(57)【要約】イメージングシステムは、複数の空間的に分離された光ビームを生成するように構成されている光源を含む。システムは、出射光学システムから出て行く複数のビームのうちのビームによって形成されるそれぞれの瞳が互いから空間的に分離されるように、複数のビームを修正するように構成される出射光学システムも含む。システムは、第１のビームが光誘導光学要素を通した実質的全内部反射によって伝搬するように、複数のビームのうちの第２のビームを光誘導光学要素から除外しながら、複数のビームのうちの第１のビームが光誘導光学要素に入ることを許すように構成される内部結合格子を有する光誘導光学要素をさらに含む。
2018524621.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
イメージングシステムであって、前記システムは、
複数の空間的に分離された光ビームを生成するように構成されている光源と、
前記複数のビームを修正するように構成されている出射光学システムであって、前記出射光学システムから出て行く前記複数のビームのうちのビームによって形成されるそれぞれの瞳は、互いから空間的に分離されている、出射光学システムと、
内部結合格子を有する光誘導光学要素と
を備え、
前記内部結合格子は、前記複数のビームのうちの第１のビームが前記光誘導光学要素の中に入ることを許すが、前記複数のビームのうちの第２のビームを前記光誘導光学要素から除外するように構成され、それによって、前記第１のビームが、前記光誘導光学要素を通した実質的全内部反射によって伝搬する、システム。
【請求項２】
前記複数のビームのうちの各ビームは、少なくとも１つの光特性において、前記複数のビームのうちの他のビームと異なる、請求項１に記載のシステム。
【請求項３】
前記少なくとも１つの光特性は、色を含む、請求項２に記載のシステム。
【請求項４】
前記少なくとも１つの光特性は、偏光を含む、請求項２に記載のシステム。
【請求項５】
前記光源は、複数のサブ光源を備えている、請求項１に記載のシステム。
【請求項６】
前記複数のサブ光源は、互いから空間的に分離されている、請求項５に記載のシステム。
【請求項７】
前記複数のサブ光源は、サブ光源の第１および第２の群を備え、前記第１の群のサブ光源は、前記イメージングシステムの光学経路に沿って前記第２の群のサブ光源から変位させられている、請求項６に記載のシステム。
【請求項８】
前記光源は、前記複数の空間的に分離された光ビームを生成するように構成されている一体型光源である、請求項１に記載のシステム。
【請求項９】
前記光源からの光を別個の放出エリアおよび位置に区画化するように構成されているマスクオーバレイをさらに備えている、請求項８に記載のシステム。
【請求項１０】
前記複数のビームのうちの第１のビームを画像データを用いてエンコードするように構成されている第１の空間光変調器をさらに備えている、請求項１に記載のシステム。
【請求項１１】
前記複数のビームのうちの第２のビームを画像データを用いてエンコードするように構成されている第２の空間光変調器をさらに備えている、請求項１０に記載のシステム。
【請求項１２】
前記第１および第２の空間光変調器は、交互にアクティブにされるように構成されている、請求項１１に記載のシステム。
【請求項１３】
前記第１および第２の空間光変調器は、互いから空間的に変位させられているそれぞれの画像フィールドを有する、請求項１１に記載のシステム。
【請求項１４】
前記第１および第２の空間光変調器は、異なる深度平面において画像を生成するように構成されている、請求項１１に記載のシステム。
【請求項１５】
それぞれの複数の内部結合格子を有する複数の光誘導光学要素をさらに備え、
前記光源は、複数のサブ光源を備え、
それぞれの複数のサブ光源および内部結合格子は、前記第１の空間光変調器に対して光学軸の周囲を回転させられる、請求項１０に記載のシステム。
【請求項１６】
前記光誘導光学要素に隣接する前記複数のビームのうちのビームによって形成される瞳の形状を修正するように構成されているマスクをさらに備えている、請求項１に記載のシステム。
【請求項１７】
前記光誘導光学要素に隣接する前記複数のビームのうちのビームによって形成される瞳のサイズを修正するように構成されている光学要素をさらに備えている、請求項１に記載のシステム。
【請求項１８】
前記出射光学システムは、前記イメージングシステムの光学経路に沿って偏心断面を有する、請求項１に記載のシステム。
【請求項１９】
前記内部結合格子は、前記複数のビームのうちの前記第１のビームが前記内部結合格子に１回のみ遭遇するように構成されている、請求項１に記載のシステム。
【請求項２０】
前記光源の開口数を増加させるように構成されている瞳エキスパンダをさらに備えている、請求項１に記載のシステム。
【請求項２１】
前記瞳エキスパンダは、フィルムを備え、前記フィルムは、その上に配置されているプリズムパターンを有する、請求項２０に記載のシステム。
【請求項２２】
前記光源および前記出射光学システムは、前記出射光学システムから出て行く前記複数のビームによって形成されるそれぞれの瞳が複数のサイズを有するように構成されている、請求項１に記載のシステム。
【請求項２３】
光学システムを使用して画像を表示する方法であって、前記方法は、
光源が、第１の光ビームを生成することと、
空間光変調器が、前記第１のビームを第１の画像データを用いてエンコードすることと、
出射光学システムが、前記第１のビームが第１の光誘導光学要素上の第１の内部結合格子にアドレスし、それによって、前記第１の光誘導光学要素に入るが、第２の光誘導光学要素に入らないように、前記第１のビームを修正することと、
前記光源が、第２の光ビームを生成することと、
前記空間光変調器が、前記第２のビームを第２の画像データを用いてエンコードすることと、
前記出射光学システムが、前記第２のビームが前記第２の光誘導光学要素上の第２の内部結合格子にアドレスし、それによって、前記第２の光誘導光学要素に入るが、前記第１の光誘導光学要素に入らないように、前記第２のビームの焦点を合わせることと
を含む、方法。
【請求項２４】
前記出射光学システムから出て行く前記第１および第２のビームによって形成される第１および第２の瞳は、互いから空間的に分離されている、請求項２３に記載の方法。
【請求項２５】
前記出射光学システムから出て行く前記第１および第２のビームによって形成される第１および第２の瞳は、異なるサイズを有する、請求項２４に記載の方法。
【請求項２６】
前記光源が、第３の光ビームを生成することと、
前記空間光変調器が、前記第３のビームを第３の画像データを用いてエンコードすることと、
前記出射光学システムが、前記第３のビームが第３の光誘導光学要素上の第３の内部結合格子にアドレスし、それによって、前記第３の光誘導光学要素に入るが、前記第１または第２の光誘導光学要素に入らないように、前記第３のビームの焦点を合わせることと
をさらに含み、
前記出射光学システムから出て行く前記第３のビームは、第３の瞳を形成し、
前記第１、第２、および第３の瞳は、互いから空間的に分離されている、請求項２５に記載の方法。
【請求項２７】
前記第１、第２、および第３の瞳は、前記出射光学システムの光学経路に直交する平面内に三角形の頂点を形成する、請求項２６に記載の方法。
【請求項２８】
前記第１のビームは、青色光を含み、前記第１の瞳は、前記第２および第３の瞳より小さい、請求項２６に記載の方法。
【請求項２９】
前記第１のビームは、緑色光を含み、前記第１の瞳は、前記第２および第３の瞳より大きい、請求項２６に記載の方法。
【請求項３０】
前記第１および第２のビームを修正し、前記第１および第２の瞳のそれぞれの形状を細くすることをさらに含む、請求項２５に記載の方法。
【請求項３１】
前記光源は、前記第１および第２のビームを生成するように構成されている第１および第２の空間的に分離されたサブ光源を備え、前記方法は、第１のサブ光源をアクティブ状態に維持しながら、前記第２のサブ光源を非アクティブにすることによって、画像色を変化させることをさらに含む、請求項２３に記載の方法。
【請求項３２】
前記光源は、前記第１および第２のビームを生成するように構成されている第１および第２の空間的に分離されたサブ光源を備え、前記方法は、第１のサブ光源をアクティブ状態に維持しながら、前記第２のサブ光源を非アクティブにすることによって、画像深度を変化させることをさらに含む、請求項２３に記載の方法。
【請求項３３】
前記第１のビームは、赤色光および青色光の両方を含み、前記第２のビームは、緑色光を含む、請求項２３に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【背景技術】
【０００１】
現代のコンピューティングおよびディスプレイ技術は、デジタル的に再現された画像またはその一部が、現実であるように見えるか、もしくはそのように知覚され得る様式においてユーザに提示される、いわゆる「仮想現実」または「拡張現実」体験（集合的に、「混合現実」と称される）のためのシステムの開発を促進している。仮想現実、すなわち、「ＶＲ」シナリオは、典型的には、他の実際の実世界の視覚的入力に対して透明性を伴わずに、デジタルまたは仮想画像情報の提示を伴い、拡張現実、すなわち、「ＡＲ」シナリオは、典型的には、ユーザの周囲の実際の世界の視覚化の拡張として、デジタルまたは仮想画像情報の提示を伴う。故に、ＡＲシナリオは、他の実際の実世界の視覚的入力に対して少なくとも部分的透明性を伴うデジタルまたは仮想画像情報の提示を伴う。ヒトの視知覚系は、非常に複雑であり、他の仮想または実世界画像要素間における仮想画像要素の快適で、自然のような感覚で、かつ豊かな提示を促進する、ＡＲまたはＶＲ技術を生成することは、困難である。
【０００２】
脳の視覚化中心は、両眼およびその構成要素の互いに対する運動からも有益な知覚情報を得る。互いに対する両眼の両眼離反運動（すなわち、眼の視線を収束させ、オブジェクトに固定するための互いに向かって、またはそこから離れる、瞳の回転運動）は、眼のレンズの焦点合わせ（または「遠近調節」）と密接に関連付けられる。正常条件下では、眼のレンズの焦点を変化させる、すなわち、眼を遠近調節し、異なる距離におけるオブジェクトに焦点を合わせることは、「遠近調節−両眼離反運動反射作用」として知られる関係下、自動的に、同距離に一致した両眼離反運動における変化を生じさせるであろう。同様に、両眼離反運動の変化は、正常条件下では、遠近調節の一致した変化も誘起するであろう。この反射作用に逆らう作用は、（従来の立体視ＡＲまたはＶＲ構成の大部分におけるように）眼疲労、頭痛、または他の形態の不快感をユーザにもたらすことが知られている。
【０００３】
立体視装着型眼鏡は、概して、遠近図がヒト視覚系によって知覚されるように、若干異なる要素提示を伴う画像を表示するように構成される、左および右眼のための２つのディスプレイを特徴とする。そのような構成は、画像を３次元において知覚するために克服されなければならない、両眼離反運動と遠近調節との間の不一致（「両眼離反運動−遠近調節衝突」）に起因して、多くのユーザにとって不快であることが見出されている。実際、一部のユーザは、立体視構成に耐えることができない。これらの限界は、ＡＲおよびＶＲシステムの両方に適用される。故に、大部分の従来のＡＲおよびＶＲシステムは、部分的には、従来のシステムが、両眼離反運動−遠近調節衝突を含む、ヒト知覚系の基本的側面のいくつかに対処できないので、ユーザにとって快適かつ最大限に有用となるであろう様式において、豊かな両眼のための３次元体験を提示するために最適ではない。
【０００４】
ＡＲおよび／またはＶＲシステムは、仮想デジタルコンテンツを種々の知覚される位置およびユーザに対する距離において表示することも可能でなければならない。ＡＲおよび／またはＶＲシステムの設計は、仮想デジタルコンテンツを送達する際のシステムの速度、仮想デジタルコンテンツの品質、ユーザの射出瞳距離（両眼離反運動−遠近調節衝突に対処する）、システムのサイズおよび可搬性、ならびに他のシステムおよび光学課題を含む、多数の他の課題も提示する。
