(57)【要約】ディスプレイシステムは射出瞳画像を生成する回折格子を含み、射出瞳画像のうちの１つが第１の強度を有し、残りの射出瞳画像は各々第１の強度より低い第２の光度を有するか、または近似的に有する。また、本システムは、当該１つの射出瞳画像の強度を減衰させるフィルタも含む。一実施例では、すべての射出瞳画像が同一またはほぼ同一の強度を有するように、フィルタは０次射出瞳像を減衰させる。
2005509189.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光源と、
前記光源から射出瞳画像を生成するように作用可能な回折格子であって、該射出瞳画像のうちの１つが第１の強度を有し、残りの射出瞳画像が該第１の強度より低い第２の強度を有するか、または実質的に有する回折格子と、
前記１つの射出瞳画像の前記強度を減衰させるように作用可能なフィルタと
を備えたことを特徴とするディスプレイシステム。
【請求項２】
前記フィルタは、前記射出瞳画像がすべて同一またはほぼ同一の強度を有するように、前記１つの射出瞳画像の前記強度を減衰させるように作用可能であることを特徴とする請求項１に記載のディスプレイシステム。
【請求項３】
前記光源は、前記回折格子全体にわたって走査される光ビームを備えていることを特徴とする請求項１に記載のディスプレイシステム。
【請求項４】
前記回折格子が偶数次欠損回折格子を備えていることを特徴とする請求項１に記載のディスプレイシステム。
【請求項５】
前記フィルタは、中間射出瞳平面において前記１つの射出瞳画像を遮蔽するように作用可能であることを特徴とする請求項１に記載のディスプレイシステム。
【請求項６】
前記フィルタが中間射出瞳平面に配置されていることを特徴とする請求項１に記載のディスプレイシステム。
【請求項７】
画像を受け取り、該画像から偶数次、奇数次、および０次の射出瞳画像を生成するように作用可能な回折格子であって、該偶数次射出瞳画像は第１の範囲内の明るさレベルを有し、該奇数次射出瞳画像は該第１の範囲とは異なる第２の範囲内の明るさレベルを有することを特徴とする回折格子。
【請求項８】
前記０次射出瞳画像は、前記第１および第２の範囲とは異なる第３の範囲内の明るさレベルを有することを特徴とする請求項７に記載の回折格子。
【請求項９】
前記第１の明るさ範囲が前記第２の明るさ範囲より暗いことを特徴とする請求項７に記載の回折格子。
【請求項１０】
前記０次射出瞳画像が前記偶数次および奇数次射出瞳画像より明るく、
前記奇数次射出瞳画像が各々第１の明るさレベルを有するか、または近似的に有し、
前記偶数次射出瞳画像が各々前記第１の明るさレベルより暗い第２の明るさレベルを有するか、または近似的に有する
ことを特徴とする請求項７に記載の回折格子。
【請求項１１】
前記画像が走査画像を含むことを特徴とする請求項７に記載の回折格子。
【請求項１２】
第１の信号に応答して入力電磁エネルギーを回折し、第２の信号に応答して該入力電磁エネルギーを通過させるように作用可能な回折格子。
【請求項１３】
前記第１の信号が、ゼロの大きさを有するか、または近似的に有する交番電界を含み、
前記第２の信号が、非ゼロの大きさを有する交番電界を含む
ことを特徴とする請求項１２に記載の回折格子。
【請求項１４】
平坦でない面を有する回折層と、
前記回折層の前記平坦でない面に隣接して配置された可変屈折率層であって、該可変屈折率層を横切る電界に関連する屈折率を有する可変屈折率層と、
前記可変屈折率層の対向する側に配置され、前記可変屈折率層を横切る前記第１および第２の信号を生成するように作用可能な第１および第２電極であって、前記第１の信号が第１の電界を含み、前記第２の信号が第２の電界を含む、第１および第２電極と
を備えていることを特徴とする請求項１２に記載の回折格子。
【請求項１５】
前記第１および第２の電極が前記回折層の対向する側に配置されることを特徴とする請求項１４に記載の回折格子。
【請求項１６】
前記第１および第２の電極が前記回折層の同じ側に配置されることを特徴とする請求項１４に記載の回折格子。
【請求項１７】
前記第１および第２の電極が透明であることを特徴とする請求項１４に記載の回折格子。
【請求項１８】
前記第１および第２の電極がインジウム−スズ酸化物を含むことを特徴とする請求項１４に記載の回折格子。
【請求項１９】
前記可変屈折率層が石英を含むことを特徴とする請求項１４に記載の回折格子。
【請求項２０】
前記電磁エネルギーが光を含むことを特徴とする請求項１２に記載の回折格子。
【発明の詳細な説明】
【関連出願】
【０００１】
本出願は、共に２００２年７月２６日に出願された「APPARATUS AND METHODS FOR GENERATING MULTIPLE EXIT-PUPIL IMAGES IN AN EXPANDED EXIT PUPIL（拡大射出瞳に複数の射出瞳画像を生成する装置および方法）」と題する２つの米国特許出願第１０／２０５，８５８号および第１０／２０６，１７７号に基づく優先権を主張し、これらは参照により本明細書に援用される。これらの米国特許出願は、２００１年１１月２日出願の第６０／３５０，０８９号の利益を主張したものである。本出願は、さらに、２００１年１１月２日に出願された米国仮特許出願第６０／３５０，０８９号に基づく優先権を主張する。
【技術分野】
【０００２】
本発明は、包括的には画像表示／投影システムに関し、特に、均一な明るさの射出瞳画像のアレイを生成する仮想網膜ディスプレイ等の装置に関する。
【背景技術】
【０００３】
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
グラフィック画像、または、しばしばビデオフレームと呼ばれるビデオ画像を観察者に表示／投影するために、さまざまな画像表示／画像投影装置および技術が利用可能である。グラフィック画像、すなわちグラフィックは通常、ほとんどあるいは全く変化しない。例えば、コックピット計器の飛行計器グラフィックはパイロットの視野に重ねることができる。このグラフィックは、パイロットの視線の方向にかかわらずに飛行計器が見えるように、風防等の表示領域上に投影されるか、あるいは、パイロットの目に直接投影され得る。通常、計器の針や数字の動き以外にこのグラフィックに変化はほとんどない。反対に、ビデオフレームは、通常、被写体の動きや場面のパニングを示すために頻繁に変化する一連の画像である。例えば、テレビはビデオフレームを表示する。
【０００５】
テレビやコンピュータのモニタに使用されるような陰極線管（ＣＲＴ）ディスプレイは、広く使用されている画像表示／画像投影装置であるが、残念ながら、いくつかの制限を有する。例えば、ＣＲＴは、通常かさばっていて、相当な量の電力を消費するので、多くの携帯用あるいはヘッドマウント型のアプリケーションに適さない。
【０００６】
液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）、有機ＬＥＤ、プラズマディスプレイおよびフィールドエミッションディスプレイ（ＦＥＤ）のようなフラットパネルディスプレイは通常、それほどかさばらず、同等の表示領域があるＣＲＴよりもかなり少ない電力しか消費しない。しかし、多くの場合、フラットパネルディスプレイには、多くのヘッドマウント型アプリケーションのための十分な輝度および適切な色純度あるいは分解能がない。
