(57)【要約】【課題】向上した回折光学要素を伴う方法および装置を提供すること。【解決手段】導波管において使用するための比較的に高角度回折を伴う体積位相回折要素の干渉記録のためのいくつかの特有の構成が開示される。種々の方法によって生成される別個の層ＥＰＥおよびＯＰＥ構造は、並んでまたは重ね合わせられた構造体において統合され得、複数のそのようなＥＰＥおよびＯＰＥ構造は、組み合わせられるか、または多重化され、単一の空間的に一致する層内にＥＰＥ／ＯＰＥ機能性を呈し得る。多重化構造は、接眼レンズ光学のスタック内の材料の層の総数を低減させ、それらの各々は、体積画像の所与の焦点距離範囲を表示することに関与し得る。体積位相型回折要素は、位置合わせされた多色回折界を可能にし得るスペクトル帯域幅選択性、およびクロストークを伴わずにタイリングおよび視野拡張を促進するための角度多重化能力等を含む特性をもたらすために使用される。【選択図】図１Ａ
2019204125.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
仮想現実または拡張現実のための立体画像を生成する方法であって、
内部結合光学要素を使用することによって、入力光ビームを接眼レンズの基板の中に伝送することであって、前記入力光ビームは、入射方向を有し、少なくとも１つの立体画像の画像情報を搬送する、ことと、
前記内部結合光学要素において、前記入力光ビームを第１の回折要素に向かって反射させることと、
少なくとも前記第１の回折要素を用いて、前記第１の回折要素の第１の部分に入射する前記入力光ビームの第１の部分を回折させて、前記接眼レンズ上の第２の回折要素の一部に指す回折させられた方向に伝搬する一方、前記入力光ビームの残り部分が前記接眼レンズの基板内において前記入射方向に伝搬し続け、かつ前記第２の回折要素の異なる部分と相互作用することを可能にすることであって、前記第１の回折要素および前記第２の回折要素は、前記基板の両側上に配置されている、ことと、
前記第２の回折要素を用いて、前記少なくとも１つの立体画像のための出力光ビーム密度を伴う出射光ビームを視認者の少なくとも１つの眼に投影し、前記第１の回折要素によって前記第２の回折要素に前記出射光ビームとして回折させられる前記入力光ビームの前記第１の部分のいくらかを回折させ、前記第２の回折要素に入射する前記第１の部分の残り部分を前記基板内に伝搬し続けるための方向へ向かわせることと
を含み、
前記出力光ビーム密度は、前記第１および第２の回折要素間の空間的重複の程度に少なくとも部分的に基づいて構成され、または出力光ビーム強度は、前記入力光ビームの少なくとも一部を、伝送された部分と反射された部分とを備える複数の部分に分割するために、前記基板内にビーム分割表面を埋め込むことによって、または、前記基板と別の基板との間に挟まれることによって増加され、
前記第１の回折要素および前記第２の回折要素は、体積型の回折構造だけまたは表面起伏型の回折構造だけではなく、前記体積型および前記表面起伏型の両方の回折構造を備えるように構成され、前記第１および第２の回折要素は、１つ以上の透明または半透明光学要素の上または中に配置されている、方法。
【請求項２】
前記入力光ビームの残り部分を前記接眼レンズの基板内に伝送することと、
前記第１の回折要素を使用することによって、前記入力光ビームの残り部分のいくらかを前記第２の回折要素に向かって回折させることと、
前記第２の回折要素を用いて前記入力光ビームの残り部分の一部を回折させることによって、第２の出射光ビームを前記視認者へ向かわせることと
をさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記入力光ビームの前記第１の部分の残り部分を前記接眼レンズの基板内に伝送することと、
前記第１の回折要素および前記第２の回折要素を用いて前記第１の部分の残り部分が回折させられることによって、追加の出射光ビームを前記視認者へ向かわせることと
をさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記第１および第２の回折光学要素を伴って前記基板を第１の層ユニットとして提供することと、
第３の回折要素および第４の回折要素を伴って少なくとも第２の基板を第２の層ユニットとして提供することであって、前記第３の回折要素および前記第４の回折要素は、前記第２の基板の両側上に配置されている、ことと、
前記第１の層ユニットおよび前記第２の層ユニットを互の上にスタックして、多平面構成を形成することと、
前記第１の層ユニットを動的にオンに切り替えて前記出射光ビームを投影し、第１の焦点面において前記少なくとも１つの立体画像を形成することと、
少なくとも前記第２の層ユニットを動的にオンに切り替え、前記第３の回折要素に入射する前記入力光ビームの第１の部分を回折させて前記第４の回折要素の一部への回折させられた方向に伝搬する一方、前記入力光ビームの残り部分が前記第２の基板内において前記入射方向に伝搬し続け、前記第４の回折要素の異なる部分と相互作用することを可能にし、前記第３の回折要素によって前記第４の回折要素に回折させられる前記入力光ビームの前記第１の部分のいくらかを前記視認者の前記少なくとも１つの眼に向かって回折させること、および前記第２の基板内に伝搬するための方向に前記入力光ビームの前記第１の部分の残り部分を向かわせることによって前記第４の回折光学要素を用いて出射光ビームを投影することであって、前記出射光ビームは、第２の焦点面において前記少なくとも１つの立体画像を形成する、ことと
をさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項５】
少なくとも前記第２の基板上の前記第３の回折要素および前記第４の回折要素は、表面起伏型回折要素および体積位相型回折要素の組み合わせを備える、請求項４に記載の方法。
【請求項６】
仮想現実および／または拡張現実のための立体画像を生成するための装置であって、
基板を含む接眼レンズと、
入射方向を有し、少なくとも１つの立体画像の画像情報を搬送する、入力光ビームを前記基板の中に反射させるための内部結合光学要素と
を備え、
前記基板は、前記内部結合光学要素に動作可能に結合されている、第１の回折要素および第２の回折要素を備え、
前記第１の回折要素および前記第２の回折要素は、前記基板の両側上に配置され、
前記第１の回折要素は、前記第１の回折要素の少なくとも一部に入射する前記入力光ビームの第１の部分を回折させて、第２の回折要素の一部に指す回折させられた方向に伝搬する一方、前記入力光ビームの残り部分が前記接眼レンズの基板内において前記入射方向に伝搬し続け、かつ前記第２の回折要素の異なる部分と相互作用することを可能にするように構成され、
前記第２の回折要素は、少なくとも、前記第１の回折要素によって出射光ビームとして回折させられる前記入力光ビームの前記第１の部分のいくらかを視認者の少なくとも１つの眼に回折させ、かつ前記第２の回折要素の少なくとも一部に入射する前記第１の部分の残り部分を前記基板内に伝搬するための方向に向かわせることによって、前記少なくとも１つの立体画像のための出力光ビーム密度を伴う出射光ビームを前記視認者の前記少なくとも１つの眼に投影するように構成され、
前記出力光ビーム密度は、前記第１および第２の回折要素間の空間的重複の程度に少なくとも部分的に基づいて構成され、または出力光ビーム強度は、前記入力光ビームの少なくとも一部を、伝送された部分と反射された部分とを備える複数の部分に分割するために、前記基板内にビーム分割表面を埋め込むこと、または、前記基板と別の基板との間に前記ビーム分割表面を挟むことによって増加され、
前記第１および第２の回折要素は、各々が体積型の回折構造だけまたは表面起伏型の回折構造だけではなく、前記体積型および前記表面起伏型の両方の回折構造を備えるように構成されている、装置。
【請求項７】
前記第１の回折要素および前記第２の回折要素は、複数の線形回折要素と、複数の円形または放射対称回折要素との両方を備えるように構成されている、請求項６に記載の装置。
【請求項８】
前記第１の回折要素および前記第２の回折要素は、前記基板の両側上に折り畳まれたまたは重ね合わせられた配置で配置されている、請求項６に記載の装置。
【請求項９】
前記基板、前記第１の回折要素、および前記第２の回折要素を含む第１の層ユニットと、少なくとも１つの第２の層ユニットとのスタックから成る多層構成と、
前記第１の層ユニットおよび前記少なくとも１つの第２の層ユニットのオン／オフを選択的にかつ動的に切り替えるためのコントローラと
をさらに備え、
前記少なくとも１つの第２の層ユニットは、第３の回折要素および第４の回折要素を伴って第２の基板をさらに備え、前記第３の回折要素および前記第４の回折要素は、前記第２の基板の両側上に配置され、
前記第２の層ユニットが動的にオンに切り替えられる場合、前記第３の回折要素は、前記第３の回折要素の少なくとも一部に入射する前記入力光ビームの第１の部分を回折させて前記第４の回折要素の一部に指す回折させられた方向に伝搬する一方、前記入力光ビームの残り部分が前記第２の基板内において前記入射方向に伝搬し続け、前記第４の回折要素の異なる部分と相互作用することを可能にするように構成され、
前記第４の回折要素は、少なくとも、前記第３の回折要素によって回折させられる前記入力光ビームの前記第１の部分のいくらかを前記視認者の前記少なくとも１つの眼に向かって回折させること、および前記基板内に伝搬する方向に、前記第４の回折要素の少なくとも一部に入射する前記第１の部分の残り部分を向かわせることによって、前記少なくとも１つの立体画像のための出力光ビーム密度を伴う出射光ビームを前記視認者の前記少なくとも１つの眼に投影するように構成され、
前記第１の層ユニットおよび前記第２の層ユニットはそれぞれ、異なる焦点面において前記画像を形成するように出射光を投影する、請求項６に記載の装置。
【請求項１０】
前記第１の層ユニットおよび前記少なくとも１つの第２の層ユニットは、少なくとも１つのポリマー分散液晶層を含む、請求項９に記載の装置。
【請求項１１】
前記第１の回折要素および前記第２の回折要素は、両方が折り畳まれた構成で配置されている、表面起伏型回折要素と体積位相型回折要素との両方を含む、請求項６に記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
（関連出願の引用）
本願は、米国仮特許出願第６２／００５，８０７号（２０１４年５月３０日出願、名称「ＭＥＴＨＯＤＳ  ＡＮＤ  ＳＹＳＴＥＭＳ  ＦＯＲ  ＶＩＲＴＵＡＬ  ＡＮＤ  ＡＵＧＭＥＮＴＥＤ  ＲＥＡＬＴＹ」）の利益を主張する。本願は、米国仮特許出願第６１／９０９，１７４号（２０１３年１１月２７日出願、名称「ＶＩＲＴＵＡＬ  ＡＮＤ  ＡＵＧＭＥＮＴＥＤ  ＲＥＡＬＩＴＹ  ＳＹＳＴＥＭＳ  ＡＮＤ  ＭＥＴＨＯＤＳ」、代理人事件番号ＭＬ  ３００１１．００）、米国仮特許出願第６１／８４５，９０７号（２０１３年７月１２日出願、代理人事件番号ＭＬ  ３０００７．００）と相互関連する。  本願は、米国特許出願第１４／６９０，４０１号（２０１５年４月１８日出願、名称「ＳＹＳＴＥＭＳ  ＡＮＤ  ＭＥＴＨＯＤＳ  ＦＯＲ  ＡＵＧＭＥＮＴＥＤ  ＡＮＤ  ＶＩＲＴＵＡＬ  ＲＥＡＬＩＴＹ」）、米国特許出願第１４／５５５，５８５号（２０１４年１１月２７日出願、名称「ＶＩＲＴＵＡＬ  ＡＮＤ  ＡＵＧＭＥＮＴＥＤ  ＲＥＡＬＩＴＹ  ＳＹＳＴＥＭＳ  ＡＮＤ  ＭＥＴＨＯＤＳ」）にも関連する。
【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、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、その体験では、デジタル的に再現された画像またはその一部が、現実であるかのように、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。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する透明性を伴わずに、デジタルまたは仮想画像情報の提示を伴い、拡張現実、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。
【０００３】
デジタルコンテンツ（例えば、部屋の実世界ビューを拡張させるために提示される仮想シャンデリアオブジェクト等の３−Ｄコンテンツ、または部屋の実世界ビューを拡張させるために提示される平面／平坦仮想油絵オブジェクト等の２−Ｄコンテンツ）を設置するとき、オブジェクトの挙動を制御するための設計選択が、行われ得る。例えば、２−Ｄ油絵オブジェクトは、頭部を中心とし得、その場合、オブジェクトは、ユーザの頭部に伴って移動する（例えば、Ｇｏｏｇｌｅ  Ｇｌａｓｓアプローチにおけるように）；または、オブジェクトは、世界を中心とし得、その場合、オブジェクトが実世界座標系の一部であるかのように提示され得、ユーザは、実世界に対してオブジェクトの位置を移動させずに、その頭部または眼を移動させ得る。
【０００４】
仮想コンテンツを拡張現実システムを用いて提示される拡張現実世界の中に設置する場合、オブジェクトは、以下のいずれかのように提示されるはずである：世界を中心として（すなわち、仮想オブジェクトは、実世界内の定位置に留まり、ユーザは、実世界の壁等の仮想オブジェクトを包囲する実世界オブジェクトに対して仮想オブジェクトの位置を変化させずに、その身体、頭部、眼をその周囲で移動させ得る）；身体、すなわち、胴体を中心として（その場合、仮想要素は、ユーザの胴体に対して固定され得、ユーザは、オブジェクトを移動させずに、その頭部または眼を移動させることができるが、そのような移動は、胴体の移動に従わせられる）；頭部を中心として（その場合、表示されるオブジェクト（および／またはディスプレイ自体）は、Ｇｏｏｇｌｅ  Ｇｌａｓｓを参照して前述のように、頭部の移動に伴って移動され得る）；または、以下に説明されるような「中心窩ディスプレイ」構成におけるように、眼を中心として（コンテンツは、眼の位置の関数として回転させられる）。
【０００５】
いくつかの従来のアプローチは、表面起伏型回折要素（例えば、線形格子）を有する光学導波管を使用して、画像源からの光ビームを向け直し、瞳拡張を提供し、仮想コンテンツ表示を観察者の片眼（単眼配置）または両眼（双眼配置）に生成する。表面起伏型回折要素を有するこれらの導波管は、デジタル回折パターンの複雑な設計を要求する。これらの複雑な設計は、続いて、高分解能バイナリマスク情報に変換され、次いで、レチクル上にばく露される、または電子ビーム書き込みデバイス（例えば、リソグラフィ書き込み機器）に転送される。これらのデジタル回折パターンは、次いで、フォトレジスト材料の中にオーサリングまたは印刷され、続いて、種々のエッチング技法を使用してエッチングされる。そのような表面起伏型回折要素は、製造コストがかかるだけではなく、結果として生じる構造はまた、微視的起伏構造の存在に起因して、脆弱かつ不注意による損傷または汚染を受けやすい。
【０００６】
したがって、仮想または拡張現実のための仮想コンテンツを表示するための向上した回折要素を有する、方法および装置の必要性が存在する。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００７】
開示されるのは、仮想および拡張現実のための方法ならびにシステムである。いくつかの実施形態は、仮想および拡張現実デバイスならびに用途のための装置を対象とする。装置は、１つ以上の層を有する回折光学要素（ＤＯＥ）と、光ビームを、例えば、プロジェクタから受信し、光ビームをＤＯＥ内の基板に伝送する、内部結合光学（ＩＣＯ）要素とを含む、接眼レンズを含み得る。各層は、ＯＰＥ（直交瞳拡張）回折要素およびＥＰＥ（出射瞳拡張）回折要素を含み得る。
【０００８】
層上のＯＰＥ回折要素は、入力光ビームの一部をＥＰＥ回折要素に偏向させ、ＥＰＥは、順に、偏向させられた光ビームの一部をユーザの眼に向かって偏向させる。用語「格子」の使用は、「格子」内の回折構造が線形回折要素または構造のみを含むことを含意もしくは示唆するものではないことに留意されたい。むしろ、格子（例えば、ＥＰＥ格子、ＯＰＥ格子等）は、線形回折構造、円形回折構造、放射対称回折構造、または任意のそれらの組み合わせを含み得る。ＯＰＥ回折要素およびＥＰＥ回折要素は、線形格子構造ならびに円形または放射対称構造の両方を含み、光ビームを偏向させることおよび収束させることの両方を行い得る。
【０００９】
ＥＰＥおよびＯＰＥ回折要素と拡張または仮想現実表示装置のための画像情報を搬送する光ビームとの間の相互作用は、図１Ｄ−Ｅを参照して以下の実施例を用いて説明され得る。この例では、画像情報を搬送する光は、導波管（１１８）に進入し、導波管（１１８）内のＯＰＥ回折要素は、入射光を平面導波管（１１６）内のＤＯＥまたはＥＰＥ回折要素（１２０）に向かって偏向させ得る。回折パターン、「回折光学要素」（または「ＤＯＥ」）、もしくはＥＰＥ回折要素（１２０）は、コリメートされた光が平面導波管（１１６）に沿って全内部反射されるにつれて、コリメートされた光が複数の場所においてＥＰＥ回折要素（１２０）に交差するように、平面導波管（１１６）内に埋め込まれる。本明細書に説明されるいくつかの実施形態では、ＥＰＥ回折要素（１２０）は、ＥＰＥ回折要素（１２０）の各交差とともに、光の一部のみが眼（１５８）に向かって偏向させられる一方、光の残りが、全内部反射（ＴＩＲ）を介して、平面導波管（１１６）を通して移動し続けるように、比較的に低回折効率を有する。
【００１０】