【０００５】
これらの問題（両眼離反運動−遠近調節衝突を含む）に対処するための１つの可能なアプローチは、画像を複数の深度平面に投影することである。このタイプのシステムを実装するために、１つのアプローチは、多数の光学要素（例えば、光源、プリズム、格子、フィルタ、スキャン光学、ビームスプリッタ、ミラー、ハーフミラー、シャッタ、眼レンズ等）を使用して、画像を十分に多数の（例えば、６つの）深度平面において投影することである。このアプローチに関する問題は、このように多数の構成要素を使用することが、必然的に、望ましいものより大きい形状因子を要求し、システムサイズが縮小され得る程度を限定することである。これらのシステム内の多数の光学要素は、より長い光学経路ももたらし、それにわたって、光およびその中に含まれる情報が、劣化され得る。これらの設計問題は、煩雑なシステムをもたらし、それは、電力集約的でもある。本明細書に説明されるシステムおよび方法は、これらの課題に対処するように構成される。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００６】
一実施形態では、イメージングシステムが対象とされ、システムは、複数の空間的に分離された光ビームを生成するように構成されている光源を含む。システムは出射光学システムから出て行く複数のビームのうちのビームによって形成されるそれぞれの瞳が互いから空間的に分離されるように、複数のビームを修正するように構成される出射光学システムも含む。システムは、第１のビームが光誘導光学要素を通した実質的全内部反射によって伝搬するように、複数のビームのうちの第２のビームを光誘導光学要素から除外しながら、複数のビームのうちの第１のビームが光誘導光学要素に入ることを許すように構成される内部結合格子を有する光誘導光学要素をさらに含む。
【０００７】
１つ以上の実施形態では、複数のビームのうちの各ビームは、少なくとも１つの光特性において、複数のビームのうちの他のビームと異なる。少なくとも１つの光特性は、色および／または偏光を含み得る。
【０００８】
１つ以上の実施形態では、光源は、複数のサブ光源を含む。複数のサブ光源は、互いから空間的に分離され得る。複数のサブ光源は、サブ光源の第１および第２の群を含み得、第１の群のサブ光源は、イメージングシステムの光学経路に沿って第２の群のサブ光源から変位させられる。
【０００９】
１つ以上の実施形態では、光源は、複数の空間的に分離された光ビームを生成するように構成されている一体型光源である。システムは、光源からの光を別個の放出エリアおよび位置に区画化するように構成されているマスクオーバレイも含み得る。
【００１０】
１つ以上の実施形態では、システムは、複数のビームのうちの第１のビームを画像データを用いてエンコードするように構成されている第１の空間光変調器も含む。システムは、複数のビームのうちの第２のビームを画像データを用いてエンコードするように構成されている第２の空間光変調器も含み得る。第１および第２の空間光変調器は、交互にアクティブにされるように構成され得る。第１および第２の空間光変調器は、互いから空間的に変位させられているそれぞれの画像フィールドを有し得る。第１および第２の空間光変調器は、異なる深度平面において画像を生成するように構成され得る。
【００１１】
１つ以上の実施形態では、システムは、それぞれの複数の内部結合格子を有する複数の光誘導光学要素も含み、光源は、複数のサブ光源を含み、それぞれの複数のサブ光源および内部結合格子は、第１の空間光変調器に対して光学軸の周囲を回転させられる。
【００１２】
１つ以上の実施形態では、システムは、光誘導光学要素に隣接する複数のビームのうちのビームによって形成される瞳の形状を修正するように構成されているマスクも含む。システムは、光誘導光学要素に隣接する複数のビームのうちのビームによって形成される瞳のサイズを修正するように構成されている光学要素も含み得る。出射光学システムは、イメージングシステムの光学経路に沿って偏心断面を有し得る。内部結合格子は、複数のビームのうちの第１のビームが内部結合格子に１回のみ遭遇するように構成され得る。
【００１３】
１つ以上の実施形態では、システムは、光源の開口数を増加させるように構成されている瞳エキスパンダも含む。瞳エキスパンダは、その上に配置されるプリズムパターンを有するフィルムを含み得る。光源および出射光学システムは、出射光学システムから出て行く複数のビームによって形成されるそれぞれの瞳が複数のサイズを有するように構成され得る。
【００１４】
別の実施形態では、光学システムを使用して画像を表示する方法を対象とし、方法は、光源が、第１の光ビームを生成することを含む。方法は、空間光変調器が、第１のビームを第１の画像データを用いてエンコードすることも含む。方法は、出射光学システムが、第１のビームが第１の光誘導光学要素上の第１の内部結合格子にアドレスし、それによって、第１の光誘導光学要素に入るが、第２の光誘導光学要素に入らないように、第１のビームを修正することをさらに含む。さらに、方法は、光源が、第２の光ビームを生成することを含む。加えて、方法は、空間光変調器が、第２のビームを第２の画像データを用いてエンコードすることを含む。方法は、出射光学システムが、第２のビームが第２の光誘導光学要素上の第２の内部結合格子にアドレスし、それによって、第２の光誘導光学要素に入るが、第１の光誘導光学要素に入らないように、第２のビームの焦点を合わせることも含む。
【００１５】
１つ以上の実施形態では、出射光学システムから出て行く第１および第２のビームによって形成される第１および第２の瞳は、互いから空間的に分離される。出射光学システムから出て行く第１および第２のビームによって形成される第１および第２の瞳はまた、異なるサイズを有し得る。
【００１６】
１つ以上の実施形態では、方法は、光源が、第３の光ビームを生成することも含む。方法は、空間光変調器が、第３のビームを第３の画像データを用いてエンコードすることをさらに含む。さらに、方法は、出射光学システムが、第３のビームが第３の光誘導光学要素上の第３の内部結合格子にアドレスし、それによって、第３の光誘導光学要素に入るが、第１または第２の光誘導光学要素に入らないように、第３のビームの焦点を合わせることを含む。出射光学システムから出て行く第３のビームは、第３の瞳を形成し得る。第１、第２、および第３の瞳は、互いから空間的に分離され得る。第１、第２、および第３の瞳は、出射光学システムの光学経路に直交する平面内に三角形の頂点を形成し得る。第１のビームは、青色光を含み得、第１の瞳は、第２および第３の瞳より小さい。第１のビームは、緑色光を含み得、第１の瞳は、第２および第３の瞳より大きい。
【００１７】
１つ以上の実施形態では、方法は、第１および第２のビームを修正し、第１および第２の瞳のそれぞれの形状を細くすることを含む。
【００１８】
１つ以上の実施形態では、光源は、第１および第２のビームを生成するように構成されている第１および第２の空間的に分離されたサブ光源を含む。方法は、第１のサブ光源をアクティブ状態に維持しながら、第２のサブ光源を非アクティブにすることによって、画像色および／または画像深度を変化させることを含み得る。
【００１９】
１つ以上の実施形態では、第１のビームは、赤色光および青色光の両方を含み、第２のビームは、緑色光を含む。
【００２０】
図面は、本発明の種々の実施形態の設計および可用性を図示する。図は、正確な縮尺で描かれておらず、類似構造または機能の要素は、図全体を通して同一参照番号によって表されることに留意されたい。本発明の種々の実施形態の前述および他の利点ならびに目的を得る方法をより深く理解するために、簡単に前述された発明を実施するための形態が、付随の図面に図示されるその具体的実施形態を参照することによって与えられるであろう。これらの図面は、本発明の典型的実施形態のみを描写し、その範囲の限定として見なされないことを理解した上で、本発明は、付随の図面の使用を通して追加の具体性および詳細とともに記載ならびに説明されるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】図１−３は、種々の拡張現実システムの詳細な概略図である。
【図２】図１−３は、種々の拡張現実システムの詳細な概略図である。
【図３】図１−３は、種々の拡張現実システムの詳細な概略図である。
【図４】図４は、さらに別の実施形態による、拡張現実システムの焦点面を描写する略図である。
【図５】図５は、一実施形態による、拡張現実システムを描写するブロック図である。
【図６】図６および１４は、２つの実施形態による、拡張現実システムの種々の構成要素の詳細な概略図である。
【図７】図７Ａ−７Ｃ、８Ａ−８Ｃ、および１５Ａは、種々の実施形態による、拡張現実システムによって生成される下位瞳および上位瞳構成を描写する。
【図８】図７Ａ−７Ｃ、８Ａ−８Ｃ、および１５Ａは、種々の実施形態による、拡張現実システムによって生成される下位瞳および上位瞳構成を描写する。
【図９】図９−１３は、種々の実施形態による、拡張現実システムの種々の構成要素の概略図である。
【図１０】図９−１３は、種々の実施形態による、拡張現実システムの種々の構成要素の概略図である。
【図１１】図９−１３は、種々の実施形態による、拡張現実システムの種々の構成要素の概略図である。
【図１２】図９−１３は、種々の実施形態による、拡張現実システムの種々の構成要素の概略図である。
【図１３】図９−１３は、種々の実施形態による、拡張現実システムの種々の構成要素の概略図である。
【図１４】図６および１４は、２つの実施形態による、拡張現実システムの種々の構成要素の詳細な概略図である。
【図１５Ａ】図７Ａ−７Ｃ、８Ａ−８Ｃ、および１５Ａは、種々の実施形態による、拡張現実システムによって生成される下位瞳および上位瞳構成を描写する。
【図１５Ｂ】図１５Ｂは、一実施形態による、拡張現実システムの光誘導光学要素に形成される下位瞳を描写する。
【図１６】図１６は、さらに別の実施形態による、拡張現実システムの種々の構成要素の分解図である。
【図１７】図１７Ａおよび１７Ｂは、一実施形態による、拡張現実システムの狭小出射光学システムと、それによって形成される、結果として生じる下位瞳および上位瞳とを描写する。
【図１８】図１８Ａ−１８Ｃおよび１９は、種々の実施形態による、拡張現実システムによって生成される下位瞳および上位瞳の形状ならびに構成を描写する。
【図１９】図１８Ａ−１８Ｃおよび１９は、種々の実施形態による、拡張現実システムによって生成される下位瞳および上位瞳の形状ならびに構成を描写する。
【図２０Ａ】図２０Ａおよび２０Ｂは、種々の実施形態による、拡張現実システムによって生成される下位瞳および上位瞳の形状ならびに構成を描写する。
【図２０Ｂ】図２０Ａおよび２０Ｂは、種々の実施形態による、拡張現実システムによって生成される下位瞳および上位瞳の形状ならびに構成を描写する。
【図２０Ｃ】図２０Ｃおよび２０Ｄは、２つの実施形態による、拡張現実システムの光誘導光学要素を描写し、光誘導光学要素は、それぞれ、図２０Ａおよび２０Ｂに描写される下位瞳ならびに上位瞳に対応するビームとの使用のために構成される。
【図２０Ｄ】図２０Ｃおよび２０Ｄは、２つの実施形態による、拡張現実システムの光誘導光学要素を描写し、光誘導光学要素は、それぞれ、図２０Ａおよび２０Ｂに描写される下位瞳ならびに上位瞳に対応するビームとの使用のために構成される。
【図２１】図２１は、一実施形態による、拡張現実システムの光誘導光学要素を描写し、光誘導光学要素は、光の特定の波長との使用のために構成される。
【図２２Ａ】図２２Ａおよび２２Ｂは、２つの実施形態による、拡張現実システムの構成要素の分解図である。
【図２２Ｂ】図２２Ａおよび２２Ｂは、２つの実施形態による、拡張現実システムの構成要素の分解図である。
【図２２Ｃ】図２２Ｃおよび２２Ｄは、それぞれ、図２２Ａおよび２２Ｂに描写される、拡張現実システムによって生成される下位瞳および上位瞳の構成を描写する。
【図２２Ｄ】図２２Ｃおよび２２Ｄは、それぞれ、図２２Ａおよび２２Ｂに描写される、拡張現実システムによって生成される下位瞳および上位瞳の構成を描写する。