【０００７】
図１を参照する。ビーム走査型ディスプレイシステム７１は上記のディスプレイの制限を克服することが多いが、観察者がその目７３を動かすと、表示された画像を見失うことがある。ディスプレイシステム７１は、走査源７２を含み、これは、ビームコンバイナ７４によって観察者の目７３に結合される走査ビーム光を出力する。一実施形態では、走査源７２は、観察者の瞳７５を通過して観察者の網膜７６上で変調光ビームを走査する、走査ミラーまたは音響光学スキャナ等のスキャナ（図示せず）を含む。別の実施形態では、走査源７２は、角度掃引により回転する１つ以上の発光体（図示せず）を含み得る。このようなディスプレイは、観察者の目の瞳を通って画像を走査あるいは投影するので、ディスプレイの「射出瞳」（観察者の目７３の前の、画像が位置する領域として定義され、平面であることが多い）は、観察者の瞳７５の直径に制限され、それは通常、明るい照明下の約２ミリメートル（ｍｍ）から、薄暗い照明下の約７ｍｍまでの範囲である。したがって、観察者は自分の目７３を動かすと、画像を「見失う」ことがある。ディスプレイシステム７１に類似のディスプレイシステムが、さらに、米国特許第５，４６７，１０４号にも記載されており、これは参照により本明細書に援用される。
【０００８】
図２を参照する。ビーム走査型ディスプレイシステム８２は、複数の射出瞳画像８８のアレイを含む、射出瞳８６を生成するための回折格子８４を含むことにより、目の動きにより画像を「見失う」という問題を克服する。具体的には、変調光ビーム９２が回折格子８４上の画像９３を走査する。画像のサイズは走査角２θによって決定される。格子８４はビーム９２を部分ビーム９８ａ〜９８ｃに回折させ、それらはそれぞれビーム９２が画像９３を走査するにつれて、射出瞳画像８８ａ〜８８ｃを生成する。画像８８ａ〜８８ｃの各々は、画像９３の複製であるが、それより低い強度しか持っていない。接眼レンズ９５が、画像８８ａ〜８８ｃをコリメートして、射出瞳８６を形成する。観察者の瞳７５が画像８８ａ〜８８ｃの１つ以上と整列すると、整列した１つまたは複数の画像８８が観察者の網膜７６の領域１００に集束して、画像９３を複製する。複製された画像の強度は、網膜領域１００上に複製画像を形成するように集束する画像８８の数に比例する。
【０００９】
複数の射出瞳画像８８を含むことにより、射出瞳８６は、画像９３に関して観察者の視野を事実上拡大する。すなわち、射出瞳画像８８ａ〜８８ｃの少なくとも１つが観察者の視野内にある限り、観察者は画像９３を見ることができる。例えば、観察者がわずかに下を見ると、射出瞳画像８８ｂは観察者の視野から外れるが、画像８８ａは視野に残り、画像８８ｃが視野に入る。したがって、観察者は、たとえ目７３を動かしたとしても、射出瞳画像８８ａおよび８８ｃ経由で依然として画像９３が見える。ディスプレイシステム８２に類似のビーム走査型ディスプレイシステムが、さらに、米国特許第５，７０１，１３２号にも記載されており、これは参照により本明細書に援用される。
【００１０】
残念ながら、ビーム走査型ディスプレイ８２によって生成される射出瞳画像８８は、しばしば不均一な強度を有するので、観察者が不快に感じたり気が散ったりすることがある。具体的には、回折格子８４は通常、単一波長の光に対して設計されているが、画像ビーム９２は通常、この単一波長以外に他の波長を含んでいる。これらの他の波長に起因して、射出瞳画像８８は異なる強度を有することがある。したがって、通常、明るいほうの射出瞳画像８８が観察者にとって明るくなりすぎないように、ビーム９２の強度を制限する。しかし、これにより、暗いほうの画像８８の一部が、暗すぎて観察者には見えなくなり、射出瞳８６に「穴」をあけてしまうことがある。さらに、暗すぎて観察者には見えない画像８８がなくても、画像８８間に強度差があると、観察者は、注視の対象を変えるにつれて、不快に感じたり気が散ったりすることがある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明の一態様において、ディスプレイシステムは、光源から射出瞳画像を生成する回折格子を含む。射出瞳画像のうちの１つが第１の強度を有し、残りの射出瞳画像は各々第１の強度より低い第２の強度を有するか、または近似的に有する。また、本システムは、前記１つの射出瞳画像の強度を減衰させるフィルタも含む。一実施例において、フィルタは、射出瞳画像がすべて同一またはほぼ同一の強度を持つように、０次射出瞳画像を減衰させる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
図３は、本発明の一実施形態による均一またはほぼ均一な強度の射出瞳画像（図３には図示せず）を有する射出瞳１０２を生成するビーム走査型ディスプレイシステム１００の図である。ディスプレイシステム１００は、画像ビーム１０６を生成するための画像ビーム源１０４、ビーム１０６を走査するための走査アセンブリ１０８、およびレンズアセンブリ１１０を含む。アセンブリ１１０は、異なる強度を有する射出瞳画像を生成するための回折格子１１２を含むとともに、射出瞳１０２を生成するための格子１１２からの射出瞳画像をフィルタリングするための接眼レンズ１１４を含む。レンズアセンブリ１１０について、図４〜図１４に関連して、さらに以下で説明する。
【００１３】
ディスプレイシステム１００の動作において、ビーム源１０４は、ビーム１０６を変調して、走査される画像（図３には図示せず）の画素を生成し、走査アセンブリ１０８は、回折格子１１２上で被変調ビーム１０６を走査する。射出瞳１０２の生成を説明するために、走査されたビーム１０６の複数の経路が示されているが、ビームは一度にただ１つ*の経路に沿って伝わることは言うまでもない。格子１１２はビーム１０６を回折して、可視周辺画像より明るい中心画像を有する射出瞳画像のアレイ（図３には図示せず）を生成するが、それらは同一またはほぼ同一の強度を有する。接眼レンズ１１４は、この射出瞳画像のアレイを集め、接眼レンズ内の中間射出瞳平面（図３には図示せず）で、中心射出瞳画像を部分的に減衰させるか、または、中心射出瞳画像を完全に減衰させる、すなわち遮蔽する。中心射出瞳画像を部分的または完全に減衰させることによって、接眼レンズ１１４は、他の射出瞳画像と同一またはほぼ同一の強度を有する射出瞳１０２の各射出瞳画像を生成する。ビーム源１０４のようなビーム源、およびアセンブリ１０８のような走査アセンブリは、「SCANNED DISPLAY WITH SWITCHED FEEDS AND DISTORTION CORRECTION」と題する同一権利者の米国特許出願第０９／３６９，６７６号に記載されており、これは参照により本明細書に援用される。
【００１４】
さらに図３を参照する。レンズアセンブリ１１０は、走査ビーム１０６から射出瞳１０２を生成すると説明しているが、アセンブリ１１０は、回折格子１１２上に投影される画像から射出瞳１０２を生成することもできる。例えば、画像ビーム源１０４と走査アセンブリ１０８を、発光ダイオード（ＬＥＤ）マトリクスディスプレイ、液晶（ＬＣ）マトリクスディスプレイ、または陰極線管（ＣＲＴ）ディスプレイのような平面画像ディスプレイ（図示せず）で置き換えてもよい。そのような平面ディスプレイ、およびそのようなディスプレイと格子１１２の間に配置される光学コンポーネント（図示せず）は既知である。したがって、そのようなディスプレイおよびコンポーネントの説明は簡単のために省略する。