画像情報を搬送する光は、したがって、複数の場所において導波管（１１６）から出射する、いくつかの関連光ビームに分割され、その結果、図１Ｄに示されるように、平面導波管（１１６）内で跳ね返るこの特定のコリメートされたビームに対して眼（１５８）に向かう非常に均一な出射放出パターンとなる。眼（１５８）に向かう出射ビームは、この例では、ＥＰＥ回折要素（１２０）が線形回折パターンのみを有するので、実質的に平行であるように図１Ｄには示される。図１Ｅを参照すると、埋め込まれたＥＰＥ回折要素（２２０）の放射対称回折パターン構成要素の変化に伴って、出射ビームパターンは、眼（１５８）の視点からより発散され、眼がより近い距離に遠近調節し、網膜に集中させることを要求し得、無限光学より眼に近い視認距離からの光として脳によって解釈されるであろう。
【００１１】
ＯＰＥ回折要素およびＥＰＥ回折要素は、いくつかの実施形態では、層上に同一平面または並んだ様式で配置され得る。ＯＰＥ回折要素およびＥＰＥ回折要素は、いくつかの実施形態では、層の両側に折り畳まれたまたは重ね合わせられた様式で配置され得る。ある他の実施形態では、ＯＰＥ回折要素およびＥＰＥ回折要素は、単一の一体型の空間的に一致した層内に配置および記録され、ＯＰＥ回折要素ならびにＥＰＥ回折要素の両方の機能を有する多重化層を形成し得る。複数のそのような層は、互の上にスタックされ、多平面構成を形成し得、各層は、そのそれぞれの焦点距離に関連付けられたそのそれぞれの焦点面をホストし得る。多平面構成は、より大きい焦点範囲を提供し得、多平面構成内の各層は、視認者に異なる焦点距離で現れる画像を提示するように、オンおよびオフに動的に切り替えられ得る。ＯＰＥおよびＥＰＥ回折要素は、表面起伏型格子構造、体積位相型格子構造、またはそれらの組み合わせであり得る。
【００１２】
いくつかの実施形態は、仮想および拡張現実のための方法を対象とする。本方法は、内部結合光学要素を使用することによって、入力光ビームを接眼レンズの基板の中に伝送し、第１の層上の少なくとも第１の回折要素を使用することによって、入力光ビームの第１の部分を接眼レンズの第１の層上の第２の回折要素に向かって偏向させ、第１の層上の第２の回折要素を用いて入力光ビームの第１の部分の一部を偏向させることによって、第１の出射光ビームを視認者の眼の方へ向かわせ得る。方法はさらに、いくつかの実施形態では、入力光ビームの残りの部分を接眼レンズの基板内に伝送し、第１の層上の第１の回折要素を使用することによって、入力光ビームの残りの部分の一部を第２の回折要素に向かって偏向させ、第１の層上の第２の回折要素を用いて入力光ビームの残りの部分の一部を偏向させることによって、第２の出射光ビームを視認者の方へ向かわせ得る。
【００１３】
格子構造の透過性および反射特性に起因して、方法はまた、いくつかの実施形態では、入力光ビームの第１の部分の残りの部分を接眼レンズの基板内に伝送し、第１の部分の残りの部分を第１の層上の第１の回折要素および第２の回折要素と相互作用させることによって、追加の出射光ビームを視認者の方へ向かわせ得る。接眼レンズが回折光学要素の複数の層を有する多平面構成を含む、いくつかの実施形態では、方法は、１つ以上の制御信号を使用することによって、接眼レンズの第２の層を動的にオンに切り替え得、第２の層は、第３の回折要素および第４の回折要素を含み、第２の層上の少なくとも第３の回折要素および第４の回折要素を使用することによって、入力光ビームから出射光ビームを視認者の方へ向かわせる。
【００１４】
いくつかの第１の実施形態は、仮想現実および／または拡張現実のための立体画像を生成する方法を対象とする。これらの第１の実施形態では、入力光ビームは、内部結合光学要素を使用することによって、接眼レンズの基板の中に伝送され得、入力光ビームの第１の部分は、第１の層上の少なくとも第１の回折要素を使用することによって、接眼レンズの第１の層上の第２の回折要素に向かって偏向させられ得、第１の出射光ビームはさらに、第１の層上の第２の回折要素を用いて入力光ビームの第１の部分の一部を偏向させることによって、視認者の方へ向かわせられ得る。
【００１５】
これらの第１の実施形態のいくつかでは、入力光ビームの残りの部分は、接眼レンズの基板内で伝送され得、入力光ビームの残りの部分の一部は、第１の層上の第１の回折要素を使用することによって、第２の回折要素に向かって偏向させられ得、第２の出射光ビームはまた、第１の層上の第２の回折要素を用いて入力光ビームの残りの部分の一部を偏向させることによって、視認者の方へ向かわせられ得る。加えて、または代替として、入力光ビームの第１の部分の残りの部分は、接眼レンズの基板内で伝送され得、追加の出射光ビームはまた、第１の部分の残りの部分を第１の層上の第１の回折要素および第２の回折要素と相互作用させることによって、視認者の方へ向かわせられ得る。
【００１６】
第１の実施形態のいくつかでは、接眼レンズの第２の層は、１つ以上の制御信号を使用することによって、動的にオンに切り替えられ得、第２の層は、第３の回折要素および第４の回折要素を含み、出射光ビームは、入力光ビームから第２の層上の少なくとも第３の回折要素および第４の回折要素を使用することによって、視認者の方へ向かわせられ得る。これらの直前の実施形態のいくつかでは、第１の層は、第１の焦点距離に関連付けられた第１の焦点面をホストし、第１の出射光ビームは、第１の焦点面から発しているようにユーザに見える。加えて、または代替として、第２の層は、第２の焦点距離に関連付けられた第２の焦点面をホストし、出射光ビームは、第２の焦点面から発しているようにユーザに見える。第１の実施形態のいくつかでは、第１の回折要素および第２の回折要素は、表面起伏型回折要素、体積位相型回折要素、または表面起伏型回折要素および体積位相型回折要素の組み合わせを備えている。
【００１７】
いくつかの第２の実施形態は、仮想現実および／または拡張現実のための立体画像を生成するための装置を実装するためのプロセスを対象とする。これらの第２の実施形態では、第１の基板が、装置の接眼レンズのために識別（すでに存在する場合）または製作（存在しない場合）され得、第１の回折要素および第２の回折要素が、１つ以上の第１のフィルム上に識別（すでに存在する場合）または製作（存在しない場合）され得、第１の回折要素および第２の回折要素は、線形格子構造ならびに円形または放射対称格子構造を備え、第１の回折要素および第２の回折要素を含む１つ以上の第１のフィルムは、第１の基板上に配置され得、内部結合光学要素はまた、接眼レンズの中に統合され、入力光ビームを入力光源から第１の基板の中に伝送し得、第１の回折要素および第２の回折要素は、内部結合光学要素に動作可能に結合され、入力光ビームの少なくとも一部を偏向させ得る。
【００１８】
これらの第２の実施形態のいくつかでは、第１の回折要素および第２の回折要素は、第１の基板の片側に同一平面配置で配置され得る。これらの第２の実施形態のある他の実施形態では、第１の基板の片側、両側に、回折要素および第２の回折要素は、折り畳まれたまたは重ね合わせられた配置で配置され得る。加えて、または代替として同一平面配置または折り畳まれたもしくは重ね合わせられた配置における、第１の回折要素および第２の回折要素は、第１の基板の片側に配置される一体型の分離不能層上に多重化され得る。
【００１９】
第２の実施形態のいくつかでは、第２の基板が、接眼レンズのために識別（すでに存在する場合）または製作（存在しない場合）され得、第３の回折要素および第４の回折要素もまた、１つ以上の第２のフィルム上に識別（すでに存在する場合）または製作（存在しない場合）され得、第３の回折要素および第４の回折要素は、線形格子構造および円形または放射対称格子構造を備え、第３の回折要素および第４の回折要素を含む１つ以上の第２のフィルムは、第２の基板上に配置され得る。
【００２０】
直前の実施形態のいくつかでは、第２の基板は、第１の基板上に配置され得、第１の基板上の第１の回折要素および第２の回折ならびに第２の基板上の第３の回折要素および第４の回折要素は、電圧または電流を使用することによって、オン状態とオフ状態との間で動的に切り替え可能である。加えて、または代替として、１つ以上の第１のフィルムおよび１つ以上の第２のフィルムのうちの少なくとも１つは、ポリマー分散液晶層を含む。
【００２１】
第２の実施形態のいくつかでは、第１の回折要素および第２の回折要素は、表面起伏型格子構造、体積位相型格子構造、または表面起伏型格子構造および体積位相型格子構造の組み合わせを備えている。加えて、または代替として、第１の回折要素および第２の回折要素は、体積位相格子構造および表面起伏構造の組み合わせを含む。第１の基板は、随意に、第２の実施形態のいくつかでは、単一層ホスト透明もしくは半透明誘電ホスト媒体を備えている、または第２の実施形態のある他の実施形態では、互に結合され、入力光ビームの少なくとも一部のための導波管を一緒に形成し、立体画像を生成する、半透明もしくは透明ホスト媒体の２つ以上の層を備え得る。
【００２２】
いくつかの第３の実施形態は、仮想現実および／または拡張現実のための立体画像を生成するための装置を使用または考案するためのプロセスを対象とする。これらの第３の実施形態では、入力光ビームは、内部結合光学デバイスから受信され得、内部結合光学デバイスからの入力光ビームの第１の部分は、装置の接眼レンズ内の第１の回折要素を用いて、第１の方向に第２の回折要素に向かって偏向させられ得、第１の回折要素は、入力光ビームの伝搬方向に対して所定の回折効率および第１の向きを有し、入力光ビームの第２の部分は、第２の向きを有する第２の回折要素を通して伝搬され、観察者に立体画像を生成し得る。
【００２３】
これらの第３の実施形態のいくつかでは、第１の回折要素または第２の回折要素のうちの少なくとも１つは、第１の回折要素または第２の回折要素を単層ホスト媒体またはホスト媒体の２つ以上の別個の層を有する基板上に記録するための少なくとも体積位相技法を用いて製作される、体積ホログラムを備えている。加えて、または代替として、立体画像内のアーチファクトは、少なくとも、第１の回折要素または第２の回折要素もしくは第１の回折要素および第２の回折要素の両方の組み合わせの回折効率を変調させることによって、低減させられ得る。さらに、第１の回折要素は、随意に、出射瞳拡張構造またはエキスパンダを備え、第２の回折要素は、直交瞳拡張構造またはエキスパンダを備え得る。
【００２４】
第１の回折要素または第２の回折要素はまた、随意に、これらの第３の実施形態のいくつかでは、乾式フォトポリマー材料を備えている、ホスト媒体を含み得る。直前の実施形態のいくつかでは、ホスト媒体は、単層フォトポリマー材料、単層ハロゲン化銀、または単層ポリマー分散液晶混合物材料を含む。
【００２５】
第３の実施形態のいくつかでは、入力光ビームの伝搬は、少なくとも、入力光ビームの第１の部分の第１の光波面を少なくとも連続的に向け直し、全内部反射を介して、少なくとも、入力光ビームの第２の部分と外部結合することによって、誘導され得る。加えて、または代替として、入力光ビームと第１の回折要素および／または第２の回折要素との間の前および後の相互作用は、少なくとも、異なる回折効率を伴う接眼レンズ内の１つ以上の構成要素の回折効率に勾配を付けることによって、制御され得る。
【００２６】
格子回折効率は、第３の実施形態のいくつかでは、第１の回折要素および／または第２の回折要素の調製において、記録ビーム強度または記録ビーム強度の比率を少なくとも変調させることによって、第１の回折要素および／または第２の回折要素間に分布され得る。随意に、第１の回折要素または第２の回折要素は、表面起伏構造を使用せずに、識別（すでに存在する場合）または製作（存在しない場合）され得る。
【００２７】
プロセスは、第３の実施形態のいくつかでは、第１の回折要素および／または第２の回折要素のための切り替え可能格子構造を使用することによって、投影された画像の時間多重化分布を複数の焦点面撮像要素に提供し得る。代替として、または加えて、第１の回折要素または第２の回折要素は、ポリマー分散液晶（ＰＤＬＣ）構成要素を含む。これらの直前の実施形態のいくつかでは、ポリマー分散液晶（ＰＤＬＣ）構成要素、ＰＤＬＣ構成要素のためのホスト媒体、およびＰＤＬＣ構成要素のホスト媒体内の構造要素は、識別され得、ホスト媒体または構造要素の屈折率は、第１の回折要素および／または第２の回折要素が配置されている基板の第１の屈折率と合致しない率であるように決定され得る。
【００２８】
第３の実施形態のいくつかでは、単層構造が、識別され得、第１の回折要素および第２の回折要素の両方が、単層構造の中に識別（すでに存在する場合）または製作（存在しない場合）され得、単層構造内の第１の回折要素および第２の回折要素は、多重化され、接眼レンズの少なくとも一部における入力光ビームの伝搬の回折におけるクロストークを低減させ得る。加えて、または代替として、第１の回折要素および第２の回折要素は、基板上または基板内に配置され、体積位相格子構造および表面起伏構造の組み合わせを含む。これらの直前の実施形態のいくつかでは、基板は、単一層ホスト透明または半透明誘電ホスト媒体を備えている。第３の実施形態のいくつかでは、基板は、互に結合され、入力光ビームの少なくとも一部のための導波管を一緒に形成し、立体画像を生成する、半透明または透明ホスト媒体の２つ以上の層を備えている。
【００２９】
いくつかの第４の実施形態は、仮想現実および／または拡張現実のための立体画像を生成するための装置を対象とする。装置は、基板を含む接眼レンズと、入力光ビームを基板の中に伝送するための内部結合光学要素と、内部結合光学要素に動作可能に結合され、基板の１つ以上の側に配置される、第１の回折要素および第２の回折要素を備えている、基板の第１の層とを備え、第１の回折要素および第２の回折要素は、線形格子構造および円形または放射対称格子構造を備えている。
【００３０】
これらの第４の実施形態のいくつかでは、第１の回折要素および第２の回折要素は、第１の層上に同一平面配置で配置される。代替として、第１の回折要素および第２の回折要素は、第１の層の両側に折り畳まれたまたは重ね合わせられた配置で配置される。第４の実施形態のいくつかでは、装置はさらに、１つ以上の第２の層を備え、第１の層および１つ以上の第２の層は、オン状態とオフ状態との間で動的に切り替え可能であり、１つ以上の第２の層は、互の上にスタックされる。
【００３１】
これらの直前の実施形態のいくつかでは、第１の層または１つ以上の第２の層は、少なくとも１つのポリマー分散液晶層を含む。第４の実施形態のいくつかでは、第１の回折要素および第２の回折要素は、体積位相型格子構造を含む。加えて、または代替として、第１の回折要素および第２の回折要素は、表面起伏型格子構造を含む。加えて、または代替として、第１の回折要素および第２の回折要素は、表面起伏型格子構造および体積位相型格子構造の両方を含む。
本明細書は、例えば、以下の項目も提供する。
（項目１）
仮想現実および／または拡張現実のための立体画像を生成する方法であって、
内部結合光学要素を使用することによって、入力光ビームを接眼レンズの基板の中に伝送することと、
前記接眼レンズの第１の層上の少なくとも第１の回折要素を使用することによって、前記入力光ビームの第１の部分を前記第１の層上の第２の回折要素に向かって偏向させることと、
前記第１の層上の前記第２の回折要素を用いて前記入力光ビームの前記第１の部分の一部を偏向させることによって、第１の出射光ビームを視認者の方へ向かわせることと
を含む、方法。
（項目２）
前記入力光ビームの残りの部分を前記接眼レンズの基板内で伝送することと、
前記第１の層上の前記第１の回折要素を使用することによって、前記入力光ビームの前記残りの部分の一部を前記第２の回折要素に向かって偏向させることと、
前記第１の層上の前記第２の回折要素を用いて前記入力光ビームの前記残りの部分の一部を偏向させることによって、第２の出射光ビームを前記視認者の方へ向かわせることと
をさらに含む、項目１に記載の方法。
（項目３）
前記入力光ビームの前記第１の部分の残りの部分を前記接眼レンズの基板内で伝送することと、
前記第１の部分の前記残りの部分に前記第１の層上の前記第１の回折要素および前記第２の回折要素と相互作用させることによって、追加の出射光ビームを前記視認者の方へ向かわせることと
をさらに含む、項目１に記載の方法。
（項目４）
１つ以上の制御信号を使用することによって、前記接眼レンズの第２の層を動的にオンに切り替えることであって、前記第２の層は、第３の回折要素および第４の回折要素を含む、ことと、
前記第２の層上の少なくとも前記第３の回折要素および前記第４の回折要素を使用することによって、前記入力光ビームから出射光ビームを前記視認者の方へ向かわせることと
をさらに含む、項目１に記載の方法。
（項目５）
前記第１の層は、第１の焦点距離に関連付けられた第１の焦点面をホストし、前記第１の出射光ビームは、前記第１の焦点面から発しているように前記ユーザに見える、項目４に記載の方法。
（項目６）
前記第２の層は、第２の焦点距離に関連付けられた第２の焦点面をホストし、前記出射光ビームは、前記第２の焦点面から発しているように前記ユーザに見える、項目４に記載の方法。
（項目７）
前記第１の回折要素および前記第２の回折要素は、表面起伏型回折要素、体積位相型回折要素、または前記表面起伏型回折要素および前記体積位相型回折要素の組み合わせを備えている、項目１に記載の方法。
（項目８）
仮想現実および／または拡張現実のための立体画像を生成するための装置であって、
基板を含む接眼レンズと、
入力光ビームを前記基板の中に伝送するための内部結合光学要素と、
第１の回折要素および第２の回折要素を備えている前記基板の第１の層と
を備え、
