(57)【要約】  視線追跡を実行し、外部シーンを画像化するための光学システムが開示されている。例示的な光学システムには、可視及び不可視光を放出するための光源が含まれていてもよい。光学システムには、光源に動作可能に結合された導波路が含まれていてもよい。体積ホログラフィック光結合素子が導波路の表面間に配設されていてもよい。体積ホログラフィック光結合素子には、格子媒体と格子媒体内の第１の体積ホログラフィック格子構造とが含まれていてもよい。いくつかの例では、第１の体積ホログラフィック格子構造は、第１の入射角において、格子媒体の面法線からずれた第１の反射軸について第１の波長の不可視光を反射するように構成してもよい。光学システムにはまた、光学フィルタが含まれていてもよい。別の光学システム例には、光学システムの外部から光を受け取るように構成された画像化デバイスが含まれていてもよい。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
視線追跡を行うための光学システムであって、
不可視光を放出するように構成された光源と、
前記光源に動作可能に結合され、第１及び第２の導波路表面を有する、導波路と、
前記第１の導波路表面と前記第２の導波路表面との間に配設された体積ホログラフィック光結合素子と、
を備え、前記体積ホログラフィック光結合素子は、
格子媒体と、
前記格子媒体内の体積ホログラフィック格子構造であって、前記格子媒体の面法線からずれた反射軸について前記不可視光を反射するように構成されている、体積ホログラフィック格子構造と、
を含む、光学システム。
【請求項２】
前記体積ホログラフィック光結合素子は、前記導波路から前記不可視光を出力して、前記導波路から出力された前記不可視光の反射バージョンを受け取るように構成され、
前記光学システムは、
画像化デバイスであって、前記体積ホログラフィック光結合素子は、前記不可視光の前記反射バージョンを前記画像化デバイスに向けて送るように構成されている、画像化デバイスを更に備える、請求項１に記載の光学システム。
【請求項３】
前記導波路と前記光源と前記画像化デバイスとの間に動作可能に結合された偏光ビームスプリッタであって、前記光源が放出した前記不可視光から前記不可視光の前記反射バージョンを分離するように構成されている、偏光ビームスプリッタを、更に備える、請求項２に記載の光学システム。
【請求項４】
前記導波路と前記偏光ビームスプリッタとの間に動作可能に結合された４分の１波長板であって、前記不可視光の前記反射バージョンを前記導波路から前記偏光ビームスプリッタまで運ぶように構成されている、４分の１波長板を更に備える、請求項３に記載の光学システム。
【請求項５】
前記光源は赤外光源を含み、前記不可視光は赤外光を含む、請求項２に記載の光学システム。
【請求項６】
前記導波路に動作可能に結合され、可視光を放出するように構成されたディスプレイを更に備え、前記体積ホログラフィック光結合素子は、
前記格子媒体内の付加的な体積ホログラフィック格子構造であって、前記格子媒体の前記面法線からずれた前記反射軸について前記可視光を反射するように構成されている、付加的な体積ホログラフィック格子構造を更に含む、請求項２に記載の光学システム。
【請求項７】
前記導波路に動作可能に結合され、前記不可視光から前記可視光を分離するように構成された光学フィルタを更に備える、請求項６に記載の光学システム。
【請求項８】
前記光学フィルタは、ダイクロイックフィルタ、偏光子、付加的な体積ホログラフィック光結合素子からなる群から選択されるコンポーネントを含む、請求項７に記載の光学システム。
【請求項９】
付加的な画像化デバイスを更に備え、前記体積ホログラフィック光結合素子は、前記光学システムの外部から受け取った光を前記付加的な画像化デバイスに向けて送るように構成されている、請求項６に記載の光学システム。
【請求項１０】
可視光を放出するように構成されたディスプレイを更に備え、前記体積ホログラフィック光結合素子は、前記可視光と前記不可視光とを結合して前記光学システムの射出瞳に入れるように構成されており、前記体積ホログラフィック光結合素子は、前記可視光に対して前記射出瞳を２次元に拡大するように構成されている、請求項２に記載の光学システム。
【請求項１１】
前記体積ホログラフィック光結合素子は、前記不可視光に対して前記射出瞳を１次元に拡大するように構成されている、請求項１０に記載の光学システム。
【請求項１２】
前記体積ホログラフィック光結合素子は、前記可視光に対して前記射出瞳を２次元に拡大する交差カプラを含み、前記体積ホログラフィック光結合素子は、前記不可視光に対して前記射出瞳を１次元に拡大する出力カプラを含む、請求項１１に記載の光学システム。
【請求項１３】
可視光を放出するように構成されたディスプレイを更に備え、前記体積ホログラフィック光結合素子は、出力カプラと交差カプラとを含む、請求項１に記載の光学システム。
【請求項１４】
前記導波路は、前記不可視光と前記可視光とを所与の方向に伝搬させるように構成されており、前記交差カプラは、前記可視光が前記導波路を通って伝搬するときに前記可視光を反射して前記光学システムの２次元アイボックスに入れるように構成されており、前記出力カプラは、前記不可視光が前記導波路を通って伝搬するときに前記不可視光を反射して前記２次元アイボックスに入れるように構成されている、請求項１３に記載の光学システム。
【請求項１５】
外部シーンを画像化するための光学システムであって、
可視光を放出するように構成されたディスプレイと、
体積ホログラフィック光結合素子であって、
格子媒体と、
前記格子媒体内の体積ホログラフィック格子構造であって、所与の入射角において、前記外部シーンからの可視光の第１の部分を透過し、前記外部シーンからの可視光の第２の部分を、前記格子媒体の面法線からずれた反射軸について反射するように構成されている、体積ホログラフィック格子構造と、
を含む、体積ホログラフィック光結合素子と、
前記体積ホログラフィック光結合素子に動作可能に結合された画像化デバイスであって、前記体積ホログラフィック格子構造によって反射された前記可視光の前記第２の部分に応じて画像データを生成するように構成されている、画像化デバイスと、
を備える、光学システム。
【請求項１６】
第１及び第２の導波路表面を有する導波路を更に備え、前記体積ホログラフィック光結合素子は、前記第１の導波路表面と前記第２の導波路表面との間に配設されている、請求項１５に記載の光学システム。
【請求項１７】
前記体積ホログラフィック格子構造は、前記反射軸について不可視光を反射するように更に構成されている、請求項１６に記載の光学システム。
【請求項１８】
電子デバイスであって、
アイボックスと、
不可視光を放出するように構成された光源と、
可視光を放出するように構成されたディスプレイと、
前記光源と前記ディスプレイとに動作可能に結合され、第１及び第２の導波路表面を有する導波路と、
前記第１の導波路表面と前記第２の導波路表面との間に配設された光結合素子であって、前記可視光と前記不可視光とを前記アイボックスに向けて送るように構成されている、光結合素子と、を備え、前記光結合素子は、
格子媒体と、
前記格子媒体内の第１の体積ホログラフィック格子構造であって、所与の入射角において、前記格子媒体の面法線からずれた反射軸について前記不可視光を反射するように構成されている、第１の体積ホログラフィック格子構造と、
前記格子媒体内の第２の体積ホログラフィック格子構造であって、前記第１の体積ホログラフィック格子構造と少なくとも部分的に重なり、前記反射軸について前記可視光を反射するように構成されている、第２の体積ホログラフィック格子構造と、
を含む、電子デバイス。
【請求項１９】
画像化デバイスであって、前記光結合素子は、前記アイボックスから前記導波路に結合された前記不可視光の反射バージョンを受け取るように構成されており、前記光結合素子は、前記不可視光の前記反射バージョンを前記画像化デバイスに向けて送るように構成されており、前記画像化デバイスは、前記不可視光の前記反射バージョンに応じて画像データを収集するように構成されている、画像化デバイスと、
前記導波路に動作可能に結合された光学フィルタであって、前記光源が放出した前記不可視光を前記導波路に向けて送り、前記不可視光の前記反射バージョンを前記画像化デバイスに向けて送り、前記可視光を前記ディスプレイから前記導波路に送るように構成されている、前記光学フィルタと、
を更に備える、請求項１８に記載の電子デバイス。
【請求項２０】
制御回路を更に備え、前記画像データは網膜像を含み、前記制御回路は、
異なる時間に前記画像化デバイスによってキャプチャされた網膜像間の相互相関演算、前記画像データと網膜マップとの比較演算、断続的な網膜マップマッチングを相対的な視線追跡信号と組み合わせるデジタルフィルタ演算、前記ディスプレイによって投影すべきシーンから背景シーンを差し引くことによる差異シーンの生成からなる群から選択される演算を実行するように構成されている、請求項１９に記載の電子デバイス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本出願は、２０１７年４月１７日に出願された米国特許仮出願第６２／４８６，３４４号に対する優先権を主張するものであり、本明細書における参照によりその全体が本明細書内に組み込まれている。
本開示は全般的に、光学反射デバイスに関し、より具体的には、光学反射デバイス内で視線追跡及び画像検出を行うことに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の誘電体ミラーは、電気的誘電率が互いに異なる材料の層で表面（典型的にはガラス）をコーティングすることによって製造される。材料の層は、典型的には、層境界からのフレネル反射が強めあう強化をして、大きな純反射率をもたらすように配置される。比較的広範な指定範囲の波長及び入射角にわたってこの条件が取得することを保証することにより、広帯域の誘電体ミラーを設計することができる。しかしながら、層が表面に堆積されるので、誘電体ミラーの反射軸は面法線と必然的に一致する（すなわち、反射軸はミラー表面に対して垂直である）。反射軸に対するこの制約のために、いくつかのデバイスでは、誘電体ミラーは最適に及ばない構成で配設される。同様に、反射軸が面法線に制約されているので、誘電体ミラーはいくつかの目的については不適切である。その上に、ガラス誘電体ミラーは比較的重くなりがちで、比較的軽量の反射部品を必要する応用例向けには最適に及ばないか又は不適当である。
【０００３】
反対に、既存の格子構造は、格子構造が存在する媒体の面法線と異なる反射軸に関する光を反射することができる。しかしながら、所与の入射角に対して、既存の格子構造の反射角は、典型的には入射光の波長とともに共変する。したがって、既存の格子構造を使用して光を反射すれば、反射軸が面法線と一致するという、既存のミラーの本質的な制約を回避し得る。しかしながら、実質的に一定の反射軸が必要な場合、既存の格子構造は、所与の入射角に対して、実質的に単一の波長（又は非常に狭い範囲の波長）に限定される。同様に、一定の反射軸に関する特定波長の光を反射するためには、既存の格子構造は単一の入射角（又は非常に狭い範囲の入射角）に制限される。
【０００４】
したがって、反射格子構造又は従来のミラーを備える従来の反射デバイスは、ある応用例に対しては不適切な場合がある。
【発明の概要】
【０００５】
記載した特徴は全般的に、格子構造を備える光学システム又はデバイスにおいて補助入力光及び反射を送って反射するための１つ以上の方法、システム、又はデバイスに関する。本方法、システム、又はデバイスは、選択結合技術を使用して、ホログラフ光学素子（例えば、スキューミラー技術を用いるスキューミラーなどの光学素子）が光学システムの１つ以上の光路に光を回折又は反射できるようにしてもよい。例示的な光学システムとしては、格子媒体に格子構造を含むＴＩＲ導波路を挙げてもよい。格子媒体は、内結合された光の外部射出瞳射影（例えば、ＴＩＲ導波路の外部からユーザの眼に向けて）が得られる反射特性を有する体積ホログラフィック格子構造を含んでいてもよい。射出瞳は、可視光スペクトルと不可視光波スペクトルの両方に及ぶ１つ以上の光モードが備えていてもよい。光学システムを、不可視光の反射像を検出して、ＴＩＲ導波路の領域に対するユーザの眼の位置を判定するように構成してもよい。
【０００６】
それに加えて又はその代わりに、光学システムには、格子媒体に格子構造を含むＴＩＲ導波路が含まれていてもよい。格子媒体は、光学システムの相互視点画像化を得るために外部シーン（例えば、ＴＩＲ導波路を通してユーザが見ることができる外部シーン）の光（例えば、１つ以上の入力又は入射瞳）を内結合する反射特性を有する体積ホログラフィック格子構造を含んでいてもよい。言い換えれば、ユーザの外部視点に対応するシステムの周囲光を内結合及び記録して、外部視点の相互画像をキャプチャしてもよい。
【０００７】
【０００８】
【０００９】
【００１０】
【００１１】
【００１２】
【００１３】
【００１４】
【００１５】
【００１６】
【００１７】
【００１８】
【００１９】
【００２０】
【００２１】
【００２２】
【００２３】
【００２４】
【００２５】
【００２６】
【００２７】
【００２８】
【００２９】
【００３０】
【００３１】
【００３２】
【００３３】
【図面の簡単な説明】
【００３４】
以下の図面を参照することにより、本開示の実装形態の特質及び利点の更なる理解が実現され得る。添付図では、類似のコンポーネント又は機構は同一の参照符号を有し得る。更に、同一のタイプの種々のコンポーネントは、参照符号にダッシュが続くことにより、また、類似のコンポーネント間を識別する第２の符号によって識別されることがある。明細書において第１の参照符号だけが使用されている場合には、その説明は、第２の参照符号に関係なく同一の第１の参照符号を有する類似のコンポーネントのうちの任意のものに当てはまる。
【００３５】
【図１】一実施形態に係る、例示的なＨＭＤデバイスの図である。
【００３６】
【図２Ａ】一実施形態に係る、実空間におけるスキューミラーなどの例示的な体積ホログラフィック格子構造の反射特性を例示する図である。
【００３７】
【図２Ｂ】は、一実施形態に係る、ｋ空間における例示的なスキューミラーの図である。
【００３８】
【図３】一実施形態に係る、体積ホログラフィック格子構造射出瞳拡大技術が組み込まれた例示的な光学システムの図である。
【００３９】
【図４】一実施形態に係る、複数の体積ホログラフィック格子構造を有する例示的な光学部品の図である。
【００４０】
【図５Ａ】一実施形態に係る、スキューミラーなどの体積ホログラフィック格子構造を製造するために使用することができる例示的な製造システムの図である。
【００４１】
【図５Ｂ】一実施形態に係る、スキューミラーなどの体積ホログラフィック格子構造を製造するために使用することができる例示的な製造システムの図である。
【００４２】
【図６】一実施形態に係る、補助画像化機能が組み込まれた例示的な光学システムの図である。
【００４３】
【図７】一実施形態に係る、補助画像化をサポートする例示的なプロットである。