【図２３】図２３および２４は、２つの実施形態による、拡張現実システムの構成要素の概略図であり、システムは、２つのＳＬＭを有する。
【図２４】図２３および２４は、２つの実施形態による、拡張現実システムの構成要素の概略図であり、システムは、２つのＳＬＭを有する。
【図２５】図２５は、別の実施形態による、拡張現実システムの種々の構成要素の概略図である。
【図２６】図２６−２８および３０は、種々の実施形態による、拡張現実システムの構成要素を描写する略図である。
【図２７】図２６−２８および３０は、種々の実施形態による、拡張現実システムの構成要素を描写する略図である。
【図２８】図２６−２８および３０は、種々の実施形態による、拡張現実システムの構成要素を描写する略図である。
【図２９】図２９は、図２８に描写される拡張現実システムによって形成される、分離された下位瞳の詳細な概略図である。
【図３０】図２６−２８および３０は、種々の実施形態による、拡張現実システムの構成要素を描写する略図である。
【図３１】図３１および３２は、２つの実施形態による、単純拡張現実システムの分解図である。
【図３２】図３１および３２は、２つの実施形態による、単純拡張現実システムの分解図である。
【図３３】図３３は、さらに別の実施形態による、拡張現実システムの光源および瞳エキスパンダの概略図である。
【図３４Ａ】図３４Ａおよび３５Ａは、２つの実施形態による、拡張現実システムによって生成される下位瞳および上位瞳の構成を描写する。
【図３４Ｂ】図３４Ｂおよび３５Ｂは、２つの実施形態による、拡張現実システムによって生成されるディスプレイピクセルを描写する。
【図３５Ａ】図３４Ａおよび３５Ａは、２つの実施形態による、拡張現実システムによって生成される下位瞳および上位瞳の構成を描写する。
【図３５Ｂ】図３４Ｂおよび３５Ｂは、２つの実施形態による、拡張現実システムによって生成されるディスプレイピクセルを描写する。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
本発明の種々の実施形態は、単一実施形態または複数の実施形態において光学システムを実装するためのシステム、方法、および製造品を対象とする。本発明の他の目的、特徴、および利点は、発明を実施するための形態、図、および請求項に説明される。
【００２３】
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、本発明の例証的例として提供される図面を参照して詳細に説明されるであろう。留意すべきこととして、以下の図および実施例は、本発明の範囲を限定することを意味するものではない。本発明のある要素が、公知の構成要素（または方法もしくはプロセス）を使用して部分的または完全に実装され得る場合、本発明の理解のために必要なそのような公知の構成要素（または方法もしくはプロセス）のそれらの一部のみ、説明され、そのような公知の構成要素（または方法もしくはプロセス）の他の部分の詳細な説明は、本発明を曖昧にしないように、省略されるであろう。さらに、種々の実施形態は、例証として本明細書に参照される構成要素の現在および将来的公知の均等物を包含する。
【００２４】
光学システムは、ＡＲシステムから独立して実装され得るが、以下の多くの実施形態は、例証目的のためだけにＡＲシステムに関係して説明される。
【００２５】
（問題および解決策の概要）
仮想画像を種々の深度において生成するための１つのタイプの光学システムは、３−Ｄ体験／シナリオの品質（例えば、イメージング面の数）および画像の品質（例えば、画像色の数）が向上するにつれて、その数が増加し、それによって、ＡＲおよびＶＲシステムの複雑性、サイズ、ならびにコストを増加させる、多数の光学構成要素（例えば、光源、プリズム、格子、フィルタ、スキャン光学、ビームスプリッタ、ミラー、ハーフミラー、シャッタ、眼レンズ等）を含む。３−Ｄシナリオ／画質の向上に伴う光学システムのサイズの増加は、ＡＲおよびＶＲシステムの最小サイズに限界を課し、効率が低下した煩雑なシステムをもたらす。
【００２６】
以下の開示は、より少ない構成要素および向上した効率を伴う光学システムを提供することによって問題に対処する、多焦点面光学要素を使用して、３−Ｄ知覚を生成するためのシステムおよび方法の種々の実施形態を説明する。特に、本明細書に説明されるシステムは、空間的に分離されたサブ光源を伴う光源と、それぞれのサブ光源に対応する空間的に分離された光ビームを生成するための出射光学システムとを利用する。これらの空間的に分離された光ビームが、出射光学システムから退出した後、それらは、光誘導光学要素（「ＬＯＥ」；例えば、平面導波管）に隣接した、空間的に分離された下位瞳（それぞれのサブ光源に対応する）に集中する。下位瞳は、Ｘ、Ｙ、およびＺ方向において、互いから空間的に分離されることができる。下位瞳の空間分離は、各下位瞳が異なるＬＯＥの内部結合格子にアドレスするように、異なるＬＯＥのための内部結合格子の空間分離を可能にする。故に、ＬＯＥは、サブ光源をアクティブ化および非アクティブにすることによって、選択的に照明されることができる。この光学システム設計は、分離された下位瞳を利用し、光源とＬＯＥとの間の光学要素の数を減少させ、それによって、ＡＲおよびＶＲシステムを簡略化し、そのサイズを減少させる。
【００２７】
（例証的光学システム）
分離された瞳の発明の実施形態の詳細を説明する前に、本開示は、ここで、例証的光学システムの簡単な説明を提供するであろう。実施形態は、任意の光学システムと共に使用されることができるが、特定のシステム（例えば、ＡＲシステム）が、実施形態の基礎となる技術を例証するために説明される。
【００２８】
ＡＲシステムを実装するための１つの可能なアプローチは、深度平面情報が組み込まれ、複数の体積位相ホログラム、表面レリーフホログラム、または光誘導光学要素を使用し、それぞれの深度平面から生じるように見える画像を生成する。言い換えると、回折パターン、または回折光学要素（「ＤＯＥ」）が、ＬＯＥ内に組み込まれるか、またはその上にインプリントされ得、それによって、コリメートされた光（略平面波正面を伴う光ビーム）がＬＯＥに沿って実質的に全内部反射されるにつれて、それが、複数の場所において回折パターンを交差し、少なくとも部分的に、ユーザの眼に向かって出て行く。ＤＯＥは、ＬＯＥからのそれを通して出て行く光が傾けられるように構成され、特定の深度平面から生じるように見える。コリメートされた光は、光学凝集レンズ（「集光器」）を使用して、生成され得る。
【００２９】
例えば、第１のＬＯＥは、光学無限深度平面（０ジオプトリ）から生じるように見えるコリメートされた光を眼に送達するように構成され得る。別のＬＯＥは、２メートルの距離（１／２ジオプトリ）から生じるように見えるコリメートされた光を送達するように構成され得る。さらに別のＬＯＥは、１メートルの距離（１ジオプトリ）から生じるように見えるコリメートされた光を送達するように構成され得る。スタックされたＬＯＥアセンブリを使用することによって、複数の深度平面が生成され、各ＬＯＥが特定の深度平面から生じるように見える画像を表示するように構成され得ることが理解され得る。スタックは、任意の数のＬＯＥを含み得ることを理解されたい。しかしながら、少なくともＮ個のスタックされたＬＯＥが、Ｎ個の深度平面を生成するために要求される。さらに、Ｎ、２Ｎ、または３Ｎ個のスタックされたＬＯＥが、ＲＧＢ着色画像をＮ個の深度平面において生成するために使用され得る。
【００３０】
３−Ｄ仮想コンテンツをユーザに提示するために、ＡＲシステムは、それがＺ方向における種々の深度平面から（すなわち、ユーザの眼から直交方向に離れるように）生じるように見えるように、仮想コンテンツの画像をユーザの眼の中に投影する。言い換えると、仮想コンテンツは、ユーザが、非常に近くにあるように、無限距離にあるように、もしくはその間の任意の距離にあるようにオブジェクトを知覚し得るように、ＸおよびＹ方向（すなわち、ユーザの眼の中心視覚軸に直交する２Ｄ平面）において変化し得るだけではなく、それは、Ｚ方向にも変化するように見え得る。他の実施形態では、ユーザは、複数のオブジェクトを異なる深度平面において同時に感知し得る。例えば、ユーザは、無限遠から現れ、ユーザに向かって走ってくる、仮想ドラゴンが見え得る。代替として、ユーザには、ユーザから３メートル離れた距離における仮想鳥と、ユーザから腕の長さ（約１メートル）にある仮想コーヒーカップとを同時に見得る。
【００３１】
多平面焦点システムは、ユーザの眼からＺ方向にそれぞれの固定距離に位置する複数の深度平面の一部または全部上に画像を投影することによって、可変深度の知覚を生成する。ここで図４を参照すると、多平面焦点システムは、典型的には、固定深度平面２０２（例えば、図４に示される６つの深度平面２０２）においてフレームを表示することを理解されたい。ＡＲシステムは、任意の数の深度平面２０２を含むことができるが、１つの例示的多平面焦点システムは、Ｚ方向に６つの固定深度平面２０２を有する。６つの深度平面２０２のうちの１つ以上のものにおいて仮想コンテンツを生成することにおいて、３−Ｄ知覚が、ユーザが１つ以上の仮想オブジェクトをユーザの眼から可変距離において知覚するように生成される。ヒトの眼が、離れて見えるオブジェクトより近い距離のオブジェクトにより敏感であるとすると、図４に示されるように、眼により近いほど、より多くの深度平面２０２が生成される。他の実施形態では、深度平面２０２は、互いから等距離だけ離れて設置され得る。
【００３２】
深度平面位置２０２は、典型的には、メートル単位で測定された焦点距離の逆数と等しい屈折力の単位であるジオプトリで測定される。例えば、一実施形態では、深度平面１は、１／３ジオプトリだけ離れ得、深度平面２は、０．３ジオプトリだけ離れ得、深度平面３は、０．２ジオプトリだけ離れ得、深度平面４は、０．１５ジオプトリだけ離れ得、深度平面５は、０．１ジオプトリだけ離れ得、深度平面６は、無限遠を表し得る（すなわち、０ジオプトリ離れている）。他の実施形態は、他の距離／ジオプトリで深度平面２０２を生成し得ることを理解されたい。したがって、仮想コンテンツを計画的に設置された深度平面２０２に生成することにおいて、ユーザは、仮想オブジェクトを３次元で知覚可能である。例えば、ユーザは、深度平面１に表示されるとき、その近くにあるように第１の仮想オブジェクトを知覚し得る一方、別の仮想オブジェクトは、深度平面６における無限遠において見える。代替として、仮想オブジェクトは、仮想オブジェクトがユーザに非常に近接して見えるまで、最初に、深度平面６で、次いで、深度平面５で表示される等。前述の例は、例証目的のために大幅に簡略化されていることを理解されたい。別の実施形態では、全６つの深度平面は、ユーザから離れた特定の焦点距離に集中させられ得る。例えば、表示されるべき仮想コンテンツが、ユーザから１／２メートル離れたコーヒーカップである場合、全６つの深度平面は、コーヒーカップの種々の断面で生成され、ユーザにコーヒーカップの非常に粒度の細かい３Ｄビューを与え得る。
【００３３】
一実施形態では、ＡＲシステムは、多平面焦点システムとして機能し得る。言い換えると、６つの固定された深度平面から生じるように見える画像が、光源と迅速に連動して生成され、画像情報をＬＯＥ１、次いで、ＬＯＥ２、次いで、ＬＯＥ３等と迅速に伝達するように、全６つのＬＯＥが、同時に照明され得る。例えば、無限光学における空の画像を含む所望の画像の一部が、時間１において出射され得、光のコリメーションを保持するＬＯＥ１０９０（例えば、図４からの深度平面６）が、利用され得る。次いで、より近い木の枝の画像が、時間２において出射され得、１０メートル離れた深度平面から生じるように見える画像を生成するように構成されるＬＯＥ１０９０（例えば、図４からの深度平面５）が、利用され得る。次いで、ペンの画像が、時間３において出射され得、１メートル離れた深度平面から生じるように見える画像を生成するように構成されるＬＯＥ１０９０が、利用され得る。このタイプのパラダイムは、ユーザの眼および脳（例えば、視覚野）が、入力を同一画像の全部分であるように知覚するような迅速時間順次方式（例えば、３６０Ｈｚ）で繰り返されることができる。
