(57)【要約】一実施例において与えられるのは、画像を表示する装置であって、少なくとも第１及び第２の画像変調光を与えるべく構成された入力画像ノードと、第１及び第２の画像変調光の少なくとも一つを少なくとも第１の方向に伝播するべく構成されたホログラフィック導波路デバイスとを含む装置である。ホログラフィック導波路デバイスは、少なくとも一つ層に配置された少なくとも第１及び第２の散在多重グレーティング要素を含む。第１及び第２のグレーティング要素はそれぞれ、第１及び第２の処方を有する。第１及び第２の多重グレーティング要素は、少なくとも一つの層を出た第１及び第２の画像変調光それぞれを偏向して第１及び第２のＦＯＶタイルそれぞれを形成する第１及び第２の多重出力光線それぞれにするべく構成される。
2015523586.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
画像を表示する装置であって、
少なくとも第１及び第２の画像変調光を与えるべく構成される入力画像ノードと、
前記少なくとも一つの第１及び第２の画像変調光を少なくとも第１の方向に伝播させるべく構成されるホログラフィック導波路デバイスと
を含み、
前記ホログラフィック導波路デバイスは、少なくとも一つの層に配置された少なくとも第１及び第２の散在多重グレーティング要素を含み、
前記第１及び第２のグレーティング要素はそれぞれ、第１及び第２の処方を有し、
前記第１及び第２の画像変調光はそれぞれ、第１の視野角（ＦＯＶ）及び第２のＦＯＶ画像情報によって変調され、
前記第１の多重グレーティング要素は、前記少なくとも一つの層を出た前記第１の画像変調光を偏向して第１のＦＯＶタイルを形成する第１の多重出力光線にするべく構成され、
前記第２の多重グレーティング要素は、前記層を出た前記第２の画像変調光を偏向して第２のＦＯＶタイルを形成する第２の多重出力光線にするべく構成される装置。
【請求項２】
前記第１及び第２の多重グレーティング要素は、一の所定パターンにテッセレーション化される、請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記第１及び第２の多重グレーティング要素は、一の所定パターンにテッセレーション化され、前記所定パターンは、周期パターン、非周期パターン、自己相似パターン及びランダム分布パターンの少なくとも一つである、請求項１に記載の装置。
【請求項４】
前記第１の又は第２の多重グレーティング要素にある要素すべては、同時に回折状態に切り換えられるべく構成される、請求項１に記載の装置。
【請求項５】
前記第１及び第２の多重グレーティング要素の少なくとも一つが、正方形、三角形及び菱形の少なくとも一つを含む形状を有する、請求項１に記載の装置。
【請求項６】
前記第１の多重グレーティング要素の複数の要素が第１の幾何形状を有し、かつ、第２の多重グレーティング要素の複数の要素が第２の幾何形状を有する、請求項１に記載の装置。
【請求項７】
前記第１及び第２のグレーティング要素の少なくとも一つが、少なくとも２つの異なる幾何形状を有する、請求項１に記載の装置。
【請求項８】
前記少なくとも一つの層にあるすべてのグレーティング要素が、一つの波長に最適化される、請求項１に記載の装置。
【請求項９】
前記少なくとも一つの層にある前記第１及び第２のグレーティング要素の少なくとも一つが、少なくとも２つの波長に最適化される、請求項１に記載の装置。
【請求項１０】
前記第１及び第２のグレーティング要素の少なくとも一つが、少なくとも２つの異なる波長に最適化された多重化処方を有する、請求項１に記載の装置。
【請求項１１】
前記第１及び第２のグレーティング要素の少なくとも一つが、少なくとも２つの異なる回折効率角度帯域に最適化された多重化処方を有する、請求項１に記載の装置。
【請求項１２】
請求項１に記載の装置を含むデバイスであって、前記第１及び第２の画像変調光が左眼及び右眼の視点ビューを与える立体視ディスプレイの一部であるデバイス。
【請求項１３】
請求項１に記載の装置を含むデバイスであって、ＨＭＤ、ＨＵＤ及びＨＤＤの少なくとも一つの一部であるデバイス。
【請求項１４】
前記第１及び第２の多重グレーティング要素の少なくとも一つが、空間依存の回折効率を有する、請求項１に記載の装置。
【請求項１５】
所与の処方の少なくとも一つのグレーティング要素からの前記画像変調光が、人間の眼の瞳の瞬時アパチャを境界とする射出瞳領域内に存在する、請求項１に記載の装置。
【請求項１６】
前記第１及び第２の多重グレーティング要素の少なくとも一つが電気的に切り換え可能である、請求項１に記載の装置。
【請求項１７】
画像を表示する方法であって、
（ｉ）一の入力画像ノードと、Ｍ及びＮを整数として（Ｍ×Ｎ）散在多重グレーティング要素を含む一のホログラフィック導波路デバイスとを含む一の装置を与えることと、
（ｉｉ）整数１≦Ｉ≦Ｎ及び１≦Ｊ≦Ｍに対し視野角（ＦＯＶ）タイル（Ｉ，Ｊ）に対応する画像変調光（Ｉ，Ｊ）入力画像ノードを生成することと、
（ｉｉｉ）処方整合ＦＯＶタイル（Ｉ，Ｊ）の複数のグレーティング要素をこれらの回折状態に切り換えることと、
（ｉｖ）処方整合ＦＯＶタイル（Ｉ，Ｊ）の複数のグレーティング要素を、画像変調光（Ｉ，Ｊ）によって照明することと、
（ｖ）前記画像変調光Ｉ，Ｊを回折してＦＯＶタイルＩ，Ｊにすることと
を含む方法。
【請求項１８】
完全なＦＯＶタイルが達成されるまで（ｉｉ）〜（ｖ）を繰り返すことをさらに含む、請求項１７に記載の方法。
【請求項１９】
前記入力画像をサンプリングして複数の角度インターバルにすることであって、前記複数の角度インターバルのそれぞれは、瞳全体のサイズの割合である一の有効射出瞳を有することをさらに含む、請求項１７に記載の方法。
【請求項２０】
前記第１及び第２の光学基板の少なくとも一つのグレーティング薄層の、グレーティング厚さ、屈折率変調、ｋベクトル、表面グレーティング周期及びホログラム・基板屈折率差の少なくとも一つを修正することによって前記画像の表示を改善することをさらに含む、請求項１７に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はホログラフィック広角ディスプレイに関する。
【０００２】
（関連出願）
本願は、２０１２年４月２５日に出願された米国仮特許出願第６１／６８７，４３６号及び２０１２年６月１５日に出願された米国仮特許出願第６１／６８９，９０７号の利益を主張する。これらはそれぞれ、全体が参照としてここに組み入れられる。
【０００３】
（カラー図面）
本特許又は出願のファイルは、カラーが施された少なくとも一つの図面を包含する。カラー図面を伴う本特許又は特許出願の公報の写しは、要求及び必要な手数料に応じて当該庁より与えられる。
【背景技術】
【０００４】
記号及び英数字の配列から高解像度のピクセル化画像にまで及ぶ画像コンテンツを表示することができるコンパクトなシースルーデータディスプレイが必要とされている。ディスプレイは高透明度の必要があり、かつ、表示される画像コンテンツは、明るい背景上にスーパーインポーズされても明確に視認できる必要がある。ディスプレイは、最適なデータ視認性及び効果のための高画質な色彩範囲を伴うフルカラーを与える必要がある。望ましい特徴としては、ディスプレイが、スキーゴーグル又はさらに望ましくはサングラスに類似するフォームファクタを有することが可能な、装着容易、自然かつさりげないものである必要がある。アイレリーフ及び瞳は、過酷な軍事及びスポーツ活動に対してであっても、頭部が動いている間の画像欠如を回避できる程度に大きくする必要がある。画像生成器は、コンパクト、ソリッドステートかつ低消費電力の必要がある。
【０００５】
上述の目標は現在の技術によっては達成されていない。現在の装着可能ディスプレイは、シースルー、適度な瞳、アイレリーフ及び視野角並びに高輝度を送達するが、かさばるフォームファクタという犠牲も同時に払っている。多くの場合、重量は、眼前において装着可能ディスプレイにとって望ましくない箇所に分布する。シースルーを与えることへの一つの一般的なアプローチは、軸外照明を受ける反射性又は回折性のバイザーに頼っている。小さなフラットパネルにおいて高解像度画像生成器を与えるマイクロディスプレイが、装着可能ディスプレイを小型化することに必ずしも役立つわけではない場合が多い。極めて高い倍率を一般に必要とするため、大きな直径の光学機器にならざるを得ないからである。眼鏡のようなフォームファクタを提供するいくつかの超低フォームファクタ設計が現在のところ利用可能であるが、通常は、視野角（ＦＯＶ）、アイレリーフ及び射出瞳との強引なトレードオフが要求される。
【０００６】
ＨＭＤ（ヘッドマウントディスプレイ）の研究開発のための長期的な目標は、ニアツーアイ（near-to-eye）かつカラーのＨＭＤの以下の特徴を作り出すことにある。すなわち、
ａ）視野角全体にわたり標準ＮＶＧ（ナイトビジョンゴーグル）の分解能を超え、かつ、無限遠に焦点が合わされた高解像度デジタル画像、
ｂ）単眼視野角（ＦＯＶ）８０°×４０°のＨＭＤ、又は双眼ＦＯＶ１２０°×４０°の、当該ＦＯＶの中心で４０°の立体視野角の重なりを伴うＨＭＤ、
ｃ）遮るもののない外界のパノラマビュー、十分なアイボックス及び適度なアイレリーフを伴う高シースルー（９０％以上）ディスプレイ、及び
ｄ）ステップイン式バイザー並びに標準の砂、風及びほこりゴーグルの双方に良好に統合される軽量かつ扁平な設計である。
【０００７】
画像は所定の視野角にわたって表示されるが、パノラマのシースルー性能は、これよりもずっと大きく、かつ、ホストとなるバイザー又はゴーグルよりも一般に良好である。これが、視野角４０°の外では周囲環境が遮られる既存のＮＶＧよりも改善されている点である。
【０００８】
一つの望ましいヘッド装着ディスプレイは、（１）高透明度を伴うパノラマのシースルーを提供することにより状況判断を維持し、（２）高解像度かつ広視野画像を与えるものである。かかるシステムはまた、控えめ、すなわちコンパクト、軽量かつ快適である必要もある。快適性は、十分な射出瞳及びアイモーションボックス／射出瞳（＞１５ｍｍ）、適度なアイレリーフ（≧２５ｍｍ）、人間工学的質量中心、無限遠焦点、並びに保護ヘッドギアとの整合性を有することに由来する。現在及び将来の伝統的屈折型光学機器では、この一連の要求を満たすことができない。他の重要な識別子は、フルカラー性能、視野角、ピクセル解像度、シースルー、輝度、動的グレースケール及び低消費電力を含む。何年もの高度の競合的な開発の後でさえ、屈折型光学機器に基づくＨＷＤ（ヘッド装着ディスプレイ）は視野角を制限し、かつ、コンパクト、軽量又は快適とはいえない。
【０００９】
導波路技術の基板導波ディスプレイに基づくヘッドマウントディスプレイは、これらの基本的要求の多くを満たす性能を実証している。特に関連するのは、Ｒｏｃｋｗｅｌｌ  Ｃｏｌｌｉｎｓの子会社であるＫａｉｓｅｒ  Ｏｐｔｉｃａｌ  Ｓｙｓｔｅｍｓ社（ＫＯＳＩ）に１９９９年に与えられた特許（特許文献１）である。これは、どのようにすれば入力に回折要素を使用して光を導波路に結合させ、かつ、出力に第２の回折要素を使用して光を同導波路から結合解除することができるのかを教示する。特許文献１によれば、導波路へ入射する光は、当該導波路に沿って伝播するときの画像コンテンツを維持するべくコリメートされる必要がある。すなわち、光は、導波路に入る前にコリメートされる必要がある。これは、多くの適切な技術によって遂行することができる。この設計アプローチによれば、導波路から出る光は当然コリメートされており、これが、当該画像を無限遠に焦点が合わされて見えるようにするために必要な条件である。光は、内角の限られた範囲にわたってのみ導波路に沿って伝播する。当該表面と平行に伝播する光は（定義によれば）、跳ね返ることなく導波路に沿って進行する。当該表面と平行に伝播しない光は、当該表面の法線に対する入射角が所定の臨界角よりも大きい場合、当該表面間で前後に跳ね返りながら導波路に沿って進行する。ＢＫ−７ガラスに対しては、この臨界角は約４２°である。これは、反射性コーティングを使用することによって（ただし、これは基板のシースルー性能を減じる可能性がある）、又は高屈折率材料を使用することによって、わずかに低下させることができる。それにもかかわらず、光が導波路に沿って伝播する内角の範囲が著しく変わることはない。よって、ガラスに対しては、内角の最大範囲は５０°以下である。これは、導波路を出る角度の範囲（すなわち空気中の角度）が４０°未満であると解釈される。他の設計ファクタも考慮した場合、一般にはこれよりも小さくなる。
【００１０】
現在のところ、ＳＧＯ（Substrate Guided Optics（基板導波光学機器））技術は広く受け入れられているわけではない。これは、導波路光学機器が、射出瞳を広げるためには使用することができるが、視野角を広げ又はデジタル解像度を改善するためには使用することができないことに起因する。すなわち、導波路内の内部全反射（ＴＩＲ）を受け得る内角の範囲を拘束する基本的な物理学が、導波路光学機器について達成可能な視野角を、最大でも４０°までに制限し、かつ、達成可能なデジタル解像度を、関連する画像の解像度までに制限するのである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】米国特許第５，８５６，８４２号明細書
【発明の概要】
【００１２】
上述に鑑み、本発明者は、基板導波光学機器（ＳＧＯ）及び切り換え可能ブラッググレーティング（ＳＢＧ）を組み合わせるディスプレイ及び詳しくは透明ディスプレイの利点を認識しかつその真価を評価している。
【００１３】
したがって、いくつかの実施例の一側面において与えられるのは、画像を表示する装置であって、少なくとも第１及び第２の画像変調光を与えるべく構成された入力画像ノードと、第１及び第２の画像変調光の少なくとも一つを少なくとも第１の方向に伝播するべく構成されたホログラフィック導波路デバイスとを含む装置である。ホログラフィック導波路デバイスは、少なくとも一つの層に配置された少なくとも第１及び第２の散在多重グレーティング要素を含む。第１及び第２のグレーティング要素はそれぞれ、第１及び第２の処方を有する。第１及び第２の画像変調光はそれぞれ、第１視野角（ＦＯＶ）及び第２ＦＯＶの画像情報によって変調される。第１の多重グレーティング要素は、当該少なくとも一つの層から出た第１の画像変調光を偏向させ、第１ＦＯＶタイルを形成する第１の多重出力光線にするべく構成される。第２の多重グレーティング要素は、当該層から出た第２の画像変調光を偏向させ、第２ＦＯＶタイルを形成する第２の多重出力光線にするべく構成される。
【００１４】
いくつかの実施例のもう一つの側面において与えられるのは、画像を表示する方法であって、（ｉ）一の入力画像ノードと、Ｍ及びＮを整数として（Ｍ×Ｎ）散在多重グレーティング要素を含む一のホログラフィック導波路デバイスとを含む一の装置を与えることと、（ｉｉ）整数１≦Ｉ≦Ｎ及び１≦Ｊ≦Ｍに対し視野角（ＦＯＶ）タイル（Ｉ，Ｊ）に対応する画像変調光（Ｉ，Ｊ）入力画像ノードを生成することと、（ｉｉｉ）処方整合ＦＯＶタイル（Ｉ，Ｊ）の複数のグレーティング要素をこれらの回折状態に切り換えることと、（ｉｖ）処方整合ＦＯＶタイル（Ｉ，Ｊ）の複数のグレーティング要素を、画像変調光（Ｉ，Ｊ）によって照明することと、（ｖ）画像変調光Ｉ，Ｊを回折してＦＯＶタイルＩ，Ｊにすることとを含む方法である。
【００１５】
同じ指示番号が同じ部材を示す添付の図面とともに以下の詳細な説明を考慮することによって、本発明のより完全な理解が得られる。明確性を目的として、本発明に関連する技術分野において知られている技術的事項に関連する詳細は、詳細には記載しない。
【００１６】
なお、上述の概念と以下に詳細に記載される追加的な概念（かかる概念は相互に矛盾しないわけではない）との組み合わせはすべて、ここに開示される発明主題の一部とみなされる。特に、本開示の最後に現れる請求の主題の組み合わせすべては、ここに開示される発明主題の一部とみなされる。なお、ここで明示的に使用される用語であって、参照によって組み入れられるいずれの開示においても現れる用語には、ここに開示される特定の概念と最も矛盾しない意味が与えられる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
当業者であれば、図面が主に例示目的であって、ここに記載される発明主題の範囲を制限する目的でないことがわかる。図面は、必ずしも縮尺どおりではない。いくつかの例において、ここに開示される発明主題の様々な側面が、異なる特徴の理解を容易にするべく当該図面において誇張又は拡大されて示され得る。図面において、同じ参照記号は一般に、同じ特徴（例えば、機能的に類似及び／又は構造的に類似の要素）を参照する。
【００１８】
【図１】図１は、積層グレーティングを使用したカラー導波路ディスプレイアーキテクチャの概略図である。各グレーティングの処方は、導波路光が回折されて固有の視野角タイルになることに対応する。
【図２】図２は、各グレーティングが与えるＦＯＶを示す積層グレーティングを使用する一実施例における導波路ディスプレイの概略断面図である。
【図３Ａ】図３Ａは、テッセレーションパターンの詳細を示す一実施例におけるテッセレーション化された導波路ディスプレイの概略断面図である。
【図３Ｂ】図３Ｂは、グレーティング要素が均一に散在するテッセレーションパターンの詳細を示す一実施例におけるテッセレーション化された導波路ディスプレイの概略断面図である。
【図３Ｃ】図３Ｃは、グレーティング要素がランダムに散在するテッセレーションパターンの詳細を示す一実施例におけるテッセレーション化された導波路ディスプレイの概略断面図である。
【図４】図４は、一実施例におけるテッセレーション化された導波路ディスプレイの機能要素の概略正面図である。
【図５】図５は、一実施例における一動作状態にあるテッセレーション化された導波路ディスプレイの概略正面図である。
【図６】図６は、一実施例における入力画像ノードの詳細を示すテッセレーション化された導波路ディスプレイの概略正面図である。
【図７】図７は、一実施例における入力画像ノードの動作を例示する。
【図８】図８Ａは、一実施例における異なるサイズ及びアスペクト比の矩形要素を含むテッセレーションパターンである。図８Ｂは、一実施例におけるペンローズタイルを含むテッセレーションパターンである。図８Ｃは、一実施例における六角形を含むテッセレーションパターンである。図８Ｄは、一実施例における正方形を含むテッセレーションパターンである。
【図９】図９Ａは、一実施例における菱形要素を含むテッセレーションパターンである。図９Ｂは、一実施例における二等辺三角形を含むテッセレーションパターンである。
【図１０】図１０Ａは、一実施例における水平方向に偏向されたアスペクト比の六角形を含むテッセレーションパターンである。図１０Ｂは、一実施例における水平方向に偏向されたアスペクト比の矩形を含むテッセレーションパターンである。図１０Ｃは、一実施例における水平方向に偏向されたアスペクト比の菱形要素を含むテッセレーションパターンである。図１０Ｄは、一実施例における水平方向に偏向されたアスペクト比の三角形を含むテッセレーションパターンである。
【図１１】図１１は、一実施例における２つのグレーティング層を包含するテッセレーション化された導波路の概略断面図である。
【図１２】図１２Ａは、一実施例における４つの異なるグレーティング要素タイプを含むテッセレーションパターンの一例を、眼の瞳を重ねて示す。図１２Ｂは、一実施例における一つのグレーティング要素タイプを含むテッセレーションパターンの一例を、眼の瞳を重ねて示す。図１２Ｃは、一実施例における２つの異なるグレーティング要素タイプを含むテッセレーションパターンの一例を、眼の瞳を重ねて示す。図１２Ｄは、一実施例における３つの異なるグレーティング要素タイプを含むテッセレーションパターンの一例を、眼の瞳を重ねて示す。
【図１３】図１３は、一実施例における一つの特定のグレーティング要素タイプのためのテッセレーションパターンの一例を、眼の瞳を重ねて示す。
【図１４】図１４は、一実施例における、図１３のテッセレーションパターンに対するＭＴＦ（Modulation Transfer Function（変調伝達関数））対角度周波数を示すチャートである。
【図１５】図１５は、一実施例における、水平方向に偏向されたアスペクト比を有しかつ５つの異なるタイプの要素を含む矩形要素を使用したテッセレーションパターンの一例を示す。
【図１６】図１６Ａは、一実施例における第１視野角に対応する第１タイプのテッセレーション要素の射出瞳への投影を、眼の瞳を重ねて例示する。図１６Ｂは、一実施例における第２視野角に対応する第２タイプのテッセレーション要素の射出瞳への投影を、眼の瞳を重ねて例示する。図１６Ｃは、一実施例における第３視野角に対応する第３タイプのテッセレーション要素の射出瞳への投影を、眼の瞳を重ねて例示する。図１６Ｄは、一実施例における図１６Ａのテッセレーション要素に対応する視野角タイルを示す。図１６Ｅは、図１６Ｂのテッセレーション要素に対応する視野角タイルを示す。図１６Ｆは、一実施例における図１６Ｃのテッセレーション要素に対応する視野角タイルを示す。
【図１７】図１７は、一実施例における図１８に例示された視野角タイル張りパターンを与えるべく使用される、番号１〜７により標識された領域内のテッセレーション要素タイプの分布を示す。
【図１８】図１８は、４つの水平方向タイル及び３つの垂直方向タイルを含む視野角タイル張りパターンを示す。
【図１９】図１９Ａは、一実施例における、図１７〜１８に例示された実施例の２層導波路の一つの層における領域１及び７からの一タイプの要素を含むテッセレーションパターンを示す。図１９Ｂは、一実施例における、図１９Ａの導波路の両層からの重畳テッセレーションパターンを示す。
【図２０】図２０Ａは、一実施例における、図１７〜１８に例示された実施例の２層導波路の一つの層における領域２及び６からの一タイプの要素を含むテッセレーションパターンを示す。図２０Ｂは、一実施例における、図２０Ａの導波路の両層からの重畳テッセレーションパターンを示す。