【００４４】
【図８】一実施形態に係る、補助画像化機能が組み込まれた例示的な光学システムの図である。
【発明を実施するための形態】
【００４５】
従来の反射デバイス（例えば、回折格子構造又は従来のミラー）は、ある応用例に対しては不適切な場合がある。例えば、光を、面法線に制約されていない反射軸について反射すべき場合、及び反射角を入射角範囲及び／又は光の特定の波長にわたって一定にすべき場合である。その上、従来の反射デバイスの従来の構造及び結合部品は、デバイスの光（例えば全反射（ＴＩＲ）モード反射光及び非ＴＩＲ直線外部光）と相互作用して、画像投影及び／又は外部シーンの光学的明瞭さを妨げることがある。このような結果は、眼又は視線追跡機能及び外部シーン画像検出機能を含む頭部装着型ディスプレイ（ＨＭＤ）デバイスにおいて特に深刻な場合がある。
【００４６】
これらの問題点を軽減するために、光学システムにおいて体積ホログラフィック格子（ＶＨＧ）を使用してもよい。例えば、体積ホログラフィック格子を、光学システムの導波路内の光結合デバイス又は素子（例えば、入力カプラ、出力カプラ、及び／又は交差カプラ）として使用してもよい。体積ホログラフィック格子を伴わない導波路実装技術では、導波路の補助機能を行うときに制限される場合がある。例えば、スキューミラー技術を使用して適用したＶＨＧを含むＴＩＲ導波路によって、外部視認分類（例えば、視認方向／角度、視認物体識別）及び外部視点の相互画像化が可能になり得る。これらのＶＨＧを種々の光結合デバイスの格子媒体内で実施して、可視光スペクトル（例えば、赤色光、緑色光、青色光）の波長とは別個の波長の、放出されて以後反射される不可視光（例えば、赤外線（ＩＲ）光又は近ＩＲ（ＮＩＲ）光）を送ってもよい。反射した不可視光を検出器で検出して外部視線特性を判定してもよい（例えば、ＴＩＲ導波路上の視認場所に対応するユーザの瞳の画像を判定する）。それに加えて又はその代わりに、ＶＨＧを種々の光結合デバイスの格子媒体内で実施して、検出器に外部シーン光を送って外部視点を判定してもよい。
【００４７】
体積ホログラフィック格子技術（例えば、スキューミラー技術）を光学システム（例えばニアツーアイディスプレイ（ＮＥＤ））の１つ以上の光結合デバイスにおいて用いると、関連する画像投影及び／又は画像記録の視認能力及び光学的透明性が向上し得る。ＴＩＲ導波路内のスキューミラー型光結合デバイスは無色特性を示してもよく、ＴＩＲ導波路の基板間で反射された１つ以上のＴＩＲモードの入力光に対してブラッグミスマッチであってもよい。またスキューミラー型光結合デバイスは、ＴＩＲ導波路をまっすぐ通過する入力光（例えば、基板表面に入射する外部光）に対してブラッグミスマッチであってもよい。したがって、光学システムにスキューミラー技術を用いると、視線追跡及び画像検出を行うための適切な反射格子構造が得られる場合がある。更に、スキューミラー技術を用いると、特に画像投影の不可視スペクトル光と表示光との間において、従来の結合素子を用いた画像投影デバイスと比べて光学的透明性に対する障害が回避され得る。対照的に、導波路内で用いるいくつかの従来の結合デバイスは、このような補助画像化機能を行うときに制限され得る。例えば、画像投影の内結合された光が、導波路の可視光を通すことで分散化されて、その結果、外部視認分類を判定すること及び外部視点の相互画像化を得ることに対する障害が助長されることがある。
【００４８】
主題技術のいくつかの例では、１つ以上のスキューミラー型コンポーネント又はデバイス（例えば、フィルタ及び出力カプラ）によって、光学システムの１つ以上の光源から放出された入力光をガイドしてもよい。入力光は、視線追跡用の不可視光（例えば、ＩＲ光又はＮＩＲ光）、並びに画像投影及び外部シーンの可視光（例えば、表示光）を含んでいてもよい。またマイクロディスプレイからの可視画像投影光を送るために使用する光路を、ユーザの眼を照明するために使用する不可視光を送るために使用してもよい。光路を更に使用して、ユーザの眼の反射像を視線追跡画像化デバイス（例えば、ＩＲカメラ又はＮＩＲカメラ）の検出器に送ってもよい。光路に含まれるフィルタを、可視光をフィルタを通してＴＩＲ導波路に関連付けられた入口開口に向けて送るように構成してもよい。フィルタは、マイクロディスプレイとは異なる不可視光源からの不可視光を入口開口に向けて反射してもよい。入口開口は、ＴＩＲ導波路に入射瞳を与えるように構成してもよい。更に、フィルタはまた、入口開口を通って伝搬して戻る不可視光（例えば、入口開口に向かって反射して戻るユーザの眼の不可視光画像）を、視線追跡画像化デバイスの検出器に向けて反射してもよい。このように、フィルタによって、不可視の戻り反射光を可視画像投影表示光から分離することができてもよい。
【００４９】
ＴＩＲ導波路は、入口開口からの可視光及び不可視光をＴＩＲ導波路の１つ以上の表面間に配設された格子媒体に送ってもよい。いくつかの例では、１つ以上のスキューミラー型コンポーネント又はデバイス（例えば、交差カプラの実施形態）によって、入口開口からの入力光をガイドして入力光を反射し、入口開口に入る伝搬ＴＩＲモードの入力光とは異なる方向に、ＴＩＲ導波路を通して伝搬させてもよい。交差カプラの実施形態では、有利に、投影像の次元（例えば垂直方向又は水平方向の次元）が、入口から出口までの瞳孔の光路の全体にわたって無誘導のままであってもよい（すなわち、投影された次元は、ＴＩＲ寸法を横切る角度に対応してもよい）。ＴＩＲ導波路は、伝搬された可視及び不可視光を光学システムのアイボックスに外結合して、可視光と不可視光の反射とをユーザの眼上に外部表示することを可能にするスキューミラー型出力カプラを含んでいてもよい。
【００５０】
更に、スキューミラー型出力カプラによって、不可視光反射像（例えば、ユーザの眼からの反射）の内結合を可能にしてもよい。光学システムは、光学システムの基準方位における外部視野（ＦＯＶ）に対する反射像（例えば、光学的視線）の方向ずれ及び／又は角度ずれを判定してもよい。視線追跡画像化デバイスの不可視光源及び／又は検出器からフィルタまでの光路の一部分には、１つ以上の複屈折材料コンポーネントが含まれていてもよい。例えば、視線追跡画像化デバイスの不可視光源及び／又は検出器からフィルタまでの光路の一部分は、４分の１波長板（ＱＷＰ）及び偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）を含んでいてもよい。ＱＷＰ及びＰＢＳを、照明及び反射不可視光を分離するために含めてもよい。
【００５１】
主題技術のいくつかの例では、スキューミラー型カプラ（例えば、出力カプラ）によって光学システム内に付加的な機能を、外部シーン光（例えば、光学システム（特に、光学システムのレンズ部分）を囲む環境光）の一部を内結合することによって与えてもよい。内結合された外部光は実質的に、光学システムのユーザの外部視点を表してもよい。ＴＩＲ導波路内の格子媒体の１つ以上の格子構造は、入射する外部光を、光学システムのシーン画像化デバイス（例えば、カメラデバイス）に向けて選択的に反射してもよい。シーン画像化デバイスは、外部視点に対応する相互画像を記録してもよい。光学システムのメカニズム（例えば、フィルタ、ダイクロイック素子、プロセッサの機能など）を、全体としてシーン画像化デバイス及び／又は光学システムが用いて、薄暗い内結合された外部光を、相互画像を正確に検出するために再びバランスさせてもよい。例えば、画像投影光に対応する画像情報をシーン画像化デバイスに与えて、内結合された外部光とともにシーン画像化デバイスに伝搬された任意の残りの画像投影光を取り除いてもよい。
【００５２】
１つ以上の格子構造を含む格子媒体に対する具体例について説明する。格子構造は、格子構造の面法線からずれた反射軸について、特定の複数の入射角において、特定の波長の光を反射するように構成され得る。この説明は例を提供するものであり、本明細書で説明された原理の実装形態の範囲、適用可能性又は構成を限定するようには意図されていない。むしろ、次の説明は、当該技術分野に精通している者に、本明細書で説明された原理の実装形態の実施を可能にする説明を提供するはずである。
【００５３】
したがって、種々の実装形態において、必要に応じて、種々のプロシージャ又はコンポーネントを省略するか、代用するか、又は追加してもよい。例えば、方法は、説明されたのと異なる順番で行われてよく、種々のステップが追加されるか、省略されるか、又は組み合わされてよいことを理解されたい。また、特定の実装形態に関して説明された態様及び要素は、種々の他の実装形態では組み合わされてよい。以下のシステム、方法、デバイス、及びソフトウェアは、個々に、又は一括して、より大きなシステムのコンポーネントであってもよく、他のプロシージャがそれらの適用に優先してもよいし、他の場合にはそれらの適用を変更してもよいことも理解されたい。
【００５４】
図１は、本明細書に含まれる原理を実施し得るＨＭＤデバイス１００などの電子デバイスの例示である。ＨＭＤデバイス１００が含み得るアイウエア又は帽子では、ＮＥＤ１０５をユーザの眼の前に付けてもよい。ＮＥＤ１０５は、ＨＭＤデバイス１００のレンズアセンブリの内部に配設されているか、又は組み込まれている回折素子部分を含み得る。いくつかの例では、回折素子部分は、スキューミラー１１０を含み得るホログラフィック光学素子（ＨＯＥ）であってもよい。スキューミラー１１０を、光結合素子（例えば、１つ以上の体積ホログラフィック格子構造を含む体積ホログラフィック光結合素子）を形成するのに使用してもよい。スキューミラー１１０に対して座標（Ｘ軸、Ｙ軸、及びＺ軸）が与えられている。ＨＭＤデバイス１００が含み得る複数の光結合素子は、追加のスキューミラー（図示せず）、スキューミラーの技術及び原理を使用して構築されたのではないＨＯＥ（図示せず）、ＤＯＥ（図示せず）、及び／又はスキューミラー１１０を使用して組み立てられたルーバーミラー（図示せず）を含む。ＨＭＤ１００は、レンズアセンブリに動作可能に結合された光源又は投光器１１５も含み得る。いくつかの例では、導波路構成で、可視光源又は投光器１１５と不可視光源又は投光器１１７とをレンズアセンブリに動作可能に結合してもよい。いくつかの例では、自由空間構成で、光源又は投光器１１５、１１７をレンズアセンブリに動作可能に結合してもよい。いくつかの例では（例えば、視線追跡実施形態の場合）、不可視光源又は投光器１１７はＩＲ光又はＮＩＲ光を放出してもよい。他の例では、不可視光源又は投光器１１７を省略してもよい。
【００５５】
スキューミラー１１０は反射デバイスであってもよく、１つ以上の体積ホログラム（本明細書では体積ホログラフィック格子構造と称することがある）又は他の格子構造が内部に存在する格子媒体を含んでいてもよい。スキューミラー１１０は、ガラスカバー又はガラス基板などの追加の層を含んでいてもよい。追加の層は、汚染、湿気、酸素、反応性化学種、被害などから格子媒体を保護するのに役立ち得る。追加の層は、格子媒体に対して屈折率がマッチされてもよい。格子媒体は、格子構造を内蔵するので、反射軸と称される軸に関する光を回折することができる物理的性質を有していてもよく、所与の入射角で格子媒体に入射する光の複数の波長について、回折角（今後、反射角と称される）の変化は１°未満である。一部の場合には、反射軸は、複数の波長及び／又は入射角に対しても一定である。一部の場合には、格子構造は１つ以上のホログラムによって形成される。１つ以上のホログラムは、いくつかの実装形態では体積位相ホログラムであり得る。格子構造の種々の実装形態において、他のタイプのホログラムも使用され得る。
【００５６】
同様に、実装形態は、所与の波長の入射光に対して、入射角の範囲にわたって実質的に一定の反射軸を有していてもよく（すなわち反射軸の角度の変化が１°未満であり）、この現象は種々の波長の入射光に対して観測され得る。いくつかの実装形態では、反射軸は、１組の複数の入射角及び１組の複数の波長のすべての組み合わせについて実質的に一定のままである。
【００５７】
ホログラムは、記録用に用いる光から得られる強度情報と位相情報の両方を含む干渉パターンの記録である。この情報は、初期の干渉パターンの強度に従って、干渉パターンを、以後の入射光ビームの振幅又は位相を変化させる光学素子に変換する感光性の媒体に記録され得る。格子媒体は、フォトポリマー、光屈折結晶、２色ゼラチン、光−熱−屈折性ガラス、分散ハロゲン化銀粒子含有膜、又は入射干渉パターンに反応して記録する能力を有する他の材料を含み得る。一部の場合には、記録されたホログラムを読み取り、かつ／又は記録するためにコヒーレントなレーザ光が使用され得る。
【００５８】
一部の場合には、ホログラムは、記録ビームとして知られている２つのレーザビームを使用して記録され得る。一部の場合には、記録ビームは、格子媒体に入射する角度を除けば互いに類似している単色のコリメートされた平面波ビームであり得る。いくつかの実装形態では、記録ビームは、互いに異なる振幅分布又は位相分布を有し得る。記録ビームは、記録媒体の内部で交差するように導かれ得る。記録ビームの交点において記録ビームが記録媒体と相互作用してもよく、記録媒体が干渉パターンの各点の強度に従って変化して、記録媒体の内部の光学的性質が変化するパターンを作成する。例えば、一部の実施形態では、記録媒体の内部で屈折率が変化し得る。一部の場合には、結果として生じる干渉パターンは、（例えばマスクなどを用いて）格子媒体に記録されたそのような格子構造のすべてにわたって均一な空間分布になり得る。一部の場合には、波長又は入射角を変化させて記録媒体の内部で異なる干渉パターンを作成することにより、単一の記録媒体の内部で複数の格子構造が重ね合わされてよい。一部の場合には、１つ以上のホログラムが媒体に記録された後、媒体は、記録後の光処理において、光を用いて処理されてよい。記録媒体の感光性を大幅に低下させるか又は解消するように、光開始剤又は光活性モノマーなどの残存する反応性媒体成分を実質的に消滅させるために、記録後の光処理は非コヒーレント性の高い光を用いて行われ得る。ホログラム又は他の格子構造を記録媒体に記録した後、媒体は、典型的には格子媒体と称される。いくつかの事例では、格子媒体は非感光性にされている。
【００５９】
いくつかの実装形態では、体積ホログラフィック格子構造は、記録ビームと称される複数の光ビーム間の干渉によって発生したホログラムを含んでいてもよい。スキューミラー１１０（例えば、スキューミラー１１０から形成された体積ホログラフィック光結合素子）は、複数のホログラム（例えば、複数の体積ホログラフィック格子構造）を含んでいてもよい。複数のホログラムは、複数のホログラムの間で変化する角度（すなわち角度多重）において格子媒体に入射する記録ビーム、及び／又は複数のホログラムの間で波長が変化する（すなわち波長多重）記録ビーム、及び／又は複数のホログラムの間で位置が変化する（すなわち空間多重）記録ビームを使用して記録され得る。いくつかの実装形態では、体積ホログラフィック格子構造は、ホログラムが記録されている間に格子媒体への入射角が変化する２つの記録ビーム、及び／又はホログラムが記録されている間に波長が変化する２つの記録ビームを使用して記録されたホログラムを含み得る。実装形態は、反射軸が、格子媒体の面法線と、少なくとも１．０度、又は少なくとも２．０度、又は少なくとも４．０度、又は少なくとも９．０度だけ異なるデバイスを更に含む。