【００３４】
ＡＲシステムは、３−Ｄ体験のための画像を生成するために、Ｚ軸（すなわち、深度平面）に沿った種々の場所から生じるように見える画像を投影することを要求される（すなわち、光ビームを発散または収束させることによって）。本願で使用されるように、光ビームは、限定ではないが、光源から放散する光エネルギー（可視および非可視光エネルギーを含む）の指向性投影を含む。種々の深度平面から生じるように見える画像を生成することは、その画像に対してユーザの眼の両眼離反運動および遠近調節を順応または同調させ、両眼離反運動−遠近調節衝突を最小化または排除する。
【００３５】
図１は、画像を単一深度平面において投影するための基本光学システム１００を描写する。システム１００は、光源１２０と、それに関連付けられた回折光学要素（図示せず）および内部結合格子１９２（「ＩＣＧ」）を有する、ＬＯＥ１９０とを含む。回折光学要素は、体積または表面レリーフを含む、任意のタイプであり得る。一実施形態では、ＩＣＧ１９２は、ＬＯＥ１９０の反射モードアルミで覆われた部分であることができる。別の実施形態では、ＩＣＧ１９２は、ＬＯＥ１９０の透過回折部分であることができる。システム１００が使用されているとき、光源１２０からの「仮想」光ビームは、ユーザの眼への表示のために、ＩＣＧ１９２を介してＬＯＥ１９０に進入し、実質的全内部反射（「ＴＩＲ」）によって、ＬＯＥ１９０に沿って伝搬する。光ビームは、システム１００によって向かわせられるような非存在「仮想」オブジェクトまたはその一部の画像をエンコードするので、「仮想」である。１つのみのビームが図１に図示されるが、画像をエンコードする多数のビームが、同一ＩＣＧ１９２を通して広範囲の角度からＬＯＥ１９０に進入し得ることを理解されたい。ＬＯＥの中に「進入する」または「入ることを許された」光ビームは、限定ではないが、ＬＯＥと相互作用し、実質的ＴＩＲによってＬＯＥに沿って伝搬する光ビームを含む。図１に描写されるシステム１００は、種々の光源１２０（例えば、ＬＥＤ、ＯＬＥＤ、レーザ、およびマスクされた広面積／広帯域エミッタ）を含むことができる。他の実施形態では、光源１２０からの光は、光ファイバケーブル（図示せず）を介して、ＬＯＥ１９０に送達され得る。
【００３６】
図２は、光源１２０と、それぞれの複数の（例えば、３つの）ＬＯＥ１９０および内部結合格子１９２とを含む、別の光学システム１００’を描写する。光学システム１００’はまた、３つのビームスプリッタまたはダイクロイックミラー１６２（光をそれぞれのＬＯＥに向かわせる）と、３つのシャッタ１６４（ＬＯＥが光源１２０によって照明されるときを制御する）とも含む。シャッタ１６４は、任意の好適な光学シャッタであることができ、限定ではないが、液晶シャッタを含む。
【００３７】
システム１００’が使用されるとき、光源１２０からの仮想光ビームは、３ビームスプリッタ１６２によって、３つの仮想光サブビーム／ビームレットに分割される。３ビームスプリッタ１６２はまた、サブビームをそれぞれの内部結合格子１９２の方に向け直す。サブビームがそれぞれの内部結合格子１９２を通してＬＯＥ１９０に進入した後、それらは、実質的ＴＩＲによって、ＬＯＥ１９０に沿って伝搬し、そこで、追加の光学構造と相互作用し、（例えば、サブビームによってエンコードされる仮想オブジェクトの）ディスプレイをユーザの眼にもたらす。光学経路の遠い側上の内部結合格子１９２の表面は、不透明材料（例えば、アルミニウム）でコーティングされ、光が内部結合格子１９２を通して次のＬＯＥ１９０に通過することを防止することができる。一実施形態では、ビームスプリッタ１６２は、波長フィルタと組み合わせられ、赤色、緑色、および青色サブビームを生成することができる。そのような実施形態では、３つのＬＯＥ１９０が、色画像を単一深度平面において表示するために要求される。別の実施形態では、ＬＯＥ１９０の各々は、ユーザの視野内に、同一の色または異なる色のいずれかの側方に角変位させられるより大きい単一深度平面画像面積の（「タイル状視野」を形成する）一部を提示し得る。全３つの仮想光ビームレットが、それぞれのシャッタ１６４を通過するように描写されるが、典型的には、１つのみのビームレットが、任意のある時間に対応するシャッタ１６４を通して選択的に通過することを可能にされる。この方法において、システム１００’は、ＬＯＥ１９０とのビームおよびビームレットによってエンコードされる画像情報を調整することができ、ビームレットおよびその中にエンコードされる画像情報は、ＬＯＥ１９０を通してユーザの眼に送達されるであろう。
【００３８】
図３は、さらに別の光学システム１００’’を描写し、システム１００’’は、それぞれの複数（例えば、６つ）のビームスプリッタ１６２、シャッタ１６４、ＩＣＧ１９２、およびＬＯＥ１９０を有する。図２の議論中、上で説明されたように、３つの単一色ＬＯＥ１９０が、色画像を単一深度平面において表示するために要求される。したがって、システム１００’’の６つのＬＯＥ１９０は、色画像を２つの深度平面において表示することが可能である。
【００３９】
光学システム１００’’内のビームスプリッタ１６２は、異なるサイズを有する。光学システム１００’’内のシャッタ１６４は、それぞれのビームスプリッタ１６２のサイズに対応する異なるサイズを有する。光学システム１００’’内のＩＣＧ１９２は、それぞれのビームスプリッタ１６２のサイズに対応する異なるサイズと、ビームスプリッタ１６２とそれらのそれぞれのＩＣＧ１９２との間のビーム経路の長さとを有する。ある場合には、ビームスプリッタ１６２とそれらのそれぞれのＩＣＧ１９２との間のビーム経路の距離が長いほど、ビームがより発散し、光を内部結合するために、より大きいＩＣＧ１９２を要求する。
【００４０】
図１−３に示されるように、深度平面、フィールドタイル、および／または生成される色の数が増加するにつれて（例えば、増加されるＡＲシナリオ品質に伴って）、ＬＯＥ１９０および他の光学システム構成要素の数も増加する。例えば、単一ＲＧＢ色深度平面は、少なくとも３つの単一色ＬＯＥ１９０を要求する。その結果、光学システムの複雑性およびサイズも、増加する。クリーンストリーム（すなわち、無光ビーム相互汚染または「クロストーク」）のための要件は、ＬＯＥの数の増加に伴って、正比例以上に光学システムの複雑性およびサイズを増加させる。ビームスプリッタ１６２およびＬＣシャッタ１６４に加え、より複雑な光学システムは、他の光源、プリズム、格子、フィルタ、スキャン光学、ミラー、ハーフミラー、眼レンズ等も含むことができる。光学要素の数が増加するにつれて、光学の要求される作業距離も同様に増加する。光強度および他の光学特性は、作業距離が増加するにつれて劣化する。さらに、作業距離による視野の幾何学的制約は、光学システム１００内の光学要素の数に実践的限界を課す。
【００４１】
（分離された瞳拡張現実システム）
ここで図５を参照して、光学システムの複雑性およびサイズの問題に対処する、分離された瞳ＡＲシステム１０００の例示的実施形態が、ここで説明されるであろう。システム１０００は、前述のように、スタックされた光誘導光学要素アセンブリ１０９０を使用する。ＡＲシステム１０００は、概して、画像生成プロセッサ１０１０と、光源１０２０と、コントローラ１０３０と、空間光変調器（「ＳＬＭ」）１０４０と、出射光学システム１０６０と、多平面焦点システムとして機能する、少なくとも１組のスタックされたＬＯＥ１０９０とを含む。システムはまた、眼追跡サブシステム１０５０を含み得る。他の実施形態は、複数の組のスタックされたＬＯＥ１０９０を有し得るが、以下の開示は、図５の例示的実施形態に焦点を当てるであろうことを理解されたい。
【００４２】
画像生成プロセッサ１０１０は、ユーザに表示されるべき仮想コンテンツを生成するように構成される。画像生成プロセッサは、仮想コンテンツに関連付けられた画像またはビデオを３−Ｄにおいてユーザに投影されることができるフォーマットに変換し得る。例えば、３−Ｄコンテンツを生成することにおいて、仮想コンテンツは、特定の画像の部分が特定の深度平面において表示される一方、他の部分が他の深度平面において表示されるように、フォーマットされる必要があり得る。一実施形態では、画像は全て、特定の深度平面において生成され得る。別の実施形態では、画像生成プロセッサは、一緒に視認されると、仮想コンテンツがユーザの眼にコヒーレントかつ快適に見えるように、若干異なる画像を右眼および左眼に提供するようにプログラムされ得る。
【００４３】
画像生成プロセッサ１０１０は、メモリ１０１２と、ＧＰＵ１０１４と、ＣＰＵ１０１６と、画像生成および処理のための他の回路とをさらに含み得る。画像生成プロセッサ１０１０は、ＡＲシステム１０００のユーザに提示されるべき所望の仮想コンテンツでプログラムされ得る。いくつかの実施形態では、画像生成プロセッサ１０１０は、装着型ＡＲシステム１０００内に格納され得ることを理解されたい。他の実施形態では、画像生成プロセッサ１０１０および他の回路は、装着型光学に結合されるベルトパック内に格納され得る。画像生成プロセッサ１０１０は、所望の仮想コンテンツに関連付けられた光を投影する光源１０２０と、１つ以上の空間光変調器（以下に説明される）とに動作可能に結合される。
【００４４】
光源１０２０は、コンパクトであり、高分解能を有する。光源１０２０は、コントローラ１０３０（以下に説明される）に動作可能に結合される複数の空間的に分離されたサブ光源１０２２を含む。例えば、光源１０２０は、種々の幾何学的構成内に配置される色特定のＬＥＤおよびレーザを含み得る。代替として、光源１０２０は、同一色のＬＥＤまたはレーザを含み得、それぞれ１つずつ、ディスプレイの視野の特定の領域に連結される。別の実施形態では、光源１０２０は、放出面積および位置の区画化のためのマスクオーバレイを伴う、白熱灯または蛍光灯等の広面積エミッタを備え得る。サブ光源１０２２は、図５では、直接ＡＲシステム１０００に接続されるが、サブ光源１０２２は、光ファイバの遠位端（サブ光源１０２２から離れた端）が互いから空間的に分離される限り、光ファイバ（図示せず）を介して、システム１０００に接続され得る。システム１０００は、光源１０２０からの光をコリメートするように構成される、集光器（図示せず）も含み得る。
【００４５】
ＳＬＭ１０４０は、種々の例示的実施形態では、反射式（例えば、ＤＬＰ  ＤＭＤ、ＭＥＭＳミラーシステム、ＬＣＯＳ、またはＦＬＣＯＳ）、透過式（例えば、ＬＣＤ）、または放出式（例えば、ＦＳＤまたはＯＬＥＤ）であり得る。空間光変調器のタイプ（例えば、速度、サイズ等）は、３−Ｄ知覚の生成を改良するように選択されることができる。より高いリフレッシュレートで動作するＤＬＰ  ＤＭＤは、固定式ＡＲシステム１０００の中に容易に組み込まれ得るが、装着型ＡＲシステム１０００は、典型的には、より小さいサイズおよび電力のＤＬＰを使用する。ＤＬＰの電力は、３−Ｄ深度平面／焦点面が生成される方法を変化させる。画像生成プロセッサ１０１０は、ＳＬＭ１０４０に動作可能に結合され、ＳＬＭ１０４０は、光源１０２０からの光を所望の仮想コンテンツを用いてエンコードする。光源１０２０からの光は、ＳＬＭ１０４０から反射するか、そこから放出するか、またはそれを通過するとき、画像情報を用いてエンコードされ得る。
【００４６】
図５に戻って参照すると、ＡＲシステム１０００は、光源１０２０（すなわち、複数の空間的に分離されたサブ光源１０２２）およびＳＬＭ１０４０からの光をＬＯＥアセンブリ１０９０に向かわせるように構成される出射光学システム１０６０を含む。出射光学システム１０６０は、光をＬＯＥアセンブリ１０９０の中に向かわせるように構成される１つ以上のレンズを含み得る。出射光学システム１０６０は、光源１０２０のサブ光源１０２２からの空間的に分離され、異なるビームに対応するＬＯＥ１０９０に隣接した、空間的に分離され、異なる瞳を（出射光学システム１０６０から出て行くビームのそれぞれの焦点に）形成するように構成される。出射光学システム１０６０は、瞳が互いから空間的に変位させられるように構成される。いくつかの実施形態では、出射光学システム１０６０は、ＸおよびＹ方向のみにビームを空間的に変位させるように構成される。そのような実施形態では、瞳は、１つのＸ、Ｙ平面において形成される。他の実施形態では、出射光学システム１０６０は、Ｘ、Ｙ、およびＺ方向においてビームを空間的に変位させるように構成される。