前記第１の回折要素および前記第２の回折要素は、前記内部結合光学要素に動作可能に結合され、前記基板の１つ以上の側に配置され、前記第１の回折要素および前記第２の回折要素は、線形回折要素および円形または放射対称回折要素を備えている、装置。
（項目９）
前記第１の回折要素および前記第２の回折要素は、前記第１の層上に同一平面配置で配置されている、項目８に記載の装置。
（項目１０）
前記第１の回折要素および前記第２の回折要素は、前記第１の層の両側に折り畳まれたまたは重ね合わせられた配置で配置されている、項目８に記載の装置。
（項目１１）
前記第１の回折要素および前記第２の回折要素は、前記第１の層に取り付けられた一体型の分離不能層内に配置されている、項目８に記載の装置。
（項目１２）
前記第１の回折要素および前記第２の回折要素は、前記一体型の分離不能層内に単一の記録で作成される、項目１１に記載の装置。
（項目１３）
１つ以上の第２の層をさらに備え、前記第１の層および前記１つ以上の第２の層は、オン状態とオフ状態との間で動的に切り替え可能であり、前記１つ以上の第２の層は、互の上にスタックされている、項目８に記載の装置。
（項目１４）
前記第１の層または前記１つ以上の第２の層は、少なくとも１つのポリマー分散液晶層を含む、項目１３に記載の装置。
（項目１５）
前記第１の回折要素および前記第２の回折要素は、体積位相型回折要素を含む、項目８に記載の装置。
（項目１６）
前記第１の回折要素および前記第２の回折要素は、表面起伏型回折要素を含む、項目８に記載の装置。
（項目１７）
前記第１の回折要素および前記第２の回折要素は、表面起伏型回折要素および体積位相型回折要素の両方を含む、項目８に記載の装置。
（項目１８）
仮想現実および／または拡張現実のための立体画像を生成するための装置を実装する方法であって、
接眼レンズのための第１の基板を識別または製作することと、
１つ以上の第１のフィルム上の第１の回折要素および第２の回折要素を識別または製作することであって、前記第１の回折要素および第２の回折要素は、線形回折要素および円形または放射対称回折要素を備えている、ことと、
前記第１の回折要素および前記第２の回折要素を含む前記１つ以上の第１のフィルムを前記第１の基板上に配置することと、
内部結合光学要素を前記接眼レンズの中に統合し、入力光ビームを入力光源から前記第１の基板の中に伝送することであって、前記第１の回折要素および前記第２の回折要素は、前記内部結合光学要素に動作可能に結合され、前記入力光ビームの少なくとも一部を偏向させる、ことと
を含む、方法。
（項目１９）
前記第１の回折要素および前記第２の回折要素を含む前記１つ以上の第１のフィルムを前記第１の基板上に配置する行為は、
前記第１の基板の片側に同一平面配置で前記第１の回折要素および前記第２の回折要素を配置することと、
前記第１の基板の片側、両側に折り畳まれたまたは重ね合わせられた配置で前記第１の回折要素および前記第２の回折要素を配置することと、
前記第１の回折要素および前記第２の回折要素を前記第１の基板の片側に配置された一体型の分離不能層上で多重化することと
のうちの１つを含む、項目１８に記載の方法。
（項目２０）
前記接眼レンズのための第２の基板を識別または製作することと、
１つ以上の第２のフィルム上の第３の回折要素および第４の回折要素を識別または製作することであって、前記第３の回折要素および第４の回折要素は、前記線形回折要素および前記円形または放射対称回折要素を備えている、ことと、
前記第３の回折要素および前記第４の回折要素を含む前記１つ以上の第２のフィルムを前記第２の基板上に配置することと
をさらに含む、項目１８に記載の方法。
（項目２１）
前記第２の基板を前記第１の基板上に配置することをさらに含み、
前記第１の基板上の前記第１の回折要素および前記第２の回折要素ならびに前記第２の基板上の前記第３の回折要素および前記第４の回折要素は、電圧または電流を使用することによって、オン状態とオフ状態との間で動的に切り替え可能である、項目２０に記載の方法。
（項目２２）
前記１つ以上の第１のフィルムおよび前記１つ以上の第２のフィルムのうちの少なくとも１つは、ポリマー分散液晶層を含む、項目２０に記載の方法。
（項目２３）
前記第１の回折要素および前記第２の回折要素は、表面起伏型回折要素、体積位相型回折要素、または前記表面起伏型回折要素および前記体積位相型回折要素の組み合わせを備えている、項目１８に記載の方法。
（項目２４）
前記第１の回折要素および前記第２の回折要素は、体積位相回折要素および表面起伏構造の組み合わせを含む、項目１８に記載の方法。
（項目２５）
前記第１の基板は、単一層ホスト透明または半透明誘電ホスト媒体を備えている、項目１８に記載の方法。
（項目２６）
前記第１の基板は、半透明または透明ホスト媒体の２つ以上の層を備え、前記２つ以上の層は、互に結合され、前記立体画像を生成するための前記入力光ビームの少なくとも一部のための導波管を一緒に形成している、項目１８に記載の方法。
（項目２７）
仮想現実および／または拡張現実のための立体画像を生成するための装置を使用または考案する方法であって、
入力光ビームを内部結合光学デバイスから受信することと、
前記装置の接眼レンズ内の第１の回折要素を用いて、前記入力光ビームの第１の部分を前記内部結合光学デバイスから第１の方向に第２の回折要素に向かって偏向させることであって、前記第１の回折要素は、所定の回折効率および前記入力光ビームの伝搬方向に対して第１の向きを有する、ことと、
前記入力光ビームの第２の部分を第２の向きを有する前記第２の回折要素を通して伝搬させ、観察者に立体画像を生成することと
を含む、方法。
（項目２８）
前記第１の回折要素または前記第２の回折要素のうちの少なくとも１つは、体積ホログラムを備え、前記体積ホログラムは、前記第１の回折要素または前記第２の回折要素を単層ホスト媒体またはホスト媒体の２つ以上の別個の層を有する基板上に記録するための少なくとも体積位相技法を用いて製作される、項目２７に記載の方法。
（項目２９）
少なくとも、前記第１の回折要素、前記第２の回折要素、または前記第１の回折要素および前記第２の回折要素の両方の組み合わせの回折効率を変調させることによって、前記立体画像内のアーチファクトを低減させることをさらに含む、項目２７に記載の方法。
（項目３０）
前記第１の回折要素は、出射瞳拡張構造またはエキスパンダを備え、前記第２の回折要素は、直交瞳拡張構造またはエキスパンダを備えている、項目２７に記載の方法。
（項目３１）
前記第１の回折要素または前記第２の回折要素は、乾式フォトポリマー材料を備えているホスト媒体を含む、項目２７に記載の方法。
（項目３２）
前記ホスト媒体は、単層フォトポリマー材料、単層ハロゲン化銀、または単層ポリマー分散液晶混合物材料を含む、項目３１に記載の方法。
（項目３３）
少なくとも前記入力光ビームの第１の部分の第１の光波面を少なくとも連続的に向け直し、全内部反射を介して、少なくとも前記入力光ビームの第２の部分と外部結合することによって、前記入力光ビームの伝搬を誘導することをさらに含む、項目２７に記載の方法。
（項目３４）
異なる回折効率を用いて前記接眼レンズ内の１つ以上の構成要素の回折効率に少なくとも勾配を付けることによって、前記入力光ビームと前記第１の回折要素および／または前記第２の回折要素との間の前および後の相互作用を制御することをさらに含む、項目２７に記載の方法。
（項目３５）
前記第１の回折要素および／または前記第２の回折要素の調製において、記録ビーム強度または前記記録ビーム強度の比率を少なくとも変調させることによって、前記第１の回折要素および／または前記第２の回折要素のための格子回折効率を分布させることをさらに含む、項目２７に記載の方法。
（項目３６）
前記第１の回折要素または前記第２の回折要素は、表面起伏構造を使用せずに、識別または製作される、項目２７に記載の方法。
（項目３７）
前記第１の回折要素および／または前記第２の回折要素に対して切り替え可能回折要素を使用することによって、投影された画像の時間多重化分布を複数の焦点面撮像要素に提供することをさらに含む、項目２７に記載の方法。
（項目３８）
前記第１の回折要素または前記第２の回折要素は、ポリマー分散液晶（ＰＤＬＣ）構成要素を含む、項目２７に記載の方法。
（項目３９）
前記ポリマー分散液晶（ＰＤＬＣ）構成要素を識別することと、
前記ＰＤＬＣ構成要素のためのホスト媒体を識別することと、
前記ＰＤＬＣ構成要素のホスト媒体内の構造要素を識別することと、
前記ホスト媒体または前記構造要素の屈折率を前記第１の回折要素および／または前記第２の回折要素が配置されている基板の第１の屈折率に合致しない率に決定することと
をさらに含む、項目３８に記載の方法。
（項目４０）
単層構造を識別することと、
前記単層構造の中への前記第１の回折要素および前記第２の回折要素の両方を識別または製作することと、
前記単層構造内の前記第１の回折要素および前記第２の回折要素を多重化し、前記接眼レンズの少なくとも一部における入力光ビームの伝搬の回折におけるクロストークを低減させることと
をさらに含む、項目２７に記載の方法。
（項目４１）
前記第１の回折要素および前記第２の回折要素は、基板上または基板内に配置され、体積位相回折要素および表面起伏構造の組み合わせを含む、項目２７に記載の方法。
（項目４２）
前記基板は、単一層ホスト透明または半透明誘電ホスト媒体を備えている、項目４１に記載の方法。
（項目４３）
前記基板は、前記立体画像を生成するために、互に結合され、前記入力光ビームの少なくとも一部のための導波管を一緒に形成する半透明または透明ホスト媒体の２つ以上の層を備えている、項目２７に記載の方法。
（項目４４）
項目１８−２６のいずれかに記載の方法を行うための仮想現実および／または拡張現実のための立体画像を生成するための装置。
（項目４５）
項目２７−４３のいずれかに記載の方法を行うための仮想現実および／または拡張現実のための立体画像を生成するための装置。
【００３２】
仮想現実および／または拡張現実のための立体画像を生成する方法および装置の種々の側面のさらなる詳細は、図１Ａ−２５Ｄを参照して以下に説明される。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
図面は、本発明の種々の実施形態の設計および有用性を図示する。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、図全体を通して類似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追加の具体性および詳細とともに記載および説明されるであろう。
【図１Ａ】図１Ａは、コリメートされた光ビームを偏向させる線形回折格子の簡略化された概略図を図示する。
【図１Ｂ】図１Ｂは、コリメートされた光ビームを偏向させる放射対称回折格子の簡略化された概略図を図示する。
【図１Ｃ】図１Ｃは、線形および放射構造を組み合わせる回折要素を含む本明細書に説明されるいくつかの実施形態を図示する。
【図１Ｄ】図１Ｄは、拡張または仮想現実表示装置のための回折パターンまたは回折要素と画像情報を搬送する光ビームとの間の相互作用の実施例を図示する。
【図１Ｅ】図１Ｅは、拡張または仮想現実表示装置のための回折パターンもしくは回折要素と画像情報を搬送する光ビームとの間の相互作用の別の実施例を図示する。
【図２】図２Ａ−Ｂは、いくつかの実施形態における体積位相回折要素を作製および使用するいくつかの略図を図示する。
【図３−１】図３Ａ−Ｂは、いくつかの実施形態における、ＲＧＢ（赤色、緑色、および青色）のための体積位相回折要素を作製および使用するいくつかの略図を図示する。
【図３−２】図３Ｃ−Ｄは、いくつかの実施形態における、ＲＧＢ（赤色、緑色、および青色）のための体積位相回折要素を作製および使用するいくつかの略図を図示する。
【図３−３】図３Ｅ−Ｆは、いくつかの実施形態における、ＲＧＢ（赤色、緑色、および青色）のための急角度体積位相回折要素を作製および使用するいくつかの略図を図示する。
【図４Ａ】図４Ａ−Ｃは、いくつかの実施形態における、体積位相回折要素または体積位相急角度回折要素を記録し、ＥＰＥ、ＯＰＥ、および／または組み合わせＥＰＥ／ＯＰＥを製作するためのいくつかの概略設定を図示する。
【図４Ｂ】図４Ａ−Ｃは、いくつかの実施形態における、体積位相回折要素または体積位相急角度回折要素を記録し、ＥＰＥ、ＯＰＥ、および／または組み合わせＥＰＥ／ＯＰＥを製作するためのいくつかの概略設定を図示する。
【図４Ｃ】図４Ａ−Ｃは、いくつかの実施形態における、体積位相回折要素または体積位相急角度回折要素を記録し、ＥＰＥ、ＯＰＥ、および／または組み合わせＥＰＥ／ＯＰＥを製作するためのいくつかの概略設定を図示する。
【図５Ａ】図５Ａは、材料および構成要素層の出射瞳エキスパンダ記録スタックならびに多くの可能な記録幾何学形状のうちの１つの一実施形態の略図を示す。
【図５Ｂ】図５Ｂは、出射瞳エキスパンダ、直交瞳エキスパンダ、入力結合格子、または材料および構成要素層の組み合わせ格子記録スタック、および多くの可能な記録幾何学形状のうちの１つの一実施形態の略図を示す。
【図６】図６は、単一ウエハ基板内のＩＣＯ、ＥＰＥ、およびＯＰＥ構成要素の一実施形態の例証的構成、ならびに画像投影システムで照明されるときのその機能を示す。
【図７】図７は、いくつかの実施形態における、内部結合光学デバイスに動作可能に結合される、同一平面ＯＰＥおよびＥＰＥ配置の概略配置を図示する。
【図８】図８は、いくつかの実施形態における、内部結合光学デバイスに動作可能に結合される、重ね合わせられたまたは折り畳まれたＯＰＥおよびＥＰＥ配置の概略配置を図示する。
【図９】図９は、いくつかの実施形態における、内部結合光学デバイスに動作可能に結合される、重ね合わせられたまたは折り畳まれたＯＰＥおよびＥＰＥ配置の別の概略配置を図示する。
【図１０】図１０Ａ−Ｂは、いくつかの実施形態における、重ね合わせられたまたは折り畳まれたＯＰＥおよびＥＰＥ配置の別の概略配置を図示する。
【図１１】図１１は、いくつかの実施形態における、重ね合わせられたまたは折り畳まれたＯＰＥおよびＥＰＥならびにビーム多重化層配置の別の概略配置を図示する。
【図１２】図１２Ａ−Ｃは、いくつかの実施形態における、回折要素と観察者のための画像情報を搬送する光との間の相互作用のいくつかの略図を図示する。図１２Ｄは、いくつかの実施形態における、仮想現実および／または拡張現実装置のための多平面構成の略図を図示する。
【図１３】図１３Ａ−Ｂは、いくつかの実施形態における、切り替え可能層の略図を図示する。
【図１４】図１４は、いくつかの実施形態における、多重化エキスパンダ要素の略図を図示する。
【図１５Ａ】図１５Ａは、いくつかの実施形態における、多重化エキスパンダ要素の略図の一部を図示する。
【図１５Ｂ】図１５Ｂは、ある他の実施形態における、多重化エキスパンダアセンブリの別の写真表現を図示する。
【図１６】図１６は、本明細書に説明される仮想現実または拡張現実デバイスを使用して画像を視認する、ユーザの例証を示す。
【図１７】図１７は、例証目的のために、図１６の一部を図示する。
【図１８】図１８は、例証目的のために、図１６の一部の別の視点を図示する。
【図１９】図１９は、例証目的のために、図１６の一部の別の視点を図示する。
【図２０】図２０は、図１９の拡大図を図示し、回折光学要素の種々の要素の図を提供する。
【図２１】図２１は、仮想現実または拡張現実デバイスを使用して画像を視認する、ユーザの例証の側面図を図示する。
【図２２】図２２は、いくつかの実施形態における、回折光学要素（ＤＯＥ）の拡大図を図示する。
【図２３Ａ】図２３Ａは、いくつかの実施形態における、仮想現実および／または拡張現実のための立体画像を生成するプロセスのための高レベル流れ図を図示する。
【図２３Ｂ】図２３Ｂ−Ｃは一緒に、いくつかの実施形態における、仮想現実および／または拡張現実のための立体画像を生成するプロセスのためのより詳細な流れ図を図示する。
【図２３Ｃ】図２３Ｂ−Ｃは一緒に、いくつかの実施形態における、仮想現実および／または拡張現実のための立体画像を生成するプロセスのためのより詳細な流れ図を図示する。
【図２４Ａ】図２４Ａは、１つ以上の実施形態における、仮想現実および／または拡張現実のための立体画像を生成するプロセスのための高レベルブロック図を図示する。
【図２４Ｂ】図２４Ｂは、１つ以上の実施形態における、図２４Ａに図示される仮想現実および／または拡張現実のための立体画像を生成するプロセスのためのより詳細なブロック図を図示する。
【図２４Ｃ】図２４Ｃは、１つ以上の実施形態における、仮想現実および／または拡張現実のための立体画像を生成するプロセスのためのより詳細なブロック図を図示する。
【図２５Ａ】図２５Ａは、１つ以上の実施形態における、仮想現実および／または拡張現実のための立体画像を生成するための高レベルブロック図を図示する。
【図２５Ｂ】図２５Ｂ−Ｄは一緒に、図２５Ａに図示される仮想現実および／または拡張現実のための立体画像を生成するプロセスのための、個々に行われるか、もしくは１つ以上の群において、ともに行われ得る、いくつかの追加の随意の行為２５００Ｂを図示する。
【図２５Ｃ】図２５Ｂ−Ｄは一緒に、図２５Ａに図示される仮想現実および／または拡張現実のための立体画像を生成するプロセスのための、個々に行われるか、もしくは１つ以上の群において、ともに行われ得る、いくつかの追加の随意の行為２５００Ｂを図示する。
【図２５Ｄ】図２５Ｂ−Ｄは一緒に、図２５Ａに図示される仮想現実および／または拡張現実のための立体画像を生成するプロセスのための、個々に行われるか、もしくは１つ以上の群において、ともに行われ得る、いくつかの追加の随意の行為２５００Ｂを図示する。
【発明を実施するための形態】
【００３４】