【００６０】
可視光投光器１１５がレンズアセンブリに画像保持光を与えてもよく、不可視光投光器１１５がレンズアセンブリにＩＲ又はＮＩＲ光を与えてもよい。いくつかの事例では、レンズアセンブリ及びスキューミラーは、システムの配向面に対して実質的に平坦でよい。他の事例では、レンズアセンブリは、配向面に対して曲率を見せることがある。例えば、いくつかの場合では、レンズアセンブリ及びスキューミラー１１０はｘ−ｙ面に対して実質的に平坦であってもよい。他の場合には、特定の実装形態では、レンズアセンブリは、ｘ−ｙ面に対して若干の曲率を含み得る。スキューミラー１１０からの反射光１２０は、スキューミラー１１０からＺ軸に沿って所定距離にあるアイボックスの方へ反射され得る。いくつかの例では、スキューミラー１１０は、導波路の内部に少なくとも部分的に包含されてよい。導波路は、全反射による入射可視光１３０及び入射不可視光１３２をスキューミラー１１０に向けて伝搬させてもよい。いくつかの例では、入射光１３０、１３２は自由空間を介してスキューミラー１１０の方へ伝搬してもよい。他のコンポーネント（図１に示さず）が、投影光学システム、フィルタ、ＱＷＰ、ＰＢＳ、視線追跡画像化デバイスを含むが、これらに限定されない投光器１１５、１１７に関連付けられた１つ以上の光路に含まれていてもよい。いくつかの例では、他のコンポーネント（図１に示さず）をレンズアセンブリに動作可能に結合してもよい（例えば、限定することなく、（例えば、外部シーン画像検出実施形態の場合）フィルタ及びシーン画像化デバイス）。
【００６１】
スキューミラー１１０は、フォトポリマーで作製された格子媒体を含み得る。スキューミラー１１０は、格子媒体の内部に１つ以上の体積ホログラフィック格子構造も含み得る。各体積ホログラフィック格子構造は、互いに重なり得る１つ以上の正弦曲線の体積格子を含み得る。体積ホログラフィック格子構造は、格子媒体の面法線からずれた反射軸について、特定の複数の入射角において、特定の波長の光を反射するように構成され得る。格子媒体内の各体積ホログラフィック格子構造は、導波路から所定距離にあるアイボックスの射出瞳の方へ光の一部を反射するように構成され得る。
【００６２】
各体積ホログラフィック格子構造（本明細書では簡単にするために単に「格子構造」と称することがある）は、他の体積ホログラフィック格子構造とは異なる方法で光を反射してもよい。例えば、第１の格子構造は第１の入射角における第１の波長の入射光を反射してもよく、第２の格子構造は第１の入射角における第２の波長の入射光を反射してもよい（例えば、異なる格子構造を、同じ入射角の入射光に対して異なる波長の光を反射するように構成してもよい）。また、第１の格子構造は、第１の入射角における第１の波長の入射光を反射してよく、第２の格子構造は、第２の入射角における第１の波長の入射光を反射してよい（例えば、異なる格子構造は、異なる入射角の入射光に関して同一の波長の光を反射するように構成され得る）。その上、格子構造は、第１の波長及び第１の入射角の第１の入射光を反射してよく、第２の波長及び同一の反射軸に関する第２の入射角における第２の入射光を反射してよい。このように、様々な入射角における入射光に関して特定の波長の光を選択的に反射するために、異なる格子構造が使用され得る。これらの異なる格子構造は、スキューミラー１１０の格子媒体の内部で重ね合わされてよい。スキューミラー１１０は実質的に一定の反射軸を有し得る（すなわち、スキューミラー１１０の各格子構造が、同一の、実質的に一定の反射軸を有する）。
【００６３】
いくつかの例では、ＨＭＤは、ＩＲ光又はＮＩＲ光を放出するように構成された光源、並びに可視光を放出するように構成された光源を含んでいてもよい。可視光は画像保持光に対応してもよい。ＴＩＲ導波路を両方の光源に動作可能に結合してもよく、ＴＩＲ導波路には第１の導波路表面と第２の導波路表面とが含まれていてもよい。第１の導波路表面と第２の導波路表面との間に、体積ホログラフィック光結合素子を配設してもよい。体積ホログラフィック光結合素子には、格子媒体と格子媒体内の第１の体積ホログラフィック格子構造とが含まれていてもよい。第１の体積ホログラフィック格子構造を、第１の入射角において、格子媒体の面法線からずれた第１の反射軸について第１の波長のＩＲ光又はＮＩＲ光を反射するように構成してもよい。体積ホログラフィック光結合素子にはまた、格子媒体内の第２の体積ホログラフィック格子構造が含まれていてもよい。第２の体積ホログラフィック格子構造は、第１の入射角とは異なる第２の入射角において、格子媒体の面法線からずれた第２の反射軸について第２の波長の光を反射するように構成していてもよい。第２の波長は、可視赤色光波長、可視緑色光波長、又は可視青色光波長のうちの１つであってもよい。第２の波長の光は、可視光を放出するように構成された光源の画像保持光に対応してもよい。
【００６４】
図２Ａは、一例（例えば、導波路にスキューミラーを組み込んだ導波構成とは対照的な自由空間構成）に従った実空間におけるスキューミラー２０５の反射特性を例示する断面図２００−ａである。断面図２００−ａは、格子媒体中に、ホログラム２３０などの体積ホログラフィック格子構造を含んでいてもよい。図２Ａでは、格子媒体のための基板又は保護層として働き得る追加の層などの、格子媒体とは別のスキューミラーコンポーネントは省略されている。基板又は保護層は、汚染、湿気、酸素、反応性化学種、被害などから格子媒体を保護するのに役立ち得る。スキューミラーの実装形態は部分的に反射性であってもよい。このように、１つ以上のスキューミラーを、光学デバイスの種々の部分に光線を選択的に反射するように構成又は構築してもよい（例えば、フィルタ構成において導波路の入口開口に向けて光を向け直し、入力カプラ構成において導波路に向けて光を向け直し、交差カプラ構成において導波路内でＴＩＲモードで伝搬している光を向け直し、及び／又は光学デバイスのアイボックスに向けて射出瞳を形成する）。瞳孔等化技術を用いる場合、ある入射角に対して光線の反射を回避するようにスキューミラーを構成してもよい。このような反射は、所望の場所（例えば、射出瞳）に向いていない領域に光線を反射するであろう。いくつかのスキューミラーの実施形態の実装は、結果として生じる格子媒体の比較的広い波長帯域幅及び角度範囲にわたって高い反射率を達成するために、比較的大きいダイナミックレンジの記録媒体を必要とすることがある。対照的に、瞳孔等化技術を用いるスキューミラーが必要とするダイナミックレンジはより小さい場合があり、それによって、各ホログラムをより強くすることができる（例えば、より高い強度及び／又はより長い露光時間で記録される）。より強いホログラムからなるスキューミラーは、より明るい画像をもたらすか、又はより暗い投光器により類似した輝度の画像をもたらすことを許容する。スキューミラー２０５を、Ｚ軸に対して測定したある角度において、反射軸２２５によって特徴付けてもよい。Ｚ軸はスキューミラー表面に対して垂直であってもよい。スキューミラー２０５には、Ｚ軸に対して測定した内部入射角を伴う入射光２１５が照明される。主反射光２２０は、Ｚ軸に対して測定した内部反射角１８０°で反射され得る。主反射光２２０は、可視スペクトルの赤色領域、緑色領域、及び青色領域に存在する光の波長に対応し得る。
【００６５】
スキューミラー２１０を、Ｚ軸に対して測定したある角度において、反射軸２２５によって特徴付けてもよい。Ｚ軸はスキューミラー軸２０５に対して垂直である。スキューミラー２１０には、Ｚ軸に対して測定した内部入射角を伴う入射光２１５が照明される。主反射光２２０は、スキューミラー２１０の表面に対して実質的に垂直な内部反射角軸で反射され得る。いくつかの例では、主反射光２２０は、可視スペクトルの赤色領域、緑色領域、及び青色領域に存在する光の波長に対応し得る。例えば、可視スペクトルの赤色領域、緑色領域、及び青色領域は、赤色波長（例えば６１０〜７８０ｎｍ）の帯域、緑色波長（例えば４９３〜５７７ｎｍ）の帯域、及び青色波長（例えば４０５〜４９２ｎｍ）の帯域を含み得る。他の例では、主反射光２２０は、可視スペクトルの外部に存在する光の波長（例えば、ＩＲ波長及びＮＩＲ波長）に対応してもよい。一部の場合には、スキューミラー２１０は、すべてが実質的に同じ反射軸２２５を共有する複数のホログラム領域を有してもよい。
【００６６】
図２Ｂに、図２Ａのスキューミラー２１０のｋ空間表現２００−ｂを例示する。空間的に変化する屈折率成分のｋ空間分布は典型的には
【数１】
2020516949.tif 000003
で表される。ｋ空間分布２６０
【数２】
2020516949.tif 000004
は、Ｚ軸に対して測定した、反射軸２２５と等しい角度で原点を通過し得る。ｋ球２５５の記録は、特定の書込み波長に対応するｋ球であってもよい。ｋ空間表現２００−ｂは、可視スペクトルの赤色領域、緑色領域、及び青色領域に存在する光の波長に対応する種々のｋ球を含み得る。
【００６７】
ｋ空間形式は、ホログラフィック記録及び回折を解析するための方法を表現し得る。ｋ空間では、伝搬する光波及びホログラムは、実空間におけるそれらの分布の３次元フーリエ変換によって表現され得る。例えば、無限遠までコリメートされた単色の参照ビームは、実空間及びｋ空間において式（１）で表現され得る。
【数３】
2020516949.tif 000005
【００６８】
式（１）で、
【数４】
2020516949.tif 000006
は、すべての
【数５】
2020516949.tif 000007
の３Ｄ空間ベクトル位置における光学的スカラ場分布であり、分布の変換
【数６】
2020516949.tif 000008
は、すべての３Ｄ空間周波数ベクトル
【数７】
2020516949.tif 000009
における光学的スカラ場分布である。Ａｒはフィールドのスカラ複素振幅を表現し得て、
【数８】
2020516949.tif 000010
は波動ベクトルを表現し得、その長さは光波の空間周波数を指示し、その方向は、伝搬の方向を指示する。いくつかの実装形態では、すべてのビームが同一波長の光からなり得、そのためすべての光学的波動ベクトルが同一の長さを有し得、すなわち、
【数９】
2020516949.tif 000011
である。したがって、すべての光伝搬ベクトルが半径
ｋｎ＝２π  ｎ０／λ
の球体の上にあり得、ｎ０はホログラムの平均屈折率（「バルク屈折率」）であり、λは光の真空波長である。この構造物はｋ球として知られている。他の実装形態では、複数の波長の光が、異なるｋ球上にあって長さが異なる波動ベクトルの重なり合いへと分解され得る。
【００６９】
別の重要なｋ空間分布にはホログラム自体のｋ空間分布がある。体積ホログラムは、格子媒体の内部での屈折率の空間的変化からなり得る。屈折率の空間的変化は、典型的には
【数１０】
2020516949.tif 000012
と表されるが、屈折率変調パターンと称することができ、そのｋ空間分布は
【数１１】
2020516949.tif 000013
と表され得る。屈折率変調パターンは、第１の記録ビームと第２の記録ビームの間の干渉によって作成され得、典型的には、式（２）に示されるように、記録する干渉パターンの空間的強度に比例する。
【数１２】
2020516949.tif 000014
【００７０】
式（２）で、
【数１３】
2020516949.tif 000015
は信号の第１の記録ビームフィールドの空間分布であり、
【数１４】
2020516949.tif 000016
は第２の記録ビームフィールドの空間分布である。単項演算子＊は複素共役を表す。式（２）の最終項
【数１５】
2020516949.tif 000017
は、入射する第２の記録ビームを回折された第１の記録ビームへマッピングし得る。したがって、結果として次式のようになり得る。
【数１６】
2020516949.tif 000018
【００７１】
式（３）で、
【数１７】
2020516949.tif 000019
は３Ｄ相互相関演算子である。つまり、空間領域における、１つの光場と別の光場の複素共役の積は、それらの、周波数領域におけるそれぞれのフーリエ変換の相互相関になり得る。
【００７２】
典型的には、ホログラム２３０は、実空間では実数値になる屈折率分布を構成する。
【数１８】
2020516949.tif 000020
ホログラム２３０のｋ空間分布の場所を、相互相関演算
【数１９】
2020516949.tif 000021
からそれぞれ数学的に、又はベクトル差
【数２０】
2020516949.tif 000022
から幾何学的に判定してもよい。ここで、
【数２１】
2020516949.tif 000023
は、対応するホログラム
【数２２】
2020516949.tif 000024
ｋ空間分布から原点（別個に図示せず）までの格子ベクトルを表してもよい。慣例により、波動ベクトルは小文字「ｋ」で表現され、格子ベクトルは大文字「Ｋ」で表現されていることに留意されたい。
【００７３】
ホログラム２３０は、記録されると、回折ビームを生成するためにプローブビームによって照明されてよい。本開示の目的のために、回折ビームはプローブビームの反射と考えることができ、入射光ビーム（例えば画像保持光）と称され得る。プローブビーム及びその反射ビームは、反射軸２２５によって角度的に二分され得る（すなわち、反射軸に対するプローブビームの入射角は、反射軸に対する反射ビームの反射角と同一の大きさを有する）。回折処理は、記録処理のものに類似の、ｋ空間における１組の数学的演算及び幾何学的演算によって表現され得る。弱い回折限界では、回折ビームの回折光分布は式（４）で与えられる。
【数２３】
2020516949.tif 000025
【００７４】
式（４）で、
【数２４】
2020516949.tif 000026
は、それぞれ回折ビーム及びプローブビームのｋ空間分布であり、「＊」は３Ｄ畳み込み演算子である。
【数２５】
2020516949.tif 000027
という表記は、前出の表現が、
【数２６】
2020516949.tif 000028
であるときのみ、すなわち結果がｋ球上にあるときのみ、評価されることを指示するものである。畳み込み
【数２７】
2020516949.tif 000029
は偏光密度分布を表現し、プローブビーム
【数２８】
2020516949.tif 000030
によって誘起された格子媒体の不均一な電気双極子モーメントの巨視的総計に比例する。
【００７５】
一部の場合にはっては、プローブビームと記録に使用される記録ビームのうちの１つとが類似しているとき、畳み込みの影響により、記録中に相互相関が反転され、回折ビームは、ホログラムを記録するのに使用される他の記録ビームと実質的に類似する可能性がある。プローブビームと記録に使用される記録ビームとが異なるｋ空間分布を有するとき、ホログラムは、ホログラムを記録するのに使用されたビームとは実質的に異なる回折ビームを生成する可能性がある。記録ビームは、典型的には互いにコヒーレントであるが、プローブビーム（及び回折ビーム）はそれほど制約されないことにも留意されたい。多波長プローブビームは、それぞれが異なるｋ球半径の状況で、式（４）に従って、単一波長のビームの重なり合いとして解析され得る。