【００１５】
さらに、回折格子１１２は、均一な明るさの周辺画像の各々より明るい中心画像を生成すると説明しているが、異なる強度パターンを有する射出瞳画像のアレイを生成してもよい。そのような格子１１２により、接眼レンズ１１４は、中心画像以外の射出瞳画像をフィルタリングすることができる。
【００１６】
図４は、観察者の目（図３）が、アセンブリ１１０に関して走査アセンブリ１０８（図３）と同じ側にある本発明の一実施形態による図３のレンズアセンブリ１１０の図である。回折格子１１２は、中間射出瞳平面１２０に射出瞳画像のアレイを生成する。中間射出瞳平面１２０では、中心射出瞳画像１２２は第１の強度を有し、周辺射出瞳画像１２４は各々、第１の強度より低い第２の強度を有するか、または近似的に有する。接眼レンズ１１４は不透明板(obscuration plate)１２６を含む。これは、射出瞳１０２の周辺射出瞳画像１２４が各々同一またはほぼ同一の強度を有するように、中心射出瞳画像１２２を遮蔽する。
【００１７】
図５Ａは、図４の平面１２０における射出瞳画像１２２および１２４のアレイを示し、図５Ｂは、本発明の一実施形態によるビーム１０６の非設計波長での図５Ａの画像の相対強度を示す。
【００１８】
図４、図５Ａおよび図５Ｂを参照すると、回折格子１１２（図９、図１０、図１３Ａおよび図１３Ｂに関連して以下でさらに詳細に説明する）は、単一波長光用に設計された２相の偶数次欠損（ＥＯＭ）回折格子である。設計波長では、中心射出瞳画像１２２はゼロ強度を有し、すなわち暗く、周辺射出瞳画像１２４は同一またはほぼ同一の非ゼロ強度を有する。しかし、図５Ｂに示されているように、波長が設計波長から増加または減少するにつれて、他の画像１２４はより暗くなるが、中心画像１２２はより明るくなる。ただし、各画像１２４は暗くなるが、いかなる波長に対しても、他の画像１２４と同一またはほぼ同一の強度を維持する。したがって、一実施形態では、周辺画像１２４の最小強度を最大化するように、画像ビーム１０６における予測波長の中央値に対してＥＯＭ格子１１２を設計する。そのため、ビーム１０６は人間の目に見える画像を走査することができる可視波長の光を含むので、一実施形態では、ＥＯＭ格子１１２は、およそ５４５ナノメートル（ｎｍ）（黄色／青色光の波長）に対して設計される。というのは、これは、４２０ｎｍ（紫色光）から６７０ｎｍ（赤色光）までの範囲である可視光のほぼ中央値の波長であるからである。
【００１９】
より具体的には、図５Ａおよび図５Ｂを参照すると、射出瞳画像１２２は中間射出瞳平面１２０にあるアレイの０次画像であり、画像１２４はそれぞれ奇数次（１次、３次、５次、７次、…）画像を表し、画像１３０は欠損した（したがって暗い）偶数次（２次、４次、６次、８次、…）画像を表す。画像１２２、１２４、および１３０は、図５Ａでは円形であるが、図５Ｂのように正方形であってもよく、あるいは他の形状であってもよい。上記で説明したように、中心画像１２２は、ビーム１０６（図４）が設計波長および格子１１２（図４）の設計波長だけを含む場合には暗く、ビーム１０６が設計波長以外の１つまたは複数の波長を含む場合には非ゼロ強度を有する。逆に、偶数次画像１３０は任意の波長または波長の組合せに対して暗い。さらに、図５Ｂに示すように、中心画像１２２は設計波長以外のある波長または波長の組合せに対して周辺画像１２４より著しく明るいことがある。したがって、観察者（図５Ａおよび図５Ｂに図示せず）が中間射出瞳平面１２０でアレイを見ることができるならば、その瞳がアレイの周辺に向いている場合よりも、アレイの中心に向いている場合のほうが、観察者に見える画像は著しく明るく見えるであろう。上記で説明したように、観察者は、注視対象を移すにつれて明るさが変化するので、不快に感じたり気が散ったりすることがある。
【００２０】
図５Ｃは、不透明板１２６（図４）によるフィルタリング後の、射出瞳１０２（図４）における図５Ａの画像１２２および１２４の相対強度を示す。以下で説明するように、板１２６は完全に中心画像１２２を遮蔽するので、中心画像１２２は暗く、射出瞳１０２には示されていない。さらに、画像１２４は各々同一またはほぼ同一の強度を有する。一実施形態では、画像１２４の最も明るい部分と最も暗い部分との強度の差を、画像１２４の最も明るい部分と最も暗い部分の強度の和で割ったものが、０．３０以下である場合に、画像１２４は同一またはほぼ同一の強度を有するとみなす。
【００２１】
より具体的には、図４を再び参照すると、不透明板１２６は、すべての周辺射出瞳画像１２４に対して光透過性があるが、中心射出瞳画像１２２に対しては不透明であるので、板１２６は、射出瞳１０２への伝播を妨げる。板１２６は中間射出瞳平面１２０に配置され、適切な大きさと配置の遮蔽要素１３２が、板１２６の一体部分として形成されるか、または板１２６に取り付けられる。任意の光透過性材料から板１２６を作り、板１２６を通過する射出瞳画像１２４に対して板１２６がほとんどまたは全く回折を及ぼさないように、板１２６を設計することができる。さらに、従来の技術を用いて、板１２６の適当な部分を不透明にすることにより、遮蔽要素１３２を板１２６の一体部分として形成することができる。あるいは、任意の種類の接着剤、好ましくは熱、光、または水分に悪影響を及ぼさない接着剤を使用して、板１２６に不透明材料を取り付けることにより、遮蔽要素１３２を形成することができる。
【００２２】
板１２６は中間射出瞳平面１２０に配置されるが、レンズアセンブリ１１０は、板１２６が配置され得るさらなる中間または射出瞳平面を生成するために、光学リレー（図示せず）を含んでもよい。
【００２３】
さらに図４を参照すると、接眼レンズ１１４は、さらにレンズ１３４、ミラー１３６、および半透明ミラー１３８も含む。一実施形態では、レンズ１３４は、レンズ１３４を通過する射出瞳画像１２２および１２４の付加的回折を最小にするように形成された円筒型グレーデッドインデックス（ＧＲＩＮ）レンズである。レンズ１３４は、ＥＯＭ格子１１２から出る射出瞳画像１２２および１２４を集めて、不透明板１２６が配置される中間射出瞳平面１２０に集束させる。ミラー１３６は、半透明ミラー１３８上に射出瞳画像１２４（板１２０が中心画像１２２を遮蔽する）を反射し、半透明ミラー１３８は、ミラー１３９上にこれらの画像を反射する。ミラー１３９は、半透明ミラー１３８経由で、射出瞳画像１２４を表示射出瞳平面１４０に戻し、そこでそれらの射出瞳画像１２４は射出瞳１０２を形成する。
【００２４】
半透明ミラー１３８の使用により、ディスプレイシステム１００（図３）は、観察者の視線に沿わない任意の位置に有利に取り付けられ得る。例えば、走査アセンブリ１０８（図３）、ＥＯＭ格子１１２、レンズ１３４および不透明板１２６は、着用時に、これらのコンポーネントを観察者の目の後方または近くに配置するヘルメットまたは帽子に取り付けることができる。観察者の視線からこれらのコンポーネントを取り除くことによって、観察者は射出瞳画像１２４と周囲とを同時に見ることができる。戦闘機のパイロットやレースカードライバのように、エンジンゲージや照準器等との視覚的なコンタクトを維持しながら周辺環境との視覚的なコンタクトも維持する必要のある人にとって、これは重要である。