【００４７】
光ビームの空間分離は、異なるビームおよび瞳を形成し、それは、異なるビーム経路内の内部結合格子の設置を可能にし、それによって、各内部結合格子の大部分は、１つのみの異なるビーム（またはビーム群）によってアドレスされる（例えば、交差または衝突される）。これは、ひいては、複数のもののうちの他のサブ光源１０２２からの他の光ビームの進入（すなわち、クロストーク）を最小化しながら、ＬＯＥアセンブリ１０９０のそれぞれのＬＯＥ１０９０の中への空間的に分離された光ビームの進入を促進する。特定のサブ光源１０２２からの光ビームは、その上の内部結合格子（図５には図示せず、図１−３参照）を通してそれぞれのＬＯＥ１０９０に入る。それぞれのＬＯＥ１０９０の内部結合格子は、各空間的に分離された光ビームが１つのＬＯＥ１０９０の内部結合格子とのみ交差するように、複数のサブ光源１０２２からの空間的に分離された光ビームと相互作用するように構成される。したがって、各空間的に分離された光ビームは、主に、１つのＬＯＥ１０９０に入る。故に、ＳＬＭ１０４０によってサブ光源１０２２の各々からの光ビーム上にエンコードされる画像データは、ユーザの眼への送達のために、単一ＬＯＥ１０９０に沿って効果的に伝搬されることができる。
【００４８】
そして、各ＬＯＥ１０９０は、所望の深度平面またはＦＯＶ角位置から生じるように見える画像またはサブ画像をユーザの網膜上に投影するように構成される。それぞれの複数のＬＯＥ１０９０およびサブ光源１０２２は、したがって、空間内の種々の深度平面または位置から生じるように見える画像（コントローラ１０３０の制御下においてＳＬＭ１０４０によって同期してエンコードされる）を選択的に投影することができる。十分に高フレームレート（例えば、６０Ｈｚの効果的フルボリュームフレームレートにおける６つの深度平面のために３６０Ｈｚ）において、それぞれの複数のＬＯＥ１０９０およびサブ光源１０２２のうちの各々を使用して画像を連続して投影することによって、システム１０００は、種々の深度平面において、３−Ｄ画像内に同時に存在するように見える、仮想オブジェクトの３−Ｄ画像を生成することができる。
【００４９】
コントローラ１０３０は、画像生成プロセッサ１０１０、光源１０２０（サブ光源１０２２）、およびＳＬＭ１０４０と通信し、かつそれらに動作可能に結合され、ＳＬＭ１０４０にサブ光源１０２２からの光ビームを画像生成プロセッサ１０１０からの適切な画像情報を用いてエンコードするように命令することによって、画像の同期ディスプレイを調整する。
【００５０】
ＡＲシステムは、ユーザの眼を追跡し、ユーザの焦点を決定するように構成される随意の眼追跡サブシステム１０５０を含む。一実施形態では、以下に議論されるように、サブ光源１０２２の一部のみが、眼追跡サブシステムからの入力に基づいてアクティブにされ、ＬＯＥ１０９０の一部を照明し得る。眼追跡サブシステム１０５０からの入力に基づいて、特定のＬＯＥ１０９０に対応する１つ以上のサブ光源１０２２が、画像がユーザの焦点／遠近調節と一致する所望の深度平面において生成されるように、アクティブにされ得る。例えば、ユーザの眼が互いに平行である場合、ＡＲシステム１０００は、画像が光学無限遠から生じるように見えるようにコリメートされた光をユーザの眼に送達するように構成されるＬＯＥ１０９０に対応するサブ光源１０２２（例えば、図４からのＬＯＥ６）をアクティブ化し得る。別の例では、眼追跡サブシステム１０５０が、ユーザの焦点が１メートル離れていることを決定する場合、ほぼその範囲内で集中するように構成されるＬＯＥ１０９０に対応するサブ光源１０２２が、代わりにアクティブにされ得る。この特定の実施形態では、１つのみのサブ光源群１０２２が、任意の所与の時間にアクティブにされる一方、他のサブ光源１０２０は、非アクティブにされ、電力を保存することを理解されたい。
【００５１】
図６に描写されるＡＲシステム２０００は、Ｘ、Ｙ、およびＺ方向に空間的に分離される下位瞳３０２を生成するように構成される。システム２０００内の光源２０２０は、Ｘ、Ｙ、およびＺ（すなわち、光学経路に沿った）方向に互いから変位させられる、２つのサブ光源群２０２２ａ、２０２２ｂを含む。システム２０００は、集光器２０７０と、随意のポラライザ２０７２と、ビームスプリッタ２０２６と、ＳＬＭ２０２４と、出射光学システム２０６０と、ＬＯＥ２０９０のスタックとを含む。使用時、サブ光源２０２２ａ、２０２２ｂからの複数の光ビームは、列挙された順序で前述の列挙されたシステム構成要素を通過する。Ｘ、Ｙ、およびＺ方向におけるサブ光源２０２２ａ、２０２２ｂの変位は、Ｘ、Ｙ、およびＺ方向において変位させられた焦点を伴うビームを生成し、それによって、空間的に分離された下位瞳３０２およびシステム２０００内で照明され得るＬＯＥ２０９０の数を増加させる。
【００５２】
図７Ａから７Ｃおよび８Ａから８Ｃは、図６に描写されるものに類似する種々のＡＲシステム２０００によって生成される上位瞳３００内の下位瞳３０２の種々の空間配列を描写する。下位瞳３０２は、Ｘ、Ｙ平面において空間的に分離されるように描写されるが、下位瞳３０２は、Ｚ方向にも空間的に分離されることもできる。同一色を有するビームによって形成される下位瞳３０２は、最大限に空間的に分離され（図８Ａから８Ｃに示されるように）、同一色の光を伝搬するように構成されるＬＯＥ２０９０間のクロストークを減少させ得る。さらに、Ｚ方向において互いから分離された下位瞳３０２を形成する図６に描写されるもののようなシステム２０００では、色および／または深度平面ならびに／もしくは視野立体角区画は、シャッタの必要性を伴わずに、サブ光源２０２２ａ、２０２２ｂを切り替えることによって、切り替えられることができる。
【００５３】
図９から１１は、光源２０２０（例えば、空間的に変位させられた赤色、緑色、および青色サブ光源（例えば、ＬＥＤ）を有する角変位させられたＲＧＢフラットパネル）が、角変位させられ（光学経路に対して）、それぞれのＬＯＥ２０９０に隣接した空間的に変位させられた色下位瞳を生成するＡＲシステム２０００を描写する。光源２０２０を角変位させることは、ＸおよびＹ方向に加え、Ｚ方向において、赤色、緑色、および青色サブ光源の相対的場所を変化させる。図９では、光源２０２０からの空間的に変位させられた光ビームは、デジタル光処理（「ＤＬＰ」）ＳＬＭ２０２４を使用して、画像データを用いてエンコードされる。ＤＬＰ  ＳＬＭ２０２４から反射された光ビームは、出射光学２０６０に進入し、出射光学２０６０は、光ビームをさらに空間的に分離させ、それによって、各ビームに対応する空間的に分離された下位瞳を形成する。空間的に分離され、コリメートされた光ビームは、前述のように、それぞれの内部結合格子（図示せず）を通してそれぞれのＬＯＥ２０９０に進入し、ＬＯＥ２０９０内を伝搬する。一実施形態では、図９に描写される３つの光ビームは、異なる波長（例えば、赤色、緑色、および青色）の光であることができる。ＡＲシステム２０００の種々の構成要素の構成を修正することによって、下位瞳の空間分離は、サブ光源の空間分離と異なることができる。
【００５４】
図１０に描写されるシステム２０００は、図９に描写されるものに類似するが、光源２０２０からのビームは、ＭＥＭＳミラーＳＬＭ２０２４であるＳＬＭ２０２４の表面上に焦点を合わせられる。図１０における出射光学システム２０６０は、ＭＥＭＳミラーＳＬＭ２０２４から反射された光をさらに空間的に分離させ、各ビームに対応する空間的に分離された下位瞳を生成するように構成される。
【００５５】
図１１に描写されるシステム２０００は、図９に描写されるものに類似するが、光源２０２０は、ファイバスキャンディスプレイ（「ＦＳＤ」）であり、組み合わせられたＲＧＢ画像源である。ＳＬＭ２０２４は、ＦＳＤ２０２０からのＲＧＢビームを向け直すことと、異なる色光および／または異なる深度平面のために構成される光を含む空間的に分離されたサブビームに空間的に分離させることとの両方を行う体積位相またはブレーズドホログラフィック光学要素である。一実施形態では、３つのサブビームは、それぞれ、赤色、緑色、および青色光を含む。図１１における出射光学システム２０６０は、図９におけるシステム２０６０と同様に機能し、各サブビームに対応する空間的に分離された下位瞳を生成する。
【００５６】
図１２に描写されるシステム２０００は、図９に描写されるものに類似するが、ビームスプリッタ２０２６が、光学経路に追加される。光源２０２０からの空間的に変位させられた光ビームは、ビームスプリッタ２０２６から、本実施形態では、ＬＣＯＳまたはＦＬＣＯＳであるＳＬＭ２０２４上に反射する。空間的に変位させられた光ビームは、ＳＬＭ２０２４から、ビームスプリッタ２０２６を通して、出射光学システム２０６０の中に反射する。図１２における出射光学システム２０６０は、図９におけるシステム２０６０と同様に機能し、各ビームに対応する空間的に分離された下位瞳を生成する。
【００５７】
図１３は、図１２に描写されるものに非常に類似するＡＲシステム２０００を描写する。図１０に描写されるシステム２０００において、図１２に描写されるシステム２０００からのビームスプリッタ２０２６は、偏光ビームスプリッタ２０２８と置換され、これは、反射ワイヤグリッドポラライザまたは偏光敏感ダイクロイックコーティング層を含み得る。ＡＲシステム２０００は、光源２０２０とワイヤグリッドポラライザ２０２８との間に配置される集光器２０７０も含む。光源２０２０からの光ビームは、集光器２０７０および偏光ビームスプリッタ２０２８を通過し、ＬＣＯＳ  ＳＬＭ２０２４上に移動する。光ビームは、ＳＬＭ２０２４およびビームスプリッタ２０２６から、出射光学システム２０６０の中に反射する。図１３における出射光学システム２０６０は、図１２におけるシステム２０６０と同様に機能し、各ビームに対応する空間的に分離された下位瞳を生成する。図１３は、下位瞳が光学経路に対してＸ、Ｙ、およびＺ方向に空間的に分離されることができることを示す。図１３は、出射光学システム２０６０を形成する３つのレンズを描写するが、しかしながら、出射光学システム２０６０の他の実施形態は、より少ないまたはより多いレンズを含むことができる。例えば、図１４は、発散したビームの組を収束したビームの組に変換する中継レンズ２０８０と、異なるＬＯＥ２０９０への共入射およびそれによる伝搬のための外部瞳とを有する出射光学システム２０６０を含む、ＡＲシステム２０００を描写する。
【００５８】
図１５Ａは、一実施形態による、ＡＲシステム２０００によって生成される上位瞳３００内のＸ、Ｙ平面における下位瞳３０２の空間配列を描写する。図１５Ｂは、システム２０００の６つのＬＯＥ２０９０のスタックと、図１５Ａに描写される下位瞳３０２を形成する光ビームがＬＯＥ２０９０のそれぞれと交差するそれぞれのエリア３０６とを描写する。エリア３０６は、図１５Ａに示される瞳３０２からのそれぞれのＬＯＥ２０９０の変動するＺ距離および他の光学特性に起因して、異なるサイズを有する。図１５Ｂに示されるように、種々の下位瞳３０２を形成するビームは、それぞれのビームによってアドレスされるそれぞれのＬＯＥ２０９０上のエリア３０６に隣接する内部結合格子を形成することによって、それぞれのＬＯＥ２０９０の中に選択的に結合されることができる。
【００５９】
図１６は、図１５Ａに描写されるパターンに類似する上位瞳３００内のＸ、Ｙ平面における下位瞳３０２の空間配列を生成するように構成されるＡＲシステム２０００の別の実施形態を描写する。システム２０００は、互いから空間的に分離される複数のサブ光源を有する光源２０２０を含む。システム２０００は、集光器２０７０と、偏光ビームスプリッタ２０２６と、ＬＣＯＳ  ＳＬＭ２０２４と、出射光学システム２０６０と、ＬＯＥ２０９０のスタックとを含む。スタックの各ＬＯＥ２０９０は、前述のように、異なるビームによる交差のエリア３０６と同じ場所に位置する内部結合格子２０９２を有する。その結果、各ビームは、単一ＬＯＥ２０９０に沿ってユーザの眼に伝搬される。