【００７６】
「プローブビーム（ｋ空間におけるスキューミラー特性を説明するときに用いる）」という用語は、「入射光（実空間におけるスキューミラー反射特性を説明するときに用いる）」という用語に似ている。同様に、ｋ空間におけるスキューミラーの特性を説明するときに使用される回折ビームという用語は、実空間におけるスキューミラーの特性を説明するときに使用される主反射光という用語に類似している。したがって、実空間におけるスキューミラーの反射特性を説明するとき、入射光がホログラム（又は他の格子構造）によって主反射光として反射されると明示するのが典型的であり得るが、ホログラムによってプローブビームが回折されて回折ビームを生成すると明示するのは類似の意味である。同様に、ｋ空間におけるスキューミラーの反射特性を説明するとき、ホログラム（又は他の格子構造）によってプローブビームが回折されて回折ビームを生成すると明示するのが典型的であるが、本開示の実装形態のコンテキストでは、格子構造によって入射光が反射されて主反射光を生成すると明示するのも同一の意味を有する。
【００７７】
図３は、本開示の種々の態様に係る、２次元ス及び１次元スキューミラー射出瞳拡大技術が組み込まれた光学システムの図である。光学システム３００は、ＨＭＤ応用例、拡張現実（ＡＲ）応用例、又は仮想現実（ＶＲ）応用例（例えば、これらに限定されないが、図１のＨＭＤ１００）で利用してもよい。光学システム３００は、大画面ディスプレイ及び光センサの応用例などの種々の光結合応用例でも利用され得るが、これらに限定されない。光学システム３００は、選択結合を用いて、スキューミラー構造３０５（例えば、ゼロ、１つ、又は２つ以上の導波路内で実施される１つ以上のスキューミラー）が特定の場所（例えば、アイボックス３１５−ａ）に向けて光を測光効率回折できるようにしてもよく、その結果、（例えば、画像輝度）が改善される。選択結合には、アイボックス３１５−ａ内で外部射出瞳を形成するという有利な効果があり得る。外部射出瞳では内部射出瞳に対して光学的効率が増大し得る。表現された角度は、格子媒体の面法線に対する内角であり、格子媒体及び／又は基板界面における屈折、並びに基板−空気界面における屈折は、図解の目的で無視されている。
【００７８】
光学システム３００は、ディスプレイ３５５（例えば、可視光を放出するディスプレイ）、発光コンポーネント３５６（例えば、不可視光、例えばＮＩＲ光又はＩＲ光を放出するコンポーネント）、コリメータ３６０、水平導波路３６５、垂直導波路３７０、及びアイボックス３１５−ａを含んでいてもよい。アイボックス３１５−ａは、本明細書では瞳距離３７５として知られる垂直導波路３７０からの距離であってもよい。スキューミラー構造３０５には、導波路３６５及び３７０の一方又は両方において実施される１つ以上のスキューミラーが含まれていてもよい。光学システム３００は、スキューミラーを用い得る２次元及び１次元瞳拡大器の一例を例示している。水平導波路３６５に配設されたスキューミラーは交差カプラと称され得る。一部の場合には、垂直導波路３７０に配設されたスキューミラーは出力カプラと称され得る。
【００７９】
一部の場合には、本明細書における射出補助画像化技術を、２つ以上のスキューミラーを用いることによって、１次元及び／又は２次元瞳拡大とともに使用してもよい。例えば、水平導波路３６５は、第２のスキューミラーに動作可能に結合された第１のスキューミラーを含み得る。第１のスキューミラーを使用して瞳を水平方向（図３のＸ軸に平行）に拡大してもよい。いくつかの例では、第１のスキューミラー（例えば交差カプラ）は個別の２Ｄ（ダクトタイプ）導波路の内部に配設されてよい。第２のスキューミラーを使用して瞳を垂直方向（図３のＹ軸に平行）に拡大してもよい。いくつかの例では、第２のスキューミラー（例えば出力カプラ）は個別の１Ｄ（平板タイプ）導波路の内部に配設されてよい。いくつかの例では、第１のスキューミラー（例えば交差カプラ）及び第２のスキューミラー（例えば出力カプラ）は、単一の１Ｄ（平板タイプ）導波路の内部に配設されてよい。いくつかの例では、第１のスキューミラーと第２のスキューミラーは境を接していてもよいし、そうでなければ動作可能に垂直に（例えばＹ軸に沿って）結合してもよい。いくつかの例では、第１のスキューミラーと第２のスキューミラーは境を接していてもよいし、そうでなければ動作可能に水平に（例えばＸ軸に沿って）結合してもよい。いくつかの例では、第１のスキューミラーと第２のスキューミラーは境を接していてもよいし、そうでなければ動作可能に重なり合って（例えばＺ軸に沿って）結合してもよい。
【００８０】
図３に示すように、水平導波路３６５は、ディスプレイ３５５が放出した（及びコリメータ３６０を使用してコリメートされた）光を水平方向に伝搬させてもよい。水平導波路３６５内のスキューミラーは、光が水平導波路３６５を横断するときに、この光を下方に垂直導波路３７０内に結合してもよい。このようにして、ディスプレイ３５５が放出した光を２次元にわたって拡大してもよい。垂直導波路３７０内のスキューミラーは、２次元に拡大された光をアイボックス３１５−ａに結合してもよい。これによって、例えば、ディスプレイ３５５が２次元の可視光画像を、ユーザが視認するためのアイボックス３１５−ａに投影することが可能になってもよい。同時に、発光コンポーネント３５６は、不可視光（例えば、ＩＲ及び／又はＮＩＲ光）を垂直導波路３７０内に放出してもよい。必要に応じて、付加的なコリメータを垂直導波路３７０と発光コンポーネント３５６との間に置いてもよい。この光は、導波路３７０を１次元に（例えば、垂直な次元又は水平な次元に沿って）、第２の次元に著しく拡大することなく、横断してもよい。この１次元に拡大された光を、導波路３７０内のスキューミラーによってアイボックス３１５−ａ内に結合してもよい。この結果、コンポーネント３５６がユーザの眼に光を投影できてもよい。例えば、この光を使用して、狭い視野（例えば、アイボックス３１５−ａに結合された可視光よりも狭い視野）にわたってユーザの眼の特徴（例えば、ユーザの網膜、視神経など）を追跡する視線追跡画像を収集してもよい。例えば、不可視光がユーザの眼から反射して導波路３７０の方に戻ってもよい。導波路３７０内のスキューミラーはこの不可視光を画像化デバイスに向けて反射してもよい。画像化デバイスは不可視光をキャプチャし、キャプチャした光を処理して視線追跡を実行してもよい。このような画像化デバイスをコンポーネント３５６によって図３に概略的に示す（例えば、コンポーネント３５６は、発光器及び画像化デバイスを必要に応じて含んでいてもよい）。画像化デバイスがキャプチャした（反射）不可視光を、コンポーネント３５６の方に向く矢印で示す。コンポーネント３５６が放出した不可視光を、コンポーネント３５６から離れる方向に向く矢印で示す。この例は単に例示的であり、必要に応じて、別個の画像化デバイスを、導波路３７０の周りの任意の所望の場所に形成してもよい。必要に応じて、この不可視光を付加的又は代替的に使用して（処理して）、ユーザ識別情報を、網膜又はユーザの眼の他の生理的特性（例えば、特定の個人に特有であろう生理的特性）に基づいて収集してもよい。
【００８１】
このようにして、光学システム１００は、可視光に対しては２次元の拡大を、不可視光に対しては１次元の拡大を実行してもよい。例えば、アイボックス３１５−ａに結合される不可視光の視野は、スキューミラーによってアイボックス３１５に結合される可視光の視野より垂直次元（例えば、Ｙ軸に平行）が狭くてもよい（例えば、スキューミラーは可視光を２次元に拡大するが、スキューミラーは不可視光を２次元には拡大しないからである）。Ｘ軸に平行な可視光に対する視野は、Ｘ軸に平行な不可視光に対する視野と比べて同じサイズか、より狭いか、又はより長くてもよい。例えば、可視光に対する視野の総面積は不可視光に対する視野の総面積より大きくてもよい。不可視光に対して１次元の拡大のみを用いると、例えば、不可視光に対して付加的な交差カプラが必要でなくなる場合があり、（例えば、所望の眼の特徴を追跡して視線方向を判定することがやはり可能であると同時に）処理効率及びデバイス内の空間が最適化される場合がある。この例は単なる例示に過ぎない。必要に応じて、図３におけるディスプレイ３５５及びコンポーネント３５６の場所を交換してもよい（例えば、不可視光に対して２次元の拡大を行ってもよく、可視光に対して１次元の拡大を行う）。別の好適な配置では、可視及び不可視光の両方に対して２次元の拡大を行ってもよい。２Ｄ導波路、１Ｄ導波路、スキューミラーベースの出力カプラ、及びスキューミラーベースの交差カプラの任意の所望の数及び組み合わせを使用して、ディスプレイ３５５が放出した可視光とコンポーネント３５６が放出した不可視光とを１次元及び／又は２次元に拡大してもよい。別の好適な配置では、交差カプラを使用して可視光に対して２次元の拡大を行ってもよく、出力カプラを使用して不可視光に対して１次元の拡大を行ってもよい（両方とも同じ導波路に形成されている）。例えば、スキューミラー（体積ホログラフィック光結合素子）は、複数の体積ホログラフィック格子構造（例えば、体積ホログラム）、例えば交差カプラとして機能する体積ホログラフィック格子構造及び出力カプラとして機能する体積ホログラフィック格子構造の両方を含んでいてもよい。別の好適なでは、複数のスキューミラー（体積ホログラフィック光結合素子）を使用してもよく、１つのスキューミラーには不可視光用の出力カプラと可視光用の交差カプラとが含まれる。
【００８２】
図４は、複数の体積ホログラフィック格子構造４０５を含む光学部品４００の図である。光学部品４００は、例えば、スキューミラーから形成されたカプラ（例えば、出力カプラ又は交差カプラ）などの体積ホログラフィック光結合素子であってもよい。格子構造４０５は、本明細書で説明された格子媒体を有する格子構造に類似し得る。格子構造４０５は、議論のために分解組立図のやり方で図解されているが、これらの格子構造４０５は、本明細書で説明されたように、格子媒体の体積又は空間の内部で重なり合い、交じり合ってよい。また、各格子構造が異なる回折角の応答を有してよく、別の格子構造とは異なる波長の光を反射してよい。
【００８３】
図４の例では、光学部品４００内の格子構造のうちの２つに対するｋ空間図を示している。格子構造４０５−ａは、対応するｋ空間図４１０−ａを有していてもよく、格子構造４０５−ｂは、対応するｋ空間図４１０−ｂを有していてもよい。ｋ空間図４１０−ａ及び４１０−ｂは、ホログラムを照明することによるブラッグマッチ再構成の場合を例示し得る。
【００８４】
ｋ空間図４１０−ａは、格子構造４０５−ａによる入射光の反射を例示し得る。ｋ空間図４１０−ａは、ホログラムによるプローブビームのミラー状の回折（反射と称され得る）の表現であり、反射軸に対するプローブビームの入射角は、反射軸に対する回折ビームの反射角と等しい。ｋ空間図４１０−ａは、Ｚ軸に対して測定した角度（格子構造４０５−ａの反射軸４３０−ａのそれに等しい）を有する正の側波帯
【数２９】
2020516949.tif 000031
ｋ空間分布４５０−ａを含んでいてもよい。ｋ空間図４１０−ａはまた、Ｚ軸に対して測定した角度（反射軸４３０−ａのそれに等しい）を有する負の側波帯
【数３０】
2020516949.tif 000032
ｋ空間分布４５３−ａを含んでいてもよい。ｋ−球体４４０−ａは、可視青色光、可視緑色光、可視赤色光、不可視ＩＲ光、又は不可視ＮＩＲ光を表してもよい。
【００８５】
ｋ空間図４１０−ａは、プローブビーム４３５−ａが、プローブビームのｋ球４４０−ａ上にある点状の、回折ビームのｋ空間分布４２５−ａ
【数３１】
2020516949.tif 000033
を生成する場合を表す。回折ビームのｋ空間分布４２５−ａは、式（４）の畳み込みによって生成される。
【００８６】
プローブビームは、やはり点状であるｋ空間分布４３５−ａ
【数３２】
2020516949.tif 000034
を有し得る。この場合、プローブビームは、ホログラムに対して「ブラッグマッチする」と言われ、プローブビームの波長が、ホログラムを記録するのに使用される記録ビームの波長と異なっていても、ホログラムが有意の回折を生成する可能性がある。また畳み込み演算を、ベクトル和
【数３３】
2020516949.tif 000035
によって幾何学的に表してもよい。ここで、
【数３４】
2020516949.tif 000036
は回折ビーム波ベクトル４２０−ａを表し、
【数３５】
2020516949.tif 000037
はプローブビームの波動ベクトル４１５−ａを表し、
【数３６】
2020516949.tif 000038
は、正の側波帯格子ベクトル４５１−ａを表す。ベクトル４４５−ａは、等式（４）の畳み込みによるプローブビームの波動ベクトル４１５−ａと正の側波帯格子ベクトル４５１−ａとの和を表す。ｋ空間図４１０−ａは、負の側波帯の格子ベクトル４５２−ａも有している。
【００８７】
プローブビームの波動ベクトル４１５−ａ及び回折ビームの波動ベクトル４２０−ａは、実質的に二等辺三角形の脚部を形成し得る。この三角形の等しい角度は、どちらも反射軸４３０−ａに対して測定された入射角及び反射角と一致し得る。したがって、格子構造４０５−ａは、反射軸４３０−ａについて、実質的にミラーに似たやり方で光を反射し得る。
【００８８】
ｋ空間図４１０−ｂは、格子構造４０５−ｂによる入射光の反射を図解し得る。格子構造４０５−ｂは、格子構造４０５−ａによって反射される入射角とは異なる複数の入射角の入射光を反射し得る。格子構造４０５−ｂは、格子構造４０５−ａとは異なる波長の光も反射し得る。ｋ空間図４１０−ｂは、ホログラムによるプローブビームのミラー状の回折（反射と称され得る）の表現であってもよく、反射軸に対するプローブビームの入射角は、反射軸に対する回折ビームの反射角と等しい。ｋ空間図４１０−ｂは、Ｚ軸に対して測定した角度（格子構造４０５−ｂの反射軸４３０−ｂのそれに等しい）を有する正の側波帯
【数３７】
2020516949.tif 000039
ｋ空間分布４５０−ｂを有する。またｋ空間図４１０−ｂは、Ｚ軸に対して測定した角度（反射軸４３０−ｂのそれに等しい）を有する負の側波帯
【数３８】
2020516949.tif 000040
ｋ空間分布４５３−ｂを有する。ｋ−球体４４０−ｂは、可視青色光、可視緑色光、可視赤色光、不可視ＩＲ、又は不可視ＮＩＲを表してもよい。一部の実施形態では、ｋ球は、紫外波長を含む電磁放射の他の波長を表現し得るが、これらに限定されない。
【００８９】
ｋ空間図４１０−ｂは、プローブビーム４３５−ｂが、プローブビームのｋ球４４０−ｂ上にある点状の、回折ビームのｋ空間分布４２５−ｂ
【数３９】
2020516949.tif 000041
を生成する場合を表す。回折ビームのｋ空間分布４２５−ｂは、式（４）の畳み込みによって生成される。
【００９０】
プローブビーム４３５−ｂは、やはり点状であるｋ空間分布
【数４０】
2020516949.tif 000042