【００２５】
図４は、特定の数のレンズ１３４、ミラー１３６および半透明ミラー１３８を特定の組合せで有する接眼レンズ１１４を図示しているが、射出瞳画像１２２および１２４を集めて中間および表示射出瞳平面１２０および１４０に集束させるために、いかなる個数および組合せを使用してもよい。また、たとえ図４がＥＯＭ格子１１２を示していても、レンズアセンブリ１１０は他の種類の回折格子を含むことができる。
【００２６】
図４、図５Ａ、図５Ｂおよび図５Ｃを再び参照すると、中心射出瞳画像１２２における過大な強度は、ＥＯＭ格子１１２の設計波長とは異なる波長を有する画像ビーム１０６以外のさまざまな手段によって生成され得る。例えば、ＥＯＭ格子１１２のわずかな製造欠陥やＥＯＭ格子１１２への液体または微粒子ダストの付着により、中心射出瞳画像１２２に過大強度が生成され得る。さらに、走査アセンブリ１０８（図３）または光源１０４（図３）の故障により、中心射出瞳画像１２２に過大強度が生成され得る。また、画像１２２中の過大強度は、明るい環境で見える射出瞳１０２を生成するために、故意に生成されることもある。しかし、中間平面１２０で画像１２２を遮蔽することによって、板１２６は、画像１２２が画像１２４より明るい原因にかかわらず、射出瞳１０２における画像１２４が均一またはほぼ均一な強度を有することを可能にする。
【００２７】
さらに、別の実施形態では、ＥＯＭ格子１１２、不透明板１２６、またはその両方は、「オン」または「オフ」に切り替えることが可能である。格子１１２は、「オン」の時には、上記で説明したように射出瞳画像１２２、１２４および１３０を生成し、「オフ」の時には、非回折ガラスとして作用するので、レンズアセンブリ１１０は中間射出瞳平面１２０に０次射出瞳画像１２２のみを生成する。同様に、不透明板１２６は、「オン」の時には、上記で説明したように射出瞳画像１２２を減衰させ、「オフ」の時には、ちょうど奇数次画像１２４を通過させるように射出瞳画像１２２を通過させる。したがって、格子１１２および板１２６の両方が「オン」の時には、レンズアセンブリ１１０は上記で説明したように射出瞳１０２を生成する。逆に、格子１１２および板１２６の両方が「オフ」の時には、レンズアセンブリ１１０は、射出瞳１０２において射出瞳画像１２２かつ射出瞳画像１２２だけを生成する。格子１１２および板１２６の両方を「オフ」にする一用途として、観察者の目（図３）が安定していて、射出瞳１０２の中心にのみ集中している場合がある。したがって、周辺射出瞳画像１２４は必要でなく、すべてのパワーが中心射出瞳画像１２２に行くように周辺射出瞳画像１２４をオフにできる。これは画像１２２をより明るくして、また、画像パワーを下げることを可能にする。そのようなオン／オフ不透明板１２６は、遮蔽要素１３２用に従来のＬＣ材料（図示せず）あるいは従来の機械式シャッタ（図示せず）を含むことができる。オン／オフ格子１１２の例については、図１５および図１６に関連して以下で説明する。
【００２８】
また、別の実施形態では、不透明板１２６が射出瞳画像１２２以外の射出瞳画像を減衰させて、不均一な強度を有する射出瞳画像１２４を生成する。例えば、パイロットは、内側の画像１２４より外側の画像１２４のほうが暗いことを好む場合がある。そのような不透明板１２６は、希望の減光または遮蔽を引き起こすように、適切な領域に従来の遮蔽またはフィルタ材料を含むことができる。あるいは、減光／遮蔽機能を「オン」または「オフ」にすることができるように、板１２６はこれらの領域にＬＣ材料（図示せず）または従来の機械式シャッタ／フィルタを含んでもよい。
【００２９】
図６は、本発明の別の実施形態による図３のレンズアセンブリ１１０の図である。回折格子１１２は、中間射出瞳平面１２０に射出瞳画像のアレイを生成する２相回折格子である。中間射出瞳平面１２０では、中心射出瞳画像１２２は第１の強度を有し、残りの射出瞳画像１２４は各々、第１の強度より低い第２の強度を有するか、または近似的に有する。接眼レンズ１１４はフィルタ１４２を含むが、それは、図４の不透明板１２６とは違って、射出瞳１０２のすべての射出瞳画像１２２および１２４が、同一またはほぼ同一の強度を有するように、中心射出瞳画像１２２を部分的に減衰させる。
【００３０】
図７Ａは、図６の中間平面１２０における射出瞳画像１２２および１２４のアレイを示し、また、図７Ｂは、本発明の一実施形態によるビーム１０６の非設計波長での図７Ａの画像の相対強度を示す。
【００３１】
図６を再び参照すると、レンズアセンブリ１１０は２つの主要な相違点を除けば、図４のレンズアセンブリ１１０と同様である。すなわち、２相（単純）回折格子１１２で図４のＥＯＭ格子を置き換え、フィルタ１４２で図４の不透明板を置き換える。したがって、以下の説明は、単純格子１１２およびフィルタ１４２に焦点を絞り、前に説明した残る接眼レンズ１１４の構造については、前に特定した名称および番号を用いて参照する。
【００３２】
図６、図７Ａおよび図７Ｂを参照すると、単純格子１１２（図９、図１０および図１４に関連して以下でさらに詳細に説明する）は、単一波長光用に設計されている。この波長では、中心射出瞳画像１２２と周辺射出瞳画像１２４は同一またはほぼ同一の非ゼロ強度を有する。しかし、図７Ｂに示すように、波長が設計波長から増加または減少するにつれて、中心画像１２２はより明るくなり、その一方で、周辺画像１２４はより暗くなる。ただし、各画像１２４は暗くなるが、いかなる波長に対しても、他の画像１２４と同一またはほぼ同一の強度を維持する。したがって、図４〜図５Ｃに関連して上記で説明したように、一実施形態では、周辺画像１２４の最小強度を最大化し、中心画像１２２の最大強度を最小化するように、５４５ｎｍ（可視光の近似的な中央値波長）用の単純格子１１２を設計する。さらに、図４〜図５Ｃに関連して上記で説明したように、格子１１２における製造欠陥やその上のダスト／液体が中心画像１２２を周辺画像１２４よりも明るくすることがある。
【００３３】
より具体的には、図７Ａおよび図７Ｂを参照すると、射出瞳画像１２２は中間射出瞳平面１２０にあるアレイの０次画像であり、画像１２４はそれぞれ偶数次および奇数次（１次、２次、３次、４次、５次、６次、７次、…）画像を表す。画像１２２および１２４は、図７Ａでは円形であるが、図７Ｂのように正方形であってもよく、あるいは他の形状であってもよい。上記で説明したように、ビーム１０６（図６）が設計波長であって単純格子１１２（図６）の設計波長だけを含む場合、中心画像１２２は周辺画像１２４と同一またはほぼ同一の強度を有する。また、図７Ｂに示すように、ビーム１０６が設計波長以外の１つまたは複数の波長を含む場合、中心画像１２２は周辺画像１２４より高い強度を有する。したがって、観察者（図７Ａおよび図７Ｂに図示せず）が中間射出瞳平面１２０でアレイを見ることができるならば、その瞳がアレイの周辺に向いている場合よりも、アレイの中心に向いている場合のほうが、観察者が見る画像は著しく明るく見えるであろう。上記で説明したように、観察者は、注視対象を移すにつれて明るさが変化するので、不快に感じたり気が散ったりすることがある。
【００３４】