【図２１】図２１Ａは、一実施例における、図１７〜１８に例示された本発明の実施例での２層導波路の一つの層における領域３及び５からの一タイプの要素を含むテッセレーションパターンを示す。図２１Ｂは、一実施例における、図２１Ａの導波路の両層からの重畳テッセレーションパターンを示す。
【図２２】図２２Ａは、図１７〜１８に例示された本発明の実施例での２層導波路の一つの層における領域４からの一タイプの要素を含むテッセレーションパターンを示す。図２２Ｂは、一実施例における、図２２Ａの導波路の両層からの重畳テッセレーションパターンを示す。
【図２３】図２３は、一実施例における、図１９Ａ〜２２Ｂのタイル張りパターンの重畳から得られる複合テッセレーションパターンを例示する。
【図２４】図２４は、一実施例における、一タイプのみのグレーティング要素のための２層導波路にあるテッセレーションパターンの一例を示す。
【図２５】図２５は、一実施例における、２層導波路の第１層にある複合テッセレーションパターンを示す。
【図２６】図２６は、一実施例における、２層導波路の第２層にある複合テッセレーションパターンを示す。
【図２７】図２７Ａは、一実施例における入力画像ノードの画像出力部分を示す概略断面図である。図２７Ｂは、一実施例における入力画像ノードの画像入力部分を示す概略断面図である。
【図２８】図２８Ａは、一実施例における、入力画像ノード、及び当該入力画像ノードの、垂直方向ビーム拡張器を介したデジレンズ（DigiLens（登録商標））導波路との結合を示す断面図である。図２８Ｂは、一実施例における図２８Ａの実施例の光線トレースを示す。
【図２９】図２９は、一実施例におけるデジレンズ導波路及び垂直方向ビーム拡張器の平面図である。
【図３０】図３０Ａは、一実施例における導波路２５２を、結合グレーティングによりＴＩＲ経路内に向けられた入力光線とともに示す。図３０Ｂは、入力結合光学機器を有する一実施例における導波路を示す。当該入力結合光学機器は、互いに隣接して配置された第１及び第２のグレーティングと、当該導波路及び第１のグレーティングによって挟まれた半波長フィルムと、当該導波路及び第２のグレーティングによって挟まれた偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）フィルムとを含む。
【図３１】図３１は、一実施例における、本発明において使用される導波路の一部の概略断面図である。光が当該導波路から対向方向に抽出される。
【図３２】図３２は、一実施例における、照度均一性を改善するべくビームスプリッタ層を組み入れた、本発明において使用される導波路の一部の概略断面図である。
【図３３】図３３は、一実施例における、両面アドレス指定を使用して電極層での配線トラック数を低減する方法を例示する。
【図３４】図３４は、一実施例における、テッセレーション化された導波路にある電極配線トラックを交互配置する一つのスキームを例示する。
【図３５】図３５は、一実施例における、テッセレーション化された導波路にある電極配線トラックを交互配置するもう一つのスキームを例示する。
【図３６】図３６は、一実施例における、テッセレーション化された導波路にある電極配線トラックを交互配置するさらなるスキームを例示する。
【図３７】図３７Ａは、一実施例における本発明の湾曲バイザー実装の概略平面図を示す。図３７Ｂは、一実施例における本発明の湾曲バイザー実装の概略側面図を示す。
【図３８】図３８は、一実施例における本発明の湾曲バイザー実装の断面を示す。デジレンズが、光学的に隔離された導波路の積層を含む。
【図３９】図３９は、一実施例における本発明の湾曲バイザー実装の断面を示す。デジレンズが、単数の導波路構造を形成するグレーティング層の積層を含む。
【図４０】図４０Ａは、一実施例における本発明の湾曲バイザー実装の断面図を示す。デジレンズが切り子要素を含む。図４０Ｂは、一実施例における図４０Ａの２つの切り子要素間の光学的界面を示す。図４０Ｃは、一実施例における図４０Ａの２つの切り子要素間の光学的界面を詳細に例示する。
【図４１】図４１は、一実施例における本発明の湾曲バイザー実装の断面を示す。デジレンズが、湾曲光導波路に埋め込まれた切り子要素を含む。
【図４２】図４２Ａは、一実施例における、本発明の一実施例のマイクロテッセレーション化されたパターンに対する回折効率の角度ごとの変動を示すチャートである。図４２Ｂは、一実施例における図４２Ａのチャートに対応するマイクロテッセレーション分布を示す。
【図４３】図４３Ａは、一実施例におけるアパチャ充填率５０％の規則的なマイクロテッセレーションパターンに対するＭＴＦ（Modulation Transfer Function（変調伝達関数））プロットを示すチャートである。図４３Ｂは、一実施例における図４３Ａのマイクロテッセレーションパターンによって生成されるアパチャ充填率５０％の効果を示す概略的例示である。
【図４４】図４４Ａは、一実施例におけるアパチャ充填率２５％の規則的なマイクロテッセレーションパターンに対するＭＴＦプロットを示すチャートである。図４４Ｂは、一実施例における図４３Ａのマイクロテッセレーションパターンによって生成されるアパチャ充填率２５％の効果を示す概略的例示である。
【図４５】図４５Ａは、一実施例におけるアパチャ充填率５０％の規則的なマイクロテッセレーションパターンに対するＭＴＦプロットを示すチャートである。図４５Ｂは、一実施例における図４５Ａの場合に対するフットプリント図である。
【図４６】図４６Ａは、一実施例における５０ミクロンのマイクロテッセレーションに対するアパチャ充填率７５％の効果を示すフットプリント図である。図４６Ｂは、一実施例における５０ミクロンのマイクロテッセレーションに対するアパチャ充填率７５％の効果を例示するＭＴＦプロットを示すチャートである。
【図４７】図４７Ａは、一実施例における５０ミクロンのマイクロテッセレーションに対するアパチャ充填率５０％の効果を示すフットプリント図である。図４７Ｂは、一実施例における５０ミクロンのマイクロテッセレーションに対するアパチャ充填率５０％の効果を例示するＭＴＦプロットを示すチャートである。
【図４８】図４８Ａは、一実施例における５０ミクロンのマイクロテッセレーションに対するアパチャ充填率２５％の効果を示すフットプリント図である。図４８Ｂは、一実施例における５０ミクロンのマイクロテッセレーションに対するアパチャ充填率２５％の効果を例示するＭＴＦプロットを示すチャートである。
【図４９】図４９Ａは、一実施例における１２５ミクロンのマイクロテッセレーションに対するアパチャ充填率７５％の効果を示すフットプリント図である。図４９Ｂは、一実施例における１２５ミクロンのマイクロテッセレーションに対するアパチャ充填率７５％の効果を例示するＭＴＦプロットを示すチャートである。
【図５０】図５０Ａは、一実施例における１２５ミクロンのマイクロテッセレーションに対するアパチャ充填率５０％の効果を示すフットプリント図である。図５０Ｂは、一実施例における１２５ミクロンのマイクロテッセレーションに対するアパチャ充填率５０％の効果を例示するＭＴＦプロットを示すチャートである。
【図５１】図５１Ａは、一実施例における１２５ミクロンのマイクロテッセレーションに対するアパチャ充填率２５％の効果を示すフットプリント図である。図５１Ｂは、一実施例における１２５ミクロンのマイクロテッセレーションに対するアパチャ充填率２５％の効果を例示するＭＴＦプロットを示すチャートである。
【図５２】図５２Ａは、一実施例における２５０ミクロンのマイクロテッセレーションに対するアパチャ充填率７５％の効果を示すフットプリント図である。図５２Ｂは、一実施例における２５０ミクロンのマイクロテッセレーションに対するアパチャ充填率７５％の効果を例示するＭＴＦプロットを示すチャートである。
【図５３】図５３Ａは、一実施例における２５０ミクロンのマイクロテッセレーションに対するアパチャ充填率５０％の効果を示すフットプリント図である。図５３Ｂは、一実施例における２５０ミクロンのマイクロテッセレーションに対するアパチャ充填率５０％の効果を例示するＭＴＦプロットを示すチャートである。
【図５４】図５４Ａは、一実施例における２５０ミクロンのマイクロテッセレーションに対するアパチャ充填率２５％の効果を示すフットプリント図である。図５４Ｂは、一実施例における２５０ミクロンのマイクロテッセレーションに対するアパチャ充填率２５％の効果を例示するＭＴＦプロットを示すチャートである。
【図５５】図５５Ａは、一実施例における、眼の瞳の直径３ｍｍに対し、１２５ミクロンのマイクロテッセレーションに対するアパチャ充填率５０％での１ｍｍのテッセレーションの効果を示すフットプリント図である。図５５Ｂは、一実施例における、眼の瞳の直径３ｍｍに対し、１２５ミクロンのマイクロテッセレーションに対するアパチャ充填率５０％での１ｍｍのテッセレーションの効果を例示するＭＴＦプロットを示すチャートである。
【図５６】図５６Ａは、一実施例における、眼の瞳の直径３ｍｍに対し、１２５ミクロンのマイクロテッセレーションに対するアパチャ充填率５０％での１．５ｍｍのテッセレーションの効果を示すフットプリント図である。図５６Ｂは、一実施例における、眼の瞳の直径３ｍｍに対し、１２５ミクロンのマイクロテッセレーションに対するアパチャ充填率５０％での１．５ｍｍのテッセレーションの効果を例示するＭＴＦプロットを示すチャートである。
【図５７】図５７Ａは、一実施例における、眼の瞳の直径３ｍｍに対し、１２５ミクロンのマイクロテッセレーションに対するアパチャ充填率５０％での３ｍｍのテッセレーションの効果を示すフットプリント図である。図５７Ｂは、一実施例における、眼の瞳の直径３ｍｍに対し、１２５ミクロンのマイクロテッセレーションに対するアパチャ充填率５０％での３ｍｍのテッセレーションの効果を例示するＭＴＦプロットを示すチャートである。
【図５８】図５８Ａは、一実施例におけるユーザ定義アパチャのＭＴＦを示すチャートである。図５８Ｂは、一実施例におけるビットマップアパチャ関数のＭＴＦを示すチャートである。
【図５９】図５９Ａは、一実施例における本発明の一実施例のビットマップアパチャ関数である。図５９Ｂは、一実施例における、図５９Ａの実施例に対する回折効率対角度を示すチャートである。
【図６０】図６０は、一実施例における、可変透過率及び眼の瞳３ｍｍでランダムに位置決めされた１２５μｍマイクロテッセレーションを使用した１．０ｍｍのテッセレーションの効果を示すＭＴＦプロットである。
【図６１】図６１は、一実施例におけるビットマップアパチャ関数である。
【図６２】図６２は、一実施例における、可変透過率及び眼の瞳３ｍｍでランダムに位置決めされた１２５μｍマイクロテッセレーションを使用した１．５ｍｍのテッセレーションの効果を示すＭＴＦプロットである。
【図６３】図６３は、一実施例における第１実装テッセレーションパターンの第１の照度均一性分析である。
【図６４】図６４は、一実施例における第１実装テッセレーションパターンの第２の照度均一性分析である。
【図６５】図６５は、一実施例における第１実装テッセレーションパターンの第３の照度均一性分析である。
【図６６】図６６は、一実施例における第１実装テッセレーションパターンの第４の照度均一性分析である。
【図６７】図６７は、一実施例における第１実装テッセレーションパターンの第５の照度均一性分析である。
【図６８】図６８は、一実施例における第１実装テッセレーションパターンの第６の照度均一性分析である。
【図６９】図６９は、一実施例における第１実装テッセレーションパターンの第７の照度均一性分析である。
【図７０】図７０は、一実施例における第１実装テッセレーションパターンの第８の照度均一性分析である。
【図７１】図７１は、一実施例における第１実装テッセレーションパターンの第９の照度均一性分析である。
【図７２】図７２は、一実施例における第１実装テッセレーションパターンの第１０の照度均一性分析である。
【図７３】図７３は、一実施例における第１実装テッセレーションパターンの第１１の照度均一性分析である。
【図７４】図７４は、一実施例における第１実装テッセレーションパターンの第１２の照度均一性分析である。
【図７５】図７５は、一実施例における、一実施例の第１実装テッセレーションパターンの第１３の照度均一性分析である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
本発明のディスプレイに関連する様々な概念及び実施例の詳細な説明を以下に述べる。なお、上述で導入された及び以下で詳細に述べられる様々な概念は、任意の多数の方法で実装することができるが、述べられた概念は任意の特定の実装態様に限られない。主に例示目的として、特定の実装及び適用が与えられる。
【００２０】
様々な実施例
【００２１】
一実施例において与えられるのは、画像を表示する装置であって、少なくとも第１及び第２の画像変調光を与えるべく構成された入力画像ノードと、第１及び第２の画像変調光の少なくとも一つを少なくとも第１の方向に伝播するべく構成されたホログラフィック導波路デバイスとを含む装置である。ホログラフィック導波路デバイスは、少なくとも一つの層に配置された少なくとも第１及び第２の散在多重グレーティング要素を含み、第１及び第２のグレーティング要素はそれぞれ第１及び第２の処方を有する。第１及び第２の画像変調光はそれぞれ、第１の視野角（ＦＯＶ）及び第２のＦＯＶ画像情報によって変調される。第１の多重グレーティング要素は、当該少なくとも一つの層からの第１の画像変調光を第１の多重出力光線に偏向して第１のＦＯＶタイルを形成するべく構成され、第２の多重グレーティング要素は、当該層からの第２の画像変調光を第２の多重出力光線に偏向して第２のＦＯＶタイルを形成するべく構成される。
【００２２】
もう一つの実施例において与えられるのは、画像を表示する装置であって、少なくとも第１及び第２の画像変調光を与えるべく構成された入力画像ノードと、第１及び第２の画像変調光の少なくとも一つを少なくとも第１の方向に伝播するべく構成されたホログラフィック導波路デバイスとを含む装置である。ホログラフィック導波路デバイスは、少なくとも一つの層に配置された少なくとも第１及び第２の散在多重グレーティング要素である。第１及び第２のグレーティング要素はそれぞれ第１及び第２の処方を有する。第１及び第２の画像変調光はそれぞれ、第１の視野角（ＦＯＶ）及び第２のＦＯＶ画像情報によって変調される。第１の多重グレーティング要素は、当該少なくとも一つの層からの第１の画像変調光を第１の多重出力光線に偏向して第１のＦＯＶタイルを形成するべく構成され、第２の多重グレーティング要素は、当該層からの第２の画像変調光を第２の多重出力光線に偏向して第２のＦＯＶタイルを形成するべく構成される。第１及び第２の多重グレーティング要素は、受動モード又は切り換えモードにあるＳＢＧを含む。
【００２３】
もう一つの実施例において与えられるのは、画像を表示する装置であって、少なくとも第１及び第２の画像変調光を与えるべく構成された入力画像ノードと、ビーム拡張器と、第１及び第２の画像変調光の少なくとも一つを少なくとも第１の方向に伝播するべく構成されたホログラフィック導波路デバイスとを含む装置である。ホログラフィック導波路デバイスは、少なくとも一つの層に配置された少なくとも第１及び第２の散在多重グレーティング要素を含む。第１及び第２のグレーティング要素はそれぞれ、第１及び第２の処方を有する。第１及び第２の画像変調光はそれぞれ、第１視野角（ＦＯＶ）及び第２ＦＯＶの画像情報によって変調される。第１の多重グレーティング要素は、当該少なくとも一つの層からの第１の画像変調光を第１の多重出力光線に偏向して第１のＦＯＶタイルを形成するべく構成され、第２の多重グレーティング要素は、当該層からの第２の画像変調光を第２の多重出力光線に偏向して第２のＦＯＶタイルを形成するべく構成される。
【００２４】
もう一つの実施例において与えられるのは、画像を表示する装置であって、少なくとも第１及び第２の画像変調光を与えるべく構成された入力画像ノードと、第１及び第２の画像変調光の当該少なくとも一つを少なくとも第１の方向に伝播するべく構成されたホログラフィック導波路デバイスとを含む装置である。ホログラフィック導波路デバイスは、少なくとも一つの層に配置された少なくとも第１及び第２の散在多重グレーティング要素を含む。第１及び第２のグレーティング要素はそれぞれ、第１及び第２の処方を有する。第１及び第２の画像変調光はそれぞれ、第１視野角（ＦＯＶ）及び第２ＦＯＶの画像情報によって変調される。第１の多重グレーティング要素は、当該少なくとも一つの層からの第１の画像変調光を第１の多重出力光線に偏向して第１のＦＯＶタイルを形成するべく構成され、第２の多重グレーティング要素は、当該層からの第２の画像変調光を第２の多重出力光線に偏向して第２のＦＯＶタイルを形成するべく構成される。第１及び第２の多重グレーティング要素の少なくとも一つは所定のパターンでテッセレーション化される。
【００２５】
一実施例において、第１及び第２の多重グレーティング要素の少なくとも一つは、切り換えモード又は受動モードにあるＳＢＧ（切り換え可能ブラッググレーティング）を含む。
【００２６】
一実施例において、第１及び第２の多重グレーティング要素の少なくとも一つは電気的に切り換え可能である。
【００２７】
一実施例において、第１及び第２の多重グレーティング要素の少なくとも一つは、所定の最小レベルと最大レベルとの間にある回折効率を有する非回折状態及び回折状態を有する。
【００２８】
一実施例において、第１又は第２の多重グレーティング要素にあるすべての要素は切り換えられるべく構成される。
【００２９】
一実施例において、第１及び第２の多重グレーティング要素の少なくとも一つは回折状態を有し、及び回折状態の場合にある。第１のグレーティング要素は、当該少なくとも一つの層からの第１の画像変調光を第１の多重出力光線に偏向して第１のＦＯＶタイルを形成するべく構成される。第２のグレーティング要素は、当該層からの第２の画像変調光を第２の多重出力光線に偏向して第２のＦＯＶタイルを形成するべく構成される。
【００３０】
一実施例において、当該少なくとも一つの層は、パターン化された電極が適用される透明基板間に挟まれる。
【００３１】
一実施例において、当該少なくとも一つの層は、パターン化された電極が適用される透明基板間に挟まれ、当該パターン化された電極の少なくとも一つは、第１の多重の第１のグレーティング要素と重なる第１の多重電極要素、及び第２の多重の第２のグレーティング要素と重なる第２の多重電極要素を含む。
【００３２】
一実施例において、第１及び第２の多重グレーティング要素の少なくとも一つは、空間依存の回折効率を有する。
【００３３】
一実施例において、第１及び第２の多重グレーティング要素の少なくとも一つは、導波路の長さに沿った距離とともに増加する回折効率を有する。
【００３４】
一実施例において、当該少なくとも一つの層内において、グレーティング要素は、第１帯域内で、Ｎ１＞Ｎ２の場合に整数Ｎ２の異なる処方の、Ｎ２＞Ｎ３の場合にＮ３の異なる処方の、及びＮ３＞Ｎ４の場合に整数Ｎ４の異なる処方の要素を包含する帯域が連続して左右に当接して散在された整数Ｎ１の異なる処方を有する。一実施例において、第１及び第２の多重グレーティング要素の少なくとも一つは、第１の帯域内で、９の異なる処方の、６の異なる処方の、及び１の処方の要素を包含する帯域が連続して左右に当接して散在された１２の異なる処方を有する。
【００３５】
一実施例において、各ＦＯＶタイルは、無限遠に画像を与えるべく構成される。
【００３６】
一実施例において、各ＦＯＶタイルは、人間の眼の遠点に画像を与えるべく構成される。
【００３７】
一実施例において、ホログラフィック導波路デバイスは、偏光回復のためのビームスプリッタ薄層、四分の一波長板及びグレーティングデバイスの少なくとも一つを含む。
【００３８】
一実施例において、所与の処方の少なくとも一つのグレーティング要素からの画像変調光が、人間の眼の瞳の瞬時アパチャを境界とする射出瞳領域内に存在する。一実施例において、所与の処方の少なくとも３つのグレーティング要素からの画像変調光が存在する。
【００３９】
一実施例において、ＦＯＶタイルはＦＯＶ空間内で当接して矩形ＦＯＶを形成する。
【００４０】
一実施例において、ＦＯＶタイルはＦＯＶ空間内で当接して連続視野角を与える。
【００４１】
一実施例において、ＦＯＶタイルの少なくとも２つが重なる。
【００４２】
一実施例において、ＦＯＶタイルは当接して近似的に水平方向４０度×垂直方向３０度のＦＯＶを与える。
【００４３】
一実施例において、ＦＯＶタイルは当接して近似的に水平方向６０度×垂直方向３０度のＦＯＶを与える。
【００４４】
一実施例において、ＦＯＶタイルは当接して近似的に水平方向８０度×垂直方向８０度のＦＯＶを与える。
【００４５】
一実施例において、入力画像ノードはさらにスペックル除去器を含む。
【００４６】
一実施例において、第１及び第２の多重グレーティング要素の少なくとも一つがＨＰＤＬＣ（Holographic Polymer Dispersed Liquid Crystal（ホログラフィック高分子分散型液晶））に記録される。
【００４７】
一実施例において、第１及び第２の多重グレーティング要素の少なくとも一つが逆モードのＳＢＧ（切り換え可能ブラッググレーティング）である。
【００４８】
一実施例において、ホログラフィック導波路デバイスは湾曲する。
【００４９】
一実施例において、第１及び第２の多重グレーティング要素は種々の厚さを有する。
【００５０】
一実施例において、ホログラフィック導波路デバイスは、エッジ同士が当接する切り子セクションを含む。
【００５１】
一実施例において、ホログラフィック導波路デバイスは、エッジ同士が当接し、かつ、プラスチック連続湾曲体積に埋め込まれた切り子セクションを含む。
【００５２】
一実施例において、ホログラフィック導波路デバイスはプラスチックを含む。
【００５３】
一実施例において、ホログラフィック導波路デバイスは、射出瞳の第１の方向への拡張を与えるべく構成され、ビーム拡張器が、射出瞳の第２の方向への拡張を与えるべく構成される。
【００５４】