を有している。この場合、プローブビームは、ホログラムに対して「ブラッグマッチする」と言われ、プローブビームの波長が、ホログラムを記録するのに使用される記録ビームの波長と異なっていても、ホログラムが有意の回折を生成する可能性がある。また畳み込み演算は、ベクトル和
【数４１】
2020516949.tif 000043
によって幾何学的に表してもよい。ここで、
【数４２】
2020516949.tif 000044
は回折ビームの波動ベクトル４２０−ｂを表し、
【数４３】
2020516949.tif 000045
はプローブビームの波動ベクトル４１５−ｂを表し、
【数４４】
2020516949.tif 000046
は正の側波帯格子ベクトル４５１−ｂを表す。ベクトル４４５−ｂは、等式（４）の畳み込みによるプローブビームの波動ベクトル４１５−ｂと正の側波帯格子ベクトル４５１−ｂとの和を表す。ｋ空間図４１０−ｂは、負の側波帯の格子ベクトル４５２−ｂも有している。
【００９１】
プローブビームの波動ベクトル４１５−ｂ及び回折ビームの波動ベクトル４２０−ｂは、実質的に二等辺三角形の脚部を形成し得る。この三角形の等しい角度は、どちらも反射軸４３０−ｂに対して測定された入射角及び反射角と一致し得る。したがって、格子構造４０５−ｂは、反射軸４３０−ｂについて、実質的にミラーに似たやり方で光を反射し得る。
【００９２】
図５Ａは、本開示の種々の態様に従ってスキューミラーを製造するための製造システム５００−ａを示す。システム５００−ａは、試料ステージ搬送台５０５、試料搬送レール５１０、第１の記録ビーム５１５−ａ、信号ミラー５２０、第２の記録ビーム５２５−ａ、参照ミラー５３０、参照ミラー搬送レール５３５、参照ミラー搬送台５４０、格子媒体５４５−ａ、ホログラム５５０、第１のプリズム５５５−ａ、及び第２のプリズム５６０−ａを含み得る。
【００９３】
システム５００−ａは、グローバル座標（ｘＧ，ｙＧ，ｚＧ）及びスキューミラー座標（ｘ，ｙ，ｚ）を含み得る。原点を、格子媒体５４５−ａの中心にあると規定してもよい。一部の場合には、格子媒体５４５−ａは略矩形形状を備えていてもよく、「ｚ」は、格子媒体５４５−ａの厚さに対応し、「ｘ」は格子媒体５４５−ａの面内辺の長さに対応し、「ｙ」格子媒体５４５−ａの面内辺の長さに対応する。記録用のグローバル角度θＧを、格子媒体５４５−ａ内部のｘＧ軸に対する第１の記録ビーム５１５−ａの角度として規定してもよい。スキューミラー座標（ｘ，ｙ，ｚ）を以下の等式によってグローバル座標に変換してもよい。
【数４５】
2020516949.tif 000047
【００９４】
システム５００−ａは、記録ビームを、所望のアイボックスサイズにほぼ等しいサイズを有するように構成するのに使用され得る。一実装形態では、システム５００−ａは、第１の記録ビーム５１５−ａ及び第２の記録ビーム５２５−ａに対する正確な角度を作成するために、信号ミラー５２０及び参照ミラー５３０などの回転鏡を配設してもよい。信号ミラー５２０の角度は、幅〜ｄＥＢを伴う第１の記録ビーム５１５−ａの所望角度（θＧ１）を生成するように変えてもよい。試料ステージ搬送台５０５及び参照ミラー搬送台５４０は、各露光のために記録ビームで正確な位置を照明するように位置決めされてよい。システム５００−ａの試料ステージ搬送台５０５は、所望の位置において格子媒体５４５−ａを第１の記録ビーム５１５−ａで照明するのを促進するために、試料搬送レール５１０上に位置決めされてよい。参照ミラー搬送台５４０は、所望の位置において格子媒体５４５−ａを第２の記録ビーム５２５−ａで照明するのを促進するために、参照ミラー搬送レール５３５上に位置決めされてよい。格子媒体５４５−ａは、ホログラム記録前又はホログラム記録中に記録媒体として参照されてよく、フォトポリマーを含み得る。一部の実施形態では、格子媒体は、光屈折結晶、２色ゼラチン、光−熱−屈折性ガラス、及び／又は分散ハロゲン化銀粒子含有膜を備え得る。
【００９５】
信号ミラー５２０及び参照ミラー５３０セットの回転を用いて、ミラーを、第１の記録ビーム５１５−ａと第２の記録ビーム５２５−ａとを送って、記録ビームが互いに交差して干渉して、格子媒体５４５−ａ中のホログラム５５０として記録される干渉パターンを形成するように配設してもよい。ホログラム５５０は格子構造の一例であってもよい。システム５００−ａによって、複数の格子構造であって、それぞれが複数の入射角においてスキュー軸５６５−ａについて特定の波長の光を反射するように構成された複数の格子構造を形成し得る。各格子構造は、特定の波長を有するコヒーレント光に格子媒体５４５−ａを複数回露光させることを使用して形成され得る。各格子構造に対応する複数の入射角は、互いから最小範囲の角度だけずれていてもよい。
【００９６】
いくつかの実装形態では、記録ビームの幅は互いに異なってよく、又は同一でもよい。記録ビームの強度は互いに同一でよく、又はビーム間で異なり得る。ビームの強度は不均一でよい。格子媒体５４５−ａは典型的に、プリズムと格子媒体の両方にマッチする屈折率を有する流体を使用して、第１のプリズム５５５−ａと第２のプリズム５６０−ａとの間の定位置に固定される。スキュー軸５６５−ａは、面法線５７０−ａに対するスキュー角にある。図５Ａに示すように、スキュー角は面法線５７０−ａに対して−３０．２５度であってもよい。第１の記録ビームと第２の記録ビーム間の角度は０〜１８０度の範囲に存在し得る。そこで、面内システム５００−ａに対しては、面法線５７０−ａに対して記録されるスキュー角は、φ'＝（θＲ１＋θＲ２−１８０°）／２＋φＧとなる。θＧ２＝１８０°−θＧ１となる公称の場合には、φ'＝φＧである。図５において、φＧは、面法線に対する公称のスキュー角を示す。加えて、図５には、θＧ１及びθＧ２の角度の正確な描写は示されていない。θ'Ｇ１及びθ'Ｇ２の角度が図解されており、θＧ１及びθＧ２の角度に対応する。θＧ１及びθＧ２の角度は、第１のプリズム５５５−ａ内の第１の記録ビーム５１５−ａ、及び第２のプリズム５６０−ａ内の第２の記録ビーム５２５−ａビームに、それぞれ関連している。θ'Ｇ１及びθ'Ｇ２の角度は、θＧ１及びθＧ２の角度とは異なる。なぜならば、記録ビームがプリズムに入るときに空気とプリズムとの間の境界で屈折率のミスマッチがあるからである（例えば、スネルの法則又は屈折の法則の効果）。
【００９７】
スキュー軸に対する第１の記録ビームの内角とスキュー軸に対する第２の記録ビームの内角との和が１８０度に等しくなるように、第１の記録ビーム５１５−ａと第２の記録ビーム５２５−ａとはスキュー軸５６５−ａに関して名目上対称であってもよい。第１の記録ビームと第２の記録ビームとはそれぞれ、レーザ光源に由来するコリメートされた平面波ビームであってもよい。
【００９８】
空気／プリズム境界における屈折（例えば、第１の記録ビーム５１５−ａが第１のプリズム５５５−ａの空気／プリズム境界と交差する場合、及び第２の記録ビーム５２５−ａが第２のプリズム５６０−ａの空気／プリズム境界と交差する場合）を、厳密に定量的にではなくて比喩的に示す。プリズム／格子媒体境界でも屈折が起こり得る。実装形態では、格子媒体及びプリズムのそれぞれが、４０５ｎｍの記録ビーム波長においてほぼ１．５４７１の屈折率を有する。
【００９９】
ホログラムのスキュー角（ホログラムの集合に関する平均スキュー角を含む）は反射軸角度と実質的に同一であってもよく、スキュー角又は平均スキュー角が反射軸角度から１．０度以内にあることを意味する。当業者ならば、本開示の利益を与えられれば、スキュー角と反射軸角度が理論上同一であり得ることを認識するであろう。しかしながら、システムの精密さ及び正確さにおける限界、ホログラムの記録中に生じる記録媒体の縮化、及び誤りの他の原因のために、記録ビーム角度に基づいて測定された、又は推定された、スキュー角又は平均スキュー角は、スキューミラーによって反射された光の入射角及び反射角によって測定された反射軸角度と完全には一致しない可能性がある。それにもかかわらず、記録ビーム角度に基づいて判定されたスキュー角は、媒体縮化及びシステム不完全性がスキュー角及び反射軸角度の推定における誤りに寄与する場合でさえ、入射光の角度及びその反射の角度に基づいて判定された反射軸角度から１．０度以内にあり得る。これらの媒体縮化及びシステム不完全性は、スキューミラーの生産において任意に小さくできることが理解される。この点に関して、これらの媒体縮化及びシステム不完全性は、通常の、又は既存のミラーの平面度に類似するものと考えられてよい。いくつかの例では、体積ホログラムを使用するスキューミラーの生産に関連付けられた基本的な限界は、記録媒体の厚さに基づき得る。
【０１００】
スキュー軸／反射軸は、スキューミラーの作製に言及するとき（例えばスキューミラー格子媒体にホログラムを記録することを説明するとき）には一般にスキュー軸と称され、スキューミラーの光反射特性に言及するときには反射軸と称される。ホログラムのスキュー角（ホログラムの集合に関する平均スキュー角を含む）は反射軸角度と実質的に同一であり得、これは、スキュー角又は平均スキュー角が反射軸角度から１．０度以内にあることを意味する。本開示の利益を与えられた、当該技術分野に精通している者なら、スキュー角と反射軸角度が理論上同一であり得ることを認識するであろう。しかしながら、システムの精密さ及び正確さにおける限界、ホログラムの記録中に生じる記録媒体の縮化、及び誤りの他の原因のために、記録ビーム角度に基づいて測定された、又は推定された、スキュー角又は平均スキュー角は、スキューミラーによって反射された光の入射角及び反射角によって測定された反射軸角度と完全には一致しない可能性がある。それにもかかわらず、記録ビーム角度に基づいて判定されたスキュー角は、媒体縮化及びシステム不完全性がスキュー角及び反射軸角度の推定における誤りに寄与する場合でさえ、入射光の角度及びその反射の角度に基づいて判定された反射軸角度から１．０度以内にあり得る。本開示の利益を与えられた、当該技術分野に精通している者なら、所与のホログラムに関するスキュー角がそのホログラムに関する格子ベクトル角度と同一であることを認識するであろう。
【０１０１】
システム５００−ａの変形形態では、可変波長レーザを使用して第１の記録ビーム及び第２の記録ビームの波長を変えてもよい。第１の記録ビームと第２の記録ビームの入射角は、（必須ではないが）一定に保たれてもよく、第１の記録ビーム及び第２の記録ビームの波長が変化される。波長は、可視赤色光波長、可視青色光波長、可視緑色光波長、紫外線波長、ＩＲ波長及び／又はＮＩＲ波長からなっていてもよい。システム５００−ａの各格子構造は、別の格子構造とは異なる波長において入射角を反射し得る。システム５００−ａは、記録ビームの波長とは実質的に異なる波長の光、特に、記録ビームの波長よりもかなり長い波長の光を反射することができる反射特性を有し得る。
【０１０２】
図５Ｂは、本開示の種々の態様に従ってスキューミラーを製造するための製造システム５００−ｂを示す。システム５００−ｂは、第１の記録ビーム５１５−ｂ、第２の記録ビーム５２５−ｂ、格子媒体５４５−ｂ、第１のプリズム５５５−ｂ、第２のプリズム５６０−ｂ、及びスキュー軸５６５−ｂを含み得る。システム５００−ｂは、図５Ａを参照して論じられた実施形態に関して拡大された図であり得る。
【０１０３】
一部の場合には、交差カプラとして使用される光結合デバイス用に１つ以上のスキューミラーが製作され得る。例えば、各反射軸は平行でよく、又は瞳拡大器の内部の１つ以上の導波路の表面に対して角度的にずれていてもよい。例えば、第１のプリズム５５５−ｂ及び第２のプリズム５６０−ｂの内部の格子媒体５４５−ｂの向きを変えることによって、交差スキューミラーの交差カプラ構成を有する交差カプラが製作され得る。いくつかの記録する実装形態では、第２のプリズム５６０−ｂが省略されて、格子媒体５４５−ｂを固定するか又は安定させるための部品で置換されてよい。格子媒体５４５−ｂを固定するか又は安定させるためのコンポーネントは、光吸収特性も含み得る。例えば、交差カプラを構成するとき、第１の記録ビーム５１５−ｂと第２の記録ビーム５２５−ｂの両方が、第１のプリズム５５５−ｂに入ってよい。
【０１０４】
一部の場合には、第２のスキューミラーの配向が、向きを変えられた格子媒体５４５−ｂ上に記録されてよい。第２のスキューミラーは、第１のスキューミラーに対して、少なくとも部分的に重なり合って、又は重なり合わないように配向されてよい。したがって、交差スキューミラー構成は、格子媒体５４５−ｂ（すなわち、再配向処理及び硬化処理後の記録媒体）の所与の体積において形成される。再配向処理は、光結合デバイスの所望のすべてのスキュー軸を記録するように繰り返されてよい。一部の場合には、第２のスキューミラーは、第１のスキューミラーに対して重なり合わないように配向されてよい。
【０１０５】
図６は、スキューミラー補助画像化が組み込まれた光学システム６００の図を示している。光学システム６００をＮＥＤ応用例、ＡＲ応用例、又はＶＲ応用例（例えば、限定することなく、図１のＨＭＤ１００）で用いてもよい。また光学システム６００を、種々の光波又は電磁波結合応用例（例えば、限定することなく、大型スクリーンディスプレイ応用例、光学センサ応用例、及びミリメートル導波路応用例）で用いてもよい。光学システム６００は格子媒体６１５内で選択結合を用いて、特定の場所（例えば、アイボックス６６５）に向けて光を回折してもよく、その結果、測光効率（例えば、画像輝度）が改善される。また光学システム６００は、外部ＦＯＶの光（視線追跡を示す反射した不可視光周波数を含む）に対して格子媒体６１５内で選択結合を用いてもよい。光学システム６００はオーバーヘッド視野から視認され、ユーザの左眼又は右眼のいずれかを表すことができる。
【０１０６】
一部の場合には、スキューミラー６０５と格子媒体６１５の両方を、光学システム６００の導波路内に少なくとも部分的に配置してもよい。図６に示す導波路は１つ以上の基板６１０を含み、スキューミラー６０５及び格子媒体６１５が導波路の一部に沿って（例えば、図６に示すように導波路の一端に又は導波路に沿った任意の他の所望の場所に）配置されている。導波路は全内部反射を介してその長さにわたって光６２５を伝搬させる（例えば、コリメータ（レンズ）６３０に隣接する導波路の端部から、スキューミラー６０５が配置された導波路部分まで、逆もまた同様である）。例えば、図６のスキューミラー６０５を使用して、導波路（例えば、図６の導波路、図３の導波路３７０及び／又は３６５など）内に出力カプラ及び／又は交差カプラを形成してもよい。格子媒体６１５をスキューミラー６０５内に配設してもよく、格子媒体６１５には、スキューミラー６０５（本明細書では体積ホログラフィック光結合素子６０５と称することがある）を形成するときに使用する１つ以上の体積ホログラフィック格子構造（体積ホログラム）が含まれていてもよい。格子媒体６１５は、導波路の１つ以上の基板（例えば、ガラスカバーなどの保護層）６１０に少なくとも部分的又は全体的に囲まれていてもよい。格子構造は、入射光を反射し、回折し、及び／又は分割して、その後も続けて異なる方向に伝搬し得るビーム又は波にし得る光学デバイスであってもよい。格子を格子の回折角度応答によって特徴付けてもよい。回折角度応答は、入射角の小さい変化に応じた光の反射角の変化を表現してもよい。