図７Ｃは、フィルタ１４２（図６）によるフィルタリング後の、射出瞳平面１０２における図７Ａの画像１２２および１２４の相対強度を示す。以下で説明するように、フィルタ１４２は中心画像１２２を部分的に減衰させることにより、平面１０２における各周辺画像１２４と同一またはほぼ同一の強度を持たせる。一実施形態では、画像１２４の最も明るい部分と最も暗い部分との光度の差を、画像１２４の最も明るい部分と最も暗い部分の光度の和で割ったものが、０．３０以下である場合に、画像１２２および１２４は同一またはほぼ同一の強度を有するとみなす。
【００３５】
より具体的には、図６を参照すると、フィルタ１４２はすべての射出瞳画像１２４に対して同等に光透過性であるが、中心射出瞳画像１２２に対してはそれほど透過性がない。ただし、フィルタ１４２は中心射出瞳画像１２２を減衰させるが、遮蔽はしない。フィルタ１４２は中間射出瞳平面１２０に配置され、適切な大きさと配置のフィルタ要素１４４が、フィルタ１４２の一体部分として形成されるか、またはフィルタ１４２に取り付けられる。任意の光透過性材料からフィルタ１４２を作り、フィルタ１４２を通過する射出瞳画像１２２および１２４に対してフィルタ１４２がほとんどまたは全く回折を及ぼさないように、フィルタ１４２を設計することができる。さらに、従来の技術を用いて、フィルタ１４２の適当な部分を半透明にすることにより、フィルタ要素１４４をフィルタ１４２の一体部分として形成することができる。あるいは、任意の種類の接着剤、好ましくは熱、光、または水分に悪影響を及ぼされない接着剤を使用して、フィルタ１４２に半透明材料を取り付けることにより、フィルタ要素１４４を形成することができる。
【００３６】
フィルタ１４２は中間射出瞳平面１２０に配置されるが、レンズアセンブリ１１０は、フィルタ１４２が配置され得るさらなる中間または射出瞳平面を生成するために、光学リレー（図示せず）を含んでもよい。さらに、いくつかのアプリケーションでは、複数の中間または射出瞳平面にフィルタを置くことが望ましいこともある。
【００３７】
また、図６は、特定の数のレンズ１３４、ミラー１３６および半透明ミラー１３８を特定の組合せで有する接眼レンズ１１４を図示しているが、射出瞳画像１２２および１２４を集めて中間および表示射出瞳平面１２０および１４０に集束させるために、いかなる個数および組合せを使用してもよい。また、たとえ図６が単純格子１１２を示していても、レンズアセンブリ１１０は他の種類の回折格子を含むことができる。
【００３８】
さらに、単純格子１１２、フィルタ１４２、またはその両方を、図４〜図５Ｃに関連して上記で説明したように、「オン」または「オフ」に切り替えるように設計することができる。
【００３９】
図８は、本発明の別の実施形態による図３のレンズアセンブリの図である。このレンズアセンブリ１１０は１つの主要な相違点を除けば、前述の図４のレンズアセンブリと同様である。すなわち、多相偶数次欠損（多相ＥＯＭ）回折格子１１２で図４の２相ＥＯＭ格子１１２を置き換える。通常、多相ＥＯＭ格子１１２（図１１および図１２に関連して以下でさらに詳細に説明する）は、図４の２相ＥＯＭ格子よりも、設計波長からの増減にそれほど敏感ではない。すなわち、設計波長における所与の増加または減少に対して、中心射出瞳画像１２２および周辺射出瞳画像１２４の強度は、それらの２相ＥＯＭ格子での変化よりも、多相ＥＯＭ格子１１２での変化のほうが少ない。それ以外の点では、図４のレンズアセンブリ１１０の構造および動作は、図８のレンズアセンブリ１１０の構造および動作と同様である。
【００４０】
図９は、本発明の一実施形態による図４の２相ＥＯＭ回折格子１１２および図６の単純２相回折格子１１２の断面図である。格子１１２はビーム入射側１４６およびビーム出射側１４８を有し、ビーム出射側１４８は凹凸面１５０および１５２を含む。格子１１２の設計波長を有する入射光ビーム１０６に対して、面１５０から出る光ビーム１０６の成分（図示せず）は、面１５２から出る成分（図示せず）との位相差がちょうどまたはほぼπラジアン（１８０°）である。側１４８が２面１５０および１５２だけを有するので、出射光ビーム成分は２つの位相のうちの１つだけを有することができる。したがって「２相」という用語が用いられている。面１５２から出るビーム成分に対して面１５０から出るビーム成分の位相をずらすことによって、格子１１２は、図５Ａ〜図５Ｂまたは図７Ａ〜図７Ｂの射出瞳画像１２２および１２４のアレイとなる干渉パターンを生成する。矢印は、生成される干渉成分の相対方向を示し、矢印のラベルは、干渉成分の次数を示す。それらの次数は、図５Ａおよび図７Ａの射出瞳画像１２２および１２４の次数に対応する。図４のＥＯＭ回折格子１１２および図６の単純格子１１２は類似の断面を有してもよいが、図１３Ａ〜図１４に関連して以下で説明するように、それらは側１４８に形成される面１５０および１５２の異なるパターンを有する。
【００４１】
さらに図９を参照すると、一実施形態では、格子１１２のビーム入射側１４６ならびに凹凸面１５０および１５２は、平面またはほぼ平面であり、互いに平行またはほぼ平行である。入射光ビーム１０６の出射成分（図示せず）において逆位相を生成するために、面１５０と１５２との間の高さの差ｂは、次式から決定される。これについては、さらに、Hakan Ureyによる論文「Diffractive Exit Pupil Expander for Display Applications」（屈折光学および微小光学に関するApplied Opticsの２００１年特集号に発表予定）に記載され、参照により本明細書に援用される：
【００４２】
【数１】
2005509189.tif 000003
（式１５−１）
ここで、λは、格子１１２が配置されている媒質（例えば空気）中の格子１１２の設計波長に等しく、φは、面１５０から出るビーム成分と、面１５２から出るビーム成分との間の所望の位相差（ここではπラジアン）であり、ｎは、格子１１２が構成される材料の屈折率である。図４および図６において上記で説明したように、入射光ビーム１０６はλ以外の波長を含むことが多いので、出射ビーム成分のいくつかの波長は、互いの位相差がπラジアンではないことがある。これは通常、中心射出瞳画像１２２を周辺画像１２４より明るくするので、図４〜図７Ｃに関連して上記で説明したように、通常、接眼レンズ１１４がブロック１２６またはフィルタ１４２を含むことを必要とする。
【００４３】
回折格子１１２の動作において、いかなる瞬間においても、走査アセンブリ１０８（図３）は、側１４６の寸法ｄの領域１５４上に入射光ビーム１０６を向ける。ビーム１０６は、格子の屈折率ｎおよび入射角θ1に依存する屈折角θ2で格子１１２を通過して伝播する。上記で説明したように、面１５０および１５２によって引き起こされる位相差は、発生する干渉成分によって図式的に表される干渉パターンを生成する。これらの発生する干渉成分が側１４８から出る角αは、角θ1およびθ2ならびに入射光ビーム１０６の波長に依存する。これらの発生する干渉成分はそれぞれ、図５Ａまたは図７Ａの対応する射出瞳画像１２２および１２４の画素を形成する。走査アセンブリ１０８（図３）が側１４６全体にわたってビーム１０６を走査すると、発生する成分がそれぞれの射出瞳画像１２２および１２４を効果的に走査するので、干渉パターンは追加の画素を生成する。
【００４４】
一実施形態では、格子１１２は、それを包囲する媒質とは異なる屈折率を有するガラス、プラスチック等の任意の光透過性材料で作成され得る。また、従来通りに側１４８の面１５０および１５２をエッチングすることができる。