一実施例において、ホログラフィック導波路デバイスは、射出瞳の第１の方向への拡張を与えるべく構成され、ビーム拡張器が、射出瞳の第１の方向と直交する第２の方向への拡張を与えるべく構成される。
【００５５】
一実施例において、ビーム拡張器はさらに、入力画像ノードからの画像変調光のための入力ポートと、出力ポートと、光を第２の方向へ伝播させるべく構成された少なくとも一つの導波路層とを含む。当該少なくとも一つの導波路層は、第２の方向に沿った基板から変調光を抽出して出力ポートを通して第１の方向に向けるべく構成された少なくとも一つのグレーティング薄層を含む。
【００５６】
一実施例において、ビーム拡張器はさらに、隣接した配置される少なくとも２つのグレーティング薄層を含む少なくとも一つの導波路層を含む。
【００５７】
一実施例において、ビーム拡張器はさらに、少なくとも２つの重なったグレーティング薄層を含む少なくとも一つの導波路層を含む。
【００５８】
一実施例において、ビーム拡張器は、偏光回復のためのビームスプリッタ薄層、四分の一波長板及びグレーティングデバイスの少なくとも一つを含む。
【００５９】
一実施例において、第１及び第２の画像変調光は連続的に提示される。
【００６０】
一実施例において、第１及び第２の変調画像光の少なくとも一つは、導波路デバイス内で内部全反射（ＴＩＲ）を受ける。
【００６１】
一実施例において、入力画像ノードは、マイクロディスプレイ、当該マイクロディスプレイを照明するべく構成された光源、当該マイクロディスプレイに画像データを書き込むプロセッサ、並びにコリメーションレンズ、リレーレンズ、ビームスプリッタ及び拡大レンズの少なくとも一つを含む。
【００６２】
一実施例において、第１及び第２の多重グレーティング要素は、所定のパターンにテッセレーション化される。
【００６３】
一実施例において、当該所定のパターンは、周期パターン、非周期パターン、自己相似パターン、非自己相似タイル張りパターン及びランダム分布パターンの少なくとも一つである。一実施例において、非周期パターンはペンローズタイル張りパターンである。もう一つの実施例において、自己相似パターンはペンローズタイル張りパターンである。
【００６４】
一実施例において、第１又は第２の多重グレーティング要素におけるすべての要素は、同時に回折状態に切り換えられるべく構成される。
【００６５】
一実施例において、第１及び第２の多重グレーティング要素の少なくとも一つは、少なくとも一つの対称軸を有する。
【００６６】
一実施例において、第１及び第２の多重グレーティング要素の少なくとも一つは、正方形、三角形及び菱形の少なくとも一つを含む形状を有する。
【００６７】
一実施例において、第１の多重グレーティング要素の複数の要素は第１の幾何形状を有し、第２の多重グレーティング要素の複数の要素は第２の幾何形状を有する。
【００６８】
一実施例において、第１及び第２のグレーティング要素の少なくとも一つは、少なくとも２つの異なる幾何形状を有する。
【００６９】
一実施例において、当該少なくとも一つの層にあるすべてのグレーティング要素は、一つの波長に対して最適化される。
【００７０】
一実施例において、当該少なくとも一つの層にある第１及び第２のグレーティング要素の少なくとも一つは、少なくとも２つの波長に対して最適化される。
【００７１】
一実施例において、第１及び第２のグレーティング要素の少なくとも一つは、少なくとも２つの異なる波長に対して最適化された多重化処方を有する。
【００７２】
一実施例において、第１及び第２のグレーティング要素の少なくとも一つは、少なくとも２つの異なる回折効率角度帯域に対して最適化された多重化処方を有する。
【００７３】
一実施例において、第１及び第２の画像変調光の少なくとも一つはコリメートされる。
【００７４】
一実施例において、第１及び第２の画像変調光の少なくとも一つは偏光される。
【００７５】
一実施例において、装置はさらに、少なくとも一波長の光を与えるレーザを含む照明源を含む。
【００７６】
一実施例において、ホログラフィック導波路デバイスは、透明ディスプレイを与えるべく構成される。
【００７７】
いくつかの実施例において与えられるのは、ここに記載される装置を含むデバイスである。デバイスは、反射型ディスプレイの一部である。デバイスは、第１及び第２の画像変調光が左眼及び右眼の視点ビューを与える立体視ディスプレイの一部である。デバイスは、実像形成ディスプレイの一部である。デバイスは、ＨＭＤ、ＨＵＤ及びＨＤＤの少なくとも一つの一部である。デバイスは、コンタクトレンズの一部である。
【００７８】
一実施例において、入力画像ノードは、マイクロディスプレイ、当該マイクロディスプレイを照明するべく構成された光源、当該マイクロディスプレイに画像データを書き込むプロセッサ、並びにコリメーションレンズ、リレーレンズ、ビームスプリッタ及び拡大レンズの少なくとも一つを含む。
【００７９】
もう一つの実施例において与えられるのは、画像を表示する方法であって、（ｉ）一の入力画像ノードと、Ｍ及びＮを整数として（Ｍ×Ｎ）散在多重グレーティング要素を含む一のホログラフィック導波路デバイスとを含む一の装置を与えることと、（ｉｉ）整数１≦Ｉ≦Ｎ及び１≦Ｊ≦Ｍに対し視野角（ＦＯＶ）タイル（Ｉ，Ｊ）に対応する画像変調光（Ｉ，Ｊ）入力画像ノードを生成することと、（ｉｉｉ）処方整合ＦＯＶタイル（Ｉ，Ｊ）の複数のグレーティング要素をこれらの回折状態に切り換えることと、（ｉｖ）処方整合ＦＯＶタイル（Ｉ，Ｊ）の複数のグレーティング要素を、画像変調光（Ｉ，Ｊ）によって照明することと、（ｖ）画像変調光Ｉ，Ｊを回折してＦＯＶタイルＩ，Ｊにすることとを含む方法である。
【００８０】
一実施例において、方法はさらに、完全なＦＯＶタイルが達成されるまで（ｉｉ）〜（ｖ）を繰り返すことを含む。
【００８１】
一実施例において、方法はさらに、入力画像をサンプリングして複数の角度インターバルにすることであって、当該複数の角度インターバルのそれぞれは、瞳全体のサイズの割合である一の有効射出瞳を有することを含む。
【００８２】
一実施例において、方法はさらに、第１及び第２の光学基板の少なくとも一つの当該少なくとも一つのグレーティング薄層のグレーティング厚さ、屈折率変調、ｋベクトル、表面グレーティング周期及びホログラム・基板屈折率差の少なくとも一つを修正することによって画像の表示を改善することを含む。
【００８３】
なお、上述の概念及び以下に詳細に記載される追加的な概念のすべての組み合わせは（かかる概念が互いに矛盾しない限り）、ここに記載される発明主題の一部として意図される。特に、本開示の最後に現れる請求に係る主題のすべての組み合わせは、ここに記載される発明主題の一部として意図される。なお、ここに明示的に使用される用語であって、参照として組み入れられる任意の開示に現れる用語も、ここに記載される特定の概念と最も一貫する意味が与えられるべきである。
【００８４】
ここに与えられる少なくともいくつかの実施例は、米国特許第８，２３３，２０４号明細書に開示されるタイプの導波路ＨＭＤにおける多重の異なるグレーティング処方を使用して、大きなＦＯＶをタイル張りする課題を克服する。一実施例において、グレーティング角度帯域の制約条件が、ＦＯＶタイルのサイズを約１０°×１０°までに制限する結果、垂直及び水平方向のＦＯＶタイル数が増加するにつれて手に負えないほど大きなグレーティング積層がもたらされる。フルカラーを達成しようとすれば、層の数は３桁増加する。
【００８５】
ここに記載される実施例の一つの重要な特徴は、異なる処方のグレーティングを積層する代わりに、これらを小さな要素に細切れにすることにある。当該小さな要素はその後、散在されて一以上の重なる層にあるテッセレーションパターンにされる。
【００８６】
一実施例のテッセレーション化されたディスプレイは、入力画像ノード（ＩＩＮ）と、第１のビーム拡張器導波路（通常は垂直方向）と、接眼部としても機能する第２のビーム拡張器導波路（通常は水平方向）とを含む。一実施例において、接眼部は、テッセレーション機能及びビーム拡張機能を組み合わせる。各導波路は、入力及び出力ブラッググレーティングを包含する。各導波路は、一を超えるグレーティング層を含む。カラーの実施例において、各原色に対して別個のモノクロ導波路が使用される。カラーを与えるもう一つのオプションは、異なるカラー処方を有するホログラムがスーパーインポーズされる多重化されたグレーティングを、一の導波路に記録することである。多重化はまた、異なる角度帯域のグレーティングを組み合わせるためにも使用される。
【００８７】
多くの異なるテッセレーションスキームが可能である。これらは、周期（すなわち側方変位の下で不変である）、非周期、自己相似及びランダムなスキームを含む。パターンは、中心ＦＯＶ近くにおける詳細を与えるべく設計される。ここに与えられる複数の実施例は、受動又は切り換え可能のテッセレーションソリューションを含み、かつ、受動要素及び切り換え可能要素を組み合わせたハイブリッドソリューションを含む。
【００８８】
一実施例において、各テッセレーション要素から回折された光線は、射出瞳においてフットプリントを形成する。典型的に、かかるフットプリントは、瞬時の眼の瞳面積内に少なくとも２つ必要である。正確な数は、テッセレーションのサイズ及び形状のようなファクタに依存する。一実施例において、テッセレーションは、顕著な設計及び製造課題を提示する。小さな（数ミリメートルの）グレーティング要素は、解像度の損失及び照明のリップルをもたらす。これらは双方とも修正困難であることがわかっている。テッセレーション化されたホログラフィックアレイのホログラフィック記録及び電極パターン形成は現行プロセスによっては難しい。これらの課題は、受動グレーティング要素を使用することで克服できる。一実施例において、グレーティングを薄くすることにより、接平面における帯域が増加される一方、直交かつサジタル平面においては広帯域が達成される。テッセレーションは、上記設計及び製造課題が解決できれば、大きなＦＯＶへの道筋を与えてくれる。カラーの８０°×８０°ＦＯＶが合理的な目標である。
【００８９】
一実施例は、拡大された射出瞳（又はアイボックス）を与えるべく、別個の垂直及び水平方向のビーム拡張導波路を使用する。一実施例において、ＩＩＮからのコリメートされた画像光が、ＦＯＶがマイクロディスプレイ及びコリメート光学機器により画定された第１のビーム拡張導波路に供給される。一実施例は、入力又は「結合」光学機器が、多くの異なる態様で構成されることを許容する。当該態様は、古典的な光学レンズ・鏡設計から、全面的に回折（ホログラフィック）光学機器に基づくコンパクト設計にまで及ぶ。一実施例は、（大きなＦＯＶにとっては切り換え可能グレーティングの使用が好ましいが）完全に受動のグレーティングを使用して実装される。従来型の受動グレーティングでは動作しない。受動ＳＢＧを使用する一つの利点は、グレーティングの屈折率変調を、対応する広い範囲の回折効率で極低値から極高値までチューニングできることにある。ＳＢＧの高い屈折率変調は、ブラッグ縞を形成する高分子豊富領域とＬＣ（Liquid Crystal（液晶））豊富領域が交互の帯域に起因する。代替的に、能動グレーティングも使用することができる。能動グレーティングは、対応する広い範囲の回折効率で極低値から極高値までチューニングすることができる。
【００９０】
垂直及び水平方向ビーム拡張器は、損失が多い導波路に基づく。すなわち、導波路であって、その長さに沿って当該導波路から光を均一に抽出するべく設計された導波路である。出願日２０１３年３月１５日の米国特許出願第１３／８４４４５６号明細書に実証されるように、これは、グレーティングの厚さの変更（及び変調）によって達成することができる。一実施例において、その最も簡単な場合にこれは、ウェッジ付きグレーティングを（セル壁を傾斜させることによって）作ることを伴う。その結果、ホログラムの厚さは、伝播方向に増加する。一般に、グレーティングの厚さは、１．０〜１．２ミクロンから２．８〜３．０ミクロンまでばらつく。厚さが小さいと、最低効率（かつ最大角度帯域）になる。いくつかの実施例は、２つのウェッジ角を使用して厚さを直交方向に変更することによるか又はグレーティングの片面又は両面に曲率を適用することによる一般的な態様での、洗練された抽出制御を許容する。
【００９１】
一実施例において、ビーム拡張グレーティングは極めて薄い（３ミクロンよりも十分に小さい）。その結果、極めて広い回折効率角度帯域が得られる。厚さ及び屈折率変調を最適化することにより、ディスプレイに必要な所望のグレーティング特性のすべてを満たすことができる。当該特性とは、例えば、グレーティングに結合するための極めて高い効率及び当該効率のための大きなダイナミックレンジ、ビーム拡張に必要な均一な抽出である。
【００９２】
画像転送効率及びフォームファクタを向上させるべく、画像サンプリングを使用することができる。幅が広いＦＯＶ画像光を導波路に結合することは通常、導波路まで効率的に伝播され得る画像角度コンテンツが、限られた角度範囲に起因して、ある程度失われる結果となる。この光の一部は導波路から結合解除される。ここに記載される少なくともいくつかの実施例は、入力画像をサンプリングして多重角度インターバルにすることによってこの課題を克服する。多重角度インターバルのそれぞれは一の有効射出瞳を有する。有効射出瞳とは、瞳全体のサイズの割合であり、導波路の厚さもこれに対応して低減される。
【００９３】
ここに与えられる実施例の一つの特徴は、各導波路の入力及び出力における固定周波数表面グレーティングを、回転されたｋベクトルと組み合わせることにある。表面グレーティングは、ブラッグ縞と基板エッジとの交差であり、導波路の基本的な光線光学を（近似的に）説明する。ｋベクトルは、ブラッググレーティングに直交する方向であり、グレーティングの回折効率と角度特性との関係を説明する。ｋベクトル方向を導波路伝播方向に沿うように変更すること（ｋベクトル回転）により、第１に、画像光の導波路への効率的な結合を与えることが、第２に、ひとたび結合されると、所望の角度コンテンツすべてが高効率で導波路まで確実に送信されることが可能となる。ｋベクトル回転は、上述のように、グレーティング厚さ制御によって増大されるのが望ましい。
【００９４】
一般に、角度コンテンツの導波路への伝播は、以下の一つ以上を精細にチューニングすることによって最適化することができる。すなわち、グレーティング厚さ、屈折率変調、ｋベクトル回転、表面グレーティング周期及びホログラム・基板屈折率差である。テッセレーションパターンは、導波路アイ追跡器を実装する赤外感知要素を含む。
【００９５】
ＳＢＧデバイス
【００９６】
かなり大きな視野角を作る一つの方法は、これを解析して一組の小さな視野角（それぞれが導波路の光学的制限に適合する）にし、かつ、これらを、眼が統一広角ディスプレイとして認識する程度に迅速に（時間）連続的に表示することにある。これを行う一つの方法は、極めて迅速にオン及びオフに連続的に切り換えることができるホログラフィック要素を使用することによる。かかる切り換え可能ホログラフィック要素を与えるための一つの望ましいソリューションは、切り換え可能ブラッググレーティング（ＳＢＧ）として知られるデバイスである。
【００９７】
回折光学要素（ＤＯＥ）の光学設計上の利点は、固有かつ効率的なフォームファクタ、並びに屈折力及び薄層への拡散のような複合的な光学機能をエンコードする能力を含む。高い回折効率を提供するブラッググレーティング（一般には体積位相グレーティング又はホログラムとも称する）が、ヘッドアップディスプレイのようなデバイスにおいて広く使用されている。重要なクラスのブラッググレーティングデバイスは、切り換え可能ブラッググレーティング（ＳＢＧ）として知られている。ＳＢＧは、体積位相グレーティング又はホログラムを高分子分散型液晶（ＰＤＬＣ）混合物に記録することによって形成される回折デバイスである。典型的に、ＳＢＧデバイスは、まず、光重合可能な単量体と液晶材料との混合物からなる薄フィルムを平行なガラス板又は基板間に配置することによって製造される。一方又は双方のガラス基板が、ＰＤＬＣ層間に電界を適用するための、例えば透明なインジウムスズ酸化物フィルムを含む電極をサポートする。体積位相グレーティングがその後、干渉して所望のグレーティング構造を形成する２つの相互にコヒーレントなレーザビームを使用して液体材料を照明することによって記録される。記録プロセス中、単量体が重合し、かつ、ＨＰＤＬＣ混合物が相分離を受ける。これにより、液晶の微細液滴が密集した領域が作られ、透明な高分子の領域が散在される。液晶豊富と液晶枯渇の交互領域が、グレーティングの縞平面を形成する。得られた体積位相グレーティングは、極めて高い回折効率を示し得る。当該回折効率は、ＰＤＬＣ層間に適用される電界の大きさによって制御することができる。電界が透明電極を介してホログラムに適用される場合、ＬＣ液滴の自然配向が変更されることにより、当該縞の屈折率変調が低減し、かつ、ホログラム回折効率が極めて低レベルまで下降する。なお、当該デバイスの回折効率は、例えば、電圧適用のない１００％に近い効率から、十分な高電圧が適用される実質的にゼロの効率までの連続範囲にわたる適用電圧によって、調整することができる。
【００９８】
ＳＢＧは、自由空間アプリケーションのための透過型又は反射型グレーティングを与えるべく使用することができる。ＳＢＧは、ＨＰＤＬＣが導波路コア又は当該導波路に近接するエバネッセント結合層のいずれかを形成する導波路デバイスとして実装される。ここで基板導波光学機器（Substrate Guided Optics（ＳＧＯ））と称される一つの特定構成では、ＨＰＤＬＣセルを形成するべく使用される平行なガラス板が、内部全反射（ＴＩＲ）光導波路構造を与える。光がＳＢＧとの「結合」を解除されるのは、当該光が切り換え可能グレーティングによってＴＩＲ条件を超える角度で回折される場合である。ＳＧＯは現在のところ、様々なディスプレイ及びセンサのアプリケーションにおいて注目されている。ＨＰＤＬＣに関する初期の研究のほとんどは反射型ホログラムに向けられていたが、透過型デバイスの方が、光学システム構成要素としてかなり多用途であることがわかりつつある。
【００９９】
ＳＢＧにおいて使用されるＨＰＤＬＣは、液晶（ＬＣ）、単量体、光重合開始剤染料及び共重合開始剤を含む。混合物は界面活性剤を含む。特許及び科学文献は、ＳＢＧを製造するべく使用され得る材料システム及びプロセスの多くの例を包含する。２つの基本特許は、Ｓｕｔｈｅｒｌａｎｄによる米国特許第５，９４２，１５７号明細書、及びＴａｎａｋａ等による米国特許第５，７５１，４５２号明細書である。双方の出願が、ＳＢＧデバイスを製造するのに適した単量体及び液晶材料の組み合わせを記載する。
【０１００】
透過型ＳＢＧの周知の属性の一つは、ＬＣ分子がグレーティング縞平面に対する直交方向に整合する傾向である。ＬＣ分子整合の効果は、透過型ＳＢＧが、効率的にＰ偏光（すなわち、入射平面内の偏光ベクトルを有する光）を回折するが、Ｓ偏光（すなわち、入射平面に対して直交する偏光ベクトルを有する光）に対してはほぼゼロの回折効率を有する点にある。空気中のガラス光導波路は、内部入射角が約４２度を上回る場合、内部全反射によって光を伝播する。したがって、典型的には、ここに記載される透過型ＳＢＧは、導波路に入る入力Ｐ偏光をＴＩＲ（内部全反射）角約４２から約７０度まで回折するべく、又はＴＩＲ光を前記角度で出力光経路まで回折するべくＳＢＧ設計を使用する。
【０１０１】
通常は、ＳＢＧは、電圧が適用されない場合に回折を行い、他の時点において電圧が適用される場合に光学的受動状態に切り換えられる。しかしながら、ＳＢＧは、電圧が適用された場合に回折を行い、かつ、他の場合すべてで光学的受動のままとなる逆モードで動作するべく設計することもできる。逆モードＳＢＧを製造する方法は、例えばＰｏｐｏｖｉｃｈ等による国際出願第ＧＢ２０１２／０００６８０号明細書に開示されるような任意の適切な方法である。同文献はまた、ニアアイ（near eye）アプリケーションにおける改善された耐久性、軽量性及び安全性という利点を与えるべくどのようにして可撓性プラスチック基板を使用してＳＢＧを製造するのかも開示する。
【０１０２】
添付図面を参照して例示のみにより、本発明を以下にさらに記載する。当業者にとって明らかなことであるが、本発明は、以下の説明に記載される本発明の一部又はすべてについて実施することができる。本発明を説明する目的のため、光学設計及び視認ディスプレイの当業者に知られている光学技術の周知の特徴は、本発明の基本原理をあいまいとしないように省略又は簡略化されている。特に記載しない限り、光線又はビームの方向に関連する「軸上」という用語は、本発明に関連して記載される光学コンポーネントの表面に直交する軸に対して平行な伝播を言及する。以下の記載において、光、光線、ビーム及び方向という用語は、相互交換可能にかつ互いに関連して、直線軌道に沿う光エネルギーの伝播方向を示すべく使用される。以下の説明の複数部分は、光学設計の当業者が通常用いる用語を使用して提示される。以下の説明において、「一実施例における」というフレーズの繰り返しの使用は、必ずしも同じ実施例を言及するわけではないことにも留意すべきである。
【０１０３】
ここに与えられる実施例の一つの重要な特徴は、かなり大きな視野角を作る一つの方法が、当該大きな視野角を解析して一組の小さな視野角（それぞれが導波路の光学的制限に適合する）にし、かつ、これらを、眼が統一画像として認識する程度に高速に（時間）連続的に表示することであるとの理解にある。
【０１０４】
これを行う一つの方法は、極めて迅速にオン及びオフに連続切り換えができるホログラフィック要素による。出願日２０１２年４月２５日の米国仮特許出願第６１／６８７，４３６号明細書が示しているのは、高解像度の超広視野角を時間連続的にタイル張りするべく、多重ＳＢＧが同じ導波路に一緒に積層し、かつ、迅速承継的にアクティブにできることである。さらに、各サブ視野角が、関連付けられた画像素子のフルデジタル解像度を有し、人間の眼の視力限界に近いか又はこれさえも超える画像の形成が可能となる。
【０１０５】