【０１０７】
格子媒体６１５は、フォトポリマー、光屈折結晶、２色ゼラチン、光−熱−屈折性ガラス、分散ハロゲン化銀粒子含有膜、又は入射干渉パターンに反応して記録する能力を有する他の材料を含み得る。体積ホログラフィック格子構造は、体積位相ホログラムなどのホログラムを含んでいてもよい。複数のホログラムを格子媒体内部体積内に記録してもよく、こうして、複数のホログラムが格子媒体表面の下方に延びてもよい。したがって、これらのホログラムを体積ホログラムと称することがある。いくつかの実装形態では、複数のホログラムはそれぞれ、複数のホログラムの残りのうちの少なくとも１つ（しかしすべてではない）と少なくとも部分的に空間的に重なる。いくつかの例では、複数のホログラムはそれぞれ、他のすべてのホログラムと少なくとも部分的に空間的に重なっている。いくつかの実施形態では、複数のホログラムのうちのいくつかは、他のホログラムのうちのいくつかと空間的に重なっていなくてもよい。
【０１０８】
例えば、空間的に重なっているホログラムは、隣接する格子媒体において２つのホログラムが占有する体積又は共有する空間に対して重なる（例えば、２つの空間的に重なっているホログラムは、格子媒体６１５内の同じ空間又は体積の少なくとも一部を共有するか又は一部内で共存する）。このように、格子媒体６１５内の第１のホログラムの種々の屈折率特性及び関連するフリンジパターンの少なくとも一部は、第２のホログラムの種々の屈折率特性及び付随するフリンジパターンの少なくとも一部と同じ空間又は体積を占有している（及び重なり合っているか又は混ざり合っている）。ホログラムが空間的に重ならない例では、２つのホログラムは、隣接する格子媒体内ではどんな方法によっても交差も重なりもしない。例えば、第１のホログラムを、第２のホログラムから離間して配置された格子媒体６１５の体積部分上に配設してもよい。一部の実施形態では、スキューミラーは、格子媒体６１５内に空間的に重なっているホログラム及び空間的に重なっていないホログラムの両方を含んでいてもよい。
【０１０９】
格子媒体６１５内の各体積ホログラフィック格子構造を、スキューミラー６０５の反射軸について光を反射するように構成してもよい。例示したように、反射軸は軸６２０の一例であってもよい。反射軸は、格子媒体の面法線からずれていてもよい。入射光及びその反射は反射軸によって二分されて、反射軸に対する入射光の内部入射角が反射軸に対する反射光の内部反射角と同じ大きさになっている。すなわち、入射光及びその反射は反射軸について左右対称性を示してもよい。いくつかの実装形態では、格子構造を、複数の入射角と格子媒体の面法線との間の反射角で光を反射するように構成してもよい。
【０１１０】
不可視光源６６０（例えば、ＮＩＲダイオード又はＩＲダイオード）を光学システム６００に含めてもよく、また不可視光源６６０は、導波路を通って以後伝搬する不可視入力光を放出してもよい。放出された不可視光は、可視光スペクトル（とは別個の１つ以上の波周波数スペクトル（例えば、ＮＩＲ光）に対応してもよい。不可視光の空間波周波数は、人間の網膜では少なくとも部分的に検出できない周波数に対応してもよい。また光源又は投光器６４０（例えば、画素の配列を含む画像ディスプレイ、マイクロディスプレイ、プロジェクタなど）を光学システム６００に含めてもよく、また光源又は投光器６４０は可視赤色、緑色、及び青色光の波長を含む可視光を放出してもよい。放出された可視光は、アイボックス６６５に以後表示するために光学システム６００の画像投影に対応してもよい。必要に応じて、いくつかの構成では、ディスプレイ６４０を省略してもよい。
【０１１１】
光源６６０の不可視光をフィルタ６３５（例えば、ダイクロイックフィルタなどの光学フィルタ）に送り、フィルタ６３５によって反射させて、スキューミラー６０５を含む導波路に入力してもよい。光源又は投光器６４０の可視光をフィルタ６３５に通して、スキューミラー６０５を含む導波路に入力してもよい。１つの好適な構成では、フィルタ６３５はスキューミラーであってもよい（例えば、光源６６０からの不可視光とディスプレイ６４０からの可視光とをスキューミラー６０５を含む導波路内に送るために、格子媒体内に１つ以上の体積ホログラフィック格子構造を含んでいてもよい）。ＮＩＲ光の送られた反射率とともに可視光の透過率によって、フィルタ６３５が、光源６４０及び６６０が与えた光モードを組み合わせて、格子媒体６１５の出力カプラ部分に向けての導波及び伝搬に対する入射瞳を形成し、並びにスキューミラー６０５から伝搬する戻り光を分離することができてもよい。一部の場合には、フィルタ６３５は入力光を光学システム６００の導波路に送ってもよい。スキューミラー６０５自体は全般的に、導波路実施形態（例えば、ＴＩＲ導波路）であってもよい。１つ以上のスキューミラー型コンポーネント又はデバイス（例えば、交差カプラ実施形態）によって、導波路内で入力光をガイドして、入力光を反射し、導波路を通して異なる方向に伝搬させてもよい。代替的に、フィルタ６３５は、ＩＲ又はＮＩＲモード及び可視光モードの入力光の伝搬経路に導波することなく、スキューミラー６０５に入力光を送ってもよい。
【０１１２】
入射光はＴＩＲにより、格子媒体６１５の１つ以上の格子構造に向かって伝搬してもよい。一部の場合には、格子媒体６１５は、互いに異なる角度及び波長の組み合わせに対してブラッグマッチした体積ホログラフィック構造を含んでいてもよい。すなわち、格子媒体内で、互いに異なり得る体積ホログラフィック格子構造に基づいて、互いに異なる波長の光が同じ反射軸に沿って反射される。不可視光及び可視光を、格子媒体６１５の１つ以上の構造によって選択的に反射して、外部表示又は照明用にアイボックス６６５に送ってもよい。
【０１１３】
光学システム６００は、格子媒体６１５のほぼ端部に存在している平面で光を反射しているものとして例示されている。しかし、実際には、光は典型的には、特定の平面においてではなく格子構造の全体にわたって反射される。更に、アイボックス６６５に送ることが意図されている各反射光線について、格子媒体６１５の１つ以上の体積ホログラフィック格子構造内の１つ以上の体積ホログラムを、種々の波長の可視光及び不可視光に対して書き込んでもよい。
【０１１４】
ディスプレイ６４０からの可視光をユーザに送って、ユーザの眼を照明してもよい。可視光を、例えば、２次元に（例えば、図３に示すように）拡大してもよい。このようにして、ディスプレイ６４０は、ユーザが視認及び知覚する可視画像を投影してもよい。光源６６０からの不可視光をユーザの眼に向けて送って、ユーザの眼を照明してもよい。不可視光を含む光モードの空間周波数に起因して、光モードが検出又は識別されることなく不可視光はユーザの眼を照明し得る。１つ以上の光モードの照明された不可視光をユーザの眼が反射して、スキューミラー６０５の格子媒体６１５において内結合してもよい。反射した不可視光は、ユーザの眼（例えば、ユーザの網膜、視神経、又は（例えば、図３に示すように１次元に拡大されている）他の生理的特徴）のキャプチャ画像に対応してもよく、またユーザの視認視野を判定する（例えば、視線追跡動作を使用してユーザの視線の方向を追跡する）ために使用してもよい。次にユーザの視認視野を、必要に応じて、画像保持光内の対応するＦＯＶ内の物体に関連付けてもよい。
【０１１５】
格子媒体６１５内の１つ以上の体積ホログラフィック格子構造（例えば、ユーザの眼に不可視光を結合した同じ体積ホログラフィック格子構造又は異なる体積ホログラフィック格子構造）によって、内結合された不可視反射を選択的に反射してもよい。反射した不可視光は、全内部反射によって、スキューミラー６０５を囲む導波路を通って、フィルタ６３５に向かって伝搬してもよい。一部の場合には、格子媒体６１５及びスキューミラー６０５を、光学システム６００の導波路内で囲んでもよく、反射した不可視光をフィルタ６３５に導波路を介して送ってもよい。格子媒体６１５は、結合された光モードの反射した不可視光の伝搬経路に導波することなく、入力光を導波路を通してフィルタ６５０に送ってもよい。
【０１１６】
フィルタ６３５は、反射した不可視光の光モードを選択的に反射して、反射した不可視光を画像化デバイス６５５（例えば、不可視光を受け取るように構成された視線画像化デバイス又はカメラ）に送ってもよい。画像化デバイス６５５を光学システム６００の光路に結合してもよく、画像化デバイス６５５によって、（例えば、経時的にユーザの視線の方向を追跡する視線追跡動作を実行するために）光学システム６００のＦＯＶに関連付けられるユーザの視線特性を判定してもよい。必要に応じて、画像化デバイス６５５は更に又は代替的に、反射した不可視光から取得した生理的情報（例えば、ユーザの網膜についての情報）に基づいて、ユーザの身元を判定してもよい。必要に応じて、ＱＷＰ６４５又はＰＢＳ６５０などの複屈折材料を、光学システム６００内に含まれる１つ以上の光路に含めてもよく、複屈折材料は、画像化デバイス６５５の検出器よりも先に反射不可視光を受け取ってもよい。ＱＷＰ６４５は、反射した不可視光をセグメント化して、光伝搬の平面を調整してもよい（例えば、屈折率に関連付けられる１つ以上の光モードの位相のずれを調整する）。一部の場合には、ＱＷＰ６４５は、反射した不可視光の偏光状態を変換してもよい（例えば、直線偏光から円偏光に、又は逆もまた同様である）。ＰＢＳ６５０は、反射した不可視光を画像化デバイス６５５に送ってもよく、また反射した不可視光と光源６６０が放出した代替的な不可視光とを分離することを助けてもよい。画像化デバイス６５５は、反射した不可視光の外部画像を受け取り、収集してもよく、視線追跡を実行してもよい。画像化デバイス６５５は、投影像のＦＯＶに対するユーザの光学的視線の方向のずれを判定してもよい。方向のずれは、投影像のＦＯＶの基準方位面内での横方向及び長手方向のずれ、並びに基準方位面からの角度及び遠位のずれを、必要に応じて含んでいてもよい。
【０１１７】
図６の例では、ディスプレイ６４０、画像化デバイス６５５、及びコンポーネント６６０がすべて、スキューミラー６０５の下側に動作可能に結合されているが、単に例示的である。必要に応じて、これらのコンポーネントのうちの１つ以上を、スキューミラー６０５の任意の他のエッジに沿って配置してもよい。ディスプレイ６４０及びコンポーネント６６０を、スキューミラー６０５の同じ側に配置する必要はない。例えば、ディスプレイ６４０は、スキューミラー６０５の第１の側に可視光を放出してもよく、コンポーネント６６０は、スキューミラー６０５の第２の側（例えば、第１の側に対向する側又は任意の他の所望の側）に不可視光を放出してもよい。画像化デバイス６５５は、反射した不可視光をスキューミラー６０５の任意の側（例えば、コンポーネント６６０が不可視光を放出する同じ側又は異なる側）から受け取ってもよい。これらのコンポーネントがスキューミラー６０５の異なる側に配置されるシナリオでは、コンポーネント６３５、６４５、及び／又は６５０を必要に応じて省略してもよい。任意の他の所望の光学部品（例えば、レンズ、フィルタ、偏光子など）を使用して、ディスプレイ６４０が放出した可視光とコンポーネント６６０が放出した不可視光とを結合してスキューミラー６０５に入れてもよく、スキューミラー６０５から反射した不可視光を画像化デバイス６５５に送ってもよい。
【０１１８】
図７は、本開示の態様に係る補助画像化の態様をサポートするプロットを示す。プロット７００には、格子大きさ（軸７０５−ａ上に表す）と、具体化された光学システムのスキュー軸に対する内角の角測度（軸７０５−ｂ上に表す）とが含まれる。光学システムは、図６に関連する光学システム６００を参照してもよい。軸７０５−ａの図示した格子大きさを１０７ラジアン／メートル（ｒａｄ／ｍ）で表現してもよい。軸７０５−ｂの図示した内角を度で表現してもよい。
【０１１９】
プロット７００のプロットライン７１０−ｅは波長４０５．０ｎｍにおける記録ビームを表す。例示したプロットライン７１０−ｅは、記録ビームに関連付けられる異なる格子大きさに対応する内角のマッピングを例示する。同様に、プロットライン７１０−ｄ及び７１０−ｃは波長４６８．０ｎｍ及び５１８．０ｎｍのビームを表す。プロット７００には、放出及び反射されたＮＩＲ光モードの結合を実行する手段としての、格子媒体内で用いる１つ以上のＮＩＲ波長スペクトルビームの表現が含まれる。プロットライン７１０−ｂ及び７１０−ａは、ＮＩＲスペクトルの６３８．０ｎｍ波長及び８６０．０ｎｍ波長におけるビームを表す。
【０１２０】
プロット７００内に表したように、また図示したＦＯＶの水平点線で例示するように、投影の１つ以上のより低い空間周波数（例えば、プロットライン７１０−ａ）が、ＮＩＲ視線追跡に対して実施される１つ以上のより高い空間周波数に対応してもよい。その結果、付加的なホログラフィック媒体を必要とすることも、視線機能を行うのに必要な付加的なホログラムを書き込むこともなく、はめ込み表示ＦＯＶのＦＯＶサブセットが視線追跡に対して利用可能であってもよいし、又は必要に応じて、ＩＲに専用のホログラムを同じ媒体層又は別個の層に記録してもよい。
【０１２１】
図８は、スキューミラー補助画像化が組み込まれた光学システム８００の図を示している。光学システム８００をＮＥＤ応用例、ＡＲ応用例、又はＶＲ応用例（例えば、限定することなく、図１のＨＭＤ１００）において用いてもよい。また光学システム８００を、種々の光波又は電磁波結合応用例（例えば、限定することなく、大型スクリーンディスプレイ応用例、光学センサ応用例、及びミリメートル導波路応用例）で用いてもよい。光学システム８００は、格子媒体８１５において選択結合を用いると、導波路の光を特定の場所（例えば、アイボックス８４５）に向けて回折し、その結果、測光効率（例えば、画像輝度）が改善され得る。また光学システム８００は、格子媒体８１５において選択結合を用いて、外部シーンに対応する可視光を内結合してもよい。
【０１２２】
格子媒体８１５をスキューミラー８０５内に配設してもよく、また格子媒体８１５は１つ以上の体積ホログラフィック格子構造を含んでいてもよい。スキューミラー８０５及び格子媒体８１５を、光学システム８００の導波路内に少なくとも部分的に配置してもよい。格子媒体８１５は、導波路の１つ以上の基板（例えば、ガラスカバーなどの保護層）８１０によって少なくとも部分的又は全体的に囲まれていてもよい。格子媒体８１５は、入射光を反射し、回折し、及び／又は分割して、その後も続けて異なる方向に伝搬し得るビーム又は波にし得る。媒体８１５の１つ以上の格子を、格子の回折角度応答によって特徴付けてもよい。回折角度応答は、入射角の小さい変化に応じた光の反射角の変化を表現してもよい。
【０１２３】
格子媒体８１５は、フォトポリマー、光屈折結晶、２色ゼラチン、光−熱−屈折性ガラス、分散ハロゲン化銀粒子含有膜、又は入射干渉パターンに反応して記録する能力を有する他の材料を含み得る。体積ホログラフィック格子構造は、体積位相ホログラムなどの体積ホログラムを含んでいてもよい。複数の体積ホログラムを格子媒体内部体積内に記録してもよく、こうして、格子媒体表面の下方に延びてもよい。いくつかの実装形態では、複数の体積ホログラムはそれぞれ、複数の体積ホログラムの残りのうちの少なくとも１つ（しかしすべてではない）と少なくとも部分的に空間的に重なる。いくつかの例では、複数の体積ホログラムはそれぞれ、他のすべての体積ホログラムと少なくとも部分的に空間的に重なっている。いくつかの実施形態では、複数の体積ホログラムのうちのいくつかは、他の体積ホログラムのうちのいくつかと空間的に重なっていなくてもよい。