【００６０】
開示されるＡＲシステム２０００は、空間的に分離されたサブ光源２０２２と、出射光学システム２０６０とを利用し、異なるビームおよび下位瞳３０２が、光が異なるＬＯＥ２０９０の中に入ることを許すように構成される内部結合格子にアドレスすることを可能にする。故に、システム２０００は、その間の光学構成要素の数を最小化しながら、複数のサブ光源２０２２がそれぞれのＬＯＥ２０９０に向けられることを可能にする。これは、システムサイズを減少し、かつシステム効率を向上させる。
【００６１】
（他の実施形態および特徴）
ＡＲシステム２０００内の光学構成要素の幾何学形状は、システムのサイズを減少させながら、下位瞳３０２の空間分離を維持するように選択されることができる。例えば、図１７Ａでは、出射光学システム２０６０の断面形状は、丸みを帯びた長方形（すなわち、丸みを帯びた角および丸みを帯びた短辺を伴う長方形）である。図１７Ａおよび１７Ｂに示されるように、ＳＬＭ２０２４にアドレスするビームが、互いから空間的に分離される場合、本実施形態における出射光学システム２０６０は、類似の空間的に分離された下位瞳３０２を形成するであろう。
【００６２】
図１８Ａから１８Ｃは、種々のＡＲシステム２０００によって生成されるそれぞれの上位瞳３００内のＸ、Ｙ平面における下位瞳３０２の種々の空間配列および形状を描写する。下位瞳３０２の空間配列の制御に加え、ＡＲシステム２０００はまた、下位瞳の形状を制御するようにも構成される。種々の下位／上位瞳形状は、正方形／卵形（図１８Ａ）、パイ／円形（図１８Ｂ）、および同心円環／円形（図１８Ｃ）を含む。一実施形態では、瞳形状は、サブ光源２０２２またはその近傍におけるマスキング／フィルタリングによって形成される。別の実施形態では、瞳形状は、回折光学を使用して形成される。なおも別の実施形態（例えば、図１８Ｃ）では、瞳形状は、サブ光源２０２２のＺ軸変位によって形成される。
【００６３】
図１９は、ＡＲシステム２０００によって生成される上位瞳３００内のＸ、Ｙ平面における下位瞳３０２の別の空間配列を描写する。空間変位に加え、図１９における下位瞳３０２、３０２ｓは、２つ以上のサイズも有する。一実施形態では、より小さい下位瞳３０２ｓは、青色光を含むビームによって形成され、より大きい下位瞳３０２は、赤色および緑色光を含むビームによって形成される。図１９に示される下位瞳パターンを形成するＡＲシステム２０００は、ヒトの眼の減少した青色光に焦点を合わせる能力（例えば、赤色および緑色光と比較して）および増加した緑色光に焦点を合わせる能力（例えば、赤色および青色光と比較して）を利用して、より多くの瞳、したがって、所与のサイズの上位瞳３００内により多くの視覚的情報を提示することができる（例えば、縮小サイズを有する青色下位瞳３０２を表示することによって）。
【００６４】
下位瞳３０２、３０２ｓのサイズ（例えば、直径）の変調（例えば、光源に関連付けられたサイズおよび／または光学に基づいて）は、より効率的光学システム設計を促進する。より大きい下位瞳（例えば、３０２）は、下位のより小さい瞳（例えば、３０２ｓ）と比較して、光学システム内に増加された画像分解能を提供することができる。故に、複数の下位瞳サイズを有する光学システムの設計は、アドレスされる色および／または深度平面に基づいて、焦点深度の選択を可能にする。光学システム２０００は、より小さい青色光源と、より大きい赤色および緑色光源とを含み、より小さい青色下位瞳３０２ｓを達成することができる。この設計は、ヒトの眼が青色光に赤色および緑色光と同様に焦点をあわせることができないことを利用する。その結果、青色光分解能は、赤色および緑色光の分解能より低くあり得る。この設計は、光学システム２０００の上位瞳３００内における下位瞳３０２、３０２ｓの改良された混合を可能にし、光学システム２０００のサイズを実質的に増加させずに、より多くの下位瞳３０２、３０２ｓ（したがって、より多くの深度平面チャネル）が組み込まれることも可能にし得る。
【００６５】
図２０Ａおよび２０Ｂは、それぞれのＡＲシステム２０００によって生成されるそれぞれの上位瞳３００内のＸ、Ｙ平面における２組の下位瞳３０２を描写する。図２０Ａおよび１９Ｂにおける対応する下位瞳３０２の面積は、ほぼ等しいが、図２０Ａ（円形）および２０Ｂ（長方形）における下位瞳３０２の形状は、異なる。図２０Ｂに示される下位瞳パターンを形成するＡＲシステム２０００は、ヒトの眼の焦点が、他方の寸法（例えば、長方形下位瞳３００の短軸）より一方の寸法（例えば、長方形下位瞳３００の長軸）によって優先的に駆動され、ユーザ焦点に対してより効率的下位瞳スタックを可能にすることを利用することができる。
【００６６】
図２０Ｂにおける下位瞳３０２形状は、内部結合格子２０９２のサイズを減少させることもできる（図２０Ｄと図２０Ｃを比較して）。これは、ひいては、内部結合格子２０９２とのビームの遭遇回数も減少させ、それは、ＬＯＥ２０９０からの光の意図されない外部結合（内部結合格子２０９２との２回目の遭遇による）を減少させ、それによって、ＬＯＥ２０９０に沿って伝搬されるビームの強度を増加させる。
【００６７】
図２１は、２つの光ビームが３つのＬＯＥ２０９０に沿って伝搬する光を提供するように構成されるＡＲシステム２０００を描写する。システム２０００は、サブ光源（図示せず）と、互いから空間的に分離される第１および第２の光ビーム３０４ａ、３０４ｂを生成するＳＬＭ（図示せず）とを含む。第１の光ビーム３０４ａは、赤色光および青色光の両方を含み、マゼンタ色ビームを形成する。第２の光ビーム３０４ｂは、緑色光を含む。第１のビーム３０４ａは、青色および赤色光を伝搬するようにそれぞれ調整された第１および第２のＬＯＥ２０９０ａ、２０９０ｂ上に形成される内部結合格子２０９２と整列させられる（例えば、出射光学システム（図示せず）によって）。第１のＬＯＥ２０９０ａの特性に起因して、第１のＬＯＥ２０９０ａに入る任意の赤色光は、その中で伝搬されないであろう。黄色フィルタ２０９４は、第１および第２のＬＯＥ２０９０ａ、２０９０ｂ上に形成される内部結合格子２０９２間に設置され、第１のＬＯＥ２０９０ａを通過する任意の青色光を吸収する。故に、第１のビーム３０４ａからの赤色光のみが、第２のＬＯＥ２０９０ｂに進入し、その中で伝搬される。
【００６８】
前述のＡＲシステムと同様に、第２のビーム３０４ｂは、第１および第２のＬＯＥ２０９０ａ、２０９０ｂを通過し、緑色光を伝搬するように調整される第３のＬＯＥ２０９０ｃに入る（内部結合格子２０９２を通して）。図２１に描写されるＡＲシステム２０００は、赤色および青色光を単一ビーム内に組み合わせ、ビーム（およびサブ光源）の数を減少させ、異なる原色のＬＯＥのための光を提供し、それによって、ＡＲシステム２０００のサイズを減少させる能力を利用する。
【００６９】
図２２Ａおよび２２Ｂは、異なる幾何学形状を伴う出射光学システム２０６０ａ、２０６０ｂを有する２つの代替ＡＲシステム２０００を描写する。その結果、ＡＲシステム２０００は、異なる下位瞳３０２／上位瞳３００パターンを生成する（図２２Ｃおよび２２Ｄ参照）。図２２Ａおよび２２Ｂに描写されるＡＲシステム２０００は、それぞれの出射光学システム２０６０ａ、２０６０ｂの形状に適合するために、異なる幾何学形状および光学特性を伴うビームスプリッタ２０２６ａ、２０２６ｂも有する。図２２Ｃおよび２２Ｄにおける下位瞳３０２／上位瞳３００パターンから分かるように、図２２Ｂに描写されるＡＲシステム２０００は、上位瞳３００の２倍未満のサイズにおいて、図２２Ａに描写されるＡＲシステム２０００の２倍の下位瞳３０２を生成する。類似のサイズ節約は、図２２Ａおよび２２Ｂに示されるように、出射光学システム２０６０ａ、２０６０ｂおよびビームスプリッタ２０２６ａ、２０２６ｂにも及ぶ。
【００７０】
一実施形態では、図２２Ｄに描写されるパターン内の６つの下位瞳３０２は、図２１に描写されるシステム２０００に類似するマゼンタ色光を含む。マゼンタ色光および図２１に描写されるもののようなＬＯＥ２０９０構造を使用して、図２２Ｂに描写されるＡＲシステム２０００は、図２２Ａに描写されるＡＲシステム２０００の３倍のＬＯＥ２０９０のための光を提供することができる。例えば、図２２Ａに描写されるＡＲシステム２０００は、６つの下位瞳３０２を生成し、６つのＬＯＥ２０９０のための光を提供する（例えば、各々が３つの色を伴う２つの深度層）。一方、図２２Ｂに描写されるＡＲシステム２０００は、１２の下位瞳３０２を生成し、１８のＬＯＥ２０９０のための光を提供する（例えば、各々が３つの色を伴う６つの深度層）。ＬＯＥ２０９０の数におけるこの３倍の増加は、上位瞳３００サイズ、出射光学システム２０６０サイズ、およびビームスプリッタ２０２６サイズの２倍未満の増加で達成される。
【００７１】
図２３は、ＡＲシステム２０００のさらに別の実施形態を描写する。図１３に描写されるＡＲシステム２０００のように、このＡＲシステム２０００は、２つのサブ光源群２０２２ａ、２０２２ｂを有する光源２０２０と、集光器２０７０と、随意のポラライザ２０７２と、ビームスプリッタ２０２６と、第１のＳＬＭ２０２４ａと、出射光学システム２０６０と、ＬＯＥ２０９０のスタックとを含む。それらの光学要素に加え、システム２０００は、随意の半波長板２０７４（集光器２０７０と随意のポラライザ２０７２との間）と、第２のＳＬＭ２０２４ｂ（ビームスプリッタ２０２６と出射光学システム２０６０との間）と、デポラライザ２０７６（第１および第２のＳＬＭ２０２４ａ、２０２４ｂと出射光学システム２０６０との間）とも含む。
【００７２】
使用時、サブ光源２０２２ａ、２０２２ｂからの複数の光ビームは、３つの追加された構成要素によって修正されるように、列挙された順序で前述の列挙されたシステム構成要素を通過し、またはそこから反射する。図１３に描写されるＡＲシステム２０００と同様に、Ｚ方向におけるサブ光源２０２２ａ、２０２２ｂの変位は、Ｚ方向に変位させられた焦点を伴うビームを生成し、それによって、空間的に分離された下位瞳３０２およびシステム２０００内で照明され得るＬＯＥ２０９０の数を増加させる。いくつかの実施形態では、第１および第２のＳＬＭ２０２４ａ、２０２４ｂは、重ねられた画像フィールドを有することができ、交互にアクティブにされ、システム待ち時間を短縮させ、フレームレートを増加させることができる（例えば、２つの３０Ｈｚ  ＳＬＭ２０２４ａ、２０２４ｂを使用して、６０Ｈｚにおいて画像を投影する）。代替実施形態では、第１および第２のＳＬＭ２０２４ａ、２０２４ｂは、ピクセルの半分だけ変位させられた画像フィールドを有し、並行してアクティブにされ、システム分解能を増加させることができる。それらの実施形態では、第１および第２のＳＬＭ２０２４ａ、２０２４ｂは、時間多重化によって深度平面の数を増加させるように構成されることができる。別の実施形態では、第１および第２のＳＬＭ２０２４ａ、２０２４ｂは、２つの深度平面が視認者の視野内に同時に表示され得るように、画像フィールドを同時に生成することができる。
【００７３】
図２４は、図２３に描写されるものに非常に類似するＡＲシステム２０００を描写する。図２４に描写されるシステム２０００では、図２３に描写されるシステム２０００からのビームスプリッタ２０２６は、ワイヤグリッドポラライザ２０２８と置換され、図２３における随意のポラライザ２０７２の必要性を排除する。図２４におけるシステム２０００は、図２３におけるシステム２０００と非常に類似方式で機能し、前述の２つのＳＬＭ２０２４ａ、２０２４ｂを遠近調節する。図２４は、出射光学システム２０６０を形成する３つのレンズを描写するが、しかしながら、出射光学システム２０６０の他の実施形態は、より少ないまたはより多いレンズを含むことができる。
【００７４】