この初期の出願に開示されるタイル張りは、標準的な導波アーキテクチャの双子の欠陥（すなわち限られた視野角及び限られたピクセル解像度）を克服する一方、大きな視野角全体に垂直方向及び水平方向にタイルすることが必要な場合に限界がある。小さなＦＯＶ及び一方向のみの拡張を有するモノクロディスプレイに対しては、単にグレーティング平面を積層するだけでタイル張りを遂行することができる。しかしながら、視野角が双方の方向に拡張され、かつ、カラーが付加される場合、このアプローチにより必要な層の数は、急速に非実用的となる。例えば、図１を考慮すると、ディスプレイを与えるビーム偏向システムの概略図を示す。ディスプレイは、画像生成器２からの入力光１００をＦＯＶ領域又はタイルの中へ偏向するべく電気的切り換え可能グレーティングＳＢＧの積層１を使用するという原理に基づく。一実施例において、各ＳＢＧは本質的に平面グレーティングビーム偏光器である。これは、入射ＴＩＲ光を、固有のＦＯＶタイルを形成する出力光に偏向する。ＳＢＧ要素１０Ａ〜１０Ｄが第１行の４つのＦＯＶタイルを与え、要素１１Ａ〜１１Ｄが第２行の４つのＦＯＶタイルを与え、及び、要素１２Ａ〜１２Ｄが第３行の４つのＦＯＶタイルを与える。有利には、画像光はコリメートされ、例えば光導波路又は基板導波光学機器によってＳＢＧ積層に送達される。ＳＢＧを包含するべく使用される基板は、光導波路基板を与える。図２は、４つの別個の層に構成された４つのＳＢＧ１０Ａ〜１０Ｄを使用してどのようにして水平方向視野角を生成できるのかを示す。一つの入力ＳＢＧが、画像生成器からの入力画像光をＴＩＲ経路内に向けることを可能とする。入力画像生成器は、レーザモジュール、マイクロディスプレイ、並びにコリメーション及びビーム拡張のための光学機器を含む。出力ＳＢＧは、ＦＯＶ空間内の画像連続性を与えるべく水平方向に千鳥状とされる。図２は、一行のＦＯＶタイル１０Ａ〜１０Ｄに対応するＳＢＧグループ３のための一平面内の限定的光線を示す。限定的光線１０１Ａ〜１０１Ｄ、及び法線１０２、１０３に対する最大角範囲θ１が示される。光線は射出瞳１０４を画定する。
【０１０６】
一実施例において、各サブ視野角が、ＳＢＧの回折効率及び角度帯域によって限定される。ＳＢＧグレーティングデバイスは、空気中で近似的に角度帯域±５°（材料特性、屈折率変調ビーム幾何形状及び厚さの影響を受ける）を有する。一実施例において、実際には、薄いＳＢＧを使用することにより大きな角を達成することができる。一実施例において、ＳＢＧは厚さが、約４μｍ以下、例えば約３．５μｍ以下、３μｍ、２．５μｍ、２μｍ、１．５μｍ、１μｍ、０．５μｍ未満である。薄いＳＢＧに起因する増加した帯域によって、低いピーク回折効率が得られる。一実施例において、屈折率変調を増加させることが望ましい。
【０１０７】
一実施例において、上のＳＢＧ１０Ａは視野角−２０°から−１０°を与え、次のＳＢＧ１０Ｂは視野角−１０°から０°を与え、次のＳＢＧ１０Ｃは視野角０°から１０°を与え、及び、下のＳＢＧ１０Ｄは視野角１０°から２０°を与える。一つが右２０°を与える。各出力ＦＯＶが、水平方向範囲１０度、かつ、入力コリメーション光学機器及び導波路制限によって設定される垂直方向範囲、典型的には１０度のＦＯＶタイルを与える。ＳＢＧ要素が連続して迅速に表示される（ＳＢＧが、例えば３５マイクロ秒もの小さな切り換え速度を有する）場合、眼は別個の光出力を統合し、水平方向視野角４０°×垂直方向視野角１０度が知覚される。新たな出力ＳＢＧがアクティブにされるたびに、２によって一般に示される入力画像生成器が新たなデジタル画像によって更新される。一実施例において、入力画像生成器は、近似的に水平方向１０００ピクセル×垂直方向８００ピクセル解像度の画像を与える。したがって、完全な知覚画像は、４０００×８００ピクセル解像度を有する。タイルは、ＳＢＧ層からの重なる光線によって画定される射出瞳を通るＦＯＶ空間において当接する。上記原理に基づくＨＭＤは、本出願人による国際出願日２０１０年４月２６日、名称「COMPACT HOLOGRAPHIC EDGE ILLUMINATED EYEGLASS DISPLAY」の（及び本出願人の包袋番号ＳＢＧ０７３ＰＣＴによっても参照される）国際出願第ＧＢ２０１０／０００８３５号明細書に開示されている。これは、その全体が参照としてここに組み入れられる。
【０１０８】
図１に示される積層アプローチは、相対的に小さなＦＯＶにとって適している。一実施例において、ほぼ水平方向６０度×垂直方向１０度の視野角が実現可能である。視野角が増加すると、必要とされるＳＢＧ層の数が非実用的となる。すなわち、６つの層が、ディスプレイの性能が散乱、吸収及び他の光学的損失によって妥協される前において、現在の実用限界となる。１３、１４によって概略的に示される青及び緑のための追加層が加えられる場合、タイル数は３倍増加する。
【０１０９】
別個のＲＧＢのＳＢＧを使用することを回避する一つの方法は、多重化ＳＢＧを使用することである。この場合、照明は、Ｒ及びＢ／Ｇ照明として光導波路の対向端から与えられ、色彩範囲がある程度譲歩される。しかしながら、多重化グレーティングは、製造の複雑性及びクロストークの問題を引き起こす。
【０１１０】
ここに記載される実施例の一つの利点は、極めて大きな数のＳＢＧ層の必要性が最小限となることにある。一実施例が与えるのは、図３に示されるように、ＳＢＧをインターレースすることによって積層を圧縮することである。これは、図１〜２に例示されるようにグレーティングを単に積層することとは対照的である。上述の単なる積層スキーム（差し込み）を参照してわかるのは、通常であれば一つのカラーチャネルを生成するべく４つのホログラフィック平面の積層が必要となる光学的プロセスが、交互配置されたグレーティングの単数層によって遂行できるということである。なお、図１〜３において、ホログラムのシェーディングパターンは、４つの異なるタイプを区別することのみを目的としており、グレーティングの幾何形状を提示するものではない。
【０１１１】
まず、図３Ａの概略側面図を参照すると、選択的に切り換え可能なビーム偏向要素の多重グループを含む画像を表示する装置が与えられる。好ましい実施例において、ビーム偏向器は、第１回折状態及び第２の回折状態を有する複数のＳＢＧである。第１の回折状態は高い回折効率を示し、第２の回折状態は低い回折効率を示す。
【０１１２】
一実施例において、ＳＢＧは、電圧が適用された場合に回折を行い、かつ、他の場合すべてで光学的受動のままとなる逆モードで動作する。ＳＢＧは、薄い基板層（１００ミクロンもの薄さ）によって分離された連続ＳＢＧ薄層として実装される。一実施例において、基板はプラスチックを含む。一実施例において、基板は、（ＩＴＯの代わりに）透過型導電コーティングを有するプラスチック基板を含む。
【０１１３】
簡便のため、番号１５〜１８で示された４グループのＳＢＧ要素を例示する。各グループは、記号Ａ〜Ｄで標識された４つの要素を含む。ＳＢＧ要素のパターンの繰り返しが点線で示される。ビーム偏向要素のグループ数又はグループごとの要素数は制限されない。要素は、透明基板１４Ａ、１４Ｂによって挟まれた薄いＨＰＤＬＣグレーティング薄層１５の形態をとる。基板の対向面に透明電極が適用され、当該電極の少なくとも一つが、ＳＢＧ要素と重なるパターンとされる。
【０１１４】
後に詳細に述べる入力画像生成器が、一般に１００で示されるコリメートされた画像光を与える。各グループのビーム偏向要素が画像光を回折して一セットのＦＯＶタイルを与える多重光線にする。所与のタイルに対応する複数の要素が固有のグレーティング処方を有する。光線は、幾何学的な光学原理に従って射出瞳を画定する。図面の投影におけるグループ１５及び１８からの限定的光線が１０７、１０８で示される。各要素は、回折効率角度帯域±θを有する。図３と図２とを比較すれば明らかなことだが、図３の実施例は、図２に示されたＳＢＧ層を単数のＳＢＧ薄層内に散在させることと等価である。一実施例において、第１の多重ビーム偏向要素及び第２の多重ビーム偏向要素は、図３Ｂに示されるように均一に散在される。一実施例において、第１の多重ビーム偏向要素及び第２の多重ビーム偏向要素は、図３Ｃに示されるようにランダムに散在される。
【０１１５】
図３はＨＭＤの原理を示す。上記原理に基づくディスプレイは、２つのサブシステムを含む。すなわち、カラー導波路（ここではデジレンズ（DigiLens（登録商標））とも称する）、及び、当該カラー導波路内に入力画像を送り込むべく構成されたデバイスである（ここでは画像送り込みノードとも称する）。
【０１１６】
一実施例におけるディスプレイの基本原理を、図４〜７の正面図を使用して詳細に例示する。カラーディスプレイにおいて、デジレンズは、それぞれが赤、緑又は青のカラー結像チャネルを与える３つの個別ＲＧＢ導波路の一積層を含む。一実施例において、各導波路はさらに、２つのホログラフィック層（二重層と称する）に分割される。一実施例において、特に記載しない限り、当該説明は二重層を仮定する。したがって、図４においてデジレンズ２は、層２１、２２をさらに含む二重層を含む。装置はさらに、ＩＩＮ（Input Image Node（入力画像ノード）３、デジレンズ駆動電子機器４、及びＩＩＮからの光をデジレンズ内に入れるための結合器を含む。ＩＩＮとデジレンズ駆動電子機器とは通信リンク１０３によって接続される。各ＳＢＧ層は複数アレイのＳＢＧを包含する。これらは、複数セットのサブアレイを含む。いずれの所与のサブアレイも、その部材は、所定セットの光学的処方の一つを有する。各処方は、一の固有のＦＯＶタイルに対応する。ＳＢＧ処方の数は、ＦＯＶタイルの数に等しい。いくつかの実施例において、処方は、ＩＩＮからの入射ＴＩＲ入力光を偏向させてＦＯＶタイルを画定する出力光にするのに必要なブラッググレーティングの幾何形状を画定する。簡便のため、番号２００〜２０２により示される３つのＳＢＧ要素サブアレイが例示される。各サブアレイの３つの要素は記号Ａ〜Ｃによって標識されて例示される。駆動電子機器は、電圧出力１０３Ａ〜１０３Ｃを与える。ＳＢＧ要素３００Ａ〜３００Ｃへの接続１０４Ａ〜１０４Ｃが示される。アレイ要素の分布は、ＦＯＶタイルに依存する。例えば、ＦＯＶの中心領域近くにあるＦＯＶタイルは、対応ＳＢＧ要素がデジレンズの中心近くに分布することを必要とする。アレイ要素の空間的な構成は、後に詳細に説明する。図５は、ＩＩＮからの入力コリメート画像光２００がデジレンズに結合されて、導波路２への入力においてコリメート画像光２０１を与えることを示す。ＳＢＧサブアレイ２００〜２０２に対する導波路からの典型的なコリメート出力ビームは、一般に、２０２Ａ〜２０２Ｃで示される。
【０１１７】
一実施例において、ＳＢＧは、電圧が適用された場合に回折を行い、かつ、他の場合すべてで光学的受動のままとなる逆モードで動作する。
【０１１８】
ＳＢＧは、図示のとおり薄い基板層（１００ミクロンもの薄さ）によって分離された連続ＳＢＧ薄層として実装される。これは、モノリシックホログラフィック光学機器による狭帯域レーザ照明の資産を十分に利用する平面モノリシック設計である。ＳＢＧをモノクロ層として構成する動機は、ホログラフィック光学機器及びＳＢＧビームスプリッタを使用して、フラット、ソリッドステートかつ精密整合のディスプレイを与え得るようにすることにある。これにより、かさばる屈折型光学機器の必要性が最小限となる。一実施例において、ディスプレイの解像度は、マイクロディスプレイの解像度によってのみ制限される。当該設計は、各層に多くのタイルをインターレースすること及び／又は新たな層を追加することによって、大きなＦＯＶまでのスケールにすることができる。同様に、瞳、アイレリーフ及びＦＯＶアスペクト比も、当該アプリケーションに適するように合わせることができる。
【０１１９】
図６は、一実施例におけるＩＩＮを詳細に示す。ＩＩＮの役割は、デジタル画像を形成し、コリメートし、及びデジレンズに送り込むことにある。２つの個別光学サブシステムが使用される。すなわち、一つはマイクロディスプレイを照明し、一つは当該画像をコリメートする。ＩＩＮは、画像プロセッサ３Ａ、入力画像生成器３Ｂ及び垂直方向ビーム拡張器（ＶＢＥ）３Ｃを含む。画像プロセッサは、通信リンク１５０を介して入力画像生成器に画像データを与える。画像プロセッサはまた、デジレンズ駆動電子機器との電子的リンクによって、デジレンズ内のＳＢＧ要素の切り換えも制御する。以下の説明で詳細に記載される入力画像生成器は、レーザモジュール及びマイクロディスプレイを含む。入力生成器からのコリメート画像光２０３は、ビーム拡張器３Ｃに結合される。ビーム拡張器３Ｃ自体は結合器５に光接続される。図７は、ＩＩＮの動作を、入力画像生成器及びＶＢＥに集中してさらに詳細に例示する。図面に与えられるＸＹＺ直交座標軸を参照する。正面図はＹＸ平面に対応し、Ｙ軸は、当該ディスプレイを見る者が知覚する垂直方向を称する。
【０１２０】
ＶＢＥ（垂直方向ビーム拡張器）は、基板６１Ａ、６１Ｂによって挟まれたＳＢＧ６０を含む。画像生成器からの画像光が、基板が形成する導波路内の、２０４で示されるＴＩＲ（内部全反射）を受ける。ＶＢＥは、損失が多い設計である。換言すれば、グレーティングの回折効率は、画像生成器に最も近い端部で低く、かつ、最も遠い末端で最高となる。一つの効果は、ＶＢＥが、２０４Ａ、２０４Ｂのような光を結合器５に向けてその全長沿いに結合させ、デジレンズ導波路の高さにマッチさせるべく垂直方向ビーム拡張（Ｙ方向の）を与えることにある。画像光は、グレーティング結合器３１ＡによってＶＢＥ内に結合される。差し込み図６２を参照すると、ホログラフィック対物レンズ３１及びホログラフィック対物レンズ３２がさらに存在する。双方とも光導波路デバイス３３に光接続される。マイクロディスプレイ２０７からの画像光が、ホログラフィック対物レンズを介して光バイド（ｂｉｄｅ）に入るとＴＩＲ経路２０８に従い、最後に光導波路から出て、ホログラフィック対物レンズ３２によって出力光２０３としてＶＢＥ内に向けられる。一実施例において、光導波路３３は、各端が傾斜した表面を含む。差し込み図６３は、レーザモジュール及びマイクロディスプレイの構成を示す。マイクロディスプレイ３７の照明が、ダイオードレーザ３４、導波路及びＳＢＧビームスプリッタを使用して行われる。ＳＢＧビームスプリッタは、導波路を形成する透明基板３５Ａ、３５Ｂ間に挟まれた薄層３６として形成される。傾斜ＳＢＧグレーティングが、薄層３５Ａのマイクロディスプレイと重なる部分に記録される。レーザモジュールからのコリメートされたＰ偏光２１０が、結合器３６を介して導波路内に入る。結合器はプリズムである。いくつかの実施例において、結合器はグレーティングデバイスである。結合された光は、ＴＩＲ経路２１１に従ってＳＢＧビームスプリッタに至る。ここで、ＳＢＧの特性に応じてＰ偏光がマイクロディスプレイに向かって回折される。光が反射されてＳ偏光となり、実質的な損失又は逸脱なしにＳＢＧビームスプリッタを通り抜けてコリメート画像光２０７として導波路から出現する。
【０１２１】
光学設計の当業者に明らかなことだが、ここに記載の原理によるＩＩＮを与えるには、多くの代替的な光学設計及びコンポーネントを使用することができる。
【０１２２】
例えば、反射型マイクロディスプレイは透過型デバイスに交換することができる。代替的に、放射ディスプレイも使用できる。これも明らかなことだが、所定のアプリケーションにおいて画像アスペクト比及び照度均一性を制御するべく、アナモルフィックレンズ及び光シェーピング拡散要素のようなコンポーネントを使用することができる。装置はさらにスペックル除去器を含む。ＩＩＮは、回折光デバイスを含むか又は回折光デバイスである。ＩＩＮによって行われるプロセスは、前から存在する技術において使用されるように、いくつかの屈折レンズ、偏光ビームスプリッタキューブ、及び様々なコンポーネントを整合させかつ組み付けるための精密なハウジングを使用する。ピース部品が高価なだけでなく、手作業も過度となる。加えて、組付体全体について、耐久性を高めることが困難であり、結局重くかつかさばることとなる。小型化されたコンポーネントは、サイズ及び重量を低減することができるが、コンポーネントコスト及び組み付け時間を激しく増加させる。
【０１２３】
なおも明らかなことであるが、ＩＩＮの説明は、単なる一つのモノクロマイクロディスプレイについて言及してきた。カラーディスプレイにおいて、ＩＩＮ光学コンポーネントは各色に対して複製される必要がある。当該光学設計は基板導波路光学機器及び回折光学要素を使用するので、一実施例における赤、緑及び青チャネルの組み合わせは、極めてコンパクトなフォームファクタ内で遂行することができる。当該フォームファクタは、マイクロディスプレイ及びレーザモジュールのサイズ並びに全体的なシステム設計要件によってのみ制限される。
【０１２４】
デジレンズにおけるＳＢＧ要素のインターレースは、多くの異なる方法で行うことができる。例えば、図１の実施例におけるインターレースされたグレーティングは、ベネシャンブラインドの態様に構成することができる（本発明者による仮特許出願第６１／６２７，２０２号明細書に開示されている）。しかしながら、かかる幾何形状と関連づけられるＭＴＦ（変調伝達関数）は、交互配置の周期的性質に起因する空間周波数において複数のノッチを有する。一実施例において、複数グレーティングの複合テッセレーションを導入すると、この欠陥を修正することができる。ここでの少なくともいくつかの実施例における「テッセレーション」は、重畳なしかつギャップなしの幾何形状繰り返しを使用した２次元表面パターンを作るプロセスとして画定される。しかしながら、テッセレーションパターンは、図４〜７に例示されるタイプの菱形形状テッセレーションパターンに限られないことに留意すべきである。わかることだが、正方形、矩形、三角形に基づく複数パターンを使用することができる。図面では規則的なパターンが示唆されているが、所定の場合においては、ランダムに分布したパターンを有することが有利である。一実施例では、所与のパターンにおいて異なるサイズ及び幾何形状の要素を使用することもできる。多くの可能なスキームが存在する。要素は、垂直方向又は水平方向に偏向したアスペクト比を有する。一実施例において、広い水平方向アスペクト比が良好な水平方向解像度をもたらす。以下に示されるように、１．３８ｍｍ×０．８ｍｍの菱形が許容可能な解像度を与える。水平方向解像度が垂直方向よりも良好となることに利益があるとは期待されないので、菱形よりもむしろ（側面を向いた）１ｍｍ正方形の方がまさに適度かもしれない。単なる例示を目的として、説明は、菱形形状又は正方形形状要素に基づくテッセレーション化タイル張りについて言及する。テッセレーション化パターンの一実施例においては、以下に述べるように、電極アドレス指定回路を許容する小さなギャップが存在する。ＳＢＧ要素パターンの例を図８〜１０に例示する。図８Ａは、多重の垂直及び水平方向寸法を有する矩形形状３０４Ａ〜３０４Ｆを含むタイル張りパターン３０４を示す。図８Ｂは、要素３０５Ａ〜３０５Ｊを含むペンローズタイル張りとして知られるタイル張りパターン３０５を示す。図８Ｃは、要素３０６Ａ〜３０６Ｃを含む正六角形に基づくタイル張りパターン３０６を示す。図８Ｄは、要素３０７Ａ〜３０６Ｄを含む正方形に基づくタイル張りパターン３０６を示す。図９Ａは、要素３０８Ａ〜３０８Ｄを含む菱形に基づくタイル張りパターン３０８を示す。図９Ｂは、要素３０９Ａ〜３０９Ｄを含む二等辺三角形に基づくタイル張りパターン３０９を示す。図１０Ａは、要素３１０Ａ〜３１０Ｃを含む水平方向に細長い六角形に基づくタイル張りパターン３１０を示す。図１０Ｂは、要素３１１Ａ〜３１１Ｄを含む水平方向に偏向したアスペクト比を有する矩形に基づくタイル張りパターン３１１を示す。図１０Ｃは、矩形の水平方向に細長い菱形要素３１２Ａ〜３１２Ｄに基づくタイル張りパターン３１２を示す。
【０１２５】
一実施例において、ＳＢＧアレイを製造するのに使用される技術は、５０ミクロン（５００ｄｐｉ）もの小ささの特徴を規則的に生成するので、上述の態様での特徴をインターレースすることは問題とならない。一つの重要な条件は、同じ処方のグレーティング間の距離を、明るい条件（明るい日光での３ｍｍを仮定）のもとでの眼の瞳のサイズと比較して小さくしなければならないことである。一実施例において、この条件が満たされる場合、帯状のむらは観測されない。重要なことは、眼がアイボックス内を動き回る一実施例において、眼の瞳を超えて動く帯域から失われた光が、瞳の中へ動くもう一つの帯域から得られた光によってオフセットされることにある。この効果から予想される光度変動は、導波路にわたる照明が均一であると仮定すれば、近似的に平均輝度レベルの±１％である。帯状のむらの概念は、ＳＢＧ要素が複数のコラムを含む実施例において最も容易に理解することができる。しかしながら、基本原理は、ここに記載されるいずれの実施例とともに使用されるいずれのタイプのパターンにも当てはまる。
【０１２６】
いくつかの実施例において、画像光は、デジレンズの一端にのみ入る。デジレンズの各導波路は一般に、２つのＳＢＧ層を含む。図面及び明細書を考慮すれば明らかなことだが、かかる実施例において層は、一方が逆の同じ処方のＳＢＧアレイを含む。画像送り込みノードは、２つの対称的部分に構成され、対向経路にある別個の画像光を２つのホログラフィック層に与える。かかる実施例は、コンポーネントの重複を必要とするので、実装が高価になる可能性が高い。
【０１２７】
いくつかの実施例において、各デジレンズ二重層導波路は厚さ２．８ｍｍである。ＳＢＧ層は理論上、低屈折率の基板又は空気ギャップによって分離される。ＴＩＲビームを必要とする多くの実際的なアプリケーションにおける一実施例では、幾何形状は空気界面なしにサポートすることができない。ホログラムの厚さも誇張されていることにも留意する。一実施例において、グレーティングは、厚さ１００〜２００ミクロンの基板によって挟まれて厚さ３ミクロンである。基板の対向面に適用される透明電極の厚さは、ナノメートルで測定される。
【０１２８】
図１１は、一実施例における、２つの層２０、２１を含むデジレンズ導波路の概略的断面図である。層２０は、透明基板２０Ａ、透明パターン電極層２０Ｂ、２０Ｆのような要素を包含するＳＢＧアレイ２０Ｃ、透明電極層２０Ｄ及び第２の基板２０Ｅを含む。層２１は、透明基板２１Ａ、透明パターン電極層２１Ｂ、２１Ｆのような要素を包含するＳＢＧアレイ２１Ｃ、透明電極層２１Ｄ及び第２の基板２１Ｅを含む。一実施例において、基板２０Ｅ及び２１Ａは組み合わされて単数層となる。