本発明の種々の実施形態は、単一実施形態またはいくつかの実施形態において、仮想コンテンツ表示の仮想または拡張現実を生成する方法およびシステムを対象とする。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。
【００３５】
いくつかの実施形態は、仮想コンテンツ表示を生成するための装置を対象とする。装置は、画像情報を搬送する光ビームを画像源から観察者の片眼（単眼）または両眼（双眼）に伝搬するための回折要素を含む。より具体的には、装置は、画像情報を搬送する光ビームを画像源からＥＰＥ回折要素を有する第２の導波管に偏向させるためのＯＰＥ回折要素を有する第１の導波管を含む。第２の導波管内のＥＰＥ回折要素はさらに、光ビームを第１の導波管から観察者の片眼または両眼に向け直す。
【００３６】
拡張または仮想現実表示装置のためのＥＰＥおよびＯＰＥ回折要素と光ビームとの間の相互作用の簡略化されたモードが、図１Ｄ−Ｅを参照して以下の実施例を用いて説明され得る。この例では、画像情報を搬送する光は、導波管（１１８）に進入し、導波管（１１８）内のＯＰＥ回折要素は、入射光を平面導波管（１１６）内のＤＯＥまたはＥＰＥ回折要素（１２０）に向かって偏向させ得る。回折パターン、「回折光学要素」（または「ＤＯＥ」）、もしくはＥＰＥ回折要素（１２０）が、コリメートされた光が平面導波管（１１６）に沿って全内部反射されるにつれて、コリメートされた光が複数の場所においてＥＰＥ回折要素（１２０）に交差するように、平面導波管（１１６）内に埋め込まれる。本明細書に説明されるいくつかの実施形態では、ＥＰＥ回折要素（１２０）は、光の一部のみがＥＰＥ回折要素（１２０）の各交差とともに眼（１５８）に向かって偏向させられる一方、光の残りが、全内部反射（ＴＩＲ）を介して、平面導波管（１１６）を通して移動し続けるように、比較的に低回折効率を有する。
【００３７】
画像情報を搬送する光ビームは、したがって、複数の場所において導波管（１１６）から出射する、いくつかの関連光ビームに分割され、結果は、図１Ｄに示されるように、平面導波管（１１６）内で跳ね返るこの特定のコリメートされたビームに対して、眼（１５８）に向かう非常に均一なパターンの出射放出である。眼（１５８）に向かう出射ビームは、この例では、ＥＰＥ回折要素（１２０）が線形回折パターンのみを有するので、実質的に平行として図１Ｄには示される。図１Ｅを参照すると、埋め込まれたＥＰＥ回折要素（２２０）の放射対称回折パターン構成要素の変化に伴って、出射ビームパターンは、眼（１５８）の視点からより発散的にされ、それは、より近い距離に遠近調節し、網膜上に焦点を合わせることを眼に要求し得、それは、光学的無限より眼に近い視認距離からの光として脳によって解釈されるであろう。
【００３８】
本明細書に説明される装置の利点の１つは、本明細書に説明される仮想コンテンツ表示装置が、リソグラフィおよびエッチングプロセスの使用を要求せずに、よりロバストかつコスト効果的様式において製造され得る体積型回折要素を含み得ることである。体積型回折要素は、いくつかの実施形態では、装置のための１つ以上の導波管に対して製作され得（例えば、転写によって）、したがって、従来のアプローチにおける表面起伏型回折要素の製作、統合、および使用に関連付けられた種々の問題を完全に排除する。これらの回折要素はさらに、以下により詳細に説明されるようなその意図される目的を果たすために、仮想コンテンツ表示装置のための異なる配置で配置され得る。
【００３９】
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。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）のそれらの部分のみ、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。
【００４０】
開示されるのは、仮想および拡張現実のための方法ならびにシステムである。仮想現実または拡張現実の用途のためのヒト装着式立体眼鏡等の光学器具では、ユーザの眼は、器具をユーザの眼に適切に結合するために、器具の出射瞳と整列させられ、それに類似するサイズであり得る。出射瞳の場所は、したがって、ユーザの眼が観察者の眼に対して完全視認角度を得られ得る、器具の接眼レンズの最後の正面からの距離を画定する、射出瞳距離と、それによって、接眼レンズの視野とを決定し得る。
【００４１】
射出瞳距離は、典型的には、ユーザの快適性のためのある距離（例えば、２０ｍｍ）にあるように考案される。射出瞳距離が大きすぎる場合、接眼レンズからの出射光は、損失され、瞳に到達しない場合がある。一方、接眼レンズ、または回折光学要素（ＤＯＥ）と結合される導波管からの出射光によって画定された視野は、出射瞳が瞳のサイズより小さくなるほど射出瞳距離が小さすぎる場合、ぼけ得る。本明細書に説明される種々の実施形態は、仮想現実または拡張現実システムのための出射瞳拡張（ＥＰＥ）構造またはエキスパンダと直交瞳拡張（ＥＰＥ）構造またはエキスパンダとを生成するために、高角度回折を伴う体積位相回折要素を使用する。
【００４２】
本開示に提示されるように、ＯＰＥおよび／またはＥＰＥ表面起伏構造の生産は、所望の瞳の拡張機能および外部結合機能を果たすであろう複雑なデジタル回折パターンの設計を実装する。設計は、次いで、高分解能バイナリマスク情報に変換され、レチクル上にばく露されるか、または特殊電子ビーム書き込みデバイスに転送され、フォトレジスト材料の中にオーサリングされ、化学技法を使用してエッチングされ得る。結果として生じる構造は、微視的物理的起伏であるため、幾分脆弱であって、回折機能を妨害するであろう損傷および汚染を受けやすい。
【００４３】
対照的に、体積位相ホログラムは、ホログラフィ（２つ以上のビーム）アプローチにおいて、感光性材料（例えば、フォトポリマー、ハロゲン化銀、ポリマー分散液晶混合物等）の区分ごとまたはモノリシック（広域同時）のレーザ光を用いたばく露によってオーサリングされ得る。これらの構造のために要求または所望される特殊な縞の向きおよび間隔は、ガラスまたは透明もしくは半透明プラスチック等の厚い誘電基板上にホログラムを記録すること（ｒｅｃｏｒｄｉｎｇ）を通して達成され得、それは、急角度幾何学形状におけるレーザ光の屈折率整合結合を通して縞の形成を可能にする。いくつかの実施形態は、体積位相および表面起伏構造の重畳ＯＰＥ／ＥＰＥ組み合わせを含む。
【００４４】
組み合わせられた要素の利点の１つは、組み合わせられると、全デジタル（例えば、全表面起伏）または全体積位相アプローチと比較して、優れた機能を生成する両タイプの構造の固有の特性を利用することであり得る。体積位相ホログラムの（ｒｅｃｏｒｄｉｎｇ）は、表面起伏構造におけるデジタル設計／算出／オーサリングアプローチより安価、高速、かつ柔軟性がある。なぜなら、体積位相オーサリング光学システムは、種々の既製の構成要素および実装技法を使用して、容易に再構成、修正、ならびにカスタマイズされ得るからである。非常に敏感で使用が容易である乾式フォトポリマー材料も、ＥＰＥ／ＯＰＥ構造を生成することにおける体積位相技法の使用において別の利点を提供し得る。
【００４５】
体積位相アプローチは、不要なまたは望ましくないアーチファクトを導入せずに、回折効率を変調させる固有の能力を保有する。ＥＰＥおよびＯＰＥ機能の場合、いくつかの実施形態では、ＥＰＥおよびＯＰＥ構造の両方とも、全内部反射を介して大面積導波管を通って伝搬するコリメートされた波正面の連続した向け直しおよび外部結合に依拠する。回折要素との各相互作用により、一部の光は、向け直され、すなわち、構造から完全に出て結合され（設計に応じて）、連続相互作用のたまに残される光の量の低減をもたらす。これは、光が投影注入点から伝搬するにつれて、接眼レンズを横断する画像フィールド輝度分布にある望ましくない低減をもたらし得る。この問題を緩和するために、接眼レンズ構成要素の回折効率は、いくつかの実施形態では、光線と構造との間の初期相互作用が利用可能な光を後の相互作用より少なく使用するように、勾配を付けられ得る。
【００４６】
さらに、格子回折効率均一性の再分布は、体積位相記録方法では、簡単であり、記録ビーム強度および／または２つの干渉ビーム間の強度の比率を変調させることによって達成される。対照的に、性質上バイナリである表面起伏構造は、特に、ゴースト画像、追加の回折次数、および他の不要なまたは望ましくないアーチファクトを導入せずに、同一効果を達成するようにそれほど容易に修正されないこともある。体積位相型構造はまた、複数の焦点面撮像要素に対する投影される画像の時間多重化分布を可能にし得る切り替え可能回折要素を含むポリマー分散液晶（ＰＤＬＣ）構成要素のために、所望または要求され得る。いくつかの実施形態は、体積位相アプローチとＰＤＬＣを組み合わせ、組み合わせをＯＰＥ／ＥＰＥおよび内部結合光学（ＩＣＯ）に適用する。
【００４７】
ＰＤＬＣ材料は、ホスト媒体中に回折パターンを有する微小液滴を含み、ホスト媒体または微小液滴の屈折率は、基板のそれに合致しない率に切り替えられ得る。切り替え可能回折要素はまた、ニオブ酸リチウムを含む材料から作製され得る。体積位相構造は、表面起伏構造より角度的に選択的であり得、したがって、外部、多分周囲源からの光をそれほど容易に回折しないであろう。これは、回折要素が、意図される画像投影源に加え、太陽光または他の光源にさらされ得る眼鏡類用途における説明される実施形態のうちの少なくともいくつかを使用するための別の利点を構成し得る。加えて、または代替として、いくつかの実施形態は、その機能が、表面起伏型回折構造または要素等の代替アプローチを使用して生成することが困難または完全に不可能であり得る単層多重化ＯＰＥ／ＥＰＥ構造を利用する。そのような困難または不可能の理由の１つは、表面起伏型回折要素が、体積位相型回折要素より分散性であり、したがって、投影光の無駄であり、かつ視覚的に気が散り得るクロストークおよび複数の回折次元を導入し得るという事実に起因し得る。そのような困難または不可能の別の理由は、必要パターンをバイナリ形態で生成するために要求されるパターンまたは要求されるエッチングの深度および向きの複雑性が、達成するために困難であることである。
【００４８】
種々の実施形態は、別個の層内のＯＰＥ、ＥＰＥ、これらの２つの組み合わせ、および、拡張現実ディスプレイのための導波管分布ベースの接眼レンズを備えている単一層内のこれらの２つの機能の組み合わせを生成するための特定の体積位相ホログラフィ記録技法および幾何学形状を伴う。Ｂａｙｅｒ  Ｂａｙｆｏｌホログラフィフォトポリマーが、直交瞳拡張および出射瞳拡張構造のための一次記録媒体として使用され得るが、種々の実施形態は、意図される目的を達成するために、または意図される機能を果たすために、この特定の材料に限定されない。むしろ、種々の目標、目的、および機能は、Ｂａｙｅｒ  Ｂａｙｆｏｌ材料のどんな専有の要素または特性からも独立している。例えば、いくつかの切り替え可能ＥＰＥの構築に使用されたＰＤＬＣ材料は、光感度、処理、清澄度等の観点から、Ｂａｙｅｒ材料と非常に類似して挙動した。加えて、ＤｕＰｏｎｔ  ＯｍｎｉＤｅｘフォトポリマー材料もまた、類似効果を伴って使用され得る。
【００４９】
図１Ａは、コリメートされた光ビームを偏向させる線形回折要素の簡略化された概略図を図示する。図１Ａから分かるように、線形に配置された周期的構造を含む線形回折要素１０２Ａは、コリメートされた入射光ビーム１０４Ａを入射光方向と異なる方向に進行する出射光ビーム１０６Ａに回折させる。図１Ｂは、コリメートされた光ビームを偏向させる放射対称回折要素の簡略化された概略図を図示する。より具体的には、コリメートされた入射光ビーム１０４Ｂは、放射対称構造を含むゾーンプレートまたは円形回折要素１０２Ｂを通過し、円形回折要素１０２Ｂの放射対称構造に起因して、「焦点」に向かって回折される。
【００５０】
これらの実施形態では、ゾーンプレートまたは円形回折要素１０２Ｂは、コリメートされた入射光ビーム１０４Ｂを効果的に集中させ、集中させられた出射光ビーム１０６Ｂを形成する。図１Ｃは、線形および半径方向構造を組み合わせる回折要素１０２Ｃを含む、本明細書に説明されるいくつかの実施形態を図示する。回折要素１０２Ｃは、入射光ビーム１０４Ｃを偏向させ、かつ集中させ、出射光ビーム１０６Ｃを形成する。いくつかの実施形態では、円形または放射対称回折要素は、出射光ビームを分散させるように構成または考案され得る。
【００５１】
いくつかの実施形態は、ホログラフィ（２つ以上のビーム）アプローチにおいて、例えば、フォトポリマー、ハロゲン化銀、ポリマー分散液晶混合物等を含み得る感光性材料の区分ごとまたはモノリシック（例えば、広域同時）のレーザ光によるばく露を使用することによってオーサリングされ、または書き込まれる体積位相ホログラムを使用する。図２Ａ−Ｂは、いくつかの実施形態における、体積位相型回折要素を作製および使用するいくつかの略図を図示する。より具体的には、図２Ａは、２つのレーザビームまたは他の光源２０２Ｂおよび２０４Ｂ（「記録ビーム」）がフォトポリマーフィルム２０６Ｂ内で交差し、体積干渉パターンを生成することを図示する。干渉パターンは、フォトポリマー２０６Ｂ内に位相パターンとして恒久的に記録され得る。
【００５２】
図２Ｂは、ある広帯域光（例えば、白色光）が、記録ビームのうちの１つの方向（図２Ａにおける第１の記録ビームの反対方向）から回折要素の方へ向かわせられ、広帯域光の一部が、屈折および偏向させられ、第２の光ビーム２０４Ｃとして、同一方向（図２Ａにおける第２の記録ビームの反対方向）に進行し得ることを図示する。フォトポリマーフィルム２０６Ｃの屈折率により、比較的に狭帯域の色のみ、回折され得る。したがって、出射光ビームは、回折要素を記録するために使用される記録ビームとほぼ同一色で現れる。図２Ａに対応する線プロットは、記録ビームの記録スペクトルの波長（この例では、約６００ナノメートル）を図示する。図２Ｂに対応する線プロットは、出射光ビーム２０４Ｃの出力スペクトル（この例では、同様に約６００ナノメートル）と広帯域光源２０８Ｃの照明スペクトルとを図示する。
【００５３】
図３Ａ−Ｂは、いくつかの実施形態における、３原色モデルＲＧＢ（赤色、緑色、および青色）の色モデルに対する体積位相型回折要素を作製および使用するいくつかの略図を図示する。より具体的には、図３Ａは、体積位相干渉パターンをフォトポリマーフィルム内に記録するための３つの記録光ビーム（例えば、赤色レーザビーム、青色レーザビーム、および緑色レーザビーム）の使用を図示する。３つの記録ビーム３０２Ａおよび３０４Ａの各々は、図２Ａ−Ｂにおける単色記録光ビームに関して説明されたものと同じまたは実質的に類似様式において、別個の重畳回折要素３０８Ａをフォトポリマーフィルム３０６Ａ内に記録する。
【００５４】
図３Ｂは、広帯域光３０８Ｂ（例えば、白色光）が、製作されたＲＧＢ回折要素３０６Ａの方へ向かわせられるときの使用例の実施例を図示する。ＲＧＢ回折要素３０６Ａの波長選択的性質に起因して、広帯域光の各色は、ＲＧＢ回折要素３０６Ａのうちのそれ自身の回折要素によって回折される。その結果、広帯域光がＲＧＢ回折要素３０６Ａを通過するとき、各色の狭い色帯域のみ、回折され得る。したがって、入射光ビーム成分（例えば、赤色、青色、または緑色）に対する出射光ビームは、回折要素を記録するために使用される入射記録光ビーム成分とほぼ同一色で現れる。
【００５５】
その結果、出射光ビーム３０４Ｂは、結果として、ほぼフルカラーで現れる。図３Ａに対応する線プロットは、それぞれ、記録光ビームの赤色、緑色、および青色光成分を表す３つのピークを有する記録ビームの記録スペクトルの波長を図示する。図３Ｂに対応する線プロットは、出射光ビーム３０４Ｂの出力スペクトルと広帯域光源３０８Ｂの照明スペクトルとを図示する。
【００５６】
図３Ｃ−Ｄは、いくつかの実施形態における、ＲＧＢ（赤色、緑色、および青色）に対する体積位相型回折要素を作製および使用するためのいくつかの略図を図示する。より具体的には、図３Ｃは、体積位相干渉パターンをフォトポリマーフィルム内に記録するための３つの記録光ビーム（例えば、赤色レーザビーム、青色レーザビーム、および緑色レーザビーム）の使用を図示する。３つの記録ビーム３０２Ｃの各々は、図２Ａ−Ｂおよび３Ａにおける単色記録光ビームに関して説明されたものと同じまたは実質的に類似様式において、別個の重畳回折要素３０８Ａをフォトポリマーフィルム３０６Ｃ内に記録する。
【００５７】
図３Ｄは、狭帯域またはレーザ源ＲＧＢ照明光３０８Ｄが製作されたＲＧＢ回折要素３０６Ｃの方へ向かわせられるときの使用例を図示する。ＲＧＢレーザ光ビームがＲＧＢ回折要素の方へ向かわせられると、各色は、そのそれぞれの回折要素によって回折または反射される。ＲＧＢレーザ照明光３０８Ｄの各レーザ色は、ＲＧＢ回折要素３０６Ｄの波長選択的性質に起因して、ＲＧＢ光がＲＧＢ回折要素３０６Ｃ中のそれ自身の回折要素を通過すると、反射または回折される。したがって、入射光ビーム成分（例えば、赤色、青色、または緑色）に対する出射光ビームは、回折要素を記録するために使用される入射ＲＧＢ光ビームの対応する光成分とほぼ同一色で現れる。その結果、出射光ビーム３０４Ｄもまた、ほぼフルカラーで現れる。
【００５８】
図３Ｃに対応する線プロットは、それぞれ、記録光ビームの赤色、緑色、および青色光成分を表す３つのピークを有する記録ビームの記録スペクトルの波長を図示する。図３Ｄに対応する線プロットは、出射光ビーム３０４Ｄの出力スペクトルと広帯域光源３０８Ｄの照明スペクトルとを図示する。記録ＲＧＢ記録ビーム（３０２Ｃおよび３０４Ｃ）と復元（例えば、３０８Ｄ）との間の偏差は、回折された光ビームの角度変位を生じさせ得、有意な量の波長の偏差は、Ｂｒａｇｇ条件不整合に起因して、回折効率の低下をもたらし得る。