【０１２４】
格子媒体８１５内の格子構造をそれぞれ、特定の複数の入射角において、格子媒体８１５の面法線からずれた反射軸について特定の波長の光を反射するように構成してもよい。図６の例に例示したように、反射軸は反射軸６２０と同様であってもよい。反射軸は格子媒体８１５の面法線からずれていてもよい。入射光及びその反射を反射軸によって二分して、反射軸に対する入射光の内部入射角が反射軸に対する反射光の内部反射角と同じ大きさになるようにしてもよい。すなわち、入射光及びその反射が反射軸について左右対称性を示してもよい。いくつかの実装形態では、体積ホログラフィック格子構造を、複数の入射角と格子媒体の面法線との間の反射角で光を反射するように構成してもよい。
【０１２５】
光源又は投光器８３０（例えば、図６のディスプレイ６４０などのディスプレイ）を光学システム８００に含めてもよく、また光源又は投光器８３０は画像投影の画像表示光８３５（例えば、可視光）を放出してもよい。画像表示光８３５は、入射瞳内に形成された光源又は投光器８３０からの入力光に対応してもよく、導波路応用例の入口開口を介して内結合してもよい。導波路は、入射瞳内に含まれる１つ以上の光モードを送ってもよく、モードはＴＩＲによってスキューミラー８０５及び囲まれた格子媒体８１５に向けて伝搬してもよい。一部の場合には、１つ以上のスキューミラー型コンポーネント又はデバイス（例えば、交差カプラの実施形態）によって、導波路において画像表示光８３５をガイドして、光を反射し、導波路を通して異なる方向に伝搬させてもよい。格子媒体８１５は、格子媒体８１５の１つ以上の構造を介して、画像表示光８３５の射出瞳を選択的に反射してもよい。格子媒体８１５は、画像表示光８３５を含む外結合された光モードをアイボックス８４５に送って外部表示させてもよい。一部の場合には、スキューミラー８０５を（例えば、図３に示すように可視光を２次元に拡大するために）含む光デバイス８００の全体にわたって射出瞳拡大及び等化技術を用いてもよい。スキューミラー８０５を、光学システム８００の１つ以上の実施形態と動作可能に結合して、画像表示光８３５の投影されたＦＯＶを拡大してもよい。
【０１２６】
格子媒体８１５は、光学システム８００を囲む外部シーン光８４０を内結合してもよい。外部シーン光８４０には一般的に可視光が含まれていてもよいが、例えば、ユーザが受け取るべきＩＲスペクトルを用いるＡＲ応用例において、不可視光が含まれていてもよい。外部シーン光８４０は、外部シーン又はユーザの視点に対応し得る光学システム８００の付加的な入射瞳を形成してもよい。一部の場合には、格子媒体８１５は、外部シーン光８４０の光モードに対応する角度及び波長の組み合わせに対してブラッグマッチした体積ホログラフィック構造を含んでいてもよい。外部シーン光８４０を、同じ反射軸に沿って、格子媒体８１５の１つ以上の格子構造によって選択的に反射してもよく、また画像化デバイス８２５（例えば、可視光を受け取るように構成された外部シーン画像化デバイス又はカメラ）に送って画像記録を行ってもよい。
【０１２７】
一部の場合には、画像表示光８３５の漂遊画像表示光（すなわち、光の，アイボックス８４５に向けて結合又は反射された出力ではない部分）が、導波路を通って画像化デバイス８２５まで伝搬する場合がある。外部シーン光８４０を、画像化デバイス８２５の検出器に入射する漂遊画像表示光と重ね合わせてもよい。導波路の透過率に少なくとも部分的に基づいて、外部シーン光８４０は漂遊画像表示光と比べて薄暗くてもよい。その結果、フィルタ８２０を、漂遊画像表示光を取り除く手段として画像化デバイス８２５において用いてもよいし、又はフィルタ８２０は、外部シーン光８４０と比べて漂遊画像表示光を再びバランスさせてもよい。例えば、フィルタ８２０は、スキューミラー８０５と同じ波長の光を反射するように構成されたスキューミラーの実施形態を用いてもよい。フィルタ８２０は、外部シーン光８４０から漂遊画像表示光をブロックするために偏光子又はダイクロイック素子を含んでいてもよい。
【０１２８】
それに加えて又はその代わりに、画像化デバイス８２５は、特定の時間において画像表示光８３５に対応する光源又は投光器８３０から画像情報を受け取ってもよい。この画像情報を画像化デバイス８２５が使用して、外部シーン光８４０と一緒に画像化デバイス８２５の検出器に伝搬される任意の残りの漂遊画像表示光を取り除いてもよい。このように、外部シーン光８４０を、画像化デバイス８２５によって、光源又は投光器８３０の投影像に関連付けられた漂遊画像表示光をデジタル的に差し引くことによって正確に判定してもよい。いくつかの例では、光学システム８００は一時的にセグメント化して、又は動作を多重化して、画像化デバイス８２５が外部シーン光８４０の検出及び記録を試みるときに光源又は投光器８３０が画像表示光８３５を放出していないようにしてもよい。これらのメカニズムのうちの１つ以上を光学システム８００が使用して、画像化デバイス８２５によって検出及び／又は記録すべきユーザの視点からの外部シーンの光学的透明性を高めてもよい。また図６のコンポーネント６６０のような不可視光放出コンポーネントを、図８の構成と組み合わせて視線追跡動作を実行してもよい。これらのシナリオでは、図６の画像化デバイス６５５を使用して、ユーザの眼から反射された不可視光を受け取ってもよい。画像化デバイス６５５及びコンポーネント６６０を、スキューミラー８０５の画像化デバイス８２５と同じ側、ディスプレイ８３０と同じ側、又はスキューミラー８０５の別の側に配置してもよい。画像化デバイス６５５及びコンポーネント６６０を、スキューミラー８０５の同じ側に形成する必要はない。必要に応じて、画像化デバイス８２５を使用して、反射した不可視光を受け取って、視線追跡を行ってもよい。別の好適な配置では、画像化デバイス８２５を使用して外部シーン光８４０をキャプチャしてもよく、図６の不可視コンポーネント６６０及び６５５を使用して視線追跡を実行してもよく、ディスプレイ８４０を省略してもよい（例えば、可視光表示、外部シーンの画像化、ユーザの眼上への外部シーン光の透過、及び不可視光を用いた視線追跡の任意の所望の組み合わせを行ってもよい）。スキューミラー８０５内の体積ホログラフィック格子構造は、外部シーン光、投影された可視画像、及び視線追跡用の不可視光を、システム８００内の対応するコンポーネントに送ってもよい。
【０１２９】
図１〜図８に関連して前述した視線追跡動作を、ユーザの眼の画像をキャプチャして分析することによって行ってもよい。画像のキャプチャを、図３の要素３５６内の画像化デバイス、図６の画像化デバイス６５５などを使用して行ってもよい。キャプチャ画像の分析を、ＨＭＤデバイス１００、光学システム３００、光学システム６００などにおける制御回路を使用して行ってもよい。制御回路を、ＨＭＤデバイス１００、光学システム３００、光学システム６００などのコンポーネントを制御するように構成してもよい。制御回路を、ハードウェア及び／又はソフトウェア（例えば、ハードウェア上で実行されるコード）を使用してこれらの動作を実行するように構成してもよい。これらの動作を行うためのコードを、非一時的なコンピュータ可読記憶媒体（例えば、不揮発性メモリ、１つ以上のハードドライブ、１つ以上のフラッシュドライブ、又は他のリムーバブルメディアなど）上に記憶してもよい。記憶媒体上に記憶されたコードを、制御回路の処理回路（例えば、１つ以上のマイクロプロセッサなど）を使用して実行してもよい。
【０１３０】
制御回路は、生理的特徴（例えば、虹彩、角膜、プルキンエ反射、及びユーザの眼の他の特徴）に基づいて視線追跡動作を実行するために画像を分析してもよい。必要に応じて、制御回路はこれらの生理的特徴の画像を使用してユーザＩＤ検証を実行してもよい。網膜の視線追跡には、画像化デバイスがキャプチャしたユーザの網膜の画像を処理することが含まれていてもよい。制御回路は、網膜のサイズ、眼が回転するときの網膜の平行移動、眼が無限大に調節されたときの焦点、導波からのアーチファクト、静脈若しくは他の特徴などの要素を、又は網膜の視線追跡を実行するときの任意の他の所望の要素を処理してもよい。制御回路は以後のフレーム相関技術を使用して相対運動を追跡してもよいし、調節に対するブラーカーネルを推定してもよく、絶対追跡（例えば、画像を網膜マップと比べる、レコニングフィルタを実行する、較正ルーチンなど）を実行してもよく、及び／又は網膜の視線追跡を行うときに他の処理ステップを実行してもよい。網膜は、眼の外側から見ると、眼が無限大に調節されたときにアフォーカル像空間にあるという事実によって、網膜の視線追跡を容易にしてもよい。これは、網膜上の像点に対応する光線束が眼の外側でコリメートされ、導波路を通って結合されて、平坦なスキューミラーカプラを使用して高品質画像を形成し得ることを意味する。眼が別の焦点距離に調節されている場合には、何らかのブラー又は他の光学的効果が画像に導入される場合がある。いくつかの実施形態では、網膜追跡アルゴリズムはこのブラーに対して堅固である。いくつかの実施形態では、ブラー又はブラーカーネルの量をアルゴリズム的に推定して、ユーザの眼の調節を判定してもよい。いくつかの実施形態では、図１〜図８に関連して説明したタイプのスキューミラーベースのＮＥＤを用いた網膜の視線追跡に、他の技術を適用してもよい。いくつかの実施形態では、網膜像を使用してユーザＩＤ検証を行ってもよい。
【０１３１】
視線追跡アルゴリズムに加えて、制御回路は他の処理アルゴリズムを実行してもよい。いくつかの実施形態では、網膜像の間の相互相関を行ってもよい。異なる時間に取った網膜像間の相互相関を使用して、その時間間隔における眼球運動の方向及び／又は大きさを推定することができる。いくつかの実施形態では、計算を減らすために、網膜像は低解像度であってもよいし、又は画像検出器と比べて解像度が低減されていてもよい。いくつかの例では、相互相関の回数を最小限にしてもよい（例えば、上方向、下方向、右方向、及び左方向での単一画素シフトのみを含む）。相互相関の回数が少なければ、方向及び距離を適切に推定しながら、計算を減らし得る。いくつかの例では、相互相関処理は、光学式マウス追跡に対して用いるものと似ている場合がある。相互相関プロセスによって相対的な視線追跡信号が得られる場合がある。相対的な視線追跡を使用して、推測航法のプロセスによる絶対的な視線方向推定を更新してもよい。
【０１３２】
視線追跡を行うために、網膜を表すマッピングを形成して保持してもよい。網膜マップを、較正アルゴリズムによって、例えば一連の較正対象を凝視するようにユーザに指示を出すことによって、形成してもよい。またユーザが他の活動に参加している間に、網膜マップを受動的に形成又は更新してもよい。網膜マップを更にユーザＩＤ検証に対して使用してもよい。視線追跡器は、画像マッチング技術を用いて網膜マップ内での現在の網膜像の位置を特定してもよく、その結果、絶対的な視線方向が判定される。
【０１３３】
ユーザがまっすぐ前方を凝視しているときに視神経が視認されるように、網膜像の領域を選択してもよい。視神経は網膜追跡にとって良好な対象であり得る。なぜならば、画像マッチングを容易にする血管及び他の粗い特徴に近いからである。視神経は盲点に対応しており、ＮＩＲ光による照明にとって生物学的により安全な対象となり得る。
【０１３４】
いくつかの実施形態では、制御回路は相対的及び絶対的な視線方向キューを組み合わせて、デジタルフィルタを用いてより正確な視線方向推定を形成してもよい。デジタルフィルタはカルマンフィルタと似ていてもよい。カルマンフィルタは、ノイズが多く、かつ／又は断続的である絶対及び相対位置信号を組み合わせて、精度の向上の推定を形成することができる。カルマンフィルタは、断続的な網膜マップマッチングを相対的な視線追跡信号と同様の方法で組み合わせてもよい。カルマンフィルタは、例えば、現在の視線方向推定の概ね近傍にある表示アイコンをユーザが凝視している可能性に確率増加を付加することによって、他の知られた情報を利用し得る。
【０１３５】
前述したように、平坦なスキューミラーカプラによって、眼が無限大に調節されたときに導波路を通して網膜の焦点画像を与えてもよい。いくつかの実施形態では、非平坦なスキューミラーカプラを用いてもよい。例えば、１ジオプトリー度を伴うスキューミラーカプラは、眼が焦点距離１メートルに調節されたときに網膜の焦点画像を形成し得る。最適な焦点深度を、推定した環境により、又は表示したＡＲシーンのそれにマッチする焦点深度により、選択してもよい。いくつかの実施形態では、複数のスキューミラーカプラを１つ以上の導波路内で用いて複数の焦点面を与える。
【０１３６】
眼球表面の視線追跡を用いる場合には、スキューミラーから眼までの距離にほぼマッチする焦点距離を伴う度数の高いスキューミラーカプラを使用してもよい。例えば、焦点距離が２５ｍｍのスキューミラーカプラによって、虹彩上の点から放出された光をコリメートしてもよく、その結果、光が平面波として導波路を通って伝搬して、光検出器において鮮明な画像を形成することが可能になる。別の場合では、外部レンズを使用して、虹彩上の点から放出された光をコリメートしてもよい。
【０１３７】
実際には、透明なＮＥＤでは、投影されたシーンを伴う現実世界のシーンを閉鎖することはできない場合がある。光は典型的に、背景視界に加えることができるだけであり、差し引くことはできない。そのため、投影シーンは透明のように見える傾向があり、特に明るめの背景シーンに暗めの投影シーンが重なった場合である。いくつかの実施形態では、この効果は、所望のＡＲシーンから背景シーンを差し引いて、所望のシーン自体ではなくてこの差異シーンを投影することによって、軽減される場合がある。したがって、ユーザは背景と差異シーンの重ね合わせを見る。これは、所望のシーンを直接投影した場合よりも所望のシーンに酷似し得る。例えば、所望のシーンは黄色だが、背景には赤色の帯域が含まれていると仮定する。黄色シーンを直接投影すると、ユーザはオレンジ色（赤色＋黄色＝オレンジ色）の帯域を知覚することになる。しかし、所望の黄色シーンから赤色の帯域を差し引くと、緑色の帯域を伴う差異シーンが得られる。この差異シーンを、赤色の帯域を伴う背景に加えると、要望どおりの一様な黄色シーンが生成されて（赤色＋緑色＝黄色）、赤色帯域の知覚が隠される。
【０１３８】
明るめの背景シーンに暗めの投影シーンが重なっている場合、差異シーンに対する値の一部は負となる場合がある。これは、負の輝度値を投影することはできないため完全な逆閉鎖はできない領域を示している。このような場合、制御回路は負値を切り捨ててゼロにしてもよい。いくつかの実施形態では、制御回路は更なる処理ステップ（例えば、所望のシーンを明るくするか又はその色を変える）を適用して、この制限を緩和してもよい。
【０１３９】
