば、５０％）であるため、ビーム２１０’’の第２の部分は、ＩＣＧ１９２を通して第１のＬＯＥ１９０−１から通過する。ビーム２１０’’の本第２の部分は、図２９における点線２１０’’’によって示されるように、システム１００から逃散し、それによって、光学効率およびビーム密度を低減させ得る。
【０１００】
図２９におけるシステム１００は、ミラーコーティング３１８を光源１２０のＩＣＧ１９２と反対側に配置することによって、本問題に対処する。特に、ミラーコーティング３１８は、ＩＣＧ１９２に最も近い第２のＬＯＥ１９０−２の側に配置される。ミラーコーティング３１８およびＩＣＧ１９２は、ビーム２１０’’の第２の部分がミラーコーティング３１８から反射し、第１のＬＯＥ１９０−１のＩＣＧ１９２に再入射するように構成される。本光２１０’’は、第１のＬＯＥ１９０−１の中に内部結合され、ＴＩＲによって、それを通して伝搬し、それによって、システム１００の光学効率およびビーム密度を増加させる。
【０１０１】
いくつかの実施形態が、遅延フィルタ３１２、偏光ビームスプリッタ１６２、および半波プレート３１４を使用して、異なる色の光の再指向のために、光分配器３００を構成するように説明されるが、具体的実施形態は、例証にすぎず、限定することを意図するものではない。故に、そのような光分配器３００は、任意の色順において、着色光を出力するように構成されることができる。
【０１０２】
いくつかの実施形態は、４つのチャネルを有するように説明されるが、それらのシステムは、青色および赤色光が同一チャネルを使用して２つのＬＯＥに送達され得るため、依然として、容認可能フルカラー仮想画像を２つの深度平面にレンダリングするために使用されることができる。単一青色／赤色チャネル設計を使用して、コンポーネントの数を低減させる、光学システムは、前述の米国仮特許出願第６２／１５６，８０９号に説明されており、その内容は、前述で参照することによって組み込まれている。本設計を使用して、２つのチャネル（緑色および赤色／青色）が、容認可能フルカラー仮想画像を１つの深度平面にレンダリングするために使用されることができる。
【０１０３】
前述のＡＲシステムは、選択的反射性光学要素から利益を享受し得る、種々の光学システムの実施例として提供される。故に、本明細書に説明される光学システムの使用は、開示されるＡＲシステムに限定されず、むしろ、任意の光学システムに適用可能である。
【０１０４】
種々の本発明の例示的実施形態が、本明細書で説明される。非限定的な意味で、これらの実施例が参照される。それらは、本発明のより広く適用可能な側面を例証するように提供される。種々の変更が、説明される本発明に行われてもよく、本発明の真の精神および範囲から逸脱することなく、均等物が置換されてもよい。加えて、特定の状況、材料、物質組成、プロセス、プロセス行為、またはステップを本発明の目的、精神、もしくは範囲に適合させるように、多くの修正が行われてもよい。さらに、当業者によって理解されるように、本明細書で説明および例証される個々の変形例のそれぞれは、本発明の範囲または精神から逸脱することなく、他のいくつかの実施形態のうちのいずれかの特徴から容易に分離され、またはそれらと組み合わせられ得る、離散構成要素および特徴を有する。全てのそのような修正は、本開示と関連付けられる請求項の範囲内にあることを目的としている。
【０１０５】
本発明は、対象デバイスを使用して行われ得る方法を含む。方法は、そのような好適なデバイスを提供するという行為を含んでもよい。そのような提供は、エンドユーザによって行われてもよい。換言すれば、「提供する」行為は、単に、エンドユーザが、対象方法において必須デバイスを提供するように、取得し、アクセスし、接近し、位置付けし、設定し、起動し、電源を入れ、または別様に作用することを要求する。本明細書で記載される方法は、論理的に可能である記載された事象の任意の順番で、ならびに事象の記載された順番で実行されてもよい。
【０１０６】
本発明の例示的側面が、材料選択および製造に関する詳細とともに、上記で記載されている。本発明の他の詳細に関しては、これらは、上記で参照された特許および出版物と関連して理解されるとともに、概して、当業者によって公知または理解され得る。一般的または論理的に採用されるような付加的な行為の観点から、本発明の方法ベースの側面に関して、同じことが当てはまり得る。
【０１０７】
加えて、本発明は、種々の特徴を随意的に組み込むいくつかの実施例を参照して説明されているが、本発明は、本発明の各変形例に関して考慮されるような説明および指示されるものに限定されるものではない。種々の変更が、説明される本発明に行われてもよく、本発明の真の精神および範囲から逸脱することなく、均等物（本明細書に記載されようと、いくらか簡単にするために含まれていなかろうと）が置換されてもよい。加えて、値の範囲が提供される場合、その範囲の上限と下限との間の全ての介在値、およびその規定範囲内の任意の他の規定または介在値が、本発明内に包含されることを理解されたい。
【０１０８】
また、説明される本発明の変形例の任意の随意的な特徴が、独立して、または本明細書で説明される特徴のうちのいずれか１つまたはそれを上回るものと組み合わせて、記載および請求されてもよいことが考慮される。単数形のアイテムへの参照は、複数形の同一のアイテムが存在するという可能性を含む。より具体的には、本明細書で、および本明細書に関連付けられる請求項で使用されるように、「１つの（ａ、ａｎ）」、「該（ｓａｉｄ、ｔｈｅ）」という単数形は、特に規定がない限り、複数形の指示対象を含む。換言すれば、冠詞の使用は、上記の説明ならびに本開示と関連付けられる請求項において、対象アイテムの「少なくとも１つ」を可能にする。さらに、そのような請求項は、任意の随意的な要素を除外するように起草され得ることに留意されたい。したがって、この記述は、請求項の要素の記載と関連して、「単に（ｓｏｌｅｌｙ）」、「のみ（ｏｎｌｙ）」、および均等物等のそのような排他的用語の使用、または「否定的」制限の使用のために、先行詞としての機能を果たすことを目的としている。
【０１０９】
そのような排他的用語を使用することなく、本開示と関連付けられる請求項での「備える（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」という用語は、所与の数の要素がそのような請求項で列挙されるか、または特徴の追加をそのような請求項に記載される要素の性質の変換として見なすことができるかにかかわらず、任意の付加的な要素を含むことを可能にするものとする。本明細書で具体的に定義される場合を除いて、本明細書で使用される全ての技術および科学用語は、請求項の有効性を維持しながら、可能な限り広い一般的に理解されている意味を与えられるものである。
【０１１０】
本発明の範疇は、提供される実施例および／または対象の明細書に限定されるものではなく、むしろ、本開示と関連付けられる請求項の言葉の範囲のみによって限定されるものである。
【０１１１】
前述の明細書では、本発明は、その具体的実施形態を参照して説明された。しかしながら、種々の修正および変更が、本発明のより広義の精神および範囲から逸脱することなくそこに成されてもよいことは、明白となるであろう。例えば、前述のプロセスフローは、プロセス作用の特定の順序を参照して説明される。しかしながら、説明されるプロセス作用の多くの順序は、本発明の範囲または動作に影響を及ぼすことなく、変更されてもよい。明細書および図面は、故に、限定的意味ではなく、例証的と見なされるべきである。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【国際調査報告】
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