【０１２９】
図１２Ａ〜１２Ｄは、１〜４で標識されたタイプのＳＢＧ要素を包含する領域内のテッセレーションパターンの複数の例を示す。眼の瞳３１１が重ねられている。図１３〜１４は、ディスプレイ射出瞳の一つの眼の瞳位置において図１３に示されるように構成された一つの特定ＳＢＧ要素タイプに対するＭＴＦデータを示す。ＳＢＧ要素は、３１３Ａ〜３１３Ｉによって標識される。図１４はＭＴＦ曲線を示す。この実施例では、上の曲線３１４Ａが回折制限ＭＴＦであり、下の曲線が、収差を許容する推定ＳＢＧアレイＭＴＦである。菱形形状は、一辺＝０．８ｍｍの三角形に基づくので長さ＝１．３８ｍｍとなる。このアーキテクチャは、２つの層（１つの二重層）モノクロ設計、又はＲ、Ｇ、Ｂカラー設計の単数カラー層に適用可能である。３つの積層二重層は、複合的な性能を与える。射出瞳３１１は、この実施例において直径３ｍｍである。
【０１３０】
図１３〜１４に対応するデジレンズアーキテクチャは、２つのモノクロＳＢＧ層上に１２のＳＧＢ要素をタイル張りする。図１８を参照すると、図１３に例示される第１の層は、水平方向（下側）のタイルすべてＬ１〜４及び水平方向（中央）のタイル（ＭＩＤ，１）、（ＭＩＤ，２）をタイル張りする。第２の層は、水平方向（中央）のタイル（ＭＩＤ，３）、（ＭＩＤ，４）及び水平方向（上側）のタイルすべてＵ１〜４をタイル張りする。
【０１３１】
図１５は、水平方向に偏向されたアスペクト比の矩形ＳＢＧを使用したタイル張りの一例を示す。タイル張りパターン３１５は、番号３１５Ａ〜３１５Ｅによっても標識される要素タイプ１〜５を含む。
【０１３２】
図１６は、一実施例において、デジレンズがどのようにして射出瞳内にＦＯＶをタイル張りするのかを、モノクロ画像を形成する３つの連続ステージで例示する。各原色の画像の書き込みは同様のプロセスに従う。図１６Ａ〜１６Ｃは、標識３１５Ａ〜３１５Ｃによっても示される３つのタイプのＳＢＧ１〜３がアクティブにされるところを示す。いずれの場合も、眼の瞳３１１及び射出瞳３１６が重ねられている。矩形３１９によって示されるＦＯＶ空間における対応ＦＯＶタイル３１９Ａ〜３１９Ｃが、図１６Ｄ〜１６Ｆに示される。切り換えプロセスの理解を簡単にするべく、わずかな数のＳＢＧ要素のみが例示される。なお、所与のタイプのＳＢＧ要素すべてが、ビームとグレーティングとの「損失が多い」結合に起因して、同時に光の結合をすべて解除することができる。換言すれば、個々の要素の回折効率が、導波路ビームから得られる光から一の割合の光を抽出するべく変調される。一実施例において、導波路ビームが相互作用する第１の要素が最も貧弱な結合効率を有する一方、ビーム経路の他の末端にある要素は最も強力な結合効率を有する。
【０１３３】
所与タイプのＳＢＧからの光によって充填される瞳面積はおおよそ固定されている。眼が左から右へ動くと、光が、最も左にあるＳＢＧ要素から失われる一方、右側のエッジにおいて得られる。この効果から生じる光度変動は、全要素にわたる照明が均一であると仮定すれば、近似的に２％（平均輝度レベルの±１％）である。
【０１３４】
いくつかの実施例において、ＳＢＧ要素の周期性は、要素アパチャによる回折又は均質干渉効果に起因する好ましくないアーチファクトをもたらしかねない。後者の可能性は低いと考えられる。平面導波路構造内を伝播する光は、平面導波路構造が本来備える不均等な光経路長ゆえに、次のアパチャからの光と必ずしも同相になるとは限らないからである。したがって、各周期的なアパチャを出た光は、（レーザのコヒーレンス長が平面導波路構造に対して合理的に長いとしても）ＳＢＧ要素すべてにわたって考慮された場合、インコヒーレントに結合すると期待される。好ましくないアーチファクトがＳＢＧ要素から生じる事象において、提案されるストラテジーの周期性は、当該要素をランダムに配列することを伴う。
【０１３５】
デジレンズのアパチャ全体にわたる複数箇所が、２５ｍｍのアイレリーフゆえに漸次的に異なる態様で、角度情報を１０ｍｍアイボックスに与える。ディスプレイの左に向かう箇所は、ＦＯＶの右からの角度コンテンツを与えず、逆もまた同様である。光学効率を最大にするべく、一実施例におけるデジレンズは、処方されたアイレリーフにおいて所望のアイボックスを充填する充填率に最適化される。図１０Ａ〜１０Ｄは、一実施例においてアイボックスに寄与するＳＢＧアパチャの部分を示す。
【０１３６】
デジレンズの表面全体にわたる位置すべてが、アイボックスにおける瞳充填率に寄与するわけではない。２５ｍｍ（アイレリーフ）において１０ｍｍの瞳を充填するには、光取り出しＳＢＧの最小サイズは、ちょうど幅３０ｍｍ未満である。しかしながら、デジレンズの中心における極めて小さな領域のみが、すべての角度、例えば−１５°±５°、−５°±５°、＋５°±５°及び＋１５°±５°におけるコンテンツを与える。これらの角度帯域は、（上側（＋１０°）、中央（＋０°）及び下側（−１０°）の視野角それぞれに対して見出される）光取り出しＳＢＧコラム１、２、３及び４に対応する。
【０１３７】
図１７は、図１８の垂直方向３つ×水平方向４つのＦＯＶタイル張りパターンに対するＳＢＧタイルタイプの分布を示す。この場合の図面に示されるように、１２のＳＢＧ処方すべてがＦＯＶの中心に必要とされる一方、必要とされる数は、ＦＯＶの水平方向限界においてちょうど一つとなる。
【０１３８】
図１８は、５２°×３０°ＦＯＶにタイル張りするべく（各ＳＢＧ処方が１３°×１０°を与えるものと仮定）使用される例示的なＦＯＶタイルパターンを示す。ＳＢＧ処方の合計１２の異なるタイプは、垂直方向タイル張りに対して「ＵＰ」、「ＭＩＤＤＬＥ」及び「ＤＯＷＮ」要素を並びに垂直方向タイル張りＳＢＧタイル（１〜４で標識）のそれぞれに対して４つの水平方向タイル張り処方を含むように与えられる必要がある。各タイプのＳＢＧは、一を超えるＳＢＧ要素によって表される。したがって、［ＵＰ，１］においてＦＯＶタイルを見るには、この実施例では各コラムグループ「ＵＰ」の各要素「１」を連続的にアクティブにする必要がある。
【０１３９】
図１９〜２３は、図１７〜１８において画定された各タイル張り領域に対応するＳＢＧパターンを例示する。いずれの場合においても、オンＳＢＧタイプに対する単数の層パターン及び２つの重畳パターンが例示される。この実施例においては、正方形要素が仮定されている。図１９は、領域１及び７（３タイルタイプ）に対応するパターンを示す。２つの層が３２６、３２７によって示される。各層は、タイプ１要素３２６Ａ、３２７Ａ及び（他のタイプの要素が占有するための）空間３２６Ｂ、３２７Ｂを含む。この場合、一つの層がアパチャ充填率３３％を達成し、かつ、一つの二重層がアパチャ充填率６６％を達成する。図２０は、領域２及び６（６タイルタイプ）に対応するパターンを示す。２つの層が３２８、３２９によって示される。各層は、タイプ１要素３２８Ａ、３２９Ａ及び空間３２８Ｂ、３２９Ｂを含む。この場合、一つの層がアパチャ充填率１６．７％を達成し、一つの二重層がアパチャ充填率３３％を達成する。図２１は、領域３及び５（９タイルタイプ）に対応するパターンを示す。２つの層が３３０、３３１によって示される。各層は、タイプ１要素３３０Ａ、３３１Ａ及び空間３３０Ｂ、３３１Ｂを含む。この場合、一つの層がアパチャ充填率１１．１％を達成し、一つの二重層がアパチャ充填率２２．２％を達成する。最後に、図２２は、領域４（１２タイルタイプ）に対応するパターンを示す。２つの層は３３２、３３３によって示され、各層は、タイプ１要素３３２Ａ、３３３Ａ及び空間３３２Ｂ、３３３Ｂを含む。この場合、一つの層がアパチャ充填率８．３３％を達成し、一つの二重層がアパチャ充填率１６．７％を達成する。
【０１４０】
得られた複合パターン３４０が図２３に示される。３層導波路３４１における単数ＳＢＧタイプのカバー率の一例が図２４に示される。
【０１４１】
図２５〜２６は、一実施例における２層導波路の各層に対するＳＢＧパターンを示す。
【０１４２】
人間の視力限界の典型的な推定値は、約１ａｒｃ分／ライン対＝６０ｃｙｃ／度であり、これは一般的に許容される性能限界であって３．４ｃｙｃ／ｍｒと同等である。これは、眼の瞳が直径３ｍｍに収縮される輝度条件下での標準視力によって達成することができる。眼は、制限を受けた光受容体である。中心窩における錐体空間は、６０ｃｙｃ／度と同等の２．５μｍもの小ささであり得る。大きな瞳アパチャでは、眼の性能は当該眼の収差によって著しく劣化する。約３ｍｍでは、眼の性能は回折限界に近くなる。ｆ／５．６の眼（ｆ＝１７ｍｍである３ｍｍの瞳）に対する５３２ｎｍでの回折限界カットオフは、網膜限界よりも著しく高い約３２０ｌｐ／ｍであることに留意する。したがって眼は、この実施例において、密度制限を受けた光受容体である。これを考慮すると、眼の瞳、又は眼の瞳を制限するディスプレイが０．７５ｍｍ（１．４ｃｙｃ／ｍｒのカットオフと同等）よりも大きい場合、網膜におけるぼやけスポットサイズには影響がない。これによって、ディスプレイに対する最小アパチャ要件が確立される。４Ｈ×３Ｖタイルを有する１２μｍピッチのＬＣｏＳマイクロディスプレイは、各タイルが６４０Ｈ×４８０Ｖピクセルを有するが、５２度Ｈ×３０度Ｖを超える２５６０Ｈ×１４４０Ｖピクセルをもたらすことができる。マイクロディスプレイから網膜へのディスプレイ投影拡大倍率は、近似的に２倍となる。したがって、眼におけるマイクロディスプレイピクセルの角度サイズは、網膜での表示ナイキスト周波数が８３ｃｙｃ／ｍｍ（１．４ｃｙｃ／ｍｒ）であれば、６．０μｍとなる。画像シャープネスは、１／２ナイキスト限界（すなわち、網膜での画質を示す以下のプロットにおいて約４０ｃｙｃ／ｍｍ）においてコントラストが最大となる場合のシャープさと評価できる。
【０１４３】
カラー導波路ＳＢＧ層の周期的構造が回折グレーティングとして作用する懸念について取り組みがなされている。高次回折、導波路内のゼロ次ビーム、及びＳＢＧ要素のアパチャのような、カラー導波路内の潜在的な回折アーチファクト源の多くは最小とされ（又は除去さえされ）、精密に調べるとＳＢＧは体積ブラッググレーティングであり、及び、一実施例においては、焼けた（blazed）又は薄いグレーティングについて見られるように高次はサポートされない。高次の不在がゴースト画像を最小にする（又は除去さえする）。一実施例において、導波路光内では、（損失が多い導波路で）導波され続ける光は、タイルの出力アパチャを「見る」ことがない。したがって、導波路を通るビーム内の回折次数の増加は生じない。異なるＳＢＧ要素アパチャからの光出力は同相ではない（恐らくは固有の場合を別にして）。光経路は、視野角の関数として変化する。したがって、アパチャからの出力が位相はずれとなること及びそれゆえインコヒーレント結合となることを期待するのが合理的である。したがって、回折アーチファクトは予想されない。
【０１４４】
周期的構造についての初期の懸念は、５０μｍのコラム幅に基づくものであった。新たなＳＢＧ特徴のサイズは今や、８００μｍ〜１３８０μｍの範囲である。グレーティング方程式から予測される回折角は著しく小さい。例えば、入力角５２°の５０μｍの特徴に対し、回折角は１度（７４ピクセルと同等）となる。入力角５２°の１０００μｍの特徴に対し、回折角は０．０５°（３．７ピクセル）まで低減する。この実施例において極めて最悪のケースでは、回折ゴーストが、例えば、暗い背景に対して極めて明るい対象という条件下で現れる場合、ニア対物レンズフレアのように現れ、オリジナル画像から十分に分離した二重画像としては現れない。
【０１４５】
レーザスペックルを克服するべくスペックル除去器をＩＩＮに組み入れることもできるが、当該設計がスペックル除去性を本来備えていることが期待できる合理性が高い。出力ＳＢＧアパチャ全体にわたって位相の多様性が存在するはずである。偏光の多様性がさらにスペックル除去を補助し、それゆえ当該構造からの任意の回折アーチファクトに係る効果を最小にする。さらなる安全措置は、ＳＢＧアパチャに直線的なエッジを有することが必須ではないことに留意すれば、当該エッジが、任意のアーチファクトをランダムに配置するようなパターンとなる点にある。
【０１４６】
いくつかのファクタが設計レイアウトに影響を与える。瞳充填率を最大にするべく、テッセレーション限界を考慮に入れる必要がある。重要なことは、２層の単数二重層上の各パターンにつき３、６、９及び１２タイルを有することで、直径３ｍｍの投影された眼の瞳に対するディスプレイ射出瞳内のいずれの位置にも最大の瞳充填率条件を作る必要がある点である。２層のＳＢＧパターン間のオフセットが、ｘ又はｙにおけるテッセレーションパターン設計に対して非整数オフセットを有する必要はない。一実施例において、ｘオフセットが実際には一領域の一側又はもう一つの側に１／２ピクセルをもたらし、その後当該エリア単独の１／２ピクセルに対するＩＴＯアドレス指定を必要とする。一実施例において、均一なアドレス指定ピッチを維持するにはこれを回避する方がよい。一実施例において、当該パターンのｙオフセットも同様に、１／２ピクセルの垂直方向アドレス指定を必要とする。同様に、これも回避することが望ましい。カバー率を最大にするべくｙに１／２ピクセルオフセットを有することは許容可能であるが、この場合、すべてのパターンが同じ方向に１／２ピクセルオフセットを有する必要がある。一実施例では、１２タイルタイプすべてが各二重層において使用される。しかしながら、最大タイルタイプ充填率は、２層上の９タイルタイプに対して得られる。例えば２層上に、６タイルタイプ及び３タイルタイプを構成する必要がある場合もある。例えば、一実施例において、３つの水平方向タイルタイプが単数の垂直方向タイル帯域に対して眼の瞳を充填する一領域を考えてみる。なお、複数の二重層の他の複数の層が他の２つの垂直方向タイル帯域をアドレス指定する。層１及び２は双方とも、同じタイルを包含するが、オフセット配列において所望の瞳充填率を達成する。単数のタイルが寸法（Ｈ，Ｖ）＝（０．８＊ｓｑｒｔ（３），０．８）＝（１．３８６，０．８）を有する。１タイルタイプの単数の層上のオフセットは、（ｄｘ，ｄｙ）＝（０，３Ｖ）によって与えられる。層２に対する層１のオフセットは、（ｄｘ，ｄｙ）＝（０．５Ｈ，１．５Ｖ）＝（０．６９３，０．４）によって与えられる。以下の分析では、光学的モデル化を簡単にするべく１ｍｍ×１ｍｍ正方形が使用されている。しかしながら、形状にかかわらず原理は同じである。しかしながら、所定の形状が優先的に充填されることにも留意すべきである。
【０１４７】
図２７〜２９は、入力画像生成器を含むＩＩＮのいくつかの実施例を例示する。入力画像生成器は、ダイオードレーザモジュール３４、結合プリズム３４Ａ、基板３５Ａ、３５Ｂ間に挟まれたＳＢＧビームスプリッタ層３５、マイクロディスプレイモジュール３８、表面４２Ａ、４２Ｂを含む光導波路４１、入力結合部、ホログラフィック対物レンズ、スペーサ半波長板、ホログラフィック対物レンズを含む。
【０１４８】
有利には、一実施例において、ＩＩＮは、テレセントリックな（わずかに投影された）瞳を与える。これによって、良好なコマ制御と、瞳による垂直方向ビーム拡張器の良好な充填とが可能となる。
【０１４９】
図２８Ａは、一実施例における、入力画像ノードからデジレンズへのＶＢＥを介した結合を例示する断面図である。図２８Ｂは、図２８Ａの実施例の詳細な光線トレースを示す。ＶＢＥは、デジレンズの高さに対応する距離にわたって、ビームからの損失が多いグレーティング抽出光を含み得るか又は実際に含む。対物レンズ入力において、光は秩序立てられ、瞳全体にわたる光が、緊密な視野角バンドル内に配列される。ＶＢＥの遠位端では、異なる視野角を有する光バンドルの異なる数により、当該バンドルがさらに分散される。対物レンズ端では、最高導波路角を有するピンク光線が、ＶＢＥ導波路の残りから最も遠くに存在する。導波路内の最も急勾配の光線（黄）が左端から開始する。これは、受動入力結合器（及びＶＢＥ厚さ）を下側（ｄｏｗｎ）に維持するのに役立つ。遠位端（十分に左）では、ＶＢＥから導波路への結合が、入力に見出される次数の損失によって阻害される。導波路の厚さが二倍になることを回避するべく、一実施例では、ＶＢＥのデジレンズとの結合ステージにおいて５０／５０能動結合器が使用される。
【０１５０】
図２９は、デジレンズ及びＶＢＥの平面図である。これは、ＶＢＥがどのようにして２つの切り換え可能要素に分離されるのかを示す。これによって導波路厚さが低減される。各デジレンズ二重層導波路は、厚さ２．８ｍｍである。切り換え部がなければ、厚さは二倍となって総導波路厚さが約１０ｍｍから約１８ｍｍに増加する。図１０は、ＶＢＥからデジレンズまでトレースされた光線を示す。
【０１５１】
ここに与えられるいくつかの実施例は、基板導波路光学機器に十分適合させる必要がある。第１に、コンポーネントコストが低減される。様々なホログラフィック光学要素には、光学的複雑性が包含される。一セットのマスタを作ることに関連づけられる非反復エンジニアリング（ＮＲＥ）がひとたび完了すれば、別個の屈折型コンポーネントに関連づけられる反復材料コストと比べ、複製コストが相対的に微々たるものとなる。第２に、組み付け時間が低減される。部品点数が低減されるだけでなく、組み付けプロセスもかなり高速になる。複数の平面構造は、整合基準を使用することによって、極めて高い光学的精密性でコスト効率良く一緒に積層することができる。厳格な基準に合わせてピース部品組付体を作る作業と比べ、手作業も大幅に低減される。第３に、光学的精密性が高くなる。新たな光学設計を設計する上での最大の課題の一つは、ピース部品、機械的ハウジング及び組み付け手順に関する公差の増大を制御することである。ホログラフィック光学要素（ＨＯＥ）に関しては、ＮＲＥフェーズ中にＨＯＥマスタに獲得される年長のエンジニア及びこのレベルの品質によって「黄金基準」を組み付けることができる。ＨＯＥの光学的整合が高い精密性によって遂行されるという事実に加え、個々のＨＯＥは整合上、ばらつきについて公差を有する。したがって、高品質デバイスの全体的な歩留まりはかなり高い。最後に、サイズ及び重量が、サブシステム全体の耐久性が存在するこのモノリシック設計によって大幅に低減される。
【０１５２】
一つの重要な性能パラメータは、ディスプレイのシースルー透過性である。透過性に影響を与える可変因子は、ＩＴＯコーティング（０．９９５）、ＡＲコーティング（０．９９）並びに基板及びホログラフィック層の吸収である。導波路と低屈折率接着層との界面におけるフレネル損失も存在する。一実施例において、９０％超過の対物レンズを有するカラーディスプレイに対する所望の透過率は７０％超過である。ディスプレイごとに３つの導波路及び導波路ごとに２つの基板を仮定すると、計算される透過率は９３％であり、規定の対物レンズに適合する。一実施例において、ここに記載される設計は、１００ミクロンのガラス基板を使用する。３つの導波路及び導波路ごとに３つの基板（２つのホログラフィック層が３つの基板を必要とする点に留意）により、カラーディスプレイの全ディスプレイ厚さは、なおも１ｍｍ未満である。ホログラフィック層（コーティングも含む）の厚さは無視できる。それぞれは、全厚さに対して４〜５ミクロンの寄与に過ぎないからである。重量は常に問題となるので、これも、ここに記載される実施例の重要な特徴となる。基板がプラスチックを含む一実施例では、重量がさらに低減される。
【０１５３】
一実施例において、ＳＢＧは、電圧が適用された場合に回折を行い、かつ、他の場合すべてで光学的受動のままとなる逆モードで動作する。ＳＢＧは、示されるように薄い基板層（１００ミクロンもの薄さ）によって分離された連続ＳＢＧ薄層として実装される。究極的には、設計目標は、透過型導電コーティング（ＩＴＯの置換として）を有するプラスチック基板を使用することにある。本願に適したプラスチックＳＢＧ技術は、並列ＳＢＩＲ（Small Business Innovation Research（中小企業技術革新研究））プロジェクトにおいて開発されている。この実施例において、これは、モノリシックホログラフィック光学機器による狭帯域レーザ照明の資産を十分に利用する平面モノリシック設計である。
【０１５４】
ＳＢＧをモノクロ層として構成することにより、ホログラフィック光学機器及びＳＢＧビームスプリッタ技術を使用してフラット、ソリッドステートかつ精密整合のディスプレイを与えることができる。これにより、かさばる屈折型光学機器の必要性が最小限となる。ディスプレイの解像度はＬＣｏＳパネルのそれによってのみ制限される。
【０１５５】
本設計は、各層に多くのタイルをインターレースすること及び／又は新たな層を追加することによって大きなＦＯＶに対してスケール拡張可能である。同様に、瞳、アイレリーフ及びＦＯＶアスペクト比も、当該アプリケーションに適するように合わせることができる。本設計は、小さなＦＯＶに対してスケールダウンすることもできる。
【０１５６】
図３０Ａ〜３０Ｂは、ここに記載される少なくともいくつかの実施例とともに使用される偏光リサイクルのためのスキームを例示する。これは、ＳＢＧ材料（現行の又は将来開発されるもの）の特性に基づき又は偏光回転コンポーネントが意図的に導波路に導入される場合に、ＳＢＧ光取り出し導波路により偏光が維持されない事象において意義がある。詳しくは、直線偏光がデジレンズ導波路内に入力される（すなわち光がＶＢＥから導波路内に結合される）場合及び光がＳ偏光とＰ偏光の混合に変換される場合、薄いデジレンズ導波路を使用することができる。これにより、導波路を１／２の薄さまで低減することができる。図３０Ａは、結合グレーティング３５３によって入力光線３５４Ａ、３５４Ｂが、３５５Ａ、３５５Ｂにより標識されるＴＩＲ経路内に向けられる導波路２５２を示す。光は任意の偏光にある。しかしながら、一実施例におけるＳＢＧ入力グレーティングに対しては、Ｐ偏光が望ましい。結合グレーティングアパチャはＡである。例示目的のみとして、ＴＩＲ角は４５°となるように選択されている。その結果、第１のＴＩＲ跳ね返り後に、制限入力光線が結合グレーティングのエッジを縁取るのに必要な導波路の厚さはＡ／２となる。
【０１５７】