【００４５】
さらに図９を参照すると、側１４６ならびに面１５０および１５２は平面で平行であると説明しているが、他の実施形態では、それらは異なる特性を有してもよい。例えば、側１４６ならびに面１５０および１５２は凸または凹であってもよい。さらに、格子１１２について、ビーム出射側１４８が凹凸面１５０および１５２を含むように説明し図示しているが、ビーム出射側１４８ではなくビーム入射側１４６が面１５０および１５２を含んでもよい。
【００４６】
図１０は、本発明の別の実施形態による図４の２相ＥＯＭ回折格子１１２および図６の単純２相回折格子１１２の断面図である。図１０の２相回折格子１１２は図９の格子１７２に類似している。ただし、図１０の格子１１２にはビーム反射側１５６があり、それにより、格子に関して走査アセンブリ１０８（図３）と同じ側に接眼レンズ１１４を配置することができる。
【００４７】
より具体的には、図１０の格子１１２はビーム入射側１４６およびビーム反射側１５６を有し、ビーム反射側１５６は、それぞれ反射コーティング１５８を有する凹凸面１５０および１５２を含む。格子１１２の設計波長を有する入射光ビーム１０６に対して、面１５０から反射される光ビーム１０６の成分（図示せず）は、面１５２から反射される成分（図示せず）との位相差がちょうどまたはほぼπラジアン（１８０°）である。したがって、先に図９に関連して説明したように、格子１１２は、図５Ａ〜図５Ｂまたは図７Ａ〜図７Ｂの射出瞳画像１２２および１２４のアレイとなる干渉パターンを生成する。矢印は、生成される干渉成分の相対方向を示し、矢印のラベルは、干渉の次数を示す。それらの次数は、図５Ａおよび図７Ａの射出瞳画像１２２および１２４の次数に対応する。図４の２相ＥＯＭ回折格子１１２および図６の単純２相格子１１２は類似の断面を有してもよいが、図１３Ａ〜図１４に関連して以下で説明するように、それらは側１５６に形成される面１５０および１５２の異なるパターンを有する。
【００４８】
さらに図１０を参照すると、入射光ビーム１０６の反射ビーム成分（図示せず）において逆位相を生成するために、面１５０と１５２との間の高さの差ｃは、次式から決定される：
【００４９】
【数２】
2005509189.tif 000004
（式１７−２）
ここで、λ、φおよびｎは、それらが式（１）において表すのと同じ量を表す。
【００５０】
すなわち、式（１）を参照すると、ビーム反射側１５６がビーム入射側１４６のほうへ戻るように入射光ビーム１０６を反射し、したがって、入射ビーム１０６が格子１１２の追加距離を通って伝わるので、ｃ≠ｂである。したがって、面１５０と１５２との間の高さの差ｃは、この追加行程に相当する。
【００５１】
図１０の回折格子１１２の動作において、いかなる瞬間においても、走査アセンブリ１０８（図３）は、側１４６の寸法ｄの領域１５４上に入射光ビーム１０６を向ける。ビーム１０６は、格子の屈折率ｎおよび入射角θ1に依存する屈折角θ2で格子１１２を通過して伝播する。面１５０および１５２は、ビーム入射側１４６のほうへ戻るようにビーム１０６を反射し、生じる干渉成分によって図式的に表される干渉パターンを生成する。図９に関連して前述したように、これらの発生する成分はそれぞれ、図５Ａまたは図７Ａの対応する射出瞳画像１２２および１２４の画素を形成する。
【００５２】
一実施形態では、格子１１２は、それを包囲する媒質とは異なる屈折率を有するガラス、プラスチック等の任意の光透過性材料で作成され得る。さらに、反射コーティング１５８は光を反射する任意の従来のコーティングでよい。また、従来通りに側１５８の面１５０および１５２をエッチングすること、ならびに、従来の技術を使用して反射コーティング１５８を付着させることができる。
【００５３】
さらに図１０を参照すると、側１４６ならびに面１５０および１５２は平面で平行であると説明しているが、他の実施形態では、それらは異なる特性を有してもよい。例えば、側１４６ならびに面１５０および１５２は凸または凹であってもよい。
【００５４】
図１１は、本発明の一実施形態による図８の多相ＥＯＭ回折格子１１２の断面図である。多相ＥＯＭ格子は図９の２相ＥＯＭ格子１１２に類似している。ただし、多相ＥＯＭ格子１１２は、２つだけの面（図９における１５０および１５２）ではなく、ビーム出射側１６６に３つ以上の面（ここでは３つの面１６０、１６２および１６４）を有する。
【００５５】
さらに図１１を参照すると、格子１１２はビーム入射側１４６およびビーム出射側１６６を有し、ビーム出射側１６６は凹凸面１６０、１６２、および１６４を含む。格子１１２の設計波長を有する入射光ビーム１０６に対して、面１６０から出る光ビーム１０６の成分（図示せず）は、面１６２および１６４から出るビーム成分（図示せず）との位相差がちょうどまたはほぼ２π／３ラジアン（１２０°）である。また、面１６２から出る光ビーム１０６の成分（図示せず）は、面１６０および１６４から出るビーム成分（図示せず）との位相差がちょうどまたはほぼ２π／３ラジアン（１２０°）である。しかし、面１６０、１６２、および１６４の間の高さの差が等しく、そこから出るビーム成分間の位相差が等しいと説明しているが、これら高さおよび位相の差は等しくなくてもよい。側１６６が２つより多くの面１６０、１６２、および１６４を有するので、出射光ビーム成分は２つより多くの位相を有する。したがって「多相」という用語が用いられている。面１６２および１６４から出るビーム成分に対して面１６０から出るビーム成分の位相をずらすことによって、格子１１２は、図５Ａ〜図５Ｂの射出瞳画像１２２および１２４のアレイとなる干渉パターンを生成する。矢印は、生成される干渉成分の相対方向を示し、矢印のラベルは、干渉成分の次数を示す。それらの次数は、図５Ａ〜図５Ｂの射出瞳画像１２２および１２４の次数に対応する。
【００５６】
さらに図１１を参照すると、一実施形態では、ビーム入射側１４６ならびに凹凸面１６０、１６２および１６４は、平面またはほぼ平面であり、互いに平行またはほぼ平行である。入射光ビーム１０６の出射成分（図示せず）間の２π／３ラジアン（１２０°）の位相差を生成するために、面１６２と１６４の間の高さの差ｅ、および面１６０と１６２の間の高さ差ｆは、次式で与えられる：
【００５７】
【数３】
2005509189.tif 000005
（式１９−３）
【００５８】
【数４】
2005509189.tif 000006
（式１９−４）
ここで、λ、φおよびｎは、それらが式（１）および（２）において表すのと同じ量を表す。
【００５９】
図８において上記で説明したように、入射光ビーム１０６はλ以外の波長を含むことが多いので、出射ビーム成分のいくつかの波長は、互いの位相差が２π／３ラジアンではないことがある。これは通常、中心射出瞳画像１２２を周辺画像１２４より明るくするので、接眼レンズ１１４がブロック１２６または部分減衰器を含むことが必要な場合がある。
【００６０】
動作において、回折格子１１２は、図９の回折格子１１２に類似している。ただし、ビーム１０６が側１６６を出るとき、３つの面１６０、１６２および１６４が位相差を引き起こし、したがって干渉パターンを生成する。走査アセンブリ１０８（図３）が側１４６全体にわたってビーム１０６を走査すると、干渉パターンは図５Ａの射出瞳画像１２２および１２４の画素を生成する。