図２５は、ＡＲシステム２０００のさらに別の実施形態を描写する。システム２０００は、２組の光源２０２０と、ＳＬＭ２０２４と、照明成形光学（ビームスプリッタ２０２６、ポラライザ２０７２等）と、光（および画像データ）をＬＯＥ２０９０のスタックに協働して向かわせるように構成される、出射光学２０６０とを含む。独立した組の光学要素は、互いから空間分離された独立した組の下位瞳を生成し、それによって、システム２０００サイズを最小化しながら、システム２０００を用いて照明され得るＬＯＥ２０９０の数を効果的に２倍にする。＊
【００７５】
図２６は、空間的に分離された下位瞳３０２を生成するように構成される単純なＡＲシステム２０００を図式的に描写する。システム２０００は、光源２０２０と、集光器２０７０と、透過ＳＬＭ２０２４と、出射光学システム２０６０と、ＬＯＥ２０９０とを含む。光源２０２０は、４００μｍ直径を有し、互いから４００μｍ間隔を置かれる（縁から縁）３つのサブ光源２０２２ａ、２０２２ｂ、２０２２ｃ（例えば、ＬＥＤ）を含むことができる。集光器２０７０および出射光学システム２０６０の各々は、６．６８ｍｍの有効焦点距離を有することができる。透過ＳＬＭ２０２４は、１０８０×１０８０×４．２ｕｍおよび３．２０７４ｍｍ半径の仕様を有する、ＬＣＯＳであることができる。そのような構成要素を使用することによって、システム２０００は、３つのサブ光源２０２２ａ、２０２２ｂ、２０２０ｃに対応する３つの下位瞳３０２ａ、３０２ｂ、３０２ｃを生成することができ、各々は、４００μｍ直径を有し、ＬＯＥ２０９０において互いから４００μｍ間隔を置かれる。
【００７６】
図２７は、下位瞳３０２を生成するように構成される、ＡＲシステム２０００の別の実施形態を描写する。システム２０００は、サブ光源（図示せず）と、ビームスプリッタ２０２６と、半波長板２０７４と、出射光学システム２０６０と、複数のＬＯＥ２０９０とを含む。光源２０２０は、複数のサブ光源（例えば、ＬＥＤ）を含むことができる。ビームスプリッタ２０２６は、１０ｍｍ偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）プリズムであることができる。出射光学システム２０６０は、３つのレンズを含むことができる。そのような構成要素を使用することによって、システム２０００は、６つのＬＯＥ２０９０スタック内の第２のＬＯＥ２０９０の背面に配置され、サブ光源に対応する下位瞳３０２を生成することができる。
【００７７】
図２８は、図２７に描写されるＡＲシステム２０００の別の描写である。２つのシステムの光学要素は、同一であるが、しかしながら、図２８に描写されるシステム２０００内の光学要素は、６つのＬＯＥ２０９０スタック内の第２のＬＯＥ２０９０の背面に配置される３つの下位瞳３０２を生成する、光線の組とともに示される。図２８は、完全上位瞳のための光線の組を示す。図２９は、図２８からの３つの下位瞳３０２を詳細に示す。
【００７８】
図３０は、図１０に描写されるものに非常に類似するＡＲシステム２０００の別の実施形態を描写する。システム２０００は、複数のサブ光源２０２２（例えば、サブ光源に取り付けられるＬＥＤおよび／またはファイバ）を含む光源２０２０と、集光器２０７０を形成する２つのレンズと、線形ポラライザ２０７２と、三重帯域通過フィルタ２０７８と、ビームスプリッタ２０２６と、ＳＬＭ２０２４（例えば、ＬＣＯＳ）と、半波長板２０７４と、出射光学システム２０６０と、２つのＬＯＥ２０９０とを含む。システムは、サブ光源２０２２の１：１画像に対応する、下位瞳３０２を第２のＬＯＥ２０９０の背面に生成するように構成される。図３０に描写される実施形態では、光学経路は、光源２０２０とビームスプリッタ２０２６との間の約２９．９ｍｍの第１の長さと、ビームスプリッタ２０２６と第２のＬＯＥ２０９０との間の約２６ｍｍの第２の長さとを伴う、ほぼ直角を形成する。
【００７９】
図３１は、光源２０２０に対応する下位瞳３０２を生成するように構成される単純なＡＲシステム２０００の概略図である。システム２０００は、ＬＥＤ光源２０２０と、集光器２０７０と、ＳＬＭ２０２４と、中継光学システム２０８０と、出射光学システム２０６０と、ＬＯＥ２０９０とを含む。集光器２０７０は、４０ｍｍの焦点距離を有し得る。ＳＬＭ２０２４は、ＬＣＯＳであり得る。中継光学システム２０８０は、２つのレンズ、すなわち、１００ｍｍの焦点距離を伴う第１のレンズと、２００ｍｍの焦点距離を伴う第２のレンズとを含み得る。出射光学システムは、３４．３ｍｍの有効焦点距離を伴う複合レンズであり得る。システム２０００を使用することによって、ＬＥＤ光源２０２０間の３．５ｍｍ分離は、ＬＯＥ２０９０における下位瞳３０２間に約２．２５ｍｍ分離を生成する。
【００８０】
図３２は、図３１に描写されるものに非常に類似する別の単純ＡＲシステム２０００の概略図である。２つのシステム２０００内の光学要素は、非常に類似する。その差異は、（１）第２のレンズ（中継光学システム２０８０の一部を形成する）が、１２０ｍｍの焦点距離を有し、（２）出射光学システムが、２６ｍｍの有効焦点距離を有することである。システム２０００を使用すると、ＬＥＤ光源２０２０間の３．５ｍｍ分離は、ＬＯＥ２０９０における下位瞳３０２間に約３．２ｍｍ分離を生成する。
【００８１】
別の実施形態では、ＡＲシステムは、多平面集束を同時に提供するように構成され得る。例えば、３つの同時焦点面を用いることで、一次焦点平面（例えば、測定された眼の遠近調節に基づく）が、対応するサブ光源をアクティブにすることによって照明され得、＋マージンおよび−マージン（すなわち、１つは、より近い、１つは、より遠い焦点面）も、大きな焦点範囲を提供するために、それぞれのサブ光源をアクティブにすることによって照明され得、ユーザは、平面が更新されることが必要となる前に、遠近調節することができる。この増加した焦点範囲は、ユーザがより近いまたはより遠い焦点（すなわち、遠近調節測定によって決定されるように）に切り替える場合、時間的利点を提供することができる。次いで、新しい焦点の平面が、中央焦点深度であるように作製され得、＋および−マージンは、再び、システムが遅れを取り戻す間、いずれか一方への高速切り替えのために備えている。
【００８２】
ＬＯＥ２０９０の各々が、出射された光を別個の対応するサブ光源２０２２から受光および伝搬する、実施形態では、各サブ光源１０２２は、合理的速度で動作することができる一方、システム２０００は、十分に高リフレッシュレートを維持し、複数のＬＯＥ２０９０の中に出射されるべき異なる画像／画像の一部を迅速に生成する。例えば、第１のＬＯＥ２０９０に、最初に、第１の時間にＳＬＭ１０４０によってエンコードされる空の画像を搬送する、第１のサブ光源１０２２からの光が出射され得る。次に、第２のＬＯＥ２０９０に、第２の時間においてＳＬＭ１０４０によってエンコードされる木の枝の画像を搬送する、第２のサブ光源１０２２からの光が出射され得る。次いで、第３のＬＯＥ２０９０に、第３の時間においてＳＬＭ１０４０によってエンコードされるペンの画像を搬送する、第３のサブ光源１０２２からの光が出射され得る。本プロセスは、繰り返され、種々の深度平面において一連の画像を提供することができる。したがって、単一光源２０２０の代わりに、複数のサブ光源２０２２を有し、複数のＬＯＥ２０９０の中にフィードされるべき全画像を迅速に生成することによって、各サブ光源２０２２は、合理的速度で動作し、画像をそのそれぞれのＬＯＥ２０９０のみに出射することができる。
【００８３】
眼追跡サブシステム１０５０を含む、ＡＲシステム１０００の別の実施形態では、一緒に近接して位置する深度平面を有する、２つのＬＯＥ１０９０に対応する２つのサブ光源１０２２が、同時にアクティブにされ、眼追跡サブシステム内の誤差の許容量を組み入れ、１つの深度のみではなく、互いに近接近する２つの深度平面において、仮想コンテンツを投影することによって、他のシステム欠陥と、検出されたユーザ眼焦点／遠近調節とを考慮し得る。
【００８４】
ＡＲシステム１０００のなおも別の実施形態では、光学の視野を増加させるために、タイリングアプローチが、２（またはそれを上回る）組のスタックされたＬＯＥ１０９０を含むように採用され得、それぞれ、対応する複数のサブ光源１０２２を有する。したがって、１組のスタックされたＬＯＥ１０９０および対応するサブ光源１０２２が、仮想コンテンツをユーザの眼の中心に送達するように構成され得る一方、別の組のスタックされたＬＯＥ１０９０および対応するサブ光源１０２２は、仮想コンテンツをユーザの眼の周縁に送達するように構成され得る。図５に描写され、前述される実施形態と同様に、各スタックは、６つの深度平面のための６つのＬＯＥ１０９０を備え得る。両スタックを一緒に使用することで、ユーザの視野は、有意に増加される。さらに、ＬＯＥ１０９０の２つの異なるスタックと、２つの複数の対応するサブ光源１０２２とを有することは、ユーザの眼の中心に投影された仮想コンテンツと比較して、若干異なる仮想コンテンツがユーザの眼の周縁に投影され得るように、より柔軟性を提供する。
【００８５】
（瞳エキスパンダ）
前述のスタックされたＤＯＥ／光誘導光学要素１０９０、２０９０は、加えて、射出瞳エキスパンダ（「ＥＰＥ」）として機能し、光源１０２０、２０２０の開口数を増加させ、それによって、システム１０００、２０００の分解能を増加させることができることを理解されたい。光源１０２０、２０２０は、小直径／スポットサイズの光を生成し、ＥＰＥは、光誘導光学要素１０９０、２０９０から出て行く光の見掛け瞳を拡張し、システム分解能を増加させることができる。ＡＲシステムの他の実施形態では、システムは、ＥＰＥに加え、直交瞳エキスパンダ（「ＯＰＥ」）をさらに備え、ＸおよびＹ方向の両方において光を拡張し得る。
【００８６】
他のタイプの瞳エキスパンダは、光源１０２０、２０２０を採用するシステム内において同様に機能するように構成され得る。光源１０２０、２０２０は、高分解能、輝度をもたらし、コンパクトであるが、小開口数（すなわち、小スポットサイズ）を有する。したがって、ＡＲシステム１０００、２０００は、典型的には、本質的に、生成される光ビームの開口数を増加させるように機能する、あるタイプの瞳エキスパンダを採用する。いくつかのシステムは、ＥＰＥおよび／またはＯＰＥとして機能し、光源１０２０、２０２０によって生成される光の狭ビームを拡張する、ＤＯＥを使用し得るが、他の実施形態は、拡散器を使用して、光の狭ビームを拡張し得る。拡散器は、光学要素をエッチングし、光を散乱させる小ファセットを作成することによって生成され得る。別の変形例では、加工された拡散器が、回折要素と同様に、望ましい開口数を伴うくっきりとしたスポットサイズを維持するように作成され得、それは、回折レンズを使用することに類似する。他の変形例では、システムは、光源１０２０、２０２０によって生成される光の開口数を増加させるように構成されるＰＤＬＣ拡散器を含み得る。
【００８７】
図３３は、サブ光源２０２２（例えば、ＬＥＤ）と、瞳エキスパンダ２０２４とを描写し、両方とも、サブ光源２０２２に対応する下位瞳３０２を生成するために、ＡＲシステム２０００における使用のために構成される。瞳エキスパンダ２０２４は、その上に配置されるプリズムパターンを有するフィルム２０２３である。プリズムパターンは、サブ光源２０２２から発出するビームを修正し、サブ光源２０２２の見掛けサイズを実際の源サイズ２０２２ｓからより大きい仮想源サイズ２０２４ｓに変化させる。仮想源サイズ２０２４ｓは、サブ光源２０２２と瞳エキスパンダ２０２４との間の距離を変化させることによって修正されることもできる。
【００８８】
（ＳＬＭアーチファクトの減少）
図３４Ａは、図１４Ｂおよび１５Ａに描写されるものに類似する上位瞳３００内の下位瞳３０２の空間配列を示す。図３４Ａに示されるように、ＡＲシステム２０００は、それぞれの下位瞳３０２がＸ、Ｙ平面において空間的に分離されるように構成されることができる。図３４Ａは、円形上位瞳３００内の約１時の方向における下位瞳３０２ｃに対応する光ビームの回折によって形成されるアーチファクト３０８を描写する。光ビームは、ＳＬＭ（例えば、ＤＬＰまたはＬＣＯＳ）ピクセル境界および構造によって回折され、Ｘ軸およびＹ軸に沿って下位瞳３０２ｃと整列させられる一連のアーチファクト３０８を形成する。