【００５９】
図３Ｅ−Ｆは、いくつかの実施形態における、ＲＧＢ（赤色、緑色、および青色）に対する急角度体積位相型回折要素を作製および使用するいくつかの略図を図示する。より具体的には、図３Ｅは、体積位相干渉パターンをフォトポリマーフィルムまたはポリマー分散液晶材料内に記録するための２つの記録ビーム３０２Ｅおよび３０４Ｅの使用を図示する。２つの記録ビーム３０２Ｅおよび３０４Ｅは、図２Ａ−Ｂにおいて単色記録光ビームに関して説明されるものと同じまたは実質的に類似様式におけるフォトポリマーフィルム３０６Ｅ内への回折要素３０８Ｅの生成に干渉する。
【００６０】
図３Ｅでは、第２の記録ビーム３０４Ｅは、相対的に急角度においてフォトポリマーフィルム３０６Ｅに向かわせられる。いくつかの実施形態では、回折光学要素（ＤＯＥ）と結合される相対的高屈折率ホスト媒体３１０Ｅ（例えば、ガラス、透明または半透明プラスチック等）から作製される導波管が、急角度入射記録光ビーム３０４Ｅを制御または改良するために使用され得る。図３Ｆは、記録ビームのうちの１つの方向（図３Ｅにおける第２の記録ビーム３０４Ｅの同一方向）から回折要素の方へ向かわせられる広帯域光（例えば、白色照明光）を図示し、広帯域光の一部は、体積位相干渉パターンの製作プロセスにおける第２の記録光ビーム３０４Ｅの急角度に起因して、第１の記録光ビーム３０２Ｅと同一方向に回折および偏向させられ得る。フォトポリマーフィルム３０６Ｅ屈折率およびその中の干渉パターン構造により、比較的に狭帯域の色の光ビーム３０８Ｆのみ、回折され得る。したがって、出射光ビーム３０４Ｆは、回折要素を記録するために使用される記録光ビーム（３０２Ｅおよび３０４Ｅ）とほぼ同一色で現れる。図３Ｆに対応する線プロットは、出射光ビーム３０４Ｆの出力スペクトルを図示する。
【００６１】
いくつかの実施形態では、ＥＰＥおよびＯＰＥのための体積位相急角度回折要素は、Ｂａｙｅｒ  Ｂａｙｏｌ（登録商標）ＨＸ自己現像型フォトポリマーフィルムを含むフォトポリマーフィルム内に干渉パターンを記録するための固体レーザのためのレーザ媒体として、例えば、Ｎｄ：ＹＡＧ（ネオジムドープイットリウムアルミニウムガーネットまたはＮｄ：Ｙ３Ａｌ５Ｏ１２）またはＮｄ：ＹＬＦ（ネオジムドープフッ化イットリウムリチウムまたはＮｄ：ＬｉＹＦ４）を使用することによって、作製され得る。記録用量は、記録時間の変動に伴って、数ミリジュール／平方センチメートル（ｍＪ／ｃｍ２）〜数十ミリジュール／平方センチメートルに及び得る。
【００６２】
例えば、体積位相干渉パターンは、いくつかの実施形態では、ＥＰＥまたはＯＰＥを製作するために、１０秒以下の短い期間の間、１０ｍＪ／ｃｍ２を用いて製作され得る。レーザビーム分布は、いくつかの実施形態では、回折効率に変動をもたらすために、強度勾配を回折要素記録平面上に生成するように中心からオフセットされ得る。回折効率の変動は、ＴＩＲ照明構造体（全内部反射照明構造体）からの回折されたビームのより均一な分布をもたらし得る。１つ以上のレンズピンホール空間フィルタ（ＬＰＳＦ）、コリメータ（ＣＯＬＬ）、および種々の他の光学要素を使用し、ＥＰＥおよび／またはＯＰＥを製作することによって、体積位相型回折要素または体積位相急角度回折要素を記録するためのいくつかの例証的設定が、図４Ａ−Ｃに示される。
【００６３】
図４Ａ−Ｃは、いくつかの実施形態における、体積位相型回折要素または体積位相急角度回折要素を記録し、ＥＰＥ、ＯＰＥ、および／または組み合わせられたＥＰＥ／ＯＰＥを製作するためのいくつかの概略設定を図示する。より具体的には、図４Ａは、固体レーザが、ＥＰＥ、ＯＰＥ、および／または組み合わせＥＰＥおよびＯＰＥのための体積位相型回折要素を記録するために、ネオジムドープイットリウムアルミニウムガーネット（Ｎｄ：ＹＡＧ）レーザ媒体を使用する、例証的記録システム設計を示す。固体Ｎｄ：ＹＡＧレーザ４００Ａは、例えば、５３２ｎｍにおいて光を放出し、レーザ光は、可変ビームスプリッタ４１２Ａ、ビームスプリッタ、ビームコンバイナ、または透明ブロック４０６Ａ、種々のミラー４０４Ａ、空間フィルタ４１４Ａ、コリメータ４０８Ａ、およびレンズを含む、一連の光学要素を通して進行し、最終的に、所望のまたは要求される回折要素をＤＯＥ（回折光学要素）平面４０２Ａ上に位置付けられるフィルム材料上に製作する記録機能を果たす。
【００６４】
図４Ａに図示されるこれらの実施形態では、プリズム４１８Ａは、レーザ光をフィルムを有する基板の片側に結合するために使用される。この図示される実施形態における光学要素４１０Ａの焦点４１６ＡからＤＯＥ記録平面４０２Ａまでの距離は、１メートルであるが、この距離は、異なる記録システムのための異なる設計構成に対応するように変動され得、したがって、別様に特に列挙または請求されない限り、他の実施形態の範囲または請求項の範囲を限定するものとして見なされることも、解釈されることもないものとすることに留意されたい。
【００６５】
図４Ｂは、いくつかの実施形態における、別の例証的記録システム設計を示す。緑色レーザ光ビーム４０８Ｂを生成するＮｄ：ＹＡＧレーザ４５４Ｂに加え、図４Ｂにおける例証的記録システムは、２つの追加の固体レーザ、すなわち、青色レーザ光ビーム４１０Ｂを生成する４５２Ｂ（ネオジムドープフッ化イットリウムリチウムまたはＮｄ：ＹＬＦ）および赤色レーザ光ビーム４０６Ｂを生成する４５６Ｂ（ＫｒｙｐｔｏｎＩｏｎレーザ）を使用して、ＥＰＥ、ＯＰＥ、および／または組み合わせＥＰＥおよびＯＰＥのための体積位相型回折要素を記録する。赤色、緑色、および青色光ビームは、一連の光学要素（例えば、ビームスプリッタ、ビームコンバイナ、または透明ブロック４１２Ｂ、波長選択的ビーム結合ミラー４１４Ｂ、可変ビームスプリッタ４１６Ｂ）と組み合わせられ、ＲＧＢ（赤色、緑色、および青色）光ビーム４０４Ｂを形成し、これは、複数の光学要素（例えば、空間フィルタ４１８Ｂ、コリメータ４２０Ｂ、収束レンズ４２２Ｂ、およびプリズム４２４Ｂ）を通してさらに伝送され、所望のまたは要求される回折要素をＤＯＥ（回折光学要素）記録平面４０２Ｂ上に位置するフィルム上に製作する。
【００６６】
図４Ａに図示される記録システムと同様に、図４Ｂに図示される記録システムは、プリズム４２４Ｂを含み、光ビームをＤＯＥ記録平面４０２Ｂ上のフィルムに結合する。さらに、図４Ａに図示される記録システムと同様に、この図示される実施形態における光学要素４２２Ｂの焦点４２６ＢからＤＯＥ記録平面４０２Ｂまでの距離は、１メートルであるが、この距離は、異なる記録システムのための異なる設計構成に対応するように変動され得、したがって、別様に特に列挙または請求されない限り、他の実施形態の範囲または請求項の範囲を限定するものとして見なされることも、解釈されることもないものとする。一実施形態では、内角は、プリズム４１８Ａまたは４２４Ｂの法線方向から７３度であり得るが、異なる角度もまた、異なるが類似する構成のために使用され得る。
【００６７】
図４Ｃは、いくつかの実施形態における、別の例証的記録システム設計を示す。例証および説明を容易にするために、図４Ｃにおける例証的記録システムは、例えば、Ｎｄ：ＹＡＧレーザ４０２Ｃ（または異なるもしくは追加の光ビームのための他のレーザ媒体もしくは複数の媒体）を含み、回折要素をＤＯＥ記録平面４２０Ｃ上に位置するフィルム上に記録するための光ビームを生成する。レーザ光ビームは、例えば、ビームスプリッタ、ビームコンバイナ、または透明ブロック４０４Ｃ、波長選択的ビーム結合ミラー４０８Ｃ、可変ビームスプリッタ４０６Ｃ、空間フィルタ４１０Ｃ、コリメータ４１２Ｃ、ビームスプリッタ４０４Ｃ、および潜望鏡４０８Ｃを含む複数の光学要素を通して伝送され、最終的に、ガラスブロック４１８Ｃ上に位置するフィルムまたは基板に結合され、回折要素をフィルムまたは基板上に記録する。
【００６８】
図４Ｃはまた、記録システムの一部の上面図４５０Ｃおよび側面図４６０Ｃを示す。図４Ｃにおけるこの例証的記録システムでは、記録回折要素を記録するために使用される光ビームは、図４Ａ−Ｂに示されるようなプリズムではなく、ガラスブロック４１８Ｃを使用することによって、基板またはフィルムに結合される。ガラスブロック（例えば、４１８Ｃ）の使用は、図４Ａ−Ｂに示されるように、プリズムから２つの側ではなく、ガラスブロックの４つの側からの光ビームのためのアクセスを可能にする。一実施形態では、内角は、ガラスブロック４１８Ｃの法線方向から３０度であり得るが、異なる角度もまた、異なるが類似する構成のために使用され得る。加えて、または代替として、空間フィルタ４１０ＣとＤＯＥ記録平面４２０Ｃとの間の距離は、０．５メートルであるが、この距離は、異なる記録システムのための異なる設計構成に対応するように変動され得、したがって、別様に特に列挙または請求されない限り、他の実施形態の範囲または請求項の範囲を限定するものとして見なされることも、解釈されることもないものとすることに留意されたい。
【００６９】
図５Ａは、ＥＰＥ回折要素の一実施形態のための記録構成の略図を示す。拡張されたレーザビーム５１０および基準レーザ５０４が、屈折率整合結合プリズム５０２および屈折率整合結合流体５１２、基板５１４、フォトポリマー層５１６、および、誘電層５１８（全て、名目上、高い（約１．５１）または同様の屈折率を有する）を通して、記録材料５１４内で急角度（ここでは、７３°として示されるが、恣意的に調節可能である）で交差する。屈折率整合要素の使用は、記録材料の中への光の結合を可能にする（そうでなければ、材料の表面から著しく反射され、回折要素記録に寄与するように結合されないであろう）。
【００７０】
図５Ｂは、ＥＰＥ、ＯＰＥ、またはＩＣＯ回折要素の種々の実施形態のための代替記録構成の略図を示す。拡張されたレーザビーム５０２Ｂおよび５０５Ｂは、屈折率整合ブロック５０９Ｂ、屈折率整合結合流体５０１Ｂ、および基板５０８Ｂ（全て、名目上、高く、かつ整合された屈折率（約１．４６）、であるが、記録材料５０７Ｂの屈折率より低い）を通して、記録材料５０７Ｂ内で急角度（ここでは、６０°として示されるが、恣意的に調節可能）で交差する。反射防止コーティングがされ、および／または同様に吸収性の層５０４Ｂ（名目上、ガラスまたはプラスチック）が、屈折率整合流体層５０３Ｂを用いて記録スタックに結合される。層５０４Ｂおよびその関連付けられた反射防止コーティングは、ビーム５０２Ｂの全内部反射（ＴＩＲ）を防止し、その反射された光からの二次回折要素の記録を軽減させる。
【００７１】
図５Ａにおける例証的ＥＰＥ回折要素記録スタックは、三角形プリズムの長方形側面５０８の片側に配置される。図５Ａでは、ＥＰＥ回折要素記録スタックは、例証および説明を容易にする目的から、長方形側面５０８に配置されて見えることに留意されたい。ＥＰＥは、図７−１５を参照して後続段落に説明されるであろうように、種々の異なる様式で配置され得る。ＥＰＥ回折要素記録スタックは、キシレン（ｎ約１．４９５）または鉱物油（ｎ約１．４６）のフィルム５１２と、キシレンまたは鉱物油フィルム上にスタックされた顕微鏡スライドのフィルム５１４（ｎ約１．５１）と、顕微鏡スライドフィルム上にスタックされたＢａｙｅｒ  Ｂａｙｆｏｌ  ＨＸフォトポリマーフィルム（ｎ約１．５０４）のフィルム５１６と、ポリカーボネートのフィルム５１８（ｎ約１．５８）とを備えている。図５Ｂでは、ＥＰＥまたはＯＰＥ回折要素記録スタックは、Ｃａｒｇｉｌｌｅ１．４６屈折率整合油のフィルム５０８Ｂ（ｎ約１．４６）と、屈折率整合油フィルム上にスタックされた石英または溶融石英顕微鏡スライドのフィルム５０８Ｂと、顕微鏡スライドフィルム上にスタックされたＢａｙｅｒ  Ｂａｙｆｏｌ  ＨＸフォトポリマーフィルムのフィルム５０７Ｂ（ｎ約１．５０４）と、ポリアミドのフィルム５０６Ｂ（ｎ約１．５２）とを備えている。さらに、Ｃａｒｇｉｌｌｅ１．５２屈折率整合油のフィルム（ｎ約１．５２）が、フィルム５０６Ｂ上にスタックされ、反射防止コーティングがされ、ならびに／または吸収性のグレーガラス５０４Ｂのフィルムが、屈折率整合油上にスタックされる。
【００７２】
対照的に、図５Ａにおける基準ビーム５０４が、三角形プリズム５０２の長方形側面５０６の方へ向かわせられると、三角形プリズムの屈折率は、ビームにＥＰＥ回折要素記録スタックに向かって偏向させ、スタックは、示されるように、法線ビーム５１０がそれに干渉し、５１６内に記録される回折要素を生成するように、基準ビーム５０４を偏向させるように構成され得る。図５Ｂにおける基準ビーム５０２Ｂが、ブロック５０９Ｂの長方形側面の方へ向かわせられると、ブロックの屈折率は、ビームにＥＰＥ／ＯＰＥ回折要素記録スタックに向かって偏向させ、スタックは、示されるように、ビーム５０５Ｂがそれに干渉し、５０７Ｂ内に記録される回折要素を生成するように、基準ビーム５０２Ｂを偏向させるように構成され得る。
【００７３】
いくつかの実施形態では、回折光学要素（ＤＯＥ）は、導波管内に挿入され、それと結合され、または別様にそれと統合され、かつ相対的に低い回折効率を有し得、それによって、光全体としてではなく、光のより小さい部分のみ、眼に向かって偏向させられ、残りは、例えば、全内部反射（ＴＩＲ）を介して平面導波管を通して伝搬する。いくつかの実施形態では、光は、導波管内で伝搬し、回折は、光波の干渉に起因して、光がＤＯＥと結合される回折光学要素（ＤＯＥ）に遭遇すると生じることに留意されたい。したがって、当業者は、当然ながら、回折光学要素が、回折を生じさせるための「障害」または「スリット」を構成し、導波管が、光波を誘導する構造または媒体であるという事実を理解するであろう。
【００７４】
図６は、いくつかの実施形態における、仮想および／または拡張現実用途のための装置の例証的構成を示す。より具体的には、図６は、仮想または拡張現実デバイスのための同一平面ＯＰＥ／ＥＰＥ構成を図示する。図６に図示されるこれらの実施形態では、ＯＰＥ１１２およびＥＰＥ１１０は、例えば、その中を伝搬する光波を誘導するための導波管としての役割も果たすガラスまたは透明もしくは半透明プラスチック基板１１４上に実質的に同一平面様式で配置される。例証的装置の動作中、入力光ビーム６０４は、ファイバ走査システム、ファイバスキャナ、ピコプロジェクタ、プロジェクタのバンドル、微小アレイディスプレイ、ＬＣｏＳもしくは反射型液晶、またはＤＬＰもしくはデジタル光処理、もしくは入力光ビームを提供するために使用され得る任意の他の源のうちの１つを含み得る源６０２から伝送され得る。
【００７５】
源６０２からの入力光ビームは、走査光学および／または内部結合光学（ＩＣＯ）６０６に伝送され、基板１１４上に配置または統合されるＯＰＥ回折要素１１２の方へ向かわせられる。ＯＰＥ回折要素１１２は、矢印頭１１６によって示されるように、光ビームに導波管１１４内のＯＰＥ回折要素１１２のアレイに沿って伝搬し続けさせる。光ビームが傾斜されたＯＰＥ回折要素１１２に衝突する度に、光ビームの一部は、したがって、矢印頭１１８によって示されるように、ＯＰＥ回折要素１１２によって、ＥＰＥ回折要素１１０に向かって偏向させられる。ＥＰＥ回折要素１１０に偏向させられた光ビームの一部が、ＥＰＥ回折要素に衝突すると、ＥＰＥ回折要素１１０は、入射光ビームをユーザの眼１０６に向かう出射光ビーム１０８に偏向させる。
【００７６】
図７は、いくつかの実施形態における、内部結合光学デバイスに動作可能に結合される、同一平面ＯＰＥおよびＥＰＥ配置の概略配置を図示する。ＯＰＥおよびＥＰＥ回折要素は、ガラスまたは透明もしくは半透明プラスチック基板等の基板７０２上に実質的に同一平面様式で配置され得る。これらの実施形態のいくつかでは、ＯＰＥ回折要素７０４および／またはＥＰＥ回折要素７０６は、例えば、レーザビーム干渉を用いて光学的に生成されるか、または、例えば、コンピュータ設計構造および微視的縞書き込み技法を用いてデジタル的に生成され得る表面起伏型回折要素を備え得る。
【００７７】
このように生成された回折要素は、エンボス加工または鋳造を通して複製され、通常、プリズムのような分散性挙動を呈し得る。ある他の実施形態では、ＯＰＥ回折要素７０４および／またはＥＰＥ回折要素７０６は、例えば、接触コピーを通して、光学的に生成および複製され得る、体積位相型回折要素を備え得る。体積位相型回折要素は、いくつかの実施形態では、ラミネート可能フォトポリマーフィルム（例えば、Ｂａｙｅｒ  Ｂａｆｏｌ  ＨＸ）またはポリマー分散液晶層（ＰＤＬＣ層）内に生成され得る。体積位相型回折要素は、ダイクロイックミラーのような波長選択的および挙動であり得る。ある他の実施形態では、ＯＰＥ回折要素またはＥＰＥ回折要素の少なくとも第１の部分は、表面起伏型回折要素であり得、ＯＰＥ回折要素またはＥＰＥ回折要素の少なくとも別の部分は、体積位相型回折要素であり得る。
【００７８】
動作中、内部結合光学７１２は、入力光ビームを、例えば、ファイバスキャナまたはピコプロジェクタ（図７には図示せず）から受信し、入力光ビーム７１０によって示されるように、入力光ビームをＯＰＥ回折要素７０４に向かって屈折させる。ＯＰＥ回折要素７０４は、傾斜された向きで構成され、光ビーム７０８によって示されるように、入力光ビームの一部をＥＰＥ回折要素７０６に向かって偏向させ得る。加えて、または代替として、ＯＰＥ回折要素７０４は、入力光ビーム７１０の所望の部分が、例えば、全内部反射（ＴＩＲ）を介して、基板７０２内を伝搬し続け、ＩＣＯ  ７１２からの入力光ビームの残りの部分が、ＥＰＥ回折要素７０６に向かって偏向させられるように、相対的に低い回折効率を有するように構成または考案され得る。
【００７９】