【００６１】
一実施形態では、格子１１２は、それを包囲する媒質とは異なる屈折率を有するガラス、プラスチック等の任意の光透過性材料で作成され得る。また、従来通りに側１６６の面１６０、１６２、および１６４をエッチングすることができる。
【００６２】
さらに図１１を参照すると、側１４６ならびに面１６０、１６２および１６４は平面で平行であると説明しているが、他の実施形態では、それらは異なる特性を有してもよい。例えば、側１４６ならびに面１６０、１６２および１６４は凸または凹であってもよい。さらに、格子１１２は、ビーム出射側１６６に３つの面１６０、１６２および１６４より多くの面を有することにより、ビーム１０６の出射成分間の位相差を引き起こすこともできる。さらに、回折格子１１２は多相ＥＯＭ格子であるが、格子１１２は、多相ＥＯＭ格子に類似した断面を備えた単純多相格子であってもよい。そのような単純多相格子は、図６のレンズアセンブリ１１０で使用することができる。しかし、たとえ断面が類似でも、多相ＥＯＭおよび単純多相格子は、図１３Ａ〜図１４に関連して以下で説明するように、側１６６に形成される面１６０、１６２および１６４の異なるパターンを有するであろう。
【００６３】
図１２は、本発明の別の実施形態による図８の多相回折格子１１２の断面図である。格子１１２は多相グレイスケール（グレイスケール）回折格子であり、１つの主要な例外を除いて図１１の多相ＥＯＭ格子１１２に類似している。すなわち、ビーム出射側１６８は、３つの不連続な面１６０、１６２、および１６４（図１１）ではなく連続曲線によって画定される面１７０を含む。
【００６４】
図１３Ａ〜図１４を参照しながら、図４、図６、および図９の回折格子１１２の構造について説明する。
【００６５】
図１３Ａおよび図１３Ｂは、本発明の一実施形態による、図４および図９における２相ＥＯＭ回折格子１１２の干渉パターン出射側１４８の平面図である。格子１１２の明部および暗部がレリーフパターンを表している。一実施形態では、格子１１２の明部は凸面１５０（図９）を表し、暗部は凹面１５２を表すが、別の実施形態では、暗部が凸面を表し、明部が凹面を表す。しかし、どちらにしても、格子１１２は、図５Ａの射出瞳画像１２２および１２４を生成する。
【００６６】
図１３Ａを参照すると、各象限、すなわちセル領域１７２は、他の領域１７２と同じレリーフパターンを有し、寸法ｄ×ｄを有し、格子１１２のそれぞれの画素領域を表す。すなわち、ビーム１０６（図９）が領域１７２に当たると、格子１１２は、射出瞳画像１２２および１２４（図５Ａ）の対応する画素を生成する。したがって、明確にするために省略しているが、格子１１２は通常、領域１７２のアレイを含む。アレイは、走査される射出瞳画像と同じ画素数の寸法を有する。一実施形態では、格子１１２に当たるビーム１０６（図４）の断面は、正方形であり、寸法ｄ×ｄを有するか、または近似的に有する。ただし、断面は円形であってもよく、直径ｄを有するか、または近似的に有してもよい。ビーム断面が各領域１７２とほぼ同じサイズであることにより、通常、周辺射出瞳画像１２４（図５Ａ）が各々同一またはほぼ同一の強度を有し、画像１２４（画像１２２は遮蔽される）が互いに重ならずに、均一に射出瞳１０２を満たすことが確実になる。ビーム断面が領域１７２より著しく小さい場合には、ビーム１０６が格子１１２全体を走査すると、画像１２４が互いに重なることがあるので、画像１２４の強度が異なり、変化する可能性があり、それによりちらつきを引き起こすことがある。逆に、ビーム断面が領域１７２より著しく大きい場合には、画像１２４は、ビーム断面が領域１７２と同一またはほぼ同一のサイズである場合よりも著しく小さくなることがある。
【００６７】
図１３Ｂは、図１３Ａのセル領域１７２の象限Ａ〜Ｄの平面図である。象限ＡおよびＣは第１レリーフパターンを有し、この第１レリーフパターンは、象限ＢおよびＤの第２レリーフパターンの逆である。「逆」とは、ある象限、例えば象限Ａにおいて面１５０および１５２によって占有される領域（それぞれ明および暗の領域）が、逆の象限、例えば象限Ｄの面１５２および１５０（それぞれ暗および明の領域）にそれぞれ占有されることを意味する。特定の第１および第２レリーフパターンが示されているが、象限ＡおよびＣにおける第１レリーフパターンが象限ＢおよびＤにおける第２レリーフパターンの逆である限り、他のレリーフパターンが同一の射出瞳１０２（図４）または類似の射出瞳を提供することができる。
【００６８】
図１３Ａおよび図１３Ｂを参照すると、セル領域１７２は正方形であるが、各領域１７２の境界がすべて他の領域１７２と共有されれば、すなわち領域１７２どうしの間に「空の」スペースがなければ、それらのセル領域１７２は五角形、六角形または他の任意の形状を有してもよい。
【００６９】
図１４は、本発明の一実施形態による、図６および図９の単純２相回折格子１１２の干渉パターン出射側１４８の平面図である。格子１１２の明部および暗部がレリーフパターンを表している。一実施形態では、格子１１２の明部は凸面１５０（図９）を表し、暗部は凹面１５２を表す。しかし、別の実施形態では、暗部が凸面を表し、明部が凹面を表す。しかし、どちらにしても、格子１１２は、図７Ａの射出瞳画像１２２および１２４を生成する。
【００７０】
図１４を参照すると、各象限、すなわちセル領域１７４は、他の領域１７４と同じレリーフパターンを有し、寸法ｄ×ｄを有し、格子１１２のそれぞれの画素領域を表す。すなわち、ビーム１０６（図９）が領域１７４に当たると、格子１１２は、射出瞳画像１２２および１２４（図７Ａ）の対応する画素を生成する。したがって、明確にするために省略しているが、格子１１２は通常、領域１７４のアレイを含む。アレイは、走査される射出瞳画像と同じ画素数の寸法を有する。図１３Ａおよび図１３Ｂに関連して上記で説明した理由により、一実施形態では、格子１１２に当たるビーム１０６の断面は、正方形であり、寸法ｄ×ｄを有するか、または近似的に有する。ただし、断面は円形であってもよく、直径ｄを有するか、または近似的に有してもよい。
【００７１】
特定のレリーフパターンが示されているが、他のレリーフパターンが同一の射出瞳１０２（図６）または類似の射出瞳を提供することができる。また、セル領域１７４は正方形であるが、各領域１７４の境界がすべて他の領域１７４と共有されれば、それらは五角形、六角形または他の任意の形状を有してもよい。
【００７２】
図１５は、図４〜図５Ｃに関連して上記で説明した本発明の一実施形態によるオン／オフ回折格子１１２の側面図である。格子１１２は、「オン」の時には、図４〜図８に関連して上記で説明したように、画像を複数の射出瞳画像へと回折する。しかし、回折格子が「オフ」の時には、実質的に画像を通過させて、０次射出瞳画像１２２かつ０次射出瞳画像だけを生成する。
【００７３】