図３０Ｂを参照すると、導波路３５６は、互いに隣接して配置された第１及び第２のグレーティング３５７Ａ、３５７Ｂと、当該導波路と第１のグレーティングとにより挟まれた半波長フィルム３５７Ｃと、当該導波路と第２のグレーティングとにより挟まれた偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）フィルム３５７Ｄとを含む入力結合光学機器を有する。ＰＢＳは、Ｐ偏光を透過しかつＳ偏光を反射するべく設計される。再びであるが、ＴＩＲ角は、例示目的のみとして４５°に選択される。入力Ｐ偏光コリメート光３５８Ａ、３５８Ｂが、Ｓ偏光３５９Ａを与えるべく第１のグレーティング及び半波長フィルム（ＨＷＦ）を介して、かつ、Ｐ偏光３５９Ｃ、３５９Ｄを与えるべく第２のグレーティング及びＰＢＳを介して導波路内に結合される。図３０Ａ及び図３０Ｂの実施例を比較すると、第２の実施例において、入力結合アパチャは、ＨＷＦ及びＰＢＳによる偏光回復に起因して２つのＴＩＲ跳ね返り長さと等しくなり得ることが明らかである。図３０Ａの実施例では、入力対は、一つのＴＩＲ跳ね返りよりも長くなり得ない。これは、グレーティング相互依存によって光が導波路から出て下方に向かうように回折されるからである。図３０Ｂの実施例の一つの利点は、導波路厚さが５０％だけ低減され得ることにある。すなわち、Ａに等しい結合器長さに対し、（４５°ＴＩＲに対する）導波路厚さはＡ／４となる。このとき、いくつかの実施例において、導波路内のＳ光及びＰ光は分離されない。典型的に、入力光は発散性なので、Ｓ及びＰ光は急速に空間的に混合される。しかしながら、多くのＰ光取り出しを理由に導波路が偏光を回転させる場合、ＳからＰへの変換がＰからＳへの変換よりも多く存在する。すなわち、正味の利得がもたらされる。偏光回転は、導波路壁の反射特性から及びＳＢＧが使用されるホログラフィック材料の複屈折から生じる。一実施例において、偏光回転は、導波路の下面に１／４波長フィルム（ＱＷＦ）を適用することによって与えられる。ＨＷＦ及びＱＷＦは、厚さ約０．１２５ｍｍである。典型的な接着層は約７５ミクロンである。したがって、いくつかの実施例において、偏光制御フィルムの導波路厚さ全体に対する寄与は著しいものではない。所定の場合には、当該フィルムは、ラミネーション目的で使用される接着層に浸漬することができる。
【０１５８】
図３１は、いくつかの実施例において使用される対向伝播導波路を例示する。導波路は、基板５２Ａ、５２Ｂによって挟まれた、同一であるが対向する処方の隣接するグレーティング薄層５１Ａ、５１Ｂを含む。左から右へ伝播する導波路光３６２が、連続的に抽出される光３６０Ａ〜３６０Ｃを与えるべくグレーティング５１Ａと相互作用し、拡張された出力ビーム３６０が得られる。右から左へ伝播する導波路光３６８が、連続的に抽出される光３６１Ａ〜３６１Ｃを与えるべくグレーティング５１Ｂと相互作用し、拡張された出力ビーム３６１が得られる。なお、左／右伝播方向から抽出されない少量の光は対向グレーティングと相互作用し、光線３６３〜３６６によって示されるように、拡張されたビーム３６０、３６１に対向する方向に回折されてグレーティングから取り出される。
【０１５９】
図３２は、一実施例の導波路における均一性を達成する目的でのビームスプリッタの使用を例示する。この原理は、双方の拡張軸において適用される。さらなる改善として、ビームスプリッタオフセットが導波路に使用される（すなわち、多重跳ね返り相互作用後の均一性を最大にするべく、導波路表面同士の中間ではなく導波路の中間点からオフセットされる）。なおもさらなる改善は、ビーム混合を最適化及び調整するべく、ビームスプリッタにおいて異なる反射率を使用することにある。特定の理論に拘束されるものではないが、ビームスプリッタの反射率％を５０／５０以外のものに変更することにより、又は、Ｂ／Ｓ長さに沿った透過／反射スプリットを変更することにより、瞳充填率を均質化かつ最適化することができる。例えば、図３２において、導波路３５３はビームスプリッタ層３５２を包含する。いくつかの実施例において、ビームスプリッタは、薄いフィルムコーティングを使用して設けることができる。３７０のようなＴＩＲ光線はその後、ビームスプリットを受ける。その結果、光線３７１〜３７３に示されるように、導波路の上壁と下壁との間、導波路の上壁とビームスプリッタとの間、及びビームスプリッタと導波路の下壁との間において導波が生じる。
【０１６０】
入力照明のプロファイルを制御することによってＩＩＮストッパが形成される。少なくともいくつかの実施例において、投影光学機器に硬い物理的ストッパは存在しない。投影されるストッパの利点は、導波路厚さの低減を含む。ストッパは、ＶＢＥ内のアパチャ直径を最小にするべくＶＢＥ上方の途中に投影される。これにより、デジレンズ導波路結合器に対するＶＢＥのアパチャ幅が最小となる（例えば、第１軸拡張器の幅を低減することにより第２軸拡張光学機器の厚さが制限される）。
【０１６１】
図３３〜３６は、いくつかの実施例において、デジレンズ内で使用されるＩＴＯのアドレス指定アーキテクチャの詳細を示す。
【０１６２】
図３３は、所与のＩＴＯ層においてトラック数を低減する方法を示す。この方法は、トラック数を近似的に１／３だけ低減するべくＩＴＯの両面アドレス指定及びスーパーピクセルアドレス指定を使用する。第１グループ３５０に与えられるピクセルは、３５０Ａ、３５０Ｂによって標識されるもののような３単位×１単位次元要素と、３５０Ｃ〜３５０Ｈによって標識されるもののような１単位×１単位次元要素とを含み、第２の重畳反転グループ３５１は、３５１Ａ〜３５１Ｇによって示されるような同一ピクセル幾何形状を含む。
【０１６３】
図３４〜３６は、電極配線トラックの交互配置がどのようにして、２Ｄ電極構造に多重の異なるテッセレーションタイプをアドレス指定すること（切り換えること）を許容するべく使用されるのかを示す。図３４は、４０１のような電極要素がトラック４０２〜４０４によって接続される実施例において使用される配線スキームを示す。図３５は、示される電極４０７〜４０９及びトラック部分４１０、４１１を有するもう一つの実施例における配線スキームを示す。図３６は、図３３の実施例の電極及びトラックを詳細に示す。要素及びトラックは番号４２１〜４３４によって示される。
【０１６４】
電極アーキテクチャは、同一パターン技術を使用することによる部品複雑性の低減、及び十分なアドレス指定ネットワークをもたらすフリップ対称性が利点である。これは、設計作業では必要とされないが、設計及び取り扱いを必要とする部品の数を制限する。
【０１６５】
一実施例において、ＳＢＧ層の下にある漸増反射プロファイルを使用して、長さに沿ったグレーティングＤＥ（回折効率）変動を制御（又は補助）する（通常は屈折率変調を使用してＳＢＧグレーティングにおいて達成される）。これは、第１の跳ね返りで低いパーセンテージの光が取り出されるが高いパーセンテージは拡張器の他端で取り出される場合に有用である。
【０１６６】
一実施例において、入力パワーを倍増させ及び／又は１Ｄアパチャ幅を最小とするべく１Ｄ拡張エンジンが使用される。
【０１６７】
一実施例において、ディスプレイは「バイザー」として構成される。カラー導波路は、少なくとも一つの平面において曲線を描く。一般に、かかる実施例は、大きな（３０ｍｍ）アイレリーフ及び大きな射出瞳を有する。大きな射出瞳は、ＩＰＤ調整の必要性を低減する（又は除去もする）。図３７Ａ〜３７Ｂは、両側にデジレンズ７１及び光電子工学モジュール７０Ａ、７０Ｂを含む湾曲バイザーの概略的な平面図及び側面図である。一つのモジュールがＩＩＮを含む。第２のモジュールが補助的な光学機器及び電子機器を包含する。
【０１６８】
図３８は、一実施例における湾曲バイザーのデジレンズを詳細に示す。デジレンズは、それぞれがＳＢＧアレイ７３Ａ〜７３Ｃを包含する複数の積層導波路を含む。この場合、３つのＳＢＧ層が、クラッド層７２Ａ〜７２Ｄによって互いに隔離される。光線経路が３８１Ａ〜３８１Ｃによって示される。図３９の実施例において、ＳＢＧ層は、クラッド層なしで積層されて単数導波路構造を形成する。光線経路は３８２Ａ〜３８２Ｃによって示される。
【０１６９】
図４０に示される一実施例において、バイザーデジレンズが、切り子平面要素７６Ａ、７６Ｂの形状をとる。これによって導波路が平面となり得る。差し込みＢ及びＣに示されるように、当該切り子間の光界面７７にグレーティング７７Ａ、７７Ｂが設けられる。その結果、ビーム角が制御されて導波路画像光とＳＢＧアレイ要素との効率的な結合が確保される。グレーティング７７Ａ、７７Ｂはブラッググレーティングである。図４１に示される一実施例において、７６Ａ、７６Ｂのような平面切り子を含む切り子デジレンズが、湾曲光導波路７９に埋め込まれる。
【０１７０】
当該複数の実施例はモノクロ導波路に依存する。しかしながら、本明細書を考慮すれば明らかなことであるが、複数の代替実施例においては導波路は一を超える色彩で動作し得る。かかる実施例は、複雑なＩＩＮ設計を伴う。
【０１７１】
少なくともいくつかの実施例において、ここに記載される多層アーキテクチャは、従来型ホログラムとともに使用することができない。互いに干渉し合うからである。したがって、この課題を克服するには、視野角の時間領域積分を可能とするべく透明に切り換えられ得るＳＢＧを使用することができる。
【０１７２】
ここに記載される一実施例は、以下の仕様を有するもののようなＨＭＤに関する。
ａ）１８０°シースルー視認性、
ｂ）フルカラー、
ｃ）視野角５２°×３０°、
ｄ）アイボックス３０ｍｍ×３０ｍｍ、
ｅ）解像度２５６０×１４４０、
ｆ）スネレン視力標準、
ｇ）アイレリーフ３０ｍｍ、
ｈ）ユニバーサルＩＰＤ、
ｉ）双眼、及び
ｊ）ポリカーボネート光学機器である。
【０１７３】
ここに記載される少なくともいくつかの実施例の一つの重要な特徴は、シースルーの利益を与えることにある。これは、自動車、航空機及び他の輸送アプリケーション、警備にかかわるアプリケーション用のようなプライベートシースルーディスプレイ、建築内装の看板並びに他の多くのアプリケーションのためのヘッドアップディスプレイにおいて非常に重要である。ディスプレイ照明波長光のみを反射させることを目的としてディスプレイの一側に付着されるホログラフィック輝度向上フィルム又は他の狭帯域反射器に加え、シースルーディスプレイは、対向方向視野において不可視に（したがって安全に）することもできる。反射されたディスプレイ照明は、効率的に鏡反射され、それゆえに一方向においてブロックされる。これは、銀行又は資産サービスの設定では通常の、顧客又は個人面接設定における透明デスクトップディスプレイアプリケーションにとって望ましい。
【０１７４】
上述の実施例のいくつかは装着可能ディスプレイを説明するが、上述の実施例のいずれにおいても、接眼レンズ及び網膜を、任意のタイプの結像レンズ及びスクリーンに置換してよいことは明らかである。上述の実施例のいずれも、直接視認又はバーチャル画像のいずれかのディスプレイにおいて使用することができる。可能なアプリケーションは、ビューファインダに使用されるもののような小型ディスプレイから、広い面積の公衆情報ディスプレイにまで及ぶ。上述の実施例は、透明ディスプレイが望まれるアプリケーションにも使用される。例えば、いくつかの実施例は、ヘッドアップディスプレイ及びテレプロンプター（登録商標）のような表示画像が背景にスーパーインポーズされるアプリケーションにおいて使用される。いくつかの実施例は、光学システムの内部画像平面に又はこれの近くに配置されるディスプレイデバイスを与えるべく使用される。例えば、上述の実施例のいずれも、カメラのビューファインダのための記号データディスプレイを与えるべく使用される。記号データが中間画像平面に投影された後ビューファインダ接眼部により拡大される。一実施例は、双眼又は単眼ディスプレイに適用される。もう一つの実施例も、立体映像装着可能ディスプレイに使用される。いくつかの実施例は、リアプロジェクションテレビに使用される。一実施例は、航空、産業及び医療ディスプレイに適用される。エンターテインメント、シミュレーション、バーチャルリアリティ、トレーニングシステム及びスポーツにも複数のアプリケーションが存在する。
【０１７５】
レーザ照明を使用する上述の実施例のいずれも、レーザ経路から接眼鏡への照明経路にある任意点に位置するレーザスペックルを除去するスペックル除去器デバイスを組み入れることができる。有利には、スペックル除去器は電子光学デバイスである。望ましくはスペックル除去器はＨＰＤＬＣデバイスに基づく。
【０１７６】
参考文献
【０１７７】
以下の特許出願の全体がここに参照として組み入れられる。
本発明者による出願日２０１１年１０月７日、名称「WIDE ANGLE COLOR HEAD MOUNTED DISPLAY」の、本出願人の包袋番号ＳＢＧ１０６によっても参照される米国仮特許出願第６１／６２７，２０２号、
国際出願日２００８年７月２２日、名称「LASER ILLUMINATION DEVICE」の国際出願第ＵＳ２００８／００１９０９号、
名称「METHOD AND APPARATUS FOR PROVIDING A TRANSPARENT DISPLAY」の国際出願第ＵＳ２００６／０４３９３８号、
名称「COMPACT EDGE ILLUMINATED EYEGLASS DISPLAY」の国際出願第ＧＢ２０１０／００１９８２号、
国際出願日２０１０年４月２６日、名称「Compact holographic edge illuminated eyeglass display」の国際出願第ＧＢ２０１０／０００８３５号、
出願日２０１０年１１月２日、名称「APPARATUS FOR REDUCING LASER SPECKLE」の国際出願第ＧＢ２０１０／００２０２３号、
出願日２００５年１１月４日、名称「SWITCHABLE VIEWFINDER DISPLAY」の米国特許出願第１０／５５５，６６１号、
出願日２０１０年９月２８日、名称「Eye Tracked Holographic Edge Illuminated Eyeglass Display」の米国仮特許出願第６１／３４４，７４８号、
本発明者による名称「IMPROVEMENTS TO HOLOGRAPHIC POLYMER DISPERSED LIQUID CRYSTAL MATERIALS AND DEVICES」の、現時点で出願番号は入手不可能だが本出願人の包袋番号ＳＢＧ１０４により参照される米国仮特許出願、
出願日２０１１年６月１６日、名称「HOLOGRAPHIC BEAM STEERING DEVICE FOR AUTOSTEREOSCOPIC DISPLAYS」の米国仮特許出願第６１／４５７，８３５号、
国際出願日２００８年６月２２日、名称「LASER ILLUMINATION DEVICE」の国際出願第ＵＳ２００８／００１９０９号、
本出願人による出願日２０１０年１１月２日、名称「APPARATUS FOR REDUCING LASER SPECKLE」の国際出願第ＧＢ２０１０／００２０２３号、
本発明者による出願日２０１１年９月７日、名称「METHOD AND APPARATUS FOR SWITCHING HPDLC ARRAY DEVICES」の、本出願人の包袋番号ＳＢＧ１０５Ｂによっても参照される米国仮特許出願第６１／５７３，１２１号、
国際出願日２０１０年４月２６日、名称「COMPACT HOLOGRAPHIC EDGE ILLUMINATED EYEGLASS DISPLAY」の（及び本出願人の包袋番号ＳＢＧ０７３ＰＣＴによっても参照される）国際出願第ＧＢ２０１０／０００８３５号、及び
本発明者による名称「IMPROVEMENTS TO CONTACT IMAGE SENSORS」の、現時点で出願番号は入手不可能だが本出願人の包袋番号ＳＢＧ１００により参照される米国仮特許出願である。
【０１７８】
マイクロテッセレーション
【０１７９】
一セットの実施例はマイクロテッセレーションを使用する。切り換え可能ブラッググレーティングデジレンズ（DigiLens（登録商標））の導波路デバイスを背景とするマイクロテッセレーショングレーティングの性能を以下で探査する。テッセレーションは、ギャップなしで一緒に嵌まり合う繰り返し形状の一パターンである。用語「テッセレーション」の使用は、テッセレーションパターンの単数要素について言及する。デジレンズ（DigiLens（登録商標））デバイスに関連するテッセレーションの実際的なアプリケーションにおいて、テッセレーションとは、テッセレーション要素間に実質的なギャップなしで複数のパターンを作ることも意味する。すなわち、ここでは、全体的なアパチャ充填率係数が高い。
【０１８０】
テッセレーション要素は、切り換え可能回折グレーティング（ＳＢＧ）となる一つ又は複数の回折グレーティングの一領域（アパチャ）である。テッセレーションは、当該テッセレーションの複数領域すべてにわたり同時に光を回折する。回折グレーティングは、切り換え可能又は切り換え不能である。
【０１８１】
マイクロテッセレーション：これは、一の大きな主テッセレーション要素内に存在する一の小さなテッセレーションである。一の主テッセレーション内の複数のマイクロテッセレーションは、異なるグレーティング処方を有する。一の主テッセレーション要素内に存在する複数のマイクロテッセレーション要素はすべてが同時に光を回折する。テッセレーションの性能及びそのＭＴＦへの影響が、初期の文献に記載されている。そこでは、単数のグレーティングがテッセレーションに書き込まれる。
【０１８２】
主テッセレーション構造内のマイクロテッセレーション
【０１８３】
興味ある性能の考慮は、ＭＴＦ（解像度）及び視野角均一性である。
【０１８４】
タイル張りされた基板導波路（ＳＧＯ）では、当該導波路に単数の視野角が存在する。任意の所与の時間的瞬間において、これは、全体的視野角の一部に対する視野角情報を有する。眼のディスプレイの場合、これは、ＳＧＯから取り出された投影視野の一部である。光取り出しグレーティングは、この視野角内容を、眼がこの視野角情報をアイボックスにわたって見ることができるように取り出す必要がある。好ましくは、アイボックス内のいずれの位置にある眼の瞳でも各視野角に対し及びすべての視野角に対し同じ放射束で取り出される。初期の研究で認識されているのは、大きなテッセレーションが優れたＭＴＦ（解像度）性能をもたらすこと、及びテッセレーションが小さくなればなるほど、眼の瞳での視野角放射照度が均一になることである。光取り出しグレーティング角度帯域は、視野角とともに出力光の減少を引き起こす。十分な解像度をもたらす最小テッセレーションサイズは、求められるシステム解像度に依存する。しかしながら、幅（又は直径）０．５ｍｍから１ｍｍという最小テッセレーションのアパチャサイズは、一実施例において大きなアパチャが好ましい場合、近似的に解像度０．７から１．４ｌｐ／ｍｒをサポートする必要がある。これは特に、高い空間周波数性能に影響を与える。
【０１８５】
テッセレーションは、回折状態にある場合に、当該テッセレーションアパチャ領域にあるすべての箇所で同時に光を回折的に取り出す光取り出しグレーティングの一領域である。テッセレーション内の領域は、一つのグレーティング処方又は複数のグレーティング処方を包含する。この複数グレーティング処方は、グレーティングを多重化する（複数のグレーティング処方がテッセレーションの同じエリアを共有する）か又は当該テッセレーションの、単数のグレーティングのみが書き込まれる空間的に別個の領域を有することによって達成される。マイクロテッセレーションは、他の小さなテッセレーションエリアと同時に切り換えられる小さなテッセレーションである。空間的に別個のマイクロテッセレーション（μＴ）は以下のように精査される。
【０１８６】
μＴグレーティングは、近隣のμＴ（視野角において）と重なる角度帯域を有するように設計される。一実施例における所与の視野角に対してマイクロテッセレーションをモデル化することを以下に説明する。考慮すべき一つのケースは、異なる視野角が異なる箇所で出力されるようにするマイクロテッセレーションのＦｏＶ重畳である。考慮すべきもう一つのケースは、多重マイクロテッセレーションからの所与の視野角に対する眼の瞳の均等放射照度である。多重マイクロテッセレーションから均等に光を出力する視野角も存在するので、眼の瞳の同じ放射照度が得られる。仮定されるのは、このとき、眼の瞳の放射照度が少ないか又はこれを有しないマイクロテッセレーションが存在することである。トップハットモデルが、このケースをモデル化するのに適切である。
【０１８７】
多重マイクロテッセレーションからの所与の視野角に対する眼の瞳の不均等な放射照度が調査される。このケースをモデル化するべく、不均等アパチャ重みづけをモデル化することが必要となる。任意の所与の単数視野角に対しては、マイクロテッセレーションからマイクロテッセレーションへの出力は滑らかな関数とはならず、むしろステップ状関数となる。これは、以下の空間分布プロットに示される。
【実施例】
【０１８８】
以下のモデル化は、アパチャ充填率２５％、５０％及び７５％に対する均等放射照度のケースをまず評価した。視野角のケースのほとんどはトップハットではないので、異なるマイクロテッセレーションに対する代表的な視野角重みづけ関数によって評価する必要がある。
【０１８９】
典型的な角度分布が図４２Ａに示される。対応する空間分布が図４２Ｂに示される。ケースＡにおいて、この視野角に対するトップハット関数はアパチャ充填率５０％を与える。ケースＢにおいて、複数のタイルは異なる重みづけを有する。したがって、アパチャはトップハット関数とはならない。なお、マイクロテッセレーションは、示される正方形又は順序である必要はなく、かつ、２Ｄ分布のような任意の形状又は順序を有し得る。
【０１９０】
構造化されかつランダムな配列が調査された。以下の図は、非ランダムの規則的繰り返しマイクロテッセレーションパターンを示す。
【０１９１】