逆閉鎖は、差し引くべき背景シーンを推定する必要がある。いくつかの実施形態では、視認者の眼の付近に配置したカメラによって背景画像を得てもよい。しかし、視差効果によって、閉鎖効果を低下させる差異が視野角に導入される場合がある。いくつかの実施形態では、相互視点画像化を使用して、ユーザの眼の視認位置の非常に近くから背景シーンを形成してもよく、視差低下が減る。
【０１４０】
カメラから得た背景画像をデジタル的に前処理して、閉鎖効果を向上させてもよい。例えば、差し引いた画像が、ユーザの眼が知覚する背景シーンの色及び輝度に最適にマッチするように、画像の色及び輝度をスケール変更してもよい。背景シーンを隠して特定のＡＲシーン領域でのみ閉鎖を行ってもよい。いくつかの例では、背景画像を空間的にフィルタリングしてもよい。例えば、背景画像を空間的にローパスフィルタ処理して、実際の背景シーンと良好に位置合わせしそうもない細かいことを抑えてもよい。相互視点背景画像を用いる場合には、画像をフィルタ処理して、導波路を通る画像化によって生じるアーチファクトを減らしてもよい。
【０１４１】
応用例によっては、逆導波路画像化をシステム（ＮＥＤを含むか又は含まない）で用いることを、単純に大きな開口から光を集められるという理由で行ってもよい。例えば、１２インチスキューミラー導波路カプラを用いるカメラだと、１２インチレンズを伴うカメラと同じ量の光を集め得るが、はるかに小さくてパッケージが安価であると思われる。他の応用例では、逆導波路を非画像化応用例において用いてもよい、例えば、例として、照明用、計測用、又は太陽光発電用の光収集器としてである。
【０１４２】
これらの方法は可能な実装形態を説明するものであり、動作及びステップは、他の実装形態が可能になるように再配置されてよく、そうでなければ変更されてよいことに留意されたい。いくつかの例では、２つ以上の方法からの態様が組み合わされ得る。例えば、方法の各態様は、他の方法のステップ又は態様、あるいは本明細書で説明した他のステップ又は技術を含み得る。
【０１４３】
本明細書では種々の実施形態について説明及び例示してきたが、本明細書で説明した機能を行い並びに／又は結果及び／若しくは優位点の１つ以上を取得するための他の手段及び／又は構造を使用してもよく、このような変形及び／又は変更はそれぞれ、本明細書で説明した実施形態の範囲内であるとみなされる。より一般的には、本明細書で説明したすべてのパラメータ、寸法、材料、及び構成は単に例示的であり、実際のパラメータ、寸法、材料、及び／又は構成は、実施形態を用いる特定の応用例又は応用例に依存し得る。実施形態を任意の所望の組み合わせで実施してもよい。また、種々のコンセプトを、例を示した１つ以上の方法、デバイス、又はシステムとして具体化してもよい。方法又は動作の一部として行う行為を、任意の好適な方法で順序付けてもよい。したがって、実施形態を、図解されたものと異なる順序で動作を遂行するように構成してもよく、実施形態においては順次動作として示されていても、複数の動作を同時に遂行することも含み得る。本明細書で使用する場合、１つ以上の要素のリストに関する「少なくとも１つの〜」という句は、要素のリスト内の任意の１つ以上の要素から選択された少なくとも１つの要素を意味するものであるが、要素のリスト内に具体的に列記されたすべての要素のうちの少なくとも１つを必ずしも含むわけではなく、また要素のリスト内の要素の任意の組み合わせを除外しないことを理解されたい。移行句、例えば「備える」、「含む」、「保持する」、「有する」、「含有する」、「伴う」、「保持する」、「からなる」などはオープンエンドであると、すなわち、含んでいるが限定されないことを意味すると理解されたい。「ほぼ」という用語は、所与の値の±１０％を参照するものである。
【０１４４】
「反射軸」という用語は、入射光の、その反射に対する角度を二分する軸を参照するものである。入射光の、入射角の反射軸に対する絶対値は、反射軸に対する入射光の反射の反射角の絶対値に等しい。既存のミラーに関して、反射軸は面法線と一致する（つまり、反射軸はミラー表面に対して垂直である）。逆に、体積ホログラフィック格子構造及びスキューミラーの実装形態は、反射軸が面法線と異なっていてもよいし、一部の場合には、反射軸が面法線と一致していてもよい。反射軸角度を、入射角をその対応する反射角に加えて、結果として得られる合計を２で割ることによって判定することができる。入射角及び反射角は、平均値を得るために使用される複数の（一般に３回以上の）測定で実験的に判定され得る。
【０１４５】
この開示では、「回折」が通常は適切な用語と考えられ得るいくつかの場合において、「反射」及び類似の用語が使用されている。この「反射」の使用は、スキューミラーが発揮するミラー状の特性と合致し、混乱を招く可能性のある用語法を回避するのに役立つ。例えば、格子構造が入射光を「反射する」ように構成されていると言う場合、言い換えれば、格子構造は入射光を「回折する」ように構成されている。なぜならば、格子構造は全般的に、回折によって光に作用すると考えられるからである。しかしながら、「回折させる」という用語をそのように使用すると、「入射光が実質的に一定の反射軸を中心として回折される」などといった表現をもたらすことになり、紛らわしくなる恐れがある。したがって、入射光が格子構造によって「反射された」と言う場合、実際には格子構造が回折メカニズムによって光を「反射している」。
【０１４６】
「ホログラム」及び「ホログラフィック格子」という用語は、複数の交差する光ビーム間の干渉によって発生した干渉パターンの記録を参照するものである。いくつかの例では、ホログラム又はホログラフィック格子は、それぞれが露光時間にわたって不変のままである複数の交差する光ビーム間の干渉によって発生され得る。他の例では、ホログラムが記録されている間に、格子媒体上の複数の交差する光ビームの少なくとも１つの入射角が変化する場合、及び／又はホログラムが記録されている間に波長が変化する場合（例えば複素ホログラム又は複素ホログラフィック格子）、複数の交差する光ビーム間の干渉によってホログラム又はホログラフィック格子が発生し得る。
【０１４７】
「正弦曲線の体積格子」という用語は、体積領域の全体にわたって実質的に正弦曲線のプロファイルで調整された屈折率などの光学的性質を有する光学部品を参照するものである。それぞれの（簡単な／正弦曲線の）格子は、ｋ空間における単一の相補的なベクトル対（又はｋ空間における実質的に点状の相補的な対の分布）に対応する。「入射瞳」という用語は、結像光学系に入る光線を、その最小サイズで通す実開口又は仮想開口を参照するものである。「アイボックス」という用語は、領域の輪郭を描く２次元領域を参照するものであり、ここにおいて、人間の瞳は、格子構造からの所定距離において図の全視野を観察するように置かれ得る。「瞳距離」という用語は、格子構造と、対応するアイボックスの間の所定距離を参照するものである。「射出瞳」という用語は、結像光学系から出る光線を、その最小サイズで通す実開口又は仮想開口を参照するものである。使用において、結像光学系システムは、典型的には、光線を画像キャプチャ手段の方へ向けるように構成される。画像キャプチャ手段の例として、ユーザの眼、カメラ、又は他の光検出器が挙げられるが、これらに限定されない。
【０１４８】
一実施形態によれば、視線追跡を行うための光学システムであって、不可視光を放出するように構成された光源と、光源に動作可能に結合され、第１及び第２の導波路表面を有する導波路と、第１の導波路表面と第２の導波路表面との間に配設された体積ホログラフィック光結合素子と、を含み、体積ホログラフィック光結合素子は、格子媒体と、格子媒体内の体積ホログラフィック格子構造であって、格子媒体の面法線からずれた反射軸について不可視光を反射するように構成されている、体積ホログラフィック格子構造と、を含む光学システムが提供される。
【０１４９】
別の実施形態によれば、体積ホログラフィック光結合素子は、導波路から不可視光を出力して、導波路から出力された不可視光の反射バージョンをように構成され、電子デバイスは、画像化デバイス受け取るであって、体積ホログラフィック光結合素子は、不可視光の反射バージョンを画像デバイスに向けて送るように構成されている、画像化デバイスを更に含む。
【０１５０】
前述の実施形態の任意の組み合わせによれば、光学システムは、導波路と光源と画像化デバイスとの間に動作可能に結合された偏光ビームスプリッタであって、光源が放出した不可視光から不可視光の反射バージョンを分離するように構成されている、偏光ビームスプリッタを更に含む。
【０１５１】
前述の実施形態の任意の組み合わせによれば、光学システムは、導波路と偏光ビームスプリッタとの間に動作可能に結合された４分の１波長板であって、不可視光の反射バージョンを導波路から偏光ビームスプリッタまで運ぶように構成されている、４分の１波長板を更に含む。
【０１５２】
前述の実施形態の任意の組み合わせによれば、光源は赤外光源を含み、不可視光は赤外光を含んでいる。
【０１５３】
前述の実施形態の任意の組み合わせによれば、光学システムは、導波路に動作可能に結合され、可視光を放出するように構成されたディスプレイを更に含み、体積ホログラフィック光結合素子は、格子媒体内の付加的な体積ホログラフィック格子構造であって、反射軸について可視光を反射するように構成された付加的な体積ホログラフィック格子構造を更に備える。
【０１５４】
前述の実施形態の任意の組み合わせによれば、光学システムは、導波路に動作可能に結合され、不可視光から可視光を分離するように構成された光学フィルタを更に含んでいる。
【０１５５】
前述の実施形態の任意の組み合わせによれば、光学フィルタは、ダイクロイックフィルタ、偏光子、付加的な体積ホログラフィック光結合素子からなる群から選択されるコンポーネントを含む。
【０１５６】
前述の実施形態の任意の組み合わせによれば、光学システムは、付加的な画像化デバイスを更に含み、体積ホログラフィック光結合素子は、光学システムの外部から受け取った光を付加的な画像化デバイスに向けて送るように構成されている。
【０１５７】
前述の実施形態の任意の組み合わせによれば、光学システムは、可視光を放出するように構成されたディスプレイを更に含み、体積ホログラフィック光結合素子は、可視光と不可視光とを結合して光学システムの射出瞳に入れるように構成されており、体積ホログラフィック光結合素子は、可視光に対して射出瞳を２次元に拡大するように構成されている。
【０１５８】
前述の実施形態の任意の組み合わせによれば、体積ホログラフィック光結合素子は、不可視光に対して射出瞳を１次元に拡大するように構成されている。
【０１５９】
前述の実施形態の任意の組み合わせによれば、体積ホログラフィック光結合素子は、可視光に対して射出瞳を２次元に拡大する交差カプラを含み、体積ホログラフィック光結合素子は、不可視光に対して射出瞳を１次元に拡大する出力カプラを備えている。
【０１６０】
前述の実施形態の任意の組み合わせによれば、光学システムは、可視光を放出するように構成されたディスプレイを更に含み、体積ホログラフィック光結合素子は出力カプラと交差カプラとを備える。
【０１６１】
前述の実施形態の任意の組み合わせによれば、導波路は、不可視光と可視光とを所与の方向に伝搬させるように構成されており、交差カプラは、可視光が導波路を通って伝搬するときに可視光を反射して光学システムの２次元アイボックスに入れるように構成されており、出力カプラは、不可視光が導波路を通って伝搬するときに不可視光を反射して２次元アイボックスに入れるように構成されている。
【０１６２】
一実施形態によれば、外部シーンを画像化するための光学システムであって、可視光を放出するように構成されたディスプレイと、体積ホログラフィック光結合素子であって、格子媒体と、格子媒体内の体積ホログラフィック格子構造であって、所与の入射角において、外部シーンからの可視光の第１の部分を透過し、外部シーンからの可視光の第２の部分を、格子媒体の面法線からずれた反射軸について反射するように構成されている、体積ホログラフィック格子構造と、を備える体積ホログラフィック光結合素子と、体積ホログラフィック光結合素子に動作可能に結合された画像化デバイスであって、体積ホログラフィック格子構造によって反射された可視光の第２の部分に応じて画像データを生成するように構成されている、画像化デバイスと、を含む、光学システムが提供される。
【０１６３】
別の実施形態によれば、光学システムは更に、第１及び第２の導波路表面を有する導波路を更に含み、体積ホログラフィック光結合素子は第１の導波路表面と第２の導波路表面との間に配設されている。
【０１６４】
前述の実施形態の任意の組み合わせによれば、体積ホログラフィック格子構造は、反射軸について不可視光を反射するように更に構成されている。
【０１６５】
一実施形態によれば、電子デバイスであって、アイボックスと、不可視光を放出するように構成された光源と、可視光を放出するように構成されたディスプレイと、光源とディスプレイとに動作可能に結合され、第１及び第２の導波路表面を有する導波路と、第１の導波路表面と第２の導波路表面との間に配設された光結合素子であって、可視光と不可視光とをアイボックスに向けて送るように構成されている、光結合素子と、を含み、光結合素子は、媒体と、媒体内の第１の体積ホログラフィック格子構造であって、第１の入射角において、媒体の面法線からずれた第１の反射軸について不可視光を反射するように構成されている、第１の体積ホログラフィック格子構造と、格子媒体内の第２の体積ホログラフィック格子構造であって、第１の体積ホログラムと少なくとも部分的に重なり、第１の入射角とは異なる第２の入射角において、媒体の面法線からずれた第２の反射軸について可視光を反射するように構成されている、第２の体積ホログラフィック格子構造と、を含む、電子デバイスが提供される。
【０１６６】
別の実施形態によれば、電子デバイスは、画像化デバイスであって、光結合素子は、アイボックスから導波路に結合された不可視光の反射バージョンを受け取るように構成されており、光結合素子は、不可視光の反射バージョンを画像化デバイスに向けて送るように構成されており、画像化デバイスは、不可視光の反射バージョンに応じて画像データを収集するように構成されている、画像化デバイスを更に含む。
【０１６７】
前述の実施形態の任意の組み合わせによれば、電子デバイスは、導波路に動作可能に結合された光学フィルタであって、光源が放出した不可視光を導波路に向けて送り、不可視光の反射バージョンを画像化デバイスに向けて送り、可視光をディスプレイから導波路に送るように構成されている、光学フィルタを更に含む。
【０１６８】
前述は、単なる例示に過ぎず、説明された実施形態に対して多様な変更を行うことができる。前述の実施形態は、個別に又は任意の組み合わせで実施することができる。
【図１】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図３】
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【図４】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【国際調査報告】
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