すなわち、入力光ビームがＯＰＥ回折要素に衝突する度に、その一部は、ＥＰＥ回折要素７０６に向かって偏向させられるであろう一方、残りの部分は、その中を伝搬する光波を誘導するための導波管としても機能する、基板内で伝送し続けるであろう。ＯＰＥ回折要素７０４および／またはＥＰＥ回折要素７０６の回折効率は、少なくとも部分的に、ＥＰＥ回折要素７０６からの出射光ビームの輝度または均一性を含む、１つ以上の基準に基づいて、構成または考案され得る。ＥＰＥ回折要素７０６は、ＯＰＥ回折要素７０４から偏向させられた光ビーム７０８を受信し、さらに、光ビーム７０８をユーザの眼に向かって偏向させる。
【００８０】
図８は、いくつかの実施形態における、内部結合光学デバイスに動作可能に結合される、重ね合わせられたまたは折り畳まれたＯＰＥおよびＥＰＥ配置の概略配置を図示する。これらの実施形態では、ＯＰＥ回折要素８０４およびＥＰＥ回折要素８０６は、その中を伝搬する光波を誘導するための導波管としても機能する、基板８０２（例えば、ガラスまたは透明もしくは半透明プラスチック基板）の両側に配置または搭載され得る。ＯＰＥ回折要素８０４およびＥＰＥ回折要素８０６は、いくつかの実施形態では、２つのフィルム構造として別個に製作され（例えば、フォトポリマーフィルムまたはポリマー分散液晶層上に）、次いで、基板８０２に統合され得る。
【００８１】
ある他の実施形態では、ＯＰＥ回折要素８０４およびＥＰＥ回折要素８０６は両方とも、単一のフィルムまたは層上に製作され、続いて、基板８０２と統合されるように折り畳まれ得る。動作中、内部結合光学８０８は、入力光ビームを源（例えば、ファイバスキャナまたはピコプロジェクタ）から受信し、入力光ビームを基板８０２の片側の中に屈折させ得る。入力光ビームは、８１０によって示されるように、例えば、全内部反射（ＴＩＲ）を介して、基板８０２内を伝搬し続け得る。入力光ビームがＯＰＥ回折要素８０４に衝突すると、入力光ビームの一部は、８１２によって示されるように、ＯＰＥ回折要素８０４によって、ＥＰＥ回折要素８０６に向かって偏向させられ、入力光ビームの残りの部分は、８１０によって示されるように、基板内を伝搬し続け得る。
【００８２】
入力光ビーム８１０の残りの部分は、８１６によって示されるように、基板８０２内の方向に伝搬し続け、基板８０２の他側に配置されるＥＰＥ回折要素８０６に衝突する。入力光ビーム８１０のこの残りの部分の一部は、したがって、ＥＰＥ回折要素８０６によって、偏向させられ、ユーザの眼（図示せず）への出射光ビーム８１４となり、入力光ビーム８１０の残りの部分はさらに、基板８０２内の光ビーム８１８として伝搬し続ける。同じことはまた、（図８によって示されるように）水平方向に沿った偏向させられた入力光ビーム８１２にも当てはまる。すなわち、ＩＣＯ  ８０８を通した入力光ビームは、基板８０２内で跳ね返る。
【００８３】
入力光ビームの一部が、ＯＰＥ回折要素８０４に衝突すると、入力光ビームのこの部分は、偏向させられ、入射方向（８１０によって示される）と直交方向（８１２によって示される）に進行し、基板８０２内で跳ね返り続ける一方、残りの部分は、基板８０２内で元の方向に沿って進行し続ける。光ビームがＥＰＥ回折要素８０６に衝突すると、ＥＰＥ回折要素８０６は、８１４によって示されるように、光ビームをユーザの眼に向かって偏向させる。この折り畳まれたまたは重ね合わせられたＯＰＥ／ＥＰＥ構成の利点の１つは、ＯＰＥおよびＥＰＥが、同一平面構成（図７）ほど多くの空間を占有しないことである。この重ね合わせられたまたは折り畳まれたＯＰＥ／ＥＰＥ構成の別の利点は、この重ね合わせられたまたは折り畳まれた構成における光ビームのより閉じ込められた伝搬に起因する、光の伝送における回折効率である。いくつかの実施形態では、ＥＰＥ回折要素は、入射光ビームを横取りし、偏向（８１４によって示される）、反射（８２０の反射された光ビームによって示される）、または偏向および反射の両方によって、それらをユーザの眼の方へ向かわせる。
【００８４】
図９は、いくつかの実施形態における、内部結合光学デバイスに動作可能に結合される、重ね合わせられたまたは折り畳まれたＯＰＥおよびＥＰＥ配置の別の概略配置を図示する。より具体的には、図９は、図８におけるものと実質的に類似する重ね合わせられたまたは折り畳まれたＯＰＥ／ＥＰＥ構成を図示する。但し、ＯＰＥ回折要素９０４とＥＰＥ回折要素９０６との間の重複は、図８におけるものと異なる。いくつかの実施形態では、重複の程度または範囲もしくはＯＰＥおよびＥＰＥ回折要素が重複する方法は、少なくとも部分的に、１つ以上の設計基準もしくは要件および／または出射光ビームの所望のもしくは要求される均一性に基づいて、決定され得る。
【００８５】
図１０Ａ−Ｂは、いくつかの実施形態における、重ね合わせられたまたは折り畳まれたＯＰＥおよびＥＰＥ配置の別の概略配置を図示する。図１０Ａは、基板（例えば、ガラスまたは透明もしくは半透明プラスチック基板）１００２Ａの両側に配置される、ＯＰＥ回折要素１００４ＡおよびＥＰＥ回折要素１００６Ａを示す。図１０Ｂも、基板（例えば、ガラスまたは透明もしくは半透明プラスチック基板）１００２Ｂの両側に配置される、ＯＰＥ回折要素１００４ＢおよびＥＰＥ回折要素１００６Ｂを示す。但し、基板１００２Ｂの厚さは、基板１００２Ａのものより小さい。
【００８６】
より薄い基板１００２Ｂの結果、出力光ビーム１０１０Ｂの密度は、光ビーム１００８Ｂが図１０ＢにおけるＯＰＥ回折要素１００４ＢまたはＥＰＥ回折要素１００６Ｂに衝突する前に、光ビーム１００８Ｂが図１０Ａにおける光ビーム１０１０Ａより短い距離を進行するので、出力光ビーム１０１０Ａの密度より高くなる。図１０Ａ−Ｂが示すように、より薄い基板厚さは、より高い出力光ビーム密度をもたらす。基板の厚さは、いくつかの実施形態では、少なくとも部分的に、１つ以上の要因に基づいて、決定され得る。１つ以上の要因は、例えば、所望のまたは要求される出力ビーム密度、減衰ファクター等を含み得る。いくつかの実施形態では、基板の厚さは、０．１〜２ｍｍの範囲内であり得る。
【００８７】
図１１は、いくつかの実施形態における、重ね合わせられたまたは折り畳まれたＯＰＥおよびＥＰＥ配置の別の概略配置を図示する。より具体的には、図１１に図示される重ね合わせられたまたは折り畳まれたＯＰＥおよびＥＰＥ配置は、基板１１０２内に埋め込まれた、または２つの別個の基板１１０２間に挟まれたビーム分割表面１１０４を含む。他の重ね合わせられたまたは折り畳まれたＯＰＥ／ＥＰＥ構成として、ＯＰＥ回折要素１１０６およびＥＰＥ回折要素１１０８は、基板１１０２の両側に配置される。これらの実施形態では、ビーム分割表面は、出力光ビーム密度を増加させるために、基板１１０２内に埋め込まれるか、挟まれるか、または別様にそれと統合され得る。
【００８８】
図１１が示すように、ビームスプリッタは、光ビームがビームスプリッタを通過すると、光ビームを、反射される光ビームおよび伝送される光ビームの２つに分割する。ビームスプリッタは、第１の基板の表面上に薄いコーティングを含み得、これは、続いて、第２の基板に貼り付け、接合、または別様に取り付けられる。例証的コーティングとして、例えば、金属コーティング（例えば、銀、アルミニウム等）、ダイクロイック光学コーティング、接着剤（例えば、エポキシ、ポリエステル、ウレタン等）が挙げられ得る。いくつかの実施形態では、ビームスプリッタの反射と伝送の比率は、少なくとも部分的に、コーティングの厚さに基づいて、調節または決定され得る。ビームスプリッタは、これらの実施形態のいくつかでは、複数の小穿孔を含み、ビームスプリッタの反射と伝送の比率を制御し得る。
【００８９】
図１２Ｄは、いくつかの実施形態における、仮想現実および／または拡張現実装置のための多平面構成の略図を図示する。図１２Ｄに図示されるこれらの実施形態では、複数の接眼レンズが、互の上にスタックされ得、複数の接眼レンズのうちの各接眼レンズまたは層は、個別の焦点面をホストし、画像をそのそれぞれの焦点距離に生成する。図１２Ａ−Ｃは、いくつかの実施形態における、図１２Ｄに図示される多平面構成における回折要素間の相互作用および観察者のための画像情報を搬送する光のいくつかの略図を図示する。より具体的には、複数の層は、図１２Ａに示されるように、画像を形成するための光ビームが互に実質的に平行であるように、無限遠焦点距離を伴う焦点面をホストし、画像がユーザから実質的に長距離に位置するかのように、画像をシミュレートする１つの層を含み得る。
【００９０】
図１２Ｂは、多平面構成がまた、特定の焦点距離（例えば、４メートル）を伴う焦点面をホストし、ユーザから４メートルに位置するかのように画像を生成する層を含み得ることを図示する。これは、図１Ａ−Ｃを参照して前述の段落で説明されるように線形回折要素および放射対称回折要素の組み合わせの使用を用いて達成され得る。図１２Ｃは、多平面構成がまた、相対的近い焦点距離（例えば、０．５メートル）を伴う焦点面をホストし、ユーザから０．５メートルに位置するかのように画像を生成する、層を含み得ることを図示する。これらの焦点距離は、これらの図では、例証および説明を容易にするために提供され、別様に特に列挙または請求されない限り、他の実施形態の範囲または請求項の範囲を限定することを意図するものではないことに留意されたい。
【００９１】
多平面アプローチはまた、異なるまたは追加の焦点距離を有する層を含み得る。図１２Ｄは、いくつかの実施形態における、接眼レンズ１２０２Ｄのための６層多平面構成の略図を図示し、６層接眼レンズ１２０２Ｄの全体的厚さ１２０４Ｄは、４ミリメートル以下であり得る。これらの６つの層のうちの１つ以上のものは、生成される画像の焦点面を変化させるための制御信号を使用することによって、オンおよびオフが切り替えられ得る切り替え可能層（例えば、ＰＤＬＣまたはポリマー分散液晶層）を備え得る。本例証的多平面構成はまた、さらに、ファイバ、ファイバ束、マルチファイバプロジェクタ、またはピコプロジェクタ等の光源に動作可能に結合され得る、迅速切り替え式内部結合光学（ＩＣＯ）１２０６Ｄに動作可能に結合され得る。
【００９２】
動作中、源は、光ビームを接眼レンズの平面の中に屈折または偏向させるＩＣＯに光ビームを伝送する。コントローラ（図示せず）からの制御信号は、指定される層をオンにさらに切り替え得、層上の回折要素（例えば、ＯＰＥ回折要素およびＥＰＥ回折要素）は、図５−１１を参照して前述のように、それらのそれぞれの機能を果たし、ユーザの眼によって観察されるように画像を指定される焦点面に生成する。画像がユーザによって観察されることが意図される場所に応じて、コントローラはさらに、さらなる制御信号を伝送し、１つ以上の他の層をオンに切り替え、残りの層をオフに切り替え、ユーザの眼によって観察される焦点距離を変化させ得る。多平面構成は、いくつかの実施形態では、１つの一次焦点面と、焦点距離における正のマージンを伴う１つ以上の焦点面と、焦点距離における負のマージンを伴う１つ以上の焦点面とを有することによって、より大きい焦点範囲を提供し得る。
【００９３】
図１３Ａ−Ｂは、いくつかの実施形態における、切り替え可能層の略図を図示する。これらの実施形態では、装置は、ＩＣＯ（内部結合光学）および／またはＥＰＥ切り替えのためのＰＤＬＣ（ポリマー分散液晶）を含み得る。装置は、ＰＤＬＣ充填エリア１３０２Ａと、１つのみのＴＩＲ（全内部反射）跳ね返りを捕捉する、ＩＴＯ（インジウムスズ酸化物）活性エリア１３０４Ａとを含む。装置はまた、ＩＣＯ  １３０６Ａに動作可能に結合され得る。図１３Ａは、電圧がオフにされているときに生成される画像を図示し、図１３Ｂは、電圧がオンにされているときに生成される画像を図示する。これらの実施形態のいくつかでは、ＰＤＬＣ充填エリアまたはその一部は、電圧または電流が印加されていないとき、透過性であり得る。
【００９４】
例えば、少なくとも、基板、ＯＰＥ回折要素、およびＥＰＥ回折要素を含む、回折光学要素（ＤＯＥ）内の切り替え可能層は、いくつかの実施形態では、焦点状態をピクセルごとに促進するように、焦点を数十〜数百メガヘルツ（ＭＨｚ）で切り替え、したがって、焦点を調節またはシフトさせ得る。ある他の実施形態では、ＤＯＥは、キロヘルツ範囲で切り替わり、焦点を線ごとに促進し得、したがって、各走査線の焦点は、調節され得る。いくつかの実施形態では、切り替え可能ＤＯＥ要素のマトリクスが、走査、視野拡張、および／またはＥＰＥのために使用され得る。加えて、または代替として、ＤＯＥは、複数のより小さい区分に分割され得、それらの各々は、それ自身のＩＴＯまたは他の制御リード材料によって、オン状態またはオフ状態であるように固有に制御され得る。
【００９５】
図１４は、いくつかの実施形態における、多重化エキスパンダ要素の略図を図示する。多重化エキスパンダ要素１４０６は、単一の層上の単一の要素において、対角線ＯＰＥ回折要素１４０２によるＯＰＥ機能性と、ＥＰＥ回折要素１４０４の機能性を組み合わせる。いくつかの実施形態では、多重化エキスパンダは、コンピュータ設計構造および微視的縞書き込み技法を用いて、ＯＰＥ回折要素表面１４０２とＥＰＥ回折要素表面１４０４との間で排他的ＯＲを行うことによって、形成され得る。このアプローチの利点の１つは、結果として生じる多重化要素が、散乱および回折要素交差項に関する問題が殆どなくなり得るということである。
【００９６】
ある他の実施形態では、多重化エキスパンダ要素は、ＯＰＥ回折要素を位相勾配として表し、位相勾配をその連続多項式形においてレンズ機能に追加し、続いて、バイナリ構造を離散化することによって、形成され得る。多重化エキスパンダ要素を製作するためのこの第２のアプローチの利点の１つは、結果として生じる多重化エキスパンダ要素の高回折効率である。ある他の実施形態では、多重化エキスパンダ要素は、エッチング前または後のいずれかにおいて、組み合わせられたパターンを連続的に要素の表面上にパターン化することによって、形成され得る。
【００９７】
図１５Ａは、いくつかの実施形態における、多重化エキスパンダ要素の略図の一部を図示する。多重化エキスパンダ要素１５０２は、対角線ＯＰＥ回折要素と外部結合円形ＥＰＥ回折要素とを単一の層上の単一の要素内に含む。入射光ビーム１５０４が層内を伝搬し（例えば、全内部反射またはＴＩＲによって）、対角線ＯＰＥ回折要素に衝突すると、対角線ＯＰＥ回折要素は、入射光ビーム１５０４の一部を偏向させ、偏向させられた光ビーム１５０６を形成する。偏向させられた光ビーム１５０６の一部は、外部結合円形ＥＰＥ回折要素と相互作用し、偏向させられた光ビームの一部をユーザの眼の方に偏向させる。
【００９８】
入射光ビーム１５０４の残りの部分は、層内を伝搬し続け、実質的に類似様式で対角線ＯＰＥ回折要素と相互作用し、多重化要素を横断して伝搬される光ビームの一部を偏向させ続ける。対角線ＯＰＥ回折要素および外部結合ＥＰＥ円形回折要素の両方からの組み合わせられた回折または交差項は、一過性であろうことに留意されたい。偏向させられた光ビーム１５０６はまた、層内を伝搬し、実質的に類似様式で対角線ＯＰＥ回折要素および外部結合円形ＥＰＥ回折要素の両方と相互作用する。
【００９９】
図１５Ｂは、ある他の実施形態における、多重化エキスパンダアセンブリの別の写真表現を図示する。図１５Ｂに図示されるこれらの実施形態では、多重化エキスパンダアセンブリ１５００Ａは、互の上にスタックされる、３つの個々のエキスパンダ要素１５０２Ａ、１５０４Ａ、および１５０６Ａを含む。光源からの入射ＲＧＢ（赤色、緑色、および青色）光１５０８Ａは、前述のように、例えば、入力結合光学要素（ＩＣＯ）を介して、多重化エキスパンダアセンブリ１５００Ａに進入する。多重化エキスパンダアセンブリ１５００Ａは、第１の波長選択的または波長特有フィルタ（以降、色フィルタ）１５１０Ａを個々のエキスパンダ要素１５０２Ａと１５０４Ａとの間に含み、ある一定の波長の光成分の通過を可能にする一方、他の波長の光成分を反射させ得る。例えば、第１の色フィルタは、青色および緑色通過ダイクロイックフィルタを含み得、入射光１５０８Ａ内の青色および緑色光成分は、第１の色フィルタ１５１０Ａを通過するが、赤色光成分は、反射され、その後、例えば、全内部反射によって、個々のエキスパンダ要素１５０２Ａを用いて伝搬され、ＯＰＥおよび／またはＥＰＥ回折要素と相互作用する。
【０１００】
多重化エキスパンダアセンブリ１５００Ａは、第２の色フィルタ１５１２Ａを個々のエキスパンダ要素１５０４Ａと１５０６Ａとの間に含み、ある一定の波長の光成分の通過を可能にする一方、他の波長の光成分を反射させ得る。例えば、第２の色フィルタは、青色ダイクロイックフィルタを含み得、図１５Ｂに示されるように、入射光１５０８Ａ内の青色光成分は、第２の色フィルタ１５１２Ａを通過するが、緑色光成分は、反射され、その後、例えば、全内部反射によって、個々のエキスパンダ要素１５０４Ａを用いて伝搬され、ＯＰＥ、ＥＰＥ、および／または焦点調節回折要素（例えば、屈折力を有する円形または放射対称回折要素）と相互作用する。
【０１０１】
青色光成分はまた、図１５Ｂに示されるように、例えば、全内部反射によって、個々のエキスパンダ要素１５０６Ａ内で伝搬し、ＯＰＥ、ＥＰＥ、および／または焦点調節回折要素（例えば、円形または放射対称回折要素）と相互作用し得る。図示される実施形態のいくつかでは、入射光１５０８Ａは、それぞれの光成分が、全内部反射によって、それぞれの個々のエキスパンダ要素内で伝送され得るように、それぞれの臨界角を上回る角度で多重化エキスパンダアセンブリ１５００Ａの中に伝送される。ある他の実施形態では、多重化エキスパンダアセンブリ１５００Ａはさらに、反射コーティングを含み、個々のエキスパンダ要素１５０６Ａ内の青色光成分の全内部反射を発生させる、またはその効率を向上させ得る。
【０１０２】