図４３は、ＭＴＦ曲線（図４３Ａ）及び３Ｄレイアウト図を例示する。図４３Ｂは、アパチャ充填率５０％の効果を示す。ピッチ１００μｍのアパチャ５０μｍ、眼の瞳３ｍｍである。ピッチ４０μｍのアパチャ１０μｍ（充填率係数２５％）及び緑色光（５３２ｎｍ）のみが仮定された。得られた周波数空間における高変調に留意する。図４４は、アパチャ充填率２５％の効果を示す。ピッチ４０μｍのアパチャ１０μｍ、眼の瞳３ｍｍである。ＭＴＦ及び３Ｄレイアウトのプロットが与えられる。ピッチ４０μｍのアパチャ１０μｍ（充填率係数２５％）である。緑（５３２ｎｍ）が仮定される。図４５は、アパチャ充填率５０％の効果を示す。ピッチ２５０μｍのアパチャ１２５μｍ、眼の瞳３ｍｍであり、ＭＴＦプロット（図４５Ａ）及びフットプリント図（図４５Ｂ）を使用する。ピッチ２５０μｍのストライプアパチャ１２５μｍ（充填率係数５０％）及び緑（５３２ｎｍ）が仮定される。非ランダムの規則的周期構造が、角度周波数の興味範囲全体にわたって、ＭＴＦの瞬間的降下を示す。典型的には１．４ｃｙｃ／ｍｒである。
【０１９２】
次に、ランダムなマイクロテッセレーションパターンが考慮された。周期的アパチャ関数からの結果はＭＴＦの「孔」を示す。以下において、マイクロテッセレーションを使用しての眼の瞳充填のランダム化を調査する。充填率２５％、５０％及び７５％のテッセレーション％が考慮される。この初期分析のために、テッセレーションが眼の瞳の１００％となるように考慮された。後のケースでは、眼の瞳３ｍｍとともにマイクロテッセレーションを包含する１ｍｍ正方形のテッセレーションが考慮される。
【０１９３】
以下の例示は、５０ミクロンのマイクロテッセレーションの特性を示す。図４６Ａは、眼の瞳３ｍｍにある５０μｍのマイクロテッセレーションのアパチャ充填率７５％の効果を示すフットプリント図である。図４６Ｂは、眼の瞳３ｍｍにある５０μｍのマイクロテッセレーションのアパチャ充填率７５％の効果を示すＭＴＦプロットである。図４７Ａは、眼の瞳３ｍｍにある５０μｍのマイクロテッセレーションのアパチャ充填率５０％の効果を示すフットプリント図である。図４７Ｂは、眼の瞳３ｍｍにある５０μｍのマイクロテッセレーションのアパチャ充填率５０％の効果を示すＭＴＦプロットである。図４８Ａは、眼の瞳３ｍｍにある５０μｍのマイクロテッセレーションのアパチャ充填率２５％の効果を示すフットプリント図である。図４８Ｂは、眼の瞳３ｍｍにある５０μｍのマイクロテッセレーションのアパチャ充填率２５％の効果を示すＭＴＦプロットである。
【０１９４】
次に、１２５ミクロンのマイクロテッセレーションが調査された。図４９Ａは、１２５μｍのマイクロテッセレーション、眼の瞳３ｍｍのアパチャ充填率７５％の効果を示すフットプリント図である。図４９Ｂは、１２５μｍのマイクロテッセレーション、眼の瞳３ｍｍのアパチャ充填率７５％の効果を示すフットプリント図である。図５０Ａは、１２５μｍのマイクロテッセレーション、眼の瞳３ｍｍのアパチャ充填率５０％の効果を示すフットプリント図である。図５０Ｂは、１２５μｍのマイクロテッセレーション、眼の瞳３ｍｍのアパチャ充填率５０％の効果を示すＭＴＦプロットである。図５１Ａは、１２５μｍのマイクロテッセレーション、眼の瞳３ｍｍのアパチャ充填率２５％の効果を示すフットプリント図である。図５１Ｂは、１２５μｍのマイクロテッセレーション、眼の瞳３ｍｍのアパチャ充填率２５％の効果を示すＭＴＦプロットである。
【０１９５】
次に、マイクロテッセレーション２５０ミクロンが調査された。図５２Ａは、２５０μｍのマイクロテッセレーション、眼の瞳３ｍｍのアパチャ充填率７５％の効果を示すフットプリント図である。図５２Ｂは、２５０μｍのマイクロテッセレーション、眼の瞳３ｍｍのアパチャ充填率７５％の効果を示すフットプリント図である。図５３Ａは、２５０μｍのマイクロテッセレーション、眼の瞳３ｍｍのアパチャ充填率５０％の効果を示すフットプリント図である。図５３Ｂは、２５０μｍのマイクロテッセレーション、眼の瞳３ｍｍのアパチャ充填率５０％の効果を示すＭＴＦプロットである。図５４Ａは、２５０μｍのマイクロテッセレーション、眼の瞳３ｍｍのアパチャ充填率２５％の効果を示すフットプリント図である。図５４Ｂは、２５０μｍのマイクロテッセレーション、眼の瞳３ｍｍのアパチャ充填率２５％の効果を示すＭＴＦプロットである。
【０１９６】
眼の瞳の直径よりも小さなテッセレーション及びマイクロテッセレーションも調査された。図５５Ａは、眼の瞳の直径３ｍｍを使用した、１２５μｍのマイクロテッセレーションの充填率５０％となる１ｍｍのテッセレーションの効果を示すフットプリント図である。図５５Ｂは、眼の瞳の直径３ｍｍを使用した、マイクロテッセレーション１２５μの充填率５０％となる１ｍｍのテッセレーションの効果を示すＭＴＦプロットである。図５６Ａは、眼の瞳の直径３ｍｍを使用した、１２５μｍのマイクロテッセレーションの充填率５０％となる１．５ｍｍのテッセレーションの効果を示すフットプリント図である。図５６Ｂは、眼の瞳の直径３ｍｍを使用した、１２５μｍのマイクロテッセレーションの充填率５０％となる１ｍｍのテッセレーションの効果を示すフットプリント図である。図５７Ａは、眼の瞳の直径３ｍｍを使用した、１２５μｍのマイクロテッセレーションの充填率５０％となる１ｍｍのテッセレーションの効果を示すフットプリント図である。図５７Ｂは、眼の瞳の直径３ｍｍを使用した、１２５μｍのマイクロテッセレーションの充填率５０％となる１ｍｍのテッセレーションの効果を示すＭＴＦプロットである。
【０１９７】
空間的にランダムな可変透過率アパチャが調査された。第１ステップは、モデルの妥当性、すなわちＵＤＡ（ユーザ定義アパチャ）からビットマップグレースケール透過アパチャへの変化をチェックすることである。直径３ｍｍの眼の瞳において、水平方向ストライプは、アパチャ１．５ｍｍ（１２５μｍのμＴ）にわたる。
【０１９８】
以下において、モデル化技術が比較される。ＵＤＡ（ユーザ定義アパチャ）としての実装モデル、透過アパチャとしてビットマップモデルを使用した実装モデルである。ここで、ビットマップレベルはバイナリである。予測されるＭＴＦ結果は同じであるから、モデル化ツールも同等である。図５８Ａは、ＵＤＡのＭＴＦプロットを示す。図５８Ｂは、ビットマップアパチャ関数を示す。
【０１９９】
図５９は、可変透過率及び眼の瞳３ｍｍによってランダムに位置決めされた１２５μｍのマイクロテッセレーションを使用した１．０ｍｍのテッセレーションを示す。可変アパチャ透過率の使用により、（テッセレーションの大部分である）非トップハットモデルのケースを良好に表すようにモデルを改善することができる。ＤＥ値０％、５０％及び１００％は、図５９Ａに示される視野角のケースと同等である。
【０２００】
これが、３つの重畳グレーティングの空間的に可能な限り最も広いケースを表すことに留意する。すなわち、視野角が、主テッセレーションエリアの７５％によって出力される（２つのマイクロテッセレーションからの寄与が５０％存在するにもかかわらず）。４タイルタイプがここに表される。透過率の値は、５０％、１００％、５０％、０％であった。マイクロテッセレーションのアパチャは１２５μｍ正方形である。グリッドは８×８ピクセルであった。よって、テッセレーションのアパチャは１ｍｍ×１ｍｍ正方形である。
【０２０１】
図６０は、可変透過率及び眼の瞳３ｍｍでランダムに位置決めされた１２５μｍのμＴを使用した１．０ｍｍのテッセレーションの効果を示すＭＴＦプロットである。なお、上の囲み領域内の空間周波数が、アパチャ充填率５０％と７５％とのピクセル１２５μｍに対するトップハット予測に関連する図に示される予測の間となる。下の囲み領域内に示される高い空間周波数が、主テッセレーション形状の影響を最も受ける。読み手は、アパチャ充填率５０％に対して示される図を参照する。アパチャ充填率７５％に対してＭＴＦの改善が存在することにも留意すべきである。
【０２０２】
次に図６１を参照すると、可変透過率及び眼の瞳３ｍｍでランダムに位置決めされた１２５μｍのマイクロテッセレーションを使用した１．５ｍｍのテッセレーションが考慮された。４つの異なるタイルタイプが図６１に表される。透過率の値は、５０％、１００％、５０％、０％であった。マイクロテッセレーションのアパチャは１２５μｍ正方形であった。グリッドは１２×１２ピクセルである。よって、テッセレーションのアパチャは１．５ｍｍ×１．５ｍｍ正方形である。
【０２０３】
図６２は、可変透過率及び眼の瞳３ｍｍでランダムに位置決めされた１２５μｍのマイクロテッセレーションを使用した１．５ｍｍのテッセレーションの効果を示すＭＴＦである。高い空間周波数が、主テッセレーション形状による影響を最も受けることに留意すべきである。よって、基本となるテッセレーションを１．０ｍｍから１．５ｍｍに増加させることによって、高周波数応答が改善された。
【０２０４】
まとめ：
ａ）マイクロテッセレーションの回折効果を考慮する必要がある。
ｂ）マイクロテッセレーションの回折効果は、基本となる主テッセレーションパターンの回折効果とは別個である。
ｃ）μＴの使用は、マイクロテッセレーションを包含しない単数テッセレーションの使用と比較してＭＴＦを劣化させる。しかしながら、マイクロテッセレーションにより、テッセレーションは大きな角度帯域を有することができる。これによって、所望のテッセレーション数が全体的に低減される。そして、これにより大きなテッセレーションが許容される。
ｄ）μＴの規則的パターンが、ＭＴＦ周波数応答の許容不可能な瞬間的降下を引き起こすＭＴＦ変調を引き起こす。
ｅ）ＭＴＦの瞬間的降下は、マイクロテッセレーションを空間的にランダムに配列することによって平均してならすことができる。なお、合理的なランダム配列を許容できる程度にμＴを十分小さくする必要がある。μＴ幅に対する比が約８：１のテッセレーションが十分なようであるが、これは十分に探査されてきたわけではない。
ｆ）μＴの実装を成功させるには、テッセレーション間の視野角重畳量が極めて重要である。モデル化されたケースにおいて、マイクロテッセレーションのＡＢＷ（角度帯域）は、テッセレーションＡＢＷ全体の少なくとも１／２である。重畳が大きいほど、これが所与の視野角に対する利用可能アパチャを効率的に増加させるので、ＭＴＦ性能の改善がもたらされる。
ｇ）異なるグレーティング構成に対するトレードオフのケースをモデル化するツールがここに確立される。
【０２０５】
一のテッセレーションにわたる空間的ランダム配列によるマイクロテッセレーション構造の実装が、追加的な設計柔軟性を与える。実際、ＭＴＦを犠牲にしてテッセレーション角度帯域（ＡＢＷ）が向上する。結論が示すのは、マイクロテッセレーション特徴のランダム配列により、非ランダムのパターンに見出されるＭＴＦ振動の均質化（おおよその平均化）が許容されるということである。さらに、興味の少ない空間周波数のＭＴＦを、改善されたテッセレーションＡＢＷに対して犠牲とすることができる。関連する重畳グレーティングについて異なるケースも考慮される。マイクロテッセレーションによりサポートされるＭＴＦは、マイクロテッセレーションのサイズ及び重畳％に依存する。重畳テッセレーションの代表的なケースのＡＢＷを、所望のアーキテクチャをサポートすることが望まれる折り畳みグレーティングとの関連で詳細に考慮する必要がある。特徴サイズ５０μｍ、１２５μｍ及び２５０μｍを有するマイクロテッセレーションが、眼の瞳が３ｍｍ及び０．５ｍｍ、１．０ｍｍ並びに３ｍｍ未満のサイズの主テッセレーション要素を背景として考慮されている。これらは、ニアアイディスプレイを背景として動作させるには実用的な数である。しかしながら、テッセレーションは任意のサイズ又は形状であり、マイクロテッセレーションは当該主テッセレーションよりも小さい任意のサイズ又は形状である。
【０２０６】
次に、テッセレーションパターンの照度均一性分析が行われた。図６３を参照すると、１ｍｍのテッセレーションを含むケース１が考慮された。重畳ごとに充填される基準設計が図に示される。図６３は、６層、１２タイル、モノクロ基準設計を表す。アパチャ充填率５０％の単数タイルが仮定された。さらに仮定されたのは、アイレリーフ１７ｍｍ、眼の瞳３ｍｍ、６層のモノクロ基準設計、１ｍｍのテッセレーション、及びオフセット基準設計である。単位セルは２×３である。重畳は図６３に示されるように、タイル張りされた重畳パターンを生成する。１ｍｍのテッセレーションでは、最小から最大までの最高の均一性は、アパチャ充填率５０％で±１２％、すなわち均一性変動±１２％＝２４％ｐ−ｐである。
【０２０７】
図６４は、アイレリーフ３０ｍｍの眼の瞳３ｍｍに対して軸上で繰り返されるケース１ｂを示す。アイレリーフは、変動に係る空間周波数に影響を与える。アイレリーフが大きいほど、空間周波数のリップルが高くなる。均一性の大きさは影響を受けない。最大のリップルは瞳充填率５６．６％である。最小のリップルは瞳充填率４３．４％である。均一性は、±１３．２％、ピークツーピークで２６．４％である。
【０２０８】
図６５は、１ｍｍのテッセレーション、最適化充填率のケース２を示す。図は、グレーティング位置が再び最適化された６層、１２タイルのモノクロ基準設計を表す。単数タイルがアパチャ充填率５０％を有する。３ｍｍの眼の瞳及び１ｍｍのテッセレーションが仮定された。テッセレーションは空間的に均一である。
【０２０９】
図６６は、最大及び最小の状況を考慮するケース２を例示する。最小４５．１％及び最大５４．９％に対応するフットプリント図が示される。１ｍｍのテッセレーションでは、最小から最大までの最高の均一性は、アパチャ充填率５０％で±５％、すなわち均一性変動±１０％（２０％ｐ−ｐ）である。
【０２１０】
図６７は、アパチャ充填率５０％、軸外での０．５ｍｍのテッセレーションのケース３を例示する。図６７は、６層、１２タイル、モノクロ基準設計を表すが、テッセレーションは０．５ｍｍである。単数タイル、アパチャ充填率５０％及び眼の瞳３ｍｍが仮定される。この計算は、０．５ｍｍ幅テッセレーションでのアパチャ充填率５０％を模擬する。リップルは、最大＝５０．４、最小＝４９．６として計算される。リップルの大きさは約±０．８％（１．６％Ｐ−Ｐ）である。測定された視野角範囲は、約１１度から２４度であった。リップル周波数は、１．２５度に対して約１サイクルである。
【０２１１】
図６８は、アパチャ充填率５０％、軸上での０．５ｍｍのテッセレーションのケース３ｂを例示する。図６８は、６層、１２タイル、モノクロ基準設計を表すが、テッセレーションは０．５ｍｍである。単数タイル、アパチャ充填率５０％及び眼の瞳３ｍｍが仮定された。これは、０．５ｍｍ幅テッセレーションでのアパチャ充填率５０％を模擬する。リップルは、最大＝５０．９、最小＝４９．６として計算された。リップルの大きさは約±１．５％（３％Ｐ−Ｐ）である。測定された視野角範囲は、約±６．５度であった。軸外では、テッセレーションが短縮されるので、均一性が改善される。リップル周波数は１．２５度に対し約１サイクルである。
【０２１２】
図６９は、眼の瞳４ｍｍ、テッセレーション０．５ｍｍ、アパチャ充填率５０％を例示する。図面に示されるように、特性は最大５１．９７％、最小４８．０３％及びリップル±２％（＝４％ｐ−ｐ）である。
【０２１３】
図７０は、眼の瞳３ｍｍ、アパチャ充填率３３％（３層、９タイルタイプ）を例示する。図７０は、３層、９タイル、モノクロ基準設計を表すが、テッセレーションは０．５ｍｍである。アパチャ充填率３３％及び眼の瞳３ｍｍの単数タイルが仮定された。リップルは、最大値＝３６．９、最小値＝３０．４で計算された。リップルの大きさは約６．５％／３３％＝±９．７５％（＝１９．５％Ｐ−Ｐ）である。リップル周波数は、５度に対し約１サイクルである。
【０２１４】
図７１は、眼の瞳４ｍｍ、アパチャ充填率３３％（３層、９タイルタイプ）を例示する。単数タイル、アパチャ充填率３３％及び眼の瞳４ｍｍが仮定された。リップルは、最大＝３５、最小＝３０．８として計算された。リップルの大きさは約４．２％／３３％＝±６．３％＝１２．６％Ｐ−Ｐである。リップル周波数は、５度に対し約１サイクルである。
【０２１５】
図７２は、眼の瞳３ｍｍ、アパチャ充填率３３％（３層、９タイルタイプ）を例示する。単数タイル、アパチャ充填率３３％及び眼の瞳３ｍｍが仮定された。計算された特性は、リップル最大値３５．２％、リップル最小値２９．７％、均一性５．５％／３３．３％＝±８．２５％＝１６．５％である。
【０２１６】
図７３は、単位セルがどのようにして均一分布パターンを形成するのかを例示する。
【０２１７】
図７４は、眼の瞳４ｍｍ、アパチャ充填率３３％（３層、９タイルタイプ）を使用する実施例の再計算である。このためには、パターンは、均一コラムオフセットが０．５ピクセルとなる１×３単位セルを有する必要がある。
【０２１８】
均一コラム１／２ピクセルオフセットを使用するグリッド分布は、さらに均一な分布を与える。計算された特性は、リップル最大値３５．０％、リップル最小値３１．０％、均一性４．０％／３３．３％＝±６％＝１２％である。
【０２１９】
図７５は、眼の瞳４ｍｍ、アパチャ充填率３３％（３層、９タイルタイプ）を例示する。この実施例のためには、パターンは、均一コラムオフセットが０．５ピクセルとなる１×３単位セルを有する必要がある。
【０２２０】
均一コラム１／２ピクセルオフセットを使用するグリッド分布は、さらに均一な分布を与える。計算された特性は、リップル最大値３４．６％、リップル最小値３２．７％、均一性１．９％／３３．３％＝±２．８５％＝５．７％である。
【０２２１】
マイクロテッセレーション原理に基づく一連の基準設計が開発され、以下にまとめられる。
１．基準設計
・モノクロ、６層、１２タイル（アパチャ充填率５０％）、１ｍｍのテッセレーション
・眼の瞳３ｍｍ、均一性２４％
２．再最適化グレーティング位置を異なる層に有する基準設計
・モノクロ、６層、１２タイル（アパチャ充填率５０％）、１ｍｍのテッセレーション
・眼の瞳３ｍｍ、均一性２０％
３．０．５ｍｍのテッセレーションを使用する基準設計
・モノクロ、６層、１２タイル（アパチャ充填率５０％）、０．５ｍｍのテッセレーション
・眼の瞳３ｍｍ、視野角にわたる約３％から２％の均一性
４．眼の瞳３ｍｍ（標的：Ｃ  屋外ＡＲ）
・３層、９タイル（アパチャ充填率３３％）、０．５ｍｍのテッセレーション
・１６．５％までの均一性
５．眼の瞳４ｍｍ（標的：Ｃ  屋内映画）
・３層、９タイル（アパチャ充填率３３％）、０．５ｍｍのテッセレーション
・１２％までの均一性
【０２２２】
単数タイルのアパチャ充填率５０％を達成することにより、均一アパチャ充填率３３％よりも著しく改善された均一性が得られる（眼の瞳３ｍｍ上で約５倍の均一性改善である）。アパチャ充填率５０％に対しては、０．５ｍｍのテッセレーションが、１ｍｍのテッセレーションよりも著しく良好な性能、すなわち眼の瞳３ｍｍに対して３％対２０％であった。９タイルに対するアパチャ充填率５０％は、「４．５」（すなわち５層）を必要とする。
【０２２３】
視野角に関する眼の瞳の放射照度均一性が、主テッセレーション要素のサイズが減少し、かつ、主テッセレーション要素アパチャ充填率が増加することで改善される。所与の層のタイルタイプ密度が減少すると、視野角に関する放射照度均一性が改善されることに留意する。タイルタイプが少なくなればなるほど、任意の単数の主テッセレーション要素タイプアパチャ充填率が増加するからである。主テッセレーション要素のサイズが減少するとＭＴＦ（解像度）が劣化する。主テッセレーション要素のサイズが減少し、かつ、主テッセレーション要素タイプの密度が増加すると、不規則パターンが生じることに留意する。そして、これにより、主テッセレーションのＭＴＦ均質化、及び放射照度角度均一性視野角リップル周波数を変化させる機会が許容される。主テッセレーションのアパチャ内での小さな（マイクロテッセレーション）の使用により、主テッセレーション要素の全体的な角度帯域が改善され、それゆえ、所望の主テッセレーション要素タイプの数を低減する機会が与えられる。
【０２２４】
参考文献
【０２２５】
以下の特許出願の全体がここに参照として組み入れられる。
本発明者による出願日２０１１年１０月７日、名称「WIDE ANGLE COLOR HEAD MOUNTED DISPLAY」の、本出願人の包袋番号ＳＢＧ１０６によっても参照される米国仮特許出願第６１／６２７，２０２号、
出願日２００８年７月２２日、名称「LASER ILLUMINATION DEVICE」の国際出願第ＵＳ２００８／００１９０９号、
名称「METHOD AND APPARATUS FOR PROVIDING A TRANSPARENT DISPLAY」の国際出願第ＵＳ２００６／０４３９３８号、
名称「COMPACT EDGE ILLUMINATED EYEGLASS DISPLAY」の国際出願第ＧＢ２０１０／００１９８２号、
国際出願日２０１０年４月２６日、名称「Compact holographic edge illuminated eyeglass display」の国際出願第ＧＢ２０１０／０００８３５号、
出願日２０１０年１１月２日、名称「APPARATUS FOR REDUCING LASER SPECKLE」の国際出願第ＧＢ２０１０／００２０２３号、
出願日２００５年１１月４日、名称「SWITCHABLE VIEWFINDER DISPLAY」の米国特許出願第１０／５５５，６６１号、
出願日２０１０年９月２８日、名称「Eye Tracked Holographic Edge Illuminated Eyeglass Display」の米国仮特許出願第６１／３４４，７４８号、
本発明者による名称「IMPROVEMENTS TO HOLOGRAPHIC POLYMER DISPERSED LIQUID CRYSTAL MATERIALS AND DEVICES」の、現時点で出願番号は入手不可能だが本出願人の包袋番号ＳＢＧ１０４により参照される米国仮特許出願、
出願日２０１１年６月１６日、名称「HOLOGRAPHIC BEAM STEERING DEVICE FOR AUTOSTEREOSCOPIC DISPLAYS」の米国仮特許出願第６１／４５７，８３５号、
国際出願日２００８年７月２２日、名称「LASER ILLUMINATION DEVICE」の国際出願第ＵＳ２００８／００１９０９号、
本発明者による出願日２０１０年１１月２日、名称「APPARATUS FOR REDUCING LASER SPECKLE」の国際出願第ＧＢ２０１０／００２０２３号、