オン／オフ格子１１２は、電極１８０ａおよび１８０ｂ、回折格子層１８２ならびに電気光学層１８４を含む。電極１８０ａおよび１８０ｂは、ＡＣ電源（図示せず）のそれぞれの端子に接続し、従来のインジウム−スズ酸化物（ＩＴＯ）のような透明導電膜で形成され、それぞれ、側１８６ａおよび１８６ｂならびに１８８ａおよび１８８ｂを有する。回折格子層１８２は、屈折率ｎdを有し、通常、図４〜図１０および図１３Ａ〜図１４に関連して上記で説明した格子１７２のうちの１つと同様である。ただし、層１８２は、図１１および図１２の格子１１２と同様でもよく、あるいは、他のレリーフパターンを有してもよい。電気光学層１８４は、層１８４を横切る電界の大きさ、方向、またはその両方に応答して変化する屈折率ｎe0を有し、従来の石英等の電気光学材料で形成される。理想的には電極１８０ａと１８０ｂの間に非ゼロ電界がある場合にはｎd＝ｎe0であり、電極１８０ａと１８０ｂの間がゼロ電界である場合にはｎdは空気のｎに等しい。実際には、ｎdがこれらの理想値に等しくないことが多く、また層１８２と１８４の間の界面１８９がかど１９０を有する、すなわち平面でないため、屈折率の不整合を補償するように、回折層１８２に形成されるレリーフパターン（例えば、図１３Ａ〜図１４）を変更することができる。層１８２のレリーフパターンを変更するための技術は既知であるので、簡単のためここでは省略する。さらに、電極１８０ａおよび１８０ｂの側１８６ａ、１８６ｂ、１８８ａ、および１８８ｂが平面である限り、それらは射出瞳の生成にほとんどまたは全く悪影響を与えない。
【００７４】
動作において、電界が電気光学層１８４を横切って存在しない時には、回折格子１１２は、複数の射出瞳画像（例えば図４）を有する拡大射出瞳を生成し、したがって「オン」である。具体的には、電界が存在しない場合、ｎd≠ｎe0であり、したがって回折層１８２は、入射画像を回折して、複数の射出瞳画像を生成することができる。
【００７５】
これに対して、非ゼロ電界が電気光学層１８４を横切って存在する時には、回折格子１１２は、０次射出瞳（例えば図４）のみを生成し、したがって「オフ」である。具体的には、電界が存在する場合、ｎd＝ｎe0またはｎd≒ｎe0であり、したがって、層１８２および１８４は平らな側を備えた単一の光学層に実質的に結合するので、入射画像には、回折層１８２のレリーフパターンが「見え」ない。したがって、層１８２は、入射画像を複数の射出瞳画像に回折することができない。
【００７６】
図１６は、本発明の別の実施形態によるオン／オフ回折格子１１２の側面図である。図１５との関連で、同じ番号は同じ要素を示している。図１６の格子１１２は、電極１８０ａおよび１８０ｂの両方が、回折層１８２の片側にあることを除いては図１５の格子１１２と同様である。これの利点は、電極１８０ａおよび１８０ｂが相互により接近しているので、より小さな電圧を電極間に加えることで、電気光学層１８４を通って所望の電界を生成できることである。しかし、欠点として、層１８２と１８４が隣接せず、電極１８０ａの側１８６ａが平面ではないので、これを補償するために、層１８２に形成されるレリーフパターンを修正しなければならないことが多いということがある。レリーフパターンを変更するための技術は既知であるので、簡単のためここでは省略する。
【００７７】
動作において、図１６の回折格子１１２は、図１５の回折格子１１２と同様に動作する。
【００７８】
上記の説明は当業者が本発明を行い使用することができるように提示されている。実施形態へのさまざまな変更は当業者にとって直ちに明らかであり、本明細書に記載の包括的な原理は、添付の特許請求の範囲によって規定されるような本発明の精神および範囲から外れることなく、他の実施形態および応用形態に適用され得る。したがって、本発明は、提示した実施形態に限定されるべきではなく、本明細書に開示した原理および特徴と整合する最も広い範囲を与えられるべきである。
【図面の簡単な説明】
【００７９】
【図１】従来のビーム走査型ディスプレイシステムの図である。
【図２】射出瞳拡大器を含む従来のビーム走査型ディスプレイシステムの図である。
【図３】本発明の一実施形態によるビーム走査型ディスプレイシステムの図である。
【図４】本発明の一実施形態による図３のレンズアセンブリの図である。
【図５Ａ】図４の回折格子によって生成される射出瞳画像の図である。
【図５Ｂ】図５Ａの射出瞳画像のフィルタリングされていない相対強度を示す図である。
【図５Ｃ】図５Ａおよび図５Ｂの射出瞳画像のフィルタリングされた相対強度を示す図である。
【図６】本発明の別の実施形態による図３のレンズアセンブリの図である。
【図７Ａ】図６の回折格子によって生成される射出瞳アレイの図である。
【図７Ｂ】図７Ａの射出瞳画像のフィルタリングされていない相対強度を示す図である。
【図７Ｃ】図７Ａおよび図７Ｂの射出瞳画像のフィルタリングされた相対強度を示す図である。
【図８】本発明のさらに別の実施形態による図３のレンズアセンブリの図である。
【図９】本発明の一実施形態による図４および図６の回折格子の断面図である。
【図１０】本発明の別の実施形態による図４および図６の回折格子の断面図である。
【図１１】本発明の一実施形態による図８の回折格子の断面図である。
【図１２】本発明の別の実施形態による図８の回折格子の断面図である。
【図１３Ａ】本発明の一実施形態による図４の回折格子の拡大平面図である。
【図１３Ｂ】図１３Ａの回折格子の１象限の拡大平面図である。
【図１４】本発明の一実施形態による図６の回折格子の拡大平面図である。
【図１５】本発明の一実施形態による図４、図６、および図８のレンズアセンブリで使用可能なオン／オフ回折格子の断面図である。
【図１６】本発明の別の実施形態による図４、図６、および図８のレンズアセンブリで使用可能なオン／オフ回折格子の断面図である。
【符号の説明】
【００８０】
７１、８２、１００：（ビーム走査型）ディスプレイシステム
７２：走査源
７３：観察者の目
７４：ビームコンバイナ
７５：観察者の瞳
７６：観察者の網膜
８４、１１２：回折格子
８６、１０２：射出瞳
８８、８８ａ〜８８ｃ：射出瞳画像
９２：変調光ビーム
９３：画像
９５、１１４：接眼レンズ
９８ａ〜９８ｃ：部分ビーム
１０４：画像ビーム源
１０６：画像ビーム
１０８：走査アセンブリ
１１０：レンズアセンブリ
１２０：中間射出瞳平面
１２２：中心射出瞳画像
１２４：周辺射出瞳画像
１２６：不透明板
【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５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図５Ｃ】
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【図６】
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【図７Ａ】
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【図７Ｂ】
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【図７Ｃ】
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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１３Ａ】
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【図１３Ｂ】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【国際調査報告】
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