多重化エキスパンダアセンブリ１５００Ａと図１４−１５に図示されるものとの間の差異として、多重化エキスパンダアセンブリ１５００Ａが、３つの個々のエキスパンダ要素を含み、それらの各々は、それ自身のＯＰＥ、ＥＰＥ、および焦点調節回折要素を含み、特定の波長の対応する光成分に関与することである。図１４−１５において使用される体積位相回折要素は、前述のように、単一記録プロセスまたは複数の記録プロセスを用いて単一フィルムまたは基板に一度に全て製作され得る。但し、図１４−１５に図示されるような体積位相回折要素および図１５Ｂに図示されような複数の個々のエキスパンダ要素の多重化は両方とも、多重化エキスパンダ要素を提供し、それらの各々は、入射入力光内の全３原色のためのＯＰＥ、ＥＰＥ、および／または焦点調節回折要素を含み得る。
【０１０３】
図１６は、本明細書に説明される仮想現実または拡張現実デバイス１６０４を使用して、画像１６０６を視認する、ユーザ１６０２の例証を示す。仮想現実または拡張現実デバイスによって提供される複数の切り替え可能焦点面に起因して、画像１６０６は、画像１６０６内のオブジェクトがユーザから指定された焦点距離に位置するようにユーザに現れる。画像内のオブジェクトが、ユーザからさらに離れるように移動すべきとき、仮想現実または拡張現実デバイスは、オブジェクトを指定された層によってホストされるより長い焦点距離を伴う焦点面上にレンダリングするある一定の円形回折要素パターンを有する指定された層をオンに切り替え得る。
【０１０４】
画像内のオブジェクトが、よりユーザの近くに移動すべきとき、仮想現実または拡張現実デバイスは、オブジェクトを指定された層によってホストされるより短い焦点距離を伴う別の焦点面上にレンダリングするある一定の円形回折要素パターンを有する別の指定された層をオンに切り替え得る。画像を形成する光ビームの焦点を変化させる異なる円形回折要素パターンの使用の結果、画像内のオブジェクトは、ユーザに向かってまたはそこから離れて移動しているようにユーザに見え得る。仮想現実または拡張現実デバイス１６０４は、前述のように、異なる実施形態では、切り替え可能同一平面ＯＰＥ回折要素およびＥＰＥ回折要素、折り畳まれたまたは重ね合わせられたＯＰＥ回折要素およびＥＰＥ回折要素、多平面接眼レンズ、または単層多重化ＯＰＥ回折要素およびＥＰＥ回折要素を含み得る。ＯＰＥ回折要素およびＥＰＥ回折要素は、表面起伏型回折要素、体積位相型回折要素、またはそれらの組み合わせを含み得る。
【０１０５】
さらに、ＯＰＥ回折要素および／またはＥＰＥ回折要素は、円形または放射対称回折要素と合わされ、出射光ビームを偏向および集中させる線形回折要素を含み得る。線形回折要素および円形または放射対称回折要素は、単一フィルムまたは２つの別個のフィルム上に存在し得る。例えば、ＤＯＥ（回折光学要素）回折要素（ＯＰＥ回折要素および／またはＥＰＥ回折要素）は、線形回折要素を有する第１のフィルムを含み得、第１のフィルムは、円形または放射対称回折要素を有する第２のフィルムに取り付けられる。いくつかの実施形態では、仮想現実または拡張現実デバイスは、時変回折要素制御を採用し、ユーザの眼によって観察される視野を拡張させ得、および／または色収差を補償し得る。線形および円形ＤＯＥは両方とも、時間とともに変調または制御され（例えば、フレーム順次ベースで）、例えば、ユーザの眼に向かって出射する光のためのタイル式表示構成または拡張された視野を生成し得る。
【０１０６】
図１７は、図１６の一部を図示する。より具体的には、図１７は、基板のユーザに近い側のＯＰＥ回折要素１７０６および基板のユーザから離れた他の側のＥＰＥ回折要素１７０８と統合された基板１７０４を含む回折光学要素１７０２を示す。ＩＣＯ  １７１０は、光ビームを基板１７０４の中に伝送し、ＯＰＥ回折要素およびＥＰＥ回折要素は、前述のように、光ビームをユーザの眼によって観察される出射光ビーム１７１２の中に偏向させる。
【０１０７】
図１８は、図１６の一部の別の視点を図示する。より具体的には、図１８は、基板のユーザに近い側のＯＰＥ回折要素１８０６および基板のユーザから離れた他の側のＥＰＥ回折要素１８０８と統合された基板１８０４を含む回折光学要素１８０２を示す。ＩＣＯ  １８１０は、光ビームを基板１８０４の中に伝送し、ＯＰＥ回折要素１８０６およびＥＰＥ回折要素１８０８は、前述のように、光ビームを出射光ビーム１８１２の中に偏向させ、ユーザの眼によって観察される画像１８２０を形成する。ＤＯＥ１８０２は、線形回折要素と円形または放射対称回折要素との両方を含み、ＩＣＯ  １８１０からの光ビームを偏向させるだけではなく、さらに、出射光ビームが、焦点面をホストする特定の層の焦点面によって画定された焦点距離に観察されているオブジェクトから発出しているかのように見えるように、出射光ビーム１８１８を生成する。
【０１０８】
図１９は、図１６の一部の別の視点を図示する。より具体的には、図１９は、基板のユーザに近い側のＯＰＥ回折要素１９０６および基板のユーザから離れた他の側のＥＰＥ回折要素１９０８と統合された基板１９０４を含む回折光学要素１９０２を示す。ＩＣＯ  １９１０は、光ビームを基板１９０４の中に伝送し、ＯＰＥ回折要素１９０６およびＥＰＥ回折要素１９０８は、前述のように、光ビームを出射光ビーム１９１２の中に偏向させ、ユーザの眼によって観察される画像１９２０を形成する。ＤＯＥ１９０２は、線形回折要素および円形または放射対称回折要素の両方を含み、ＩＣＯ  １９１０からの光ビームを偏向させるだけではなく、出射光ビームが、焦点面をホストする特定の層の焦点面によって画定された焦点距離に観察されているオブジェクトから発出しているかのように見えるように、出射光ビーム１９１８を生成する。
【０１０９】
図２０は、図１９の拡大図を図示し、回折光学要素の種々の要素の図を提供する。より具体的には、図２０は、基板２００４と、基板２００４のユーザ近傍に近い側のＯＰＥ回折要素２００６と、基板２００４の他の側のＥＰＥ回折要素２００８とを含むＤＯＥの一部を示す。ＩＣＯ  ２０１０は、入力光ビームを基板の中に屈折および伝送するように基板に対して配置される。入力光ビームは、全内部反射（ＴＩＲ）を介して、基板２００４内で伝搬され、ＯＰＥ回折要素２００６およびＥＰＥ回折要素２００８と相互作用し、入力光ビームをユーザの眼によって観察される出射光ビーム２０１２の中に偏向させる。
【０１１０】
図２１は、仮想現実または拡張現実デバイスを使用し、画像を視認する、ユーザの例証の側面図を図示する。回折光学要素２１０２は、基板２００４の近い側に配置されるＯＰＥ回折要素２１０６と、基板２１０４の遠い側に配置されるＥＰＥ回折要素２１０８とに動作可能に結合される基板２１０４を含む。形状２１１２は、ユーザの眼によって観察可能な出射光ビームを表す。形状２１３０は、基板２１０４内で垂直方向（図２１に示されるように）に沿ってＯＰＥ回折要素２１０６とＥＰＥ回折要素２１０８との間で跳ね返る光ビームを表す。例えば、ＩＣＯ要素からの入力光ビームもまた、実質的に類似様式で、Ｚ方向（図２１に示される平面の内外を指す）に沿って、ＯＰＥ回折要素２１０６とＥＰＥ回折要素２１０８との間で跳ね返る。光ビームがＯＰＥ回折要素２１０６に衝突する度に、ＯＰＥ回折要素は、光ビームの一部をＥＰＥ回折要素２１０８に向かって偏向させ、順に、光ビームの偏向させられた部分の一部をユーザの眼に向かって偏向させる。
【０１１１】
図２２は、いくつかの実施形態における、回折光学要素（ＤＯＥ）の拡大図を図示する。ＤＯＥは、基板２２０２の片側に配置される組み合わせＯＰＥ／ＥＰＥ回折要素２２０４を含む。入力光ビーム２２１４は、内部結合光学２２０６を介して、基板の中に伝送され、全内部反射（ＴＩＲ）を介して、基板２２０２内で伝搬する。入力光ビームは、基板２２０２内で跳ね返り、組み合わせＯＰＥ／ＥＰＥ回折要素２２０４の両方と相互作用する。より具体的には、ＯＰＥ／ＥＰＥ回折要素２２０４の組み合わせは、入力光ビームの一部を、基板２２０２の表面と実質的に平行である直交方向に偏向させる。
【０１１２】
組み合わせＯＰＥ／ＥＰＥ回折要素２２０４は、光ビームを基板２２０２の表面と完全に平行な直交方向に偏向させるように設計または意図され得るが、但し、製作プロセスにおける公差、スラック（ｓｌａｃｋ）、および／または許容誤差が、製作された製品におけるある程度の偏差を生じさせ得ることに留意されたい。加えて、または代替として、種々のデバイスおよび構成要素の配置もしくは相対的位置付けの公差、スラック、および／または許容誤差または使用される材料の種々の特性の均一性の変動もまた、前述の直交方向を基板２２０２の表面と完全に平行であることから外れさせ得る。したがって、前述の「直交方向」は、基板２２０２の表面と「実質的に平行」であり、製作プロセス、配置、相対的位置、および／または種々の変動におけるそのような変動に対応する。
【０１１３】
ＥＰＥ回折要素は、入力光ビームの偏向させられた部分の一部をユーザの眼に向かう出射光ビーム２２０８の中に偏向させる。形状２２０８は、ユーザの眼によって観察可能な出射光ビームを表す。図２２における形状２２０８は、無限合焦画像情報を表すが、しかしながら、任意の他の焦点距離が、このアプローチを使用して生成され得る。ＥＰＥ回折要素が、線形回折要素に加え、円形または放射対称回折要素を含む、いくつかの実施形態では、これらの形状の各々は、円形または放射対称回折要素の焦点における頂点との円錐形形態を有し得る。
【０１１４】
ジグザグ形状２２１０は、基板内で跳ね返り、組み合わせＯＰＥ／ＥＰＥ回折要素２２０４と相互作用する入力光ビームの一部を表す。光ビームの一部が、組み合わせＯＰＥ／ＥＰＥ回折要素２２０４に衝突する度に、ＯＰＥ構成要素回折要素は、光ビームの一部を基板を通して側方に偏向させる。偏向させられた光ビームの一部が組み合わせＯＰＥ／ＥＰＥ回折要素２２０４に衝突する度に、ＥＰＥ構成要素回折要素は、光ビームの一部をユーザの眼に向かって偏向させ、したがって、ユーザの眼によって観察可能な光ビーム２２０８を形成する。
【０１１５】
組み合わせＯＰＥ／ＥＰＥ回折要素２２０４によって偏向させられない光ビームの部分の残りは、２２１０によって示されるように、基板２２０２内を継続して伝搬する。屈折率および／または回折効率に起因して、組み合わせＯＰＥ／ＥＰＥ回折要素によって偏向させられない光ビームの偏向させられた部分の残りの部分は、ジグザグ形状２２１２によって示されるように、基板内を継続して伝搬する。その結果、組み合わせＯＰＥ／ＥＰＥ回折要素を含むＤＯＥは、入力光ビームを出射光ビームのマトリクスの中に効果的に変形させ、ユーザの眼によって知覚される画像を形成する。
【０１１６】
図２３Ａは、いくつかの実施形態における、仮想現実および／または拡張現実のための立体画像を生成するプロセスのための高レベル流れ図を図示する。入力光ビームは、２３０２Ａにおいて、少なくとも、内部結合光学要素（例えば、図６の参照番号６０６、図７の参照番号７１２、図８の参照番号８０８等）を使用して、仮想現実および／または拡張現実のための接眼レンズの基板の中に伝送され得る。基板は、半透明または透明誘電材料を備え得る。
【０１１７】
入力光ビームの第１の部分は、２３０４Ａにおいて、第１の回折要素を使用して、第２の回折要素に向かって偏向させられ得る。例えば、第１の回折要素は、内部結合光学要素から生じる入力光ビームの伝搬方向の第１の部分に対して鋭角または鈍角の向きで配置され、入力光ビームの第１の部分を第２の回折要素に向かって偏向させ得る。第１の部分光を第１の回折要素を使用して第２の回折要素に向かって偏向させる実施例は、図７を参照して前述されている。これらの実施形態のいくつかでは、第１の回折要素は、出射瞳拡張（ＥＰＥ）構造もしくは回折要素または出射瞳エキスパンダを備えている。
【０１１８】
２３０６Ａでは、第１の出射光ビームは、第２の回折要素を使用して、入力光ビームの第１の部分の少なくとも一部を偏向させることによって、観察者の方へ向かわせられ、または向け直され得る。これらの実施形態のいくつかでは、第２の回折要素は、直交瞳拡張（ＯＰＥ）構造もしくは回折要素または直交瞳エキスパンダを備えている。
【０１１９】
図２３Ｂ−Ｃは一緒に、いくつかの実施形態における、仮想現実および／または拡張現実のための立体画像を生成するプロセスのためのより詳細な流れ図を図示する。いくつかの実施形態では、プロセスは、２３０２において、第１の入力光ビームを接眼レンズの基板の中に伝送し得る。例えば、プロセスは、光ビームをプロジェクタから１つ以上のファイバを通して少なくとも図５を参照して前述の内部結合光学要素に伝送し得、内部結合光学要素はさらに、入力光ビームを、例えば、屈折を介して、接眼レンズの基板に中継する。プロセスはさらに、２３０４において、随意に、回折光学要素（ＤＯＥ）の１つ以上の層の第１の層をオンに切り替え得る。
【０１２０】
第１の層は、第１の回折要素（例えば、前述のＯＰＥ回折要素）および第２の回折要素（例えば、前述のＥＰＥ回折要素）を含む。第１の回折要素および第２の回折要素は、いくつかの実施形態では、同一平面もしくは並んだ様式または折り畳まれたもしくは重ね合わせられた様式で配置され得る。ある他の実施形態では、第１の回折要素および第２の回折要素は、前述の段落のうちのいくつかに説明されるように、フィルムの単一層上に製作され、多重化様式で共存し得る。ＤＯＥは、前述のように、互の上にスタックされ、多平面ＤＯＥを形成する、複数のそのような層を含み得る。
【０１２１】
第１の回折要素および第２の回折要素は、表面起伏型回折要素、体積位相型回折要素、またはそれらの組み合わせを含み得る。第１の回折要素または第２の回折要素は、線形回折要素および円形または放射対称回折要素の両方を含み、入力光ビームを偏向かつ集中させ得る。線形回折要素および円形または放射対称回折要素の両方を用いて、第１の層は、したがって、ユーザが、実世界における焦点距離によって画定された場所に物理的に位置するオブジェクトを観察しているかのように、第１の層から偏向させられた光ビームによって作成されるオブジェクトの画像が、ユーザの眼に焦点距離にあるように現れるように、第１の焦点距離に関連付けられた第１の焦点面をホストし得る。
【０１２２】
いくつかの実施形態では、ＤＯＥは、複数の層を含み得、各々は、固有の焦点距離を伴うそれ自身の焦点面をホストする。これらの複数の層の各々は、制御信号を使用することによってオンおよびオフに切り替えられ得る切り替え可能層を備え得る。２３０６では、プロセスは、第１の層上の第１の回折要素を使用することによって、入力光ビームの第１の部分を第２の回折要素に向かって偏向させ得る。例えば、プロセスは、前述のＯＰＥ回折要素を使用し、入力光ビームの一部をＥＰＥ回折要素に向かって偏向させ得る。
【０１２３】
プロセスは、次いで、２３０８において、第２の回折要素を用いて入力光ビームの第１の部分の一部を偏向させることによって、接眼レンズを介して、第１の出射光ビームをユーザの眼の方へ向かわせ得る。例えば、プロセスは、前述のＥＰＥ回折要素を使用し、ＯＰＥ回折要素から偏向させられた入力光ビームの一部をユーザの眼に向かって偏向させ得る。２３１０では、プロセスはさらに、接眼レンズの基板内で第２の回折要素に偏向させられない入力光ビームの残りの部分を伝送し得る。入力光ビームの残りの部分の量は、回折効率、屈折率、最終出力光ビームの所望のもしくは要求される均一性、関わる回折要素、または任意の他の関連要因に依存する。
【０１２４】
プロセスはさらに、２３１２において、第１の層の第１の回折要素を使用することによって、入力光ビームの残りの部分の一部を第２の回折要素に向かって偏向させ得る。例えば、第１の回折要素の透過性特性に起因して接眼レンズの基板内を伝搬し続ける、入力光ビームの一部は、第１の回折要素の異なる部分に衝突し、第１の回折要素の反射特性に起因して、第１の回折要素のこの異なる部分によって第２の回折要素に向かって偏向させられ得る。２３１４では、プロセスは、第２の回折要素を用いて入力光ビームの残りの部分の一部を偏向させることによって、第２の出射光ビームをユーザの眼の方へ向かわせ得る。例えば、プロセスは、２３１４において、ＥＰＥ回折要素を使用し、ＯＰＥ回折要素からの入射光ビームの一部をユーザの眼に向かって偏向させ得る。
【０１２５】
２３１６では、入力光ビームの第１の部分の残りの部分は、第２の回折要素の透過性特性に起因して、例えば、全内部反射（ＴＩＲ）を介して、接眼レンズの基板を用いて伝搬し続ける。２３１８では、入力光ビームの第１の部分の残りの部分は、基板内で伝搬し、したがって、第１の回折要素および第２の回折要素の両方と相互作用する。残りの部分の一部が、第１の回折要素に衝突すると、第１の回折要素は、光ビームを第２の回折要素に向かって偏向させ、順に、これらの光ビームを視認者の眼に向かう追加の出射光ビームの中に偏向させる。プロセスは、次いで、２３２０において、第１の出射光ビーム、第２の出射ビーム、および追加の出射光ビームを用いて、接眼レンズを介して知覚する視認者のために第１の画像を生成し得る。
【０１２６】
線形回折要素および円形または放射対称回折要素の両方が利用される、いくつかの実施形態では、第１の層は、したがって、視認者が、実世界における焦点距離によって画定された場所に物理的に位置するオブジェクトを観察しているかのように、第１の層から偏向させられたこれらの出射光ビームによって作成されるオブジェクトの画像が、焦点距離で視認者の眼に現れ得るように、第１の焦点距離に関連付けられた第１の焦点面をホストし得る。画像は、写真等の静的画像を含み得るか、または動画の一部等の動的画像であり得る。２３２２では、プロセスはさらに、随意に、第２の焦点距離を伴う第２の焦点面をホストする、第２の層を切り替え得る。視認のための第２の画像は、２３２４において、少なくとも、第３の回折要素および第４の回折要素を使用することによって生成され得る。
【０１２７】