本発明者による出願日２０１１年９月７日、名称「METHOD AND APPARATUS FOR SWITCHING HPDLC ARRAY DEVICES」の、本出願人の包袋番号ＳＢＧ１０５Ｂによっても参照される米国仮特許出願第６１／５７３，１２１号、
国際出願日２０１０年４月２６日、名称「COMPACT HOLOGRAPHIC EDGE ILLUMINATED EYEGLASS DISPLAY」（及び本出願人の包袋番号ＳＢＧ０７３ＰＣＴによっても参照される）国際出願第ＧＢ２０１０／０００８３５号、
本発明者による名称「IMPROVEMENTS TO CONTACT IMAGE SENSORS」の、現時点で出願番号は入手不可能だが本出願人の包袋番号ＳＢＧ１００により参照される米国仮特許出願、
出願日２０１１年９月１６日、名称「Holographic wide angle near eye display」（ＳＢＧラボ参照番号ＳＢＧ１０６Ａ）の米国仮特許出願第６１／５７３，１５６号、
出願日２０１１年９月１９日、名称「Holographic wide angle near eye display」（ＳＢＧラボ参照番号ＳＢＧ１０６Ｂ）の米国仮特許出願第６１／５７３，１７５号、
出願日２０１１年９月１９日、名称「Holographic wide angle near eye display」（ＳＢＧラボ参照番号ＳＢＧ１０６Ｃ）の米国仮特許出願第６１／５７３，１７６号、
出願日２０１１年９月２５日、名称「Further improvements to holographic wide angle near eye display」  （ＳＢＧラボ参照番号ＳＢＧ１０６Ｄ）の米国仮特許出願第６１／５７３，１９６号、
出願日２０１１年１０月７日、名称「Wide angle color head mounted display」（ＳＢＧラボ参照番号ＳＢＧ１０６）の米国仮特許出願第６１／６２７，２０２号、
出願日２０１２年４月２５日、名称「Improvements to holographic wide angle head mounted display」  （ＳＢＧラボ参照番号ＳＢＧ１０９）の米国仮特許出願第６１／６８７，４３６号
【０２２６】
結論特許、特許出願、記事、書籍、学術論文及びウェブページを含むがこれらに限られない本願で引用された文献等のマテリアルはすべて、かかる文献等のマテリアルのフォーマットにかかわらず、その全体が明示的に参照として組み入れられる。組み入れられた文献等のマテリアルの一以上が、定義された用語、用語の用法、記載の技術等を含むがこれらに限られない本願と異なり又は矛盾する場合、本願が優先される。
【０２２７】
本教示が様々な実施例とともに記載されてきたが、本教示がかかる実施例に限定されることを意図しない。それどころか、本教示は、当業者が理解する様々な代替例、修正例及び均等例を包含する。
【０２２８】
本発明の様々な実施例がここに記載されかつ例示されてきたが、当業者は、ここに記載された機能を果たすこと並びに／又は結果及び／若しくは一以上の利点を得るべく様々な他の手段及び／又は構造を容易に予見し、かかる変形例及び／又は修正例はそれぞれが、ここに記載された本発明の実施例の範囲内にあるものとみなされる。さらに一般には、当業者が容易に理解するように、ここに記載されたパラメータ、寸法、材料及び構成すべてが例示を意図したものであり、かつ、実際のパラメータ、寸法、材料及び／又は構成が、本発明の教示が使用される特定の単数又は複数のアプリケーションに依存する。当業者は、ここに記載された本発明の特定実施例に対する多くの均等例を理解する。したがって、理解すべきなのは、上述の実施例が例示のみにより提示されていること、並びに、添付の請求項及びその均等物の範囲内において、具体的に記載されかつ請求されているものとは異なる態様で本発明の実施例を実施できるということである。本開示の本発明の実施例は、ここに記載された各個別の特徴、システム、物品、材料、キット及び／又は方法に関する。加えて、かかる特徴、システム、物品、材料、キット及び／又は方法の２以上の任意の組み合わせは、かかる特徴、システム、物品、材料、キット及び／又は方法が互いに矛盾しない場合には、本開示の本発明の範囲内に含まれる。
【０２２９】
また、ここに記載された技術は、少なくとも一つの例が与えられる方法として具体化することができる。本方法の一部として行われる動作は任意の適切な態様で順序づけられる。したがって、例示されたものとは異なる順序で動作が行われる複数の実施例を構築することができる。これらは、例示の実施例では逐次的な動作として示されているとしても、いくつかの動作を同時に行うことも含む。
【０２３０】
ここに定義され及び使用される定義すべては、辞書の定義、参照として組み入れられる書類での定義及び／又は定義された用語の通常の意味に対して支配的であると理解すべきである。
【０２３１】
本明細書において及び本請求項において使用される「一」及び「一の」との不定冠詞は、そうではないと明示されない限り、「少なくとも一つ」を意味するものと理解すべきである。ここに引用されるいずれの範囲も包括される。
【０２３２】
本明細書を通じて使用される用語「実質的に」及び「約」は、小さな変動を記載及び説明するべく使用される。例えば、これらは、±５％以下を言及し得る。例えば、±２％以下、±１％以下、±０．５％以下、±０．２％以下、±０．１％以下、±０．０５％以下である。
【０２３３】
本明細書において及び本請求項において使用されるフレーズ「及び／又は」は、連接する要素、すなわち、いくつかの場合において結合して存在し及び他の場合において分離して存在する要素の「一方又は双方」を意味するものと理解すべきである。「及び／又は」によって列挙される多重要素は、同じ態様に、すなわち、連接する要素の「一以上」として解釈すべきである。「及び／又は」節によって具体的に特定された要素以外の他の要素も、その具体的に特定された要素と関連するか否かにかかわらず、オプションとして提示され得る。したがって、非制限的な例として、「Ａ及び／又はＢ」との言及は、「含む」のようなオープンエンド語とともに使用される場合、一実施例においてＡのみ（オプションとしてＢ以外の要素も含む）、もう一つの実施例においてＢのみ（オプションとしてＡ以外の要素も含む）、さらにもう一つの実施例においてＡとＢ双方（オプションとして他の要素も含む）等を言及することができる。
【０２３４】
本明細書において及び本請求項において使用されているように、「又は」は、上述の「及び／又は」と同じ意味を有するものと理解すべきである。例えば、列挙にある項目を分離する場合の「又は」又は「及び／又は」は、包括的なもの、すなわち、所定の数又は列挙の要素及びオプションとして列挙されていない追加項目の少なくとも一つも含み、一超過もまた含むものとして解釈すべきである。「一つのみの」若しくは「正確に一つの」のように又は請求項において「からなる」として使用される場合に、そうではないと明示されている用語のみが、所定の数又は列挙の要素の正確に一つの要素を含むことを言及する。一般に、ここに使用される用語「又は」は、「いずれか」、「一つの」、「一つのみの」又は「正確に一つの」のような排他的な用語が先行する場合、排他的な代替例（すなわち「一方又は他方だが双方ではない」）を示すものとしてのみ解釈すべきである。請求項において使用される場合の「本質的に〜からなる」は、特許法の分野で使用される通常の意味を有する。
【０２３５】
本明細書において及び本請求項において使用されるように、一以上の要素の列挙に関連するフレーズ「少なくとも一つ」は、当該要素の列挙にある要素の任意の一以上から選択される少なくとも一つの要素を意味するが、当該要素の列挙内に具体的に列挙される各要素の少なくとも一つを必ずしも含むわけではなく、かつ、当該要素の列挙にある要素の任意の組み合わせを除外するわけではないものと理解すべきである。この定義はまた、フレーズ「少なくとも一つ」が言及する当該要素の列挙内で具体的に特定される要素以外の複数の要素が、具体的に特定される要素に関連するか否かにかかわらず、オプションとして存在し得ることも許容する。したがって、非制限的な例として、「Ａ及びＢの少なくとも一つ」（又は等価的に「Ａ又はＢの少なくとも一つ」若しくは等価的に「Ａ及び／又はＢの少なくとも一つ」）は、一実施例において、Ｂが存在しないままの（及びオプションとしてＢ以外の要素も含む）少なくとも一つの、オプションとして一超過を含むＡ、もう一つの実施例において、Ａが存在しないままの（及びオプションとしてＡ以外の要素も含む）少なくとも一つの、オプションとして一超過を含むＢ、さらにもう一つの実施例において、少なくとも一つの、オプションとして一超過を含むＡ、かつ、少なくとも一つの、オプションとして一超過を含むＢ（及びオプションとして他の要素も含む）等を言及することができる。
【０２３６】
本請求項においては、上述の本明細書におけるのと同様、「含む」、「有する」、「包含する」、「伴う」、「保持する」、「からなる」等のような伝統的なフレーズはすべて、オープンエンドとして、すなわち含むが限られるものではないことを意味するものと理解するべきである。伝統的なフレーズ「からなる」及び「本質的に〜からなる」のみがそれぞれ、米国特許庁特許審査基準セクション２１１１．０３に規定されるクローズ又はセミクローズの伝統的なフレーズとなる。
【０２３７】
本請求項は、その旨の記載がない限り、記載された順序又は要素に限られるものとして読んではならない。添付の本請求項の要旨及び範囲から逸脱することなく、当業者の一により形態及び詳細の様々な変更がなされ得ることを理解するべきである。以下の請求項の要旨及び範囲内にあるすべての実施例並びにその均等物が請求される。
【図１】
2015523586.tif 000003
【図２】
2015523586.tif 000004
【図３（Ａ）】
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【図３（Ｂ）】
2015523586.tif 000006
【図３（Ｃ）】
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【図４】
2015523586.tif 000008
【図５】
2015523586.tif 000009
【図６】
2015523586.tif 000010
【図７】
2015523586.tif 000011
【図８（Ａ）】
2015523586.tif 000012
【図８（Ｂ）】
2015523586.tif 000013
【図８（Ｃ）】
2015523586.tif 000014
【図８（Ｄ）】
2015523586.tif 000015
【図９（Ａ）】
2015523586.tif 000016
【図９（Ｂ）】
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【図１０（Ａ）】
2015523586.tif 000018
【図１０（Ｂ）】
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【図１０（Ｃ）】
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【図１０（Ｄ）】
2015523586.tif 000021
【図１１】
2015523586.tif 000022
【図１２（Ａ）】
2015523586.tif 000023
【図１２（Ｂ）】
2015523586.tif 000024
【図１２（Ｃ）】
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【図１２（Ｄ）】
2015523586.tif 000026
【図１３】
2015523586.tif 000027
【図１４】
2015523586.tif 000028
【図１５】
2015523586.tif 000029
【図１６（Ａ）】
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【図１６（Ｂ）】
2015523586.tif 000031
【図１６（Ｃ）】
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【図１６（Ｄ）】
2015523586.tif 000033
【図１６（Ｅ）】
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【図１６（Ｆ）】
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【図１７】
2015523586.tif 000036
【図１８】
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【図１９（Ａ）】
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【図１９（Ｂ）】
2015523586.tif 000039
【図２０（Ａ）】
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【図２０（Ｂ）】
2015523586.tif 000041
【図２１（Ａ）】
2015523586.tif 000042
【図２１（Ｂ）】
2015523586.tif 000043
【図２２（Ａ）】
2015523586.tif 000044
【図２２（Ｂ）】
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【図２３】
2015523586.tif 000046
【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
2015523586.tif 000049
【図２７（Ａ）】
2015523586.tif 000050
【図２７（Ｂ）】
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【図２８（Ａ）】
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【図２８（Ｂ）】
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【図２９】
2015523586.tif 000054
【図３０（Ａ）】
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【図３０（Ｂ）】
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【図３１】
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【図３２】
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【図３３】
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【図３４】
2015523586.tif 000060
【図３５】
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【図３６】
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【図３７（Ａ）】
2015523586.tif 000063
【図３７（Ｂ）】
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【図３８】
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【図３９】
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【図４０】
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【図４１】
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【図４２】
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【図４３（Ａ）】
2015523586.tif 000070
【図４３（Ｂ）】
2015523586.tif 000071
【図４４（Ａ）】
2015523586.tif 000072
【図４４（Ｂ）】
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【図４５（Ａ）】
2015523586.tif 000074
【図４５（Ｂ）】
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【図４６（Ａ）】
2015523586.tif 000076
【図４６（Ｂ）】
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【図４７（Ａ）】
2015523586.tif 000078
【図４７（Ｂ）】
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【図４８（Ａ）】
2015523586.tif 000080
【図４８（Ｂ）】
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【図４９（Ａ）】
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【図４９（Ｂ）】
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【図５０（Ａ）】
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【図５０（Ｂ）】
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【図５１（Ａ）】
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【図５１（Ｂ）】
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【図５２（Ａ）】
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【図５２（Ｂ）】
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【図５３（Ａ）】
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【図５３（Ｂ）】
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【図５４（Ａ）】
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【図５４（Ｂ）】
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【図５５】
2015523586.tif 000094
【図５６】
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【図５７】
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【図５８】
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【図５９】
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【図６０】
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【図６１】
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【図６２】
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【図６３】
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【図６４】
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【図６５】
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【図６６】
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【図６７】
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【図６８】
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【図６９】
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【図７０】
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【図７１】
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【図７２】
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【図７３】
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【図７４】
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【図７５】
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【国際調査報告】
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