【００８９】
アーチファクト３０８は、ディスプレイピクセル（図３４Ｂに示される）の構造に対応するＳＬＭの構造により、ＸおよびＹ軸に沿って整列させられる。図３４Ａに戻ると、２つのアーチファクト３０８ａ、３０８ｂは、少なくとも部分的に、それぞれの下位瞳３０２ａ、３０２ｂと重複することが分かる。故に、図３４Ａに描写される下位瞳３０２パターンに対応するシステム２０００では、下位瞳３０２ｃに対応するビームの光は、下位瞳３０２ａおよび３０２ｂに入るであろう。アーチファクト３０８ａ、３０８ｂは、瞳３０８ａおよび３０８ｂを通して表示されることが意図される画像内に望ましくないアーチファクト（すなわち、迷光）を生成するであろう。図３４Ａは、下位瞳３０２ｃに対応するアーチファクト３０８のみを描写するが、他の下位瞳３０２の各々も、それら自身の組のアーチファクトを有するであろう（明確にするために図示せず）。故に、クロストークは、システム２０００内の下位瞳３０２の数に比例して増加するであろう。
【００９０】
図３５Ａは、図３４Ａに示されるものに類似する上位瞳３００内の下位瞳３０２の空間配列を描写する。しかしながら、ＡＲシステム２０００のサブ光源２０２２および内部結合格子は、ビーム間のＳＬＭ生成回折クロストークを減少させるために、ＳＬＭに対して光学軸の周囲で時計回りに回転させられている（例えば、約３０度）。アーチファクト３０８は、ディスプレイピクセル（図３５Ｂに示される）の構造に対応するＳＬＭの構造により、ＸおよびＹ軸に沿って整列させられたままである。図３５Ａに示されるように、ＳＬＭおよびディスプレイピクセルグリッドに対してサブ光源２０２２を回転させることは、回折されるエネルギーと内部結合格子との間の重複を減少させ、それによって、迷光、コントラスト問題、および色アーチファクトを減少させる。特に、アーチファクト３０８ａおよび３０８ｂは、もはや下位瞳３０２ａおよび３０２ｂに重複しない。しかしながら、アーチファクト３０８ｄは、ここでは、部分的に下位瞳３０２ｄに重複するが、図３４Ａに描写される重複より少ない程度である。故に、本実施形態では、システム２０００は、サブ光源２０２２および内部結合格子の位置が、ビーム間の（ＳＬＭ生成）回折クロストークを減少させるために、ＳＬＭに対して光学軸の周囲で回転させられる（例えば、約３０度）ように構成される。
【００９１】
前述のＡＲシステムは、より空間効率的光学から利益を享受し得る種々の光学システムの例として提供される。故に、本明細書に説明される光学システムの使用は、開示されるＡＲシステムに限定されず、むしろ、任意の光学システムに適用可能である。
【００９２】
種々の本発明の例示的実施形態が、本明細書で説明される。非限定的な意味で、これらの例が参照される。それらは、本発明のより広く適用可能な側面を例証するように提供される。種々の変更が、説明される本発明に行われ得、本発明の真の精神および範囲から逸脱することなく、均等物が置換され得る。加えて、特定の状況、材料、物質組成、プロセス、プロセス行為、またはことを本発明の目的、精神、もしくは範囲に適合させるように、多くの修正が行われ得る。さらに、当業者によって理解されるように、本明細書で説明および例証される個々の変形例の各々は、本発明の範囲または精神から逸脱することなく、他のいくつかの実施形態のうちのいずれかの特徴から容易に分離され、またはそれらと組み合わせられ得る、離散構成要素および特徴を有する。全てのそのような修正は、本開示に関連付けられる請求項の範囲内にあることを目的としている。
【００９３】
本発明は、対象デバイスを使用して行われ得る方法を含む。方法は、そのような好適なデバイスを提供するという行為を含み得る。そのような提供は、エンドユーザによって行われ得る。換言すれば、「提供する」行為は、単に、エンドユーザが、対象方法において必須デバイスを提供するように、取得し、アクセスし、接近し、位置付けし、設定し、起動し、電源を入れ、または別様に作用することを要求する。本明細書で記載される方法は、論理的に可能である記載された事象の任意の順番で、ならびに事象の記載された順番で実行され得る。
【００９４】
本発明の例示的側面が、材料選択および製造に関する詳細とともに、上記で記載されている。本発明の他の詳細に関しては、これらは、上記で参照された特許および出版物と関連して理解されるとともに、概して、当業者によって公知または理解され得る。一般的または論理的に採用されるような追加の行為の観点から、本発明の方法ベースの実施形態に関して、同じことが当てはまり得る。
【００９５】
加えて、本発明は、種々の特徴を随意的に組み込むいくつかの例を参照して説明されているが、本発明は、本発明の各変形例に関して考慮されるような説明および指示されるものに限定されるものではない。種々の変更が、説明される本発明に行われ得、本発明の真の精神および範囲から逸脱することなく、均等物（本明細書に記載されようと、いくらか簡単にするために含まれていなかろうと）が置換され得る。加えて、値の範囲が提供される場合、その範囲の上限と下限との間の全ての介在値、およびその規定範囲内の任意の他の規定または介在値が、本発明内に包含されることを理解されたい。
【００９６】
また、説明される本発明の変形例の任意の随意的な特徴が、独立して、または本明細書で説明される特徴のうちのいずれか１つ以上のものと組み合わせて、記載および請求され得ることが考慮される。単数形のアイテムへの参照は、複数形の同一のアイテムが存在するという可能性を含む。より具体的には、本明細書で、および本明細書に関連付けられる請求項で使用されるように、「１つの（「ａ」、「ａｎ」）」、「該（ｓａｉｄ）」、および「ｔｈｅ（ｔｈｅ）」という単数形は、特に規定がない限り、複数形の指示対象を含む。換言すれば、冠詞の使用は、上記の説明ならびに本開示に関連付けられる請求項において、対象アイテムの「少なくとも１つ」を可能にする。さらに、そのような請求項は、任意の随意的な要素を除外するように起草され得ることに留意されたい。したがって、この記述は、請求項の要素の記載と関連して、「単に（ｓｏｌｅｌｙ）」、「のみ（ｏｎｌｙ）」、および均等物等のそのような排他的用語の使用、または「否定的」制限の使用のために、先行詞としての機能を果たすことを目的としている。
【００９７】
そのような排他的用語を使用することなく、本開示に関連付けられる請求項での「備えている（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」という用語は、所与の数の要素がそのような請求項で列挙されるか、または特徴の追加をそのような請求項に記載される要素の性質の変換として見なすことができるかにかかわらず、任意の追加の要素を含むことを可能にするものとする。本明細書で具体的に定義される場合を除いて、本明細書で使用される全ての技術および科学用語は、請求項の有効性を維持しながら、可能な限り広い一般的に理解されている意味を与えられるものである。
【００９８】
本発明の範疇は、提供される実施例および／または対象の明細書に限定されるものではなく、むしろ、本開示に関連付けられる請求項の言葉の範囲のみによって限定されるものである。
【００９９】
前述の明細書では、本発明は、その具体的実施形態を参照して説明された。しかしながら、種々の修正および変更が、本発明のより広義の精神および範囲から逸脱することなくそこに成され得ることは、明白となるであろう。例えば、前述のプロセスフローは、プロセス作用の特定の順序を参照して説明される。しかしながら、説明されるプロセス作用の多くの順序は、本発明の範囲または動作に影響を及ぼすことなく、変更され得る。明細書および図面は、故に、限定的意味ではなく、例証的と見なされるべきである。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７Ａ】
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【図７Ｂ】
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【図７Ｃ】
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【図８Ａ】
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【図８Ｂ】
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【図８Ｃ】
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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１７Ａ】
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【図１７Ｂ】
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【図１８Ａ】
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【図１８Ｂ】
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【図１８Ｃ】
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【図１９】
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【図２０Ａ】
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【図２０Ｂ】
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【図２０Ｃ】
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【図２０Ｄ】
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【図２１】
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【図２２Ａ】
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【図２２Ｂ】
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【図２２Ｃ】
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【図２２Ｄ】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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【図３１】
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【図３２】
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【図３３】
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【図３４Ａ】
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【図３４Ｂ】
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【図３５Ａ】
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【図３５Ｂ】
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【国際調査報告】
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