第２の層は、前述のＯＰＥ回折要素およびＥＰＥ回折要素等、それ自身の第３の回折要素ならびに第４の回折要素を含み得る。プロセスは、次いで、直前に説明されたように、２３０２から２３２０のステップを繰り返し、視認者のためのオブジェクトの第２の画像を生成し得る。第２の画像は、視認者が、実世界における第２の焦点距離によって画定された場所に物理的に位置するオブジェクトを観察しているかのように、第２の焦点距離で視認者の眼に現れ得る。図２３に図示されるこれらの実施形態のいくつかでは、回折光学要素のこれらの複数の層は、１以上のキロヘルツ（ＫＨｚ）〜数百メガヘルツ（ＭＨｚ）に及ぶ率で動的に切り替え可能であり、線ごとまたはピクセルごとの焦点状態を促進し得る。これらの複数の層は、ＰＤＬＣ層を含み得、生成される画像の焦点面を変化させる制御信号を使用することによって、オンおよびオフに切り替えられ得る。本例証的多層アプローチはまた、ファイバ、ファイバ束、マルチファイバプロジェクタ、またはピコプロジェクタ等の光源にさらに動作可能に結合され得る、迅速切り替え式内部結合光学（ＩＣＯ）１２０６Ｄに動作可能に結合され得る。
【０１２８】
図２４Ａは、１つ以上の実施形態における、仮想現実および／または拡張現実のための立体画像を生成するプロセスのための高レベルブロック図を図示する。接眼レンズのための第１の基板が、２４０２において、接眼レンズのために識別（すでに存在する場合）または製作（存在しない場合）され得る。これらの１つ以上の実施形態のいくつかでは、第１の基板は、単一層または複数の層を有する半透明または透明誘電材料を含み得る。第１の回折要素および第２の回折要素が、２４０４において、１つ以上の第１のフィルム上もしくはその中に識別（すでに存在する場合）または製作（存在しない場合）され得る。フィルムは、いくつかの実施形態では、その厚さが材料の長さまたは幅の所定のパーセンテージより小さい、材料のシートを備えている。
【０１２９】
これらの実施形態のいくつかでは、第１の回折要素は、出射瞳拡張（ＥＰＥ）構造もしくは回折要素または出射瞳エキスパンダを備えている。これらの実施形態のいくつかでは、第２の回折要素は、出射直交瞳拡張（ＯＰＥ）構造もしくは回折要素または直交瞳エキスパンダを備えている。１つ以上のフィルムは、いくつかの実施形態では、次いで、２４０６において、第１の基板上に配置され得る。ある他の実施形態では、第１の回折要素および第２の回折要素を収容する、１つ以上のフィルムは、２４０６において、第１の基板上で識別され得る。第１および第２の回折要素を収容し、第１の基板上に配置される、１つ以上の第１のフィルムを用いて、入力光ビームは、２４０８において、入力光源から第１の基板の中に伝送され得る。これらの実施形態のいくつかでは、入力光源は、接眼レンズ内または上に配置され、第１の回折要素または第２の回折要素と結合される、内部結合光学要素を備えている。
【０１３０】
図２４Ｂは、１つ以上の実施形態における、図２４Ａに図示される仮想現実および／または拡張現実のための立体画像を生成するプロセスのためのより詳細なブロック図を図示する。より具体的には、図２４Ｂは、１つ以上の第１のフィルムを第１の基板上に配置する行為についてのさらなる詳細を図示する。いくつかのこれらの実施形態では、第１の回折要素および第２の回折要素は、２４０２Ｂにおいて、第１の基板の片側に同一平面配置で識別または配置され得る。この同一平面配置の実施例は、図７に図示される。
【０１３１】
代替として、第１の回折要素および第２の回折要素は、２４０４Ｂにおいて、第１の基板の片側もしくは両側に折り畳まれたまたは部分的にもしくは完全に重ね合わせられた配置で識別または配置され得る。この折り畳まれたまたは重ね合わせられた配置のいくつかの実施例は、８−９、１０Ａ−Ｂ、および１１に図示される。第１の回折要素ならびに第２の回折要素がすでに実装されている、いくつかの実施形態では、第１の回折要素および第２の回折要素の配置は、２４０２Ｂまたは２４０４Ｂにおいて、識別され得る。第１の基板の片側に配置される一体型の分離不能層上に識別または考案される第１および第２の回折要素の配置を用いて、第１の回折要素および第２の回折要素は、２４０６Ｂにおいて、多重化され得る。
【０１３２】
図２４Ｃは、１つ以上の実施形態における、仮想現実および／または拡張現実のための立体画像を生成するプロセスのためのより詳細なブロック図を図示する。これらの実施形態では、接眼レンズのための第１の基板が、２４０２Ｃにおいて、識別（すでに存在する場合）または製作（まだ考案されていない場合）され得る。第１の回折要素および第２の回折要素もまた、２４０４Ｃにおいて、１つ以上の第１のフィルム上に識別（すでに存在する場合）または製作（まだ考案されていない場合）得る。すなわち、第１および第２の回折要素は、これらの実施形態のいくつかでは、例えば、体積位相記録技法、表面起伏型回折要素技法、または体積位相記録技法および表面起伏型回折要素技法の両方の組み合わせを使用することによって、材料の単一フィルムまたは層内に考案され得る。
【０１３３】
代替として、第１の回折要素および第２の回折要素は、光学的に互に結合される、２つ以上の別個の層またはフィルム上に考案され得る。例えば、これらの実施形態のいくつかでは、第１の回折要素は、第１のフィルム上に考案され得、第２の回折要素は、第２のフィルム上に考案され得る。２４０６Ｃでは、第１および第２の回折要素を収容する、１つ以上の第１のフィルムが、第１の基板上に配置され得る。例えば、内部結合光学要素またはデバイスを含む、入力光源からの入力光ビームが、２４０８Ｃにおいて、第１の基板の中に伝送され得る。入力光源は、接眼レンズ内または上に配置され得、また、第１の回折要素、第２の回折要素、または第１および第２の回折要素の両方の組み合わせと結合され得る。第２の基板も同様に、２４０２Ｃにおける第１の基板のように、２４１０Ｃにおいて、接眼レンズのために識別または製作され得る。
【０１３４】
第３の回折要素および第４の回折要素もまた、２４１２Ｃにおいて、１つ以上の第１のフィルム上に識別（すでに存在する場合）または製作（まだ考案されていない場合）され得る。すなわち、第３および第４の回折要素は、これらの実施形態のいくつかでは、例えば、体積位相記録技法、表面起伏型回折要素技法、または体積位相記録技法および表面起伏型回折要素技法の両方の組み合わせを使用することによって、材料の単一フィルムまたは層内に考案され得る。
【０１３５】
代替として、第３の回折要素および第４の回折要素が、光学的に互に結合される、２つ以上の別個の層またはフィルム上に考案され得る。例えば、これらの実施形態のいくつかでは、第３の回折要素は、第３のフィルム上に考案され得、第４の回折要素は、第４のフィルム上に考案され得る。これらの実施形態のいくつかでは、第３の回折要素は、線形、円形、放射対称、または線形、回路、もしくは放射対称回折要素の任意の組み合わせを備え得る。加えて、または代替として、第４の回折要素は、線形、円形、放射対称、または線形、回路、もしくは放射対称回折要素の任意の組み合わせを含み得る一方、第３および第４の回折要素は、互いに異なる。
【０１３６】
１つ以上の第２のフィルムが、２４１４Ｃにおいて、第２の基板上に配置または識別され得る。第２の基板はさらに、２４１６Ｃにおいて、第１の基板上に配置され得る。いくつかの実施形態では、第１の基板上の第１および第２の回折要素は、例えば、電流または電圧を使用することによって、２状態（例えば、オンおよびオフ状態）間で動的に切り替え可能であり得る。加えて、または代替として、第１の基板上の第３および第４の回折要素もまた、例えば、電流または電圧を使用することによって、２状態（例えば、オンおよびオフ状態）間で動的に切り替え可能であり得る。動的に切り替え可能な回折要素は、投影された画像の時間多重化分布を複数の焦点面撮像要素にもたらし得る。切り替えレートは、１キロヘルツ（１ＫＨｚ）〜数百メガヘルツ（ＭＨｚ）の範囲であり、線ごとまたはピクセルごとの焦点状態を促進し得る。
【０１３７】
図２５Ａは、１つ以上の実施形態における、仮想現実および／または拡張現実のための立体画像を生成するための高レベルブロック図を図示する。より具体的には、図２５Ａは図２５Ｂ−Ｄと一緒に、入力光ビームを回折要素を通して伝搬させ、仮想現実および／または拡張現実のための立体画像を生成することについてのさらなる詳細を図示する。これらの１つ以上の実施形態では、入力光ビームは、２５０２Ａにおいて、例えば、内部結合光学要素またはデバイスを含む入力光源から受信され得る。
【０１３８】
いくつかの実施形態では、第１の回折要素は、入力光ビームの入射方向に対して鋭角または鈍角を形成する、第１の向きで配置され得る。入力光源から第１の回折要素の中に伝搬される入力光ビームの第１の部分は、２５０４Ａにおいて、第１の回折要素を用いて、接眼レンズ内の第２の回折要素に向かって偏向させられ得る。いくつかの実施形態では、第１の回折要素は、出射瞳拡張（ＥＰＥ）回折要素またはエキスパンダを含み得、第２の回折要素は、直交瞳拡張（ＯＰＥ）回折要素またはエキスパンダを含み得る。
【０１３９】
入力光ビームの第２の部分は、２５０６Ａにおいて、第１の向きと異なる第２の向きを有する第２の回折要素を通して伝搬され、観察者に立体画像を生成し得る。いくつかの実施形態では、第１の部分と第２の部分との間の比率は、部分的または全体的に、第１または第２の回折要素の透過性および反射特性に基づいて、決定され得る。いくつかの実施形態では、第２の部分は、入力光源から出射する入力光ビームの残りの部分を構成し得、全内部反射（ＴＩＲ）を介して、第２の回折要素を通して伝搬し得る。
【０１４０】
図２５Ｂ−Ｄは一緒に、図２５Ａに図示される仮想現実および／または拡張現実のための立体画像を生成するプロセスのために、個々に行われるか、もしくは１つ以上の群で一緒に行われ得る、いくつかの追加の随意の行為２５００Ｂを図示する。図２５Ｂ−Ｄに図示される行為のうちのいくつかは、個々に行われ得、したがって、図２５Ｂ−Ｄにおけるアローヘッドを用いて他の行為と接続されないことに留意されたい。これらの実施形態では、入力光ビームは、２５０２Ｂにおいて、図２５Ａを参照して前述と同様に、例えば、内部結合光学要素またはデバイスを含む入力光源から受信され得る。
【０１４１】
入力光源から第１の回折要素の中に伝搬される入力光ビームの第１の部分は、２５０４Ｂにおいて、第１の回折要素を用いて、接眼レンズ内の第２の回折要素に向かって偏向させられ得る。入力光ビームの第２の部分は、２５０６Ｂにおいて、第１の向きと異なる第２の向きを有する第２の回折要素を通して伝搬され、観察者に立体画像を生成し得る。２５０２Ｂにおける入力光ビームの受信と２５０６Ｂにおける立体画像の最終的生成との間の任意の時点の間、追加の随意の行為２５００Ｂのうちの１つ以上のものが、行われ得る。例えば、立体画像内のアーチファクトが、いくつかの実施形態では、２５０８Ｂにおいて、少なくとも、第１の回折要素または第２の回折要素もしくは第１および第２の回折要素の組み合わせの回折効率を変調させることによって低減させられ得る。
【０１４２】
第１の回折要素および／または第２の回折要素のためのホスト媒体が、２５１０Ｂにおいて、識別され得る。いくつかの実施形態では、ホスト媒体は、乾式フォトポリマー材料、単層ハロゲン化銀、または単層ポリマー分散液晶混合物材料のうちの少なくとも１つを含み得る。入力光ビームの伝搬は、２５１２Ｂにおいて、少なくとも、第１の回折要素を用いて、少なくとも、入力光ビームの第１の部分の第１の光波面を連続的に向け直すことによって、誘導され得る。
【０１４３】
入力光ビームの伝搬はさらに、２５１２Ｂにおいて、向け直された第１の光波面と、第２の回折要素を通して伝搬する、少なくとも入力光ビームの第２の部分を外部結合することによって、誘導され得る。入力光ビームと第１のおよび／または第２の回折要素との間の相互作用の前の部分および後の部分（時間的または空間的順序の観点から）は、２５１４Ｂにおいて、接眼レンズ内の１つ以上の構成要素の回折効率に異なる回折効率を用いて少なくとも勾配を付けることによって、制御され得る。これらの実施形態では、接眼レンズ構成要素の回折効率は、光が伝搬するにつれての接眼レンズを横断する画像フィールド輝度分布における減少を低減または排除するために、光線と構造との間の初期相互作用が後の相互作用より利用可能な光を少なく使用するように、勾配が付けられ得る。
【０１４４】
格子回折効率はまた、２５１６Ｂにおいて、少なくとも、第１および／または第２の回折要素の調製において、記録ビーム強度または記録ビーム強度の比率を変調させることによって、第１および／または第２の回折要素のために分布させられ得る。投影された画像の時間多重化分布が、２５１８Ｂにおいて、第１および／または第２の回折要素に対して切り替え可能回折要素を使用することによって、複数の焦点面画像要素に提供され得る。いくつかの実施形態では、ポリマー分散液晶（ＰＤＬＣ）構成要素が、２５２０Ｂにおいて、第１および／または第２の回折要素のために識別され得る。ＰＤＬＣ構成要素を伴う、いくつかの実施形態では、ＰＤＬＣ構成要素のためのホスト媒体が、２５２２Ｂにおいて識別され得、ＰＤＬＣ構成要素のホスト媒体内の構造要素が、２５２４Ｂにおいて識別され得る。
【０１４５】
ホスト媒体または構造要素の屈折率が、次いで、２５３２Ｂにおいて、第１の回折要素および第２の回折要素を収容する基板の屈折率と不整合である率となるように決定され得る。すなわち、ホスト媒体または構造要素の屈折率が、これらの実施形態では、基板の屈折率と異なり得る。いくつかの実施形態では、単層構造が、２５２６Ｂにおいて、識別され得、第１の回折要素および第２の回折要素が、２５２８Ｂにおいて、単層構造内に識別または考案され得る。単層構造を用いて、接眼レンズの少なくとも一部における入力光ビームの伝搬の回折におけるクロストークは、２５３０Ｂにおいて、単層構造内の少なくとも第１および第２の回折要素の多重化によって低減させられ得る。
【０１４６】
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、本発明のより広範な精神および範囲から逸脱することなく、種々の修正および変更がそこに行われ得る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、プロセスアクションの特定の順序を参照して説明されている。しかしながら、説明されるプロセスアクションの多くの順序は、本発明の範囲または動作に影響を及ぼすことなく、変更され得る。本明細書および図面は、故に、制限的意味ではなく、例証的意味におけるものであると見なされる。
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図１Ｃ】
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【図１Ｄ】
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【図１Ｅ】
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【図２】
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【図３−１】
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【図３−２】
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【図３−３】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図４Ｃ】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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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１５Ａ】
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【図１５Ｂ】
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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２３Ａ】
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【図２３Ｂ】
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【図２３Ｃ】
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【図２４Ａ】
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【図２４Ｂ】
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【図２４Ｃ】
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【図２５Ａ】
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【図２５Ｂ】
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【図２５Ｃ】
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【図２５Ｄ】
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